DE102011086915A1

DE102011086915A1 - Illumination system for microlithographic projection exposure system, has LED for generating illumination radiation in UV range at specific wavelength

Info

Publication number: DE102011086915A1
Application number: DE201110086915
Authority: DE
Inventors: Stig Bieling; Markus Degünther; Johannes Wangler; Gerhard-Wilhelm Ziegler; Markus Schwab; Igor Gurevich; Alois Herkommer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-07-26

Abstract

The illumination system (1) has LED (6) for generating illumination radiation (7) in UV range at a wavelength 248 or 365 nm. A discharge lamp (2) is provided for generating illuminating radiation (5) at wavelength of 365 nm.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage.The invention relates to an illumination system for a microlithography projection exposure apparatus.

Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie weisen in der Regel ein Beleuchtungssystem mit einer im Wesentlichen punktförmigen Lichtquelle auf, und dienen dazu, das von der Lichtquelle emittierte Licht zu Beleuchtungslicht zu verarbeiten, d. h. um ein typischer Weise rechteckförmiges Beleuchtungsfeld mit dem Licht der Lichtquelle möglichst homogen auszuleuchten. In dem Beleuchtungsfeld ist ein Objekt, im Allgemeinen Retikel oder Maske genannt, mit einer abzubildenden Struktur angeordnet. Ein nachgeschaltetes Projektionssystem bildet das vom Beleuchtungssystem ausgeleuchtete Objektfeld mit der abzubildenden Struktur auf ein Bildfeld ab, in dem ein weiteres Objekt, im Allgemeinen Wafer oder Substrat genannt, mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photolack bzw. Resist) angeordnet ist. Die Wellenlänge der von der Lichtquelle emittierten Strahlung liegt hierbei typischer Weise im UV- oder EUV-Wellenlängenbereich.Microlithography projection exposure equipment typically includes an illumination system having a substantially point light source, and serves to process the light emitted from the light source into illumination light, i. H. to illuminate a typical rectangular illumination field as homogeneously as possible with the light of the light source. In the illumination field, an object, generally called reticle or mask, is arranged with a structure to be imaged. A downstream projection system images the illuminated by the illumination system object field with the structure to be imaged on an image field in which another object, generally called wafer or substrate, with a photosensitive layer (photoresist or resist) is arranged. The wavelength of the radiation emitted by the light source is typically in the UV or EUV wavelength range.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, Beleuchtungssysteme für die Mikrolithographie mit verbesserter Strahlungsleistung bzw. mit vereinfachtem und damit kostengünstigerem Aufbau bereitzustellen.The object of the invention is to provide illumination systems for microlithography with improved radiant power or with a simplified and thus more cost-effective design.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Beleuchtungssystem für die Mikrolithographie, in dem mindestens eine Leuchtdiode zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung bei einer Wellenlänge im UV-Bereich, insbesondere bei 248 nm oder 365 nm, angeordnet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by an illumination system for microlithography, in which at least one light emitting diode for generating illumination radiation at a wavelength in the UV range, in particular at 248 nm or 365 nm, is arranged. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Unter Leuchtdioden werden im Folgenden sowohl LEDs als auch Laserdioden verstanden. Bei LEDs findet die Emission von Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern an einem pn-Übergang statt. Laserdioden funktionieren prinzipiell ähnlich, die Rekombination findet aber innerhalb eines optischen Resonators unter Besetzungsinversion statt (Laser-Betrieb). Die nachfolgend beschriebenen Konzepte funktionieren prinzipiell sowohl für LEDs als auch für Laserdioden. Laserdioden bieten jedoch Vorteile wegen der kleineren Etendue.Light emitting diodes are understood below to mean both LEDs and laser diodes. In LEDs, the emission of light occurs through recombination of electrons and holes at a pn junction. Laser diodes work in principle similar, but the recombination takes place within an optical resonator under population inversion (laser operation). The concepts described below work in principle for both LEDs and laser diodes. However, laser diodes offer advantages because of the smaller etendue.

Leuchtdioden (LEDs) werden auch im UV-Bereich, insbesondere um die i-Linie (d. h. bei ca. 365 nm Wellenlänge) immer leistungsfähiger. Beispielsweise wird von der „Nichia Corporation” unter der Bezeichnung NCSU033A(T) eine LED angeboten, welche eine Strahlungsleistung von ca. 250 mW erzeugt und deren Strahlungsspektrum ein ausgeprägtes Maximum der Emission bei einer Wellenlänge von ca. 365 nm aufweist. Allerdings kann bei einer solchen Leuchtdiode wegen des geringen Anteils des nutzbaren Phasenraumvolumens bzw. der sehr großen Etendue nur ein kleiner Teil der abgestrahlten Leistung verwendet werden. Es versteht sich aber, dass die Entwicklung von Leuchtdioden stetig fortschreitet, so dass ggf. zukünftig LEDs zur Verfügung stehen werden, welche eine geringere Etendue aufweisen und daher effizienter zu nutzen sind.Light-emitting diodes (LEDs) are also becoming more and more efficient in the UV range, in particular around the i-line (that is, at approximately 365 nm wavelength). For example, "Nichia Corporation" under the name NCSU033A (T), an LED is offered which produces a radiation power of about 250 mW and whose radiation spectrum has a pronounced maximum emission at a wavelength of about 365 nm. However, only a small part of the radiated power can be used in such a light emitting diode because of the small proportion of usable phase space volume or the very large Etendue. However, it goes without saying that the development of light-emitting diodes is proceeding steadily, so that in the future LEDs will possibly be available which have a lower etendue and are therefore more efficient to use.

Der Einsatz von Leuchtdioden in Beleuchtungssystemen für die Mikrolithographie kann auf zwei unterschiedliche Weisen erfolgen: Einerseits können Leuchtdioden Verwendung als zusätzliche Lichtquelle(n) in bestehenden Beleuchtungssystemen finden, welche bereits mit einer primären Lichtquelle ausgestattet sind (die nicht als Leuchtdiode ausgebildet ist), um die nutzbare Strahlungsleistung auf der Maske/Wafer zu steigern. Beispielsweise kann dies in so genannten i-Linien Beleuchtungssystemen mit einer Quecksilberdampflampe als Gasentladungslampe als primärer Lichtquelle der Fall sein. Andererseits können Leuchtdioden in eigens für diese konzipierten Beleuchtungssystemen als primäre Lichtquellen genutzt werden, um neue Typen von Beleuchtungssystemen bereitzustellen, die einfach, kompakt und billig herzustellen sind.The use of light-emitting diodes in lighting systems for microlithography can be done in two different ways: On the one hand, light-emitting diodes can be used as additional light source (s) in existing lighting systems that are already equipped with a primary light source (which is not designed as a light emitting diode) to the to increase usable radiation power on the mask / wafer. For example, this may be the case in so-called i-line illumination systems with a mercury vapor lamp as the gas discharge lamp as the primary light source. On the other hand, light-emitting diodes in lighting systems designed especially for this purpose can be used as primary light sources to provide new types of lighting systems that are simple, compact and inexpensive to manufacture.

Für die Nutzung von Leuchtdioden als zusätzliche bzw. als primäre Lichtquellen bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, die unter anderem auch von der verwendeten Lichtmischeinrichtung (Integratorstab oder Wabenkondensor) abhängen.There are different possibilities for the use of light-emitting diodes as additional or as primary light sources, which among other things also depend on the light mixing device used (integrator rod or honeycomb condenser).

Verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigen:Various embodiments of the illumination system according to the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. The features shown in the figures are purely schematic and not to scale. Show it:

1a, b schematische Darstellungen eines Beleuchtungssystems mit einer Entladungslampe als primärer Lichtquelle und einer Mehrzahl von Leuchtdioden als zusätzlichen Lichtquellen, 1a , b schematic representations of a lighting system with a discharge lamp as the primary light source and a plurality of light-emitting diodes as additional light sources,

2 eine schematische Darstellung einer Eintrittsfläche eines Lichtmischstabes bei zwei unterschiedlichen Ausleuchtungen, 2 a schematic representation of an entrance surface of a light mixing rod at two different illuminations,

3 eine schematische Darstellung eines LED-Arrays mit zwei Reihen von Leuchtdioden in einer Phalanx-Anordnung, 3 a schematic representation of an LED array with two rows of light emitting diodes in a phalanx assembly,

4a–d schematische Darstellungen von Beleuchtungssystemen mit einem Leuchtdiodenarray als primärer Lichtquelle und einem elliptisch bzw. parabolisch gekrümmten Spiegel, bzw. mit einer Mikrooptik (ohne Spiegel), 4a D schematic representations of illumination systems with a light-emitting diode array as a primary light source and an elliptical or parabolically curved mirror, or with a micro-optics (without mirror),

5a, b eine Draufsicht auf ein LED-Array (5a) sowie ein Beleuchtungssystem (5b) zur Abbildung des LED-Arrays auf ein Bildfeld, 5a , b is a top view of an LED array ( 5a ) and a lighting system ( 5b ) for mapping the LED array onto an image field,

6 eine Darstellung eines rechteckigen LED-Arrays sowie dessen Bild auf der rechteckigen Eintrittsfläche eines Integratorstabs, 6 a representation of a rectangular LED array and its image on the rectangular entrance surface of an integrator rod,

7 ein Beleuchtungssystem mit einem Wabenkondensor zur Lichtmischung, 7 a lighting system with a honeycomb condenser for light mixing,

8a, b randseitige Feldwaben des Wabenkondensors von 7 mit jeweils zugeordneten Leuchtdioden, sowie 8a , b marginal field honeycombs of the honeycomb condenser of 7 each with associated light-emitting diodes, as well

9 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Feldwabenarrays des Wabenkondensors von 7. 9 a plan view of a section of the field honeycomb array of the honeycomb condenser of 7 ,

In 1a ist schematisch ein Beleuchtungssystem 1 für eine (nicht gezeigte) mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage dargestellt. Das Beleuchtungssystem 1 umfasst als primäre Lichtquelle eine Entladungslampe 2 in Form einer Quecksilber-Kurzbogenlampe zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung 3 mit einer Wellenlänge bei der Quecksilber i-Linie (d. h. bei 365 nm Wellenlänge). Die Entladungslampe 2 ist in einem ersten Brennpunkt F1 eines Ellipsoidspiegels 4 angeordnet, welcher die emittierte Beleuchtungsstrahlung 3 in einem zweiten Brennpunkt F2 sammelt. Der Ellipsoidspiegel 4 weist im Bereich seiner Symmetrie- bzw. Rotationsachse (X-Achse) eine zentrische Öffnung 5 (Vertexloch) für den Lampenkolben de Entladungslampe 2 auf.In 1a is schematically a lighting system 1 for a microlithographic projection exposure apparatus (not shown). The lighting system 1 comprises as a primary light source a discharge lamp 2 in the form of a mercury short arc lamp for generating illumination radiation 3 with a wavelength at the mercury i-line (ie at 365 nm wavelength). The discharge lamp 2 is at a first focus F1 of an ellipsoidal mirror 4 arranged, which the emitted illumination radiation 3 in a second focus F2 collects. The ellipsoid mirror 4 has a central opening in the region of its axis of symmetry or rotation (X-axis) 5 (Vertex hole) for the lamp bulb de discharge lamp 2 on.

Ein Winkel θ bezüglich der Symmetrieachse X, unter dem die von der Entladungslampe 2 ausgehende Strahlung auf den Ellipsoidspiegel 4 trifft, kann wegen der zentrischen Öffnung 5 einen vorgegebenen minimalen Wert nicht unterschreiten, vgl. 1a. Daher ist die Winkelverteilung der im zweiten Brennpunkt F2 (Zwischenfokus) gesammelten Strahlung 3 der Entladungslampe 2 annular, d. h. der invariante Phasenraum ist nicht einfach zusammenhängend, sondern weist ein Loch auf. Dieses Loch kann durch eine geeignete Anordnung von Leuchtdioden 6 zur Erzeugung von zusätzlicher Beleuchtungsstrahlung 7, welche ebenfalls im Wellenlängenbereich von ca. 365 nm liegt, gestopft werden, indem die zusätzliche Strahlung (ggf. unter Verwendung von Mikrokollektoren an den Leuchtdioden) über am Lampensockel vorgesehene Planspiegel 8 in Richtung auf den zweiten Brennpunkt F2 umgelenkt wird, so dass ein Winkel, unter dem die zusätzliche Beleuchtungsstrahlung 7 im Bereich des zweiten Brennpunkts F2 auftrifft, geringer ist als der durch die Öffnung 5 in dem Ellipsoidspiegel 2 bedingte minimale Winkel θ, unter dem die Strahlung 3 der Entladungslampe 2 auf den Ellipsoidspiegel 4 auftrifft.An angle θ with respect to the axis of symmetry X, below that of the discharge lamp 2 outgoing radiation on the ellipsoidal mirror 4 can, because of the centric opening 5 do not fall below a predetermined minimum value, cf. 1a , Therefore, the angular distribution of the radiation collected at the second focal point F2 (intermediate focus) is 3 the discharge lamp 2 annular, ie the invariant phase space is not simply connected, but has a hole. This hole can be made by a suitable arrangement of light emitting diodes 6 for generating additional illumination radiation 7 , which is also in the wavelength range of about 365 nm, are stuffed by the additional radiation (possibly using micro-collectors on the light emitting diodes) provided on the lamp base plane mirror 8th is deflected in the direction of the second focal point F2, so that an angle at which the additional illumination radiation 7 in the region of the second focal point F2, is less than that through the opening 5 in the ellipsoidal mirror 2 conditional minimum angle θ, below which the radiation 3 the discharge lamp 2 on the ellipsoidal mirror 4 incident.

Die in 1a beispielhaft gezeigte Leuchtdiode 6 ist hierbei Teil eines (nicht gezeigten) Arrays aus Leuchtdioden 6 in Form von LEDs, welche ringförmig um die Symmetrieachse X angeordnet sind. Der maximale Radius des Arrays ist hierbei durch den zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt. Bei einem maximalen Radius von ca. 160 mm ergibt sich als Gesamtlänge für das LED-Array ca. 1 m. Wenn man von Abmessungen einer Leuchtdiode von ca. 7 mm ausgeht, wie dies z. B. bei den eingangs erwähnten LEDs vom Typ NCSU033A(T) der Fall ist, können ca. 143 LEDs in einem (nicht gezeigten) ringförmigen Array untergebracht werden.In the 1a exemplified LED 6 This is part of an array of light emitting diodes (not shown) 6 in the form of LEDs, which are arranged in a ring around the axis of symmetry X. The maximum radius of the array is limited by the available space. With a maximum radius of approx. 160 mm, the overall length for the LED array is approx. 1 m. If one assumes dimensions of a light-emitting diode of about 7 mm, as z. For example, in the case of the NCSU033A (T) type LEDs mentioned above, approximately 143 LEDs can be accommodated in an annular array (not shown).

Bei derzeit kommerziell erhältlichen Leuchtdioden, z. B. vom Typ NCSU033A(T) der „Nichia Corporation”, welche eine Leistung von ca. 250 mW aufweisen, ergibt sich eine gesamte Strahlungsleistung des Leuchtdioden-Arrays von ca. 36 W. Um die Packungsdichte zu erhöhen, können die Leuchtdioden 6 des Diodenarrays in der Art einer Phalanx angeordnet werden, d. h. z. B. in zwei hintereinander angeordneten Reihen, bei denen die Leuchtdioden 6 der beiden Reihen jeweils zueinander versetzt sind, so dass der die Strahlung 7 abgebende Flächenanteil (ca. 1 mm × 1 mm) der LEDs der hinteren Reihe zwischen den LEDs der vorderen Reihe zu liegen kommt, wie in 3 gezeigt ist. Auf diese Weise kann die Zahl der LEDs auf ca. 250 und damit die Leistung auf ca. 62,5 W erhöht werden.In currently commercially available light emitting diodes, z. B. type NCSU033A (T) of the "Nichia Corporation", which have a power of about 250 mW, resulting in a total radiant power of the light-emitting diode array of about 36 W. To increase the packing density, the light emitting diodes 6 of the diode array are arranged in the manner of a phalanx, ie, for example, in two rows arranged one behind the other, in which the light-emitting diodes 6 the two rows are offset from each other, so that the radiation 7 1mm × 1mm) of the LEDs of the rear row comes to rest between the LEDs of the front row, as in 3 is shown. In this way, the number of LEDs can be increased to about 250 and thus the power to about 62.5 W.

Zusätzlich oder alternativ zur Füllung des Lochs im Phasenraum wie dies bei dem in 1a gezeigten Beispiel dargestellt ist können Leuchtdioden 6 des Beleuchtungssystems 1 auch zum Erzeugen von Strahlung 7 dienen, welche zum zweiten Brennpunkt F2 versetzt und außerhalb des von der Beleuchtungsstrahlung 3 der Entladungslampe 2 auf eine Brennebene 9 des zweiten Brennpunkts F2 trifft, vgl. 1b. Dies ist insbesondere günstig, wenn die Brennebene 9 mittels einer (nicht gezeigten) Abbildungs- bzw. Zoomoptik (mit typischer Weise variablem Abbildungsmaßstab β) auf eine in 2 dargestellte, im vorliegenden Beispiel hexagonal ausgebildete Eintrittsfläche 10 eines Lichtmischstabs 11 abgebildet wird. Der Lichtmischstab 11 wird auch als Integratorstab bezeichnet und dient der Lichtmischung durch mehrfache Totalreflexion der eintretenden Strahlung an seinen Seitenflächen. Ein solcher Lichtmischstab mit hexagonalem Querschnitt kann insbesondere zur Vormischung dienen und einem weiteren Lichtmischstab mit rechteckigem Querschnitt vorgeschaltet sein.Additionally or alternatively to the filling of the hole in the phase space as in the in 1a shown example can light emitting diodes 6 of the lighting system 1 also for generating radiation 7 serve, which offset to the second focus F2 and outside of the illumination radiation 3 the discharge lamp 2 on a focal plane 9 of the second focal point F2, cf. 1b , This is especially beneficial when the focal plane 9 by means of a (not shown) imaging or zooming optics (typically variable magnification β) on an in 2 represented, in the present example hexagonal entrance surface 10 a light mixing rod 11 is shown. The light mixing rod 11 is also referred to as Integratorstab and serves the light mixture by multiple total reflection of the incoming radiation at its side surfaces. Such a light mixing rod with a hexagonal cross section may serve in particular for premixing and be connected upstream of a further light mixing rod with a rectangular cross section.

Wie in 2 zu erkennen ist, hängt die Ausleuchtung an der Eintrittsfläche 10 des Lichtmischstabes 11 vom Abbildungsmaßstab β der (nicht gezeigten) Abbildungsoptik ab. Ist dieser klein (β = β1), ist auch der Radius R1 des Abbilds des ausgeleuchteten Bereichs der Brennpunktebene 9 klein und liegt innerhalb der Abmessungen des Lichtmischstabes 11. Ist der Abbildungsmaßstab β groß (β = β2), kann die Eintrittsfläche 10 des Lichtmischstabs 11 völlig überstrahlt werden, vgl. Radius R2 in 2. As in 2 can be seen, the illumination depends on the entrance surface 10 of the light mixing rod 11 from the image scale β of the (not shown) imaging optics. If this is small (β = β1), the radius R1 of the image of the illuminated region of the focal plane is also 9 small and within the dimensions of the light mixing rod 11 , If the magnification β is large (β = β2), the entrance surface 10 of the light mixing rod 11 to be completely outshone, cf. Radius R2 in 2 ,

Wird am Lichtmischstab 11 keine Feldblende am Eintritt angeordnet, wie dies üblicher Weise bei einem Lichtmischstab mit hexagonalem Querschnitt der Fall ist, kann durch die Einkopplung von zusätzlicher Beleuchtungsstrahlung 7 neben den von der Beleuchtungsstrahlung 3 der Entladungslampe 2 getroffenen Bereich in der Brennebene 9 die Pupille am Austritt des Integratorstabes 11 besser gefüllt werden, da diese in einen Teilbereich der Eintrittsfläche 10 des Lichtleitstabs 11 neben dem kreisförmigen Bereich mit Radius R1, welcher durch die Abbildung der Beleuchtungsstrahlung 3 der primären Lichtquelle 2 entsteht, eingekoppelt wird. Dies ist insbesondere deshalb günstig, da große Settings (d. h. kleine Abbildungsmaßstäbe β) bei den hier beschriebenen i-Linien Beleuchtungssystemen häufig verwendet werden.Is at the light mixing rod 11 no field stop arranged at the entrance, as is usually the case with a light mixing rod with a hexagonal cross-section, may be due to the introduction of additional illumination radiation 7 next to the of the illumination radiation 3 the discharge lamp 2 hit area in the focal plane 9 the pupil at the exit of the integrator rod 11 be filled better, as these in a partial area of the entrance surface 10 of the light guide rod 11 next to the circular area with radius R1, which by the image of the illumination radiation 3 the primary light source 2 arises, is coupled. This is particularly beneficial because large settings (ie, small magnifications β) are often used in the i-line illumination systems described herein.

Kompensation bestimmter Fehler oder nichtoptimaler Systemperformance ist ebenfalls ein wichtiges Merkmal für Beleuchtungssysteme. Bei Beleuchtungssystemen für die i-Linie, welche einen quaderförmigen Integratorstab (wie dies z. B. in der DE 102 51 087 A1 beschrieben ist) aufweisen, ist es üblich, am Stabeintritt eine Blende vorzusehen, um die Pupillen-Elliptizität am Stabaustritt klein zu halten. Hierdurch verliert man bei kleinen Settings (großem Abbildungsmaßstab β) aber enorm viel Intensität. Wenn die Settings nicht zu klein sind, so dass der Integratorstab 11 nicht völlig überstrahlt ist, so kann wie oben beschrieben auch in einen Integratorstab 11 mit rechteckigem Querschnitt gezielt Licht mit Hilfe von Leuchtdioden 6 in den nicht von der primären Lichtquelle 2 ausgeleuchteten Querschnittsbereich eingekoppelt werden, um die Pupillen-Elliptizität zu kompensieren und die Blende (quasi) überflüssig machen. Hierbei können die Leuchtdioden 6 so angeordnet werden, dass in Quadranten in der Austrittspupille des Integratorstabs 11, in denen die Strahlungs-Intensität niedriger ist als in anderen Quadranten, selektiv zusätzliche Strahlung 7 der Leuchtdioden 6 eingekoppelt wird, um auf diese Weise eine Korrektur der Pupillen-Elliptizität zu erzeugen.Compensation of certain errors or non-optimal system performance is also an important feature for lighting systems. In lighting systems for the i-line, which a cuboid integrator rod (as for example in the DE 102 51 087 A1 described), it is customary to provide a diaphragm at the rod entry to keep the pupil ellipticity at the rod outlet small. In this way you lose a lot of intensity with small settings (large magnification β). If the settings are not too small, so the integrator bar 11 not completely outshined, as described above can also in an integrator 11 with rectangular cross-section targeted light with the help of light emitting diodes 6 not in the primary light source 2 illuminated cross-sectional area are coupled to compensate for the pupil ellipticity and make the aperture (quasi) superfluous. Here, the light-emitting diodes 6 be arranged so that in quadrants in the exit pupil of the integrator rod 11 in which the radiation intensity is lower than in other quadrants, selectively additional radiation 7 the light-emitting diodes 6 coupled to produce a correction of the pupil ellipticity in this way.

Grundsätzlich ist zu bemerken, dass es sich bei Leuchtdioden um lambertsche Flächenstrahler handelt, welche wegen der sehr großen Etendue sehr ineffizient sind (auch spektral). Aufgrund der Etendue-Erhaltung (Phasenrauminvarianz bzw. Lagrange-Invarianz) können auch Kollektoren oder Mikrooptiken die Effizienz nicht steigern. Dennoch können LEDs in Zukunft mit z. B. höherer Leuchtdichte etc. eine echte Alternativlösung zu herkömmlichen Lichtquellen (Entladungslampen, Lasern etc.) als primäre Lichtquellen in Beleuchtungssystemen für die Mikrolithographie darstellen.Basically, it should be noted that light-emitting diodes are lambert surface radiators, which are very inefficient (also spectrally) because of the very large etendue. Due to etendue conservation (phase space invariance or Lagrangian invariance), collectors or micro-optics can not increase efficiency. Nevertheless, LEDs can in the future with z. B. higher luminance, etc. represent a real alternative solution to conventional light sources (discharge lamps, lasers, etc.) as the primary light sources in lighting systems for microlithography.

Möglichkeiten zur Aufnahme der Apertur bzw. des extrem großen Öffnungswinkels bei der Verwendung von Leuchtdioden als primären Lichtquellen sind nachfolgend beispielhaft in 4a–c dargestellt. 4a zeigt hierbei eine Leuchtdiode bzw. ein Leuchtdiodenarray 6a, welches in einem Brennpunkt F1 eines Hyperboloid-Spiegels 4 angeordnet ist, der in 4a nur angedeutet ist und mit einer Linse 12 bzw. einem Linsensystem kombiniert ist, um den Öffnungswinkel der Strahlung 7 des LED-Arrays 6a zu verringern.Possibilities for recording the aperture or the extremely large opening angle when using light-emitting diodes as primary light sources are exemplified below in FIG 4a -C shown. 4a in this case shows a light emitting diode or a light emitting diode array 6a which is located at a focal point F1 of a hyperboloidal mirror 4 is arranged in 4a only hinted at and with a lens 12 or a lens system is combined to the opening angle of the radiation 7 of the LED array 6a to reduce.

Alternativ kann wie in 4b gezeigt die Leuchtdiode bzw. ein entsprechendes Array 6a auch im Brennpunkt eines Paraboloid-Spiegels 4 angeordnet sein. Bei dieser Anordnung kann auch eine Verdopplung der strahlenden Fläche erfolgen, indem zwei Leuchtdioden bzw. Arrays 6a mit ihren strahlenden Flächen parallel zur Symmetrieachse (X-Achse) des Paraboloid-Spiegels 4 angeordnet sind, wie dies in 4c dargestellt ist. Es versteht sich, dass auch Spiegel verwendet werden können, die andere Arten von Kegelschnitten bilden, z. B. Ellipsoid-Spiegel oder ggf. Spiegel mit asphärisch gekrümmten (rotationssymmetrischen) Spiegelflächen. Alternativ kann eine Reduktion des transportierten Raumwinkels selbstverständlich durch Lichtverlust (Filterung) erfolgen.Alternatively, as in 4b shown the LED or a corresponding array 6a also at the focal point of a paraboloidal mirror 4 be arranged. In this arrangement, a doubling of the radiating surface can be done by two light emitting diodes or arrays 6a with their radiating surfaces parallel to the axis of symmetry (X axis) of the paraboloid mirror 4 are arranged as in 4c is shown. It is understood that it is also possible to use mirrors which form other types of conic sections, e.g. B. ellipsoidal mirror or possibly mirror with aspherically curved (rotationally symmetric) mirror surfaces. Alternatively, a reduction of the transported solid angle can of course be done by light loss (filtering).

Es versteht sich, dass ggf. vollständig auf einen Spiegel verzichtet werden kann, wie dies bei dem in 4d dargestellten Beleuchtungssystem 1 der Fall ist, bei dem auf das Leuchtdiodenarray 6a eine Mikrooptik 13 folgt, welche gemeinsam mit einer Linse 12 eine Abbildung des Leuchtdiodenarrays 6a auf die Eintrittsfläche 10 eines Lichtmischstabs 11 ermöglicht. Bei allen oben dargestellten Beleuchtungssystemen können ggf. Mikrooptiken für die Leuchtdioden verwendet werden, die beispielsweise wie in der US 2007/0051964 A1 beschrieben ausgebildet sind.It is understood that it may be possible to completely dispense with a mirror, as in the case of the 4d illustrated lighting system 1 the case is in which the light emitting diode array 6a a micro-optic 13 follows, which together with a lens 12 an illustration of the light emitting diode array 6a on the entrance area 10 a light mixing rod 11 allows. In all lighting systems shown above may possibly be used for the light emitting diodes micro-optics, for example, as in the US 2007/0051964 A1 are formed described.

Neben einer variablen Pupillenausleuchtung kann auch eine variable Feldausleuchtung nützlich sein. Wie in 5a gezeigt ist, kann eine beliebig vorgegebene Feldform mit einem LED-Array 6a mit geeigneter Gestalt approximiert werden und in einem Beleuchtungssystem 1 über eine Abbildungsoptik 14 in eine Bildebene 15 kritisch abgebildet werden, wie in 5b dargestellt ist.In addition to variable pupil illumination, variable field illumination may also be useful. As in 5a can be shown, any predetermined field shape with an LED array 6a be approximated with a suitable shape and in a lighting system 1 about an imaging optics 14 into an image plane 15 be critically mapped, as in 5b is shown.

Eine homogene Rechteckfeldausleuchtung kann man z. B. mit dem Integratorstab 11 von 4 erzeugen, wenn dessen rechteckige Eintrittsfläche 10 im Bereich der Bildebene des Beleuchtungssystems 1 von 5b angeordnet wird. Wie in 6 zu erkennen ist, wird ein LED-Array 6a mit einer entsprechenden, rechteckigen Matrixanordnung von Leuchtdioden 6 über die Abbildungsoptik 14 (mit Abbildungsmaßstab ß) bei geeignet gewähltem Aspektverhältnis derart auf die Eintrittsfläche 10 abgebildet, dass diese vollständig ausgeleuchtet ist. Die Geometrie des Arrays kann an beliebige Stabgeometrien angepasst werden. Zur Erzeugung einer gewünschten Pupillenausleuchtung können in einer dem Stab vorgeschalteten Abbildungsoptik oder der Abbildungsoptik 14 in einer der Austrittspupille konjugierten Ebene entsprechende Blenden eingebracht werden.A homogeneous rectangular field illumination can be z. B. with the integrator rod 11 from 4 produce, if its rectangular entrance surface 10 in the area of the image plane of the lighting system 1 from 5b is arranged. As in 6 to recognize, is an LED array 6a with a corresponding, rectangular matrix arrangement of light-emitting diodes 6 about the imaging optics 14 (With magnification ß) with suitably selected aspect ratio in such a way to the entrance surface 10 shown that it is fully lit. The geometry of the array can be adapted to any bar geometries. To produce a desired pupil illumination, the imaging optics or the imaging optics can be used in a bar upstream of the rod 14 In a plane conjugate to the exit pupil, corresponding apertures are introduced.

Im Gegensatz zur rotationssymmetrischen Ausleuchtung des Integratorstabes 11 ausschließlich mit einer Entladungslampe kann auf diese Weise effizienter Licht in den Integratorstab 11 eingekoppelt werden. Dass ggf. dennoch nicht die gesamte Etendue der Leuchtdioden genutzt werden kann, insbesondere wenn die Ausleuchtung verändert wird (ß variabel) ist davon zunächst unabhängig.In contrast to the rotationally symmetrical illumination of the integrator rod 11 Using only a discharge lamp in this way can light up the integrator rod more efficiently 11 be coupled. That, if necessary, not the entire etendue of the LEDs can be used, in particular if the illumination is changed (ß variable) is initially independent.

Alternativ zu einem Lichtmischstab lässt sich zur Lichtmischung in einem Beleuchtungssystem 1 auch ein Wabenkondensor 16 verwenden, welcher aus einem Feldwabenarray 17a und einem Pupillenwabenarray 18a besteht, vgl. 7.As an alternative to a light mixing rod, it is possible to mix the light in a lighting system 1 also a honeycomb condenser 16 use which from a field honeycomb array 17a and a pupil honeycomb array 18a exists, cf. 7 ,

Da die einzelnen Leuchtdioden 6 des LED-Arrays 6a jeweils sehr inhomogen abstrahlen (Lambert-Strahler), sollten dabei die Feldwaben 17 jeweils unterschiedlich ausgeleuchtet werden, z. B. durch eine verschiedene Anordnung der jeweils zugeordneten Leuchtdioden 6 zueinander, wie dies in 8a angedeutet ist.As the individual light-emitting diodes 6 of the LED array 6a each radiating very inhomogeneous (Lambert emitters), should thereby the field honeycombs 17 each illuminated differently, z. B. by a different arrangement of the respective associated LEDs 6 to each other, as in 8a is indicated.

Die Feldwaben 17 bzw. deren Ausleuchtung wird mittels des Pupillenwabenarrays 18a und einer nachgeschalteten Fourier-Optik bzw. Fourier-Linse 12 auf das Bildfeld 15 abgebildet, d. h. dessen Ausleuchtung ist die Summe bzw. die Überlagerung aller Teilbilder der Feldwaben 17 und bei geschickter Anordnung der LEDs 6 uniform.The field honeycombs 17 or their illumination is by means of the pupil honeycomb array 18a and a downstream Fourier lens or Fourier lens 12 on the picture field 15 Imaged, ie its illumination is the sum or the superposition of all fields of the field honeycomb 17 and with clever arrangement of the LEDs 6 uniform.

Durch gezieltes Ein- bzw. Ausschalten der Leuchtdioden 6 kann auch die Uniformität der Beleuchtung des Bildfeldes 15 manipuliert werden, wie dies z. B. in 8b für Leuchtdioden 6 von benachbarten, im vorliegenden Beispiel randseitigen Feldwaben 17 angedeutet ist (schwarz bedeutet, die LED ist ausgeschaltet), um die Korrektur einer Verkippung („Tilt”) am Feldrand zu korrigieren. Es versteht sich, dass durch die Ausschaltung ganzer LED-Bereiche des LED-Arrays 6a (nicht nur am Rand) ein beliebiges gewünschtes Beleuchtungs-Setting eingestellt werden kann.By targeted switching on and off of the LEDs 6 may also be the uniformity of the illumination of the image field 15 be manipulated as z. In 8b for light-emitting diodes 6 from adjacent, in the present example edge field honeycombs 17 is indicated (black means the LED is off) to correct the correction of a tilt at the edge of the field. It is understood that by turning off entire LED areas of the LED array 6a (not just on the edge) any desired lighting setting can be set.

Je nach Anzahl der Leuchtdioden pro Kanal (Feldwabe 17 und zugeordnete Pupillenwabe 18) des Wabenkondensors 16 kann prinzipiell auch die Pupillenausleuchtung über das Feld variieren, da alle Punkte einer Feldwabe 17 einen konjugierten Punkt auf dem Bildfeld 15 haben. 9 zeigt einen Ausschnitt des Feldwabenarrays 17a mit einer Mehrzahl von Feldwaben 17, bei denen Punkte, welche links in einer jeweiligen Feldwabe 17 liegen, mit einem Kreis markiert sind und links auf das Bildfeld abgebildet werden, wohingegen rechts in einer jeweiligen Feldwabe 17 liegende Punkte, die mit einem Kreuz markiert sind, in einen rechten Bereich des Bildfeldes 15 abgebildet werden. Durch optimale Zuordnung bzw. Anordnung der Leuchtdioden 6 kann somit eine Konfiguration gefunden werden, welche die Anforderungen für alle zu kontrollierenden Größen (Schwerstrahl, Elliptizität, ...) des Beleuchtungssystems 1 erfüllt.Depending on the number of LEDs per channel (Feldwabe 17 and associated pupil honeycomb 18 ) of the honeycomb condenser 16 In principle, the pupil illumination can also vary across the field, since all points of a field honeycomb 17 a conjugate point on the image field 15 to have. 9 shows a section of the field honeycomb array 17a with a plurality of field honeycombs 17 in which points, which are left in a respective field honeycomb 17 lie, are marked with a circle and are pictured left on the image field, whereas right in a respective field honeycomb 17 lying points, which are marked with a cross, in a right area of the image field 15 be imaged. By optimal assignment or arrangement of the LEDs 6 Thus, a configuration can be found which satisfies the requirements for all variables to be controlled (heavy beam, ellipticity, etc.) of the illumination system 1 Fulfills.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10251087 A1 [0026]
US 2007/0051964 A1 [0030]

Claims

Lighting system ( 1 ) for a microlithography projection exposure apparatus, characterized by at least one light-emitting diode ( 6 ) for generating illumination radiation ( 7 ) at a wavelength in the UV range, in particular at 248 nm or 365 nm.

Illumination system according to claim 1, further comprising: a discharge lamp ( 2 ) for generating illumination radiation ( 5 ) in particular at a wavelength of 365 nm.

The illumination system of claim 2, further comprising: an ellipsoidal mirror ( 2 ) for focusing the illumination radiation ( 5 ) of the discharge lamp arranged at a first focal point (F1) ( 2 ) to a second focus (F2).

Illumination system according to Claim 3, in which the at least one light-emitting diode ( 6 ) for coupling additional illumination radiation ( 7 ) in the region of the second focal point (F2) is used.

Illumination system according to Claim 3 or 4, in which the at least one light-emitting diode ( 6 ) for the coupling of illumination radiation ( 7 ) into a partial area of a focal plane containing the second focal point (F2) ( 9 ), on which the illumination radiation ( 3 ) of the discharge lamp ( 2 ) does not hit.

Lighting system according to one of claims 2 to 5, further comprising: a light mixing rod ( 11 ), as well as an imaging optics ( 14 ) for imaging a focal plane containing the second focal point (F2) ( 9 ) on an entrance surface ( 10 ) of the light mixing rod ( 11 ).

Lighting system according to claim 1, which except a plurality of light-emitting diodes ( 6 ), in particular in a light-emitting diode array ( 6a ) are arranged, has no further light sources.

Illumination system according to Claim 7, in which the light-emitting diode array ( 6a ) at the focal point (F1) of a hyperbolic or parabolically curved mirror ( 4 ) is arranged.

Illumination system according to claim 7 or 8, further comprising: a light mixing rod ( 11 ) with an entrance surface ( 10 ), on whose geometry the geometry of the light-emitting diode array ( 6a ) is adjusted.

Lighting system according to claim 7 or 8, further comprising: a honeycomb condenser ( 16 ) with a field honeycomb array ( 17a ) and a pupil honeycomb array ( 18a ), wherein preferably a respective arrangement of light emitting diodes ( 6 ) of the light-emitting diode array ( 6a ), the different field honeycombs ( 17 ) are different from each other.