DE3787035T2

DE3787035T2 - Optisches Projektionssystem für Präzisionskopien.

Info

Publication number: DE3787035T2
Application number: DE87103472T
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Araki; Koichi Kawata; Noboru Nomura; Takeo Satoh; Atushi Ueno; Shotaro Yoshida
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1987-03-11
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2007-03-12
Also published as: EP0237041A2; EP0237041A3; US4861148A; DE3787035D1; EP0237041B1

Description

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Projektionssystem zur Verwendung bei Präzisionskopien, das zur Verwendung beim Auftreten von ultrakurzen Wellenlängen, wie zum Beispiel ultravioletten Strahlen, Strahlen im fernen Ultraviolett und ähnlichem geeignet ist.
Bisher war ein optisches Projektionssystem zur Verwendung bei Präzisionskopien, das aus einem Linsen verwendenden brechenden System besteht, bekannt, wie z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung (JP-B) Nr. 12966/82 aufgezeigt. Ein weiteres optisches Projektionssystem, bestehend aus einem reflektierenden System, wie in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung (JP-A) Nr. 17196/80 aufgezeigt, war ebenfalls bekannt.
Die herkömmlichen optischen Projektionssysteme zur Verwendung bei Präzisionskopien werden nachfolgend unter Bezug auf die Figuren beschrieben.
Wie Fig. 1 zeigt, werden in dem aus dem Refraktionssystem bestehenden optischen System mehrere Linsen verwendet, die aus optischen Gläsern G und optischen Kristallmaterialien C bestehen. Dabei handelt es sich um ein verkleinerndes System mit einer Bildvergrößerung von 1/10. Andererseits hat, wie in Fig. 2 dargestellt, das das Reflexionssystem verwendende optische System einen telezentrischen Aufbau, so daß die von einem Objekt O ausgehenden Lichtstrahlen sequentiell von einem Hauptspiegel 100, einem Hilfsspiegel 101 und dem Hauptspiegel 100 reflektiert werden, wodurch ein Bild I in gleicher Vergrößerung von 1/1 auf derselben Ebene wie das Objekt o gebildet wird.
Die Auflösungsgrenze D des optischen Projektionssystems wird unter Verwendung der folgenden Gleichung von Rayleigh ausgedrückt.
D = 0,61 λ/NA
wobei NA eine numerische Apertur auf der Bildseite des optischen Systems und λ die verwendete Wellenlänge ist. Um die Auflösungsleistung zu verbessern, ist es ausreichend, die verwendete Wellenlänge λ zu verringern oder die numerische Apertur NA des optischen Systems zu vergrößern. Die Verbesserung der numerischen Apertur NA macht jedoch die optische Konstruktion der Linsen außergewöhnlich schwierig. Daher geht der Trend zur Verringerung der verwendeten Wellenlänge λ.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen optischen Refraktionssystem sinkt der Lichtdurchlaßgrad sehr stark ab, wenn die verwendete Wellenlänge λ auf einen Wert im Bereich von ultravioletten Strahlen verringert wird. Beispielsweise sinkt auch bei Verwendung von Gläsern, deren Eigenschaften auf die Verwendung mit Wellenlängen im Bereich insbesondere von ultravioletten Strahlen eingestellt wurden, wie z. B. Gläser aus UBK 7, hergestellt von Schott Co. Ltd. bei einer Wellenlänge von 280 nm der Lichtdurchlaßgrad sehr stark auf 23% ab (wenn die Glasstärke 5 mm beträgt). Andererseits gibt es unter optischen Kristallmaterialien C Materialien, mit welchen ein Lichtdurchlaßgrad von etwa 80% auch dann erzielt werden kann, wenn die Wellenlänge etwa 200 nm beträgt, wie etwa bei einem synthetischen Kristall aus TiF&sub2;, CaF&sub2; oder KCl. Allgemein ist es jedoch schwierig, Kristallmaterial in großen Abmessungen zu erhalten, der Wirkungsgrad der Bearbeitung ist sehr schlecht und es ist schwierig, mit hoher Präzision zu arbeiten. Da darüber hinaus die Anzahl von Arten derartiger Kristallmaterialien beschränkt ist, besteht nur ein geringes Maß an Freiheit hinsichtlich der Konstruktion. Es wurde ein eine große numerische Apertur NA aufweisendes optisches Rediffraktionssystem mit einem hohen Lichtdurchlaßgrad verwirklicht, der durch die Verwendung einer beschränkten Anzahl von Linsen im Falle von Wellenlängen im Bereich von ultravioletten Strahlen oder Strahlen im fernen Ultraviolett erzielt wird. In diesem Fall kann die Aberration nicht ausreichend korrigiert werden und es ist schwierig, das optische System durch nur die brechenden Materialien zu bilden.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des spektralen Lichtdurchlaßgrades des in Fig. 1 gezeigten verkleinernden optischen Projektionssystems. Wie aus dieser Kurve ersichtlich ist, ist bei einer verwendeten Wellenlänge von unter 300 nm der Lichtdurchlaßgrad beinahe Null und die Wellenlängen im Bereich der ultravioletten Strahlen können nicht verwendet werden.
Da andererseits das Beispiel in Fig. 2 nur aus den reflektierenden Spiegeln aufgebaut ist, ist die verwendete Wellenlänge nicht beschränkt. Da jedoch der Hauptspiegel 100 und der Hilfsspiegel 101 bezüglich eines Punktes P auf der Achse des Objekts O und des Bildes I koaxial angeordnet sind, werden die sphärische Aberration, die Koma-Aberration und die Verzeichnungs-Aberration vorzugsweise korrigiert.
Da jedoch der Astigmatismus in Tangentialrichtung groß ist, ist die Bildebene gekrümmt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird ein Schlitz verwendet und ein bogenförmiges Feld wird in einer solchen Bildhöhe gebildet, daß die Astigmatismen in tangentialer und sagittaler Richtung zusammenfallen und die astigmatische Differenz 0 wird. Beispielsweise wird bei der Belichtung eines Maskenmusters auf einen Halbleiterwafer das erforderliche Projektionsfeld durch gleichzeitiges Abtasten der Maske als ein Objekt O und eines Wafers als einer Bildebene I erhalten, wodurch ein optisches System nahe einer Null-Aberration verwirklicht wird. Wenn jedoch das reflektierende optische System als ein verkleinerndes optisches System aufgebaut ist, tritt der in Fig. 4 dargestellte Fall ein. Wird die Telezentrizität beibehalten, sind der Hauptspiegel 100, ein Hauptspiegel 102 und der Hilfsspiegel 101 in ihrer Gesamtheit nicht koaxial angeordnet. Wenn nämlich der Hauptspiegel 102 und der Hilfsspiegel 101 um den Punkt C koaxial angeordnet sind, so wird der Mittelpunkt des Hauptspiegels 100 C', so daß die äußere axiale Aberration verschlechtert wird. Da weiter das Objekt O und das Bild I nicht auf derselben Ebene angeordnet sind, ist es erforderlich, die Maske und den Wafer einzeln abzutasten und die Abtastgeschwindigkeit in Übereinstimmung nur mit dem Verhältnis der Bildvergrößerung zu verändern. Da der Fehler der Abtastgeschwindigkeit zu Verzeichnung des Bildes bei der Projektion führt, ist es erforderlich, die Abtastgeschwindigkeit exakt zu steuern. Wenn jedoch das projizierte Bild fein wird, wird es recht schwierig, die Abtastgeschwindigkeit exakt zu steuern. Somit treten bei der Verwirklichung des verkleinernden optischen Systems unter Verwendung des reflektierenden optischen Systems, wie in Fig. 4 gezeigt, die Probleme der Korrektur der optischen Aberration und der Mechanik auf.
In der GB-A-548 729 ist ein optisches objektiv für photographische oder andere Zwecke beschrieben, das für das Kopieren im gleichen Maßstab vorgesehen ist und aus einer symmetrischen Anordnung von zwei katadioptrischen optischen Systemen besteht, die jeweils ein konkaves Spiegelelement mit einer Öffnung in seiner Mitte und ein konvexes Spiegelelement einschließen, sowie zwei Refraktionsberichtigungselementen zwischen den beiden katadioptrischen optischen Systemen. Das Licht eines Objektpunktes tritt in die Öffnung im konkaven Spiegelelement des ersten optischen Systems ein und durchläuft nach der Reflexion wiederum am konvexen Spiegelelement und am konkaven Spiegelelement die Refraktionsberichtigungselemente und wird anschließend wiederum am konkaven Spiegelelement und dem konvexen Spiegelelement des zweiten optischen Systems reflektiert, um das System durch die Öffnung des konkaven Spiegelelements des zweiten optischen Systems zu verlassen.
Weiter ist aus der US-A-3 325 238 ein Sonnensimulator bekannt, dessen Zweck die Erzielung von parallel strahlenden Energiestrahlen von einer strahlenden Energiequelle ist. Der Sonnensimulator besteht aus einer Anzahl von Linsen und ringförmigen konvexen und konkaven Spiegelelementen, die konzentrisch bezüglich der optischen Achse des Systems angeordnet sind. Die konvexen und konkaven Spiegelelemente bilden zwei katadioptrische optische Systeme, die jeweils aus einem konkaven Spiegelelement mit einer Mittelöffnung und einem konvexen Spiegelelement mit einer Mittelöffnung bestehen. Zur Erzielung einer gleichförmigeren Beleuchtungsintensität sind die beiden katadioptrischen optischen Systeme dergestalt angeordnet, daß ein erstes System die Strahlen zur Bildung einer ringförmigen äußeren Beleuchtungszone in einer äußeren Zone parallelrichtet, die Strahlen einer inneren Zone jedoch weiterführt, wohingegen das zweite optische System einen äußeren Teil der Strahlen in der inneren Zone zur Bildung einer ringförmigen Zwischenbeleuchtungszone parallelrichtet, die an die äußere Beleuchtungszone anschließt, und zusätzlich ein zentrales, brechendes, parallelrichtendes System zum Parallelrichten des verbleibenden inneren Teiles der Strahlen in der inneren Zone einschließt, um eine innere Beleuchtungszone zu bilden.
In diesem bekannten System durchlaufen die Strahlen jedoch entweder nur das eine oder das andere der beiden katadioptrischen optischen Systeme oder auch das zentrale, brechende Strahlen parallelrichtende System, werden aber nicht vom einen katadioptrischen optischen System auf das andere katadioptrische optische System reflektiert. Auch ist der Zweck des bekannten Systems nicht die Projektion eines optischen Bildes.
Schließlich ist in Applied Optics, Vol. 14, Nr. 9, September 1975, Seiten 2302-2305, R.D. Sigler "Compound Schmidt telescope designs with non zero Petzval curvatures" die Theorie von photovisuellen Hochleistungsinstrumenten beschrieben, die aus katadioptrischen optischen Systemen bestehen, die allgemein als Schmidt Teleskopanordnungen bekannt sind. Es sind jedoch keine Systeme beschrieben, die zwei katadioptrische optische Systeme kombinieren, wie es zur Projektion eines optischen Bildes im engen Bereich erforderlich ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Probleme zu lösen und ein optisches Projektionssystem zur Verwendung bei Präzisionskopien zu schaffen, bei dem die Menge des absorbierten Lichts auf einen möglichst kleinen Wert verringert wird, hohe Lichtdurchlaßgrade in den Bereichen der ultravioletten Strahlen erzielt werden und eine geringe optische Aberration und eine hohe Auflösungsleistung erzielt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Projektionssystem zur Verwendung bei Präzisionskopien zu schaffen, bei dem auch unter kohärenter Beleuchtung der durch den Reflexionsspiegel bedingte Verlust eliminiert ist, die Überlagerungen der gebeugten Lichtstrahlen des nullten Grades und ± ersten Grades abgeleitet werden, um dadurch ein Bild zu bilden, und ein feines Muster projiziert wird.
Gemäß vorliegender Erfindung ist ein optisches Projektionssystem zur Verwendung bei der Herstellung einer Präzisionskopie vorgesehen, umfassend: ein Paar katadioptrischer optischer Systeme, die jeweils ein zugehöriges asphärisches Refraktionsberichtigungselement, ein konvexes Spiegelelement und ein konkaves Spiegelelement mit einer Öffnung in der Mitte einschließen, wobei das konvexe Spiegelelement und das konkave Spiegelelement koaxial mit einer gemeinsamen Krümmungsmitte angeordnet sind, die in der Mitte der Eingangslinse liegt, und wobei das zugehörige asphärische Refraktionsberichtigungselement im wesentlichen an der Eingangslinse angeordnet ist, wobei das Paar katadioptrischer optischer Systeme rotationssymmetrisch um eine Bezugsachse angeordnet ist und koaxial derart gekoppelt ist, daß die zugehörigen asphärischen Refraktionsberichtigungselemente einander gegenüberliegen, wobei eines des Paares katadioptrischer optischer Systeme auf der Seite des zu projizierenden Objekts liegt und das andere katadioptrische optische System auf der Seite des projizierten Bildes liegt, wobei das Objekt in der Brennebene des einen des Paares katadioptrischer optischer Systeme angeordnet ist und das Objekt auf die Brennebene des anderen des Paares katadioptrischer optischer Systeme projiziert wird; wobei die konvexen Spiegelelemente jeweils eine Öffnung in der Mitte aufweisen, das optische System eine kohärent leuchtende Lichtquelle zum derartigen konvergenten Beleuchten des zu projizierenden Objekts einschließt, daß ein erster Teil der Beleuchtungsstrahlen von der Lichtquelle von dem ersten des Paares katadioptrischer optischer Systeme auf die Ebene der Eingangslinse fokussiert wird und ein verbleibender zweiter Teil der Beleuchtungsstrahlen der Lichtquelle durch die Öffnung des konvexen Spiegelelementes auf die Ebene der Eingangslinse konvergiert wird, wobei das eine auf der Seite des zu projizierenden Objekts angeordnete des Paares katadioptrischer optischer Systeme derart ausgelegt ist, daß, nachdem die von dem Objekt emittierten Strahlen die Öffnung des zugehörigen konkaven Spiegelelements passiert haben, der zweite Teil der Strahlen durch die Öffnung des zugehörigen konvexen Spiegelelements hindurchtritt und der erste Teil der Strahlen von dem zugehörigen konvexen Spiegelelement auf das zugehörige konkave Spiegelelement reflektiert wird und ferner von dem zugehörigen konkaven Spiegelelement reflektiert wird, und sowohl der erste als auch der zweite Teil der Strahlen durch das zugehörige asphärische Refraktionsberichtigungselement hindurchtreten, und das auf der Seite des projizierten Bildes gelegene andere des Paares katadioptrischer optischer Systeme derart ausgelegt ist, daß, nachdem die einfallenden Strahlen durch das zugehörige asphärische Refraktionsberichtigungselement hindurchgetreten sind, ein erster Teil der Strahlen durch die Öffnung des zugehörigen konvexen Spiegelelements und die Öffnung des zugehörigen konkaven Spiegelelements hindurchtritt und ein verbleibender zweiter Teil der Strahlen von dem zugehörigen konkaven Spiegelelement auf das zugehörige konvexe Spiegelelement reflektiert wird und ferner von dem zugehörigen konvexen Spiegelelement reflektiert wird und durch die Öffnung des zugehörigen konkaven Spiegelelements hindurchtritt, und sich alle Strahlen in einer Ebene überlagern, die senkrecht auf die Bezugsachse steht und hinter dem zugehörigen konkaven Spiegelelement liegt, so daß ein Bild erzeugt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine Gesamtschnittansicht eines verkleinernden optischen Projektionssystems zur Verwendung bei Kopien, das ein herkömmliches Refraktionssystem verwendet;
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung eines optischen Projektionssystem zur Verwendung bei Kopien, das ein herkömmliches Reflexionssystem verwendet;
Fig. 3 ist eine Diagrammdarstellung des spektralen Lichtdurchlaßgrades des in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Beispiels;
Fig. 4 ist eine imaginäre schematische Darstellung des Falles, daß das in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Beispiel zu einem verkleinernden System abgeändert wurde;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines optischen Projektionssystems zur Verwendung bei Präzisionskopien ähnlich dem aus der GB-A-548 729 bekannten;
Fig. 6 ist eine erläuternde Darstellung des Betriebes der in Fig. 5 gezeigten Anordnung;
Fig. 7 zeigt Diagramme der Aberrationseigenschaften basierend auf der Anordnung in Fig. 5;
Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung einer asphärischen Refraktionsberichtigungsplatte in einem optischen Projektionssystem für Präzisionskopien, wie sie in vorliegender Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines optischen Projektionssystems zur Verwendung bei Präzisionskopien gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine vergrößerte Darstellung des Hauptteiles aus Fig. 9; und
Fig. 11 ist eine erläuternde Darstellung des Übertragungszustandes des gebeugten Lichtes nullten Grades in der Anordnung in Fig. 9.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 5 ist eine Gesamtschnittansicht eines optischen Projektionssystems zur Verwendung bei Präzisionskopien ähnlich dem aus der GB-A-548 729 bekannten, die zum Verständnis der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien nützlich ist.
Ein katadioptrisches optisches System I auf der Seite des Objektpunktes ist durch einen konvexen Spiegel 2, einen konkaven Spiegel 3 mit einer in der Mitte angeordneten Öffnung und eine asphärische Refraktionsberichtigungsplatte 4 gebildet. Ein zu projizierendes Objekt 1 wird in der Brennebene F des katadioptrischen optischen Systems I angeordnet. Im optischen System I sind der konkave Spiegel 3, der konvexe Spiegel 2 und die Berichtigungsplatte 4 in dieser Reihenfolge zum Objekt 1 angeordnet. Ein katadioptrisches optisches System II auf der Seite des Bildpunktes ist durch eine asphärische Refraktionsberichtigungsplatte 4', einen konkaven Spiegel 5 mit einer Öffnung in der Mitte und einen konvexen Spiegel 6 gebildet. Im optischen System II sind die Berichtigungsplatte 4', der konvexe Spiegel 6 und der konkave Spiegel 5 in dieser Reihenfolge zum Objekt 1 angeordnet. Die katadioptrischen optischen Systeme I und II sind in der Weise gekoppelt, daß sie gemeinsam eine Eingangslinse E auf der gemeinsamen Achse haben und jeweils den Berichtigungsplatten 4 bzw. 4' gegenüberliegen, die in einem geringen Abstand angeordnet sind.
Der konvexe Spiegel 2 und der konkave Spiegel 3 und der konvexe Spiegel 6 und der konkave Spiegel 5 sind jeweils koaxial um einen Punkt C als Mittelpunkt auf einer optischen Achse A der Eingangslinse E angeordnet. Die Oberfläche auf der L- (linken) Seite der Berichtigungsplatte 4, d. h. auf der Seite des konvexen Spiegels 2, die Oberfläche auf der R-(rechten) Seite der Berichtigungsplatte 4', d. h. auf der Seite des konvexen Spiegels 6, und die konkaven Spiegel 3 und 5 sind als asphärische Oberflächen ausgebildet.
Die von einem Punkt des Objekts 1 emittierten Lichtstrahlen treten durch die Öffnung des konkaven Spiegels 3 und werden auf die Seite des Objekts 1 durch den konvexen Spiegel 2 reflektiert. Daraufhin werden diese Lichtstrahlen wiederum durch den konkaven Spiegel 3 reflektiert und passieren die Berichtigungsplatte 4. Die durch die Berichtigungsplatte 4 tretenden Lichtstrahlen werden zu parallelen Lichtstrahlen und treten in die in einem geringfügigen Abstand von der Berichtigungsplatte 4 angeordnete Berichtigungsplatte 4' ein und werden durch den konkaven Spiegel 5 auf die Seite des Objekts 1 reflektiert. Anschließend wird das reflektierte Licht wiederum vom konvexen Spiegel 6 auf die dem Objekt 1 gegenüberliegende Seite reflektiert und tritt durch die Öffnung im konkaven Spiegel 5. Auf diese Weise wird in der senkrecht zur Bezugsachse und hinter dem konkaven Spiegel 5 liegenden Ebene ein projiziertes Bild 7 gebildet.
Eine Bildvergrößerung ß in dieser Anordnung wird nachfolgend unter Bezug auf Fig. 6 erläutert. Es wird angenommen, daß die Höhe des Objekts h&sub1;, die Höhe des Bildes h&sub2;, die Brennweite des katadioptrischen optischen Systems I f&sub1;, die Brennweite des katadioptrischen optischen Systems II f&sub2;, der Winkel der Objekthöhe h&sub1; zur Mitte C der Berichtigungsplatte 4 unter Verwendung der optischen Achse A als Bezugsgröße R&sub1; und der Winkel der Bildhöhe h&sub2; zum Mittelpunkt der Phasenberichtigungsplatte 4' unter Verwendung der optischen Achse A als Bezugsgröße R&sub2; ist. In diesem Fall ist die Bildvergrößerung β durch den folgenden Ausdruck gegeben.
Da die Eingangslinse E auf die Oberseite der Berichtigungsplatte 4' eingestellt ist, gilt R&sub1; = R&sub2; und das Verhältnis f&sub2; /f&sub1; der Brennweiten wird als die Vergrößerung β verwendet. Da mit anderen Worten die Eingangslinse E gemeinsam verwendet wird und die wirksamen Radien gleich sind, wird das Verhältnis der Aperturverhältnisse auf die Größe 4B eingestellt.
Daher wird das Aperturverhältnis des gesamten Systems (das als gekoppeltes System der katadioptrischen optischen Systeme I und II erhalten wird) zur Bestimmung der theoretischen Auflösungsgrenze vom optischen System II auf der Seite des projizierten Bildes bestimmt. Das Aperturverhältnis kann vergrößert werden, da das gesamte System unabhängig vom Aperturverhältnis des optischen Systems I auf der Seite eines zu projizierenden Objekts ist. Daher kann das gesamte System problemlos konstruiert und betrieben werden.
Die vom Objekt 1 emittierten Lichtstrahlen werden einmal durch das optische System I auf der Seite des Objektpunktes in parallele Lichtstrahlen umgewandelt und die parallelen Lichtstrahlen werden durch das optische System II auf der Seite des Bildpunktes fokussiert, wodurch ein Bild gebildet wird. Daher wirkt das optische System I auf der Seite des Objekts als eine Art brennpunktloser Konverter. Der Einfallswinkel des Lichtes vom in einem begrenzten Abstand angeordneten Objekt 1 in das optische System II auf der Seite des Bildpunktes kann verringert werden und das Ausmaß der Erzeugung von optischen Aberrationen aus der Achse kann verringert werden.
In den optischen Systemen I und II sind die konkaven Spiegel 3 und 5 und die konvexen Spiegel 2 und 6 koaxial um den Mittelpunkt der Eingangslinse E als Mitte C angeordnet. Somit kann das Ausmaß der Erzeugung von Koma-Aberration, Astigmatismus und Verzeichungs-Aberration möglichst gering gehalten werden. Das optische Batch-Projektionssystem wie in vorliegender Erfindung hat im Vergleich zu einem herkömmlichen System eine große sphärische Aberration. Die verbleibende sphärische Aberration kann jedoch durch Ausbilden der Berichtigungsplatten 4 und 4' und konkaven Spiegel 3 und 5 als asphärische Oberflächen, wie vorstehend erwähnt, eliminiert werden.
Das katadioptrische optische System I auf der Seite des zu projizierenden Objekts und das katadioptrische optische System II auf der Seite des projizierten Bildes korrigieren unabhängig die sphärische Aberration als eine Aberration auf der Achse und Koma-Aberration, Astigmatismus und Verzeichnungs-Aberration als Aberrationen aus der Achse. Daher wird auch dann, wenn die optischen Systeme I und II als ein Gesamtsystem gekoppelt sind, das optische System mit einer relativ niedrigen Aberration verwirklicht.
In der Praxis können in dieser Anordnung diese technischen Daten vorliegen:
Gesamtsystem f (Brennweite): 100 mm
wirksame F-Zahl (Aperturverhältnis): 1,3
Verwendete Wellenlänge: 200 nm
Vergrößerung: 1/5
r&sub1; = 322,342 d&sub1; = -120,170 reflektierende Oberfläche
r&sub2; = 442,512 d&sub2; = 442,512 reflektierende Oberfläche (asphärische Oberfläche)
r&sub3; = 0 d&sub3; = 5,935 n&sub1; = 1,560769 (asphärische Oberfläche)
r&sub4; = 0 d&sub4; = 0,119
r&sub5; = 0 d&sub5; = 5,935 n&sub2; = 1,560769
r&sub6; = 0 d&sub6; = 88,502 (asphärische Oberfläche)
r&sub7; = -88,502 d&sub7; = -24,034 reflektierende Oberfläche (asphärische Oberfläche)
r&sub8; = -64,468 reflektierende Oberfläche
wobei in der Darstellung in Fig. 6 gilt:
r&sub1;: Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche des konvexen Spiegels 2
r&sub2;: Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche des konkaven Spiegels 3
r&sub3;, r&sub4;: Krümmungsradius der jeweiligen Oberfläche der Berichtigungsplatte 4
r&sub5;, r&sub6;: Krümmungsradius der jeweiligen Oberfläche der Berichtigungsplatte 4'
r&sub7;: Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche des konkaven Spiegels 5
r&sub8;: Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche des konvexen Spiegels 6
d&sub1;: Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche des konvexen Spiegels 2 und der reflektierenden Oberfläche des konkaven Spiegels 3
d&sub2;: Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche des konkaven Spiegels 3 und der Oberfläche auf der Einfallsseite der Berichtigungsplatte 4
d&sub3;: Stärke der Berichtigungsplatte 4
d&sub4;: Abstand zwischen den Berichtigungsplatten 4 und 4'
d&sub5;: Stärke der Berichtigungsplatte 4'
d&sub6;: Abstand zwischen der Oberfläche auf der Emissionsseite der Berichtigungsplatte 4' und der reflektierenden Oberfläche des konkaven Spiegels 5
d&sub7;: Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche des konkaven Spiegels 5 und der reflektierenden Oberfläche des konvexen Spiegels 6
n&sub1;: Brechungsindex der Berichtigungsplatte 4
n&sub2;: Brechungsindex der Berichtigungsplatte 4'
Asphärischer Oberflächenkoeffizient: der Koeffizient für den Fall, in dem ein Ausmaß des Durchhanges Z durch folgende Gleichung ausgedrückt ist Oberfläche
wobei K = -e², e die Exzentrizität ist , h eine Lichteintrittshöhe ist, A&sub4;, A&sub6;, A&sub8; und A&sub1;&sub0; jeweils asphärische Oberflächenkoeffizienten der Oberflächen r&sub2;, r&sub3;, r&sub6; bzw. r&sub8; sind, C = l/r und r der Krümmungsradius ist.
Fig. 7 zeigt die sphärische Aberration, den Astigmatismus und die Verzeichnungs-Aberration gemäß den praxisbezogenen technischen Daten.
Ein Großteil der sphärischen Aberration wird durch die Berichtigungsplatten 4 und 4' der asphärischen Oberflächen eliminiert, die jeweils aus Quarzglas bestehen. Die verbleibende hochgradige sphärische Aberration wird ferner durch die konkaven Spiegel 3 und 5 korrigiert.
Im Hinblick auf Astigmatismus, Verzeichnungs-Aberration und Koma-Aberration sind die konkaven Spiegel 3 und 5 und die konvexen Spiegel 2 und 6 bezüglich der Eingangslinse E koaxial angeordnet und die konvexen Spiegel 2 und 6 sind als sphärische Oberflächen ausgebildet und so eingestellt, daß sie für die konkaven Spiegel 3 und 5 auch im Fall von außerhalb der Achse liegenden Lichtstrahlen jeweils konzentrisch sind, wodurch die Erzeugung eines Aberrationsausmaßes beträchtlich verringert wird. Da in dieser Anordnung darüberhinaus nur das Quarzglas, das zur Bildung der Berichtigungsplatten 4 und 4' verwendet wird, als brechendes Material dient, wird ein Lichtdurchlaßgrad von über 60% auch erzielt, wenn die Wellenlänge λ = 200 nm ist.
Wie Fig. 8 zeigt, sind zwei asphärische Refraktionsberichtigungsplatten 4 und 4' in vorstehender Anordnung integral an den flachen Oberflächenbereichen gekoppelt oder sie sind vorab als eine integrierte Platte ausgebildet und zwei katadioptrische optische Systeme I und II verwenden gemeinsam ein einzelnes asphärisches Refraktionsberichtigungselement 4a.
Gemäß der Erfindung sind zwei katadioptrische optische Systeme bestehend aus den konkaven Spiegelelementen, konvexen Spiegelelementen und Phasenberichtigungselementen so gekoppelt, daß sie auf der gemeinsamen Achse durch die asphärischen Refraktionsberichtigungselemente einander gegenüberliegen, um dadurch ein gemeinsames katadioptrisches optisches System zu bilden. Daher können nicht nur die sphärische Aberration als eine Aberration auf der Achse, sondern auch die Koma-Aberration, der Astigmatismus und die Verzeichnis-Aberration als Aberrationen aus der Achse sehr stark verringert werden und eine hohe Auflösungsleistung kann erzielt werden. Da die Hauptrefraktionskraft durch das reflektierende System erhalten wird, wird nur das asphärische Refraktionsberichtigungselement als Refraktionsmaterial verwendet. Hohe Lichtdurchlaßgrade in den Bereichen von ultravioletten Strahlen und Strahlen im fernen Ultraviolett können erzielt werden und das optische Projektionssystem gemäß der Erfindung kann für die Bereiche von ultravioletten Strahlen und von Strahlen im fernen Ultraviolett angewendet werden.
Fig. 9 ist eine Gesamtschnittansicht eines optischen Projektionssystems zur Verwendung bei Präzisionskopien gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 10 ist eine vergrößerte Darstellung des Hauptteiles desselben.
Das katadioptrische optische System I auf der Seite des Objektpunktes ist durch einen konvexen Spiegel 2 mit einer Öffnung in der Mitte, einen konkaven Spiegel 3 mit einer Öffnung in der Mitte und eine asphärische Refraktionsberichtigungsplatte 4 gebildet, deren eine Seite eine flache Oberfläche ist. Das zu projizierende Objekt 1 ist in der Brennebene F des optischen Systems I angeordnet.
Im optischen System I sind der konkave Spiegel 3, der konvexe Spiegel 2 und die Berichtigungsplatte 4 in dieser Reihenfolge zum Objekt 1 angeordnet. Der konkave Spiegel 3 und der konvexe Spiegel 2 sind bezüglich der Eingangslinse EP (die als imaginäres Abbild einer Blende AP gegeben ist) koaxial angeordnet.
Das katadioptrische optische System II auf der Seite des Bildpunktes ist durch eine asphärische Refraktionsberichtigungsplatte 4', deren eine Seite eine flache Oberfläche ist, einen konkaven Spiegel 5 mit einer Öffnung in der Mitte und einen konvexen Spiegel 6 mit einer Öffnung in der Mitte gebildet. Im optischen System II sind die Berichtigungsplatte 4', der konvexe Spiegel 6 und der konkave Spiegel 5 in dieser Reihenfolge zum Objekt 1 angeordnet. Der konvexe Spiegel 6 und der konkave Spiegel 5 sind bezüglich der Blende AP koaxial angeordnet.
Die optischen Systeme I und II sind um die Bezugsachse rotationssymmetrisch und in der Weise gekoppelt, daß sie jeweils gegenüber den Berichtigungsplatten 4 und 4' angeordnet sind, die auf der gemeinsamen Achse in einem geringfügigen Abstand voneinander angeordnet sind.
Die numerische Apertur auf der Seite des Objektpunktes beträgt 0,076, die numerische Apertur auf der Seite des Bildpunktes beträgt 0,38 und die Vergrößerung ist 1/5.
Eine Beleuchtung 20 emittiert kohärentes Licht und bestrahlt das gesamte Objekt 1 mit diesem, so daß es konvergiert und zur Mitte der Eingangslinse EP fokussiert wird, nachdem es das katadioptrische optische System I passiert hat.
Die gebeugten Lichtstrahlen des nullten Grades D&sub0;, die gebeugten Lichtstrahlen des ± ersten Grades D&sbplus;&sub1; und D&submin;&sub1; und ferner die gebeugten Lichtstrahlen höheren Grades werden vom Objekt 1 erzeugt, das durch die kohärente und konvergente Beleuchtung 20 beleuchtet wurde. Diese gebeugten Lichtstrahlen treten in die Projektionslinsen (I+II) ein. Das System ist so konstruiert, daß der Einfallswinkel, der durch die numerische Apertur (NA = sin R&sub0;) auf der Seite des Objektpunktes der Projektionslinsen (I+II) bestimmt ist, mit dem Winkel R&sub1; des gebeugten Lichtstrahles des ersten Grades vom Objekt 1 zusammenfällt. Daher tritt keiner der gebeugten Lichtstrahlen höheren Grades über den gebeugten Lichtstrahlen zweiten Grades in die Projektionslinsen (I+II) ein.
Unter den gebeugten Lichtstrahlen vom Objekt 1 passieren die gebeugten Lichtstrahlen des ± ersten Grades D&sbplus;&sub1; und D&submin;&sub1; die Öffnung des konkaven Spiegels 3 und werden vom konvexen Spiegel 2 auf die Seite des Objekts 1 reflektiert. Daraufhin werden die reflektierten Lichtstrahlen vom konkaven Spiegel 3 wiederum reflektiert und treten durch die Berichtigungsplatte 4 und in die Berichtigungsplatte 4' ein, die in einem geringfügigen Abstand von der Berichtigungsplatte 4 entfernt angeordnet ist. Die Lichtstrahlen werden konvergiert und in die Luminanzpunktspektren S&sbplus;&sub1; und S&submin;&sub1; auf der Blende AP geteilt. Anschließend werden die Lichtstrahlen weiter vom konkaven Spiegel 5 auf die Seite des Objekts 1 reflektiert und wiederum vom konvexen Spiegel 6 auf die dem Objekt 1 entgegengesetzte Seite reflektiert und passieren die Öffnung des konkaven Spiegels 5.
Andererseits laufen die gebeugten Lichtstrahlen des nullten Grades D&sub0; weiter durch die Öffnung des konkaven Spiegels 3, die Öffnung des konvexen Spiegels 2 und die Berichtigungsplatten 4 und 4', so daß sie zur Mitte O der Eingangslinse EP konvergiert werden. Die Lichtstrahlen werden auf die Mitte C auf der Blende AP fokussiert und werden zu dem Luminanzpunktspektrum S&sub0;. Daraufhin durchlaufen die Lichtstrahlen die Öffnung des konvexen Spiegels 6 und die Öffnung des konkaven Spiegels 5.
Die gebeugten Lichtstrahlen des nullten Grades D&sub0; werden vom konkaven Spiegel 3, dem konvexen Spiegel 2, dem konkaven Spiegel 5 und dem konvexen Spiegel 6 nicht reflektiert. Wie in Fig. 11 gezeigt, sind der konkave Spiegel 5 und der konvexe Spiegel 6 bezüglich dem Brennpunkt C (d. h. dem Punkt C auf der Blende AP) der gebeugten Lichtstrahlen des nullten Grades D&sub0; koaxial angeordnet. Der konkave Spiegel 3 und der konvexe Spiegel 2 sind bezüglich der Mitte O der Eingangslinse EP als einem imaginären Abbild der Blende AP koaxial angeordnet. Somit werden die Lichtstrahlen entlang dem optischen Weg ähnlich dem bei Reflexion von den jeweiligen Oberflächen übertragen, so daß keine Veränderung in der optischen Aberration auftritt.
Das projizierte Bild wird als Interferenzstreifen auf einer Bildebene 9 gebildet, auf der die gebeugten Lichtstrahlen des nullten Grades D&sub0; und die gebeugten Lichtstrahlen des ± ersten Grades D&sbplus;&sub1; und D&submin;&sub1;, die dieselbe Größe aufweisen, überlagert werden.
Gemäß der Erfindung wird nur das Quarzglas, das zur Bildung der Berichtigungsplatten 4 und 4' verwendet wird, als Refraktionsmaterial verwendet. Daher wird ein Lichtdurchlaßgrad von über 60% auch dann erzielt, wenn die Wellenlänge im Bereich der Strahlen im fernen Ultraviolett von = 200 nm liegt.
Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, die beiden Berichtigungsplatten 4 und 4' an ihren flachen Oberflächenabschnitten integral gekoppelt oder vorab integral als Einzelplatte ausgebildet, wie in Fig. 8 dargestellt, auszuführen, so daß ein einzelnes Berichtigungselement 4a gemeinsam von den beiden katadioptrischen optischen Systemen I und II verwendet wird.
Gemäß der Erfindung werden zwei katadioptrische optische Systeme, bestehend aus den konkaven Spiegelelementen mit Öffnungen, konvexen Spiegelelementen mit Öffnungen und asphärischen Refraktionsberichtigungselementen so gekoppelt, daß sie einander auf der gemeinsamen Achse um die Berichtigungselemente gegenüberliegen, wodurch ein gemeinsames katadioptrisches optisches System gebildet wird. Das zu projizierende Objekt wird konvergent durch kohärentes Licht beleuchtet. Wenn daher das reflektierende optische System als ein optisches Rediffraktionssystem verwendet wird, tritt der normalerweise ein Problem darstellende Aperturverlust nicht auf und die Projektion eines feinen Musters kann durchgeführt werden. Da andererseits die Hauptbrechungskraft durch das reflektierende System erhalten wird, werden nur die asphärischen Refraktionsberichtigungselemente als Refraktionsmaterialien verwendet. Hohe Lichtdurchlaßgrade können im Bereich der ultravioletten Strahlen und der Strahlen im fernen Ultraviolett erzielt werden und das System kann im Bereich von ultravioletten Strahlen und von Strahlen im fernen Ultraviolett angewendet werden. Eine hohe Auflösungsleistung kann erzielt werden.

Claims

1. Optisches Projektionssystem zur Verwendung bei der Herstellung einer Präzisionskopie, umfassend:

Ein Paar katadioptrischer optischer Systeme (I, II), die jeweils ein zugehöriges asphärisches Refraktionsberichtigungselement (4, 4'), ein konvexes Spiegelelement (2, 6) und ein konkaves Spiegelelement (3, 5) mit einer Öffnung in der Mitte einschließen, wobei das konvexe Spiegelelement (2, 6) und das konkave Spiegelelement (3, 5) koaxial mit einer gemeinsamen Krümmungsmitte angeordnet sind, die in der Mitte der Eingangslinse (EP) liegt, und wobei das zugehörige asphärische Refraktionsberichtigungselement im wesentlichen an der Eingangslinse angeordnet ist,

wobei das Paar katadioptrischer optischer Systeme (I, II) rotationssymmetrisch um eine Bezugsachse angeordnet ist und koaxial derart gekoppelt ist, daß die zugehörigen asphärischen Refraktionsberichtigungselemente (4, 4') einander gegenüberliegen, wobei eines des Paares katadioptrischer optischer Systeme (I) auf der Seite des zu projizierenden Objekts liegt und das andere katadioptrische optische System (II) auf der Seite des projizierten Bildes liegt,

wobei das Objekt in der Brennebene (F) des einen des Paares katadioptrischer optischer Systeme (I) angeordnet ist und das Objekt auf die Brennebene des anderen des Paares katadioptrischer optischer Systeme (II) projiziert wird; dadurch gekennzeichnet, daß

die konvexen Spiegelelemente (2, 6) jeweils eine Öffnung in der Mitte aufweisen,

das optische System eine kohärent leuchtende Lichtquelle (20) zum derartigen konvergenten Beleuchten des zu projizierenden Objekts einschließt, daß ein erster Teil der Beleuchtungsstrahlen von der Lichtquelle (20) von dem ersten des Paares katadioptrischer optischer Systeme (I) auf die Ebene der Eingangslinse (EP) fokussiert wird und ein verbleibender zweiter Teil der Beleuchtungsstrahlen der Lichtquelle (20) durch die Öffnung des konvexen Spiegelelementes (2) auf die Ebene der Eingangslinse konvergiert wird,

wobei das eine auf der Seite des zu projizierenden Objektes angeordnete des Paares katadioptrischer optischer Systeme (I) derart ausgelegt ist, daß, nachdem die von dem Objekt emittierten Strahlen die Öffnung des zugehörigen konkaven Spiegelelements (3) passiert haben, der zweite Teil der Strahlen durch die Öffnung des zugehörigen konvexen Spiegelelements (2) hindurchtritt und der erste Teil der Strahlen von dem zugehörigen konvexen Spiegelelement auf das zugehörige konkave Spiegelelement (3) reflektiert und ferner von dem zugehörigen konkaven Spiegelelement (3) reflektiert wird und sowohl der erste als auch der zweite Teil der Strahlen durch das zugehörige asphärische Refraktionsberichtigungselement (4) hindurchtritt, und

das auf der Seite des projizierten Bildes gelegene andere des Paares katadioptrischer optischer Systeme (2) derart ausgelegt ist, daß, nachdem die einfallenden Strahlen durch das zugehörige asphärische Refraktionsberichtigungselement (4') hindurchgetreten sind, ein erster Teil der Strahlen durch die Öffnung des zugehörigen konvexen Spiegelelements (6) und die Öffnung des zugehörigen konkaven Spiegelelements (5) hindurchtritt und ein verbleibender zweiter Teil der Strahlen von dem zugehörigen konkaven Spiegelelement (5) auf das zugehörige konvexe Spiegelelement (6) reflektiert wird und ferner von dem zugehörigen konvexen Spiegelelement (6) reflektiert wird und durch die Öffnung des zugehörigen konkaven Spiegelelement (5) hindurchtritt, und sich alle Strahlen in einer Ebene überlagern, die senkrecht auf der Bezugsachse steht und hinter dem zugehörigen konkaven Spiegelelement (5) liegt, so daß ein Bild erzeugt wird.

2. Optisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem das Paar einander gegenüberliegender asphärischer Refraktionsberichtigungselemente (4, 4') mit geringem gegenseitigem Abstand angeordnet ist.

3. Optisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die jeweils einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden asphärische Refraktionsberichtigungselemente eben sind und die beiden asphärischen Refraktionsberichtigungselemente an den entsprechenden ebenen Oberflächen integral gekoppelt sind.