反射屈折型投影光学系およびそれを備えた投影露光装置
【課題】投影露光装置において、広い露光エリアを確保しながら、高精度のパターンを形成する。
【解決手段】投影露光装置の投影光学系３０において、第１レンズ群３２、第２レンズ群３４、第３レンズ群３６、第４レンズ群３８を備え、第１レンズ群３２と第２、３レンズ群３４、３６との間に、偏光ビームスプリッタ４０を配置する。そして、マスクＰＭの光軸上点からのマージナル光線ＭＬ１、ＭＬ２が偏光ビームスプリッタ４０の入射面に対し垂直入射するように、第１レンズ群３２の光学特性が定められている。
【解決手段】投影露光装置の投影光学系３０において、第１レンズ群３２、第２レンズ群３４、第３レンズ群３６、第４レンズ群３８を備え、第１レンズ群３２と第２、３レンズ群３４、３６との間に、偏光ビームスプリッタ４０を配置する。そして、マスクＰＭの光軸上点からのマージナル光線ＭＬ１、ＭＬ２が偏光ビームスプリッタ４０の入射面に対し垂直入射するように、第１レンズ群３２の光学特性が定められている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学系を用いてパターンを基板等に投影、露光する投影露光装置に関し、特に、反射屈折型の投影光学系の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影露光装置に使用される投影光学系として、凹面ミラーなどの反射光学系と屈折光学系を組み合わせた反射屈折型投影光学系が知られており、特に、ゴースト、フレア光を抑えるため、偏光素子を設けたフルエリア露光の反射屈折型投影光学系が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
そこでは、偏光ビームスプリッタおよび四分の一波長板を、屈折光学系と凹面ミラーとの間に配置し、偏光ビームスプリッタによって偏光分離された一方の偏光光を凹面ミラーで反射させ、偏光ビームスプリッタに再入射させる。そして、偏光ビームスプリッタから射出した偏光光を、結像光学系によって基板に結像させる。
【０００４】
また、パターン光の照度低下を防ぐため、偏光ビームスプリッタによって分割された光双方を反射させる反射屈折型投影光学系も知られている（特許文献２参照）。そこでは、偏光ビームスプリッタによって分割された両方の偏光光を、２つの凹面ミラーによって偏光ビームスプリッタへそれぞれ再入射させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２８２５２７号公報
【特許文献２】特開平６−１８１１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の反射屈折型投影光学系は、主にウェハープロセスの前工程で使用する縮小投影露光装置に装備することを前提とした構成になっている。液晶基板、プリント配線基板へのパターン形成、ウェハープロセスの後工程では、基板サイズが非常に大きいため、一度に投影できるエリアサイズをできる限り拡大する必要があり、等倍の反射屈折型投影光学系を使用することが求められる。
【０００７】
しかしながら、縮小投影をベースにした従来の反射屈折型投影光学系の構成をそのまま等倍の反射屈折型投影光学系に取り入れても、高解像度の維持、照度一定の確保、投影エリアの拡大を同時に実現することが難しい。
【０００８】
したがって、照度低下、収差を抑え、高解像度を維持しながら広い露光エリアを実現できる反射屈折型投影光学系が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の投影光学系は、反射光学系と屈折光学系を組み合わせた等倍の投影光学系であり、投影光学系に加え、照明光学系を備えた投影露光装置に適用される。
【００１０】
投影光学系は、物体面のパターン光を結像させる第１光学系と、第１光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、折り返しプリズムによって分離した一方の光の光路上に配置される第２光学系と、第２光学系を透過した光を反射し、第２光学系を介して折り返しプリズムへ再度入射させる第１凹面ミラーを備える。
【００１１】
さらに投影光学系は、折り返しプリズムによって分離した他方の光の光路上に配置される第３光学系と、第３光学系を透過した光を反射し、第３光学系を介して折り返しプリズムへ再度入射させる第２凹面ミラーと、折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される第４光学系とを備える。
【００１２】
そして、本発明の折り返しプリズムは、第１、第２凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、第４光学系は、折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させる。さらに、物体面からのマージナル光線が、折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射することを特徴とする。
【００１３】
ここで、「実質的に垂直入射」とは、折り返しプリズムの入射面に対して光学設計上垂直入射とみなせる範囲でマージナル光線が光軸に沿って平行に入射することを表す。例えば、０．５度以下、より限定すれば、０．３度以下、さらに限定すれば０．２度、０．１度、１×１０−２、１×１０−３以下のとき、実質的に垂直入射しているとみなすことができる。
【００１４】
好ましくは、第２光学系および第１凹面ミラーを合わせたレンズパワー、および第３光学系および第２凹面ミラーを合わせたレンズパワーが、１×１０−４ 以下に定められる。最大画角ｈと、物体面から第１、第２凹面ミラーまでの光路長Ｌが、以下の条件式を満たすように構成することが望ましい。
ｋ×ｈ×Ｌ−ｍ ≦ β
ただし、ｋ、ｍは、投影光学系の特性によって定められる係数を表す。また、βは、照明光学系の照度補正可能な折り返しプリズムへの最大限度入射角を表す。
【００１５】
例えば、最大画角ｈと光路長Ｌが、以下の条件式を満たす。
９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ≦ ６．５
【００１６】
折り返しプリズムについては、偏光ビームスプリッタを構成することが可能である。例えば、偏光ビームスプリッタと第２光学系との間に配置される第１の１／４波長板と、偏光ビームスプリッタと第３光学系との間に配置される第２の１／４波長板とを設けることができる。
【００１７】
光源が広い波長域の照明光を放射する水銀ランプ等の場合、第１、第２の１／４波長板は、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長域において、少なくとも４００ｎｍ以上の波長に対して光を偏光可能であるように構成することができる。
【００１８】
本発明の他の特徴をもつ投影光学系は、物体面のパターン光を結像させる前段光学系と、前段光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、折り返しプリズムの光路後方に配置される中間光学系と、中間光学系を透過した光を反射し、中間光学系を介して折り返しプリズムへ再度入射させる凹面ミラーと、折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される後段光学系とを備え、折り返しプリズムが、凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、後段光学系が、折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させ、物体面からのマージナル光線が、折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、投影露光装置において、広い露光エリアを確保しながら、高精度のパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態である投影露光装置を模式的に示した内部構成図である。
【図２】投影光学系における光学系配置構成を示した図である。
【図３】図２の投影光学系と光路等価な投影光学系を示した図である。
【図４】第２レンズ群と凹面ミラーの合成パワーと、マージナル光線の入射角との関係を示したグラフである。
【図５】異なる最大画角に対する光路長と最大入射角との関係を表したグラフである。
【図６】最大画角と各近似曲線の係数との関係を示したグラフである。
【図７】偏光ビームスプリッタへの入射角に対する照度ムラと照明系による照度補正した場合の照度ムラを示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態である投影露光装置を模式的に示した内部構成図である。
【００２３】
投影露光装置１０は、シリコンウェハなどの半導体用基板、電子回路基板用のプリント配線基板などの基板ＳＷに対してパターンを形成する露光装置であり、フォトマスクＰＭに描画されたパターンを、基板ＳＷに対して投影する。
【００２４】
投影露光装置１０は、照明光学系２０、投影光学系３０、光源部５０を備え、フォトマスクＰＭが照明光学系２０の結像面に配置されている。光源部５０は、３５０〜４５０ｎｍに渡る波長域の光を放射する放電ランプ５２を備え、ランプ５２から放射された光は、楕円ミラー５４によって照明光学系２０へ導かれる。
【００２５】
照明光学系２０は、ミラー２２、コリメータレンズ２４、フライアイレンズ２６、コンデンサーレンズ２８を備える。照明光学系２０に入射した光は、ミラー２２によってコリメータレンズ２４に導かれ、平行光束にされる。そして、フライアイレンズ２６によって照度均一の光に修正される。
【００２６】
コンデンサーレンズ２８によって集光された光は、フォトマスクＰＭを照射する。フォトマスクＰＭには、基板ＳＷに描画すべきパターンが形成されており、フォトマスクＰＭのパターン光は、投影光学系３０を通じて基板ＳＷに投影される。
【００２７】
投影光学系３０は、第１レンズ群３２、第２レンズ群３４、第３レンズ群３６、第４レンズ群３８を備えた等倍の反射屈折型投影光学系であり、第１レンズ群３２と第２、第３レンズ群３４、３６の間には、偏光ビームスプリッタ４０が配置されている。
【００２８】
投影光学系３０に入射した光は、偏光ビームスプリッタ４０の偏光分離面４０Ａによって偏光分離され、第２レンズ群３４の方向へ透過直進する光と、偏光分離面４０Ａに反射し、第２レンズ群３４に対し垂直な第３レンズ群３６の方向へ進行する光に分割される。
【００２９】
第２、第３レンズ群３４、３６の後方には、凹面ミラー４２、４４がそれぞれ配置されており、第２、第３レンズ群３４、３６を通過した光は、凹面ミラー４２、４４によって再び偏光ビームスプリッタ４０に入射する。
【００３０】
第３レンズ群３６側から再入射した光は、偏光ビームスプリッタ４０を通過してそのまま基板ＳＷの方へ直進する一方、第２レンズ群３４側から再入射した光は、偏光ビームスプリッタ４０によって基板ＳＷの方向に反射する。その結果、マスクＰＭを通過したパターン光全体が第４レンズ群３８に導かれ、パターン光は第４レンズ群３８によって基板ＳＷ上に結像する。
【００３１】
基板ＳＷを支持する架台１３に搭載された移動ステージ１１は、光軸に対し垂直、平行な方向へ基板ＳＷを移動、回転させることが可能である。基板ＳＷは、真空吸着などによってステージ１１に固定されている。露光中、基板ＳＷステージ１１が、ステップ＆リピート方式によって移動するのに従い、基板ＳＷ全体にマスクパターンが露光される。
【００３２】
次に、図２、３を用いて、投影光学系３０の内部構成について詳述する。
【００３３】
図２は、投影光学系３０における光学系配置構成を示した図である。図３は、図２の投影光学系３０と等価な光路をもつ投影光学系を示した図である。
【００３４】
第１レンズ群３２は、凹状の第１面を有するメニスカスレンズ３２Ａ、正レンズ３２Ｂ、３２Ｃ、両面が凹状の負レンズ３２Ｄ、そして正レンズ３２Ｅを備え、光学系全体として正の屈折力を有する。
【００３５】
キューブ状の偏光ビームスプリッタ４０は、その入射面４０Ｓが光軸Ｅに対して垂直となるように配置されたプリズムであり、２つの直角プリズムを張り合わせた接合斜面に偏光分離面４０Ａが形成されている。偏光分離面４０Ａの法線は、光軸Ｅに対して４５度傾斜している。
【００３６】
第１レンズ群３２から偏光ビームスプリッタ４０に入射した光は、偏光分離面４０Ａを透過するｐ偏光光と、偏光分離面４０Ａによって反射するｓ偏光光に分離される。ｐ偏光光は、そのまま光軸Ｅに沿って偏光ビームスプリッタ４０から射出し、負の屈折力を有する第２レンズ群３４に入射する。
【００３７】
第２レンズ群３４は、１／４波長板３４ａ、正レンズ３４Ｂ、両面凹状の負レンズ３４Ｃを備える。ｐ偏光光は、１／４波長板３４ａによって円偏光に変換された後、正レンズ３４Ｂ、負レンズ３４Ｃを通って凹面ミラー４２に到達する。
【００３８】
凹面ミラー４２は、光軸Ｅに対し対称的な球状反射面を備え、ｐ偏光光を集光、反射する。反射したｐ偏光光は、１／４波長板３４ａに再び入射すると、ｓ偏光光に変換される。そして、偏光ビームスプリッタ４０に再度入射したｓ偏光光は、偏光分離面４０Ａによって反射し、第４レンズ群３８の方向へ射出する。
【００３９】
一方、偏光分離面４０Ａによって偏光分離されたｓ偏光光は、第３レンズ群３６のある直交方向へ偏光ビームスプリッタ４０から射出する。第３レンズ群３６は、第２レンズ群３４と同様、１／４波長板３６Ａ、正レンズ３６Ｂ、両面凹状の負レンズ３６Ｃを備えた負の屈折力をもつ光学系であり、その後方に正の屈折力を有する凹面ミラー４４が配置されている。
【００４０】
偏光ビームスプリッタ４０から射出したｓ偏光光は、１／４波長板３６Ａによって円偏光に偏光された後、正レンズ３４Ｂ、負レンズ３４Ｃを通って凹面ミラー４４に到達する。凹面ミラー４４で反射した円偏光は、１／４波長板３６Ａによってｐ偏光光に変換された後、偏光ビームスプリッタ４０に再び入射する。偏光ビームスプリッタ４０に入射した光はｐ偏光光であるため、入射光はそのまま偏光分離面４０Ａを通過し、第４レンズ群３８に向けて射出する。
【００４１】
第４レンズ群３８は、第１レンズ群３２と同様のレンズ配置であり、凹状の第１面を有するメニスカスレンズ３８Ａ、正レンズ３８Ｂ、３８Ｃ、両面が凹状の負レンズ３８Ｄ、正レンズ３８Ｅを備え、正の屈折力を有する。
【００４２】
基板ＳＷの表面は、投影光学系３０の結像面と一致する。したがって、偏光ビームスプリッタ４０に分割された光は、両方とも第４レンズ群３８によって基板ＳＷの表面に結像され、パターン光全体がそのまま露光に寄与する。
【００４３】
１／４波長板３４ａ、３６Ａは、３５０〜４５０ｎｍの波長域の光を偏光可能な広帯域波長板であり、光源５０から放射される照明光の波長域全体に対応し、色収差を抑える。なお、４００ｎｍ以上の波長域の光に対応するように構成してもよい。
【００４４】
第１レンズ群３２と第４レンズ群３８は、光学系の構成および光学特性が等しく、第２レンズ群３４と第３レンズ群３６についても、光学系の構成およびその光学特性が等しい。また、第２レンズ群３４を往復する光の基板ＳＷまでの光路長と第３レンズ群３６を往復する光の光路長は等しい。
【００４５】
したがって、図２に示す等倍の投影光学系３０は、図３に示す投影光学系と光路等価であり、第１レンズ群３２（第４レンズ群３８）、偏光ビームスプリッタ４０、第２レンズ群３４（第３レンズ群３６）、凹面ミラー４２（凹面ミラー４４）の相互配置間隔および屈折力等を含む光学特性によって、その照度、解像度、収差の程度が決まる。
【００４６】
本実施形態では、第１レンズ群３２から射出される光のマージナル光線ＭＬ１、ＭＬ２は、光軸に対して平行であり、偏光ビームスプリッタ４０の入射面４０Ｓに対して垂直入射する。ただし、マージナル光線ＭＬ１、ＭＬ２は、物体（ここではマスクＰＭ）の光軸点から出た光のうち、第１レンズ群３２の入射瞳の端の光線を表す。
【００４７】
投影光学系３０は、縮小投影光学系のようにパターン光を平行光束に修正して偏光ビームスプリッタ入射面全体へ入射させる構成ではなく、マスクＰＭの光軸上物点からのマージナル光線Ｍ１、Ｍ２のみ、偏光ビームスプリッタ４０への垂直入射条件を課している。この条件が満たされるように、第１〜第４レンズ群３２〜３８が構成されている。
【００４８】
また、本実施形態においては、第２レンズ群３４と凹面ミラー４２（＝第３レンズ群３６と凹面ミラー４４）間におけるレンズパワーＰは、以下の式を満たす。ただし、レンズパワーＰは、第２レンズ群３４と凹面ミラー４２（＝第３レンズ群３６と凹面ミラー４４）を合成した焦点距離の逆数を表す。
Ｐ ≦ １×１０−４ ・・・・・（１）
【００４９】
レンズパワーＰは、限りなく０に近く、非常に小さい。ここでは、第２レンズ群３４のマイナスパワーと、凹面ミラー４２のプラスパワーが相殺されるように、光学特性が定められている。第３レンズ群３６と凹面ミラー４４におけるレンズパワーＰも、同じである。
【００５０】
このようなレンズパワーＰをもつ光学系を偏光ビームスプリッタ４０の後方に配置するため、第１、第４レンズ群３２、３８の瞳位置は無限遠にある必要があるが、マージナル光線Ｍ１、Ｍ２は限りなく光軸に対し平行になって偏光ビームスプリッタ４０へ入射するため、このようなレンズパワーＰをもつ光学系を配置することが可能である。
【００５１】
さらに本実施形態では、上述したマージナル光線Ｍ１、Ｍ２、および合成レンズパワーＰの条件に加え、マスクＰＭ（基板ＳＷ）における最大画角ｈと、マスクＰＭから凹面ミラー４２、４４までの光路長Ｌ（ｍｍ）は、以下の条件式を満たす。
ｋ×ｈ×Ｌ−ｍ ≦ β ・・・・・・（２）
【００５２】
ただし、最大画角ｈは、像面上における露光エリアの光軸からの最長距離を表す。ｍは、最大画角ｈごとの光路長Ｌと偏光ビームスプリッタ４０への入射角θとの関係を表す近似式から求められる係数であり、ここでは、ｍ＝１．０３５に定められている。
【００５３】
一方、ｋは、後述する最大画角ｈごとの近似式から求められる係数であり、ここでは、ｋ＝９８．０６５に定められている。さらにβは、後述する照明光学系２０の照度分布補正可能な限度入射角を表す。ここでは、β＝６．５度に定められている。
【００５４】
マージナル光線Ｍ１、Ｍ２の平行入射、および上記（１）、（２）式を満たす投影光学系３０を構成することにより、照度を低下させることなく高解像度を維持し、より広い露光エリアを確保することができる。以下では、（１）、（２）式が導出される理由について説明する。
【００５５】
図４は、第２レンズ群３４と凹面ミラー４２の合成パワーＰと、マージナル光線の入射角との関係を示したグラフである。なお、第３レンズ群３６と凹面ミラー４４についても、同様の関係を示す。
【００５６】
図４に示す複数のプロットは、合成パワーＰの異なる複数の投影光学系と、それに対応するマージナル光線の入射角（ここでは、Θで表す）を示している。グラフの縦軸はマージナル光線の入射角Θを表し、横軸は合成パワーＰを表す。これらプロットの座標に基づき、以下の式で表される近似曲線Ｔ１を規定することができる。
Θ＝−６９４０６５Ｐ２＋２９３８．７Ｐ ・・・・（３）
【００５７】
図４のグラフおよび上記近似式から明らかなように、合成パワーＰが１×１０−４以下の場合、マージナル光線の入射角Θは最大０．２９度であり、マージナル光線は実質的に光軸Ｅに対して平行となる。一方、合成パワーＰがそれ以上大きな値の場合、入射角Θは光軸Ｅと実質的平行な状態から離れる。例えば、Θ＝２×１０−４を超える場合、マージナル光線の入射角は、０．５６度以上となる。
【００５８】
等倍の投影光学系の場合、凹面ミラーの照射エリアが露光エリアサイズに影響し、マージナル光線が光軸Ｅに平行でなければ、広い画角、すなわち広い露光エリアの確保は困難となる。そのため、合成パワーＰが（１）式を満たすように、投影光学系３０の第２、３レンズ群３４、３６および凹面ミラー４２、４４の構成が定められる。
【００５９】
次に、（２）式を条件とする理由について説明する。投影光学系３０のサイズ小型化を図る場合、物体面（マスクＰＭ）から凹面ミラー４２、４４までの光路長Ｌをできるだけ短くするのが望ましい。一方、光路長Ｌを短くすると、偏光ビームスプリッタ４０へパターン光が入射するときの入射傾斜角が大きくなる。これは、露光エリア全体における照度分布不均一、すなわち照度ムラの発生に影響する。
【００６０】
そこで、最大画角ｈの異なる等倍の反射屈折型投影光学系に対し、光路長Ｌを変えたときの光の最大入射角θを調べ、その関係を明らかにした。ただし、反射屈折型投影光学系は、上述したマージナル光線の垂直入射、および（１）式に示した合成パワーＰの条件を満たすものとする。また、最大入射角θは、偏光ビームスプリッタ４０へ入射する光の入射角のうち最大の入射角を示す。
【００６１】
図５は、異なる最大画角ｈに対する光路長Ｌと最大入射角θとの関係を表したグラフである。図６は、最大画角ｈと各近似曲線の係数との関係を示したグラフである。
【００６２】
図５では、光路長Ｌを変えたときの最大入射角θがプロットされている。光路長Ｌが短いほど入射角θは大きく、近似の指数関数によって対応付けられることがわかる。ここでは、画角ｈごとの近似曲線が、以下の式によって表される。
θ＝４６８．１Ｌ−１．０３０ （画角ｈ＝５mm）
θ＝９３８．９Ｌ−１．０３０ （画角ｈ＝１０mm）
θ＝１４１５．２Ｌ−１．０３１ （画角ｈ＝１５mm）
θ＝１９００．３Ｌ−１．０３２ （画角ｈ＝２０mm）
θ＝２３９８．０Ｌ−１．０３３ （画角ｈ＝２５mm）
θ＝２９１２．３Ｌ−１．０３５ （画角ｈ＝３０mm）
θ＝３４５１．６Ｌ−１．０３７ （画角ｈ＝３５mm）
θ＝４０２５．５Ｌ−１．０３９ （画角ｈ＝４０mm）
・・・・・・・（４）
【００６３】
最大画角ｈと各近似曲線の係数との関係を調べると、図６に示すように、線形関係にある。そのため、以下の式で示すような近似線形式を採用することができる。
ｋ＝９８．０５×ｈ ・・・・・（５）
【００６４】
一方、（４）式で表される近似曲線の指数部は、その平均がここでは−１．０３５となっている。したがって、（４）、（５）式から、最大入射角θを求める以下の式が導かれる。
θ＝９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ・・・・（６）
【００６５】
これは、（１）式の合成パワーＰの条件を満たす範囲において、偏光ビームスプリッタ４０への最大入射角θが、最大画角ｈと光路長Ｌから算出できることを示している。また、最大入射角θは、投影光学系３０の開口数ＮＡに依存しない。
【００６６】
上述したように、投影光学系３０のサイズ小型化を考慮するならば、できるだけ光路長Ｌを短くするのが好ましいが、最大入射角θが大きくなると、照度分布の全体一様が維持できなくなる。そこで、最大入射角θがどの程度大きくなると、照度一定維持が困難に成るか調べ、照度不安定化が避けられない状況となる限度最大入射角を求めた。
【００６７】
図７は、偏光ビームスプリッタへの入射角に対する照度ムラと照明系による照度補正した場合の照度ムラを示したグラフである。偏光ビームスプリッタ４０への入射角度θに対する照度ムラと、照明光学系２０による照度補正を行ったときの照度ムラとを、プロットで示している。ただし、光軸平行な入射角を０度とし、光軸より上向き入射角を正、その逆を負で表している。
【００６８】
一般的に、マスクに対して光を均一照射しても、偏光ビームスプリッタへ入射する角度に応じて光軸を中心とした照度分布が生じる。変更ビームスプリッタへ入射する光の照度と、凹面ミラー経由で最終的に偏光ビームスプリッタから射出する光の照度との比（ここでは、光学効率という）は、光の入射角度が大きくなるにつれて低下する。例えば、偏光ビームスプリッタ４０の場合、以下の表１に示すように光学効率が低下する。
【００６９】
【表１】
【００７０】
図７には、入射角度を−７．５度〜７．５度まで変化させた時の照度ムラがプロットで示しており、近似的に二次曲線上に沿った値となっている。ただし、入射角度が０度のときを基準としている。
【００７１】
一方、照明光学系２０によって照度を均一となるように補正することが可能であり、照明光学系２０内のコンデンサーレンズ２８に対し、焦点距離を変えずに偏角（曲率半径）を変更するベンディング手法を施すことにより、照度分布が調整可能である。照度分布を変化させたときの照度ムラが、図５にプロットされている。ただし、この補正による照度ムラは、照度分布変化させたときの基準照度に対する照度変化を割合で示している。
【００７２】
しかしながら、このような照明光学系による照度補正には限界があり、入射角度が所定角度を超えると、補正が事実上行えない。偏光素子による照度ムラと、照明光学系による補正照度ムラの差を、下記の表２に示す。ただし、ここでは偏光ビームスプリッタを偏光素子と記している。
【００７３】
【表２】
【００７４】
照明光学系２０の照度補正に基づく照度ムラと、入射角に依存する照度ムラは、それぞれ異なる近似曲線Ｆ１、Ｆ２によって表すことが可能である。入射角が６．５度以下である場合には、近似曲線Ｆ１の値は近似曲線Ｆ２より低く、照明光学系２０の照度補正によって入射角に起因する照度ムラをカバーすることができる。
【００７５】
しかしながらが、６．５度を超えると、近似曲線Ｆ１の値が近似曲線Ｆ２の値を上回ることになり、照明光学系２０の照度補正を限界まで行っても、照度ムラを相殺することができない。したがって、偏光ビームスプリッタ４０への最大入射角θ（絶対値）を６．５度以下にすることで照度一定を維持することが可能となり、（６）式から以下の式が導かれる。
９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ≦ ６．５ ・・・・（７）
【００７６】
入射角限度値６．５度を照明光学系２０の光学特性に基づいて定められる値とすれば、使用する照明光学系２０に合わせて限界入射角を規定することが可能であり、また、投影光学系の光学特性に従って図５に示す曲線の各近似式を規定することが可能である。そして、限度入射角をβ、各近似式の係数をｋで表すことによって、（２）式が導かれる。
【００７７】
このように本実施形態によれば、投影露光装置１０の投影光学系３０において、第１レンズ群３２、第２レンズ群３４、第３レンズ群３６、第４レンズ群３８を備え、第１レンズ群３２と第２、３レンズ群３４、３６との間に、偏光ビームスプリッタ４０を配置する。そして、マスクＰＭの光軸上点からのマージナル光線Ｍ１、Ｍ２が偏光ビームスプリッタ４０の入射面４０Ａに対し垂直入射するように、第１レンズ群３２の光学特性（屈折力など）が定められている。
【００７８】
このような投影光学系により、等倍反射屈折光学系において露光エリアを最大限確保し、高画角のフル露光エリアを実現できる。そして、エリア全体に対する照度を一定にしてパターンを投影することが可能であり、高精度のパターン形成を実現することができる。
【００７９】
従来の縮小投影光学系では、物体面全体からの光を折返しプリズムに対して平行光束にするように構成されているが、本願発明ではそのような構成は採用せず、あくまでも軸上物点からの光線であるマージナル光線についてより厳密な垂直入射を定めている。従来の投影光学系のように、およそ光軸に平行といった露光エリア拡大を到底望めない規定を採用していない。これによって、露光エリア最大化という等倍投影光学系の機能を存分に発揮することができる。
【００８０】
また、光路長と画角との関係式を新たに導出することによって、照明光学系を含めた露光装置の光学系全体のサイズをコンパクト化、ダウンサイジングを図るとき、照度一定維持の条件を満たす最大画角の導出を、光学特性に合わせて容易に行うことができる。
【００８１】
本実施形態では、２つの凹面ミラーを偏光ビームスプリッタの光軸後方に配置しているが、１つの凹面ミラーによる構成にすることも可能である。また、偏光ビームスプリッタ以外によって、折返しプリズムを構成してもよい。さらに、等倍に限定せず、縮小投影光学系に適用することも可能である。
【００８２】
以下では、実施例となる等倍反射屈折光学系について説明する。
【実施例】
【００８３】
本実施例の投影光学系は、最大画角ｈ＝１２５ｍｍ、径２５０ｍｍのエリアを露光可能であって、光路長Ｌが１５２３．４７６ｍｍの等倍反射屈折光学系である。レンズ構成については、以下の表３に示す。
【００８４】
【表３】
【００８５】
本実施例では、マージナル光線の入射角度が０．００１度であり、実質的に光軸に対して平行であり、偏光ビームスプリッタの入射面に垂直入射する。合成レンズパワーＰは、２．２２６×１０−４であり、（１）式を満たす。また、最大画角ｈ＝１２５ｍｍ、光路長Ｌ＝１５２３．４７６ｍｍに従い、最大入射角θは６．４０となり、（２）、（７）式の条件を満たす。
【００８６】
本実施例の等倍反射屈折光学系について、開口数を変えたときの入射角θについて調べた。以下の表４は、異なる画角、開口数における入射角の値を示す。
【００８７】
【表４】
【００８８】
表４に示すように、最大入射角θは開口数に依存せず、（２）式より導かれることが明らかになっている。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 投影露光装置
２０ 照明光学系
３０ 投影光学系
３２ 第１レンズ群（第１光学系、前段光学系）
３４ 第２レンズ群（第２光学系、中間光学系）
３４ａ １／４波長板（第１の１／４波長板）
３６ 第３レンズ群（第３光学系、中間光学系）
３６Ａ １／４波長板（第２の１／４波長板）
３８ 第４レンズ群（第４光学系、後段光学系）
４０ 偏光ビームスプリッタ（折返しプリズム）
４２ 凹面ミラー（第１凹面ミラー）
４４ 凹面ミラー（第２凹面ミラー）
ＰＭ マスク
ＳＷ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学系を用いてパターンを基板等に投影、露光する投影露光装置に関し、特に、反射屈折型の投影光学系の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影露光装置に使用される投影光学系として、凹面ミラーなどの反射光学系と屈折光学系を組み合わせた反射屈折型投影光学系が知られており、特に、ゴースト、フレア光を抑えるため、偏光素子を設けたフルエリア露光の反射屈折型投影光学系が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
そこでは、偏光ビームスプリッタおよび四分の一波長板を、屈折光学系と凹面ミラーとの間に配置し、偏光ビームスプリッタによって偏光分離された一方の偏光光を凹面ミラーで反射させ、偏光ビームスプリッタに再入射させる。そして、偏光ビームスプリッタから射出した偏光光を、結像光学系によって基板に結像させる。
【０００４】
また、パターン光の照度低下を防ぐため、偏光ビームスプリッタによって分割された光双方を反射させる反射屈折型投影光学系も知られている（特許文献２参照）。そこでは、偏光ビームスプリッタによって分割された両方の偏光光を、２つの凹面ミラーによって偏光ビームスプリッタへそれぞれ再入射させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２８２５２７号公報
【特許文献２】特開平６−１８１１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の反射屈折型投影光学系は、主にウェハープロセスの前工程で使用する縮小投影露光装置に装備することを前提とした構成になっている。液晶基板、プリント配線基板へのパターン形成、ウェハープロセスの後工程では、基板サイズが非常に大きいため、一度に投影できるエリアサイズをできる限り拡大する必要があり、等倍の反射屈折型投影光学系を使用することが求められる。
【０００７】
しかしながら、縮小投影をベースにした従来の反射屈折型投影光学系の構成をそのまま等倍の反射屈折型投影光学系に取り入れても、高解像度の維持、照度一定の確保、投影エリアの拡大を同時に実現することが難しい。
【０００８】
したがって、照度低下、収差を抑え、高解像度を維持しながら広い露光エリアを実現できる反射屈折型投影光学系が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の投影光学系は、反射光学系と屈折光学系を組み合わせた等倍の投影光学系であり、投影光学系に加え、照明光学系を備えた投影露光装置に適用される。
【００１０】
投影光学系は、物体面のパターン光を結像させる第１光学系と、第１光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、折り返しプリズムによって分離した一方の光の光路上に配置される第２光学系と、第２光学系を透過した光を反射し、第２光学系を介して折り返しプリズムへ再度入射させる第１凹面ミラーを備える。
【００１１】
さらに投影光学系は、折り返しプリズムによって分離した他方の光の光路上に配置される第３光学系と、第３光学系を透過した光を反射し、第３光学系を介して折り返しプリズムへ再度入射させる第２凹面ミラーと、折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される第４光学系とを備える。
【００１２】
そして、本発明の折り返しプリズムは、第１、第２凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、第４光学系は、折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させる。さらに、物体面からのマージナル光線が、折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射することを特徴とする。
【００１３】
ここで、「実質的に垂直入射」とは、折り返しプリズムの入射面に対して光学設計上垂直入射とみなせる範囲でマージナル光線が光軸に沿って平行に入射することを表す。例えば、０．５度以下、より限定すれば、０．３度以下、さらに限定すれば０．２度、０．１度、１×１０−２、１×１０−３以下のとき、実質的に垂直入射しているとみなすことができる。
【００１４】
好ましくは、第２光学系および第１凹面ミラーを合わせたレンズパワー、および第３光学系および第２凹面ミラーを合わせたレンズパワーが、１×１０−４ 以下に定められる。最大画角ｈと、物体面から第１、第２凹面ミラーまでの光路長Ｌが、以下の条件式を満たすように構成することが望ましい。
ｋ×ｈ×Ｌ−ｍ ≦ β
ただし、ｋ、ｍは、投影光学系の特性によって定められる係数を表す。また、βは、照明光学系の照度補正可能な折り返しプリズムへの最大限度入射角を表す。
【００１５】
例えば、最大画角ｈと光路長Ｌが、以下の条件式を満たす。
９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ≦ ６．５
【００１６】
折り返しプリズムについては、偏光ビームスプリッタを構成することが可能である。例えば、偏光ビームスプリッタと第２光学系との間に配置される第１の１／４波長板と、偏光ビームスプリッタと第３光学系との間に配置される第２の１／４波長板とを設けることができる。
【００１７】
光源が広い波長域の照明光を放射する水銀ランプ等の場合、第１、第２の１／４波長板は、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長域において、少なくとも４００ｎｍ以上の波長に対して光を偏光可能であるように構成することができる。
【００１８】
本発明の他の特徴をもつ投影光学系は、物体面のパターン光を結像させる前段光学系と、前段光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、折り返しプリズムの光路後方に配置される中間光学系と、中間光学系を透過した光を反射し、中間光学系を介して折り返しプリズムへ再度入射させる凹面ミラーと、折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される後段光学系とを備え、折り返しプリズムが、凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、後段光学系が、折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させ、物体面からのマージナル光線が、折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、投影露光装置において、広い露光エリアを確保しながら、高精度のパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態である投影露光装置を模式的に示した内部構成図である。
【図２】投影光学系における光学系配置構成を示した図である。
【図３】図２の投影光学系と光路等価な投影光学系を示した図である。
【図４】第２レンズ群と凹面ミラーの合成パワーと、マージナル光線の入射角との関係を示したグラフである。
【図５】異なる最大画角に対する光路長と最大入射角との関係を表したグラフである。
【図６】最大画角と各近似曲線の係数との関係を示したグラフである。
【図７】偏光ビームスプリッタへの入射角に対する照度ムラと照明系による照度補正した場合の照度ムラを示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態である投影露光装置を模式的に示した内部構成図である。
【００２３】
投影露光装置１０は、シリコンウェハなどの半導体用基板、電子回路基板用のプリント配線基板などの基板ＳＷに対してパターンを形成する露光装置であり、フォトマスクＰＭに描画されたパターンを、基板ＳＷに対して投影する。
【００２４】
投影露光装置１０は、照明光学系２０、投影光学系３０、光源部５０を備え、フォトマスクＰＭが照明光学系２０の結像面に配置されている。光源部５０は、３５０〜４５０ｎｍに渡る波長域の光を放射する放電ランプ５２を備え、ランプ５２から放射された光は、楕円ミラー５４によって照明光学系２０へ導かれる。
【００２５】
照明光学系２０は、ミラー２２、コリメータレンズ２４、フライアイレンズ２６、コンデンサーレンズ２８を備える。照明光学系２０に入射した光は、ミラー２２によってコリメータレンズ２４に導かれ、平行光束にされる。そして、フライアイレンズ２６によって照度均一の光に修正される。
【００２６】
コンデンサーレンズ２８によって集光された光は、フォトマスクＰＭを照射する。フォトマスクＰＭには、基板ＳＷに描画すべきパターンが形成されており、フォトマスクＰＭのパターン光は、投影光学系３０を通じて基板ＳＷに投影される。
【００２７】
投影光学系３０は、第１レンズ群３２、第２レンズ群３４、第３レンズ群３６、第４レンズ群３８を備えた等倍の反射屈折型投影光学系であり、第１レンズ群３２と第２、第３レンズ群３４、３６の間には、偏光ビームスプリッタ４０が配置されている。
【００２８】
投影光学系３０に入射した光は、偏光ビームスプリッタ４０の偏光分離面４０Ａによって偏光分離され、第２レンズ群３４の方向へ透過直進する光と、偏光分離面４０Ａに反射し、第２レンズ群３４に対し垂直な第３レンズ群３６の方向へ進行する光に分割される。
【００２９】
第２、第３レンズ群３４、３６の後方には、凹面ミラー４２、４４がそれぞれ配置されており、第２、第３レンズ群３４、３６を通過した光は、凹面ミラー４２、４４によって再び偏光ビームスプリッタ４０に入射する。
【００３０】
第３レンズ群３６側から再入射した光は、偏光ビームスプリッタ４０を通過してそのまま基板ＳＷの方へ直進する一方、第２レンズ群３４側から再入射した光は、偏光ビームスプリッタ４０によって基板ＳＷの方向に反射する。その結果、マスクＰＭを通過したパターン光全体が第４レンズ群３８に導かれ、パターン光は第４レンズ群３８によって基板ＳＷ上に結像する。
【００３１】
基板ＳＷを支持する架台１３に搭載された移動ステージ１１は、光軸に対し垂直、平行な方向へ基板ＳＷを移動、回転させることが可能である。基板ＳＷは、真空吸着などによってステージ１１に固定されている。露光中、基板ＳＷステージ１１が、ステップ＆リピート方式によって移動するのに従い、基板ＳＷ全体にマスクパターンが露光される。
【００３２】
次に、図２、３を用いて、投影光学系３０の内部構成について詳述する。
【００３３】
図２は、投影光学系３０における光学系配置構成を示した図である。図３は、図２の投影光学系３０と等価な光路をもつ投影光学系を示した図である。
【００３４】
第１レンズ群３２は、凹状の第１面を有するメニスカスレンズ３２Ａ、正レンズ３２Ｂ、３２Ｃ、両面が凹状の負レンズ３２Ｄ、そして正レンズ３２Ｅを備え、光学系全体として正の屈折力を有する。
【００３５】
キューブ状の偏光ビームスプリッタ４０は、その入射面４０Ｓが光軸Ｅに対して垂直となるように配置されたプリズムであり、２つの直角プリズムを張り合わせた接合斜面に偏光分離面４０Ａが形成されている。偏光分離面４０Ａの法線は、光軸Ｅに対して４５度傾斜している。
【００３６】
第１レンズ群３２から偏光ビームスプリッタ４０に入射した光は、偏光分離面４０Ａを透過するｐ偏光光と、偏光分離面４０Ａによって反射するｓ偏光光に分離される。ｐ偏光光は、そのまま光軸Ｅに沿って偏光ビームスプリッタ４０から射出し、負の屈折力を有する第２レンズ群３４に入射する。
【００３７】
第２レンズ群３４は、１／４波長板３４ａ、正レンズ３４Ｂ、両面凹状の負レンズ３４Ｃを備える。ｐ偏光光は、１／４波長板３４ａによって円偏光に変換された後、正レンズ３４Ｂ、負レンズ３４Ｃを通って凹面ミラー４２に到達する。
【００３８】
凹面ミラー４２は、光軸Ｅに対し対称的な球状反射面を備え、ｐ偏光光を集光、反射する。反射したｐ偏光光は、１／４波長板３４ａに再び入射すると、ｓ偏光光に変換される。そして、偏光ビームスプリッタ４０に再度入射したｓ偏光光は、偏光分離面４０Ａによって反射し、第４レンズ群３８の方向へ射出する。
【００３９】
一方、偏光分離面４０Ａによって偏光分離されたｓ偏光光は、第３レンズ群３６のある直交方向へ偏光ビームスプリッタ４０から射出する。第３レンズ群３６は、第２レンズ群３４と同様、１／４波長板３６Ａ、正レンズ３６Ｂ、両面凹状の負レンズ３６Ｃを備えた負の屈折力をもつ光学系であり、その後方に正の屈折力を有する凹面ミラー４４が配置されている。
【００４０】
偏光ビームスプリッタ４０から射出したｓ偏光光は、１／４波長板３６Ａによって円偏光に偏光された後、正レンズ３４Ｂ、負レンズ３４Ｃを通って凹面ミラー４４に到達する。凹面ミラー４４で反射した円偏光は、１／４波長板３６Ａによってｐ偏光光に変換された後、偏光ビームスプリッタ４０に再び入射する。偏光ビームスプリッタ４０に入射した光はｐ偏光光であるため、入射光はそのまま偏光分離面４０Ａを通過し、第４レンズ群３８に向けて射出する。
【００４１】
第４レンズ群３８は、第１レンズ群３２と同様のレンズ配置であり、凹状の第１面を有するメニスカスレンズ３８Ａ、正レンズ３８Ｂ、３８Ｃ、両面が凹状の負レンズ３８Ｄ、正レンズ３８Ｅを備え、正の屈折力を有する。
【００４２】
基板ＳＷの表面は、投影光学系３０の結像面と一致する。したがって、偏光ビームスプリッタ４０に分割された光は、両方とも第４レンズ群３８によって基板ＳＷの表面に結像され、パターン光全体がそのまま露光に寄与する。
【００４３】
１／４波長板３４ａ、３６Ａは、３５０〜４５０ｎｍの波長域の光を偏光可能な広帯域波長板であり、光源５０から放射される照明光の波長域全体に対応し、色収差を抑える。なお、４００ｎｍ以上の波長域の光に対応するように構成してもよい。
【００４４】
第１レンズ群３２と第４レンズ群３８は、光学系の構成および光学特性が等しく、第２レンズ群３４と第３レンズ群３６についても、光学系の構成およびその光学特性が等しい。また、第２レンズ群３４を往復する光の基板ＳＷまでの光路長と第３レンズ群３６を往復する光の光路長は等しい。
【００４５】
したがって、図２に示す等倍の投影光学系３０は、図３に示す投影光学系と光路等価であり、第１レンズ群３２（第４レンズ群３８）、偏光ビームスプリッタ４０、第２レンズ群３４（第３レンズ群３６）、凹面ミラー４２（凹面ミラー４４）の相互配置間隔および屈折力等を含む光学特性によって、その照度、解像度、収差の程度が決まる。
【００４６】
本実施形態では、第１レンズ群３２から射出される光のマージナル光線ＭＬ１、ＭＬ２は、光軸に対して平行であり、偏光ビームスプリッタ４０の入射面４０Ｓに対して垂直入射する。ただし、マージナル光線ＭＬ１、ＭＬ２は、物体（ここではマスクＰＭ）の光軸点から出た光のうち、第１レンズ群３２の入射瞳の端の光線を表す。
【００４７】
投影光学系３０は、縮小投影光学系のようにパターン光を平行光束に修正して偏光ビームスプリッタ入射面全体へ入射させる構成ではなく、マスクＰＭの光軸上物点からのマージナル光線Ｍ１、Ｍ２のみ、偏光ビームスプリッタ４０への垂直入射条件を課している。この条件が満たされるように、第１〜第４レンズ群３２〜３８が構成されている。
【００４８】
また、本実施形態においては、第２レンズ群３４と凹面ミラー４２（＝第３レンズ群３６と凹面ミラー４４）間におけるレンズパワーＰは、以下の式を満たす。ただし、レンズパワーＰは、第２レンズ群３４と凹面ミラー４２（＝第３レンズ群３６と凹面ミラー４４）を合成した焦点距離の逆数を表す。
Ｐ ≦ １×１０−４ ・・・・・（１）
【００４９】
レンズパワーＰは、限りなく０に近く、非常に小さい。ここでは、第２レンズ群３４のマイナスパワーと、凹面ミラー４２のプラスパワーが相殺されるように、光学特性が定められている。第３レンズ群３６と凹面ミラー４４におけるレンズパワーＰも、同じである。
【００５０】
このようなレンズパワーＰをもつ光学系を偏光ビームスプリッタ４０の後方に配置するため、第１、第４レンズ群３２、３８の瞳位置は無限遠にある必要があるが、マージナル光線Ｍ１、Ｍ２は限りなく光軸に対し平行になって偏光ビームスプリッタ４０へ入射するため、このようなレンズパワーＰをもつ光学系を配置することが可能である。
【００５１】
さらに本実施形態では、上述したマージナル光線Ｍ１、Ｍ２、および合成レンズパワーＰの条件に加え、マスクＰＭ（基板ＳＷ）における最大画角ｈと、マスクＰＭから凹面ミラー４２、４４までの光路長Ｌ（ｍｍ）は、以下の条件式を満たす。
ｋ×ｈ×Ｌ−ｍ ≦ β ・・・・・・（２）
【００５２】
ただし、最大画角ｈは、像面上における露光エリアの光軸からの最長距離を表す。ｍは、最大画角ｈごとの光路長Ｌと偏光ビームスプリッタ４０への入射角θとの関係を表す近似式から求められる係数であり、ここでは、ｍ＝１．０３５に定められている。
【００５３】
一方、ｋは、後述する最大画角ｈごとの近似式から求められる係数であり、ここでは、ｋ＝９８．０６５に定められている。さらにβは、後述する照明光学系２０の照度分布補正可能な限度入射角を表す。ここでは、β＝６．５度に定められている。
【００５４】
マージナル光線Ｍ１、Ｍ２の平行入射、および上記（１）、（２）式を満たす投影光学系３０を構成することにより、照度を低下させることなく高解像度を維持し、より広い露光エリアを確保することができる。以下では、（１）、（２）式が導出される理由について説明する。
【００５５】
図４は、第２レンズ群３４と凹面ミラー４２の合成パワーＰと、マージナル光線の入射角との関係を示したグラフである。なお、第３レンズ群３６と凹面ミラー４４についても、同様の関係を示す。
【００５６】
図４に示す複数のプロットは、合成パワーＰの異なる複数の投影光学系と、それに対応するマージナル光線の入射角（ここでは、Θで表す）を示している。グラフの縦軸はマージナル光線の入射角Θを表し、横軸は合成パワーＰを表す。これらプロットの座標に基づき、以下の式で表される近似曲線Ｔ１を規定することができる。
Θ＝−６９４０６５Ｐ２＋２９３８．７Ｐ ・・・・（３）
【００５７】
図４のグラフおよび上記近似式から明らかなように、合成パワーＰが１×１０−４以下の場合、マージナル光線の入射角Θは最大０．２９度であり、マージナル光線は実質的に光軸Ｅに対して平行となる。一方、合成パワーＰがそれ以上大きな値の場合、入射角Θは光軸Ｅと実質的平行な状態から離れる。例えば、Θ＝２×１０−４を超える場合、マージナル光線の入射角は、０．５６度以上となる。
【００５８】
等倍の投影光学系の場合、凹面ミラーの照射エリアが露光エリアサイズに影響し、マージナル光線が光軸Ｅに平行でなければ、広い画角、すなわち広い露光エリアの確保は困難となる。そのため、合成パワーＰが（１）式を満たすように、投影光学系３０の第２、３レンズ群３４、３６および凹面ミラー４２、４４の構成が定められる。
【００５９】
次に、（２）式を条件とする理由について説明する。投影光学系３０のサイズ小型化を図る場合、物体面（マスクＰＭ）から凹面ミラー４２、４４までの光路長Ｌをできるだけ短くするのが望ましい。一方、光路長Ｌを短くすると、偏光ビームスプリッタ４０へパターン光が入射するときの入射傾斜角が大きくなる。これは、露光エリア全体における照度分布不均一、すなわち照度ムラの発生に影響する。
【００６０】
そこで、最大画角ｈの異なる等倍の反射屈折型投影光学系に対し、光路長Ｌを変えたときの光の最大入射角θを調べ、その関係を明らかにした。ただし、反射屈折型投影光学系は、上述したマージナル光線の垂直入射、および（１）式に示した合成パワーＰの条件を満たすものとする。また、最大入射角θは、偏光ビームスプリッタ４０へ入射する光の入射角のうち最大の入射角を示す。
【００６１】
図５は、異なる最大画角ｈに対する光路長Ｌと最大入射角θとの関係を表したグラフである。図６は、最大画角ｈと各近似曲線の係数との関係を示したグラフである。
【００６２】
図５では、光路長Ｌを変えたときの最大入射角θがプロットされている。光路長Ｌが短いほど入射角θは大きく、近似の指数関数によって対応付けられることがわかる。ここでは、画角ｈごとの近似曲線が、以下の式によって表される。
θ＝４６８．１Ｌ−１．０３０ （画角ｈ＝５mm）
θ＝９３８．９Ｌ−１．０３０ （画角ｈ＝１０mm）
θ＝１４１５．２Ｌ−１．０３１ （画角ｈ＝１５mm）
θ＝１９００．３Ｌ−１．０３２ （画角ｈ＝２０mm）
θ＝２３９８．０Ｌ−１．０３３ （画角ｈ＝２５mm）
θ＝２９１２．３Ｌ−１．０３５ （画角ｈ＝３０mm）
θ＝３４５１．６Ｌ−１．０３７ （画角ｈ＝３５mm）
θ＝４０２５．５Ｌ−１．０３９ （画角ｈ＝４０mm）
・・・・・・・（４）
【００６３】
最大画角ｈと各近似曲線の係数との関係を調べると、図６に示すように、線形関係にある。そのため、以下の式で示すような近似線形式を採用することができる。
ｋ＝９８．０５×ｈ ・・・・・（５）
【００６４】
一方、（４）式で表される近似曲線の指数部は、その平均がここでは−１．０３５となっている。したがって、（４）、（５）式から、最大入射角θを求める以下の式が導かれる。
θ＝９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ・・・・（６）
【００６５】
これは、（１）式の合成パワーＰの条件を満たす範囲において、偏光ビームスプリッタ４０への最大入射角θが、最大画角ｈと光路長Ｌから算出できることを示している。また、最大入射角θは、投影光学系３０の開口数ＮＡに依存しない。
【００６６】
上述したように、投影光学系３０のサイズ小型化を考慮するならば、できるだけ光路長Ｌを短くするのが好ましいが、最大入射角θが大きくなると、照度分布の全体一様が維持できなくなる。そこで、最大入射角θがどの程度大きくなると、照度一定維持が困難に成るか調べ、照度不安定化が避けられない状況となる限度最大入射角を求めた。
【００６７】
図７は、偏光ビームスプリッタへの入射角に対する照度ムラと照明系による照度補正した場合の照度ムラを示したグラフである。偏光ビームスプリッタ４０への入射角度θに対する照度ムラと、照明光学系２０による照度補正を行ったときの照度ムラとを、プロットで示している。ただし、光軸平行な入射角を０度とし、光軸より上向き入射角を正、その逆を負で表している。
【００６８】
一般的に、マスクに対して光を均一照射しても、偏光ビームスプリッタへ入射する角度に応じて光軸を中心とした照度分布が生じる。変更ビームスプリッタへ入射する光の照度と、凹面ミラー経由で最終的に偏光ビームスプリッタから射出する光の照度との比（ここでは、光学効率という）は、光の入射角度が大きくなるにつれて低下する。例えば、偏光ビームスプリッタ４０の場合、以下の表１に示すように光学効率が低下する。
【００６９】
【表１】
【００７０】
図７には、入射角度を−７．５度〜７．５度まで変化させた時の照度ムラがプロットで示しており、近似的に二次曲線上に沿った値となっている。ただし、入射角度が０度のときを基準としている。
【００７１】
一方、照明光学系２０によって照度を均一となるように補正することが可能であり、照明光学系２０内のコンデンサーレンズ２８に対し、焦点距離を変えずに偏角（曲率半径）を変更するベンディング手法を施すことにより、照度分布が調整可能である。照度分布を変化させたときの照度ムラが、図５にプロットされている。ただし、この補正による照度ムラは、照度分布変化させたときの基準照度に対する照度変化を割合で示している。
【００７２】
しかしながら、このような照明光学系による照度補正には限界があり、入射角度が所定角度を超えると、補正が事実上行えない。偏光素子による照度ムラと、照明光学系による補正照度ムラの差を、下記の表２に示す。ただし、ここでは偏光ビームスプリッタを偏光素子と記している。
【００７３】
【表２】
【００７４】
照明光学系２０の照度補正に基づく照度ムラと、入射角に依存する照度ムラは、それぞれ異なる近似曲線Ｆ１、Ｆ２によって表すことが可能である。入射角が６．５度以下である場合には、近似曲線Ｆ１の値は近似曲線Ｆ２より低く、照明光学系２０の照度補正によって入射角に起因する照度ムラをカバーすることができる。
【００７５】
しかしながらが、６．５度を超えると、近似曲線Ｆ１の値が近似曲線Ｆ２の値を上回ることになり、照明光学系２０の照度補正を限界まで行っても、照度ムラを相殺することができない。したがって、偏光ビームスプリッタ４０への最大入射角θ（絶対値）を６．５度以下にすることで照度一定を維持することが可能となり、（６）式から以下の式が導かれる。
９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ≦ ６．５ ・・・・（７）
【００７６】
入射角限度値６．５度を照明光学系２０の光学特性に基づいて定められる値とすれば、使用する照明光学系２０に合わせて限界入射角を規定することが可能であり、また、投影光学系の光学特性に従って図５に示す曲線の各近似式を規定することが可能である。そして、限度入射角をβ、各近似式の係数をｋで表すことによって、（２）式が導かれる。
【００７７】
このように本実施形態によれば、投影露光装置１０の投影光学系３０において、第１レンズ群３２、第２レンズ群３４、第３レンズ群３６、第４レンズ群３８を備え、第１レンズ群３２と第２、３レンズ群３４、３６との間に、偏光ビームスプリッタ４０を配置する。そして、マスクＰＭの光軸上点からのマージナル光線Ｍ１、Ｍ２が偏光ビームスプリッタ４０の入射面４０Ａに対し垂直入射するように、第１レンズ群３２の光学特性（屈折力など）が定められている。
【００７８】
このような投影光学系により、等倍反射屈折光学系において露光エリアを最大限確保し、高画角のフル露光エリアを実現できる。そして、エリア全体に対する照度を一定にしてパターンを投影することが可能であり、高精度のパターン形成を実現することができる。
【００７９】
従来の縮小投影光学系では、物体面全体からの光を折返しプリズムに対して平行光束にするように構成されているが、本願発明ではそのような構成は採用せず、あくまでも軸上物点からの光線であるマージナル光線についてより厳密な垂直入射を定めている。従来の投影光学系のように、およそ光軸に平行といった露光エリア拡大を到底望めない規定を採用していない。これによって、露光エリア最大化という等倍投影光学系の機能を存分に発揮することができる。
【００８０】
また、光路長と画角との関係式を新たに導出することによって、照明光学系を含めた露光装置の光学系全体のサイズをコンパクト化、ダウンサイジングを図るとき、照度一定維持の条件を満たす最大画角の導出を、光学特性に合わせて容易に行うことができる。
【００８１】
本実施形態では、２つの凹面ミラーを偏光ビームスプリッタの光軸後方に配置しているが、１つの凹面ミラーによる構成にすることも可能である。また、偏光ビームスプリッタ以外によって、折返しプリズムを構成してもよい。さらに、等倍に限定せず、縮小投影光学系に適用することも可能である。
【００８２】
以下では、実施例となる等倍反射屈折光学系について説明する。
【実施例】
【００８３】
本実施例の投影光学系は、最大画角ｈ＝１２５ｍｍ、径２５０ｍｍのエリアを露光可能であって、光路長Ｌが１５２３．４７６ｍｍの等倍反射屈折光学系である。レンズ構成については、以下の表３に示す。
【００８４】
【表３】
【００８５】
本実施例では、マージナル光線の入射角度が０．００１度であり、実質的に光軸に対して平行であり、偏光ビームスプリッタの入射面に垂直入射する。合成レンズパワーＰは、２．２２６×１０−４であり、（１）式を満たす。また、最大画角ｈ＝１２５ｍｍ、光路長Ｌ＝１５２３．４７６ｍｍに従い、最大入射角θは６．４０となり、（２）、（７）式の条件を満たす。
【００８６】
本実施例の等倍反射屈折光学系について、開口数を変えたときの入射角θについて調べた。以下の表４は、異なる画角、開口数における入射角の値を示す。
【００８７】
【表４】
【００８８】
表４に示すように、最大入射角θは開口数に依存せず、（２）式より導かれることが明らかになっている。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 投影露光装置
２０ 照明光学系
３０ 投影光学系
３２ 第１レンズ群（第１光学系、前段光学系）
３４ 第２レンズ群（第２光学系、中間光学系）
３４ａ １／４波長板（第１の１／４波長板）
３６ 第３レンズ群（第３光学系、中間光学系）
３６Ａ １／４波長板（第２の１／４波長板）
３８ 第４レンズ群（第４光学系、後段光学系）
４０ 偏光ビームスプリッタ（折返しプリズム）
４２ 凹面ミラー（第１凹面ミラー）
４４ 凹面ミラー（第２凹面ミラー）
ＰＭ マスク
ＳＷ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等倍の反射屈折型投影光学系であって、
物体面のパターン光を結像させる第１光学系と、
前記第１光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、
前記折り返しプリズムによって分離した一方の光の光路上に配置される第２光学系と、
前記第２光学系を透過した光を反射し、前記第２光学系を介して前記折り返しプリズムへ再度入射させる第１凹面ミラーと、
前記折り返しプリズムによって分離した他方の光の光路上に配置される第３光学系と、
前記第３光学系を透過した光を反射し、前記第３光学系を介して前記折り返しプリズムへ再度入射させる第２凹面ミラーと、
前記折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される第４光学系とを備え、
前記折り返しプリズムが、前記第１、第２凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、
前記第４光学系が、前記折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させ、
前記物体面からのマージナル光線が、前記折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射することを特徴とする反射屈折型等倍投影光学系。
【請求項２】
前記第２光学系および前記第１凹面ミラーを合わせたレンズパワー、および前記第３光学系および前記第２凹面ミラーを合わせたレンズパワーが、１×１０−４ 以下であり、
最大画角ｈと、物体面から前記第１、第２凹面ミラーまでの光路長Ｌが、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の反射屈折型等倍投影光学系。
ｋ×ｈ×Ｌ−ｍ ≦ β
ただし、ｋ、ｍは、投影光学系の特性によって定められる係数を表す。また、βは、照明光学系の照度補正可能な折返しプリズムへの最大限度入射角を表す。
【請求項３】
最大画角ｈと光路長Ｌが、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の反射屈折型等倍投影光学系。
９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ≦ ６．５
【請求項４】
前記折り返しプリズムは、偏光ビームスプリッタを有し、
前記偏光ビームスプリッタと前記第２光学系との間に配置される第１の１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタと前記第３光学系との間に配置される第２の１／４波長板とをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の反射屈折型等倍投影光学系。
【請求項５】
前記第１、第２の１／４波長板は、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長域において、少なくとも４００ｎｍ以上の波長に対して光を偏光可能であることを特徴とする請求項４に記載の反射屈折型等倍投影光学系。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の反射屈折型等倍投影光学系を備えた投影露光装置。
【請求項７】
物体面のパターン光を結像させる前段光学系と、
前記前段光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、
前記折り返しプリズムの光路後方に配置される中間光学系と、
前記中間光学系を透過した光を反射し、前記中間光学系を介して前記折り返しプリズムへ再度入射させる凹面ミラーと、
前記折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される後段光学系とを備え、
前記折り返しプリズムが、前記凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、
前記後段光学系が、前記折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させ、
前記物体面からのマージナル光線が、前記折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射することを特徴とする反射屈折型投影光学系。
【請求項１】
等倍の反射屈折型投影光学系であって、
物体面のパターン光を結像させる第１光学系と、
前記第１光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、
前記折り返しプリズムによって分離した一方の光の光路上に配置される第２光学系と、
前記第２光学系を透過した光を反射し、前記第２光学系を介して前記折り返しプリズムへ再度入射させる第１凹面ミラーと、
前記折り返しプリズムによって分離した他方の光の光路上に配置される第３光学系と、
前記第３光学系を透過した光を反射し、前記第３光学系を介して前記折り返しプリズムへ再度入射させる第２凹面ミラーと、
前記折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される第４光学系とを備え、
前記折り返しプリズムが、前記第１、第２凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、
前記第４光学系が、前記折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させ、
前記物体面からのマージナル光線が、前記折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射することを特徴とする反射屈折型等倍投影光学系。
【請求項２】
前記第２光学系および前記第１凹面ミラーを合わせたレンズパワー、および前記第３光学系および前記第２凹面ミラーを合わせたレンズパワーが、１×１０−４ 以下であり、
最大画角ｈと、物体面から前記第１、第２凹面ミラーまでの光路長Ｌが、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の反射屈折型等倍投影光学系。
ｋ×ｈ×Ｌ−ｍ ≦ β
ただし、ｋ、ｍは、投影光学系の特性によって定められる係数を表す。また、βは、照明光学系の照度補正可能な折返しプリズムへの最大限度入射角を表す。
【請求項３】
最大画角ｈと光路長Ｌが、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の反射屈折型等倍投影光学系。
９８．０６５×ｈ×Ｌ−１．０３０５ ≦ ６．５
【請求項４】
前記折り返しプリズムは、偏光ビームスプリッタを有し、
前記偏光ビームスプリッタと前記第２光学系との間に配置される第１の１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタと前記第３光学系との間に配置される第２の１／４波長板とをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の反射屈折型等倍投影光学系。
【請求項５】
前記第１、第２の１／４波長板は、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長域において、少なくとも４００ｎｍ以上の波長に対して光を偏光可能であることを特徴とする請求項４に記載の反射屈折型等倍投影光学系。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の反射屈折型等倍投影光学系を備えた投影露光装置。
【請求項７】
物体面のパターン光を結像させる前段光学系と、
前記前段光学系からの光を偏光分離する折り返しプリズムと、
前記折り返しプリズムの光路後方に配置される中間光学系と、
前記中間光学系を透過した光を反射し、前記中間光学系を介して前記折り返しプリズムへ再度入射させる凹面ミラーと、
前記折り返しプリズムと像面との間の光路上に配置される後段光学系とを備え、
前記折り返しプリズムが、前記凹面ミラーからの反射光を像面側へ導き、
前記後段光学系が、前記折り返しプリズムから射出する反射光を、像面に結像させ、
前記物体面からのマージナル光線が、前記折り返しプリズムに対して実質的に垂直入射することを特徴とする反射屈折型投影光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１１４１７５（Ｐ２０１３−１１４１７５Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２１１０（Ｐ２０１１−２６２１１０）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００１２８４９６）株式会社オーク製作所 (175)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００１２８４９６）株式会社オーク製作所 (175)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]