JP4819419B2 - 結像光学系、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、光学系に係り、特に、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光する露光装置の検出光学系に関する。本発明は、特に、露光光減として紫外線や極端紫外線（ＥＵＶ：ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を利用する露光装置に用いられる光学系に好適である。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体素子を製造する際に、マスク（レチクル）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する縮小投影露光装置が従来から使用されている。

縮小投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、解像度はよくなる。そして、近年の半導体素子の微細化への要求に伴い露光光の短波長化が進められている。このため、超高圧水銀ランプ（ｉ線（波長約３６５ｎｍ））、ＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）が露光光源とされ、露光光としての紫外光の波長は短くなってきた。

しかし、半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。そこで、４２ｎｍ以下の非常に微細な回路パターンを効率よく転写するために、縮小投影露光装置（以下、「ＥＵＶ露光装置」と称する。）が開発されている。そのＥＵＶ露光装置は、紫外光よりも更に波長が短い、波長１０ｎｍ乃至１５ｎｍ程度の極端紫外（ＥＵＶ）光を用いている。

露光光の短波長化が進むと物質による光の吸収が非常に大きくなるため、可視光や紫外光で用いられるような光の屈折を利用した屈折素子、即ち、レンズを用いることは難しい。更に、ＥＵＶ光の波長領域では使用できる硝材が存在しなくなり、光の反射を利用した反射素子、即ち、ミラーのみで光学系を構成する反射型光学系が用いられる。

また、ＥＵＶ光は、大気雰囲気では吸収されやすく、減衰してしまうため真空雰囲気でＥＵＶ露光装置を使用することが必須となっている。そこで、ＥＵＶ露光装置は、少なくともＥＵＶ光が通る光路（照明光学系や投影光学系など）を、真空雰囲気を維持する真空チャンバーに収納し、ＥＵＶ光を減衰させることなく使用している。

但し、ＥＵＶ光を使用しないアライメント検出系やフォーカス位置検出系は、真空雰囲気と大気雰囲気とを隔離するガラス（ビューイングウィンドウ）を介して、構成要素の一部を大気雰囲気に配置することができる（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、真空雰囲気では動作不良を生じたり、汚染物質を発生させたりしてしまうために真空雰囲気に配置することができない構成要素（計測光光源、撮像素子及び電気回路等）を大気雰囲気に配置している。

一方、アライメント検出系やフォーカス位置検出系の光学系の全て、或いは、一部は、真空雰囲気に配置される。これらの光学系は、大気雰囲気から真空雰囲気に環境が変化した場合、かかる環境の変化に応じて屈折率も変化するため、光学性能が変化してしまうという問題を生じる。例えば、波長８２０ｎｍの光に対して、真空雰囲気での屈折率を１．０００００とすると、大気雰囲気での屈折率は１．０００２７となる。かかる屈折率の変化が、光学系の光学性能の変化に影響を及ぼすことになる。ここで、光学性能とは、フォーカス位置、結像倍率及び波面収差である。

真空雰囲気に配置される光学系は、一般には、大気雰囲気において組み立て及び調整される。具体的には、環境変化の影響による光学性能の変化、例えば、結像位置の変化量を予め求めておき、かかる変化を考慮して大気雰囲気にて調整する。しかし、光学系の組み立て及び調整の誤差、又は、光学部材の加工誤差（レンズの曲率半径、厚さ、ガラスの光学定数のばらつき）等の影響によって、結像位置が予め求めた変化量だけ変化するとは限らない。従って、真空環境でのアライメント検出系又はフォーカス位置検出系の光学性能が著しく劣化する懸念がある。換言すれば、環境の変化に応じて光学性能が大きく変化すると、高精度な検出が行えなくなる。そこで、環境変化に伴う光学性能の変化（結像位置の変化量）が少ない光学系が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２１７１９１号公報 特開平１１−２７１６０４号公報

しかしながら、特許文献２は、環境変化に対する光学性能の変化の少ない光学系を開示しているが、物体距離が無限遠の光学系を開示しているのみで、有限の物体距離の光学系（光学配置）については開示していない。例えば、有限距離にある物体像の結像を、特許文献２の光学系を用いて環境変化の影響を受けにくい光学系を構成することを考える。この場合、特許文献２の光学系を２組用意し、各光学系の無限物体側を互いに向かい合わせて配置する必要がある。更に、それぞれの光学系を、環境変化の影響を受けないように設計する必要がある。また、光学系の全長が長くなること、及び、レンズの枚数が増加する等の不都合を生じてしまう。

また、光学系を調整するための真空チャンバーを設け、真空雰囲気での光学性能の変化（結像位置の変化量）を測定し、かかる測定結果に基づいて大気雰囲気で調整することも考えられる。しかし、時間及びコストがかかることに加えて、調整のための設備が複雑化するという問題を生じてしまう。

そこで、本発明は、簡易な構成でありながら、環境変化に対する光学性能の変化を低減することができる結像光学系、露光装置及びデバイス製造方法を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての結像光学系は、物体面のパターンの像を像面上に形成する結像光学系において、前記物体面のパターンの像を形成する第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系からの光に基づいて前記物体面のパターンの像を形成する第２の結像光学系と、を備え、前記第１の結像光学系及び前記第２の結像光学系が配置される雰囲気の屈折率が変化した場合に、前記第１の結像光学系及び前記第２の結像光学系のうちいずれか一方の物像間距離が長くなると、他方の物像間距離が短くなることを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての結像光学系は、正の屈折率を有する前記第１の結像光学系は、前記物体面側に平面を向けた正の第１のレンズと、前記物体面側に凸面を向けた正の第２のレンズと、前記物体面側に凹面を向けた負の第３のレンズと、前記物体面側に凸面を向けた正の第４のレンズと、前記物体面側に凹面を向けた負の第５のレンズとを有し、前記第２の結像光学系は、前記物体面側に平面を向けた正の第６のレンズと、前記物体面側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第７のレンズと、前記物体面側に凸面を向けた正の第８のレンズとを有することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての露光装置は、光源からの光を用いて、マスクのパターンで被処理体を露光する露光装置であって、前記被処理体の表面の位置を検出する第１の検出光学系と、前記マスクと前記被処理体との相対位置を検出する第２の検出光学系とを有し、前記第１の検出光学系及び前記第２の検出光学系の少なくとも一方は、上述の結像光学系を含むことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、簡易な構成でありながら、環境変化に対する光学性能の変化を低減することができる結像光学系、露光装置及びデバイス製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての結像光学系について説明する。なお、各図において同一の部材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。また、本出願において、「レンズ群」は、複数のレンズだけではなく、１つのみのレンズも含む表現とする。

まず、図１０を参照して、結像光学系１０００の配置されている環境が、大気雰囲気から真空雰囲気、或いは、真空雰囲気から大気雰囲気に変化した場合の結像位置の変化について説明する。以下、光学系の配置されている環境が、大気雰囲気から真空雰囲気、或いは、真空雰囲気から大気雰囲気に変化した場合を、環境変化と称する。ここで、図１０は、結像光学系１０００の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図であって、図１０（ａ）は真空雰囲気での結像関係を、図１０（ｂ）は大気雰囲気での結像関係を示している。

大気雰囲気での屈折率ｎ_ａｉｒは、真空雰囲気での屈折率ｎ_ｖａｃを１．０００００とすると、１．０００２７である。結像光学系１０００は、図１０に示すように、物体面ＯＳに近い位置に配置された結像倍率αの第１の結像光学系１１００と、像面ＩＳに近い位置に配置された結像倍率βの第２の結像光学系１２００とから構成される。従って、結像光学系１０００の結像倍率は、α×β倍となる。

結像光学系１０００の配置されている環境が真空雰囲気から大気雰囲気に変化した場合、第１の結像光学系１１００の結像位置ＩＰ１は、結像位置ＩＰ１’に変化する。同様に、第２の結像光学系１２００の結像位置も変化する。従って、結像光学系１０００の最終結像面の位置は、真空雰囲気と大気雰囲気との間で変化してしまう（即ち、変化量ｄ３を生じる）。変化量ｄ３は、特に、第１の結像光学系１１００及び第２の結像光学系１２００の各結像位置が環境変化によって同じ方向に変化すると著しく大きな値となる。

一方、本発明の結像光学系１００は、図１に示すように、環境変化に対する最終結像面の位置の変化量ｄ３を極めて小さい値（若しくは、０）に抑えることができる。図１は、本発明の結像光学系１００の構成を示す概略断面図である。図１では、真空雰囲気での光路を実線で、大気雰囲気での光路を破線で示している。また、結像光学系１００は、物体面ＯＳからの光を像面ＩＳに結像する。

ここで、結像光学系１００が、変化量ｄ３を極めて小さい値に抑えることができる理由について説明する。大気雰囲気での屈折率ｎ_ａｉｒは、真空雰囲気での屈折率ｎ_ｖａｃを１．０００００とすると、１．０００２７である。結像光学系１００は、図１に示すように、物体面ＯＳに近い位置に配置された結像倍率αの第１の結像光学系１１０と、像面ＩＳに近い位置に配置された結像倍率βの第２の結像光学系１２０とから構成される。従って、結像光学系１００の結像倍率は、α×β倍となる。

第１の結像光学系１１０は、真空雰囲気から大気雰囲気に環境が変化すると、屈折率の変化の影響を受けて、図２に示すように、結像位置（第１の結像位置）ＩＰ１が、結像位置ＩＰ１から光軸に沿って−ｘ方向にｄ１だけ変化した結像位置ＩＰ１’に変化する。ここで、図２は、第１の結像光学系１１０の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図であって、図２（ａ）は真空雰囲気での結像関係を、図２（ｂ）は大気雰囲気での結像関係を示している。

第２の結像光学系１２０は、真空雰囲気から大気雰囲気に環境が変化すると、屈折率の変化の影響を受ける。そして、第２の結像光学系１２０は、図３に示すように、結像位置（第２の結像位置）ＩＰ２が、結像位置ＩＰ２から光軸に沿って＋ｘ方向にｄ２だけ変化した結像位置ＩＰ２’に変化する。

このように、結像光学系１００は、環境変化によって変化する結像位置の方向が互いに異なる第１の結像光学系１１０及び第２の結像光学系１２０で構成されている。これにより、第１の結像光学系１１０の結像位置の変化と第２の結像光学系１２０の結像位置の変化とが打ち消し合うことになる。従って、第１の結像光学系１１０の結像位置の変化量ｄ１と第２の結像光学系１２０の結像位置の変化量ｄ２とが以下の数式２をほぼ満たすように、第１の結像光学系１１０と第２の結像光学系１２０を設計する。そのように設計することで、結像光学系１００の最終結像面の位置の変化量ｄ３を、極めて小さい値に抑えることができる。結像光学系１１０、１２０を構成するレンズの、曲率半径、レンズ厚、レンズ間隔、ガラス材料（屈折率・分散値）は、数式２をほぼ満たすようにするため、シミュレーション等により適宜設定される。第１の結像光学系１１０の結像位置の変化量ｄ１と第２の結像光学系１２０の結像位置の変化量ｄ２の値が共に０とすることで、環境変化に対する最終結像面の位置が変化しない（即ち、変化量ｄ３が０）光学系を構成することもできる。

結像光学系１００は、環境変化に対する結像位置の変化量をｄ３とし、焦点深度をＤＯＦとすると、以下の数式１を満足する。

なお、ＤＯＦは、結像光学系１００が使用される光の波長をλ、結像光学系１００の像面側の開口数をＮＡ_ＩＭＧとすると、２×λ×（１／２ＮＡ_ＩＭＧ）^２で表される。

また、第１の結像光学系１１０の結像位置の変化量ｄ１と、第２の結像光学系１２０の結像位置の変化量ｄ２は、以下の数式２を満足する。

ここで、変化量ｄ３のトレランスは、要求される光学性能に応じて変更可能であり、例えば、±ＤＯＦ／２乃至±ＤＯＦ／１０の間から選択してもよい。また、数式２における左辺の式のトレランスも光学系全系から求められる焦点深度の関係から設定してもよい。

本発明の結像光学系１００のレンズデータを以下の表１に示す。

ここで、結像光学系１００は、大気雰囲気でのｄ線に対する屈折率ｎｄ_ａｉｒを１．０００２７、真空雰囲気でのｄ線に対する屈折率ｎｄ_ｖａｃを１．０００００とする。表１に示すレンズデータの屈折率とアッベ数もｄ線に対する数値を示している。また、結像光学系１００の全系の合成焦点距離ｆ＝−９．６３３２及び結像倍率＝２７は、実際に光学設計をした際の波長λ＝８２０ｎｍに対する値である。その他の光学仕様として、０．０００６の像面側の開口数ＮＡ_ｉｍｇ及び７７３．５のＦナンバーＦｎｏの光学特性を有している。表１において、ｒは曲率半径、ｄはレンズ面間隔、ｎはレンズの屈折率、νはレンズのアッベ値である。そして、各ｒ、ｄ、ｎ、νに付随する番号は面番号であり、物体面側から像面側に向けて番号を付している。

表１に示すレンズデータを有する結像光学系１００は、例えば、−２倍の結像倍率を有する第１の結像光学系１１０と、−１３．５倍の結像倍率を有する第２の結像光学系１２０とから構成され、２７倍の結像倍率を有する。なお、第１の結像光学系１１０は、表１において、ｒ１乃至ｒ１８の部分の光学系に相当する。第２の結像光学系１２０は、表１において、ｒ１９乃至ｒ２６の部分の光学系に相当する。真空雰囲気から大気雰囲気に環境が変化した場合、第１の結像光学系１１０の真空雰囲気での結像位置に対する大気雰囲気での結像位置の変化量は、−０．０１４ｍｍである。また、第２の結像光学系１２０の真空雰囲気での結像位置に対する大気雰囲気での結像位置の変化量は、＋２．６１８ｍｍである。従って、表１に示すレンズデータを有する結像光学系１００は、環境変化による変化量が０．０９ｍｍとなり、以下の数式３で示す焦点深度ＤＯＦ_１に対して十分に小さい値となっている。換言すれば、表１に示すレンズデータを有する結像光学系１００は、環境変化による結像位置の変化量が小さく、光学性能の変化を低減することができる。

これまでは、結像光学系１００が配置されている環境が変化した場合に、結像光学系１００の結像位置の変化量を所定の範囲内に抑えることができることについて説明した。表１に示すレンズデータを有する結像光学系１００の結像倍率は、例えば、真空雰囲気では２７倍であり、大気雰囲気では２６．９７倍である。結像光学系１００は、以下の数式４を満足することで、環境変化に対して光学性能の変化を低減することができる。ここで、結像光学系１００の真空雰囲気での結像倍率をα_ｖａｃ×β_ｖａｃ、結像光学系１００の大気雰囲気での結像倍率をα_ａｉｒ×β_ａｉｒとする。

また、表１に示すレンズデータを有する結像光学系１００の結像面において、真空雰囲気での波面収差ＷＡ_ｖａｃ及び大気雰囲気での波面収差ＷＡ_ａｉｒは共に０．０２７１λである。換言すれば、結像光学系１００は、環境変化の前後で、波面収差の変化がない光学系となっている。従って、結像光学系１００は、以下の数式５で示される波面収差のトレランスを満たすことで、波面収差の変化のない光学系を構成することができる。

図４は、結像光学系１００の具体的なレンズ構成を示す概略断面図である。結像光学系１００は、図４に示すように、正の屈折力を有する第１の結像光学系（第１のレンズ群）１１０と、第２の結像光学系（第２のレンズ群）１２０とを有する。

第１の結像光学系１１０は、物体面ＯＳ側に平面を向けた正の第１のレンズ１１１と、物体面ＯＳ側に凸面を向けた正の第２のレンズ１１２と、物体面ＯＳ側に凹面を向けた負の第３のレンズ１１３と、物体面ＯＳ側に凸面を向けた正の第４のレンズ１１４と、物体ＯＳ側に凹面を向けた負の第５のレンズ１１５とを有する。

第２の結像光学系１２０は、物体面ＯＳ側に平面を向けた正の第６のレンズ１２１と、物体面ＯＳ側に凸面を向けたメニスカス状の負の第７のレンズ１２２と、物体面ＯＳ側に凸面を向けた正の第８のレンズ１２３とを有する。

なお、結像光学系１００は、図４に示すように、物体面ＯＳと第１の結像光学系１１０との間にプリズム１３０を、第１の結像光学系１１０と第２の結像光学系１２０との間に平行平板１４０及び平行平板１５０を配置している。

以上のように、本実施例では、雰囲気の屈折率が変化した場合に、第１の結像光学系１１０及び第２の結像光学系１２０のうちいずれか一方の物像間距離が長くなると、他方の物像間距離が短くなるように設計している。このように構成することで、雰囲気の屈折率の変化に伴う結像光学系１００の物像間距離の変化を低減することが可能となる。

次に、環境変化による屈折率の変化を考慮し、環境変化が生じても結像位置の変化が生じない結像光学系１１０の他のレンズデータを表２に示す。

結像光学系１１０の各仕様値は、波長λ＝８２０ｎｍに対して、全系の合成焦点距離ｆ＝１９８．２４、結像倍率α＝２である。その他の光学仕様として、０．００８７の像面側の開口数ＮＡ_ＩＭＧ及び５７．２９のＦナンバーＦｎｏの光学特性を有している。ここで、大気雰囲気での屈折率は、真空雰囲気での屈折率を１．０００００とすると、１．０００２７である。なお、表２中の各記号等は、表１の定義と同じである。

表２に示すレンズデータを有する結像光学系１１０は、環境変化による結像位置の変化量が約１．４μｍと非常に小さい値であり、このような環境変化による光学性能の変化が小さい結像光学系を複数配置してもよい。

以上、説明したように、本発明の結像光学系１００は、大気雰囲気から真空雰囲気、或いは、真空雰囲気から大気雰囲気に環境が変化しても、光学性能の変化を低減することができる。また、本発明の結像光学系１００を、例えば、ＥＵＶ露光装置の真空雰囲気で用いられるアライメント検出系やフォーカス検出系に適用することで、真空雰囲気及び大気雰囲気において高精度な検出が可能となる。

ここで、参考として、環境変化に対して、光学性能、特に、結像位置が著しく変化する結像光学系のレンズデータを表３に示す。大気雰囲気でのｄ線に対する屈折率ｎｄ_ａｉｒを１．０００２７、真空雰囲気でのｄ線に対する屈折率ｎｄ_ｖａｃを１．０００００とする。表３に示すレンズデータの屈折率とアッベ数もｄ線に対する数値を示している。また、結像光学系の全系の合成焦点距離ｆ＝−１２．４１２及び結像倍率２７倍は、実際に光学設計をした際の波長λ＝８２０ｎｍに対する値である。その他の光学仕様として、０．０００６の像面側の開口数ＮＡ_ＩＭＧ及び５１５．３のＦナンバーＦｎｏの光学特性を有している。なお、表３中の各記号等は、表１の定義と同じである。

表３に示すレンズデータを有する結像光学系は、環境変化が生じると、結像位置が約１．５ｍも変化してしまい、２×λ×（Ｆｎｏ）^２で求められる焦点深度＝４３５．５ｍｍに対して大きく外れることになる。換言すれば、表３に示すレンズデータを有する結像光学系は、環境変化に対して著しく光学性能が変化してしまう。従って、例えば、ＥＵＶ露光装置の真空雰囲気で用いられるアライメント検出系やフォーカス検出系に適用した場合、高精度な検出ができなくなってしまう。

以下、図５を参照して、本発明の結像光学系１００を適用した露光装置３００について説明する。図５は、本発明の一側面としての露光装置３００の構成を示す概略断面図である。

本発明の露光装置３００は、ＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）を露光光とする、ステップ・アンド・スキャン方式又はステップ・アンド・リピート方式でマスク３２０のパターンを被処理体５４０に露光する投影露光装置である。以下、本実施形態ではステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）を例に説明する。ここで、「ステップ・アンド・スキャン方式」とは、マスクに対してウェハを連続的にスキャン（走査）してマスクパターンをウェハに露光すると共に、１ショットの露光終了後ウェハをステップ移動して、次の露光領域に移動する露光方法である。「ステップ・アンド・リピート方式」は、ウェハの一括露光ごとにウェハをステップ移動して次のショットの露光領域に移動する露光方法である。

図５を参照するに、露光装置３００は、照明装置３１０と、マスク３２０を載置するマスクステージ３２５と、投影光学系３３０と、被処理体３４０を載置するウェハステージ３４５と、アライメント検出系３５０と、フォーカス位置検出系３６０とを有する。

また、図５に示すように、少なくとも、ＥＵＶ光が通る光路中（即ち、光学系全体）は真空雰囲気ＶＣとなっている。これは、ＥＵＶ光は、大気に対する透過率が低く、残留ガス（高分子有機ガスなど）成分との反応によりコンタミを生成してしまうためである。なお、本実施形態では、真空雰囲気ＶＣの真空度は、１０^−５Ｐａ乃至１０^−４Ｐａ程度である。

照明装置３１０は、投影光学系３３０の円弧状の視野に対する円弧状のＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）によりマスク３２０を照明する照明装置であって、ＥＵＶ光源３１２と、照明光学系３１４とを有する。

ＥＵＶ光源３１２は、例えば、レーザープラズマ光源が用いられる。これは、真空容器中のターゲット材に高強度のパルスレーザー光を照射し、高温のプラズマを発生させ、これから放射される、例えば、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を利用するものである。ターゲット材としては、金属膜、ガスジェット、液滴などが用いられる。放射されるＥＵＶ光の平均強度を高くするためにはパルスレーザーの繰り返し周波数は高い方がよく、通常数ｋＨｚの繰り返し周波数で運転される。

照明光学系３１２は、集光ミラー３１２ａ、オプティカルインテグレーター３１２ｂから構成される。集光ミラー３１２ａは、レーザープラズマからほぼ等方的に放射されるＥＵＶ光集める役割を果たす。オプティカルインテグレーター３１２ｂは、マスク３２０を均一に所定の開口数で照明する役割を持っている。また、照明光学系３１２は、マスク３２０と共役な位置に、マスク３２０の照明領域を円弧状に限定するためのアパーチャ３１２ｃが設けられている。

マスク３２０は、反射型マスクで、その上には転写されるべき回路パターン（又は像）が形成され、マスクステージに支持及び駆動されている。マスク３２０から発せられた回折光は、投影光学系３３０で反射されて被処理体３４０上に投影される。マスク３２０と被処理体３４０とは、光学的に共役の関係に配置される。露光装置３００は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、マスク３２０と被処理体３４０を走査することによりマスク３２０のパターンを被処理体３４０上に縮小投影する。

マスクステージ３２５は、マスクチャック３２５ａを介して、マスク３２０を支持して図示しない移動機構に接続されている。マスクステージ３２５は、当業界周知のいかなる構造をも適用することができる。図示しない移動機構は、リニアモーターなどで構成され、少なくともＸ方向にマスクステージ３２５を駆動することでマスク３２０を移動することができる。露光装置３００は、マスク３２０と被処理体３４０を同期した状態で走査する。ここで、マスク３２０又は被処理体３４０面内で走査方向をＸ、それに垂直な方向をＹ、マスク３２０又は被処理体３４０面内に垂直な方向をＺとする。

投影光学系３３０は、複数の反射ミラー（即ち、多層膜ミラー）３３０ａを用いて、マスク３２０面上のパターンを像面である被処理体３４０上に縮小投影する。複数の多層膜ミラー３３０ａの枚数は、４枚乃至６枚程度である。多層膜ミラー３３０ａの反射面の形状は、凸面又は凹面の球面又は非球面である。少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状の領域（リングフィールド）だけを用いて、マスク３２０と被処理体３４０を同時に走査して広い面積を転写する。投影光学系３３０の開口数（ＮＡ）は、０．１乃至０．３程である。

被処理体３４０は、本実施形態ではウェハであるが、液晶基板その他の被処理体を広く含む。被処理体３４０には、フォトレジストが塗布されている。

ウェハステージ３４５は、ウェハチャック３４５ａによって被処理体３４５を支持する。ウェハステージ３４５は、例えば、リニアモーターを利用してＸＹＺ方向に被処理体３４０を移動する。マスク３２０と被処理体３４０は、同期して走査される。また、マスクステージ３２５の位置とウェハステージ３４５との位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。

アライメント検出系３５０は、例えば、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の明視野照明の画像処理検出系で構成され、所定のベースライン量を有しながらウェハアライメントを行う。ここで、ウェハアライメントは、マスク３２０の位置と投影光学系３３０の光軸との位置関係、及び、被処理体３４０の位置と投影光学系３３０の光軸との位置関係を含む。アライメント検出系３５０は、真空雰囲気ＶＣと大気雰囲気とを隔離するビューイングウィンドウＶＷを介して、真空雰囲気ＶＣ及び大気雰囲気に配置される。アライメント検出系３５０を構成し、真空雰囲気ＶＣに配置される光学系に本発明の結像光学系１００を適用することができる。これにより、アライメント検出系３５０は、環境変化による光学系の光学性能の変化が低減され、高精度な検出を行うことができる。なお、結像光学系１００をアライメント検出系３５０に具体的に適用した構成は、後述するフォーカス位置検出系と同様であるため、詳細な説明は省略する。

フォーカス位置検出系３６０は、被処理体３４０面のＺ方向の位置を計測し、ウェハステージ３４５の位置及び角度を制御することによって、露光中、常時被処理体３４０面を投影光学系３３０の結像位置に保つ。フォーカス位置検出系３６０は、アライメント検出系３５０と同様に、ビューイングウィンドウＶＷを介して、真空雰囲気ＶＣ及び大気雰囲気に配置される。フォーカス位置検出系３６０を構成する光学系に本発明の結像光学系１００を適用することができる。これにより、光学系の組み立て及び調整を大気雰囲気で行い、露光装置３００に配置した後、配置した雰囲気が真空雰囲気に変化しても光学性能に変化が生じないため、大気雰囲気で得られる同等の光学性能で検出を行うことができる。

ここで、本発明の結像光学系１００をフォーカス位置検出系３６０に適用した具体的な構成について説明する。図６は、フォーカス位置検出系３６０の構成を示す概略断面図である。フォーカス位置検出系３６０は、ＬＥＤ光源３６１と、マーク３６２と、プロジェクションユニット３６３と、ディテクションユニット３６４と、ＣＣＤ３６５とを有する。なお、プロジェクション３６３とディテクションユニット３６４は、真空雰囲気ＶＣに配置される。

図６を参照するに、ＬＥＤ光源３６１からの照明光はマーク３６２を照明し、マーク３６２の像がプロジェクションユニット３６３を介して被処理体３４０に投影される。被処理体３４０からの反射光は、ディテクションユニット３５４を介してＣＣＤ３６５に結像される。本実施形態では、ディテクションユニット３５４に結像光学系１００を適用することを想定している。但し、結像光学系１００の結像倍率等を最適化すれば、プロジェクションユニット３６３に適用することも可能である。

照明装置３１０から射出されたＥＵＶ光はマスク３２０を照明する。マスク３２０面上のパターンの像は投影光学系により被処理体３４０面上に結像される。本実施形態において、像面上の露光領域は円弧状（リング状）である。そして、マスク３２０と被処理体３４０を縮小倍率比の速度比で走査することにより、マスク３２０の全面を露光する。露光装置３００は、アライメント検出系３５０やフォーカス位置検出系３６０に結像光学系１００を適用しているため、ウェハアライメント及びフォーカス位置検出を大気雰囲気と同等の精度で行うことができる。これにより、露光装置３００は、高いスループットで経済性よく従来よりも高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

なお、本実施形態では、アライメント検出系３５０及びフォーカス位置検出系３６０は、真空雰囲気ＶＣ及び大気雰囲気に配置されている。しかし、図７に示すように、アライメント検出系３５０及びフォーカス位置検出系３６０の全体を真空雰囲気ＶＣに配置しても同様の効果を得ることができる。ここで、図７は、本発明の一側面としての露光装置３００の別の構成を示す概略断面図である。

次に、図８及び図９を参照して、露光装置１００を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図８は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図９は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１００によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重の回路パターンが形成される。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１００を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、ＥＵＶ露光装置だけでなく、その他の真空雰囲気で使用される光学系に適用することができる。

本発明の一側面としての結像光学系の構成を示す概略断面図である。 図１に示す第１の結像光学系の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図である。 図１に示す第２の結像光学系の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図である。 図１に示す結像光学系の具体的なレンズ構成を示す概略断面図である。 本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略断面図である。 図５に示すフォーカス位置検出系の構成を示す概略断面図である。 本発明の一側面としての露光装置の別の構成を示す概略断面図である。 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。 図８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。 結像光学系の環境変化に対する結像位置の変化を説明するための図である。

符号の説明

１００ 結像光学系
１１０ 第１の結像光学系
１１１ 第１のレンズ
１１２ 第２のレンズ
１１３ 第３のレンズ
１１４ 第４のレンズ
１１５ 第５のレンズ
１２０ 第２の結像光学系
１２１ 第６のレンズ
１２２ 第７のレンズ
１２３ 第８のレンズ
３００ 露光装置
３５０ アライメント検出系
３６０ フォーカス位置検出系
３６１ ＬＥＤ光源
３６２ マーク
３６３ プロジェクションユニット
３６４ ディテクションユニット
３６５ ＣＣＤ
ＶＣ 真空雰囲気

Claims (9)

1. 物体面のパターンの像を像面上に形成する結像光学系において、
   前記物体面のパターンの像を形成する第１の結像光学系と、
   前記第１の結像光学系からの光に基づいて前記物体面のパターンの像を形成する第２の結像光学系と、を備え、
   前記第１の結像光学系及び前記第２の結像光学系が配置される雰囲気の屈折率が変化した場合に、前記第１の結像光学系及び前記第２の結像光学系のうちいずれか一方の物像間距離が長くなると、他方の物像間距離が短くなることを特徴とする結像光学系。
2. 前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に変化した場合において、
   前記第１の結像光学系の結像位置が光軸に沿って変化する方向と、前記第２の結像光学系の結像位置が光軸に沿って変化する方向とが、互いに逆方向であることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に変化した場合において、
   前記結像光学系の結像位置が光軸に沿って変化する変化量ｄ３は、前記結像光学系の前記像面側の開口数をＮＡ_ＩＭＧ、前記結像光学系に使用される光の波長をλとすると、
   −２×λ×（１／２ＮＡ_ＩＭＧ）^２＜ｄ３＜２×λ×（１／２ＮＡ_ＩＭＧ）^２
   を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
4. 真空雰囲気において、前記第１の結像光学系の結像倍率をαとし、前記第２の結像光学系の結像倍率をβとし、
   前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に変化した場合において、
   前記第１の結像光学系の結像位置が光軸に沿って変化する変化量ｄ１と、前記第２の結像光学系の結像位置が光軸に沿って変化する変化量ｄ２とは、
   ｜ｄ１｜−｜ｄ２｜×α^２／（α×β）^２＝０
   を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
5. 前記第１の結像光学系の結像倍率αと、前記第２の結像光学系の結像倍率βとは、
   ２＜２｜α｜＜｜β｜
   を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
6. 前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に変化した場合において、
   真空雰囲気において、前記第１の結像光学系の結像倍率をα_ｖａｃとし、前記第２の結像光学系の結像倍率をβ_ｖａｃとし、
   大気雰囲気において、前記第１の結像光学系の結像倍率をα_ａｉｒとし、前記第２の結像光学系の結像倍率をβ_ａｉｒとし、
   前記結像光学系の真空雰囲気での結像倍率α_ｖａｃ×β_ｖａｃと、前記結像光学系の大気雰囲気での結像倍率α_ａｉｒ×β_ａｉｒとは、
   −（α_ｖａｃ×β_ｖａｃ）／１０≦（α_ｖａｃ×β_ｖａｃ）−（α_ａｉｒ×β_ａｉｒ）≦（α_ｖａｃ×β_ｖａｃ）／１０
   を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
7. 前記結像光学系が配置される環境が、真空雰囲気から大気雰囲気、又は、大気雰囲気から真空雰囲気に変化した場合において、
   真空雰囲気での前記結像光学系の結像面位置の波面収差ＷＡ_ｖａｃと、大気雰囲気での前記結像光学系の結像面位置の波面収差ＷＡ_ａｉｒとは、前記結像光学系に使用される光の波長をλとすると、
   ｜ＷＡ_ｖａｃ｜≦λ／４ 且つ ｜ＷＡ_ａｉｒ｜≦λ／４
   を満足することを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
8. 正の屈折率を有する前記第１の結像光学系は、
   前記物体面側に平面を向けた正の第１のレンズと、
   前記物体面側に凸面を向けた正の第２のレンズと、
   前記物体面側に凹面を向けた負の第３のレンズと、
   前記物体面側に凸面を向けた正の第４のレンズと、
   前記物体面側に凹面を向けた負の第５のレンズとを有し、
   前記第２の結像光学系は、
   前記物体面側に平面を向けた正の第６のレンズと、
   前記物体面側に凸面を向けたメニスカス形状の負の第７のレンズと、
   前記物体面側に凸面を向けた正の第８のレンズとを有することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
9. 光源からの光を用いて、マスクのパターンで被処理体を露光する露光装置であって、
   前記被処理体の表面の位置を検出する第１の検出光学系と、
   前記マスクと前記被処理体との相対位置を検出する第２の検出光学系とを有し、
   前記第１の検出光学系及び前記第２の検出光学系の少なくとも一方は、請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の結像光学系を含むことを特徴とする露光装置。