JP2024023105A - 投影光学系及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる投影光学系及び露光装置を提供する。【解決手段】投影光学系１、１’、１”、２０、４０は、物体側から順に、物体側と像側の両方でテレセントリックな第１光学系２、２１と、２次元に配列された第１レンズ素子３０を有する第１レンズアレー２２と、２次元に配列された第２レンズ素子３１、５０を有する第２レンズアレー２３、４１と、物体側と像側の両方でテレセントリックな第２光学系２４と、を含み、第１レンズアレー２２の２次元的配列と第２レンズアレー２３、４１の２次元的配列が一致する。【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。特に、空間変調器を用いた投影光学系及びこの投影光学系を用いた露光装置に関する。

両側テレセントリック光学系は、物体側と像側の両方でテレセントリックな光学系である。両側テレセントリック光学系では、光軸方向の位置ずれが物体側と像側のどちらで生じても、像の大きさは変化しない。そのため、両側テレセントリック光学系は、露光装置の投影光学系に用いられる。

空間変調器として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」という）が知られている。特許文献１には、ＤＭＤを用いた投影光学系及び露光装置が開示されている。この投影光学系では、物体面にＤＭＤが位置し、像面に対象物が位置している。投影光学系は、物体側から順に、ＤＭＤと、レンズグループと、光学システムと、追加レンズと、を有する。光学システムは、マイクロレンズアレイと、格子と、を有する。

特表２００４－５１４２８０号公報

特許文献１に開示された投影光学系では、マイクロレンズアレイから発散光が出射する。発散光の広がりが大きいと、一部の光が追加レンズの外側に到達する。追加レンズの外側に到達した光は、鏡筒の内面で反射される。反射された光の一部から、迷光が生じる。迷光が像面に到達すると、フレアーが発生する。その結果、フレアーによって像が不鮮明になったり、像のコントラストが低下したりする。フレアーの発生を抑制するために格子が配置されているが、格子によって光量損失が生じる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる投影光学系及び露光装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様は、物体側から順に、物体側と像側の両方でテレセントリックな第１光学系と、２次元に配列された第１レンズ素子を有する第１レンズアレーと、２次元に配列された第２レンズ素子を有する第２レンズアレーと、物体側と像側の両方でテレセントリックな第２光学系と、を含み、第１レンズアレーの２次元的配列と第２レンズアレーの２次元的配列が一致する。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様によれば、第２レンズアレーでは、周辺光線が投影光学系の光軸と平行に出射し、第２光学系によって、第２光学系の像面に、第１光学系と第１レンズアレー及び第２レンズアレーによる合成の瞳の像が形成される。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様によれば、第２レンズアレーでは、主光線が投影光学系の光軸と平行に出射し、第２光学系によって、第２光学系の像面に、第１光学系と第１レンズアレー及び第２レンズアレーによる合成の物体面の像が形成される。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様では、第１光学系の倍率の範囲は、等倍から１０倍までである。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様では、第２光学系の倍率の範囲は、０．０５倍から７倍までである。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様では、空間変調素子を複数有する空間変調器が物体面に配置され、以下の条件式（１）を満足する。
２×（ＮＡ１×Ｄ１）／（Ｐ１×β１×β１）＜０．７１ （１）
ここで、
ＮＡ１は、第１光学系の開口数、
Ｄ１は、第１レンズアレーと第２レンズアレーの間の空気換算長、
β１は、第１光学系の倍率、
Ｐ１は、隣り合う２つの空間変調素子のピッチ、
である。
上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様では、空間変調器が物体面に配置され、空間変調器は、１９０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光により照射される。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様は、以下の条件式（２）を満足する。
（ｆ１－Ｄ１）／ｆ１＜０．７１ （２）
ここで、
ｆ１は、第１レンズ素子の焦点距離、
Ｄ１は、第１レンズアレーと第２レンズアレーの間の空気換算長、
である。

上記目的を達成するために、本発明の投影光学系の態様では、空間変調器が物体面に配置され、空間変調器は、１９０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光により照射される。

上記目的を達成するために、本発明の露光装置の態様は、光源と、光源からの光を集光する照明光学系と、２次元に配列された空間変調素子を有し、照明光学系により照明される空間変調器と、空間変調器と対象物の間に配置された上述の投影光学系と、投影光学系の像面に位置する対象物を保持するステージと、を含む。

本発明に係るに投影光学系及び露光装置よれば、光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる投影光学系及び露光装置を提供することができる。

図１は、本実施形態の投影光学系を示す概略図である。 図２は、空間変調器を示す図である。 図３は、レンズアレーを示す図である。 図４は、第１実施形態の投影光学系を示す概略図である。 図５は、第１実施形態の投影光学系を示す概略図である。 図６は、レンズ素子と第２光学系を通過する光線を示す図である。 図７は、第２実施形態の投影光学系を示す概略図である。 図８は、第２実施形態の投影光学系を示す概略図である。 図９は、レンズ素子と第２光学系を通過する光線を示す図である。 図１０は、本実施形態の露光装置を示す図である。

本実施形態の投影光学系は、物体側から順に、物体側と像側の両方でテレセントリックな第１光学系と、２次元に配列された第１レンズ素子を有する第１レンズアレーと、２次元に配列された第２レンズ素子を有する第２レンズアレーと、物体側と像側の両方でテレセントリックな第２光学系と、を含み、第１レンズアレーの２次元的配列と第２レンズアレーの２次元的配列が一致する。

図１は、本実施形態の投影光学系を示す概略図である。図１に示すように、投影光学系１は、物体側から順に、第１光学系２と、第１レンズアレー３と、第２レンズアレー４と、第２光学系５と、を含む。物体面６には、例えば空間変調器を配置することができる。

図２は、空間変調器を示す図である。空間変調器１０は、空間変調素子１０ａを複数有する。空間変調素子１０ａは、２次元に配列されている。空間変調素子１０ａの形状が正方形で、一片の長さがＬの場合、隣接する２つの空間変調素子１０ａの間隔はＬである。空間変調素子１０ａでは、光の反射方向の変更、又は光の透過と遮光の切替えが行われる。

空間変調器１０として、ＤＭＤを用いることができる。ＤＭＤでは、空間変調素子１０ａに微小ミラーが用いられている。微小ミラーによって、光の反射方向の変更が行われる。また、空間変調器１０として、液晶空間変調器を用いることができる。液晶空間変調器では、空間変調素子１０ａに液晶が用いられている。液晶によって、光の透過と遮光の切替えが行われる。

空間変調器１０では、空間変調素子１０ａの状態を、オン状態とオフ状態にすることができる。例えば、オン状態は光が投影光学系１に入射する状態で、オフ状態は光が投影光学系１に入射しない状態である。空間変調素子１０ａの各々で状態を変えることで、様々なパターンを生成することができる。

図１に戻って説明する。物体面６の像側には、第１光学系２が配置されている。第１光学系２は、物体側と像側の両方でテレセントリックな光学系である。

第１光学系２の像側には、第１レンズアレー３が配置されている。第１レンズアレー３は、２次元に配列された第１レンズ素子を有する。第１レンズアレー３の像側には、第２レンズアレー４が配置されている。第２レンズアレー４は、２次元に配列された第２レンズ素子を有する。

図３は、レンズアレーを示す図である。レンズアレー１１は、レンズ素子１１ａを複数有する。複数のレンズ素子１１ａは、２次元に配列されている。レンズ素子１１ａは、レンズ面１１ｂを有する。レンズ面１１ｂと反対側の面は、平面である。図３では、レンズ面１１ｂは凸面である。しかしながら、レンズ面１１ｂは凹面であっても良い。

第１レンズアレー３では、レンズ素子１１ａが第１レンズ素子に対応する。第２レンズアレー４では、レンズ素子１１ａが第２レンズ素子に対応する。

図１に戻って説明する。投影光学系１では、第１光学系２によって、物体面６が第１レンズアレー３のレンズ面と共役になっている。よって、第１レンズアレー３のレンズ面に、物体面６の共役像６’が形成される。図１では、見易さのために、共役像６’は、第１レンズアレー３のレンズ面から離れた位置に描かれている。

第２レンズアレー４の像側には、第２光学系５が配置されている。第２光学系５は、物体側と像側の両方でテレセントリックな光学系である。

投影光学系１では、２つのレンズアレーを用いている。第１レンズアレー３の２次元配列と第２レンズアレー４の２次元配列は一致している。隣接する２つのレンズ素子１１ａの間隔は、第１レンズアレーと第２レンズアレーとで同じである。

第１レンズ素子から出射した光は、第２レンズ素子に入射する。そのため、レンズアレーが１つしかない場合に比べると、投影光学系１では、第１レンズ素子から出射した光を、第２光学系５にできるだけ多く入射させることができる。その結果、光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる。

空間変調器１０では、様々なパターンを生成することができる。空間変調器１０を物体面６に配置すると、空間変調器１０で生成されたパターンが像面７に投影される。像面７は、第２光学系５の像面又は投影光学系１の像面である。像面７に対象物、例えば感光材料を位置させることで、様々なパターンを感光材料上に投影することができる。

第１光学系２の物体側は、テレセントリックである。そのため、空間変調器１０が物体面６に対して光軸方向に少し移動しても、結像倍率が変化しない。また、第２光学系５の像側は、テレセントリックである。そのため、対象物が像面７に対して光軸方向に少し移動しても、結像倍率が変化しない。

このように、投影光学系１では、結像倍率が変化しない。そのため、空間変調器１０が光軸方向にずれても、対象物が光軸方向にずれても、像面７に投影されるパターンの大きさを一定に保つことができる。

図２に示すように、空間変調素子１０ａの形状は正方形である。よって、図３に示すように、レンズ素子１１ａの形状も正方形である。隣接する２つのレンズ素子１１ａの間隔は、隣接する２つの空間変調素子１０ａの間隔と同じである。２つの空間変調素子１０ａの間隔はＬなので、２つのレンズ素子１１ａの間隔もＬである。間隔Ｌは、ピッチを表している。

図３では、レンズ素子１１ａの形状は正方形である。レンズ素子１１ａの全面を光が通過する場合、レンズ面の形状は正方形である。空間変調素子１０ａの各々に入射する光を円形の光にすると、レンズ素子１１ａの全面を光は通過しない。この場合、レンズ素子１１ａでは、レンズ面の形状を円形にすることができる。光束の形状が円形なので、瞳の形状も円形になる。

投影光学系１では、第１レンズアレーの２次元的配列と第２レンズアレーの２次元的配列が一致する。よって、隣接する２つのレンズ素子１１ａの間隔は、第１レンズアレーと第２レンズアレーとで同じである。

本実施形態の投影光学系について、より具体的に説明する。説明では、第１実施形態の投影光学系と第２実施形態の投影光学系を用いる。

第１実施形態の投影光学系では、第２レンズアレーから、周辺光線が投影光学系の光軸と平行に出射し、第２光学系によって、第２光学系の像面に、第１光学系と第１レンズアレー及び第２レンズアレーによる合成の瞳の像が形成される。

図４は、第１実施形態の投影光学系を示す概略図である。図１と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。図４では、軸上物点から出射した周辺光線が実線で示され、軸外物点から出射した主光線が点線で示されている。

周辺光線ＭＲは、軸上物点ＯＢ１から出射した光である。主光線ＰＲは、軸外物点ＯＢ２から出射した光である。周辺光線ＭＲと主光線ＰＲは第１光学系２に入射した後、第１レンズアレー３から出射する。

投影光学系１’では、第１レンズアレー３の像側に、第２レンズアレー４’が配置されている。第２レンズアレー４’の屈折力と位置を適切に設定することで、第２レンズアレー４’から周辺光線ＭＲを光軸ＡＸと平行に出射させることができる。

周辺光線ＭＲは第２光学系５に入射した後、像面７に到達する。第２光学系５は両側テレセントリック光学系で、周辺光線ＭＲは物体側で光軸ＡＸと平行である。よって、周辺光線ＭＲは、光軸ＡＸと平行に第２光学系５から出射する。像面７では、周辺光線ＭＲは光軸ＡＸと平行である。

また、像面７では、主光線ＰＲは光軸ＡＸと交差している。第２光学系５によって、像面７に、第１光学系２と第１レンズアレー３及び第２レンズアレー４’による合成の瞳の像が形成される。

第１実施形態の投影光学系では、第１レンズ素子の各々は、平面の物体側面と、像側に凸面を向けた曲面の像側面と、を有し、第２レンズ素子の各々は、物体側に凸面を向けた曲面の物体側面と、平面の像側面と、を有する。

図５は、第１実施形態の投影光学系を示す概略図である。図５（ａ）は、物体面からレンズアレーまでの概略図である。図５（ｂ）は、レンズアレーから像面までの概略図である。図１と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

投影光学系２０は、第１光学系２１と、第１レンズアレー２２と、第２レンズアレー２３と、第２光学系２４と、を有する。

第１光学系２１は、レンズ２１ａと、レンズ２１ｂと、を有する。図５（ａ）では、第１光学系２１は、２枚のレンズで形成されている。しかしながら、第１光学系２１は、２枚以上のレンズで形成されていても良い。

第１光学系２１は、物体側と像側の両方でテレセントリックである。レンズ２１ａの焦点距離とレンズ２１ｂの焦点距離をｆ１とすると、レンズ２１ａとレンズ２１ｂは間隔２×ｆ１で配置されている。

レンズ２１ａの物体側焦点に、物体面６が位置している。レンズ２１ｂの像側焦点に、共役像６’が形成される。投影光学系２０では、第１光学系２１によって、物体面６が第１レンズアレー２２のレンズ面と共役である。よって、レンズ２１ｂの像側焦点に、第１レンズアレー２２のレンズ面が位置している。

第１レンズアレー２２では、第１レンズ素子の各々は、平面の物体側面２２ａと、像側に凸面を向けた曲面の像側面２２ｂと、を有する。よって、第１レンズ素子の各々は、正の屈折力を有する。

第２レンズアレー２３では、第２レンズ素子の各々は、物体側に凸面を向けた曲面の物体側面２３ａと、平面の像側面２３ｂと、を有する。よって、第２レンズ素子の各々は、正の屈折力を有する。

第２光学系２４は、レンズ２４ａと、レンズ２４ｂと、を有する。図５（ｂ）では、第２光学系２４は、２枚のレンズで形成されている。しかしながら、第２光学系２４は、２枚以上のレンズで形成されていても良い。

第２光学系２４は、物体側と像側の両方でテレセントリックである。レンズ２４ａの焦点距離とレンズ２４ａの焦点距離をｆ２とすると、レンズ２４ａとレンズ２４ｂは間隔２×ｆ２で配置されている。

投影光学系２０では、第１レンズアレー２２と第２光学系２４の間に、第２レンズアレー２３が配置されている。第２レンズアレー２３から、周辺光線ＭＲが光軸ＡＸと平行に出射する。

周辺光線ＭＲは第２光学系２４に入射した後、像面７に到達する。第２光学系２４は両側テレセントリック光学系で、周辺光線ＭＲは物体側で光軸ＡＸと平行である。よって、周辺光線ＭＲは、光軸ＡＸと平行に第２光学系２４から出射する。像面７では、周辺光線ＭＲは光軸ＡＸと平行である。

像面７では、主光線ＰＲは光軸ＡＸと交差している。第２光学系２４によって、像面７に、第１光学系２１と第１レンズアレー２２及び第２レンズアレー２３による合成の瞳の像が形成される。

図６は、レンズ素子と第２光学系を通過する光線を示す図である。図６（ａ）は、第１配置例における光線を示す図である。図６（ｂ）は、第２の配置例における光線を示す図である。図６（ｃ）は、第３の配置例における光線を示す図である。図５（ｂ）と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

第１配置例では、レンズ面が図示されている。第２の配置例と第３の配置例では、レンズ面の図示が省略され、レンズが直線で描かれている。

（第１の配置例）
第１レンズ素子３０は、第１レンズアレー２２のレンズ素子である。第１レンズ素子３０は、平面の物体側面３０ａと、像側に凸面を向けた曲面の像側面３０ｂと、を有する。物体面６は第１レンズアレー２２のレンズ面と共役なので、第１レンズ素子３０のレンズ面に、共役像６’が位置している。

第２レンズ素子３１は、第２レンズアレー２３のレンズ素子である。第２レンズ素子３１は、物体側に凸面を向けた曲面の物体側面３１ａと、平面の像側面３１ｂと、を有する。第２レンズ素子３１の焦点距離をｆａ２とすると、第２レンズ素子３１は、物体側焦点が共役像６’と一致するように配置されている。そのため、周辺光線ＭＲは、第２レンズ素子３１によってコリメートされる。その結果、第２レンズアレー２３では、周辺光線ＭＲが光軸ＡＸと平行に出射する。

第１レンズ素子３０から出射した主光線ＰＲは、第１レンズ素子３０の像側で光軸ＡＸと交差する。交差する位置よりも物体側には、第１光学系２１と第１レンズアレー２２とで合成光学系が形成されている。よって、交差する位置には、合成光学系の射出瞳３２が形成される。

第１レンズ素子３０の焦点距離をｆａ１とすると、第１の配置例では、ｆａ１とｆａ２の関係はｆａ１＝ｆａ２、又はｆａ１≒ｆａ２である。よって、射出瞳３２の位置に、第２レンズアレー２３が位置する。図５（ａ）では、射出瞳３２の位置に、第２レンズ素子３１のレンズ面、すなわち第２レンズアレー２３のレンズ面が配置されている。

第２光学系２４は、レンズ２４ａの物体側焦点が射出瞳３２と一致するように配置されている。そのため、第２光学系２４の像面７では、主光線ＰＲが光軸ＡＸと交差する。その結果、第２光学系２４によって、像面７に射出瞳３２の像が形成される。

（第２の配置例）
第２の配置例でも、第２レンズ素子３１は、物体側焦点が共役像６’と一致するように配置されている。そのため、周辺光線ＭＲは、第２レンズ素子３１によってコリメートされる。その結果、第２レンズアレー２３では、周辺光線ＭＲが光軸ＡＸと平行に出射する。

第１レンズ素子３０から出射した主光線ＰＲは、第１レンズ素子３０の像側で光軸ＡＸと交差する。交差する位置よりも物体側には、第１光学系２１と第１レンズアレー２２とで合成光学系が形成されている。よって、交差する位置には、合成光学系の射出瞳３２が形成される。

第２の配置例では、ｆａ１とｆａ２の関係は、ｆａ１＜ｆａ２である。この場合、射出瞳３２は、第２レンズ素子３１の物体側の近傍に位置する。よって、射出瞳３２の近傍に、第２レンズ素子３１、すなわち第２レンズアレー２３が位置する。

射出瞳３２の像側には、第２レンズアレー２３と第２光学系２４とで形成された合成光学系が位置している。第２光学系２４は、合成光学系の物体側焦点が射出瞳３２と一致するように配置されている。そのため、第２光学系２４の像面７では、主光線ＰＲが光軸ＡＸと交差する。その結果、第２光学系２４によって、像面７に射出瞳３２の像が形成される。

（第３の配置例）
第３の配置例でも、第２レンズ素子３１は、物体側焦点が共役像６’と一致するように配置されている。そのため、周辺光線ＭＲは、第２レンズ素子３１によってコリメートされる。その結果、第２レンズアレー２３では、周辺光線ＭＲが光軸ＡＸと平行に出射する。

第１レンズ素子３０から出射した主光線ＰＲは、第１レンズ素子３０の像側で光軸ＡＸと交差する。交差する位置よりも物体側には、第１光学系２１と第１レンズアレー２２とで合成光学系が形成されている。よって、交差する位置には、合成光学系の射出瞳３２が形成される。

ただし、第１レンズ素子３０と射出瞳３２の間には、第２レンズ素子３１が位置している。よって、射出瞳３２は、第２レンズアレー２３によって投影される。投影位置に、射出瞳３３が形成される。

第３の配置例では、ｆａ１とｆａ２の関係は、ｆａ１＞ｆａ２である。この場合、射出瞳３２又は射出瞳３３は、第２レンズ素子３１の像側の近傍に位置する。よって、射出瞳３２の近傍又は射出瞳３３の近傍に、第２レンズ素子３１、すなわち第２レンズアレー２３が位置する。

第２光学系２４は、レンズ２４ａの物体側焦点が射出瞳３３と一致するように配置されている。そのため、第２光学系２４の像面７では、主光線ＰＲが光軸ＡＸと交差する。その結果、第２光学系２４によって、像面７に射出瞳３２の像が形成される。

第１実施形態の投影光学系では、第２レンズアレー２３から周辺光線ＭＲが光軸ＡＸと平行に出射する。また、周辺光線ＭＲは、光軸ＡＸと平行に第２光学系２４から出射する。像面７では、周辺光線ＭＲは光軸ＡＸと平行である。

更に、像面７では、主光線ＰＲは光軸ＡＸと交差している。第１光学系２１と第１レンズアレー２２及び第２レンズアレー２３によって、合成光学系が形成される。合成光学系で形成された瞳は、第２光学系２４によって像面７に投影される。その結果、像面７に、瞳の像が形成される。

第２実施形態の投影光学系では、第２レンズアレーから、主光線が投影光学系の光軸と平行に出射し、第２光学系によって、第２光学系の像面に、第２光学系と第１レンズアレー及び第２レンズアレーによる合成の物体面の像が形成される。

図７は、第２実施形態の投影光学系を示す概略図である。図１と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。図７でも、軸上物点から出射した周辺光線が実線で示され、軸外物点から出射した主光線が点線で示されている。

周辺光線ＭＲは、軸上物点ＯＢ１から出射した光である。主光線ＰＲは、軸外物点ＯＢ２から出射した光である。周辺光線ＭＲと主光線ＰＲは第１光学系２に入射した後、第１レンズアレー３から出射する。

投影光学系１”では、第１レンズアレー３の像側に、第２レンズアレー４”が配置されている。第２レンズアレー４”の屈折力と位置を適切に設定することで、第２レンズアレー４”から主光線ＰＲを光軸ＡＸと平行に出射させることができる。

主光線ＰＲは第２光学系５に入射した後、像面７に到達する。第２光学系５は両側テレセントリック光学系で、主光線ＰＲは物体側で光軸ＡＸと平行である。よって、主光線ＰＲは、光軸ＡＸと平行に第２光学系５から出射する。像面７では、主光線ＰＲは光軸ＡＸと平行である。

また、像面７では、周辺光線ＭＲは光軸ＡＸと交差している。第２光学系５によって、像面７に、第１光学系２と第１レンズアレー３及び第２レンズアレー４”による合成の物体面の像が形成される。

第２実施形態の投影光学系では、第１レンズ素子の各々は、平面の物体側面と、像側に凸面を向けた曲面の像側面と、を有し、第２レンズ素子の各々は、物体側に凹面を向けた曲面の物体側面と、平面の像側面と、を有する。

図８は、第２実施形態の投影光学系を示す概略図である。図８（ａ）は、物体面からレンズアレーまでの概略図である。図８（ｂ）は、レンズアレーから像面までの概略図である。図５（ａ）、（ｂ）と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

投影光学系４０は、第１光学系２１と、第１レンズアレー２２と、第２レンズアレー４１と、第２光学系２４と、を有する。

第２レンズアレー４１では、第２レンズ素子の各々は、物体側に凹面を向けた曲面の物体側面４１ａと、平面の像側面４１ｂと、を有する。よって、第２レンズ素子の各々は、負の屈折力を有する。

投影光学系４０では、第１レンズアレー２２と第２光学系２４の間に、第２レンズアレー４１が配置されている。第２レンズアレー４１から、主光線ＰＲが光軸ＡＸと平行に出射する。

主光線ＰＲは第２光学系２４に入射した後、像面７に到達する。第２光学系２４は両側テレセントリック光学系で、主光線ＰＲは物体側で光軸ＡＸと平行である。よって、主光線ＰＲは、光軸ＡＸと平行に第２光学系２４から出射する。像面７では、主光線ＰＲは光軸ＡＸと平行である。

像面７では、周辺光線ＭＲは光軸ＡＸと交差している。第２光学系２４によって、像面７に、第１光学系２１と第１レンズアレー２２及び第２レンズアレー４１による合成の物体面の像が形成される。

図９は、レンズ素子と第２光学系を通過する光線を示す図である。図６（ａ）と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

第２レンズ素子５０は、第２レンズアレー４１のレンズ素子である。第２レンズ素子５０は、物体側に凹面を向けた曲面の物体側面５０ａと、平面の像側面５０ｂと、を有する。

第２レンズ素子５０の焦点距離をｆａ３とすると、第２レンズ素子５０は、像側焦点が第１レンズ素子３０の像側焦点と一致するように配置されている。そのため、主光線ＰＲは、第２レンズ素子５０によってコリメートされる。その結果、第２レンズアレー４１では、主光線ＰＲが光軸ＡＸと平行に出射する。

第２レンズアレー４１は、負の屈折力を有する。よって、第２レンズアレー４１の物体側に、共役像６’の虚像６”が位置する。第２光学系２４は、レンズ２４ａの物体側焦点が虚像６”と一致するように配置されている。そのため、第２光学系２４の像面７では、周辺光線ＭＲが光軸ＡＸと交差する。その結果、第２光学系２４によって、像面７に物体面６の像が形成される。

第２実施形態の投影光学系では、第２レンズアレー４１から主光線ＰＲが光軸ＡＸと平行に出射する。また、主光線ＰＲは、光軸ＡＸと平行に第２光学系２４から出射する。像面７では、主光線ＰＲは光軸ＡＸと平行である。

更に、像面７では、周辺光線ＭＲは光軸ＡＸと交差している。第１光学系２１と第１レンズアレー２２及び第２レンズアレー４１によって、合成光学系が形成される。合成光学系で形成された物体面の像は、第２光学系２４によって像面７に投影される。その結果、像面７に、物体面の像が形成される。

第１実施形態の投影光学系と第２実施形態の投影光学系では、第１レンズアレーの像側面と第２レンズアレーの物体側面がレンズ面である。レンズ面が向き合うようにすることで、第１レンズアレーの焦点距離と第１レンズアレーの焦点距離を短くしても、厚みを十分に確保することができる。そのため、第１レンズアレーの強度と第２レンズアレーの強度を高めることができる。

本実施形態の投影光学系では、第１光学系の倍率の範囲は、等倍から１０倍までである。

等倍より小さい結像倍率では、第１レンズ素子を小さくする必要がある。そのため、第１レンズアレーの製造が難しくなる。また、１０倍より大きい結像倍率では、第１レンズ素子が大きくなり過ぎる。そのため、第１レンズ素子の形状維持が難しくなる。等倍から１０倍までとは、光学における数式で表現すると、－１倍から－１０倍までのことである。

本実施形態の投影光学系では、第２光学系の倍率の範囲は、０．０５倍から７倍までである。

上述のように、像面には、空間変調器１０で生成したパターンの光学像が形成される。０．０５倍より小さい結像倍率では、光学像の面積が小さくなり過ぎる。そのため、投影光学系を露光装置に用いた場合、露光面積が小さくなり過ぎる。その結果、スループット、つまり、量産効率が悪くなる。等倍より大きい結像倍率では、像面上の開口数（Ｎ.Ａ.）が小さくなる。そのため、投影光学系の解像力及び光学像のコントラストが低下する。０．０５倍から等倍までとは、光学における数式で表現すると、－０．０５倍から－７倍までのことである。

投影光学系の実施例について説明する。ただし、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

各実施例の投影光学系は、物体側から順に、第１光学系と、第１レンズアレーと、第２レンズアレーと、第２光学系と、から構成される。

第１光学系は理想結像光学系であって、無収差の第１レンズと無収差の第２レンズとから構成される。第１レンズと第２レンズを薄肉レンズとみなすと、第１レンズから第２レンズまでの間隔は、第１レンズの焦点距離と第２レンズの焦点距離とを足した距離と等しい。よって、第１光学系は、物体側と像側の両方でテレセントリックな光学系である。物体面から第１レンズまでの間隔は、第１レンズの焦点距離と等しい。

第１レンズアレーは、平面と、像側に凸面を向けた曲面と、を有する。平面は物体側面で、曲面は像側面である。曲面には、球面又は非球面を用いることができる。第１レンズアレーには、合成石英が用いられている。

第２レンズアレーは、物体側に凸面を向けた曲面と平面とを有するか、又は物体側に凹面を向けた曲面と平面とを有する。曲面は物体側面で、平面は像側面である。曲面には、球面又は非球面を用いることができる。第２レンズアレーには、合成石英が用いられている。

実施例１～４では、第２レンズアレーは、物体側に凸面を向けた曲面と、平面と、を有する。実施例５～８では、第２レンズアレーは、物体側に凹面を向けた曲面と、平面と、を有する。

第２光学系は理想結像光学系であって、無収差の第３レンズと無収差の第４レンズとから構成される。第３レンズと第４レンズを薄肉レンズとみなすと、第３レンズから第４レンズまでの間隔は、第３レンズの焦点距離と第４レンズの焦点距離とを足した距離と等しい。よって、第２光学系は、物体側と像側の両方でテレセントリックな光学系である。

面データには、左側から順に、面番号、曲率半径（ｒ）、面間隔（ｄ）、波長３６５ｎｍでの屈折率（ｎｉ）、ｋはコーニック係数を示している。

曲率半径ｒ、面間隔ｄ、及びその他の長さの単位は「ｍｍ」である。しかし光学系は、比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるため、単位は「ｍｍ」に限られるものではない。

（第１実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.030 0.051
3 0.024 1 1.47469
4 ∞

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：１００
第１光学系の倍率：等倍（－１倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：５０
第２光学系の倍率：１／２倍（－０．５倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．３３１７

（第２実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.023 0.053
3 0.025 1 1.47469
4 ∞

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：１００
第１光学系の倍率：等倍（－１倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：２０
第２光学系の倍率：１／５倍（－０．２倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．３１６５

（第３実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.045 0.053
3 0.025 1 1.47469
4 ∞

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：２００
第１光学系の倍率：２倍（－２倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：５０
第２光学系の倍率：１／２倍（－０．５倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：１９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．３４６

（第４実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.070 0.179
3 0.085 1 1.47469
4 ∞

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：２００
第１光学系の倍率：２倍（－２倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：２００
第２光学系の倍率：２倍（－２倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：１９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．２８３

（第５実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.037 0.025
3 -0.025 1 1.47469
4 ∞

第３面
k=-1.0

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：１００
第１光学系の倍率：等倍（－１倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：５０
第２光学系の倍率：１／２倍（－０．５倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．３０５

（第６実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.037 0.030
3 -0.022 1 1.47469
4 ∞

第３面
k=-1.0

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：１００
第１光学系の倍率：等倍（－１倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：２０
第２光学系の倍率：１／５倍（－０．２倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．３０３５

（第７実施例）
面データ
面番号 r d ni
6 ∞ 1 1.47469
7 -0.041 0.040
8 -0.022 1 1.47469
9 ∞

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：２００
第１光学系の倍率：２倍（－２倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：５０
第２光学系の倍率：１／２倍（－０．５倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：１９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．３００６

（第８実施例）
面データ
面番号 r d ni
1 ∞ 1 1.47469
2 -0.049 0.042
3 -0.029 1 1.47469
4 ∞

第１光学系の入射側開口数：０．０６
第１レンズの焦点距離：１００
第２レンズの焦点距離：２００
第１光学系の倍率：２倍（－２倍）
第３レンズの焦点距離：１００
第４レンズの焦点距離：２００
第２光学系の倍率：２倍（－２倍）
第２レンズと第１レンズアレーとの間隔：１９９．３２２
第２レンズアレーと第３レンズとの間隔：９９．２９７１

ｆ１、ｆ２、Ｄ１、Ｂ１、Ｂ２、Ｐ１、β1の値を以下に示す。また、後述の条件式（１）、（２）の対応値も以下に示す。各実施例において、ＮＡ１の値は0.06である。
実施例 f1 ｆ2 D1 B1 P1 β1 2×(NA1×D1)
/(P1×β1×β1)
1 0.063 0.051 0.051 0.010 0.01 -1 0.612
2 0.048 0.053 0.053 -0.055 0.01 -1 0.636
3 0.095 0.053 0.053 0.023 0.01 -2 0.159
4 0.147 0.179 0.179 -0.039 0.01 -2 0.537

実施例 f1 ｆ2 D1 B2 P1 β1 (f1-D1)/f1
5 0.078 -0.053 0.025 -0.017 0.01 -1 0.6795
6 0.078 -0.048 0.030 -0.019 0.01 -1 0.6154
7 0.086 -0.046 0.040 -0.021 0.01 -1 0.5349
8 0.103 -0.061 0.042 -0.025 0.01 -1 0.5922

ｆ１は、第１レンズ素子の焦点距離である。
ｆ２は、第２レンズ素子の焦点距離である。
Ｄ１は、第１レンズアレーと第２レンズアレーとの間隔（空気換算長）である。
Ｂ１は、第１レンズアレーから射出した物体面の像の射出瞳が第２レンズアレーによって再結像する時、再結像した射出瞳の第２レンズアレーからの距離である。
Ｂ２は、第１レンズアレーから射出した物体面の像の光束が第２レンズアレーによって再結像する時、再結像した像の第２レンズアレーからの距離である。

第１実施例～第４実施例では、以下の式が成立する。
ｆ２＝Ｄ１
１／Ｂ１=１／ｆ２－１／（Ｄ１－ｆ１）
第５実施例～第８実施例では、以下の式が成立する。
ｆ２＝Ｄ１－ｆ１
１／Ｂ２＝１／ｆ１－１／Ｄ１

第２レンズから第１レンズアレーまでの距離と、第３レンズから第２レンズアレーまでの距離について、第１実施例を例に説明する。他の実施例も同様な計算で実際の距離が計算できる。

第１実施例では、第１レンズアレーと第２レンズアレーに、合成石英が用いられている。第１実施例の面データにおける波長は３６５ｎｍで、この波長における合成石英の屈折率は１．４７４６９である。この場合、１ｍｍ厚の空気換算長は０．６７８ｍｍとなる。

第１光学系に対する第１レンズアレーの位置は、第２レンズの後側焦点距離と空気換算長を用いて表すことができる。第２レンズの後側焦点距離を１００ｍｍとし、第１レンズアレーの厚みを１ｍｍとすると、第２レンズから第１レンズアレーまでの距離は、以下のように求まる。
１００ｍｍ－０．６７８ｍｍ＝９９．３２２ｍｍ

第２光学系に対する第２レンズアレーの位置は、第３レンズの前側焦点距離、空気換算長及びＢ１を用いて表すことができる。第２レンズの後側焦点距離を１００ｍｍとし、第１レンズアレーの厚みを１ｍｍとし、Ｂ１を０．０１ｍｍすると、第３レンズから第２レンズアレーまでの距離は、以下のように求まる。
１０ｍｍ０－０．６７８ｍｍ＋０．０１ｍｍ＝９９．３３２ｍｍ

第１実施形態の投影光学系では、空間変調素子を複数有する空間変調器が物体面に配置され、以下の条件式（１）を満足する。
２×（ＮＡ１×Ｄ１）／（Ｐ１×β１×β１）＜０．７１ （１）
ここで、
ＮＡ１は、第１光学系の開口数、
Ｄ１は、第１レンズアレーと第２レンズアレーの間の空気換算長、
β１は、第１光学系の倍率、
Ｐ１は、隣り合う２つの空間変調素子のピッチ、
である。

第１実施形態の投影光学系では、第２レンズアレーによって、第１レンズアレーから出射した光を、第２光学系５にできるだけ多く入射させることができる。よって、第１レンズアレーから出射した光は、第２レンズアレーにできるだけ多く入射させることが好ましい。

条件式（１）を満足することで、第２レンズアレーの外側に進行する光を少なくすることができる。そのため、第１レンズアレーから出射した光のほとんどを、第２レンズアレーに入射させることができる。その結果、光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる。

第２実施形態の投影光学系は、以下の条件式（２）を満足する。
（ｆ１－Ｄ１）／ｆ１＜０．７１ （２）
ここで、
ｆ１は、第１レンズ素子の焦点距離、
Ｄ１は、第１レンズアレーと第２レンズアレーの間の空気換算長、
である。

第２実施形態の投影光学系では、第２レンズアレーによって、第１レンズアレーから出射した光を、第２光学系５にできるだけ多く入射させることができる。よって、第１レンズアレーから出射した光は、第２レンズアレーにできるだけ多く入射させることが好ましい。

条件式（２）を満足することで、第２レンズアレーの外側に進行する光を少なくすることができる。そのため、第１レンズアレーから出射した光のほとんどを、第２レンズアレーに入射させることができる。その結果、光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる。

本実施形態の投影光学系では、空間変調器が物体面に配置され、空間変調器は、１９０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光により照射される。

照射光の波長を１９０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下にすることで、投影光学系の解像力及び光学像のコントラストが向上する。紫外光を用いることで、投影光学系の解像力及び光学像のコントラストがより向上する。

本実施形態の露光装置は、光源と、光源からの光を集光する照明光学系と、２次元に配列された空間変調素子を有し、照明光学系により照明される空間変調器と、空間変調器と対象物の間に配置された本実施形態の投影光学系と、投影光学系の像面に位置する対象物を保持するステージと、を含む。

図１０は、本実施形態の露光装置を示す図である。図１及び図２と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

露光装置６０は、光源６１と、照明光学系６２と、空間変調器１０と、投影光学系１と、ステージ６３と、を含む。

光源６１から、紫外光が出射する。光源６１には、例えば、ＬＥＤ光源や水銀ランプ等を用いることができる。光源６１には、可視光を出射する光源を用いることができる。

照明光学系６２は、光源６１から出射した紫外光を集光する。照明光学系６２によって、紫外光が空間変調器１０に照射される。その結果、紫外光で空間変調器１０を照明することができる。空間変調器１０の照明では、ケーラー照明を用いることが好ましい。ケーラー照明を用いることで、照明ムラが無い状態又は照明ムラ軽減された状態で、空間変調器１０を照明することができる。

投影光学系１を挟んで空間変調器１０の反対側には、ステージ６３が配置されている。ステージ６３は、対象物６４を保持している。ステージ６３は、空間変調器１０の動作と同期して動く。

対象物６４は、投影光学系１の像面に位置している。空間変調器１０では、様々なパターンを生成することができる。よって、像面に対象物６４、例えば感光材料を位置させることで、様々なパターンを感光材料上に投影することができる。

以上、本発明の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及び変更が可能である。

本発明は、光量損失が少なく、鮮鋭な光学像を形成することができる投影光学系及び露光装置に適している。

１、１’、１” 投影光学系
２ 第１光学系
２ａ、２ｂ レンズ
３ 第１レンズアレー
４、４’、４” 第２レンズアレー
５ 第２光学系
６ 物体面
６’ 物体面の共役像
６” 共役像の虚像
７ 像面
１０ 空間変調器
１０ａ 空間変調素子
１１ レンズアレー
１１ａ レンズ素子
１１ｂ レンズ面
２０ 投影光学系
２１ 第１光学系
２１ａ、２１ｂ レンズ
２２ 第１レンズアレー
２２ａ、２３ａ 物体側面
２２ｂ、２３ｂ 象側面
２３ 第２レンズアレー
２４ 第２光学系
２４ａ、２４ｂ レンズ
３０ 第１レンズ素子
３０ａ、３１ａ 物体側面
３０ｂ、３１ｂ 象側面
３１ 第２レンズ素子
３２、３３ 射出瞳
４０ 投影光学系
４１ 第２レンズアレー
４１ａ 物体側面
４１ｂ 象側面
５０ 第２レンズ素子
５０ａ 物体側面
５０ｂ 象側面
６０ 露光装置
６１ 光源
６２ 照明光学系
６３ ステージ
６４ 対象物
ＡＸ 光軸
ＭＲ 周辺光線
ＰＲ 主光線
ＯＢ１ 軸上物点
ＯＢ２ 軸外物点

Claims (11)

1. 物体側から順に、
   前記物体側と像側の両方でテレセントリックな第１光学系と、
   ２次元に配列された第１レンズ素子を有する第１レンズアレーと、
   ２次元に配列された第２レンズ素子を有する第２レンズアレーと、
   前記物体側と前記像側の両方でテレセントリックな第２光学系と、を含み、
   前記第１レンズアレーの２次元的配列と前記第２レンズアレーの２次元的配列が一致することを特徴とする投影光学系。
2. 前記第２レンズアレーでは、周辺光線が前記投影光学系の光軸と平行に出射し、
   前記第２光学系によって、前記第２光学系の像面に、前記第１光学系と前記第１レンズアレー及び前記第２レンズアレーによる合成の瞳の像が形成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２レンズアレーでは、主光線が前記投影光学系の光軸と平行に出射し、
   前記第２光学系によって、前記第２光学系の像面に、前記第１光学系と前記第１レンズアレー及び前記第２レンズアレーによる合成の物体面の像が形成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. 前記第１光学系の倍率の範囲は、等倍から１０倍までであることを特徴とする請求項２または３に記載の投影光学系。
5. 前記第２光学系の倍率の範囲は、０．０５倍から７倍までであることを特徴とする請求項２または３に記載の投影光学系。
6. 空間変調素子を複数有する空間変調器が物体面に配置され、
   以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項２に記載の投影光学系。
   ２×（ＮＡ１×Ｄ１）／（Ｐ１×β１×β１）＜０．７１ （１）
   ここで、
   ＮＡ１は、前記第１光学系の開口数、
   Ｄ１は、前記第１レンズアレーと前記第２レンズアレーの間の空気換算長、
   β１は、前記第１光学系の倍率、
   Ｐ１は、隣り合う２つの前記空間変調素子のピッチ、
   である。
7. 前記空間変調器は、１９０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光により照射されることを特徴とする請求項６に記載の投影光学系。
8. 光源と、
   前記光源からの光を集光する照明光学系と、
   ２次元に配列された空間変調素子を有し、前記照明光学系により照明される前記空間変調器と、
   前記空間変調器と対象物の間に配置された請求項７に記載の投影光学系と、
   前記投影光学系の像面に位置する前記対象物を保持するステージと、を含むことを特徴とする露光装置。
9. 以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項３に記載の投影光学系。
   （ｆ１－Ｄ１）／ｆ１＜０．７１ （２）
   ここで、
   ｆ１は、前記第１レンズ素子の焦点距離、
   Ｄ１は、前記第１レンズアレーと前記第２レンズアレーの間の空気換算長、
   である。
10. 空間変調器が物体面に配置され、
    前記空間変調器は、１９０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長の光により照射されることを特徴とする請求項９に記載の投影光学系。
11. 光源と、
    前記光源からの光を集光する照明光学系と、
    ２次元に配列された空間変調素子を有し、前記照明光学系により照明される前記空間変調器と、
    前記空間変調器と対象物の間に配置された請求項１０に記載の投影光学系と、
    前記投影光学系の像面に位置する前記対象物を保持するステージと、を含むことを特徴とする露光装置。
    
    

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