JPH07218839A

JPH07218839A - 反射屈折光学系

Info

Publication number: JPH07218839A
Application number: JP6301736A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Omura; 泰弘大村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1994-12-06
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【目的】大きな開口数を実現しつつ、光路変換用のビ
ームスプリッタの形状を小さくし、良好な結像性能を達
成する。【構成】物体面１から射出された直線偏光の照明光Ｉ
Ｌ１は、第１レンズ群Ｇ ₁を経て直方体状の偏光ビーム
スプリッタ２に入射する。偏光ビームスプリッタ２の射
出入射面５から射出面６へ到る光路長は、入射面から射
出入射面６へ到る光路長よりも短く設定され、方向変換
面４、透過部３ａ又は透過部５ａに入射した光は、射出
入射面５、１／４波長板８を経て凹面鏡９に向かう。凹
面鏡９により反射された照明光ＩＬ２は、１／４波長板
８、方向変換面４、射出面６及び第２レンズ群Ｇ₂を経
て像面１０上に集光される。ここで、透過部３ａと透過
部５ａには、方向変換面４による位相ずれを補正する薄
膜７Ａ及び７Ｂが設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子、又
は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する
際に使用される投影露光装置用の、等倍又は縮小投影用
の投影光学系に適用して好適な反射屈折光学系に関し、
特に光学系の要素として反射系を用いることにより、紫
外線波長域でサブミクロン単位の解像度を有する反射屈
折光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造するためのフォトリ
ソグラフィ工程において、フォトマスク又はレチクル
（以下、まとめて「レチクル」という）のパターン像を
投影光学系を介して例えば１／５程度に縮小して、フォ
トレジスト等が塗布されたウエハ（又はガラスプレート
等）上に露光する投影露光装置が使用されている。半導
体素子等の集積度が向上するにつれて、投影露光装置に
使用されている投影光学系に要求される解像力は益々高
まっている。

【０００３】この要求を満足するためには、照明光の波
長を短波長化し且つ投影光学系の開口数（ＮＡ）を大き
くしなければならない。しかしながら、照明光の波長が
短くなると、光の吸収のため実用に耐える硝材の種類が
限られてくる。特に、波長が３００ｎｍ以下になると実
用上使える硝材は合成石英と蛍石だけとなる。両者のア
ッベ数は色収差を補正するのに十分な程離れていないの
で、波長が３００ｎｍ以下になった場合には、屈折系だ
けで投影光学系を構成したのでは色収差補正が極めて困
難となる。また、蛍石は温度変化による屈折率の変化特
性、所謂温度特性が悪く、更にレンズ研磨の加工上で多
くの問題を持っているため、蛍石を多くの部分に使用す
ることはできない。従って、要求される解像力を有する
投影光学系を屈折系のみで形成することは非常に難し
い。

【０００４】これに対して反射系は色収差が無いため、
反射系のみで投影光学系を構成することも試みられてい
るが、この場合、投影光学系が大型化し、且つ反射面の
非球面化が必要となる。即ち、反射系のみで投影光学系
を構成することも極めて困難である。そこで、反射系と
屈折系とを組み合わせた所謂反射屈折光学系で縮小投影
光学系を構成する技術が種々提案されている。斯かる反
射屈折光学系では、反射系に対する光束の入出力を行う
ために光路変換用のビームスプリッタが使用されてい
る。このようなビームスプリッタを有する反射屈折光学
系の例が、特開平２−６６５１０号公報、特開平４−２
３５５１６号公報、及び特開平５−７２４７８号公報等
で開示されている。これらの反射屈折光学系に含まれて
いるビームスプリッタの形状は立方体又は切頭角錐形
で、入射した光がビームスプリッタを１回目に通過する
ときの光路長と、その光が反射系により反射されて２回
目にビームスプリッタを通過するときの光路長とが同じ
か、又はほぼ同じであった。

【０００５】図２は従来の反射屈折光学系の要部を示
し、この図２において、入力軸ＡＸ１に沿って入射して
来た照明光ＩＬ１は、ほぼ立方体状のプリズム型ビーム
スプリッタ１１の入射面１２を経てビームスプリッタ面
である方向変換面１３に至り、方向変換面１３を透過し
た照明光ＩＬ１が、射出入射面１４を介して凹面鏡９に
入射する。そして、凹面鏡９により反射された照明光Ｉ
Ｌ２が、ビームスプリッタ１１の射出入射面１４を経て
方向変換面１３に戻り、方向変換面１３で反射された照
明光ＩＬ２が、射出面１５を経て出力軸ＡＸ２に沿って
射出される。

【０００６】この場合、ビームスプリッタ１１の方向変
換面１３は、ビームスプリッタ１１の対向する辺を含む
平面上に設定されているため、方向変換面１３の射出入
射面１４に対する正射影の面積はほぼ射出入射面１４の
面積と等しくなっている。これを言い替えると、入射し
た照明光ＩＬ１がビームスプリッタ１１を入射面１２か
ら射出入射面１４まで通過するときの光路長と、その光
を凹面鏡９により反射して得られた照明光ＩＬ２がビー
ムスプリッタ１１を射出入射面１４から射出面１５まで
通過するときの光路長とが、同じか又はほぼ同じとなっ
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の反射
屈折光学系において、大きな開口数を得ようとすると、
それにほぼ比例して反射系の口径を大きくする必要があ
る。この際に、反射系の口径に比例して、反射系の前方
に設置するビームスプリッタの形状をそのまま大きくす
るのは製造上困難であると共に、製造コストも高くなり
過ぎるという不都合がある。更に、ビームスプリッタの
形状を単に比例的に大きくすると、ビームスプリッタ内
を通過する光束の減衰率も比例して大きくなり、必要な
露光量が得られなくなるという不都合も生ずる。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、大きな開口数を
実現しつつ、光路変換用のビームスプリッタの形状の小
型化を図り、かつ良好な結像性能を有する反射屈折光学
系を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の反射
屈折光学系は、例えば図１に示すように、物体（１）か
らの光をビームスプリッタ（２）へ導く入力レンズ群
（Ｇ₁）と、ビームスプリッタ（２）からの光を所定の
像面へ導く出力レンズ群（Ｇ₂）と、ビームスプリッタ
（２）を介した入力レンズ群（Ｇ₁）からの光をビーム
スプリッタ（２）へ再入射させて出力レンズ群（Ｇ₂）
へ導く凹面鏡（９）とを備えるように構成される。そし
て、凹面鏡（９）は、縮小倍率を有し、かつビームスプ
リッタ（２）を挟んで入力レンズ群（Ｇ₁）と対向する
位置に設けられ、ビームスプリッタ（２）は、入力レン
ズ群（Ｇ₁）側に位置する入射面（３）と、凹面鏡
（９）側に位置する射出入射面（５）と、出力レンズ群
（Ｇ₂）側に位置する射出面（６）と、射出入射面
（５）からの光を射出面（６）へ向けて反射させる方向
変換面（４）とを有し、かつ射出入射面（５）から射出
面（６）へ到る光路長よりも入射面（３）から射出入射
面（５）へ到る光路長の方が短くなるように構成され
る。更に、方向変換面（４）の入射面（３）と射出入射
面（５）との少なくとも一方の面への正射影の領域とは
異なる透過領域（３ａ，５ａ）には、方向変換面（４）
による位相ずれを補正する補正膜（７Ａ，７Ｂ）が設け
られるように構成されるものである。

【００１０】ここで、本発明においては、上述の構成に
基づいて、ビームスプリッタ（２）が以下の条件を満足
するように構成されることが望ましい。（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁＞０．０５ …（１）但し、Ｌ₁は射出入射面（５）から射出面（６）へ到る
光路長、Ｌ₂は入射面（３）から射出入射面（５）へ到
る光路長、である。

【００１１】また、本発明においては、射出入射面
（５）から射出面（６）へ到る光路長をＬ₁とし、入射
面（３）から射出入射面（５）へ到る光路長をＬ₂と
し、凹面鏡（９）の焦点距離をｆｍとし、反射屈折光学
系の像面（１０）側の開口数をＮＡとするとき、次の条
件を満足する構成を採用することが望ましい。｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＞０．０１５ …（２）

【００１２】

【作用】斯かる本発明の反射屈折光学系によれば、図１
に示すように、第１面（１）からの光が、入力レンズ群
（Ｇ₁）を介してビームスプリッタ（２）に入射し、ビ
ームスプリッタ（２）を透過した光が凹面鏡（９）によ
り反射され、再びビームスプリッタ（２）に戻る。そし
て、この光はビームスプリッタ（２）の方向変換面
（４）にて反射され、ビームスプリッタ（２）から射出
する。このビームスプリッタ（２）からの光が出力レン
ズ群（Ｇ₂）を経て第２面（１０）上に入射する。これ
により第１面（１）のパターンの像が第２面（１０）上
に結像投影される。

【００１３】本発明においては、凹面鏡（９）が縮小倍
率を有するため、凹面鏡（９）に入射する光束が集束さ
れた状態で反射される。従って、ビームスプリッタ
（２）から凹面鏡（９）に向かう光束（ＩＬ１）の有効
径の方が、凹面鏡（９）からビームスプリッタ（２）に
戻される光束（ＩＬ２）の有効径よりも太くなる状態と
なる。そこで、本発明のビームスプリッタ（２）では、
凹面鏡（９）から反射されてくる光束（ＩＬ２）の方向
を方向変換面（４）にて反射させる構成とし、かつ射出
入射面（５）から射出面（６）へ到る光路長よりも入射
面（３）から射出入射面（５）へ到る光路長の方を短く
構成する。このような構成においても、方向変換面の方
向変換作用は同じである。また、図１のビームスプリッ
タ（２）は、図２に示すように、従来のビームスプリッ
タ（１１）の一部を切り取ったものとみなすことがで
き、本発明によれば、ビームスプリッタ（２）の体積が
小さくて済む。

【００１４】言い替えると、本発明によりビームスプリ
ッタ（２）が必要最小限の大きさになり、光学設計上の
自由度が増している。また、ビームスプリッタ（２）が
少なくとも一方向に従来例よりも薄くできるため、ビー
ムスプリッタ（２）内での光束（ＩＬ１又はＩＬ２）の
透過率が向上して、容易に必要な露光量が得られるよう
になる。

【００１５】更に、図２に示すように、ビームスプリッ
タ（２）近傍の光学系（例えば凹面鏡（９））を、従来
のビームスプリッタ（１１）を使用する場合に比べて、
方向変換面（４）に近づかせる配置とすることができ、
その光学系の有効径を従来よりも小さくすることができ
る。また、製造の容易さ等を考慮すると、ビームスプリ
ッタ（２）の形状は直方体が望ましい。

【００１６】図１に戻って、本発明においては、入力レ
ンズ群（Ｇ₁）からビームスプリッタ（２）を透過して
凹面鏡（９）へ向かう光束（ＩＬ１）のうち、方向変換
面（４）を透過しない光束が存在する。ここで、方向変
換面（４）には、薄膜が設けられているため、方向変換
面（４）を透過する光束と、方向変換面（４）を透過し
ない光束とで位相ずれが発生する。そこで、本発明にお
いては、方向変換面（４）による位相ずれを補正する補
正膜（７Ａ，７Ｂ）を、方向変換面（４）の入射面
（３）への正射影の領域とは異なる入射面の透過領域
（３ａ）と、方向変換面（４）の射出入射面（５）への
正射影の領域とは異なる射出入射面（５）の透過領域
（５ａ）とに設けている。この構成により、ビームスプ
リッタ（２）から射出されて出力レンズ群（Ｇ₂）へ向
かう光束（ＩＬ２）には、方向変換面（４）の膜厚によ
る位相ずれが補正され、第２面（１０）上に達する光束
には位相ずれが発生せず、良好な結像状態のもので第１
面（１）のパターンを第２面（１０）上に投影すること
が可能となる。

【００１７】ここで、上述の如き補正膜（７Ａ，７Ｂ）
は、入射面（３）の透過領域（３ａ）及び射出入射面
（５）の透過領域（５ａ）内において部分的に厚さの異
なる薄膜で構成されることが望ましい。また、上述の如
き補正膜（７Ａ，７Ｂ）は、入射面（３）の透過領域
（３ａ）及び射出入射面（５）の透過領域（５ａ）内に
おいて部分的に屈折率の異なる薄膜で構成されることが
望ましい。そして、上述の如き補正膜（７Ａ，７Ｂ）
は、方向変換面（４）を透過する光束（ＩＬ１）に対す
る方向変換面（４）の透過率と、同じ透過率を有するよ
うに構成されることが望ましい。

【００１８】次に本発明の条件式について詳述する。条
件式（１）は、ビームスプリッタ（２）の好適な構成に
ついて規定したものであり、ビームスプリッタ（２）が
条件式（２）を満足しない場合には、ビームスプリッタ
（２）自体の大型化を招き、光学設計上の自由度が低減
し、さらにはビームスプリッタ（２）を通過する光束
（ＩＬ１又はＩＬ２）の透過率が低下し、露光量が減少
するばかりかビームスプリッタ（２）自体の熱吸収を招
くため好ましくない。

【００１９】条件式（２）は、反射屈折光学系全体にお
ける光透過率の向上、光学系の小型化、ビームスプリッ
タ自体の製造の容易化及び製造コストの削減を図るため
の条件である。ここで、上記条件式（２）の下限を下回
る場合には、凹面鏡（９）の屈折力が低くなる場合、｜
Ｌ₁−Ｌ₂｜が小さくなり過ぎる場合、又は像側の開口
数ＮＡが小さくなり過ぎる場合の３通りがある。

【００２０】まず、凹面鏡（９）の屈折力が低くなる場
合においては、反射屈折光学系全体の正屈折力を入力レ
ンズ群若しくは出力レンズ群、又はその双方にて補う必
要があり、発生する収差の増大を招くため好ましくな
い。次に、｜Ｌ₁−Ｌ₂｜が小さくなり過ぎる場合にお
いては、大きな開口数を達成するためには、ビームスプ
リッタ自体の体積を増す必要がある。これにより、ビー
ムスプリッタ自体の製造コストの上昇を招き、かつビー
ムスプリッタの製造が困難になる問題が生じる。また、
ビームスプリッタ内を通過する光束の光路長（Ｌ₁＋Ｌ
₂）も増すため、光束の透過率が悪くなり、ビームスプ
リッタ内の熱吸収による影響も甚大となる問題も発生
し、更にこの場合には、レンズの配置の制約等の光学設
計上の自由度も低下する問題も生ずる。

【００２１】そして、開口数ＮＡが小さくなり過ぎる場
合においては、本発明の目的を達成できず、本発明の反
射屈折光学系の解像度が低下するため好ましくない。な
お、更に光透過率の向上、光学系の小型化、ビームスプ
リッタの製造の容易化及び製造コスト削減を図るために
は、上記条件の下限を０．０１５よりも大きな０．０３
とすること、即ち、｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＞
０．０３とすることが望ましい。

【００２２】なお、上記条件式（２）の上限は、１．５
であること、即ち、｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＜
１．５とすることが望ましい。ここで、上記条件式
（２）の左辺が大きくできるとき、｜Ｌ₁−Ｌ₂｜及び
開口数ＮＡが大きくなるのは良い傾向ではあるが、凹面
鏡（９）の屈折力が高くなり過ぎるのは望ましくない。
ここで、その屈折力が大きくなって、条件式（２）の値
がその上限値を越える場合には、凹面鏡（９）にて発生
する収差が甚大となり、入力レンズ群若しくは出力レン
ズ群、又はその双方における収差補正の負担が増すため
好ましくない。

【００２３】なお、本発明において、ビームスプリッタ
（２）と凹面鏡（９）との間に付加光学系（Ｇ₃)を配置
した場合には、収差特性等を低減できる利点がある。

【００２４】

【実施例】以下、本発明による反射屈折光学系の種々の
実施例につき図面を参照して説明する。本実施例は、レ
チクルのパターンの像をフォトレジストが塗布されたウ
エハ上に所定倍率で投影する投影露光装置の、反射屈折
光学系よりなる投影光学系に本発明を適用したものであ
る。

【００２５】図１は本実施例の反射屈折光学系の基本構
成を示し、図１において、不図示の照明光学系からの直
線偏光の照明光が入力軸ＡＸ１に沿って物体面１を照明
する。物体面１には例えばレチクルのパターン形成面が
配置され、入力軸ＡＸ１に直交するように出力軸ＡＸ２
が設定されている。物体面１から射出された照明光ＩＬ
１は、入力レンズ群としての第１レンズ群Ｇ₁を経て平
坦な入射面３から直方体状の偏光ビームスプリッタ２に
入射する。偏光ビームスプリッタ２の入射面３は入力軸
ＡＸ１に対して垂直であり、偏光ビームスプリッタ面か
らなる方向変換面４は、入力軸ＡＸ１及び出力軸ＡＸ２
に対して４５°で交差している。本実施例では、偏光ビ
ームスプリッタ２において入射面３に対向する射出入射
面５に対する方向変換面４の正射影の面積は射出入射面
５の面積より小さく設定されている。即ち、偏光ビーム
スプリッタ２の入射面３及び射出入射面５には、それぞ
れ単に光束を通過させるだけの透過部３ａ及び５ａが形
成されている。これら透過部３ａ及び５ａには、それぞ
れ方向変換面４を透過したときに照明光ＩＬ１に与えら
れる位相変化と同じ位相変化を与える薄膜７Ｂ及び７Ａ
が被着されている。この薄膜７Ａ及び７Ｂに関しては後
述する。

【００２６】また、入射面３に入射した照明光ＩＬ１の
偏光状態は、方向変換面４に対する入射面に平行な方向
に偏光した状態、即ちＰ偏光の状態である。従って、入
射面３に入射した照明光ＩＬ１の内で、方向変換面４に
入射した光のほぼ全部が方向変換面４を透過した後、射
出入射面５から外部に射出され、透過部３ａ又は５ａに
入射した光も射出入射面５から外部に射出される。射出
入射面５には１／４波長板８が全面に被着され、射出入
射面５を透過した照明光ＩＬ１は、１／４波長板８を経
て凹面鏡９に向かう。

【００２７】そして、凹面鏡９により反射された照明光
ＩＬ２は、１／４波長板８を経て方向変換面４に対して
Ｓ偏光の状態で射出入射面５に入射する。照明光ＩＬ２
は凹面鏡９により反射収斂されて照明光ＩＬ２となるた
め、照明光ＩＬ２は全部が方向変換面４により反射され
た後、偏光ビームスプリッタ２の出力軸ＡＸ２に垂直な
射出面６を経て外部に射出される。射出面６から外部に
射出された照明光ＩＬ２は、第２レンズ群Ｇ₂により像
面１０上に集光され、像面１０上に物体面１の像が結像
投影される。像面１０には、例えばフォトレジストが塗
布されたウエハの露光面が配置される。この場合、偏光
ビームスプリッタ２及び１／４波長板８を用いることに
より、物体面１からの照明光が光量損失無く像面１０に
導かれている。

【００２８】また、図２は、図１の実施例に対応する従
来の光学系の要部を示し、この図２では、ビームスプリ
ッタとして立方体状のビームスプリッタ１１が使用され
ている。図１の偏光ビームスプリッタ２は、図２のビー
ムスプリッタ１１から入力軸ＡＸ１に沿って両端部１１
ａ及び１１ｂを切り取った形状であるため、本実施例に
よれば、ビームスプリッタ部分が小型化されている。但
し、本例の偏光ビームスプリッタ２の方向変換面４は、
ビームスプリッタ１１のビームスプリッタ面１３を更に
偏光ビームスプリッタ面としたものである。このように
小型の偏光ビームスプリッタ２を使用しているために、
本実施例では、図１に示すように入射する照明光ＩＬ１
の中に方向変換面４を通過しない光束がある。そこで、
このような光束に対しては薄膜７Ａ及び７Ｂを介して位
相や強度を方向変換面４を透過する光束に合わせてい
る。

【００２９】なお、図１に示すように、偏光ビームスプ
リッタ２と凹面鏡９との間に、付加的に第３レンズ群Ｇ
₃を配してもよい。これにより収差等の結像特性を更に
改善できる。また、図１の偏光ビームスプリッタ２の代
わりに、図３に示すような立方体状のビームスプリッタ
１１の入力軸ＡＸ１に沿った物体面側の端部１１ｃのみ
を切り取った形状の偏光ビームスプリッタ２Ａを使用し
てもよい。この場合、偏光ビームスプリッタ２Ａの入射
面３Ａ側にのみ、方向変換面４Ａの正射影が重ならない
透過部３４Ａａが形成される。図３において、入射面３
Ａに入射したＰ偏光の照明光ＩＬ１は、透過部３Ａａ又
は方向変換面４Ａを経た後、射出入射面５Ａ及び１／４
波長板８を経て凹面鏡９に向かう。そして、凹面鏡９に
より反射された照明光ＩＬ２は、１／４波長板８、及び
射出入射面５Ａを介して方向変換面４Ａにて反射された
後、出力軸ＡＸ２に沿って射出面６Ａから外部に射出さ
れる。

【００３０】この図３のような偏光ビームスプリッタ２
Ａを使用すると、凹面鏡９と偏光ビームスプリッタ２Ａ
との間隔又は図１の第３レンズ群Ｇ₃と偏光ビームスプ
リッタ２Ａとの間隔を小さくできるため、光学系全体と
しての大きさを小型化できる場合がある。次に、図４乃
至図６を参照して方向変換面にて生ずる位相ずれを補償
する薄膜について説明する。なお、図４及び図５では、
入力軸ＡＸ１に沿って配置される光学部材のみを図示し
てある。

【００３１】まず、図４において、物体面１の入力軸Ａ
Ｘ１上の一点Ｐから発して第１レンズ群Ｇ₁を通過し、
２つのプリズム部材２ａ，２ｂに到る光束ＩＬ１ｐと、
物体面１上の入力軸ＡＸ１とは異なる一点Ｑから発して
第１レンズ群Ｇ₁を通過し、２つのプリズム部材２ａ，
２ｂに到る光束ＩＬ１ｑとを考える。ここで、図１の偏
光ビームスプリッタ２は、図４の２つのプリズム部材２
ａ，２ｂの接合面に偏光分離膜からなる方向変換面４を
設けたものである。従って、図４には、２つのプリズム
部材２ａ，２ｂの入射面３、射出入射面５及び射出面６
を併せて示す。

【００３２】図４に示す構成においては、図１の構成と
は異なり位相変化を生じさせる方向変換面が設けられて
いない状態である。従って、本実施例では図４の構成に
おける射出入射面５から射出される光束ＩＬ１ｐ，ＩＬ
１ｑの波面をそれぞれ基準波面Ｒｗｐ，Ｒｗｑとする。
この基準波面Ｒｗｐ，Ｒｗｑは、まず、物体面１上の点
Ｐ，Ｑから発散する球面波を与え、この球面波が第１レ
ンズ群Ｇ₁及び２つのプリズム部材２ａ，２ｂを通過し
た後の波面を算出する手法で求められる。

【００３３】次に、図５に示すように、図４の構成に加
えて例えば誘電体多層膜からなる方向変換面４を２つの
プリズム部材２ａ，２ｂの接合面に設けた構成のもと
で、光束ＩＬ１ｐ，ＩＬ１ｑの波面を算出する。このと
き、図４の算出手法と同様に、まず、物体面１上の点
Ｐ，Ｑから発散する球面波を与え、この球面波が第１レ
ンズ群Ｇ₁及び接合面に方向変換面４を有する２つのプ
リズム部材２ａ，２ｂを通過した後の波面を算出する。
ここで、図５に示すように、算出された波面Ｃｗｐ，Ｃ
ｗｑは、方向変換面４の影響により部分的な位相変化を
生じる。

【００３４】なお、図４及び図５では、物体面１上の２
点Ｐ，Ｑのみによる波面を考慮したが、実際には、反射
屈折光学系の有する視野内における格子状に整列した複
数の点について波面の計算を行う。また、図４及び図５
の例で与えられる物体面１上の点Ｐ，Ｑから発散する球
面波は、反射屈折光学系の有する物体面１側の開口数と
対応させる。

【００３５】次に、図６に示す如く、点Ｐに関する基準
波面Ｒｗｐと算出された波面Ｃｗｐとの位相ずれΔλｐ
と、点Ｑに関する基準波面Ｒｗｑと算出された波面Ｃｗ
ｑとの位相ずれΔλｑとを算出する。なお、図６に示す
位相ずれΔλｐとΔλｑとは、入力軸ＡＸ１を含む１つ
の断面に沿った方向Ｘのみにおける位相ずれしか示して
いないが、実際にはこれらの位相ずれΔλｐ，Δλｑ
は、光束ＩＬ１ｐ，ＩＬ１ｑの光束断面内において２次
元的に算出される。

【００３６】そして、図６に一点鎖線で示す如く、これ
らの位相ずれΔλｐ，Δλｑを共に打ち消す位相Δλｎ
を算出する。なお、この位相Δλｎは、例えば位相ずれ
Δλｐ，Δλｑの逆位相を求め、これらの逆位相の平均
を取れば良い。その後、位相Δλｎを与える薄膜７Ａ及
び７Ｂの厚さ分布を算出する。このとき、位相Δλｎは
射出面５における位相であるため、薄膜７Ｂに関して
は、この位相Δλｎを入射面３の透過部３ａにおける位
相に変換した後に、この位相を与える薄膜７Ｂの厚さの
分布を算出する。また、薄膜７Ａに関しては、上記位相
Δλｎを与える厚さの分布を算出する。ここで、薄膜７
Ａ及び７Ｂは、位相Δλｎに対応する位相差を与える薄
膜であれば良いため、部分的に厚さ分布を有する薄膜の
代わりに、部分的に屈折率分布を有する薄膜としても良
い。なお、所定の位相差を与える薄膜の設計に関しては
既知のコンピュータにより達成することができる。

【００３７】なお、薄膜７Ａ及び７Ｂは、光束ＩＬ１が
方向変換面４を通過する際の透過率と等しい透過率を有
するように設計される。このように、本実施例では、偏
光ビームスプリッタ２の透過部３ａ及び３ｂに、光束が
方向変換面４を透過する際に生じる位相ずれを補正する
薄膜７Ａ及び７Ｂを設けているため、物体面１から第１
レンズ群Ｇ₁及び偏光ビームスプリッタ２を通過して凹
面鏡９へ向かう光束には、位相ずれは発生しない。更
に、本実施例では凹面鏡９が縮小倍率を有しているた
め、凹面鏡９にて反射されて再び偏光ビームスプリッタ
２へ入射する光束はすべて方向変換面４の領域に達す
る。従って、本実施例では、第２レンズ群Ｇ₂を介して
像面１０上に達する光束に関する光量損失を低減できる
利点がある。

【００３８】次に、本発明の種々の数値実施例につき説
明する。［第１実施例］この第１実施例は、照明光として波長２
４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を使用した例であ
る。図７は、この第１実施例の光路図を示し、この図７
において、物体面１から入力軸ＡＸ１に沿って順に第１
レンズ群Ｇ1 、図３に示したタイプの偏光ビームスプリ
ッタ２Ａ、１／４波長板（不図示）及び凹面鏡９が配置
され、入力軸ＡＸ１に直交する出力軸ＡＸ２に沿って偏
光ビームスプリッタ２Ａと像面１０との間に第２レンズ
群Ｇ₂が配置されている。また、口径食を防止するため
に、凹面鏡９の付近に絞り１１が配置されている。

【００３９】全てのレンズ及びビームスプリッタは、波
長２４８ｎｍの光に対して、屈折率ｎが１．５０８５５
を示す同一の石英ガラスから製造されている。入射側の
光線がテレセントリック光路をとるとき、６０ｍｍの最
大物体高を有し、４：１の縮小比によって像高は１５ｍ
ｍとなる。また、像側の光線も同様にテレセントリック
光路であり、開口数は０．５２である。偏光ビームスプ
リッタ２Ａの形状は直方体で１５４×１５４×１３０
（ｍｍ3)の大きさを有する。これは従来の立方のビーム
スプリッタと比べて２割程度小さくなっている。

【００４０】次に、各レンズ群のレンズ構成につき説明
すると、図７に示すように、第１レンズ群Ｇは物体面
１側から順に、両凸レンズ（以下、単に「凸レンズ」と
いう）Ｌ₁₁、凸レンズＬ₁₂、物体面１に凸面を向けた負
メニスカスレンズＬ₁₃、物体面１に凹面を向けた負メニ
スカスレンズＬ₁₄、凸レンズＬ₁₅及び物体面１に凹面を
向けた負メニスカスレンズＬ₁₆より構成されている。ま
た、第２レンズ群Ｇ₂は、偏光ビームスプリッタ２Ａか
ら順に、物体面１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ
₂₁、物体面１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₂₂、
物体面１に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₂₃及び凸
レンズＬ₂₄より構成されている。

【００４１】次に、図７において、物体面１（レチクル
面）を第０面として、物体面１から射出された光が像面
１０（ウエハ面）に達するまでに通過する面を順次第ｉ
面（ｉ＝１，２，‥‥）としたときの、第ｉ面の曲率半
径ｒ_i、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との面間隔ｄ_i、第ｉ
面と第（ｉ＋１）面との間の硝材（但し、空気は空欄と
する）、及びその硝材よりなるレンズの有効半径Ｒ_iを
表１に示す。なお、曲率半径ｒ_iの符号は、物体面１に
対して凸の場合を正に取り、面間隔ｄ_iの符号は、物体
面１から遠避かる方向を正に取り、石英ガラスの波長２
４８ｎｍの光に対する屈折率は１．５０８５５である。

【００４２】

【表１】第１実施例の諸元面番号ｉ曲率半径ｒ_i 面間隔ｄ_i 硝材有効半径Ｒ_i （ｍｍ）（ｍｍ）（ｍｍ）０物体面７９．５５５１５４４．１０４２９．９９３石英ガラス７３．６２ −６９０．３４８２２０．０２２７４．５３１６３．６９８２８．３６３石英ガラス７９．２４ −１４５４．０２９０．１００７６．２５４７９．７５２１１．５５０石英ガラス７３．６６１３５．０８５７０．２３０６６．５７ −１６２．９５９９．１３６石英ガラス６４．５８ −１１００．６２９６７．９９１６８．３９９１４．１７５３０．０００石英ガラス７７．８１０ −１６８．８６３３．８５３７８．７１１ −１５１．７６７２０．６９１石英ガラス７５．１１２ −２５５．５３８２．０００７６．８１３ ∞ １３０．０００石英ガラス１４ ∞ １２．０００１５ −３１５．２６７ −１２．０００ミラー６９．２１６ ∞ −７７．０００石英ガラス１７方向変換面７７．０００石英ガラス１８ ∞ ７．２４０１９ −２１０．９０７８．０００石英ガラス３７．９２０ −２７７．７３３０．１５０３６．９２１１１８．６４８１２．８２４石英ガラス３４．９２２８６２．３４５０．６５２３３．２２３７４．３１４２３．１５１石英ガラス３０．５２４５５．３１０３．９５０２１．６２５７６．３３３１１．１８７石英ガラス２０．６２６ −３３２０．５０１５．０００

【００４３】次に、第１実施例の条件対応値を示す。〔第１実施例の条件対応値〕（１）（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁＝０．１６（２）｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＝０．０５２
５

【００４４】［第２実施例］この第２実施例は、照明光
として波長１９３．３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を
使用した例である。図８は、この第２実施例の光路図を
示し、この図８において、物体面１から入力軸ＡＸ１に
沿って順に第１レンズ群Ｇ₁、図３に示したタイプの偏
光ビームスプリッタ２Ａ、１／４波長板（不図示）及び
凹面鏡９が配置され、入力軸ＡＸ１に直交する出力軸Ａ
Ｘ２に沿って偏光ビームスプリッタ２Ａと像面１０との
間に第２レンズ群Ｇ₂が配置されている。また、口径食
を防止するために、凹面鏡９の付近に絞り１１が配置さ
れている。

【００４５】全てのレンズ及びビームスプリッタは、波
長１９３．３ｎｍの光に対して、屈折率ｎが１．５６０
１９を示す同一の石英ガラスから形成されている。入射
側の光線がテレセントリック光路をとるとき、６０ｍｍ
の最大物体高を有し、４：１の縮小比によって像高は１
５ｍｍとなる。また、像側の光線も同様にテレセントリ
ック光路であり、開口数は０．６である。偏光ビームス
プリッタ２Ａの形状は直方体で１８０×１８０×１５０
（ｍｍ³)の大きさを有する。これは従来の立体のビーム
スプリッタと比べて２割程度小さくなっている。

【００４６】次に、各レンズ群のレンズ構成につき説明
すると、図８に示すように、第１レンズ群Ｇ₁は物体面
１側から順に、凸レンズＬ₁₁、物体面１に凸面を向けた
負メニスカスレンズＬ₁₂、物体面１に凸面を向けた正メ
ニスカスレンズＬ₁₃、物体面１に凹面を向けた負メニス
カスレンズＬ₁₄、物体面１に凸面を向けた正メニスカス
レンズＬ₁₅及び凸レンズＬ₁₆より構成されている。ま
た、第２レンズ群Ｇ2 は、偏光ビームスプリッタ２Ａか
ら順に、物体面１に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ
₂₁、物体面１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₂₂、
物体面１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₂₃、物体
面１の凸面を向けた負メニスカスレンズＬ ₂₄及び物体面
１に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ₂₅より構成され
ている。

【００４７】次に、図８の第２実施例における第ｉ面の
曲率半径ｒ_i、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との面間隔
ｄ_i、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の硝材（但し、空
気は空欄とする）、及びその硝材よりなるレンズの有効
半径Ｒ_iを表２に示す。なお、石英ガラスの波長１９
３．３ｎｍの光に対する屈折率は１．５６０１９であ
る。

【００４８】

【表２】第２実施例の諸元面番号ｉ曲率半径ｒ_i 面間隔ｄ_i 硝材有効半径Ｒ_i （ｍｍ）（ｍｍ）（ｍｍ）０物体面３０．０００１５３６．０１３１６．５４４石英ガラス６５．３２ −８４７．６９０１６７．２８２６５．８３５６８．９２８１５．０００石英ガラス７２．７４２３１．８９１０．１００７２．２５１６８．３４９１６．２９２石英ガラス７３．１６２５６．７８５１７８．４３６７２．３７ −１２０．３８５１５．０００石英ガラス７８．５８ −１３５．８８４１８．００８８３．４９３７６．９１５１５．０００石英ガラス８８．２１０６６３．１０７６３．２１６８７．８１１９３８．０５９１５．０００石英ガラス８９．２１２ −６９７３．１２１０．１００８９．０１３ ∞ １５０．０００石英ガラス１４ ∞ １１．８８２１５ −３２５．７３６ −１１．８８２ミラー８５．３１６ ∞ −９０．０００石英ガラス１７方向変換面９０．０００石英ガラス１８ ∞ ２．７０６１９ −３４３．７７７９．５００石英ガラス４３．０２０ −６２８．７５８０．１００４１．２２１８５．４１１９．５００石英ガラス３８．０２２１４３．５６８０．３２９３６．０２３８４．１７２９．５００石英ガラス３４．６２４１７２．９７５０．１００３２．３２５１０６．２７１９．５００石英ガラス３１．２２６５４．６９４６．７２０２５．６２７７６．６７７１５．４８５石英ガラス２３．７２８１５５８．６１７５．０００１８．７

【００４９】次に、第２実施例の条件対応値を示す。〔第２実施例の条件対応値〕（１）（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁＝０．１８（２）｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＝０．０７０
８

【００５０】［第３実施例］この第３実施例は、照明光
として波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光を使用
した例である。図９は、この第１実施例の光路図を示
し、この図９において、物体面１から入力軸ＡＸ１に沿
って順に第１レンズ群Ｇ₁、図３に示したタイプの偏光
ビームスプリッタ２Ａ、１／４波長板（不図示）、付加
的な第３レンズ群Ｇ₃及び凹面鏡９が配置され、入力軸
ＡＸ１に直交する出力軸ＡＸ２に沿って偏光ビームスプ
リッタ２Ａと像面１０との間に第２レンズ群Ｇ₂が配置
されている。また、口径食を防止するために、凹面鏡９
の付近に絞り１１が配置されている。

【００５１】全てのレンズ及びビームスプリッタは、波
長２４８ｎｍの光に対して、屈折率ｎが１．５０８５５
を示す同一の石英ガラスから形成されている。入射側の
光線がテレセントリック光路をとるとき、７０．７ｍｍ
の最大物体高を有し、５：１の縮小比によって像高は１
４．１４ｍｍとなる。また、像側の光線も同様にテレセ
ントリック光路であり、開口数は０．６である。偏光ビ
ームスプリッタ２Ａの形状は直方体で１７０×１７０×
１４０（ｍｍ³)の大きさを有する。これは従の立方体の
ビームスプリッタと比べて２割程度小さくなっている。

【００５２】次に、各レンズ群のレンズ構成につき説明
すると、図９に示すように、第１レンズ群Ｇ₁は物体面
１側から順に、凸レンズＬ₁₁、物体面１に凸面を向けた
正メニスカスレンズＬ₁₂、両凹レンズ（以下、端に「凹
レンズ」という）Ｌ₁₃、物体面１に凸面を向けた負メニ
スカスレンズＬ₁₄、凸レンズＬ₁₅、物体面１に凸面を向
けた負メニスカスレンズＬ₁₆、凸レンズＬ₁₇及び物体面
１に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ₁₈より構成され
ている。また、第２レンズ群Ｇ₂は、偏光ビームスプリ
ッタ２Ａから順に、物体面１に凸面を向けた正メニスカ
スレンズＬ₂₁、物体面１に凸面を向けた負メニスカスレ
ンズＬ₂₂、凸レンズＬ₂₃及び物体面１に凹面を向けた負
メニスカスレンズＬ₂₄より構成され、付加的な第３レン
ズ群Ｇ₃は、１枚の物体面１側が平面となった平凸レン
ズＬ₃₀から構成されている。偏光ビームスプリッタ２Ａ
の射出入射面と平凸レンズＬ₃₀の平面とは密着してい
る。

【００５３】次に、図９の第３実施例における、第ｉ面
の曲率半径ｒ_i、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との面間隔ｄ
_i、第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の硝材（但し、空気
は空欄とする）、及びその硝材よりなるレンズの有効半
径Ｒ_iを表３に示す。なお、石英ガラスの波長２４８ｎ
ｍの光に対する屈折率は１．５０８５５である。

【００５４】

【表３】第３実施例の諸元面番号ｉ曲率半径ｒ_i 面間隔ｄ_i 硝材有効半径Ｒ_i （ｍｍ）（ｍｍ）（ｍｍ）０物体面１０９．９３８１９０５．９０２２１．４６８石英ガラス８４．８２ −４８１．６９０６．１９９８４．３３２７９．０１５４０．０００石英ガラス８０．２４４４０．３５４１０８．１７３７２．１５ −４７４．２１９２４．３２５石英ガラス７２．０６２０７．０１１２６．５１５７９．０７１４７．３２０１５．８１９石英ガラス７７．５８１３９．４０８２６．０９３８１．６９２０６．３１４３５．３４４石英ガラス８１．５１０ −４４８．５７５９．５４５７９．０１１６６３．４２２１０．０００石英ガラス７６．４１２１７８．８９７９７．００８８１．４１３１３３１．３０６１４．８１０石英ガラス８１．６１４ −１４３８．５６８０．１００８１．６１５１５８．９６４１６．７６７石英ガラス７８．２１６１４０．８９６１１７．２９３８１．４１７ ∞ １４０．０００石英ガラス１８ ∞ ２０．０００石英ガラス８５．５１９ −７２７．５３８７．５００２０ −３５４．６３６ −７．５００ミラー８５．８２１ −７２７．５３８ −２０．０００石英ガラス８５．２２２ ∞ −８５．０００石英ガラス２３方向変換面８５．０００石英ガラス２４ ∞ １．０２８２５６１．９８２９．５８４石英ガラス３２．９２６１０４．２４１０．２３１３０．６２７５８．９２５４．９０２石英ガラス２８．８２８４７．４２４５．６３８２５．９２９１０１．８４３７．５１１石英ガラス２５．３３０ −７５５．２６６０．９６３２３．６３１ −３９８．１５２１９．６１３石英ガラス２３．１３２ −４７７．４６３０．５００１４．７

【００５５】次に、第３実施例の条件対応値を示す。〔第３実施例の条件対応値〕（１）（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁＝０．１７（２）｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＝０．０６７
３なお、上述実施例では、照明光の方向変換用の部材とし
て偏光ビームスプリッタ２又は２Ａが使用されている
が、光量が減少しても差し支えない場合等には、通常の
ビームスプリッタを使用してもよい。また、例えば図１
において、入力軸ＡＸ１と出力軸ＡＸ２とは必ずしも直
交している必要はなく、偏光ビームスプリッタ２の方向
変換面４も入力軸ＡＸ１及び出力軸ＡＸ２に対して必ず
しも４５°で交差している必要はない。

【００５６】このように、本発明は上述実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得る。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、ビームスプリッタの方
向変換面を透過した光を凹面鏡へ導きかつ凹面鏡からの
光を方向変換面にて反射させる構成をとり、ビームスプ
リッタの射出入射面から射出面へ到る光路長よりもビー
ムスプリッタの入射面から射出入射面へ到る光路長の方
が短くなるように構成しているため、開口数を大きくし
た場合でもビームスプリッタを小型化できる利点があ
る。また、ビームスプリッタの小型化により、他の光学
部材をビームスプリッタの方向変換面に近づけるように
配置することができ、その光学部材の扱う光束径が小さ
くなるため、光学系が全体としてより小型化される。

【００５８】更に、本発明では、ビームスプリッタの透
過部に方向変換面による位相ずれを補正する補正膜を設
けているため、ビームスプリッタ自体の小型化を図る際
にも良好な結像性能を達成することが可能である。本発
明を、特にエキシマレーザ光のようなビームスプリッタ
の通常の硝材を透過しにくい紫外域の短波長の光を照明
光として用い、且つ大きな像側開口数を必要とするマイ
クロリソグラフィ用の露光装置の投影光学系に適用する
と、ビームスプリッタが小型化され照明光の減衰量が小
さくなるため、露光工程のスループット（単位時間当た
りの感光基板の処理枚数）が向上する等の大きな利点が
ある。

【００５９】また、条件式（１）が満足されるときに
は、ビームスプリッタを充分に小型化でき、条件式
（２）が満足されるときには、ビームスプリッタの形状
を小型化できると共に、像側の開口数を大きくして解像
度を向上でき、更に収差を小さくできる利点がある。更
に、補正膜が厚さ分布の異なる薄膜であるときには製造
が容易であり、屈折率分布の異なる薄膜であるときには
厚さが均一にできる。また、補正膜の透過率が方向変換
面の透過率と同じときには、ビームスプリッタ全体とし
ての透過率分布が均一であり、結像特性が向上する。ま
た、ビームスプリッタと凹面鏡との間に付加光学系（レ
ンズ群）を配した場合には、凹面鏡に起因する収差を低
減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による反射屈折光学系の実施例の基本構
成を示す光路図である。

【図２】従来の反射屈折光学系の要部を示す光路図であ
る。

【図３】図１の偏光ビームスプリッタの変形例を示す光
路図である。

【図４】ビームスプリッタ上の補正膜の算出方法の一例
を説明するための図である。

【図５】ビームスプリッタ上の補正膜の算出方法の一例
を説明するための図である。

【図６】ビームスプリッタ上の補正膜の算出方法の一例
を説明するための図である。

【図７】本発明の第１実施例の光学系を示す光路図であ
る。

【図８】本発明の第２実施例の光学系を示す光路図であ
る。

【図９】本発明の第３実施例の光学系を示す光路図であ
る。

【符号の説明】

ＡＸ１入力軸ＡＸ２出力軸Ｇ₁ 第１レンズ群（入力レンズ群）Ｇ₂ 第２レンズ群（出力レンズ群）Ｇ₃ 第３レンズ群１物体面（レチクル面）２，２Ａ偏光ビームスプリッタ４，４Ａ方向変換面５，５Ａ射出入射面９凹面鏡１０像面（ウエハ面）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体からの光をビームスプリッタへ導く
入力レンズ群と、ビームスプリッタからの光を所定の像面へ導く出力レン
ズ群と、前記ビームスプリッタを介した前記入力レンズ群からの
光を前記ビームスプリッタへ再入射させて前記出力レン
ズ群へ導く凹面鏡とを備え、前記凹面鏡は、縮小倍率を有し、かつ前記ビームスプリ
ッタを挟んで前記入力レンズ群と対向する位置に設けら
れ、前記ビームスプリッタは、前記入力レンズ群側に位置す
る入射面と、前記凹面鏡側に位置する射出入射面と、前
記出力レンズ群側に位置する射出面と、前記射出入射面
からの光を前記射出面へ向けて反射させる方向変換面と
を有し、かつ前記射出入射面から前記射出面へ到る光路
長よりも前記入射面から前記射出入射面へ到る光路長の
方が短くなるように構成され、前記方向変換面の前記入射面と前記射出入射面との少な
くとも一方の面への正射影の領域とは異なる透過領域に
は、前記方向変換面による位相ずれを補正する補正膜が
設けられることを特徴とする反射屈折光学系。
【請求項２】前記射出入射面から前記射出面へ到る光
路長をＬ₁とし、前記入射面から前記射出入射面へ到る
光路長をＬ₂とするとき、（Ｌ₁−Ｌ₂）／Ｌ₁＞０．０５を満足することを特徴とする請求項１記載の反射屈折光
学系。
【請求項３】前記射出入射面から前記射出面へ到る光
路長をＬ₁とし、前記入射面から前記射出入射面へ到る
光路長をＬ₂とし、前記凹面鏡の焦点距離をｆｍとし、
前記反射屈折光学系の前記像面側の開口数をＮＡとする
とき、｜Ｌ₁−Ｌ₂｜・ＮＡ／｜ｆｍ｜＞０．０１５を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の反射
屈折光学系。
【請求項４】前記補正膜は、前記入射面の透過領域及
び前記射出入射面の透過領域内において部分的に厚さの
異なる薄膜で構成されることを特徴とする請求項１乃至
３の何れか一項記載の反射屈折光学系。
【請求項５】前記補正膜は、前記入射面の透過領域及
び前記射出入射面の透過領域内において部分的に屈折率
の異なる薄膜で構成されることを特徴とする請求項１乃
至３の何れか一項記載の反射屈折光学系。
【請求項６】前記補正膜は、前記方向変換面を透過す
る光束に対する前記方向変換面の透過率と、同じ透過率
を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項
記載の反射屈折光学系。
【請求項７】前記ビームスプリッタと前記凹面鏡との
間の光路中には、レンズ群が設けられることを特徴とす
る請求項１乃至６の何れか一項記載の反射屈折光学系。