Brevet FR2134272A1 — publié le 19721208

L'invention est relative aux systèmes optidues de-grandisse- ment unité, destinés à donner, d'un objet, une image réelle, comprenant d'une part, un miroir sphérique concave travaillant à son centre de courbure et destiné à former de l'objet ladite image, d'autre part, un séparateur de faisceaux constitué par deux prfs- mes, accoles par leurs faces inclinées sur l'axe optique du miroir, une de ces faces étant recouverte d'une couche semi-transparente, d'autre part enfin, des moyens optiques correcteurs pour corriger les aberrations du système. De tels systèmes permettent d'effectuer une reproduction sans déformation et sans contact de cliches. L'invention concerne particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'inté rêt, mais non exclusivement, les systèmes optiques prévus sur les appareils utilisés pour la reproduction de masques ou la formation de masques optiques sur une couche photosensible, notamment dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs (circuits intégrés; Un système optique de ce genre a été décrit par C.G. WYNNE dans un article intitulé "A Unit - Power Telescope for Projection Copying" publié dans "Optical Instruments and Techniques "(1969) Proceedings of the conference I.C.O. held at the University of Reading - 14 - 19th July 1969 - Editeur : flickson (Londres). Toutefois, le système optique décrit par C.G.Wynne a pour inconvénient de donner une image ayant un bruit de fond dû à des réflexions parasites. L'invention a pour but, surtout, de rendre tels les susdits systèmes optiques qutils répondent mieux que jusqu'a' ce jour aux diverses exigences de la pratique et notamment tels qu'ils soient d'excellente qualité et que le bruit de fond sur l'image, engendré par des réflexions parasites, soit diminué. Selon l'invention, un système optique du genre défini précédemment, est caractérisé par le fait que les-moyens optiques correcteurs comprennent deux dispositifs optiques correcteurs dis- tincts, situés, respectivement, entre l'objet et le séparateur de faisceaux, et entre l'image et le séparateur de faisceaux, un de ces dispositifs optiques correcteurs étant situé au voisinage du centre de courbure du miroir, et le séparateur de faisceaux étant situé entre ce dispositif optique correcteur et le miroir0 De préférencefl les prismes sont rectangles isocèles et leurs faces hypoténuses sont inclinées à 450 sur l'axe optique du miroir0 L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide de la description détaillée qui suit donnée avec référence au dessin ci-annex. La figure unique de ce dessin montre, schématiquement, le système optique conforme à l'invention. En se reportant au dessin, on peut voir un système optique 1 de grandissement unité destiné à donner d'un objet AB une image réelle A'B. Le'grandissement du système optique étant égal à l'unité, les dimensions de l'image A'B' sont égales à celles de l'objet AB. Ce système optique 1 comprend un miroir sphérique 2 concave travaillant à son centre de courbure C. Le système optique 1 comprend en outre un séparateur de faisceaux 3, propre à séparer les milieux objet et image, et deux dispositifs optiques correcteurs 4 et 5 situés respectivement entre l'objet AB et le séparateur de faisceaux 3 et entre le séparateur de faisceaux 3 et l'image A'B', Le dispositif optique correcteur 4 est situé au voisinage du centre de courbure C, et le séparateur de faisceaux 3 est situé entre ce dispositif correcteur 4 et le miroir 2. L'ensemble est tel que l'image de l'objet AB donnée par le dispositif correcteur 4 et le séparateur 3 est située au centre de courbure C du miroir 2. Le séparateur de faisceaux 3 est constitué par deux prismes rectangles 6, 7 isocèles, accolés par leurs faces hypoténuses 6a, 7aO Ces faces sont inclinées à 45" sur l'axe optique du miroir 2 et une desdites faces, par exemple la face 6a, est recouverte d'une couche semi-transparenteO L'utilisation du miroir sphérique concave travaillant à son centre de courbure est particulièrement avantageuse pour les raies sons rappelées ci-après -le miroir est stigmatique pour son centre de courbure, -la pupilie-du système optiqùe étant sur le miroir, le système est symétrique et la coma est nulle ; pour la même raison la distorsion est également nulle0 Les seules aberrations introduites par le miroir concave 2 sont l'astigmatisme et la courbure de champ. Le séparateur de faisceaux 3 introduit une aberration sphérique et de f'astigmatisme, Les dispositifs optiques correcteurs 4 et 5 sont calculés de manière à compenser le mieux possible les aberrations introduites par le miroir 2 et le séparateur de faisceaux 3. Le système optique étant entièrement symétrique par rapport à la face 6a du prisme 6, le dispositif optique 5 est identique au dispositif optique 4 et symétrique de ce dernier par rapport à la face 6a. Pour cette raison, on ne décrira que le dispositif optique correcteur 4. Ce dernier comprend, lorsqu'on suit le sens de la lumière, de l'objet AB vers le miroir 2 - une lame à faces parallèles H, dont la face d'entrée est située à une distance d1 de l'objet ; l'épaisseur de la lame H, suivant l'axe optique du miroir 2, est d2 ; les rayons de courbure r1, r2 des faces d'entrée et de sortie de la lame H sont infinis - une lentille L1 à face d'entrée concave, de grand rayon de courbure r3, et à face de sortie convexe, de rayon de courbure r4 ; l'épaisseur de la lentille L1 suivant l'axe optique du miroir est d4 ; l'écartement suivant l'axe, entre la face de sortie de la lame H et la face d'entrée de la lentille L1 est égal à d3; - une lentille L2 à face d'entrée concave de rayon de courbure r5 et à face de sortie convexe. de rayon de courbure r6 l'épaisseur de la lentille L2 suivant l'axe est égale à d6 l'écartement, suivant l'axe, des lentilles L1 et L2 est égal à d5 - une lentille L3 à face d'entrée concave de rayon de courbure r6, accolée à la face convexe de la lentille L2, et à face de sortie convexe de rayon de courbure r7 ; l'épaisseur de la lentille L3 suivant l'axe est d7. L'ensemble des lentilles L2 et L3 permet lachromatisation du système optique. L'écartement, suivant l'axe, entre la face convexe de la lentille L3 et la face d'entrée du prisme 6 est égale à d80 L'épaisseur totale des deux prismes 6 et 7 suivant l'axe est dg. La distance de la face du prisme 7 orthogonale à l'axe optique du miroir 2, au sommet S dudit miroir, est égale à d1o. Les faces d'entrée et de sortie du séparateur 3 ont des rayons de courbure infinis, Sur le dessin, on n'a mentionné que la distance d1 et l'é paisseur d2, par souci de clarté. Mais la signification des autres références est évidente. La puissance de l'ensemble des deux correcteurs 4 et 5 est avantageusement choisie de manière telle que le système optique soit télécentrique côtés objet et image, ctest-à-dire,q1ede chaque coté, le point de vue est rejeté à l'infini. Un foyer de ltensem- ble du dispositif correcteur 4 et du séparateur 3 est confondu avec le sommet S du miroir. La grandeur de l'image A'B' est alors indépendante de la position de l'objet et de l'écran sur lequel est formée ladite image. Seule la qualité de l'image est affectée par des déplacements de ltécran suivant l'axe du correcteur 5. Cette puissance des correcteurs 4 et 5 permet de réduire l'ouverture numérique du miroir, donc d'en diminuer les difficultés de réalisation. Lorsque le système est télécentrique, comme supposé sur le dessin, un rayon lumineux incident i, parallèle à l'axe optique du dispositif correcteur 4 donne un rayon lumineux émergent e parallèle àl'axe optique du dispositif correcteur 5. La correction des aberrations chromatiques reste bonne malgré la présence des dispositifs correcteurs 4 et 5 dioptriques Grâce à cette correction chromatique, on peut utiliser deux domaines spectraux à large bande. Un tel système optique peut servir dans un appareil de reproduction, notamment un appareil de reproduction de masques. Pour une telle utilisation du système optique, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens permettant d'orienter et de centrer la surface photosensible sur laquelle est formée l'image A'B', par rapport à ladite image. Mais, le-même système optique peut également servir au procédé de masquage optique suivant lequel les motifs du masque sont projetés optiquement sur la surface photosensible0 Généralement, la fabrication d'un circuit intégré exige des projections successives de plusieurs masques. il faut alors pouvoir assurer une position bien définie des images des différents masques par rapport à la surface photosensible. D > une manière connue, pour réaliser ce réglage, on éclaire la surface photosensible par un rayonnement situé en dehors de la plage de sensibilité de la surface et on effectue ledit réglage en observant au microscope des repères portés-- par ltobjet AB, c est-à-dire le masque, et les images de repères portés par la surface photosensible, à travers le système optique 1 et venant se former dans le plan de l'objet AB, et en amenant en colncidence ces repères. Pour éclairer la surface photosensible qui se trouve dans le plan de l'image A'B', on prévoit avantageusement des moyens 8 d'éclairement auxiliaire situés entre le prisme 7 et le dispositif correcteur 5. Ces moyens 8 comprennent de préférence- une source de lumière 9 de forme annulaire, coaxiale au dispositif 5. Toutefois la source de lumière de forme annulaire pourrait être remplacée par plusieurs sources situées dans un même plan orthogonal à l'axe du dispositif correcteur 5 et réparties régulièrement sur une circonférence. Dans le cas-de trois sources l'écart angulaire ent-re elles serait de 1200 et, dans le cas de quatre sources, l'écart angulaire serait de 90 . Les moyens 8 comprennent, également, des moyens réfléchissants 10 propres à renvoyer une partie de la lumière émise par ladite sourd 9 vers la surface photosensible située dans le plan del'imageA'B'. Les moyens réfléchissants 10 sont situés entre.le prisme 7 et le dispositif correcteur 5 et sont constitués, dans le cas où la source 9 a une forme annulaire, par une bague en matière transparente, en verre par exemple, coaxiale à la source, ayant la forme d'un solide de révolution dont la méridienne est un triangle rectangle isocèle,à l'hypoténuse tournée vers l'axe de révolution. Ce triangle est orienté de manière telle que son côté de l'angle droit le plus proche de la surface d'entrée du dispositif optique correcteur 5 est parallèle au plan tangent à la zone voisine de ladite surface d'entrée. La source 9 est disposée de manière que la direction moyenne des rayons lumineux incidents soit orthogonale à la face d'entrée de la bague constituant les moyens réfléchissants 10. La direction moyenne des rayons rélcchis est orthogonale à la surface d'entrée du dispositif optique correcteur 5. Dans le cas où les moyens d'éclairage 8 comprennent trois, ou quatre sources lumineuses, disposées comme expliqué précédemment, les moyens réfléchissants 10 sont constitués par autant de prismes rectangles isocèles associés, respectivement, à chaque source et orientés comme montré sur le dessin et expliqué pour la méridienne du susdit solide de révolution. Grâce à ces moyens d'éclairement 8 situés entre le prisme 7 et le dispositif correcteur 5, on éclaire la surface photosensible située dans le plan de l'image A'B' sans envoyer de lumière parasite sur l'objet AB. il en résulte que le contraste entre les repères de l'objet AB et les images des repères portés par la surface photosensible est bon, ce qui permet de réaliser un réglage précis des masques par rapport à ladite surface. Bans le cas où le système optique. est utilisé pour la formation d'un masque optique sur une couche photosensible disposée dans le plan de l'image A'Bt, on utilise deux domaines spectraux dont l'un correspond aux longueurs d'onde auxquelles ladite couche est sensible et sert à l'illumination de la couche, tandis que l'autre domaine, situé en dehors de la plage de sensibilité de la couche, sert à l'observatiôn et àOla mise en place de la couche sensible en fonction de l'orientation de l'objet. Ces deux domaines peuvent être très éloignés et hêtre centrés, par exemple, sur les raies g du mercure et C de l'hydrogène. Dans le cas où un seul domaine de longueurs d'onde serait utile, les raies g eth du mercure pourraient être utilisées simultanément. La qualité du système optique est quasiment parfaite dans tout le champ ; la fonction de transfert de modulation est, au plus, inférieure de 5% à celle de l'objectif parfait à la même ouverture et à la même longueur d'onde. A titre d'exemple on donne dans le tableau ci-après les caractéristiques numériques d'un système optique établi conformément à l'invention pour lequel le miroir a une ouverture numérique de 0,25 et le champ est de 75 mm. Dans ce tableau, la première colonne est relative aux éléments optiques, lame à faces parallèles, lentilles, prismes et miroir système, la deuxième colonne aux épaisseurs et aux écartements selon l'axe optique, la troisième colonne aux rayons de courbure d'entrée et de sortie, la quatrième colonne aux indices de réfraction ng pour la raie g du mercure et la cinquième colonne au nombre dgAbbe. Toutes les longueurs sont exprimées en millimètres les signes algébriques employés pour les rayons de courbure correspondent aux conventions usuelles. Le système optique étant entièrement symétrique, le tableau donne seulement les caractéristiques relatives au trajet d'un rayon lumineux de l'objet AB au miroir 2. Les caractéristiques du trajet du miroir 2 à l'image A'B', par symétrie, se déduisent immédiatement du tableau. Eléments Ecartement ou Rayons de cour- ng Nombre d'Abbe optiques épaisseur sui- bure vant l'axe Objet d1=17,45 mm air r1 = # H d2=52,55 mm 1,52636 64 r2 = # d3= 0,10 mm air r3 = -2198,3 L1 d4=28,57 mm 1,54175 52 r4 = - 102,31 d3= 0,50 mm air r5 = - 100,89 L2 d4=65,79 mm 1,64235 36 r6 = - 140,18 r6 = - 140,18 L3 d7=65,79 mm 1,63629 60 r7 = - 251,07 d8= 0,10 mm air # Sépara- d9=170,00 mm teur # 1,52636 64 d10=439,41 mm air Miroir -784,633 Leux rayons lumineux provenant de l'bojet AB et arrivant sur l'image A'B' ont traversé le dispositif correcteur 4, le prisme 6 et la face 6a, le prisme 7, ont été réfléchis par le miroir 2, ont traversé le prisme 7, ont été réfléchis par la face 6a et ont traversé le dispositif correcteur 5. La face semi-transparente intervient deux fois et divise chaque fois, sensiblement par deux, la quantité de lumière utiles Finalement la quantité de lumière atteignant l'image A'B' est sensiblement le quart de celle provenant de l'objet AB. Le système optique conforme à l'invention présente les avantages suivants. Le séparateur de faisceaux 3 n'introduit qu'une seule lUmière parasite par la réflexion sur la face, côté miroir, du prisme. La lumière parasite réfléchie par les dioptres du dispositif optique correcteur 4 retourne vers l'objet AB et n'éclaire pas l'image A'B' car le séparateur de faisceaux 3 est situé entre le dispositif correcteur 4 et le miroir 2. Il en résulte une diminution du bruit de fond sur l'imaae A'B' Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qutà ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Système optique, de grandissement unité, destiné à donner d'un objet, une image réelle, comprenant d'une part, un miroir sphérique concave travaillant à son centre de courbure et destiné à former de l'objet ladite image, d'autre parut, un séparateur de faisceaux constitué par deux prismes accolés par leurs faces inclinées sur l'axe optique du miroir, une de ces faces étant recouverte d'une couche semi-transparente, -d'autre part enfin, des moyens optiques correcteurs pour corriger les aberrations du système,caractérisé par le fait que les moyens optiques correcteurs comprennent deux dispositifs optiques correcteurs distincts situés respectivement entre l'objet et le séparateur de faisceaux et entre l'image et le séparateur de faisceaux, un de ces dispositifs optiques correcteurs étant situé au voisinage du centre de courbure du miroir, et 7e-séparateur de faisceaux étant situé entre ce dispositif optique correcteur et le miroir. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les prismes du séparateur de faisceaux sont rectangles isocèles et que leurs faces hypoténuses sont inclinées à 45" sur l'axe optique du miroir 2. 3. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que 1 'image de l'objet après le séparateur est située au centre de courbure-du miroir0 4o Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les dispositifs optiques correcteurs sont calculés de manière à compenser, d'une part, l'aberration sphérique et l'astigmatisme introduits par le séparateur de faisceaux et, d'autre part, la courbure de champ et l'astigmatisme introduits par le miroir. So Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la puissance des dispositifs optiques correcteurs est choisie de manière telle que le système optique soit télécentrique. 6. Système optique selon l'ensemble des revendications 2 et 4, caractérisé par le fait que chaque dispositif correcteur comprend une lame à faces parallèles, une lentille convergente et un ensemble de deux lentilles accolées qui permet l'achromatisation du système optique, l'ensemble de ces deux lentilles étant situé entre la première lentille et le séparateur de faisceaux. 70 Système optique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les caractéristiques des éléments de cz système, formées par les écartements et les épaisseurs suivant l'axe, les rayons de courbure et les indices de réfraction sont celles données dans le tableau de la page 7 de la description. 8. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, destiné notamment à la formation de masques optiques, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens d'éclairage auxiliaire de la surface sur laquelle est formée l'image réelle, situés entre le séparateur de faisceaux et le dispositif optique correcteur voisin de l'image réelle. 9. Système optique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les moyens d'éclairage auxiliaire comprennent une source de lumière, de forme annulaire, coaxiale au dispositif optique correcteur, et des moyens r4fléChtssants constitués par une bague coaxiale à la source, en forme de solide de révolution dont la méridienne est un triangle rectangle isocèle à hypoténuse tournée vers l'axe de révolution, cette bague étant située entre le dispositif correcteur et le séparateur de faisceaux de manière kue ladite surface soit seule éclairée. 10o Application d'un système optique selon ltune quelconque des revendications précédentes à la formation de masques optiques destinés à la fabrication de dispositifs sèmi-conducteurs.