投影レンズ収差とは
投影レンズ収差とは、レチクルの1点から出た光が投影レンズを通ったあと、ウェハ上で1点よりも広い範囲へ散り、理想の結像からずれる現象です。
日本半導体製造装置協会（SEAJ）の半導体製造装置用語集は、収差を光学系において理想的な結像からのずれとし、光が1点よりも広い範囲へ散る場合に収差があるとしています。種類として、軸上と倍率の色収差、そして単色収差であるザイデルの5収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差）を挙げています。
ニコンの収差補正の技術紹介は、単色収差が主にレンズの形状に起因するため曲率や厚み、レンズ間隔を調整して設計するとし、色収差は材料に起因するため相殺する材料を組み合わせて補正するとしています。同ページは、可視光のカメラレンズや双眼鏡では色収差の補正が主な課題になる一方、露光装置へ載る投影レンズでは回折限界の際まで詰めた補正が必要になるとしています。
同社の波面収差計測の技術紹介は、波面を、光を波動とみなしたときの等位相面とし、理想的な結像光学系では一点で発光した光が発散球面波として伝播し、結像光学系で収束球面波へ変換されて一点に集光するとしています。実際の光学系では変換に取りこぼしが出て、結像する波面が球面からわずかにゆがむとし、この理想球面からのずれを波面収差と呼ぶとしています。SEAJの用語集は、ゼルニケの多項式を円形の領域上の直交多項式とし、回折理論の上で軸対称な波面収差を式として扱えるとしています。だから現場が追う量は、収差の種類の名前よりも、波面のずれをナノメートル単位で並べたゼルニケ項の数列のほうになります。装置のログにこの数列が出るのも、補正のつまみがこの数列へ紐づくのも、同じ理由です。
規模の感覚を1つ添えます。ニコンの基礎知識ページは、投影レンズが20枚以上のレンズを組み合わせたもので、全長は1メートル以上になるとしています。同社の記述です。
作り込みで潰す収差と、動かしてから出る収差
Section titled “作り込みで潰す収差と、動かしてから出る収差”前者は装置メーカーの工程の話で、後者が現場の仕事です。
キヤノンの技術解説は、カメラで積み上げた光学の設計・組立・調整の技術と、数ナノメートル精度のレンズ研磨で投影レンズを作っているとしています。同社の記述です。ニコンの光学系調整の技術紹介は、光学部品をそのまま組み立てた状態では高い光学性能の発揮が難しいとし、波面収差の解析結果をもとに調整量を出し、所望の光学性能を得るとしています。測った収差の種類と大きさを見て、光学系の中の部品の位置や向きを合わせ込むとしています。
問題は、組み終えた装置が使うほどに変わっていくことです。キヤノンの技術解説は、露光の最中でも気圧や温度がわずかに動くだけで収差が出ることがあるとし、それを補正するためにレンズの駆動部分へ収差を直せる構造を持たせていると述べています。さらに、24時間365日稼働を続ける露光装置では、露光の熱と経年変化によって、レンズを通った回路パターンがぼけたりゆがんだりするとし、レンズの材料から見直してゆがみを抑えるレンズを開発したとしています。
ニコンの波面収差計測のページも同じ側を書いています。稼働中に出てくる収差の形は入り組んでおり、その日の気圧や運転のしかたに応じて刻々と動くとしています。同社は収差を測ったうえで、レーザー光を反射するミラーの形を複数のアクチュエーターで押し引きしてわずかに変え、レンズの傾きなども動かしながら収差を補正しているとしています。
偏って温まる機構が、ドリフトを作ります
Section titled “偏って温まる機構が、ドリフトを作ります”SEAJの半導体製造装置技術ロードマップ（リソグラフィ）2012年版は、パターンの微細化とともに二重極照明のような極端なオフアクシス照明が用いられるようになり、このような照明ではレンズが受けるエネルギーが方向ごとに偏るとしています。スキャナーを動かしているうちに、レンズの一部だけが時間をかけて温まり、その結果としてレンズヒーティング効果が出るとしています。2012年時点の記述です。
像を立てるために照明条件を極端に絞ると、そのぶんレンズが偏って温まります。 NILSを稼ぐ操作が、収差を呼ぶ側へも影響します。
同ロードマップの比較図は、無補正のまま、レチクルを載せて校正した場合、計算で校正した場合の3通りを並べ、動く量としてゼルニケ項のドリフト、ベストフォーカスのドリフト、スルーピッチパターンのCDのドリフトを挙げています。現場が監視するのは、この3つです。ゼルニケ項の変化は装置のログに、ベストフォーカスの変化はフォーカス露光量マトリクスに、CDの変化はCD-SEMの日々の値に出ます。
レジストプロセスの選び方でも量が変わります。同ロードマップは、従来のコンタクト層ではダークフィールドマスクが使われてかなりの光がマスクで吸収され、レンズへ届くのは一部の光にとどまっていたのに対し、ネガ型現像（NTD）ではマスクのポジとネガが反転してかなりの光がレンズへ到達するようになるとしています。したがってNTDではレンズヒーティングの効果が大きくなることが予測され、その解決が課題だとしています。
つまみは4つの面に並びます
Section titled “つまみは4つの面に並びます”同ロードマップは、以前はマスク面だけを動かしてCDを合わせていたとし、ハードウェアとソフトウェアの進展でソース面、瞳面、ウェハ面からも操作できるようになったとしています。マスクパターンのほかに、σ、NA、ソースの形、フォーカスレンジ、露光量というつまみが加わり、マスクを作り終えたあとでもCDを補正できるようになったとしています。
瞳面のつまみが波面そのものを直します。同ロードマップは、マスクの三次元構造などによって発生する位相誤差を補正できるフレキシブルレンズ素子が開発されたとし、小領域ごとに屈折率を変えて波面を補正する素子だと述べています。三次元マスクに起因するベストフォーカスシフトに対して最も効果的に働く光学素子の1つだとしています。同ロードマップは、三次元マスクを光源マスク最適化とOPCへ適用してベストフォーカスシフトが補正されるとプロセスウィンドウが改善し、さらにこの素子で波面を補正するとプロセスウィンドウがさらに拡大するとしています。
装置間の差にも影響します。同ロードマップに載る例では、ある液浸露光装置を別の号機へCDマッチングさせたとき、σ・NA・フォーカスレンジをつまみにすると精度は改善する一方で仕様値の手前にとどまり、光源側の素子を加えると仕様値を達成できるものの精度がパターンごとにばらつくとしています。ここへ波面のつまみを加えれば、どのパターンでも共通の精度が得られる可能性があるとしています。図には、この操作がゼルニケの6番目の項の調整だと注記されています。装置間マッチングの詰めの一手が、波面の側にあります。
計算側の作り方も変わりました。JEITAの平成20年度報告は、1台ずつの露光装置の転写特性を取り込んだうえで光源マスク最適化やOPCの補正をかける必要が増したとし、号機ごとの収差も最適化の入力へ加えているとしています。同委員会の平成21年度報告は、露光装置では収差や重ね合わせなどにおいて高次の補正が可能になっているとしています。2009年度時点の記述です。OPCと光源マスク最適化は、装置固有の収差を織り込んだ計算へ移っています。
EUVでは、反射面の形が要求値になります
Section titled “EUVでは、反射面の形が要求値になります”反射光学系では、収差の要求が鏡の形の要求へそのまま化けます。
SEAJの2012年版ロードマップは、ハーフピッチ22ナノメートル用の投影光学系に対する波面精度の要求が0.3ナノメートルrmsと言われているとし、6枚の非球面ミラーの形状精度は55ピコメートルrmsだとしています。ハーフピッチ16ナノメートルから11ナノメートル用では波面精度が0.2ナノメートルrms、8枚の非球面ミラーの形状精度は35ピコメートルrmsだとしています。2012年時点の要求値です。同ロードマップは、多層膜による反射光の位相変化がEUV光と可視光で全く異なるため、両波長による波面測定値の突き合わせが急務になったとも述べています。
同ロードマップは、EUVスキャナーでは光学系の収差が大きく、スリット位置ごとに条件を変える必要があるため、計算リソグラフィの必要性は光リソグラフィと同じだけ高いとしています。JEITAの平成21年度報告も、EUV露光装置の課題を低収差・低フレアの光学系の製作とし、研磨精度と多層膜の製作が課題だとしています。収差の計測技術については、6枚ミラーの光学系を露光波長のまま測る技術がすでに報告されているとしています。EUVの側では、収差とフレアが同じ研磨の課題から出てきます。
何を差し出すのか
Section titled “何を差し出すのか”補正の口を増やすほど、装置の中の可動要素と校正の手間が増えます。SEAJの2012年版ロードマップは、レンズヒーティング効果の校正では従来レチクル1枚につき1.5時間の装置時間を使うとし、スキャナーの価格が極めて高いことからマシーンタイムを省く校正法への要望が強かったと述べています。計算による校正ツールでレチクルとマシーンタイムを省いた校正が可能になった結果、スキャナーの生産性はロジックで約6パーセント、メモリで約0.7パーセント改善されるとしています。同ロードマップの記述です。補正そのものは無料でも、補正量を知るための時間は装置の稼働時間から出ていきます。
装置固有の収差を計算へ織り込むほど、そのレシピは号機に張り付きます。別の号機で同じマスクを流すと、収差の形が異なる分だけCDがずれます。詰めるには波面のつまみまで動員することになり、APCへ渡す測定点が増えます。
そして像の側の要求と収差の要求は、同じ照明のつまみを引っぱり合います。極端な二重極でNILSを稼げばレンズは偏って温まり、緩い照明へ戻せば像の傾きが寝ます。焦点深度とプロセスウィンドウの窓は、この綱引きのあとに手元へ来る幅です。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”投影レンズ収差とは何ですか？
レチクルの1点から出た光が投影レンズを通ったあと、ウェハ上で1点よりも広い範囲へ散る現象です。SEAJの用語集は収差を光学系において理想的な結像からのずれとし、光が1点よりも広い範囲へ散る場合に収差があるとしています。
どんな種類がありますか？
SEAJの用語集は、軸上と倍率の色収差と、単色収差であるザイデルの5収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差）を挙げています。ニコンの技術紹介は、単色収差は主にレンズの形状に起因し、色収差はレンズの材料に起因するとしています。
波面収差とは何ですか？
結像する波面が理想の球面からずれる量です。ニコンの技術紹介は、理想的な結像光学系では発散球面波が収束球面波へ変換されて一点に集光するとし、実際の光学系では変換に取りこぼしが出て波面が球面からわずかにゆがむとしています。SEAJの用語集は、これをゼルニケの多項式で解析的に求められるとしています。
現場では何が起きますか？
像がにじみ、ベストフォーカスと寸法がドリフトします。キヤノンの技術解説は、露光時の気圧や温度のわずかな環境変化で収差が発生することがあるとし、24時間365日稼働する装置では露光の熱や経年変化によって回路パターンにボケやゆがみが発生するとしています。
稼働中に収差が出るのはなぜですか？
光学系が偏って温まるためです。SEAJの2012年版ロードマップは、二重極照明のような極端なオフアクシス照明ではレンズが受けるエネルギーが方向ごとに偏るとし、スキャナーを動かしているうちにレンズの一部だけが時間をかけて温まり、レンズヒーティング効果が出るとしています。
どのつまみで押し返すのですか？
同ロードマップは、従来はマスク面でCDを制御していたのに対し、ソース面・瞳面・ウェハ面でも操作できるようになったとしています。瞳面のフレキシブルレンズ素子は小領域ごとに屈折率を変えて波面を補正します。σ・NA・フォーカスレンジ・露光量のつまみは、マスク製作後でも回せます。
校正にはどれだけ時間がかかりますか？
同ロードマップは、レンズヒーティング効果の校正にレチクル1枚につき1.5時間の装置時間を使うとしています。計算による校正ツールでレチクルとマシーンタイムを省けると、スキャナーの生産性がロジックで約6パーセント、メモリで約0.7パーセント改善されるとしています。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- NILS（規格化像ログスロープ）とは ── 収差が削る像の傾きを数字にしたもの
- 焦点深度とは ── 収差のドリフトがベストフォーカスを動かす先
- 装置間マッチングとは ── 号機ごとの収差の形を詰める作業
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- SEAJ「半導体製造装置用語集（リソグラフィ）」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 収差が理想的な結像からのずれであること、色収差とザイデルの5収差の分類、ゼルニケの多項式で波面収差を解析的に求められること
- ニコン「波面収差計測」技術紹介（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 波面が等位相面であること、理想球面からのずれが波面収差であること、稼働中の収差が気圧などで刻々と変化すること、ミラーの変形とレンズの傾き制御による補正
- ニコン「収差補正」技術紹介（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 単色収差がレンズ形状に起因し色収差が材料に起因すること、投影レンズには回折限界に近いレベルまでの補正が必要になること
- ニコン「光学系調整」技術紹介（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 波面収差の解析結果から調整量を算出して組立調整を行うこと
- ニコン「露光から計測・検査まで 半導体製造における露光装置と計測・検査装置の基礎知識」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 投影レンズが20枚以上のレンズを組み合わせ全長1メートル以上になること
- キヤノン「半導体露光装置」技術解説（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 数ナノメートル精度のレンズ研磨、気圧や温度の環境変化で収差が発生すること、レンズ駆動部による補正構造、24時間365日稼働での熱と経年変化によるボケとゆがみ
- SEAJ「半導体製造装置技術ロードマップ（リソグラフィ）2012年版」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 極端なオフアクシス照明による局部加熱とレンズヒーティング効果、ゼルニケ項とベストフォーカスとCDのドリフト、校正に要する1枚あたり1.5時間と生産性の改善率、ネガ型現像でレンズヒーティングが大きくなること、4つの面のつまみとフレキシブルレンズ素子、CDマッチングの例、EUVの波面精度とミラー形状精度の要求値
- JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会「平成21年度報告 第6章 WG5 リソグラフィ」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 露光装置で収差や重ね合わせの高次補正が可能になっていること、EUV露光装置の課題が低収差・低フレアの光学系の製作であること、露光波長で6枚ミラー光学系を計測する技術の報告
- JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会「平成20年度報告 第6章 WG5 リソグラフィ」（2026年9月3日にリンク生存を実測、200）── 個々の露光装置の収差を光源マスク最適化とOPCの最適化へ取り込んでいること