JP3065017B2 - 投影露光装置及びデバイスの製造方法 - Google Patents

投影露光装置及びデバイスの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は投影露光装置及びデ
バイスの製造方法に関し、特に回折光学素子を含む投影
光学系によってレチクル又はマスク（以下「マスク」と
総称する）面上のデバイスパターンをウエハ上の複数箇
所にステップアンドリピート方式又はステップアンドス
キャン方式で投影露光することにより、ＩＣ，ＬＳＩ，
ＣＣＤ，液晶パネル等のサブミクロン又はクォーターミ
クロン以下のパターンを有するデバイスを製造する際に
好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、回折光学素子（Diffractive Opti
cal Element 、以下「ＤＯＥ」ともいう）を利用した光
学系が数多く提案されている。例えば、SPIE Vol.1354
International Lens Design Conference(1990)や特開平
４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公
報、特開平６−３３１９４１号公報、ＵＳＰ５，０４
４，７０６は回折光学素子の色収差の出方が通常の屈折
素子であるレンズに対して逆方向であるという現象を利
用し、レンズの表面や或いは透明な板の表面に正の光学
パワーを有する回折光学素子を設けて光学系の色収差を
減じる方法が提案されている。
【０００３】又、素子を構成する各単位を２段以上の階
段で構成した回折光学素子、所謂バイナリオプティクス
素子(Binary Optics Elements、例えばG.J.Swanson,Tec
hnical Report 854,MIT Lincoln Laboratory,14 Aug 19
89やG.J.Swanson,TechnicalReport 914,MIT Lincoln La
boratory,1 Mar 1991 等で提案されている。
【０００４】一方、投影光学系に回折光学素子を導入し
てこの素子の作用で諸収差を従来よりも補正した半導体
素子製造用の投影露光装置も、例えば特開平６−３３１
９４１号公報，特開平７−１２８５９０号公報，特開平
８−１７７１９号公報等で提案されている。
【０００５】これらの装置の投影光学系は、１つ又は複
数の回折光学素子を用いて、主に軸上色収差や倍率色収
差を補正している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】光の利用効率という点
では位相型の回折光学素子を用いることが好ましい。位
相型の回折光学素子は理想的にキノフォーム（Kinofor
m）が作製された場合、回折効率が１００％となる。こ
れに対して前述のバイナリオプティクス素子はキノフォ
ームを階段で近似している為、それが理想的に製作され
ても回折効率が１００％とならず、例えば８段の階段で
回折効率が９５％程度しか得られず、結像に寄与しない
不必要な回折光（不要回折光）が発生してくる。
【０００７】この不要回折光は正しい位置に結像しない
為、フレアー光として像面に遠く像質を低下させてい
た。前述の先行技術はいずれも、この不要回折光に対す
る有効な対策法を有していない。
【０００８】回折光学素子からこのような不要回折光が
発生した場合、該不要回折光が像面にまで達するには鏡
筒の内壁などで１回以上反射されてから達する場合と、
このような反射をせずに、そのまま光学系の有効径内を
通過して達する場合とがある。我々の検討によれば不要
回折光のうち、鏡筒で反射するものは鏡筒の設計、及び
内壁の反射防止処理により、その強度を無視できる程度
に低減することができるが、光学系の有効径内をそのま
ま通過して像面に達する不要回折光は露光むら等の原因
となることが判明した。
【０００９】
【００１０】
【００１１】本発明は、回折光学素子から生ずる不要回
折光に悪影響を極力少なくし、高い光学性能を容易に得
られる投影露光装置及びデバイスの製造方法の提供を目
的とする。不要回折光の像質への影響を判断するには、
像面における設計次数の回折光強度（結像に用いる正規
の回折光強度）に対する不要回折光の強度と、像面にお
ける不要回折光の強度分布の両方に注目する必要があ
る。不要回折光の像面での強度がほとんど０であること
が好ましいが、このようにすることは簡単でない。我々
は検討により、不要回折光の強度が設計次数の回折光の
強度の数％程度であっても、その強度分布が像面上では
ほぼ一様となるときは不要回折光の像質への影響が実質
的になくなることに気づいた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の投影露
光装置は、光源からの光でマスクを照明する照明光学系
と、前記照明されたマスクのパターンの像を基板上に投
影する、回折光学素子を備える投影光学系とを有する投
影露光装置において、前記回折光学素子から、前記像の
投影に用いる所定の次数の回折光と、該回折光とは次数
が異なっていて且つ前記基板に入射してそこに均一な光
強度分布を形成する他の回折光とが生じていることを特
徴としている。
【００１３】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記回折光学素子は、前記投影光学系の開口絞りの
位置または該開口絞りの近くの位置にあることを特徴と
している。
【００１４】請求項３の発明は請求項２の発明におい
て、前記回折光学素子は、そこから、更に、前記所定の
次数の回折光とは次数が異なっていて、且つ前記基板に
入射しないで、前記回折光学素子と他の複数の光学素子
とを保持するレンズ鏡筒の内壁に入射させる回折光が生
じていることを特徴としている。
【００１５】請求項４の発明は請求項２の発明におい
て、前記回折光学素子が、複数個、前記投影光学系の開
口絞りの位置または該開口絞りの近くにあることを特徴
としている。
【００１６】請求項５の発明の投影露光装置は、光源か
らの光でマスクを照明する照明光学系と、前記照明され
たマスクのパターンの像を基板上に投影する、回折光学
素子を備える投影光学系とを有する投影露光装置におい
て、前記回折光学素子から、前記像の投影に用いる所定
の次数の回折光と、該回折光とは次数が異なる他の回折
光とが生じており、前記他の回折光の一部分が前記基板
に入射せず、且つ前記他の回折光の残りの部分が前記基
板に入射してそこに均一な光強度分布を形成しているこ
とを特徴としている。
【００１７】請求項６の発明は請求項５の発明におい
て、前記回折光学素子は、前記投影光学系の開口絞りの
位置または該開口絞りの近くの位置にあることを特徴と
している。
【００１８】請求項７の発明は請求項５の発明におい
て、前記基板に入射しない前記一部分の回折光を、前記
回折光学素子と他の複数の光学素子とを保持するレンズ
鏡筒の内壁に入射させることにより、その強度を減らし
ていることを特徴としている。
【００１９】請求項８の発明は請求項５の発明におい
て、前記回折光学素子が、２個、前記投影光学系の開口
絞りの位置または該開口絞りの近くにあることを特徴と
している。
【００２０】請求項９の発明は請求項６の発明におい
て、前記マスクと前記基板間の距離をＤ、前記開口絞り
の位置から前記回折光学素子のある位置までの距離を
ｄ、前記投影光学系の開口数（ＮＡ）を決める最大光線
の前記開口絞りの位置での高さと前記回折光学素子への
入射高さとを各々Ｈ，ｈとするとき ０．００５＜ｄ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈ／Ｈ＜１．２ を満足することを特徴としている。
【００２１】請求項１０の発明は請求項８の発明におい
て、前記マスクと前記基板間の距離をＤ、前記開口絞り
の位置から前記回折光学素子のある位置までの距離を
ｄ、前記投影光学系の開口数（ＮＡ）を決める最大光線
の前記開口絞りの位置での高さと前記回折光学素子への
入射高さとを各々Ｈ，ｈとするとき、前記２個の回折光
学素子の双方に対して、 ０．００５＜ｄ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈ／Ｈ＜１．２ を満足することを特徴としている。
【００２２】請求項１１の発明は請求項６の発明におい
て、前記投影光学系は、非球面レンズを有していること
を特徴としている。
【００２３】請求項１２の発明は請求項８の発明におい
て、前記投影光学系は、非球面レンズを有していること
を特徴としている。
【００２４】請求項１３の発明は請求項８の発明におい
て、前記複数の回折光学素子は、前記投影光学系の軸上
色収差補正と色のコマ収差補正に寄与していることを特
徴としている。
【００２５】請求項１４の発明は請求項８の発明におい
て、前記２個の回折光学素子のそれぞれの最大有効径の
位置における回折光学素子の周波数の比が２．５を越え
ないことを特徴としている。
【００２６】請求項１５の発明は請求項６の発明におい
て、前記光源は、ＫｒＦエキシマレーザーまたはＡｒＦ
エキシマレーザーまたはＦ2 レーザーを備えることを特
徴としている。
【００２７】請求項１６の発明は請求項８の発明におい
て、前記投影光学系において使用される硝材は石英のみ
であることを特徴としている。
【００２８】請求項１７の発明は請求項８の発明におい
て、前記投影光学系において使用される硝材は石英と蛍
石のみであることを特徴としている。
【００２９】請求項１８の発明は請求項８の発明におい
て、前記パターン像は、線幅０．２５ミクロンメートル
以下のパターンを含むことを特徴としている。
【００３０】請求項１９の発明は請求項８の発明におい
て、前記パターン像を、ステップ＆リピート方式によっ
て、前記基板上の相異なる箇所に順次投影することを特
徴としている。
【００３１】請求項２０の発明は請求項８の発明におい
て、前記パターン像を、ステップ＆スキャン方式によっ
て、前記基板上の相異なる箇所に順次投影することを特
徴としている。
【００３２】請求項２１の発明の投影露光装置は、第１
物体のパターンを投影光学系により第２物体に投影する
投影露光装置において、該投影光学系は開口絞りの位置
又はその近傍に配置した第１回折光学素子及び第２回折
光学素子と、非球面レンズとを有していることを特徴と
している。
【００３３】請求項２２の発明は請求項２１の発明にお
いて、前記開口絞りから前記第ｉ回折光学素子までの距
離をｄｉ、前記第１物体から前記第２物体までの距離を
Ｄ、前記投影光学系のＮＡを決定する最大光線高の該開
口絞りでの高さと該第ｉ回折光学素子への入射高を各々
Ｈ，ｈｉとしたとき ０．００５＜ｄｉ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈｉ／Ｈ＜１．２ （但しｉ＝１，２） なる条件を満足することを特徴としている。
【００３４】請求項２３の発明の投影露光装置は、第１
物体のパターンを投影光学系により第２物体に投影する
投影露光装置において、該投影光学系は開口絞りの位置
又はその近傍に配置した第１回折光学素子及び第２回折
光学素子を有し、該開口絞りから該第ｉ回折光学素子ま
での距離をｄｉ、該第１物体から該第２物体までの距離
をＤ、該投影光学系のＮＡを決定する最大光線高の該開
口絞りでの高さと該第ｉ回折光学素子への入射高を各々
Ｈ，ｈｉとしたとき ０．００５＜ｄｉ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈｉ／Ｈ＜１．２ （但しｉ＝１，２） なる条件を満足することを特徴としている。
【００３５】請求項２４の発明は請求項２３の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子は前記開口絞りを挟
んで配置されていることを特徴としている。
【００３６】請求項２５の発明は請求項２３の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子は前記開口絞りより
も前記第１物体側に配置されていることを特徴としてい
る。
【００３７】請求項２６の発明は請求項２３の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子は前記開口絞りより
も前記第２物体側に配置されていることを特徴としてい
る。
【００３８】請求項２７の発明は請求項２３の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子はそれらより生ずる
結像に関係しない不要回折光が前記第２物体上に一様な
光強度分布で入射するように設定されていることを特徴
としている。
【００３９】請求項２８の発明は請求項２３の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子は前記投影光学系の
軸上色収差と色コマ収差を補正していることを特徴とし
ている。
【００４０】請求項２９の発明は請求項２４の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子の最大有効径におけ
る回折格子の周波数をｆＲ１，ｆＲ２としたときの相対
比が２．５倍を越えないことを特徴としている。
【００４１】請求項３０の発明の投影露光装置は、第１
物体のパターンを投影光学系により第２物体に投影する
投影露光装置において、該投影光学系は開口絞りを挟ん
で配置した第１回折光学素子及び第２回折光学素子を有
していることを特徴としている。
【００４２】請求項３１の発明は請求項３０の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子はそれらより生ずる
結像に関係しない不要回折光が前記第２物体上に一様な
光強度分布で入射するように設定されていることを特徴
としている。
【００４３】請求項３２の発明は請求項３０の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子は前記投影光学系の
軸上色収差と色コマ収差を補正していることを特徴とし
ている。
【００４４】請求項３３の発明は請求項３０の発明にお
いて、前記第１，第２回折光学素子の最大有効径におけ
る回折格子の周波数をｆＲ１，ｆＲ２としたときの相対
比が２．５倍を越えないことを特徴としている。
【００４５】請求項３４の発明のデバイスの製造方法
は、請求項１〜３３のいずれか１項の発明の、投影露光
装置を用いてレチクル面上のパターンを投影光学系によ
りウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現像処理工
程を介してデバイスを製造していることを特徴としてい
る。
【００４６】請求項３５の発明の光学設計方法は、回折
光学素子と、他の種類の光学素子を含んだ光学系の光学
設計方法において、該光学系による結像面上の所定の範
囲内において該回折光学素子からの結像に寄与する特定
次数の回折光と、結像に寄与しない不要回折光との比が
略一定となるように該回折光学素子の光路中の位置を設
定した後、各光学素子に関する数値データを決定するこ
とを特徴としている。
【００４７】請求項３６の発明の結像光学系の製造方法
は、回折光学素子と、屈折光学素子及び／又は反射光学
素子とを有するリソグラフィー用の結像光学系の製造方
法において、光学設計を行なう際に、前記回折光学素子
からの設計次数以外の次数の回折光が像平面に及ぼす好
ましくない影響が他の位置と比して小さくなる位置に前
記回折光学素子の位置を設定した後、前記回折光学素子
と前記屈折光学素子及び／又は反射光学素子に関する数
値データを決定することを特徴としている。
【００４８】請求項３７の発明は請求項３６の発明にお
いて、前記好ましくない影響が光量むらであることを特
徴としている。
【００４９】請求項３８の発明は請求項３６の発明にお
いて、前記好ましくない影響が小さくなる位置としての
開口絞りの位置又はその近傍に、前記回折光学素子の位
置を設定することを特徴としている。
【００５０】請求項３９の発明は請求項３６の発明にお
いて、前記回折光学素子を２個以上有することを特徴と
している。
【００５１】請求項４０の発明は請求項３６の発明にお
いて、前記屈折光学素子及び／又は反射光学素子が非球
面を有することを特徴としている。
【００５２】請求項４１の発明の結像光学系は、請求項
３６乃至請求項４０のいずれか１項の発明の、結像光学
系の製造方法によって製造されたことを特徴としてい
る。
【００５３】請求項４２の発明のデバイスの製造方法
は、請求項４１の発明の、結像光学系によってデバイス
パターンを基板上に結像して転写する段階を含むことを
特徴としている。
【００５４】請求項４３の発明の投影露光装置は、請求
項４１の発明の、結像光学系を有し、前記投影光学系に
よりそのパターンが投影されるマスクを照明する照明光
学系を有することを特徴としている。
【００５５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の投影露光装置の実
施形態１の要部概略図である。本実施形態ではサブミク
ロンやクォーターミクロン以下のリソグラフィー用のス
テップアンドリピート方式又はステップアンドスキャン
方式の投影露光装置に適用した場合を示している。以下
の各実施形態も同様である。図中ＰＬは投影光学系であ
る。同図は電子回路パターン等が形成されている第１物
体としてのレチクル又はマスク（以下「マスク」と総称
する）Ｍを光源と照明光学系より成る照明装置ＥＤから
の露光光で照明し、該第１物体面上のデバイスパターン
を投影光学系ＰＬによって第２物体としてのＳｉ基板よ
り成るウエハＷのショット領域上に縮小投影している場
合を示している。光源としてはＫｒＦエキシマレーザ
ー，ＡｒＦエキシマレーザー又はＦ2 レーザー等が用い
られる。
【００５６】ＳＰは絞り（開口絞り）であり、投影光学
系ＰＬの瞳面を定める。ＢＯＥ１，ＢＯＥ２は各々レン
ズの表面に形成された第１，第２回折光学素子でありバ
イナリオプティクス素子である。２つの回折光学素子Ｂ
ＯＥ１，ＢＯＥ２は瞳面ＳＰの近傍に該瞳面ＳＰを挟む
ように対応するレンズに形成している。
【００５７】本実施形態ではそれぞれある回折格子構造
を備える第１，第２回折光学素子ＢＯＥ１，ＢＯＥ２が
投影光学系ＰＬの瞳面近傍に前後に配置された構成を有
しているので、色収差を含めた各諸収差を良好に補正す
ると同時にそれぞれの回折光学素子より出る不要回折光
より成るフレアー成分による像面（ショット領域）での
悪影響、すなわち露光ムラを避けている。
【００５８】図２６に回折光学素子ＢＯＥから出る不要
回折光を示す。この回折光は、第１物体Ｍのパターン像
を形成するために使われる特定次数の回折光とは次数が
異なる回折光であり、その一部は基板に入射しないでレ
ンズ鏡筒の内壁にあたって吸収され、その残りの部分が
基板に入射する。
【００５９】露光ムラが出ないように、本発明では基板
に入射する不要回折光のショット領域内での光強度分布
が均一になるように設定してある。
【００６０】又、第１，第２回折光学素子ＢＯＥ１，Ｂ
ＯＥ２の材質は石英より成っている。投影光学系ＰＬは
石英又は蛍石の単一硝材のレンズ又は石英と蛍石の硝材
のレンズより成っている。尚、以下に示す各実施形態で
は回折光学素子とレンズとを合わせてすべての素子を石
英より構成し、硝材系としている。
【００６１】本実施形態においては、前述の条件式
（１），（２）や（１）′，（２）′を満足する２つの
回折光学素子を用いる形態の他に、前述の条件を満足す
る１つの回折光学素子や３つ以上の回折光学素子を用い
る形態もとれる。
【００６２】本実施形態では照明装置ＥＤからの波長約
２４８ｎｍ、約１９３ｎｍ又は約１５７ｎｍの露光光で
照明した第１物体Ｍ上のデバイスパターンを投影光学系
ＰＬで第２物体Ｗ面上に投影露光し、その後、該ウエハ
を現像処理工程を介してデバイスを製造している。
【００６３】次に本実施形態に係る回折光学素子ＢＯＥ
１，ＢＯＥ２について説明する。
【００６４】本実施形態に係る回折光学素子ＢＯＥ１，
ＢＯＥ２について説明する。本実施形態の投影光学系Ｐ
Ｌでは第１，第２回折光学素子ＢＯＥ１，ＢＯＥ２とし
て位相型の回折光学素子を用いている。位相型の回折光
学素子では理想的にKinoformが作製された場合、回折効
率（回折光学素子に入射した光に対する目的とする方向
に伝わった光の強度比）は１００％になることが知られ
ている。
【００６５】本実施形態の位相型の回折光学素子では、
回折光学素子に入射した光の位相を位相関数として与え
た分だけ変化させ、目的とする方向への光の偏向を達成
している。ここで、位相関数とは回折光学素子上の位置
の関数として定義している。
【００６６】通常、回折光学素子は回転対称であるの
で、位相関数は光軸からの距離ｒの関数となる。例え
ば、焦点距離ｆの無収差レンズの位相関数φ（ｒ）は、
【００６７】
【数１】 を与えれば良い。但し、λは使用する光の波長である。
【００６８】位相関数φ（ｒ）は位相を表しているが、
実際にこの位相変化を回折光学素子で実現する為に光路
長（光路長関数）ｏｐｌ（ｒ）で表している。光路長ｏ
ｐｌ（ｒ）は位相関数φ（ｒ）を２πで割ることで求め
られる。ただし、長さの単位は波長λとしている。
【００６９】
【数２】 この光路長ｏｐｌ（ｒ）を得る回折光学素子の形状は、
それが空気中にあるとし、波長λでの硝材の屈折率をｎ
とすると、形状Ｆ（ｒ）は
【００７０】
【数３】 となる。
【００７１】この形状Ｆ（ｒ）は、基本的には屈折光学
素子の面形状を表している。回折光学素子では、光の位
相項が周期２πであることを利用している。まず位相関
数φ（ｒ）で値が２πの整数倍となるｒ＝Ｒm （ｍは整
数：Ｒ0 ＝０とし、光軸から外側に向かって順次カウン
トする）を算出し、区間［Ｒm ，Ｒm+1 ］での値が
［０，２π］の範囲に入るように２πの整数倍を加えた
位相関数を作っている。これは、光路長関数ｏｐｌ
（ｒ）では区間［Ｒm ，Ｒm+1 ］で［０，１］の範囲に
入るようにしたことに相当している。
【００７２】この値域が［０，１］の光路長関数ｏｐｌ
（ｒ）に対して、（ｎ−１）で割った関数により回折光
学素子の表面形状を与えることで回折光学素子による無
収差レンズを得ている。回折光学素子において、素子の
表面形状（即ち凹凸）により回折効果を得るものは、通
常、表面レリーフ型と呼ばれている。
【００７３】位相型の回折光学素子における、位相関数
φ（ｒ）の与え方により任意の非球面効果が得られる。
また、必要な表面形状Ｆ（ｒ）の深さは光路長関数ｏｐ
ｌ（ｒ）の値域を［０，１］にしているので、波長オー
ダーとなっているので、回折光学素子を薄くできる。
又、回折光学素子には回折による光の偏向は波長が長い
と大きくなるために、通常の硝材等の屈折光学素子での
色分散と逆の特性を持っている。
【００７４】そこで、複数の硝材を用いずとも屈折光学
素子と回折光学素子の組み合わせによって色収差の補正
を行うことが可能である。従って図１の回折光学素子Ｂ
ＯＥ１，ＢＯＥ２においても、これらの特徴を適宜利用
することができる。
【００７５】本実施形態はこれらの特徴を、半導体素子
製造用の投影露光装置（ステップアンドリピート方式又
はステップアンドスキャン方式）の投影光学系に適用し
ている。
【００７６】現在ステッパーの投影光学系で使用される
露光光の波長の主流はＨｇのｉ線（λ＝３６５ｎｍ）で
ある。この他ＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ）
や次世代のＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）等
の紫外域の光を露光光に用いる例もある。これらの紫外
域の光に対して十分な透過率を持つ硝材にはＳｉＯ2と
ＣａＦ2 のみで、特に、Ｆ2 レーザ（λ＝１５７ｎｍ）
の光を使用する投影光学系に用いることができる硝材に
はＣａＦ2 だけである。
【００７７】このように屈折光学素子に使用できる硝材
の種類が限られているので、これらの紫外域の露光光を
使用する投影光学系を屈折光学素子のみで構成しようと
すると、色収差の補正が難しくなってくる。又、色収差
補正の為に光源の帯域幅には厳しい条件が課されてく
る。また、光学性能確保に必要な収差補正のためにレン
ズ枚数が多くなってきて、レンズ全厚が増大し、光学系
全体の透過率が悪くなってくる。透過率の低下、すなわ
ちレンズによる吸収の増加は露光収差という点から考え
ても好ましくない。
【００７８】本実施形態は紫外域の露光光を使用する投
影光学系におけるこのような色収差とレンズ全厚が増大
するという問題を、前述したように、適切なる形状の回
折光学素子を投影光学系中の瞳位置、又はその近傍に設
定して露光むらが生じないようにして解決している。
【００７９】本実施形態における回折光学素子は、透明
基板上に理想的な形状（ブレーズド形状やキノフォーム
形状）を直接作製するのではなく、理想形状を階段形状
により近似して作製している。このような階段形状はリ
ソグラフィ工程により作製している。従来はブレーズド
形状やキノフォーム形状を直接作製することは必要な工
作精度等から極めて困難なものであったが、本実施形態
における回折光学素子の作成装置としてステッパーを用
いることで微細な構造を持つ回折光学素子の作製を可能
にしている。
【００８０】本実施形態における回折光学素子は理想形
状を階段で近似した形状を有しているため、回折効率が
１００％に達せず、僅かであるが、不要回折光が現れて
くる。
【００８１】今、階段の段数をＮ、目的とする偏向方向
に回折される回折光の回折次数（設計次数）を１とした
場合、１以外の回折次数ｍの回折光の回折効率ηN mは、
【００８２】
【数４】 で表すことができる。ただし、回折光学素子のレリーフ
の深さが最適化されているものと仮定している。尚、仮
に上式のｍに１を代入してみると、η∞ 1 ＝１となるの
で、深さが最適化された理想的な場合は回折効率が１０
０％であることがわかるが、回折効率と作製の精度から
実用的には、Ｎ＝８〜１６程度に設定する。製作上の視
点で好ましくはＮ＝８程度である。その場合の回折効率
は、η8 1＝０．９５となる。さらに、η8 mは、ｍ＝…，
−１５，−７，１，９，１７，…でのみ値を持ち、 η8 m＝［sin(πm/8)/ (πm/8) ］2 ［式５］ と書ける。
【００８３】例えば、η8 9 ＝０．０１１７，η8 17
＝０．００３３が得られる。すなわち、８段の回折光学
素子ではｍ＝８ｎ＋１（ｎは０以外の整数）で表される
次数に不要回折光が現れてくる。
【００８４】又、さらに近似の精度を上げてＮ＝１６と
した場合は、ｍ＝１６ｎ＋１（ｎは０以外の整数）で表
される次数に不要回折光が現れてくることが同様に分か
る。
【００８５】このように回折光学素子を使う場合には不
要回折光が存在するが、これらは結像条件を満たさない
ために像面に入射した場合にはフレア成分となって現
れ、露光むらを引き起こして像質を劣化させる。従っ
て、８段の回折光学素子ではｍ＝‥‥−１５，−７，９
−１７‥‥の次数、１６段の回折光学素子ではｍ＝‥‥
−３１，−１５，１７，３３‥‥の次数の光が像面上の
所定の範囲内にできる限り入射しないように除去する必
要がある。
【００８６】これに対して従来の回折光学素子を用いた
投影光学系では収差補正能力のみに注目して不要回折光
の影響を何ら考慮していなかった。
【００８７】そこで本発明の光学設計方法においては、
図２７に示すように回折光学素子とレンズとを含んだ光
学系の光学設計方法において該光学系による結像面上の
所定の範囲内において該回折光学素子からの結像に寄与
する特定次数の回折光と、結像に寄与しない不要回折光
との比が略一定となるように該回折光学素子の光路中の
位置を設定する第１ステップと該第１ステップで設定し
た状態において該回折光学素子と各レンズの光学定数
（曲率半径，肉厚等）を設定する第２ステップとを利用
している。
【００８８】本実施形態及び後述する実施形態は、この
光学設計方法により求めたものである。
【００８９】又本発明のリソグラフィー用の結像光学系
の製造方法においても図２７に示すように、回折光学素
子と、屈折光学素子及び／又は反射光学素子とを有し、
光学設計を行なう際に、回折光学素子からの設計次数以
外の次数の回折光が像平面に及ぼす好ましくない影響が
他の位置と比して小さくなる位置に回折光学素子の位置
を設定し、回折光学素子と屈折光学素子及び／又は反射
光学素子の光学定数（曲率、肉厚等）を決定している。
【００９０】本実施形態はこのとき屈折光学素子及び／
又は反射光学素子が非球面を有するようにしており、こ
こで好ましくない影響が光量むらで、そして好ましくな
い影響が小さくなる位置としての開口絞りの位置又はそ
の近傍に回折光学素子の位置を設定している。
【００９１】又、本実施形態では投影光学系中の開口絞
り近傍に少なくとも２つの回折光学素子を配置し、収差
補正を良好に行いつつ、不要回折光の悪影響を除去して
いる。
【００９２】特に前述の条件式（１），（２）を満足す
るように２つの回折光学素子を配置し、これによって露
光むらを少なくし、良好なる光学性能を得ている。
【００９３】条件式（１）は、瞳（開口絞り）と第１又
は第２回折光学素子との距離ｄを幾何学的に制限したも
のであり、又条件式（２）は物点から射出したＮ．Ａ．
を決める最大光線の第１又は第２回折光学素子面上での
広がりを制限したものである。
【００９４】条件式（１），（２）の上限値又は下限値
のいずれか一方を外れると、像面（基板のショット領
域）での露光むらの発生を少なくするのが難しくなって
くる。
【００９５】即ち本実施形態では投影光学系中に少なく
とも２枚の回折光学素子を、投影光学系の開口絞りＳＰ
の近傍に設け、開口絞りＳＰの物体側と像側に各々少な
くとも１枚ずつを配置している。これによって不要回折
光が像面上で一様な光強度を持つ背景光として正規の像
（マスクパターン像）が加えられるようにしている。こ
のとき像のコントラストは僅かに低下するが、これは像
面全体でコントラストがほぼ一様となっているので後の
プロセスにより対処でき、問題はない。
【００９６】本実施形態では回折光学素子（バイナリオ
プティクス素子）の特性を表す為には光路長関数ｏｐｌ
（ｒ）を用いている。
【００９７】ここでは回折光学素子の光軸からの距離を
ｒとしたとき ｏｐｌ（ｒ）＝（Ｃ1 ｒ2 ＋Ｃ2 ｒ4 ＋Ｃ3 ｒ6 ）／λp ［式６］ として、各係数Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 と波長λp を与えてい
る。ただし、波長λp は製造波長と呼ばれるものであ
り、設計にあたっては実際に光学系で使用される波長と
同じでも異なってもよい。
【００９８】尚、本実施形態で用いる露光光は数百ピコ
（３００ｐｍ）以下のバンド幅を有している。
【００９９】また、非球面形状に関しては、
【０１００】
【数５】 として、Ｋ，ｃ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを与えること
により決定している。ただし、ｃは曲率半径である。
【０１０１】図１に示した本発明の実施形態１の投影光
学系の数値例を次に示す。
【０１０２】 （数値例１） 物体高 0mm, 35mm, 50mm NA = 0.50 λ=193.00nm 面番号: 曲率半径 面間隔 屈折率 (λ=193.00nm) OBJ: INFINITY 148.52 1.0 1: 630.31 15.00 1.560772 2: 220.99 36.235 1.0 (非球面) K : -2.28 A :0.226 E-07 B : 0.715 E-12 C :-0.299 E-16 D :0.634 E-20 E :-0.168 E-23 F : 0 3: 290.81 30.00 1.560772 (非球面) K : -0.0262 A :-0.214 E-08 B : 0.369 E-12 C :-0.933 E-17 D :-0.141 E-20 E :-0.907 E-25 F : 0 4: -572.22 36.339 1.0 5: 466.216 30.00 1.560772 6: -407.87 164.326 1.0 7: 123.981 13.00 1.560772 8: 110.516 15.00 (非球面) K : 0.000000 A :0.167 E-07 B :0.208 E-10 C :0.783 E-14 D :-0.386 E-18 E :0.347 E-22 F :0 9: 1546.52 13.00 1.560772 10: 174.68 21.00 1.0 (非球面) K : -0.972 A :-0.233 E-07 B :-0.612 E-10 C :-0.145 E-13 D :-0.362 E-17 E : 0.265 E-20 F : 0 11: -140.57862 13.000000 1.560772 (非球面) K : 4.804 A :-0.153 E-06 B :-0.903 E-11 C :0.852 E-14 D :-0.744 E-17 E : 0.512 E-20 F :0 12: 125.62 108.47 1.0 13: -660.11 35.00 1.560772 (BOE)設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 3.24 E-03 C2 : -4.34 E-09 C3 : 2.08 E-13 14: -172.68 1.00 1.0 (非球面) K : 0.0130 A :-0.693 E-09 B : 0.377 E-13 C :0.192 E-17 D :-0.615 E-22 E :-0.247 E-25 F :0.955304 E-30 15: 絞り INFINITY 32.000000 (stop) 16: 424.39 37.00 1.560772 (非球面) K : 0.437 A : 0.675 E-09 B : 0.905 E-15 C :-0.521 E-18 D :-0.758 E-22 E :-0.386 E-26 F :-0.153 E-30 17: -729.28 119.71 1.0 (BOE)設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 1.714 E-03 C2 : -1.654 E-09 C3 : -2.586 E-13 18: 109.24 30.00 1.560772 (非球面) K : -0.212307 A : 0.762 E-09 B :-0.470 E-12 C :-0.145600 E-15 D :-0.346 E-20 E :-0.158 E-23 F :0 19: 462.671 39.20 1.0 20: 139.22 30.00 1.560772 21: 128.21 32.28 1.0 (非球面) K : 1.26 A : 0.180 E-06 B :0.746 E-12 C :-0.270 E-13 D :-0.115 E-16 E :0.481 E-20 F : 0 IMG: 像面 INFINITY 0.001225 図２，図３に、数値例１の収差図を示す。
【０１０３】各収差は、光学系が単一の硝材で構成され
ているにも関わらず、色収差を含めて良好に補正されて
おり、回折光学素子の効果が現れている。
【０１０４】図４は本実施形態における像面での不要回
折光の強度分布を、不要回折光の強度を設計次数の回折
光の強度で規格化した形で示した説明図である。
【０１０５】ここでの不要回折光の計算は、物体面にお
いて半径５０ｍｍの円形開口があり、この円形開口全面
で輝度分布、配光分布が一様であること、及び２枚の回
折光学素子は８段の階段形状を持つものとしている。図
４から本実施形態では、設計次数回折光に対する不要回
折光の強度比が、約０．１％でありかつ像面全体でほぼ
一様になっており、不要回折光の影響が極めて小さいこ
とがわかる。
【０１０６】図２１は本実施形態における回折光学素子
の有効半径と周波数との関係を示す説明図である。
【０１０７】図５は本発明の実施形態２の光学系の要部
概略図である。本実施形態の図１の実施形態１との違い
は、開口絞りＳＰよりも像面側の２つのレンズの表面に
回折光学素子ＢＯＥ１，ＢＯＥ２を設けている点だけで
あり、本実施形態２のその他の構成は実施形態１と同じ
である。
【０１０８】本実施形態における回折光学素子は瞳の近
傍で且つ、共に像面側に配置している。本実施形態であ
る数値例２の収差図を図６，７に示す。各収差は、光学
系が単一の硝材で構成されているにも拘わらず色収差を
含めて良好に補正されている。
【０１０９】図８は本例における像面での不要回折光の
強度分布を不要回折光の強度を設計次数の回折光の強度
で規格化した形で示した説明図である。ここでの不要回
折光の計算は物体面において半径５０ｍｍの円形開口が
あり、円形開口全面で輝度分布、配光分布が一様である
こと、及び２枚の回折光学素子は８段の階段形状を持つ
ものとしている。
【０１１０】図８から、本実施形態では設計次数回折光
に対する不要回折光の強度比が、約０、１１％であり且
つ像面全体ではぼ一様になっており不要回折光の影響が
極めて小さいことがわかる。
【０１１１】図２２は本実施形態における回折光学素子
の有効半径と周波数との関係を示す説明図である。次に
本実施形態２の数値例である数値例２を示す。
【０１１２】 （数値例２） 仕様；倍率＝1 ／4 、 NA = 0.50 λ=193.00nm 面番号: 曲率半径 面間隔 屈折率 (λ=193.00nm) OBJ: INFINITY 110.522 1.0 1: 709.86 15.00 1.560772 2: 165.02 80.486 1.0 (非球面) K : -2.83 A : 0.186 E-07 B : 0.806 E-12 C :-0.525 E-16 D : 0.434 E-19 E :-0.156 E-22 F : 0 3: 308.74 40.00 1.560772 (非球面) K :0.102 A :-0.167 E-08 B : 0.788 E-12 C :-0.274 E-16 D :-0.351 E-20 E : 0.354 E-25 F : 0 4: -313.98 17.21 1.0 5: 246.56 25.00 1.560772 6: 946.85 89.50 1.0 7: 87.38 13.00 1.560772 8: 84.94 15.00 1.0 (非球面) K : 0.000000 A :-0.128 E-08 B : 0.182 E-10 C :0.746 E-14 D : 0.288 E-19 E :-0.279 E-22 F :0 9: -4922.29 13.00 1.560772 10: 178.10 21.00 1.0 (非球面) K : -2.34 A :-0.481 E-07 B :-0.638 E-10 C :-0.104 E-13 D :-0.200 E-17 E : 0.231 E-20 F : 0 11: -136.04 13.000000 1.560772 (非球面) K : 4.64 A : -0.142 E-06 B :0.361 E-12 C :0.143 E-13 D : -0.549 E -17 E :0.469 E-20 F :0 12: 141.97 109.83 1.0 13: -603. 93 35.00 1.560772 （非球面) K : 0.154 A :-0.111 E-09 B :-0.399 E-13 C :-0.144 E-17 D : 0.397 E-21 E :-0.247 E-25 F : 0.977 E-25 14: -163.49 1.00 1.0 (非球面) K : 0.026 A :-0.111 E-08 B : 0.203 E-14 C :-0.140 E-17 D : 0.136 E-23 E : 0.424 E-25 F : 0.347 E-29 15: 絞り INFINITY 32.000000 1.0 (stop) 16: 512.45 37.00 1.560772 (非球面) K : 0.478 A : 0.785 E-09 B : 0.260 E-14 C : 0.692 E-18 D : 0.293 E-22 E : 0.178 E-26 F :-0.497 E-30 17: -564.67 21.55 1.0 (BOE) 設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 2.146 E-03 C2 : -4.714 E-10 C3 : -1.840 E-13 18: 1750.00 20.00 1.560772 19: 629.89 142.99 1.0 (BOE) 設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 1.935 E-03 C2 : 1.153 E-09 C3 : 1.174 E-13 20: 108.30 35.00 1.560772 (非球面) K : -0.212 A : -0.762 E-09 B :-0.470 E-12 C :-0.146 E-15 D : -0.346 E-20 E :-0.157 E-23 F : 0 21: 405.11 40.57 1.0 22: 121.43 30.00 1.560772 23: 155.76 30.39 1.0 (非球面) K : -0.167 A : 0.114 E-06 B : -0.283 E-10 C : 0.251 E-13 D : -0.804 E-16 E : 0.414 E-19 F : 0 24: 絞り（IMG ） INFINITY 0.000939 図９は本発明の実施形態３の光学系の要部概略図であ
る。本実施形態３の図１の実施形態１との違いは開口絞
りＳＰよりも物体側の２つのレンズの面に回折光学素子
ＢＯＥ１，ＢＯＥ２を設けている点が異なっているだけ
であり、実施形態３のその他の構成は実施形態１と同じ
である。
【０１１３】本実施形態である数値例３の収差図を図１
０、１１に示す。各収差は、光学系が単一の硝材で構成
されているにも拘わらず、色収差を含めて良好に補正さ
れている。
【０１１４】図１２は本例に於ける像面での不要回折光
の強度分布を不要回折光の強度を設計次数回折光の強度
で規格化した形で示した説明図である。ここでの不要回
折光の計算は物体面において半径５０ｍｍの円形開口が
あり、この円形開口全面で輝度分布、配光分布が一様で
あること、及び２枚の回折光学素子は８段の階段形状を
持つものと仮定している。
【０１１５】図１２から、本実施形態では設計次数回折
光に対する不要回折光の強度比が、約０、１３％であり
且つ像面全体ではぼ一様になっており、不要回折光の影
響が極めて小さいことがわかる。
【０１１６】図２３は本実施形態における回折光学素子
の有効半径と周波数の関係を示した説明図である。次に
本実施形態の数値例である数値例３を示す。
【０１１７】 （数値例３） 仕様；倍率＝1 ／4 、 NA = 0.50 λ=193.00nm 面番号: 曲率半径 面間隔 屈折率 (λ=193.00nm) OBJ: INFINITY 147.377 1.0 1: - 4548.42 15.00 1.560772 2: 148.52 93.24 1.0 (非球面) K : -2.33 A :0.860 E-08 B :-0.138 E-11 C : 0.121 E-15 D :0.228 E-19 E :-0.661 E-23 F : 0 3: 423.51 30.00 1.560772 (非球面) K : -1.266 A :-0.699 E-08 B :-0.112 E-12 C : 0.818 E-17 D :-0.103 E-20 E : 0.276 E-25 F : 0 4: -474.05 0.21 1.0 5: 198.61 30.00 1.560772 6: -808.86 131.96 1.0 7: -208.81 13.00 1.560772 8: 128.08 15.00 1.0 (非球面) K : 0.000000 A :-0.254 E-07 B : 0.251 E-10 C :0.957 E-14 D : 0.459 E-18 E :-0.477 E-21 F : 0 9: 206.71 18.00 1.560772 10: -710.89 21.00 1.0 (非球面) K : 109.58 A :-0.591 E-07 B :-0.569 E-10 C :-0.126 E-13 D :-0.115 E-17 E : 0.189 E-20 F : 0 11: -142.69 13.000000 1.560772 (非球面) K : 4.75 A : -0.109 E-06 B :0.208 E-10 C :0.117 E-13 D : -0.838 E-17 E :0.522 E-20 F : 0 12: 122.15 70.97 1.0 13: infinity 25.00 1.560772 (BOE) 設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 1.997 E-03 C2 : 8.375 E-10 C3 :-1.522 E-13 14: -437.15 9.21 1.0 15: -717.05 40.00 1.560772 (BOE) 設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 3.000 E-03 C2 : -2.263 E-09 C3 : 2.118 E-13 16: -185.12 5.00 1.560772 (非球面) K : -0.0028 A : 0.604 E-09 B : 0.148 E-12 C : 0.905 E-17 D : 0.253 E-21 E :-0.145 E-25 F :-0.781 E-30 17: 絞り INFINITY 10.000000 1.0 (stop) 18: 534.58 37.00 1.560772 (非球面) K : -0.778 A : 0.177 E-09 B :-0.933 E-13 C :-0.568 E-17 D :-0.113 E-21 E :-0.398 E-26 F :-0.716 E-29 19: -589.91 113.05 1.0 (非球面) K : -0.9515 A : 0.889 E-09 B : 0.557 E-13 C : 0.133 E-17 D :-0.306 E-21 E : 0.298 E-25 F : 0 20: 102.95 30.00 1.560772 (非球面) K : -0.236 A : 0.719 E-09 B : -0.318 E-11 C :-0.675 E-15 D : -0.752 E-19 E : -0.309 E-22 F : 0 21: 318.28 32.79 1.0 22: 230.0 20.00 1.560772 23: 350.93 33.58 1.0 (非球面) K : -18.95 A : 0.107 E-06 B : -0.977 E-10 C : 0.337 E-13 D : -0.799 E-16 E : 0.340 E-19 F : 0 24:像面 IMG: INFINITY -0.0024 図１３は上記数値例１，２，３の投影光学系と比較する
光学系の要部概略図である。同図では開口絞りＳＰから
遠く離れた物体側の１つのレンズの面と開口絞りＳＰ近
傍の像面側の１つのレンズ面に回折光学素子ＢＯＥ１，
ＢＯＥ２を設けている。
【０１１８】図１３に示す投影光学系の参考（数値）例
の収差図を図１４、１５に示す。各収差は光学系が単一
の硝材で構成されているにも拘わらず色収差を含めて良
好に補正されている。
【０１１９】図１６は本例に於ける像面での不要回折光
の強度分布を不要回折光の強度を設計次数の回折光の強
度で規格化した形で示した説明図である。ここでの不要
回折光の計算は物体面において半径５０mmの円形開口が
ありこの円形開口全面で輝度分布、配光分布が一様であ
ること、及び２枚の回折光学素子は８段の階段形状を持
つものとしている。
【０１２０】図１６から、設計次数回折光に対する不要
回折光の強度比が、画面中心で約３．２％あり像面での
強度比の一様性をみると、中心と周辺の差が約１％弱あ
り、サブミクロン〜クォーターミクロンのリソグラフィ
ー用投影露光装置としては強度比とその一様性は不十分
である。
【０１２１】図２４は図１３に示す投影光学系を用いた
ときの回折光学素子の有効半径と周波数の関係を示した
説明図である。次に図１３に示す投影光学系の参考例の
数値データを示す。
【０１２２】 （参考例の数値データ） 仕様；倍率＝1/4 、 NA = 0.50 λ=193.00nm 面番号: 曲率半径 面間隔 屈折率 (λ=193.00nm) OBJ: INFINITY 66.934 1.0 1: - 247.81 15.00 1.560772 2: 84.43 81.29 1.0 (非球面) K : -2.15 A : 0.476 E-08 B :-0.522 E-11 C : 0.132 E-14 D :-0.239 E-18 E : 0.277 E-22 F : 0 3: 343.68 35.00 1.560772 (非球面) K :-3.248 A :-0.115 E-07 B : 0.722 E-12 C :-0.178 E-17 D :-0.692 E-20 E : -0.192 E-24 F : 0 4: -223.10 54.65 1.0 (非球面) K : -0.076 A : 0.148 E-08 B : 0.212 E-12 C :-0.449 E-16 D :-0.149 E-20 E : 0.116 E-23 F :-0.228 E-27 5: 232.87 31.60 1.560772 (BOE)設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 :-1.540 E-03 C2 : 4.054 E-09 C3 : 4.625 E-13 6: -1003.71 61.93 1.0 7: 322.97 12.00 1.560772 8: 171.11 14.75 1.0 (非球面) K : 0.000000 A :-0.184 E-07 B :0.159 E-10 C :0.679 E-14 D :-0.233 E-17 E :0.637 E-22 F :0 9: 317.08 12.5.00 1.560772 10: 176.95 20.88 1.0 (非球面) K : -3.802 A :-0.654 E-07 B :-0.655 E-10 C :-0.109 E-13 D :-0.175 E-17 E : 0.158 E-20 F : 0 11: -137.87 10.750000 1.560772 (非球面) K : 4.32 A : -0.129 E-06 B :-0.104 E-10 C :0.151 E-13 D : -0.108 E-16 E : 0.422 E-20 F :0 12: 145.47 109.56 1.0 (非球面) K : -0.0333 A :-0.130 E-08 B : -0.158 E-11 C :-0.375 E-15 D : 0.308 E-19 E : 0.283 E-22 F :-0.104 E-25 13: -572.00 45.00 1.560772 (非球面) K : 0.117 A :-0.854 E-10 B : -0.114 E-13 C : 0.985 E-18 D : 0.106 E-21 E : 0.131 E-26 F :-0.257 E-25 14: -173.10 1.00 1.0 (非球面) K : 0.008 A :-0.127 E-09 B : 0.851 E-14 C : -0.242 E-17 D :-0.961E-22 E :-0.183 E-27 F : -0.680 E-30 15: 絞り INFINITY 32.800000 1.0 (stop) 16 : 718.77 42.19 1.560772 (非球面) K : -0.261 A : 0.453 E-09 B :-0.174 E-13 C : -0.416 E-18 D : -0.103 E-21 E : 0.591 E-26 F : -0.102 E-30 17: -476.54 267.46 1.0 (BOE) 設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 3.164 E-03 C2 : -4.434 E-11 C3 : -1.147 E-13 20: 93.29 30.34 1.560772 (非球面) K : -0.200 A : 0.174 E-09 B : -0.208 E-12 C :-0.121 E-14 D : 0.235 E-18 E : -0.507 E-22 F : 0 21: 163.11 29.87 1.0 22: 677.38 16.00 1.560772 23: 270.97 15.07 1.0 24: 78.47 30.00 1.560772 25: infinity 9.50 1.0 (非球面) K : -0.813 A : 0.428 E-07 B : 0.276 E-11 C : -0.387 E-11 D : 0.108 E-13 E : -0.108 E-16 F : 0 26: 像面（IMG) INFINITY -0.0024 図１７は上記数値例１，２，３の投影光学系と比較する
為の光学系の要部概略図である。同図では開口絞りＳＰ
の近傍で物体側の１つのレンズ面と開口絞りＳＰより遠
く離れた像面側の１つのレンズの面に回折光学素子ＢＯ
Ｅ１，ＢＯＥ２を設けている。
【０１２３】図１７に示す投影光学系の参考例の収差図
を図１８、１９に示す。各収差は光学系が単一の硝材で
構成されているにも拘わらず色収差を含めて良好に補正
されている。
【０１２４】図２０は像面での不要回折光の強度分布
を、不要回折光の強度を設計次数の回折光の強度で規格
化した形で示した説明図である。ここでの不要回折光の
計算は物体面において半径５０mmの円形開口があり円形
開口全面で輝度分布、配光分布が一様であること、及び
２枚の回折光学素子は８段の階段形状を持つものとして
いる。
【０１２５】図２０から、設計次数回折光に対する不要
回折光の強度比が画面中心で約３％あり、且つ像面での
強度比の一様性をみると、中心と周辺の差が約１．２％
強あり、サブミクロン〜クォーターミクロンのリソグラ
フィー用の投影露光装置としては強度比とその一様性が
不十分である。
【０１２６】図２５は図１７に示す投影光学系を用いた
ときの回折光学素子の有効半径と周波数の関係を示す説
明図である。次に図１７に示す投影光学系の参考例の数
値データを示す。
【０１２７】 （参考例の数値データ） 仕様；倍率=1／4 、 NA = 0.50 λ=193.00nm 面番号: 曲率半径 面間隔 屈折率 (λ=193.00nm) OBJ: INFINITY 148.522 1.0 1: 364.94 15.00 1.560772 2: 144.69 49.105 1.0 (非球面) K : -1.67 A : 0.269 E-07 B :-0.934 E-12 C : -0.422 E-16 D : 0.180 E-19 E :-0.336 E-23 F : 0 3: 310.34 30.00 1.560772 (非球面) K : 0.437 A :0.117 E-08 B : -0.222 E-12 C : -0.118 E-16 D :0.143 E-20 E : -0.256 E-24 F : 0 4: -548.43 58.28 1.0 5: 299.43 30.00 1.560772 6: -721.07 184.57 1.0 7: 140.06 13.00 1.560772 8: 125.44 15.00 1.0 (非球面) K : 0.000000 A :-0.510 E-08 B : 0.208 E-10 C :0.926 E-14 D :-0.113 E-17 E : 0.184 E-21 F : 0 9: -1018.49 13.00 1.560772 10: 231. 49 21.00 1.0 (非球面) K : 0.398 A :-0.254 E-07 B :-0.734 E-10 C :-0.151 E-13 D :-0.259 E-17 E : 0.232 E-20 F : 0 11: -143.54 13.00 1.560772 (非球面) K : 4.85 A : -0.140 E-06 B :-0.180 E-10 C :0.105 E-13 D : -0.817 E-17 E : 0.503 E-20 F : 0 12: 127.31 109.09 1.0 13: -605.58 35.00 1.560772 (BOE)設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 4.471 E-03 C2 : -2.739 E-09 C3 : 1.234 E-13 14: -166.85 1.00 1.0 (非球面) K : -0.0002 A :-0.658 E-09 B : 0.235 E-12 C : 0.704 E-17 D : 0.186 E-22 E : -0.147 E-26 F :-0.555 E-31 15: 絞り INFINITY 32.00 1.0 (stop) 16 : 322.05 37.00 1.560772 (非球面) K : 0.6368 A : 0.112 E-08 B :-0.551 E-13 C : 0.271 E-17 D : 0.104 E-21 E :-0.287 E-25 F : -0.102 E-30 17: -1103.52 126.01 1.0 (非球面) K : -0.533 A : 0.618 E-10 B : -0.200 E-14 C : 0.234 E-18 D : 0.569 E-22 E : 0.664 E-26 F : -0.834 E-31 18: 114.88 30.00 1.560772 (非球面) K : -0.271 A : -0.824 E-08 B : -0.830 E-13 C :-0.75 E-17 D : -0.889 E-20 E : -0.200 E-22 F : 0 19: 514.74 36.12 1.0 (非球面) K : 9.51 A : 0.122 E-07 B : 0.268 E-11 C : 0.903 E-16 D : -0.130 E-18 E :-0.241 E-22 F : 0 20: 687.47 18.00 1.560772 21: -555.18 16.74 1.0 (BOE)設計次数 -1 λp = 632.80nm C1 : 1.542 E-03 C2 : 1.224 E-08 C3 : -9.748 E-12 22: -287.19 20.00 1.560772 23: -1580.54 18.88 1.0 (非球面) K : -120.54 A : 0.155 E-06 B :-0.454 E-09 C : 0.480 E-12 D : -0.672 E-15 E : 0.400 E-18 F : 0 24:像面（IMG) INFINITY -0.0024 次に前述した本発明に係る条件式（１），（２）や、
（１）′，（２）′と前述した数値例１〜３との関係を
表に示す。
【０１２８】
【表１】 尚、以上の各実施形態では半導体素子製造用の投影露光
装置について説明したが、本発明に係る投影光学系は回
折光学素子からの不要回折光が像面に達し、露光むらが
生じるなど悪影響を与えるのを防止しなければならない
光学機器においても同様に適用可能である。
【０１２９】次に以上説明した投影露光装置を利用した
デバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０１３０】図２８は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或は液晶パネルやＣＣＤ等）の製造の
フローチャートである。
【０１３１】本実施例においてステップ１（回路設計）
では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２
（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマ
スクを製作する。
【０１３２】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。
【０１３３】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。
【０１３４】ステップ６（検査）ではステップ５で作製
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０１３５】図２９は上記ステップ４のウエハプロセス
の詳細なフローチャートである。まずステップ１１（酸
化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（Ｃ
ＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【０１３６】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【０１３７】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことに
よってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本
実施例の製造方法を用いれば高集積度の半導体デバイス
を容易に製造することができる。
【０１３８】
【発明の効果】本発明によれば以上のように、回折光学
素子から生ずる不要回折光に悪影響を極力少なくし、高
い光学性能を容易に得られる投影露光装置及びデバイス
の製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の投影光学系の要部断面図
【図２】本発明の実施形態１の投影光学系の球面収差、
非点収差、歪曲収差を示す説明図
【図３】本発明の実施形態１の投影光学系の横収差を示
す説明図
【図４】本発明の実施形態１の投影光学系による不要回
折光の像面強度分布を示す説明図
【図５】本発明の実施形態２の投影光学系の要部断面図
【図６】本発明の実施形態２の投影光学系の球面収差、
非点収差、歪曲収差を示す説明図
【図７】本発明の実施形態２の投影光学系の横収差を示
す説明図
【図８】本発明の実施形態２の投影光学系による不要回
折光の像面強度分布を示す説明図
【図９】本発明の実施形態３の投影光学系の要部断面図
【図１０】本発明の実施形態３の投影光学系の球面収
差、非点収差、歪曲収差を示す説明図
【図１１】本発明の実施形態３の投影光学系の横収差を
示す説明図
【図１２】本発明の実施形態３の投影光学系による不要
回折光の像面強度分布を示す説明図
【図１３】本発明と比較する為の投影光学系の要部断面
図
【図１４】本発明と比較する為の投影光学系の諸収差図
【図１５】本発明と比較する為の投影光学系の横収差図
【図１６】本発明と比較する為の投影光学系の不要回折
光の像面強度分布を示す説明図
【図１７】本発明と比較する為の投影光学系の要部断面
図
【図１８】本発明と比較する為の投影光学系の諸収差図
【図１９】本発明と比較する為の投影光学系の横収差図
【図２０】本発明と比較する為の投影光学系の不要回折
光の像面強度分布を示す説明図
【図２１】本発明の実施形態１の回折光学素子の有効半
径と周波数の関係を示す説明図
【図２２】本発明の実施形態２の回折光学素子の有効半
径と周波数の関係を示す説明図
【図２３】本発明の実施形態３の回折光学素子の有効半
径と周波数の関係を示す説明図
【図２４】本発明と比較する為の投影光学系による回折
光学素子の有効半径と周波数の関係を示す説明図
【図２５】本発明と比較する為の投影光学系による回折
光学素子の有効半径と周波数の関係を示す説明図
【図２６】不要回折光を示す模式図
【図２７】本発明の光学設計法と光学製造方法の一例を
示すフローチャート
【図２８】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト
【図２９】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト
【符号の説明】
ＰＬ 投影光学系 ＢＯＥ１ 第１回折光学素子 ＢＯＥ２ 第２回折光学素子 ＳＰ 開口絞り Ｍ 第１物体（レチクル） Ｗ 第２物体（ウエハ） ＥＤ 照明装置

Claims (43)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源からの光でマスクを照明する照明光
    学系と、前記照明されたマスクのパターンの像を基板上
    に投影する、回折光学素子を備える投影光学系とを有す
    る投影露光装置において、前記回折光学素子から、前記
    像の投影に用いる所定の次数の回折光と、該回折光とは
    次数が異なっていて且つ前記基板に入射してそこに均一
    な光強度分布を形成する他の回折光とが生じていること
    を特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項２】 前記回折光学素子は、前記投影光学系の
    開口絞りの位置または該開口絞りの近くの位置にあるこ
    とを特徴とする請求項１の投影露光装置。
  3. 【請求項３】 前記回折光学素子は、そこから、更に、
    前記所定の次数の回折光とは次数が異なっていて、且つ
    前記基板に入射しないで、前記回折光学素子と他の複数
    の光学素子とを保持するレンズ鏡筒の内壁に入射させる
    回折光が生じていることを特徴とする請求項２の投影露
    光装置。
  4. 【請求項４】 前記回折光学素子が、複数個、前記投影
    光学系の開口絞りの位置または該開口絞りの近くにある
    ことを特徴とする請求項２の投影露光装置。
  5. 【請求項５】 光源からの光でマスクを照明する照明光
    学系と、前記照明されたマスクのパターンの像を基板上
    に投影する、回折光学素子を備える投影光学系とを有す
    る投影露光装置において、前記回折光学素子から、前記
    像の投影に用いる所定の次数の回折光と、該回折光とは
    次数が異なる他の回折光とが生じており、前記他の回折
    光の一部分が前記基板に入射せず、且つ前記他の回折光
    の残りの部分が前記基板に入射してそこに均一な光強度
    分布を形成していることを特徴とする投影露光装置。
  6. 【請求項６】 前記回折光学素子は、前記投影光学系の
    開口絞りの位置または該開口絞りの近くの位置にあるこ
    とを特徴とする請求項５の投影露光装置。
  7. 【請求項７】 前記基板に入射しない前記一部分の回折
    光を、前記回折光学素子と他の複数の光学素子とを保持
    するレンズ鏡筒の内壁に入射させることにより、その強
    度を減らしていることを特徴とする請求項５の投影露光
    装置。
  8. 【請求項８】 前記回折光学素子が、２個、前記投影光
    学系の開口絞りの位置または該開口絞りの近くにあるこ
    とを特徴とする請求項５の投影露光装置。
  9. 【請求項９】 前記マスクと前記基板間の距離をＤ、前
    記開口絞りの位置から前記回折光学素子のある位置まで
    の距離をｄ、前記投影光学系の開口数（ＮＡ）を決める
    最大光線の前記開口絞りの位置での高さと前記回折光学
    素子への入射高さとを各々Ｈ，ｈとするとき ０．００５＜ｄ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈ／Ｈ＜１．２ を満足することを特徴とする請求項６の投影露光装置。
  10. 【請求項１０】 前記マスクと前記基板間の距離をＤ、
    前記開口絞りの位置から前記回折光学素子のある位置ま
    での距離をｄ、前記投影光学系の開口数（ＮＡ）を決め
    る最大光線の前記開口絞りの位置での高さと前記回折光
    学素子への入射高さとを各々Ｈ，ｈとするとき、前記２
    個の回折光学素子の双方に対して、 ０．００５＜ｄ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈ／Ｈ＜１．２ を満足することを特徴とする請求項８の投影露光装置。
  11. 【請求項１１】 前記投影光学系は、非球面レンズを有
    していることを特徴とする請求項６の投影露光装置。
  12. 【請求項１２】 前記投影光学系は、非球面レンズを有
    していることを特徴とする請求項８の投影露光装置。
  13. 【請求項１３】 前記複数の回折光学素子は、前記投影
    光学系の軸上色収差補正と色のコマ収差補正に寄与して
    いることを特徴とする請求項８の投影露光装置。
  14. 【請求項１４】 前記２個の回折光学素子のそれぞれの
    最大有効径の位置における回折光学素子の周波数の比が
    ２．５を越えないことを特徴とする請求項８の投影露光
    装置。
  15. 【請求項１５】 前記光源は、ＫｒＦエキシマレーザー
    またはＡｒＦエキシマレーザーまたはＦ2 レーザーを備
    えることを特徴とする請求項６の投影露光装置。
  16. 【請求項１６】 前記投影光学系において使用される硝
    材は石英のみであることを特徴とする請求項８の投影露
    光装置。
  17. 【請求項１７】 前記投影光学系において使用される硝
    材は石英と蛍石のみであることを特徴とする請求項８の
    投影露光装置。
  18. 【請求項１８】 前記パターン像は、線幅０．２５ミク
    ロンメートル以下のパターンを含むことを特徴とする請
    求項８の投影露光装置。
  19. 【請求項１９】 前記パターン像を、ステップ＆リピー
    ト方式によって、前記基板上の相異なる箇所に順次投影
    することを特徴とする請求項８の投影露光装置。
  20. 【請求項２０】 前記パターン像を、ステップ＆スキャ
    ン方式によって、前記基板上の相異なる箇所に順次投影
    することを特徴とする請求項８の投影露光装置。
  21. 【請求項２１】 第１物体のパターンを投影光学系によ
    り第２物体に投影する投影露光装置において、該投影光
    学系は開口絞りの位置又はその近傍に配置した第１回折
    光学素子及び第２回折光学素子と、非球面レンズとを有
    していることを特徴とする投影露光装置。
  22. 【請求項２２】 前記開口絞りから前記第ｉ回折光学素
    子までの距離をｄｉ、前記第１物体から前記第２物体ま
    での距離をＤ、前記投影光学系のＮＡを決定する最大光
    線高の該開口絞りでの高さと該第ｉ回折光学素子への入
    射高を各々Ｈ，ｈｉとしたとき ０．００５＜ｄｉ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈｉ／Ｈ＜１．２ （但しｉ＝１，２） なる条件を満足することを特徴とする請求項２１の投影
    露光装置。
  23. 【請求項２３】 第１物体のパターンを投影光学系によ
    り第２物体に投影する投影露光装置において、該投影光
    学系は開口絞りの位置又はその近傍に配置した第１回折
    光学素子及び第２回折光学素子を有し、該開口絞りから
    該第ｉ回折光学素子までの距離をｄｉ、該第１物体から
    該第２物体までの距離をＤ、該投影光学系のＮＡを決定
    する最大光線高の該開口絞りでの高さと該第ｉ回折光学
    素子への入射高を各々Ｈ，ｈｉとしたとき ０．００５＜ｄｉ／Ｄ＜０．１２ ０．８＜ｈｉ／Ｈ＜１．２ （但しｉ＝１，２） なる条件を満足することを特徴とする投影露光装置。
  24. 【請求項２４】 前記第１，第２回折光学素子は前記開
    口絞りを挟んで配置されていることを特徴とする請求項
    ２３の投影露光装置。
  25. 【請求項２５】 前記第１，第２回折光学素子は前記開
    口絞りよりも前記第１物体側に配置されていることを特
    徴とする請求項２３の投影露光装置。
  26. 【請求項２６】 前記第１，第２回折光学素子は前記開
    口絞りよりも前記第２物体側に配置されていることを特
    徴とする請求項２３の投影露光装置。
  27. 【請求項２７】 前記第１，第２回折光学素子はそれら
    より生ずる結像に関係しない不要回折光が前記第２物体
    上に一様な光強度分布で入射するように設定されている
    ことを特徴とする請求項２３の投影露光装置。
  28. 【請求項２８】 前記第１，第２回折光学素子は前記投
    影光学系の軸上色収差と色コマ収差を補正していること
    を特徴とする請求項２３の投影露光装置。
  29. 【請求項２９】 前記第１，第２回折光学素子の最大有
    効径における回折格子の周波数をｆＲ１，ｆＲ２とした
    ときの相対比が２．５倍を越えないことを特徴とする請
    求項２４の投影露光装置。
  30. 【請求項３０】 第１物体のパターンを投影光学系によ
    り第２物体に投影する投影露光装置において、該投影光
    学系は開口絞りを挟んで配置した第１回折光学素子及び
    第２回折光学素子を有していることを特徴とする投影露
    光装置。
  31. 【請求項３１】 前記第１，第２回折光学素子はそれら
    より生ずる結像に関係しない不要回折光が前記第２物体
    上に一様な光強度分布で入射するように設定されている
    ことを特徴とする請求項３０の投影露光装置。
  32. 【請求項３２】 前記第１，第２回折光学素子は前記投
    影光学系の軸上色収差と色コマ収差を補正していること
    を特徴とする請求項３０の投影露光装置。
  33. 【請求項３３】 前記第１，第２回折光学素子の最大有
    効径における回折格子の周波数をｆＲ１，ｆＲ２とした
    ときの相対比が２．５倍を越えないことを特徴とする請
    求項３０の投影露光装置。
  34. 【請求項３４】 請求項１〜３３のいずれか１項記載の
    投影露光装置を用いてレチクル面上のパターンを投影光
    学系によりウエハ面上に投影露光した後、該ウエハを現
    像処理工程を介してデバイスを製造していることを特徴
    とするデバイスの製造方法。
  35. 【請求項３５】 回折光学素子と、他の種類の光学素子
    を含んだ光学系の光学設計方法において、該光学系によ
    る結像面上の所定の範囲内において該回折光学素子から
    の結像に寄与する特定次数の回折光と、結像に寄与しな
    い不要回折光との比が略一定となるように該回折光学素
    子の光路中の位置を設定した後、各光学素子に関する数
    値データを決定することを特徴とする光学設計方法。
  36. 【請求項３６】 回折光学素子と、屈折光学素子及び／
    又は反射光学素子とを有するリソグラフィー用の結像光
    学系の製造方法において、光学設計を行なう際に、前記
    回折光学素子からの設計次数以外の次数の回折光が像平
    面に及ぼす好ましくない影響が他の位置と比して小さく
    なる位置に前記回折光学素子の位置を設定した後、前記
    回折光学素子と前記屈折光学素子及び／又は反射光学素
    子に関する数値データを決定することを特徴とする結像
    光学系の製造方法。
  37. 【請求項３７】 前記好ましくない影響が光量むらであ
    ることを特徴とする請求項３６の結像光学系の製造方
    法。
  38. 【請求項３８】 前記好ましくない影響が小さくなる位
    置としての開口絞りの位置又はその近傍に、前記回折光
    学素子の位置を設定することを特徴とする請求項３６の
    結像光学系の製造方法。
  39. 【請求項３９】 前記回折光学素子を２個以上有するこ
    とを特徴とする請求項３６の結像光学系の製造方法。
  40. 【請求項４０】 前記屈折光学素子及び／又は反射光学
    素子が非球面を有することを特徴とする請求項３６の結
    像光学系の製造方法。
  41. 【請求項４１】 請求項３６乃至請求項４０のいずれか
    １項記載の結像光学系の製造方法によって製造されたこ
    とを特徴とする結像光学系。
  42. 【請求項４２】 請求項４１の結像光学系によってデバ
    イスパターンを基板上に結像して転写する段階を含むこ
    とを特徴とするデバイスの製造方法。
  43. 【請求項４３】 投影光学系として請求項４１の結像光
    学系を有し、前記投影光学系によりそのパターンが投影
    されるマスクを照明する照明光学系を有することを特徴
    とする投影露光装置。
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