JP2005524866A - 超高開口度の投影対物レンズ - Google Patents

Abstract

超高開口度の、純粋に屈折性の投影対物レンズは、物体側胴部と像側胴部と前記胴部間に配置されるウェスト部（７）とを有する２胴形システムとして設計される。システム絞り（５）は、像側胴部内において像面の前に間隔をおいて配置される。ウェスト部とシステム絞りとの間において発散放射領域内に、有効曲率を有する負レンズ群（ＬＧ５）が、像面の方に向く凹側を有して配置される。このシステムは、高い開口数と低い色収差と小型の省資材設計とを特徴とする。

Description

本発明は、自身の物体平面内に配置されるパターンを自身の像面に所定の動作波長の紫外光を利用して投影する投影対物レンズに関する。

フォトリソグラフィー用投影対物レンズは、数十年にわたって、半導体素子およびその他の微細構造部品の製造に用いられてきた。これらのレンズは、以下ではマスクまたはレクチルとも呼ばれるフォトマスクまたはレチクルのパターンを、感光層により被覆された物体上に非常に高い解像度で縮小投影するという目的に供せられる。

さらに一層微細な１００ｎｍ以下の大きさの構造を製造するために、投影対物レンズの像側の開口数（ＮＡ）を現在達成可能な値より大きくしてＮＡ＝０．８以上の範囲にする試みがなされている。また、さらに一層短い動作波長、好ましくは２６０ｎｍ未満、たとえば２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍまたはそれより短い波長の紫外線光が用いられている。同時に、カタジオプトリック系と比べて設計および製造の点で有利である純粋に屈折性のジオプトリック系を利用して、投影能力に関するさらなる要求を満たす試みがなされている。しかしながら、波長がこれまでより短くなってきているという状況においては、互いに相対的に近いアッベ定数を有する少数の十分に透明な材料だけが、依然として利用可能である。このことは、部分的な色消しに関して問題を引き起こし、投影対物レンズの完全な色消しについてはなおさらであり、すなわち色収差を防ぐことまたは減じることが達成困難となる。特に、色収差を適切に小さくした超高開口度のシステムを提供することが困難になる。さらにまた、開口度の増加に加えて、結像品質を向上させながら同時に物体および像フィールドを変化させないことが求められることにより、投影対物レンズの寸法は、３つの全ての空間方向において増大する。特に、光学レンズ材料の量の増加が、こうした投影対物レンズの費用を構造的な幅の減少における利得分に対して不釣合いに増加させる。

本発明の目的は、高い像側開口数と色収差の補正の向上とによって弁別される投影対物レンズを創出することにある。特に、この目的は、材料を節減することができる小型設計を可能にすることである。

この目的は、請求項１の特徴を有する投影対物レンズによって達成される。有利な開発形態は、従属請求項に記載されている。全ての請求項の語句表現は、参照により本明細書に含まれる。

発明の実施の形態

本発明の１つの態様によれば、自身の物体平面内に配置されるパターンを自身の像面に所定の動作波長の紫外線光を利用して投影する投影対物レンズは、光軸に沿って配置される多数の光学素子と、前記像面の前に間隔をおいて配置されるシステム絞りとを有する。この投影対物レンズは、物体近傍に位置する胴部と像近傍に位置する胴部と前記胴部間に位置するウェスト部とを有する純粋に屈折性（ジオプトリック）の単一ウェスト形システムとして設計される。ウェスト部の領域において、ビーム直径は、一方の胴部の領域における最大ビーム直径より本質的に小さくなり得、ウェスト部におけるビーム直径を、たとえば前記最大ビーム直径の５０％未満にすることが可能である。ウェスト部とシステム絞りとの間の発散放射領域において、有効曲率を有する負レンズ群が凹面を像の方へと向けられて配置される。

この意味における「負レンズ群」とは、全体として負の屈折力を有するレンズ群であって、このレンズ群は、１個以上のレンズからなりうる。前記負レンズ群は、前記有効曲率の結果として、光路に対して全体として屈曲せしめられる。この曲率は、曲率中心が像側において位置する曲率面を特徴としうる。これらのレンズ（または曲率面）の有効曲率は、光入射面が半径ｒ_１を有するとともに光出射面が半径ｒ_２を有するレンズに関して、以下のようにして計算される曲率半径ｒ_ｃを特徴とする：

前記負レンズ群が２個以上のレンズからなる場合は、該レンズ群の有効曲率は、以下のようにして計算され、ここで、ｎは面の個数である：

これらのレンズの領域における放射光の発散とともに、像の方へと向けられる有効曲率の凹面は、高い入射角が、特に負レンズ群の１個以上のレンズの光出射側において生じるという効果を有する。こうしたことは、高次の収差の補正、特に像フィールド区域および像フィールドの縁部における単色収差の（過剰補正作用を有する）開口度依存形の補正にとりわけ効果的である。投影対物レンズを特に経済的に製造するためには、投影対物レンズ用の材料の使用量を最小限に抑えなければならない。これは、第１にウェスト部を１個に制限することと、第２にシステムのフィールド負荷を恒常的に増加させることとによって達成される。本発明は、１個のみのウェスト部とこうした高いフィールド負荷とを併用することによって全ての単色収差の効果的な補正を達成することを初めて可能にする。図示される例において、フィールド負荷は、すでにかなり増加せしめられているが、まだ限界に達してはいない。レンズ群の補正と併せて全体としての非球面性を高めることが可能であることから、フィールド負荷をさらに増大させて、以ってリソグラフィー投影対物レンズの費用を将来的に削減できることが期待される。ここで、投影対物レンズの開口度と対物レンズのフィールド負荷とは、すでに記載された非球面レンズを特に使用しなければ、それほど高められえないことは明らかである。ここで、負レンズ群は、さもなければさらに他のウェスト部を設けることによってのみ達成されるような少なくとも部分補正機能を創出しうる。このような従来式の３胴形システムとは対照的に、本発明にしたがった投影対物レンズの場合は、全体としての長さおよび直径の実質的な減少と、製造に必要とされる材料の量の削減と、以って全体としての価格の実質的な低下とを達成することが可能である。長手方向の色収差は、フィールド負荷の増加とウェスト部を１個のみにすることを組み合わせることとによって有意に減じられうる。これによって、非常に高い開口度の場合でも、絞りのまわりにおける最大のレンズにおいて、たとえば１９３ｎｍの場合にＣａＦ_２を使用する必要をなくすことができる。

１つの開発形態において、負レンズ群は、負の屈折力と像の方へと向けられる凹面とを有する少なくとも１個のレンズからなる。さらにまた、分割することにより、この負の屈折力は、像側の光出射面の曲率中心がいずれの場合も像側に位置する複数のこうした一連の負の屈折力のレンズ全体に分配されうる。ここで、特に省資材の小型設計は、こうした負の屈折力のレンズを１個または２個だけ使用する場合に達成されうる。２個のレンズを配列する場合は、第１の物体側レンズの屈折力をそのレンズ群の後続の像側のレンズの屈折力より大きくすると有利である。これらの負レンズは、負のメニスカスレンズとして構成されうる。

前記負レンズ群が、ウェスト部の最も狭いくびれ部の位置とシステム絞りとの間において中間領域に配置されると有利であることが立証された。その結果として、負レンズ群は、平均的な断面の光線束に作用するとともに、中程度の直径を有しうる。負の屈折力を有するレンズは、当然ながらウェスト部の領域内に配置される。さらにまた、絞りの領域において球面補正用の負の屈折力の少なくとも１個の大型レンズを配置するべきである。提示された負レンズ群は、第２のウェスト部の膨張領域内において特に有利である。特にウェスト部の中央において、ウェスト部のレンズは、しばしば、最小ビーム偏向の原理に従うベンディングを有して、誘引される収差をできる限り少なくする。ウェスト部における発散レンズの役割は、第１に、収束光線束を偏向させて発散光線束にすることである。大きい胴部と併せて、これにより、システムの像フィールドの平坦化またはペッツヴァルの補正が可能になる。

さらに他の目的は、正の屈折力を有する胴部により引き起こされる収差を巧みに補正することによって構成される。第２の胴部の第１部分における負レンズ群は、基本的に内側の負のウェスト部レンズからベンディングに関して逸脱する。この目的は、光線束を、光入射側と光出射側とにおいて負荷を平衡させるのではなしに、意図的に非対称の負荷状態にして伝送することである。発散光線束は、適度の偏向を有してレンズ内へと通過して、以って再び極度の負荷状態の下で出射する。この高負荷面は、所望の補正作用を可能にする。ウェスト部の外側に位置する負レンズの特徴的な曲率面は、ウェスト部の中心の方へと湾曲する。これらの外側に位置するレンズは、有利なことに、最小偏向の原理に「違反」する。第１の負のウェスト部レンズの物体側表面と最後のウェスト部レンズの像側表面とが、特に、角負荷の増加と併せて、収差の補正に良好な効果を有する。これらの２個のウェスト部レンズの内でより重要なのは、第２の胴部の前に配置されるレンズである。このレンズの場合は、像側の外側表面は、中間高負荷を受ける決定的な表面となる。第２のウェスト部の膨張領域において提示されたような有利な負レンズ群が用いられなければ、前記表面は、フィールドおよび開口度の関数としての収差補正の重要な補正要素を担わなければならなくなる。しかしながら、開口数およびフィールドの負荷が増加すると仮定すれば、大幅な非球面化にもかかわらず、フィールドおよび開口度に関する許容不能な区域的寄与が、斜めの光線束に関して残存する。

この問題は、第２のウェスト部の膨張領域における負レンズ群によって、特に最後のウェスト部レンズの光出射面における平均的な角負荷を平均的な光線束変動で、第２のウェスト部の膨張領域における１個または複数個の負レンズの出射面の高い角負荷を低い光線束変動で適切に調整することを利用して解決される。これにより、斜めの球面収差に関する補正的寄与が互いに適合的に補完し合って、極めて高いフィールド負荷とＮＡ＝０．９５等の極めて高い開口度とが、極めて小さい波面偏差とともに達成されうるようになる。

適切な関係は、特に、以下のパラメータに関してＡ／Ｂ＞Ｃ／Ｄの条件が満たされる場合に達成されうる：
Ａ＝第２の胴部の膨張領域における負レンズ群の１個のレンズの像側光出射面のガス中における最大角負荷、単位：度；
Ｂ＝対物レンズのウェスト部における負の屈折力を有する最後のレンズの像側光出射面のガス中における最大角負荷、単位：度；
Ｃ＝Ａでの最大コマビーム高さに対するＡの周縁ビーム高さの比；
Ｄ＝Ｂでの最大コマビーム高さに対するＢのエッジビームの高さの比。

角負荷は、たとえば放射線（ガス中）の対応する最大入射角によって定量化されうる。

第２の胴部の第１の部分における負レンズ群の特徴的な曲率面は、像の方へと湾曲する。負レンズ群の全体としての特徴的な曲率面の頂点は、ウェスト部の最も狭いくびれ部の領域とシステム絞りとの間における軸方向の間隔の約３０％〜約７０％、特に約４０％〜約６０％の範囲内にあるべきである。

負レンズ群の有効曲率は、システム特性が最適化されるように適合せしめられる。好ましくは、前記有効曲率は、開口直径ＤＢに対する比ｒ_ｃ／ＤＢが約０．８〜約２．２の範囲内、好ましくは約１．０〜約２．０の範囲内、特に約１．１〜約１．９の範囲内となる曲率半径ｒ_ｃを有する。

好適な実施例の場合は、システム絞りの領域において、投影対物レンズは、光軸に対して垂直な対称面に関して、両凸正レンズと負のメニスカスレンズとを有する本質的に対称な設計を有する。この本質的に対称な設計により、大きい開口度の場合でも、良好な補正状態が低い全体としての非球面性とともに達成されうる。対称面は、好ましくはシステム絞りの近傍に位置する。この対称設計から、絞りの後の負レンズの屈折力を増加または増大させ、かつ絞りの前の負レンズの屈折力を低下させる方向に逸脱することが可能である。この対称構成によって、低費用で非球面化を成し遂げることが可能である。より複雑かつ強度の非球面性の試験および製造設備が向上すると、対称性は、絞りの前の負レンズを犠牲にして、すなわち屈折力を低くすることまたは全体としてのシステムにおける非球面性に置き換えることによって緩和されうる。絞りの後の大型の負レンズは、常に、ウェスト部とシステム絞りとの間における膨張領域内の負レンズ群に関してすでに示された曲率と同じアラインメントの有効曲率を有するべきである。

本出願の意味の範囲内におけるシステム絞りとは、像面寄りの領域において、主要投影ビームが光軸と交差する領域またはコマビームの高さがエッジビームの高さに対応する位置が存在する領域のいずれかである。使用される開口を制限するとともに、それが適切である場合は、該開口を調節する絞り（開口絞り）は、システム絞りの領域に配置されうる。本発明は、わずか１個のウェスト部を用いることにより、全ての収差の効果的な補正を達成することを可能にする。負レンズ群は、この場合は少なくとも部分的に、従来式の３胴形システムにおいて存在するところの第２のウェスト部の機能を受け持つ。こうした３胴形システムとは対照的に、本発明にしたがった投影対物レンズの場合は、全長の実質的な減少と、製造に必要とされる材料の量の節減と、色収差の減少とを達成することが可能である。

物体側の凹面を有する負のメニスカスレンズをシステム絞りの直前に配置し、かつ像側の凹面を有する負のメニスカスレンズをシステム絞りの直後に配置すると有利であることが実証された。システム絞りをこれらのレンズ間において自由に接近可能にすることで、たとえばビーム直径を制限する調節可能な絞りを取り付けることができる。加えて、この絞りは、開口および閉鎖時に軸方向に移動されうる。さらにまた、球面絞りをこれらの単一ウェスト形システムと併せて用いることによって、好適な実施例の絞り曲率がこの絞りにもなお用いられうるため、有利な改良が達成される。

対称性は、システム絞りの物体側および像側近傍区域に至るまで継続しうる。たとえば、物体側の両凸レンズと物体側の凹面を有する後続の負メニスカスレンズとを有する正／負ダブレットがシステム絞りの直前に配置され得、これに対して鏡像的な態様に設計されるダブレットがシステム絞りの後に配置されうる。これらのダブレットは、さらに、いくつかの実施例では、それぞれ物体側および像側において両凸レンズにより囲まれる。

前記システムは、全ての透明な光学素子が同じ材料によって製造されるように設計されうる。これは、特に２４８ｎｍの場合に有効であり、純粋な石英ガラスによる方法が技術的な点から望ましい。１９３ｎｍの動作波長用に設計される実施例の場合は、１９３ｎｍに適する合成石英ガラスも全てのレンズに用いられる。しかしながら、像近傍の１個以上のレンズまたは放射線および設定の点から負荷が大きくなるレンズ（低シグマ用双極子、四極子）は、また他の材料、たとえばＣａＦ_２によって構成されうる。１５７ｎｍ用の実施例は、全てのレンズがフッ化カルシウムによって構成されるか、またはさらに他のフッ化物結晶材料と組み合わされる場合において可能である。さらにまた、複数の異なる材料を組み合わせて、たとえば色収差の補正を容易にすることまたは圧密またはレンズ加熱を減じることも可能である。たとえば、１９３ｎｍ用では、合成石英ガラスを、一部または全部のレンズの場合において、結晶材料、たとえばフッ化カルシウムに置き換えることができる。

像側の開口数がＮＡ≧０．８５である超高開口数の投影対物レンズ、特に純粋に屈折性でもある投影対物レンズが、本発明の範囲内において可能になる。前記開口数は、好ましくは少なくとも０．９である。

好適な投影対物レンズは、単独状態または互いに組み合わされた状態で実施されて超微細マイクロリソグラフィー用対物レンズに適応する多数の有利な設計および光学特性によって弁別される。

少なくとも１個の非球面は、好ましくはシステム絞りの領域に配置される。非球面を有する複数の面が前記絞りの後において密接に連続して配置されることが好ましい。さらにまた、システム絞りの前の最後の光学面とシステム絞りの後の第１の光学面とが非球面であると有利でありうる。ここで、特に、前記絞りから離反する方向を向く曲率を有する背中合わせの非球面が設けられうる。システム絞りの領域における多数の非球面は、球面収差の補正に有利であるとともに、アイソプラナティズムの設定に有利な効果を有する。

さらにまた、物体側の凹面を有する少なくとも１個の正メニスカスレンズが、ウェスト部とシステム絞りとの間においてウェスト部に近接して配置されると有利でありうる。１個のこのようなメニスカスレンズの代わりに、複数個、たとえば２個の連続するこの種のレンズを設けることが可能である。

有効曲率が、少なくとも２個のレンズ間において、ウェスト部とシステム絞りとの間で、第１のレンズの有効曲率が物体側に位置し、そのすぐ後続のレンズの有効曲率が像側に位置するという順序で変化する実施例が特に有利である。好ましくは、いずれの場合もそれぞれの曲率の２個の連続する正レンズが設けられる。したがって、有効曲率の曲率中心の位置の変化は、これらのレンズまたはレンズ群間の領域において起こる。

複数の負レンズがウェスト部の領域において連続的に配置されることが好ましく、好適な実施例においては、少なくとも２個、好ましくは３個の負レンズが配置される。前記レンズは、ペッツヴァルの補正の主要負荷と斜め光線束の補正の一部分とを担う。

第１の胴部への入力時において少なくとも２個の負レンズをシステムの物体側入力部に配置して、物体から到来するビームの幅を広げることが有利である。こうした負レンズは、３個以上であることが好ましい。高入力開口数の場合は、少なくとも１個の非球面を少なくとも１個の第１のレンズに設けると有利である。各々の入力側負レンズは、好ましくは少なくとも１個の非球面を有する。

単一ウェスト形対物レンズであると仮定すると、レンズの屈折力とは無関係に、いずれの場合も最初の２個のレンズのウェーハ側において非球面化が行なわれると有利である。第１の非球面がレチクルに接近して配置されるほど、光線束の分離度は高くなり、かつ非球面化がより効果的になる。これにより、第２のレンズの前側における非球面もまた、やはりレチクルに非常に接近するが、すでに全く異なる光線束断面を有して、対をなす非球面が理想的に互いに補完し合うとともに、しかも最適に作用しうるようになる。しかしながら、事前の注意として、光線束断面は特に小さく、その結果として特に滑らかな非球面レンズを製造する必要があることが挙げられる。

ビーム案内部において第１の胴部を構成する強い正の屈折力を有するレンズ群が、好ましくは前記入力レンズ群の後に続く。有効曲率がレチクルとウェスト部との間において、少なくとも２個のレンズ間で変化し、第１のレンズの有効曲率は物体側に位置するとともに、そのすぐ後続のレンズの有効曲率は像側に位置する実施例が特に有利である。好ましくは、いずれの場合も、それぞれの曲率の２個の連続する正レンズが設けられる。このため、有効曲率の曲率中心の位置の変化は、これらのレンズまたはレンズ群間の領域において起こる。正の屈折力と像側の凹面とを有する少なくとも１個のメニスカスレンズを物体平面の近傍区域内の依然として大きいビーム高さの領域においてこのレンズ群に含めると、前記メニスカスレンズが対物レンズのペッツヴァルの緩和に寄与するため、有利でありうる。

前記およびその他の特徴は、特許請求の範囲から明らかになるだけでなく、以下の説明および図面からも明らかになり、個別の特徴は、本発明の１つの実施例およびその他の分野において、単独で、または複数の特徴が部分的に組み合わされた形態で実施されうるとともに、それ自身の真価によって特許可能な有利な設計を構成しうる。

以下の好適な実施例の説明において、「光軸」という用語は、球面状光学素子の曲率中心または非球面状素子の対称軸を通る直線を示す。方向と距離とは、光軸に関して、像面または該像面に配置されるとともに露光対象となる基板の方向に向かう場合は、像側、ウェーハ側または像方向として、物体の方向に向かう場合は物体側、レチクル側または物体方向として記載される。例において、物体は、集積回路のパターンを有するマスク（レチクル）であるが、また他のパターン、たとえば格子も含まれうる。例においては、像は、基板としての役割を果たすとともにフォトレジスト層を備えるウェーハ上において形成されるが、その他の基板、たとえば液晶表示装置用の素子または光学格子用の基板も可能である。

図１に、本発明の純粋に屈折性の縮小対物レンズ１の特徴的な設計が示されている。このレンズは、レチクル等の物体平面２に配置されるパターンを前記物体平面と共役の像面３に、像フィールドにおいてオブスキュレーションまたはけられを起こすことなしにある縮尺、たとえば４：１の縮尺に投影する目的に供せられる。この対物レンズは、レンズが物体平面および像面に対して垂直である光軸４に沿って配置されるとともに、物体側胴部６と像側胴部８と前記胴部間に位置するウェスト部７とを形成する回転対称の単一ウェスト形システムである。システム絞り５は、像の近傍において大ビーム直径の領域に配置される。

前記レンズは、特定の特性と機能とを有する複数の連続するレンズ群に細分されうる。投影対物レンズの入力部における物体平面２に続く第１のレンズ群ＬＧ１は、全体として負の屈折力を有するとともに、物体フィールドから到来するビームを拡大させる役割を果たす。全体として正の屈折力を有する後続の第２のレンズ群ＬＧ５は、第１の胴部６を形成するとともに、前記ビームをその後のウェスト部７の手前において再結合させる。負の屈折力を有する第３のレンズ群ＬＧ３は、ウェスト部７の領域内に配置される。前記第３のレンズ群に続いて、正の屈折力を有する正メニスカスレンズによって構成される第４のレンズ群ＬＧ４が配置され、該レンズ群の後に、負の屈折力を有する負メニスカスレンズによって構成される第５のレンズ群ＬＧ５が配置される。正の屈折力を有する後続のレンズ群ＬＧ６は、放射線をシステム絞り５に案内する。このシステム絞りの後に、主として正の屈折力を有する個別のレンズによって構成されるとともに、ＮＡ＝０．９３という非常に高い像側開口数を創出することに主力的に寄与する第７の最終レンズ群ＬＧ７が配置される。

第１のレンズ群ＬＧ１は、非球面の光入射側を有する負レンズ１１と、像側曲率中心と非球面の光入射側とを有する負メニスカスレンズ１２と、物体側曲率中心と非球面の光出射側とを有する負メニスカスレンズ１３とをこの順序で含む３個の負レンズ１１、１２、１３を有して始まる。高い入力側開口度を仮定すると、少なくとも１個の非球面を最初の２個のレンズ１１、１２の少なくとも一方に設けて、この領域において収差が生じることを制限するべきである。本例の場合のように、（少なくとも１個の）非球面は、好ましくは３個の各負レンズに設けられる。

第１のレンズ群ＬＧ１の最後のレンズ１３の後に若干の空気分離部をおいて、第２のレンズ群ＬＧ２は、両凸正レンズ１４と、さらに他の両凸正レンズ１５と、像側曲率中心を有する正メニスカスレンズ１６と、実質的に平坦な光出射側を有するまた他の正レンズ１７と、像側の表面曲率中心を有する正メニスカスレンズ１８と、同じ曲率方向の３個のさらなるメニスカスレンズ１９、２０、２１とを有する。レンズ１５の光入射側と、ウェスト部に達する最後のメニスカスレンズ２１の光出射側とは、非球面である。したがって、１個の非球面が、ウェスト部の領域内にある。この第２のレンズ群ＬＧ２は、対物レンズの第１の胴部６を構成する。際立った特徴は、最大直径部分に配置されるとともに曲率中心が像側に位置する正メニスカスレンズ１６によって形作られる。このレンズ群は、主として、ペッツヴァルの補正と、ディストーションおよびテレセントリング補正と、主要断面外におけるフィールド補正との目的に供せられる。

第３のレンズ群ＬＧ３は、境界面がいずれの場合も球面である３個の負メニスカスレンズ２２、２３、２４によって構成される。このレンズ群は、フィールド湾曲の補正の主要な負荷を担うとともに、ＮＡ＝０．９３という高いシステム開口度にもかかわらず、いずれの場合もレンズ表面に衝突するビームの最大入射角が約６０°未満となるか、または入射角の正弦が０．８５未満となるように形成される。第３のレンズ群の最初の負レンズ２２は、主要ウェスト部７が強度に湾曲した面を有して始まるように、好ましくは強度の両凸レンズとされる。

ウェスト部７に続く第４のレンズ群ＬＧ４は、物体側凹面を有する２個の正メニスカスレンズ２４、２５によって構成され、入力側のメニスカスレンズ２４の光出射側は非球面とされるとともに、残りの面は球面とされる。その他の実施例の場合は、この点において、適切な曲率の単一の正メニスカスレンズのみを配設することも可能である。

後続の第５のレンズ群ＬＧ５は、同様に、２個のメニスカスレンズ２７、２８を有するが、これらの各レンズは、負の屈折力を有し、凹面は、像フィールド３の方に向けられる。それが適切である場合は、この点において、曲率中心がウェーハ側に位置する１個の負メニスカスレンズのみを配設することも可能である。負の屈折力を有する少なくとも１個のレンズを有するこうしたレンズ群は、単一ウェスト形システムを機能させる中心的な補正要素となって、軸外れ収差を見事に補正する。特に、こうしたレンズ群は、相対的に小さいレンズ直径を有する小型の設計を可能にする。

全体として負の屈折力を有するため、第５のレンズ群ＬＧ５は、本明細書において、負レンズ群とも呼ばれる。各々の負メニスカスレンズ２７、２８は、光入射面と光出射面との間において中央に延在するとともに半径ｒ_ｃが式（１）にしたがって計算されうる、破線により示される曲率面を特徴としうる。個別のレンズ２７、２８の曲率面と全く同様に、鎖線により示されるとともに式（２）にしたがって計算されうる、全体としての負レンズ群ＬＧ５の曲率面は、像面３の方に向けられる凹面または像側に配置される曲率中心を有する。この曲率面は、個別のレンズ２７、２８の曲率面間において中央に配置される。この負レンズ群は、ウェスト部７の最も狭いくびれ部の領域と発散ビームの領域にあるシステム絞り５との間において略中央に位置する。ビーム経路に向けられる曲率により、これらの２個の負メニスカスレンズの光出射面、特に最初のメニスカスレンズ２７の光出射面において、特にフィールドおよび瞳に依存する単色収差に関して強い補正作用を有する高入射角の出射放射線が得られる。その他の実施例の場合は、像の方へと凹状をなす曲率面を有する単一の負レンズをこの点において設けることもできる。３個以上のレンズを有する負レンズ群も可能である。いくつかのレンズが用いられる場合は、全体として負の屈折力が得られる限りは、各々のレンズが負レンズである必要はない。曲率面の極端に強い曲率および極端に弱い曲率のいずれをも回避して、生産工学により習得されうる最適な補正作用と大きい入射角との間における折衷を可能にするべきである。レンズ群ＬＧ５の、鎖線により示される曲率面の半径ｒ_ｃと絞り直径との間における比は、約０．８〜２．２の範囲内とされるべきであり、本実施例においては約１．０３５（全体としての値）である。

さらにまた、第４のレンズ群ＬＧ４のメニスカスレンズと第５のレンズ群ＬＧ５のレンズとの間における曲率中心の位置の変化は、ウェスト部７に続く、第２の胴部８の入力領域において起こることが特に重要である。これにより、超高開口度の場合における斜めの球面収差を滑らかにしうることが可能になる。

第６のレンズ群ＬＧ６は、一連の両凸正レンズ２９、３０から始まる。これらのレンズの集光作用もまた、強度に湾曲した後続の負メニスカスレンズ３１によって補償される。絞り５の前のこの負メニスカスレンズは、絞りの方へと湾曲するとともに、以って物体側において凹面を有する。これに対応する相対物は、絞りの直後に配置される。この負メニスカスレンズ３２は、絞りの方へと同様に湾曲するとともに、像側において凹面を有する。該レンズに続いて、最大直径を有する２個の大型の両凸正レンズ３３、３４が配置される。これらのレンズの後には、像面の方へと凹状をなす２個の正メニスカスレンズ３５、３６と、弱い負のメニスカスレンズ３７と、弱い湾曲の光入射側と実質的に平坦な光出射側とを有する弱い正のレンズ３８と、平行平面端板３９とが配置される。

相対的に細長であり、かつウェスト部から最大直径部までゆるやかに拡幅する第２の胴部の設計は、システム絞り５の領域において、光軸に対して垂直に延在するとともにシステム絞りに近接して位置する対称面に対して、本質的に対称な態様に構成される。この場合は実質的に鏡像的な態様に対応して、負メニスカスレンズ３１、３２と、前記レンズを外囲する正レンズ３０、３３と、これらのダブレットの外側に配置される両凸レンズ２９および３４とが配置される。したがって、絞りのまわりにおける第２の胴部の中央領域には、正レンズとして両凸レンズのみが、負レンズとして湾曲したメニスカスレンズのみが内蔵される。いずれの場合もメニスカス状の空気間隔が、それぞれダブレット３０および３２と３２および３３とにおいて形成される。

第１の胴部は、弱い正のメニスカスレンズ１９を漸減領域において内蔵する。後続のより厚いメニスカスレンズ２０とともに、前記レンズは、外側に向かって開く強い湾曲の空気間隔を形成する。その後の空気間隔において、より小さい湾曲を有するとともに、外側に向かって閉鎖されるメニスカス状の空間が形成される。これにより、サジタルおよび接線断面におけるシェルのより良好な調整が可能になる。さらにまた、これによって同時に角負荷を負レンズ２２の凹状の光入射面の領域において開口負荷未満に保つことが可能になる。ペッツヴァルの補正は、実質的にウェスト部の領域にあるレンズと大型の胴部とによって行なわれる。それでもやはり単一のウェスト部で十分である。第５のレンズ群の負の屈折力を有する、像の方へと湾曲するレンズ２７の場合は特に、わずかな偏心が高負荷の光出射面においてコマ収差を直接誘発するため、十分な心合せが保証されなければならない。

前記設計の仕様は、周知の態様で表１（Ｓｈｓ２００３）において表形式にまとめられている。ここで、縦列１には、屈折面の番号、またはその他の方法で弁別される屈折面が示され、縦列２には、前記面の半径ｒ（ｍｍ単位）が示され、縦列３には、後続の面から前記面までの距離ｄ（ｍｍ単位）が厚さとして示され、縦列４には、光学素子の材料が示され、縦列５には、前記光学素子の光入射面の後の材料の屈折率が示される。有用な、レンズの自由半径または自由直径の半値（ｍｍ単位）は、縦列６に記載されている。

本実施例の場合は、１２個の面、具体的には面２、４、７、１０、２３、３１、３６、４１、４３、４５、４８および５０は、非球面である。表２に、対応する非球面データが記載されており、これらの非球面は、以下の規則を用いて計算されている：

ここで、半径の逆数（１／ｒ）は、面の曲率を示し、ｈは、光軸から表面点までの距離を示す。したがって、ｐ（ｈ）は、いわゆるサジッタ、すなわち光軸の方向であるｚ方向における表面頂点から表面点までの距離を示す。定数Ｋ、Ｃ１、Ｃ２、・・・は、表２に示されている。

これらのデータを利用して再現されうる光学システム１は、全てのレンズに用いられる合成石英ガラスが屈折率ｎ＝１．５６０２９を有する約１９３ｎｍの動作波長用に設計される。像側の開口数は、０．９３である。この対物レンズは、１３４２ｍｍの全長（像面と物体平面との間における距離）を有し、フィールドの大きさは、１０．５^＊２６．０ｍｍである。

これにより、１９３ｎｍの動作波長で動作するとともに、従来のレンズ製造および被覆技術を利用して製造され得、かつ１００ｎｍをはるかに下回る構造の解像を可能にし、かつ十二分に補正される投影対物レンズが創出される。このことは、低値の横収差と、全ての像高さにわたって１９３ｎｍで最大３．３ｍλの波面ＲＭＳ値とから明らかである。

１５７ｎｍの動作波長用に設計されるとともに、もっぱらフッ化カルシウム素子によって構成されるまた他の実施例を図２と表３（Ｓｈｓ２００４）および表４とを用いて説明する。レンズの種類および順序は、図１にしたがった実施例に対応する。したがって、互いに対応するレンズおよびレンズ群は、同じ参照符号によって示される。１０００ｎｍの全長を有することから、対物レンズ１００は、幾分さらに小型であり、０．９３の開口数と１２^＊１７ｍｍの大きさのフィールドとを有する。全ての像高さにわたる最大波面ＲＭＳ値が３ｍλであることが、この対物レンズの傑出した補正状態を実証している。本例から、本発明の基本原理は、その他の波長用の対物レンズに容易に転用されうることがわかる。

１９３ｎｍの動作波長用に設計されるさらに他の実施例３００を図３と表５（ｍ１６５９ａ）および表６とを用いて説明する。像面３の近傍の最後から２番目のレンズ３８を除いて、全てのレンズは、合成石英ガラスによって構成される。この正レンズ３８は、フッ化カルシウムによって構成されるとともに、横色収差に対して正の効果を有する一方で、同時に、望ましくない縦色収差をわずかしか生じしめない。レンズの種類および順序は、本質的に、図１にしたがった実施例に対応し、前記実施例との相違点は、像の方へと凹状をなす前記実施例の正メニスカスレンズ３６が、本実施例では同じ向きの曲率を有する２個の正メニスカスレンズ３６、３６’に分割されることである。互いに対応するレンズおよびレンズ群は、同じ参照符号によって示される。この対物レンズ３００は、１２５０ｍｍの全長と、ＮＡ＝０．９の開口数と、１０．５×２６ｍｍの大きさのフィールドとを有する。最大波面ＲＭＳ値は、５〜６ｍλの範囲内である。

１５７ｎｍの動作波長用に設計されるまた他の実施例の投影対物レンズ４００を、全てのレンズがフッ化カルシウムによって構成される場合において、図４と表７（Ｓｈｓ２０１０）および表８とを用いて説明する。ほとんどまたは全てのレンズの＜１１１＞結晶軸は、この場合は、光軸に対して実質的に平行に位置する。レンズの種類および順序は、図１にしたがった実施例に大体において対応し、このため、互いに対応するレンズおよびレンズ群は、同じ参照符号によって示される。約１０６９ｍｍの全長と６．０×２２ｍｍの大きさのフィールドとを仮定すると、ＮＡ＝０．９５の開口数が達成される。全ての像高さにわたって最大波面ＲＭＳ値が約２．６ｍλであることが、この対物レンズの傑出した補正状態を実証する。各レンズ１３、１５、１６、１８、２１、２４、２６、２８、３０、３３、３５および３６は、残りのレンズと比較して、光軸のまわりにおいて６０°だけ回転せしめられて、フッ化カルシウムの固有複屈折によって引き起こされうる複屈折効果の補正が達成される。これらの対策は、図２にしたがった実施例の場合にも用いられうる。１９３ｎｍの動作波長に関して計算されるＮＡ＝０．９５を有する類似の投影対物レンズの設計データは、表９（ＳＨＳ２００７）および表１０に記載されている。＜１００＞配向の結晶レンズを有する実施例を提供する場合は、これらは、常に、＜１１１＞配向のレンズと混合される。補償に適する＜１００＞レンズの相対的な回転角が約４５°であるのに対して、＜１１１＞レンズの場合は約６０°である。基本的に、類似の光路と材料の内側における類似の入射角とを有するレンズが対をなして計画的な態様で互いに反対方向に回転せしめられる場合は必ず良好な補償が達成される。

１９３ｎｍの動作波長用に設計される屈折投影対物レンズの実施例のレンズ断面図である。 １５７ｎｍの動作波長用に設計される屈折投影対物レンズの実施例のレンズ断面図である。 １９３ｎｍの動作波長用に設計される屈折投影対物レンズの実施例のレンズ断面図である。 １５７ｎｍの動作波長用に設計される屈折投影対物レンズの実施例のレンズ断面図である。

符号の説明

１ 縮小対物レンズ
２ 物体平面
３ 像面
４ 光軸
５ システム絞り
６ 物体側胴部
７ ウェスト部
８ 像側胴部
１１、１２、１３ 負レンズ
１４、１５ 両凸正レンズ
１６ 正メニスカスレンズ
１９、２０、２１ メニスカスレンズ
２９、３０、３３、３４ 両凸正レンズ
３１、３２ 負メニスカスレンズ
３９ 平行平面端板
１００、３００ 対物レンズ
４００ 投影対物レンズ
ＬＧ１ 第１のレンズ群
ＬＧ２ 第２のレンズ群
ＬＧ３ 第３のレンズ群
ＬＧ４ 第４のレンズ群
ＬＧ５ 第５のレンズ群
ＬＧ６ 第６のレンズ群
ＬＧ７ 第７のレンズ群

Claims (27)

1. 自身の物体平面内に配置されるパターンを所定の動作波長の紫外線光を利用して自身の像面に投影する投影対物レンズにおいて：
   光軸に沿って配置される複数個の光学素子と；
   前記像面の前においてある距離に配置されるシステム絞り（５）とを有し、
   前記物体近傍の胴部（６）と、前記像近傍の胴部（８）と、前記胴部間のウェスト部（７）とを有する純粋に屈折性の単一ウェスト形システムとして設計され、前記ウェスト部（７）と前記システム絞り（５）との間における発散放射の領域内において、前記像の方へと向けられる凹側を備える有効曲率を有する負レンズ群（ＬＧ５）が配置される投影対物レンズ。
2. 前記負レンズ群（ＬＧ５）は、負の屈折力と前記像の方へと向けられる凹面とを有する少なくとも１個のレンズ（２７、２８）からなる請求項１に記載の投影対物レンズ。
3. 前記負レンズ群（ＬＧ５）は、負の屈折力と前記像の方へと向けられる各凹面とを有する少なくとも２個、特に正確に２個のレンズ（２７、２８）からなり、前記負レンズ群の物体側の前記レンズ（２７）の前記屈折力は、好ましくは、前記負レンズ群の後続のレンズ（２８）の前記屈折力より大きい請求項１または２に記載の投影対物レンズ。
4. 前記負レンズ群（ＬＧ５）は、前記ウェスト部（７）の最も狭いくびれ部の領域と前記システム絞り（５）との間において中央領域に配置され、前記負レンズ群の曲率面の頂点は、前記ウェスト部（７）の最も狭いくびれ部の領域と前記システム絞り（５）との間における軸方向の間隔の約３０％〜約７０％、特に約４０％〜約６０％の範囲内にある請求項１〜３の１項に記載の投影対物レンズ。
5. 前記負レンズ群（ＬＧ５）は、前記システム絞り（５）の開口直径ＤＢに対する比ｒ_ｃ／ＤＢが約０．８〜約２．２の範囲内、好ましくは約１．０〜約２．０の範囲内、特に約１．１〜約１．９の範囲内にある曲率半径ｒ_ｃを有する有効曲率を有する請求項１〜４の１項に記載の投影対物レンズ。
6. 両凸レンズ（２９、３０、３３、３４）と負メニスカスレンズ（３１、３２）とを有する実質的に対称な構造が、前記システム絞り（５）の領域において存在する請求項1〜５の１項に記載の投影対物レンズ。
7. 物体側の凹面を有する負メニスカスレンズ（３１）が、前記システム絞り（５）の直前に配置され、像側の凹面を有する負メニスカスレンズ（３２）が、前記システム絞りの直後に配置される請求項１〜６の１項に記載の投影対物レンズ。
8. 両凸レンズ（３０）と物体側の凹面を有する下流の負メニスカスレンズ（３９）とを有する正／負ダブレットが、前記システム絞り（５）の直前に配置され、像側の凹面を有する負メニスカスレンズ（３２）と下流の両凸レンズ（３２）とを有する負／正ダブレットが、前記システム絞りの直後に配置される請求項１〜７の１項に記載の投影対物レンズ。
9. 少なくとも１個の両凸正レンズ、好ましくは２個の両凸正レンズ（３３、３４）が、前記システム絞り（５）と前記像面（３）との間において配置される請求項１〜８の１項に記載の投影対物レンズ。
10. 前記システム絞り（５）の前の最後の光学面および／または前記システム絞りの後の最初の光学面は、非球面である請求項１〜９の１項に記載の投影対物レンズ。
11. ２４８ｎｍ、１９３ｎｍまたは１５７ｎｍの動作波長用に設計される請求項１〜１０の１項に記載の投影対物レンズ。
12. それが適切な場合には前記像および端板近傍の小直径の少なくとも１個のレンズを除いて、全ての透明な前記光学素子は、同じ材料、特に合成石英ガラスによって製造される請求項１〜１１の１項に記載の投影対物レンズ。
13. ＮＡ≧０．８５、好ましくはＮＡ≧０．９の像側開口数を有する請求項１〜１２の１項に記載の投影対物レンズ。
14. 物体側の凹面を有する少なくとも１個の正メニスカスレンズ（２６）が、前記ウェスト部（７）と前記システム絞り（５）との間において前記ウェスト部に近接して配置される請求項１〜１３の１項に記載の投影対物レンズ。
15. 前記ウェスト部（７）と前記システム絞り（５）との間において、像側の凸面を有する少なくとも１個のレンズ（２６）と、該レンズに続いて、物体側の凸面を有する少なくとも１個のレンズ（２７、２８）とがこの順序で配置され、像側の凸面を有する前記最初のレンズは、好ましくは正の屈折力を有する請求項１〜１４の１項に記載の投影対物レンズ。
16. 少なくとも２個の負レンズ（２、３、４）を有する負レンズ群が、前記ウェスト部（７）の領域内に配置され、前記負レンズ群は、好ましくは少なくとも３個の連続する負レンズを有する請求項１〜１５の１項に記載の投影対物レンズ。
17. 前記物体平面に続く第１のレンズ群は、少なくとも２個の負レンズ（１１、１２）を有する請求項１〜１６の１項に記載の投影対物レンズ。
18. 前記物体平面に続く最初の４個の光学面の少なくとも１個は、前記第１のレンズ群において非球面であり、少なくとも２個の光学面は、好ましくは前記第１のレンズ群において非球面であるとともに、特に前記物体側に配置される請求項１７に記載の投影対物レンズ。
19. 正の屈折力と像側の凹面とを有する少なくとも１個のメニスカスレンズ（１６、１８）が、前記物体平面（２）の近傍区域において大きいビーム直径の領域内に配置される請求項１〜１８の１項に記載の投影対物レンズ。
20. 少なくとも１個の非球面が、前記ウェスト部（７）の領域内において配置され、少なくとも１個の非球面が、前記システム絞り（５）の領域内において配置される請求項１〜１９の１項に記載の投影対物レンズ。
21. Ａ／Ｂ＞Ｃ／Ｄの条件がパラメータに関して満たされ、ここで、
    Ａ＝前記第２の胴部（８）の膨張領域における前記負レンズ群（ＬＧ５）のレンズの像側光出射面の最大入射角（ガス中）；
    Ｂ＝前記ウェスト部（７）における負の屈折力を有する最後の前記レンズ（２４）の像側光出射面の最大入射角（ガス中）；
    Ｃ＝Ａでの最大コマビーム高さに対するＡの周縁ビーム高さの比；
    Ｄ＝Ｂでの最大コマビーム高さに対するＢのエッジビームの高さの比である請求項１〜２０の１項に記載の投影対物レンズ。
22. 前記システム絞り（５）の後の大型の負レンズ（３２）は、前記ウェスト部（７）とシステム絞り（５）との間において膨張領域内の前記負レンズ群（ＬＧ５）の有効曲率と同じアラインメントの有効曲率を有する請求項１〜２１の１項に記載の投影対物レンズ。
23. 前記有効曲率は、前記ウェスト部（７）とシステム絞り（５）との間において、少なくとも２個のレンズ（２６、２７）間で変化して、前記有効曲率の曲率中心の位置において変化が起こるようになる請求項１〜２２の１項に記載の投影対物レンズ。
24. 調節可能な球面絞りが、前記システム絞りの領域において設けられる請求項１〜２３の１項に記載の投影対物レンズ。
25. 前記有効曲率は、前記物体平面（２）の近傍区域において大きいビーム直径の領域の物体側から像側まで、少なくとも２個の正の屈折力を有するレンズ（１４、１５）間において変化して、前記有効曲率の曲率中心の位置における変化が起こるようになる請求項１〜２４の１項に記載の投影対物レンズ。
26. 前記システム絞り（５）の後において前記像面（３）に近接する大きいビーム直径の領域において、像側の非球面を有するとともに、直径が前記システム絞りの直径の少なくとも７５％である少なくとも２個の非球面レンズ（３３、３４）が配置される請求項１〜２５の１項に記載の投影対物レンズ。
27. 正の屈折力の少なくとも３個のレンズ（３３、３４、３６）は、前記システム絞り（５）と像面（３）との間の領域において像側を非球面化され、物体側の非球面を有するいかなるその他の非球面レンズも、これらのレンズ間において配置されない請求項１〜２６の１項に記載の投影対物レンズ。
    
    

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