JP2010256818A - 投影光学系及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長３００ｎｍ以上の光を使用して低コストで効果的に収差が低減された投影光学系と露光装置を提供する。
【解決手段】ｉ線を利用して第１面の像を第２面に投影する投影光学系は、温度による屈折率変化が負となる第１硝材から構成された凸レンズＬ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１と、温度による屈折率変化が正である第２硝材から構成されたレンズＬ１２２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影光学系及び露光装置に関する。

波長３００ｎｍ以上の光源（ｉ線、ｇ線など）を使用する露光装置では、露光光がレンズに吸収されると熱によって収差（熱収差）が発生して光学性能が劣化する。また、波長３００ｎｍ以上の光源を使用する露光装置ではコストの低減が特に要求されている。

従来技術としては特許文献１及び２がある。

特開２００４−１２６５２０号公報 特開２０００−１３３５８８号公報

特許文献１は、レンズにおける露光光の吸収を低減（好ましくは０に）するために高透過率の硝材を使用しているが、透過率が１の硝材はなく、また、光学性能が低下する場合もあるため、収差の低減には不十分であった。また、特許文献２は、波長２００ｎｍ以下の光に使用される投影光学系を対象としており、また、コスト削減も考慮していない。

本発明は、波長３００ｎｍ以上の光を使用して低コストで効果的に収差が低減された投影光学系と露光装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての投影光学系は、波長３００ｎｍ以上の光を利用して第１面の像を第２面に投影する投影光学系であって、温度による屈折率変化が負となる第１硝材から構成され、凸レンズである第１屈折光学素子と、温度による屈折率変化が正である第２硝材から構成された第２屈折光学素子と、を有することを特徴とする。

本発明は、波長３００ｎｍ以上の光を使用して低コストで効果的に収差が低減された投影光学系と露光装置を提供することができる。

本実施例の投影光学系の断面図である。 図１に示す投影光学系の横収差図である。 硝材の温度による屈折率変化と熱伝導率との関係を示すグラフである。 硝材の温度による屈折率変化と線膨張係数との関係を示すグラフである。 図１に示す投影光学系の熱によって各レンズに発生する収差を示すグラフである。 図１に示す投影光学系の熱によって各レンズに発生する収差を示すグラフである。

本実施例の投影光学系は、波長３００ｎｍ以上の光源（ｉ線など）からの光を利用して第１面（物体面）の像を第２面（像面）に投影する。このように、本実施例は、光源の波長を３００ｎｍ以上に限定している。波長３００ｎｍの光を使用する露光装置は、解像度を向上するために波長２００ｎｍ以下の光を使用する露光装置よりもコストの削減の要求が大きい。従って、収差の低減もかかる要求を満足する必要がある。

露光光によって発生する収差のうち主要な収差は球面収差ｄＳＡであり、これはレンズの面変形に起因する球面収差ｄＳＡ（Ｓ）とレンズの温度による屈折率変化に起因する球面収差ｄＳＡ（Ｇ）の和である。但し、以下の説明は、球面収差以外の他の収差（コマ収差、像面湾曲、歪曲収差、露光倍率）の低減にも同様に効果的である。

また、球面収差ｄＳＡ（Ｓ）、ｄＳＡ（Ｇ）はそれぞれ次式を満足する。

ここで、Ｔはレンズ１ｃｍ当たりの透過率（／ｃｍ）、ｋはレンズの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、αはレンズの線膨張係数（／℃）、ｄｎ／ｄｔ（／℃）はレンズの温度による屈折率変化である（ｔは温度でｎは屈折率を表わす）。

数式１〜３から、球面収差ｄＳＡを低減するためには、Ｔが大きい高透過率のレンズや、ｋが大きく熱伝導率が良いレンズを使用してｄＳＡ（Ｓ）とｄＳＡ（Ｇ）を共に小さくする（好ましくはゼロにする）ことが有効である。しかし、透過率が１の硝材は存在せず、また高透過率の硝材のみで、所期の光学性能を満足する投影光学系を設計することは困難である。そこで、本実施例は、面変形で発生する収差と屈折率変化で発生する収差を共に小さくする代わりに面変形で発生する収差と屈折率変化で発生する収差が相殺されるように投影光学系を構成している。本実施例の投影光学系において、露光光による光学特性変動を抑えられている屈折光学素子（レンズ）を、他のレンズと区別するために、以下、「収差低減素子」と呼ぶ。

図３は、投影光学系に使用可能な硝材の屈折率変化ｄｎ／ｄｔ（×１０^−６／℃）と熱伝導率ｋ（Ｗ／ｍ・Ｋ）の関係を示すグラフである。ｄＳＡ（Ｓ）は正であるため、これと相殺するためにはｄＳＡ（Ｇ）を負にする必要がある（第１条件）。また、絶対値においてｄＳＡ（Ｓ）とｄＳＡ（Ｇ）が略等しくなるようにする必要がある（第２条件）。この条件は次式で表現される。

図４は、投影光学系に一般に使用される硝材の屈折率変化ｄｎ／ｄｔ（×１０^−６／℃）と熱膨張係数α（×１０^−６／℃）との関係を示すグラフである。

上述の２つの条件を満足する硝材を図３及び図４において丸で囲む。この硝材の収差低減素子の温度による屈折率変化ｄｎ／ｄｔ[／℃]は次式を満足する。

数式５を満足する収差低減素子を投影光学系に設けることにより、熱膨張による面変形分の球面収差ｄＳＡ（Ｓ）と、温度変化による屈折率変化分の球面収差ｄＳＡ（Ｇ）とを相殺して投影光学系全系として発生する収差（熱収差）を低減することができる。上述したように、上限値を０未満としたのは面変形の収差を相殺するためである。下限値よりも下回ると屈折率変化による収差の絶対値が面変形による収差の絶対値を大幅に上回ってしまい、数式４が満足されないからである。

なお、本実施例の収差低減素子の熱伝導率ｋ[Ｗ／ｍ・ｋ]は、投影光学系に使用可能な硝材において、一般に次式を満足する。

上記の条件を満足する収差低減素子の硝材としては、ＣａＦ_２（ｄｎ／ｄｔは−９．３×１０^−６）、ＯＨＡＲＡ社のＳ−ＦＰＬ５１Ｙ（ｄｎ／ｄｔは−６．１×１０^−６）、Ｓｃｈｏｔｔ社のＦＫ０１、ＨＯＹＡ社のＦＣＤ１などがある。しかし、これらは価格が高いため、低コストの観点から枚数を減らす必要がある（第３条件）。また、第３条件は投影光学系が所期の光学特性を発揮する上でも必要である。

即ち、本実施例の投影光学系は、数式５の条件を満足する第１硝材（例えば、Ｓ−ＦＰＬ５１Ｙ）から構成された第１屈折光学素子と、第１硝材とは異なる第２硝材（例えば、ＳｉＯ_２）から構成された第２屈折光学素子と、を有する。第２硝材は、コストや光学性能から、一般には、温度による屈折率変化が正の材料である。

本実施例は、露光熱による収差が大きく発生する投影光学系内の開口絞り近傍に収差低減素子の位置を限定している。具体的には、開口絞りを含む結像光学系においては、開口絞りとその結像光学系において最大有効径を持つレンズ（第３屈折光学素子）との間に収差低減素子の位置を限定している。また、必要があれば、開口絞りを含む結像光学系に隣接した結像光学系において、開口絞りに最も近い光学素子と最大有効径を持つレンズとの間に収差低減素子を配置している。このように、瞳の前後に収差低減素子を配置することによって従来の投影光学系と同等の歪曲収差や倍率色収差を維持することができる。また、軸上から軸外にかけて全般的に収差を低減することができる。

なお、収差低減素子の透過率Ｔ[／ｃｍ]はＴ≧０．９９７など高いほど好ましいが、これもコストや光学性能との関係で使用は制限される。

更に、収差低減素子は凸レンズに適用された場合に効果が大きい（第４条件）。

図１は、数値実施例１である屈折型投影光学系の断面図である。第１面１０１から第２面１０２に向かって光路に沿って結像光学系Ｇ１と結像光学系Ｇ２を順に有する。

結像光学系Ｇ１は第１面１０１から光路に沿ってレンズＬ１０１〜Ｌ１１７を有する。レンズＬ１０１は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の負レンズ、レンズＬ１０２は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１０３は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１０４は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の正レンズである。レンズＬ１０５は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１０６は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の負レンズ、レンズＬ１０７は凹面を第１面側に向けたメニスカス形状の正レンズ、レンズＬ１０８は両凹形状の非球面負レンズである。レンズＬ１０９は両凹形状の非球面負レンズ、レンズＬ１１０は凹面を第１面側に向けたメニスカス形状の非球面負レンズ、レンズＬ１１１は凹面を第１面側に向けたメニスカス形状の非球面凸レンズ、レンズＬ１１２は両凸形状の正レンズである。レンズＬ１１３は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１１４は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１１５は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の負レンズ、レンズＬ１１６は両凹形状の非球面負レンズ、レンズＬ１１７は両凹形状の負レンズである。

結像光学系Ｇ２は第１面１０１から光路に沿ってレンズＬ１１８〜Ｌ１２８を有する。レンズＬ１１８は両凹形状の負レンズ、レンズＬ１１９は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１２０は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１２１は両凸形状の正レンズ、レンズＬ１２２は両凹形状の負レンズ、レンズＬ１２３は両凸形状の正レンズである。レンズＬ１２４は両凸形状の非球面正レンズ、レンズＬ１２５は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の負レンズ、レンズＬ１２６は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の負レンズである。レンズＬ１２７は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の負レンズ、レンズＬ１２８は凸面を第１面側に向けたメニスカス形状の非球面負レンズである。

数値実施例１において、投影倍率βは１／４倍であり、基準波長は３６５．５ｎｍである。また、像側の開口数はＮＡｍａｘ＝０．５７、物像間距離（第１面〜第２面）ＴＴは１１２３ｍｍ程度である。また、像高が０．００〜２１．０５ｍｍの範囲にて収差補正されており、少なくとも長さ方向で２６ｍｍ、幅で３３ｍｍ程度の矩形の照明領域を確保できる。

図２は、数値実施例１の投影光学系の横収差図である。図中のメリディオナルは、主光線と光軸１０３とを含む子午平面に含まれるメリディオナル光線の収差を、サジタルは、主光線を含みメリディオナルに垂直な球欠平面に含まれるサジタル光線の横収差を表している。図２は、基準波長３６５．５ｎｍ及び±２．０ｎｍの波長について表示しており、単色及び色収差が良好に補正されているのがわかる。

表１及び表２に、本数値実施例１の構成諸元を示す。ｒｉは面番号に対応した各面の曲率半径、ｄｉは各面の面間隔である。ｎは、基準波長λ＝３６５．５ｎｍに対する屈折光学素子の屈折率、Ｔは１０ｍｍ当たりの屈折光学素子の透過率、ｋは屈折光学素子の熱伝導率、αは屈折光学素子の線膨張係数、ｄｎ／ｄｔは屈折光学素子の温度変化による屈折率変化である。

また、非球面形状は次式で与えられる。ここで、Ｘはレンズ頂点から光軸方向への変位量、Ｈは光軸１０３からの距離、ｒは曲率半径、Ｋは円錐定数、Ａ〜Ｇは非球面係数である。

図１において、レンズＬ１１４、Ｌ１１５、Ｌ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１は、投影光学系の投影機能に加えて収差低減素子の機能を有する。これら５枚の収差低減素子は、投影光学系内の開口絞り１０４の近傍に設けられている。

より具体的には、本実施例は、開口絞り１０４を含む結像光学系Ｇ２において、開口絞り１０４と結像光学系Ｇ２において最大有効径を持つレンズＬ１２２との間に収差低減素子として機能するレンズＬ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１を配置している。本実施例は、３つのレンズＬ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１に収差低減素子の機能を持たせているが、少なくとも一つのレンズが収差低減素子の機能を持てばよい。

また、本実施例は、結像光学系Ｇ２に隣接した結像光学系Ｇ１において、開口絞り１０４に最も近い光学素子（レンズＬ１１７）と最大有効径を持つレンズＬ１１３との間に収差低減素子として機能するレンズＬ１１４、Ｌ１１５を配置している。

このように、瞳の前後に収差低減素子を配置することによって従来の投影光学系と同等の歪曲収差や倍率色収差を維持することができる。

図５は、数値実施例１の収差（ゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）Ｃ９項）を示すグラフである。縦軸は、露光熱に起因する球面収差のゼルニケＣ９項〔ｍλ〕の分担値、横軸は各レンズの番号である。レンズの面変形による収差を斜線で、屈折率変化による収差を黒塗で示す。レンズＬ１１４、Ｌ１１５、Ｌ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１の分担値は、面変形による収差と屈折率変化による収差との符号が逆向きで相殺していることがわかる。投影光学系全体として発生する露光球面収差は十分に小さいことがわかる。

図６は、数値実施例１の収差（ゼルニケＣ１６項）を示すグラフである。縦軸は、露光熱に起因する球面収差のゼルニケＣ１６項〔ｍλ〕の分担値、横軸は各レンズの番号である。レンズの面変形による収差を斜線で、屈折率変化による収差を黒塗で示す。レンズＬ１１４、Ｌ１１５、Ｌ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１の分担値は、面変形による収差と屈折率変化による収差との符号が逆向きで相殺していることがわかる。投影光学系全体として発生する露光球面収差は十分に小さいことがわかる。

なお、縦軸に、露光熱に起因する像面湾曲のメリディオナル[ｎｍ]の分担値、横軸は各レンズの番号をとった場合、投影光学系全体として発生する像面湾曲は十分に小さいという結果が得られた。

本実施例の投影光学系は、原版のパターンを基板に露光する投影露光装置において、原版パターンの像を基板に投影する投影光学系に適用することができる。投影露光装置において、光源は波長３００ｎｍ以上の光を射出する。かかる光は照明光学系を介して原版を照明する。デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される（デバイス製造方法）。

投影光学系は、第１面の像を第２面に投影するのに適用することができる。露光装置は、デバイスを製造する用途に適用することができる。

１０１ 第１面（物体面）
１０２ 第２面（像面）
１０３ 光軸
１０４ 開口絞り
Ｇ１、Ｇ２ 結像光学系
Ｌ１１４、Ｌ１１５、Ｌ１１９、Ｌ１２０、Ｌ１２１ 収差低減素子

Claims (5)

1. 波長３００ｎｍ以上の光を利用して第１面の像を第２面に投影する投影光学系であって、
   温度による屈折率変化が負となる第１硝材から構成され、凸レンズである第１屈折光学素子と、
   温度による屈折率変化が正である第２硝材から構成された第２屈折光学素子と、
   を有することを特徴とする投影光学系。
2. 前記投影光学系は、開口絞りを有する結像光学系を有し、
   前記第２屈折光学素子は、前記結像光学系において最大有効径を有する第３屈折光学素子を有し、
   前記第１屈折光学素子は、前記結像光学系の前記開口絞りと前記第３屈折光学素子との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
3. 前記第１屈折光学素子は前記投影光学系の瞳の前後に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の投影光学系を有する露光装置。
5. 請求項４に記載の露光装置を使用し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。