JPH03103809A

JPH03103809A - 反射縮小投影光学装置

Info

Publication number: JPH03103809A
Application number: JP1242505A
Authority: JP
Inventors: Akira Higuchi; 朗樋口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1991-04-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、反射鏡光学系、特に半導体集積回路を製造す
る際に、フォトレジストを塗布したウエハにマスク（原
板）のパターンを縮小投影露光するための反射縮小投影
光学装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、ステッパー等の半導体製造用の露光装置は近紫外
光を使用している。また、近年ではより短波長のエキシ
マーレーザーや遠紫外光も用いられてきており、集積回
路パターンの微細化にともない、より高解像力の露光装
置が望まれている。

解像力は、露光波長と光学系の開口数で決まり、露光波
長が短い程、また開口数が大きい程微細パターンの露光
転写が可能となるが、開口数を太きくすることは光学設
計上の困難さを伴うと共に焦点深度が浅くなるため得策
ではなく、露光波長を短くする試みがなされてきている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

超ＬＳＩ等の極微細パターンからなる半導体素子として
、記憶容量が２　５　６　Ｍｂｉｔ程度以上のものの製
造のためには、０．２５μｍ以下の線幅（パターン）を
露光転写することが必要となり、このためには軟Ｘ線や
Ｘ線を用いることが不可欠となる。

Ｘ線を用いる露光装置は既に開発されているが、これま
でのものではマスクの影絵をウエハに転写する所謂プロ
キシミティ方式であり、マスクのパターン精度が厳しく
、マスク製造上の困難をともなう。このため、マスク像
を縮小してウエハ面上に投影転写する反射縮小光学系が
有望視されている。

反射縮小光学系としてたとえば、特開昭６３１６３３１
９号等に開示されたシェーファ＝（Ｓｈａｆｅｒ）らに
よるのものがある。これは基本的には３つの凹面反射鏡
と１つの凸面反射鏡から構成されるものであるが、縮小
をおこなうための凸面鏡によって惹起された収差（コマ
収差、球面収差）のために、半導体素子の製造に用いる
程度の解像力を得るには不充分である。これらの収差を
補正するために屈折部材を付加する構成についても同時
に提案されており、屈折部材の導入によって初めて円弧
上の視野にて良好な結像を得ている。

しかしながら、軟Ｘ線、Ｘ線領域では、屈折部材は実用
にならない。

また、特開昭６３−３１１３１５号等の如く鈴木らによ
る反射縮小光学系も提案されているが、これらは収差補
正のために非球面反射鏡を導入しており、光学系の製造
は著しく困難になる。

本発明の目的は、軟Ｘ線、Ｘ線領域における露光が可能
で、マスク製造上の困難がないように縮小投影が可能で
あり、しかも製造の容易な球面反射鏡のみからなる場合
にも優れた結像性能を得ることのできる反射縮小投影光
学装置を提供することにある。

３〔課題を解決するための手段〕本発明による反射縮小光学装置は、第１図乃至第４図の
概略構成図に示す如く、物体面上の物体Ｏのほぼ倍率１
の虚像を形成する第１光学系Ｓと、該第１光学系による
虚像から縮小実像を形成する第２光学系Ｓ２と、該第２
光学系による実像からほぼ等倍の像を形或する第３光学
系Ｓ３とを有する構威である。

第１光学系Ｓ１はほぼ同心状に配置された第１反射面Ｒ
１としての凹面反射面、第２反射面Ｒ２としての凸面反
射面及び所定の光軸Ａ１を有し、該第１光学系の物体面
Ｏと像面■１とは同心中心Ｃ１をほぼ含み該第１光学系
の光軸に垂直な面内又はこの面と光学的に等価な面内に
ほぼ位置している。第２光学系Ｓ２はＣ２を同心中心と
してほぼ同心状に配置された第３反射面Ｒ３としての凸
面反射面と第４反射面Ｒ４としての凹面反射面、そして
第３反射面と第４反射面とによる実像Ｉ２の位置にほぼ
配置された第５反射面Ｒ５としての−４凹面反射面及び所定の光軸Ａ２を有している。そして、
第３光学系Ｓ，は第６反射面Ｒ６としての凹面反射面と
所定の光軸Ａ３とを有し、該第３光学系の物体面Ｏ，と
像面Ｉは、前記第６反射面Ｒ８の曲率中心Ｃ，をほぼ含
み該第３光学系の光軸に垂直な面内又はこの面と光学的
に等価な面内にほぼ位置する構或である。

〔作　用〕

本発明による上記反射縮小光学系の縮小倍率をβｔ　（
〉Ｏ）とし、各光学系Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の倍率を各々β
５．、βＳＱ％βｓ３とすればβｔ−β３１・β５２・
βｓ３となる。

本光学系は基本的には、βｓ，−１．０、β３２−一β
，、β．＝　　１．０になるように構威されている。

すなわち、像の実質的な縮小は第２光学系Ｓ２でおこな
われる。また、第２光学系Ｓ２による実像工，を第３光
学系Ｓ，により再結像しており、第３光学系は実質的に
等倍のリレー光学系として機能している。

５尚、一般に同心光学系では、光軸は一義的に定義するこ
とができないが、第１光学系や第３光学系の如き等倍の
場合には、同心中心を含む平面内に物体面及び像面を設
定するため、光軸は同心中心を通りこの平面に垂直な直
線として定義することができる。そして、各光学系Ｓ１
、Ｓ２、Ｓ３の光軸Ａ　ｌ．　Ａ　２．　Ａ　ｓが光学
的に一致する構成とし、各反射面の全てがこの先軸上に
曲率中心を有する構成となっている。

以下本発明における各光学系の具体的構成についてそれ
ぞれ説明する。

第１光学系Ｓ１は、第２図に示す如く、ほぼ同心状に配
置された第１反射面としての凹面鏡Ｒ．、第２反射面と
しての凸面鏡Ｒ２を有する。その第１部分系Ｓ１の物体
面○と像？．（等倍の虚像）は同心中心を含み光軸Ａ１
に垂直な面内に位置する。このような配置にすることに
より、第１光学系Ｓ１による球面収差、３次収差領域で
のコマ収差は除去される。更に３次収差領域での球欠光
束による像面湾曲はない。子午光束による像面湾曲は第
１光学系においては補正できないが、後述する如く、第
３光学系Ｓ３を付加してペッッパール和を０とすること
によって、子午光束による像面湾曲も除去することが可
能になる。

なお、後述の実施例の如く、開口絞りを第２反射面とし
ての凸面鏡Ｒ２に一致させ、物体面０と第１反射面とし
ての凹面鏡Ｒ１との中間の位置に第２反射鏡Ｒ２を配置
し、物体面に対してテレセントリックな光学系とするこ
とが有効である。しかしこれに限られるものではない。

第２光学系Ｓ２は第３図に示す如く、ほぼ同心状に配置
された第３反射面としての凸面鏡Ｒ，、第４反射面とし
ての凹面鏡Ｒ４とその第３反射面Ｒ３と第４反射面Ｒ４
とによる像面■２の近傍に配置された第５反射面として
の凹面鏡Ｒ５を有する。

凸面反射鏡ＲＪ、凹面反射鏡Ｒ４は、第１光学系ＳＩに
よる虚像面Ｉ１を物体面とする公知のシュワルツシルド
（Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ）の縮小光学系を構成し
ている。このシュワルツシルドの縮小光学系は優れた光
学系であり、３次収差領域での球面収差、コマ収差、非
点隔差を除くことが可能である。しかし、唯一の欠点は
、同心光学系であるために物体面及び像面が反射鏡の同
心点を中心として球面状に湾曲していることである。物
体を平面としたときの像面の湾曲はペッツバール像面に
対応している。この問題点の解決のため、本発明の光学
系では凸面反射鏡Ｒ，、凹面反射鏡Ｒ４から構成される
シュワルツシルドの縮小光学系の像面■２の近傍に凹面
反射鏡Ｒ，を配置することによってペッツバール和を補
正している。

即ち、第２光学系Ｓ２のペッツバール和ＰＺ２について
は、ｒ３を第３反射面ＲＩの曲率半径、ｒ４を第４反射
面Ｒ，の曲率半径、ｒ５を第５反射面Ｒ５の曲率半径と
するとき、ｒａ　　　　　　ｒ４　　　　　ｒｓの条件を満足する構成としている。

したがって、第２光学系Ｓ２によって惹起される３次収
差は歪曲収差のみである。

第３光学系Ｓ，は第４図に示す如く、１つの凹面反射鏡
Ｒ６を有し、その曲率中心Ｃ３を含み光軸Ａ３に垂直な
面内に物体面と像面を配置した構或となっており、その
光学系による像Ｉが全系の最終像である。第３光学系Ｓ
３の物体面は第２光学系Ｓ２による像面に合致しており
、この位置は第３光学系の曲率中心Ｃ３に一致している
。この配置によって第１光学系Ｓ１と同様に、球面収差
、コマ収差及び、球欠光束による像面湾曲は除かれる。

そして、第１光学系Ｓ１によって補正することのできな
い子午光束による像面湾曲は、第６反射面としての凹面
反射鏡Ｒ６でのペッッパール和によって補正している。

即ち、いま第１光学系Ｓ１のペッッパール和をＰＺ１、
第３光学系Ｓ３のべッッパール和をＰｚ３とすれば、ｒ
１を第１反射面Ｒ．の曲率半径、ｒ２を第２反射面Ｒ２
の曲率半径、ｒ６を第６反射面Ｒ６の曲率半径とすると
き、＋２２ｒｌ　　　　　　　　ｒ２ｒ６となり、ＰＺ，＋ＰＺ３＝　０　　　　　　　　　　　　（２）
の条件を満たす。従って、第１光学系Ｓ１と第３光学系
Ｓ３による各３次収差の和は、歪曲収差を除いて完全に
補正される。

よって、全系のペッツバール和は完全に補正されている
。

以上の議論よりこれら３つの光学系Ｓ，．Ｓ２．Ｓ３を
組合せることによって、系全体の収差は歪曲収差を除い
て補正でき、良好な結像を得ることができる。

次に歪曲収差の補正手段について述べる。

第１の方法は、上述したとおり、第１光学系Ｓの倍率を
β，＝１．０とし、第２光学系Ｓ２の倍率をβ２＝一β
１　（β１は光学系全体の倍率）とし、第３光学系Ｓ３
の倍率をβ．　＝−１．０としたうえで、第１反射面Ｒ
１の曲率半径ｒ１の値を適当に選ぶことによって、歪曲
収差の補正が可能になる。

第２の方法は、第１光学系Ｓ１の倍率β１を１．０の値
から若干量ずらすこと、即ち第１及び第２反射鏡Ｒ１、
Ｒ２の同心関係をややくずすことによって歪曲収差は補
正できる。この場合、第２光学系Ｓ２の倍率β２は光学
系全体の倍率β１を保つように調整することが必要とな
る。第２光学系Ｓ２は、Ｒ３とＲ４からなる所謂シュヮ
ルッシルド光学系を含むため、上述の如き優れた収差補
正能力を維持しつつ任意の倍率を得ることが可能である
。

〔実施例〕

上述した本発明の構成についての具体的数値例を下記の
表１に示す。この表では物体面０側から最終像面エヘ向
かう順序で各曲面の曲率半径、面間隔及び屈折率を表わ
している。尚、光線は第１図に示した構成において、左
から右へ向がって進ｌ１む方向を正とし、左側に凸面を向けた曲面の曲率半径を
正、左側に凹面を向けた曲面の曲率半径を負とし、面間
隔は光線の進行方向が正である媒質中は正とし、光線の
進行方向が負である媒質中では負とするものとする。ま
た、光線が正方向に進む媒質中ではその屈折率を正とし
、光線が負方向に進む媒質中ではその屈折率を負とする
ものとする。

去工倍率：βｔ＝１／５開口数：ＮＡ＝０．０２像高：１０〜２０ｍｍ１２解像力二波長１００Ａのとき０．３１μｍ波長　１０人
のとき０，１５μｍ上記実施例において、第２光学系Ｓ２のペッツバール和
Ｐｚ２の値は、ｐｚ２＝ｏ，ｏｏｏｏｏｏｏとなり、上記（１１式を満たす。

また、第１光学系Ｓｌのへッツバール和Ｐｚ１と第３光
学系Ｓ３のべツツバール和Ｐｚ，を計算すれば、ＰＺ，＝＋０．０００６１３４ＰＺｓ　”　　０．　０００６１３４であり、上記（２）式の条件を満たしている。

従って、本実施例において全系のペツッパール和は完全
に補正されている。

また、本実施例においては、β＋　””１．０　、β２
１／５、β３−−１．０とし、歪曲収差の補正を前記第
１の方法、つまり第１反射面の曲率半径Ｒを最適化する
ことによって可能にしている。

上記実施例についての非点収差を第５図に、歪曲収差を
第６図に、横収差を第７図にそれぞれ示した。第５図の
点線Ｍは子午光束による像面、実線Ｓは球欠光束による
像面を示す。第７図では像高Ｙ　＝　２０ｍｍ，像高Ｙ
　＝　１５ｍｍ、像高Ｙ　＝　１０ｍｍでの横収差を示
している。各収差図より本実施例の反射縮小光学系が極
めて良好を結像性能を得ていることがわかる。

尚、上記実施例では第３光学系Ｓ３の倍率β３をβ３−
−１、０としているが、像面■（露光装置ではウエハ面
）及びその周辺機械系と第５反射面としての凹面鏡Ｒ５
との接触をさけるため、又ウエハ面及びその周辺機械系
による凹面鏡Ｒ５の表面の汚れを避けるため、主光線の
光軸に対する傾き角を小さくし、像側をテレセントリッ
クに近づけることが望ましい。このためには、第３光学
系Ｓ３の倍率β３を−１の値より若干量はずし、やや拡
大系１β３　１〉１にするのが有効である。

また、本実施例においては、ほぼ矩形のマスクパターン
を一括してウエハ面上に露光転写することができるもの
であるが、収差の小さい所定範囲の像高のみを使い円弧
上の視野にてマスク（原板）とウエハを同期走査して露
光する方式にも用いることができる。その場合には上述
した如く厳密にペツツバール和を０にする必要性はない
。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、反射系のみからなる縮小
投影光学系が構戒できるため、軟Ｘ線、Ｘ線領域におけ
る縮小投影露光が可能となる。そして、製造の容易な球
面反射鏡のみからなる場合にも解像力の優れた縮小像が
形成できるため、超ＬＳＩ等の極微細パターンからなる
半導体素子製造用の実用的光学装置として極めて有用で
ある。

尚、本発明における反射面の少なくとも１面に非球面を
採用することによって、諸収差の補正自由度を高めるこ
とが可能になることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による反射縮小光学装置の概略１　５− 構成図、第２図は本発明における第１光学系の構戊図、
第３図は本発明における第２光学系の説明図、第４図は
本発明における第３光学系の説明図、第５図は本発明の
実施例についての非点収差図、第６図は歪曲収差図、第
７図は横収差図である。〔主要部分の符号の説明〕Ｏ・・・物体面 ■・・・像面１６

Claims

【特許請求の範囲】

物体面上の物体のほぼ倍率１の虚像を形成する第１光学
系と、該第１光学系による虚像から縮小実像を形成する
第２光学系と、該第２光学系による実像からほぼ等倍の
像を形成する第３光学系とを有し、前記第１光学系はほ
ぼ同心状に配置された第１反射面としての凹面反射面、
第２反射面としての凸面反射面及び所定の光軸を有し、
該第１光学系の物体面と像面とは同心中心をほぼ含み該
第１光学系の光軸に垂直な面内又はこの面と光学的に等
価な面内にほぼ位置し、前記第２光学系はほぼ同心状に
配置された第３反射面としての凸面反射面、第４反射面
としての凹面反射面、該第３反射面と第４反射面とによ
る像位置にほぼ配置された第５反射面としての凹面反射
面及び所定の光軸を有し、前記第３光学系は第６反射面
としての凹面反射面と所定の光軸とを有し、該第３光学
系の物体面と像面は、前記第６反射面の曲率中心をほぼ
含み該第３光学系の光軸に垂直な面内又はこの面と光学
的に等価な面内にほぼ位置することを特徴とする反射縮
小光学系。