JP3673633B2 - 投影光学系の組立調整方法 - Google Patents
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- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体露光装置に搭載するための投影光学系の組立調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＣやＬＳＩなどの半導体集積回路は投影露光方式によって作製されるのが一般的であり、集積度の向上に伴う回路パターン寸法の小型化とチップ寸法の大型化に対応するために、投影光学系は高ＮＡ化、大画面化、短波長化している。そして、回路のパターン寸法は非常に小さく、現在では０．２５μｍ以下の線幅のパターンを有する集積回路が作製されており、今後も線幅は益々小さくなってゆく傾向にある。
【０００３】
このために、半導体製造装置用の投影レンズには、次のような非常に高い精度と性能が要求される。
【０００４】
(1) 画面全体に渡って高いコントラストの投影像が得られること。
(2) 像の歪みや位置ずれが非常に小さいこと。
(3) 大きい焦点深度が得られること。
【０００５】
これらの性能を満足するためには、波面収差ＲＭＳ、コマ収差、像面湾曲及び非点収差、歪曲収差及びテレセン度等の収差を低く押さえ込まなければならない。
【０００６】
先ず、画面全体で高コントラスト像を得るためには、波面収差ＲＭＳ（自乗平均の平方根）がなるべく小さく、像高によって殆ど変化しないことが必要であり、マレシャルの評価基準 (Marechal's criterion) によれば、波面収差ＲＭＳが約０．０７λ以下であればよい。次に、コマ収差は投影像のコントラスト低下や像ずれの原因となるために、なるべく小さく押さえる必要があり、像面湾曲、非点収差の存在は投影像のコントラストの画面内均一性を悪化させて焦点深度を狭める原因となる。更に、像の位置ずれの主な原因である歪曲収差、倍率誤差やデフォーカスしたときに像の位置がずれるテレセン度があり、物側（レチクル側）、像側（ウエハ側）共になるべくテレセントリック系にすることが望ましい。
【０００７】
このような性能を満足する投影光学系を得るためには、良好な値のレンズ系を設計するだけではなく、作製時に生ずる誤差を相当に厳しく押さえ込まなければならない。
【０００８】
従来の投影光学系はこれらの事項を考慮して設計組立されているが、投影光学系に求められる性能から算出すると、許容される作製誤差（公差）は極めて小さな値となるために、許容誤差内で作製することが技術的にかなり困難になる。また、作製できても歩留まりが非常に悪くなって、経済的に成り立たないという問題が生ずる。
【０００９】
このために、予め修正することを前提にして公差を設定するようにする。球面収差、コマ収差、非点収差、歪曲収差等の一部の収差は、レンズ間の間隔を調整することによって、非常に微少であるが或る程度は修正することができる。従って、調整幅を考慮して若干緩い公差を設定し、投影光学系を構成する全てのレンズエレメントをその設定した公差に基づいて研磨して作製する。
【００１０】
それぞれの光学部品のレンズエレメントに生ずる作製誤差としては、面形状（曲率半径）Ｒの誤差、肉厚ｄの誤差、面形状の球面からのずれがあるので、全てのレンズエレメントの面形状及び曲率半径Ｒ及び肉厚ｄの精密な測定を干渉法による面形状測定器等を用いて行い、測定したデータを基に最適なレンズエレメント間の間隔を計算し直してその間隔で組み立てを行う。そして、光学系の各収差や性能を計測しながら、レンズエレメント間の間隔調整（光軸方向への移動）、レンズエレメントの傾きの調整（光軸垂直方向を軸とする回転）、レンズエレメントの横ずれの調整（光軸垂直方向への移動）等の微妙な調整を行い、光学性能の劣化を最小限にして組立てを完成する。更に、研磨した数本分のレンズエレメントの面形状を測定し、そのデータを基に最適なレンズエレメントの組み合わせを選んで組み立てることも行われている。
【００１１】
図１０は従来の作製誤差の修正方法のフローチャート図を示し、ステップ１で全レンズエレメントを一度に加工し、ステップ２で面形状Ｒ及び肉厚ｄを計測する。そのとき、作製誤差が各レンズエレメントに付加されるので、ステップ３でそれにより発生した収差を各レンズ間の間隔を変数にとって最適化計算を行って修正する。その後に、ステップ４で組立調整を行う。
【００１２】
このように、従来の組立方法では、投影光学系の性能を満足させるための調整を、全てレンズエレメントの移動や回転等により行っている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来例においては、レンズの移動による間隔調整だけでは調整幅が少ないために、高精度化する投影光学系を作製する場合に公差が厳しくなり過ぎ、作製が困難となりかつ歩留まりが悪くなる等の問題が発生する。また、例えばレンズエレメントの数が少ない光学系では、調整に用いるレンズ間隔の数が少ないために上述の方法は適応できない。
【００１４】
図１１は従来の方法によって修正した光学系の収差のグラフ図を示し、図１１(a) は各像高における波面収差ＲＭＳで、図１１(b) は歪曲収差、図１１(c) は像面湾曲及び非点収差であり、後述する図３の設計値の収差のグラフ図と比較して分かるように、間隔調整だけでは補正しきれない収差が存在する。また、例えば像面湾曲の一部であるペッツバール和は各レンズのパワーφと各レンズの硝材の屈折率ｎとからΣ（φ／ｎ）で表され、これにより各レンズのパワーが決まってしまうために、間隔調整だけでは修正できないという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、光学部品の作成誤差により生ずる光学性能の劣化を良好に修正する投影光学系の組立調整方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系としての球面収差を調整する前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする。
本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系としての波面収差を減少する前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする。
本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系の瞳位置付近に配置した前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図９に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施例の投影光学系の断面図を示し、１７枚のＫｒＦ用単硝材レンズＧ１〜Ｇ１７によって、投影倍率１／５倍、画面寸法１７ｍｍ×１７ｍｍ、ＮＡ０．４８、物体〜第１面間距離１２０ｍｍ、作動距離１５ｍｍの投影光学系が形成されている。
【００１８】
この光学系の各レンズの面形状（曲率半径）Ｒ、肉厚及び間隔Ｄ、屈折率Ｎのデータを次表に示す。
【００１９】
【００２０】
ここで、このレンズデータに作製誤差に相当する面形状Ｒ、肉厚及び間隔Ｄの変化を与えて収差を発生させる。即ち、作製誤差として、各レンズにおいてニュートリング３本程度の面形状Ｒのずれ、及び２０μｍ程度の肉厚及び間隔Ｄのずれが発生するものとし、作製誤差発生後の各レンズの面形状Ｒ及び肉厚及び間隔Ｄのデータを次表に示す。
【００２１】
【００２２】
ただし、実際の製造工程では、面形状Ｒが球面からずれるような非軸対称や非球面的な誤差も存在する。
【００２３】
図２は作製誤差の修正方法のフローチャート図を示し、先に加工するレンズエレメントＡと収差の修正に使用するレンズエレメントＢをそれぞれ指定する。本実施例ではレンズエレメントＢとして２つのレンズＧ１、Ｇ１２を使用する。レンズＧ１は物体の近くにあり、歪曲収差やテレセン度の補正に適しており、またレンズＧ１２は瞳付近に位置するために、波面収差ＲＭＳの減少や球面収差の調整、コマ収差の除去に適している。そして、レンズＧ１、Ｇ１２以外のレンズエレメントは全て通常のレンズエレメントＡである。
【００２４】
ステップ１１でレンズエレメントＡを加工する。その結果、各レンズエレメントＡに作製誤差が与えられるので、ステップ１２で面形状Ｒと肉厚ｄを計測してそれぞれ表２に示す値になったとする。ステップ１３でそれにより発生した収差を各レンズ間の間隔と、レンズエレメントＢの面形状Ｒ及び肉厚ｄを変数にして最適化計算を行う。この最適化計算の結果、レンズエレメントＢの面形状Ｒ、肉厚ｄ及び各レンズエレメント間の間隔が決定され、ステップ１４でそれに基づいてレンズエレメントＢを加工する。この加工の際に、レンズエレメントＢに加工誤差としてニュートリング３本程度のＲのずれ、２０μｍ程度の肉厚ｄのずれが生ずるものとし、ステップ１５でレンズエレメントＢの面形状Ｒと肉厚ｄを計測する。ステップ１６でそれにより発生した収差を、各レンズ間の間隔を変数にして最適化計算を行って修正する。そして、ステップ１７で組立調整を行う。
【００２５】
図３は作製誤差を与える前の光学系の設計値の収差図を示し、光学系の性能を評価する量としては、波面収差ＲＭＳ、歪曲収差、像面湾曲及び非点収差の３つを選んでいる。即ち、(a) は各像高における波面収差ＲＭＳ、(b) は各像高における歪曲収差、(c) は各像高における像面湾曲及び非点収差を表している。
【００２６】
図４は本発明の方法により修正した光学系の収差図を示し、(a) 〜(c) については、それぞれ図３の(a) 〜図３(b) と同じ諸量を表している。
【００２７】
先ず、図３(a) 、図４(a) 及び従来例の図１１(a) の波面収差ＲＭＳに関し、設計値の波面収差ＲＭＳの最大値は、最軸外で０．０５３λである。従来の方法で調整した結果、波面収差ＲＭＳは完全に修正しきれず、最軸外で０．２９１λとマレシャルの評価基準を大幅に上廻っている。これは、ニュートリング３本という公差では緩る過ぎることを示しており、更に厳しい公差を設定しなければならない。それに対して本実施例の方法では、波面収差ＲＭＳは最軸外で０．０６７λとほぼ設計値まで回復している。即ち、従来の方法では設定不可能であったニュートリング３本という公差を設定し得ることを示している。
【００２８】
次に、図３(b) 、図４(b) 及び図１１(b) の歪曲収差に関し、設計値の最大値と最小値の差である歪曲収差の幅は０．５９・１０-3％であるのに対し、従来の方法では１．１０・１０-3％でほぼ倍近い値までにしか修正できない。一方、実施例の方法によれば、歪曲収差の幅は０．６６・１０-3％と設計値の約１割増し程度にまで修正できている。
【００２９】
更に、図３(c) 、図４(c) 及び図１１(c) の像面湾曲、非点収差に関し、設計値の像面幅は２．０７３μｍである。それに対して、従来の方法による修正の結果、像面幅は４．２３３μｍであり、本実施例の方法によれば１．５８６μｍとなる。特に、従来の方法による修正の結果、非点収差が大幅に発生しているが、これは作製誤差によって生じた間隔調整では修正できないペッツバール和の変化を、非点収差でバランスさせて修正しようとしたことによる。この結果からも本発明の優位性が示されている。
【００３０】
従って、レンズＧ１、Ｇ１２の２つのレンズエレメントＢの形状を性能補正に使用することによって、波面収差ＲＭＳ、歪曲収差、像面湾曲が設計値にほぼ劣らない性能の投影光学系を作製することができる。
【００３１】
また、図５はレンズエレメントＢを非球面として最適化計算を行った場合の結果である。図５(a) は波面収差ＲＭＳ、図５(b) は歪曲収差、図５(c) は像面湾曲及び非点収差の修正状態を示している。これらの収差図からレンズエレメントＢを非球面化することにより、更に大きな修正効果を得ることができることが分かる。
【００３２】
なお、波面収差ＲＭＳ、歪曲収差、像面湾曲及び非点収差の３つの性質に着目してレンズエレメントＢの形状を決定したが、他の光学性能例えば球面収差やコマ収差等のより細かい評価項目をレンズエレメントＢの形状決定のために設けることもできる。また、測定量として各レンズエレメントの面形状Ｒと肉厚ｄとしたが、他にも各レンズエレメントの光軸と垂直な面内の屈折率分布を測定し、レンズエレメントＢの形状決定に反映させてもよい。更に、レンズエレメントＢをレンズＧ１、Ｇ１２の２つとしたが、この２つのレンズに限定する必要はなく、またＫｒＦ投影レンズを用いているが、ｉ線，ＡｒＦなど他の露光波長用投影光学系に適用することができる。
【００３３】
このように、光学系を構成するレンズエレメントをそのまま補正用光学素子として使用することができるので、新たに補正用光学素子を設計的に付加することなく本実施例を投影光学系に適用することが可能となる。
【００３４】
図６は第２の実施例の投影光学系の断面図を示し、第１の実施例では面形状Ｒ及び肉厚ｄの変化を作製誤差として与えたが、実際の作製工程では面形状Ｒが球面からずれるような面形状誤差が生ずる。従って、本実施例ではこの面形状誤差による性能劣化の補正を行う。
【００３５】
この面形状Ｒが非球面になるような誤差は、測定面の球面からのずれを各成分に分解して表され、その成分分けとして動径変数ｒと角度変数θの直交関数系であるゼルニケ(Zernike) 級数展開する。これらの非球面的誤差成分は、画面内で非軸対称な振舞いをする球面収差及びコマ収差、歪曲収差の非軸対称成分やランダム成分、軸対称に分布しない像面湾曲及び非点収差等の間隔修正では補正が困難な収差の発生原因となる。そして、この非球面的な面形状の誤差により発生した諸性能の劣化を修正するには、補正用光学素子の面形状を非軸対称な非球面にして対応することが有効である。
【００３６】
図６において、設計上３枚の平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４、１７枚のＫｒＦ用単硝材から成るレンズＧ２２〜Ｇ２６、Ｇ２８〜Ｇ３３、Ｇ３５〜Ｇ４０を使用して、投影倍率１／５倍、画面寸法１７ｍｍ×１７ｍｍ，ＮＡ０．５０、物体〜第１面間距離１００ｍｍ、作動距離１５．６９ｍｍの投影光学系が形成されている。この投影光学系の面形状Ｒ、肉厚及び間隔Ｄ、屈折率Ｎを次表に示す。
【００３７】
【００３８】
これらの平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４を第１の実施例のレンズエレメントＢに対応させ、残りの光学部材を同様にレンズエレメントＡに対応させて、同様の手順で組み立て調整を行うことにより、良好な組立調整結果を得ることができる。このとき、レンズエレメントＢの平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４を非球面にして最適化計算を行うと、より大きな効果を得ることができる。
【００３９】
このようなレンズ面形状Ｒの軸対称な誤差成分については、第１の実施例と同様なので説明は省略し、像高により非対称な収差を補正する方法、即ちレンズ面形状の非軸対称な誤差を補正する方法を説明する。
【００４０】
図７〜図９は平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４の後面に非球面量を与えて収差の変化を調べたものであり、図７は歪曲収差の変化、図８は像面湾曲の変化、図９はコマ収差の変化を表している。
【００４１】
図７は平行平面板Ｇ２１の後面を非球面形状にして歪曲収差の変化を調べ、非球面形状にすることによって発生する位置ずれを２０，０００倍に拡大して、理想格子に対してプロットしている。
【００４２】
図７(a) はゼルニケ級数のＺ４項で表される非球面を０．１０λ与えたものであり、倍率誤差成分が発生している。図７(b) はＺ５項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、縦横倍率誤差成分が発生している。図７(c) はＺ７項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、画面の左から右にかけて倍率が線形に変化している。図７(d) はＺ９項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、三次の歪曲収差成分が発生している。図７(e) はＺ１０項で表される非球面を０．１０λ与えたものである。なお、高次のゼルニケ項形状の非球面を与えることにより、更に複雑な形状の歪曲収差を発生させることができる。
【００４３】
図８は像面湾曲の変化を調べ、非球面形状にすることによって発生するフォーカス位置の変化をプロットしたものである。マーク■は画面内垂直方向に並んだ０．２５μｍＬ／Ｓパターンに対してのフォーカス位置の変化を示し、マーク□は画面内水平方向に並んだ０．２５μｍＬ／Ｓパターンに対してのフォーカス位置の変化を表している。
【００４４】
図８(a) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ５項で表される非球面を０．１０λ与え、図８(b) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ１２項で表される非球面を０．１０λ与えたものである。このように、平行平面板Ｇ３４を非球面にすることにより画面全体に渡って均一な非点収差を発生させることができる。
【００４５】
また、図８(c) は平行平面板Ｇ２７の後面にＺ７項で表される非球面を０．１０λ与えたもの、図８(d) は平行平面板Ｇ２７の後面にＺ９項で表される非球面を０．１０λ与えたもの、図８(e) は平行平面板Ｇ２７の後面にＺ１２項で表される非球面を０．１０λ与えたものである。このように、平行平面板Ｇ２７を非球面にすると、画面全体に渡って非軸対称に変化する像面湾曲や非点収差を発生させることができる。なお、図８(d) のように軸対称な非球面形状を与えれば、軸対称な振舞をする像面湾曲、非点収差を発生させることもできる。
【００４６】
図９はコマ収差の変化を調べたものであり、各像高における波面収差をゼルニケ展開したときのＺ７項及びＺ８項即ち低次のコマ収差の変化を示している。各像高における線の長さはコマ収差の大きさを表し、線の方向はコマ収差の方向を表している。
【００４７】
図９(a) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ７項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、全画面に渡って均一なコマ収差を発生させることができる。図９(b) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ８項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、全画面に渡って変化するコマ収差を発生させることができる。なお、より高次の非対称形状を与えることにより、更に複雑な像高依存性を持たせることも可能である。
【００４８】
このように、平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４に非軸対称な非球面形状を与えることにより、種々なパターンの軸非対称な歪曲収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差等を発生させることができるので、平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４以外のレンズエレメントの各面形状Ｒ、中心肉厚ｄを測定し、それらのデータを用いてレンズデータを再構成すれば、発生する収差を非軸対称な収差も含めて予測することができる。
【００４９】
このようにして発生する収差を修正するには、軸対称な収差については、第１の実施例の場合と同じ方法で修正し、軸対称な収差を修正した後の残った非軸対称な収差については、上述のような種々のパターンを組み合わせて発生した非軸対称な収差を打ち消すような非球面形状を平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４に付加することにより修正することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、レンズ間の間隔だけではなく、特定のレンズの面形状、肉厚を収差の修正に使うことができ、修正の幅が広がり、光学部品の作製誤差によって生ずる光学性能の劣化を良好に修正することができ、より高精度な投影光学系の作製が容易になり、更に公差設定を緩和することができるので歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の投影光学系の断面図である。
【図２】組立調整法のフローチャート図である。
【図３】設計値の収差図である。
【図４】修正後の収差図である。
【図５】他の修正後の収差図である。
【図６】第２の実施例の投影光学系の断面図である。
【図７】歪曲収差の変化の平面図である。
【図８】像面湾曲の変化の斜視図である。
【図９】コマ収差の変化の平面図である。
【図１０】従来例の組立調整法のフローチャート図である。
【図１１】従来の方法による修正後の収差図である。
【符号の説明】
Ｇ１、Ｇ１２、Ｇ２〜Ｇ１1 、Ｇ１3 〜Ｇ１７、Ｇ２２〜Ｇ２６、Ｇ２８〜Ｇ３３、Ｇ３５〜Ｇ４０ レンズ
Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４ 平行平面板
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体露光装置に搭載するための投影光学系の組立調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＣやＬＳＩなどの半導体集積回路は投影露光方式によって作製されるのが一般的であり、集積度の向上に伴う回路パターン寸法の小型化とチップ寸法の大型化に対応するために、投影光学系は高ＮＡ化、大画面化、短波長化している。そして、回路のパターン寸法は非常に小さく、現在では０．２５μｍ以下の線幅のパターンを有する集積回路が作製されており、今後も線幅は益々小さくなってゆく傾向にある。
【０００３】
このために、半導体製造装置用の投影レンズには、次のような非常に高い精度と性能が要求される。
【０００４】
(1) 画面全体に渡って高いコントラストの投影像が得られること。
(2) 像の歪みや位置ずれが非常に小さいこと。
(3) 大きい焦点深度が得られること。
【０００５】
これらの性能を満足するためには、波面収差ＲＭＳ、コマ収差、像面湾曲及び非点収差、歪曲収差及びテレセン度等の収差を低く押さえ込まなければならない。
【０００６】
先ず、画面全体で高コントラスト像を得るためには、波面収差ＲＭＳ（自乗平均の平方根）がなるべく小さく、像高によって殆ど変化しないことが必要であり、マレシャルの評価基準 (Marechal's criterion) によれば、波面収差ＲＭＳが約０．０７λ以下であればよい。次に、コマ収差は投影像のコントラスト低下や像ずれの原因となるために、なるべく小さく押さえる必要があり、像面湾曲、非点収差の存在は投影像のコントラストの画面内均一性を悪化させて焦点深度を狭める原因となる。更に、像の位置ずれの主な原因である歪曲収差、倍率誤差やデフォーカスしたときに像の位置がずれるテレセン度があり、物側（レチクル側）、像側（ウエハ側）共になるべくテレセントリック系にすることが望ましい。
【０００７】
このような性能を満足する投影光学系を得るためには、良好な値のレンズ系を設計するだけではなく、作製時に生ずる誤差を相当に厳しく押さえ込まなければならない。
【０００８】
従来の投影光学系はこれらの事項を考慮して設計組立されているが、投影光学系に求められる性能から算出すると、許容される作製誤差（公差）は極めて小さな値となるために、許容誤差内で作製することが技術的にかなり困難になる。また、作製できても歩留まりが非常に悪くなって、経済的に成り立たないという問題が生ずる。
【０００９】
このために、予め修正することを前提にして公差を設定するようにする。球面収差、コマ収差、非点収差、歪曲収差等の一部の収差は、レンズ間の間隔を調整することによって、非常に微少であるが或る程度は修正することができる。従って、調整幅を考慮して若干緩い公差を設定し、投影光学系を構成する全てのレンズエレメントをその設定した公差に基づいて研磨して作製する。
【００１０】
それぞれの光学部品のレンズエレメントに生ずる作製誤差としては、面形状（曲率半径）Ｒの誤差、肉厚ｄの誤差、面形状の球面からのずれがあるので、全てのレンズエレメントの面形状及び曲率半径Ｒ及び肉厚ｄの精密な測定を干渉法による面形状測定器等を用いて行い、測定したデータを基に最適なレンズエレメント間の間隔を計算し直してその間隔で組み立てを行う。そして、光学系の各収差や性能を計測しながら、レンズエレメント間の間隔調整（光軸方向への移動）、レンズエレメントの傾きの調整（光軸垂直方向を軸とする回転）、レンズエレメントの横ずれの調整（光軸垂直方向への移動）等の微妙な調整を行い、光学性能の劣化を最小限にして組立てを完成する。更に、研磨した数本分のレンズエレメントの面形状を測定し、そのデータを基に最適なレンズエレメントの組み合わせを選んで組み立てることも行われている。
【００１１】
図１０は従来の作製誤差の修正方法のフローチャート図を示し、ステップ１で全レンズエレメントを一度に加工し、ステップ２で面形状Ｒ及び肉厚ｄを計測する。そのとき、作製誤差が各レンズエレメントに付加されるので、ステップ３でそれにより発生した収差を各レンズ間の間隔を変数にとって最適化計算を行って修正する。その後に、ステップ４で組立調整を行う。
【００１２】
このように、従来の組立方法では、投影光学系の性能を満足させるための調整を、全てレンズエレメントの移動や回転等により行っている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来例においては、レンズの移動による間隔調整だけでは調整幅が少ないために、高精度化する投影光学系を作製する場合に公差が厳しくなり過ぎ、作製が困難となりかつ歩留まりが悪くなる等の問題が発生する。また、例えばレンズエレメントの数が少ない光学系では、調整に用いるレンズ間隔の数が少ないために上述の方法は適応できない。
【００１４】
図１１は従来の方法によって修正した光学系の収差のグラフ図を示し、図１１(a) は各像高における波面収差ＲＭＳで、図１１(b) は歪曲収差、図１１(c) は像面湾曲及び非点収差であり、後述する図３の設計値の収差のグラフ図と比較して分かるように、間隔調整だけでは補正しきれない収差が存在する。また、例えば像面湾曲の一部であるペッツバール和は各レンズのパワーφと各レンズの硝材の屈折率ｎとからΣ（φ／ｎ）で表され、これにより各レンズのパワーが決まってしまうために、間隔調整だけでは修正できないという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、光学部品の作成誤差により生ずる光学性能の劣化を良好に修正する投影光学系の組立調整方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系としての球面収差を調整する前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする。
本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系としての波面収差を減少する前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする。
本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系の瞳位置付近に配置した前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図９に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施例の投影光学系の断面図を示し、１７枚のＫｒＦ用単硝材レンズＧ１〜Ｇ１７によって、投影倍率１／５倍、画面寸法１７ｍｍ×１７ｍｍ、ＮＡ０．４８、物体〜第１面間距離１２０ｍｍ、作動距離１５ｍｍの投影光学系が形成されている。
【００１８】
この光学系の各レンズの面形状（曲率半径）Ｒ、肉厚及び間隔Ｄ、屈折率Ｎのデータを次表に示す。
【００１９】
ここで、このレンズデータに作製誤差に相当する面形状Ｒ、肉厚及び間隔Ｄの変化を与えて収差を発生させる。即ち、作製誤差として、各レンズにおいてニュートリング３本程度の面形状Ｒのずれ、及び２０μｍ程度の肉厚及び間隔Ｄのずれが発生するものとし、作製誤差発生後の各レンズの面形状Ｒ及び肉厚及び間隔Ｄのデータを次表に示す。
【００２１】
ただし、実際の製造工程では、面形状Ｒが球面からずれるような非軸対称や非球面的な誤差も存在する。
【００２３】
図２は作製誤差の修正方法のフローチャート図を示し、先に加工するレンズエレメントＡと収差の修正に使用するレンズエレメントＢをそれぞれ指定する。本実施例ではレンズエレメントＢとして２つのレンズＧ１、Ｇ１２を使用する。レンズＧ１は物体の近くにあり、歪曲収差やテレセン度の補正に適しており、またレンズＧ１２は瞳付近に位置するために、波面収差ＲＭＳの減少や球面収差の調整、コマ収差の除去に適している。そして、レンズＧ１、Ｇ１２以外のレンズエレメントは全て通常のレンズエレメントＡである。
【００２４】
ステップ１１でレンズエレメントＡを加工する。その結果、各レンズエレメントＡに作製誤差が与えられるので、ステップ１２で面形状Ｒと肉厚ｄを計測してそれぞれ表２に示す値になったとする。ステップ１３でそれにより発生した収差を各レンズ間の間隔と、レンズエレメントＢの面形状Ｒ及び肉厚ｄを変数にして最適化計算を行う。この最適化計算の結果、レンズエレメントＢの面形状Ｒ、肉厚ｄ及び各レンズエレメント間の間隔が決定され、ステップ１４でそれに基づいてレンズエレメントＢを加工する。この加工の際に、レンズエレメントＢに加工誤差としてニュートリング３本程度のＲのずれ、２０μｍ程度の肉厚ｄのずれが生ずるものとし、ステップ１５でレンズエレメントＢの面形状Ｒと肉厚ｄを計測する。ステップ１６でそれにより発生した収差を、各レンズ間の間隔を変数にして最適化計算を行って修正する。そして、ステップ１７で組立調整を行う。
【００２５】
図３は作製誤差を与える前の光学系の設計値の収差図を示し、光学系の性能を評価する量としては、波面収差ＲＭＳ、歪曲収差、像面湾曲及び非点収差の３つを選んでいる。即ち、(a) は各像高における波面収差ＲＭＳ、(b) は各像高における歪曲収差、(c) は各像高における像面湾曲及び非点収差を表している。
【００２６】
図４は本発明の方法により修正した光学系の収差図を示し、(a) 〜(c) については、それぞれ図３の(a) 〜図３(b) と同じ諸量を表している。
【００２７】
先ず、図３(a) 、図４(a) 及び従来例の図１１(a) の波面収差ＲＭＳに関し、設計値の波面収差ＲＭＳの最大値は、最軸外で０．０５３λである。従来の方法で調整した結果、波面収差ＲＭＳは完全に修正しきれず、最軸外で０．２９１λとマレシャルの評価基準を大幅に上廻っている。これは、ニュートリング３本という公差では緩る過ぎることを示しており、更に厳しい公差を設定しなければならない。それに対して本実施例の方法では、波面収差ＲＭＳは最軸外で０．０６７λとほぼ設計値まで回復している。即ち、従来の方法では設定不可能であったニュートリング３本という公差を設定し得ることを示している。
【００２８】
次に、図３(b) 、図４(b) 及び図１１(b) の歪曲収差に関し、設計値の最大値と最小値の差である歪曲収差の幅は０．５９・１０-3％であるのに対し、従来の方法では１．１０・１０-3％でほぼ倍近い値までにしか修正できない。一方、実施例の方法によれば、歪曲収差の幅は０．６６・１０-3％と設計値の約１割増し程度にまで修正できている。
【００２９】
更に、図３(c) 、図４(c) 及び図１１(c) の像面湾曲、非点収差に関し、設計値の像面幅は２．０７３μｍである。それに対して、従来の方法による修正の結果、像面幅は４．２３３μｍであり、本実施例の方法によれば１．５８６μｍとなる。特に、従来の方法による修正の結果、非点収差が大幅に発生しているが、これは作製誤差によって生じた間隔調整では修正できないペッツバール和の変化を、非点収差でバランスさせて修正しようとしたことによる。この結果からも本発明の優位性が示されている。
【００３０】
従って、レンズＧ１、Ｇ１２の２つのレンズエレメントＢの形状を性能補正に使用することによって、波面収差ＲＭＳ、歪曲収差、像面湾曲が設計値にほぼ劣らない性能の投影光学系を作製することができる。
【００３１】
また、図５はレンズエレメントＢを非球面として最適化計算を行った場合の結果である。図５(a) は波面収差ＲＭＳ、図５(b) は歪曲収差、図５(c) は像面湾曲及び非点収差の修正状態を示している。これらの収差図からレンズエレメントＢを非球面化することにより、更に大きな修正効果を得ることができることが分かる。
【００３２】
なお、波面収差ＲＭＳ、歪曲収差、像面湾曲及び非点収差の３つの性質に着目してレンズエレメントＢの形状を決定したが、他の光学性能例えば球面収差やコマ収差等のより細かい評価項目をレンズエレメントＢの形状決定のために設けることもできる。また、測定量として各レンズエレメントの面形状Ｒと肉厚ｄとしたが、他にも各レンズエレメントの光軸と垂直な面内の屈折率分布を測定し、レンズエレメントＢの形状決定に反映させてもよい。更に、レンズエレメントＢをレンズＧ１、Ｇ１２の２つとしたが、この２つのレンズに限定する必要はなく、またＫｒＦ投影レンズを用いているが、ｉ線，ＡｒＦなど他の露光波長用投影光学系に適用することができる。
【００３３】
このように、光学系を構成するレンズエレメントをそのまま補正用光学素子として使用することができるので、新たに補正用光学素子を設計的に付加することなく本実施例を投影光学系に適用することが可能となる。
【００３４】
図６は第２の実施例の投影光学系の断面図を示し、第１の実施例では面形状Ｒ及び肉厚ｄの変化を作製誤差として与えたが、実際の作製工程では面形状Ｒが球面からずれるような面形状誤差が生ずる。従って、本実施例ではこの面形状誤差による性能劣化の補正を行う。
【００３５】
この面形状Ｒが非球面になるような誤差は、測定面の球面からのずれを各成分に分解して表され、その成分分けとして動径変数ｒと角度変数θの直交関数系であるゼルニケ(Zernike) 級数展開する。これらの非球面的誤差成分は、画面内で非軸対称な振舞いをする球面収差及びコマ収差、歪曲収差の非軸対称成分やランダム成分、軸対称に分布しない像面湾曲及び非点収差等の間隔修正では補正が困難な収差の発生原因となる。そして、この非球面的な面形状の誤差により発生した諸性能の劣化を修正するには、補正用光学素子の面形状を非軸対称な非球面にして対応することが有効である。
【００３６】
図６において、設計上３枚の平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４、１７枚のＫｒＦ用単硝材から成るレンズＧ２２〜Ｇ２６、Ｇ２８〜Ｇ３３、Ｇ３５〜Ｇ４０を使用して、投影倍率１／５倍、画面寸法１７ｍｍ×１７ｍｍ，ＮＡ０．５０、物体〜第１面間距離１００ｍｍ、作動距離１５．６９ｍｍの投影光学系が形成されている。この投影光学系の面形状Ｒ、肉厚及び間隔Ｄ、屈折率Ｎを次表に示す。
【００３７】
これらの平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４を第１の実施例のレンズエレメントＢに対応させ、残りの光学部材を同様にレンズエレメントＡに対応させて、同様の手順で組み立て調整を行うことにより、良好な組立調整結果を得ることができる。このとき、レンズエレメントＢの平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４を非球面にして最適化計算を行うと、より大きな効果を得ることができる。
【００３９】
このようなレンズ面形状Ｒの軸対称な誤差成分については、第１の実施例と同様なので説明は省略し、像高により非対称な収差を補正する方法、即ちレンズ面形状の非軸対称な誤差を補正する方法を説明する。
【００４０】
図７〜図９は平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４の後面に非球面量を与えて収差の変化を調べたものであり、図７は歪曲収差の変化、図８は像面湾曲の変化、図９はコマ収差の変化を表している。
【００４１】
図７は平行平面板Ｇ２１の後面を非球面形状にして歪曲収差の変化を調べ、非球面形状にすることによって発生する位置ずれを２０，０００倍に拡大して、理想格子に対してプロットしている。
【００４２】
図７(a) はゼルニケ級数のＺ４項で表される非球面を０．１０λ与えたものであり、倍率誤差成分が発生している。図７(b) はＺ５項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、縦横倍率誤差成分が発生している。図７(c) はＺ７項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、画面の左から右にかけて倍率が線形に変化している。図７(d) はＺ９項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、三次の歪曲収差成分が発生している。図７(e) はＺ１０項で表される非球面を０．１０λ与えたものである。なお、高次のゼルニケ項形状の非球面を与えることにより、更に複雑な形状の歪曲収差を発生させることができる。
【００４３】
図８は像面湾曲の変化を調べ、非球面形状にすることによって発生するフォーカス位置の変化をプロットしたものである。マーク■は画面内垂直方向に並んだ０．２５μｍＬ／Ｓパターンに対してのフォーカス位置の変化を示し、マーク□は画面内水平方向に並んだ０．２５μｍＬ／Ｓパターンに対してのフォーカス位置の変化を表している。
【００４４】
図８(a) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ５項で表される非球面を０．１０λ与え、図８(b) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ１２項で表される非球面を０．１０λ与えたものである。このように、平行平面板Ｇ３４を非球面にすることにより画面全体に渡って均一な非点収差を発生させることができる。
【００４５】
また、図８(c) は平行平面板Ｇ２７の後面にＺ７項で表される非球面を０．１０λ与えたもの、図８(d) は平行平面板Ｇ２７の後面にＺ９項で表される非球面を０．１０λ与えたもの、図８(e) は平行平面板Ｇ２７の後面にＺ１２項で表される非球面を０．１０λ与えたものである。このように、平行平面板Ｇ２７を非球面にすると、画面全体に渡って非軸対称に変化する像面湾曲や非点収差を発生させることができる。なお、図８(d) のように軸対称な非球面形状を与えれば、軸対称な振舞をする像面湾曲、非点収差を発生させることもできる。
【００４６】
図９はコマ収差の変化を調べたものであり、各像高における波面収差をゼルニケ展開したときのＺ７項及びＺ８項即ち低次のコマ収差の変化を示している。各像高における線の長さはコマ収差の大きさを表し、線の方向はコマ収差の方向を表している。
【００４７】
図９(a) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ７項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、全画面に渡って均一なコマ収差を発生させることができる。図９(b) は平行平面板Ｇ３４の後面にＺ８項で表される非球面を０．１０λ与えたもので、全画面に渡って変化するコマ収差を発生させることができる。なお、より高次の非対称形状を与えることにより、更に複雑な像高依存性を持たせることも可能である。
【００４８】
このように、平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４に非軸対称な非球面形状を与えることにより、種々なパターンの軸非対称な歪曲収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差等を発生させることができるので、平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４以外のレンズエレメントの各面形状Ｒ、中心肉厚ｄを測定し、それらのデータを用いてレンズデータを再構成すれば、発生する収差を非軸対称な収差も含めて予測することができる。
【００４９】
このようにして発生する収差を修正するには、軸対称な収差については、第１の実施例の場合と同じ方法で修正し、軸対称な収差を修正した後の残った非軸対称な収差については、上述のような種々のパターンを組み合わせて発生した非軸対称な収差を打ち消すような非球面形状を平行平面板Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４に付加することにより修正することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る投影光学系の組立調整方法は、レンズ間の間隔だけではなく、特定のレンズの面形状、肉厚を収差の修正に使うことができ、修正の幅が広がり、光学部品の作製誤差によって生ずる光学性能の劣化を良好に修正することができ、より高精度な投影光学系の作製が容易になり、更に公差設定を緩和することができるので歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の投影光学系の断面図である。
【図２】組立調整法のフローチャート図である。
【図３】設計値の収差図である。
【図４】修正後の収差図である。
【図５】他の修正後の収差図である。
【図６】第２の実施例の投影光学系の断面図である。
【図７】歪曲収差の変化の平面図である。
【図８】像面湾曲の変化の斜視図である。
【図９】コマ収差の変化の平面図である。
【図１０】従来例の組立調整法のフローチャート図である。
【図１１】従来の方法による修正後の収差図である。
【符号の説明】
Ｇ１、Ｇ１２、Ｇ２〜Ｇ１1 、Ｇ１3 〜Ｇ１７、Ｇ２２〜Ｇ２６、Ｇ２８〜Ｇ３３、Ｇ３５〜Ｇ４０ レンズ
Ｇ２１、Ｇ２７、Ｇ３４ 平行平面板
Claims (10)
- 複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系としての球面収差を調整する前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする投影光学系の組立調整方法。
- 複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系としての波面収差を減少する前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする投影光学系の組立調整方法。
- 前記第１の補正用光学部材は前記投影光学系の瞳付近に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系。
- 複数の光学部材と第１の補正用光学部材を含む複数の補正用光学部材とを備える投影光学系の組立調整方法において、前記複数の光学部材を加工してこれら複数の光学部材の面形状を測定する第１の工程と、該測定結果から前記投影光学系の瞳位置付近に配置した前記第１の補正用光学部材の所定の面形状を算出する第２の工程と、該第２の工程において算出した前記所定の面形状となるように前記第１の補正用光学部材を加工し、前記第１の補正用光学部材の面形状を測定する第３の工程と、前記光学部材及び前記補正用光学部材の全てを組み立てて光学的性能の調整を行う第４の工程とを備えることを特徴とする投影光学系の組立調整方法。
- 前記第１の補正用光学部材の前記面形状に加えて肉厚を設定することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の投影光学系の組立調整方法。
- 歪曲収差を補正する第２の補正用光学部材を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載の投影光学系の組立調整方法。
- 所定の物体の像をウエハに投影する場合において、前記第２の補正用光学部材は前記物体近傍に配置したことを特徴とする請求項６に記載の投影光学系の組立調整方法。
- 前記第１の工程において、前記複数の光学部材の面形状の測定の他に屈折率分布を測定することを特徴とする請求項１〜７の何れか１つの請求項に記載の投影光学系の組立調整方法。
- 請求項１〜８の何れか１つの請求項に記載の投影光学系の組立調整方法を用いて組み立てた投影光学系を有し、所定の物体の像をウエハに投影露光することを特徴とする半導体露光装置。
- 請求項９に記載の半導体露光装置を用いて半導体集積回路を作製することを特徴とする半導体集積回路の製造方法。
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