(57)【要約】２次元の光変調微細開口アレイ装置は、行列形状に配列された複数の光量調節セル（液晶セルまたはマイクロミラー）を用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、光量調節セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズを有する２次元のマイクロレンズ・アレイと、高効率の２次元の微細開口アレイとを含む。２次元の光変調微細開口アレイ装置を光源部と連結して、微細開口を介して光が放出される。このように開口から放出された光を用いて記録媒体の表面上のスキャン動作が実行されるように、スキャン部がｘ方向及びｙ方向に移動する。
2006514784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元の光変調微細開口アレイ装置であって、
行列形状に配列された複数の光量調節セルを用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、
前記光量調整セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズが行列形状に配列されたマイクロレンズ・アレイと、
前記マイクロレンズの焦点距離に等しい厚さを有し、前記マイクロレンズ・アレイの下部に接合されて光ビームを透過させる基板と、
前記基板を覆う金属薄膜上に行列形状に配列され、前記マイクロレンズによって集束された光ビームを通過させる開口を有する開口アレイと、
を備える、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記空間光変調部は行列形状に配列された液晶セルを有する液晶光変調器であり、該液晶光変調器は、印加された電圧により液晶セルの液晶分子の配列を制御することにより、入射する光量を調整する、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記空間光変調部は行列形状に配列されたマイクロミラーを有するディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であり、該ディジタル・マイクロミラー・デバイスは、前記マイクロミラーの傾斜角を制御することによって入射する光量を調節する、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記基板はガラス基板である、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記基板はＧａＰ基板である、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項６】
２次元の光変調微細開口アレイ装置であって、
行列形状に配列された複数の光量調節セルを用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、
前記光量調整セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズが行列形状に配列されたマイクロレンズ・アレイであって、各マイクロレンズの焦点は、該マイクロレンズの表面上に結ばれる、マイクロレンズ・アレイと、
前記マイクロレンズの前記表面を覆う金属薄膜上の前記マイクロレンズの焦点において開口を有する開口アレイと
を備える、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記空間光変調部は行列形状に配列された液晶セルを有する液晶光変調器であり、該液晶光変調器は、印加された電圧により液晶セルの液晶分子の配列を制御することにより、入射する光量を調節する、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項８】
請求項６に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記空間光変調部は行列形状に配列されたマイクロミラーを有するディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であり、該ディジタル・マイクロミラー・デバイスは、前記マイクロミラーの傾斜角を制御することによって入射する光量を調節する、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記基板はガラス基板である、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項１０】
請求項７または８に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記基板はＧａＰ基板である、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項１１】
請求項６に記載の２次元の光変調微細開口アレイ装置において、前記マイクロレンズのそれぞれは円錐形状を有する、２次元の光変調微細開口アレイ装置。
【請求項１２】
記録媒体に微細パターンを高速で記録するシステムであって、
レーザー・ビームを放出する光源部と、
前記レーザー・ビームを伝送する光伝送部と、
前記光伝送部から伝送されたレーザー・ビームを平行化する平行光生成レンズと、
２次元の光変調微細開口アレイ装置であって、
行列形状に配列された複数の光量調節セルを用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、
前記光量調整セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズが行列形状に配列されたマイクロレンズ・アレイと、
前記マイクロレンズの焦点距離に等しい厚さを有し、前記マイクロレンズ・アレイの下部に接合されて光ビームを透過させる基板と、
前記基板を覆う金属薄膜上に行列形状に配列され、前記マイクロレンズによって集束された光ビームを通過させる開口を有する開口アレイと、
を備える２次元の光変調微細開口アレイ装置と、
ｘ方向及びｙ方向において前記記録媒体と前記２次元の光変調微細開口アレイ装置とを相対的に移動させて、前記マイクロレンズ・アレイの開口の所定パターンのスキャン動作を実行するスキャン部と
を備える高速微細パターン記録システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の高速微細パターン記録システムにおいて、
前記スキャン部は、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置に連結されており、
前記スキャン動作は、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置をｘ方向及びｙ方向に移動させることにより実行される、
高速微細パターン記録システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の高速微細パターン記録システムにおいて、
前記スキャン部は、前記２次元の微細開口アレイ装置によって所定の微細パターンが記録される前記記録媒体を支持する支持部に連結されており、
前記スキャン動作は、前記支持部をｘ方向及びｙ方向に移動させることにより実行される、
高速微細パターン記録システム。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の高速微細パターン記録システムであって、更に、
前記２次元の光変調微細開口アレイ装置の上部の両側に配置された複数のＣＣＤ部であって、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置の開口により反射された光を電気的信号に変換する複数のＣＣＤ部と、
前記２次元の光変調微細開口アレイ装置への入射光から偏光光を分離して、該分離された偏光光を前記複数のＣＣＤ部のうちの一つに提供する偏光光分割器と、
前記２次元の光変調微細開口アレイ装置を通過し、その後反射された偏光光の変化を防止し、該偏光光を前記複数のＣＣＤ部のうちの他の一つに提供する波長板と
を備える、高速微細パターン記録システム。
【請求項１６】
請求項１２に記載の高速微細パターン記録システムにおいて、
前記空間光変調部は、行列形状に配列された液晶セルを有する液晶光変調器であり、該液晶光変調器は、印加された電圧により液晶セルの液晶分子の配列を制御することにより、入射する光量を調整する、高速微細パターン記録システム。
【請求項１７】
請求項１２に記載の高速微細パターン記録システムにおいて、
前記空間光変調部は、行列形状に配列されたマイクロミラーを有するディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であり、該ディジタル・マイクロミラー・デバイスは、前記マイクロミラーの傾斜角を制御することによって入射する光量を調節する、高速微細パターン記録システム。
【請求項１８】
記録媒体に微細パターンを高速で記録するシステムであって、
レーザー・ビームを放出する光源部と、
前記レーザー・ビームを伝送する光伝送部と、
前記光伝送部から伝送されたレーザー・ビームを平行化する平行光生成レンズと、
２次元の光変調微細開口アレイ装置であって、
行列形状に配列された複数の光量調節セルを用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、
前記光量調整セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズが行列形状に配列されたマイクロレンズ・アレイであって、各マイクロレンズの焦点は、該マイクロレンズの表面上に結ばれる、マイクロレンズ・アレイと、
前記マイクロレンズの前記表面を覆う金属薄膜上の前記マイクロレンズの焦点において開口を有する開口アレイと、
を備える２次元の光変調微細開口アレイ装置と、
ｘ方向及びｙ方向において前記記録媒体と前記２次元の光変調微細開口アレイ装置とを相対的に移動させて、前記マイクロレンズ・アレイの開口の所定パターンのスキャン動作を実行するスキャン部と
を備える、高速微細パターン記録システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の高速微細パターン記録システムにおいて、
前記空間光変調部は、行列形状に配列された液晶セルを有する液晶光変調器であり、該液晶光変調器は、印加された電圧により液晶セルの液晶分子の配列を制御することにより、入射光の光量を調整する、高速微細パターン記録システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載の高速微細パターン記録システムにおいて、
前記空間光変調部は、行列形状に配列されたマイクロミラーを有するディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であり、該ディジタル・マイクロミラー・デバイスは、前記マイクロミラーの傾斜角を制御することによって入射する光量を調節する、高速微細パターン記録システム。
【請求項２１】
請求項１８に記載の高速微細パターン記録システムであって、更に、
前記２次元の光変調微細開口アレイ装置の上部の両側に配置された複数のＣＣＤ部であって、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置の開口により反射された光を電気的信号に変換する複数のＣＣＤ部と、
前記２次元の光変調微細開口アレイ装置への入射光から偏光光を分離して、該分離された偏光光を前記複数のＣＣＤ部のうちの一つに提供する偏光光分割器と、
前記２次元の光変調微細開口アレイ装置を通過し、その後反射された偏光光の変化を防止し、該偏光光を前記複数のＣＣＤ部のうちの他の一つに提供する波長板と、
を備える、高速微細パターン記録システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リソグラフィ技術に関し、特に、入射光を微細パターンの記録に使用する２次元の光変調微細開口アレイ装置、及び該２次元の光変調微細開口アレイ装置を用いて高速に半導体素子上に微細パターン、例えばナノ・パターンを形成することが可能な高速微細パターン記録システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体素子の製造に使われるリソグラフィ技術は、マスキング工程と露光工程とからなる。すなわち、リソグラフィ技術は、超精密光学系を用いてパターンが記録されたフォトマスクを製造する段階、及び露光工程によって、そのフォトマスクのパターンをシリコン・ウエハーに転写する段階を含む。
【０００３】
このようなリソグラフィ技術は、半導体素子の製造工程において、マスク・パターンを形成するための核心技術である。半導体素子の集積度の向上につれて、シリコン・ウエハー上に形成されるマスク・パターンの線幅は狭くなる。光学系により具現される線幅に対応する分解能は、以下の式１により表現される。
【０００４】
［式１］
分解能＝ｋ１・λ／（ＮＡ）
式１において、ｋ１は、リソグラフィ工程変数であり、λは、光源の波長であり、ＮＡは、光学系の開口数である。
【０００５】
パターンの線幅は、光学系の分解能が向上するにつれて狭くなるため、分解能を向上させる方法が数多く開発されてきた。式１によれば、工程変数ｋ１を減少させるか、開口数ＮＡを増加させるか、あるいは波長の短い光源を使用することによって、分解能を向上させることが可能である。
【０００６】
半導体素子の製造工程において、現在使用されているリソグラフィ技術では、工程変数ｋ１を、０．４〜０．３まで下げることができ、光学系の開口数ＮＡを０．８程度にすることができる。このような状況下において、光源として波長が２４８ｎｍのクリプトン・フロライド（ＫｒＦ）エキシマ・レーザーを使用すると、リソグラフィにおける線幅を決める分解能は、９０〜１２０ｎｍの範囲になる。
【０００７】
光源として波長が１９３ｎｍのアルゴン・フロライド（ＡｒＦ）レーザーを使用すると、リソグラフィにおける線幅を決める分解能は、７０〜１００ｎｍの範囲にまで向上する。
【０００８】
しかし、波長がより短い紫外線の光源を使って分解能を向上させるためには、従来の超精密光学系において光学部材として使用されている高品質の溶融石英（Fused Silica）をカルシウム・フロライド（ＣａＦ）に代替しなければならず、さらに、使用されるフォトレジストも紫外線に感応するものにしなければならない。加えて、マスク・パターンを用いて露光をすることになると、光が開口部によって屈折されて、露光工程の結果は悪化する。
【０００９】
光が、その波長に比べて相対的に小さい数ｎｍの直径を有する穴を透過すると、穴を透過した光の強度は穴の直径の４乗に比例する。したがって、開口の直径が小さくなるほど、光の強度は開口の直径の４乗に反比例して急激に減少する。よって、光源が通過する開口の直径を小さくしてナノ・パターン（以後、場合によっては「微細パターン」と呼ぶ）を形成する場合、光の強度が減少し、それによって、露光工程の時間、及びナノ・パターンを形成するためのスキャン工程の時間が長くなる。
【００１０】
半導体素子の集積度の発展速度を考慮すると、リソグラフィ技術の分解能は、数年内に５５ｎｍ程度に至ると期待されている。紫外線を用いたリソグラフィ、電子ビームを用いたリソグラフィ技術の研究・開発も活発になされているが、未だ研究室レベルに留まっている。この１０年の間、半導体素子の集積度の限界はリソグラフィ技術により課せられていた。したがって、新規な微細パターニング技術が緊急に必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、フォトマスクを使用せずに微細パターンをフォトレジストに直接記録するという新規な微細パターニング技術を提供することによって、分解能に関する技術的限界を克服することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、従来のフォトレジストの感応波長に適合するレーザー源を使用する装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、２次元の光変調微細開口アレイ装置は、数十ｎｍの大きさの開口を通して多量の光を透過させるための２通りの公知の方法を用いる。第１の方法は、X.Shi,L.Hesselnkによる文献“Mechanism for enhancing power throughput from planar nano-apertures for near-field optical data storage ”,Japan Journal of Applied Physics Vol.41、pp.1632-1635(2002) に開示されている。この第１の方法によれば、金属光導波路の開口を用いて、透過率を画期的に向上させることが可能である。
【００１３】
第２の方法は、Y.J. Kim,K.S. Suzuki, K.Gotoによる文献“Parallel recording array head of nano-aperture flat-tip probes for high-density near-field optical data storage ”,Japan Journal of Applied Physics Vol.40,pp.1783-1789(2001) 、及びK.Goto,Y.J. Kim,S.Mitsugi,K.Suzuki,K.Kurihara,T.Horibeによる別の文献“Micro-optical two-dimensional devices for the optical memory head of an ultrahigh data transfer rate and density system using a vertical cavity surface emitting laser array  ”,Japan Journal Applied Physics Vol.41,pp.4835-4840(2002)  に開示されている。この第２の方法によれば、開口数ＮＡの大きいレンズと屈折率の高い媒質とを組み合わせることによって、光の焦点サイズを画期的に縮小することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、２次元の光変調微細開口アレイ装置が提供される。該２次元の光変調微細開口アレイ装置は、行列形状に配列された複数の光量調節セルを用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、前記光量調整セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズが行列形状に配列されたマイクロレンズ・アレイと、前記マイクロレンズの焦点距離に等しい厚さを有し、前記マイクロレンズ・アレイの下部に接合されて光ビームを透過させる基板と、前記基板を覆う金属薄膜上に行列形状に配列され、前記マイクロレンズによって集束された光ビームを通過させる開口を有する開口アレイとを備える。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、２次元の光変調微細開口アレイ装置が提供される。該２次元の光変調微細開口アレイ装置は、行列形状に配列された複数の光量調節セルを用いて入射する光量を調節する空間光変調部と、前記光量調整セルを通過した光ビームを集束させるマイクロレンズが行列形状に配列されたマイクロレンズ・アレイであって、各マイクロレンズの焦点は該マイクロレンズの表面上に結ばれる、マイクロレンズ・アレイと、前記マイクロレンズの前記表面を覆う金属薄膜上の前記マイクロレンズの焦点において開口を有する開口アレイとを備える。
【００１６】
本発明の第３の態様によれば、高速微細パターン記録システムが提供される。該高速微細パターン記録システムは、本発明の第１の態様または第２の態様による２次元の光変調微細開口アレイのうちの一つと、レーザー・ビームを放出する光源部と、前記レーザー・ビームを伝送する光伝送部と、前記光伝送部から伝送されたレーザー・ビームを平行化する平行光生成レンズと、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置に連結されたスキャン部であって、ｘ方向及びｙ方向に前記２次元の光変調微細開口アレイ装置を移動させることによって所定パターンを形成し、前記マイクロレンズ・アレイの開口による光の照射動作を実行するスキャン部とを備える。
【００１７】
望ましくは、前記空間光変調部は、行列形状に配列された液晶セルを有する液晶光変調器であり、該液晶光変調器は、電圧により液晶セルの液晶分子の配列を制御することにより、入射光の光量を調節する。
【００１８】
加えて、望ましくは、前記空間光変調部は、行列形状に配列されたマイクロミラーを有するディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であり、該ディジタル・マイクロミラー・デバイスは、前記マイクロミラーの傾斜角を制御することによって、入射光の光量を調節する。
【００１９】
加えて、望ましくは、前記光変調部は、２次元の光の空間変調のために用いられる様々な種類の陽子／電子光学素子により具現される。
加えて、望ましくは、前記基板は、ガラス基板またはＧａＰ基板である。
【００２０】
加えて、望ましくは、前記高速微細パターン記録システムは、更に、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置の上部の両側に配置された二つのＣＣＤ部であって、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置の開口により反射された光を電気的信号に変換する二つのＣＣＤ部と、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置への入射光から所定の偏光光を分離して、該分離された偏光光を前記二つのＣＣＤ部のうちの一方に提供する偏光光分割器と、前記２次元の光変調微細開口アレイ装置を通過し、その後反射された偏光光の変化を防止し、該偏光光を前記二つのＣＣＤ部のうちの他方に提供する波長板とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明による２次元の光変調微細開口アレイ装置及び高速微細パターン記録システムを説明する。
本発明の上記及び他の目的、利点、並びに特徴は、以下の、添付図面と併せた望ましい実施形態の説明により、明らかとなろう。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置の断面を示す簡略図であり、図２は、本発明の実施形態による液晶光変調部の平面図である。
図１に示したように、本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置１０は、液晶光変調部１１と、マイクロレンズ・アレイ１２と、金属光導波路の開口アレイ１３と、間隔調整部１４と、基板１５とを含む。
【００２３】
液晶光変調部１１は、多数の液晶セルを用いて透過する光量を調節するためのものであり、図２に示したように、ｘ方向にｍ１個、ｙ方向にｍ２個の液晶セルが２次元のアレイ状に配列されている。
【００２４】
液晶光変調部１１は、各液晶セルに相互に異なる電界がそれぞれ印加されるように構成される。液晶セルに印加される電界によって液晶の配列方向は変更され、それにより入射光の透過率は調節可能となる。入射光の透過率が調節可能であるため、液晶光変調部１１を光バルブ（Light Valve ）と呼ぶ。
【００２５】
液晶光変調部１１は、光の透過率を０％にする第１の電圧と、光の透過率を１００％にする第２の電圧とを設定することによって、液晶の方向を調節し得る。しかも、液晶光変調部１１は、液晶の方向を複数の段階に変えられる３つ以上の電圧を設定することにより光の透過率を０％から段階的に１００％にすることができる。液晶セルの配列は、行列形状であることが望ましい。
【００２６】
マイクロレンズ・アレイ１２は、２次元のアレイ状に配置された多数のマイクロレンズからなる。マイクロレンズ・アレイ１２は、液晶光変調部１１を通過した光を集束させるためのものであるので、液晶光変調部１１の下に配置される。より具体的には、マイクロレンズ・アレイ１２のマイクロレンズが液晶光変調部１１の液晶セルに対応するように配置されている。各液晶セルと対応するマイクロレンズとは光軸に沿って並んでいる。
【００２７】
マイクロレンズ・アレイ１２におけるマイクロレンズの数は、最大でも、液晶光変調部１１の液晶セルの数を超過しない。マイクロレンズのアレイの詳細な形状は、液晶光変調部１１の液晶セルのアレイ形状によって決まる。すなわち、液晶セルのアレイが行列形状ならば、マイクロレンズのアレイも行列形状になる。
【００２８】
基板１５は、マイクロレンズ・アレイ１２の底面に接合されており、マイクロレンズの焦点距離にほぼ等しい厚さを有している。基板１５は、ガラスやＧａＰのような所定の屈折率を有する透明な材料からなることが望ましい。
【００２９】
金属光導波路の開口アレイ１３は、マイクロレンズによって光が集束される基板１５の一面に金属薄膜を覆うことによって形成され、金属薄膜に２次元アレイ状に多数の開口、すなわち、金属光導波路の開口を備える。各開口は、マイクロレンズによって集束された光を通過させるために、光軸に沿ってマイクロレンズと対応するように形成される。金属光導波路の開口アレイ１３における開口の数は、マイクロレンズの数を超過しない。開口アレイ１３の詳細な形状は、マイクロレンズのアレイ形状によって決まる。すなわち、マイクロレンズのアレイが行列形状であれば、開口のアレイも行列形状になる。
【００３０】
前記第１の文献には、所定の屈折率を有する基板１５と金属光導波路の開口とが使用された場合、透過率が向上し、集束された光ビームの強度を超える出力の光源が得られるということが示されている。
【００３１】
ここで、記録速度を高めるためには、開口アレイ内の開口の数が多いほど有利であり、したがって、マイクロレンズの直径は小さい方が望ましい。
間隔調整部１４は、液晶光変調部１１と、マイクロレンズ・アレイ１２と、金属光導波路の開口アレイ１３とを固定させるハウジングの一部であって、液晶光変調部１１とマイクロレンズ・アレイ１２との間の間隔を調節する機能を有する。
【００３２】
現在知られたところによれば、液晶光変調部のビーム・プロジェクターなどに活用される液晶セルは１０μｍの微細サイズである。従って、液晶光変調部１１に、液晶セルを１０μｍの大きさでｘ方向、ｙ方向のそれぞれに１０００個以上配置して、全体として１００万個以上の液晶セルを配置することが可能である。この時、一つの液晶セルの大きさが１０μｍ×１０μｍであれば、全体の液晶セル・アレイの大きさは、１ｃｍ×１ｃｍになる。
【００３３】
現在の所、マイクロレンズ・アレイ１２に使用されるマイクロレンズとしては、直径が１０μｍの大きさのマイクロレンズが入手可能である。従って、開口の大きさを集束された光束の大きさである数ｎｍで形成すれば、金属光導波路の開口アレイ１３を介して記録されるパターンはナノ・パターンになる。
【００３４】
前記のように液晶セルの大きさ及びマイクロレンズの直径を１０μｍとすれば、２つの開口の間隔は１０μｍになる。これは、マイクロレンズによって集束された光は、マイクロレンズの中心に位置することになるためである。
【００３５】
一方、前記のように金属光導波路の開口１３を基板上において２次元のアレイ状に形成し、２次元の光変調微細開口アレイ装置１０と組み合わせて各開口にレーザー・ビームを集束させることによって現われる光束の大きさは、以下の式２により表現される。
【００３６】
［式２］
光束の大きさ＝０．５１λ０／（ｎＮＡ）
式２において、λ０は、光源の波長、ｎは、媒質の屈折率である。
【００３７】
本発明の目的を達成するためには、式２の光学的条件によって、液晶光変調部１１への入射光の波長は短く、マイクロレンズの開口数（ＮＡ）は１を上回る高い値とし、基板の屈折率が大きいことが望ましい。
【００３８】
ここで、基板の屈折率が１．５を上回るほど高いのであれば、マイクロレンズの開口数（ＮＡ）を、１を上回る高い値にすることができる。加えて、光源として４００ｎｍ程度の波長を有する青色レーザーを使用すれば、開口に集束される光束の直径（すなわち、光束の大きさ）を１００ｎｍ以下に減らすことができる。更に、光源として４８８ｎｍの波長を有するアルゴン・イオン・レーザーと屈折率が３．５程度であるＧａＰ基板とを使用すれば、光束の直径を７０ｎｍに減らすことができる。
【００３９】
図３は、本発明の第２の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置の断面の簡略図である。図３に示したように、本発明の第２の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置２０は、液晶光変調部２１と、マイクロレンズ・アレイ２２と、光導波路ヘッド・アレイ２３と、ハウジング２４とを含む。
【００４０】
液晶光変調部２１は、第１の実施形態の液晶光変調部１１と同等な構成を有する。
マイクロレンズ・アレイ２２には、開口数（ＮＡ）の値が大きい円錐形状のマイクロレンズが行列形状に配列されている。この時、マイクロレンズは、第１の実施形態の基板１５から製造され、焦点が円錐の頂点に結ばれるように形成される。
【００４１】
光導波路ヘッド・アレイ２３は、マイクロレンズ・アレイ２２の底面に金属薄膜を覆い、前記金属薄膜に多数の開口を形成することによって得られる。この時、マイクロレンズに入射した光は、マイクロレンズの曲率によって屈折され、金属薄膜によって導かれて、円錐の頂点に結ばれるので、開口は、光の強度が最大となる円錐の頂点に形成される。
【００４２】
ハウジング２４は、各構成（２１乃至２３）を固定させるためのものである。
第２の実施形態におけるセルとマイクロレンズと開口とは、第１の実施形態において前述したとように、同一の光軸を有するように配置されている。
本発明の第２の実施形態のよれば、開口数（ＮＡ）の大きいマイクロレンズと屈折率の高い基板とを組み合わせれば、式２によって説明可能であるように、焦点における光束の大きさを画期的に縮小することが可能である。
【００４３】
図４は、本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置を用いた高速微細パターン記録システムの構成図である。図４に示したように、その高速微細パターン記録システムは、光源部１００と、出力安定部１１０と、光伝送部１２０と、平行光生成レンズ１３０と、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０と、スキャン部１５０と、ハウジング１６０とを含む。
【００４４】
光源部１００は、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０に供給されるレーザー光ビームを生成する。光源としては、４８８ｎｍのアルゴン・イオン・レーザー、４４２ｎｍのヘリウム・カドミウム・レーザー、４０５ｎｍのダイオード・レーザー、３５５ｎｍのヤグレーザーの３次高調波、２６６ｎｍのヤグレーザーの４次高調波など１００ｍＷ以上の出力を有する連続発振レーザーの光源であれば、いずれであっても可能である。このようなレーザーの種類の選択は、微細開口アレイ装置を構成する基板の透過率、フォトレジストの分光感光度、マイクロレンズの直径などを考慮して決定される。
【００４５】
出力安定部１１０は、光源部１００から放出される光の強度を均一化し、光伝送部１２０は、出力安定部１１０により均一化された光を目標地点に伝送する。光伝送部１２０を通過した光は、空間濾過（Spatial Filtering ）されて出射される。ここで、図４に示された光伝送部１２０は、光伝送ファイバーである。
【００４６】
平行光生成レンズ１３０は、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０の上側に配置され、光伝送部１２０を介して伝送された光を平行化し、その平行光を広い領域に分布させる。平行光は、少なくとも２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０全体の領域に分布される。平行光生成レンズ１３０は、光の分布を均一にするためのビーム・ホモジナイザー（Beam Homogenizer）であることが好ましい。
【００４７】
２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０は、前述した本発明の第１及び第２の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置１０、２０のうちの一方である。図４における２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０は、本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置１０である。２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０は、各液晶セルに相互に異なる電圧を印加することが可能な電圧印加装置が連結されたコンピュータに繋がれ、そのコンピュータによって各液晶セルに印加される電圧が調節される。各液晶セルに印加された電圧により、該当液晶セルの光の透過率は決定される。
【００４８】
スキャン部１５０は、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０をｘ方向とｙ方向とに移動させる。このようなスキャン部１５０の移動によって、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０は、下側に配置されたフォトレジストに各開口から放出された光によりナノ・パターンを描くようになる。ここで、スキャン部１５０は、分解能がナノ・メートルのオーダーに至るような超精密ステージであることが望ましい。
【００４９】
スキャン部１５０は、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０をｘ方向またはｙ方向に移動させる場合に、隣り合う開口によって形成されるパターンと重ならないようにしなければならない。従って、スキャン部１５０は、ナノ・メートルのオーダーの分解能を有さなければならない。
【００５０】
ここで、スキャン部１５０は、ｘ方向またはｙ方向に移動するだけではなく、ｚ方向にも移動する。ｚ方向に移動する場合、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０とフォトレジストとの間の距離は狭くなるか、広くなる。
【００５１】
ここで、本発明に利用されるスキャン部１５０の製品例としては、Physik Instrument 社のPZT NanoAutomation Stages Model P-752 があり、前記製品は、３００ｇの負荷の下で幅１５μｍを時間１７ｍｓでスキャンすることができる。
【００５２】
前記のようなスキャン部１５０は、コンピュータ（図示せず）に連結されたステージを調整する装置（図示せず）を有し、コンピュータに入力されたパターン情報によってｘ、ｙ方向に移動する。
【００５３】
ハウジング１６０は、光伝送部１２０の光出力ノズルに繋がれており、平行光生成レンズ１３０と２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０とを固定させる役目を担う。加えて、ハウジング１６０は、スキャン部１５０に繋がれ、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０がスキャン部１５０の動作に連動するようにする。
【００５４】
以下、図５を参照して、本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置を用いた高速微細パターン記録システムの動作を説明する。図５は、本発明によって微細パターンが記録されたフォトレジストの表面を示す図である。
【００５５】
まず、使用者は、シリコン・ウエハー１２２上に塗布されたフォトレジスト１２１に形成されるパターンの情報、すなわち、図５に示されたパターンの情報をコンピュータに入力する。すると、コンピュータは、入力されたパターン情報を設定された座標値にマッチングさせて、各座標におけるパターンの存在有無を把握する。２次元の光変調微細開口アレイ装置の各開口の位置情報（座標情報）は、予めコンピュータに備わっているものとする。従って、コンピュータは、前記で把握した各座標におけるパターン情報（パターンの存在有無）と各開口の位置情報とをマッチングさせて、各開口別に光を放出する開口と光を遮断する開口とを判断する。すなわち、コンピュータは、開口に対応する座標にパターンが存在すれば、その開口から光を放出させ、開口に対応する座標にパターンが存在しなければ、その開口からの光を遮断する。
【００５６】
実際には、記録されるパターンの明暗を均一にするために、開口アレイから放出されるレーザー・ビームの強度分布を均一にする。このために、入射レーザー・ビームの強度分布及び開口の透過率の校正データを基にして２次元の空間変調部のセルの透過率を適切に調節する。
【００５７】
コンピュータは、光を遮断する開口に対応する液晶セルに印加される電圧を第１の電圧に設定し、光を放出する開口に対応する液晶セルに印加される電圧を第２の電圧に設定する。設定された電圧は、システムの動作時に液晶光変調部１１の各液晶セルに印加される。ここで、液晶セルに第１の電圧が印加されると、対応する液晶セルの液晶分子は光軸の垂直方向に沿って配列され、第２の電圧が印加されると、対応する液晶セルの液晶分子は光軸に沿って配列される。
【００５８】
一方、光源部１００から光が放出されると、放出された光は、出力安定部１１０及び光伝送部１２０を介してハウジング１６０内部に照射される。その照射された光は、平行光生成レンズ１３０によって平行光となり、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０の液晶光変調部に均一に入射される。
【００５９】
平行光は、多数個の液晶セルに入射され、その中でコンピュータの制御によって光を通過させる液晶セル（すなわち、第２の電圧が印加された液晶セル）に入射した平行光だけがマイクロレンズ・アレイの対応するマイクロレンズによって集束されて、対応する一つの開口を介してフォトレジストに照射される。
【００６０】
図５に、各開口を通過してフォトレジスト１２１に照射された光の位置、すなわち、光点が示されている。図５において、ＣＴという文字は、光点を通じて最終的にフォトレジスト１２１に形成されるパターン形状である。フォトレジスト１２１に点線で区画された部分は、一つの開口を通過した光点によってスキャンされる面積である。区画された各部分には、黒円又は白円が表記されている。ここで、黒円は、液晶セルによって遮断された光点、すなわち、フォトレジスト１２１に照射されなかった光点であり、白円は、液晶セルを通過してフォトレジスト１２１に照射された光点である。
【００６１】
したがって、図５に示したように、パターンの外部の光点は、液晶セルによって遮断されて黒円になり、パターンの内部の光点は、液晶セルを通過して白円になる。
前記のように、パターンの内部に開口でのみ光が通過させる状況下で、スキャン部１５０は、単一の区画された部分から外れないようにｘ方向、ｙ方向に２次元の光変調微細開口アレイ装置を移動させる。換言すれば、単一つの開口により単一つの区画された部分がスキャンされる。
【００６２】
Ｂに示されているようなスキャニング動作を更に詳しく説明するために、ナノ素子の一つのセルの大きさ（すなわち、区画された部分（Ａ）の大きさ）が１０μｍ×１０μｍであり、マイクロレンズの直径が５０ｎｍであると仮定すれば、ｘ方向のスキャン幅は１０μｍである。ｘ方向へのスキャニング動作をｙ方向について２００回行えば、セル全体の面積がスキャニングされることになる。
【００６３】
ここで、スキャンの途中に、光点がパターンの外部から内部に進入するか、パターンの内部からパターンの外部に外れるようになると、対応する液晶セルに印加される電圧が変更されて、光点が黒円から白円、或いは白円から黒円に変更される。
【００６４】
結局、前記のようなスキャン部１５０の動作と、液晶セルに印加される電圧の変更とによって、フォトレジストには目標とするパターンが形成される。
前述した本発明のパターン形成動作は、インクジェット・プリンターによる画像の印刷動作と同様であることは理解されよう。
【００６５】
ここで、開口アレイから放出される光は急速に発散するため、フォトレジスト面と開口との間の距離は２０ｎｍ程度であることが望ましい。従って、フォトレジスト面と開口との間の距離は極めて微細であることを考慮して、間隔を調整する装置を２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０またはスキャン部１５０に取り付けることが望ましい。
【００６６】
図６は、本発明の第２の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置を用いた高速微細パターン記録システムの構成図である。
図６に示したように、本発明の第２の実施形態による高速微細パターン記録システムは、光源部１００と、出力安定部１１０と、光伝送部１２０と、平行光生成レンズ１３０と、２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０と、スキャン部１５１と、ハウジング１６０と、ＣＣＤ部１７０と、偏光光分割器１８０と、１／４波長板１９０とを含む。
【００６７】
第２の実施形態の高速微細パターン記録システムは、第１の実施形態の高速微細パターン記録システムとほぼ同一であるが、開口を通過した光のコントラストを補正するために開口を通過した光の強度を検出するための手段、及びスキャン動作のための微細移動を調整する手段が存在するところが異なる。
【００６８】
前記光の強度を検出するための手段は、入射光を電気的信号に変換するＣＣＤ部１７０と、特定の偏光光を分離する偏光光分割器１８０と、金属薄膜とフォトレジスト１２１によって反射された偏光光の変化を防止するための１／４波長板１９０とを含む。
【００６９】
第１のＣＣＤ部１７０は、偏光光分割器１８０によって分離されて、偏光光分割器１８０の反射板（点線で示す）によって反射された偏光光を検出し、この偏光光を電気的信号に変換する。第２のＣＣＤ部１７０は、１／４波長板１９０を通過し、金属薄膜またはフォトレジスト１２１によって反射されて、再び１／４波長板１９０を通過した後、偏光光分割器１８０の反射板によって反射された偏光光を検出し、その検出した偏光光を電気的信号に変換する。このように変換された偏光光に対する電気的信号は、コンピュータ（図示せず）に入力される。コンピュータは、ＣＣＤ部１７０の出力信号を平均して、平均値によりフォトレジスト１２１に入射する光についての情報を取得する。
【００７０】
一方、スキャン部１５１は、第１の実施形態によるスキャン部１５０とは異なり、フォトレジスト１２１の下側に設けられる。更に詳しくは、フォトレジスト１２１が塗布されたシリコン・ウエハー１２２の下部に設けられる。第１の実施形態における２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０が高速に微細移動させられるのと同様に、スキャン部１５１によって、シリコン・ウエハー１２２が高速に微細移動させられ、開口を通過した光を用いることによって、フォトレジスト１２１に所定のパターンが高速に記録される。第２の実施形態における２次元の光変調微細開口アレイ装置１４０は、間隔の調節機能のみを有する。
【００７１】
本発明の実施形態では、入射光の光量を調節する装置として、液晶光変調部が用いられている。しかし、当業者なら、液晶光変調部に代えて、入射光の光量を調節する別の種類の装置を用いることにより容易に本発明を実施することができる。
【００７２】
すなわち、当業者なら、例えばＴＭＡ（Thin film Micromirror actuated）のようなＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device））を入射する光量を調整する装置として用いることができる。前記ＤＭＤは、多数のマイクロミラーと、マイクロミラーの傾斜角の制御によって入射光の光量を調節するアクチュエータとから構成される。このようなＤＭＤは、マイクロミラーの傾斜角で光の透過率を調節する。
【００７３】
また、２次元の空間光変調部のために使用される複数の種類の陽子／電子光学素子が開発されており、このような素子を利用しても本発明を具現することができる。
以上、本発明に対する技術思想を添付の図面とともに述べたが、これは、本発明の望ましい実施形態を例示的に説明するのみであって、本発明を限定することはない。また、この当該技術分野の通常の知識を有する者であれば誰でも、本発明の技術思想の範疇を逸脱せずに様々な変形及び模倣が可能であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、微細間隔で形成された多数の開口を介してスキャニングすることで、単一のナノ・プローブ（Probe ）を用いる従来技術に比べて、高速に微細パターンを記録することができる。加えて、開口アレイの開口の数を増加させるほど記録速度が向上する。前記開口をｘ、ｙ方向にそれぞれ１０００個以上配列すれば、従来技術に比べ１００万倍以上の速度で微細パターンを記録することができる。
【００７５】
本発明において、青色及び近紫外線の領域のレーザー光源を使用し、液晶セル及びマイクロレンズの大きさを数十μｍにすれば、従来の半導体製造工程において使用されるフォトレジストをそのまま採用しても、数十ｎｍのナノ・メートルの線幅を有するナノ・パターンを形成することができる。
【００７６】
本発明によれば、数十μｍの波長の光を数十ｎｍの直径を有する開口に通過させる場合ですら、光束が減少しないようにして、３０ｎｍ程度の線幅を実現することができる。従って、本発明によるリソグラフィ技術は、今後１０年にわたって半導体産業における核心技術として使用されるであろう。
【００７７】
加えて、本発明によれば、パターン・マスクを使用せず、さらに安価な設備を高価な設備に代替しなくても、微細パターンを記録することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置の断面を示す簡略図
【図２】本発明の実施形態による液晶光変調部の平面図
【図３】本発明の第２の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置の断面を示す簡略図
【図４】本発明の第１の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置を用いた高速微細パターン記録システムの構成図
【図５】本発明の実施形態によって微細パターンが記録されるフォトレジストの表面を示す図
【図６】本発明の第２の実施形態による２次元の光変調微細開口アレイ装置を用いた高速微細パターン記録システムの構成図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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