(57)【要約】【課題】簡易な装置で、安定した干渉露光によるパターン形成を行う。【解決手段】レーザ発振器１０１と、レーザ発振器１０１から発振されたビームの入射を受け、複数の回折ビームを発生させる回折光学素子２００を備え、回折ビームを用いて干渉露光を行うことにより基板３００にパターンを形成するパターン形成装置１００において、回折光学素子２００は、強度の等しい±１次の回折ビームと±１次の回折ビームよりも強度の小さい０次の回折ビームを発生させ、±１次の回折ビームが干渉することにより回折光学素子２００の直後に形成される干渉光強度分布によって、干渉露光が行われる。【選択図】図１
2007116016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
周期的な凹凸形状を有する周期構造層と、
前記支持基板と前記周期構造層の間に、前記支持基板および前記周期構造層とは異なる屈折率を有する中間層を備えた回折光学素子。
【請求項２】
前記中間層の屈折率は、前記支持基板の屈折率および前記周期構造層の平均屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
【請求項３】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から発振されたビームの入射を受け、複数の回折ビームを発生させる回折光学素子を備え、前記回折ビームを用いて干渉露光を行うことにより被加工物上にパターンを形成するパターン形成装置であって、
前記回折光学素子は、強度の等しい±１次の回折ビームと前記±１次の回折ビームよりも強度の小さい０次の回折ビームを発生させ、前記±１次の回折ビームが干渉することにより前記回折光学素子の直後に形成される干渉光強度分布によって、前記干渉露光が行われることを特徴とするパターン形成装置。
【請求項４】
前記回折光学素子は、支持基板と、周期的な凹凸形状を有する周期構造層と、前記支持基板と前記周期構造層の間に、前記支持基板および前記周期構造層とは異なる屈折率を有する中間層を備え、
前記中間層の屈折率ｎ、前記レーザ発振器から発振されるビーム波長λ、前記周期構造層の周期Ｐとの間には、
ｎ＞２λ／Ｐ
の関係が成り立つことを特徴とする請求項３記載のパターン形成装置。
【請求項５】
前記中間層は、前記０次の回折ビームの強度がもっとも小さくなるように、層の厚さが調整されていることを特徴とする請求項３または請求項４記載のパターン形成装置。
【請求項６】
レーザ発振器からビームを出射する工程と、
前記ビームを回折光学素子に入射し、複数の回折ビームを発生させる工程と、
前記回折ビームを用いて干渉露光を行うことにより被加工物上にパターンを形成する工程とを有し、
前記回折ビームを発生させる工程では、強度の等しい±１次の回折ビームと前記±１次の回折ビームよりも強度の小さい０次の回折ビームが発生し、
前記±１次の回折ビームが干渉することにより前記回折光学素子の直後に形成される干渉光強度分布によって、前記干渉露光が行われることを特徴とするパターン形成方法。
【請求項７】
前記回折光学素子は、支持基板と、周期的な凹凸形状を有する周期構造層と、前記支持基板と前記周期構造層の間に、前記支持基板および前記周期構造層とは異なる屈折率を有する中間層を備え、
前記中間層の屈折率ｎ、前記レーザ発振器から出射されるビーム波長λ、前記周期構造層の周期Ｐとの間には、
ｎ＞２λ／Ｐ
の関係が成り立つことを特徴とする請求項６記載のパターン形成方法。
【請求項８】
前記中間層の厚さを、前記０次の回折ビームの強度がもっとも小さくなるように調整することを特徴とする請求項６または請求項７記載のパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子、干渉露光によるパターン形成装置、およびパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子や半導体素子等のデバイスサイズの微細化に伴い、微細パターンの加工精度の向上が求められている。
微細パターンを形成する方法として、レーザービームの二光束干渉による方法が知られている。この方法は、例えばビームスプリッタ等によって分割された２本のレーザービームを基板上に形成したフォトレジストなどの感光性材料上で交差させ、この時発生する干渉光強度分布を用いて感光性材料を露光する。その後、基板の現像処理を行い、基板上にパターンを形成するというものである。
このような、レーザービームの二光束干渉を利用したパターン形成方法は、例えば特許文献１などに開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１４２９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような方法では、所望の干渉光強度分布を得るために、レーザービームをビームスプリッタ等によって分割した後、２本のビームを空気中で長い距離伝搬させてから基板上で干渉させる必要がある。このため、それぞれのビームが空気のゆらぎや装置の振動等の影響を受け、干渉光強度分布が基板上で一定に保たれず安定した干渉露光を行うことが困難になる。また、空気のゆらぎや装置の振動を防止するためには、大掛かりな設備工事が必要であり、そのために多額のコストがかかる。
【０００５】
そこで本発明の目的は、簡易な装置で、安定した干渉露光によるパターン形成を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の回折光学素子は、支持基板と、周期的な凹凸形状を有する周期構造層と、前記支持基板と前記周期構造層の間に、前記支持基板および前記周期構造層とは異なる屈折率を有する中間層を備えたものである。
また、好ましくは前記中間層の屈折率は、前記支持基板の屈折率および前記周期構造層の平均屈折率よりも大きい。
これにより、強度の等しい±１次の回折ビームを得られると共に、中間層の厚みを調整することにより０次の回折ビームの強度を小さく抑えることができ、良好な干渉光強度分布を得ることができる。
【０００７】
本発明のパターン形成装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から発振されたビームの入射を受け、複数の回折ビームを発生させる回折光学素子を備え、前記回折ビームを用いて干渉露光を行うことにより被加工物上にパターンを形成するパターン形成装置であって、前記回折光学素子は、強度の等しい±１次の回折ビームと前記±１次の回折ビームよりも強度の小さい０次の回折ビームを発生させ、前記±１次の回折ビームが干渉することにより前記回折光学素子の直後に形成される干渉光強度分布によって、前記干渉露光が行われるものである。
これにより、前記±１次の回折ビームが干渉するまでに空気中を伝搬する距離が非常に短くなるため、空気ゆらぎや装置の振動等の外乱による影響を受けにくくなり、簡易な装置で、安定した干渉露光によるパターン形成を行うことができる。
【０００８】
また、前記回折光学素子は、支持基板と、周期的な凹凸形状を有する周期構造層と、前記支持基板と前記周期構造層の間に、前記支持基板および前記周期構造層とは異なる屈折率を有する中間層を備え、前記中間層の屈折率ｎ、前記レーザ発振器から発振されるビーム波長λ、前記周期構造層の周期Ｐとの間には、ｎ＞２λ／Ｐの関係が成り立つ。
また、前記中間層は、前記０次の回折ビームの強度がもっとも小さくなるように、層の厚さが調整されている。
これにより、強度の等しい±１次の回折ビームを得られると共に、０次の回折ビームの強度を小さく抑えることができ、良好な干渉光強度分布を得ることができる。
【０００９】
本発明のパターン形成方法は、レーザ発振器からビームを出射する工程と、前記ビームを回折光学素子に入射し、複数の回折ビームを発生させる工程と、前記回折ビームを用いて干渉露光を行うことにより被加工物上にパターンを形成する工程を有し、前記回折ビームを発生させる工程では、強度の等しい±１次の回折ビームと前記±１次の回折ビームよりも強度の小さい０次の回折ビームが発生し、前記±１次の回折ビームが干渉することにより前記回折光学素子の直後に形成される干渉光強度分布によって、前記干渉露光が行われるものである。
これにより、前記±１次の回折ビームが干渉するまでに空気中を伝搬する距離が非常に短くなるため、空気ゆらぎや装置の振動等の外乱による影響を受けにくくなり、簡易な方法で、安定した干渉露光によるパターン形成を行うことができる。
【００１０】
また、前記回折光学素子は、支持基板と、周期的な凹凸形状を有する周期構造層と、前記支持基板と前記周期構造層の間に、前記支持基板および前記周期構造層とは異なる屈折率を有する中間層を備え、前記中間層の屈折率ｎ、前記レーザ発振器から出射されるビーム波長λ、前記周期構造層の周期Ｐとの間には、ｎ＞２λ／Ｐの関係が成り立つ。
また、前記中間層の厚さは、前記０次の回折ビームの強度がもっとも小さくなるように調整する。
これにより、強度の等しい±１次の回折ビームを得られると共に、０次の回折ビームの強度を小さく抑えることができ、良好な干渉光強度分布を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明によるパターン形成装置１００の構成を示す図である。図に示すように、パターン形成装置１００は、レーザ発振器１０１、ミラー１０２，１０３、シャッター１０４、レンズ１０５、空間フィルタ１０６、回折光学素子２００、ステージ１０７を備えている。
【００１２】
また、図２は、本発明による回折光学素子２００の構造を示す図である。図に示すように、回折光学素子２００は支持基板２０１、中間層２０２、周期構造層２０３を備えている。
支持基板２０１と周期構造層２０３は例えば石英（屈折率１．５０１）で形成されている。中間層２０２は支持基板２０１と周期構造層２０３の間に形成され、支持基板２０１および周期構造層２０３とは屈折率の異なる材料で形成される。例えば、ＬａＳＦ（屈折率２．０８７）を用いることができる。なお、ここで引用した屈折率は、後述する光波長２６６ｎｍに対する値である。
また、周期構造層２０３の平均屈折率ｎavは次式で与えられる。
ｎav＝１．０＋ｆ（ｎ−１．０）…（１）
ただし、ｆはフィルファクタ（１周期における凸部の割合）、ｎは周期構造層２０３の素材の屈折率であり、入射光はＴＥ偏光（偏光方位が入射面と直交する直線偏光）とする。例えば、ｆ＝０．４とすると、ｎav＝１．２００となる。
したがって、中間層２０２の屈折率は、支持基板２０１の屈折率および周期構造層２０３の平均屈折率よりも大きくなる。
【００１３】
周期構造層２０３は中間層２０２上に形成された周期を有する微細構造（周期Ｐ）から構成される。周期Ｐと入射レーザービームの波長λとの間には以下の関係が成り立つように設計されている。
λ＜Ｐ…（２）
これにより、支持基板２０１または周期構造層２０３側からレーザービームがほぼ垂直に入射すると、等しい強度の±１次の回折ビームと０次回折ビームが発生する。
【００１４】
レーザ発振器１０１には、各種のレーザ発振器を用いることができるが、ここでは、固体ＵＶレーザーのＮｄ：ＹＶＯ4（第四高調波：波長２６６ｎｍ、最大出力２００ｍＷ程度、ＣＷ発振）をレーザ光源として用いる。また、出射されるビーム径は、ここでは約１ｍｍである。
なお、レーザービームは波長４００ｎｍ以下のＵＶ領域のものが望ましい。また、ビームは直線偏光であり、方位が入射面と直交するＴＥ偏光とする。
【００１５】
レーザ発振器１０１から出射されたレーザービームは、ミラー１０２，１０３により光路を変更され、シャッター１０４を通過した後にレンズ１０５で集光され、空間フィルタ１０６を通過して回折光学素子２００へ入射する。
【００１６】
シャッター１０４は、レーザービームを通過させ、または遮断する機能を有する。
レンズ１０５と空間フィルタ１０６はビームエキスパンダを構成している。空間フィルタ１０６はピンホールを有しており、レンズ１０５による集光後のレーザービームが当該ピンホールに入射することにより、レーザービームのビーム径が拡大される。ここでは、ビームエキスパンダを通過することでビーム系が約２００ｍｍまで拡大される。
【００１７】
なお、空間フィルタ１０６と回折光学素子２００の間にコリメータレンズを配置することにより、平面波を干渉露光に用いることもできる。
【００１８】
図３は、回折光学素子２００によって発生する干渉光を説明する図である。レーザービーム（Ｂ０）が回折光学素子２００にほぼ垂直に入射すると、＋１次と−１次の強度の等しい２本の回折ビーム（Ｂ１、Ｂ２）が発生する。これらの回折ビーム同士の干渉により、回折光学素子２００の直後に干渉光強度分布（Ｆ）が形成される。ここで、入射レーザービーム（Ｂ０）の波長をλ、±１次回折ビームの交叉角度をθ、干渉光強度分布Ｆ（干渉縞）の周期をＰ’とすると、周期Ｐ’は以下の式で与えられる。
Ｐ’＝λ／（２ｓｉｎθ）…（３）
【００１９】
なお、回折光学素子２００の周期構造層２０３の周期Ｐと干渉光強度分布の周期Ｐ’の間には以下の式の関係が成り立つ。
Ｐ＝２Ｐ’…（４）
よって、例えば、Ｐ’＝１４０ｎｍの干渉縞を形成したい場合には、回折光学素子２００の周期Ｐ＝２８０ｎｍとすればよい。
【００２０】
回折光学素子２００の直後に配置されたステージ１０７には基板３００が設置されており、基板３００の表面には、入射ビームの波長に合わせて調整されたフォトレジストの層が形成されている。
このフォトレジストを回折光学素子２００の直後に形成される干渉光によって露光する。
【００２１】
その後、露光後の基板３００に現像処理を施すことにより、現像後のフォトレジスト層によって干渉光強度分布に対応したパターンが形成される。さらに、フォトレジスト層をマスクとしてエッチングを行うことにより、基板３００にレジストパターンが転写される。
【００２２】
アスペクトが高く、形状が良好なレジストパターンを形成するためには、干渉縞のコントラストを充分に高めることが必須となる。干渉縞のコントラストＣは、干渉縞の変位をΔｘとすると、以下の式で与えられる。図４はこの式の関係を示した図（グラフ）である。
Ｃ＝ｓｉｎ（Δｘ）／（Δｘ）…（５）
【００２３】
図４のグラフから分かるように、干渉縞のコントラストを高めるには露光中の干渉縞の変位をほぼゼロに抑えなければならない。このことを実現するには空気のゆらぎや装置の振動等を排除する必要がある。
【００２４】
パターン形成装置１００においては、回折光学素子２００に入射したビームは回折光学素子２００の直後に干渉縞を形成するため、回折光学素子２００と基板３００の間の距離は例えば１ｍｍ以下とすることができる。このため、ビームがこの間を伝搬する間に受ける空気のゆらぎや装置の振動等の影響を非常に小さくすることが可能である。
【００２５】
上述したように、回折光学素子２００は、レーザービームがほぼ垂直に入射すると、等しい強度の±１次のビームが発生するように設計されているが、この時０次回折ビームも発生する。０次ビームの強度が一定以上になると、パターン形成に必要な干渉光強度分布が得られなくなる。
【００２６】
図５は、支持基板と周期構造層の間に中間層を備えない回折光学素子を用いた場合の、０次および±１次のビームの強度と、回折光学素子２００の周期構造層２０３の深さＨとの関係の例を示す図（グラフ）である。グラフは、回折光学素子２００の周期Ｐを２８０ｎｍ、入射ビームの偏光をＴＥ、周期構造層２０３のフィルファクタを０．４とした時の値を示している。図５（Ａ）はビームを支持基板２０１側から入射した場合の結果であり、図５（Ｂ）はビームを周期構造層２０３側から入射した場合の結果である。図から、０次回折ビームの強度は一定以下に下がらないことが分かる。
【００２７】
図６および図７は、本発明による回折光学素子２００を用いた場合の、０次および±１次のビームの強度と、中間層２０２の厚みとの関係の例を示す図（グラフ）である。図６はビームを支持基板２０１側から入射した場合の結果であり、図７はビームを周期構造層２０３側から入射した場合の結果である。ここで、中間層２０２の屈折率ｎはいずれも２．０５である。
【００２８】
中間層２０２の厚みを０ｎｍから５００ｎｍまで変えると、０次および±１次のビームの強度も変化し、特定の厚みにおいて、０次回折ビームの強度が顕著に小さくなる現象が認められる。０次回折ビームの強度が小さくなる理由は、中間層２０２の屈折率が支持基板２０１および周期構造層２０３の屈折率と異なるために、それぞれの層の間での境界条件が変化し、共鳴領域における一種のアノマリ（特異点）が生じるためである。図６（Ｂ）および図７（Ｂ）は、アノマリが認められる厚み１１４．５ｎｍ付近のグラフを拡大したものである。
【００２９】
図６、７から分かるように、アノマリを生じさせる中間層２０２の厚みの許容誤差は大きくないが、例えば入射ビームの角度を調節することにより、厚みの誤差を補正してアノマリを発生させることも可能である。
【００３０】
なお、アノマリを発生させるためには、中間層２０２の屈折率ｎと入射ビーム波長λ、回折光学素子２００の周期Ｐとの間には、以下の関係が成り立つ必要がある。
ｎ＞２λ／Ｐ…（６）
ｎの値が大きくなるほど、多くの条件（中間層２０２の厚み）においてアノマリが発生する。
【００３１】
図６、７に示した例では、ｎ＝２．０５であり、式（６）を満たしているが、ｎ≦２λ／Ｐ＝２・２６６／２８０＝１．９０の条件では、アノマリは発生しなかった。
【００３２】
また、周期Ｐと入射レーザービームの波長λの値については、値が大きく離れていないことがアノマリを発生させる点で望ましい。
【００３３】
以上のように、本発明のパターン形成装置１００によれば、干渉光強度分布を形成する各々のビームが空気ゆらぎや装置の振動等の外乱による影響を受けにくいので、簡易な装置で安定した干渉露光を行うことができる。
【００３４】
本発明のパターン形成装置１００は、例えば無機偏光素子のような光学薄膜デバイスの製造に用いることができる。
例えばホームユース向け液晶プロジェクタの長寿命化が課題となっているが、この課題を解決するためには液晶プロジェクタに用いる偏光素子の耐光性を向上させることが必須である。この点、無機偏光素子は高分子から形成される偏光素子に比べて耐光性が優れている。
【００３５】
無機偏光素子は、基板３００（ガラス基板）上にまずスパッタや真空蒸着等の手段によりアルミ膜を成膜し、その上にスピンコートにより反射防止層を形成し、さらにその上にスピンコートによりレジスト層を形成する。干渉露光後、レジストをベーキングした後に現像すると、アルミ膜上に所望のレジストパターンを形成することができる。形成されたレジストパターンをＩＣＰやＥＣＲ等の方法でドライエッチングすることにより、アルミ膜にレジストパターンを転写することができる。また、レジスト反射防止層を形成したことにより、裏面での反射による干渉定常波を防止し、良好なパターン形成が可能となる。
【００３６】
なお、レジストパターンの転写は、上記のアルミ膜以外にも、例えば石英やシリコン等への転写も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のパターン形成装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の回折光学素子の構造を示す図である。
【図３】回折光学素子によって発生する干渉光を説明する図である。
【図４】干渉縞のコントラストと干渉縞の変位の関係を示した図である。
【図５】中間層を備えない回折光学素子を用いた場合の、０次および±１次のビーム強度と、回折光学素子の周期構造層の深さとの関係を示す図である。
【図６】本発明による回折光学素子を用いた場合の、０次および±１次のビーム強度と、回折光学素子の中間層厚みとの関係を示す図である。
【図７】本発明による回折光学素子を用いた場合の、０次および±１次のビーム強度と、回折光学素子の中間層厚みとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００  パターン形成装置、１０１  レーザ発振器、１０２，１０３  ミラー、１０４  シャッター、１０５  レンズ、１０６  空間フィルタ、１０７  ステージ、２００  回折光学素子、２０１  支持基板、２０２  中間層、２０３  周期構造層、３００  基板
【図１】
2007116016.tif 000003
【図２】
2007116016.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007116016.tif 000007
【図６】
2007116016.tif 000008
【図７】
2007116016.tif 000009