JPH0925127A - 光学素子の製造方法およびそれに用いられる光学素子の成形型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射側と出射側の表面形状の異なる光学素子
を、高精度かつ安価に製造する方法、および、その際用
いられる成形型を提供する。 【解決手段】 それぞれ目的の表面形態に対応する形態
の型面形態を有する上型２および下型３の間に光学素子
材料１を挟み、光学素子材料１を軟化させて、それらの
型面形態を光学素子材料１に転写させて、目的の表面形
態の光学素子５１を形成する。上型２および下型３は、
それぞれ異なる表面形状を呈する型面形態を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、照度均一
性が要求される光学系の中で使用されている、照度不均
一な光を照度均一な光に変換させるための照度変換光学
素子等の光学素子を製造する方法、および、この際に用
いられる成形型に係り、特に、半導体製造装置を代表と
する光学装置において、照度均一性が要求される光学系
の中で使用されている、照度不均一な光を照度均一な光
に変換させるための光学素子であるフライアイレンズの
製造方法、および、それに用いられる成形型に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン等のウエハ上に集積回路（Ｉ
Ｃ）微細パターンを露光・転写する光リソグラフィ技術
においては、ステッパーと呼ばれる露光装置（半導体製
造装置）が用いられる。一般に、ステッパーの照明系に
は、複数の２次光源を形成し、物体面（マスク面）を多
数光束で照明することによりマスクによる回折像を除去
するとともに、ムラのない均一な照明を得るためにフラ
イアイレンズが用いられている。ｉ線用フライアイレン
ズの光学材料としては、ほう珪クラウンガラスやりん酸
塩系ガラスが、ｉ線（365nm）よりも短波長のKrF（248n
m）やArF（193nm）エキシマレーザ用には短波長での光
透過率の高い合成石英ガラスやCaF₂(蛍石）などのフッ
化物単結晶が用いられる。

【０００３】従来、フライアイレンズは、図９に示す様
な角型棒状の凸レンズを一個一個製造し、図８に示すよ
うに、個々のレンズを接着剤により貼り合わせることに
より、凸面の集合体を構成する方法で製造されていた。
ただし、この形状は、入射側と出射側が同じ形状のもの
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したような従来の
製造方法においては、図３に示すような入射側と出射側
の形状の異なるフライアイレンズの製造は、現実的に不
可能である。これは、従来の方法であれば、フライアイ
レンズを個々の凸レンズに分解して１本１本を製作して
貼り合わせる。ところが、図３のような入射面と出射面
が異なる形状では、個々のレンズに分解する最適分割位
置が理論的に存在しない。従って、この種の製造方法に
よる、入射側と出射側が異なる形状のフライアイレンズ
は、現在までのところ製造されていない。

【０００５】このような光学素子の製造方法として考え
られるのは、図４のように、入射側と出射側をそれぞれ
独立で製造し、ガラスブロックに両側から貼り合わせて
いく方法である。しかし、この方法では、図４の７，８
ような単品を製作するのに、莫大な時間がかかり、高コ
ストになってしまう。また、貼り合わせ個数が非常に多
いため、精度も十分に得られないという問題がある。

【０００６】本発明は、以上のような問題点を解決し、
入射側と出射側の表面形状の異なる光学素子を、高精度
かつ安価に製造する方法、および、その際用いられる成
形型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】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の態様によれば、上型および下型を用
いて光学素子材料を成形して、一方の面と他方の面とが
それぞれ異なる表面形態を有する光学素子を製造する方
法において、軟化させた状態で光学素子材料を上記上型
および下型の間に挟む第１の工程と、上記上型および下
型を押圧して、それらの型面形態を光学素子材料に転写
させて、目的の表面形態の光学素子を形成する第２の工
程とを含み、上記上型および下型は、光学素子の互いに
異なる表面形態に対応する型面形態をそれぞれ有するこ
とを特徴とする光学素子の製造方法が提供される。

【０００８】また、本発明の第２の態様によれば、それ
ぞれ目的の表面形態に対応する形態の型面形態を有する
上型および下型で構成され、それらの間に光学素子材料
を挟み、光学素子材料を軟化させて、それらの型面形態
を光学素子材料に転写させて、目的の表面形態の光学素
子を形成する、光学素子の成形型において、上型および
下型のそれぞれは、互いに異なる型面形態を有すること
を特徴とする、光学素子の成形型が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１０】本発明が適用される光学素子は、上述した
ように、ガラス等の透明材料の一方の面（表面）と他方
の面（裏面）にそれぞれ、目的の光学特性を実現するた
めの表面形態が形成されるものである。例えば、表面お
よび裏面のそれぞれに、球面の一部を構成される凸面を
単位形態として、これを規則的に２次元配置して、フラ
イアイレンズを構成するものが挙げられる。本発明は、
特に、表面と裏面における表面形態が異なっているもの
に適用される。すなわち、図３（ａ）、（ｂ）および
（ｃ）に示すように、一方の面（表面）では、曲率半径
の大きい凸面５１ａを単位形態としてｍ個配置され、他
方の面（裏面）では、それより曲率半径の小さい凸面５
１ｂを単位形態としてｎ（ただし、ｍ＜ｎ）個配置され
ている光学素子がその一例である。なお、この例では、
表面形態として凸面を形成する例を示したが、もちろ
ん、これに限られない。例えば、平面、凹面、斜面、プ
リズム等を形成することができる。

【００１１】図３では、光学素子５１は、表面および裏
面に、それぞれ１種の単位形態が２次元的に配置されて
いる。ただし、本発明は、これに限定されない。例え
ば、表面および裏面の少なくとも一方に、複数種の単位
形態を配置する構成とすることもできる。

【００１２】なお、光学素子材料１としては、型によっ
て、型面形態が転写でき、かつ、目的の光学特性を示す
ものであればよい。具体的には、例えば、ガラス、透明
樹脂等が挙げられる。

【００１３】このような光学素子を製造するために、本
発明では、上型および下型を用いる。上型および下型の
各型面形態は、それぞれ、光学素子の光学的機能を実現
するための表面形態に対応する、少なくとも１種の単位
形態を２次元的に配置したものである。例えば、図１に
示すように、高精度研磨した複数の凹面パターン２ａを
単位形態として有する上型２と、高精度研磨した複数の
凹面パターン３ａを単位形態として有する下型３とが一
対で用いられる。図１から明らかなように、凹面パター
ン２ａが曲率半径が大きい凸面５１ａに対応し、凹面パ
ターン３ａが曲率半径の小さい凸面５１ｂに対応する。

【００１４】図１の上型２および下型３は、例えば、セ
ラミック、炭化タングステン等で製作することができ
る。各々の一端には、型面が形成されている。図１の例
では、上型２および下型３は、それぞれ一体に設けられ
ている。もちろん、本発明では、一体のものに限られな
い。例えば、複数の分割型の集合で構成することができ
る。この場合、上型および下型のそれぞれの分割型は、
それらを集合させたとき、型面形態の全体を構成する部
分端面形態を有する構造となる。また、上記各分割型
は、上記単位形態を１または２以上を集合して構成され
る部分型面形態を持つことができる。

【００１５】なお、分割型を用いると、各分割型ごとに
高精度の工作ができるため、型の工作精度が向上できる
効果がある。また、型の一部が損傷しても、その部分を
交換すれば足りるので、型の寿命が長くなり、コストの
低減が図れる。また、同じ表面形態を有する光学素子に
ついては、面積が異なる場合であっても、使用する分割
型の個数を増減して対応することができる。従って、新
たに型を起こさなくともよく、コスト低減が図れる。

【００１６】これらの上型２および下型３は、適当な外
型（枠部材）、例えば、図１に示すスリーブ４に嵌め込
まれて用いられる。この場合、上型２と下型３との間
に、光学素子材料１が置かれる。これにより、光学素子
材料の表面および底面に、上型２と下型３の型面形態の
転写が可能となる。

【００１７】次に、このような型を用いて、光学素子を
製造する方法について説明する。

【００１８】本発明では、上型２および下型３を用いて
光学素子材料１を成形して、一方の面と他方の面とがそ
れぞれ異なる表面形態を有する光学素子を製造する。こ
のために、軟化させた状態で光学素子材料を上記上型２
および下型３の間に挟む第１の工程と、上型２および下
型３を押圧して、それらの型面形態を光学素子材料１に
転写させて、目的の表面形態の光学素子を形成する第２
の工程とを含む。ここで、上型２および下型３として
は、上述したように、光学素子の互いに異なる表面形態
に対応する型面形態をそれぞれ有するものを用いる。

【００１９】本発明では、上記第１の工程は、二つの態
様で実現が可能である。第１は、光学素子材料をあらか
じめ加熱して軟化させてから、上記上型および下型の間
に挟む方法である。第２は、光学素子材料を上記上型お
よび下型の間に挟んだ状態で、当該光学素子材料を加熱
して軟化させる方法である。本発明は、いずれによって
もよい。

【００２０】光学素子材料１の加熱は、その材料、例え
ば、ガラスがプレス可能な状態に軟化する温度まで行な
う。例えば、６５０℃等の温度に加熱する。また、加熱
時間は、例えば、図６に示すように、予め温度スケジュ
ールを設定しておく。

【００２１】次に、本発明の製造方法において用いられ
る製造装置の一例について、図５を参照して説明する。

【００２２】図５に示す装置は、基本的には、プレス機
構系と、真空系とで構成される。プレス機構系は、ワー
ク９を支持するための載せ台１０と、載せ台１０に載置
されているワーク９を加熱するためのヒータ１２と、ワ
ーク９を押圧するためのプレス軸１１と、プレス軸１１
を押圧駆動する駆動源であるシリンダ１４と、プレス軸
１１の先端６からの圧力をワーク９に伝達する押圧板１
０ａと、ヒータ１２からの熱の伝達を防ぐための断熱板
１３とを有する。一方、真空系は、チャンバ２２を構成
する本体１５と、排気手段５２と、真空計２３とを有す
る。チャンバ２２は、その内部に、載せ台１０と、ヒー
タ１２と、プレス軸１１の一部と、押圧板１０ａと、断
熱板１３とを収容している。上記排気手段５２は、真空
ポンプとバルブ群を有する。具体的には、例えば、油回
転ポンプ１６と、油拡散ポンプ１７と、真空配管系５２
ａと、バルブ１８，１９，２０，２１とを備える。

【００２３】ワーク９は、スリーブ４内の上記上型２、
下型３の中間に、光学素子材料１が配置されたものであ
る。この光学素子材料１、上型２および下型３がセット
されたスリーブ４を、図５に示す装置の中に、ワーク９
として、載せ台１０の上に配置する。なお、上型２の上
には、図示しない上型押し用コマが置かれる。

【００２４】なお、この図５に示す装置は、上型２と下
型３との間に挾んで、上記したワーク９を構成した後、
光学素子材料１を加熱して、型の転写を行なう場合に用
いることを想定している。しかし、予め加熱した光学素
子材料１を上型２と下型３との間に挾んで、上記したワ
ーク９を構成する場合にも、適用可能である。その場合
には、主としてプレス機構系を用いる。その他の部分を
使用しない。その場合でも、ヒータ１２を保温のため使
用することができることはいうまでもない。

【００２５】もちろん、真空系を除いたプレス機構系の
みの装置を設けてもよいことはいうまでもない。

【００２６】以上説明したように、本発明によれば、図
３のような入射面と出射面の表面形態が異なる形状で、
個々のレンズに分解する最適分割位置が理論的に存在し
ない形状のフライアイレンズを製造することができる。
また、複数の凹面パターンを有する形状の異なる上下型
は、炭化タングステン、セラミックス等からなり、高精
度な研磨加工が可能で、個々の凹面は高精度となり、バ
ラツキが極めて少ない。そのため、この型より同時加圧
転写された凸面パターンは、非常に高精度に形成でき
る。

【００２７】さらに、前記入射面と出射面が異なる凸面
パターンを、複数の高精度研磨した凹面を有する型の凹
面パターンによって加圧転写する方法で形成するため、
図４のように、唯一製造することが可能な方法と比較し
て、長い加工時間を必要とせず、極めて短時間で形成す
ることができる。

【００２８】

【実施例】次に、上記図５に示す装置を用いる、光学素
子の製造工程についての実施例について説明する。

【００２９】（実施例１）まず、光学素子材料１とし
て、図２に示すような、角型１５ｍｍ×５０ｍｍで厚さ
が２０ｍｍの、両面研磨した光学ガラス材料（ほう珪ク
ラウン光学ガラス）を準備する。また、３ｍｍ×１０ｍ
ｍの単位形態に２５分割し、それぞれがＲ２０ｍｍに凹
面研磨仕上げされた型面形態を持つ、セラミックス製上
型２と、１．５ｍｍ×５ｍｍの単位形態に１００分割
し、それぞれがＲ１０ｍｍに凹面研磨仕上げされた型面
形態を持つ、セラミックス製下型３を用意する。

【００３０】次に、下型３をスリーブ４に嵌め込んでプ
レス機にセットし、また、光学ガラス材料１を、加熱炉
で、研磨面に傷の発生や異物の付着が生じないような状
態を保持しながら、７２０℃に加熱した。そして、加熱
された光学ガラス材料１を、研磨面に傷の発生や異物の
付着が無いような状態を保持しながら、研磨面の一方が
下型３に接し、かつ、もう一方の研磨面が図１の向きで
上方に位置するように、外型４と下型３を組合せた中に
移送し、前記プレス機を作動させてガラス材料１を１６
kgf/cm²の圧力で４０秒間プレスして、上型２と下型３
の金型仕上げ面を光学ガラス材料１の研磨面に転写させ
た。

【００３１】プレス後、上型２を光学ガラス材料１から
放し、プレスされた光学ガラス材料１を５４０℃まで冷
却することにより、フライアイレンズ５１を得た。完成
したフライアイレンズ５１の凸面１個１個の精度は、入
射面、出射面共、Ｒｍａｘ９ｎｍ以下、球面のニュート
ンリングのバラツキが±２本以下となった。

【００３２】製造したフライアイレンズ５１を実際の光
学系に組み込み、性能評価をしたところ従来品に比べて
光学性能が大きく向上した。

【００３３】（実施例２）まず、光学素子材料１とし
て、図２に示すような、角型１５ｍｍ×５０ｍｍで、厚
さが２０ｍｍの、両面研磨したほう珪クラウンガラス
（光学素子材料）を準備する。また、３ｍｍ×１０ｍｍ
の単位形態に２５分割し、それぞれがＲ２０ｍｍに凹面
研磨仕上げされた型面形態を持つ、セラミックス製上型
２と、１．５ｍｍ×５ｍｍの単位形態に１００分割し、
それぞれがＲ１０ｍｍに凹面研磨仕上げされた型面形態
を持つ、セラミックス製下型３とを用意する。

【００３４】上型２と下型３との中間に光学素子材料１
を置き、これらを外型（スリーブ）４の中に配置して、
ワーク９を構成した。このワーク９を、図５の装置の載
せ台１０上に載置し、バルブ２０を開き、油回転ポンプ
１６によりチャンバ２２を粗引きし、粗引き後、バルブ
２０を閉じて、バルブ１８とバルブ１９とを開き、油拡
散ポンプ１７にて本引きした。真空計２３の真空度が、
５×１０^-5Tｏｒｒ以下になった時、図６のスケジュー
ルで、ヒータ１２による加熱を開始した。３０分で温度
を６５０℃まで上昇させ、１０分間６５０℃で保持し
た。６５０℃になってから５分後に、シリンダ１４を作
動させて、１０分間ワーク９を２０kgf/cm²の圧力で加
圧した。また、加圧開始から５分でヒータ１２による加
熱を終了し、温度を降下させた。加圧終了時点で、温度
は５５０℃以下になっていた。

【００３５】その後、放冷して、室温になった時、バル
ブ１９を閉じ、リークバルブ２１を開き、チャンバ内２
２に大気を導入した。大気導入後ワーク９取り出し、上
型２および下型３を外して、図３のようなフライアイレ
ンズ５１を得た。完成したフライアイレンズ５１の凸面
１個１個の精度は、入射面、出射面共、Ｒｍａｘ９ｎｍ
以下、球面のニュートンリングのバラツキが±２本以下
となった。

【００３６】製造したフライアイレンズ５１を実際の光
学系に組み込み、性能評価をしたところ、従来品に比べ
て光学性能が大きく向上した。

【００３７】（実施例３）まず、光学素子材料１とし
て、図２に示すような、角型１５ｍｍ×５０ｍｍで厚さ
が１５ｍｍの両面研磨した石英ガラス（光学素子材料）
を準備する。また、３ｍｍ×１０ｍｍの単位形態に２５
分割し、それぞれがＲ１５ｍｍに凹面研磨仕上げされた
型面形態を持つ、セラミックス製上型２と、１．５ｍｍ
×５ｍｍの単位形態に１００分割し、それぞれがＲ７．
５ｍｍに凹面研磨仕上げされた型面形態を持つ、セラミ
ックス製下型３とを用意する。

【００３８】上型２と下型３との中間に光学素子材料１
を置き、これらを外型（スリーブ）４の中に配置して、
ワーク９を構成した。このワーク９を、図５の装置の載
せ台１０上に載置し、バルブ２０を開き、油回転ポンプ
１６によりチャンバ２２を粗引きし、粗引き後、バルブ
２０を閉じて、バルブ１８とバルブ１９とを開き、油拡
散ポンプ１７にて本引きした。真空計２３の真空度が、
５×１０^-5Tｏｒｒ以下になった時、図７のスケジュー
ルで、ヒータ１２による加熱を開始した。５０分で温度
を１４００℃まで上昇させ、１０分間１４００℃で保持
した。１４００℃になってから５分後に、シリンダー１
４を作動させ、ワーク９を１０分間４０kgf/cm²の圧力
で加圧した。また、加圧開始から５分でヒータ１２によ
る加熱を終了し、温度を降下させた。加圧終了時点で、
温度は１２００℃以下になった。

【００３９】その後、放冷して、室温になった時、バル
ブ１９を閉じ、リークバルブ２１を開き、チャンバ内２
２に大気を導入した。大気導入後、ワーク９取り出し、
上型２および下型３を外して、図３のようなフライアイ
レンズ５１を得た。完成したフライアイレンズ５１の入
射面、出射面１個１個の精度は、表面粗度Ｒｍａｘ９ｎ
ｍ以下、球面のニュートンリングのバラツキが±２本以
下となった。

【００４０】製造したフライアイレンズ５１を、実際の
光学系に組み込み、性能評価をしたところ従来品に比べ
て光学性能が大きく向上した。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、入射側
と出射側の形状の異なる複数の光学機能面（例えば、凸
面）を有するフライアイレンズ等の光学素子が高精度で
製造できる。このため、実際の光学系の中に組み込んだ
とき、その照明系が非常に高い性能を発揮する。特に、
この入射面と出射面が異なる形状のフライアイレンズが
高精度に製造することができるので、照明強度が数十％
も向上させることができる。

【００４２】また、本発明は、型を用いて光学素子材料
をプレスすることにより形成している。従って、本発明
によれば、量産性に優れ、非常に低価格に供給可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のフライアイレンズの製造方法の概略
を示すと共に、使用する型を示す説明図。

【図２】 （ａ）は本発明に用いた光学素子材料の上面
図、（ｂ）はその側面図。

【図３】 （ａ）は本発明により得られる光学素子（フ
ライアイレンズ）の表面図、（ｂ）はその側面図、
（ｃ）はその裏面図。

【図４】 （ａ）は従来の技術においてフライアイレン
ズの製作に用いられる入射側部品の上面図、正面図およ
び側面図、（ｂ）は従来の技術により製作したフライア
イレンズの正面図。（ｃ）は従来の技術においてフライ
アイレンズの製作に用いられる出射側部品の上面図、正
面図および側面図。

【図５】 本発明で使用する製造装置の構成を示す概略
構成図。

【図６】 実施例２で用いられる加熱スケジュールを示
すグラフ。

【図７】 実施例３で用いられる加熱スケジュールを示
すグラフ。

【図８】 （ａ）は従来の考え方の方法で製造した入射
面と出射面が同じ形状のフライアイレンズの上面図、
（ｂ）はその側面図。

【図９】 （ａ）は従来の入射面と出射面が同じ形状の
フライアイレンズの製造方法に用いる１個の凸レンズの
上面図、（ｂ）はその側面図。

【符号の説明】

１…光学素子材料 ２…上型 ３…下型 ４…外型（スリーブ） ６…ガラスブロック ７…入射側単品レンズ ８…出射側単品レンズ ９…ワーク １０…載せ台 １２…ヒータ １４…シリンダ １５…本体 １６…油回転ポンプ １７…油拡散ポンプ １８…バルブ １９…バルブ ２０…バルブ ２１…リークバルブ ２２…チャンバ ２３…真空計 ２４…接着剤 ５１…フライアイレンズ（光学素子） ５２…排気手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高瀬 裕嗣 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上型および下型を用いて光学素子材料を
   成形して、一方の面と他方の面とがそれぞれ異なる表面
   形態を有する光学素子を製造する方法において、 軟化させた状態で光学素子材料を上記上型および下型の
   間に挟む第１の工程と、 上記上型および下型を押圧して、それらの型面形態を光
   学素子材料に転写させて、目的の表面形態の光学素子を
   形成する第２の工程とを含み、 上記上型および下型は、光学素子の互いに異なる表面形
   態に対応する型面形態をそれぞれ有することを特徴とす
   る光学素子の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記第１の工程は、
   光学素子材料を予め加熱して軟化させてから、上記上型
   および下型の間に挟むことを特徴とする光学素子の製造
   方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、上記第１の工程は、
   光学素子材料を上記上型および下型の間に挟んだ状態
   で、当該光学素子材料を加熱して軟化させることを特徴
   とする光学素子の製造方法。
4. 【請求項４】 それぞれ目的の表面形態に対応する形態
   の型面形態を有する上型および下型で構成され、それら
   の間に光学素子材料を挟み、光学素子材料を軟化させ
   て、それらの型面形態を光学素子材料に転写させて、目
   的の表面形態の光学素子を形成する、光学素子の成形型
   において、 上型および下型のそれぞれは、互いに異なる型面形態を
   有することを特徴とする、光学素子の成形型。
5. 【請求項５】 請求項４において、上記上型および下型
   の各型面形態は、それぞれ光学的機能を実現する光学素
   子の表面形態に対応する、少なくとも１種の単位形態を
   ２次元的に配置したものである、光学素子の成形型。
6. 【請求項６】 請求項５において、複数の分割型の集合
   で構成され、上型および下型のそれぞれの分割型は、そ
   れらを集合させたとき、型面形態の全体を構成する部分
   端面形態を有することを特徴とする、光学素子の成形
   型。
7. 【請求項７】 請求項５または６において、上記各分割
   型は、上記単位形態を１または２以上を集合して構成さ
   れる部分型面形態を持つことを特徴とする、光学素子の
   成形型。