JP2000284178A

JP2000284178A - 投影光学系及び該投影光学系を備える投影露光装置

Info

Publication number: JP2000284178A
Application number: JP11086435A
Authority: JP
Inventors: Tokuo Murayama; 徳雄村山; Tetsuo Takahashi; 哲男高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】少ないレンズ枚数で、反射鏡の大型化を招くこ
となく、所望の像側ＮＡ及びイメージサークルを得るこ
とができる投影光学系等を提供すること。【解決手段】第１面から順に、第１、第２光学系Ｇ１、
Ｇ２とを含み、第２光学系は、光を透過及び反射させる
部分反射面Ｍ１と、第１面側に凹面を向けたメニスカス
形状の第１光学素子Ｌ２１と、第１面側に凹面を向けた
メニスカス形状の第２光学素子Ｌ２２と、所定の開口部
ＡＰを有する反射面Ｍ４とを有し、第１光学系を介した
光が部分反射面、第１光学素子および第２光学素子を介
して反射面にて反射され、反射面にて反射された光が第
２光学素子および第１光学素子を介して部分反射面にて
反射され、部分反射面にて反射された光が第１光学素
子、第２光学素子および開口部を介して第２面上に結像
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素子
や液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する
際に使用される投影露光装置に好適な投影光学系及び該
投影光学系を備えた投影露光装置に関し、特に投影光学
系内の結像光学系の一要素として反射系を用いることに
より、紫外線波長域で高解像度を有する投影光学系等に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造するためのフォトリ
ソグラフィ工程において、フォトマスク又はレチクル
（以下、総称して「マスク」という）上に形成されたパ
ターン像を投影光学系を介して、フォトレジスト等が塗
布されたウエハ又はガラスプレート上などに投影露光す
る投影露光装置が使用されている。そして、半導体素子
等の集積度が向上するにつれて、投影露光装置に使用さ
れている投影光学系に要求される解像力は益々高まって
いる。この要求を満足するためには、照明光（露光光）
の波長を短くすること及び投影光学系の開口数（以下
「ＮＡ」という。）を大きくすることが必要となる。例
えば、照明光の波長が１７０ｎｍ以下の場合は、０．１
μｍ以下の高解像を達成できる。

【０００３】しかし、照明光の波長が短くなると、光の
吸収が大きくなり、実用に耐える硝材の種類は限られて
しまう。例えば、波長が３００ｎｍ以下になると使用で
きる硝材は合成石英または蛍石に限定されてしまう。さ
らに波長が短くなり、１７０ｎｍ以下になると実用上使
える硝材は蛍石だけに限定される。このため、屈折レン
ズ系のみ、即ち屈折力を有する反射鏡（凹面反射鏡又は
凸面反射鏡）を含まないレンズ成分のみで構成された投
影光学系では、色収差の補正が不可能となる。また、投
影光学系に求められる光学性能は極めて高いため、諸収
差をほぼ無収差にまで補正することが必要となる。屈折
型投影光学系で所望の光学性能を達成するためには多数
レンズ成分が必要となり、透過率の低減や製造コストの
増大を避けることはできない。

【０００４】これに対して、凹面反射鏡等のパワー（屈
折力）を利用する反射型の光学系は色収差を生じること
がなく、ペッツバール和に関してレンズ成分とは符号が
逆の寄与を示す。このため、反射光学系と屈折光学系と
を組み合わせた光学系、いわゆる反射屈折型の光学系
（以下、「反射屈折光学系」という）は、レンズ枚数の
増加を招くことなく、色収差をはじめ各諸収差をほぼ無
収差にまで良好に補正することができる。従って、反射
屈折光学系とは、少なくとも１つレンズ成分と、屈折力
を有する少なくとも１つの反射鏡とを含む光学系であ
る。なお、屈折型の光学系や反射型の光学系において、
必要に応じて平行平面板や光路偏向用の平面反射鏡など
が設けられることは言うまでもない。

【０００５】しかし、投影露光装置の投影光学系の光路
中に凹面反射鏡を用いると、マスク側からこの凹面反射
鏡に入射した光が反射されて再び元のマスク側へ逆進し
てしまう。このため、凹面鏡に入射する光の光路と凹面
反射鏡で反射される光の光路とを分離するとともに凹面
反射鏡からの反射光をウエハ方向へ導くための技術が、
すなわち反射屈折光学系により投影光学系を構成する種
々の技術が、従来より多く提案されている。

【０００６】代表的な光路分離の方法として、米国特許
第５，７１７，５１８号公報には、中央に開口部を有す
る２枚の反射鏡を用い、光学系の瞳の近くで光束断面の
大きいときに光束が反射され、且つ像面の近くで光束断
面の小さいときに光束が中央開口部を通過するように２
枚の反射鏡を配置することにより光路分離を行なう方法
が提案されている。この光路分離方法を用いると、光学
系を構成するすべての光学要素を単一の光軸に沿って配
置することができる。その結果、投影光学系において従
来から用いられている光学部品の調整方法に従って高精
度に光学系を製造することが可能である。この光路分離
方法を用いた光学系が、米国特許第５，７１７，５１８
号公報の他にも、特開昭６３−１４１１２号公報等に開
示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、米国特許第
５，７１７，５１８号公報に開示された光学系では、中
間像を形成しているので、光学系の全長がかなり長くな
ってしまっている。また、反射光が空気中を長い距離に
わたって通過するため、光学系の有効径が大きくなるの
で光学部品が大型化し、製造が困難になるだけでなく、
製造コストが飛躍的に増大してしまうという問題があ
る。

【０００８】また、この光学系では、２つの反射鏡で全
く反射されることなくその中央開口部を通過して像面に
達する迷光の発生を回避するために、結像光束のうち光
軸を中心とした一部の光束を遮る必要がある。その結
果、この結像光束の中心遮蔽に起因して、光学系の結像
特性が低下する。従って、米国特許第５，７１７，５１
８号公報に開示された光路分離方法を投影光学系に適用
するには、十分な光学性能を得るために、結像光束の中
心遮蔽率（以下、単に「中心遮蔽率」という。）を小さ
く抑えることが重要である。ここで、中心遮蔽率とは、
図１０に示すように片側開き角度がθ１の光束のうち、
片側開き角度θ２の部分（斜線部）が遮光されている場
合に、次式で定義される値をいう。

【０００９】中心遮蔽率＝ｔａｎθ２／ｔａｎθ１＝ｒ／ｔ中心遮蔽を行う光学系において、この中心遮蔽率は一定
ではなく、例えば、特開昭６３−１４１１２号公報に開
示された光学系では、全光束のうち３０％以上を遮蔽し
ているので、光学系の結像性能が低下してしまうという
問題を有している。

【００１０】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、例えば波長が１７０ｎｍ以下の紫外領域の照明光
を用いた場合でも、少ないレンズ枚数で、大型化を招く
ことなく、中心遮蔽率が低く、所望の大きさの像側ＮＡ
およびイメージサークルを確保することができる色収差
が良好に補正された投影光学系等を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１面からの光を受ける第１光学系と、
第１光学系を介した光を第２面へ結像する第２光学系と
を含む投影光学系であって、前記第２光学系は、前記光
を透過及び反射させる部分反射面と、前記第１面側に凹
面を向けたメニスカス形状の第１光学素子と、前記第１
面側に凹面を向けたメニスカス形状の第２光学素子と、
所定の開口部を有する反射面とを有し、前記第１光学系
を介した光が前記部分反射面、前記第１光学素子および
前記第２光学素子を介して前記反射面にて反射され、前
記反射面にて反射された光が前記第２光学素子および前
記第１光学素子を介して前記部分反射面にて反射され、
前記部分反射面にて反射された光が前記第１光学素子、
前記第２光学素子および前記開口部を介して前記第２面
上に結像することを特徴とする投影光学系を提供する。

【００１２】また、本発明の好ましい態様では、前記第
１光学素子の前記第２面側の面の曲率半径をＲ２，前記
第２光学素子の前記第１面側の面の曲率半径をＲ３とそ
れぞれしたとき、（１）０．５≦｜Ｒ２／Ｒ３｜≦２．０の条件を満足することが望ましい。

【００１３】条件式（１）は、第１光学素子と第２光学
素子とで構成される空気レンズの適切な形状を規定して
いる。本発明の投影光学系では、第１光学素子および第
２光学素子をそれぞれ３回ずつ光線が透過するが、条件
式（１）は、第１光学素子および第２光学素子を光線が
透過する際に発生する球面収差、特に第１回目に透過す
るＮＡの大きい光線の高次球面収差を低減するための条
件である。条件式（１）の上限値を上回ると、３回透過
する光線のうち、特に第１回目の透過に際して膨大な量
の球面収差が発生してしまう。さらに好ましくは、条件
式（１）の下限値を０．８、上限値を１．２とすること
で、より効果的に高次球面収差の発生を低減できる。

【００１４】また、本発明の好ましい態様では、第１光
学素子１と第２光学素子とが有する面の曲率半径のう
ち、最も大きい曲率半径をＲｍａｘ、最も小さい曲率半
径をＲｍｉｎとそれぞれしたとき、（２）｜Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ｜≦２．５の条件を満足することが望ましい。

【００１５】条件式（２）は、第１光学素子１と第２光
学素子とが有する面の曲率半径のうち、最も大きい曲率
半径と最も小さい曲率半径との適切な比を規定してい
る。条件式（２）の上限値を上回ると、第１光学素子１
および第２光学素子を第１回目に透過する光線のうちＮ
Ａの大きい光線の入射角が大きくなってしまい、第１回
目の透過に際して球面収差が膨大に発生してしまう。さ
らに好ましくは、条件式（２）の上限値を１．４とする
ことで、より効果的に上記球面収差を低減できる。

【００１６】また、本発明では、前記第１光学系Ｇ１は
絞りＳを有し、第１面（物体面）の軸上中心から射出
し、該絞りＳを通過する最もＮＡの大きい光線と光軸と
のなす角度をθとしたとき、（３）ｓｉｎθ＞０．０５の条件を満足することが望ましい。

【００１７】条件式（３）は、物体中心から射出して絞
りを通過する光線の最大ＮＡを規定している。条件式
（３）の下限値を下回ると、光束を十分に広げられない
ばかりか、中心遮蔽率も小さくすることができなくなっ
てしまう。

【００１８】また、本発明では、正屈折力または負屈折
力を有する補助光学系を第１面と第１レンズ群との間に
設けることが望ましい。正屈折力を有する補助光学系を
設けた場合には、第１面から射出した高ＮＡの光束を該
補助光学系で収束させて、その後のレンズ系による球面
収差を補正することができる。また、負屈折力の補助光
学系を用いた場合は、投影光学系を第２面（像面）側か
ら第１面（物体面）側に結像するというように逆向きに
考えたときに、第１面に収束する光線の角倍率を小さく
して、結果として全体の倍率を大きくすることができ
る。

【００１９】なお、本発明は、上記請求項１乃至４に記
載したものに限られることはなく、例えば、以下の
（Ａ）乃至（Ｄ）に示す構成としても良い。

【００２０】（Ａ）前記部分反射面は、前記第１光学
素子の前記第１面側の表面に形成されていることを特徴
とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影光学
系。

【００２１】（Ｂ）前記反射面は、前記第２光学素子
の前記第２面側の表面に形成されていることを特徴とす
る請求項１，２，３又は上記（Ａ）記載の投影光学系。

【００２２】（Ｃ）マスクに形成された所定のパター
ンを感光性基板に露光するための露光方法において、前
記マスクを照明する照明工程と、請求項１，２，３又は
上記（Ａ）に記載の投影光学系を用いて前記マスクのパ
ターン像を前記感光性基板へ投影する投影工程とを含む
ことを特徴とする露光方法。

【００２３】（Ｄ）前記照明工程は、１７０ｎｍより
も短い波長を持つ露光用の光で前記マスクを照明するこ
とを特徴とする上記（Ｃ）に記載の露光方法。

【００２４】ただし、本発明は、請求項１乃至４、上記
（Ａ）乃至（Ｄ）に記載したものに限ることなく、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で様々な構成を取り得ること
ができることは言うまでもない。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の数値実施例にかかる投影光学系等について説明する。

【００２６】（第１実施例）図１は第１実施例にかかる
投影光学系（反射屈折光学系）のレンズ構成を示し、図
２は第２面近傍を拡大して示す図である。

【００２７】本実施例の投影光学系は、第１面(物体面
又はマスク面)Ｒからの光を受ける第１光学系Ｇ１と、
該第１光学系Ｇ１を介した光を第２面（像面又はウエハ
面）Ｗへ結像する第２光学系Ｇ２とを含む投影光学系で
ある。そして、第１光学系Ｇ１は、第１面側から順に、
第１面側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズ成分Ｌ
１１、Ｌ１２と、絞りＳと、第２面側に凸面を向けた平
凸レンズ成分Ｌ１３と、第２面側に凸面を向けたメニス
カス形状のレンズ成分Ｌ１４とを有する。また、第２光
学系Ｇ２は、前記光を透過及び反射させる部分反射面Ｍ
１を備える第１面Ｒ側に凹面を向けたメニスカス形状の
第１光学素子Ｌ２１と、所定の開口部ＡＰを有する反射
面Ｍ４を備える第１面Ｒ側に凹面を向けたメニスカス形
状の第２光学素子Ｌ２２とを有する。なお、本実施例に
おいて、第１光学系Ｇ１は負の屈折力を有し、第２光学
系Ｇ２は正の屈折力を有している。また、第１光学系Ｇ
１は、開口絞りＳの位置またはその近傍に配置されて光
軸ＡＸ近傍の光を遮光する中心遮蔽部材Ｂを有する。

【００２８】かかる構成において、第１光学系Ｇ１を介
した光が部分反射面Ｍ１、第１光学素子Ｌ２１および第
２光学素子Ｌ２２を介して反射面Ｍ４にて反射され、反
射面Ｍ４にて反射された光が第２光学素子Ｌ２２および
第１光学素子Ｌ１２を介して部分反射面Ｍ１にて反射さ
れ、部分反射面Ｍ１にて反射された光が第１光学素子Ｌ
２１、第２光学素子Ｌ２２および開口部ＡＰを介して第
２面Ｗ上に結像する。そして、本実施例にかかる投影光
学系を構成する硝材はすべて蛍石である。

【００２９】本実施例で、軸上物点から射出した最大Ｎ
Ａの光線が開口絞りＳを通過する時の光軸ＡＸとなす角
度θは、ｓｉｎθ＝０．１４９であり、かなり外向き
（光軸から離れる向き）である。このように、該光を十
分に広げることによって、ＮＡ＝０．７０という高ＮＡ
化を達成できると共に中心遮蔽率を１２．０％と小さく
できる。また、第１光学素子Ｌ２１のＭ２面と第２光学
素子Ｌ２１のＭ３面とで、高次の球面収差を補正してい
る。これにより、０．７０という高ＮＡを維持しつつ、
低収差の光学系を得ることができる。また、マスクＲか
ら、ウエハＷまでの距離は６５０ｍｍと短いので、光学
系の組み立てが容易である。さらに、硝材の最大有効半
径が、５２．０７９と小さいので、部分反射ミラーや裏
面反射鏡等でも容易に製造できる。

【００３０】表１に本実施例にかかる投影光学系の諸元
値を掲げる。表１において、λは露光光の中心波長、β
は投影倍率、ＮＡは像側開口数、φはウエハ上でのイメ
ージサークルの半径をそれぞれ表している。また、面番
号は物体面であるマスク面から像面であるウエハ面への
光線の進行する方向に沿ったマスク側からの面の順序、
ｒは各面の曲率半径（非球面の場合には頂点曲率半径：
ｍｍ）、ｄは各面の軸上問隔すなわち面間隔（ｍｍ）、
ｎは中心波長（λ＝１５７．６ｎｍ）に対する屈折率を
それぞれ示している。

【００３１】また、面間隔ｄは、反射される度にその符
号を変えるものとする。従って、面間隔ｄの符号は、反
射面Ｍ４から部分反射面Ｍ１までの光路中では負とし、
その他の光路中では正としている。そして、光線の入射
方向にかかわらずマスクＲ側に向かって凸面の曲率半径
を正とし、凹面の曲率半径を負としている。

【００３２】また、非球面は、光軸に垂直な方向の高さ
をｙとし、非球面の頂点における接平面から高さｙにお
ける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）
をＺとし、頂点曲率半径をｒとし、円錐係数をκとし、
ｎ次の非球面係数をＡ〜Ｄとしたとき、以下の数式で表
される。

【００３３】Ｚ＝（ｙ²／ｒ）／[１＋｛１−（１＋κ）
・ｙ²／ｒ²｝^1/2]＋Ａ・ｙ⁴＋Ｂ・ｙ⁶＋Ｃ・ｙ⁸＋Ｄ・
ｙ¹⁰ なお、以下すべての実施例において、第１実施例と同様
の符号、非球面式を用いる

【００３４】

【表１】（主要諸元） λ＝１５７．６ｎｍ±１2.9ｐｍ β＝１／１０ＮＡ＝０．７ φ（半径）＝１.06ｍｍ Δｎ／Δλ＝２．４×１０^-6(Δλ＝１ｐｍ) 全長＝650mm 中心遮蔽率＝１２％第１レンズ群Ｇ１の焦点距離＝-1729.9174 第2レンズ群Ｇ2の焦点距離＝51.38921 面番号 r d n 1 115.6154 10.0000 1.5600 2 229.2920 0.4000 3 68.3185 10.0000 1.5600 4 47.3899 53.6060 5 0.0000 8.2456 （開口絞り） 6 0.0000 12.0000 1.5600 7 -312.9935 4.5163 8 -196.2857 11.9086 1.5600 9 -833.7364 10.6014 10 -109.2635 17.8296 1.5600 11 -112.2434 1.2250 12 -137.7119 15.9581 1.5600 13 -99.4390 -15.9581 14 -137.7119 -1.2250 15 -112.2434 -17.8296 1.5600 16 -109.2635 17.8296 17 -112.2434 1.2250 18 -137.7119 15.9581 1.5600 19 -99.4390 5.0000 （非球面データ）第7面 κ＝ 0.00000 Ａ＝+3.1551×10^-7 Ｂ＝+1.4597×10^-11 Ｃ＝0.0 Ｄ＝-8.0489×10^-19 （条件式対応値）（１）｜Ｒ２／Ｒ３｜＝０．８１５（２）｜Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ｜＝１．３８５（３）ｓｉｎθ＝０．１４９

【００３５】図３は、第１実施例における横収差を示す
図である。収差図において、Ｙは像高を、実線は中心波
長１５７．６ｎｍを、破線は１５７．６ｎｍ＋１2．９
ｐｍ＝１５７．６１２９ｎｍを、一点鎖線は１５７．６
ｎｍ−１２．９ｐｍ＝１５７．５８７１ｎｍをそれぞれ
示している。収差図から明らかなように、第１実施例で
は、波長幅が１５７．６ｎｍ±１２．９ｐｍの露光光に
対して色収差が良好に補正されていることがわかる。ま
た、図示を省略したが、球面収差、非点収差、歪曲収差
などの諸収差も良好に補正されていることが確認されて
いる。

【００３６】なお、本実施例においては、複数の面また
は全ての面に非球面を採用しても良い。

【００３７】（第２実施例）図４は第２実施例にかかる
投影光学系のレンズ構成を示し、図５は第２面近傍を拡
大して示す図である。

【００３８】本実施例の投影光学系は、第１面Ｒから順
に、第１面側に凹面を向けたメニスカス形状の正屈折力
を有する補助光学系ＡＯと、第１光学系Ｇ１と、該第１
光学系Ｇ１を介した光を第２面Ｗへ結像する第２光学系
Ｇ２とを含む投影光学系である。そして、第１光学系Ｇ
１は、第１面側から順に、両凸レンズ成分Ｌ１１と、第
１面側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズ成分Ｌ１
２と、絞りＳと、第２面側に凸面を向けた平凸レンズ成
分Ｌ１３と、第２面側に凸面を向けたメニスカス形状の
レンズ成分Ｌ１４とを有する。また、第２光学系Ｇ２
は、前記光を透過及び反射させる部分反射面Ｍ１を備え
る第１面Ｒ側に凹面を向けたメニスカス形状の第１光学
素子Ｌ２１と、所定の開口部ＡＰを有する反射面Ｍ４を
備える第１面Ｒ側に凹面を向けたメニスカス形状の第２
光学素子Ｌ２２とを有する。なお、本実施例において、
第１光学系Ｇ１及び第２光学系Ｇ２は共に正の屈折力を
有している。また、第１光学系Ｇ１は、開口絞りＳの位
置またはその近傍に配置されて光軸ＡＸ近傍の光を遮光
する中心遮蔽部材Ｂを有する。

【００３９】かかる構成において、第１面Ｒからの光
は、補助光学系ＡＯと第１光学系Ｇ１とを透過する。そ
して、第１光学系Ｇ１を介した光が部分反射面Ｍ１、第
１光学素子Ｌ２１および第２光学素子Ｌ２２を介して反
射面Ｍ４にて反射され、反射面Ｍ４にて反射された光が
第２光学素子Ｌ２２および第１光学素子Ｌ１２を介して
部分反射面Ｍ１にて反射され、部分反射面Ｍ１にて反射
された光が第１光学素子Ｌ２１、第２光学素子Ｌ２２お
よび開口部ＡＰを介して第２面Ｗ上に結像する。そし
て、本実施例にかかる投影光学系を構成する硝材はすべ
て蛍石である。

【００４０】本実施例の結像倍率は１／１５倍と高倍率
であり、低倍率の光学系に比較してマスクＲの大きさを
小さくせずに済むので、マスクＲの製造が容易になる。
また、軸上物点から射出した最大ＮＡの光線が開口絞り
Ｓを通過する時の光軸ＡＸとなす角度θは、ｓｉｎθ＝
０．１０７７であり、かなり外向き（光軸から離れる向
き）である。このように、該光を十分に広げることによ
って、ＮＡ＝０．７０という高ＮＡ化を達成できると共
に中心遮蔽率を１２．４％と小さくできる。また、第１
光学素子Ｌ２１のＭ２面と第２光学素子Ｌ２１のＭ３面
とで、高次の球面収差を補正している。これにより、
０．７０という高ＮＡを維持しつつ、低収差の光学系を
得ることができる。また、硝材の最大有効半径が５１．
２７９と小さいので、部分反射ミラーや裏面反射鏡等で
も容易に製造できる。

【００４１】表２に本実施例にかかる投影光学系の諸元
値を掲げる。

【００４２】

【表２】（主要諸元） λ＝１５７．６ｎｍ±１2.9ｐｍ β＝１／１５ＮＡ＝０．７ φ（半径）＝１.12ｍｍ Δｎ／Δλ＝２．４×１０^-6(Δλ＝１ｐｍ) 全長＝850mm 中心遮蔽率＝12.4％補助レンズＡＯの焦点距離＝686.26076 第１レンズ群Ｇ１の焦点距離＝400.76007 補助レンズＡＯと第１レンズ群Ｇ１との合成焦点距離＝
448.62198 第2レンズ群Ｇ2の焦点距離＝ 61.67570 面番号 r d n 1 -142.4514 16.5520 1.5600 2 -235.7960 217.9260 3 169.6890 10.7541 1.5600 4 -812.9002 0.4000 5 83.5799 10.0000 1.5600 6 53.0281 37.0270 7 0.0000 19.5341 （開口絞り） 8 0.0000 12.0000 1.5600 9 -475.9626 8.2344 10 -126.0091 14.7201 1.5600 11 -109.8183 2.6292 12 -104.2974 20.6176 1.5600 13 -122.1125 1.3015 14 -123.9323 11.5700 1.5600 15 -99.5540 -11.5700 16 -123.9323 -1.3015 17 -122.1125 -20.6176 1.5600 18 -104.2974 20.6176 19 -122.1125 1.3015 20 -123.9323 11.5700 1.5600 21 -99.5540 5.0001 （非球面データ）第9面 κ＝ 0.00000 Ａ＝+1.6053×10^-7 Ｂ＝+3.4262×10^-12 Ｃ＝-1.3562×10^-15 Ｄ＝+4.7717×10^-19 （条件式対応値）（１）｜Ｒ２／Ｒ３｜＝０．９８５（２）｜Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ｜＝１．２４５（３）ｓｉｎθ＝０．１００８

【００４３】図６は、第２実施例における横収差を示す
図である。収差図から明らかなように、第２実施例で
は、波長幅が１５７．６ｎｍ±１２．９ｐｍの露光光に
対して色収差が良好に補正されていることがわかる。ま
た、図示を省略したが、球面収差、非点収差、歪曲収差
などの諸収差も良好に補正されていることが確認されて
いる。

【００４４】なお、本実施例においては、複数の面また
は全ての面に非球面を採用しても良い。

【００４５】（第３実施例）図７は第３実施例にかかる
投影光学系のレンズ構成を示す図である。

【００４６】本実施例の投影光学系は、第１面Ｒから順
に、第１面側に凹面を向けたメニスカス形状の正屈折力
を有する補助光学系ＡＯと、第１光学系Ｇ１と、該第１
光学系Ｇ１を介した光を第２面Ｗへ結像する第２光学系
Ｇ２とを含む投影光学系である。そして、第１光学系Ｇ
１は、第１面側から順に、両凸レンズ成分Ｌ１１と、両
凹レンズ成分Ｌ１２と、開口絞りＳと、第１面側に凸面
を向けたメニスカス形状のレンズ成分Ｌ１３と、両凸レ
ンズ成分Ｌ１４とを有する。また、第２光学系Ｇ２は、
前記光を透過及び反射させる部分反射面Ｍ１を備える第
１面Ｒ側に凹面を向けたメニスカス形状の第１光学素子
Ｌ２１と、所定の開口部ＡＰを有する反射面Ｍ４を備え
る第１面Ｒ側に凹面を向けたメニスカス形状の第２光学
素子Ｌ２２とを有する。なお、本実施例において、第１
光学系Ｇ１及び第２光学系Ｇ２は共に正の屈折力を有し
ている。また、第１レンズ群Ｇ１は、開口絞りＳの位置
またはその近傍に配置されて光軸ＡＸ近傍の光を遮光す
る中心遮蔽部材Ｂを有する。

【００４７】かかる構成において、第１面Ｒからの光
は、補助光学系ＡＯと第１光学系Ｇ１とを透過する。そ
して、第１光学系Ｇ１を介した光が部分反射面Ｍ１、第
１光学素子Ｌ２１および第２光学素子Ｌ２２を介して反
射面Ｍ４にて反射され、反射面Ｍ４にて反射された光が
第２光学素子Ｌ２２および第１光学素子Ｌ１２を介して
部分反射面Ｍ１にて反射され、部分反射面Ｍ１にて反射
された光が第１光学素子Ｌ２１、第２光学素子Ｌ２２お
よび開口部ＡＰを介して第２面Ｗ上に結像する。そし
て、本実施例にかかる投影光学系を構成する硝材はすべ
て蛍石である。

【００４８】本実施例の結像倍率は１／４倍であり、大
きなイメージサークル（半径＝８．２ｍｍ）を確保でき
る。軸上物点から射出した最大ＮＡの光線が開口絞りＳ
を通過する時の光軸ＡＸとなす角度θは、ｓｉｎθ＝
０．２２５９であり、該光線を十分に広げることによっ
て、ＮＡ＝０．７５という高ＮＡ化を達成できると共に
中心遮蔽率を１７．５％と小さくできる。また、第１光
学素子Ｌ２１のＭ２面と第２光学素子Ｌ２１のＭ３面と
で、高次の球面収差を補正している。これにより、０．
７５という高ＮＡを維持しつつ、低収差の光学系を得る
ことができる。

【００４９】表３に本実施例にかかる投影光学系の諸元
値を掲げる。

【００５０】

【表３】（主要諸元） λ＝１５７．６ｎｍ±１2.9ｐｍ β＝１／４ＮＡ＝０．７５ φ（半径）＝8.2ｍｍ Δｎ／Δλ＝２．４×１０^-6(Δλ＝１ｐｍ) 全長＝838.7mm 中心遮蔽率＝17.5％補助レンズＡＯの焦点距離＝690.02507 第１レンズ群Ｇ１の焦点距離＝1321.86989 補助レンズＡＯと第１レンズ群Ｇ１との合成焦点距離＝
551.92081 第2レンズ群Ｇ2の焦点距離＝119.08312 面番号 r d n 1 -993.8719 40.0000 1.5600 2 -282.2564 330.1612 3 217.9575 43.6730 1.5600 4 -264.4779 0.5000 5 -309.6151 25.0000 1.5600 6 189.8944 31.7290 7 0.0000 0.5000 （開口絞り） 8 675.5575 25.0000 1.5600 9 213.3482 25.1274 10 616.0815 46.8419 1.5600 11 -417.3740 9.5585 12 -276.7222 50.4668 1.5600 13 -249.0398 2.0087 14 -232.8244 26.2932 1.5600 15 -220.6788 -26.29323 16 -232.8244 -2.0087 17 -249.0398 -50.4668 1.5600 18 -276.7222 50.4668 19 -249.0398 2.0087 20 -232.8244 26.2932 1.5600 21 -220.6788 10.0000 （非球面データ）第3面 κ＝ 0.00000 Ａ＝-3.6385×10^-8 Ｂ＝-6.6784×10^-13 Ｃ＝-1.0780×10^-16 Ｄ＝+1.1604×10^-21 第6面 κ＝ 0.00000 Ａ＝-1.9907×10^-8 Ｂ＝+4.9134×10^-12 Ｃ＝-1.9860×10^-16 Ｄ＝+7.9218×10^-21 第9面 κ＝ 0.00000 Ａ＝+7.9781×10^-8 Ｂ＝-6.6088×10^-12 Ｃ＝-8.7313×10^-17 Ｄ＝+7.8698×10^-21 第10面 κ＝ 0.00000 Ａ＝+4.0045×10^-8 Ｂ＝-1.4281×10^-12 Ｃ＝+7.6350×10^-18 Ｄ＝-1.0045×10^-21 第15面(=第21面) κ＝ 0.00000 Ａ＝-1.7120×10^-9 Ｂ＝-5.7602×10^-14 Ｃ＝-1.0876×10^-18 Ｄ＝-2.7175×10^-23 （条件式対応値）（１）｜Ｒ２／Ｒ３｜＝１．０７０（２）｜Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ｜＝１．２５４（３）ｓｉｎθ＝０．２２５９

【００５１】図８は、第３実施例における横収差を示す
図である。収差図から明らかなように、第３実施例で
は、波長幅が１５７．６ｎｍ±１２．９ｐｍの露光光に
対して色収差が良好に補正されていることがわかる。ま
た、図示を省略したが、球面収差、非点収差、歪曲収差
などの諸収差も良好に補正されていることが確認されて
いる。

【００５２】なお、本実施例においては、全ての面に非
球面を採用しても良い。

【００５３】（第４実施例）図９は、上記各実施例にか
かる投影光学系を備えた投影露光装置の全体構成を概略
的に示す図である。なお、図９において、投影光学系８
の光軸ＡＸに平行にＺ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内にお
いて図９の紙面に平行にＸ軸を、紙面に垂直にＹ軸を設
定している。

【００５４】図示の投影露光装置は、紫外領域の照明光
を供給するための光源として、たとえばＦ₂レーザ（発
振中心波長１５７．６ｎｍ）を備えている。光源１から
射出された光は、照明光学系２を介して、所定のパター
ンが形成されたマスクＲを均一に照明する。

【００５５】なお、光源１から照明光学系２までの光路
には、必要に応じて光路を偏向するための１つ又は複数
の折り曲げミラーが配置される。また、光源１と投影露
光装置本体とが別体である場合には、光源１からのＦ₂
レーザ光の向きを常に投影露光装置本体へ向ける自動追
尾ユニットや、光源１からのＦ₂レーザ光の光束断面形
状を所定のサイズ・形状に整形するための整形光学系、
光量調整部などの光学系が配置される。また、照明光学
系２は、例えばフライアイレンズや内面反射型インテグ
レータからなり所定のサイズ・形状の面光源を形成する
オプティカルインテグレータや、マスクＲ上での照明領
域のサイズ・形状を規定するための視野絞り、この視野
絞りの像をマスク上へ投影する視野絞り結像光学系など
の光学系を有する。さらに、光源１と照明光学系２との
間の光路はケーシング（不図示）で密封されており、光
源１から照明光学系２中の最もマスク側の光学部材まで
の空間は、露光光の吸収率が低い気体であるヘリウムガ
スや窒素などの不活性ガスで置換されている。

【００５６】マスクＲは、マスクホルダ４を介して、マ
スクステージ５上においてＸＹ平面に平行に保持されて
いる。マスクＲには転写すべきパターンが形成されてお
り、パターン領域全体のうちＹ方向に沿って長辺を有し
且つＸ方向に沿って短辺を有する矩形状（スリット状）
のパターン領域が照明される。マスクステージ５は、図
示を省略した駆動系の作用により、マスク面（すなわち
ＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位
置座標はマスク移動鏡６を用いた干渉計７によって計測
され且つ位置制御されるように構成されている。

【００５７】マスクＲに形成されたパターンからの光
は、反射屈折型の投影光学系８を介して、感光性基板で
あるウエハＷ上にマスクパターン像を形成する。ウエハ
Ｗは、ウエハホルダ１０を介して、ウエハステージ１１
上においてＸＹ平面に平行に保持されている。そして、
マスクＲ上での矩形状の照明領域に光学的に対応するよ
うに、ウエハＷ上ではＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ
方向に沿って短辺を有する矩形状の露光領域にパターン
像が形成される。

【００５８】ウエハステージ１１は、図示を省略した駆
動系の作用によりウエハ面（すなわちＸＹ平面）に沿っ
て二次元的に移動可能であり、その位置座標はウエハ移
動鏡１２を用いた干渉計１３によって計測され且つ位置
制御されるように構成されている。

【００５９】また、図示の投影露光装置では、投影光学
系８を構成する光学部材のうち最もマスク側に配置され
た光学部材（第１実施例ではＬ１１、第２，３実施例で
は補助光学系ＡＯ）と最もウエハ側に配置された光学部
材（各実施例ではＬ２２）との間で投影光学系８の内部
が気密状態を保つように構成され、投影光学系８の内部
の気体はヘリウムガスや窒素などの不活性ガスで置換さ
れている。

【００６０】さらに、照明光学系２と投影光学系８との
間の狭い光路には、マスクＲ及びマスクステージ５など
が配置されているが、マスクＲ及びマスクステージ５な
どを密封包囲するケーシング（不図示）の内部に窒素や
ヘリウムガスなどの不活性ガスが充填されている。

【００６１】また、投影光学系８とウエハＷとの間の狭
い光路には、ウエハＷ及びウエハステージ１１などが配
置されているが、ウエハＷ及びウエハステージ１１など
を密封包囲するケーシング（不図示）の内部に窒素やヘ
リウムガスなどの不活性ガスが充填されている。このよ
うに、光源１からウエハＷまでの光路の全体に亘って、
露光光がほとんど吸収されることのない雰囲気が形成さ
れている。

【００６２】上述したように、投影光学系８によって規
定されるマスクＲ上の視野領域（照明領域）及びウエハ
Ｗ上の投影領域（露光領域）は、Ｘ方向に沿って短辺を
有する矩形状である。従って、駆動系及び干渉計（７，
１３）などを用いてマスクＲ及びウエハＷの位置制御を
行いながら、矩形状の露光領域及び照明領域の短辺方向
すなわちＸ方向に沿ってマスクステージ５とウエハステ
ージ１１とを、ひいてはマスクＲとウエハＷとを同期的
に移動（走査）させることにより、ウエハＷ上には露光
領域の長辺に等しい幅を有し且つウエハＷの走査量（移
動量）に応じた長さを有する領域に対してマスクパター
ンが走査露光される。

【００６３】さて、上述の各実施例にしたがう投影露光
装置は、以下の手法により製造することができる。ま
ず、１７０ｎｍよりも短い中心波長の照明光によってマ
スク上のパターンを照明するための照明光学系を準備す
る。具体的には、中心波長が１５７．６ｎｍのＦ₂レー
ザ光を用いてマスクパターンを照明する照明光学系を準
備する。このとき、照明光学系は、所定の半値全幅以内
のスペクトル幅の照明光を供給するように構成される。

【００６４】次いで、マスク上のパターンの像を感光性
基板上の感光面に結像するための投影光学系を準備す
る。投影光学系を準備することは、複数の屈折性光学素
子や反射鏡などを準備して、これら複数の屈折性光学素
子などを組上げることを含むものである。そして、これ
らの照明光学系および投影光学系を前述の機能を達成す
るように電気的、機械的または光学的に連結することに
より、各実施例にかかる投影露光装置を製造することが
できる。

【００６５】また、上述の各実施例では、投影光学系を
構成する屈折性の光学部材の材料としてＣａＦ₂（フッ
化カルシウム）を使用しているが、このＣａＦ₂に加え
て、あるいはＣａＦ₂に代えて、例えばフッ化バリウ
ム、フッ化リチウム、およびフツ化マグネシウムなどの
フッ化物の結晶材料やフッ素がドープされた石英を使用
しても良い。但し、マスクを照明する照明光において十
分な狭帯化が可能であるならば、投影光学系は単一種類
の光学材料で構成することが好ましい。さらに、投影光
学系の製造のし易さや製造コストを考えると、投影光学
系はＣａＦ₂のみで構成されることが好ましい。

【００６６】なお、上述の各実施例では、光源からウエ
ハヘ至る光路をヘリウムガスで置換しているが、光路の
一部あるいは全部を窒素（Ｎ₂）ガスで置換しても良
い。さらに、上述の各実施例では、光源としそＦ₂レー
ザを用い、狭帯化装置によりそのスペクトル幅を狭帯化
しているが、その代わりに、１５７ｎｍに発振スペクト
ルを持つＹＡＧレーザなどの固体レーザの高調波を用い
るようにしても良い。また、ＤＦＢ半導体レーザまたは
ファイバーレーザから発振される赤外域または可視域の
単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（またはエルビ
ウムとイットリビウムとの両方）がドープされたファイ
バーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に
波長変換した高調波を用いても良い。

【００６７】例えば、単一波長レーザ光の発振波長を
１．５１〜１．５９μｍの範囲内とすると、発生波長が
１５１〜１５９ｎｍの範囲内である１０倍高調波が出力
される。特に発振波長を１．５７〜１．５８μｍの範囲
内とすると、発生波長が１５７〜１５８ｎｍの範囲内の
１０倍高調波、すなわちＦ₂レーザ光とほぼ同一波長と
なる紫外光が得られる。また、発振波長を１．０３〜
１．１２μｍの範囲内とすると、発生波長が１４７〜１
６０ｎｍの範囲内である７倍高調波が出力され、特に発
振波長を１．０９９〜１．１０６μｍの範囲内とする
と、発生波長が１５７〜１５８ｎｍの範囲内の７倍高調
波、すなわちＦ₂レーザ光とほぼ同一波長となる紫外光
が得られる。なお、単一波長発振レーザとしては、イッ
トリビウム・ドープ・ファイバーレーザを用いる。

【００６８】このように、レーザ光源からの高調波を使
用する場合には、この高調波自体が十分に狭帯化された
スペクトル幅（例えば０．０１ｐｍ程度）であるので、
上述の各実施例の光源１の代わりに用いることができ
る。さて、本発明は、ウエハ上の１つのショット領域ヘ
マスクパターン像を一括的に転写した後に、投影光学系
の光軸と直交する面内でウエハを逐次二次元的に移動さ
せて次のショット領域にマスクパターン像を一括的に転
写する工程を繰り返すステップ・アンド・リピート方式
（一括露光方式）や、ウエハの各ショット領域への露光
時にマスクとウエハとを投影光学系に対して投影倍率β
を速度比として同期走査するステップ・アンド・スキャ
ン方式（走査露光方式）の双方に適用することができ
る。なお、ステップ・アンド・スキャン方式では、スリ
ット状（細長い矩形状）の露光領域内で良好な結像特性
が得られればよいため、投影光学系を大型化することな
く、ウエハ上のより広いショット領域に露光を行うこと
ができる。

【００６９】ところで、上述の各実施例では、半導体素
子の製造に用いられる投影露光装置に本発明を適用して
いる。しかしながら、半導体素子の製造に用いられる露
光装置だけでなく、液晶表示素子などを含むディスプレ
イの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレ
ート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用
いられる、デバイスパターンをセラミックウエハ上に転
写する露光装置、撮像素子（ＣＣＤなど）の製造に用い
られる露光装置などにも本発明を適用することができ
る。また、レチクルまたはマスクを製造するためにガラ
ス基板またはシリコンウエハなどに回路パターンを転写
する露光装置にも、本発明を適用することができる。

【００７０】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
構成を取り得ることはいうまでもない。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
たとえば波長が１７０ｎｍ以下の光を用いた場合にも、
特に光学系の大型化を招くことなく、中心遮蔽率が低
く、所要の大きさの像側ＮＡおよびイメージサークルを
確保することができ、たとえば０．１μｍ以下の高解像
を達成することのできる色収差が良好に補正された投影
光学系を少ないレンズ枚数で実現することができる。

【００７２】したがって、本発明の投影光学系を備えた
投影露光装置や本発明の投影光学系を用いた露光方法で
は、感光性基板上に極微細なパターンを高精度に投影露
光することができる。また、露光光源として比較的簡単
な狭帯域化を施したＦ₂レーザを使用することができる
ので、大きな露光パワーを得ることができる。さらに、
レーザ光源のメンテナンスコストも安くなるので、レー
ザ光源にかかるコストが低く且つ高い生産性を有する投
影露光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を
示す図である。

【図２】第１実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を
示す他の図である。

【図３】第１実施例における横収差を示す図である。

【図４】第２実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を
示す図である。

【図５】第２実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を
示す他の図である。

【図６】第２実施例における横収差を示す図である。

【図７】第３実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を
示す図である。

【図８】第３実施例における横収差を示す図である。

【図９】本発明の各実施例にかかる投影光学系を備えた
投影露光装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図１０】中心遮蔽率を説明する図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２照明光学系Ｒマスク４マスクホルダ５マスクステージ６，１２移動鏡７，１３干渉計８投影光学系Ｗウエハ１０ウェハホルダ１１ウエハステージＡＸ光軸Ｇ１第１光学系Ｇ２第２光学系Ｌ１１〜Ｌ１４各レンズ成分Ｌ２１第１光学素子Ｌ２２第２光学素子Ｓ開口絞りＭ１部分反射面Ｍ４反射面ＡＰ開口部Ｂ中心遮蔽部材ＡＯ補助光学系

フロントページの続きＦターム(参考） 2H087 KA21 PA06 PA07 PA17 PB06 PB07 QA02 QA03 QA07 QA12 QA17 QA21 QA22 QA25 QA26 QA32 QA41 QA42 QA45 QA46 RA12 RA13 RA32 TA04 5F046 AA22 BA03 BA05 CA04 CA08 CB12 CB23 CB25 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面からの光を受ける第１光学系と、
該第１光学系を介した光を第２面へ結像する第２光学系
とを含む投影光学系であって、前記第２光学系は、前記光を透過及び反射させる部分反
射面と、前記第１面側に凹面を向けたメニスカス形状の
第１光学素子と、前記第１面側に凹面を向けたメニスカ
ス形状の第２光学素子と、所定の開口部を有する反射面
とを有し、前記第１光学系を介した光が前記部分反射面、前記第１
光学素子および前記第２光学素子を介して前記反射面に
て反射され、前記反射面にて反射された光が前記第２光
学素子および前記第１光学素子を介して前記部分反射面
にて反射され、前記部分反射面にて反射された光が前記
第１光学素子、前記第２光学素子および前記開口部を介
して前記第２面上に結像することを特徴とする投影光学
系。
【請求項２】前記第１光学素子の前記第２面側の面の
曲率半径をＲ２，前記第２光学素子の前記第１面側の面
の曲率半径をＲ３とそれぞれしたとき、０．５≦｜Ｒ２／Ｒ３｜≦２．０の条件を満足することを特徴とする請求項１記載の投影
光学系。
【請求項３】前記第１光学素子と前記第２光学素子と
が有する面の曲率半径のうち、最も大きい曲率半径をＲ
ｍａｘ、最も小さい曲率半径をＲｍｉｎとそれぞれした
とき、｜Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ｜≦２．５の条件を満足することを特徴とする請求項１又は２記載
の投影光学系。
【請求項４】所定のパターンが形成されたマスクを照
明するための照明光学系と、前記第１面上に配置された前記マスクの前記所定のパタ
ーンの像を前記第２面上に配置された感光性基板上に投
影するための請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投
影光学系とを備えていることを特徴とする投影露光装
置。