JP2004516526A - 少なくとも１つの非球面レンズを有するレンズ系 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの非球面レンズ表面を有するレンズに関し、その際ゼルニケ多項式により非球面レンズ表面（ＡＳ１）を表せば、以下の条件（ａ，ｂ，ｃ）の少なくとも２つが満足されており、半径がＫ４＝０であるように固定されている。

Description

【０００１】
本発明は、少なくとも１つの非球面レンズ表面を有するレンズ並びに少なくとも１つの非球面レンズ表面を有するレンズ系並びにマイクロリソグラフィーの投影露光装置及び少なくとも１つの非球面レンズ表面を有するレンズ系で微細構造化素子を製造する方法に関する。
【０００２】
特にマイクロリソグラフィーの投影レンズ系においては、ますます結像性能を改良するために非球面のレンズ表面を有するレンズが使用される。例えば、このようなレンズは、ＤＥ１９９４２２８１，ＵＳ５，９９０，９２６、ＵＳ４，９４８，３２８、ＥＰ３３２２０１Ｂ１から公知である。
【０００３】
非球面レンズは、ますますマイクロリソグラフィーの投影レンズ系において像性能を改良するために使用される。しかしながら、所望の性能改良を非球面のレンズ表面を有するレンズを使用することによって達成するためには、また、非球面のレンズ表面の実際の形が所定の程度を越えてレンズ表面の目標データからずれないことが必要である。マイクロリソグラフィーにおいては、目標表面と現実表面の間の許容偏差はますます微細に結像すべき構造に基づき極めて小さい。存在する非球面のレンズ表面が要求されるレンズ表面の測定精度の範囲内に存在するかどうか検査するためには、特殊な試験光学系が必要とされる。この試験光学系を用いて、非球面のレンズ表面の質が検査される。
【０００４】
このような試験光学系の複雑性は、決定的に非球面のレンズ表面の表面形状に依存する。特に、非球面のレンズ表面が、代替可能な費用で調達することができかつ有利には少ない数の非球面のレンズからなる試験光学系で試験可能である非球面のレンズの使用が追求される。
【０００５】
非球面のレンズ表面を製造する際には、非球面のレンズ表面を製造工程中に数回試験しかつ後加工を行わねばならないことが必要となることもある。
【０００６】
また、研磨により表面に依存して表面形状の不所望のかつ不均一な変化が研磨剥離に基づき発生し、それにより非球面のレンズ表面の許容されない変化が生じることもある。
【０００７】
更に、高い非球面度を有する非球面の表面の場合、即ち球面の面からの偏差が大きい場合、及び局部的曲率の変化が大きくなるに伴い、これらの面は極めて小さい研磨工具を用いて著しく高い費用をかけて研磨することができるに過ぎないか、又は非球面のレンズ表面を研磨することが殆ど不可能であるという事態が生じることもある。まさにレンズ系の設計過程において、設計者が設計過程で、研磨専門家、及び試験光学系を提供する専門家との複数回の話合いにより初めて、設計者によって開発された設計が代替可能な費用で製造することができかどうか又は該設計を、製造観点においても許容される設計であるように変更しなければならないかどうかを知ることは好ましいことでない。特に、製造と開発が互いに遠距離で行われる場合には、設計と製造との間の一致が著しい時間的浪費と結び付いている。
【０００８】
本発明の課題は、非球面レンズ表面の製造可能性に対して必要な条件を見出すことである。
【０００９】
更に、本発明の課題は、非球面レンズ表面を有する新規の設計で製造者との協議を必要とせずに製造することができる方法を提供することである。
【００１０】
本発明の課題は、請求項１及び３に記載の特徴により解決される。
【００１１】
非球面レンズ表面をゼルニケ多項式に表す手段により、非球面レンズ表面の分類を、請求項１に記載の条件ａ）〜ｃ）の少なくとも２つが存在する際にそれぞれの非球面レンズ表面を代替可能な費用で研磨可能かつ試験可能であるように実施することが可能になった。
【００１２】
それに伴い、設計者には、設計過程で製造者と協議を必要とせずにその設計の試験可能性及び製造可能性に対する言明を行うことが可能である。設計者は、製造可能なかつ試験可能な設計図を書くことに専念することができる。
【００１３】
特に、条件ｃ）の存在は、有利に非球面レンズ表面の製造可能性に作用する。
【００１４】
基準化された半径に対して、ゼルニケ多項式から生じる配分が、以下の条件：
ゼルニケ多項式Ｚ９≦ ３００μｍ、
ゼルニケ多項式Ｚ１６≦ ３５μｍ、
ゼルニケ多項式Ｚ２５≦ ５μｍ、
ゼルニケ多項式Ｚ３６≦ １μｍ、
ゼルニケ多項式Ｚ４９≦ ０．２μｍ
を上回らない手段により、簡単な製造可能性及び試験可能性に関して優れた等級の非球面レンズ表面が形成される。
【００１５】
振動する空気柱又は振動する側面に類似して、係数Ｚ１６，Ｚ２５，Ｚ４９，Ｚ６４等は球面の球面のオーバートーン（倍音）と称される。オーバートーンが少ない程、従ってゼルニケ多項式からの配分に振幅がＺ１６からなる割合の振幅が急速になりかつ大きくなればなる程に、ますます容易に非球面を製造することができる。更にそれにより、レンズからなる補正光学素子又はコンピュータで形成されたホログラムは、非球面を試験するために許容誤差に関しては著しく敏感でない。付加的に、振幅の急速な減衰はアイソプラナチック補正光学素子を見出すことを可能にする。非球面レンズ表面に対する試験光学素子の適合品質（波面の残留ＲＭＳ値）のためには、ゼルニケ論の振幅の自然の減衰が決定的である。このことは高いゼルニケ振幅の特に調和した減衰を有する所定の例で明らかになる。従って、個々の高次のゼルニケ項を不自然にその振幅において低下させることは望ましくない。技術的に重要なＳｉｎ−ｉ負荷を有する球面レンズからなる補正光学素子は、完全に自ら高次のゼルニケ項の弱く減衰する振幅パターンを発生する。
【００１６】
更に、凸面レンズ表面に非球面レンズ表面を設けるのが有利であることが立証された。これは特に有利に研磨工程に影響を及ぼす。
【００１７】
レンズ系において、ゼルニケ多項式による特徴付けに基づき必要とされる精度で容易に製造可能である非球面レンズ表面のみを設けるのが有利であることが立証された。
【００１８】
この非球面レンズ表面の作用を更に改良するためには、非球面レンズ表面に対してそれぞれ隣接して、半径が最大非球面のレンズ表面の半径から３０％ずれた球面レンズ表面を配置するのが有利であることが立証された。この手段により、非球面のレンズ表面と、隣接して配置された球面のレンズ表面との間に殆ど等間隔の空隙が形成される。それにより、設計者は球面の湾曲において自由になり、ことのことは非球面の付加的な重要な自由度を意味し、しかもそれにより非球面の製造可能性が困難になることはない。
【００１９】
その他の有利な手段は、別の従属請求項に記載されており、以下の実施例により詳細に説明する。
【００２０】
図１により、まず投影露光装置１の原理的構造を説明する。投影露光装置は、照明装置３及び投影レンズ５を有する。投影レンズ５は、開口絞りＡＰを有するレンズ系１９を有し、該レンズ系１９により光軸７が規定される。照明装置３と投影レンズ５の間に、マスクホルダ１１によって光路内に保持されるマスク９が配置されている。このようなマイクロリソグラフィーで使用されるマスク９は、マイクロメートル〜ナノメートルの構造を有し、該構造は投影レンズ５によって１／１０、特に１／４まで縮小されて結像面１３に結像される。結像面１３で、基板ホルダ１７により位置決めされた基板もしくはウェーハ１５が保持される。なお解像可能な微細構造は、照明のために使用される光の波長λ並びに投影レンズ５の開口に依存し、その際投影露光装置の最大達成可能な解像力は、照明の波長が低下するに伴いかつ投影レンズ５の開口が増大するに伴い上昇する。
【００２１】
マイクロリソグラフィー用の投影レンズ５の、図２に示されたレンズ系１９は、６つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ６に分けれることができる３１個のレンズを有する。このレンズ系は、波長３５１ｎｍのために構成されている。
【００２２】
第１のレンズ群Ｇ１は、負レンズＬ１で開始し、４枚の正レンズＬ２〜Ｌ５が続く。この第１のレンズ群は、正の屈折力を有する。
【００２３】
第２のレンズ群Ｇ２は、物体に向かって湾曲した、負の屈折力を有する厚いメニスカスレンズＬ６で開始する。この負レンズに、２個の別の負レンズＬ７及びＬ８が引き続いている。それに続くレンズＬ９は、物体側に凸レンズ表面を有し、従って物体に向かって湾曲した、正の屈折力を有するメニスカスレンズである。第２のレンズ群の最後のレンズとしては、像に向かって湾曲した、負の屈折力を有するメニスカスレンズが設けられており、該レンズは像側に配置された凸面が非球面化されている。第２のレンズ群Ｇ２の前記非球面レンズ表面により、特にイメージフィールド帯域とイメージフィールド縁部の間の像収差の補正が可能である。特に、サジタル断面を考察すると明らかになる高次の像収差を補正することができる。このサジタル断面に現れる像収差は特に補正するのが困難であるので、これは特に重要な貢献である。
【００２４】
この非球面レンズ表面は、ゼルニケ多項式Ｚ９，Ｚ１６，Ｚ２５，Ｚ３６，Ｚ４９及びＺ６４を有する以下の式で数学的に表すことができる。非球面レンズ表面に以下のことが当てはまる：
【００２５】
【数４】

【００２６】
上記式において、Ｐは光軸７からの基準化された距離ｈの関数としてのアーチの高さである。
【００２７】
【数５】

【００２８】
ゼルニケ多項式に配属される係数及び非球面のレンズ表面の数学的表現のための半径も同様に表に記載されている。非球面のレンズ表面の半径は、以下の式が当てはまるように規定されている：
【００２９】
【数６】

【００３０】
ずれた半径を選択すると、別のゼルニケ係数が生じる。特に、低次のゼルニケ多項式が変化することになる。Ｋ_４＝０又は殆ど０である選択の際には、ゼルニケ多項式により特に簡単にゼルニケ係数から非球面の製造可能性及び試験可能性に関する証言を導き出すことができる。ゼルニケ多項式Ｚ９から生じる配分は、３次の球面収差に貢献する。ゼルニケ多項式Ｚ１６から生じる配分は、５次の球面収差に貢献する。ゼルニケ多項式Ｚ２５から生じる配分は、６次の球面収差の補正に貢献かつゼルニケ多項式Ｚ３６から生じる配分は、９次の球面収差の補正に貢献する。
【００３１】
第３のレンズ群Ｇ３は、以下のレンズＬ１１〜Ｌ１５が構成されている。第３のレンズ群の中心には、２つの厚い正レンズが配置されており、それらの対向する正レンズは強度に湾曲せしめられている。これらの２つの厚い正レンズの間に、殆ど屈折力を有しない極めて薄い正レンズ１３が配置されている。このレンズは、あまり重要ではないので、レンズ系構造の僅かな修正の下で必要であれば省略することができる。この第３のレンズ群は正の屈折力を有する。
【００３２】
第４のレンズ群Ｇ４は、負レンズＬ１６〜Ｌ１８により構成されており、従って負の屈折力を有する。
【００３３】
第５のレンズ群Ｇ５は、レンズＬ１９〜Ｌ２７から構成されている。最初の３つの正レンズＬ１９〜Ｌ２１の後方に絞りが配置されている。絞りの後方に、向かい合った表面が強度の曲率を有する２つの厚い正レンズが配置されている。このレンズＬ２２及びＬ２３の構成は、有利に球面収差に作用する。このレンズＬ２２及びＬ２３の構成により、“最良の形のレンズ”の原理の１つが考慮される、即ちほぼ平行な光線の光路内に、強度に湾曲された面が生じる。同時に、鮮鋭な球面収差のアンダー補正のための分担が提供され、これは鮮鋭な球面収差にオーバー作用する２つの後方に設置されたメニスカスＬ２４及びＬ２５と協働して優れた全補正を可能にする。これらのレンズの焦点距離は、ｆ_１２＝４６５．４０５ｍｍ及びｆ_３４＝４４８．４６２ｍｍである。
【００３４】
第６のレンズ群Ｇ６は、第１のレンズとしてＬ２８を有し、該レンズに厚いレンズが引き続いている。記載の実施例からのずれは、コンパクション（Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）の減少のために、レンズ材料として石英ガラスをこのレンズ群の最後の２つのレンズのために使用することが有利なこともある。
【００３５】
このレンズ系の長さは、物体面Ｏから像面Ｏ’まで１０００ｍｍである。イメージフィールドは８×２６ｍｍである。このレンズ系の開口数は０．７５である。このレンズ系においては、約２．５ｐｍの帯域幅が許容される。正確なレンズデータは、第１表に記載されている：
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
図３には、波長１９３ｎｍのために構成され、かつ３１枚のレンズを有するレンズ系が示されている。これらの３１枚のレンズは、６つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ６に分けることが可能である。
【００３９】
第１のレンズ群Ｇ１は、レンズＬ１０１〜Ｌ１０５を有しかつ全体で正の屈折力を有する。
【００４０】
第２のレンズ群Ｇ２は、レンズＬ１０６〜Ｌ１１０を有する。これらのレンズ群は、全体で正の屈折力を有しかつこのレンズ群により１つのウエスト部分が形成される。最初の３つのレンズＬ１０６〜Ｌ１１０は負の屈折力を有し、この場合レンズＬ１０９はレチクルから湾曲せしめられており、正の屈折力を有する。レンズＬ１１０はウェーハに向かって湾曲せしめられたメニスカスレンズであり、該レンズは両側のレンズ表面に非球面ＡＳ１を備えている。これらの非球面ＡＳ１及びレンズＬ１１１の後続の球面のレンズ表面により、少なくとも１０ｍｍの厚さを有する殆ど等間隔の空隙が形成される。
【００４１】
レンズ１１１は既にレンズ群Ｇ３に属し、該レンズ群は正の屈折力を有するレンズＬ１１１〜Ｌ１１５を有する。これらのレンズ群Ｇ３は、全体で正の屈折力を有する。
【００４２】
第４のレンズ群Ｇ４は、レンズＬ１１６〜Ｌ１１８から構成されかつ負の屈折力を有する。
【００４３】
第５のレンズ群Ｇ２は、レンズＬ１１９〜Ｌ１２７から構成されかつ正の屈折力を有する。レンズＬ１２１とレンズＬ１２２の間に絞りが配置されている。レンズＬ１２８〜Ｌ１３１により第６のレンズ群が形成され、該レンズ群は正の屈折力を有する。
【００４４】
第３のレンズ群において、レンズＬ１１１はＣａＦ_２からなる。この位置にＣａＦ_２を使用することは、色横収差の減少のために貢献する。
【００４５】
更に、絞りの周りに正レンズ、即ちＣａＦ_２からなる、絞りの前方の２つの正レンズ、及び絞りの後方の２つの正レンズＬ１２２及びＬ１２３が存在する。色縦収差はビーム直径並びにまた屈折力に依存するので、ビーム直径が最大でありかつレンズの屈折力が比較的に大きい絞りの領域で、この領域内の色縦収差を十分に補正することができる。これらのＣａＦ_２レンズＬ１２０〜Ｌ１２３は、第３のレンズ群とは異なりある程度の不均一性を有していてもより、該不均一性はそれぞれのレンズの意図的表面形成により補償することができる。このことは、ここでは極く僅かなビーム傾斜が生じるに過ぎないので可能である。
【００４６】
最後のレンズ群Ｇ６には、もう１つのＣａＦ_２レンズＬ１３０が設けられている。このレンズＬ１３０は、ビームにより特に強度に負荷されるレンズであり、それにより材料ＣａＦ_２の使用がコンパクション及びレンズの加熱を軽減するために貢献する。それというのも、材料ＣａＦ_２は石英ガラスよりも少ないコンパクション効果を示すからである。
【００４７】
このレンズ系は、理想波面からの偏差が≦７．５ｍλ（λ＝１９３ｎｍ）である極めて良好に補正されたレンズ系である。物体面Ｏと像面Ｏ’の間の距離は１０００ｍｍでありかつ８×２６ｍｍ^２のイメージフィールドを露光可能である。開口数は０．７６である。正確なレンズデータは第２表に記載されている。
【００４８】
【表３】

【００４９】
【表４】

【００５０】
図４には、図２及び３に含まれた非球面レンズ表面の光学特性を検査するために適当である試験光学素子の可能な構造が示されている。この光学素子は、石英ガラスからなる４枚の球面レンズＴ１〜Ｔ４を有する。この試験構造の長さは４８０ｍｍである。作業距離、即ち試験光学素子と試験すべき非球面レンズ表面の間の距離は２０ｍｍである。この試験光学素子を用いると、１５５．４ｍｍの最大直径をまでの試験片の試験が可能である。試験光学系の入口直径は１９２．１０７ｍｍである。この試験光学素子の最大直径は１９３．８７４ｍｍである。理想波面からの偏差は、６３２．８ｎｍの試験波長で０．３８４である。この残留収差は、計算で補正することができる。
【００５１】
この試験光学素子は、当平面であることを特徴とする。Ｋ光学素子の当平面補正は、非球面レンズ表面の結像の際の結像尺度を生じる干渉像上の中心から縁部まで得られるので重要である。それにより、非球面試験において一定の横方向解像力が得られる。平坦な波面で照射する際に生じる干渉パターンに基づき、非球面レンズ表面の表面形状が出現する干渉パターンにより測定される。
【００５２】
試験項光学素子の正確なレンズデータは、第３表に記載されている。
【００５３】
【表５】

【図面の簡単な説明】
【図１】
投影露光装置の概略図である。
【図２】
波長３５１ｎｍのために構成された投影レンズのレンズ構成を示す図である。
【図３】
波長１９３ｎｍのために構成された投影レンズのレンズ構成を示す図である。
【図４】
図２に示された非球面レンズの試験構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 投影露光装置、 ３ 照明装置、 ５ 投影レンズ、 ７ 光軸、 ９ マスク、 １１ レンズホルダ、 １３ 像面、 １５ ウェーハ（基板）、 １７ 基板ホルダ、 １９ レンズ装置、 ＡＰ アパーチャ絞り

Claims (13)

1. ゼルニケの多項式により非球面のレンズ表面（ＡＳ１）を表すと以下の条件：
   

   

   ［式中、非球面のレンズ表面の半径は、Ｋ_４＝０になるように決定されている］の少なくとも２つを満足することを特徴とする、少なくとも１つの非球面のレンズ表面を有するレンズ。
2. 

   、請求項１記載の少なくとも１つの非球面レンズを有するレンズ。
3. 非球面のレンズ表面が３つの条件ａ）〜ｃ）の全てを満たす、請求項１記載のレンズ。
4. ゼルニケの多項式から生じる割合が基準化された半径を使用する際に以下の値：
   

   

   を上回らないことを特徴とする、少なくとも１つの非球面レンズを有する特にマイクロリソグラフィー用のレンズ。
5. 非球面のレンズ表面（ＡＳ１）が凸レンズ表面に設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のレンズ。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の少なくとも１つのレンズを有することを特徴とするレンズ系。
7. 請求項１から５までのいずれか１項記載の非球面のレンズ表面を有する少なくとも１つのレンズが第２の膨らみ部を含むまでに配置されていることを特徴とする、少なくとも第１及び第２の膨らみ部を有する投影レンズ系。
8. 非球面のレンズ表面（ＡＳ１）に隣接して、半径が非球面のレンズ表面を（ＡＳ１）の半径から最大３０％ずれているレンズ表面（Ｓ２）が配置されている、請求項７記載のレンズ系。
9. マイクロリソグラフィーレンズ系である、請求項７から８までのいずれか１項記載のレンズ系。
10. 請求項７から９までのいずれか１項記載の投影レンズ系を含むことを特徴とする、マイクロリソグラフィーの投影露光装置。
11. 感光性層を備えた基板をマスク、及び請求項１から６までのいずれか１項記載の非球面のレンズ表面を有する少なくとも１つのレンズを備えたレンズ装置を有する投影露光装置を用いて露光することを特徴とする、微細構造化素子の製造方法。
12. 設計において設けられた全ての非球面のレンズ表面が請求項１から６までのいずれか１項記載のレンズ表面である、新規のレンズ系設計を行う方法。
13. 少なくとも３つのレンズを含み、１２０ｍｍ〜３５０ｍｍの試験直径を有しかつアイソプラナティック補正されている、非球面のレンズ試験のための補正光学系において、非球面のレンズ表面と平坦又は湾曲した球面参照面との間の試験の際の結像縮尺が３％未満、有利には１％変動することを特徴とする、非球面のレンズ試験のための光学系。