ОБЪЕКТИВ С ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ Российский патент 2007 года по МПК G02B13/22 G02B9/64 

Предполагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в фотолитографической микроэлектронной промышленности, и, в частности, для контроля фотолитографических объектов, кремниевых пластин и т.п.

Контроль исследуемых объектов производится с помощью фотоэлектрического микроскопа, основным узлом которого является проекционный объектив, расположенный в головной части микроскопа.

Основными требованиями, предъявляемыми к объективу, являются:

- высокая апертура в пространстве объекта А≥0,6÷0,9;

- фокусное расстояние более 20-30 мм;

- «тубус-бесконечность», т.е. изображение объекта находится в бесконечности;

- передний рабочий отрезок S≥f′, где f′ - фокусное расстояние объектива;

- телецентрический ход лучей в пространстве объекта;

- вынесенная апертурная диафрагма (выходной зрачок), расстояние до которой составляет 1,5÷2f′, необходимое для установок амплитудных и фазовых пластин;

- линейное поле объектива 2Y≥0,2÷0,3f′;

- дисторсия - менее 0,3÷0,4%;

- дифракционно-ограниченное качество изображения по всему полю, т.е. среднеквадратическая деформация волнового фронта для всех точек поля должна быть менее 0,07λ, где λ - рабочая длина волны.

Известны классические микроскопы с визуальным и фотоэлектрическим каналами регистрации, в которых используются объективы [1] с А≥0,6, с телецентрическим ходом лучей, тубусом-бесконечность.

Особенность всех объективов микроскопов - это малые значения фокусного расстояния. Так, например, - объектов 40×0,65 [2] с А=0,65 имеет фокусное расстояние f′=4 мм. Качество изображения соответствует дифракционному только для центра поля, а для краев поля оно существенно ухудшается даже для объективов с план-коррекцией аберраций. При этом: передний отрезок составляет S′<0,4÷0,5f′, а размер объекта 2Y≤0,1÷0,2f′.

Кроме того, если объектив пропорционально пересчитать на f=30÷40 мм, т.е. увеличить в 8-10 раз, то аберрации объектива, пропорциональные фокусному расстоянию, также увеличиваются в 8-10 раз. Качество изображения такого объектива становится неудовлетворительным.

Поэтому несмотря на внешнее сходство, объективы классических микроскопов или объективы, пропорционально пересчитанные с них на большие значения f′, не могут быть использованы для фотоэлектрических микроскопов для контроля фотолитографических объектов.

Известна оптическая система формирования изображения и объектив для ультрафиолетового (УФ) излучения [3], содержащая коллимирующий объектив, который коллимирует свет исходящий от источника УФ излучения, и объектив, который формирует изображение

При этом задняя фокальная точка коллимирующего объектива вынесена и находится в его пространстве изображений, передняя фокальная точка формирующего объектива находится внутри самого объектива.

Задняя фокальная точка коллимирующего объектива совпадает с передней фокальной точкой формирующего объектива, и в этой плоскости установлена диафрагма.

Система включает в себя формирующий объектив, содержащий три группы линз, первая из которых состоит из отрицательных линз, вторая группа - из положительных линз, а третья группа - из положительных линз, в которых имеется, по крайней мере, одна отрицательная, и установлены они в указанном порядке со стороны источника света.

Известна проекционная оптическая система, устройство проекционного экспонирования и метод проекционного экспонирования [4], которые предназначены для проецирования изображения объекта, находящегося в пространстве объектов, в пространство изображений.

Система содержит, по крайней мере, один первый преломляющий оптический элемент, содержащий первое фтористое соединение, по крайней мере, второй преломляющий оптический элемент, содержащий второе фтористое соединение.

Известно устройство проекционного экспонирования для микролитографии [5], содержащее преломляющий проекционный объектив, выполненный из одного линзового материала для длины волны менее 200 нм и ширине полосы пропускания менее 0,3 пм.

Проекционный объектив формирует изображение с максимальным размером от 12 до 25 мм, а числовая апертура со стороны изображения находится в диапазоне от 0,75 до 0,95 и обеспечивает монохроматическую коррекцию волнового фронта до значения rms<15% длины волны источника света (λ≈157 нм).

Кроме того, проекционный объектив состоит из пяти линзовых групп, при этом вторая и четвертая линзовые группы обладают отрицательной преломляющей способностью, а в первой группе имеется, по крайней мере, одна линза с асферической поверхностью.

Линзы проекционного объектива выполнены из фтористого соединения.

Известен проекционный объектив [6], состоящий из пяти групп линз, причем, по меньшей мере, две рядом расположенные линзы имеют асферические поверхности, образуя сдвоенную асферическую линзу.

Сдвоенная асферическая линза установлена на расстоянии от плоскости изображения, соответствующем максимальному диаметру линзы.

Общим недостатком приведенных объективов является:

- апертурная диафрагма расположена внутри объектива,

- не обеспечено выполнение условия «тубуса-бесконечность»,

- передние отрезки S существенно меньше значений фокусных расстояний f′.

Известны объективы, близкие к предлагаемому по своему назначению, используемые в фотолитографических проекционных установках.

Они имеют:

- высокую апертуру А≥0,6÷0,9:

- телецентрический ход лучей в пространстве объектива;

- передний отрезок S, близкий к f′, при f′=20-30 мм;

- - 2у≥0,2÷0,3f′.

- дисторсию <0,2-0,3%;

- дифракционное качество изображения по всему полю.

В большинстве случаев такие объективы - монохроматы и работают на одной длине волны.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является проекционный объектив системы проекционного экспонирования [7], состоящий из пяти линзовых групп (ЛГ), из которых вторая и четвертая имеют отрицательную оптическую силу.

Первая линзовая группа I включает в себя пять линз и имеет положительную оптическую силу, вторая линзовая группа II включает шесть линз и имеет отрицательную оптическую силу, третья линзовая группа III состоит из шести линз и имеет положительную оптическую силу, четвертая линзовая группа IY состоит из двух линз и имеет отрицательную оптическую силу и пятая линзовая группа Y представляет собой сложный компонент с большим количеством линз и имеет положительную оптическую силу.

Недостатком является:

- изображение объекта на конечном расстоянии, а не в бесконечности, что ограничивает применение объектива в фотоэлектрических микроскопах;

- малое значение переднего отрезка S<0,2f′, что не позволяет осуществить непосредственное освещение объекта перед объективом;

- апертурная диафрагма (АД) размещена внутри объектива, что ограничивает эксплуатационные возможности объектива: возможность установки в плоскости АД амплитудных и фазовых пластин.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей объектива за счет обеспечения выноса выходного зрачка на расстояние не менее двух фокусных расстояний объектива, увеличение переднего отрезка до величины порядка фокусного расстояния и обеспечение условия «тубуса-бесконечность».

Для решения поставленной задачи предложен объектив с телецентрическим ходом лучей, который, как и прототип, содержит пять линзовых групп, вторая и четвертая из которых имеют отрицательные оптические силы.

В отличие от прототипа объектив снабжен дополнительной двухлинзовой группой, передний фокус которой совмещен с плоскостью изображения объектива, при этом:

Ф_VI=ϕ·v,

где Ф_VI - оптическая сила дополнительной линзовой группы;

v - увеличение пяти линзовых групп;

ϕ - оптическая сила всего объектива,

кроме того, первые четыре линзовые группы образуют первый проекционный компонент (1ПК), а пятая линзовая группа образует второй проекционный компонент (2ПК), увеличения которых удовлетворяют условию:

V_1ПК=-V_2ПК=(1,9÷2,1), где

V_1ПК - увеличение первого проекционного компонента;

V_2ПК - увеличение второго проекционного компонента,

причем первая линзовая группа выполнена из двух линз, первая из которых апланатический мениск, при этом 0,6≤ϕ₁/ϕ≤0,7, вторая и четвертая линзовые группы имеют одинаковые отрицательные оптические силы ϕ_II/ϕ=ϕ_IV/ϕ=-0,45÷-0,55, при этом вторая линзовая группа выполнена в виде двояковогнутой одиночной линзы, а четвертая линзовая группа выполнена в виде двояковогнутой склеенной линзы, третья линзовая группа выполнена в виде четырех линз с положительными оптическими силами, при этом вторая и третья линзы выполнены двояковыпуклыми, а первая и четвертая - в виде менисков, установленных выпуклыми сторонами к двояковыпуклым линзам, при этом оптическая сила третьей линзовой группы удовлетворяет условию 0,75≤ϕ_1II/ϕ≤0,8, пятая линзовая группа выполнена из трех линз, первые две из которых - мениски с отрицательными оптическими силами, установленные вогнутыми сторонами навстречу друг другу, а третья линза выполнена в виде положительного мениска, при этом 0,35≤ϕ_V/ϕ≤0,4.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения объектива, состоящего из пяти линзовых групп и дополнительной шестой линзовой группы, причем пять линзовых групп проектируют объект с отрицательным увеличением V_{I,II,III,IY,Y} в плоскость промежуточного изображения, совмещенную с передним фокусом дополнительной группы, что обеспечивает:

- получение фокусного расстояния всего объектива что позволяет построить объектив с большим передним отрезком (S), величина которого S≥f′ при любом значении f′;

- вынос выходного зрачка на расстояние более 2f′ от последней поверхности системы.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлена оптическая схема объектива с телецентрическим ходом лучей, и Приложением, где приведены конструктивные параметры и оптические характеристики объектива.

Объектив с телецентрическим ходом лучей, содержит шесть линзовых групп (ЛГ I, ЛГ II, ЛГ III, ЛГ IY, ЛГ Y и ЛГ YI), вторая и четвертая из которых имеют отрицательные оптические силы.

Передний фокус дополнительной ЛГ YI совмещен с плоскостью изображения объектива, при этом выполняется условие:

Ф_VI=ϕ·v,

где Ф_VI - оптическая сила дополнительной ЛГ YI;

v - увеличение пяти линзовых групп;

ϕ - оптическая сила всего объектива.

Первые четыре линзовые группы (ЛГ I, ЛГ II, ЛГ III и ЛГ IY) образуют первый проекционный компонент (1ПК), а пятая линзовая группа (ЛГ Y) образует второй проекционный компонент (2ПК), увеличения которых удовлетворяют условию:

V_1ПК=-V_2ПК=(1,9÷2,1),

где V_1ПК - увеличение первого проекционного компонента;

V_2ПК - увеличение второго проекционного компонента.

Первая линзовая группа (ЛГ I) выполнена из двух линз 1 и 2, первая из которых апланатический мениск 1, при этом 0,6≤ϕ₁/ϕ≤0,7.

Вторая линзовая группа (ЛГ II) выполнена в виде двояковогнутой одиночной линзы 3.

Третья линзовая группа (ЛГ III) выполнена в виде четырех линз 4, 5, 6 и 7 с положительными оптическими силами, при этом вторая линза 5 и третья линза 6 выполнены двояковыпуклыми, а первая линза 4 и четвертая линза 7 - в виде менисков, установленных выпуклыми сторонами к двояковыпуклым линзам, при этом оптическая сила третьей линзовой группы удовлетворяет условию:

0,75≤ϕ_1II/ϕ≤0,8.

Четвертая линзовая группа (ЛГ IY) выполнена в виде двояковогнутой склеенной линзы 8-9.

Вторая и четвертая линзовые группы имеют одинаковые отрицательные оптические силы ϕ_II/ϕ=ϕ_IV/ϕ=-0,45÷-0,55.

Пятая линзовая группа (ЛГ Y) - второй проекционный компонент - выполнена из трех линз, первые две 10 и 11, из которых - мениски с отрицательными оптическими силами, установленные вогнутыми сторонами навстречу друг другу, а третья линза 12 выполнена в виде положительного мениска, при этом 0,35≤ϕ_V/ϕ≤0,4.

Шестая линзовая группа (ЛГ VI) - дополнительный компонент - представляет собой двухлинзовый несклеенный объектив, первая линза 13 которого выполнена в виде отрицательного мениска из стекла с показателем преломления n_d≥1.8, а вторая 14 - в виде двояковыпуклой линзы, выполненной из флюорита.

Работа объектива с телецентрическим ходом лучей осуществляется следующим образом.

1ПК проектирует объект с отрицательным увеличением V_1ПК, a 2ПК - с положительным V_2ПК, поэтому аберрации 1ПК и 2ПК имеют противоположные знаки, при этом, если V_1ПК=-V_2ПК,=1.9÷2.1, то наблюдается наилучшая взаимная компенсация аберраций 1ПК и 2ПК.

1ПК, состоящий из четырех линзовых групп (ЛГ), построен по следующему принципу: для ЛГ I объект расположен вблизи ее переднего фокуса и при выполнении условия 0,6≤ϕ₁/ϕ≤0,7 обеспечивается требование S≥f′, так как фокусное расстояние ЛГ I соответствует переднему отрезку объектива. Выполнение первой линзы 1 в виде апланатического мениска уменьшает сферическую аберрацию на оси, а для полевых точек объекта уменьшает значения сферической аберрации, комы и астигматизма при большой положительной кривизне изображения.

Применение ЛГ II и ЛГ IV с одинаковыми отрицательными значениями оптических сил ϕ_II/ϕ=ϕ_IV/ϕ=-(0,45÷0,55), выполненных в виде двояковогнутых линз - ЛГ II - одиночной, а ЛГ IV - склеенной, позволяет минимизировать кривизну изображения ЛГI.

Третья линзовая группа (ЛГ III) проектирует изображение, даваемое ЛГ I и ЛГ II, с отрицательным увеличением V_III<1, а ее оптическая сила соответствует условию 0,75≤ϕ_1II/ϕ≤0,8. Выполнение ЛГ III по симметричной конструкции, состоящей из двух двояковыпуклых линз 5 и 6, по обе стороны от которых установлены положительные мениски 4 и 7, обращенные выпуклыми сторонами к двояковыпуклым линзам 5 и 6, позволяет получить большую положительную сферическую аберрацию, противоположную по знаку и близкую по величине к сферической аберрации, даваемой ЛГ I, ЛГ II и ЛГ IV.

ЛГ V образует 2ПК. Выполнение ЛГ V из трех линз, из которых первые две 10 и 11 - отрицательные мениски, установленные вогнутыми сторонами навстречу друг другу, а третья линза 12 выполнена в виде положительного мениска, причем 0,35≤ϕ_V/ϕ≤0,4, позволяет получить:

- положительное увеличение V_2ПК=-V_1ПК

- отрицательное по знаку и близкое по абсолютной величине значение сферической аберрации и кривизны изображения тому, которое дает 1 ПК (ЛГ I ÷ ЛГ IV).

Кроме того, ЛГ V компенсирует аберрации высших порядков, вносимые 1ПК. Конструкция ЛГ V обеспечивает положение выходного зрачка в задней фокальной плоскости объектива и соответственно телецентрический ход лучей в пространстве объекта.

Объект, расположенный на конечном расстоянии от ЛГ I вблизи ее переднего фокуса проектируется ЛГ I на большое расстояние. ЛГ II дает мнимое изображение вблизи ее заднего фокуса. ЛГ III проектирует его в действительную плоскость, а ЛГ IV удлиняет задний отрезок, даваемый ЛГ III. Таким образом, ЛГ I ÷ ЛГ IV, образуя 1ПК, проектируют объект с конечного на конечное расстояние с отрицательным увеличением V_1ПК.

ЛГ V, образуя 2ПК, проектирует промежуточное изображение, даваемое 1ПК, на конечное расстояние с положительным увеличением V_2ПК.

Таким образом, 1ПК и 2ПК дают действительное изображение, которое совмещено с передней фокальной плоскостью ЛГ VI, что обеспечивает изображение объекта в бесконечности.

Выходной зрачок (апертурная диафрагма) располагается на расстоянии 2f′ от ЛГ VI, а его промежуточное изображение находится внутри ЛГ III, обеспечивая телецентрический ход в пространстве объекта.

Конструкция объектива, состоящего из двух проекционных компонентов (1ПК и 2ПК) с увеличениями V_1ПК и V_2ПК, одинаковыми по величине, равной 1.9÷2.1, и разными по знаку и дополнительной линзовой группой VI, позволяет уменьшить заднюю апертуру 1ПК(А′_1ПК) в V_1ПК раз а заднюю апертуру 2ПК (А′_2ПК) в раз

Так как конструкция объектива и составляющих их линзовых групп (ЛГ) во многом определяется апертурой, то оптическая схема 2ПК намного проще схемы 1ПК, а ЛГ VI проще, чем 2ПК.

Источники информации

1. Российская Федерация, авторское свидетельство №1509800, МПК: G02B 21/02, 1989 г.

2. Российская Федерация, патент на полезную модель №37239, МПК: G02B 21/02, 2004 г.

3. США, патент №5930032, МПК: G02В 13/14, 1999 г.

4. США, патент №6714280, МПК: G02В 13/14, 2002 г.

5. США, патент №6788471, МПК: G03F 7/20, 2003 г.

6. США, патент №6646718, МПК: G02В 3/14, G02B 13/14, 2003 г.

7. Германия, патент №10143385, МПК: G03F 7/20, G02B 13/14, 2003 г. - прототип.

Объектив содержит пять линзовых групп и снабжен дополнительной двухлинзовой группой, передний фокус которой совмещен с плоскостью изображения объектива. Ф_VI=ϕ·v, где Ф_VI - оптическая сила дополнительной линзовой группы; v - увеличение пяти линзовых групп; ϕ - оптическая сила всего объектива. Первые четыре линзовые группы образуют первый проекционный компонент (ПК), а пятая линзовая группа образует второй проекционный компонент (2ПК), увеличения которых V_1ПК и V_2ПК удовлетворяют условию: V_1ПК=-V_2ПК=(0,9÷2,1). Первая линзовая группа выполнена из двух линз, первая из которых - апланатический мениск, при этом 0,6≤ϕ₁/ϕ≤0,7, вторая и четвертая линзовые группы имеют одинаковые отрицательные оптические силы ϕ_II/ϕ=ф_IV/ϕ=-0,45÷0,55. Вторая линзовая группа выполнена в виде двояковогнутой одиночной линзы, а четвертая - в виде двояковогнутой склеенной линзы. Третья линзовая группа - четыре положительные линзы, при этом вторая и третья линзы - двояковыпуклые, а первая и четвертая - мениски, установленные выпуклыми сторонами к двояковыпуклым линзам. Оптическая сила третьей линзовой группы удовлетворяет условию 0,75≤ϕ_1II/ϕ≤0,8, пятая линзовая группа выполнена из трех линз, первые две из которых - отрицательные мениски, установленные вогнутыми сторонами навстречу друг другу, а третья линза - положительный мениск. Технический результат - расширение функциональных возможностей объектива за счет обеспечения выноса выходного зрачка на расстояние не менее двух фокусных расстояний объектива, увеличение переднего отрезка до величины порядка фокусного расстояния и обеспечение условия «тубуса-бесконечность». 1 ил.

Объектив с телецентрическим ходом лучей, содержащий пять линзовых групп, вторая и четвертая из которых имеют отрицательные оптические силы, отличающийся тем, что объектив снабжен дополнительной двухлинзовой группой, передний фокус которой совмещен с плоскостью изображения объектива, при этом: Ф_VI=ϕ·v,

где ϕ_VI - оптическая сила дополнительной линзовой группы;

v - увеличение пяти линзовых групп;

ϕ - оптическая сила всего объектива;

кроме того, первые четыре линзовые группы образуют первый проекционный компонент (ПК), а пятая линзовая группа образует второй проекционный компонент (2ПК), увеличения которых удовлетворяют условию:

V_1ПК=-V_2ПК=(1,9÷2,1),

где V_1ПК - увеличение первого проекционного компонента;

V_2ПК - увеличение второго проекционного компонента;

причем первая линзовая группа выполнена из двух линз, первая из которых апланатический мениск, при этом 0,6≤ϕ₁/ϕ≤0,7, вторая и четвертая линзовые группы имеют одинаковые отрицательные оптические силы ϕ_II/ϕ=ϕ_IV/ϕ=-0,45÷0,55, при этом вторая линзовая группа выполнена в виде двояковогнутой одиночной линзы, а четвертая линзовая группа выполнена в виде двояковогнутой склеенной линзы, третья линзовая группа выполнена в виде четырех линз с положительными оптическими силами, при этом вторая и третья линзы выполнены двояковыпуклыми, а первая и четвертая - в виде менисков, установленных выпуклыми сторонами к двояковыпуклым линзам, при этом оптическая сила третьей линзовой группы удовлетворяет условию 0,75≤ϕ_1II/ϕ≤0,8, пятая линзовая группа выполнена из трех линз, первые две из которых - мениски с отрицательными оптическими силами, установленные вогнутыми сторонами навстречу друг другу, а третья линза выполнена в виде положительного мениска, при этом 0,35≤ϕ_V/ϕ≤0,4.