JP4066079B2

JP4066079B2 - 対物レンズ及びそれを用いた光学装置

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Publication number: JP4066079B2
Application number: JP2001359018A
Authority: JP
Inventors: 弘太郎山口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2021-11-26
Also published as: JP2003161886A

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、主として遠紫外域の広い波長範囲で使用される高倍率で高解像の対物レンズ、及びそれを使用した光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の集積度が向上するにつれて、細部まで観察するために光学系に要求される解像力は高くなる。そのために照明光を短波長化したり、対物レンズの開口数を大きくする必要がある。照明光の波長が遠紫外域になると光の吸収によって使用できる硝材が、石英ガラスや弗化ガラスなどに限られる。そして色収差を補正するために石英と蛍石を組み合わせて使用することが一般的であるが、屈折光学系だけでの色収差補正には限界があり、開口数が大きくなるほどより困難となる。
【０００３】
従ってレンズ群のみで構成された対物レンズでは、多数のレンズが必要となり透過率の低減や光学系の製造コストの増大を避けられない。これに対し凹面反射鏡等を用いた反射光学系においては、色収差がなくレンズとは逆のペッツバール和への寄与があるために反射光学系と屈折光学系とを組み合わせた、いわゆる反射屈折光学系（カタディオプトリック）を構成することで色収差をはじめ諸収差を効率よく補正することができる。
【０００４】
このような反射屈折光学系として種々の光学系が提案されている。例えば特開平１０−１７７１３９号公報に記載されるものは、反射鏡やＰＢＳ等によって光軸が折り曲げられることなく、全ての光学要素が１つの光軸上に配置される反射屈折光学系である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−１７７１３９号公報に示される技術は、２枚の中央部に開口のある反射鏡を用い、瞳近くで開口が大きいときに反射し、中間結像面の近くで開口の小さいときに通過するような構成で透過光と反射光との光路を分離する方法である。
【０００６】
この光学系の開口数が大きい側を物体とみなすと、物体から出た光束が中央部に光透過性の開口部を持つ裏面鏡を透過する際にほとんど屈折部材としてのパワーを持っていないために入射角及び射出角が大きくなる。よって、特に大ＮＡ、広視野になると、もう１枚の裏面鏡を構成する屈折部材の大型化は避けられない。また光学部材への入射角や射出角が大きくなりすぎると反射防止膜の角度特性が悪化し透過率ムラ等によって光学性能を悪化させる。さらに裏面鏡のティルト誤差に要求される精度が厳しくなるため、高い組立て調整精度が必要となり光学系の製造コストを増大させてしまう。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、遠紫外域の広い波長範囲で使用される場合でも、色収差補正能力を有しつつ、大きな開口数を持つコンパクトで性能劣化が少ない対物レンズ、及びそれを備えた光学装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、物体の中間像を形成させる第１結像光学系と、中間像をさらに拡大倍率で結像させる第２結像光学系から構成される結像光学系において、前記第１結像光学系は、凹面形状の反射面を有し中央に光透過部分を持つ第１光学素子と、反射面を有し中央に開口を持つ第２光学素子がお互いに向かい合うように配置され、物体面と前記第１光学素子との間の光路中に少なくとも１つの正の強い屈折力を有するレンズを含み、前記第２光学素子と中間像との間の光路中に少なくとも１つの負の屈折力を有するレンズを含むカタディオプトリック群であり、前記第２結像光学系は、屈折部材のみで構成され、全体として正の屈折力を有するレンズ群であり、物体面からの光は、前記第２の光学素子の中央の開口と前記正の強い屈折力を有するレンズを通って前記第１の光学素子で反射され、続いて前記第２の光学素子で反射され、さらに前記第１の光学素子の中央の透過部分と前記負の屈折力を有するレンズをこの順に通り、物体側にテレセントリックな光束に基づいて、前記第１結像光学系によって中間像が形成され、前記第２結像光学系によって物体の２次像が形成され、かつ、前記物体面と前記第１光学素子との間の光路中に置かれた正の強い屈折力を有するレンズの焦点距離をｆ１とし、前記結像光学系全体の焦点距離をＦとするとき、以下の（１）式を満足することを特徴とする対物レンズである。
１＜｜ｆ１／Ｆ｜＜７ … (1)
【０００９】
本手段においては、物体面からの光は、前記第２の光学素子の中央の開口と前記正の強い屈折力を有するレンズを通って前記第１の光学素子に達するが、その際に正の強い屈折力を有するレンズによって収束方向に向かう屈折を受ける。よって、前記第１の光学素子に達する光の広がりが小さくなり、その分だけ第１の光学素子の大きさを小さくすることができるので、色収差等の諸収差を、特開平１０−１７７１３９号公報に示される技術と同様のカタディオプトリック光学系とすることにより消去しながら、全体構成を小型化することができる。なお、物体からの光が、第２の光学素子の中央の開口と正の強い屈折力を有するレンズを通る順番はどちらが先でもよいが、第２の光学素子の中央の開口部に正の強い屈折力を有するレンズを位置させると、スペースを有効に使うことができる。
【００１０】
また、本手段においては、第２の光学素子の中央部に開口を設けて、物体からの光をその開口を通過させるようにしているので、第２の光学素子の大きさを大きくすることができて開口数を大きくでき、かつ、正の強い屈折力を有するレンズの大きさを小さくすることができる。
【００１１】
さらに本手段においては、第１光学素子で反射された光が第１の光学素子の中央の透過部分と負の屈折力を有するレンズをこの順に通って中間像を形成する。負の屈折率を有するレンズを設けることにより、中間像の位置を第１の光学素子から遠ざける（物体面から遠ざける）ことができ、そのため、像倍率を大きくすることができる。
【００１２】
本手段においては、カタディオプトリックな第１結像光学系によって中間像が形成され、屈折部材のみで構成される第２結像光学系によって物体の２次像が形成されるので、第１結像光学系と第２結像光学系で発生する諸収差がお互い打ち消すように収差補正され、全体として、遠紫外域の広い波長範囲でも、色収差等の諸収差を小さくすることができる。
【００１３】
なお、本手段において、第２結像光学系が、全体として正の屈折力を有するように構成されているので、中間像を拡大して２次像を形成させることができる。
【００１４】
また、前記第２光学素子の反射面は、凹面形状とした方が、第１光学素子の光透過部分を小さくすることができ、中心遮蔽率が小さくなって結像性能の劣化を抑えることができるので好ましい。同様、第１結像光学系に倍率をもたせると、第１光学素子の光透過部の開口を小さくし、中心遮蔽率が小さくなって結像性能の劣化を抑えることができるので好ましい。
【００１５】
また、前記正の強いレンズは、レンズの物体面側の入射角及び像側の出射角が小さいので、第１の結像光学系が傾いても、球面収差やコマ収差への影響を小さくすることができる。
【００１６】
なお、一般的に、本手段において、遠紫外域の広い波長範囲で使用する場合には、結像光学系を構成する光学部材が、石英ガラスや弗化ガラスなどの遠紫外線透過化率の高い屈折率素材であることが望ましい。また、石英ガラスや蛍石等の弗化ガラスを組み合わせて構成することで、色収差を効率良く補正できる。
【００１７】
なお、本手段は、遠紫外域の波長で使用するのに特に適したものであるが、必ずしも、遠紫外域の波長のみで使用するものではなく、可視光等の波長領域で使用しても、その効果があり、使用可能であることは言うまでもない。
【００１９】
条件式（１）は、物体と第１光学素子との間の光路中の正レンズの適正なパワーを規定する。条件式（１）の下限値を下回ってｆ１／Ｆが１以下になると、レンズのパワーが強くなりすぎて凸面で発生するコマ収差や色収差の補正が困難となる。逆に条件式（１）の上限を上回ってｆ１／Ｆが７以上になると、レンズのパワーが弱くなって第１光学素子に入射する光束径が大きくなりすぎて第１光学素子を構成する部材の大型化を招くだけでなく、第１結像光学系でのミラーのパワー負担が大きくなりすぎて負のペッツバール和が増大し像面湾曲の補正が困難となる。
【００２０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記第１光学素子の反射鏡の横倍率をβＭ１とし、前記第１結像光学系全体の横倍率をβ１とするとき、以下の（２）式を満足することを特徴とするものである。
0.3＜｜βＭ１／β１｜＜0.8 …(2)
【００２１】
条件式（２）は、第１光学素子の反射鏡の横倍率を規定するが、間接的に反射鏡の適正なパワーも規定する。｜βＭ１／β１｜が条件式（２）の下限値を下回って0.3以下になると反射鏡のパワーが強くなってコマ収差の補正が困難となるだけでなく、負のペッツバール和が増大し像面湾曲の補正が困難となる。逆に条件式（２）の上限を上回って｜βＭ１／β１｜が0.8以上になると反射鏡のパワーが弱くなって第２光学素子の反射鏡の有効径を増大させたり、第２光学素子の反射鏡のパワー負担が大きくなりすぎてコマ収差の補正が困難となる。
【００２２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記第２光学素子の反射鏡の横倍率をβＭ２とし、前記第１結像光学系全体の横倍率をβ１とするとき、以下の（３）式を満足することを特徴とするものである。
0.05＜｜βＭ２／β１｜＜0.5 …(3)
【００２３】
条件式（３）は、第２光学素子の反射鏡の横倍率を規定するが、間接的に反射鏡の適正なパワーも規定する。条件式（３）の下限値を下回って｜βＭ２／β１｜が0.05以下になると前記第４の手段の場合と同様に反射鏡のパワーが強くなってコマ収差の補正が困難となるだけでなく、負のペッツバール和が増大し像面湾曲の補正が困難となる。逆に条件式（３）の上限を上回って｜βＭ２／β１｜が0.5以上になると反射鏡のパワーが弱くなって第１光学素子の光透過部分による光束のけられが大きくなり遮蔽率を増大させてしまう。
【００２４】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記第１光学素子の屈折面の曲率半径をＲ１とし、前記第１光学素子の反射面の曲率半径をＭＲ１とし、前記第１光学素子の硝材の屈折率をｎ１とするとき、以下の（４）式を満足することを特徴とするものである。
−0.1＜２（n1−1）／(n1・R1)＋2／(n1・MR1)＜０ …(4)
【００２５】
条件式（４）は、第１光学素子単体のペッツバール和ＰＳＭ１を規定する。条件式（４）の下限を下回ってＰＳＭ１が-0.1以下になると、全光学系における負のペッツバール和が増大し像面湾曲の補正が困難になり平坦性が悪くなる。逆に条件式（４）の上限を上回ってＰＳＭ１が０以上になると正のペッツバール和が増大し、同様に像面湾曲の補正が困難となる。
【００２６】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記第１結像光学系の強い正屈折力のレンズ後方と前記第２結像光学系の前側焦点位置付近との２箇所に開口の中心部を遮蔽する中心遮蔽部材が配置されることを特徴とするものである。
【００２７】
本手段においては、中心遮蔽部材により、第１光学素子や第２光学素子の反射面に入射しないで中心部を透過してしまう光をカットすることが可能である。
【００２８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかである対物レンズを有する光学装置である。
【００２９】
本手段においては、前記第１の手段から第６の手段のいずれかである対物レンズを使用しているので、遠紫外域の広い波長範囲でも色収差が小さく、コンパクトで性能劣化の少ない光学装置とすることができる。また、前記第１の手段から第７の手段の対物レンズを高解像力で優れた結像性能の紫外線用対物レンズとすることができるため、紫外線を使用することにより、半導体素子などのより微細なパターンを細部まで観察することができる。光学装置の代表的なものとしては、顕微鏡や検査装置が挙げられる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例ついて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施例１〜３では、210nmを基準波長として最適化されており、硝材である石英ガラス及び蛍石の屈折率は、以下の表１に従う。
（表１）
【００３１】
【表１】

【００３２】
（第１実施例）
図１は、本発明の第１の実施例である対物レンズの構成の概要を示す図である。図１に示した第１実施例は、倍率８０倍、開口数0.8、視野数２８の反射屈折型対物レンズで210nmから300nmの波長帯域で観察が可能となるように設計されている。
【００３３】
この第１実施例において中間像を形成する第１結像光学系Ｇ１は、物体側から順に正の強いパワーを有するメニスカスレンズＬ１と、裏面が凹面反射鏡で正のパワーを有する両凸形状の第２光学素子ＬＭ２と、裏面が凹面反射鏡で負のパワーを有するメニスカス形状の第１光学素子ＬＭ１と両凹レンズＬ２と、１組の分離型ダブレットである負のパワーを有するメニスカスレンズＬ３、両凸レンズＬ４とから構成されている。
【００３４】
この場合、分離型ダブレットである負のパワーを有するレンズと正のパワーを有するレンズには、異なる硝材を用いることが色収差補正上好ましく、さらに、遠紫外域の広い波長範囲で使用する場合には、正のパワーを有するレンズには蛍石を使用し、負のパワーを有するレンズには石英ガラスを使用することが色収差補正上好ましい。また、遠紫外域の広い波長範囲で使用する場合には、正の強いパワーを有するレンズ（本実施例においてはメニスカスレンズＬ１）を蛍石とすると、色収差補正においてさらに良い結果を得ることができる。
【００３５】
２次像を形成する第２結像光学系Ｇ２は、中間像側から順に２組目の分離型ダブレットである両凸レンズＬ５、負のパワーを有するメニスカスレンズＬ６と、両凸レンズＬ７と負のパワーを有するメニスカスレンズＬ８と、両凸レンズＬ９とから構成されている。この場合も、分離型ダブレットである負のパワーを有するレンズと正のパワーを有するレンズには、異なる硝材を用いることが色収差補正上好ましく、さらに、遠紫外域の広い波長範囲で使用する場合には、正のパワーを有するレンズには蛍石を使用し、負のパワーを有するレンズには石英ガラスを使用することが色収差補正上好ましい。
【００３６】
なお、メニスカスレンズＬ１の後方と、第２結像光学系Ｇ２の前側焦点位置付近には、中心遮蔽部材Ｐが配置されていて、第１光学素子ＬＭ１や第２光学素子ＬＭ２の反射面に入射しないで中心部を透過してしまう光をカットしている。また、第１結像光学系によって形成される中間像位置付近には、視野絞りＦ．Ｓが配置されている。この位置に視野絞りＦ．Ｓを配置することで、第１及び第２結像光学系で発生するフレアーや迷光をカットすることが可能となる。さらに、第２結像光学系Ｇ２中の前側焦点位置付近に開口絞りＡ．Ｓが配置され、この対物レンズの開口数を決定している。
【００３７】
表２に第１実施例の諸元の値及び条件対応値を示す。表２中において、βは倍率、ＮＡは開口数、Ｆは全系の合成焦点距離、ｒは各光学要素面の曲率半径、ｄは面間隔、Ｇは硝材等を表しており、Ｗ.Ｄ.は、物体面から第１面までの距離である。また、（１）式〜（４）式に対応する値を併せて示している。第１実施例についての諸収差図を図３、図４に示す。なお、図３、図４において、実線はλ=210nm、破線はλ=250nm、１点鎖線はλ=300nm、２点鎖線はλ=230nmに対するものである。
（表２）
【００３８】
【表２】

【００３９】
（第２実施例）
図２は、本発明の第２の実施例である対物レンズの構成の概要を示す図である。図２に示した第２実施例は、前記第１実施例と同様に倍率８０倍、開口数0.8、視野数２８、波長帯域210nm〜300nmで観察可能の反射屈折型対物レンズである。この第２実施例においては、２次像を形成する第２結像光学系Ｇ２の最後段に、負のパワーを有する凹レンズＬ１０が設けられている他は、その光学素子の構成は第１実施例と同じであるので、図１と同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。表３に第２実施例の諸元の値及び条件対応値を示す。表３中における記号は、表２と同じものを示す。また、第２実施例についての諸収差図を図５、図６に示す。なお、図５、図６において、実線はλ=210nm、破線はλ=250nm、１点鎖線はλ=300nm、２点鎖線はλ=230nmに対するものである。
（表３）
【００４０】
【表３】

【００４１】
（第３実施例）
本発明の第３の実施例である対物レンズのレンズ構成は第１実施例と同じであり、各光学素子のパラメータが異なるだけである。この第３実施例は、倍率８０倍、開口数0.8、視野数２８の反射屈折型対物レンズで、波長帯域が193nmから250nmで観察可能となるように性能を最適化してある。
【００４２】
表４に、第３実施例の諸元の値及び条件対応値を示す。表４中における記号は、表２と同じものを示す。また、第３実施例についての諸収差図を図７、図８に示す。なお、図７、図８において、実線はλ=210nm、短い破線はλ=230nm、長い破線はλ=193.3nm、１点鎖線はλ=250nmに対するものである。
（表４）
【００４３】
【表４】

【００４４】
（第４実施例）
図９は、本発明に係る対物レンズを使用した検査装置を示す図である。光源からの光は照明レンズ１を通り、ハーフミラー２によって反射された成分が、本発明に係る対物レンズ３を通して、被検査物体４上を照明する。被検査物体の被検査面からの反射光は、対物レンズ３を通り、ハーフミラー２を通過した成分が、被検査面の像をセンサ５の光検出面に結像する。センサ５としてはＣＣＤ等を使用することができ、これにより、被検査面の画像を得ることができる。この実施例においては、本発明に係る対物レンズ５を使用しているので、遠紫外域の広い波長範囲でも色収差が小さく、コンパクトで性能劣化の少ない検査装置とすることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、遠紫外域の広い波長範囲で使用される場合でも、色収差補正能力を有しつつ、大きな開口数を持つコンパクトで性能劣化が少ない対物レンズ及びそれを備えた光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例、第３実施例である対物レンズのレンズ構成図である。
【図２】本発明の第２実施例である対物レンズのレンズ構成図である。
【図３】本発明の第１実施例の横収差図である。
【図４】本発明の第１実施例の縦収差図及び歪曲収差図である。
【図５】本発明の第２実施例の横収差図である。
【図６】本発明の第２実施例の縦収差図及び歪曲収差図である。
【図７】本発明の第３実施例の横収差図である。
【図８】本発明の第３実施例の縦収差図及び歪曲収差図である。
【図９】本発明の反射屈折型対物レンズを検査装置に適用した際の概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｇ１…第１結像光学系
Ｇ２…第２結像光学系
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０…レンズ
ＬＭ１…第１反射光学素子
ＬＭ２…第２反射光学素子
Ａ.Ｓ…開口絞り
Ｆ.Ｓ…視野絞り
Ｐ…中心遮蔽部材
１…照明レンズ
２…ハーフミラー
３…対物レンズ
４…被検査物体
５…センサ

Claims

物体の中間像を形成させる第１結像光学系と、中間像をさらに拡大倍率で結像させる第２結像光学系から構成される結像光学系において、前記第１結像光学系は、凹面形状の反射面を有し中央に光透過部分を持つ第１光学素子と、反射面を有し中央に開口を持つ第２光学素子がお互いに向かい合うように配置され、物体面と前記第１光学素子との間の光路中に少なくとも１つの正の強い屈折力を有するレンズを含み、前記第２光学素子と中間像との間の光路中に少なくとも１つの負の屈折力を有するレンズを含むカタディオプトリック群であり、前記第２結像光学系は、屈折部材のみで構成され、全体として正の屈折力を有するレンズ群であり、物体面からの光は、前記第２の光学素子の中央の開口と前記正の強い屈折力を有するレンズを通って前記第１の光学素子で反射され、続いて前記第２の光学素子で反射され、さらに前記第１の光学素子の中央の透過部分と前記負の屈折力を有するレンズをこの順に通り、物体側にテレセントリックな光束に基づいて、前記第１結像光学系によって中間像が形成され、前記第２結像光学系によって物体の２次像が形成され、かつ、前記物体面と前記第１光学素子との間の光路中に置かれた正の強い屈折力を有するレンズの焦点距離をｆ１とし、前記結像光学系全体の焦点距離をＦとするとき、以下の（１）式を満足することを特徴とする対物レンズ。
１＜｜ｆ１／Ｆ｜＜７ … (1)
前記第１光学素子の反射鏡の横倍率をβＭ１とし、前記第１結像光学系全体の横倍率をβ１とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ。
0.3＜｜βＭ１／β１｜＜0.8 …(2)
前記第２光学素子の反射鏡の横倍率をβＭ２とし、前記第１結像光学系全体の横倍率をβ１とするとき、以下の（３）式を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の対物レンズ。
0.05＜｜βＭ２／β１｜＜0.5 …(3)
前記第１光学素子の屈折面の曲率半径をＲ１とし、前記第１光学素子の反射面の曲率半径をＭＲ１とし、前記第１光学素子の硝材の屈折率をｎ１とするとき、以下の（４）式を満足することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の対物レンズ。
−0.1＜２（n1−1）／(n1・R1)＋2／(n1・MR1)＜０ …(4)
前記第１結像光学系の強い正屈折力のレンズ後方と前記第２結像光学系の前側焦点位置付近との２箇所に開口の中心部を遮蔽する中心遮蔽部材が配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の対物レンズ。
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の対物レンズを有する光学装置。