JP3893691B2

JP3893691B2 - 結像光学系

Info

Publication number: JP3893691B2
Application number: JP27211497A
Authority: JP
Inventors: 稔彦小澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH1195174A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は顕微鏡対物光学系や半導体製造装置の投影光学系等に用いられる結像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の結像光学系の解像度を上げる１つの方法として、微分干渉法が広く知られている。この微分干渉法は、図９に示すように構成されている。図９において、光源３０を出た光は、第１偏光板３１を通って直線偏光の光４１となる。光４１は偏光分離器としての第１のウォラストンプリズム３２に入射し、この第１のウォラストンプリズム３２の複屈折作用によって、電場の振動面が互いに直交する常光線４２と異常光線４３との２つの光束に分離される。図９では、常光線４２は電場の振動面が紙面内にあるＰ偏光であり、異常光線４３は電場の振動面が紙面に垂直な面内にあるＳ偏光であるものとして表示している。
【０００３】
このとき、常光線４２（Ｐ偏光）と異常光線４３（Ｓ偏光）は、互いにある角度を持って広がっていき、この広がりの中心３２ａに前側焦点を一致させたコンデンサレンズ３３を置くことにより、このコンデンサレンズ３３を通過した常光線４２と異常光線４３の波面が互いに平行になり、試料３４の互いにシェアー量だけずれた点を照明する。試料３４に入射した常光線４２と異常光線４３は、試料３４を透過する際に回折され、それぞれ常光線４２の回折光４４と異常光線４３の回折光４５になって対物レンズ前群３５に入射し、対物レンズ前群３５を透過して、偏向合成器としての第２のウォラストンプリズム３６に入射する。対物レンズ前群３５の後側焦点位置は、第２のウォラストンプリズム３６の常光線４４と異常光線４５との収束の中心３６ａに配置されており、且つ、第２のウォラストンプリズム３６の常光線４４と異常光線４５の合成方向は、第１のウォラストンプリズム３２の常光線４２と異常光線４３の分離方向と平行に配置されている。この結果、第２のウォラストンプリズム３６に入射した常光線４４と異常光線４５は、それぞれの波面が再び重なり合い、光４６となる。光４６は位相変換器としての１／２波長板３７に入射し、１／２波長板３７によって光４６に含まれるＰ偏光成分とＳ偏光成分とは互いに１８０度の位相差がつけられ、光４７となる。光４７は第２偏光板３８に入射し、第２偏光板３８によって第２偏光板３８の透過軸方向の成分のみが取り出されて可干渉となり、対物レンズ後群３９を透過して、像面４０上に微分干渉した干渉縞が結像される。
【０００４】
以上のように、光４６のうち常光線４２（Ｐ偏光）の回折光４４と異常光線４３（Ｓ偏光）の回折光４５は、試料３４の異なるところを透過したことによって生じた異なる複素振幅を持った回折光であり、より具体的には互いにシェアー量だけシフトした物体の回折スペクトルとなっている。しかも常光線４２の回折光４４と異常光線４３の回折光４５は１８０度の位相差を有するので、微分干渉効果によって像面４０には物体上のシェアー量だけ離れた２点の複素振幅透過率が異なる場合に明部となる干渉縞が形成される。偏光を用いて微分干渉効果をもたらす構成は図９に示されるものだけではないが、原理的には同じ手法を用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の微分干渉法では、微分干渉を行わせる手段として偏光を用い、さらに偏光の分離・合成を行うため、第１及び第２偏光板３１、３８及び偏光分離器３２、偏光合成器３６と位相変換器３７が必要不可欠となる。これに対しては、偏光分離器又は合成器と位相変換器とを兼ねたウォラストンプリズムを用いることが可能であるが、通常、ウォラストンプリズムは水晶などの結晶を用いるので、大きくて良質のものが得られにくいという不都合があった。また偏光板を２枚用いるので光量が１／４に減少してしまい、像が暗くなるという不都合もあった。さらには、装置構成が複雑となり、装置を大型化しようとすればコストがかさんでしまうという不都合もあった。そのために、微分干渉法はごく小さな顕微鏡光学系で実用化されているにすぎなかった。
そこで、本発明は単純な構成で微分干渉を生じさせることが可能であり、装置の大型化が容易となる結像光学系を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、すなわち、細く絞られた照明光束を物体に照射する光源と、前側焦点が前記物体の位置又はその近傍に位置するように配置され、前記照明光束により照明された物体からの０次回折光および±１次回折光を受光する結像レンズ前群と、該結像レンズ前群の後ろ側焦点位置に配置された光学フィルターと、前側焦点が前記光学フィルターの位置に一致するように配置された結像レンズ後群とを有する結像光学系において、
前記光学フィルターは、第1の位相領域と、該第1の位相領域に対して１８０°の位相差を生じさせる第2の位相領域とを交互に配置して形成され、前記第1の位相領域と前記第2の位相領域とはいずれも同一の幅を有し、且つ前記第1の位相領域と第2の位相領域との境界が、前記結像レンズ前群の後ろ側焦点面と一致する瞳の中央部に重なるように配置され、前記境界を物体からの０次回折光が通過するように配置したことを特徴とする結像光学系。を物体からの０次回折光が通過するように配置したことを特徴とする結像光学系。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例に係る結像光学系の要部を図１に示す。図１において、波長λの細く絞られた照明光束１が光源１０から物体１１に面に入射し、物体１１面上の点Ｓより０次回折光束２及び１次回折光束３、−１次回折光束４が出射される。そして回折光束２，３、４は、結像レンズ前群１２に入射する。結像レンズ前群１２と結像レンズ後群１４で構成される結像光学系の結像レンズ前群１２の後ろ側焦点位置、すなわち結像光学系の瞳位置には光学フィルター１３が配置されており、そのため光学フィルター１３には回折光２，３，４がほぼ平行光となって入射する。なお、本実施例の結像光学系はいわゆる光源補償型の光学系を構成しないため、照明光束１は広がりが非常に細いものを使用している。
【０００８】
ここで光学フィルター１３の平面図を図２（ａ）に示し、断面図を図２（ｂ）、（ｃ）に示す。なお図２（ｂ）、（ｃ）の断面図は、図２（ａ）の平面図におけるＡＡ面での断面を表している。光学フィルター１３は、第１の位相領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・と、第１の位相領域に対して１８０°の位相差を生じさせる第２の位相領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、・・・とが交互に配置されて形成され、第１の位相領域Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・と第２の位相領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、・・・とはいずれも同一の幅Ｐを有している。また光学フィルター１３は、光学フィルター１３中央部の第１の位相領域Ａ２と第２の位相領域Ｂ２との間の境界上の点Ｑを物体１１からの０次回折光２が通過するように配置されており、０次回折光２が通過する境界から幅方向への距離をｘとしたとき、光学フィルター１３の透過率分布がｓｉｎ²（πｘ／Ｐ）となるように構成されている。なお、図２では便宜上、第１の位相領域Ａ１、Ａ２、Ａ３及び第２の位相領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のみを表示している。
【０００９】
光学フィルター１３の第１の位相領域Ａｉと第２の位相領域Ｂｉ（ｉ＝１、２、・・・）とは、図２（ｂ）に示したように光学フィルターの厚さをそれぞれ異なるように形成して、互いの位相差を１８０°発生させる構成や、他の実施例として図２（ｃ）に示したように屈折率をそれぞれ異なるように形成して、互いの位相差を１８０°発生させる構成とすることが可能である。
【００１０】
光学フィルター１３において、互いに１８０°の位相差を生じさせる第１の位相領域Ａｉと第２の位相領域Ｂｉとが幅Ｐ毎に交互に配置されていること、及び光学フィルター１３の透過率分布がｓｉｎ²（πｘ／Ｐ）となるように構成されていることから、光学フィルター１３の複素振幅透過率は、次のように表すことができる。

（１）式より、点Ｓからの回折光束２、３、４は光学フィルター１３によって方向余弦±λ／２Ｐの２方向に分離されて、それぞれ回折光束２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂとなる。加えて、方向余弦＋λ／２Ｐの方向に進む回折光束２ａ、３ａ、４ａは、方向余弦−λ／２Ｐの方向に進むもう一方の回折光束２ｂ、３ｂ、４ｂと１８０°の位相差を有する。
【００１１】
回折光束２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂは、対物レンズ後群１４を透過して像面１５上に結像される。光学フィルター１３は対物レンズ後群１４の前側焦点位置に配置されているため、方向余弦＋λ／２Ｐの方向に進む回折光束２ａ、３ａ、４ａと方向余弦−λ／２Ｐの方向に進む回折光束２ｂ、３ｂ、４ｂとは、それぞれ像面１５上の異なった結像点Ｕ、Ｖに空間像を形成する。２つの結像点Ｕ、Ｖ間の距離、すなわち空間像のシェアー量ｄは、対物レンズ後群１４の焦点距離をｆとして、ｄ＝ｆλ／Ｐとなる。さらに空間像は互いに１８０°の位相差を持つので、微分干渉効果によって物体１１面上のパターンのエッジ部分のみを強調することが可能となる。
このように本発明に係る結像光学系においては、ただ一枚の光学フィルター１３を用いることによって、偏光を用いることなく微分干渉効果をもたらすことができる。しかも従来の方法では、前述したように偏光板を２枚用いるので光量は１／４に減少するが、本発明に係る光学フィルター１３の複素振幅透過率はｓｉｎ（πｘ／Ｐ）であるから、光量の減少率は１／２となり、従来の方法よりも２倍明るい像を得ることができる。
【００１２】
なお、フィルター１３の透過率については様々なバリエーションが可能である。フィルター１３の透過率はある程度操作することによって微分干渉的な像を形成することができ、例えば、図２の光学フィルター１３における第１の位相領域Ａｉと第２の位相領域Ｂｉとの境界部分の透過率を低く形成するだけでも微分干渉効果を発生させることができる。この場合、透過率は連続的に変化させても、段階的に変化させてもよい。これに対して、透過率がフィルター１３全面で１であるような場合には、図１におけるフィルター１３での回折光は図中に示したような２成分が生成されるだけではないので、前述したような２重像を形成して微分干渉効果を起こさせるというよりも、瞳操作的な結像という性格の方がより強くなり、微分干渉結像としてはあまりよい結像とはならない。
また、本発明に係る光学フィルター１３は、現在の微細加工技術を持ってすれば容易に製造できるので、安価に、且つ大型の装置を製造することも可能である。
【００１３】
つぎに、光学フィルター１３を配置せず通常の結像を行った場合の空間像の強度分布と、光学フィルター１３を配置して本実施例の結像光学系を構成し結像を行った場合の空間像の強度分布とを比較した図を図３から図８に示す。なおここでは光源として水銀ランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）を用いている。
図３と図４は０．３５μｍ間隔のライン／スペースパターンＰについての空間像強度分布Ｓであり、図３は通常の結像を行った場合を示し、図４は本実施例の結像光学系で結像を行った場合を示す。瞳位置に光学フィルター１３を配置することによって、微分干渉効果によりライン／スペースパターンのエッジのみを強調することが可能となった。
また、図４から明らかなように、本発明の結像光学系では空間像強度分布Ｓのピッチはライン／スペースパターンＰのピッチの１／２で観測することができ、分解能を２倍に向上させることができる。このため、本発明の結像光学系を半導体製造装置の投影光学系に適用すれば、通常の結像を行った場合に比べ２倍の分解能を持った投影光学系を実現することが可能である。
【００１４】
さらに図５と図６は線幅０．３５μｍの孤立線Ｌについての空間像強度分布Ｓであり、図５は通常の結像を行った場合を示し、図６は本実施例の結像光学系で結像を行った場合を示す。ライン／スペースパターンの場合と同様に、微分干渉効果によりエッジを強調することが可能となった。
さらに図７と図８は０．２０μｍ幅の位相パターンＱについての空間像強度分布Ｓであり、図７は通常の結像を行った場合を示し、図８は本実施例の結像光学系で結像を行った場合を示す。図７においては位相パターンの影響が確かに強度分布に現れてはいるが、明視野中で明るさがわずかに明るくなったり暗くなったりしているだけなので、実際には大変視認しにくい。しかしながら、図８の場合にはピーク強度こそわずかだが暗視野中に明線が浮き上がって見えるので、図７の場合よりも遥かに視認し易いものとなった。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、本発明の如く、光学フィルターを配置した結像光学系を構成することによって、像のエッジを強調することができ視認し易い像を形成することが可能となると共に、微分干渉光学系の単純化、大型化が容易となった。さらに半導体製造装置の投影光学系に適用すれば、通常の結像を行ったばあいに比べ２倍の分解能を持った投影光学系を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る結像光学系の要部を示す概略図
【図２】本発明における光学フィルターの（ａ）平面図、（ｂ）一実施例に係る断面図、及び（ｃ）他の実施例に係る断面図
【図３】光学フィルターを配置せず通常の結像を行った場合のライン／スペースパターンの空間像の強度分布
【図４】本実施例の結像光学系により結像を行った場合のライン／スペースパターンの空間像の強度分布
【図５】光学フィルターを配置せず通常の結像を行った場合の孤立線の空間像の強度分布
【図６】本実施例の結像光学系により結像を行った場合の孤立線の空間像の強度分布
【図７】光学フィルターを配置せず通常の結像を行った場合の位相パターンの空間像の強度分布
【図８】本実施例の結像光学系により結像を行った場合の位相パターンの空間像の強度分布
【図９】従来の微分干渉光学系の要部を示す概略図
【符号の説明】
１・・・照明光束
２・・・０次回折光束
３・・・１次回折光束
４・・・−１次回折光束
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ・・・回折光束
１０・・・光源
１１・・・物体
１２・・・結像レンズ前群
１３・・・光学フィルター
１４・・・結像レンズ後群
１５・・・像面
Ａｉ・・・第1の位相領域
Ｂｉ・・・第2の位相領域

Claims

細く絞られた照明光束を物体に照射する光源と、前側焦点が前記物体の位置又はその近傍に位置するように配置され、前記照明光束により照明された物体からの０次回折光および±１次回折光を受光する結像レンズ前群と、該結像レンズ前群の後ろ側焦点位置に配置された光学フィルターと、前側焦点が前記光学フィルターの位置に一致するように配置された結像レンズ後群とを有する結像光学系において、
前記光学フィルターは、第1の位相領域と、該第1の位相領域に対して１８０°の位相差を生じさせる第2の位相領域とを交互に配置して形成され、前記第1の位相領域と前記第2の位相領域とはいずれも同一の幅を有し、且つ前記第1の位相領域と第2の位相領域との境界が、前記結像レンズ前群の後ろ側焦点面と一致する瞳の中央部に重なるように配置され、前記境界を物体からの０次回折光が通過するように配置したことを特徴とする結像光学系。
前記第1の位相領域と前記第2の位相領域との境界部分の透過率を、前記第1の位相領域と第2の位相領域の中央部分の透過率よりも低く構成した請求項１記載の結像光学系。
前記第1の位相領域と前記第2の位相領域との前記幅をＰとし、前記０次回折光が通過する前記境界から前記幅方向への距離をｘとしたとき、
前記光学フィルターの透過率分布がｓｉｎ²（πｘ／Ｐ）となるように構成した請求２記載の結像光学系。