JPH03101708A - 反射結像光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は反射結像光学系、特に縮小投影が可能な反射結
像光学装置に関する 〔従来の技術〕 従来、ＬＳＩや超ＬＳＩ等の半導体素子の製造に用いら
れる露光装置においては、その光源として水銀ランプが
用いられてきた。そして、半導体素子パターンの一層の
微細化に対応するために、露光光源としてより短波長の
エキシマレーザも用いられるようになってきている。し
かし通常の光を用いるかぎり、単波長化にはおのずと限
界があり、０．２μｍ以下の線幅パターンを露光するた
めにはＸ線を用いる必要がある。

Ｘ線を用いる露光装置も既に開発されているが、これら
はすべてマスクの影絵をウエハーに転写する所謂プロキ
シミテイ一方式であって投影倍率は等倍である。このた
め、投影原版としてのマスク自体を極めて微細なパター
ンに仕上げておくことが不可欠であり、具体的には０．
２μｍの線幅で０．５μｍ以下の位置精度でマスクを作
ることが必要となってくる。このような微細パターンを
有するマスクを加工することは極めて困難であり、Ｘ線
を用いたとしてもプロキシミティ一方式では実用にはな
らないものであった。

〔発明が解決すべき課題〕

そこで、Ｘ線を用いて縮小投影露光できる装置が望まれ
ているわけであるが、通常のレンズはＸ線を透過しない
ために使用できず、光学系としては反射系のみ使用可能
である。勿論非球面の反射系を用いればこのようなＸ線
反射縮小投影光学系は設計可能である。しかしながら、
Ｘ′ａ領域では極めて高い加工精度が必要となるため、
非球面の反射系は到底製造できるものではない。

従って、実用的に使用できる反射面は球面のみである。

球面のみで構成された反射光学系としては古くからンユ
ワルツシルド型が知られている。これは第８図に示すよ
うに同心の凹面鏡ｌと凸面鏡２との２枚の球面反射鏡に
よって構威される光学系であり、非常に優れた光学系で
ある。しかし唯一とも言える欠点は、同心光学系である
ため物体面及び像面が反射鏡の球心を中心として球面状
に湾曲していることである。

物体面を平面にとれば像而はさらに湾曲してしまう。こ
のため、広い露光面積を必要とする半導体製造装置には
使用できないものであった。

本発明の目的は、球面のみからなる簡単な構成でありな
がら、広い領域にわたって平坦な結像面を形戒でき、縮
小投影が可能な反射結像光学装置を提供することにある
。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明は、少なくとも１組の同心光学系を含む複数の球
面反射光学系を有する光学装置において、前記複数の球
面反射光学系により形威される中間像の少なくとも１ケ
所の中間像位置近傍に球面反射鏡を配置したものである
。具体的には、同心光学系として所謂ンユワルツシルド
光学系を用い、その中間像付近に像面湾曲補正用の球面
しらなる凹面反射鏡を配置したものである。

〔作用〕

本発明によれば、少なくとも１組の同心光学系によって
発生する補正しきれない像面湾曲を、中間結像面の近傍
に配置した球面反射鏡によって良好に補正することがで
きる。この像面湾曲補正用球面鏡の設計法は以下の通り
である。

いま、例えば第１図に示した第１実施例の如き２つの同
心光学系Ｓ　．．　Ｓ　！を組み合わせるものとする。

そして、全系による縮小投影倍率をＭ分のＩとし、倍率
引分の１の第１光学系Ｓと、倍率ｍ２分の１の第２光学
系Ｓ，とを組合せてＭ分の１の縮小投影光学系を得るこ
ととする。

すなわち、Ｍ＝ｍ＋Ｘｍ＊とする。

そして、引分の１の倍率の第ｌ光学系Ｓｌを考えその物
体面０１を平面とする。次に、ｍ７分の１の倍率の第２
光学系Ｓ２の像面■，を平面とし、その像ａ，の大きさ
は第１光学系の物体ａ０のＭ分のｌとする。第２光学系
Ｓ，の物体と像の配置は第１光学系の逆とし、各々の光
学系の光軸を一致させ第ｌ光学系Ｓ１の像面■と第２光
学系Ｓ２の物体面Ｏ，とを光軸上で一致させる。すると
第２図に示す如く、第１光学系の像面■１と第２光学系
の物体面Ｏ，とはそれぞれおおよそ球面状に湾曲してお
り、互いの大きさは等しいが、湾曲の度合は異っている
。

第ｌ光学系による像面Ｌと第２光学系についての物体面
０２との対応する点の中点を結んでできる曲面Ｍを考え
るとこれもほぼ球面状となり、この面Ｍを鏡面とすると
、第ｌ光学系の像面Ｉ１と第２光学系の物体面Ｏ，とが
反射面Ｍを介して共役となる。

その結果、第１光学系の物体面０１上の平面物体ａ０は
、第２光学系の像面Ｉ，上にＭ分の１の平面像ａ＋とじ
て結像され、平面物体の平坦な像が所望の倍率にて像面
湾曲なしに形成されるのである。

尚、同心光学系における光軸Ａは、物体面及び像面を与
えたとき、同心中心を通り物体面及び像面に垂直な直線
として定義するものとする。

ところで、像面湾曲補正用球面鏡の設計について上記と
は別の説明をすると、像面湾曲のない光学系とはペッツ
バール和がＯの光学系である。いま、各同心光学系にお
いて各反射面の曲率半径をｒｌ．　ｒ２．・・・・・・
，ｒ７とするとき、ペッツバール和Ｐは、 Ｐ＝１／ｒ＋＋ｌ／ｒ，＋１／ｒｓ＋−・−−−−＋　
１／ｒ．　　（１１となるから、この（１）式の値が０
であることが侃面湾曲のない条件となる。

従って、各同心光学系が２つの同心反射面からなるシュ
ワルツシルド光学系であるとすれば、ｒ＋、ｒｚを第１
のシュワルツシルド光学系の曲率半径、ｒ，、ｒ，を第
２のシュワルツシルド光学系の曲率半径とするとき、中
間像位置付近に置く像面蒲正用球面ＭＭの曲率半径ｒは
、 で与えられる。

このｆ１１式は、第ｋ面の入射光側の屈折率をＮ１、射
出光側の屈折率をＮｋ′　とし、補正反射面の入射光側
の屈折率をＮ（０，射出光側の屈折率をＮ１　　とする
とき、より厳密には以下のとおりとなる。

ｋ−１　　　　，， ここで、屈折率Ｎ．’　，Ｎｋ等は１又は＝１であり、
その符号は後記する反射面間隔と同様に光線の向きが左
側である場合を正、右側である場合を負としている。

この球面が第２図にて前述した像面補正用反射鏡と一致
するのは勿論である。

同様に、同心光学系を含む全系の反射面の曲率半径をｒ
ｌ＋　ｒｌ＋　・・・・・・，ｒｅとし、そのうちの第
１番目の反射面が中間像位置近傍に配置される像面補正
用反射面であるとすると、その曲率半径ｒｙは、一般に ｋ−１　　　　ｒ，　　　　　　ｋ−＋４　　　，，で
与えられる。

そして実際上は、シュワルツシルド光学系やそれに組み
合わされる光学系における残存収差とのバランスに応じ
て、上記（３１式によって決定される像面補正用反射面
の曲率半径を適宜修正することが必要である。その場合
、最終的な像面補正用反射面の曲率半径の値ｒは、（２
）式や（３）式で決定される値ｒＭに対して、 λ の範囲に設定することが有効である。

ここで、λは波長、Ｙは最終像の像高、ＮＡは最終像面
における結像光束の開き角に対応する開口数である。

上記（４）の条件は、３次収差論により求められるベッ
ツバール像面のガウス像面からのズレ量Δ＝−Ｙ’（Ｎ
ｋ’Ｐ）と、回折限界の光学系におけるｊＱ点深度　Δ
Ｚ＝±λ／２（ＮＡ）’との関係に基づいて決定した条
件であり、上記の範囲を超える場合には、像面補正用の
反射面において発生する高次収差が著しくなりすぎるた
め良好な結像を得ることが難しくなる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

第Ｉ図は本発明の第１実施例の構威を示す断面光路図で
あり、物体ａ．の軸上点から発する主光線が最終像ａ＋
に達する様子を示している。

図示のように、第１実施例は、Ｃ１を球心とする凸面鏡
の第１反射鏡Ｒ．と凹面鏡の第２反射鏡Ｒ，とからなる
第ｌシュワルツシルド型同心光学系Ｓ，、像面補正ＭＭ
としての第３反射＃ｌＩＲ，、及びｃｔを球心とする凹
面鏡の第４反射鏡Ｒ４と凸面鏡の第５反射鏡Ｒ，とから
なる第２シュワルツシルド型同心光学系Ｓ２とで構成さ
れている。ここで、第ｌシュワルツシルド型同心光学系
は縮小系であり、第２シェフルッシルド型同心光学系は
拡大系である。

物体ａ６からの光束は、第１反射面としての凸面鏡Ｒ＋
、第２反射面としての凹面鏡Ｒ２で反射されて中間像ａ
，を形戒する。中間像ａ１は湾曲しているが、中間像ａ
１の近傍に配置された第３反射鏡としての凹面鏡Ｒ，に
よってさらに曲げられ像ａ！を形威する。中間像ａ，の
近傍に配置された第３反射鏡としての凹面鏡Ｒ，での反
射を受けた光束は、第４反射面としての凹面鏡Ｒ，、第
５反射面としての凸面鏡Ｒ，で反射されて最終（ｌ　ａ
　ｔを形戒する。

像面補正鏡Ｍとしての第３反射ＭＲ，によって、中間像
ａ１が第２図について説明した如く、反射像ａ２として
適度に曲げられているため、第１及び第２シュワルツシ
ルド光学系で生じる像面湾曲は補正され、最終像ａ，は
平面に形成される。このような構戊において、更に最終
像ａ，を形或する主光線が光軸にほぼ平行となるように
像餌でのテレセントリック性を良くするためには、像面
補正鏡としての第３反射鏡Ｒ，をわずかに傾けることが
有効である。

上記の第１実施例は、最終像を縮小結像するために、第
１シュワルツシルド光学系を縮小系とし、１ｇ２シュワ
ルツシルド型同心光学系を拡大系として組み合わせたが
、本発明においてはこのような組合せに限られるもので
はない。すなわち、シュワルツシルド型同心光学系の拡
大と縮小は適宜選択して組み合わされるべきものであり
、同心光学系としては凹面反射鏡と凸面反射鏡とからな
る等倍の所謂オフナー型を用いることも可能である。

第３図に示した第２実施例の構戒は、２つのシュワルツ
シルド型同心光学系を、共に縮小系として組合せたもの
である。すなわち、物体ａ。から光路に沿って、第１反
射鏡としての凸面反射鏡Ｒ，と同心中心Ｃ，を有する第
２反射面としての凹面鏡Ｒ，からなる第ｌシュワルツシ
ルド光学系Ｓｌにより、中間像ａ１が形成され、像面捕
正鏡Ｍでの反射を介して、第４反射鏡としての凸面反射
＃ＩＲ１と同心中心Ｃ，をぎする第５反射面としての凹
面Ｍ　Ｒ　＋からなる第２シュワルツシルド光学系Ｓ２
により最終像ａｌが形成される。

また、第４図に示した第３実施例の構戊は、第１のンユ
ワルッシルド光学系ＳＩを拡大系とし、第２のシュワル
ツシルド光学系Ｓ２を縮小系として組み合わせたもので
ある。すなわち、物体ａ０から光路に沿って、第１反射
鏡としての凹面反射鏡Ｒ１と同心中心Ｃ，を有する第２
反射面としての凸面鏡Ｒ，からなる第ｌシュヮルツシル
ド光学系Ｓｌにより、中間像ａｌが形威され、像面補正
鏡Ｍでの反射を介して、第４反射鏡としての凸面反射Ｍ
ＲＩ　と同心中心Ｃｔを有する第５反射面としての凹面
鏡Ｒ，からなる第２シュワルツシルド光学系Ｓ，により
最終像ａ，が形成される。

これらの実施例においても、像面補正用反射ＭＭの曲率
半径は上記（２）式によって与えられ、平面物体ａ０の
平坦な縮小像ａ，が鮮明に形或される。

第５図に示した第４実施例は、物体側に縮小系のンユワ
ルツシルド光学系Ｓ１を用い、像側に等倍の同心系Ｓ，
を用いている。等倍系はシュワルツシルド型ではなく、
凹面鏡と凸面鏡との組合せからなり凸面鏡での反射の前
後で１回づづ凹面鏡で反射させる構戒の所謂オフナー型
を用いている。具体的には、物体ａ，から光路に沿って
、第１反射鏡としての凸面反射鏡Ｒと同心中心Ｃ１を有
する第２反射面としての凹面鏡Ｒｌからなる第１同心光
学系としてのシュワルツシルド光学系ＳＩにより、中間
像ａ１が形成され、像而補正鏡Ｍでの反射を介した後、
同心中心Ｃ，を有する第４反射面としての凹面反射鏡Ｒ
．と第５反射面としての凸面反射ｉｔＲＳからなるオフ
ナー型第２同心光学系Ｓ２によって、最終像ａ，が形威
される。ここで、第２同心光学系Ｓ，が等倍のオフナー
光学系であるため、最終像ａｌが光軸外に位置すること
になるが、中間像はａｌ湾曲しているのに対し、最終像
ａ，ほこの平面内に位置する平坦な像として形成される
ことは前述の実施例と同様である。

そして、この第４実施例においては、最終像ａ，に達す
る主光線を像面に対して垂直になる状態を維持するため
に、物体面ａ０を光軸に対して傾けておくことが有効で
ある。

以上のとおり、複数の同心光学系を組み合わせて所望の
縮小倍率の投影光学装置が構成されるが、第１図に示し
た第１実施例の構成が、最も大きな領域にわたって平坦
な像を得ることができ、露光面積を大きくするのに有利
である。

第１図に示した２つのシュワルツンルド型同心光学系を
組み合わせた具体的横威例を第６図に示しす。

第６図において、ＭＳは前記物体ａ０に対応するマスク
（レチクル）等の披投影物体であり、ＷＦは前記最終像
ａ，が転写されるウエハ面等の露光面である。Ｍ（Ｒｓ
）が像面湾曲補正面でり、その他第１図と同一機能の部
材には同一の記号を付した。第６図に示した構成では、
像面補正用の第３反射面と第４反射面との間の光路中に
、絞りＳを配置している。また、平面鏡Ｍ０は最終像が
第１反射鏡Ｒ１と機械的に接触するのを避けるために設
けられている。

第６図に示したように、光線が左から右に進方向を正と
し、左側に凸面を向けた反射面の曲率半径ｒを正、左側
に凹面を向けた反射面の曲率半径ｒを負とし、面間隔ｄ
は光線の進行方向が正である媒質中は正とし、光線の進
行方向が負である媒質中では負とするものとし、その諸
元の値を以下の表に示す。尚、表中、ｄ０は第６図に示
した如く、物体面から第１反射面の頂点までの距離であ
り、ｄ６は第５反射面の頂点から最終像面までの距離で
ある。

倍率−１／３　　ＮＡ＝０．０２ 像高　Ｙ　＝　２０１ａｍ ｊ，＝　　５９５．２７６７９ ｒ２＝２１６３．４０７４１ ｒ＝　一−３００．　９０４２２　（　Ｍ　：像面補正
用反射面）ｒ＋＝　４３４７．９０８２０ ｒｓ＝　　４２６．１２５２９ ｄ．＝　　２０５９．０２０２９ ｄ　　＝−１５７５．２６７２０ ｄｚ＝　　２６３４．３９９２９ ｄｓ＝　　−２２２．７４０００ ｄ４＝−４４５９．６４８３５ ｄｓ＝　　３９４５．３８５０１ ｄ＊＝　　−２３８．７９３３４ 像面サイズφ＝　２０＋ｎｎ＋ 上記の具体的数値例において、物体面は平面であり、像
而も平面となっており、第１同心光学系ＳＩによる像筒
の曲率半径Ｒ１．は４１０．６２５　、また第２同心光
学系Ｓ，についての物体面の曲率半径Ｒ。．は−２３６
．２１３である。従って、像面湾曲補正用反射面として
の第３反射面の曲率半径ｒ３の値は、上記各曲率半径の
はぼ中間の値となっていることがわかる。

また、ペッツバール和に関連した上記（４）式の条件に
ついてみれば、（３）式で求まる像面補正用反射面の曲
率半径ｒｗの値は、 ｒ　Ｍ　＝２９９．　９０５０２ となる。そして、本実施例においては、波長λ＝１００
人　、最終像高Ｙ　＝　２０ｍｍ，最終結像光束の開口
数ＮＡ＝　０．　０２であるから、上記（４）式の右辺
の値は、次のとおりである。

λ ｒｖ’　＝５．６ｍｍ Ｙ　”　（ＮＡ）” これに対し上記のとおり像面補正用反射面（第３反射面
）の曲率半径ｒ．は−３００．　９０４２２であり、左
辺の値は、 ｒ−ｒｗ　　＝０．９９９２ となるから、上記条件（４）が満たされていることが分
かる。

上記の諸元の構成における最終像についての非点収差、
歪曲収差及び横収差を第７図に示した。

第７図から分かるように、像面は像高２０ｍｍにわたっ
てほぼ良好に補正されており、歪曲収差も横収差も極め
て良好に浦正されており、３分の１の縮小倍率にて優れ
て結像性能であることが明らかである。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明よれば、球面のみからなる簡単な構成
でありながら、広い領域にわたって平坦で高解像の像を
得ることができ、縮小投影が可能な反射結像光学装置が
達戊され、屈折系を用いることのできないｘｖｉｎ光装
置として極めて有用なものである。また、補正用球面反
射鏡又は物体面を傾けることにより像側のテレセントリ
ック性を向上させることが可能であり、露光装置として
より適したものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第ｌ実施例の構或図、第２図は像
面湾曲補正用反射鏡の機能を説明するための図、第３図
は第２実施例の構成図、第４図は第３実施例の構成図、
第５図は第４実施例の構成図、第６図は第１図に示した
第１実施例の具体的数値構戊例を示す図、第７図はその
諸収差図、第８図は公知のシュワルツシルド光学系を例
示する図である。 〔主用部分の符号の説明〕 Ｓ１・・・第１同心光学系 Ｓ，・・・第２同心光学系 Ｒ　，，　Ｒ　＊，　Ｒ　ｓ．　Ｒ　＋，　Ｒ　ｉ・・
・球面反射鏡Ｍ　・・・像面補正用反射鏡

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）少なくとも１組の同心光学系を含む複数の反射球面
   光学系を有する光学装置において、前記複数の球面反射
   光学系により形成される中間像の少なくとも１ヶ所の中
   間像位置近傍に球面反射鏡を配置したことを特徴とする
   反射結像光学装置。 ２）前記球面反射鏡は凹面反射面であり、その曲率半径
   は、前記複数の球面光学系の合成系による像面湾曲に対
   応する値であることを特徴とする請求項１記載の反射結
   像光学装置。