DE19931751A1 - Vorrichtung zur Reduzierung der Peakleistung einer Pulslaser-Lichtquelle - Google Patents
Vorrichtung zur Reduzierung der Peakleistung einer Pulslaser-LichtquelleInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Reduzierung der Peakleistung einer Pulslaser-Lichtquelle, insbesondere für eine Projektionsbelichtungsanlage, ist in dem Strahlengang (1) wenigstens eine Strahlenteilereinrichtung (3, 4) angeordnet, durch die über reflektierende Bauteile (6, 7, 8 bzw. 12, 13, 14) eine Umwegleitung (5 bzw. 11) für wenigstens einen Teilstrahl (1b) mit anschließender Wiedervereinigung an einem Strahlvereinigungsglied (9, 15) mit dem oder den anderen Teilstrahlen (1b bzw. 10b) zu einem Gesamtstrahl erzeugt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der
Peakleistung einer Pulslaser-Lichtquelle, insbesondere für eine
Projektionsbelichtungsanlage.
Pulslaser-Lichtquellen, z. B. Excimer-Laser, für die UV-
Lithographie besitzen eine Wiederholungsrate von etwa 1000 bis
4000 Pulsen pro Sekunde. Die Pulslänge beträgt derzeit 20 bis
30 ns. Innerhalb eines jeden Pulses kommt es in der
Abhängigkeit vom Gaszustand, vom Zustand des Lasers,
insbesondere der optischen Komponenten, und abhängig von der
Resonatorlänge zu erheblichen Modulationen der
Laserausgangsleistung über die Zeit.
Dabei hat sich in der Praxis herausgestellt, daß ein deutlicher
Nachteil einer Pulslaser-Lichtquelle darin besteht, daß die
kurze Pulsdauer eine hohe Pulsleistungsdichte verursacht, die
sich auf die optischen Materialien, insbesondere glasige
Materialien, sehr negativ auswirkt. Quarzglas bei einer
Arbeitswellenlänge von 193 nm wird mit einer Rate, in die eine
Potenz der Leistungsdichte eingeht geschädigt. Die Folgen
daraus sind Transmissionsverluste und eine unkontrollierte
Erhöhung der Brechzahl was die Lebensdauer des optischen
Systems begrenzt. Bei SiO2 in glasiger Form gibt es Stellen mit
besonders schwachen Bindungen. Die von der Pulslaser-
Lichtquelle erzeugten gepulsten kurzwelligen
elektromagnetischen Strahlungen liefern damit die Energie, um
in nachteiliger Weise diese Stellen zu modifizieren.
Aus der EP 0 785 473 A2 ist eine Vorrichtung der eingangs
erwähnten Art bekannt, durch die das von einer Pulslaser-
Lichtquelle kommende Licht in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt
wird, welche Umwegleitungen durchlaufen. Auf diese Weise
erfolgt eine Bündelaufweitung bzw. eine Aufteilung in mehrere
nebeneinander angeordnete Teilstrahlen. Diese Teilstrahlen
werden nebeneinander angeordnet in eine Beleuchtungseinrichtung
eingegeben.
Nachteilig dabei ist jedoch, daß damit mehrere optische Achsen
nebeneinander erzeugt werden und die Beleuchtungseinrichtung
entsprechend anzupassen ist. Darüber hinaus liegt die
vorgenannte Vorrichtung in ihrer Ausrichtung fest.
In US 5,661,748 sind eine Pulsverzögerungseinrichtung mit
teildurchlässigen Spiegeln und zwangsläufigen "Schwanz" der
Pulsverteilung und eine Anordnung mit zwei Konkavspiegeln und
einem gerasterten Spiegel beschrieben, bei dem prinzipiell ein
Versatz (Teil 4.2) auftritt, der nicht durch den schrägen
Durchtritt durch Planplatten entsteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Schädigungen von
Bauteilen, die im Strahlengang der Pulslaser-Lichtquelle
liegen, vermieden werden und zwar möglichst ohne besondere
Einbuße des Wirkungsgrades der Pulslaser-Lichtquelle.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst.
Erfindungsgemäß werden nun die hohen Spitzen bzw. Peaks der
Pulslaser-Lichtquelle abgebaut und die Pulsleistungsdichte
verringert, und zwar bei nur geringer integraler
Energieeinbuße. Durch die Strahlteilung in Verbindung mit der
Umwegleitung erfolgt eine Aufteilung des Strahles der
Pulslaser-Lichtquelle in Teilstrahlen mit einem optischen
Gangunterschied. Dabei ist lediglich dafür zu sorgen, daß der
Gangunterschied so gewählt wird, daß sich wenigstens weitgehend
Spitzen und Täler ergänzen. Spitzen und Täler liegen zeitlich
auseinander, z. B. 7,0 ns. Dies entspricht einem Laufweg des
Lichts von 2,1 m. Um ganze Pulse in ihrer Pulsleistungsdichte
zu halbieren, werden sie in mehrere Pulse aufgeteilt und dann
zeitlich aneinander gereiht. Um eine möglichst große
Reduzierung der Spitzen innerhalb eines Pulses und eine
weitgehend gleichmäßige Leistungsdichte zu erzeugen, wird in
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
wenigstens zwei Umwegleitungen im Strahlengang hintereinander
anzuordnen.
Erfindungsgemäß werden nicht mehrere Teilstrahlen erzeugt, die
nebeneinander angeordnet sind mit einer entsprechenden Anzahl
von optischen Achsen, sondern es erfolgt eine Wiedervereinigung
der Teilstrahlen zu einem Gesamtstrahl, womit eine einheitliche
optische Achse für die nachfolgende Beleuchtungseinrichtung
gegeben ist. Es findet nach der Teilung in mehrere Teilstrahlen
abschließend wieder eine Auffädelung statt.
In besonders vorteilhafter Weise läßt sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung für die Beeinflussung von polarisiertem Licht
einsetzen, wozu entsprechend zwischen dem Strahlengang und der
Strahlteilereinrichtung ein Winkel, vorzugsweise der Brewster-
Winkel, vorgesehen wird. Durch den Brewster-Winkel wird
erreicht, daß durch die Strahlteilereinrichtung, z. B. einem
Spiegel, 50% des Strahles ungehindert und verlustfrei
hindurchgehen (von Absorption in der Teilerschicht abgesehen),
während die anderen 50% abgeleitet werden. Selbstverständlich
sind im Rahmen der Erfindung jedoch auch noch andere Winkel und
damit auch noch andere Aufteilungsprozente möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, daß das Strahlvereinigungsglied derart ausgebildet ist,
daß ein Teil des Teilstrahles, der über die Umwegleitung
gelaufen ist, wiederholt über die Umwegleitung geschickt wird.
Auf diese Weise lassen sich noch mehrere optische
Gangunterschiede und damit eine noch stärkere Vergleichmäßigung
erreichen. Natürlich kommen noch zusätzliche Verluste aus
Spiegel und Teiler zum Tragen.
Durch eine Phasenverzögerungsplatte im Strahlengang erhält man
eine Beeinflussung der Leistungsspitzen und der Lebensdauer der
optischen Materialien, die der Pulslaser-Lichtquelle ausgesetzt
sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem
nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Strahlenganges einer
Pulslaser-Lichtquelle mit zwei Umwegleitungen;
Fig. 2 die Leistung der Pulslaser-Lichtquelle im
Aufteilungszustand durch eine erste Umwegleitung;
Fig. 3 den Leistungsverlauf der Pulslaser-Lichtquelle nach
einer zweiten Umwegleitung;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in schematischer Darstellung; und
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer
Projektionsbelichtungsanlage mit einem Excimer-Laser
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 trifft ein Strahlenbündel 1
einer Pulslaser-Lichtquelle, z. B. eines Excimer-Laser 2 (darge
stellt in der Fig. 5) auf eine erste Strahlteilereinrichtung
in Form eines Spiegels 3. 50% des gesamten Strahles passieren
als Teilstrahl 1a ungehindert und verlustfrei den Teilerspiegel
3 in Richtung auf einen zweiten Teilerspiegel 4 als zweite
Strahlteilereinrichtung. Die anderen 50% des Strahles nehmen
ihren Weg als Teilstrahl 1b über eine Umwegleitung 5, die durch
drei Spiegel 6, 7 und 8 als reflektierende Bauteile gebildet
ist. Der Teilerspiegel 3 als erste Strahlteilereinrichtung
wirkt auf seiner Rückseite auch gleichzeitig als
Strahlvereinigungsglied 9, in welchem der Teilstrahl 1b mit dem
durch die Strahlteilereinrichtung durchgehenden Teilstrahl 1a
wieder vereinigt wird. Durch die erste Umwegleitung 5 wird der
Puls der Pulslaser-Lichtquelle 2 in sich geglättet.
Gleichzeitig wird dabei die Spitzenleistung um 30 bis 40%
verringert. Aufgrund der Winkellage des Tellerspiegels 3 bzw.
der ersten Umwegleitung 5 zur Schwingungsrichtung des
einfallenden linear polarisierten Laserlichtes spielt die Höhe
des Polarisierungsgrades für die Energiebilanz keine Rolle.
Beide Teilstrahlen 1a und 1b sind am Ausgang der ersten
Umwegleitung 5 gleich polarisiert, jedoch zeitlich versetzt.
Aus der Fig. 2 ist der zeitliche Versatz der beiden
Teilstrahlen 1a und 1b erkennbar. Wie ersichtlich, ist somit
die Peakleistung der Pulslaser-Lichtquelle, die aufgrund der
Strahlteilung auf jeweils die Hälfte reduziert worden ist, bei
einer Addition aufgrund des zeitlichen Versatzes der beiden
"Peaks" P1 und P2 entsprechend in dem daraus resultierenden
Gesamtpeak im Vergleich zu einem unbehandelten Strahlengang
reduziert.
Der Laserlichtstrahl wird nach der Wiedervereinigung der beiden
Teilstrahlen 1a und 1b im weiteren Strahlengang durch die
zweite Strahlteilereinrichtung in Form des Teilerspiegels 4,
der wiederum 45° gedreht (Brewster-Winkel) zur
Schwingungsrichtung des Laserlichtes liegt, in den Teilstrahl
10a, der den Teilerspiegel 4 ungehindert passiert, und den
Teilstrahl 10b, der über eine zweite Umwegleitung 11 geschickt
wird, aufgeteilt. Die zweite Umwegleitung 11 wird ebenfalls
durch Spiegel 12, 13 und 14 als reflektierende Bauteile
gebildet. Die Rückseite des Strahlteilers 4 dient wiederum als
zweites Strahlvereinigungsglied 15, durch das die beiden
Teilstrahlen 10a und 10b wieder bei gleicher
Polarisationsrichtung zusammengesetzt und anschließend
gemeinsam weitergeschickt werden.
Durch die zweite Umwegleitung 11, die z. B. einen Laufweg von
11,1 m besitzen kann, wird der Puls der Pulslaser-Lichtquelle 2
als ganzes versetzt. Auf diese Weise erhält man am Ausgang bzw.
an dem Strahlvereinigungsglied 15 zwei Pulse mit gleicher
Polarisation, die weitgehend geglättet sind bzw. keine
unzulässig hohen "Peaks" mehr aufweisen, die zu Schädigungen
von Bauteilen führen könnten.
Aus der Fig. 3 sind die Leistung über der Zeit und die zwei
Pulse ersichtlich, wie sie nach dem Strahlvereinigungsglied 15
vorliegen. Die ursprüngliche Leistungsspitze kann dabei auf
etwa ein Drittel des ursprünglichen Wertes reduziert werden.
Beträgt beispielsweise die zeitliche Pulsdauer der Pulslaser-
Lichtquelle 30 ns, so entspricht dies einem Laufweg des Lichtes
von 9 m. Kombiniert man gemäß dem Ausführungsbeispiel die erste
Umwegleitung 5 mit der zweiten Umwegleitung 11, so wird einmal
2,1 m verzögert und der auf diese Weise geglättete Impuls 9,0 m
+2,1 m, also insgesamt 11,1 m verzögert in der zweiten Umweg
leitung 11.
Für die erfindungsgemäßen Maßnahmen eignen sich am besten
Bereiche zwischen dem Laserausgang und einem Scannereingang.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt nun darin, daß die
nachfolgende Beleuchtungseinheit nicht speziell ausgelegt
werden muß, sondern die vorgeschlagene Einrichtung lediglich
zwischen Laserausgang und Eingang des Beleuchtungsteils eines
Scanners eingefügt wird. Damit wird auch eine wirtschaftliche
Nachrüstung bestehender Systeme möglich (kein neuer
Beleuchtungsteil des Scanners).
Wenn die Strahlqualität der Pulslaser-Lichtquelle durch die un
terschiedlichen Weglängen leidet, kann diese z. B. durch ein
Kepler-Fernrohr (im Einzelfall auf die Excimerlaser-Divergenz
etwas angepaßt) mit seinen zwei Linsen 16a und 16b - wie in der
Fig. 1 angedeutet - in der zweiten Umwegleitung 11 wieder
hergestellt werden. Auch eine Einzellinse kommt dafür in Frage.
Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den vorstehend
genannten Aufbau zu erweitern und z. B. noch weitere
Umwegleitungen vorzusehen, soweit dies räumlich praktikabel
erscheint und eine weitere Absenkung der Spitzenleistungen noch
Vorteile bringt.
Ebenso ist es auch denkbar, den Strahl physikalisch zu teilen
statt polarisationsoptisch. Wenn die Peakleistung einer
Pulslaser-Lichtquelle z. B. durch einen entsprechenden
zeitlichen Versatz der Teilstrahlen um die Hälfte reduziert
wird, so reduziert sich die Gefahr von Schädigungen für
Bauteile nicht nur um die Hälfte, sondern sogar noch mehr. Da
die "Peaks" in den einzelnen Puls strukturiert sind, was durch
die Resonatorlänge in dem Laser kommt, läßt sich bereits mit
kurzen Verzögerungswegen erreichen, daß der Puls innerhalb
seiner Länge versetzt und die Strukturierung entsprechend
ausgenutzt wird, womit eine deutliche Abflachung erreicht
werden kann. Aufgrund der Struktur der Pulse von Pulslaser-
Lichtquellen lassen sich dabei schon durch geringe
Umwegleitungen die Leistungsspitzen klar reduzieren. Ein
Optimum wird selbstverständlich dann erreicht, wenn die
zeitliche Verschiebung durch die Strahlaufteilung so groß ist,
daß sich jeweils "Peaks" und Täler zuordnen lassen. Dies läßt
sich z. B. durch die zweite Umwegleitung 11 erreichen. Anstelle
der Spiegel als reflektierende Bauteile können auch andere
reflektierende Bauteile, wie z. B. Prismen, vorgesehen werden.
Erzeugt man durch eine λ/4-Platte (nicht dargestellt)vor der
Einrichtung zirkularpolarisiertes Licht, ist jeder azimutale
Winkel um die Z Achse für die Strahlteilereinrichtungen 3 und 4
möglich.
In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung prinzipmäßig dargestellt. Wie
ersichtlich, erfolgt eine Aufteilung des Strahlenbündels 1 an
der Strahlteilereinrichtung 3 in einen Teilstrahl 1a, der durch
die Strahlteilereinrichtung 3 hindurchgeht, und einen
Teilstrahl 1b, der den Weg über die rechteckige Umwegleitung 5
nimmt. Die Umwegleitung 5 wird dabei durch vier Spiegel 17, 18,
19 und 20 gebildet, bevor der Teilstrahl 1b auf der Rückseite
der Strahlteilereinrichtung 3, die ebenso wie bei dem
Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 als
Strahlvereinigungsglied 9 dient, wieder mit dem Teilstrahl 1a
vereinigt wird.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1
erfolgt dabei jedoch nicht eine vollständige Vereinigung,
sondern die Ausführungsform nach der Fig. 4 ist so
ausgestaltet, daß ein Anteil des über die Umwegleitung 5
gelaufenen Teilstrahles 1b ein weiteres Mal den Weg über die
Umwegleitung 5 nimmt, wobei dies mehrfach durchgeführt werden
kann. Die Einkoppelung des Strahles erfolgt bei diesem
Ausführungsbeispiel nach Art eines Resonators, wobei der Anteil
des über die Umwegleitung 5 umlaufenden Lichtes bzw.
Teilstrahles 1b, d. h. die einstellbare Pulslänge, von dem
Zustand der Polarisation abhängt. Auf diese Weise können
beliebige Verzögerungen der eintreffenden Pulse und eine damit
verbundene Absenkung der Pulsspitzenenergie der Pulslaser-
Lichtquelle erreicht werden. Dabei ist lediglich dafür zu
sorgen, daß ein Optimum zwischen einer zeitlichen Streckung der
Teilpulse (Anzahl der Resonator-Umläufe) und der Gesamtverluste
gewählt wird. Erreicht wird dies durch die Anordnung einer
Phasenverzögerungsplatte 21 im Strahlengang vor der
Strahlerteileinrichtung 3 und einer weiteren
Phasenverzögerungsplatte 22 in der Umwegleitung 1b. Auf diese
Weise wird aus einem linearpolarisierten Licht ein leicht
elliptisch polarisiertes Licht gemacht, welches beim Durchgang
durch die Strahlteilereinrichtung 3 mit einer entsprechenden
Komponente ausgespiegelt wird. Die Höhe der Komponente hängt
dabei vom Grad der Ellipse ab. Rüstet man z. B. die
Phasenverzögerungsplatte 21 mit einem λ/4-Wert aus, dann wird
ein Betrag in Höhe von 50% über die Umwegleitung 1b geschickt.
In der Praxis wird man λ-Werte zwischen 0 und einem Viertel
wählen.
Die Ausgestaltung nach der Fig. 4 mit den beiden
Phasenverzögerungsplatten 21 und 22 hat den Vorteil, daß auf
diese Weise die Vorrichtung sehr variabel eingesetzt werden
kann. Wechselt man nämlich eine oder beide
Phasenverzögerungsplatten 21 bzw. 22 aus, so ändert sich
entsprechend die Spitzenleistung. Möchte man z. B. eine höhere
Leistung erreichen, womit zwangsweise eine höhere Belastung und
damit eine kürzere Lebensdauer für die Vorrichtung entsteht, so
wird man Phasenverzögerungsplatten 21 bzw. 22 einsetzen, die
entsprechend weniger Umläufe erzwingen. Umgekehrt kann man auf
diese Weise auch durch eine entsprechende Erhöhung der Anzahl
der Umläufe des Lichtes eine Schonung der optischen Bauteile
der Projektionsbelichtungsanlage erreichen.
In der Fig. 5 ist prinzipmäßig eine Einsatzstelle der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 22 dargestellt. Die polarisierte
Lichtquelle 2 ist danach z. B. für eine
Projektionsbelichtungsanlage vorgesehen, die sich in einem
durch eine Wand 17 von der Umgebung getrennten Reinraum mit
einer Beleuchtungsoptik 18, einer Maske 19, einem
Projektionsobjektiv 20 und einem Laser 21 befindet. Um den
Reinraum möglichst wenig zu beeinflussen, kann man dabei die
Vorrichtung 22, die im Inneren mit den in Fig. 1 dargestellten
Teilen versehen ist, zwischen der Pulslaser-Lichtquelle 2 und
der Wand 17 in dem Strahlengang 1 der Pulslaser-Lichtquelle 2
anordnen.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Reduzierung der Peakleistung einer
Pulslaser-Lichtquelle, insbesondere für eine
Projektionsbelichtungsanlage, wobei in dem Strahlengang der
Pulslaser-Lichtquelle wenigstens eine
Strahlteilereinrichtung angeordnet ist, durch die über
reflektierende Bauteile wenigstens eine Umwegleitung für
wenigstens einen Teilstrahl erzeugt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang (1) ein
Strahlvereinigungsglied (9) angeordnet ist, in oder an dem
die Teilstrahlen (1a, 10a, 1b, 10b) wieder zu einem
Gesamtstrahl vereinigt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umwegleitung (5 bzw. 11) eine derartige Länge aufweist,
daß sich ein optischer Gangunterschied der Teilstrahlen
(1a, 1b bzw. 10a, 10b) von über 0,5 m ergibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens drei reflektierende Bauteile (6, 7, 8 bzw.
12, 13, 14) eine Umwegleitung (5 bzw. 11) bilden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß für polarisierte Laserstrahlen die
Strahlteilereinrichtung einen Spiegel (3 bzw. 4) aufweist,
der in einem Winkel zum Strahlengang (1) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Winkel zwischen 35 und 50° beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
als Winkel der Brewster-Winkel vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die reflektierenden Bauteile als
Spiegel (6, 7, 8 bzw. 12, 13, 14) ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Umwegleitungen (5, 11) im
Strahlengang (1) hintereinander angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste Umwegleitung (5) eine Länge von über 2 m und
eine zweite Umwegleitung (11) eine Länge von über 10 m
aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß in der oder den Umwegleitungen (5, 11)
ein leicht verstimmtes Kepler-Fernrohr (16a, 16b) angeordnet
ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Strahlvereinigungsglied (9, 15)
derart ausgebildet ist, daß ein Teil des Teilstrahles (1b
bzw. 10b), der über die Umwegleitung (5 bzw. 11) gelaufen
ist, wiederholt über die Umwegleitung (5 bzw. 11) geschickt
wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine Phasenverzögerungsplatte (21, 22) im
Strahlengang angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Phasenverzögerungsplatte (21) im Strahlengang (1) vor
der Strahlteilereinrichtung (3) und wenigstens eine weiter
Phasenverzögerungsplatte (22) in der Umwegleitung (5)
angeordnet ist.
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