JP2010055006A - 顕微鏡対物レンズ系 - Google Patents

Abstract

【課題】遠紫外光領域と可視光領域において収差補正可能な、蛍石と石英ガラスだけで構成される顕微鏡対物レンズ系であって、諸収差を良好に補正した顕微鏡対物レンズ系を得る。
【解決手段】蛍石と石英ガラスのみからなり、中央の正の蛍石と、その前後に位置する負の石英ガラスからなるトリプレットユニットが５組含まれている顕微鏡対物レンズ系。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は工業用顕微鏡対物レンズ系に関する。

集積回路チップ等の半導体ＩＣパターンの検査工程等においては、顕微鏡を用いた同パターンの視覚的な拡大観察が行われる。また、半導体マスクのリペア加工等においては、ＹＡＧレーザ等によるレーザ加工が行われている。

ＹＡＧレーザの使用波長は、短波長化が進んでおり、第２高調波（波長；５３２ｎｍ）、第３高調波（波長；３５５ｎｍ）から、最近ではさらに短波長の第４高調波（波長；２６６ｎｍ）が利用されている。

このような顕微鏡に用いられる対物レンズ系は、可視光による高解像観察と遠紫外光領域のＹＡＧレーザによる微細加工を両立させなければならず、一般的な光学ガラスは遠紫外光を透過しないため、その光学材料として蛍石と石英ガラス（溶融石英または合成石英）だけしか使用できないという制約がある。
特開平１１-２４９０２５号公報

本発明は、遠紫外光領域と可視光領域において収差補正可能な、蛍石と石英ガラスだけで構成される顕微鏡対物レンズ系であって、諸収差を良好に補正した顕微鏡対物レンズ系を得ることを目的とする。

本発明による顕微鏡対物レンズ系は、蛍石と石英ガラスのみからなり、中央の正の蛍石と、その前後に位置する負の石英ガラスからなるトリプレットユニットが５組含まれていることを特徴としている。

５組のトリプレットユニットの観察側には、観察側から順に、負、負、正の３枚の石英レンズからなる合成パワーが負の石英レンズ群を位置させることが好ましい。

また、５組のトリプレットユニットの観察物体側には、２枚の正の石英レンズを位置させることが好ましい。

本発明の顕微鏡対物レンズ系は、計算波長を２６６ｎｍとしたとき、次の条件式（１）ないし（３）を満足することが好ましい。
（１）５＜ｆ１６−１８／ｆ＜７
（２）２＜｜ｆ１１−１３｜／ｆ＜９
（３）０．２＜｜ｆ１１−１５｜／ｆ１６−２０＜０．３
但し、
ｆ１６−１８；物体側のトリプレットユニットの３組の合成焦点距離、
ｆ１１−１３；観察側の３枚の石英レンズ群の合成焦点距離（ｆ１１−１３＜０）、
ｆ１１−１５；観察側の３枚の石英レンズ群と観察側の２組のトリプレットユニットの合成焦点距離（ｆ１１−１５＜０）、
ｆ１６−２０；物体側の２枚の石英レンズ群と物体側の３組のトリプレットユニットの合成焦点距離、
ｆ；全系の焦点距離、
である。

５組のトリプレットユニットは全て貼合せレンズとすることが可能である。逆に、全く貼合せレンズを含ませない態様も可能である。

本発明によれば、可視光領域と遠紫外光領域の収差補正を良好にした顕微鏡対物レンズ系を提供できる。

図１と図３は、本発明による顕微鏡対物レンズ系１０の第１実施例と第２実施例を示している。図の右方のＦが観察物体（レーザ加工物体）位置であり、左方に結像レンズ系、照明光学系、ＹＡＧレーザ光源、ＡＦ光学系、ＣＣＤカメラ等が位置する。右方を（観察）物体側、左方を観察側とする。
この顕微鏡対物レンズ系１０を含む光学加工システムの基本的な使用態様は次の通りである。
１．照明光学系からの照明光を観察側から顕微鏡対物レンズ系１０に入れて、観察物体位置Ｆ上のワークを照明する。
２．ワーク上のパターンを顕微鏡対物レンズ系１０、結像レンズ系及びＣＣＤカメラのモニタを介して観察する。
３．このとき、顕微鏡対物レンズ系１０とＡＦ光学系を介して、リアルタイムで焦点合わせを行う。
４．ワーク上に不良箇所を見つけたら、ワークをＣＣＤカメラのモニタ画面中央に移動させる。
５．モニタ画面中央のワークの不良箇所にＹＡＧレーザ光源の第４高調波（波長；２６６ｎｍ）を照射して、レーザリペアを行う。

図１の顕微鏡対物レンズ系１０は、観察側から順に、石英ガラスからなる負単レンズ（両凹負レンズ）１１、石英ガラスからなる正単レンズ（観察物体側に凸の正メニスカスレンズ）１２、石英ガラスからなる負単レンズ（観察物体側に凸の負メニスカスレンズ）１３、中央に位置する蛍石からなる両凸正レンズの前後に石英ガラスからなる負レンズが位置する５組のトリプレットユニット１４、１５、１６、１７、１８、石英ガラスからなる２枚の正レンズ１９、２０からなっている。５組のトリプレットユニット１４ないし１８は、全て接合レンズからなっている。また、トリプレットユニット１４と１５は、中央の両凸正レンズの観察側が負メニスカスレンズで物体側が両凹負レンズであり、トリプレットユニット１６ないし１８は、正レンズの前後の負レンズが全て負メニスカスレンズである。

図３の顕微鏡対物レンズ系１０は、図１の顕微鏡対物レンズ系１０とは異なり、５組のトリプレットユニット１４ないし１８は、全て接合レンズを含んでいない（接合面が存在しない）。基本的な構成は、トリプレットユニット１４の両凸正レンズの観察側の負レンズが両凹負レンズで物体側の負レンズが観察側に凸の負メニスカスレンズからなる点を除き、図１の実施形態と同様である。

中央に蛍石、その前後に石英ガラスを有するトリプレットユニットは、材質的に柔らかい蛍石の両側を蛍石より硬い石英ガラスで挟む形となるので、接合完了後の組立時に蛍石を傷つけるおそれが無く、有利である。特に全てのトリプレットユニットが接合レンズからなる図１の実施例は、この利点が高い。加えて、中央に正レンズ、前後に負レンズが位置するトリプレットは、収差補正、特に色収差と球面収差の各収差を良好に補正することができる。

さらに、本実施形態では、トリプレットユニットが５組含まれている。５組を含ませることによって、各トリプレットユニットでの補正の負担を軽くし、全系として良好な補正が可能である。４組以下では十分な補正が困難であり、６組を超えると、コスト的に不利であり、許容できないレベルに大型化する。

また、５組のトリプレットユニットの前後には、図１、図２の実施例いずれも、観察側に３枚の石英レンズ、物体側に２枚の石英レンズが位置している。観察側の３枚の石英レンズの合成パワーは負で、物体側の２枚の石英レンズの合成パワーは正である。このように、５組のトリプレットユニットの前後のレンズ群には、傷が付きやすい蛍石でなく傷が付きにくい石英ガラスを用いている。

条件式（１）は、物体側の３組のトリプレットユニットが満足すべきパワーに関する条件である。条件式（１）の下限を超えて物体側の３組のトリプレットユニットのパワーが不足すると、球面収差の補正ができなくなり、開口数(N.A.)を大きくできなくなる。また、逆に条件式（１）の上限を超えて物体側の３組のトリプレットユニットのパワーが強くなり過ぎると、正レンズの蛍石のレンズのコバの厚みが加工時に必要な値にできなくなり、製造上不利となる。

条件式（２）は、観察側の３枚の石英レンズ群の負の合成パワーを規制するもので、顕微鏡対物レンズ系に必要なワーキングディスタンス(W.D)を確保するための条件である。条件式（２）の下限を超えて負のパワーが強くなると、ワーキングディスタンスを確保するには有利となるが、球面収差、非点収差等の諸収差の補正が困難になる。逆に条件式（２）の上限を超えて負のパワーが弱くなると、ワーキングディスタンスを必要な値にすることが非常に困難になる。

条件式（３）は、本顕微鏡対物レンズ系を、物体側から３番目（観察側から２番目）のトリプレットユニットを境に、観察側と物体側とに分けたとき、各収差を良好に補正し、必要なワーキングディスタンを確保するための観察側レンズ群と物体側レンズ群が満足すべきパワー比に関する条件である。物体側から３番目（観察側から２番目）のトリプレットユニットを境に、観察側と物体側とに分けると、観察側レンズ群のパワーは負であり、物体側レンズ群のパワーは正である。条件式（３）の下限を超えると、つまり、観察側の負のレンズ群の負のパワーが強くなり過ぎ、または物体側の正レンズ群のパワーが弱くなり過ぎると、ワーキングディスタンスは確保できるが球面収差、非点収差、歪曲収差等の補正が非常に困難になる。また、球面収差、および色収差補正が困難になる。逆に条件式（３）の上限を超えると、つまり観察側の負レンズ群のパワーが弱くなるか、物体側の正レンズ群のパワーが強くなって上限を超えた場合は、ワーキングディスタンスが確保できなくなり、球面収差補正も困難になり、必要な開口数を確保できなくなる。

次に、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図１、図２と表１は、本発明による顕微鏡対物レンズ系の第１の実施例を示している。図１は、本発明の第１実施例の顕微鏡対物レンズ系の構成図、表１はその数値データ、図２は、その諸収差図である。表及び諸収差図中、ｆは計算波長２６６ｎｍでの焦点距離（mm）、N.A.は開口数、W.D.は作動距離（mm）、Ｓはサジタル、Ｍはメリディオナル、面No.は観察側から順に付したレンズ面の番号、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔である。ワーキングディスタンス（作動距離）W.D.は物体側に最も近いレンズの面頂点から物体面までの距離であり、倍率は、本対物レンズ系に、焦点距離２００ｍｍの結像レンズ系（観察光学系）を付けて観察したときの物体高に対する像高の比（使用波長は５４６ｎｍで計算）、Ｙは、同じく本対物レンズ系に、焦点距離２００ｍｍの結像レンズ系を付けたときの物体高に対する像高の比である。合成石英は溶融石英に代えることができる。

（表１）
倍率 =50倍
f = 3.60
N.A. = 0.41
W.D. = 12.00
面No. r d 光学材料
1 -5.344 2.00 合成石英
2 7.674 2.50
3 -6.702 1.40 合成石英
4 -11.368 1.31
5 -74.844 4.00 合成石英
6 -7.228 6.98
7 36.128 1.50 合成石英
8 14.746 4.00 蛍石
9 -22.054 1.00 合成石英
10 14.503 2.00
11 43.795 1.50 合成石英
12 12.276 6.00 蛍石
13 -10.089 1.00 合成石英
14 18.726 2.00
15 44.177 1.20 合成石英
16 14.062 8.80 蛍石
17 -9.224 1.60 合成石英
18 -37.640 0.30
19 25.596 1.60 合成石英
20 15.836 8.50 蛍石
21 -15.486 1.60 合成石英
22 -36.834 0.46
23 39.871 1.50 合成石英
24 12.304 9.80 蛍石
25 -15.471 1.50 合成石英
26 106.004 0.60
27 28.766 3.00 合成石英
28 -117.951 0.30
29 14.997 4.00 合成石英
30 112.154 -

ｆ16-18／ｆ=6.165
ｆ11-13／ｆ=-8.342
ｆ11-15=-5.353
ｆ16-20=19.024
ｆ11-15／ｆ16-20=-0.28

このように、実施例１の５組のトリプレットユニットは条件式（１）ないし（３）を満足し、しかも諸収差図に示すように、可視光領域（５４６ｎｍ）でも遠紫外光領域（２６６ｎｍ）でも球面収差が良好に補正されており、像面湾曲及び歪曲収差も十分補正されている。

（実施例２）
図３、図４と表２は、本発明による顕微鏡対物レンズ系の第２の実施例を示している。図３は、本発明の第１実施例の顕微鏡対物レンズ系の構成図、表２はその数値データ、図３は、その諸収差図である。符号の表記は実施例１と同様である。

（表２）
倍率 =50倍
f = 3.54
N.A. = 0.41
W.D. = 12.00
面No. r d 光学材料
1 -28.940 2.14 合成石英
2 4.493 3.29
3 -3.452 1.40 合成石英
4 -4.847 1.33
5 -11.403 3.70 合成石英
6 -8.580 0.50
7 -21.090 1.50 合成石英
8 15.977 0.30
9 17.969 5.90 蛍石
10 -9.620 0.20
11 59.451 1.00 合成石英
12 12.346 2.00
13 49.788 1.30 合成石英
14 15.977 0.30
15 12.346 7.00 蛍石
16 -12.844 0.10
17 -12.844 1.00 合成石英
18 16.430 3.27
19 18.264 1.20 合成石英
20 13.850 0.75
21 16.738 9.30 蛍石
22 -12.671 0.20
23 -12.671 1.20 合成石英
24 -44.770 0.30
25 32.640 1.20 合成石英
26 16.264 0.10
27 16.264 9.10 蛍石
28 -16.264 0.10
29 -16.264 1.40 合成石英
30 -132.840 0.30
31 37.600 1.30 合成石英
32 13.844 0.10
33 13.844 9.30 蛍石
34 -18.246 0.18
35 -18.246 1.30 合成石英
36 -261.460 0.20
37 52.000 4.00 合成石英
38 -115.600 0.20
39 13.844 4.00 合成石英
40 62.900 -

ｆ16-18／ｆ=6.469
ｆ11-13／ｆ=-2.974
ｆ11-15=-5.312
ｆ16-20=21.543
ｆ11-15／ｆ16-20=-0.25

このように、実施例２の５組のトリプレットユニットは条件式（１）ないし（３）を満足し、しかも諸収差図に示すように、可視光領域（５４６ｎｍ）で遠紫外光領域（２６６ｎｍ）でも球面収差が良好に補正されており、像面湾曲及び歪曲収差も十分補正されている。

本発明の第１実施例の顕微鏡対物レンズ系の構成図である。 第１実施例の顕微鏡対物レンズ系の諸収差図である。 本発明の第２実施例の顕微鏡対物レンズ系の構成図である。 第２実施例の顕微鏡対物レンズ系の諸収差図である。

符号の説明

１０ 顕微鏡対物レンズ系
１１〜１３ 観察側石英レンズ群
１４ １５ １６ １７ １８ トリプレットユニット
１９〜２０ 物体側石英レンズ群
Ｆ 観察物体位置

Claims (6)

1. 蛍石と石英ガラスのみからなり、
   中央の正の蛍石と、その前後に位置する負の石英ガラスからなるトリプレットユニットが５組含まれていることを特徴とする顕微鏡対物レンズ系。
2. 請求項１の顕微鏡対物レンズ系において、５組のトリプレットユニットの観察側には、観察側から順に、負、負、正の３枚の石英レンズからなる合成パワーが負の石英レンズ群が位置している顕微鏡対物レンズ系。
3. 請求項１または２記載の顕微鏡対物レンズ系において、５組のトリプレットユニットの観察物体側には、２枚の正の石英レンズが位置している顕微鏡対物レンズ系。
4. 請求項３に記載の顕微鏡対物レンズ系において、計算波長を２６６ｎｍとしたとき、次の条件式（１）ないし（３）を満足する顕微鏡対物レンズ系。
   （１）５＜ｆ１６−１８／ｆ＜７
   （２）２＜｜ｆ１１−１３|／ｆ＜９
   （３）０．２＜｜ｆ１１−１５｜／ｆ１６−２０＜０．３
   但し、
   ｆ１６−１８；物体側のトリプレットユニットの３組の合成焦点距離、
   ｆ１１−１３；観察側の３枚の石英レンズ群の合成焦点距離（ｆ１１−１３＜０）、
   ｆ１１−１５；観察側の３枚の石英レンズ群と観察側の２組のトリプレットユニットの合成焦点距離（ｆ１１−１５＜０）、
   ｆ１６−２０；物体側の２枚の石英レンズ群と物体側の３組のトリプレットユニットの合成焦点距離、
   ｆ；全系の焦点距離。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の顕微鏡対物レンズ系において、５組のトリプレットユニットは全て貼合せレンズである顕微鏡対物レンズ系。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の顕微鏡対物レンズ系において、５組のトリプレットユニットは貼合せレンズを含んでいない顕微鏡対物レンズ系。

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