【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、例えばＬＳＩ等の半導
体製造装置に用いる微細な回路パターンを基板上に露光
する投影露光装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a projection exposure apparatus for exposing a fine circuit pattern used for a semiconductor manufacturing apparatus such as an LSI on a substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、ＩＣあるいはＬＳＩ等の半導
体素子や、これに類する液晶素子あるいは薄膜磁気ヘッ
ド等の微細パターンを有する部材等の製造工程において
は、所定のパターンの転写露光を伴ういわゆるリソグラ
フィ工程が応用されている。この工程においては、所定
の回路パターン等を有するマスクから投影光学系を介し
た露光光をシリコンウエハ等の感光基板上に投影するこ
とによって、マスク上のパターンをウエハへ転写する。2. Description of the Related Art Conventionally, in a manufacturing process of a semiconductor element such as an IC or an LSI, a liquid crystal element similar to this, a member having a fine pattern such as a thin film magnetic head, or the like, so-called lithography accompanied by transfer exposure of a predetermined pattern. The process is applied. In this step, by exposing light from a mask having a predetermined circuit pattern or the like through a projection optical system onto a photosensitive substrate such as a silicon wafer, the pattern on the mask is transferred to the wafer.
【０００３】このような微細パターンの転写露光に用い
られる投影露光装置には、高度な解像力（分解能）が要
求されるが、このような光学系の分解能には使用する光
源光束の波長が関連するため、光源光束の短波長化が進
んでいる。現段階では、いわゆるエキシマレーザである
Ｋｒ−Ｆレーザ（２４８ｎｍ）やＡｒ−Ｆレーザ（１９
３ｎｍ）等の紫外（又は深紫外）の波長域の光束が実際
に使用されている。A projection exposure apparatus used for transfer exposure of such a fine pattern is required to have a high resolution (resolution), and the resolution of such an optical system is related to the wavelength of the light source light flux used. Therefore, the light source light flux is becoming shorter in wavelength. At the present stage, a so-called excimer laser such as a Kr-F laser (248 nm) or an Ar-F laser (19
A light beam in the ultraviolet (or deep ultraviolet) wavelength range such as 3 nm) is actually used.
【０００４】しかし、いわゆる半導体集積回路では、従
来のＩＣやＬＳＩから近年のＶＬＳＩやＵＬＳＩ等への
移行にみられるように、更なる高集積化が進んでおり、
それに伴って要求される解像力も更に高度になってきて
いる。このため、従来より更に短波長の光束を用いる等
の手段により、これらの高集積化の要請に対処する必要
性が生じており、Ｆ2 レーザ（１５７ｎｍ）やＸ線等の
利用化が研究されている。However, in the so-called semiconductor integrated circuit, further high integration is progressing, as seen in the shift from conventional ICs and LSIs to VLSIs and ULSIs in recent years,
Along with that, the resolution required is also becoming higher. For this reason, there is a need to meet the demand for higher integration by means such as using a light flux having a shorter wavelength than before, and the utilization of F2 laser (157 nm) and X-rays has been studied. ing.
【０００５】以上のように、高集積化の要請に対処する
一つの方法として、光源光束の短波長化が挙げられる
が、同時に光学系自体の精度の向上のためには、適正な
収差補正を行なうことも重要な点である。特に、色収差
については、光源光束のスペクトル幅の有限性と投影光
学系に起因するものとがある。理想的に光源光束のスペ
クトル幅がゼロ（単一波長の光束）であれば、色収差は
発生しないが、これは不可能である。しかし、それに近
づくために様々の方法によってスペクトル幅の狭帯化技
術の向上が図られている。As described above, as one method for coping with the demand for high integration, there is a shortening of the wavelength of the light beam of the light source, but at the same time, in order to improve the accuracy of the optical system itself, proper aberration correction is required. Doing is also an important point. In particular, there are chromatic aberrations due to the finiteness of the spectral width of the light flux of the light source and the projection optical system. Ideally, if the spectral width of the light source light flux is zero (light flux having a single wavelength), chromatic aberration does not occur, but this is impossible. However, in order to approach it, various techniques have been used to improve the technique of narrowing the spectral width.
【０００６】例えば、Ｋｒ−Ｆレーザ（２４８ｎｍ）の
スペクトル幅は、通常０．３ｎｍ程度（ＦＷＨＭ：半値
全幅）であるが、レーザの共振器内にプリズム、回折格
子、エタロンなどの波長選択素子を配置することによ
り、１．０〜１．５ｐｍ（ＦＷＨＭ）程度のスペクトル
幅を持つ狭帯化エキシマレーザが開発されている（Ｏｐ
ｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃｓ Ｖｏｌ．２５（１９９３）ｐ．２９７〜３１
０）。これにより、色収差の影響を極力排している。For example, the spectral width of a Kr-F laser (248 nm) is usually about 0.3 nm (FWHM: full width at half maximum), but a wavelength selecting element such as a prism, a diffraction grating or an etalon is provided in the laser resonator. A narrow band excimer laser having a spectral width of about 1.0 to 1.5 pm (FWHM) has been developed by arranging them (Op
tial and Quantum Electro
nics Vol. 25 (1993) p. 297-31
0). As a result, the influence of chromatic aberration is eliminated as much as possible.
【０００７】一方、短波長光源に対する投影光学系を従
来の屈折レンズで構成すると、屈折率や透過率などの問
題から充分な結像特性が得られないという問題がある。
つまり、従来の透過屈折型の光学素子や補正手段のみで
は、短波長化による更なる高集積化の要請には充分に応
じられないのが実状である。On the other hand, when the projection optical system for the short wavelength light source is constructed by the conventional refracting lens, there is a problem that sufficient image forming characteristics cannot be obtained due to problems such as refractive index and transmittance.
In other words, in reality, the conventional transmissive-refractive-type optical element and correction means alone cannot sufficiently meet the demand for higher integration due to the shortening of the wavelength.
【０００８】また、反射部材を用いた投影光学系も実用
化されているが、球面鏡等の反射特性の問題から、微細
パターン転写に有効な縮小型の投影光学系の構築が極め
て難しく、実用的な光学系が構築できない問題があっ
た。Although a projection optical system using a reflecting member has been put into practical use, it is extremely difficult to construct a reduction type projection optical system effective for transferring a fine pattern because of the problem of the reflection characteristics of a spherical mirror or the like. There was a problem that a simple optical system could not be constructed.
【０００９】通常のＫｒ−Ｆレーザ（２４８ｎｍ）を光
源として用いる場合、前述した様にスペクトル幅が０．
３ｎｍ程度であるため、このスペクトル幅に対しては投
影光学系による色収差を補正する必要があり、投影光学
系は少なくとも分散の異なる２種以上光学材料が必要で
ある。When a normal Kr-F laser (248 nm) is used as a light source, the spectral width is 0.
Since it is about 3 nm, it is necessary to correct chromatic aberration due to the projection optical system for this spectral width, and the projection optical system needs at least two kinds of optical materials having different dispersions.
【００１０】ところで、Ｋｒ−Ｆレーザなどのエキシマ
レーザー光は波長が非常に短い（深紫外域）ので、レン
ズの硝材として通常のガラスを用いると透過率が不足し
てしまうため、この種の光学材料を投影光学系に用いる
場合には充分な露光強度が得られないばかりか、透過し
ない光量が光学材料に吸収され、熱変動を引き起こすと
いう問題があるので、投影光学系の硝材として使用する
ことはできない。Since excimer laser light such as Kr-F laser has a very short wavelength (deep ultraviolet region), if ordinary glass is used as the glass material of the lens, the transmittance will be insufficient, and this kind of optical When a material is used in a projection optical system, not only sufficient exposure intensity cannot be obtained, but also the amount of light that does not pass through is absorbed by the optical material, causing thermal fluctuations. Therefore, use it as a glass material for the projection optical system. I can't.
【００１１】従って、光源としてこの様な深紫外域のエ
キシマレーザー光等を使用する場合には、透過率の観点
から、レンズ等の硝材として使用できる材料は、石英
（ＳｉＯ2 ）と蛍石（ＣａＦ2 ）にほとんど限定されて
しまう。そのため、石英と蛍石の２種類の光学材料によ
る色収差補正光学系（投影光学系）が検討された。この
辺の経緯については、例えば、安西暁「色消しレンズに
あえて挑戦 現状のレーザーでも光学系が組める（日経
マイクロデバイス、１９８７年２月号、１０３〜１１２
頁）」に詳しい。Therefore, when such a deep ultraviolet excimer laser light is used as the light source, from the viewpoint of transmittance, the materials that can be used as the glass material for the lens are quartz (SiO2 ) and fluorite ( Almost limited to CaF2 ). Therefore, a chromatic aberration correction optical system (projection optical system) using two types of optical materials, quartz and fluorite, has been studied. Regarding this process, for example, Satoru Anzai, "Achromatic lens dares to challenge the optical system of the current laser (Nikkei Microdevice, February 1987, 103-112).
Page) ”.
【００１２】一方、前述のような１．０〜１．５ｐｍ
（ＦＷＨＭ）程度のスペクトル幅を持つ狭帯化エキシマ
レーザ（Ｋｒ−Ｆ）を光源とする場合の投影光学系は、
石英のみを使用した単色レンズで構成され、これが現行
のエキシマ投影光学系の代表的な構成となっている。こ
のような単色レンズでは色収差を補正することはでき
ず、上記程度のかなり狭いスペクトル幅であっても、投
影光学系の焦点距離の０．１１〜０．１６５％程度が、
色収差に起因して光軸方向の像のボケが生じる。（詳細
は後述する。）On the other hand, 1.0 to 1.5 pm as described above
A projection optical system using a narrow band excimer laser (Kr-F) having a spectral width of about (FWHM) as a light source is
It is composed of a monochromatic lens that uses only quartz, and this is a typical configuration of the current excimer projection optical system. With such a monochromatic lens, it is not possible to correct chromatic aberration, and even with a fairly narrow spectral width of the above range, about 0.11 to 0.165% of the focal length of the projection optical system is
Image blurring occurs in the optical axis direction due to chromatic aberration. (Details will be described later.)
【００１３】ところで、近年、光学素子としていわゆる
回折光学素子が注目されている。回折光学素子は、回折
作用を利用して光路の偏向を行なわせる光学素子であ
る。この回折光学素子によれば、短波長の光束の光路を
任意に偏向させることも可能である。更に、いわゆる屈
折レンズとは異なる波長−偏向特性を示すことから、屈
折レンズとの組合せによる新たな収差補正手段等が注目
されている。By the way, in recent years, a so-called diffractive optical element has been attracting attention as an optical element. The diffractive optical element is an optical element that deflects an optical path by using a diffraction effect. According to this diffractive optical element, it is possible to arbitrarily deflect the optical path of a light beam having a short wavelength. Furthermore, since it exhibits a wavelength-deflection characteristic different from that of a so-called refraction lens, a new aberration correction means or the like in combination with a refraction lens has attracted attention.
【００１４】回折光学素子としては、例えばフレネルゾ
ーンプレート等が良く知られているが、一般的なフレネ
ルゾーンプレートは光透過性の基板上に同心円状の遮光
部材を設けた構造のものであり、透過領域からの光束の
回折作用を利用して所定位置に光束を集光させるものが
一般的である。As the diffractive optical element, for example, a Fresnel zone plate or the like is well known, but a general Fresnel zone plate has a structure in which concentric light shielding members are provided on a light transmissive substrate, Generally, the light beam is condensed at a predetermined position by utilizing the diffraction effect of the light beam from the transmission region.
【００１５】ゾーンプレートを含む回折光学素子の構造
は、上記のような透過部と遮光部によるもののみでは無
く、透過特性（屈折率、透過距離等）が異なる領域を段
階的に設けたものや、基板内部に屈折率分布による透過
特性の異なる部分を設けたもの等が知られている。前者
の代表的なものは、いわゆるバイナリーオプティカルエ
レメント（ＢＯＥ）であり後者の代表的なものは、いわ
ゆるホログラムオプティカルエレメント（ＨＯＥ）であ
る。The structure of the diffractive optical element including the zone plate is not limited to the one having the transmitting portion and the light shielding portion as described above, and one having stepwise regions having different transmission characteristics (refractive index, transmission distance, etc.) and It is known that the substrate is provided with a portion having different transmission characteristics due to the refractive index distribution. The former representative is a so-called binary optical element (BOE), and the latter representative is a so-called hologram optical element (HOE).
【００１６】ＢＯＥは、リソグラフィの工程を利用して
光透過性部材に階段状の表面形状を形成し（反射部材の
表面に形成しても良い）、透過距離を部分的に異ならし
めることにより回折作用を生じさせるものである。ＢＯ
Ｅは、その製造方法から微細な任意のパターンを高精度
でかつ自由に構築できる利点があり、その応用分野が特
に注目されている。（写真工業、１９９４年、３月号９
４頁）The BOE is formed by forming a stepped surface shape on the light transmissive member (may be formed on the surface of the reflective member) using a lithography process, and diffracting the light by partially making the transmission distance different. It causes an action. BO
E has an advantage that a fine arbitrary pattern can be constructed with high precision and freely from the manufacturing method thereof, and its application field is particularly noted. (Photo Industry, March 1994 9
(P. 4)
【００１７】これらのＢＯＥ等の高度な回折光学素子に
よれば、生じさせる回折光も従来よく知られた一点への
集束作用を有するもののみならず、任意の光波面を所望
の光波面に変換すること、光発散機能を有すること、光
集束機能と光束分離機能等を複合させること等の自由な
回折作用を生じさせることが可能である。According to these sophisticated diffractive optical elements such as BOE, not only does the diffracted light to be generated have the well-known focusing function for one point, but also an arbitrary light wavefront is converted into a desired light wavefront. By doing so, it is possible to generate a free diffraction action such as having a light diverging function and combining a light focusing function and a light beam separating function.
【００１８】さらに、ＢＯＥは薄くて軽量であり、量産
が容易であること、製造が容易で高い回折作用が得られ
ること、光利用率が高いこと、深紫外領域の光束でも光
路の偏向が可能であること等から、投影光学系の光学部
材としての応用が研究されている。Furthermore, BOE is thin and lightweight, easy to mass-produce, easy to manufacture and high in diffractive effect, high in light utilization rate, and capable of deflecting the optical path even in a light beam in the deep ultraviolet region. Therefore, application of the projection optical system as an optical member has been studied.
【００１９】ここで、特開平４−２１４５１６号には、
投影光学系（投影レンズ系）の収差補正用部材としてフ
レネルレンズを応用したものが開示されている。この従
来例では、従来から良く知られた構造のフレネルレンズ
（同心円状の溝により構成された球面又は非球面のレン
ズ面を持つもの）を使用しており、投影光学系を構成す
るレンズの硝材としては石英のみが選択されている。ま
た、使用する光源光束は、現在一般的に使用されている
Ｋｒ−Ｆレーザ（２４８ｎｍ）やＡｒ−Ｆレーザ（１９
３ｎｍ）を対象としている。Here, in JP-A-4-214516,
There is disclosed an application of a Fresnel lens as an aberration correction member of a projection optical system (projection lens system). In this conventional example, a Fresnel lens having a well-known structure (having a spherical or aspherical lens surface constituted by concentric circular grooves) is used, and the glass material of the lens forming the projection optical system is used. For this, only quartz is selected. Further, the light flux used for the light source is a Kr-F laser (248 nm) or an Ar-F laser (19) which is generally used at present.
3 nm).
【００２０】[0020]
【発明が解決しようとする課題】前述の従来例のよう
に、エキシマレーザ光を光源として使用する場合の投影
露光装置の投影光学系において検討された色収差補正光
学系（投影光学系）は、石英と蛍石、あるいは石英とフ
レネルレンズの２種光学材料による構成、または石英の
みの単レンズによって構成されてきた。The chromatic aberration correction optical system (projection optical system) examined in the projection optical system of the projection exposure apparatus when the excimer laser light is used as the light source as in the above-mentioned conventional example is made of quartz. And fluorite, or two kinds of optical materials of quartz and Fresnel lens, or a single lens of only quartz.
【００２１】しかしながら、石英と蛍石による色収差補
正光学系の場合、周知のように、石英と螢石の分散（又
はアッベ数）が大きくは違わないので、色収差を補正す
るためには、螢石レンズに大きな正のパワーを持たせ、
石英レンズに大きな負のパワーを持たせる必要があっ
た。However, in the case of a chromatic aberration correction optical system based on quartz and fluorite, as is well known, the dispersion (or Abbe number) of quartz and fluorite is not significantly different, so in order to correct chromatic aberration, fluorite is used. Give the lens a large positive power,
It was necessary to give the quartz lens a large negative power.
【００２２】図２は、石英レンズと螢石レンズの組合せ
による色収差補正光学系の概念的な構成図である。図２
においては、フォトマスク２０１のパターンを感光基板
２０２上に投影するための光学系として、大きな正パワ
ーを有している螢石レンズ２３２と、大きな負パワーを
有している石英レンズ２２２とを組み合わせて、色収差
補正を達成している。FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a chromatic aberration correction optical system by a combination of a quartz lens and a fluorite lens. Figure 2
In the above, a fluorite lens 232 having a large positive power and a quartz lens 222 having a large negative power are combined as an optical system for projecting the pattern of the photomask 201 on the photosensitive substrate 202. Thus, chromatic aberration correction is achieved.
【００２３】この構成の投影光学系により、Ａｒ−Ｆレ
ーザ（１９３ｎｍ）を用い、２５６ＭｂｉｔＤＲＡＭに
要求される０．２μｍ程度の解像度を数ｍｍ角程度のフ
ィールドに再現することは可能である。しかし、露光フ
ィールドとして実用的な２０ｍｍ角程度を確保しようと
すると解像度が達成できなくなってしまう。With the projection optical system having this structure, it is possible to reproduce the resolution of about 0.2 μm required for a 256 Mbit DRAM in a field of several mm square by using an Ar-F laser (193 nm). However, if it is attempted to secure a practical 20 mm square as an exposure field, the resolution cannot be achieved.
【００２４】このことは、屈折レンズの大きなパワーに
より、レンズ表面の小さな曲率半径を必要とすることか
ら、レンズの口径におのずと限界が生じてしまうことに
起因している。これは、この構成での投影光学系のＮＡ
（開口数）やフィールド（投影領域）に限界があること
を示すものである。This is because the refractive power of the refracting lens requires a small radius of curvature of the lens surface, which naturally limits the aperture of the lens. This is the NA of the projection optical system in this configuration.
This indicates that there is a limit in (numerical aperture) and field (projection area).
【００２５】これらのことは、更なる解像度の向上のた
めの大ＮＡ化や、液晶等の大型素子の転写露光に必要な
大フィールド化といった仕様向上の要求に対し、光学設
計上での大きな障害となっていた。更に、小さな曲率半
径のレンズ表面を形成する場合には、レンズエレメント
の偏心公差が厳しくなるので、レンズ組立が極めて難し
く、これらが石英レンズと螢石レンズにて投影光学系を
構成する上での難点にもなっていた。These are major obstacles to the optical design in response to the demand for specification improvement such as a large NA for further improvement of resolution and a large field required for transfer exposure of a large element such as liquid crystal. It was. Furthermore, when forming a lens surface with a small radius of curvature, the eccentricity tolerance of the lens element becomes strict, so lens assembly is extremely difficult, and these make it difficult to construct a projection optical system with a quartz lens and a fluorite lens. It was also a difficult point.
【００２６】次に、前述した従来例の１．０〜１．５ｐ
ｍ（ＦＷＨＭ）程度のスペクトル幅を持つ狭帯化エキシ
マレーザ（Ｋｒ−Ｆ）を光源とする場合の投影光学系と
しては、一般に石英レンズのみを使用した単色レンズで
構成される。しかしながら、このような単レンズでは色
収差を補正することはできないため、レーザのスペクト
ル幅の狭帯化を前提として、初めて使用することができ
る。Next, 1.0 to 1.5 p of the above-mentioned conventional example.
When a narrow band excimer laser (Kr-F) having a spectral width of about m (FWHM) is used as a light source, the projection optical system is generally composed of a monochromatic lens using only a quartz lens. However, since such a single lens cannot correct chromatic aberration, it can be used for the first time on the assumption that the spectral width of the laser is narrowed.
【００２７】しかし、短波長化エキシマレーザとしてＡ
ｒ−Ｆエキシマレ−ザを光源とし、投影光学系を石英の
みの単レンズで構成する場合、スペクトル幅に起因する
色収差の発生は、Ｋｒ−Ｆエキシマレーザの場合のおよ
そ２．６倍になる。従って、Ｋｒ−Ｆエキシマレーザの
場合と同程度の色収差で使用するならば、Ａｒ−Ｆエキ
シマレ−ザのスペクトル幅をＫｒ−Ｆエキシマレーザの
場合のおよそ２．６分の１にしなくてはならない。この
ような狭帯化は、レーザ共振器を構成する光学部材の耐
久性等を考慮すると、極めて困難である。However, as a short wavelength excimer laser A
When the r-F excimer laser is used as the light source and the projection optical system is configured by a single lens made of only quartz, the chromatic aberration caused by the spectral width is about 2.6 times that in the case of the Kr-F excimer laser. Therefore, if it is used with the same chromatic aberration as in the case of the Kr-F excimer laser, the spectral width of the Ar-F excimer laser must be reduced to about 1/2 of that in the case of the Kr-F excimer laser. . Such narrowing of the band is extremely difficult in consideration of the durability of the optical members forming the laser resonator.
【００２８】このような状況下で提案されたのが、例え
ば、特開平４−２１４５１６に開示されているようなフ
レネルレンズを含む投影光学系である。フレネルレンズ
は、屈折レンズと逆分散を有しているために、例えばこ
のフレネルレンズに正のパワーを持たせることで、光学
ガラスによる通常の屈折レンズに弱い正のパワーを持た
せたままで色収差の補正が可能である。Under such circumstances, a projection optical system including a Fresnel lens as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-214516 is proposed. Since the Fresnel lens has an inverse dispersion to that of the refracting lens, for example, by giving the Fresnel lens a positive power, the ordinary refracting lens made of optical glass has a weak positive power and a chromatic aberration. Correction is possible.
【００２９】この投影光学系の概念構成図を図３に示
す。図３において、フォトマスク３０１のパターンを感
光基板３０２の上に投影するための光学系は、石英レン
ズ３２３と回折光学素子３１３にて構成されている。こ
のような構成とすると、回折光学素子３１３と石英レン
ズ３２３とが共に正のパワーを持つが、互いに逆分散を
示すので相互で色収差が補正される方向となる。A conceptual block diagram of this projection optical system is shown in FIG. In FIG. 3, the optical system for projecting the pattern of the photomask 301 onto the photosensitive substrate 302 is composed of a quartz lens 323 and a diffractive optical element 313. With such a configuration, both the diffractive optical element 313 and the quartz lens 323 have positive powers, but they exhibit mutually opposite dispersions, so that chromatic aberrations are mutually corrected.
【００３０】このため、図２に示した従来技術の構成と
比較して、石英レンズ３２３の持つパワーの絶対値を小
さくすることができる。このことは、曲率半径を大きく
できることを意味し、光学設計上は大ＮＡ化、大フィー
ルド化等の仕様向上の余裕が生まれることとなる。ま
た、製造上も偏心公差がゆるくなり、製造容易性を高め
ることとなる。Therefore, the absolute value of the power of the quartz lens 323 can be reduced as compared with the configuration of the prior art shown in FIG. This means that the radius of curvature can be increased, and in optical design, there will be room for improvement in specifications such as a large NA and a large field. Also, in manufacturing, the eccentricity tolerance is loosened, and the ease of manufacturing is increased.
【００３１】しかしながら、このような光学系の構成で
は色収差の２次スペクトルが大きいという難点がある。
ここで、２次スペクトルとは、通常の色収差が補正され
ている（∂ｆ／∂λ＝０が成り立つ）という前提のもと
で、今注目している波長（光源波長）の近傍の波長にお
いて残留している色収差量のことである。即ち、光学系
の焦点距離ｆの２次スペクトルに基づく光軸方向のボケ
δｆは、焦点距離ｆの波長λに関する２回微分を用いて
次の式（１）で表すことができる。なお、δλは、光源
のスペクトル幅（ＦＷＨＭ）を表している。However, the configuration of such an optical system has a drawback that the secondary spectrum of chromatic aberration is large.
Here, the secondary spectrum is a wavelength in the vicinity of the wavelength (light source wavelength) which is currently focused on the assumption that normal chromatic aberration is corrected (∂f / ∂λ = 0 holds). It is the amount of residual chromatic aberration. That is, the blur δf in the optical axis direction based on the secondary spectrum of the focal length f of the optical system can be expressed by the following formula (1) by using the second derivative with respect to the wavelength λ of the focal length f. It should be noted that δλ represents the spectral width (FWHM) of the light source.
【００３２】 δｆ≒１／２・（∂2 ｆ／∂λ2 ）・（δλ／２）2 …（１）式Δf≈1 / 2 · (∂2 f / ∂λ2 ) · (δλ / 2)2 (1) Formula
【００３３】ここで、図４を用いてスペクトル幅と色収
差の関係を説明する。図４は、横軸に光源光束の波長λ
をとり、２次スペクトルに基づく色収差δｆ／ｆの大き
さ（絶対値）を縦軸に取ったものである。通常、光源
（中心）波長λ0 で光学設計がなされていることから、
波長λ0 での色収差はゼロであるが、図中に実線あるい
は点線で示す様に、波長λ0 の近傍の波長（δλの範囲
内）においては、まだ色収差が残留していることがわか
る。Now, the relationship between the spectral width and the chromatic aberration will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the wavelength λ of the light source luminous flux.
And the magnitude (absolute value) of the chromatic aberration δf / f based on the secondary spectrum is plotted on the vertical axis. Usually, since the optical design is made at the light source (center) wavelength λ0 ,
Although the chromatic aberration is zero at the wavelength λ0 , as shown by the solid line or the dotted line in the figure, it can be seen that the chromatic aberration still remains at the wavelength near the wavelength λ0 (within the range of δλ).
【００３４】実線と破線では、波長λ0 の近傍における
２次スペクトルが異なっている場合を示している。光源
としてエキシマレーザーを用いても、ある程度のスペク
トル幅δλを有しているために、この２次スペクトルの
大小が結像性能の優劣を決める要因となってしまうので
ある。The solid line and the broken line show the case where the secondary spectra in the vicinity of the wavelength λ0 are different. Even if an excimer laser is used as a light source, since it has a certain spectral width δλ, the magnitude of this secondary spectrum becomes a factor that determines the superiority or inferiority of the imaging performance.
【００３５】そこで本発明は、回折光学素子を用いる投
影光学系のメリットを維持しつつ色収差の２次スペクト
ルが小さくなる構成の投影光学系を具備した投影露光装
置を提案することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to propose a projection exposure apparatus equipped with a projection optical system having a structure in which the secondary spectrum of chromatic aberration is reduced while maintaining the merit of the projection optical system using the diffractive optical element.
【００３６】[0036]
【課題を解決するための手段】上記目的達成のため本願
請求項１に記載した発明では、光源手段からの光束をマ
スクに照射することにより投影光学系を介して前記マス
クのパターンを感光基板上へ露光する投影露光装置にお
いて、前記投影光学系が、回折光学素子と、石英レンズ
と、螢石レンズとをそれぞれ少なくとも一つ有している
投影露光装置を提供する。In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1 of the present application, the pattern of the mask is formed on the photosensitive substrate through the projection optical system by irradiating the mask with the light flux from the light source means. In a projection exposure apparatus for exposing to, a projection exposure apparatus is provided, wherein the projection optical system includes at least one diffractive optical element, a quartz lens, and a fluorite lens.
【００３７】請求項２に記載した発明は、請求項１に記
載した投影露光装置であって、前記回折光学素子の少な
くとも一つは正のパワーを有するものであり、前記石英
レンズの少なくとも一つは負のパワーを有するものであ
り、前記螢石レンズの少なくとも一つは正のパワーを有
するものであることを特徴とするものである。The invention described in claim 2 is the projection exposure apparatus according to claim 1, wherein at least one of the diffractive optical elements has a positive power, and at least one of the quartz lenses. Has a negative power, and at least one of the fluorite lenses has a positive power.
【００３８】請求項３に記載した発明は、請求項１又は
２記載に記載した投影露光装置であって、光源手段とし
て、Ａｒ−Ｆレーザ（中心波長１９３ｎｍ）を用いたこ
とを特徴とするものである。The invention described in claim 3 is the projection exposure apparatus described in claim 1 or 2, characterized in that an Ar-F laser (center wavelength 193 nm) is used as the light source means. Is.
【００３９】[0039]
【作用】請求項１に記載した発明は、光源手段からの光
束をマスクに照射することにより投影光学系を介してマ
スクのパターンを感光基板上へ露光する投影露光装置に
搭載される投影光学系が、回折光学素子と、石英レンズ
と、螢石レンズとをそれぞれ少なくとも一つ有している
ことを特徴としているが、回折光学素子は回折作用で光
路を偏向するものであり、屈折レンズとは逆分散を持つ
ものである。According to a first aspect of the present invention, a projection optical system mounted on a projection exposure apparatus for exposing a mask onto a photosensitive substrate through a projection optical system by irradiating the mask with a light beam from a light source means. Is characterized by having at least one diffractive optical element, at least one quartz lens, and at least one fluorite lens.The diffractive optical element deflects the optical path by a diffractive action. It has inverse dispersion.
【００４０】このため、本発明ではこの回折光学素子を
屈折レンズである石英レンズや蛍石レンズと組み合わせ
て用いることで、互いに異なる分散をもつ光学素子を利
用して色収差の補正を行なうものであり、特に、これら
を組み合わせて、色収差の２次スペクトルの小さい結像
特性を有する投影露光装置を実現している。Therefore, in the present invention, by using this diffractive optical element in combination with a quartz lens or a fluorite lens which is a refraction lens, chromatic aberration is corrected by using optical elements having mutually different dispersions. Particularly, by combining these, a projection exposure apparatus having an image forming characteristic with a small secondary spectrum of chromatic aberration is realized.
【００４１】まず、回折光学素子の屈折レンズに対する
逆分散の特性について説明する。この種の回折光学素子
を含む通常の屈折系及び反射系を考える際に、回折光学
素子は、厚さが無限小、且つ屈折率が無限大の屈折レン
ズに置き換えて（これと同様に）考えることが可能であ
る。詳細は、Ｗ．Ｃ．Ｓｗｅａｔｔの論文（Ｊ．Ｏｐ
ｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．３，ｐ．４８
６（１９７９））に論じられている。First, the inverse dispersion characteristic of the diffractive optical element with respect to the refractive lens will be described. When considering a normal refraction system and reflection system including this type of diffractive optical element, the diffractive optical element is considered (similarly) by replacing it with a refractive lens having an infinitely small thickness and an infinite refractive index. It is possible. For details, see W. C. Sweet's paper (J. Op.
t. Soc. Am. vol. 69, No. 3, p. 48
6 (1979)).
【００４２】この論文によれば回折光学素子をレンズと
みなす時、このレンズに入射する光線の入射角θ1 、射
出角θ2 、光軸方向の座標をｔ、レンズの表面に沿った
方向の座標をｓとすると、レンズの屈折率ｎ→∞、厚さ
ｔ→０の極限において、光線の振る舞いを表す光線追跡
式は、次の式（２）の様になる。According to this paper, when the diffractive optical element is regarded as a lens, the incident angle θ1 of the light beam incident on the lens, the exit angle θ2 , the coordinate in the optical axis direction t, and the direction along the surface of the lens When the coordinates are s, the ray tracing equation representing the behavior of the ray in the limit of the refractive index n → ∞ of the lens and the thickness t → 0 is as in the following equation (2).
【００４３】 （ｎ−１）・（ｄｔ／ｄｓ）＝ｓｉｎθ1 −ｓｉｎθ2 …（２）式[0043] (n-1) · (dt / ds) = sinθ 1 -sinθ 2 ... (2) formula
【００４４】一方、光の回折より与えられる式は、ｍを
回折次数、λを波長、ｐを格子のピッチとする時、次の
式（３）の様になる。On the other hand, the equation given by the diffraction of light becomes the following equation (3), where m is the diffraction order, λ is the wavelength, and p is the grating pitch.
【００４５】 ｍ・λ／ｐ＝ｓｉｎθ1 −ｓｉｎθ2 …（３）式M · λ / p = sin θ1 −sin θ2 (3) Expression
【００４６】式（２）と（３）より、次の式（４）を得
る。From the equations (2) and (3), the following equation (4) is obtained.
【００４７】 ｍ・λ／ｐ＝（ｎ−１）・（ｄｔ／ｄｓ） …（４）式M · λ / p = (n−1) · (dt / ds) (4) Formula
【００４８】ここで、式（４）のλに関する対数微分
（両辺の対数を取ってλについて微分する）を取れば、
次の微分方程式（５）が得られ、その解は次の式（６）
に示されるものとなる。Here, if the logarithmic differentiation with respect to λ of equation (4) (logarithms of both sides are taken and differentiated with respect to λ),
The following differential equation (5) is obtained, and the solution is the following equation (6)
Will be shown in.
【００４９】 ∂ｎ／∂λ＝（ｎ−１）／λ …（５）式∂n / ∂λ = (n−1) / λ (5) Expression
【００５０】 ｎ（λ）＝１＋（（ｎ0 −１）／λ0 ）・λ …（６）式N (λ) = 1 + ((n0 −1) / λ0 ) · λ (6) Expression
【００５１】ここで、λ0 は基準波長、ｎ0 は基準波長
における屈折率である。前提として、屈折率ｎ→∞のレ
ンズを想定していたので、実務的にはｎ0 としては十分
大きな正の数が設定される。Here, λ0 is the reference wavelength and n0 is the refractive index at the reference wavelength. As a premise, a lens having a refractive index n → ∞ was assumed, so in practice, a sufficiently large positive number is set as n0 .
【００５２】式（５）より、屈折率ｎ→∞のレンズであ
る回折光学素子では、屈折率の分散∂ｎ／∂λは正の値
となる。周知の様に、通常の光学ガラスでは、∂ｎ／∂
λは負の値なので、これが回折光学素子が逆分散を有し
ているといわれるゆえんである。From the expression (5), in the diffractive optical element which is a lens having a refractive index n → ∞, the refractive index dispersion ∂n / ∂λ has a positive value. As is well known, in normal optical glass, ∂n / ∂
Since λ is a negative value, this is because the diffractive optical element is said to have inverse dispersion.
【００５３】次に、回折光学素子のもつ逆分散と、石
英、蛍石の互いに異なる（正）分散を組み合わせた投影
光学系の作用について説明する。考察を容易にするため
に、薄肉密着系にて考える。以下において、石英、螢
石、回折光学素子の屈折率を各々ｎQ 、ｎC 、ｎD 、合
成曲率（ｔｏｔａｌ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を各々Ｃ
Q 、ＣC 、ＣD と表すことにする。Next, the operation of the projection optical system in which the reverse dispersion of the diffractive optical element and the different (positive) dispersions of quartz and fluorite are combined will be described. To facilitate the discussion, consider a thin-walled contact system. In the following, the refractive indices of quartz, fluorite and diffractive optical element are nQ , nC and nD , respectively, and the total curvature is C respectively.
Let us denote them asQ , CC , and CD.
【００５４】投影光学系が各々一つの石英レンズ、螢石
レンズ、回折光学素子で構成されているとするとき、全
系の焦点距離ｆの逆数１／ｆ、パワーは、次の式（７）
で表すことができる。When the projection optical system is composed of one quartz lens, one fluorite lens, and one diffractive optical element, the reciprocal 1 / f of the focal length f of the entire system and the power are expressed by the following formula (7).
Can be represented by
【００５５】 １／ｆ＝（ｎQ −１）・ＣQ ＋（ｎC −１）・ＣC ＋（ｎD −１）・ＣD …（７）式1 / f = (nQ −1) · CQ + (nC −1) · CC + (nD −1) · CD (7)
【００５６】今注目している波長（光源波長）λ0 に関
して、色収差が補正されているためには、式（６）を波
長λに関して微分した式がゼロになる、即ち、次の条件
式（８）が成り立つ必要がある。Since the chromatic aberration is corrected for the wavelength (light source wavelength) λ0 of interest, the expression obtained by differentiating the expression (6) with respect to the wavelength λ becomes zero, that is, the following conditional expression ( 8) needs to hold.
【００５７】 −１／ｆ2 ・（∂ｆ／∂λ） ＝ＣQ ・（∂ｎQ ／∂λ）＋ＣC ・（∂ｎC ／∂λ）＋ＣD ・（∂ｎD ／∂λ） ＝０ …（８）式−1 / f2 · (∂f / ∂λ) = CQ · (∂nQ / ∂λ) + CC · (∂nC / ∂λ) + CD · (∂nD / ∂λ) = 0 Equation (8)
【００５８】波長λ0 において条件式（８）を満足し、
一次の色収差が補正されていても、光源はある程度のス
ペクトル幅（δλ：ＦＷＨＭ）を有しているために、波
長λ0 近傍の波長（λ0 ±δλ／２）においては、色収
差が残留してしまう。この色収差残留量（２次スペクト
ルと呼ぶ）は、やはり結像性能の優劣を決める重要な要
因となるため無視することはできず、充分に評価するこ
とが必要である。Conditional expression (8) is satisfied at the wavelength λ0 ,
Even if the primary chromatic aberration is corrected, the light source is some spectral width: To have a ([delta] [lambda] FWHM), in the wavelength lambda0 near the wavelength of(λ 0 ± δλ / 2) , chromatic aberration remains Will end up. This residual amount of chromatic aberration (referred to as a secondary spectrum) is still an important factor that determines the superiority or inferiority of the imaging performance, and therefore cannot be ignored and must be sufficiently evaluated.
【００５９】この２次スペクトルは、式（７）を波長λ
に関して２回微分した量に対応するので、式（８）に関
して更なる波長微分を考えればよい。結果は、次の式
（９）となる。This second-order spectrum is obtained by using the formula (7) as a wavelength λ.
Since it corresponds to the amount obtained by differentiating twice with respect to, it is sufficient to consider further wavelength differentiation with respect to the equation (8). The result is the following equation (9).
【００６０】 −１／ｆ2 ・（∂2 ｆ／∂λ2 ） ＝ＣQ ・（∂2 ｎQ ／∂λ2 ）＋ＣC ・（∂2 ｎC ／∂λ2 ） ＋ＣD ・（∂2 ｎD ／∂λ2 ） …（９）式−1 / f2 · (∂2 f / ∂λ2 ) = CQ · (∂2 nQ / ∂λ2 ) + CC · (∂2 nC / ∂λ2 ) + CD · (∂2 nD / ∂λ2 ) (9) formula
【００６１】ここで、石英レンズ、螢石レンズ、回折光
学素子の焦点距離ｆQ 、ｆC 、ｆDは、各屈折率ｎQ 、
ｎC 、ｎD 、および各合成曲率ＣQ 、ＣC 、ＣD と、次
の各式（１０）〜（１２）により関係づけられる。Here, the focal lengths fQ , fC , and fD of the quartz lens, the fluorite lens, and the diffractive optical element are the respective refractive indices nQ ,
nC, nD, and the synthetic curvatureCQ, C C, and CD, are related by the following respective formulas (10) to (12).
【００６２】 １／ｆQ ＝（ｎQ −１）・ＣQ …（１０）式 １／ｆC ＝（ｎC −１）・ＣC …（１１）式 １／ｆD ＝（ｎD −１）・ＣD …（１２）式1 / fQ = (nQ −1) · CQ (10) Formula 1 / fC = (nC −1) · CC (11) Formula 1 / fD = (nD −1) · C D ... (12 ) equation
【００６３】式（１０）〜（１２）を、式（７）〜
（９）に代入すると、以下の式（１３）〜（１５）を得
る。Equations (10) to (12) are converted into equations (7) to
Substituting into (9), the following equations (13) to (15) are obtained.
【００６４】 １／ｆ＝１／ｆQ ＋１／ｆC ＋１／ｆD …（１３）式1 / f = 1 / fQ + 1 / fC + 1 / fD (13) Expression
【００６５】 −１／ｆ2 ・（∂ｆ／∂λ） ＝１／（ｆQ ・（ｎQ −１））・（∂ｎQ ／∂λ） ＋１／（ｆC ・（ｎC −１））・（∂ｎC ／∂λ） ＋１／（ｆD ・（ｎD −１））・（∂ｎD ／∂λ） ＝０ …（１４）式−1 / f2 · (∂f / ∂λ) = 1 / (fQ · (nQ −1)) · (∂nQ / ∂λ) + 1 / (fC · (nC −1) )) ・ (∂nC / ∂λ) + 1 / (fD・ (nD -1)) ・ (∂nD / ∂λ) = 0 (14) Expression
【００６６】 −１／ｆ2 ・（∂2 ｆ／∂λ2 ） ＝１／（ｆQ ・（ｎQ −１））・（∂2 ｎQ ／∂λ2 ） ＋１／（ｆC ・（ｎC −１））・（∂2 ｎC ／∂λ2 ） ＋１／（ｆD ・（ｎD −１））・（∂2 ｎD ／∂λ2 ） …（１５）式−1 / f2 · (∂2 f / ∂λ2 ) = 1 / (fQ · (nQ −1)) · (∂2 nQ / ∂λ2 ) + 1 / (fC · ( nC -1)) ・ (∂2 nC / ∂λ2 ) + 1 / (fD・ (nD -1)) ・ (∂2 nD / ∂λ2 ) ... (15) Expression
【００６７】ここで、石英レンズ、螢石レンズ並びに回
折光学素子の各々の屈折率の波長依存性ｎ（λ）は、既
知の量であるから、式（１４）における屈折率の波長に
関する一回微分量∂ｎ／∂λと、式（１５）における屈
折率の波長に関する二回微分量∂2 ｎ／∂λ2 を各々求
めることができる。従って、式（１３）〜（１５）にお
ける未知数は、１／ｆQ 、１／ｆC 、１／ｆD の３つだ
けとなる。Here, since the wavelength dependence n (λ) of the refractive index of each of the quartz lens, the fluorite lens and the diffractive optical element is a known quantity, the wavelength dependence n (λ) of the formula (14) The differential amount ∂n / ∂λ and the double differential amount ∂2 n / ∂λ2 of the refractive index in formula (15) with respect to the wavelength can be obtained. Therefore, there are only three unknowns in equations (13) to (15), 1 / fQ , 1 / fC , and 1 / fD.
【００６８】回折光学素子の屈折率の波長依存性ｎD
（λ）は、前述の式（６）で表現される。式（６）を波
長λで微分することにより、次の式（１６）、式（１
７）を得る。Wavelength Dependence of Refractive Index of Diffractive Optical Element nD
(Λ) is expressed by the above equation (6). By differentiating the equation (6) by the wavelength λ, the following equations (16) and (1)
7) is obtained.
【００６９】 （１／（ｎD −１））・（∂ｎD ／∂λ）＝１／λ …（１６）式 ∂2 ｎD ／∂λ2 ＝０ …（１７）式(1 / (nD −1)) · (∂nD / ∂λ) = 1 / λ (16) Formula ∂2 nD / ∂λ2 = 0 (17) Formula
【００７０】石英の屈折率ｎQ の波長λ依存性は、Ｉ．
Ｈ．Ｍａｌｉｔｓｏｎの論文（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａ
ｍ．ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．１０，ｐ．１２０５（１９６
５））より、次の式（１８）を引用した。The wavelength λ dependence of the refractive index nQ of quartz is as follows:
H. Malitson's paper (J. Opt. Soc. A.
m. vol. 55, No. 10, p. 1205 (196
The following formula (18) is quoted from (5)).
【００７１】 ｎQ2 −１ ＝０．６９６１６６３・λ2 ／（λ2 −（０．０６８４０４３）2 ） ＋０．４０７９４２６・λ2 ／（λ2 −（０．１１６２４１４）2 ） ＋０．８９７４７９４・λ2 ／（λ2 −（９．８９６１６１）2 ） …（１８）式NQ2 −1 = 0.6961663 · λ2 / (λ2 − (0.0684043)2 ) + 0.4079426 · λ2 / (λ2 − (0.1162414)2 ) + 0.897794 · λ2 / (λ2 − (9.896161)2 ) ... (18) Expression
【００７２】また、螢石の屈折率ｎC の波長λ依存性
は、Ｉ．Ｈ．Ｍａｌｉｔｓｏｎの論文（Ａｐｐｌ．Ｏｐ
ｔ．ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１０，ｐ．１１０３（１９６
３））より、次の式（１９）を引用した。なお、式（１
８）と式（１９）に現れる波長λの単位はμｍである。The dependence of the refractive index nC of fluorite on the wavelength λ is as follows. H. Malitson's paper (Appl. Op.
t. vol. 2, No. 10, p. 1103 (196
The following formula (19) is quoted from 3)). Note that the formula (1
The unit of the wavelength λ appearing in 8) and the equation (19) is μm.
【００７３】 ｎC2 −１ ＝０．５６７５８８８・λ2 ／（λ2 −（０．０５０２６３６０５）2 ） ＋０．４７１０９１４・λ2 ／（λ2 −（０．１００３９０９）2 ） ＋３．８４８４７２３・λ2 ／（λ2 −（３４．６４９０４０）2 ） …（１９）式NC2 −1 = 0.5675888 · λ2 / (λ2 − (0.050263605)2 ) + 0.4710914 · λ2 / (λ2 − (0.1003909)2 ) + 3.8484723 · λ2 / (λ2 − (34.649040)2 ) ... Equation (19)
【００７４】式（１６）と、式（１８）及び式（１９）
より得られる石英の屈折率ｎQ 及び螢石の屈折率ｎC の
波長に関する一回微分量を、式（１４）に代入すれば、
式（１３）と式（１４）からなる連立方程式の各係数が
全て定まることになる。ここで、未知数は１／ｆQ 、１
／ｆC 、１／ｆD の３つであり、自由度が一つ残ること
になる。この自由度を変数として取り扱えば、式（１
５）にて表される２次スペクトル量を評価することがで
きる。このようにして、石英レンズ、螢石レンズ、回折
光学素子の焦点距離ｆQ 、ｆC 、ｆD についての検討が
できることになる訳である。Expression (16), Expression (18) and Expression (19)
Substituting the once-differentiated amount of the refractive index nQ of quartz and the refractive index nC of fluorite obtained with respect to the wavelength into the equation (14),
All the coefficients of the simultaneous equations including the equations (13) and (14) are determined. Where the unknown is 1 / fQ , 1
There are three degrees, / fC and 1 / fD , and one degree of freedom remains. If this degree of freedom is treated as a variable, the formula (1
The secondary spectrum amount represented by 5) can be evaluated. In this way, the focal lengths fQ , fC , and fD of the quartz lens, the fluorite lens, and the diffractive optical element can be examined.
【００７５】例えば、回折光学素子に関する１／ｆD を
変数として取り扱い、２次スペクトルを評価した結果、
以下のことが見出された。（具体的な事例は、実施例の
中で述べる。）For example, 1 / fD relating to the diffractive optical element is treated as a variable, and the result of evaluating the secondary spectrum is
The following was found. (Specific examples will be described in Examples.)
【００７６】２次スペクトル量は、従来例の投影光学系
のように、石英レンズと回折光学素子の二つの構成要素
で構成する（螢石レンズにはパワーを持たせない：ｆC
＝∞）よりも、本発明のように、螢石レンズにもパワー
を持たせる（ｆC ≠∞）ことによって、石英レンズ、螢
石レンズ、回折光学素子の三種の組み合わせによる構成
要素の方が、低減させることができる。即ち、光源の波
長λ0 近傍の波長（波長帯の中心波長以外の波長）にお
ける色収差をも良好に補正することができ、優れた投影
光学系を構成し得る。The second-order spectrum quantity is composed of two components, a quartz lens and a diffractive optical element, as in the projection optical system of the conventional example (the fluorite lens does not have power: fC
= ∞), by giving power to the fluorite lens (fC ≠ ∞) as in the present invention, the constituent element formed by the combination of three kinds of the quartz lens, the fluorite lens, and the diffractive optical element is more preferable. , Can be reduced. That is, chromatic aberration at wavelengths near the wavelength λ0 of the light source (wavelengths other than the central wavelength of the wavelength band) can be corrected well, and an excellent projection optical system can be constructed.
【００７７】請求項２に記載した発明では、請求項１の
投影露光装置において、投影光学系を構成する回折光学
素子の少なくとも一つは正のパワーを有するものであ
り、石英レンズの少なくとも一つは負のパワーを有する
ものであり、螢石レンズの少なくとも一つは正のパワー
を有するものであることを特徴とし、以下の作用を奏す
る。According to a second aspect of the present invention, in the projection exposure apparatus according to the first aspect, at least one of the diffractive optical elements forming the projection optical system has a positive power, and at least one of the quartz lenses. Has a negative power, and at least one of the fluorite lenses has a positive power, and has the following effects.
【００７８】なお、本明細書において回折光学素子のお
ける正のパワーとは、回折光学素子による偏向作用を屈
折レンズに対応させて表現したものであり、素子により
光路を偏向された光束が集光方向に進行する様に回折作
用が機能するものを言う。逆に、回折光学素子の負のパ
ワーとは、発散方向に光路を偏向させる作用を持つもの
をいう。In the present specification, the positive power in the diffractive optical element expresses the deflection action of the diffractive optical element in correspondence with the refraction lens, and the light beam whose optical path is deflected by the element is condensed. It means that the diffractive action functions so as to proceed in the direction. On the contrary, the negative power of the diffractive optical element means that it has a function of deflecting the optical path in the diverging direction.
【００７９】前述のように、回折光学素子に関する１／
ｆD を変数として取り扱い、三種の構成要素の各焦点距
離ｆQ 、ｆC 、ｆD の各組み合わせに対して２次スペク
トルを評価した。As described above, 1 / with respect to the diffractive optical element
By treating fD as a variable, the secondary spectrum was evaluated for each combination of the focal lengths fQ , fC , and fD of the three types of constituent elements.
【００８０】その結果、２次スペクトルを完全にゼロに
するような組み合わせも可能であるが、この場合には、
石英レンズ及び螢石レンズの各レンズパワーが大きくな
るため、レンズの口径におのずと限界が生じてしまう難
点があり、更に、レンズパワーが大きいと製造が難しい
という問題もある。As a result, a combination that makes the secondary spectrum completely zero is possible, but in this case,
Since each lens power of the quartz lens and the fluorite lens becomes large, there is a problem that the aperture of the lens naturally has a limit, and further, when the lens power is large, there is a problem that manufacturing is difficult.
【００８１】このため、実務的には、二次スペクトルが
実用範囲内に小さくなり、レンズパワーの小さい組み合
わせとして、ｆQ ＜０（マイナス）、ｆC ＞０（プラ
ス）、ｆD ＞０（プラス）となるのが望ましい構成であ
ることが見出された。Therefore, practically, the secondary spectrum becomes small within the practical range, and fQ <0 (minus), fC > 0 (plus), fD > 0 (as a combination of small lens powers. It has been found that the preferred configuration is positive).
【００８２】言い換えると、回折光学素子が正のパワー
（集束特性）を有し、石英レンズが負のパワーを有し、
螢石レンズが正のパワーを有するものであることを意味
するものであり、少なくともこれらの組み合わせ一組を
光学系に備えることで、二次スペクトルが良好に補正で
きる実用的な投影光学系が構築できる。In other words, the diffractive optical element has a positive power (focusing characteristic), the quartz lens has a negative power,
It means that the fluorite lens has a positive power, and by constructing a practical projection optical system that can satisfactorily correct the secondary spectrum by providing at least one combination of these in the optical system. it can.
【００８３】従って、このような範囲内の組み合わせで
構成される投影光学系は、光源の波長λ0 近傍の波長に
おける色収差（二次スペクトル）を実用上問題の無い程
度に補正することができるだけでなく、レンズのパワー
が比較的小さなものを使用できるので、光学素子（レン
ズ）の製造も容易となる。更に、レンズパワーが小さけ
ればレンズ口径が大きなものを使用できるので、投影光
学系のＮＡ（開口数）やフィールド（投影領域）の拡大
が可能と成り、即ち、解像度（分解能）の向上に寄与す
るものとなる。Therefore, the projection optical system constructed by the combination within such a range can correct chromatic aberration (secondary spectrum) at a wavelength near the wavelength λ0 of the light source to such an extent that there is no practical problem. In addition, since a lens having a relatively small power can be used, the optical element (lens) can be easily manufactured. Furthermore, if the lens power is small, a lens having a large lens diameter can be used, so that the NA (numerical aperture) and the field (projection area) of the projection optical system can be enlarged, that is, it contributes to the improvement of the resolution. Will be things.
【００８４】請求項３に記載した発明は、請求項１又は
２の投影露光装置において、光源手段として、Ａｒ−Ｆ
レーザ（中心波長１９３ｎｍ）を用いたことを特徴と
し、以下の作用を奏する。According to a third aspect of the present invention, in the projection exposure apparatus according to the first or second aspect, Ar-F is used as the light source means.
It is characterized by using a laser (center wavelength 193 nm), and has the following effects.
【００８５】Ａｒ−Ｆレーザ（１９３ｎｍ）は、現在最
も一般的に用いられているエキシマレーザ光源であるＫ
ｒ−Ｆレーザ（２４８ｎｍ）よりも、更に短波長の光源
であり、投影光学系の更なる高分解能化の要請に対処す
るための光源として期待されているものである。しか
し、光源の短波長化が進められると、同じ波長幅（スペ
クトル幅）でも、二次スペクトル量が大幅に増加する。
このため、このような短波長の光束を用いる投影光学系
においては、２次スペクトル量の補正が更に重要性を増
すことになる。特に、Ａｒ−Ｆレーザのスペクトル幅は
かなり大きい。The Ar-F laser (193 nm) is the most commonly used excimer laser light source at present, K.
It is a light source having a wavelength shorter than that of the r-F laser (248 nm), and is expected as a light source to meet the demand for higher resolution of the projection optical system. However, if the wavelength of the light source is shortened, the amount of secondary spectrum increases significantly even with the same wavelength width (spectral width).
For this reason, in the projection optical system using such a short-wavelength light beam, the correction of the secondary spectrum amount becomes more important. In particular, the spectral width of Ar-F laser is quite large.
【００８６】本発明は、前述の石英レンズ、螢石レン
ズ、回折光学素子の三種の構成要素による投影光学系に
対して、Ａｒ−Ｆレーザを用いたものであり、光源のス
ペクトル幅は大きくても２次スペクトルの発生量を低減
させることによって、実用的な色収差補正が可能となっ
た。更に、前記同様に色収差補正が良好に行なわれる構
成において、各々のレンズパワーの絶対値を小さくする
ことができる。従って、解像力の向上した投影露光装置
を組むことができる。In the present invention, an Ar-F laser is used for the projection optical system having the above-mentioned three kinds of constituent elements of the quartz lens, the fluorite lens, and the diffractive optical element, and the spectral width of the light source is large. Also, by reducing the amount of generation of the secondary spectrum, practical chromatic aberration correction has become possible. Further, in the configuration in which the chromatic aberration is favorably corrected similarly to the above, it is possible to reduce the absolute value of each lens power. Therefore, a projection exposure apparatus having improved resolution can be assembled.
【００８７】なお、透過屈折光学素子（レンズ等）の屈
折性や透過率の問題から、現在光源として利用できる光
源手段の内、屈折レンズを利用した投影光学系に使用で
きる光源はＡｒ−Ｆレーザがほぼ限界であり、更なる短
波長の光源としてＦ2 レーザ（１５７ｎｍ）等が知られ
ているが、これらでは透過屈折型の投影光学系は使用で
きない。Due to the problems of refraction and transmittance of transmissive-refractive optical elements (lenses etc.), the light source that can be used in the projection optical system using the refraction lens is the Ar-F laser among the light source means currently available as the light source. Is almost the limit, and F2 laser (157 nm) is known as a light source with an even shorter wavelength, but a transmissive refraction type projection optical system cannot be used with these.
【００８８】また、Ｋｒ−Ｆレーザ（２４８ｎｍ）にお
いては、レーザの狭帯化により従来の石英レンズのみに
て構成される投影光学系が使用できる様になったが、更
に短波長のＡｒ−Ｆレーザ（１９３ｎｍ）においては、
レーザの狭帯化の見通しは必ずしも明るくなく、実用化
に至っていない問題があった。しかし、本発明によれ
ば、Ａｒ−Ｆレーザを用いた投影光学系が構築できるの
で、これを備えた投影露光装置によれば、従来より微細
なパターンの露光転写が可能となり、更なる光集積半導
体素子等の製造が可能となる。Further, in the Kr-F laser (248 nm), the projection optical system constituted only by the conventional quartz lens can be used due to the narrowing of the laser band. In the laser (193 nm),
The prospect of narrowing the laser band was not always bright, and there was a problem that it was not put to practical use. However, according to the present invention, since a projection optical system using an Ar-F laser can be constructed, a projection exposure apparatus equipped with this makes it possible to perform exposure and transfer of a finer pattern than in the past, and to achieve further optical integration. It becomes possible to manufacture semiconductor elements and the like.
【００８９】[0089]
【実施例】以下に、実施例を通じ、本発明を更に詳しく
説明する。図１は、本発明の第１の実施例として、Ａｒ
−Ｆエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）を光源とする投
影露光装置の投影光学系を示す概念図である。この図お
ける投影光学系は、回折光学素子１１１、石英レンズ１
２１並びに螢石レンズ１３１の三種の構成要素からなる
ものである。Ａｒ−Ｆエキシマレーザ（不図示）からの
露光光は、フォトマスク１０１と上記の投影光学系を介
して感光基板１０２上に投影され、装置全体としてはマ
スク上のパターンを感光基板上に転写露光するものであ
る。EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples. FIG. 1 shows Ar as a first embodiment of the present invention.
It is a conceptual diagram which shows the projection optical system of the projection exposure apparatus which uses a -F excimer laser ((lambda) = 193nm) as a light source. The projection optical system in this figure includes a diffractive optical element 111 and a quartz lens 1.
21 and the fluorite lens 131. Exposure light from an Ar-F excimer laser (not shown) is projected onto the photosensitive substrate 102 via the photomask 101 and the above-mentioned projection optical system, and the pattern on the mask is transferred and exposed onto the photosensitive substrate in the entire apparatus. To do.
【００９０】投影光学系の作用については、作用の項で
前述したものと同様であり、投影光学系のパワー（焦点
距離の逆数）と各構成要素のパワーとの関係は、式（１
３）、色収差の補正条件は式（１４）、２次スペクトル
量は式（１５）で与えられている。これらの式におい
て、未知数は石英レンズのパワー１／ｆQ 、螢石レンズ
のパワー１／ｆC 、回折光学素子のパワー１／ｆD の３
つであり、各係数は露光光の波長をパラメーターとして
定められるものである。The operation of the projection optical system is the same as that described above in the section of the operation, and the relationship between the power of the projection optical system (the reciprocal of the focal length) and the power of each component is expressed by the formula (1)
3), the chromatic aberration correction condition is given by equation (14), and the secondary spectrum amount is given by equation (15). In these equations, the unknowns are 3 of the power 1 / fQ of the quartz lens, the power 1 / fC of the fluorite lens, and the power 1 / fD of the diffractive optical element.
Each coefficient is defined with the wavelength of the exposure light as a parameter.
【００９１】本実施例においては、露光光としてＡｒ−
Ｆエキシマレーザを用いるため、波長λ＝０．１９３μ
ｍにおいて、前述の式（１８）、式（１９）を用いて求
めることができる。波長λ＝１９３ｎｍにおける、石英
と螢石の屈折率、及びそれらの波長微分量は、以下の様
になる。In this embodiment, Ar-is used as the exposure light.
Since the F excimer laser is used, the wavelength λ = 0.193μ
In m, it can be obtained by using the above equations (18) and (19). The refractive indices of quartz and fluorite at the wavelength λ = 193 nm and their wavelength differential amounts are as follows.
【００９２】 ｎQ ＝１．５６０７６９ …（２０）式 ｎC ＝１．５０１５３２ …（２１）式 ∂ｎQ ／∂λ ＝−１．５９０６ …（２２）式 ∂ｎC ／∂λ ＝−０．９７９９３ …（２３）式 ∂2 ｎQ ／∂λ2 ＝１８４．４１ …（２４）式 ∂2 ｎC ／∂λ2 ＝１０６．７３ …（２５）式NQ = 1.560769 (20) Expression nC = 1.501532 (21) Expression ∂nQ / ∂λ = -1.5906 (22) Expression ∂nC / ∂λ = -0 .97999 ... (23) Formula ∂2 nQ / ∂λ2 = 184.41… (24) Formula ∂2 nC / ∂λ2 = 106.73… (25) Formula
【００９３】上記の数値を用いて、式（１３）と式（１
４）を連立させ、本実施例の装置における２次スペクト
ル（式（１５））を、以下に評価する。このとき、回折
光学素子のパワー１／ｆD を変数として取り扱う。Using the above numerical values, equations (13) and (1
4) are made simultaneous, and the secondary spectrum (equation (15)) in the device of this example is evaluated as follows. At this time, the power 1 / fD of the diffractive optical element is treated as a variable.
【００９４】図５は、横軸を回折光学素子のパワーに取
り、それに対する石英レンズパワー（１／ｆQ ）と螢石
レンズのパワー（１／ｆC ）を左側の縦軸、２次スペク
トル量（−１／ｆ・（∂2 ｆ／∂λ2 ））を右側の縦軸
にプロットしたものである。ここでは、投影光学系のパ
ワー（１／ｆ）が１になるように正規化した。In FIG. 5, the horizontal axis represents the power of the diffractive optical element, and the quartz lens power (1 / fQ ) and the fluorite lens power (1 / fC ) corresponding thereto are plotted on the left vertical axis and the secondary spectrum. The amount (−1 / f · (∂2 f / ∂λ2 )) is plotted on the right vertical axis. Here, the power (1 / f) of the projection optical system is normalized so as to be 1.
【００９５】図５を概観すれば、回折光学素子のパワー
をゼロにした光学系の組み合わせ（１／ｆD ＝０のと
き）から、少しづつ回折光学素子に正のパワーを与えた
組み合わせとするに従って、負のパワーを持つ石英レン
ズ及び正のパワーを持つ螢石レンズのパワーの絶対値は
少しづつ小さくなることがわかる。一方、それと同時
に、２次スペクトルは初め負から正に変化し、後は単調
に増加していくことがわかる。As shown in FIG. 5, from the combination of optical systems in which the power of the diffractive optical element is zero (when 1 / fD = 0), the combination of positive power is gradually applied to the diffractive optical element. It follows that the absolute value of the power of the quartz lens having negative power and the fluorite lens having positive power gradually decreases. On the other hand, at the same time, it can be seen that the secondary spectrum first changes from negative to positive and then increases monotonically.
【００９６】まず、図５において、１／ｆD ＝０の場合
は、回折光学素子を平行平面板と等価であると見なす場
合に相当しており、従来技術の一つである石英レンズと
螢石レンズのみによる色収差補正光学系に対応するもの
である。このとき、石英レンズのパワー、螢石レンズの
パワー、及び２次スペクトル量の各量に対して、次の数
値が得られる。First, in FIG. 5, the case of 1 / fD = 0 corresponds to the case where the diffractive optical element is considered to be equivalent to a plane-parallel plate, and it is one of the prior arts such as a quartz lens and a lens. It corresponds to a chromatic aberration correction optical system using only a stone lens. At this time, the following numerical values are obtained for each of the quartz lens power, the fluorite lens power, and the secondary spectrum amount.
【００９７】 １／ｆD ＝０ …（２６）式 １／ｆQ ＝−２．２１４ …（２７）式 １／ｆC ＝３．２１４ …（２８）式 （−１／ｆ）・（∂2 ｆ／∂λ2 ）＝−０．４４１×１０2 …（２９）式1 / fD = 0 (26) Formula 1 / fQ = −2.214 (27) Formula 1 / fC = 3.214 (28) Formula (−1 / f) · (∂2 f / ∂λ2 ) = − 0.441 × 102 Equation (29)
【００９８】これらの数値により以下のことがわかる。
まず、従来の（回折光学素子の無い）色収差補正光学系
でも、２次スペクトル量を比較的小さい値に抑えること
ができる。しかし、石英レンズと螢石レンズのパワーの
絶対値が大きく、レンズ表面の小さな曲率が必要とされ
る。従って、レンズ素子の偏心公差が厳しくなり、レン
ズの組立製造も難しい。さらに、レンズ径が小さくなる
ので、大きなフィールドが得られない問題もある。The following can be understood from these numerical values.
First, even in the conventional chromatic aberration correction optical system (without the diffractive optical element), the secondary spectrum amount can be suppressed to a relatively small value. However, the absolute value of the power of the quartz lens and the fluorite lens is large, and a small curvature of the lens surface is required. Therefore, the eccentricity tolerance of the lens element becomes strict, and it is difficult to assemble and manufacture the lens. Further, since the lens diameter is small, there is a problem that a large field cannot be obtained.
【００９９】一方、別の従来技術の一つである石英レン
ズと回折光学素子のみによる色収差補正光学系は、１／
ｆC ＝０となる点に対応するものである。このときの石
英レンズパワーと回折光学素子のパワーは、１／ｆC ＝
０の点を通る垂線との交点から読み取ることができ、次
の値が得られる。On the other hand, the chromatic aberration correction optical system using only the quartz lens and the diffractive optical element, which is one of the other conventional techniques, is 1 /
This corresponds to the point where fC = 0. At this time, the quartz lens power and the diffractive optical element power are 1 / fC =
It can be read from the intersection with the perpendicular passing through the 0 point and the following values are obtained.
【０１００】 １／ｆD ＝０．３５４ …（３０）式 １／ｆQ ＝０．６４６ …（３１）式 １／ｆC ＝０ …（３２）式 （−１／ｆ）・（∂2 ｆ／∂λ2 ）＝２．１３×１０2 …（３３）式1 / fD = 0.354 (30) Expression 1 / fQ = 0.646 (31) Expression 1 / fC = 0 (32) Expression (−1 / f) · (∂2 f / ∂λ2 ) = 2.13 × 102 Equation (33)
【０１０１】この従来例の色収差補正光学系では、先の
石英レンズと螢石レンズによる光学系の場合と比較し
て、それぞれのレンズパワーの絶対値が小さい値となる
ので、レンズ形状の上で有利な良い構成といえる。しか
し、２次スペクトル量が容認できない程度に大きくなっ
てしまい、光源の波長半値幅（スペクトル幅）との関係
で、実用に耐え得る精度の露光投影は困難である。In this conventional chromatic aberration correction optical system, the absolute values of the respective lens powers are smaller than those of the above-mentioned optical system using the quartz lens and the fluorite lens. It can be said that it is an advantageous good configuration. However, the amount of secondary spectrum becomes unacceptably large, and it is difficult to perform exposure projection with an accuracy that can be practically used due to the relationship with the wavelength half-width (spectral width) of the light source.
【０１０２】例えば、現在一般的に用いられているＫｒ
−Ｆエキシマレーザ（２４８ｎｍ）を光源とする投影露
光装置においては、投影光学系は石英レンズのみで構成
されており、全系の焦点距離ｆが光源のスペクトル幅δ
λに起因してボケる量δｆは、式（１０）の微分量と式
（１８）より求めることができ、次の式（３４）の様に
なる。For example, Kr which is generally used at present
In a projection exposure apparatus using a −F excimer laser (248 nm) as a light source, the projection optical system is composed of only a quartz lens, and the focal length f of the entire system is the spectral width δ of the light source.
The blur amount δf due to λ can be obtained from the differential amount of the equation (10) and the equation (18), and is represented by the following equation (34).
【０１０３】 δｆ／ｆ≒１．１０・δλ …（３４）式Δf / f≈1.10 · δλ Equation (34)
【０１０４】Ｋｒ−Ｆエキシマレーザのスペクトル幅δ
λは、δλ＝１．０×１０-3〜１．５×１０-3（ｎｍ）
であるから、式（３４）に代入することによって次の値
（３５）が求まる。Spectral width δ of Kr-F excimer laser
λ is δλ = 1.0 × 10−3 to 1.5 × 10−3 (nm)
Therefore, the following value (35) is obtained by substituting it into the equation (34).
【０１０５】 δｆ／ｆ≒（１．１〜１．６５）×１０-3 …（３５）式Δf / f≈ (1.1 to 1.65) × 10−3 Equation (35)
【０１０６】即ち、このＫｒ−Ｆエキシマレーザを光源
とする投影光学系では、全系の焦点距離の０．１１〜
０．１６５％程度が、色収差に起因する光軸方向のボケ
となっている。That is, in the projection optical system using this Kr-F excimer laser as a light source, the focal length of the entire system is 0.11 to 0.11.
About 0.165% is blurring in the optical axis direction due to chromatic aberration.
【０１０７】これに対して、従来技術の一つである上記
石英レンズと回折光学素子からなる投影光学系を、Ａｒ
−Ｆエキシマレーザ（１９３ｎｍ）光源に対して使用す
る場合の、全系の焦点距離ｆが光源のスペクトル幅δλ
に起因してボケる量δｆについて考察する。この場合
は、一次の色収差は補正済であるが、前述の様に２次ス
ペクトルが大きく、色収差の原因となっている。この２
次スペクトルに起因する焦点距離の光軸方向のボケを求
め、上記現行の値（式（３５））と比較する。On the other hand, the projection optical system consisting of the quartz lens and the diffractive optical element, which is one of the conventional techniques, is provided with Ar.
When used for a −F excimer laser (193 nm) light source, the focal length f of the entire system is the spectral width δλ of the light source.
Consider the amount δf of blurring due to. In this case, although the primary chromatic aberration has been corrected, the secondary spectrum is large as described above, which causes the chromatic aberration. This 2
The blur of the focal length due to the next spectrum in the optical axis direction is obtained and compared with the current value (equation (35)).
【０１０８】 δｆ／ｆ≒（１／ｆ）（１／２）（∂2 ｆ／∂λ2 ）（δλ／２）2 …（３６）式Δf / f≈ (1 / f) (1/2) (∂2 f / ∂λ2 ) (δλ / 2)2 (36) Formula
【０１０９】式（３６）の中に、式（３３）の値及びＡ
ｒ−Ｆエキシマレーザのスペクトル幅δλ＝１０×１０
-3（ｎｍ）を代入することによって、次の値（３７）が
求まる。In Expression (36), the value of Expression (33) and A
Spectral width of r-F excimer laser δλ = 10 × 10
By substituting-3 (nm), the next value (37) is obtained.
【０１１０】 δｆ／ｆ≒−２．６６×１０-3………………（３７）式Δf / f≈−2.66 × 10−3 Equation (37)
【０１１１】即ち、この従来のＫｒ−Ｆエキシマレーザ
投影光学系では、全系の焦点距離の０．２６６％程度が
色収差に起因する光軸方向のボケとなっており、上記現
行の場合（式（３５））より２倍程度大きいことがわか
る。これでは解像度が悪く、実用の投影光学系として用
いることは難しい。少なくとも２次スペクトル量を式
（３７）のおよそ半分（１．０×１０2 程度）に抑える
ことができれば、色収差に起因する光軸方向のボケは、
上記現行の場合と同程度になる。That is, in this conventional Kr-F excimer laser projection optical system, about 0.266% of the focal length of the entire system is blurred in the optical axis direction due to chromatic aberration. It can be seen that it is about twice as large as (35)). This has poor resolution and is difficult to use as a practical projection optical system. If at least the secondary spectrum amount can be suppressed to about half (about 1.0 × 102 ) of the equation (37), blurring in the optical axis direction due to chromatic aberration is
It will be similar to the current case.
【０１１２】本実施例の三種の構成要素による色収差補
正光学系では、図５の実線で示されている様に、上記２
つの従来例を含めた多くの組み合わせが可能である。こ
れら多数の組み合わせのうち、回折光学素子のパワー
が、図５中において次の条件式（３８）を満たす場合
は、従来例と比較してレンズパワー及び２次スペクトル
の観点から向上したものとなっている。In the chromatic-aberration correction optical system according to the third embodiment of the present invention, as shown by the solid line in FIG.
Many combinations are possible, including one conventional example. Of the many combinations, when the power of the diffractive optical element satisfies the following conditional expression (38) in FIG. 5, it is improved from the viewpoint of the lens power and the secondary spectrum as compared with the conventional example. ing.
【０１１３】 ０＜１／ｆD ＜０．３５４…………（３８）式0 <1 / fD <0.354 (38) Equation
【０１１４】即ち、石英レンズと螢石レンズのみによる
色収差補正光学系に比べて、各々のレンズパワーの絶対
値が小さく、レンズ形状の制限条件が抑えられるため、
有利である。更に、石英レンズと回折光学素子のみによ
る色収差補正光学系に比べて、２次スペクトル量が大幅
に小さく抑えられた組み合わせに相当する。That is, as compared with the chromatic aberration correction optical system using only the quartz lens and the fluorite lens, the absolute value of each lens power is small and the limiting condition of the lens shape can be suppressed.
It is advantageous. Further, it corresponds to a combination in which the amount of secondary spectrum is significantly reduced as compared with a chromatic aberration correction optical system that includes only a quartz lens and a diffractive optical element.
【０１１５】上記条件範囲の中で、回折光学素子のパワ
ーを次の値に定めることにより、２次スペクトル量をゼ
ロにすることが可能である。By setting the power of the diffractive optical element to the following value within the above condition range, it is possible to make the secondary spectrum amount zero.
【０１１６】 １／ｆD ＝０．０６ …（３９）式 １／ｆQ ＝−１．７２ …（４０）式 １／ｆC ＝２．６６ …（４１）式 （−１／ｆ）・（∂2 ｆ／∂λ2 ）＝０ …（４２）式1 / fD = 0.06 (39) Expression 1 / fQ = -1.72 (40) Expression 1 / fC = 2.66 (41) Expression (-1 / f) (∂2 f / ∂λ2 ) = 0 (42) Formula
【０１１７】しかし、実務的には、２次スペクトル量と
して若干プラス側に値を許容し、石英レンズと螢石レン
ズのパワーの絶対値を小さくする方が望ましい。特に、
本実施例において、前述の様に２次スペクトル量が１．
０×１０2 程度のとき、色収差による焦点距離の光軸方
向のボケが、現行の露光装置と同程度になることから、
その値のときを２次スペクトルの許容限界と考えること
ができる。従って、条件式（３８）のうち更に望ましい
のは回折光学素子のパワーが次の条件式（４３）を満た
すときである。However, in practice, it is desirable to allow a slightly positive value as the secondary spectrum amount and reduce the absolute values of the powers of the quartz lens and the fluorite lens. In particular,
In this embodiment, as described above, the secondary spectrum amount is 1.
When it is about 0 × 102, the blurring of the focal length in the optical axis direction due to chromatic aberration becomes about the same as that of the existing exposure apparatus.
The value can be considered as the allowable limit of the secondary spectrum. Therefore, the condition (38) is more desirable when the power of the diffractive optical element satisfies the following condition (43).
【０１１８】 ０＜１／ｆD ＜０．２ …（４３）式0 <1 / fD <0.2 Equation (43)
【０１１９】以上は、説明を簡単にするため、薄肉密着
系として記述したが、実際のレンズ系は厚肉系であり、
しかも、色収差以外の収差の補正のために、各種形状の
レンズを複数枚組み合わせる必要がある。この場合に
も、本発明に関する原理は適用可能であり、光学系を構
成する要素として、回折光学素子と石英レンズと螢石レ
ンズの三種を含んで、光学系に生ずる色収差、特に二次
スペクトルを補正することが本発明の主眼である。The above description is made as a thin-walled adhesive system for the sake of simplicity, but the actual lens system is a thick-walled system.
Moreover, it is necessary to combine a plurality of lenses of various shapes in order to correct aberrations other than chromatic aberration. In this case as well, the principle relating to the present invention can be applied, and as elements constituting the optical system, three types of diffractive optical element, quartz lens, and fluorite lens are included, and chromatic aberration generated in the optical system, particularly secondary spectrum is generated. Correcting is the focus of the present invention.
【０１２０】また、レンズのパワーの絶対値を小さくし
て、レンズの形状上の優位性を確保すると同時に、色収
差に係る２次スペクトル量を低減するために、光学系を
構成する少なくとも一つの回折光学素子は、正のパワー
を有し、少なくとも一つの石英レンズが負のパワーを有
し、少なくとも一つの螢石レンズが正のパワーを有する
ことが望ましい。Further, in order to secure the superiority in the shape of the lens by reducing the absolute value of the power of the lens, and at the same time, to reduce the secondary spectrum amount related to the chromatic aberration, at least one diffraction component which constitutes the optical system. The optical element preferably has positive power, at least one quartz lens has negative power, and at least one fluorite lens has positive power.
【０１２１】次に、第２実施例として、Ｋｒ−Ｆエキシ
マレーザー（λ＝２４８ｎｍ）を光源とする投影露光装
置を考える。この場合の投影光学系は、第１実施例と同
様に、回折光学素子、石英レンズ、螢石レンズの三種の
構成要素からなるものであり、概念説明図は第１実施例
の説明に用いた図１と同様である。Next, as a second embodiment, let us consider a projection exposure apparatus using a Kr-F excimer laser (λ = 248 nm) as a light source. The projection optical system in this case is composed of three kinds of constituent elements, that is, a diffractive optical element, a quartz lens, and a fluorite lens, as in the first embodiment, and the conceptual explanatory view was used for the description of the first embodiment. It is similar to FIG.
【０１２２】本実施例においては、光源としてＫｒ−Ｆ
エキシマレーザを用いるため、波長λ＝２４８ｎｍにお
ける石英と螢石の屈折率及びそれらの波長微分量を、前
述の式（１８）、式（１９）より求めることができ、結
果は以下の様になる。In this embodiment, Kr-F is used as the light source.
Since the excimer laser is used, the refractive indexes of quartz and fluorite at the wavelength λ = 248 nm and the wavelength differential amounts thereof can be obtained from the above equations (18) and (19), and the result is as follows. .
【０１２３】 ｎQ ＝１．５０８５５１ …（４４）式 ｎC ＝１．４６８０３３ …（４５）式 ∂ｎQ ／∂λ ＝−０．５６０７９ …（４６）式 ∂ｎC ／∂λ ＝−０．３７３４７ …（４７）式 ∂2 ｎQ ／∂λ2 ＝２９．７４０ …（４８）式 ∂2 ｎC ／∂λ2 ＝１９．０７７ …（４９）式NQ = 1.508551 (44) Expression nC = 1.468033 (45) Expression ∂nQ / ∂λ = -0.56079 (46) Expression ∂nC / ∂λ = -0 .37347 (47) Expression ∂2 nQ / ∂λ2 = 29.740 (48) Expression ∂2 nC / ∂λ2 = 19.077 (49) Expression
【０１２４】上記の諸量を用いて、第１実施例における
方法と同様に、本実施例の装置における２次スペクトル
を、以下に評価する。図６は、図５と同様に、横軸を回
折光学素子のパワーに取り、それに対する石英レンズパ
ワー（１／ｆQ ）と螢石レンズのパワー（１／ｆC ）を
左側の縦軸、２次スペクトル量（−１／ｆ・（∂2 ｆ／
∂λ2 ））を右側の縦軸にプロットしたものである。こ
こでは、投影光学系のパワー（１／ｆ）が１になるよう
に正規化した。Using the above-mentioned amounts, the secondary spectrum in the device of this example is evaluated in the same manner as in the method of the first example. In FIG. 6, similarly to FIG. 5, the horizontal axis is taken as the power of the diffractive optical element, and the quartz lens power (1 / fQ ) and the power of the fluorite lens (1 / fC ) are plotted on the left vertical axis, Secondary spectrum amount (-1 / f · (∂2 f /
∂λ2 )) is plotted on the right vertical axis. Here, the power (1 / f) of the projection optical system is normalized so as to be 1.
【０１２５】本実施例の図６を、前述の第１実施例の図
５と比較すると、２次スペクトル量を表す右側縦軸のス
ケールが拡大されていることが特徴として挙げられる。
つまり、２次スペクトル量の絶対値は、光源の波長が短
い本実施例の方が全体的に小さいことがわかる。即ち、
二次スペクトルの影響が、波長が長くなったことに伴い
少なくなっている。When FIG. 6 of this embodiment is compared with FIG. 5 of the above-mentioned first embodiment, the feature is that the scale of the right vertical axis showing the secondary spectrum amount is enlarged.
That is, it can be seen that the absolute value of the secondary spectrum amount is generally smaller in the present embodiment in which the wavelength of the light source is shorter. That is,
The influence of the secondary spectrum diminishes as the wavelength becomes longer.
【０１２６】上記以外は、ほぼ同一の傾向が認められ、
次の効果が認められる。即ち、石英レンズと螢石レンズ
のみで構成される光学系に比べて、それぞれのレンズパ
ワーの絶対値を小さくすることができるので、レンズ形
状上、有利である。また、石英レンズと回折光学素子に
て構成される光学系に比べて、２次スペクトル量を小さ
い値とすることができる。Except for the above, almost the same tendency was observed,
The following effects are recognized. That is, the absolute value of each lens power can be made smaller than that of an optical system including only a quartz lens and a fluorite lens, which is advantageous in terms of lens shape. In addition, the secondary spectrum amount can be set to a smaller value than that of an optical system including a quartz lens and a diffractive optical element.
【０１２７】なお、以上の実施例並びに作用では、回折
光学素子や、石英レンズ並びに螢石レンズのパワーを正
負で表現したが、これらは光学素子の少なくとも近軸域
においてこの条件を満足するものであれば良い。例え
ば、非球面レンズや、集光又は発散以外の回折作用を持
つ回折格子で合っても、本発明を応用できることはいう
までもない。In the above-mentioned embodiments and operations, the powers of the diffractive optical element, the quartz lens and the fluorite lens are expressed as positive and negative, but these satisfy at least the paraxial region of the optical element. I wish I had it. For example, it goes without saying that the present invention can be applied even if an aspherical lens or a diffraction grating having a diffractive action other than focusing or diverging is used.
【０１２８】[0128]
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、投
影露光装置の投影光学系として、回折光学素子と、石英
レンズと、螢石レンズの三種の構成要素を組み合わせて
用いることにより、従来の投影光学系に比べて、２次ス
ペクトルを低減させることができ、色収差の補正が波長
帯域で良好に行なわれることとなる。As described above, according to the present invention, as a projection optical system of a projection exposure apparatus, a diffractive optical element, a quartz lens, and a fluorite lens are used in combination to realize the conventional structure. The secondary spectrum can be reduced as compared with the projection optical system of No. 1 and the chromatic aberration can be corrected well in the wavelength band.
【０１２９】このことは、例えば、Ａｒ−Ｆエキシマレ
ーザ（１９３ｎｍ）等のような波長の短い光源を用いる
ほど顕著な効果として現れるため、投影光学系の更なる
高分解能化の要請に対処するための光源の短波長化の要
請に十分に答えることが可能となる。特に、Ａｒ−Ｆエ
キシマレーザ（１９３ｎｍ）を使用する場合に有用であ
る。This appears as a remarkable effect when a light source having a short wavelength such as an Ar-F excimer laser (193 nm) is used, and therefore, it is necessary to cope with the demand for higher resolution of the projection optical system. It will be possible to sufficiently meet the demand for shortening the wavelength of the light source. In particular, it is useful when using an Ar-F excimer laser (193 nm).
【０１３０】更に、色収差補正が良好に行なわれる上記
の構成において、それぞれのレンズパワーの絶対値を小
さくすることができる。このように、それぞれのレンズ
パワーの絶対値を小さく構成しても収差の補正ができる
ことは、レンズ形状上、有利である。即ち、レンズ径
（開口径）を大きく設計することができるので、大ＮＡ
化や大フィールド化を実現することができ、その結果、
露光装置としての性能は更に向上することとなる。Furthermore, in the above-mentioned structure in which the chromatic aberration is favorably corrected, the absolute value of each lens power can be made small. As described above, it is advantageous in terms of lens shape that aberration can be corrected even if the absolute value of each lens power is made small. That is, since the lens diameter (aperture diameter) can be designed to be large, a large NA
Can be realized and large field, and as a result,
The performance of the exposure apparatus will be further improved.
【０１３１】加えて、回折光学素子に適当な正のパワ
ー、石英レンズに適当な負のパワー、螢石レンズに適当
な正のパワーを与えることにより、２次スペクトル量を
ゼロにするという効果を持たせることができる。In addition, by giving an appropriate positive power to the diffractive optical element, an appropriate negative power to the quartz lens, and an appropriate positive power to the fluorite lens, the effect of making the secondary spectrum amount zero can be obtained. You can have it.
【０１３２】あるいは、実務的観点から、２次スペクト
ル量にプラス側の許容度を設ければ、石英レンズと螢石
レンズのパワーの絶対値を大幅に軽減し、レンズ形状の
制約を少なくして設計上の優位性という効果を確保する
こともできる。Alternatively, from a practical point of view, if the tolerance on the positive side is provided for the secondary spectrum amount, the absolute value of the power of the quartz lens and the fluorite lens is significantly reduced, and the constraint on the lens shape is reduced. It is also possible to secure the effect of design superiority.
【図１】本発明に係る投影露光装置の実施例の概念説明
図である。FIG. 1 is a conceptual explanatory diagram of an embodiment of a projection exposure apparatus according to the present invention.
【図２】従来例を示す概念構成図である。FIG. 2 is a conceptual configuration diagram showing a conventional example.
【図３】従来例を示す概念構成図である。FIG. 3 is a conceptual configuration diagram showing a conventional example.
【図４】２次スペクトルを説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a secondary spectrum.
【図５】光源の波長がλ＝１９３ｎｍの場合に第１実施
例の効果を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the first embodiment when the wavelength of the light source is λ = 193 nm.
【図６】光源の波長がλ＝２４８ｎｍの場合に第２実施
例の効果を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the second embodiment when the wavelength of the light source is λ = 248 nm.
１０１、２０１、３０１：フォトマスク １０２、２０２、３０２：感光性基板 １１１、３１３：回折光学素子 １２１、２２２、３２３：石英レンズ １３１、２３２：螢石レンズ 101, 201, 301: Photomask 102, 202, 302: Photosensitive substrate 111, 313: Diffractive optical element 121, 222, 323: Quartz lens 131, 232: Fluorite lens
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| JP17037694 | 1994-06-30 | ||
| JP6334554AJPH0878319A (en) | 1994-06-30 | 1994-12-20 | Projection exposure device |
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0878319Atrue JPH0878319A (en) | 1996-03-22 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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