JP2008170519A - 反射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転対称な拡張回転自由曲面の凹面鏡と球面もしくは非球面の凸面鏡から構成することにより、非点収差及び像面湾曲を十分に補正し、良像域を拡大し、スループット（時間当たりの処理能力）を上げることが可能な反射光学系を提供する。
【解決手段】 回転対称な凹面鏡と凸面鏡をそれぞれの反射面同士が対向するように同軸に配置し、中心軸１外の被写体としての物体面１からの光を、凹面鏡３、凸面鏡４、凹面鏡３の順に反射することにより像面５に結像する反射光学系において、凹面鏡３を、Ｒ≠０、θ≠０を満たす拡張回転自由曲面で構成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射光学系に関し、特に、ＬＣＤ等の製造に使用されるアライナー用光学系の投影型走査露光装置等に適した反射光学系に関するものである。

従来、この種の反射光学系には、例えば同心又は非同心の凹面鏡、凸面鏡を使用した反射光学系や、凹面鏡の外に、更に負メニスカスレンズ及び色収差補正機構を加えたほぼ同心の反射光学系などが知られている。
特公平５−３３３６８号公報 特公平５−３３３６９号公報 特公平５−３３３７０号公報 特公平５−３３３７１号公報

しかしながら、これらの反射光学系は、軸外のアーチ状領域に良像域が形成されており、その良像域が狭く、露光時間が長くかかる問題があった。また、光学素子を付加した光学系も提案されているが、高精度の光学部品が増えてしまい、装置のコストが高くなる難点があった。

本発明は、このような従来技術の欠点を改善し、回転対称な拡張回転自由曲面の凹面鏡と球面もしくは非球面の凸面鏡から構成することにより、非点収差及び像面湾曲を十分に補正し、良像域を拡大し、スループット（時間当たりの処理能力）を上げることが可能な反射光学系を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、回転対称な凹面鏡と凸面鏡をそれぞれの反射面同士が対向するように同軸に配置し、中心軸外の被写体からの光を、前記凹面鏡、凸面鏡、凹面鏡の順に反射することにより像面に結像する反射光学系において、前記凹面鏡を、Ｒ≠０、θ≠０を満たす拡張回転自由曲面で構成したことを特徴とするものである。

また、前記拡張回転自由曲面で構成された凹面鏡は、奇数次項を持ちあるいは対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする。

また、前記凹面の基準主光線が当たる位置での面の傾きをα、凸面鏡と凹面鏡の間の距離をｄ、基準物点の高さをｈとするとき
１．５＜（ｈ/tanα）／ｄ＜３ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする。

また、前記凸面鏡を非球面で構成することを特徴とする。

以上の本発明の反射光学系においては、回転対称な拡張回転自由曲面の凹面鏡と球面、もしくは非球面の凸面鏡から構成することにより、非点収差及び像面湾曲を十分に補正し、良像域を拡大し、スループット（時間当たりの処理能力）を上げることができる。また、Ｒ≠０、θ≠０を満たす拡張回転自由曲面形状を用いたため、中心軸から離れた物点からの光線に対して、特に収差補正上の自由度を高くすることが可能である。つまり、今までの設計が、軸上物点を基準に行われ、その良像域を使用していたのに対し、拡張回転自由曲面を使うことにより、軸上物点からの光線が存在しない本発明の光学系の軸外の物点に対してのみ最適化することが可能となる。

また、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状にすると、反射光学系においては避けられない偏心収差を補正して、解像力の良い光学系を提供することができると共に、その光学系の小型化が可能になる。

また、条件（１）を満足させることにより、物体側、像側共にテレセントリックな光学系にすることができる。

以下に、本発明の反射光学系を、図面を参照して説明する。図１は、後述する実施例１の反射光学系の中心軸１に沿ってとった断面図である。

本発明は、回転対称な凹面鏡３と凸面鏡４をそれぞれの反射面同士が対向するように同軸に配置し、中心軸１外の被写体としての物体面２からの光を、凹面鏡３、凸面鏡４、凹面鏡３の順に反射することにより像面５に結像する反射光学系１０において、凹面鏡３を、Ｒ≠０、θ≠０を満たす拡張回転自由曲面で構成したことを特徴とするものである。

本実施形態では、中心軸１に同心で回転対称な凹面鏡３及びこの凹面鏡３よりも半径の小さい凸面鏡４が、鏡面同士が対向的になるように配置される。この凸面鏡４に対して凹面鏡３とは反対側に、物体面２と像面５が、同一平面上に、中心軸１としてのＺ軸を挟んで等距離にそれぞれ配置される。

このような構成の反射光学系で物体面２から出射された光束は、凹面鏡３、凸面鏡４、凹面鏡３の順に進行するため、物体はこれら凹面鏡３及び凸面鏡４で３回反射された後に、像面５に結像される。そして、凸面鏡４がこの反射光学系の絞りの役割を果たしている。物体中心から射出し、この絞りの中心を通過する光線を基準主光線とする。

これらの後述する構成パラメータは、例えば図１、図２に示すように、物体面２から、凹面鏡３と、凸面鏡４と、再び凹面鏡３とを順に経て像面５に至る光線追跡の結果に基づくものである。

座標系は、例えば図１に示すように、物体面２と像面５とを含む平面と、凹面鏡及び凸面鏡の中心線との交点を偏心光学系の偏心光学面の原点とし、原点から物体面２の方向をＹ軸正方向、原点から凹面鏡３及び凸面鏡４の方向をＺ軸正方向とし、図１及び図２の紙面内をＹ−Ｚ平面とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸１のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、実施例１及び実施例２の凹面鏡に対応する第１面以降の面は、中心軸１に対してそれぞれの偏心（）で定義される値だけ平行移動されている。

なお、図５に示すように、拡張回転自由曲面は、以下の定義で与えられる回転対称面である。

まず、Ｙ−Ｚ座標面上で原点を通る下記の曲線（ａ）が定められる。

Ｚ＝（Ｙ² ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ² ／ＲＹ² ｝^{1 /2}］
＋Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ² ＋Ｃ4 Ｙ³ ＋Ｃ5 Ｙ⁴ ＋Ｃ6 Ｙ⁵ ＋Ｃ7 Ｙ⁶
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ²⁰＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙⁿ ＋・・・
・・・（ａ）
次いで、この曲線（ａ）をＸ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した曲線Ｆ（Ｙ）が定められる。この曲線Ｆ（Ｙ）もＹ−Ｚ座標面上で原点を通る。

その曲線Ｆ（Ｙ）をＹ正方向に距離Ｒ（負のときはＹ負方向）だけ平行移動し、その後にＺ軸の周りでその平行移動した曲線を回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。

その結果、拡張回転自由曲面はＹ−Ｚ面内で自由曲面（自由曲線）になり、Ｘ−Ｙ面内で半径｜Ｒ｜の円になる。

この定義からＺ軸が拡張回転自由曲面の軸（中心軸）となる。

ここで、ＲＹはＹ−Ｚ断面での球面項の曲率半径、Ｃ1 は円錐定数、Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。

また、本発明は、奇数次項を持ち、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸１の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有するものとすることが好ましい。少なくとも１面の反射面又は透過面にこのような面形状を持たせることにより、反射光学系においては避けられない偏心収差を補正して解像力の良い光学系を提供することができると共に、その光学系の小型化が可能となる。

この拡張回転自由曲面の特徴は、面定義の座標中心を少なくとも中心軸上に置く必要がないことであり、それにより、中心軸１から離れた物点からの光線に対して特に収差補正上の自由度を高くすることが可能であることである。つまり、今までの設計が、軸上物点を基準に行われ、その良像域を使用していたのに対し、拡張回転自由曲面を使うことにより、軸上物点からの光線が存在しない本発明の光学系の軸外の物点に対してのみ最適化することが可能となったものである。

また、凹面の基準主光線が当たる位置での面の傾きをα、凸面鏡と凹面鏡の間の距離をｄ、基準物点の高さをｈとするとき
１．５＜（ｈ/tanα）／ｄ＜３ ・・・（１）
なる条件を満足することが好ましい。本条件は、物体側と像側のテレセントリック性に関するものであり、下限１．５を超えると物体側と像側の主光線が収束してしまい、上限３を越えると発散してしまう。どちらもデフォーカス時に倍率の変化を起こしてしまう。

さらに好ましくは、凸面鏡も非球面にすることで、更に収差補正を行うことが可能となる。

また、長さの単位はｍｍである。各面の偏心は、上記のように、基準面からの偏心量で表わす。

なお、本発明の実施例は、屈折面を使用しておらず、原理的に色収差が発生しないので、波長はどの波長でも使用することができる。

実施例１の反射光学系の中心軸１としてのＺ軸に沿ってとった断面図を図１に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図２に示す。この横収差図において、中央に示された数値は、像面における（水平方向の位置、垂直方向の位置）を示し、その位置におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。

本実施例１では、中心軸１としてのＺ軸に同心で回転対称な凹面鏡３及びこの凹面鏡３よりも半径の小さい凸面鏡４が、鏡面同士が対向的になるように配置される。この凸面鏡４に対して凹面鏡３とは反対側に、物体面２と像面５が、中心軸１としてのＺ軸を挟んでそれぞれ配置される。

このような構成の反射光学系で物体面２から出射された光束は、凹面鏡３、凸面鏡４、凹面鏡３の順に進行するため、物体はこれら凹面鏡３及び凸面鏡４で３回反射された後に、像面５に結像されることになる。そして、凸面鏡４がこの反射光学系の絞りの役割を果たしている。

この実施例１の仕様は、
物体側ＮＡ 0.1
物体高 80mm〜90mm
（ｈ／tanα）／ｄ 1.921
である。

実施例２の反射光学系の中心軸１としてのＺ軸に沿ってとった断面図を図３に示す。また、この実施例の光学系全体の横収差図を図４に示す。この横収差図において、中央に示された数値は、像面における（水平方向の位置、垂直方向の位置）を示し、その位置におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。

本実施例２では、中心軸１としてのＺ軸に同心で回転対称な凹面鏡３及びこの凹面鏡３よりも半径の小さい凸面鏡４が、鏡面同士が対向的になるように配置される。この凸面鏡４に対して凹面鏡３とは反対側に、物体面２と像面５が、中心軸１としてのＺ軸を挟んで等距離にそれぞれ配置される。

このような構成の反射光学系で物体面２から出射された光束は、凹面鏡３、凸面鏡４、凹面鏡３の順に進行するため、物体はこれら凹面鏡３及び凸面鏡４で３回反射された後に、像面５に結像されることになる。そして、凸面鏡４がこの反射光学系の絞りの役割を果たしている。

この実施例２の仕様は、
物体側ＮＡ 0.1
物体高 80mm〜90mm
（ｈ／tanα）／ｄ 2.044
である。

以下に、上記実施例１及び実施例２の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面を示す。

実施例１
面番号 曲率半径 偏心
物体面 ∞
1 ＥＲＦＳ[1] (1)
2 -370.569 (絞り面) (2)
3 ＥＲＦＳ[2] (3)
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -594.641
θ 6.587
Ｒ 85.000
Ｃ1 -4.1644 ×10^-1
Ｃ3 1.6609 ×10^-4
Ｃ4 -2.0208 ×10^-11
Ｃ5 4.0327 ×10^-11
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -594.641
θ -6.587
Ｒ -85.000
Ｃ1 -4.1644 ×10^-1
Ｃ3 1.6609 ×10^-4
Ｃ4 2.0208 ×10^-11
Ｃ5 4.0327 ×10^-11
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 738.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 375.32
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 738.50
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

実施例２
面番号 曲率半径 偏心
物体面 ∞
1 ＥＲＦＳ[1] (1)
2 -290.84（非球面・絞り面） (2)
3 ＥＲＦＳ[2] (3)
像 面 ∞
ＥＲＦＳ[1]
ＲＹ -594.066
θ 8.406
Ｒ 85.000
Ｃ1 -1.2901 ×10^-1
Ｃ3 5.0726 ×10^-5
Ｃ4 -6.8640 ×10^-11
Ｃ5 2.2937 ×10^-11
ＥＲＦＳ[2]
ＲＹ -594.066
θ -8.406
Ｒ -85.000
Ｃ1 -1.2901 ×10^-1
Ｃ3 5.0726 ×10^-5
Ｃ4 6.8640 ×10^-11
Ｃ5 2.2937 ×10^-11
非球面係数
第３面
ｋ = 1.8347
ａ = 9.3047 ×10^-9
ｂ = 2.2722 ×10^-13
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 85.00 Ｚ 578.18
α 8.41 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 296.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -85.00 Ｚ 578.18
α -8.41 β 0.00 γ 0.00 。

次に、本発明に係る反射光学系を半導体焼付装置に適用した例を説明する。図６は、半導体焼付装置の一部を示す。反射光学系１０の上部水平面上にはマスク１１が配置され、反射光学系１０の下部水平面上にはウエハー１２が配置される。先の実施例における物体面２は、ミラー１３により反射光学系１０の上部水平面上のマスク１１が配置される位置に配置される。また、先の実施例における像面５は、ミラー１４により反射光学系１０の下部水平面上のウエハー１２が配置される位置に配置される。

このような構成の半導体焼付装置において、まず、図示しない光源の消灯又はシャッタ手段の遮光を実行し、次いで、図示しない光源の点灯又はシャッタ手段の開放によって、光源によりマスク１１が照明される。そして、マスク１１が水平方向に移動し走査され、ミラー１３、反射光学系１０及びミラー１４を通過し、マスク１１と同期して水平方向に移動するウエハー１２に焼き付けられることになる。

このように、本実施形態の反射光学系１０においては、回転対称な拡張回転自由曲面の凹面鏡３と球面、もしくは非球面の凸面鏡４から構成することにより、非点収差及び像面湾曲を十分に補正し、良像域を拡大し、スループット（時間当たりの処理能力）を上げることができる。また、Ｒ≠０、θ≠０を満たす拡張回転自由曲面形状を用いたため、中心軸から離れた物点からの光線に対して、特に収差補正上の自由度を高くすることが可能である。つまり、今までの設計が、軸上物点を基準に行われ、その良像域を使用していたのに対し、拡張回転自由曲面を使うことにより、軸上物点からの光線が存在しない本実施形態の光学系の軸外の物点に対してのみ最適化することが可能となる。

また、対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状にすると、反射光学系１０においては避けられない偏心収差を補正して、解像力の良い光学系を提供することができると共に、その光学系の小型化が可能になる。

また、条件（１）を満足させることにより、物体側、像側共にテレセントリックな光学系にすることができる。

本発明の反射光学系の実施例１を示す図である。 実施例１の収差図を示す図である。 本発明の反射光学系の実施例２を示す図である。 実施例２の収差図を示す図である。 拡張自由曲面を説明する図である。 本発明に係る反射光学系を使用した半導体焼付装置を示す図である。

符号の説明

１…中心軸
２…物体面
３…凹面鏡
４…凸面鏡
５…像面
１０…反射光学系
１１…マスク
１２…ウエハー
１３，１４…ミラー

Claims (4)

1. 回転対称な凹面鏡と凸面鏡をそれぞれの反射面同士が対向するように同軸に配置し、中心軸外の被写体からの光を、前記凹面鏡、凸面鏡、凹面鏡の順に反射することにより像面に結像する反射光学系において、前記凹面鏡を、Ｒ≠０、θ≠０を満たす拡張回転自由曲面で構成したことを特徴とする反射光学系。
2. 前記拡張回転自由曲面で構成された凹面鏡は、奇数次項を持ちあるいは対称面を持たない任意形状の線分を中心軸の周りで回転させて形成される回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の反射光学系。
3. 前記凹面の基準主光線が当たる位置での面の傾きをα、凸面鏡と凹面鏡の間の距離をｄ、基準物点の高さをｈとするとき
   １．５＜（ｈ/tanα）／ｄ＜３ ・・・（１）
   を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の反射光学系。
4. 前記凸面鏡を非球面で構成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の反射光学系。

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