JP2001343589A

JP2001343589A - 投影光学系、および該投影光学系による投影露光装置、デバイス製造方法

Info

Publication number: JP2001343589A
Application number: JP2001057369A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kato; 隆志加藤; Hiroyuki Ishii; 弘之石井; Chiaki Terasawa; 千明寺沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2001-12-14
Also published as: US6829099B2; US20020008855A1

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズの構成枚数が少なく、かつ高解像力と広
い露光領域を確保することのできる投影光学系を提供す
る。【解決手段】物体の像を像面へ投影する投影光学系にお
いて、少なくとも一つのレンズと、少なくとも一つの凹
面鏡と、少なくとも一つの回折光学素子とを有し、例え
ば、前記少なくとも一つのレンズと前記少なくとも一つ
の凹面鏡を備え、前記物体の中間像を結像するように構
成した第１結像光学系と、前記少なくとも一つのレンズ
と少なくとも一つの回折光学素子を備え、前記中間像を
像面へ投影する第２結像光学系とを有する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影光学系、および
該投影光学系による投影露光装置、デバイス製造方法に
関し、特にレチクルパターンを半導体ウェハに投影露光
する投影光学系に、凹面鏡等を用いた反射屈折投影光学
系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。
特に光加工技術はサブミクロンの解像力を有する縮小投
影露光装置、通称ステッパー或いはスキャナが主流であ
り、さらなる解像力向上に向けて光学系の開口数（Ｎ
Ａ）の拡大や、露光波長の短波長化が計られている。従
来より投影露光装置を用い、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素
子のパターンをシリコン等のウエハに焼き付けるための
結像光学系には非常に高い解像力が要求される。一般に
結像光学系による投影像の解像力は使用する波長が短く
なる程良くなるために、できる限りの短波長を放射する
光源が用いられている。例えば短波長の光源としては、
エキシマレーザーが注目されている。このエキシマレー
ザーはレーザー媒体として、ＫｒＦ，ＡｒＦ等が使用さ
れている。そしてＡｒＦの次世代として期待されている
のがＦ２である。

【０００３】ところでこれらの光源の波長域においては
レンズ材料として、使用可能な硝材が石英と蛍石に限ら
れてくる。これは主に透過率の低下に起因するものであ
る。そして、これらの光源の波長域において使用できる
この石英や蛍石でも、例えば、特開平１０−７９３４５
号公報等にて開示されているように、全て屈折レンズに
て構成され、構成枚数が多く全硝材厚が厚い光学系では
レンズの熱吸収による焦点位置等の変動などの問題が生
じることになる。更に近年の投影光学系は高開口数、広
い露光範囲が切望されているために、より一層レンズの
構成枚数を増やす必要性が生じてしまう。従って、更に
光学系の透過率が低下するとともに硝材のコストも非常
に高くなってしまう結果となる。また、レーザーの狭帯
域化が十分でない場合、色収差補正を考慮しなければな
らない。従って、色収差補正のために光学系内にて屈折
レンズの組み合わせによる色消しを行なう必要がある。
その場合、更にレンズの構成枚数を増加させる必要が生
じてしまう。

【０００４】そのため、色収差の補正を行なう目的で回
折光学素子を屈折光学系にて構成される投影光学系中に
導入した光学系が、例えば特開平６−３３１９４１号公
報、特開平７−１２８５９０号公報等により開示されて
いる。これらの光学系は、屈折投影光学系の瞳付近に、
通常の屈折レンズとは逆の分散を有する回折光学素子を
導入することで、主に軸上色収差を補正するとともに、
回折光学素子の非球面効果により主に球面収差やコマ収
差等の諸収差を補正している。尚、回折光学素子は、入
射波面を定められた波面に変換する光学素子であり、屈
折型レンズにはない特徴を備えている。例えば、屈折型
レンズとは逆の分散値を有する、或いは実質的には厚み
を持たないので光学系がコンパクトになる、等である。

【０００５】このような特徴を持つ回折光学素子を実際
に高精度に製造するための方法として、例えばバイナリ
オプティクスが注目されている。これは、回折素子の形
状を階段状に近似することにより、作製にＬＳＩの製造
等に用いられる半導体プロセスを適用することができる
ため、微細なピッチでも容易に高精度な加工が可能にな
るためである。また、回折光学素子と石英レンズ、蛍石
レンズを有し、回折光学素子の少なくとも１つは正の屈
折力を有し、石英レンズの少なくとも１つは負の屈折
力、蛍石レンズの少なくとも１つは正の屈折力を有する
光学系について、特開平８−７８３１９号公報にて開示
している。この特開平８−７８３１９号公報では、色収
差の特に２次スペクトルを低減させることを目的として
いる。

【０００６】更に、反射光学系に回折光学素子を導入し
た光学系が、例えば特開平８−１７７２０号公報にて開
示されている。この光学系は、曲面状の反射面を持つ複
数の反射部材と回折光学素子を含み、その回折光学素子
が反射部材の反射面に形成されていることを特徴として
いる。同公報によると、屈折レンズの担っていた役割を
回折光学素子に負わせることにより、反射面と回折光学
素子のみで縮小倍率の投影光学系を達成しようとするも
のである、と記述されている。そして、回折光学素子
は、投影露光に使用する光の波長幅に応じた分散を有す
るために、近軸領域ではその屈折力をゼロに近い状態、
即ち焦点距離が無限大にて使用するのが良い、としてい
る。この構成により、屈折レンズを用いることができな
いような短波長域においても使用することができる光学
系を提案している。

【０００７】或いは、屈折光学系と反射光学系とを組み
合わせた、いわゆる反射屈折光学系も種々提案されてい
る。これらの光学系は色収差や諸収差をミラーと屈折レ
ンズにて補正しようとするものであり、回折光学素子は
使用していない。その中で、２回結像系にて光学系を構
成し、第１結像系中に１枚の凹面ミラーと屈折レンズを
有し、第１結像系によるレチクルの中間像を、屈折レン
ズにて構成されている第２結像系にてウエハに結像する
光学系が例えば、特開平８−３０４７０５号公報、等に
より開示されている。この特開平８−３０４７０５号公
報によると、第１結像系において形成される中間像付近
に平面ミラーを配置して光束の進行方向（光軸）を９０
度偏向し、第２結像系へと導いている構成をとってい
る。また、ウエハ面とレチクル面とを平行にするため
に、更に第２結像系中に反射ミラーを設けている。この
光学系は軸外光束を用いて、レチクルとウエハを同期し
てスキャンすることにより、走査露光を実現している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】屈折光学系中に回折光
学素子を導入した特開平６−３３１９４１号公報の光学
系は、収差補正の必要上から、かなりのレンズ枚数を必
要としている。従って熱収差等の影響により投影光学系
としての性能が悪化してしまうとともに更なる露光波長
の短波長化が進めば、熱収差等の影響がより顕著になっ
てしまう。特開平７−１２８５９０号公報の光学系は、
構成枚数は少ないが、露光範囲が小さく、光学系の開口
数も小さい。従って、露光範囲を大きくし、かつ高開口
数を有するためには、やはりかなりのレンズ枚数の増加
が必須となる。

【０００９】また、特開平８−７８３１９号公報の光学
系は、屈折レンズと回折光学素子を用いた光学系につい
て、その色収差の特に２次スペクトルを低減させるため
に、少なくとも１つの回折光学素子は正の屈折力、少な
くとも１つの蛍石レンズは正の屈折力、そして少なくと
も１つの石英レンズは負の屈折力にて構成しようとする
ものである。しかしながら、高解像力、広露光領域を有
する光学系を達成するために色収差及び諸収差を良好に
補正するには、数多くの屈折レンズを必要とすることに
は変わりはない。そして、具体的な数値実施例は開示さ
れていない。また、特開平８−１７７２０号公報の光学
系については、具体的な数値実施例は開示されていな
い。また回折光学素子はそのパワーがゼロに近い状態に
するのが望ましいとしてその非球面効果を利用している
ために、光学系の屈折力はミラーにあること、更に屈折
レンズとしてのレンズを使用していないことなどから、
高開口数及び広い露光範囲を有することができない。

【００１０】また、特開平８−３０４７０５号公報等の
光学系は、第１結像系にて発生する収差を第２結像系に
てキャンセルして収差補正を達成している。例えば、第
１結像系において、凹面ミラーとその凹面ミラー付近に
配置された負レンズによりオーバーな像面湾曲を発生す
るとともに、前記負レンズによって軸上色収差をオーバ
ー方向に発生させている。これらをキャンセルするため
に、第２結像系は正のパワーを有する屈折レンズ群にて
構成されており、それら正のパワーのレンズにより、ア
ンダーな像面湾曲及び軸上色収差を発生させて全系とし
て収差補正を行なっている。しかしながら、色収差と像
面湾曲を同時に補正し、かつその他の諸収差も補正する
必要性から、第１結像光学系中には、負の屈折力を有す
るレンズ群やその他数多くのレンズを有するとともに、
第２結像光学系中にも多数のレンズを配置する必要があ
る。特に、第１結像系における往復光学系として用いる
屈折レンズは、その枚数を極力減らさないと光学系のト
ータル肉厚が増えて透過率が低下し、熱収差等の影響が
大きくなってしまう。また、色収差の問題のない反射ミ
ラーのみを用いた、いわゆる反射光学系にて構成しよう
とすると、高開口数を有する光学系を設計・製作するこ
とは非常に困難である。

【００１１】そこで、本発明は、上記従来のものにおけ
る課題を解決し、高開口数と広い露光領域を確保した投
影光学系を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、つぎの（１）〜（１６）のように構成し
た投影光学系を提供するものである。（１）物体の像を像面へ投影する投影光学系において、
少なくとも一つのレンズと、少なくとも一つの凹面鏡
と、少なくとも一つの回折光学素子とを有することを特
徴とする投影光学系。（２）前記少なくとも１つのレンズ、少なくとも１つの
凹面鏡、及び少なくとも１つの回折光学素子のそれぞれ
が、正の屈折力を有し、負の屈折力を有するレンズと負
の屈折力を有する鏡と負の屈折力を有する回折光学素子
とを備えていないことを特徴とする上記（１）に記載の
投影光学系。（３）少なくとも一つの正の屈折力のレンズと、少なく
とも一つの正の屈折力の凹面鏡と、少なくとも一つの正
の屈折力の回折光学素子とを有することを特徴とする投
影光学系。（４）前記少なくとも一つのレンズと前記少なくとも一
つの凹面鏡を備え、前記物体の中間像を結像するように
構成した第１結像光学系と、前記少なくとも一つのレン
ズと少なくとも一つの回折光学素子を備え、前記中間像
を像面へ投影する第２結像光学系と、を有することを特
徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の投影光
学系。（５）前記第１結像光学系と第２結像光学系とを共通の
一直線の光軸に沿って配置し、前記凹面鏡によって反射
され且つ集光された前記物体からの軸外光を、反射ミラ
ーによって前記凹面鏡の有効径外を通過させ、像面側へ
反射させるように構成されていることを特徴とする上記
（４）に記載の投影光学系。（６）前記第１結像光学系と第２結像光学系との間にフ
イールド光学系を有することを特徴とする上記（４）ま
たは上記（５）に記載の投影光学系。（７）前記第１結像光学系は、前記物体に近い順に、少
なくとも、正の屈折力を有するレンズと、前記反射ミラ
ーと、前記凹面鏡と、を有することを特徴とする上記
（５）または上記（６）に記載の投影光学系。（８）前記反射ミラーと前記凹面鏡との間に、レンズ群
を有することを特徴とする上記（７）に記載の投影光学
系。（９）前記レンズ群が、負の屈折力を有し、前記第１結
像光学系における正の屈折力を有するレンズと前記凹面
鏡との間に配置されていることを特徴とする上記（８）
に記載の投影光学系。（１０）前記第１結像光学系により結像される中間像の
近傍に反射面を配置し、前記凹面鏡によって反射され且
つ集光された前記物体からの軸外光を、該反射面で偏向
させて前記第２結像光学系へ導くように構成されている
ことを特徴とする上記（４）に記載の投影光学系。（１１）前記投影光学系中の前記回折光学素子の少なく
とも１枚は、以下の条件式を満足するように構成されて
いることを特徴とする上記（１）〜（１０）のいずれか
に記載の投影光学系。３＜ＭＰ／λ＜５０但し、ＭＰ：回折光学素子の最小ピッチ（μｍ） λ：露光波長（μｍ）（１２）前記投影光学系中の前記回折光学素子のうち少
なくとも１枚は、以下の条件式を満足するように構成さ
れていることを特徴とする上記（１）〜（１０）のいず
れかに記載の投影光学系。｜Ｌｄ／ＬＧ２｜＜０．２但し、Ｌｄ：第２結像光学系中の開口絞りと回折光学素
子との距離ＬＧ２：第１結像光学系Ｇ１による中間像の近軸像面位
置（第２結像光学系Ｇ２の物点位置）から、中間像を再
結像した際の、再結像面までの距離（１３）前記第１結像光学系による中間像付近に視野絞
りを有することを特徴とする上記（３）〜（１２）のい
ずれかに記載の投影光学系。（１４）上記（１）〜（１３）のいずれかに記載の投影
光学系によってマスクのパターンを基板上に投影する投
影露光装置。（１５）上記（１４）に記載の投影露光装置を用いて前
記マスクとしてのレチクルのデバイスパターンを前記基
板としてのウェハに露光する段階と、該露光したウェハ
を現像する段階とを含むことを特徴とするデバイス製造
方法。（１６）前記露光にＡｒＦエキシマレーザ又はＦ２レー
ザからのレーザ光を用いることを特徴とする上記（１
５）に記載のデバイス製造方法。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の一つの実施の形態として
は、上記構成を適用して、例えば図１に示す投影光学系
を構成することができる（実施の形態１）。これによっ
て、レンズの構成枚数が少なく、かつ高解像力と広い露
光領域を確保した投影光学系を実現することができる。
これを図１に示した概略図に基づいて説明すると、１０
１は第１の物体（レチクル）であり、１０２は第２の物
体（ウエハ）である。図１中、Ｍはミラー、Ｏは屈折レ
ンズ、Ｄは回折光学素子を示す。本実施の形態の投影光
学系は、図１が示す通り、少なくとも屈折レンズ、ミラ
ー、回折光学素子を有するとともに、その光学系中の焦
点距離を有する屈折レンズ、ミラー、回折光学素子の各
素子が全て正の焦点距離を有することで、レンズの構成
枚数が少なく、かつ高解像力と広い露光領域を確保した
投影光学系を実現することができる。

【００１４】以下に、その詳細について説明する。一般
的に光学系は正及び負の屈折力の光学素子を組み合わせ
ることで各種収差（色収差、像面湾曲等々）の補正を行
なっている。従って、より高開口数、広い露光範囲を補
正する光学系を達成しようとすると、必然的に正及び負
の屈折力の光学素子を多く必要とすることになる。逆
に、光学系中の負の屈折力の光学素子をできる限り削減
してかつ高開口数、広い露光範囲を補正できる光学系が
構成できれば、その光学系の構成枚数は非常に少なくで
きるはずである。

【００１５】この点の議論を簡単にするために、薄肉密
着系にて考える。屈折レンズの負の合成の屈折力をφo
-、アッベ数をνo-、屈折率をｎ-とし、また、屈折レン
ズの正の合成の屈折力をφo+、アッベ数をνo+、屈折率
をｎ+、またミラーの合成屈折力をφm、回折光学素子の
合成屈折力をφd、アッベ数をνd、とする。光学系を設
計する上で、まず満足しなければならないのは、像面湾
曲と色収差の補正である。これら諸量は光学系のパワー
配置に依存するところが大きいため、設計初期の段階に
おいても十分に考慮することが必要となる。像面湾曲及
び色収差を十分補正できる光学系が成立するためには、
光学系中に正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有
するレンズが必要となってくる。

【００１６】特に、光学系を構成する光学素子の全てが
屈折レンズにて構成された場合、像面湾曲（ペッツバー
ル和）を示す指標Ｆ及び色収差を示す指標Ｃは以下の式
（１）、（２）のように表すことができる。Ｆ＝ φo+／ｎ+ ＋ φo-／ｎ- ．．．（１）Ｃ＝ φo+／νo+ ＋ φo-／νo- ．．．（２）光学系中に負の屈折力を有する素子を持たないと、
（１）及び（２）式により、正の屈折力を有する素子の
みでＦとＣが決まってしまい、両者ともに小さく或いは
ゼロにすることができないことがわかる。そして、特に
短波長域では前述の通り硝材が限定されるため、色収差
を補正することが難しいとともに、広い露光領域及び高
い開口数を有する光学系を達成しようとすると、正、負
の屈折力を有するレンズともにその枚数を大幅に使用せ
ざるを得ない状況となる。

【００１７】また、屈折レンズと回折光学素子とで構成
される光学系にて構成された場合、Ｆ及びＣは以下の式
（３）、（４）のように表すことができる。以下の式
（３）、（４）から明らかなように、色収差Ｃと像面湾
曲Ｆを同時に補正しようとすると必然的に光学系中に負
の屈折力を有するレンズが必要である。これは、回折光
学素子自体が像面湾曲（ペッツバール和）に関与しない
からである。Ｆ＝ φo+／ｎ+ ＋ φo-／ｎ- ．．．（３）Ｃ＝ φo+／νo+ ＋ φo-／νo- ＋ φd／νd ．．．（４）また、ミラーと屈折レンズにて構成されている光学系に
おいても、式（５），（６）に示すように、色収差Ｃと
像面湾曲Ｆを同時に補正しようとすると、この場合も必
然的に光学系中に負の屈折力を有するレンズが必要であ
る。これは、ミラー自体が色収差補正に関与しないから
である。Ｆ＝ φo+／ｎ+ ＋ φo-／ｎ- ＋（−φm）．．．（５）Ｃ＝ φo+／νo+ ＋ φo-／νo- ．．．（６）そこで、本発明の光学系のように、屈折レンズと回折光
学素子、ミラーとで構成した場合、Ｆ及びＣは以下の式
（７）、（８）のように表すことができる。Ｆ＝ φo+／ｎ+ ＋ φo-／ｎ- ＋（−φｍ）．．．（７）Ｃ＝ φo+／νo+ ＋ φo-／νo- ＋ φd／νd ．．．（８）上記したように、回折光学素子自体は像面湾曲を発生す
ることがないため、像面湾曲を支配するのは、ミラーと
屈折レンズである。また、ミラーは色収差補正には寄与
しないため、色収差補正には屈折レンズと回折光学素子
が寄与する。従って、本発明の如く３種類の素子を有効
に用いることで過度にレンズの数を増やすことなく効率
的に色収差像面湾曲を補正できる。又、更に屈折レン
ズ、ミラー、回折光学素子の３つの素子を用いて投影光
学系を構成するに際して、負の屈折力を有するレンズを
光学系中から排除すると、以下のようになる。Ｆ＝ φo+／ｎ+ ＋（−φｍ）．．．（７’）Ｃ＝ φo+／νo+ ＋ φd／νd ．．．（８’）このように、屈折レンズ、ミラー、回折光学素子の３つ
の素子を用いることにより、上記２式を満足することで
像面湾曲及び色収差を補正することが可能である。すな
わち、前述した従来の光学系には必須であった負の屈折
力を有するレンズを用いることなく光学系を構築するこ
とが可能となる。この場合、色収差を補正するために
は、正の屈折力を有するレンズと正の屈折力を有する回
折光学素子、更に正の屈折力を有するレンズにより発生
する負の像面湾曲を打ち消すための正の屈折力を有する
ミラー（凹面ミラー）にて構成すれば、負の屈折力を有
するレンズ及び素子を用いることなく光学系を構築でき
る。以上説明した通り、投影光学系が少なくとも屈折レ
ンズ、ミラー、回折光学素子を有するとともに、焦点距
離を有する屈折レンズ、ミラー、回折光学素子の各素子
は、全て正の屈折力を有することで、全系の像面湾曲及
び色収差を補正することができるとともに、構成枚数が
少ない光学系を達成することが可能となる。

【００１８】また、本発明の別の実施の形態としては、
上記構成を適用して、例えば図２に示す反射屈折投影光
学系を構成することができる（実施の形態２）。図２に
おいて１０１は第１の物体（レチクル）、１０２は第２
の物体（ウエハ）である。本実施の形態の光学系は、物
体側から順に、少なくとも第１結像光学系Ｇ１と第２結
像光学系Ｇ２よりなる。第１結像光学系Ｇ１は、屈折レ
ンズ及びミラーを含んでおり、第１の物体１０１の中間
像を形成している。第２結像光学系Ｇ２は、屈折レンズ
及び回折光学素子を含んでおり、前述した中間像を第２
の物体上に再結像している。

【００１９】一般に、ミラーには以下のような特徴を有
する。すなわち、・ミラー面では、色収差は発生しないこと、・ミラーが有するパワーとペッツバール和の符号の関係
は、通常の屈折レンズとは逆である。例えば凹面ミラー
は、正のパワーを有しながらもペッツバール和は負の値
を有するので、光学系中のペッツバール和補正のための
負レンズのパワー負担を軽減できること、等の特徴を有
する。以上のような特徴を有するミラーを光学系中にて
使用することは、光学設計上有益であり、色収差が少な
く構成枚数も少ない光学系を構成するための一つの手段
となる。

【００２０】しかしながら、ミラー面において光束は反
射するために、種々の問題が生じる。特に、１回結像光
学系においてミラーを活用しようとすると、ミラーに入
射した光束と出射した光束を分離して像面に結像させる
必要性が生じる。そのためには、例えば、ビームスプリ
ッタを活用したり、或いは光束のけられを許容して瞳の
中抜けを有する光学系を形成しなければならない。また
一般に、多数回結像光学系においてミラーを最終結像光
学系に配置すると、バックフォーカスを十分に確保する
ことが困難であり、ミラーに入射する光束とミラーから
出射する光束とを分離するために光学配置が複雑にな
る。尚、ここで言う最終結像光学系とは、図１における
第２の物体（ウエハ）に最も近い結像系のことである。
そしてより高開口数化を達成しようとすると、さらにそ
の配置が厳しくなるとともにミラーが大型化してしま
う。従って、多数回結像光学系において、ミラーは最終
結像光学系以外の結像光学系に配置するのが良い。従っ
て本発明においては、最終結像光学系以外の結像光学系
に、特に第１結像光学系Ｇ１中に、少なくとも１枚以上
のミラーを配置する構成を取っている。

【００２１】また、一般に回折光学素子は以下のような
特徴を有する。すなわち、・通常のレンズとは逆の符号の分散を有すること、・像面湾曲を生じない（ペッツバール和ゼロ）こと、等
の特徴を有する。従ってミラーはその特性上、色収差は
発生せず、また通常の屈折レンズの有するパワーとペッ
ツバール和の関係とは逆符号の特性を有する一方、回折
光学素子は、通常の屈折レンズとは逆の分散値を有して
いるがペッツバール和はゼロであるという特性を有する
のである。

【００２２】以上のことから、光学系の構成要素の違い
により、以下のようなことが言える。・光学系を構成する光学素子の全てが屈折レンズにて構
成された場合、高開口数及び広露光範囲を有する光学系
において像面湾曲と色収差を同時に補正しようとする
と、多くの屈折レンズを必要とすることになる。これ
は、ＡｒＦ波長においては使用できる硝材は主に石英と
蛍石であり、Ｆ２波長では現在のところ透過率の高い硝
材は蛍石のみであるために、波長の短い領域では使用で
きる硝材の種類が少ないことも原因の一つである。特に
Ｆ２波長においては、使用できる硝材が蛍石のみである
とすると、Ｆ２レーザーが色収差が問題にならない程度
に狭帯域化されない限り、色収差が残存してしまう。ま
た、像面湾曲の補正のために、正の屈折力を有する屈折
レンズと負の屈折力を有する屈折レンズとを効果的に用
いて補正する必要があり、高開口数及び広露光範囲を有
する光学系においては必然的に多くの枚数が必要となっ
てしまう。・屈折レンズと回折光学素子とで光学系が構成された場
合、色収差を補正するための自由度として回折光学素子
は有益であるが、像面湾曲の補正には直接関与しない。
従って、高開口数及び広露光範囲を有する光学系におい
て像面湾曲と色収差を同時に補正しようとすると、多く
の負の屈折力を有する屈折レンズが必要となり、十分な
簡素化を行なうことは難しい。・ミラーと屈折レンズとで光学系が構成された場合、像
面湾曲を補正するための自由度としてミラーは有益であ
るが、色収差の補正には直接関与しない。従って、高開
口数及び広露光範囲を有する光学系において像面湾曲と
色収差を同時に補正しようとすると、やはり多数の正と
負の屈折力を有する屈折レンズを必要とすることにな
る。

【００２３】従って、本実施の形態は、光学系を屈折レ
ンズとミラー及び回折光学素子により構成している。回
折光学素子自体は像面湾曲を発生することがないため、
像面湾曲を支配するのは、ミラーと屈折レンズである。
また、ミラーは色収差補正には寄与しないため、色収差
補正には屈折レンズと回折光学素子が寄与する。従っ
て、屈折レンズ、ミラー、回折光学素子の３つの素子を
積極的に用いることで、高開口数及び広露光範囲を有す
る光学系において像面湾曲と色収差を同時に補正しつ
つ、簡素な構成を有する光学系が達成できるのである。

【００２４】また、本実施の形態は、前述したように最
終結像光学系はミラー以外の素子にて構成するのが良い
ので、特に高開口数と色収差補正及び諸収差の補正を同
時に達成するために屈折レンズと回折光学素子にて構成
している。最終結像光学系では、正の屈折レンズによ
り、大きなアンダーの色収差が発生する。従って、最終
結像光学系中に回折光学素子を有することで、最終結像
光学系により発生する色収差を抑えることができる。そ
の結果、第１結像光学系Ｇ１においては、第２結像光学
系において発生する色収差をキャンセルするための光学
系が少なくて済むことになり、簡素な構成が達成でき
る。また、第１結像光学系においてミラーを有している
ことにより、光学系全系においてペッツバール和を補正
することが容易となり、第２結像光学系における構成を
簡素化できる。

【００２５】また、第２結像光学系は、色収差を補正す
るために正の屈折力を有する回折光学素子を少なくとも
１枚以上有することで、通常の屈折レンズとは逆の分散
を有する回折光学素子により、第２結像光学系において
発生する色収差を低減するとともに、全系の色収差を良
好に補正することが可能となる。また、第２結像光学系
の正の屈折力を有する屈折レンズにより発生するアンダ
ーの像面湾曲（正のペッツバール和）を打ち消すため
に、第１結像光学系中には、正の屈折力を有するミラー
（凹面ミラー）を少なくとも１枚以上用いて構成してい
る。

【００２６】また、回折光学素子の少なくとも１枚は、
以下の条件式を満足するすることが好ましい。３＜ＭＰ／λ＜５０（９）但し、ＭＰ：回折光学素子の最小ピッチ（μｍ） λ：露光波長（μｍ）（９）式は、回折光学素子のピッチに関する条件式であ
り、上限を越えると回折光学素子のピッチが大きすぎて
その効果が十分に発揮されず色収差を十分に補正しつ
つ、簡素な構成を取ることができない。また下限を越え
ると、逆に回折光学素子のピッチが小さすぎてしまい、
作製することが困難になる。

【００２７】また、前記投影光学系中の前記回折光学素
子のうち少なくとも１枚は、以下の条件式を満足する位
置に配置されることが好ましい。｜Ｌｄ／ＬＧ２｜＜０．２（１０）但し、Ｌｄ：第２結像光学系中の開口絞りと回折光学素
子との距離ＬＧ２：第１結像光学系Ｇ１による近軸像面位置（第２
結像光学系Ｇ２の軸上物点位置）から中間像を再結像し
た際の、再結像面までの距離（１０）式は、回折光学素子と瞳（開口絞り）との距離
Ｌｄを規定したものである。上限を越えると、開口絞り
と回折光学素子との距離が離れてしまい、軸上色収差等
の色収差の補正が困難になるとともに、像面での露光む
らを少なくするのが難しくなる。更に、より一層望まし
くは、以下の条件式を満足することが望ましい。｜Ｌｄ／ＬＧ２｜＜０．１５（１０’）そして、本実施の形態では、以下の条件を満足すること
がより好ましい。第２結像光学系Ｇ２の倍率をβＧ２と
すると（但し、ＢＧ２は第１結像光学系の近軸像点（中
間像）とこれの（中間像）の再結像点に対応した横倍率
を示す）、 −０．５＜βＧ２＜−０．０５（１１）また、軸上の全光学距離をＬｏ、第１の物体１０１と第
１のミラーＭ１との距離をＬＭ１ととすると、０．１＜ＬＭ１／Ｌｏ＜０．５（１２）例えば図３において、Ｌｏとは以下の距離のことを示
す。Ｌｏ＝（物体面１０１から第１のミラーＭ１までの距
離）＋（第１のミラーＭ１から第２のミラーＭ２までの
距離）＋（第２のミラーＭ２から像面１０２までの距
離）上記（１１）式は、第２結像光学系の有効径を適正な値
にするとともに、光学系全系において所定の倍率を確保
するため、或いは第１結像光学系Ｇ１を容易に構成する
ために第２結像光学系Ｇ２の倍率を規定するものであ
る。下限を越えると、第２結像光学系Ｇ２の有効径が過
度に増大するとともに、中間像の高さ（第２結像光学系
Ｇ２における物体高）が小さくなるために、第１結像光
学系Ｇ１から第２結像光学系Ｇ２ヘと光束を導くことが
困難になる。上限を越えると、第２結像光学系Ｇ２の屈
折力が大きくなり、収差補正が困難になるとともに、中
間像の高さ（第２結像光学系Ｇ２における物体高）が過
度に増大してしまい好ましくない。

【００２８】また、上記（１２）式は、光学系の軸上の
全光学距離に対し、第１のミラーＭ１の位置を規定する
ものである。下限を越えると、第１結像光学系Ｇ１の屈
折力が増大してしまい、収差補正が困難になる。また、
上限を越えると、第１のミラーＭ１の有効径が過度に増
大してしまうとともに、第２結像光学系Ｇ２の屈折力が
増大してしまい、全系においてバランス良く収差補正す
ることができない。

【００２９】また、第１結像光学系Ｇ１による中間像付
近に視野絞りを設けることにより、露光範囲を制限する
ことも可能である。また、本実施の形態においては、光
源の波長は特に２００ｎｍ以下の露光波長、特にＡｒ
Ｆ、Ｆ２等の短波長領域において、使用することができ
る硝材が少なく通常の屈折レンズのみでは色補正が困難
であって、高開口数及び広い露光範囲が要求される投影
光学系を構成する際に特に有効となる。また、レンズや
回折光学素子は、ＡｒＦ、Ｆ２等の２００ｎｍ以下の短
波長領域では、合成石英（或いはフッ素ドープの石
英）、蛍石等の光透過性の高い材料を用いると良い。ま
た各光学素子は、Ｎ₂やＨｅなどの不活性ガスの雰囲気
中に配置しておくとよい。

【００３０】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
以下に示す各実施例の光学系は、ステップ＆リピート型
やステップ＆スキャン型の投影露光装置の投影光学系と
して用いるものであり、通常のリソグラフィーでは、こ
の露光装置によりデバイスパターンでウエハを露光し、
露光したウエハを現像し、エッチングを行う。［実施例１］本発明の実施例１におけるレンズ構成を図
３に示す。本実施例は、光学系中に、ミラー、レンズ、
回折光学素子を有しており、光学系中の焦点距離を有す
る光学素子は全て正の屈折力にて構成されている。そし
て、１０３は本実施例の光学系の光軸であって、少なく
とも第１の物体１０１の中間像を結像するための第１結
像光学系Ｇ１、該中間像を第２の物体１０２上に結像す
るための第２結像光学系Ｇ２により構成される２回結像
光学系であり、第１結像光学系Ｇ１はミラーと屈折レン
ズにて構成され、第２結像光学系Ｇ２は屈折レンズと回
折光学素子とで構成されている。

【００３１】更に詳細に説明すると、物体側から順に、
正の屈折力を有する屈折レンズ群Ｌ１、ミラーを有する
群Ｌ２、フィールドレンズ群Ｆ、及び第２結像光学系Ｇ
２より構成され、屈折レンズ群Ｌ１を構成する屈折レン
ズは正の屈折力を有するとともに、群Ｌ２は、第１のミ
ラーである凹面鏡Ｍ１、第２のミラーである凹面鏡Ｍ２
にて構成されており、両ミラーともに凹面鏡であるため
に正の屈折力を有している。また、フィールドレンズ群
Ｆを構成する屈折レンズ及び第２結像光学系Ｇ２を構成
する屈折レンズも同様に正の屈折力を有する。また第２
のミラーＭ２により反射された第１のミラーＭ１からの
光束は第１のミラーＭ１の有効径外を通過するととも
に、本実施例の光学系は光軸を唯１つ有している。この
ような構成をとることにより、瞳の中心部分の遮光（中
抜け）が生じることのない投影光学系を構成することが
できる。

【００３２】図１４は、本実施例による投影光学系の実
施例のレンズ断面図を示している。投影倍率は１／４倍
であり、基準波長は１５７ｎｍ、硝材としては蛍石を用
いている。本実施例は、像側の開口数はＮＡ＝０．６、
縮小倍率１／４、物像間距離（第１の物体面〜第２の物
体面）はＬ＝約１１６０ｍｍである。又、基準波長は１
５７ｎｍ、像高がおよそ１１．２５〜１６．２５ｍｍの
範囲にて収差補正されており、少なくとも像面上で長さ
方向で２６ｍｍ、幅で４ｍｍ程度の円弧状の露光領域を
確保できる。また、本実施例の縦及び横収差図を図９に
示す。尚、収差図は基準波長及び±１ｐｍの波長につい
て表示している。

【００３３】本実施例の具体的な光学系の構成を説明す
る。屈折レンズ群Ｌ１は、物体側から順に、像側に凸面
を向けた略平凸形状の非球面正レンズ、両凸形状の非球
面正レンズ、よりなる。主に、テレセン度や歪曲収差の
補正等に寄与している。２枚のミラーを含む群Ｌ２は、
屈折レンズ群Ｌ１からの光束が通過する順番に、物体側
に凹面を向けた非球面ミラー、像側に凹面を向けた非球
面ミラー、よりなる。これらのミラーにより、オーバー
方向の像面湾曲を発生させることで、第２結像光学系Ｇ
２のアンダー方向の像面湾曲をキャンセルしている。ま
た、Ｌ１、Ｌ２群により、第１のミラーＭ１付近に中間
像を形成している。

【００３４】第１結像光学系Ｇ１による、第１の物体１
０１の中間像付近に配置されたフィールドレンズ群Ｆ
は、両凸形状の非球面正レンズにより構成されており、
第１結像光学系Ｇ１からの光束を第２結像光学系Ｇ２に
導くとともに、主に歪曲収差を補正している。第２結像
光学系Ｇ２は、物体側から順に、正の屈折力を有する回
折光学素子、開口絞り、正の屈折力を有する回折光学素
子、両凸形状の２枚の非球面正レンズ、物体側に凸面を
向けた非球面正レンズ、よりなる。

【００３５】回折光学素子は２枚とも最小ピッチがおよ
そ２μｍ程度である。即ち、この回折光学素子を階段状
にて近似する、いわゆるバイナリオプティクスにて構成
する場合、８段形状とすればその１段分の幅はおよそ
０．２５μｍ程度となり、ＫｒＦ等の光源を有する半導
体露光装置を用いれば十分作製可能である。これらの回
折光学素子により、主に第２結像光学系Ｇ２により大き
く発生するアンダーの軸上色収差を補正するとともに、
全系の倍率の色収差のバランスを補正し、更にその非球
面効果により、主に球面収差やコマ収差の補正に寄与し
ている。

【００３６】尚、フィールドレンズ群Ｆは、第１結像光
学系Ｇ１及び第２結像光学系Ｇ２のどちらか一方或いは
両方に属する（即ちＦ内にて中間像を形成）場合が考え
られるため、ここでは、あえて第１結像光学系Ｇ１と第
２結像光学系Ｇ２以外の群として示している。従って、
場合によってはどちらかの結像光学系に属すると考えて
も本発明の主旨からは外れるものではない。又、本実施
例においては、フィールドレンズ群Ｆを第２結像光学系
Ｇ２の一部と考えて良い。

【００３７】以上の実施例からもわかるように、本発明
の光学系の構成をとることにより、構成枚数が少なくか
つ諸収差が良好に補正された光学系を達成することがで
きる。また、以上の実施例において、円錐定数ｋをゼロ
としたが、円錐定数を変数にとって設計しても構わな
い。又、今回の実施例は、１５７ｎｍにおける硝材とし
てすべて蛍石を用いたが、１５７ｎｍにて使用可能な、
例えばフッ素ドープの石英等、他の硝材を用いることが
できればその硝材を用いても構わない。また、ＫｒＦや
ＡｒＦ光源の場合、蛍石と石英を混在して用いても構わ
ないし、どちらか一方を用いても構わない。

【００３８】また、ここでは露光光源として１５７ｎｍ
のＦ２波長を用いたが、ＫｒＦ波長或いは、ＡｒＦレー
ザー波長等でも構わない。特に、波長が短くなり、用い
ることができる光学材料が限られるとともに透過率が低
く、光学系の構成枚数を少なくしなければならないよう
な光学系に用いる場合に特に有効となる。従って、２５
０ｎｍ以下の波長にて用いられる光学系には非常に有効
である。

【００３９】また、本実施例では、非球面の加工面の裏
面が球面である非球面レンズを用いたが、非球面の加工
面の裏面が平面或いは非球面であっても構わない。ま
た、実施例中の屈折レンズは、全て非球面レンズである
が、球面レンズと混在して用いても構わない。第１のミ
ラーＭ１及び第２のミラーＭ２は非球面としたが、球面
で構成しても構わない。但し少ない枚数にて構成し、か
つ高解像力を有するためには、非球面であることが望ま
しい。また、第２のミラーＭ２は平面ミラーとして構成
してもよい。また、平面ミラーに非球面を施しても構わ
ない。少なくとも、光学系中に１枚は非球面レンズ或い
は非球面ミラーを用いることが望ましい。非球面を用い
ることによって、諸収差を良好に補正できるとともに枚
数の削減にも寄与することができる。

【００４０】また、本実施例においては、回折光学素子
を２枚用いたが、特に回折光学素子の使用枚数を制限す
るものではない。即ち１枚のみでもいいし、多数枚用い
ても構わない。回折光学素子をバイナリオプティクスに
て構成する場合、その段数は８段形状以外でも構わな
い。本実施例では露光領域は円弧状としたが、収差補正
されている露光領域内であれば矩形でも他の形状でも構
わない。式（１０）〜（１２）に対応する値を以下の表
１に示す。

【００４１】

【表１】［実施例２］図４は、本発明による投影光学系の実施例
２の概略図である。第１結像光学系Ｇ１は、少なくとも
物体側より順に屈折レンズを有する群Ｌ１、２枚の対向
して配置されたミラーを有する群Ｌ２により構成されて
いる。また、群Ｌ２は、第１のミラーＭ１、第２のミラ
ーＭ２により構成されている。そして第１の物体１０１
からの光束を第１結像光学系Ｇ１にて結像し、中間像を
形成する。その際、第１のミラーＭ１の有効径外を、第
１の物体１０１からの軸外光束が通過する構成をとって
いる。そして第１結像光学系Ｇ１により結像した中間像
を、屈折レンズ及び回折光学素子により構成されている
第２結像光学系Ｇ２により、第２の物体１０２上に所定
の倍率にて結像する。そして、物体面１０１と像面１０
２は光学系の両端に配置されている。以上のような構成
とすることで、本実施例の光学系は一つの光軸１０３を
有するとともに瞳の遮光のない軸外光束を結像するとと
もに、構成枚数が少なく性能の良好な光学系を達成して
いる。

【００４２】本実施例の具体的なレンズ構成を図１５に
示す。図中、Ｄ１、Ｄ２は回折光学素子を示す。本実施
例は、像側の開口数はＮＡ＝０．６、縮小倍率１／４、
物像間距離（第１の物体面〜第２の物体面）はＬ＝約１
１６０ｍｍである。又、基準波長は１５７ｎｍ、像高が
およそ１１．２５〜１６．２５ｍｍの範囲にて収差補正
されており、少なくとも長さ方向で２６ｍｍ、幅で５ｍ
ｍ程度の円弧状の露光領域を確保できる。また、本実施
例の縦及び横収差図を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。
尚、収差図は基準波長及び±１ｐｍの波長について表示
している。

【００４３】屈折レンズ群Ｌ１は、物体側より順に、物
体側に凹面を向けたメニスカス形状の非球面正レンズ、
像面側に凸面を向けた略平凸形状の非球面正レンズより
なる。この屈折レンズ群Ｌ１により、主にテレセン度と
歪曲収差のバランスを良好にするとともに、第１の物体
からの軸外光束を第１のミラーＭ１へと導いている。第
１のミラーＭ１は、物体側に凹面を向けた凹面鏡にて構
成されており、正の屈折力を有するとともに、像面湾曲
を正方向に出して、第２結像光学系により発生する負の
像面湾曲を打ち消す働きを有する。第２のミラーＭ２
は、像側に凹面を向けた凹面鏡にて構成されており、第
１の物体１０１上の軸外光束を第１のミラーＭ１の有効
径外へと導いている。また第１結像光学系により結像さ
れる中間像は、第１のミラーＭ１の有効径外の近傍に形
成されている（本実施例では第２のミラーＭ２から第２
結像光学系Ｇ２方向に反射した光束は、第１のミラーＭ
１の有効径外より少しＭ２よりに形成されている）。本
実施例のような構成を取ることにより、第１のミラーＭ
１からの反射光束と、第２のミラーＭ２からの反射光束
との分離を容易に達成することができる。また本実施例
においては、中間像付近に１枚の両凸形状の非球面レン
ズをフィールドレンズ群Ｆとして配置している。

【００４４】図１５に示すように、中間像付近にフィー
ルドレンズ群Ｆを配置することにより、２枚のミラーを
含む群Ｌ２におけるミラーの屈折力を過度に大きくする
ことなく、そして第２のミラーＭ２からの光束を、第１
のミラーＭ１及び屈折レンズ群Ｒと分離するのにより有
効である。また、このフィールドレンズ群Ｆは正の屈折
力を有するのが好ましく、第１結像光学系Ｇ１からの光
束を第２結像光学系Ｇ２に屈折させることで第２結像光
学系Ｇ２の有効径が大型化しないように機能して、第２
結像光学系の有効径を小型化することができる。また中
間像付近に配置されるために、特に歪曲収差等の軸外収
差の補正に有効になる。尚、このフィールドレンズ群Ｆ
は、一般に第１結像光学系Ｇ１及び第２結像光学系Ｇ２
のどちらか一方或いは両方に属する（即ちフィールドレ
ンズ群Ｆ内にて中間像を形成）場合が考えられる。従っ
て、フィールドレンズ群Ｆは、どちらかの結像光学系に
属すると考えても本発明の主旨から外れるものではな
い。

【００４５】第２結像光学系Ｇ２は、物体側から順に、
正の屈折力を有する回折光学素子、開口絞り、正の屈折
力を有する回折光学素子、両凸形状の非球面正レンズ、
物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズ、像側
に凹面を向けたメニスカス形状の負レンズ、両凸形状の
非球面正レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状
の非球面正レンズ、よりなる。この第２結像光学系Ｇ２
は、フィールドレンズ群Ｆからの光束を第２の物体面上
１０２に結像するために縮小系を構成している。尚、回
折光学素子の最小ピッチは、２枚の回折光学素子ともに
約２．５μｍである。従って、例えばバイナリオプティ
クスによりこの回折光学素子を作製した場合、１ピッチ
を構成する段数を８段とすると、この回折光学素子の最
小ピッチにおいて必要な最小線幅は約０．３１μｍとな
る。以上のような構成を取ることにより、非常に構成が
シンプルで、かつ色補正や他の収差補正も良好な反射屈
折光学系を達成することができる。

【００４６】尚、本実施例ではフィールドレンズ群Ｆを
１枚のみで構成された場合を示したが、複数枚にて構成
されていても構わない。またフィールドレンズ群Ｆがな
くても構わない。また、式（１０）〜（１２）に対応す
る値を以下の表２に示す。

【００４７】

【表２】［実施例３］図５は、本発明による投影光学系の実施例
３の概略図である。図５中、第１結像光学系Ｇ１は、少
なくとも物体側より順に屈折レンズを有する群Ｌ１、少
なくとも２枚のミラーを有する群Ｌ２により構成されて
いる。また、群Ｌ２は、第１のミラーＭ１、第２のミラ
ーＭ２及び屈折レンズ群Ｒにより構成されている。この
屈折レンズ群Ｒは、第１の物体１０１からの入射光束と
第１のミラーＭ１からの反射光束との両方を透過する、
即ち往復光学系を形成している。そして、第１の物体１
０１からの光束を、第２のミラーＭ２へと導いて像面方
向に反射させた後、中間像を形成する。その際、第１の
ミラーＭ１の有効径外を、第１の物体１０１からの軸外
光束が通過する構成をとっている。そして第１結像光学
系Ｇ１により結像した中間像を、フィールドレンズ群Ｆ
を経由して、屈折レンズ及び回折光学素子により構成さ
れている第２結像光学系Ｇ２により第２の物体１０２上
に所定の倍率にて結像する。

【００４８】実施例３の具体的なレンズ構成を図１６に
示す。本実施例は、像側の開口数はＮＡ＝０．６、縮小
倍率１／４、物像間距離（第１の物体面〜第２の物体
面）はＬ＝約１１９５ｍｍである。又、基準波長は１５
７ｎｍ、像高がおよそ１１．２５〜１６．７５ｍｍの範
囲にて収差補正されており、少なくとも長さ方向で２６
ｍｍ、幅で５ｍｍ程度の円弧状の露光領域を確保でき
る。また、本実施例の縦及び横収差図を図１１（ａ）、
（ｂ）に示す。尚、収差図は基準波長及び±２ｐｍの波
長について表示している。

【００４９】屈折レンズ群Ｌ１は、物体側より順に、物
体側に凹面を向けたメニスカス形状の非球面正レンズ、
両凸形状の非球面正レンズよりなる。屈折レンズ群Ｌ１
により、主にテレセン度と歪曲収差のバランスを良好に
するとともに、往復光学系Ｒ及び第１のミラーＭ１に向
かって光束を導いている。往復光学系である屈折レンズ
群Ｒは物体側に凹面を向けたメニスカス形状の非球面負
レンズにより構成されている。この負レンズにより、第
２結像光学系Ｇ２にて発生する主に像面湾曲及び軸上色
収差をバランスよく補正しているとともに球面収差及び
コマ収差等を補正している。

【００５０】第１のミラーＭ１は、物体側に凹面を向け
た凹面鏡にて構成されており、正の屈折力を有するとと
もに、像面湾曲を正方向に出して第２結像光学系の正の
屈折レンズにより発生している負の像面湾曲を打ち消す
働きを有する。第２のミラーＭ２は、像側に凹面を向け
た凹面鏡にて構成されており、第１の物体１０１上の軸
外光束を第１のミラーＭ１の有効径外へと導いている。
中間像は、第１のミラーＭ１の有効径外の近傍に形成さ
れている。また、中間像付近に１枚の両凸形状の非球面
レンズをフィールドレンズ群Ｆとして配置している。

【００５１】第２結像光学系Ｇ２は、物体側から順に、
正の屈折力を有する回折光学素子、開口絞り、正の屈折
力を有する回折光学素子、像側に凹面を向けたメニスカ
ス形状の非球面正レンズ、両凸形状の非球面正レンズ、
物体側に凸面を向けた非球面レンズ、よりなる。この第
２結像光学系Ｇ２は、フィールドレンズ群Ｆからの光束
を第２の物体面上１０２に結像するために縮小系を構成
している。

【００５２】尚、回折光学素子の最小ピッチは、２枚の
回折光学素子ともに約２．０μｍである。従って、バイ
ナリオプティクスによりこの回折光学素子を作製した場
合、１ピッチを構成する段数を８段とすると、この回折
光学素子の最小ピッチにおいて必要な最小線幅は約０．
２５μｍとなる。以上のような構成を取ることにより、
非常に構成がシンプルで、かつ色補正や他の収差補正も
良好な反射屈折光学系を達成することができる。

【００５３】尚、本実施例においては、第１のミラーＭ
１付近に屈折レンズ群Ｒを配置したが、第２のミラーＲ
付近に配置しても構わない。即ち、図６（ａ）に示すよ
うに、第１のミラーＭ１からの反射光束と第２のミラー
の反射光束とを透過する位置に配置しても構わない。ま
た、その他の形態として、図６（ｂ）〜（ｄ）にその一
例を示す。図６（ｂ）は、屈折レンズ群Ｌ１からの光束
と、第１のミラーＭ１からの反射光束及び第２のミラー
の反射光束を透過するように配置されている。また、図
６（ｃ）、（ｄ）は、屈折レンズの一部分が反射鏡とな
っており、この場合、屈折レンズ群Ｌ１と第２のミラー
Ｍ２を一つの屈折レンズにて構成することができる。

【００５４】尚、屈折レンズ群Ｒは、２枚のミラーを含
む群Ｌ２の範囲において、どこに配置しても、又何枚配
置しても構わない。しかしながら、群Ｌ２の範囲に屈折
レンズを極力少なく配置することが、光学系を簡素化す
る観点からはより望ましい。また、第２のミラーＭ２は
凹面鏡でも平面鏡でも或いは凸面鏡でも構わない。しか
しながら、第１のミラーの屈折力を分担するためにも凹
面鏡であることがより好ましい。また、式（１０）〜
（１２）に対応する値を以下の表３に示す。

【００５５】

【表３】［実施例４］図７は、本発明による投影光学系の実施例
４の概略図である。第１結像光学系Ｇ１は、少なくとも
物体側より順に屈折レンズを有する群Ｌ１、少なくとも
１枚の凹面鏡５０１を有する群Ｌ２により構成されてい
る。そして第１の物体１０１からの光束を第１結像光学
系Ｇ１にて結像し、中間像を形成する。その際、第１結
像光学系Ｇ１による中間像付近に反射面５０２を配置し
て光束を偏向させることにより、第１の物体１０１から
の軸外光束と凹面鏡５０１からの光束を分離し、屈折レ
ンズと回折光学素子にて構成されている第２結像光学系
Ｇ２へと導いている。第２結像光学系Ｇ２は屈折レンズ
と回折光学素子により構成されている。

【００５６】実施例４の具体的なレンズ構成を図１７に
示す。本実施例は、像側の開口数はＮＡ＝０．６、縮小
倍率１／４である。又、基準波長は１５７ｎｍ、像高が
およそ１１．２５〜１６．２５ｍｍの範囲にて収差補正
されており、像高は５ｍｍ〜１８．６ｍｍ程度までのリ
ングフィールド領域を確保している。また、本実施例の
縦及び横収差図を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。尚、収
差図は基準波長及び±２０ｐｍの波長について表示して
いる。物体側から順に、両凸形状の非球面正レンズ、両
凹形状の非球面正レンズよりなる、屈折レンズ群Ｌ１
は、これら２枚の屈折レンズにより構成されている。そ
して１枚の凹面鏡を含む群Ｌ２は、物体側より順に、両
凸形状の非球面正レンズ、凹面を物体側に向けた非球面
負レンズ、凹面鏡、よりなる。両凸形状の非球面正レン
ズ及び凹面を物体側に向けた非球面負レンズは、往復光
学系Ｒ５を構成しており、群Ｌ１からの光束と、凹面鏡
を反射した光束とを透過している。

【００５７】図７中、５０２は、反射面を示しており、
ここでは光軸５０３を９０度偏向させる役割を持つ。第
１結像光学系Ｇ１の中間像は、この反射面５０２付近に
形成される。第２結像光学系Ｇ２は物体側から順に、像
面に凸面を向けた非球面正レンズ、正の屈折力を有する
回折光学素子、開口絞り、正の屈折力を有する回折光学
素子、中間像に凸面を向けた略平凸形状を有する非球面
正レンズ、２枚の両凸形状の非球面正レンズ、よりな
る。尚、回折光学素子の最小ピッチは、像面から遠い順
に約２．２５μｍ、２．２０μｍ程度である。従って、
バイナリオプティクスによりこの回折光学素子を作製し
た場合、１ピッチ当りの段数を８段にて構成すると、こ
の回折光学素子の最小ピッチにおいて必要な最小線幅
は、約０．２８μｍ、０．２７μｍ程度となる。

【００５８】尚、本実施例は、群Ｌ２中に往復光学系Ｒ
５を用いたが、図８が示すように、用いなくとも構わな
い。また、平面ミラーを第２結像光学系中に配置するこ
とにより、物体面１０１と像面１０２を平行に配置して
もよい。また、式（１０）〜（１２）に対応する値を以
下の表４に示す。

【００５９】

【表４】［実施例５］本実施例も実施例１と同様に光学系中にミ
ラー、レンズ、回折光学素子を有しており光学系中の焦
点距離を有する光学素子はすべて正の屈折力を有してい
る。実施例１との主な差異は、光学系の倍率が異なる点
である。本実施例の具体的なレンズ構成を図１８に示
す。図中、Ｄ１、Ｄ２は回折光学素子を示す。本実施例
は、像側の開口数はＮＡ＝０．６、縮小倍率１／６、物
像間距離（第１の物体面〜第２の物体面）はＬ＝１１８
０ｍｍである。また、基準波長は１５７ｎｍ、像高がお
よそ７．５〜１０．８３ｍｍの範囲にて収差補正されて
いる。また、本実施例の縦及び横収差図を図１３
（ａ），（ｂ）に示す。尚、収差図は基準波長及び±１
ｐｍの波長について表示している。屈折レンズ群Ｌ１は
物体側より順に、両凸形状の非球面正レンズよりなる。
ミラーを含む群Ｌ２は、第１のミラーＭ１と第２のミラ
ーＭ２とで構成されている。第１のミラーＭ１及び第２
のミラーＭ２は、物体側に凹面を向けた凹面鏡にて構成
されている。第２結像光学系は、物体側から順に、物体
側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面正レンズ（本
レンズをフィールド光学系と考えて、第２結像系に含め
なくてもどちらでも構わない）、正の屈折力を有する回
折光学素子Ｄ１、開口絞り、正の屈折力を有する回折光
学素子Ｄ２、両凸形状を有する２枚の非球面正レンズ、
凸面を物体側に向けた非球面正レンズ、よりなる。尚、
回折光学素子の最小ピッチは、２枚の回折光学素子とも
に約２．０μｍである。従って、例えばバイナリオプテ
ィクスによりこの回折光学素子を作製した場合、１ピッ
チを構成する段数を８段とすると、この回折光学素子の
最小ピッチにおいて必要な最小線幅は約２．５μｍとな
る。また、式（１０）〜（１２）に対応する値を以下の
表５に示す。

【００６０】

【表５】以上の実施例において、屈折力を有する全てのミラーは
非球面にて形成されているが、必ずしも全て非球面であ
る必要はない。即ち球面ミラーを用いて構成しても構わ
ない。但し、非球面を用いることによって諸収差をより
良好に補正することが可能である。また、円錐定数ｋを
ゼロとした非球面があるが、円錐定数を変数にとって設
計しても構わない。また、屈折レンズを形成する２面の
うちの１面を非球面化したが、両面非球面、或いは非球
面加工面の裏面を平面としても構わない。また、平行平
面板の１面或いは両面を非球面化しても構わない。

【００６１】更に、今回は露光光源として１５７ｎｍの
Ｆ２波長を用いたが、ＡｒＦ波長等でも構わない。即
ち、波長が短くかつ使用できる硝材が数少ない場合、特
に２００ｎｍ以下の波長において本発明は非常に有効で
ある。更に、今回の実施例は、硝材としてすべて蛍石を
用いたが、Ｆ２波長において有効な硝材ができればそれ
を用いても構わない。またＡｒＦ波長等では石英と蛍石
を両方とも用いることでより良好な収差補正が期待でき
る。もちろん、どちらか一方の硝材だけを用いることも
可能である。また、光学系全系の倍率は、本実施例にお
いては全て１／４倍としたが、別の倍率でも構わない。
例えば、１／６倍や１／８倍等や他の倍率でも構わな
い。

【００６２】また、本実施例においては、回折光学素子
を２枚用いたが、特に回折光学素子の使用枚数を制限す
るものではない。即ち１枚のみでもいいし、多数枚用い
ても構わない。また、複数枚用いる場合には、同じ位相
関数を有する回折光学素子を複数枚用いても構わない。
更に、本発明における実施例では露光領域は円弧状とし
たが、像面上での全露光範囲内であれば矩形でも他の形
状でも構わない。

【００６３】以下に、上記の実施例１〜実施例５の数値
実施形態の構成諸元を、それぞれの実施例に対応させて
表６〜表１０に示す。なお、数値実施形態において、ｒ
ｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄ
ｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、
ｎｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズの硝子の屈折率
を示すものとする。また、Ｆ２の基準波長に対する＋２
ｐｍ及び−２ｐｍの波長の屈折率は、各々１．５５９９
９４９、１．５６０００５１である。また、非球面の形
状は次式、にて与えられるものとする。ここに、Ｘはレンズ頂点か
ら光軸方向への変位量、Ｈは光軸からの距離、ｒｉは曲
率半径、ｋは円錐定数、Ａ，…，Ｇは非球面係数であ
る。回折光学素子の位相関数φ（ｒ）は、以下のように
与えられる。但し、ｒは光軸からの距離、λは数値実施
例においては設計波長を示している。

【００６４】

【表６】〈実施例１〉

【００６５】

【表７】〈実施例２〉

【００６６】

【表８】〈実施例３〉

【００６７】

【表９】〈実施例４〉

【００６８】

【表１０】〈実施例５〉

【００６９】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明による
と、高開口数と広い露光領域を確保することができる投
影光学系を達成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における投影光学系を説明
するための概略図。

【図２】本発明の実施の形態における投影光学系を説明
するための概略図。

【図３】本発明の実施例１における投影光学系を説明す
るための概略図。

【図４】本発明の実施例２における投影光学系を説明す
るための概略図。

【図５】本発明の実施例３における投影光学系を説明す
るための概略図。

【図６】本発明の実施例３における投影光学系を説明す
るための概略図。

【図７】本発明の実施例４における投影光学系を説明す
るための概略図。

【図８】本発明の実施例４における投影光学系を説明す
るための概略図。

【図９】本発明の実施例１における投影光学系の収差
図。

【図１０】本発明の実施例２における投影光学系の収差
図。

【図１１】本発明の実施例３における投影光学系の収差
図。

【図１２】本発明の実施例４における投影光学系の収差
図。

【図１３】本発明の実施例５における投影光学系の収差
図。

【図１４】本発明の実施例１におけるレンズ構成の断面
図。

【図１５】本発明の実施例２におけるレンズ構成の断面
図。

【図１６】本発明の実施例３におけるレンズ構成の断面
図。

【図１７】本発明の実施例４におけるレンズ構成の断面
図。

【図１８】本発明の実施例５におけるレンズ構成の断面
図。

【符号の説明】

Ｇ１：第１結像光学系Ｇ２：第２結像光学系Ｌ１：屈折レンズ群Ｌ２：２枚のミラーを含む群Ｆ：フィールドレンズ群Ｍ１：第１のミラーＭ２：第２のミラー１０１：第１の物体（レチクル）１０２：第２の物体（ウエハ）１０３：光軸５０１：第１のミラー（凹面鏡）５０２：ミラー

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年３月２２日（２００１．３．２
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、つぎの（１）〜（１６）のように構成し
た投影光学系を提供するものである。（１）物体の像を
像面へ投影する投影光学系において、少なくとも一つの
レンズと、少なくとも一つの凹面鏡と、少なくとも一つ
の回折光学素子とを有することを特徴とする投影光学
系。（２）投影光学系において、少なくとも１つのレン
ズ、少なくとも１つの凹面鏡、及び少なくとも１つの回
折光学素子のそれぞれが、正の屈折力を有し、負の屈折
力を有するレンズと負の屈折力を有する鏡と負の屈折力
を有する回折光学素子とを備えていないことを特徴とす
る投影光学系。（３）少なくとも一つの正の屈折力のレ
ンズと、少なくとも一つの正の屈折力の凹面鏡と、少な
くとも一つの正の屈折力の回折光学素子とを有すること
を特徴とする投影光学系。（４）前記少なくとも一つの
レンズと前記少なくとも一つの凹面鏡を備え、前記物体
の中間像を結像するように構成した第１結像光学系と、
前記少なくとも一つのレンズと少なくとも一つの回折光
学素子を備え、前記中間像を像面へ投影する第２結像光
学系と、を有することを特徴とする上記（１）〜（３）
のいずれかに記載の投影光学系。（５）前記第１結像光
学系と第２結像光学系とを共通の一直線の光軸に沿って
配置し、前記凹面鏡によって反射され且つ集光された前
記物体からの軸外光を、反射ミラーによって前記凹面鏡
の有効径外を通過させ、像面側へ反射させるように構成
されていることを特徴とする上記（４）に記載の投影光
学系。（６）前記第１結像光学系と第２結像光学系との
間にフイールド光学系を有することを特徴とする上記
（４）または上記（５）に記載の投影光学系。（７）前
記第１結像光学系は、前記物体に近い順に、少なくと
も、正の屈折力を有するレンズと、前記反射ミラーと、
前記凹面鏡と、を有することを特徴とする上記（５）ま
たは上記（６）に記載の投影光学系。（８）前記反射ミ
ラーと前記凹面鏡との間に、レンズ群を有することを特
徴とする上記（７）に記載の投影光学系。（９）前記レ
ンズ群が、負の屈折力を有し、前記第１結像光学系にお
ける正の屈折力を有するレンズと前記凹面鏡との間に配
置されていることを特徴とする上記（８）に記載の投影
光学系。（１０）前記第１結像光学系により結像される
中間像の近傍に反射面を配置し、前記凹面鏡によって反
射され且つ集光された前記物体からの軸外光を、該反射
面で偏向させて前記第２結像光学系へ導くように構成さ
れていることを特徴とする上記（４）に記載の投影光学
系。（１１）前記投影光学系中の前記回折光学素子の少
なくとも１枚は、以下の条件式を満足するように構成さ
れていることを特徴とする上記（１）〜（１０）のいず
れかに記載の投影光学系。３＜ＭＰ／λ＜５０但し、Ｍ
Ｐ：回折光学素子の最小ピッチ（μｍ）λ：露光波長
（μｍ）（１２）前記投影光学系中の前記回折光学素子
のうち少なくとも１枚は、以下の条件式を満足するよう
に構成されていることを特徴とする上記（１）〜（１
０）のいずれかに記載の投影光学系。｜Ｌｄ／ＬＧ２｜
＜０．２但し、Ｌｄ：第２結像光学系中の開口絞りと回
折光学素子との距離ＬＧ２：第１結像光学系Ｇ１による
中間像の近軸像面位置（第２結像光学系Ｇ２の物点位
置）から、中間像を再結像した際の、再結像面までの距
離（１３）前記第１結像光学系による中間像付近に視野
絞りを有することを特徴とする上記（３）〜（１２）の
いずれかに記載の投影光学系。（１４）上記（１）〜
（１３）のいずれかに記載の投影光学系によってマスク
のパターンを基板上に投影する投影露光装置。（１５）
上記（１４）に記載の投影露光装置を用いて前記マスク
としてのレチクルのデバイスパターンを前記基板として
のウェハに露光する段階と、該露光したウェハを現像す
る段階とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。
（１６）前記露光にＡｒＦエキシマレーザ又はＦ２レー
ザからのレーザ光を用いることを特徴とする上記（１
５）に記載のデバイス製造方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者寺沢千明東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2H087 KA21 RA46 TA01 TA04 TA06 2H097 AA03 CA13 LA10 5F046 BA04 BA05 CA03 CA04 CB03 CB12 CB25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体の像を像面へ投影する投影光学系にお
いて、少なくとも一つのレンズと、少なくとも一つの凹
面鏡と、少なくとも一つの回折光学素子とを有すること
を特徴とする投影光学系。
【請求項２】前記少なくとも１つのレンズ、少なくとも
１つの凹面鏡、及び少なくとも１つの回折光学素子のそ
れぞれが、正の屈折力を有し、負の屈折力を有するレン
ズと負の屈折力を有する鏡と負の屈折力を有する回折光
学素子とを備えていないことを特徴とする請求項１に記
載の投影光学系。
【請求項３】少なくとも一つの正の屈折力のレンズと、
少なくとも一つの正の屈折力の凹面鏡と、少なくとも一
つの正の屈折力の回折光学素子とを有することを特徴と
する投影光学系。
【請求項４】前記少なくとも一つのレンズと前記少なく
とも一つの凹面鏡を備え、前記物体の中間像を結像する
ように構成した第１結像光学系と、前記少なくとも一つのレンズと少なくとも一つの回折光
学素子を備え、前記中間像を像面へ投影する第２結像光
学系と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
に記載の投影光学系。
【請求項５】前記第１結像光学系と第２結像光学系とを
共通の一直線の光軸に沿って配置し、前記凹面鏡によっ
て反射され且つ集光された前記物体からの軸外光を、反
射ミラーによって前記凹面鏡の有効径外を通過させ、像
面側へ反射させるように構成されていることを特徴とす
る請求項４に記載の投影光学系。
【請求項６】前記第１結像光学系と第２結像光学系との
間にフイールド光学系を有することを特徴とする請求項
４または請求項５に記載の投影光学系。
【請求項７】前記第１結像光学系は、前記物体に近い順
に、少なくとも、正の屈折力を有するレンズと、前記反
射ミラーと、前記凹面鏡と、を有することを特徴とする
請求項５または請求項６に記載の投影光学系。
【請求項８】前記反射ミラーと前記凹面鏡との間に、レ
ンズ群を有することを特徴とする請求項７に記載の投影
光学系。
【請求項９】前記レンズ群が、負の屈折力を有し、前記
第１結像光学系における正の屈折力を有するレンズと前
記凹面鏡との間に配置されていることを特徴とする請求
項８に記載の投影光学系。
【請求項１０】前記第１結像光学系により結像される中
間像の近傍に反射面を配置し、前記凹面鏡によって反射
され且つ集光された前記物体からの軸外光を、該反射面
で偏向させて前記第２結像光学系へ導くように構成され
ていることを特徴とする請求項４に記載の投影光学系。
【請求項１１】前記投影光学系中の前記回折光学素子の
少なくとも１枚は、以下の条件式を満足するように構成
されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか
１項に記載の投影光学系。３＜ＭＰ／λ＜５０但し、ＭＰ：回折光学素子の最小ピッチ（μｍ） λ：露光波長（μｍ）
【請求項１２】前記投影光学系中の前記回折光学素子の
うち少なくとも１枚は、以下の条件式を満足するように
構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれ
か１項に記載の投影光学系。｜Ｌｄ／ＬＧ２｜＜０．２但し、Ｌｄ：第２結像光学系中の開口絞りと回折光学素
子との距離ＬＧ２：第１結像光学系Ｇ１による中間像の近軸像面位
置（第２結像光学系Ｇ２の物点位置）から、中間像を再
結像した際の、再結像面までの距離
【請求項１３】前記第１結像光学系による中間像付近に
視野絞りを有することを特徴とする請求項３〜１２のい
ずれか１項に記載の投影光学系。
【請求項１４】請求項１〜１３のいずれか１項に記載の
投影光学系によってマスクのパターンを基板上に投影す
る投影露光装置。
【請求項１５】請求項１４に記載の投影露光装置を用い
て前記マスクとしてのレチクルのデバイスパターンを前
記基板としてのウェハに露光する段階と、該露光したウ
ェハを現像する段階とを含むことを特徴とするデバイス
製造方法。
【請求項１６】前記露光にＡｒＦエキシマレーザ又はＦ
２レーザからのレーザ光を用いることを特徴とする請求
項１５に記載のデバイス製造方法。