JP4300509B2 - 投影光学系、露光装置、および露光方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子や液晶表示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る。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等を製造する際に、マスクとしてのレチクルのパターン像を、投影光学系を介して、レジストの塗布されたウェハ（またはガラスプレート等）上に転写する露光装置が使用されている。この種の露光装置では、半導体集積回路等のパターンの微細化が進むに従って、投影光学系に対する解像力の向上が望まれている。投影光学系の解像力を向上させるには、露光光の波長をより短くするか、あるいは開口数をより大きくすることが考えられる。
【０００３】
近年、露光光については、水銀ランプのｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）から、より短波長のＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（１９３ｎｍ）へ移行しつつある。しかしながら、投影光学系の解像力を向上させるために露光光の短波長化を図ると、投影光学系を構成する光学部材に使用可能な所定の透過率を有する光学材料の種類は限られたものとなり、投影光学系の設計が困難になる。具体的には、ＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光を用いる投影光学系では、使用可能な光学材料が実質的には屈折率の比較的低い石英や蛍石などに限定される。
【０００４】
また、投影光学系においては、解像力の向上と共に、像歪の低減に対する要求も一段と厳しくなってきている。ここで、像歪とは、投影光学系のディストーション（歪曲収差）に起因する像歪だけではなく、投影光学系の像面に設定されてレチクルパターンが焼き付けられるウェハの反り等に起因する像歪や、投影光学系の物体面に設定されて回路パターン等が描かれているレチクルの反りに起因する像歪がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来技術では、転写パターンの微細化に伴って、像歪の低減要求も一段と厳しくなってきている。そこで、ウェハの反りの像歪への影響を少なくするために、投影光学系の射出瞳を像面から遠くに位置させる、いわゆる像側にテレセントリックな投影光学系が提案されている。また、レチクルの反りに起因する像歪を軽減するために、投影光学系の入射瞳を物体面から比較的遠くに位置させる提案もなされている。
【０００６】
しかしながら、従来技術では、高解像力を有する投影光学系について種々の提案がなされているが、十分に広い実効露光領域（イメージフィールド：結像領域）が確保されていない。このため、レチクルとウェハとを投影光学系に対して相対移動させつつウェハの各露光領域にレチクルパターンを走査露光する、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式の投影露光を行っており、十分に高いスループットを実現することができなかった。このように、高スループットな露光装置を実現するために、ウェハ上においてより広いイメージフィールドを確保すること、すなわち広フィールド化が望まれている。
【０００７】
また、上述したように、解像力を向上させるために露光光の短波長化を図ると、投影光学系を構成する光学材料の透過率低下が問題となり、高透過率を確保するために使用可能な光学材料の種類も限られたものになる。さらに、透過率の低下は単に光量損失を起こすだけでなく、損失光の一部は光学部材によって吸収され、吸収された光が熱に換わることにより光学部材の屈折率の変化や光学面（レンズ面）の変形を引き起こすため、結果的に投影光学系の結像性能を低下させる要因となる。
【０００８】
また、広フィールド化および高解像力化を図るには収差の補正が必要であるが、限られた種類の光学材料を用いて広い露光領域の全体に亘って収差を補正することは極めて困難である。
【０００９】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、両側にほぼテレセントリックで、十分に大きな開口数および十分に広い結像領域を確保しつつ、ディストーションを含む諸収差が良好に補正された、コンパクトで高性能な投影光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、コンパクトで高性能な投影光学系を用いて、高いスループットおよび高い解像力で良好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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、第１面の像を第２面上に形成する投影光学系において、
前記第１面側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群と、正の屈折力を有する第５レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第２レンズ群は、前記第２面側に連続して配置された少なくとも４つの正レンズを含み、
前記第３レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第４レンズ群は、少なくとも５つの正レンズと、少なくとも１つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第５レンズ群は、少なくとも１つの負レンズを含み、
前記第１レンズ群において最も前記第２面側に配置されたレンズは、前記第２面に向けられた第１の凹面を有し、
前記第３レンズ群において最も前記第１面側に配置されたレンズは、前記第１面に向けられた第２の凹面を有し、
前記第４レンズ群と前記第５レンズ群との軸上間隔をＤ４５とし、前記第１面と前記第２面との距離をＬとするとき、
０．０２＜Ｄ４５／Ｌ＜０．１
の条件を満足することを特徴とする投影光学系を提供する。
【００１１】
第１形態の好ましい態様によれば、前記第１レンズ群中の前記第１の凹面から射出される光の最大射出角（度）α１と、前記第３レンズ群中の前記第２の凹面へ入射する光の最大入射角（度）α２とは、３５＜α１＜６０，３５＜α２＜６０の条件を満足する。また、前記第１レンズ群中の前記第１の凹面の有効径をφ１とし、前記第３レンズ群中の前記第２の凹面の有効径をφ２とし、前記第２レンズ群の最大有効径をφｍａｘとするとき、０．５＜φ１／φｍａｘ＜０．８，０．５＜φ２／φｍａｘ＜０．８の条件を満足することが好ましい。
【００１２】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記投影光学系を構成するすべての光学部材は、１．６以下の屈折率を有する光学材料で形成されている。また、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とし、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とし、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４とし、前記第５レンズ群の焦点距離をｆ５とし、前記第１面と前記第２面との距離をＬとするとき、
０．０５＜｜ｆ１｜／Ｌ＜０．５
０．０２＜ｆ２／Ｌ＜０．２
０．０１＜｜ｆ３｜／Ｌ＜０．１
０．０３＜ｆ４／Ｌ＜０．３
０．１＜ｆ５／Ｌ＜１
の条件を満足することが好ましい。
【００１３】
本発明の第２形態では、前記第１面に配置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面に配置された感光性基板上に形成するための第１形態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。
【００１４】
本発明の第３形態では、前記第１面に配置されたマスクを照明し、前記マスクに形成されたパターンを第１形態の投影光学系を介して前記第２面に配置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。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の投影光学系では、物体面（第１面）側から順に、負・正・負・正・正の屈折力配置を有する基本的構成において、第１レンズ群〜第５レンズ群がそれぞれ以下のような特徴的構成を有する。すなわち、第１レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含む。この構成により、特に非球面状の光学面を有する構成により、第１レンズ群は、テレセントリック性を維持しながら、主にディストーションを補正する機能、およびペッツバール和の補正に寄与し、像面の平坦化を達成する機能を有する。
【００１６】
第２レンズ群は、像面（第２面）側に連続して配置された少なくとも４つの正レンズを含む。この構成により、第２レンズ群は正のディストーションを発生させ、第３レンズ群、第４レンズ群、および第５レンズ群で発生する負のディストーションをバランス良く補正する機能を有する。第３レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含む。この構成により、特に非球面状の光学面を有する構成により、第３レンズ群は、高次球面収差やコマ収差の発生を抑えながら、主にペッツバール和の補正に寄与し、像面の平坦化を達成する機能を有する。
【００１７】
第４レンズ群は、少なくとも５つの正レンズと、少なくとも１つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含む。この構成により、特に非球面状の光学面を有する構成により、第４レンズ群は、球面収差の発生を抑えながら像面上に光束を導いて結像させる機能を有する。第５レンズ群は、少なくとも１つの負レンズを含む。この構成により、第５レンズ群は、像側において十分に大きな開口数を確保することができるように、球面収差を抑えながら像面上に光束を結像させる機能を有する。
【００１８】
また、本発明の投影光学系では、第１レンズ群において最も像面側に配置されたレンズは像面に向けられた第１の凹面を有し、第３レンズ群において最も物体面側に配置されたレンズは物体面に向けられた第２の凹面を有するという特徴的構成を有する。第２レンズ群に隣り合う第１レンズ群および第３レンズ群が、それぞれ第２レンズ群に向かって第１の凹面および第２の凹面を有することにより、第２レンズ群の正の屈折力（パワー）で発生する外コマの収差をバランス良く補正することができる。第１の凹面および第２の凹面を有する構成は、大きな像側開口数および広い結像領域を有する投影光学系の収差補正について特に効果が高い。
【００１９】
さらに、本発明の投影光学系では、径の増大を抑えながらペッツバール和を補正するために、以下の条件式（１）を満足する。条件式（１）において、Ｄ45は第４レンズ群と第５レンズ群との軸上間隔であり、Ｌは物体面（第１面）と像面（第２面）との距離である。
０．０２＜Ｄ45／Ｌ＜０．１ （１）
【００２０】
条件式（１）の下限値を下回ると、ペッツバール和の補正が困難になり、像面の平坦化を達成することができなくなってしまう。一方、条件式（１）の上限値を上回ると、光学系が長大化してしまう。条件式（１）を満足することは、大きな像側開口数および広い結像領域を有する投影光学系の収差補正について特に効果が高い。
【００２１】
また、本発明では、第１レンズ群中の第１の凹面から射出される光の最大射出角（度）α１、および第３レンズ群中の第２の凹面へ入射する光の最大入射角（度）α２が、以下の条件式（２）および（３）をそれぞれ満足することが好ましい。
３５＜α１＜６０ （２）
３５＜α２＜６０ （３）
【００２２】
条件式（２）および（３）を満足することにより、第２レンズ群の正の屈折力で発生する外コマの収差をバランス良く補正することができる。すなわち、条件式（２）および（３）の下限値を下回ると、第２レンズ群で発生する外コマをバランス良く補正することが困難になるので好ましくない。一方、条件式（２）および（３）の上限値を上回ると、それぞれ第１の凹面および第２の凹面で発生する高次コマ収差が増大し、結像性能の悪化を招くので好ましくない。条件式（２）および（３）を満足することは、大きな像側開口数および広い結像領域を有する投影光学系の収差補正について特に効果が高い。
【００２３】
また、本発明では、第２レンズ群の最大有効径（直径）をφmaxとするとき、第１レンズ群中の第１の凹面の有効径（直径）φ１、および第３レンズ群中の第２の凹面の有効径（直径）φ２が、以下の条件式（４）および（５）をそれぞれ満足することが好ましい。
０．５＜φ１／φmax＜０．８ （４）
０．５＜φ２／φmax＜０．８ （５）
【００２４】
条件式（４）および（５）の下限値を下回ると、第２レンズ群の最大有効径φmaxが大きくなりすぎて、光学系の径が大型化するので好ましくない。一方、条件式（４）および（５）の上限値を上回ると、第１の凹面の有効径φ１および第２の凹面の有効径φ２が大きくなりすぎて、第２レンズ群で発生するコマ収差を補正し切れなくなるとともに、ペッツバール和の補正が困難になるので好ましくない。
【００２５】
また、本発明では、第１レンズ群の焦点距離ｆ１、第２レンズ群の焦点距離ｆ２、第３レンズ群の焦点距離ｆ３、第４レンズ群の焦点距離ｆ４、および第５レンズ群の焦点距離ｆ５が、以下の条件式（６）〜（１０）をそれぞれ満足することが好ましい。
０．０５＜｜ｆ１｜／Ｌ＜０．５ （６）
０．０２＜ｆ２／Ｌ＜０．２ （７）
０．０１＜｜ｆ３｜／Ｌ＜０．１ （８）
０．０３＜ｆ４／Ｌ＜０．３ （９）
０．１＜ｆ５／Ｌ＜１ （１０）
【００２６】
条件式（６）〜（１０）を満足することにより、大きな像側開口数および広い結像領域を有するコンパクトな投影光学系を実現しつつ、各収差をバランス良く補正することができる。具体的には、条件式（６）の下限値を下回ると負のディストーションが増大し、上限値を上回るとテレセントリック性の補正が困難になるので好ましくない。また、条件式（７）の下限値を下回ると高次コマ収差が増大し、上限値を上回ると負のディストーションが補正不足になるので好ましくない。
【００２７】
さらに、条件式（８）の下限値を下回ると高次コマ収差や高次球面収差が増大し、上限値を上回るとペッツバール和が補正不足になるので好ましくない。また、条件式（９）の下限値を下回ると高次球面収差が増大し、上限値を上回ると光学系が長大化するので好ましくない。さらに、条件式（１０）の下限値を下回ると高次コマ収差や高次球面収差が増大し、上限値を上回ると光学系が長大化するので好ましくない。
【００２８】
また、本発明では、投影光学系を構成するすべての光学部材が１．６以下の屈折率を有する光学材料で形成されていることが好ましい。この場合、１．６以下の屈折率を有する光学材料、すなわち比較的低い屈折率を有する光学材料は短波長の光に対しても高い透過率を確保することができるので、使用光の短波長化を実現することができ、ひいては投影光学系の高解像化を達成することができる。なお、本発明の投影光学系では、物体側および像側の双方にほぼテレセントリックな光学系に構成することにより、物体面側の像歪への影響（露光装置に適用した場合にレチクルの反り等に起因する像歪）や、像面側の像歪への影響（露光装置に適用した場合にウェハの反り等に起因する像歪）を小さく抑えることができる。
【００２９】
以上のように、本発明では、両側にほぼテレセントリックで、十分に大きな開口数および十分に広い結像領域を確保しつつ、ディストーションを含む諸収差が良好に補正された、コンパクトで高性能な投影光学系を実現することができる。したがって、本発明の投影光学系を用いる露光装置および露光方法では、高いスループットおよび高い解像力で良好な投影露光を行うことができ、ひいては高いスループットおよび高い解像力で良好なマイクロデバイスを製造することができる。
【００３０】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１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、図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に平行にＹ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に垂直にＸ軸を設定している。
【００３１】
図１に示す露光装置は、照明光を供給するための光源ＬＳとして、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８．４ｎｍ）を備えている。光源ＬＳから射出された光は、照明光学系ＩＬを介して、所定のパターンが形成された投影原版としてのレチクル（マスク）Ｒを照明する。照明光学系ＩＬは、露光光の照度分布を均一化するためのフライアイレンズ、照明開口絞り、可変視野絞り（レチクルブラインド）、コンデンサレンズ系等から構成されている。
【００３２】
レチクルＲは、レチクルホルダＲＨを介して、レチクルステージＲＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。レチクルステージＲＳは、図示を省略した駆動系の作用により、レチクル面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル移動鏡ＲＭを用いた干渉計ＲＩＦによって計測され且つ位置制御されるように構成されている。レチクルＲに形成されたパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、フォトレジストの塗布されたウェハＷ（感光性基板）上にレチクルパターン像を形成する。
【００３３】
投影光学系ＰＬは、その瞳位置の近傍に配置された可変の開口絞りＡＳ（図１では不図示）を有し、レチクルＲ側およびウェハＷ側の双方において実質的にテレセントリックに構成されている。そして、投影光学系ＰＬの瞳位置には照明光学系の照明瞳面における二次光源の像が形成され、投影光学系ＰＬを介した光によってウェハＷがケーラー照明される。ウェハＷは、ウェハテーブル（ウェハホルダ）ＷＴを介して、ウェハステージＷＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。
【００３４】
ウェハステージＷＳは、図示を省略した駆動系の作用によりウェハ面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はウェハ移動鏡ＷＭを用いた干渉計ＷＩＦによって計測され且つ位置制御されるように構成されている。こうして、本実施形態では、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面内においてウェハＷを二次元的に駆動制御しながら各露光領域に対してレチクルＲのパターンを一括的に露光する動作を繰り返すことにより、すなわちステップ・アンド・リピート方式により、ウェハＷの各露光領域にはレチクルＲのパターンが逐次露光される。
【００３５】
以下、具体的な数値例に基づいて、本実施形態の投影光学系ＰＬの各実施例を説明する。各実施例において、投影光学系ＰＬは、レチクル側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、正の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とにより構成されている。また、各実施例において、投影光学系ＰＬを構成するすべてのレンズ成分は石英（ＳｉＯ2）で形成され、光源ＬＳから供給されるＫｒＦエキシマレーザ光の中心波長は２４８．４ｎｍであり、この中心波長に対する石英ガラスの屈折率は１．５０８３９である。
【００３６】
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。後述の表（１）および（２）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。
【００３７】
【数１】
ｚ＝（ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（１＋κ）・ｙ2／ｒ2｝1/2］
＋Ｃ4・ｙ4＋Ｃ6・ｙ6＋Ｃ8・ｙ8＋Ｃ10・ｙ10＋・・・ （ａ）
【００３８】
［第１実施例］
図２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。図２を参照すると、第１実施例の投影光学系ＰＬにおいて、第１レンズ群Ｇ１は、レチクル側から順に、両凸レンズＬ１１と、両凸レンズＬ１２と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と、両凹レンズＬ１４と、両凹レンズＬ１５とにより構成されている。第２レンズ群Ｇ２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Ｌ２１と、両凸レンズＬ２２と、ウェハ側に平面を向けた平凸レンズＬ２３と、ウェハ側に平面を向けた平凸レンズＬ２４と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２５とにより構成されている。
【００３９】
第３レンズ群Ｇ３は、レチクル側から順に、両凹レンズＬ３１と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ３２と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３３とにより構成されている。第４レンズ群Ｇ４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Ｌ４１と、開口絞りＡＳと、両凸レンズＬ４２と、両凸レンズＬ４３と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ４４と、両凸レンズＬ４５と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４６と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４７とにより構成されている。第５レンズ群Ｇ５は、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ５１と、両凹レンズＬ５２と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５３とから構成されている。
【００４０】
第１実施例では、第１レンズ群Ｇ１において最もウェハ側（像側）に配置された両凹レンズＬ１５は、ウェハ側に向けられた第１の凹面ｒ１を有する。また、第３レンズ群Ｇ３において最もレチクル側（物体側）に配置された両凹レンズＬ３１は、レチクル側に向けられた第２の凹面ｒ２を有する。
【００４１】
次の表（１）に、第１実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。表（１）の主要諸元において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率を、ＮＡは像側（ウェハ側）開口数を、Ｙ0は最大像高（イメージフィールド半径）をそれぞれ表している。また、表（１）の光学部材諸元において、面番号は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、ｎは露光光の中心波長に対する屈折率を、φは各面の有効径（ｍｍ：直径）それぞれ示している。上述の表記は、以降の表（２）においても同様である。
【００４２】
【表１】
【００４３】
図３は、第１実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。また、図４は、第１実施例における横収差を示す図である。各収差図において、ＮＡは像側の開口数を、Ｙは像高（ｍｍ）をそれぞれ示している。また、非点収差を示す収差図において、実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。上述の表記は、以降の図６および図７においても同様である。各収差図から明らかなように、第１実施例では、ＮＡ＝０．６３という大きな開口数およびＹ0＝２１．１ｍｍという大きな最大像高（ひいては大きなイメージフィールド）を確保しつつ、歪曲収差を含む諸収差が良好に補正されていることがわかる。
【００４４】
［第２実施例］
図５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。図５を参照すると、第２実施例の投影光学系ＰＬにおいて、第１レンズ群Ｇ１は、レチクル側から順に、両凸レンズＬ１１と、両凸レンズＬ１２と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と、両凹レンズＬ１４と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ１５とにより構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、レチクル側から順に、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正メニスカスレンズＬ２２と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２３と、両凸レンズＬ２４と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２５とにより構成されている。
【００４５】
第３レンズ群Ｇ３は、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ３１と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ３２と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３３とにより構成されている。第４レンズ群Ｇ４は、レチクル側から順に、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ４１と、開口絞りＡＳと、両凸レンズＬ４２と、両凸レンズＬ４３と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ４４と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズ４５と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４６と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４７とにより構成されている。第５レンズ群Ｇ５は、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ５１と、レチクル側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５２と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５３とから構成されている。
【００４６】
第２実施例では、第１レンズ群Ｇ１において最もウェハ側（像側）に配置された両凹レンズＬ１５は、ウェハ側に向けられた第１の凹面ｒ１を有する。また、第３レンズ群Ｇ３において最もレチクル側（物体側）に配置された両凹レンズＬ３１は、レチクル側に向けられた第２の凹面ｒ２を有する。次の表（２）に、第２実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。
【００４７】
【表２】
【００４８】
図６は、第２実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。また、図７は、第２実施例における横収差を示す図である。各収差図から明らかなように、第２実施例では、ＮＡ＝０．６５という大きな開口数およびＹ0＝２１．１ｍｍという大きな最大像高（ひいては大きなイメージフィールド）を確保しつつ、歪曲収差を含む諸収差が良好に補正されていることがわかる。
【００４９】
上述の実施形態の露光装置では、照明系によってレチクル（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ェ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図８のフローチャートを参照して説明する。
【００５０】
先ず、図８のステップ３０１において、１ロットのウェ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ｌロットのウェ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ロットのウェ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ロットのウェ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ロットのウェ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、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。
【００５１】
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、ウェ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、ウェ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。
【００５２】
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、図９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。図９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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
なお、上述の実施形態では、ウェハＷの各露光領域に対してレチクルＲのパターンを一括的に露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、ウェハＷとレチクルＲとを投影光学系ＰＬに対して相対移動させつつウェハＷの各露光領域に対してレチクルＲのパターンを走査露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置に本発明を適用することもできる。
【００５６】
また、上述の実施形態では、２４８．４ｎｍの波長光を供給するＫｒＦエキシマレーザ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エキシマレーザ光源、ｇ線（４３５．８ｎｍ）やｉ線（３６５．０ｎｍ）の光を供給する水銀アークランプなどの他の適当な光源に対して本発明を適用することもできる。
【００５７】
さらに、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。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、両側にほぼテレセントリックで、十分に大きな開口数および十分に広い結像領域を確保しつつ、ディストーションを含む諸収差が良好に補正された、コンパクトで高性能な投影光学系を実現することができる。したがって、本発明の投影光学系を用いる露光装置および露光方法では、レチクルやウェハの反り等に起因する像歪を抑えて、高いスループットおよび高い解像力で良好な投影露光を行うことができ、ひいては高いスループットおよび高い解像力で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】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】第１実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図４】第１実施例における横収差を示す図である。
【図５】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。
【図６】第２実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図７】第２実施例における横収差を示す図である。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
ＬＳ 光源
ＩＬ 照明光学系
Ｒ レチクル
ＲＳ レチクルステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ
ＡＳ 開口絞り
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ群
Ｇ５ 第５レンズ群
Ｌｉ レンズ成分
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子や液晶表示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る。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等を製造する際に、マスクとしてのレチクルのパターン像を、投影光学系を介して、レジストの塗布されたウェハ（またはガラスプレート等）上に転写する露光装置が使用されている。この種の露光装置では、半導体集積回路等のパターンの微細化が進むに従って、投影光学系に対する解像力の向上が望まれている。投影光学系の解像力を向上させるには、露光光の波長をより短くするか、あるいは開口数をより大きくすることが考えられる。
【０００３】
近年、露光光については、水銀ランプのｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）から、より短波長のＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（１９３ｎｍ）へ移行しつつある。しかしながら、投影光学系の解像力を向上させるために露光光の短波長化を図ると、投影光学系を構成する光学部材に使用可能な所定の透過率を有する光学材料の種類は限られたものとなり、投影光学系の設計が困難になる。具体的には、ＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光を用いる投影光学系では、使用可能な光学材料が実質的には屈折率の比較的低い石英や蛍石などに限定される。
【０００４】
また、投影光学系においては、解像力の向上と共に、像歪の低減に対する要求も一段と厳しくなってきている。ここで、像歪とは、投影光学系のディストーション（歪曲収差）に起因する像歪だけではなく、投影光学系の像面に設定されてレチクルパターンが焼き付けられるウェハの反り等に起因する像歪や、投影光学系の物体面に設定されて回路パターン等が描かれているレチクルの反りに起因する像歪がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来技術では、転写パターンの微細化に伴って、像歪の低減要求も一段と厳しくなってきている。そこで、ウェハの反りの像歪への影響を少なくするために、投影光学系の射出瞳を像面から遠くに位置させる、いわゆる像側にテレセントリックな投影光学系が提案されている。また、レチクルの反りに起因する像歪を軽減するために、投影光学系の入射瞳を物体面から比較的遠くに位置させる提案もなされている。
【０００６】
しかしながら、従来技術では、高解像力を有する投影光学系について種々の提案がなされているが、十分に広い実効露光領域（イメージフィールド：結像領域）が確保されていない。このため、レチクルとウェハとを投影光学系に対して相対移動させつつウェハの各露光領域にレチクルパターンを走査露光する、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式の投影露光を行っており、十分に高いスループットを実現することができなかった。このように、高スループットな露光装置を実現するために、ウェハ上においてより広いイメージフィールドを確保すること、すなわち広フィールド化が望まれている。
【０００７】
また、上述したように、解像力を向上させるために露光光の短波長化を図ると、投影光学系を構成する光学材料の透過率低下が問題となり、高透過率を確保するために使用可能な光学材料の種類も限られたものになる。さらに、透過率の低下は単に光量損失を起こすだけでなく、損失光の一部は光学部材によって吸収され、吸収された光が熱に換わることにより光学部材の屈折率の変化や光学面（レンズ面）の変形を引き起こすため、結果的に投影光学系の結像性能を低下させる要因となる。
【０００８】
また、広フィールド化および高解像力化を図るには収差の補正が必要であるが、限られた種類の光学材料を用いて広い露光領域の全体に亘って収差を補正することは極めて困難である。
【０００９】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、両側にほぼテレセントリックで、十分に大きな開口数および十分に広い結像領域を確保しつつ、ディストーションを含む諸収差が良好に補正された、コンパクトで高性能な投影光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、コンパクトで高性能な投影光学系を用いて、高いスループットおよび高い解像力で良好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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、第１面の像を第２面上に形成する投影光学系において、
前記第１面側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群と、正の屈折力を有する第５レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第２レンズ群は、前記第２面側に連続して配置された少なくとも４つの正レンズを含み、
前記第３レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第４レンズ群は、少なくとも５つの正レンズと、少なくとも１つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第５レンズ群は、少なくとも１つの負レンズを含み、
前記第１レンズ群において最も前記第２面側に配置されたレンズは、前記第２面に向けられた第１の凹面を有し、
前記第３レンズ群において最も前記第１面側に配置されたレンズは、前記第１面に向けられた第２の凹面を有し、
前記第４レンズ群と前記第５レンズ群との軸上間隔をＤ４５とし、前記第１面と前記第２面との距離をＬとするとき、
０．０２＜Ｄ４５／Ｌ＜０．１
の条件を満足することを特徴とする投影光学系を提供する。
【００１１】
第１形態の好ましい態様によれば、前記第１レンズ群中の前記第１の凹面から射出される光の最大射出角（度）α１と、前記第３レンズ群中の前記第２の凹面へ入射する光の最大入射角（度）α２とは、３５＜α１＜６０，３５＜α２＜６０の条件を満足する。また、前記第１レンズ群中の前記第１の凹面の有効径をφ１とし、前記第３レンズ群中の前記第２の凹面の有効径をφ２とし、前記第２レンズ群の最大有効径をφｍａｘとするとき、０．５＜φ１／φｍａｘ＜０．８，０．５＜φ２／φｍａｘ＜０．８の条件を満足することが好ましい。
【００１２】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記投影光学系を構成するすべての光学部材は、１．６以下の屈折率を有する光学材料で形成されている。また、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とし、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とし、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４とし、前記第５レンズ群の焦点距離をｆ５とし、前記第１面と前記第２面との距離をＬとするとき、
０．０５＜｜ｆ１｜／Ｌ＜０．５
０．０２＜ｆ２／Ｌ＜０．２
０．０１＜｜ｆ３｜／Ｌ＜０．１
０．０３＜ｆ４／Ｌ＜０．３
０．１＜ｆ５／Ｌ＜１
の条件を満足することが好ましい。
【００１３】
本発明の第２形態では、前記第１面に配置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面に配置された感光性基板上に形成するための第１形態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。
【００１４】
本発明の第３形態では、前記第１面に配置されたマスクを照明し、前記マスクに形成されたパターンを第１形態の投影光学系を介して前記第２面に配置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。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の投影光学系では、物体面（第１面）側から順に、負・正・負・正・正の屈折力配置を有する基本的構成において、第１レンズ群〜第５レンズ群がそれぞれ以下のような特徴的構成を有する。すなわち、第１レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含む。この構成により、特に非球面状の光学面を有する構成により、第１レンズ群は、テレセントリック性を維持しながら、主にディストーションを補正する機能、およびペッツバール和の補正に寄与し、像面の平坦化を達成する機能を有する。
【００１６】
第２レンズ群は、像面（第２面）側に連続して配置された少なくとも４つの正レンズを含む。この構成により、第２レンズ群は正のディストーションを発生させ、第３レンズ群、第４レンズ群、および第５レンズ群で発生する負のディストーションをバランス良く補正する機能を有する。第３レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含む。この構成により、特に非球面状の光学面を有する構成により、第３レンズ群は、高次球面収差やコマ収差の発生を抑えながら、主にペッツバール和の補正に寄与し、像面の平坦化を達成する機能を有する。
【００１７】
第４レンズ群は、少なくとも５つの正レンズと、少なくとも１つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含む。この構成により、特に非球面状の光学面を有する構成により、第４レンズ群は、球面収差の発生を抑えながら像面上に光束を導いて結像させる機能を有する。第５レンズ群は、少なくとも１つの負レンズを含む。この構成により、第５レンズ群は、像側において十分に大きな開口数を確保することができるように、球面収差を抑えながら像面上に光束を結像させる機能を有する。
【００１８】
また、本発明の投影光学系では、第１レンズ群において最も像面側に配置されたレンズは像面に向けられた第１の凹面を有し、第３レンズ群において最も物体面側に配置されたレンズは物体面に向けられた第２の凹面を有するという特徴的構成を有する。第２レンズ群に隣り合う第１レンズ群および第３レンズ群が、それぞれ第２レンズ群に向かって第１の凹面および第２の凹面を有することにより、第２レンズ群の正の屈折力（パワー）で発生する外コマの収差をバランス良く補正することができる。第１の凹面および第２の凹面を有する構成は、大きな像側開口数および広い結像領域を有する投影光学系の収差補正について特に効果が高い。
【００１９】
さらに、本発明の投影光学系では、径の増大を抑えながらペッツバール和を補正するために、以下の条件式（１）を満足する。条件式（１）において、Ｄ45は第４レンズ群と第５レンズ群との軸上間隔であり、Ｌは物体面（第１面）と像面（第２面）との距離である。
０．０２＜Ｄ45／Ｌ＜０．１ （１）
【００２０】
条件式（１）の下限値を下回ると、ペッツバール和の補正が困難になり、像面の平坦化を達成することができなくなってしまう。一方、条件式（１）の上限値を上回ると、光学系が長大化してしまう。条件式（１）を満足することは、大きな像側開口数および広い結像領域を有する投影光学系の収差補正について特に効果が高い。
【００２１】
また、本発明では、第１レンズ群中の第１の凹面から射出される光の最大射出角（度）α１、および第３レンズ群中の第２の凹面へ入射する光の最大入射角（度）α２が、以下の条件式（２）および（３）をそれぞれ満足することが好ましい。
３５＜α１＜６０ （２）
３５＜α２＜６０ （３）
【００２２】
条件式（２）および（３）を満足することにより、第２レンズ群の正の屈折力で発生する外コマの収差をバランス良く補正することができる。すなわち、条件式（２）および（３）の下限値を下回ると、第２レンズ群で発生する外コマをバランス良く補正することが困難になるので好ましくない。一方、条件式（２）および（３）の上限値を上回ると、それぞれ第１の凹面および第２の凹面で発生する高次コマ収差が増大し、結像性能の悪化を招くので好ましくない。条件式（２）および（３）を満足することは、大きな像側開口数および広い結像領域を有する投影光学系の収差補正について特に効果が高い。
【００２３】
また、本発明では、第２レンズ群の最大有効径（直径）をφmaxとするとき、第１レンズ群中の第１の凹面の有効径（直径）φ１、および第３レンズ群中の第２の凹面の有効径（直径）φ２が、以下の条件式（４）および（５）をそれぞれ満足することが好ましい。
０．５＜φ１／φmax＜０．８ （４）
０．５＜φ２／φmax＜０．８ （５）
【００２４】
条件式（４）および（５）の下限値を下回ると、第２レンズ群の最大有効径φmaxが大きくなりすぎて、光学系の径が大型化するので好ましくない。一方、条件式（４）および（５）の上限値を上回ると、第１の凹面の有効径φ１および第２の凹面の有効径φ２が大きくなりすぎて、第２レンズ群で発生するコマ収差を補正し切れなくなるとともに、ペッツバール和の補正が困難になるので好ましくない。
【００２５】
また、本発明では、第１レンズ群の焦点距離ｆ１、第２レンズ群の焦点距離ｆ２、第３レンズ群の焦点距離ｆ３、第４レンズ群の焦点距離ｆ４、および第５レンズ群の焦点距離ｆ５が、以下の条件式（６）〜（１０）をそれぞれ満足することが好ましい。
０．０５＜｜ｆ１｜／Ｌ＜０．５ （６）
０．０２＜ｆ２／Ｌ＜０．２ （７）
０．０１＜｜ｆ３｜／Ｌ＜０．１ （８）
０．０３＜ｆ４／Ｌ＜０．３ （９）
０．１＜ｆ５／Ｌ＜１ （１０）
【００２６】
条件式（６）〜（１０）を満足することにより、大きな像側開口数および広い結像領域を有するコンパクトな投影光学系を実現しつつ、各収差をバランス良く補正することができる。具体的には、条件式（６）の下限値を下回ると負のディストーションが増大し、上限値を上回るとテレセントリック性の補正が困難になるので好ましくない。また、条件式（７）の下限値を下回ると高次コマ収差が増大し、上限値を上回ると負のディストーションが補正不足になるので好ましくない。
【００２７】
さらに、条件式（８）の下限値を下回ると高次コマ収差や高次球面収差が増大し、上限値を上回るとペッツバール和が補正不足になるので好ましくない。また、条件式（９）の下限値を下回ると高次球面収差が増大し、上限値を上回ると光学系が長大化するので好ましくない。さらに、条件式（１０）の下限値を下回ると高次コマ収差や高次球面収差が増大し、上限値を上回ると光学系が長大化するので好ましくない。
【００２８】
また、本発明では、投影光学系を構成するすべての光学部材が１．６以下の屈折率を有する光学材料で形成されていることが好ましい。この場合、１．６以下の屈折率を有する光学材料、すなわち比較的低い屈折率を有する光学材料は短波長の光に対しても高い透過率を確保することができるので、使用光の短波長化を実現することができ、ひいては投影光学系の高解像化を達成することができる。なお、本発明の投影光学系では、物体側および像側の双方にほぼテレセントリックな光学系に構成することにより、物体面側の像歪への影響（露光装置に適用した場合にレチクルの反り等に起因する像歪）や、像面側の像歪への影響（露光装置に適用した場合にウェハの反り等に起因する像歪）を小さく抑えることができる。
【００２９】
以上のように、本発明では、両側にほぼテレセントリックで、十分に大きな開口数および十分に広い結像領域を確保しつつ、ディストーションを含む諸収差が良好に補正された、コンパクトで高性能な投影光学系を実現することができる。したがって、本発明の投影光学系を用いる露光装置および露光方法では、高いスループットおよび高い解像力で良好な投影露光を行うことができ、ひいては高いスループットおよび高い解像力で良好なマイクロデバイスを製造することができる。
【００３０】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１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、図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に平行にＹ軸を、光軸ＡＸに垂直な面内において図１の紙面に垂直にＸ軸を設定している。
【００３１】
図１に示す露光装置は、照明光を供給するための光源ＬＳとして、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８．４ｎｍ）を備えている。光源ＬＳから射出された光は、照明光学系ＩＬを介して、所定のパターンが形成された投影原版としてのレチクル（マスク）Ｒを照明する。照明光学系ＩＬは、露光光の照度分布を均一化するためのフライアイレンズ、照明開口絞り、可変視野絞り（レチクルブラインド）、コンデンサレンズ系等から構成されている。
【００３２】
レチクルＲは、レチクルホルダＲＨを介して、レチクルステージＲＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。レチクルステージＲＳは、図示を省略した駆動系の作用により、レチクル面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はレチクル移動鏡ＲＭを用いた干渉計ＲＩＦによって計測され且つ位置制御されるように構成されている。レチクルＲに形成されたパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、フォトレジストの塗布されたウェハＷ（感光性基板）上にレチクルパターン像を形成する。
【００３３】
投影光学系ＰＬは、その瞳位置の近傍に配置された可変の開口絞りＡＳ（図１では不図示）を有し、レチクルＲ側およびウェハＷ側の双方において実質的にテレセントリックに構成されている。そして、投影光学系ＰＬの瞳位置には照明光学系の照明瞳面における二次光源の像が形成され、投影光学系ＰＬを介した光によってウェハＷがケーラー照明される。ウェハＷは、ウェハテーブル（ウェハホルダ）ＷＴを介して、ウェハステージＷＳ上においてＸＹ平面に平行に保持されている。
【００３４】
ウェハステージＷＳは、図示を省略した駆動系の作用によりウェハ面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はウェハ移動鏡ＷＭを用いた干渉計ＷＩＦによって計測され且つ位置制御されるように構成されている。こうして、本実施形態では、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面内においてウェハＷを二次元的に駆動制御しながら各露光領域に対してレチクルＲのパターンを一括的に露光する動作を繰り返すことにより、すなわちステップ・アンド・リピート方式により、ウェハＷの各露光領域にはレチクルＲのパターンが逐次露光される。
【００３５】
以下、具体的な数値例に基づいて、本実施形態の投影光学系ＰＬの各実施例を説明する。各実施例において、投影光学系ＰＬは、レチクル側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、正の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とにより構成されている。また、各実施例において、投影光学系ＰＬを構成するすべてのレンズ成分は石英（ＳｉＯ2）で形成され、光源ＬＳから供給されるＫｒＦエキシマレーザ光の中心波長は２４８．４ｎｍであり、この中心波長に対する石英ガラスの屈折率は１．５０８３９である。
【００３６】
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。後述の表（１）および（２）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。
【００３７】
【数１】
ｚ＝（ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（１＋κ）・ｙ2／ｒ2｝1/2］
＋Ｃ4・ｙ4＋Ｃ6・ｙ6＋Ｃ8・ｙ8＋Ｃ10・ｙ10＋・・・ （ａ）
【００３８】
［第１実施例］
図２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。図２を参照すると、第１実施例の投影光学系ＰＬにおいて、第１レンズ群Ｇ１は、レチクル側から順に、両凸レンズＬ１１と、両凸レンズＬ１２と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と、両凹レンズＬ１４と、両凹レンズＬ１５とにより構成されている。第２レンズ群Ｇ２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Ｌ２１と、両凸レンズＬ２２と、ウェハ側に平面を向けた平凸レンズＬ２３と、ウェハ側に平面を向けた平凸レンズＬ２４と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２５とにより構成されている。
【００３９】
第３レンズ群Ｇ３は、レチクル側から順に、両凹レンズＬ３１と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ３２と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３３とにより構成されている。第４レンズ群Ｇ４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Ｌ４１と、開口絞りＡＳと、両凸レンズＬ４２と、両凸レンズＬ４３と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ４４と、両凸レンズＬ４５と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４６と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４７とにより構成されている。第５レンズ群Ｇ５は、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ５１と、両凹レンズＬ５２と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５３とから構成されている。
【００４０】
第１実施例では、第１レンズ群Ｇ１において最もウェハ側（像側）に配置された両凹レンズＬ１５は、ウェハ側に向けられた第１の凹面ｒ１を有する。また、第３レンズ群Ｇ３において最もレチクル側（物体側）に配置された両凹レンズＬ３１は、レチクル側に向けられた第２の凹面ｒ２を有する。
【００４１】
次の表（１）に、第１実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。表（１）の主要諸元において、λは露光光の中心波長を、βは投影倍率を、ＮＡは像側（ウェハ側）開口数を、Ｙ0は最大像高（イメージフィールド半径）をそれぞれ表している。また、表（１）の光学部材諸元において、面番号は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、ｎは露光光の中心波長に対する屈折率を、φは各面の有効径（ｍｍ：直径）それぞれ示している。上述の表記は、以降の表（２）においても同様である。
【００４２】
【表１】
図３は、第１実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。また、図４は、第１実施例における横収差を示す図である。各収差図において、ＮＡは像側の開口数を、Ｙは像高（ｍｍ）をそれぞれ示している。また、非点収差を示す収差図において、実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。上述の表記は、以降の図６および図７においても同様である。各収差図から明らかなように、第１実施例では、ＮＡ＝０．６３という大きな開口数およびＹ0＝２１．１ｍｍという大きな最大像高（ひいては大きなイメージフィールド）を確保しつつ、歪曲収差を含む諸収差が良好に補正されていることがわかる。
【００４４】
［第２実施例］
図５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。図５を参照すると、第２実施例の投影光学系ＰＬにおいて、第１レンズ群Ｇ１は、レチクル側から順に、両凸レンズＬ１１と、両凸レンズＬ１２と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１３と、両凹レンズＬ１４と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ１５とにより構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、レチクル側から順に、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正メニスカスレンズＬ２２と、レチクル側に凹面を向けた正メニスカスレンズＬ２３と、両凸レンズＬ２４と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ２５とにより構成されている。
【００４５】
第３レンズ群Ｇ３は、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ３１と、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた両凹レンズＬ３２と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３３とにより構成されている。第４レンズ群Ｇ４は、レチクル側から順に、レチクル側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ４１と、開口絞りＡＳと、両凸レンズＬ４２と、両凸レンズＬ４３と、レチクル側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ４４と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズ４５と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４６と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ４７とにより構成されている。第５レンズ群Ｇ５は、レチクル側から順に、ウェハ側に非球面形状の凹面を向けた正メニスカスレンズＬ５１と、レチクル側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ５２と、レチクル側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５３とから構成されている。
【００４６】
第２実施例では、第１レンズ群Ｇ１において最もウェハ側（像側）に配置された両凹レンズＬ１５は、ウェハ側に向けられた第１の凹面ｒ１を有する。また、第３レンズ群Ｇ３において最もレチクル側（物体側）に配置された両凹レンズＬ３１は、レチクル側に向けられた第２の凹面ｒ２を有する。次の表（２）に、第２実施例にかかる投影光学系の諸元の値を掲げる。
【００４７】
【表２】
図６は、第２実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。また、図７は、第２実施例における横収差を示す図である。各収差図から明らかなように、第２実施例では、ＮＡ＝０．６５という大きな開口数およびＹ0＝２１．１ｍｍという大きな最大像高（ひいては大きなイメージフィールド）を確保しつつ、歪曲収差を含む諸収差が良好に補正されていることがわかる。
【００４９】
上述の実施形態の露光装置では、照明系によってレチクル（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ェ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図８のフローチャートを参照して説明する。
【００５０】
先ず、図８のステップ３０１において、１ロットのウェ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ｌロットのウェ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ロットのウェ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ロットのウェ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ロットのウェ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、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。
【００５１】
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、ウェ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、ウェ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。
【００５２】
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、図９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。図９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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
なお、上述の実施形態では、ウェハＷの各露光領域に対してレチクルＲのパターンを一括的に露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、ウェハＷとレチクルＲとを投影光学系ＰＬに対して相対移動させつつウェハＷの各露光領域に対してレチクルＲのパターンを走査露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置に本発明を適用することもできる。
【００５６】
また、上述の実施形態では、２４８．４ｎｍの波長光を供給するＫｒＦエキシマレーザ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エキシマレーザ光源、ｇ線（４３５．８ｎｍ）やｉ線（３６５．０ｎｍ）の光を供給する水銀アークランプなどの他の適当な光源に対して本発明を適用することもできる。
【００５７】
さらに、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。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、両側にほぼテレセントリックで、十分に大きな開口数および十分に広い結像領域を確保しつつ、ディストーションを含む諸収差が良好に補正された、コンパクトで高性能な投影光学系を実現することができる。したがって、本発明の投影光学系を用いる露光装置および露光方法では、レチクルやウェハの反り等に起因する像歪を抑えて、高いスループットおよび高い解像力で良好な投影露光を行うことができ、ひいては高いスループットおよび高い解像力で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】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】第１実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図４】第１実施例における横収差を示す図である。
【図５】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。
【図６】第２実施例における球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図７】第２実施例における横収差を示す図である。
【図８】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。
【図９】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。
【符号の説明】
ＬＳ 光源
ＩＬ 照明光学系
Ｒ レチクル
ＲＳ レチクルステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ
ＡＳ 開口絞り
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ群
Ｇ５ 第５レンズ群
Ｌｉ レンズ成分
Claims (8)
- 第１面の像を第２面上に形成する投影光学系において、
前記第１面側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、正の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群と、正の屈折力を有する第５レンズ群とを備え、
前記第１レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第２レンズ群は、前記第２面側に連続して配置された少なくとも４つの正レンズを含み、
前記第３レンズ群は、少なくとも２つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第４レンズ群は、少なくとも５つの正レンズと、少なくとも１つの負レンズと、少なくとも１つの非球面状の光学面とを含み、
前記第５レンズ群は、少なくとも１つの負レンズを含み、
前記第１レンズ群において最も前記第２面側に配置されたレンズは、前記第２面に向けられた第１の凹面を有し、
前記第３レンズ群において最も前記第１面側に配置されたレンズは、前記第１面に向けられた第２の凹面を有し、
前記第４レンズ群と前記第５レンズ群との軸上間隔をＤ45とし、前記第１面と前記第２面との距離をＬとするとき、
０．０３５≦Ｄ45／Ｌ＜０．１
の条件を満足することを特徴とする投影光学系。 - 前記第１レンズ群中の前記第１の凹面から射出される光の最大射出角（度）α１と、前記第３レンズ群中の前記第２の凹面へ入射する光の最大入射角（度）α２とは、
３５＜α１＜６０
３５＜α２＜６０
の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。 - 前記第１レンズ群中の前記第１の凹面の有効径をφ１とし、前記第３レンズ群中の前記第２の凹面の有効径をφ２とし、前記第２レンズ群の最大有効径をφmaxとするとき、
０．５＜φ１／φmax＜０．８
０．５＜φ２／φmax＜０．８
の条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の投影光学系。 - 前記投影光学系を構成するすべての光学部材は、１．６以下の屈折率を有する光学材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影光学系。
- 前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とし、前記第３レンズ群の焦点距離をｆ３とし、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４とし、前記第５レンズ群の焦点距離をｆ５とし、前記第１面と前記第２面との距離をＬとするとき、
０．０５＜｜ｆ１｜／Ｌ＜０．５
０．０２＜ｆ２／Ｌ＜０．２
０．０１＜｜ｆ３｜／Ｌ＜０．１
０．０３＜ｆ４／Ｌ＜０．３
０．１＜ｆ５／Ｌ＜１
の条件を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投影光学系。 - 前記第１面側および前記第２面側がテレセントリックであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投影光学系。
- 前記第１面に配置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面に配置された感光性基板上に形成するための請求項１乃至６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面に配置されたマスクを照明し、前記マスクに形成されたパターンを請求項１乃至６のいずれか１項に記載の投影光学系を介して前記第２面に配置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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