JPWO2003036361A1 - 投影光学系および該投影光学系を備えた露光装置 - Google Patents
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Abstract
固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する投影光学系。第1面(R)の像を第2面(W)上に形成する投影光学系。投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成されている。第1面上の1点から出た光束が結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、Pn/En<0.7の条件式を満足する結晶透過部材の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されている。
Description
技術分野
本発明は、投影光学系および該投影光学系を備えた露光装置に関し、特に半導体素子などのマイクロデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される露光装置に好適な投影光学系に関するものであり、特に反射屈折型の投影光学系に関するものである。
背景技術
近年、半導体素子の製造や半導体チップ実装基板の製造では、微細化がますます進んでおり、パターンを焼き付ける露光装置ではより解像力の高い投影光学系が要求されてきている。この高解像の要求を満足するには、露光光を短波長化するとともに、NA(投影光学系の開口数)を大きくしなければならない。しかしながら、露光光の波長が短くなると、光の吸収のため実用に耐える光学ガラスの種類が限られてくる。
たとえば波長が200nm以下の真空紫外域の光、特にF2レーザ光(波長157nm)を露光光として用いる場合、投影光学系を構成する光透過性光学材料としては、フッ化カルシウム(蛍石:CaF2)やフッ化バリウム(BaF2)等のフッ化物結晶を多用せざるを得ない。実際には、露光光としてF2レーザ光を用いる露光装置では、基本的に蛍石だけで投影光学系を形成する設計が想定されている。蛍石は、立方晶系に属する結晶であり、光学的には等方的で、複屈折が実質的にないと思われていた。また、従来の可視光域の実験では、蛍石について小さい複屈折(内部応力起因のランダムなもの)しか観測されていなかった。
しかしながら、2001年5月15日に開かれたリソグラフィに関するシンポジュウム(2nd International Symposium on 157nm Lithography)おいて、米国NISTのJohn H.Burnettらにより、蛍石には固有複屈折(intrinsic birefringence)が存在することを実験および理論の両面から確認したことが発表された。
この発表によれば、蛍石の複屈折は、結晶軸[111]方向およびこれと等価な結晶軸[−111],[1−11],[11−1]方向、並びに結晶軸[100]方向およびこれと等価な結晶軸[010],[001]方向ではほぼ零であるが、その他の方向では実質的に零でない値を有する。特に、結晶軸[110],[−110],[101],[−101],[011],[01−1]の6方向では、波長157nmに対して最大で6.5nm/cm、波長193nmに対して最大で3.6nm/cmの複屈折の値を有する。
これらの複屈折の値はランダムな複屈折の許容値とされる1nm/cmよりも実質的に大きい値であり、しかもランダムでない分だけ複数のレンズを通して複屈折の影響が蓄積する可能性がある。従来技術では、投影光学系の設計において蛍石の複屈折性を考慮していないので、加工の容易さなどの観点から結晶軸[111]と光軸とを一致させるのが一般的である。この場合、投影光学系では、NA(開口数)が比較的大きいため、結晶軸[111]からある程度傾いた光線もレンズを通過するので、複屈折の影響により結像性能が悪化する可能性がある。
発明の開示
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する投影光学系を提供することを目的とする。
また、本発明では、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する本発明の投影光学系を用いて、高解像で高精度な投影露光を行うことのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の第1発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En<0.7
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第2発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En>0.9
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第3発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記結晶で形成された結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第1乃至第3発明の投影光学系は、少なくとも1つの反射鏡を含むことが好ましい。
本発明の第4発明では、複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に配置された第3レンズ群とを備え、
前記往復光学系は、前記結晶で形成された第1負レンズL21と、前記結晶で形成されて前記第1負レンズL21と前記凹面反射鏡との間の光路中に配置された第2負レンズL22とを有し、
前記第1負レンズL21の中心厚をD21とし、前記第2負レンズL22の中心厚をD22とするとき、
1.2<D21/D22<2.0
の条件式を満足することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第5発明では、複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に配置された第3レンズ群とを備え、
前記第1レンズ群は、ある特定の結晶軸の設定方向が実質的に異なる2つの透過部材を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第6発明では、複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に直線状の光軸に沿って配置された第3レンズ群とを備え、
前記第2レンズ群と前記第3レンズ群との間の光路中に前記第1面の一次中間像が形成されるように構成され、
前記第1レンズ群は、前記結晶で形成された少なくとも2つの透過部材を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第7発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En<0.7
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第8発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En>0.9
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第9発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記結晶で形成された結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第10発明では、前記第1面に設定されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に形成するための第1発明〜第9発明の投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
本発明の第11発明では、前記第1面に設定されたマスクを照明し、第1発明〜第9発明の投影光学系を介して前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光方法を提供する。
発明を実施するための最良の形態
第1図は、蛍石の結晶軸方位について説明する図である。第1図を参照すると、蛍石の結晶軸は、立方晶系のXYZ座標系に基づいて規定される。すなわち、+X軸に沿って結晶軸[100]が、+Y軸に沿って結晶軸[010]が、+Z軸に沿って結晶軸[001]がそれぞれ規定される。
また、XZ平面において結晶軸[100]および結晶軸[001]と45度をなす方向に結晶軸[101]が、XY平面において結晶軸[100]および結晶軸[010]と45度をなす方向に結晶軸[110]が、YZ平面において結晶軸[010]および結晶軸[001]と45度をなす方向に結晶軸[011]がそれぞれ規定される。さらに、+X軸、+Y軸および+Z軸に対して等しい鋭角をなす方向に結晶軸[111]が規定される。
なお、第1図では、+X軸、+Y軸および+Z軸で規定される空間における結晶軸のみを図示しているが、他の空間においても同様に結晶軸が規定される。前述したように、蛍石では、第1図中実線で示す結晶軸[111]方向、およびこれと等価な不図示の結晶軸[−111],[1−11],[11−1]方向では、複屈折がほぼ零(最小)である。
同様に、第1図中実線で示す結晶軸[100],[010],[001]方向においても、複屈折がほぼ零(最小)である。一方、第1図中破線で示す結晶軸[110],[101],[011],およびこれと等価な不図示の結晶軸[−110],[−101],[01−1]方向では、複屈折が最大である。
ところで、Burnettらは前述の発表において、複屈折の影響を低減する手法を開示している。第2A図〜第2C図は、Burnettらの手法を説明する図であって、光線の入射角(光線と光軸とのなす角度)に対する複屈折率の分布を示している。第2A図〜第2C図では、図中破線で示す5つの同心円が1目盛り10度を表している。したがって、最も内側の円が光軸に対して入射角10度の領域を、最も外側の円が光軸に対して入射角50度の領域を表している。
また、黒丸は比較的大きな屈折率を有する複屈折のない領域を、白丸は比較的小さな屈折率を有する複屈折のない領域を表している。一方、太い円および長い両矢印は複屈折のある領域における比較的大きな屈折率の方向を、細い円および短い両矢印は複屈折のある領域における比較的小さな屈折率の方向を表している。以降の第3A図〜第3C図においても、上述の表記は同様である。
Burnettらの手法では、一対の蛍石レンズ(蛍石で形成されたレンズ)の光軸と結晶軸[111]とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを約60度だけ相対的に回転させる。したがって、一方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第2A図に示すようになり、他方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第2B図に示すようになる。その結果、一対の蛍石レンズ全体における複屈折率の分布は、第2C図に示すようになる。
この場合、第2A図および第2B図を参照すると、光軸と一致している結晶軸[111]に対応する領域は、比較的小さな屈折率を有する複屈折のない領域となる。また、結晶軸[100],[010],[001]に対応する領域は、比較的大きな屈折率を有する複屈折のない領域となる。さらに、結晶軸[110],[101],[011]に対応する領域は、周方向の偏光に対する屈折率が比較的小さく径方向の偏光に対する屈折率が比較的大きい複屈折領域となる。このように、個々の蛍石レンズでは、光軸から35.26度(結晶軸[111]と結晶軸[110]とのなす角度)の領域において、複屈折の影響を最大に受けることがわかる。
一方、第2C図を参照すると、一対の蛍石レンズを60度だけ相対的に回転させることにより、一対の蛍石レンズ全体では、複屈折が最大である結晶軸[110],[101],[011]の影響が薄められることがわかる。そして、光軸から35.26度の領域において、径方向の偏光に対する屈折率よりも周方向の偏光に対する屈折率が小さい複屈折領域が残ることになる。換言すれば、Burnettらの手法を用いることにより、光軸に関して回転対称な分布が残るが、複屈折の影響をかなり低減することができる。
また、本発明の手法では、一対の蛍石レンズ(一般には蛍石で形成された透過部材)の光軸と結晶軸[100](または該結晶軸[100]と光学的に等価な結晶軸)とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを約45度だけ相対的に回転させる。ここで、結晶軸[100]と光学的に等価な結晶軸とは、結晶軸[010],[001]である。
第3A図〜第3C図は、本発明の手法を説明する図であって、光線の入射角(光線と光軸とのなす角度)に対する複屈折率の分布を示している。本発明の手法では、一方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第3A図に示すようになり、他方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第3B図に示すようになる。その結果、一対の蛍石レンズ全体における複屈折率の分布は、第3C図に示すようになる。
第3A図および第3B図を参照すると、本発明の手法では、光軸と一致している結晶軸[100]に対応する領域は、比較的大きな屈折率を有する複屈折のない領域となる。また、結晶軸[111],[1−11],[−11−1],[11−1]に対応する領域は、比較的小さな屈折率を有する複屈折のない領域となる。さらに、結晶軸[101],[10−1],[110],[1−10]に対応する領域は、周方向の偏光に対する屈折率が比較的大きく径方向の偏光に対する屈折率が比較的小さい複屈折領域となる。このように、個々の蛍石レンズでは、光軸から45度(結晶軸[100]と結晶軸[101]とのなす角度)の領域において、複屈折率の影響を最大に受けることがわかる。
一方、第3C図を参照すると、一対の蛍石レンズを45度だけ相対的に回転させることにより、一対の蛍石レンズ全体では、複屈折が最大である結晶軸[101],[10−1],[110],[1−10]の影響がかなり薄められ、光軸から45度の領域において径方向の偏光に対する屈折率よりも周方向の偏光に対する屈折率が大きい複屈折領域が残ることになる。換言すれば、本発明の手法を用いることにより、光軸に関して回転対称な分布が残るが、複屈折の影響をかなり低減することができる。
なお、本発明の手法において、一方の蛍石レンズと他方の蛍石レンズとを光軸を中心として約45度だけ相対的に回転させるとは、一方の蛍石レンズおよび他方の蛍石レンズにおける光軸とは異なる方向に向けられる所定の結晶軸(たとえば結晶軸[010],[001],[011]または[01−1])同士の光軸を中心とした相対的な角度が約45度であることを意味する。具体的には、たとえば一方の蛍石レンズにおける結晶軸[010]と、他方の蛍石レンズにおける結晶軸[010]との光軸を中心とした相対的な角度が約45度であることを意味する。
また、第3A図および第3B図からも明らかな通り、結晶軸[100]を光軸とする場合には、光軸を中心とした複屈折の影響の回転非対称性が90度の周期で現れる。したがって、本発明の手法において、光軸を中心として約45度だけ相対的に回転させるということは、光軸を中心として約45度+(n×90度)だけ相対的に回転させること、すなわち45度、135度、225度、または315度・・・だけ相対的に回転させることと同じ意味である(ここで、nは整数である)。
一方、Burnettらの手法において、一方の蛍石レンズと他方の蛍石レンズとを光軸を中心として約60度だけ相対的に回転させるとは、一方の蛍石レンズおよび他方の蛍石レンズにおける光軸とは異なる方向に向けられる所定の結晶軸(たとえば結晶軸[−111]、[11−1]、または[1−11])同士の光軸を中心とした相対的な角度が約60度であることを意味する。具体的には、たとえば一方の蛍石レンズにおける結晶軸[−111]と、他方の蛍石レンズにおける結晶軸[−111]との光軸を中心とした相対的な角度が約60度であることを意味する。
また、第2A図および第2B図からも明らかな通り、結晶軸[111]を光軸とする場合には、光軸を中心とした複屈折の影響の回転非対称性が120度の周期で現れる。したがって、Burnettらの手法において、光軸を中心として約60度だけ相対的に回転させるということは、光軸を中心として約60度+(n×120度)だけ相対的に回転させること、すなわち60度、180度、または300度・・・だけ相対的に回転させることと同じ意味である(ここで、nは整数である)。
上述の説明の通り、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[111]とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを60度だけ相対的に回転させることにより、あるいは一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[100]とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを45度だけ相対的に回転させることにより、光軸に関して回転対称な分布が残るが、複屈折の影響をかなり低減することができる。
ここで、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[111]とを一致させて60度相対回転させたときに残存する回転対称な分布と、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[100]とを一致させて45度相対回転させたときに残存する回転対称な分布とは逆向きである。換言すれば、光軸と結晶軸[111]とを一致させて60度相対回転させた一対の蛍石レンズ(以下、「結晶軸[111]のペアレンズ」という)における進相軸と、結晶軸[100]とを一致させて45度相対回転させた一対の蛍石レンズ(以下、「結晶軸[100]のペアレンズ」という)における進相軸とは直交する。なお、試料に複屈折が存在する場合、屈折率の差により当該試料を通過する振動面(偏光面)の直交した2つの直線偏光の光の位相が変化する。すなわち一方の偏光に対して他方の偏光の位相が進んだり遅れたりすることになるが、位相が進む方の偏光方向を進相軸と呼び、位相が遅れる方の偏光方向を遅相軸と呼ぶ。
したがって、結晶軸[111]のペアレンズと結晶軸[100]のペアレンズとを組み合わせることにより、残存する回転対称な分布をも小さく抑えることができる。前述したように、たとえば露光光としてF2レーザ光を用いる露光装置では、多数の蛍石レンズを用いて投影光学系を構成することになるので、蛍石の複屈折の影響をできるだけ低減するには、結晶軸[111]のペアレンズと結晶軸[100]のペアレンズとを組み合わせて用いることが必須である。
現在のところ、光軸と結晶軸[100]とが一致する大口径レンズを製造することが困難である。したがって、光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成は、小口径レンズに対して採用することが必要である。換言すれば、投影光学系の場合、物体面または像面(最終像面および中間像面)の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用し、瞳面の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用することが望ましい。
さらに、結晶軸[111]のペアレンズおよび結晶軸[100]のペアレンズにおいて、軸上物点(光軸上の物点)から出た光に対して複屈折の影響は回転対称になるが、軸外物点(光軸から離れた物点)から出た光に対して複屈折の影響は回転対称にならない。特に、結晶軸[111]のペアレンズを使用する場合、奇数回回転対称な奇数θ成分(たとえば3回回転対称な3θ成分)が発生し易い。これに対し、結晶軸[100]のペアレンズを使用する場合、偶数回回転対称な偶数θ成分(たとえば4回回転対称な4θ成分)が発生し易い。
一般に、リソグラフィでは、偶数θ成分よりも奇数θ成分の方がレジスト像に悪影響を及ぼすことが知られている。したがって、物体面または像面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用すると、発生する奇数θ成分に起因して像面内(露光装置では露光エリア内)での結像性能のばらつきが大きくなる。一方、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用すると、偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。さらに、投影光学系の瞳面の近傍であれば、結晶軸[111]のペアレンズを使用しても結晶軸[100]のペアレンズを使用しても、発生する奇数θ成分や偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
第1発明〜第4発明では、投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が、たとえば蛍石のような立方晶系に属する結晶で形成されている。そして、第1発明では、次の条件式(1)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材(結晶で形成された透過部材)の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されている。
Pn/En<0.7 (1)
ここで、Enは、結晶透過部材の有効直径(すなわち露光装置の場合には露光エリア全体から出た光束が結晶透過部材の各面に入射したときの光束に外接する円の直径)である。また、Pnは、物体面(第1面)上の1点から出た光束が結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径(以下、「部分径」という)である。したがって、条件式(1)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材は、物体面または像面(第2面および中間像面)の近傍に配置されている結晶透過部材に他ならない。
こうして、第1発明では、物体面または像面の近傍に配置されている結晶透過部材のうちある程度の部分(70%以上)の結晶透過部材において、その光軸と結晶軸[100]とをほぼ一致させていることになる。したがって、第1発明では、物体面または像面の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用しているので、大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用することができるので、前述したように偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
その結果、第1発明の投影光学系では、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。なお、第1発明において当該結晶透過部材が物体面または像面の近傍に配置されていることをさらに厳密に限定するには、条件式(1)の上限値を0.6に設定することが好ましい。
一方、第2発明では、次の条件式(2)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されている。
Pn/En>0.9 (2)
したがって、条件式(2)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材は、投影光学系の瞳面の近傍に配置されている結晶透過部材に他ならない。こうして、第2発明では、瞳面の近傍に配置されている結晶透過部材のうちある程度の部分(60%以上)の結晶透過部材において、その光軸と結晶軸[111]とをほぼ一致させていることになる。したがって、第2発明では、瞳面の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用しているので、ひいては比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用することになり、結果として大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍においてではなく、瞳面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用するので、前述したように奇数θ成分は発生するが、発生する奇数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
その結果、第2発明の投影光学系においても、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。なお、第2発明において結晶透過部材が瞳面の近傍に配置されていることをさらに厳密に限定するには、条件式(2)の下限値を0.94に設定することが好ましい。
第3発明では、結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有する。前述したように、たとえば露光光としてF2レーザ光を用いる露光装置では、多数の蛍石レンズを用いて投影光学系を構成することになるので、蛍石の複屈折の影響をできるだけ低減するには、1組または複数組の結晶軸[100]のペアレンズを用いることが必須である。また、前述したように、結晶軸[100]のペアレンズを大口径レンズに適用することは製造上の観点から困難である。
第3発明では、全体の20%以上の相当数の結晶透過部材に対して、しかも250mm以下の有効直径を有する比較的小口径の結晶透過部材に対して、結晶軸[100]のペアレンズを適用することができるので、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。
第4発明では、第1面から光の入射する順に、第1レンズ群と、第1反射面と、凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、第2反射面と、第3レンズ群とを備えている。また、往復光学系は、第1面から光の入射する順に、結晶で形成された第1負レンズL21と、結晶で形成された第2負レンズL22とを有する。
このように、反射屈折型の投影光学系では、色収差補正と像面湾曲補正(ペッツバール和の補正)とを目的とした一対の負レンズが凹面反射鏡の近傍に配置される。しかしながら、収差補正の目的のために、この一対の負レンズを通過する光線の光軸に対する角度は比較的大きく、さらにこの一対の負レンズが往復光学系を構成するため、この一対の負レンズによる複屈折の影響は大きくなり易い。このとき、複屈折の影響をできるだけ低減するには、第1負レンズL21と第2負レンズL22とで、結晶軸[100]のペアレンズまたは結晶軸[111]のペアレンズを構成することが必要である。
以上の観点より、第4発明では、第1負レンズL21および第2負レンズL22が次の条件式(3)を満足する。なお、条件式(3)において、D21は第1負レンズL21の中心厚であり、D22は第2負レンズL22の中心厚である。
1.2<D21/D22<2.0 (3)
一般に、2つのレンズで結晶軸[100]のペアレンズまたは結晶軸[111]のペアレンズを構成する場合、2つのレンズの中心厚が互いにほぼ等しいことが必要である。しかしながら、第1負レンズL21の負屈折力により、第1負レンズL21を通過する光線の光軸に対する角度よりも第2負レンズL22を通過する光線の光軸に対する角度の方が大きくなるので、第2負レンズL22の中心厚D22よりも第1負レンズL21の中心厚D21の方を大きく設定することが必要になる。
こうして、第4発明では、第1負レンズL21の中心厚D21と第2負レンズL22の中心厚D22との関係を規定している条件式(3)を満足することにより、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。なお、第4発明の効果をさらに良好に発揮するには、条件式(3)の上限値を1.9に設定し、その下限値を1.3に設定することが好ましい。
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
第4図は、本発明の実施形態にかかる投影光学系を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。なお、第4図において、ウエハWの法線方向にZ軸を、Z軸に垂直な面内において第4図の紙面に平行にY軸を、Z軸に垂直な面内において第4図の紙面に垂直にX軸を設定している。本実施形態では、反射屈折型の投影光学系を備えた走査型の投影露光装置に本発明を適用している。
第4図を参照すると、本実施形態の露光装置は、第1面に配置されるレチクル(マスク)Rを照明するための照明装置51を備えている。照明装置51は、たとえば157nmの波長光を供給するF2レーザーを有する光源、この光源からの光により所定形状(円形状、輪帯状、二極状、四極状など)の二次光源を形成するオプティカルインテグレータ、レチクルR上での照射範囲を規定するための照明視野絞りなどを有し、レチクルR上の照明領域をほぼ均一な照度分布のもとで照明する。
ここで、照明装置51内の照明光路は不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態では窒素でパージしている。レチクルRはレチクルステージ53上に載置されており、レチクルRおよびレチクルステージ53はケーシング52によって外部の雰囲気と隔離されている。このケーシング52の内部空間も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態では窒素でパージしている。
照明装置51により照明されたレチクルRからの光は、反射屈折型の投影光学系PLを介して、感光性基板としてのウエハWへ導かれ、ウエハW上の露光領域内にレチクルRのパターン像を形成する。投影光学系PLは、鉛直方向に沿った第1光軸AX1と、これに交差する第2光軸AX2とを有する。投影光学系PL内の投影光路も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態ではヘリウムでパージしている。
ウエハWは、その表面が投影光学系PLの像面としての第2面に位置決めされるようにウエハステージ61上に載置されており、ウエハWおよびウエハステージ61はケーシング62によって外部の雰囲気と隔離されている。このケーシング62の内部空間も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態では窒素でパージしている。そして、レチクルステージ53とウエハステージ61とを投影光学系PLの倍率に応じた速度比で投影光学系PLに対して走査方向であるY方向に沿って相対的に移動させつつ、レチクルRを照明することにより、ウエハW上の露光領域内にレチクルR上のパターンが転写される。
第5図は、ウエハ上に形成される矩形状の露光領域(すなわち実効露光領域)と光軸との位置関係を示す図である。第5図に示すように、本実施形態では、光軸AX1を中心とした半径Bを有する円形状の領域(イメージサークル)IF内において、光軸AX1から−Y方向に軸外し量Aだけ離れた位置に所望の大きさを有する矩形状の実効露光領域ERが設定されている。ここで、実効露光領域ERのX方向の長さはLX(Ew)であり、そのY方向の長さはLYである。
換言すると、本実施形態では、ウエハWにおいて、光軸AX1から−Y方向に軸外し量Aだけ離れた位置に所望の大きさを有する矩形状の実効露光領域ERが設定され、光軸AX1を中心として実効露光領域ERを包括するように円形状のイメージサークルIFの半径Bが規定されている。したがって、図示を省略したが、これに対応して、レチクルR上では、光軸AX1から−Y方向に軸外し量Aに対応する距離だけ離れた位置に実効露光領域ERに対応した大きさおよび形状を有する矩形状の照明領域(すなわち実効照明領域)が形成されていることになる。
以下、具体的な数値に基づく実施例を説明する。各実施例において、投影光学系を構成するすべての透過部材(屈折光学部材:レンズ成分)には蛍石(CaF2結晶)を使用している。また、露光光であるF2レーザー光の発振中心波長は157.6nmであり、157.6nm付近においてCaF2の屈折率は、+1pmの波長変化あたり−2.6×10−6の割合で変化し、−1pmの波長変化あたり+2.6×10−6の割合で変化する。換言すると、157.6nm付近において、CaF2の屈折率の分散(dn/dλ)は、2.6×10−6/pmである。
したがって、各実施例において、中心波長157.6nmに対するCaF2の屈折率は1.55930666であり、157.6nm+1pm=157.601nmに対するCaF2の屈折率は1.55930406であり、157.6nm−1pm=157.599nmに対するCaF2の屈折率は1.55930926である。
また、各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをyとし、非球面の頂点における接平面から高さyにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離(サグ量)をzとし、頂点曲率半径をrとし、円錐係数をκとし、n次の非球面係数をCnとしたとき、以下の数式(a)で表される。各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には面番号の右側に*印を付している。
z=(y2/r)/〔1+{1−(1+κ)・y2/r2}1/2〕
+C4・y4+C6・y6+C8・y8+C10・y10
+C12・y12+C14・y14 (a)
[第1実施例]
第6図は、第1実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。なお、第1実施例では、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差を含む諸収差が補正された反射屈折型の投影光学系に本発明を適用している。
第1実施例の投影光学系PLは、第6図に示すように、第1面に配置されたレチクルRのパターンの第1中間像を形成するための屈折型の第1結像光学系(第1レンズ群)G1と、凹面反射鏡CMと2つの負レンズL21,L22とから構成されて第2中間像(第1中間像のほぼ等倍像であってレチクルパターンの2次像)を形成するための第2結像光学系(第2レンズ群)G2と、第2中間像からの光に基づいて第2面に配置されたウエハW上にレチクルパターンの最終像(レチクルパターンの縮小像)を形成するための屈折型の第3結像光学系(第3レンズ群)G3とから構成されている。
なお、第1結像光学系G1と第2結像光学系G2との間の光路中において第1中間像の形成位置の近傍には、第1結像光学系G1からの光を第2結像光学系G2に向かって偏向するための第1光路折り曲げ鏡FM1が配置されている。また、第2結像光学系G2と第3結像光学系G3との間の光路中において第2中間像の形成位置の近傍には、第2結像光学系G2からの光を第3結像光学系G3に向かって偏向するための第2光路折り曲げ鏡FM2が配置されている。第1中間像および第2中間像は、第1光路折り曲げ鏡FM1と第2結像光学系G2との間の光路中および第2結像光学系G2と第2光路折り曲げ鏡FM2との間の光路中にそれぞれ形成される。
また、第1結像光学系G1および第3結像光学系G3はともに、直線状に延びた単一の光軸すなわち基準光軸AX1を有する。基準光軸AX1は、重力方向(すなわち鉛直方向)に沿って位置決めされている。その結果、レチクルRおよびウエハWは、重力方向と直交する面すなわち水平面に沿って互いに平行に配置されている。加えて、第1結像光学系G1を構成するすべてのレンズおよび第3結像光学系G3を構成するすべてのレンズも、基準光軸AX1上において水平面に沿って配置されている。
一方、第2結像光学系G2も直線状に延びた光軸AX2を有し、この光軸AX2は基準光軸AX1と直交するように設定されている。さらに、第1光路折り曲げ鏡FM1および第2光路折り曲げ鏡FM2はともに平面状の反射面(第1反射面および第2反射面)を有し、2つの反射面を有する1つの光学部材(1つの光路折り曲げ鏡FM)として一体的に構成されている。この2つの反射面の交線(厳密にはその仮想延長面の交線)が第1結像光学系G1および第3結像光学系G3の光軸AX1および第2結像光学系G2の光軸AX2と一点で交わるように設定されている。
第1実施例の投影光学系では、屈折光学系である第1結像光学系G1および第3結像光学系G3で生じる色収差および正値のペッツバール和を、第2結像光学系G2の凹面反射鏡CMおよび負レンズL21,L22により補償している。また、第2結像光学系G2がほぼ等倍の結像倍率を有する構成により、第1中間像の近傍に第2中間像を形成することが可能となっている。
第1結像光学系G1は、レチクル側から順に、両凸レンズL11と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた負メニスカスレンズL12と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL13と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL14と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL15と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL16と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL17と、両凸レンズL18と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL19とから構成されている。
また、第2結像光学系G2は、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)から順に、レチクル側に非球面状の凹面を向けた負メニスカスレンズL21と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL22と、レチクル側に凹面を向けた凹面反射鏡CMとから構成されている。
さらに、第3結像光学系G3は、光の進行方向に沿ってレチクル側から順に、両凸レンズL31と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL32と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL33と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた両凹レンズL34と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL35と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL36と、開口絞りASと、両凸レンズL37と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL38と、レチクル側に平面を向けた平凸レンズL39と、両凸レンズL310と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL311と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL312と、ウエハ側に平面を向けた平凸レンズL313とから構成されている。
次の第1表に、第1実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。第1表の主要諸元において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率(全系の結像倍率)を、NAは像側(ウエハ側)開口数を、BはウエハW上でのイメージサークルIFの半径を、Aは実効露光領域ERの軸外し量を、LX(Ew)は実効露光領域ERのX方向に沿った寸法(長辺の寸法)を、LYは実効露光領域ERのY方向に沿った寸法(短辺の寸法)をそれぞれ表している。
また、第1表の光学部材諸元において、面番号は物体面(第1面)であるレチクル面から像面(第2面)であるウエハ面への光線の進行する方向に沿ったレチクル側からの面の順序を、rは各面の曲率半径(非球面の場合には頂点曲率半径:mm)を、dは各面の軸上間隔すなわち面間隔(mm)を、(C・D)は各蛍石レンズにおいてその光軸と一致する結晶軸Cおよびその他の特定結晶軸の角度位置Dを、Enは蛍石レンズの各面の有効直径(mm)を、Pnは部分径(すなわち物体面上の1点から出た光束が各面に入射するときの光束の直径:mm)をそれぞれ示している。
なお、面間隔dは、反射される度にその符号を変えるものとする。したがって、面間隔dの符号は、第1光路折り曲げ鏡FM1の反射面から凹面反射鏡CMまでの光路中および第2光路折り曲げ鏡FM2の反射面から像面までの光路中では負とし、その他の光路中では正としている。そして、第1結像光学系G1では、レチクル側に向かって凸面の曲率半径を正とし、凹面の曲率半径を負としている。一方、第3結像光学系G3では、レチクル側に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。さらに、第2結像光学系G2では、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。
また、角度位置Dは、結晶軸Cが結晶軸[111]であるとき、たとえば結晶軸[−111]の基準方位に対する角度であり、結晶軸Cが結晶軸[100]であるとき、たとえば結晶軸[010]の基準方位に対する角度である。ここで、基準方位とは、たとえばレチクル面において光軸AX1を通るように任意に設定された方位に対して光学的に対応するように定義されるものである。具体的には、レチクル面において+Y方向に基準方位を設定した場合、第1結像光学系G1における基準方位は+Y方向であり、第2結像光学系G2における基準方位は+Z方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)であり、第3結像光学系G3における基準方位は−Y方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)である。
したがって、たとえば(C・D)=(100・0)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(100・45)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に対して45度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(100・0)の蛍石レンズと(C・D)=(100・45)の蛍石レンズとは、結晶軸[100]のレンズペアを構成していることになる。
また、たとえば(C・D)=(111・0)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(111・60)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に対して60度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(111・0)の蛍石レンズと(C・D)=(111・60)の蛍石レンズとは、結晶軸[111]のレンズペアを構成していることになる。
なお、上述の角度位置Dの説明において、基準方位の設定はすべてのレンズに対して共通である必要はなく、たとえば各レンズペアの単位で共通であればよい。また、基準方位に対する角度計測の対象となる特定結晶軸は、結晶軸[100]のレンズペアの場合に結晶軸[010]に限定されることなく、結晶軸[111]のレンズペアの場合に結晶軸[−111]に限定されることなく、たとえば各レンズペアの単位で適当に設定可能である。
第7図は、第1実施例における横収差を示す図である。収差図において、Yは像高を、実線は中心波長157.6nmを、破線は157.6nm+1pm=157.601nmを、一点鎖線は157.6nm−1pm=157.599nmをそれぞれ示している。収差図から明らかなように、第1実施例では、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差が良好に補正されていることがわかる。
[第2実施例]
第8図は、第2実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。なお、第2実施例においても、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差を含む諸収差が補正された反射屈折型の投影光学系に本発明を適用している。
第2実施例の投影光学系PLは、第8図に示すように、2つのレンズL11およびL12からなる第1レンズ群G11と、凹面反射鏡CMと3つのレンズL20〜L22とからなる第2レンズ群G12と、13個のレンズL31〜L313からなる第3レンズ群G13とから構成されている。ここで、第1レンズ群G11と第2レンズ群G12とは、第1面に配置されたレチクルRのパターンの中間像を形成するための結像光学系を構成している。また、第3レンズ群G13は、中間像からの光に基づいて第2面に配置されたウエハW上にレチクルパターンの最終像(レチクルパターンの縮小像)を形成するための結像光学系を構成している。
なお、第1レンズ群G11と第2レンズ群G12との間の光路中には、第1レンズ群G11からの光を第2レンズ群G12に向かって偏向するための第1光路折り曲げ鏡FM1が配置されている。また、第2レンズ群G12と第3レンズ群G13との間の光路中において中間像の形成位置の近傍には、第2レンズ群G12からの光を第3レンズ群G13に向かって偏向するための第2光路折り曲げ鏡FM2が配置されている。中間像は、第2レンズ群G12と第2光路折り曲げ鏡FM2との間の光路中に形成される。
また、第1レンズ群G11は直線状に延びた単一の光軸すなわち基準光軸AX1を有し、第3レンズ群G13は直線状に延びた単一の光軸すなわち基準光軸AX3を有する。基準光軸AX1と基準光軸AX3とは互いに平行であり、重力方向(すなわち鉛直方向)に沿って位置決めされている。その結果、レチクルRおよびウエハWは、重力方向と直交する面すなわち水平面に沿って互いに平行に配置されている。加えて、第1レンズ群G11を構成するすべてのレンズは基準光軸AX1上において水平面に沿って配置されており、第3レンズ群G13を構成するすべてのレンズは基準光軸AX3上において水平面に沿って配置されている。
一方、第2レンズ群G12も直線状に延びた光軸AX2を有し、この光軸AX2は直角と実質的に異なる所定の角度で基準光軸AX1(基準光軸AX3)と交差するように設定されている。さらに、第1光路折り曲げ鏡FM1および第2光路折り曲げ鏡FM2はともに平面状の反射面(第1反射面および第2反射面)を有し、2つの反射面を有する1つの光学部材(1つの光路折り曲げ鏡FM)として一体的に構成されている。第2実施例の投影光学系では、屈折光学系である第1レンズ群G11および第3レンズ群G13で生じる色収差および正値のペッツバール和を、第2レンズ群G12の凹面反射鏡CMおよび負レンズL21,L22により補償している。
第1レンズ群G11は、レチクル側から順に、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL11と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL12とから構成されている。
また、第2レンズ群G12は、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)から順に、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL20と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL21と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL22と、レチクル側に凹面を向けた凹面反射鏡CMとから構成されている。
さらに、第3レンズ群G13は、光の進行方向に沿ってレチクル側から順に、両凸レンズL31と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL32と、レチクル側に非球面状の凸面を向けた正メニスカスレンズL33と、ウエハ側に非球面状の凸面を向けた負メニスカスレンズL34と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL35と、両凸レンズL36と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL37と、開口絞りASと、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL38と、レチクル側に非球面状の凸面を向けた両凸レンズL39と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL310と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL311と、ウエハ側に平面を向けた平凸レンズL312と、ウエハ側に平面を向けた平凸レンズL313とから構成されている。
次の第2表に、第2実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。第2表の主要諸元において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率(全系の結像倍率)を、NAは像側(ウエハ側)開口数を、BはウエハW上でのイメージサークルIFの半径を、Aは実効露光領域ERの軸外し量を、LX(Ew)は実効露光領域ERのX方向に沿った寸法(長辺の寸法)を、LYは実効露光領域ERのY方向に沿った寸法(短辺の寸法)をそれぞれ表している。
また、第2表の光学部材諸元において、面番号は物体面(第1面)であるレチクル面から像面(第2面)であるウエハ面への光線の進行する方向に沿ったレチクル側からの面の順序を、rは各面の曲率半径(非球面の場合には頂点曲率半径:mm)を、dは各面の軸上間隔すなわち面間隔(mm)を、(C・D)は各蛍石レンズにおいてその光軸と一致する結晶軸Cおよびその他の特定結晶軸の角度位置Dを、Enは蛍石レンズの各面の有効直径(mm)を、Pnは部分径(すなわち物体面上の1点から出た光束が各面に入射するときの光束の直径:mm)をそれぞれ示している。
なお、面間隔dは、反射される度にその符号を変えるものとする。したがって、面間隔dの符号は、第1光路折り曲げ鏡FM1の反射面から凹面反射鏡CMまでの光路中および第2光路折り曲げ鏡FM2の反射面から像面までの光路中では負とし、その他の光路中では正としている。そして、第1レンズ群G11では、レチクル側に向かって凸面の曲率半径を正とし、凹面の曲率半径を負としている。一方、第3レンズ群G13では、レチクル側に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。さらに、第2レンズ群G12では、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。
また、角度位置Dは、結晶軸Cが結晶軸[111]であるとき、たとえば結晶軸[−111]の基準方位に対する角度であり、結晶軸Cが結晶軸[100]であるとき、たとえば結晶軸[010]の基準方位に対する角度である。ここで、基準方位とは、たとえばレチクル面において光軸AX1を通るように任意に設定された方位に対して光学的に対応するように定義されるものである。具体的には、レチクル面において+Y方向に基準方位を設定した場合、第1レンズ群G11における基準方位は+Y方向であり、第2レンズ群G12における基準方位はYZ平面内で第2レンズ群G12の光軸に垂直な方向であって+Z側に向けられた方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)であり、第3レンズ群G13における基準方位は−Y方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)である。
したがって、たとえば(C・D)=(100・0)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(100・45)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に対して45度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(100・0)の蛍石レンズと(C・D)=(100・45)の蛍石レンズとは、結晶軸[100]のレンズペアを構成していることになる。
また、たとえば(C・D)=(111・0)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(111・60)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に対して60度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(111・0)の蛍石レンズと(C・D)=(111・60)の蛍石レンズとは、結晶軸[111]のレンズペアを構成していることになる。
なお、上述の角度位置Dの説明において、基準方位の設定はすべてのレンズに対して共通である必要はなく、たとえば各レンズペアの単位で共通であればよい。また、基準方位に対する角度計測の対象となる特定結晶軸は、結晶軸[100]のレンズペアの場合に結晶軸[010]に限定されることなく、結晶軸[111]のレンズペアの場合に結晶軸[−111]に限定されることなく、たとえば各レンズペアの単位で適当に設定可能である。なお、第2表に示す第2実施例にかかる投影光学系において、第1レンズ群G11の光軸AX1第3レンズ群G13の光軸AX3とは、第2レンズ群G12の光軸AX2に沿った方向において28mmだけ離れて設定されている。
第9図は、第2実施例における横収差を示す図である。収差図において、Yは像高を、実線は中心波長157.6nmを、破線は157.6nm+1pm=157.601nmを、一点鎖線は157.6nm−1pm=157.599nmをそれぞれ示している。収差図から明らかなように、第2実施例においても、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差が良好に補正されていることがわかる。
以上のように、各実施例において、投影光学系PLを構成するすべて(100%)の透過部材が蛍石で形成されている。そして、第1実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(1)を満足する蛍石レンズ(L11〜L14,L16〜L19,L31〜L33)の総数は11であり、そのうちの約82%に相当する9個の蛍石レンズ(L11〜L13,L17〜L19,L31〜L33)において、その光軸と結晶軸[100]とが一致するように配置されている。
このように、第1実施例では、物体面(レチクル面)または像面(中間像形成面およびウエハ面)の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用しているので、大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用することができるので、前述したように偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
また、第1実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(2)を満足する蛍石レンズ(L21〜L22,L35〜L310)の総数は8であり、そのうちの約88%に相当する7個の蛍石レンズ(L21〜L22,L35〜L39)において、その光軸と結晶軸[111]とが一致するように配置されている。
このように、第1実施例では、瞳面(レンズL15の付近,凹面反射鏡CM,開口絞りAS)の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用しているので、ひいては比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用することになり、結果として大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍においてではなく、瞳面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用するので、前述したように奇数θ成分は発生するが、発生する奇数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
さらに、第1実施例では、蛍石レンズの総数は24であり、そのうちの約58%に相当する14個の蛍石レンズ(L11〜L13,L17〜L19,L31〜L34,L310〜L313)は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有する。こうして、第1実施例では、全体の相当数の蛍石レンズに対して、しかも250mm以下の有効直径を有する比較的小口径の蛍石レンズに対して、結晶軸[100]のペアレンズを適用することができるので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
また、第1実施例では、凹面反射鏡CMの近傍に配置された一対の負レンズL21とL22とで結晶軸[111]のペアレンズを構成し、負レンズL21の中心厚D21と負レンズL22の中心厚D22とが条件式(3)を満足しているので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
一方、第2実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(1)を満足する蛍石レンズ(L11〜L12,L31〜L34,L313)の総数は7であり、そのうちの100%に相当する7個の蛍石レンズ(L11〜L12,L31〜L34,L313)において、その光軸と結晶軸[100]とが一致するように配置されている。
このように、第2実施例においても、物体面(レチクル面)または像面(中間像形成面およびウエハ面)の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用しているので、大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用することができるので、前述したように偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
また、第2実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(2)を満足する蛍石レンズ(L20〜L22,L36〜L39)の総数は7であり、そのうちの約86%に相当する6個の蛍石レンズ(L20〜L22,L35〜L39)において、その光軸と結晶軸[111]とが一致するように配置されている。
このように、第2実施例においても、瞳面(凹面反射鏡CM,開口絞りAS)の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用しているので、ひいては比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用することになり、結果として大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍においてではなく、瞳面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用するので、前述したように奇数θ成分は発生するが、発生する奇数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
さらに、第2実施例では、蛍石レンズの総数は18であり、そのうちの約56%に相当する10個の蛍石レンズ(L11〜L12,L31〜L36,L312〜L313)は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有する。こうして、第2実施例においても、全体の相当数の蛍石レンズに対して、しかも250mm以下の有効直径を有する比較的小口径の蛍石レンズに対して、結晶軸[100]のペアレンズを適用することができるので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
また、第2実施例においても、凹面反射鏡CMの近傍に配置された一対の負レンズL21とL22とで結晶軸[111]のペアレンズを構成し、負レンズL21の中心厚D21と負レンズL22の中心厚D22とが条件式(3)を満足しているので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
なお、第2実施例の第1レンズ群G11では、一対のレンズL11とL12とで結晶軸[100]のペアレンズを構成しているが、レンズL11の光軸と一致する結晶軸とレンズL12の光軸と一致する結晶軸とが互いに異なるように適宜設定することにより、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することも可能である。
また、第1実施例および第2実施例では、光軸に関して回転対称な非球面を導入しているが、非回転対称な非球面形状を有する光学面を少なくとも1面導入することが好ましい。この場合、蛍石の複屈折による波面収差悪化のうち、3回回転対称成分などの偏光成分に因らず発生する収差については、非回転対称な非球面の作用により補正することができる。なお、第1および第2実施例では、蛍石の固有複屈折の値として、2001年7月18日に開かれたリソグラフィに関するシンポジュウム(International−SEMATECH Calcium Fluoride Birefringence Workshop)において、米国NIST(National Institute of Standards and Technology)のJohn H.Burnettらによって発表された値を用いている。
なお、上述の実施形態では、複屈折性の光学材料として蛍石を用いているが、これに限定されることなく、他の一軸性結晶、たとえばフッ化バリウム(BaF2)、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化ストロンチウム(SrF2)などを用いることもできる。この場合、フッ化バリウム(BaF2)などの結晶軸方位も本発明に従って決定されることが好ましい。
また、上記の実施形態にかかる投影光学系の複数の透過部材としては、フッ化カルシウムやフッ化バリウムなどの立方晶系に属し且つ160nm以下の波長の光に対して透過性を有する材料の他に、フッ素や水素等がドープされて160nm以下の波長の光に対して透過性を有する改質石英を用いることができる。このような改質石英で形成された透過部材は、例えば第1面と投影光学系との間の光路中および投影光学系と第2面との間の光路中に配置されて投影光学系内をほぼ密封状態に保つためのパージ窓として使用可能である。
上述の実施形態の露光装置では、照明装置によってレチクル(マスク)を照明し(照明工程)、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する(露光工程)ことにより、マイクロデバイス(半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等)を製造することができる。以下、本実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウエハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき第10図のフローチャートを参照して説明する。
先ず、第10図のステップ301において、1ロットのウエハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ302において、その1ロットのウエハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ303において、本実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その1ロットのウエハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ304において、その1ロットのウエハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ305において、その1ロットのウエハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウエハ上の各ショット領域に形成される。
その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。なお、ステップ301〜ステップ305では、ウエハ上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、ウエハ上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。
また、本実施形態の露光装置では、プレート(ガラス基板)上に所定のパターン(回路パターン、電極パターン等)を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、第11図のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。第11図において、パターン形成工程401では、本実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板(レジストが塗布されたガラス基板等)に転写露光する、所謂光リソグラフィ工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程402へ移行する。
次に、カラーフィルター形成工程402では、R(Red)、G(Green)、B(Blue)に対応した3つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはR、G、Bの3本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列されたりしたカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程402の後に、セル組み立て工程403が実行される。セル組み立て工程403では、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル(液晶セル)を組み立てる。セル組み立て工程403では、例えば、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル(液晶セル)を製造する。
その後、モジュール組み立て工程404にて、組み立てられた液晶パネル(液晶セル)の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。
なお、上述の実施形態では、露光装置に搭載される投影光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、他の一般的な投影光学系に対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、157nmの波長光を供給するF2レーザー光源を用いているが、これに限定されることなく、たとえば193nmの波長光を供給するArFエキシマレーザー光源や、126nmの波長光を供給するAr2レーザー光源、146nmの波長光を供給するKr2レーザー光源などを用いることもできる。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明では、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する投影光学系を実現することができる。したがって、本発明では、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する本発明の投影光学系を用いた露光装置および露光方法において、高解像で高精度な投影露光を行うことができる。また、本発明の投影光学系を搭載した露光装置を用いて、高解像な投影光学系を介した高精度な投影露光により、良好なマイクロデバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、蛍石の結晶軸方位について説明する図である。
第2A図〜第2C図は、Burnettらの手法を説明する図であって、光線の入射角に対する複屈折率の分布を示している。
第3A図〜第3C図は、本発明の手法を説明する図であって、光線の入射角に対する複屈折率の分布を示している。
第4図は、本発明の実施形態にかかる光学系を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第5図は、ウエハ上に形成される矩形状の露光領域(すなわち実効露光領域)と基準光軸との位置関係を示す図である。
第6図は、第1実施例にかかる投影光学系PLのレンズ構成を示す図である。
第7図は、第1実施例における横収差を示す図である。
第8図は、第2実施例にかかる投影光学系PLのレンズ構成を示す図である。
第9図は、第2実施例における横収差を示す図である。
第10図は、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。
第11図は、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。
本発明は、投影光学系および該投影光学系を備えた露光装置に関し、特に半導体素子などのマイクロデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用される露光装置に好適な投影光学系に関するものであり、特に反射屈折型の投影光学系に関するものである。
背景技術
近年、半導体素子の製造や半導体チップ実装基板の製造では、微細化がますます進んでおり、パターンを焼き付ける露光装置ではより解像力の高い投影光学系が要求されてきている。この高解像の要求を満足するには、露光光を短波長化するとともに、NA(投影光学系の開口数)を大きくしなければならない。しかしながら、露光光の波長が短くなると、光の吸収のため実用に耐える光学ガラスの種類が限られてくる。
たとえば波長が200nm以下の真空紫外域の光、特にF2レーザ光(波長157nm)を露光光として用いる場合、投影光学系を構成する光透過性光学材料としては、フッ化カルシウム(蛍石:CaF2)やフッ化バリウム(BaF2)等のフッ化物結晶を多用せざるを得ない。実際には、露光光としてF2レーザ光を用いる露光装置では、基本的に蛍石だけで投影光学系を形成する設計が想定されている。蛍石は、立方晶系に属する結晶であり、光学的には等方的で、複屈折が実質的にないと思われていた。また、従来の可視光域の実験では、蛍石について小さい複屈折(内部応力起因のランダムなもの)しか観測されていなかった。
しかしながら、2001年5月15日に開かれたリソグラフィに関するシンポジュウム(2nd International Symposium on 157nm Lithography)おいて、米国NISTのJohn H.Burnettらにより、蛍石には固有複屈折(intrinsic birefringence)が存在することを実験および理論の両面から確認したことが発表された。
この発表によれば、蛍石の複屈折は、結晶軸[111]方向およびこれと等価な結晶軸[−111],[1−11],[11−1]方向、並びに結晶軸[100]方向およびこれと等価な結晶軸[010],[001]方向ではほぼ零であるが、その他の方向では実質的に零でない値を有する。特に、結晶軸[110],[−110],[101],[−101],[011],[01−1]の6方向では、波長157nmに対して最大で6.5nm/cm、波長193nmに対して最大で3.6nm/cmの複屈折の値を有する。
これらの複屈折の値はランダムな複屈折の許容値とされる1nm/cmよりも実質的に大きい値であり、しかもランダムでない分だけ複数のレンズを通して複屈折の影響が蓄積する可能性がある。従来技術では、投影光学系の設計において蛍石の複屈折性を考慮していないので、加工の容易さなどの観点から結晶軸[111]と光軸とを一致させるのが一般的である。この場合、投影光学系では、NA(開口数)が比較的大きいため、結晶軸[111]からある程度傾いた光線もレンズを通過するので、複屈折の影響により結像性能が悪化する可能性がある。
発明の開示
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する投影光学系を提供することを目的とする。
また、本発明では、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する本発明の投影光学系を用いて、高解像で高精度な投影露光を行うことのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の第1発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En<0.7
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第2発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En>0.9
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第3発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記結晶で形成された結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第1乃至第3発明の投影光学系は、少なくとも1つの反射鏡を含むことが好ましい。
本発明の第4発明では、複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に配置された第3レンズ群とを備え、
前記往復光学系は、前記結晶で形成された第1負レンズL21と、前記結晶で形成されて前記第1負レンズL21と前記凹面反射鏡との間の光路中に配置された第2負レンズL22とを有し、
前記第1負レンズL21の中心厚をD21とし、前記第2負レンズL22の中心厚をD22とするとき、
1.2<D21/D22<2.0
の条件式を満足することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第5発明では、複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に配置された第3レンズ群とを備え、
前記第1レンズ群は、ある特定の結晶軸の設定方向が実質的に異なる2つの透過部材を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第6発明では、複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に直線状の光軸に沿って配置された第3レンズ群とを備え、
前記第2レンズ群と前記第3レンズ群との間の光路中に前記第1面の一次中間像が形成されるように構成され、
前記第1レンズ群は、前記結晶で形成された少なくとも2つの透過部材を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第7発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En<0.7
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第8発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En>0.9
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第9発明では、複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記結晶で形成された結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有することを特徴とする投影光学系を提供する。
本発明の第10発明では、前記第1面に設定されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に形成するための第1発明〜第9発明の投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
本発明の第11発明では、前記第1面に設定されたマスクを照明し、第1発明〜第9発明の投影光学系を介して前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光方法を提供する。
発明を実施するための最良の形態
第1図は、蛍石の結晶軸方位について説明する図である。第1図を参照すると、蛍石の結晶軸は、立方晶系のXYZ座標系に基づいて規定される。すなわち、+X軸に沿って結晶軸[100]が、+Y軸に沿って結晶軸[010]が、+Z軸に沿って結晶軸[001]がそれぞれ規定される。
また、XZ平面において結晶軸[100]および結晶軸[001]と45度をなす方向に結晶軸[101]が、XY平面において結晶軸[100]および結晶軸[010]と45度をなす方向に結晶軸[110]が、YZ平面において結晶軸[010]および結晶軸[001]と45度をなす方向に結晶軸[011]がそれぞれ規定される。さらに、+X軸、+Y軸および+Z軸に対して等しい鋭角をなす方向に結晶軸[111]が規定される。
なお、第1図では、+X軸、+Y軸および+Z軸で規定される空間における結晶軸のみを図示しているが、他の空間においても同様に結晶軸が規定される。前述したように、蛍石では、第1図中実線で示す結晶軸[111]方向、およびこれと等価な不図示の結晶軸[−111],[1−11],[11−1]方向では、複屈折がほぼ零(最小)である。
同様に、第1図中実線で示す結晶軸[100],[010],[001]方向においても、複屈折がほぼ零(最小)である。一方、第1図中破線で示す結晶軸[110],[101],[011],およびこれと等価な不図示の結晶軸[−110],[−101],[01−1]方向では、複屈折が最大である。
ところで、Burnettらは前述の発表において、複屈折の影響を低減する手法を開示している。第2A図〜第2C図は、Burnettらの手法を説明する図であって、光線の入射角(光線と光軸とのなす角度)に対する複屈折率の分布を示している。第2A図〜第2C図では、図中破線で示す5つの同心円が1目盛り10度を表している。したがって、最も内側の円が光軸に対して入射角10度の領域を、最も外側の円が光軸に対して入射角50度の領域を表している。
また、黒丸は比較的大きな屈折率を有する複屈折のない領域を、白丸は比較的小さな屈折率を有する複屈折のない領域を表している。一方、太い円および長い両矢印は複屈折のある領域における比較的大きな屈折率の方向を、細い円および短い両矢印は複屈折のある領域における比較的小さな屈折率の方向を表している。以降の第3A図〜第3C図においても、上述の表記は同様である。
Burnettらの手法では、一対の蛍石レンズ(蛍石で形成されたレンズ)の光軸と結晶軸[111]とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを約60度だけ相対的に回転させる。したがって、一方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第2A図に示すようになり、他方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第2B図に示すようになる。その結果、一対の蛍石レンズ全体における複屈折率の分布は、第2C図に示すようになる。
この場合、第2A図および第2B図を参照すると、光軸と一致している結晶軸[111]に対応する領域は、比較的小さな屈折率を有する複屈折のない領域となる。また、結晶軸[100],[010],[001]に対応する領域は、比較的大きな屈折率を有する複屈折のない領域となる。さらに、結晶軸[110],[101],[011]に対応する領域は、周方向の偏光に対する屈折率が比較的小さく径方向の偏光に対する屈折率が比較的大きい複屈折領域となる。このように、個々の蛍石レンズでは、光軸から35.26度(結晶軸[111]と結晶軸[110]とのなす角度)の領域において、複屈折の影響を最大に受けることがわかる。
一方、第2C図を参照すると、一対の蛍石レンズを60度だけ相対的に回転させることにより、一対の蛍石レンズ全体では、複屈折が最大である結晶軸[110],[101],[011]の影響が薄められることがわかる。そして、光軸から35.26度の領域において、径方向の偏光に対する屈折率よりも周方向の偏光に対する屈折率が小さい複屈折領域が残ることになる。換言すれば、Burnettらの手法を用いることにより、光軸に関して回転対称な分布が残るが、複屈折の影響をかなり低減することができる。
また、本発明の手法では、一対の蛍石レンズ(一般には蛍石で形成された透過部材)の光軸と結晶軸[100](または該結晶軸[100]と光学的に等価な結晶軸)とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを約45度だけ相対的に回転させる。ここで、結晶軸[100]と光学的に等価な結晶軸とは、結晶軸[010],[001]である。
第3A図〜第3C図は、本発明の手法を説明する図であって、光線の入射角(光線と光軸とのなす角度)に対する複屈折率の分布を示している。本発明の手法では、一方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第3A図に示すようになり、他方の蛍石レンズにおける複屈折率の分布は第3B図に示すようになる。その結果、一対の蛍石レンズ全体における複屈折率の分布は、第3C図に示すようになる。
第3A図および第3B図を参照すると、本発明の手法では、光軸と一致している結晶軸[100]に対応する領域は、比較的大きな屈折率を有する複屈折のない領域となる。また、結晶軸[111],[1−11],[−11−1],[11−1]に対応する領域は、比較的小さな屈折率を有する複屈折のない領域となる。さらに、結晶軸[101],[10−1],[110],[1−10]に対応する領域は、周方向の偏光に対する屈折率が比較的大きく径方向の偏光に対する屈折率が比較的小さい複屈折領域となる。このように、個々の蛍石レンズでは、光軸から45度(結晶軸[100]と結晶軸[101]とのなす角度)の領域において、複屈折率の影響を最大に受けることがわかる。
一方、第3C図を参照すると、一対の蛍石レンズを45度だけ相対的に回転させることにより、一対の蛍石レンズ全体では、複屈折が最大である結晶軸[101],[10−1],[110],[1−10]の影響がかなり薄められ、光軸から45度の領域において径方向の偏光に対する屈折率よりも周方向の偏光に対する屈折率が大きい複屈折領域が残ることになる。換言すれば、本発明の手法を用いることにより、光軸に関して回転対称な分布が残るが、複屈折の影響をかなり低減することができる。
なお、本発明の手法において、一方の蛍石レンズと他方の蛍石レンズとを光軸を中心として約45度だけ相対的に回転させるとは、一方の蛍石レンズおよび他方の蛍石レンズにおける光軸とは異なる方向に向けられる所定の結晶軸(たとえば結晶軸[010],[001],[011]または[01−1])同士の光軸を中心とした相対的な角度が約45度であることを意味する。具体的には、たとえば一方の蛍石レンズにおける結晶軸[010]と、他方の蛍石レンズにおける結晶軸[010]との光軸を中心とした相対的な角度が約45度であることを意味する。
また、第3A図および第3B図からも明らかな通り、結晶軸[100]を光軸とする場合には、光軸を中心とした複屈折の影響の回転非対称性が90度の周期で現れる。したがって、本発明の手法において、光軸を中心として約45度だけ相対的に回転させるということは、光軸を中心として約45度+(n×90度)だけ相対的に回転させること、すなわち45度、135度、225度、または315度・・・だけ相対的に回転させることと同じ意味である(ここで、nは整数である)。
一方、Burnettらの手法において、一方の蛍石レンズと他方の蛍石レンズとを光軸を中心として約60度だけ相対的に回転させるとは、一方の蛍石レンズおよび他方の蛍石レンズにおける光軸とは異なる方向に向けられる所定の結晶軸(たとえば結晶軸[−111]、[11−1]、または[1−11])同士の光軸を中心とした相対的な角度が約60度であることを意味する。具体的には、たとえば一方の蛍石レンズにおける結晶軸[−111]と、他方の蛍石レンズにおける結晶軸[−111]との光軸を中心とした相対的な角度が約60度であることを意味する。
また、第2A図および第2B図からも明らかな通り、結晶軸[111]を光軸とする場合には、光軸を中心とした複屈折の影響の回転非対称性が120度の周期で現れる。したがって、Burnettらの手法において、光軸を中心として約60度だけ相対的に回転させるということは、光軸を中心として約60度+(n×120度)だけ相対的に回転させること、すなわち60度、180度、または300度・・・だけ相対的に回転させることと同じ意味である(ここで、nは整数である)。
上述の説明の通り、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[111]とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを60度だけ相対的に回転させることにより、あるいは一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[100]とを一致させ、且つ光軸を中心として一対の蛍石レンズを45度だけ相対的に回転させることにより、光軸に関して回転対称な分布が残るが、複屈折の影響をかなり低減することができる。
ここで、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[111]とを一致させて60度相対回転させたときに残存する回転対称な分布と、一対の蛍石レンズの光軸と結晶軸[100]とを一致させて45度相対回転させたときに残存する回転対称な分布とは逆向きである。換言すれば、光軸と結晶軸[111]とを一致させて60度相対回転させた一対の蛍石レンズ(以下、「結晶軸[111]のペアレンズ」という)における進相軸と、結晶軸[100]とを一致させて45度相対回転させた一対の蛍石レンズ(以下、「結晶軸[100]のペアレンズ」という)における進相軸とは直交する。なお、試料に複屈折が存在する場合、屈折率の差により当該試料を通過する振動面(偏光面)の直交した2つの直線偏光の光の位相が変化する。すなわち一方の偏光に対して他方の偏光の位相が進んだり遅れたりすることになるが、位相が進む方の偏光方向を進相軸と呼び、位相が遅れる方の偏光方向を遅相軸と呼ぶ。
したがって、結晶軸[111]のペアレンズと結晶軸[100]のペアレンズとを組み合わせることにより、残存する回転対称な分布をも小さく抑えることができる。前述したように、たとえば露光光としてF2レーザ光を用いる露光装置では、多数の蛍石レンズを用いて投影光学系を構成することになるので、蛍石の複屈折の影響をできるだけ低減するには、結晶軸[111]のペアレンズと結晶軸[100]のペアレンズとを組み合わせて用いることが必須である。
現在のところ、光軸と結晶軸[100]とが一致する大口径レンズを製造することが困難である。したがって、光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成は、小口径レンズに対して採用することが必要である。換言すれば、投影光学系の場合、物体面または像面(最終像面および中間像面)の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用し、瞳面の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用することが望ましい。
さらに、結晶軸[111]のペアレンズおよび結晶軸[100]のペアレンズにおいて、軸上物点(光軸上の物点)から出た光に対して複屈折の影響は回転対称になるが、軸外物点(光軸から離れた物点)から出た光に対して複屈折の影響は回転対称にならない。特に、結晶軸[111]のペアレンズを使用する場合、奇数回回転対称な奇数θ成分(たとえば3回回転対称な3θ成分)が発生し易い。これに対し、結晶軸[100]のペアレンズを使用する場合、偶数回回転対称な偶数θ成分(たとえば4回回転対称な4θ成分)が発生し易い。
一般に、リソグラフィでは、偶数θ成分よりも奇数θ成分の方がレジスト像に悪影響を及ぼすことが知られている。したがって、物体面または像面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用すると、発生する奇数θ成分に起因して像面内(露光装置では露光エリア内)での結像性能のばらつきが大きくなる。一方、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用すると、偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。さらに、投影光学系の瞳面の近傍であれば、結晶軸[111]のペアレンズを使用しても結晶軸[100]のペアレンズを使用しても、発生する奇数θ成分や偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
第1発明〜第4発明では、投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が、たとえば蛍石のような立方晶系に属する結晶で形成されている。そして、第1発明では、次の条件式(1)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材(結晶で形成された透過部材)の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されている。
Pn/En<0.7 (1)
ここで、Enは、結晶透過部材の有効直径(すなわち露光装置の場合には露光エリア全体から出た光束が結晶透過部材の各面に入射したときの光束に外接する円の直径)である。また、Pnは、物体面(第1面)上の1点から出た光束が結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径(以下、「部分径」という)である。したがって、条件式(1)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材は、物体面または像面(第2面および中間像面)の近傍に配置されている結晶透過部材に他ならない。
こうして、第1発明では、物体面または像面の近傍に配置されている結晶透過部材のうちある程度の部分(70%以上)の結晶透過部材において、その光軸と結晶軸[100]とをほぼ一致させていることになる。したがって、第1発明では、物体面または像面の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用しているので、大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用することができるので、前述したように偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
その結果、第1発明の投影光学系では、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。なお、第1発明において当該結晶透過部材が物体面または像面の近傍に配置されていることをさらに厳密に限定するには、条件式(1)の上限値を0.6に設定することが好ましい。
一方、第2発明では、次の条件式(2)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されている。
Pn/En>0.9 (2)
したがって、条件式(2)を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材は、投影光学系の瞳面の近傍に配置されている結晶透過部材に他ならない。こうして、第2発明では、瞳面の近傍に配置されている結晶透過部材のうちある程度の部分(60%以上)の結晶透過部材において、その光軸と結晶軸[111]とをほぼ一致させていることになる。したがって、第2発明では、瞳面の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用しているので、ひいては比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用することになり、結果として大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍においてではなく、瞳面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用するので、前述したように奇数θ成分は発生するが、発生する奇数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
その結果、第2発明の投影光学系においても、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。なお、第2発明において結晶透過部材が瞳面の近傍に配置されていることをさらに厳密に限定するには、条件式(2)の下限値を0.94に設定することが好ましい。
第3発明では、結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有する。前述したように、たとえば露光光としてF2レーザ光を用いる露光装置では、多数の蛍石レンズを用いて投影光学系を構成することになるので、蛍石の複屈折の影響をできるだけ低減するには、1組または複数組の結晶軸[100]のペアレンズを用いることが必須である。また、前述したように、結晶軸[100]のペアレンズを大口径レンズに適用することは製造上の観点から困難である。
第3発明では、全体の20%以上の相当数の結晶透過部材に対して、しかも250mm以下の有効直径を有する比較的小口径の結晶透過部材に対して、結晶軸[100]のペアレンズを適用することができるので、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。
第4発明では、第1面から光の入射する順に、第1レンズ群と、第1反射面と、凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、第2反射面と、第3レンズ群とを備えている。また、往復光学系は、第1面から光の入射する順に、結晶で形成された第1負レンズL21と、結晶で形成された第2負レンズL22とを有する。
このように、反射屈折型の投影光学系では、色収差補正と像面湾曲補正(ペッツバール和の補正)とを目的とした一対の負レンズが凹面反射鏡の近傍に配置される。しかしながら、収差補正の目的のために、この一対の負レンズを通過する光線の光軸に対する角度は比較的大きく、さらにこの一対の負レンズが往復光学系を構成するため、この一対の負レンズによる複屈折の影響は大きくなり易い。このとき、複屈折の影響をできるだけ低減するには、第1負レンズL21と第2負レンズL22とで、結晶軸[100]のペアレンズまたは結晶軸[111]のペアレンズを構成することが必要である。
以上の観点より、第4発明では、第1負レンズL21および第2負レンズL22が次の条件式(3)を満足する。なお、条件式(3)において、D21は第1負レンズL21の中心厚であり、D22は第2負レンズL22の中心厚である。
1.2<D21/D22<2.0 (3)
一般に、2つのレンズで結晶軸[100]のペアレンズまたは結晶軸[111]のペアレンズを構成する場合、2つのレンズの中心厚が互いにほぼ等しいことが必要である。しかしながら、第1負レンズL21の負屈折力により、第1負レンズL21を通過する光線の光軸に対する角度よりも第2負レンズL22を通過する光線の光軸に対する角度の方が大きくなるので、第2負レンズL22の中心厚D22よりも第1負レンズL21の中心厚D21の方を大きく設定することが必要になる。
こうして、第4発明では、第1負レンズL21の中心厚D21と第2負レンズL22の中心厚D22との関係を規定している条件式(3)を満足することにより、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を確保することができる。なお、第4発明の効果をさらに良好に発揮するには、条件式(3)の上限値を1.9に設定し、その下限値を1.3に設定することが好ましい。
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
第4図は、本発明の実施形態にかかる投影光学系を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。なお、第4図において、ウエハWの法線方向にZ軸を、Z軸に垂直な面内において第4図の紙面に平行にY軸を、Z軸に垂直な面内において第4図の紙面に垂直にX軸を設定している。本実施形態では、反射屈折型の投影光学系を備えた走査型の投影露光装置に本発明を適用している。
第4図を参照すると、本実施形態の露光装置は、第1面に配置されるレチクル(マスク)Rを照明するための照明装置51を備えている。照明装置51は、たとえば157nmの波長光を供給するF2レーザーを有する光源、この光源からの光により所定形状(円形状、輪帯状、二極状、四極状など)の二次光源を形成するオプティカルインテグレータ、レチクルR上での照射範囲を規定するための照明視野絞りなどを有し、レチクルR上の照明領域をほぼ均一な照度分布のもとで照明する。
ここで、照明装置51内の照明光路は不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態では窒素でパージしている。レチクルRはレチクルステージ53上に載置されており、レチクルRおよびレチクルステージ53はケーシング52によって外部の雰囲気と隔離されている。このケーシング52の内部空間も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態では窒素でパージしている。
照明装置51により照明されたレチクルRからの光は、反射屈折型の投影光学系PLを介して、感光性基板としてのウエハWへ導かれ、ウエハW上の露光領域内にレチクルRのパターン像を形成する。投影光学系PLは、鉛直方向に沿った第1光軸AX1と、これに交差する第2光軸AX2とを有する。投影光学系PL内の投影光路も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態ではヘリウムでパージしている。
ウエハWは、その表面が投影光学系PLの像面としての第2面に位置決めされるようにウエハステージ61上に載置されており、ウエハWおよびウエハステージ61はケーシング62によって外部の雰囲気と隔離されている。このケーシング62の内部空間も不活性ガスでパージされることが好ましく、本実施形態では窒素でパージしている。そして、レチクルステージ53とウエハステージ61とを投影光学系PLの倍率に応じた速度比で投影光学系PLに対して走査方向であるY方向に沿って相対的に移動させつつ、レチクルRを照明することにより、ウエハW上の露光領域内にレチクルR上のパターンが転写される。
第5図は、ウエハ上に形成される矩形状の露光領域(すなわち実効露光領域)と光軸との位置関係を示す図である。第5図に示すように、本実施形態では、光軸AX1を中心とした半径Bを有する円形状の領域(イメージサークル)IF内において、光軸AX1から−Y方向に軸外し量Aだけ離れた位置に所望の大きさを有する矩形状の実効露光領域ERが設定されている。ここで、実効露光領域ERのX方向の長さはLX(Ew)であり、そのY方向の長さはLYである。
換言すると、本実施形態では、ウエハWにおいて、光軸AX1から−Y方向に軸外し量Aだけ離れた位置に所望の大きさを有する矩形状の実効露光領域ERが設定され、光軸AX1を中心として実効露光領域ERを包括するように円形状のイメージサークルIFの半径Bが規定されている。したがって、図示を省略したが、これに対応して、レチクルR上では、光軸AX1から−Y方向に軸外し量Aに対応する距離だけ離れた位置に実効露光領域ERに対応した大きさおよび形状を有する矩形状の照明領域(すなわち実効照明領域)が形成されていることになる。
以下、具体的な数値に基づく実施例を説明する。各実施例において、投影光学系を構成するすべての透過部材(屈折光学部材:レンズ成分)には蛍石(CaF2結晶)を使用している。また、露光光であるF2レーザー光の発振中心波長は157.6nmであり、157.6nm付近においてCaF2の屈折率は、+1pmの波長変化あたり−2.6×10−6の割合で変化し、−1pmの波長変化あたり+2.6×10−6の割合で変化する。換言すると、157.6nm付近において、CaF2の屈折率の分散(dn/dλ)は、2.6×10−6/pmである。
したがって、各実施例において、中心波長157.6nmに対するCaF2の屈折率は1.55930666であり、157.6nm+1pm=157.601nmに対するCaF2の屈折率は1.55930406であり、157.6nm−1pm=157.599nmに対するCaF2の屈折率は1.55930926である。
また、各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをyとし、非球面の頂点における接平面から高さyにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離(サグ量)をzとし、頂点曲率半径をrとし、円錐係数をκとし、n次の非球面係数をCnとしたとき、以下の数式(a)で表される。各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には面番号の右側に*印を付している。
z=(y2/r)/〔1+{1−(1+κ)・y2/r2}1/2〕
+C4・y4+C6・y6+C8・y8+C10・y10
+C12・y12+C14・y14 (a)
[第1実施例]
第6図は、第1実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。なお、第1実施例では、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差を含む諸収差が補正された反射屈折型の投影光学系に本発明を適用している。
第1実施例の投影光学系PLは、第6図に示すように、第1面に配置されたレチクルRのパターンの第1中間像を形成するための屈折型の第1結像光学系(第1レンズ群)G1と、凹面反射鏡CMと2つの負レンズL21,L22とから構成されて第2中間像(第1中間像のほぼ等倍像であってレチクルパターンの2次像)を形成するための第2結像光学系(第2レンズ群)G2と、第2中間像からの光に基づいて第2面に配置されたウエハW上にレチクルパターンの最終像(レチクルパターンの縮小像)を形成するための屈折型の第3結像光学系(第3レンズ群)G3とから構成されている。
なお、第1結像光学系G1と第2結像光学系G2との間の光路中において第1中間像の形成位置の近傍には、第1結像光学系G1からの光を第2結像光学系G2に向かって偏向するための第1光路折り曲げ鏡FM1が配置されている。また、第2結像光学系G2と第3結像光学系G3との間の光路中において第2中間像の形成位置の近傍には、第2結像光学系G2からの光を第3結像光学系G3に向かって偏向するための第2光路折り曲げ鏡FM2が配置されている。第1中間像および第2中間像は、第1光路折り曲げ鏡FM1と第2結像光学系G2との間の光路中および第2結像光学系G2と第2光路折り曲げ鏡FM2との間の光路中にそれぞれ形成される。
また、第1結像光学系G1および第3結像光学系G3はともに、直線状に延びた単一の光軸すなわち基準光軸AX1を有する。基準光軸AX1は、重力方向(すなわち鉛直方向)に沿って位置決めされている。その結果、レチクルRおよびウエハWは、重力方向と直交する面すなわち水平面に沿って互いに平行に配置されている。加えて、第1結像光学系G1を構成するすべてのレンズおよび第3結像光学系G3を構成するすべてのレンズも、基準光軸AX1上において水平面に沿って配置されている。
一方、第2結像光学系G2も直線状に延びた光軸AX2を有し、この光軸AX2は基準光軸AX1と直交するように設定されている。さらに、第1光路折り曲げ鏡FM1および第2光路折り曲げ鏡FM2はともに平面状の反射面(第1反射面および第2反射面)を有し、2つの反射面を有する1つの光学部材(1つの光路折り曲げ鏡FM)として一体的に構成されている。この2つの反射面の交線(厳密にはその仮想延長面の交線)が第1結像光学系G1および第3結像光学系G3の光軸AX1および第2結像光学系G2の光軸AX2と一点で交わるように設定されている。
第1実施例の投影光学系では、屈折光学系である第1結像光学系G1および第3結像光学系G3で生じる色収差および正値のペッツバール和を、第2結像光学系G2の凹面反射鏡CMおよび負レンズL21,L22により補償している。また、第2結像光学系G2がほぼ等倍の結像倍率を有する構成により、第1中間像の近傍に第2中間像を形成することが可能となっている。
第1結像光学系G1は、レチクル側から順に、両凸レンズL11と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた負メニスカスレンズL12と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL13と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL14と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL15と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL16と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL17と、両凸レンズL18と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL19とから構成されている。
また、第2結像光学系G2は、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)から順に、レチクル側に非球面状の凹面を向けた負メニスカスレンズL21と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL22と、レチクル側に凹面を向けた凹面反射鏡CMとから構成されている。
さらに、第3結像光学系G3は、光の進行方向に沿ってレチクル側から順に、両凸レンズL31と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL32と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL33と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた両凹レンズL34と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL35と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL36と、開口絞りASと、両凸レンズL37と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL38と、レチクル側に平面を向けた平凸レンズL39と、両凸レンズL310と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL311と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL312と、ウエハ側に平面を向けた平凸レンズL313とから構成されている。
次の第1表に、第1実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。第1表の主要諸元において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率(全系の結像倍率)を、NAは像側(ウエハ側)開口数を、BはウエハW上でのイメージサークルIFの半径を、Aは実効露光領域ERの軸外し量を、LX(Ew)は実効露光領域ERのX方向に沿った寸法(長辺の寸法)を、LYは実効露光領域ERのY方向に沿った寸法(短辺の寸法)をそれぞれ表している。
また、第1表の光学部材諸元において、面番号は物体面(第1面)であるレチクル面から像面(第2面)であるウエハ面への光線の進行する方向に沿ったレチクル側からの面の順序を、rは各面の曲率半径(非球面の場合には頂点曲率半径:mm)を、dは各面の軸上間隔すなわち面間隔(mm)を、(C・D)は各蛍石レンズにおいてその光軸と一致する結晶軸Cおよびその他の特定結晶軸の角度位置Dを、Enは蛍石レンズの各面の有効直径(mm)を、Pnは部分径(すなわち物体面上の1点から出た光束が各面に入射するときの光束の直径:mm)をそれぞれ示している。
なお、面間隔dは、反射される度にその符号を変えるものとする。したがって、面間隔dの符号は、第1光路折り曲げ鏡FM1の反射面から凹面反射鏡CMまでの光路中および第2光路折り曲げ鏡FM2の反射面から像面までの光路中では負とし、その他の光路中では正としている。そして、第1結像光学系G1では、レチクル側に向かって凸面の曲率半径を正とし、凹面の曲率半径を負としている。一方、第3結像光学系G3では、レチクル側に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。さらに、第2結像光学系G2では、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。
また、角度位置Dは、結晶軸Cが結晶軸[111]であるとき、たとえば結晶軸[−111]の基準方位に対する角度であり、結晶軸Cが結晶軸[100]であるとき、たとえば結晶軸[010]の基準方位に対する角度である。ここで、基準方位とは、たとえばレチクル面において光軸AX1を通るように任意に設定された方位に対して光学的に対応するように定義されるものである。具体的には、レチクル面において+Y方向に基準方位を設定した場合、第1結像光学系G1における基準方位は+Y方向であり、第2結像光学系G2における基準方位は+Z方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)であり、第3結像光学系G3における基準方位は−Y方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)である。
したがって、たとえば(C・D)=(100・0)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(100・45)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に対して45度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(100・0)の蛍石レンズと(C・D)=(100・45)の蛍石レンズとは、結晶軸[100]のレンズペアを構成していることになる。
また、たとえば(C・D)=(111・0)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(111・60)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に対して60度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(111・0)の蛍石レンズと(C・D)=(111・60)の蛍石レンズとは、結晶軸[111]のレンズペアを構成していることになる。
なお、上述の角度位置Dの説明において、基準方位の設定はすべてのレンズに対して共通である必要はなく、たとえば各レンズペアの単位で共通であればよい。また、基準方位に対する角度計測の対象となる特定結晶軸は、結晶軸[100]のレンズペアの場合に結晶軸[010]に限定されることなく、結晶軸[111]のレンズペアの場合に結晶軸[−111]に限定されることなく、たとえば各レンズペアの単位で適当に設定可能である。
第7図は、第1実施例における横収差を示す図である。収差図において、Yは像高を、実線は中心波長157.6nmを、破線は157.6nm+1pm=157.601nmを、一点鎖線は157.6nm−1pm=157.599nmをそれぞれ示している。収差図から明らかなように、第1実施例では、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差が良好に補正されていることがわかる。
[第2実施例]
第8図は、第2実施例にかかる投影光学系のレンズ構成を示す図である。なお、第2実施例においても、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差を含む諸収差が補正された反射屈折型の投影光学系に本発明を適用している。
第2実施例の投影光学系PLは、第8図に示すように、2つのレンズL11およびL12からなる第1レンズ群G11と、凹面反射鏡CMと3つのレンズL20〜L22とからなる第2レンズ群G12と、13個のレンズL31〜L313からなる第3レンズ群G13とから構成されている。ここで、第1レンズ群G11と第2レンズ群G12とは、第1面に配置されたレチクルRのパターンの中間像を形成するための結像光学系を構成している。また、第3レンズ群G13は、中間像からの光に基づいて第2面に配置されたウエハW上にレチクルパターンの最終像(レチクルパターンの縮小像)を形成するための結像光学系を構成している。
なお、第1レンズ群G11と第2レンズ群G12との間の光路中には、第1レンズ群G11からの光を第2レンズ群G12に向かって偏向するための第1光路折り曲げ鏡FM1が配置されている。また、第2レンズ群G12と第3レンズ群G13との間の光路中において中間像の形成位置の近傍には、第2レンズ群G12からの光を第3レンズ群G13に向かって偏向するための第2光路折り曲げ鏡FM2が配置されている。中間像は、第2レンズ群G12と第2光路折り曲げ鏡FM2との間の光路中に形成される。
また、第1レンズ群G11は直線状に延びた単一の光軸すなわち基準光軸AX1を有し、第3レンズ群G13は直線状に延びた単一の光軸すなわち基準光軸AX3を有する。基準光軸AX1と基準光軸AX3とは互いに平行であり、重力方向(すなわち鉛直方向)に沿って位置決めされている。その結果、レチクルRおよびウエハWは、重力方向と直交する面すなわち水平面に沿って互いに平行に配置されている。加えて、第1レンズ群G11を構成するすべてのレンズは基準光軸AX1上において水平面に沿って配置されており、第3レンズ群G13を構成するすべてのレンズは基準光軸AX3上において水平面に沿って配置されている。
一方、第2レンズ群G12も直線状に延びた光軸AX2を有し、この光軸AX2は直角と実質的に異なる所定の角度で基準光軸AX1(基準光軸AX3)と交差するように設定されている。さらに、第1光路折り曲げ鏡FM1および第2光路折り曲げ鏡FM2はともに平面状の反射面(第1反射面および第2反射面)を有し、2つの反射面を有する1つの光学部材(1つの光路折り曲げ鏡FM)として一体的に構成されている。第2実施例の投影光学系では、屈折光学系である第1レンズ群G11および第3レンズ群G13で生じる色収差および正値のペッツバール和を、第2レンズ群G12の凹面反射鏡CMおよび負レンズL21,L22により補償している。
第1レンズ群G11は、レチクル側から順に、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズL11と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL12とから構成されている。
また、第2レンズ群G12は、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)から順に、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL20と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL21と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズL22と、レチクル側に凹面を向けた凹面反射鏡CMとから構成されている。
さらに、第3レンズ群G13は、光の進行方向に沿ってレチクル側から順に、両凸レンズL31と、レチクル側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL32と、レチクル側に非球面状の凸面を向けた正メニスカスレンズL33と、ウエハ側に非球面状の凸面を向けた負メニスカスレンズL34と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL35と、両凸レンズL36と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL37と、開口絞りASと、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL38と、レチクル側に非球面状の凸面を向けた両凸レンズL39と、ウエハ側に非球面状の凹面を向けた正メニスカスレンズL310と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズL311と、ウエハ側に平面を向けた平凸レンズL312と、ウエハ側に平面を向けた平凸レンズL313とから構成されている。
次の第2表に、第2実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。第2表の主要諸元において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率(全系の結像倍率)を、NAは像側(ウエハ側)開口数を、BはウエハW上でのイメージサークルIFの半径を、Aは実効露光領域ERの軸外し量を、LX(Ew)は実効露光領域ERのX方向に沿った寸法(長辺の寸法)を、LYは実効露光領域ERのY方向に沿った寸法(短辺の寸法)をそれぞれ表している。
また、第2表の光学部材諸元において、面番号は物体面(第1面)であるレチクル面から像面(第2面)であるウエハ面への光線の進行する方向に沿ったレチクル側からの面の順序を、rは各面の曲率半径(非球面の場合には頂点曲率半径:mm)を、dは各面の軸上間隔すなわち面間隔(mm)を、(C・D)は各蛍石レンズにおいてその光軸と一致する結晶軸Cおよびその他の特定結晶軸の角度位置Dを、Enは蛍石レンズの各面の有効直径(mm)を、Pnは部分径(すなわち物体面上の1点から出た光束が各面に入射するときの光束の直径:mm)をそれぞれ示している。
なお、面間隔dは、反射される度にその符号を変えるものとする。したがって、面間隔dの符号は、第1光路折り曲げ鏡FM1の反射面から凹面反射鏡CMまでの光路中および第2光路折り曲げ鏡FM2の反射面から像面までの光路中では負とし、その他の光路中では正としている。そして、第1レンズ群G11では、レチクル側に向かって凸面の曲率半径を正とし、凹面の曲率半径を負としている。一方、第3レンズ群G13では、レチクル側に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。さらに、第2レンズ群G12では、光の進行往路に沿ってレチクル側(すなわち入射側)に向かって凹面の曲率半径を正とし、凸面の曲率半径を負としている。
また、角度位置Dは、結晶軸Cが結晶軸[111]であるとき、たとえば結晶軸[−111]の基準方位に対する角度であり、結晶軸Cが結晶軸[100]であるとき、たとえば結晶軸[010]の基準方位に対する角度である。ここで、基準方位とは、たとえばレチクル面において光軸AX1を通るように任意に設定された方位に対して光学的に対応するように定義されるものである。具体的には、レチクル面において+Y方向に基準方位を設定した場合、第1レンズ群G11における基準方位は+Y方向であり、第2レンズ群G12における基準方位はYZ平面内で第2レンズ群G12の光軸に垂直な方向であって+Z側に向けられた方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)であり、第3レンズ群G13における基準方位は−Y方向(レチクル面における+Y方向に光学的に対応する方向)である。
したがって、たとえば(C・D)=(100・0)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(100・45)は、光軸と結晶軸[100]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[010]が基準方位に対して45度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(100・0)の蛍石レンズと(C・D)=(100・45)の蛍石レンズとは、結晶軸[100]のレンズペアを構成していることになる。
また、たとえば(C・D)=(111・0)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に沿って配置されていることを意味する。また、(C・D)=(111・60)は、光軸と結晶軸[111]とが一致する蛍石レンズにおいて、その結晶軸[−111]が基準方位に対して60度をなすように配置されていることを意味する。すなわち、(C・D)=(111・0)の蛍石レンズと(C・D)=(111・60)の蛍石レンズとは、結晶軸[111]のレンズペアを構成していることになる。
なお、上述の角度位置Dの説明において、基準方位の設定はすべてのレンズに対して共通である必要はなく、たとえば各レンズペアの単位で共通であればよい。また、基準方位に対する角度計測の対象となる特定結晶軸は、結晶軸[100]のレンズペアの場合に結晶軸[010]に限定されることなく、結晶軸[111]のレンズペアの場合に結晶軸[−111]に限定されることなく、たとえば各レンズペアの単位で適当に設定可能である。なお、第2表に示す第2実施例にかかる投影光学系において、第1レンズ群G11の光軸AX1第3レンズ群G13の光軸AX3とは、第2レンズ群G12の光軸AX2に沿った方向において28mmだけ離れて設定されている。
第9図は、第2実施例における横収差を示す図である。収差図において、Yは像高を、実線は中心波長157.6nmを、破線は157.6nm+1pm=157.601nmを、一点鎖線は157.6nm−1pm=157.599nmをそれぞれ示している。収差図から明らかなように、第2実施例においても、波長幅が157.6nm±1pmの露光光に対して色収差が良好に補正されていることがわかる。
以上のように、各実施例において、投影光学系PLを構成するすべて(100%)の透過部材が蛍石で形成されている。そして、第1実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(1)を満足する蛍石レンズ(L11〜L14,L16〜L19,L31〜L33)の総数は11であり、そのうちの約82%に相当する9個の蛍石レンズ(L11〜L13,L17〜L19,L31〜L33)において、その光軸と結晶軸[100]とが一致するように配置されている。
このように、第1実施例では、物体面(レチクル面)または像面(中間像形成面およびウエハ面)の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用しているので、大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用することができるので、前述したように偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
また、第1実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(2)を満足する蛍石レンズ(L21〜L22,L35〜L310)の総数は8であり、そのうちの約88%に相当する7個の蛍石レンズ(L21〜L22,L35〜L39)において、その光軸と結晶軸[111]とが一致するように配置されている。
このように、第1実施例では、瞳面(レンズL15の付近,凹面反射鏡CM,開口絞りAS)の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用しているので、ひいては比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用することになり、結果として大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍においてではなく、瞳面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用するので、前述したように奇数θ成分は発生するが、発生する奇数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
さらに、第1実施例では、蛍石レンズの総数は24であり、そのうちの約58%に相当する14個の蛍石レンズ(L11〜L13,L17〜L19,L31〜L34,L310〜L313)は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有する。こうして、第1実施例では、全体の相当数の蛍石レンズに対して、しかも250mm以下の有効直径を有する比較的小口径の蛍石レンズに対して、結晶軸[100]のペアレンズを適用することができるので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
また、第1実施例では、凹面反射鏡CMの近傍に配置された一対の負レンズL21とL22とで結晶軸[111]のペアレンズを構成し、負レンズL21の中心厚D21と負レンズL22の中心厚D22とが条件式(3)を満足しているので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
一方、第2実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(1)を満足する蛍石レンズ(L11〜L12,L31〜L34,L313)の総数は7であり、そのうちの100%に相当する7個の蛍石レンズ(L11〜L12,L31〜L34,L313)において、その光軸と結晶軸[100]とが一致するように配置されている。
このように、第2実施例においても、物体面(レチクル面)または像面(中間像形成面およびウエハ面)の近傍に配置された比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用しているので、大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍において結晶軸[100]のペアレンズを使用することができるので、前述したように偶数θ成分は発生するが、発生する偶数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
また、第2実施例では、入射面および射出面の双方において条件式(2)を満足する蛍石レンズ(L20〜L22,L36〜L39)の総数は7であり、そのうちの約86%に相当する6個の蛍石レンズ(L20〜L22,L35〜L39)において、その光軸と結晶軸[111]とが一致するように配置されている。
このように、第2実施例においても、瞳面(凹面反射鏡CM,開口絞りAS)の近傍に配置された比較的口径の大きいレンズ群に光軸と結晶軸[111]とを一致させる構成を採用しているので、ひいては比較的口径の小さいレンズ群に光軸と結晶軸[100]とを一致させる構成を採用することになり、結果として大口径レンズに適用することが困難な結晶軸[100]のペアレンズの製造が容易になる。また、物体面または像面の近傍においてではなく、瞳面の近傍において結晶軸[111]のペアレンズを使用するので、前述したように奇数θ成分は発生するが、発生する奇数θ成分に起因して像面内での結像性能のばらつきが大きくなることはない。
さらに、第2実施例では、蛍石レンズの総数は18であり、そのうちの約56%に相当する10個の蛍石レンズ(L11〜L12,L31〜L36,L312〜L313)は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有する。こうして、第2実施例においても、全体の相当数の蛍石レンズに対して、しかも250mm以下の有効直径を有する比較的小口径の蛍石レンズに対して、結晶軸[100]のペアレンズを適用することができるので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
また、第2実施例においても、凹面反射鏡CMの近傍に配置された一対の負レンズL21とL22とで結晶軸[111]のペアレンズを構成し、負レンズL21の中心厚D21と負レンズL22の中心厚D22とが条件式(3)を満足しているので、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することができる。
なお、第2実施例の第1レンズ群G11では、一対のレンズL11とL12とで結晶軸[100]のペアレンズを構成しているが、レンズL11の光軸と一致する結晶軸とレンズL12の光軸と一致する結晶軸とが互いに異なるように適宜設定することにより、蛍石の複屈折の影響を有効に低減することも可能である。
また、第1実施例および第2実施例では、光軸に関して回転対称な非球面を導入しているが、非回転対称な非球面形状を有する光学面を少なくとも1面導入することが好ましい。この場合、蛍石の複屈折による波面収差悪化のうち、3回回転対称成分などの偏光成分に因らず発生する収差については、非回転対称な非球面の作用により補正することができる。なお、第1および第2実施例では、蛍石の固有複屈折の値として、2001年7月18日に開かれたリソグラフィに関するシンポジュウム(International−SEMATECH Calcium Fluoride Birefringence Workshop)において、米国NIST(National Institute of Standards and Technology)のJohn H.Burnettらによって発表された値を用いている。
なお、上述の実施形態では、複屈折性の光学材料として蛍石を用いているが、これに限定されることなく、他の一軸性結晶、たとえばフッ化バリウム(BaF2)、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化ストロンチウム(SrF2)などを用いることもできる。この場合、フッ化バリウム(BaF2)などの結晶軸方位も本発明に従って決定されることが好ましい。
また、上記の実施形態にかかる投影光学系の複数の透過部材としては、フッ化カルシウムやフッ化バリウムなどの立方晶系に属し且つ160nm以下の波長の光に対して透過性を有する材料の他に、フッ素や水素等がドープされて160nm以下の波長の光に対して透過性を有する改質石英を用いることができる。このような改質石英で形成された透過部材は、例えば第1面と投影光学系との間の光路中および投影光学系と第2面との間の光路中に配置されて投影光学系内をほぼ密封状態に保つためのパージ窓として使用可能である。
上述の実施形態の露光装置では、照明装置によってレチクル(マスク)を照明し(照明工程)、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する(露光工程)ことにより、マイクロデバイス(半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等)を製造することができる。以下、本実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウエハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき第10図のフローチャートを参照して説明する。
先ず、第10図のステップ301において、1ロットのウエハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ302において、その1ロットのウエハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ303において、本実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その1ロットのウエハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ304において、その1ロットのウエハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ305において、その1ロットのウエハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウエハ上の各ショット領域に形成される。
その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。なお、ステップ301〜ステップ305では、ウエハ上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、ウエハ上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。
また、本実施形態の露光装置では、プレート(ガラス基板)上に所定のパターン(回路パターン、電極パターン等)を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、第11図のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。第11図において、パターン形成工程401では、本実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板(レジストが塗布されたガラス基板等)に転写露光する、所謂光リソグラフィ工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程402へ移行する。
次に、カラーフィルター形成工程402では、R(Red)、G(Green)、B(Blue)に対応した3つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはR、G、Bの3本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列されたりしたカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程402の後に、セル組み立て工程403が実行される。セル組み立て工程403では、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル(液晶セル)を組み立てる。セル組み立て工程403では、例えば、パターン形成工程401にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程402にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル(液晶セル)を製造する。
その後、モジュール組み立て工程404にて、組み立てられた液晶パネル(液晶セル)の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。
なお、上述の実施形態では、露光装置に搭載される投影光学系に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、他の一般的な投影光学系に対して本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、157nmの波長光を供給するF2レーザー光源を用いているが、これに限定されることなく、たとえば193nmの波長光を供給するArFエキシマレーザー光源や、126nmの波長光を供給するAr2レーザー光源、146nmの波長光を供給するKr2レーザー光源などを用いることもできる。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明では、たとえば蛍石のような固有複屈折を持つ光学材料を用いているにもかかわらず、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する投影光学系を実現することができる。したがって、本発明では、複屈折の影響を実質的に受けることなく良好な光学性能を有する本発明の投影光学系を用いた露光装置および露光方法において、高解像で高精度な投影露光を行うことができる。また、本発明の投影光学系を搭載した露光装置を用いて、高解像な投影光学系を介した高精度な投影露光により、良好なマイクロデバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、蛍石の結晶軸方位について説明する図である。
第2A図〜第2C図は、Burnettらの手法を説明する図であって、光線の入射角に対する複屈折率の分布を示している。
第3A図〜第3C図は、本発明の手法を説明する図であって、光線の入射角に対する複屈折率の分布を示している。
第4図は、本発明の実施形態にかかる光学系を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第5図は、ウエハ上に形成される矩形状の露光領域(すなわち実効露光領域)と基準光軸との位置関係を示す図である。
第6図は、第1実施例にかかる投影光学系PLのレンズ構成を示す図である。
第7図は、第1実施例における横収差を示す図である。
第8図は、第2実施例にかかる投影光学系PLのレンズ構成を示す図である。
第9図は、第2実施例における横収差を示す図である。
第10図は、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。
第11図は、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。
Claims (15)
- 複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En<0.7
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の70%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系。 - 複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面上の1点から出た光束が前記結晶で形成された結晶透過部材の各面に入射するときの光束の直径をPnとし、前記結晶透過部材の有効直径をEnとするとき、
Pn/En>0.9
の条件式を入射面および射出面の双方において満足する結晶透過部材の総数の60%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする投影光学系。 - 複数の透過部材を含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記結晶で形成された結晶透過部材の総数の20%以上の数の結晶透過部材は、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致するように配置され、且つ250mm以下の有効直径を有することを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか1項に記載の投影光学系において、
少なくとも1つの反射鏡を含むことを特徴とする投影光学系。 - 複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に配置された第3レンズ群とを備え、
前記往復光学系は、前記結晶で形成された第1負レンズL21と、前記結晶で形成されて前記第1負レンズL21と前記凹面反射鏡との間の光路中に配置された第2負レンズL22とを有し、
前記第1負レンズL21の中心厚をD21とし、前記第2負レンズL22の中心厚をD22とするとき、
1.2<D21/D22<2.0
の条件式を満足することを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第5項に記載の投影光学系において、
前記第1負レンズL21と前記第2負レンズL22とは、その光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致し、他の結晶軸が前記光軸を中心として約60度だけ相対的に回転した位置関係を有するように配置されていることを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第5項に記載の投影光学系において、
前記第1負レンズL21と前記第2負レンズL22とは、その光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致し、他の結晶軸が前記光軸を中心として約45度だけ相対的に回転した位置関係を有するように配置されていることを特徴とする投影光学系。 - 複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に配置された第3レンズ群とを備え、
前記第1レンズ群は、ある特定の結晶軸の設定方向が実質的に異なる2つの透過部材を有することを特徴とする投影光学系。 - 複数の透過部材と少なくとも1つの反射鏡とを含み、第1面の像を第2面上に形成する投影光学系において、
前記投影光学系を構成する透過部材の総数の90%以上の数の透過部材が立方晶系に属する結晶で形成され、
前記第1面と前記第2面との間の光路中に配置された第1レンズ群と、
前記第1レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第1反射面と、
前記第1反射面と前記第2面との間の光路中に配置されて凹面反射鏡と往復光学系とを有する第2レンズ群と、
前記第2レンズ群と前記第2面との間の光路中に配置された第2反射面と、
前記第2反射面と前記第2面との間の光路中に直線状の光軸に沿って配置された第3レンズ群とを備え、
前記第2レンズ群と前記第3レンズ群との間の光路中に前記第1面の一次中間像が形成されるように構成され、
前記第1レンズ群は、前記結晶で形成された少なくとも2つの透過部材を有することを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第8項または第9項に記載の投影光学系において、
前記第1レンズ群は、光軸と結晶軸[100]とがほぼ一致し、且つ他の結晶軸が前記光軸を中心として約45度だけ相対的に回転した位置関係を有するように配置された一対の透過部材を有することを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第8項乃至第10項のいずれか1項に記載の投影光学系において、
前記第1レンズ群は、光軸と結晶軸[111]とがほぼ一致し、且つ他の結晶軸が前記光軸を中心として約60度だけ相対的に回転した位置関係を有するように配置された一対の透過部材を有することを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第8項または第9項に記載の投影光学系において、
前記第1レンズ群は、光軸とほぼ一致する結晶軸が互いに異なる一対の透過部材を有することを特徴とする投影光学系。 - 請求の範囲第1項乃至第12項のいずれか1項に記載の投影光学系において、
非回転対称な非球面形状を有する少なくとも1つの光学面が設けられていることを特徴とする投影光学系。 - 前記第1面に設定されたマスクを照明するための照明系と、
前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に形成するための請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか1項に記載の投影光学系とを備えていることを特徴とする露光装置。 - 前記第1面に設定されたマスクを照明し、請求の範囲第1項乃至第13項のいずれか1項に記載の投影光学系を介して前記マスクに形成されたパターンの像を前記第2面に設定された感光性基板上に投影露光することを特徴とする露光方法。
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