JP2000056199A - 光学素子及び光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚さの異なる２つ以上の光学部材を接合させ
た光学素子において、厚さの薄い方の光学部材の接合部
又はその近傍に溝を設けていること。 【解決手段】 ２つ以上の光学部材を接合させた光学素
子において、１方又は双方の光学部材の接合部に１つ以
上の溝を設けていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学素子及びそれを
用いた光学系に関し、例えば半導体露光装置、カメラ、
望遠鏡、顕微鏡等の光学機器において、その光学系を構
成するレンズやプリズム等の光学素子のうち複数の光学
部材を接合して用いる際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】光学機器を構成する光学系には単体のレ
ンズ、複数のレンズを接合した接合レンズ、プリズム、
そして複数の光学部材を接着した光学素子が多く用いら
れている。このうち複数のレンズを接合するときの接着
にはバルサムなどの接着剤が主に使われている。また、
最近新しい光学要素として量子化されたブレーズド形状
を有する位相型の回折光学素子（バイナリーオプティク
ス）の光学系への使用などが種々と提唱されている。

【０００３】回折光学素子は、入射波面を定められた波
面に変換する光学素子として用いられている。この回折
光学素子は屈折型レンズにはない特長を持っている。例
えば、屈折型レンズと逆の分散値を有すること、実質的
には厚みを持たないので光学系がコンパクトになること
等の特長を持っている。

【０００４】一般に回折光学素子の形状としてバイナリ
型の形状にするとその作製に半導体素子の製造技術が適
用可能となり、微細なピッチも比較的容易に実現するこ
とができる。この為、ブレーズド形状を階段形状で近似
したバイナリ型の回折光学素子に関する研究が最近盛ん
に進められている。

【０００５】図９，図１０は回折光学素子についての説
明図である。図中５０はフレネルレンズ、５１はブレー
ズド形状の回折格子、５２はバイナリー型の回折光学素
子、５３は階段状の断面形状より成る回折格子を示して
いる。

【０００６】回折光学素子として、例えばフレネルレン
ズ５０は図９（Ａ）に示したようなブレーズド形状５１
を断面形状とするものが理想的であり、設計波長に対す
る回折効率は理論的には１００％にする事ができる。し
かし、現実には完全なブレーズド形状５１を加工するこ
とは困難であるため、通常はブレーズド形状５１を量子
化して近似し、図９（Ｂ）に示すような階段状の断面形
状５３としバイナリー型の回折光学素子５２が利用され
ている。バイナリー型の回折光学素子５２はフレネルレ
ンズ５０の近似であるが、一次回折光の回折効率は９０
％以上を確保することができる。

【０００７】ここで近似の度合いを高めることや、光学
素子としての回折光学素子に大きなパワーを持たせるた
めには、回折光学素子の最小線幅は可能な限り小さいこ
とが望まれる。そこで、高性能な回折光学素子を得るた
めに半導体製造装置で培われたリソグラフィー工程が用
いらている。

【０００８】ここで現在使用されているリソグラフィー
工程用の装置は、厚さが１ｍｍにも満たないウエハを扱
うことを前提として設計されている。このため、リソグ
ラフィー工程を用いて作成される回折光学素子５５は、
図１０に示すようにウエハ状の光学材料に形成されてい
た。

【０００９】次に上記作製方法によって得られた回折光
学素子を半導体露光装置の照明系に採用する場合を考え
る。図１１に従来の半導体素子製造用の露光装置を示
す。図１１において、６１は光源、６２はレチクル、６
３はレチクル保持台、６４は投影光学系、６５はレン
ズ、６６はウエハ、６７はウエハステージである。ウエ
ハステージ６７によってウエハ６６を所望の位置に位置
決めし、不図示のフォーカス検出手段により、ウエハ６
６をフォーカス位置に調整する。不図示のシャッターを
開き、光源６１からの照明光によってレチクル６２を照
明し、レチクル６２の上の回路パターンを投影光学系６
４によってウエハ６６の上に投影する。またレンズ６５
はウエハ６６の熱歪み等による伸縮に対応するため、微
小に上下動可能となっており、投影光学系６４の倍率補
正や収差補正を行う。半導体露光装置の投影レンズ系
は、要求精度が厳しいために重力を考慮すると鉛直方向
に光軸を設定することが一般的である。投影レンズ系に
回折光学素子を用いるときには、回折光学素子を投影光
学系中で横置き状態で配置している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】回折光学素子をリソグ
ラフィー工程を介して作製する場合、半導体製造装置
は、Ｓｉウエハの規格の範囲内で装置がつくられてお
り、その範囲内で最も精度が保たれるように設計されて
いる。範囲外で使用するように改造すると、精度を保つ
ことが難しい。

【００１１】更に、リソグラフィー工程を詳細に説明す
と、レジストパターン形成とエッチング工程などが含ま
れる。レジストパターン形成とは、有機物であるレジス
トを塗布し、加工したい面形状が形成されているレチク
ルを介して光を用いて露光、ベーク、現像工程を経て、
所望の面形状を持つレジストパターンを形成する。レジ
ストの塗布には、スピンナーと呼ばれる高速で基板を回
転させ、レジストを均一な膜厚に塗布する装置が用いら
れるため、基板の重量が重くなることにより、回転の負
荷が大きくなり、制御も難しくなってくる。

【００１２】又、ベークには温度制御性の高いホットプ
レートが用いられて、秒単位の管理がされているが、石
英のように熱伝導率の悪い材料でかつ厚い基板での温度
制御は非常に困難である。又、エッチング工程とは、前
記のレジストパターンをマスクとして薬品を用いてエッ
チングしたり、プラズマ等を用いるドライエッチング装
置を用いて加工するが、精度の高いドライエッチングが
主に使用されている。そのドライエッチング装置では、
基板冷却等が必要となってくるが、レジストのベークと
同様、熱伝導率の悪い材料でかつ厚い基板での温度制御
は非常に困難である。

【００１３】その為、回折光学素子は、数百μｍ〜数ｍ
ｍの厚さの基板で製造されている。

【００１４】このような薄い回折光学素子を外形が１０
０〜２００ｍｍもある光学素子として作成して投影光学
系に搭載する際には、従来のような保持方法で鏡筒に保
持すると、回折光学素子の自重変形や、鏡筒の加工精度
による接触部位の不均一、固定時に加わる力等による取
り付け時の歪み、気圧や温度変動によって変形しやす
く、面変形が発生し、設計時の性能が発揮できず像性能
が劣化してくる場合がある。このような問題の解決方法
の１つとして自重変形に耐えうる強度をもつ厚みのある
部材との各挿接着法で接合して一体化する手法が考えら
れる。この時、光学素子面への接着剤の回り込み及び、
接着による間隔の発生や平面度の悪化が問題となってく
る。また、接合時に与えた力により応力が残留し、その
歪みによる変形や破損も問題となってくる。

【００１５】本発明は、光学部材同志を接合するとき
に、光学部材の変形を防止することができ、又接着剤に
よる面の汚れを防止することができる光学素子及び光学
系の提供を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、 (1-1) 厚さの異なる２つ以上の光学部材を接合させた光
学素子において、厚さの薄い方の光学部材の接合部又は
その近傍に溝を設けていることを特徴としている。

【００１７】(1-2) ２つ以上の光学部材を接着剤を用い
て接合させた光学素子において、一方又は双方の光学部
材の接合部に１つ以上の接着剤の回り込み用の溝を設け
ていることを特徴としている。

【００１８】特に、 (1-2-1) 前記光学素子を構成する少なくとも１つの光学
部材が屈折型光学素子であること。

【００１９】(1-2-2) 前記光学素子を構成する少なくと
も１つの光学部材が回折光学素子であること。

【００２０】(1-2-3) 前記回折光学素子が量子化された
ブレーズド形状を有する位相型の回折光学素子であるこ
と。

【００２１】(1-2-4) 前記光学部材の接合において、該
光学部材の周辺部を接合していること。

【００２２】(1-2-5) 前記２つの光学部材を接着剤を用
いて接合しており、該接着剤は有機系接着剤であるこ
と。

【００２３】(1-2-6) 前記２つの光学部材を接着剤を用
いて接合しており、該接着剤は無機系接着剤であるこ
と。

【００２４】(1-2-7) 前記光学部材の接合において、Op
tical contact を用いること等を特徴としている。

【００２５】本発明の光学系は、 (2-1) 構成(1-1) 又は(1-2) の光学素子を用いているこ
とを特徴としている。

【００２６】本発明の投影露光装置は、 (3-1) 構成(1-1) 又は(1-2) の光学系を用いて被照射面
に配置した第１物体面上のパターンを第２物体面上に投
影していることを特徴としている。

【００２７】本発明のデバイスの製造方法は、 (4-1) 構成(3-1) の投影露光装置を用いてレチクル面上
のパターンを投影光学系によりウエハ面上に投影露光し
た後、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造
していることを特徴としている。

【００２８】

【発明の実施の形態】本実施形態は、２つ以上の光学部
材を接合させて用いる光学素子において、接着剤による
間隔の発生や平面度の悪化を防ぐために接合部の一方ま
たは双方に溝を設けている。溝は接着時に与えた力によ
り発生する残留応力の緩和を図っている。また、溝は接
着剤のはみ出しによる間隔の発生や平面度の悪化を防ぐ
と供に、溝の部分のみで接着を行い問題点の解決を図っ
ている。

【００２９】また、微細構造を有する回折光学素子をリ
ソグラフィー工程により製造し、厚みのある光学部材と
一体化して、一方または双方に溝を設けて自重変形に加
えて、残留応力の発生や平面度の悪化等を防止してい
る。

【００３０】次に、本発明の光学素子の具体的な構成に
ついて説明する。

【００３１】図１は本発明の実施形態１の要部断面図で
ある。同図において１は石英を材料とする平行平板部材
であり、その厚みは１０〜３０ｍｍである。２は石英ウ
エハ上に形成された回折光学素子、３は接着剤を表し、
平行平面部材１の中心を通る直径方向での断面図を表し
ている。

【００３２】図２は図１中、Ａと示された領域を拡大し
た要部概略図である。図２において３は接着剤、４は溝
（接着剤回り込み用の溝）を示している。図２（Ａ），
（Ｂ）において、回折光学素子２はキノフォームを量子
化して近似した４段のバイナリーオプティクスとして示
しているが、本発明の効果はバイナリーオプティクスの
量子化数（段数）に因らない。従って、ブレーズド形状
を有するフレネルレンズを採用しても本発明の効果が損
なわれることはない。

【００３３】図５はさらに接合作業を示す図で、同図に
おいて１は平行平板基板、２は石英ウエハ上に形成され
た回折光学素子、３１は平行平板ホルダー、３２は回折
光学素子チャック、３３は円環状の突起ａ、３４は円環
状の突起ｂ、３５は排気口、３６はスコープである。石
英ウエハ２は位置測定用マークの形成されている回折光
学素子チャック３２上にのせられ、スコープ３６にて回
折光学素子２の中心とチャック３２との中心があるよう
調整され、排気口３５より負圧を導入し、吸着される。
回折光学素子２の中心出しには回折光学素子のパターン
そのものを用いて行ってもよいし、専用マークが設けら
れていてもよい。スコープ３６は測定後接合装置から接
合にじゃまにならない場所へ移動させられる。円環状の
突起ａ，ｂのため石英ウエハ２は凸状に変形する。その
量は実際にはわずかであるが、図中ではわかりやすくす
るため、誇張して表現している。平行平板ホルダー３１
には回折光学素子チャック３２の中心とホルダーにセッ
トされた基板の中心があうよう３点の突き当て部３７が
設けられている。回折光学素子２と平行平板１の中心の
位置合せ終了後、平行平板１は回折光学素子２の中心に
まず接触する。排気口３５の圧力を徐々に大気に戻すこ
とで、変形開放され、回折光学素子２と平行平板１は徐
々に接触し、直接接合されていく。

【００３４】石英ウエハ上に形成された回折光学素子２
は平行平面部材１に Optical Contact させている。こ
こでOptical Contact とは、前処理は別として、接着剤
等を介さずに基板同士を直接接合する場合をいう（真空
接着などもこれに含まれる）。ここで、接着面にＡＲ
（反射防止）コーティングが施され、接着面での反射を
抑えている場合もある。

【００３５】図２において示されているとおり、平行平
面部材１と回折光学素子２は周辺部を接着している。接
着剤３としてエポキシ系の接着剤を用いている。接着剤
３として本発明ではエポキシ系を用いたが、メタアクリ
ル系やポリエステル系など、又有機系や無機系の接着剤
等を用いても構わない。回折光学素子２の接着には紫外
線硬化型なども適用できる。石英ウエハ上に形成された
回折光学素子２は厚さが数ｍｍ以下と薄いため接着剤が
回折パターン上に回り込まないように周囲に溝４が形成
されている。

【００３６】本実施形態では接着剤３の量により、図２
（Ａ）のように溝４に接着剤が入り込んでも良く、又、
図２（Ｂ）のように溝４に接着剤が入り込んでいなくて
も構わない。

【００３７】又、Optical Contactでは、非接着部が生
じる場合もあり（特に最外周部に発生しやすい）、Opti
cal Contactされた面に接着剤がしみこまないように、
図２（Ｃ）のように溝４は接着剤より中心に近く、かつ
有効径外に形成されていてもよい。

【００３８】また、図２（Ｄ）のようにOptical Contac
tの際生じてしまった非接着部を接着剤により接着させ
てもよい。

【００３９】その際も、溝４は接着剤より中心に近くか
つ有効径外に形成されていてもよい。

【００４０】ここで、上記構成において周辺を接着固定
することは、回折光学素子２と平行平面部材１との基本
的な固定強度を与える。また真空接着を用いる場合の真
空雰囲気の機密封止を兼ねている。又、回折光学素子２
のブレーズド形状を有する面を接触面としても良い。間
隔を真空状態とすることは、回折光学素子が投影光学系
中で光学材料よりも下側に配置される場合にも、回折光
学素子中心部の光学材料への密着を保証している。

【００４１】また、本実施形態では光学部材の中心部の
接着はOptical Contactで行う例を示したが、全面を接
着剤で接着しても良いし、全面を接着せずに周辺のみの
接着でも構わない。

【００４２】周辺のみの接着の場合、図２（Ｃ）のよう
に、溝４は接着剤より中心に近くかつ有効経外に必要と
なる。

【００４３】以上のような接着方法を用いることによ
り、ウエハ状態の回折光学素子を他の光学部材を一体化
する際に十分な接着強度と、回折光学素子の素子面を保
護することができる。

【００４４】図３は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。図３（Ａ）において５は石英を材料とする平凸レ
ンズ、２は石英ウエハ上に形成された回折光学素子、３
は接着剤を表している。図３（Ａ）は中心を通る直径方
向での断面図を表している。平凸レンズ５と回折光学素
子２は実施形態１と同様のOptical Contact されてい
る。さらに図３中、Ｂと示された領域を拡大したものが
実施形態１と同様、図４である。接着剤３としては無機
系の接着剤低融点ガラスを用いている。低融点ガラスは
熱膨張係数などの点で本発明のようにガラス同士の接着
には相性が良く、真空雰囲気の吸着力と併せて環境温度
の変化／レンズ自身の光吸収による温度変化の際にも、
不要な応力などの発生を抑えている。

【００４５】図４のように、平凸レンズ５と回折光学素
子２の双方に接着部を構成する溝４を形成しても良い。
無機系の接着法の１つとして金属の共晶（ＡｕとＡｌ）
を用いた場合、回折光学素子２と平凸レンズ５の双方に
共晶を形成する１つの金属となるＡｕ又はＡｌを蒸着す
る厚さ分（例えば０．１μｍ程度）の溝を形成する。各
々の溝に金属を成膜し、共晶による接合を行う。他の接
着法として陽極接合がある。導電膜とイオンを持つガラ
スを成膜し、電界をかけて接着する平凸レンズ５又は回
折光学素子２がイオンを持つガラスでもよい。図４
（Ａ）にあるように接着部のみの溝でも、図４（Ｂ）に
あるように平凸レンズ５側の溝は広めに作っておいても
良い。

【００４６】又、本実施形態では中心部の接着はOptica
l Contact で行う例を示したが、全面を接着しても周辺
のみの接着でも構わない。全面を接着する際、無機系の
接着法としては、光学的に利用しやすい材料での融着な
どが用いられている。融着に利用する材料としては石英
はもちろんＣＡＦ₂ ，ＭｇＦ，ＬｉＦなどを用いても良
い。

【００４７】更に図３（Ｂ）に示すように、石英を材料
とする平凸レンズ５に回折光学素子２を接着する場合も
同様である。

【００４８】以上のような接着方法を用いることにより
ウエハ状態の回折光学素子を他の光学部材と一体化する
際に十分な接着強度と、回折光学素子の素子面を保護す
ることができる。

【００４９】又、無機系の接着をすることにより、接着
剤の劣化等による効率の低下を防ぐことができる。又、
上記構成において強度を確保する光学材料を投影光学系
を構成するレンズで兼ねることは、投影光学系全体とし
て光学材料のトータルの厚みをより薄くすることにな
り、照明光の吸収を最小限に抑えている。

【００５０】図６は本発明の実施形態３の要部断面図で
ある。同図において７は石英を材料とする平凹レンズ、
２は石英ウエハ上に形成された回折光学素子、３は接着
剤を表し、中心を通る直径方向での断面図を表してい
る。平凹レンズ７と回折光学素子２は実施形態１と同様
Optical Contact されている。

【００５１】その際、図６（Ａ）に示すように接着時に
発生した歪みを緩和するために回折光学素子２側に溝４
が形成されている。接着剤を用いた接合を行う際、図６
（Ｂ）に示すように回折光学素子２側に接着時に発生し
た歪みを緩和するために溝４が形成され、かつ、平凹レ
ンズ７には接着剤が回り込まないように溝４が形成され
ているなど、用途別に複数個の溝を持っていても構わな
い。接着時に与えた力により発生する残留応力の緩和を
行うこともでき、回折光学素子の素子面を保護でき、結
果的に接着強度が増大する。

【００５２】図７（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施形態４
の要部概略図である。図７（Ａ）はレンズＬ１，Ｌ２同
士、図７（Ｂ）はプリズムＰ１，Ｐ２同士の接着を表し
ている。接着方法としては実施形態１，２で示したよう
な有機系、無機系双方の接着及びOptical Contact など
が用いられる。有効経外に接着剤用の溝を設け、接着剤
により接着強度の向上をはかる。接着方法により、接着
部の溝の形状及び接着剤の状態は図８に示すような構成
などが適用可能である。更に、図８（Ｆ）のように接着
剤回り込み防止用の溝を設けてもよい。

【００５３】上記の様な溝を設けることにより、溝は接
着剤のはみ出しによる間隔の発生や平面度の悪化を防ぐ
と供に溝の部分のみで接着を行い問題点の解決を図るこ
ともできる。

【００５４】尚、本発明では以上のような回折光学素子
等の光学部材を図１１に示す露光装置の光学系の一部に
適用してデバイスを製造している。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、回折光学
素子等の光学部材を少なくとも２つを接着剤で、又はオ
プティカルコンタクトで接合した構成の光学素子を光学
系中に用いるときに、少なくとも一方の光学部材の接合
部又はその近傍に溝を設けることにより、光学部材の面
変形を防止しつつ、又面の汚れを防止しつつレンズ鏡筒
内に良好なる状態で精度良く保持することができる光学
素子及びそれを用いた光学系を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１に係る構造と効果を説明
する図である。

【図２】 本発明の実施形態１，２に係る構造と効果を
説明する部分拡大図である。

【図３】 本発明の実施形態２に係る構造と効果を説明
する図である。

【図４】 本発明の実施形態２に係る構造と効果を説明
する部分拡大図である。

【図５】 本発明の実施形態１，２に係る接着工程を説
明する図である。

【図６】 本発明の実施形態３に係る構造と効果を説明
する部分拡大図である。

【図７】 本発明の実施形態４に係る構造と効果を説明
する図である。

【図８】 本発明の実施形態４に係る構造と効果を説明
する部分拡大図である。

【図９】 従来の回折光学素子について説明する図であ
る。

【図１０】 従来の回折光学素子について説明する図で
ある。

【図１１】 従来の露光装置の説明図である。

【符号の説明】

１ 平行平板部材 ２ 回折光学素子 ３ 接着剤 ４ 溝 ５ 平凸レンズ ６ 凸レンズ ７ 平凹レンズ ５０ フレネルレンズ ５１ ブレーズド形状 ５２ バイナリー型の回折光学素子 ５３ 階段状の断面形状 ５５ 回折光学素子 ６１ 光源 ６２ レチクル ６３ レチクル保持台 ６４ 投影光学系 ６５ レンズ ６６ ウエハ ６７ ウエハステージ ３１ 平行平板ホルダー ３２ 回折光学素子チャック ３３ 円環状の突起ａ ３４ 円環状の突起ｂ ３５ 排気口 ３６ スコープ ３７ 突き当て部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さの異なる２つ以上の光学部材を接合
   させた光学素子において、厚さの薄い方の光学部材の接
   合部又はその近傍に溝を設けていることを特徴とする光
   学素子。
2. 【請求項２】 ２つ以上の光学部材を接着剤を用いて接
   合させた光学素子において、一方又は／及び双方の光学
   部材の接合部又はその近傍に１つ以上の接着剤の回り込
   み用の溝を設けていることを特徴とする光学素子。
3. 【請求項３】 前記光学素子を構成する少なくとも１つ
   の光学部材が屈折型光学素子であることを特徴とする請
   求項１又は２の光学素子。
4. 【請求項４】 前記光学素子を構成する少なくとも１つ
   の光学部材が回折光学素子であることを特徴とする請求
   項１又は２の光学素子。
5. 【請求項５】 前記回折光学素子が量子化されたブレー
   ズド形状を有する位相型の回折光学素子であることを特
   徴とする請求項４の光学素子。
6. 【請求項６】 前記光学部材の接合において、該光学部
   材の周辺部を接合していることを特徴とする請求項１又
   は２の光学素子。
7. 【請求項７】 前記２つの光学部材を接着剤を用いて接
   合しており、該接着剤は有機系接着剤であることを特徴
   とする請求項１又は２の光学素子。
8. 【請求項８】 前記２つの光学部材を接着剤を用いて接
   合しており、該接着剤は無機系接着剤であることを特徴
   とする請求項１の光学素子。
9. 【請求項９】 前記光学部材の接合において、Optical
   Contact を用いることを特徴とする請求項１又は２の光
   学素子。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９記載の光学素子を少なく
    とも１つ採用したことを特徴とする光学系。
11. 【請求項１１】 請求項１０の光学系を用いて被照射面
    に配置した第１物体面上のパターンを第２物体面上に投
    影していることを特徴とする投影露光装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の投影露光装置を用い
    てレチクル面上のパターンを投影光学系によりウエハ面
    上に投影露光した後、該ウエハを現像処理工程を介して
    デバイスを製造していることを特徴とするデバイスの製
    造方法。