JP2019028352A - 光学装置、これを用いた露光装置、および物品の製造方法 - Google Patents

光学装置、これを用いた露光装置、および物品の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】所望のミラー変形精度を維持しつつ、アクチュエータの数を減らすことができる光学装置におけるアクチュエータの配置技術を提供する。【解決手段】光学装置は、ミラー1と、ミラー1の反射面1aの形状を変形させる複数のアクチュエータ3と、を有する。複数のアクチュエータ3の少なくとも一部は、前記反射面における前記ミラーの中心から離れるほど密になった複数の同心円上に配置されると共に、同心円の円周方向に等間隔に配置されている。【選択図】図1

Description

本発明は、変形可能なミラーを含む光学装置、投影光学系、露光装置、および物品製造方法に関する。
波面誤差や像ひずみを補正するために変形可能なミラーを含む光学装置は、特に半導体露光装置やフラットパネル露光装置、天体望遠鏡などに使用される。露光装置では近年その解像度の要求がますます厳しくなってきており、従って露光収差への要求も厳しくなってきている。そこで、露光収差を補正するために、露光装置に変形可能なミラーを含む装置構成が提案されている。また、天文分野でも、地上に設置される望遠鏡における空気揺らぎの影響を抑えるために、変形可能なミラーが使われるようになってきている。
非特許文献1は、地上型天体望遠鏡における空気揺らぎの影響を低減するために、薄い副鏡の裏面に、該副鏡を変形させるアクチュエータとしてボイスコイルモータを均等に336本配置した構成を提案している。
特許文献1は、露光装置に変形可能なミラーを適用した場合に、ミラーを変形させる際にアクチュエータから発生する熱の影響を低減するために、発生力が大きく発熱が比較的少ない電磁石を用いた可変形ミラーの構成を提案している。
特開2007−316132号公報(段落(0007)、図7)
M.Lloyd-Hart, etl.,「Adaptive optics for the 6.5-m MMT」,Proceedings of SPIE, USA, SPIE, 2000, Vol. 4007, p.167-174
しかし、非特許文献1のようにアクチュエータを均等且つ密に配置する構成では、不要な場所にもアクチュエータが配置され、製作及び制御が複雑になるだけでなく、変形可能なミラーのコストも高くなってしまうことがあり得る。また特許文献1は、実施例として、ツェルニケ多項式で表現されるミラーの2θ成分、3θ成分を補正するためのアクチュエータの配置例を示しているが、配置例の背後にある配置思想ないし配置原理を開示するものではない。そこで、本発明は、なるべく少ない数のアクチュエータで所望のミラー変形精度を達成することができるミラーにおけるアクチュエータの配置の技術を提供することを目的とする。
本発明の一側面による光学装置は、ミラーと、ミラーの反射面の形状を変形させる複数のアクチュエータと、を有する光学装置であって、前記複数のアクチュエータの少なくとも一部は、前記反射面における前記ミラー中心から離れるほど密になった複数の同心円上に配置されると共に、前記同心円の円周方向に等間隔に配置されている。
本発明の一側面によれば、所望のミラー変形精度を維持しつつ、アクチュエータの数を減らすことができる。
第1実施形態の駆動点配置(アクチュエータ配置)を示した図である。 第1実施形態の実施例1における計算結果を示した図である。 第2実施形態の駆動点配置(アクチュエータ配置)を示した図である。 第2実施形態における半径方向の駆動点配置方法を示した図である。 第2実施形態の計算例を示した図である。 第3実施形態の駆動点配置(アクチュエータ配置)を示した図である。 第5実施形態の露光装置を示した図である。 定義した用語の説明のための図である。
本発明の一側面の配置方針によれば、ミラーの反射面の形状を変形させる複数のアクチュエータの少なくとも一部が、反射面におけるミラーの中心から離れるほど密になった複数の同心円上に配置されると共に、各同心円の円周方向に等間隔に配置される。「密になった」とは、半径方向の外側に行くほど同心円間の半径方向の距離が狭まることである。この配置方針は、ミラーの反射面の形状補正のために効果的なアクチュエータの配置位置を見出し、高いミラー変形精度とアクチュエータの配置数の少なさとを両立しようとするものである。効果的なアクチュエータの配置位置としては、ミラーの目標形状を表現する式(例えば、ツェルニケ多項式)を参考にしてミラーの半径方向におけるアクチュエータの効果的な配置箇所を探り、円周方向ではミラーの形状の回転対称性を考慮する。一般的にミラーの外周付近の形状を精度良く規定するのに、アクチュエータの配置位置間の距離に係わる後述の最大空間周波数という概念が必要で、ミラー外周付近ではアクチュエータは最小駆動点間隔で配置されるのが好ましい。従って、アクチュエータはミラーの中心から離れるほど密に配置され、外周部では最も密に配置されるのが好ましい。同心円の円周方向に等間隔に配置することは、反射面に垂直な方向から見たミラーの形状が、対称回数が無限の回転対称性をもつ円形である場合により有効である。またこの観点から、複数のアクチュエータの全体的な配置は回転対称になっているのが好ましい。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。まず、本発明の一側面を規定するのに使われている用語の定義を行う。円周方向で「等間隔」というのは、次のように定義する。理想的な場合、同じ円周方向に配置される複数のアクチュエータは幾何学的等間隔Laで配置されるが、装置の加工、組立、その他の都合などで正確に理想的な位置に配置することが困難な場合が多々ある。そこで、「等間隔」は、アクチュエータの位置ずれ量が幾何的等間隔Laの±30%以内である場合も含むことを指す。
また本明細書中で用いる「極値の近傍」、「変曲点の近傍」における「近傍」は、半径方向におけるアクチュエータの理想的な位置からのずれ量が、隣り合うアクチュエータの間隔Lbの30%以内であることを指す。用語「等間隔」における位置ずれ量を±30%以内(−30%と30%との間の範囲以内)、また用語「近傍」における位置ずれ量を30%以下と定義した理由については、実施形態の説明後に図8を用いて説明する。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態における光学装置10の構成を示す概略図である。図1(a)は、光学装置10の上面図を示し、図1(b)は、光学装置10の断面(正面)図を示している。光学装置10は、ミラー1を変形させる、具体的には、ミラー1の反射面1aを所望の目標形状に変形させることができる可変形ミラー装置である。光学装置10は、ミラー1と、保持部材2と、ベースプレート4と、アクチュエータ3と、を含み得る。
光軸Aを持つミラー1は、保持部材2を介してベースプレート4に固定されている。ミラー1とベースプレート4との間には、ミラー1の反射面1aの形状を所望の形状に変形させるためのアクチュエータ3が複数配置されている。本実施形態のアクチュエータ3は、ミラー1の裏面1bに取り付けた磁石3aと、ベースプレート4上に取り付けたコイル3bからなるボイスコイルモータ(VCM)と、を含み得る。ミラー1は、反射面1aに垂直な方向から見て円形の平面形状を有し、ミラー1の中心を通り平面形状に垂直な中心軸が上記光軸Aとなる。また、ミラー1は、反射面1aが凹形状を含む凹面ミラーや、反射面1aが凸形状を含む凸面ミラーとしても良い。すなわち、ミラー1は、反射面1aが平面形状、凹形状、凸形状のいずれか1つを含むようにできる。
駆動点5はアクチュエータ3の位置を表すもので、ミラー1の複数の同心円上に配置され、且つ複数の同心円はミラー1の中心を通る光軸Aから離れるほど密に配置されている。一番内側の一点鎖線の同心円と一番外側の一点鎖線の同心円は、それぞれ内側の光学有効領域境界6と外側の光学有効領域境界7を表す。また、アクチュエータ3は、同じ半径上の円周方向には、等間隔で配置されている。さらに、アクチュエータ3は半径方向に整列して配置され、複数のアクチュエータの全体的な配置は90度回転対称になっている。
また、ミラー1は、ばね性を有する弾性部材などを介して、例えばリング状の中間部材に保持され得る。弾性部材などは、例えばミラー外周部の同一円周上の3箇所に120°間隔で設けられる。中間部材は高い剛性を有しており、中間部材とベースプレート4の間に設けた、アクチュエータ3とは別のアクチュエータによってXYZ軸方向や各軸回りの回転方向(チルト方向)に駆動される。ミラー1の位置は、変位計などの計測手段によって計測され、計測結果にもとづいて上記別のアクチュエータを駆動することで調整され得る。これにより、ミラー1の位置および姿勢を制御することができる。また、ミラー1の反射面1aの形状も、レーザー干渉計などによって計測され、計測値と目標形状値との差に基づいてアクチュエータ3が駆動・制御されることでミラー1の反射面が目標形状にもたらされる。ここにおいて、制御器(不図示)が、計測値と目標形状値との差から反射面の変形に必要な力を算出し、算出された力を発生させるようにアクチュエータ3のコイル3bに電流を流す。また、各コイルに流す電流値を電流計(不図示)で計測して、計測結果にもとづいてフィードバック制御する。
(実施例1)
次に計算例を用いて、第1実施形態の実施例1の効果を説明する。計算モデルにおけるミラー1の諸元は表1に示す。表1における有効内径は内側の光学有効領域境界6に対応し、有効外径が外側の有効領域境界7に対応する。
表1 計算モデルの諸元
ミラー材質 ミラー外径 有効外径 有効内径 ミラー厚み
石英 320mm 300mm 90mm 4mm
本実施例では、補正したい最大空間周波数(所望される形状精度を達成するために要求される駆動点の最小間隔)から最小駆動点間隔を21mmとする。具体的には、後述する図2のシミュレーション例に用いた、ツェルニケ多項式のZ1〜Z16項からなる目標形状において、最大空間周波数を持つZ16項から最小駆動点間隔を決めている。例えば、最小駆動点間隔は、後述の図4における、破線で示す曲線上の一番右側の黒丸で表される点と右から二番目の黒丸で表される点との間の距離から求めることができる。また、ミラーの補正したい形状と補正駆動後の形状との差分形状である誤差形状が、RMS(root mean square)で、10nm以内になることを目標にした。前述した様に、前記最大空間周波数は一般的にミラーの外周付近の形状を表すのに必要で、本実施例での最小駆動点間隔21mmもミラー外周付近の間隔と仮定する。
そこで、ほぼ21mm間隔で均等に駆動点を配置する比較例を考えると、この比較例では、表2から駆動点の合計は168個となり、アクチュエータは168個必要となる。この数値は、周方向のアクチュエータの配置数を第1周目から第6周目まで合計して得られる。
表2 均等配置の比較例:駆動点の配置位置と数
第1周目 第2周目 第3周目 第4周目 第5周目 第6周目
配置直径 90mm 132mm 174mm 216mmm 258mm 300mm
周方向の配置数 8 16 24 32 40 48
一方、本発明の配置思想を適用した実施例1では、アクチュエータを配置する駆動点の合計は、表3から136個のアクチュエータが必要となることが分かる。この数値は、周方向のアクチュエータの配置数を第1周目から第5周目まで合計して得られる。表3から分かる様に、アクチュエータの配置箇所は、半径方向外側に行くに従って次第に密になっている。
表3 本実施例の配置方法による配置例:駆動点の配置位置と数
第1周目 第2周目 第3周目 第4周目 第5周目
配置直径 90mm 153mm 209mm 258mmm 300mm
周方向の配置数 8 16 24 40 48
図2に表2と表3の変形駆動のシミュレーション結果を示す。図2(a)〜(c)は168点配置例(比較例)の結果を示し、図2(d)〜(f)は136点配置例(実施例1)の結果を示している。同じ行の3枚の図はそれぞれ補正したい形状、補正駆動後の形状、および両者の差分形状を示す。ここで補正したい形状(目標の形状)は、光学領域で良く使われているツェルニケ多項式で展開するときの係数をランダムに発生させて作成した形状である。
ツェルニケ多項式は、円形領域で完全系を成す直交多項式であり、円形であることが多いレンズ、ミラーと相性が良く、光学分野でよく使われている。しかし、本明細書では光学収差を表すのでなく、ミラーの形状を表すのに用いる。つまり、ミラーの形状を例えば次の式(1)で表わすことができる。
S(r,θ)=ΣCi・Zi ・・・(1)
ここで、Ciはツェルニケ多項式の各項の係数であり、Ziはツェルニケ多項式の各項で、iはツェルニケ多項式の次数を表わす。ツェルニケ多項式の36項までの各項は極座標系r-θで次の式(2)ように表わされる。
Z1=1
Z2=rcos(θ)
Z3=rsin(θ)
Z4=2r −1
Z5=rcos(2θ)
Z6=rsin(2θ)
Z7=(3r−2r)cos(θ)
Z8=(3r−2r)sin(θ)
Z9=(6r−6r +1)
Z10=rcos(3θ)
Z11=rsin(3θ)
Z12=(4r−3r)cos(2θ)
Z13=(4r−3r)sin(2θ)
Z14=(10r−12r+3r)cos(θ)
Z15=(10r−12r+3r)sin(θ)
Z16=(20r−30r+12r−1)
Z17=rcos(4θ)
Z18=rsin(4θ)
Z19=(5r−4r)cos(3θ)
Z20=(5r−4r)sin(3θ)
Z21=(15r−20r+6r)cos(2θ)
Z22=(15r−20r+6r)sin(2θ)
Z23=(35r−60r+30r−4r)cos(θ)
Z24=(35r−60r+30r−4r)sin(θ)
Z25=(70r−140r+90r−20r+1)
Z26=rcos(5θ)
Z27=rsin(5θ)
Z28=(6r−5r)cos(4θ)
Z29=(6r−5r)sin(4θ)
Z30=(21r−30r+10r)cos(3θ)
Z31=(21r−30r+10r)sin(3θ)
Z32=(56r−105r+60r−10r)cos(2θ)
Z33=(56r−105r+60r−10r)sin(2θ)
Z34=(126r−280r+210r−60r+5r)cos(θ)
Z35=(126r−280r+210r−60r+5r)sin(θ)
Z36=(252r10−630r+560r−210r+30r−1)
・・・(2)
図2の例では、ツェルニケ多項式をZ1〜Z16まで考慮し、その係数C1〜C16を正規分布に従ってランダム数発生させ、その値を式(1)に代入して目標形状Sを作成したものである。具体的には、正規分布の平均値はゼロ、偏差値はC1〜C4を100nm、C5−C16を25nmとして、ランダム数を発生させた値から形状Sを作成している(図2の(a)と(d))。
168点配置例では可変形ミラーの補正能力を示す誤差形状はRMSで2.6nm、136点配置例では誤差形状はRMSで5.8nmと、両者とも目標である10nm以下という目標値を満たしている。また、最小駆動点間隔21mmという前提条件も満たしている。ここで136点配置における最小駆動点間隔は第5周目と第4周目との間隔であり、表3より(300-258)/2=21mmとなっている。ということは、168点配置例(比較例)は過剰な駆動点を配置しており、従って余分なアクチュエータを取り付けていることになる。
従って、本発明による上記実施形態や実施例の方法を用いると駆動点の数を減らすことができるので、加工及び組立の複雑さが軽減でき、さらに制御系の複雑さも軽減することが可能となる。また結果的には、可変形ミラーの製作及び運用時のコストも削減できる。本実施例では、駆動点配置の一例を示したが、これに限定するものでない。例えば、アクチュエータの外周付近の配置は光学領域境界上が望ましいが、その近傍でもよい。またアクチュエータをVCMの例で説明したが、他のアクチュエータ(例えばミラーの裏面に配置されるバイモルフ)でもよい。
<第2実施形態>
次に図3と図4を用いて第2実施形態の駆動点配置方法について説明する。図3は駆動点を、補正したい形状の光学領域境界上、及び極値または極値近傍に配置した例を示す。本実施形態に限らず、各図における同じ符号は同じ構成部材または構成要素を指し、これらは第1実施形態で説明したので、ここではその説明を省略する。本実施形態では、形状補正のために効果的な位置(極値)またはその近傍に配置するのであるが、これは第1実施形態の外周に行くほど密に配置するという考え方と一致する。ここでも複数のアクチュエータの全体的な配置は90度回転対称になっている。
図4において、2つの曲線はミラー1形状をツェルニケ多項式で展開した時の回転対称成分になるZ9項と、Z16項を表したものであり、横軸rはミラー1の半径で無次元化した半径で、縦軸はツェルニケ係数に係わる値を示す。曲線上の一番左側と一番右側の黒丸で表される点は、内側と外側の光学領域境界上、またはその近傍の位置を示し、それ以外の黒丸で表される点は、曲線の極値、または極値近傍の点を表す。図4の黒丸で表される点に従って半径方向の駆動点配置を決め、また周方向でも、図示していないが、できるだけ極値とその近傍に配置すると、表4のような配置ができ必要なアクチュエータの数は44本となる。
表4 本実施形態の配置方法による配置例:駆動点の配置位置と数
第1周目 第2周目 第3周目 第4周目 第5周目
配置直径 90mm 158mm 212mm 258mmm 300mm
周方向の配置数 4 8 8 12 12
図5は第2実施形態の計算例を示した図である。図5において、(a)、(b)、及び(c)はそれぞれ補正したい形状、補正駆動後の形状、及び誤差形状を示す。表4のような駆動点配置によって、補正したい形状を作ると誤差形状は図5(c)に示すように、RMSで9nmと目標値以内となっている。また、最小駆動点間隔も21mmと前提条件を満たしている。つまり、アクチュエータの数を表2の168本から44本まで減らしても所望の目標は達成できることを示している。
本実施形態においても、駆動点の配置は図示した例に限定するものでない。必要な目標(補正精度)に合わせて増減すればよい。また、実際の設計上、正確に極値、光学領域の境界上にアクチュエータを配置または取り付けることが難しい場合があるので、その場合は極値の近傍、境界の近傍でもよい。さらに、場合によっては全ての極値に駆動点を配置するのはスペース上困難な場合があり、このような状況では選択して代表的な極値、またはその近傍に配置してもよい。
<第3実施形態>
図6は本発明の第3実施形態の駆動点配置を示した図で、図4に示す第2実施形態における駆動点5以外に、半径方向では変曲点近傍にも駆動点を配置した実施形態である。図6において、白丸で表される点は変曲点8を示す。形状の極値以外に変曲点8にも駆動点を配置することでより正確に所望の形状を作ることができる。
本実施形態では、半径方向の変曲点8に駆動点をさらに追加した例を示したが、周方向の変曲点8に駆動点を追加してもよい。また、全ての変曲点8に駆動点を配置しなくてもよく、目標値を達成するための必要且つ最小限の駆動点を配置する方が望ましい。
<第4実施形態>
本実施形態において、面形状の極値と変曲点は、任意の面形状をツェルニケ多項式のn項までで表現したときのツェルニケ多項式の各項(1,2,…n)の極値と変曲点である。また、一般的に光学装置において光学性能に影響をもたらす面形状はツェルニケ多項式では64項まで考慮すれば十分な場合が多いので、最大でも64項までを考慮すれば良い。すなわち、4項から9項まで、または4項から10項まで、・・・、または4項から64項まで、を考慮した配置形態が可能である。
<第5実施形態>
図7を用いて、第5実施形態に係る露光装置50について説明する。露光装置50は、照明光学系ILと、投影光学系POと、マスク55を保持して移動するマスクステージMSと、基板56を保持して移動する基板ステージWSとを含み得る。また、露光装置50は、CPUやメモリなどを含み、露光装置50の全体を制御する制御部51を含む。
光源(不図示)からの光は、照明光学系ILに含まれるスリット(不図示)を介して、例えば、Y軸方向に長い円弧状の照明領域をマスク上に形成する。マスク55及び基板56のそれぞれは、マスクステージMS及び基板ステージWSに保持され、投影光学系POを介して、光学的にほぼ共役な位置(投影光学系POの物体面及び像面の位置)に配置されている。投影光学系POは、所定の投影倍率(例えば、1/2倍)を有し、マスク55に形成されたパターンを基板56に投影する。そして、マスクステージMS及び基板ステージWSを、投影光学系POの物体面と平行な方向(例えば、図7のX軸方向)に、投影光学系POの投影倍率に応じた速度比で走査する。これにより、マスク55に形成されたパターンを基板56に転写することができる。
投影光学系POは、例えば、図7に示すように、平面ミラー52と、凹面ミラー53と、凸面ミラー54とを含み得る。照明光学系ILから射出され、マスク55を通過した光は、平面ミラー52の第1面52aで反射され、凹面ミラー53の第1面53aに入射する。凹面ミラー53の第1面53aで反射した光は、凸面ミラー54で反射され、凹面ミラー53の第2面53bに入射する。凹面ミラー53の第2面53bで反射した光は、平面ミラー52の第2面52bで反射され、基板上に結像する。投影光学系POでは、凸面ミラー54が光学的な瞳となる。
露光装置50において、上述した実施形態における光学装置10は、例えば、凹面ミラー53の反射面を任意の形状に変形させる(即ち、凹面ミラー53をミラー1とする)可変ミラー装置として用いられる。これにより、光学性能の低下を抑制することができる。ここで、露光装置50における制御部51は、上述した実施形態における光学装置10における制御部(不図示)を含むように構成されてもよい。
(物品の製造方法)
本発明の実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。本実施形態の物品の製造方法は、基板に塗布された感光剤に露光装置50を用いて潜像パターンを形成する工程(基板を露光する工程)と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。更に、かかる製造方法は、他の周知の工程(酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等)を含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも1つにおいて有利である。
最後に、本明細書における用語「等間隔」、「近傍」の定義における±30%以内と30%以内について図8を用いて説明する。まず駆動点位置が正確な位置からずれた時の反射面の面形状の劣化量を20%以内にすることを目標とする。すると駆動点位置が約30%ずれたときに面形状の劣化量(誤差増加量)が約20%となり、ずれ量が30%と超えると面形状の劣化量が急激に増加する。そこで位置ずれ量を±30%以内、30%以内とした。
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ず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
1 ミラー
1a ミラーの反射面
3 アクチュエータ
5 駆動点
8 変曲点

Claims (11)

  1. ミラーと、ミラーの反射面の形状を変形させる複数のアクチュエータと、を有する光学装置であって、
    前記複数のアクチュエータの少なくとも一部は、前記反射面における前記ミラーの中心から離れるほど密になった複数の同心円上に配置されると共に、前記同心円の円周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする光学装置。
  2. 前記複数のアクチュエータの全体的な配置が回転対称になっていることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
  3. ベースプレートを有し、前記アクチュエータは前記ミラーの裏面と前記ベースプレートとの間に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学装置。
  4. 前記アクチュエータは、前記ミラーの光学有効領域となる境界上またはその近傍と、変形させられる前記反射面の形状の極値または極値の近傍から選択した箇所と、に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の光学装置。
  5. 前記アクチュエータは、さらに、変形させられる前記反射面の形状の変曲点または変曲点の近傍から選択した箇所に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の光学装置。
  6. 前記極値または変曲点は、変形させられる前記反射面の形状をn項までのツェルニケ多項式に展開したときの各項の極値または変曲点であることを特徴とする請求項4または5に記載の光学装置。
  7. 前記ミラーは、前記中心における前記反射面に垂直な方向から見て円形であることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の光学装置。
  8. 前記ミラーは、前記反射面が平面形状、凹形状、凸形状のいずれか1つを含むことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の光学装置。
  9. マスクのパターンを基板に投影する投影光学系であって、
    請求項1乃至8の何れか一項に記載の光学装置を含むことを特徴とする投影光学系。
  10. 基板を露光する露光装置であって、
    請求項9に記載の投影光学系を含むことを特徴とする露光装置。
  11. 請求項10に記載の露光装置を用いて基板を露光する露光工程と、
    前記露光工程で露光された基板を現像する工程と、
    現像された基板から物品を製造する工程と、
    を有することを特徴とする物品の製造方法。
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