JPH07128590A - 縮小投影レンズ - Google Patents

縮小投影レンズ

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JPH07128590A
JPH07128590A JP5271675A JP27167593A JPH07128590A JP H07128590 A JPH07128590 A JP H07128590A JP 5271675 A JP5271675 A JP 5271675A JP 27167593 A JP27167593 A JP 27167593A JP H07128590 A JPH07128590 A JP H07128590A
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JP
Japan
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optical element
lens
diffractive optical
aberration
projection lens
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JP5271675A
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English (en)
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Kunie Nakagiri
中桐邦恵
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216—Mask projection systems
    • G03F7/70308—Optical correction elements, filters or phase plates for manipulating imaging light, e.g. intensity, wavelength, polarisation, phase or image shift
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G02B27/4211—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting chromatic aberrations
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216—Mask projection systems
    • G03F7/70241—Optical aspects of refractive lens systems, i.e. comprising only refractive elements

Abstract

(57)【要約】 【目的】 色収差の補正が可能であり、かつ、レンズ系
の硝材総肉厚を薄くして透過率を向上させることができ
る高解像の縮小投影レンズ。 【構成】 ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレー
ザ等の３００ｎｍ以下の中心波長を有し、波長スペクト
ル半値幅が±０．５ｐｍ〜±２００ｐｍのスペクトル光
源を対象とした屈折光学素子と回折光学素子を含む縮小
投影レンズであって、屈折光学素子は少なくとも１面の
非球面を含み、屈折光学素子及び回折光学素子がＳｉＯ
2 等の全ての同一の硝材よりなり、レンズ系の瞳から回
折光学素子までの距離をｄ、物像間距離をＤ、回折光学
素子における最軸外主光線高をｈ、回折光学素子の有効
半径をＨとしたとき、０．０２＜｜ｄ／Ｄ｜＜０．１
７，０．０１＜｜ｈ／Ｈ｜＜０．２５の条件を満足す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばＩＣ、ＬＳＩ等
の集積回路を製造する装置に搭載される縮小投影レンズ
に関し、特に、縮小投影露光法によって回路パターンの
描かれたマスクからその回路パターンをシリコンウェハ
ー上に転写する際に用いられる縮小投影レンズに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、投影レンズによる投影像の解像
力は、その開口数に比例し、使用波長に反比例する。近
年、集積回路の高集積化が一段と進み、それに伴って更
に解像力のある投影レンズが要求されてきているが、開
口数を大きくしていくと、解像力はそれに比例して良く
なっていくが、焦点深度が浅くなり焦点合わせを非常に
正確に行う必要が生ずる。また、回路パターンを転写す
るシリコンウェハーの平坦度も非常に厳しい値が要求さ
れ、実用には向かなくなってしまう。そのため、近年で
は、開口数を大きくするよりも使用波長を短くして、焦
点深度を保ちつつ解像力を上げることが行われるように
なった。現在では、水銀灯による４３６ｎｍ、あるいは
３６５ｎｍの光が使用されるようになっているが、近年
では、更に短波長の３００ｎｍ以下の光源が用いられる
ようになってきた。例えば、２４８ｎｍを発光スペクト
ルとするＫｒＦエキシマレーザを使用する特開昭６０−
１４０３１０号のものや、１９３ｎｍを発光スペクトル
とするＡｒＦエキシマレーザを使用する特開平１−３１
５７０９号、特開平５−３４５９３号等のものがある。
【０００３】また、レンズ系の色収差補正を行うため、
逆分散特性を持つ回折光学素子を使用した特開平４−２
１４５１６号のものがある。
【０００４】
【発明の解決しようとする課題】縮小投影レンズは、高
解像度と広い露光領域を確保するために、軸上収差、軸
外収差の両収差がほぼ完全に補正されている必要があ
る。しかし、このためには、投影レンズのレンズ枚数が
多くなることが避けられなくなってしまう。
【０００５】例えば、単一硝材の球面レンズのみでなっ
ているレンズ系で球面収差を補正するためには、１枚の
レンズを合計で同じパワーを持つ複数枚のレンズに分割
する必要がある。また、像面湾曲を補正するためには、
正、負の屈折力を持つレンズを多数枚適切な位置に配置
する必要があり、レンズ系の構成枚数が非常に多くなっ
てしまう。
【０００６】さらに、使用波長が３００ｎｍ以下になる
と、使用できる硝材は、硝材の透過率の点から、実際上
ＳｉＯ2 （石英）又はＣａＦ2 （蛍石）に限られ、しか
も、加工性等を考慮すると、現実的にはＳｉＯ2 （石
英）しか使用できる硝材がない。このため、例えば、波
長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを光源とし、Ｓｉ
Ｏ2 （石英）のみをレンズ硝材として使用した縮小投影
レンズでは、特開平６０−１４０３１０号に示される如
く、レンズ枚数が多く、硝材総肉厚が厚くなってしま
う。したがって、更に短波長の光源、例えば１９３．５
ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いると、ＳｉＯ2 （石
英）であっても透過率の低下が現れ、そのため、レンズ
の露光光熱吸収による倍率変動やベストフォーカス変
動、露光量不足による低スループット等の問題があっ
た。
【０００７】この透過率の低下の問題に対処するため、
投影レンズに非球面を採用し、レンズの総肉厚を薄くす
る試みが特開平５−３４５９３号でなされている。この
場合、レンズ系は単一硝材で構成されているため、レン
ズ系による色収差補正と行うことができない。このた
め、光源が発する光の波長スペクトルの半値幅を極めて
狭くしなければ、投影レンズの解像度が低下するという
問題があった。例えば特開平５−３４５９３号では、±
０．５ｐｍ以下に波長半値幅を抑えないと、性能が低下
し、実用的に使用不可能となってしまう。しかし、例え
ばＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザの場
合、共振器内にエタロンやグレーティング等の波長分散
素子を挿入する方法がスペクトル半値幅を狭めるために
一般にとられる方法であるが、±０．５ｐｍに波長スペ
クトルを狭めた上で安定なレーザ発振を行わせること
は、現実的に極めて困難である。
【０００８】このような光源にかかる負担を低減するた
めに、色収差補正光学素子として、投影レンズに何枚か
のＣａＦ2 （蛍石）を配置し、投影レンズで色消しを行
う方法も考えられるが、ＣａＦ2 （蛍石）は材質が柔ら
かく、加工し難いという問題があるため、実用上のレン
ズ材料としては使用できない。そこで、特開平４−２１
４５１６号では、逆分散特性の回折光学素子を使用して
色収差補正を行っているが、レンズ総肉厚が厚いため、
上述のような問題点を回避できていない。
【０００９】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、色収差の補正が可能であり、
かつ、レンズ系の硝材総肉厚を薄くして透過率を向上さ
せることができる高解像の縮小投影レンズを提供するこ
とである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の縮小投影レンズは、３００ｎｍ以下に中
心波長を有するスペクトル光源を対象とした屈折光学素
子と回折光学素子を含む縮小投影レンズであって、屈折
光学素子は少なくとも１面の非球面を含むことを特徴と
するものである。
【００１１】この場合、対象となる光源は、例えば、Ａ
ｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザである。
【００１２】また、屈折光学素子及び回折光学素子が全
ての同一の硝材よりなることが望ましい。また、対象と
なる光源の波長スペクトル半値幅が±０．５ｐｍ〜±２
００ｐｍであることが望ましい。
【００１３】さらに、レンズ系の瞳から回折光学素子ま
での距離をｄ、物像間距離をＤ、回折光学素子における
最軸外主光線高をｈ、回折光学素子の有効半径をＨとし
たとき、以下の条件を満足することが望ましい。 ０．０２＜｜ｄ／Ｄ｜＜０．１７ ・・・（３） ０．０１＜｜ｈ／Ｈ｜＜０．２５ ・・・（４）
【００１４】
【作用】以下、本発明において上記のような構成をとる
理由とその作用について説明する。
【００１５】このような構成をとることによって、屈折
光学素子に非球面が含まれることにより、また、回折光
学素子も非球面として扱えることにより、レンズ設計の
自由度が大幅に増すことになる。したがって、レンズ枚
数を増やすことなく、レンズ総肉厚を薄く保ったままで
実用的レンズの実現が可能になる。
【００１６】回折光学素子は通常の屈折光学素子とは逆
の波長分散性を有し、その分散率が非常に大きいため、
硝材がＳｉＯ2 （石英）一種類に限られた場合にもおい
て、単に１枚の回折光学素子をレンズ系に配置しただけ
でも、充分な色収差補正の効果が得られる。回折光学素
子は、色収差補正効果を発揮するのみでなく、その形状
に非球面作用を持たせることが容易なため、単色収差補
正効果も得ることが可能であるが、投影レンズに配置す
る非球面を回折光学素子のみに限ってしまうと、レンズ
設計の自由度が減り、その結果、非球面回折光学素子が
少なくとも２枚必要になってしまう。しかし、回折光学
素子には回折効率の問題があり、投影レンズに複数の回
折光学素子を配置すると、光の利用効率が低下する可能
性があり、ひいては露光量不足により低いスループット
等の問題が起こる可能性がある。また、回折光学素子
は、配置する箇所によっては、その多大な逆分散性のた
め、色コマ収差が発生することもあり、レンズ系に配置
する箇所が束縛される可能性があり、非球面を必要とす
る箇所に非球面回折光学素子を配置できないこともあり
得る。したがって、屈折光学素子に非球面を持たせるこ
とで、光の利用効率低下を防ぎ、かつ、非球面を配置す
る箇所の自由度を増すことによって、解像度の高い投影
レンズの設計が可能になる。
【００１７】以下、本発明の好ましい一つの利用形態の
作用について詳しく説明する。本発明のレンズは、物体
に近い箇所に配置された負の屈折率を持つ屈折光学素子
に非球面を施すことによって、レンズ系全体の歪曲収差
補正と像面湾曲補正をコントロールしやすくしている。
【００１８】物体に近い箇所に配置されたレンズ群で
は、軸外主光線が光軸から離れた周縁を通過するため、
光軸付近を通過する軸上マージナル光線と比較すると、
より大きく屈折作用を受けることになり、また同時に、
子午面と球欠面を通過する軸外主光線が受ける屈折作用
もかなり異なってくる。このため、上記の箇所のレンズ
群では、歪曲収差と像面湾曲が発生しやすい。
【００１９】したがって、上記の箇所のレンズ群で硝材
総肉厚を薄くするためにレンズの構成枚数を単に減らす
と、負の歪曲収差が大きくなり、これを補正する正の歪
曲収差が発生する面がなくなっしまう。また、正の像面
湾曲も大きくなり、これを補正する負の像面湾曲が発生
する面もなくなってしまう。
【００２０】上記正の歪曲収差と負の像面湾曲を発生さ
せるために、上記の箇所のレンズ群に配置されたレンズ
に非球面を配置し、この非球面で正の歪曲収差と負の像
面湾曲を発生させることが、レンズ系全体の歪曲収差と
像面湾曲を良好に補正するために必要となる。
【００２１】物体に近いレンズ群に配置された負のレン
ズに光軸から周縁に行くに従って屈折力が弱くなるよう
な非球面を施すことによって、軸外主光線が受ける負の
屈折作用が過大にならないようコントロールし、非球面
によって多大の正の歪曲収差を発生させ、上記の箇所の
レンズ群における負の歪曲収差発生量を減少させてい
る。また、上記非球面の作用によって多大の負の像面湾
曲を発生させ、上記の箇所のレンズ群における正の像面
湾曲発生量を減少させている。
【００２２】したがって、歪曲収差と像面湾曲が発生し
やすい投影レンズの物体に近いレンズ群に多数の正・負
のパワーを持つレンズを組み合わせて配置し、歪曲収差
と像面湾曲を補正するのではなく、上記の箇所のレンズ
群に少なくとも１枚の非球面を施すことによって、レン
ズ枚数の削減と上記両収差の補正が同時に可能になるの
である。
【００２３】更に好ましくは、像に近いレンズ群でも軸
外主光線高が高くなってレンズの周縁を通過し、歪曲収
差と像面湾曲が発生しやすくなるので、非球面を配置す
ることで上記２収差の発生量を抑え、レンズ系全体の性
能を更に向上させることが可能となる。
【００２４】更に好ましくは、軸上マージナル光線と軸
外マージナル光線の両光線高が高い箇所の屈折光学素子
に非球面を施すことによって、球面収差とコマ収差の補
正が可能となり、レンズ系全体の性能を更に向上させる
ことが可能になる。
【００２５】球面レンズ系で多大に発生する負の球面収
差を打ち消すために、軸上マージナル光線と軸外マージ
ナル光線の両光線高が高い箇所のレンズに、レンズ周辺
になるに従って正の屈折率が弱くなるような球面収差補
正用非球面を１面配置すれば、更に硝材総肉厚の薄い投
影レンズが実現が可能となる。もちろん、回折光学素子
の非球面作用で球面収差の補正は可能であるが、この場
合、回折光学素子の非球面作用がコマ収差に悪影響を与
えないように、回折光学素子はレンズ系の瞳位置近傍に
配置されることが望ましく、この位置では、回折光学素
子の逆分散作用で倍率の色収差を完全に補正することが
難しい場合がある。このような状況の際には、レンズ系
の瞳位置近傍に位置する屈折光学素子に球面収差補正用
の非球面を施すことが好ましい。
【００２６】更に好ましくは、非球面回折光学素子をレ
ンズ系の瞳から多少離れた箇所に配置し、その逆分散作
用で倍率の色収差を、また、その非球面効果でコマ収差
を補正した場合にも発生する完全補正がしきれないコマ
収差や高次のコマ収差の発生を抑えるために、上記球面
収差補正用の非球面屈折光学素子以外にも、コマ収差補
正用の非球面屈折光学素子を配置すると、レンズ系全体
の性能を更に向上させることが可能になる。
【００２７】次に、回折光学素子について説明する。一
般に、レンズ系の色収差を補正するためには、薄肉近似
において、ｈi を各レンズにおけるマージナル光線高、
ｆiを各レンズの焦点距離、ｖi を各レンズのアッベ数
とした場合、次の条件式（１）の条件を満足しなければ
ならない。
【００２８】 Σｈi 2 ／ｆi ｖi ＝０ ・・・（１） しかし、単一の硝材からなる実像の結像レンズ系では、
上記の（１）式は必ず正の値を持つことになり、完全に
は色収差補正は行えない。ここで、ｈ0 を回折光学素子
におけるマージナル光線高、ｆ0 を回折光学素子の焦点
距離、ｖ0 を回折光学素子のアッベ数とし、焦点距離が
適当な正の値を持つ回折光学素子を用いると、そのアッ
ベ数が負の値を持つため、下記の式（２）に表すよう
に、回折光学素子に起因する項が屈折系のレンズに起因
する項を打ち消して、色消し条件の式を満足することが
できる。 Σｈi 2 ／ｆi ｖi ＋Σｈ0 2 ／ｆ0 ｖ0 ＝０ ・・・（２） 上記の式（２）から、回折光学素子は、レンズ系の中に
おいて多大な色収差補正能力を持ていることが分かる。
【００２９】本発明のレンズは、レンズ系の瞳付近に逆
分散効果を持つ回折光学素子を配置している。なお、瞳
位置は、最軸外主光線が光軸を横切る位置で定義され
る。本発明は、比較的物体高の高い広い露光領域を必要
とし、かつ、回折限界付近まで各収差が良好に補正され
る必要がある。このためには、軸上の色収差の補正と同
等に、軸外の色コマ収差、倍率の色収差等も良好に補正
しなければならない。
【００３０】したがって、本発明の場合には、レンズ系
の瞳位置に一致させて回折光学素子を配置することは、
必ずしも倍率の色収差に対する色補正効果を得ることが
できない。つまり、軸上の色収差を補正しつつ倍率の色
収差、色コマ収差を補正するためには、レンズ系の瞳位
置から少しずれた位置に回折光学素子を配置することが
重要となる。しかし、特開平２−４１０２７１号に示さ
れるように、余りに回折光学素子とレンズ系の瞳位置が
離れると、色コマ収差補正と倍率の色収差補正と軸上の
色収差補正のバランスが崩れ、光源の広い半値幅で良好
の色収差補正を行うことができなくなってしまう。
【００３１】上記の良好な軸上の色収差、倍率の色収
差、色コマ収差のバランスをとるためには、レンズ系の
瞳から回折光学素子までの距離をｄ、物像間距離をＤ、
回折光学素子における最軸外主光線高をｈ、回折光学素
子の有効半径をＨとしたとき、下記の条件式を両方満足
しなけらばならない。
【００３２】 ０．０２＜｜ｄ／Ｄ｜＜０．１７ ・・・（３） ０．０１＜｜ｈ／Ｈ｜＜０．２５ ・・・（４） 上記両条件式の上限を越えると、倍率の色収差と軸上の
色収差補正は充分にできるが、色コマ収差の補正が不可
能になる。一方、上記両条件式の下限を越えると、色コ
マ収差と軸上色収差の補正は充分可能であるが、倍率の
色収差補正が不可能となる。レンズ全系が単一硝材で構
成される本発明のような投影レンズ系では、他のレンズ
で色コマ収差や倍率の色収差の補正をすることは不可能
になるため、上記両条件式を満足するように回折光学素
子をレンズ系に配置することが非常に重要である。
【００３３】
【実施例】以下、本発明の縮小投影レンズの実施例１〜
４について説明する。実施例１〜４のレンズデータは後
記するが、これらの実施例のレンズ断面図をそれぞれ図
１〜図４に示し、実施例１〜４の横収差図をそれぞれ図
５〜図８に示す。各収差図において、Ｙは相対像高を表
す。
【００３４】実施例１と２では、第１群Ｉは両凹負レン
ズ１枚から、第２群IIは負メニスカスレンズ１枚と両凸
正レンズ２枚から、第３群III は正パワーを持ち負のア
ッベ数を有する回折光学素子１枚と正メニスカスレンズ
２枚からなる。実施例３と４においては、第１群Ｉは、
実施例３では、両凹負レンズ１枚とそれを挟む両凸正レ
ンズ２枚から、実施例４では、正メニスカスレンズ１枚
と両凹負レンズ１枚と両凸正レンズ１枚から、第２群II
は正パワーを持ち負のアッベ数を有する回折光学素子１
枚とそれを挟むように凹面を向け合った負メニスカスレ
ンズ２枚から、第３群III は両凸正レンズ１枚と正メニ
メカスレンズ１枚からなる。
【００３５】非球面については、実施例１と２において
は、第１群Ｉ、第２群IIのそれぞれの最終面と、第３群
III の回折光学素子と像側の正メニスカスレンズの物体
側の面の合計４面に用いている。実施例３と４において
は、第１群Ｉのそれぞれのレンズの物体側の面と、第２
群IIの物体側のレンズの像側の面と回折光学素子と、第
３群III の最前面と最終面の合計７面に用いている。
【００３６】本発明において、軸上収差の補正と共に軸
外収差である歪曲収差と像面湾曲とコマ収差等もほぼ完
全に補正される必要があること、また、軸上の色収差の
みでなく倍率の色収差と色コマ収差も良好に補正される
必要があることはすでに述べてきた。そこで、本発明に
おいて上記の軸外収差をどのように補正したのかを、実
施例１〜４を用いて説明する。
【００３７】まず、実施例１と２について説明する。回
折光学素子は、そのピッチが小さいほどパワーが強く、
より色消しの効果が向上することはよく知られている
が、作製上の問題からピッチが１μｍより小さくなるこ
とは望ましくない。これら実施例は、回折光学素子の最
小ピッチが１μｍ以上になるように制限したものであ
る。実施例１は、レンズ系の色消し可能な波長半値幅が
０．５ｐｍで、回折光学素子の最小ピッチが２μｍの場
合で、実施例２は、レンズ系の色消し可能な波長半値幅
が１０ｐｍで、回折光学素子の最小ピッチが１μｍの場
合である。
【００３８】実施例１と２において、第１群Ｉに配置さ
れた両凹負レンズは強いパワーを持っており、上記レン
ズによってレンズの周縁を通過する軸外主光線は、近軸
付近と比較すると多大な屈折作用を受け、歪曲収差と像
面湾曲が上記レンズによって多大に発生する。そこで、
上記レンズ周縁に行くに従って屈折力が弱くなるような
非球面を施すことによって、上記諸収差の発生量を抑制
し、レンズ系全体によって発生する上記諸収差の発生量
をコントロールしやすくしている。
【００３９】また、最も像側のレンズで軸外主光線はま
た光軸から離れた箇所を通過するため、第３群III の最
終レンズに非球面を施すことによって歪曲収差と像面湾
曲の収差補正を更に向上させている。
【００４０】さらに、コマ収差と球面収差を良好に補正
するために、第２群IIの第６面（最終面）と第３群III
の回折光学素子に非球面を用いている。
【００４１】また、色収差を補正するために、前記式
（３）と（４）の条件を満たすように、回折光学素子を
レンズ系内に配している。
【００４２】次に、実施例３と４の説明をする。実施例
３と４が実施例１と２と比較して異なる点は、実施例１
と２が射出側テレセントリックレンズ系であるのに対し
て、実施例３と４は両側テレセントリックレンズ系であ
ることである。実施例３は、レンズ系の色消し可能な波
長半値幅が０．５ｐｍで、回折光学素子の最小ピッチが
４μｍの場合で、実施例４は、レンズ系の色消し可能な
波長半値幅が２００ｐｍで回折光学素子の最小ピッチが
１μｍの場合である。
【００４３】実施例３と４において、歪曲収差と像面湾
曲の補正に関しては、実施例１と２と同様に、第１群Ｉ
のレンズ系で行っている。実施例１と２と比較して更に
好ましい点は、第１群Ｉの両凹負レンズを正レンズ２枚
で挟み、入射側がテレセントリックになる構成をとって
いることである。これは、第１群Ｉの合成焦点距離を変
えることなく、第１群Ｉを構成するレンズのパワー配分
や配置を自由にコントロールすることによって、両凹負
レンズによって発生する歪曲収差と像面湾曲を正レンズ
２枚で打ち消すようにしたものである。そのため、実施
例１と２とは異なって、実施例３と４では、両凹負レン
ズによって発生する歪曲収差と像面湾曲を抑制するとい
うのみでなく、第１群Ｉでほぼ完全に上記諸収差を取り
除き、第１群Ｉ以後のレンズ群で他の軸外諸収差を補正
するようになっている。
【００４４】更に好ましくは、第１群Ｉの正レンズ２枚
に非球面を施すことによって、これらのレンズで発生す
る歪曲収差と像面湾曲の発生量を微妙にコントロール
し、両凹負レンズによって発生する上記の諸収差の発生
量を相殺することが可能になる。
【００４５】また、最も像側のレンズで軸外主光線はま
た光軸から離れるた箇所を通過するため、実施例１と２
と同様、第３群III の最終面に非球面を施すことによっ
て、歪曲収差と像面湾曲の収差補正を更に向上させてい
る。
【００４６】さらに、コマ収差と球面収差を良好に補正
するために、実施例１と２と同様に、第２群IIと第３群
III を構成するレンズにも非球面を施している。実施例
３と４においては、第２群IIの第２面と回折光学素子、
第３群III の第１面に非球面を用いている。
【００４７】また、色収差を補正するために、実施例１
と２と同様に、前記式（３）と（４）の条件を満たすよ
うに、回折光学素子をレンズ系内に配置している。
【００４８】実施例１と２と異なって、更に好ましい点
は、回折光学素子で発生する色コマ収差を打ち消すため
に、第３群III に凸パワーの強いレンズを配置し、色消
し可能な光源の波長半値幅を実施例２よりも更に拡げた
ことである。回折光学素子以外の屈折光学素子は全て単
一の硝材からなっているため、物体の最軸外の一点から
出た１９３．５ｎｍを中心としたある波長幅を持った光
は、屈折光学素子を通過し回折光学素子に入射する時に
は、屈折光学素子による分散作用によって一点からの光
にはならない。このため、各色の軸外主光線が回折光学
素子に入射する光軸からの高さが異なり、各色毎に異な
ったコマ収差が発生する。これが回折光学素子によって
発生する色コマ収差である。色コマ収差は、前記の条件
式（３）と（４）を満たすように回折光学素子をレンズ
系内に配置すれば、その発生量を抑えることが可能だ
が、光源の波長半値幅が広がれば色コマ収差の発生量が
増え、結果的にはレンズ系の解像度が低下してしまう。
光源の波長半値幅を拡げたとき、回折光学素子で発生し
た色コマ収差と符号が逆になるような色コマ収差を屈折
光学素子の何れかで発生させてやれば、全体の色コマ収
差発生量を少なくすることができる。これに成功したの
が、本発明の実施例４である。
【００４９】色コマ収差発生量を抑え、光源の広い波長
半値幅に対しても高解像度のレンズ系を得るためには、
条件式（３）と（４）に加え、以下の条件を満たすよう
な屈折光学素子をレンズ系内に配置することが好まし
い。
【００５０】ｆdef を回折光学素子の焦点距離、ｆref
を色コマ収差を打ち消すことを目的とした屈折光学素子
の焦点距離、ｈdef を最軸外主光線が回折光学素子に入
射する光軸からの高さ、ｈref を最軸外主光線が色コマ
収差を打ち消すことを目的とした屈折光学素子に入射す
る光軸からの高さ、Ｈ’をレンズ系における最大値の有
効半径、Ｄを物像間距離としたとき、下記の式（５）と
（６）を両方満足することが好ましい。 ０．００１＜｜ｆdef ／ｆref ｜／Ｄ＜０．００８ ・・・（５） ０．０１＜｜ｈdef −ｈref ｜／Ｈ’＜０．１ ・・・（６） なお、実施例３、４において、上記の色コマ収差を打ち
消すことを目的とした屈折光学素子は、第３群III の物
体側の両凸正レンズである。
【００５１】次に、これら実施例１〜４のレンズデータ
を示すが、記号は、ｒ1 、ｒ2 ・・・は各レンズ面の曲
率半径、ｄ1 、ｄ2 ・・・は各レンズ面間の間隔、
ｎ1 、ｎ2 ・・・は各レンズの１９３．５ｎｍの屈折
率、ｖ1 、ｖ2 ・・・は各レンズのアッベ数、ＷＤＯは
物体側作動距離、ＷＤは像側作動距離、ｆはレンズ系の
焦点距離、ＥＮＰは入射瞳位置（入射瞳位置は物体面か
らの距離とする。）、ｄ／Ｄは条件式（３）の値、ｈ／
Ｈは条件式（４）の値、｜ｆdef ／ｆref ｜／Ｄは条件
式（５）の値、｜ｈdef −ｈref ｜／Ｈ’は条件式
（６）の値である。
【００５２】また、非球面形状は、光軸方面をｘ、光軸
に直交する方向をｙとした時、次の式で表される。 ｘ＝（ｙ2 ／ｒ）／［１＋｛１−（ｙ2 ／
ｒ2 ）｝1/2 ］＋ａ4 ｙ4 ＋ａ6 ｙ6 ＋ａ8 ｙ8 ＋ａ10
ｙ10 ただし、ｒは近軸曲率半径、ａ4 、ａ6 、ａ8 、ａ10は
非球面係数である。
【００５３】なお、各実施例の使用波長は１９３．５ｎ
ｍ、倍率は１／５、開口数ＮＡは０．４５、物像間距離
ＯＩ（＝Ｄ）は、実施例１と実施例２では１２５０ｍ
ｍ、実施例３と４では１０００ｍｍ、露光領域は実施例
１と２では１２．５×１２．５ｍｍ、実施例３と４では
１０ｍｍ×１０ｍｍである。また、各実施例では、レン
ズ系の硝材は全て溶解石英ＳｉＯ2 からなり、回折光学
素子は厚さ３ｍｍの溶解石英のプレートの後側に回折面
を持つようにして、ウルトラ・ハイ・インデックス法に
て設計を行った。
【００５４】ここで、ウルトラ・ハイ・インデックス法
を簡単に説明しておく。フレネルゾーンプレートを構成
する回折光学素子は屈折率が極めて大きな光学材料から
なる屈折光学系に置き換えることができる。このこと
は、W.C.Sweattの論文（J.Opt.Soc.Am.Vol.69,No.3,Mar
ch 1979 ）に示されており、以下に簡単に示す。光線の
入射角をθ、光線の出射角をθ’とすると、回折光学素
子における光線の屈折は、回折格子における回折の式が
そのまま成り立つので、下式が成り立つ。 ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｄ ・・・ ただし、ｍは回折の次数、λは光線の波長、ｄはフレネ
ルピッチである。
【００５５】一方、屈折光学系の屈折率をｎ、光線が通
過する部分の厚さをｚ、また、光軸からの距離をｈとす
る時、ｎ→∞、ｚ→０であれば、スネルの式から下式
を導ける。
【００５６】 ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’＝（ｎ−１）ｄｚ／ｄｈ ・・・ 以上の２つの式、を見比べると、屈折率ｎが充分大
きい場合には、 ｍλ／ｄ＝（ｎ−１）ｄｚ／ｄｈ ・・・ が成り立つことが分かり、この式を使って回折光学素
子は屈折光学系への置き換えができるのである。
【００５７】ここで、Ｋ＝ｍ／〔ｄ（ｄｚ／ｄｈ）〕と
おくと、 （ｎ−１）＝Ｋλ ・・・ となる。式は、基準波長λ0 以外の波長でも成立しな
けらばならないので、式を次のように書き換えること
ができる。 ｎ（λ）＝１＋Ｋλ ・・・ この式から、回折光学素子のアッベ数νd を求めてみ
る。 νd ＝（ｎd −１）／（ｎF −ｎC ） ＝〔（１＋Ｋλd ）−１〕／〔（１＋ＫλF ）−（１＋ＫλC ）〕 ＝Ｋλd ／〔Ｋ（λF −λC ）〕 ＝λd ／（λF −λC ）＝−３．４５ なお、各実施例では回折光学素子の置き換えを行うた
め、仮想硝材の中心波長１９３．５ｎｍにおける屈折率
を１００１と置いた。
【００５８】実施例１ ｒ1 = -759.090 ｄ1 = 31.284 ｎ1 =1.56 ｖ1 =67.8 ｒ2 = 90.644（非球面） ｄ2 = 573.416 ｒ3 = 334.912 ｄ3 = 22.128 ｎ2 =1.56 ｖ2 =67.8 ｒ4 = 250.731 ｄ4 = 18.776 ｒ5 = 590.724 ｄ5 = 16.643 ｎ3 =1.56 ｖ3 =67.8 ｒ6 = -5403.674 ｄ6 = 46.977 ｒ7 = 361.819 ｄ7 = 48.137 ｎ4 =1.56 ｖ4 =67.8 ｒ8 = -2260.114（非球面） ｄ8 = 220.987 ｒ9 = ∞ ｄ9 = 3.000 ｎ5 =1.56 ｖ5 =67.8 ｒ10= ∞ ｄ10= 0.000 ｒ11= 762797.553（非球面） ｄ11= 0.000 ｎ6 =1001 ｖ６ ＝−
３．４５ （回折光学素子） ｒ１２＝ ∞ ｄ12= 60.142 ｒ13= 106.122 ｄ13= 43.321 ｎ7 =1.56 ｖ7 =67.8 ｒ14= 294.334 ｄ14= 59.784 ｒ15= 90.518（非球面） ｄ15= 6.440 ｎ8 =1.56 ｖ8 =67.8 ｒ16= 114.588 非球面係数 第２面 ａ4 = -0.28630×10-6 ａ6 = -0.47732×10-11 ａ8 = -0.12345×10-15 ａ10= -0.46956×10-18 第８面 ａ4 = 0.35086×10-8 ａ6 = -0.62746×10-13 ａ8 = -0.97491×10-19 ａ10= -0.19386×10-22 第１１面 ａ4 = -0.16096×10-11 ａ6 = -0.77723×10-17 ａ8 = 0.44694×10-21 ａ10= -0.28782×10-25 第１５面 ａ4 = -0.22447×10-6 ａ6 = -0.67562×10-10 ａ8 = -0.13527×10-13 ａ10= -0.15838×10-17 ＷＤＯ＝ 50.000 ＷＤ ＝ 48.967 f = 38.090 ＥＮＰ＝192.513 ｄ／Ｄ＝ 0.113 ｈ／Ｈ＝ 0.088
。
【００５９】実施例２ ｒ1 = -2848.267 ｄ1 = 8.308 ｎ1 =1.56 ｖ1 =67.8 ｒ2 = 100.602（非球面） ｄ2 = 552.783 ｒ3 = 332.456 ｄ3 = 13.529 ｎ2 =1.56 ｖ2 =67.8 ｒ4 = 251.110 ｄ4 = 18.980 ｒ5 = 585.120 ｄ5 = 11.355 ｎ3 =1.56 ｖ3 =67.8 ｒ6 = -5011.765 ｄ6 = 103.808 ｒ7 = 420.524 ｄ7 = 14.548 ｎ4 =1.56 ｖ4 =67.8 ｒ8 = -9391.364（非球面） ｄ8 = 247.979 ｒ9 = ∞ ｄ9 = 3.000 ｎ5 =1.56 ｖ5 =67.8 ｒ10= ∞ ｄ10= 0.000 ｒ11= 435960.237（非球面） ｄ11= 0.000 ｎ6 =1001 ｖ6 =-3.45 （回折光学素子） ｒ12= ∞ ｄ12= 68.860 ｒ13= 110.331 ｄ13= 51.696 ｎ7 =1.56 ｖ7 =67.8 ｒ14= 284.071 ｄ14= 77.589 ｒ15= 109.141（非球面） ｄ15= 17.564 ｎ8 =1.56 ｖ8 =67.8 ｒ16= 127.709 非球面係数 第２面 ａ4 = -0.24414×10-6 ａ6 = 0.13222×10-11 ａ8 = -0.80223×10-15 ａ10= -0.19471×10-19 第８面 ａ4 = 0.35548×10-8 ａ6 = -0.53285×10-13 ａ8 = -0.44123×10-18 ａ10= -0.10159×10-22 第１１面 ａ4 = -0.24666×10-11 ａ6 = -0.11767×10-16 ａ8 = -0.34772×10-21 ａ10= -0.11103×10-25 第１５面 ａ4 = -0.41961×10-6 ａ6 = -0.18985×10-9 ａ8 = -0.45634×10-13 ａ10= 0.49921×10-17 ＷＤＯ＝ 50.000 ＷＤ ＝ 10.000 ｆ ＝ 40.172 ＥＮＰ＝205.193 ｄ／Ｄ＝ 0.142 ｈ／Ｈ＝ 0.115
。
【００６０】実施例３ ｒ1 = 252.531（非球面） ｄ1 = 13.959 ｎ1 =1.56 ｖ1 =67.8 ｒ2 = -237.917 ｄ2 = 122.828 ｒ3 = -76.336（非球面） ｄ3 = 5.000 ｎ2 =1.56 ｖ2 =67.8 ｒ4 = 83.791 ｄ4 = 90.783 ｒ5 = 688.212（非球面） ｄ5 = 23.544 ｎ3 =1.56 ｖ3 =67.8 ｒ6 = -127.932 ｄ6 = 102.939 ｒ7 = 111.110 ｄ7 = 5.011 ｎ4 =1.56 ｖ4 =67.8 ｒ8 = 95.981（非球面） ｄ8 = 225.849 ｒ9 = ∞ ｄ9 = 3.000 ｎ5 =1.56 ｖ5 =67.8 ｒ10= ∞ ｄ10= 0.000 ｒ11=1432200.000（非球面） ｄ11= 0.000 ｎ6 =1001 ｖ6 =-3.45 （回折光学素子） ｒ12= ∞ ｄ12= 30.346 ｒ13= -130.544 ｄ13= 9.044 ｎ7 =1.56 ｖ7 =67.8 ｒ14= -154.420 ｄ14= 12.972 ｒ15= 203.863（非球面） ｄ15= 32.427 ｎ8 =1.56 ｖ8 =67.8 ｒ16= -278.866 ｄ16= 110.103 ｒ17= 66.125 ｄ17= 55.723 ｎ9 =1.56 ｖ9 =67.8 ｒ18= 75.715（非球面） 非球面係数 第１面 ａ4 = 0.10995×10-7 ａ6 = -0.87952×10-12 ａ8 = -0.61759×10-16 ａ10= -0.29317×10-20 第３面 ａ4 = 0.38712×10-6 ａ6 = 0.32897×10-10 ａ8 = 0.77965×10-14 ａ10= 0.24614×10-17 第５面 ａ4 = 0.38411×10-8 ａ6 = -0.54083×10-12 ａ8 = 0.20590×10-16 ａ10= -0.20963×10-20 第８面 ａ4 = 0.23628×10-7 ａ6 = -0.30556×10-12 ａ8 = -0.15890×10-16 ａ10= -0.68784×10-20 第１１面 ａ4 = 0.18669×10-12 ａ6 = 0.71468×10-17 ａ8 = -0.10930×10-20 ａ10= 0.29630×10-24 第１５面 ａ4 = -0.22026×10-7 ａ6 = -0.63499×10-12 ａ8 = -0.11270×10-16 ａ10= 0.32465×10-21 第１８面 ａ4 = 0.87882×10-6 ａ6 = 0.16543×10-9 ａ8 = 0.85945×10-13 ａ10= -0.29573×10-16 ＷＤＯ＝117.371 ＷＤ ＝ 39.100 ｆ ＝ ∞ ＥＮＰ＝ ∞ ｄ／Ｄ＝ 0.050 ｈ／Ｈ＝ 0.035 ｜ｆdef ／ｆref ｜／Ｄ＝0.0017 ｜ｈdef −ｈref ｜／Ｈ’＝0.0270
。
【００６１】実施例４ ｒ1 = -451.787（非球面） ｄ1 = 29.268 ｎ1 =1.56 ｖ1 =67.8 ｒ2 = -95.373 ｄ2 = 98.552 ｒ3 = -72.784（非球面） ｄ3 = 5.000 ｎ2 =1.56 ｖ2 =67.8 ｒ4 = 96.857 ｄ4 = 105.916 ｒ5 = 872.263（非球面） ｄ5 = 13.387 ｎ3 =1.56 ｖ3 =67.8 ｒ6 = -153.964 ｄ6 = 258.764 ｒ7 = 140.484 ｄ7 = 5.000 ｎ4 =1.56 ｖ4 =67.8 ｒ8 = 120.230（非球面） ｄ8 = 171.249 ｒ9 = ∞ ｄ9 = 3.000 ｎ5 =1.56 ｖ5 =67.8 ｒ10= ∞ ｄ10= 0.000 ｒ11= 431766.784（非球面） ｄ11= 0.000 ｎ6 =1001 ｖ6 =-3.45 （回折光学素子） ｒ12= ∞ ｄ12= 47.410 ｒ13= -174.510 ｄ13= 5.000 ｎ7 =1.56 ｖ7 =67.8 ｒ14= -172.623 ｄ14= 2.449 ｒ15= 168.097（非球面） ｄ15= 32.344 ｎ8 =1.56 ｖ8 =67.8 ｒ16= -858.048 ｄ16= 62.950 ｒ17= 136.937 ｄ17= 70.000 ｎ9 =1.56 ｖ9 =67.8 ｒ18= 197.925（非球面） 非球面係数 第１面 ａ4 = -0.35676×10-7 ａ6 = -0.48365×10-11 ａ8 = 0.11268×10-14 ａ10= -0.39365×10-19 第３面 ａ4 = 0.61584×10-6 a6 = 0.82779×10-10 ａ8 = -0.58285×10-14 ａ10= 0.19177×10-17 第５面 ａ4 = -0.88847×10-8 ａ6 = -0.32501×10-12 ａ8 = 0.91594×10-16 ａ10= -0.44569×10-20 第８面 ａ4 = 0.32035×10-7 ａ6 = 0.16595×10-12 ａ8 = 0.26513×10-16 ａ10= 0.32600×10-20 第１１面 ａ4 = 0.44660×10-11 ａ6 = -0.19930×10-15 ａ8 = 0.21867×10-19 ａ10= -0.13646×10-24 第１５面 ａ4 = -0.21049×10-7 ａ6 = -0.89312×10-13 ａ8 = -0.47612×10-16 ａ10= -0.84793×10-21 第１８面 ａ4 = 0.85152×10-7 ａ6 = 0.24261×10-10 ａ8 = -0.13124×10-13 ａ10= -0.52618×10-17 ＷＤＯ＝ 50.000ＷＤ ＝ ３９．７１０ ｆ ＝ ∞ ＥＮＰ＝ ∞ ｄ／Ｄ＝ 0.013 ｈ／Ｈ＝ 0.087 ｜ｆdef ／ｆref ｜／Ｄ＝0.0066 ｜ｈdef −ｈref ｜／Ｈ’＝0.0337
。
【００６２】以上の各実施例では、光源を所定のスペク
トル半値幅を有する中心波長１９３．５ｎｍのスペクト
ル光源（ＡｒＦエキシマレーザ）を用いるものとして説
明したが、言うまでもなく、中心波長が約２４８ｎｍの
ＫｒＦエキシマレーザも適用可能である。ＫｒＦエキシ
マレーザの場合、本発明を用いなくとも、実用に供せら
れる投影レンズは実現できるが、本発明を用いることに
より、更なる高性能化あるいはレンズ枚数の削減が可能
となり、ひいては投影レンズの小型化、コスト低減に大
きな効果を発揮することができる。さらに、光源として
は、エキシマレーザだけではなく、発振波長１．０６μ
ｍのＹＡＧレーザの第４〜６高調波や低圧水銀ランプの
持つ中心波長約２５４ｎｍのスペクトルを用いることも
可能である。
【００６３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
３００ｎｍ以下に中心波長を有するスペクトル光源に対
して、レンズを単一硝材で構成した場合にも、色収差の
補正が可能であり、かつ、レンズ系の硝材総肉厚を薄く
して透過率を向上させることができる、高解像の縮小投
影レンズを提供することが可能になる。なお、この効果
は、投影レンズに回折光学素子と非球面屈折光学素子を
同時に用いることによって始めて可能になるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の縮小投影レンズの実施例１のレンズ断
面図である。
【図２】本発明の縮小投影レンズの実施例２のレンズ断
面図である。
【図３】本発明の縮小投影レンズの実施例３のレンズ断
面図である。
【図４】本発明の縮小投影レンズの実施例４のレンズ断
面図である。
【図５】実施例１の横収差図である。
【図６】実施例２の横収差図である。
【図７】実施例３の横収差図である。
【図８】実施例４の横収差図である。
【符号の説明】
Ｉ …第１レンズ群 II …第２レンズ群 III …第３レンズ群
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/027

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３００ｎｍ以下に中心波長を有するスペ
    クトル光源を対象とした屈折光学素子と回折光学素子を
    含む縮小投影レンズであって、屈折光学素子は少なくと
    も１面の非球面を含むことを特徴とする縮小投影レン
    ズ。
  2. 【請求項２】 対象となる光源がＡｒＦエキシマレーザ
    であることを特徴とする請求項１記載の縮小投影レン
    ズ。
  3. 【請求項３】 対象となる光源がＫｒＦエキシマレーザ
    であることを特徴とする請求項１記載の縮小投影レン
    ズ。
  4. 【請求項４】 屈折光学素子及び回折光学素子が全ての
    同一の硝材よりなることを特徴とする請求項１記載の縮
    小投影レンズ。
  5. 【請求項５】 対象となる光源の波長スペクトル半値幅
    が±０．５ｐｍ〜±２００ｐｍであることを特徴とする
    請求項１記載の縮小投影レンズ。
  6. 【請求項６】 レンズ系の瞳から回折光学素子までの距
    離をｄ、物像間距離をＤ、回折光学素子における最軸外
    主光線高をｈ、回折光学素子の有効半径をＨとしたと
    き、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１記
    載の縮小投影レンズ。 ０．０２＜｜ｄ／Ｄ｜＜０．１７ ・・・（３） ０．０１＜｜ｈ／Ｈ｜＜０．２５ ・・・（４）
JP5271675A 1993-10-29 1993-10-29 縮小投影レンズ Pending JPH07128590A (ja)

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