DE102022203331A1

DE102022203331A1 - Illumination system and projection exposure system for microlithography

Info

Publication number: DE102022203331A1
Application number: DE102022203331.0A
Authority: DE
Inventors: Stig Bieling
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2022-04-04
Filing date: 2022-04-04
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Ein Beleuchtungssystem (200) für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes (220) umfasst ein Beleuchtungslichtquellenmodul (240) mit einer Vielzahl individueller Lichtquelleneinheiten (250), die in einer mehrdimensionalen Matrixanordnung angeordnet sind, wobei jede Lichtquelleneinheit (250) eine primäre Lichtquelle (252) und eine Strahlformungsoptik (255) zum Empfang wenigstens eines Teils des von der primären Lichtquelle emittierten Lichts und zur Formung eines von der Lichtquelleneinheit ausgehenden Lichtbündels (260) mit einer vorgebbaren Strahlwinkelverteilung aufweist, wobei Strahlformungsoptiken (255) unterschiedlicher Lichtquelleneinheiten zur Erzeugung von Lichtbündeln mit unterschiedlicher Strahlwinkelverteilungen ausgebildet sind, und wobei in einem Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld oder einem Zwischenfeld in einer zur Beleuchtungsfeldebene (310) optisch konjugierte Zwischenfeldebene kein die Strahlwinkelverteilung änderndes optisches Element angeordnet ist und die Strahlwinkelverteilungen derart ausgelegt sind, dass von unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten (250) ausgeleuchtete Bereiche des Beleuchtungsfeldes derart gegeneinander versetzt sind und/oder einander zumindest teilweise überlappen, dass eine flächenfüllende Beleuchtung des Beleuchtungsfelds (220) erzeugbar ist.An illumination system (200) for a projection exposure system for microlithography for illuminating an illumination field (220) comprises an illumination light source module (240) with a plurality of individual light source units (250) arranged in a multidimensional matrix arrangement, each light source unit (250) having a primary light source (252) and beam-shaping optics (255) for receiving at least part of the light emitted by the primary light source and for shaping a light beam (260) emanating from the light source unit with a specifiable beam angle distribution, with beam-shaping optics (255) of different light source units for generating light beams are formed with different beam angle distributions, and wherein in an illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field or an intermediate field in a plane to the illumination field (310) optically conju no optical element that changes the beam angle distribution is arranged in the angled intermediate field plane and the beam angle distributions are designed in such a way that areas of the illumination field illuminated by different light source units (250) are offset from one another and/or at least partially overlap one another in such a way that area-filling illumination of the illumination field (220) can be generated is.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKFIELD OF APPLICATION AND PRIOR ART

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes sowie auf eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen Beleuchtungssystem.The invention relates to an illumination system for a projection exposure system for microlithography for illuminating an illumination field and to a projection exposure system with such an illumination system.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Mikrolithographie mit Arbeitswellenlängen aus dem ultravioletten Spektralbereich (UV-Licht) zur Erzeugung relativ grober Strukturen mit typischen Strukturgrößen im Bereich von 300 nm bis 500 nm oder mehr, z.B. im Packaging-Bereich.The preferred area of application is microlithography with working wavelengths from the ultraviolet spectral range (UV light) to produce relatively coarse structures with typical structure sizes in the range from 300 nm to 500 nm or more, e.g. in the packaging sector.

Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen werden heutzutage überwiegend mikrolithografische Projektionsbelichtungsverfahren eingesetzt. Dabei werden Masken (Retikel) oder andere Mustererzeugungseinrichtungen verwendet, die das Muster einer abzubildenden Struktur tragen oder bilden, z.B. ein Linienmuster einer Schicht (layer) eines Halbleiterbauelements. Eine Maske wird in eine Projektionsbelichtungsanlage zwischen einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv im Bereich der Objektebene des Projektionsobjektivs positioniert und mit Beleuchtungslicht beleuchtet, das von dem Beleuchtungssystem bereitgestellt wird. Das durch das Muster veränderte Licht propagiert durch das Projektionsobjektiv, welches das Muster der Maske auf das zu belichtende Substrat abbildet, das normalerweise eine lichtempfindliche Schicht (Fotoresist, Fotolack) trägt.Today, microlithographic projection exposure methods are predominantly used to produce semiconductor components and other finely structured components. In this case, masks (reticles) or other pattern generating devices are used, which carry or form the pattern of a structure to be imaged, e.g. a line pattern of a layer (layer) of a semiconductor component. A mask is positioned in a projection exposure system between an illumination system and a projection lens in the area of the object plane of the projection lens and is illuminated with illumination light that is provided by the illumination system. The light modified by the pattern propagates through the projection lens, which images the pattern of the mask onto the substrate to be exposed, which normally has a light-sensitive layer (photoresist, photoresist).

Das Beleuchtungslicht trifft innerhalb eines in der Objektebene des Projektionsobjektivs liegenden Beleuchtungsfeldes auf die Maske. Das Beleuchtungsfeld ist eine Fläche definierter Form und Größe, z.B. ein Rechteckfeld oder bogenförmig gekrümmtes Feld. Das Beleuchtungsfeld bestimmt Lage und Größe und Form des für die Abbildung genutzten effektiven Objektfeldes.The illumination light impinges on the mask within an illumination field lying in the object plane of the projection lens. The illumination field is an area of defined shape and size, e.g. a rectangular field or an arcuate field. The illumination field determines the position, size and shape of the effective object field used for imaging.

In der Regel wird innerhalb des Beleuchtungsfeldes eine möglichst gleichmäßige bzw. homogene Intensitätsverteilung angestrebt. Um diese zu erreichen, sind innerhalb des Beleuchtungssystems meist Homogenisierungseinrichtungen vorgesehen, beispielsweise Lichtmischelemente wie Wabenkondensoren und/oder Stabintegratoren.As a rule, an intensity distribution that is as uniform or homogeneous as possible is sought within the illumination field. In order to achieve this, homogenization devices are usually provided within the illumination system, for example light mixing elements such as honeycomb condensers and/or rod integrators.

Außerdem werden je nach Art der abzubildenden Strukturen gelegentlich unterschiedliche Beleuchtungsmodi (sogenannte „Beleuchtungs-Settings“) benötigt, die bei herkömmlichen Beleuchtungssystemen durch unterschiedliche örtliche Intensitätsverteilungen des Beleuchtungslichts in einer Pupillenebene des Beleuchtungssystems charakterisiert werden können. Man spricht in diesem Zusammenhang manchmal von „strukturierter Beleuchtung“. Mögliche Beleuchtungssettings sind z.B. annulare Beleuchtung, Dipolbeleuchtung, Multipolbeleuchtung oder Freiformpupillen.In addition, depending on the type of structures to be imaged, different illumination modes (so-called "illumination settings") are occasionally required, which in conventional illumination systems can be characterized by different local intensity distributions of the illumination light in a pupil plane of the illumination system. In this context, one sometimes speaks of "structured lighting". Possible illumination settings are, for example, annular illumination, dipole illumination, multipole illumination or free-form pupils.

Die Pupillenebene des Beleuchtungssystems, in welcher die gewünschte zweidimensionale Intensitätsverteilung vorliegen soll, befindet sich bei einem in eine Projektionsbelichtungsanlage eingebauten Beleuchtungssystem an oder nahe einer Position, die optisch konjugiert zu einer Pupillenebene eines nachfolgenden Projektionsobjektivs ist. Die räumliche Intensitätsverteilung in der genannten Pupillenebene des Beleuchtungssystems bestimmt die Winkelverteilung des auf das Muster der Maske treffenden Beleuchtungslichts. Außerdem wird die räumliche Intensitätsverteilung in der Eintrittspupille bzw. Austrittspupille des Projektionsobjektivs durch die räumliche Intensitätsverteilung (Ortsverteilung) in der genannten Pupillenebene des Beleuchtungssystems bestimmt.In an illumination system built into a projection exposure system, the pupil plane of the illumination system, in which the desired two-dimensional intensity distribution should be present, is at or near a position that is optically conjugate to a pupil plane of a subsequent projection objective. The spatial intensity distribution in said pupil plane of the illumination system determines the angular distribution of the illumination light impinging on the pattern of the mask. In addition, the spatial intensity distribution in the entrance pupil or exit pupil of the projection objective is determined by the spatial intensity distribution (local distribution) in the said pupil plane of the illumination system.

Typischerweise hängen die Anforderungen der Hersteller von Halbleiterbauelementen etc. an die Projektionsbelichtungsanlagen wesentlich davon ab, wie fein oder grob die zu erzeugenden Strukturen sind.Typically, the requirements of the manufacturers of semiconductor components etc. for the projection exposure systems depend essentially on how fine or coarse the structures to be produced are.

Kritische, d.h. feine, Strukturen mit typischen Strukturgrößen unterhalb von 100 nm werden zurzeit überwiegend mit modernen Immersionssystemen erzeugt, die mit Arbeitswellenlängen im tiefen Ultraviolettbereich (DUV) arbeiten, insbesondere bei etwa 193 nm. Mit Immersionssystemen können bildseitige numerische Aperturen NA > 1 erreicht werden. Zunehmend werden kritische Strukturen auch mit EUV-Systemen belichtet. Darunter versteht man ausschließlich mit reflektiven Komponenten aufgebaute Projektionsbelichtungsanlagen, die bei moderater numerischer Apertur mit Arbeitswellenlängen im extremen Ultraviolettbereich (EUV) zwischen ca. 5 nm und 20 nm arbeiten, z.B. bei ca. 13,5 nm. Diese Systeme zeichnen sich u.a. durch einen hohen Anschaffungspreis aus.Critical, i.e. fine, structures with typical structure sizes below 100 nm are currently mainly generated with modern immersion systems that work with working wavelengths in the deep ultraviolet range (DUV), in particular at around 193 nm. With immersion systems, image-side numerical apertures NA > 1 can be achieved. Critical structures are also increasingly being exposed with EUV systems. This refers to projection exposure systems built exclusively with reflective components, which work at a moderate numerical aperture with working wavelengths in the extreme ultraviolet range (EUV) between approx. 5 nm and 20 nm, e.g. at approx. 13.5 nm. These systems are characterized, among other things, by a high purchase price.

Weniger kritische, d.h. gröbere, Strukturen können mit einfacheren und damit kostengünstigeren Systemen belichtet werden. Für die Erzeugung mittelkritischer oder unkritischer Schichten mit typischen Strukturgrößen von deutlich mehr als 150 nm wird herkömmlich mit Projektionsbelichtungsanlagen gearbeitet, die für Arbeitswellenlängen von mehr als 200 nm ausgelegt sind. In diesem Wellenlängenbereich werden meist refraktive (dioptrische) Projektionsobjektive verwendet, deren Herstellung aufgrund ihrer Rotationssymmetrie um die optische Achse gut beherrschbar ist.Less critical, ie coarser, structures can be exposed with simpler and therefore cheaper systems. For the production of medium-critical or non-critical layers with typical structural sizes of significantly more than 150 nm, projection exposure systems designed for working wavelengths of more than 200 nm are conventionally used. In this wavelength range, mostly refractive (dioptric) projection lenses are used, their production on is easy to control due to its rotational symmetry around the optical axis.

Für diese Anwendungsfälle gibt es z.B. Projektionsbelichtungsanlagen, die mit Ultraviolettlicht einer Arbeitswellenlänge von 365,5 nm ± 2 nm (so genannte i-Linien-Systeme) arbeiten. Sie nutzen die i-Linie einer Quecksilberdampflampe, deren natürliche Bandbreite auf wenige Nanometer eingeschränkt wird.For these applications, there are, for example, projection exposure systems that work with ultraviolet light with a working wavelength of 365.5 nm ± 2 nm (so-called i-line systems). They use the i-line of a mercury vapor lamp, whose natural bandwidth is limited to a few nanometers.

Neben Beleuchtungssystemen, die das Licht einer einzigen primären Lichtquelle nutzen und mithilfe optischer Elemente entsprechend aufbereiten, gibt es auch Beleuchtungssysteme, die mit einer Vielzahl primärer Lichtquellen arbeiten.In addition to lighting systems that use the light from a single primary light source and process it accordingly using optical elements, there are also lighting systems that work with a large number of primary light sources.

Die DE 102 30 652 A1 (entsprechend WO 2004/006021 A1 ) beschreibt ein Beleuchtungssystem mit einer Beleuchtungslichtquelle, die ein matrixartig zweidimensional aus einer Mehrzahl von Einzelbündeln zusammengesetztes Beleuchtungslichtbündel zur Beleuchtung eines Objekts erzeugt. Bei einen Ausführungsbeispiel ist in der Pupillenebene des Beleuchtungssystems eine Beleuchtungslichtquelle angeordnet, die eine Vielzahl matrixartig angeordneter Einzel-Lichtquellen (z.B. Laserdioden oder frequenzvervielfachte Festkörperlaser) aufweist, die jeweils so ansteuerbar sind, dass sie ein Einzelbündel emittieren, wobei die Gesamtheit der Einzelbündel der angesteuerten Einzel-Lichtquellen das Beleuchtungslichtbündel aufbaut. Ein nachgeschaltetes Objektiv oder ein Mikrolinsenarray überträgt die Lichtbündel auf die Eintrittsfläche eines Glasstabs, in dem das Beleuchtungslicht durch mehrfache innere Reflexion homogenisiert wird.the DE 102 30 652 A1 (corresponding WO 2004/006021 A1 ) describes an illumination system with an illumination light source, which generates an illumination light bundle composed of a plurality of individual bundles in a matrix-like two-dimensional manner for illuminating an object. In one embodiment, an illumination light source is arranged in the pupil plane of the illumination system, which has a multiplicity of individual light sources (e.g. laser diodes or frequency-multiplied solid-state lasers) arranged in a matrix-like manner, which can each be controlled in such a way that they emit an individual bundle, with the entirety of the individual bundles being the controlled individual -Light sources builds the illuminating light beam. A downstream objective or a microlens array transfers the light bundle to the entry surface of a glass rod, in which the illuminating light is homogenized by multiple internal reflections.

Die WO 2006/074812 A2 (entsprechend US 2008/111983 A1 ) beschreibt ein Beleuchtungssystem mit einer Beleuchtungslichtquelle, die eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen mit Lichtaustrittsflächen aufweist, die in oder in unmittelbarer Nähe zu einer Feldebene oder einer Pupillenebene des Beleuchtungssystems angeordnet und so konfiguriert sind, dass sie einzeln aktiviert werden können. Divergenz-reduzierende Lichtsammelelemente, z. B. Mikrolinsen eines Wabenkondensors oder Anordnungen von Zylinderlinsen, werden verwendet, um die von den lichtemittierenden Elementen emittierten Lichtbündel zu sammeln. Zur Verbesserung der Homogenität der Intensitätsverteilung im Beleuchtungsfeld sind Homogenisierungseinrichtungen vorgesehen, z.B. ein Stabintegrator oder ein optisches Rasterelement.the WO 2006/074812 A2 (corresponding U.S. 2008/111983 A1 ) describes an illumination system with an illumination light source that has a plurality of light-emitting elements with light exit surfaces that are arranged in or in the immediate vicinity of a field plane or a pupil plane of the illumination system and are configured such that they can be activated individually. Divergence-reducing light-gathering elements, e.g. Microlenses of a honeycomb condenser or arrays of cylindrical lenses are used to collect the light beams emitted by the light-emitting elements. To improve the homogeneity of the intensity distribution in the illumination field, homogenization devices are provided, for example a rod integrator or an optical raster element.

AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und kompaktes Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie bereitzustellen.Against this background, the object of the invention is to provide an inexpensive and compact illumination system for a projection exposure system for microlithography.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Projektionsbelichtungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 15 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.To solve this problem, the invention provides an illumination system for a projection exposure system with the features of claim 1 and a projection exposure system with the features of claim 15. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated into the description by reference.

Gemäß einer Formulierung der Erfindung wird ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie vorgeschlagen, das dafür ausgelegt ist, ein Beleuchtungsfeld mit Beleuchtungslicht aus einem Arbeitswellenlängenbereich zu beleuchten. Das Beleuchtungsfeld liegt in einer Beleuchtungsfeldebene, die innerhalb der Projektionsbelichtungsanlage im Wesentlichen der Objektebene des nachgeschalteten Projektionsobjektivs entspricht. Dort befindet sich im Betrieb das zu beleuchtende und abzubildende Muster der Maske.According to one formulation of the invention, an illumination system for a projection exposure system for microlithography is proposed, which is designed to illuminate an illumination field with illumination light from a working wavelength range. The illumination field lies in an illumination field plane, which essentially corresponds to the object plane of the downstream projection objective within the projection exposure system. The pattern of the mask to be illuminated and imaged is located there during operation.

Das Beleuchtungssystem weist ein Beleuchtungslichtquellenmodul auf, das eine Vielzahl individueller Lichtquelleneinheiten aufweist, die in einer mehrdimensionalen Matrixanordnung angeordnet sind. Die einzelnen Lichtquelleneinheiten sind mit lateralem Abstand zueinander angeordnet. Jede der Lichtquelleneinheiten umfasst eine primäre Lichtquelle und eine dieser zugeordnete Strahlformungsoptik zum Empfang wenigstens eines Teils des von der primären Lichtquelle emittierten Lichts und zur Formung eines von der Lichtquelleneinheit ausgehenden Lichtbündels mit einer vorgebbaren Strahlwinkelverteilung. Dieser Aspekt des Konzepts beruht darauf, dass viele der verfügbaren primäre Lichtquellen, beispielsweise lichtemittierende Dioden (LED), eine typspezifische Abstrahlcharakteristik haben, die für die Nutzung im Beleuchtungssystem nicht optimal ist. Mithilfe der nachgeschalteten Strahlformungsoptik kann aus Licht der primären Lichtquelle ein Lichtbündel mit einer durch das Design der Strahlformungsoptik vorgebbaren oder mitbestimmten Strahlwinkelverteilung erzeugt werden, die sich von derjenigen der primären Lichtquelle unterscheidet. Die Strahlformungsoptik dient somit zur Einstellung einer gewünschten Abstrahlcharakteristik der Lichtquelleneinheit. Die Strahlwinkelverteilung ist dabei ein wesentliches Charakteristikum der Abstrahlcharakteristik.The illumination system includes an illumination light source module having a plurality of individual light source units arranged in a multi-dimensional matrix array. The individual light source units are arranged at a lateral distance from one another. Each of the light source units comprises a primary light source and associated beam shaping optics for receiving at least part of the light emitted by the primary light source and for shaping a light bundle emanating from the light source unit with a predeterminable beam angle distribution. This aspect of the concept is based on the fact that many of the primary light sources available, such as light-emitting diodes (LEDs), have a type-specific radiation characteristic that is not optimal for use in the lighting system. With the help of the downstream beam-shaping optics, a light bundle can be generated from light from the primary light source with a beam angle distribution that can be predetermined or co-determined by the design of the beam-shaping optics and differs from that of the primary light source. The beam-shaping optics are thus used to set a desired emission characteristic of the light source unit. The beam angle distribution is an essential characteristic of the radiation characteristics.

Die Strahlformungsoptiken unterschiedlicher Lichtquelleneinheiten sind zur Erzeugung von Lichtbündeln mit unterschiedlichen Strahlwinkelverteilungen ausgebildet. Die Strahlformungsoptiken der einzelnen Lichtquelleneinheiten sind somit nicht nominell untereinander identisch, sondern unterscheiden sich in zielgerichteter Weise voneinander, so dass selbst dann, wenn alle primären Lichtquellen identisch zueinander sind, die Lichtbündel unterschiedlicher Lichtquelleneinheiten unterschiedliche Strahlwinkelverteilungen aufweisen. The beam shaping optics of different light source units are designed to generate light bundles with different beam angle distributions. The beam shaping optics of the a Individual light source units are thus not nominally identical to one another, but differ from one another in a targeted manner, so that even if all primary light sources are identical to one another, the light bundles of different light source units have different beam angle distributions.

Der Begriff „Strahlwinkel“ bezeichnet in dieser Anmeldung ein Maß für die Ausbreitungsrichtung eines Beleuchtungslichtstrahls im Raum, nämlich den Winkel, den die Ausbreitungsrichtung mit einer Referenzrichtung einschließt.In this application, the term “beam angle” refers to a measure of the propagation direction of an illuminating light beam in space, namely the angle that the propagation direction encloses with a reference direction.

Gemäß einer Formulierung der beanspruchten Erfindung zeichnet sich ein gattungsgemäßes Beleuchtungssystem dadurch aus, dass in einem Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld oder einem Zwischenfeld in einer zur Beleuchtungsfeldebene optisch konjugierte Zwischenfeldebene kein die Strahlwinkelverteilung änderndes optisches Element angeordnet ist, wobei die Strahlwinkelverteilungen derart ausgelegt sind, dass von unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten ausgeleuchtete Bereiche des Beleuchtungsfeldes derart gegeneinander versetzt sind und/oder einander zumindest teilweise überlappen, dass eine flächenfüllende Beleuchtung des Beleuchtungsfelds erzeugbar ist.According to one formulation of the claimed invention, a generic illumination system is characterized in that no optical element that changes the beam angle distribution is arranged in an illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field or an intermediate field in an intermediate field plane that is optically conjugate to the illumination field plane, with the beam angle distributions being designed such that that areas of the illumination field illuminated by different light source units are offset from one another and/or at least partially overlap one another in such a way that area-filling illumination of the illumination field can be generated.

Gemäß diesem ersten Aspekt der Erfindung ist somit eine Direktbeleuchtung des Beleuchtungsfeldes oder des dazu optisch konjugierten Zwischenfeldes durch die Lichtquelleneinheiten vorgesehen. Die nach Austritt aus den Strahlformungseinheiten vorliegende Strahlwinkelverteilung innerhalb eines Lichtbündels ändert sich somit bis zum Auftreffen auf das zu beleuchtende Feld (Beleuchtungsfeld oder Zwischenfeld) nicht. Die im Beleuchtungsfeld gewünschte, in der Regel gleichmäßige Intensitätsverteilung und die dort gewünschte Strahlwinkelverteilung können somit ausschließlich durch die Auslegung der Gesamtheit der Lichtquelleneinheiten erzielt werden.According to this first aspect of the invention, direct illumination of the illumination field or of the intermediate field optically conjugate thereto is provided by the light source units. The beam angle distribution within a light beam after exiting the beam shaping units thus does not change until it strikes the field to be illuminated (illumination field or intermediate field). The generally uniform intensity distribution desired in the illumination field and the beam angle distribution desired there can thus be achieved solely by the design of the light source units as a whole.

Ein wesentlicher Vorteil des neuen Beleuchtungskonzepts besteht darin, dass im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld keine gesonderte Homogenisierungseinheit erforderlich ist, da die Homogenisierung der Bildfeldausleuchtung bereits durch die Anordnung und Auslegung der Abstrahlcharakteristiken der einzelnen Lichtquelleneinheiten vorgegeben wird. Insbesondere gibt es bei bevorzugten Ausführungsformen weder Lichtmischeinheiten nach Art eines einen Wabenkondensors noch nach Art eines Stabintegrators, der eine Lichtmischung über mehrfache innere Reflexion der Strahlen erreicht.A major advantage of the new lighting concept is that no separate homogenization unit is required in the illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field, since the homogenization of the image field illumination is already specified by the arrangement and design of the radiation characteristics of the individual light source units. In particular, in preferred embodiments there are neither light mixing units of the type of a honeycomb condenser nor of the type of a rod integrator, which achieves light mixing via multiple internal reflection of the beams.

Weiterhin kann auf die Verwendung von Linsen oder anderen optischen Elementen mit Brechkraft in dem Bereich zwischen den Strahlformungseinheiten und dem zu beleuchtenden Feld verzichtet werden, so dass in einem Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld oder einem Zwischenfeld in einer zur Beleuchtungsfeldebene optisch konjugierte Zwischenfeldebene keine Linse oder ein anderes optisches Element mit Brechkraft angeordnet ist. Eine oder mehrere planparallele Platten können dagegen in dem Bereich zwischen den Strahlformungseinheiten und dem zu beleuchtenden Feld vorgesehen sein.Furthermore, the use of lenses or other optical elements with refractive power in the area between the beam-shaping units and the field to be illuminated can be dispensed with, so that there is no lens in an illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field or an intermediate field in an intermediate field plane optically conjugate to the illumination field plane or another optical element with refractive power is arranged. On the other hand, one or more plane-parallel plates can be provided in the area between the beam-shaping units and the field to be illuminated.

Da solche optischen Komponenten eingespart werden können, können nach dem Konzept der Erfindung ausgelegte Beleuchtungssysteme relativ kostengünstig und mit kompakter Bauform hergestellt werden. Transmissive Filterelemente (eines oder mehrere) mit planparallelen transparenten Trägern, die an hindurchtretenden Lichtstrahlen allenfalls einen Parallelversatz verursachen, können vorhanden sein.Since such optical components can be saved, lighting systems designed according to the concept of the invention can be produced relatively inexpensively and with a compact design. Transmissive filter elements (one or more) with plane-parallel transparent carriers, which at most cause a parallel offset in the light beams passing through, can be present.

Gemäß einer anderen Formulierung der beanspruchten Erfindung (zweiter Aspekt) sind die von den Lichtquelleneinheiten ausgehenden Strahlwinkelverteilungen derart ausgelegt, dass einige der Lichtbündel oder alle Lichtbündel der Lichtquelleneinheiten jeweils nur ein Teilfeld des Beleuchtungsfelds ausleuchten. Der Begriff „Teilfeld“ bezeichnet hierbei einen Teilbereich des kompletten Beleuchtungsfelds, also einen Bereich, dessen Fläche kleiner ist als die Fläche des Beleuchtungsfelds. Dieser Aspekt kann als Weiterbildung des ersten Aspekts genutzt werden.According to another formulation of the claimed invention (second aspect), the beam angle distributions emanating from the light source units are designed such that some of the light beams or all light beams of the light source units only illuminate a partial field of the illumination field. The term "partial field" refers here to a partial area of the complete illumination field, i.e. an area whose area is smaller than the area of the illumination field. This aspect can be used as a further development of the first aspect.

Es kann sein, dass jede der Lichtquellen nur ein Teilfeld ausleuchtet, es kann aber auch einen gewissen Anteil von Lichtquelleneinheiten geben, deren Lichtbündel das komplette Belichtungsfeld abdecken. Dabei sind die von unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten ausgeleuchteten Teilfelder derart lateral gegeneinander versetzt und/oder überlappen einander wenigstens teilweise derart, dass insgesamt eine flächenfüllende Beleuchtung des Beleuchtungsfelds erzeugt wird. Damit sind wichtige Voraussetzungen zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung gegeben.It may be that each of the light sources only illuminates a partial field, but there can also be a certain proportion of light source units whose light beams cover the entire exposure field. The partial fields illuminated by different light source units are laterally offset from one another and/or at least partially overlap one another in such a way that overall an area-filling illumination of the illumination field is generated. This provides important prerequisites for achieving the most even illumination possible.

Ein Teilfeld kann einen runden, z.B. kreisförmigen oder im Wesentlichen kreisförmigen äußeren Rand aufweisen, was aber nicht zwingend ist. Ein kreisförmiges Teilfeld kann vollständig ausgeleuchtet sein. Ein Teilfeld kann auch eine ringförmige Gestalt aufweisen, bei der ein beleuchteter Ring einen nicht ausgeleuchteten inneren Teil umschließt. Ein Teilfeld kann eine Fläche aufweisen, die deutlich kleiner als die Fläche des Beleuchtungsfeldes ist. Ein Teilfeld kann auch rechteckig oder annähernd rechteckig mit abgerundeten Eckbereichen und konvex gekrümmten Seitenrändern gestaltet sein. Ein Teilfeld kann ein einziger zusammenhängender Bereich sein. Ein Teilfeld kann auch in zwei oder mehr disjunkte Unter-Teilfelder aufgegliedert sein, die einander nicht überlappen. Beispielsweise kann ein Teilfeld zwei einander diametral zum Zentrum des Teilfeldes gegenüber liegende Beleuchtungsspots enthalten oder auch zwei Paare paarweise diametraler Beleuchtungsspots nach Art einer Quadrupol-Beleuchtung.A sub-field can have a round, eg circular or substantially circular, outer edge, but this is not mandatory. A circular sub-field can be fully illuminated. A sub-field can also have an annular shape, in which an illuminated ring encloses an unilluminated inner part. A subfield can have an area that is significantly smaller than the area of the illumination field. A subfield can also be designed rectangular or approximately rectangular with rounded corner areas and convex curved side edges. A subfield can be a single contiguous area. A subfield can also be broken down into two or more disjoint sub-subfields that do not overlap. For example, a sub-field can contain two diametrically opposite illumination spots with respect to the center of the sub-field, or also two pairs of pairs of diametrically opposed illumination spots in the manner of quadrupole illumination.

Eine flächenfüllende Beleuchtung bedeutet, dass jeder Feldpunkt des Bildfelds, also jeder Bildfeldpunkt, mit Beleuchtungslicht ausgeleuchtet wird. Eine Besonderheit besteht dabei darin, dass nicht jeder Beleuchtungsfeldpunkt mit dem Licht aller Lichtquelleneinheiten ausgeleuchtet wird. Vielmehr ist es in der Regel so, dass am Ort eines Bildfeldpunkts viele Teilfelder überlappen, so dass ein Bildfeldpunkt mit dem Licht vieler der Lichtquellen ausgeleuchtet wird. Andererseits wird ein Bildfeldpunkt in der Regel nicht von allen Lichtquelleneinheiten beleuchtet, da es Teilfelder gibt, die den betrachteten Bildfeldpunkt nicht umfassen. Aus Sicht eines Bildfeldpunkts wird dieser also nur mit Licht einer Untergruppe aller Lichtquelleneinheiten ausgeleuchtet. Sofern es unter den vielen Lichtquelleneinheiten solche gibt, die so ausgelegt sind, dass sie das ganze Beleuchtungsfeld ausleuchten, so sind diese von jedem Bildfeldpunkt aus „sichtbar“.Area-filling illumination means that every field point of the image field, ie every image field point, is illuminated with illuminating light. A special feature is that not every illumination field point is illuminated with the light of all light source units. Rather, it is usually the case that many partial fields overlap at the location of an image field point, so that an image field point is illuminated with the light from many of the light sources. On the other hand, an image field point is usually not illuminated by all light source units, since there are partial fields that do not include the image field point under consideration. From the point of view of an image field point, this is therefore only illuminated with light from a subgroup of all light source units. If, among the many light source units, there are some that are designed in such a way that they illuminate the entire field of illumination, they are “visible” from every point in the image field.

Die Auslegung ist dabei insgesamt so, dass die Gesamtintensität des auffallenden Beleuchtungslichts in jedem der Bildfeldpunkte ungefähr gleich ist, so dass eine im Wesentlichen homogene Bildfeldausleuchtung gewährleistet ist. Die Homogenisierung der Bildfeldausleuchtung wird wesentlich über die relative Anordnung der unterschiedlichen Teilfelder und deren jeweilige Intensitätsverteilung erreicht.Overall, the design is such that the overall intensity of the incident illumination light is approximately the same in each of the image field points, so that an essentially homogeneous image field illumination is ensured. The homogenization of the image field illumination is essentially achieved via the relative arrangement of the different sub-fields and their respective intensity distribution.

Damit unterscheidet sich das Beleuchtungskonzept, welches Teilfelder nutzt, signifikant von herkömmlichen Beleuchtungskonzepten, beispielsweise solchen, die mit einem Wabenkondensor arbeiten. Ein Wabenkondensor teilt bekanntlich das von einer Beleuchtungslichtquelle kommende Licht in eine Vielzahl von Teillichtbündeln entsprechend der Anzahl ausgeleuchteter Waben auf. Durch eine nachgeschaltete Optik wird erreicht, dass das von jeder der Waben abgegebene Licht jeweils das gesamte Beleuchtungsfeld beleuchtet. Somit „sieht“ jeder Bildfeldpunkt alle ausgeleuchteten Waben.The lighting concept that uses partial fields thus differs significantly from conventional lighting concepts, for example those that work with a honeycomb condenser. As is known, a honeycomb condenser divides the light coming from an illuminating light source into a large number of partial light bundles corresponding to the number of honeycombs illuminated. A downstream optic ensures that the light emitted by each of the honeycombs illuminates the entire illumination field. Thus, each image field point "sees" all illuminated honeycombs.

Neben Ausführungsbeispielen mit ausgeleuchteten Teilfeldern gibt es auch Ausführungsbeispiele, bei denen jedes auf das Beleuchtungsfeld (oder das Zwischenfeld) auftreffende Lichtbündel einer Lichtquelleneinheit das komplette Beleuchtungslicht ausleuchtet. Dies kann der Fall sein, wenn alle Lichtquelleneinheiten in oder nahe einer Eintrittspupille der nachgeschalteten Abbildungssystems angeordnet sind.In addition to exemplary embodiments with illuminated partial fields, there are also exemplary embodiments in which each light beam of a light source unit that strikes the illuminated field (or the intermediate field) illuminates the entire illumination light. This can be the case when all light source units are arranged in or near an entrance pupil of the downstream imaging system.

Vorzugsweise umfasst jede der Lichtquelleneinheiten zusätzlich zur primären Lichtquelle und der Strahlformungsoptik ein dazwischen angeordnetes Blendenelement mit einer für das Primärlicht Apertur-begrenzenden Blendenöffnung. Dadurch kann an der Eingangsseite der Strahlformungsoptik eine gewünschte Winkelbandbreite eingestellt werden, was dazu beiträgt, die von den Lichtquelleneinheiten emittierten Lichtbündel in ihren Eigenschaften genau zu definieren.Each of the light source units preferably includes, in addition to the primary light source and the beam-shaping optics, a diaphragm element arranged between them with a diaphragm opening that limits the aperture for the primary light. As a result, a desired angular bandwidth can be set on the input side of the beam-shaping optics, which contributes to precisely defining the properties of the light bundles emitted by the light source units.

Gemäß einer Weiterbildung sind alle Strahlformungselemente als refraktive optische Elemente ausgebildet. Die Geometrie solcher Vorsatzlinsen kann mit aus dem Optikdesign bekannten Verfahren berechnet werden. Die Bestrahlungsstärke einzelner Vorsatzlinsen kann nach Bedarf optimiert werden. Es ist möglich, dass einige oder alle Strahlformungselemente Linsen mit wenigstens einer sphärischen Linsenfläche sind. Strahlformungselemente können auch als Linsen mit wenigstens einer rotationssymmetrischen asphärischen Linsenfläche ausgestaltet sein. Eine besonders gute Anpassung der insgesamt erzielbaren Ausleuchtung des Beleuchtungsfelds wird bei manchen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass wenigstens ein Teil der Strahlformungsoptiken als Freiformlinsen ausgestaltet ist. Eine Freiformlinse weist wenigstens eine Linsenfläche auf, die keine Rotationssymmetrie besitzt. Es gibt auch Fälle, in denen das gewünschte Beleuchtungssetting mehrere disjunkte Pole mit lokalen Maxima der Beleuchtungslichtintensität aufweisen soll (z.B. bei Dipolbeleuchtung oder Quadrupolbeleuchtung). Insbesondere für diesen Fall können Strahlformungselemente installiert sein, die wenigstens eine einfach zusammenhängende optische Fläche mit wenigstens einer Klicklinie aufweist. Der Bereich mit Knick führt dazu, dass in der erzeugten Strahlwinkelverteilung gewisse Strahlwinkelbereiche fehlen, und dadurch gewissen Zone nicht ausgeleuchtet werden.According to a development, all beam-shaping elements are designed as refractive optical elements. The geometry of such ancillary lenses can be calculated using methods known from optical design. The irradiance of individual attachment lenses can be optimized as required. It is possible that some or all of the beam-shaping elements are lenses with at least one spherical lens surface. Beam-shaping elements can also be designed as lenses with at least one rotationally symmetrical aspherical lens surface. A particularly good adaptation of the illumination of the illumination field that can be achieved overall is achieved in some embodiments in that at least some of the beam-shaping optics are designed as free-form lenses. A free-form lens has at least one lens surface that has no rotational symmetry. There are also cases in which the desired illumination setting should have several disjoint poles with local maxima of the illumination light intensity (e.g. with dipole illumination or quadrupole illumination). In this case in particular, beam-shaping elements can be installed which have at least one simply connected optical surface with at least one click line. The area with a kink means that certain beam angle areas are missing in the generated beam angle distribution, and certain zones are therefore not illuminated.

Es ist auch möglich, dass eine Lichtquelleneinheit alternativ oder zusätzlich zu einen refraktiven Strahlformungselement mindestens ein reflektives Strahlformungselement, also ein zur Strahlformung beitragendes Spiegelelement aufweist, ggf. in Kombination mit einem Kollektorvorsatz.It is also possible for a light source unit to have at least one reflective beam-shaping element, ie a mirror element contributing to beam shaping, as an alternative or in addition to a refractive beam-shaping element, possibly in combination with a collector attachment.

Die an die Abstrahlcharakteristik der primären Lichtquelle angepasste optische Auslegung der Strahlformungsoptik bestimmt bzw. definiert die über den genutzten Raumwinkelbereich vorliegende Intensitätsverteilung innerhalb eines Lichtbündels. Diese wiederum bestimmt die räumliche Intensitätsverteilung in dem jeweils von einer Lichtquelleneinheit im Beleuchtungsfeld ausgeleuchteten Bereich. Diese Intensitätsverteilung wiederum bestimmt die Intensitätsverteilung im Bereich der Pupille des Projektionsobjektivs. Damit gibt die über den genutzten Raumwinkelbereich vorliegende Intensitätsverteilung innerhalb eines Lichtbündels das Beleuchtungssetting vor. Die optische Konfiguration bzw. die optische Wirkung der Strahlformungsoptiken ist somit in Abhängigkeit vom gewünschten Beleuchtungssetting ausgelegt. Beispielsweise können die Strahlformungsoptiken eine Axikon-Lichtdurchtrittsfläche zur Erzeugung einer annularen Beleuchtung (Ringfeldbeleuchtung) aufweisen.The optical design of the beam-shaping optics, which is adapted to the radiation characteristics of the primary light source, determines or defines the intensity distribution within a light beam over the used solid angle range. This in turn determines the spatial intensity distribution in each of the light sources means the illuminated area in the illumination field. This intensity distribution in turn determines the intensity distribution in the area of the pupil of the projection lens. The intensity distribution within a light beam over the used solid angle range thus specifies the illumination setting. The optical configuration or the optical effect of the beam shaping optics is thus designed depending on the desired illumination setting. For example, the beam shaping optics can have an axicon light passage surface for generating an annular illumination (ring field illumination).

Vorzugsweise weisen die emittierten Lichtbündel der Lichtquelleneinheiten eines Beleuchtungslichtquellenmoduls über ihren Querschnitt eine Intensitätsverteilung auf, die eine der folgenden Bedingungen erfüllt:

(i) eine über den Querschnitt im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung zur Erzeugung eines konventionellen Beleuchtungssettings;
(ii) eine Intensitätsverteilung mit hoher Intensität in einem ringförmigen Randbereich und niedrigerer Intensität in einem vom Randbereich umschlossenen inneren Bereich zur Erzeugung eines annularen Beleuchtungssettings;
(iii) eine Intensitätsverteilung mit wenigstens einem Paar von Polen in Form von lokal begrenzten Bereichen mit lokalen Intensitätsmaxima, die in einer Diametralrichtung des Querschnitts einander gegenüberliegend angeordnet sind zur Erzeugung eines multipolaren Beleuchtungssettings.

The light beams emitted by the light source units of an illumination light source module preferably have an intensity distribution over their cross section that satisfies one of the following conditions:

(i) an intensity distribution that is essentially homogeneous over the cross section to produce a conventional illumination setting;
(ii) an intensity distribution with high intensity in an annular edge area and lower intensity in an inner area enclosed by the edge area to produce an annular illumination setting;
(iii) an intensity distribution with at least one pair of poles in the form of locally limited areas with local intensity maxima, which are arranged opposite one another in a diametrical direction of the cross section to produce a multipolar illumination setting.

Im Rahmen der beanspruchten Erfindung ist es relativ einfach möglich, die Strahlwinkelverteilungen der Lichtbündel lokal unter Berücksichtigung der Eintrittspupille eines dem Beleuchtungssystem nachgeschalteten Projektionsobjektivs anzupassen. Bei der Auslegung des Beleuchtungskonzepts und bei der Herstellung kann daher die Berechnung der Strahlwinkelverteilungen lokal unter Berücksichtigung der Eintrittspupille des Projektionsobjektivs erfolgen. Diese kann zum Beispiel homozentrisch, insbesondere telezentrisch, oder allgemein feldabhängig sein. Es wird keine zusätzliche aufwändige Optik zur Einstellung der Strahlwinkelverteilung des Beleuchtungslichts zum Zwecke der Anpassung an die Eintrittspupille des Projektionsobjektivs benötigt.Within the scope of the claimed invention, it is relatively easy to adapt the beam angle distributions of the light bundles locally, taking into account the entrance pupil of a projection objective connected downstream of the illumination system. When designing the lighting concept and during production, the beam angle distributions can therefore be calculated locally, taking into account the entrance pupil of the projection lens. This can, for example, be homocentric, in particular telecentric, or generally field-dependent. No additional complex optics are required to adjust the beam angle distribution of the illumination light for the purpose of adjustment to the entrance pupil of the projection lens.

Die Lichtquelleneinheiten des Beleuchtungslichtquellenmoduls können alle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Diese kann senkrecht zu einer senkrecht zur Bildfeldebene orientierten Referenzachse ausgerichtet sein. Es sind jedoch auch andere räumliche Anordnungen der Lichtquelleneinheiten möglich. Beispielsweise können Lichtquelleneinheiten entlang einer konkav gekrümmten Lichtaustrittsfläche angeordnet sein, deren konkave Seite zum Beleuchtungsfeld weist. Damit kann zum Beispiel bei der Verwendung von lichtemittierenden Dioden oder Laserdioden als primäre Lichtquelle eine bessere Lichtausbeute erzielt werden, da LEDs vorzugsweise orthogonal zur Lichtaustrittsfläche des Chips mit maximaler Intensität abstrahlen. Eine Alternative wäre, die Lichtquelleneinheiten zwar in einer Ebene anzuordnen, die einzelnen Lichtquelleneinheiten jedoch lokal zu kippen.The light source units of the illumination light source module can all be arranged in a common plane. This can be aligned perpendicular to a reference axis oriented perpendicular to the plane of the image field. However, other spatial arrangements of the light source units are also possible. For example, light source units can be arranged along a concavely curved light exit surface whose concave side faces the illumination field. A better light yield can thus be achieved, for example when using light-emitting diodes or laser diodes as the primary light source, since LEDs preferably emit with maximum intensity orthogonally to the light exit area of the chip. An alternative would be to arrange the light source units in one plane but tilt the individual light source units locally.

Bei den Varianten mit Teilfeldern werden die Ausleuchtung und die Form der Teilfelder durch die Anforderung an die Gleichmäßigkeit bzw. Uniformity der Feldausleuchtung des Beleuchtungsfelds bestimmt. Im Hinblick auf diese Aufgabe sollten die Intensitätsverteilungen in den einzelnen Lichtbündeln so sein, dass harte Intensitätskanten am Rande der jeweils ausgeleuchteten Teilfelder vermieden werden. Diesem Ziel kommt entgegen, dass die primären Lichtquellen in der Regel keine Punktlichtquellen sind, sondern eine gewisse endliche Ausdehnung haben, wie dies beispielsweise bei Leuchtdioden der Fall ist. Auch Laserdioden können ggf. als primäre Lichtquellen verwendet werden. Laserdioden haben in der Regel einen sehr kleinen Lichtleitwert, so dass sie im Vergleich zur LEDs als Punktlichtquelle betrachtet werden können. Auf Blenden kann dann ggf. verzichtet werden. Lichtquelleneinheiten mit kleinem Lichtleitwert können ggf. divergenz-erzeugende Elemente wie z.B. Streuscheiben, refraktive optische Elemente (ROEs) oder auch diffraktive optische Elemente (DOEs) aufweisen.In the variants with partial fields, the illumination and the shape of the partial fields are determined by the requirement for the evenness or uniformity of the field illumination of the illumination field. With regard to this task, the intensity distributions in the individual light beams should be such that hard intensity edges are avoided at the edges of the respectively illuminated partial fields. This goal is met by the fact that the primary light sources are generally not point light sources but have a certain finite extent, as is the case with light-emitting diodes, for example. If necessary, laser diodes can also be used as primary light sources. Laser diodes usually have a very low light conductance value, so that they can be viewed as a point light source compared to LEDs. If necessary, screens can then be dispensed with. Light source units with a low light conductance can possibly have divergence-generating elements such as diffusers, refractive optical elements (ROEs) or also diffractive optical elements (DOEs).

Es kann sein, dass es schwierig wird, die Spezifikation für eine geforderte Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung des Bildfelds (Uniformity) allein durch entsprechende Auslegung der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelleneinheiten zu erreichen. Sollte eine Korrektur gewünscht sein, ist das bei manchen Ausführungsformen dadurch möglich, dass im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld in optischer Nähe der Beleuchtungsfeldebene oder einer dazu optisch konjugierten Zwischenfeldebene ein Intensitätsverteilungs-Korrekturfilter mit ortsabhängiger Transmission angeordnet ist. Dies kann zur Vergleichmäßigung der Ausleuchtung im Beleuchtungsfeld bzw. zur Reduzierung einer ungleichen Ausleuchtung dienen.It may be difficult to achieve the specification for a required uniformity in the illumination of the image field (uniformity) simply by appropriately designing the radiation characteristics of the light source units. If a correction is desired, this is possible in some embodiments by arranging an intensity distribution correction filter with location-dependent transmission in the illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field in optical proximity to the illumination field plane or an intermediate field plane optically conjugated thereto. This can serve to even out the illumination in the illumination field or to reduce uneven illumination.

Weiterhin ist es bei Bedarf möglich, die spektrale Verteilung der Lichtintensitäten des von den primären Lichtquellen gelieferten Lichts noch zu beeinflussen, beispielsweise um die genutzte Bandbreite etwas einzuengen. Dies ist bei manchen Ausführungsformen dadurch möglich, dass im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld ein Bandbreiten-Einengungsfilter angeordnet ist.Furthermore, it is possible, if required, to still influence the spectral distribution of the light intensities of the light supplied by the primary light sources, for example in order to somewhat narrow the bandwidth used. In some embodiments, this is possible in that a bandwidth narrowing filter is arranged in the illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field.

Das Intensitätsverteilungs-Korrekturfilter und das Bandbreiten-Einengungsfilter können durch ein gemeinsames optisches Filterelement gebildet sein.The intensity distribution correction filter and the bandwidth narrowing filter can be formed by a common optical filter element.

Im Beleuchtungsstrahlengang zwischen Beleuchtungslichtquellenmodul und Beleuchtungsfeld ist bei vielen Ausführungsformen eine Feldblende mit einer die Gestalt des Beleuchtungsfelds bestimmenden Blendenöffnung vorgesehen. Wenn eine solche Feldblende vorgesehen ist, kann auf eine exakte Formung der Teilfelder am Feldrand verzichtet werden, wodurch mehr Freiheitsgrade zur Einstellung der örtlichen Intensitätsverteilung innerhalb der einzelnen Lichtbündel bleiben.In many embodiments, a field diaphragm with a diaphragm opening that determines the shape of the illumination field is provided in the illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field. If such a field stop is provided, there is no need for an exact shaping of the partial fields at the edge of the field, which leaves more degrees of freedom for setting the local intensity distribution within the individual light bundles.

Die Feldblende kann unmittelbar vor der Beleuchtungsfeldebene angebracht sein. Eine Anordnung in dieser Ebene wäre wegen Kollision mit der Maske nicht möglich. Ein gewisser Abstand zur nächstliegenden Feldebene (Objektebene des Projektionsobjektivs) kann geringfügige Unschärfen am Rand des Beleuchtungsfeldes verursachen, die jedoch meist akzeptabel sind.The field stop can be attached directly in front of the illumination field plane. An arrangement in this plane would not be possible due to a collision with the mask. A certain distance to the nearest field plane (object plane of the projection lens) can cause minor blurring at the edge of the illumination field, but this is usually acceptable.

Eine Verbesserung der Trennung am Hell-Dunkel-Übergang zwischen beleuchtetem Bereich und nicht beleuchtetem Bereich am Beleuchtungsfeldrand kann erreicht werden, wenn der Beleuchtungsfeldebene ein optisches Abbildungssystem vorgeschaltet ist und die Feldblende in einer zur Beleuchtungsfeldebene optisch konjugierten Zwischenfeldebene angeordnet ist.An improvement in the separation at the light-dark transition between the illuminated area and the non-illuminated area at the edge of the illumination field can be achieved if the illumination field plane is preceded by an optical imaging system and the field diaphragm is arranged in an intermediate field plane that is optically conjugate to the illumination field plane.

Gemäß einer Weiterbildung ist im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld ein optisches Abbildungssystem angeordnet, welches dafür ausgelegt ist, eine zur Beleuchtungsfeldebene optisch konjugierte Zwischenfeldebene des Beleuchtungssystems in die Beleuchtungsfeldebene abzubilden. In diesem Fall ist das Beleuchtungslichtquellenmodul derart ausgelegt, dass die Lichtbündel ein zum Beleuchtungsfeld optisch konjugiertes Zwischenfeld in der Zwischenfeldebene flächenfüllend ausleuchten. Dieses wird dann mittels des optischen Abbildungssystems in die Bildfeldebene abgebildet.According to a development, an optical imaging system is arranged in the illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field, which is designed to image an intermediate field plane of the illumination system that is optically conjugate to the illumination field plane into the illumination field plane. In this case, the illumination light source module is designed in such a way that the light bundles illuminate an intermediate field that is optically conjugate to the illumination field in the intermediate field plane in a surface-filling manner. This is then imaged in the image field plane by means of the optical imaging system.

Bei anderen Ausführungsformen befindet sich im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem beleuchteten Beleuchtungsfeld kein strahlwinkelveränderndes optisches Element.In other embodiments, there is no optical element that changes the beam angle in the illumination beam path between the illumination light source module and the illuminated illumination field.

Wie oben erwähnt ist ein Beleuchtungslichtquellenmodul für ein bestimmtes Beleuchtungs-Setting ausgelegt, z.B. konventionelle Ausleuchtung mit vorgebbarem Kohärenzgrad (Sigma-Wert), annulare Beleuchtung oder Dipolbeleuchtung. Bei vielen in Betracht kommenden Anwendungen ist kein Wechsel des Beleuchtungs-Settings erforderlich. Für andere Fälle sieht das Konzept vor, dass das Beleuchtungslichtquellenmodul als Wechselmodul ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass es bestimmungsgemäß relativ einfach ausgetauscht werden kann, ohne größere Demontagearbeiten vorzunehmen. Dazu können an dem Beleuchtungslichtquellenmodul erste Verbindungselemente und an einem Gehäuse des Beleuchtungssystems zu den ersten Verbindungselementen komplementäre zweite Verbindungselemente einer bestimmungsgemäß lösbaren Verbindung angeordnet sein. Ein Setting-Wechsel kann durch Austausch eines ersten Beleuchtungslichtquellenmoduls gegen ein zweites Beleuchtungslichtquellenmodul mit anderer Abstrahlcharakteristik erreicht werden.As mentioned above, an illumination light source module is designed for a specific illumination setting, e.g. conventional illumination with a predefinable degree of coherence (sigma value), annular illumination or dipole illumination. For many possible applications, no change in the lighting setting is required. For other cases, the concept provides that the illumination light source module is designed as an exchangeable module. This means that, as intended, it can be replaced relatively easily without having to undertake major disassembly work. For this purpose, first connecting elements can be arranged on the illumination light source module and second connecting elements, which are complementary to the first connecting elements, can be arranged on a housing of the illumination system for a connection that can be released as intended. A change of setting can be achieved by exchanging a first illumination light source module for a second illumination light source module with a different emission characteristic.

Das Beleuchtungskonzept kann grundsätzlich mit unterschiedlichen Typen von primären Lichtquellen (z.B. LEDs oder Laserdioden etc.) für unterschiedliche Arbeitswellenlängenbereiche aus den tiefen Ultraviolettbereich (DUV-Bereich), dem UV-Bereich oder dem sichtbaren Spektrum (VIS-Bereich) umgesetzt werden.The lighting concept can basically be implemented with different types of primary light sources (e.g. LEDs or laser diodes etc.) for different working wavelength ranges from the deep ultraviolet range (DUV range), the UV range or the visible spectrum (VIS range).

Besonders vielversprechend erscheinen derzeit Konzepte, die mit Arrays mit Ultraviolettlicht emittierenden lichtemittierenden Dioden (UV-LED-Array) arbeiten. Damit können langlebige, kompakte leistungsstarke Beleuchtungslichtquellenmodule aufgebaut werden.Concepts that work with arrays with light-emitting diodes emitting ultraviolet light (UV LED array) currently appear particularly promising. Durable, compact, high-performance illumination light source modules can thus be constructed.

Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie zur Belichtung eines im Bereich einer Bildebene eines Projektionsobjektivs angeordneten strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektebene des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske. Die Projektionsbelichtungsanlage umfasst ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung von auf das Muster der Maske gerichteter Beleuchtungsstrahlung in einem Beleuchtungsfeld des Beleuchtungssystems sowie ein Projektionsobjektiv zur Abbildung des Musters der Maske auf ein lichtempfindliches Substrat mittels Projektionslicht bei einer bildseitigen numerischen Apertur. Das Beleuchtungssystem ist gemäß der beanspruchten Erfindung oder einer ihrer Ausführungsbeispiele aufgebaut.The invention also relates to a projection exposure system for microlithography for exposing a radiation-sensitive substrate arranged in the area of an image plane of a projection objective with at least one image of a pattern of a mask arranged in the area of an object plane of the projection objective. The projection exposure system includes an illumination system for generating illumination radiation directed onto the pattern of the mask in an illumination field of the illumination system and a projection lens for imaging the pattern of the mask onto a light-sensitive substrate using projection light with an image-side numerical aperture. The lighting system is constructed in accordance with the claimed invention or one of its embodiments.

Beleuchtungssysteme der hier beschriebenen Art können mit unterschiedlichen Projektionsobjektiven genutzt werden bzw. daran angepasst sein. Die nachfolgende Aufzählung listet beispielhaft einige Spezifikationen, die alternativ oder kumulativ gegeben sein können. Abweichungen davon sind möglich. Der Abbildungsmaßstab kann z.B. bei -0.20, -0.25, -0.50 liegen. Die Bildfeldgröße kann z.B. 26mmx8mm, 26mmx8.25mm, 26mmx10mm oder 26x13mm betragen. Vorzugsweise ist die Austrittspupille telezentrisch, die Eintrittspupille kann gemäß einer Pupillenfunktion ausgelegt sein. Die bildseitige numerische Apertur NA kann z.B. 0.5 oder weniger betragen, z.B. NA = 0.2, NA = 0.3, NA = 0.35, NA = 0.4, NA = 0.45 oder zwischenwerte. In der Regel ist eine variable Aperturblende vorhanden. Ein Wellenfrontmanipulationssystem mit steuerbaren Manipulatoren zur Wellenfrontkorrektur kann vorgesehen sein. Weiterhin sollten Mittel zur chromatischen Korrektur (Korrektur chromatischer Aberrationen) vorgesehen sein.Lighting systems of the type described here can be used with different projection lenses or be adapted to them. The list below lists some specifications that can be given alternatively or cumulatively. Deviations from this are possible. The imaging scale can be, for example, -0.20, -0.25, -0.50. The image field size can be, for example, 26mmx8mm, 26mmx8.25mm, 26mmx10mm or 26x13mm. Preferably, the exit pupil is telecentric, the entrance pupil can be be designed according to a pupil function. The image-side numerical aperture NA can be, for example, 0.5 or less, for example NA=0.2, NA=0.3, NA=0.35, NA=0.4, NA=0.45 or intermediate values. A variable aperture diaphragm is usually present. A wavefront manipulation system with controllable manipulators for wavefront correction can be provided. Furthermore, means for chromatic correction (correction of chromatic aberrations) should be provided.

Figurenlistecharacter list

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1 zeigt in 1A schematisch im Längsschnitt eine Projektionsbelichtungsanlage für die UV-Mikrolithographie gemäß einem Ausführungsbeispiel und in 1B eine Ansicht des Beleuchtungsfeldes in der Bildfeldebene, die der Objektebene des Projektionsobjektivs entspricht;
2 zeigt in 2A bis 2C eine Bildfeldausleuchtung anhand von drei unterschiedlichen Lichtbündeln, die von drei unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten des Beleuchtungslichtmoduls ausgehen und jeweils kreisrunde Teilfelder ausleuchten;
3 zeigt in 3A bis 3C drei Beispiele dafür, wie das Beleuchtungslichtquellenmodul aus Sicht einzelner Beleuchtungsfeldpunkte erscheint;
4 zeigt in 4A bis 4C schematisch unterschiedliche Pupillenlagen von Projektionsobjektiven;
5 zeigt schematisch im Längsschnitt eine Projektionsbelichtungsanlage für die UV-Mikrolithographie gemäß einem Ausführungsbeispiel, worin die Lichtquelleneinheiten jeweils das gesamte Beleuchtungsfeld ausleuchten;
6 zeigt schematisch im Längsschnitt eine Projektionsbelichtungsanlage für die UV-Mikrolithographie gemäß einem Ausführungsbeispiel, worin im Beleuchtungssystem ein dem Beleuchtungsfeld vorgeschaltetes Abbildungsobjektiv angeordnet ist;
7 zeigt in 7A bis 7C analog zu 2 eine Bildfeldausleuchtung anhand von drei unterschiedlichen Lichtbündeln, die von drei unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten des Beleuchtungslichtmoduls ausgehen und jeweils ringförmige Teilfelder ausleuchten;
8 zeigt in 8A bis 8C analog zu 3 drei Beispiele dafür, wie das Beleuchtungslichtquellenmodul aus Sicht einzelner Beleuchtungsfeldpunkte erscheint;
9 zeigt in 9A bis 9C Beispiele für Lichtquelleneinheiten;
10 zeigt in 10A bis 10F Beispiele für refraktive Strahlformungsoptiken;
11 zeigt ein planparalleles Filterelement mit ortsabhängiger Transmission zur Korrektur der Intensitätsverteilung sowie zur Korrektur der spektralen Verteilung der Lichtintensitäten des Beleuchtungslichts.

Further advantages and aspects of the invention result from the claims and from the description of exemplary embodiments of the invention, which are explained below with reference to the figures.

1 shows in 1A schematically in longitudinal section a projection exposure system for UV microlithography according to an embodiment and in 1B a view of the illumination field in the image field plane, which corresponds to the object plane of the projection lens;
2 shows in 2A until 2C an image field illumination based on three different light beams, which emanate from three different light source units of the illumination light module and each illuminate circular partial fields;
3 shows in 3A until 3C three examples of how the illumination light source module appears as viewed from individual illumination field points;
4 4A to 4C schematically shows different pupil positions of projection lenses;
5 shows a schematic longitudinal section of a projection exposure system for UV microlithography according to an exemplary embodiment, in which the light source units each illuminate the entire illumination field;
6 shows a schematic longitudinal section of a projection exposure system for UV microlithography according to an exemplary embodiment, in which an imaging lens is arranged in front of the illumination field in the illumination system;
7 shows in 7A until 7C analogous to 2 an image field illumination based on three different light beams, which emanate from three different light source units of the illumination light module and each illuminate ring-shaped partial fields;
8th shows in 8A to 8C analogous to 3 three examples of how the illumination light source module appears as viewed from individual illumination field points;
9 9A to 9C show examples of light source units;
10 10A to 10F show examples of refractive beam shaping optics;
11 shows a plane-parallel filter element with location-dependent transmission for correcting the intensity distribution and for correcting the spectral distribution of the light intensities of the illumination light.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS

In 1A ist schematisch im Längsschnitt eine Projektionsbelichtungsanlage 100 für die Mikrolithographie gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Projektionsbelichtungsanlage weist u.a. ein Beleuchtungssystem 200 und ein Projektionsobjektiv 300 auf und dient dazu, ein strahlungsempfindliches Substrat 305, welches sich im Bereich einer Bildebene 320 des Projektionsobjektivs 300 befindet, mit mindestens einem Bild des Musters einer Maske 330 zu belichten, die im Bereich der Objektebene 310 des Projektionsobjektivs angeordnet ist.In 1A a projection exposure system 100 for microlithography according to an exemplary embodiment is shown schematically in longitudinal section. The projection exposure system has, among other things, an illumination system 200 and a projection lens 300 and is used to expose a radiation-sensitive substrate 305, which is located in the area of an image plane 320 of the projection lens 300, with at least one image of the pattern of a mask 330, which is in the area of the object plane 310 of the projection lens is arranged.

Die Projektionsbelichtungsanlage arbeitet mit Ultraviolettlicht, insbesondere mit UV-Licht aus einem Wellenlängenbereich von 355 nm bis 375 nm, insbesondere von ca. 365 nm. Das Beleuchtungssystem 200 ist dazu ausgelegt, ein rechteckförmiges Beleuchtungsfeld 220 zu beleuchten, welches in der Objektebene 310 des Projektionsobjektivs liegt. Diese wird dementsprechend auch als Beleuchtungsfeldebene 310 bezeichnet.The projection exposure system works with ultraviolet light, in particular with UV light in a wavelength range from 355 nm to 375 nm, in particular from approx. 365 nm. The illumination system 200 is designed to illuminate a rectangular illumination field 220, which lies in the object plane 310 of the projection lens . Accordingly, this is also referred to as the illumination field plane 310 .

Die Projektionsbelichtungsanlage 100 ist dafür ausgelegt, während eines Herstellungsprozesses relativ grobe Strukturen an dem zu belichteten Substrat zu erzeugen, insbesondere Strukturen mit typischen Strukturgrößen von deutlich mehr als 300 nm oder mehr als 500 nm. Die Strukturgrößen können im Mikrometerbereich liegen. Solche groben Strukturen sind z.B. bei Packaging-Anwendungen häufig anzutreffen.The projection exposure system 100 is designed to produce relatively coarse structures on the substrate to be exposed during a production process, in particular structures with typical structure sizes of significantly more than 300 nm or more than 500 nm. The structure sizes can be in the micrometer range. Such coarse structures are often encountered in packaging applications, for example.

Das Projektionsobjektiv 300 ist ein zu seiner optischen Achse 302 rotationssymmetrisches dioptrisches Abbildungssystem und hat eine relativ moderate bildseitige numerische Apertur NA, die beispielsweise im Bereich von 0,4 oder darunter liegen kann. Im Beispielsfall hat das Projektionsobjektiv eine objektseitige numerische Apertur NA_o = 0,1 und bildet das Muster der Maske verkleinert mit einem Abbildungsmaßstab von 1:4 ab, so dass die bildseitige numerische Apertur NA=0,4 beträgt.The projection objective 300 is a dioptric imaging system that is rotationally symmetrical with respect to its optical axis 302 and has a relatively moderate numerical aperture NA on the image side, which can be in the range of 0.4 or less, for example. In the example, the projection lens has an object-side numerical aperture NA _o =0.1 and images the pattern of the mask reduced with an imaging scale of 1:4, so that the image-side numerical aperture is NA=0.4.

Das Projektionsobjektiv ist in Bezug auf chromatische Aberrationen relativ breitbandig korrigiert. Die ausreichend gute optische Korrektur liegt für ein relativ großes rechteckiges Objektfeld mit einer Größe von 104 x 33 mm² vor. Das effektiv genutzte Objektfeld ist zur optischen Achse 302 zentriert (on-axis system), seine Lage und Größe wird durch Lage und Größe des Beleuchtungsfeldes bestimmt, weshalb dasselbe Bezugszeichen 220 verwendet wird. Die Detaildarstellung in 1B zeigt eine parallel zur optischen Achse 302 des Projektionsobjektivs gerichtete Draufsicht auf die Objektebene bzw. Bildfeldebene. Der Kreis entspricht dem Rand desjenigen Bereichs der Objektebene, der für die Abbildung ausreichend gut optisch korrigiert ist. Das Projektionsobjektiv ist für eine Objekthöhe von 109 mm korrigiert, das dem Radius des Minimalkreises um das effektive Objektfeld (Beleuchtungsfeld) 220 entspricht.The projection lens is corrected for chromatic aberrations over a relatively wide range. The optical correction is sufficiently good for a relatively large rectangular object field with a size of 104×33 mm ² . The object field effectively used is centered on the optical axis 302 (on-axis system), its position and size are determined by the position and size of the illumination field, which is why the same reference number 220 is used. The detail in 1B shows a top view of the object plane or image field plane directed parallel to the optical axis 302 of the projection objective. The circle corresponds to the edge of that area of the object plane that is optically corrected sufficiently well for imaging. The projection lens is corrected for an object height of 109 mm, which corresponds to the radius of the minimum circle around the effective object field (illumination field) 220.

Das Beleuchtungssystem 200 umfasst ein Beleuchtungslichtquellenmodul 240, das eine Vielzahl individueller Lichtquelleneinheiten 250 aufweist, die in einer zweidimensionalen Matrixanordnung (Array) in kleinen gegenseitigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die Lichtquelleneinheiten 250 werden von einem im Wesentlichen sphärisch gekrümmten Träger 270 getragen und sind an dessen dem Beleuchtungsfeld zugewandter konkaver Seite befestigt.The illumination system 200 comprises an illumination light source module 240 having a plurality of individual light source units 250 arranged in a two-dimensional matrix arrangement (array) at small mutual distances from one another. The light source units 250 are carried by a substantially spherically curved support 270 and are attached to its concave side facing the illumination field.

Jede Lichtquelleneinheit 250 umfasst eine primäre Lichtquelle 252 in Form einer Ultraviolettlicht emittierenden Leuchtdiode (UV-LED) mit einer rechteckförmigen lichtemittierenden Fläche. Das Beleuchtungslichtquellenmodul umfasst hunderte oder tausende einzelner LEDs in dichter Packung, also ein LED-Array mit zweidimensionaler oder mehrdimensionaler Anordnung von UV-LEDs, z.B. mit hexagonaler Packung oder mit Reihen und Spalten von UV-LEDs. Die lateralen Maße des Arrays aus Lichtquelleneinheiten können im Millimeterbereich liegen, z.B. bei weniger als 10 mm.Each light source unit 250 includes a primary light source 252 in the form of an ultraviolet light emitting light emitting diode (UV-LED) having a rectangular light emitting surface. The illumination light source module comprises hundreds or thousands of individual LEDs in dense packing, i.e. an LED array with a two-dimensional or multi-dimensional arrangement of UV LEDs, e.g. with hexagonal packing or with rows and columns of UV LEDs. The lateral dimensions of the array of light source units can be in the millimeter range, for example less than 10 mm.

Jede einzelne Lichtquelleneinheit weist eine im Beispielsfall refraktive Strahlformungsoptik 255 auf, die mit ihrer Eintrittsfläche das primäre Licht der primären Lichtquelle 252 empfängt und daraus ein von der Lichtquelleneinheit 250 ausgehendes Lichtbündel 260 erzeugt, das sich durch eine Strahlwinkelverteilung auszeichnet, die durch die Art der primären Lichtquelle und die Ausgestaltung der zugehörigen Strahlformungsoptik vorgegeben wird.Each individual light source unit has, in the example, refractive beam-shaping optics 255, which receive the primary light from the primary light source 252 with its entry surface and use it to generate a light bundle 260 emanating from the light source unit 250, which is characterized by a beam angle distribution that is determined by the type of primary light source and the design of the associated beam shaping optics is specified.

Der Begriff „Lichtbündel“ steht hier allgemein für ein Strahlbündel mit Strahlen des Beleuchtungslichts. Ein Lichtbündel umfasst viele Strahlen, die in unterschiedliche Raumrichtungen propagieren. Die Ausbreitungsrichtung eines einzelnen Strahls ST im Raum wird hier u.a. über den Strahlwinkel beschrieben. 1 zeigt die Komponente STW des Strahlwinkels, den der Strahl in der Darstellungsebene mit der Referenzachse REF einschließt, die koaxial zur optischen Achse 302 des Projektionsobjektivs verläuft. Die Strahlen des Lichtbündels verlaufen innerhalb eines begrenzten Strahlwinkelbereichs mit einer Intensitätsverteilung, die ein weiteres Charakteristikum des Lichtbündels ist.The term “light bundle” here generally stands for a bundle of rays with rays of the illuminating light. A bundle of light comprises many rays that propagate in different spatial directions. The direction of propagation of a single ray ST in space is described here, among other things, via the ray angle. 1 shows the component STW of the ray angle, which the ray encloses in the plane of representation with the reference axis REF, which runs coaxially to the optical axis 302 of the projection objective. The rays of the light beam run within a limited beam angle range with an intensity distribution that is another characteristic of the light beam.

Zusätzlich zur primären Lichtquelle 252 und der Strahlformungsoptik 250 weist jede Lichtquelleneinheit ein Blendenelement mit einer Blendenöffnung auf, die zwischen Lichtquelle und Strahlformungsoptik wirkt und die Apertur des von der LED kommenden Primärlichts begrenzt und an die Eigenschaften der Strahlformungsoptik anpasst.In addition to the primary light source 252 and the beam shaping optics 250, each light source unit has an aperture element with an aperture that acts between the light source and the beam shaping optics and limits the aperture of the primary light coming from the LED and adapts it to the properties of the beam shaping optics.

In 9A bis 9C sind einige Ausführungsbeispiele für Lichtquelleneinheiten dargestellt. 10 zeigt Beispiele für Linsen als Strahlformungsoptiken.In 9A until 9C some exemplary embodiments for light source units are shown. 10 shows examples of lenses as beam shaping optics.

Die Strahlformungsoptiken 255 unterschiedlicher Lichtquelleneinheiten 250 unterscheiden sich wenigstens zum Teil voneinander, so dass unterschiedliche Lichtquelleneinheiten Lichtbündel 260 mit unterschiedlichen Strahlwinkelverteilungen emittieren. Die optischen Eigenschaften der Lichtquelleneinheiten 260 sind dabei so ausgelegt, dass die überwiegende Mehrzahl aller Lichtquelleneinheiten oder alle Lichtquelleneinheiten jeweils nur ein Teilfeld des in der Beleuchtungsfeldebene angeordneten Beleuchtungsfelds ausleuchten (vgl. 2A bis 2C). Die Teilfelder können beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig gestaltet sein, jedoch auch von der Kreisform abweichende Gestalt haben.The beam shaping optics 255 of different light source units 250 differ from one another at least in part, so that different light source units emit light bundles 260 with different beam angle distributions. The optical properties of the light source units 260 are designed in such a way that the vast majority of all light source units or all light source units only illuminate a partial field of the illumination field arranged in the illumination field plane (cf. 2A until 2C ). The subfields can, for example, be essentially circular in shape, but can also have a shape that deviates from the circular shape.

Wichtig ist, dass die meisten Lichtquelleneinheiten, deren Licht nicht alle Beleuchtungsfeldpunkte ausleuchten, nur einen Bruchteil davon beleuchten, beispielsweise weniger als 80 % oder weniger als 60 % oder weniger als 30 % oder weniger als 10%. Die Anteile derjenigen Beleuchtungsfeldpunkte, die von einer Lichtquelleneinheit ausgeleuchtet werden, variieren typischerweise relativ stark.It is important that most light source units whose light does not illuminate all illumination field points only illuminate a fraction of them, for example less than 80% or less than 60% or less than 30% or less than 10%. The proportions of those illumination field points that are illuminated by a light source unit typically vary relatively greatly.

Weiterhin ist die Auslegung so getroffen, dass die ausgeleuchteten Teilfelder in der Beleuchtungsfeldebene lateral gegeneinander versetzt sind, so dass das gesamte Beleuchtungsfeld ausgeleuchtet wird, obwohl jedes einzelne Teilfeld nur einen Teil des Beleuchtungsfelds ausleuchtet.Furthermore, the design is such that the illuminated partial fields are laterally offset from one another in the illumination field plane, so that the entire illumination field is illuminated, although each individual partial field only illuminates part of the illumination field.

Weiterhin sind die Strahlwinkelverteilungen so aneinander angepasst, dass viele Teilfelder ein oder mehrere andere Teilfelder teilweise überlappen, so dass jeder Beleuchtungsfeldpunkt Beleuchtungslicht von vielen Lichtquelleneinheiten empfängt.Furthermore, the beam angle distributions are matched to each other such that many subfields partially overlap one or more other subfields, so that each illumination field point receives illumination light from many light source units.

Meist ist es so, dass ein gewisser Anteil der Teilfelder mit wenigstens einem anderen Teilfeld teilweise oder vollständig überlappt, so dass im Überlappungsbereich liegende Beleuchtungsfeldpunkte Licht von wenigstens den beiden Teilfeldern empfangen. Meist gibt es auch einen mehr oder weniger großen Anteil von Teilfeldern, die mit Abstand zu anderen Teilfeldern liegen, so dass disjunkte Bereiche ausgeleuchtet werden.It is usually the case that a certain proportion of the sub-fields partially or completely overlaps with at least one other sub-field, so that illumination field points located in the overlapping area receive light from at least the two sub-fields. Usually there is also a more or less large proportion of sub-fields that are at a distance from other sub-fields, so that disjunctive areas are illuminated.

Insgesamt wird eine flächenfüllende Beleuchtung des Beleuchtungsfelds 220 erreicht. Dabei „sieht“ jeder Beleuchtungsfeldpunkt, also jeder Punkt innerhalb des auszuleuchtenden Beleuchtungsfelds, eine große Anzahl der Gesamtheit von Lichtquelleneinheiten, in der Regel jedoch nicht alle Lichtquelleneinheiten. Die Anzahl der Lichtquelleneinheiten sowie die Verteilung von deren erzeugten Teilfeldern sind so gewählt, dass jeder Bildfeldpunkt im Mittel mehr oder weniger die gleiche Beleuchtungslichtintensität empfängt, die sich aus Intensitätsanteilen unterschiedlicher, am Ort des Beleuchtungsfeldpunkts überlappender Teilfelder zusammensetzt.Overall, an area-filling illumination of the illumination field 220 is achieved. In this case, each illumination field point, ie each point within the illumination field to be illuminated, "sees" a large number of the totality of light source units, but usually not all light source units. The number of light source units and the distribution of their generated sub-fields are selected such that each image field point receives more or less the same illuminating light intensity on average, which is composed of intensity components of different sub-fields overlapping at the location of the illuminated field point.

In 1 sind exemplarisch zwei von unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten 250-1, 250-2 ausgehende Lichtbündel 260-1, 260-2 gezeigt. Es ist erkennbar, dass das obere Lichtbündel nur ein relativ kleines Teilfeld am Rand des Beleuchtungsfelds ausleuchtet, während das von einer achsnahen Lichtquelleneinheit 250-2 ausgehende Beleuchtungslicht fast das gesamte Beleuchtungsfeld ausleuchtet.In 1 two light bundles 260-1, 260-2 emanating from different light source units 250-1, 250-2 are shown as an example. It can be seen that the upper light beam illuminates only a relatively small partial field at the edge of the illumination field, while the illumination light emanating from a light source unit 250-2 close to the axis illuminates almost the entire illumination field.

Zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul 240 und der Objektebene 310 des Projektionsobjektivs 300 (bzw. einer dazu konjugierten Zwischenfeldebene des Beleuchtungssystems) steht kein weiteres optisches Element, welches Brechkraft trägt. Insbesondere liegen die primären Lichtquellen 252 nicht konjugiert zur Objektebene 330 des Projektionsobjektivs oder einer dazu konjugierten Ebene. Das paraxiale Bild einer primären Lichtquelle kann beliebig bezüglich der Objektebene liegen.Between the illumination light source module 240 and the object plane 310 of the projection objective 300 (or an intermediate field plane of the illumination system conjugated thereto) there is no further optical element which carries refractive power. In particular, the primary light sources 252 are not conjugate to the object plane 330 of the projection objective or a plane conjugate thereto. The paraxial image of a primary light source can be anywhere with respect to the object plane.

Dieses Beleuchtungskonzept wird nachfolgend anhand der 2 und 3 noch näher erläutert. 2 veranschaulicht die Bildfeldausleuchtung bzw. die Maskenausleuchtung anhand von drei unterschiedlichen Lichtbündeln, die von drei unterschiedlichen Lichtquelleneinheiten des Beleuchtungslichtmoduls ausgehen. Jede der drei 2A, 2B und 2C zeigt in der oberen Teilfigur das rechteckförmige Beleuchtungsfeld 220, wobei auf der x-Achse die Position der Feldpunkte in x-Richtung und auf der y-Achse die Position der Feldpunkte in y-Richtung aufgetragen sind. Die Bildfeldmitte liegt in der Mitte des Rechtecks. In der unteren Teilfigur stellen die einzelnen Punkte die Lichtquelleneinheiten des Beleuchtungslichtquellenmoduls dar. Es ist erkennbar, dass diese in einem gleichmäßigen Rechteckraster angeordnet sind über einen Gesamtbereich, der in x-Richtung (x-Achse) etwas breiter ausgedehnt ist als in y-Richtung. Das den Berechnungen zugrundeliegende beispielhafte Beleuchtungslichtquellenmodul umfasst hier etwa 2.000 einzelne Lichtquelleneinheiten.This lighting concept is based on the 2 and 3 explained in more detail. 2 illustrates the image field illumination or the mask illumination using three different light bundles, which emanate from three different light source units of the illumination light module. Any of the three 2A , 2 B and 2C shows the rectangular illumination field 220 in the upper partial figure, the position of the field points in the x-direction being plotted on the x-axis and the position of the field points in the y-direction on the y-axis. The center of the image field is in the middle of the rectangle. In the lower partial figure, the individual points represent the light source units of the illumination light source module. It can be seen that these are arranged in a uniform rectangular grid over an overall area that is slightly wider in the x-direction (x-axis) than in the y-direction. The exemplary illumination light source module on which the calculations are based includes around 2,000 individual light source units.

Die Diagramme zeigen Resultate von Berechnungen für eine Projektionsbelichtungsanlage, bei der das Projektionsobjektiv ein Objektfeld (bzw. Beleuchtungsfeld) der Größe 104 x 33 mm² und eine objektseitige numerische Apertur NAo = 0,1 sowie einen verkleinerten Abbildungsmaßstab β=±0,25 hat. Der Abstand zwischen den Lichtquelleneinheiten 250 des Beleuchtungslichtquellenmoduls 240 und dem Beleuchtungsfeld beträgt etwa 300 mm. Die Eintrittspupille der Projektionsoptik ist telezentrisch, das dargestellte Beleuchtungs-Setting ist ein konventionelles Beleuchtungs-Setting, bei dem die Pupillenebene des Projektionsobjektivs voll ausgeleuchtet werden soll (a=1). Dazu sind alle Teilfelder kreisförmig uns voll ausgeleuchtet.The diagrams show the results of calculations for a projection exposure system in which the projection objective has an object field (or illumination field) of size 104 x 33 mm ² and an object-side numerical aperture NAo = 0.1 and a reduced magnification β = ±0.25. The distance between the light source units 250 of the illumination light source module 240 and the illumination panel is about 300 mm. The entrance pupil of the projection optics is telecentric, the illumination setting shown is a conventional illumination setting in which the pupil plane of the projection objective is to be fully illuminated (a=1). For this purpose, all sub-fields are illuminated in a circle and fully.

2A zeigt in der unteren Teilfigur hervorgehoben diejenige Lichtquelleneinheit LQE1, deren Lichtbündel betrachtet wird. In der zugehörigen oberen Teilfigur ist der maximal ausgeleuchtete Bereich (das Teilfeld TF1) im Beleuchtungsfeld bzw. in der Objektebene dunkel dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Lichtquelleneinheit LQE1 nur die untere linke Ecke des Beleuchtungsfelds ausleuchten kann, in der deutlich weniger als 10 % der Beleuchtungsfeldpunkte liegen. In 2B ist eine entsprechende Darstellung für ein Lichtquellenelement LQE2 gezeigt, das mittig im oberen linken Quadranten der matrixartigen Anordnung des Beleuchtungslichtquellenmoduls liegt. Das damit maximal ausleuchtbare Teilfeld TF2 deckt die komplette obere linke Ecke des Beleuchtungsfelds 220 ab. Dieses Teilfeld umfasst mehr als 10 % oder gar mehr als 20 % aller Bildfeldpunkte. Schließlich ist in 2C beispielhaft noch das Teilfeld TF3 dargestellt, welches von einer Lichtquelleneinheit LQU3 ausgeht, die im unteren rechten Teil der Beleuchtungslichtquellenanordnung angeordnet ist. Hier wird nur die untere rechte Ecke des Beleuchtungsfelds ausgeleuchtet. 2A shows in the lower part of the figure that light source unit LQE1 whose light beam is being considered. The maximum illuminated area (the partial field TF1) in the illumination field or in the object plane is shown dark in the associated upper partial figure. It can be seen that the light source unit LQE1 can only illuminate the lower left corner of the illumination field, in which significantly less than 10% of the illumination field points are located. In 2 B a corresponding representation is shown for a light source element LQE2, which lies in the middle in the upper left quadrant of the matrix-like arrangement of the illumination light source module. The partial field TF2 that can thus be illuminated to the maximum extent covers the entire upper left corner of the illumination field 220 . This sub-field comprises more than 10% or even more than 20% of all image field points. Finally is in 2C The subfield TF3 is also shown as an example, which starts from a light source unit LQU3, which is arranged in the lower right part of the illuminating light source arrangement. Here only the lower right corner of the illumination field is illuminated.

Anhand von drei beispielhaften Situationen wird in 3A bis 3C veranschaulicht, wie das Beleuchtungslichtquellenmodul 240 aus Sicht einzelner Beleuchtungsfeldpunkte aussieht. In den jeweils unteren Teilfiguren ist ein Beleuchtungsfeldpunkt BFP innerhalb des rechteckförmigen Beleuchtungsfelds markiert. In dem darüberliegenden Diagramm repräsentieren die einzelnen Rasterpunkte diejenigen Lichtquelleneinheiten LQE, die aus Sicht des entsprechenden Bildfeldpunkts BFP hell erscheinen, also mit ihrem Lichtbündel zur Beleuchtung dieses Bildfeldpunkts beitragen.Based on three exemplary situations, 3A until 3C illustrates how the illumination light source module 240 looks as viewed from individual illumination field points. An illumination field point BFP within the rectangular illumination field is marked in each of the lower partial figures. In the diagram above, the individual raster points represent those light source units LQE that appear bright from the point of view of the corresponding image field point BFP, ie contribute to the illumination of this image field point with their light beam.

Für jeden Bildfeldpunkt ergibt sich etwa die gleiche Anzahl von Lichtquelleneinheiten, die zu dessen Beleuchtung beitragen. In dem berechneten Beispiel liegt die Anzahl der zur Beleuchtung eines Bildfeldpunkts beitragenden Lichtbündel zwischen 232 und 234. Nimmt man an, dass jede aus einem Bildfeldpunkt sichtbare Lichtquelleneinheit etwa denselben Intensitätsbeitrag zur Gesamtbeleuchtung leistet, ergibt sich dadurch bereits eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung des Beleuchtungsfelds 220 mit maximalen Intensitätsschwankungen in der Größenordnung von ca. 1 % bezogen auf den Absolutwert der Beleuchtungsintensität an einem Beleuchtungsfeldpunkt. Es ist ersichtlich, dass bei feinerer Rasterung der Lichtquelleneinheiten des Beleuchtungslichtquellenmoduls und entsprechend größerer Anzahl einander überlappender Teilfelder an einem Bildfeldpunkt auch Beleuchtungsfeldausleuchtungen mit kleiner Uniformity möglich sind. Die Uniformity ist hier definiert über eine Kontrastgleichung und vergleicht den PV-Wert zum halbierten Mittelwert. Demnach ist die Ausleuchtung konstant, wenn die Uniformity den Wert Null annimmt.For each image field point there is approximately the same number of light source units that contribute to its illumination. In the calculated example, the number of light bundles contributing to the illumination of an image field point is between 232 and 234. Assuming that each light source unit visible from an image field point makes approximately the same intensity contribution to the total illumination, this already results in a relatively uniform illumination of the illumination field 220 with maximum Intensity fluctuations in the order of approx. 1% based on the absolute value of the illumination intensity at an illumination field point. It can be seen that with a finer grid of the light source units of the illumination light source module and a correspondingly larger number of partial fields overlapping one another at an image field point, illumination field illuminations with less uniformity are also possible. The uniformity is defined here using a contrast equation and compares the PV value to half the mean value. Accordingly, the illumination is constant when the uniformity has the value zero.

Im Projektionsbelichtungsverfahren sollte das Beleuchtungsfeld 220 möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet sein, während Bereiche jenseits des äußeren Rands des Beleuchtungsfelds möglichst nicht beleuchtet werden sollten. Um eine randscharfe Begrenzung des Beleuchtungsfelds zu erreichen, ist bei dem Ausführungsbeispiel von 1A unmittelbar vor der Beleuchtungsfeldebene 310 eine Feldblende 370 angeordnet, die eine rechteckige Blendenöffnung hat, deren Größe derjenigen des gewünschten Beleuchtungsfelds entspricht. Diejenigen Strahlungsanteile von am Rande liegenden Lichtbündeln, die auf die Feldblende treffen, werden absorbiert und stören die Belichtung nicht. Die Feldblende 370 kann fest montiert bzw. statisch angebracht sein, es ist auch möglich, mit beweglichen Feldblenden zu arbeiten.In the projection exposure method, the illumination field 220 should be illuminated as uniformly as possible, while areas beyond the outer edge of the illumination field should not be illuminated if possible. In order to achieve a sharp-edged delimitation of the illumination field, in the exemplary embodiment of FIG 1A A field stop 370 is placed immediately in front of the illumination field plane 310 and has a rectangular aperture corresponding in size to that of the desired illumination field. Those radiation components of light bundles lying at the edge that hit the field diaphragm are absorbed and do not disturb the exposure. The field diaphragm 370 can be fixed or attached statically, it is also possible to work with movable field diaphragms.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des Beleuchtungskonzepts besteht darin, die Abstrahlcharakteristika der einzelnen Lichtquelleneinheiten 250 und des gesamten Beleuchtungslichtquellenmoduls 240 durch entsprechende Auslegung vor allem der Strahlformungseinheiten 255 gut an die Erfordernisse des nachgeschalteten Projektionsobjektivs anzupassen, so dass die von den Lichtquelleneinheiten emittierten Lichtbündel in der Eintrittspupille des Projektionsobjektivs liegen. Die Austrittspupille des Projektionsobjektivs liegt vorzugsweise im Unendlichen und ist somit telezentrisch. Das Beleuchtungslichtquellenmoduls 240 ist dann vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Ausleuchtung der Austrittspupille ebenfalls telezentrisch ist, d.h. der Schwerpunkt bzw. Schwerstrahl stimmt mit dem bildseitigem Hauptstrahl überein.Another important aspect of the lighting concept is to adapt the radiation characteristics of the individual light source units 250 and the entire illumination light source module 240 to the requirements of the downstream projection lens by appropriate design, especially of the beam shaping units 255, so that the light bundles emitted by the light source units in the entrance pupil of the projection lens lie. The exit pupil of the projection lens is preferably at infinity and is therefore telecentric. The illumination light source module 240 is then preferably designed in such a way that the illumination of the exit pupil is also telecentric, i.e. the center of gravity or centroid ray coincides with the main ray on the image side.

Das Beleuchtungslichtmodul 240 hat in Bezug auf das nachfolgende Projektionsobjektiv 300 keine feste, ausgezeichnete Lage. Im allgemeineren Fall werden jeweils nur Teilfelder ausgeleuchtet. Es braucht keine homozentrische Eintrittspupille vorzuliegen. Auch ein Homozentriezentrum, welches nicht zwischen Objektfeld oder einer konjugierten Ebene und dem Beleuchtungslichtquellenmodul liegt, sowie ein Homozentriezentrum im Unendlichen (telezentrische Eintrittspupille) wird bei beliebiger, vor allem endlicher Lage des LED-Arrays zur Objektebene unterstützt.The illumination light module 240 does not have a fixed, distinguished position in relation to the subsequent projection objective 300 . In the more general case, only partial fields are illuminated in each case. There need not be a homocentric entrance pupil. A homocentric center that is not between the object field or a conjugate plane and the illumination light source module, as well as a homocentric center at infinity (telecentric entrance pupil) is also supported with any, especially finite position of the LED array to the object plane.

Die 4A, 4B und 4C veranschaulichen schematisch unterschiedliche Pupillenlagen eines Projektionsobjektivs PO anhand des Verlaufs von Hauptstrahlen HST und Öffnungsstrahlen OST zwischen Objektebene OE und Bildebene BE. Beim Projektionsobjektiv in 4A sind die Eintrittspupille und die Austrittspupille telezentrisch. Beim Projektionsobjektiv in 4B ist die Eintrittspupille homozentrisch und die Austrittspupille telezentrisch. Beim Projektionsobjektiv in 4C ist die Eintrittspupille feldabhängig gemäß einer Pupillenfunktion und die Austrittspupille telezentrisch.the 4A , 4B and 4C schematically illustrate different pupil positions of a projection lens PO based on the course of main rays HST and aperture rays OST between object plane OE and image plane BE. With the projection lens in 4A Both the entrance pupil and the exit pupil are telecentric. With the projection lens in 4B the entrance pupil is homocentric and the exit pupil is telecentric. With the projection lens in 4C the entrance pupil is field dependent according to a pupil function and the exit pupil is telecentric.

Im Beispiel von 1A ist das Projektionsobjektiv 300 auf der Objektseite nahezu telezentrisch und bildseitig telezentrisch. Dies ist an dem Verlauf des Hauptstrahls 304 zu erkennen, der auf der Objektseite nahezu und auf der Bildseite mehr oder weniger parallel zur optischen Achse 302 des Projektionsobjektivs verläuft, also fast senkrecht auf Objektebene und senkrecht auf der Bildebene steht.In the example of 1A the projection lens 300 is almost telecentric on the object side and telecentric on the image side. This can be seen from the course of the principal ray 304, which runs more or less parallel to the optical axis 302 of the projection lens on the object side and more or less parallel to the optical axis 302 on the image side, ie almost perpendicular to the object plane and perpendicular to the image plane.

Das Beleuchtungslichtquellenmodul kann ggf. auch in der Eintrittspupille der nachfolgenden Projektionsoptik stehen, wenn diese in Lichtrichtung vor der Objektebene liegt. In diesem speziellen Fall kann es sein, dass jede Lichtquelleneinheit das gesamte Beleuchtungsfeld ausleuchtet. In 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem das Projektionsobjektiv 300 eine Eintrittspupille 350 aufweist, die in Lichtlaufrichtung in endlichem Abstand vor der Objektebene 310 liegt. Demnach leuchten alle Lichtquelleneinheiten 250 das gesamte rechteckige Beleuchtungsfeld aus. Auch hier können die Lichtquellen auf einem gekrümmten oder ebenen Träger sitzen. Die Abstrahlcharakteristik bzw. Strahlwinkelverteilung der Lichtquelleneinheiten 250 ist jeweils so ausgelegt, dass das Lichtbündel in der Objektebene einen etwa rechteckförmigen Bereich 265 mit abgerundeten Ecken ausleuchtet, der das Beleuchtungsfeld einschließt und seitlich nur wenig überstrahlt. Somit geht nur relativ wenig Lichtintensität verloren.The illumination light source module can also be in the entrance pupil of the subsequent projection optics if this is in front of the object plane in the light direction. In this special case, each light source unit may illuminate the entire illumination field. In 5 an exemplary embodiment is shown in which the projection lens 300 has an entrance pupil 350 which is located at a finite distance in front of the object plane 310 in the direction of light propagation. Accordingly, all light source units 250 illuminate the entire rectangular illumination field. Here, too, the light sources can sit on a curved or flat support. The radiation characteristic or beam angle distribution of the light source units 250 is designed in such a way that the light beam in the object plane illuminates an approximately rectangular area 265 with rounded corners, which encloses the illumination field and only slightly outshines it laterally. Thus, only relatively little light intensity is lost.

Anhand von 6 wird eine andere Ausführungsform als Variante des Beleuchtungssystems aus 1A dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen wie in 1A. Eine Besonderheit dieses Beleuchtungssystems 200' besteht darin, dass innerhalb des Beleuchtungssystems im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul 240 und dem Beleuchtungsfeld 220 (in der Objektebene 310 des Projektionsobjektivs) ein optisches Abbildungssystems 280 angeordnet ist, um eine zur Beleuchtungsfeldebene 310 optisch konjugierte Zwischenfeldebene 215 in die Beleuchtungsfeldebene 310 abzubilden. In diesem Fall ist das Beleuchtungslichtquellenmodul 240 derart ausgelegt, dass die Lichtbündel 260 ein zum Beleuchtungsfeld optisch konjugiertes Zwischenfeld 220` in der Zwischenfeldebene flächenfüllend in der beschriebenen Weise ausleuchten. Eine korrespondierende Ausleuchtung liegt dann auch in der Beleuchtungsfeldebene 310 vor, wo das zu beleuchtende Muster angeordnet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Feldblende 370 mit einer die Gestalt des Beleuchtungsfelds bestimmenden Blendenöffnung exakt in der Zwischenfeldebene angeordnet sein, dadurch wird eine randscharfe Begrenzung des Beleuchtungsfeldes möglich.Based on 6 is another embodiment as a variant of the lighting system out 1A shown. Identical or corresponding elements bear the same reference symbols as in FIG 1A . A special feature of this illumination system 200' is that an optical imaging system 280 is arranged within the illumination system in the illumination beam path between the illumination light source module 240 and the illumination field 220 (in the object plane 310 of the projection objective) in order to project an intermediate field plane 215 optically conjugate to the illumination field plane 310 into the illumination field plane 310 to map. In this case, the illumination light source module 240 is designed in such a way that the light bundles 260 illuminate an intermediate field 220` that is optically conjugate to the illumination field in the intermediate field plane in a surface-filling manner in the manner described. A corresponding illumination is then also present in the illumination field plane 310, where the pattern to be illuminated is arranged. One advantage of this configuration is that the field diaphragm 370 with a diaphragm opening that determines the shape of the illumination field can be arranged exactly in the intermediate field plane, thereby enabling the illumination field to be delimited with sharp edges.

Ein bestimmtes Beleuchtungslichtquellenmodul 240 bzw. dessen einzelne Lichtquelleneinheiten sind für ein bestimmtes Beleuchtungs-Setting optimiert, im Beispiel von 2 also für ein konventionelles Setting mit σ= 1. Sofern ein Wechsel des Beleuchtungs-Settings gewünscht ist, kann dies bei Beleuchtungssystemen der beanspruchten Erfindung durch Auswechseln eines Beleuchtungslichtquellenmoduls gegen ein anderes Beleuchtungslichtquellenmodul mit entsprechender anderer Abstrahlcharakteristik erreicht werden. Dazu ist das Beleuchtungslichtquellenmodul als Wechselmodul ausgebildet, kann also bestimmungsgemäß ohne großen Montageaufwand ausgebaut und durch ein anderes Wechselmodul gleicher Anschlussgeometrie ersetzt werden.A specific illumination light source module 240 or its individual light source units are optimized for a specific lighting setting, in the example of FIG 2 ie for a conventional setting with σ=1. If a change in the illumination setting is desired, this can be achieved in illumination systems of the claimed invention by replacing an illumination light source module with another illumination light source module with a corresponding different emission characteristic. For this purpose, the illumination light source module is designed as an interchangeable module, so it can be removed as intended without major installation effort and replaced by another interchangeable module with the same connection geometry.

So ist es beispielsweise auch möglich, das Beleuchtungslichtquellenmodul aus 1 durch ein Beleuchtungslichtquellenmodul zu ersetzen, welches zur Erzeugung einer annularen Beleuchtung ausgelegt ist. Die 7A, 7B und 7C bzw. 8A, 8B und 8C erläutern die Verhältnisse bei einem Beleuchtungslichtquellenmodul für annulare Beleuchtung in analoger Weise zu den 2 und 3. Wichtig ist hier, dass die Strahlformungsoptiken der Lichtquelleneinheiten jeweils so ausgebildet sind, dass die erzeugten Teilfelder eine Ringform aufweisen, worin ein äußerer Ring Lichtintensität enthält und einen dunklen inneren Bereich umschließt.For example, it is also possible to turn off the illumination light source module 1 to be replaced by an illumination light source module, which is designed to generate an annular illumination. the 7A , 7B and 7C or. 8A , 8B and 8C explain the conditions in an illumination light source module for annular illumination in a manner analogous to that in FIGS 2 and 3 . It is important here that the beam-shaping optics of the light source units are each designed in such a way that the partial fields produced have a ring shape, in which an outer ring contains light intensity and encloses a dark inner area.

Das neuartige Beleuchtungskonzept kann in zahlreichen Varianten anwendungsfallabhängig optimiert werden. Eine Optimierungsmöglichkeit besteht in der Auslegung der einzelnen Lichtquelleneinheiten. In den 9A bis 9C bezeichnet Bezugszeichen 252 jeweils einen LED-Chip mit quadratischer Lichtaustrittsfläche, also die primäre Lichtquelle einer Lichtquelleneinheit 250. Diese ist Teil eines LED-Packages, welches Bezugszeichen 253 trägt. Im Beispiel von 9A umfasst die Strahlformungsoptik eine individuell gestaltete Freiformlinse 255-4. An deren Lichteintrittsseite, zwischen primärer Lichtquelle und Freiformlinse, ist eine strahlwinkelbegrenzende Blende 256 zur Begrenzung der Apertur bzw. des aufgenommenen Lichtleitwerts angeordnet. Diese schneidet aus dem von der LED ausgehenden Strahlbündel das für die Beleuchtung genutzte Strahlbündel aus. Dessen Strahlwinkelverteilung wird dann mithilfe der Freiformlinse 255-4 geformt, um das von der Lichtquelleneinheit ausgehende Lichtbündel 260 zu bilden. The new lighting concept can be optimized in numerous variants depending on the application. One possibility for optimization is the design of the individual light source units. In the 9A until 9C Reference numeral 252 denotes an LED chip with a square light exit area, ie the primary light source of a light source unit 250. This is part of an LED package, which bears reference numeral 253. In the example of 9A the beam shaping optics includes a custom designed free-form lens 255-4. On the light entry side, between the primary light source and the free-form lens, a diaphragm 256 that limits the beam angle is arranged to limit the aperture or the recorded light conductance. This cuts out the beam used for lighting from the beam emitted by the LED. Its beam angle distribution is then shaped using the free-form lens 255-4 to form the light bundle 260 emanating from the light source unit.

9B zeigt ein alternatives Blendensystem zur Begrenzung der aufgenommenen Apertur. Die Freiformlinse 255-5 wird von der Blende 256 gehalten. Die Blende kann eine Riffelstruktur tragen. Die Freiformlinse ist dabei entsprechend konturiert. 9B shows an alternative diaphragm system to limit the recorded aperture. The free-form lens 255 - 5 is held by the stop 256 . The screen can have a corrugated structure. The free-form lens is contoured accordingly.

9C zeigt ein zweites alternatives Blendensystem zur Begrenzung der aufgenommenen Apertur. Hier ist das Blendensystem 256 in Form einer Lichtfalle ausgestaltet, die Freiformlinse 255-6 ist dabei entsprechend konturiert. 9C shows a second alternative diaphragm system for limiting the recorded aperture. Here, the diaphragm system 256 is designed in the form of a light trap, and the free-form lens 255-6 is contoured accordingly.

Diese drei Figuren zeigen nur beispielhaft mögliche Lichtquelleneinheiten. Dabei sind das LED-Package, der einzelne LED-Chip (LED-Kristall), die Freiformlinse und das Blendensystem nicht maßstabsgerecht dargestellt. Im Allgemeinen wird für jede der primären Lichtquellen 252 eine individuelle Strahlformungsoptik 255 angepasst, so dass die Lichtquelleneinheiten sich in ihrer Abstrahlcharakteristik voneinander unterscheiden. Sofern das gesamte optische System eine Symmetrie besitzt, kann es auch eine Symmetrielinie am Beleuchtungslichtquellenmodul geben, so dass bezogen auf die Symmetrielinie individuell gestaltete Lichtquelleneinheiten jeweils symmetrisch zur Symmetrielinie mehrfach auftauchen können.These three figures only show possible light source units as examples. The LED package, the individual LED chip (LED crystal), the free-form lens and the panel system are not shown to scale. In general, individual beam shaping optics 255 are adapted for each of the primary light sources 252, so that the light source units differ from one another in terms of their emission characteristics. If the entire optical system has symmetry, there can also be a line of symmetry on the illumination light source module, so that individually designed light source units can appear multiple times in relation to the line of symmetry, each symmetrically to the line of symmetry.

Die im Kontext des Beleuchtungslichtquellenmoduls als Strahlformungsoptiken eingesetzten Linsen können Oberflächen aufweisen, die jeweils ein Flächenstück eines Rotationskörpers sind. Die 10A bis 100 zeigen jeweils Gestaltungsformen für die gekrümmte Oberfläche einer Plankonvexlinse mit Rotationssymmetrie zu einer Symmetrieachse AX. Die gekrümmte Linsenfläche kann sphärisch (10A), außeraxial-sphärisch (10B), rotationssymmetrisch asphärisch (10C) oder außeraxial-asphärisch mit Rotationssymmetrie (10D) gestaltet sein. Im Allgemeinen werden jedoch Oberflächen genutzt werden, die diese spezielle Eigenschaft nicht erfüllen. 10E veranschaulicht beispielhaft eine Linse mit einer Freiformfläche, die keine Rotationssymmetrie besitzt.The lenses used as beam-shaping optics in the context of the illumination light source module can have surfaces that are each a surface portion of a body of revolution. the 10A 10 to 100 respectively show configurations for the curved surface of a plano-convex lens having rotational symmetry about a symmetry axis AX. The curved lens surface can be spherical ( 10A) , off-axis spherical ( 10B) , rotationally symmetrical aspheric ( 10C ) or except axial-aspherical with rotational symmetry ( 10D ) be designed. In general, however, surfaces that do not meet this specific property will be used. 10E FIG. 12 illustrates, by way of example, a lens with a free-form surface that lacks rotational symmetry.

Werden mehrfach zusammenhängende Teilfelder benötigt, so muss wenigstens eine Linsenoberfläche nicht differenzierbare Stellen aufweisen, z.B. eine Knicklinie. Die Fläche bleibt jedoch stetig. 10F zeigt links schematisch eine Freiformlinse mit vier Knicklinien KL und rechts die dazugehörige Beleuchtungslichtverteilung im Beleuchtungsfeld mit zwei Paaren diametraler Beleuchtungspole (Quadrupol-Beleuchtung).If subfields that are connected several times are required, at least one lens surface must have non-differentiable points, eg a fold line. However, the area remains constant. 10F shows on the left a free-form lens with four fold lines KL and on the right the associated illumination light distribution in the illumination field with two pairs of diametral illumination poles (quadrupole illumination).

Die (Freiform)Linsen werden zusammen mit der Feldblende sowohl den Rand des Teilfeldes formen als auch die Bestrahlungsstärke eines Teilfeldes möglichst konstant ausbilden. Die Berechnung der Linsenoberfläche(n) kann z.B. über eine Punktlichtquelle erfolgen, z.B. mit dem Oliker-Verfahren.The (free-form) lenses, together with the field diaphragm, will form both the edge of the partial field and the irradiance of a partial field as constant as possible. The lens surface(s) can be calculated using a point light source, e.g. using the Oliker method.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist es möglich, die vom Beleuchtungslichtquellenmodul gelieferten Beleuchtungseigenschaften ohne großen Aufwand zu modifizieren, sofern dies gewünscht ist. Wie bereits erwähnt, kann es insbesondere bei Beleuchtungslichtquellenmodulen mit relativ kleinen Anzahlen von Lichtquellenelementen sein, dass innerhalb des Beleuchtungsfelds gewisse feldpunktabhängige Beleuchtungsintensitätsschwankungen verbleiben. Erfordert die Spezifikation bessere Homogenitätswerte, kann im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem Beleuchtungslichtquellenmodul und dem Beleuchtungsfeld ein Intensitätsverteilungs-Korrekturfilter 290 mit ortsabhängiger Transmission angeordnet werden. Damit können Intensitätsschwankungen ortsabhängig mindestens teilweise kompensiert werden.In all of the exemplary embodiments, it is possible to modify the lighting properties supplied by the lighting light source module without great effort, if this is desired. As already mentioned, it can be the case, particularly in the case of illumination light source modules with a relatively small number of light source elements, that certain field point-dependent illumination intensity fluctuations remain within the illumination field. If the specification requires better homogeneity values, an intensity distribution correction filter 290 with location-dependent transmission can be arranged in the illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field. In this way, location-dependent intensity fluctuations can be at least partially compensated.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die spektrale Verteilung der Lichtintensitäten des von den primären Lichtquellen gelieferten Lichts noch zu beeinflussen, beispielsweise um die genutzte Bandbreite etwas einzuengen. In 10 ist schematisch ein Schnitt durch ein Filterelement 290 gezeigt, welches beide Funktionen gleichzeitig leistet. Auf einem für Ultraviolettlicht transparenten Träger 292 in Form einer planparallelen Platte ist auf der Eingangsseite eine dielektrische Schicht 294 zur Einengung des Quellenspektrums aufgebracht. Auf der Austrittsseite ist eine Absorptionsbeschichtung 296 aufgebracht, welche die Intensität des einfallenden Beleuchtungslichts lokal unterschiedlich durch Absorption abschwächt. Die Abschwächungsfunktion kann beispielsweise rotationssymmetrisch zur Referenzachse des Beleuchtungssystems sein. Somit ist es möglich, die Beleuchtungsparameter des auf das Beleuchtungsfeld fallenden Beleuchtungslichts mit relativ einfachen Maßnahmen zu optimieren.Alternatively or additionally, it is possible to still influence the spectral distribution of the light intensities of the light supplied by the primary light sources, for example in order to somewhat narrow the bandwidth used. In 10 a section through a filter element 290 is shown schematically, which performs both functions simultaneously. A dielectric layer 294 for narrowing the source spectrum is applied on the input side to a carrier 292 which is transparent to ultraviolet light and is in the form of a plane-parallel plate. On the exit side, an absorption coating 296 is applied, which locally differently weakens the intensity of the incident illumination light through absorption. The attenuation function can, for example, be rotationally symmetrical to the reference axis of the lighting system. It is thus possible to optimize the illumination parameters of the illumination light falling on the illumination field using relatively simple measures.

Ein großer Vorteil des Beleuchtungskonzepts besteht darin, dass eine homogene Ausleuchtung des Beleuchtungsfelds erreicht werden kann, ohne dass dafür im Beleuchtungssystem spezielle optische Homogenisierungseinrichtungen vorgesehen sein müssen. Insbesondere ist im Beleuchtungsstrahlengang zwischen Beleuchtungslichtquellenmodul und Bildebene weder ein Wabenkondensor noch ein über mehrfache innere Reflexion wirkender Integratorstab vorgesehen.A great advantage of the lighting concept is that a homogeneous illumination of the illumination field can be achieved without special optical homogenization devices having to be provided for this in the illumination system. In particular, neither a honeycomb condenser nor an integrator rod acting via multiple internal reflection is provided in the illumination beam path between the illumination light source module and the image plane.

Zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zahlreiche Varianten möglich, z.B. mit reflektiven Strahlformungsoptiken und/oder mit divergenzerhöhenden Elementen.In addition to the exemplary embodiments described, numerous variants are possible, e.g. with reflective beam shaping optics and/or with divergence-increasing elements.

Die Ausführungsbeispiele zeigen anschaulich u.a. Folgendes. Ein LED-Array (oder ein anderes Beleuchtungsquellenmodul) benötigt keine feste, zum nachfolgenden Abbildungssystem ausgezeichnete Lage. Es kann in der Eintrittspupille der nachfolgenden Projektionsoptik stehen, wenn diese in Lichtrichtung vor der Objektebene des Projektionsobjektivs liegt. In diesem speziellen Fall leuchtet jede Lichtquelleneinheit das gesamte Beleuchtungsfeld aus (vgl. 5). Es muss jedoch keine homozentrische Eintrittspupille vorliegen oder auch keine Eintrittspupille zwischen der Objektebene (oder eine konjugierten Zwischenfeldebene) und dem Beleuchtungsquellenmodul. Auch ein Homozentriezentrum im Unendlichem (telezentrische Eintrittspupille) wird bei beliebiger, vor allem endlicher Lage des LED-Array zur Objektebene unterstützt.The exemplary embodiments clearly show, inter alia, the following. An LED array (or other illumination source module) does not require a fixed location distinct from the subsequent imaging system. It can be in the entrance pupil of the subsequent projection optics if this is in front of the object plane of the projection lens in the light direction. In this special case, each light source unit illuminates the entire illumination field (cf. 5 ). However, there need not be a homocentric entrance pupil, or even an entrance pupil between the object plane (or a conjugate intermediate field plane) and the illumination source module. A homocentric center at infinity (telecentric entrance pupil) is also supported with any, especially finite position of the LED array to the object plane.

Zwischen dem Beleuchtungsquellenmodul, z.B. LED-Array, und der Objektebene (oder einer dazu konjugierten Ebene) steht kein weiteres optisches Element, das Brechkraft trägt. Insbesondere sind die Lichtquellen des Beleuchtungslichtquellenmoduls nicht konjugiert zur Objektebene (oder einer dazu konjugierten Ebene) angeordnet. Das paraxiale Bild des LED-Chips kann beliebig bzgl. der Objektebene liegen.There is no other optical element carrying refractive power between the illumination source module, e.g. LED array, and the object plane (or a plane conjugate thereto). In particular, the light sources of the illumination light source module are not arranged conjugate to the object plane (or a plane conjugate thereto). The paraxial image of the LED chip can be anywhere in relation to the object plane.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 10230652 A1 [0013]
WO 2004/006021 A1 [0013]
WO 2006/074812 A2 [0014]
US2008111983A1 [0014]

Claims

Illumination system (200) for a projection exposure system for microlithography for illuminating an illumination field (220), comprising: an illumination light source module (240) with a plurality of individual light source units (250) arranged in a multi-dimensional matrix arrangement, each light source unit (250) having a primary light source (252) and beam-shaping optics (255) for receiving at least part of the light emitted by the primary light source and for shaping a light beam (260) emanating from the light source unit with a specifiable beam angle distribution, with beam-shaping optics of different light source units for generating light beams with different beam angle distributions are formed, characterized in that in an illumination beam path between the illumination light source module and the illumination field or an intermediate field (220') in a plane to the illumination field (310) no optical element changing the beam angle distribution is arranged in the optically conjugate intermediate field plane, with the beam angle distributions being designed in such a way that areas of the illumination field illuminated by different light source units are offset from one another and/or at least partially overlap one another in such a way that area-filling illumination of the illumination field (220 ) can be generated.

lighting system claim 1 , characterized in that no homogenization unit is arranged in the illumination beam path between the illumination light source module (240) and the illumination field (220), in particular no honeycomb condenser and/or no rod integrator and/or that in the illumination beam path between the illumination light source module (240) and the illumination field ( 220) or an intermediate field in an intermediate field plane (215) optically conjugate to the illumination field plane (310) no lens and no other optical element with refractive power is arranged.

Lighting system according to the preamble of claim 1 , especially after one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the beam angle distributions are designed in such a way that some or all light bundles (260) from light source units 250) only illuminate a partial field (TF) of the illumination field (220) and partial fields illuminated by different light source units are offset from one another in this way and/or at least partially overlap that a surface-filling illumination of the illumination field (220) can be generated.

An illumination system according to any one of the preceding claims, characterized in that a sub-field is selected in terms of shape from the following group: (i) a circular sub-field which is fully illuminated; (ii) a sub-panel having a round, particularly circular, or substantially circular or elliptical, outer edge; (iii) a subfield having an annular shape wherein an illuminated ring encloses an unilluminated inner portion; (iv) a sub-panel that is rectangular or approximately rectangular in shape with rounded corner areas and convex or concave curved side edges; (v) a sub-field divided into two or more disjoint non-overlapping sub-fields, the sub-field preferably having at least one pair of two diametrically opposed illumination spots at the center of the sub-field.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that each of the light source units has, in addition to the primary light source (252) and the beam-shaping optics, an interposed diaphragm element with an aperture-limiting diaphragm opening for the primary light.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the following conditions applies to the beam-shaping optics: (i) all beam-shaping elements are designed as refractive optical elements; (ii) some or all of the beam-shaping elements are designed as lenses with at least one spherical lens surface; (iii) some or all of the beam-shaping elements are designed as lenses with at least one rotationally symmetrical aspheric lens surface; (iv) at least part of the beam-shaping optics is designed as a free-form lens (255, 255-4, 255-5, 255-6), a free-form lens having at least one lens surface which has no rotational symmetry; (v) at least a portion of the beam-shaping optics is configured as a kink lens, wherein at least one lens surface is a monocontinuous optical surface having at least one click line. (vi) at least some of the beam-shaping optics have an axicon light passage surface for generating annular illumination.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that an optical configuration of the beam shaping optics is designed as a function of the desired illumination setting, the light source units preferably being designed in such a way that the emitted light bundles have an intensity distribution over their cross section which is selected from the following group : (i) an intensity distribution that is essentially homogeneous over the cross section to produce a conventional illumination setting; (ii) an intensity distribution with high intensity in an annular edge area and lower intensity in an inner area enclosed by the edge area to produce an annular illumination setting; (iii) an intensity distribution with at least one pair of poles in the form of locally limited areas with local intensity maxima, which are arranged opposite one another in a diametrical direction of the cross section to produce a multipolar illumination setting.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that an optical configuration of the beam-shaping optics is designed as a function of a desired entrance pupil illumination or exit pupil illumination of a subsequent projection objective.

Lighting system according to one of the preceding claims, characterized in that the light source units (250) are carried by a substantially spherically curved support (270) and are fastened to a concave side of the support facing the illumination field.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that an intensity distribution correction filter (290) with location-dependent transmission is arranged between the illumination light source module (240) and the illumination field (220) and/or in that between the illumination light source module (240) and the illumination field (220 ) a bandwidth narrowing filter for narrowing the spectral bandwidth of the illumination light is arranged.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that an optical imaging system (280) is arranged between the illumination light source module and the illumination field, which is designed to image an intermediate field plane (215) that is optically conjugate to the illumination field plane (310) into the illumination field plane (310). , wherein the illumination light source module (240) is designed such that the light beams (260) illuminate an intermediate field (220') in the intermediate field plane (215) that is optically conjugate to the illumination field.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized by a field diaphragm (270) with a diaphragm opening which determines the shape of the illumination field (220), the field diaphragm being arranged directly in front of the illumination field plane (310) or in an intermediate field plane (215) which is optically conjugate to the illumination field plane.

Lighting system according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination light source module (240) is designed as an interchangeable module, first connecting elements being arranged on the illumination light source module and second connecting elements complementary to the first connecting elements being arranged on a housing of the lighting system of a connection which can be released as intended.

Illumination system according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination light source module has primary light sources in the form of ultraviolet light emitting light emitting diodes (UV-LED).

Projection exposure system for microlithography for exposing a radiation-sensitive substrate (W) arranged in the area of an image plane (IS) of a projection objective (PO) with at least one image of a pattern of a mask (M) arranged in the area of an object plane (OS) of the projection objective, comprising: an illumination system (ILL) for shaping illumination radiation directed onto the pattern of the mask in an illumination field of the illumination system; and a projection objective (PO) for imaging the pattern of the mask (M) onto a light-sensitive substrate (W); wherein the illumination system (ILL) according to any one of Claims 1 until 14 is designed.