CS256115B1

CS256115B1 - Four-branch condenser optical system

Info

Publication number: CS256115B1
Application number: CS86714A
Authority: CS
Inventors: Jiri Prueckner
Original assignee: Jiri Prueckner
Priority date: 1986-02-03
Filing date: 1986-02-03
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS71486A1

Abstract

Čtyřvětvovou kondenzorovou optickou soustavou je zajišťována vysoká koncentrace světla a rovnoměrnost osvětlení v předmětové rovině objektivu zejména kamery pro přímou expozici křemíkového substrátu. Sestává ze světelného zdroje, čtyřbokého odrazného jehlanu, matnice a je připojena k objektivu, mezi něž jsou zařazeny jednotlivé optické lámavé členy, interferenční filtry a rovinná zrcadla. Optická dráha mezi světelným zdrojem a čtyřbokým odrazným jehlanem je rozdělena do čtyř samostatných shodně uspořádaných větví a vůči sobě pootočených vždy o 90°. Soustava poskytuje dobrý energetický výkon. Průměr osvětlené plochy v předmětové rovině objektivu je měnitelný, stejně jako stupeň zaplnění vstupní pupily objektivu. Soustava zajišťuje justáž polohy světelného zdroje bez potřeby dalšího optického justážního systému. 'The four-branch condenser optical system ensures high light concentration and uniformity of illumination in the object plane of the lens, especially of cameras for direct exposure of a silicon substrate. It consists of a light source, a tetrahedral reflecting pyramid, a focusing screen and is connected to the lens, between which individual optical refractive elements, interference filters and plane mirrors are included. The optical path between the light source and the tetrahedral reflecting pyramid is divided into four separate identically arranged branches and each rotated by 90° relative to each other. The system provides good energy performance. The diameter of the illuminated area in the object plane of the lens is variable, as is the degree of filling of the lens entrance pupil. The system ensures adjustment of the position of the light source without the need for an additional optical adjustment system. '

Description

Vynález řeší vzájemné uspořádání jednotlivých optických členů čtyřvětvové kondenzorové optické soustavy se čtyřbokým odrazným jehlanem, zajištující vysokou koncentraci světla a rovnoměrné osvětlení předmětové roviny objektivu monochromatickým světlem při expozici mikrostruktur.The invention solves the mutual arrangement of individual optical members of a four-branched condenser optical system with a four-sided reflective pyramid providing high light concentration and uniform illumination of the object plane of the objective by monochromatic light when exposed to microstructures.

Kondenzorové optické soustavy se používají při expozici mikrostruktur v kameře pro přímou expozicí křemíkového substrátu. Do předmětové roviny objektivu se vkládá skleněná podložka s chromovou vrstvou, na které je fotolitograficky zhotoven např. motiv jedné z vrstev integrovaného obvodu. Tento motiv se opakovaně zobrazuje objektivem o vysoké rozlišovací schopnosti do obrazové roviny objektivu, např. na křemíkový substrát, opatřený fotocitlivým lakem. Vzhledem k vysoké spektrální citlivosti používaných fotolaků je nutné dodržet rovnoměrnost osvětlení chromové předlohy v předmětové rovině objektivu s přesností -2,5 %. Další požadavek na kondenzorovou optickou soustavou vyplývá z použitého objektivu. Aby objektiv zobrazil i struktury na hranici fyzikální rozlišovací schopnosti světla, je nutné zajistit osvětlení předmětové roviny objektivu monochromatickým světlem o definované vlnové délce a současně musí kondenzorová optická soustava vyplnit vstupní pupilu objektivu sekundárním světelným zdrojem pro zachování zobrazovacích vlastností objektivu. Požadavek na maximální energetickou účinnost kondenzorové optické soustavy vyplývá z nutnosti minimalizace času, potřebného k exponování fotocitlivého laku na křemíkovém substrátu, protože k expozici dochází přibližně 3 000 x za hodinu.Condenser optical systems are used to expose microstructures in a camera for direct exposure to a silicon substrate. A glass mat with a chrome layer is inserted into the object plane of the objective, on which a motif of one of the layers of an integrated circuit is made photolithographically. This motif is repeatedly imaged by a high resolution lens in the image plane of the lens, for example on a silicon substrate provided with a photosensitive lacquer. Due to the high spectral sensitivity of the used photo-paints, it is necessary to maintain uniformity of illumination of the chrome original in the objective plane of the lens with an accuracy of -2.5%. A further requirement for a condenser optical system results from the lens used. In order for the lens to display structures at the boundary of the physical resolution of light, it is necessary to provide illumination of the objective plane of the lens with monochromatic light of a defined wavelength, and at the same time the condenser optical system must fill the lens input pupil with The requirement for maximum energy efficiency of the condenser optical system results from the need to minimize the time required to expose the photosensitive lacquer to the silicon substrate, since the exposure occurs approximately 3,000 times per hour.

Doposud se kondenzorové optické soustavy řešily dvěma způsoby. Podstatným rysem prvého způsobu je použití světlovodu resp. vláknového svazku, který má čtyři vstupní plochy a jednu plochu většího průměru jako výstupní. Tento systém zaručuje rovnoměrné vyplnění vstupní pupily objektivu, ale neumožňuje plynulou změnu stupně zaplnění vstupní pupily objektivu.So far, condenser optical systems have been solved in two ways. An essential feature of the first method is the use of a light guide, respectively. a fiber bundle having four inlet surfaces and one larger diameter surface as the outlet. This system ensures that the lens input pupil is evenly filled, but does not allow for a gradual change in the fill level of the lens input pupil.

Druhý způsob se vyznačuje především použitím osmibokého odrazného jehlanu. Toto řešení zaručuje sice požadovanou rovnoměrnost osvětlení, avšak je složitější jak po stránce použitých optických dílů, tak i z hlediska mechanické konstrukce. Při obou způsobech potom dochází též ke ztrátám světla, bud ve světlovodu, nebo při odrazu na stěnách osmistěnu, kde se vzhledem k daným geometrickým poměrům neodrazí celý dopadající svazek světla.The second method is characterized in particular by the use of an octagonal reflective pyramid. This solution guarantees the required uniformity of illumination, but it is more complicated both in terms of the optical components used and in terms of mechanical design. In both methods, there is also a loss of light, either in the light guide, or when reflected on the octahedron walls, where the entire incident beam is not reflected due to the given geometric conditions.

Popsané nevýhody odstraňuje čtyřvětvové kondenzorová optická soustava, uspořádaná podle tohoto vynálezu, která sestává ze skříňového télesa, v jehož svislé ose jsou umístěny jednak vertikálně posuvný světelný zdroj a jednak vertikálně posuvný čtyřboký odrazný jehlan, kolem nichž jsou uspořádány optické lámavé a odrazné členy a za nimi v optické ose je jednak pozorovací matnice a jednak připojený objektiv. Její podstatou je to, že kolem světelného zdroje jsou ve vzájemně vždy o 90° podle, svislé osy světelného zdroje pootočených polorovinách uspořádány čtyři shodně vytvořené větve kondenzorové optické soustavy a nad světelným zdrojem je v jeho svislé ose umístěn čtyřboký odrazný jehlan tak, že hrany jeho podstavy jsou kolmé vždy na jednu z tvarovaných optických os jednotlivých větví kondenzorové optické soustavy.The above-described disadvantages are overcome by the four-branched condenser optical arrangement according to the present invention, which consists of a box body in which a vertical displaceable light source and a vertically displaceable quadrilateral reflective pyramid are arranged in the vertical axis. the optical axis contains both the observation screen and the attached lens. Its essence is that around the light source there are in each case 90 ° according to the vertical axis of the light source rotated half-planes arranged four equally formed branches of the condenser optical system and above the light source is placed a rectangular reflecting pyramid in its vertical axis. the bases are always perpendicular to one of the shaped optical axes of the individual branches of the condenser optical system.

Nad čtyřbokým odrazným jehlanem jsou umístěny jednak třetí zrcadlo a jednak ve směru odražených paprsků jednak odklopné zrcadlo, nad nímž je čtvrtá bikonvexní spojka s matnicí, jednak čtvrté zrcadlo, za nímž ve směru odražených paprsků jsou uspořádány postupně aplanát, druhý záporný meniskus, třetí bikonvexní spojka a objektiv. Dále je podstatné to, že v optické ose první, druhé, třetí i Čtvrté větve kondenzorové optické soustavy jsou uspořádány postupně první kladný meniskus, první záporný meniskus, první bikonvexní spojka, interferenční filtr, první zrcadlo a ve směru odražených paprsků druhá bikonvexní spojka, druhé zrcadlo a ve směru odrážených paprsků plankonvexní spojka.Above the quadrilateral reflection pyramid there are placed a third mirror and in the direction of reflected rays a tilting mirror, above which is a fourth biconvex clutch with a focusing screen, and a fourth mirror with successive applants arranged in the reflected rays. and lens. Furthermore, it is essential that the first positive meniscus, the first negative meniscus, the first biconvex connector, the interference filter, the first mirror, and the second biconvex connector in the direction of the reflected beams are sequentially arranged in the optical axis of the first, second, third and fourth branches of the condenser optical system. mirror and in the direction of reflected rays planconvex clutch.

Výhodou takto uspořádané čtyřvětvové kondenzorové optické soustavy je zejména velmi dobrý energetický výkon, asi o 15 % vyšší, než u dosavadních řešení. Energetické ztráty je možné snižovat také změnou polohy druhých bikonvexních spojek a plankonvexních spojek a měnit tak průměr osvětlené plochy v předmětové rovině objektivu v rozmezí -20 %. Stupeň zaplnění vstupní pupily objektivu sekundárním světelným zdrojem lze měnit vertikálním posuvem jak čtyřbokého odrazného jehlanu, tak i světelného zdroje, a ovlivňovat tak kvalitu zobrazovacích vlastností objektivu. K justáži polohy světelného zdroje je využit obraz sekundárního světelného zdroje, není tedy nutný žádný další justážní optický systém.The advantage of such a four-branched condenser optical system is especially very good power output, about 15% higher than the previous solutions. Energy losses can also be reduced by changing the position of the second biconvex and planconvex couplings, changing the illuminated area diameter in the objective plane of the lens within -20%. The degree of occupancy of the objective input pupil by the secondary light source can be varied by vertically displacing both the quadrilateral reflector and the light source, thus affecting the quality of the imaging properties of the lens. The image of the secondary light source is used to adjust the position of the light source, so no further adjustment optical system is required.

Konkrétní příklad čtyřvětvové kondenzorové optické soustavy, jejíž optické členy jsou uspořádány podle tohoto vynálezu, je nakreslen na přiložených výkresech, na nichž znázorňuje: Obr. 1 optické schéma v nárysu, kde pro vyšší přehlednost jsou zakresleny pouze první a třetí větev soustavy. Druhá a čtvrtá větev leží v rovině kolmé na nárysu, vedené osou světelného zdroje a obr. 2 zachycuje půdorys čtyřbokého odrazného jehlanu, kde současně je do tohoto půdorysu promítnut i sekundární světelný zdroj ve tvaru kříže.A particular example of a four-branched condenser optical system whose optical members are arranged in accordance with the present invention is illustrated in the accompanying drawings, in which: FIG. 1 shows an optical diagram in front view, where for the sake of clarity only the first and third branches of the system are plotted. The second and fourth branches lie in a plane perpendicular to the front view taken along the axis of the light source and FIG. 2 shows a plan view of a quadrilateral reflecting pyramid, where a secondary cross-shaped light source is also projected into this plan view.

Jako světelný zdroj 1_ slouží rtutová výbojka 350 W, která je vertikálně posuvná a kolem níž jsou ve vzájemně vždy o 90° podle její svislé osy pootočených polorovinách uspořádány čtyři shodně vytvořené větve 23, 2 3a, 24, 24a kondenzorové optické soustavy a nad rtuíovou výbojkou je v její svislé ose umístěn vertikálně posuvný čtyřboký odrazný jehlan 10 tak, že hrany jeho podstavy jsou kolmé vždy na jednu z tvarovaných optických os jednotlivých větví 23, 23a, 24, 24a kondenzorové optické soustavy.The light source 1 is a mercury discharge lamp 350 W which is vertically displaceable and around which are arranged four mutually formed branches 23, 23a, 24a, 24a of the condenser optical system and above the mercury discharge lamp in each case by 90 ° relative to its vertical axis of rotated half-planes. a vertically displaceable quadrilateral reflector 10 is disposed in its vertical axis so that the edges of its base are perpendicular to one of the shaped optical axes of the individual branches 23, 23a, 24, 24a of the condenser optical system.

Nad čtyřbokým odrazným jehlanem 10 jsou umístěny třetí zrcadlo 12 a ve směru odražených paprsků jednak odklopné zrcadlo 20, nad nímž je čtvrtá bikonvexní spojka 21 s matnicí 22, jednak čtvrté zrcadlo 13, za nímž ve směru odražených paprsků jsou uspořádány postupně aplanát 14, druhý záporný meniskus 15, třetí bikonvexní spojka 16 a objektiv 25. V optické ose první 23, druhé 23a, třetí 24 i čtvrté větve 24a kondenzorové optické soustavy jsou uspořádány postupně první, kladný meniskus 2' první záporný meniskus 3, první bikonvexní spojka 4_, interferenční filtr _5, první zrcadlo 6 a ve směru odražených paprsků druhá bikonvexní spojka T_, druhé zrcadlo 8 a ve směru odražených paprsků plankovexní spojka 2·Above the quadrilateral reflection pyramid 10 are located a third mirror 12 and in the direction of reflected beams a tilting mirror 20, above which is a fourth biconvex clutch 21 with a matrix 22 and second mirror 13, behind which in the reflected beam direction meniscus 15, third biconvex connector 16 and lens 25. In the optical axis of the first 23, second 23a, third 24, and fourth branches 24a of the condenser optical system are sequentially arranged first, positive meniscus 2 'first negative meniscus 3, first biconvex connector 4, interference filter 5, a first mirror 6 and a second biconvex connector T in the reflected direction, a second mirror 8 and a plankovex connector 2 in the reflected direction.

Shodně uspořádané první větev 23, druhá větev 23a, třetí větev 24 a čtvrtá větev 24a kondenzorové optické soustavy ze čtyř stran obklopují vertikálně posuvný světelný zdroj _1 - rtufovou výbojku 350 W - a sbírají asi 80 % vyzařované energie. Svazek světla vstupuje do prvního kladného menisku 2 pod úhlem -35° a lámavá soustava prvního kladného menisku 2_, prvního záporného menisku 2 ^a první bikonvexní spojky _4 oblouk světelného zdroje 1_ promítá do nekonečna. Do interferenčního filtru _5 vstupuje světlo s divergencí -4°, vlastně tedy rovnoběžně s optickou osou, čímž je splněna podmínka pro dobrou funkci interferenčního filtru 2^ který vymezí vlnovou délku světla.Identically arranged first strand 23, second strand 23a, third strand 24, and fourth strand 24a of the condenser optical system from four sides surround a vertically displaceable light source 1 - a 350 W rifle lamp - and collect about 80% of the radiated energy. The beam of light enters the first positive meniscus 2 at an angle of -35 ° and the refracting system of the first positive meniscus 2, the first negative meniscus 2 ^{and the} first biconvex connector 4 projects the arc of the light source 1 to infinity. The interference filter 5 enters light with a divergence of -4 °, in fact parallel to the optical axis, thus fulfilling the condition for the good functioning of the interference filter 2 which defines the wavelength of light.

Druhá bikonvexní spojka J_ a plankonvexní spojka 2 převedou téměř rovnoběžné paprsky na paprsky sbíhavé s úhlem -7°, tedy přenesou obraz světelného zdroje 2 ^z nekonečna do reálné vzdálenosti, přičemž změnou polohy obou těchto lámavých členu lze korigovat úhel sbíhavých paprsků i polohu obrazu světelného zdroje 2· První zrcadlo 2 ^a druhé zrcadlo 2 slouží pouze ke tvarování optické cesty. Takto vznikne v první větvi 23, druhé větvi 23a, třetí větvi 24 i ve čtvrté větvi 24a kondenzorové optické soustavy po jednom obrazu světelného zdroje 2· Sloučením těchto obrazů pomocí vertikálně posuvného čtyřbokého odrazného jehlanu 10 je získán sekundární světelný zdroj 11 v rovině kolmé na svislou osu čtyřbokého odrazného jehlanu 10, proložené jeho vrcholem. Sekundární’ světelný zdroj 11 má tvar kříže, jehož ramena jsou složena z obrazů oblouku světelného zdroje 2 výbojky.The second biconvex connector 1 and the planconvex connector 2 convert almost parallel beams to convergent beams at an angle of -7 °, thus transmitting the image of the light source 2 ^from infinity to real distance. 2 · The first mirror 2 ^{and the} second mirror 2 serve only to shape the optical path. Thus, a first light source 2 is formed in the first strand 23, the second strand 23a, the third strand 24, and the fourth strand 24a of the condenser optical system by one image of the light source 2. By combining these images with a vertically displaceable quadrilateral reflection pyramid 10 the axis of the tetrahedral bouncing pyramid 10 intersected by its apex. The secondary light source 11 has the shape of a cross whose arms are composed of images of the arc of the light source 2 of the lamp.

Sekundární světelný zdroj 11 se promítá přes další lámavé členy, tj. přes aplanát 14, druhý záporný meniskus 15 a třetí bikonvexní spojku 16 do vstupní pupily 18 objektivu 25, přičemž zajištuje rovnoměrné osvětlení -2 % v předmětové rovině 17 objektivu 25 na ploše o průměru 145 mm. Druhé zrcadlo 2 í^e nastaveno tak, že optickou dráhu neláme v pravém úhlu, nýbrž v úhlu o 0,8° větším. Potom osy světelných kuželů, vycházejících ze sekundárního světelného zdroje 11, nejsou rovnoběžné, ale protínají se ve středu předmětové roviny 22 - 2 objektivu 25. Energetický výkon činí 3,5 mW.cm který je měřen v predmetove rovině 17 objektivu 25 v čáře 436 nm. Třetí zrcadlo 12 a čtvrté zrcadlo 13 slouží opět pouze k úpravě geometrie optické dráhy. Pro minimalizaci světelných ztrát, vznikajících pohlcováním energie při průchodu světla lámavými členy, jsou všechny lámavé členy vyrobeny výhodně z křemenného skla.The secondary light source 11 projects through the other refracting members, i.e. through the aperture 14, the second negative meniscus 15 and the third biconvex connector 16 into the input pupil 18 of the lens 25, providing a uniform illumination of -2% in the object plane 17 of the lens 25 on 145 mm. The second mirror s 2 ^e is set so that it does not break the optical path at a right angle, but at an angle of 0.8 ° higher. Then, the axis of the light beams exiting the secondary light source 11 are not parallel, but intersect at the center of the object plane 22-2 of the lens 25. The power output is 3.5 mW.cm measured at the object plane 17 of the lens 25 at a line of 436 nm. . Again, the third mirror 12 and the fourth mirror 13 serve only to adjust the geometry of the optical path. In order to minimize the light loss due to energy absorption as light passes through the refracting members, all the refracting members are preferably made of quartz glass.

Při justáži zdroje _1 tj. rtutové výbojky - lze do optické cesty zařadit odklopné zrcadlo 20 a čtvrtou bikonvexní spojkou 21 zobrazit sekundární světelný zdroj 11 na matnici 22, na které je možné potom pozorovat polohu nastavení světelného zdroje _1.When adjusting the source 1, ie the mercury vapor lamp, it is possible to include in the optical path a tilting mirror 20 and a fourth biconvex connector 21 to display a secondary light source 11 on the matrix 22, whereupon the position of the light source 1 can be observed.

Ctyřvětvová kondenzorová optická soustava kromě využití u kamery pro přímou expozici křemíkového substrátu se může uplatnit také při fotolitografickém zhotovování lineárních a rotačních odměřovacích rastů, jakož i v různých optických kopírovacích a projekčních zařízeních.The four-branch condenser optical system can also be used in photolithographic production of linear and rotational metering growths, as well as in various optical copying and projection equipment, in addition to being used in a camera for direct exposure to a silicon substrate.

Claims

object of the invention

1. A four-branched condenser optical system for high light concentration and uniform illumination of the objective plane of the objective by monochromatic light when exposed to microstructures, consisting of a box body, in the vertical axis of which both a vertically displaceable light source and vertically displaceable quadrilateral reflector are arranged. optical refracting and reflecting elements and behind them in the optical axis are both observation screen and lens, characterized in that four identical constructions are arranged around the light source (1) at 90 ° to each other along the vertical axis of the light source (1) a branch (23, 23a, 24, 24a) of the condenser optical system and above the light source (1) is located in its vertical axis a quadrilateral reflector (10) so that the edges of its base are perpendicular to one of the shaped optical axes of each branch ( 23, 23a, 24, 24a) ndensor optical system, wherein a third mirror (12) is located above the quadrilateral reflector (10) and in the direction of the reflected rays a tilting mirror (20) above which is a fourth biconvex coupling (21) with a nut (22) and a fourth mirror ( 13), after which the aplanate (14), the second negative meniscus (15), the third biconvex connector (16) and the objective lens (25) are arranged successively in the direction of the reflected beams.

A four-branched condenser optical system according to claim 1, characterized in that the first positive meniscus (3) is arranged successively in the optical axis of the first branch (23), second branch (23a), third branch (24) and fourth branch (24a) of the condenser optical system. 2), a first negative meniscus (3), a first biconvex connector (4), an interference filter (5), a first mirror (6) and a second biconvex connector (7), a second mirror (8) and a reflected beam direction Planconvex connector (9).