JP6026724B2 - 露光装置の投影光学系 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク基板（例えば、半導体ウエハ）に回路パターン像を投影する露光装置に関し、更に詳しくは、その露光装置の投影光学系の設計に関する。

近年、市販の電子機器の小型軽量化を図るため、電子機器の実装密度の向上化が要望されている。そのため、電子部品自体の小型化が要望され、例えば、プリント回路基板に回路パターンを高密度にかつ高精度に形成することが要望される。

そのプリント回路基板の回路パターンは、例えば、その形成素材としてのワーク基板に露光装置を用いて回路パターン像を投影し、このワーク基板に所定の加工を施すことにより形成される。また、同一のワーク基板に数層に渡って回路パターン像を重ね合わせて形成することもある。

同一のワーク基板に数層に渡って回路パターン像を形成する際には、プリント回路基板の高密度化、回路パターンの微細化に伴って、露光毎の回路パターン像の重ね合わせ精度の厳密性が要求される。

しかしながら、半導体ウエハの加工プロセスにおいては、ワーク基板上で数十〜数百ｐｐｍ（百万分率）の伸縮が発生し、回路パターン像の重ね合わせ精度が低下することがある。

また、投影光学系を構成する各レンズ群の屈折率やレンズ間隔が、温度や気圧の変化で変動し、その結果、投影光学系の投影倍率が変動し、前回投影された回路パターン像の投影倍率と今回投影する回路パターン像の投影倍率とが異なることがあり、この投影光学系の投影倍率の変動により重ね合わせ精度が低下することもある。

そこで、投影光学系には、前回投影した投影倍率と同じ投影倍率で今回投影する回路パターン像をワーク基板に投影できるようにするために、投影倍率を調整可能な構成とすることが求められる。

投影倍率を調整可能な投影光学系としては、物面と像面との間に複数のレンズ群が配置され、物面側の物体を変倍して像面側に投影するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１２８２５号公報

その特許文献１に開示の投影光学系は、倍率調整時に、物面側のレンズ群と像面側のレンズ群との間に存在する内部レンズ群を光軸に沿って移動させる構成である。
ところが、この特許文献１に開示の投影光学系では、倍率調整時に、内部レンズ群が一般に絞りに近いため、内部レンズ群の移動精度の厳密性が要求される。

そこで、物面と像面との間に複数のレンズ群が配置され、物面側の物体を変倍して像面側に投影する投影光学系において、最も像面側又は物面側に存在するレンズを光軸方向に移動させることにより、変倍を行うことが考えられる。

しかしながら、最も像面側又は物面側に存在するレンズを光軸方向に移動させることにすると、その移動後のレンズを通過する光線の状態がその移動前のレンズを通過する光線の状態に対して変化するため、一般的に収差、とりわけ歪曲収差が発生する。

本発明は、レンズの移動精度を厳密に管理しなくとも高倍率の変倍を行うことができかつ歪曲収差が極力変化しないようにすることのできる投影光学系を提供することにある。

本発明に係る投影光学系は、
物面と像面との間に複数のレンズ群が配置され、物面側の物体を変倍して像面側に投影するものである。
この投影光学系は、物面側に臨むレンズ群又は像面側に臨むレンズ群が少なくとも２枚の正の屈折力を有するレンズから構成されている。
この２枚のレンズのうちの１枚は最も外側に配置されている。残りの１枚は下記の条件式を満たしかつその最も外側に配置されたレンズの内側に隣接して配置され、最も外側のレンズを残りの１枚のレンズに対して光軸方向に離反・接近させることにより変倍を行うことを特徴とする。
０≧ｑ＞−０．７２ …（１）
ここで、符号ｑは、レンズの形状ファクターを規定する数値であり、残りの１枚のレンズの二つの面のうち最も外側に配置されたレンズに近い側の面の曲率半径をｒ２、残りの１枚のレンズの二つの面のうち最も外側に配置されたレンズから遠い側の面の曲率半径をｒ１としたとき、
ｑ＝（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ２−ｒ１）…（２）
ただし、ｒ１、ｒ２の符号は、光線の進む方向を「＋」と規定して、曲率中心の位置が「＋」側にあるか「−」側にあるかによって定義している。

最も外側に配置されて移動するレンズの焦点距離をｆ１、残りの１枚のレンズであって、前記曲率半径ｒ１、ｒ２によって規定されるレンズの焦点距離をｆ２とするとき、下記の条件式を満たすことが望ましい。
３ｆ２＞ｆ１＞１．１ｆ２ …（３）

本発明によれば、レンズの移動精度を厳密に管理しなくとも高倍率の変倍を行うことができかつ歪曲収差が極力変化しないようにすることができる。

図１は本発明に係る露光装置の光学系の概要を示す説明図である。 図２は実施例１に示す露光装置の投影光学系の投影光路図である。 図３は図２に示す第６群の拡大図である。 図４はベンディングの説明図である。 図５は実施例１に係る第６群による変倍前の歪曲収差と変倍後の歪曲収差との比較を示すグラフである。 図６は第６群の移動機構の一例を示す図であって、投影レンズ保持筒の部分断面図である。 図７は図６に示す投影レンズ保持筒を矢印方向から目視した概要図である。 図８は実施例２の投影光学系の投影光路図である。 図９は実施例２に係る第６群による変倍前の歪曲収差と変倍後の歪曲収差との比較を示すグラフである。 図１０は実施例３の投影光学系の投影光路図である。 図１１は実施例３に係る第６群による変倍前の歪曲収差と変倍後の歪曲収差との比較を示すグラフである。

（露光装置の概略構成）
図１は本発明に係る露光装置の光学系の概要を示す説明図である。この図１において、１は光源部、２はコールドミラー、３は露光シャッター、４は紫外線（ｉ線）バンドパスフィルター、５はインテグレータレンズ、６はコリメータレンズ、７は平面鏡、８はマスクステージ、９はマスクブラインド、１０は投影レンズ保持筒、１１は倍率補正機構、１２は露光ステージである。なお、その露光シャッター３は、露光の際には、光学系の光路から適宜退避される。

光源部１は水銀ランプ１ａと回転楕円鏡１ｂから構成されている。水銀ランプ１ａは回転楕円鏡１ｂの第１焦点位置に配置されている。水銀ランプ１ａからの発光光束は回転楕円鏡１ｂによって反射されて第２焦点位置に集光される。

この第２焦点位置に集光された発光光束は、コールドミラー２によって赤外波長よりも長波長の赤外線が除去されかつ可視赤外光の波長よりも短い短波長域の光束が反射されてバンドパスフィルター４に導かれる。紫外線（ｉ線）以外の波長域の光線がこのバンドパスフィルター４によってカットされて、露光用光束Ｐとしてインテグレータレンズ５に導かれる。

露光用光束Ｐは、そのインテグレータレンズ５によって光量分布が概略一様とされて、コリメータレンズ６に導かれる。そのコリメータレンズ６は、その第２焦点位置に焦点を有する。露光用光束Ｐはそのコリメータレンズ６によって平行光束にされ、平面鏡７により光路が折り曲げられてマスクステージ８に導かれる。

マスクステージ８にはマスク１３が設けらている。このマスク１３にはワーク基板１４に形成すべきマスクパターン１３’が形成されている。そのマスク１３は、後述するワーク基板１４とのアライメントを行うためのアライメントマーク１３ａを有する。

そのマスクステージ８は、図示を略す駆動機構によって横（Ｘ）方向及び縦（Ｙ）方向に移動可能とされている。
マスクブラインド９は、露光用光束Ｐによりワーク基板１４を露光する際には、光学系の投影光路から適宜退避される。

投影レンズ保持筒１０の内部には、投影光学系を構成する投影レンズ群GU（図２参照）が設けられている。この投影レンズ群GUはマスク１３のパターンをこの実施例１では拡大してワーク基板１４に結像させる。
ワーク基板１４は、露光ステージ１２に載置されている。そのワーク基板１４は、例えば、正方形である。

そのワーク基板１４には、適宜箇所にアライメントマーク１４ａが予め形成されている。その露光ステージ１２は、図示を略す駆動機構によって横（Ｘ）方向及び縦（Ｙ）方向に移動可能とされている。

なお、この図１には、アライメントマーク１３ａ、１４ａが肉眼で視認可能な大きさで図示されているが、これは誇張して示したもので、実際には肉眼では目視し難い大きさである。

倍率補正機構１１は、横方向倍率補正機構１５と縦方向倍率補正機構１６と歪み変形形成機構１７とから構成されている。これらの機構１５、１６、１７について、必要とあれば、特願2010-123750号（出願日：２０１０年５月３１日）を参照されたい。
（投影レンズ群の詳細構成）

（実施例１）
投影レンズ群ＧＵは、図２に示すように、物面側（マスク１３が設けられている側）から像面側（ワーク基板１４が設けられている側）に向かって、順に第１群Ｇｒ１、第２群Ｇｒ２、第３群Ｇｒ３、第４群Ｇｒ４、第５群Ｇｒ５、第６群Ｇｒ６の６群の構成とされている。第２群Gｒ２と第３群Gｒ３との間には、絞りＭＩが設けられている。

第１群Ｇｒ１は５枚のレンズから構成され、図２に示すように、各レンズには、マスク１３の側から順にＬ１〜Ｌ５の符号が付されている。第２群Ｇｒ２は３枚のレンズから構成され、各レンズには、マスク１３の側から順にＬ６〜Ｌ８の符号が付されている。

第３群Ｇｒ３は３枚のレンズから構成され、マスク１３の側から順にＬ９〜Ｌ１１の符号が付されている。第４群Ｇｒ４は２枚のレンズから構成され、マスク１３の側から順にＬ１２、Ｌ１３の符号が付されている。

第５群Ｇｒ５、第６群Ｇｒ６も２枚のレンズから構成され、マスク１３の側から順にそれぞれＬ１４〜Ｌ１７の符号が付されている。第１群Ｇｒ１、第６群Ｇｒ６は、少なくとも二枚以上のレンズを有しかつ投影レンズ群ＧＵのうち最も外側に位置するレンズ群である。

ここでは、第１群Ｇｒ１は、二枚以上のレンズを有しかつ物面側に位置するレンズ群である。第６群Ｇｒ６は、二枚以上のレンズを有しかつ像面側に位置するレンズ群である。
表１は、その投影レンズ群ＧＵの実施例１のレンズ設計データを示している。

その図２には、マスク１３、ワーク基板１４を投影レンズ群ＧＵの光学構成要素とみなして、マスク１３の面を面番号「１」、ワーク基板１４の面を面番号「３７」として、マスク１３が存在する側からワーク基板１４が存在する側に向かって投影レンズ群ＧＵの各光学構成要素に順に表１に示す面番号に対応する数字が付されている。

その表１に示す曲率半径は、投影レンズ群ＧＵの各光学構成要素に対応する面の曲率半径であり、単位は「ｍｍ」である。
この曲率半径は、光線がマスク１３からワーク基板１４に向かう方向を「＋」として、曲率中心が面の凸形状に対して「＋」側にあるか「−」側にあるかによって、正、負の符号が付されている。なお、表１では、「＋」は省略されている。

例えば、第１群Ｇｒ１のレンズＬ１の面番号「２」の曲率半径は、「＋」である。これは、この第１群Ｇｒ１のレンズＬ１の面２がマスク１３が存在する側に向かって凸であることを意味する。

一方、第１群Ｇｒ１のレンズＬ１の面番号「３」の曲率半径は「−」である。これは、この第１群Ｇｒ１のレンズＬ１の面３がワーク基板１４が存在する側に向かって凸であることを意味する。
なお、曲率半径「∞」は、面が平面であることを意味している。

面間隔は、各光学構成要素の互いに隣り合う面であってかつ面番号の大きい面と面番号の小さい面との間の幾何学的距離である。その単位も「ｍｍ」である。最大の面番号の次には、光学構成要素が存在しないので、表１の該当欄には、便宜上、面間隔「０．００００」として数値が示されている。

また、表１において、符号「ｎ」は、屈折率を意味しており、ここでは、各レンズＬ１ないしＬ１７の三種の波長λ（λ＝３５９、３６５、３７４ｎｍ）に対する屈折率ｎが示されている。

その図２には、この投影レンズ群ＧＵの波長λ（３６５ｎｍ（ｉ線））の光線の光路図が示されている。
ここでは、マスク１３の物高ｈ₀〜ｈ₃の各点から出射された光線が投影レンズＧＵを通過してワーク基板１４の各像高ｈ₀’〜ｈ₃’の各点に結像される光路図が示されている。

その図２において、符号Ｐ₀〜Ｐ₃は物高ｈ₀〜ｈ₃の各点から出射された主光線を示している。この主光線Ｐ₀〜Ｐ₃は、投影レンズＧＵの光軸ＺＯ（図３参照）に対して平行に進んで、第１群Ｇｒ１のレンズＬ１の面番号２の面に入射し、各群Ｇｒ１〜Ｇｒ６により屈折されつつ投影レンズＧＵを進行し、第６群Ｇｒ６のレンズＬ１７の面番号３６の面から光軸ＺＯに対して平行に出射され、ワーク基板１４の面番号３７の面に到達する。

符号Ｐ₀’〜Ｐ₃’は、面番号３６の面から出射された主光線を示している。
この実施例１では物面側及び像面側がテレセントリックであるが、物面側又は像面側がテレセントリックであっても良い。

また、この実施例１では、第６群Ｇｒ６の最もワーク基板１４に近い外側のレンズＬ１７が移動レンズとされている。そのレンズ１７の移動機構Ｔｉについては後述することにする。
まず、最もワーク基板１４に近い外側のレンズＬ１７を移動させることにした理由を以下に述べる。

各群Ｇｒ１〜Ｇｒ５、第６群Ｇｒ６のレンズＬ１６を固定し、図３に拡大して示すように、レンズＬ１７を光軸ＺＯに沿って平行にワーク基板１４（面番号３７）に近づく方向に移動させると、レンズL１７の面番号３５の面に対する入射高さｈが高くなる方向に変化するので、倍率が大きくなる。

反対に、第６群Ｇｒ６のレンズＬ１６を固定し、レンズＬ１７を光軸ＺＯに沿って平行にワーク基板（面番号３７）１４から遠ざかる方向に移動させると、レンズL１７の面番号３５の面に対する入射高さｈが低くなる方向に変化するので、倍率が小さくなる。

しかしながら、このように、各群Ｇｒ１〜Ｇｒ５のうち最も像側に存在する第６群Gr6のうちの最も像面に近いレンズL１７を移動させることにすると、その最も像側に存在する第６群Gr6のうちのレンズL17を通過する光線の移動後の光学設計値が移動前の光学設計値と異なることになるので、各種の収差が発生し、特に歪曲収差が発生する。

（ベンディングの説明）
そこで、収差補正手段の一つとしてのベンディング手法（形状ファクターを規定する手法）を用いる。
このベンディング手法によると、形状ファクターｑ値が下記の式によって定義される。
以下、ｑ値について説明する。

図４に示す単レンズLの焦点距離ｆを一定に保ったまま、曲率半径ｒ１、ｒ２を変える操作を行うとき、
ｑ＝（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ２−ｒ１）
このｑ値を変化させると、レンズLのパワーを保ったまま収差を変化させることができる（「レンズ設計」（著者：高橋友刀 出版社：東海大学出版会））。

ここで、このベンディング手法を第６群Gｒ６のうちのレンズL１６に適用する。
レンズL１６に対する主光線P３は、図３に示すように、光軸ZOに対して高い位置にあり、光軸ZO上の主光線P０は低い位置にあるので、レンズL１６の結像に関する収差の影響は小さく、主として歪曲収差を左右する。

レンズL１６において、主光線P３の曲げ量を面番号３３の面、面番号３４の面に均等に配分することにより、レンズL１７に入射する主光線P３の歪曲収差を減少させることができる。
そこで、下記の（１）式を満たすように
０≧ｑ＞−０．７２ …（１）
レンズL１６の面番号３３の面の曲率半径ｒ２、面番号３４の面の曲率半径ｒ１を設計した。
この式（１）を満たすように、レンズL１６を設計することにより、レンズL１７を移動させて変倍した場合でも、歪曲収差を抑制できる。

レンズL１６の形状ファクターｑ値が式（１）の「０」よりも大きくなると、面番号３３の面（曲率半径ｒ１の面）において主光線P３が強く曲げられすぎ、歪曲収差を含めてその他の軸外収差を良くする補正する設計が困難となる。

レンズL１６の形状ファクターｑ値が−０．７２よりも小さくなると、歪曲収差を含めてその他の軸外収差をより良く補正することができるが、レンズL１６により歪曲収差の補正負担量が大きくなるため、レンズL１７を移動させて変倍を行うと、歪曲収差が変化する。

次に、第６群Gｒ６において、レンズL１７の焦点距離をｆ１、レンズL１６であって、曲率半径ｒ１、ｒ２によって規定されるレンズL１６の焦点距離をｆ２とするとき、下記の条件式を満たすことが望ましい。
３ｆ２＞ｆ１＞１．１ｆ２ …（３）

レンズL１７の焦点距離ｆ１がレンズL１６の焦点距離ｆ２の１．１倍よりも小さくなると、すなわち、焦点距離ｆ１が１．１ｆ２よりも短いと、レンズL１７による主光線P３の曲げ角度が大きくなりすぎて、レンズL１７を移動させて変倍を行うと、歪曲が大きく変化する。

レンズL１７の焦点距離ｆ１がレンズL１６の焦点距離ｆ２の３倍以上の大きさになると、すなわち、焦点距離ｆ１が３ｆ２よりも長くなると、レンズL１７による主光線P３の曲げ角度が小さくなりすぎ、レンズL１７の移動による変倍量が小さくなりすぎる。

この実施例１では、ｒ１＝１８１９．３１９５、ｒ２＝−３１７．８８４３、ｑ値は−０．７０２５である。変倍前の倍率は−１．４００００５、変倍後の倍率は−１．４００１３０、倍率変化は８９．０２１１（ｐｐｍ）、ｆ１は８９４．２４、ｆ２は４３５．２８である。従って、ｑ値は条件式（１）を満足し、ｆ１は（３）式を満足している。

また、変倍前後の物高と歪曲収差のグラフを図５に示す。
この図５において、「◆」印は変倍前、すなわち、光学設計通りの位置にレンズL１７が配置されている場合の各像高における歪曲量を示し、「□」印は変倍後、すなわち、設計値通りのレンズL１７の位置からレンズL１７を最も像面側に移動させた場合の各像高における歪曲量を示している。

（レンズL１７の移動機構Tiの構成）
図６は第６群Gｒの移動機構の一例を示す断面図であり、図７は図６に示す矢印方向から第６群を目視した状態を示す図である。
この図６、図７において、符号１０Aは投影レンズ保持筒１０の一部を構成する保持枠である。

このレンズ保持枠１０Aには、レンズL１６が保持されている。このレンズ保持枠１０Aの内部には可動レンズ保持枠１０Bが設けられている。
この可動レンズ保持枠１０BにはレンズL１７が保持されている。

この可動レンズ保持枠１０Bの外周にはラック部１０Cが１２０度毎に形成されている。ラック部１０Cには従動歯車１０Dが噛み合わされている。
従動歯車１０Dの回転軸１０D’は、例えばレンズ保持枠１０Aに回転可能に支承されている。

この従動歯車１０Dには、駆動歯車１０Eが噛合されている。駆動歯車１０Eは駆動モータ１０Mの出力軸１０M’に固定されている。
そのモータ１０Mは例えばレンズ保持枠１０Aにブラケット１０A’を介して固定されている。

モータ１０Mを正逆回転させることにより、レンズL１７をレンズL１６から離反接近させ、これにより、変倍が行われる。
この移動機構Tiでは、レンズL１６とレンズL１７との間隔を０．１ｍｍ増加させることが可能である。

（実施例２）
表２は、その投影レンズ群ＧＵの実施例２のレンズ設計データを示している。

この表２において示されている符号及び数値は表１に示す符号及び数値にそれぞれ対応している。
図８にはその表２に示す設計値を有する投影光学系の光路図が示されている。

この実施例２では、ｒ１＝９８１．８６５８、ｒ２＝−９８１．８６５８、ｑ値は０．００００である。変倍前の倍率は−１．３９９９５４、変倍後の倍率は−１．４００１０３、倍率変化は１０６．６５３５（ｐｐｍ）、ｆ１は７８５．２６、ｆ２は６８２．０４である。従って、ｑ値は条件式（１）を満足し、ｆ１は（３）式を満足している。
また、変倍前後の物高と歪曲収差のグラフを図９に示す。この図９から明らかなようにレンズL１７の移動の前後において、歪曲の変化はほとんどない。

（実施例３）
表３は、その投影レンズ群ＧＵの実施例３のレンズ設計データを示している。

この表３において示されている符号及び数値は表１に示す符号及び数値にそれぞれ対応している。
図１０にはその表２に示す設計値を有する投影光学系の光路図が示されている。
ここでは、第５群Gr５はレンズL１４から構成され、第６群Gr６はレンズL１５、L１６、L１７の三枚のレンズから構成されている。

この実施例３では、ｒ１＝２０００．００００、ｒ２＝−４４１．３６３７、ｑ値は−０．６３８４である。変倍前の倍率は−１．４０００１８、変倍後の倍率は−１．４０００９３、倍率変化は５３．７２７９（ｐｐｍ）、ｆ１は１６６５．２５、ｆ２は５８０．３７である。従って、ｑ値は条件式（１）を満足し、ｆ１は（３）式を満足している。

また、変倍前後の物高と歪曲収差のグラフを図１１に示す。この図１１から明らかなようにレンズL１７の移動の前後において、歪曲の変化はほとんどない。

以上、各実施例において説明したように、レンズL１６とレンズL１７との間隔を０．１ｍｍ増加させることによって行った場合、歪曲量の変化は１μｍ未満であった。
これは、露光装置において、レイヤー間の重ね合わせに要求される精度を満足している。

Gｒ６…第６群
L１６、L１７…レンズ
３３、３４…面番号
ｒ１、ｒ２…曲率半径
ｑ…形状ファクター
ZO…光軸

Claims (4)

1. 物面と像面との間に複数のレンズ群が配置され、物面側の物体を変倍して像面側に投影する投影光学系であって、
   物面側に臨むレンズ群又は像面側に臨むレンズ群が少なくとも２枚の正の屈折力を有するレンズから構成され、該２枚のレンズのうちの１枚は最も外側に配置され、残りの１枚は下記の条件式を満たしかつその最も外側に配置されたレンズの内側に隣接して配置され、最も外側のレンズを残りの１枚のレンズに対して光軸方向に離反・接近させることにより変倍を行うことを特徴とする投影光学系。
   ０≧ｑ＞−０．７２ …（１）
   ここで、符号ｑは、レンズの形状ファクターを規定する数値であり、残りの１枚のレンズの二つの面のうち最も外側に配置されたレンズに近い側の面の曲率半径をｒ２、残りの１枚のレンズの二つの面のうち最も外側に配置されたレンズから遠い側の面の曲率半径をｒ１としたとき、
   ｑ＝（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ２−ｒ１）…（２）
   ただし、ｒ１、ｒ２の符号は、光線の進む方向を「＋」と規定して、曲率中心の位置が「＋」側にあるか「−」側にあるかによって定義している。
2. 最も外側に配置されて移動するレンズの焦点距離をｆ１、残りの１枚のレンズであって、前記曲率半径ｒ１、ｒ２によって規定されるレンズの焦点距離をｆ２とするとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
   ３ｆ２＞ｆ１＞１．１ｆ２ …（３）
3. 前記物面にマスクが配置され、前記像面にワーク基板が配設され、前記マスクのパターン像が前記ワーク基板の表面に投影され、前記物面側又は前記像面側がテレセントリックであることを特徴とする請求項２に記載の投影光学系。
4. 前記物面にマスクが配置され、前記像面にワーク基板が配設され、前記マスクのパターン像が前記ワーク基板の表面に投影され、前記物面側及び前記像面側がテレセントリックであることを特徴とする請求項２に記載の投影光学系。