DE102009047098A1 - Optical arrangement for homogenizing a laser pulse - Google Patents
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Abstract
Optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes eines Lichtpulses, einer gepulsten Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, vorzugsweise eines Excimer-Lasers, bestehend aus mindestens einem optischen Umlauf, wobei im optischen Umlauf eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen ist. Die Strahlteilereinrichtung trennt das Lichtfeld in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen mit einer ersten und einer zweiten Polarisationsrichtung auf, wobei die ersten Teilstrahlen mit der ersten Polarisationsrichtung ohne den Umlauf zu durchlaufen zu einer zu beleuchtenden Fläche gelangen, und die zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung den optischen Umlauf durchlaufen, wobei im optischen Umlauf ein Polarisationsrotator vorgesehen ist, der die zweite Polarisationsrichtung der zweiten Teilstrahlen um einen vorgebbaren Winkel dreht, so dass mindestens ein Teil der zweiten Teilstrahlen den optischen Umlauf mit der ersten Polarisationsrichtung erneut durchlaufen, und dass durch die Strahlteilereinrichtung der andere Teil der zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung aus dem Umlauf ausgekoppelt wird und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen zu der zu beleuchtenden Fläche gelangen.Optical arrangement for homogenizing an at least partially coherent light field of a light pulse, a pulsed light source, in particular a laser, preferably an excimer laser, consisting of at least one optical circuit, a beam splitter device being provided in the optical circuit. The beam splitter device separates the light field into two perpendicularly polarized partial beams with a first and a second polarization direction, the first partial beams with the first polarization direction reaching an area to be illuminated without going through the circuit, and the second partial beams with the second polarization direction reaching the optical Circulation, with a polarization rotator being provided in the optical rotation, which rotates the second polarization direction of the second partial beams by a predefinable angle, so that at least some of the second partial beams traverse the optical circulation again with the first polarization direction, and the other through the beam splitter device Part of the second partial beams with the second polarization direction is decoupled from the cycle and superimposed on the first partial beams arrive at the surface to be illuminated with a time delay.
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Homogenisierung eines Laserpulses einer Pulslaser-Lichtquelle, insbesondere von einem Laser, vorzugsweise einem Excimer-Laser, insbesondere für eine Projektionsbelichtungsanlage.The invention relates to an optical arrangement for homogenizing a laser pulse of a pulse laser light source, in particular of a laser, preferably an excimer laser, in particular for a projection exposure apparatus.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Pulslaser-Lichtquellen, z. B. Excimer-Laser, für die UV-Lithographie besitzen eine Wiederholungsrate von etwa 1000 bis 4000 Pulse pro Sekunde. Jeder einzelne Puls hat eine Pulslänge von etwa 20 bis 30 ns. Innerhalb eines jeden Pulses kommt es in der Abhängigkeit vom Gas, vom Zustand des Lasers, insbesondere der optischen Komponenten, und abhängig von der Resonatorlänge zu erheblichen Modulationen der Laserausgangsleistung über der Zeit.Pulsed laser light sources, z. B. excimer laser, for UV lithography have a repetition rate of about 1000 to 4000 pulses per second. Each pulse has a pulse length of about 20 to 30 ns. Within each pulse, depending on the gas, the state of the laser, in particular the optical components, and depending on the resonator length, significant modulation of the laser output power occurs over time.
Dabei hat sich in der Praxis herausgestellt, dass ein deutlicher Nachteil darin besteht, dass es aufgrund der Funktionsweise einer Pulslaser-Lichtquelle zu einer hohen Leistungsaufspitzung (Peakleistung) kommt, die sich auf die optischen Materialien, insbesondere glasigen Materialien, sehr negativ auswirkt. Insbesondere bei Quarzglas und einer Arbeitswellenlänge von 193 nm entstehen als Folge der zeitlichen Leistungsaufteilung nichtlineare optische Effekte, die das Material über eine vorgesehene Lebensdauer des Produktes schädigen. Die Folgen daraus sind auch Transmissionsverluste und eine Erhöhung der Brechzahl in unkontrollierter Form.It has been found in practice that a significant disadvantage is that due to the operation of a pulse laser light source to a high Leistungsaufspitzung (peak power) comes, which has a very negative effect on the optical materials, especially glassy materials. Especially with quartz glass and a working wavelength of 193 nm arise as a result of the temporal power distribution non-linear optical effects that damage the material over a designated life of the product. The consequences of this are also transmission losses and an increase in the refractive index in an uncontrolled form.
Es ist weiter bekannt, dass die Intensitätsverteilung im Querschnitt eines kohärenten Lichtfeldes in der Regel nicht homogen ist. Dies trifft insbesondere für die von einem Excimer-Laser ausgehende Strahlung zu. Bei der Beleuchtung einer Fläche mit einem kohärenten, inhomogenen Laserlichtbündel entstehen Interferenzen, die sich in räumlich unterschiedlichen Leuchtdichten bemerkbar machen, und die zudem auch noch bei verschiedenen Beobachtungsrichtungen wegen der sich dabei ändernden Phasenbeziehungen bei der Interferenz variieren. Diese als Glitzern wahrnehmbare Störung wird in der Fachwelt als ”Speckle” bezeichnet. Es sind optische Anordnungen entwickelt worden, mit denen das Auftreten von Speckle vermieden oder zumindest verringert wird. Dazu muss die Kohärenz des Lichtbündels sozusagen zerstört werden, damit das Lichtbündel nicht mehr mit sich selbst interferieren und damit Speckle erzeugen kann. Dies gelingt üblicherweise in der Art, dass ein Lichtbündel aufgespalten und auf verschieden langen Wegen wieder zusammengeführt wird, wobei der Weglängenunterschied in der Größenordnung der Kohärenzlänge des Lichtbündels sein sollte.It is also known that the intensity distribution in the cross section of a coherent light field is generally not homogeneous. This is especially true for the radiation emanating from an excimer laser. The illumination of a surface with a coherent, inhomogeneous laser light beam produces interferences, which manifest themselves in spatially different luminances, and which also vary in different directions of observation because of the thereby changing phase relationships in the interference. This glitch-perceivable disorder is referred to in the art as "speckle". Optical arrangements have been developed which avoid or at least reduce the occurrence of speckle. For this purpose, the coherence of the light beam must be destroyed, so to speak, so that the light beam can no longer interfere with itself and thus produce speckle. This usually succeeds in such a way that a bundle of light is split up and brought together again on paths of different lengths, wherein the path length difference should be of the order of magnitude of the coherence length of the light bundle.
Aus der
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.The disadvantage here, however, that so that multiple optical axes are generated side by side and the lighting device is adjusted accordingly. In addition, the aforementioned device is fixed in their orientation.
In der
Aus der
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Schädigungen von Bauteilen, die im Strahlengang der Pulslaser-Lichtquelle liegen, vermieden und unerwünschte Speckle vermindert werden bei möglichst geringer Einbuße des Wirkungsgrades der Pulslaser-Lichtquelle und größtmöglicher Flexibilität.The present invention has for its object to provide a device by means of which damage to components that are in the beam path of the pulse laser light source avoided and unwanted Speckle be reduced with minimal loss of efficiency of the pulse laser light source and maximum flexibility.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes eines Lichtpulses einer gepulsten Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, vorzugsweise eines Excimer-Lasers, gemäß Anspruch 1 gelöst. Dazu ist mindestens ein optischer Umlauf vorgesehen, wobei im optischen Umlauf eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen ist. Die Strahlteilereinrichtung trennt das Lichtfeld in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen mit einer ersten und einer zweiten Polarisationsrichtung auf, wobei die ersten Teilstrahlen mit der ersten Polarisationsrichtung ohne den Umlauf zu durchlaufen zu einer zu beleuchtenden Fläche gelangen, und die zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung den optischen Umlauf durchlaufen. Im optischen Umlauf ist ein Polarisationsrotator vorgesehen, der die zweite Polarisationsrichtung der zweiten Teilstrahlen um einen vorgebbaren Winkel dreht, so dass mindestens ein Teil der zweiten Teilstrahlen den optischen Umlauf mit der ersten Polarisationsrichtung erneut durchlaufen. Durch die Strahlteilereinrichtung wird der andere Teil der zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung aus dem Umlauf ausgekoppelt und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen zu der zu beleuchtenden Fläche gelangen.According to the invention, this object is achieved by an optical arrangement for homogenizing an at least partially coherent light field of a light pulse of a pulsed light source, in particular a laser, preferably an excimer laser, according to
Vorteilhafterweise durchlaufen die zweiten Teilstrahlen den optischen Umlauf mehrfach.Advantageously, the second partial beams pass through the optical circulation several times.
Dadurch wird der Lichtpuls zeitlich gedehnt und so die Leistung des Lichtpulses verringert.As a result, the light pulse is extended in time and thus reduces the power of the light pulse.
In einer Ausführungsform wird in jedem Umlauf der Winkel derart verändert, dass eine vorbestimmte Intensität der zweiten Teilstrahlen durch die Strahlteilereinrichtung ausgekoppelt wird und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen zu der zu beleuchtenden Fläche gelangen. Dadurch kann die Pulsform und -breite gezielt beeinflusst werden.In one embodiment, in each revolution, the angle is changed such that a predetermined intensity of the second partial beams is coupled out by the beam splitter device and, with a time offset superimposed to the first partial beams, reach the surface to be illuminated. As a result, the pulse shape and width can be influenced in a targeted manner.
Besonders vorteilhaft weist der optische Umlauf eine derartige Länge auf, dass die Differenz der optischen Weglängen der Wege der Teilstrahlen größer ist als die zeitliche Kohärenz im Lichtfeld. Dadurch wird die Kohärenz in dem aus der Anordnung austretenden Laserlicht reduziert und so das Auftreten von Speckle vermieden oder zumindest verringert.Particularly advantageously, the optical circulation on such a length that the difference of the optical path lengths of the paths of the partial beams is greater than the temporal coherence in the light field. This reduces the coherence in the laser light emerging from the array, thus avoiding or at least reducing the occurrence of speckle.
In einer weiteren Ausführungsform bilden reflektierende Bauteile den optischen Umlauf, die als Spiegel ausgebildet sind.In a further embodiment, reflective components form the optical circulation, which are designed as mirrors.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bilden reflektierende Bauteile den optischen Umlauf die als Prismen ausgebildet sind. Dadurch wird der Transmissionsverlust im Umlauf verringert.In a further advantageous embodiment, reflective components form the optical circulation which are formed as prisms. This reduces the transmission loss in circulation.
Werden die zweiten Teilstrahlen unter dem Brewster-Winkel in die Prismen eingekoppelt, so können die Transmissionsverluste weiter verringert werden.If the second partial beams are coupled into the prisms at the Brewster angle, the transmission losses can be further reduced.
In einer Ausführungsform ist die Strahlteilereinrichtung als ein polarisierender Strahlteiler ausgebildet.In one embodiment, the beam splitter device is designed as a polarizing beam splitter.
Vorteilhafterweise wird durch die zeitversetzte Überlagerung der Teilstrahlen und aufgrund der Weglängendifferenz die Kohärenz des Lichtfelds an der zu beleuchtenden Fläche vermindert.Advantageously, the coherence of the light field at the surface to be illuminated is reduced by the time-shifted superposition of the partial beams and, due to the path length difference.
Besonders vorteilhaft wird durch die zeitversetzte mehrfache Überlagerung der Teilstrahlen die Spitzenleistung des Lichtfelds an der zu beleuchtenden Fläche vermindert.The peak power of the light field at the surface to be illuminated is particularly advantageously reduced by the time-shifted multiple superimposition of the partial beams.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Polarisationsrotator als Pockels-Zelle ausgebildet ist. Damit kann die Polarisationsrichtung sehr schnell verändert werden.In a further advantageous embodiment, the polarization rotator is designed as a Pockels cell. Thus, the polarization direction can be changed very quickly.
Vorteilhafterweise weist der Polarisationsrotator (
Eine weitere Ausführungsform weist zwischen der Lichtquelle und der Strahlteilereinrichtung ein polarisationseinstellendes Element auf zur Einstellung der Polarisation des Lichtfelds. Das hat den Vorteil, dass die Polarisationsrichtung des in die optische Anordnung eintretenden Lichts gezielt voreingestellt werden kann.A further embodiment has a polarization-adjusting element between the light source and the beam splitter device for adjusting the polarization of the light field. This has the advantage that the polarization direction of the light entering the optical arrangement can be preset in a targeted manner.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantageous embodiments and developments emerge from the remaining dependent claims and from the embodiments described in principle below with reference to the drawing.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Es zeigt:It shows:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
Gemäß der Ausführungsform nach
Ist das Licht linear polarisiert und trifft das Strahlenbündel
Im Beispiel ist die Polarisationsrichtung dann parallel zur Zeichenebene (p-polarisiert), angedeutet durch die beiden parallelen Doppelpfeile. Die anderen 50% des Strahles werden reflektiert und nehmen ihren Weg als Teilstrahl
Im Fall eines beispielsweise 20 ns Pulses müsste die Umlaufstrecke somit 6 m lang sein (20·10–9 s·3·108 m/s = 6 m), verteilt auf die vier Strecken zwischen den Spiegeln
Die Strahlteilereinrichtung
Erfindungsgemäß ist in der Ausführungsform nach
Bevor der umlaufende Teilstrahl
Wird der beim ersten Durchgang S1 durch den Polarisationsrotator
Der Teilstrahl
Weicht der durch den Polarisationsrotator
Im letzten (n-ten) Umlauf wird die Orientierung der linearen Polarisation schließlich um 90° (≈ 1,57 rad) gedreht, so dass dann das gesamte restliche Licht von der Strahlteilereinrichtung
Der Verlauf des einzustellenden Winkels αn variiert von Umlauf zu Umlauf. Die Werte basieren im Beispiel auf der Voraussetzung, dass pro Umlauf ein Zehntel der Gesamtintensität ausgekoppelt wird, d. h. die Orientierung der linearen Polarisation muss jeweils so gedreht werden, dass das Quadrat der ausgekoppelten Komponenten 10% der Anfangsintensität entspricht.The course of the angle α n to be set varies from circulation to circulation. In the example, the values are based on the assumption that one-tenth of the total intensity is extracted per revolution, ie the orientation of the linear polarization must each be rotated such that the square of the decoupled components corresponds to 10% of the initial intensity.
Die Zahl der Spiegel (
Um die Polarisationsrichtung des auf die Strahlteilereinrichtung
In den
Somit wird der Puls der Pulslaser-Lichtquelle in sich geglättet. Gleichzeitig wird dabei die Spitzenleistung des Pulses verringert und somit Schäden an optischen Elementen vermieden. Im Strahlteiler
In den
Die Spiegel
In
Anhand von
Im Beispiel sei der Brechungsindex des Prismenmaterials nP = 1,5 und das der umgebenden Atmosphäre nL = 1. Die Winkel berechnen sich dann wie folgt:
Mit n = nP/nL With n = n P / n L
Damit ergibt sich: ΘB = 56,31°, ΘB' = 33,69° , a = 67,38, b = 90°, c = 112,62This yields: Θ B = 56.31 °, Θ B ' = 33.69 °, a = 67.38, b = 90 °, c = 112.62
Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen und Zahl von Prismen zur Strahlumlenkung denkbar, die unter möglichst geringen Verlusten Lichtstrahlen umlenken und so eine Umlaufstrecke bilden. Auch andere Formen von optischen Elementen zur Strahlumlenkung, die auf dem Prinzip der Totalreflexion an Grenzflächen arbeiten sind zur erfindungsgemäßen Ausführung einer Umwegstrecke geeignet.Of course, other embodiments and number of prisms for beam deflection are conceivable that redirect light rays with minimal losses and thus form a circulation path. Other forms of optical elements for beam deflection, which operate on the principle of total reflection at interfaces are suitable for implementing a detour path according to the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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