CN101251617A - 微细构造体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以实现分辨率高的微细构造体的技术。该微细构造体的制造方法包括：(a)通过使两束激光束(B1，B2)交叉而产生含有干涉条纹的第一光；(b)对具有热非线性特性的对象物(19)照射所述第一光，由此，在所述对象物上形成与所述第一光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域(21)和非变性区域；(c)对所述对象物进行蚀刻，选择性地除去所述变性区域或所述非变性区域的任意一个。

Description

微细构造体的制造方法
技术领域
本发明涉及使用了激光干涉曝光的微细构造体，尤其涉及一种具有纳米级构造的构造物(纳米构造体)的制造技术。能够应用该技术制造偏光分离元件、相位延迟元件、反射防止元件等各种纳米构造体。
背景技术
向比可视光的波长(大致380～780nm程度)小的等级的构造物(亚(sub)波长构造体)入射光时，会出现偏光分离、双折射、反射防止、等离子传播等现象。作为用于制造这种亚波长构造体的手段之一，公知的是利用了激光干涉的曝光技术(例如参照专利文献1)。在专利文献1所记载的曝光技术中，通过利用使两束激光束交叉而得到的干涉光(具有干涉条纹的光)对感光性膜进行曝光。此时，由利用了干涉光的曝光形成的图案的周期依存于激光束的波长λ及激光束的交叉角度。理论上，通过干涉曝光能够实现的最小周期等于λ/2。例如，在波长为266nm时，可形成的图案的最小周期理论上为133nm。
根据上述的干涉曝光，为了实现更小的周期的图案，则必须缩短激光束的波长。但是，现状却难以使激光束进一步短波长化。其原因之一是不存在具有比266nm足够短的波长的高相干(coherent)的激光光源。虽然在半导体平版印刷等领域中利用的受激准分子激光器有波长为193nm、157nm等的激光器，但现实情况是其相干不够高，因此，难以形成清晰的潜像图案。另一个理由是当波长比200nm短时，在大气中进行曝光比较困难。另外，也难以求得构成激光干涉曝光系统的光学部件(透镜、反射镜等)所适宜的材料。例如，因为石英玻璃的吸收端位于180nm附近。因而，迫切希望不必过度地追求激光束的进一步短波长化，就可以形成清晰的潜像图案，并用其实现精细图案的技术。
专利文献1：特开2006-093644号公报
发明内容
鉴于此，本发明的目的之一是提供一种可以实现分辨率高的微细构造体的技术。
本发明的一个方式(下面，为方便起见称作“第一方式”)的微细构造体的制造方法包括：
(a)通过使两束激光束交叉而产生含有干涉条纹的第一光；
(b)对具有热非线性特性的对象物照射所述第一光，由此，在所述对象物上形成与所述第一光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域；
(c)对所述对象物进行蚀刻，选择性地除去所述变性区域或所述非变性区域的任意一个。
其中，“具有热非线性特性的对象物”是由PtO、ZnS-SiO2、Ge-Sb-Te、Ge-Sb-Te-S、Te-TeO2-Ge-Sn、Te-Ge-Sn-Au、Ge-Te-Sn、Sn-Se-Te、Sb-Se-Te、Sb-Se、Ga-Se-Te-Ge、In-Se、In-Se-Tl-Co、Ge-Sb-Te、In-Se-Te、Ag-In-Sb-Te、TeO2-Pb等材料构成的基体材料(基板)、被膜、构造物等。另外，“变性区域”例如是结晶状态的区域，“非变性区域”例如是非结晶状态的区域。
在第一方式中，对具有热非线性特性的对象物照射具有干涉条纹(即光强度分布)的第一光，由此，与光强度相对高的区域和低的区域对应可获得变性区域和非变性区域。该变性区域和非变性区域的循环周期(间距)可以通过缩短所交叉的两束激光束的波长，或增大交叉角度来缩短。通过采用了具有热非线性特性的对象物，即使进一步缩小变性区域和非变性区域的循环周期(例如100nm～200nm程度)，与现有的采用光致抗蚀剂膜等的情况相比，也可以清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。而且，由于在变性区域和非变性区域之间蚀刻速度产生差异，因此，通过对对象物进行蚀刻，可以形成分辨率高的微细构造体。
优选所述第一方式的制造方法在所述(b)之后(c)之前还包括：
(d)在所述两束激光束之间赋予相位差使该两束激光束交叉，由此产生含有干涉条纹的第二光；
(e)通过对所述对象物照射所述第二光，形成与所述第二光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域。
通过在两束激光束之间给予相位差，能够使第一光的干涉条纹和第二光的干涉条纹以微小的宽度(例如1/2间距、1/4间距等)错开。通过使这样的第一光和第二光依次向具有热非线性特性的对象物进行照射，能够进一步减小变性区域和非变性区域的循环周期。这样，即使在循环周期进一步减小的情况下，由于使用了具有热非线性特性的对象物，所以，也可清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。从而，可以得到分辨率更高的微细构造体。
在所述第一方式的制造方法中，优选所述(b)使第三光和所述第一光一并向所述对象物进行照射。同样，优选所述(d)使第三光和所述第二光一并向所述对象物进行照射。作为“第三光”，适宜的是例如激光束(激光)等单一波长的光，不过，含有多种波长成分的光也可以。
在照射第一光或第二光时，通过进一步照射与它们不同的第三光，可以对光照射强度施加偏置。由此，即便在第一光或第二光的光强度低的情况下，也能够可靠地形成变性区域及非变性区域。
本发明的另一方式(下面为了方便起见，称作“第二方式”)的微细构造体的制造方法包括：
(a)在对象物上形成具有热非线性特性的被膜；
(b)通过使两束激光束交叉而产生含有干涉条纹的第一光；
(c)向所述被膜照射所述第一光，由此，在所述被膜上形成与所述第一光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域；
(d)对所述被膜进行蚀刻，选择性地除去所述变性区域或所述非变性区域的任意一个。
(e)经由除去了所述变性区域或所述非变性区域的任意一个之后的所述被膜，进行对所述对象物的蚀刻。
其中，所谓“具有热非线性特性的被膜”是由PtO、ZnS-SiO2、Ge-Sb-Te、Ge-Sb-Te-S、Te-TeO2-Ge-Sn、Te-Ge-Sn-Au、Ge-Te-Sn、Sn-Se-Te、Sb-Se-Te、Sb-Se、Ga-Se-Te-Ge、In-Se、In-Se-Tl-Co、Ge-Sb-Te、In-Se-Te、Ag-In-Sb-Te、TeO2-Pb等材料构成的被膜(薄膜或厚膜)。另外，“变性区域”例如是结晶状态的区域，“非变性区域”例如是非结晶状态的区域。
在所述第二方式中，对具有热非线性特性的被膜照射具有干涉条纹的第一光，由此，与光强度相对高的区域和低的区域对应可获得变性区域和非变性区域。该变性区域和非变性区域的循环周期(间距)可以通过减小所交叉的两束激光束的波长，或增大交叉角度来缩短。通过采用了具有热非线性特性的被膜，即便进一步减小变性区域和非变性区域的循环周期(例如100nm～200nm程度)，与现有的采用光致抗蚀剂膜等的情况相比，也可以清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。而且，由于在变性区域和非变性区域之间蚀刻速度产生差异，因此，通过对被膜进行蚀刻，可以除去变性区域或非变性区域，使相应区域开口。利用具有这样得到的开口的被膜作为蚀刻掩模，进行对对象物的蚀刻，由此，可以形成分辨率高的微细构造体。
优选所述第二方式在所述(c)之后(d)之前还包括：
(f)在所述两束激光束之间赋予相位差使该两束激光束交叉，由此产生含有干涉条纹的第二光；
(g)对所述被膜照射所述第二光，由此，在所述被膜上形成与所述第二光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域。
通过在两束激光束之间赋予相位差，能够使第一光的干涉条纹和第二光的干涉条纹以微小的宽度(例如1/2间距、1/4间距等)错开。通过使这样的第一光和第二光依次向具有热非线性特性的被膜进行照射，能够进一步减小变性区域和非变性区域的循环周期。这样，即使在循环周期进一步减小的情况下，由于使用了具有热非线性特性的被膜，所以，也可清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。由此，可以得到分辨率更高的微细构造体。
在所述第二方式的制造方法中，优选所述(b)使第三光和所述第一光一并向所述被膜进行照射。同样，优选所述(d)使第三光和所述第二光一并向所述被膜进行照射。作为“第三光”，优选例如是激光束(激光)等单一波长的光，不过，含有多种波长成分的光也可以。
通过在照射第一光或第二光时，进而照射和它们不同的第三光，能够在光照射强度上形成偏置。因此，即使在第一光或第二光的光强度低的情况下，也能够可靠地形成粘性区域及非变性区域。
本发明的另一方式(下面称作“第三方式”)是对被加工物照射光的方法，包括：
(a)通过使两束激光束交叉而产生含有干涉条纹的第一光；
(b)对具有热非线性特性的被加工物照射所述第一光，由此，在所述被加工物上形成与所述第一光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域。
其中，“具有热非线性特性的被加工物”的具体例子，和上述本发明的第一方式所涉及的微细构造体的制造方法中的“具有热非线性特性的对象物”是一样的。另外，关于“变性区域、“非变性区域”各自的具体例子，也和上述本发明的第一方式是一样的。
在第三方式中，通过对具有热非线性特性的对象物照射具有干涉条纹的第一光，与光强度相对高的区域和低的区域对应可获得变性区域和非变性区域。该变性区域和非变性区域的循环周期(间距)可以通过减小所交叉的两束激光束的波长，或增大交叉角度来缩短。通过采用了具有热非线性特性的被膜，即便进一步减小变性区域和非变性区域的循环周期(例如100nm～200nm程度)，与现有的采用光致抗蚀剂膜等的情况相比，也可以清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。因而，根据该光照射方法，能够形成具备以微小间距周期性排列的变性区域和非变性区域的微细构造体。另外，由于在这些变性区域和非变性区域之间蚀刻速度产生差异，因此，通过对对象物进行蚀刻，可以形成分辨率高的微细构造体。
优选上述第三方式的光照射方法在所述(b)之后还包括：
(c)在所述两束激光束之间赋予相位差使该两束激光束交叉，由此产生含有干涉条纹的第二光；
(d)对所述被加工物照射所述第二光，由此，在所述被加工物上形成与所述第二光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域。
通过在两束激光束之间赋予相位差，能够使第一光的干涉条纹和第二光的干涉条纹以微小的宽度(例如1/2间距、1/4间距等)错开。通过使这样的第一光和第二光依次向具有热非线性特性的被加工物进行照射，能够进一步减小变性区域和非变性区域的循环周期。这样，即使在循环周期进一步减小的情况下，由于使用了具有热非线性特性的被加工物，所以，也可清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。另外，通过对该被加工物进行蚀刻，可以得到分辨率更高的微细构造体。
在上述第三方式中，优选所述(b)使第三光和所述第一光一并向所述被膜进行照射。同样，优选所述(d)使第三光和所述第二光一并向所述被膜进行照射。作为“第三光”，优选例如是激光束(激光)等单一波长的光，不过，含有多种波长成分的光也可以。
通过在照射第一光或第二光时，进而照射和它们不同的第三光，能够在光照射强度上形成偏置。由此，即使在第一光或第二光的光强度低的情况下，也能够可靠地形成变性区域及非变性区域。
本发明的另一方式是微细构造体的制造方法，包括：
(a)在金属膜上形成作为非晶质的无机材料层；
(b)向所述无机材料层照射由第一激光束和第二激光束的交叉而产生的光，将所述无机材料层中与所述光的干涉条纹的周期对应的第一部分加热到结晶化温度以上，使所述第一部分变性为结晶质；
(c)将所述第一部分从所述金属膜上除去，并且，留下所述无机材料层中未变性为所述结晶质的第二部分；
(d)除去所述金属膜的不与所述第二部分重叠的区域，形成和所述干涉条纹的周期间距相等的构造体。
另外，也可以在所述(c)中除去第二部分、保留第一部分；在所述(d)中除去所述金属膜的不与所述第一部分重叠的区域。即，除去哪一部分例如要依存于无机材料层的原材料。
在上述方式中，通过使第一激光束和第二激光束交叉，能够产生具有干涉条纹(即光强度分布)的光。通过对非晶质的无机材料照射含有该干涉条纹的光，对应于光强度相对高的区域和低的区域使第一部分变性为结晶质。该变性为结晶质的第一部分和未变性为结晶质的第二部分的循环周期，可以通过缩短交叉的两束激光束的波长，或增大其交叉角度来缩短。即使进一步减小第一部分(结晶质)和第二部分(非结晶质)的循环周期(例如100nm～200nm程度)，与现有的采用光致抗蚀剂膜等的情况相比，也可以清晰地得到第一部分和第二部分的边界。而且，因为在变性区域和非变性区域之间蚀刻速度产生差异，所以，通过对对象物进行蚀刻，可以形成分辨率高的微细构造体。
优选在所述(b)中，所述第一部分被加热到在膜厚方向完全结晶化温度以上。
由此，就膜厚方向而言，能够使第一部分完全结晶化。
优选所述金属膜含有铝；所述构造体是条纹状的格栅。
由此，得到可以作为偏光分离元件等光学元件而利用的微细构造体。
附图说明
图1是表示曝光装置(微细构造体的制造装置)的构成的框图；
图2是衍射光学元件的侧视图；
图3是相位差板的侧视图；
图4是概略地表示使两束衍射光束交叉而产生的干涉光照射到对象物上的样子的图；
图5是表示(1)式的关系的曲线图；
图6是对具有热非线性特性的原材料之一例进行说明的图；
图7是对具有热非线性特性的原材料的曝光进行概略表示的图；
图8是对根据温度而产生相变化的深度进行说明的图；
图9是概略地表示按照干涉条纹的周期而形成的凹凸图案的样子的图；
图10表示本实施方式所涉及的微细构造体的制造工序的概略剖面图；
图11是表示微细构造体的制造工序的另一个实施方式的概略剖面图；
图12是表示微细构造体的制造工序的又一个实施方式的概略剖面图；
图13是概略地表示按照干涉条纹的周期而形成的凹凸图案的样子的图；
图14是表示微细构造体的制造工序的另一个实施方式的概略剖面图；
图15是说明按照温度而产生相变化的深度的图；
图16是概略地表示按照干涉条纹的周期而形成的凹凸图案的样子的图；
图17是示意性地表示作为微细构造体的一个例子的偏光分离元件的构造的图；
图18是表示偏光分离元件的特性的曲线图。
符号说明
1   曝光装置
10  光源
11  快门(shutter)
12、13  反射镜
14  衍射光学元件
15  第一透镜
16  空间滤波器
17  相位差板
18  第二透镜
19  对象物(被膜、被加工体)
19’非结晶区域
20  基板
21  结晶区域
22  对象物
23  铝膜
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
图1是表示本实施方式的曝光装置(微细构造体的制造装置)的构成的框图。图1所示的本实施方式的曝光装置1包含：光源(脉冲激光装置)10、快门11、反射镜12、13、衍射光学元件14、第一透镜15、空间滤波器16、相位差板17及第二透镜18。
光源10输出短波长的激光束。作为该光源10，例如优选使用Q开关脉冲YAG激光(波长266nm)。光源10的激光平均输出例如为1W左右(脉冲循环：1kHz时)。脉冲宽度例如为1×10-9秒以上、1×10-7秒以下。另外，虽然在本实施方式中使用脉冲激光束，但本发明不限定于此，也可以使用CW(Continuous Wave)激光束。由光源10射出的激光束在通过快门11并被各反射镜12、13分别使进路(光路)改变90°后，向衍射光学元件14入射。快门11用于控制激光束的通过/遮断。
衍射光学元件14将所入射的激光束分为多个激光束(衍射光束)。图2是衍射光学元件14的侧视图。如图2所示，衍射光学元件14具有使间隙为h(例如266nm)的两个水平(level)以周期p(例如0.50μm)设置的双(binary)结构，表面形状呈周期性构造。衍射光学元件14通过激光描绘和离子蚀刻被制作在石英基板上。另外，衍射光学元件14不限定于双结构，例如也可以构成表面形状呈正弦(余弦)曲面形状的周期性构造，或者，设计成外观平坦而内部的折射率周期性分布的周期性构造。
第一透镜15将分支的多个衍射光束进行聚光并使其稳定化。在本实施方式中，第一透镜15的焦点距离f1例如为50mm。空间滤波器16仅使多个衍射光束中的两束衍射光束通过。
相位差板17对通过了空间滤波器16的两束衍射光束的相互间赋予相位差。图3是相位差板1 7的侧视图。如图3所示，相位差板1 7在表面具有深度为g的阶梯差(间隙)。即，在图中右侧的区域和左侧的区域，相位差板17的厚度不同。由此，能够在通过了相位差板17的衍射光束和未通过相位差板17的衍射光束之间赋予规定的相位差(光路差)。本实施方式中，在相位差板17的板厚相对大的区域通过的衍射光束和未通过相位差板17的衍射光束之间的相位差φ被设定为0。另外，在相位差板17的板厚相对小的区域通过的衍射光束和未通过相位差板17的衍射光束之间的相位差φ被设定为π。相位差板17通过激光描绘和离子蚀刻被制作在石英基板上。此外，相位差板17不限定于厚度不同的带阶梯差的形状，例如，也可以是外观平坦、而左右区域的折射率不同的构成。另外，若相位差为π，则也可以使用1/2波长板作为相位差板17。
第二透镜18对通过了相位差板17的两束衍射光束进行聚光。第二透镜18的焦点距离f2例如为28mm。由第二透镜18聚光后的两束衍射光束被照向对象物19。该两束衍射光束以规定的交叉角度θ进行干涉，产生周期性的干涉条纹(干涉光强度分布)。利用该干涉光强度分布，在对象物的表面形成了与干涉光强度分布对应的周期性的微细图案。基于衍射光束的曝光时间例如为数毫秒左右，该曝光时间由快门11进行控制。
对于本实施方式的曝光装置1而言，所分叉的两束衍射光束相互接近，且干涉曝光所需要的时间短到数毫秒左右，因此，对于干扰极其稳定，不易受振动或空气起伏的影响。通常，激光干涉曝光系统对空气起伏较敏感，为了确保稳定性，需要将曝光系统配置在防振台上，并且，用坚固的罩对曝光系统和防振台进行覆盖等措施，从而在设备上需要花费高额成本，而根据本实施方式，能够通过简易的装置构成实现稳定的曝光系统。
图4是概略地表示使两束衍射光束交叉而产生的干涉光照射到对象物上的样子的图。若将各衍射光束的波长设为λ，则使两束衍射光束以交叉角度θ交叉时而得到的干涉条纹F的周期P可用下式设定。
P＝λ/(2sinθ)  …(1)
此时，如图4所示，使两束衍射光束B1(第一激光束)、衍射光束B2(第二激光束)相对与对象物19的照射面正交的轴(假想轴)对称入射。由此，使干涉光的照射深度、宽度、或干涉条纹F的间距P等更加趋于均匀。
图5是表示(1)式的关系的曲线图。横轴对应于交叉角度θ，纵轴对应于干涉条纹F的周期P。如图5所示，例如当波长λ为266nm、交叉角度θ为72度时，干涉条纹F的周期P为140nm。将含有这种窄间距的干涉条纹的干涉光向对象物19照射，由此，可以实现所期望的加工。其中，在本实施方式中，对象物19采用了具有热非线性特性的原材料。下面，对具有热非线性特性的原材料进行说明。
图6是对具有热非线性特性的原材料的一个例子进行说明的图。具体而言，图6表示了具有热非线性特性的原材料(例如氧化铂：PtO)的示差热分析的测定结果。如图所示，例如当对氧化铂进行加热时，在550℃附近显示出相位变化，氧化铂从非结晶状态(非变性状态)向结晶状态(变性状态)变化。将产生该相位变化的温度称作转移点Tc。在本实施方式中，将这样由于温度上升而引起陡峭(即，非线形)的相位变化的原材料称作“具有热非线性特性的原材料)。当将起因于这种相位变化的有无的非结晶区域及结晶区域混在一起的对象物19浸渍到碱水溶液中时，由于在这两个区域之间蚀刻速率存在差异，因此，例如结晶区域一方更早地被蚀刻。由此，能够产生与非结晶区域和结晶区域对应的凹凸。在本实施方式中，使用上述的干涉光对具有这种热非线性特性的原材料进行曝光。
图7是对具有热非线性特性的原材料的曝光进行概略表示的图。如图7所示，对形成于基板20上(例如玻璃基板上)的对象物19照射使两束衍射光束交叉而产生的干涉光。由此，在由具有热非线性特性的原材料构成的对象物19的表面，产生了与干涉光的干涉条纹F的周期P对应的周期性相位变化。即，在干涉光的强度相对高的区域，由具有热非线性特性的原材料构成的对象物19被加热而超过转移点Tc，由此产生相位转移，该区域变为结晶状态。另外，在干涉光的强度相对低的区域，由具有热非线性特性的原材料构成的对象物19因不怎么被加热而不会超过转移点Tc，由此，该区域不产生相位转移而保持原本的非结晶状态。如图8所示，产生相位变化的深度是距离对象物19的表面为dc的深度。直到该深度dc，对象物19的温度超过转移点Tc。考虑该情况，将对象物19的厚度设定在dc以下，以使在膜厚方向被完全加热到转移点Tc以上。在照射了干涉光之后，将对象物19放置于碱水溶液中时，具有和干涉条纹的周期P相等的周期的凹凸图案(深度＝dc)显示在对象物19的表面。图9是概略地表示该样子的图。图示的例子表示了光强度相对弱而保持着非结晶状态的区域所残存的情况。另外，有时也保留光强度相对强而变为结晶状态的区域，该情况下，凹凸图案与光强度分布高的位置对应排列。如上述的图7所示，由于相位变化曲线的非线形性高，因此，通过适宜地控制激光束的照射条件，能够实现宽度窄、清晰的凹凸图案。
另外，具有热非线性特性的原材料除了上述的氧化铂膜以外，还可列举以下的无机材料。在本实施方式中，由于不需要使已经变为结晶状态的区域再次恢复为非结晶状态，因此，还可以使用不可逆变化型的原材料。例如：ZnS-SiO2、Ge-Sb-Te、Ge-Sb-Te-S、Te-TeO2-Ge-Sn、Te-Ge-Sn-Au、Ge-Te-Sn、Sn-Se-Te、Sb-Se-Te、Sb-Se、Ga-Se-Te-Ge、In-Se、In-Se-Tl-Co、Ge-Sb-Te、In-Se-Te、Ag-In-Sb-Te、TeO2-Pb等。能够采用它们中的任一种作为对象物19。
本实施方式的曝光装置1的构成及曝光原理(即光照射方法)如上所述，接着，对本实施方式所涉及的微细构造体的制造工序(制造方法)进行说明。
图10是表示本实施方式的微细构造体的制造工序的概略剖面图。使用如上所述的曝光装置1，通过使两束衍射光束以规定的交叉角度θ交叉而产生干涉光(第一光)，将该干涉光对基板20上的对象物19进行照射(图10A)。此时，进行如上所述的设定，以使一方的衍射光束B2通过相位差板17，在其和另一方的衍射光束B1之间不产生相位差。另外，在图10中，为了方便对相位差板17进行图示，使相位差板17相对于衍射光束B2偏斜而进行了描绘，但如图1所示，实际上相位差板17以衍射光束B2与相位差板17的表面呈正交的方式配置。在以下说明的附图中也一样。
以规定的交叉角度θ交叉的两束衍射光束B1、B2相互干涉，产生周期性的干涉条纹(干涉光强度分布)(参照图4)。通过被照射具有该干涉光强度分布的干涉光，使得对象物19在光强度高的区域引起相位转移，该区域(第一部分)21成为结晶状态(图10B)。该成为结晶状态的区域21(下面称作“结晶区域21。)的循环周期和干涉光强度分布的周期相等。干涉光的照射时间(曝光时间)例如为数毫秒左右，该照射时间(曝光时间)由快门11进行控制。
接着，通过将对象物19浸入到碱水溶液中来进行蚀刻。此时，在结晶区域21和其以外的区域(即，非结晶区域)之间产生了蚀刻速度差，例如结晶区域21比非结晶区域(第二部分)更早地被除掉。其结果是，形成了具有与干涉光的干涉条纹的周期对应的周期(本例中为140nm)的非结晶区域19’的图案(作为一例，为氧化铂图案)(图10C)。这种亚波长等级的微细构造体具有各种各样的用途。另外，在结晶区域21和非结晶区域19’之间产生的蚀刻速度的大小关系由原材料或由蚀刻溶液与原材料之间的关系来决定，有时非结晶区域比结晶区域21更早地被除掉。这种情况下，可得到结晶区域21的图案。
这样，根据本实施方式，通过对具有热非线性特性的对象物照射具有干涉条纹的干涉光(第一光)，可对应光强度相对高的区域和低的区域，得到变性区域(结晶区域)和非变性区域(非结晶区域)。这些变性区域和非变性区域的循环周期(间隔)可以通过减小交叉的两束激光束的波长、或增大交叉角度θ来缩短。通过采用具有热非线性特性的对象物，即使变性区域和非变性区域的循环周期小到100nm～200nm的程度，与现有的采用由有机材料构成的光致抗蚀剂膜的情况相比，也可以清晰地得到变性区域和非变性区域的边界。而且，由于在变性区域和非变性区域之间蚀刻速度产生差异，因此，通过对对象物进行蚀刻，可以形成分辨率高的微细构造体。
图11是表示微细构造体的制造工序的另一个实施方式的概略剖面图。在上述图10所示的实施方式中，考虑了利用通过蚀刻得到的非结晶区域19’的图案(作为一例为氧化铂图案)本身作为微细构造体的情况，也可以使用该非结晶区域19’的图案(或结晶区域21的图案)作为蚀刻掩模，将微细图案转印到另一对象物上。下面，对该情况进行说明。另外，对和上述的制造工序重复的内容的说明进行适当的简化。
在本实施方式中，如图11A所示，预先在基板20的表面形成对象物22，然后在该对象物22的表面形成被膜19(作为一例，采用氧化铂膜)。其中，对象物22不特别限定于该内容，例如在本实施方式中可设定为铝或银等的金属膜。另外，基板20本身也可以是对象物。和上述同样地使两束衍射光束以交叉角度θ交叉而产生干涉光(第一光)，并使该干涉光照射于对象物19。由此，和上述实施方式同样地可在被膜19上形成结晶区域21(图11B)。
接着，通过与上述实施方式同样地进行蚀刻，使得具有与干涉条纹的周期对应的周期的结晶区域21的图案(作为一例，是氧化铂图案)被除掉，保留被膜19中的非结晶区域19’的图案(图11C)。其后，将该非结晶区域19’的图案作为蚀刻掩模，进行对对象物22的蚀刻。此时的蚀刻的具体方法只要根据对象物22适宜地选择即可。作为一例，在本实施方式中进行干腐蚀。由此，非结晶区域19’的图案被转印到作为对象物22的铝膜上(图11D)。即，铝膜中的和非结晶区域19’(第二部分)未重叠的部分被除掉。这样一来，在基板20上形成了具有140nm周期的条纹状的铝膜23(铝格栅)。
另外，在不形成对象物22，且经过了和上述图11A～图11C同样的工序的情况下，非结晶区域19’(或结晶区域21)的图案被转印到基板22的表面(未图示)。
这样，通过采用了具有热非线性特性的被膜，即使进一步减小结晶区域(变性区域)和非结晶区域(非变性区域)的循环周期(例如100nm～200nm程度)，与采用现有的光致抗蚀剂膜等的情况相比，也可以清晰地得到结晶区域和非结晶区域的边界。而且，由于在结晶区域和非结晶区域之间蚀刻速度产生差异，因此，通过对被膜进行蚀刻，能够将结晶区域(或非结晶区域)除掉，使该区域开口。通过利用如此得到的具有开口的被膜作为蚀刻掩模，进行对于对象物的蚀刻，可以形成分辨率高的微细构造体。
图12是表示微细构造体的制造工序的又一个实施方式的概略剖面图。在通过上述图10或图11进行了说明的各实施方式中，进而如图12所示，将照射干涉光的工序进行两次以上，此时，优选在各工序都对两束衍射光束B1、B2相互间赋予相位差。
具体而言，在图12A所示的工序中，和上述各实施方式的情况同样地将两束衍射光束B1、B2相互间的相位差φ设定为φ0(任意值)，使各衍射光束交叉，将由此产生的干涉光(第一光)向对象物19进行照射。将该φ＝φ0的状态设定为基准状态(相位差为0的状态)。然后，在图12(B)所示的工序中，将两束衍射光束B1、B2相互间的相位差φ设定为φ0+π，使该各衍射光束交叉，将由此产生的干涉光(第二光)向对象物19进行照射。相位差的设定如上所述，通过相位差板17的配置变更来实现。当这样进行多重变更时，如图13所示，与第一次曝光形成的光强度分布(图中用实线表示)相对应，得到以周期P循环的结晶区域，进而在与通过第一次曝光而得到的结晶区域错开P/2的位置，与第二次曝光形成的光强度分布(图中用虚线表示)相对应，得到以周期P循环的结晶区域。若将它们作为整体来看，则得到了以周期P/2循环的结晶区域的图案。通过对这种状态的对象物19进行蚀刻，可得到周期为P/2的凹凸图案。如上所述(参照图6)，由于对象物19对光的反应具有非线形特性，因此，在进行了第二次曝光后，也可以回避结晶区域的图案失去尖锐度(溃散)，可得到窄间隔的图案。
作为对本实施方式的比较，考虑到对象物对光的反应为线形的情况(例如，通常的光致抗蚀剂膜等)，在基于与上述同样的窄间隔的干涉光多次进行曝光的情况下，图案将溃散。其原因在于光致抗蚀剂等与光反应的过程是单光子吸收。另外，在本实施方式中，对各衍射光束相互间的相位转移量设定为π，来形成波长的1/2周期的图案的情况进行了说明，但若将相位转移量设定为π/2，则能够以波长的1/4的周期形成图案，进而，若将相位转移量设定为π/4，则能够以波长的1/8的周期形成图案。
这样，通过在两束激光束之间赋予相位差，能够使第一光的干涉条纹和第二光的干涉条纹以微小的宽度(例如1/2间距、1/4间距等)错开。使这样的第一光和第二光依次照射于具有热非线性特性的被膜，由此，能够进一步减小结晶区域(变性区域)和非结晶区域(非变性区域)的循环周期。这样，在循环周期进一步减小的情况下，由于使用了具有热非线性特性的被膜，因此，也可以清晰地得到结晶区域和非结晶区域的边界。从而，可得到分辨率更高的微细构造体。通过利用上述的热非线性特性和干涉光的相位转移，理论上可以脱离激光束的波长的制约而实现微细的图案。实际上，与现有技术相比，也可以实现特别微细的图案。
图14是表示微细构造体的制造工序的另一个实施方式的概略剖面图。在通过上述图10或图11进行了说明的各实施方式中，进而如图14所示，优选和照射干涉光的工序(激光干涉曝光工序)中的使用两束衍射光束而产生的干涉光同时，向对象物19(被膜)照射与该干涉光不同的光(第三光)。
例如，向对象物19照射和干涉曝光所使用的衍射光束B1、B2不同的激光束B3。由此，相对于两束衍射光束B1、B2所产生的光照射强度，可得到由另一激光束B3给予偏置(byas)的作用。由此，如图15所示，对象物19上超过转移温度Tc的区域的深度dc进一步加深。这样一来，在对象物19上形成结晶区域，通过对其实施蚀刻，如图16所示，与通过上述图10或图11而说明的各实施方式的情况相比，可以在对象物19上形成更深的凹凸图案。另外，在作为对象物19而选择的材料的转移温度Tc高的情况下，也有利于向广泛的区域形成凹凸图案。而且，即使在用于产生干涉光的衍射光束B1、B2的输出小的情况下，通过进行上述的偏置曝光，也可以在对象物19表面的广泛区域形成凹凸图案。此外，在图示的例子中表示了保留光强度相对弱而维持非结晶状态的区域的情况，但有时也保留光强度相对强而变成结晶状态的区域。在这种情况下，凹凸图案对应光强度分布高的位置而排列。
另外，通过进一步使用形成于该对象物19的凹凸图案作为蚀刻掩模，也可以将凹凸图案转印到事先设置在对象物19的背面侧的对象物(参照图11)上。
此外，第三光只要对于对象物19能够得到使温度偏置的作用即可，除了上述的激光束以外还可以使用各种光。就第三光的波长λ2而言，从给予有效的偏置这一观点出发，优选是和作为第一光的各衍射光束B1、B2的波长λ1相同或接近的值，但不限于此。并且，第三光不一定非要是单波长的光(单色光)，也可以是含有多种波长成分的光。作为产生第三光的光源，例如可以使用受激准分子激光器(波长308nm)。通过并用这种偏置曝光，可以扩大能够由干涉光曝光的区域，从而，可向更广的区域同时形成图案。
下面，对应用上述的实施方式来制造金属格栅型偏光分离元件时的一个具体例(实施例)进行说明。
在石英玻璃基板上形成铝膜，进而在该铝膜上形成氧化铂膜。对于各自的膜厚而言，例如铝膜为150nm，氧化铂膜为100nm。使用Q开关纳米秒脉冲YAG激光(波长266nm)作为光源10。激光平均输出为1W(脉冲循环频率：1kHz时)。将自该光源10射出的激光束分为两束，通过使该分支后的两束激光束(衍射光束)交叉而产生干涉光。干涉角度θ为72度。根据上述的式(1)，作为对象物的氧化铂膜的表面的干涉条纹的周期为140nm。使用该干涉光进行一次曝光。另外，也可以适当地并用使用了第三光的偏置曝光。其后，使用碱水溶液进行蚀刻，由此，其结果是，形成了具有和干涉条纹的周期同周期，即140nm周期的氧化铂图案。进而，使用该氧化铂图案作为蚀刻掩模对铝膜进行干腐蚀，由此将氧化铂图案向其下面的铝膜进行转印。这样一来，在石英玻璃基板上形成了具有140nm周期的条纹状的铝膜(铝格栅)。这种微细构造体例如可以用作偏光分离元件。
另外，在以上述的条件产生干涉光时，第一次各光束相互间的相位差φ＝φ0(任意值)，第二次相位差φ＝φ0+π。即，第一次和第二次的相位差设定为π。如此来进行第二次曝光。另外，也可以适当地并用使用了第三光的偏置曝光。其后，使用碱水溶液进行蚀刻，由此，形成具有干涉条纹的周期的二分之一，即70nm周期的氧化铂图案。进而，使用该氧化铂图案作为蚀刻掩模对铝膜进行干腐蚀，由此将氧化铂图案向其下面的铝膜进行转印。这样一来，可在石英玻璃基板上形成具有70nm周期的条纹状的铝膜(铝格栅)。这种微细构造体例如可以用作偏光分离元件。
图17是示意性地表示如上所述而制造的偏光分离元件的构造的图。具体而言，图17A是概略表示偏光分离元件的功能的立体图，图17B是该偏光分离元件的局部概略剖面图。该偏光分离元件在玻璃基板(SiO2)上以条纹状(一维栅格图案)形成有厚度150nm的铝膜。铝膜的栅格的周期P为70nm或140nm。玻璃基板的复介电常数N＝1.5-j0.0，铝膜的复介电常数N＝0.59-j5.34。图18表示了这种偏光分离元件的偏光分离特性。在图18中，纵轴为透光率(左侧)和对比度(右侧)，横轴为栅格周期P和波长λ的比。对比度以TE偏光的透光率和TM偏光的透光率之比来定义。由该结果可知，构成偏光分离元件的栅格图案(亚波长构造)的周期P越短，作为偏光分离元件的性能越高(即透光率高，对比度高)。在图18中，与周期P＝70nm相对的特性及与周期P＝140nm相对的特性分别用箭头表示于图表上部。在任一偏光分离元件中都可得到优良的偏光分离特性。可知尤其是周期P＝70nm的偏光分离元件的特性与周期P＝140nm的偏光分离元件相比，透过率以及对比度都特别优异。
另外，本发明不限定于上述的实施方式的内容，可以在本发明的主旨范围内实施各种变形。在上述的实施方式中，作为应用了本发明的具体例，列举了偏光分离元件，但除此以外，本发明在微细构造图案的形成所必需的各种器件的制造中都是有用的。作为器件可列举：光学薄膜器件、半导体薄膜器件、标记(marking)、微小机械零件等。作为对光学薄膜器件的应用，例如可举出：液晶应用设备所使用的反射防止膜、相位差板、光波导路径、偏光元件、取向膜、LED元件、EL元件等发光元件所用的光子能带结构、高密度光盘等。
另外，在上述的实施方式中，作为变性区域的一例列举了结晶状态，作为非变性区域的一例列举了非结晶状态，但变性区域及非变性区域不限于此。变性区域及非变性区域只要是能够因两者的物性(物理或化学特性)不同而产生蚀刻速度的差即可。

Claims (14)

1、一种微细构造体的制造方法，包括：
(a)通过使两束激光束交叉而产生含有干涉条纹的第一光；
(b)对具有热非线性特性的对象物照射所述第一光，由此，在所述对象物上形成与所述第一光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域；
(c)对所述对象物进行蚀刻，选择性地除去所述变性区域或所述非变性区域的任意一个。
2、如权利要求1所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
在所述(b)之后所述(c)之前还包括：
(d)在所述两束激光束之间赋予相位差使该两束激光束交叉，由此产生含有干涉条纹的第二光；
(e)对所述对象物照射所述第二光，由此形成与所述第二光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域。
3、如权利要求1或2所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述变性区域是结晶状态的区域，所述非变性区域是非结晶状态的区域。
4、如权利要求1～3中任意一项所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述对象物是PtO、ZnS-SiO2、Ge-Sb-Te、Ge-Sb-Te-S、Te-TeO2-Ge-Sn、Te-Ge-Sn-Au、Ge-Te-Sn、Sn-Se-Te、Sb-Se-Te、Sb-Se、Ga-Se-Te-Ge、In-Se、In-Se-Tl-Co、Ge-Sb-Te、In-Se-Te、Ag-In-Sb-Te或TeO2-Pb。
5、如权利要求1所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述(b)包括使第三光和所述第一光一并向所述对象物照射的步骤。
6、如权利要求2所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述(d)包括使第三光和所述第二光一并向所述对象物照射的步骤。
7、如权利要求5或6所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述第三光包含单一波长的光或由多种波长成分构成的光。
8、一种微细构造体的制造方法，包括：
(a)在对象物上形成具有热非线性特性的被膜；
(b)通过使两束激光束交叉而产生含有干涉条纹的第一光；
(c)向所述被膜照射所述第一光，由此，在所述被膜上形成与所述第一光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域；
(d)对所述被膜进行蚀刻，选择性地除去所述变性区域或所述非变性区域的任意一个；
(e)经由除去了所述变性区域或所述非变性区域的任意一个之后的所述被膜，进行对所述对象物的蚀刻。
9、如权利要求8所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
在所述(c)之后所述(d)之前还包括：
(f)在所述两束激光束之间赋予相位差使该两束激光束交叉，由此产生含有干涉条纹的第二光；
(g)对所述被膜照射所述第二光，由此，在所述被膜上形成与所述第二光的所述干涉条纹的周期相对应而配置的变性区域和非变性区域。
10、如权利要求8所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述(c)包括使第三光和所述第一光一并向所述被膜照射的步骤。
11、如权利要求9所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述(g)包括使第三光和所述第二光一并向所述对象物照射的步骤。
12、一种微细构造体的制造方法，包括：
(a)在金属膜上形成作为非晶质的无机材料层；
(b)向所述无机材料层照射由第一激光束和第二激光束的交叉而产生的光，将所述无机材料层中与所述光的干涉条纹的周期对应的第一部分加热到结晶化温度以上，使所述第一部分变性为结晶质；
(c)将所述第一部分从所述金属膜上除去，并且，留下所述无机材料层中未变性为所述结晶质的第二部分；
(d)除去所述金属膜的不与所述第二部分重叠的区域，形成和所述干涉条纹的周期间距相等的构造体。
13、如权利要求12所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
在所述(b)中，所述第一部分被加热到在膜厚方向完全结晶化温度以上。
14、如权利要求12或13所述的微细构造体的制造方法，其特征在于，
所述金属膜含有铝；
所述构造体是条纹状的格栅。
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