JPH08179204A

JPH08179204A - 投影光学系及び投影露光装置

Info

Publication number: JPH08179204A
Application number: JP7265308A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sasaya; 俊博笹谷; Kazuo Ushida; 一雄牛田; Yutaka Suenaga; 豊末永; Ai Merukado Romeo; アイ．メルカドロメオ
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1996-07-12
Also published as: EP0712019A2; DE1091230T1; EP0712019A3; USRE38403E1; US5805344A; KR960018769A; EP1091230A9; KR100387003B1; EP1091230A2; EP1091230A3

Abstract

(57)【要約】【課題】露光領域が大きく、解像度が高く、開口数の
大きな投影光学系及びそれを備えた露光装置を提供す
る。【解決手段】投影光学系は、第１の物体Ｒ上の像を、
一定の縮小率で、第２の物体Ｗ上に投影する。投影光学
系は、第１の物体Ｒの側から見て順に、正の屈折力を有
する第１のレンズ群と、実質的にアフォーカル系から成
る第２のレンズ群と、正の屈折力を有する第３のレンズ
群とを備える。全系の焦点距離をＦ、投影光学系の投影
倍率をＢ、第１の物体と第２の物体との間の距離をＬ、
投影光学系の光軸に対して平行な、投影光学系の第２の
物体側からの光線が、投影光学系を射出する際に、該光
線の第１の物体側の延長線が光軸と交差する点と第１の
物体面との間の距離をｅ、投影光学系を通って来る光線
が、第１の物体に到達する際の、投影光学系の光軸から
の第１の物体上の光線の高さをｈとすると、１．８≦｜
Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜、及び、｜ｈ／ｅ｜≦３／１０００の
条件を満足する。本投影光学系を備える投影露光装置も
提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、第１の物体
のパターンを縮小して、基板の如き第２の物体上に投影
するために使用される、投影光学系、並びに、投影露光
装置に関し、より詳細には、第１の物体としてのレチク
ル（マスク）に形成された集積回路のパターンを、第２
の物体としての基板（ウエハ）上に投影露光するのに理
想的な、投影光学系及び投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路のパターンが微細になるに連れ
て、ウエハを焼き付けるために使用される投影光学系
は、より高い性能を有することが必要とされる。そのよ
うな状況において、投影光学系の解像度を改善するため
には、露光波長λを更に短くするか、あるいは、投影光
学系の開口数（ＮＡ）を増大することが考えられる。

【０００３】近年、更に微細な転写パターンに対応する
ために、露光に使用される光源は、ｇ線（４３６ｎｍ）
を放射する光源から、ｉ線（３６５ｎｍ）を放射する光
源が主に用いられるようになってきている。また、エキ
シマレーザ（２４８ｎｍ、１９３ｎｍ）の如き、より短
い波長を有する光線を放射する光源が、使用されようと
している。

【０００４】また、上述の種々の露光波長を使用するこ
とによって、レチクル上のパターンのウエハ上への投影
露光を行う投影光学系が、提案されている。

【０００５】投影露光系では、像の歪みを減少させるこ
とと共に、解像度を改善することが要求される。本明細
書において使用する「像の歪み」とは、投影光学系が有
する像の歪み（distortion）だけではなく、投影光学系
の像側で焼き付けられるべきウエハの反りに起因する歪
み、及び、ＩＣ等の回路パターン等が描かれる、投影光
学系の物体側のレチクルの反りに起因する歪みである。
近年、転写パターンは、より微細になってきており、像
の歪みを減少させる要求が、より厳しくなっている。

【０００６】像の歪みに対するウエハの反りの影響を減
少するために、その像側がほぼテレセントリックになさ
れ、射出瞳位置を像位置から遠くする、光学系が使用さ
れてきている。

【０００７】一方、レチクルの反りによって生ずる像の
歪みの減少に関しては、投影光学系物体側が概ねテレセ
ントリックすなわち、投影光学系の入射瞳位置が物体平
面から比較的離れて位置している光学系が考慮されてお
り、そのような投影光学系が提案されている。そのよう
な例の幾つかが、特開昭６３−１１８１１５号、特開平
４−１５７４１２号、及び、特開平５−１７３０６５号
に記載されている。

【０００８】しかしながら、上記各々の特許公開公報に
記載されている投影光学装置は、開口数（ＮＡ）が小さ
く、解像度が不十分であり、露光領域が狭い。また、像
の歪みを減少させる要求が益々厳しくなっているのにも
拘わらず、上記特許公開公報でなされていることは、単
に、投影光学系の入射瞳位置を、物体平面（レチクル
面）から比較的遠くに置くことだけであり、物体側及び
像側（ウエハ側）において、十分にテレセントリックな
光学系からの偏差（以下の記載においては、「テレセン
トリシティからの偏差」と呼ぶ）が大きく、従って、よ
り微細な転写パターンに十分に対応することができなか
った。

【０００９】また、物体側（レチクル側）におけるテレ
セントリシティからの偏差が大きく、レチクルを均一に
照明するための照明光は、上記テレセントリシティから
の偏差の影響が、その照明光学系によって補償されるよ
うに、入射する必要がある。従って、露光装置に装着さ
れるべき照明光学系を設計することは、極めて困難であ
った。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の事柄
を念頭に置いてなされたものであり、本発明の目的は、
比較的大きな露光面積を維持しながら、照明光学系をあ
まり制約することなく、大きな開口数を有する高い解像
度の投影光学系及びそれを備えた露光装置を提供するこ
とである。さらに加えて、この投影光学系の物体側及び
像側におけるテレセントリシティからの偏差が、第１の
物体（レチクル）及び第２の物体（ウエハ）の平面度が
好ましくない場合でも、極めて小さく、これにより、像
の歪みの問題を解消し得ることができる投影光学系及び
投影露光装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様によ
れば、第１の物体の像を、一定の縮小率で、第２の物体
へ投影する投影光学系において、その投影光学系は、上
記第１の物体の側から見て順に、正の屈折力を有する第
１のレンズ群Ｇ１と、アフォーカル系によって実質的に
構成される第２のレンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する
第３のレンズ群とを備える。

【００１２】全系の焦点距離をＦで表し、投影光学装置
の投影倍率をＢで表し、第１の物体と第２の物体との間
の距離をＬで表し、投影光学装置の入射瞳位置、すなわ
ち、投影光学装置の第２の物体側からの投影光学系の光
軸に対して平行な光線が、投影光学系を射出する際に、
その射出光線の延長線が光軸と交差する点（便宜のた
め、以下においては、「有限な物体高さに対応する入射
点位置」と呼ぶ）と第１の物体平面との間の距離をｅで
表し、入射瞳、すなわち、投影光学系の有限な物体高さ
に対応する入射点位置を決定する光線が、投影光学系を
通過する際の、第１の物体平面における光軸からの光線
の高さをｈで表した場合に、本投影光学系は、以下の条
件を満足するように構成される。（Ｉ）１．８≦｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜（ＩＩ）｜ｈ／ｅ｜≦３／１０００

【００１３】本発明の別の態様による投影露光装置は、
所定のパターンが形成されている第１の物体を照明する
照明光学系と、第１の物体の像を第２の物体上へ投影す
る投影光学系と、第１の物体を支持する第１の支持手段
と、第２の物体を支持する第２の支持手段とを備えてお
り、上記投影光学系は、上記第１の物体の側から見て順
に、正の屈折力を有する第１のレンズ群Ｇ１と、アフォ
ーカル系によって実質的に構成される第２のレンズ群Ｇ
２と、正の屈折力を有する第３のレンズ群Ｇ３とを備え
る。

【００１４】全系の焦点距離をＦで表し、投影光学系の
投影倍率をＢで表し、第１及び第２の物体の間の距離を
Ｌで表し、投影光学系の入射瞳位置、すなわち、投影光
学系の光軸に対して平行な、投影光学系の第２の物体か
らの光線が、投影光学装置を射出する際の、有限な物体
高さに対応する入射点位置から、第１の物体平面までの
距離をｅで表し、上記光線が入射瞳位置、すなわち、投
影光学系の有限な物体高さに対応する入射点位置を決定
する上記光線が、投影光学系を通過する際の、第１の物
体平面における光軸からの上記光線の高さをｈで表した
場合に、本投影露光装置は、以下の条件を満足するよう
に構成される。（Ｉ）１．８≦｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜（ＩＩ）｜ｈ／ｅ｜≦３／１０００

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明を説明する前に、基本的な
形態、並びに、その種々の好ましい条件を説明する。

【００１６】図１に示すように、開口絞りＡＳは、通
常、投影光学系に装着される。投影光学系の入射瞳位置
は、開口絞りＡＳの物体側（レチクル側）に設けられた
光学系によるＡＳの像位置として近軸光線追跡によって
見ることができる。

【００１７】しかしながら、物体高さｈから出る、光束
の実際の主光線（開口絞りＡＳの中心を通る光線）の延
長線は、光学系の光軸の近軸入射瞳位置と正確に交差し
ない（いわゆる、瞳収差）。ここにおいて、物体高さｈ
から出る光束の主光線の延長線が、光軸と交差する点
は、「物体高さｈに対応する入射瞳位置」と呼ばれ、ま
た、物体高さｈから出る光束が投影光学系を射出した時
の主光線の延長線が、光軸と交差する点は、「物体高さ
ｈに対応する射出瞳位置」と呼ばれる。

【００１８】一方、像の歪みの際の、投影光学系の物体
側のレチクルの反りの影響は、レチクルから投影光学系
に入射する入射光束のテレセントリシティからの偏差、
すなわち、投影光学系の光軸に対する入射光束の主光線
の勾配に比例する。

【００１９】ここで、レチクル上における光軸からのそ
の高さがｈ（物体高さ）である点からの入射光束（主光
線）のテレセントリシティからの偏差をＴ（ｈ）で表す
と、物体高さｈに対応する入射瞳位置とレチクルとの間
の距離は、Ｅ（ｈ）で表され、Ｔ（ｈ）及びＥ（ｈ）
は、以下の関係を有する。Ｔ（ｈ）＝ｈ／Ｅ（ｈ）（１）

【００２０】従って、常に一定のテレセントリシティか
らの偏差を得て、物体高さｈに関係無く、物体側の像の
歪みに対する影響を均一にするためには、物体高さｈに
比例するように、物体高さに対応する入射瞳位置を変え
るだけで十分である。換言すれば、物体高さｈが低い時
の物体高さｈに対応する入射瞳位置を、物体高さが高い
時の物体高さに対応する入射瞳位置よりも物体（レチク
ル側）に近い位置に置くことにより、物体側の像の歪み
に対する影響をほぼ均一にすることができる。

【００２１】本発明においては、物体高さｈに対応する
入射瞳位置は、一般に、物体高さに応じて変化するが、
像の歪みに対する、物体高さに対応する入射瞳位置の影
響の度合いも、物体高さに応じて変化するという事実に
注目し、物体高さｈの高さ（レチクル上における光軸か
らの高さ）に従って、入射瞳位置をうまくバランスさせ
ることにより、物体平面全体の像の歪みに対する影響を
均一にすることが可能となる。

【００２２】以下に示す条件（Ｉ）は、投影光学系の焦
点距離Ｆと、投影光学系の結像倍率Ｂ、及び、物体と像
との間の距離（レチクルとウエハとの間の距離）Ｌの積
との最適比を与える。１．８≦｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜（Ｉ）

【００２３】上記条件（Ｉ）は、投影光学系の像側（ウ
エハ側）の射出瞳位置が無限遠であると仮定すると、物
体平面（レチクル平面）から投影光学系の入射瞳までの
距離Ｅと、物体と像との間の距離（レチクルからウエハ
までの距離）Ｌとの比を与えることに等しいということ
を意味している。

【００２４】より具体的に説明すると、図１に示すよう
に、投影光学系の射出瞳位置が無限遠であると仮定する
と、投影光学系全体の前側焦点（レチクル側の焦点）ｆ
は、入射瞳位置に対応し、また、投影光学系全体の焦点
距離をＦとし、投影光学系の前側主平面をＰ、投影光学
系の投影倍率をＢ、物体平面（レチクル平面）から投影
光学系全体の前側焦点ｆまでの距離をＥとするとき、横
倍率の式にしたがって、以下の関係が成立する。Ｂ＝Ｆ／Ｅ（２）

【００２５】上式（２）を変形すると、下式が得られ
る。Ｅ＝Ｆ／Ｂ（３）

【００２６】式（３）の両辺を、物体と像との間の距離
（レチクルとウエハとの間の距離）Ｌで割り、その絶対
値を取ると、上述の条件（Ｉ）の意味を示す式（４）が
最終的に導出される。｜Ｅ／Ｌ｜＝｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜（４）

【００２７】上述の事柄から、上記（Ｉ）は、投影光学
系の像側（ウエハ側）の射出瞳位置が、無限遠であると
仮定すると、物体平面（レチクル平面）から入射瞳Ｅま
での距離と、物体と像との間の距離（レチクルとウエハ
との間の距離）Ｌとの最適比の絶対値を与えることが理
解されよう。

【００２８】条件（Ｉ）の下限値を超えると、投影光学
系の入射瞳位置が、物体と像との間の距離（レチクルと
ウエハとの間の距離）Ｌに比較して、物体に近くなり過
ぎ、物体平面全体（レチクル平面全体）にわたるテレセ
ントリシティからの偏差が悪化し、従って、テレセント
リシティからの偏差を修正する際に何等かの困難性が生
ずる。また、物体平面全体の像の歪みに対する影響を均
一に且つ十分に減少させるためには、条件（Ｉ）を６≦
｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜として、下限値を６とするのが望ま
しい。これは、入射光線のテレセントリシティからの偏
差による像の歪みに対する影響が、殆ど無視しうるタイ
プの投影光学系を構成することを可能とし、これによ
り、入射光線のテレセントリシティからの偏差を補償す
る必要性が低減されると共に、照明光学系を設計する際
の自由度が増大するという効果が得られる。更に、テレ
セントリシティからの偏差をほぼ完全に減少させ、ま
た、照明光学系を設計する際の自由度を十分に増大させ
るためには、上述の条件（Ｉ）を７．２≦｜Ｆ／（Ｂ・
Ｌ）｜として、下限値を７．２とするのがより好まし
い。

【００２９】また、条件（Ｉ）は、投影光学系の像側
（ウエハ側）の射出瞳位置が無限遠にあると仮定とした
ときの投影光学系の最適な入射瞳位置を与え、これによ
り像側の像の歪みに与える影響を減少させるが、また、
同時に、投影光学系の最適な射出瞳位置を与える。

【００３０】より具体的に説明するために、投影光学系
の物体側（レチクル側）の入射瞳位置が無限遠にあると
仮定し、当該投影光学系の射出瞳位置から像面（ウエハ
面）までの距離をＥ’で表すと、横倍率の式に従って、
以下の式が得らえる。１／Ｂ＝Ｆ／Ｅ’ （５）

【００３１】式（５）を変形すると以下の式（６）が導
出される。Ｅ’＝Ｆ・Ｂ＝（Ｆ／Ｂ）・Ｂ² （６）

【００３２】上述の式（３）を用いて、上述の式（５）
を更に変形すると、下式（７）が導出される。Ｅ’＝Ｅ・Ｂ² （７）

【００３３】式（７）は、投影光学系の投影倍率Ｂの２
乗（Ｂ²）を式（３）の右辺に掛けたものと等価であ
り、上述の式（７）の両辺を、物体と像との間の距離
（レチクルとウエハとの間の距離）Ｌで割り、その絶対
値をとると、以下の式（８）が導出される。｜Ｆ・Ｂ／Ｌ｜＝｜[Ｆ／（Ｂ・Ｌ）]｜・Ｂ²（８）

【００３４】この（８）式は、上記条件（Ｉ）の意味を
説明する（４）式の右辺に投影光学系の投影倍率Ｂの２
乗（Ｂ²）を乗じたものに等しくなり、これを上記条件
（Ｉ）に対応させて示せば、以下の（９）式が得られ
る。｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜≧１．８・Ｂ（９）

【００３５】従って、条件（Ｉ）は、投影光学系の射出
瞳位置が無限遠にあると仮定すると、投影光学系の最適
な入射瞳位置を与え、また同時に、条件（Ｉ）全体の値
にＢ²を掛けた量を考慮することにより、投影光学系の
入射瞳位置が無限遠であると仮定すると、射出瞳位置も
与え、これにより、像側の像の歪みに対する影響を減少
させることが理解されよう。

【００３６】従って、投影光学系の像側（ウエハ側）の
射出瞳位置、並びに、投影光学系の物体側（レチクル
側）の入射瞳位置は、条件（Ｉ）の範囲にある限り、完
全に無限遠にする必要はなく、像側（ウエハ側）及び物
体側（レチクル側）のテレセントリシティからの偏差
を、実質的に良好にバランスさせた状態で、維持するこ
とが可能であることが理解されよう。また、投影光学系
の収差を修正する際の自由度を確保しながら、投影光学
系を構成するための光学部材（レンズ等）の数を減少さ
せるためには、条件（Ｉ）を｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜≦２２
として、上限値を２２とするのがより好ましい。

【００３７】条件（ＩＩ）においては、投影光学系の射
出瞳位置が、無限遠であると仮定し、投影光学系の第１
物体側での入射瞳位置（すなわち、投影光学系の光軸に
平行な第２の物体からの光線が、投影光学系に入射する
時に決定される、投影光学装置の第１の物体側の有限は
物体高さに対応する入射点位置）と第１の物体面との間
の距離が、ｅで表され、投影光学系を通って来て、上記
入射瞳位置（すなわち、投影光学系の第１の物体側の有
限な物体高さに対応する入射点位置）を決定する上記光
線が、上記第１の物体に到達した時の、投影光学系のレ
チクル上の光軸からの上記光線の高さがｈで表される
と、第１の物体平面から入射瞳（すなわち、物体高さｈ
に対応する入射点位置）までの最適距離ｅが与えられ
る。｜ｈ／ｅ｜≦３／１０００（ＩＩ）

【００３８】上記条件（Ｉ）は、投影光学系の像側（ウ
エハ側）の射出瞳位置が無限遠であると仮定すると、物
体平面（レチクル平面）から投影光学系の近軸入射瞳ま
での距離Ｅと、物体と像との間の距離（レチクルからウ
エハまでの距離）Ｌとの最適比を与えるが、実際には限
定された露光面積を有する投影光学系では有限な物体高
さｈに対する入射瞳位置も考慮しなければならない。特
に、転写パターンがより微細になり、像の歪みを減少さ
せる要求がより厳しくなるに従って、条件（Ｉ）に加え
て条件（ＩＩ）を満足する必要がある。

【００３９】条件（ＩＩ）のｈは、光軸からの最大高さ
をＨとすると、式（１０）で示す範囲とすることができ
る。０≦ｈ≦Ｈ（１０）

【００４０】従って、物体高さｈは、式（１０）の範囲
内で、条件（ＩＩ）を満足することが必要となる。すな
わち、条件（ＩＩ）は、｜ｈ／ｅ｜が最大となるｈ及び
ｅの組み合わせで満足される必要がある。

【００４１】また、条件（ＩＩ）は、最適な入射瞳位
置、すなわち、投影光学系の像側（ウエハ側）の射出瞳
位置が無限遠であると仮定した時の、投影光学系の物体
高さｈに対応する入射点位置を与えるが、上述の条件
（Ｉ）と同様に、物体高さｈに対応する投影光学系の最
適な射出瞳位置に関しても考慮されている。

【００４２】より具体的に説明すると、条件（ＩＩ）の
｜ｈ／ｅ｜は、投影光学系の像側（ウエハ側）の射出瞳
位置が無限遠にあると仮定すると、投影光学系の物体側
（レチクル側）から出る光線の光軸に対する勾配に相当
する。この時、その入射光線の勾配が、条件（ＩＩ）を
満足する時には、物体平面（レチクル平面）上の光軸か
ら高さ（物体高さ）ｈにあり、投影光学系の光軸に平行
な光線、すなわち、光軸に対する勾配がゼロである光線
が、投影光学系に入射すると、光学系から出る光線の勾
配αは、以下の式で表される。 α≒｜ｈ／（ｅ・Ｂ）｜（１１）

【００４３】このことは、条件（ＩＩ）の両辺をＢで割
ったことを意味する。すなわち、｜ｈ／（ｅ・Ｂ）｜≦３／（１０００｜Ｂ｜）（１２）となる。これは投影光学系の入射瞳位置が無限遠にある
時の、射出瞳位置、すなわち、物体高さｈに対応する射
出点位置を与える。

【００４４】従って、投影光学系の射出瞳位置が無限遠
にあると仮定すると、物体高さｈに対応する投影光学系
に対する最適な入射点位置を与えると同時に、条件（Ｉ
Ｉ）はまた、投影光学系の入射瞳位置が無限遠にあると
仮定すると、条件（ＩＩ）全体をＢで割った量を考慮す
ることにより、物体高さｈに対応する射出点位置を与え
る。換言すれば、入射瞳側及び射出瞳側の光束のふるま
いが同時に考慮されるという意味においては、条件
（Ｉ）と同様であるが、条件（Ｉ）は、近軸光線の軌跡
を用いた基本的な条件を示し、一方、条件（ＩＩ）は更
に、有限な物体高さｈ（≦Ｈ）を考慮に入れている。

【００４５】条件（ＩＩ）の上限値を超えると、有限
な、物体高さｈ（≦Ｈ）に対する、入射瞳位置又は射出
瞳位置は、物体平面又は像面に接近しすぎるため、外側
（ウエハ側）及び物体側（レチクル側）におけるテレセ
ントリシティからの偏差をバランス良く補償する際に、
困難が生ずる。最大の物体高さＨの範囲内においては、
条件（ＩＩ）を満足すると、入射光束及び射出光束のテ
レセントリシティからの偏差が像の歪みに与える影響
が、殆ど無視することができ、テレセントリシティから
の偏差が極めて小さい、投影光学系を構成することが可
能となる。

【００４６】また、以下に示す条件（ＩＩＩ）は、投影
光学系の光軸からの第１の物体の最大高さＨと投影光学
系の投影倍率Ｂの積と投影光学系の焦点距離Ｆとの間の
最適な比の範囲を示す。｜ＢＨ／Ｆ｜≦８／１０００（ＩＩＩ）

【００４７】条件（ＩＩＩ）においては、有限な像高さ
ｈ（≦Ｈ）に関する、入射瞳位置及び射出瞳位置が、近
軸光線のアプローチにて考慮される。換言すれば、投影
光学系の像側（ウエハ側）の射出瞳位置が、無限遠にあ
ると仮定すると、上述の式（３）により、物体平面（レ
チクル平面）から入射瞳までの距離Ｅは、Ｆ／Ｂであ
る。従って、上記値で最大の物体高さＨを割った商ＢＨ
／Ｆは、投影光学系の像側（ウエハ側）の射出瞳位置が
無限遠にあると仮定すると、近軸光線追跡によって与え
られる、投影光学系に入射する光束の物体側（レチクル
側）の勾配であり、上記商は、瞳収差がない場合の、物
体側（レチクル側）の最大物体高さＨにおける光束の主
光線の勾配に相当する。この勾配に関して条件（ＩＩ
Ｉ）が与えるものは、近軸光線追跡により瞳に関連する
収差を規定し、好ましい結像性能を有する光学系を得る
ことである。

【００４８】条件（ＩＩＩ）の上限値を超えると、投影
光学系の射出瞳位置が無限遠にあると仮定した場合に、
投影光学系に入射する有限な物体高さｈ（≦Ｈ）からの
光束の主光線の勾配が、条件（ＩＩ）を満足するとする
と、近軸光線追跡によって規定される光束の主光線の勾
配は、非常に大きくなる。これは、テレセントリシティ
からの偏差が小さい光学系には元々適さない特性を有す
る光学系が、その投影光学系に入射する実際の有限物体
高さｈからの光束の主光線の勾配を強制的に改善するこ
とになり、必要以上に光学系を複雑にして、好ましくな
いものにする。なお、テレセントリシティからの偏差が
小さく、構成要素が少ない投影光学系を実現するために
は、条件（ＩＩＩ）を｜ＢＨ／Ｆ｜≦６．５／１０００
として、上限値を６．５／１０００とするのが、より好
ましい。

【００４９】更に、テレセントリシティからの偏差が十
分に小さな投影光学系を実現するためには、以下の条件
（ＩＶ）を満足することが望ましい。｜Ｆｈ／（ＢＨｅ）｜≦４（ＩＶ）また、上記条件（ＩＶ）は以下の式に基づく。｜Ｆｈ／（ＢＨｅ）｜＝｜ｈ／ｅ｜／｜ＢＨ／Ｆ｜（１３）

【００５０】条件（ＩＶ）は、投影光学装置の物体側に
入射する光束の主光線の勾配に相当する条件（ＩＩ）と
近軸光線追跡によって与えられる条件（ＩＩＩ）との比
を示している。換言すれば、条件（ＩＶ）は、条件（Ｉ
ＩＩ）が近軸光線追跡である程度抑えられる時に、条件
（ＩＩ）をどの程度許容するのが好ましいかを表し、近
軸光線追跡と実際の光線追跡との間の最適なバランスを
与える。上記条件（ＩＶ）の上限を超えると、近軸光線
追跡で決定される値を十分に抑えたにもかかわらず、投
影光学系に入射する実際の有限物体高さｈからの光束の
主光線の勾配が、近軸評価よりも悪い条件で使用され、
光学系の潜在的な性能が十分に利用されないので、好ま
しくない。また、望ましいテレセントリシティを維持し
ながら、構成要素の数がより少ない投影光学系を実現す
るためには、条件（ＩＶ）を｜Ｆｈ／（ＢＨｅ）｜≦２
として、上限値を２とするのが更に好ましい。

【００５１】以上の如く、上述の条件（Ｉ）及び（Ｉ
Ｉ）を満足すると、入射光束、及び、射出光束の両方の
テレセントリシティからの偏差の影響が殆ど無視され
る、投影光学系を構成することが可能である。また、近
軸光線追跡を用いた条件（ＩＩＩ）を満足すると、テレ
セントリシティからの偏差が小さな投影光学系を容易に
得ることができる。更に、条件（ＩＶ）を満足すると、
テレセントリシティからの偏差が小さく、本来持ってい
る潜在的な性能が十分に活用される投影光学系を形成す
ることが可能である。

【００５２】更に、投影光学系が基本的に、第１の物体
側から見て順に、正の屈折力を有する第１のレンズ群
と、実質的にアフォーカル系から構成される第２のレン
ズ群と、正の屈折力を有する第３のレンズ群を含む基本
構成の場合には、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ₁と
第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ₃との間の最適比が、
以下に示すように満足されることが望ましい。０．８０≦ｆ₃／ｆ₁≦１．５（Ｖ）

【００５３】条件（Ｖ）は、大きな露光領域を維持する
と共に、高い開口数ＮＡを実現して、高い解像度を有す
る投影光学系を達成するためのものである。ここで、上
記条件を説明する前に、本発明の投影光学系の基本的な
構成を検討する。図２に示すように、本発明の投影光学
系は基本的に、物体側（レチクル側）から見て順に、正
の屈折力を有する第１のレンズ群Ｇ１と、実質的にアフ
ォーカル系から構成される第２のレンズ群Ｇ２と、正の
屈折力を有する第３のレンズ群Ｇ３とを含む構成になっ
ている。なお、図２において、物体（レチクル）上の物
体高さｈがゼロである点（レチクルと投影光学系の光軸
とが交差する点）から実線で示されている光線は、軸上
物点（物体の中心）からの近軸周縁光線（近軸マージナ
ル光線）を示しており、物体高さｈ（光軸からの物体の
高さｈ）の位置から破線で示されている光線は、軸線外
（オフアクシス）の物点からの近軸周縁光線（近軸マー
ジナル光線）を示している。本発明において、近軸周縁
光線（近軸マージナル光線）として定義されるのは、あ
る発散角度を持って物点から出た光線が、光学系に入射
する時に、周縁（外側）入射光線を近軸光線追跡によっ
て求めたものである。

【００５４】上述のレンズの構成に基づいて、コンパク
ト性及び大きな露光領域を維持しながら、高い解像度を
有する投影光学系を得るためには、画角に起因する収
差、あるいは、物体高さＨに起因する収差（像面湾曲、
非点収差、コマ収差、及び歪曲収差等の軸外光束による
収差）、及び、投影光学系の像側の開口数ＮＡに関係す
る収差、すなわち、解像度に関する収差（球面収差の如
き軸上光束に起因する収差）をバランス良く補正するこ
とが必要である。

【００５５】上記目的のために、図３に示すように、第
１のレンズ群Ｇ１の物体側（レチクル側）の開口数ＮＡ
ａと第２のレンズ群Ｇ２から出る主光線と光軸との間の
入射角の正弦値（以下の記載においては、「第２のレン
ズ群の射出側の瞳に関係する開口数ＮＡｄ」と呼ぶ）と
の間の比、及び、第３のレンズ群Ｇ３の像側（ウエハ
側）の開口数ＮＡｂと第２のレンズ群Ｇ２に入射する主
光線と光軸との間の入射角の正弦値（以下の記載におい
ては、「第２のレンズ群の入射側の瞳に関係する開口数
ＮＡｃ」と呼ぶ）との間の比をほぼ等しく維持すること
が好ましい。

【００５６】これは、第１のレンズ群Ｇ１の物体側の開
口数ＮＡａと第２のレンズ群の入射側の瞳に関する開口
数ＮＡｃに関係する投影光学系の収差を補正する際の負
荷と、第３のレンズ群Ｇ３の像側（ウエハ側）の開口数
ＮＡｂと第２のレンズ群Ｇ２の射出側の瞳に関係する開
口数ＮＡｄに関する投影光学系の収差を修正する際の負
荷とを等しくすることを意味する。

【００５７】上述の関係を数式化して示すと、以下の式
（１４）及び（１５）が得られる。ＮＡａ：ＮＡｄ＝ＮＡｂ：ＮＡｃ（１４）ＮＡａ×ＮＡｃ＝ＮＡｂ×ＮＡｄ（１５）

【００５８】従って、投影光学系の投影倍率をＢで表
し、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ₁で表し、第３
のレンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ₃で表し、投影光学系の
光軸からの最大物体高さ（例えば、レチクル上の使用可
能な有効パターン領域における対角線の長さの半分）を
Ｈで表すと、上述の式（１５）は、以下の式（１６）に
変形することができる。（ＮＡｂ・Ｂ）×（Ｈ／ｆ₁）＝ＮＡｂ×（Ｈ・Ｂ／ｆ₃）（１６）さらに、上述の式（１６）は、最終的に以下の式（１
７）を導出する。ｆ₁＝ｆ₃ （１７）

【００５９】上述の式（１７）から、第１のレンズ群Ｇ
１の焦点距離ｆ₁と、第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ₃
とをほぼ等しくすることにより、画角に関係する収差
（像面湾曲、非点収差、コマ収差、歪曲収差）、並び
に、投影光学系の像側の開口数に関係する収差（球面収
差）をバランス良く補正することが可能となり、大きな
露光領域を維持しながら、開口数が高く解像度が高い投
影光学系を得ることができることは理解されよう。

【００６０】このように、諸収差のバランス、及び、広
い露光領域を維持するためには、上述の式（１７）を満
足することが理想的であるが、実際には、上述の条件
（Ｖ）の範囲を満足することで十分である。

【００６１】しかしながら、条件（Ｖ）の下限値を超え
た場合、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ₁を一定とす
ると、第３のレンズ群の焦点距離ｆ₃が短くなり、第２
のレンズ群の射出側の瞳に関係する開口数ＮＡｄが大き
くなる。その結果、投影光学系の像側の開口数に関係す
る収差（球面収差）を補正して、像側（ウエハ側）の開
口数ＮＡｂを増大させながら、画角に関係する収差（像
面湾曲、非点収差、コマ収差、及び、歪曲収差）を良好
に補正することが困難になり、従って、優れた結像性能
を得ることが不可能となる。

【００６２】逆に、第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ₃
を一定とすると、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ₁が
長くなり、投影光学系の像側の開口数に関する収差（球
面収差）、及び、画角に関する収差（像面湾曲、非点収
差、コマ収差、及び、歪曲収差）を補正することは比較
的容易であるが、物体面（レチクル面）から投影光学系
の第１のレンズ面までの距離ｄ₀は、長くなる。そのた
めに、投影光学系の全長だけではなく、レンズ径も大き
くなり、投影光学系をコンパクトに維持することが極め
て困難になる。条件（Ｖ）の上限値の上限を超えた場
合、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ₁を一定とする
と、第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ₃が長くなり、従
って、投影光学系の像側の開口数に関係する収差（球面
収差）、及び、画角に関する収差（像面湾曲、非点収
差、コマ収差、及び、歪曲収差）を補正することは比較
的容易になるが、投影光学系の最後のレンズ面から像面
（ウエハ面）までの距離は、長くなる。そのために、投
影光学系の全長、並びに、レンズの直径が長くなり、投
影光学系をコンパクトにしようとする試みは不可能とな
る。反対に、第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離ｆ₃を一定
とすると、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ₁は短くな
り、第２のレンズ群の入射側の瞳に関する開口数ＮＡｃ
が大きくなり、画角に関する収差（像面湾曲、非点収
差、コマ収差及び歪曲収差）を良好にすることは困難と
なり、その結果、好ましい結像性能を得ることができな
い。また、投影光学系をよりコンパクトに維持しなが
ら、より好ましい結像性能を得るためには、ｆ₃／ｆ₁≦
１．２として、条件（Ｖ）の上限値を１．２にするのが
より好ましい。これにより、第３のレンズ群Ｇ３の焦点
距離ｆ₃の長さを抑えることができ、開口数ＮＡｂが大
きくなっても、第３のレンズ群Ｇ３の有効口径が増大す
ることを阻止することができる。

【００６３】また、更に十分にコンパクトな光学系にす
るためには、上述の条件に加えて、以下の条件（ＶＩ）
も満足することが好ましい。０．０５≦ｆ₁／Ｌ≦０．３（ＶＩ）

【００６４】上式は、ｆ₁が、第１のレンズ群Ｇ１の焦
点距離を表し、また、Ｌが、第１の物体（レチクル）と
第２の物体（ウエハ）との間の距離（物体と像との間の
距離）を表すことによって与えられる。

【００６５】条件（ＶＩ）は、第１のレンズ群Ｇ１の焦
点距離ｆ₁、及び、物体と像との間の距離Ｌの最適比を
与えることにより、投影光学系の全長を短くする。

【００６６】条件（ＶＩ）の上限値を超えると、投影光
学系をコンパクトに維持することが困難になるが、その
理由は、投影光学系の全長が長くなるからである。反対
に、条件（ＶＩ）の下限値を超えると、諸収差を補正す
ることが困難となるが、その理由は、第１のレンズ群Ｇ
１のパワー（屈折力）が、物体と像との間の距離Ｌに対
して、強くなり過ぎるからである。また、投影光学系全
体の収差を十分に補正するためには、条件（ＶＩ）を
０．１５≦ｆ₁／Ｌとして、下限値を０．１５にするこ
とが、より好ましい。

【００６７】更に、投影光学系の全長を十分に短くする
ためには、以下の条件（ＶＩＩ）を満足することが望ま
しい。０．０３≦Ｈ／Ｌ≦０．２（ＶＩＩ）

【００６８】上式において、Ｈは、第１の物体（レチク
ル）上の投影光学系の光軸からの最大物体高さ（レチク
ル上の使用可能な有効パターン領域の中の対角線の長さ
の半分）を表し、Ｌは、第１の物体（レチクル）と第２
の物体（ウエハ）との間の距離（物体と像との間の距
離）を表している。条件（ＶＩＩ）はまた、最大物体高
さＨに対する、物体と像との間の距離Ｌの最適比を与え
る。最大物体高さＨに対する物体と像との間の距離Ｌ
が、条件（ＶＩＩ）の下限値を超えて、長くなると、光
学系をコンパクトに維持することが不可能となる。その
理由は、投影光学系の全長が、長くなり過ぎるからであ
る。反対に、条件（ＶＩＩ）の上限値を超えると、諸収
差を、結像面全面（ウエハ全面）にわたって、良好に補
正することが困難になる。また、像面を平坦に維持しな
がら、結像面全体にわたって、収差を良好にするために
は、条件（ＶＩＩ）をＨ／Ｌ≦０．１として、上限値を
０．１にすることが、より好ましい。

【００６９】また、全てが球面光学要素によって構成さ
れる場合に、諸収差を補正する際の自由度を維持しつ
つ、諸収差をバランス良く補正するには、第１のレンズ
群Ｇ１が、少なくとも２つ又はそれ以上の正のレンズを
備え、第２のレンズ群Ｇ２が、少なくとも４つ又はそれ
以上の負のレンズ、及び少なくとも４つ又はそれ以上の
正レンズを備え、第３のレンズ群Ｇ３が、少なくとも２
つ又はそれ以上の正のレンズを備えることが望ましい。
さらに、各々のレンズ群に関して、球面光学要素ではな
く、１又はそれ以上の非球面光学要素を使用する場合に
は、光学系全体を構成する光学要素の数を減らし、より
高い透過率を得ることや、光学系を軽くすることがで
き、また、同じ数の要素を用いた場合には、光学系が、
より高い性能（より高いＮＡ及びより大きな視野）を有
することが可能となる。

【００７０】以上においては、物体側（レチクル側）か
ら見て順に、正の屈折力を有する第１のレンズ群Ｇ１
と、実質的にアフォーカル系から成る第２のレンズ群Ｇ
２と、正の屈折力を有する第３のレンズ群Ｇ３を含むレ
ンズ群構成に基づく投影光学系を説明した。次に説明す
るのは、投影光学系の全体としてコンパクトに維持し、
さらに、像面湾曲を良好に補正するための、第２のレン
ズ群Ｇ２の好ましい構造である。実質的にアフォーカル
系から成る第２のレンズ群Ｇ２が、図２及び図３に示す
ように、物体側（レチクル側）から見て順に、負の屈折
力を有する第１のサブレンズ群Ｇ２１と、正の屈折力を
有する第２のサブレンズ群Ｇ２２と、負の屈折力を有す
る第３のサブレンズ群Ｇ２３とを少なくとも備えるのが
望ましい。

【００７１】最初に、第２のレンズ群Ｇ２の負の第１の
サブレンズ群Ｇ２１、及び、第２のサブレンズ群Ｇ２２
が、逆ガリレオ系（あるいは、レトロフォーカス系）を
形成するために、主点を像側（ウエハ側）に位置させ、
物体平面（レチクル平面）から投影光学系までの距離を
短くし、投影光学系の全長を短くしている。また、第２
のレンズ群Ｇ２の第３のサブレンズ群Ｇ２３は主とし
て、ペッツバール和（Ｐｅｔｚｖａｌｓｕｍ）の補正
に貢献し、像面湾曲を満足に補正することにより、像面
を平坦にする。

【００７２】また、上述の第１のサブレンズ群Ｇ２１及
び第２のサブレンズ群Ｇ２２が、逆ガリレオ系を形成す
るので、投影光学系の入射瞳が、物体平面（レチクル
面）に近くなる恐れがあるが、第１の正のレンズ群Ｇ１
の後側焦点（像側焦点又はウエハ側焦点）を、第２レン
ズ群Ｇ２以降の光学系の入射瞳位置に概ね合致させるこ
とが望ましい。これにより、撮影光学系の全長を短く維
持すると同時に、投影光学系の入射瞳位置を物体面（レ
チクル面）から離して位置させることが可能となる。

【００７３】上述の第２のレンズ群Ｇ２の基本構成に従
って、光学系を十分にコンパクトに維持すると共に、第
２のレンズ群Ｇ２が、満足に収差を補正するように機能
するために、以下の条件（ＶＩＩＩ）及び（ＩＸ）を更
に満足することが望ましい。１．５≦｜ｆ₂₂／ｆ₂₁｜≦５（ＶＩＩＩ）０．０２≦｜ｆ₂₃／Ｌ｜≦０．１０（ＩＸ）上式において、第１のサブレンズ群Ｇ２１の焦点距離
は、ｆ₂₁で表され、第２のサブレンズ群Ｇ２２の焦点距
離は、ｆ₂₂で表され、第３のサブレンズ群Ｇ２３の焦点
距離は、ｆ₂₃で表される。

【００７４】条件（ＶＩＩＩ）は、逆ガリレオ系（又
は、レトロフォーカス系）を構成する第１のサブレンズ
群Ｇ２１、及び、第２のサブレンズ群Ｇ２２に対して、
最適な倍率を与えることに相当し、投影光学系の全長を
コンパクトに維持するための条件である。条件（ＶＩＩ
Ｉ）の下限値を超えると、投影光学系をコンパクトに維
持することが困難となる。また、光学系を十分にコンパ
クトに維持するためには、条件（ＶＩＩＩ）の下限値を
１．７として、１．７≦｜ｆ₂₂／ｆ₂₁｜であるのが、よ
り望ましい。反対に、条件（ＶＩＩＩ）の上限値を超え
ると、第１のサブレンズ群Ｇ２１の焦点距離ｆ₂₁が短く
なって、諸収差を補正することが極めて困難になり、第
１のサブレンズ群Ｇ２１の焦点距離ｆ₂₁を一定として
も、第２のサブレンズ群Ｇ２２の焦点距離ｆ₂₂が長くな
って、光学系は十分にコンパクトにならない。更に、第
１のサブレンズ群Ｇ２１において適切な焦点距離を与え
ることにより、諸収差の補正をより有利とするために
は、条件（ＶＩＩＩ）を｜ｆ₂₂／ｆ₂₁｜≦３．５とし
て、上限値を３．５にするのが、より望ましい。

【００７５】また、条件（ＩＸ）は、第３のサブレンズ
群Ｇ２３が、ペッツバール和を補正する機能を十分に担
うための条件である。条件（ＩＸ）の下限値を超える
と、第３のサブレンズ群Ｇ２３の焦点距離ｆ₂₃が短くな
り過ぎて、諸収差を補正することが困難になり、また、
反対に、条件（ＩＸ）の上限値を超えると、ペッツバー
ル和の補正が不十分となり、像面を平坦化することが困
難となる。更に、ペッツバール和を十分に補正するため
には、条件（ＩＸ）を｜ｆ₂₃／Ｌ｜≦０．０８として、
上限値を０．０８とするのが、より望ましい。

【００７６】また、投影光学系の入射瞳を物体から離す
ためには、以下の条件（Ｘ）を満足することが望まし
い。４≦｜ｆａ／ｆ₂₃｜（Ｘ）

【００７７】上式においては、正の屈折力を有する第１
のレンズ群Ｇ１、第２のレンズ群Ｇ２において負の屈折
力を有する第１のサブレンズ群Ｇ２１、並びに、第２の
レンズ群Ｇ２において正の屈折力を有する第２のサブレ
ンズ群Ｇ２２の合成焦点距離が、ｆａで表され、第２の
レンズ群Ｇ２の第３のサブレンズ群Ｇ２３の焦点距離
が、ｆ₂₃で表されている。

【００７８】投影光学系の入射瞳を遠くに位置させるた
めには、条件（Ｉ）を満足するのが好ましいことは前述
のとおりであるが、この事を十分に保証するためには、
条件（Ｉ）において、第１の物体と第２の物体との間の
距離をＬと投影倍率Ｂとを一定とすると、全系の焦点距
離を投影倍率Ｂ、及び、物体と像との間の距離Ｌに応じ
て、より長くする必要がある。

【００７９】従って、条件（Ｘ）は、投影倍率Ｂ、及
び、第１の物体と第２の物体との間の距離Ｌに応じて、
全系の焦点距離をより長くするための条件を示している
が、その理由は、投影光学系の焦点距離Ｆの割合を大き
くするために、各々の群の焦点距離を単に長くしたので
は、物体と像との間の距離Ｌも長くなってしまうからで
ある。換言すれば、第１のレンズ群Ｇ１、第２のレンズ
群Ｇ２の第１のサブレンズ群Ｇ２１、及び、第２のサブ
レンズ群Ｇ２２の合成焦点距離ｆａが、第３のサブレン
ズ群の焦点距離ｆ₂₃の４倍あるいはそれ以上長い場合に
は、第１の物体と第２の物体との間の距離Ｌが抑えら
れ、全系の焦点距離が、投影倍率Ｂに応じて、大きく維
持されることになる。また、この条件（Ｘ）の範囲を満
足することは、負の屈折力を有する第３のサブレンズ群
Ｇ２３の焦点距離ｆ₂₃を、第３のサブレンズ群Ｇ２３よ
りも第１の物体側にある合成焦点距離ｆａよりも、小さ
く維持する事を意味し、これにより、ペッツバール和を
小さくすると共に、像面を平坦に維持することができ
る。

【００８０】条件（Ｘ）の下限値を超えると、全系の焦
点距離Ｆを、投影倍率Ｂ、及び、第１の物体と第２の物
体との間の距離Ｌに比較して、大きくすることが困難で
あるばかりではなく、像面を平坦に維持することも困難
となる。また、光学系全体の長さを短くすると共に、全
系の焦点距離を長くするためには、条件（Ｘ）を４．４
≦｜ｆａ／ｆ₂₃｜として、下限値を４．４にすること
が、より好ましい。更に、第３のサブレンズ群Ｇ２３に
おいて適切な焦点距離を与えることにより、諸収差の補
正をより有利にするためには、上限値を設定して、条件
（Ｘ）を｜ｆａ／ｆ₂₃｜≦８とするのが、より望まし
い。

【００８１】また、第１の物体（レチクル）と第２の物
体（ウエハ）との間の距離（物体と像との間の距離）を
Ｌで表し、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ₁で表
し、第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ₃で表し、第２
のレンズ群の物体側から第ｉ番目のサブレンズ群の焦点
距離をｆ_2iで表すと、下式を満足するのが望ましい。 −５０≦（Ｌ／ｆ₁）＋（Ｌ／ｆ₃）＋Σ（Ｌ／ｆ_2i）≦０．５（ＸＩ）上式において、Σ（Ｌ／ｆ_2i）は、（Ｌ／ｆ₂₁）＋（Ｌ
／ｆ₂₂）＋（Ｌ／ｆ₂₃）．．．を表し、ｉは、１，２，
３．．．（自然数）である。

【００８２】条件（ＸＩ）においては、負の屈折力を有
するレンズ群の焦点距離に比較して、より長い焦点距離
を、正の屈折力を有するレンズ群に与えることにより、
投影光学系全体の焦点距離Ｆをより大きくして、テレセ
ントリシティからの偏差を適切としている。同時に、第
２のレンズ群Ｇ２の負の屈折力を持つ第１のサブレンズ
群Ｇ２１と、第３のサブレンズ群Ｇ２３の屈折力の絶対
値を、比較的大きく維持することも可能となり、従っ
て、ペッツバール和の補正に貢献することにより、像面
の平担性を確保する事ができる。

【００８３】条件（ＸＩ）の上限値を超えると、投影光
学系の焦点距離Ｆを大きくすること、あるいは、像面湾
曲の補正が困難になる。反対に、条件（ＸＩ）の下限値
を超えると、負の屈折力が強くなり過ぎ、全系の焦点距
離Ｆを大きくすること、及び、像面湾曲を補正すること
が困難となる。像面を更に十分に平坦に維持しつつ、全
長に対する全系の焦点距離Ｆの割合を大きくするために
は、条件（ＸＩ）を（Ｌ／ｆ₁）＋（Ｌ／ｆ₃）＋Σ（Ｌ
／ｆ_2i）≦−１０として、上限値を−１０にすること
が、より望ましい。

【００８４】また、諸収差を補正する際の自由度を確保
しつつ、諸収差を補正するためには、総ての構成要素が
球面光学要素である場合には、第２のレンズ群Ｇ２が、
少なくとも４つ又はそれ以上の負のレンズ、及び、少な
くとも４つ又はそれ以上の正のレンズを含む構成とする
ことが好ましいことは、先に説明したが、第２のレンズ
群Ｇ２のより好ましい構成は、少なくとも２つ又はそれ
以上の負のレンズを有する第１のサブレンズ群Ｇ２１
と，少なくとも４つ又はそれ以上の正のレンズを有する
第２のサブレンズ群Ｇ２２と、少なくとも２つ又はそれ
以上の負のレンズを有する第３のサブレンズ群Ｇ２３と
を含むものである。

【００８５】更に好ましい構成においては、第２のサブ
レンズ群Ｇ２２の少なくとも４つ又はそれ以上の正のレ
ンズの中の、少なくとも２つの正のレンズが、両凸レン
ズで構成されることが良い。

【００８６】また、第２のレンズ群Ｇ２を構成する各々
のサブレンズ群に関して、球面光学要素ではなく、１つ
またはそれ以上の非球面の光学要素を用いる場合には、
光学系全体を構成する光学要素の数を減少させ、より高
い透過率を確保することや光学系を軽くすることがで
き、同じ数の構成要素を用いた場合には、より性能が高
い（開口数が高く、視野が大きい）光学系を得ることが
可能となる。

【００８７】ところで、本発明の第２のレンズ群Ｇ２
は、実質的にアフォーカルな系を構成するが、必ずし
も、完全にアフォーカルな系とする必要はない。

【００８８】具体的に説明すると、物体（レチクル）の
物体高さｈがゼロである点（レチクルと投影光学系の光
軸が交差する点）を軸上物点として、近軸周縁光線追跡
を行うと、近軸周縁光線の勾配の変動量が０になる傾向
を示す物体（レチクル側）に最も近い領域において、勾
配が０又は最も０に極めて近い値になる、レンズの間隔
の箇所を、第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２と
の間の境界とし、また、近軸周縁光線の勾配の変動量が
０になる傾向を示す像（ウエハ側）に最も近い領域にお
いて、勾配が０又は最も０に極めて近い値になる、レン
ズ間隔の箇所を、第２のレンズ群Ｇ２と第３のレンズ群
Ｇ３との間の境界とする場合には、そのような場合にお
ける第２のレンズ群Ｇ２は、本発明が意味するアフォー
カル系の定義の中に含まれる。

【００８９】従って、本発明で意味する実質的にアフォ
ーカルな第２のレンズ群Ｇ２の理解を容易にするため
に、レンズが、第１のレンズ群Ｇ１乃至第３のレンズ群
Ｇ３に群分けされる態様を、図４乃至図７を参照して説
明する。図４及び図５は、近軸周縁光線追跡した時に、
近軸周縁光線の勾配の変動量が０になる傾向を示す、物
体側（レチクル側）に最も近い領域（ａ₁ａ₂）におけ
る、近軸周縁光線の光路を定性的に示しており、図６及
び図７は、近軸周縁光線の勾配の変動量が０になる傾向
を示す、像側（ウエハ側）に最も近い領域（ｂ₁ｂ₂）に
おける、近軸周縁光線の光路を定性的に示している。但
し、図４乃至図７の近軸周縁光線の光路にプロットされ
た点は、近軸周縁光線が通過する、投影光学系の各レン
ズ表面における光軸Ａｘからの高さを示す。

【００９０】最初に、図４は、投影光学系の各々のレン
ズに入射する近軸周縁光線の高さが、最も物体側の近く
で極大となる傾向を示す位置もしくはその近傍を含む領
域ａ₁における、近軸周縁光線の勾配を示している。こ
の場合には、第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２
との間の境界は、近軸周縁光線の勾配が領域ａ₁でゼロ
又は最もゼロに近くなるレンズ間隔ｄ_a1の中の位置にあ
る。

【００９１】図５は、勾配が増大する傾向にある時の、
近軸周縁光線の勾配を示している。この領域ａ₂におい
ては、投影光学系の各々のレンズに入射する近軸周縁光
線の勾配の変動は、投影光学系の最も物体側（レチクル
側）の近くにおいて０に近くなる傾向を示し、その勾配
は、０近くになる。この場合には、第１のレンズ群Ｇ１
と第２のレンズ群Ｇ２との間の境界は、近軸周縁光線の
傾斜角度が領域ａ₂においてゼロ又はゼロ近くになって
いる、レンズ間隔ｄ_a2の中の位置にある。

【００９２】図６は、投影光学系の各々のレンズに入射
する近軸周縁光線の高さが、最も像側の近くで極大とな
る傾向を示す位置若しくはその近傍を含む領域ｂ₁の光
線の傾斜を示している。この場合には、第２のレンズ群
Ｇ２と第３のレンズ群Ｇ３との間の境界は、近軸周縁光
線の傾斜角度が領域ｂ₁でゼロ又はゼロに最も近くなる
レンズ間隔ｄ_b1の中の位置にある。

【００９３】図７は、近軸周縁光線の勾配が減少する傾
向にある時の、近軸周縁光線の傾斜を示している。この
領域ｂ₂においては、投影光学系の各々のレンズに入射
する近軸周縁光線の勾配の変動は、最も像側（ウエハ
側）の近くにおいて０に近くなる傾向を示し、その勾配
は０に近くなる。この場合には、第２のレンズ群Ｇ２と
第３のレンズ群Ｇ３との間の境界は、近軸周縁光線の傾
斜角度が領域ｂ₂でゼロ又は最もゼロに近くなるレンズ
間隔すなわちスペースｄ_b2の中の位置にある。

【００９４】第２のレンズ群Ｇ２が、第１のレンズ群Ｇ
１乃至第３のレンズ群Ｇ３を含む上述のレンズ構成に基
づき、アフォーカル系として十分に機能するためには、
物体（レチクル）上での軸上物点からの近軸周縁光線が
第１のレンズ群Ｇ１に入射する時の、近軸周縁光線の入
射角をｕ₁で表し、物体（レチクル）の軸上物点からの
近軸周縁光線が、第２のレンズ群Ｇ２に入射する時の、
近軸周縁光線の入射角をｕ₂で表し、物体（レチクル）
上での軸上物点からの近軸周縁光線が、第２のレンズ群
Ｇ２から射出する時の、近軸周縁光線の射出角をｕ₂’
で表し、物体（レチクル）上での軸方向の物点からの近
軸周縁光線が、第３のレンズ群Ｇ３から射出する時の、
近軸光線の射出角をｕ₃’で表すと、下式を満足するこ
とが望ましい。｜ｕ₂／ｕ₁｜≦０．５（ＸＩＩ）｜ｕ₂’／ｕ₃’｜≦０．５（ＸＩＩＩ）

【００９５】条件（ＸＩＩ）及び（ＸＩＩＩ）を満足さ
せなければ、画角に関する収差（像面湾曲、非点収差、
コマ収差、及び、歪曲収差）、及び、投影光学系の像側
の開口数ＮＡに関する収差（球面収差）を、釣り合い良
く補正することが困難となり、また、本発明の目的とし
て上に記載した種類の投影光学系を実現することが不可
能となる。また、画角に関する収差、及び、投影光学系
の像側の開口数ＮＡに関する収差をバランス良くするた
めには、条件（ＸＩＩ）及び（ＸＩＩＩ）を、それぞれ
｜ｕ₂／ｕ₁｜≦０．３、及び、｜ｕ₂’／ｕ₃’｜≦０．
３とし、各々の上限値を０．３とするのが、より好まし
い。

【００９６】更に、実質的にアフォーカルな第２のレン
ズ群Ｇ２を更に十分に機能させるためには、下式を満足
させるのが更に望ましい。｜ｆ₂｜／ｆ₁＞１（ＸＩＶ）｜ｆ₂｜／ｆ₃＞１（ＸＶ）上式においては、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離が、ｆ
₁で表され、第２のレンズ群Ｇ２の焦点距離が、ｆ₂で表
され、第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離が、ｆ₃で表され
ている。

【００９７】条件（ＸＩＶ）が満足されなければ、第１
のレンズ群Ｇ１で、物体側（レチクル側）のテレセント
リシティからの偏差を小さくすることが不可能となり、
本発明の目的として説明した種類の投影光学系を得るこ
とができなくなる。また、十分に小さなテレセントリシ
ティからの偏差を確保するためには、条件（ＸＩＶ）を
｜ｆ₂｜／ｆ₁≧１．５として、下限値を１．５あるいは
それ以上にするのが、更に好ましい。

【００９８】また、条件（ＸＶ）の関係から逸脱して、
第２のレンズ群Ｇ２の焦点距離が負の場合には、第２の
レンズ群Ｇ２から射出する近軸周縁光線は発散する。こ
のために、投影光学系の像側（ウエハ側）の開口数ＮＡ
は小さくなり、高い解像度を有する投影光学系を実現す
ることが困難となる。投影光学系の像側（ウエハ側）の
開口数ＮＡを確保しようとすると、第３のレンズ群Ｇ３
のレンズ直径が増大し、光学系をコンパクトに維持する
ことが困難となる。また、条件（ＸＶ）から逸脱して、
第２のレンズ群の焦点距離が正になると、投影光学系の
像側（ウエハ側）の開口数ＮＡを確保することはできる
が、投影光学系と像面（ウエハ平面）との間の距離（バ
ックフォーカス：ｂａｃｋｆｏｃｕｓ）を確保するこ
とが不可能となり、光学系を望ましくないものにする。
このために、投影光学系と像面（ウエハ表面）との間の
距離（バックフォーカス）を確保しようとすると、第２
のレンズ群Ｇ２のレンズ直径が増大し、従って、光学系
は、コンパクト性を維持することができない。更に、投
影光学系をコンパクトにしながら高い結像性能を達成す
るためには、条件（ＸＶ）を｜ｆ₂｜／ｆ₃≧１．５とし
て、下限値を１．５又はそれ以上にすることが、より好
ましい。

【００９９】また、上述のように、第２のレンズ群Ｇ２
は、物体側（レチクル側）から見て順に、負の屈折力を
有する第１のサブレンズ群Ｇ２１と、正の屈折力を有す
る第２のサブレンズ群Ｇ２２と、負の屈折力を有する第
３のサブレンズ群Ｇ２３とを少なくとも備えるのが好ま
しいが、図２及び図３に示すように、正の屈折力を有す
る第４のサブレンズ群Ｇ２４を、負の屈折力を有する第
３のサブレンズ群Ｇ２３の像側に置くこともできる。こ
れにより、投影光学系の像側（ウエハ側）の開口数ＮＡ
を増大させるために、球面収差の修正に大きく関係する
第３のレンズ群Ｇ３の球面収差補正上の負荷を第４のサ
ブレンズ群Ｇ２４に分担させることが可能となり、その
結果、球面収差のバランスの良い補正を行うことができ
る。この時に、第１のサブレンズ群Ｇ２１及び第２のサ
ブレンズ群Ｇ２２は、逆ガリレオ系又はレトロフォーカ
ス系を構成し、第３のサブレンズ群Ｇ２３及び第４のサ
ブレンズ群Ｇ２４も、逆ガリレオ系又はレトロフォーカ
ス系を構成する。従って、第２のレンズ群Ｇ２が、投影
光学系をコンパクトに維持することに貢献する、２つの
部分的な光学系（逆ガリレオ系又はレトロフォーカス
系）を有することになるので、第４のサブレンズ群Ｇ２
４を加えても、事実上、投影光学系のサイズを大きくす
ることはない。

【０１００】第２のレンズ群Ｇ２が、４つのサブレンズ
群を有する場合でも、上記条件（Ｉ）乃至（ＸＶ）が適
用できることは言うまでもなく、また、第４のサブレン
ズ群Ｇ２４を、第２のレンズ群の中に配置する場合に
は、球面収差の十分な補正を行うために、Ｇ２４が、少
なくとも２つ又はそれ以上の正のレンズを備えることが
好ましい。

【０１０１】また、第２のレンズ群が、物体側（レチク
ル側）から見て順に、負の屈折力を有する第１のサブレ
ンズ群Ｇ２１、正の屈折力を有する第２のサブレンズ群
Ｇ２２、及び、負の屈折力を有する第３のサブレンズ群
Ｇ２３の、３つのサブレンズ群しか備えない場合には、
第２のサブレンズ群Ｇ２２から射出する光を収束光束と
することにより、第３のサブレンズ群Ｇ２３から射出す
る光を概ね平行な光束とすることができる。この場合に
も、上述の条件（Ｉ）乃至（ＸＶ）を適用することがで
きる。従って、第４のサブレンズ群Ｇ２４の構成は、第
２のレンズ群を具体的に構成する際に、必須の要件では
ない。

【０１０２】以下の記載においては、本発明の実施例を
詳細に説明する。この実施例の投影光学系は、図８に示
す投影露光装置に適用されるものである。

【０１０３】最初に、図８を簡単に説明すると、図面に
示すように、所定の集積回路のパターンが形成されてい
る投影用の原版としてのレチクルＲが、投影光学系ＰＬ
の物体面上に置かれ、基板としてのウエハＷが、投影光
学系ＰＬの像面上に置かれている。レチクルＲは、レチ
クルステージＲＳによって保持されており、ウエハＷ
は、ウエハステージＷＳによって保持されている。ま
た、レチクルＲを均一に照明するために、照明光学系Ｉ
Ｓが、レチクルＲの上方に設けられている。

【０１０４】上述の構成に従って、照明光学装置ＩＳか
ら供給される光が、レチクルＲを照明し、並びに、照明
光学系ＩＳの光によって投影光学系ＰＬの瞳位置（開口
絞りＡＳ位置）には光源像が形成される。従って、いわ
ゆるケーラー照射が行われる。投影光学系ＰＬによって
ケーラー照射されたレチクルＲ上のパターンは、投影光
学系ＰＬによって、ウエハＷ上に露光（転写）されるこ
とになる。

【０１０５】本発明は、照明光学系ＩＳの内部に配置さ
れる光源として、２４８ｎｍの露光波長λの光を供給す
る、エキシマレーザを用いた時の投影光学系の例を示し
ており、図９乃至図１４は、第１の乃至第６の実施例の
投影光学系のレンズの構成を示している。

【０１０６】図９乃至図１４に示すように、上記各々の
実施例の投影光学系は、物体側（レチクル側）より順
に、正の屈折力を有する第１のレンズ群Ｇ１と、アフォ
ーカル系から成る第２のレンズ群Ｇ２と、正の屈折力を
有する第３のレンズ群Ｇ３とを備えており、第２のレン
ズ群Ｇ２は、物体側（レチクル側）より順に、負の屈折
力を有する第１のサブレンズ群Ｇ２１と、正の屈折力を
有する第２のサブレンズ群Ｇ２２と、負の屈折力を有す
る第３のサブレンズ群Ｇ２３と、正の屈折力を有する第
４のサブレンズ群Ｇ２４とを備えており、この投影光学
系は、物体側（レチクル側）及び像側（ウエハ側）にお
けるテレセントリシティからの偏差が極めて小さい、光
学系である。

【０１０７】図９に示す第１の実施例の投影光学系は、
物体と像との間の距離Ｌ（物体平面から像面までの距
離、あるいは、レチクルＲからウエハＷまでの距離）
が、１０００であり、像側の開口数ＮＡが、０．５６で
あり、投影倍率Ｂが、１／４であり、ウエハＷ上の露光
領域の直径が２３．４であると規定する仕様を有してい
る。

【０１０８】図９に示す第１の実施例の具体的なレンズ
構成を説明すると、正の屈折力を有する第１のレンズ群
Ｇ１は、物体側から見て順に、その凸面を像側に向けた
正のメニスカスレンズＬ₁₁と、正の両凸レンズＬ₁₂とを
備えており、また、第２のレンズ群Ｇ２の第１のサブレ
ンズ群Ｇ２１は、物体側から見て順に、像側の面がより
大きな曲率を有する負のメニスカスレンズＬ₂₁₁と、負
の両凹レンズＬ₂₁₂と、像面の面がより大きな曲率を有
する負のレンズＬ₂₁₃と、物体側の面がより大きな曲率
を有する負のレンズＬ₂₁₄とを備えている。第２のレン
ズ群Ｇ２の第２のサブレンズ群Ｇ２２は、物体側から見
て順に、像側の面がより大きな曲率を有する正のレンズ
Ｌ₂₂₁と、３つの正の両凸レンズ（Ｌ₂₂₂−Ｌ₂₂₄）と、
凸面を物体側に向けた正のメニスカスレンズＬ₂₂₅とを
備えており、また、第２のレンズ群Ｇ２の第３のサブレ
ンズ群Ｇ２３は、物体側から見て順に、像側の面がより
大きな曲率を有する負のレンズＬ₂₃₁と、負の両凹レン
ズＬ₂₃₂と、物体側の面がより大きな曲率を有する負の
レンズＬ₂₃₃とを備えている。第２のレンズ群Ｇ２の第
４のサブレンズ群Ｇ２４は、物体側から見て順に、像側
を向いた凸面をそれぞれ有する２つの正のレンズ（Ｌ
₂₄₁、Ｌ₂₄₂）と、正の両凸レンズＬ₂₄₃とを備えてお
り、また、第３のレンズ群Ｇ３は、物体側から見て順
に、物体側を向いた凸面を有する２つの正のレンズ（Ｌ
₃₁、Ｌ₃₂）と、物体側を向いた凸面を有する負のメニス
カスレンズＬ₃₃と、物体側を向いた凹面を有する正のレ
ンズＬ₃₄とを備えている。

【０１０９】図１０に示す、第２の実施例の投影光学系
は、物体と像との間の距離Ｌが、１０００であり、像側
の開口数ＮＡが、０．５６であり、投影倍率Ｂが、１／
４であり、ウエハＷ上の露光領域の直径が、２３．７で
ある、仕様を有している。

【０１１０】第２の実施例の具体的なレンズ構成は、図
１０に示すように、基本的には、図９に示した第１の実
施例の構成と同様であるが、異なる点は、第１のレンズ
群Ｇ１の第２の正の両凸レンズＬ₁₂が、第１の実施例の
レンズよりも薄いレンズを備えており、また、像側の面
がより大きな曲率を有していて、第２のレンズ群Ｇ２の
第１のサブレンズ群Ｇ２１の第１のレンズである、負の
メニスカスレンズＬ₂₁ ₁が、上記第１の実施例のレンズ
よりも厚いレンズを備えていることである。

【０１１１】図１１に示す第３の実施例の投影光学系
は、物体と像との間の距離Ｌが、１０００であり、像側
の開口数ＮＡが、０．６０であり、投影倍率Ｂが、１／
４であり、ウエハＷの露光領域の直径が、２０．０であ
る、仕様を有している。

【０１１２】第３の実施例の具体的なレンズ構成は、図
１１に示すように、上述の第１の実施例と同様である
が、異なる点は、第３の正の両凸レンズＬ₂₄₃が、第１
の実施例のレンズよりも厚いレンズを備えていることで
ある。

【０１１３】図１２に示す第４の実施例の投影光学系
は、物体と像との間の距離Ｌが、１０００であり、像側
の開口数ＮＡが、０．６０であり、投影倍率Ｂが、１／
４であり、ウエハＷの露光領域の直径が、２０．０であ
る、仕様を有している。

【０１１４】第４の実施例の具体的なレンズ構成は、図
１２に示すように、上述の第３の実施例のレンズ構成と
基本的に同一である。

【０１１５】また、図１３に示す第５の実施例の投影光
学系は、物体と像との間の距離Ｌが、１０００であり、
像側の開口数ＮＡが、０．６２であり、投影倍率Ｂが、
１／４であり、ウエハＷの露光領域の直径が、１９．８
である、仕様を有している。

【０１１６】第５の実施例の具体的なレンズ構成は、図
１３に示すように、上述の第１の実施例のレンズ構成と
基本的に同様であるが、物体側を向いた凸面を有してお
り、第３のレンズ群Ｇ３の第４のレンズである、正のレ
ンズＬ₃₄の像側（ウエハ側）のレンズ面は、非球面形状
である。

【０１１７】また、第６の実施例の投影光学系は、物体
と像との間の距離Ｌが、１０００であり、像側の開口数
ＮＡが、０．６であり、投影倍率Ｂが、１／４であり、
ウエハＷの露光領域の直径が、２３．３である、仕様を
有している。

【０１１８】第６の実施例の具体的なレンズ構成は、図
１３に示すように、第５の実施例のレンズ構成と同様で
あり、物体側を向いた凸面を有しており、第３のレンズ
群Ｇ３の中の第４のレンズである、正のレンズの像側
（ウエハ側）のレンズ面は、非球面形状である。

【０１１９】以下の記載においては、本発明における各
々の実施例の種々の値、並びに、各条件に対応する数値
をリストにして示す。

【０１２０】すなわち、左側の数は、物体側（レチクル
側）からの表面の番号を表し、ｒは、レンズ表面の曲率
半径を表し、ｄは、レンズ面の間の間隔すなわちスペー
スを表し、ｎは、露光波長λが２４８ｎｍである時の、
石英ガラスＳｉＯ₂の屈折率を表し、ｄ₀は、物体（レチ
クル）から、第１のレンズ群Ｇ１において物体側（レチ
クル側）に最も近いレンズ面（第１のレンズ面）までの
距離を表し、Ｂは、投影光学系の投影倍率を表し、ＮＡ
は、投影光学系の像側の開口数を表し、Ｆは、全系の焦
点距離を表し、Ｌは、物体面（レチクル面）と像面（ウ
エハ面）との間の距離を表し、ｅは、投影光学系の光軸
に対して平行な、投影光学系の像側（ウエハ側）からの
光線が、投影光学を射出する時において、その射出光線
の物体側（レチクル側）での延長線が光軸と交差する位
置と物体面（レチクル面）との間の距離を表し、ｈは、
投影光学系の光軸に対して平行な光線が、投影光学系の
像側（ウエハ側）から投影光学系に入射して、上記交差
位置を決定し、最終的に物体（レチクル）に到達する時
の、投影光学系の光軸からの光線の高さを表し、Ｈは、
投影光学系の光軸からの物体（レチクル）の最大高さを
表し、ｆ₁は、第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離を表し、
ｆ₂は、第２のレンズ群Ｇ２の焦点距離を表し、ｆ₃は、
第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離を表し、ｆ₂₁は、第１の
サブレンズ群Ｇ２１の焦点距離を表し、ｆ₂₂は、第２の
サブレンズ群Ｇ２２の焦点距離を表し、ｆ₂₃は、第３の
サブレンズ群Ｇ２３の焦点距離を表し、ｕ₁は、物体
（レチクル）上での軸上物点（レチクル中心）からの近
軸周縁光線が、第１のレンズ群Ｇ１に入射する際の、近
軸周縁光線の入射角を表し、ｕ₂は、物体（レチクル）
上での軸上物点（レチクル中心）からの近軸周縁光線
が、第２のレンズ群Ｇ２に入射する際の、近軸周縁光線
の入射角を表し、ｕ₂’は、物体（レチクル）上の軸上
物点（レチクル中心）からの近軸周縁光線が、第２のレ
ンズ群Ｇ２から射出する際の、近軸周縁光線の射出角を
表し、ｕ₃’は、物体（レチクル）上の軸上物点（レチ
クル中心）からの近軸周縁光線が、第３のレンズ群Ｇ３
から射出する際の、近軸周縁光線の射出角を表し、ＡＳ
は、その数がカッコの中に示されるレンズ面の頂点から
の軸上距離を示すことにより、開口絞り位置を表してい
る。

【０１２１】また、第５の及び第６の実施例の投影光学
系は、その一部の面が非球面形状であり、この非球面
は、以下のように表すことができる。ｘ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋（１−ｋ（ｙ²／ｒ²））^0.5］
＋Ａ４・ｙ⁴＋Ａ６・ｙ⁶＋Ａ８・ｙ⁸＋Ａ１０・ｙ¹⁰ 上式において、光軸の方向は、ｘで示されており、ま
た、光軸と直角に交差する方向は、ｙで示されている。

【０１２２】また、上式において、ｋは、円錐定数を表
し、Ａ４、Ａ６，Ａ８及びＡ１０は、非球面係数を表
し、ｒは、近軸曲率半径を表す。第５の及び第６の実施
例の種々の項の値には、円錐定数ｋ、及び、非球面係数
（Ａ４，Ａ６，Ａ８、Ａ１０）だけが示されている。

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【表５】

【表６】

【０１２３】各々の実施例に関する種々の要素の上記値
から、比較的少ないレンズを備える構成であり、且つ、
光学系全体がコンパクトであるにも拘わらず、比較的大
きな露光面積、並びに、０．５６あるいはそれ以上の高
い開口数を維持できると同時に、物体側（レチクル側）
及び像側（ウエハ側）において共に、極めて小さなテレ
セントリシティからの偏差を有する投影光学系が達成さ
れることが理解されよう。

【０１２４】また、図１５、図１６、図１７、図１８、
図１９及び図２０は、第１の乃至第６の実施例における
種々の収差を示している。

【０１２５】各収差を示すこれら図面においては、ＮＡ
は、投影光学装置の開口数を表し、Ｙは、像の高さを表
しており、また、非点収差を示す図面においては、破線
は、メリジオナル像面を示し、また、実線は、サジタル
像面を示している。

【０１２６】収差を示す各々の図面を比較すると、各々
の実施例において、０．５６あるいはそれ以上の開口数
を有する高解像度の投影光学系が達成され、同時に、種
々の収差がバランス良く修正されていることを理解する
ことができる。特に、歪曲収差が、像全体にわたって、
ほぼゼロまで補正されているので好ましい。

【０１２７】また、上述の各々の実施例においては、第
２のレンズ群Ｇ２が、負、正、負及び正の４つのサブレ
ンズ群を備える例が示されているが、第２のレンズ群Ｇ
２が、負、正及び負の３つのサブレンズ群から構成する
ことができることは言うまでもない。

【０１２８】また、上述の各々の実施例における第２の
レンズ群Ｇ２の屈折力は、比較的弱い正の屈折力を有す
るが、ゼロ屈折力、あるいは、比較的弱い負の屈折力を
有する第２のレンズ群Ｇ２を構成しても良いことは勿論
である。

【０１２９】更に、上述の各々の実施例においては、投
影光学系を構成するための光学材料として、単一の光学
材料すなわち石英（ＳｉＯ₂）を用いているが、露光光
が、ある程度の半値幅を有する場合には、石英（ＳｉＯ
₂）及び蛍石（ＣａＦ₂）を組み合わせて、色収差を修正
することができ、更に、紫外線が通過することのできる
他の光学材料を組み合わせて、色収差を修正することも
できる。

【０１３０】また、第５の及び第６の実施例において
は、第３のレンズ群の最後のレンズＬ₃₄の一方の表面だ
けが、非球面形状であるが、各々の実施例の投影光学系
において、複数のレンズ面を非球面形状で構成した場合
には、光学系全体に使用される光学要素の数が減少し、
これにより、より高い透過率を有する、より軽い光学系
を得ることが可能であることは言うまでもなく、同じ数
の光学要素を用いた場合には、より高いＮＡ及びより大
きな視野を得ることができる。

【０１３１】更に、各々の実施例は、２４８ｎｍの光を
供給するエキシマレーザを光源として用いる例を示して
いるが、必ずしもそのような光源に限定する必要はな
く、ｇ線（４３６ｎｍ）及びｉ線（３６５ｎｍ）を供給
する水銀ランプ、１９３ｎｍの光線を供給するエキシマ
レーザ、更には、紫外領域の光を供給する他の光源を用
いたものに応用し得ることができることは言うまでもな
い。

【０１３２】また、投影光学系を構成するレンズの一部
の代わりに、反射鏡の如き反射部材を用いることも可能
である。

【０１３３】従って、本発明の各々の実施例によれば、
種々の収差がバランス良く修正され、高い開口数を有す
る高解像度の投影光学系を得ることができ、同時に、比
較的大きな露光領域を確保すると共に、物体側（レチク
ル側）及び像側（ウエハ側）において、テレセントリシ
ティからの偏差がほぼ完全に小さい光学系として維持す
ることができる。

【０１３４】テレセントリシティからの偏差が極めて小
さく、投影光学系の入射瞳位置が、物体面（レチクル
面）から遠く、また、射出瞳も像側（ウエハ側）から遠
い、光学系を得ることができるので、物体面や像面のそ
り（反り）に起因する像の歪みの問題を解消することが
でき、また、照明光学系を設計する際の負担を、大幅に
低減することができる。

【０１３５】更に、投影光学系のレンズ直径ばかりでは
なく、投影光学系の全長も短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】物体側及び像側におけるテレセントリシティか
らの偏差が十分に小さい、本発明の投影光学系を示す、
概念的な図である。

【図２】本発明の投影光学系の基本構造を示す図であ
る。

【図３】図２の構造によって十分な画角及びＮＡが達成
される様子を示す図である。

【図４】レンズ群Ｇ１及びＧ２の間の近傍（ａ₁）にお
ける光線の挙動の一例であり、レンズ面に入射する軸上
物点からの近軸周縁光線の高さが、物体に最も近い位置
で極大傾向を示し、その勾配が概ね０になる傾向を示し
ている。

【図５】レンズ群Ｇ１及びＧ２の間の近傍（ａ₂）にお
ける光線の挙動の別の例であり、軸上物点からの近軸周
縁光線の勾配の変動が、物体に最も近い近傍において０
になり、その勾配は概ね０であり、レンズに入射する光
線の高さが増大する傾向を示している。

【図６】レンズ群Ｇ２及びＧ３の間の領域（ｂ₁）にお
ける光線の挙動の一例を示しており、レンズ面に入射す
る軸上物点からの近軸周縁光線の高さが、像側に最も近
い位置で極大傾向を示し、更に、勾配が概ね０になる傾
向を示している。

【図７】レンズ群Ｇ２及びＧ３の間の領域（ｂ₂）にお
ける光線の挙動の別の例を示しており、レンズ面に入射
する軸上物点からの近軸周縁光線の高さが、減少し、勾
配の変動が、物体に最も近い近傍で０になり、勾配が概
ね０になる傾向を示している。

【図８】本発明の投影光学系を応用した場合の、投影露
光装置の概略構造を示している。

【図９】本発明の第１の実施例のレンズ配列を示してい
る。

【図１０】本発明の第２の実施例のレンズ配列を示して
いる。

【図１１】本発明の第３の実施例のレンズ配列を示して
いる。

【図１２】本発明の第４の実施例のレンズ配列を示して
いる。

【図１３】本発明の第５の実施例のレンズ配列を示して
いる。

【図１４】本発明の第６の実施例のレンズ配列を示して
いる。

【図１５】本発明の第１の実施例の種々の収差を示して
いる。

【図１６】本発明の第２の実施例の種々の収差を示して
いる。

【図１７】本発明の第３の実施例の種々の収差を示して
いる。

【図１８】本発明の第４の実施例の種々の収差を示して
いる。

【図１９】本発明の第５の実施例の種々の収差を示して
いる。

【図２０】本発明の第６の実施例の種々の収差を示して
いる。

【符号の説明】

ＡＳ開口絞りＧ１，Ｇ２，Ｇ３レンズ群Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ２３、Ｇ２４サブレンズ群ＩＳ照明光学系ＰＬ投影光学系Ｒレチクル（第１の物体）Ｗウエハ（第２の物体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロメオアイ．メルカドアメリカ合衆国．94555 カリフォルニア, フレモント，マウンテンドライヴ 2977

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の物体上の像を、一定の縮小率で、
第２の物体上に投影する投影光学系であって、前記第１
の物体の側から見て順に、正の屈折力を有する第１のレ
ンズ群と、実質的にアフォーカル系から成る第２のレン
ズ群と、正の屈折力を有する第３のレンズ群とを備え、全系の焦点距離をＦで表し、前記投影光学系の投影倍率
をＢで表し、前記第１の物体と前記第２の物体との間の
距離をＬで表し、前記投影光学系の光軸に対して平行
な、前記投影光学系の第２の物体側からの光線が、前記
投影光学系に射出する際に、該射出光線の第１の物体側
での延長線が光軸と交差する点と前記第１の物体面との
間の距離をｅで表し、前記投影光学系を介した前記射出
光線が、前記第１の物体に到達する際の、前記投影光学
系の光軸からの前記第１の物体上の前記光線の高さをｈ
で表した場合に、１．８≦｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜、及び、｜ｈ／ｅ｜≦３／１０００の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項２】請求項１の投影光学系において、前記投影光学系の光軸からの前記第１の物体の最大高さ
をＨで表し、全系の焦点距離をＦで表し、前記投影光学
系の投影倍率をＢで表した場合に、｜ＢＨ／Ｆ｜≦８／１０００の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項３】請求項２の投影光学系において、全系の焦点距離をＦで表し、前記投影光学系の光軸に対
して平行な、前記投影光学系の第２の物体側からの光線
が、前記投影光学系を射出する際に、前記射出光線の第
１の物体側での延長線が光軸と交差する点と前記第１の
物体面との間の距離をｅで表し、前記投影光学系を介し
た前記射出光線が、前記第１の物体に到達する際の、前
記投影光学系の光軸からの前記第１の物体上の前記光線
の高さをｈで表し、前記投影光学系の光軸からの前記第
１の物体の最大高さをＨで表した場合に、Ｆｈ／（ＢＨｅ）≦４の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項４】請求項３の投影光学系において、前記第１のレンズ群の焦点距離をｆ₁で表し、前記第３
のレンズ群の焦点距離をｆ₃で表した場合に、０．８０≦ｆ₃／ｆ₁≦１．５の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項５】請求項４の投影光学系において、前記第１のレンズ群の焦点距離をｆ₁で表し、前記第１
の物体と前記第２の物体との間の距離をＬで表した場合
に、０．０５≦ｆ₁／Ｌ≦０．３の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項６】請求項５の投影光学系において、前記第１の物体上の前記投影光学系の光軸からの物体の
最大高さをＨで表し、前記第１の物体と前記第２の物体
との間の距離をＬで表した場合に、０．０３≦Ｈ／Ｌ≦０．２の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項７】請求項６の投影光学系において、前記第１のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第２のレンズ群が、少なくとも４つの負のレンズ、
並びに、少なくとも４つの正のレンズを有し、前記第３のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有することを特徴とする投影光学系。
【請求項８】請求項７の投影光学系において、前記第１、第２及び第３のレンズ群の少なくとも１つの
レンズ群が、非球面レンズを有することを特徴とする投
影光学系。
【請求項９】請求項７の投影光学系において、前記第２のレンズ群が、前記第１の物体側から見て順
に、負の屈折力を有する第１のサブレンズ群、正の屈折
力を有する第２のサブレンズ群、及び、負の屈折力を有
する第３のサブレンズ群を少なくとも備えることを特徴
とする投影光学系。
【請求項１０】請求項９の投影光学系において、前記第１のサブレンズ群の焦点距離をｆ₂₁で表し、前記
第２のサブレンズ群の焦点距離をｆ₂₂で表した場合に、１．５≦｜ｆ₂₂／ｆ₂₁｜≦５の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項１１】請求項１０の投影光学系において、前記第３のサブレンズ群の焦点距離をｆ₂₃で表し、前記
第１の物体と前記第２の物体との間の距離をＬで表した
場合に、０．０２≦｜ｆ₂₃／Ｌ｜≦０．１０の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項１２】請求項１１の投影光学装置において、前記第１のレンズ群、前記第２のレンズ群の第１のサブ
レンズ群、及び、前記第２のレンズ群の第２のサブレン
ズ群の合成焦点距離をｆ_aで表し、前記第２のレンズ群
の第３のサブレンズ群の焦点距離をｆ₂₃で表した場合
に、４≦｜ｆ_a／ｆ₂₃｜の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項１３】請求項１２の投影光学系において、前記第１の物体と前記第２の物体との間の距離をＬで表
し、前記第１のレンズ群Ｇ１の焦点距離をｆ₁で表し、
前記第３のレンズ群Ｇ３の焦点距離をｆ₃で表し、前記
第２のレンズ群において物体側から第ｉ番目である第ｉ
番目のサブレンズ群の焦点距離をｆ_2iで表した場合に、 −５０≦（Ｌ／ｆ１）＋（Ｌ／ｆ₃）＋Σ（Ｌ／ｆ_2i）
≦０．５の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項１４】請求項１３の投影光学系において、前記第１のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第２のサブレンズ群が、少なくとも４つの正のレン
ズを有し、前記第３のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有することを特徴とする投影光学系。
【請求項１５】請求項１４の投影光学系において、前記第２のサブレンズ群が、２つの両凹レンズを有する
ことを特徴とする投影光学系。
【請求項１６】請求項１５の投影光学系において、前記第１の物体上の軸方向の物点からの近軸マージナル
光線が、前記第１のレンズ群に入る際の、前記近軸マー
ジナル光線の入射角をｕ₁で表し、前記第１の物体上の
軸上の物点からの近軸マージナル光線が、前記第２のレ
ンズ群に入る際の、前記近軸マージナル光線の入射角を
ｕ₂で表し、前記第１の物体上の軸上の物点からの近軸
マージナル光線が、前記第２のレンズ群から出る際の、
前記近軸マージナル光線の射出角をｕ₂’で表し、前記
第１の物体上の軸上の物点からの近軸マージナル光線
が、前記第３のレンズ群から出る際の、前記近軸マージ
ナル光線の射出角をｕ₃’で表した場合に、｜ｕ₂／ｕ₁｜≦０．５及び、｜ｕ₂’／ｕ₃’｜≦０．５の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項１７】請求項１６の投影光学系において、前記第１のレンズ群の焦点距離をｆ₁で表し、前記第２
のレンズ群の焦点距離をｆ₂で表し、前記第３のレンズ
群の焦点距離をｆ₃で表した場合に、｜ｆ₂｜／ｆ₁＞１及び｜ｆ₂｜／ｆ₃＞１の条件を満足することを特徴とする投影光学系。
【請求項１８】請求項３の投影光学系において、前記第１のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第３のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第２のレンズ群が、前記第１の物体側から見て順
に、負の屈折力を有する第１のサブレンズ群と、正の屈
折力を有する第２のサブレンズ群と、負の屈折力を有す
る第３のサブレンズ群とを有し、前記第１のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第２のサブレンズ群が、少なくとも４つの正のレン
ズを有し、前記第３のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有することを特徴とする投影光学系。
【請求項１９】請求項３の投影光学系において、前記第２のレンズ群が、前記第１の物体側から見て順
に、負の屈折力を有する第１のサブレンズ群と、正の屈
折力を有する第２のサブレンズ群と、負の屈折力を有す
る第３のサブレンズ群と、正の屈折力を有する第４のサ
ブレンズ群とを備えることを特徴とする投影光学系。
【請求項２０】請求項１９の投影光学系において、前記第１のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第３のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第１のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第２のサブレンズ群が、少なくとも４つの正のレン
ズを有し、前記第３のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第４のサブレンズ群が、少なくとも２つの正のレン
ズを有することを特徴とする投影光学系。
【請求項２１】投影アライナであって、所定のパターンが形成されている第１の物体を照明する
照明手段と、前記第１の物体の像を第２の物体上に投影する投影光学
系と、前記第１の物体を保持する第１の保持手段と、前記第２の物体を保持する第２の保持手段とを備え、前記投影光学系が、前記第１の物体側から見て順に、正
の屈折力を有する第１のレンズ群と、実質的にアフォー
カル系から成る第２のレンズ群と、正の屈折力を有する
第３のレンズ群とを有しており、全系の焦点距離をＦで表し、前記投影光学系の投影倍率
をＢで表し、前記第１の物体と前記第２の物体との間の
距離をＬで表し、前記投影光学系の光軸に対して平行
な、前記投影光学系の第２の物体側からの光線が、前記
投影光学系を射出する際に、該射出光線の第１の物体側
での延長線が光軸と交差する点と前記第１の物体面との
間の距離をｅで表し、前記投影光学系を介した前記射出
光線が、前記第１の物体に到達する際の、前記投影光学
系の光軸からの前記第１の物体上の前記光線の高さをｈ
で表した場合に、１．８≦｜Ｆ／（Ｂ・Ｌ）｜、及び、｜ｈ／ｅ｜≦３／１０００の条件を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２２】請求項２１の投影露光装置において、前記第１のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第３のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第２のレンズ群が、前記第１の物体側から見て順
に、負の屈折力を有する第１のサブレンズ群と、正の屈
折力を有する第２のサブレンズ群と、負の屈折力を有す
る第３のサブレンズ群とを有し、前記第１のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第２のサブレンズ群が、少なくとも４つの正のレン
ズを有し、前記第３のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２３】請求項２１の投影露光装置において、前記第２のレンズ群が、前記第１の物体側から見て順
に、負の屈折力を有する第１のサブレンズ群と、正の屈
折力を有する第２のサブレンズ群と、負の屈折力を有す
る第３のサブレンズ群と、正の屈折力を有する第４のサ
ブレンズ群とを備えることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２４】請求項２３の投影アライナにおいて、前記第１のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第３のレンズ群が、少なくとも２つの正のレンズを
有し、前記第１のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第２のサブレンズ群が、少なくとも４つの正のレン
ズを有し、前記第３のサブレンズ群が、少なくとも２つの負のレン
ズを有し、前記第４のサブレンズ群が、少なくとも２つの正のレン
ズを有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２５】請求項２１の投影露光装置において、前記投影光学系の光軸からの前記第１の物体の最大高さ
をＨで表し、全系の焦点距離をＦで表し、前記投影光学
系の投影倍率をＢで表した場合に、｜ＢＨ／Ｆ｜≦８／１０００の条件を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２６】請求項２１の投影露光装置において、全系の焦点距離をＦで表し、前記投影光学系の光軸に対
して平行な、前記投影光学系の第２の物体側からの光線
が、前記投影光学系を射出する際に、前記射出光線の第
１の物体側での延長線が光軸と交差する点と前記第１の
物体面との間の距離をｅで表し、前記投影光学系を介し
た前記射出光線が、前記第１の物体に到達する際の、前
記投影光学系の光軸からの前記第１の物体上の前記光線
の高さをｈで表し、前記投影光学系の光軸からの前記第
１の物体の最大高さをＨで表した場合に、｜Ｆｈ／（ＢＨｅ）｜≦４の条件を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２７】請求項２１の投影露光装置において、前記第１のレンズ群の焦点距離をｆ₁で表し、前記第３
のレンズ群の焦点距離をｆ₃で表した場合に、０．８０≦ｆ₃／ｆ₁≦１．５の条件を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２８】請求項２１の投影露光装置において、前記第１のレンズ群の焦点距離をｆ₁で表し、前記第１
の物体と前記第２の物体との間の距離をＬで表した場合
に、０．０５≦ｆ₁／Ｌ≦０．３の条件を満足することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２９】請求項２１の投影露光装置において、前記第１の物体上の前記投影光学系の光軸からの物体の
最大高さをＨで表し、前記第１の物体と前記第２の物体
との間の距離をＬで表した場合に、０．０３≦Ｈ／Ｌ≦０．２の条件を満足することを特徴とする投影露光装置。