(57)【要約】【課題】光の利用効率の点で有利な光学装置を提供する。【解決手段】この光学系１００は、光源４と、光源４からの射出光が入射するコリメータレンズ５と、コリメータレンズ５からの射出光からスポットを像面２０に形成する結像レンズ１７とを備え、光源４からの射出光の波長をλとし、結像レンズ１７の開口数をＮＡとし、光学系１００の結像倍率をβとし、光源４からの射出光と光軸との間の光源４における最大距離をｈ１とし、スポットと光軸との間の像面２０における最大距離をｈ０とし、光学系１００の回折限界によるビーム径を求めるのにλ／ＮＡに乗算される係数をκとし、許容量をεとすると、  ｜ｈ０−（β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ）｜≦εなる条件を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源からの射出光が入射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの射出光からスポットを像面に形成する結像レンズとを備える光学系であって、
前記光源からの前記射出光の波長をλとし、前記結像レンズの開口数をＮＡとし、前記光学系の結像倍率をβとし、前記光源からの前記射出光と光軸との間の前記光源における最大距離をｈ１とし、前記スポットと光軸との間の前記像面における最大距離をｈ０とし、前記光学系の回折限界によるビーム径を求めるのにλ／ＮＡに乗算される係数をκとし、許容量をεとすると、
｜ｈ０−（β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ）｜≦ε
なる条件を満たすことを特徴とする光学系。
【請求項２】
κは、０．５以上１以下の値であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
εは、ｈ０の１％以下の値であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学系。
【請求項４】
εは、ｈ０の０．１％以下の値であることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項５】
前記光源は、光を射出するファイバを含むことを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の光学系。
【請求項６】
マークを検出する検出装置であって、
請求項１ないし５のうちのいずれか１項に記載の光学系を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項７】
パターン形成を基板に行うリソグラフィ装置であって、
前記基板に形成されたマークを検出する請求項６に記載の検出装置を備えることを特徴とするリソグラフィ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のリソグラフィ装置を用いてパターン形成を基板に行う工程と、
前記工程で前記パターン形成を行われた前記基板を加工する工程と、
を含むことを特徴とする物品の製造方法。
【請求項９】
光源と、前記光源からの射出光が入射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの射出光からスポットを像面に形成する結像レンズとを備える光学系の設計方法であって、
前記光源からの前記射出光の波長をλとし、前記結像レンズの開口数をＮＡとし、前記光学系の結像倍率をβとし、前記光源からの前記射出光と光軸との間の前記光源における最大距離をｈ１とし、前記スポットと光軸との間の前記像面における最大距離の目標値をｈ０とし、前記光学系の回折限界によるビーム径を求めるのにλ／ＮＡに乗算される係数をκとし、許容量をεとして、
｜ｈ０−（β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ）｜≦ε
なる条件を満たすよう、前記光学系の属性を決定する、
ことを特徴とする設計方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の設計方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１１】
光源と、前記光源からの射出光が入射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの射出光からスポットを像面に形成する結像レンズとを備える光学系の製造方法であって、
請求項９に記載の設計方法により前記光学系の設計を行い、
前記設計により得られた前記光学系の属性に基づいて前記光学系を製造する、
ことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系、検出装置、リソグラフィ装置、物品の製造方法、設計方法、プログラムおよび製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リソグラフィ装置、光情報記録装置および光情報再生装置などにおいて、光源からの光からコリメータレンズや結像レンズ等の光学部材を介して被照明面上に微小なスポットを形成する光学系が使用されている。このような光学系は、基板などの物体上にパターン形成を行うリソグラフィ装置においては、当該物体上のマークを検出するための（アライメント）光学系に採用されうる。また、光情報記録装置および光情報再生装置においては、光ディスク上に微小な（例えば直径１μｍ以下の）スポットを形成することにより、情報の記録および再生をそれぞれ行うための（ピックアップ）光学系に採用されうる。これらの光学系は、光源から射出された光を用いて対象面上に微小なスポットを形成する必要がある。
【０００３】
そこで、特許文献１は、それぞれ所定の屈折率を有し中心厚が所定の関係を有する基準レンズと密着レンズとを密着させた複合レンズを含み所定の開口数を有する光学系を開示している。また、特許文献２は、光源とは反対側の面に関し、光軸からレンズ外径に向かう各半径でのサグ量が所定の大小関係を満たすレンズを開示している。さらに、特許文献３は、光源から出射された光から、コリメータレンズおよび対物レンズを含む複数の単レンズ（複合レンズ）を介して、光ディスク上にスポットを形成する光学系を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３４５２６号公報
【特許文献２】特許第５０００００９号公報
【特許文献３】特開平４−３４６３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１ないし３に記載の光学系は、光軸の近傍の光のみを使用するため、光の利用効率が低い。そのため、必要な光量を得るためには、出力の高い光源を必要としうる。
【０００６】
本発明は、例えば、光の利用効率の点で有利な光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、光源と、光源からの射出光が入射するコリメータレンズと、コリメータレンズからの射出光からスポットを像面に形成する結像レンズとを備える光学系であって、
光源からの射出光の波長をλとし、結像レンズの開口数をＮＡとし、光学系の結像倍率をβとし、光源からの射出光と光軸との間の光源における最大距離をｈ１とし、スポットと光軸との間の像面における最大距離をｈ０とし、光学系の回折限界によるビーム径を求めるのにλ／ＮＡに乗算される係数をκとし、許容量をεとすると、
｜ｈ０−（β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ）｜≦ε
なる条件を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、光の利用効率の点で有利な光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学系の構成を示す図である。
【図２】従来の光学系の構成を示す図である。
【図３】本発明の光学系を適用可能な検出装置の構成を示す図である。
【図４】コンピュータの構成を示す図である。
【図５】一実施形態に係る光学系の設計方法を示すフローチャートである。
【図６】一実施形態に係る光学系の製造方法を示すフローチャートである。
【図７】リソグラフィ装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
まず、本発明の一実施形態に係る光学系の構成について説明する。図１（ａ）は、光学系１００の構成を示す概略図である。光学系１００は、光源本体としての光源部１からの光を、光学部材１８を介して被照明面（像面）２０上に結像させるクリティカル照明の光学系とする。なお、図１以下の各図では、光源部１の光軸と平行となるＸ軸を取り、Ｘ軸に垂直な平面内に互いに直交するＹ軸およびＺ軸を取っており、同一の構成要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は、省略する。光学系１００は、光源部１とファイバ３とを含む光源４と、コリメータレンズ５と開口絞り１２と結像レンズ１７とを含む光学部材１８とを備える。
【００１２】
光学系１００において、光源部１から出射された光は、ファイバ３の入射端３ａからファイバ３内に入射し集光され、例えば、円形形状の開口を備えるファイバ３の出射端３ｂから出射する。出射端３ｂから出射された光は、コリメータレンズ５に照射され、平行光に変換された後、開口絞り１２と結像レンズ１７とを介して被照明面２０に結像される。例えば、光源部１としては、半導体レーザやガスレーザ（ＡｒやＨｅＮｅ等）が採用される。また、レーザ光源に代わり、ＬＥＤやハロゲンランプ等の光源を用いてもよい。
【００１３】
次に、光学系１００の作用について説明する。ファイバ出射端３ｂから出射した光は、光軸の近傍から出射された光（以下、「軸上光」と称する。）と、光軸の外から出射された光（以下、「軸外光」と称する。）とに分けることができる。図１以下の図において、軸上光および軸外光は、それぞれ実線と点線で表す。図１（ｂ）は、ファイバ出射端３ｂの円形開口から出射された光の光軸断面におけるビーム径を示す図である。図１（ｂ）に示すように、光軸中心（光軸）をＯ、ファイバ出射端３ｂにおける光の最大高さ位置Ｐ１と定義し、光軸中心Ｏと最大高さ位置Ｐ１との距離を最大距離ｈ１とする。図１（ｃ）は、被照明面２０上に結像された光の光軸断面におけるスポットを示す図である。図１（ｃ）に示すように、光軸中心をＯ、ファイバ出射端３ｂにおける最大高さ位置Ｐ１から出射された軸外光が被照明面２０上で結像される中心位置をＰ３と定義し、光軸中心Ｏと中心位置Ｐ３との距離を距離ｈ３とする。最大高さ位置Ｐ１から出射した軸外光は、被照明面２０上にて円形領域Ｓ１の拡がりを有し結像される。そこで、円形領域Ｓ１の直径をＤ１、被照明面２０における光の最大高さ位置をＰ２と定義すると、中心位置Ｐ３と最大高さ位置Ｐ２との距離は、Ｄ１／２に相当する。そのため、光学系１００において、被照明面２０上に形成されるスポットの最大距離ｈ２は、光軸中心Ｏと最大高さ位置Ｐ２との距離に相当し、以下の式（１）で表される。
ｈ２＝ｈ３＋Ｄ１／２    ・・・（１）
【００１４】
ここで、光源部１から出射された光は、光学系１００の収差特性に加えて、光の解像力の限界（回折限界）によりビーム径が拡がる。回折限界により拡がったビーム径とは、光が波の性質をもって伝搬することにより、スポットをそれ以上小さく絞ることが出来ない値である。回折限界に起因したビーム径は、光の波長と結像レンズの開口数とで決定され、光の波長をλとし、結像レンズ１７の開口数をＮＡとした場合には、回折限界により拡がったビーム径Ｄ０は、以下の式（２）で表される。
【数１】
2016025299.tif 000003
【００１５】
さらに、光学系１００に収差が残存する場合の実際の被照明面２０上での軸外光のビーム径Ｄ１は、式（２）に示すビーム径Ｄ０に比べて大きな値となる。結像の条件に依存する係数をκとすると、収差特性および回折限界により拡がったビーム径Ｄ１は、係数κをλ／ＮＡに乗算する以下の式（３）で表される。
Ｄ１＝κ×λ／ＮＡ    ・・・（３）
ただし、係数κは、０．５以上１以下の数値であり、光学系に依存しうる。光学系１００に収差が残存する場合には、収差が無い場合に比べて大きな値となる。
【００１６】
ここで、距離ｈ３は、光学系１００の結像倍率をβとし、最大距離ｈ１を用いて、以下の式（４）のように表される。
ｈ３＝β×ｈ１    ・・・（４）
ここで、結像倍率βとは、一般には物体の高さと像の高さとの比であるが、本実施形態においては、光源４から出射する光の最大高さと被照明面２０上に形成されるスポットの最大高さとの比で、正負を区別しない絶対値とする。
【００１７】
そして、式（１）、（３）および（４）を用いて、被照明面２０上に形成されるスポットの最大距離ｈ２は、以下の式（５）で表すことができる。
ｈ２＝β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ    ・・・（５）
【００１８】
光学系１００は、収差特性や回折限界に起因する軸外光のビーム径の拡がりを含む式（５）で表す最大距離ｈ２と、被照明面２０上に形成されるスポットの光軸中心Ｏからスポットの外縁までの最大距離の目標値ｈ０との差を許容量ε以下とする。すなわち、以下の式（６）で表す条件を満たす構成とする。
｜ｈ０−（β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ）｜≦ε    ・・・（６）
なお、許容量εは、例えば、目標値ｈ０の１％以下、または０．１％以下などに設定され、装置が要求する精度に応じて、変更可能である。また、目標値ｈ０とは、光学系１００を設計するときにベースとする値であり、具体的には、実際に製造された光学系１００においては、被照明面２０上に形成されるスポットの光軸中心Ｏからスポットの外縁までの最大距離に相当する。この構成により、本実施形態の光学系１００は、収差特性や回折限界に起因する軸外光のビーム径の拡がりを含む最大距離ｈ２と目標値ｈ０との差を低減することができ、高精度に微小なスポットを形成することができる。また、本実施形態の光学系１００は、目標値ｈ０と最大距離ｈ２との差を許容量以下とする構成としたが、この構成に限定せず、最大距離ｈ２を目標値ｈ０以下とする構成としてもよい。この場合、光学系１００は、以下の式（７）で表す条件を満たす構成とする。
ｈ０≧β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ    ・・・（７）
【００１９】
この構成により、本実施形態の光学系１００は、軸外光の特性に起因したビーム径の拡がりに伴う光学性能の低下を低減して、被照明面２０上に目標値ｈ０を満たす微小なスポットを高精度に形成することができる。また、光源４から出射される光のうち、軸外光を含む光を使用しているため、例えば、出力の低い光源を使用する場合においても光の利用効率が向上する。
【００２０】
なお、本実施形態においては、光源部１からの射出光をファイバ３を介して結像させる光学系への適用を例示したが、この構成に限定せず、例えばファイバを使用せずに光源からの光を結像させる光学系についても適用可能であり、本実施形態と同様の効果を有する。この場合、該光学系は、光源の出射端における光軸中心Ｏから光の最大高さ位置までの距離をｈ１とし、上記式（６）または式（７）の条件を満たす構成とすればよい。
【００２１】
ここで、このような本実施形態の効果を軸上光のみを使用する場合の従来例と比較しながらより詳細に説明する。図２（ａ）は、従来の光学系２００の構成を示す概略図である。この光学系２００は、光源部２１とファイバ２３とを含む光源２４と、コリメータレンズ２５と開口絞り２６と結像レンズ２７とを含む光学部材２８とを備える。従来例に係る光学系２００は、光源部２１から出射した光のうち、軸上光のみを使用し被照明面３０上にスポットを形成する。しかし、軸上光のみを使用して被照明面３０にスポットを形成する構成は、光源部２１から出射された光のうち一部の光のみを使用する構成であるため、光の利用効率が低い。そのため、高い出力の光源を必要とし、低い出力の光源を使用した場合には、光学性能が低下する。
【００２２】
そこで、光学系２００の光の利用効率を高めるため、軸上光および軸外光の両方を使用する場合を仮定する。図２（ａ）に示すように、光学系２００において、光源部２１から出射された光は、ファイバ２３を介してコリメータレンズ２５に照射され、平行光に変換された後、開口絞り２６と結像レンズ２７とを介して被照明面３０に結像される。ファイバ２３は、本実施形態と同様、円形形状の開口を備える出射端２３ｂを有し、その開口の大きさも、本実施形態と同一であるとする。図２（ｂ）は、ファイバ出射端２３ｂから出射した光の光軸断面におけるビーム径を示す図である。図２（ｂ）に示すように、光軸中心をＯ、ファイバ出射端２３ｂにおける軸外光を含む光の最大高さ位置をＰ１と定義し、光軸中心Ｏと最大高さ位置Ｐ１との距離を最大距離ｈ１とする。図２（ｃ）は、被照明面３０上に結像した光の光軸断面におけるスポットを示す図である。図２（ｃ）に示すように、光軸中心をＯとし、ファイバ出射端２３ｂにおける最大高さ位置Ｐ１から出射された軸外光が被照明面３０上で結像される中心位置をＰ５と定義し、光軸中心Ｏと中心位置Ｐ５との距離を最大距離ｈ５とする。円形領域Ｓ２は、ファイバ出射端２３ｂにおける最大高さ位置Ｐ１から出射された軸外光の被照明面３０上での拡がりである。被照明面３０上での軸外光のビームの直径をＤ２とし、被照明面３０における光の最大高さ位置をＰ４と定義すると、中心位置Ｐ５と最大高さ位置Ｐ４との距離は、Ｄ２／２に相当する。そのため、光学系２００においては、被照明面３０上に形成されるスポットの光軸中心から外縁までの距離ｈ４は、光軸中心Ｏと最大高さ位置Ｐ４との距離に相当し、以下の式（８）で表される。
ｈ４＝ｈ５＋Ｄ２／２    ・・・（８）
【００２３】
光学系２００は、軸上光のみを使用していたため、被照明面３０上に形成されるスポットの光軸中心Ｏから外縁までの距離の目標値をｈ０とすると、以下の式（９）を満たすよう構成されている。
ｈ５＝ｈ０    ・・・（９）
【００２４】
より詳細には、光学系２００の結像倍率をβ２とした場合、光学系２００は、以下の式（１０）を満たす。
ｈ５＝β２×ｈ１    ・・・（１０）
【００２５】
しかし、実際には、収差特性や回折限界に起因して軸外光のビーム径が拡がる。そのため、被照明面３０におけるスポットの実際の最大距離ｈ４は、式（８）および式（１０）を使用して、以下の式（１１）で表すことができる。
ｈ４＝β２×ｈ１＋Ｄ２／２    ・・・（１１）
【００２６】
式（１１）に示すように、実際の最大距離ｈ４は、距離ｈ５との差であるＤ２／２の分、目標値ｈ０に対し大きな値となり、目標値ｈ０と比較して実際に被照明面３０に形成されるスポットは大きくなる。回折限界に起因したスポットの拡がりを、組立調整や収差補正により低減する方法には限界があり、調整や補正に要する負荷が増大する。
【００２７】
一方、本実施形態に係る光学系１００は、軸上光および軸外光の両方を使用する構成であるため、光源部１から出射した光の利用効率が高い。さらに、収差特性や回折限界に起因したスポット径の拡がりを含むスポットの最大距離ｈ２が、目標値ｈ０と近似する構成を有するため、精度良く微小なスポットを被照明面２０上に形成することができる。
【００２８】
（検出装置）
次に、本発明の光学系を適用可能な一実施形態に係る検出装置について説明する。図３は、一実施形態に係る検出装置としてのピックアップ光学系３００の構成を示す概略図である。なお、図３においては、簡略化のため、軸外光に関する記載を省略し、軸上光についてのみ記載している。ピックアップ光学系３００は、ＣＤおよびＤＶＤなどの光ディスクに情報を記録する、または光ディスクから情報を再生する光情報記録装置または光情報再生装置に用いる光学系である。このピックアップ光学系３００は、光源部１とファイバ３とを含む光源４と、図１における光学部材１８に対応する照明光学系４０と、検出光学系５０とを備える。ピックアップ光学系３００の光源部１としては、一例として波長４００ｎｍ程度の波長の光を発生するＧａＮ系青紫色半導体レーザおよび波長４００ｎｍ程度の光を発生する青紫色レーザなどの半導体レーザが採用され得る。照明光学系４０は、光源４から射出した光が光ディスク３５に達するまでに通過する部材を含み、検出光学系は、光ディスク３５を反射した光が光検出器に達するまでに通過する部材を含む。なお、開口絞り１２、偏光ビームスプリッタ３２、１/４波長板３３および結像レンズ３７は、照明光学系４０と検出光学系５０との両方に含まれ、光ディスク３５に入射する光と光ディスク３５から反射される光とがそれぞれ通過する。また、結像レンズ３７は、光軸に対し垂直に延びた面を持つフランジ部（不図示）を有し、このフランジ部により、結像レンズ３７をピックアップ光学系３００に精度よく取り付けることができる。
【００２９】
ピックアップ光学系３００において、光の波長をλ、結像レンズの開口数をＮＡ、照明光学系４０の結像倍率をβ、ファイバの出射端３ｂにおける光軸からの光の最大距離をｈ１、光ディスク３５における光軸からの光の最大距離の目標値をｈ０と定義する。さらに、結像の条件に依存する係数をκとし、許容量をεと定義すると、以下の式（１２）の条件を満たす。
｜ｈ０−（β×ｈ１＋κ×λ／２ＮＡ）｜≦ε    ・・・（１２）
ここで、係数κは、例えば０．５以上１以下の数値であり、許容量εは、例えば、目標値ｈ０の１％以下または０．１％以下などに設定され、装置が要求する精度に応じて、変更可能である。結像レンズ３７の光ディスク３５側の開口数ＮＡは、例えば０．６０以上である。
【００３０】
次に、ピックアップ光学系３００の作用について説明する。図３に示すように、光源部１から出射された光は、ファイバ３にて集光され、コリメータレンズ５に導かれる。コリメータレンズ５にて平行光に変換された光は、ミラー１６にて反射され、偏光ビームスプリッタ３２、１/４波長板３３および開口絞り１２を介して結像レンズ３７へと導かれ、被照明面である光ディスク３５上に結像し、スポットを形成する。その後、光ディスク３５にて反射した光は、結像レンズ３７、開口絞り１２および１/４波長板３３を通過し、偏光ビームスプリッタ３２にて分離し、レンズ３８を介して光検出器３９まで導かれる。光検出器３９は、受光した光を出力信号に変換し、該出力信号に基づき、光ディスク３５に記録された情報を読み取ることができる。
【００３１】
この構成により、本実施形態に係るピックアップ光学系３００は、光の利用効率を高めつつ、光ディスク３５上に精度良く微小なスポットを形成することができる。
【００３２】
次に、ピックアップ光学系３００の具体的な構成例について説明する。一例として、光源部１から出射された光の波長λが４００ｎｍ、光ディスク３５上でのスポットの最大距離の目標値ｈ０が０．３μｍ以下、ファイバ出射端３ｂにおける光軸からの光の最大距離ｈ１が２μｍであるとする。また、結像レンズ３７の焦点距離が１．５ｍｍ、結像レンズ３７の開口数ＮＡが０．６０であるとする。なお、結像の条件に依存する係数κは、計算の簡略化のため、ここでは一定の値０．６０とする。これらの値を式（７）に代入すると、以下の式（１３）となる。
０．３≧β×２＋０．２    ・・・（１３）
【００３３】
式（１２）から目標値ｈ０が０．３μｍ以下となるスポットを光ディスク３５上に形成するためには、結像倍率βを１／２０以下とする必要があることがわかる。結像倍率βが１／２０以下となるようピックアップ光学系３００の構成要素の特性（光学特性）を変更する具体的な方法としては、例えば、コリメータレンズ５の焦点距離を３０ｍｍとする方法がある。このように、ピックアップ光学系３００の構成要素の特性を目標値ｈ０との所望の関係を満たすよう変更することにより、光の利用効率を高めつつ、光ディスク３５上に精度良く微小なスポットを形成することができる。
【００３４】
なお、上記例においては、光学系の光学特性（光学系の属性）を変更する方法として、コリメータレンズ５の焦点距離を変更する方法を挙げた。しかし、この方法に限定せず、例えば、ファイバ３や結像レンズ３７等のその他の光学系の構成要素の特性として、レンズの数、曲率半径、厚さ、間隔および硝材などを変更し、条件を満たす構成としてもよい。
【００３５】
ここで仮に、図２に示す従来例のように本来、軸上光のみを使用していたピックアップ光学系を、軸上光と軸外光との両方を使用する構成に変更し、上記数値を適用したとする。例えば、ファイバ出射端における光軸からの光の最大高さ位置から出射された軸外光が、光ディスク上の光の最大高さの目標値の位置に結像される構成においては、結像倍率β２は、以下の式（１３）で表される。
０．３≧β２×２    ・・・（１３）
【００３６】
式（１３）によれば、結像倍率β２は、１／６．７以下と算出されるため、例えば、結像倍率を１／１０にするため、焦点距離が１５ｍｍのコリメータレンズを採用すると仮定する。しかし、実際に光ディスク３５上に形成されるスポットの最大距離は、軸外光の特性に起因してビーム径が拡がり、目標値ｈ０に比べて大きくなる。式（１２）を用いて算出した場合には、スポットの最大距離は、０．４μｍであり、目標値である半径０．３μｍを超えてしまう。
【００３７】
一方、本実施形態に係るピックアップ光学系３００は、光の波長をλ、結像レンズ３７の開口数をＮＡ、照明光学系４０の結像倍率をβ、物体上の光の最大距離をｈ１、像面上の光の最大距離の目標値をｈ０と定義したとき、式（６）を満たすように構成される。この構成により、光の利用効率を高めつつ、光ディスク３５上に精度良く微小なスポットを形成することができ、光ディスク３５への情報の記録および光ディスク３５に記録された情報の再生を精度良く行うことができる。
【００３８】
（光学系の設計方法）
次に、本発明の一実施形態に係る光学系１００の設計方法について説明する。光学系１００の設計には、一般にコンピュータが使用される。図４は、光学系１００の設計に使用するコンピュータ４９の構成の一例を示す図である。コンピュータ４９は、中央処理装置（ＣＰＵ）４１、記憶媒体４２、主メモリ４３、入力装置４４、表示装置４５およびＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどの記録媒体４７からプログラムを読み取る読取装置４６を備える。プログラムやデータを格納するハードディスクなどの記憶媒体４２、主メモリ４３、キーボードやマウスなどの入力装置４４、液晶ディスプレイなどの表示装置４５および読取装置４６は、いずれも中央処理装置４１に接続される。このコンピュータ４９は、光学系の設計方法のプログラムが格納された記録媒体４７を読取装置４６に装着し、読取装置４６によって記録媒体４７からプログラムを読み出す。読取装置４６によって読み出されたプログラムは、記憶媒体４２にインストールされ、記憶媒体４２にインストールされたプログラムは、中央処理装置４１によって実行される。これにより、コンピュータ４９において、収差特性や回折限界に起因した軸外光のビーム径の拡がりを考慮した光学系を設計するための計算が実行される。
【００３９】
図５は、コンピュータ４９が、記憶媒体４２にインストールされたプログラムに基づいて光学系を設計する方法を示すフローチャートである。図５（ａ）は、コンピュータ４９が、初期データに基づいて光学系を設計する方法を示すフローチャートである。まず、コンピュータ４９の中央処理装置４１は、光学系の初期データを決定する（ステップＳ１００）。図５（ｂ）は、初期データの生成方法を示すフローチャートである。中央処理装置４１は、図５（ｂ）におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０３に基づいて初期データを決定する。ここで、コンピュータ４９が初期データを決定する方法について、図５（ｂ）を参照して説明する。
【００４０】
図５（ｂ）に示すように、まず、中央処理装置４１は、光学系１００の光学部材１８を構成するレンズの枚数（以下、レンズ枚数）を設定し、各レンズの硝材を選択する（ステップＳ１０１）。収差特性や回折限界に起因した軸外光のビーム径の拡がりによる精度低下を抑制するためには、光学系１００を２枚以上のレンズで構成する必要がある。そのため、レンズ枚数の設定においては、光学系１００に要求される性能やコスト、配置スペースなどを考慮して設定するとよい。また、各レンズの硝材は、高分散の硝材と低分散の硝材とを組み合わせて色収差の発生を抑制するように選択されるとよい。例えば、記憶媒体４２にレンズ枚数とレンズの硝材との関係を表すテーブルが記憶されており、中央処理装置４１は、入力装置４４によって入力された光学系１００に要求される性能やコスト、配置スペースなどに基づいてレンズ枚数を設定する。そして、中央処理装置４１は、設定したレンズ枚数において、色収差の発生が抑制されるように、記憶媒体４２に記憶されたテーブルから各レンズの硝材を選択する。
【００４１】
次に、中央処理装置４１は、ステップＳ１０１において設定されたレンズ枚数と選択した各レンズの硝材とに基づいて、各レンズの曲率半径とレンズ厚を設定する（ステップＳ１０２）。これにより、レンズ間隔が零に設定された光学系モデルにおけるレンズ枚数、各レンズの硝材、曲率半径およびレンズ厚が設定される。
【００４２】
中央処理装置４１は、ステップＳ１０２において設定された光学系モデルに対して、ザイデルの５収差と色収差の補正を行う（ステップＳ１０３）。なお、中央処理装置４１は、ステップＳ１０２とステップＳ１０３とを同時に実行して、各レンズの曲率半径や厚さを決定してもよい。
【００４３】
続いて、中央処理装置４１は、ステップＳ１０３において決定した光学系モデルがザイデルの５収差、色収差および結像位置におけるスポットの拡がりに関して所望の光学性能を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０４）。決定した光学系モデルが所望の光学性能を満足する場合（ＹＥＳ）には、中央処理装置４１は、この各レンズの曲率半径や硝材、レンズ厚を初期データとして決定する。一方で、所望の光学性能を満足していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ１０１に戻り、レンズ枚数の設定および各レンズの硝材の選択を再度行う。ここで、本発明の光学系の設計方法においては、スポットの拡がりの判定基準として、式（６）を用いる。上述したように、光学系モデルが、式（６）を満たすことにより、収差特性や回折限界に起因した軸外光のビーム径の拡がりに起因するスポット径の精度低下を抑制して、被照明面２０上に精度良く微小なスポットを形成することができる。なお、光学性能には、例えば、ザイデルの５収差や色収差、結像位置におけるスポットの拡がりが含まれ、それらに加えてレンズの有効径や焦点距離などが含まれてもよい。
【００４４】
次に、中央処理装置４１は、ステップＳ１００において取得した初期データに基づき、レンズ厚、レンズ間隔、各レンズの曲率半径および硝材を変更する（ステップＳ１１０）。初期データは、レンズ間隔が零に設定された光学系モデルにおいて決定されているため、実際の光学系１００を設計する上では、レンズ間隔の変更が必要である。中央処理装置４１は、収差特性や回折限界に起因した結像位置におけるスポットの拡がりが許容範囲内となる関係を維持したまま、ザイデルの５収差と色収差の補正を行う（ステップＳ１２０）。より詳細には、中央処理装置４１は、ステップＳ１１０におけるレンズ厚およびレンズ間隔の値をわずかに増加させる工程と、ステップＳ１２０における収差補正を行う工程とを繰り返し、光学系１００の光学性能を目標性能に徐々に近づけるように計算している。例えば、レンズ厚およびレンズ間隔の増加量を０．５ｍｍ以下として零から徐々に増加させる場合では、零から一気に増加させる場合と比べて、レンズ厚およびレンズ間隔の変更に伴うスポットの拡がりを考慮しながら収差補正を行うことができる。これにより、光学系１００の光学性能が目標性能を満足できないことや、設計の計算に費やす時間が増大することを抑制することができる。ここでは、レンズ厚およびレンズ間隔を同時に徐々に増加させる方法について説明したが、本発明の設計方法はこれに限定されるものではない。例えば、レンズ間隔を徐々に増加させた後に、レンズ厚を徐々に増加させることによって光学系の光学性能を目標性能に近づけてもよい。また、反対に、レンズ厚を徐々に増加させた後に、レンズ間隔を徐々に増加させることによって光学系１００の光学性能を目標性能に近づけてもよい。
【００４５】
続いて、中央処理装置４１は、ステップＳ１２０までの工程により設計された光学系１００の光学性能が目標性能を満足するか否かを判定する（ステップＳ１３０）。目標性能は、例えば、ザイデルの５収差や色収差、結像位置におけるスポットの拡がりなどの光学性能に加え、実際に光学系１００の各レンズが製造可能および調整可能なレンズ厚およびレンズ間隔であることなどを含んでもよい。光学系１００の光学性能が目標性能を満足する場合（ＹＥＳ）には、中央処理装置４１は、ステップＳ１２０におけるレンズ厚やレンズ間隔などを光学系１００の設計値とし、プログラムを終了する。一方、光学系１００の光学性能が目標性能を満足しない場合（ＮＯ）には、ステップＳ１１０に戻り、再度、レンズ厚、レンズ間隔、各レンズの曲率半径および硝材を変更する。
【００４６】
上述したように、本発明の光学系１００の設計方法は、レンズ間隔がそれぞれ零に仮定された光学系モデルにおいて、式（６）の条件を満たすように初期データ（各レンズの曲率半径とレンズ厚）を決定する。そして、コンピュータ４９は、その初期データに基づいてザイデルの５収差および色収差が補正された光学系を設計する。これにより、光の利用効率を高めつつ、軸外光の特性に起因したビーム径の拡がりによるスポットの精度低下を抑制し、精度良く微小なスポットを形成可能な光学系を設計することができる。このため、設計した光学系について組立調整や収差補正を行ってスポットの拡がりを抑える従来方法に比べて、調整や補正の負荷を増大させることなく、効率良くかつ精度良く微小なスポットを形成する光学系を提供することができる。
【００４７】
（光学系の製造方法）
次に、本発明の一実施形態に係る光学系の製造方法について説明する。図６は、本発明の光学系の設計方法を用いて設計された光学系１００の製造方法を示すフローチャートである。
【００４８】
まず、上述の設計方法により設計された光学系１００の設計データ（属性）に基づいて、光学系１００の光学部材１８を構成する各レンズを研磨加工する（ステップＳ３０１）。各レンズには、図５に示すフローチャートに従い決定され、かつ必要に応じて研削された硝材が用いられ、設計データ（レンズ厚および曲率半径）を目標として各レンズの表面が研磨加工される。
【００４９】
続いて、光学部材１８に含まれる各レンズの形状を干渉計で計測し、各レンズの形状（レンズ厚および曲率半径）が目標形状となっているか否かを判定する（ステップＳ３０２）。各レンズの形状が目標形状になっていない場合（ＮＯ）は、ステップＳ３０１に戻り、各レンズの形状が目標形状になるまで研磨加工とレンズの形状の測定とが繰り返される。各レンズの形状が目標形状になっている場合（ＹＥＳ）は、それら目標形状を有する複数のレンズを用いて、光学系１００を組み立てる（ステップＳ３０３）。例えば、レンズ間隔に関する設計データに基づいて、保持枠によって保持された数枚のレンズで構成される光学ユニットが複数組み立てられる。そして、この複数の光学ユニットは、鏡筒の開口部から順次鏡筒の内部に収容され、固定される。このとき、複数の光学ユニットの間には、設計データのレンズ間隔に基づいて、ワッシャが挿入される。これにより、上述の設計方法によって設計された光学系１００に含まれる光学部材１８の硝材、曲率半径、レンズ厚およびレンズ間隔設計データに基づいて、光学系１００が組み立てられる。
【００５０】
続いて、組み立てられた光学系１００の波面収差を測定する（ステップＳ３０４）。光学系１００の波面収差は、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＡｒＦエキシマレーザ光源、超高圧水銀ランプ（例えばｉ線）などを用いたフィゾー干渉計や位相回折干渉計などの干渉計を使用することにより、測定される。次に、測定した光学系１００の波面収差が、所定範囲に収まっているか否かを判定する（ステップＳ３０５）。光学系１００の波面収差が所定範囲に収まっている場合（ＹＥＳ）は、光学系１００の製造を終了する。一方、光学系１００の波面収差が所定範囲に収まっていない場合（ＮＯ）は、レンズを光軸に沿って移動させ、レンズ間隔を変更する間隔調整や、レンズを光軸に対して垂直にシフトまたはチルトさせる偏芯調整などを行う（ステップＳ３０６）。間隔調整や偏芯調整などを行った光学系１００は、ステップＳ３０４に戻り、再度、波面収差が測定される。
【００５１】
本実施形態に係る光学系の製造方法は、上述の設計方法によって設計した光学系１００の設計データに基づき、レンズの加工および組み立てを行い、光学系１００を製造する。これにより、ザイデルの５収差や色収差が補正されるとともに、軸外光の特性に起因したビーム径の拡がりによるスポット径の精度低下を抑制して、微小なスポットを形成可能な光学系１００を製造することができる。
【００５２】
（他の実施形態）
以上に説明した光学系は、ロボットや運輸機械または装置、産業機械または装置（工作、加工、計測、製造に係る機械を含む）等において有用である。ここでは、一例として、産業機械としてのリソグラフィ装置への適用例を説明する。なお、リソグラフィ装置は、パターン形成を基板に行う装置であって、例えば、露光装置、描画装置、インプリント装置として具現化されうる。露光装置は、例えば、（極端）紫外光を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する。また、描画装置は、例えば、荷電粒子線（電子線等）を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する。また、インプリント装置は、基板上のインプリント材を成型して基板上にパターンを形成する。
【００５３】
図７は、本実施形態に係るリソグラフィ装置の構成図である。ここでは、リソグラフィ装置として、電子線を用いる描画装置を例示する。なお、電子線は、イオン線等の他の荷電粒子線であってもよい。リソグラフィ装置７００は、真空チャンバ７０５と、当該真空チャンバ７０５内に収容された電子光学系７０３および駆動装置７０４とを含み、真空中で電子線を用いて基板７０２に描画を行うものである。７０１は、基板７０２を保持するステージ（保持部）である。駆動装置７０４は、電子光学系７０３に対して基板７０２を位置決めするために保持部７０１を移動するように構成される。駆動装置７０４により駆動する基板７０２または保持部７０１は、検出装置７０６を用いて、基板７０２または保持部７０１に設けられたマークを検出することにより、その位置を計測される。検出装置７０６は、先の実施形態で説明した検出装置を適用しうる。
【００５４】
（物品の製造方法）
本発明の実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。該製造方法は、物体（例えば、感光材を表面に有する基板）上に上記のリソグラフィ装置を用いてパターン（例えば潜像パターン）を形成する工程と、当該工程でパターンを形成された物体を処理する工程（例えば、現像工程）とを含みうる。さらに、該製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
【００５５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
４      光源
５      コリメータレンズ
１７    結像レンズ
２０    被照明面
１００  光学系
【図１】
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【図２】
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【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】
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