ОБЪЕКТИВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА С ТУБУСОМ БЕСКОНЕЧНОСТЬ

Предполагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована 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≥0,9÷0,95;
- фокусное расстояние более 10-15 мм;
- «тубус - бесконечность», т.е. изображение объекта находится в бесконечности;
- передний рабочий отрезок S≥o,2f', где f' - фокусное расстояние объектива;
- телецентрический ход лучей в пространстве объекта, характеризуемый величиной σ - отклонением главных лучей от направления, параллельного оптической оси;
- линейное поле объектива 2Y≥0,2÷0,3f';
- дисторсия - менее 5%;
Известны классические микроскопы с визуальным и фотоэлектрическим каналами регистрации, в которых используются объективы [1] с А≥0,9, с телецентрическим ходом лучей, тубусом - бесконечность.
Особенность всех объективов микроскопов - это малые значения фокусного расстояния. Так, например, - объектив 100×0,9 [2] с А=0,9 имеет фокусное расстояние f'=1,5 мм. Качество изображения соответствует дифракционному только для центра поля, а для краев поля оно существен-но ухудшается даже для объективов с план-коррекцией аберраций.
При этом: передний отрезок составляет S'≥f, а размер объекта 2Y≤0,1÷0,15f'.
Кроме того, если объектив пропорционально пересчитать на f'=10÷15 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], которая предназначена 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 мм 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:
- сложность многолинзовых конструкций,
- не обеспечено выполнение условия «тубуса - бесконечность».
Наиболее близким к заявленному техническому решению является объектив УФ-микроскопа, включающий семь линз, изготовленных из кварцевого стекла [7].
Объектив включает двояковогнутую линзу и две линзовые группы, первая из которых состоит из трех двояковыпуклых линз, а вторая включает не менее трех положительных менисков, обращенных вогнутостью к объекту.
Недостатки объектива, принятого за прототип, заключаются в том, что:
- дисторсия более 8%;
- реальный рабочий отрезок ~0,1f';
- телецентричность в пространстве объекта >5°;
- линейное поле - 0,2f',
- среднеквадратическая деформация волнового фронта ≥5λ;
- апертура - А≤0,9, что существенно снижает качество изображения.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является улучшение оптических параметров объектива за счет уменьшения дисторсии и увеличения телецентричности, т.е. угла σ, переднего отрезка и линейного поля, а также улучшение качества оптического изображения за счет уменьшения среднеквадратической деформации волнового фронта и увеличения апертуры.
Для решения поставленной задачи предложен объектив фотоэлектрического микроскопа для ультрафиолетовой области спектра с тубусом
бесконечность, который, как и прототип, содержит линзы из одного кварцевого стекла, состоящий из группы из не менее трех положительных менисков, обращенных вогнутостью к объекту, группы из трех двояковыпуклых линз и двояковогнутой линзы.
g
m
m
1
2
2
3
3
В отличие от прототипа объектив снабжен дополнительной трехлинзовой группой с отрицательной оптической силой - φ=-(0,25÷0,3)φ, где φ - оптическая сила всего объектива, установленной за двояковогнутой линзой, и мениском, установленным выпуклостью к плоскости объекта между группами из двояковыпуклых линз и положительных менисков, при этом оптическая сила мениска φ удовлетворяет условию φ=-(0,06÷0,08)φ, при этом группа из положительных менисков содержит четыре линзы, и имеет оптическую силу φ=(0,2÷0,25)φ, оптическая сила φ группы из трех двояковыпуклых линз удовлетворяет условию φ=(0,12÷0,18)φ, оптическая сила двояковогнутой линзы φ удовлетворяет условию φ=-(0,07÷0,09)φ, дополнительная трехлинзовая группа выполнена из двояковогнутой линзы, мениска, установленного вогнутостью к объекту и двояковыпуклой линзы, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
1g
φ=-(0,1÷0,13)φ
2g
φ=-(0,15÷0,19)φ
3g
φ=(0,02÷0,04)φ, где
1g
φ - оптическая сила двояковогнутой линзы,
2g
φ - оптическая сила мениска,
3g
φ - оптическая сила двояковыпуклой линзы.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, благодаря предлагаемой схеме выполнения объектива, состоящего из группы положительных менисков, дополнительного мениска, группы из трех двояковыпуклых линз, отрицательной двояковогнутой линзы и дополнительной группы линз достигается следующее.
1
Первая группа из четырех положительных менисков, близких к апланатическим, не вносящим сферическую аберрацию и кому, обеспечивают высокую апертуру объектива более 0,92. После прохождения через группу положительных менисков апертура уменьшается для последующих компонентов объектива в несколько раз, при этом оптическая сила группы из положительных менисков φ=(0,2÷0,25)φ.
m
2
2
Дополнительный мениск имеет отрицательную оптическую силу, удовлетворяющую условию φ=-(0,06÷0,08)φ и является корректором сферической аберрации и хроматизма. Группа линз, состоящая из двояковыпуклых линз, имеет оптическую силу φ, удовлетворяющую условию φ=(0,12÷0,18)φ, обеспечивает заданное значение фокусного расстояния всего объектива f'=1/φ и выполняет функции корректора астигматизма, вносимого группой линз из положительных менисков.
3
Двояковогнутая линза имеет оптическую силу φ=-(0,07÷0,09)φ и является корректором сферической аберрации.
g
Дополнительная трехлинзовая группа имеет отрицательную оптическую силу φ=-(0,25÷0,3)φ и обеспечивает увеличенный передний отрезок объектива до значения не менее 0,2f'. Она выполнена из двух отрицательной и одной положительной линз, образующих обратный телеобъектив. При этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
1g
φ=-(0,1÷0,13)φ
2g
φ=-(0,15÷0,19)φ
3g
φ=-(0,02÷0,04)φ,
Дополнительная трехлинзовая группа является корректором астигматизма и кривизны изображения всего объектива. '
В результате были достигнуты следующие показатели:
- дисторсия более 4,5%;
- реальный рабочий отрезок =0,2f';
- телецентричность в пространстве объекта ≤5';
- линейное поле =0,3f';
- среднеквадратическая деформация волнового фронта <1λ;
- апертура - А≤0,92.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива фотоэлектрического микроскопа для ультрафиолетовой области спектра с тубусом бесконечность, и Приложением, где приведены конструктивные параметры и оптические характеристики объектива.
Предлагаемый объектив фотоэлектрического микроскопа для ультрафиолетовой области спектра с тубусом бесконечность состоит из группы положительных менисков 1, 2, 3 и 4, дополнительного мениска 5, трехлинзовой группы, включающей двояковыпуклые линзы 6, 7 и 8, отрицательной двояковогнутой линзы 9 и дополнительной группы линз, состоящей из двух отрицательных линз 10 и 11 и положительной линзы 12.
Линзы объектива выполнены из одного кварцевого стекла.
g
Дополнительная трехлинзовая группа установлена за объективом и имеет отрицательную оптическую силу - φ=-(0,25÷0,3)φ, где φ - оптическая сила всего объектива.
m
m
Объектив дополнен мениском 5, установленным выпуклостью к плоскости объекта между группами из двояковыпуклых линз 6, 7 и 8 и положительных менисков 1, 2, 3 и 4, при этом оптическая сила мениска 5 - φ удовлетворяет условию φ=-(0,06÷0,08)φ.
1
Группа из положительных менисков 1, 2, 3 и 4 и имеет оптическую силу φ=(0,2÷0,25)φ.
2
2
Оптическая сила φ группы из трех двояковыпуклых линз 6, 7 и 8 удовлетворяет условию φ=(0,12÷0,18)φ.
3
3
Оптическая сила двояковогнутой линзы 9 - φ удовлетворяет условию φ=-(0,07÷0,09)φ.
Дополни тельная трехлинзовая группа выполнена из двояковогнутой линзы 10, мениска 11, установленного вогнутостью к объекту и двояковыпуклой линзы 12, при этом оптические силы линз удовлетворяют условию:
1g
10
φ=φ=-(0,1÷0,13)φz
2g
11
φ=φ=-(0,15÷0,19)φ
3g
12
φ=φ=-(0,02÷0,04)φ, где
Работа объектива осуществляется следующим образом.
Объект помещен на конечном расстоянии от первой поверхности объектива. Лучи, исходящие из точки объекта с апертурой А=0,92, последовательно проходят через линзы объектива и выходят параллельным пучком. Апертурная диафрагма помещена в переднем фокусе объектива между линзами 6 и 7, что обеспечивает параллельный ход главных лучей σ в пространстве объекта, т.е. телецентричность су, близкую к нулю.
Первые четыре линзы 1, 2, 3 и 4 объектива - положительные последовательно уменьшают входную апертуру А.
Линза 5 - дополнительный мениск, близкий к афокальному, выполняет функций корректора аберраций, группа из двояковыпуклых линз 6, 7 и 8 формирует промежуточное изображение объекта, которое совмещено с передним фокусом линз 9 и дополнительной группой линз 10, 11 и 12. В результате изображения объекта поле объектива проектируется в бесконечность.
В Приложении проведены конструктивные параметры объектива и графики ЧКХ, астигматизма и дисторсии.
Таким образом, в предлагаемом объективе фотоэлектрического микроскопа для ультрафиолетовой области спектра с тубусом бесконечность достигнуто улучшение его параметров, в частности уменьшены дисторсия в два раза до 4-5% и телецентричность до значений не более 5-10', увеличение переднего отрезка и линейного поля в 1,5-2 раза, улучшение качества оптического изображения за счет уменьшения
среднеквадратической деформации волнового фронта до величин, меньших 1λ и увеличения амплитуды до 0,92-0,95.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская федерация, авторское свидетельство №1509800, МПК: G 02 В 21/02, 1989 г.
2. Российская Федерация, патент на полезную модель №37239, МПК: G 02 В 21/02, 2004 г.
3. США, патент №5930032, МПК: G 02 В 13/14, 1999 г.
4. США, патент №6714280, МПК: G 02 В 13/14, 2002 г.
5. США, патент №6788471, МПК: G 03 F 7/20, 2003 г.
6. США, патент №6646718, МПК: G 02 В 3/14, G 02 B 13/14, 2003 г.
7. США, патент №5440422, МПК: 7 G 02 B 13/14; G 02 B 21/02, 08.08.1995 г. - прототип.