JP2000356742A - 投影光学系及びそれを用いた投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】非球面を用いることによりＮＡ０．６５程度、
露光領域φ２７．３ｍｍ程度を達成した高ＮＡで広い露
光領域を有してレチクルパターンを半導体ウエハに投影
露光することができる投影露光装置を得ること。 【解決手段】物体の像を像面へ投影する投影光学系にお
いて、該投影光学系は物体側から順に正、負そして正の
レンズ群の３つのレンズ群に構成され、該投影光学系の
共役長をＬ、前記負の屈折力のレンズ群のパワーをψｏ
としたとき ｜Ｌ×ψｏ｜＞１７ であり、軸上マージナル光線の高さをｈ、最軸外主光線
の高さをｈ_b としたとき、物体側の面から順に ｜ｈ_b ／ｈ｜＞０．３５ を満足する面までに少なくとも２つの非球面を有し、該
非球面の非球面量を△ＡＳＰＨとしたとき、 ｜△ＡＳＰＨ／Ｌ｜＞１０^-6 を満足すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影光学系及びそれ
を用いた投影露光装置に関し、例えばレチクルパターン
を感光基板に、ステップアンドリピート方式、又はステ
ップアンドスキャン方式等を利用して投影露光し、Ｉ
Ｃ，ＬＳＩ，ＣＣＤ，液晶パネル等のサブミクロン、又
はクオーターミクロン以下の高集積度のデバイス（半導
体素子）を製造する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造用の投影露光装置で
は、照明系（照明光学系）からの光束（露光光）で電子
回路パターンを形成したレチクルを照射し、該パターン
を投影光学系でウエハ面上に投影露光している。

【０００３】近年、半導体素子の高集積化が進むに従
い、投影光学系に対する仕様や性能もますます厳しいも
のが要求されてきている。一般に高い解像力を得るため
には露光波長の短波長化、投影光学系の収差の良好なる
補正、投影光学系のＮＡの高ＮＡ化等が有効な手段とし
て用いられている。

【０００４】従来より露光光としては、ｉ線ランプか
ら、又はＫｒＦ、ＡｒｆさらにはＦ２といったエキシマ
レーザー等からの光が利用されている。

【０００５】投影光学系の高ＮＡ化についてはＮＡ０.
６から０. ６５へさらにはＮＡ０.７へとより高ＮＡ化
へ進みつつある。

【０００６】収差補正ではレチクルやウェハーの反りに
よる像歪みを軽減するために両側テレセントリックを形
成しつつも、投影光学系に起因するディストーションを
極力小さくすると同時に、各像高における最良像点の像
面幅（像面湾曲量）も最小にし、しかも各像高における
コントラストゲインもできるだけ均一になるようにして
いる。

【０００７】また、半導体素子製造時には種々のレチク
ルパターンや線幅に対し、最良パターン像になるように
照明条件を種々と変更して露光を行うが、このとき各照
明条件間での、ディストーションの格差、像面平坦性等
を最小にする為に、各像高においてコマ収差を極力小さ
くし、像面を一致させるようにしている。

【０００８】この他、投影露光装置として重要な要素と
なっているスループットを向上させる為に、チップサイ
ズの大型化がなされてきており、このため 投影光学系
の露光領域の拡大もなされている。

【０００９】投影露光装置に用いられる投影光学系とし
て、すべてのレンズ系が球面で構成された投影光学系
が、例えば特開平９−１０５８６１号公報、特開平１０
−４８５１７号公報、特開平１０−７９３４５号公報等
にて提案されている。

【００１０】又、非球面を用いて収差を補正させている
投影光学系が、例えば特公平７−４８０８９号公報、特
開平７−１２８５９２号公報、特開平８−１７９２０４
号公報、特開平５−３４５９３号公報、特開平１０−１
９７７９１号公報、特開平１０−１５４６５７号公報、
特開平１０−３２５９２２号公報、特開平１０−３３３
０３０号公報、特開平１１−６９５７号公報等にて提案
されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】投影光学系において露
光波長の短波長化、高ＮＡ化を行い、しかも比較的広い
露光領域を確保しつつ、各照明モードにわたり性能変化
が少なく、高い光学性能を得るには各レンズ群の屈折力
やレンズ構成を適切に設定する必要がある。

【００１２】一般に，性能変化が少なく高い光学性能を
得るには、例えば各レンズ群の屈折力を小さくして各レ
ンズ群で発生する収差量を小さくするか、各レンズ群の
レンズ枚数を増加させて収差補正上の自由度を増やすこ
とが必要となってくる。

【００１３】このため短波長化しつつ高ＮＡでかつ広い
露光領域を達成しようとすると、どうしてもレンズ共役
長（物像間距離）が大きくなったり、レンズ径やレンズ
枚数が増加するなどして、レンズ系全体が重厚長大化し
てくるという問題点が生じてくる。

【００１４】こうなると環境変化や組立精度によるレン
ズの変形による結像性能の劣化という問題も生じてく
る。レンズ径が大きくなればなるほどレンズ自身の重力
による自重変形も大きくなり、しかもある共役長の制限
内で目標性能を達成しようとすると、どうしてもレンズ
枚数も増加するのでレンズの肉厚が薄くなり、これも自
重変形を大きくする。自重変形が大きくなるとレンズ両
面の曲率半径が設計値からズレしてしまうので、結像性
能が劣化してしまう。また、レンズはメカ金物で保持さ
れるが、加工精度上、厳密にはメカ金物がレンズを均等
に保持することは困難なので、自重変形が大きくなって
レンズが光軸に対し非対称に変形してしまうと非対称な
収差が発生し結像性能劣化の要因となってしまう。

【００１５】さらに設計性能に関するものとしては、線
幅（パターン線幅）によるベスト像面位置の変化、各像
高による像点位置の変化やコントラスト変化、各照明条
件間でのディストーションの変化や像面平坦性の変化、
等が問題になってくる。

【００１６】線幅によるベスト像面位置の変化は、主に
補正しきれていない残存球面収差が起因している。各像
高による像点位置の変化やコントラスト変化は、各像高
でのサジタル、メリディオナル像面の変化や非点収差、
コマ収差の変化に起因している。各照明条件間でのディ
ストーションの変化や像面平坦性の変化は、ディストー
ションの残存量や各照明条件の瞳上の光線通過領域内で
の収差量に起因している。これら収差変化は短波長化、
高ＮＡ化、広い露光領域の確保、等を追求すればするほ
ど顕著になってくる。

【００１７】また、光源の波長が上記エキシマの領域に
おいては、使用可能なレンズ材料が石英と蛍石に限られ
てくる。これは主に透過率の低下に起因するものであ
り、従来のようにレンズ構成枚数が多く全硝材厚が大き
い光学系では、ウエハー上での光露光量が低下するため
スループットが低下してしまうし、レンズの熱吸収によ
る焦点位置の変動、収差変動などの問題が生じてきてし
まう。

【００１８】特に近年、半導体素子の高集積化という業
界動向により、露光光のさらなる短波長化、投影光学系
のさらなる高ＮＡ化等の要望があるが，レンズ全系の重
厚長大化と自重変形の発生を抑制しつつも、目標の光学
性能を達成するのは非常に困難になってきており、レン
ズ共役長を大きくすることでレンズ群の屈折力を小さく
して、レンズ枚数を増加させて設計の最適化を行ってい
る。

【００１９】しかしながら、最近では投影光学系の収差
補正及び結像性能のさらなる改善が望まれている。

【００２０】特開平９−１０５８６１号公報、特開平１
０−４８５１７号公報、特開平１０−７９３４５号公報
は、すべてのレンズが球面であり、レンズ枚数が２７〜
３０枚の構成であり、ＮＡは０．６程度である。

【００２１】この状態で高ＮＡ化を達成しようとする
と、レンズ枚数を現状維持とした場合は収差補正が相当
困難になり、さもなくばレンズ全長を大きくしなければ
ならずレンズ径も大きくなってしまう。レンズ枚数をさ
らに増加させて収差補正を試みるとしても、レンズを追
加するスペースがほとんどないため、個々のレンズ厚を
小さくするか、さもなくばやはりレンズ全長を大きくし
なければならない。

【００２２】いずれにしても、前述した自重変形が増大
し、レンズ全系も大型化してしまう。加えて光源が短波
長領域においては、レンズ材料による吸収が大きくなる
ために透過率が低下してくるが、レンズ構成枚数が多い
光学系では、ウェハー上での光露光量がさらに低下して
しまうのでスループットも低下してしまうし、レンズの
熱吸収による焦点位置の変動、収差変動なども増大して
しまう。

【００２３】特公平７−０４８０８９号公報、特開平７
−１２８５９２号公報は、ＮＡが小さく露光領域も小さ
い光学系になっている。凹レンズ群（負レンズ群）のパ
ワーも小さいのでペッツバール和の補正には不利な光学
系であり、高ＮＡ化、露光領域の拡大を図ろうにも特に
像面湾曲が悪化してしまう。また共に物体側がテレセン
トリックでないため、レチクルの湾曲により像歪みが発
生してしまう。

【００２４】特開平８−１７９２０４号公報は、第５，
６実施例で共にウェハー側の最終面に非球面が施してあ
るが、非球面に関して特に説明はない。結像性能として
は歪曲収差と像面湾曲、非点収差の補正が十分ではな
く、歪曲収差が各々最大２６．７ｎｍ、１１．７ｎｍ、
最軸外の非点収差が各々１．２６２μｍ、０．８９６μ
ｍと大きな値となっている。

【００２５】特開平５−３４５９３号公報は、非球面を
用いて、レンズの透過率を確保するため少ない枚数で構
成し収差補正をしているが、解像力に寄与するＮＡは
０．４５と小さく露光領域も１０×１０〜１５×１５と
小さいレンズ系となっている。そして記述されているよ
うに、負の第２群と正の第４群に非球面を導入すること
により、主に球面収差を補正している。ペッツバール和
を補正するため、負の第２群のパワーを強くしつつも、
他の正のレンズ群とのバランスにおいて球面収差を補正
するために第２群に非球面を施しているのである。また
球面収差を補正するために軸上光束径が大きい第４群に
も非球面を施している。

【００２６】しかしながら、第２群の軸上マージナル光
線高は第３、４群に比較するとかなり低く、非球面を導
入し効果的に球面収差を補正するのが難しい。（３次の
球面収差係数は軸上マージナル光線高ｈの４乗に比例す
るから）。

【００２７】第２群の最軸外主光線高も低く、ほとんど
光軸付近を通っているため、非球面により、物体側テレ
セントリック性を確保しつつディストーションや像面湾
曲、非点収差を補正するとしても寄与が小さい（３次の
非点収差係数、像面湾曲係数は主光線高の２乗に、歪曲
収差係数は主光線高の３乗に比例するから）。

【００２８】この従来例では高ＮＡ化（ＮＡ０．６５程
度）や露光領域の拡大（φ２７．３ｍｍ程度）に対応し
ようとしても、まず負のパワーの大半を担っている第２
群のパワーが小さいのでペッツバール和を補正できずに
像面湾曲、非点収差が悪化してしまう。加えて高ＮＡ化
により物体側の光束が大きくなってくると、物体側テレ
セントリック性、ディストーション、像面湾曲の補正を
主としている物体側の正の第１群、負の第２群が各々レ
ンズ１枚だけで構成されているので、それらのレンズ群
の収差補正の負担が激増し、良好な結像性能を達成する
ことが困難になる。

【００２９】特開平１０−１９７７９１号公報は、少な
いレンズ枚数ながら広い露光領域と高解像力を確保して
いる。露光領域はφ２５〜φ２９であるが、ＮＡは０．
４８〜０．５０である。

【００３０】特開平１０−１５４６５７号公報は、レン
ズ系に非球面レンズを構成しているが、この非球面は、
記述されているように、ある所望の仕様を持つ投影光学
系を実現するために、設計時に積極的に収差を補正する
ために導入された非球面とは異なり、複数の光学部材を
用いて投影光学系を組み立てて製造する、例えば組み立
て調整した際に、光学部品自体の製造誤差並びに投影光
学系の調整誤差等により除去困難な残存する高次の収差
を補正しているものである。

【００３１】すなわち、光学設計は、すべて球面系で行
っているため、非球面により製造誤差を補正したとして
も、製品としては球面系の設計値以上の性能は達成でき
ない（このため非球面量は非常に小さくなっている）。
したがって、このまま高ＮＡ化に対応しようとしても前
述した課題を解決するのは、非常に困難である。

【００３２】特開平１０−３２５９２２号公報は、本文
中の説明によれば、投影光学系を５つのレンズ群で構成
し、第１レンズ群か第２レンズ群のどちらか一方に１つ
の非球面、第４レンズ群か第５レンズ群のどちらか一方
に１つの非球面、を使用することにより、少ない構成枚
数で、主に歪曲収差と球面収差を補正している。

【００３３】実施例はＮＡ０．６であり、しかも第４レ
ンズ群に非球面を使用した実施例はなく、収差的には像
面湾曲、非点収差は比較的良好に補正されているものの
球面収差の高次成分が大きくアンダーに発生しており、
歪曲収差も最大像高で３０ｎｍ程度となっている。

【００３４】この提案では非球面使用による収差補正効
果の大きい面に非球面を用いるとはあるがそれ以上の詳
細な説明はない。したがって、さらなる高ＮＡ化に対応
しようとすると、収差が悪化してくる傾向がある。

【００３５】またレンズ枚数を増やすことにより補正自
由度を増加させて対応しようとしても、像面側には比較
的スペースが残っているので球面収差は補正できても、
物体側の第１群から第３群にかけては、レンズが密に連
続しており、レンズを新たに追加するスペースがないの
で、像面湾曲、非点収差、歪曲収差等の補正が困難にな
る。レンズの中心厚を小さくして追加すると今度は前述
した自重変形が生じてしまう。

【００３６】特開平１０−３３３０３０号公報は、非球
面を用いて１５枚程度という少ないレンズ枚数ながら、
ＮＡ０．６３〜０．７５と露光領域Ф２７〜３０ｍｍを
達成している。説明によれば、レンズ構成を正群からな
る２群構成とし、ウェハー側の第１群を顕微鏡対物レン
ズ、レチクル側の第２群をガウス型レンズとすることで
各群にて発生するサジタルコマを相互に打ち消すという
構想のもと、ウェハー側の第１群に少なくとも１面の非
球面を導入しコマ収差を補正し、第２群の有効径の大き
い面にも非球面を導入し球面収差を補正している。

【００３７】しかしながら、該公報にはサジタルコマに
関しては不図示であり、補正状況がわからない。本出願
人がデータを入力し再現したところ、横収差においてメ
リディオナルのコマ収差、サジタルハロ等の像高による
変化が大きかった。

【００３８】また球面収差、非点収差は良好に補正され
ているものの、歪曲収差については特に高次成分が大き
く残存しており、最大値が第１実施例から第４実施例に
かけて順に、１２ｎｍ、４５ｎｍ、２６ｎｍ、４６ｎｍ
となっている。ウェハー側のテレセントリック性につい
ては、第１実施例から第４実施例にかけて順に焦点深度
１μｍあたりの像高変化が、２４ｎｍ、２２ｎｍ、１９
ｎｍ、９ｎｍである。

【００３９】さらに、ウェハーからレンズまでの距離
が、１１〜１２ｍｍと短いため、オートフォーカス等の
機構装置との干渉の可能性が大きい。

【００４０】特開平１１−６９５７号公報は、非球面を
用いて主に高ＮＡ化（ＮＡ０．７５〜０．８０）を達成
している。説明によれば、主たる構成として第４レンズ
群または第５レンズ群が少なくとも１面の非球面を含む
ことにより、高ＮＡ化への影響が大きい収差、すなわち
サジタルコマ収差、高次の球面収差を補正している。

【００４１】しかしながら、実施例についてみると、サ
ジタルコマについては不図示であり、レンズ構成枚数は
２７〜２９枚、光学共役長は１２００〜１５００ｍｍで
ある。

【００４２】したがって光源が短波長領域（Ａｒｆ等）
になるとレンズ材料の吸収によりウェハー上での露光量
が低下し、スループットが低下する。又レンズの熱吸収
による焦点位置や収差の変動なども増大してくる。また
高ＮＡでレンズ共役長も大きいのでレンズ径もφ２８４
〜４００ｍｍと大きく、自重変形も増大してくる。レン
ズ共役長を短縮する、レンズ厚を増加させる、など自重
変形を抑制する手段を施すにもスペース的に困難であ
る。

【００４３】非球面を利用してレンズ枚数を削減するな
どが考えられるが、第１実施例から第５実施例において
は非球面数を２面から６面に増加させているものの、す
べてレンズ枚数が２９枚と同様の構成をしており、また
６面という最も多い非球面数を使用している第５実施例
においても最軸外像高のサジタル像面が−０．４８４μ
と残存しており、歪曲収差が１３．１ｎｍであり、高次
の球面収差も残存している。

【００４４】第６，７実施例においても歪曲収差がそれ
ぞれ３３ｎｍ、５８ｎｍである。第８，９実施例ではデ
ータ不備により性能の再現ができないが、レンズ共役長
が１５００ｍｍと突出して大きい。

【００４５】本発明は、歪曲収差、像面湾曲、非点収
差、コマ収差、球面収差等を良好に補正し、露光領域全
般にわたり高い光学性能を有し、高ＮＡ化と、広い露光
領域を容易に達成することができる投影露光光学系及び
それを用いた投影露光装置の提供を目的とする。

【００４６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の投影光
学系は、物体の像を像面上へ投影する投影光学系におい
て、前記投影光学系は物体側より順に正，負そして正の
屈折力のレンズ群の３つのレンズ群にて構成され、前記
投影光学系の共役長をＬ、前記負の屈折力のレンズ群の
パワーをφｏとしたとき ｜Ｌ×φｏ｜＞１７（φｏ＝Σφｏｉ φｏｉは第ｉ負レンズ群のパワー） ‥‥‥（１） であり、軸上マージナル光線の高さをｈ、最軸外主光線
の高さをｈ_b としたとき物体側の面から順に、 ｜ｈ_b ／ｈ｜＞０．３５ ‥‥‥（２） を満足する面までに少なくとも２つの非球面を有し、該
非球面の非球面量を△ＡＳＰＨとしたとき ｜△ＡＳＰＨ／Ｌ｜＞１．０×１０^-6 ‥‥‥（３） を満足することを特徴としている。

【００４７】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記２つの非球面は面の中心から周辺部にかけて、
互いに局所曲率パワーの変化が逆符号の領域を有するこ
とを特徴としている。

【００４８】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、最も物体側にある正のレンズ群には非球面が導
入されており、該非球面は、面の中心から周辺部にかけ
て局所曲率パワーが正の方向へ次第に強くなる又は負の
方向へ次第に弱くなる領域を有することを特徴としてい
る。

【００４９】請求項４の発明は請求項１，２又は３の発
明において、最も像面側にある正のレンズ群には非球面
が導入されており、該非球面は、面の中心から周辺部に
かけて局所曲率パワーが負の方向へ次第に強くなる又は
正の方向へ次第に弱くなる領域を有することを特徴とし
ている。

【００５０】請求項５の発明は請求項１から４のいずれ
か１項の発明において、物体側から像面側へ向かって、
軸外主光線高の符号が逆転した以降に配置されるレンズ
群には少なくとも１面の非球面を有することを特徴とし
ている。

【００５１】請求項６の発明は請求項１から５のいずれ
か１項の発明において、最も像面側に配置される正のレ
ンズ群のうち像面側から２番目のレンズは、像面側の面
が像面側に凹面を向けた負レンズであり、最も像面側の
レンズは、物体側の面が像面側に凹面を向けた正レンズ
で構成したことを特徴としている。

【００５２】請求項７の発明は請求項１から６のいずれ
か１項の発明において、前記非球面を有した非球面レン
ズのうち、少なくとも１つは非球面加工面の裏面が平面
であることを特徴としている。

【００５３】請求項８の発明は請求項１から６のいずれ
か１項の発明において、前記非球面を有した非球面レン
ズは、すべて非球面加工面の裏面が平面であることを特
徴としている。

【００５４】請求項９の発明は請求項１から６のいずれ
か１項の発明において、前記非球面を有した非球面レン
ズのうち、少なくとも１つは非球面加工面の裏面が非球
面であることを特徴としている。

【００５５】請求項１０の発明は請求項１から６のいず
れか１項の発明において、前記非球面を有した非球面レ
ンズは、すべて非球面加工面の裏面が非球面であること
を特徴としている。

【００５６】請求項１１の発明は請求項１から１０のい
ずれか１項の発明において、前記投影光学系は物像界で
両側テレセントリック系であることを特徴としている。

【００５７】請求項１２の発明は請求項１から１１のい
ずれか１項の発明において、 ｜Ｌ×φｏ｜＜７０ ‥‥‥（１ａ） ｜ｈ_b ／ ｈ｜＜１５ ‥‥‥（２ａ） ｜△ＡＳＰＨ／Ｌ｜＜０．０２ ‥‥‥（３ａ） を満足することを特徴としている。

【００５８】請求項１３の発明は、請求項１から１２の
いずれか１項の投影光学系を用いてレチクル面のパター
ンを感光基板に投影していることを特徴としている。

【００５９】請求項１４の発明は、請求項１から１２の
いずれか１項の投影光学系を用いてレチクル面上のパタ
ーンを投影光学系によりウエハ面上に投影露光した後、
該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造してい
ることを特徴としている。

【００６０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の投影光学系の数値
実施例１のレンズ断面図、図２は本発明の投影光学系の
数値実施例１の非球面の局所曲率パワーの変化の説明
図、図３は本発明の投影光学系の数値実施例１の収差図
である。

【００６１】図４は本発明の投影光学系の数値実施例２
のレンズ断面図、図５は本発明の投影光学系の数値実施
例２の非球面の局所曲率パワーの変化の説明図、図６は
本発明の投影光学系の数値実施例２の収差図である。

【００６２】図７は本発明の投影光学系の数値実施例３
のレンズ断面図、図８は本発明の投影光学系の数値実施
例３の非球面の局所曲率パワーの変化の説明図、図９は
本発明の投影光学系の数値実施例３の収差図である。

【００６３】図１０は本発明の投影光学系の数値実施例
４のレンズ断面図、図１１は本発明の投影光学系の数値
実施例４の非球面の局所曲率パワーの変化の説明図、図
１２は本発明の投影光学系の数値実施例４の収差図であ
る。

【００６４】図１３は本発明の投影光学系の数値実施例
５のレンズ断面図、図１４は本発明の投影光学系の数値
実施例５の非球面の局所曲率パワーの変化の説明図、図
１５は本発明の投影光学系の数値実施例５の収差図であ
る。

【００６５】図１６は本発明の投影光学系の数値実施例
６のレンズ断面図、図１７は本発明の投影光学系の数値
実施例６の非球面の局所曲率パワーの変化の説明図、図
１８は本発明の投影光学系の数値実施例６の収差図であ
る。

【００６６】図１９は本発明の投影光学系の数値実施例
７のレンズ断面図、図２０は本発明の投影光学系の数値
実施例７の非球面の局所曲率パワーの変化の説明図、図
２１は本発明の投影光学系の数値実施例７の収差図であ
る。

【００６７】レンズ断面図において、ＰＬは投影光学系
である。Ｇｉは物体側（距離の長い共役側）から数えた
第ｉレンズ群（第ｉ群）である。

【００６８】Ｇ１群は正の屈折力の第１群、Ｇ２は負の
屈折力の第２群、Ｇ３は正の屈折力の第３群である。Ｉ
Ｐは像面であり、投影露光装置に用いたときはウエハ面
に相当している。レンズ面に付した「○」印は非球面で
あることを示している。

【００６９】いずれの数値実施例においてもレンズ系全
体を適切なパワー分担のもとで、適切な面に非球面を導
入することにより良好な光学性能を達成している。

【００７０】本発明の投影光学系は，高ＮＡ化、広い露
光領域を確保している。

【００７１】この為に光学系全体を正の屈折力のレンズ
群と負の屈折力のレンズ群とを含む、複数のレンズ群よ
り構成し、パワー分担（屈折力分担）を適切に設定して
いる。

【００７２】パワー分担を適切に設定する為に、条件
（１）式のように、レンズ系の共役長（物像間距離）Ｌ
と負のレンズ群（凹レンズ群）のパワーφｏの積を規定
している。一般的に共役長Ｌが長くなると負のレンズ群
のパワーφｏも小さくなり、逆に共役長Ｌが短くなると
負のレンズ群のパワーφｏは大きくなる。本発明におい
てはそれらの積が１７以上とすることにより、負のレン
ズ群のパワーを大きく設定し、主に像面湾曲、非点収差
を良好に補正する手段としている。条件（１）式の下限
を越えると、ペッツバール和が正の方向へ大きくなるた
め、像面湾曲、非点収差を良好に補正することが困難に
なってくる。

【００７３】条件（２）式は、条件（１）式を規定した
上で 非球面を導入するに際し、適切な面を規定してい
る。従来から縮小投影光学系においては、テレセントリ
ック性を保ちつつも、歪曲収差、像面湾曲、非点収差、
加えて、メリディオナルとサジタル横収差を各々良好に
補正するのは非常に困難であった。

【００７４】というのは、テレセントリック性、歪曲収
差、像面湾曲、非点収差はどれも光束中心を通る主光線
に関する収差量であり、したがって、それらの収差等は
レンズ系全体を通して主光線高が高い物体側のレンズの
パワー、配置、形状に依存しているが、物体上のすべて
の物点からの主光線に対しテレセントリック性を維持し
つつも、歪曲収差、像面湾曲、非点収差を補正するよう
に同じ主光線を屈折させるというのが、相当な困難を伴
っていたことによる。

【００７５】またレンズ面上でメリディオナルの下側光
線は、主光線よりもさらに高い位置で屈折されているた
め、メリディオナルの横収差とそれら主光線に関する収
差とのバランスが難しい。同時に通常は像高が高くなる
につれてアンダー傾向の像面湾曲を補正しようとする
と、凹レンズで強く屈折させることになるが、そうする
と今度は高い像高のサジタルの横収差の周辺部がさらに
オーバーに変化してしまい、良好にバランスさせること
が難しくなってしまう。このような状況で 高ＮＡ化、
広い露光領域の確保は、物体側光束と像高のさらなる拡
大を意味し、収差補正の困難さが増幅されてしまう。

【００７６】そこで本発明においては、条件（２）式を
満足する面の少なくとも２面を非球面として収差補正の
自由度が大きな２面を非球面とすることにより、上記の
改善されるべき複数の収差を重点的に補正することによ
り、他の収差補正の負担を軽減し、良好な光学性能を実
現している。

【００７７】この条件（２）式の下限を越えると軸外主
光線よりも軸上マージナル光線への影響が増大してくる
ため、上記収差の補正効果が低減してしまい、高ＮＡ
化、広い露光領域の確保が難しくなってしまう。

【００７８】次に、本発明の投影光学系について、図２
２により非球面を導入する際の光学的作用を説明する。
図中、Ｒは物体面としてのレチクル、Ｗは像面としての
ウェハー、実線は軸上マージナル光線でその面の高さを
ｈ、点線は最軸外主光線でその面の高さをｈｂで表して
いる。なお物像界では両側テレセントリックを形成して
いる。

【００７９】図２２の縮小投影系では、物体側ＮＡは像
側ＮＡ（本文中のＮＡとは像側ＮＡのこと）と投影倍率
の積となるので軸上マージナル光束は物体側では細く、
像側では太くなる。ゆえに物体側ではｈが低く、像側で
はｈが高くなっている。逆に投影倍率から最軸外主光線
は物体側ではｈｂが高く、像側ではｈｂが低くなってい
る。

【００８０】一般に３次収差が大きい面ではそれに応じ
て高次収差も大きいのが普通なので、収差補正を良好に
行うためには、個々の面の３次収差係数の絶対値が小さ
く、全体としても値が小さくなることが条件となる。そ
して歪曲収差係数はｈ_b の３乗とｈの１乗、像面湾曲と
非点収差係数はｈ_b の２乗とｈの２乗、コマ収差係数は
ｈ_b の１乗とｈの３乗、球面収差係数はｈの４乗で影響
してくる。

【００８１】図２２では、条件（２）を満足する高さ
ｈ，ｈ_b は物体面からＧ１群、Ｇ２群のレンズ群までで
あり、よってＧ１、Ｇ２群中に少なくとも２枚の非球面
を導入することにより良好な光学性能を実現することが
可能となる。非球面をＧ１群に施すと、ｈｂが最も高い
ので主に歪曲収差係数をコントロールするのに有効であ
る。

【００８２】次に負の屈折力のＧ２群に非球面を施すと
主に像面湾曲と非点収差係数をコントロールするのに有
効であるが、正の屈折力のＧ１群とは打ち消しの関係に
あるので歪曲収差係数のコントロールにも有効である。

【００８３】一般にｈが高い面では球面収差係数やコマ
収差係数への寄与が大きいので、正の屈折力のＧ３群に
非球面を導入すれば球面収差やコマ収差の補正に有効で
ある。

【００８４】以上、非球面を導入する際の光学的作用に
ついて述べたが、非球面の導入を結像性能により効果的
に発揮させるには条件（３）式を満足させると良い。

【００８５】条件（３）式は非球面量に関して規定する
もので、この下限を越えると、良好な結像性能を得るた
めに積極的に非球面を用いて設計したとしても非球面の
効果が十分に発揮されなくなる。

【００８６】例えば共役長を１０００ｍｍ、使用波長を
１９３ｎｍとすると条件式（３）から△ＡＳＰＨ＝０．
００１ｍｍとなりニュートンリング約１０本分に相当す
る。これは投影露光系に用いる非球面としては十分に大
きな値である。

【００８７】さらに、より効果的に非球面を使用するに
は ｜△ＡＳＰＨ／Ｌ｜＞１．０×１０^-5 として、非球面量を大きくするとよい。

【００８８】尚、前述の条件式（１ａ）〜（３ａ）を満
足しないと前述の条件式（１）〜（３）と同様に良好な
る収差補正が難しくなってくる。

【００８９】条件式（１ａ）の上限を越えると、負屈折
力を有する負レンズ群のパワーが大きくなりすぎる為ペ
ッツバール和が補正過剰となり主に像面湾曲、非点収差
を良好に補正することが困難になる。

【００９０】また、正屈折力を有する正レンズ群のレン
ズ径が大きくなったり、レンズ枚数が増加してしまう。

【００９１】条件式（２ａ）の上限を越えると、物体面
に対してレンズが近づきすぎて作動距離が確保できなく
なる。また、投影光学系の倍率が極端に小さい場合に
は、上記条件式を超えても作動距離は確保できる場合が
あるが、このように倍率が極端に小さくなる光学系はリ
ソグラフィ用としては実用的ではない。

【００９２】条件式（３ａ）の上限を超えると、非球面
量が大きくなりすぎる為レンズの加工時間が増大してし
まう。また、非球面にて発生する高次収差が大きくなり
収差補正を良好に行なうことが難しくなってしまう場合
がある。

【００９３】このように本発明によれば、非球面の効果
的な導入が可能となるが、好ましくは以下の条件の少な
くとも１つを満たすことにより、より非球面の効果を増
大させることができる。

【００９４】（ア−１）前記非球面は少なくとも、面の
中心から周辺部にかけて、互いに局所曲率パワーの変化
が逆符号の領域を有する２つの非球面を有すること。

【００９５】（ア−２）最も物体側にある正のレンズ群
Ｇ１に導入された非球面のうち少なくとも１面は、面の
中心から周辺部にかけて局所曲率パワーが正の方向へ次
第に強くなること又は負の方向へは次第に弱くなる領域
を有すること。

【００９６】（ア−３）最も像面側にある正のレンズ群
Ｇ３に導入された非球面のうち少なくとも１面は、面の
中心から周辺部にかけて局所曲率パワーが負の方向へ次
第に強くなること又は正の方向へは次第に弱くなる領域
を有すること。

【００９７】（ア−４）物体側から像面側へ向かって、
軸外主光線高の符号が逆転した以降に配置されるレンズ
は少なくとも１面の非球面を有すること。

【００９８】一般に非球面を用いて収差補正を行う手法
としては従来から該当面での収差発生が小さくなるよう
に非球面を導入する方法（補助的導入）が主であった。
例えば凸単レンズでは球面収差がアンダーになるので周
辺に行くほど曲率が小さくなる非球面を導入し球面収差
を補正するなどである。

【００９９】これに対し本発明では、基本的に３群構成
（図２２）とし、レンズ枚数の削減を図りつつも良好な
性能との両立を図るには、他の面との関係において収差
を打ち消すように非球面を導入する方法（積極的導入）
を提案し収差を巧みに補正している。

【０１００】すなわちＧ１、Ｇ２群中において上記（ア
−１）を満足させて２つの非球面パワーの打ち消しの関
係を作ることにより、物体からの任意の光束に及ぼす屈
折力変化が、球面のみまたは非球面が１面のみの場合に
は生成できない、複数の収差が同時に最小になるような
屈折力変化を与えることが容易となるのである。

【０１０１】補正が困難な高次の収差補正、例えば、高
次領域の歪曲収差や像面湾曲、非点収差、サジタル横収
差、メリディオナル横収差はこの（ア−１）の作用によ
り良好に補正されている。

【０１０２】次に、上記（ア−２）を満足させること
は、主に物体側テレセントリック性と高次の歪曲収差の
補正に特に有効となってくる。これは、本発明では条件
（１）式により負のＧ２群のパワーを強めてペッツバー
ル和が関係する像面湾曲や非点収差を補正可能ならしめ
るが、そうすると高次の負のパワーが影響して物体側テ
レセントリック性のバランスが崩れ、同時に高次のアン
ダーの歪曲収差が発生してしまうので、（ア−２）を満
足させることにより物体側テレセントリック性のバラン
スを良好に戻し、同時に逆のオーバーの歪曲収差を発生
させてその補正を良好にしているのである。

【０１０３】また上記（ア−３）を満足させることによ
り主に球面収差を良好に補正している。これは結像作用
を担っている正のＧ３群ではアンダーの球面収差が発生
するため、（ア−３）を満足させることによりオーバー
の球面収差を発生させてその補正を良好にしているので
ある。

【０１０４】さらに上記（ア−４）を満足させることに
より主にコマ収差や低次の歪曲収差を良好に補正してい
る。これは絞りの前後では主光線の高さｈ_b の符号が反
転し、絞りの前（物体側）では軸外光線の下側光線の補
正に効果的であるのに対し、後ろ（像側）では上側光線
の補正に効果的であるので、絞りの後方レンズに非球面
を導入することによりコマ収差を良好に補正しているの
である。

【０１０５】加えて、縮小投影系では像側のレンズはＮ
Ａのためレンズ径は比較的大きいが像高は小さいため、
非球面により低次の歪曲収差を補正しているのである。

【０１０６】また、非球面の裏面を平面とすることによ
り、レンズ加工・組立・調整上においてレンズの芯を出
しやすく、製作しやすいメリットがある。

【０１０７】また、非球面の裏面も非球面とすることに
より、収差補正の自由度を増大する事が可能となり、さ
らに両面の非球面の曲率変化を同方向にすることにより
その非球面レンズの偏心による影響も低減している。

【０１０８】このように、本発明においては，少ないレ
ンズ構成枚数ながらパワー分担を適切に設定し、適正な
非球面量を有する非球面を適切な位置に用い、非球面形
状を所定の条件を満足させるように規定することによ
り、両側テレセントリック性を確保しながら、歪曲収
差、像面湾曲、非点収差、コマ収差、球面収差 等を良
好に補正した投影光学系を達成している。

【０１０９】次に本発明の各数値実施例のレンズ構成の
特徴について説明する。

【０１１０】（実施例１）図１は本発明の数値実施例１
のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝１０
００ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１
７枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１１１】６面の非球面を用いており、本発明の条件
式の関係諸量を表１に、非球面のパワー変化の様子を図
２（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規化し
た値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局所曲
率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を図３
に示す。

【０１１２】数値実施例１において、ｒ１〜ｒ８は正の
第１群Ｇ１群であり、すべて球面である。ｒ９〜ｒ１６
は負の第２群Ｇ２群であり、ｒ１０，ｒ１２が非球面で
ある。ｒ１７〜ｒ３４正の第３群Ｇ３群であり，ｒ２
０，ｒ２３，ｒ２５，ｒ３３が非球面である。

【０１１３】本実施例では，表１に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては、第２群に２面として、テレセントリッ
ク性、歪曲収差、像面湾曲等を良好に補正している。

【０１１４】第１群は，負レンズ１枚，正レンズ３枚で
構成している。第２群は，負レンズ４枚で構成している
が、像面湾曲や歪曲収差等の高次成分を補正するため、
ｒ１０とｒ１２の非球面はお互いを打ち消すように局所
曲率パワーの変化が逆符号の領域を有しており前述の
（ア−１）の作用を満足している。

【０１１５】第３群は、正レンズ８枚、負レンズ１枚で
構成しているが、うち正のレンズ５枚に蛍石（ｎ＝１．
５０１４）を使用することで色消しも考慮している。ｒ
２０，ｒ２３，ｒ２５の非球面は主に球面収差を補正す
るため局所曲率パワーが負の方向へ変化していて，ｒ３
３の非球面は主に歪曲収差の低次を補正しており、局所
曲率パワーは正の方向へ変化している。共に前述の（ア
−３）、（ア−４）の作用を満足している。また最も像
面側に凹面を向けた負のメニスカスレンズと、第１面が
像面側に凹面を向けた正レンズの１組のレンズを配置し
て、像面湾曲、コマ収差、歪曲収差の補正に活用してい
る。

【０１１６】これらによって図３に示すように諸収差を
良好に補正している。

【０１１７】（実施例２）図４は本発明の数値実施例２
のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝１０
００ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１
３枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１１８】５面の非球面を用いており、本発明の条件
式の関係諸量を表２に、非球面のパワー変化の様子を図
５（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規化し
た値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局所曲
率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を図６
に示す。

【０１１９】数値実施例２において、ｒ１〜ｒ８は正の
第１群Ｇ１群であり、ｒ２、ｒ５が非球面である。ｒ９
〜ｒ１４は負の第２群Ｇ２群であり、ｒ１０，ｒ１２が
非球面である。ｒ１５〜ｒ２６は正の第３群Ｇ３群であ
り，ｒ１９が非球面である。

【０１２０】本実施例では，表２に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては第１群に２面、第２群に２面の計４面と
して、テレセントリック性、歪曲収差、像面湾曲等を良
好に補正している。

【０１２１】第１群は，負レンズ１枚，正レンズ３枚で
構成し，特にｒ２，ｒ５の非球面は局所曲率パワーが次
第に正の方向へ変化しており前述の（ア−２）の作用を
満足している。

【０１２２】第２群は，負レンズ３枚で構成している
が、像面湾曲や歪曲収差等の高次成分を補正するため、
ｒ１０とｒ１２の非球面はお互いを打ち消すように局所
曲率パワーの変化が逆符号の領域を有しており前述の
（ア−１）の作用を満足している。そればかりかｒ１０
と第１群Ｇ１のｒ２，ｒ５の関係においても局所曲率パ
ワーの変化が逆符号の領域を有しており、（ア−１）の
作用を満足しておりテレセントリック性、歪曲収差等の
補正に有効となっている。

【０１２３】第３群は、正レンズ５枚、負レンズ１枚で
構成している。ｒ１９の１面のみが非球面であり、主に
球面収差を補正するため局所曲率パワーが負の方向へ変
化していて，前述の（ア−３）、（ア−４）の作用を満
足している。また最も像面側に凹面を向けた負のメニス
カスレンズと、像面側に凹面を向けた正のメニスカスレ
ンズの１組のレンズを配置して、像面湾曲、コマ収差、
歪曲収差の補正に活用している。

【０１２４】これらによって図６に示すように諸収差を
良好に補正している。

【０１２５】（実施例３）図７は本発明の数値実施例３
のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝１０
００ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１
７枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１２６】９面の非球面を用いており、本発明の条件
式の関係諸量を表３に、非球面のパワー変化の様子を図
８（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規化し
た値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局所曲
率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を図９
に示す。

【０１２７】数値実施例３において、ｒ１〜ｒ１０は正
の第１群Ｇ１群であり、ｒ２、ｒ５が非球面である。ｒ
１１〜ｒ１６は負の第２群Ｇ２群であり、ｒ１１，ｒ１
５が非球面である。ｒ１７〜ｒ３４は正の第３群Ｇ３群
であり，ｒ２０、ｒ２３、ｒ２７，ｒ３２、ｒ３３が非
球面である。

【０１２８】なお、ｒ５，ｒ１５，ｒ２３，ｒ３２，ｒ
３３の非球面を構成するレンズのもう片方の面は平面で
あり、製造時の作り安さを考慮している。

【０１２９】本実施例では，表３に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては第１群に２面、第２群に２面の計４面と
して、テレセントリック性、歪曲収差、像面湾曲等を良
好に補正している。

【０１３０】第１群は，負レンズ１枚，正レンズ４枚で
構成し，特にｒ２，ｒ５の非球面は局所曲率パワー が
次第に正の方向へ変化する領域を有しており前述の（ア
−２）の作用を満足している。

【０１３１】第２群は，負レンズ３枚で構成している
が、像面湾曲や歪曲収差等の高次成分を補正するため、
ｒ１１とｒ１５の非球面は周辺部においてお互いを打ち
消すように局所曲率パワーの変化が逆符号の領域を有し
ており前述の（ア−１）の作用を満足している。それば
かりかｒ１１の中心部分、ｒ１５と第１群Ｇ１のｒ２の
中心部，ｒ５の関係においても局所曲率パワーの変化が
逆符号の領域を有しており、（ア−１）の作用を満足し
ておりテレセントリック性、歪曲収差等の補正に有効と
なっている。

【０１３２】第３群は、正レンズ７枚、負レンズ２枚で
構成しているが、うち正のレンズ５枚に蛍石（ｎ＝１．
５０１４）を使用することで色消しも考慮している。ｒ
２０、ｒ２３，ｒ２７の非球面は主に球面収差を補正す
るため局所曲率パワーが負の方向へ変化している領域を
有し，前述の（ア−３）、（ア−４）の作用を満足して
いる。またｒ３２、ｒ３３の非球面は局所曲率パワーが
正の方向へ変化している領域を有し（ア−４）の作用を
満足している。

【０１３３】これらによって図９に示すように諸収差を
良好に補正している。

【０１３４】（実施例４）図１０は本発明の数値実施例
４のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝１０
００ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１
７枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１３５】７面の非球面を用いており、本発明の条件
式の関係諸量を表４に、非球面のパワー変化の様子を図
１１（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規化
した値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局所
曲率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を図
１２に示す。

【０１３６】数値実施例４において、ｒ１〜ｒ８は正の
第１群Ｇ１群であり、ｒ２、ｒ７が非球面である。ｒ９
〜ｒ１６は負の第２群Ｇ２群であり、ｒ１２が非球面で
ある。ｒ１７〜ｒ３４正の第３群Ｇ３群であり，ｒ２
０，ｒ２３，ｒ２５，ｒ３３が非球面である。

【０１３７】なお、本実施例の非球面を構成するレンズ
は、すべて片方の面が平面であり、製造時の作り安さを
より考慮している。

【０１３８】本実施例では，表４に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては第１群に２面、第２群に１面の計３面と
して、テレセントリック性、歪曲収差、像面湾曲等を良
好に補正している。

【０１３９】第１群は，負レンズ１枚，正レンズ３枚で
構成し，特にｒ７の非球面は局所曲率パワーが次第に正
の方向へ変化しており前述の（ア−２）の作用を満足す
ると同時に、ｒ２の非球面の中心部分との関係において
お互いを打ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号
となっており前述の（ア−１）の作用も満足している。

【０１４０】第２群は，負レンズ４枚で構成している
が、像面湾曲を補正するために像面側の２つのレンズの
パワーが強くなっているため、それを打ち消すようにｒ
１２の非球面は中心部分は局所曲率パワーが正の方向へ
変化しているが、周辺部分においては第１群Ｇ１のｒ７
を打ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号となっ
ており前述の（ア−１）の作用も満足している。

【０１４１】第３群は、正レンズ８枚、負レンズ１枚で
構成している。ｒ２０，ｒ２３，ｒ２５の非球面は主に
球面収差を補正するため局所曲率パワーが負の方向へ変
化していて，ｒ３３の非球面は主に歪曲収差の低次を補
正しており、局所曲率パワーは正の方向へ変化してい
る。共に前述の（ア−３）、（ア−４）の作用を満足し
ている。また最も像面側に凹面を向けた負のメニスカス
レンズと、第１面が像面側に凹面を向けた正レンズの１
組のレンズを配置して、像面湾曲、コマ収差、歪曲収差
の補正に活用している。

【０１４２】これらによって図１２に示すように諸収差
を良好に補正している。

【０１４３】（実施例５）図１３は本発明の数値実施例
５のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝１０
００ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１
４枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１４４】８面の非球面を用いており、本発明の条件
式の関係諸量を表５に、非球面のパワー変化の様子を図
１４（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規化
した値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局所
曲率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を図
１５に示す。

【０１４５】数値実施例５において、ｒ１〜ｒ６は正の
第１群Ｇ１群であり、ｒ１、ｒ２が非球面である。

【０１４６】ｒ７〜ｒ１２は負の第２群Ｇ２群であり、
ｒ８、ｒ９，ｒ１０が非球面である。ｒ１３〜ｒ２８正
の第３群Ｇ３群であり，ｒ１６，ｒ２１，ｒ２７が非球
面である。

【０１４７】なお、ｒ１，ｒ２のレンズ、ｒ８，ｒ９の
レンズは両面を非球面としている。

【０１４８】本実施例では，表５に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては第１群に２面、第２群に３面の計５面と
して、テレセントリック性、歪曲収差、像面湾曲等を良
好に補正している。

【０１４９】第１群は，正レンズ３枚で構成し，特にレ
ンズの両面が非球面のｒ１，ｒ２はお互いを打ち消すよ
うに局所曲率パワーの変化が逆符号となっており前述の
（ア−１）の作用を満足しつつ、同時に（ア−２）の作
用も満足している。

【０１５０】第２群は，負レンズ３枚で構成している
が、レンズの両面が非球面のｒ９，ｒ１０はお互いを打
ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号となってお
り前述の（ア−１）の作用を満足している。

【０１５１】同様にｒ８とｒ１０、ｒ２とｒ８、ｒ２と
ｒ９においても（ア−１）の作用を満足しており、互い
に複雑に打ち消し合いながらテレセントリック性、歪曲
収差、像面湾曲等の補正を行っている。また両面が非球
面のレンズが（ア−１）の作用を有することにより、非
球面がベンディングされた状況となっており、製造時の
偏心の影響が軽減されている。

【０１５２】第３群は、正レンズ７枚、負レンズ１枚で
構成している。ｒ１６，ｒ２１の非球面は主に球面収差
を補正するため局所曲率パワーが負の方向へ変化してい
て前述の（ア−３）の作用を満足し，ｒ２７の非球面
は、局所曲率パワーは周辺部で正の方向へ変化しており
前述の（ア−４）の作用を満足している。

【０１５３】また最も像面側に第２面を像面側に凹面を
向けた負のレンズと、第１面が像面側に凹面を向けた正
のメニスカスレンズの１組のレンズを配置して、像面湾
曲、コマ収差、歪曲収差の補正に活用している。

【０１５４】これらによって図１５に示すように諸収差
を良好に補正している。

【０１５５】（実施例６）図１６は本発明の数値実施例
６のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝１０
００ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１
５枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１５６】８面の非球面を用いており、本発明の条件
式の関係諸量を表６に、非球面のパワー変化の様子を図
１７（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規化
した値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局所
曲率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を図
１８に示す。

【０１５７】数値実施例６において、ｒ１〜ｒ８は正の
第１群Ｇ１群であり、ｒ７、ｒ８が非球面である。ｒ９
〜ｒ１４は負の第２群Ｇ２群であり、ｒ９，ｒ１０が非
球面である。ｒ１５〜ｒ３０正の第３群Ｇ３群であり，
ｒ１８，ｒ２３，ｒ２９。ｒ３０が非球面である。

【０１５８】なお、ｒ７，ｒ８のレンズ、ｒ９，ｒ１０
のレンズ、ｒ２９，ｒ３０のレンズは両面を非球面とし
ている。

【０１５９】本実施例では，表６に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては第１群に２面、第２群に２面の計４面と
して、テレセントリック性、歪曲収差、像面湾曲等を良
好に補正している。

【０１６０】第１群は，負レンズ１枚、正レンズ３枚で
構成し，特にレンズの両面が非球面のｒ７，ｒ８はお互
いを打ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号とな
っており前述の（ア−１）の作用を満足しつつ、同時に
（ア−２）の作用も満足している。

【０１６１】第２群は，負レンズ３枚で構成している
が、レンズの両面が非球面のｒ９，ｒ１０はお互いを打
ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号となってお
り前述の（ア−１）の作用を満足している。同様にｒ８
とｒ９、ｒ７とｒ１０においても（ア−１）の作用を満
足しており、互いに複雑に打ち消し合いながらテレセン
トリック性、歪曲収差、像面湾曲等の補正を行ってい
る。

【０１６２】また両面が非球面のレンズが（ア−１）の
作用を有することにより、非球面がベンディングされた
状況となっており、製造時の偏心の影響が軽減されてい
る。

【０１６３】第３群は、正レンズ７枚、負レンズ１枚で
構成している。ｒ１８，ｒ２３の非球面は主に球面収差
を補正するため局所曲率パワーが負の方向へ変化してい
て前述の（ア−３）の作用を満足し，ｒ２９の非球面
は、局所曲率パワーが周辺部で正の方向へ変化しており
前述の（ア−４）の作用を満足している。また最も像面
側に第２面を像面側に凹面を向けた負のレンズと、第１
面が像面側に凹面を向けた正のメニスカスレンズの１組
のレンズを配置して、像面湾曲、コマ収差、歪曲収差の
補正に活用している。

【０１６４】これらによって図１８に示すように諸収差
を良好に補正している。

【０１６５】（実施例７）図１９は本発明の数値実施例
７のレンズ断面図であり，基準波長は１９３ｎｍ、ＮＡ
０．６５、投影倍率β＝１／４、レンズ共役長Ｌ＝９７
９ｍｍ、露光領域の直径φ２７．３ｍｍの光学系を１４
枚という少ないレンズ構成により達成している。

【０１６６】１０面の非球面を用いており、本発明の条
件式の関係諸量を表７に、非球面のパワー変化の様子を
図２０（縦軸は非球面の光軸からの高さを有効径で正規
化した値、横軸は非球面番号で、左右方向はそれぞれ局
所曲率パワーの変化が負正の方向を示す）に、収差図を
図２１に示す。

【０１６７】数値実施例７において、ｒ１〜ｒ８は正の
第１群Ｇ１群であり、ｒ７、ｒ８が非球面である。ｒ９
〜ｒ１４は負の第２群Ｇ２群であり、ｒ９、ｒ１０が非
球面である。ｒ１５〜ｒ２８正の第３群Ｇ３群であり，
ｒ１７，ｒ１８，ｒ２１，ｒ２２、ｒ２７，ｒ２８が非
球面である。

【０１６８】なお、本実施例の非球面を構成するレンズ
は、すべて両面が非球面である。

【０１６９】本実施例では，表７に示すように、まずペ
ッツバール和の補正のため条件式（１）を満足させ、そ
して条件式（２）、（３）を満足する少なくとも２面の
非球面としては第１群に２面、第２群に２面の計４面と
して、テレセントリック性、歪曲収差、像面湾曲等を良
好に補正している。

【０１７０】第１群は，負レンズ１枚，正レンズ３枚で
構成し，特にレンズの両面が非球面のｒ７，ｒ８はお互
いを打ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号とな
っており前述の（ア−１）の作用を満足しつつ、同時に
（ア−２）の作用も満足している。

【０１７１】第２群は，負レンズ３枚で構成している
が、レンズの両面が非球面のｒ９，ｒ１０はお互いを打
ち消すように局所曲率パワーの変化が逆符号となってお
り前述の（ア−１）の作用を満足している。

【０１７２】同様にｒ８とｒ９、ｒ７とｒ１０において
も（ア−１）の作用を満足しており、互いに複雑に打ち
消し合いながらテレセントリック性、歪曲収差、像面湾
曲等の補正を行っている。また両面が非球面のレンズが
（ア−１）の作用を有することにより、非球面がベンデ
ィングされた状況となっており、製造時の偏心の影響が
軽減されている。

【０１７３】第３群は、正レンズ６枚、負レンズ１枚で
構成している。ｒ１８，ｒ２１，ｒ２２の非球面は主に
球面収差を補正するため局所曲率パワーが負の方向へ変
化していて、前述の（ア−３）の作用を満足し，ｒ２７
の非球面は、局所曲率パワーが周辺部で正の方向へ変化
しており前述の（ア−４）の作用を満足している。

【０１７４】また最も像面側に凹面を向けた負のメニス
カスレンズと、第１面が像面側に凹面を向けた正レンズ
の１組のレンズを配置して、像面湾曲、コマ収差、歪曲
収差の補正に活用している。

【０１７５】これらによって図２１に示すように諸収差
を良好に補正している。

【０１７６】なお、以上の数値実施例において、非球面
形状に関する円錐定数ｋをゼロとしている実施例がある
が、円錐定数ｋを変数にとって設計しても構わない。

【０１７７】さらに、すべての硝材を石英（ｎ＝１．５
６０２）で構成した実施例もあるが、蛍石を用いても構
わない。すなわち蛍石と石英を両方とも用いることで色
収差をより小さく補正することが可能になる。

【０１７８】さらに、今回は露光光源として１９３ｎｍ
のＡｒｆ波長を用いたが、２５０ｎｍ以下の波長であれ
ばよい。

【０１７９】例えばＫｒｆレーザー波長でも、Ｆ２レー
ザー波長でも構わない。また、光学系の投影倍率は、本
実施例にあるような１／４倍に限定されずに１／５倍
等、他の倍率の場合でも構わない。

【０１８０】以下に、上記の数値実施形態の構成諸元を
示す。数値実施形態において、ｒｉは物体側より順に第
ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄｉは物体側より順に第
ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、ｎｉは物体側より順に
第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率を示すものである。

【０１８１】また、非球面の形状は次式、

【０１８２】

【数１】

【０１８３】にて与えられるものとする。ここにＸはレ
ンズ頂点から光軸方向への変位量、Ｈは光軸からの距
離、ｎは曲率半径、ｋは円錐定数、Ａ，‥‥‥Ｇは非球
面係数である。尚、露光波長１９３ｎｍに対する合成石
英と蛍石の屈折率は各々１．５６０２，１．５０１４で
ある。

【０１８４】また、本文中の非球面の局所曲率パワーＰ
Ｈは上記非球面の式ＸをＨの関数Ｘ（Ｈ）として次式で
与えられる。

【０１８５】ＰＨ＝Ｎ′−Ｎ／ρ ただし、 ρ＝（１＋Ｘ′² ）^3/2 ／Ｘ″ Ｎ，Ｎ′はそれぞれ屈折面の前後の媒質の屈折率であ
る。又前述の各条件式と数値実施例との関係を表１〜表
７に示す。

【０１８６】

【外１】

【０１８７】

【外２】

【０１８８】

【外３】

【０１８９】

【外４】

【０１９０】

【外５】

【０１９１】

【外６】

【０１９２】

【外７】

【０１９３】

【表１】

【０１９４】

【表２】

【０１９５】

【表３】

【０１９６】

【表４】

【０１９７】

【表５】

【０１９８】

【表６】

【０１９９】

【表７】

【０２００】図２３は本発明の投影光学系を用いた半導
体デバイスの製造システムの要部概略図である。本実施
形態はレチクルやフォトマスクなどに設けた回路パター
ンをウエハ（感光基板、第２物体）上に焼き付けて半導
体デバイスを製造するものである。システムは大まかに
投影露光装置、マスクの収納装置、原板の検査装置、コ
ントローラとを有し、これらはクリーンルームに配置さ
れている。

【０２０１】同図において、１は光源であるエキシマレ
ーザ、２はユニット化された照明光学系であり、これら
によって露光位置Ｅ．Ｐ．にセットされたレチクル（マ
スク、第１物体）３を上部から所定のＮＡ（開口数）で
照明している。９０９は例えば数値実施例１〜７の投影
光学系であり、レチクル３上に形成された回路パターン
（物体）をシリコン基板などのウエハ７上に投影して焼
き付けする。

【０２０２】９００はアライメント系であり、露光動作
に先立ってレチクル３とウエハ７とを位置合わせする。
アライメント系９００は少なくとも１つのレチクル観察
用顕微鏡系を有している。９１１はウエハステージであ
る。以上の各部材によって投影露光装置を構成してい
る。

【０２０３】９１４はマスクの収納装置であり、内部に
複数のマスクを収納している。９１３はマスク状の異物
の有無を検出する検査装置である。この検査装置９１３
は選択されたマスクが収納装置９１４から引き出されて
露光位置Ｅ．Ｐ．にセットされる前にマスク上の異物検
査を行っている。

【０２０４】コントローラ９１８はシステム全体のシー
ケンスを制御しており、収納装置９１４、検査装置９１
３の動作指令、並びに投影露光装置の基本動作であるア
ライメント・露光・ウエハのステップ送り等のシーケン
スを制御している。

【０２０５】以下、本システムを用いた半導体デバイス
の製造方法の実施形態を説明する。図２４は半導体デバ
イス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネ
ルやＣＣＤ等）の製造フローを示す。

【０２０６】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設
計した回路パターンを形成したマスクを製作する。

【０２０７】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【０２０８】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作成されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。

【０２０９】ステップ６（検査）ではステップ５で作成
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
などの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【０２１０】図２５は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。

【０２１１】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
ちこみ）ではウエハにイオンを打ちこむ。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼き付け露光する。

【０２１２】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによ
ってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【０２１３】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製
造することができる。

【０２１４】尚、以上の実施形態の投影露光装置はレチ
クル３上の回路パターンを１度でウエハ上に露光する投
影露光装置であったが、これに代えてレーザー光源から
の光を照明光学系を介してレチクル３の一部分に照射
し、該レチクル３上の回路パターンを投影光学系でウエ
ハ７上にレチクル３とウエハ７の双方を投影光学系の光
軸と垂直方向に該投影光学系に対応させて走査して投影
・露光する所謂走査型の投影露光装置としても良い。

【０２１５】

【発明の効果】本発明によれば、歪曲収差、像面湾曲、
非点収差、コマ収差、球面収差等を良好に補正し、露光
領域全般にわたり高い光学性能を有し、高ＮＡ化と、広
い露光領域を容易に達成することができる投影露光光学
系及びそれを用いた投影露光装置を達成することができ
る。

【０２１６】この他本発明によれば、パワー分担を適切
に設定し、適正な非球面量を有する非球面を適切な位置
に用い、非球面形状を所定の条件を満足させるように規
定することにより、レンズ枚数を大幅に削減しながら、
高ＮＡを有し、広い露光領域を有した投影光学系が達成
可能となる。従って硝材コストの低減も可能となる。

【０２１７】又、両側テレセントリック性を確保しなが
ら、歪曲収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差、球面収
差等が良好に補正された露光領域全般にわたり高い光学
性能を有する投影光学系を達成することができる。

【０２１８】また非球面加工面の裏面を平面とすること
で加工・調整も容易な非球面光学系を得ることができ
る。また、非球面の裏面も非球面とすれば、限られたス
ペース内でレンズ枚数を増加させずに、さらに設計の自
由度を増加させることができるので良好な収差補正がで
きると同時に、両面の非球面をベンディング状態にする
ことにより、製造時の偏心の影響も軽減することができ
る。

【０２１９】さらに非球面を導入することのよる収差補
正上の余裕を各レンズ群の屈折力を強めることやレンズ
枚数の減少に振り向ければレンズ系の軽量，コンパクト
化も可能となる、等の効果を有した投影光学系を達成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影光学系の数値実施例１のレンズ断
面図

【図２】本発明の投影光学系の数値実施例１の非球面の
局所曲率パワー変化の説明図

【図３】本発明の投影光学系の数値実施例１の収差図

【図４】本発明の投影光学系の数値実施例２のレンズ断
面図

【図５】本発明の投影光学系の数値実施例２の非球面の
局所曲率パワー変化の説明図

【図６】本発明の投影光学系の数値実施例２の収差図

【図７】本発明の投影光学系の数値実施例３のレンズ断
面図

【図８】本発明の投影光学系の数値実施例３の非球面の
局所曲率パワー変化の説明図

【図９】本発明の投影光学系の数値実施例３の収差図

【図１０】本発明の投影光学系の数値実施例４のレンズ
断面図

【図１１】本発明の投影光学系の数値実施例４の非球面
の局所曲率パワー変化の説明図

【図１２】本発明の投影光学系の数値実施例４の収差図

【図１３】本発明の投影光学系の数値実施例５のレンズ
断面図

【図１４】本発明の投影光学系の数値実施例５の非球面
の局所曲率パワー変化の説明図

【図１５】本発明の投影光学系の数値実施例５の収差図

【図１６】本発明の投影光学系の数値実施例６のレンズ
断面図

【図１７】本発明の投影光学系の数値実施例６の非球面
の局所曲率パワー変化の説明図

【図１８】本発明の投影光学系の数値実施例６の収差図

【図１９】本発明の投影光学系の数値実施例７のレンズ
断面図

【図２０】本発明の投影光学系の数値実施例７の非球面
の局所曲率パワー変化の説明図

【図２１】本発明の投影光学系の数値実施例７の収差図

【図２２】本発明において非球面を導入するときの３群
構成の光学的作用の説明図

【図２３】本発明の半導体デバイスの製造システムの要
部ブロック図

【図２４】本発明の半導体デバイスの製造方法のフロー
チャート

【図２５】本発明の半導体デバイスの製造方法のフロー
チャート

【符号の説明】

Ｇｉ 第ｉ群 ＩＰ 像面 Ｍ メリディオナル像面 Ｓ サジタル像面 Ｙ 像高 １ エキシマレーザ ２ 照明光学系 ３ レチクル（物体） ７ ウエハ ９０９ 投影光学系 ９００ アライメント光学系 ９１１ ウエハステージ ９１８ コントローラ ９１４ 収納装置 ９１３ 検査装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 弘之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2H087 KA21 LA01 NA02 NA04 PA13 PA15 PA17 PB13 PB14 PB15 PB17 QA01 QA02 QA03 QA05 QA06 QA14 QA17 QA18 QA21 QA25 QA32 QA34 QA38 QA42 QA45 RA05 RA12 RA13 UA03 UA04 5F046 BA04 CA04 CA08 CB12 CB25

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体の像を像面上へ投影する投影光学系
   において、前記投影光学系は物体側より順に正，負そし
   て正の屈折力のレンズ群の３つのレンズ群にて構成さ
   れ、前記投影光学系の共役長をＬ、前記負の屈折力のレ
   ンズ群のパワーをφｏとしたとき ｜Ｌ×φｏ｜＞１７（φｏ＝Σφｏｉ φｏｉは第ｉ負レンズ群のパワー） であり、軸上マージナル光線の高さをｈ、最軸外主光線
   の高さをｈ_b としたとき物体側の面から順に、 ｜ｈ_b ／ｈ｜＞０．３５ を満足する面までに少なくとも２つの非球面を有し、該
   非球面の非球面量を△ＡＳＰＨとしたとき ｜△ＡＳＰＨ／Ｌ｜＞１．０×１０^-6 を満足することを特徴とする投影光学系。
2. 【請求項２】 前記２つの非球面は面の中心から周辺部
   にかけて、互いに局所曲率パワーの変化が逆符号の領域
   を有することを特徴とする請求項１の投影光学系。
3. 【請求項３】 最も物体側にある正のレンズ群には非球
   面が導入されており、該非球面は、面の中心から周辺部
   にかけて局所曲率パワーが正の方向へ次第に強くなる又
   は負の方向へ次第に弱くなる領域を有することを特徴と
   する請求項１又は２の投影光学系。
4. 【請求項４】 最も像面側にある正のレンズ群には非球
   面が導入されており、該非球面は、面の中心から周辺部
   にかけて局所曲率パワーが負の方向へ次第に強くなる又
   は正の方向へ次第に弱くなる領域を有することを特徴と
   する請求項１，２又は３の投影光学系。
5. 【請求項５】 物体側から像面側へ向かって、軸外主光
   線高の符号が逆転した以降に配置されるレンズ群には少
   なくとも１面の非球面を有することを特徴とする請求項
   １から４のいずれか１項の投影光学系。
6. 【請求項６】 最も像面側に配置される正のレンズ群の
   うち像面側から２番目のレンズは、像面側の面が像面側
   に凹面を向けた負レンズであり、最も像面側のレンズ
   は、物体側の面が像面側に凹面を向けた正レンズで構成
   したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の
   投影光学系。
7. 【請求項７】 前記非球面を有した非球面レンズのう
   ち、少なくとも１つは非球面加工面の裏面が平面である
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項の投影
   光学系。
8. 【請求項８】 前記非球面を有した非球面レンズは、す
   べて非球面加工面の裏面が平面であることを特徴とする
   請求項１から６のいずれか１項の投影光学系。
9. 【請求項９】 前記非球面を有した非球面レンズのう
   ち、少なくとも１つは非球面加工面の裏面が非球面であ
   ることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項の投
   影光学系。
10. 【請求項１０】 前記非球面を有した非球面レンズは、
    すべて非球面加工面の裏面が非球面であることを特徴と
    する請求項１から６のいずれか１項の投影光学系。
11. 【請求項１１】 前記投影光学系は物像界で両側テレセ
    ントリック系であることを特徴とする請求項１から１０
    のいずれか１項の投影光学系。
12. 【請求項１２】｜Ｌ×φｏ｜＜７０ ｜ｈ_b ／ ｈ｜＜１５ ｜△ＡＳＰＨ／Ｌ｜＜０．０２ を満足することを特徴とする請求項１から１１のいずれ
    か１項の投影光学系。
13. 【請求項１３】 請求項１から１２のいずれか１項の投
    影光学系を用いてレチクル面のパターンを感光基板に投
    影していることを特徴とする投影露光装置。
14. 【請求項１４】 請求項１から１２のいずれか１項の投
    影光学系を用いてレチクル面上のパターンを投影光学系
    によりウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現像処
    理工程を介してデバイスを製造していることを特徴とす
    るデバイスの製造方法。