Brevet FR2866439A1 — publié le 20050819

OBJECTIF OPTIQUE POUR MICROLITHOGRAPHIE La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux objectifs pour appareil de projection optique de microlithographie fonctionnant avec un rayonnement d'une longueur d'onde de sensiblement 193 nm, ledit objectif comportant une multiplicité de lentilles dont au moins certaines sont constituées en silice. Le procédé de microlithographie est utilisé notamment pour la fabrication des circuits intégrés. La production de circuits intégrés ayant des taux d'intégration toujours plus élevés nécessite la mise en uvre de techniques microlithographiques de très hautes performances de manière que les détails de forme les plus fins du masque puissent être reproduits avec des déformations aussi réduites que possible et de préférence sans déformations. Les appareils de microlithographie fonctionnement actuellement avec un rayonnement ayant une longueur d'onde de sensiblement 193 nm (typiquement 193,368 nm) compatible avec les objectifs à lentilles propres à conférer un rapport de grandissement de 1:4. On connaît un grand nombre de réalisations d'objectifs du type visé qui, tous, comportent un grand nombre de lentilles (typiquement au moins 25 lentilles), avec de nombreuses surfaces asphériques: voir par exemple les documents EP 1 006 388, EP 1 006 373, EP 1 304 594, US 2002/122 164, US 2002/186 355, US 2003/053 036, US 2003/007 138, .... Tous les objectifs connus mettent en oeuvre des lentilles de deux types se distinguant par leur matériau constitutif les lentilles en fluorine, qui sont présentes numériquement pour approximativement un tiers, et les lentilles en silice pour le reste. 2 2866439 On a eu, jusqu'à présent, systématiquement recours à la fluorine pour constituer au moins certaines lentilles en raison des caractéristiques optiques intéressantes de ce matériau, qui permet d'atténuer certains défauts (par exemple réduction du chromatisme). Toutefois, la mise en uvre de la fluorine présente de nombreux inconvénients. Il s'agit d'un matériau relativement rare et qui par conséquent est cher en tant que tel. En outre il se pose également aujourd'hui le problème de l'accès aux sources d'approvisionnement, tous les fabricants de cristaux de fluorine de qualité ayant été absorbés par des industriels liés à la microlithographie. Il s'agit, aussi, d'un matériau relativement tendre et cassant; son usinage est donc délicat et, même en prenant toutes sortes de précautions, il est fréquent qu'une lentille correcte ne soit obtenue qu'après le rejet de plusieurs ébauches. Au surplus, la fluorine est sensible à la température, ce qui la rend difficile à polir avec les moyens traditionnels et, là encore, le déchet de fabrication est notable. Ces difficultés expliquent que, même dans les applications de très hautes performances (optiques de reconnaissance aérienne, optiques spatiales,...) , son utilisation est toujours restée marginale. Tous ces facteurs influent très défavorablement sur le prix de revient des lentilles en fluorine, lequel prix de revient s'établit approximativement au triple de celui d'une lentille en silice. Malgré ces nombreux et notables inconvénients de la fluorine, les objectifs pour appareils de microlithographie actuellement fabriqués intègrent tous un relativement grand nombre de lentilles en fluorine (de 3 2866439 l'ordre du tiers du nombre total de lentilles, comme indiqué plus haut) en combinaison avec des lentilles en silice pour le reste, en vue d'obtenir une réduction du chromatisme et en vue d'exploiter des différences de certaines caractéristiques de la fluorine et de la silice qui, par compensations, peuvent conduire à la réduction ou à l'annulation de certains défauts. Toutefois, ces objectifs connus sont d'un coût très élevé et il existe un souhait pressant des utilisateurs pour disposer d'un objectif sensiblement aussi performant, mais d'un coût moindre. Ce souhait n'a pas pu être satisfait jusqu'à présent. Le but de l'invention est précisément de proposer une solution au problème qui se pose, de manière à rendre disponible un objectif de microlithographie qui, tout en ayant sensiblement les mêmes performances optiques que les objectifs actuels, soit d'un coût sensiblement moindre. A cette fin, il est proposé un objectif de projection pour appareil de projection optique de microlithographie fonctionnant avec un rayonnement d'une longueur d'onde de sensiblement 193 nm, ledit objectif comportant une multiplicité de lentilles dont au moins certaines sont constituées en silice, lequel objectif, étant agencé conformément à l'invention, se caractérise en ce que toutes les lentilles sont constituées en silice. Certes, la mise en oeuvre des dispositions de l'invention conduit à un objectif ayant des performances optiques légèrement amoindries, notamment pour ce qui concerne le défaut de chromatisme. Toutefois, cette réduction des performances optiques, que l'on peut certes mettre en évidence de façon théorique par le calcul, reste en pratique, dans les 4 2866439 conditions d'utilisation de l'objectif, peu sensible. Le gain de qualité associé à l'emploi de lentilles en fluorine semble donc d'autant plus illusoire en pratique qu'il n'apparaît que lorsque plus de la moitié des lentilles (et notamment les plus grandes) sont concernées. Le gain en performances apparaît donc tout théorique si l'on considère la contribution de facteurs non maîtrisés: homogénéité de la matière (le flux lumineux a au moins 200 à 300 nm de fluorine à traverser), sensibilité de l'indice à la température, effet de bifringence dû à la nature cristalline du matériau qui rend l'objectif sensible à l'état de polarisation de la lumière incidente. Par ailleurs, la mise en oeuvre exclusive de lentilles en silice conduit à un usinage et un polissage plus facile et plus rapide des lentilles; le coût de la matière première est notablement plus faible; enfin la bande spectrale de l'objectif ainsi constitué reste suffisamment proche du monochromatique. De plus, il est possible de constituer les objectifs conformes à l'invention avec un nombre relativement moindre de lentilles (typiquement inférieur à 25 et en pratique de 22 à 25) et un nombre moindre de surfaces asphériques (0 à 3). En définitive, la perte, relativement peu sensible, de qualité optique due à l'abandon des lentilles en fluorine apparaît comme acceptable face à l'économie financière globale considérable obtenue avec les objectifs agencés selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de certains exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement illustratif, en regard du dessin annexé sur lequel les figures 1 à 3 sont des représentations 2866439 schématiques de respectivement trois objectifs microlithographiques agencés selon l'invention. L'objectif pour appareil de microlithographie conforme à l'invention est conçu pour satisfaire les 5 paramètres fonctionnels suivants: Rapport de grandissement 1:4 Distance objet-image 1 200 mm Ouverture Numérique image 0,75 NA Longueur d'Onde (Laser Eximer ArF) 193,368 nm Distorsion Plusieurs exemples de réalisation d'un tel objectif sont donnés ci-après. Ces exemples s'accompagnent de tableaux de valeurs numériques, exprimées en millimètres; dans la colonne "épaisseurs", la valeur mentionnée en regard de chaque lentille donne l'épaisseur de cette lentille tandis que la valeur indiquée dans les interlignes donne la distance, selon l'axe optique, entre les faces en regard de deux lentilles consécutives. Les valeurs des rayons de courbure des faces frontales sont comptées positivement pour les faces 6 2866439 convexes et négativement pour les faces concaves, et les valeurs des rayons de courbure des faces arrière sont comptées négativement pour les faces convexes et positivement pour les faces concaves. Pour établir une relation plus claire entre chaque valeur mentionnée du rayon de courbure et la forme géométrique de la face de la lentille visible sur la figure correspondante, on a affecté chaque valeur du rayon de courbure d'un indice CX pour une face convexe et CC pour une face concave. EXEMPLE 1 L'objectif ll illustré sur la figure 1 du dessin annexé comporte 23 lentilles désignées respectivement et à la suite par L1 à L23, un diaphragme D disposé entre les lentilles L16 et L17, et trois surfaces asphériques désignées par A(1), A(2) et A(3) respectivement prévues sur les faces arrière les lentilles L3, L5 et L9. O et I désignent respectivement l'objet et l'image de celui-ci formée par l'objectif. Conformément à l'invention, toutes les lentilles Ll à L23 sont constituées en silice. Les caractéristiques de l'objectif 11 sont les suivantes. 7 2866439 n de Rayon de courbure Diamètre d'ouverture l'élément frontal arrière Epaisseur frontal arrière Objet INFINI 60.0000 _ INFINI -1022.2151 CX 16.7699 116.6080 120.2555 L1 0.7000 L2 133.8897 CX -452.4981 CX 34.9522 125.9800 123.1562 14.6538 L3 -994.3895 CC A(1) 13. 0000 115.1869 108.4722 25.8144 L4 -129.2606 CC 419.1567 CC 13.0000 108. 6697 120.6302 24.6003 L5 -108.5649 CC A(2) 16.8983 121.9423 155.0787 25. 5603 L6 -843.2085 CC -166.5520 CX 50.9733 200.0065 218.3363 0.7000 L7 3873.5989 CX -270.1608 CX 51.1809 255.3374 262.6863 0.7000 L8 936.2622 CX -423.4471 CX 46.8992 270.0726 270.0811 0.7000 L9 155.3415 CX A(3) 64. 4040 238.8354 223.9187 0.7000 L10 224.8287 CX 110.7612 CC 24.1082 198. 6438 156.1630 29.7681 L11 762.3976 CX 118.8514 CC 13.6904 154.7276 134. 4546 31.5423 L12 -248.4859 CC 381.6406 CC 27.0593 133.9911 134.3932 48. 2191 L13 -123.9361 CC 467.6196 CC 16.6074 138.9731 166.1388 8.4620 L14 7439.184 CX -221.9699 CX 42.3407 168.2142 184.9525 0.7000 L15 -396. 123 CC -246.7822 CX 24.5876 191.3060 200.6359 0.7000 L16 565.424 CX -688. 4848 CX 60.0000 216.1900 222.4202 39.7922 Diaphragme 223.1841 3.6943 L17 1108.5408 CX -792.2659 CX 60.0000 225.9550 227.7643 0.7000 L18 285. 4662 CX 2956.6563 CC 36.8602 229.1385 224.9054 34.9255 L19 -216.6595 CC - 228.0001 CX 22.0000 224.3042 228.6558 10.2991 L20 225.7542 CX 615.8340 CC 31.7476 204.6470 195.7750 3.7200 L21 153.6644 CX 256.6345 CC 31. 0142 177.6683 162.2329 5.8884 L22 119.2532 CX 451.2822 CC 34.7259 143. 0144 123.6532 5.7056 L23 36422.5959 CX INFINI 55.2176 120.2594 59.7296 Distance de l'image = 16.0000 8 2866439 CONSTANTES ASPHERIQUES: A( 1) C = 0.00819429 K = 0.000000 A = -4.72453E-08 B = 1.18494E-12 C = 3.37986E-16 D = -1.25132E-19 E = 2.11554E-23 F = -1.98724E-27 G = -6.19457E-31 A( 2) C = -0.00211967 K = 0.000000 A = 8.78884E-08 B = -1.89764E-12 C = -1. 79410E-16 D = 2.76724E-20 E = -1.29728E-24 F = 5.05602E-29 A( 3) C = 0. 00046134 K = 0.000000 A = 2.73859E-08 B = -4.18413E-13 C = 1.49647E-17 D = -8.78896E-22 E = 4.71610E-26 F = -1.67117E-30 G = 2.67356E-35 LONGUEUR D'ONDE DE REFERENCE =193.368 nm OUVERTURE (NA) = 0.75 9 2866439 EXEMPLE 2 Dans cet exemple, l'objectif 12 illustré à la figure 2 est constitué de 22 lentilles, toutes en silice, désignées respectivement et à la suite Li à L22. Un diaphragme D est prévu entre les lentilles L15 et L16. Deux surfaces asphériques A(1) et A(2) sont prévues sur les faces arrière des lentilles L3 et L10 respectivement. Les caractéristiques de l'objectif 12 sont les suivantes. 2866439 n de Rayon de courbure Diamètre d'ouverture l'élément frontal arrière Epaisseur Frontal Arrière Objet INFINI 68.2206 L1 INFINI -561.5501 CX 18.4043 119.8226 123.4786 0.7000 L2 178.7053 CX - 741.4773 CX 29.4408 127.5473 125.8334 0.7000 L3 220.2813 CX A(1) 30. 3391 122.4906 108.6426 23.2487 L4 -205.0803 CC 204.3237 CC 14.0000 108. 6490 114.5002 24.7673 L5 -118.2056 CC -2085.4908 CX 15.0000 115.5552 140. 0276 27.3108 L6 -107.1598 CC -149.4724 CX 24.0836 142.2034 176.7643 0. 7489 L7 -612.4807 CC -179.2818 CX 46.1071 210.0619 226.0794 0.7000 L8 1117.3314 CX -344.1017 CX 50.5764 264.7415 270.5612 0.7000 L9 264.8361 CX 6298.3306 CC 53.5304 280.0000 274.7855 0.7000 L10 372.6593 CX A(2) 38. 0993 262.6144 253.2763 30.7867 L11 250.9651 CX 118.6664 CC 65.8923 206. 8764 145.4046 36.3152 L12 -268.5646 CC 189.1955 CC 15.0262 144.5103 138. 9519 63.7419 L13 -146.1040 CC 505.4317 CC 24.7206 145.7310 173.4148 11. 5833 L14 -2204.6462 CC -258.0289 CX 44.8374 176.2281 196.3474 0.7000 L15 2097.5155 CX -369.5041 CX 34.1295 212.1716 218.0143 50.0120 Diaphragme 233.6815 0.7000 L16 634.6054 CX -640.7179 CX 37.7214 239. 1916 240.2000 1.0423 L17 359.9827 CX -11486.8185 CX 36.4395 241.2578 238. 2015 35.7585 L18 -220.0139 CC -233.4838 CX 26.4592 237.6987 244.4906 0. 9927 L19 248.1230 CX 750.3767 CC 35.2812 225.8569 217.1330 26.2056 L20 163.8236 CX 344.7340 CC 32.7237 184.5766 170.7938 12.1406 L21 115. 3539 CX 382.2148 CC 34.1355 140.7963 121.2252 6.2744 L22 27864.5695 CX INFINI 53.0031 117.8339 59.7391 Distance de l'image = 16.000 Image INFINI 23.3999 11 2866439 CONSTANTES ASPHERIQUES A(1) A = -4.46780E-08 B = -1.92836E-12 C = -2.39121E-16 D = 4.46531E-20 E = 1. 83455E-23 F = -1.19181E-26 G = 1.72976E-30 A(2) A = 1.98546E-08 B = -2. 66190E-13 C = 5.80051E-18 D = -1.51349E-22 E = 5.11350E-27 F = -1.31121E31 G = 1.42869E-36 EXEMPLE 3 Dans cet exemple, l'objectif 13 illustré à la figure 3 est constitué de 25 lentilles, toutes en silice, désignées respectivement et à la suite L1 à L25. Un diaphragme est disposé entre les lentilles L18 et L19. Cet objectif se distingue par le fait qu'il ne présente pas de surface asphérique et que les lentilles sont toutes à surfaces sphériques. Les caractéristiques de cet objectif sont les suivantes. 12 2866439 n de Rayon de courbure Diamètre d'ouverture l'élément frontal arrière Epaisseur frontal arrière Objet INFINI 60.0000 L1 INFINI 345.9821 CC 13.0000 116.6945 121.1721 17.2169 L2 227.7302 CX - 286,1183 CX 33.5019 134.7722 136.8610 0.7000 L3 144.7007 CX 9219.2862 CC 31.5805 135.3741 129.3101 0.7000 L4 238.4520 CX 117.3192 CC 12. 0000 123.7721 112.7544 27.3380 L5 -198.8358 CC 161.8355 CC 12.0000 111. 0097 110.8308 11.9814 L6 570.5480 CX 271.9910 CC 12.0000 112.9507 115. 9391 9.4154 L7 963.7261 CX 199.5135 CC 12.0000 118.8504 125.2536 35.8838 L8 -112.6315 CC -447.6141 CX 12.0000 130.4268 160.2455 15.3143 L9 -213. 8368 CC -159.6012 CX 29.1562 169.4646 190.8256 0.7000 L10 -3625.6866 CC - 226.8402 CX 49.1654 233.1156 245.3694 0.7000 L11 1219.7362 CX -410.3315 CX 46.3177 271.0829 275.2237 0.7000 L12 456.2607 CX -1007.4043 CX 45. 8806 276.9772 273.9444 0.7000 L13 295.9277 CX 995.3441 CC 36.2888 254. 9844 245.2556 4.7461 L14 188.2601 CX 118.6146 CC 50.5463 216.8849 164. 1950 45.9366 L15 -411,1320 CC 176.6466 CC 13.0000 160.7602 150.7319 41. 0141 L16 -159.0820 CC 327.4696 CC 23.8984 151.2675 175.6173 19.6843 L17 - 1535.5080 CC -301.0933 CX 69.1918 181.7699 220.9023 0.7000 237.3414 0. 7000 L18 874.7104 CX -360.1615 CX 45.8955 244.3717 249.6327 0.7000 Diaphragme 250.2351 5.5237 L19 335.1842 CX -10045.2369 CX 41.6886 258. 2733 255.9090 28.8558 L20 239.7471 CX 179.2644 CC 16.2271 246.7075 233. 9946 33.0799 L21 420.8278 CX -650.1981 CX 42.2383 234.8510 233.0146 0. 7000 L22 163.1397 CX 304.9166 CC 37.4238 212.3422 199.9294 1.3145 L23 153. 5100 CX 186.3228 CC 47.1002 185.6950 150.5177 14.5011 L24 118.3321 CX 176. 3587 CC 30.2333 128.5659 104.3715 14.0418 L25 295.3947 CX INFINI 28. 7004 87.8903 60.0036 Distance de l'image = 16.1174 IMAGE INFINI 23.3995 13 2866439 REVENDICATIONS 1. Objectif de projection (11, 12, 13) pour appareil de projection optique de microlithographie fonctionnant avec un rayonnement d'une longueur d'onde de sensiblement 193 nm, ledit objectif comportant une multiplicité de lentilles (L1, L2, ...) dont au moins certaines sont constituées en silice, caractérisé en ce que toutes les lentilles (L1, L2, ...) constitutives de l'objectif sont constituées en silice. 2. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre des lentilles (L1, L2, ...) est compris entre 22 et 25. 3. Objectif selon la revendication 2, caractérisé 15 en ce que le nombre des surfaces asphériques (A1, A2, ...) prévues sur certaines lentilles est compris entre 0 et 3.