CN1293822A - 投影光学系统、投影光学系统的制造方法和使用该光学系统的投影曝光装置 - Google Patents

Abstract

一个至少具有2个石英玻璃光学部件的投影光学系统,其特征是:测定垂直于以与各光学部件的光轴相交的交点为中心的光轴的面内多个位置的复折射值,当其相位超前补偿轴的朝向相对于与光轴的交点于放射方向时取多个复折射值为正,与放射方向平行时取多个复折射值为负,并求出带符号复折射值的分布,相互组合光学部件,以使基于这个分布计算出来的投影光学系统整体的带符号复折射特性值满足－0.5—+0.5nm/cm的配置条件。由此,可以使光学部件内的复折射值的不均匀分布对投影光学系统的成像性能、或者投影曝光装置的解像度的影响降到最小限度,能提供具有高成像性能的投影光学系统、投影光学系统的制造方法以及可以获得高解像度的投影曝光装置。

Description

投影光学系统、投影光学系统的制造方法 和使用该光学系统的投影曝光装置

技术领域

本发明涉及投影光学系统、投影光学系统的制造方法以及使用了该光学系统的投影曝光装置。进一步详细言之，本发明涉及在半导体制造过程中利用合适的紫外波段光源将规定的掩模图形复制到基板上时，所使用的投影光学系统、投影光学系统的制造方法和使用该光学系统的投影曝光装置。

背景技术

作为现有的半导体制造中使用的投影曝光装置，广泛使用的是具有图16A及图16B所示那样构造的投影曝光装置。

即在图16A所示的投影曝光装置中，来自水银电弧灯等的光源501的光束被椭圆镜502会聚后，经由平行光透镜503被变换成平行光束。进而，该平行光束通过如图16B所示那样的截面由四角形光学部件504a的集合体构成的蝇眼透镜504，在其出射侧形成多个光源像。在该光源像位置设置有带有圆形开口部的开口光阑505。来自该多个光源像的光束经由聚光镜506会聚，重叠地均匀照明在作为被照明物体的标线片R。

这样，被照明光学系统均匀照明的标线片R上的图形经由由多个透镜构成的投影光学系统507，投影曝光在涂布有保护层的晶片W上。该晶片W载置在可二维移动的晶片承载台上，在图16A的投影曝光装置800中，采用的是所谓的分步重复方式的曝光，即一旦对晶片上的一个拍摄区域曝光结束，则顺序地二维移动晶片承载台，以便对下一个拍摄区域进行曝光，。

另外，近年来，有人提出通过对标线片R投射长方形或圆弧形状的光束，并在一定方向上扫描相对于投影光学系统507共轭配置的标线片R和晶片W，以构成可高生产量地把标线片R的图形复制到晶片W上的扫描曝光方式。

在上述的无论哪一个投影曝光装置中，作为在其光学系统中使用的光学部件，都希望其相对于所使用的波长具有高的透过率。这是因为投影曝光装置的光学系统是通过多个光学部件组合而成的，即使每一片透镜的光损失不多，如果把其按所使用的光学部件个数相乘的话，在总体上对透过率损失的影响是将很大的。如果使用透过率不好的光学部件，则会因其吸收曝光光而导致光学部件的温度上升，产生折射率的不均匀，进而，会因光学部件的局部热膨胀而带来研磨面的变形。这些问题将导致光学性能的劣化。

另一方面，在投影光学系统中，为了获取更为细微鲜明的投影曝光图形，要求光学部件的折射率具有高均匀性。这是因为，折射率的离散会导致光线前进快慢不均，从而严重影响投影光学系统的成像性能。

于是作为在紫外波段(波长400nm以下)的投影曝光装置的光学系统中使用的光学部件的材料，多使用在紫外波段区域透过率高、均匀性优良的石英玻璃或氟化钙结晶。

另外，近年来还有人提出为在晶片面上复制更细微的掩模图形像，即提高解像度，应进一步缩短光源的波长。例如，由迄今为止的g线(436nm)、i线(365nm)向KrF(248nm)或ArF(193nm)受激准分子激光方向短波化正在进展。

在使用这样的短波长的受激准分子激光进行投影曝光时，为达到获得更为细微的图形模板之目的，多使用在透过率或折射率均匀性方面性能更高的材料。

发明的公开

但是，即使是具有这样的高透过率或高折射率均匀性的材料，在组合多个材料构成光学系统时，有时也不能得到所期望的解像度。

因此，本发明以提供具有高成像性能的投影光学系统、投影光学系统的制造方法以及可获得高解像度的投影曝光装置为目的。

本发明人为达成上述目的而锐意研究的结果，首先查明了光学部件材料的复折射对投影光学系统的成像性能以及投影曝光装置解像度具有很大影响。进而发现，如果光学部件材料的复折射的大小、即复折射值(绝对值)是2nm／cm以下，且光学部件内的复折射的分布是中央对称的，则可以获得接近于投影光学系统设计性能的成像性能和接近于投影曝光装置设计性能的解像度，并在特开平8-107060号公开专利中公开了这些内容。

但是，在对投影曝光装置解像度的要求进一步提高、作为光源使用更短波长的光、或使用大口径且大厚度的光学部件时，即便是采用上述的现有设计思想，有时也不能获得成像性能良好的投影光学系统和解像度良好的投影曝光装置。

因此，作为本发明人进一步研究的结果，我们发现即便是使用具有良好的透过率或良好的均匀折射率的光学部件也不能得到具有所期望的光学性能的投影光学系统以及投影曝光装置的原因，是由于构成系统的每个光学部件所具有的复折射的分布状态不同，所以，当把多个光学部件组合成投影光学系统时，光学系统整体上的不同的复折射分布被相乘，结果将使光学系统整体的光波面产生紊乱，对投影光学系统的成像性能或投影曝光装置的解像度产生较大的影响。

即，现有的光学部件复折射的评价只不过是讨论其数值(绝对值)的大小，而没有上述光学部件内复折射值的分布这样的概念。例如，在测定石英玻璃元件的复折射值时，业内人士的认识是测定元件直径95％附近多个位置的复折射值，并将其最大值作为该元件的复折射值来使用。然而，在详细地测定石英玻璃元件的复折射值分布时，本发明人发现复折射值实际上具有不均匀的分布。

因而，我们认识到，即使是折射率的均匀性好的石英玻璃元件，如果只掌握元件内多个位置的复折射值的最大值是不能充分评价元件内的复折射的影响的，特别是对组合多个元件的情况，要获得期望性能的光学系统是非常困难的。我们认为，这样的石英玻璃元件内复折射值的不均匀的分布起因于合成时的温度分布、杂质的不均匀分布、或SiO₂构造缺陷的不均匀分布，因此，在石英玻璃元件冷却时便在元件内形成了复折射值的不均匀的分布。

这样，因为对由多个光学部件构成的光学系统整体的复折射的评价不能单纯地只用每个光学部件复折射的大小来表示，所以，本发明人详细地探讨了光学部件内的复折射值的不均匀分布对光学系统的影响。作为结果，我们首次发现，在关注相位超前补偿轴的朝向而观察该复折射值的不均匀分布时，如果使用具有相位超前补偿轴的朝向相同的复折射值的分布的光学部件构成光学系统，则复折射值相乘，将对光学系统的性能产生不好的影响，相反地，通过组合相位超前补偿轴的朝向不同的光学部件则可以在光学系统整体上消除每个光学部件所具有的复折射带来的坏影响，达到本发明之目的。

即，本发明的投影光学系统具有如下特征：在至少具有2个石英玻璃元件的投影光学系统中，测定垂直于以与各光学部件光轴相交的交点为中心的光轴的面内多个位置的复折射值，根据这多个复折射值与其相位超前补偿轴的朝向求出带符号复折射值的分布，然后，相互组合各个光学部件，以使基于带符号复折射值的分布计算出来的投影光学系统整体的带符号复折射特性值能够满足-0．5～+0．5nm／cm的配置条件。

由于通过组合各个光学部件使之满足基于上述带符号复折射值的配置条件，可以在相位超前补偿轴的朝向上注意每个光学部件所具有的复折射值的不均匀分布并定量地进行评价，进而，通过边根据各自的带符号复折射值定量地估计光学系统整体的带符号复折射特性值边组合光学系统，可以相互抵消光学部件内的复折射的分布，所以，可以获得具有良好成像性能的投影光学系统。

此外，本发明的投影曝光装置是一个具有曝光光源、形成有图形原像的标线板、将曝光光源输出的光照射到上述标线板的照射光学系统、将标线板输出的图形像投影到感光基板上的投影光学系统和将标线板与上述感光基板的位置进行调整的校准系统的投影曝光装置，其特征在于，具备上述本发明的投影光学系统作为投影光学系统。

由于具备上述本发明的投影光学系统，故本发明的投影曝光装置可以获得优异的解像度。

进而，本发明的投影光学系统的制造方法是一个至少具有2个石英玻璃光学部件的投影光学系统的制造方法，该方法的特征在于其包括以下工序：测定垂直于以与各光学部件的光轴相交的交点为中心的光轴面内的多个位置的复折射值、根据这多个复折射值和其相位超前补偿轴的朝向求出垂直于光轴的面内的带符号复折射值的分布的工序；根据各光学部件的带符号复折射值的分布计算出投影光学系统整体的带符号复折射特性值的工序；相互组合光学部件以使投影光学系统整体的带符号复折射特性值满足-0．5～+0．5nm／cm的配置条件的工序。

在此，对本发明中的“带符号复折射值”的概念进行说明。

所谓带符号复折射值，是指在求光学部件的复折射值时，在考虑折射率椭圆体中定义的相位超前补偿轴的朝向后给复折射值添加了符号的复折射值。

更详细地讲，就是在垂直于以与光学部件光轴的交点为中心的光轴面内，将接拍摄束的圆形照射的区域作为近似圆形的有效截面，当位于该有效截面上的复折射测定点微小区域内相位超前补偿轴的朝向与作为与光学部件光轴相交的交点的中心的放射方向相平行时，对所测定的复折射值添加正的符号(或负的符号)，相垂直时添加负的符号(或正的符号)。

此外，对上述复折射值的添加符号的方法，也适用于在垂直于以与光学部件光轴相交的交点为中心的光轴面内照射多个条光束的情况。该情况下，也是当作为与光学部件光轴相交的交点的中心的放射方向与位于这多个条光束照射的各自有效截面上的复折射测定点微小区域内相位超前补偿轴的朝向相平行时，对所测定的复折射值添加正的符号(或负的符号)，相垂直时添加负的符号(或正的符号)。

进而，对上述复折射值添加符号的方法，还适用于在以与光学部件光轴的交点为中心的光轴相垂直面内照射具有截面是圆形以外形状的光束、如照射的光束截面是环状或者截面是椭圆状的情况。该情况下，也是当作为与光学部件光轴的交点的中心的放射方向与位于这多个条光束照射的各自有效截面上的复折射测定点微小区域内相位超前补偿轴的朝向相平行时，对所测定的复折射值添加正的符号(或负的符号)，相垂直时添加负的符号(或正的符号)。

在以下的说明中，将说明当位于光束照射的有效截面上的复折射测定点微小区域内相位超前补偿轴的朝向和作为与光学部件光轴相交的交点的中心的放射方向相平行时，对所测定的复折射值添加正的符号(或负的符号)，相垂直时添加负的符号(或正的符号)的情况。

下面，利用图1A、图1B、图2A、图2B、图3A以及图3B进一步具体地说明带符号复折射值。

图1A所示是自光学部件L1有效截面上的中心O₁开始分别位于r₁、r₂、r₃、r₄距离上的复折射测定点P₁₁、P₁₂、P₁₃、P₁₄处的相位超前补偿轴的朝向的原理图。为了便于说明，在该图中，复折射测定点P₁₁～P₁₄设置在通过中心O₁在半径方向上延伸的直线Q₁上。图中，用各测定点的圆表示的微小区域的大小相当于各测定点处的光程差。另外，这些微小区域内的线段W₁₁、W₁₂、W₁₃、W₁₄的朝向表示相位超前补偿轴的朝向。由于测定点P₁₁～P₁₄相位超前补偿轴的朝向全部平行于直线Q₁的方向，即半径方向，所以，测定点P₁₁～P₁₄复折射值全部表现为添加正号。如果画出采用上述方法得到的图1A所示的测定点P₁₁～P₁₄的带符号复折射值A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄的相对于半径方向的分布，便可得到如图1B那样的剖面图。

图2A与图1A同样地示出自光学部件L2的有效截面上的中心O₂开始分别位于r₁、r₂、r₃、r₄距离上的复折射测定点P₂₁、P₂₂、P₂₃、P₂₄处的相位超前补偿轴的朝向的原理图。该情况下，由于测定点P₂₁～P₂₄相位超前补偿轴W₂₁、W₂₂、W₂₃、W₂₄的朝向全部垂直于直线Q₂的方向即半径方向，所以，测定点P₂₁～P₂₄的带符号复折射值A₂₁、A₂₂、A₂₃、A₂₄表现为添加负号。如果画出采用上述方法得到的图2A所示的测定点P₂₁～P₂₄的带符号复折射值A₂₁、A₂₂、A₂₃、A₂₄的相对于半径方向的分布，便可得到如图2B那样的剖面图。

图3A与图1A同样地示出自光学部件L3的有效截面上的中心O₃开始分别位于r₁、r₂、r₃、r₄、r₅距离上的复折射测定点P₃₁、P₃₂、P₃₃、P₃₄、P₃₅处的相位超前补偿轴的朝向的原理图。该情况下，由于测定点P₃₁～P₃₅相位超前补偿轴W₃₁、W₃₂、W₃₃、W₃₄、W₃₅的朝向在测定点P₃₁～P₃₃平行于直线Q₃的方向即半径方向，在测定点P₃₄、P₃₅垂直于直线Q₃的方向即半径方向，所以，相对于在测定点P₃₁～P₃₅得到的带符号复折射值A₃₁、A₃₂、A₃₃、A₃₄、A₃₅的半径方向的分布，为如图3B所示那样的剖面图。

下面，根据图4A及图4B对本发明中的“投影光学系统整体的带符号复折射特性值”进行说明。

图4A是从光源开始顺序地排列构成投影光学系统的m个光学部件的原理侧面图。图4B是在图4A所示的m个光学部件中，垂直于自光源开始配置在第i号位置上的光学部件Li的光轴的有效截面的原理截面图。

在本发明中，假定光学部件内的复折射值的分布在平行于光轴方向的元件厚度方向上是均匀的，在垂直于光轴的有效截面上的半径方向上是不均匀的。这里，所谓的“有效截面”是指在垂直于光学部件光轴的面内接收光束照射的区域。进而，其以与光轴相交的交点作为有效截面的中心，以其半径(光束照射区域的半径)作为光学部件的有效截面的有效半径。此外，在测定投影光学系统整体的带符号复折射特性值时，由于每一个光学部件其有效截面的大小不同，所以，要预先标准化(归一化)所有光学部件的有效截面的大小，以便如图4A所示那样，使各个光学部件的最大有效半径r_n为1。

当在垂直于以与光学部件的光轴相交的交点为中心的光轴面内有多个束光线照射时，要对对应各条光束的有效截面，预先标准化所有光学部件的有效截面的大小，以便使各个光学部件的最大有效半径r_n为1。

进而，当在垂直于以与光学部件的光轴相交的交点为中心的光轴面内具有截面为圆形以外形状的光束、如截面为环状或者截面为椭圆状的光束照射时，也要对对应各条光束的有效截面，预先标准化所有光学部件的有效截面的大小，以便使各个光学部件的最大有效半径rn为1。

例如，在截面为环状的光束照射时，要预先标准化所有光学部件的有效截面的大小，以使环状的最大外径为1，至于带符号复折射特性值的测定，可以采用与下面将要说明的对圆形截面的光束的测定相同的做法。另外，在截面为椭圆形状的光束照射时，预先标准化所有光学部件的有效截面的大小，以使椭圆的长轴的最大外径为1，至于带符号复折射特性值的测定，只要进行与下面将要说明的对圆形截面的光束的测定相同的测定即可。

为测定投影光学系统整体的带符号复折射特性值，首先，如图4B所示的那样，对一个光学部件Li在其有效截面上假定中心为Oi，且是自中心开始半径相互不同的多个同心圆Cij的模式。然后，测定位于离中心Oi半径为r_j的第j号同心圆Cij上的第k个测定点Pijk的复折射值。进而，根据位于测定点Pijk的相位超前补偿轴的朝向和半径方向的关系添加符号，并作为该测定点Pijk的带符号复折射值Aijk。

这里，i表示构成投影光学系统的上述光学部件L的序号(i=1，2，…，m；2≤m)。j表示在垂直于光学部件L的光轴的有效截面上假想的、以光轴为中心且离该光轴的半径相互不同的同心圆C的序号(j=1，2，…，n；1≤n)。k表示位于同心圆C的圆周上的测定点的序号(k=1，2，…，h；1≤h)。这样，便可以测定同一同心圆Cij上规定的测定点Pijl～Pijh的带符号复折射值Aijl～Aijh。

下面，按照下述公式，计算出平均带符号复折射值Bij，该平均带符号复折射值Bij是光学部件Li上位于同心圆Cij的圆周上的测定点的带符号复折射值的相加平均。 $B_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{k=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ijk}}}{h}-----\left(6\right)$

下面，根据下述公式，计算出表示作为平均带符号复折射值Bij和表观厚度Ti之积的平均带符号复折射量Eij。Eij=Bij×Ti    (5)

这里，Ti表示光学部件Li的表观厚度。作为该表观厚度，可以适当地选择光学部件Li的有效截面内厚度的平均值，或者在光学系统内进行了配置时，选择与组合在该光学部件Li上下位置的其他元件相匹配的实际有效厚度。

下面，根据下述公式，用总光路长度D除投影光学系统整体的平均带符号复折射量Eij的总和来计算出带符号复折射值的平均变化量Gj。 $G_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}}{D}-----\left(3\right)$

这里，D是用下式表示的投影光学系统整体的表观总光路的长度。 $D=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i-----\left(4\right)$

下面，根据下述公式，用同心圆的个数n除投影光学系统整体的带符号复折射值的平均变化量Gj的总和来计算出投影光学系统整体的带符号复折射特性值H。 $H=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j}{n}-----\left(2\right)$

在这样求得的投影光学系统整体的带符号复折射特性值H满足下式时，表示该投影光学系统整体具有优异的成像性能，而具备这样的投影光学系统的投影曝光装置呈现出优异的解像度。-0．5≤H≤+0．5nm／cm    (1)

图面的简单说明

图1A为表示带符号复折射值的概念的说明图，图1B为表示图1A所示的光学部件内的带符号复折射值的分布的曲线图。

图2A为表示带符号复折射值的概念的另一说明图，图2B为表示图2A所示的光学部件内的带符号复折射值的分布的曲线图。

图3A为表示带符号复折射值的概念的其他的说明图，图3B为表示图3A所示的光学部件内的带符号复折射值的分布的曲线图。

图4A所示是构成投影光学系统的多个光学部件的侧面图，图4B是构成图4A所示投影光学系统的光学部件的截面图。

图5是本发明的投影光学系统一例的概略构成图。

图6是本发明的投影光学系统制造方法之一例的流程图。

图7是本发明中所使用的石英玻璃坯料合成炉的说明图。

图8A为表示构成本发明的投影光学系统的光学部件内的带符号复折射值的测定点的光学部件的截面图，图8B为图8A所示的光学部件内的平均带符号复折射值的分布的曲线图。

图9A为表示构成本发明的投影光学系统的光学部件内的带符号复折射值的测定点的光学部件的另一截面图，图9B为图9A所示的光学部件内的平均带符号复折射值的分布的曲线图。

图10A为表示构成本发明的投影光学系统的光学部件内的带符号复折射值的测定点的光学部件的其他截面图，图10B为图10A所示的光学部件内的平均带符号复折射值的分布的曲线图。

图11是本发明的投影曝光装置之一例的概略构成图。

图12A及图12B是说明图11所示的投影曝光装置的照明光学系统的一例构成的说明图。

图13是作为构成本发明的投影光学系统的实施例及比较例的光学部件的原材料而制造的石英玻璃坯料的概略图。

图14A～D是构成本发明的投影光学系统的实施例及比较例的光学部件内的平均带符号复折射值的分布的曲线图。

图15A～F分别为在本发明的投影光学系统的实施例1～3，比较例1～3中所使用的光学部件内的平均带符号复折射值的分布的曲线图。

图16A是现有的投影曝光装置的一例概略构成图，图16B是图16A所示的投影曝光装置所使用的蝇眼透镜的截面图。

用于实施发明的最佳形态

首先对本发明的投影光学系统进行说明。图5是本发明的投影光学系统的一例的概略构成图。

从作为第1物体的标线片R侧开始，图5所示的投影光学系统100顺序地由正聚焦的第1透镜群G1、正聚焦的第2透镜群G2、负聚焦的第3透镜群G3、正聚焦的第4透镜群G4、负聚焦的第5透镜群G5和正聚焦的第6透镜群G6构成。并且在物体侧(标线片R侧)及成像侧(晶片W侧)近似形成焦阑系统，是一个具有缩小倍率的系统。此外，该投影光学系统的N．A．为0．6，投影倍率为1／4。

在该投影光学系统中，为达校正像差之目的，L45、L46、L63、L65、L66、L67这6个位置使用的是氟化钙单晶。

上述的本发明的投影光学系统利用先前所述的(1)～(6)式的计算方法，根据垂直于以与光轴Z相交的交点为中心的光轴Z的面内的带符号复折射值的分布，关于各光学部件L11～L610计算出投影光学系统整体的带符号复折射特性值，通过相互组合各个光学部件，可以使该投影光学系统整体的带符号复折射特性值满足-0．5～+0．5nm／cm的配置条件。

通过组合各光学部件使之满足基于先前所述的带符号复折射值的配置条件，可以在相位超前补偿轴的朝向上注意每个光学部件所具有的复折射值的不均匀分布并定量地进行评价，进而，由于为了相互抵消光学部件的复折射值的分布，可以一边根据各自的带符号复折射值来定量地估计光学系统整体的带符号复折射特性值，一边组合光学系统，所以，能够得到具有良好成像性能的投影光学系统。

另外，本发明的投影光学系统最好能够相互组合光学部件，使基于投影光学系统整体的实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔值(Strehl)满足0．93以上的配置条件。

关于光学部件内的复折射的分布的评价，本发明人发现使用考虑了光学部件有效截面的中心及其周边部的实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔强度很有效。由于由本发明人首先导入的复折射的斯切尔值考虑了通过有效截面的光线的实际有效光路，故通过对照根据光学系统整体的带符号复折射特性值的评价，可以进行光学部件内更为精密的复折射的分布的评价。

根据该带符号复折射值的斯切尔值的各光学部件的配置条件基于下述公式进行表达：

0．93≤S    (7) $S=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_i-----\left(8\right)$ $S_i=1-{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\•(\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}+\frac{{\left|x\right|}^2}{4})-----\left(9\right)$

[式(7)～(9)中，λ表示光源的波长。χ表示相对于光学部件Li根据对应基于利用投影光学系统整体的光线追迹实验所得到的实际有效光路的带符号复折射值的有效半径方向的分布所确定的带符号复折射值的平均值。σ表示相对于光学部件Li根据对应基于利用投影光学系统整体的光线追迹实验所得到的实际有效光路的带符号复折射值的有效半径方向的分布所确定的带符号复折射值的标准偏差。Si表示基于每个光学部件Li的实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔强度。S表示在全部组合了各个光学部件Li时的基于投影光学系统整体的实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔强度。]

进而，本发明的投影光学系统，其光学部件Li的中心Oi周边的带符号复折射值最好为0．2nm／cm以下。由于照射光学部件的光的几乎全部都在光学部件的中心部具有光轴，故与使用了中心部带有复折射的光学部件的情况相比，通过使用满足上述条件的光学部件可以大幅度地降低复折射的影响。

另外，本发明的投影光学系统在光学部件Li上，平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布最好在中心Oi之外不具有极值。如果光学部件的带符号复折射值的分布在中心以外没有极值，则可以比较容易地估计光学系统整体的带符号复折射特性值，从而能有效地抵消各个元件的复折射的影响而获得所期望的光学性能。

进而，本发明的投影光学系统还希望光学部件Li的平均带符号复折射值Bij的最大值和最小值的差ΔBi最好为2．0nm／cm以下。

本发明人发现，通过使用这样的光学部件来构成投影光学系统，可以获得投影光学系统的良好的成像性能。进而发现，当将这样的投影光学系统装备到投影曝光装置上时，可以遍及晶片面全体地获得均一的解像度。如果平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布的最大值和最小值的差ΔBi大的话，则光学部件的平均带符号复折射值Bij、进而带符号复折射值Aijk的离散将变大。当光线照射在平均带符号复折射值Bij的最大值和最小值的差ΔBi比2．0nm／cm大的光学部件上时，因光通过的位置带符号复折射值Aijk的差较大，故存在光束的波面上紊乱波动而使光学系统的成像性能极端低下的倾向。

另外，本发明的投影光学系统在各光学部件Li的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布曲线斜率的最大值Fi最好为半径方向每10mm宽为0．2nm／cm以下。通过使用这样的光学部件构成投影光学系统，可以得到投影光学系统的良好的成像性能。进而，当在投影曝光装置上装备有这样的投影光学系统时，可遍及晶片面全体获得均一的解像度。与上述平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布的最大值和最小值的差ΔBi较大的情况一样，如果平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布曲线的斜率的最大值Fi较大的话，则意味着光学部件的平均带符号复折射值Bij、进而带符号复折射值Aijk的离散变大。当光线照射在平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布曲线的斜率的最大值Fi比半径方向每10mm宽为0．2nm／cm的情况大的光学部件上时，因光通过的位置带符号复折射值Aijk的差较大，故也存在光束的波面上产生紊乱，使光学系统的成像性能极端低下的倾向。

虽然现有的“复折射的大小(复折射值)”和本发明中的“带符号复折射值的最大值和最小值的差”都使用单位nm／cm来表示，但前者是用不考虑相位超前补偿轴的方向的复折射值的最大值｜max｜来表示的值，与之相反，后者则是用相位超前补偿轴的朝向与光学部件的半径方向平行部分的最大值(带正的符号的复折射值的最大值)和相位超前补偿轴的朝向与光学部件的半径方向垂直部分的最大值(带负的符号的复折射值的最大值)之差，即(+Amax)-(-Amax)来表示的值，或者在平均带符号复折射值Bij的情况用(+Bmax)-(-Bmax)来表示的值。

下面对本发明的投影光学系统的制造方法进行说明。

图6所示是本发明的投影光学系统的制造方法的一例的流程图。如图示那样，本发明的投影光学系统的制造方法主要由以下步骤构成：即，制造合成石英玻璃坯料的步骤200；由所获得的合成石英玻璃坯料切出光学部件的步骤210；对所切出的光学部件进行热处理的步骤220；测定做完热处理后的光学部件内的带符号复折射值Aijk的步骤230；根据所得到的带符号复折射值Aijk计算出平均带符号复折射值Bijk及进而计算出平均带符号复折射值Eij的步骤240；根据在步骤240所得到的光学部件内的带符号复折射值的分布数据选择要使用的光学部件的步骤250；以基于投影光学系统整体的带符号复折射特性值的配置条件为基础排列在步骤250所选择的多个光学部件的步骤260；对于在步骤260组合的投影光学系统测定基于实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔值的步骤270；以基于在步骤270测得的斯切尔值的配置条件为基础再次排列光学部件的步骤280。

下面，按照图6的流程图，对本发明的投影光学系统的制造方法进行详细的说明。

首先对步骤200的合成石英玻璃的制造进行说明。

本发明的投影光学系统所使用的石英玻璃元件的制造方法有许多，常用的如：a)在氢氧火焰中加水分解硅化合物获得玻璃微粒子(所谓的沉积物)，让该玻璃微粒子堆积形成多孔质玻璃(所谓的沉积物体)。用软化点(最后是融点)附近以上的温度使该多孔质玻璃透明化，进而得到透明石英玻璃的方法；b)在氢氧火焰中加水分解硅化合物，让所获得玻璃微粒子在靶上堆积并同时进行透明玻璃化，进而获得石英玻璃；等等。a的方法称为沉积法，b的方法称为直接法。

在沉积法中，并非只特别地限定于多孔质玻璃的形成方法，也常用VAD法、OVD法、溶胶-凝胶法等。

下面，通过直接法(也称为火焰加水分解法)来说明制造石英玻璃元件的方法。

图7所示是用于合成本发明所使用的石英玻璃坯料470的合成炉400。

燃烧器410是石英玻璃制的多重管构造的装置，从炉子的上部使前端部朝向靶420地设置着。炉壁由炉框440及耐火物430构成，其上设置有观察窗(没有图示)、IR摄像机监视窗450、以及排气系统460。在炉子的下部配设有用于形成坯料470的靶420，靶420通过支撑轴480连接在位于炉外的XY载置台(没有图示)上。支撑轴480可利用电机驱动旋转，XY载置台可通过X轴伺服电机及Y轴伺服电机的驱动在X方向和Y方向上进行二维的移动。

从燃烧器410可喷出含氧气体、含氢气体，二者混合形成火焰。如果在该火焰中用载体气体稀释硅化合物原料并让其从燃烧器的中心喷出，则原料被加水分解并生成石英玻璃微粒子(沉积物)。通过让这些石英玻璃微粒子堆积在旋转、摇动的靶上，并同时让其熔融·玻璃化，可以获得透明的石英玻璃的坯料。此时，坯料的上部被火焰覆盖，向Z方向拉下靶，以便使坯料上部的合成面的位置总是与燃烧器保持着等距离。

作为从燃烧器410的中心部喷出的原料，可列举SiCl₄、SiHCl₃等硅的氯化物，SiF₄、Si₂F₆等硅的氟化物，六甲基乙硅氧烷，八甲基环四硅氧烷，四甲基环四硅氧烷等硅氧烷类，甲基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷，四甲氧基硅烷等硅烷类的有机硅，以及SiH₄、Si₂H₆等。

作为获得石英玻璃元件的有效截面中心周边的带符号复折射值为-0．2～+0．2nm／cm的石英玻璃元件的方法，利用上述的合成石英玻璃的制造方法制造大口径的坯料，由此切出所期望口径的光学部件的方法是最为简单的方法。该情况下，需要使坯料和光学部件的几何中心相一致。由于与小口径的坯料相比，大口径坯料的带符号复折射值的分布存在扁平的倾向，故由此切出的光学部件的畸变的分布也为扁平。通常认为这是由于坯料的合成面中央部的温度梯度小于接近坯料侧面的合成面周边部的温度梯度所造成的。

另外，在得到有效截面的中心周边以外不具有带符号复折射值的分布的极值的石英玻璃时，仍然要制造大口径的坯料，以便能确认其带符号复折射值的分布并在中心部以外不带复折射地切出光学部件。或者在用可以衰减复折射的充分高的温度保持之后，通过进行缓慢地冷却的退火操作，可获得中心部的复折射为0．2nm／cm以下、且具有在中心部以外没有极值的带符号复折射值的分布的石英玻璃元件。

在可以获得带符号复折射值最大值和最小值之差是0．2nm／cm以下、或者带符号复折射值的相对于半径方向的带符号复折射值的分布的梯度的最大值相对于10mm宽度为0．2nm／cm以下这样的元件内带符号复折射值的分布的分散小的光学部件时，采用由大口径的坯料切出的方法或进行缓和复折射这样的退火操作也是很有效的。此外，通过最适化合成时的坯料上部(合成面)的温度分布等，以及控制合成条件，也可以在某种程度上减小带符号复折射值的分散。

在步骤210切出上述这样制造的光学部件。进而在步骤220对所切出的光学部件实施急速加热→短时间保持→急速冷却这样的热处理，以便向先前所述的那样，抑制光学部件内的带符号复折射值的离散。这样，就可以制造出构成图5所示的投影光学系统的具有各种各样形状的光学部件的备件。即，在制造图5所示的投影光学系统时，可以相对于图5所示的石英玻璃透镜L11，制造出具有同样形状和大小的多个片石英玻璃透镜。

然后，在步骤230逐个光学部件地测定带符号复折射值。即，测定位于在垂直于光学部件的光轴的有效截面内假定的多个同心圆上的多个测定点Pijk的带符号复折射值Aijk。

下面对本发明中所使用的复折射的测定方法进行说明。首先，对相位调制法进行说明。光学系统配置有光源、起偏镜、相位调制元件、样品、检偏镜。光源使用He-Ne激光器或者激光二极管，相位调制元件使用光弹变换器。来自光源的光被起偏镜起偏为线偏振光并入射到相位调制元件。投射到样品上的来自相位调制元件的光束是由元件按线偏振光→圆偏振光→线偏振光连续地变换偏振光状态的调制光。在进行测定时，以入射到样品的测定点上的光束为中心，让样品旋转并找出检测器输出的峰值，通过测定此时的振幅，求出相位超前补偿轴(或者相位延迟补偿轴)的方向和复折射位相差的大小。如果光源使用的是塞曼激光器的话，不让样品旋转也可以进行测定。此外，在本发明中，也可以使用相位移动法、光外差干涉法。

另外，虽然测定精度稍稍下降，但也可以用下面这样的方法进行测定。

在旋转检偏镜法中，采用的是用起偏镜和旋转检偏镜挟着位于光源和检光元件之间的样品这样的装置构成。测定是边旋转获得被测样品后的检偏镜边测定来自检光元件的信号，并根据来自检光元件的信号的最大值和最小值求出位相差。

在相位补偿法中，配置有光源、起偏镜、样品、相位补偿板、检偏镜、检光元件。起偏镜和检偏镜的轴相互正交地放置，由于入射到被测定样品的线偏振光因样品的复折射变成了椭圆偏振光，所以，可以通过调节相位补偿板使之回到线偏振光。通过调节补偿板可使检光元件的信号近乎为0。最好地消了光的相位补偿值便为复折射的量。

即便是在十字尼科尔光学系统中放置并比较标准样品这样的简便方法，只要测定样品的厚度足够，测定也是可行的。

在复折射的测定值中，如先前所述的那样，相位超前补偿轴的方向为与元件的直径平行的方向时添加+号，垂直的方向时添加-号。但是，在复折射的测定值较小时，有时相位超前补偿轴未必能与直径完全地平行或者垂直，而是具有一定的倾斜。此时，也可以相对于直径，对比45度角更接近于平行的复折射值添加+号，对比45度角更接近于垂直的复折射值添加-号来使用。

此后，在步骤240根据在步骤230得到的每个光学部件Li的带符号复折射值Aijk求出平均带符号复折射值Bijk。这里，平均带符号复折射值Bijk是位于距有效截面的中心O₁等距离r_j的同心圆Cij上的多个测定点处的多个带符号复折射值的相加平均。

下面，利用图8A、图8B、图9A、图9B、图10A及图10B对根据带符号复折射值Aijk求平均带符号复折射值Bijk的情况进行说明。

图8A是以自光学部件L1的有效截面上的中心O₁开始分别具有半径r₁、r₂、r₃、r₄的同心圆C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄和自中心O₁开始沿半径方向延伸的2条直线Q₁₀₁及Q₁₀₂的交点P₁₁₁、P₁₂₁、P₁₃₁、P₁₄₁、P₁₁₂、P₁₂₂、P₁₃₂、P₁₄₂为测定点时的原理图。该情况下，由位于同一同心圆的圆周上的2个测定点得到的带符号复折射值的相加平均即为光学部件L1的每个同心圆的平均带符号复折射值。即，对同心圆C₁₁的而言，从位于同心圆C₁₁的圆周上的测定点P₁₁₁和测定点P₁₁₂得到的带符号复折射值A₁₁₁和A₁₁₂的相加平均即为代表位于同心圆C₁₁的圆周上的点群的带符号复折射值的平均带符号复折射值B₁₁。以下同样地，可关于同心圆C₁₂～C₁₄获得平均带符号复折射值B₁₂～B₁₄。而且，通过将平均带符号复折射值B₁₁～B₁₄作为离中心O₁的距离的函数图示出来，可以定量地理解相对于光学部件L1的半径方向的平均带符号复折射值的分布。例如，当平均带符号复折射值B₁₁～B₁₄全部取正值并在半径方向单调增加时，可以得到图8B所示那样的相对于光学部件L1的半径方向的平均带符号复折射值的分布的剖面图。

图9A是以自光学部件L2有效截面上的中心O₂开始分别具有半径r₁、r₂、r₃、r₄的同心圆C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄和自中心O₂开始沿半径方向延伸的2条直线Q₂₀₁及Q₂₀₂的交点P₂₁₁、P₂₂₁、P₂₃₁、P₂₄₁、P₂₁₂、P₂₂₂、P₂₃₂、P₂₄₂为测定点时的原理图。该情况下也如在图8A所说明的那样，可关于同心圆C₂₁～C₂₄获得平均带符号复折射值B₂₁～B₂₄。而且，通过将平均带符号复折射值B₂₁～B₂₄作为离中心O₂的距离的函数图示出来，可以定量地理解相对于光学部件L2半径方向的平均带符号复折射值的分布。例如，当平均带符号复折射值B₂₁～B₂₄全部取负值并在半径方向单调减少时，可以得到图9B所示那样的相对于光学部件L2的半径方向的平均带符号复折射值的分布的剖面图。

图10A是以自光学部件L3有效截面上的中心O₃开始分别具有半径r₁、r₂、r₃、r₄、r₅的同心圆C₃₁、C₃₂、C₃₃、C₃₄、C₃₅和自中心O₃开始沿半径方向延伸的2条直线Q₃₀₁及Q₃₀₂的交点P₃₁₁、P₃₂₁、P₃₃₁、P₃₄₁、P₃₅₁、P₃₁₂、P₃₂₂、P₃₃₂、P₃₄₂、P₃₅₂为测定点时的原理图。该情况下也如在图8A所说明的那样，可关于同心圆C₃₁～C₃₅获得平均带符号复折射值B₃₁～B₃₅。而且，通过将平均带符号复折射值B₃₁～B₃₅作为离中心O₃的距离的函数图示出来，可以定量地理解相对于光学部件L3半径方向的平均带符号复折射值的分布。例如，当平均带符号复折射值B₃₁～B₃₃取正值，B₃₄及B₃₅取负值，且这些平均带符号复折射值B₃₁～B₃₃在r₂附近取极大值并从r₂到r₅在半径方向单调减少时，可以得到图10B所示那样的相对于光学部件L3的半径方向的平均带符号复折射值分布的剖面图。

进而，在步骤240，根据上述这样得到的每个光学部件的平均带符号复折射值Bijk和每个光学部件的表观厚度Ti，按照(5)式计算出每个光学部件的平均带符号复折射量Eijk。

接着，在步骤250选择所使用的光学部件。此时，如在图5给出的投影光学系统所示的那样，由于光学部件对应其在投影光学系统内所起到的作用其有效截面各不相同，故需要象图4A所示的那样，对全部的光学部件标准化其有效截面，以使其最大有效半径为1。进而，在标准化的共同的有效半径的基础上，通过观察全部光学部件的平均带符号复折射值Bijk的半径方向上的分布，进行以下的光学部件的选择，并将之纳入在投影光学系统的各部位上所使用的光学部件的备件。

该步骤250的光学部件的选择条件是：选择条件251，光学部件Li的中心Oi周边的带符号复折射值应为0．2nm／cm以下；选择条件252，光学部件Li中平均带符号复折射值Bij的最大值和最小值之差ΔBi应为2．0nm／cm以下；选择条件253，各光学部件Li中平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布曲线的斜率的最大值Fi应为半径方向每10mm宽为0．2nm／cm以下；选择条件254，光学部件Li中平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布除中心Oi以外没有极值。

通过使用符合上述选择条件251～254的全部或者至少一项的光学部件，可以更有效地构成高成像性能的投影光学系统。

而后，在步骤260，排列光学部件，以便先前用(1)式表示的投影光学系统整体的带符号复折射特性值H达到-0．5～+0．5nm／cm。此时，投影光学系统整体的带符号复折射特性值H利用先前所示的(2)～(4)式算出。如此排列的投影光学系统显示出了优异的成像性能。

接着，进行相互组合，以能够进一步满足使基于步骤240的投影光学系统整体的实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔值达到0．93以上的配置条件。由于复折射的斯切尔值考虑了通过有效截面的光线的实际有效光路，所以，通过对照根据光学系统整体的带符号复折射特性值的评价，可以进行光学部件内的更为精密的复折射的分布的评价。复折射的斯切尔值S使用利用光线追跡试验所得到的带符号复折射值的半径方向的分布数据，按照(8)式及(9)式计算出来。

例如，对图5所示的投影光学系统100的情况，将除由氟化钙单晶制作的透镜L45、L46、L63、L65、L66、L67之外的、对应石英玻璃透镜L11～L610的带符号复折射值的半径方向的分布的测定结果输入计算斯切尔值用的计算机。进而，参照在光轴上、近轴区、轴外等和在光学系统的像差计算等中使用的光线追跡的手法，求出各个透镜上的光线通过点，把对应该点的带符号复折射值代入(9)式，求出斯切尔值。亦既，求出对应按各种入射角度入射到投影光学系统100的多个条光线的多个斯切尔值，并将其中的最低值作为组合其图形的斯切尔值。

至于用氟化钙单晶制作的6片透镜的带符号复折射的分布，既可以把理论值代入计算机，也可以输入带有标准的带符号复折射值的分布的材料的实测值。或者也可以同时制作这6片透镜用材料，并与石英玻璃透镜一起进行评价。

在上述投影光学系统的制造方法中，虽然是对设置选择光学部件的步骤250、测定斯切尔值的步骤270以及根据斯切尔值排列光学部件的步骤280的情况做的说明，但本发明的投影光学系统的制造方法并非仅限定于上述形态，在本发明的投影光学系统的制造方法中，上述的3个步骤都是可以省略的步骤。

另外，在上述的说明中，在逐个光学部件地测定了平均带符号复折射值Bijk的相对于半径方向的分布时，相对于全部的光学部件，其中心周边的复折射值几乎为0，而当半径方向上的平均带符号复折射值Bijk的分布是微小的单调增加，或微小的单调减少时，也可以代替上述的投影光学系统整体的带符号复折射特性值，作为评价投影光学系统整体的复折射的影响的基准，以采用以下方法算出的值为尺度标准。即，取光学部件内的平均带符号复折射值Bijk的半径方向的值的相加平均，并将之作为代表该元件的带符号复折射值，这是一个关于全部光学部件做相加计算的值。通过组合元件使该相加值在光学系统整体上为0，可以简便地进行考虑了复折射的影响的元件的选择。

图11所示是具有本发明的投影光学系统的投影曝光装置的一例概略构成图。在图11中，设平行于投影光学系统的光轴304的方向为Z方向，位于纸面内并垂直于Z方向的方向为Y方向，垂直于纸面及Z方向的方向为X方向。

图11所示的投影曝光装置主要由以下部分构成：曝光光源303；形成图形原像的标线片R；把曝光光源303输出的光照射到标线片R上的照射光学系统302；将标线片R输出的图形像投影到晶片(感光基板)W上的投影光学系统304；进行标线片R与晶片W的位置重合的校准系统305。

晶片W载置在校正台(没有图示)上，该校正台设置在Z载物台301上并可以通过驱动电机320的驱动在投影光学系统的光轴方向(Z方向)微动。Z载物台301载置在XY载物台315上并可以在驱动电机320的驱动下以步进和反复(step and repeat)的方式在二维方向(XY)方向上移动。标线片R载置在可在水平面内二维移动的标线片载物台306上。来自曝光光源303的光线经由照明光学系统302均匀地照明形成在标线片R上的图形，标线片R的图形像经由投影光学系统304曝光复制在晶片W的拍摄区域。该曝光光，可以使用具有248nm(KrF受激准分子激光)、193nm(ArF受激准分子激光)、157nm(F₂激光)等波长的曝光光。

如果对应晶片W上一个拍摄区域的标线片R的图形的曝光复制完了，则XY载物台315将移动一步，以让晶片W的下一个拍摄区域与投影光学系统304的曝光区域相一致。通过用激光干涉计测量与固定在校正台上的移动镜340的距离，如可以以0．1μm程度的分解能力长时间地监控记录载置有晶片W的校正台的二维位置，激光干涉计的输出提供给载物台控制系统311。

标线片R在标线片载置台306上的位置确定是使标线片R上的复制图形的中心与投影光学系统304的光轴相一致。标线片R位置的确定利用设置在标线片R的外周附近的多个标线片校准标识(标线片标识)进行。标线片标识设置有用于进行X方向的位置确定的标线片标识和用于进行Y方向的位置确定的标线片标识2种类型。校准系统305将分离来自曝光光源303的曝光光的一部分而取出的曝光光作为照明光(校正光)来使用。每个标线片校准标识的位置设置有一个校正系统305。

通过照明光学系统302的照明光入射到设置在标线片R的标本区域外侧的标线片标识上，标线片标识由在标本周围的不透明部形成的透明窗构成。被标线片标识部反射的校准光再次入射到校准系统305。另一方面，通过标线片标识的校准光通过投影光学系统304入射到设置在晶片W上的各个拍摄区域周围的基板校准标识(晶片标识)上。晶片标识并不是分别设置在各拍摄区域的周围，也可以设置在晶片的确定的位置上，如只设置在晶片的外周部区域。晶片标识与标线片标识相对应，也设置有用于进行X方向的位置确定的晶片标识和用于进行Y方向的位置确定的晶片标识2种类型。来自晶片标识的反射光经由与入射光相反的路径，通过投影光学系统304、标线片标识部后再次入射到校正系统305。

这样，通过对校准系统305输入来自标线片R和晶片W的校准光的反射部分，可以检测出标线片R和晶片W的相对位置。该校准系统305的输出被提供给主控制系统312。进而，通过将主控制系统312的输出提供给标线片交换系统307和载置台控制系统311，可以调整标线片R和晶片W的空间位置。结果将能够高精度地维持形成在晶片W上的各拍摄区域的图形和此后将曝光复制的标线片R的图形像的重合精度。

图12A及图12B给出的是图11所示的投影曝光装置的照明光学系统302的详细构造的概略构成图。

图12A是从图11的Y方向观察照明光学系统302时的正面图，图12B是从图11的X方向观察照明光学系统302时的正面图。这里的哪一个图中都省略了分离并使用入射到照明光学系统302的曝光光的一部分的校准系统302。

从曝光光源303(没有图示)输出具有248nm(KrF受激准分子激光)、193nm(ArF受激准分子激光)、157nm(F₂激光)等波长的近似平行的光束，此时的平行光束的截面形状呈矩形形状。来自该曝光光源303的平行光束入射到作为将之整形为规定截面形状的光束整形部的光束整形光学系统20。该光束整形光学系统20由2个在Y方向上具有折射能力的柱面透镜(20A、20B)构成，光源侧的柱面透镜20A具有负的折射能力，使X方向的光束发散，与之相反，被照射面侧的柱面透镜20B具有正的折射能力，其会聚来自光源侧的柱面透镜20A的发散光并将之变换成平行光束。因而，来自通过了光束整形光学系统20的曝光光源303的平行光束，其Y方向的光束宽度被放大并被整形为光束截面具有一定大小的长方形形状。而且，作为光束整形光学系统20，既可以组合具有正的折射能力的柱面透镜而成，也可以采用畸变棱镜等。

来自光束整形光学系统20的被整形的光束入射到第1中继光学系统21。这里，第1中继光学系统21具有由2片正透镜组成的正折射的前群(21A、21B)和由2片正透镜组成的正折射的后群(21C、21D)，第1中继光学系统21的前群(21A、21B)在该前群的标线片R侧(后侧)的焦点位置形成会聚点(光源像)I，第1中继光学系统21的后群(21C、21D)配置在该前群(21A、21B)的焦点位置，以使其能一致于光源侧(前侧)的焦点位置。而且，第1中继光学系统21具有使曝光光源30的出射面与后述的作为第1多光源像形成装置的光学积分器30共轭的功能。利用该第1中继光学系统21的功能，可以修正伴随来自曝光光源303的光的角度偏离而产生的照明光学积分器30的光束的偏离，可以加大对来自曝光光源303的光的角度偏离的允许度。将来自曝光光源303的光线导入第1多光源形成装置的导光光学系统由光束整形光学系统20和第1中继光学系统21构成。

经过第1中继光学系统21的光束入射到作为形成线状排列成3列的多个光源像的第1多光源形成装置的光学积分器30。该光学积分器30由所配置的多个具有近似正方形状透镜截面的多个两凸形状的透镜元件构成，作为光学积分器30的整体，其具有长方形状的截面。而且，每个两凸形状的透镜元件在Y方向和X方向具有相互同等的曲率(折射能力)。

为此，通过构成光学积分器30的每个透镜元件的平行光束被分别会聚并在各透镜元件的出射侧形成光源像。因而，在光学积分器30的出射侧位置A1形成有相当于透镜元件个数的多个光源像，在此，实质性地形成了二次光源。

来自由光学积分器30所形成的多个二次光源的光束被第2中继光学系统40会聚，并进一步入射到作为形成多个光源像的第2多光源像形成装置的光学积分器50。

该光学积分器50由所配置的多个具有长方形状透镜截面的多个两凸形状的透镜元件构成，该透镜元件的截面形状采用与光学积分器30的截面形状相似的构成。进而，作为光学积分器50的整体，其具有正方形状的截面。另外，每个透镜元件在图3a的纸面方向和图3b的纸面方向具有相互等同的曲率(折射能力)。

为此，通过构成光学积分器50的每个透镜元件的来自光学积分器30的光束被分别会聚并在各透镜元件的出射侧形成光源像。因而，在光学积分器50的出射侧位置A2形成有正方形状排列的多个光源像，在此，实质性地形成了三次光源。

此外，第2中继光学系统40使光学积分器30的入射面位置B1和光学积分器50的入射面位置B2共轭，同时，也使光学积分器30的出射面位置A1和光学积分器50的出射面位置A2共轭。进而，上述说明中的光学积分器30及光学积分器50虽然是用蝇眼透镜的形状给出，但并非仅特别地限定于在本发明的投影曝光装置的照明系统中所使用的光学积分器的形状，例如，也可以使用由极微小的多个透镜元件构成的微蝇眼元件、棒状内面反射型的光学部件(万花筒棒)或者衍射光学部件(DOE)等。

在该三次光源形成的位置A2或其近旁位置，设置有具有一定形状的开口部的开口光阑AS，来自利用该开口光阑AS形成圆形状的三次光源的光束被作为会聚光学系统的聚光镜光学系统60会聚，并狭缝状地均匀照明在作为被照射物体的标线片R上。

另外，图11所示的投影光学系统304相互组合各个光学部件，使该投影光学系统整体的带符号复折射特性值满足-0．5～+0．5nm／cm的配置条件。进而，各光学部件相互组合，使基于投影光学系统整体的实际有效光路的带符号复折射值的斯切尔值(Strehl)进一步满足达到0．93以上的配置条件。再有，所使用的光学部件其有效截面的中心周边的带符号复折射值为-0．2～+0．2nm／cm，其平均带符号复折射值的半径方向的分布在中心以外不具有极值，其平均带符号复折射值的最大值和最小值的差ΔBi为2．0nm／cm以下，其在平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布曲线的斜率的最大值Fi在半径方向每10mm宽为0．2nm／cm以下。

这样，由于通过使用本发明的投影光学系统，可以把由光学部件的复折射造成的影响抑制到最小限度，故可以得到高解像度的投影曝光装置。

下面，利用实施例详细地对本发明的投影光学系统、该投影光学系统的制造方法以及使用该投影光学系统的投影曝光装置进行说明。

《合成石英玻璃的制造》

首先，对下面所示的实施例1～实施例3、比较例1～比较例3中使用的石英玻璃元件的制造方法进行说明。

我们使用图11所示的合成炉，利用直接法(火焰加水分解法)进行了合成石英玻璃的制造。首先，通过让多重管燃烧器的中央部喷出四氯化硅，并在氢氧火焰中加水分解，获得了玻璃微粒子。在进行着旋转和摇动的靶上堆积这些玻璃微粒子并同时进行透明化，得到了图13所示的φ400mm×t800mm的石英玻璃坯料470。此时，在第1合成中设定X轴方向的摇动幅度(行程)为100mm、在第2合成中设定为150mm。

在各自的合成过程中，在将坯料470以其原形状放置冷却后，切出了φ400mm×t100mm的圆筒形状的试样e、m、f。具体地，试样e从由第1合成得到的坯料470的下部500～600mm的高度部分切出，试样m从由第2合成得到的坯料472的下部500～600mm的高度部分切出。而试样f则从由第1合成得到的坯料470或者由第2合成得到的坯料472的下部100～200mm的高度部分切出。在将这些试样e、m、f升温至1000℃并保持10个小时后，以10℃／小时的速度降温至500℃。此后再次放置冷却得到热处理完了的试样e、m、f。

另一方面，我们使用除将X轴方向的摇动幅度(行程)设定为50mm以外，其他与上述完全一样的合成石英玻璃的制造方法，作成了φ120mm×φ130mm的石英玻璃坯料。并由这些坯料切出适当尺寸的试样，用和上述同样的条件进行了热处理。进而，切出了图5的光学系统所需要的φ100mm×φ280mm试样g。

《合成石英玻璃的评价》

关于由合成石英玻璃组成的圆板状的试样e、m、f、g，分别测定了各自的带符号复折射值的半径方向的分布。复折射的测定是利用相位调制法进行的。此外，如图10A所示的那样，测定点取的是关于试样e、m、f、g各自的有效截面上假想的多个同心圆和自有效截面的中心沿半径方向延伸的2条直线的交点。

首先，关于试样e、m、f、g根据带符号复折射值的半径方向的分布数据，预测在所期望的半径内切出后的带符号复折射值的值，进行了可以使用的试样的选择，组合带符号复折射值为+的元件和为-的元件，以便在光学系统整体上能使带符号复折射值达到极小。

组合图5所示那样的投影光学系统100所需要的元件的大小为φ100mm～φ280mm。在该范围内，可以看到除去试样g之外的试样e、m、f其带符号复折射值在半径方向或单调增加或单调减小，且其绝对值也都较2．0nm／cm为小。

于是，求出试样e、m、f的带符号复折射值的半径方向分布的平均，并求出了各自试样的带符号复折射值的临时的代表值。接着，选择并组合试样e、m、f组成光学系统，在整体上相加其代表值，确认了光学系统整体的加算值为±0。这样，首先简便地进行考虑了复折射的影响的元件的选择，更准确地从玻璃坯料切出了特性良好的试样e、m、f。使用上述的带符号复折射值的临时的代表值评价元件内的复折射特性的手法只是一个参考，对实际组合投影光学系统的情况，应重新计算出刚才所述的投影光学系统整体的带符号复折射特性值。

根据上述的选择，重新对正从坯料外径割出的坯料的旋转对称中心位置和试样的中心位置切出由石英玻璃构成的试样e、m、f。在实际中，采用使进行过热处理或退火的试样的热处理中心和试样的中心位置相一致的做法来切出所期望大小的元件。在这些切出的圆筒形状的试样e、m、f中，φ200mm的试样的平均带符号复折射值Bijk的半径方向的分布曲线示于图14A～C。这些合成石英玻璃都具有平均带符号复折射值Bijk单调增加或者单调减少的模式。此外，试样e、m、f的中心周边的带符号复折射值Aio也都为-0．2～+0．2nm／cm以下。另外，我们还搞清楚了各个试样e、m、f在中心以外不具有平均带符号复折射值Bijk的极值。进而，确认了平均带符号复折射值Bijk的半径方向的分布曲线的斜率的最大值Fi为每10mm在0．2nm／cm以下，平均带符号复折射值Bijk的半径方向的分布的最大值和最小值之差ΔBi在2．0nm／cm以下。

另一方面，在所切出的圆筒状试样g中，φ200mm的试样的平均带符号复折射值Bijk的半径方向的分布曲线示于图14D中。由图我们看到试样g的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布在中心周边以外的半径的70％～80％的位置上具有正的极大值。

再有，为了使用上述的这些试样e、m、f、g实际组成投影光学系统，我们分别各自准备了多个试样e、m、f、g。即，首先在与先前所述的合成法同样的条件下，制作了多个石英玻璃坯料，然后，分别准备多个从所制作的多个石英玻璃坯料切出的试样的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布特性与上述的试样e、m、f、g相一致的试样。

[实施例1]

将上述的试样e、m、f加工成透镜状并组成了图5所示的投影光学系统100。更详细地讲，就是在构成投影光学系统100的光学部件中，用该试样e、m、f制成了除去用氟化钙单晶制造的透镜L45、L46、L63、L65、L66、L67之外的23片透镜。并且，相对于所完成的投影光学系统，以所算出的投影光学系统整体的带符号复折射特性值H以及带符号复折射值的斯切尔值S显现出最好值的配置结构作为了实施例1。进而，测定了作为图11所示的投影曝光装置的投影光学系统使用了实施例1时的解像度。图15A给出了分别各组合一个试样e、m、f时的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布。

[实施例2]

除了使用试样e、f以外，其他采用与实施例1同样的做法组成了投影光学系统。进而，测定了作为图11所示的投影曝光装置的投影光学系统使用了实施例2时的解像度。图15B给出了分别各组合一个试样e、f时的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布。

[实施例3]

除了使用试样m、f、g之外，其他采用与实施例1同样的做法组成了投影光学系统。进而，测定了作为图11所示的投影曝光装置的投影光学系统使用了实施例3时的解像度。图15C给出了分别各组合一个试样m、f、g时的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布。

[比较例1]

除了使用试样g之外，其他采用与实施例1同样的做法组成了投影光学系统。进而，测定了作为图11所示的投影曝光装置的投影光学系统使用了比较例1时的解像度。图15D给出了试样g的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布。

[比较例2]

除了使用试样f、g之外，其他采用与实施例1同样的做法组成了投影光学系统。进而，测定了作为图11所示的投影曝光装置的投影光学系统使用了比较例2时的解像度。图15E给出了分别各组合一个试样f、g时的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布。

[比较例3]

除了使用试样f之外，其他采用与实施例1同样的做法组成了投影光学系统。进而，测定了作为图11所示的投影曝光装置的投影光学系统使用了比较例3时的解像度。图15F给出了试样f的平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布。

表1给出了基于上述的实施例1～3，比较例1～3的投影光学系统的带符号复折射的光学特性和使用了这些投影光学系统的投影曝光装置的解像度的测定值。

表1：

	所使用的石英玻璃	Aionm/cm	中心Oi以外有无Bij的极值	ΔBinm/cm	Finm/cm	Hnm/cm	S	解像度
									实施例1	e、m、f	e：_0m：_0f：_0	e：无m：无f：无	e：1.6m：1.6f：0.5	e：≤0.2m：≤0.2f：≤0.1	0.12	0.99	0.15
实施例2	e、f	e：_0f：_0	e：无f：无	e：1.6f：1.6	e：≤0.2f：≤0.1	0.17	0.97	0.18
									实施例3	m、f、g	m：_0f：_0g：_0	m：无f：无g：有	m：1.6f：1.6g：3.5	m：≤0.2f：≤0.1g：≤0.4	0.38	0.94	0.18
比较例1	g	g：_0	g：有	g：3.5	g：≤0.4	1.9	0.85	不可测定
									比较例2	f、g	f：_0g：_0	f：无g：有	f：1.6g：3.5	f：≤0.1g：≤0.4	0.6	0.92	0.20
比较例3	f	f：_0	f：无	f：1.6	f：≤0.1	0.93	0.90	0.22

根据表1所示的实施例1～3所具有的光学特性的结果，可以确认满足基于带符号复折射值的配置条件，即投影光学系统整体的带符号复折射特性值满足-0．5～+0．5nm／cm的条件的本发明的投影光学系统表现出了良好的成像性能。此外，在将本发明的投影光学系统作为投影曝光装置的投影光学系统使用时，可以确认其达到了非常高的解像度。特别是在使用了实施例1的投影曝光装置中，甚至达到了0．15这样的高解像度。

另外，在部分地使用了平均带符号复折射值Bij的半径方向的分布的分散较大的试样g的实施例3中，也具有良好的成像性能，进而，从使用了该光学系统的投影曝光装置的解像度也表现出良好的值这一点来看，也可以确认注意光学部件内的带符号复折射值的分布来配置光学部件使带符号复折射特性值达到-0．5～+0．5nm／cm的本发明的投影光学系统的制造方法的有效性。

相反，比较例1～比较例3的投影光学系统其带符号复折射特性值为+0．5nm／cm以上而没有表现出良好的成像性能，使用这些投影光学系统的投影曝光装置也没能象实施例1～3那样获得良好的成像性能。特别是在比较例1，投影光学系统整体的波面像差远远超过了测定范围，所以要测定其解像度是不可能的。

产业上应用的可能性

如以上所说明的那样，按照本发明，可以在相位超前补偿轴的朝向上注意每个光学部件所具有的复折射值的不均匀分布并定量地进行评价，进而，能够通过边根据各自的带符号复折射值定量地估计光学系统整体的带符号复折射特性值，边实现相互抵消光学部件内复折射的分布地组合光学系统。因此，可以将光学部件内的复折射值的不均匀分布对投影光学系统的成像性能，或者投影曝光装置的解像度的影响限制在最小，能够提供具有高成像性能的投影光学系统、投影光学系统的制造方法、以及可以得到高解像度的投影曝光装置。

Claims (18)

1．一种至少具有2个石英玻璃光学部件的投影光学系统，其特征在于：测定垂直于以与前述各光学部件的光轴相交的交点为中心的光轴的面内的多个位置的复折射值，根据该多个复折射值和其相位超前补偿轴的朝向求出带符号复折射值的分布，相互组合前述光学部件以使基于该带符号复折射值的分布计算出来的前述投影光学系统整体的带符号复折射值满足-0．5～+0．5nm／cm的配置条件。

2．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：相互组合前述光学部件，以使进一步满足基于前述投影光学系统整体的实际有效光路的前述带符号复折射值的斯切尔值(Strehl)达到0．93以上的配置条件。

3．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：与前述光学部件的光轴垂直的面内的前述中心周边的前述带符号复折射值为-0．2～+0．2nm／cm。

4．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：与前述光学部件的光轴垂直的面内的前述带符号复折射值的分布在前述中心周边以外不具有极值。

5．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：与前述光学部件的光轴垂直的面内的前述带符号复折射值的最大值和最小值之差为2．0nm／cm以下。

6．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：与前述光学部件的光轴垂直的面内的相对于半径方向的前述带符号复折射值的分布的梯度的最大值相当于半径方向每10mm宽在0．2nm／cm以下。

7．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：基于前述投影光学系统整体的带符号复折射特性值的前述光学部件的配置条件根据下述公式表达：

-0．5≤H≤+0．5nm／cm    (1) $H=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j}{n}-----\left(2\right)$ $G_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}}{D}-----\left(3\right)$ $D=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i-----\left(4\right)$ Eij=Bij×Ti    (5) $B_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{k=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ijk}}}{h}-----\left(6\right)$

式(1)～(6)中，

i表示构成前述投影光学系统的上述光学部件L的序号(i=1，2，…，m；2≤m)；

j表示在垂直于前述光学部件L的光轴的有效截面上假想的、以前述光轴为中心且距离该光轴的半径各不相同的同心圆C的序号(j=1，2，…，n；1≤n)；

k表示位于前述同心圆C的圆周上的测定点的序号(k=1，2，…，h；1≤h)；

Aijk表示位于光学部件Li的同心圆Cij的圆周上的第k号测定点Pijk处的前述带符号复折射值；

Bij表示作为位于光学部件Li的同心圆Cij的圆周上的测定点的带符号复折射值的相加平均的平均带符号复折射值；

Ti表示光学部件Li的表观厚度；

Eij表示作为平均带符号复折射值Bij与表观厚度Ti之积的平均带符号复折射量；

D表示前述投影光学系统整体的表观总光路长度；

Gj表示用总光路长度D除前述投影光学系统整体的平均带符号复折射量Eij的总和后的带符号复折射值的平均变化量；

H表示用同心圆的个数n除前述投影光学系统整体的平均带符号复折射量的平均变化量Gj的总和的前述投影光学系统整体的带符号复折射特性值。

8．权利要求1所记载的投影光学系统，其特征在于：基于前述带符号复折射值的斯切尔值的前述光学部件的配置条件根据下述公式表达：0．93≤S    (7) $S=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_i-----\left(8\right)$ $S_i=1-{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\•(\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}+\frac{{\left|x\right|}^2}{4})-----\left(9\right)$

式(7)～(9)中，

λ表示光源的波长；

χ表示相对于光学部件Li，根据对应基于利用前述投影光学系统整体的光线追迹实验获得的实际有效光路的前述带符号复折射值的有效半径方向的分布而确定的前述带符号复折射值的平均值；

σ表示相对于光学部件Li，根据对应基于利用前述投影光学系统整体的光线追迹实验所得到的实际有效光路的前述带符号复折射值的有效半径方向的分布而确定的前述带符号复折射值的标准偏差；

Si表示基于前述光学部件Li的实际有效光路的前述带符号复折射值的斯切尔值(Strehl)强度；

S表示在全部组合了前述光学部件Li时的基于投影光学系统整体的实际有效光路的前述带符号复折射值的斯切尔值。

9．一种投影曝光装置，包括：

曝光光源；

形成图形原像的标线片；

把前述曝光光源输出的光照射到前述标线片上的照射光学系统；

将前述标线片输出的图形像投影到感光基板上的投影光学系统；

将前述标线片与前述感光基板进行位置调整的校准系统；

其特征在于，作为前述投影光学系统备有权利要求1所记载的投影光学系统。

10．权利要求9所记载的投影曝光装置，其特征在于：作为曝光光，前述曝光光源出射的是250nm以下波长的光。

11．一种至少具有2个石英玻璃光学部件的投影光学系统的制造方法，其特征在于包括以下工序：

测定垂直于以与前述各光学部件的光轴相交的交点为中心的光轴的面内的多个位置的复折射值，并根据该多个复折射值和其相位超前补偿轴的朝向求出带符号复折射值的分布的工序；

根据前述各光学部件的带符号复折射值的分布计算前述投影光学系统整体的带符号复折射特性值的工序；

相互组合前述光学部件以使前述投影光学系统整体的带符号复折射值满足-0．5～+0．5nm／cm的配置条件的工序。

12．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于在前述投影光学系统的制造方法中进一步包括以下工序：

利用光线追跡试验测定基于前述各光学部件的实际有效光路的前述带符号复折射值的分布的工序；

根据基于前述各光学部件的实际有效光路的带符号复折射值的分布计算出基于前述投影光学系统整体的实际有效光路的前述带符号复折射值的斯切尔值(Strehl)的工序；

相互组合前述光学部件以使该斯切尔值满足达到0．93以上的配置条件的工序。

13．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于：作为前述光学部件，所使用的是垂直于前述光轴的面内的前述中心周边的前述带符号复折射值为-0．2～+0．2nm／cm的光学部件。

14．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于：作为前述光学部件，所使用的是垂直于前述光轴的面内的前述带符号复折射值的分布在前述中心周边以外区域不具有极值的光学部件。

15．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于：作为前述光学部件，所使用的是垂直于前述光轴的面内的前述带符号复折射值的最大值和最小值之差为2．0nm／cm以下的光学部件。

16．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于：作为前述光学部件，所使用的是对应垂直于前述光轴的面内半径方向的前述带符号复折射值的分布的梯度的最大值相当于半径方向每10mm宽在0．2nm／cm以下的光学部件。

17．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于：根据前述投影光学系统整体的带符号复折射值的前述光学部件的配置条件基于下述各式导出：

-0．5≤H≤+0．5nm／cm    (1) $H=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j}{n}-----\left(2\right)$ $G_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}}{D}-----\left(3\right)$ $D=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\left(4\right)$ Eij=Bij×Ti    (5) $B_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{k=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ijk}}}{h}-----\left(6\right)$

式(1)～(6)中，

i表示构成前述投影光学系统的上述光学部件L的序号(i=1，2，…，m；2≤m)；

j表示在垂直于前述光学部件L的光轴的有效截面上假想的、以前述光轴为中心且距离该光轴的半径各不相同的同心圆C的序号(j=1，2，…，n；1≤n)；

k表示位于同心圆C的圆周上的测定点的序号(k=1，2，…，h；1≤h)；

Aijk表示位于光学部件Li的同心圆Cij的圆周上的第k号测定点Pijk处的前述带符号复折射值；

Bij表示作为位于光学部件Li的同心圆Cij的圆周上的测定点的带符号复折射值的相加平均的平均带符号复折射值；

Ti表示光学部件Li的表观厚度；

Eij表示作为平均带符号复折射值Bij与表观厚度Ti之积的平均带符号复折射量；

D表示前述投影光学系统整体的表观总光路长度；

Gj表示用总光路长度D除前述投影光学系统整体的平均带符号复折射量Eij的总和后的带符号复折射值的平均变化量；

H表示表示用同心圆个数n除前述投影光学系统整体的平均带符号复折射量的平均变化量Gj的总和后的前述投影光学系统整体的带符号复折射特性值。

18．权利要求11所记载的投影光学系统的制造方法，其特征在于：基于前述带符号复折射值的斯切尔值的前述光学部件的配置条件基于下述公式导出：

0．93≤S    (7) $S=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{S}_i-----\left(8\right)$ $S_i=1-{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\•(\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{2}+\frac{{\left|x\right|}^2}{4})-----\left(9\right)$

式(7)～(9)中，

λ表示光源的波长；

χ表示相对于光学部件Li，根据对应基于利用前述投影光学系统整体的光线追迹实验获得的实际有效光路的前述带符号复折射值的有效半径方向的分布而确定的前述带符号复折射值的平均值；

σ表示相对于光学部件Li，根据对应基于利用前述投影光学系统整体的光线追迹实验所得到的实际有效光路的前述带符号复折射值的有效半径方向的分布而确定的前述带符号复折射值的标准偏差；

Si表示基于前述光学部件Li的实际有效光路的前述带符号复折射值的斯切尔值(Strehl)强度；

S表示在全部组合了前述光学部件Li时的基于投影光学系统整体的实际有效光路的前述带符号复折射值的斯切尔值。

Images