JP2011059482A - 支持装置、光学装置、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化したときの光学特性の安定化に有利な光学素子の支持装置を提供すること。
【解決手段】支持装置は、光学素子１の外周部に固定される第１支持部材２と、第１支持部材２の外周部に結合された複数の部材４と、複数の部材を介して第１支持部材２を支持する第２支持部材３とを有する。各部材４は、光軸を含む面内において光軸と直交する方向に対して傾いた第１軸の方向における剛性が、該第１軸に直交し且つ互いに直交する２つの軸の各方向における剛性よりも低く構成されている。例えば、光軸と垂直な軸に対して傾いた板状バネ２４が用いられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子を支持する支持装置、光学装置、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

半導体露光装置に代表される露光装置は、原板（例えばレチクル）に形成されたパターンを基板（例えばシリコンウエハ）に転写する装置である。転写の際、レチクルのパターンをウエハ上に結像させるために投影光学系が用いられるが、高集積な回路を作成するために、投影光学系には高い解像力が要求される。例えば半導体露光装置用の投影光学系では、収差を小さく抑えるために、ガラス材質や膜に関する諸特性の均一性が求められ、ガラスの面形状の加工精度や組立て精度を高める必要がある。レンズに用いるガラスを支持する鏡筒は、金属などで形成されるのが一般的であり、ガラスと異なる材料が使用される。

図１１は、従来の支持装置を直径に沿って切断した様子を示す斜視図であり、鏡筒構造の概念を示したものである。図１１において、複数のレンズ１０１及び１０２のそれぞれが金枠１０３及び１０４に固定されている。また、空気間隔調整用スペーサ１０６及び１０７を挟んで、金枠１０３及び０１４が筒状の支持部材１０５の中に積み立てられ、上部からネジ環１０８及び１０９によって押圧固定される。

しかしながら、上記した鏡筒構造では、環境温度などの変化に伴うレンズや鏡筒部品の形状変化によって、収差が変化することがある。特に、短波長の光源を用いる露光装置では、レンズに石英や螢石のガラスを用いるが、レンズの材質及びそれを支持する鏡筒部品等はそれぞれ熱膨張係数が異なる。そのため、各部材が他から影響を受けることなく、自由に単純膨張又は単純収縮することができない。その結果、環境温度等によってレンズの面形状が変化することがあり、この変形が、レンズの収差に無視できない影響を与える原因となっていた。

この問題の解決策として、特許文献１、特許文献２に開示された技術がある。特許文献１に記載の技術では、光学素子の光軸と直交する方向に弾性変形する弾性部材で光学素子を支持している。また特許文献２に記載の技術では、光軸と平行な軸を中心として回動可能な非弾性部材で光学素子を支持している。いずれの場合も、環境温度の変化によって光学素子及び金枠が伸縮しても、光学素子の歪や応力を低減でき、光学素子を安定的に支持できる。

特開平０８−６８８９９号公報 特開平１０−９６８４３号公報

しかしながら、従来の技術では十分に解決されない問題が残されている。例えば、特許文献１に記載の技術では複屈折の発生が懸念される。その原因は光学素子を固着する接着剤が周上に離散しているため拘束力が十分でないことや、光学素子を直接弾性部材に結合する際に光学素子に加わる圧力の分布が一様でないことによる。また、特許文献２に記載される技術のように、回動部材を光学素子に直接的に接合する構成は、光学素子が接合部において局所的な偶力を受けることになる。これは光学素子の形状を変化させる要因となり、好ましくない。

そこで一般的には、光学素子を、該光学素子の材質と近い線膨張係数を有するリング状の支持部材に全周で接着し、その後にリング状支持部材を弾性部材、又は回動部材で支持する構成が用いられる。しかしながら、上記特許文献に記載されているように、光学素子を支持する弾性部材又は回動部材の変位方向は、光軸と垂直な方向であるため、新たな困難が生じる。実際の工業製品においては、光学素子の重心、光学素子を重力方向に支持する部位、弾性部材又は回動部材の位置を、全て同一平面上に配置することは困難である。その結果、環境温度が変化して光学素子及び支持部材が伸縮した場合、伸縮の形態は一様にならない。

図１２（ａ）は、図１１においてレンズの重心Ｇ、レンズを重力方向に支持する部位（リング状支持部材）の支持点Ａ、弾性部材Ｋが、同一平面内にない場合を模式的に示す側面図である。また、図１２（ｂ）は、環境温度が上昇によってレンズ及びリング状支持部材が膨張したときの様子を誇張して示す側面図である。環境温度が上昇し、レンズ及びリング状支持部材がそれぞれ膨張すると、弾性部材Ｋはその弾性方向（図中のｘ方向）に変形し、膨張による歪を緩和しようとする。しかし弾性係数はゼロではないため、膨張を抑止する抵抗力が発生する。また、図１２の弾性部材Ｋが、特許文献２に記載される回動部材とされる場合であっても、回動部の摩擦により、同様に膨張を抑止する抵抗力が発生する。これによって、弾性部材Ｋが設けられた部位と、そこからｚ方向に離れた場所にあるレンズ支持点Ａの近傍との間に変形量の差が生じてしまう。そのため、レンズ支持点Ａは＋ｚ方向（図の上方）に変位し、レンズを＋ｚ方向に変位させてしまい（変位量を図中、δｚで示す）、結果として光学性能を低下させてしまっていた。すなわち光学素子の変形緩和のために用いる弾性部材の剛性によって、温度変化時に光学素子が光軸方向に変位してしまい、光学性能の低下原因となる。

そこで本発明は、温度変化したときの光学特性の安定化に有利な光学素子の支持装置の提供を例示的目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る支持装置は、光学素子の外周部に固定される第１支持部材と、該第１支持部材の外周部に結合された複数の部材と、該複数の部材を介して前記第１支持部材を支持する第２支持部材とを有し、前記光学素子を支持する支持装置であって、前記複数の部材のそれぞれは、前記光学素子の光軸を含む面内において前記光軸と直交する方向に対して傾いた第１軸の方向における剛性が、該第１軸に直交し且つ互いに直交する２つの軸それぞれの方向における剛性よりも低く構成されている。

本発明によれば、例えば、温度変化したときの光学特性の安定化に有利な光学素子の支持装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る支持装置を示す斜視図である。 図１の弾性部材４の周辺を拡大した斜視図である。 本発明の第１実施形態の支持装置を示す模式的側面図である。 板状バネ２４の傾斜角度αと、環境温度が１度上昇した時のレンズ支持部のｚ方向変位量との関係を、有限要素法を用いて計算した結果を示すグラフである。 図１に示したレンズ及び支持装置とは別のものを用いた場合の動きを示す模式的側面図である。 図５の場合の板状バネ２４の傾斜角度αと、環境温度が１度上昇した時のレンズ支持部のｚ方向変位量との関係を、有限要素法を用いて計算した結果を示すグラフである。 図１に示す支持装置が適用される半導体露光装置を模式的に示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る支持装置が適用される投影レンズ系７の一部を示す斜視図である。 図８の弾性部材４ａの周辺を拡大した斜視図である。 図８の弾性部材４ｃの周辺を拡大した斜視図である。 従来の支持装置を直径に沿って切断した様子を示す斜視図である。 （ａ）図は従来の支持装置を模式的に示す側面図であり、（ｂ）図は環境温度が上昇したときの様子を示す側面図である。

以下、本発明の各実施形態について添付図面等を参照して説明する。なお、以下の説明では、具体的な数値、構成、動作等を示して説明を行うが、これらは、仕様に応じて適宜変更することができる。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る支持装置を示す斜視図であり、説明の便宜のため、レンズ１の一部を切り欠いて示している。図１に設定されたｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は３次元直交座標軸を表しており、重力方向がレンズ１の光軸と一致し、−ｚ方向である。本実施形態の支持装置では、第１支持部材としての、リング状の支持部材２がレンズ１を支持している。リング状の支持部材２には、レンズ１の周辺部を重力方向において支える３点の突起２０が形成されており、これらの突起２０が光軸回りに１２０度の角度間隔をもって配置されている。レンズ１の周縁部と支持部材２の径方向の隙間には、全周にわたって接着剤２２が充填されることで、レンズ１が支持部材２に固定されている。つまり支持部材２には、レンズ１の外周部が接着剤２２で固定される。第２支持部材としての支持部材３はレンズ１を同軸上に支持している。図１では支持部材３の一部分を切り欠いて示しており、板状バネ２４を含む弾性部材４が設けられている。

図２は、支持部材３の一部を切り欠いて図１の弾性部材４の周辺を拡大した斜視図である。弾性部材４はその中央部が板状バネ２４を介して２つの端部に連結された構造をもつ。そして弾性部材４は両端部にて支持部材２に結合され、中央部にて支持部材３に結合されている。図２に示すように、板状バネ２４は、ｚ軸に対して角度αだけ傾斜した取り付け姿勢となっている。ここでレンズ１の光軸を含む面内において当該光軸と直交する方向に対して傾いた軸を第１軸と定義し、第１軸に直交し且つ互いに直交する２つの軸を第２軸及び第３軸と定義する。弾性部材４については、第１軸の方向における剛性が、第２軸及び第３軸それぞれの方向における剛性よりも低く構成されている。弾性部材４は、光軸と垂直な軸の方向（レンズ１の半径方向、例えばｘ軸方向）に対して角度αだけ傾いた方向に低い剛性を有する。なお本実施形態では、レンズ１の材質が石英であるが、特に限定されない。

次に、第１実施形態の作用を説明する。図３は、本実施形態の支持装置を示す側面図であり、ｙ軸方向から見た装置を図１２と同様に模式化して示す。図中の点Ｇはレンズ１の重心を表す。環境温度の変化によって、レンズ１及び支持部材２のそれぞれが膨張した場合、各部材の膨張量が異なることは従来技術と同様である。つまり支持部材２の膨張量は、弾性部材Ｋが設けられた部位と、そこからｚ方向に離れたレンズ支持点Ａの近傍とで異なる。但し本実施形態では、弾性部材Ｋの弾性方向がｘ軸に対してαの角度だけ傾いているため、支持部材２の膨張によって該部材全体が−ｚ方向に変位する。その結果、レンズ支持点Ａは、膨張前と比較してｚ方向の位置が変わらない（δｚ＝０）。

図４は、板状バネ２４の傾斜角度αを横軸にとり、環境温度が１度上昇した時のレンズ支持部のｚ方向変位量（δｚ）を縦軸にとって、両者の関係について有限要素法を用いて計算した結果を例示したグラフである。

環境温度の変化量とレンズ支持部のｚ方向変位量は線形関係であるため、環境温度の変化量が変わると、図４の直線の傾きは変化するがｘ切片（横軸の切片）の値は変わらない。本実施形態において、環境温度の変化に伴い、レンズ１及び支持部材２が伸縮しても、レンズ支持部がｚ方向に変位しない傾斜角度αは−９度である。すなわち、本実施形態の支持装置において、板状バネ２４がｚ軸と成す角を−９度とすれば、環境温度が変化しても、レンズの位置が変動しないことになる。なお、環境温度が２度上昇したときは、傾斜角度が２倍になり、従ってｚ方向の変位も２倍になるが、ｘ切片の値は変わらない。

図５は、図１に示したレンズ及び支持装置とは別の構成を用いた場合の動きを示す側面図であり、ｙ軸方向から見た装置を模式的に示す。また図６は、図５に示す構成において板状バネ２４の傾斜角度αを横軸にとり、環境温度が１度上昇した時のレンズ支持部のｚ方向変位量を縦軸にとって、両者の関係について有限要素法を用いて計算した結果を例示したグラフである。

両図から分かるように、弾性部材Ｋが、レンズ支持点Ａに対して＋ｚ方向（図５の上方）に配置された構成では、板状バネ２４の傾斜角度αがゼロ度の時に、レンズ支持点Ａが−ｚ方向に変位し、図３に示した構成の場合とは逆になる。この例では、環境温度が変化してもレンズがｚ方向に変位しない板状バネ２４の傾斜角度αは１０度である。すなわち、本発明を実施する上で、弾性部材と光学素子支持部とのｚ方向における位置関係、支持部材の剛性、弾性部材の剛性によって、板状バネ２４の最適な傾斜角度が変わる。従って、それらに留意し、板状バネ２４の傾斜角度とレンズ支持部のｚ方向変位量との関係を、計算又は実験によって予め求めることで、最適な板状バネ２４の傾斜量を求めることが可能である。以上の構成を用いることで、環境温度の変化に起因するレンズ位置の変化を低減し、変位量をゼロに近づけることができ、光学システムの温度安定性を向上させることができる。

（第２実施形態）
以下、図７乃至１０を用いて、本発明の第２実施形態について詳細に説明する。図７は、本実施形態に係る支持装置が適用される半導体露光装置を模式的に示す側面図である。この半導体露光装置１００は、レチクル５と、レチクルステージ６と、投影レンズ系７と、ウエハ８と、ウエハステージ９と、照明光学系１０と、露光装置のフレーム１１を備えている。レチクルステージ６はレチクル５を搭載して図７の左右方向に移動する。

レチクルステージ６に搭載されたレチクル５の一部には、照明光学系１０から露光用の照明光が照射される。照明光源は、例えば波長１９３ｎｍ（ナノメートル）のエキシマレーザである。照射領域はスリット状であり、レチクル５のパターン領域の一部をカバーする。このスリット部分に相当するパターンは投影レンズ系７によって４分の１に縮小されてから、ウエハステージ９に搭載されたウエハ８上に投影される。投影レンズ系７は、露光装置のフレーム１１に搭載されている。投影レンズ系７に対し、レチクル５とウエハ８とを走査することによりレチクル５のパターン領域をウエハ８上の感光剤に転写する。この走査露光がウエハ８上の複数の転写領域（ショット）に対して繰り返し行なわれる。投影レンズ系７には高い解像性能が必要であり、レンズを支持する部材に関して精度の高い構造が要求される。

図８は、第２実施形態に係る支持装置が適用される投影レンズ系７の一部を示す斜視図であり、図７におけるＢ部（二点鎖線の枠で囲んだ部分）の内部構造を示している。図１と同様に、説明のために支持部材の一部を切り欠いた図面になっている。本実施形態は、レンズ１、支持部材２及び支持部材３を含む光学ユニットを複数備えており、これらが光軸方向に積み重なったスタック構成となっている。図８に設定されたｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は３次元直交座標軸を表しており、重力方向が各光学ユニットの光軸と一致し、図８中の−ｚ方向である。

支持部材２ａ−２ｄはレンズ１ａ−１ｄを直接支持する。支持部材２ａがレンズ１ａを支持し、支持部材２ｂはレンズ１ｂ（不図示）を支持し、支持部材２ｃはレンズ１ｃ（不図示）を支持し、支持部材２ｄはレンズ１ｄ（不図示）を支持する。支持部材２ａ−２ｄは、鏡筒形状の支持部材３ａ−３ｄによって支持される。本実施形態において、各支持部材２ａ−２ｄの外周には弾性部材４ａ−４ｄがそれぞれに配置されている。本実施形態では、特に弾性部材４ａ、４ｃにおいてそれぞれの板状のバネが傾斜した姿勢とされた構成をとっており、弾性部材４ｂ、４ｄにおいてはそれぞれの板状のバネがｚ軸方向に沿う状態である。

図９は図８の弾性部材４ａの周辺を拡大した斜視図であり、図１０は図８の弾性部材４ｃの周辺を拡大した斜視図である。各図にて説明の便宜上、支持部材３ａや３ｃを部分的に切り欠いて示している。図９に示すように、弾性部材４ａにおいてｚ軸方向に対する板状バネの傾斜角度αａは４度である。また図１０に示すように、弾性部材４ｃにおいてｚ軸方向に対する板状バネの傾斜角度αｃは−７度である。このように、傾斜角度の正負及び値がそれぞれの場合で異なっている。なお傾斜角度の符号定義については図９及び図１０とは逆でもよい。

以上の構成において第１光学素子をレンズ１ａとし、第２光学素子をレンズ１ｃとした場合、レンズ１ａ及び１ｃに関する環境温度変化１度あたり（単位温度変化あたり）のｚ方向の変位量をそれぞれ”δｚ＿１ａ”、”δｚ＿１ｃ”と記す。例えば「δｚ＿１ａ＝０．３」、「δｚ＿１ｃ＝ −０．５」である。すなわち、各レンズは反対向きに変位している。なお、変位量の単位はμｍ（マイクロメートル）である。

また、本実施形態を適用した投影レンズ系において、レンズ１ａのｚ方向における単位変位量あたりの球面収差発生量を”ＳＡ＿１ａ”と記し、レンズ１ｃのｚ方向における単位変位量あたりの球面収差発生量を”ＳＡ＿１ｃ”と記す。このとき両者の比率は、「ＳＡ＿１ａ：ＳＡ＿１ｃ＝５：３」となっている。この比率は、前記変位量の比率「δｚ＿１ａ：δｚ＿１ｃ＝３：−５」の絶対値の逆比に相当する。第１実施形態では、環境温度の変化があってもレンズ１の位置が変わらないように、板状バネ２４の傾斜角度の値を決定したが、第２実施形態では、環境温度の変化に伴い、レンズ１ａ及びレンズ１ｃともに位置が変化する。しかしながら、環境温度が変化した際、それぞれのレンズにより発生する球面収差を互いに打ち消し合うように、レンズ１ａとレンズ１ｃがそれぞれｚ方向に変位する。従って、発生する球面収差はゼロとなる（ＳＡ＿１ａ×δｚ＿１ａ＋ＳＡ＿１ｃ×δｚ＿１ｃ＝０）。すなわち各レンズの変位量を調整することにより、各レンズの変位による球面収差発生量を打ち消すように板状バネ２４の傾斜角度の値が設定されている。

このようにすれば、環境温度が変化した際に発生する、レンズシステム全体での収差を、最小限に抑制できるようになるため、光学システムの温度安定性が向上する。また、第２実施形態によれば、第１実施形態のように、環境温度の変化に伴うレンズのｚ方向変位を各レンズにおいて少なくする方法に比べて、本発明を適用する箇所を光学系全体として減らすことができる。すなわち、環境温度が変化した場合に、本発明を適用しない支持装置において発生する収差を算出しておき、その収差を打ち消すように、本発明を支持装置に適用して、光学ユニットごとに前記傾斜角度を設定すればよい。これによって、環境温度変化時のレンズシステム全体での収差を、効率的に最小限に抑えることができる。
なお上記の説明では光学特性として球面収差を例示したが、これに限らず、倍率やディストーションなど他の光学特性についても同様に対処できる。すなわち、光学装置の光軸（各光学素子の光軸）の方向における単位温度変化あたりの各光学素子の変位により生じる光学特性の変化量が互いに打ち消し合うように、各部の材質及び配置を選択することができる。当該材質は、剛性を含む属性により選択されうる。また、当該配置は、板状バネ２４の取り付け位置・角度を含みうる。

（他のシステムへの適用）
以上、半導体露光装置の投影レンズ系システムを例示して本発明を説明したが、光学素子としてはレンズ以外に、ミラー等の反射素子や回折素子及びこれらを応用した光学素子などに適用することが可能である。

（デバイス製造方法）
次に、本発明の一実施形態のデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。本実施形態のデバイス製造方法は、従来の方法に比べて、デバイスの性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも一つにおいて有利である。

なお本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本発明は、例えば半導体製造工程において利用される露光装置などの光学装置において、光学素子を支持する支持装置に利用可能である。

２ 支持部材（第１支持部材）
３ 支持部材（第２支持部材）
４ 弾性部材（複数の部材のうちの１つ）

Claims (9)

1. 光学素子の外周部に固定される第１支持部材と、該第１支持部材の外周部に結合された複数の部材と、該複数の部材を介して前記第１支持部材を支持する第２支持部材とを有し、前記光学素子を支持する支持装置であって、
   前記複数の部材のそれぞれは、前記光学素子の光軸を含む面内において前記光軸と直交する方向に対して傾いた第１軸の方向における剛性が、該第１軸に直交し且つ互いに直交する２つの軸それぞれの方向における剛性よりも低く構成されている、ことを特徴とする支持装置。
2. 前記複数の部材のそれぞれは、板状バネを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の支持装置。
3. 前記第１支持部材に固定された前記光学素子の重心が温度変化により前記光軸の方向に変位しないように、材質及び配置が選択されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の支持装置。
4. 前記第１支持部材は、前記光学素子を支持する複数の突起を有し、
   前記第１支持部材は前記光学素子の外周部に接着剤で固定される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の支持装置。
5. 光学素子と、前記光学素子を支持する請求項１乃至４のいずれかに記載の支持装置とを含む、ことを特徴とする光学装置。
6. 第１光学素子と、該第１光学素子を支持する請求項１に記載の第１支持装置と、第２光学素子と、該第２光学素子を支持する請求項１に記載の第２支持装置と、を含む光学装置であって、
   前記第１光学素子の光軸の方向における単位温度変化あたりの前記第１光学素子の変位による光学特性の変化量と前記第２光学素子の光軸の方向における単位温度変化あたりの前記第２光学素子の変位による光学特性の変化量とが打ち消し合うように、材質及び配置が選択されている、ことを特徴とする光学装置。
7. 前記光学特性は、球面収差、倍率、及びディストーションのいずれかを含む、ことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
8. 光学系を介して基板を露光する露光装置であって、
   前記光学系は、請求項１に記載の支持装置を含む、ことを特徴とする露光装置。
9. 請求項８に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記工程で露光された基板を現像する工程と、
   を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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