JP2012014180A - 少なくとも１つのシステム絞りを備えた光学結像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体リソグラフィ光学システムにおいて、狭い設置領域で使用可能であると共に、レンズを汚す粒子を生成しないシステム絞りを備えた光学結像装置を提供する。
【解決手段】光学結像装置（ＰＬ）は少なくとも１つのシステム絞り（１）を備え、該システム絞りは、球状に湾曲し回転可能に取り付けられた複数の可動薄板を備える。該可動薄板は、一体構成のソリッドステート関節動作継手部により、互いに接触することなく回転するように回転軸受中心軸に取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つのシステム絞り（ダイヤフラム）を備えた光学結像装置、特に半導体リソグラフィ用の対物レンズに関する。該システム絞りは、複数の可動薄板から構成されている。
光学結像装置において様々なタイプの絞りがシステム絞りとして使用されていることは広く知られている。絞りによる光束の画定は、光学的結像を行うのに非常に重要である。絞りは光束の直径を左右するあるいは変化させることができるため、光学結像装置の光学結像品質にかなり影響し、光学結像品質を改善することができる。

半導体リソグラフィ光学システムにおいては、平らな絞り面を備えたアイリス絞りを使用することが知られている。しかしながら、光路の画定は開口幅ごとに光軸に沿っていろいろな位置で行う必要がある。これは以下に説明するように、すでに既存の絞りによって行われている。

例えば特許文献１（独国特許出願公開第１９９５５９８４号）は、一定の開口幅を超えて、追加の平らな薄板アセンブリが第２の位置において光路を画定する絞りを開示している。その絞りは互いに軸方向に離れて配置された少なくとも２つの絞りから構成されている。システム絞りの開口直径に応じて、異なる絞りが光学的に活性である。

特許文献１はさらに、薄板アセンブリを光軸に沿って移動できる絞りを開示している。薄板は互いに連動して回転可能な２つのリング間に配置されていて、２つのリングのうち少なくとも１つは回転移動が可能である。薄板アセンブリは軸方向に平行に転置または移動する。

特許文献１はまた、薄板が円錐形に配置された絞りを開示している。この場合、絞りの光学的に有効なエッジを、例えば円錐体の円周面上あるいは球状キャップの円周面上で移動させることができる。したがって、システム絞りの光軸について対称的に回転するように配置された薄板は、開口直径と結像装置の光路における軸方向位置との間を線形的あるいは半円形的な従属性により移動する。このような配置の欠点は、円錐角が大幅に制限されるため、光路が最適な形である球形上を移動しないことである。さらに、弾性を有する薄板を曲げることにより生ずる摩擦が大きいという問題がある。

特許文献２（国際公開第０２／３１８７０号）は、複数の開口絞りを備えた投影システムを開示しており、開口絞りは瞳面付近に配置されている。開口絞りの少なくとも１つは開口直径を変更可能で軸方向に移動可能である。

独国特許出願公開第１９９５５９８４号明細書 国際公開第０２／３１８７０号パンフレット

リソグラフィ対物レンズにおけるこのような絞りが、転がり軸受または滑り軸受を備えることは先に開示された解決法、例えば特許文献１からもわかる。例えば、薄板の回転軸受中心軸が滑るまたは転がるように取り付けられていたり、及び／または、薄板を移動させる駆動要素が滑るまたは転がるように取り付けられていたり、及び／または薄板の力駆動点に滑り軸受または転がり軸受けが存在したりする。リソグラフィ対物レンズ内部のこのような軸受それぞれが問題である。滑り摩擦または転がり摩擦はレンズを汚す粒子を生成し、その結果、結像品質をかなり落としてしまう。さらに、レンズ内部の潤滑もまた大いに問題となる。潤滑されない軸受であっても動作信頼性に関する危険性が高い。

したがって、本発明の目的は、光学結像装置において光路を画定するためのシステム絞りを提供することである。このシステム絞りは従来技術の欠点を克服すると共に狭い設置領域で使用可能であり、また光学面を汚さないように、薄板同士の摩擦を事実上起こさない。

本発明によると請求項１の特徴により本目的が達成される。

本発明の光学結像装置のシステム絞りは、回転可能に取り付けられる球状に湾曲した薄板を備える。薄板の回転軸受中心軸は好ましくは球の湾曲の中心に向けられており、球は球状湾曲部あるいは薄板の形状を規定する。

これにより、開閉時にシステム絞りの光規定エッジを球面に沿って移動させることが可能になる。この結果、開口幅ごとに例えば投影対物レンズのような光学結像装置の光軸に沿っていろいろな位置で、球に対応する湾曲上を移動し、設置領域から球状キャップへの進入または挿入が可能なシステム絞りを形成することが可能になる。したがって、設置領域が狭い場合でも、本発明のシステム絞りをミラーの凹面、レンズ、あるいは２つのレンズの間における非常に狭い中間領域に導入することができる。

特に好ましい構成において、薄板は２つの球面上で部分的に重なって移動できるように配置される。球面の湾曲の中心は同一であり、２つの球面は好ましくは非常に狭い相互間隔Ａを備える。

システム絞りは、従来技術から知られている絞りのように、その表面が直接互いを支持しない薄板を備えるが、それらは２つの球上で交互に数ミリメートルの間隔Ａ（好ましくはＡ＜１ミリメートル）をあけて配置されている。開閉時に薄板同士が互いに接触しないということは、例えば結果として生じる粒子で投影対物レンズを汚してしまう可能性がある摩擦が２つの「隣接する」薄板間で起きない点で非常に有利である。さらに、システム絞りに使用される薄板は摩耗しない。したがって、個々に取り付けられた薄板を使用することにより、例えばＳＩＳＩＣ（反応焼結Ｓｉ含浸ＳｉＣ）のようなセラミックから薄板を製造することが可能になる。これはシステム絞りに関しては非常に有利な特徴である。これにより、薄板を軽量かつ非常に堅く、また所望の形に製造することができる。

本発明の好ましい形態において、薄板はさらに、一体構成の関節動作継手部すなわち、ソリッドステート関節動作継手部により回転軸受中心軸にそれぞれ回転可能に取り付ける。薄板は駆動リングにより移動可能であり、駆動リングはソリッドステート関節動作継手部を介して光軸周りに回転可能に取り付ける。

本発明では回転時に移動する部分は、従来技術から既知であるような滑り軸受または転がり軸受によらず、代わりにソリッドステート関節動作継手部により実装されている。ソリッドステート関節動作継手部を使用することで、弾性的な要素の弾性変形によって偏心距離を小さくすることができる。このことは、滑り摩擦または転がり摩擦が起こらないという点で非常に有利である。したがって、滑り軸受または転がり軸受が使用された場合のように、光学結像装置の光学表面上に粒子が堆積することはなく、結像品質を著しく損なうこともない。別の利点はソリッドステート関節動作継手部を非常に正確にコンピュータにより制御できることである。したがって、表面を覆って光学素子を損なうかもしれない潤滑油は不要である。

以下に、本発明の実施例をより詳細に、付属の図面を参照しながら説明する。

光学素子の凹面における本発明によるシステム絞りの配置の概略図を示す。 本発明によるシステム絞りの薄板の具体的な配置の概略図を示す。 システム絞りにおける複数の薄板を配置する状況の概略図を示す。 本発明のシステム絞りの斜視図を示しており、薄板はソリッドステート関節動作継手部を介して取り付ける。 薄板駆動装置を備えたシステム絞りの概略図を示す。 薄板の回転軸受中心軸を心合わせする一方法の概略図を示す。 薄板の回転軸受中心軸を心合わせする別の方法の概略図を示す。 薄板の回転軸受中心軸を心合わせする際の測定を行う一方法の概略図を示す。 薄板の回転軸受中心軸を心合わせする際の測定を行う別の方法の概略図を示す。 本発明によるシステム絞りにおける別の実施例の概略図を示す。

図１は、概略的かつ部分的に示された光学結像装置ＰＬ、例えば半導体リソグラフィ用の対物レンズにおいて、空間を節約して開口幅ごとに光軸３に沿っていろいろな位置で光路を画定するために、本発明のシステム絞り１（ここでは単に点線により表示されている）がどのように光学素子２の凹面に導入されることができるかを示している。光学結像装置ＰＬは半導体リソグラフィに使用される対物レンズとして設計されている。ＲBは、例えばシステム絞り１が完全に閉じている場合のシステム絞り１の半径を表す。ＲEは、システム絞り１の表面に対応する光学素子２の表面の半径である。

図２は、本発明のシステム絞り１の詳細を概略的に表したもので、１つの薄板４のみを断面図で示している。薄板４は、その湾曲にあわせて球状に設計されており、回転軸受部として構成される軸受部５を薄板４に設ける。回転軸受部５は回転軸受中心軸６を有していて、回転軸受中心軸６は、薄板４の薄板形状により生成される球７の湾曲部の中心Ｃに非常に正確に向けられている。薄板４が球状に構成されていることと回転軸受中心軸６が湾曲部の中心Ｃに心合わせされることにより、薄板４は円周面を移動可能である。したがって、球７の湾曲部の中心Ｃは光学絞り面の中心に対応している。

図３は３つの薄板４を備えたシステム絞り１の詳細を概略的に表す。１つの薄板４だけでは環状に光路を画定できない。このためには、通常、薄板４が一定数必要であり、薄板４はその光規定エッジによりほぼ円を描く。環状光路の画定のために、ここでは好ましくは８ないし１０の薄板４を使用する。もちろんその数はより多くてもより少なくてもよい。従来技術の薄板においては、絞りが使用されている際には薄板は完全に部分的に重なる。このことはもちろん本発明のシステム絞りにおいても保証されなければならない。

個々に取り付けられ、１つの面に全ての薄板４が取り付けられているわけではない薄板４を使用することで、薄板４を例えばセラミック、好ましくはＳＩＳＩＣ（反応焼結Ｓｉ含浸ＳｉＣ）のような非常に堅い材料から製造することが可能である。これにより、薄板４を軽量かつ非常に堅く、また所望の形に製造することが可能になり、非常に有利である。薄板４の剛性により薄板４が自身の重量により垂れ下がらず、また個々の薄板４が互いに接触することもない。したがって、薄板４が２つの円周面７及び７’にある場合にのみ個々の薄板４は部分的に重なることができる。円周面７及び７’はここでは点線により表されており、非常に狭い間隔Ａにより互いに隔てられている。薄板４の回転軸受中心軸６が湾曲部の中心Ｃに向けられ、また球７及び７’がＣに湾曲の中心を持つよう注意が必要である。

光路の画定を一意なものとするために、薄板４を同時に動かし、すでに述べた回転軸あるいは回転軸受部５の回転軸受中心軸６を非常に正確に湾曲部の中心Ｃに心合わせする必要がある。システム絞り１を開閉時に薄板４同士が接触しないようにする一方で、２つの球７及び７’間の空間Ａはできる限り狭く、例えばほんの数ミリメートル、好ましくはＡ＜１ミリメートルに保つべきである。これは、図３に明確に示されているように、回転軸受中心軸６を湾曲部の中心Ｃの方向において交互に向かい合うように回転軸受部５を配置することにより有利に達成される。

図４は本発明のシステム絞り１を斜視的に表している。本発明のシステム絞り１は、一体構成の関節動作継手部、すなわちソリッドステート関節動作継手部８を使用して薄板４の回転あるいは移動を可能にし、また転がりあるいは滑り軸受を使用せずに絞り開口９の調整を可能にする。

図５は図４のシステム絞り１をより詳細に表したものである。薄板４が、一体構成のソリッドステート関節動作継手部８により回転軸受中心軸６に回転するように取り付けられていることは図４から明らかである。例えば、この目的でクロススプリング（十字状ばね）をソリッドステート関節動作継手部８として使用してもよい。ソリッドステート関節動作継手部８はコンピュータにより非常に正確に制御可能である。ソリッドステート関節動作継手部８にかかる負荷が材料の長期強度を越えなければ、ソリッドステート関節動作継手部８が機能しなくなる危険性は非常に低い。金属材料をソリッドステート関節動作継手部８に使用してもよいが、その材料がＵＶに耐性を有するよう注意が必要である。密閉空間から外側に突出するレバーにより駆動リングないし同期リング１０を矢印の方向に光軸３周りに数度（°）にわたり回転させることができる。駆動リング１０それ自身は半径方向に堅く回転方向に柔軟なソリッドステート関節動作継手部１１を使って取り付けられている。駆動要素１２は駆動リング１０と一体型である。駆動要素１２は薄板４の回転軸受中心軸６上で薄板４に接続されている。駆動リング１０を光軸３周りに動かすと駆動要素１２は薄板４と共に薄板軸または回転軸受中心軸６周りを回転する。ソリッドステート関節動作継手部１１が弾性変形することにより駆動トルクが増加する。

駆動リング１０が駆動要素１２と一体であり、薄板４の開閉のために光軸３周りに回転しなければならないために、駆動要素１２と駆動リング１０との間にも、一体構成のソリッドステート関節動作継手部１１’が設けられている。ソリッドステート関節動作継手部１１’を単一のリーフスプリングとして形成してもよい。これはもちろんソリッドステート関節動作継手部を１つのタイプに制限するものではない。駆動リング１０は故障の危険性を小さくするために交互に負荷が与えられても高い安定性を有する材料から製造されなければならない。

駆動装置１０’は駆動リング１０を詳細には図示されない方法で駆動する。駆動装置１０’は、例えば、カム歯車、偏心モータ、リニアモータ、圧電モータであってもよいが、このリストにより限定されるものではない。薄板４を動かすための駆動装置１０’はガス空間Ｇの外側に配置される。ガス空間Ｇを、例えば、ヘリウムや窒素など様々なガスで満たしてもよい。摩擦にさらされておらず、ソリッドステート関節動作継手部８，１１，１１’だけを介して取り付けられたシステムが光学ガス空間Ｇに配置されている間、摩擦にさらされやすい移動部分を備えた駆動装置１０’を取り外すことができる。光学面上に汚染物質を堆積させないためには、駆動装置１０’をガス空間Ｇの外側に配置すると非常に有利である。

ソリッドステート関節動作継手部８，１１，１１’を使用した薄板４の取り付けは、もちろん平面上を移動する絞りシステムに使用してもよく、単純に光規定エッジが円周面上を移動する絞りに制限するものではない。

回転軸受中心軸６を湾曲部の中心Ｃに心合わせする方法の１つは、図６に断面図として示すようにダイヤフラム１３に回転軸受部５を懸垂することである。固定装置は下方軸受要素１４と上方軸受要素１４’から構成され、回転軸受中心軸６は、軸受要素１４及び１４’間に延びている。ダイヤフラム１３は軸受要素１４、１４’と薄板４との間に設けられる。回転軸受中心軸６を湾曲部の中心Ｃに心合わせするために、下方軸受要素１４を調整ネジ１５によりセットしてもよい。この結果、絞り１３はボール結合として使用される。例えば、この設定のために互いに１２０°に配置された３つの調整ネジ１５を使用してもよい。調整ネジ１５を下方軸受要素１４上にセットすることにより、回転軸受中心軸６を湾曲部の中心Ｃに正確に心合わせすることが可能である。

回転軸受中心軸６を湾曲部の中心Ｃに心合わせする別の方法は、運動幾何学系を利用することである。これを図７に概略的に示す。ここでは、回転軸受中心軸６を備えた回転軸受部５をソリッドステート関節動作継手部１６に固定する。ソリッドステート関節動作継手部１６を、４自由度の関節動作継手部として設計してもよい。ソリッドステート関節動作継手部１６を保持するための保持要素１７をソリッドステート関節動作継手部１６の上部に設ける。４自由度関節運動継手を有利に使用することで、回転軸受部５の旋回運動を利用して回転軸受中心軸６を調整できる。このような運動幾何学は、保持要素１７上の製作公差により、軸の一方向、実施例においてはｘ軸が自由に動く場合に特に適している。これによりｙ方向への移動で十分になる。運動幾何学あるいは回転軸受部５をｚ軸周りに回転可能にする場合には、運動幾何学は別の選択肢を提示する。これは締め具により容易に達成される。

図８及び図９は、薄板４の回転軸受中心軸６が湾曲部の中心Ｃに心合わせされている場合の測定法を概略的に示す。第１の選択肢は図８に示す触覚測定法である。ここでは、球形に設計された薄板４が非常に精密に製造されることが重要である。これにより、球体を例えば２ミリトロンスキャナ１８で分析してもよい。薄板４の球面の正確な半径を決定できる。薄板４を空間に正しく配置することで湾曲部の中心Ｃを直接決定することができる。球形であることにより、工具を基準面及び回転軸に心合わせすることができる。薄板４と同様に、工具も球形である。薄板４はこの組立構造体にもたれかかるように配置され、別の固定法により吸引または保持される。その後、この組立構造体を基準面及び回転軸受中心軸６に心合わせする。心合わせ後、薄板４を工具または組立構造体により計測して正しい場所に配置できる。触覚測定の利点は、機械工具により容易に実装できること、また機械工具が再利用できることである。さらに他の測定法に比べ比較的経済的である。

図９は薄板４の回転軸受中心軸６を心合わせする光学測定法の別の概略図を示す。ここでも、薄板４は同様に組立構造体または工具により保持されるため、薄板４を傾斜させたり移動させたりできる。この場合に直接湾曲部の中心Ｃを測定できるようにするために、薄板４または軸受５に穴の形状の小凹部Ｈを形成する。小凹部Ｈを通過するレーザビーム１９を用いることで、スクリーン２０上に点を結像できる。湾曲部の中心Ｃを定義するためには、スクリーン２０上に結像点を得られるようにレーザビーム１９が全ての薄板４または回転軸受部５を通過する必要がある。結像点は、可能な限り、湾曲部の中心Ｃ近くに存在する小さな点の集まりでなければならない。全ての結像点がそのような小さな点の集まりを形成するのであれば、湾曲部の中心Ｃは光学測定法を利用して決定される。光学測定法は触覚測定法よりかなり正確である。

個々に取り付けられて空間に固定される堅くて比較的分厚い薄板４を、図１０に概略して示すように、非常に薄い薄板４’に置き換えてもよい。しかしながら、ここでは、薄板４’が積層されていることが重要である。本発明のシステム絞り１’を構成するにあたっては、薄板４’はその湾曲部において球状に設計され、ここで再び回転軸受部５’の回転軸受中心軸６’を球の湾曲部の中心Ｃに心合わせする必要がある。薄板４’のガイド用に、固定軸を備えた内部リングと溝付きリング及びピンを備えた外部リングとを有する従来技術の絞りシステムを設けてもよい。薄板４’をガイドするために、固定リングと移動溝付きリングの両方を円周面に設ける。システム絞り１’のこの実施例の利点は、光規定エッジがより正確であることである。

システム絞り１及び１’を設計するための両方の変形例または選択肢において、薄板４及び４’の円周面を非常に正確にメンテナンスする必要がある、さもなければ、特に図１０の薄い積層薄板４’の例では、過度の摩擦効果に対処する必要がある。具体的には、このような薄板４及び４’を製造する方法としては、成形した本体に対して「電解析出」で形成するのが適当である。

Claims (21)

1. 回転可能に取り付けられた複数の可動薄板（４，４’）を備えた少なくとも１つのシステム絞り（１）を有する光学結像装置、特に半導体リソグラフィ用の対物レンズであって、薄板（４，４’）が球状に湾曲していることを特徴とする光学結像装置。
2. 薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）が球（７）の湾曲の中心（Ｃ）に心合わせされていて、球（７）が、薄板（４，４’）が互いに連動して移動できる面を規定することを特徴とする、請求項１に記載の光学結像装置。
3. 薄板（４，４’）が、湾曲の中心（Ｃ）が同一である２つの球面（７，７’）上を部分的に重なって移動できるように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の光学結像装置。
4. ２つの球面（７，７’）間には数ミリメータの間隔Ａがあり、好ましくはＡ＜１ｍｍであることを特徴とする、請求項３に記載の光学結像装置。
5. 薄板（４）が高い剛性を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学結像装置。
6. 薄板（４）を回転させるために、各薄板（４）を、一体構成のソリッドステート関節動作継手部（８）により、回転するように回転軸受中心軸（６）に取り付けることを特徴とする、請求項２に記載の光学結像装置。
7. 薄板（４）が駆動リング（１０）を使って移動可能であり、駆動リング（１０）が、駆動リング（１０）に、一体構成のソリッドステート関節動作継手部（１１，１１’）を介して光軸（３）周りを回転可能に取り付けたことを特徴とする、請求項１に記載の光学結像装置。
8. ソリッドステート関節動作継手部（１１，１１’）が、半径方向において堅く、回転方向において柔軟なソリッドステート関節動作継手部（１１，１１’）であることを特徴とする、請求項７に記載の光学結像装置。
9. 駆動リング（１０）が駆動要素（１２）を介して薄板（４）にそれぞれ接続されることを特徴とする、請求項７に記載の光学結像装置。
10. 駆動要素（１２）がソリッドステート関節動作継手部（１１’）を介して駆動リング（１０）に接続されることを特徴とする、請求項９に記載の光学結像装置。
11. 駆動リング（１０）が駆動要素（１２）と一体であることを特徴とする、請求項７に記載の光学結像装置。
12. 駆動リング（１０）が、交互に与える負荷下で高い安定性を有する材料により形成されることを特徴とする、請求項７，９，１０，１１のいずれかに記載の光学結像装置。
13. 薄板（４，４’）を移動させるための駆動装置（１０’）が、ガス空間（Ｇ）の外側に配置されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の光学結像装置。
14. 薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）を備えた回転軸受部（５，５’）がそれぞれダイヤフラム（１３）に固定されていて、薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）を湾曲部の中心（Ｃ）に心合わせできることを特徴とする、請求項２又は６に記載の光学結像装置。
15. 回転軸受中心軸（６，６’）を心合わせするために調整部材（１５）が設けられることを特徴とする、請求項１４に記載の光学結像装置。
16. 薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）を備えた回転軸受部（５，５’）をそれぞれ、一体構成のソリッドステート関節動作継手部（１６）に固定し、薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）を湾曲部の中心（Ｃ）に心合わせできることを特徴とする、請求項２又は６に記載の光学結像装置。
17. ソリッドステート関節動作継手部（１６）を４自由度関節動作継手部として設計することを特徴とする、請求項１６に記載の光学結像装置。
18. 薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）を心合わせする際の計測に、触覚または光学測定法を用いることを特徴とする、請求項１４又は１６に記載の光学結像装置。
19. 複数の可動薄板を備え、該薄板（４，４’）が球状に湾曲すると共に回転するように取り付けられ、薄板（４，４’）の回転軸受中心軸（６，６’）が球（７）の湾曲部の中心（Ｃ）に心合わせされていて、球（７）が、薄板（４，４’）が互いに連動して移動できる面を規定することを特徴とする、絞り。
20. 薄板（４，４’）が、湾曲の中心（Ｃ）が同一である２つの球面（７，７’）上を部分的に重なって移動できるように配置されることを特徴とする、請求項１９に記載の絞り。
21. ２つの球面（７，７’）間には数ミリメータの間隔Ａがあり、好ましくはＡ＜１ｍｍであることを特徴とする、請求項２０に記載の絞り。

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