JP2009216837A

JP2009216837A - 光学素子、投影光学系、露光装置及びデバイス製造方法

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Publication number: JP2009216837A
Application number: JP2008058702A
Authority: JP
Inventors: Takumi Tokimitsu; 拓海時光
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-24
Also published as: US8179520B2; KR20090096351A; US20090225298A1; TW200951631A

Abstract

【課題】光線が５５度以上の入射角度で入射する場合であっても、二偏光間位相差を低減して優れた光学特性を実現することができる光学素子を提供する。
【解決手段】２５０ｎｍ以下の波長の光に対して用いられ、入射する光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子であって、前記光学素子の光線有効領域に光学薄膜を有し、前記光学薄膜の前記光線有効領域における膜厚分布は、前記光線有効領域の最外周における前記光学薄膜の膜厚が光軸と前記光線有効領域の最外周との中点における前記光学薄膜の膜厚の１．１０倍以上、且つ、１．２５倍以下となる分布であることを特徴とする光学素子を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子、投影光学系、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に形成された回路パターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影して回路パターンを転写する。

投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光（露光光）の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。このため、半導体デバイスの微細化への要求に伴い、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進められてきた。例えば、近年では、ＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）が露光光として用いられている。

また、投影光学系には、複屈折を極限まで抑えることが要求されている。投影光学系の複屈折は、光学素子（透過素子）の内部における硝材複屈折と、光学素子の表面に形成された光学薄膜（例えば、反射防止膜）の二偏光間位相差とに大別される。

まず、第１の複屈折としての硝材複屈折について説明する。２５０ｎｍ以下の波長の光に対して用いられる投影光学系の透過素子には、主として、合成石英及びフッ化物系結晶材料が使用されている。透過素子は、一般に、透過素子の結晶配向性による真性複屈折と、透過素子の内部応力による応力複屈折とを有していることが知られている。例えば、フッ化物系結晶材料の１つである蛍石（フッ化カルシウム）は、光学性能上無視できない程の真性複屈折を有することが報告されている。また、紫外領域の光に対して広く用いられている合成石英のような非晶質材料は、結晶配向性による真性複屈折を実質的に有していない。但し、合成石英においては、熱応力に起因すると考えられる応力複屈折が実験的に観測されており、その複屈折量が投影光学系の光学性能に与える影響は小さくない。

次に、第２の複屈折としての光学薄膜の二偏光間位相差について説明する。投影光学系に用いられる透過素子の表面に形成される反射防止膜を光線が通過する際には、一般的に、Ｓ偏光の透過位相とＰ偏光の透過位相との間に差（二偏光間位相差）が生じる。このような二偏光間位相差は、透過素子の内部で発生する複屈折と同様に扱えるため、複屈折とみなすことができる。

一方、投影光学系の高ＮＡ化が進むにつれて、投影光学系の光学素子に入射する光線の入射角度が増大し、ＮＡが０．８５を超えるような高ＮＡの投影光学系では、外周部を通過する光線において、光学素子への入射角度が５５度を超えるようになってきている。このような高い入射角度で光線が入射する光学素子の表面では、全ての入射角度に対して光学薄膜の二偏光間位相差を小さくすることが非常に困難である。例えば、合成石英の表面に形成する反射防止膜の場合、波長１９３ｎｍの真空紫外光に対して用いることができる材料（光学薄膜材料）としては、フッ化物や酸化物が知られている。但し、これらの光学薄膜材料を用いて、合成石英の表面に均一に反射防止膜を形成した場合、最大入射角度が５５度以上の面において、全ての入射角度に対して二偏光間位相差を実質的に小さくすることができない。

そこで、各光学素子の硝材複屈折と各面の光学薄膜の二偏光間位相差とを互いに打ち消す（即ち、硝材複屈折と二偏光間位相差とを相殺する）ことによって、投影光学系の全系の複屈折を小さくする技術が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１は、光学素子の表面に形成される光学薄膜（反射防止膜）の二偏光間位相差を用いて結晶性硝材の真性複屈折や応力複屈折を制御することを開示している。また、光学薄膜の二偏光間位相差を低減させる技術ではないが、例えば、光学薄膜としての反射防止膜の反射防止特性を向上させる（反射率を低減させる）技術も提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−１５７３４９号公報特開２００４−１０２０１６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術で打ち消すことができる複屈折は、主に、低次成分の複屈折に限定されてしまう。これは、反射防止膜の構成によって制御することができる二偏光間位相差は低次成分であり、二偏光間位相差の高次成分は、良好な反射防止特性を維持する限りにおいて、制御することができないからである。

図１１は、１９３ｎｍの波長の光に対して用いられる３種類の反射防止膜ＡＲ１、ＡＲ２及びＡＲ３の光線の入射角度に対する位相差（即ち、位相差の入射角度依存性）を示す図である。図１１では、縦軸に位相差［ｍλ］を採用し、横軸に入射角度［度］を採用している。反射防止膜ＡＲ１、ＡＲ２及びＡＲ３は、５５度までの入射角度の光に対する反射率を抑えながら（反射防止特性を維持しながら）、互いに異なる位相差特性で構成されている。

図１１を参照するに、反射防止膜ＡＲ１、ＡＲ２及びＡＲ３は、０度以上５５度以下の入射角度範囲において、位相差を実質的に０にできないことがわかる。投影光学系を構成する複数の光学素子のそれぞれに形成する反射防止膜として、反射防止膜ＡＲ１、ＡＲ２及びＡＲ３を適当に選択することで、投影光学系の全系の複屈折を低減させることが可能である。但し、図１に示されているように、光線の入射角度が４５度を超えた場合、光線の入射角度が増加するにつれて、反射防止膜ＡＲ１、ＡＲ２及びＡＲ３の位相差は減少している。従って、反射防止膜ＡＲ１、ＡＲ２及びＡＲ３を適当に選択して投影光学系の全系の二偏光間位相差を低減させる場合に、相殺することが困難な成分として残ってしまう。このような相殺困難な位相差成分は、二偏光間位相差の射出瞳面分布の高次成分となって表れ、特に、光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子を含む投影光学系の光学性能を著しく低下させてしまう。

また、特許文献２は、低ＮＡの光学系において、光線の入射角度が大きい光学素子に対して、光学素子の周辺に向かうにつれて膜厚が厚くなる分布を有する反射防止膜を形成することで反射率を低減させる技術を開示している。但し、特許文献２に開示された技術は、入射角度が大きい光線に対する反射率を低減させることができるが、光学薄膜の二偏光間位相差を低減させることができない。具体的には、特許文献２は、光学素子の周辺の反射防止膜の膜厚を光学素子の中心の反射防止膜の膜厚の１．０５倍程度にしているが、このような膜厚分布では、特に、入射角度が５５度以上の光線に対して、位相差を十分に小さくすることができない。その結果、光線の入射角度が５５度以上の光学素子を含む光学系において、その全系の二偏光間位相差を十分に低減させることができない。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて、光線が５５度以上の入射角度で入射する場合であっても、二偏光間位相差を低減して優れた光学特性を実現することができる光学素子を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光学素子は、２５０ｎｍ以下の波長の光に対して用いられ、入射する光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子であって、前記光学素子の光線有効領域に光学薄膜を有し、前記光学薄膜の前記光線有効領域における膜厚分布は、前記光線有効領域の最外周における前記光学薄膜の膜厚が光軸と前記光線有効領域の最外周との中点における前記光学薄膜の膜厚の１．１０倍以上、且つ、１．２５倍以下となる分布であることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、光線が５５度以上の入射角度で入射する場合であっても、二偏光間位相差を低減して優れた光学特性を実現する光学素子を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての投影光学系１００の構成を示す概略断面図である。投影光学系１００は、２５０ｎｍ以下の波長の光に対して用いられる光学系であって、物体面ＯＰのパターン（例えば、物体面ＯＰに配置されたレチクルのパターン）を像面ＩＰ（例えば、像面ＩＰに配置されたウエハ）に投影する。投影光学系１００は、高精度に収差が補正された複数の光学素子１１０を有するが、図１では、簡略化して光学素子１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃで示している。なお、図１において、ＬＲ_１、ＬＲ_２及びＬＲ_３は光軸を通過する光線を示し、ＬＲ_４、ＬＲ_５及びＬＲ_６は、軸外を通過する光線を示している。また、投影光学系１００は、本実施形態では、テレセントリックな光学系であり、光線ＬＲ_２及びＬＲ_５は、光軸に平行な主光線である。

光学素子１１０は、本実施形態では、硝材としての合成石英を切削及び研磨して形成されるレンズ（透過素子）である。但し、光学素子１１０は、レンズに限定されず、回折光学素子や反射素子（ミラー）などのその他の光学素子を含む。

光学素子１１０の表面（詳細には、有効光線領域）には、光学薄膜１２０が形成されている。光学薄膜１２０は、光学素子１１０の光学作用（光学特性）を補助する機能を有し、例えば、レンズの表面での反射を防止又は低減させる反射防止膜などを含む。光学薄膜１２０は、紫外光に対して用いられる場合には、１．４以上、且つ、１．６以下の屈折率を有する低屈折率材料、１．６３以上、且つ、１．７６以下の屈折率を有する高屈折率材料、或いは、高反射率材料などで構成される。低屈折率材料は、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などを含む。高屈折率材料は、例えば、フッ化ランタン（ＬａＦ_３）、フッ化ネオジウム（ＮｄＦ_３）、フッ化ガドリニウム（ＧｄＦ_３）、フッ化サマリウム（ＳｍＦ_３）などを含む。高反射率材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）などを含む。

ここで、投影光学系１００における二偏光間位相差について説明する。図１には、光線ＬＲ_１、ＬＲ_２及びＬＲ_３の偏光成分が示されている。光線ＬＲ_１に関して、光学素子１１０ａに入射する前の偏光成分をＰＣ_１及びＰＣ_２で規定し、光学素子１１０ｂから射出した後の偏光成分をＰＣ_３及びＰＣ_４で規定し、光学素子１１０ｃから射出した後の偏光成分をＰＣ_５及びＰＣ_６で規定する。なお、偏光成分ＰＣ_１、ＰＣ_３及びＰＣ_５は紙面に平行な偏光成分であり、偏光成分ＰＣ_２、ＰＣ_４及びＰＣ_６は紙面に垂直な偏光成分である。

図１を参照するに、光学素子１１０ａに入射する前においては、偏光成分ＰＣ_１及びＰＣ_２は、等しい波面を有する。しかし、２つの光学素子１１０ａ及び１１０ｂを通過した後においては、偏光成分ＰＣ_３と偏光成分ＰＣ_４との間に波面のずれ、即ち、二偏光間位相差が生じる。かかる二偏光間位相差は、光学素子の内部の複屈折、及び、光学素子の表面に形成された光学薄膜の二偏光間位相差に起因している。二偏光間位相差が生じた状態で、光線ＬＲ_１が像面ＩＰに到達すると、投影光学系１００の光学性能（例えば、結像性能）が劣化してしまう。

投影光学系１００における二偏光間位相差は、上述したように、最小限になるように補正されているが、大きな入射角度で光線が光学素子を通過した際に生じる高次成分については補正することが困難である。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、上述した問題点を解決する光学薄膜１２０の一例としての反射防止膜１２０Ａを表面ＳＲ（光線有効領域）に有する光学素子１１０ｄを用いる。光学素子１１０ｄは、投影光学系１００において、入射する光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子である。光学素子１１０ｄの表面ＳＲにおける軸上光線（光軸上の物点を通過する光線）の入射角度の射出瞳座標依存性を図３に示す。図３では、縦軸に光線の入射角度［度］を採用し、横軸に射出瞳座標ｐｘを採用している。なお、光学素子１１０ｄは、硝材としての合成石英を切削及び研磨して形成される。

反射防止膜１２０Ａは、高屈折率材料からなる高屈折材料層と低屈折率材料からなる低屈折材料層とを交互に積層した積層構造を有する。反射防止膜１２０Ａは、本実施形態では、光学素子１１０ｄの表面側から順に、第１の層と、第２の層と、第３の層と、第４の層と、第５の層と、第６の層と、第７の層とを含む７層構造で構成される。第１の層、第３の層、第５の層及び第７の層は、フッ化マグネシウムなどのフッ化物からなる低屈折材料層である。第２の層、第４の層及び第６の層は、フッ化ランタンなどのフッ化物からなる高屈折材料層である。

また、設計波長λ_０を１９３ｎｍとした場合において、反射防止膜１２０Ａの各層の基本的な光学的膜厚を以下に示す。第１の層は、０．２９λ_０の光学的膜厚を有する。第２の層は、０．１６λ_０の光学的膜厚を有する。第３の層は、０．０７λ_０の光学的膜厚を有する。第４の層は、０．２１λ_０の光学的膜厚を有する。第５の層は、０．２５λ_０の光学的膜厚を有する。第６の層は、０．２７λ_０の光学的膜厚を有する。第７の層は、０．２６λ_０の光学的膜厚を有する。但し、反射防止膜１２０Ａの各層の光学的膜厚は、反射防止膜１２０Ａとしての特性が変わらない範囲で調整することが可能であり、本実施形態では、±０．０５λ_０の範囲で調整することが可能である。

反射防止膜１２０Ａは、図４に示すように、光学素子１１０ｄの表面ＳＲの光線有効領域において、光軸を中心とする回転対称の膜厚分布を有する。図４では、縦軸に基本膜厚を１として規格化した膜厚分布を採用し、横軸に光学素子の中心（光軸）からの距離を光線有効領域の半径で規格化した値Ｒを採用している。なお、図４に示す膜厚分布は、反射防止膜１２０Ａの各層で一律であって、光学素子１１０ｄの表面ＳＲの光線有効領域の全ての位置において、反射防止膜１２０Ａの各層の膜厚比は等しくなっている。図４を参照するに、反射防止膜１２０Ａの膜厚は、中心から中心と光線有効領域の最外周との中点までの領域では基本膜厚となっているが、最外周に向かうにつれて急激に膜厚が厚くなり、光線有効領域の最外周では基本膜厚の１．１６倍になっている。

図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合、反射防止膜１２０Ａの透過位相特性は、光学素子１１０ｄの表面ＳＲの中心からの距離に応じて変化する。光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の代表的な位置（本実施形態では、Ｒ＝０．００（中心）、Ｒ＝０．７５、Ｒ＝０．９０）における反射防止膜１２０Ａの位相差の入射角度特性を図５に示す。図５では、縦軸に位相差［ｍλ］を採用し、横軸に入射角度［度］を採用している。

図５を参照するに、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝０．００における反射防止膜１２０Ａの位相差は、０度以上４２度以下の入射角度の範囲において、±１．０ｍλ以内となっている。従って、光線の入射角度が小さい領域、即ち、Ｒ＝０．５以下の範囲の反射防止膜１２０Ａの膜厚は、基本膜厚の１．０倍近傍（例えば、０．９７倍以上、且つ、１．０３倍以下）で一定とすることが好ましい。また、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝０．７５における反射防止膜１２０Ａの位相差は、４３度以上５０度以下の入射角度の範囲において、±１．０ｍλ以内となっている。同様に、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝０．９０における反射防止膜１２０Ａの位相差は、５７度以上６１度以下の入射角度の範囲において、±１．０ｍλ以内となっている。従って、光線の入射角度が大きい領域、即ち、Ｒ＝０．５を超える範囲においては、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の入射位置及び入射角度に応じて反射防止膜１２０Ａの膜厚を急峻に変化させることで、位相差を低減（最小化）させることができる。このように、反射防止膜１２０Ａが光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の入射位置及び入射角度に応じて位相差を最小化する膜厚分布（図４）を有することで、光学素子１１０ｄの表面ＳＲを通過する全ての光線について位相差を小さく抑えることができる。

なお、反射防止膜１２０Ａは、上述したように、光学素子１１０ｄの最外周近傍で急激に膜厚が厚くなるという特徴的な膜厚分布（図４）を有しており、特許文献２に開示されている反射率を低減させるための膜厚分布とは全く異なっている。反射率の低減を考慮して、反射防止膜に膜厚分布をもたせる場合には、光学素子の中心から光学素子の最外周にかけて膜厚を急激に厚くする必要はない。

また、光学素子１１０ｄの表面ＳＲに形成される反射防止膜１２０Ａは、上述したように、光線の入射位置及び入射角度から規定される膜厚分布を有する。従って、光学素子１１０ｄは、投影光学系１００の光軸上からの光束と光軸外からの光束とが同様な入射角度分布を有し、且つ、同様な入射位置となる位置、例えば、投影光学系１００の瞳面近傍に配置されることが好ましい。

次に、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合の二偏光間位相差について説明する。本実施形態では、Ｙ偏光の位相差とＸ偏光の位相差との差分を二偏光間位相差とする。図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合に、光軸上の物点からの光線が光学素子１１０ｄの表面ＳＲを通過した際の二偏光間位相差を図６に示す。なお、図６に示す二偏光間位相差は、射出瞳座標における分布である。

図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合に、光軸上の物点からの光線が光学素子１１０ｄの表面ＳＲを通過した際の二偏光間位相差を図７に示す。なお、図７に示す二偏光間位相差は、射出瞳座標における分布である。図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合とは、反射防止膜１２０Ａが一律の膜厚を有する場合である。かかる膜厚は５０度の入射角度に対して位相差が最も良好になる膜厚、即ち、基本膜厚の１．０６倍であり、図４に示す膜厚分布における光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝０．７５での膜厚と同等である。

図６に示す二偏光位相差の分布（図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合）と図７に示す二偏光位相差分布（図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合）をＺｅｒｎｉｋｅ多項式に展開したときのＺｅｒｎｉｋｅ係数値を図８に示す。ここで、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式は、座標系として極座標（Ｒ、θ）を用い、直行関数系としてＺｅｒｎｉｋｅの円筒関数を用いた表現であり、Ｖ（Ｒ、θ）＝ΣＣｉ・Ｚｉで表される。なお、Ｃｉは、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の各項の係数であり、Ｚｉは、Ｚｅｒｎｉｋｅの円筒関数であり、以下のように表される。
Ｚ１：１
Ｚ２：Ｒｃｏｓθ
Ｚ３：Ｒｓｉｎθ
Ｚ４：２Ｒ^２−１
Ｚ５：Ｒ^２ｃｏｓ２θ
Ｚ６：Ｒ^２ｓｉｎ２θ
Ｚ７：（３Ｒ^３−２Ｒ）ｃｏｓθ
Ｚ８：（３Ｒ^３−２Ｒ）ｓｉｎθ
Ｚ９：（６Ｒ^４−６Ｒ^２＋１）
Ｚ１０：Ｒ^３ｃｏｓ３θ
Ｚ１１：Ｒ^３ｓｉｎ３θ
Ｚ１２：（４Ｒ^４−３Ｒ^２）ｃｏｓ２θ
Ｚ１３：（４Ｒ^４−３Ｒ^２）ｓｉｎ２θ
Ｚ１４：（１０Ｒ^５−１２Ｒ^３＋３Ｒ）ｃｏｓθ
Ｚ１５：（１０Ｒ^５−１２Ｒ^３＋３Ｒ）ｓｉｎθ
Ｚ１６：（２０Ｒ^６−３０Ｒ^４＋１２Ｒ^２−１）
Ｚ１７：Ｒ^４ｃｏｓ４θ
Ｚ１８：Ｒ^４ｓｉｎ４θ
Ｚ１９：（５Ｒ^５−４Ｒ^３）ｃｏｓ３θ
Ｚ２０：（５Ｒ^５−４Ｒ^３）ｓｉｎ３θ
Ｚ２１：（１５Ｒ^６−２０Ｒ^４＋６Ｒ^２）ｃｏｓ２θ
Ｚ２２：（１５Ｒ^６−２０Ｒ^４＋６Ｒ^２）ｓｉｎ２θ
Ｚ２３：（３５Ｒ^７−６０Ｒ^５＋３０Ｒ^３−４Ｒ）ｃｏｓθ
Ｚ２４：（３５Ｒ^７−６０Ｒ^５＋３０Ｒ^３−４Ｒ）ｓｉｎθ
Ｚ２５：（７０Ｒ^８−１４０Ｒ^６＋９０Ｒ^４−２０Ｒ^２＋１）
Ｚ２６：Ｒ^５ｃｏｓ５θ
Ｚ２７：Ｒ^５ｓｉｎ５θ
Ｚ２８：（６Ｒ^６−５Ｒ^４）ｃｏｓ４θ
Ｚ２９：（６Ｒ^６−５Ｒ^４）ｓｉｎ４θ
Ｚ３０：（２１Ｒ^７−３０Ｒ^５＋１０Ｒ^３）ｃｏｓ３θ
Ｚ３１：（２１Ｒ^７−３０Ｒ^５＋１０Ｒ^３）ｓｉｎ３θ
Ｚ３２：（５６Ｒ^８−１０５Ｒ^６＋６０Ｒ^４−１０Ｒ^２）ｃｏｓ２θ
Ｚ３３：（５６Ｒ^８−１０５Ｒ^６＋６０Ｒ^４−１０Ｒ^２）ｓｉｎ２θ
Ｚ３４：（１２６Ｒ^９−２８０Ｒ^７＋２１０Ｒ^５−６０Ｒ^３＋５Ｒ）ｃｏｓθ
Ｚ３５：（１２６Ｒ^９−２８０Ｒ^７＋２１０Ｒ^５−６０Ｒ^３＋５Ｒ）ｓｉｎθ
Ｚ３６：（２５２Ｒ^１０−６３０Ｒ^８＋５６０Ｒ^６−２１０Ｒ^４＋３０Ｒ^２−１）
図８を参照するに、二偏光間位相差のＺｅｒｎｉｋｅ係数の絶対値は、Ｚ５に関しては、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合が図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合よりも大きい。但し、Ｚ１２、Ｚ２１及びＺ３２の高次成分に関しては、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合は、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合に比べて、非常に小さく抑えている。このように、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有することによって、光線の最大入射角度が５５度以上の光学素子の表面において、二偏光間位相差の高次成分を良好に低減させることができる。

投影光学系１００の全系における二偏光間位相差の低次成分（例えば、Ｚ５）については、硝材複屈折や光線の最大入射角度が小さい、例えば、５０度以下（好ましくは、４５度以下）の面に形成される反射防止膜の位相差で比較的容易に相殺することができる。一方、投影光学系１００の全系における二偏光間位相差の高次成分（例えば、Ｚ１２、Ｚ２１及びＺ３２）については、硝材複屈折や反射防止膜の位相差で相殺することが非常に困難である。但し、光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子に、図４に示す膜厚分布を有する反射防止膜１２０Ａが形成された光学素子１１０ｄを用いることで、二偏光間位相差の高次成分（Ｚ１２、Ｚ２１及びＺ３２）の発生を抑えることができる。従って、投影光学系１００の全系における二偏光間位相差を良好に低減することができる。換言すれば、投影光学系１００の全系における二偏光間位相差のＺｅｒｎｉｋｅ係数値を低次と高次にわたって小さくすることができる。

次に、図４に示す膜厚分布を有する反射防止膜１２０Ａが形成された光学素子１１０ｄの透過率について説明する。図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合と図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合のランダム偏光に対する透過率の射出瞳座標分布をＺｅｒｎｉｋｅ多項式に展開したときのＺｅｒｎｉｋｅ係数値を図９に示す。

図９を参照するに、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合のランダム偏光に対する透過率と図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合のランダム偏光に対する透過率との間に有意な差はない。従って、二偏光間位相差の高次成分を低減させるために、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａにもたせても、透過率の劣化は、実質的にないといえる。

図９を参照するに、図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有する場合のランダム偏光に対する透過率及び図４に示す膜厚分布を反射防止膜１２０Ａが有さない場合のランダム偏光に対する透過率は、いずれも良好である。但し、特許文献２に開示された技術を用いて反射率を低減させて透過率を更に改善しようとしても、有意な効果を得ることはできない。これは、光線の入射角度が非常に大きい（５５度以上）場合、反射防止特性を向上させるためには、反射防止膜の基本構成（光学薄膜材料など）の選択が重要であるからである。

また、本実施形態では、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝１での反射防止膜１２０Ａの膜厚を基本膜厚の１．１６倍としたが、これに限定されるものではない。光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝１での反射防止膜１２０Ａの膜厚は、投影光学系１００の光学素子における光線の最大入射角度、入射角度分布、軸外光線の光路などに応じて、基本膜厚の１．１０倍以上、且つ、１．２５倍以下の範囲で好適な値が異なる。なお、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝１での反射防止膜１２０Ａの膜厚が基本膜厚の１．１０倍よりも小さい場合には、位相差の高次成分を低減することができるという効果を十分に得ることができない。また、光学素子１１０ｄの表面ＳＲ上の位置Ｒ＝１での反射防止膜１２０Ａの膜厚が基本膜厚の１．２５倍よりも大きい場合には、十分な反射防止特性を得ることができず、透過率及び透過率の射出瞳面分布の劣化を招いてしまう。

このように、図４に示す膜厚分布を有する反射防止膜１２０Ａが表面ＳＲに形成された光学素子１１０ｄによれば、５５度以上の入射角度で光線が入射する場合であっても、透過率を損なうことなく、二偏光間位相差の高次成分を低減することができる。換言すれば、図４に示す膜厚分布を有する反射防止膜１２０Ａが表面ＳＲに形成された光学素子１１０ｄは、二偏光間位相差を低減して優れた光学特性を実現することができる。

以下、図１０を参照して、投影光学系１００を適用した露光装置２００について説明する。図１０は、本発明の一側面としての露光装置２００の構成を示す概略図である。

露光装置２００は、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２２０のパターンをウエハ２４０に露光する投影露光装置である。但し、露光装置２００は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。

露光装置２００は、図１０に示すように、照明装置２１０と、レチクル２２０を支持するレチクルステージ（不図示）と、投影光学系１００と、ウエハ２４０を支持するウエハステージ２５０とを備える。

照明装置２１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル２２０を照明し、光源２１２と、照明光学系２１４とを有する。

光源２１２は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどのエキシマレーザーを使用する。但し、光源２１２は、エキシマレーザーに限定されず、波長約１５７ｎｍのＦ_２レーザーや狭帯域化した水銀ランプなどを使用してもよい。

照明光学系２１４は、光源２１２からの光を用いてレチクル２２０を照明する光学系であって、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含む。

レチクル２２０は、回路パターンを有し、図示しないレチクルステージに支持及び駆動される。レチクル２２０から発せされた回折光は、投影光学系１００を介して、ウエハ２４０に投影される。露光装置２００は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、レチクル２２０とウエハ２４０とを走査することによって、レチクル２２０のパターンをウエハ２４０に転写する。

投影光学系１００は、レチクル２２０のパターンをウエハ２４０に投影する光学系である。投影光学系１００は、上述したように、瞳面近傍に配置され、図４に示す膜厚分布を有する反射防止膜１２０Ａが表面ＳＲに形成された光学素子１１０ｄを含む複数の光学素子１１０を有する。

ウエハ２４０は、レチクル２２０のパターンが投影（転写）される基板であり、ウエハステージ２５０に支持及び駆動される。但し、ウエハ２４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。

ウエハステージ２５０は、ウエハ２４０を支持及び駆動する。ウエハステージ２５０は、当業界で周知のいかなる構成をも適用することができるので、ここでは詳しい構造及び動作の説明は省略する。

露光において、光源２１２から発せられた光は、照明光学系２１４によってレチクル２２０を照明する。レチクル２２０のパターンを反映する光は、投影光学系１００によってウエハ２４０上に結像する。露光装置２００が用いる投影光学系１００は、上述したように、二偏光間位相差を低減して優れた光学特性を実現することができる。従って、露光装置２００は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）を提供することができる。なお、デバイスは、露光装置２００を用いてフォトレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることにより製造される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の一側面としての投影光学系の構成を示す概略断面図である。図１に示す投影光学系に用いられる光学素子を示す概略図である。図２に示す光学素子の表面における軸上光線の入射角度の射出瞳座標依存性を示す図である。図２に示す光学素子の表面に形成される反射防止膜の膜厚分布を示す図である。図４に示す膜厚分布を有する反射防止膜の位相差の入射角度特性を示す図である。図４に示す膜厚分布を反射防止膜が有する場合に、光軸上の物点からの光線が光学素子の表面を通過した際の二偏光間位相差を示す図である。図４に示す膜厚分布を反射防止膜が有さない場合に、光軸上の物点からの光線が光学素子の表面を通過した際の二偏光間位相差を示す図である。図６に示す二偏光位相差の分布と図７に示す二偏光位相差分布をＺｅｒｎｉｋｅ多項式に展開した場合のＺｅｒｎｉｋｅ係数値を示す図である。図４に示す膜厚分布を反射防止膜が有する場合と図４に示す膜厚分布を反射防止膜が有さない場合のランダム偏光に対する透過率の射出瞳座標分布をＺｅｒｎｉｋｅ多項式に展開したときのＺｅｒｎｉｋｅ係数値を示す図である。本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。１９３ｎｍの波長の光に対して用いられる３種類の反射防止膜の光線の入射角度に対する位相差を示す図である。

符号の説明

１００投影光学系
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ光学素子
１２０光学薄膜
１２０Ａ反射防止膜
ＯＰ物体面
ＩＰ像面
ＳＲ表面
２００露光装置
２１０照明装置
２１２光源
２１４照明光学系
２２０レチクル
２４０ウエハ
２５０ウエハステージ

Claims

２５０ｎｍ以下の波長の光に対して用いられ、入射する光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子であって、
前記光学素子の光線有効領域に光学薄膜を有し、
前記光学薄膜の前記光線有効領域における膜厚分布は、前記光線有効領域の最外周における前記光学薄膜の膜厚が光軸と前記光線有効領域の最外周との中点における前記光学薄膜の膜厚の１．１０倍以上、且つ、１．２５倍以下となる分布であることを特徴とする光学素子。
前記膜厚分布は、前記光軸から前記光軸と前記光線有効領域の最外周との中点までの領域における前記光学薄膜の膜厚が前記光軸における前記光学薄膜の膜厚の０．９７倍以上、且つ、１．０３倍以下となる分布であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記光学薄膜は、高屈折材料層と低屈折材料層とを交互に積層した積層構造を有し、
前記光線有効領域の全ての位置において、前記積層構造の各層の膜厚比が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
前記積層構造は、７層構造であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
前記光学素子は、合成石英で構成され、
前記光学薄膜は、前記光学素子の表面側から順に、低屈折材料層で構成された第１の層と、高屈折材料層で構成された第２の層と、低屈折材料層で構成された第３の層と、高屈折材料層で構成された第４の層と、低屈折材料層で構成された第５の層と、高屈折材料層で構成された第６の層と、低屈折材料層で構成された第７の層とを含み、
光の波長をλ_０とした場合に、
前記第１の層は、（０．２９±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有し、
前記第２の層は、（０．１６±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有し、
前記第３の層は、（０．０７±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有し、
前記第４の層は、（０．２１±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有し、
前記第５の層は、（０．２５±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有し、
前記第６の層は、（０．２７±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有し、
前記第７の層は、（０．２６±０．０５）λ_０の光学的膜厚を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学素子。
２５０ｎｍ以下の波長の光に対して用いられる投影光学系であって、
光線有効領域に光学薄膜を有し、入射する光線の最大入射角度が５５度以上である光学素子を備え、
前記光学薄膜の前記光線有効領域における膜厚分布は、前記光線有効領域の最外周における前記光学薄膜の膜厚が光軸と前記光線有効領域の最外周との中点における前記光学薄膜の膜厚の１．１０倍以上、且つ、１．２５倍以下となる分布であることを特徴とする投影光学系。
前記光学素子は、投影光学系の瞳面近傍に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の投影光学系。
請求項６又は７に記載の投影光学系を介して、レチクルのパターンを基板に投影して、当該基板を露光することを特徴とする露光装置。
光源からの光でレチクルを照明する照明光学系と、
前記レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系とを有し、
前記投影光学系は、請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の光学素子を含むことを特徴とする露光装置。
請求項８又は９に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップと、
を有することを特徴とするデバイス製造方法。