JP2011096720A - 光学素子の保持装置、それを用いた露光装置、及びデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外力に起因した光学素子の偏心移動を低減し、収差変化が小さく、かつ、高い解像力が得られる光学素子の保持装置を提供する。
【解決手段】光学素子１を支持する環状の第１の支持部材２と、第１の支持部材２の外径側に位置し、第１の支持部材２を支持する環状の第２の支持部材３と、第１の支持部材２と第２の支持部材３の間に位置する複数の弾性変形が可能な弾性部材４とを備える光学素子の保持装置１０であって、弾性部材４は、円筒部材であり、円筒部材の一方の端面は、光学素子１の光軸方向において、第１の支持部材２と結合し、円筒部材の他方の端面は、第２の支持部材３と結合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子の保持装置、それを用いた露光装置、及びデバイスの製造方法に関するものである。

露光装置は、半導体デバイスや液晶表示装置等の製造工程であるリソグラフィ工程において、原版（レチクル、又はマスク）のパターンを、投影光学系を介して感光性の基板（表面にレジスト層が形成されたウエハやガラスプレート等）に転写する装置である。例えば、半導体露光装置では、レチクルのパターンをウエハ上に結像させるための光学装置が用いられるが、高集積な回路を作成するためには高い解像力が要求される。このようなことから、半導体露光装置用の光学装置は、光学収差を小さく抑える必要があり、具体的には、光学装置を構成するレンズ、ミラー等の光学素子の材質や膜に関する諸特性の均一性や、光学素子の光学面形状の加工精度、及び組立精度が必要となる。

ここで、光学装置に用いられる光学素子を保持する保持部材は、金属材、即ち、光学素子とは異なる材質のもので形成されるのが一般的である。しかしながら、環境温度等の変化に起因して、光学素子や保持部材に形状変化が生じ、収差が変化する場合がある。そこで、近年、環境温度の変化、更には、組み付けの際に発生する歪み等に起因するレンズ面の変形を軽減することによって、収差が小さく、高い解像度を得ることが可能な光学素子の保持装置が提案されている。例えば、特許文献１は、光学要素を支持する第１の支持部材と、第１の支持部材を支持する第２の支持部材との間に径方向に弾性変形可能な弾性部材を備える光学要素の保持装置を開示している。弾性部材は、両端部が第１の支持部材に結合され、中央部が第２の支持部材に結合された板ばねを含み、環境温度が変化した場合には、板ばねが曲げ変形を起こすことによって光学要素の好ましくない変形を低減させている。

特開２００１−３４３５７６号公報

しかしながら、特許文献１に示すような光学素子の保持装置では、第２の支持部材が外形側より半径方向に押されて変形した場合、光学素子が偏心移動する。図６は、特許文献１に示す光学素子の保持装置を光軸方向から見た平面図である。保持装置１００は、光学素子１１１と、第１の支持部材１１２と、第２の支持部材１１３と、第１の支持部材１１２と第２の支持部材１１３との間に、円周上１２０°の間隔で配置された３箇所の弾性部材１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃとを備える。ここで、光軸（ｚ軸）上の任意の点を原点として、ｘｙｚ直交座標系と、ｘ軸をθ＝０としたｒθｚ円筒座標系とを設定し、かつ、各弾性部材１１４の弾性定数は、同一であり、弾性定数のｒθｚ座標系に関する成分を、それぞれＫｒ、Ｋθ、Ｋｚと仮定する。例えば、図６に示すように、第２の支持部材１１３に対して外力が作用すると、第２の支持部材１１３がｙ方向に収縮して、破線で示すような楕円形状に変形する。このとき、各弾性部材１１４の弾性定数のｙ方向成分Ｋｙは、弾性部材１１４ｃでは、Ｋｙ＝Ｋｒであり、一方、弾性部材１１４ａ、１１４ｂの弾性定数のｙ方向成分Ｋｙは、共に次式で表される。
Ｋｙ＝Ｋｒ×ｓｉｎ３０°＋Ｋθ×ｃｏｓ３０°
＝（１／２）Ｋｒ＋（（√３）／２）Ｋθ
ここで、ｙ軸方向プラス側に位置する２箇所の弾性部材１１４ａ、１１４ｂの弾性定数のｙ方向成分を合計すると、Ｋｒ＋（√３）Ｋθとなり、ｙ軸方向マイナス側に位置する弾性部材１１４ｃのｙ方向成分Ｋｒよりも大きい。また、各弾性部材１１４は、径方向に対しては低い弾性を有する。即ち、特許文献１の保持装置では、Ｋｒ＜＜Ｋθとなるように構成されているので、ｙ軸のプラス側とマイナス側とでは、弾性定数のｙ方向成分の差が非常に大きいことになる。したがって、第２の支持部材１１３の変形に起因した各弾性部材１１４のｙ軸方向の変形は、弾性部材１１４ｃで大きくなり、第１の支持部材１１２は、ｙ軸のマイナス方向に偏心移動し、これに伴い、光学素子１１１もｙ軸のマイナス方向に偏心移動する。このような光学素子１１１の変形は、光学素子の保持装置を含む光学系の光学性能に悪影響を及ぼす。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、外力に起因した光学素子の偏心移動を低減し、収差変化が小さく、かつ、高い解像力が得られる光学素子の保持装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光学素子を支持する環状の第１の支持部材と、第１の支持部材の外径側に位置し、第１の支持部材を支持する環状の第２の支持部材と、第１の支持部材と第２の支持部材の間に位置する複数の弾性変形が可能な弾性部材とを備える光学素子の保持装置であって、弾性部材は、円筒部材であり、円筒部材の一方の端面は、光学素子の光軸方向において、第１の支持部材と結合し、円筒部材の他方の端面は、第２の支持部材と結合することを特徴とする。

本発明によれば、各方向の弾性定数が同一となる円筒形の弾性部材を採用することにより、第２の支持部材が外力を受けることに起因した光学素子の偏心移動を低減し、収差変化が小さく、かつ、高い解像力が得られる光学素子の保持装置を提供する。

本発明の実施形態に係る光学素子の保持装置の断面立体図である。 図１に示す光学素子の保持装置の展開図である。 図１に示す弾性部材の周辺を拡大した断面立体図である。 本発明の光学素子の保持装置を光軸方向から見た平面図である。 本発明の実施形態に係る露光装置の構成を示す概略図である。 従来の光学素子の保持装置を光軸方向から見た平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（光学素子の保持装置）
まず、本発明の実施形態に係る光学素子の保持装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光学素子の保持装置の断面立体図（斜視図）である。また、図２は、光学素子の保持装置の展開図である。保持装置１０は、光学素子１と、第１の支持部材２と、第２の支持部材３と、３つの弾性部材４とを備える。光学素子１は、レンズ、若しくはミラー等で形成される光学素子である。なお、本実施形態では、光学素子１は、レンズであり、該レンズの材質は、石英ガラス、若しくは螢石ガラスが好適である。

第１の支持部材２は、光学素子１を内径側で支持する環状の部材である。第１の支持部材２は、まず、その内径側に、光学素子１の外径部を収容するように、底辺部が径中心に対向するＬ字型の溝部２１を有する。該溝部２１は、その水平面に、光軸方向上向きに突起した、角形若しくは半球形の凸部である突起部２２を、円周方向に略等間隔で３ヶ所有する。また、第１の支持部材２は、その外径側に、後述する弾性部材４を収容する切り欠き部２３を、円周方向に等間隔で３ヶ所有する。なお、突起部２２及び切り欠き部２３の設置個数は、製造効率及び作用効率を考慮し、本実施形態では３箇所としているが、特に限定するものではない。第１の支持部材２の材質は、光学素子１の材質と近似する熱膨張係数を有する。例えば、光学素子１の材質が石英ガラスである場合、第１の支持部材２の材質は、ニッケル合金、酸化マグネシウムと酸化シリコン等からなるコージライト系のセラミックス材料が好適である。若しくは、第１の支持部材２の材質は、アルミナや窒化シリコン等のセラミック材料、更には、低熱膨張ガラスであるゼロジュール（登録商標）等も好適である。一方、光学素子１の材質が螢石ガラスである場合、第１の支持部材２の材質は、真鍮等の銅合金、１８−８ステンレス鋼等の鉄、クロム、及びニッケルによる合金、若しくは、アルミニウムを主成分とした合金等が好適である。

第２の支持部材３は、第１の支持部材２を内径側で支持する環状の部材である。第２の支持部材３は、その内径側に、第１の支持部材２の外径部を収容するように、底辺部が径中心に対向するＬ字型の溝部３１を有する。第２の支持部材３の材質は、ステンレス鋼等の鉄鋼材料が好適である。

弾性部材４は、弾性変形が可能な円筒部材であり、円筒の一方の端面に、第１の支持部材２と結合する第１の結合部４１と、該結合部４１と対向する他方の端面に、第２の支持部材３に形成された溝部３１の平坦部と結合する第２の結合部４２とを備える。本実施形態では、第１の結合部４１は、円筒の中心部に向けて突出した２箇所の平坦部であり、一方、第２の結合部４２は、円筒の外側に向けて突出した２箇所の平坦部である。円筒部材の寸法は、保持する光学素子１の形状、及び重量等に依存するが、例えば、光学素子１の径寸法が４０ｍｍ程度とすると、円筒の径寸法は、１０ｍｍ程度、円筒の光軸方向の高さは、５ｍｍ程度、及び円筒壁面の厚さは、１〜２ｍｍ程度が望ましい。また、円筒部材の材質は、ステンレス鋼等で形成されたバネ用金属材や、ジルコニウム等の非金属材が好適であるが、形成した円筒部材が弾性を有するものであれば、特に限定するものではない。

次に、保持装置１０を構成する各部材の接続について説明する。図３は、図１における弾性部材４の周辺を拡大した断面立体図（斜視図）である。以下、光学素子１は、光軸方向が重力方向と一致するように配置するものとする。まず、光学素子１は、重力方向下面を３箇所の突起部２２に点接触させ、かつ、外周部を溝部２１の側面に接着させることにより、第１の支持部材２に固定される。次に、第１の支持部材２は、３箇所の切り欠き部２３にそれぞれ弾性部材４を収容しつつ、第２の支持部材３に接続される。このとき、各弾性部材４は、円筒の中心軸が、第１の支持部材２の中心軸と平行となるように配置される。この場合、各中心軸の方向は、光軸方向、即ち、重力方向と一致する。また、弾性部材４は、第１及び第２の結合部４１、４２を、それぞれ第１及び第２の支持部材２、３に対して、不図示の接着、又はネジ止め等の方法で締結することにより固定される。

次に、保持装置１０の作用及び効果について説明する。まず、本実施形態では、光学素子１、及び第１の支持部材２の材質は、互いに近似する熱膨張係数を有し、かつ、光学素子１は、光軸方向で３箇所の突起部２２で支持されている。したがって、環境温度の変化により、光学素子１と第１の支持部材２とに対して、膨張、若しくは収縮が発生しても、光学素子１は、単純膨張、若しくは単純収縮に近い形状変化となり、光学性能に有害な面形状の変化を抑えることができる。また、第１の支持部材２と第２の支持部材３とが異なる熱膨張係数を有する材料で形成されている場合、環境温度の変化により、異なる膨張、若しくは収縮を起こすことがある。この場合、本発明によれば、弾性部材４が変形を起こすことによって、これらの熱膨張差を吸収することができる。

更に、本実施形態では、第２の支持部材３の側面に外力が加えられた場合、弾性部材４が変形を起こすことによって、光学素子１の変形を抑制させる。以下、各弾性部材４の変形について、従来の課題で述べた例と比較して説明する。図４は、本実施形態の保持装置１０を光軸方向から見た平面図である。ここで、前述の図６と同様に、光軸（ｚ軸）上の任意の点を原点として、ｘｙｚ直交座標系を設定する。なお、本実施形態の各弾性部材４（４ａ、４ｂ、４ｃ）は、円筒部材であるため、円筒の中心軸を含む面に対称な変形に対する弾性定数Ｋｃは、円筒の中心軸に対して等方的であり、各弾性部材４の弾性定数は、同一と考えられる。例えば、図４に示すように、第２の支持部材３に対して外力が作用すると、第２の支持部材３がｙ方向に収縮して、破線で示すような楕円形状に変形する。このとき、ｙ軸のマイナス側に位置する弾性部材４ｃの弾性定数のｙ方向成分は、Ｋｃである。一方、ｙ軸のプラス側に位置する２箇所の弾性部材４ａ、４ｂの弾性定数のｙ方向成分の合計は、２×Ｋｃであり、ｙ軸のマイナス側よりも大きい。しかしながら、弾性部材４の弾性定数Ｋｃが、図６で示した弾性部材１１４の弾性定数のｒ方向成分Ｋｒと等しいと仮定し、本実施形態と従来例を比較すると、ｙ軸のマイナス側の弾性定数のｙ方向成分は、Ｋｃ＝Ｋｒで等しい。一方、ｙ軸のプラス側の弾性定数のｙ方向成分の合計は、従来例がＫｒ＋（√３）Ｋθであるのに対し、本実施形態では、２×Ｋｃ＝２×Ｋｒである。ここで、従来例では、Ｋｒ＜＜Ｋθとなるように構成されているので、２×Ｋｒ＜＜Ｋｒ＋（√３）Ｋθとなる。即ち、本実施形態の保持装置１０では、従来例の保持装置１００と比較して、ｙ軸のプラス側とマイナス側との弾性定数のｙ方向成分の差が非常に小さくなる。したがって、第２の支持部材３がｙ方向に外力を受けて変形した場合、光学素子１が偏心する量も、非常に小さくすることができる。

以上のように、本発明の光学素子の保持装置１０によれば、第２の保持部材３が半径方向に外力を受けたことに起因する光学素子１の偏心移動を低減することができる。これにより、光学素子１の光学性能に有害となる面形状の変化を抑えることができる。

（露光装置）
次に、本発明の光学素子の保持装置を適用する露光装置の構成について説明する。図５は、本発明の保持装置を適用する露光装置の構成を示す概略図である。露光装置９０は、照明光学系９１と、レチクルを保持するレチクルステージ９２と、投影光学系９３と、被処理基板を保持する基板ステージ９４とを備える。なお、本実施形態における露光装置９０は、ステップ・アンド・リピート方式又はステップ・アンド・スキャン方式を採用し、レチクルに形成されたパターンを、被処理基板であるウエハに露光する走査型投影露光装置である。

照明光学系９１は、不図示の光源部を備え、レチクルを照明する装置である。光源部において、光源は、例えば、レーザーを使用する。使用可能なレーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザー等である。なお、レーザーの種類は、エキシマレーザーに限定されず、例えば、ＹＡＧレーザーを使用しても良いし、レーザーの個数も限定されない。また、光源部にレーザーが使用される場合、レーザー光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する光束整形光学系、コヒーレントなレーザーをインコヒーレント化するインコヒーレント光学系を使用することが好ましい。更に、光源部に使用可能な光源は、レーザーに限定されるものではなく、一又は複数の水銀ランプやキセノンランプ等のランプも使用可能である。また、照明光学系９１は、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、及び絞り等を含む。一般に、光学系は、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系の順で整列する。照明光学系９１は、軸上光、軸外光を問わず使用可能である。ライトインテグレーターは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ板を重ねることによって構成されるインテグレーター等を含む。なお、ライトインテグレーターは、光学ロッドや回折要素に置換される場合もある。また、開口絞りは、円形絞り、変形照明用の輪帯照明絞り、及び４重極照明絞り等として構成される。

レチクルは、例えば、石英ガラス製の原版であり、転写されるべき回路パターンが形成されている。また、レチクルステージ９２は、ｘｙ方向に移動可能なステージであって、レチクルを保持する装置である。なお、レチクルステージ９２は、レチクルステージ定盤９５に保持されている。

投影光学系９３は、照明光学系９１からの露光光で照明されたレチクル上のパターンを所定倍率（例えば、１／４）で基板上に投影露光する。投影光学系９３としては、複数の光学素子のみから構成される光学系や、複数の光学素子と少なくとも一枚の凹面鏡とから構成される光学系（カタディオプトリック光学系）が採用可能である。若しくは、投影光学系９３として、複数の光学素子と少なくとも一枚のキノフォーム等の回折光学素子とから構成される光学系や、全ミラー型の光学系等も採用可能である。なお、上記レチクルステージ定盤９５及び投影光学系９３は、床面（基盤面）９６上に、ダンパ９７を介した鏡筒定盤９８に支持されている。ここで、投影光学系９３は、高い解像性能が必要不可欠であり、極低収差な光学性能が要求される。そこで、上述の光学素子の保持装置１０を適用することにより、投影光学系９３が鏡筒定盤９８からの外力等により変形した場合であっても、光学素子の偏心移動による光学性能の劣化が起こり難くなる。即ち、極低収差な光学性能を得ることができるので、半導体製造に必要な解像力を得るためのレンズシステムを実現することが可能となる。なお、本発明の光学素子の保持装置１０は、投影光学系９３のみならず、照明光学系９１にも適用可能である。

基板（被処理基板）は、表面上に感光剤（レジスト）が塗布された、シリコンウエハ等の被処理体である。基板ステージ９４は、ｘｙｚ方向に移動可能なステージであって、基板を保持する装置である。なお、基板ステージ９４は、床面（基盤面）９６上に載置されたステージ定盤９９上に設置されている。

本実施形態の露光装置９０において、レチクルから発せられた回折光は、投影光学系９３を通過し、基板上に投影される。該基板とレチクルとは、共役の関係にある。走査型の投影露光装置の場合は、レチクルと基板とを走査することにより、レチクルのパターンを基板上に転写する。なお、ステッパー（ステップ・アンド・リピート方式の露光装置）の場合は、レチクルと基板とを静止させた状態で露光が行われる。

（デバイスの製造方法）
次に、本発明の一実施形態のデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。本実施形態の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。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

上記実施形態では、第１及び第２の支持部材２、３に対して弾性部材４を接続する方法として、弾性部材４に第１及び第２の結合部４１、４２を形成し、接着、若しくはネジ止めにより締結する方法を採用したが、本発明は、これに限定されない。例えば、弾性部材４を構成する円筒の両端の円周部を、第１及び第２の支持部材２、３に直接接着しても良い。若しくは、第１及び第２の支持部材２、３との接続部に、円筒と略同一の径を有する穴部を形成し、該穴部に円筒の両端を嵌設させても良い。

１ 光学素子
２ 第１の支持部材
３ 第２の支持部材
４ 弾性部材
１０ 保持装置
２３ 切り欠き部
３１ 溝部
９１ 照明光学系
９３ 投影光学系

Claims (6)

1. 光学素子を支持する環状の第１の支持部材と、該第１の支持部材の外径側に位置し、前記第１の支持部材を支持する環状の第２の支持部材と、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材の間に位置する複数の弾性変形が可能な弾性部材とを備える光学素子の保持装置であって、
   前記弾性部材は、円筒部材であり、
   前記円筒部材の一方の端面は、前記光学素子の光軸方向において、前記第１の支持部材と結合し、前記円筒部材の他方の端面は、前記第２の支持部材と結合することを特徴とする光学素子の保持装置。
2. 前記第１の支持部材は、前記弾性部材を収容する切り欠き部を有し、
   前記第２の支持部材は、内径側で、底辺部が径中心に対向するＬ字型の溝部を有し、
   前記弾性部材は、前記切り欠き部に収容されつつ、前記第１の支持部材と結合し、前記円筒部材の他方の端面を、前記溝部の平坦部と結合することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の保持装置。
3. 前記弾性部材は、円筒の中心軸が、前記第１の支持部材の中心軸と平行となるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の保持装置。
4. 前記弾性部材は、前記第１の支持部材及び前記第２の支持部材の円周方向において、等間隔に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子の保持装置。
5. 原版のパターンを照明する照明光学系と、前記原版からの光を被処理基板に導く投影光学系とを有する露光装置であって、
   前記照明光学系、及び前記投影光学系の少なくとも一方は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子の保持装置を備えることを特徴とする露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記基板を現像する工程と、
   を有することを特徴とするデバイスの製造方法。

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