ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВАЯ УМЕНЬШАЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G02B17/08 G03F7/20 

Предлагаемое изобретение относится к оптическим системам, в частности к зеркально-линзовым уменьшающим оптическим системам с апохроматической коррекцией, имеющим высокую степень пропускания в рабочем диапазоне спектра 248 нм - 546 нм при высокой выходной апертуре используемых в фотолитографическом производстве полупроводников методом последовательного переноса уменьшенного изображения промежуточного фотооригинала на модули полупроводниковой пластины.

Полупроводниковые пластины обычно производятся с использованием различных фотолитографических методов. Схемотехника, используемая в полупроводнике, воспроизводится с фотооригинала на полупроводниковый модуль (чип). Это воспроизведение часто выполняется с использованием оптических систем, конструкция которых нередко сложна и трудно добиться желательного разрешения, необходимого для репродуцирования постоянно уменьшающегося размера компонентов, размещаемых на полупроводниковом чипе. Поэтому делались многочисленные попытки разработать оптическую систему уменьшения, способную воспроизводить очень малые составляющие элементы - менее 0,35 микрона. В дополнение к потребности разрабатывать оптическую систему, способную к репродуцированию очень малых составляющих элементов, имеется также потребность повысить производительность системы, увеличивая числовую апертуру.

Известна зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система, состоящая из двух компонентов, один из которых выполнен в виде группы линз, образующих апохроматическую насадку, имеющую, по крайней мере, одну положительную линзу перед плоскостью предметов, а другой - в виде группы линз и вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, образующих зеркально-линзовый объектив, включающий две отражающие поверхности, и, по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью изображения, при этом одна из отражающих поверхностей выполнена в виде вогнутого зеркала, а другая размещена на плоской линзе, выполненной в виде оптического кубика, причем плоскость предметов и плоскость изображения перпендикулярны друг другу (патент US N 5537260, G 02 В 17/00, 16.07.96). В известном техническом решении представлен ряд конструктивных схем, каждая из которых функционирует в присущей ей ограниченной спектральной полосе длин волн 365 нм; 248 нм; 193 нм и числовой апертуре 0,6 - 0,7.

Недостатком известной зеркально-линзовой уменьшающей оптической системы является неспособность обеспечить функционирование системы одновременно в широком диапазоне спектра длин волн при относительно высокой числовой апертуре.

В то время как предшествующая оптическая система работает удовлетворительно для ее целей, есть постоянно увеличивающаяся потребность в улучшении работы системы за счет увеличения числовой апертуры. Следовательно, имеется потребность в оптической системе, имеющей относительно высокую числовую апертуру, способную обеспечивать удовлетворительное функционирование системы одновременно в относительно большом спектральном диапазоне волн.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание зеркально-линзовой уменьшающей оптической системы, позволяющей получить технический результат, связанный с расширением функциональных возможностей системы за счет обеспечения ее функционирования одновременно в широком диапазоне спектра длин волн 248 - 546 нм при высокой числовой апертуре 0,7 - 0,8.

Указанная задача в предлагаемом изобретении в первом варианте выполнения оптической системы решается за счет того, что в зеркально-линзовой уменьшающей оптической системе, состоящей из двух компонентов, один из которых выполнен в виде группы линз, образующих апохроматическую насадку, имеющую, по крайней мере, одну положительную линзу перед плоскостью предметов, а другой - в виде группы линз и вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, образующих зеркально-линзовый объектив, включающий две отражающие поверхности и, по крайней мере, одну положительную линзу перед плоскостью изображения, при этом одна из отражающих поверхностей выполнена в виде вогнутого зеркала, линзы в обоих компонентах установлены вдоль оптической оси системы, перпендикулярной расположенным параллельно друг к другу плоскостям предметов и изображения, с обеспечением параллельного или близкого к нему хода лучей между первым и вторым компонентами, вторая отражающая поверхность размещена на выпуклой стороне ее центральной части следующей за зеркалом линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, при этом обе отражающие поверхности выполнены сферическими и концентричными или близкими к концентричным с соотношением радиусов, равным 2 - 2,5, а вогнутое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру выходного пучка лучей апохроматической насадки.

Указанная задача во втором варианте выполнения зеркально-линзовой уменьшающей оптической системы решается за счет того, что вторая отражающая поверхность размещена на вогнутой стороне ее центральной части следующей за зеркалом линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, при этом обе отражающие поверхности выполнены сферическими и концентричными или близкими к концентричным с соотношением радиусов, равным 2 - 2,5, а вогнутое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру выходного пучка лучей апохроматической насадки.

Кроме того, в частных случаях выполнения оптической системы в каждом из вариантов линзы в обоих компонентах выполнены, по крайней мере, из двух материалов - кварца и флюорита, прозрачных в ультрафиолетовом спектральном диапазоне длин волн 248,0 - 365,0 нм.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена общая схема оптической системы с телецентрическим прохождением лучей (I вариант);
на фиг. 2 - общий вид конструктивной схемы выполнения оптической системы (I вариант);
на фиг. 3 - общая схема оптической системы с телецентрическим прохождением лучей (II вариант);
на фиг. 4 - общий вид конструктивной схемы выполнения оптической системы (II вариант).

Зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система в первом варианте ее выполнения (фиг. 1, фиг. 2) состоит из двух компонентов I и II. Группа линз 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 образует апохроматическую насадку, а зеркало 8 и группа линз 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - зеркально-линзовый объектив. Апохроматическая насадка I имеет, по крайней мере, одну положительную линзу, например линзу 1, перед плоскостью предметов, которая отображает входной зрачок в бесконечность по отношению к диафрагме. Зеркало 8 выполнено вогнутым с вогнутостью, обращенной к плоскости изображения. По крайней мере одна из линз зеркально-линзового объектива, например линза 15, выполнена положительной, что позволяет отобразить положение выходного зрачка в бесконечность по отношению к диафрагме.

Зеркально-линзовый объектив II включает две отражающие зеркальные поверхности, одна из которых выполнена в виде вогнутого зеркала 8, а другая размещена на выпуклой стороне ее центральной части линзы 9, расположенной за зеркалом 8.

Все линзы зеркально-линзовой уменьшающей оптической системы расположены вдоль оптической оси O-O, а плоскости предметов и изображения расположены перпендикулярно оптической оси системы.

Отражающие поверхности зеркально-линзового объектива выполнены в виде сферических зеркал и расположены концентрично или близко к концентричности, при этом отношение радиуса R1 отражающей поверхности, выполненной в виде вогнутого зеркала 8, к радиусу R2 отражающей поверхности, расположенной на выпуклой стороне линзы 9, равно 2 - 2,5.

Оптическая система рассчитана таким образом, что между апохроматической насадкой и зеркально-линзовым объективом проходят параллельные или близкие к ним лучи как для осевого, так и для наклонных пучков.

Вогнутое зеркало 8 выполнено с центральным отверстием, диаметр D3 которого равен диаметру D_^ выходного пучка лучей апохроматической насадки.

Зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система во втором варианте ее выполнения (фиг. 3, фиг. 4) включает все перечисленные выше элементы с присущим им конструктивным выполнением и дополнительную линзу 16.

При этом одна из отражающих поверхностей также выполнена в виде вогнутого зеркала 8, а другая размещена на вогнутой стороне ее центральной части линзы 9, обращенной вогнутостью к плоскости изображения. Отношение R1/R2 также равно 2 - 2,5.

В обоих вариантах выполнения оптической системы линзы в обоих компонентах выполнены, по крайней мере, из двух материалов кварца и флюорита (CaF₂), например линза 6 в апохроматической насадке I и линза 13 в зеркально-линзовом объективе II выполнены из флюорита, а все другие линзы из кварца.

Оптическая система функционирует следующим образом.

Из плоскости предметов (плоскость фотооригинала) первая группа линз 1 - 7 (апохроматическая насадка) передает через зеркально-линзовый объектив в плоскость изображения элементы интегральных схем с уменьшением в 5 раз. Главные лучи внеосевых пучков выходящих из плоскости предметов имеют параллельный ход относительно оптической оси до преломления от первой поверхности оптической системы, далее между 6 и 7 линзами оптические лучи осевого и наклонных пучков имеют также параллельный ход и на выходе из оптической системы до плоскости изображения главные лучи также параллельны относительно оптической оси.

Такие оптические системы называются - оптические репродуктивные системы с телецентрическим ходом лучей. Это решение оптических систем достигается расположением вблизи плоскости предметов и изображения положительных линз, например 1 и 15 (1 вариант) и 1 и 15, 16 (II вариант), имеющих фокусное расстояние, равное положению от плоскости изображения до выходного зрачка.

Линза 1 выполняет условие телецентрического хода лучей, линзы 2, 4 выполняют роль телесокращения апохроматической насадки 1 (данное условие необходимо для сокращения линейных размеров оптической системы), линза 3 исправляет хроматические аберрации главных лучей и дисторсию, линзы 5, 6 вместе с линзой 4 направляют остальные аберрации осевого и наклонных пучков в апохроматической насадке I.

Из апохроматической насадки I через центральное отверстие вогнутого зеркала 8 лучи проходят через слабо отрицательную линзу 7 и падают на зеркальную отражающую поверхность линзы 9, отражаясь от нее лучи попадают на зеркало 8 и отражаясь от него падают на преломляющую часть линзы 9, а далее лучи проходят через 10, 11, 12, 13, 14, 15 (I вариант) и 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 (II вариант) преломляющие линзы зеркально-линзового объектива II.

Отрицательные линзы 7, 11, 13 решают задачу исправления остаточной кривизны изображения концентрических зеркальных отражающих поверхностей. Положительные линзы 14, 15 (I вариант) и 15, 16 (II вариант) выполняют условие телецентрического хода лучей зеркально-линзового объектива. Положительные линзы 10, 12 совместно с остальными линзами способствуют исправлению всех аберраций зеркально-линзового объектива II.

Параллельный ход лучей между апохроматической насадкой и зеркально-линзовым объективом позволяет перефокусировать плоскость предмета относительно плоскости изображения перемещения апохроматической насадки или зеркально-линзовым объективом вдоль оптической оси, не изменяя масштаба изображения, что является определяющим при совмещении реперных знаков фотооригинала и чипов на полупроводниковой пластине при экспонировании фотооригинала на поверхность пластины с учетом технологических искажений ее форм.

Применение двух концентрических сферических зеркал (отражающих поверхностей) позволяет исправить аберрации при очень высокой светосиле и большом поле зрения, а также позволяет достаточно простым способом осуществлять юстировку этих зеркал, компенсировать ошибки изготовления и влияния температурных искажений.

Расположение двух концентрических сферических отражающих поверхностей согласно второму варианту выполнения оптической системы позволяет повысить выходную апертуру до 0,8 с полным исправлением аберраций.

Оптическая система расчитана таким образом, что между апохроматической насадкой и зеркально-линзовым объективом проходят параллельные или близкие к ним лучи как для осевого, так и для наклонных пучков, а оптические элементы выполнены из кристалла флюорита и кварца, которые прозрачны в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Примеры выполнения зеркально-линзовой уменьшающей оптической системы с конструктивными данными в первом и втором вариантах ее исполнения приведены в табл. 1 (первый вариант) и табл. 2 (второй вариант), где f - фокусное расстояние оптической системы; S' - задний отрезок оптической системы; S - передний отрезок оптической системы; β - увеличение оптической системы; S_вх.зр. - положение входного зрачка оптической системы; S'_вых.зр. - положение выходного зрачка оптической системы.

Оптическая система состоит из двух компонентов, один из которых выполнен в виде линзовой апохроматической насадки, имеющей по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью предметов, а другой - в виде зеркально-линзового объектива. Зеркально-линзовый объектив включает две отражающие поверхности и по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью изображения. Между первым и вторым компонентами обеспечивается параллельный или близкий к нему ход лучей. Одна из отражающих поверхностей выполнена в виде вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, а вторая размещена на выпуклой или вогнутой стороне центральной части следующей за зеркалом линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения. Обе отражающие поверхности выполнены сферическими и концентричными или близкими к концентричным с соотношением радиусов, равным 2 - 2,5. Вогнутое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру выходного пучка лучей апохроматической насадки. Линзы в обоих компонентах могут быть выполнены по крайней мере из двух материалов - кварца и флюорита, прозрачных в ультрафиолетовом спектральном диапазоне длин волн 193,0 - 365,0 нм. Обеспечивается расширение функциональных возможностей системы за счет обеспечения ее функционирования в широком диапазоне спектра при высокой числовой апертуре 0,7 - 0,8. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система, состоящая из двух компонентов, один из которых выполнен в виде группы линз, образующих апохроматическую насадку, имеющую по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью предметов, а другой - в виде зеркально-линзового объектива, включающего две отражающие поверхности и по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью изображения, при этом одна из отражающих поверхностей выполнена в виде вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, отличающаяся тем, что между первым и вторым компонентами обеспечивается параллельный или близкий к нему ход лучей, вторая отражающая поверхность размещена на выпуклой стороне центральной части следующей за зеркалом линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, при этом обе отражающие поверхности выполнены сферическими и концентричными или близкими к концентричным с соотношением радиусов, равным 2 - 2,5, а вогнутое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру выходного пучка лучей апохроматической насадки. 2. Зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что линзы в обоих компонентах выполнены по крайней мере из двух материалов - кварца и флюорита, прозрачных в ультрафиолетовом спектральном диапазоне длин волн 193,0 - 365,0 нм. 3. Зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система, состоящая из двух компонентов, один из которых выполнен в виде группы линз, образующих апохроматическую насадку, имеющую по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью предметов, а другой - в виде зеркально-линзового объектива, включающего две отражающие поверхности и по крайней мере одну положительную линзу перед плоскостью изображения, при этом одна из отражающих поверхностей выполнена в виде вогнутого зеркала, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, между первым и вторым компонентами обеспечивается параллельный или близкий к нему ход лучей, вторая отражающая поверхность размещена на вогнутой стороне в центральной части следующей за зеркалом линзы, обращенной вогнутостью к плоскости изображения, при этом обе отражающие поверхности выполнены сферическими и концентричными или близкими к концентричным с соотношением радиусов, равным 2 - 2,5, а вогнутое зеркало выполнено с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру выходного пучка лучей апохроматической насадки. 4. Зеркально-линзовая уменьшающая оптическая система по п.3, отличающаяся тем, что линзы в обоих компонентах выполнены по крайней мере из двух материалов - кварца и флюорита, прозрачных в ультрафиолетовом спектральном диапазоне длин волн 193,0 - 365,0 нм.