JPH09311278A

JPH09311278A - 反射屈折光学系

Info

Publication number: JPH09311278A
Application number: JP8149903A
Authority: JP
Inventors: Yuutou Takahashi; 友刀高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 1997-12-02
Also published as: USRE39296E1; US5805334A

Abstract

(57)【要約】【課題】結像性能を維持しながら光学系の小型化を実現
することができる反射屈折光学系を提供する。【解決手段】第１結像光学系（Ａ）によって第１面の中
間像を形成し、第２結像光学系（Ｂ）によって中間像の
再結像を第２面上に形成し、第１結像光学系（Ａ）から
の光束を第２結像光学系（Ｂ）へ導くように反射面（Ｍ
₂）を設け、第１結像光学系（Ａ）を、第１面からの光
束が往路のみ透過する往路光学系（Ａ₁）と、凹面鏡
（Ｍ₁）と該凹面鏡（Ｍ₁）への入射光と反射光との双方
が透過するレンズ群とからなる往復光学系（Ａ₂）とに
よって形成した反射屈折光学系において、往路光学系
（Ａ₁）を、第１面側から順に、負屈折力の往路光学系
第１群（Ａ₁₁）と、正屈折力の往路光学系第２群
（Ａ₁₂）と、負屈折力の往路光学系第３群（Ａ₁₃）とを
有するように形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主として半導体の製
造に用いられるステッパーなどの縮小露光装置の光学系
に関し、特に光学系に反射屈折光学系を用いることによ
り、紫外線波長域でのサブミクロン単位の分解能を有す
る１／４×〜１／５×の走査型反射屈折縮小光学系に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の回路パターンはますます
微細化しており、このパターンを焼き付ける露光装置に
はより解像力の高いものが要求されてきている。この要
求を満足するためには、光源の波長を短波長化しかつＮ
Ａ（光学系の開口数）を大きくしなければならない。し
かしながら、波長が短くなると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。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。しかるに合成石英と蛍石のアッベ数は、色収差を補
正するのに十分なほどは離れていない。したがって波長
が３００ｎｍ以下の場合には、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力の変化、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好ましくな
い。したがって必要な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は非常に難しいものとなる。

【０００３】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、かつ反射面の非球面化が必要となる。し
かるに高精度の非球面は製作の面で極めて困難である。
そこで反射系と使用波長に使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によっ
て、縮小投影光学系を構成する技術が色々提案されてい
る。その中で、光学系の途中で１回以上の中間結像を行
うタイプは、これまで種々のものが提案されているが、
中間像を１回だけ結像するものに限定すると、特公平５
−２５１７０、特開昭６３−１６３３１９、特開平４−
２３４７２２、ＵＳＰ−４，７７９，９６６に開示され
た技術が挙げられる。

【０００４】上記従来技術の中で、凹面ミラーを１枚だ
け使用しているものは、特開平４−２３４７２２とＵＳ
Ｐ−４，７７９，９６６に開示された光学系である。こ
れらの光学系は、凹面ミラーで構成される往復兼用光学
系において、凹レンズのみが採用されており、正の屈折
力の光学系が使われていない。そのため、光束が広がっ
て凹面ミラーに入射するため、凹面ミラーの径が大きく
なりがちであった。また特に特開平４−２３４７２２に
開示された往復兼用光学系は完全対称型であり、この光
学系での収差発生を極力抑えて後続の屈折光学系の収差
補正負担を軽くしているが、対称光学系を採用している
ため、第１面付近でのワーキングディスタンスがとりに
くく、またハーフプリズムを使用しなければならなかっ
た。またＵＳＰ−４，７７９，９６６に開示された光学
系では、中間像よりも後方の２次結像光学系にミラーを
使用している。したがって光学系の必要な明るさを確保
するためには、光束が広がって凹面ミラーに入射するこ
とになり、ミラーの小型化が困難なものであった。

【０００５】また複数のミラーを使用するものでは、屈
折光学系のレンズ枚数を削減できる可能性があるが、こ
れらのタイプでは以下の問題があった。すなわち、最
近、焦点深度を稼ぎながら解像力を上げるため、マスク
の選択部分の位相をずらす位相シフト法が考え出されて
いるが、さらに、効果を上げるために、照明光学系のＮ
Ａと結像光学系のＮＡの比σを可変にすることが行われ
る。このとき照明光学系には開口絞りを設置することが
できるが、前記に挙げた反射屈折光学系を対物レンズと
する場合は、有効な絞り設置部分がどこにも採れないこ
とになる。

【０００６】さらにこのような配置の往復光学系を縮小
側の第２面側に採用するタイプの反射屈折光学系では、
縮小倍率の関係から反射ミラーで反射した後ウエハまで
の距離が長く採れないため、この光路中に挿入される対
物レンズのレンズ枚数がそう多く採れず、そのため得ら
れる光学系の明るさは限られたものとならざるを得なか
った。たとえ高ＮＡの光学系が実現できても、限られた
長さに多くの光学部材が挿入されるため、ウエハと対物
レンズの端面との距離、いわゆるワーキングディスタン
スＷＤが長く採れない光学系となっていた。またこのよ
うな従来の反射屈折光学系においては、光路の光軸を必
ず途中で偏心させる必要があり、そのいわゆる偏心光学
系の偏心部分の調整作業が困難で、なかなか高精度の系
を実現することができなかった。

【０００７】そこで本出願人は、第１結像光学系によっ
て第１面の中間像を形成し、第２結像光学系によって中
間像の再結像を第２面上に形成し、第１結像光学系から
の光束を第２結像光学系へ導くように反射面を設け、第
１結像光学系を、第１面からの光束が往路のみ透過する
往路光学系と、凹面鏡と該凹面鏡への入射光と反射光と
の双方が透過するレンズ群とからなる往復光学系とによ
って形成した反射屈折光学系を提案した。この反射屈折
光学系によれば、凹面鏡の径を小さくさせることがで
き、位相シフト法のための照明光学系のＮＡと結像光学
系のＮＡの比σを可変にすることができるように、有効
な絞り設置部分を採ることができ、さらに光学系の明る
さを十分とりながら、なおウエハと対物レンズの端面と
の距離、いわゆるワーキングディスタンスＷＤを長く採
ることができる光学系を実現することができる。またい
わゆる偏心光学系の偏心部分の調整作業が容易で、高精
度の光学系を実現するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたようにこ
の反射屈折光学系は優れた点が多いが、結像性能を維持
しながら光学系の小型化を実現しようとすると、おのず
と中間結像部分が光軸付近に近づき、その部分に設置す
る反射面も光軸に近づくことになる。このように反射面
が光軸に近づくと、往路光学系からの光束が反射面によ
って遮蔽されるおそれを生じる。この点を解決する手段
として、中間結像の倍率を上げて、反射面を光軸から離
すことが考えられるが、そうすると全体の結像倍率を保
つためには、次の第２結像光学系で、縮小倍率を稼がな
ければならなくなり、像性能の劣化を招きやすくなる。
また中間結像の倍率は変化させずに反射面を光軸から離
すためには、より軸外の光束を使うことが必要となるか
ら、同様に像性能の劣化を招きやすくなり、しかもレン
ズ系の有効径を大きく採らなければならなくなり、光学
系の大型化を招きやすくなる。したがって本発明は、結
像性能を維持しながら光学系の小型化を実現することが
できる反射屈折光学系を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、すなわち、第１結像光
学系によって第１面の中間像を形成し、第２結像光学系
によって中間像の再結像を第２面上に形成し、第１結像
光学系からの光束を第２結像光学系へ導くように反射面
を設け、第１結像光学系を、第１面からの光束が往路の
み透過する往路光学系と、凹面鏡と該凹面鏡への入射光
と反射光との双方が透過するレンズ群とからなる往復光
学系とによって形成した反射屈折光学系において、往路
光学系を、第１面側から順に、負屈折力の往路光学系第
１群と、正屈折力の往路光学系第２群と、負屈折力の往
路光学系第３群とを有するように形成したことを特徴と
する反射屈折光学系である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の原理を図１によって説明
する。図１（Ｂ）に示すように、往路光学系Ａ₁をレチ
クルＲ側から順に正レンズＡ₁₂と負レンズＡ₁₃とによっ
て構成すると、光軸ｚからｄだけ離れたレチクルＲ上の
点から発した光は、正レンズＡ₁₂によって光軸ｚに近づ
く方向に光路を曲げられるから、負レンズＡ₁₃での光束
の高さｂは小さくなる。したがって負レンズＡ₁₃の後方
に設置される反射面Ｍ₂によって光路を妨げられるおそ
れを生じる。しかるに本発明では図１（Ａ）に示すよう
に、往路光学系Ａ₁をレチクルＲ側から順に負屈折力の
往路光学系第１群Ａ₁₁と、正屈折力の往路光学系第２群
Ａ₁₂と、負屈折力の往路光学系第３群Ａ₁₃とによって構
成している。したがって光軸ｚからｄだけ離れたレチク
ルＲ上の点から発した光は、先ず負レンズＡ₁₁によって
光軸ｚから離れる方向に光路を曲げられるから、その後
に正レンズＡ₁₂によって光軸ｚに近づく方向に光路を曲
げられても、負レンズＡ₁₃での光束の高さａは大きくな
る。したがって負レンズＡ₁₃の後方に設置される反射面
Ｍ₂によって光路を妨げられるおそれがなくなる。

【００１１】こうして光学系のレンズの大型化を回避し
ながら、像性能を劣化させず、むしろ高めつつ、反射面
Ｍ₂に当たり易い光束を光軸ｚから離し、反射面Ｍ₂との
干渉を避けることができる。この結果、第１結像光学系
による結像倍率を自由に選ぶことができるので、優れた
光学性能を実現することができる。つまりこのような構
成を採ることにより、中間倍率を縮小倍率でも構成する
ことができ、第２結像光学系の倍率の負担を軽減するこ
とができる。また反射面Ｍ₂との光束の干渉を避けるた
めに必要以上の軸外光束を採用する必要もなくなる。

【００１２】本発明の実施例を図面によって説明する。
図２は本発明の第１実施例を示し、この実施例はレチク
ルＲ上の回路パターンを半導体ウエハＷに縮小転写する
投影光学系に本発明を適用したものである。この投影光
学系は、レチクルＲに描いたパターンの中間像を形成す
る第１結像光学系Ａと、中間像の近傍に配置した反射面
Ｍ₂と、中間像の再結像をウエハＷ上に形成する第２結
像光学系Ｂとを有する。第１結像光学系Ａは、往路光学
系Ａ₁と往復光学系Ａ₂とからなる。往路光学系Ａ₁は、
レチクルＲ側から順に、レチクルＲ側に凹面を向けた負
レンズと正レンズとからなり負屈折力の往路光学系第１
群Ａ₁₁と、正レンズ１枚からなる往路光学系第２群Ａ₁₂
と、往復光学系Ａ₂側に凹面を向けた負レンズ１枚から
なる往路光学系第３群Ａ₁₃とからなる。往復光学系Ａ₂
は、屈折レンズ１０枚と１枚の凹面鏡Ｍ₁とからなる。
このとき、最も凹面鏡Ｍ₁に近い屈折レンズは負レンズ
である。反射面Ｍ₂は、往復光学系Ａ₂を復路で通過した
光を第２結像光学系Ｂに導くように配置されている。第
２結像光学系Ｂは、第２結像光学系第１群Ｂ₁と第２結
像光学系第２群Ｂ₂とからなる。第２結像光学系第１群
Ｂ₁は屈折レンズ８枚からなり、第２結像光学系第２群
Ｂ₂は屈折レンズ８枚からなり、両群Ｂ₁、Ｂ₂の間に開
口絞りＳが配置されている。この投影光学系は、倍率が
１／４倍、像側の開口数ＮＡが０．６、最大物体高は７
６であり、縦が５２から７６までの長さ２４、横が長さ
１２０の長方形の開口ａのレンズシステムである。また
屈折レンズは合成石英（ＳｉＯ₂）および蛍石（Ｃａ
Ｆ₂）を使用し、紫外線エキシマレーザーの１９３ｎｍ
の波長における、±０．１ｎｍ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。

【００１３】図３は本実施例の展開光路図を示し、すな
わち図面上での反射光の繁雑さを避けるために、凹面鏡
Ｍ₁及び反射面Ｍ₂の直後に仮想的な平面反射ミラーをお
くことにより、光線が常に同一の方向に向かうように表
示したものである。以下の表１に本実施例の光学部材の
諸元を示す。同表中、第１カラムはレチクルＲからのレ
ンズ面の番号、第２カラムｒは各レンズ面の曲率半径、
第３カラムｄは各レンズ面の間隔、第４カラムは各レン
ズの材質、第５カラムは各光学部材の群番号を示す。第
５カラム中、＊印は復路を示す。なお合成石英（ＳｉＯ
₂）と蛍石（ＣａＦ₂）の使用基準波長（１９３ｎｍ）に
対する屈折力ｎと、基準波長の±０．１ｎｍでのアッベ
数νは次の通りである。ＳｉＯ₂：ｎ＝１．５６０１９ ν＝１７８０ＣａＦ₂：ｎ＝１．５０１３８ ν＝２５５０図４に本実施例の横収差を示す。図中Ｙは像高を示す。
この収差図より明らかなように、横収差がほぼ無収差に
近い状態まで良好に補正された優れた性能の光学系であ
ることが分かる。

【００１４】

【表１】

【００１５】次に図５及び図６はそれぞれ第２及び第３
実施例を示す。第２実施例は、往路光学系Ａ₁と往復光
学系Ａ₂の間に反射面Ｍ₀を配置することにより、レチク
ルＲを照明する光の進行方向とウエハＷを露光する光の
進行方向とを一致させたものである。また第３実施例
は、第２結像光学系第１群Ｂ₁の中に反射面Ｍ₃を配置す
ることにより、レチクルＲとウエハＷとを平行にしたも
のである。その他の構成は上記第１実施例と同じであ
り、したがって第１実施例と同じ結像性能を有する。

【００１６】以上のように各実施例では、往路光学系Ａ
₁を負、正、負の３群構成としているから、結像性能を
維持しながら光学系の小型化を実現することができる。
またこのような構成を採用することにより、一括露光や
スキャン露光の両方の露光方法に対応できる光学系を実
現できる。その特徴とするところは、光束方向変更ま
たは分離手段を中間結像付近に置くことにより小型にで
きること、通常反射屈折光学系の場合は反射ミラーで
光路が折り返されるため、開口絞りＳを置くことが難し
い場合が多いが、この光学系の配置では、第２結像光学
系Ｂの中に置くことができるので、σ可変の調節機構が
簡単に行えること、さらにこの第２結像光学系Ｂのレ
ンズ枚数を増やせるのでＮＡを上げる可能性を持ってい
ること、またこの第２結像光学系Ｂでの再結像の場
合、ワーキングディスタンスＷＤを十分長くとることが
できることである。さらに、結像付近で光路を折り曲
げているので、光路折り曲げによる偏心誤差の影響が少
ない。また光学系の高さもそう高くならずに構成するこ
とができる。また、レチクルＲとウエハＷを同じ向きに
したいという要求がある場合には、第２実施例に示すよ
うに第１結像光学系Ａの途中の部分を折り曲げ、あるい
は第３実施例に示すように第２結像光学系Ｂの途中の部
分を折り曲げることで実現できる。

【００１７】以上の利点をさらにくわしく述べるなら
ば、一括露光方式を採用する場合には、使用するハーフ
プリズムを第１次結像、および第２次結像付近に配置さ
せるため、ハーフプリズムの大きさを極力小さくするこ
とができる。通常、特開平２−６６５１０号公報や特開
平３−２８２５２７号公報やＵＳＰ−５０８９９１３号
公報や特開平５−７２４７８号公報などに見られる一括
露光方式の反射屈折光学系においては、光路分割に使用
するハーフプリズムが光束の広がる凹面ミラーの付近に
配置されているために、大きなものとならざるを得ず、
そのため高精度な大型プリズムの製作技術が必要であっ
た。しかしながら、大型のプリズムはガラスの均質性、
製作コストや重量の点から、大きな欠点を有していた。
またハーフプリズムが大型のものとなると、その反射特
性の不均一性、吸収、位相変化などの不良特性の要因が
増え、ますます技術的にも困難なものとなっていた。

【００１８】また走査方式の露光方法を採用する場合に
おいても、光路分離のためのミラーを前記プリズムと同
じ場所に置くことにより、わずかの画角を持たせるだけ
で光路を分離できる。このことは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。ＵＳＰ−４７４７６７８号公報などに見
られる通常の走査型反射屈折光学系では、光路分離のた
めに最大、約２０°以上の画角が必要であるが、本発明
でのミラーに入射する画角は約１０°程度になってお
り、収差補正上、無理をする必要がない。本発明によ
り、以上に述べたようなビームスプリッターによる特性
の不均一や熱変動および光量の損失の軽減が図られ、か
つ光束のけられがなく高い開口数が可能となった。

【００１９】また、リング視野光学系のように一括で露
光しないで軸外の輪帯部のみを露光するように構成、つ
まりレチクルとウエハを光学系の縮小比に対応して互い
に異なる速度で移動しながら露光する走査型露光では、
通常、互いの光束が欠られないようにする必要があり、
反射光学系の部分での入射光と反射光が互いに重なり合
わないように軸外光束を用いることになり、そのために
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ものであ
るが、本発明の場合は軸外光束を用いた輪帯部のみ露光
のリング視野光学系の場合においても、画角を大きくと
らないので、光束の欠られが少ない構造になっている。

【００２０】また当然従来と同じような輪帯部のみ露光
のリング視野光学系としても構成することができる。ま
た、第１次結像光学系Ａが一体となっており、それと第
２次結像光学系Ｂが独立の構造になっているので、光学
部材の加工、検査、調整が容易で、精度出しや精度の維
持がやり易く、高い開口数を可能とする優れた結像特性
を有するものである。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明では、往路光学系を
負、正、負の３群構成としているから、光学系のレンズ
の大型化を回避しながら、像性能を劣化させず、むしろ
高めつつ、反射面に当たり易い光束を光軸から離し、反
射面との干渉を避けることができる。この結果、第１結
像光学系による結像倍率を自由に選ぶことができるの
で、優れた光学性能を実現することができる。つまりこ
のような構成を採ることにより、中間倍率を縮小倍率で
も構成することができ、第２結像光学系の倍率の負担を
軽減することができる。また反射面との光束の干渉を避
けるために必要以上の軸外光束を採用する必要もなくな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）本発明と（Ｂ）比較例の原理を示す説明
図である。

【図２】第１実施例を示す概略図である。

【図３】第１実施例の展開光路図である。

【図４】第１実施例の横収差図である。

【図５】第２実施例を示す概略図である。

【図６】第３実施例を示す概略図である。

【符号の説明】

Ａ…第１結像光学系Ａ₁…往路光学系Ａ₁₁…往路光学系第１群Ａ₁₂…往路光学系第
２群Ａ₁₃…往路光学系第３群Ａ₂…往復光学系Ｍ₁…凹面鏡Ｍ₂、Ｍ₀、Ｍ₃…反
射面Ｂ…第２結像光学系Ｂ₁…第２結像光学
系第１群Ｂ₂…第２結像光学系第２群Ｓ…開口絞りａ…開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１結像光学系（Ａ）によって第１面の中
間像を形成し、第２結像光学系（Ｂ）によって前記中間
像の再結像を第２面上に形成し、前記第１結像光学系
（Ａ）からの光束を第２結像光学系（Ｂ）へ導くように
反射面（Ｍ₂）を設け、前記第１結像光学系（Ａ）を、前記第１面からの光束が
往路のみ透過する往路光学系（Ａ₁）と、凹面鏡（Ｍ₁）
と該凹面鏡（Ｍ₁）への入射光と反射光との双方が透過
するレンズ群とからなる往復光学系（Ａ₂）とによって
形成した反射屈折光学系において、前記往路光学系（Ａ₁）を、前記第１面側から順に、負
屈折力の往路光学系第１群（Ａ₁₁）と、正屈折力の往路
光学系第２群（Ａ₁₂）と、負屈折力の往路光学系第３群
（Ａ₁₃）とを有するように形成したことを特徴とする反
射屈折光学系。
【請求項２】前記往路光学系第１群（Ａ₁₁）は、少なく
とも前記第１面に凹面を向けたレンズを有する、請求項
１記載の反射屈折光学系。
【請求項３】前記往路光学系第３群（Ａ₁₃）は、少なく
とも前記往復光学系（Ａ₂）に凹面を向けたレンズを有
する、請求項１又は２記載の反射屈折光学系。
【請求項４】前記第１結像光学系（Ａ）と第２結像光学
系（Ｂ）との結像倍率のうち、少なくともいずれか一方
は縮小倍率である、請求項１、２又は３記載の反射屈折
光学系。