JP2008066578A - 結像光学系の設計方法、結像光学系、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境変化に対する光学性能の変化を低減することができる結像光学系の設計方法を提供する。
【解決手段】第１の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ群とを有し、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系の設計方法であって、結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気又は大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２に応じて生じるピント位置差Δｄ１を、ａ１及びｂ１を定数としてΔｄ１＝ａ１・（ｆ１／ｆ２）＋ｂ１と定義したときに、定数ａ１及びｂ１を求めるステップと、環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ１として、第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２を、ｆ１／ｆ２＝（Δｄ_Ｔ１−ｂ１）／ａ１に基づいて決定するステップとを有することを特徴とする設計方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には、光学系に係り、特に、半導体デバイス用のウェハ、液晶表示素子用のガラスプレートなどの被処理体を露光する露光装置において、真空雰囲気に配置される光学系に関する。本発明は、露光光として紫外光や極端紫外線（ＥＵＶ：ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を利用する露光装置に用いられる検出光学系に好適である。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて微細な半導体素子を製造する際に、マスク（レチクル）に描画されたパターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。

投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、解像度はよくなる。このため、近年の半導体素子の微細化への要求に伴い露光光の短波長化が進められている。例えば、超高圧水銀ランプ（ｉ線（波長約３６５ｎｍ））、ＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）と用いられる紫外光の波長は短くなってきた。

しかし、半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで、４２ｎｍ以下の非常に微細な回路パターンを効率よく転写するために、紫外光よりも更に波長が短い、波長１０ｎｍ乃至１５ｎｍ程度のＥＵＶ光を用いた投影露光装置（以下、「ＥＵＶ露光装置」と称する。）が開発されている。

露光光の短波長化が進むと物質による光の吸収が非常に大きくなるため、可視光や紫外光で用いられるような光の屈折を利用した屈折素子、即ち、レンズを用いることは難しい。更に、ＥＵＶ光の波長領域では使用できる硝材が存在しなくなり、光の反射を利用した反射素子、即ち、ミラーのみで光学系を構成する反射型光学系が用いられる。

また、ＥＵＶ光は、大気雰囲気では吸収されやすく、減衰してしまうため、真空雰囲気での使用が必須となっている。そこで、ＥＵＶ露光装置は、少なくともＥＵＶ光が通る光路（照明光学系や投影光学系など）を、真空雰囲気を維持する真空チャンバーに収納し、ＥＵＶ光を減衰させることなく使用している。

但し、ＥＵＶ光を使用しないアライメント光学系やフォーカス位置検出系は、真空雰囲気と大気雰囲気とを隔離するガラス（ビューイングウィンドウ）を介して、構成要素の一部を大気雰囲気に配置することができる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、真空雰囲気では動作不良を生じたり、汚染物質を発生させてしまうために真空雰囲気に配置することができない構成要素（計測光光源、撮像素子及び電気回路等）を大気雰囲気に配置している。

一方、アライメント検出系やフォーカス位置検出系の光学系の全て、或いは、一部は、真空雰囲気に配置される。これらの光学系は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境が変化した場合、かかる環境の変化に応じて屈折率も変化するため、光学性能が変化してしまうという問題を生じる。例えば、波長８２０ｎｍの光に対して、真空雰囲気での屈折率を１．０００００とすると、大気雰囲気での屈折率は１．０００２７となる。かかる屈折率の変化が、光学系の光学性能の変化に影響を及ぼすことになる。ここで、光学性能とは、ピント位置、結像倍率及び波面収差である。

真空雰囲気に配置される光学系は、一般には、大気雰囲気において組み立て及び調整される。具体的には、環境変化の影響による光学性能の変化、例えば、結像位置の変化量を予め求めておき、かかる変化を考慮して大気雰囲気にて調整する。しかし、光学系の組み立て及び調整の誤差、又は、光学部材の加工誤差（レンズの曲率半径、厚さ、ガラスの光学定数のばらつき）等の影響によって、結像位置が予め求めた変化量だけ変化するとは限らない。従って、真空環境でのアライメント検出系又はフォーカス位置検出系の光学性能が著しく劣化する懸念がある。換言すれば、環境の変化に応じて光学性能が大きく変化すると、高精度な検出が行えなくなる。そこで、環境変化に伴う光学性能の変化（結像位置の変化量）が少ない光学系が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２１７１９１号公報 特開平１１−２７１６０４号公報

しかしながら、特許文献２は、環境変化に対する光学性能の変化の少ない光学系を開示しているが、物体距離が無限遠の光学系を開示しているのみで、有限の物体距離の光学系（光学配置）については開示していない。例えば、特許文献２の光学系を用いて環境変化の影響を受けにくい光学系を構成し、有限距離にある物体像を結像することを考える。この場合、特許文献２の光学系を２組用意し、各光学系の無限物体側を互いに向かい合わせて配置する必要がある。更に、それぞれの光学系を、環境変化の影響を受けないように設計する必要がある。また、光学系の全長が長くなること、及び、レンズの枚数が増加する等の不都合を生じてしまう。

また、光学系を調整するための真空チャンバーを設け、真空雰囲気での光学性能の変化（結像位置の変化量）を測定し、かかる測定結果に基づいて大気雰囲気で調整することも考えられる。しかし、時間及びコストがかかることに加えて、調整のための設備が複雑化するという問題を生じてしまう。

そこで、本発明は、簡易な構成でありながら、環境変化に対する光学性能の変化を低減することができる結像光学系の設計方法を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての設計方法は、第１の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ群とを有し、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系の設計方法であって、前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２に応じて生じるピント位置差Δｄ１を、ａ１及びｂ１を定数としてΔｄ１＝ａ１・（ｆ１／ｆ２）＋ｂ１と定義したときに、前記定数ａ１及びｂ１を求めるステップと、前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ１として、前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２を、ｆ１／ｆ２＝（Δｄ_Ｔ１−ｂ１）／ａ１に基づいて決定するステップとを有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての設計方法は、第１の焦点距離ｆ１を有すると共に、第１の屈折率ｎ１の硝材からなる第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有すると共に、第２の屈折率ｎ２の硝材からなる第２のレンズ群とを有し、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系の設計方法であって、前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、前記第１の屈折率ｎ１と前記第２の屈折率ｎ２との差Δｎに応じて生じるピント位置差Δｄ２を、ａ２及びｂ２を定数としてΔｄ２＝ａ２・Δｎ＋ｂ２と定義したときに、前記定数ａ２及びｂ２を求めるステップと、前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ２として、前記第１の屈折率ｎ１の硝材及び前記第２の屈折率ｎ２の硝材を、Δｎ＝（Δｄ_Ｔ２−ｂ２）／ａ２に基づいて決定するステップとを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての結像光学系は、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系であって、第１の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ群とを有し、前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２に応じて生じるピント位置差Δｄ１を、ａ１及びｂ１を定数としてΔｄ１＝ａ１・（ｆ１／ｆ２）＋ｂ１と定義し、前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２は、前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ１とすると、ｆ１／ｆ２＝（Δｄ_Ｔ１−ｂ１）／ａ１に基づいて決定されることを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての結像光学系は、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系であって、第１の焦点距離ｆ１を有すると共に、第１の屈折率ｎ１の硝材からなる第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有すると共に、第２の屈折率ｎ２の硝材からなる第２のレンズ群とを有し、前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、前記第１の屈折率ｎ１と前記第２の屈折率ｎ２との差Δｎに応じて生じるピント位置差Δｄ２を、ａ２及びｂ２を定数としてΔｄ２＝ａ２・Δｎ＋ｂ２と定義し、前記第１の屈折率ｎ１の硝材及び前記第２の屈折率ｎ２の硝材は、前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ２とすると、Δｎ＝（Δｄ_Ｔ２−ｂ２）／ａ２を満足する特徴とする。

本発明の更に別の側面としての結像光学系は、上述の設計方法によって設計されたことを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての露光装置は、光源からの光を用いてマスクを照明し、前記マスクのパターンを被処理体に露光する露光装置であって、前記被処理体のフォーカス位置を検出する検出光学系を有し、前記検出光学系は、上述の結像光学系を含むことを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての露光装置は、光源からの光を用いてマスクを照明し、前記マスクのパターンを被処理体に露光する露光装置であって、前記マスクと前記被処理体との相対位置を検出する検出光学系を有し、前記検出光学系は、上述の結像光学系を含むことを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての露光装置は、光源からの光を用いてマスクを照明し、前記マスクのパターンを被処理体に露光する露光装置であって、前記被処理体のフォーカス位置を検出する第１の検出光学系と、前記マスクと前記被処理体との相対位置を検出する第２の検出光学系とを有し、前記第１の検出光学系及び前記第２の検出光学系のうち少なくとも一方は、上述の結像光学系を含むことを特徴とする。

本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、簡易な構成でありながら、環境変化に対する光学性能の変化を低減することができる結像光学系の設計方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての物体上のパターンを像面上に結像する結像光学系及びかかる結像光学系の設計方法について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。また、本出願において、「レンズ群」は、複数のレンズだけではなく、１つのみのレンズも含む表現とする。

まず、図１２を参照して、結像光学系１０００の配置されている環境が、大気雰囲気から真空雰囲気、或いは、真空雰囲気から大気雰囲気に変化した場合の結像位置の変化について説明する。以下、光学系の配置されている環境が、大気雰囲気から真空雰囲気、或いは、真空雰囲気から大気雰囲気に変化した場合を、環境変化と称する。ここで、図１２は、結像光学系１０００の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図であって、図１２（ａ）は真空雰囲気での結像関係を、図１２（ｂ）は大気雰囲気での結像関係を示している。

結像光学系１０００における空間部分（即ち、レンズ群の存在しない空間）の大気雰囲気での屈折率ｎ_ａｉｒは、真空雰囲気での屈折率ｎ_ｖａｃを１．０００００とすると、１．０００２７である。結像光学系１０００は、図１２に示すように、焦点距離ｆを有するレンズ群１１００で構成される。

結像光学系１０００の配置されている環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に変化した（即ち、環境変化が生じた）場合、上述したように、結像光学系１０００の空間部分の屈折率が変化する。従って、結像光学系１０００の最終結像面の位置は、真空雰囲気と大気雰囲気との間で変化してしまう（即ち、変化量（ピント位置差）ｄ３を生じる）。

一方、本発明の結像光学系１００は、図１に示すように、環境変化に対する最終結像面の位置の変化量ｄ３を極めて小さい値（若しくは、０）に抑えることができる。図１は、本発明の結像光学系１００の構成を示す概略断面図である。図１では、真空雰囲気での光路を実線で、大気雰囲気での光路を破線で示している。また、結像光学系１００は、物体面ＯＳからの光（即ち、物体面ＯＳのパターンの像）を像面ＩＳに結像する。

ここで、結像光学系１００が、変化量（ピント位置差）ｄ３を極めて小さい値に抑えることができる理由について説明する。結像光学系１００における空間部分（即ち、レンズ群の存在しない空間）の大気雰囲気での屈折率ｎ_ａｉｒは、真空雰囲気での屈折率ｎ_ｖａｃを１．０００００とすると、１．０００２７である。結像光学系１００は、図１に示すように、物体面ＯＳに近い位置に配置された第１の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ群１１０と、像面ＩＳに近い位置に配置された第２の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ群１２０とから構成される。第１のレンズ群１１０及び第２のレンズ群１２０は、両レンズ群の主点間隔距離ｅをおいて配置されており、結像光学系１００の焦点距離ｆは、以下の数式１で表される。

結像光学系１００において、物体面ＯＳのパターンの像は、第１のレンズ群１１０及び第２のレンズ群１２０によってリレーされ（以下の数式２及び３参照）、最終的に像面ＩＳに結像される。まず、第１のレンズ群１１０のみの存在を考えると、物体面ＯＳのパターンの像は、図２（ａ）に示すように、位置Ｐ１に結像される。そして、位置Ｐ１に結像された像は、図２（ｂ）に示すように、第２のレンズ像１２０によって、像面ＩＳに結像する。図２は、結像光学系１００の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図である。ここで、第１のレンズ群１１０による結像式は、以下の数式２で表され、第２のレンズ群１２０による結像式は、以下の数式３で表される。但し、物体面ＯＳから第１のレンズ群１１０までの距離をａ、第１のレンズ群１１０から位置Ｐ１までの距離をｂとする。また、第２のレンズ群１２０から像面ＩＳまでの距離をｃ、第１のレンズ群１１０と第２のレンズ群１２０との距離（主点間隔距離）をｅとする。

第１のレンズ群１１０による結像位置（位置Ｐ１）、或いは、第２のレンズ群１２０による結像位置（像面ＩＳ）が環境変化によって変化した場合、数式２及び３は、以下の数式４及び５で表される。

なお、数式４及び５におけるｆ１’、ｆ２’、ｂ’、ｃ’、ｅ’は、環境変化によって変化した焦点距離、物体距離、像距離、主点間隔距離である。

結像光学系１００は、環境変化が生じた場合に、第１のレンズ群１１０による結像位置（位置Ｐ１）でのピント位置差ΔＰ１と第２のレンズ群１２０による結像位置（像面ＩＳ）でのピント位置差ｄ３との関係が以下の数式６を満たすように、構成される。更に、結像光学系１００は、環境変化によって変化する結像位置の方向が互いに異なる第１のレンズ群１１０及び第２のレンズ群１２０で構成される。即ち、結像光学系１００は、環境変化が生じた場合に、第１のレンズ群１１０によるピント（結像）位置のずれる方向と第２のレンズ群１２０によるピント（結像）位置のずれる方向とが互いに打ち消しあうように構成される。また、結像光学系１００は、最終的にピント位置差ｄ３が極めて小さい値（若しくは、０）になるように、第１のレンズ群１１０の第１の焦点距離ｆ１及び第２のレンズ群１２０の第２の焦点距離ｆ２が最適化されている。

図３は、第１のレンズ群１１０の第１の焦点距離ｆ１及び第２のレンズ群１２０の第２の焦点距離ｆ２の最適化（環境変化による結像位置の変化を極めて小さい値（若しくは、０）にする）を説明するために定義した光学系を示す概略断面図である。

図３に示す光学系は、第１のレンズ群１１０としての第１の焦点距離ｆ１を有する凸レンズ１１０Ａと、第２のレンズ群１２０としての第２の焦点距離ｆ２を有する凹レンズ１２０Ａとで構成される。凸レンズ１１０Ａ及び凹レンズ１２０Ａは、理想レンズ（収差のないレンズ）とし、主点間隔距離はｅである。

図３に示す光学系において、凸レンズ１１０Ａの硝材の屈折率（第１の屈折率）ｎ１を１．８９０１、凹レンズ１２０Ａの硝材の屈折率（第２の屈折率）を１．４３５１とし、各レンズの曲率ｒ１及びｒ２を以下の数式７及び８から求める。なお、屈折率ｎ１及びｎ２は、波長８２０ｎｍの光に対する値である。また、ｎ’は、真空雰囲気での屈折率１．０００００を表す。

また、凸レンズ１１０Ａ及び凹レンズ１２０Ａのレンズデータを光学シミュレータＣＯＤＥＶ（ＯＲＡ社）に入力し、環境変化の前後におけるピント位置差を求めた。ここで、図３に示す光学系において、像面ＩＳに最も近いレンズ面から真空雰囲気での結像位置までの距離をｄ_ｖａｃ、像面ＩＳに最も近いレンズ面から大気雰囲気での結像位置までの距離をｄ_ａｉｒとする。そして、環境変化による結像位置のずれ量（ピント位置差ｄ３）を、ｄ３＝ｄ_ｖａｃ−ｄ_ａｉｒと定義する。

以下、図３、図４及び図５を参照して、環境変化による結像位置の変化が極めて小さい光学系（即ち、結像光学系１００）の設計方法について説明する。図４は、本発明の一側面としての結像光学系の設計方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、図３に示す光学系として、焦点距離ｆが１００ｍｍ、結像倍率が１６倍である結像光学系の設計を例に説明する。

図３に示す光学系において、凸レンズ１１０Ａ（第１のレンズ群１１０）の第１の焦点距離ｆ１は固定とする。まず、主点間隔距離ｅ及び凹レンズ１２０Ａ（第２のレンズ群１２０）の第２の焦点距離ｆ２によって変化するフォーカス比（第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２との比）ｆ１／ｆ２と環境変化によるピント位置差との関係を求める（ステップ１００２）。フォーカス比ｆ１／ｆ２と環境変化によるピント位置差との関係は、光学シミュレータを用いて求めることができ、かかるシミュレーション結果の一例を図５に示す。図５は、図３に示す光学系（結像光学系）のフォーカス比と環境変化によるピント位置差との関係を示すグラフであり、横軸にフォーカス比を、縦軸にピント位置差を採用する。なお、図５には、複数の結像倍率のシミュレーション結果を示している。

次に、結像倍率が１６倍である結像光学系（即ち、設計する結像光学系）において、環境変化によるピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ１を設定する（ステップ１００４）。環境変化によるピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ１は、本実施形態では、−１ｍｍ≦Δｄ_Ｔ１≦１ｍｍに設定されている。

次いで、図５に示すグラフにおいて、結像倍率が１６倍である結像光学系の結果を表す近似式（数式９参照）に、許容値Δｄ_Ｔ１＝＋１及び−１を代入し、フォーカス比ｆ１／ｆ２の範囲を決定する（ステップ１００６）。フォーカス比ｆ１／ｆ２の範囲は、本実施形態では、−０．８３３≦ｆ１／ｆ２≦−０．７８２となる。

そして、ステップ１００６で決定したフォーカス比ｆ１／ｆ２の範囲を満たすフォーカス比からなる光学系（結像光学系）を設計する（ステップ１００８）。これにより、環境変化による結像位置の変化が極めて小さい（ピント位置差ｄ３が極めて小さい値（若しくは、０）となる）光学系（結像光学系）を設計することができる。また、本発明の設計方法は、上述した光学仕様（焦点距離、結像倍率等）に限らず、その他の光学仕様に対しても有効である。

なお、環境変化によるピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ１は、要求される光学性能に応じて変更可能である。例えば、焦点深度（ＤＯＦ）をＤＯＦ＝２・λ・Ｆ_ＮＯ ^２とした場合、かかるＤＯＦを基準として、環境変化によるピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ１を±ＤＯＦから±ＤＯＦ／１０の間で設定してもよい。

図５のグラフに示した関係式の各係数は、これらの値に限定されるものではなく、凸レンズ１１０Ａ（第１のレンズ群１１０）の屈折率ｎ１、凹レンズ１２０Ａ（第２のレンズ群１２０）の屈折率ｎ２又は主点間隔距離ｅ等の光学パラメータによって変化する。従って、光学シミュレータによって関係式を適宜求め、かかる関係式を用いてもよい。

これまでは、環境変化による結像光学系１００のピント位置差を極めて小さく（若しくは、０）、又は、環境変化によるピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ１以内にするために、結像光学系１００のフォーカス比（ｆ１／ｆ２）を最適化する方法について説明した。但し、結像光学系１００を構成する第１のレンズ群１１０の硝材の屈折率ｎ１及び第２のレンズ群１２０の屈折率ｎ２を最適化することでも、ピント位置差を極めて小さく（若しくは、０）、又は、ピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ１以内にすることができる。

以下、結像光学系１００を構成する第１のレンズ群１１０の硝材の屈折率ｎ１及び第２のレンズ群１２０の屈折率ｎ２の最適化（環境変化による結像位置の変化を極めて小さい値（若しくは、０）にする）について説明する。本実施形態では、図３に示す光学系として、焦点距離ｆが６０ｍｍ、主点間隔距離ｅが３ｍｍ、結像倍率が１６倍である結像光学系を例に説明する。

図６は、図３に示す光学系（即ち、上述した結像光学系）の第１のレンズ群１１０と第２のレンズ群１２０との屈折率差Δｎ（Δｎ＝｜ｎ１−ｎ２｜）と環境変化によるピント位置差との関係を示すグラフである。図６は、横軸に屈折率差Δｎを、縦軸にピント位置差を採用する。また、図６に示すグラフにおいて、複数の直線の各々は、結像光学系１００を構成する第１のレンズ群１１０の第１の焦点距離ｆ１と第２のレンズ群１２０の第２の焦点距離ｆ２との比（フォーカス比）ｆ１／ｆ２の違いを示している。

例えば、第１のレンズ群１１０と第２のレンズ群１２０との焦点距離の比ｆ１／ｆ２が、ｆ１／ｆ２＝−０．８である場合を考える。この場合、結像倍率が１６倍である結像光学系において、ピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ２を−１ｍｍ≦Δｄ_Ｔ２≦１ｍｍとすると、図６に示すグラフのフォーカス比ｆ１／ｆ２に対する近似式（数式１０参照）に許容値Δｄ_Ｔ２＝１及び−１を代入する。これにより、結像光学系を構成する結像光学系１００を構成する第１のレンズ群１１０及び第２のレンズ群１２０の硝材の屈折率差Δｎの範囲は、０．４６８≦｜Δｎ｜≦０．５０５に限定（決定）される。

そして、決定した屈折率差の範囲内で硝材を選択すれば、環境変化によるピント位置差の値を、許容値以内に収めることができる光学系を設計することができる。

なお、本実施形態では、結像倍率が１６倍である結像光学系に対する硝材（屈折率差）について説明したが、その他の結像倍率の場合は、かかる結像倍率に応じた関係式を用いて、最適な硝材を選択することができる。また、環境変化によるピント位置差の許容値Δｄ_Ｔ２は、上述したように、焦点深度（ＤＯＦ）に基づいて設定してもよい。また、図６のグラフに示した関係式の各係数は、これらの値に限定されるものではなく、第１の焦点距離ｆ１、第２の焦点距離ｆ２又は主点間隔距離ｅ等の光学パラメータによって変化する。従って、光学シミュレータによって関係式を適宜求め、かかる関係式を用いてもよい。

また、光学系全体の焦点距離ｆが１９．３２ｍｍ、第１の焦点距離が２２ｍｍ、第２の焦点距離が１００ｍｍ、主点間隔距離ｅが８．１ｍｍ、結像倍率が１６倍である結像光学系において、−３．１ｍｍのピント位置差が生じている場合を考える。この場合、結像光学系の焦点距離をスケーリングによって小さくしていくと、ピント位置差が変化する。具体的には、光学系全体の焦点距離ｆとピント位置差との間には、正比例の関係を有する。従って、光学系の全長に制限があり、且つ、結像倍率を保持しながらピント位置差の小さい光学系を設計する場合、焦点距離の値を小さくすると共に、主点位置を最適化すれば、高倍、且つ、ピント位置差の小さい光学系を設計することができる。

このように、本発明の結像光学系の設計方法によれば、簡易な構成でありながら、環境変化に対する光学性能の変化を低減することができる結像光学系を設計することができる。なお、本発明の一側面としての結像光学系の設計方法は、概念的に以下の２つのステップを有することを特徴とする。まず、第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２に応じて生じるピント位置差Δｄ１を、ａ１及びｂ１を定数としてΔｄ１＝ａ１・（ｆ１／ｆ２）＋ｂ１と定義し、定数ａ１及びｂ１を求める。次に、環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ１として、第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２を、ｆ１／ｆ２＝（Δｄ_Ｔ１−ｂ１）／ａ１に基づいて決定する。また、本発明の別の側面としての結像光学系の設計方法は、概念的に以下の２つのステップを有することを特徴とする。まず、第１の屈折率ｎ１と前記第２の屈折率ｎ２との差Δｎに応じて生じるピント位置差Δｄ２を、ａ２及びｂ２を定数としてΔｄ２＝ａ２・Δｎ＋ｂ２と定義したときに、定数ａ２及びｂ２を求める。次に、環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ２として、第１の屈折率ｎ１の硝材及び第２の屈折率ｎ２の硝材を、Δｎ＝（Δｄ_Ｔ２−ｂ２）／ａ２に基づいて決定する。

以下、図７を参照して、本発明の結像光学系１００を適用した露光装置３００について説明する。図７は、本発明の一側面としての露光装置３００の構成を示す概略断面図である。

本発明の露光装置３００は、露光用の照明光としてＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）を用いる投影露光装置である。露光装置３００は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式又はステップ・アンド・リピート方式でマスク３２０に形成された回路パターンを像面位置に配置された被処理体（ウエハ）３４０上（像面上）に露光する。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィー工程に好適であり、以下、本実施形態ではステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）を例に説明する。ここで、「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、レチクルに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してレチクルパターンをウェハに露光する方式である。また、「ステップ・アンド・スキャン方式」では、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動して、次の露光領域に移動する。「ステップ・アンド・リピート方式」は、ウェハの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次のショットの露光領域に移動する方式である。

図７を参照するに、露光装置３００は、照明装置３１０と、マスク３２０を載置するマスクステージ３２５と、投影光学系３３０と、被処理体３４０を載置するウェハステージ３４５と、アライメント検出系３５０と、フォーカス位置検出系３６０とを有する。

また、図６に示すように、ＥＵＶ光は、大気に対する透過率が低く、残留ガス（高分子有機ガスなど）成分との反応によりコンタミを生成してしまうため、少なくとも、ＥＵＶ光が通る光路中（即ち、光学系全体）は真空雰囲気ＶＣとなっている。なお、本実施形態では、真空雰囲気ＶＣの真空度は、１０^−５Ｐａ乃至１０^−４Ｐａ程度である。

照明装置３１０は、投影光学系３３０の円弧状の視野に対する円弧状のＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）によりマスク３２０を照明する照明装置であって、ＥＵＶ光源３１２と、照明光学系３１４とを有する。

ＥＵＶ光源３１２は、例えば、レーザープラズマ光源が用いられる。レーザープラズマ光源は、真空容器中のターゲット材に高強度のパルスレーザー光を照射し、高温のプラズマを発生させ、プラズマから放射される、例えば、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用する。ターゲット材としては、金属膜、ガスジェット、液滴などが用いられる。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするためにはパルスレーザーの繰り返し周波数は高い方がよく、通常数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。

照明光学系３１２は、集光ミラー３１２ａ、オプティカルインテグレーター３１２ｂから構成される。集光ミラー３１２ａは、レーザープラズマからほぼ等方的に放射されるＥＵＶ光を集める機能を有する。オプティカルインテグレーター３１２ｂは、マスク３２０を均一に所定の開口数で照明する機能を有する。また、照明光学系３１２は、マスク３２０と共役な位置に、マスク３２０の照明領域を円弧状に限定するためのアパーチャ３１２ｃを有する。

マスク３２０は、反射型マスクであり、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、マスクステージ３２５に支持及び駆動される。マスク３２０から発せられた回折光は、投影光学系３３０で反射され、被処理体３４０上に投影される。マスク３２０と被処理体３４０とは、光学的に共役の関係に配置される。露光装置３００は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、マスク３２０と被処理体３４０を走査することによりマスク３２０のパターンを被処理体３４０上に縮小投影する。

マスクステージ３２５は、マスクチャック３２５ａを介して、マスク３２０を支持し、図示しない移動機構に接続されている。マスクステージ３２５は、当業界周知のいかなる構造をも適用することができる。図示しない移動機構は、リニアモーターなどで構成され、少なくともＸ方向にマスクステージ３２５を駆動することでマスク３２０を移動することができる。露光装置３００は、マスク３２０と被処理体３４０を同期した状態で走査する。ここで、マスク３２０又は被処理体３４０面内で走査方向をＸ、それに垂直な方向をＹ、マスク３２０又は被処理体３４０面内に垂直な方向をＺとする。

投影光学系３３０は、複数の反射ミラー（即ち、多層膜ミラー）３３０ａを用いて、マスク３２０面上のパターンを像面である被処理体３４０上に投影する。複数の多層膜ミラー３３０ａの枚数は、４枚乃至６枚程度である。多層膜ミラー３３０ａの反射面の形状は、凸面又は凹面の球面又は非球面である。少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状の領域（リングフィールド）だけを用いて、マスク３２０と被処理体３４０を同時に走査して広い面積を転写する。投影光学系３３０の開口数（ＮＡ）は、０．１乃至０．３程である。

被処理体３４０は、本実施形態ではウェハであるが、液晶基板その他の被処理体を広く含む。被処理体３４０には、フォトレジストが塗布されている。

ウェハステージ３４５は、ウェハチャック３４５ａによって被処理体３４５を支持する。ウェハステージ３４５は、例えば、リニアモーターを利用してＸＹＺ方向に被処理体３４０を移動する。マスク３２０と被処理体３４０は、同期して走査される。また、マスクステージ３２５の位置とウェハステージ３４５との位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。

アライメント検出系（第１の検出光学系）３５０は、例えば、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の明視野照明の画像処理検出系で構成され、所定のベースライン量を有しながらウェハアライメントを行う。ここで、ウェハアライメントは、マスク３２０の位置と投影光学系３３０の光軸との位置関係（相対位置）、及び、被処理体３４０の位置と投影光学系３３０の光軸との位置関係（相対位置）を含む。アライメント検出系３５０は、真空雰囲気ＶＣと大気雰囲気とを隔離するビューイングウィンドウＶＷを介して、真空雰囲気ＶＣ及び大気雰囲気に配置される。アライメント検出系３５０を構成し、真空雰囲気ＶＣに配置される光学系に本発明の結像光学系１００を適用することができる。これにより、アライメント検出系３５０は、環境変化による光学系の光学性能の変化が低減され、高精度な検出を行うことができる。なお、結像光学系１００をアライメント検出系３５０に具体的に適用した構成は、後述するフォーカス位置検出系と同様であるため、詳細な説明は省略する。

フォーカス位置検出系（第２の検出光学系）３６０は、被処理体３４０面でＺ方向のフォーカス位置を計測し、ウェハステージ３４５の位置及び角度を制御することによって、露光中、常時被処理体３４０面を投影光学系３３０による結像位置に保つ。フォーカス位置検出系３６０は、アライメント検出系３５０と同様に、ビューイングウィンドウＶＷを介して、真空雰囲気ＶＣ及び大気雰囲気に配置される。フォーカス位置検出系３６０を構成する光学系に本発明の結像光学系１００を適用することができる。これにより、光学系の組み立て及び調整を大気雰囲気で行い、露光装置３００に配置した後、配置した雰囲気が真空雰囲気に変化しても光学性能に変化が生じないため、大気雰囲気で得られる同等の光学性能で検出を行うことができる。

ここで、本発明の結像光学系１００をフォーカス位置検出系３６０に適用した具体的な構成について説明する。図８は、フォーカス位置検出系３６０の構成を示す概略断面図である。フォーカス位置検出系３６０は、ＬＥＤ光源３６１と、マーク３６２と、プロジェクションユニット３６３と、ディテクションユニット３６４と、ＣＣＤ３６５とを有する。なお、プロジェクション３６３とディテクションユニット３６４は、真空雰囲気ＶＣに配置される。

図８を参照するに、ＬＥＤ光源３６１からの照明光はマーク３６２を照明し、マーク３６２の像がプロジェクションユニット３６３を介して被処理体３４０に投影される。被処理体３４０からの反射光は、ディテクションユニット３５４を介してＣＣＤ３６５に結像される。本実施形態では、ディテクションユニット３５４に結像光学系１００を適用することを想定している。但し、結像光学系１００の結像倍率等を最適化すれば、プロジェクションユニット３６３に適用することも可能である。

露光において、照明装置３１０から射出されたＥＵＶ光はマスク３２０を照明し、マスク３２０面上のパターンを被処理体３４０面上に結像する。本実施形態において、像面は円弧状（リング状）の像面となり、マスク３２０と被処理体３４０を縮小倍率比の速度比で走査することにより、マスク３２０の全面を露光する。露光装置３００は、アライメント検出系３５０やフォーカス位置検出系３６０に結像光学系１００を適用しているため、ウェハアライメント及びフォーカス位置検出を大気雰囲気と同等の精度で行うことができる。これにより、露光装置３００は、高いスループットで経済性よく従来よりも高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

なお、本実施形態では、アライメント検出系３５０及びフォーカス位置検出系３６０は、真空雰囲気ＶＣ及び大気雰囲気に配置されている。しかし、図９に示すように、アライメント検出系３５０及びフォーカス位置検出系３６０の全体を真空雰囲気ＶＣに配置しても同様の効果を得ることができる。ここで、図９は、本発明の一側面としての露光装置３００の別の構成を示す概略断面図である。

次に、図１０及び図１１を参照して、露光装置３００を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図１０は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１１は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置３００によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重の回路パターンが形成される。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置３００を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、ＥＵＶ露光装置だけでなく、その他の真空雰囲気で使用される光学系に適用することができる。

本発明の一側面としての結像光学系の構成を示す概略断面図である。 図１に示す結像光学系の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図である。 第１のレンズ群の第１の焦点距離及び第２のレンズ群の第２の焦点距離の最適化（環境変化による結像位置の変化を極めて小さい値（若しくは、０）にする）を説明するために定義した光学系を示す概略断面図である。 本発明の一側面としての結像光学系の設計方法を説明するためのフローチャートである。 図３に示す光学系（結像光学系）のフォーカス比と環境変化によるピント位置差との関係を示すグラフである。 図３に示す光学系（結像光学系）の屈折率差と環境変化によるピント位置差との関係を示すグラフである。 本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略断面図である。 図７に示す露光装置のフォーカス位置検出系の構成を示す概略断面図である。 本発明の一側面としての露光装置の別の構成を示す概略断面図である。 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。 図１０に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。 結像光学系の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図である。

符号の説明

１００ 結像光学系
１１０ 第１のレンズ群
１１０Ａ 凸レンズ
１２０ 第２のレンズ群
１２０Ａ 凹レンズ
ＯＳ 物体面
ＩＳ 結像面
３００ 露光装置
３５０ アライメント検出系
３６０ フォーカス位置検出系
３６１ ＬＥＤ光源
３６２ マーク
３６３ プロジェクションユニット
３６４ ディテクションユニット
３６５ ＣＣＤ
ＶＣ 真空雰囲気

Claims (10)

1. 第１の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ群とを有し、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系の設計方法であって、
   前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、
   前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２に応じて生じるピント位置差Δｄ１を、ａ１及びｂ１を定数としてΔｄ１＝ａ１・（ｆ１／ｆ２）＋ｂ１と定義したときに、前記定数ａ１及びｂ１を求めるステップと、
   前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ１として、前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２を、ｆ１／ｆ２＝（Δｄ_Ｔ１−ｂ１）／ａ１に基づいて決定するステップとを有することを特徴とする設計方法。
2. 第１の焦点距離ｆ１を有すると共に、第１の屈折率ｎ１の硝材からなる第１のレンズ群と、第２の焦点距離ｆ２を有すると共に、第２の屈折率ｎ２の硝材からなる第２のレンズ群とを有し、物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系の設計方法であって、
   前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、
   前記第１の屈折率ｎ１と前記第２の屈折率ｎ２との差Δｎに応じて生じるピント位置差Δｄ２を、ａ２及びｂ２を定数としてΔｄ２＝ａ２・Δｎ＋ｂ２と定義したときに、前記定数ａ２及びｂ２を求めるステップと、
   前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ２として、前記第１の屈折率ｎ１の硝材及び前記第２の屈折率ｎ２の硝材を、Δｎ＝（Δｄ_Ｔ２−ｂ２）／ａ２に基づいて決定するステップとを有することを特徴とする設計方法。
3. 物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系であって、
   第１の焦点距離ｆ１を有する第１のレンズ群と、
   第２の焦点距離ｆ２を有する第２のレンズ群とを有し、
   前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、
   前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２に応じて生じるピント位置差Δｄ１を、ａ１及びｂ１を定数としてΔｄ１＝ａ１・（ｆ１／ｆ２）＋ｂ１と定義し、
   前記第１の焦点距離ｆ１と前記第２の焦点距離ｆ２との比ｆ１／ｆ２は、前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ１とすると、ｆ１／ｆ２＝（Δｄ_Ｔ１−ｂ１）／ａ１に基づいて決定されることを特徴とする結像光学系。
4. 物体面のパターンの像を像面上に結像する結像光学系であって、
   第１の焦点距離ｆ１を有すると共に、第１の屈折率ｎ１の硝材からなる第１のレンズ群と、
   第２の焦点距離ｆ２を有すると共に、第２の屈折率ｎ２の硝材からなる第２のレンズ群とを有し、
   前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気に、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境変化した場合において、
   前記第１の屈折率ｎ１と前記第２の屈折率ｎ２との差Δｎに応じて生じるピント位置差Δｄ２を、ａ２及びｂ２を定数としてΔｄ２＝ａ２・Δｎ＋ｂ２と定義し、
   前記第１の屈折率ｎ１の硝材及び前記第２の屈折率ｎ２の硝材は、前記環境変化によるピント位置差の許容値をΔｄ_Ｔ２とすると、Δｎ＝（Δｄ_Ｔ２−ｂ２）／ａ２を満足する特徴とする結像光学系。
5. 請求項１又は２記載の設計方法によって設計されたことを特徴とする結像光学系。
6. 光源からの光を用いてマスクを照明し、前記マスクのパターンを被処理体に露光する露光装置であって、
   前記被処理体のフォーカス位置を検出する検出光学系を有し、
   前記検出光学系は、請求項３乃至５のうちいずれか一項記載の結像光学系を含むことを特徴とする露光装置。
7. 光源からの光を用いてマスクを照明し、前記マスクのパターンを被処理体に露光する露光装置であって、
   前記マスクと前記被処理体との相対位置を検出する検出光学系を有し、
   前記検出光学系は、請求項３乃至５のうちいずれか一項記載の結像光学系を含むことを特徴とする露光装置。
8. 光源からの光を用いてマスクを照明し、前記マスクのパターンを被処理体に露光する露光装置であって、
   前記被処理体のフォーカス位置を検出する第１の検出光学系と、
   前記マスクと前記被処理体との相対位置を検出する第２の検出光学系とを有し、
   前記第１の検出光学系及び前記第２の検出光学系のうち少なくとも一方は、請求項３乃至５のうちいずれか一項記載の結像光学系を含むことを特徴とする露光装置。
9. 前記光は、波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ光であることを特徴とする請求項６乃至８のうちいずれか一項記載の露光装置。
10. 請求項６乃至９のうちいずれか一項記載の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、
    露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。