JP2002169098A - 結像光学系及び該光学系を備える深紫外光用顕微鏡光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】諸収差、特に軸上色収差及び倍率色収差を良好
に補正し、且つ、製造の容易な結像光学系及び該光学系
を備える深紫外光用顕微鏡光学系を提供すること。 【解決手段】 無限遠補正型の深紫外光用顕微鏡光学系
に用いられる結像光学系において、該結像光学系は、正
の屈折力を有する第１結像レンズ群Ｇ１０と、負の屈折
力を有する第２結像レンズ群Ｇ２０とを有し、前記第１
結像レンズ群Ｇ１０は、正の屈折力を有する第１の硝材
から成るレンズ成分Ｌ１０１と、前記第１の硝材の分散
よりも小さな分散を有し、負の屈折力を有する第２の硝
材から成るレンズ成分Ｌ２０２とにより構成され、前記
第２結像レンズ群Ｇ２０は、負の屈折力を有する前記第
１の硝材から成るレンズ成分Ｌ２０１と、正の屈折力を
有する前記第２の硝材から成るレンズ成分Ｌ２０２とに
より構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結像レンズ及び該
レンズを備える顕微鏡光学系、特にランプ光源を用いて
深紫外光（以下、「ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）光」
という。）により半導体素子の製造工程におけるウエハ
を観察するＤＵＶ光用顕微鏡光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の微細化技術の発達に
より、そのデザインルールは細線化している。そして、
可視光やｉ線を光源とする顕微鏡では解像できなくなっ
ている。このため、ｉ線より短波長であるＤＵＶ光を用
いる顕微鏡が開発されている。ＤＵＶ光としては、ＹＡ
Ｇレーザ光源の４倍高調波（λ＝２６６ｎｍ）を用いて
いる。

【０００３】しかし、光源にＹＡＧレーザでは、レーザ
光源自体及びその周辺光学系は非常に高価である。この
ため、水銀ランプや水銀キセノンランプ等の比較的安価
なランプ光源（λ＝２４８ｎｍ）を用いた顕微鏡の使用
が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記ランプ光源を用い
た顕微鏡において、所望の波長の光を取出すため光源の
波長域を狭くする場合、必要な光量を確保することが困
難である。また、波長域を制限するフィルタ部材につい
ての薄膜技術も発達していない。このため、所定の波長
幅における色消しを行う必要がある。

【０００５】一方、現在、ＤＵＶ光用顕微鏡光学系に用
いられる硝材は、石英と蛍石との２種類に限られてい
る。このため、波長域を拡大した場合、この２種類の硝
材のみで収差補正を行う必要がある。従って、ＤＵＶ光
用顕微鏡光学系の色収差補正を行うことが困難になると
いう問題があった。

【０００６】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、諸収差、特に軸上色収差及び倍率色収差を良好
に補正し、且つ、製造の容易な結像光学系及び該光学系
を備える深紫外光用顕微鏡光学系を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、無限遠補正型の深紫外光用顕微鏡光学系
に用いられる結像光学系において、該結像光学系は、正
の屈折力を有する第１結像レンズ群Ｇ１０と、負の屈折
力を有する第２結像レンズ群Ｇ２０とを有し、前記第１
結像レンズ群Ｇ１０は、正の屈折力を有する第１の硝材
から成るレンズ成分Ｌ１０１と、前記第１の硝材の分散
よりも小さな分散を有し、負の屈折力を有する第２の硝
材から成るレンズ成分Ｌ１０２とにより構成され、前記
第２結像レンズ群Ｇ２０は、負の屈折力を有する前記第
１の硝材から成るレンズ成分Ｌ２０１と、正の屈折力を
有する前記第２の硝材から成るレンズ成分Ｌ２０２とに
より構成されることを特徴とする結像光学系を提供す
る。

【０００８】ここで、深紫外光とは、略２６６ｎｍより
も短い波長領域の光をいう。

【０００９】また、本発明の好ましい態様では、前記第
１の硝材は石英であり、前記第２の硝材は蛍石であるこ
とが望ましい。

【００１０】また、本発明は、請求項１又は２に記載の
前記結像光学系と、該結像光学系よりも物体側に所定間
隔離れた位置で組み合わせて使用される対物光学系とを
有し、前記対物光学系は、物体側から順に、物体側に凹
面を向けたメニスカス単レンズＬ１１，Ｌ１２と複数の
接合レンズＬ１３，Ｌ１４とを少なくとも含み、全体と
して正の屈折力を有する第１対物レンズ群Ｇ１と、３枚
のレンズ成分を接合した３枚接合レンズＬ２１，Ｌ２２
を少なくとも含み、全体として正の屈折力を有する第２
対物レンズ群Ｇ２と、像側に凹面を向けた接合メニスカ
スレンズＬ３１を少なくとも含み、全体で負の屈折力を
有する第３対物レンズ群Ｇ３と、像側に凹面を向けた接
合メニスカスレンズＬ４１を少なくとも含み、全体で正
の屈折力を有する第４対物レンズ群Ｇ４と、物体側に凹
面を向けた接合レンズＬ５１を少なくとも含み、全体で
負の屈折力を有する第５対物レンズ群Ｇ５とを備え、さ
らに以下の条件を満足することを特徴とする深紫外光用
顕微鏡光学系を提供する。

【００１１】１０＜ｆ２／ｆ＜２０ ただし、ｆ２：前記第２対物レンズ群の焦点距離， ｆ ：前記対物光学系全体の焦点距離． なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するため
の手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の
実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の
形態に限定されるものではない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態について説明する。

【００１３】本実施形態にかかるＤＵＶ光用顕微鏡光学
系は、物体側から順に、対物光学系と、これに続く結像
光学系とを有している。このような顕微鏡光学系の収差
を補正する際の設計思想は、コンペンゼーション型（補
償型）とコンペンゼーションフリー型（非補償型）とに
大別できる。

【００１４】コンペンゼーション型（補償型）の考え方
は、まず対物光学系で所定量の色収差が発生するとす
る。そして、結像光学系において、この対物光学系で発
生した所定量の色収差を相殺するような色収差を意図的
に発生させる。この結果、顕微鏡光学系全系では、対物
光学系の色収差を打消して、色収差を補正することがで
きる。

【００１５】また、コンペンゼーションフリー型（非補
償型）の考え方は、対物光学系と結像光学系とがそれぞ
れ独自に色収差を可能な限り補正するものである。この
結果、顕微鏡光学系全系で最小の色収差とすることがで
きる。

【００１６】コンペンゼーションフリー型（非補償型）
の対物光学系の場合、上述したように、対物光学系単独
で色収差を補正することが必要である。このために、一
般的に、対物光学系の前群の色収差を補正過剰にする必
要がある。したがって、対物光学系を多群化するだけで
は、色収差を補正することは極めて困難である。

【００１７】すなわち、紫外域の色消しを目的にした高
倍率の顕微鏡用の対物光学系において諸収差、特に倍率
色収差を補正するためには、コンペンゼーションフリー
型（非補償型）よりも、コンペンゼーション型（補償
型）を採用する方が、はるかに容易で、かつ効率的であ
る。

【００１８】よって、本発明にかかるＤＵＶ光用顕微鏡
光学系は、コンペンゼーション型（補償型）を採用して
いる。

【００１９】まず、ＤＵＶ光用顕微鏡光学系の対物光学
系について説明する。該対物光学系は、物体側から順
に、物体側に凹面を向けたメニスカス単レンズと複数の
接合レンズを少なくとも含み、全体として正の屈折力を
有する第１対物レンズ群と、３枚接合レンズを少なくと
も含み、全体として正の屈折力を有する第２対物レンズ
群と、像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズを少な
くとも含み、負の屈折力を有する第３対物レンズ群と、
像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズを少なくとも
含み、正の屈折力を有する第４対物レンズ群と、物体側
に凹面を向けた接合レンズを少なくとも含み、負の屈折
力を有する第５対物レンズ群とから構成される。

【００２０】また、各レンズ成分の硝材は、紫外域での
十分な透過率を確保するため蛍石、及び石英を用いてい
る。なお、紫外域に透過特性を有する他の硝材、例えば
フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ストロンチウ
ム等を用いても良い。例えば、石英と蛍石との２種類の
硝材のみ使用すると、２次スペクトルが残ってしまう。
これに対して、３種類の硝材を使用できれば、２次スペ
クトルも小さくすることができる。

【００２１】しかし、上記硝材はいずれの組み合わせに
おいても、分散の差が小さい。よって、紫外域、特に深
紫外領域において、色収差を良好に補正する点では不利
である。このため、本実施形態では、３枚接合レンズ成
分を含む接合レンズを多群化している。

【００２２】しかし、コンペンゼーション型において
も、結像光学系で補正できる収差量に限界がある。この
ため、対物光学系で発生する色収差をできる限り抑えて
おくことが望ましい。本実施形態にかかる対物光学系
で、色収差の補正の役割を最も大きく担っているのは第
２対物レンズ群である。

【００２３】以下に掲げた条件式はこの色収差補正に関
するものであり、該条件式を満足することが望ましい。

【００２４】１０＜ｆ２／ｆ＜２０ ここで、 ｆ２…第２対物レンズ群の焦点距離， ｆ …対物光学系全体の焦点距離． 上記条件式の下限値を下回ると、第２対物レンズ群のパ
ワーが強くなりすぎて、発生した色収差を結像光学系で
補正することすら困難になる。逆に、上記条件式の上限
値を上回ると、今度はパワーが弱すぎて所望の倍率を得
ることが困難である。それに伴い、第１、第３対物レン
ズ群のパワーを上げて補おうとする場合、色の球面収差
等の発生により収差のバランスが崩れてしまう。

【００２５】次に、上記対物光学系で発生した色収差を
相殺する結像光学系について説明する。まず、コンペン
ゼーション型（補償型）の結像光学系の収差補正の原理
と倍率色収差について説明する。

【００２６】一例として図４に示すような簡単な光学系
を考える。図４は、２群３枚構成のレンズで、無限遠か
らの光の軸上色収差を補正する光学系である。

【００２７】上述したように、ランプ光源からの光はフ
ィルタ等で波長域を狭帯化しても、ある程度の波長幅Δ
λを有している。そして、中心主波長λ＝２４８ｎｍ，
片側波長幅Δλ＝３ｎｍ，上限側波長λ＋Δλ＝２５１
ｎｍ，下限側波長λ−Δλ＝２４５ｎｍとそれぞれ仮定
する。

【００２８】レンズ群Ｌ４０１とレンズ群Ｌ４０２とに
よって軸上色収差を補正している。ここで、レンズ群Ｌ
４０１は単レンズであるため軸上色収差が発生し、レン
ズ群Ｌ４０２は補正過剰となっている。

【００２９】即ち、レンズ群Ｌ４０１から射出する短波
長側λ−Δλの光線４１１は、長波長側λ＋Δλの光線
４１２よりも波長が短いため、強く（大きく）屈折され
る。従って、レンズ群Ｌ４０２での短波長側λ−Δλの
光線位置４２１は、長波長側λ＋Δλの光線の位置４２
２よりも低くなる。

【００３０】また、入射する光線４００の高さｈは、中
心波長λの光、長波長側λ＋Δλの光、短波長側λ−Δ
λの光で一致している。そして、軸上像点位置Ｉ０は、
像面Ｉにおいて中心波長λの光と、長波長側λ＋Δλの
光と、短波長側λ−Δλの光とで一致している。しか
し、長波長側λ＋Δλの光の主点位置ＨＬ’と、短波長
側λ−Δλの光の主点位置ＨＳ’は一致しない。このた
め、長波長側の光の焦点距離ＦＬと、短波長側の光の焦
点距離ＦＳとの関係は、 ＦＬ＜ＦＳ となる。

【００３１】したがって、像面Ｉ上での短波長側λ−Δ
λの光の軸外光の位置４３３は、長波長側λ＋Δλの光
の軸外光の位置４３４よりも高くなる。このようにして
倍率色収差が発生する。

【００３２】次に、数値を仮定して説明を続ける。対物
光学系の焦点距離ｆ１＝２ｍｍ、結像光学系の焦点距離
ｆ２＝４００ｍｍとそれぞれする。そして、結像光学系
が無収差であるとした場合、対物光学系単体の物体上と
像面上とにおける各色収差を以下の表１に掲げる。表１
において、倍率色収差は物体高ｙ０＝０．０２５の場合
を示す。また、収差量の単位はｍｍである。

【００３３】

【表１】

【００３４】ここで、λ−Δλ＝２４５ｎｍ、λ＋Δλ
＝２５１ｎｍである。この対物光学系単体の各色収差
が、結像光学系が補正すべき各色収差量となる。

【００３５】表１から明らかなように、結像光学系は、
軸上色収差の補正量の方が、倍率色収差の補正量に比較
して大きい。このことは、結像光学系では、軸上色収差
の補正量を大きくしなければならないことを意味する。

【００３６】このため、対物光学系の上記各色収差を補
正するために、結像光学系は定性的には以下（１）〜
（４）の色収差を発生させる必要がある。 （１）軸上色収差（λ−Δ） 負の大きい量； （２）軸上色収差（λ＋Δ） 正の大きい量； （３）倍率色収差（λ−Δ） 負の量； （４）倍率色収差（λ＋Δ） 正の量． このような状態において、コンペンゼーション型の収差
補正を実現するため、及び結像光学系の全長を短くする
ために、結像光学系を正の屈折力を有する第１結像レン
ズ群と、負の屈折力を有する第２結像レンズ群とからな
るテレタイプ型とする。

【００３７】第１結像レンズ群は、正の焦点距離をも
ち、石英（分散が大きく、可視光ではいわゆるフリント
系ガラスに対応する）から成る凸レンズと、蛍石（分散
が小さく、可視光ではいわゆるクラウン系ガラスに対応
する）から成る凹レンズとによって構成され、凸（正）
傾向（短波長側における凸パワー）を大きくしている。

【００３８】また、第２結像レンズ群は、負の焦点距離
をもち、蛍石から成る凸レンズと、石英から成る凹レン
ズとによって構成され、凹（負）傾向（短波長側におけ
る凹パワー）を大きくしている。

【００３９】結像光学系は、短波長側で同じ負の倍率色
収差である場合、負の軸上色収差を大きくすることを目
標とする。第１結像レンズ群の凸傾向を強め（凸レンズ
は短波長の軸上色収差が負）、また、テレタイプである
ため、第２結像レンズ群の凹傾向を大きくした方が、軸
上色収差が拡大する。換言すると、同じ軸上色収差で短
波長の倍率色収差を小さくすることが目標である。そし
て、短波長が負の倍率色収差は、短波長の焦点距離が小
さいときに発生する。

【００４０】第１結像レンズは、凸レンズの傾向とし
て、負の軸上色収差を出すために、短波長の焦点距離が
小さくなっている。このような制約において、同じ負の
軸上色収差で、結像光学系の全系として短波長の焦点距
離をなるべく大きくすることが望ましい。

【００４１】図２に基づいて説明を続ける。なお、簡略
化のために、軸上色収差のない場合で考える。図２に示
したテレタイプの結像光学系において、短波長λ−Δλ
の入射光２３５は、凸パワーの大きい第１結像レンズ群
Ｇ１０によって第２結像レンズ群Ｇ２０の低い位置に入
射する。そして、凹パワーの大きい第２結像レンズ群Ｇ
２０によって結像位置が遠くなる。従って、像点Ｉ２か
ら見た光線の角度αは最も小さくなる。更に、角度αの
直線の延長線と、入射平行光との交点である上の主点位
置Ｈ２’はテレタイプの作用を最も強く受けて、図２の
紙面に向って左側へシフトする。このため、結像光学系
の全系の焦点距離を長くすることができる。

【００４２】なお、結像光学系については、対物光学系
と同様に各レンズ成分の硝材は、紫外域での十分な透過
率を確保するため蛍石、及び石英を用いている。また、
紫外域に透過特性を有する他の硝材、例えばフッ化バリ
ウム、フッ化リチウム、フッ化ストロンチウム等を用い
ても良い。例えば、石英と蛍石との２種類の硝材のみ使
用すると、２次スペクトルが残ってしまう。これに対し
て、３種類の硝材を使用できれば、２次スペクトルも小
さくすることができる。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００４４】図１は、本実施例に係る無限遠補正型のＤ
ＵＶ光用顕微鏡光学系に用いられる対物光学系の概略構
成を示す図である。

【００４５】物体側から順に、物体側に凹面を向けたメ
ニスカス単レンズＬ１１，Ｌ１２と複数の接合レンズＬ
１３，Ｌ１４とを含み、全体として正の屈折力を有する
第１対物レンズ群Ｇ１と、３枚のレンズを接合した３枚
接合レンズＬ２１，Ｌ２２を含み、全体として正の屈折
力を有する第２対物レンズ群Ｇ２と、像側に凹面を向け
た負の屈折力を有する接合メニスカスレンズＬ３１を有
する第３対物レンズ群Ｇ３と、像側に凹面を向けた正の
屈折力を有する接合メニスカスレンズＬ４１を有する第
４対物レンズ群Ｇ４と、物体側に凹面を向けた負の屈折
力を有する接合レンズＬ５１を有する第５対物レンズ群
Ｇ５とから構成されている。

【００４６】表２に本実施例にかかる対物光学系の諸元
値を掲げる。全体諸元におけるｆは焦点距離、Ｎ．Ａ．
は開口数、Ｗ．Ｄ．は光軸上の物体面からＧ１の端面ま
での距離をそれぞれ表す。また、レンズデータにおい
て、面は物体側から数えたレンズ面の順番、ｒは各面の
曲率半径、ｄは各レンズ面間隔をそれぞれ表している。
なお、以下全ての実施例の諸元値に関しても本実施例の
諸元値と同様の符号を用いる。

【００４７】また、諸元表の焦点距離、曲率半径、面間
隔その他の長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われるが、
光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が
得られるので、これに限られるものではない。

【００４８】

【表２】

【００４９】図３は、本実施例に係るＤＵＶ光用顕微鏡
光学系に用いられる結像光学系の概略構成を示す図であ
る。結像光学系は、上記対物光学系の瞳面より像側へ２
４６．３ｍｍの位置に設けられる。そして、対物光学系
の最終面を射出した光線は、結像光学系の面ｒ１面へ平
行光束として入射する。

【００５０】物体側より順に、正の屈折力（凸パワー）
を有する第１結像レンズ群Ｇ１０と負の屈折力（凹パワ
ー）を有する第２結像レンズ群Ｇ２０とから構成される
テレタイプである。

【００５１】第１結像レンズ群Ｇ１０は、正の屈折力
（凸パワー）を有する石英から成るレンズＬ１０１と、
負の屈折力（凹パワー）を有する蛍石から成るレンズＬ
１０２で構成される。また、第２結像レンズ群Ｇ２０
は、負の屈折力（凹パワー）を有する石英から成るレン
ズＬ２０１、正の屈折力（凸パワー）を有する蛍石から
成るレンズＬ２０２で構成される。

【００５２】本結像光学系の諸元値を表３に掲げる。

【００５３】

【表３】 （全体諸元） ｆ＝４００ｍｍ （レンズデータ） 面 ｒ ｄ 硝材 ｆ （１） 0.00000 246.30000 （２） 55.52200 3.00000 石英 50.8 （３） -47.44700 2.00000 蛍石 -66.7 （４） 92.56600 80.00000 （５） -29.65300 2.00000 石英 -68.5 （６） -203.21600 3.00000 蛍石 102.7 （７） -39.06000 229.98807

【００５４】図５は対物光学系の諸収差、図６は結像光
学系の諸収差をそれぞれ示す図である。図７は、本実施
例にかかる対物光学系と結像光学系とをつなげた全光学
系の収差図である。図７より明らかなように、結像光学
系によって、対物光学系単体の各色収差（図５）に比較
して、全光学系の各色収差が良好に補正されていること
がわかる。

【００５５】上記実施例においては、顕微鏡光学系につ
いて説明したが、本発明はこれに限られず、半導体素子
の製造装置のアライメント用光学系、検査装置等の対物
光学系及び結像光学系に適用することができる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、諸収差、特に軸上
色収差及び倍率色収差を良好に補正し、且つ、製造の容
易な結像光学系及び該光学系を備える深紫外光用顕微鏡
光学系を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる対物光学系の断面図で
ある。

【図２】本発明の結像光学系の概念図である。

【図３】本発明の実施例にかかる結像光学系の断面図で
ある。

【図４】コンペンゼーション型（補償型）の収差補正の
原理と倍率色収差を説明する図である。

【図５】本発明の実施例にかかる対物光学系の収差図で
ある。

【図６】本発明の実施例にかかる結像光学系の収差図で
ある。

【図７】本発明の実施例にかかる対物光学系と結像光学
系をつなげた全系の収差図である。

【符号の説明】

Ｌ１１〜Ｌ５１，Ｌ１０１，Ｌ２０１ 各レンズ成分 Ｇ１〜Ｇ５，Ｇ１０，Ｇ２０ 各レンズ群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H087 KA09 LA01 NA04 PA02 PA09 PA11 PA17 PA19 PB04 PB18 PB20 QA02 QA03 QA05 QA07 QA12 QA14 QA21 QA22 QA26 QA33 QA37 QA42 QA45 QA46 UA03 UA04 5F046 FA05 FA17 FB12 FB17

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無限遠補正型の深紫外光用顕微鏡光学系に
   用いられる結像光学系において、 該結像光学系は、正の屈折力を有する第１結像レンズ群
   と、負の屈折力を有する第２結像レンズ群とを有し、 前記第１結像レンズ群は、 正の屈折力を有する第１の硝材から成るレンズ成分と、 前記第１の硝材の分散よりも小さな分散を有し、負の屈
   折力を有する第２の硝材から成るレンズ成分とにより構
   成され、 前記第２結像レンズ群は、 負の屈折力を有する前記第１の硝材から成るレンズ成分
   と、 正の屈折力を有する前記第２の硝材から成るレンズ成分
   とにより構成されることを特徴とする結像光学系。
2. 【請求項２】前記第１の硝材は石英であり、前記第２の
   硝材は蛍石であることを特徴とする請求項１に記載の結
   像光学系。
3. 【請求項３】深紫外光用顕微鏡光学系であって、 物体側から順に、 物体からの光が入射する対物光学系と、 前記対物光学系から所定間隔離れた位置に設けられる請
   求項１又は２に記載の前記結像光学系とを有し、 前記対物光学系は、物体側から順に、 物体側に凹面を向けたメニスカス単レンズと複数の接合
   レンズとを少なくとも含み、全体として正の屈折力を有
   する第１対物レンズ群と、 ３枚のレンズ成分を接合した３枚接合レンズを少なくと
   も含み、全体として正の屈折力を有する第２対物レンズ
   群と、 像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズを少なくとも
   含み、全体で負の屈折力を有する第３対物レンズ群と、 像側に凹面を向けた接合メニスカスレンズを少なくとも
   含み、全体で正の屈折力を有する第４対物レンズ群と、 物体側に凹面を向けた接合レンズを少なくとも含み、全
   体で負の屈折力を有する第５対物レンズ群と、を備え、 さらに以下の条件を満足することを特徴とする深紫外光
   用顕微鏡光学系。 １０＜ｆ２／ｆ＜２０ ただし、ｆ２：前記第２対物レンズ群の焦点距離， ｆ ：前記対物光学系全体の焦点距離．