JPS6055807B2 - 単位倍率の色消し光学系 - Google Patents

単位倍率の色消し光学系

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JPS6055807B2
JPS6055807B2 JP53061793A JP6179378A JPS6055807B2 JP S6055807 B2 JPS6055807 B2 JP S6055807B2 JP 53061793 A JP53061793 A JP 53061793A JP 6179378 A JP6179378 A JP 6179378A JP S6055807 B2 JPS6055807 B2 JP S6055807B2
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    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G—PHYSICS
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    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G—PHYSICS
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、・顕微鏡的な微細構造を持つ歪みのない像
を形成するための光学系、特に広い周波数範囲でミクロ
ン程度の分解能を持ちマイクロ回路の製造に用いられる
倍率１のガタジオプトリック結像系に関する。
マイクロ回路の製造時に、シリコン・ウェーハはフオト
レシストを塗布し、１つ又はそれ以上のマスクによつて
形成される光のパターンで露光し、処理工程に付される
。
ウェーハ上にマイクロ回路を作るためにこの操作は何回
も反復される。ウェーハは典型的には７５又は１００ｍ
の直径を持ち、その上に幅が１から２ミクロンの線を有
する個々の回路か数百又は数千個形成される。マスクは
ミクロンの精度で順次位置付けられる必要がある。個々
の回路のマスクは一般に大きなマスター・マスクから写
真的縮小によつて作られる。同一の回路の配列から成る
マスクは１個だけのそのような回路を有するマスクから
ステップ・アンド・リピート・カメラ・システムを用い
て作られる。ウェーハへのパターンの最終的な転写は典
型的には接触法で行なわれる。
接触マスクは適切な整合を行なう事が本来困難であり、
さらに接触によつて容易に損傷を受けたり摩耗したりす
る。従つてマスク及び光学系が充分な分解能を持つなら
ば最終的な転写には投影法がより好ましい。もし最終的
な転写に投影法が用いられるならば、この段階でステッ
プ・アンド・リピート動作を行なう事もできる。しかし
この場合厳密な光学的要求が存在する。良好な線幅を作
るために、要求される最小の変調は６０％である。１ミ
クロンの線に関して、この事は約０．３０の開口数及び
回折で限界付けられる程度に良好な収差補正をした光学
系を必要とする。
さらにその補正は広いスペクトル範囲に．わたつて行な
われるのが望ましい。これはフォトレジストが惑受性を
持たない可視光で整合ができるようにするためである。
露光は、パターンに鋭いヘリや角が得られる短波長の光
で、典型的には近紫外領域で行なわれる。順次のマスク
とウェーハの整合が正確に所定の焦点設定にある事を機
械的に保証するのは困難なので、投影系は像空間及び物
空間の両方でテレセントリックであることが望ましい。
これは投影系が倍率１の望遠鏡であることを意味する。
光学的に作られたマスクは、高い高調波の損失により１
ミクロンの線幅において既にヘリと角が丸くなつている
。
この欠陥は開口数をおそらく０．７０に増加させること
によつて光学系で補償できるが、その時結果としてカバ
ーされる視野は非常に小さく、そのシステムは非実用的
である。電子ビームで形成された良質のマスクは充分に
鋭いヘリと角を持ち、本発明て用いることが望ましい。
従来のジオプトリツク系はミクロン程度の分解能を与え
ることができるが、単一の波長においてでしかなく、大
きな視野が望ましい場合かなり複雑である。例えば典型
的な５倍の高パフォーマンス・レンズ系は、１０Ｘ１０
７７！７７！の視野に関し直径が６０）から９０Ｔｆｒ
！ｎのレンズを約１１個有している。倍率１で同様のレ
ンズ構成は全く非実用的である。というのはレンズ系は
この時像空間と物空間の両側で同じ開口数を与えなけれ
ばならず、レンズ数は約２０から２２になるからである
。従来のジオプトリツク．系の別の欠点は、ザイデル収
差及び高次の収差の周波数に対する変化が補正できない
ことである。これはかなりの２次スペクトルを生じさせ
る。カトプトリツク系は全く色収差を持たず、２次スペ
クトルを生じない。倍率１の高分解能カトプトリック系
は、例えば米国特許第３７４８０１５号に記載されてい
る。この型の２つのミラー系は商業的に得られるが、開
口数は０．１６７でしかない。そのため分解能は約２．
５から３．０ミクロンの線幅しか作るのに充分でない。
この光学系の分解能は少しは改善できるが、２．０ミク
ロン以下の線幅に関して運動の機械的許容誤差、焦点深
度及びミラーの安定性や品質は現在の技術水準を上回つ
ている。倍率１のカタジオプトリツク系も提案されてい
る。そのような光学系の最も単純なもの、１：１平坦フ
ィールド望遠鏡は、１９５師にダイソンによつて（４９
Ｊ．０ｐｔ．Ｓ０ｃ．Ａｒｒ１ｅｒ．７１３）説明され
ている。この単純なダイソン光学系は、第１図に描かれ
ているが、球面鏡と共心の平凸レンズから成る。ンズの
平面は曲率中心と交わるので、その像はそれ自身の上に
反転して結像する。ダイソンは平面の半分を他半分の平
面上に結像させた。米国特許第３５３６３８吟において
、視野の大きさを犠性にすることなしに物体面と像面が
分離できるように、ビーム分割用半反射面が付加された
。ダイソン光学系及びそれに対する種々の改良は、０ｒ
ｉｅ１Ｐｒｅｓｓ刊、Ｊ．Ｈ．ＤｉｃｋｓＯｎ編の′４
０ｐｔｉｃａ１ＩｎＳｔｒＬ］ＭｅｎｔＳａｎｄＴｅｃ
ｈｎｉｑｕｅｓ２３の４２９〜４３４ページ６′ＡＵｎ
ｉｔ−ＰＯｗｅｒＴｅｌｅｓｃＯｐｅｆＯｒＰｒＯｊｅ
ｃｔｉＯｎＣＯｐｙｉｎｇ″にＣ．Ｇ．Ｗｙｒ］Ｎｅに
よつて説明されている。Ｗｙｎｎｅは平凸レンズをオノ
ーメニスカス●レンズと平凸レンズとの結合体にし光学
系の収差を補正することを提案している。ガラスと分散
を適切に選ぶことによつて、Ｗｙｎｎｅはペツツヴアル
和又はザイデル球面収差のいずれか一方の周波数に対す
る変化が補正できることを示した。従つてザイデル球面
収差は完全には補正されないが代わりにフィードにわた
つて正確なペツツヴアル条件からのずれを補正すること
が提案された。本発明の発明者はＷｙｎｎｅの構成が正
確でもなく信用もできないことを発見した。
より多くの自由度とより良い補正を得るために平凸レン
ズの前面により多くのメニスカス・レンズが結合された
としても、非点収差及びペツツヴアル和のまだ許容でき
ない大きな周波数変化が存在する。ザイデル球面収差を
補正する支配的な必要性は、複合平凸レンズ構造に古典
的な方法でより多くの自由度を与えることによつて補正
できない非点収差及びペツツヴアル和の色変化を必然的
に残すらしい。驚くべきことに、困難の原因は横色収差
を補正しないことにあることが発見された。おそらくこ
の収差は補正する必要がない。というのは１：１望遠鏡
の対称性のため鏡へ向かう経路のレンズ構造によつて導
入された横色収差は鏡から帰つて来る経路にあるレンズ
構造によつて導入される横色収差によつて正確に相殺さ
れるからである。もちろん鏡それ自身は全く色収差の原
因にならない。しかし、対称な光学系で横色収差が相殺
されるとしても、それは周波数による光路長の変化を生
じ、非点収差及びペツツヴアル和における周波数変化を
導くのてある。本発明の目的は、広い周波数スペクトル
にわたつて回折限界の分解能を持つ倍率１のテレセント
リック投影光学系を与えることである。
第１図は基本的なダイソン光学系を描いている。
ガラス・ブロック１４に接着された薄い平凸レンズ１２
から成る厚い平凸レンズ１０は凹球面鏡１６と共心であ
る。レンズ１０の背面１８は、鏡１６及びそれと共心な
レンズの前面２０の両者の実効的な曲率中心を通る。従
つて背面１８はそれ自身に反転して結像する。この平面
の片方の上の物体２２は面の他半分の上に反転した像２
４を形成する。第２図はダイソン光学系に外形上類似し
た本発明の光学系を描いている。
鏡面２６は光軸２８、焦点３０及び面５２に接近した曲
率中心３２を定める。軸２８に光軸が一致し焦点３０と
曲率中心３２との間に位置する第１の屈折素子３４は、
平凸レンズ３６及びメニスカス・レンズ３８及び４０か
ら構成される。軸２８に光軸が一致し鏡面２６の頂点４
４及び焦点３０の間に位置する第２の屈折素子４２は、
メニスカス・レンズ４６及び４・８から構成される。光
学ブロック５０は、物体及ひ像面に平行で接近した背面
５２を定める。物体及び像面は、物体光線及び像光線が
第１及び第２の屈折素子３４及び４２を互いにほとんど
対称に通過するように、光軸２８に沿う位置に置かれる
。これは、面５２が曲率中心３２と交わるか又は非常に
接近しいる時に生じるほとんど１の倍率の場合に起きる
。主光線５４は、物体フィールドの末端の一点から来て
鏡の頂点４４を通過する光線である。周縁光線５６は、
光軸５０上の点から゛来て開口数を定める絞りをちよう
ど通過する光線である。ここで絞りは事実上鏡面２６の
ヘリに存在する。光学素子３６，３８，４０，４６及び
４８に関してガラスと球面とを適切に選択することによ
つて、収差は非常によく補正され、光学系は広い周波数
スペクトルにわたつて分解能が回折だけで制限されるよ
うになる。
屈折素子３４は、理論上２枚のレンズから、又は図示さ
れているように３枚以上のレンズから構成される。屈折
素子３４のレンズは図のように密着していても、又レン
ズ設計に応じて光軸上もしくはヘリでだけ接触していて
もよく、又全然接触していなくてもよい。屈折素子４２
は鏡面２６以外に少なくとも１枚の球面を持たなければ
ならない。この条件は理論上１枚のメニスカス・レンズ
を用いて達成される。もしメニスカス・レンズが鏡から
離して置かれメニスカス・レンズの後面が鏡面２６と違
つた半径を持ち得るならば、解はずつと容易に見出され
る。好ましくは第１の屈折素子は物体及び像面に実際的
な程度に接近して存在し、第２の屈折素子は鏡に実際的
な程度に接近して存在すべきである。ガラス及び曲率半
径を適切に選ぶ技術は第６図に関連して以下に説明する
。簡潔に言えば、その技術は、主光線の縦色収差を可能
な限り減少させるために第１の屈折素子のレンズ・パラ
メータを選び、残る周縁光線の縦色収差をできるだけ減
少させるために第２の屈折素子のレンズ・パラメータを
選ぶことである。ダイソン光学系と同様、第２図におい
て背面５２は倍率１でそれ自身に反転して結像される。
この平面の半平面上の物体は他の半平面上に反転して結
像する。ダイソン光学系におけるように、視野の大きさ
を犠性にしないで、物体面と像面を分離できるように、
ブロック５０はビーム分割用対角半反射面を有してもよ
い。このことは上記米国特許第３５３６３８吋及び上記
Ｗ』船の論文に明確に示されている。ビーム分割技術は
好ましいものではない。というのは各時点で３５％の光
しか望ましい方向に行かず、そのため他の損失を無視し
ても１１％（４）．３３×０．３３）の物体光しか像を
形成するのに利用されないからである。誘電体コーティ
ングは伝達を改善するが、有害な色効果を生じるであろ
う。物体面及び像面を分離するための良好な技術は第３
図及び第４図を参照して説明する。
円５８は、選ばれた開口数において通常利用できる全視
野を表わす。ビーム分割面を用いなければ、この円５８
の半分６０が物視野として通常用いられる。上向きの矢
印６４は物体を、下向きの矢印６６はその像を表わす。
背面５２及び物体、像の分離は誇張されている。第４Ａ
図において、ブロック５０は、４５いの対角面６８，７
０（第３Ｂ図）に沿つて切断され、上及び下方向に伸び
て２個のプリズム構造を作る。これらのプリズムは光学
的補正を保持するように等しい光路長を与えている。第
４Ａ図で２次元的に表現すると、行なわれたことは点線
部分が線６８及び７０に沿つてそれぞれ上側及び下側に
折り曲げられたことである。以前に定義した半視野６０
及び６２は、この時それぞれ上部（第４Ｃ図）及び底部
（第４Ｄ図）に存在する。第４Ａ図に示されるように、
物体を示す矢印６４の後端からの光線の錐はもはや完全
ではない。より狭い物視野（矢印６４の頭部にほぼ対応
する）でのみ、完全な光線錐が上部プリズム構造の面６
８で反射される。半視野６０中の線７２（第４Ｃ図）の
左側に位置する点からの光線錐のみが完全に反射される
。従つて物視野は第４Ｃ図の部分７４でなお利用可能で
ある。走査動作に関して絞り８６（第５図）が与えられ
、これは第４Ｄ図に示されるような六角形に視野を制限
する。六角形の端部は走査動作中に突出領域に於てよソ
ー様な照明を与える。物平面と像平面との間でパリテイ
を得るために、プリズムの一方は第４図の下側のプリズ
ムのようにアミン（Ａｍｉｃｉ）プリズムであつてもよ
い。この場合のようにパリテイが存在する時、光学系に
関して物体及び像はその平面内でともに同じ方向に動き
、走査が容易にａなる。従つて互いに固定された位置を
保つマスク及びウェーハに対して全光学系を走査運動さ
せることによつて、使用できる物視野７４よりも大きな
マスクを同様の大きなウェーハに投影できる。照明及び
整合光学系は第５図に示される。毛管アーク灯７８はコ
ンデンサ光学系８０でマスク８２の上に結像される。本
実施例ではマスクはガラス・カバー板８４で支持されて
いる。照明は、マスクに接近して置かれた物視野の形を
決める視野絞り８６を用いた臨界型である。以前説明し
た第４Ｄ図の像側に示される六角形の視野が好ましい。
照明光は、光学系を同時に顕微鏡９２を通して目９０で
見られるように、半反射面８８を通過する。露光のため
に近紫外線透過フィルタ９４が置かれる。整合のために
は紫外線透過フィルタが緑色光透過フィルタ９６で置き
代えられる。不透明な絞り９８は、露光中に迷光が光学
系に入るのを防ぐために顕微鏡中に挿入される。マスク
８２等の物体を支持するカバー板８４は光学系の光学部
品である。
同じ光路長を保つために、プリズム１００はカバー板８
４の厚さに光学的に等しい長さだけ縮められる。同時に
空気間隙１０２及び１０４は、色収差補正と光学的対称
性の保持のために等しく維持される。面１０６及び１０
８は以上のように焦点をはずしてあるので、これらの面
上の汚れや傷はウェーハ１１０に焦点の合つた像を結ば
ない。色収差補正の良好な方法を説明するために、第２
図の光学系を鏡像のように折り返した図が第６Ａ図に示
される。
主光線５牡周縁光線５６及び絞り１１２が示されている
。明らかに主光線は対称的に進む（半分は光軸の上を半
分は光軸の下を）が、周縁光線はそうではない。その結
果、光学系の左半分の主光線に導入された色収差は、光
学系の右半分でこの光線に導入される色収差によつて自
動的に補償される。周縁光線は対称的に進まない（光軸
の上側に留まる）ので、周縁光線に導入された色収差は
加算される。通常、（定義により縦色収差てある）周縁
光線の色収差は、屈折素子４２で補正される。この素子
は主光線に導入され対称性によつて除去される色収差に
ついては何もしない。第６Ｂ図に、第２図の光学系を折
り返した相補的に働く光学系が示される。
ここで鏡はガラス・ブロックの背面の代わりに像になり
、鏡は相補的に働く光学系によつて右側へ結像する。こ
の時絞り１１２は鏡からガラス・ブロックの背面に移る
。この技法によつて新しい主光線１１４は第６Ａ図の周
縁光線５６に一致し、新しい周縁光線１１６は第６Ａ図
の主光線５４に一致する。以前は対称的であつた光線１
１６は非対称的になり、屈折素子３４で導入される色収
差は加算的になる。この時屈折素子３４のパラメータは
、第６Ｂ図の構成に対して光線１１６の色収差を補正す
るように従来の古典的方法で計算し選ばれる。光線１１
４は対称なので、この光線の色収差に関して補正は行な
われない。第６Ｂ図に関して屈折素子３４て為される色
収差補正は縦色収差補正てあり、もとの主光線に対応す
る光線１１６に関して行なわれる。古典的計算が行なわ
れて屈折素子３４に関するガラス及び曲率半径が色収差
補正（及び球面収差の補正）をするように選ばれた時、
基準は屈切素子４２のパラメータの計算のための第６Ａ
図に示される構成に移る。こうして素子４２のパラメー
タが、光線５６の色収差を補正するように従来の古典的
方法て計算され選ばれる。光線５４は対称なので、ここ
でこの光線に対する何の補正も為されない。第６Ａ図に
関して、屈折素子４２で為された色収差補正は再び縦色
収差補正であり、周縁光線に対して行なわれている。も
し必要ならは、上記過程を反復して、より良い補正を得
ることもできる。すなわち素子４２に関して決定された
パラメータを用いた第６Ｂ図の光学系に関して、素子３
４のパラメータを再び計算し選ぶのである。そして再び
同様に素子４２のパラメータが再計算され選ばれる。良
好な光学系がこの方法で計算され、第７図乃至第９図に
示される。
第８Ａ図乃至第８Ｅ図は５つの異なつた波長について非
点収差の残留変化を示す。第７図は残留縦スペクトルを
示す。両者はレイリー限界以下にすぎない。第９図は光
学素子１，２，３，４，５及び６を識別し、曲率半径Ｒ
１乃至Ｒ８及び厚さＤ１乃至Ｄ８（Ｄ８はマスク及びウ
ェーハとプリズムとの間の空気の厚さ）を定義する。次
表にこれらの数値並びにそれぞれのレンズの屈折率ＮＤ
ｌ逆分散率ν及びガラスの型を掲げる。但しこれは本発
明の１実施例であつて、本発明に従つて色収差を補正し
た光学系は他にも構成可能である。第１０図は、反射面
２６の光軸が第１と第２の屈折素子３４，４２の間て反
射面１２０を有する平面鏡１１８によつて折り曲げられ
ている他の実施例を示す。
光軸を折り曲げることによつて、ウェーハ１１０を、さ
もなくば光学系によつて占有されていた領域に伸ばすこ
とができる。ウェーハが大きくマスクの小さいこの型の
構成はステップ・アンド・リピート装置に典型的である
。開口数が充分に大きな（例えば開口数０．４０）時、
大きなウェーハは光学系と重なるであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は先行技術の基本的なダイソン光学系の斜視図、
第２図は単純な形での本発明を示す図、第３Ａ図及び第
３Ｂ図は第２図のブロック５０の背面及び側面の図、第
４Ａ図、第４Ｂ図、第４Ｃ図及び第４Ｄ図は２つのプリ
ズムに変型したプロツク５０の側面、背面、上面及び底
面の図、第５図は照明及び整合光学系並びにマスク・カ
バー板８４等を示す図、第６Ａ図及び第６Ｂ図は光学系
のパラメータを決定する目的で第２図を折り重ねた図、
第７図は本発明の特定の実施例の残留縦スペクトルを示
す図、第８Ａ図乃至第８Ｅ図は５つの波長について特定
の実施例の非点収差の残留変化を示す図、第９図は特定
の実施例の光学パラメータを定義するための図、第１０
図は他の実施例の図である。 ２６・・・・・・反射面、２８・・・・・・光軸、３４
，４２・・・・・・屈折素子、５０・・・・・・ガラス
・ブロック。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ ガラス・ブロックと、上記ガラス・ブロックに接触
    する第１のレンズと、上記第１のレンズに接触する第２
    のレンズと、上記第２のレンズに接触する第３のレンズ
    と、上記第３のレンズから間隙を置いて配置された第４
    のレンズと、上記第４のンズに接触する第５のレンズと
    、上記第５のレンズに接触する球面鏡とを有し、上記ガ
    ラス・ブロックの両面及び上記第１のレンズのガラス・
    ブロック側の面は平面であり、上記レンズの他の面はガ
    ラス・ブロック側に凹面をなし、上記第１のレンズと第
    ２のレンズとの間の面の曲率半径は２０．４１ｍｍであ
    り、上記第２のンズと上記第３のレンズとの間の面の曲
    率半径は３７．７４ｍｍであり、上記第３のレンズの他
    方の面の曲率半径は３７．８８ｍｍであり、上記第４の
    レンズのガラス・ブロック側の面の曲率半径は１０８．
    ５７ｍｍであり、上記第４のレンズと上記第５のレンズ
    との間の面の曲率半径は１２５．７３ｍｍであり、上記
    第５のレンズの他方の面及び球面鏡の曲率半径は１２５
    ．０５ｍｍであり、光軸に沿つた上記ガラス・ブロック
    の２面間の距離は２０．０であり、上記第１のレンズの
    厚さは５．０ｍｍであり、上記第２のレンズの厚さは４
    ．３ｍｍであり、上記第３のレンズの厚さは６．８ｍｍ
    であり、上第３のレンズと上記第４のレンズとの間の間
    隙の長さは７０．２ｍｍであり、上記第４のレンズの厚
    さは８．０ｍｍであり、上記第５のンズの厚さは１０．
    ４ｍｍであり、上記ガラス・ブロックの屈折率Ｎ＿Ｄは
    １．５５６６３、逆分散率は５８．６であり、上記第１
    のレンズの屈折率Ｎ＿Ｄは１．５２２４１、逆分散率は
    ５９．４であり、上記第２のレンズの屈折率Ｎ＿Ｄは１
    ．６０３２８、逆分散率は３８．０であり、上記第３の
    レンズの屈折率Ｎ＿Ｄは１．５８３０４、逆分散率は５
    ９．４であり、上記第４のレンズの屈折率Ｎ＿Ｄは１．
    ５５６６３、逆分散率は５８．６であり、上記第５のレ
    ンズの屈折率Ｎ＿Ｄは１．６１９８９、逆分散率は３６
    ．３である単位倍率の色消し光学系。
JP53061793A 1977-06-30 1978-05-25 単位倍率の色消し光学系 Expired JPS6055807B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US811754 1977-06-30
US05/811,754 US4171871A (en) 1977-06-30 1977-06-30 Achromatic unit magnification optical system

Publications (2)

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JPS5413329A JPS5413329A (en) 1979-01-31
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