DE3687691T2

DE3687691T2 - Abbildungssystem fuer eine kurzbogenlampe.

Info

Publication number: DE3687691T2
Application number: DE8686115348T
Authority: DE
Inventors: David A Markle; Frederick Y Wu
Original assignee: SVG Lithography Systems Inc
Current assignee: SVG Lithography Systems Inc
Priority date: 1985-11-12
Filing date: 1986-11-05
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2006-11-06
Also published as: EP0222318A2; EP0222318A3; DE3687691D1; US4734829A; CA1272894C; CA1272894A; KR870005267A; JPH07101258B2; JPS62116918A; EP0222318B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Abtastprojektions-Maskenausrichtungsvorrichtungen von der Art, wie sie in dem US-Patent Nr. 4,068,947 unter dem Titel "Optical Projection and Scanning Apparatus" beschrieben ist, die in der Mikrolithographie verwendet werden, schließen ein einziges optisches Ringfeldsystem ein, das ein gut korrigiertes Bild eines Gegenstandes innerhalb eines von der Achse entfernten Ringfeldes bildet. Ein solches optisches System ist in US-Patent Nr. 3,748,015 mit dem Titel "Unit Power Imaging Catoptric Anastigmat" beschrieben. Die wirksame Verwendung solcher Systeme verlangt ein Beleuchtungssystem, das wirkungsvoll das Ringfeld beleuchtet. Ein solches Beleuchtungssystem, das in US-Patent Nr. 4,241,390 beschrieben ist und den Titel trägt "System For Illuminating An Annular Field" verwendet eine bogenförmige Beleuchtungsquelle, das heißt, eine bogenförmige Kapillar-Quecksilberlampe. Andere Beleuchtungssysteme, die kurze Bogenlampen einschließen, sind geoffenbart in JP-A-6051836 und in "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 23, No. 7B, Dez. 1980, S. 3399-3401: "Energy efficient multi-mirror illuminator", W. G. Santy et al.
Ein Begrenzungsfaktor bei der Verwendung von gebogenen Kapillarlampen ist die von solchen Lampen zur Verfügung stehende Lichtmenge im bezug auf kurze Bogenlampen. Jedoch besitzen kurze Bogenlampen nicht von vornherein die gebogene Form und die zur Verwendung in Ringfeldsystemen benötigte Gleichförmigkeit. Die meisten Techniken zum Umwandeln des Lichtausgangs einer kurzen Bogenlampe in eine erwünschte Form leiden an der nicht wirkungsvollen Verwendung des Lichtes, an Bildungleichförmigkeit, an Komplexität und Schwierigkeit der Herstellung. Die folgende Erfindung überwindet die vorstehenden genannten Schwierigkeiten.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtstrahlumwandlungseinrichtung zum Umwandeln von Licht einer kurzen Bogenlampe in eine gebogene Form mit gleichförmiger Intensität. Im allgemeinen verwendet die Erfindung eine Spiegeleinrichtung, die angeordnet und konstruiert ist, um Licht von einer kurzen Bogenlampe als eine Mehrzahl getrennter Bilder, die in der erwünschten gebogenen Form geformt sind, auf eine Mehrzahl von reflektierenden Facetten zu projizieren, die ebenfalls in der erwünschten gebogenen Form geformt sind. Ein Ende einer Lichtleitereinrichtung, die auch in der erwünschten gebogenen Form geformt ist, ist angeordnet, von den Facetten reflektiertes Licht zu empfangen und Licht gleichförmiger Intensität an ihrem anderen Ende auszusenden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projiziert ein ellipsoidischer Spiegel Licht von einer kurzen Bogenlampe, die an einem seiner Brennpunkte angeordnet ist, auf eine Mehrzahl flacher Spiegel, die eine Mehrzahl Bilder auf entsprechende reflektierende Facetten projizierten. Die flachen Spiegel sind ausgerichtet, die Bilder in der erwünschten gebogenen Form auf entsprechende der reflektierenden Facetten zu reflektieren, die in der erwünschten gebogenen Form gebildet sind. Die reflektierenden Facetten sind winkelmäßig ausgerichtet, so daß die Hauptstrahlen aller der Strahlen parallel sind, die die genannten reflektierten Bilder bilden. Ein Ende eines ebenfalls in der erwünschten gebogenen Form geformten Lichtleiters ist angeordnet, das von den Facetten reflektierte Licht zu empfangen und Licht gleichförmiger Intensität in der erwünschten gebogenen Form an seinem anderen Ende auszusenden.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, dadurch, daß ein ellipsoidischer Spiegel verwendet wird, der eine Mehrzahl von Segmenten statt einer Mehrzahl flacher Spiegel aufweist, um eine Mehrzahl zu einer gebogenen Form geformter Bilder auf die reflektierenden Facetten zu projizieren. Bei jeder Ausführungsform sind die Facetten an einem Ende des Lichtleiters gebildet und nach innen reflektierend gemacht.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von den ersten beiden Ausführungsformen dadurch, daß außen reflektierende Facetten als ein getrenntes Element verwendet werden, Licht von einer Mehrzahl von Segmenten eines elliptoidischen Spiegels oder einer Mehrzahl flacher Spiegel zu empfangen und dann das Licht über einen dritten Spiegel das Licht auf das Ende eines Lichtleiters zu reflektieren. Bei dieser Ausführungsform befinden sich der Facettenspiegel und der Lichtleiter in einem Ringfeld.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A u. 2B sind Seiten- und Unteransicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A ist eine Teilseitenansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B ist eine Ansicht längs der Linie 3-3 der Fig. 3A;
Fig. 4 ist eine bildhafte Teildarstellung eines Lichtleiters, der an einem Ende Farcetten aufweist;
Fig. 5 ist eine Ansicht einer vorgenommenen Abänderung, die zusammen mit der Ausführungsform gemäß Fig. 3A und 3B verwendet werden soll; und
Fig. 6A u. 6B sind Abänderungen des in Fig. 5 gezeigten Faserbündels.

Beschreibung der Erfindung

Es wird auf die Fig. 1 bezug genommen, in der eine Lichtstrahlumwandlungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Sie umfaßt einen ellipsoidischen Spiegel 11. Der ellipsoidische Spiegel 11 ist bei der vorliegenden Erfindung ein Teil, beispielweise die Hälfte eines Ellipsoids mit einer inneren, reflektierenden Oberfläche. Ein solcher Spiegel ist als ein üblicher Gegenstand erhältlich, und kann beispielsweise von der Optical Radiation Corporation (Azussa, CA.) bezogen werden. Ein ellipsoidischer Spiegel arbeitet so, daß eine an seinem inneren Brennpunkt angeordnete Lichtquelle an seinem äußeren Brennpunkt fokussiert wird, wobei die Brennpunkte die normalen Brennpunkte einer Ellipse sind. Eine kurze Bogenlampe 12 von einem Typ, der von Canrad-Hanovia, Newark, N.J. beziehbar ist, ist an dem ersten oder inneren Brennpunkt des ellipsoidischen Spiegels 11 angeordnet. Unter normalen Bedingungen würde dieses Licht von dem ellipsoidischen Spiegel reflektiert und in den zweiten oder äußeren Brennpunkt fokussiert. Da es aber erwünscht ist, das Licht in einer gebogenen Form zu formen, ist eine Mehrzahl (beispielsweise fünf oder sechs bei einer praktischen Ausführungsform) flacher Spiegeln 13 angeordnet, das von dem ellipsoidischen Spiegel 11 reflektierte Licht zu empfangen und es auf nach innen reflektierende Facetten 14 zu reflektieren, die an einem Ende eines Lichtleiters 15 gebogener Form gebildet sind. In Fig. 1 ist nur das mit Facetten versehene Ende des Lichtleiters 15 dargestellt, da sich die Länge in die Ebene der Figur erstreckt. Fig. 4 jedoch zeigt die Form des Lichtleiters 15 mit den innen reflektierenden Facetten 14.
Die flachen Spiegel 13 sind so angeordnet und winkelmäßig ausgerichtet, daß sie Licht von der Lampe 14 als eine Mehrzahl getrennter Bilder projizieren, die die erwünschte gebogene Form auf einer entsprechenden ähnlichen Mehrzahl von Facetten 14 bilden. Bei einer praktischen Ausführungsform gibt es sechs flache Spiegel 13 und sechs Facetten 14, obgleich die Anzahl größer oder kleiner in Abhängigkeit von dem Raumwinkel sein kann, über den Licht gesammelt werden soll, und dem Maß an Komplexität, die zugelassen werden kann. Das mit Facetten versehene Ende des Lichtleiters 15 ist in der Brennebene angeordnet, die durch den äußeren Brennpunkt des ellipsoidischen Spiegels 11 festgelegt ist, mit demselben Abstand von dem inneren Brennpunkt des ellipsoidischen Spiegels 11 wie der des äußeren Brennpunkts. Die genauen Brennpunkte des Bildes auf den getrennten Facetten 14 werden natürlich durch die Winkelausrichtung der flachen Spiegel 13 bestimmt. Dies erzielt die gebogene Form der projizierten Bilder, die in Übereinstimmung mit der gebogenen Form des Lichtleiters 15 und der auf ihm gebildeten Facetten 14 sein soll.
Die Facetten 14 sind so ausgerichtet, daß jeder auf eine Facette auftreffende Strahl nach unten durch den Lichtleiter 15 so reflektiert wird, daß sein Hauptstrahl parallel zu den Hauptstrahlen benachbarter reflektierter Strahlen und zu der Achse des Lichtleiters ist. Der Hauptstrahl ist der Mittelstrahl von jedem der Strahlkegels, die auf die einzelnen Facetten 14 projiziert werden. Somit tritt das durch den Lichtleiter 15 übertragene Licht an dessen anderem Ende in der erwünschten bogenförmigen Form aus und mit großer gleichförmiger Intensität, was eine wirksame Verwendung als Beleuchtungsquelle in den Ringfeld-Projektionsmasken-Ausrichtsystemen von der Art ermöglicht, die in den obengenannten Patenten geoffenbart sind.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von derjenigen der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der ellipsoidische Spiegel 11 aus einer Mehrzahl von Segmenten 11a gebildet ist, die die flachen Spiegel 13 ersetzen. Bei dieser Ausführungsform sind die Segmente 11a angeordnet, daß sie bewirken, daß die Mehrzahl reflektierter Bilder mit der erwünschten gebogenen Form übereinstimmt, wobei jedes reflektierte Bild auf eine entsprechende Facette 14 des ähnlich bogenförmigen Lichtleiters 15 fällt. Bei dieser Ausführungsform sind auch die nach innen reflektierenden Facetten ausgerichtet, zu bewirken, daß die Bilder durch den Lichtleiter 15 derart reflektiert werden, daß die Hauptstrahlen eines jeden Bündels oder Kegels parallel zu benachbarten Hauptstrahlen sind. Das Licht tritt an dem anderen Ende 15a des Lichtleiters 15 mit gleichförmiger Intensität und in der geeigneten, gebogenen Form aus.
Die Ausführungsform der Fig. 3A und 3B kann entweder den aufgeteilten, ellipsoidischen Spiegel oder flachen Spiegel (von denen keiner gezeigt ist) verwenden, um die Mehrzahl von Lichtbildern der gebogenen Form auf entsprechende der Mehrzahl von Facetten 14 zu projizieren, die in der geeigneten, gebogenen Form angeordnet sind. In diesem Fall jedoch sind die Facetten 14 beschichtet, damit sie nach außen reflektieren. Da die Facetten nicht an dem Ende eines Lichtleiters gebildet sind, können sie aus einzelnen Abschnitten gemacht sein, die zusammengeklemmt oder anders aneinander befestigt sind. Die Mehrzahl von Bildern in gebogener Form wird durch den sphärischen Spiegel 16 auf den gebogenen Lichtleiter 15 reflektiert, wie es gezeigt ist. Hier sind die Facetten 14 ebenfalls ausgerichtet, um sicherzustellen, daß die in den Lichtleiter 15 eintretenden Hauptstrahlen parallel sind. Wie es in Fig. 3B gezeigt ist, sind die Facetten 14 und der Lichtleiter 15 in einem Ringfeld, wobei eine gute Abbildung durch den sphärischen Spiegel 16 sichergestellt wird.
Bei den vorstehenden erörterten Ausführungsformen ist es notwendig, daß der Lichtleiter eine relativ große Länge aufweist, um die Gleichförmigkeit für eine besondere numerische Appertur zu erreichen. Beispielsweise beträgt die Länge des Lichtleiters 15 bei einer praktischen Ausführungsform 22 Zoll.
Die Facettenspiegel können sehr nahe an dem gebogenen Lichtleiter mit geringem Leistungsverlust angeordnet werden. Der sphärische Spiegel 16 ist bei dieser Ausführungsform nicht notwendig.
In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß die Gleichförmigkeit mit kürzeren Lichtleiterlängen erreicht werden kann, beispielsweise 10 Zoll (25,4 cm) für denselben, indem ein zusätzliches, optisches Element zwischen den Facettenspiegel 14 und den gebogenen Lichtleiter 15 eingeschaltet wird.
Fig. 5 zeigt diese Anordnung und zeigt die Spiegelfacettenanordnung 14 und den gebogenen Lichtleiter 15 und das optische Element in der Form eines Faserbündels 17.
Das optische Element 17 umfaßt ein Bündel gerader Glasfasern oder geschmolzener Quarzfasern mit kreisförmigem Querschnitt, die so dicht wie möglich für den besten Wirkungsgrad zusammengepackt sind. Die Form des Bündels 17 kann bogenförmig sein, um zu der gebogenen Form des Lichtleiters zu passen, wie es in Fig. 6A gezeigt ist, oder sie kann irgendeine Form aufweisen, solange sie die Eintrittsseite des gebogenen Lichtleiters 15 übergreift, wie es in Fig. 6B gezeigt ist.
Die Lichtstrahlen, die jedes Bild der Bogenquelle bilden, liegen innerhalb eines Kegels. Jedoch ist die Verteilung der Strahlen in dem Kegel wegen der Eigenschaften des Ellipsoids nicht gleichförmig. Dies bewirkt, daß der Durchschnitts- oder "Schwerpunkts"-Strahl von dem Hauptstrahl unterschiedlich ist, der auf der Achse des Kegels liegt. Die kreisförmigen Fasern verbessern die Gleichförmigkeit der Strahlen in dem Kegel, und wenn die Fasern verglichen mit ihrem Durchmesser lang genug sind, fällt der Schwerpunktstrahl mit dem Hauptstrahl zusammen. Dies ergibt eine bessere, räumliche Gleichförmigkeit bei kürzeren Lichtleiterlängen. Die Fasern sollten ein großes Längen/Durchmesser-Verhältnis haben, beispielsweise von wenigstens 50. Infolgedessen sollte das Bündel aus feinen Fasern gemacht werden, um seine Länge zu minimieren. Die untere Grenze des Faserdurchmessers wird nur durch die Zerbrechlichkeit und die Schwierigkeit des Zusammenbaus bestimmt. Ein sinnvoller Wert sind Fasern mit einem Durchmesser von 0,5 mm bei einer Länge von 50 mm.
Die Kopplung zwischen den Faserbündeln 17 und dem Lichtleiter 15 kann optimiert werden, indem sie entweder sehr nahe angeordnet oder zusammengeklebt werden.
Die vorstehende Abänderung der Fig. 5 ist natürlich zur Verwendung mit der Ausführungsform der Fig. 3A und 3B beabsichtigt, wo die Facetten 14 nach außen reflektieren.
Bei allen Ausführungsformen besitzen die Facetten den Zweck, daß die Lichtstrahlen, die mit jedem Bild an dem Eingangsende des Lichtleiters verbunden sind, denselben Winkelbereich innerhalb des Lichtleiters überspannen.
Andere Abänderungen der vorliegenden Erfindung sind im Licht der vorstehenden Beschreibung möglich, die nicht als einschränkend oder Grenzen darüber hinaus setzend ist, als die durch die folgenden Ansprüche bestimmten.

Claims

1. Ein Lichtstrahlumformer mit:

einer punktförmigen Lichtquelle (12);

einer Spiegeleinrichtung (11, 13; 11a), die der punktförmigen Lichtquelle zum Projizieren des Lichts als eine Vielzahl von getrennten Bildern, welche sich als Gruppe an eine gewünschte Form anpassen, zugeordnet ist;

eine gleiche Vielzahl von reflektierenden Facetten (14), die als Gruppe entsprechend der gewünschten Form gebildet sind, wobei jede der Facetten angeordnet ist, um jeweilige einzelne von den Bildern zu empfangen, und ausgerichtet ist, um die die Bilder bildenden Strahlen derart zu reflektieren, daß der Hauptstrahl von jedem reflektierten Strahl parallel zu den Hauptstrahlen benachbarter reflektierter Strahlen verläuft;

eine Lichtröhreneinrichtung (15), die in der gewünschten Form ausgebildet und optisch mit den reflektierenden Facetten gekoppelt ist, um so an einem Ende die reflektierten Strahlen zu empfangen, wodurch an dem anderen Ende (15a) der Lichtröhreneinrichtung emittiertes Licht der gewünschten Form entspricht.

2. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 1, wobei jede der reflektierenden Facetten jeweilige einzelne von den die Bilder bildenden Lichtstrahlen auf das eine Ende der Lichtröhreneinrichtung reflektiert.

3. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 2, welcher ferner eine Kopplungseinrichtung enthält, welche durch eine sphärische Spiegeleinrichtung (16) zum Reflektieren der von den reflektierenden Facetten reflektierten Lichtstrahlen auf das eine Ende der Lichtröhreneinrichtung.

4. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 3, wobei die Spiegeleinrichtung umfaßt:

einen Systemspiegel, welcher durch eine gleiche Vielzahl von ellipsoidförmigen Segmenten gebildet ist, wobei die punktförmige Lichtquelle an deren gemeinsamem inneren Brennpunkt angeordnet ist, und wobei

die Segmente ausgerichtet sind, um die die Bilder erzeugenden Lichtstrahlen als eine Gruppe in der gewünschten Form auf die reflektierenden Facetten zu reflektieren.

5. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 3, wobei die Spiegeleinrichtung umfaßt:

einen ellipsoidförmigen Spiegel (11), wobei die punktförmige Lichtquelle an dessen innerem Brennpunkt angeordnet ist;

und eine gleiche Vielzahl von Spiegelebenen (13), die angeordnet und ausgerichtet sind, um die die Bilder erzeugenden Lichtstrahlen als eine Gruppe in der gewünschten Form auf die reflektierenden Facetten zu reflektieren.

6. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 4, wobei die gewünschte Form bogenförmig ist.

7. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 5, wobei die gewünschte Form bogenförmig ist.

8. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Facetten auf dem einen Ende der Lichtröhreneinrichtung gebildet sind, so daß jede von den reflektierenden Facetten jeweilige einzelne von den die Bilder erzeugenden Strahlen nach unten durch die Lichtröhreneinrichtung hindurch reflektiert.

9. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 8, wobei die Spiegeleinrichtung umfaßt:

einen Systemspiegel, der durch eine gleiche Vielzahl von ellipsoidförmigen Segmenten gebildet ist, wobei die punktförmige Lichtquelle in deren gemeinsamem Brennpunkt angeordnet ist und welche ausgerichtet sind, um die die Bilder erzeugenden Lichtstrahlen als eine Gruppe in der gewünschten Form auf die reflektierenden Facetten zu reflektieren.

10. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 8, wobei die Spiegeleinrichtung umfaßt:

einen ellipsoidförmigen Spiegel (11), wobei die punktförmige Lichtquelle in seinem inneren Brennpunkt angeordnet ist; und eine gleiche Vielzahl von Spiegelebenen (13), die angeordnet und ausgerichtet sind, um die die Bilder erzeugenden Lichtstrahlen als eine Gruppe auf die reflektierenden Facetten zu reflektieren.

11. Ein Lichtstrahlumformer nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die punktförmige Lichtquelle eine Kurzbogenlampe ist.

12. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 11, wobei die gewünschte Form bogenförmig ist.

13. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 7, welcher als Kopplungseinrichtung ferner ein Faserbündel von runden optischen Fasern (17) enthält, welches zwischen den Facetten und dem einen Ende der Lichtröhreneinrichtung angeordnet ist.

14. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 13, wobei ein Ende des Faserbündels eng angrenzend an das eine Ende der Lichtröhreneinrichtung angeordnet ist.

15. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 14, wobei ein Ende des Faserbündels fest an das eine Ende der Lichtröhreneinrichtung geklebt oder gekittet ist.

16. Ein Lichtstrahlumformer nach Anspruch 15, wobei die Form des Faserbündels bogenförmig ist, um an die Form der Lichtröhreneinrichtung angepaßt zu sein.