JPH0862502A

JPH0862502A - 反射屈折縮小投影光学系

Info

Publication number: JPH0862502A
Application number: JP6198350A
Authority: JP
Inventors: Tomotachi Takahashi; 友刀高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 1996-03-08
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: US5861997A; JP3635684B2

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の偏光ビームスプリッターより小型の光
束分離光学系を使用でき、凹面反射鏡から像面までの光
路を長く取れると共に、光学系の調整が容易な、結像性
能の優れた反射屈折投影光学系を提供する。【構成】物体面１からの光束が屈折レンズ群Ｇ₁を介
して第１中間像７を形成し、第１中間像７からの光束が
偏光ビームスプリッタ８を経て凹面反射鏡Ｍ₁で反射さ
れた後、偏光ビームスプリッタ８内に第２中間像１０を
形成し、第２中間像１０からの光束が、偏光ビームスプ
リッタ８で反射された後、屈折レンズ群Ｇ ₃を介して像
面５上に最終像を形成する。中間像７，１０の形成位置
の近傍に偏光ビームスプリッタ８が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は
液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際
に使用される一括露光型又は走査露光型の投影露光装置
における、縮小投影用の投影光学系に適用して好適な反
射屈折縮小投影光学系に関し、特に、光学系の要素とし
て反射系を用いることにより、紫外線波長域でサブミク
ロン単位の解像度を有する１／４倍〜１／５倍程度の反
射屈折縮小投影光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソグラフィ工程で製造する際に、レチクル（又はフォ
トマスク等）のパターン像を投影光学系を介して例えば
１／４〜１／５程度に縮小して、フォトレジスト等が塗
布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に露光する
投影露光装置が使用されている。投影露光装置として
は、従来は主にステッパーのような一括露光方式が使用
されていた。

【０００３】最近、半導体素子等の集積度が一層向上す
るにつれて、投影露光装置に使用されている投影光学系
に要求される解像力も益々高まっている。この要求に応
えるためには、露光用の照明光の波長（露光波長）を短
波長化するか、又は投影光学系の開口数ＮＡを大きくし
なければならない。しかしながら、露光波長が短くなる
と照明光の吸収のため実用に耐える光学ガラスが限られ
てくる。特に露光波長が３００ｎｍ以下となると実用上
使える硝材は合成石英と蛍石だけとなる。

【０００４】両者のアッベ数は色収差を補正するのに充
分なほど離れていないので、露光波長が３００ｎｍ以下
になった場合、屈折光学系だけで投影光学系を構成した
のでは色収差補正が極めて困難となる。また、蛍石は温
度変化による屈折率の変化、いわゆる温度特性が悪く、
またレンズ研磨の加工上多くの問題を持っているので、
多くの部分に使用することはできない。従って、要求さ
れる解像力を有する投影光学系を屈折系のみで構成する
ことには非常な困難が伴う。

【０００５】これに対して、反射系のみで投影光学系を
構成することも試みられているが、この場合、投影光学
系が大型化し、且つ反射面の非球面化が必要となる。と
ころが、大型の高精度の非球面を製作するのは極めて困
難である。そこで、反射系と使用される露光波長に耐え
る光学ガラスからなる屈折系とを組み合わせたいわゆる
反射屈折光学系で縮小投影光学系を構成する技術が種々
提案されている。その一例として、立方体状のプリズム
よりなるビームスプリッターを備え、軸上付近の光束を
使って一括してレチクルの像を投影する反射屈折投影光
学系を有する縮小投影露光装置が、例えば特開平２−６
６５１０号公報、特開平３−２８２５２７号公報、米国
特許（ＵＳＰ）−５０８９９１３号、又は特開平５−７
２４７８号公報に開示されている。

【０００６】図１１はそのような従来の反射屈折縮小投
影光学系を示し、この図１１において、物体面１のパタ
ーンが不図示の照明光学系からの照明光により照明され
ている。そして、物体面１のパターンからの光束が、焦
点距離ｆ₁の第１収斂群Ｇ₁を経て立方体状の偏光ビー
ムスプリッター（ＰＢＳ）２に入射し、偏光ビームスプ
リッター２のビームスプリッター面２ａで反射されたＳ
偏光成分が、１／４波長板３を介して円偏光として凹面
反射鏡Ｍ₂に入射する。この凹面反射鏡Ｍ₂により反射
された光束が、逆の円偏光として１／４波長板３に戻
り、１／４波長板３を透過してＰ偏光となった光束が、
偏光ビームスプリッター２を透過した後、焦点距離ｆ₃
の第３収斂群Ｇ₃を介して像面５上に物体面１上のパタ
ーンの像を結像する。この場合、偏光ビームスプリッタ
ー２、１／４波長板３、及び凹面反射鏡Ｍ₂が焦点距離
ｆ₂の第２収斂群Ｇ₂を構成している。また、凹面反射
鏡Ｍ ₂と像面５との間で光束の反射が繰り返されてフレ
アーが発生するのを防止するため、偏光ビームスプリッ
ター２及び１／４波長板３を用いて、不要な反射光の偏
光角の変動を利用してその不要な反射光を遮断してい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の反
射屈折投縮小影光学系は、偏光ビームスプリッター２を
使用することにより、凹面反射鏡Ｍ₂に入射する光束と
その凹面反射鏡Ｍ₂に反射される光束とを分離してい
た。しかしながら、従来は凹面反射鏡Ｍ₂で反射された
光束が直接像面５上に物体面１上のパターンの像を形成
していたため、凹面反射鏡Ｍ₂から偏光ビームスプリッ
ター２に向かう光束径が大きく、その偏光ビームスプリ
ッター２が大型であった。

【０００８】そのため、偏光ビームスプリッター２内の
ビームスプリッター面２ａにおける反射率分布の不均一
性、照明光の位相変化、又はビームスプリッター内での
照明光の吸収等により、結像特性が劣化するという不都
合があった。また、偏光ビームスプリッター２を構成す
る立方体状のプリズムが大型であるため、ビームスプリ
ッター用の硝材の製造やその光学特性の均一性の保持が
非常に困難なものであった。

【０００９】また、従来、焦点深度を深くして且つ解像
力を上げる一つの手法として、レチクルのパターン中の
所定部分の位相を他の部分からずらす位相シフト法が提
案されている（特公昭６２−５０８１１号公報参照）。
この位相シフト法の効果を更に上げるためには、照明光
学系の開口数と結像光学系の開口数との比であるコヒー
レンスファクタ（σ値）を可変にすることが望ましい。
このようにσ値を可変にするためには、照明光学系若し
くは投影光学系（又は両方）に可変開口絞りを設置する
必要があるが、従来の偏光ビームスプリッター２を用い
た反射屈折縮小投影光学系では、有効な絞り設置部分が
何処にもとれず、σ値の可変が困難であるか、又はその
可変範囲が狭いという不都合があった。

【００１０】更に、従来の反射屈折縮小投影光学系で
は、縮小倍率の関係から凹面反射鏡Ｍ ₂で反射された照
明光のウエハ（像面５）までの光路が長く取れないた
め、この光路中に配置される屈折レンズのレンズ枚数を
多くすることができず、十分な結像性能が得られにくい
という不都合があった。また、このため、ウエハ側の屈
折レンズ端面とウエハとの距離、即ち作動距離（ワーキ
ングディスタンス）が長く取れないという不都合があっ
た。

【００１１】また、従来の反射屈折縮小投影光学系にお
いては、光路の光軸を途中で必ず偏心させる必要があっ
た。しかしながら、このような偏心光学系の偏心部分の
調整作業は困難であり、なかなか高精度な光学系を実現
できなかった。また、最近、一括露光方式の投影露光装
置とは別に、レチクルとウエハとを投影光学系に対して
相対的に走査して露光を行うスリットスキャン方式、又
はステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光方式も
使用されている。しかしながら、従来の反射屈折縮小投
影光学系は、一括露光方式用に開発されたものであり、
必ずしも走査露光方式に適したものとは言えなかった。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑み、従来の偏光ビー
ムスプリッターより小型の光束分離光学系を使用でき、
凹面反射鏡から像面までの光路を長く取れると共に、光
学系の調整が容易な、結像性能の優れた反射屈折縮小投
影光学系を提供することを目的とする。また、本発明は
偏光ビームスプリッター等の光束分離光学系を小型化し
た上で、開口絞りが配置できる空間を有する反射屈折縮
小投影光学系を提供することを目的とする。

【００１３】更に、本発明は、小型の光束分離光学系を
使用した上で、走査露光方式の投影露光装置に適用でき
る反射屈折縮小投影光学系を提供することをも目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による反射屈折縮
小投影光学系は、例えば図１に示す如く、第１面（１）
のパターンの像を第２面（５）上に投影する光学系にお
いて、正屈折力を有し、その第１面上のパターンの縮小
像である第１中間像（７）を形成する第１結像光学系
（屈折レンズ群Ｇ₁)と、この第１結像光学系からの光束
の少なくとも一部を分離する光束分離手段（８）と、こ
の光束分離手段により分離される光束を反射する凹面反
射鏡（Ｍ₁)を含み、第１中間像（７）の像である第２中
間像（１０）を形成する正屈折力の第２結像光学系（反
射屈折レンズ群Ｇ₂)と、この第２結像光学系からの光束
のうちの光束分離手段（８）により分離される光束に基
づいて、第２中間像（１０）の像である第３中間像を第
２面（５）上に形成する第３結像光学系（屈折レンズ群
Ｇ₃)と、を有するものである。

【００１５】このとき、その光束分離手段が、プリズム
型ビームスプリッタ（８）である場合、第１中間像
（７）及び第２中間像（１０）の少なくとも一方がその
プリズム型ビームスプリッタの内部に形成されることが
望ましい。一方、その光束分離手段が、例えば図３に示
すように第１結像光学系（屈折レンズ群Ｇ₁)からの光束
の一部を反射する部分反射ミラー（１２）である場合、
第２中間像（７）は、その部分反射ミラーよりも凹面反
射鏡（Ｍ₁)側の光路中に形成されることが望ましい。

【００１６】また、第１結像光学系（屈折レンズ群
Ｇ₁)、第２結像光学系（反射屈折レンズ群Ｇ₂)、及び第
３結像光学系（屈折レンズ群Ｇ₃)のペッツバール和をそ
れぞれｐ ₁，ｐ₂，及びｐ₃としたとき、次の各条件が
成立することが望ましい。ｐ₁＋ｐ₃＞０（１）ｐ₂＜０（２）｜ｐ₁＋ｐ₂＋ｐ₃｜＜０．１（３）更に、その第１面からその第１中間像への倍率をβ₁、
その第１中間像からその第２中間像への倍率をβ₂、及
びその第２中間像からその第３中間像への倍率をβ₃と
したとき、次の各条件が満足されることが望ましい。

【００１７】０．１≦｜β₁｜≦１（４）０．５≦｜β₂｜≦２（５）０．２５≦｜β₃｜≦１．５（６）｜β₁・β₂・β₃｜＜１（７）

【００１８】

【作用】斯かる本発明の反射屈折縮小投影光学系におい
て、図１に示すように光束分離手段としてプリズム型ビ
ームスプリッタ（８）を使用する場合には、走査露光方
式にも適用できるが一括露光方式に好適である。この場
合、第２結像光学系（反射屈折レンズ群Ｇ₂)に入射する
光束とそれから反射される光束とをプリズム型ビームス
プリッタ（８）により分離して後続の光学系に導くと共
に、一旦第１中間像（７）として結像した後に更に第２
中間像（１０）として再結像される位置の近傍、即ち光
束が集中して絞り込まれている部分にプリズム型ビーム
スプリッタ（８）が配置されているため、そのプリズム
型ビームスプリッタ（８）が小型化できる。また、軸外
光束を用いて輪帯部のみを露光するいわゆるリング視野
光学系とは異なり、一括露光方式を取ることができる。

【００１９】更に、その第２中間像（１０）からの光束
を用いて第３結像光学系（屈折レンズ群Ｇ₃)により第２
面（５）上に再結像する構成であるため、第２面上に配
置される例えばウエハから第３結像光学系（Ｇ₃)のレン
ズ端面までの長さである作動距離（ワーキングディスタ
ンス）を長く取れる。また、第３結像光学系（Ｇ₃)中に
容易に開口絞り（１１）を配置できるため、照明光学系
の開口数と投影光学系の開口数との比の値であるコヒー
レンスファクタ（σ値）を広い範囲で制御でき、これに
より結像特性を制御できる。

【００２０】また、原理的に第３結像光学系（Ｇ₃)はレ
ンズ枚数をいくらでも増やすことができるため、投影光
学系としての開口数ＮＡの値を大きくすることができ
る。即ち、明るい光学系を得ることができる。更に、通
常の反射光学系では、光学系中のどこかで必ず光路を折
り曲げる必要があり、その折り曲げ部での光軸の偏心精
度は厳しく製造上で大きな問題となっている。しかしな
がら、本発明では、例えばプリズム型ビームスプリッタ
（８）で第２結像光学系（Ｇ₂)からの光束を折り曲げる
とすると、第１結像光学系（Ｇ ₁)と第２結像光学系（Ｇ
₂)とよりなる光学系の偏心と、第３結像光学系（Ｇ₃)の
偏心とをそれぞれ独立に調整し、しかる後に２つの光学
系を直角に結合する構造が採用できるため、原理的に偏
心等の調整が容易になっている。

【００２１】これに関して、本発明では偏心感度の比較
的低い第１中間像（７）又は第２中間像（１０）の近傍
にプリズム型ビームスプリッタ（８）が配置されている
ため、光路を折り曲げる際に偏心が生じても、この偏心
の光学性能に与える影響が小さくなっている。更に、図
１に示すように、第２面（５）上の例えばウエハを水平
に配置しても、第１面（１）上の例えばレチクル、及び
第１結像光学系（Ｇ₁)は横向きに配置できるため、従来
の屈折系よりなる投影光学系に比べて投影光学系全体の
高さ、いわゆる縦の長さを低くできる。逆に縦の長さに
余裕があるため、光学系の構成に余裕がある。

【００２２】なお、プリズム型ビームスプリッタ（８）
での光量損失を減少させるためには、例えば図１に示す
ように、プリズム型ビームスプリッタ（８）を偏光ビー
ムスプリッタとして、この偏光ビームスプリッタと凹面
反射鏡（Ｍ₁)との間に１／４波長板９を配置することが
望ましい。これにより、凹面反射鏡（Ｍ₁)からの反射光
はほぼ全てが偏光ビームスプリッタにより第３結像光学
系（Ｇ₃)に導かれる。

【００２３】次に、図３（ａ）に示すように光束分離手
段として部分ミラー（１２）を使用する場合にも基本的
な作用はプリズム型ビームスプリッタ（８）を使用する
場合とほぼ同様である。更に、部分ミラー（１２）を使
用する場合には、結像光束をほぼ１００％使用できるた
め、フレアーの発生が抑制される。但し、部分ミラー
（１２）を使用する場合には、主に光軸から外れた軸外
光を使用するため、図３（ｃ）に示すように、第２面
（５）において光軸から外れたスリット状の領域（２
４）が露光領域となる。従って、部分ミラー（１２）を
使用した場合には、第１面（１）上のレチクル２１の全
面のパターンを第２面（５）上のウエハ２３上に露光す
るには、レチクル２１とウエハ２３とを投影倍率に応じ
た速度で走査する、走査露光方式で露光を行う必要があ
る。

【００２４】更に、部分ミラー（１２）を使用した場合
には、図４に示すように軸外の輪帯部分からの光束を使
用することも可能であり、この場合には、像面の一部の
光学性能のみを考慮すればよいため、より光学性能を向
上できる。なお、レチクル２１とウエハ２３とを走査す
る方式で、レチクル２１をも水平面に配置したい場合に
は、第１結像光学系（Ｇ₁)内にミラー等を配置して、光
路を折り曲げるようにすればよい。

【００２５】また、例えば図３の部分ミラー（１２）に
おいて、僅かの画角を持たせるだけで光路を分離でき
る。即ち、光路分離のために大きな画角を必要としない
ために、結像性能にも余裕を持つことができる。これに
関して、例えば図１１の従来の反射屈折投影光学系で
は、光路分離のために最大で約２０°以上の画角が必要
であるが、本発明の部分ミラー（１２）に入射する光束
の画角は約１０°程度になっており、収差補正上無理を
する必要がない。

【００２６】また、走査露光方式用の投影光学系として
所謂リング視野光学系が知られているが、このリング視
野光学系では、軸外の輪帯部のみが照明するように構成
されている。しかしながら、リング視野光学系では、軸
外光束を用いることにより、開口数を大きくすることが
困難であり、また光学部材が光軸に関して非対称の構成
となるため、光学部材の加工、検査、調整が困難で、精
度出しや精度の維持が難しいという不都合がある。これ
に対して、本発明の場合は画角を大きく取らないので、
光束のケラレが少ない構造になっている。

【００２７】次に、本発明において、光学系の性能を更
に向上させるためには、先ず光学系全体のペッツバール
和を０付近にしなければならない。このため、条件式
（１）〜（３）を満たすことが望ましい。条件式（１）
〜（３）を満足することにより、光学性能中の像面の曲
がりが抑制され、像面の平坦性が良好になっている。ま
た、条件式（３）の上限を外れると（ｐ₁＋ｐ₂＋ｐ₃
≧０．１）、像面は物体面（１）側に凹に湾曲し、条件
式（３）の下限を越えると（ｐ₁＋ｐ₂＋ｐ₃≦−０．
１）、像面は物体面（１）側に凸に湾曲し結像性能が著
しく劣化する。

【００２８】但し、図４に示すように、軸外の一部の結
像光束を使用する場合、即ちリング視野照明の場合に
は、条件式（１）〜（３）のペッツバールの条件は必ず
しも必要ではない。即ち、像面が湾曲していても、像高
の一部の光学性能が良好であれば問題ないからである。
次に、第１次結像の倍率β₁、第２次結像の倍率β₂、
第３次結像の倍率β₃、全体の結像の倍率βについて条
件式（４）〜（７）を満足することにより、無理なく光
学系を構成することができる。条件式（４）〜（６）の
下限をそれぞれ外れると、縮小倍率がかかり過ぎて、広
範囲の露光が困難となる。また、上限を外れると拡大倍
率の方になり過ぎ、投影露光装置に適用した場合には本
来の縮小投影という使用目的に反することになる。

【００２９】このとき、条件式（４）が満たされている
ため、全体の光学系の縮小倍率のほとんどを第１結像光
学系（Ｇ₁)でかせぐことができる。この場合には、特に
プリズム型ビームスプリッタ（８）又は部分ミラー（１
２）を小型化できる。また、本発明を露光装置に適用す
る場合には、ウエハ等が位置する像面の光軸方向の変動
に対して倍率の変化がないようにするために、少なくと
も像面側でテレセントリックであることが望ましい。

【００３０】

【実施例】以下、本発明による反射屈折縮小投影光学系
の種々の実施例につき図面を参照して説明する。本例
は、レチクルのパターンの像をフォトレジストが塗布さ
れたウエハ上に所定倍率で投影する一括露光型、又は走
査露光型の投影露光装置の縮小投影光学系に本発明を適
用したものである。

【００３１】以下の実施例のレンズ配置では、例えば図
５に示すように、凹面反射鏡Ｍ₁の反射面（ｒ₃₀）及び
ミラー面では、それぞれ平面の仮想面（例えばｒ₂₉）が
使用される。そして、レンズの形状及び間隔を表すため
に、レチクル２１のパターン面を第０面として、レチク
ル２１から射出された光がウエハ２３に達するまでに通
過する面を順次第ｉ面（ｉ＝１，２，‥‥）として、第
ｉ面の曲率半径ｒ_i の符号は、レチクル２１からの光束
に対して凸の場合を正にとる。また、第ｉ面と第（ｉ＋
１）面との面間隔をｄ_i とする。また、硝材として、Ｓ
ｉＯ₂ は溶融石英を表す。溶融石英の使用基準波長（１
９３ｎｍ）に対する屈折率は次のとおりである。溶融石英の屈折率：１．５６１０

【００３２】［第１実施例］この第１実施例は倍率が１
／４倍で、一括露光方式の投影露光装置（ステッパー
等）に好適な投影光学系である。図１は第１実施例の全
体の構成を示し、この図１において、物体面１上に転写
用のパターンが描画されたレチクル２１（図５参照）が
載置され、像面５上にフォトレジストが塗布されたウエ
ハ２３（図５参照）が載置される。そして、不図示の照
明光学系からの露光用の照明光により物体面１上のレチ
クルが照明され、レチクルを通過した光束は、焦点距離
ｆ₁の収斂群である屈折レンズ群Ｇ₁を介して第１中間
像７を形成し、第１中間像７からの光束は偏光ビームス
プリッタ（ＰＢＳ）８に入射する。偏光ビームスプリッ
タ８の偏光反射面８ａを透過したＰ偏光の光束は、１／
４波長板９を経て凹面反射鏡Ｍ₁を含む焦点距離ｆ₂の
反射屈折レンズ群Ｇ₂で反射された後、再び１／４波長
板９を経てＳ偏光の光束として偏光ビームスプリッタ８
に戻り、偏光ビームスプリッタ８内に第２中間像１０を
形成する。なお、反射屈折レンズ群Ｇ₂は、実際には図
５に示すように屈折レンズを含んでいる。

【００３３】第２中間像１０からのＳ偏光の光束は、ほ
ぼ全部が偏光反射面８ａで反射された後、焦点距離ｆ₃
の収斂群である屈折レンズ群Ｇ₃を介して像面５上のウ
エハ上にレチクルパターンの縮小像を形成する。また、
屈折レンズ群Ｇ₁の光軸ＡＸ ₁に沿って屈折レンズ群Ｇ
₁の瞳面付近に開口絞り６が配置され、屈折レンズ群Ｇ
₃の光軸ＡＸ₂に沿って屈折レンズ群Ｇ₃の瞳面付近に
開口絞り１１が配置されている。

【００３４】本実施例では、偏光反射面８ａから凹面反
射鏡Ｍ₁側に第２中間像１０が形成されているため、特
に偏光ビームスプリッタ８を小型化できる。次に、第１
実施例の具体的なレンズ配置は図５のようになってい
る。但し、図５においては、図１における１／４波長板
９は省略されている。図５に示すように、屈折レンズ群
Ｇ₁はレチクル２１側から順に、レチクル２１に凸面を
向けた負メニスカスレンズＬ₁₁、レチクル２１に凹面を
向けた負メニスカスレンズＬ₁₂、両凸レンズ（以下、単
に「凸レンズ」という）Ｌ₁₃、凸レンズＬ₁₄、レチクル
２１に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₅、レチクル
２１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₆、凸レンズ
Ｌ₁₇、凸レンズＬ₁₈、凸レンズＬ₁₉、両凹レンズ（以
下、単に「凹レンズ」という）レンズＬ_1A、凸レンズＬ
_1B、及び凸レンズＬ_1Cより構成され、反射屈折レンズ群
Ｇ₂は、レチクル２１に凹面を向けた負メニスカスレン
ズＬ₂₀及び凹面反射鏡Ｍ₁よりなる。

【００３５】更に、屈折レンズ群Ｇ₃は、凸レンズ
Ｌ₃₁、レチクル２１（偏光ビームスプリッタ８）に凸面
を向けた正メニスカスレンズＬ₃₂、レチクル２１に凸面
を向けた負メニスカスレンズＬ₃₃、凸レンズＬ₃₄、凸レ
ンズＬ₃₅、凸レンズＬ₃₆、レチクル２１に凹面を向けた
負メニスカスレンズレンズＬ₃₇、レチクル２１に凹面を
向けた負メニスカスレンズＬ₃₈、レチクル２１に凹面を
向けた正メニスカスレンズＬ₃₉、レチクル２１に凹面を
向けた負メニスカスレンズＬ_3A、凸レンズＬ_3B、レチク
ル２１に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ_3C、レチク
ル２１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ_3D、及びレ
チクル２１に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ_3Eより
構成されている。そして、屈折レンズ群Ｇ₁内のフーリ
エ変換面、即ち凸レンズＬ₁₇と凸レンズＬ₁₈との間に開
口絞り６が配置され、屈折レンズ群Ｇ ₃内のフーリエ変
換面の近傍、即ち負メニスカスレンズレンズＬ₃₇のレチ
クル側の面の近傍に開口絞り１１が配置されている。

【００３６】全系の縮小倍率は１／４倍であり、ウエハ
２３側（像側）の開口数ＮＡは０．５、物体高は６０ｍ
ｍである。屈折レンズは全て溶融石英よりなる一種類の
光学ガラスを使っているが、紫外線エキシマレーザー光
の１９３ｎｍの波長における、１ｎｍの波長幅に対し
て、軸上及び倍率の色収差が補正されている。また、球
面収差、コマ収差、非点収差、及び歪曲収差もそれぞれ
無収差に近い状態まで良好に補正された優れた結像性能
の光学系である。

【００３７】図５の第１実施例における曲率半径ｒ_i、
面間隔ｄ_i及び硝材を次の表１に示す。以下の表におい
て、第２９面、及び第３４面はそれぞれ凹面反射鏡Ｍ₁
及び偏光ビームスプリッタ８の偏光反射面を示す仮想面
である。

【００３８】

【表１】

【００３９】また、図６（ａ）〜（ｃ）は第１実施例の
縦収差図、図６（ｄ）は第１実施例の倍率色収差図、図
６（ｅ）は第１実施例の横収差図を示す。これらの収差
図において、符号Ｊ、Ｐ及びＱはそれぞれ使用基準波長
（１９３ｎｍ）、１９２．５ｎｍ、及び１９３．５ｎｍ
での特性を示す。更に、本実施例の投影光学系の高さは
ほぼ屈折レンズ群Ｇ₃によって決まるが、屈折レンズ群
Ｇ₃の高さはせいぜい６００ｍｍ程度であり、従来の屈
折系よりなる投影光学系の高さの約１／２程度である。

【００４０】なお、本実施例では図１に示すように、屈
折レンズ群Ｇ₁からの光束の内の偏光ビームスプリッタ
８を透過した光束を反射屈折レンズ群Ｇ₂に導いている
が、図２に示すように、屈折レンズ群Ｇ₁からの光束の
内の偏光ビームスプリッタ８で反射された光束を１／４
波長板９を介して反射屈折レンズ群Ｇ₂に導いてもよ
い。この場合は、反射屈折レンズ群Ｇ₂内の凹面反射鏡
Ｍ₂で反射された光束が、１／４波長板９を介してＰ偏
光として偏光ビームスプリッタ８内に第２中間像１０を
形成し、第２中間像１０からの光束のほぼ全部が偏光反
射面８ａを透過した後、屈折レンズ群Ｇ₃を介してウエ
ハ上にレチクルパターン像を形成する。

【００４１】［第２実施例］この第２実施例は倍率が１
／４倍の、走査露光方式の投影露光装置に好適な投影光
学系である。図３（ａ）は第２実施例の全体の構成を示
し、この図３（ａ）において、物体面１上にレチクル２
１が載置され、像面５上にウエハ２３が載置される。図
３（ｂ）は、図３（ａ）においてレチクル２１を屈折レ
ンズ群Ｇ₁の方向に見た側面図であり、レチクル２１上
で投影光学系の光軸から僅かに外れたスリット状の照明
領域２２が不図示の照明光学系からの照明光により照明
されている。

【００４２】その照明領域２２を通過した光束は、図３
（ａ）において、屈折レンズ群Ｇ₁を介して第１中間像
７を形成し、第１中間像７からの光束は光軸ＡＸ₁の下
半分を覆うように光軸ＡＸ₁にほぼ４５°で設置された
ミラー（以下、「部分ミラー」という）１２の側面を通
過して凹面反射鏡Ｍ₁を含む反射屈折レンズ群Ｇ₂で反
射された後、部分ミラー１２の手前で第２中間像１０を
形成する。なお、反射屈折レンズ群Ｇ₂は、実際には図
７に示すように屈折レンズを含んでいる。

【００４３】第２中間像１０からの光束は、部分ミラー
１２で反射された後、屈折レンズ群Ｇ₃を介して像面５
上のウエハ２３上にレチクルパターンの縮小像を形成す
る。また、屈折レンズ群Ｇ₁の瞳面付近に開口絞り６が
配置され、屈折レンズ群Ｇ₃の瞳面付近に開口絞り１１
が配置されている。図３（ｃ）は、図３（ａ）における
ウエハ２３の平面図であり、図３（ｃ）に示すように、
ウエハ２３上で光軸ＡＸ₂から僅かに外れたスリット状
の露光領域２４にレチクルパターンの縮小像が投影され
ている。従って、レチクル２１の全面のパターンをウエ
ハ２３上に露光するためには、全系の倍率をβとして、
図３（ａ）において、レチクル２１を下方向（又は上方
向）に速度Ｖ_Rで走査するのと同期して、ウエハ２３を
右方向（又は左方向）に速度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査すれ
ばよい。

【００４４】本実施例では、部分ミラー１２から凹面反
射鏡Ｍ₁側に第２中間像１０が形成されているため、特
に投影光学系の縦方向の幅を小さくできる。次に、第２
実施例の具体的なレンズ配置は図７のようになってい
る。図７に示すように、屈折レンズ群Ｇ₁はレチクル２
１側から順に、レチクル２１に凸面を向けた正メニスカ
スレンズＬ₁₁、レチクル２１に凸面を向けた負メニスカ
スレンズＬ₁₂、レチクル２１に凹面を向けた負メニスカ
スレンズＬ₁₃、レチクル２１に凹面を向けた正メニスカ
スレンズＬ₁₄、凸レンズＬ₁₅、レチクル２１に凹面を向
けた正メニスカスレンズＬ₁₆、レチクル２１に凸面を向
けた負メニスカスレンズＬ₁₇、レチクル２１に凹面を向
けた負メニスカスレンズＬ₁₈、凸レンズＬ₁₉、レチクル
２１に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ_1A、レチクル
２１に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ_1B、凸レンズ
Ｌ_1C、レチクル２１に凹面を向けた負メニスカスレンズ
Ｌ_1D、レチクル２１に凹面を向けた正メニスカスレンズ
Ｌ_1E、及びレチクル２１に凸面を向けた正メニスカスレ
ンズＬ_1Fより構成され、反射屈折レンズ群Ｇ₂は、レチ
クル２１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ₂₀及び凹
面反射鏡Ｍ₁よりなる。

【００４５】更に、屈折レンズ群Ｇ₃は、凸レンズ
Ｌ₃₁、凸レンズＬ₃₂、レチクル２１（部分ミラー１２）
に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₃₃、レチクル２１
に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ₃₄、凸レンズ
Ｌ₃₅、レチクル２１に凸面を向けた正メニスカスレンズ
Ｌ₃₆、レチクル２１に凹面を向けた負メニスカスレンズ
レンズＬ₃₇、レチクル２１に凹面を向けた正メニスカス
レンズＬ₃₈、レチクル２１に凹面を向けた負メニスカス
レンズＬ₃₉、凸レンズＬ_3A、レチクル２１に凸面を向け
た負メニスカスレンズＬ_3B、レチクル２１に凸面を向け
た正メニスカスレンズＬ _3C、及びレチクル２１に凸面を
向けた負メニスカスレンズＬ_3Dより構成されている。そ
して、屈折レンズ群Ｇ₁内のフーリエ変換面の近傍、即
ち正メニスカスレンズＬ_1Bに対してレチクル２１側の近
傍の面に開口絞り６が配置され、屈折レンズ群Ｇ₃内の
フーリエ変換面の近傍、即ち正メニスカスレンズレンズ
Ｌ₃₈のレチクル側の面の近傍に開口絞り１１が配置され
ている。

【００４６】全系の縮小倍率は１／４倍であり、ウエハ
２３側（像側）の開口数ＮＡは０．４５、物体高は６０
ｍｍである。屈折レンズは全て溶融石英よりなる一種類
の光学ガラスを使っているが、紫外線エキシマレーザー
光の１９３ｎｍの波長における、１ｎｍの波長幅に対し
て、軸上及び倍率の色収差が補正されている。また、球
面収差、コマ収差、非点収差、及び歪曲収差もそれぞれ
良好に補正された優れた結像性能の光学系である。

【００４７】図７の第２実施例における曲率半径ｒ_i、
面間隔ｄ_i及び硝材を次の表２に示す。以下の表におい
て、第３４面は凹面反射鏡Ｍ₁の反射面を示す仮想面で
ある。

【００４８】

【表２】

【００４９】また、図８（ａ）〜（ｃ）は第２実施例の
縦収差図、図８（ｄ）は第２実施例の倍率色収差図、図
８（ｅ）は第２実施例の横収差図を示す。なお、この第
２実施例は走査型露光装置用として示してあるが、一括
露光方式の投影露光装置にも適用できる。

【００５０】［第３実施例］この第３実施例は倍率が１
／４倍の、走査露光方式の投影露光装置に好適な投影光
学系である。この第３実施例は、第２実施例と同様に部
分ミラーを使用する例であるが、第２実施例よりも更に
軸外の光束を使用している。図４（ａ）は第３実施例の
全体の構成を示し、図３（ａ）に対応する部分に同一符
号を付して示す図４（ａ）において、物体面１上にレチ
クル２１が載置され、像面５上にウエハ２３が載置され
る。この場合、レチクル２１を屈折レンズ群Ｇ₁の方向
に見た側面図である図４（ｂ）に示すように、レチクル
２１上で投影光学系の光軸から大きく外れた円弧状の照
明領域２２Ａが照明されている。

【００５１】その照明領域２２Ａを通過した光束は、図
４（ａ）において、屈折レンズ群Ｇ ₁、凹面反射鏡Ｍ₁
を含む反射屈折レンズ群Ｇ₂、部分ミラー１２、及び屈
折レンズ群Ｇ₃を介してウエハ２３上の円弧状の露光領
域２４Ａ（図４（ｃ）参照）にレチクルパターンの縮小
像を形成する。この場合、レチクル２１の全面のパター
ンをウエハ２３上に露光するためには、図４（ａ）にお
いて、レチクル２１を下方向（又は上方向）に走査する
のと同期して、ウエハ２３を右方向（又は左方向）に走
査すればよい。

【００５２】但し、本実施例では、部分ミラー１２から
屈折レンズ群Ｇ₃側に第２中間像１０が形成されてい
る。次に、第３実施例の具体的なレンズ配置は図９のよ
うになっている。図９に示すように、屈折レンズ群Ｇ₁
はレチクル２１側から順に、レチクル２１に凸面を向け
た正メニスカスレンズＬ₁₁、レチクル２１に凸面を向け
た負メニスカスレンズＬ₁₂、レチクル２１に凹面を向け
た負メニスカスレンズＬ₁₃、レチクル２１に凹面を向け
た正メニスカスレンズＬ₁₄、凸レンズＬ₁₅、レチクル２
１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₆、レチクル２
１に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₇、レチクル２
１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₈、凸レンズＬ
₁₉、レチクル２１に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ
_1A、レチクル２１に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ
_1B、凸レンズＬ_1C、レチクル２１に凹面を向けた負メニ
スカスレンズＬ_1D、レチクル２１に凹面を向けた負メニ
スカスレンズＬ_1E、及びレチクル２１に凸面を向けた正
メニスカスレンズＬ_1Fより構成され、反射屈折レンズ群
Ｇ₂は、レチクル２１に凹面を向けた負メニスカスレン
ズＬ₂₀及び凹面反射鏡Ｍ₁よりなる。

【００５３】更に、屈折レンズ群Ｇ₃は、レチクル２１
（部分ミラー１２）に凹面を向けた正メニスカスレンズ
Ｌ₃₁、凸レンズＬ₃₂、凹レンズＬ₃₃、レチクル２１に凹
面を向けた正メニスカスレンズＬ₃₄、凸レンズＬ₃₅、レ
チクル２１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₃₆、レ
チクル２１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ₃₇、レ
チクル２１に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ₃₈、レ
チクル２１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ₃₉、レ
チクル２１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ_3A、凸
レンズＬ_3B、レチクル２１に凸面を向けた正メニスカス
レンズＬ_3C、及びレチクル２１に凸面を向けた負メニス
カスレンズＬ_3Dより構成されている。そして、屈折レン
ズ群Ｇ₁内のフーリエ変換面の近傍、即ち正メニスカス
レンズＬ _1Bと凸レンズＬ_1Cとの間に開口絞り６が配置さ
れ、屈折レンズ群Ｇ₃内のフーリエ変換面の近傍、即ち
負メニスカスレンズＬ₃₇のレンズ枠が開口絞りとなって
いる。

【００５４】全系の縮小倍率は１／４倍であり、ウエハ
２３側（像側）の開口数ＮＡは０．５、物体高は６０ｍ
ｍである。また、図４（ｃ）に示すウエハ上のスリット
状の露光領域２４Ａの走査方向の幅は４ｍｍである。屈
折レンズは全て溶融石英よりなる一種類の光学ガラスを
使っているが、紫外線エキシマレーザー光の１９３ｎｍ
の波長における、１ｎｍの波長幅に対して、軸上及び倍
率の色収差が補正されている。また、球面収差、コマ収
差、非点収差、及び歪曲収差もそれぞれ良好に補正され
た優れた結像性能の光学系である。

【００５５】図９の第３実施例における曲率半径ｒ_i、
面間隔ｄ_i及び硝材を次の表３に示す。以下の表におい
て、第３４面は凹面反射鏡Ｍ₁の反射面を示す仮想面で
ある。

【００５６】

【表３】

【００５７】また、図１０（ｂ），（ｃ）は第３実施例
の縦収差図、図１０（ｄ）は第３実施例の倍率色収差
図、図１０（ｅ）は第３実施例の横収差図を示す。次
に、本発明では条件式（１）〜（６）を満足することが
望ましいとされているが、以下に、上述の各実施例とそ
れらの条件式との対応につき説明する。先ず、上述の各
実施例における凹面反射鏡Ｍ₁の曲率半径ｒ、各レンズ
群Ｇ_i(ｉ＝１〜３）の焦点距離ｆ_i、ペッツバール和ｐ
_i、見かけの屈折率ｎ_i、結像倍率β _i、屈折レンズ群
Ｇ₁と反射屈折レンズ群Ｇ₂との合成系の倍率β_ij、及
び屈折レンズ群Ｇ₃の倍率β₃は表４〜表６のようにな
っている。但し、全系をＧ_Tで表し、全系Ｇ_Tに対応す
るペッツバール和ｐ_i及び結像倍率β_iの欄にはそれぞ
れ全系のペッツバール和ｐ及び結像倍率βを示してい
る。

【００５８】

【表４】

【００５９】

【表５】

【００６０】

【表６】

【００６１】更に、表４〜表６に基づいて、各実施例に
おいて、（ｐ₁＋ｐ₃）、ｐ₂、｜ｐ₁＋ｐ₂＋ｐ
₃｜、｜β₁｜、｜β₂｜、及び｜β₃｜の値を求める
と次の表７のようになる。

【００６２】

【表７】

【００６３】この表より、上述の各実施例では何れも条
件式（１）〜（６）の条件が満足されていることが分か
る。なお、上述実施例においては、部分ミラーとして、
光軸に対して半面側を覆う小型のミラーが使用されてい
るが、部分ミラーとして、大型のガラス板で且つ光軸に
対して半面側にのみ反射膜が形成された部分反射ミラー
を使用してもよい。その他に、プリズム型のビームスプ
リッタで、反射面としての接合面の例えば下半分にのみ
反射膜を形成したものを部分ミラーとして使用してもよ
い。

【００６４】また、上述の各実施例においては、屈折光
学系を構成する硝材として石英が使用されているが、蛍
石等の光学ガラスを使用してもよい。このように、本発
明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々の構成を取り得る。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、第１面（物体面）と凹
面反射鏡との間で第１次結像を行い、凹面反射鏡と第２
面（像面）との間で第２次結像を行っているため、凹面
反射鏡に入射する光束とそれから反射される光束とを分
離するための光束分離手段を小型化できる利点がある。
また、その第２次結像による像を第３結像光学系を介し
て第２面にリレーしているため、凹面反射鏡から像面ま
での光路を十分長く取れ、作動距離も長くできる利点が
ある。また、第１結像光学系による結像倍率を所定範囲
で自由に選ぶことができるので、優れた光学性能状態を
実現できる。

【００６６】更に、例えば第１結像光学系若しくは第３
結像光学系（又は両方）内に開口絞りを配置できるた
め、コヒーレンスファクタ（σ値）を自在に制御できる
利点がある。また、従来の反射屈折光学系においては、
光軸が偏心するために調整作業が困難で、なかなか設計
通りの結像性能を実現することができなかった。しかし
ながら、本発明による反射屈折縮小投影光学系では、第
１中間像又は第２中間像付近で光路を折り曲げる構成で
あるため、偏心誤差の結像特性に対する悪影響が少ない
優れた利点がある。更に、例えば第２中間像付近で光路
を折り曲げる場合には、第１結像光学系と第２結像光学
系とが一体となっており、それと第３結像光学系とが互
いに独立に調整でき、その後で２つの光学系を光軸をほ
ぼ垂直にして配置すればよいため、偏心等の調整がし易
くなっている。

【００６７】次に、光束分離手段としてプリズム型ビー
ムスプリッタを使用する場合には、小型のプリズム型ビ
ームスプリッタが使用できるため、ビームスプリッター
の半透過面における特性の不均一性に起因する結像特性
の悪化を小さくできると共に、軸外光束を用いて輪帯部
のみを投影するリング視野光学系とは異なり、高い開口
数で一括露光方式を取ることができる利点がある。

【００６８】一方、光束分離手段として部分ミラーを使
用した場合には、入射する光束をほぼ１００％利用でき
るため、フレア等の問題がなくなる。但し、主に軸外光
束が使用されて、良像範囲が矩形、又は円弧状等の領域
になるため、露光装置に適用した場合には、走査露光方
式に好適である。次に、条件式（１）〜（３）を満足す
るようにした場合には、容易に光学系全体のペッツバー
ル和がほぼ０となり、投影像面がほぼ平坦になる。更
に、条件式（４）〜（６）を満足することにより、倍率
配分に無理がなくなり、容易に光学系を構成できるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による反射屈折縮小投影光学系の第１実
施例の概略構成を示す光路図である。

【図２】第１実施例の変形例を示す光路図である。

【図３】本発明の第２実施例の概略構成、及び露光視野
等を示す図である。

【図４】本発明の第３実施例の概略構成、及び露光視野
等を示す図である。

【図５】本発明の第１実施例の投影光学系を示す光路図
である。

【図６】第１実施例の収差図である。

【図７】第２実施例の投影光学系を示す光路図である。

【図８】第２実施例の収差図である。

【図９】第３実施例の投影光学系を示す光路図である。

【図１０】第３実施例の収差図である。

【図１１】従来の反射屈折投影光学系を示す光路図であ
る。

【符号の説明】

１物体面５像面６，１１開口絞り７第１中間像８偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）９１／４波長板１０第２中間像１２部分ミラー２１レチクル２３ウエハＧ₁ 屈折レンズ群Ｇ₂ 反射屈折レンズ群Ｇ₃ 屈折レンズ群Ｍ₁,Ｍ₂ 凹面反射鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上のパターンの縮小像を第２面上
に形成する光学系において、正屈折力を有し、前記第１面上のパターンの縮小像であ
る第１中間像を形成する第１結像光学系と；該第１結像
光学系からの光束の少なくとも一部を分離する光束分離
手段と；該光束分離手段により分離される光束を反射す
る凹面反射鏡を含み、前記第１中間像の像である第２中
間像を形成する正屈折力の第２結像光学系と；該第２結
像光学系からの光束のうちの前記光束分離手段により分
離される光束に基づいて、前記第２中間像の像である第
３中間像を前記第２面上に形成する第３結像光学系と；
を有することを特徴とする反射屈折縮小投影光学系。
【請求項２】前記光束分離手段は、プリズム型ビーム
スプリッタであり、前記第１中間像及び第２中間像の少
なくとも一方が前記プリズム型ビームスプリッタの内部
に形成されることを特徴とする請求項１記載の反射屈折
縮小投影光学系。
【請求項３】前記光束分離手段は、部分的に光束を反
射する部分反射ミラーであり、前記第２中間像は、前記
部分反射ミラーよりも前記凹面反射鏡側の光路中に形成
されることを特徴とする請求項１記載の反射屈折縮小投
影光学系。
【請求項４】前記第１結像光学系、第２結像光学系、
及び第３結像光学系のペッツバール和をそれぞれｐ₁，
ｐ₂，及びｐ₃としたとき、ｐ₁＋ｐ₃＞０、ｐ₂＜０、及び｜ｐ₁＋ｐ₂＋ｐ₃｜
＜０．１の各条件が成立すると共に、前記第１面から前記第１中
間像への倍率をβ₁、前記第１中間像から前記第２中間
像への倍率をβ₂、及び前記第２中間像から前記第３中
間像への倍率をβ₃としたとき、０．１≦｜β₁｜≦１、０．５≦｜β₂｜≦２、０．２５≦｜β₃｜≦１．５、及び｜β₁・β₂・β₃｜＜１の各条件を満足することを特徴とする請求項１、２又は
３記載の反射屈折縮小投影光学系。