JP7358106B2 - 光学装置、投影光学系、露光装置及び物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置、投影光学系、露光装置及び物品の製造方法に関する。

レンズやミラー等の光学素子を用いた光学装置において、光学素子や光路中の空間の温度が変化することによって、光学装置の光学性能に影響を与え得ることが知られている。これは、光学素子の面形状の変化や、光学素子の保持部における熱変形、空気の屈折率変化によって生じ得るものである。

上述したような光学素子や光路中の空間の温度変化の一要因として、光学素子に入射する光が挙げられる。光が光学素子を透過する際や、光学素子において反射される際に、光の一部が光学素子に吸収されることによって熱が発生する。発生した熱の一部は、光学素子の保持部や光学素子の周囲の空間に伝達される。特に、保持部の近くに光路が存在する場合には、保持部の温度上昇に伴い、自然対流が発生し、保持部から光路を含む空間に熱が伝達されることがある。これにより、光路中の気体の屈折率が変化し、光学装置の光学性能の低下につながり得る。

光学装置における光学性能の低下を抑制するために、光学素子及びその近傍の空間を冷却する冷却機構が知られている。特許文献１は、２枚の光学素子の間の空間に温度調節のための気体を供給及び排出する気体供給機構を開示している。

特開２０１８－９１９１９号公報

特許文献１の気体供給機構においては、２枚の光学素子の上下方向に気体供給機構を配置しているため、各光学素子に至る光の光路によっては、気体供給機構により光が遮光されてしまうおそれがある。気体供給機構の配置を工夫することにより、光学素子に至る光が遮光されるリスクを低減させることができる。

本発明は、光学素子に至る光が遮光されるリスクを低減させた気体供給機構を備える光学装置を提供することを例示的な目的としている。

本発明の光学装置は、第１の光学素子及び第２の光学素子と、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を保持する保持部と、前記保持部に設けられた流路に向けて温度制御された気体を供給する気体供給部と、前記気体供給部によって供給された気体を排出する気体排出部と、を備え、前記気体排出部は、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の配列方向に並んで配置され、前記気体供給部によって供給された気体と、前記保持部の外部空間から前記保持部の内部空間に気体を吸引するために設けられた開口を介して前記外部空間から前記内部空間に吸引された気体と、を前記気体排出部が排出することを特徴とする。

本発明によれば、光学素子に至る光が遮光されるリスクを低減させた気体供給機構を備える光学装置を提供することができる。

露光装置の全体構成を示す概略図である。 実施例１の光学装置の構成を示す図である。 光学装置をＹ軸方向から見た図である。 実施例２の光学装置の構成を示す図である。 実施例３の光学装置の構成を示す図である。 比較例としての光学装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の光学装置を搭載した投影光学系を含む露光装置１の構成を示す概略図である。露光装置１は、半導体デバイスや液晶表示デバイスなどのデバイスの製造工程であるフォトリソグラフィ工程に用いられる。露光装置１では、光強度の強い露光光を用いて、マスクのパターンを基板上の感光材に投影するため、露光装置１に含まれるレンズやミラー等の光学素子が露光光を吸収することで温められやすい。

露光装置１は、照明光学系ＩＬと、投影光学系ＰＯと、マスクＭを保持して移動可能なマスクステージＭＳと、基板Ｗを保持して移動可能な基板ステージＷＳを含む。また、露光装置１は、基板Ｗに対する露光処理を制御する制御部Ｃを含み、基板上のレジスト膜（感光剤）に、投影光学系ＰＯを介してマスクＭのパターンを投影して潜像（潜像パターン）を形成する露光処理を行う。

不図示の光源から射出された光は、照明光学系ＩＬに含まれる不図示のスリットによって、例えば、Ｘ方向に長い円弧状の光に整形される。マスクＭ及び基板Ｗは、マスクステージＭＳ及び基板ステージＷＳによってそれぞれ保持されており、投影光学系ＰＯを介して光学的にほぼ共役な位置に配置される。マスクＭは投影光学系ＰＯの物体面に位置し、基板Ｗは投影光学系の像面に位置する。

投影光学系ＰＯは、所定の投影倍率で、マスクＭに形成されたパターンを基板Ｗ上に投影する。投影光学系ＰＯの投影倍率に応じた速度比で、マスクステージＭＳ及び基板ステージＷＳを、投影光学系ＰＯの物体面と平行な方向に走査しながら露光処理を行うことで、マスクＭに形成されたパターンを基板Ｗ上に順次転写することができる。

投影光学系ＰＯは、台形ミラーＧ１と、凹面ミラーＧ２と、凸形状のメニスカスレンズＧ３と、凸面ミラーＧ４を含む。照明光学系ＩＬから射出され、マスクＭを透過した露光光Ｌは、台形ミラーＧ１の第１面Ｇ１ａにより光路を折り曲げられ、凹面ミラーＧ２の第１凹反射面Ｇ２ａに入射する。第１凹反射面Ｇ２ａにおいて反射された露光光Ｌは、メニスカスレンズＧ３を透過した後に凸面ミラーＧ４の凸反射面において反射され、凹面ミラーＧ２の第２凹反射面Ｇ２ｂに入射する。第２凹反射面Ｇ２ｂにおいて反射された露光光Ｌは、台形ミラーＧ１の第２面Ｇ１ｂにより光路を折り曲げられ、基板Ｗ上に結像する。

図１においては、凹面ミラーＧ２を１枚のミラーとし、第１凹反射面Ｇ２ａと第２凹反射面Ｇ２ｂは同一の面としている。別の構成例として、凹面ミラーＧ２を分割して、第１凹反射面Ｇ２ａを有する第１の凹面ミラー、及び第２凹反射面Ｇ２ｂを有する第２の凹面ミラーとしても良い。

図１における投影光学系ＰＯでは、凸面鏡Ｇ４の反射面が光学的な瞳となる。露光光Ｌの光径は、メニスカスレンズＧ３と凸面鏡Ｇ４の付近で小さくなるので、メニスカスレンズＧ３を透過する光や、凸面鏡Ｇ４で反射される光の光強度は強くなる。それゆえ、メニスカスレンズＧ３及び凸面ミラーＧ４は温められやすく、また、これらを保持する保持部としての鏡筒も温められやすい。

鏡筒に熱が伝導されると、自然対流が生じて、鏡筒１０３、１０４の周囲に熱が広がりやすい。ここで、鏡筒１０３、１０４付近には、台形ミラーＧ１から凹面ミラーＧ２に向かう露光光Ｌや、凹面ミラーＧ２から台形ミラーＧ１に向かう露光光Ｌの光路が存在する。鏡筒の周囲に熱が広がると、露光光Ｌの光路中の空間の屈折率が変化してしまい、投影光学系ＰＯの結像性能の低下を招きやすい。

本発明は、レンズやミラー等の光学素子の保持部である鏡筒や当該光学素子を効率的に冷却することにより、鏡筒の周囲への熱の拡散を低減することが可能な光学装置に関するものである。以下、当該光学装置の詳細な構成について説明する。

（実施例１）
図２を用いて、実施例１の光学装置１００について説明する。光学装置１００は、第１の光学素子としてのメニスカスレンズ１０１、第２の光学素子としての凸面ミラー１０２、メニスカスレンズ１０１を保持する保持部としての鏡筒１０３、凸面ミラー１０２を保持する保持部としての鏡筒１０４を有する。図２では、鏡筒１０３と鏡筒１０４を別個の構成としているが、鏡筒１０３と鏡筒１０４を一体として、１つの鏡筒を構成しても良い。

また、第１の光学素子はメニスカスレンズに限定されず、その他の形状のレンズであっても良いし、ミラーであっても良い。同様に、第２の光学素子は凸面ミラーに限定されず、その他の形状のミラーであっても良いし、レンズ等であっても良い。また、光学素子の数は２つに限られず、光学装置１００として３つ以上の光学素子を含んでも良い。

図２の光学装置１００は、図１におけるメニスカスレンズＧ３及び凸面ミラーＧ４付近の具体的な構成を表したものである。鏡筒１０３、１０４付近を露光光Ｌが通過し、メニスカスレンズ１０１を透過した露光光Ｌが凸面ミラー１０２の反射面１０２ａにて反射され、反射面１０２ａにて反射された露光光Ｌが再びメニスカスレンズ１０１を透過する様子が表されている。

光学装置１００は、鏡筒１０３、１０４の内部空間に温度制御された気体を供給する気体供給部１０５を含む。気体供給部１０５は、凸面ミラー１０２の保持部１０４に設けられた流路１０６に向けて気体を供給する。つまり、気体供給部１０５は、メニスカスレンズ１０１と凸面ミラー１０２の配列方向であるＹ方向に向かって気体を供給する。流路１０６に向けて温度制御された気体を直接供給することで、鏡筒１０３、１０４の内部空間に効率的に気体を供給することができ、結果としてメニスカスレンズ１０１や凸面ミラー１０２等を効率的に冷却することができる。

露光光Ｌの光路を遮らないように、気体供給部１０５は、露光光Ｌの光路外に配置される。図２では、気体供給部１０５は、凸面ミラー１０２に対してメニスカスレンズ１０１とは反対側に配置されている。

光学装置１００は、鏡筒１０３、１０４の内部空間から気体を排出する気体排出部１０７を含む。気体排出部１０７は、板状部材１０８に設けられた開口を介して気体の排出を行う。板状部材１０８は、アルミニウム等から構成され、鏡筒１０４に固定されている。板状部材１０８により、鏡筒１０３、１０４の内部空間とその外部空間が隔てられており、板状部材１０８に設けられた開口は、鏡筒１０３、１０４の内部空間と外部空間を連通している。気体排出部１０７は、板状部材１０８と接続された接続部１０７ａと、配管１０７ｂと、排気機構１０７ｃを含み、排気機構１０７ｃの排気作用によって、鏡筒１０３、１０４の内部空間から配管１０７ｂを介して気体が排出される。

図３（ａ）は、図２で示した光学装置１００をＹ軸の負方向から見た図である。鏡筒１０４に対して複数の気体供給部１０５が設けられ、各気体供給部１０５から鏡筒１０３、１０４の内部空間に温度制御された気体が供給される。なお、図３（ａ）では、５つの気体供給部１０５が設けられているが、気体供給部１０５の数はこれに限られず、少なくとも１つの気体供給部１０５が設けられれば良い。また、板状部材１０８に対して２つの気体排出部１０７が設けられている。気体排出部１０７の数に関しても、少なくとも１つの気体排出部１０７が設けられれば良い。

鏡筒１０４には複数の突起部が設けられており、これらの突起部に凸面ミラー１０２を押し当てることにより、凸面ミラー１０２が鏡筒１０４によって保持される。突起部が存在しない領域に関しては、鏡筒１０４と凸面ミラー１０２の間に隙間が生じている。当該隙間は気体の流路として機能する。

気体供給部１０５から供給された気体は、流路１０６を介して、鏡筒１０３、１０４の内部空間に移動する。そして、供給された気体は、気体排出部１０７による排気作用によって、メニスカスレンズ１０１と凸面ミラー１０２の間の空間や鏡筒１０４と凸面ミラー１０２の間の隙間を通過した後に、板状部材１０８に設けられた開口から外部空間に排出される。

図３（ｂ）は、図２で示した光学装置１００をＹ軸の正方向から見た図であり、メニスカスレンズ１０１は図示していない。図２における面１０３ａに形成された３つの突起部１１０が、Ｙ軸の正方向に突き出ており、メニスカスレンズ１０１に設けられた面１０１ａを位置決めしている。図３（ｂ）における突起部１１１は、鏡筒１０３の面１０３ｂに固定されており、突起部１１１はメニスカスレンズ１０１を支持している。なお、鏡筒１０３の面１０３ａとメニスカスレンズ１０１の面１０１ａとの間、及び鏡筒１０３の面１０３ｂとメニスカスレンズ１０１の面１０１ｂとの間にはそれぞれ隙間が形成されている。

続いて、比較例と比較して、本実施例の光学装置１００の作用効果について説明する。図６は、比較例としての光学装置６００を示している。図２で示した光学装置１００と共通の構成に関しては同一の参照番号を付している。図６では、露光光Ｌに起因してメニスカスレンズ１０１や凸面ミラー１０２で発生した熱が、鏡筒１０３、１０４に伝達し、自然対流として鏡筒１０３、１０４の周囲に広がる様子を示している。光学装置６００では、鏡筒１０３、１０４の上部にカバー６０１を設けることで、鏡筒１０３、１０４の周囲への熱の拡散を低減している。

カバー６０１に気体排出部６０２を設けることで、鏡筒１０３、１０４の周囲への熱の拡散をより効果的に低減させることができる。気体排出部６０２は、配管を介して排気機構と接続されている。排気機構の排気作用によって、カバー６０１の内部空間から気体が排出される。

図６に示したように、鏡筒１０３、１０４の周囲にカバー６０１を配置することで、鏡筒１０３、１０４の周囲への熱の拡散を低減し得るが、鏡筒の周囲にはスペース上の制約が設けられていることが多い。例えば、図１で示したように、鏡筒の周囲には露光光Ｌの光路があり、カバー６０１を配置することで、露光光Ｌの少なくとも一部が遮られてしまう等のおそれがある。

本実施例では、鏡筒１０３、１０４の上部ではなく、鏡筒によって保持される光学素子の配列方向に気体排出部１０７を配置している。それゆえ、露光光Ｌを遮ることなく、光学素子の径方向における大型化を回避することができる。

図２に戻り、光学装置１００のその他の構成について説明する。鏡筒１０３には、鏡筒１０３の外部空間からの気体を吸引するための開口が設けられている。上述したように、気体排出部１０７は、配管１０７ｂを介して排気機構１０７ｃと接続されており、排気機構１０７ｃの排気作用によって、鏡筒１０３、１０４の内部空間から気体を排出している。このとき、鏡筒の内部空間は外部空間に関して負圧の状態となっている。そのため、図２に矢印で示すように、鏡筒１０３の外部空間の気体が鏡筒１０３に設けられた開口を通して、鏡筒１０３の内部空間に吸引される。

鏡筒１０３の内部空間に吸引された気体は、鏡筒１０３とメニスカスレンズ１０１の間に設けられた隙間を通って、気体排出部１０７に向かって移動する。これにより、鏡筒１０３及びメニスカスレンズ１０１の冷却力を強化することができる。なお、鏡筒１０３の外部空間の気体は、不図示の温度調整機構によって温度制御された気体であることが好ましい。鏡筒１０３の外部空間における気体は、気体供給部１０５から供給される気体の温度と同一の温度となるように制御された気体であることが好ましい。

また、各気体排出部１０７によって排出される気体の流量の合計が、各気体供給部１０５から供給される気体の流量の合計よりも多くなるように、各排気機構１０７ｃにおける排気力及び各気体供給部１０５における気体の供給量が制御される。各気体排出部１０７によって排出される気体の流量の合計と、各気体供給部１０５によって供給される気体の流量の合計との差分に相当する量の気体が、鏡筒１０３に設けられた開口から鏡筒１０３の内部空間に吸引される。

鏡筒に設けられた開口から鏡筒内に気体が供給される構成とすることで、鏡筒１０３、１０４の昇温を低減可能であることを熱流体解析によって確認している。我々の解析結果においては、当該開口を設けない場合と比較して、上昇温度を５割程度に抑えることができる。

（実施例２）
次に、図４を用いて、実施例２の光学装置４００の構成について説明する。実施例２の光学装置４００では、実施例１の光学装置１００と比較して、鏡筒１０３に設けた開口の数を増やしている。具体的には、鏡筒１０３の上下方向（Ｚ軸方向）にも開口１１５を設けている。これにより、鏡筒１０３、１０４の外部空間から内部空間に吸引される気体の量が増えるため、鏡筒１０３、１０４、メニスカスレンズ１０１及び凸面ミラー１０２の冷却力をさらに強化することができる。

（実施例３）
次に、図５を用いて、実施例３の光学装置５００の構成について説明する。実施例３の光学装置５００では、実施例１の光学装置１００と比較して、気体排出部の配置を変更している。具体的には、気体排出部５０１を凸面ミラー１０２の上部に配置している。

気体排出部５０１は、鏡筒１０４に対してＹ軸負方向の位置に配置され、鏡筒１０４に設けられた開口を介して気体の排出を行う。気体排出部５０１は、鏡筒１０４と接続された接続部５０１ａと、配管５０１ｂと、排気機構５０１ｃを含み、排気機構５０１ｃの排気作用によって、鏡筒１０３、１０４の内部空間から配管５０１ｂを介して気体が排出される。鏡筒１０４に対してＺ軸方向ではなく、Ｙ軸方向に気体排出部４０１を配置することで、光学装置５００のＺ軸方向における大型化を緩和することができる。

このような構成は、例えば、第１の光学素子１０１と第２の光学素子１０２がともにレンズで構成され、図５で示したように、光学素子１０１の右側から光学素子１０２の左側に向かって露光光Ｌが透過する場合に好適である。

（物品の製造方法）
本発明の実施形態にかかる物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子、フラットパネルディスプレイ等の物品を製造するのに好適である。本実施形態の物品の製造方法は、基板に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像（加工）する工程とを含む。更に、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

（その他の実施例）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１ 第１の光学素子
１０２ 第２の光学素子
１０３、１０４ 保持部
１０５ 気体供給部
１０７ 気体排出部

Claims (14)

1. 第１の光学素子及び第２の光学素子と、
   前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子を保持する保持部と、
   前記保持部に設けられた流路に向けて温度制御された気体を供給する気体供給部と、
   前記気体供給部によって供給された気体を排出する気体排出部と、
   を備え、
   前記気体排出部は、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の配列方向に並んで配置され、
   前記気体供給部によって供給された気体と、前記保持部の外部空間から前記保持部の内部空間に気体を吸引するために設けられた開口を介して前記外部空間から前記内部空間に吸引された気体と、を前記気体排出部が排出することを特徴とする光学装置。
2. 前記第１の光学素子は、前記保持部に設けられた突起部に接触して支持され、
   前記開口は、前記保持部における前記突起部が設けられていない領域と前記第１の光学素子との隙間であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記気体排出部は、前記保持部の内部の空間から気体を排気する排気機構を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記気体供給部は、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子に入射する光の光路外に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記気体排出部によって排出される気体の流量は、前記気体供給部によって供給される気体の流量よりも多いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記気体排出部によって排出される気体の流量と、前記気体供給部によって供給される気体の流量との差分に相当する量の気体が、前記開口から供給されることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記気体排出部は、前記気体供給部によって供給された気体であって、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の間の空間を通過した気体を排出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 前記気体供給部及び前記気体排出部は、前記第１の光学素子よりも前記第２の光学素子に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記第２の光学素子は、前記保持部に設けられた突起部に押し当てられることにより前記保持部によって保持され、
   前記気体供給部によって供給された気体は、前記保持部における前記突起部が設けられていない領域と前記第２の光学素子との隙間を通過することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記第１の光学素子はレンズであり、前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子を透過した光を反射するミラーであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学装置。
11. 前記気体供給部は、前記ミラーに対して前記レンズとは反対側に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
12. 第１凹反射面と第２凹反射面と、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学装置を備える投影光学系であって、
    物体面からの光が、前記第１凹反射面、前記光学装置に含まれるミラーの凸反射面、前記第２凹反射面の順に反射して像面に結像することを特徴とする投影光学系。
13. 光源からの光でマスクを照明する照明光学系と、
    前記マスクのパターンの像を基板に投影する請求項１２に記載の投影光学系と、
    を有することを特徴とする露光装置。
14. 請求項１３に記載の露光装置を用いて基板上にパターンを形成する形成工程と、
    前記形成工程でパターンが形成された前記基板を加工する加工工程と、を含み、
    前記加工工程で加工された前記基板から物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。

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