Brevet FR2860304A1 — publié le 20050401

SYSTEME OPTIQUE A HAUTE OUVERTURE NUMERIQUE. DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne les systèmes optiques à haute 5 ouverture numérique. Plus précisément, elle concerne notamment les systèmes optiques à haute ouverture numérique pour des applications de photolithographie à haute résolution dans le domaine des rayonnements ultraviolets. ETAT DE L'ART Pour la fabrication de circuits intégrés ou puces de microélectronique, on utilise un procédé d'impression des motifs des circuits sur une tranche de Silicium (ou wafer selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'homme du métier) comportant généralement une étape selon laquelle on expose ou non certaines parties de la tranche à un rayonnement ultraviolet à travers un masque reproduisant un schéma des pistes. Dans le domaine de la fabrication de circuits intégrés à haute densité de composants, on utilise le même principe d'exposition ou non d'une tranche à un rayonnement ultraviolet via une optique de réduction du masque sur le wafer. On se situe alors dans le domaine de la photolithographie optique. Du fait de la petite taille des motifs et de l'étendue de champ à couvrir, les optiques utilisées doivent fonctionner dans le domaine de longueur d'onde ultraviolet et présenter une haute ouverture numérique, une bonne correction des aberrations et de la distorsion et une bonne planéité du champ image. La maîtrise de la courbure résiduelle de la surface image est l'un des points difficiles à obtenir pour ces optiques qui comprennent alors un grand nombre de composants. A ce problème s'ajoute celui de la correction des aberrations chromatiques qui est également difficile à obtenir dans ce domaine de 30 longueurs d'onde. Ainsi, plusieurs types d'objectifs ont été proposés pour atténuer autant que possible l'aberration dite de courbure du champ , ou courbure de Petzval, tout en assurant la correction des aberrations chromatiques, pour des applications dans le domaine des rayonnements ultraviolets. Un premier type d'objectifs utilise la propriété optique selon laquelle on peut réduire de façon importante la courbure de champ et les aberrations chromatiques en plaçant dans l'objectif un nombre important de lentilles. On peut alors obtenir des objectifs purement dioptriques en ligne, dont un exemple est illustré de façon schématique à la figure 1. On voit que l'objectif 2, placé entre un masque 1 et un wafer 3, comporte un nombre important de lentilles 4. Un deuxième type d'objectifs utilise la propriété optique selon laquelle l'introduction d'un miroir concave à l'intérieur de la formule optique permet de réduire le nombre de lentilles et leur diamètre, tout en permettant de réduire également la courbure de champ et les aberrations chromatiques. Une des contraintes supplémentaires à satisfaire pour des objectifs du second type, par rapport à un objectif en ligne selon la figure 1, est cependant de séparer le faisceau incident du faisceau réfléchi. La figure 2 montre ainsi un exemple d'un objectif 2 entre le masque 1 et la tranche 3 comportant un miroir 5 concave permettant de satisfaire cette condition de séparation des faisceaux incidents et réfléchis. On utilise pour cela un cube 6 séparateur semi-transparent. Pratiquement, c'est un cube 6 polariseur qui transmet ou réfléchit la lumière selon la polarisation de celle-ci. Une solution alternative pour la séparation des faisceaux incidents et réfléchis est d'utiliser un miroir de renvoi placé au voisinage d'un plan image intermédiaire. Cela suppose de n'utiliser qu'une partie du champ objet. La figure 3 montre ainsi la répartition des champs au niveau du plan image intermédiaire d'un objectif selon cette solution alternative. La figure 4 montre un exemple d'une première disposition d'un objectif 2 permettant de passer optiquement en ligne à l'aller vers le miroir 5, la séparation des faisceaux se faisant au retour grâce au miroir de renvoi 7 placé au voisinage d'un plan image intermédiaire des lentilles 4. La figure 5 représente quant à elle un exemple d'une deuxième disposition permettant d'avoir un objectif en ligne, puisque le masque 1 et la tranche 3 sont alignés, ce qui est favorable au déplacement de l'objectif 2 lors d'une exposition d'un wafer. Selon le montage de la figure 5, on peut diriger le faisceau vers le miroir concave 5 dès l'entrée dans l'objectif. Le trajet retour se passe comme pour le dispositif selon la figure 4. Dans le même esprit que l'objectif de la figure 5, si on veut utiliser un objectif en ligne avec des miroirs, ceux-ci doivent être nécessairement en nombre pair, afin que la tranche 3 ne soit pas du côté du masque 1. Mais dans de tels objectifs, il y a nécessairement une occultation d'une partie du faisceau optique. Cette occultation doit être minimale pour ne pas perturber les processus complexes mis en oeuvre en lithographie. La figure 6 montre un exemple d'un objectif selon lequel on essaie de minimiser l'occultation en dilatant considérablement la section du faisceau transmis par le premier groupe dioptrique 10 vers le premier miroir 5. On se rend compte ainsi que les techniques exposées précédemment présentent des inconvénients. Les objectifs du premier type sont longs et encombrants. Typiquement, de tels objectifs ont des longueurs totales comprises entre 1000 et 1500 mm, et comprennent entre 20 et 30 lentilles, dont le diamètre des plus grandes dépasse souvent 300 mm. Ils sont de plus très onéreux à réaliser. Les objectifs du second type utilisant un miroir ne sont pas tout à fait idéaux non plus. L'objectif selon la figure 2 montre par exemple ses limites dans le cas des objectifs de hautes performances, à cause des grandes difficultés de réalisation du cube séparateur 6 et de l'absorption d'une partie de la lumière par ce composant. En effet, la taille du cube 6 et l'importante épaisseur de verre traversé sont des inconvénients de ce type de solution. Il faut en outre satisfaire une spécification d'uniformité du traitement séparateur très serrée et résoudre les problèmes d'homogénéité de la matière du cube. Les objectifs alternatifs utilisant un miroir de renvoi sont encore très compliqués et comportent encore beaucoup de lentilles. Par exemple, la solution selon la figure 6 impose par exemple premièrement des angles d'incidence très élevés au niveau des lentilles 4. Un tel objectif comporte deuxièmement un nombre important de lentilles, dont certaines comprennent des surfaces asphériques s'écartant notablement de la forme sphérique. Troisièmement, un tel objectif nécessite l'utilisation de grands miroirs de pratiquement 750 mm de diamètre. En général, tous les objectifs de l'art antérieur sont difficiles à fabriquer 5 et à assembler, et sont très onéreux. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier ces inconvénients. Un des buts de l'invention est de proposer un système optique de grande ouverture numérique permettant de réduire au maximum la courbure 10 de champ, avec un nombre réduit de lentilles. Un des autres buts de l'invention est de proposer un système optique dont la fabrication et l'assemblage sont simplifiés pour encore en réduire les coûts de réalisation. A cet effet, l'invention propose un système optique comportant un premier module dioptrique apte à diriger un signal lumineux vers un deuxième module optique de correction de courbure de champ, ledit deuxième module étant apte à diriger le signal corrigé vers un troisième module dioptrique, caractérisé en ce que le deuxième module est quasi afocal et comporte deux miroirs concaves asphériques associés à un élément de réflexion totale placé au voisinage de l'image intermédiaire entre lesdits premier et deuxième miroirs. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible: - les axes optiques des deux miroirs asphériques sont placés à 90 l'un par rapport à l'autre, de sorte que le deuxième miroir asphérique reçoit le signal lumineux réfléchi par l'élément de réflexion totale dans le plan image intermédiaire du premier miroir et le renvoie vers le troisième module dans une direction perpendiculaire à la direction d'incidence du signal lumineux sur le deuxième module; - les miroirs asphériques sont paraboliques; - au moins un des miroirs asphériques est complété par un élément dioptrique placé à son voisinage; - au moins un des miroirs asphériques comporte sur sa face avant une lame de verre métallisée sur sa face arrière, la réflexion du signal lumineux s'effectuant alors sur ladite face arrière; - l'élément de réflexion totale est un miroir plan; - le miroir plan comporte sur sa face avant une lame de verre métallisée sur sa face arrière, la réflexion du signal lumineux s'effectuant alors sur ladite face arrière; - l'élément de réflexion totale est un prisme de réflexion totale; - l'élément de réflexion totale est mobile et peut pivoter autour d'un axe de 10 rotation perpendiculaire à son axe optique; - le troisième module comporte une ouverture numérique supérieure à 0.5 environ; - le troisième module comporte une majorité de lentilles optiques positives; - le premier module comporte une ouverture numérique inférieure à 0.5 15 environ; - le premier module et/ou le troisième module comporte(nt) au moins une lentille comportant une surface asphérique; - le premier module comporte un élément de réflexion totale apte à renvoyer le signal lumineux vers le deuxième module selon une direction 20 perpendiculaire à la direction d'incidence du signal lumineux sur le premier module; - ledit élément de réflexion totale est un miroir plan ou un prisme de réflexion totale; et - la face arrière de l'élément de réflexion totale du deuxième module est réfléchissante sur sa face arrière pour permettre le transfert d'une partie du faisceau directement entre les premier et troisième modules sans passer par les deux miroirs. L'invention concerne également les dispositifs de photolithographie comportant un tel système optique. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - les figures 1 à 2 et 4 à 6 représentent schématiquement des objectifs selon l'art antérieur; - la figure 3 représente schématiquement la répartition des champs au niveau du plan image intermédiaire d'un objectif selon l'art antérieur; - la figure 7 représente schématiquement la structure générale de modules d'un système optique selon l'invention; et - la figure 8 représente schématiquement un exemple d'un mode de réalisation d'un système optique selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 7 représente schématiquement le principe d'un système optique 2 selon l'invention. Un tel système optique comporte principalement trois modules optiques référencés par 10, 20 et 30. Le système optique 2 est placé par exemple entre un objet 1 et une image 3. Le système optique 2 est avantageusement utilisé dans le domaine de la photolithographie optique. On précise qu'il s'agit d'un exemple non limitatif d'utilisation d'un tel système optique. Dans le cas des applications du système optique dans le domaine de la photolithographie optique, l'objet 1 pourra être un masque de circuits intégrés, et dans ce cas l'image 3 vient se former sur une tranche de Silicium par exemple sur laquelle on veut imprimer le circuit. Le premier module optique 10 est un groupe dioptrique apte à diriger un signal lumineux 11 issu de l'objet 1, par exemple un masque de circuit intégré, vers le deuxième module optique 20. Le deuxième module optique 20 est principalement un module de correction de courbure de champ. Ainsi, préférentiellement, il ne possède pas de puissance optique et n'engendre aucun grandissement ou réduction. Le deuxième module 20 est quant à lui apte à diriger le signal corrigé vers un troisième module dioptrique 30 formant une image 3 sur une tranche par exemple. Le premier module 10 et le troisième module 30 sont principalement des modules de correction des aberrations géométriques et chromatiques ainsi que de la distorsion optique. Le signal lumineux est préférentiellement de longueur d'onde inférieure à 200 nm, c'est à dire dans le domaine des ultraviolets. La figure 8 montre un exemple de mode de réalisation d'un système optique selon l'invention. Le système optique 2 comporte ainsi le premier module dioptrique 10 comportant une série de lentilles 4. L'association des lentilles 4 permet d'envoyer le signal lumineux 11 issu de l'objet 1 vers le deuxième module 20. A cet effet, le premier module présente une ouverture numérique définie en première approximation comme le rapport du diamètre optique dudit module 10 sur sa distance focale inférieure à 0.5 environ. Ainsi, le premier module permet de former une image à grande distance, préférentiellement supérieure à 10 fois le diamètre du faisceau lumineux en entrée ou sortie du module 20, qui est dirigée vers le deuxième module 20. Le nombre et les caractéristiques des lentilles 4 sont choisis et optimisés avec les outils de conception assistée par ordinateur disponibles pour l'homme de l'art de sorte que la correction des aberrations géométriques et chromatiques soit satisfaisante pour l'application choisie, par exemple la photolithographie optique. Le deuxième module 20 comporte principalement deux miroirs concaves 21 et 22 en configuration quasi afocale avec un plan image intermédiaire 23. Comme le deuxième module 20 est quasi afocal, il renvoie vers le module 30 une image toujours à grande distance, préférentiellement supérieure à 10 fois le diamètre du faisceau lumineux en entrée ou sortie du module 20. Les miroirs 21 et 22 contribuent principalement à la correction de la courbure de champ engendrée par les modules 10 et 30 constitués d'un certain nombre de lentilles 4 de puissance positive. Les modules dioptriques 10 et 30 peuvent alors demeurer simples et compacts, car leur contribution à la courbure de champ est compensée par 30 celle des miroirs concaves 21 et 22. Les deux miroirs concaves 21 et 22 sont asphériques, et de façon préférentielle paraboliques. Ils sont associés à un élément 24 de réflexion totale placé à proximité du plan image et plan foyer 23 intermédiaire respectivement du premier miroir 21 et du deuxième miroir 22. Les axes optiques des deux miroirs 21 et 22 sont placés à 90 l'un par rapport à l'autre, de sorte que le deuxième miroir 22 reçoit le signal lumineux réfléchi par l'élément 24 de réflexion totale dans le plan image intermédiaire 23 du premier miroir 21, et renvoie le signal lumineux vers le troisième module 30 dans une direction perpendiculaire à la direction d'incidence du signal lumineux 11 sur le deuxième module 20. Le premier miroir 21 reçoit directement le signal lumineux issu du premier module 10, et il y a ainsi formation d'une image intermédiaire réelle au niveau du plan focal 23. Comme l'élément 24 se situe dans le plan 23, où la section utile des faisceaux lumineux est la plus réduite possible, l'occultation centrale des faisceaux lumineux causée par la présence de l'élément 24 s'en trouve minimisée. Dans la configuration de la figure 8, l'élément 24 de réflexion est placé à 45 par rapport aux axes optiques des miroirs 21 et 22. Cependant, l'élément 24 de réflexion totale, pour certaines 20 applications, peut être mobile et pivoter autour d'un axe de rotation perpendiculaire à son axe optique. L'arrière de l'élément 24 peut travailler en réflexion totale également. On peut alors ainsi faire se propager un faisceau optique secondaire directement du premier module 10 vers le troisième module 30, dans un sens ou dans l'autre, sans passer par les deux miroirs concaves 21 et 22 du module 20. Dans une configuration avantageuse, les miroirs 21 et 22 sont paraboliques. De tels miroirs paraboliques permettent, outre la contribution à la correction de la courbure de champ déjà donnée par leur forme concave, une correction quasi parfaite des aberrations géométriques engendrées dans ce module 20 en soi. Le module 20 est alors un véritable module afocal. Lorsque les deux miroirs 21 et 22 sont de même rayon de courbure, le grandissement dudit module afocal 20 devient égal à -1. La configuration quasi afocale a quant à elle l'avantage de permettre de réduire le diamètre des lentilles des autres modules 10 et 30. On peut affiner la correction de la courbure de champ ou des aberrations géométriques et chromatiques du module 20 en insérant un élément dioptrique à proximité d'au moins un des miroirs asphériques 21 ou 22. Cet élément dioptrique sera alors traversé par le faisceau lumineux juste avant et juste après réflexion du faisceau lumineux sur le miroir 21 ou 22. Une variante possible consiste à poser un élément dioptrique directement sur la face avant d'au moins un des miroirs 21 ou 22 pour constituer un miroir du type Mangin tel que connu de l'homme de l'art. Le miroir Mangin est constitué d'une lentille de verre métallisée sur sa face arrière, la réflexion du signal lumineux s'effectuant alors sur ladite face arrière. On précise en outre que l'élément de réflexion totale 24 peut être un miroir plan. Il peut aussi comporter une lame de verre posée sur sa face avant. L'élément 24 peut également être un prisme de réflexion totale. Le troisième module dioptrique 30 comporte une série de lentilles 4. L'association des lentilles 4 permet de reprendre le signal lumineux envoyé à grande distance par le deuxième module 20 et de l'envoyer sur une tranche 3 par exemple en y formant une image de l'objet 1 réduite par une facteur de 3 à 10 de façon préférentielle. A cet effet, le troisième module comporte une ouverture numérique supérieure à 0.5 environ. Ainsi, une majorité des lentilles optiques 4 du troisième module 30 sont positives. Le nombre et les caractéristiques des lentilles sont choisis et optimisés avec les moyens de conception numérique de l'homme de l'art de sorte que la correction des aberrations géométriques et chromatiques soit satisfaisante pour l'application choisie, par exemple la photolithographie optique. Ainsi, le premier module 10 et/ou le troisième module 30 peuvent comporter au moins une lentille avec une surface asphérique afin d'améliorer les corrections des aberrations chromatiques, géométriques et de distorsion. De plus, le premier module 10 peut comporter un élément de réflexion totale placé dans la série de lentilles et apte à renvoyer le signal lumineux vers le deuxième module 20 selon une direction perpendiculaire à la direction d'incidence du signal lumineux sur le premier module. Ainsi, le faisceau issu de l'objet 1 et le faisceau en sortie du troisième module 30 sont parallèles. Cela facilite grandement l'implantation du dispositif optique objet de la présente invention dans des équipements de photolithographie optique tels qu'un photorépéteur ou stepper selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'homme du métier. L'élément de réflexion totale n'agit qu'en tant que miroir de renvoi pour couder le chemin du signal 11 dans le premier module 10. Dans ce cas, l'élément de réflexion totale peut être un miroir plan, avec lame de verre ou non, ou un prisme de réflexion totale. Le système optique selon l'invention présente plusieurs avantages. 15 Il y a indépendance des modules les uns par rapport aux autres. Ainsi, le deuxième module 20 peut être testé et aligné séparément des autres modules 10 et 30. La compacité des modules 10 et 30 principalement due à la bonne correction de la courbure de champ effectuée par le deuxième module 20 est très favorable à la stabilité mécanique des éléments optiques et donc à la constance des performances des équipements dans leur environnement opérationnel. De plus, la structure modulaire du dispositif optique contribue à relâcher les tolérances d'alignement en centrage et inclinaison des modules 25 dioptriques 10 et 30 par rapport au module afocal 20. Enfin, les aberrations intrinsèques de chaque module 10, 20 et 30 sont très réduites et peuvent être contrôlées indépendamment les unes des autres. Les développements qui précèdent s'appliquent avantageusement au 30 domaine de la photolithographie optique. Le dispositif optique selon l'invention peut cependant être utilisé dans d'autres domaines, tels que la microscopie en général, la spectroscopie, les télécommunications optiques, etc. 11 REVENDICATIONS. 1. Système optique (2) comportant un premier module dioptrique (10) apte à diriger un signal lumineux (11) vers un deuxième module optique (20) de correction de courbure de champ, ledit deuxième module (20) étant apte à diriger le signal corrigé vers un troisième module dioptrique (30), caractérisé en ce que le deuxième module (20) est quasi afocal et comporte deux miroirs concaves asphériques (21, 22) associés à un élément de réflexion totale (24) placé au voisinage de l'image intermédiaire entre lesdits premier (21) et deuxième (22) miroirs. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes optiques des deux miroirs asphériques (21, 22) sont placés à 90 l'un par rapport à l'autre, de sorte que le deuxième miroir (22) asphérique reçoit le signal lumineux réfléchi par l'élément de réflexion totale (24) dans le plan image intermédiaire du premier miroir (21) et le renvoie vers le troisième module (30) dans une direction perpendiculaire à la direction d'incidence du signal lumineux sur le deuxième module (20). 3. Système optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les miroirs asphériques (21, 22) sont paraboliques. 4. Système optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un des miroirs asphériques (21, 22) est complété par un élément dioptrique placé à son voisinage. 5. Système optique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un des miroirs asphériques (21, 22) comporte sur sa face avant une lame de verre métallisée sur sa face arrière, la réflexion du signal lumineux s'effectuant alors sur ladite face arrière. 6. Système optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément (24) de réflexion totale est un miroir plan. 7. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le miroir plan (24) comporte sur sa face avant une lame de verre métallisée sur sa face arrière, la réflexion du signal lumineux s'effectuant alors sur ladite face arrière. 8. Système optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément (24) de réflexion totale est un prisme de réflexion totale. 9. Système optique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément de réflexion totale (24) est mobile et peut pivoter autour d'un axe de rotation perpendiculaire à son axe optique. 10. Système optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le troisième module (30) comporte une ouverture numérique supérieure à 0.5 environ. 11. Système optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le troisième module (30) comporte une majorité de lentilles optiques positives. 12. Système optique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le premier module (10) comporte une ouverture numérique inférieure à 0.5 environ. 13. Système optique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le premier module (10) et/ou le troisième module (30) comporte(nt) au moins une lentille comportant une surface asphérique. 14. Système optique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le premier module comporte un élément de réflexion totale apte à renvoyer le signal lumineux vers le deuxième module selon une direction perpendiculaire à la direction d'incidence du signal lumineux sur le premier module. 15. Système optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'élément de réflexion totale est un miroir plan. 16. Système optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'élément de réflexion totale est un prisme de réflexion totale. 17. Système optique selon les revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la face arrière de l'élément de réflexion totale (24) du deuxième module (20) est réfléchissante sur sa face arrière pour permettre le transfert d'une partie du faisceau directement entre les premier (10) et troisième (30) modules sans passer par les deux miroirs (21, 22). 18. Dispositif de photolithographie optique, caractérisé en ce qu'il comporte un système optique selon l'une des revendications 1 à 17.