JP3703251B2 - 回折光学素子を有した光学系 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子を有した光学系に関し、例えば回折光学素子としてバイナリ型の回折光学素子を用い、該バイナリ型の回折光学素子(以下「回折光学素子」ともいう。)を光学系中に配置したときの自重変形や鏡筒おさえ変形等による光学性能の低下を非球面を用いて補正することによって光学性能を良好に維持するようにした各種の光学系に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光の回折現象を利用した回折光学素子を用いた光学系が種々と提案されている。回折光学素子としては、例えばフレネルゾーンプレート、回折格子、ホログラム等が知られている。
【0003】
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として用いられている。この回折光学素子は屈折型レンズにはない特長を持っている。例えば、屈折型レンズと逆の分散値を有すること、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こと等の特長を持っている。
【0004】
一般に回折光学素子の形状としてバイナリ型の形状にするとその作製に半導体素子の製造技術が適用可能となり、微細なピッチも比較的容易に実現することができる。この為、ブレーズド形状を階段形状で近似したバイナリ型の回折光学素子に関する研究が最近盛んに進められている。
【0005】
図8はバイナリ型の回折光学素子の説明図である。同図のバイナリ型の回折光学素子は図8(A)に示す平凸型屈折型レンズ201の形状に対し、波長の整数倍の光路差を与える部分を取り除き、図8(B)に示すような断面形状を有する回折光学素子(フレネルレンズ)202を、更に波長の数分の一の厚さで形状を量子化して図8(C)のように階段状の形状構造で近似することによって回折光学素子204を作製している。
【0006】
ここで、図中203,205が透明な基板であり、その表面に微細な形状を有する回折光学素子202,204が形成されている。
【0007】
図9は従来の4段構造のバイナリ型の回折光学素子の製造方法の説明図である。図中、300は透明なガラス基板(屈折率:n)、301はレジスト、302は第1の露光に用いるためのマスク、303は露光光を表す。尚ここでは、レジスト301としてはポジ型を仮定している。
【0008】
まず、プロセスAにおいてマスク302のパターンが露光光303によってレジスト301上に転写される。プロセスBにおいてはレジスト301の現像が行なわれ、プロセスCにおいてはガラス基板300へのエッチングが行われる。そしてプロセスDにおいて、基板300上の不要なレジストを除去することによって、2段構造のバイナリ型回折光学素子が完成する。
【0009】
ここでエッチングの深さd1はバイナリ型の回折光学素子を使用する際の波長をλとして、
d1=λ/2(n−1)
により決定される。
【0010】
次に2段構造のバイナリ型の回折光学素子が形成されたガラス基板300に対して改めてレジスト304を塗布し、プロセスEにおいてマスク305を用いた第2の露光を行う。マスク305上のパターンはマスク302のパターンの半分のピッチを有しており、その遮光部の端を2段バイナリ構造の端に正確に位置合わせをして露光を行うことにより、プロセスFにおける現像処理の後は図示するようなレジストパターンが形成される。
【0011】
次にプロセスGにおいて2回目のエッチングを行ない、プロセスHにおいて不要レジストの除去を行うことにより、4段バイナリ型の回折光学素子が完成する。ここで2回目のエッチングにおけるエッチング深さd2は
d2=λ/4(n−1)
により決定される。
【0012】
ここでの説明は4段構造に対して行ったが、上記のプロセスを繰り返すことで、8段,16段構造のバイナリ型の回折光学素子が作製可能なことは周知のとおりである。
【0013】
前述した方法では、作製することの可能な階段の段数が2n (n:自然数)に限られてしまうが、使用するマスクの数とパターン線幅を自由に選択することによって、任意の段数から成るバイナリ型の回折光学素子を作製することが可能になる。
【0014】
尚、形状を階段状に近似することによって回折効率はある程度低下するが、8段の近似で約95%、16段近似で約99%の回折効率が得られ、実用上は問題なく使用できる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
回折光学素子を光学系の一部に用いると前述した各種の利点が得られる。しかしながら、このようなバイナリ型の回折光学素子の基板形状は製作の容易さから平行平面板を用いる場合が多く、概してその基板の厚みは薄い、また光学系中で用いられる場合、瞳近傍に配置されることが多く、NAの増大等の要請により回折光学素子の有効径が非常に大きくなる場合がある。このように回折光学素子の有効径が大きく基板の厚さが薄い場合には、自重変形により結像性能の劣化が起こることが懸念される。
【0016】
本発明は、回折光学素子を光学系の一部に用いたときに、該回折光学素子の変形による結像性能の劣化を補正し、光学性能を良好に維持することができるようにした回折光学素子を有した光学系の提供を目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明の回折光学素子を有した光学系は、
(1-1) 入射波面を所定の波面に変換する周期的構造を有する回折格子を基板面上に設けた回折光学素子と該回折光学素子を光学系中に配置したときの該回折光学素子の変形後の光学特性の変化を補正する為の補正用光学素子とを有していることを特徴としている。
【0018】
(1-2) 入射波面を所定の波面に変換する周期的構造を有する回折格子を基板面上に設けた回折光学素子と該回折光学素子の自重変形又は鏡筒おさえの変形に伴う光学特性の変化を補正する為の補正用光学素子とを有していることを特徴としている。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施形態1の要部断面図である。図中、101は回折光学素子であり、透明基板104に形成している。102は補正用光学素子であり、回折光学素子101の自重による光学特性の変化を補正している。補正用光学素子102は透明基板106上に光軸105に対して回転対称に非球面103を形成した構成より成っている。
【0020】
本実施形態の特徴は、正のパワー(屈折力)を有する回折光学素子101(以下「回折基板」ともいう。)が自重変形や鏡筒おさえ変形等の変形を起こした場合に発生する諸収差を、その近傍に配置した非球面を有する補正用光学素子102で補正し、良好なる光学性能を維持することにある。
【0021】
次に本実施形態の回折光学素子を有した光学系の特徴について説明する。まず、簡単なモデルを用いて基板の自重変形量を求める。薄い円板に対して面に垂直な方向に一様な荷重がかかった場合の変形は、理論的に得られる公式を用いて計算することができる。ここでは、周辺部単純支持(滑り拘束なし)の簡単な場合について変形量を求めることとする。
【0022】
図2(A)は基板として変形がない場合の薄い円板401(平行平面板)を示している。ここで、aは光軸105からの距離、即ち円板401の半径(mm)であり、tはその厚さ(mm)である。また図2(B)は変形後の薄い円板404の様子を示しており、wは厚さt方向の変形量(mm)を示している。
【0023】
以上の図より光軸105から距離hにおける変形量wは以下の式により求められることが知られている。
【0024】
【数1】
但し、E:ヤング率[N/mm2 ],ν:ポアソン比[無次元量],
p:単位面積当たりの荷重[N/mm2 ],a:円板の半径[mm],
t:厚さ[mm],h:半径座標[mm]
ここで自重変形に議論を限定すれば、単位面積当たりの荷重pはρ[kg/mm3 ]を密度として
p=9.81ρt[N/mm2 ]‥‥‥式(2)
で与えられる。
【0025】
次に、式(1)に例えば溶融石英の物性値
E=7.31×104[N/mm2 ]
ν=0.170
ρ=2.22×10-6[kg/mm3 ] ‥‥‥式(3)
を代入すると、変形量Wは式(1)より、半径hの4次関数として次のように表される。
【0026】
W=α1+α2・h2 +α3・h4 [mm]‥‥‥式(4)
ここで、円板401の半径aをa=75[mm]、厚さtをt=1[mm]として式(4)の係数を求めると、以下のようになる。
【0027】
尚、本実施形態では、自重変形によって基板401の形状が変化する影響のみを考慮することとし、回折光学素子としての位相分布関数の変化については無視している。その理由は、重力と直交する方向の自重変形量は通常、重力方向の変化量に比較して無視できるレベルとなるからである。例えば、図3(B)に示すように、自重変形後の回折光学素子502は、図3(A)の自重変形前の回折光学素子101の位相分布関数のピッチと略同一のピッチを有する(例えばピッチp)ものとなっている。即ち、変形の前後で輪帯境界の半径方向rの位置が不変であることに対応している。
【0028】
本実施形態では、回折光学素子101以外の自重変形は考えないため、光学系中における回折光学素子の変形の影響は、基板104の面形状の変化及び基板104前後の面間隔の変化として現われてくる。ここで、図3に示すように回折光学素子101の両面をs,s+1にて表わし、回折光学素子101はs面(本実施形態ではs=1)に形成されているとする。さらに図1に示すように回折光学素子101の基板104と補正用光学素子102と面間隔をds+1で表すこととする。
【0029】
基板104の第1面と第2面の基板形状を以下の非球面の一般式にて表わす。
【0030】
【数2】
但し、cは面の曲率、xは光軸方向(厚さ方向t)の座標、k,A,B‥‥は各々非球面係数である。
【0031】
ここでk(円錐定数)=−1とすると、自重変形後の面形状xは以下のように表せる。
【0032】
【数3】
式(4)と比較すると、
【0033】
【数4】
となる。また面間隔ds+1の変動量Δdsは、自重変形による最大の変位量(α1)と直接結び付けて考えることができる。
【0034】
このようにして、自重変形による回折光学素子の面変形量W及び面間隔ds+1の変化量Δdsが求められる。この面変形及び面間隔変化に伴う結像性能変化を補正するように、回折光学素子の近傍に予め或いは自重変形後に非球面を有する補正用光学素子102を配置し、該非球面量を適切に設定することによって自重変形の影響を防いでいる。
【0035】
次に本実施形態の具体的な数値実施例を示す。尚、図4は本実施形態における光学系の概略図を示している。同図において601は回折光学素子、602は補正用光学素子、603は光軸である。また604は補正用光学素子602の非球面導入面である。また605は軸上光束を示している。
【0036】
まず、回折光学素子601に自重変形がない状態での、光学系の諸データを(数値例1)に示す。その結像性能を図5(A)に示す。同図は球面収差を表わしている。この場合、回折光学素子601の基板は平行平面板であり、自重のための変形は考慮されていない。また、補正用光学部材602の非球面も導入されていないものとしている。尚、数値例中の位相分布関数の係数は、以下の式にて定義している。
【0037】
f(h)=a1・h2 +a2・h4 +a3・h6 +a4・h8 +‥‥
g(h)=2π/λ・f(h)
ここで、f(h)は光路長関数、g(h)は位相分布関数、
a1,a2,a3,a4,‥‥:位相多項式の係数
λ:波長
(数値例1)
物体距離=無限遠,λ=248nm
i ri di
1 0 1.0 n=石英
2 0 5.0
3 0 10.0 n=石英
4 0
回折光学素子の位相分布関数の係数
i a1 a2 a3 a4
1 -0.00333 0.359917e-7 -0.74132e-12 0.140112e-16
次に、回折光学素子601に自重変形があり、その影響による結像性能の劣化が補正用光学素子602に設けた非球面により補正されていない状態を考える。この場合の光学系の諸データを(数値例2)に、また結像性能を図5(B)に示す。即ち、式(4),(8)等に従って、回折光学素子601及び、面間隔ds+1が変形及び変化している。また補正用光学素子602の非球面は導入されていないとしている。このとき図5(B)を見て分かるように、回折光学素子の自重変形によって球面収差が悪化している。
【0038】
(数値例2)
物体距離=無限遠
i ri di
1 -302396.4251 1.0 n=石英
2 -302396.4251 4.992416
3 0 10.0 n=石英
4 0
回折光学素子の位相分布関数の係数
i a1 a2 a3 a4
1 -0.00333 0.359917e-7 -0.74132e-12 0.140112e-16
非球面係数
i K A
1 -1.0 0.54246e-10
2 -1.0 0.54246e-10
更に、回折光学素子601の自重変形の影響に対して、その近傍に配置された補正用光学素子602の一面604に非球面を施して、結像性能を補正したときの光学系の諸データを(数値例3)に、また球面収差図を図5(C)に示す。同図から明かのように回折光学素子601の自重変形の影響を十分に補正できていることが分かる。
【0039】
(数値例3)
物体距離=無限遠
i ri di
1 -302396.4251 1.0 n=石英
2 -302396.4251 4.992416
3 0 10.0 n=石英
4 0
回折光学素子の位相分布関数の係数
i a1 a2 a3 a4
1 -0.00333 0.359917e-7 -0.74132e-12 0.140112e-16
非球面係数
i K A B C D
1 -1.0 0.54246e-10
2 -1.0 0.54246e-10
3 -1.0 -0.157455e-9 0.601459e-13 -0.13130e-16 0.102233e-20
図6は本発明の回折光学素子を有した光学系の実施形態2の要部概略図である。図6(A)は図1における補正用光学素子102の裏面に非球面を加工したもの、図6(B)は補正用光学素子を複数枚配置した場合の概略図をそれぞれ示している。
【0040】
図中801,810は、自重変形を起こしている状態の回折光学素子、802,811は補正用光学素子を示す。また、805は光軸、803,806,807は非球面部分、804,807,809は補正用光学素子の基板部分を示している。
【0041】
尚、基板804の両面を非球面としても構わない。又、非球面は光軸に対して回転対称であると限定したわけではなく、回折光学素子の変形を補正する形状であればどのような非球面形状でも構わない。また、以上の実施形態のような構成を、ある光学系中の一部に適用しても前述と同様の効果が得られる。例えば、ある結像光学系中に回折光学素子が配置されている近傍に、回折光学素子の自重変形による影響をキャンセルするような補正用光学素子を配置することにより、以上の実施形態と同様の結像性能劣化に対する補正効果が得られる。
【0042】
また、本実施形態では正の屈折力を有する回折光学素子を取り上げたが、光学系中で負の屈折力を有していても構わない。
【0043】
また、以上の実施形態においては、回折光学素子の変形として「自重変形」を挙げたが、回折光学素子の基板変形(例えば鏡筒のおさえによる変形)を補正するにも同様に適用することができる。
【0044】
図7は本発明の回折光学素子を有した光学系を半導体素子製造用の投影露光装置に適用したときの実施形態3の要部概略図である。同図においては、照明系ERからの露光光で照明されたレチクルRに設けた回路パターンを投影光学系TLによってウエハW面上に投影している。ここで投影光学系TLは回折光学素子と補正用光学素子とを有する光学系BOを有している。そしてウエハWを公知の現像処理工程を介して半導体デバイスを製造している。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように各要素を設定することによって、回折光学素子を光学系の一部に用いたときに、該回折光学素子の変形による結像性能の劣化を補正し、光学性能を良好に維持することができるようにした回折光学素子を有した光学系を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の要部概略図
【図2】基板の自重変形の説明図
【図3】回折光学素子の自重変形の説明図
【図4】回折光学素子の自重変形の説明図
【図5】基板の自重変形に対する収差の説明図
【図6】本発明の実施形態2の要部概略図
【図7】本発明の実施形態3の要部概略図
【図8】本発明に係るバイナリオプティクスの説明図
【図9】本発明に係るバイナリオプティクスの作製方法の説明図
【符号の説明】
101,601,801,810 回折光学素子
102,602,802,811 補正用光学素子
103,604,803,806,807 非球面
104,401,404,804,807,809 基板
Claims (3)
- 入射波面を所定の波面に変換する周期的構造を有する回折格子を基板面上に設けた回折光学素子と該回折光学素子を光学系中に配置したときの該回折光学素子の変形後の光学特性の変化を補正する為の補正用光学素子とを有していることを特徴とする回折光学素子を有した光学系。
- 入射波面を所定の波面に変換する周期的構造を有する回折格子を基板面上に設けた回折光学素子と該回折光学素子の自重変形又は鏡筒おさえの変形に伴う光学特性の変化を補正する為の補正用光学素子とを有していることを特徴とする回折光学素子を有した光学系。
- 前記補正用光学素子は非球面を有していることを特徴とする請求項1又は2の回折光学素子を有した光学系。
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