(57)【要約】【課題】光路を折り曲げる反射ミラーへの入射角度及び反射率について最適な条件を導き出し、使用する光学部品の増加を抑え、装置規模の大型化を抑制しながら、更なる高ＮＡ化を実現させることができる投影露光装置を提供すること。【解決手段】レーザー光を発生する光源と、途中の光路を折り曲げる光路折り曲げミラーと、レチクルを照射する照明光学系と、該レチクル上のパターンをウエハ基板上に結像させる投影光学系を有する投影露光装置において、前記光路折り曲げミラーの法線に対する光線入射角αを、３０°≦α≦６０°の角度範囲に抑え、この入射角の全範囲に渡る反射率の差の最大値をΔＲとしたとき、ΔＲ≦３％を満足させることにより、前記投影光学系の像空間開口数ＮＡｗが０. ８≦ＮＡｗ≦１. ０となる高ＮＡな露光装置にも対応できることを特徴とする。【選択図】図１
2005109154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生する光源と、途中の光路を折り曲げる光路折り曲げミラーと、レチクルを照射する照明光学系と、該レチクル上のパターンをウエハ基板上に結像させる投影光学系を有する投影露光装置において、
前記光路折り曲げミラーの法線に対する光線入射角をα、この入射角の全範囲に渡る前記光路折り曲げミラーにおける反射率の差の最大値をΔＲ、前記投影光学系の像空間開口数をＮＡｗとしたとき、
３０°≦α≦６０°
ΔＲ≦３％
０. ８≦ＮＡｗ≦１. ０
を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
レーザー光を発生する光源と、途中の光路を折り曲げる光路折り曲げミラーと、レチクルを照射する照明光学系と、該レチクル上のパターンをウエハ基板上に結像させる投影光学系を有し、該投影光学系の像空間の少なくとも一部の空間を光透過性液体で満たす液浸方式の投影露光装置において、
前記光路折り曲げミラーの法線に対する光線入射角をα、この入射角の全範囲に渡る前記光路折り曲げミラーにおける反射率の差の最大値をΔＲ、前記投影光学系の像空間開口数をＮＡｗとしたとき、
３０°≦α≦６０°
ΔＲ≦３％
１. ０≦ＮＡｗ≦１. ５
を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】
前記照明光学系において、物平面と像平面が共役関係にある再結像光学系を有し、該再結像光学系における軸外光束の主光線が光軸と交わる位置と、最も像平面側の正のパワーを持つレンズ群の間に前記光路折り曲げミラーを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の投影露光装置。
【請求項４】
前記照明光学系において、物平面と像平面が共役関係にある再結像光学系を有し、該再結像光学系の物平面と前記光路折り曲げミラーとの間に、該物平面から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群と正のパワーを持つレンズ群を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の投影露光装置。
【請求項５】
前記再結像光学系は射出照射領域の広がりを連続的に変化させることのできる照射領域可変光学系であり、該照射領域可変光学系は物平面より順に正のパワーを持つ第１の固定群と、負のパワーを持つ第１の移動群と、正のパワーを持つ第２の移動群と、負のパワーを持つ第２の固定群と、正のパワーを持つ第３の固定群を有し、前記第２の固定群と前記第３の固定群との間に前記光路折り曲げミラーを配置し、物平面における照射光の光軸からの最大高さをＨ１、射出照射範囲が最大時の像平面における照射光の光軸からの最大高さをＨ２としたとき、
４. ２≦Ｈ２／Ｈ１≦１５. ０
を満足することを特徴とする請求項３又は４記載の投影露光装置。
【請求項６】
前記再結像光学系の物平面を照射する集光光学系と、該集光光学系の中又は該集光光学系と前記再結像光学系の間の何れかに該集光光学系の光束の一部を分岐させる光分岐部材を有する投影露光装置において、
前記光分岐部材における光分岐のための面と光軸に対して垂直な面との成す角度をθ、前記再結像光学系の物像間結像倍率の絶対値をＢｍとし、前記再結像光学系の物空間開口数をＮＡｍとしたとき、
２１. ２°≦θ≦３４. ０°
１. ０≦Ｂｍ≦２. ０
０. ２≦ＮＡｍ≦０. ４５
であることを特徴とする請求項３又は４記載の投影露光装置。
【請求項７】
前記照明光学系の中に、物平面と像平面が共役関係にある再結像光学系を有し、該再結像光学系における軸外光束の主光線が光軸と交わる位置と最も像平面側の正のパワーを持つレンズ群の間に前記光路折り曲げミラーを配置し、更に該再結像光学系の物平面を照射する集光光学系と、該集光光学系の中又は該集光光学系と前記再結像光学系の間の何れかに該集光光学系の光束の一部を分岐させる光分岐部材を有する投影露光装置において、
前記光分岐部材における光分岐のための面と光軸に対して垂直な面との成す角度をθ、前記再結像光学系の物像間結像倍率の絶対値をＢｍとし、前記再結像光学系の物空間開口数をＮＡｍとしたとき、
２１. ２°≦θ≦３４. ０°
１. ０≦Ｂｍ≦１. ８
０. ２５≦ＮＡｍ≦０. ４５
であることを特徴とする請求項２記載の投影露光装置。
【請求項８】
前記再結像光学系の物平面と前記光路折り曲げミラーとの間に、該物平面から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群と正のパワーを持つレンズ群を有することを特徴とする請求項６記載の投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光学系をより高密度に収納させて構成される投影露光装置に関し、特に液浸方式等で用いられる高ＮＡな投影光学系を用いて半導体素子を製造する投影露光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＳＩ或は超ＬＳＩ等の極微細パターンから成る半導体素子の製造工程において、レチクルに描かれた回路パターンを、感光剤が塗布されたウエハ基板上に縮小投影して、焼き付け形成する縮小投影露光装置が使用されている。半導体素子の実装密度の向上に伴い、パターンのより一層の微細化が要求され、レジストプロセスの発展と共に、露光装置に対して更なる微細化への対応が望まれており、様々な提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
その対応方法の一手段として、投影露光装置の投影光学系の開口数ＮＡにおいて、既に相当の高ＮＡ化が成されている投影光学系に対して、より高ＮＡ化が望まれている。近年、ウエハ側の空間の一部を光透過性液体で浸す液浸方式が、更なるパターンの微細化に対して有望視されるに至り、超高ＮＡ化が待望されることになる。このような投影光学系の高ＮＡ化の要望に伴い、照明系の各所においても高ＮＡ化が要求されることになる（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２１７８５１号公報
【特許文献２】国際公開第９９／４９５０４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来利用されている投影露光装置には、多くの光学ユニットが組み込まれ、できるだけ小規模なスペースに収納できるように、数箇所において反射ミラーを設けて光路を折り曲げている。この反射ミラーには、反射率を高めるための一般的な方法として、光学ガラス基板上に金属薄膜を施した上に、高屈折率の薄膜層と低屈折率の薄膜層の交互層で構成される誘電体薄膜をコーティングしている。
【０００６】
波長１９３ｎｍのエキシマレーザー用に、上記のように誘電体多層膜をコーティングした高反射ミラーの反射率の角度依存特性を図１１に示す。図１１で分かるように、このような誘電体薄膜を施した反射ミラーは、光線入射角６０度を超えるところで急激な反射率低下となる傾向がある。
【０００７】
従来、利用されている投影露光装置の照明光学系においては、殆どの光路において発散光束又は収束光束となり、光軸に対する角度の異なる光線群を成している。投影光学系の高ＮＡ化が進むに従って、この光線群の光軸との成す最大角度も大きくなる傾向にある。
【０００８】
従って、回路パターンのあるレチクル面とフーリエ変換の関係に近い空間領域で、光路を折り曲げるための反射ミラーを配置すると、上線と下線において反射率の差が生じる。この反射率差が大きいと、レチクルを照射する照射光において、有効光源歪を発生させる原因となり、その結果、ウエハ基板において、パターンの焼き付け線幅が不均一になる、という問題を生じさせる。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、光路を折り曲げる反射ミラーへの入射角度及び反射率について最適な条件を導き出し、使用する光学部品の増加を抑え、装置規模の大型化を抑制しながら、更なる高ＮＡ化を実現させることができる投影露光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
レチクル照射光の瞳面相当面における光強度分布の非対称度を有効光源のσ歪みと呼ぶ。近年の投影露光装置におけるレチクルパターンの微細化においては、この有効光源のσ歪は３％以内であることが望ましい。従って、光路折り曲げ部に配置される高反射ミラーへの入射角度の違いによる反射率差は３％以内に設定する必要がある。又、前述したように、誘電体薄膜を施した一般的な高反射ミラーは、光線入射角６０度を超えるところで急激な反射率低下となる傾向がある。
【００１１】
これを踏まえ、前述した本発明の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、レーザー光を発生する光源と、途中の光路を折り曲げる光路折り曲げミラーと、レチクルを照射する照明光学系と、該レチクル上のパターンをウエハ基板上に結像させる投影光学系を有する投影露光装置において、前記光路折り曲げミラーの法線に対する光線入射角αを、３０°≦α≦６０°の角度範囲に抑え、この入射角の全範囲に渡る反射率の差の最大値をΔＲとしたとき、ΔＲ≦３％を満足させることにより、前記投影光学系の像空間開口数ＮＡｗが０. ８≦ＮＡｗ≦１. ０となる高ＮＡな露光装置にも対応できることを特徴とする。
【００１２】
特に、請求項２記載の発明は、前記投影光学系の像空間の少なくとも一部の空間を光透過性液体で満たした液浸方式の投影露光装置において、前記光路折り曲げミラーの法線に対する光線入射角αを３０°≦α≦６０°の角度範囲に抑え、この入射角の全範囲に渡る反射率の差の最大値をΔＲとしたとき、ΔＲ≦３％を満足させることにより、前記投影光学系の像空間開口数ＮＡｗが１. ０≦ＮＡｗ≦１. ５となる超高ＮＡな露光装置にも対応できることを特徴とする。
【００１３】
次に、本発明の目的を達成する第１条件として、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の投影露光装置において、前記照明光学系の中に物平面と像平面が共役関係になる再結像光学系を有し、該再結像光学系の軸外光束の主光線が光軸と交わる位置と、最も像平面側の正のパワーを持つレンズ群の間に前記光路折り曲げミラーを配置することを特徴とする。
【００１４】
又、本発明の目的を達成する第２条件として、請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の投影露光装置において、前記照明光学系の中に物平面と像平面が共役関係になる再結像光学系を有し、該再結像光学系の物平面と前記光路折り曲げミラーとの間に、該物平面から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群と正のパワーを持つレンズ群を有することを特徴とする。
【００１５】
そして、本発明の目的をσ連続可変光学系で達成させるために、請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の投影露光装置において、前記再結像光学系は射出照射領域の広がりを連続的に変化させることのできる照射領域可変光学系であり、該照射領域可変光学系は物平面より順に正のパワーを持つ第１の固定群と負のパワーを持つ第１の移動群と正のパワーを持つ第２の移動群と負のパワーを持つ第２の固定群と正のパワーを持つ第３の固定群を有し、該第２の固定群と該第３の固定群との間に前記ミラーを配置することにより、物平面における照射光の光軸からの最大高さをＨ１、射出照射範囲が最大時の像平面における照射光の光軸からの最大高さをＨ２としたとき、４. ２≦Ｈ２／Ｈ１≦１５. ０となる高倍率の変倍光学系でも本発明の目的達成を可能にすることを特徴とする。
【００１６】
更に、最適な露光量制御を行いながら、本発明の目的をより効果的に達成するために、請求項６記載の発明は、請求項３又は４記載の投影露光装置において、前記再結像光学系の前方に、前記再結像光学系の物平面を照射する集光光学系と、該集光光学系の中又は該集光光学系と前記再結像光学系の間の何れかに前記集光光学系の光束の一部を分岐させる光分岐部材を有し、該光分岐部材における光分岐のための面と光軸に対して垂直な面との成す角度をθ、前記再結像光学系の物像間結像倍率の絶対値をＢｍ、前記再結像光学系の物空間開口数をＮＡｍとしたとき、２１. ２°≦θ≦３４. ０°、１. ０≦Ｂｍ≦２. ０、０. ２≦ＮＡｍ≦０. ４５であることを特徴とする。
【００１７】
又、液浸方式の投影露光装置において、最適な露光量制御を行いながら、本発明の目的をより効果的に達成するために、請求項７記載の発明は、請求項２記載の投影露光装置において、前記照明光学系の中に物平面と像平面が共役関係にある再結像光学系を有し、該再結像光学系における軸外光束の主光線が光軸と交わる位置と、最も像平面側の正のパワーを持つレンズ群の間に前記光路折り曲げミラーを配置し、更に該再結像光学系の物平面を照射する集光光学系と、該集光光学系の中又は該集光光学系と前記再結像光学系の間の何れかに該集光光学系の光束の一部を分岐させる光分岐部材を有し、該光分岐部材における光分岐のための面と光軸に対して垂直な面との成す角度をθ、前記再結像光学系の物像間結像倍率の絶対値をＢｍとし、前記再結像光学系の物空間開口数をＮＡｍとしたとき、２１. ２°≦θ≦３４. ０°、１. ０≦Ｂｍ≦１. ８、０. ２５≦ＮＡｍ≦０. ４５であることを特徴とする
そして、液浸方式の投影露光装置において、本発明の目的を更に効果的に達成するために、請求項８記載の発明は、請求項７記載の投影露光装置において、前記再結像光学系の物平面と前記光路折り曲げミラーとの間に、該物平面から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群と正のパワーを持つレンズ群を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、再結像光学系の軸外光束の主光線と光軸とが交わる位置と、最も像平面側の正のパワーを持つレンズ群との間に、光路折り曲げミラーを配置して照明光学系を構成することにより、折り曲げミラーへの光線入射角度を小さく抑えることができ、露光装置に対して更なるＮＡ化の要求があっても、レチクル照射光における有効光源のσ歪を小さく抑えて投影パターンの線幅のバラツキを良好に抑え、従来の装置よりも微細な回路パターンを半導体素子に焼き付けることができる。
【００１９】
又、本発明によれば、光学部品の増加を防ぐことができ、装置のコストの増加を抑え、装置規模を現行並みに抑えながら、前記効果が得られる投影露光装置を提供することができる。従って、従来よりも高性能な半導体素子を制作する場合に、製造コストの増加を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２１】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１を図１〜図３に基づいて説明する。本実施の形態は、図１に示すように、ハエの目レンズ１０１とレチクル１０２との間に、マスク面１０３を照射するマスク照射光学系１０４を有する照明系において、マスク面１０３からの照射光をレチクル１０２上のパターン面に照射する再結像光学系を配置し例であり、マスク面１０３とレチクル１０２上のパターン面が共役関係にある。
【００２２】
マスク照射光学系１０４は複数のレンズ群で構成され、平行光束が入射した時にマスク面１０３の近傍で集光する光学系で、その射出瞳位置は後方に配置される再結像光学系の入射瞳位置と一致させている。
【００２３】
本実施の形態の再結像光学系は、物空間開口数ＮＡｍを０. ３８、結像倍率を−１. ６倍とし、軸外光束の主光線と光軸の交点と正のパワーを持つ最終レンズ群の間に、光路を折り曲げるための光路折り曲げミラーを配置するための光路折り曲げ部を設けている。このような構成とすることにより、投影光学系の物空間開口数ＮＡｗが０. ８以上という高ＮＡ化した露光装置において、光路折り曲げミラーへの入射光の入射角度をミラーの法線に対して３０度以上且つ６０度以下になるようにしている。
【００２４】
従って、本実施の形態の再結像光学系は物空間から順に、正のパワーを持つ第１のレンズ群と負のパワーを持つ第２のレンズ群と正のパワーを持つ第３のレンズ群、そして正のパワーを持つ第４のレンズ群で構成している。第１のレンズ群は、直後のレンズを防塵するためのカバーガラスＣＧ１と、全光学系を最小限のレンズで構成し、諸収差のうち特に球面収差を補正するために凹レンズＧ１０１と３枚の凸レンズＧ１０２，Ｇ１０３，Ｇ１０４で構成している。その後方に１枚の凹レンズＧ１０５のみから成る第２のレンズ群と、１枚の凸レンズＧ１０６のみから成る第３のレンズ群、そして、凸レンズＧ１０７と凹レンズＧ１０８と凸レンズＧ１０９から成る第４のレンズ群を配置させている。従って、この第４のレンズ群が正のパワーを持つ像平面側の最終レンズ群である。
【００２５】
本実施の形態で示すように、再結像光学系の物空間１０３と光路折り曲げ部１０６との間に、物空間から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群、そして、正のパワーを持つレンズ群を配置することによって、軸外光束の主光線１０７と光軸１０５が交差する交点位置１０８をより物空間側に移動させることができる。その結果、第３レンズ群と第４のレンズ群との光路折り曲げ部１０６間において、軸外光束の主光線と光軸との成す角度を緩くした上に、光軸１０５を直角に折り曲げる光路折り曲げミラーを配置するためのスペースを確保している。尚、レチクル１０２の直前にも第１のレンズ群と同様に、防塵のためのレチクルカバーガラスＣＧ３を配置している。
【００２６】
光路を折り曲げるためのスペースを確保しながら、最小限のレンズ構成で、諸収差のうち特に球面収差を良好に補正し、軸外射出光束における主光線の光軸に対する平行度、即ち射出テレセン度を良好なレベルに維持するために、第３のレンズ群を構成する凸レンズＧ１０６の光射出側を非球面としている。
【００２７】
又、本実施の形態は、歪曲収差及び射出テレセン度を良好なレベルに維持するために、最終レンズ群である第４のレンズ群として、トリプレット構成の光学系を配置している。即ち、入射光側より凸レンズＧ１０７と凹レンズＧ１０８、そして、凸レンズＧ１０９を配置している。
【００２８】
図２は本実施の形態に用いた再結像光学系において、レチクル側最大像高を５７ｍｍとしたときのメリジオナル方向の横収差とサジタル方向の横収差、そして、歪曲収差及び射出テレセン度を示す図である。実用上許容範囲内の横収差に抑えながら、歪曲収差と射出テレセン度を良好に補正している。
【００２９】
表１に本施例で用いた再結像光学系における諸元の値を示す。
【００３０】
【表１】
2005109154.tif 000003
表１のレンズデータにおいて、ｒは各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄは各面間隔（単位：ｍｍ）、ｎは波長１９３ｎｍの入射光に対する媒質の屈折率をそれぞれ示す。
【００３１】
そして、α１とα２は、光路折り曲げ部において、ミラーが光軸に対して４５度傾斜しているときの光線の最小角度と最大角度を示している。本実施の形態においては、α１＝３３. ５°、α２＝５６. ５°であり、全光束に関してミラーへの入射角αを３０度以上且つ、６０度以下に抑えることができている。又、Ｇは軸外光束の主光線１０７と光軸１０５との交点位置１０８を示すもので、最も近いレンズ面である凸レンズＧ１０６の光入射側の面、即ち第１３面からの距離を示している。
【００３２】
尚、表１に示す非球面に関する諸係数は、非球面の任意の点における光軸に垂直な方向の高さをｈ、光軸に沿った方向の距離をｘ、頂点の曲率半径をｒ、曲面係数をＫとし、非球面係数をＡからＦのアルファベットとしたとき、以下の（１）式で表される。
【００３３】
ｘ＝ h２/r/[1+{1-(1+ Ｋ)(h/r)２}１／２]＋Ａh４＋Ｂh６＋Ｃh８＋Ｄh１０
＋Ｅh１２
＋Ｆh１４ 
…（１）
本実施の形態で説明した再結像光学系は、物空間開口数ＮＡｍが０. ３８で、結像倍率Ｂｍが−１. ６なので、物像間結像倍率が−０. ２５、像空間開口数ＮＡｗが０. ９５となる投影光学系に対応可能である。
【００３４】
以上のような構成の再結像光学系をマスク結像光学系として照明装置に適用することにより、より少ないレンズ枚数で構成しながら、レチクル面における照射光において、有効光源歪みを発生させない入射光線角度で、再結像光学系内に光路折り曲げミラーを配置することができる。
【００３５】
本実施の形態で説明した再結像光学系は、例えば図３に示すようなステップ・アンド・スキャン方式を採用した投影露光装置のマスク結像光学系として適用することができる。即ち、発振波長１９３ｎｍのエキシマレーザー１１１から射出した照射光は、ビーム整形光学系１１２を介して所望のビーム形状に整形された後、集光光学系１１３により断面形状が六角形の柱状ガラス１１４に入射する。
【００３６】
柱状ガラス１１４は、ガラス内面による多重反射により、１つの光源から複数の光源を形成している。この柱状ガラス１１４からの照射光がσ連続可変光学系１１５によりハエの目レンズ１０１に照射される。ハエの目レンズ１０１からの照射光は、マスク照射光学系１０４によりマスク面１０３に照射される。マスク面１０３からの照射光はマスク結像光学系により、レチクル１０２の回路パターン面を照射する。そして、この照射光は投影光学系１１９により集光され、感光材料が塗布されたウエハ１２０の基盤面上に、レチクル１０２の回路パターンが縮小投影される。
【００３７】
本実施の形態で説明した再結像光学系は、以上に説明した投影露光装置において、前群光学系１１６と光路折り曲げミラー１１７と後群光学系１１８で構成されるマスク結像光学系に置き換えて適用することができる。即ち、図３に示す投影露光装置のマスク結像光学系において、後群光学系１１６をカバーガラスＣＧ１及びＧ１０１〜Ｇ１０６のレンズ群に置き換え、後群光学系１１８を凸レンズＧ１０７と凹レンズＧ１０８と凸レンズＧ１０９のトリプレット構成の光学系及びカバーガラスＣＧ２に置き換える。
【００３８】
そして、レチクル１０２及びウエハ１２０のスキャン方向と光軸１２１を含む断面内で、光軸１２１を直角に折り曲げる光路折り曲げミラー１１７を前群光学系１１６と後群光光学系１１８の間に配置する。
【００３９】
以上のような構成の投影露光装置に適用することにより、より小規模なスペースに角光学系を収納させながら、投影光学系が更に高ＮＡ化しても、レチクル上の回路パターンをより忠実に、ウエハ上に投影露光することができる投影露光装置を提供することができる。
【００４０】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を図４〜図７に基づいて説明する。
【００４１】
本実施の形態は、図４に示すように、像空間における光照射領域の大きさを連続して変えることが可能な再結像光学系の例であり、物平面２０９と像平面２１０とがほぼ共役関係にあり、軸外光束の主光線と正のパワーを持つ最終レンズ群との間に光路折り曲げミラーを配置させて、折り曲げミラーへの光線入射角度を小さく抑えた例である。
【００４２】
光照射領域の大きさを連続的に変えることのできる再結像光学系は、物空間側から順に平行平板Ｇ２０１、正のパワーを持つ第１の固定群と負のパワーを持つ第１の移動群と正のパワーを持つ第２の移動群と第２の固定群、そして、正のパワーを持つ最終固定群である第３の固定群を有する。
【００４３】
そして、第１の固定群は、共に凸レンズであるＧ２０２とＧ２０３を有し、第１の移動群は凹レンズＧ２０４を有し、第２の移動群は共に凸レンズであるＧ２０５とＧ２０６を有し、第２の固定群は凹レンズＧ２０７を有し、第３の固定群は凸レンズＧ２０８を有している。ここで、平行平板Ｇ２０１は、照射領域の照度分布の状態を変える目的で、他の光学素子と交換できるように光路中を出し入れすることができるようなターレット機構部に組み込まれている。
【００４４】
ここで、第２の固定群として凹レンズＧ２０７と、第３の固定群として凸レンズＧ２０８を、間隔を或る程度離して配置させる。このような構成にすることにより、ミラーへの入射光線角度を小さく抑えられるスペースを確保できると同時に、ハエの目レンズ２０３への入射主光線の光軸に対する平行度、即ちテレセントリック性を実用上問題の無いレベルに維持させることができる。
【００４５】
尚、ハエの目レンズ２０１への照射光の均一性を維持するために、歪曲収差の抑制、特に大照射領域側の変倍状態における歪曲収差の変動量抑制のためには、第２の移動群を構成する光入射側の負のパワーを持つレンズ群において、光出射側の面の湾曲よりも光入射側の面の湾曲が強く、しかも、光入射側に凹面を向けた凹レンズＧ２０７があることが望ましい。
【００４６】
本実施の形態の再結像光学系における照射範囲最小時の状態を図４のＰ１に示す。この状態では、軸外光束の主光線２０７と光軸２０５とが交差する交点位置２０８を、負のパワーを持つ第１の移動群と正のパワーを持つ第２の移動群との間に位置させている。このような配置で、像平面における照射領域を広げるときには、第１の移動群を像平面側へ、光軸２０５に沿って移動させて変倍作用を持たせると同時に、第２の移動群を物平面側へ、光軸２０９に沿って移動させることにより、ハエの目レンズ２１０の入射面で所望のスポットサイズになるようにコントロールしている。
【００４７】
そして、本実施の形態の再結像光学系における照射範囲最大時の状態を図４のＰ３に示す。この状態では、第１の固定群と第１の移動群の間に、軸外光束の主光線２０７と光軸２０５とが交差する交点位置２０８を位置させている。
【００４８】
表２に本実施の形態に用いた再結像光学系における諸元の値を示す。
【００４９】
【表２】
2005109154.tif 000004
表２において、ｒは各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄは各面間隔（単位：ｍｍ）、ｎは入射光（波長０．２４８μｍ）に対する媒質の屈折率をそれぞれ示す。又、ｄ７は第１の固定群と第１の移動群との光軸２０５上の可変間隔、ｄ９は第１の移動群と第２の移動群との光軸２０９上の可変間隔、ｄ１３は第２の移動群と第２の固定群との光軸上２０９の可変間隔を示している。
【００５０】
Ｐ１は最小照射範囲ポジション、Ｐ２は中間照射範囲ポジション、Ｐ３は最大照射範囲ポジションを示し、Ｆ１は本実施の形態の再結像光学系の各ポジションにおける焦点距離、ｆ１は第１の固定群の焦点距離、ｆ２は第１の移動群の焦点距離、ｆ３は第２の移動群の焦点距離をそれぞれ示している。又、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３はそれぞれ各ポジションにおける軸外光束の主光線２０７と光軸２０９との交わる交点位置２０８を示すもので、凹レンズＧ２０４の光出射側の面である第９面又は第８面からの距離を示している。
【００５１】
更に、Ｈ２／Ｈ１は、物空間においてφ１０ｍｍの開口部を入射した平行光束が、本実施の形態の再結像光学系を透過した後の、最終面から６７ｍｍの位置にある評価面における光束径の拡大率を示す。この場合、ハエの目レンズ２０１を入れていない。本実施の形態は、この拡大率Ｈ２／Ｈ１は２. ６〜９. ４となり、像空間の照射範囲を物空間の照射範囲に対して２. ６倍〜９. ４倍まで連続的に変化させることができる光学系である。
【００５２】
そして、α１とα２は、各ポジションにおける光路折り曲げ部において、光路折り曲げミラーが光軸に対して４５度傾斜しているときの、入射光線の最小角度と最大角度を示している。本実施の形態では、ポジションＰ１において、全変倍域に渡る最小及び最大となり、α１＝３５. ７°、α２＝５４. ３°となり、全光束及び全ポジションに亘ってミラーへの入射角αを３０度以上且つ６０度以下に抑えることができる。
【００５３】
図５は本実施の形態に用いた再結像光学系の最小照射範囲ポジションＰ１におけるメリジオナル方向の横収差とサジタル方向の横収差、そして、歪曲収差を示す図である。図６は本実施の形態に用いた再結像光学系の最大照射範囲ポジションＰ３におけるメリジオナル方向とサジタル方向の横収差と歪曲収差を示す図である。実用上許容範囲内の横収差に抑えながら、歪曲収差を良好に補正している。
【００５４】
以上に説明したように、本実施の形態は２群移動方式という最も簡素な変倍光学系である再結像光学系を用いながら、物空間と光路折り曲げ部２０６との間に、物空間から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群、そして、正のパワーを持つレンズ群を配置させることによって、軸外主光線と光軸との交点位置２０８を、より物空間側に移動させる。これにより、光路折り曲げミラーへの光線入射角度が緩くなる光路を確保することを可能にしている。しかも、諸収差を良好に抑えながら、再結像変光学系からの射出光のテレセントリック性を実用上問題の無いレベルに維持している。
【００５５】
投影光学系を高ＮＡ化すると、ハエの目レンズ２０１の直後に配置されるマスク照射光学系の最大光線有効径は、入射光束の２倍程度になる。現在エキシマレーザー用に用いられる石英や蛍石の供給可能な材料径は直径で３４０ｍｍ程度である。よって、ハエの目レンズ２０１の有効径として許される最大値は、直径１５０ｍｍ程度である。又、物空間としては、物空間を照射する柱状ガラスの太さや変形照明を行わせる回折素子からの回折像の広がりから、直径１０ｍｍ〜直径３５ｍｍの照射範囲が最適である。
【００５６】
従って、照射範囲の拡大率の最大はＨ２／Ｈ１は４.
２以上且つ１５. ０以下であることを必要とする。
【００５７】
光学系を構成する各群のパワーにおいて、本実施の形態に示したと同符号配列の構成の再結像光学系を用いれば、光路折り曲げミラーへの光線入射角度を、より小さく抑えられる光路を確保することを可能にしている。
【００５８】
本実施の形態で説明した再結像光学系は、例えば図７に示すようなステップ・アンド・スキャン方式を採用した投影露光装置のσ連続可変光学系として適用することができる。即ち、発振波長２４８ｎｍのエキシマレーザー２１１から射出した照射光は、ビーム整形光学系２１２を介して所望のビーム形状に整形された後、集光光学系２１３により断面形状が六角形の柱状ガラス２１４に入射する。
【００５９】
柱状ガラス２１４は、実施の形態１における説明と同様に、ガラス内面による多重反射により、１つの光源から複数の光源を形成している。この柱状ガラス２１４からの照射光がσ連続可変光学系によりハエの目レンズ２０１に照射される。σ連続可変光学系は、前群光学系２１５と折り曲げミラー２１６、そして、後群光学系２１７とで構成している。
【００６０】
ハエの目レンズ２０１からの照射光は、マスク照射光学系２０４によりマスク面２０３に照射される。マスク面２０３からの照射光はマスク結像光学系により、レチクル２０２の回路パターン面を照射する。マスク結像光学系は、実施の形態１における説明と同様の、前群光学系２１８と光路折り曲げミラー２１９、そして、後群光学系２２０で構成している。レチクル２０２の回路パターンは、投影光学系２２１により感光材料が塗布されたウエハ２２３の基板面上に縮小投影される。
【００６１】
以上に説明した図７における投影露光装置において、σ連続可変光学系を本実施の形態で説明した再結像光学系に置き換えて適用することができる。即ち、前群光学系２１５を、本実施の形態で説明した再結像光学系のうちＧ２０１〜Ｇ２０７までのレンズで構成する。そして、後群光学系２１７を、本実施の形態で説明した再結像光学系のうち凸レンズＧ２０８で構成する。更に、これら２つの集光光学系の間に、レチクル２０２及びウエハ２２２のスキャン方向と光軸２２３を含む断面内で、光軸２２３を直角に折り曲げる光路折り曲げミラー２１６を配置してσ連続可変光学系を構成する。
【００６２】
従って、本実施の形態に示すような構成の再結像光学系をσ連続可変光学系として投影露光装置に適用することにより、より少ないレンズ枚数でありながら、有効光源歪みを発生させない入射光条件で、光路折り曲げミラーをσ連続化変光学系の中に配置することができる。又、本発明によれば、構造的制約条件や光学材料径の制約条件を満足させて、より大きなσ値で微細パターンを良好に焼き付けられる投影露光装置を提供することができる。
【００６３】
＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３を図８〜図１０に基づいて説明する。本
本実施の形態は、図８に示すように、ハエの目レンズ３０１とマスク面３０３との間に、マスク面３０３を照射する集光光学系として、ハエの目レンズ射出面とマスク面３０３とが、ほぼフーリエ変換の関係になるようなマスク照射光学系３０４を配置し、更にマスク照射光学系３０４とマスク面３０３の間に、露光量を検出するためのセンサ３０６の受光面へマスク照射光の一部を導くためのハーフミラー３０７を光軸に垂直な面に対して所定の角度θを成して配置している。
【００６４】
そして、光分岐用反射面３０７ａへの入射光線の上線と下線の反射率差をできるだけ小さくするために、光軸３０２に垂直な面に対する光分岐用反射面３０７ａの設定角度θを極力小さくした例である。
【００６５】
図８に示す実施の形態では、センサ３０６は光軸より下方に向けているが、これを上方へ向けても良い。
【００６６】
又、マスク照射光学系３０４より外の像空間側にハーフミラー３０７を配置しているが、この代わりに、マスク照射光学系３０４の中にハーフミラー３０７を配置して、マスク照射光学系３０４の像空間側に、光学系を密封するためのシールガラスを兼ねるレンズを設け、このシールガラスの片面に緩い曲率を持たせても良い。
【００６７】
更に、本実施の形態は、次のような投影露光装置に適用可能な例である。
【００６８】
即ち、マスク結像光学系に関して、物空間開口数ＮＡｍを０. ２、物像間結像倍率Ｂｍを−１. ０に設定した照明装置を用いている。そして、投影光学系に関して、像空間最大開口数ＮＡｗを０. ８、物像間結像倍率を−１／４、即ち−０. ２５に設定している投影露光装置に適用可能である。
【００６９】
図８において、光分岐用反射面３０７ａが光軸３０５と交わる位置から、マスク照射光学系３０４の集光点位置までの距離Ｌを１００ｍｍ、マスク面のスキャン方向のスリット幅Ｄを３２ｍｍに設定すれば、ハーフミラー３０７をマスク面３０３に干渉させない状態でマスク照射システムを構成し、ウエハ側の照射スリット幅を２６ｍｍ×８ｍｍの投影露光装置に適用することができる。
【００７０】
ところで、図８においては、光分岐用反射面３０７ａが光軸305 と交わる位置からマスク照射光学系３０４の集光点位置までの距離をＬ、マスク面のスキャン方向のスリット幅をＤ、マスク照射光学系３０４の最大開口光線と光軸３０５との成す角をγ、光分岐用反射面３０７ａが光軸３０５に垂直な面との成す角度をβとして、光分岐用反射面３０７ａからの反射光の集光点３０８が最軸外の最大開口光線上に位置する状態を示している。そのとき、下記の（２）式が成り立つ。
【００７１】
Ｌ・sin ２β＝（Ｌ＋Ｌ・cos ２β）・tan γ＋Ｄ/ ２      …（２）
この条件式に、Ｌ＝１００ｍｍ、Ｄ＝３２ｍｍ、を代入し、数値代入法でβに関する方程式を解くと、βは１６. ２度となる。そして、センサ３０６及びそれに伴う光学系の鏡筒が有効光線を遮らないようにするための余裕角を５度見込めば、光軸３０５に垂直な面に対する光分岐用反射面３０７ａの設定角度θを２１. ２度に設定すれば良い。
【００７２】
ここで、前述のマスク結像光学系の物空間開口数ＮＡｍが０. ２より、マスク照射光学系３０４の最大開口光線が光軸３０５と成す角度は１１. ５度である。従って、光分岐用反射面３０７ａの法線に対して、マスク照射光学系３０４からの射出光束の最外上線及び最外下線の成す角度は、それぞれ３２. ７度、−９. ７度となる。このときのハーフミラー３０７による分光反射率の角度依存特性を図９に示す。
【００７３】
図９に示すように、本実施の形態による最大開口光線の上線と下線の反射率差を、Ｓ偏光成分ＲＳとＰ偏光成分ＲＰの平均値差ΔＲＭで表せば０. ２％になる。この反射率差は、前述した実施の形態における光路折り曲げミラーにおける入射角度の違いによる反射率の差の最大値に比較して一桁小さい。
【００７４】
本発明に係る特許請求の範囲の請求項６に示す条件式における上限及び下限値について説明する。
【００７５】
先ず、請求項６に示す第２の条件式の下限値について説明する。
【００７６】
露光装置全体の高さを、より低く抑えるためには、マスク結像光学系における光路折り曲げミラーは、その光学系の後半に配置させるのが良い。このとき、光路折り曲げミラー部への入射光線角度を緩くするためには、軸外主光線が光軸と交わる交点位置をできるだけ物平面側に位置させるのが望ましい。従って、マスク結像光学系の物像間結像倍率Ｂｍの絶対値は、１以上であるのが好ましい。
【００７７】
次に、請求項６に示す第１及び第３の条件式の下限値について説明する。
【００７８】
前述より、マスク結像光学系の物像間結像倍率Ｂｍを−１. ０以上を前提とし、投影光学系に関して像空間最大開口数ＮＡｗを０. ８以上、物像間結像倍率を−１/ ４即ち−０. ２５に設定している投影露光装置を想定する。そうすれば、本実施の形態で説明したように、マスク結像光学系の物空間開口数ＮＡｍの最小値は０. ２で、そのとき、マスク照射光学系３０４に関わる光分岐用反射面３０７ａの設定角度θが２１. ２度で最小値になる。
【００７９】
更に、請求項６に示す条件式の上限値について説明する。
【００８０】
マスク結像光学系に関しては、物空間開口数ＮＡｍを０. ４５、物像間結像倍率Ｂｍを−２.
０に設定した照明装置を前提とする。更に、投影光学系に関して像空間最大開口数ＮＡｗを０. ９、物像間結像倍率を−１／４、即ち−０. ２５に設定した投影露光装置に本実施の形態を適用する場合について説明する。
【００８１】
図８において、光分岐用反射面３０７ａが光軸３０５と交わる位置から、マスク照射光学系３０４の集光点位置までの距離Ｌを１００ｍｍ、マスク面のスキャン方向のスリット幅Ｄを１６. ０ｍｍに設定すれば、ハーフミラー３０７をマスク面３０３に干渉させない状態でマスク照射システムを構成し、ウエハ側の照射スリット幅を２６ｍｍ×８ｍｍの投影露光装置に適用することができる。
【００８２】
斯かる条件、Ｌ＝１００ｍｍ、Ｄ＝１６. ０ｍｍ、を前述の式（２）に代入し、数値代入法でβに関する方程式を解くと、βは２９. ０度となる。そして、センサ３０６及びそれに伴う光学系の鏡筒が有効光線を遮らないようにするための余裕角を５度見込めば、光軸３０２に垂直な面に対する光分岐用反射面３０７ａの設定角度θを３４. ０度に設定すれば良い。
【００８３】
マスク結像光学系の物空間開口数ＮＡｍが０. ４５であることより、マスク照射光学系３０４の射出光線における最大開口光線が光軸３０５と成す角度γは２６. ７度である。よって、光分岐用反射面３０７ａの法線に対して、マスク照射光学系３０４からの射出光束における最外上線及び最外下線の成す角度は、それぞれ６０. ７度、−７. ３度となる。このとき、ハーフミラー３０７による最大開口光線の上線と下線の反射率差を、Ｓ偏光成分ＲＳとＰ偏光成分ＲＰの平均値差ΔＲＭで表せば５. １％になる。
【００８４】
ところで、「課題を解決するための手段」の冒頭でも説明したように、レチクル照射面における有効光源のσ歪は３％以内であることが望ましい。マスク照射光学系３０４の入射瞳近傍に、瞳面内の透過率分布の偏りを補正するフィルターを入れることにより、有効光源におけるσ歪を小さくできるが、ΔＲＭの値が５％を超えた場合にこの方法で、有効光源におけるσ歪を小さくしようとすると、照度劣化に影響を及ぼし、露光装置のスループットを低下させる原因となる。
【００８５】
従って、光分岐用反射面が光軸に対して垂直な面との成す角度θを３４. ０度、マスク結像光学系の物像間結像倍率Ｂｍの絶対値を２. ０、物空間開口数ＮＡｍを０. ４５と設定する場合が、本発明に係る特許請求の範囲の請求項６に示す条件式における上限値となる。
【００８６】
最後に、本発明に係る特許請求の範囲の請求項７に示す条件式における上限及び下限値について説明する。
【００８７】
近い将来の露光装置として、投影光学系の像空間において、例えば投影光学系の最終レンズとウエハ基板との間の空間を光透過性液体で満たし、更に高ＮＡ化を図る方式が検討されている。このような液浸方式の投影光学系においては、物像間結像倍率を−１／４の設定を維持しながら、像空間開口数ＮＡｗを１. ０〜１. ５まで高ＮＡ化しようとしている。
【００８８】
以上の液浸方式の投影露光装置において、該光分岐部材における光分岐のための面と、光軸に対して垂直な面との成す角度θに関して、２１. ２°≦θ≦３４. ０°を満足させるには、前記再結像光学系の物空間開口数ＮＡｍを０. ２５≦ＮＡｍ≦０. ４５とし、更に前記再結像光学系の物像間結像倍率の絶対値Ｂｍを１. ０≦Ｂｍ≦１. ８とする必要がある。
【００８９】
又、このような液浸方式の投影露光装置における照明光学系において、前述の実施の形態で説明したと同様に、再結像光学系の物平面と光路折り曲げミラーとの間に、該物平面から順に正のパワーを持つレンズ群と負のパワーを持つレンズ群と正のパワーを持つレンズ群を有することが、光路折り曲げミラーへの光線入射と光軸との成す角度を、より鈍角にするために特に有効である。
【００９０】
マスク照射光学系及びマスク結像光学系において、以上のような条件設定にすることにより、液浸方式という超高ＮＡの投影光学系に対しても、対応可能な照明光学系を構成することができる。
【００９１】
本実施の形態で説明した集光光学系は、例えば図１０に示すようなステップ・アンド・スキャン方式を採用した投影露光装置のマスク照射光学系として適用することができる。即ち、発振波長２４８ｎｍのエキシマレーザー３１１から射出した照射光は、ビーム整形光学系３１２を介して所望のビーム形状に整形された後、集光光学系３１３により断面形状が六角形の柱状ガラス３１４に入射する。
【００９２】
柱状ガラス３１４は、実施の形態１で説明したと同様に、ガラス内面による多重反射により、１つの光源から複数の光源を形成している。この柱状ガラス３１４からの照射光がσ連続可変光学系によりハエの目レンズ３０１に照射される。σ連続可変光学系は、実施の形態２における説明と同様の前群光学系３１５と折り曲げミラー３１６、そして、後群光学系３１７とで構成している。
【００９３】
ハエの目レンズ３０１からの照射光は、マスク照射システムによりマスク面３０３に照射される。ここで、マスク照射システムを、本実施の形態で説明したマスク照射光学系３０４とハーフミラー３０７及びセンサ３０６で置き換える。そして、マスク面３０３からの照射光は、マスク結像光学系によりレチクル３０２の回路パターン面に照射される。ここで、マスク結像光学系は、実施の形態１における説明と同様の前群光学系３１８と光路折り曲げミラー３１９及び後群光学系３２０で構成している。レチクル３０２の回路パターンは、投影光学系３２１により感光材料が塗布されたウエハ３２２の基板面上に縮小投影される。
【００９４】
センサ３０６はハーフミラー３０７からの反射光を受光し、増幅器３２４によって信号が増幅された後、制御部３２５に出力される。制御部３２４ではセンサ３０６の検出結果に基づき、エキシマレーザー３１１の出力を制御し、ウエハ基板上の露光量が最適に成るように露光量制御を行うことができる。
【００９５】
従って、マスク結像光学系として実施の形態１の再結像光学系を適用した投影露光装置、又はσ連続化変光学系として実施の形態２の再結像光学系を適用した投影露光装置において、本実施の形態で説明したマスク照射光学系を、それぞれのマスク照射光学系１０４又は２０４に適用すれば、レチクル照射光における有効光源歪みを抑えながら、露光量を最適に制御することが可能な投影露光装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
特に、近年注目されている液浸露光装置、即ち投影光学系の像空間を液浸にして超高ＮＡ化を実現しようとする露光装置において、本発明による光路折り曲げミラーに関する技術を適用すれば、レチクルを照射する照射光において、光束の上線と下線において光量の絶対値差を小さく抑えるだけでなく、Ｓ成分とＰ成分の偏光成分の差をも小さく抑えることができる。従って、今後のより高精度な半導体素子を製作する場合において、より微細な回路パターンを忠実に焼き付けることができる投影露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施の形態１の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１に用いた再結像光学系の収差図である。
【図３】投影露光装置におけるマスク結像光学系として本発明の実施の形態１に用いた再結像光学系を適用した場合の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態２の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２に用いた再結像光学系のポジションＰ１における収差図である。
【図６】本発明の実施の形態２に用いた再結像光学系のポジションＰ３における収差図である。
【図７】投影露光装置におけるσ連続可変光学系として本発明の実施の形態２に用いた再結像光学系を適用した場合の概略図である。
【図８】本発明の実施の形態３の説明図である。
【図９】本発明の実施の形態３のハーフミラーにおける分光反射率の角度依存特性を示す図である。
【図１０】投影露光装置におけるリレー光学系として本発明の実施の形態３に用いた集光光学系に関する技術を適用した場合の概略図である。
【図１１】一般的な高反射ミラーにおける反射率の角度依存特性を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０１，２０１，３０１  ハエの目レンズ
１０２，２０２，３０２  レチクル
１０３，２０３，３０３  マスク面
１０４，２０４，３０４  マスク照射光学系
１０５，１２１，２０５，２２３，３０５，３２３  光軸
１０６，２０６      光路折り曲げ部
１０７，２０７      軸外光束の主光線
１０８，２０８      軸外光束の主光線と光軸の交点位置
１１１，２１１，３１１  エキシマレーザー
１１２，２１２，３１２  ビーム整形光学系
１１４，２１４，３１４  柱状ガラス
１１５          σ連続可変光学系
１１６，２１５，２１８，３１５，３１８  前群光学系
１１７，２１６，２１９，３１６，３１９  光路折り曲げミラー
１１８，２１７，２２０，３１７，３２０  後群光学系
１１９，２２１，３２１  投影光学系
１２０，２２２，３２２  ウエハ
２０９    物平面
２１０    像平面
３０６    センサ
３０７    ハーフミラー
３０７ａ  光分岐反射面
３２４    増幅器
３２５    制御部
【図１】
2005109154.tif 000005
【図２】
2005109154.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005109154.tif 000011
【図８】
2005109154.tif 000012
【図９】
2005109154.tif 000013
【図１０】
2005109154.tif 000014
【図１１】
2005109154.tif 000015