JP2847883B2

JP2847883B2 - 反射屈折縮小投影光学系

Info

Publication number: JP2847883B2
Application number: JP2083468A
Authority: JP
Inventors: 裕市原; 英夫水谷; 純夫橋本; 豊末永
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1999-01-20
Anticipated expiration: 2014-01-20
Also published as: JPH03282527A; DE4110296A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体素子の製造に使用される露光装置、特
に実素子パターンよりも拡大されたパターンを縮小投影
するための光学系に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路はますます微細化しそのパターンを焼
き付ける露光装置はより解像力の高いものが要求されて
いる。この要求を満たすためには光源の波長を短波長化
しかつ光学系の開口数（NA）を大きくしなければならな
い。しかしながら波長が短くなると光の吸収のために実
用に耐える硝材が限られて来る。波長が300nm以下にな
ると実用上使えるのは合成石英と蛍石（弗化カルシウ
ム）だけとなる。また蛍石は温度特性が悪く多量に使う
ことはできない。そのため屈折系だけで投影レンズを作
ることはきわめて困難である。また反射系だけで開口数
の大きい投影光学系を作ることも、収差補正の困難性の
ために不可能に近い。

〔発明が解決しようとする課題〕

このため、反射系と屈折系とを組み合わせて投影光学
系を構成する技術が種々提案されている。その一例が、
特開昭63−163319号公報に開示される如きリング視野光
学系である。この光学系では入射光と反射光が互いに干
渉しないように軸外の光束を用い、かつ軸外の輪帯部の
みを露光するように構成されている。そのため開口数を
大きくすることが困難であり、しかも一括で露光するこ
ともできないのでレチクルとウエハを光学系の縮小比に
対応して互いに異なる速度で移動しながら露光する必要
があり、このため機械系の構成が複雑になるという欠点
を有し、超微細パターンの露光転写のための精度の維持
には多大の困難を伴うものであった。

また、投影光学系中にビームスプリッターを用いるこ
とによって、軸上の光束により一括でレチクル（マス
ク）の像を投影する反射屈折系からなる投影露光装置
が、例えば特開昭51−27116号公報により知られてい
る。この構成ではビームスプリッター以降の光学系の屈
折面での反射によるフレアが多く、かつビームスプリッ
ターの反射率むら、吸収、位相変化等の特性が何ら考慮
されていないため、解像力が低く半導体製造用露光装置
としては到底使用に耐えるものではなかった。また、ビ
ームスプリッターによる光量損失のため光の利用効率は
25〜10％程度の低いものであった。

更に、上記と同様に投影光学系中にビームスプリッタ
ーを用いたものとして、特開平２−66510号公報に開示
された如き構成が知られている。しかしながら、この光
学系においても前述の光学系と同様にフレアの発生が著
しく、また光量損失が多く、ビームスプリッターでの反
射率の不均一性や吸収特性、そして多層膜であることに
よって生ずる入射角度に対する位相変化の不均一性によ
り解像力が劣化するという欠点もあり、実用のためには
大きな課題を有するものであった。

本発明の目的は、投影光学系中にビームスプリッター
を用いた構成であって、軸上の光束により大きな開口数
を有しつつ、フレアの発生が少なくビームスプリッター
における反射率の不均一性や位相変化の不均一性による
解像力の劣化を防止し、反射屈折系からなる優れた結像
特性を有する縮小投影光学系を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、レチクル面等の第１面に形成され
た所定のパターンを、ウエハ面等の第２面上に縮小投影
するための光学系として、屈折系のみで構成することは
困難であるため、反射系と屈折系を組み合わせた構成と
し、基本的には前述した特公昭51−27116号公報に開示
された構成に基づいている。

そして、一括して広い領域の露光を可能とするために
軸上の光束を用い、入射光と反射光の分離は偏光ビーム
スプリッターと４分の１波長板とで行なう構成とし、偏
光ビームスプリッターに入射する光束を正屈折力の第１
レンズ群によってほぼ平行光束に変換し、偏光ビームス
プリッターと凹面反射鏡の間に第２レンズ群として不屈
折力のレンズまたは群を配置して光束を発散させると共
に、凹面鏡による反射光が再度平行光束に近い状態で偏
光ビームスプリッターに戻るように構成し、正屈折力の
第３レンズ群によって縮小像を形成する構成としてい
る。

具体的には、第１図の原理的構成図に示す如く、レチ
クル面に相当する第１面10からの光束を平行に近い光束
に変換するための正屈折力の第１レンズ群G₁と、該第１
レンズ群G₁からの光束を偏光状態により反射と透過に分
割する偏光ビームスプリッター11と、該偏光ビームスプ
リッター11により分割された光路中に配置されて該偏光
ビームスプリッター11から射出する光束を発散させるた
めの負屈折力の第２レンズ群G₂と、該負屈折力第２レン
ズ群G₂からの発散光束を集束すると共に前記負屈折力第
２レンズ群G₂を通して前記偏光ビームスプリッター11へ
戻すための凹面反射鏡13と、該凹面反射鏡13で反射され
て再び偏光ビームスプリッター11を経由した光束を収斂
してウエハ面に相当する第２面20上に前記第１面10のパ
ターンの縮小像を形成するための正屈折力の第３レンズ
群G₃と、前記偏光ビームスプリッター11と前記凹面反射
鏡13との間に配置された４分の１波長板12とを有するも
のである。

そして、偏光ビームスプリッター11は、第１面10から
凹面反射鏡13に達する光束を透過し、凹面反射鏡13にて
反射されて第２面20に達する光束を反射する構成である
ことが好ましく、このとき第１レンズ群G₁の収斂作用を
受けて偏光ビームスプリッター11に入射する光束がほぼ
平行であることのみならず、凹面反射鏡13で反射された
後に偏光ビームスプリッター11で反射されて正屈折力の
第３レンズ群G₃へ入射する光束もほぼ平行光束であるこ
とが好ましい。

しかも、偏光ビームスプリッターとしては、その偏光
分離面を２つの直角プリズムが貼合わされた斜面に形成
する構成と、薄い斜設平行平面板上に形成する構成とが
考えられるが、本発明においては偏光特性の観点からし
て、２つのプリズムが貼合わされた斜面に誘電帯多層膜
からなる偏光分離面を形成し、プリズムの接合面に偏光
分離面を有するビームスプリッターキューブとして構成
することが好ましい。

〔作用〕

上記の如き本発明の構成の説明に先立って、前記特開
平２−66510号公報に開示された構成を例にとって、有
害なフレアと光量損失について解析した結果について説
明する。

第７図は特開平２−66510号公報に開示された光学系
を模式的に示したものである。縮小転写しようとするパ
ターンの描かれたレチクル１からの光束は、正屈折力の
レンズ２を通りビームスプリッター３を通過して補正レ
ンズ４を通り凹面鏡５で反射される。凹面鏡５で反射さ
れた光束は、再度補正レンズ４を通りビームスプリッタ
ー３で反射された後、正屈折力レンズ６によって集光さ
れ、ウエハ７上にレチクルパターンの縮小像を結像す
る。

ここでレチクル１からの光束がビームスプリッター３
を通るとき、入射光は半透膜によって反射光と透過光と
に分離されるが、半分近くの光が反射されると共に半透
膜での吸収によりかなりの光量損失を生じ、半分近い反
射光が周辺の鏡筒構造物によって反射及び散乱されるた
めにフレアも生ずる。また、凹面鏡５からの反射光がビ
ームスプリッター３に戻って反射されるときには、半分
近くの光が透過し、この透過光は光量損失を生ずるのみ
ならず、レチクル１で反射されて再び結像光と同じ光路
をとってウエハ７に到達して非常に強いゴースト像を形
成し又フレア光ともなる。更に、正屈折力のレンズ６の
表面やウエハ７で反射した光は、ビームスプリッター３
と凹面鏡５で反射されて再びウエハ７に到達するため、
これらの反射光もフレアの原因となる。例えば、ビーム
スプリッター３の反射率を50％、ウエハ７の反射率を30
％とすると、フレア光はレチクル１の照射光量（露光
量）の４〜10％にも達する。限界解像のために許容され
るフレアの光量は２％程度であるため、上記の如き従来
の構成では実用上問題がある。

ところで、一般的なビームスプリッターの半透膜とし
ては、金属薄膜が知られているが、金属膜では光の吸収
が大きくなるために、光量損失が大きくなるという問題
があるのみならず、光吸収に起因する発熱により光学系
の屈折率の変化や形状の変化を生ずるため、光学系の収
差を発生させるという問題も生ずる。このため効率の良
い半透膜としては誘電体多層膜を用いることが必要とな
る。ところが、誘電体多層膜からなる半透膜において
は、反射率の角度特性のむらのみならず、反射の際に受
ける位相の変化の角度特性にも変化が著しいという問題
があることが判明した。

そこで、ビームスプリッター３の半透膜3aによる反射
率むらと位相変化について述べる。上記のように誘電体
多層膜は吸収が少ないという利点を有するものの、角度
が変わると透過率と反射率が変わり、更に位相も変化す
るという角度依存特性を有している。即ち、ビームスプ
リッター３に入射する光が平行光でなく集束または発散
する光束の場合には、透過率と反射率が波面の場所によ
って変化し波面の周辺部の光量低下を招き、実効的に開
口数（NA）が小さくなって解像力の低化をきたす。更
に、位相が波面の場所によって変化することにより波面
収差が発生し、解像力の低下のみならずディストーショ
ン（歪曲収差）を生ずるため、微細パターンを形成する
半導体製造装置としての実用化は難しいものである。

第２図にその反射率透過率特性及び位相変化特性の例
を示す。第２図（Ａ）の反射類透過率特性において、横
軸は入射角、縦軸は反射率及び透過率である。実線ＴA
は透過率、破線ＲAは反射率を示す。第２図（Ｂ）の位
相変化特性において、横軸は入射角、縦軸は位相変化量
を表し、実線ＴAは半透膜を透過する光を示し、破線ＲA
は半透膜で反射する光を示している。

ここで、位相変化の不均一性が解像力にいかに影響す
るかを模式的に示す。第４図（Ａ）は半透膜30における
反射光束が正レンズ31によって所定面上に集光される状
態の模式図であり、第４図（Ｂ）は半透膜での反射光が
受ける位相変化特性の説明図であり、第４図（Ｃ）は第
４図（Ｂ）に示される如き位相変化特性がある場合第４
図（Ａ）の如き光学系の瞳における波面収差を例示する
図である。

すなわち、軸上光線が半透膜11aに入射角θ_０で入射
して反射角θ_０で反射された後に、正レンズ６で集光さ
れて物体像を形成するものとし、軸外像点に達する光束
の主光線の光軸との成す角度をθ_１、軸外の主光線と軸
外周縁光線との成す角度をθ_２とすれば、この軸外像点
の形成に寄与する光束の位相変化特性は第４図（Ｂ）に
示したθ_１±θ_２の範囲となる。従って、この範囲の光
束の受ける位相変化の幅はΔφである。この位相変化の
幅によって、瞳面上では第４図（Ｃ）に示す如く同様に
Δφの幅で位相変化特性の形状を反映した形の波面収差
を持つことになる。第４図（Ｃ）中に接線ｌとして示す
如く、瞳面上の中央部での波面の傾きは、理想像点に対
して実際の結像点が像面上で変位することを意味する。
また、波面の湾曲は入射面（紙面）内において生じて、
その面内においてデフォーカスを生ずることになる。こ
のことは、入射面（紙面）に垂直な方向での波面の湾曲
が少ないことからして、実質的な非点収差を生ずること
になる。つまり、第４図（Ｃ）に示す如き波面収差を持
つ場合には、像の変位や非点収差を生ずることとなり、
像性能の劣化をきたすことになるのである。そして、軸
外光束の光軸を挟んだ（θ_０±θ_１）の２光束について
考えると、位相変化の湾曲のため波面の傾きが互いに異
なり、像点の変位量が異なることになって像の歪曲を生
ずることになる。これらの非点収差や歪曲収差は非回転
対象な収差であるために、通常の光学系において補正す
ることは困難である。

そこで、前記第２図に示したビームスプリッターとし
て一般的な半透膜における位相変化特性図に戻れば、半
透膜を透過する光（実線ＴA）は直線的ながら大きく変
化し、反射する光（破線ＲA）の位相変化特性は大きく
湾曲していることがわかる。従って、このような半透膜
においてはレンズ系の結像性能を如何に高めたとして
も、半透膜での位相変化によって解像力の劣化が避けら
れないものとなる。特に、半透膜で反射される光（破線
ＲA）の位相変化特性が大きく湾曲しているために著し
い非点収差を発生することになり、また歪曲収差も避け
られない。

以上の如き従来の構成に対し、第１図に示した本発明
においては、偏光ビームスプリッターを用いることによ
り、光量損失とフレアの発生を少なくするのみならず、
ビームスプリッターによる光量変化と位相変化による波
面収差などによる解像力の劣化、歪曲収差の発生を防ぐ
ことが可能である。すなわち、以上の如き半透膜におけ
る位相変化特性に対し、偏光ビームスプリッターにおけ
る偏光分離面は多層膜構成ではあるものの、第３図に示
す如く位相変化特性はかなり安定していることが判明し
た。すなわち、第３図の実施例における角度特性図に示
す如く、偏光分離面を透過するｐ偏光の位相変化量（実
線Tp）は緩い傾きの直線であり、反射するｓ偏光の位相
変化量（破線Rs）はほとんど水平な直線となっている。
このため、偏光分離面を透過するｐ偏光（実線Tp）にお
いては瞳面上で波面がやや傾いて像面上での像点の変位
がやや生ずるものの、偏光分離面で反射されるｓ偏光
（破線Rs）による結像では広い角度範囲において位相の
変化がほぼ一定しており波面の傾きを生ずることがな
く、光学系の優れた結像性能が維持されることが分か
る。尚、第３図（Ａ）は反射率特性、第３図（Ｂ）は位
相変化特性であり、各グラフの横軸、縦軸は前記第２図
のものと同一である。

このような偏光分離面における位相変化特性に鑑み、
本発明においては第１面から凹面反射鏡に達する光束を
透過し、該凹面反射鏡にて反射されて前記第２面に達す
る光束を反射する構成としたものである。すなわち、第
１レンズ群G₁によって第１面からの光束をほぼ完全に平
行光束に変換することが収差補正上比較的容易である一
方、凹面鏡での反射と負屈折力の第２レンズ群G₂を経て
くる光束が所定の縮小倍率を得るためにはある程度の収
斂光束にすることが収差補正のバランス上必要となって
いることから、凹面鏡での反射と負屈折力の第２レンズ
群G₂を経てくる光束に対して、広い角度範囲において高
い反射率を維持すると共に位相変化が少ないという偏光
ビームスプリッターの特性を用いることが有利であるこ
とが明らかとなったのである。

すなち、第３図（Ａ）に示した偏光分離特性の如く、
偏光ビームスプリッター、入射角46度以上の範囲で透過
するｐ偏光（実線Tp）の透過率が90％以上であり、入射
角58度以下の範囲で反射されるｓ偏光（破線Rs）の反射
率が90％以上という優れた値を有している。また、位相
変化もほぼ線形である。位相変化が線形であることによ
り、像の全体の横ずれを生じはするものの歪曲収差は生
ずることはなく、位相変化特性の傾きが小さいために非
点収差の発生も小さく、解像力の低下も生じない。また
４分の１波長板を偏光ビームスプリッターと凹面反射鏡
の間に入れることにより光量損失をなくせるのみなら
ず、余分な反射光がウエハの配置される第２面上に戻ら
なくできるため、フレアを大幅に減らすことができる。

ただし、本発明の構成において、偏光ビームスプリッ
ターが良好な角度特性を持つのは上述の一定の角度範囲
のみであるため、レチクルの配置される第１面と偏光ビ
ームスプリッターとの間に配置された正屈折力の第１レ
ンズ群によって、偏光ビームスプリッターに入射する光
束をできるだけ平行光に近付けることが必要となる。ま
た、偏光ビームスプリッターで反射されて正屈折力の第
３レンズ群へ入射する光束の光軸とのなす角度について
も、ほぼ光軸と平行となるように構成することが望まし
い。

具体的な光束の状態として、凹面反射鏡での反射の
後、負屈折力の第２レンズ群G₂を通過して偏光ビームス
プリッターでの反射を受けて正屈折力の第３レンズ群へ
入射する軸上物点からの周縁光線の光軸とのなす角度
は、プリズム内において７度を超えないことが好まし
い。また、偏光ビームスプリッターから正屈折力の第３
レンズ群へ入射する軸外物点からの主光線が光軸となす
角度は同じくプリズム内において５度を超えないことが
好ましい。これらの角度を超える場合には、凹面反射鏡
で反射されて負屈折力の第２レンズ群G₂を通過し、1/4
波長板によって偏光方向が変換されてｓ偏光として偏光
ビームスプリッターに入射する光束が、十分反射されな
くなるために結像に寄与する光量の損失が大きくなり、
フレア及び結像性能を劣化するため、良好な結像を行う
ことが難しくなる。

そして、正屈折力の第１レンズ群から偏光ビームスプ
リッターへ入射する軸上物点からの周縁光線の入射角、
及び軸外物点からの主光線の入射角は、共に４度を超え
ないことが望ましい。この角度が大きくなりすぎると、
偏光ビームスプリッターの透過率特性からして光量損失
が増大することとなるため好ましくない。

また、凹面反射面の収斂作用と負屈折力の第２レンズ
群G₂の発散作用との関係は、偏光ビームスプリッターを
透過してくるほぼ平行な光束を、凹面反射鏡での反射を
経て負屈折力第２レンズ群G₂を通過した後においてもほ
ぼ平行光束に変換することが、偏光ビームスプリッター
の薄膜特性の観点から上述のとおり望ましい。このた
め、凹面反射鏡の屈折力が第２レンズ群G₂の負屈折力の
おおよそ２倍の正屈折力を有していることが好ましく、
良好の収差補正のためには凹面反射鏡の収斂屈折力をP
r、第２レンズ群G₂の負屈折力をPnとするとき、 1.5|Pn|＜Pr＜4.0|Pn| の範囲に構成することが望ましい。

上記の上限を超える場合には、凹面反射面の収斂正屈
折力が強くなり過ぎるため、色収差の補正には有利にな
るものの、偏光ビームスプリッターの薄膜特性からして
光量損失が過大になってしまい照明効率の低下をきた
す。また、下限を外れる場合には、凹面反射面の屈折力
が相対的に弱くなるため凹面反射鏡によって所定の縮小
倍率を得ることが難しくなって、相対的に第１レンズ群
G₁や第３レンズ群G₃での屈折力の増大を要するためこれ
らのレンズ群での縮小倍率を負担することによる諸収差
の発生が著しくなるため好ましくない。

そして、本発明の上記構成において、凹面反射鏡の曲
率半径は、ウエハー面等の第２面上に形成される像の有
効領域（イメージサークル）直径の15倍から25倍である
ことが好ましい。凹面反射鏡において、その収斂作用に
よってある程度の縮小倍率を達成すると共にペッツバー
ル和や非点収差、歪曲収差を良好に補正するために、第
１レンズ群G₁、第２レンズ群G₂及び第３レンズ群G₃から
なる屈折力との収差バランスを良好に維持することが可
能となる。すなわち、凹面反射鏡の曲率半径が、縮小像
の有効領域直径の15倍を下回る場合には、色収差の補正
には有利となるが、ペッツバール和が正に増大して非点
収差も歪曲収差も増加する。凹面反射鏡の屈折力が大き
くなると凹面反射鏡での反射の前後で偏光ビームスプリ
ッターを経由する光束をほぼ平行光束とするために必要
な負の第２レンズ群G₂の屈折力が大きくなるため、球面
収差の補正のために正屈折力の第３レンズ群G₃の屈折力
が大きくなることが必要となる。第３レンズ群G₃は像面
としてのウエハ面に近い位置に配置されるため、収差補
正のためには第２レンズ群G₂の負屈折力以上に大きな屈
折力が必要となるため、ペッツバール和が著しく増大す
ることとなってしまう。尚、諸収差のより良好な補正の
ためには、凹面鏡の曲率半径は縮小像の有効領域直径の
19倍以上であることが好ましい。逆に、凹面鏡の曲率半
径が縮小像の有効領域直径の25倍を超えて大きくなる場
合には、非点収差や歪曲収差の補正には有利となるが、
所定の縮小倍率を得ることが難しくなり、色収差の補正
が不十分となるため実用的ではない。

また、本発明においては、レチクル面に相当する第１
面と凹面反射鏡とを結ぶ光軸に対して、偏光ビームスプ
リッターの反射面（偏光分離面）の法線が成す角度θ_０
を、45度以上とすることが好ましい。すなわち、凹面鏡
で反射されて後にビームスプリッターで反射される光束
のビームスプリッター面への入射角及び反射角を、45度
より大きくなる配置とすることが好ましい。この条件
は、偏光ビームスプリッターの角度特性を安定した良好
な状態で使用するため必要となる。この角度θ_０が45度
より小さくなる場合には、良好な角度特性が得られる角
度範囲が狭くなり、偏光ビームスプリッターを経由する
光束がより平行であることが必要となるため、光学系の
収差補正上の制約が大きくなり、良好な結像性能を維持
することが難しくなる。

また、偏光ビームスプリッターの反射面の法線がレチ
クル面に相当する第１面と凹面反射鏡とを結ぶ光軸に対
して、少なくとも55度以下であることが望ましい。この
角度以上となることは、偏光ビームスプリッターを構成
するプリズムが大きくなって、凹面反射鏡とレチクルの
配置される第１面との距離が長くなって光学系全体が大
型化すると共に、凹面反射鏡の曲率半径が大きくなって
屈折力が弱くなり色収差の増大をまねくことになる。

以上の如く、第１図に示した本発明の原理的構成にお
いては、ビームスプリッター11の反射面11aで反射され
る光路の光軸が、透過光路の光軸と直交しない。このた
め、ビームスプリッター11で反射される光束の射出面が
光軸に垂直になるようにして、プリズムとしてのビーム
スプリッターキューブにおける実質的光路の対象性を維
持して非対象収差の発生を防止するために、ビームスプ
リッターの反射光路側射出面には補助プリズム14が貼合
わされている。

ところで、４分の１波長板としては厚さの薄い１軸性
結晶（水晶）を用いなければならない。その理由は光束
が平行光からずれると異常光線に対して非点収差が生じ
るためである。この非点収差は、通常波長板で行なわれ
ている２枚の結晶を90度互いに光学軸を回転させて張り
合わせる方法では補正できない。（常光線、異常光線と
も非点収差が生じてしまう。）この非点収差量は、波面
収差をＷとして、Ｗ＝（no−ne）ｄθ^２と表される。ここで（no−ne）は常光線の屈折力noと異
常光線の屈折力neとの差、ｄは結晶が貼合せてなる４分
の１波長板の厚さ、θは結晶内での平行光からのずれ
角、即ち光束の発散（集束）角を表わしている。

実用的な構成としては、４分の１波長板を水晶にて構
成する場合（no−ne）＝0.01であり、光束の発散（集
光）状態を角度θ＝７度程度とすると、十分良好な結像
性能を維持するために波面収差量Ｗを、４分の１波長内
すなわちｗ＜λ/4に維持するためには、ｄ＜200μｍであることが好ましい。

尚、４分の１波長板は、前記偏光ビームスプリッター
と負屈折力の第２レンズ群との間に配置することが好ま
しく、このような配置にすることによってほぼ平行な光
束中に４分の１波長板が配置されることとなるため、４
分の１波長板の特性が良好になる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例について説明する。

第５図は本発明の実施例の光学構成を示す光路図であ
る。不図示の照明光学系からくる紙面内に偏光した光
（ｐ偏光）が集積回路のパターンが形成されたレチクル
に相当する第１面10を照明する。この第１面10上のパタ
ーンからの光束は、正屈折力を持つ第１レンズ群G₁によ
ってほぼ平行光束に変換されて偏光ビームスプリッター
11に入射する。第１レンズ群G₁は第１面側から順に、両
凸形状の正レンズL₁₁、両凹形状の負レンズL₁₂からなる
前方群と、負レンズL₁₃、第１面側に凹面を向けたメニ
スカスレンズL₁₄及び正レンズL₁₅、両凹負レンズL₁₆、
両凸正レンズL₁₇からなる後方群で構成されている。偏
光ビームスプリッターの偏光分離多層膜面11aの法線
は、第１面10から凹面反射鏡13に至る光路の光軸に対し
て50度の傾斜に形成されている。

負屈折力の第２レンズ群G₂は凹面反射鏡13側に凸面を
向けた負メニスカスレンズL₂₀のみから構成されてい
る。また、偏光ビームスプリッター11からの反射光束を
第２面20上に集光する正屈折力第３レンズ群G₃は、偏光
ビームスプリッター11側から順に、正レンズL₃₁、両凹
負レンズL₃₂、両凸正レンズL₃₃、ビームスプリッター側
に強い凸面を向けた正レンズL₃₄、第２面20側に強い凹
面を向けた負レンズL₃₅及びビームスプリッター11側に
強い凸面を向けた正レンズL₃₆から構成されている。

偏光ビームスプリッター11を透過する偏光光（ｐ偏
光）は、４分の１波長板12を通り右（左）回り円偏光に
変換された後負屈折力の第２レンズ群G₂により発散され
て凹面反射鏡13に入射する。ここでは、凹面反射鏡の収
斂屈折力Prの値は、負の第２レンズ群G₂の屈折力Pnに対
して、 Pr＝2.8|Pn| の関係にある。この凹面鏡13の曲率半径は第２レンズ群
G₂のおおよそ２倍の正の屈折力を有していることが好ま
しいが、良好な収差補正のためには、上述した範囲に設
定することが望ましい。この凹面反射鏡13で反射された
光束は逆回りの円偏光となり集束しながら再度負屈折力
の第２レンズ群G₂と４分の１波長板12を通過しｓ偏光と
なって再度偏光ビームスプリッター11に入射する。この
ときの軸上物点からの光線の光軸に対する角度は約４度
であり、主光線のそれも約３度である。ｓ偏光となった
光束は偏光ビームスプリッター11で反射されて、正屈折
力の第３レンズ群G₃によってウエハ面に相当する第２面
20上にレチクルパターンの縮小像を形成する。この実施
例は、使用基準波長248nmにおいて、結像倍率は1/5の縮
小倍率であり、開口数0.45を有している。また、縮小投
影像の有効領域（イメージサークル）の直径は20mmであ
り、凹面反射面の曲率半径はその役21倍である。

そして、偏光ビームスプリッター11を透過する軸上物
点からの周縁光線（所謂ランド光線）の光軸に対する角
度はおおよそ０度であり、主光線の光軸に対する角度の
最大値は約３度であること、また、偏光ビームスプリッ
ター11の反射面11aの法線と光軸のなす角は50度に配置
されているため、第３図の角度特性に示す如く、ｐ偏光
の透過率は50±３度の範囲において95％以上で、位相の
変化は入射角に対し線形となっている。また、偏光ビー
ムスプリッター11で反射されるｓ偏光の角度は軸上物点
からの周縁光線の光軸に対する角度はおおよそ４度であ
り、主光線の光軸に対する角度の最大値は約３度である
ため、第３図の角度特性に示す如く、ｓ偏光の反射率は
50±７度の範囲において95％以上で、位相の変化は入射
角に対してほとんど一定となっている。

下記の表に本発明による光学系の一実施例の諸元を示
す。この表では、物体面としてのレチクル面に相当する
第１面から像面としてのウエハ面に相当する第２面に向
かう順序で各面の曲率半径、面間隔および硝材を示して
いる。表中、各面の曲率半径および屈折率は第５図中右
から左へ向かう光線の進行方法を正と定義し、これを基
準としてそれらの正負を定め、面間隔は光線の進行方向
が正である媒質中は正とし、光線の進行方向が負である
媒質中は負とするものとしている。

ところで、上記の表中においては、石英ガラス上に設
けられた４分の１波長板12が、偏光ビームスプリッター
11に接合されているものとし、その厚さは薄いため無視
した。４分の１波長板12そのものは極めて薄いため、石
英ガラスに接着して支持することが必要である。

また、上記実施例の構成に用いられた偏光ビームスプ
リッターの薄膜構成は、21層からなり、高屈折率物質と
して酸化ハフニウムHfO₂を用い、低屈折率物質として酸
化シリコンSiO₂を用いて入射角を50度としたものであ
り、この構成からなる偏光ビームスプリッターの特性が
前述した第３図に示したものである。第３図に示した角
度特性図に示すとおり、50度±７度の範囲でｓ偏光の反
射率は95％以上であり、50度±３度の範囲でｐ偏光の透
過率は95％以上である。またこの範囲では位相変化は緩
やかな線形または一定であり、歪曲収差や像の劣化は起
こらないことは前述したとおりである。尚、高屈折率物
質としては上記の他、Y₂O₃,Sc₂O₃,Al₂O₃,MgO等が有用で
あり，低屈折率物質としてYF₃,MgF₂,LaF₃,SiO₂,LiF等が
有効である。

尚、第２図に示した従来の半透膜の特性は、高屈折率
物質として酸化アルミニウムAl₂O₃を用い、低屈折率物
質として酸化シリコンSiO₂を用いた31層の構成からなる
ものであり、入射角を45度としたものである。

第６図に上記実施例の結像性能を示すために、球面収
差、非点収差、歪曲収差及び倍率の色収差を示す。基準
波長はλ_１（248nm）とし、±0.5nmの範囲でλ_２（247.
5nm）及びλ_３（248.5nm）についての収差量を示した。
各収差図から分かるように、本実施例によれば極めて良
好な結像性能を有していることが明らかであり、上述し
た偏光ビームスプリッターの良好な偏光分離特性及び位
相の角特性とあいまって、優れた縮小投影像を鮮明に効
率良く形成することが可能となる。

ところで、上記実施例においては負屈折力の第２レン
ズ群G₂を単一の負メニスカスレンズで構成したが、この
構成に限られるものではなく、複数のレンズで構成する
ことが可能である。そして、凹面反射面を負レンズの裏
面反射面とすることによって、第２レンズ群G₂と凹面反
射面とを一体的に構成することも可能である。

〔発明の効果〕

以上の如く、本により屈折率のみで投影レンズを作る
ことができない波長域でも反射影と屈折系に、偏光ビー
ムスプリッターと４分の１波長板を組み合わせることに
よって、非点収差、歪曲収差、色収差を含む諸収差を良
好に補正した縮小投影光学系を実現することができ、所
定領域のレチクルパターンを一括露光により縮小投影す
ることが可能となる。また、この光学系は光量損失が少
なくかつフレアも少ないものであるため、極く微細なパ
ターンを優れた解像力にて鮮明に投影することができ、
一段と微細パターンの投影が必要となっている半導体素
子の製造において極めて有用な露光装置を提供すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学系の原理的構成図、第２図は
従来の半透膜の反射率透過率特性及び位相変化特性を示
す図、第３図は本発明における偏光ビームスプリッター
についての反射率透過率特性及び位相変化特性を示す
図、第４図は位相変化特性と結像性能との関係を説明す
る図、第５図は本発明による実施例の光学構成を示す光
路図、第６図は本発明による実施例の諸収差図、第７図
は従来の光学系を示す概略構成図である。〔主要部分の符号の説明〕 10……第１面（レチクルのパターン面） 20……第２面（ウエハ面） 11……偏光ビームスプリッター 12……４分の１波長板 13……凹面反射鏡、14……補助プリズム G₁……正屈折力の第１レンズ群 G₂……負屈折力の第２レンズ群 G₃……正屈折力の第３レンズ群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者末永豊東京都品川区西大井１丁目６番３号株式会社ニコン大井製作所内 (56)参考文献特開平２−66510（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−27116（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03B 27/34 G02B 27/28 H01L 21/30 G03F 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面のパターンを第２面上に縮小投影す
るための光学系であって、該第１面からの光束を平行に
近い光束に変換するための正屈折力の第１レンズ群と、
該第１レンズ群からの光束を偏光状態により反射と透過
に分割する偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームス
プリッターにより分割された一方の光路中に配置されて
該偏光ビームスプリッターから射出する光束を発散させ
るための負屈折力の第２レンズ群と、該負屈折力第２レ
ンズ群からの発散光束を集束すると共に前記負屈折力第
２レンズ群を通して前記偏光ビームスプリッターへ戻す
ための凹面反射鏡と、該凹面反射鏡で反射されて再び偏
光ビームスプリッターを経由した光束を収斂して前記第
２面上に前記第１面のパターンの縮小像を形成するため
の正屈折力の第３レンズ群と、前記偏光ビームスプリッ
ターの前記凹面反射鏡との間に配置された４分の１波長
板とを有することを特徴とする反射屈折縮小投影光学
系。
【請求項２】前記偏光ビームスプリッターは、前記第１
面から前記凹面反射鏡に達する光束を透過し、該凹面反
射鏡にて反射されて前記第２面に達する光束を反射する
構成であることを特徴とする請求項（１）記載の反射屈
折縮小投影光学系。
【請求項３】前記偏光ビームスプリッターはプリズムの
接合面に形成された偏光分離面を有するビームスプリッ
ターキューブであり、該ビームスプリッターキューブか
ら前記正屈折力の第３レンズ群へ入射する軸上物点から
の周縁光線の光軸とのなす角度はプリズム内にて７度を
超えないことを特徴とする請求項（２）記載の反射屈折
縮小投影光学系。
【請求項４】前記偏光ビームスプリッターはプリズムの
接合面に形成された偏光分離面を有するビームスプリッ
ターキューブであり、該ビームスプリッターキューブか
ら前記正屈折力の第３レンズ群へ入射する軸外物点から
の主光線が光軸となす角度は５度を超えないことを特徴
とする請求項（２）記載の反射屈折縮小投影光学系。
【請求項５】前記凹面反射鏡の屈折力をPr、前記第２レ
ンズ群G₂の負屈折力をPnとするとき、 1.5|Pn|＜Pr＜4.0|Pn| の条件を満足することを特徴とする請求項（２）記載の
反射屈折縮小投影光学系。
【請求項６】前記凹面反射鏡の曲率半径は、前記第２面
上に形成される第１面上パターンの像の有効領域直径の
15倍から25倍であることを特徴とする請求項（２）記載
の反射屈折縮小光学系。
【請求項７】前記第１面から前記凹面反射鏡に向かう光
路の光軸と前記偏光ビームスプリッターの偏光分離面の
法線との成す角度が45度以上であるように構成されたこ
とを特徴とする請求項（２）記載の反射屈折縮小投影光
学系。
【請求項８】前記４分の１波長板は水晶から構成され、
その厚さは200μｍ以下であることを特徴とする請求項
（１）記載の反射屈折縮小投影光学系。
【請求項９】前記４分の１波長板は、前記偏光ビームス
プリッターと負屈折力の第２レンズ群との間に配置され
ていることを特徴とする請求項（１）記載の反射屈折縮
小投影光学系。