JP5489034B2

JP5489034B2 - 反射型投影光学装置

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Publication number: JP5489034B2
Application number: JP2009152742A
Authority: JP
Inventors: 光紀豊田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP2010079257A

Description

本発明は、反射鏡を利用した投影光学装置、特に各種顕微鏡等に好適な反射型の投影光学装置に関する。

この種の典型的な反射型投影光学装置では、２つの反射鏡で構成される反射型結像系が用いられ、物体とほぼ相似な光学像を像面上に投影する。利用目的により、種々の物体距離、結像倍率及び焦点距離を有する投影光学装置が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
また、顕微鏡では、投影光学装置は、照明光学装置により所望の条件で照明された観察物体の拡大像を像面上に得るように構成される。そして、像面上の拡大像は、適切に構成されたマイクロチャンネルプレート、写真フィルム、写真乾板、ズーミング管、またはＣＣＤセンサのような光電検出器等を用いて観測される。

特開２００６−２６７６３３号公報

かかる構成の反射型投影光学装置では、結像に伴う収差を低減させるため、一組の凹面鏡と凸面鏡で構成されるシュワルツシルト光学系が用いられる。シュワルツシルト光学系では、２つの球面鏡をほぼ同心に設置することにより、球面収差、コマ収差及び非点収差の補正が可能である。また、反射系のため色収差も発生しない。このため、ミラーの表面に適切な金属膜や多層膜反射鏡を蒸着することにより、レンズ系の使用が困難な、軟X線領域や赤外領域を含む広い波長域において回折限界の高い分解能解で結像が可能である。また、この場合の照明光学装置には、回転楕円鏡やウオルター（Wolter）ミラーのような斜入射光学系が用いられる。

波長１〜２００ｎｍの範囲にある紫外から軟X線領域では、通常の光学顕微鏡に用いられる可視光と比べて波長λが短いので、レーリーの条件
Δ＝０．６１λ/ＮＡ（１）
で規定される回折による像のボケΔが低減され、１０ｎｍから１００ｎｍ程度の高い空間
分解能が期待できる。ここで、ＮＡは投影光学系の開口数を表す。
この波長域で動作する従来の典型的な顕微鏡の概念図を図１８に示す。図に示すように、光源（例えば、レーザー生成プラズマ）からの光を照明光学系を介して試料に照射し、その透過光をシュワルツシルト光学系で拡大して、像を２次元検出器（例えば、ＣＣＤカメラ）上に結像させ、試料の透過像を観察する。

しかしながら、この種従来装置では、高分解能での観察には、拡大光学系の結像倍率が不足するという問題があった。上述のシュワルツシルト光学系で容易に実現できる焦点距離は、作成可能な反射鏡の外径で制限され、１０ｍｍ程度である。このとき、後述するように1m程度の全長で実現できる結像倍率は最大で１００倍程度である。このため、試料上で10nmの空間分解能を得るには、２次元検出器には1μm以下の分解能が要求される。しかしながら、この波長域で広く用いられる背面照射型ＣＣＤの最小画素サイズは10μm程度であり、１桁程度検出器の分解能が不足する。
このため、１０ｎｍ程度の高分解能観察時には、２次元検出器として、写真乾板や電子レンズを用いたズーミング管が用いられてきた。しかし、これらの検出器は、空間分解能は高いものの、写真乾板では静止画の観察に限られ、また、電子レンズは集光効率が低く暗い像しか得られないなど、ＣＣＤを２次元検出器に用いた場合に比べると、実用上の欠点が存在した。

一方、軟X線顕微鏡の照明光学系には、楕円鏡やウオルターミラーのような斜入射光学系により光源の縮小投影像を試料面上に結ぶ臨界照明法が用いられてきた。この場合、照明光学系の縮小倍率は、斜入射ミラーの製造法（レプリカ法）で制限され、典型的には１/４乃至１/５である。しかしながら、臨界照明は、縮小された光源像の照度分布がほぼそのまま試料面上に現れるため、照明領域が小さく且つ照度の面内均一性が著しく悪いという欠点があり、このため、均一な照度下で試料を観察することが難しいという問題があった。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、結像倍率を従来装置に比べて著しく向上できる、全て反射鏡で構成した高倍率な反射型投影光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による反射型投影光学装置は、試料面に向けられた凹面鏡と該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡とを組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるための付加光学系を結合してなることを特徴とする。

また、本発明による反射型投影光学装置は、試料面を挟んで対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を拡大させるための付加光学系を結合してなることを特徴とする。

本発明によれば、前記付加光学系は、対向配置された凹面鏡と凸面鏡とを組み合わせて成るアフォカル反射光学系であることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記付加光学系は、凹面鏡と前記凸面鏡を対向させて組み合わせた反射光学系であることを特徴とする。

本発明によれば、前記付加光学系は、対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなるアフォカル反射光学系であることを特徴とする。

本発明によれば、前記アフォカル反射光学系の最終反射面となるべき凹面鏡の曲率半径は４００乃至４０００ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記付加光学系が、前記対物光学系の像面近傍に配置された１つの反射面からなる反射光学系であることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記対物光学系（凹凸２面）の合成焦点距離が５ｍｍよりも大きいことを特徴とする。

また、本発明によれば、前記対物光学系（凹凹２面）の合成焦点距離が５ｍｍよりも大きいことを特徴とする。

また、本発明による照明光学装置は、一対の凹面鏡を対向配置して、光源からの光を、前記反射型投影光学装置の試料面に照射し得るように構成されていることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記照明光学装置は、前記光源と前記試料面間の結像倍率がほぼ等倍であることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記照明光学装置は、前記反射型投影光学装置に付設されていることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記凹面鏡又は前記凸面鏡の反射面のうち、１つ以上が非球面であることを特徴とする。

また、本発明によれば、前記反射型投影光学装置又は前記照明光学装置は、作動波長が３００ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、従来装置に比べて著しく結像倍率の大きい投影光学装置を提供することができると共に、均一で且つ明るい投影像を得ることのできる投影光学装置を提供することができる。

本発明による反射型投影光学装置の第１実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第２実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第３実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第４実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第５実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第６実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第７実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置の第８実施例の光学構成を示す図である。本発明による反射型投影光学装置に好適な照明装置の一実施例の光学構成を示す図である。本発明の第１実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第２実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第３実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第４実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第５実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第６実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第７実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。本発明の第８実施例と図９に示す照明装置とを組み合わせてなる軟X線透過型顕微鏡の光学構成を示す図である。従来の軟X線透過型顕微鏡の概略構成を示す図である。本発明に係る反射型投影光学装置に適用される波面収差の計測及び光軸調整装置の一構成例を示す説明図である。

実施例の説明に先立ち、本発明の原理及び作用効果について説明する。
軟X線用顕微鏡の典型例として、文献：M. Toyoda: Jpn. J. Appl. Phys. 39 1926を参照すると、拡大光学系（シュワルツシルトミラー）の仕様は、
動作波長 λ＝13 nm
開口数 NA＝0.25
焦点距離 f＝19.3 mm
であり、この場合、画素サイズ13μmの典型的な背面照射型CCD（http://www.cornes-dodwell.co.jp/product/p c/back ill ccd.html参照）で、前記（１）式のレーリー条件で決まる回折限界での空間分解能約３２ｎｍの解像を可能にするには、少なくとも８００倍ないし１０００倍程度の結像倍率が拡大光学系に求められる。

次に、上記の典型的な従来光学系で、１０００倍程度の結像倍率を実現した場合の装置サイズを見積もることにより、問題の所在を明らかにすることとする。先ず、拡大光学系の焦点距離fと全長Ｌの関係について検討する。物体から光学系の前側主点までの距離をa 、後側主点から像までの距離をｂ、光学系の焦点距離をfとすると、
1/a ＋ 1/b ＝ 1/f （２）
が成り立つ。このとき光学系の結像倍率mは、
m ＝ a/b （３）
と表すことができるから、上記式（２）及び（３）を用いると、光学系の全長（物体と像間の距離）Ｌには
L ＝ a ＋ b ＝[（1＋ｍ）²/m ]×f （４）
の関係が成り立つ。本発明が意図する高倍率系では、m>>１であるから、上記（４）式は、近似的に

と変形することができる。つまり、光学系の全長は、焦点距離と拡大倍率の積となる。

この（５）式に上述の典型例を代入すると、従来光学系で１０００倍の拡大倍率を得るには、物体−像間の距離（全長）が２０ｍ程度必要となることが分る。つまり、従来光学系では、高倍率の顕微鏡を実現しようとすると、装置全体が通常の実験室環境に設置することは困難なまでに大型化することが分る。
通常の実験室環境で設置できる実用的な顕微鏡を実現するには、上記（５）式から明らかなように、焦点距離を短くする必要がある。実用的な仕様としては、全長１ｍ、結像倍率１０００倍とすると、ｆ＝１ｍｍ程度の短い焦点距離を実現する必要がある。

本発明は、この短い焦点距離を実現するための光学系、即ち、結像倍率を増大させるための光学系を、この種従来の対物光学系に付加するようにしたものである。以下、その実施例を説明する。

実施例１
図１は本発明の第１実施例を示す。本実施例は、光学系の短焦点化を図るため、凸面鏡Ｍ１と中心部に開口を有する凹面鏡Ｍ２とを対向配置させてなる主光学系である従来型のシュワルツシルト光学系の後段に、中心部に開口を有する凹面鏡Ｍ３と凸面鏡Ｍ４とを対向配置させてなる角倍率γのアフォーカル光学系（ガリレオ式の望遠鏡）を付加して構成されている。このとき、全系の焦点距離f'は、f' ＝ f/γとなり、付加したアフォーカル光学系の角倍率を10乃至50倍程度に選ぶことにより、高倍率対物鏡に好適な光学系を構成することができる。本実施例では、動作波長λ＝13 nm、開口数NA＝0.25の条件下で発生する諸収差を補正し、マレシャル（Marechal）の条件を満たす回折限界結像が可能である。
なお、本実施例では、焦点距離f' ＝0.963mmの拡大光学系を構成し、付加光学系は、メリジオナル面内に15mm並進して配置し、凹面鏡Ｍ２を非球面とすることで、収差と瞳の遮光を同時に低減させることができる。

次に、第１実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 706.000000
１ ∞ 250.000000
２ ∞ -70.000000
３ 21.05263 -200.000000 反射面
４（非球面）421.05263 200.000000 反射面
K＝-0.948238
A＝0.000000×10⁺⁰ B＝0.000000×10⁺⁰ C＝0.000000×10⁺⁰
D＝0.000000×10⁺⁰
５ ∞ 70.000000
XDE＝0.000000 YDE＝15.000000 ZDE＝0.000000
絞り面 24.28500 -41.473346 反射面
７ 65.93500 85.604737 反射面
像面 ∞ 0.000000

上記数値データにおいて、XDE、YDE及びZDEは、それぞれx、y及びz方向の平行偏心を示す。また、非球面形状は、光軸方向をz軸、光軸に直交する方向をy軸にとり、円錐係数をK、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、‥‥としたとき、次の式で表される。
X＝（y²/r）/[1 ＋｛1 − (1＋Ｋ)（ｙ/r）²｝^1/2]＋Ａy⁴＋Ｂy⁶＋Ｃy⁸＋Ｄy¹⁰＋‥‥
これらは、以下の各実施例においても共通に用いられる。

実施例２
図２は本発明の第２実施例を示す。本実施例は、実施例１の変形例であり、主光学系と付加光学系の凸面鏡を一致させることで、系を構成する反射鏡の数を４個から３個に削減することができ、簡便且つ安価に投影光学系を構成することができる。本実施例では、光軸上の物点は付加光学系による瞳の遮光により観察することができないものの、図に示すように、軸外物点に対しては、付加光学系に起因する遮光を無くすことができる。市販の光線追跡ソフトを用いて、前述の条件でストレール強度を計算したところ、像面での像高３０ｍｍから８０ｍｍのドーナツ状の領域で付加光学系による遮光を発生させずに、マレシャル条件を満たす回折限界結像が可能であることが分った。また、付加光学系による偏心収差が発生しないため、付加する凹面鏡Ｍ３を作成が容易な球面鏡としても、良好な結像特性を実現することができる。

次に、第２実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 987.671500
１ 24.69519 -234.603948 反射面
２ 493.90300 234.603948 反射面
３ 24.69519 -39.951443 反射面
４ ∞ 0.022775
絞り面 64.64511 84.682127 反射面
像面 ∞ 0.000000

実施例３
図３は本発明の第３実施例を示す。本実施例は、特開２００６−２６７６３３号の図２１に示された如き、試料面を挟んで対向配置された一対の非球面凹面鏡Ｍ５, Ｍ６を組み合わせてなる合わせ鏡式対物鏡を主光学系とし、その後段に凹面鏡Ｍ３と凸面鏡Ｍ４からなるガリレオ式の望遠鏡を付加し、焦点距離f'＝1.085mmの拡大光学系を構成した。２つの非球面凹面鏡Ｍ５とＭ６で構成した合わせ鏡式対物鏡は、シュワルツシルトミラーと比べ、ミラーのアライメント誤差による分解能の劣化を大幅に緩和させることができる。そのため、本実施例では、温度変化や振動等の外乱下でも、10nmオーダーの回折限界分解能と１０００倍程度の結像倍率を両立し、安定した結像特性が得られる。

次に、第３実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 950.000000
１ ∞ 250.000000
２ ∞ -70.000000
３ 21.05263 -200.000000 反射面
４（非球面） 421.05263 200.000000 反射面
K＝-0.959507
A＝0.000000×10⁺⁰ B＝0.000000×10⁺⁰ C＝0.000000×10⁺⁰
D＝0.000000×10⁺⁰
５ ∞ 150.000000
XDE＝0.000000 YDE＝15.000000 ZDE＝0.000000
６（非球面） -49.05263 -112.008041 反射面
K＝0.000000
A＝-.128203×10^-5 B＝-.155222×10^-8 C＝-.786717×10^-13
D＝0.000000×10⁺⁰
絞り面 81.40024 76.320283 反射面
（非球面）
K＝0.000000
A＝-.161009×10^-7 B＝-.262860×10^-11 C＝-.281091×10^-15
D＝0.000000×10⁺⁰
像面 ∞ 0.000000

実施例４
図４は本発明の第４実施例を示す。本実施例は、光学系の短焦点化を図るため、２つの反射面で構成される結像倍率ｍの主光学系の像面近傍に１つの反射面からなる焦点距離ｆ２の反射鏡Ｍ７を付加したものである。この場合、全系の焦点距離ｆ'はｆ'＝ｆ２/ｍとなり、高倍率対物鏡に好適な短焦点光学系を３つの反射鏡により構成することができる。なお、本実施例では、前述の実施例と同様に、動作波長λ＝１３ｎｍ、開口数ＮＡ＝０．２５の条件下で発生する諸収差を補正し、マレシャルの条件を満たす回折限界結像は可能である。
本実施例では、結像倍率ｍ＝−５０のシュワルツシルトミラーを主光学系とし、その後段に焦点距離ｆ２＝１９．２ｍｍの凹面鏡Ｍ７を付加し、全系の焦点距離ｆ'をｆ'＝０．３８５ｍｍとした。これにより、全長（物体面と付加凹面鏡７の頂点間の距離）約１ｍで２０００倍を超える拡大倍率を実現することができる。本実施例では、光軸上の物点は検出器による遮光のため観察できないものの、図に示すように、軸外物点に対しては遮光を生じることなく検出器を配置することができる。市販の光線追跡ソフトを用いて上述の条件でストレール強度を計算したところ、像面での像高３０ｍｍから２４０ｍｍのドーナツ状の領域でマレシャルの条件を満たす回折限界結像が可能であることが分った。また、本実施例は、全て球面鏡で構成できるため、反射鏡の作成が容易であるという利点がある。

次に、第４実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 0.000000
１ ∞ -900.000000
２ 38.44675 19.682000 反射面
３ ∞ 956.106400
４ 24.28573 -41.627000 反射面
絞り面 65.93504 85.599680 反射面
像面 ∞ 0.000000

実施例５
図５は本発明の第５実施例を示す。本実施例は、特開２００６−２６７６３３号の図２１に示された如き、試料面を挟んで対向配置された一対の非球面凹面鏡Ｍ５、Ｍ６を組み合わせてなる合わせ鏡式対物鏡を主光学系とし、その後段にf ２＝１９．２ｍｍの凹面鏡７を付加し、全系の焦点距離f'をf'＝０．３８４ｍｍとした。これにより、全長（物体面と凹面鏡７の頂点間の距離）約１ｍで２０００倍を超える拡大倍率を実現できる。本実施例も、上述の実施例と同様に、光軸上の物点は検出器による遮光のため観察できないが、図に示すように、軸外物点に対しては、遮光を生じることなく検出器を配置することができる。市販の光線追跡ソフトを用いて上述の条件でストレール強度を計算したところ、像面での像高３０ｍｍから１１０ｍｍのドーナツ状の領域でマレシャルの条件を満たす回折限界結像が可能であることが分った。また、本実施例で用いる合わせ鏡対物鏡は、シュワルツシルトミラーに比べ、ミラーのアライメント誤差による分解能の劣化を大幅に緩和することができる。そのため、本実施例は、温度変化や振動等の外乱下でも、１０ｎｍオーダーの回折限界分解能と２０００倍を超える結像倍率を両立させることができ、安定した結像性能が得られる。

次に、第５実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 0.000000
１ ∞ -900.000000
２ 38.44680 19.682000 反射面
３ ∞ 1041.670000
４（非球面）-49.60405 -115.740000 反射面
K＝0.000000
A＝-.128203×10^-5 B＝-.155222×10^-8 C＝-.786717×10^-13
D＝0.000000×10⁺⁰
絞り面 81.40024 74.075123 反射面
（非球面）
K＝0.000000
A＝-.161009×10^-7 B＝-.262860×10^-11 C＝-.281091×10^-15
D＝0.000000×10⁺⁰
像面 ∞ 0.000000

実施例６
図６は本発明の第６実施例を示す。本実施例は、実質上、図４に示した第４実施例と同等な凹・凸・凹の三つの球面鏡からなる拡大光学系の後段に凹面鏡Ｍ８を付加した点で、第４実施例と異なる。本実施例は、付加した凹面鏡Ｍ８により射出瞳を略無限遠に投影することができ、その結果、像側でのフレネル数を略∞（Ｎ >>１０００）とすることが可能となる。これにより、結像系はアイソプラナチックとなり、物体―像間の結像特性をフーリエ結像論により記述することが可能となる。本実施例では、光軸上の物体は凹面鏡Ｍ７による遮光のため観察することができないものの、図示のように軸外物点に対しては遮光を生じることなく拡大像を観察することができる。市販の光線追跡ソフトを用い、作動波長λ=１３．４ｎｍ、開口数ＮＡ＝０．２５の条件でストレール強度を計算したところ、像高約１０ｍｍ〜１００ｍｍのドーナツ状の領域でマレシャルの条件を満たす回折限界結像が可能であることが分かった。
本実施例では、付加した凹面鏡Ｍ８により主光線を光軸と平行にし、射出瞳を無限遠に投影した。しかし、射出瞳の位置は必ずしも無限遠にする必要はなく、レーリー条件Δ=０.６１λ/ＮＡ（Δはボケ、λは波長、NAは投影光学系の開口数）で定義されるフレネル数Ｎが大きく（例えば、Ｎ >１０）なる条件下で射出瞳の位置を設定してもよい。この場合、光学系の全長を実用的な値とするには、付加した凹面鏡Ｍ８の曲率半径は、４００ｍｍ〜４０００ｍｍとすることが望ましい。

次に、第６実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 0.0000
１ ∞ 500.0000
２ -910.27425 -467.5000 反射面
３ 24.28573 666.0000 反射面
４ ∞ 0.0000
５ 24.28573 -41.7000 反射面
絞り面 65.93504 85.5898 反射面
像面 ∞ 0.0000

実施例７
図７は本発明の第７実施例を示す。本実施例は、図５に示した第５実施例と略同等な二面凹非球面鏡（合わせ鏡対物鏡）と凹球面鏡Ｍ７からなる三面拡大光学系の後段に、もう一つの凹面鏡Ｍ８を付加して、四面反射光学系としたものである。付加した凹面鏡Ｍ８により射出瞳を略無限遠に投影することができ、その結果、像側でのフレネル数を略∞（Ｎ>>１０００）とすることが可能となった。これにより、結像系はアイソプラナチックとなり、物体―像間の結像特性を、フーリエ結像論により記述することが可能となる。本実施例では、光軸上の物体は凹面鏡による遮光により拡大像を観察することができないものの、図示のように軸外物点に対しては遮光を生じることなく拡大像を観察することができる。市販の光線追跡ソフトを用いて上述の条件でストレール強度を計算したところ、像高約１０ｍｍ〜６０ｍｍのドーナツ状の領域でマレシャルの条件を満たす回折限界結像が可能であることが分かった。
本実施例では、付加した凹面鏡Ｍ８により主光線を光軸と平行にし、射出瞳を無限遠に投影した。しかし、射出瞳の位置は必ずしも無限遠とする必要はなく、レーリー条件Δ=
０．６１λ/ＮＡ（Δはボケ、λは波長、ＮＡは投影光学系の開口数）で定義されるフレネル数Ｎが十分に大きく（例えば、Ｎ > １０）なる条件下で射出瞳の位置を設定してもよい。この場合、光学系の全長を実用的な値とするには、付加した凹面鏡Ｍ８の曲率半径は、４００ｍｍ〜４０００ｍｍとすることが望ましい。
また、本実施例で用いた合わせ鏡式対物鏡は、従来の球面対物鏡（例えば、シュワルツシルトミラー）に比べ、反射鏡の設置誤差に起因する分解能の劣化を大幅に緩和することができる。このため、本実施例では、温度変化や振動等の外乱の下でも安定した結像特性が得られる。

次に、第７実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 0.0000
１ ∞ 500.0000
２ -910.00000 -467.35000 反射面
３ 24.28600 0.00000 反射面
４ ∞ 740.31290
５(非球面) -49.60405 -115.74000 反射面
K＝0.000000
A＝-.122090×10^-5 B＝-.151903×10^-8 C＝-.359035×10^-12
絞り面(非球面) 81.40024 74.25741 反射面
K＝0.000000
A＝-.160848×10^-7 B＝-.26350×10^-11 C＝-.311562×10^-15
像面 ∞ 0.0000

実施例８
図８は本発明の第８実施例を示す。本実施例は、第７実施例における凹球面鏡Ｍ７を、略曲率半径の等しい凸球面鏡Ｍ９に置き換えたものである。これにより、全て凹面鏡で構成した第７実施例と比べ全系のペッツバール和が低減でき、より広い視野を得ることができる。本実施例では、光軸上の物体は凹面鏡による遮光により観察できないものの、図に示すように、軸外物点に対しては遮光することなくその拡大像を観察することができる。市販の光線追跡ソフトを用いて、作動波長λ=１３．４ｎｍ、開口数ＮＡ=０．２５の条件でストレール強度を計算したところ、像高約１０ｍｍ〜６６ｍｍのドーナツ状の領域でマレシャルの条件を満たす回折限界結像が可能であることが分かった。
本実施例では、付加した凹面鏡Ｍ８により主光線を光軸と平行にし、射出瞳を無限遠に投影した。しかし、射出瞳の位置は必ずしも無限遠とする必要はなく、レーリー条件Δ=
０．６１λ/ＮＡ（Δはボケ、λは波長、NAは投影光学系の開口数）で定義されるフレネル数Ｎが十分に大きく（例えば、Ｎ > １０）なる条件下で射出瞳の位置を設定してもよい。この場合、光学系の全長を実用的な値とするには、付加した凹面鏡Ｍ８の曲率半径は、４００ｍｍ〜４０００ｍｍとすることが望ましい。
また、本実施例で用いた合わせ鏡式対物鏡は、従来の球面対物鏡（例えば、シュワルツシルトミラー）に比べ、反射鏡の設置誤差に起因する分解能の劣化を大幅に緩和することができる。このため、本実施例では、温度変化や振動等の外乱の下でも安定した結像特性が得られる。

次に、第８実施例の光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 0.0000
１ ∞ 500.0000
２ -910.00000 -442.85700 反射面
３ - 24.28600 0.00000 反射面
４ ∞ 740.31290
５(非球面) -49.60405 -115.74000 反射面
K＝0.000000
A＝-.122589×10^-5 B＝-.160898×10^-8 C＝-.170865×10^-11
絞り面(非球面) 81.40024 74.23758 反射面
K＝0.000000
A＝-.160996×10^-7 B＝-.259233×10^-11 C＝-.357902×10^-15
像面 ∞ 0.0000

実施例９
図９は本発明の第９実施例を示す。本実施例は、上述の各実施例に好適な、試料上の照度均一性に優れた照明光学系を提供するもので、照明光学系の結像倍率を従来の１/４程度から等倍に増大させることにより、より広い試料面積を照明することができ、照度均一性の向上が期待できる。なお、本実施例では、光源に直径０．５ｍｍ程度のレーザープラズマ光源を想定し、また、同時に使用する投影光学系の開口数はＮＡ＝０．２５としている。
本実施例では、等倍の照明系を実現するため、同一の曲率半径を持つ２つの凹面鏡Ｍ１０及びＭ１１を向かい合わせに配置している。これにより、投影光学系の開口数と一致した照明光を生成することができる。
なお、本実施例では、凹面鏡に作成の容易な球面鏡を用いたが、開口数の増加による試料面上での収差が問題となる場合には、凹面鏡を放物面鏡としても良い。

次に、第９実施例の照明光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
面番号曲率半径面間隔硝材
物体面 ∞ 0.000000
１ ∞ 200.000000
絞り面 -400.00000 -120.000000 反射面
３ 400.00000 198.006599 反射面
像面 ∞ 0.000000

図１０乃至図１７は、上述の実施例１乃至８による各投影光学系と実施例９による照明光学系とを組み合わせて、透過型軟Ｘ線顕微鏡として構成した場合の光学構成をそれぞれ示している。なお、本発明による反射型投影光学装置及び照明装置の作動波長は、３００ｎｍ以下であることが好ましい。作動波長が３００ｎｍを超えると、レンズの使用が可能となり、反射鏡を用いた本発明装置の意義がなくなる。即ち、反射鏡は、適切なコーティング（金属膜や多層膜）を施すことで、波長３〜３００ｎｍの紫外、真空紫外、ＥＵＶ、軟Ｘ線領域で動作する。特に、実施例６乃至８による投影光学系と実施例９による照明光学系とを組み合わせた構成では、照明光の照度が均一の条件下で、高い空間分解能の軟Ｘ線像を観測することができる。

なお、実施例では、本発明による高倍率対物鏡を照明光学系と組み合わせて透過型軟Ｘ線顕微鏡として構成した場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、適切な各種光学素子と組み合わせることにより、反射型顕微鏡、蛍光顕微鏡、位相差顕微鏡、共焦点顕微鏡等の構成を、高い結像倍率の下で実現することができる。更に、これらの構成を利用することにより、本発明による高倍率対物鏡は、軟Ｘ線顕微鏡に加え、ＥＵＶリソグラフィー用レチクル検査装置、ＥＵＶリソグラフィー用縮小投影光学系用波面収差計測装置、軟Ｘ線多層膜欠陥検査装置等に応用することができる。

ところで、本発明による高倍率対物鏡を照明光学系と組み合わせて透過型軟Ｘ線顕微鏡として構成した場合、照明光学系により所望の条件で照明された観察物体の拡大像を結像面上に得るように構成され、そして、結像面上に結像された拡大像は、適宜構成されたマイクロチャンネルプレート、写真フィルム、写真乾板、ズ−ミング管、またはＣＣＤセンサのような二次元光電検出器等を用いて観測される。

波長１〜２００nmの範囲にある紫外から軟Ｘ線領域で作動する顕微鏡では、通常の光学顕微鏡に用いられる可視光に比べて波長λが短いので、レーリー条件
Δ=０．６１λ/ＮＡ（１）
で規定される回折による像のボケΔが低減され、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の高い空間分
解能が期待できる。ここで、ＮＡは投影光学系の開口数を表す。典型的な設計例（M. Toyoda: Jpn. J. Appl. Phys. 39 1926.参照）として、λ=１３ｎｍ、ＮＡ=０．２５の条件では、上記（１）式より顕微鏡で得られる最良分解能は３２ｎｍとなる。この波長域では、結像面上の二次元検出器として、量子効率が高く実時間読み出しが可能な背面照射型ＣＣＤが広く用いられる。http://www.cornes-dodwell.co.jp/product/p c/back ill ccd.htmlによれば、前記ＣＣＤの最小ピクセル径は１０μｍ程度であり、この場合、上記（１）式で決まる回折限界での空間分解能約３２ｎｍの解像を可能とするには、少なくとも８００乃至１０００倍程度の結像倍率が拡大光学系に求められる。

ところで、既述の如く光学系を三枚以上のミラーで構成し焦点距離を短くすることで、１０００倍程度の高倍率を実現することができるが、通常の実験室環境で実用的な系として全長（物体―像間距離）を１０００ｍｍ程度にし、１０００倍以上の拡大倍率を得るには、光学系の焦点距離を１ｍｍ以下にする必要がある。このため、設計例では、二つの反射面からなる主光学系と直列に、二つの反射面からなるアフォーカル光学系を付加したり、一つの反射面からなる拡大光学系を付加したりすることで、焦点距離を縮小し１０００乃至２０００倍程度の高倍率を得ている。

この種結像光学系で回折限界分解能を実現するには、光学系で生じる波面収差を低減する必要がある。かかる波面収差Ｗの許容値はマレシャル（Marechal）の条件で与えられる（M. Born, E. Wolf:「光学の原理」9.3章参照）
W <λ/１４（６）
を満足する必要がある。例えば、波長λ=１３ｎｍで回折限界分解能を実現するには、光学系に許容される波面収差Wは１ｎｍ以下となる。この種光学系で発生する波面収差は大きく分けて、光学設計に起因するもの、反射鏡の形状誤差に起因するもの、及び反射鏡の設置誤差（ミスアライメント）に起因するものである。この種光学系を作製容易な球面鏡のみで構成した場合には、反射鏡の設置誤差に起因する波面収差が著しく大きくなることが知られている（Y. Horikawa: Proc. SPIE 1720 217 参照）。

この種対物鏡で１０ｎｍオーダーの空間分解能を得るには４００ｎｍ乃至１μｍ程度の設置精度で球面鏡をアライメントする必要がある。このため、従来回転スピンドルを用いた機械的調整法（Y. Horikawa: Proc. SPIE 1720 217 参照）や干渉計測による光学調整法（I. Lovas: SPIE 316 90 参照）などの組立調整法が提案されている。

しかしながら、これらの方法により精密に球面鏡をアライメントしても、温度変化や振動などの外乱が存在する環境下では、５００ｎｍ乃至１μｍ程度の設置精度を保ったまま、安定に球面鏡を保持するのは難しい。また、上述した方法により光学系を再び調整するとしても、顕微鏡の真空槽内部から拡大光学系を取り外す必要があり、再調整には通常一日以上の時間が必要となる。このため、この種光学系では、空間分解能の経時劣化が大きく、長時間安定した結像特性を持続することが困難であり、光学系の再調整のために顕微鏡の停止時間が長くなってしまうという問題がある。

この問題を解決するために、この種光学装置で発生する波面収差を、顕微鏡等に組み込んだままリアルタイムで計測できると共に、その計測値に基づいて反射鏡の設置位置を調整できる、計測及び光軸調整装置が以下に提供される。

ここに提案された反射型投影光学装置における波面収差の計測及び光軸調整装置は、レーザー生成プラズマ軟Ｘ線光源と、該光源からの光を試料面上に照射し得るように構成した照明光学系と、前記試料面上に観察用試料と球面波生成用ピンホールとを二者択一的に挿入して、挿入した観察用試料又はピンホールを三次元方向に移動し得る試料ステージを含む試料ステージユニットと、試料面に向けられた凹面鏡と該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡とを組み合わせてなる対物鏡と、該対物鏡の結像面に配置された撮像素子と該撮像素子に接続された読み出し及び演算用のコンピュータとを含む二次元検出器ユニットと、前記コンピュータに接続されていて前記凹面鏡を三次元方向に移動し得る反射鏡ステージを備えていることを特徴とする。

また、前記照明光学系は、対向配置された一対の凹面鏡を含んでいて、前記光源と前記試料面間の結像倍率が略等倍であるように構成されていることを特徴とする。

また、前記対物鏡は、結像倍率を増大させるための付加光学系を含んでいることを特徴とする。

また、前記付加光学系は、対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなるアフォカル反射光学系であることを特徴とする。

本提案によれば、本装置を透過型軟Ｘ線顕微鏡として構成した場合、対物鏡を顕微鏡本体から取り外さずに波面収差を定量的に計測できる。このため、周囲の温度変化や振動等の外乱により対物鏡を構成する反射鏡のアライメント誤差が増大し波面収差が劣化しても、逐次その大きさを定量計測できる。その結果、対物鏡の再調整の要否を的確に判断できるので、顕微鏡のダウンタイムを最小化できる。また、波面計測で得られた波面収差の実測値を基に、顕微鏡上で波面収差を容易に極小化することができる。

以下、この提案装置を図１９を参照して具体的に説明する。
図１９において、１は軟Ｘ線を発生する周知のレーザー生成プラズマ光源、２は図９に示した如き構成の照明光学系、３は球面波生成用のピンホール３Ａと透過像観測用試料ホルダー３Ｂを照明光学系２の集光点位置に二者択一的に挿脱可能で且つピンホール３Ａ及び試料ホルダー３Ｂを三次元方向に移動せしめ得るように支持した周知構造の試料ステージ３Ｃを含む試料ユニット、４は望ましくは図６乃至８に示した如く試料面に向けられた凹面鏡４Ａと該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡４Ｂとから構成され且つ結像倍率を増大させるため対向配置された一対の凹面鏡４Ｃ，４Ｄを組み合わせてなるアフォーカル反射光学系を付加したフレネル数の増大が可能な高倍率対物鏡、５は高倍率対物鏡の結像位置に配置されたＣＣＤ等の撮像素子５Ａと該撮像素子に接続されていて該撮像素子上に結像した軟Ｘ線像を読み出すことのできる読み出し及び演算用のパーソナルコンピュータ５Ｂを含む二次元検出器ユニット、６は凹面鏡４Ａを三次元方向に移動せしめ得るように支持した反射鏡ステージである。この場合、コンピュータ５Ｂを除く各構成要素は真空槽７内に収納されている。試料ステージ３Ｃは精密調整用モータ等を用いて外部から遠隔操作できるように構成されており、また、反射鏡ステージ６も試料ステージ３Ｃと同様に構成されていてコンピュータ５Ｂのキー操作により反射鏡４Ａを三次元方向へ移動し得るようになっている。

本装置は、このように構成されているから、プラズマ光源１で発生した軟Ｘ線は、照明光学系２により集光され、図示の状態では試料ホルダー３Ｂ内に保持された観測用試料を照明する。照明された試料は、試料ステージ３Ｃの操作により顕微鏡の視野内に導入されて、ピント調整される。この操作は、視野内にピンホール３Ａが挿入された場合も同様に行われる。かくして照明された試料又はピンホールは、高倍率対物鏡４により拡大さて、その拡大像が撮像素子５Ａ上に結像され、コンピュータ５Ｂにより読み出される。

この場合、高倍率対物鏡４で生じる波面収差は、ピンホールが作る点像強度分布により推定される。ピンホールの直径φは、略無収差の球面波を発生するため、
φ < λ/ＮＡ（７）
の関係を満たすように作製される。ここで、λは波長、ＮＡは対物鏡の物体側の開口数である。使用される高倍率対物鏡４はフレネル数が十分大きく、その結像特性は平面波展開を基とするフーリエ結像論により表現することができる。特に、上記式（７）を満足する微小ピンホールが像面上に作る点像強度分布Ｉ（y, z）は、対物鏡で生じる波面収差をＷ（ξ, η）とすると次式に示すフラウンホーファー（Fraunhofer）の回折積分で表現することができる。
Ｉ_{(y, z)} = C|_∬ Ｗ₍ξ_,η₎ exp[-ik(yξ+zη)]dξdη|² （８）
ここで、Ｃは定数を示し、（y, z）及び(ξ, η)はそれぞれ像面座標及び瞳座標を示す。上記式（８）から明らかなように、対物鏡のフレネル数Ｎを増大させることができる（例えば、Ｎ >１００）本例では、点像強度分布Ｉは波面収差Ｗをフーリエ変換することにより、簡便に計算することができる。このため、像面上の点像強度分布Ｉの実測値を基に、ゲルヒベルク-ザクストン（Gerchberg-Saxton）アルゴリズム等の位相回復手法により波面収差Ｗを推定することができる（例えば、J. Maeda: App. Opt. 20 274参照）。

次に、本装置による波面計測の具体的手順を説明する。
手順１：試料ステージ３Ｃを駆動して、ピンホール３Ａを視野内に導入する。
手順２：軟Ｘ線光源１を発光させ、ピンホールの二次元像を撮像素子５Ａで受像
する。
手順３：撮像素子５Ａで生じた電荷をコンピュータ５Ｂに転送しＡ／Ｄ変換して、
定量化した二次元強度分布Ｉを得る。
手順４：手順３で得た二次元強度分布Ｉをゲルヒベルク-ザクストンアルゴリズムにより解析し、対物鏡４で生じた波面収差Ｗを得る。
手順５：試料ステージ３Ｃを駆動して、観察用試料３Ｂを視野内に導入する。

上記説明で明らかなように、本装置を用いれば、対物鏡を顕微鏡本体から取り外すことなしに、波面収差を定量的に計測することができるため、温度変化や振動等の外乱により対物鏡を構成する反射鏡のアライメント誤差が増大し波面収差が劣化しても、逐次その大きさを定量的に把握することができ、対物鏡の再調整の要否を的確に判断することができるので、顕微鏡のダウンタイムを最小化することができる。

次に、上述の如くして得られた波面収差の実測値Ｗを基に、顕微鏡上で波面収差を極小化する光軸調整について説明する。
手順１：波面収差Ｗをゼルニケ（Zernike）直交多項式に展開する。
手順２：得られたゼルニケ係数を基に、反射鏡ステージ６の駆動量をコンピュータ
５Ｂにより計算する。一般に直入射型の軟Ｘ線顕微鏡では、反射鏡の設置誤差により発生する波面収差の大部分は、軸上コマ収差と球面収差であるが、これらの収差項は、例えば、渋谷真人、大木裕史「回折と結像の光学」（朝倉）３．３章に記載のフリンジ・ゼルニケ（FRINGE Zernike）多項式を用い、コマ収差は（Ｚ７，Ｚ８）で、球面収差はＺ９で表現でき、これらの収差係数を用いて、ステージ６の駆動量は次式で算出することができる。

ここで、ｘ，ｙ，ｚはステージ６の三軸についてのそれぞれの駆動量、ｚ７，ｚ８，ｚ９はコマ収差及び球面収差の収差係数、Ａは３×３の正方行列で、対物鏡の設計値を基にステージ６に連結された反射鏡４Ａに設置誤差が生じた場合に発生する収差の計算値より算出することができる。
手順４：得られた駆動量を基に、コンピュータ５Ｂのキーを操作して反射鏡ステージ６を駆動する。
手順５：前記の波面計測により、対物鏡４で生じる波面収差を求める。
手順６：波面収差Ｗの値が許容値以下であれば終了。そうでなければ手順２に戻る。波面収差の許容値は、例えばマレシャルの条件を基に算出する。

以上説明した手順により、温度変化や振動等の外乱により対物鏡を構成する反射鏡のア
ライメント誤差が増大し波面収差が劣化しても、波面収差の実測値を基に反射鏡ステージ
７を適切に駆動し、波面収差を打ち消すことができる。その結果、温度変化や振動等の外
乱が存在する環境下においても、対物鏡の結像特性を長時間良好に保つことができる。

Ｍ１、Ｍ４、Ｍ１０、４Ｂ凸面鏡
Ｍ２、Ｍ３、Ｍ７、Ｍ９、４Ａ、４Ｃ、４Ｄ凹面鏡
Ｍ５、Ｍ６、Ｍ８非球面凹面鏡
１軟Ｘ線光源
２照明光学系
３試料ユニット
３Ａ球面波生成用ピンホール
３Ｂ試料ホルダー
３Ｃ試料ステージ
４高倍率対物鏡
５二次元検出器ユニット
５Ａ撮像素子
５Ｂパーソナルコンピュータ
６反射鏡ステージ
７真空槽

Claims

試料面に向けられた凹面鏡と該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡とを組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため対向配置された凹面鏡と凸面鏡とを組み合わせてなるアフォカル反射光学系を結合してなる反射型投影光学装置。
試料面に向けられた凹面鏡と該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡とを組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなるアフォカル反射光学系を結合してなる反射型投影光学装置。
試料面に向けられた凹面鏡と該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡とを組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため凹面鏡と前記凸面鏡を対向させて組み合わせた反射光学系を結合してなる反射型投影光学装置。
試料面に向けられた凹面鏡と該凹面鏡に対向して配置された凸面鏡とを組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため前記対物光学系の像面近傍に配置した１つの凹面鏡からなる反射光学系を結合し、該凹面鏡からなる反射光学系と前記試料面に向けられた凹面鏡との間に検出器を配置してなる反射型投影光学装置。
試料面を挟んで対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため、前記対物光学系の像面近傍に配置した１つの凹面鏡からなる反射光学系を結合し、該凹面鏡からなる反射光学系と前記試料面に向けられた凹面鏡との間に検出器を配置してなる反射型投影光学装置。
試料面を挟んで対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため、対向配置された凹面鏡と凸面鏡とを組み合わせてなるアフォカル反射光学系を結合してなる反射型投影光学装置。
対向配置された前記凹面鏡と凸面鏡のうち最終反射面となるべき凹面鏡の曲率半径が４００乃至４０００ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の反射型投影光学装置。
試料面を挟んで対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなる対物光学系に、結像倍率を増大させるため、対向配置された一対の凹面鏡を組み合わせてなるアフォカル反射光学系を結合してなる反射型投影光学装置。
前記一対の凹面鏡のうち最終反射面となるべき凹面鏡の曲率半径が４００乃至４０００ｍｍであることを特徴とする請求項２又は８に記載の反射型投影光学装置。
前記対物光学系の合成焦点距離が５ｍｍよりも大きいことを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の反射型投影光学装置。
一対の凹面鏡を対向配置して、光源からの光を、請求項１乃至１０の何れかに記載の反射型投影光学装置の前記試料面に照射し得るように構成した照明光学装置を備えた反射型投影光学装置。
前記光源と前記試料面間の結像倍率がほぼ等倍であることを特徴とする請求項１１に記載の照明光学装置を備えた反射型投影光学装置。
作動波長が３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の照明光学装置を備えた反射型投影光学装置。