DE4421053A1 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein
optisches System, insbesondere eine mikrolithographische
Projektions-Belichtungsanlage mit zwei Axicons.
Aus W.N. Partlo et al., SPIE Vol. 1927, Optical/Laser
Microlithography VI (1993), pp. 137-157 (Fig. 19, 20) ist eine
gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung bekannt, bei der im
kollimierten Strahlengang zwischen zwei Linsen im Bereich
zwischen Lichtquelle und Lichtintegrator zwei Axicons
angeordnet sind, eines konkav, eines konvex, mit ebenen zweiten
Grenzflächen. Zur optimalen Ausleuchtung verschiedener
Ringfeldblenden kann ihr Abstand von Null aus variiert werden,
es kann also auch konventionelle Beleuchtung gemacht werden.
Aus EP 0 564 264 A1 ist es bekannt, zur Erzeugung einer
Ringfeldbeleuchtung bei Wafer-Steppern eine konische Linse -
ein Axicon - einzusetzen, bzw. zur Erzeugung einer
Multipolbeleuchtung Pyramiden-Prismen (Fig. 7, 8). Auch die
Anordnung von zwei Axicons ist dabei (Fig. 17, 19) bekannt, die
zwei Axicons sind jedoch durch andere optische Elemente
getrennt. Die konischen oder pyramidenförmigen Flächen sind
beide konvex.
Die Brauchbarkeit auch konkav konischer Bauelemente in diesem
Zusammenhang ist in JP 5/251 308 A offenbart.
EP 0 346 844 A1 zeigt die Verwendung von Paaren konvex
konischer Linsen, deren Spitzen einander entgegengesetzt
gerichtet sind, zur Beleuchtungs-Strahlaufspaltung für die
Punktabbildung mit Überauflösung.
Aus US 5 208 629 ist für die Beleuchtung eines Wafer-Steppers
die Verwendung von Pyramiden- oder Kegel-Axicon-Linsen, auch
als konvex konkave Form, zur verlustarmen Bereitstellung einer
symmetrischen schiefen Beleuchtung (Multipolbeleuchtung)
bekannt. Eine Zoom-Funktion ist nicht damit verbunden.
Zoomsysteme zur Variation des Kohärenzgrades werden in
Beleuchtungssystemen für Waferstepper mit Wabenkondensoren der
Firma ASM-L aus den Niederlanden seit 1987 eingesetzt.
Aus US 5 237 367 ist die Verwendung eines Zoom in der
Beleuchtungseinrichtung eines Wafer-Steppers zur verlustfreien
Einstellung des Kohärenzgrads σ bekannt, und zwar bei
konventioneller Beleuchtung.
Aus US 5 245 384 ist ein afokales Zoomsystem für die
Beleuchtung bei Wafer-Steppern bekannt, mit dem der
Kohärenzfaktor σ verlustarm angepaßt werden kann. Ein Axicon
ist nicht vorgesehen.
EP 0 297 161 A1 gibt für eine Projektions-Belichtungsanlage mit
Lichtleiter-Glasstab im Beleuchtungs-Strahlengang an, daß nach
dem Glasstab ein Verlaufsfilter angebracht werden kann. Dies
dient offenbar der weiteren Homogenisierung, nicht der
Abblendung.
Die immer weiter fortschreitende Annäherung an die Auflösungs-Grenzen
der optischen Projektion für die lithographische
Mikrostrukturierung bringt das Erfordernis mit sich, daß die
Beleuchtung entsprechend den Strukturen der einzelnen Vorlagen
optimiert werden muß, das heißt, optimierte Ringfeld- oder
Quadrupol-Beleuchtung und andere müssen eingestellt werden
können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine besonders flexibel
veränderbare Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die durch
Verstellen von Elementen, ohne Austausch, und mit möglichst
hohem Wirkungsgrad, eine Vielzahl von Beleuchtungsmodi
ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine gattungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung, bei der die zwei Axicons in einem
Zoom-Objektiv integriert sind und ihr Abstand verstellbar ist.
Die so erreichte Flexibilität bei der Gestaltung des
Lichtbündel-Querschnitts wird durch die Ausführung der Axicons
mit gleichem Spitzenwinkel und die mögliche Reduzierung des
Abstands der beiden Axicons bis zur Berührung gemäß den
Unteransprüchen 2 und 3 optimiert. Insbesondere kann dann der
Grenzfall der konventionellen Beleuchtung dargestellt werden.
Sind die Axicons konisch, so eignet sich die Anordnung
besonders für Ringfeldbeleuchtung. Mit pyramidenförmigen
Axicons wird dagegen eine Multipol-Beleuchtung optimiert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach den Ansprüchen 6 und 7
die zweiten Grenzflächen der Axicons eine Linsenwirkung haben
und so das Zoom-Objektiv kompakter und einfacher im Aufbau
wird.
Anspruch 8 beschreibt den besonderen Vorteil der
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung, daß nämlich
konventionelle, Ringfeld- oder Multipolbeleuchtung sehr
variabel einstellbar sind.
Vorteilhaft in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
integriert wird nach Anspruch 8 und 9 ein Glasstab als
Lichtintegrator, an dessen Austritt ein Maskierungssystem
angeordnet ist. Ein Reticle-Maskierungs-System direkt am
Reticle, das besonders wenn es verstellbar sein soll dort
problematisch ist, oder ein eigenes Zwischenabbildungs-System
für ein Reticle-Maskierungssystem werden damit eingespart und
der Bauaufwand wird bei gleichzeitig hoher Qualität vermindert.
Die Anordnung des üblichen Verschlusses außerhalb des Fokus des
Lampenspiegels ist eine generelle Zusatzmaßnahme zur
Verbesserung der Homogenität der Beleuchtung, welche sich in
Kombination mit den übrigen Merkmalen der Erfindung besonders
bewährt.
Es wird mit der beschriebenen Beleuchtungseinrichtung möglich,
die verschiedenen obengenannten Beleuchtungsarten einzustellen,
ganz ohne Blenden zur Formung des Lichtbündels nach dem
Lichtintegrator, die für verschiedene Beleuchtungsarten
verstellbar oder wechselbar sein müßten. Die gesamte Formung
geschieht durch Verstellen des Zoom-Axicon-Objektivs, was
optimal dafür geeignet ist, um von einem Computer
programmgesteuert zu erfolgen. Die hierbei erreichte Qualität
der einzelnen Beleuchtungsmodi kann durch vermehrten Aufwand
für die Zoom/Axicon-Baugruppe noch signifikant gesteigert
werden.
Feste Blenden zur Unterdrückung von Streulicht und ähnlichem
sind natürlich an jeder vorteilhaften Stelle im Strahlengang
möglich.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung;
Fig. 2a eine Ausführung des in Fig. 1 enthaltenen
Zoom-Axicon-Objektivs als Linsenschnitt bei auf Abstand
Null zusammengerückten Axicons;
Fig. 2b das selbe wie Fig. 2a, jedoch mit getrennten
Axicons;
Fig. 3 den Intensitätsverlauf als Funktion des Radius in der
Pupillenzwischenebene für verschiedene Zoom- und
Axicon-Positionen der Anordnung nach Fig. 2a und 2b;
Fig. 4a ein anderes Ausführungsbeispiel schematisch;
Fig. 4b ein anderes Ausführungsbeispiel schematisch;
Fig. 4c ein anderes Ausführungsbeispiel schematisch;
Fig. 4d ein anderes Ausführungsbeispiel schematisch.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung für die Projektions-Lithographie bei
Auflösungen bis zu Bruchteilen von 1 µm, z. B. für die
Herstellung integrierter Schaltkreise.
Eine Lampe (1), eine Quecksilber-Kurzbogenlampe für die
i-Linie von 365 nm Wellenlänge, ist im einen Brennpunkt eines
elliptischen Spiegels (12) angeordnet, der das emittierte Licht
im zweiten Brennpunkt (121) sammelt.
Abweichend von der Regel ist der Verschluß (13) außerhalb des
Brennpunktes (121) angeordnet, und zwar ist der Abstand zum
Scheitel des elliptischen Spiegels (12) etwa 5% bis 20%,
vorzugsweise 10%, größer als der Abstand des Brennpunkts (121)
zum Scheitel. Dadurch wird erreicht, daß die hier gebildete
sekundäre Lichtquelle homogener wird und die partiell kohärente
Wirkung der Beleuchtung auf die optische Abbildung verbessert
wird. Ein extra Misch-System zu diesem Zweck kann damit
eingespart werden. Diese Maßnahme ist auch bei einer sonst
konventionellen Beleuchtungseinrichtung sinnvoll.
Das folgende Objektiv (2) besteht aus einer ersten Linsengruppe
(21), dem konkaven ersten Axicon (22), dem konvexen zweiten
Axicon (23) und einer zweiten Linsengruppe (24). Stellmittel
(231) und (241) erlauben die axiale Verschiebung eines Axicons
(23) und eines Elements der zweiten Linsengruppe (24). Damit
kann sowohl der Abstand der Axicons (22, 23) untereinander
verstellt werden und somit der Ringfeldcharakter verändert
werden, als auch eine Zoom-Wirkung zur Veränderung des
ausgeleuchteten Pupillendurchmessers, also des Kohärenzgrads
(sigma), erreicht werden.
Nach der Pupillenzwischenebene (3) folgt ein zweites Objektiv
(4), mit dem das Licht in den Glasstab (5) von ca. 0,5 m Länge
eingekoppelt wird. Der Ausgang des Glasstabs (5) ist eine
Zwischenfeldebene, in der ein Maskierungssystem (51) angeordnet
ist, das anstelle konventioneller REMA- (reticle masking)
Systeme eingesetzt wird. Die sonst übliche Schaffung einer
zusätzlichen Zwischenfeldebene für das REMA-System mit
aufwendigen Linsengruppen wird eingespart.
Das folgende Objektiv (6) bildet die Zwischenfeldebene mit dem
Maskierungssystem (51) auf das Reticle (7) (Maske,
Lithographievorlage) ab und enthält eine erste Linsengruppe
(61), eine Pupillen-Zwischenebene (62), in die Filter oder
Blenden eingebracht werden können, zweite und dritte
Linsengruppen (63 und 65) und dazwischen einen Umlenkspiegel
(64), der es ermöglicht, die große Beleuchtungseinrichtung (ca.
3 m Länge) horizontal einzubauen und dabei das Reticle (7)
waagerecht zu lagern.
Der für alle Ausführungsformen gemeinsame Teil der
Beleuchtungseinrichtung ist das Objektiv (2), welches in der
Fig. 2a für ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. In der
Tabelle 1 sind dafür die Linsendaten angegeben.
Die erste Linsengruppe (21) enthält zwei Linsen mit den Flächen
(211, 212, 215, 216) und zwei Planplatten mit den Flächen (213,
214 und 217, 218), welche als Filter ausgebildet werden können.
Die beiden Axicons (22 und 23) haben gleiche Kegelwinkel α und
können daher wie in dieser Fig. 2a dargestellt, bis auf
Berührung zusammengeschoben werden. Die Axicons (22, 23) haben
in dieser Stellung keine Wirkung der Kegelflächen (222, 231)
und bilden zusammen eine einfache Linse, da ihre zweiten
Grenzflächen (221, 232) gekrümmt sind. Diese Linse ist von
Bedeutung für die Korrektur des Objektivs 2, der Strahlengang
an dem Axicon (22, 23) ist nicht kollimiert. Die Linse (24) ist
axial verschieblich und macht die Anordnung zu einem
Zoom-Objektiv konventioneller Bauart. Damit kann konventionelle
Beleuchtung mit veränderlichem Pupillendurchmesser in der
Pupillenebene (3), also mit veränderlichem Kohärenzfaktor a
vorzugsweise im Bereich 0,3 bis 0,8 dargestellt werden. Aber
natürlich ist vorgesehen, die beiden Axicons (22, 23) mit dem
Stellmittel (231) auf einen gewünschten Abstand
auseinanderzufahren.
Ein solcher Fall ist in Fig. 2b dargestellt, die ansonsten
völlig Fig. 2a entspricht.
Die zweite Linsengruppe (24) ist als eine einzelne bikonkave
Linse mit den Flächen (241 und 242) ausgebildet. Die Fokusebene
(121) der Lichtquelle (1, 12) und die Pupillenebene (3) sind in
den Fig. 2a, 2b ebenfalls dargestellt.
Fig. 3 zeigt den Intensitätsverlauf (I) des Lichts als
Funktion von r/r₀ in der Pupillenebene (3) für verschiedene
Stellungen des Axicons (23) und der Linse (24). Die Kurve A
gilt für die Stellung gemäß Fig. 2a, die Kurve B gilt für eine
Stellung, bei der ausgehend von Fig. 2a die Linse (24)
weitgehend an das Axicon (23) gerückt ist. Die Kurve C gilt für
die von den Axicons (22, 23) geprägte Stellung der Fig. 2b. Die
Distanz d23 (222-231) - also der Abstand der Axicons (22, 23) -
bestimmt dabei die verstärkte Ausprägung der Ringfeld
beleuchtung mit zentraler dunkler Scheibe. Letztere wächst mit
zunehmender Distanz. Die Distanz d24 (242-3) bestimmt die
Zoom-Wirkung, also den Gesamt-Durchmesser des Beleuchtungsflecks in
der Pupillenebene (3). Die Ringfeldbeleuchtung hat einen hohen
Wirkungsgrad, da sie ohne Ausblenden der mittleren Scheibe
erzeugt wird. Ein (kleiner) dunkler Fleck auf der Achse bleibt
auch bei ganz vereinigten Axicons (22, 23) gewöhnlich wegen der
Bauform der Lampe (1) und des Hohlspiegels (12). Das ist
zugleich bewußt gewollt und schafft Raum für die Unterbringung
von Hilfssystemen, zum Beispiel für Fokussier- und Positionier
systeme.
Zu einer Multipol-Beleuchtung (symmetrische schiefe Beleuch
tung) gelangt man, wenn in die Pupillenebene (3) oder eine dazu
äquivalente Ebene der Beleuchtungseinrichtung eine Mehrloch-Blende
eingefügt wird, die aus dem Ringfeld z. B. nur vier
Bündel durchläßt.
Besondere Beleuchtungsgeometrien lassen sich auch durch
abweichende Formgebung der Axicons (22, 23), welche z. B.
Quadrupolbeleuchtung pyramidenförmig mit quadratischer
Grundfläche sein können, erzielen und unterstützen.
Weitere Varianten von erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrich
tungen werden in den Fig. 4a bis 4d dargestellt. Gleiche
Teile haben dabei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1.
Fig. 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Glasstab
(5) der Fig. 1 durch einen Wabenkondensor (50) ersetzt ist.
Dies ist eine Alternative, die u. a. die Baulänge verringert.
Allerdings entfällt hierbei die Option auf das oben
beschriebene REMA-System. Das Objektiv (6) besteht aus den zwei
Linsengruppen (66) und (65) mit zwischengeschaltetem
Umlenkspiegel (64) (schematische Darstellung auf durchgehende
optische Achse bezogen).
Fig. 4b zeigt gegenüber Fig. 4a einen zusätzlichen Glasstab
(15) in der Art des Glasstabs (5) von Fig. 1, angeordnet
zwischen dem Verschluß (13) und dem Zoom-Axicon-Objektiv (2).
Damit kann die Ausleuchtung der Pupillenebene auf dem
Wabenkondensor (50) noch weiter homogenisiert werden. Das
Zoom-Axicon-Objektiv (2) hat hier mehr Linsen und ist entsprechend
länger.
Fig. 4c zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 1, jedoch mit dem
zusätzlichen Glasstab (15) und dem längeren Zoom-Axicon (2) der
Fig. 4b.
Fig. 4d zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung, bei der als Lichtquelle ein
Laserstrahl (10) dient. Dies ist vorzugsweise ein
Excimer-Laserstrahl mit einer Wellenlänge im tiefen UV-Bereich. Dabei
ist die Form des Laserstrahls (10) typischerweise ein schmales
Rechteck. Mit einer Strahlformungseinrichtung (14), z. B. nach
DE 41 24 311 A1, wird der Laserstrahl (10) günstiger,
typischerweise quadratisch, geformt und zugleich in der
Kohärenz reduziert. Nach dem Verschluß (13) folgt ein
modifiziertes Zoom-Axicon-Objektiv (2′), das hier als
Strahlaufweitungs-Teleskop ausgebildet ist. Nach einer
Streuscheibe oder einem Beugungselement (8) als weiter die
Kohärenz reduzierender sekundärer Lichtquelle folgt,
entsprechend angepaßt, wie in Fig. 4a und 4b der
Wabenkondensor (50) und das Objektiv. (6) bis zum Reticle (7).
Natürlich kann auch mit der Laserlichtquelle ein Glasstab
entsprechend den Fig. 1 und 4c vorgesehen werden.
Die vorgestellten Varianten sind nur eine Auswahl typischer
Beispiele. Auch ist die Anwendung der Erfindung nicht auf die
Projektions-Mikrolithographie beschränkt. In einfacherer
Ausführung eignet sie sich z. B. auch als variable
Mikroskop-Beleuchtung oder als Beleuchtung für Apparate zur
Mustererkennung.
Claims (13)
1. Beleuchtungseinrichtung für ein optisches System,
insbesondere eine mikrolithographische
Projektionsbelichtungsanlage, mit zwei Axicons (22, 23),
dadurch gekennzeichnet, daß ein Zoom-Objektiv (2) zur
Verstellung des Kohärenzgrads (σ) vorgesehen ist und die
zwei Axicons (22, 23) in diesem Zoom-Objektiv (2)
angeordnet sind und ihr Abstand (d23) verstellbar ist.
2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Axicons (22, 23) soweit
fertigungstechnisch machbar und funktionell wirksam
gleichen Spitzenwinkel (α) haben.
3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand (d23) der beiden Axicons
(22, 23) bis zur Berührung reduziert werden kann.
4. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axicons
(22, 23) konisch sind.
5. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axicons
(22, 23) pyramidenförmig sind.
6. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein
Axicon (22, 23) als zweite Grenzfläche (221, 232) eine
gekrümmte Fläche hat.
7. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Axicons
(22, 23) nicht in einem kollimierten Strahl angeordnet
sind.
8. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß durch
Verstellen des Abstands (d23) der beiden Axicons (22, 23)
bzw. der Position mindestens eines Zoom-Linsenglieds (24)
stufenlos sowohl konventionelle Beleuchtung als auch
Ringfeld- oder Multipolbeleuchtung verschiedener Geometrie
eingestellt werden können.
9. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen
Glasstab (5) als Lichtintegrator enthält.
10. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß am Austritt des Glasstabs (5) ein
Maskierungssystem (51) angeordnet ist.
11. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine
sekundäre Lichtquelle bildende Blende (13) außerhalb des
Fokus (121) eines Lampenspiegels (12) angeordnet ist.
12. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem
Lichtintegrator (5) keine Blenden zur Formung des
Lichtbündels angeordnet sind.
13. Beleuchtungseinrichtung nach mindestens einem der
Ansprüche 1-12, enthaltend Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einstellung programmgesteuert über
einen Computer erfolgt.
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