JP2001023887A

JP2001023887A - 投影光学系、該光学系を備える投影露光装置及び露光方法

Info

Publication number: JP2001023887A
Application number: JP11195275A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsukamoto; 宏之塚本; Tetsuo Takahashi; 哲男高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】光を照射した場合でも極め安定した結像特性を
有する投影光学系等を提供すること。【解決手段】紫外光で照射された第１面３上のパター
ンの像を第２面９上に投影するための投影光学系であっ
て、第２面からレンズ面までの距離をｌ，最終像又は中
間像が形成される領域の光軸から垂直方向に測った距離
の最大値をy_immax，前記第２面から光軸に沿って前記第
１面の方向に向って5y_immaxの距離の範囲内に存在する
全ての単レンズ成分の曲率半径をｒ，該レンズ成分の厚
さをｄとそれぞれしたとき、｜ｒ｜＞３ｌ，ｄ＜１．２
ｌの条件を満足し、かつ、前記投影光学系の最も前記第
２面側のレンズ面と前記第２面との光軸に沿った間隔を
Ｂｆとしたとき、Ｂｆ≦y_immaxの条件を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１面（マスク
面）上に形成されたパターンを第２面（ウエハ面）に投
影するための投影光学系、特にマスク上の実質的な照明
領域が投影光学系の光軸に対して回転非対称であり、か
つ、投影光学系の最終面から感光性基盤であるウエハ面
までの距離が比較的小さい投影光学系、該投影光学系を
備える投影露光装置及び露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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では、マスクとしてのレチクル上
のほぼ正方形上の照射領域内のパターン像を投影光学系
を介して感光性基盤としてのウエハ上の１つのショット
領域へ一括的に転写した後に、投影光学系の光軸と直行
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
繰返すステップ・アンド・リピート方式（一括露光方
式）の投影露光装置が多用されている。

【０００３】さらに近年、半導体素子等のチップパター
ンの大型化に対応するために、より大きな面積のレチク
ルのパターンをウエハ上の各ショット領域に転写するこ
とが求められている。しかし、広い露光フィールドの全
面にわたって歪曲収差（ディストーション）やコマ収差
等の諸収差を所定の許容値以下に抑制した投影光学系の
設計及び製造は困難である。このため、最近ではレチク
ル上の長方形の照明領域内のパターンを投影光学系を介
してウエハー上に投影した状態で、レチクルとウエハと
を投影光学系に対して投影倍率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）
の投影露光装置が主流になりつつある。走査露光方式の
投影露光装置は、投影光学系の有効露光フィールドにほ
ぼ内接するスリット状の露光領域に対してウエハを走査
しながら露光するため、投影光学系の有効露光フィール
ドの直径を最大限に利用できる。また、スリット状の露
光領域内で良好な結像特性が得られれば良く、かつ走査
方向への転写パターンの長さはその有効露光領域フィー
ルドの直径よりも長くできるため、結果として大面積の
レチクルのパターンを良好な結像特性でウエハ上に転写
できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記投影露光装置を用
いたパターンの投影露光に際しては、投影光学系に対し
て高いエネルギーを有する照明光を照射することが望ま
しい。しかもスループットの向上を考えると、単位時間
に照射するエネルギーをより大きくすることが好まし
い。

【０００５】現在、露光光の光源としてｉ線（波長３６
５ｎｍ）の超高圧水銀ランプから波長２４８ｎｍのＫｒ
Ｆエキシマレーザに主流が移りつつあり、更に波長１９
３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザも開発段階から量産段階
に移行しつつある。また、波長１５７ｎｍのF₂レーザー
に関しても広く検討が行われている。

【０００６】投影光学系を構成するレンズ成分は、表面
の薄膜又は硝材の内部において僅かながら露光光の吸収
が起こる。例えば、露光光としてｉ線を用いると、使用
できる硝材の種類が多いので、硝材によっては表面の薄
膜又は硝材内部において比較的大きい吸収が起こる可能
性がある。但し、ｉ線用のレンズ成分では、焼き付ける
パターンの線幅がさらに短波長の場合よりも大きいので
許容される収差量が比較的緩い。また、波長２４８ｎｍ
（ＫｒＦエキシマレーザ）の露光光に対しては、かなり
ガラス製造技術や薄膜製造技術が確立しつつあるので、
吸収率はかなり低いものが実現できると思われる。さら
に、波長１９３ｎｍの露光光に対しても、ガラス製造技
術はＫｒＦエキシマレーザに遜色ないレベルまで達しつ
つあるが、許容される収差量は焼き付け時の標準解像力
が最も細い（小さい）ために、厳しくなる。また、露光
光の波長が１５７ｎｍになると、ガラスや薄膜の製造技
術が確立しておらず、硝材や薄膜によりかなりの量の吸
収が起こるものと考えられる。

【０００７】レンズ表面の薄膜や硝材内部で露光光が吸
収されると、レンズ成分の内部に温度分布を生じる。特
開平9-213611号公報に開示された一括露光方式の投影露
光装置に比較して走査露光方式の投影露光装置では、吸
収による温度分布の回転非対称性が大きくなる。また、
温度分布に起因して回転非対称な熱変形や硝材の屈折率
分布が生じるが、これによって生じる収差変動は、今日
のような高解像力、かつ高精度のパターン転写が要求さ
れる条件下では容認できない状態になっている。

【０００８】次に、照射によって生じる収差について説
明する。回転非対称な歪曲収差（ディストーション）は
特開平８−２０３８０５号公報、回転非対称な非点収差
は特願平５−３２３７２１に記載されている方法で、使
用条件に合わせてある程度のオフセットをかけることは
可能である。しかし、回転非対称なコマ収差について
は、単純な偏芯コマ収差であればともかく、それ以外の
回転非対称な要素を補正するのは非常に困難であるのが
現状である。そこで、本発明では、回転非対称なコマ収
差に着目して以下の説明を進める。

【０００９】近年、投影露光装置では変形照明法又は位
相シフトマスク法などの像改良という名で総称される各
種の結像法が採用されている。そして、結像法が異なる
と収差にも違いが生じるので、特定の結像法で収差を良
好に補正しても、他の結像法では収差が悪いという問題
が生じてしまう。

【００１０】さらに、エキシマレーザのようなパルス発
光のレーザ光を使用する投影光学系においては、レンズ
成分中のパルスレーザ光に照射されている部分のみ屈折
率が上昇する、所謂ラジエーション・コンパクション(R
adiation Compaction)という現象も起こる。ラジエーシ
ョン・コンパクションによるレンズ成分の屈折率の回転
非対称な分布での部分的な上昇は、特に投影光学系の収
差に極めて悪い影響を及ぼす。

【００１１】そして、このような原因に起因する収差へ
の対応方法も幾つか提案されている。特開平9-213611号
公報では露光中に投影光学系を回転することや、特開平
10-050585号公報では露光波長と別の波長の光で投影レ
ンズを意図的に加熱することで回転対称な光照射を実現
すること、特開平10-242048号公報では照射変動に対応
した非球面レンズを予め作成しておき、必要に応じてこ
の非球面レンズを動かすことなどが提案されている。

【００１２】しかしながら、上記のような対応方法を実
施するためには、かなりの負荷が予想される。例えば、
特開平10-242048号公報に開示されている回転非対称な
非球面を作成するためには、専用の製造装置が必要にな
る。さらに、その非球面を照射時に適宜偏芯させるには
高精度な偏芯調整機構も必要になる。

【００１３】一方、高精度の収差補正を行うため、又は
高ＮＡを実現するために投影光学系は、レンズ系全長と
レンズ系を構成する各レンズ成分とが巨大化し、かつ、
レンズ成分の枚数も増加する傾向にある。この傾向を押
さえるための有力な方法の一つとして、マスク側又は像
側の作動距離（投影レンズの最外面からマスク又は像面
までの距離）を小さくする事がある。但し、作動距離が
小さい場合、その最外面近傍に位置するレンズ成分では
照射時の収差発生が特に大きくなる傾向がある。

【００１４】本発明は上記の問題に鑑みてなされたもの
であり、光を照射した場合でも極め安定した結像特性を
有し、回転非対称な露光領域を有する投影露光装置、特
に、走査露光方式の投影露光装置に好適な投影光学系等
を提供することを目的とする。

【００１５】

【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（ＣＬ１）は、紫外光で照射された第１面上
のパターンの像を第２面上に投影するための投影光学系
であって、第２面からレンズ面までの距離をｌ，最終像
又は中間像が形成される領域の光軸から垂直方向に測っ
た距離の最大値をy_immax，第２面から光軸に沿って第１
面の方向に向って5y_immaxの距離の範囲内に存在する全
ての単レンズ成分の曲率半径をｒ，該レンズ成分の厚さ
をｄとそれぞれしたとき、

【００１６】

【数１】

【００１７】

【数２】

【００１８】の条件を満足し、かつ、前記投影光学系の
最も第２面側のレンズ面と第２面との光軸に沿った間隔
をＢｆとしたとき、

【００１９】

【数３】

【００２０】の条件を満足することを特徴とする投影光
学系を提供する。

【００２１】また、本発明（ＣＬ２）は、前記投影光学
系を構成する各レンズ成分が、

【００２２】

【数４】

【００２３】の条件を満足することが望ましい。ここ
で、 dn/dT：前記各レンズ成分の硝材の屈折率温度変化係
数， d：前記各レンズ成分の中心厚さ， λ：前記硝材の熱伝導率， a：照射する光の波長における前記レンズ成分のレンズ
表面1面あたりの硝材の実効吸収係数であり、硝材表面
での吸収率をa_s,硝材内部での単位長さ当りの吸収率をa
_gとそれぞれしたとき、

【００２４】

【数５】

【００２５】で定義される。

【００２６】また、本発明（ＣＬ３）では、紫外光で照
射された第１面上のパターンの像を第２面上に投影する
ための投影光学系であって、最終像又は中間像が形成さ
れる領域の光軸から垂直方向に測った距離の最大値をy
_immaxとしたとき、第２面から光軸に沿って第１面の方
向に向って20y_immaxの範囲内に存在する全ての単レンズ
成分が、

【００２７】

【数６】

【００２８】の条件を満足することを特徴とする投影光
学系を提供する。ここで、 n：前記投影光学系を構成する単レンズ成分の総数， g：第１面側から数えたレンズ面の順番， NA：前記投影光学系の開口数， d_g：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の中心厚
さ、 R_gl：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の両面の
有効半径のうち大きい有効半径， R_gs：第１面側からｇ番目のレンズ成分の両面の有効半
径のうち小さい有効半径，

【００２９】Ω：第２面における照明光の強度， I^G _g，I_g：球面収差係数，球面収差係数は、次式（７）、

【００３０】

【数７】

【００３１】で示され、式（７）において、 g1,g2：レンズ成分の2つの面，また、

【００３２】

【数８】

【００３３】であり、式（８）において、 n：媒質の照明光の波長における屈折率であり、符号ｎ
に「'」を付したものは光路に沿ってレンズ面の後（第
２面側）、符号ｎのみのものはレンズ面の前（第１面
側）での量であることをそれぞれ示す。なお、「'」に
ついては他の量についても同様である。

【００３４】さらに式（８）において、

【００３５】

【数９】

【００３６】Ψ：非球面項であり，レンズ成分の面形状
を光軸からの距離ρの関数として、

【００３７】

【数１０】

【００３８】と表したときに、

【００３９】

【数１１】

【００４０】として示される。

【００４１】また、式（８）において、α_kは近軸周辺
光の面への入射角(換算傾角)であり、近軸諸量は以下の
式（１２）、

【００４２】

【数１２】

【００４３】に従って第１面より順番に光線追跡を行っ
て得られる。

【００４４】

【数１３】

【００４５】に従う。式（１３）において、

【００４６】

【数１４】

【００４７】である。式（１４）において、 dn/dT：硝材の屈折率温度変化係数， d：レンズ成分の厚さ，で表される値である。また、λは硝材の熱伝導率、Rは
その面を持つレンズ成分の外半径、R_radは面内で照射光
に曝される範囲を示す照射半径である。なお、上記の数
式中で使うh,α等の近軸追跡諸量については、

【００４８】

【数１５】

【００４９】となるような尺度に規格化した値を用い
る。kは任意の面、iは像面を示す。

【００５０】また、本発明（ＣＬ４）では、前記投影光
学系を構成する全ての単レンズ成分が上記条件式（６）
を満足することが望ましい。

【００５１】また、本発明（ＣＬ５）では、紫外光で照
射された第１面上のパターンの像を第２面上に投影する
ための投影光学系であって、最終像又は中間像が形成さ
れる領域の光軸から垂直方向に測った距離の最大値をy
_immaxとしたとき、第２面から光軸に沿って第１面の方
向に向って20y_immaxの範囲内に存在する全ての単レンズ
成分が、

【００５２】

【数１６】

【００５３】の条件を満足することを特徴とする投影光
学系を提供する。ここで、 n：前記投影光学系を構成する単レンズ成分の総数， g：第１面側から数えたレンズ面の順番， NA：前記投影光学系の開口数， d_g：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の中心厚
さ， R_gl,：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の両面の
有効半径のうちの大きい有効半径， R_gs：第１面側からｇ番目のレンズ成分の両面の有効半
径のうちの小さい有効半径，

【００５４】Ω：第２面における照明光の強度 I^G _g、I^E _g及びI_g：球面収差係数，該球面収差係数は、上記式（７）で表されるものであ
る。

【００５５】また、 I^E _kを計算する際には、上記のI_kを
求める手順において、r_k,d_kの代わりに、

【００５６】

【数１７】

【００５７】を使い、また、レンズの光路に沿って前側
の間隔から(d_ek-d_k)を差し引くものとする。

【００５８】また、本発明（ＣＬ６）では、前記投影光
学系を構成する全ての単レンズ成分が上記条件式(16)を
満足することが望ましい。

【００５９】また、本発明（ＣＬ７）では、上記ＣＬ３
乃至６のいずれかに一つに記載の投影レンズ系におい
て、前記投影光学系の最も第２面側のレンズ面と前記第
２面との光軸に沿った間隔をＢｆ、最大像高をY_immaxと
したとき、条件式(3)を満足することが望ましい。

【００６０】また、本発明（ＣＬ８）では、上記ＣＬ３
乃至６のいずれかに一つに記載の投影レンズ系におい
て、上記式（４）の条件を満足することが望ましい。

【００６１】また、本発明（ＣＬ９）では、上記ＣＬ３
乃至６のいずれかに一つに記載の投影レンズ系におい
て、前記投影光学系を構成する全てのレンズ成分は石英
ガラスからなることが望ましい。

【００６２】また、本発明（ＣＬ１０）では、上記ＣＬ
３乃至６のいずれかに一つに記載の投影レンズ系におい
て、前記投影光学系を構成する全てのレンズ成分は螢石
からなることが望ましい。

【００６３】また、本発明（ＣＬ１１）では、上記ＣＬ
１乃至１０のいずれかに一つに記載の投影レンズ系にお
いて、前記紫外光は波長２００nm以下であることが望ま
しい。

【００６４】また、本発明（ＣＬ１２）では、上記ＣＬ
３乃至６のいずれかに一つに記載の投影レンズ系におい
て、第２像面から光軸に沿って距離5y_immax以内に存在
する全てのレンズ面の曲率半径rが条件式(1)を満足する
ことが望ましい。

【００６５】また、本発明（ＣＬ１３）では、上記ＣＬ
３乃至６のいずれかに一つに記載の投影レンズ系におい
て、第２面から光軸に沿って距離5y_immax以内に存在す
る全てのレンズ成分の厚さdが条件式(2)を満足すること
が望ましい。

【００６６】また、本発明（ＣＬ１４）では、紫外光で
照射された第１面上のパターンの像を第２面上に投影す
るための投影光学系であって、最終像又は中間像が形成
される領域の光軸からの距離の最大値をy_immaxとしたと
き、前記最終像面又は中間像面からの距離が20y_immax以
内に存在する少なくとも一部の空間に対して媒質の対流
を行う強制対流部を有していることを特徴とする投影レ
ンズ系を提供する。

【００６７】また、本発明（ＣＬ１５）では、上記ＣＬ
１乃至１５のいずれかに一つに記載の投影レンズ系にお
いて、紫外光で照射された第１面上のパターンの像を第
２面上に投影するための投影光学系であって、最終像又
は中間像が形成される領域の光軸からの距離の最大値を
y_immaxとしたとき、前記最終像面又は中間像面からの距
離が20y_immax以内に存在する少なくとも一部の空間に対
して媒質の対流を行う強制対流部を有していることが望
ましい。

【００６８】また、本発明（ＣＬ１６）では、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
に投影するための上記ＣＬ１乃至１５のいずれか一つに
記載の投影レンズ系とを備えていることを特徴とする投
影露光装置を提供する。

【００６９】また、本発明（ＣＬ１７）では、照明光を
生成する工程と、前記照明光により所定のパターンが形
成されたマスクを照明する工程と、上記ＣＬ１乃至１５
のいずれか一つに記載の投影レンズ系を用いて、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へ投影する
工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。

【００７０】このように、本発明においては、投影レン
ズ中の個々のレンズに関して式(1)〜(3)の条件を満足さ
せることなどにより式(6)あるいは(16)の値を小さく取
るという手段をとる。特に、大きな照射変動の原因とな
りやすい第２面（ウエハ面）に近くの20y_immax以内の位
置にあるレンズに対して、第２面（ウエハ面）の近傍に
おいてレンズ内の温度ムラが生じにくいようにレンズを
薄くする、レンズにおける収差係数が小さくなるように
面の曲率を小さくするなどの対策を取ることにより、照
射変動が大きく発生するのを防止できる。

【００７１】これにより、本発明では、硝材の屈折率温
度変化係数が大きいこと、最終レンズ面とウエハ面との
距離が小さいことなどの照射変動が大きく出やすい条件
下でも発生する収差変動が小さな投影レンズを提供する
ことができる。

【００７２】また、上記の方法を用いると共に、20y
_immax以内の位置に存在するレンズ成分に対して強制対
流を施して、レンズと雰囲気との境界での熱伝達率を大
きくしている。これにより、レンズ成分から雰囲気に逃
げる熱量が大きくなり、レンズの温度上昇が抑制されて
照射による収差変動も小さくなって一層効果的である。

【００７３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態にかかる投影光学系ついて説明する。以下
の説明は、（Ａ）光照射による屈折率の変化のみを考慮
し、硝材の熱膨張による変形を無視した場合と、及び
（Ｂ）光照射による屈折率の変化と硝材の熱膨張による
変形との両者を考慮した場合との２通りについて行う。

【００７４】（Ａ）[光照射による屈折率の変化のみを
考慮し硝材の熱膨張による変形を無視した場合] 上述したように、レンズの硝材又はレンズ表面の薄膜が
露光光を吸収して発熱し、レンズ成分の温度が変化す
る。そして、レンズ温度が変化すると、屈折率の変化と
熱膨張による変形とが生ずる。このため、投影光学系に
光を照射すると光照射に起因する収差が発生する。屈折
率の変化と熱膨張による変形との何れが収差に及ぼす影
響が大きいかは、硝材の種類や使用波長に依存する。例
えば、SiO₂などの線膨張率の小さな硝材では、熱膨張に
よる変形の影響は屈折率変化による影響と比べて無視で
きる程度である。

【００７５】また、回転非対称に照明する場合には、一
般には熱膨張による変形よりも屈折率の変化の方が、補
正が困難な回転非対称性の収差を生じ易い。そこで、ま
ず屈折率変化の効果のみに着目することにする。

【００７６】なお、上述のラディエーション・コンパク
ションでは、パルスエネルギーを吸収した硝材の屈折率
が上昇すると共に、熱膨張による変形も起きるが、ここ
でも熱膨張による変形よりも屈折率の変化の方が支配的
と考えられる。光照射による収差変動とラディエーショ
ン・コンパクションによる収差変動とは振る舞いが非常
に似ているので、一方の変動を少なくするような設計を
行えば、他方の変動も抑えることができると考えられ
る。

【００７７】光照射に起因する収差を調べるためには、
照射中の定常状態におけるレンズの温度分布を求めて、
この温度分布を屈折率変化の分布に換算し、その時の収
差変化量を計算することで実際の収差変動量に近い値を
求めることができる。ここで、レンズの温度分布と屈折
率変化の分布とを解析的に求めるのはかなり困難なの
で、以下の順序（ステップ）でモデル化して議論を進め
ることにする。［ステップ１］温度分布が軸対称であると仮定して屈折
率を求め、屈折率分布型レンズ（以下、「GRINレンズ」
という）としてのパラメータを求める。［ステップ２］変動前の光学系の収差係数を計算する。［ステップ３］変動後の光学系の収差係数を計算する。［ステップ４］ステップ２とステップ３との収差係数の
差から変動による収差係数の変化量を求め、収差変動量
に換算する。［ステップ５］求めた変動量に、近似の際に省略した要
素を補正するファクターを掛ける。

【００７８】以下、各ステップごとに内容を説明する。［ステップ１］まず、レンズ系が円筒形であり、レンズ
系の光軸からの距離がR_rad以内の部分が単位体積あたり
一定の発熱率で発熱し、円筒の対称軸方向への熱の移動
がないものと仮定する。また、境界条件としてレンズの
側面が大きな熱浴に接していて、この側面での温度変化
が0であるとして熱輸送の方程式を解く。この結果、レ
ンズ内の定常状態での温度変化分布は、軸からの距離の
関数として、

【００７９】

【数１８】

【００８０】で表すことができる。ここで、ΔTは温度
変化量、wは単位体積辺りの発熱率、λは硝材の熱伝導
率、Rはレンズの外半径である。単位体積あたりの発熱
率wは、各レンズ成分への入射光の総量はすべて等し
く、一枚のレンズ成分内での照度分布は一様であると考
える。このｗはレンズ成分への照明光の照射面積に反比
例する量であり、Ωを1枚のレンズ成分への入射光の総
量、dをレンズの厚さ、aをレンズの実効吸収係数とそれ
ぞれして、

【００８１】

【数１９】

【００８２】のように表すことができる。ここで、実効
吸収係数aとは、硝材表面での吸収率をa_s,硝材内部での
単位長さ当りの吸収率をa_gとしたとき、

【００８３】

【数２０】

【００８４】で表される量であり、1面あたりに換算し
たレンズでの発熱率を示す。これを使うと、例えば、レ
ンズ中心での温度上昇量は

【００８５】

【数２１】

【００８６】となる。これら仮定の下では、レンズ内の
屈折率分布は光軸に対して軸対称となる。したがって、
光照射により屈折率が分布したレンズ成分はラジアル
（radial）型のGRINレンズとして考えることができる。

【００８７】ラジアル型GRINレンズの屈折率分布は、

【００８８】

【数２２】

【００８９】と表される。式(18)で、０＜ρ＜Ｒ_radで
は放物線なので、以下の議論では、式(21)における最初
の２項のみを考えることにする。最初の二つの係数の値
は、光軸近傍での式(18)より、

【００９０】

【数２３】

【００９１】となる。ここで、n₀は変動前の硝材の屈折
率、dn/dTは屈折率の温度変化係数である。なお、ラジ
アル型GRINレンズの屈折力は面の屈折力φ_sと媒質の屈
折力φ_mの和となるが両者はそれぞれ

【００９２】

【数２４】

【００９３】となる。ここで、r₁,r₂はレンズ成分の前
後の面の曲率、dはレンズ成分の厚さである。さらに、
レンズのペッツバール和は

【００９４】

【数２５】

【００９５】と近似される。(槌田,山本:光学22(1993)9
5-100を参照) ［ステップ２］収差係数の変化量を調べるために、変動
前の状態での収差係数を調べる。面kの3次収差係数は、
近軸周辺光線の追跡値h_k,α_k,面の前後の屈折率n_k,n_k ^'
及び面の屈折力φ_k、非球面のパラメータΨと、それら
の関数である以下の３つのパラメータ、

【００９６】

【数２６】

【００９７】

【００９８】

【数２７】

【００９９】と表せる(松井吉哉:レンズ設計法(共立出
版)p115)。

【０１００】［ステップ３］照射変動が起きた場合の3
次収差係数も上記ステップ２と同様にして求められる
が、レンズのGRIN化による影響が、φ、P、ｎの変化及
び、近軸光線の光路の変化として現れる。近軸追跡の
際、均質なレンズではレンズの表面である第k面から裏
面である第k+1面への光線の移行は、上記式（１２）の
ようになるが、これがラジアル型GRINレンズ(N₁₀<0)の
場合は上記式（１３）となる。

【０１０１】これらを利用して、任意のレンズをGRIN化
して考えた場合の収差係数を求めることができる(槌田,
山本:光学22(1993)95-100)。［ステップ４］そして、変動前と光照射をした後の変動
後の収差係数の比較をすれば収差係数の変化量が求めら
れる。ただし、ある1枚のレンズ成分をGRIN化した場
合、そのレンズ成分から像側では光路が変化するため、
そのレンズ成分による収差変動値を調べるには、GRIN化
したレンズ成分だけでなく該GRINレンズより像側に存在
するすべてのレンズ成分での収差係数の変化を調べて、
総和を求めることが望ましい。例えばn枚のレンズ成分
からなる光学系のg枚目のレンズ成分が光照射によって
加熱されたことによる球面収差量の変化は、

【０１０２】

【数２８】

【０１０３】で求められる。

【０１０４】また、3次収差のみでなく、像面まで近軸
追跡を行うことで求められる像面位置や結像倍率等の一
次量も変化するので、これらの影響も考慮に入れること
が望ましい。［ステップ５］上記各ステップの計算では、以下に述べ
る条件（ａ），（ｂ）又は（ｃ）を用いている。・（ａ）光軸方向への熱輸送が起こらないとしたこと：
実際にはレンズ表面の薄膜での吸収による発熱の効果、
レンズ表面から雰囲気への放熱の効果などがあるためレ
ンズの厚さ方向の温度分布をもつ。厚いレンズほど定常
状態での厚さ方向の温度変化量が大きくなるため、この
効果が顕著に現れる。・（ｂ）レンズ全体が均一に加熱されるとして温度分布
を考えたこと：レンズ成分の両面での照射径が大きく異
なる場合は実際の温度分布とのずれが大きくなり、これ
による影響が生じる。・（ｃ）非対称性を考慮していないこと：実際に露光を
行う際のフィールド（露光領域）の形は矩形であり、長
辺と短辺の差が大きいことが多い。この時、物体面や像
面の近傍では照射形状が矩形に近いため、レンズが非軸
対称的に加熱され、結果として生じる収差変動にも非軸
対称的な効果が加わる。

【０１０５】このため、上記ステップ４までに得られた
値に対して条件（ａ）〜（ｃ）をさらに加味した補正を
行うことで実際の値に近い量を求めることができる。

【０１０６】条件（ａ）で述べた光軸方向の温度分布の
効果の指標としてレンズの厚さ、条件（ｂ）で述べたレ
ンズ外径と照射径の比による効果の指標としてレンズ両
面での有効径の比、条件（ｃ）で述べた非軸対称的な効
果の指標として近軸主光線の高さを近軸周辺光の高さの
2乗で割ったものを用い、各レンズ成分の寄与分につい
て、

【０１０７】

【数２９】

【０１０８】という値を、得られた収差変動量に掛け、

【０１０９】

【数３０】

【０１１０】の形で評価を行うこととする。

【０１１１】レンズ成分の近軸追跡値としてはレンズ成
分の裏面（ウエハ側）での値を使用する。なお、本発明
で着目しているのは回転非対称なコマ収差変動である
が、これは、像面上の点から瞳面上において光軸を中心
として対称な位置を通る最大NAの２本の光線を入射した
ときの像面での照射によるズレの差の最大量をコマ収差
変動量として扱っている。そこで、実際には式(27)で求
めた球面収差変動量の２倍が本発明で着目するコマ収差
変動量にほぼ相当する。

【０１１２】次に、従来の設計手順による光照射の影響
を考慮しない投影光学系Ａと、上記各ステップに基づい
て設計した投影光学系Ｂ（第１実施例）とに基づいて両
者を比較して説明する。

【０１１３】［投影光学系Ａ］照射の影響を特に考慮せ
ずに設計された投影光学系が、投影光学系Ａである。図
１は、投影光学系Ａのレンズ構成及び光路を示す図であ
る。投影光学系Ａの仕様は、ArFエキシマレーザ(波長19
3.31nm)を光源として使用し、像側のNAは0.6、投影倍率
は−1/4倍、フィールドサイズは25mm×8.8mmの矩形であ
る。また、使用するレンズ枚数は28枚、レンズ成分の硝
材はすべてSiO₂(屈折率1.5603)である。この投影光学系
Ａのレンズデータ等の諸元値を表１に掲げる。表におい
て、面番号は物体面から数えたレンズ面の順番、ｒはレ
ンズ面の曲率半径、ｄはレンズ面の光軸に沿った間隔を
それぞれ示している。なお、以下全ての実施例において
同様の符号を用いる。

【０１１４】

【表１】面番号 r(mm) d(mm) 硝材レンズ半径物体面 ∞（平面） 64.212918 1: -308.75983 30.981532 SiO₂ 71.65 G1 2: -299.49610 1.000000 3: 401.10801 50.000000 SiO₂ 74.56 G2 4: -381.87751 1.000000 5: 206.08142 23.520418 SiO₂ 73.30 G3 6: -949.77590 1.000000 7: 179.36891 12.600000 SiO₂ 67.21 G4 8: 113.82614 7.277077 9: 184.48138 12.600000 SiO₂ 61.48 G5 10: 121.01873 19.397581 11: -220.06535 12.600000 SiO₂ 57.63 G6 12: 4153.10688 9.420436 13: -175.91508 12.600000 SiO₂ 61.16 G7 14: 226.39448 20.762619 15: -132.74862 44.648317 SiO₂ 82.38 G8 16: -481.50046 7.101122 17: -252.40629 18.260330 SiO₂ 87.50 G9 18: -172.02313 1.000000 19: -801.04578 20.436281 SiO₂ 97.97 G10 20: -278.63314 1.000000 21: 1077.38001 35.164173 SiO₂ 105.66 G11 22: -251.96330 1.000000 23: 978.18083 18.067714 SiO₂ 105.36 G12 24: -1482.71750 10.762117 25: ∞（平面） 30.000000 SiO₂ 103.42 G13 26: ∞（平面） 10.764481 27: 372.11400 27.492313 SiO₂ 98.91 G14 28: -6379.77270 9.674197 29: 229.40198 17.655958 SiO₂ 89.46 G15 30: 419.32750 22.773420 31: 153.72256 13.500000 SiO₂ 74.57 G16 32: 106.22152 28.576786 33: -269.40608 30.000000 SiO₂ 67.01 G17 34: 173.21856 25.198633 35: -128.07565 12.600000 SiO₂ 69.99 G18 36: 974.51271 21.087966 37: -236.42447 18.000000 SiO₂ 79.42 G19 38: -205.74440 1.000000 39: -1386.91469 60.000000 SiO₂ 96.64 G20 40: -237.78724 1.000000 開口絞り: ∞（平面） 1.000000 42: 816.97106 20.000000 SiO₂ 103.11 G21 43: -12116.09997 1.000000 44: 498.52527 60.000000 SiO₂ 106.11 G22 45: -408.15309 21.280141 46: -197.12533 15.000000 SiO₂ 111.21 G23 47: -358.81116 1.000000 48: 1185.68867 34.683865 SiO₂ 114.59 G24 49: -305.18403 1.000000 50: 274.74374 30.118442 SiO₂ 108.70 G25 51: -11658.16317 1.000000 52: 157.56044 60.000000 SiO₂ 95.02 G26 53: 922.95083 9.565572 54: -958.43113 45.000000 SiO₂ 74.62 G27 55: 79.22876 15.353550 56: 66.84823 56.000000 SiO₂ 45.57 G28 57: 940.51530 12.262042 像面 ∞（平面）

【０１１５】図３は投影光学系Ａの横収差を示す図であ
る。収差図からわかるように、光照射の影響を考慮しな
い限り本光学系の収差は良好に補正されている。

【０１１６】照射に関する条件としては、照明光のNAは
投影光学系の0.6倍、像面上での照度1W/cm²(像面全体で
は2.2W)、硝材の吸収率0.001/cm、レンズ表面の薄膜に
よる吸収率0.002という条件を与える。また、波長193nm
付近での石英の物性値としては屈折率の温度変化係数dn
/dT=2.2×10^-5 K^-1、熱伝導率1.4Wm^-1K^-1という値を使
用する。

【０１１７】投影光学系Ａに対して［ステップ１］から
［ステップ５］の球面収差変動量の値についての計算を
行った結果を、表２の左欄に記載する。また、投影光学
系Ａの球面収差変動量を図５に図示する。表２に記載し
た各単レンズ成分の球面収差変動量を図示したものが図
５である。収差係数値の大小を比較することで、どのレ
ンズ成分において大きな収差変動が起こるかを予測する
ことができる。

【０１１８】

【表２】

【０１１９】表２の左欄及び図５から明らかなように、
投影光学系Aを構成するレンズ成分のうち最も第２面
（ウエハ面、像面）側の2枚のレンズ成分は通常のレン
ズ成分に比較して並外れて大きな収差変動を出してい
る。このように収差係数による変動量が像面での照射強
度1W当り200nmを超えるようなレンズ成分が存在する
と、投影光学系全体の収差変動量がそのレンズ成分での
収差変動により極端に大きくなってしまう。つまり、こ
れら２枚のレンズ成分を含む投影光学系Ａは、光学設計
上の収差は良好であるが、実際に製造するには不適切な
レンズ系である。

【０１２０】［投影光学系Ｂ]（第１実施例）そこで、各レンズ成分に関して式(29)の値が小さくなる
事を考慮して設計したレンズ系が投影光学系Ｂである。
図２は、投影光学系Ａのレンズ構成及び光路を示す図で
ある。投影光学系Ｂはの仕様は、ArFエキシマレーザ(波
長193.31nm)を光源として使用し、像側のNAは0.6、投影
倍率は−1/4倍、フィールドサイズは25mm×8.8mmの矩形
である。また、使用するレンズ枚数は28枚、レンズの硝
材はすべてSiO₂(屈折率1.5603)である。表３に投影光学
系Ｂのレンズデータ等の諸元値を掲げる。

【０１２１】

【表３】面番号 r(mm) d(mm) 硝材レンズ半径(mm) 物体面 ∞（平面） 100.487417 1: 300.89795 12.600000 SiO₂ 74.42 G1 2: 226.46683 5.157702 3: 346.35897 22.537263 SiO₂ 75.15 G2 4: -358.15162 1.000000 5: 176.76694 24.113785 SiO₂ 74.51 G3 6: -1715.74378 1.000000 7: 164.13426 14.947329 SiO₂ 68.61 G4 8: 103.97013 16.525786 9: 189.63221 12.600000 SiO₂ 60.72 G5 10: 108.76494 28.158835 11: -857.80502 13.750064 SiO₂ 56.06 G6 12: 159.87783 29.428581 13: -186.14089 13.650719 SiO₂ 64.08 G7 14: 258.91979 26.956145 15: -102.82764 14.479261 SiO₂ 80.44 G8 16: -386.08076 13.114922 17: -204.61692 20.623528 SiO₂ 90.77 G9 18: -144.44463 1.000000 19: -1106.16553 36.079048 SiO₂ 112.01 G10 20: -193.30288 1.000000 21: 1280.20913 38.741668 SiO₂ 126.69 G11 22: -314.67668 1.000000 23: 305.01880 40.739967 SiO₂ 128.72 G12 24: -1275.68363 1.000000 25: 206.80059 28.925676 SiO₂ 116.87 G13 26: 404.20477 5.866866 27: 140.50535 19.589154 SiO₂ 99.66 G14 28: 117.88119 21.942547 29: 154.77067 19.321593 SiO₂ 84.87 G15 30: 115.82184 30.593078 31: -401.73775 12.600000 SiO₂ 74.45 G16 32: 146.75863 29.570669 33: -160.35133 12.600000 SiO₂ 75.82 G17 34: 406.00536 26.749073 35: -703.13143 18.112121 SiO₂ 86.28 G18 36: -270.09200 8.075382 開口絞り ∞（平面） 1.000000 38: 813.80755 25.212520 SiO₂ 96.20 G19 39: -334.72362 1.000000 40: 336.79725 31.379965 SiO₂ 98.68 G20 41: -397.82586 1.008986 42: -493.49368 18.000000 SiO₂ 97.69 G21 43: -323.83678 29.451514 44: -192.42809 15.000000 SiO₂ 95.91 G22 45: -902.30167 1.000000 46: 314.31996 34.221146 SiO₂ 97.72 G23 47: -364.53663 8.505778 48: 158.22176 34.814651 SiO₂ 86.83 G24 49: 789.29655 3.226335 50: 135.74145 23.912140 SiO₂ 71.82 G25 51: 361.44221 14.459856 52: -562.06092 24.000000 SiO₂ 59.81 G26 53: 347.00571 14.247686 54: 535.78038 20.000000 SiO₂ 40.46 G27 55: ∞（平面） 4.921244 56: ∞（平面） 10.000000 SiO₂ 29.46 G28 57: ∞（平面） 10.000000 像面 ∞（平面）

【０１２２】図４に投影光学系Ｂの横収差図を示す。収
差図から明らかなように、横収差が良好に補正されてい
ることがわかる。また、投影光学系Ｂに対して［ステッ
プ１］から［ステップ５］の球面収差変動量の値につい
ての計算を行った結果を、投影レンズAに関する値と同
様に表２の右欄に示す。また、投影光学系Ｂの表３に記
載した各単レンズ成分の球面収差変動量を図示したもの
が図６である。投影光学系Ａの場合と同様に収差係数値
の大小を比較することで、どのレンズ成分において大き
な収差変動が起こるかを予測することができる。

【０１２３】表２の右欄から明らかなように、投影光学
系Bでは光照射時に極端に大きな収差変動を出している
レンズは存在しない。このように、式（29）の計算値が
像面での照射強度1W当りに換算して200nm（さらに小さ
ければより好ましい）以上になるレンズ成分を含めない
ように投影光学系を設計すれば、光照射による収差変動
が必要以上に起こることを防止できる。

【０１２４】なお、収差変動量は照明光の強度に比例す
るので、照明光の強度を変えることにより照射変動量を
変えることができる。実際、この投影レンズが百数十nm
程度の線幅を投影する能力を持っていることを鑑みる
と、投影光学系Bのような球面収差変動量でも照明光の
強度を大きくしすぎると、収差量が大きくなりすぎてし
まう。しかし、この場合でも他と比べて小さな収差変動
のみ起こすレンズ成分であると照明光の強度の上限値が
緩められることになり、光学製品として非常に有利にな
る。

【０１２５】投影光学系Bにおいて、大きな収差変動は
特に縮小側の像面近傍のレンズ成分において発生しやす
い。そこで、第１実施例（投影光学系Ｂ）では、像面近
傍のレンズ成分について、レンズ形状を平面に近づけて
レンズ成分の両面の収差係数の和を小さくするととも
に、レンズ成分を薄くしてレンズ成分内での温度ムラを
小さくするなどの対策を施している。これにより投影光
学系Bでは、ほぼ同等の結像性能をもつ投影レンズ系Aに
比較して大幅に照射変動量を減らすことができる。ま
た、上記説明はラジエーション・コンパクションを見積
もる場合でもほぼそのまま適用できるので、第１実施例
はラジエーション・コンパクションに対しても耐性の強
い、即ち収差変動の少ない投影光学系になっている。

【０１２６】また、投影光学系Aの照射変動量のデータ
からわかるように、像面付近のレンズ成分はレンズ径が
小さく照射密度が大きいので、照射変動を起こしやす
い。特に、高NAで像側の作動距離が像高と同程度以下の
投影光学系の場合に、この傾向が顕著である。そこで、
照射変動の小さな投影光学系を設計する際には、この付
近の値に注意を払うことが重要であり望ましい。式(6)
に出てくる値の中で、像面近傍で小さくすることが可能
なのは(I_i ^G-I_i)の部分とd₁R_gl/R_gsの部分である。

【０１２７】前者に関しては、レンズ成分の両面の曲率
を小さくして平面に近付けることが有効である。レンズ
成分が薄い場合には、これによりすべての収差係数につ
いて両面での和を小さくすることができるので、レンズ
成分のGRIN化による収差係数の変動を抑えることができ
る。目標値としては、レンズ成分の両面への入射角の差
が大きくならないように、面の曲率をr、像面と面の間
隔をlとしたとき、|r|>3l程度にすればよい。

【０１２８】また、後者の値を小さくするためにはレン
ズ成分を薄くすれば良い。特に、R_l/R_sの部分について
は、像面近傍のレンズ成分が平面に近い場合、像側から
見た光束のNAは投影光学系のNAに近いため、同程度の厚
さのレンズでもこの値は像面からの距離に反比例して大
きくなる。そこで、レンズの厚さをd、像面からレンズ
の像側の面までの距離をlとしたとき、d<1.2l程度にす
ることが望ましい。

【０１２９】第１実施例においては、硝材として全ての
レンズ成分について石英ガラス(SiO ₂)を使用したが、硝
材の違いによる収差変動の影響は主として屈折率の変化
量として現れ、式(22)に示したように、

【０１３０】

【数３１】

【０１３１】という量にほぼ比例する。レンズ成分の厚
さdによる多少の影響はあるものの、これはほぼ硝材及
びレンズ表面の薄膜の物性値によって決まる値である。
この値が小さいレンズ成分を使用する場合は照射変動が
小さいため、特に照射変動を考慮した設計を行わなくて
も照射変動値が許容範囲内に収まる可能性はある。しか
し、石英ガラス(本発明の実施例の条件下で厚さ40mmの
レンズ成分の場合c_n=3.14×10^-6(W^-1))等の式(30)の値
が大きな値をもつ場合には照射変動を考慮した設計をし
ないと、投影光学系Aのように大きな照射変動が起こり
得る。

【０１３２】（第２実施例）図７は、第２実施例にかか
る投影光学系の構成を示す図である。基本的なレンズ構
成は上記第１実施例と同様であるが、強制対流部Ｋを有
している点が相違している。図７では、レンズ成分G21
からウエハ面までの空間に対してHeの強制対流が施され
ている。このレンズ成分の最大像高は13.3mmであり、レ
ンズ成分G21の第1面からウエハーまでの距離が265.8mm
であり、G21以下のレンズ成分が20Ymaxの範囲に入って
いる。そして、G21からウエハ面までに存在するレンズ
成分と雰囲気の間の熱伝達率が良くなり、照射によって
レンズ表面やレンズ内で発生した熱が雰囲気に逃げやす
くなる。この結果、レンズ成分の温度上昇量が少なくな
り、収差量も減少するので、より効果的となる。

【０１３３】（第３実施例）図８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。強制対流部Ｋ
によりレンズ成分G21からG28までの空間に対してN₂の強
制対流を行っている。N₂もHeと同様不活性ガスであり、
レンズ内の雰囲気を満たす媒質として適している。そし
て、上記第２実施例と同様にレンズ成分G21からG28内に
あるレンズ成分と雰囲気との間の熱伝達率が良くなる。
この結果、照射によってレンズ表面やレンズ内で発生し
た熱が雰囲気に逃げやすくなるので、レンズの温度上昇
量が少なくなり、収差量も減少するので、より効果であ
る。 [（Ｂ）光照射による屈折率の変化のみを考慮し硝材の
熱膨張による変形を無視した場合] 上記Ａでは、屈折率変化の効果のみに注目し、硝材の熱
膨張の影響を無視して設計、解析を行っている。しか
し、例えばCaF₂のように線膨張率の比較的大きな硝材の
場合、熱膨張による変形が照射変動のかなりの部分に影
響することになるので、設計等に際して熱膨張の影響を
無視することはできない。そこで、上記[Ａ]で求めた屈
折率変化による照射変動に加えて、熱膨張による照射変
動量を計算し、両者の和を取ることが望ましい。熱膨張
による照射変動は上記[Ａ]のときとほぼ同じ手順で求め
ることができる。ただし、ステップ１で屈折率変化のパ
ラメータを求める代わりに、下記の［ステップ１'］と
してレンズ成分の温度上昇による膨張分としてレンズの
厚さ、曲率を変化させる。［ステップ１'］上記[Ａ]の式(20)で求めたレンズ中心
での温度上昇により、レンズ成分を構成する硝材が膨張
し、レンズ成分の曲率半径及びレンズ成分の厚さが増加
すると仮定する。

【０１３４】

【数３２】

【０１３５】に変化すると考えられる。また、投影光学
系の鏡筒自身は膨張しないので、レンズ間隔をレンズ成
分の厚さが膨張するだけ小さくする必要がある。そこ
で、ここでは光路に沿ってレンズ成分の前側の空間(光
路が同一レンズを往復する場合は最初に通過するときの
前側)を

【０１３６】

【数３３】

【０１３７】だけ変化させることとする。

【０１３８】ステップ２以降についての手順は上記[Ａ]
と同様である。ただし、ステップ３において、レンズ成
分をGRIN化する必要はない。このような手順で、

【０１３９】

【数３４】

【０１４０】として収差変動量が求められる。

【０１４１】最終的には、収差変動量は屈折率変化によ
る量と熱膨張による量の和となるので、

【０１４２】

【数３５】

【０１４３】という形で収差変動量を評価できる。

【０１４４】次に、光照射の影響を考慮しないで従来の
設計手順による投影光学系Ｃと、上記各ステップに基づ
いて設計した投影光学系Ｄ（第４実施例）とに基づいて
両者を比較して説明する。

【０１４５】[投影光学系C]投影光学系Ｃは、照射の影
響を特に考慮せずに設計された投影光学系である。図９
は、投影光学系Ｃのレンズ構成と光路を示す図である。
投影光学系Ｃの仕様は、F₂レーザ(波長157.6nm)を光源
として使用し、像側のNAは0.75、投影倍率は−1/4倍、
フィールドサイズは25mm×6.6mmの矩形である。使用す
るレンズ枚数は12枚（このうち10枚は非球面）、レンズ
成分の硝材はすべてCaF₂(屈折率1.56)である。この投影
光学系Ｃのレンズデータ等を含む諸元値を表４に掲げ
る。なお、非球面は次式、

【０１４６】

【数３６】

【０１４７】で表される。ここで、ρは光軸からの高
さ、ｚはサグ量、κは円錐定数、Ａ〜Ｄは非球面係数で
ある。そして、κの値はすべて0である。なお、式(25)
に登場する非球面パラメータΨは、ここでの非球面係数
Aを使って、

【０１４８】

【数３７】

【０１４９】と表せる。また、投影光学系Ｃは反射屈折
光学系であり、露光に利用するのは光軸を含まない部分
で、像面上で光軸から矩形の長辺に垂線を下したとき
に、光軸から4〜10.6mmの領域を使用する。以下の表４
に投影光学系Ｃのレンズデータ等の諸元値を掲げる。な
お、以下全ての実施例の非球面データ欄における最左端
は面番号を示し、非球面係数中の「E−ｎ」は「×１０
^-n」を意味する。

【０１５０】

【表４】面番号 r(mm) d(mm) 硝材レンズ半径(mm) 物体面 : ∞（平面） 48.716588 1: -902.32425 21.200000 CaF₂ 83.78 G1 2: 972.38615 2.000000 3: 939.84090 28.000000 CaF₂ 88.48 G2 4: -4.4558E+06 70.100000 5: 494.67313 60.000000 CaF₂ 112.56 G3 6: -501.42562 620.932689 7: -213.07325 27.000000 CaF₂ 129.99 G4 8: 3980.51678 33.372907 9: -295.29470 -33.372907 (反射面) 10: 3980.51678 -27.000000 CaF₂ 129.99 (G4) 11: -213.07325 -620.932689 12: -501.42562 -60.000000 CaF₂ 112.56 (G3) 13: 494.67313 -8.600000 14: ∞（平面) 410.000000 (反射面) 15: ∞（平面） -91.300195 (反射面) 16: -1366.53095 -38.000000 CaF₂ 134.40 G5 17: 765.06874 -296.216610 18: 895.13557 -44.000000 CaF₂ 125.63 G6 19: 586.42208 -10.351339 20: -195.92152 -54.000000 CaF₂ 123.69 G7 21: 1201.07800 -0.100000 開口絞り: ∞（平面） -6.102736 23: 1291.12530 -24.000000 CaF₂ 120.57 G8 24: -439.19170 -55.806043 25: -141.31398 -54.000000 CaF₂ 107.14 G9 26: -554.75457 -3.065662 27: -435.69376 -38.837466 CaF₂ 97.23 G10 28: -201.60462 -0.100000 29: -109.45667 -32.000000 CaF₂ 74.69 G11 30: -444.87553 -5.376816 31: -166.66667 -60.000000 CaF₂ 61.85 G12 32: 1276.38962 -11.648728 像面: ∞（平面）非球面係数 1: A=-0.214159E-07 B=-0.663891E-13 C=-0.620086E-18 D=0.646360E-22 6: A=0.292086E-09 B=0.608884E-13 C=0.189576E-18 D=0.248986E-23 7: A=0.114683E-07 B=0.234055E-12 C=0.197396E-17 D=0.115657E-21 11: A=0.114683E-07 B=0.234055E-12 C=0.197396E-17 D=0.115657E-21 12: A=0.292086E-09 B=0.608884E-13 C=0.189576E-18 D=0.248986E-23 17: A=-0.149953E-08 B=0.272877E-13 C=0.120921E-18 D=0.975385E-23 19: A=-0.195275E-08 B=0.193308E-12 C=-0.105482E-17 D=-0.225116E-21 21: A=-0.150856E-07 B=-0.346364E-12 C=0.204337E-16 D=-0.335479E-21 26: A=0.398984E-08 B=0.842883E-12 C=-0.280888E-16 D=-0.206482E-21 28: A=-0.858225E-08 B=0.294569E-12 C=-0.184345E-15 D=-0.578509E-19 30: A=-0.207889E-06 B=-0.614138E-11 C=0.485860E-16 D=0.346356E-19 32: A=-0.272031E-08 B=0.384574E-11 C=-0.803667E-15 D=-0.225387E-17

【０１５１】投影光学系Ｃの横収差図を図１１に示す。
収差図からわかるように、照射の影響を考慮しない限
り、本レンズの収差は良好に補正されている。

【０１５２】照射に関する条件としては、照明光のNAは
投影レンズの0.6倍、像面上での照度0.1W/cm²(像面全体
では0.165W)、硝材の吸収率0.005/cm、レンズ表面の薄
膜による吸収率0.01という条件を与える。また、波長15
7nm付近での螢石の物性値としては屈折率の温度変化係
数dn/dT=3.0×10^-6K^-1,熱伝導率9.7Wm^-1K^-1,線膨張率2.
4×10^-5K^-1という値を使用する。螢石のdn/dTは波長193
nmにおける石英ガラスの値よりも、かなり小さく、ま
た、線膨張率は石英ガラスの5.2×10^-7K^-1と比べると大
きいため、熱膨張による効果が大きいことが予測され
る。

【０１５３】投影光学系Ｃに関して、上記手順で球面収
差変動量の値についての計算を行った結果を表５の左欄
に記載する。また、表５では屈折率変化と膨張のそれぞ
れに起因する収差変動の寄与量も示している。

【０１５４】

【表５】

【０１５５】また、投影光学系Ｃの各レンズ成分につい
ての球面収差変動量を図１３に示す。表５から明らかな
ように、投影光学系Ｃの最も像面側のレンズ成分は、投
影光学系Aの時と同様に、極端に大きな収差変動を発生
している。従って、このレンズ成分も、実際に製造する
には不適である。また、この大きな収差変動の大部分は
屈折率変化によって生じている。このため、線膨張率が
大きく熱膨張による寄与が比較的大きな硝材において
も、極端に大きな収差変動は膨張でなく屈折率の温度に
よる変化が原因となることがわかる。［投影光学系Ｄ（第４実施例）］そこで、上記投影光学
系Ｃのような大きな収差変動を起こさないように設計し
たレンズが投影光学系Dである。投影光学系Ｄのレンズ
構成と光路とを図１０に示す。投影光学系Ｄの仕様は、
F₂レーザ(波長157.6nm)を光源として使用し、像側のNA
は0.75、投影倍率は-1/4倍、フィールドサイズは25mm×
6.6mmの矩形であり、上記投影光学系Ｃと同一の仕様で
あり、光学系のタイプ、露光に使用する領域も同じであ
る。ただし、投影光学系Ｄを構成するレンズ成分は投影
光学系Ｃよりも1枚多い13枚(このうち11枚は非球面)で
ある。レンズ成分の硝材はすべてCaF ₂(屈折率1.56)であ
る。また、投影光学系Ｄのレンズデータ等の諸元値を表
６に掲げる。なお、データ中の非球面係数の意味は上記
投影光学系Cの場合と同じであり、ここでもκの値はす
べて0である。

【０１５６】

【表６】面番号 r(mm) d(mm) 硝材レンズ半径(mm) 物体面: ∞（平面） 50.201211 1: -605.25116 21.200000 CaF₂ 81.93 G1 2: -276.89370 3.396443 3: -315.02548 28.000000 CaF₂ 88.72 G2 4: -14082.96583 70.100000 5: 558.03330 44.000000 CaF₂ 111.67 G3 6: -451.41879 630.367092 7: -198.60978 27.000000 CaF₂ 132.46 G4 8: -10660.50735 33.509385 9: -297.62817 -33.509385 (反射面) 10: -10660.50735 -27.000000 CaF₂ 132.46 (G4) 11: -198.60978 -630.367092 12: -451.41879 -44.000000 CaF₂ 111.67 (G3) 13: 558.03330 -8.600000 14: ∞（平面） 410.000000 (反射面) 15: ∞（平面） -102.156386 (反射面) 16: 8352.72256 -38.000000 CaF₂ 135.00 G5 17: 479.60692 -314.606963 18: 4887.61524 -44.000000 CaF₂ 130.32 G6 19: 497.51522 -15.028411 STO: ∞（平面） -0.101334 21: -219.21488 -54.000000 CaF₂ 123.78 G7 22: 948.39033 -14.571726 23: 805.91162 -24.000000 CaF₂ 117.88 G8 24: -841.39903 -33.236117 25: -143.82988 -40.000000 CaF₂ 102.75 G9 26: -451.10387 -6.553823 27: -438.46804 -39.515334 CaF₂ 94.77 G10 28: 1805.86227 -8.112353 29: -258.01179 -28.669495 CaF₂ 71.03 G11 30: -273.05607 -7.775164 31: -150.32113 -25.000000 CaF₂ 51.37 G12 32: ∞（平面） -3.149370 33: -3021.15486 -10.000000 CaF₂ 38.11 G13 34: ∞（平面） -10.000000 像面: ∞（平面） 0.000000 非球面係数 1: A=-0.211553E-07 B=-0.100996E-13 C=-0.355437E-17 D=0.463473E-21 6: A=0.454322E-09 B=0.630510E-13 C=0.479038E-18 D=-0.277738E-24 7: A=0.937661E-08 B=0.234086E-12 C=0.256411E-17 D=0.198402E-21 11: A=0.937661E-08 B=0.234086E-12 C=0.256411E-17 D=0.198402E-21 12: A=0.454322E-09 B=0.630510E-13 C=0.479038E-18 D=-0.277738E-24 17: A=-0.476242E-08 B=0.458509E-13 C=0.522751E-18 D=0.804209E-23 19: A=-0.120869E-08 B=0.615670E-13 C=0.114607E-17 D=-0.194528E-21 22: A=-0.181140E-07 B=-0.168833E-12 C=0.107771E-17 D=0.140904E-21 24: A=0.601415E-08 B=0.186733E-12 C=0.107098E-16 D=-.828175E-21 26: A=0.478425E-08 B=0.490644E-12 C=-0.543931E-18 D=-0.761183E-21 28: A=-0.453161E-07 B=-0.192148E-11 C=0.122436E-15 D=-0.543892E-21 30: A=-0.133589E-06 B=0.173508E-10 C=-0.153242E-14 D=0.131086E-18 31: A=-0.598282E-07 B=0.256984E-10 C=0.755816E-15 D=0.185573E-18

【０１５７】投影光学系Ｄの横収差を図１２に示す。収
差図からわかるように、照射の影響がない段階では、本
光学系の収差は投影光学系Cとほぼ同程度に補正されて
いる。

【０１５８】また、照射に関する条件も投影光学系Cの
場合と同じである。投影光学系Ｄについて球面収差変動
量の値についての計算を行った結果を表６の右欄に示
す。また、投影光学系Ｄの各レンズ成分の球面収差変動
量を図１４に示す。

【０１５９】表５からわかるように、投影光学系Dには
照射時に極端に大きな収差変動を出しているレンズは存
在しない。このように、式(34)の値が像面での照射強度
1W当りに換算して200nm程度以上になるレンズが存在し
ないように投影光学系を設計すれば、照射による大きな
収差変動を防ぐことができる。

【０１６０】レンズ成分の熱膨張による変形を考慮に入
れた場合でも、特に縮小側の像面近傍のレンズ成分にお
いて大きな収差変動が生じ易い傾向がある。そこで、第
４実施例にかかる投影光学系では、像面近傍のレンズ成
分について上記投影光学系Bの場合と同様の設計手順に
より、ほぼ同等の結像性能を有する投影光学系Cに比較
して大幅に光照射による収差変動量を減らすことができ
る。また、上記の議論はラジエーション・コンパクショ
ンの量を見積もる場合でもほぼそのまま適用できるの
で、本実施例はラジエーション・コンパクションに対し
ても耐性の強い投影光学系にもなっている。

【０１６１】また、本実施例にかかる投影光学系Dの硝
材はすべて螢石(CaF₂)を使用している。CaF₂は第１実施
例にかかる投影光学系Ｂにおいて使用したSiO₂と比較し
て熱伝導率が大きく、屈折率の温度変化係数が小さい。
このため、式(22)からわかる単位発熱量当りの屈折率変
化による影響は小さく、さらに、線膨張率が大きいため
に硝材の膨張による影響は大きくなる。しかし、この場
合でも大きな収差変動を引き起こすのは主として屈折率
変化の影響であり、式(30)によって硝材による大きな収
差変動の発生を見積もることができる。上述の実施例の
条件下で厚さ40mmのCaF₂のレンズの場合式(30)の値はc_n
=3.09×10^-7(W^-1)であり、SiO₂の場合よりほぼ一桁小さ
い。しかし、この場合でも照射による収差変動を小さく
するための対策を施した方が望ましい。好ましくは、収
差変動値から考えて、c_nの値がCaF₂の場合よりさらに一
桁程度小さい硝材を使うのでない限り、像面近傍の収差
変動に留意して光学設計を行うことが望ましい。

【０１６２】なお、本実施例においては中間像のNAが小
さいため、中間像の近傍では大きな照射変動が生じてい
ない。しかし、中間像の大きさが小さく、NAが大きいよ
うなタイプの光学系の場合は、中間像近傍のレンズ成分
は径が小さく、照射密度が大きいことが多い。したがっ
て、中間像近傍においても大きな照射変動が起こり易い
ので式(1)を満足することが望ましい。

【０１６３】また、従来の技術で上述したように、照射
変動に対する要求が特に厳しくなってきたのは、波長が
200nm以下の露光光を用いて、焼き付け線幅も200nm以下
であるような場合である。このため、200nm以下の露光
光を用いた投影光学系において特に本発明は有効であ
る。

【０１６４】（第５実施例）図１５は、上記各実施例に
かかる投影光学系を備える投影露光装置の概略構成を示
す図である。なお、図１５において、投影光学系を構成
する反射屈折光学系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１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。

【０１６５】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３を均一に照明する。

【０１６６】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３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。

【０１６７】マスク３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３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。

【０１６８】マスク３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９上にマスクパターン像を形成する。ウエハ
９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３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９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。

【０１６９】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。

【０１７０】また、光源１からウエハ９までの光路の全
体に亘って窒素やヘリウムガスなどの不活性ガスが充填
され、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。

【０１７１】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３上の視野領域（照明領域）及びウエハ
９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３及びウエハ９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３とウエハ９とを同期的
に移動（走査）させることにより、ウエハ９上には露光
領域の長辺に等しい幅を有し且つウエハ９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。

【０１７２】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。

【０１７３】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。

【０１７４】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。

【０１７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光照射による収差変動の小さな投影光学系を得ることが
できる。また、本発明にかかる投影光学系を備えた投影
露光装置によれば、露光時の光照射による変動が小さい
ので常に安定して微細なパターンを投影露光することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】投影光学系Ａのレンズ構成と光路を示す図であ
る。

【図２】投影光学系Ｂ（第１実施例）のレンズ構成と光
路を示す図である。

【図３】投影光学系Ａの横収差を表す収差図である。

【図４】投影光学系Ｂの横収差を表す収差図である。

【図５】投影光学系Ａにおける各レンズ成分ごとの球面
収差変動量への寄与を示す図である。

【図６】投影光学系Ｂにおける各レンズ成分ごとの球面
収差変動量への寄与を示す図である。

【図７】第２実施例にかかる投影光学系の構成を示す図
である。

【図８】第３実施例にかかる投影光学系の構成を示す図
である。

【図９】投影光学系Ｃのレンズ構成と光路を示す図であ
る。

【図１０】投影光学系Ｄ（第４実施例）のレンズ構成と
光路を示す図である。

【図１１】投影光学系Ｃの横収差を表す収差図である。

【図１２】投影光学系Ｄの横収差を表す収差図である。

【図１３】投影光学系Ｃにおける各レンズ成分ごとの球
面収差変動量への寄与を示す図である。

【図１４】投影光学系Ｄにおける各レンズ成分ごとの球
面収差変動量への寄与を示す図である。

【図１５】上記各実施例にかかる投影光学系を備える投
影露光装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

Ｇｉ各レンズ成分（ｉ＝１，２，…，２８）Ｓ開口絞り１レーザ光源２照明光学系３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９ウエハ１０ウエハホルダ１１ウエハステージ

フロントページの続きＦターム(参考） 2H087 KA21 LA01 NA04 PA15 PA17 PB20 QA02 QA03 QA05 QA06 QA12 QA17 QA19 QA21 QA25 QA32 QA33 QA39 QA42 QA45 RA05 RA13 RA32 RA42 UA03 UA04 5F046 BA05 CA04 CB12 DA12 DA27 DB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】紫外光で照射された第１面上のパターン
の像を第２面上に投影するための投影光学系であって、第２面からレンズ面までの距離をｌ，最終像又は中間像
が形成される領域の光軸から垂直方向に測った距離の最
大値をy_immax，第２面から光軸に沿って第１面の方向に
向って5y_immaxの距離の範囲内に存在する全ての単レン
ズ成分の曲率半径をｒ，該レンズ成分の厚さをｄとそれ
ぞれしたとき、の条件を満足し、かつ、前記投影光学系の最も第２面側のレンズ面と第２面との
光軸に沿った間隔をＢｆとしたとき、の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項２】紫外光で照射された第１面上のパター
ンの像を第２面上に投影するための投影光学系であっ
て、最終像又は中間像が形成される領域の光軸から垂直方向
に測った距離の最大値をy_immaxとしたとき、第２面から光軸に沿って第１面の方向に向って20y_immax
の範囲内に存在する全ての単レンズ成分が、の条件を満足することを特徴とする投影光学系。ここ
で、 n：前記投影光学系を構成する単レンズ成分の総数， g：第１面側から数えたレンズ面の順番， NA：前記投影光学系の開口数， d_g：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の中心厚
さ、 R_gl：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の両面の
有効半径のうち大きい有効半径， R_gs：第１面側からｇ番目のレンズ成分の両面の有効半
径のうち小さい有効半径， Ω：第２面における照明光の強度， I^g _g，I_g：球面収差係数，球面収差係数は、次式（７）、で示され、式（７）において、 g1,g2：レンズ成分の2つの面，また、であり、式（８）において、 n：媒質の照明光の波長における屈折率であり、符号ｎ
に「'」を付したものは光路に沿ってレンズ面の後（第
２面側）、符号ｎのみのものはレンズ面の前（第１面
側）での量であることをそれぞれ示す。
【請求項３】紫外光で照射された第１面上のパターン
の像を第２面上に投影するための投影光学系であって、最終像又は中間像が形成される領域の光軸から垂直方向
に測った距離の最大値をy_immaxとしたとき、第２面から光軸に沿って第１面の方向に向って20y_immax
の範囲内に存在する全ての単レンズ成分が、の条件を満足することを特徴とする投影光学系。ここ
で、 n：前記投影光学系を構成する単レンズ成分の総数， g：第１面側から数えたレンズ面の順番， NA：前記投影光学系の開口数， d_g：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の中心厚
さ， R_gl,：第１面側から数えてｇ番目のレンズ成分の両面の
有効半径のうちの大きい有効半径， R_gs：第１面側からｇ番目のレンズ成分の両面の有効半
径のうちの小さい有効半径， Ω：第２面における照明光の強度 I^G _g、I^E _g及びI_g：球面収差係数，該球面収差係数は、で示され、式（７）において、g1,g2：レンズ成分の2つ
の面，であり、式（８）において、 n：媒質の照明光の波長における屈折率であり、符号ｎ
に「'」を付したものは光路に沿ってレンズ面の後（第
２面側）、符号ｎのみは面の前での量であることを示
す。
【請求項４】紫外光で照射された第１面上のパターン
の像を第２面上に投影するための投影光学系であって、最終像又は中間像が形成される領域の光軸からの距離の
最大値をy_immaxとしたとき、前記最終像面又は中間像面
からの距離が20y_immax以内に存在する少なくとも一部の
空間に対して媒質の対流を行う強制対流部を有している
ことを特徴とする投影光学系。
【請求項５】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４のいずれか一項に記載の投
影レンズ系とを備えていることを特徴とする投影露光装
置。
【請求項６】照明光を生成する工程と、前記照明光により所定のパターンが形成されたマスクを
照明する工程と、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の投影レンズ系を
用いて、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
板上へ投影する工程とを含むことを特徴とする露光方
法。