JPH0533369B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、例えば投影型走査露光装置、特に
LSIなどの製造に使用されるアライナ用光学系な
どに適用して好適な反射光学系に関するものであ
る。 従来のこの種の反射光学系には、例えば同心又
は非同心の凹面鏡、凸面鏡を使用した反射光学系
や、凹面鏡、凸面鏡の外に更に負のメニスカスレ
ンズ及び色収差補正機構を加えたほぼ同心の反射
光学系など、種々の形式のものが知られている。 そして、これらの反射光学系は軸外の半弧状領
域に良像域が形成されており、この良像域に対応
するマスクの部分像をウエハー上に形成し、マス
ク、ウエハーを一体として反射光学系に対して相
対的に走査してマスクの全体像をウエハー上に形
成するアライナが知られている。しかしながら、
従来の反射光学系の何れも非点収差、及び像面弯
曲が大きく、そのために良像域の幅は極めて狭く
例えば１mm程度であつて、アライナに適応した場
合に多くの走査時間、即ち露光時間を必要とし、
時間当りのウエハー焼付処理量が比較的小さいと
いう難点があつた。 本発明の目的は、このような従来例の欠点を改
善し、非球面レンズを導入して非点収差及び像面
弯曲を充分に補正しつつ、補正像高の良像域を拡
大し、更には時間当りのウエハー焼付量を増大す
る反射光学系を提供することにあり、その要旨は
次の通りである。 即ち、凹面鏡と凸面鏡をそれぞれの反射面同志
が対向するように配置し、光軸外の被写体からの
光を前記凹面鏡、凸面鏡、凹面鏡の順に反射する
ことにより像面に結像させる反射光学系におい
て、前記凹面鏡と前記被写体の間に第１の光学部
材を設け、前記凹面鏡と前記像面の間に第２の光
学部材を設け、前記被写体の各点から光軸に平行
に射出する光線を前記第１の光学部材を介して前
記凹面鏡で反射した後に前記凸面鏡の前記光軸と
の交点で反射させ、かつ前記凸面鏡の前記光軸と
の交点で反射した後に前記凹面鏡で反射して前記
第２の光学部材を介して光軸と平行に前記像面に
入射させるために、少なくとも前記第１の光学部
材の前記光線の通過面を非球面とし、前記第１、
第２の光学部材で生ずる横収差を補正するため
に、前記凸面鏡の反射面を参照球面からのずれ量
が光軸から離れるに従い一旦増加しその後に減少
するようにすると共に、以下の条件を満たす非球
面としたことを特徴とする反射光学系。 １／10⁹＜Δx／Ｄ＜１／10⁴ ここで、Ｄは前記凸面鏡の有効径を、ΔXは有
効径Ｄの凸面鏡の半径の７割の高さでの反射面の
参照球面からのずれ量である。 次に、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に
説明する。 第１図に示す第１の実施例では、凹面鏡Ｍ１と
それよりも半径の小さな非球面を有する凸面鏡Ｍ
２とが、これらの光軸Ｏが一致するように配置さ
れると共に、これらの曲率中心が同一方向になる
ようにして鏡面同志が対向的に配置されている。
そして、物体Ｓ１と凸面鏡Ｍ２との間、及び物体
Ｓ１と光軸Ｏの点Ｏ１を中心に対称的な位置の像
面Ｓ２と凸面鏡Ｍ２との間に、非球面レンズＬ１
が光軸Ｏを中心として対称的な形状で配置されて
いる。 物体Ｓ１から出射された光束は、凹面鏡Ｍ１、
凸面鏡Ｍ２、凹面鏡Ｍ１の順に進行するため、物
体高Ｐ１はこれらの２つの鏡面Ｍ１，Ｍ２間で計
３回反射された後に、像面Ｓ２における点Ｐ２に
等倍結像されることになり、この反射光学系の絞
りの役割を凸面鏡Ｍ２が果している。この反射光
学系は凸面鏡Ｍ２の有効径の中心Ｏ２に関して対
称的に配置されているので、光束がこの中心Ｏ２
に入射するに際して非対称収差であるコマ収差や
歪曲収差が発生することはないが、非点収差と像
面弯曲の発生は免れ難い。 そこで、この反射光学系においては、非点収差
と像面弯曲は非球面レンズＬ１によつて補正する
ようにされている。このために非球面レンズＬ１
の形状は、第２図の非点収差図で示す補正領域ｈ
内での各像高の光軸Ｏと平行な主光線の全てが凸
面鏡Ｍ２の中心Ｏ２へ入射し、また凸面鏡Ｍ２の
中心Ｏ２から反射した各主光線が像面に全て平行
に入射するように非球面レンズＬ１の形状が決め
られている。凹面鏡Ｍ２の非球面の形状は有効径
の７割〜８割で非球面量が最大となり、その後に
減少するようにされている。なお、第２図の非点
収差はａ〜ｆでそれぞれ非球面レンズＬ１、凸面
鏡Ｍ２の非球面形状の組合わせが異なる場合を示
している。 なお、収差が良好に補正できる範囲であれば、
主光線の全てが多少中心からずれていても、また
一部の主光線が中心からずれて入射するように、
また全ての主光線が像面に多少非平行に或いは一
部の主光線が多少非平行に入射するように非球面
レンズＬ１の形状を決めてもよい。このような場
合に、例えばレンズＬ１の物体Ｓ１側に非球面を
施し、像面Ｓ２側にメニスカスレンズ部材を用い
ることができる。しかしながら、一方だけに非球
面を施すよりも、双方に非球面を施す場合の方が
製作が容易であり、更には説明も容易であるた
め、以下は双方に非球面を施した場合について述
べる。 この場合に凹面鏡Ｍ１は凸レンズの作用をなす
から、補正領域ｈの半弧状の各像高に対応した凹
面鏡Ｍ１の各入射高での凹面鏡Ｍ１で発生する正
の球面収差の値に応じて、非球面レンズＬ１の対
応入射光で負の球面収差を発生させる。従つて、
正負の球面収差が補正領域ｈの各像高で互いに打
消し合うように非球面レンズＬ１の形状を選択す
れば、各像高の光軸Ｏに平行な主光線はこの光学
系の中心Ｏ２に入射することになる。つまり、補
正領域ｈ内での各像高の無限遠主光線が常に光学
系の中心Ｏ２へ集光するように補正されたとき、
中心Ｏ２での対称性からこの反射光学系全体の非
点収差は補正されることになる。 第２図の補正領域ｈはサジタル像面ｓとメリデ
イオナル像面ｍの傾きと許容深度との関係で決定
されるから、非点収差の補正、即ちサジタル像面
ｓとメリデイオナル像面ｍの非点隔差を無くし、
補正領域ｈ内の各像面の像面弯曲を小さくするた
めに非球面レンズＬ１が採用され、これによつて
補正領域ｈの拡大、スリツト幅の増大を図ること
ができる。しかし、より一層高性能のものが要求
される場合には、非球面レンズＬ１の導入によつ
て生ずる他の収差が無視できなくなる。そこで、
凸面鏡Ｍ２を更に非球面化することによつて、非
球面レンズＬ１の導入により生ずる横収差をも補
正できるようにしたのである。 第１図において、非球面レンズＬ１の働きによ
り補正領域ｈ内で各像高の光軸Ｏに平行な主光線
は常に凸面鏡Ｍ２の中心Ｏ２へ入射するから、凸
面鏡Ｍ２を非球面としても主光線関係の収差、即
ち非点収差・像面弯曲には全く影響を与えずに、
アツパー光線URとローワー光線LRの収差を補
正することができる。 第１図に示すこの第１の実施例では凹面鏡Ｍ１
と凸面鏡Ｍ２は非同心であり、非球面レンズＬ１
は緩い凸レンズで凹面鏡Ｍ１側の凸面を非球面と
し、補正領域ｈ内の各主光線が通過する非球面部
分は像高が高くなるにつれて、参照球面よりも負
の成分を形成するようになつている。なお、この
非球面レンズＬ１の数は１個ではなく、これを複
数個としても特に支障はない。なお、第２図ａ〜
ｆは上述したようにその非点収差図、第３図ａ〜
ｆは横収差図である。 第４図、第５図ａ〜ｅ、第６図ａ〜ｅは、それ
ぞれ第２の実施例の構成図、非点収差図、横収差
図を示すものであり、この第２の実施例では凹面
鏡Ｍ１と非球面の凸面鏡Ｍ２は同心であり、非球
面レンズＬ２は平行平面板の両面が非球面とされ
ている。補正領域ｈ内での各像高の主光線が通過
する非球面部分は像高が高くなるにつれて、つま
り凹面鏡Ｍ１の屈折力が大きくなるに従つて、参
照球面よりも負の成分を持つように形成されてい
る。また、凹面鏡Ｍ２は第１の実施例と同様に、
光軸より離れるにつれ非球面量が増大し、その後
に減少するようになつている。 第７図は第３の実施例の構成図であり、第８図
ａ〜ｅ、第９図ａ〜ｅは、それぞれ非点収差図、
横収差図を示している。この第３の実施例では、
凹面鏡Ｍ１の正の作用を打消すために負のメニス
カスレンズを用いてこれを非球面レンズＬ３と
し、更に凸面鏡Ｍ２を非球面化したものであり、
凹面鏡Ｍ１と凸面鏡Ｍ２は非同心である。なお、
非球面レンズＬ３の凹面鏡Ｍ１側の非球面部分の
形状は、負のメニスカスレンズが凹面鏡Ｍ１の屈
折力よりも強いため、補正領域ｈ内での各像高の
主光線が通過する範囲では、参照球面より正の成
分で構成されている。凹面鏡Ｍ２の非球面量は光
軸から離れるに従つて参照平面に対して負の屈折
力成分が増大するように形成されている。 第１０図は第４の実施例の構成図であり、第１
１図ａ，ｂ，ｅ｛ｃ，ｄ，ｆは図示せず｝、第１２
図ａ〜ｅはそれぞれ非点収差図、横収差図であ
る。凹面鏡Ｍ１と非球面の凸面鏡Ｍ２は同心であ
り、非球面レンズＬ４は緩い凸レンズで凹面鏡Ｍ
１側の面を非球面とし、補正領域ｈ内の各主光線
が通過する非球面部分は像高が高くなるにつれ
て、参照球面よりも負の成分を形成するようにな
つている。この非球面レンズＬ４の導入によつて
発生する色収差の補正を、正成分の色収差補正用
レンズＬ５により実施している。 つまり、非球面レンズＬ４の採用により非点収
差が補正され、かつ前述したように光学系の対称
性のためにコマ収差や歪曲収差は発生することは
ないが、非球面レンズＬ４のガラス厚によつて生
ずる色収差や他の収差が無視できなくなる。そこ
で、凸面鏡Ｍ２を非球面化及び色収差補正用レン
ズＬ５の使用によつて、非球面レンズＬ４の導入
により生ずる横収差や色収差が補正できるように
したのである。即ち、非球面レンズＬ４で発生す
る横収差については凸面鏡Ｍ２の非球面の屈折面
で補正を行い、色収差は緩い凸レンズから成る色
収差補正用レンズＬ５により補正をすることにな
る。 なお上述の実施例においては、非球面レンズＬ
４、色収差補正用レンズＬ５の数を１個とした
が、これらを複数個としても特に支障はない。ま
たこれらの屈折部材はガラス製でなく、他の透明
材料としてもよい。 第１３図、第１４図は第１図の第１の実施例に
おける凸面鏡Ｍ２を非球面としない場合の非点収
差図、横収差図を示しているが、第３図の横収差
図と比較して明らかなように、凸面鏡Ｍ２の非球
面化は横収差の改善に大きく寄与している。 次に、第１、第２、第３、第４の各実施例にお
ける光学的構成の数値例をそれぞれ第１表、第２
表、第３表、第４表として記載する。また、第５
表は第１図の構成において凸面鏡Ｍ２に非球面を
使用しない場合の数値例である。なお、Riは第
１図、第４図、第７図、第１０図において、光の
進行順序に従つて第ｉ番目の光学部材面の曲率半
径、Diは第ｉ番目の光学部材の軸上厚又は空気
間隔であり、正負の符号は左から右に進行する場
合を正としている。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 なお、これらの表において、非球面レンズＬの
非球面量ΔH（ΔH₁、ΔH₂も含む）はΔH＝
（ΔRH2−ΔRH1）／Δhと定義する。 ここで、Δhは第１５図ａに示すように非球面
レンズＬによりＨ２−Ｈ１で与えられる半弧状の
良像域を示し、ΔRH１，ΔRH２は第１５図ｂに
示すように高さＨ１，Ｈ２における参照球面から
の非球面量を表している。なお、ｂにおける実線
Ａは点Ｏ３を中心とする参照平面を、点線Ｂは非
球面を示している。 そして、これらの表から判るように非球面量
ΔHは１／10⁴と１／10との間にあり、ΔHが１／
10⁴よりも小となると非球面の変化量が少なくな
り、非球面の効果が薄れてきて広いスリツト巾が
得られなくなる。また、非球面量ΔHが１／10よ
り大きくなると非球面の変化量が増大し、サジタ
ル像面ｓとメリデイオナル像面ｍが離れてゆき、
広いスリツト巾が得られなくなる。 これらの表から判るように、参照球面の大きさ
によつて非球面量ΔHの許容値が変つてくる。即
ち、参照球面｜Ｒ｜が1000mmよりも大の場合に非
球面量ΔHは１／10³と１／10の間にあり、これ
らの下限値及び上限値を越えると、先に述べた場
合と同様のデメリツトを生ずる。更に、参照球面
｜Ｒ｜が200mm以下の場合に非球面量ΔHは１／
10⁴と１／10³との間にあり、これらの下限値及び
上限値を越えると同様のデメリツトが生ずる。 また、凸面鏡Ｍ２の非球面量Δxは、凸面鏡Ｍ
２の有効径Ｄの７割の高さにおける凸面鏡の参照
球面からの非球面量をΔXとすると、Δx＝ΔX／
Ｄと定義する。 ここで、Δxは１／10⁹よりも大きく、１／10⁴
よりも小さいことが望ましい。下限値を越えると
フレア光の補正が十分ではなくなり、上限値を越
えると非球面量が大きくなり、フレア光の補正が
過剰となり好ましくない。 更に、非球面レンズＬ１〜Ｌ４を構成する第２
の光学部材、第２の光学部材のガラスのアツベ数
をそれぞれν₁、ν₂とすると、 60＜ν₁＜100 60＜ν₂＜100 なる条件を満足することが望ましい。アツベ数
ν₁、ν₂が60よりも小さい場合は色収差の発生が増
大し、使用波長域が非常に狭く限定される。な
お、アツベ数ν₁、ν₂が100よりも大きな光学ガラ
スは現在のところ存在しない。 以上説明したように本発明に係る反射光学系
は、非球面レンズの導入と凸面鏡の非球面化によ
り補正領域の各像高でのサジタル像面ｓ、メリデ
イオナル像面ｍを広範囲に一致するように補正す
ると共に、非球面レンズにより発生する横収差を
補正して補正像高の良像域を拡大することが可能
になる。また、良像域の拡大、即ちスリツト幅の
拡大によつて露光装置における露光時間を短縮で
きるという効果も得られる。特に、凹面鏡と凸面
鏡との同心性に制限されることなく、球面系のみ
のレンズ構成と異なつて、これらの配置する位置
も制限されずに非球面の補正のみに注目すればよ
いことになり、高性能の反射光学系が得られる利
点がある。なお実施例によれば、像高ｈが100〜
90mm、即ちスリツト巾が約10mmまでに良像域が拡
大されている。また、色収差補正用レンズの使用
により、非球面レンズにより発生する色収差を補
正して補正像高の良像域を拡大することが可能に
なる。 次に、本発明に係る反射光学系を半導体焼付装
置に適応した例を第１６図、第１７図により説明
する。第１６図は焼付装置の光学的配置を示し、
１はマスク照明用光学系であり、水平な光軸に沿
つて球面ミラー２、円弧状水銀ランプから成る光
源３、レンズ４、フイルタ５、45度ミラー６、レ
ンズ７が配置されている。なお、フイルタ５はウ
エハーに対して感光性を有する光を除去し、マス
ク・ウエハーのアライメント時に照明光路中に挿
入される。このマスク照明用光学系１はマスクを
円弧状に或いは半弧状に照明することによつて、
反射光学系の結像領域を円弧状或いは半径状に制
限している。８は上部水平面に配置されたマスク
であり、このマスク８は図示しない公知のマスク
保持具によつて保持されている。このマスク８の
下方には、マスク８の像をウエハー９上に形成す
る本発明に係る反射光学系１０が配置されてい
る。なお、非球面レンズＬの光軸Ｏを対称とする
物体側Ｓ１と像面Ｓ２側とは先の実施例と異なり
分離されており、それぞれミラー１１，１２によ
つて光束偏向して使用される。ウエハー９は公知
のウエハー保持具によつて保持されており、ウエ
ハー保持具は通常の保持具と同様にＸ、Ｙ、θ方
向に微調整可能となつている。 照明用光学系としてマスク８との間には、アラ
イメント時に顕微鏡光学系１３が挿入され、マス
ク８、ウエハー９が所定の位置関係であるか否か
が判断される。マスク８、ウエハー９が所定の位
置関係にない場合は、先に述べたウエハー保持具
のＸ、Ｙ、θ調整部材により、マスク８に対して
ウエハー９を調節移動させて所定の関係にする。 次に、この焼付装置の外観が示された第１７図
を説明する。第１７図において２０はランプハウ
スであり、この中に第１１図の照明光学系１が内
蔵されている。２１はアライメント用顕微鏡光学
系１３が配置されているユニツトであり、このユ
ニツト２１は前後に移動可能に支持されている。
２２はマスク支持具、２３はウエハー支持具であ
り、これらの支持具２２，２３は結合部材２４に
よつて一体的に移動するように連結されている。
ここで、支持具２２，２３は一体的に移動する
が、ウエハー９は支持具２３に対して微小移動が
可能である。２５は結合部材２４に固定されたア
ームであり、このアーム２５はガイド２６によつ
て支持されている。そして、ガイド２６に含まれ
る水平移動機構によつて、支持具２２，２３は一
体的に水平にかつ直線的に移動される。２７は反
射結像光学系を収納する筒、２８は基台、２９は
ターンテーブル、３０はオートフイーダである。
このオートフイーダ３０によつてウエハー９はタ
ーンテーブル２９を介してウエハー支持具２３上
に自動的に供給される。 次にこの装置の動作を説明すると、先ずマスク
８とウエハー９の相互位置関係のアライメントが
行われる。このアライメント時には、前述したフ
イルタが照明用光学系１中に挿入され、マスク８
上にレンズ４，７によつて半弧状光源像が非感光
性の光によつて形成される。この際に、顕微鏡光
学系１３もレンズ７とマスク８の間に挿入されて
いる。この顕微鏡光学系１３によつて、マスク
８、ウエハー９のアライメントマークを観察し、
両アライメントマークの調整をウエハー支持具２
３を操作することによつて行う。マスク８、ウエ
ハー９のアライメント終了後に、前述のフイルタ
及び顕微鏡光学系１３は光路から退避する。同時
に、光源３は消灯或いは不図示のシヤツタ手段に
よつて遮光され、次いで光源３の点灯或いはシヤ
ツタの開放によつて、感光性の半弧状光源像がマ
スク８上に形成される。これと同時に、アーム２
５がガイド２６を水平方向に移動開始する。この
水平移動によつてマスク８全体の像がウエハー９
上に焼付けられることになる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る反射光学系の実施例を示
し、第１図は本発明の第１の実施例の構成図、第
２図、第３図はその非点収差図、横収差図、第４
図は第２の実施例の構成図、第５図、第６図はそ
の非点収差図、横収差図、第７図は第３の実施例
の構成図、第８図、第９図はその非点収差図、横
収差図、第１０図は第４の実施例の構成図、第１
１図、第１２図はその非点収差図、横収差図、第
１３図、第１４図は第１図の構成において凸面鏡
に非球面を使用しない場合の非点収差図、横収差
図、第１５図は非球面量ΔHの説明図、第１６
図、第１７図は本発明に係る反射光学系を使用し
た焼付装置の構成図である。 符号Ｍ１は凹面鏡、Ｍ２は凸面鏡、Ｌ１，Ｌ
２，Ｌ３，Ｌ４は非球面レンズ、Ｌ５は色収差補
正用レンズ、ｈは補正領域、Ｏ２は凸面鏡の中
心、Δhは良像域、ｓはサジタル像面、ｍはメリ
デイオナル像面、１は照明用光学系、８はマス
ク、９はウエハー、１０は反射光学系、１３は顕
微鏡光学系である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 凹面鏡と凸面鏡をそれぞれの反射面同志が対
   向するように配置し、光軸外の被写体からの光を
   前記凹面鏡、凸面鏡、凹面鏡の順に反射すること
   により像面に結像させる反射光学系において、前
   記凹面鏡と前記被写体の間に第１の光学部材を設
   け、前記凹面鏡と前記像面の間に第２の光学部材
   を設け、前記被写体の各点から光軸に平行に射出
   する光線を前記第１の光学部材を介して前記凹面
   鏡で反射した後に前記凸面鏡の前記光軸との交点
   で反射させ、かつ前記凸面鏡の前記光軸との交点
   で反射した後に前記凹面鏡で反射して前記第２の
   光学部材を介して光軸と平行に前記像面に入射さ
   せるために、少なくとも前記第１の光学部材の前
   記光線の通過面を非球面とし、前記第１、第２の
   光学部材で生ずる横収差を補正するために、前記
   凸面鏡の反射面を参照球面からのずれ量が光軸か
   ら離れるに従い一旦増加しその後に減少するよう
   にすると共に、以下の条件を満たす非球面とした
   ことを特徴とする反射光学系。 １／10⁹＜Δx／Ｄ＜１／10⁴ ここで、Ｄは前記凸面鏡の有効径を、ΔXは有
   効径Ｄの凸面鏡の半径の７割の高さでの反射面の
   参照球面からのずれ量である。 ２ 前記第１の光学部材の非球面が下記の条件を
   満たすようにした特許請求の範囲第１項に記載の
   反射光学系。 １／10⁴≦｜（ΔRH2−ΔRH1）／Δh｜≦１／10 ここで、Δhは前記被写体が存する前記光軸か
   らの高さＨ１と高さＨ２とで囲まれる領域の幅、
   ΔRH２とΔRH１は参照球面に対して負の屈折力
   が増える方向を正として、高さＨ１と高さＨ２で
   の前記通過面の参照球面からのずれ量である。 ３ 前記参照球面の曲率半径をＲとするとき、下
   記の条件を満たすようにした特許請求の範囲第２
   項に記載の反射光学系。 ｜Ｒ｜＞1000の場合、 １／10³＜｜（ΔRH2−ΔRH1）／Δh｜＜１／10 ｜Ｒ｜＜200の場合、 １／10⁴＜｜（ΔRH2−ΔRH1）／Δh｜＜１／10³ ４ 前記第１の光学部材と共に前記被写体の各点
   から光軸に平行に射出する光線を前記第１の光学
   部材を介して前記凹面鏡で反射した後に前記凸面
   鏡の前記光軸との交点で反射させ、かつ前記凸面
   鏡の前記光軸との交点で反射した後に前記凹面鏡
   で反射して前記第２の光学部材を介して光軸と平
   行に前記像面に入射させるために、前記第２の光
   学部材をメニスカスレンズで構成した特許請求の
   範囲第２項又は第３項に記載の反射光学系。 ５ 前記第１の光学部材と共に前記被写体の各点
   から光軸に平行に射出する光線を前記第１の光学
   部材を介して前記凹面鏡で反射した後に前記凸面
   鏡の前記光軸との交点で反射させ、かつ前記凸面
   鏡の前記光軸との交点で反射した後に前記凹面鏡
   で反射して前記第２の光学部材を介して光軸と平
   行に前記像面に入射させるために、前記第２の光
   学部材に前記光線の通過面に前記条件を満たす非
   球面を設けた特許請求の範囲第２項又は第３項に
   記載の反射光学系。