(57)【特許請求の範囲】
【請求項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する回折光学素子を有した光学系。
【請求項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する回折光学素子を有した光学系。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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】
0003703251.tif 000002
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】
0003703251.tif 000003
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】
0003703251.tif 000004
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】
0003703251.tif 000005
式（４）と比較すると、
【００３３】
【数４】
0003703251.tif 000006
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
【図１】
0003703251.tif 000007
【図２】
0003703251.tif 000008
【図３】
0003703251.tif 000009
【図４】
0003703251.tif 000010
【図５】
0003703251.tif 000011
【図６】
0003703251.tif 000012
【図７】
0003703251.tif 000013
【図８】
0003703251.tif 000014
【図９】
0003703251.tif 000015