Brevet FR2867282A1 — publié le 20050909

MICROSCOPE OPTIQUE A FORT GRANDISSEMENT UTILISABLE DANS L'EXTREME ULTRAVIOLET La présente invention se situe dans le domaine des microscopes optiques, et plus particulièrement elle se situe dans le domaine des microscopes optiques propres à l'observation d'objets de très faibles dimensions de l'ordre de la dizaine de nanomètres. L'observation d'un objet ayant une dimension de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres (il peut par exemple s'agir du contrôle de masques utilisés dans la fabrication des circuits intégrés à très forte intégration) nécessite l'utilisation d'une lumière d'éclairage de l'objet qui possède une longueur d'onde n'excédant pas l'ordre de grandeur de la moitié de la dimension de l'objet à observer. Pour des raisons de conception de la source lumineuse, la lumière choisie pour une mise en uvre pratique a une longueur d'onde de l'ordre de 13,5 nm (c'est-à-dire qu'elle se situe dans le domaine de l'extrême ultraviolet) et autorise l'observation d'objet d'environ 25 nm. Toutefois, on ne connaît pas, actuellement, de matériau qui soit transparent pour ce domaine de longueurs d'onde. Il n'est donc pas possible de réaliser des éléments dioptriques et notamment des lentilles, et par conséquent il n'est pas possible de concevoir actuellement un microscope optique qui soit au moins en partie de type dioptrique. Par ailleurs, par "fort grandissement", on entend 30 un grandissement de plusieurs centaines de fois, préférentiellement de l'ordre d'au moins 500 fois. L'invention a donc pour objet de proposer un microscope optique à structure catoptrique à fort grandissement qui soit utilisable dans le domaine de l'extrême ultraviolet, typiquement avec une lumière ayant une longueur d'onde de l'ordre de 13,5 nm. A ces fins, l'invention propose un microscope à 5 fort grandissement utilisable dans l'extrême ultraviolet, caractérisé en ce qu'il comprend: une partie d'illumination pour l'éclairage d'un objet à observer à partir d'une source de lumière émettant dans l'extrême ultraviolet, laquelle partie d'illumination 10 comprend successivement un premier système catoptrique ayant un axe optique (premier axe optique) dirigé selon une première direction, et un miroir de champ situé sur ledit premier axe 15 optique et incliné sur cet axe d'un angle inférieur à environ 15 , et une partie d'imagerie pour recueillir sur un détecteur une image agrandie de l'objet éclairé, laquelle partie 20 d'imagerie comprend successivement: un second système catoptrique ayant un second axe optique, recevant la lumière réfléchie par l'objet éclairé et ayant un grandissement G1 donné, et un système optique à plusieurs miroirs sphériques concaves ayant un grandissement G2 donné, - ledit miroir de champ de la partie d'illumination réfléchissant la lumière d'éclairage selon ledit second axe optique de façon que ledit second système catoptrique focalise le faisceau lumineux d'éclairage sur l'objet à observer. Ainsi, la structure du microscope optique conforme à l'invention fait appel uniquement à des surfaces réfléchissantes (structure catoptrique), ayant reçues un traitement MoSi eu égard au domaine de longueurs d'onde devant être utilisées, qui en outre est apte à procurer le grandissement élevé recherché. Il faut également noter que les surfaces mises en uvre dans les conditions d'utilisation prévues dans le cadre mentionné plus haut (surfaces traitées MoSi utilisées avec une lumière ayant une longueur d'onde de l'ordre de la dizaine de manomètres) ne sont réfléchissantes que sous certains angles d'incidence du faisceau lumineux: lumière à incidence rasante ou lumière à incidence normale. Les miroirs mis en uvre doivent donc être disposés de manière à satisfaire ces exigences. Enfin, la distance entre la mécanique de support du second système catoptrique et l'objet à observer est trop faible pour positionner un élément optique (miroir de repli, équerre optique) propre à diriger le faisceau d'éclairage sur l'objet dans les conditions convenables d'incidence (en raison du traitement des surfaces) pour obtenir un éclairage en fond clair. C'est donc de façon très astucieuse, pour contourner cette difficulté, que conformément à l'invention le faisceau d'éclairage est injecté directement dans le second système catoptrique pour conjuguer la source lumineuse à l'objet à observer (éclairage dit "éclairage critique"). Dans un mode de réalisation préféré, les systèmes catoptriques sont des objectifs ou télescopes de Schwarzschild, qui permettent, sous un relativement faible volume, de conférer un grandissement important. En outre, la fabrication des surfaces concave et convexe de leurs deux éléments constitutifs ne pose pas de difficultés particulières. Dans ce cas, une moitié de l'objectif de Schwarzschild du second système catoptrique transmet le faisceau incident d'éclairage de l'objet à observer et son autre moitié transmet le faisceau réfléchi par l'objet éclairé. Par ailleurs, on prévoit avantageusement que, dans la partie d'imagerie, le système optique à plusieurs miroirs sphériques concaves comporte deux miroirs sphériques concaves en vis-à-vis, un tel système optique étant apte à procurer des grandissements importants. Il est possible de faire en sorte que, dans la partie d'imagerie, le second système catoptrique, notamment agencé sous forme d'un objectif de Schwarzschild, ait un grandissement G1 d'environ 15 et que le système optique à plusieurs miroirs sphériques concaves ait un grandissement G2 d'environ 33, ce grâce à quoi le grandissement du microscope est d'environ 500, conformément au but recherché. Avantageusement, dans la partie d'imagerie, on prévoit en outre, après le dernier miroir sphérique concave du système à miroirs sphériques concaves, un miroir plan de repliement incliné pour recevoir le faisceau sous une incidence n'excédant pas 15 ce repliement du faisceau lumineux permet de réaliser le microscope sous une forme plus compacte. On peut également accroître la compacité du microscope en prévoyant, dans la partie d'illumination et entre le miroir de champ et le second système catoptrique, un système optique de repliement du faisceau lumineux comprenant une pluralité de miroirs plans de repliement réfléchissant successivement le faisceau renvoyé par le miroir de champ selon une seconde direction différente de la susdite première direction, lesdits miroirs de repliement étant disposés de manière à recevoir le faisceau sous des incidences respectives excédant environ 75 (incidence rasante). De préférence alors, les miroirs plans du système de repliement sont en nombre et en arrangement tels que les susdits premier et second axes optiques respectivement des premier et second systèmes catoptriques soient sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. Grâce aux dispositions conformes à l'invention qui viennent d'être exposées, on dispose d'un microscope optique de type intégralement catoptrique qui est apte à fonctionner dans l'extrême ultraviolet, typiquement avec une lumière ayant une longueur d'onde de l'ordre de 13,5 nm, et qui autorise donc l'observation d'un objet ayant des dimensions d'un ordre de grandeur du double de la longueur d'onde (environ 25 nm). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma optique d'une partie d'illumination pour un microscope optique agencé conformément à l'invention; - la figure 2 est un schéma optique d'une variante de réalisation préférée de la partie d'illumination de la figure 1; - la figure 3 est un schéma optique d'une partie d'imagerie pour un microscope optique agencé conformément à l'invention; et - la figure 4 est un schéma optique d'ensemble d'un mode de réalisation préféré d'un microscope optique conforme à l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui montre le schéma optique d'une partie d'illumination, désignée dans son ensemble par la référence 1, pour l'éclairage d'un objet O à observer à partir d'une source de lumière S émettant dans l'extrême ultraviolet, typiquement avec une longueur d'onde de l'ordre de 13,5 nm. La partie d'illumination 1 comprend successivement 5 les éléments optiques suivants. Un premier système catoptrique 2 possède un axe optique (ou premier axe optique) D1 dirigé selon une première direction. Ce premier système catoptrique 2 est de préférence constitué sous forme d'un objectif ou télescope de Schwarzschild, avec un miroir concave 3 tourné vers la source S et recevant sur son bord le faisceau lumineux issu de celle-ci et avec un miroir convexe 4 situé en regard du miroir concave 3 et réfléchissant le faisceau issu du miroir concave 3 axialement en direction d'un trou central 5 pratiqué dans celui-ci. Le faisceau lumineux parvient ensuite sur un miroir de champ 6, concave, conjuguant le plan image de la source S et le plan image de l'objet O, et permettant un repliement du faisceau lumineux pour réduire les dimensions de l'appareil. Le miroir 6 est situé sur le premier axe optique et incliné par rapport à celui-ci d'un angle tel qu'il reçoive le faisceau lumineux sous une incidence inférieure à environ 15 . Enfin, le faisceau réfléchi par le miroir 6 parvient dans un dispositif optique focaliseur 7 ayant son axe (second axe optique) D2 dirigé selon une seconde direction qui, ici, coïncide avec la direction suivie par le faisceau réfléchi par le miroir 6. Un exemple de mise en uvre pratique du dispositif focaliseur 7 sera indiqué plus loin. Dans l'agencement qui vient d'être décrit, les deux axes optiques D1 et D2 sont écartés angulairement l'un de l'autre d'au plus 15 , ce qui laisse trop peu de place, en pratique, pour l'installation de la source lumineuse S et le positionnement de l'objet O à observer. Il est donc souhaitable que les deux susdits axes optiques D1 et D2 soient angulairement plus écartés l'un à l'autre, et que notamment, dans un mode de réalisation préféré, ils soient perpendiculaires l'un à l'autre comme illustré à la figure 2. Pour ce faire, on prévoit d'interposer, entre le miroir de champ 6 et le dispositif focaliseur 7, un système optique de repliement 10 comprenant une pluralité de miroirs plans de repliement réfléchissant successivement le faisceau renvoyé par le miroir de champ 6 selon une seconde direction qui diffère de la direction de réflexion du miroir de champ 6, lesdits miroirs de repliement étant disposés de manière à recevoir le faisceau sous des incidences respectives excédant environ 75 (incidences rasantes). Dans l'exemple illustré à la figure 2, les miroirs de repliement du système de repliement 10 sont en nombre et en arrangement tels que les deux axes optiques D1 et D2 sont sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. Pour ce faire, le système de repliement 10 est constitué ici de deux miroirs plans 11 et 12. A la figure 3 est illustrée la partie d'imagerie, désignée dans son ensemble par la référence 13, qui est propre à former sur un détecteur D une image agrandie de l'objet O éclairé. La partie d'imagerie 13 comprend un second système catoptrique 14 comportant un miroir concave 15 tourné vers l'objet O associé à un miroir convexe 16, l'ensemble étant, ici encore, avantageusement constitué sous forme d'un objectif ou télescope de Schwarzschild. Le miroir concave 15 est légèrement asphérique. L'ensemble des deux miroirs 15 et 16 a un grandissement d'environ 15. Dans un exemple concret de réalisation, le miroir concave 15 a un diamètre utile d'environ 100 mm et présente une asphérisation de 100 nm sur sa zone utile; le miroir convexe 16 présente une asphérisation de 120 nm avec une pente maximale de 0,08 gm/mm sur une zone de 22,5 mm de diamètre (la zone utile étant de 19,5 mm) ; les angles d'incidence varient de 2,2 à 4,6 pour le miroir concave 15 et de 7,2 à 14,5 pour le miroir convexe 16. La partie d'imagerie 13 comprend également, en aval de l'objectif de Schwarzschild 14, un système optique 17 à plusieurs miroirs sphériques concaves en vis-à-vis. Dans l'exemple illustré à la figure 3, il comporte deux miroirs sphériques concaves respectivement 18 et 19. Le miroir 19 est percé centralement pour laisser passage au faisceau en provenance de l'objectif de Schwarzschild. Le grandissement du couple de miroirs 18 et 19 est d'environ 33. Avantageusement, la courbure du miroir concave 18 est sensiblement la même que celle du miroir convexe 16 pour annuler le Petzval, et donc la courbure du champ. Le grandissement global de la partie d'imagerie agencée conformément à l'invention est de l'ordre de 500. La figure 4 illustre un appareil complet, réunissant la partie d'illumination 1 illustrée à la figure 2 et la partie d'imagerie 13 illustrée à la figure 3. La distance entre la lentille convexe frontale 16 de l'objectif de Schwarzschild 14 et l'objet O est trop faible pour que le faisceau d'éclairage puisse être appliqué à l'objet sous une incidence approximativement normale à partir du dispositif focaliseur 7. La solution astucieuse conforme à l'invention consiste alors à injecter le faisceau d'éclairage dans le système catoptrique 14, ici dans l'objectif de Schwarzschild, autrement dit à constituer le dispositif focaliseur 7 sous forme d'une structure d'objectif de Schwarzschild. Ainsi une moitié de l'objectif de Schwarzschild sert alors à la transmission du faisceau d'éclairage vers l'objet O, tandis que l'autre moitié sert à transmettre le faisceau de lumière réfléchie par l'objet éclairé. Toujours dans le but de réaliser un appareil compact, le faisceau issu du système de miroirs concaves 17 est réfléchi par un miroir plan 20, lequel est disposé pour recevoir ce faisceau sous une incidence approximativement normale d'au plus 15 . Grâce aux dispositions conformes à l'invention, on constitue un microscope catoptrique qui résout le problème posé par l'éclairage correct de l'objet O en utilisant un objectif commun entre la voie d'éclairage et la voie de l'imagerie. Le système travaille dans le champ, ce qui permet d'éviter la lumière parasite car le détecteur D ne voit pas directement l'objet O. Le microscope ainsi agencé possède un grandissement élevé qui permet l'observation de petits objets. La distance entre l'objet et l'élément frontal est importante, ce qui facilite les manipulations et l'implantation de dispositifs auxiliaires éventuels. De plus, cet agencement de microscope présente un petit champ central de très bonne qualité optique entouré d'un grand champ périphérique ayant une qualité optique dégradée. cela permet, au cours de l'observation, de sonder les zones avoisinant celle observée avec précision dans le petit champ. Enfin, les miroirs sont sphériques ou faiblement asphériques, ce qui induit une relative facilité de fabrication. Dans ce qui précède, les deux systèmes catoptriques 2 et 7 sont de préférence des objectifs ou télescopes de Schwarzschild en raison de l'avantage propre de ce type d'objectif, et c'est sous cette forme qu'ils sont illustrés à la figure 4. Toutefois, on pourrait mettre en uvre tout autre type d'objectif catoptrique apte à procurer un grandissement analogue: - on pourrait utiliser un objectif constitué d'un miroir concave et d'un miroir convexe, les miroirs 18 et 19 restant concaves afin de maintenir le Petzval nul; - on pourrait utiliser un objectif constitué de deux miroirs concaves, l'un au moins des miroirs 18, 19 étant convexe pour maintenir le Petzval nul. Dans les deux cas, l'asphérisation des miroirs augmente. REVENDICATIONS 1. Microscope optique à fort grandissement utilisable dans l'extrême ultraviolet, caractérisé en ce 5 qu'il comprend: - une partie d'illumination (1) pour l'éclairage d'un objet (0) à observer à partir d'une source de lumière (S) émettant dans l'extrême ultraviolet, laquelle partie d'illumination (1) comprend successivement: un premier système catoptrique (2) ayant un premier axe optique (D1) dirigé selon une première direction, et un miroir de champ (6) situé sur ledit premier axe optique et incliné sur cet axe d'un angle inférieur à 15 environ 15 , et une partie d'imagerie (13) pour recueillir sur un détecteur (D) une image agrandie de l'objet éclairé, laquelle partie d'imagerie (13) comprend successivement: un second système catoptrique (14) ayant un second axe optique (D2), recevant la lumière réfléchie par l'objet éclairé et ayant un grandissement G1 donné, et 25. un système optique (17) à plusieurs miroirs sphériques - ledit miroir réfléchissant axe optique catoptrique d'éclairage concaves ayant un grandissement G2 donné, de champ (6) de la partie d'illumination la lumière d'éclairage selon ledit second (D2) de façon que ledit second système (14) focalise le faisceau lumineux sur l'objet à observer. 2. Microscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes catoptriques (2, 14) sont des objectifs de Schwarzschild. 3. Microscope selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans la partie d'imagerie (13), le système optique (17) à plusieurs miroirs sphériques concaves comporte deux miroirs sphériques concaves (18, 19) en vis-à-vis. 4. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans la partie d'imagerie (13), le second système catoptrique (14) a un grandissement G1 d'environ 15 et le système optique (17) à plusieurs miroirs sphériques concaves a un grandissement G2 d'environ 33, ce grâce à quoi le grandissement du microscope est d'environ 500. 5. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans la partie d'imagerie (13), il est prévu en outre, après le dernier miroir sphérique concave (19) du système à miroirs sphériques concaves (17), un miroir plan de repliement (20) incliné pour recevoir le faisceau incident sous un angle d'incidence d'au plus 15 . 6. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans la partie d'illumination (1), il est prévu, entre le miroir de champ (6) et le second système catoptrique (14), un système optique (10) de repliement du faisceau lumineux comprenant une pluralité de miroirs plans de repliement (11, 12) réfléchissant successivement le faisceau renvoyé par le miroir de champ (6) selon une direction différente de la direction de réflexion du miroir de champ, lesdits miroirs de repliement (11, 12) étant disposés de manière à recevoir le faisceau sous des incidences respectives d'au moins environ 75 . 7. Microscope selon la revendication 6, caractérisé en ce que les miroirs plans (11, 12) du système de repliement (10) sont en nombre et en arrangement tels que les susdits premier et second axes optiques (D1, D2) respectivement des premier et second systèmes catoptriques (2, 14) sont sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. 8. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la lumière d'éclairage en extrême ultraviolet a une longueur d'onde d'environ 13,5 nm.