JPH04361201A

JPH04361201A - フレネルゾーンプレートを用いた光学系

Info

Publication number: JPH04361201A
Application number: JP3137897A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Iba; 井場陽一
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1992-12-14
Also published as: US5627679A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フレネルゾーンプレー
トを用いた光学系に関し、特に、フレネルゾーンプレー
トの構造に工夫をして性能を向上させると共に製作の容
易なフレネルゾーンプレートを用いた光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＫｒＦエキシマレーザを光源として用い
るステッパに搭載される縮小投影レンズは、光源波長が
短波長であることから、使用できる硝材が実質的に石英
ガラスに限られる。このため、分散の異なる硝材の組み
合せにより色収差を補正することができない。そこで、
フレネルゾーンプレートを用いて色収差を補正する方法
が提案されている。

【０００３】フレネルゾーンプレートによる光線の屈折
（回折又は屈曲と言うべきであるが、本発明においては
、フレネルゾーンプレートを屈折レンズと同様な収束光
学素子又は発散光学素子として取り扱う都合上、特別な
場合を除いて屈折と言う。）の原理は、回折格子による
光線回折の原理と同じであり、フレネルゾーンプレート
の法線に対する入射光線角θと射出光線角θ’とは、回
折格子の格子ピッチに相当するフレネルピッチ（隣接す
る不透明又は透明輪帯間の距離）ｐと光線波長λにより
表すことができる。

【０００４】　　　　ｓｉｎθ’−ｓｉｎθ　　＝ｍλ／ｐ　　　　
　　　　　　　　　　・・・・・・・（１）なお、ｍは
回折の次数で、０、±１、±２、±３、±４、・・・で
ある。

【０００５】この式（１）から、光線の屈折量は波長が
長くなると大きくなることがわかる。これは、フレネル
ゾーンプレートの屈折力（焦点距離の逆数）は、波長が
長くなると強くなることを示している。一方、一般の光
学ガラスは石英ガラスを含めて正の分散を持ち、このた
め、一般の光学ガラスを用いたレンズは、波長が長くな
るほどその屈折力は弱くなる。すなわち、フレネルゾー
ンプレートはレンズ作用を有するが、それはあたかも負
の分散を有する光学材料により構成されたレンズの作用
を持つ。分散の異なる材料を用いれば、色収差は補正可
能であり、特開平２─１１０９号においては、ＫｒＦエ
キシマレーザを光源とするステッパに搭載される縮小投
影レンズの瞳位置にフレネルゾーンプレートを用いて、
色収差を補正する技術が開示されている。この中に示さ
れたフレネルゾーンプレートは、色収差を補正するため
に単一の次数の回折を利用した正の屈折力を有するもの
である。単一次数の回折を利用する場合、高次回折は高
い回折効率を得るのが困難であり、回折効率が悪いと、
所望の屈折作用を受けた光以外に有害光線が生成され、
それが像面コントラストを低下させる原因となるために
、１次、２次と言った低次の回折光を利用せざるを得な
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、フレネルゾ
ーンプレートの持つ色収差補正能力はその屈折力で決ま
るので、十分な色収差補正を行うためには、所定の屈折
力を持つフレネルゾーンプレートが必要になる。その一
方、フレネルゾーンプレートは、光軸から半径方向に向
かって徐々にフレネルピッチが小さくなって行くが、そ
の最小フレネルピッチは、式（１）からも明らかなよう
に、フレネルゾーンプレートの屈折力が大きければ大き
いほど小さくなり、その製作は困難となる。十分な色収
差補正を行うためには、最小フレネルピッチは５μｍ以
下の微細ピッチが必要であり、製作は極めて困難である
。

【０００７】このような問題点に鑑み、本発明は、最小
フレネルピッチが比較的大きいにもかかわらず、十分な
色収差補正効果もしくは屈折力と、良好な像面コントラ
ストを確保することができるフレネルゾーンプレートを
用いた光学系を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のフレネルゾーンプレートを用いた光学系は、フレネ
ルゾーンプレートを有し、該フレネルゾーンプレートは
、光軸を中心として、光軸周辺領域に比べてその外側の
領域がより高次の回折を用いて所望の屈折力を得るよう
に、光軸周辺領域及びその外側の領域のフレネルピッチ
もしくはフレネルピッチとブレージィング角が設定され
ていることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明のフレネルゾーンプレートを用いた光学
系について、図１を参照にして説明する。図１において
、１は物体を示し、２、３は物体１からから発せられる
光束で、光束２は物体１の０次回折光束部分、光束３は
光束２の外側で０次回折以外の回折光束部分である。４はその瞳位置にフレネルゾーンプレート５を有する投
影レンズで、物体１の像を像面９に投影している。８は
フレネルゾーンプレート５に隣接して置かれている絞り
で、光束を制限する働きを有する。

【００１０】フレネルゾーンプレート５はその前後の光
学系と相まって、投影レンズ４全体の収差バランスを良
好に保つ働きを有している。フレネルゾーンプレート５
のフレネルパターン面７を中心ゾーンＣと周辺ゾーンＰ
に分けて考えることにする。ここで、少なくとも物体１
の０次回折光束部分２が透過する光軸周辺の領域をゾー
ンＣ、そして、ゾーンＣの外側で０次回折以外の光束が
透過する領域をゾーンＰとする。

【００１１】そして、本発明に基づき、フレネルゾーン
プレート５の中心ゾーンＣにおいては、比較的低次の回
折を利用してレンズ作用を行わせ、これに対し、周辺ゾ
ーンＰにおいては、比較的高次の回折を利用してレンズ
作用を行わせるようにする。ゾーンＣ、Ｐそれぞれの利
用回折次数をｍ１、ｍ２とおくと、従来フレネルピッチ
が微細化して問題となるゾーンＰのピッチは、ｍ２／ｍ
１倍に大きくなることが式（１）から明らかである。仮
に、ｍ１＝１、ｍ２＝２であれば、ゾーンＰのピッチは
、全面同じ回折次数を用いる従来のフレネルゾーンプレ
ートの場合に比べ、２倍大きくなる。さらに、ｍ２＝３
とすれば、ゾーンＰのピッチは３倍になり、フレネルゾ
ーンプレート５は大変製作しやすくなる。

【００１２】さて、ゾーンＰは高次回折を利用してレン
ズ作用を持たせているため、回折効率をゾーンＣのよう
に良くすることは通常困難であり、回折効率はゾーンＣ
に比べて劣ることになる。その回折効率をＫとすると、
（ゾーンＰを通り抜ける光束エネルギ）×（１−Ｋ）・
・・・・・（２）の光がフレアを作り、像面９の像コン
トラストを低下させる有害光となり得る。しかし、ゾー
ンＰを通り抜ける光束３のエネルギは、光束２のエネル
ギに比べて圧倒的に小さい。すなわち、物体１による回
折光強度は、０次回折光が他の回折光強度に比べ圧倒的
に大きいため、全ての０次回折光を含む光束２のエネル
ギに比べて、０次回折光を全く含まないゾーンＰを通り
抜ける光束３エネルギは、圧倒的に小さくなる。したが
って、式（２）で示される有害光のエネルギは実質無視
できる程度の僅かなもので、像コントラストを低下させ
ることはない。

【００１３】なお、回折効率を高めるために、ゾーンＣ
、Ｐ共、フレネルパターンは、ブレージングすることが
好ましいことは当然である。そのブレージング角は、そ
れぞれの回折次数に合った角度を選択すればよい。また
、フレネルゾーンプレートは、レンズ系の瞳位置と異な
る位置に配置することも可能である。この場合、光束３
の通る領域に比べ、光束２の透過する領域の面積比が大
きくなるため、ゾーンＰの領域がゾーンＣに対して相対
的に圧縮される。すなわち、製作容易なゾーンＰの面積
比率が減ることになるので、フレネルゾーンプレートは
、レンズ系の瞳近傍に置く方が望ましい。しかし、瞳位
置に必ず置かなければならないものではない。なお、フ
レネルゾーンプレート５は、光軸を中心にして半径方向
に３領域以上にゾーン分割してもよい。この場合は、中
心部に比べてその次にくる領域ではより高次の回折を利
用し、周辺部はその内側に位置する領域に比較してより
高次の回折を利用してレンズ作用を行わせるようにする
。

【００１４】

【実施例】本発明によるフレネルゾーンプレートを用い
た光学系の１実施例の断面図を図２に、その部分拡大図
を図３に示す。図中、１１はＫｒＦエキシマレーザを光
源とするステッパの縮小投影レンズ、１０はステッパ本
体に内蔵されている照明装置である。また、１２は物体
面に置かれたレチクル、１３は像面に置かれたウエハ、
１４は縮小投影レンズの瞳位置に置かれた明るさ絞り、
１５は縮小投影レンズに内蔵されたフレネルゾーンプレ
ートである。なお、図３中には、フレネルゾーンプレー
ト１５の一部を模式的に拡大して示してある。この部分
は、ゾーンＣとゾーンＰの境界部となる。

【００１５】照明光学系１０は、中心波長２４８．３８
ｎｍ、波長幅０．３５ｎｍ（２４８．１９〜２４８．５
４ｎｍ）の光でレチクル１２を一様な照度で背後から照
明し、縮小投影レンズ１１がそのレチクルに描かれたパ
ターンをウエハ１３上に１／５倍に縮小して投影する。縮小投影レンズ１１の開口数ＮＡは０．３５、露光領域
はウエハ１３上でφ２ｍｍ、レチクル１２とレンズ第１
面との距離は１８６．０３８３ｍｍである。縮小投影レ
ンズ１１のレンズデータは次の表−１に示す通りであり
、その収差図を図４に示す。なお、表−１中、ｒｉ　は
、物体側より順に、第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄ
ｉ　は、物体側より順に、第ｉ番目のレンズ厚及び空気
間隔である。光学材料は合成石英を用いており、その屈
折率は表−２に示す。

【００１６】表−１　　　　　　曲率半径　　　　　　　　　　　　　　　
　厚み・間隔　　　　　　　　硝材ｒ１　＝　　３０．
４０５４　　　　　　　　　　ｄ１　＝　　　８．００
００　　　　　　　　合成石英ｒ２　＝　３５５．８１
０６　　　　　　　　　　ｄ２　＝　　　１．６０００
　　　　　　　　ｒ３　＝　　２８．７３５３　　　　
　　　　　　ｄ３　＝　　　８．００００　　　　　　
　　合成石英ｒ４　＝　　４０．６４８０　　　　　　
　　　　ｄ４　＝　　　７．７０００　　　　　　　　
ｒ５　＝　−９７．０７５１　　　　　　　　　　ｄ５
　＝　　　２．６０００　　　　　　　　合成石英ｒ６
　＝　　１５．３４６７　　　　　　　　　　ｄ６　＝
　　　４．３０００　　　　　　　　ｒ７　＝　　　∞
　　　　　　　　　　　　　　ｄ７　＝　　　３．７０
００　　　　　　　　合成石英ｒ８　＝　　　∞　　　
　　　　　　　　　　　ｄ８　＝　　　０．００００　
　　　　　　　　　＊＊ｒ９　＝　　　＊　　　　　　
　　　　　　　　ｄ９　＝　　　３．２０００　　　　
　　　　ｒ１０＝　−１７．７７８０　　　　　　　　
　　ｄ１０＝　　１５．２０００　　　　　　　　合成
石英ｒ１１＝　−２３．６２３０　　　　　　　　　　
ｄ１１＝　　１５．４０００　　　　　　　　ｒ１２＝
　　３１．７７３９　　　　　　　　　　ｄ１２＝　　
１２．００００　　　　　　　　合成石英ｒ１３＝　−
９０．９９４１　　　　　　　　　　ｄ１３＝　　　５
．１０００　　　　　　　　ｒ１４＝　　２６．０４８
５　　　　　　　　　　ｄ１４＝　　１０．６０００　
　　　　　　　合成石英ｒ１５＝　−５８．４０３０　
　　　　　　　　　ｄ１５＝　　　１．６０００　　　
　　　　　ｒ１６＝　−３５．７９１６　　　　　　　
　　　ｄ１６＝　　　８．５０００　　　　　　　　合
成石英ｒ１７＝　　３８．９５３９　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

【００１７】

【００１８】表−１において、第９面目の＊は非球面で
あることを示し、この非球面は次のように表される。

【００１９】　　　　Ｚ＝　（１／２）×１．５６７７７９×１０−
６×ｓ２　　　（ｍｍ）　　　　　　　　・・・・・（
３）ただし、光軸をＺ軸とし、ｓは光軸からの距離であ
る。

【００２０】また、第８面目の硝材の＊＊は、表−２に
示す屈折率を有する仮想硝材であり、これにより第９面
はフレネルゾーンプレートと等価な働きを有する。すな
わち、フレネルゾーンプレートは屈折率が極めて大きな
光学材料からなる屈折光学系に置き換えることができる
。

【００２１】このことは、Ｗ．Ｃ．Ｓｗｅａｔｔの論文
（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｖｏｌ６９，Ｎｏ３，Ｍ
ａｒｃｈ１９７９）　に示されており、以下にその要約
を示す。光線の入射角をθ、光線の出射角をθ’とする
と、フレネルゾーンプレートにおける光線の屈折は、回
折格子における回折の式がそのまま成り立つので、下式
（４）が成り立つ。

【００２２】　　　　ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｐ　　　　　　
　　　　　　　　　　・・・・・・・（４）ただし、ｍ
は回折の次数、λは光線の波長、ｐはフレネルピッチで
ある。

【００２３】一方、屈折光学系の屈折率をｎ、光線が通
過する部分の厚さをｔ、また、光軸からの距離をｓとす
る時、ｎ→∞、ｔ→０であれば、スネルの式から下式（
５）を導ける。

【００２４】　　　　ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’→（ｎ−１）ｄｔ／ｄｓ
　　　　・・・・・・・（５）以上の２つの式（４）、
（５）を見比べると、屈折率ｎが充分大きい場合には、　　　　ｍλ／ｐ≒（ｎ−１）ｄｔ／ｄｓ　　　　　　
　　　　　　　　　　・・・・・・・（６）が成り立つ
ことがわかり、この式（６）を使ってフレネルゾーンプ
レートは屈折光学系への置き換えができるのである。

【００２５】次に、フレネルゾーンプレートをこのよう
な屈折光学系へ置き換えた場合の、屈折率の波長分散を
求める。式（６）をλで微分して、　　　　ｍ／ｐ＝（ｄｔ／ｄｓ）（∂ｎ／∂λ）　　　
　　　　　　　＝ｍλ／｛（ｎ−１）ｐ｝・（∂ｎ／∂
λ）　　∴　　Δｎ＝｛（ｎ−１）／λ｝Δλ　　（た
だし、ｍ＝１とした）・・（７）本実施例では、フレネ
ルゾーンプレートに置き換えを行うため、仮想硝材の中
心波長２４８．３８ｎｍにおける屈折率を１０００１と
置き、その他の波長については、式（７）を用い計算し
て表−２に示した数値を求めた。したがって、本実施例は、第７面、第８面がフレネルゾ
ーンプレート１５の基板に相当し、第９面がフレネルゾ
ーンプレートに相当する。しかも、その働きは波長分散
特性まで含めて等価である。

【００２６】ところで、合成石英に限らず光学材料は、
多かれ少なかれ波長が短くなるに従ってその屈折率が増
加するが、この仮想硝材の屈折率は逆に減少する。すな
わち、光学材料とは符号が逆の波長分散を有している。したがって、一般の屈折光学系との組み合せにおいて、
フレネルゾーンプレートは絶大な色補正効果を発揮し得
る。

【００２７】通常、透過率の問題から、光学材料として
全て合成石英を用いているこの種のステッパ用レンズは
、色収差の補正がされていないので、そのため、光源に
特殊な工夫を施し、波長幅を±０．０１ｎｍ以下に狭帯
域化する必要がある。しかし、本実施例に示した縮小投
影レンズ１１にはフレネルゾーンプレート１５が内蔵さ
れており、この働きで図４に示す通り色収差が十分に補
正され、上述のように波長幅が０．３５ｎｍの光であっ
ても、ウエハ１３上に良好なレチクル１２のパターン像
を投影することができる。

【００２８】次に、そのフレネルゾーンプレート１５の
ピッチを表−３に示す。これは、以下のようにして求め
ている。すなわち、式（３）から、ｄＺ／ｄｓ＝１．５６７７７９×１０−６×ｓまた、明
らかにｄＺ＝ｄｔなので、ｄｔ／ｄｓ＝ｄＺ／ｄｓ＝１．５６７７７９×１０−６
×ｓこれを式（６）に代入して、ｐ＝ｍ×λ／｛（ｎ−１）ｄｔ／ｄｓ｝　　　　　　＝
ｍ×（０．２４８３８μｍ）　／｛（１０００１−１）
　×１．５６７７７９×１０−６ｓ｝　　　　ｐ＝ｍ×
１５．８４２７９（ｍｍ・μｍ）／ｓ（ｍｍ）　　　　
　　　　　　・・・・（８）この式（８）を用いてピッ
チを計算することができる。

【００２９】従来は、フレネルゾーンプレート全面にわ
たり同一次数の回折光を利用するように設計を行ってお
り、その次数は回折効率が良好な１次ないし２次の低次
回折光を利用していた。本実施例の場合にも、仮に本発
明によらず、フレネルゾーンプレト１５全面を２次の回
折光を利用するよう設計したとすると、フレネルゾーン
プレート１５最周辺すなわちｓ＝８．７５ｍｍでは、式
（８）より、フレネルピッチが３．６２μｍと製作が困
難な微細なピッチとなる。

【００３０】しかし、本発明によりこの問題を克服する
ことができる。照明装置１０は、レチクル１２をＮＡ０
．０３５で照明している。レチクル１２で回折せずに透
過した光（０次回折光）は、全てフレネルゾーンプレー
ト１５の中央部φ８．８ｍｍ（ｓ＝４．４ｍｍ）の円形
領域内を透過する。この実施例では、フレネルゾーンプ
レートの中央部φ９ｍｍ（ｓ＝４．５ｍｍ）をゾーンＣ
、その外周部をゾーンＰとした。そして、表−３に示す
ように、ゾーンＣはｍ＝２、ゾーンＰはｍ＝４の次数の
回折光を利用するよう設計してあるので、何れも最小ピ
ッチは約７μｍと、製作があまり困難でない細かさにす
ることができた。ゾーンＰの次数は、（ゾーンＣの次数
）×（ゾーンＰの外径）／（ゾーンＣの外径）で求めた
数値に近い整数値とするのがよい。これにより、むやみ
にゾーンＰの次数を高くし回折効率を落とすことなく、
また、次数が低すぎて製作できないようなピッチになる
こもなく、すなわち、回折効率と製作性とのバランスが
よくとれる。

【００３１】なお、フレネルゾーンプレート１５に刻ま
れる回折格子パターンは、それぞれの次数の光が効率よ
く透過するようにブレージングしてある。すなわち、図
３のフレネルゾーンプレート１５の拡大部に示すように
、断面形状は鋸歯状で、山に対する谷の深さは次式を満
足している。ｍλ／（ｎ−１）ここで、ｎはフレネルゾーンプレート１５の基板の屈折
率であり、本実施例では合成石英であるから、ｎ＝１．
５０８３３８である。

【００３２】

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
従来、製作上並びに設計上の大きな問題となっていたフ
レネルゾーンプレート周辺部のピッチ微細化を、像コン
トラストを事実上劣化させることなく改善できる。これ
により、フレネルゾーンプレートの設計の自由度が増し
、フレネルゾーンプレートを用いたより高性能なレンズ
の設計と製作が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるフレネルゾーンプレートの構成と
作用を説明するための図である。

【図２】本発明によるフレネルゾーンプレートを用いた
光学系の１実施例の断面図である。

【図３】図２の部分拡大図である。

【図４】図２の光学系中の縮小投影レンズの収差図であ
る。

【符号の説明】

１…物体２…発散角の比較的小さい光束部分３…光束２の外側の比較的発散角の大きい光束部分４…
投影レンズ５、１５…フレネルゾーンプレート７…フレネルパターン面８…絞り９…像面１０…照明装置１１…縮小投影レンズ１２…レチクル１３…ウエハ１４…明るさ絞り

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　フレネルゾーンプレートを有し、該フ
レネルゾーンプレートは、光軸を中心として、光軸周辺
領域に比べてその外側の領域がより高次の回折を用いて
所望の屈折力を得るように、光軸周辺領域及びその外側
の領域のフレネルピッチもしくはフレネルピッチとブレ
ージィング角が設定されていることを特徴とするフレネ
ルゾーンプレートを用いた光学系。