(57)【要約】多数の光学素子を備えた最大開口・純屈折型投影対物レンズが、像平面の前に離間配置される系絞り（５）を有する。投影対物レンズの像平面（３）に最も近い光学素子は、実質球状の入射面と実質平らな射出面とを有する平凸レンズ（３４）である。この平凸レンズは系絞り（５）の絞り直径の少なくとも５０％の直径を有する。主に系絞り（５）と像平面（３）との間には正レンズ（３２、３３、３４）のみが配置されている。この光学系は最大開口ＮＡ≧０．８５、場合によってはＮＡ≧１において結像を可能とする。
2005519347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影対物レンズの物体平面に配置されるパターンを所定動作波長の紫外光で投影対物レンズの像平面に結像するための投影対物レンズであって、投影対物レンズが、光軸に沿って配置される多数の光学素子と絞り直径を備えて像平面の前に離間配置される系絞り（５）とを有し、屈折力を有して像平面に最も近い光学群が、実質球状の入射面と実質平らな射出面とを有する平凸群（３４）であり、この平凸群（３４）が絞り直径の少なくとも５０％の直径を有する投影対物レンズ。
【請求項２】
平凸群が単一の主に一体な平凸レンズ（３４）によって形成されている、請求項１記載の投影対物レンズ。
【請求項３】
正の屈折力を有するレンズ（３２、３３、３４）のみが、場合によっては少なくとも１つの平行平面板と組合せて、系絞り（５）と像平面（３）との間に配置されている、請求項１または２記載の投影対物レンズ。
【請求項４】
系絞り（５）と像平面（３）との間、主に系絞りと平凸群（３４）との間に少なくとも１つの両凸正レンズ、主に２つの両凸正レンズ（３２、３３）が配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項５】
系絞り（５）と像平面（３）との間に配置される最終レンズ群（ＬＧ７）が、屈折力を有する最大４つの光学素子、主に僅か３つのレンズ（３２、３３、３４）を有する、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項６】
系絞り（５）と像平面（３）との間に配置される最終レンズ群が、投影対物レンズ構造長の２０％未満、特に１５％未満の焦点距離を有する、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項７】
系絞りと像平面（３）との間の距離が構造長の２５％未満、および／または絞り直径の９５％未満である、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項８】
投影対物レンズが純屈折型投影対物レンズ（１）である、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項９】
投影対物レンズが、物体近傍の胴部（６）と像近傍の胴部（８）とその間にある首部（７）とを有する単首系である、請求項７記載の投影対物レンズ。
【請求項１０】
投影対物レンズが１９３ｎｍの動作波長用に設計されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１１】
透明光学素子がすべて同じ材料から、特に合成石英ガラスから作製されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１２】
投影対物レンズがＮＡ≧０．８５の像側開口数を有し、主にＮＡ≧１である、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１３】
像側動作距離が動作波長の４倍未満であり、この動作距離が主に動作波長よりも小さく、特に動作波長の半分未満である、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１４】
像視野直径が１０ｍｍよりも大きく、特に２０ｍｍよりも大きく、および／または像視野直径が投影対物レンズ構造長の１％よりも大きく、特に１．５％よりも大きく、および／または最大レンズ直径の１％よりも大きく、特に５％よりも大きい、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１５】
系絞り（５）と像平面（３）との間に少なくとも１つの両非球面レンズ（３２）が配置されており、このレンズが主に両凸レンズとして構成されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１６】
系絞り（５）前の最終光学面と系絞り後の第１光学面が非球面であり、主に絞りから離れる方を向く湾曲を有する、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１７】
系絞り（５）前の近傍領域に、特に系絞りの直前に、凹面を物体側に向けた少なくとも１つのメニスカスレンズ（３０、３１）が配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１８】
物体側凹面を有する少なくとも２つの連続するメニスカスレンズ（３０、３１）を備えた少なくとも１つのメニスカス群が系絞り（５）の近傍領域に、特に系絞りの直前に配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項１９】
２つのメニスカスレンズ（３０、３１）を備えた正負メニスカス群が系絞り（５）前の近傍領域に配置されており、メニスカスレンズのレンズ面が物体側で凹面である、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２０】
首部（７）と像平面（３）との間に光線直径の狭隘化によって補助首部（９）が設けられており、この補助首部が主に系絞り（５）前の近傍領域に配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２１】
負の屈折力と像側を向いた凹面とを有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（２５、２６）が首部（７）と系絞り（５）との間に配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２２】
負の屈折力と像側を向く凹面とを有する少なくとも２つのメニスカスレンズ（２５、２６）を備えたメニスカス群が首部（７）と系絞り（５）との間に配置されており、主にこのメニスカス群の物体側メニスカスの屈折力がメニスカス群の後続のメニスカスレンズ（２６）の屈折力よりも少なくとも３０％大きい、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２３】
物体側凹面を有する少なくとも１つの正メニスカスレンズ（２３、２４）が首部（７）と系絞り（５）との間で首部近傍に配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２４】
物体側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（２３、２４）とこれに続いて像側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（２５、２６）がこの順序で首部（７）と系絞り（５）との間に配置されており、主に物体側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズが正の屈折力を有し、像側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズが負の屈折力を有する、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２５】
少なくとも２つの負レンズ（２０、２１、２２）を備えた負群が首部（７）の領域に配置されており、負群が主に少なくとも３つの連続する負レンズを有する、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２６】
物体平面（２）に続く第１レンズ群（ＬＧ１）が少なくとも２つ、主に３つまたはそれ以上の負レンズ（１１、１２、１３）を有する、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２７】
第１レンズ群（ＬＧ１）のなかで物体平面に続く最初の４つの光学面の少なくとも１つが非球面であり、主に第１レンズ群のなかで少なくとも２つの光学面が非球面である、請求項２６記載の投影対物レンズ。
【請求項２８】
正の屈折力と像側凹面とを有する少なくとも１つのメニスカスレンズ（１６）が光線直径の大きい領域内で物体平面（２）の近傍領域に配置されている、先行請求項のいずれか１項記載の投影対物レンズ。
【請求項２９】
メニスカスレンズ（１６）の像平面を向く凸面が投影対物レンズ構造長の５０％未満の半径を有する、請求項２８記載の投影対物レンズ。
【請求項３０】
投影対物レンズの物体平面に配置されるパターンを所定動作波長の紫外光で投影対物レンズの像平面に掩蔽なしに結像するための投影対物レンズであって、投影対物レンズが、光軸に沿って配置される多数の光学素子と像平面（３）の前に離間配置される系絞り（５）とを有し、正の屈折力を有するレンズ（３２、３３、３４）のみが系絞り（５）と像平面（３）との間に、場合によっては少なくとも１つの平行平面板を補足して、配置されている投影対物レンズ。
【請求項３１】
投影対物レンズの物体平面に配置されるパターンを所定動作波長の紫外光で投影対物レンズの像平面に結像するための投影対物レンズであって、投影対物レンズが、光軸に沿って配置される多数の光学素子と像平面（３）の前に離間配置される系絞り（５）とを有し、物体側凹面を有する少なくとも２つの連続するメニスカスレンズ（３０、３１）を備えた少なくとも１つのメニスカス群が系絞りの直前に配置されている投影対物レンズ。
【請求項３２】
メニスカス群が２つのメニスカスレンズ（３０、３１）を備えた正負メニスカス群であり、メニスカスレンズのレンズ面が物体側で凹面である、請求項３１記載の投影対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影対物レンズの物体平面に配置されるパターンを所定動作波長の紫外光で投影対物レンズの像平面に結像するための投影対物レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー投影対物レンズは数十年らい半導体部品およびその他の微細構造化部材の製造に利用されている。投影対物レンズは、以下でマスクまたはレチクルとも称されるフォトマスクまたは焦点板のパターンを、感光層で被覆された対象物に最高解像度で縮小して投影するのに使われる。
【０００３】
１００ｎｍ以下にますます微細化する構造を生成するのに、なかんずく３つの並行して経過する開発が貢献する。まず第一に、投影対物レンズの像側開口数（ＮＡ）が現在達成可能な値を越えてＮＡ＝０．８以上の範囲に拡大するように試みられている。第二に、ますます短い動作波長の紫外光が使用され、波長は主に２６０ｎｍ未満、例えば２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍ以下である。最後になお別の解像度拡大措置、例えば移相するマスクおよび／または傾斜照明が利用される。特に移相するマスクの使用は掩蔽のない系、すなわち像視野内に陰影のない系を必要とする。その他の点では優れた光学特性を有するが掩蔽のある系が利用可能であるとしても（例えば特許文献１に対応する特許文献２）、像視野内に陰影のない系はマイクロリソグラフィーにおいては一般に優先することができる。
【０００４】
開口をＮＡ＝０．８５よりかなり上に高めるとき、なかんずく像近傍レンズの角度負荷容量に限界がある。ＮＡ＝１付近またはそれ以上の大きな開口は実用可能でないと見做される。というのも、このように大きい開口の場合マージナル光線およびコマ収差光線が全反射のゆえに対物レンズから出力することも基板の感光層に入力することもできないと前提しなければならないからである。
【特許文献１】米国特許第６１６９６２７号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１９６３９５８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、きわめて大きい像側開口数とウェハステッパまたはウェハスキャナにおいて実際に利用するのに十分大きな像視野と良好な補正状態とを有する投影対物レンズを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、投影対物レンズが、光軸に沿って配置される多数の光学素子と絞り直径を備えて像平面の前に離間配置される系絞りとを有し、屈折力を有して像平面に最も近い光学群が、実質球状の入射面と実質平らな射出面とを有する平凸群であり、この平凸群が絞り直径の少なくとも５０％の直径を有する投影対物レンズによって解決される。有利な諸構成は従属請求項に明示されている。全請求項の文言は関連付けることによって明細書の内容に含められる。
【発明を実施する形態】
【０００７】
本発明の１態様によれば、投影対物レンズの物体平面に配置されるパターンを所定動作波長の紫外光で投影対物レンズの像平面に結像するための投影対物レンズが、光軸に沿って配置される多数の光学素子と、絞り直径を備えて像平面の前に離間配置される系絞りとを有する。屈折力を有して像平面に最も近い光学群は、実質球状の入射面と実質平らな射出面とを有する平凸群である。射出面は系の最終光学面であり、被露光基板の近傍に、但し基板と接触することなく配置されねばならない。場合によっては浸漬媒質、例えば液体を介して光学接触を媒介することができる。平凸群は絞り直径の少なくとも５０％の直径を有する。平凸群の直径は主に絞り直径の６０％以上または７０％以上とすることさえできる。
【０００８】
本願の意味における系絞りとは結像の主光線が光軸と交差する像平面近傍領域のことである。利用する開口を制限し場合によっては調節するための絞りは系絞り領域に配置しておくことができる。少なくとも１つの中間像を有する系の場合、像平面から大きな距離を置いて少なくとも１つの他の絞り平面が存在する。
【０００９】
上記措置によって、最大の像側開口数ＮＡ≧０．８５を実現することが可能であり、開口数はＮＡ＝１以上、例えばＮＡ＝１．１とすることさえできる。こうして従来良好に制御可能な動作波長、例えば１９３ｎｍにおいて、５０ｎｍ大の構造幅を良好に結像できる。特にＮＡ＝１以上の範囲内の高い開口は、光学面全体の表面負荷、特に系絞りと像平面との間の領域内の表面負荷を制御するために特殊な措置を必要とする。この領域内では部材に関係した過度に大きな開口は生じないであろう。というのも、光がごく斜めに入射する場合衝突する光の大部分はもはや透明光学素子内に達することができず、従ってもはや像生成に寄与できないからである。像直近で屈折する群として、その直径が絞り直径の半分よりも大きくなるほどに軸線方向で厚い平凸群を使用する場合、強く湾曲した入射面は従来のレンズと比べてきわめて大きな寸法を有する。レンズ面の開口が大きい場合、入射面の半径を長くして視野負荷が減少するように努めねばならない。像平面前の最終入射面の半径が長ければ長いほど、相対視野が一層小さくなり、従って誘発される視野収差も一層小さくなる。こうして、平凸レンズの前で好適な仕方で生成される大きな光線開口を僅かな収差と是認可能な光損失で像平面の作用個所まで伝達することが可能となる。
【００１０】
好ましい構成において平凸群は単一の一体な平凸レンズによって形成される。平凸群を分割型平凸レンズの態様に実施し、それらの部分を好ましくは互いに密着させることも可能である。分割は平らなまたは湾曲した分割面に沿って行うことができる。平凸群のうち特別高い放射エネルギー密度が現れる像視野近傍部分を特別放射抵抗性の材料から例えばフッ化カルシウムとして製造する一方、放射負荷の少ない領域を別の材料、例えば合成石英ガラスから製造しておくことができることを、分割は特に可能とする。平凸群の像直近の素子として場合によっては平行平面成端板を設けておくことができる。これは主に先行する光学素子に密着されている。平凸群を個別のレンズ素子に分割することも狭い限界内で可能であり、それらの間に少なくとも断続的に僅かな空隙が生じることがあるが、しかしこの空隙は１ミリメートルよりもかなり下でなければならないであろう。空隙までの半径は全反射が起きることのないように湾曲していなければならないであろう。その際角度負荷は主に、薄い反射防止層の角度負荷容量に応じて０．８５〜０．９５のｓｉｎ ｕ’未満に留まる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、正の屈折力を有するレンズのみが、場合によっては単数または複数の平行平面透明板を加えて、系絞りと像平面との間に配置されていると特別好ましい。例えば、系絞りと平凸群との間に少なくとも１つの両凸正レンズを配置しておくことができる。少なくとも２つ、特に正確に２つの両凸正レンズが一層好ましい。好ましい実施形態では、１つの平凸メニスカスの前に、系屈折力の主要部分を用意する２つの正レンズが設けられている。これらが系絞りに密に座着されて大きな直径で動作できることによって、ここでもごく小さな相対視野負荷が達成可能である。そのことから、系絞りの後方領域に関して投影対物レンズのごく簡単で効率的な設計が得られる。従って、系絞りと像平面との間に配置される最終レンズ群が、屈折力を有する最大４つの光学素子、理想的には僅か３つのレンズを有し、これらのレンズが主にそれぞれ正レンズであると好ましい。負の屈折力を有するレンズは、その屈折力が系絞りと像平面との間に配置されるレンズ群の総屈折力に比べて小さい限り、設けておくことができる。付加的に、平行平面板を設けておくことができる。
【００１２】
大きい像側開口数にとって好ましい屈折力分布は、系絞りと像平面との間に配置される最終レンズ群が有利には、投影対物レンズ構造長の２０％または１７％未満、特に１５％未満の焦点距離を有することを特徴としている。物体平面とこれに光学的に共役の像平面との間の軸線方向距離がここでは構造長と称される。系絞りと像平面との間の距離は主に構造長の２５％未満、特に２２％未満、および／または絞り直径の約９５％、９０％または８６％未満である。従って全体として系絞りは像にごく近い位置が好ましい。絞りは実際には、または等価的には、中間像が存在する場合の実絞りの共役個所とすることができる。
【００１３】
本発明に係る投影対物レンズは反射屈折型または屈折型に構成しておくことができ、掩蔽なしに結像しなければならない。屈折力を有するすべての光学部品が透明材料からなる純屈折型、つまりディオプトリック投影対物レンズが好ましい。１例は物体近傍の胴部と像近傍の胴部とその間にある首部とを有する単首系であり、それらの領域内で光線直径は一方の胴部領域では主に最大光線直径の約５０％未満である。
【００１４】
透明光学素子がすべて同じ材料から作製されているように、系は構成することができる。１９３ｎｍの動作波長用に設計された実施形態の場合、すべてのレンズ用に合成石英ガラスが使用される。すべてのレンズがフッ化カルシウムまたは別のフッ化物結晶材料からなる１５７ｎｍ用実施形態も可能である。例えば色収差の補正を容易としまたはコンパクションを減らすために、複数の異なる材料の組合せも可能である。例えば１９３ｎｍの場合合成石英ガラスは結晶材料、例えばフッ化カルシウムに取り替えることができる。
【００１５】
像側開口数ＮＡ≧０．８５の最大開口型投影対物レンズが、特に純屈折型投影対物レンズも、本発明の範囲内で可能である。開口数は主に少なくとも１であり、のちに詳しく説明する実施形態ではＮＡ＝１．１の値である。この大きい開口数にもかかわらず、十分に小さな像側動作距離が守られるなら、ガス充填間隙を介して被露光基板への十分な光エネルギーの入力が可能である。好ましい実施形態において像側動作距離は使用される動作波長の４倍以下、特に動作波長以下である。動作距離が動作波長の半分未満、例えば動作波長の１／３、１／４または１／５未満であると特別好ましい。結像系の最終光学面の直接的近傍に存在するエバネッセント場が結像に利用される光学近視野内での結像をこうした短い動作距離において行うことができる。使用される波長用に好適な屈折率と十分な透過率とを有する浸漬液を対物レンズの射出面と基板との間の空間に充填した浸漬リソグラフィー用にもこの対物レンズは向いている。好適な浸漬液は例えば主として元素Ｈ、Ｆ、ＣまたはＳを含むことができる。脱イオン水も使用できる。
【００１６】
開口数と動作距離の値がこのように極端であるにもかかわらず、本発明によれば実際のリソグラフィーにとって十分なきわめて大きい像視野直径を有する対物レンズが可能であり、好ましい実施形態において像視野直径は約１０ｍｍより大きく、特に約２０ｍｍよりも大きく、および／または投影対物レンズ構造長の１％よりも大きく、特に１．５％よりも大きく、および／または最大レンズ直径の１％よりも大きく、特に５％よりも大きくすることができる。
【００１７】
好ましい投影対物レンズは若干数の好ましい設計上および光学上の特徴で際立っており、これらの特徴は単独でまたは互いに組合せて、特に光学近視野において最高解像度のマイクロリソグラフィーに対する、また浸漬リソグラフィーに対するレンズの適性にとって有益である。
【００１８】
系絞りの領域に主に少なくとも１つの非球面が配置されている。主に絞りの背後に密に連続して複数の非球面が設けられる。特に系絞りと像平面との間に少なくとも１つの両非球面レンズを設けておくことができ、このレンズは好ましくは両凸レンズである。それとともに首部と像平面との間の領域でも、すなわち最終胴部でも、少なくとも１つの両球状両凸面レンズが好ましいことがある。さらに、系絞り前の最終光学面と系絞り後の第１光学面が非球面であると好ましいことがある。ここでは特に、絞りから離れる方を向く湾曲を有する非球面を向き合わせて設けておくことができる。系絞りの領域で非球面の数が多いことは、球面収差の補正にとって好ましく、またアイソプラナジー(Isoplanasie)の調整に好ましく作用する。
【００１９】
系絞りの直前領域に、主に、物体側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズが設けられている。開口が大きい場合、少なくとも２つの連続したこのようなメニスカスが好ましいことがあり、これは正または負の屈折力を持つことができる。開口角がＮＡ≧１．０ときわめて大きい場合、負の屈折力を有するメニスカスが正の屈折力を有するメニスカスに続く２個組群のこのようなメニスカスが好ましい。主に、負の屈折力が大きく、光線束中に僅かな横断面狭隘（補助首部）が現れることがある。
【００２０】
すべての光学面の曲率中心が物体側もしくはレチクル側にある正メニスカスとその背後にある負メニスカスとを有するメニスカス群は本発明のその他の特徴にかかわりなく別の投影対物レンズにおいて、特に光線直径の大きい領域で絞りの直前で、有利であることもあり、絞りは束横断面を変更するための物理的絞りまたは共役絞りとすることができる。
【００２１】
さらに、負の屈折力と像側を向いた凹面とを有する少なくとも１つのメニスカスレンズが首部と系絞りとの間に配置されていると有利であることが判明した。しばしば少なくとも２つの連続するこのようなメニスカスレンズが特別好ましく、それらの曲率中心は像側にある。その際、物体側の第１メニスカスの屈折力がメニスカス群のそれに続く像側メニスカスの屈折力よりも少なくとも３０％強いと有利である。
【００２２】
さらに、物体側凹面を有する少なくとも１つの正メニスカスレンズが首部と系絞りとの間で首部近傍に配置されていると好ましいことがある。この場合にも、１つのこのようなメニスカスレンズの代りに複数の例えば２つの連続するこの形式のレンズを設けておくことができる。
【００２３】
物体側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズとこれに続いて像側凹面を有する少なくとも１つのメニスカスレンズがこの順序で首部と系絞りとの間に配置された実施形態が特別有利である。主に、それぞれの曲率のメニスカスが各２つ連続して設けられている。首部に向き合うメニスカスレンズは主に正の屈折力、像平面に向き合うメニスカスは主に負の屈折力を有する。従って、これらのレンズもしくはレンズ群の間の領域ではメニスカスの曲率中心の位置変化が起きる。
【００２４】
首部の領域に好ましくは複数の負レンズが連続的に設けられており、好ましい実施形態では少なくとも２つ、主に３つの負レンズである。これらがペッツヴァル補正の主要負担を担う。
【００２５】
物体から来る光線束を広げるために、第１胴部に入射する系の物体側入口に少なくとも２つの負レンズが有利である。３つ以上のこのような負レンズが好ましい。入口開口が０．２以上と高い場合、第１レンズの少なくとも１つに少なくとも１つの非球面が設けられていると好ましい。主に入口側負レンズはそれぞれ少なくとも１つの非球面を有する。
【００２６】
この入口群の背後に好ましくは、強い正の屈折力を有するレンズ群が続き、このレンズ群が光線ガイドの第１胴部となる。この群のなかで物体平面の近傍領域の大きな光線高さの領域内では、正の屈折力と像側凹面とを有する少なくとも１つのメニスカスレンズが好ましいことがある。曲率中心が像側にあるこのようなメニスカスでは、像に向き合う射出側は好ましくは相対的に強い曲率を有し、その半径は例えば投影対物レンズ構造長の５０％未満とすることができる。
【００２７】
前記特徴および他の特徴は特許請求の範囲から明らかとなる他に、明細書および図面からも明らかとなり、個々の特徴はそれぞれそれ自体単独でまたは幾つかで、副組合せの態様で本発明の１実施形態において、また別の分野で実現しておくことができ、それ自体で保護能力のある有利な実施を具現することができる。
【実施例】
【００２８】
好ましい実施形態の以下の説明において用語「光軸」とは、球面光学部品の曲率中心もしくは非球面素子の対称軸線を通る直線のことである。方向と距離は、それらが像平面もしくはそこにある被露光基板の方向を向いているとき像側、ウェハ側または像方向として述べられ、光軸に関して物体の方を向いているとき物体側、レチクル側または物体方向として述べられる。実施例において物体は集積回路のパターンを有するマスク（レチクル）であるが、しかし例えばグリッドの別のパターンとすることもできる。実施例において像はフォトレジスト層を備えて基板として役立つウェハ上に形成されるが、しかし別の基板、例えば液晶表示素子、または光学格子用基板とすることもできる。記載される焦点距離は空気に関する焦点距離である。
【００２９】
図１には本発明に係る純屈折型縮小レンズ１の特徴的構造が示してある。これは、物体平面２に配置されるレチクル等のパターンを物体平面と共役な像平面３に縮小縮尺で、例えば５：１の縮尺で、像視野内に掩蔽もしくは陰影なしに結像するのに役立つ。これは回転対称な単首部系であり、そのレンズは物体平面および像平面に垂直な光軸４に沿って配置されており、物体側胴部６と像側胴部８とその間にある首部７とを形成している。第２胴部８の内部で系絞り５の直前に小さな補助首部９が構成されている。系絞り５は光線直径の大きい像近傍領域にある。
【００３０】
レンズは特殊な性質および機能を有する複数の連続するレンズ群に区分することができる。投影対物レンズの入口で物体平面２に続く第１レンズ群ＬＧ１は全体として負の屈折力を有し、物体視野から来る光線束を広げるのに役立つ。それに続く全体に正の屈折力を有する第２レンズ群ＬＧ２は第１胴部６を形成し、後続の首部７の前で光線を再び集める。首部７の領域には負屈折力の第３レンズ群ＬＧ３がある。これに続くのは正メニスカスレンズからなる正屈折力のレンズ群４であり、負メニスカスレンズからなる負屈折力の第５レンズ群ＬＧ５がこれに続く。それに続く正屈折力のレンズ群ＬＧ６は放射を系絞り５へと導く。その背後にある第７最終レンズ群ＬＧ７は正屈折力の３つの個別レンズからなり、きわめて高い像側開口数ＮＡ＝１．１を生成するのに大きく貢献する。これにはＮＡ＝ｎ＊ｓｉｎ ｕ’が成り立ち、ｎは最終光学媒質（例えば浸漬液）の屈折率、ｕ’は像側開口角の半分である。
【００３１】
第１レンズ群ＬＧ１は３つの負レンズ１１、１２、１３で始まり、負レンズはこの順序で非球面入射側を有する両凹負レンズ１１、像側曲率中心と非球面入射側とを有する負メニスカスレンズ１２、そして物体側曲率中心と非球面射出側とを有する負メニスカスレンズ１３を含む。０．２１２５の高い入口開口が存在する場合、この領域内で収差の発生を制限するために、両方の第１レンズ１１、１２の少なくとも一方に少なくとも１つの非球面を設けておかねばならないであろう。主に、この実施例におけるように、３つの負レンズのそれぞれに（少なくとも）１つの非球面が設けられている。
【００３２】
第２レンズ群ＬＧ２は第１レンズ群ＬＧ１の最終レンズ１３の後方に僅かな空気間隔を置いて、物体側曲率中心を有する正メニスカスレンズ１４、物体側曲率中心を有する他の正メニスカスレンズ１５、像側曲率中心を有する正メニスカスレンズ１６、ほぼ平らな射出側を有する他の正レンズ１７、面の像側曲率中心を有する正メニスカスレンズ１８、そしてほぼ平行なレンズ面を有する同じ曲率方向の低屈折力のメニスカスレンズ２０を有する。レンズ１５の僅かに湾曲しただけの入射側、レンズ１７のやはり僅かに湾曲しただけの射出側、最終メニスカスレンズ２０の射出側は非球面である。この第２レンズ群ＬＧ２が対物レンズの第１胴部６を形成する。最大直径部に配置される正メニスカスレンズ１６が特殊であり、その曲率中心は像側にある。このレンズ１６の射出面の半径は物体‐像距離の半分よりも小さな値である。このレンズ群はなかんずくペッツヴァル補正、歪み‐テレセントリック補正、主断面の外側での像視野補正に役立つ。
【００３３】
第３レンズ群ＬＧ３は３つの負メニスカスレンズ２０、２１、２２からなり、それらの境界面はそれぞれ球面である。このレンズ群は像視野曲率の補正の主要負担を担い、系開口がＮＡ＝１．１と高いにもかかわらず、レンズ面に衝突する光線の最大入射角が約６０°以下、もしくは入射角の正弦がそれぞれ０．８５以下となるように形成されている。第３群の第１負レンズ２０は好ましくは強い両凹面レンズであり、主首部７は強く湾曲した面で始まる。
【００３４】
首部７に続く第４レンズ群ＬＧ４は像側凹面を有する２つの正メニスカスレンズ２３、２４からなり、入口側メニスカスレンズ２３の射出側は非球面、残りの面は球面である。別の実施形態ではこれに代えて、相応する曲率の単一の正メニスカスのみを設けておくこともできる。
【００３５】
それに続く第５レンズ群ＬＧ５は同様に２つのメニスカスレンズ２５、２６を有するが、しかしこれらはそれぞれ負の屈折力を有し、凹面は像視野３の方を向いている。場合によってはこれに代えて、その曲率中心がウェハ側にある単に１つの負メニスカスを設けておくこともできる。物体側負メニスカス２５の負屈折力がそれに続くメニスカス２６の屈折力よりも少なくとも３０％強いと好ましいことが判明した。少なくとも１つの負メニスカスを有するこのような群は、単首部系の機能にとって、軸線から外れた収差を巧みに補正するための中心的補正素子である。これにより特に、比較的小さなレンズ直径を有するコンパクトな設計が可能となる。
【００３６】
特別重要なことは、第２胴部８の首部７に続く入口領域において第４レンズ群ＬＧ４のメニスカスと第５レンズ群ＬＧ５のメニスカスとの間で曲率中心の位置変化が起きることである。これにより、極端な開口のとき斜め球面収差を平滑にできることを達成することができる。
【００３７】
第６レンズ群ＬＧ６は正レンズ２７、２８、２９、３０の系列で始まり、これらのレンズの少なくとも２つは、第６レンズ群の入口で直接連続するレンズ２７、２８がそれぞれ球面レンズ面を有するのと同様に両凸レンズであると好ましいことが判明した。実施例において両凸レンズ２７、２８に続くのは像側凹面を有する弱正メニスカスレンズ２９である。
【００３８】
第６レンズ群ＬＧ６の出口で系絞り５の直前に来るのは２つのメニスカスレンズ３０、３１を有するメニスカス群であり、それらの曲率中心はすべてレチクル側もしくは物体側にある。これに代えて、特に開口の小さい対物レンズの場合、正または負の屈折力を有する単に１つの相応するメニスカスレンズを設けておくこともできよう。前記きわめて高いＮＡ≧１の開口の場合、前記２個組群３０、３１が好ましく、入口側メニスカスレンズ３０は好ましくは正の屈折力、それに続くメニスカスレンズ３１は好ましくは負の屈折力を有する。有利には、光線路中で補助首部９の態様で僅かな狭隘部が生じるように、その負屈折力が大きい。これにより、傾斜球面サジタルに対して傾斜球面メリジオナルを釣り合わせ得ることを達成することができる。
【００３９】
系絞り５と像平面３との間に配置される第７レンズ群ＬＧ７は本発明に係る投影対物レンズの他の特殊性を具現する。特にこの領域では、対物レンズ全体の十分な透過率において収差の少ない結像を達成可能となるように光学面の表面負荷を全体として制御するために特殊な措置が必要である。このため絞り５とウェハ３との間には、空気に対する部材として１近傍の開口に達する開口が部材内に生じることのないようにしておくべきであろう。この目的を達成するための大きな貢献はこの場合、像平面３直前の最終光学素子として球面入射面と平らな射出面とを有する平凸レンズ３４を配置しておくことによってなされる。このレンズは厚く、その直径が系絞り５の直径の半分よりも大きく、理想的にはこの値の６０％または７０％よりも大きくさえある。それとともに、主に球面のこの入射面の高い開口を有する極力長い半径を得るように努めねばならない。これによって入射面の視野負荷が減少するので、この長い半径を得るように努めねばならない。半径が長ければ長いほど、相対視野、従って誘発される視野収差が一層小さくなる。入射面は非球面としておくこともできる。
【００４０】
ここでは単一の一体なレンズ素子３４によって形成される像近傍平凸群は屈折作用を有する。そのことは、半径がレンズ厚とは異なるので入射面が像視野中心と同心に配置されてはいないことに認めることができる。入射面の曲率中心がレンズの内部にあるこの形式の軸線方向で長く延ばしたレンズが好ましい。それゆえにこの種の平凸群もしくは平凸レンズは半球形平凸レンズとは本質的に異なっており、後者では半径がその厚さに実質的に一致しており、例えば顕微鏡において顕微鏡対物レンズへの光の入力を改善するのに利用され、それ自身は屈折特性を持たないであろう。
【００４１】
図示実施形態では平凸メニスカス３４の前に２つのきわめて大きな正レンズ３２、３３が設けられており、これらの正レンズが系屈折力の大部分を提供する。それらが光線直径の大きい領域内で絞りのすぐうしろに座着されていることによって、ここでも相対視野負荷が最少になっている。従ってこの実施例は、系絞りの後方領域に関して最大開口用に適したリソグラフィー対物レンズのごく単純で効率的な設計を示している。平凸メニスカス３４は正レンズ３２、３３から来る集束光線束を僅かな屈折力で投影対物レンズ内部で空気もしくは別の好適な気体媒質に送り込んで基板の感光層へと転送する。それとともに、絞り５とウェハとの間に専ら正レンズを設けた実施形態が好ましく、付加的にせいぜいなお単数または複数の平行平面板を設けておくことができる。この領域内で光学面の数を極力少なくすることも好ましい。というのも、反射防止が十分な場合でも各面が反射損失を引き起こすからである。レンズ数はこの場合４個以下とすべきであろう。その際、やはり平行平面板を選択的に設けておくことができる。
【００４２】
他の有利な措置は、絞りの領域に、特に絞りのすぐ背後に、非球面を設けておくべきであろうことにある。これらの非球面は、両凸両非球面正レンズ３２の場合にそうであるように１つのレンズ内で向き合うことができる。さらに、絞り平面の直前にもその直後にも非球面が設けられていると好ましい。実施例の場合これは負メニスカス３１の射出面と両凸正レンズ３２の入射面である。系絞り５の周囲領域において非球面の数が多いことは、実施例の場合なかんずく球面収差（ゼルニケ係数Ｚ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ２６、Ｚ３６、Ｚ４９）の補正とアイソプラナジーの調整、つまり開口を伴う結像縮尺の補正とに役立つ。
【表１】
2005519347.tif 000003
【表２−１】
2005519347.tif 000004
【表２−２】
2005519347.tif 000005
表１には設計仕様が周知の如くに表の態様でまとめられている。第１欄は屈折面または別の仕方で表した面の番号、第２欄は面の半径ｒ（ｍｍ）、第３欄は面と後続面との厚さとして表した距離ｄ（ｍｍ）、第４欄は光学部品の材料、第５欄は入射面に続く部材の材料の屈折率である。第６欄にはレンズの有効自由半径もしくは自由直径の半分（ｍｍ）が記載されている。
【００４３】
実施形態では１３の面、つまり面２、４、７、１０、１５、１９、２７、３２、４１、４３、４５、４６、４８が非球面である。表２は相応する非球面データを示しており、非球面は以下の規則に従って計算される：
【数１】
2005519347.tif 000006
【００４４】
半径の逆数（１／ｒ）は表面曲率、ｈは表面点と光軸との距離を表す。それとともにｐ（ｈ）はいわゆる矢高さ、すなわちｚ方向、すなわち光軸方向における表面点と面頂点との距離である。定数Ｋ、Ｃ１、Ｃ２…が表２にも挙げてある。
【００４５】
これらのデータで再現可能な光学系１は約１９３ｎｍの動作波長用に設計されており、そこではすべてのレンズ用に使用される合成石英ガラスの屈折率がｎ＝１．５６０２９である。像側開口数は１．１である。対物レンズは構造長（像平面と物体平面との間の距離）が１２９７ｍｍである。像寸法が２２ｍｍの場合、２４．１ｍｍの導光値（開口数と像寸法との積）が達成される。像側動作距離、すなわち最終光学素子３４の平らな射出面と像平面３との間の距離は、特段挙げられてはおらず、例えば２０〜５０ｎｍとすることができる。これにより投影対物レンズは近視野リソグラフィー用に適している。
【００４６】
近視野リソグラフィーの代りに浸漬リソグラフィーを行いたい場合、それは僅かな変更によって容易に可能である。浸漬媒質が対物レンズの（例えばガラスまたは結晶からなる）最終光学素子と実質的に同じ屈折率である場合、像平面との距離を大きくするために固体は短くされ、生成する一層大きな空隙に浸漬媒質、例えば脱イオン水が充填される。浸漬媒質の屈折率が最終光学部品の屈折率と異なる場合、両方の厚さは最大限互いに調整される。場合によっては球面再補正が好ましく、これは例えば好適なマニプレータを利用して単数または複数のレンズ素子について例えば空気距離の調節によって実施することができる。ここで例示した設計を僅かに変更すると好ましいこともある。
【００４７】
こうして得られる投影対物レンズは１９３ｎｍの動作波長において動作し、従来のレンズ製造・被覆技術を用いて製造することができ、１００ｎｍよりかなり下の構造解像を可能とする。個々にまたは組合せて有益な多くの設計措置と、絞り５と像平面３との間の領域の新規な構造が、投影対物レンズの内部で光学面の比較的小さな表面負荷において被露光媒質中に１．１の総開口を可能にする。５０ｎｍ範囲内の構造幅は開口が１．１ときわめて大きいにもかかわらず優れて表示することができる。そのことは、すべての像高さにわたって１９３ｎｍにおける低い横収差と２．６ｍλの波面ＲＭＳ値とで明らかになる。
【００４８】
紹介した実施例は開口を大きくする方向および／または境界面の数を減らす方向でさらに開発する可能性を提供する。例えば、幾つか対で隣接するレンズをそれぞれ単一のレンズにまとめ、こうして境界面数をそれぞれ２だけ減らすことができる。例えばレンズ２３と２４、レンズ１８と１９、レンズ１３と１４、レンズ２６と２７、および／またはレンズ１１と１２はそれぞれ１つのレンズにまとめることができる。場合によってはその際、非球面をずらしまたは変更することができる。レンズをまとめることは、レンズ表面の反射防止および表面粗さが問題であり得る短い波長、例えば１５７ｎｍにとって特別好ましい。場合によっては、開口を大きくするとき極力僅かに開口を伴う新たな収差を導入するために、最大の開口において絞りの背後に他の正レンズが好ましいことがある。
【００４９】
本発明の利点は、純屈折型投影対物レンズにおいてだけでなく、反射屈折型投影対物レンズ、特に幾何学的または物理的（極性選択的）光線分割式に作動する投影対物レンズにおいても有益である。特殊性は、なかんずく像近傍の系絞りの領域および系絞りと像平面との間の構造および機能にある。反射屈折型投影対物レンズにおいて少なくとも１つの結像鏡を含む前置された投影対物レンズ部分は、少なくとも縦色収差の過大補正を提供し、最終レンズ群の相応する過小補正を相殺しなければならないであろう。主に、最終レンズ群のペッツヴァル過小補正のための余裕を用意するために、ペッツヴァル過大補正を用意すべきであろう。最終レンズ群は個々の正レンズと同様に球面収差に関して過小補正されているので、前置された対物レンズ部分は全体として球面過大補正的に働くべきであろう。こうした光学特性を達成するための諸措置は専門家には周知であり、それゆえここでは詳しくは説明されない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】動作波長１９３ｎｍ用に設計された屈折型投影対物レンズの実施形態のレンズ断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  純屈折型縮小レンズ
２  物体平面
３  像平面
４  光軸
５  系絞り
６  物体側胴部
７  首部
８  像側胴部
９  補助首部
１１  負レンズ
１２、１３  負メニスカスレンズ
１４、１５、１６  正メニスカスレンズ
１７  正レンズ
２０、２１、２２  負メニスカスレンズ
２３、２４  正メニスカスレンズ
２５  負メニスカスレンズ
２６  レンズ
２７、２８、２９、３０  正レンズ
３１  負メニスカス
３２、３３  正レンズ
３４  レンズ素子
ＬＧ１  第１レンズ群
ＬＧ２  第２レンズ群
ＬＧ３  第３レンズ群
ＬＧ４  第４レンズ群
ＬＧ５  第５レンズ群
ＬＧ６  第６レンズ群
ＬＧ７  第７レンズ群
【図１】
2005519347.tif 000007
【国際調査報告】
2005519347.tif 000008
2005519347.tif 000009
2005519347.tif 000010
2005519347.tif 000011
2005519347.tif 000012
2005519347.tif 000013
2005519347.tif 000014
2005519347.tif 000015
2005519347.tif 000016
2005519347.tif 000017
2005519347.tif 000018