CN1685406A - 光记录介质主盘曝光装置及光记录介质主盘曝光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光记录介质主盘曝光装置，包括根据记录信息调制曝光光源(1)发出的光强度的调制组件(3)；和聚焦光学系统(9)，该系统用于将经由调制组件(3)调制的光聚焦在光记录介质主盘(11)上的光致抗蚀剂(12)上，从而根据记录信息构图曝光光致抗蚀剂(12)。曝光光源(1)由重复频率处于一倍至二十倍于所述记录信息时钟频率范围内的整数倍的超短波脉冲激光器组成。该光记录介质主盘装置包括外同步机构，以改变该超短波脉冲激光器的谐振腔长度，将超短波脉冲激光器的重复频率锁模成与时钟频率同步，使超短波脉冲激光器发射出脉冲，从而高精度地形成微凹坑。

Description

光记录介质主盘曝光装置及光记录 介质主盘曝光方法
技术领域
本发明涉及一种光记录介质主盘曝光装置和一种光记录介质主盘曝光方法，其中通过用来自于曝光光源的光照射涂覆有光致抗蚀剂的光记录介质主盘而曝光成与记录信息相应的图形。
背景技术
用于制造如CD(光盘)、MD(小型盘)和DVD(数字通用盘)的各种光盘和磁光盘之类的光记录介质的光记录介质主盘可通过曝光和显影来制造，即例如通过切割出与形成在盘状主盘基底的光致抗蚀剂表面上的记录信息相应的凹凸图形来制造。
用于切割凹凸图形的主要装置(mastering apparatus)即光记录介质主盘曝光装置借助于紫外波长范围的连续振荡固态激光光源如Kr激光器(λ＝413nm)和Ar激光器(λ＝351nm)、由曝光光源发射出的大约400nm、束斑可以减小到衍射极限的非常小的激光束斑、通过物镜照射涂覆有光致抗蚀剂的主盘而对光记录介质主盘进行曝光。
为了增大记录容量，需要减小所述多种光记录介质的凹坑或凹槽的加工尺寸，以使其密度更高。但是，当要求形成凹坑的加工尺寸为0.25μm以下的加工尺寸时，通过数值孔径NA大约为1的聚光透镜不可能充分减小所述光记录介质主盘曝光装置所使用的气体激光器波长内激光的光斑直径。由此，目前，在制造光记录介质主盘时，极难高精度地形成等于或小于0.25μm的凹坑。
例如，曾报道过一种用于加工微型图形的技术，其中使用波长为532nm的半导体激光器激励高输出绿光激光器作为激励光源，使用具有外谐振腔结构的二次高阶谐波发生器件发射波长为266nm的紫外激光，通过数值孔径NA＝0.9的无像差物镜获得艾里斑(Airy spot)为0.36μm的束斑尺寸(例如，参见公开号为7-98891的日本专利申请)。
近年来，光盘的记录密度越来越高，并且为了增大光盘记录密度必须使凹坑非常小，例如凹坑等于或小于0.2μm。因此就要求更短波长的光源。由于连续振荡激光源稳定、噪声低且具有能用于光记录介质主盘曝光装置的光束质量，如今市场上有一种深UV振荡水冷却氩激光器，其中将如BaB2O4(BBO)之类的非线性光学晶体设置在氩气体激光器(产生229nm波长的40mW输出和238nm波长的100mW输出)的谐振腔内。但波长比为229/266＝0.86，为了获得等于或小于0.2μm的分辨率，必须使用具有更高数值孔径NA的物镜。同时，使用大量冷却水，而且这种氩气体激光器的缺点是需要采取预防措施来避免安装该氩激光器的装置发生振动。
另外，对于具有高数值孔径NA的光学系统，从技术观点出发已经研究出了使用近场光学系统的组件，其中该近场光学系统使用数值孔径NA＞1的固体浸没透镜(SIL)。但是，这种组件存在以下问题，其中其工作距离等于或小于100nm，例如短至数十纳米，应非常小心地保护光记录介质主盘不被灰尘污染，应当非常小心地使光记录介质主盘的表面具有光滑表面，并且光记录介质主盘的旋转速度不能增加得太多。
为了提高分辨率，近年来还提出了另一种使用电子束曝光装置的微小凹坑加工方法(参见例如日本专利3233650号)。
但是，使用电子束的方法需要真空装置，并且使用这种电子束方法的装置需要在真空状态下的玻璃主盘高精度且高速旋转机构，因此装置的尺寸必然增大。
另一方面，由于近年来开发出一种包含负群速度色散的啁啾校正介质镜(Chip correction dielectric mirror)，由Ti：蓝宝石(钛蓝宝石)组成的几种超短波脉冲激光光源已用于实际应用中，其中通过不使用棱镜对和光栅对的非常紧凑的结构，可实现克尔(Kerr)透镜锁模系统的高重复频率。
根据谐振腔长度L确定这种超短波脉冲激光光源的重复频率R。在驻波型超短波脉冲激光光源中，由公式R＝c/2L(c＝光速)给出重复频率，在行波型超短波脉冲激光光源中(例如，在环形光路情形中)，由公式R＝c/L给出重复频率。
作为所述超短波脉冲激光光源的一实例，曾报道过一种投入实际使用的具有2GHz高重复频率的振荡器。例如，在环形情况中，欲获得2GHz的重复频率时，谐振腔长度L为15cm(例如参见Satoshi Kawata编辑，由SocietyPublishing Center Corporation出版的Spectroscopical Society of Japan，Measurement Method Series，“SUPER-RESOLUTION OPTICS”(1999年3月20日)第79页)。
这种Ti：蓝宝石超短波脉冲激光光源受半导体激光器激励高输出绿光激光器的激励，以从760nm至840nm范围、例如800nm的中心波长振荡，可以产生平均输出为1W、且脉冲宽度(FWHM：半最大值处的全宽度)等于或小于100fs(100×10-15)、例如23fs的稳定输出。光束横模的性能极好，其中在TEM00中噪声等于或小于0.1％。另外，如Spectra Physics公司制造的Tsunami系列和Coherent公司制造的Mira系列，脉冲宽度(FWHM)等于或小于100fs、且重复频率为80MHz时平均输出大于1W的超短波脉冲激光光源已投入实际应用中。
此外，还报道过通过使用这种超短波脉冲激光光源、利用非线性光学效应根据超分辨率特性产生双光子吸收过程、从而形成小于衍射极限的图形的技术(参见例如，Satoshi Kawata编辑，由Society Publishing CenterCorporation出版的Spectroscopical Society of Japan，Measurement MethodSeries“SUPER-RESOLUTION OPTICS”(1999年3月20日，第79页)和S.Kawata等人撰写的“Fine features for functional microdevices”(Nature2001，412卷，第697页))。
所述文献报道了使用重复频率为76MHz、脉冲宽度为100fs的激光器和数值孔径NA为1.4的物镜形成宽度为120nm的点状图形的实例。
然而，目前，在这种使用双光子吸收过程、通过构图曝光在光致抗蚀剂上形成用于光记录介质的记录信息调制信号的技术中，用于曝光光记录介质主盘的这种光致抗蚀剂目前还没有投入实际应用。
鉴于所述情况，本发明的目的在于提供一种光记录介质主盘曝光装置和光记录介质曝光方法，其中可以高精度地形成微小凹坑，并且可大幅度提高生产率。
发明内容
根据本发明，提供一种光记录介质主盘曝光装置，包括：调制组件，用于根据记录信息调制曝光光源发出的光强度；和聚焦光学系统，用于将经过调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，以根据记录信息对光致抗蚀剂进行构图曝光。曝光光源包括重复频率为记录信息时钟频率一倍至二十倍范围内的整数倍的超短波脉冲激光器，并且该光记录介质主盘曝光装置包括外同步机构，使该超短波脉冲激光器的谐振腔长度可变，并根据记录信息的时钟频率锁模超短波脉冲激光器的重复频率，从而以重复频率脉冲振荡。
而且，根据本发明，所述光记录介质主盘曝光装置还包括处于曝光光源与调制组件之间的高次高阶谐波发生组件，该组件在使用超短波脉冲激光光源作为激励光源的情况下，使用非线性光学元件通过波长转换发射出被转换成超短波光的光。
另外，根据本发明，提供一种光记录介质主盘曝光方法，该方法包括：根据记录信息调制曝光光源所发出的光强度的步骤；和将经该调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，以根据记录信息将光致抗蚀剂构图曝光的步骤。曝光光源包括超短波脉冲激光器，其重复频率为记录信息时钟频率的一倍至二十倍范围内的整数倍。设置一外同步机构，使该超短波脉冲激光器的谐振腔长度可变，并且通过与时钟频率同步将超短波脉冲激光器的重复频率锁模，以该重复频率脉冲振荡。
此外，根据本发明，提供一种光记录介质主盘曝光装置，包括：调制组件，其根据记录信息调制曝光光源发射出的光强度；和聚焦光学系统，其将经调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，以便根据记录信息将该光致抗蚀剂构图曝光。在这种光记录介质主盘曝光装置中，曝光光源包括重复频率在记录信息时钟频率的十倍至二十倍范围内的超短波脉冲激光器。
另外，根据本发明，所述结构在曝光光源与调制组件之间设有高次高阶谐波发生组件，在使用超短波脉冲激光光源作为激励光源的情况下，发射出用非线性光学元件通过波长转换被转换成超短波光的光。
此外，根据本发明，提供一种光记录介质主盘曝光方法，该方法包括：根据记录信息调制曝光光源发出的光强度的步骤；和将经调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，以便根据记录信息将光致抗蚀剂构图曝光的步骤。所述曝光光源包括重复频率在记录信息时钟频率的十倍至二十倍范围内的超短波脉冲激光器。
另外，根据本发明，在所述各种光记录介质主盘曝光方法中，利用曝光光源作为激励光源，通过高次高阶谐波发生组件，使用非线性光学元件通过波长转换将该曝光光源发出的光转换成超短波光并出射。
如上所述，根据本发明的一方面，本发明使用超短波脉冲激光光源作为曝光光源，并且包括外同步机构，该机构使超短波脉冲激光器的重复频率为记录信息时钟频率的一倍至二十倍范围内的整数倍，并使该超短波脉冲激光器的谐振腔长度可变。
光盘记录信息信号的时钟频率，在CD的情况中为4.3MHz，在DVD的情况中为26MHz，在近年来作为高密度盘引起广泛关注的所谓蓝光光盘(Blu-ray Disc)的情况中为66MHz，在目前正在开发的蓝光光盘中，再现光的波长λ为405nm、且物镜的数值孔径NA为0.85。由于蓝光光盘的时钟频率例如为66MHz，其与超短波脉冲激光器的重复频率基本相同，因而信息数据信号与激光器脉冲振荡彼此同步匹配。
本发明包括对用于曝光光源的超短波激光光源的谐振腔长度进行调节的外同步机构。这种外同步机构通过使重复频率为信道时钟的一倍至二十倍范围内的整数倍，即为信道时钟的一倍、两倍、三倍...二十倍的方式调节谐振腔长度。
由于如上所述重复频率与信道时钟同步，使用超短波脉冲激光光源发出的光作为曝光光源，能可靠地与记录在如CD、DVD和蓝光光盘的多种光记录介质上的信息信号同步地对光致抗蚀剂构图曝光。
另外，根据本发明另一方面，使用超短波脉冲激光光源作为光记录介质主盘曝光装置的曝光光源，且其频率处于记录信息时钟频率的十倍至二十倍的范围内。
如上所述，光记录介质记录信息信号的时钟频率，在CD的情况中为4.3MHz，在DVD的情况中为26MHz，在蓝光光盘的情况中为66MHz。如果使用以等于或大于这些频率十倍的高重复频率振荡的超短波脉冲激光器将信息信号记录在光记录介质上，与信号间隔相比可以将脉冲间隔减到足够小，因而可通过积分对各脉冲求平均，并且可以在不影响再现信号的条件下控制图形如凹坑信号的位置。因此，可以类似于现有技术的连续振荡光一样地处理所述超短波脉冲激光，并且再现时获得的信号的抖动值可以减小到等于或小于10％。
在此情形中，不必通过外同步机构使脉冲激光与记录信息等的时钟信号彼此同步，从而可避免使装置的配置复杂。
此时，若重复频率选择为小于信道时钟的二十倍，超短波脉冲激光的峰值输出可以保持足够高的输出，以对光致抗蚀剂进行精细构图曝光，从而与现有技术相比，可以高精度地对光致抗蚀剂精细构图曝光。
以对于光记录介质中频率最高的蓝光光盘为例，使用以高于66×10＝660MHz的重复频率振荡的超短波脉冲激光器就足够了。
也就是说，当重复频率高于所述时钟频率十倍时，由于超短波脉冲激光器以非常高的重复频率振荡，因而其优点是无需象使用连续振荡激光的现有方法那样高精度地调节超短波脉冲激光器和信息记录信号的光调制器的同步就可对光致抗蚀剂曝光。
当光记录介质的时钟频率高于所述蓝光光盘的时钟频率时，如果选择超短波脉冲激光器的重复频率等于或高于信道时钟的十倍，则存在不能获得足够的峰值输出的危险。如果峰值输出不够大，则将难以发生下面将描述的双光子吸收过程。从而存在难以以目标小光斑直径对光致抗蚀剂曝光的危险。
在此情形中，如上所述，希望提供外同步机构，因而应使超短波脉冲激光器的重复频率处于光记录介质时钟频率的一倍到十倍范围内的整数倍，从而与时钟信号同步。
在所述本发明的各方面中，在曝光光源与调制组件之间设置高次高阶谐波发生组件，并且使用超短波脉冲激光光源作为激励光源，使用非线性光学元件通过波长转换发射出波长减小的光，从而可以得到具有更短波长的曝光光源。
如上所述，根据本发明的光记录介质主盘曝光装置和光记录介质主盘曝光方法，光从以高重复频率发射出超短波脉冲激光的曝光光源出射，可以认为大体上与由准连续光或通过使用曝光光源作为激励装置由高次高阶谐波发生组件减小波长的超短波脉冲激光发射的光相同，经过光强调制组件调制的光，通过预定聚焦光学系统聚焦衍射极限的光斑尺寸，并照射在光致抗蚀剂上，从而可以曝光形成如图形远小于现有技术的凹坑那样的非均匀图形。
另外，根据本发明，在所述光记录介质主盘曝光装置或者所述光记录介质主盘曝光方法中，光致抗蚀剂通过双光子吸收过程曝光。当使用峰值输出非常高的超短波脉冲激光源作为曝光光源、且通过聚焦光学系统聚焦光束时，在光致抗蚀剂中可以非常有效地发生双光子吸收过程。例如，当重复频率为1GHz、且激光穿过物镜之后所获得的平均能量为10mW时，光致抗蚀剂表面上束斑内的光强的峰值输出可达100GW/cm2。
双光子吸收过程是一种非线性光学现象，且用束斑强度分布的平方对光致抗蚀剂进行曝光。光致抗蚀剂的双光子吸收截面约为10-46至10-47cm4s/photon这样小的数值，并且尽管光致抗蚀剂的灵敏度较低，也能发生百分之几的吸收。
为了高效率地产生如上所述的双光子吸收，超短波脉冲激光的峰值输出应当较高。
在本发明中，在使用高重复频率的脉冲振荡、且脉冲宽度(FWHM)选择为等于或小于1ps(1×10-12秒)的同时，如上所述调节脉冲宽度可高效率地发生双光子吸收。
在光致抗蚀剂曝光过程中，光致抗蚀剂平面内光源的光吸收分布，在普通吸收情形中与光束强度分布成正比，在双光子吸收情形中与光束强度分布的平方成正比。图5示出了光吸收分布。在图5中，I表示光束强度分布，相当于普通吸收的情形。I2表示光束强度分布的平方，相应于双光子吸收的情形。艾里斑直径d表示为：
d＝1.22λ/NA
在双光子吸收的情形中，当物镜的数值孔径NA＝0.9、且波长满足λ＝267nm时，束斑尺寸为0.36μm，该束斑尺寸相应于大约 1 / 2 = 0.7 倍的束斑，即使用具有190nm波长的曝光光源的普通曝光中获得的束斑尺寸。因此，记录线密度大约为使用单光子曝光时(普通曝光的情形)的1.4倍。
此外，根据本发明，在所述各种光记录介质主盘曝光装置和光记录介质主盘曝光方法中，将从聚焦光学系统出射之后聚焦在光致抗蚀剂上的激光斑形状选择为沿激光束扫描方向延伸的长方形形状(oblongshape)。
当对如凹槽之类的线形图形曝光时，应当根据光致抗蚀剂的灵敏度优化脉冲间隔(重复频率的倒数)和扫描速度(盘形光记录介质主盘情形中所需的线速度)。不过，由于脉冲间隔仅由信道时钟唯一确定，对线形图形的曝光是很困难的。
根据上面所述的本发明，因为从聚焦光学系统出射后聚焦在光致抗蚀剂上的束斑沿光束扫描方向为长方形，照射光的光量分布得到扩展和平均，从而易于获得如凹槽之类的线形图形。
此外，根据本发明，选择光致抗蚀剂的吸收峰波长使之小于曝光光源的波长的一半。
如上所述，普通吸收(单光子吸收)的有效控制是通过使用在曝光光源波长范围内透明、且能吸收所述波长的一半波长的光的材料作为光致抗蚀剂来实现的。
在双光子吸收中，同时吸收两个光子，并且光致抗蚀剂的电子跃迁到为一个光子能量的两倍的更高能级。从吸收光谱的观点来看，由于曝光光源被波长为该曝光光源波长一半的光(一个光子)激励，当吸收峰波长选择为曝光光源波长的一半时，双光子吸收中使用的光致抗蚀剂可以有效地产生双光子吸收，从而可曝光形成更小的图形。
如上所述，根据本发明，由于使用超短波脉冲激光器作为曝光光源、且通过聚焦光学系统将光束聚焦到衍射极限，可高效地进行双光子吸收，并且可通过双光子吸收过程以束斑强度分布平方的形式对光致抗蚀剂曝光，因而利用非线性效应其具有极高的分辨率特性。结果，可记录远小于衍射极限的微小凹坑。
附图说明
图1为本发明一实施方式的光记录介质主盘曝光装置结构的示意图；
图2A用于解释超短脉冲激光的脉冲波形的一实例；
图2B用于解释信息信号波形和超短脉冲激光的脉冲波形的一实例；
图2C用于解释时钟信号的脉冲波形的一实例；
图3用于说明外同步机构；
图4A用于解释超短波脉冲激光的脉冲波形的一实例；
图4B用于解释信息信号波形和超短波脉冲激光的脉冲波形的一实例；
图4C用于解释时钟信号的脉冲波形的一实例；
图5是高次高阶谐波发生组件的一实例的结构示意图；以及
图6表示光致抗蚀剂中艾里斑的吸收量。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明一实施方式的光盘主盘曝光装置。
图1是本发明一实施方式的光记录介质主盘曝光装置的结构示意图。在该实施方式中，曝光装置由调制组件3和聚焦光学系统9组成，其中调制组件根据记录信息调制曝光光源1发出的光强度，聚焦光学系统将经调制组件3调制的光聚焦在盘状光记录介质主盘11上的光致抗蚀剂12上，从而根据记录信息对光致抗蚀剂12进行构图曝光。
如图1所示，曝光光源1发射出的脉冲激光通过下面将要详细描述的高次高阶谐波发生组件2和啁啾校正光学系统4被反射镜1a反射，通过调制组件3被反射镜1b反射，并通过扩束器5进入聚焦光学系统9中。在聚焦光学系统9中，激光从自动聚焦光学系统通过四分之一波片7被反射镜1c反射，并通过物镜8a照射在例如光记录介质主盘11上预定的记录轨道位置上，在后一阶段对本实施方式的详细描述中将描述自动聚焦光学系统的一实例，而物镜8a距光记录介质主盘11的距离可通过电磁激励器8b和8c高精度地调节。另外，光记录介质主盘11被固定到转盘10上。在本实施方式中，转盘10通过旋转组件14如箭头a所示方向旋转，而聚焦光学系统9位于例如未示出的活动光学台上，借此聚焦光学系统可沿光记录介质主盘11的径向移动，以便将曝光的光线照射在光记录介质主盘的整个表面上。
而且，在本发明中，曝光光源1包括具有重复频率为记录信息时钟频率的一倍至二十倍范围内的整数倍的超短波脉冲激光器。
图2A示意地示出了自超短波脉冲激光光源发射出的脉冲信号的波形，图2B示意地示出了脉冲信号通过所述调制组件3叠加在记录信息信号波形S上时的波形。通过适当选择如图2A中所示脉冲P的间隔，如图2B中所示，其频率可叠加在记录信息信号S上，该频率为记录信息时钟信号C的一倍至二十倍的范围内的整数倍，在所示实例中，该频率为时钟信号的一倍。在图2B中，用虚线P’表示脉冲波形。因此，可根据记录信息进行与记录信息同步的曝光，对光致抗蚀剂构图曝光。
为了使曝光光源的超短波脉冲激光的重复频率与记录信息时钟频率的整数倍匹配，根据本发明，例如设置如图3所示的外同步机构。在图3中，附图标记30表示使用Ti：蓝宝石的超短波脉冲激光光源，附图标记50表示外同步机构。
首先，在超短波脉冲激光光源30中，来自于合适的组件如半导体激光器(未示出)的激励光Li0通过透镜31和球面镜32进入如Ti：蓝宝石之类的激光介质34中。另外，该激励光被高反镜35反射，然后入射到色散补偿棱镜36a和36b中。然后，激励光通过狭缝37被高反镜38反射。之后，激励光再次通过狭缝37，并通过色散补偿棱镜36b和36a、高反镜35和球面镜33返回激光介质34。作为曝光光，从激光介质34返回球面镜32的光通过输出窗口(输出耦合器)39和分束器40作为发射光Li2输出到外部。
而且，在本发明中，分束器40使用由光电二极管等构成的光电探测器41检测输出光部分。另外，相位检测器43比较光电探测器41的输出、即根据激光脉冲振荡的电信号与信息信号输出装置中时钟信号发生器42记录在光记录介质上的输出的彼此的相位。当选择重复频率高于时钟信号的两倍时，比较光电探测器的输出与频率为时钟信号发生器42发出的信号的整数倍的时钟信号的相位。然后，从相位检测器43输出的信号输入到由合适组件如PLL(锁相环)电路组成的控制单元44，从而将被转换成预定控制量的控制信号输入压电驱动单元45中，使固定于所述高反镜38的压电元件46沿光轴方向微小移动，从而可微调激光谐振腔的谐振长度。本实施方式中，谐振腔长度与从球面镜32到高反镜38的光路的长度相等。
通过这种结构，可使记录介质的时钟信号与激光器振荡脉冲之间产生的抖动等于或小于1ps。
而且，由于信息记录信号中的光调制器驱动信号也与时钟信号同步传输，其可与超短波脉冲激光器的脉冲振荡同步匹配。当将超短波脉冲激光光源的重复频率选择为时钟信号的一倍时，即，与时钟信号同步时，如果例如使用(1、7)调制码将信息记录在光致抗蚀剂上，则2脉冲照射在2T最短凹坑上。如果重复频率以两倍于时钟信号的频率外同步、即在所述蓝光光盘情形中为132MHz，则光学系统可以处于超短波脉冲激光器件内，从而谐振腔长度R可以选择满足R＝c/2L＝1136mm(附图标记c表示光速)。结果，4脉冲可以照射在2T最短凹坑上。
当将超短波脉冲激光器的重复频率选择为高于时钟频率十倍时，如前面所述可以将抖动控制在10％之内，从而不必通过外同步机构将重复频率选择为时钟频率的整数倍。当然，也可以通过外同步机构选择重复频率使之为时钟频率的整数倍，以便更可靠地控制抖动。
此处根据所使用的超短波脉冲激光器的输出，为了获得发生多光于吸收如双光子吸收所需的峰值输出，要求重复频率应选择为等于或小于时钟频率八倍的整数倍。
具体而言，当本发明应用于所述蓝光光盘或者时钟频率高于所述时钟频率的光记录介质时，要求选择重复频率使其为等于或小于时钟频率四倍的整数倍。
另外，当重复频率选择为处于一倍到四倍于时钟频率范围内的整数倍时，如果存在一个记录标记内的脉冲数量减小到可导致发生抖动的危险，则不记录如图2B所示的方波，而调节用于部分调节一个记录标记内激光输出的所谓记录补偿，从而可以对光量积分值的分布进行微调。结果，所形成的凹坑的形状得到校正，从而可以控制同步抖动等的减小。
根据本发明另一方面，在图1中所示的所述光记录介质主盘曝光装置中，曝光装置1由重复频率处于十倍到二十倍于记录信息时钟频率范围内的超短波脉冲激光器组成。
图4A示意地表示出从这种超短波脉冲激光光源发出的脉冲信号的波形，图4B示意地表示出该脉冲信号通过所述调制组件3叠加在记录信息信号波形S上时的波形。如图4A所示，适当选择脉冲p的间隔pt，以具有比图2C所示记录信息时钟信号C高十倍的频率，从而叠加在记录信息信号上面，如图4B所示。结果，光致抗蚀剂被准连续光曝光，因此可根据记录信息对光致抗蚀剂构图曝光。在图4A中，附图标记pw表示脉冲宽度。
由于随着激光振荡器重复频率的增大，无论平均输出如何，脉冲的峰值输出都会减小，后一阶段中产生高次高阶谐波的效率以及光致抗蚀剂双光子吸收效率将降低，因此选择超短波脉冲激光光源的重复频率，使其等于或小于时钟信号频率的二十倍。
并且，在本发明中，根据所述结构，曝光光源1与调制组件3之间设置有高次高阶谐波发生组件2，该发生组件用于发射通过使用非线性光学元件进行波长转换而得到的波长减小的光，其中使用超短波脉冲激光光源作为激励光源，如图1所示。
图5示意地表示出这种高次高阶谐波发生组件2的一实例的结构。
在图5中，分别用附图标记26表示二次谐波(SHG)产生单元，附图标记27表示延迟线单元，附图标记28表示三次谐波(THG)产生单元。入射到二次谐波产生单元26上的光Li通过聚焦透镜19a进入非线性光学晶体20，之后通过聚焦透镜19b被谐波分离器21a反射，产生光L2-1，或者如果不设置谐波分离器21a，则进入延迟线单元27中。
谐波分离器21b将入射在延迟线单元27上的光分离，产生基波L1和二次谐波L2-2。基波被反射镜22a、22b反射，从而进入三次谐波产生单元28，而二次谐波L2-2通过半波片23被反射镜22c、22d、21c反射，从而进入三次谐波产生单元28。
例如，如F.Rotermund等人在“Generation of the fourth harmonic of afemtosecond Ti：Sapphire laser”(Optics Letters，1998年7月1日，23卷，13期，第1040页)中所披露的，通过使用前面提到的中心波长为800nm的Ti：蓝宝石超短波脉冲激光器(重复频率为82MHz、脉冲宽度为85fs、平均输出为1.9W)、和使用非线性光学晶体LiB3O5(LBO)的I型临界相位匹配的二次谐波产生装置(SHG)，例如可获得中心波长为400nm、脉冲宽度为100fs、平均输出为600mW的超短波脉冲激光，不过由于群速度色散，脉冲宽度稍有扩展。
在二次谐波产生中采用I型相位匹配时，由于基波和二次谐波的偏振面被旋转90°，如图5示出的一实例那样，通过设置半波片23，二次谐波L2-2的偏振面可与基波的偏振面匹配，其中该半波片用于将二次谐波的相位与基波L1进入用于I型相位匹配的第二非线性光学晶体24之前的相位匹配。
此外，由于第一非线性光学晶体20内的波长色散，在基波L1发射之后发射二次谐波L2-2，基波L1在进入第二非线性光学晶体24之前通过所述延迟线单元27延迟。当基波L1的光路长度仅延长相当于基波和高次谐波被谐波分离器21b分离之后的延迟时间时，通过将基波与二次谐波合成得到延迟组件(参见C.Rulliere等人撰写的“Femtosecond LaserPulses”，Springer，第170页)。
然后，如图5所示，在三次谐波产生单元28中，合成光波进入非线性光学晶体24，并通过对这些信号混合求和而将三次谐波L3发射到外部。附图标记19c和19d表示聚光透镜，附图标记21d表示反射镜，附图标记25表示光束阻挡器，附图标记LO表示不期望的光。
设置各透镜19a至19d是为了增大晶体内的光束强度，并且为了提高转换效率。
由于超短波脉冲激光的峰值输出非常高，作为二阶非线性光学现象的二次谐波产生的转换效率与激光强度成正比地增加，可通过单一路径即光通过非线性光学晶体一次时的光路的设定获得高效率。不过，例如在使用脉冲宽度等于或小于100fs的超短波脉冲激光器产生高次高阶谐波时，由于非线性光学晶体的群速度色散，如果晶体较厚，则群速度出现失配，从而不能进行有效波长转换。当脉冲宽度为100fs且中心波长为800nm时，LBO的晶体长度例如应当选择为等于或小于1.5mm。
另外，通过将从所述高次高阶谐波发生组件发射出的例如中心波长为800nm的基波与例如中心波长为400nm的二次谐波的和频混合(SFM)，所述三次谐波产生单元28可产生中心波长为267nm、脉冲宽度为115fs且平均输出约为100mW的超短波脉冲激光。这种和频混合是一种与二次谐波产生类似的二阶非线性光学现象，并且可以使用例如非线性光学晶体BBO的I型临界相位匹配。由于所述原因，应当选择晶体的长度使之等于或小于0.4mm。
通过附加用于和频混合的非线性光学晶体(BBO)，可产生四阶高次谐波，从而可以获得波长为204nm的光源。可以获得340fs脉冲宽度和15mW平均输出。因此，从波长观点出发，可以使用具有足够的平均输出功率的直至四阶的高次谐波的光作为应用于本发明光记录介质主盘曝光装置和光记录介质主盘曝光方法的曝光光源。
如上所述，根据本发明，当使用高重复频率的脉冲振荡时，选择其脉冲宽度(FWHM)使其至少小于1ps(1×10-12秒)，通过调节脉冲宽度可有效地产生双光子吸收。
在本发明中，通过选择光致抗蚀剂的吸收峰波长使其至少小于曝光光源波长的一半，可获得下述效果。
也就是说，通过使用在曝光光源波长区域内透明且吸收半波长的材料作为光致抗蚀剂可有效控制普通吸收。
另外，当在整个厚度上使光致抗蚀剂曝光时，希望曝光光源的半波长存在于比光致抗蚀剂的吸收峰稍长的波长一侧。
当对光致抗蚀剂厚度例如选择为大约100nm的适当光记录介质如CD的主盘曝光时，如果对曝光光源和吸收系数为吸收峰波长吸收系数的百分之几的光致抗蚀剂进行选择，则仅光致抗蚀剂表面附近没有产生双光子吸收，而在整个厚度上产生吸收。在光致抗蚀剂厚度为大约40nm的用于光记录介质如蓝光光盘的主盘的情形中，如果选择曝光光源和吸收系数约为10％的光致抗蚀剂，则同样可在光致抗蚀剂的整个厚度上产生吸收，并且通过显影后曝光主盘基底表面而对光致抗蚀剂构图曝光。
无论是哪一种光源都应当注意以下几点。即，按照σλ·σt＝0.315·λ2/c(c：光速)计算超短波脉冲激光的带宽(FWHM)σλ，由此，当脉冲宽度σt为100fs、并且为双曲正割平方类型的傅里叶变换极限脉冲时，得到σλ＝6.7nm。因此，当使用NA等于或大于0.5的高NA透镜时，若使用例如消色差透镜作为物镜，则应使用例如用于显微镜等中的复消色差透镜。此外，由于仅在折射系统中产生色差，通过使用利用非球面凹面镜的聚焦光学系统可以避免所述问题发生。
此外，根据本发明，从聚焦光学系统出射之后聚焦在光致抗蚀剂上的束斑被转换成沿光束扫描方向的长方形束斑。结果，照射光量的分布得到扩展和平均，从而可顺利地获得如凹槽之类的线形图形。
为了使束斑呈长方形束斑，已参照图1描述的扩束器5例如是一种变形光学系统，也就是说，通过该系统，与光束扫描方向相比，在垂直方向光束直径可以扩展得更多。
更具体地说，最好通过使用柱面透镜、柱形凹镜、变形棱镜等将光束放大率的比率增大数倍。
作为上面参照图1已描述的用于调制光强的调制组件，可以适当地采用利用声光效应的声调制元件，其中，在由记录信息信号调制的压电元件、或由记录信息信号调制的利用泡克尔斯效应(Pockels effect)的电光调制元件驱动的声光元件内，借助于超声波光被布拉格衍射。
由于所有光学元件如前面所提到的透镜、波片和光学调制器都具有正群速度色散，即使通过调节使激光从曝光光源发射时脉冲宽度最小，当照射在光记录介质主盘的光致抗蚀剂上时，超短波脉冲激光也一定会发出啁啾声(Chirp)，且其脉冲宽度不可避免地会发生扩展。
因此，应当使用具有负群速度的啁啾校正光学系统作为图1中所示的啁啾校正光学系统4，在超短波脉冲光从曝光光源发射出之后预先对超短波脉冲光产生负啁啾，以消除负群速度色散，致使可以在光致抗蚀剂中获得最短脉冲。此处也可使用色散棱镜对、光栅对和啁啾反射镜作为这种啁啾校正光学系统4。
此外，可通过使用传统二次谐波产生方法的自动校正器测量调节脉冲宽度所需的脉冲宽度。
发明例1
下面，将参照图1描述本发明的光记录介质主盘曝光装置的一实例。在该发明例中，光记录介质主盘曝光装置包括由Ti：蓝宝石超短波脉冲激光光源组成的曝光光源1；使用该超短波脉冲激光器作为激励光源的高次高阶谐波发生组件2；啁啾校正光学系统4，其具有负群速度色散，以便当所述光源输出的脉冲通过多个光学组件时预先校正正群速度色散；用作调制光强度的调制组件的调制组件3，其利用与所提供的数据相应的电脉冲信号高速切换这些光束而调制光强度；聚焦光学系统9，其将经过调制组件3调制的光聚焦成衍射极限的光斑尺寸，以便将聚焦光照射在涂有光致抗蚀剂12的光记录介质主盘11上；以及扩束器5。
使用重复频率为66MHz的Ti：蓝宝石激光器作为超短波脉冲激光光源，该重复频率与所述蓝光光盘的时钟频率相同，其中心波长为816nm、脉冲宽度为80fs、平均输出为1.5W，即已经参照图2描述的使用Ti：蓝宝石作为激光介质34的超短波脉冲激光器。
然后，由参照图5已描述的高次高阶谐波发生组件3产生波长为408nm的二次谐波，或波长为272nm的三次谐波。在本实例中，采用执行I型相位匹配的LBO晶体，作为图5所示的二次谐波产生单元26的非线性光学晶体20。使用I型BBO作为三次谐波产生单元28的非线性光学晶体24。设置各透镜19a至19d是为了增大晶体内的光束强度，从而提高转换效率。可以获得平均输出为600mW、脉冲宽度(FWHM)为100fs的二次谐波光作为发射光，并且可以获得平均输出为120mW、脉冲宽度小于1ps的三次谐波光作为发射光。
使用布儒斯特棱镜对(Brewster prism pair)作为啁啾校正光学系统4。
如图1中所示，发射光被反射镜1a反射90°，并输送给调制组件3。使用信号调制带宽为80MHz的电光元件EOM作为调制组件3的光强调制器。由所谓的格式器(formatter)将位记录信号输送给该调制组件3，其中被记录在光记录介质主盘上的数据产生未示出的电脉冲信号。根据所述数据调制光。
经光学调制的光被反射镜1b反射90°，穿过扩束器5、自动聚焦光学系统6的例如偏振分束器(下面称作“PBS”)8a和四分之一波片7，被反射镜1c反射90°，通过具有高数值孔径NA的物镜8a，并照射在预先涂覆有光致抗蚀剂12的光记录介质主盘11上。
可使用i-线抗蚀剂(i-ray resist)(JSR公司制造，商标名为“PFRIX1110G”等)和Kr激光器原版盘制作抗蚀剂(mastering resist)(Nippon有限公司制造，商标名为“DVR-100”等)作为光致抗蚀剂12。
此时，物镜8a使用像差经过校正的高数值孔径NA值的透镜，波长λ＝267nm，将光束聚焦到衍射极限，致使聚焦光可以照射在光致抗蚀剂上。物镜8a包括消色差物镜，其由能充分透过该波长范围光的、如合成石英和硅质岩之类的材料制成。并且，光记录介质主盘11被固定在转台10上，而转台10通过如主轴电机之类的旋转装置13沿箭头a所示的方向旋转。
另一方面，高次高阶谐波发生组件2发射波长λ＝272nm的三次谐波光和波长λ＝408nm的二次谐波光。所述光的光程为通过所述各光学元件的光程，因此，光照射在光记录介质主盘11上。
从光记录介质主盘11反射回的返回光通过物镜8a、反射镜1c和四分之一波片7进入PBS 6a。该返回光两次通过四分之一波片7，从而被PBS 6a反射。结果，自动聚焦光学系统6的PBS 6a通过波长选择元件6b将返回光输送给聚焦误差量检测元件6c。波长选择元件6b适于利用多层干涉层等阻断具有曝光波长的光，因为大量具有曝光波长的三次谐波也被PBS 6a反射。
聚焦误差量检测元件6c通过适当方法如象散方法检测曝光光从该曝光光适当聚焦在光记录介质主盘11上的最适当的聚焦位置移动的位置移动量，并将所得到的检测量转换成电信号。所检测出的电信号被输送给构成自动聚焦伺服系统6的一部分的驱动控制单元6d。
所述象散方法是这样一种方法，其中柱面透镜设置在检测透镜后面，光电检测器自动利用象散检测所述位置移动量。由于这种柱面透镜仅在一个方向具有透镜作用，并且在垂直于该单一方向的方向具有与平行平板相同的作用，光不会聚在除检测透镜和柱面透镜的聚焦位置以外的其它位置，柱面透镜可以检测窄光束图像聚焦在其上时的聚焦误差信号。可通过控制聚焦误差信号而将物镜的聚焦位置保持在最佳聚焦位置，从而消除聚焦误差信号。
驱动控制单元6d根据电信号产生用于校正位移的驱动信号，并将该驱动信号输出给电磁激励器8b、8c，而沿上下方向微小地移动物镜8a。电磁激励器8b、8c通过驱动信号沿箭头b所示的上下方向、即沿物镜靠近或远离光致抗蚀剂的方向微小地移动物镜8a可以使光记录介质主盘11上的适当聚焦位置自动成为最佳位置，借此可在不损失光的条件下曝光光致抗蚀剂。
当使用数值孔径NA＝0.9的无像差透镜作为物镜时，对于艾里盘(Airydisc)，激光束斑尺寸可以减小到0.36μm。因此，当产生双光子吸收过程时，对光致抗蚀剂的曝光程度等效于 0.36 × ( 1 / 2 ) ≈ 0.25 ( μm ) 的束斑尺寸。
此时，如上所述，扩束器5由变形光学系统组成，以产生在光束扫描方向为细长形的长方形束斑形状，从而可以曝光成凹槽图形，并且与现有技术相比，所形成的凹槽宽度为非常小的图形。
通过旋转装置13使所形成的激光在光记录介质主盘11上旋转和扫描。同时，包括物镜的光学系统从盘中心(主盘中心)径向移动，借此光束以螺旋方式在主盘上扫描，以将光致抗蚀剂曝光，因此能高密度地在主盘上形成凹坑。
除所述i-线抗蚀剂以外，可以使用g-线正性抗蚀剂(g-ray positive typeresist)作为光致抗蚀剂12。因为抗蚀剂通过光子模式记录而发生光敏作用，并且在具有高重复频率的超短波脉冲光的情形中，可根据计算出的每单位面积的光子量确定光敏量。根据本发明，与用连续光照射抗蚀剂的情形不同，光致抗蚀剂难以通过热模式发生光敏作用。也就是说，可限制抗蚀剂增厚，并且抑制由于不必要的抗蚀剂引起的抗蚀剂温度升高导致的反应速度改变。因此，可形成更微小的凹坑。
尽管在所述的本发明实例中描述了具有816nm中心波长的超短波脉冲激光器的情形，不过Ti：蓝宝石超短波脉冲激光器能以大约760nm振荡，在此情形中，可通过所述相同方式使用波长为380nm的二次谐波光和波长为253nm的三次谐波光(应改变所有的中心设计波长)。但效率稍有下降，因此应增大用于激励超短波脉冲激光光源的激光介质的激励绿光激光器的能量。
此外，将用于混合和频的非线性光学晶体(例如BBO)加入本发明结构中时，可产生四次谐波(波长为204nm，平均输出为12mW)。在此情形中，通过使用数值孔径NA为0.9的无像差透镜，可以获得0.28μm的艾里斑作为光束束斑尺寸。
因此，可使用相当于 0.28 × ( 1 / 2 ) = 0.2 μm 的束斑尺寸曝光抗蚀剂。
在此情形中，使用KrF激光器(波长为248nm)或ArF激光器(波长为192nm)的抗蚀剂可以应用于高灵敏抗蚀剂。
尽管以上面提到的本发明实例1中的三阶高次谐波发生组件为例说明了高次高阶谐波发生组件，由于参照图5所述的高次高阶谐波发生组件具有彼此独立地分开的二次谐波产生单元及和频混合单元，二次谐波产生单元也可以用作曝光光源。在此情形中，二次谐波产生的转换系数比三次谐波产生的转换系数高，从而通过相同激励激光功率不仅可以产生高曝光能量的二次谐波，而且激光波长接近于可见光范围。结果，可以广泛使用各种玻璃材料，并使透镜设计更方便。此外，减少了对光学元件的限制。
发明例2
下面将描述发明例2。
在本发明例中，虽然光记录介质主盘曝光装置的材料和结构与上面提到的发明例1相同，但在激光能量强度增大约十倍的条件下使用曝光光源。
具体而言，本发明例采用Ti：蓝宝石作为激光介质的超短波脉冲激光光源作为曝光光源，其平均输出为2W，重复频率为66MHz，中心波长为816nm，脉冲宽度为80fs。
另外，为了增大高次高阶谐波的激光功率强度，大大地减小设置在相应非线性光学晶体20、24前面的聚光透镜19a、19b、19c、19d的焦距，以大大减小晶体内的束斑直径，从而增大激发光的电场强度。结果，增大了三次谐波的激光功率强度，从而获得了近似十倍于本发明的实例1的激光功率。当然，其脉冲宽度也稍有增大。
使从三次谐波产生单元28发射出的波长为272nm、脉冲宽度为130fs的超短波脉冲光照射在ArF激光光致抗蚀剂上，例如，可用以氟树脂为基的抗蚀剂作为这种光致抗蚀剂。
从峰值输出观点看，抗蚀剂表面上束斑内的光强度达到100GW/cm2，致使发生明显的双光子吸收，借此，光吸收、即作为抗蚀剂曝光过程的光化加成反应能提高几个百分点。此外，在本例中，通过使用数值孔径NA＝0.9的无像差透镜作为物镜，可以获得0.36μm的艾里斑，并且可以产生双光子吸收过程，因此，可以用艾里斑尺寸为 0 . 36 × ( 1 / 2 ) = 0.25 μm 的束斑曝光抗蚀剂。
用束斑强度分布的平方对抗蚀剂进行曝光。所述抗蚀剂相对于269nm的波长是透明的，因而不发生普通吸收。仅在具有高强度分布的部分发生双光子吸收过程。这种抗蚀剂不仅可用ArF激光(波长193nm)抗蚀剂(NipponZeon有限公司制造，商标名为“ZARF001”，等)替代，而且也可用正在研究的F2激光氟树脂为基的抗蚀剂替代。
在这种情况中，扩束器5由变形光学系统组成，以产生沿光束扫描方向延伸的长方形光斑形状，借此可以曝光生成凹槽宽度小于现有的凹槽宽度的凹槽图形。
另外，也是在本例中，当高次高阶谐波发生组件具有图5中所示结构时，即二次谐波发生组件与和频混合部分独立地彼此分隔开时，可使用二次谐波(波长403nm)作为曝光光源。在此情形中，理想的是采用ArF激光抗蚀剂(Nippon Zeon有限公司制造，商标名为“ZARF001”，等)或KrF激光抗蚀剂(JSR公司制造，商标名为“KRFM89Y”，等)作为光致抗蚀剂。
再者，由于双光子吸收的截面非常小，为了增大抗蚀剂的敏感性，可使用在抗蚀剂中加入了作为增感剂(sensitizer)的具有大的双光子吸收截面的有机染料的抗蚀剂。本发明的此实例具有与实例1类似的优点，并且拓宽了可利用的光致抗蚀剂的选择范围。
发明例3
下面，将参照图1描述本发明另一实施方式的光记录介质主盘曝光装置。在本实例中，光记录介质主盘曝光装置包括用作Ti：蓝宝石超短波脉冲激光光源的曝光光源1；使用该超短波脉冲激光器作为激励光源的高次高阶谐波发生组件2；啁啾校正光学系统4，其具有负群速度色散，以预先校正从这些光束输出的脉冲穿过多个光学组件时施加在脉冲上的正群速度色散；调制组件3，其用与所提供的数据相应的电脉冲信号通过高速切换这些发射的光束而调制光强度；扩束器5；以及物镜8a，物镜8a将经由调制组件3调制的光转换成覆有光致抗蚀剂12的光记录介质主盘11上的衍射极限光斑尺寸。
使用重复频率为750MHz、中心波长为816nm、脉冲宽度为80fs且平均输出为1.5W的Ti：蓝宝石激光器作为超短波脉冲激光光源，其中该重复频率为所述蓝光光盘时钟频率(66MHz)的十倍或高于十倍。
使用上面参照图5描述的高次高阶谐波发生组件3产生波长为408nm的二次谐波，或波长为272nm的三次谐波。在本例中，使用LBO晶体作为图5中所示二次谐波发生组件26的非线性光学晶体20，进行I型相位匹配。并且，使用BBO作为三次谐波产生单元28的非线性光学晶体24，进行I型相位匹配。设置各透镜19a至19d以增大晶体内的光束强度，从而提高转换效率。二次谐波光可以产生平均输出为20mW、脉冲宽度为100fs的发射光，三次谐波光可以产生平均输出为4mW、脉冲宽度(FWHM)为130fs(小于1ps)的发射光。
此外，在本例中，使用布儒斯特棱镜对作为图4所示的啁啾校正光学系统4。如图1所示，啁啾校正光学系统4发出的光被反射镜1a反射90°，然后输送至光强调制组件3。光强调制组件3中的光强调制器由具有50MHz信号调制带宽的电光元件EOM组成，并且被施加来自所谓格式器的凹坑记录信号，其中记录在光记录介质主盘上的信息通过输入端产生电信号，并根据该记录信息调制光。
如上所述，经过调制的光被反射镜1b反射90°，然后通过扩束器5和聚焦检测控制系统6的偏振分束器(PBS)6a和四分之一波片7，之后，被反射镜1c反射90°，穿过具有高数值孔径NA的物镜8a，照射在上面预先涂覆有光致抗蚀剂12的光记录介质主盘11上。
可使用i-线抗蚀剂(JSR公司制造，商标名为“PFRIX1110G”，等)和Kr激光原版制作抗蚀剂(Nippon Zeon有限公司制造，商标名为“DVR-100”，等)作为光致抗蚀剂12。
此时，物镜8a由具有高数值孔径NA值的物镜组成，对于例如波长λ为272nm的入射光校正物镜的像差，并且将光束聚焦到衍射极限，借此使光照射在光记录介质主盘上。此外，使用由适当材料如合成石英或硅质岩制成的、可使该波长范围的光充分透过的消色差物镜作为物镜8a。
高次高阶谐波发生组件2同时发射波长λ为272nm的三次谐波光和波长λ为408nm的二次谐波光。所述光的光程等同于穿过各光学元件的光程，借此使光照射在光记录介质主盘11上。其余结构与所述发明例1相同。
此外，在本发明例中，对于艾里盘，当使用数值孔径NA为0.9的无像差透镜作为物镜时，可以将激光束斑尺寸减小到0.36μm。因此，可以将光致抗蚀剂曝光到与 0.36 × ( 1 / 2 ) ≈ 0.25 ( μm ) 的束斑尺寸相应的程度。
所形成的激光束通过盘旋转机构在盘上旋转和扫描，同时包括所述物镜的光学系统从盘中心沿径向移动，借此使激光束在光盘上螺旋形扫描而使光致抗蚀剂曝光，以高密度地形成凹坑。使用g-线或i-线正性抗蚀剂作为光致抗蚀剂。由于在光子模式记录中曝光抗蚀剂，在高重复频率超短波脉冲光的情形中，可通过单位面积光子的计算量确定曝光量。根据本发明，与连续光照射在光致抗蚀剂上的情形不同，光致抗蚀剂难以通过热模式而曝光。也就是说，可防止由于抗蚀剂上不希望的温度升高而导致光致抗蚀剂膨胀，并且可以抑制反应速度的改变，因而可形成更微小的凹坑。
虽然针对中心波长为816nm的情形描述了本发明例3，但Ti：蓝宝石超短波脉冲激光器能以大约760nm的波长振荡。在此情形中，类似于所述组件的那些组件(应改变所有中心设计波长)可使用波长为380nm的二次谐波光和波长为253nm的三次谐波光。不过，效率略有降低，因而应增大激励绿光激光器的输出。
此外，考虑到可进一步增加用于混合和频的非线性光学晶体(BBO)，可利用产生的四次谐波(波长在200nm附近)。在此情形中，通过使用数值孔径NA为0.9的无像差透镜可以得到0.28μm的艾里斑作为束斑尺寸。因此，光致抗蚀剂可以曝光到与 0.28 × ( 1 / 2 ) ≈ 0.2 ( μm ) 的束斑尺寸相应的程度。尽管平均输出为大约几十毫瓦那样低，但可通过降低曝光光的扫描速度，即光记录介质主盘旋转速度解决光源的激光功率低的问题。
另外，尽管在上面提到的发明例3中用三次谐波发生组件作为高次高阶谐波发生组件，但因为上面参照图5描述的高次高阶谐波发生组件独立地分成二次谐波产生单元及和频混合单元，可使用二次谐波作为曝光光源。在此情形中，由于与三次谐波产生相比，二次谐波产生的转换效率更高，所以不仅可以在相同激发激光功率下获得曝光功率，而且激光波长接近于可见光范围。因此，可以广泛使用各种玻璃产生二次谐波，并且可很方便地设计透镜。此外，可以减小对光学元件的限制。
发明例4
下面，将描述发明例4。
在本发明例中，虽然光记录介质主盘曝光装置的材料和结构实际上与实例3完全相同，不过为了增大高次高阶谐波的激光功率强度，将设置在各非线性光学晶体前面的聚光透镜的焦距大大减小，以便减小束斑直径，因而可提高波长转换效率。
此外，在本发明例中，使用重复频率为750MHz、中心频率为816nm、脉冲宽度为80fs且平均输出为1.5W的Ti：蓝宝石超短波脉冲激光器作为曝光光源1。
当从三次谐波发生组件发射出的波长为272nm、脉冲宽度小于1ps的130ps超短波脉冲光照射在ArF激光光致抗蚀剂如氟树脂上时，从峰值输出观点看，抗蚀剂表面上束斑内的光强度达到100GW/cm2，因而可明显发生双光子吸收，以吸收百分之几的光子，也就是说，明显发生作为抗蚀剂曝光过程的光化反应。根据本发明例，通过使用数值孔径NA＝0.9的无像差透镜作为物镜，可以得到0.36μm的艾里斑，并且可以用 0.36 × ( 1 / 2 ) ≈ 0.25 μm 的艾里斑尺寸曝光光致抗蚀剂。
如上所述，用束斑强度分布的平方对光致抗蚀剂进行曝光。即，在此情形中，由于抗蚀剂对波长272nm的光透明，在该抗蚀剂中不会发生普通吸收，仅在具有高强度分布的部分中局部地发生双光子吸收过程。因而，在这种情形中，不仅可以用ArF激光(波长为193nm)抗蚀剂(Nippon Zeon有限公司制造，商标名为“ZARF001”，等)替代该抗蚀剂，而且可以用正在研制的F2激光以氟为基的树脂抗蚀剂替代该抗蚀剂。
此外，在本发明例中，由于高次高阶谐波发生组件具有如图5中所示的二次谐波发生组件与和频混合部分彼此独立地分离的结构，可使用二次谐波(波长为403nm)作为曝光光源。在此情形中，此处希望使用ArF激光抗蚀剂(Nippon Zeon有限公司制造，商标名为“ZARF001”，等)或KrF激光抗蚀剂(JSR公司制造，商标名为“KRFM89Y”，等)作为光致抗蚀剂。
此外，在这种情况中，为了提高抗蚀剂的敏感度，可使用添加有具有大的双光子吸收截面的有机染料作为增敏剂的抗蚀剂作为这种抗蚀剂。本发明例具有与所述的发明例相同的优点，并且可以拓展利用光致抗蚀剂的选择范围。
在上面提到的发明例3和4中，选择超短波脉冲激光器的重复频率，使其为光记录介质记录信息的时钟频率的十倍或大于十倍，借此可以选择使重复频率与光记录介质记录信息的时钟频率之间的偏差等于或小于时钟的1/10，因此可将抖动抑制成等于或小于10％。
此外，如上所述，如果重复频率增加得太大，则脉冲的峰值输出降低，难以发生双光子吸收，从而不能高分辨率地曝光图形。因此，在所述本发明中，考虑到目前可获得的超短波脉冲激光光源的最大输出和当前正在研究的各种光记录介质的时钟频率，将重复频率的极限选择为等于或者小于待曝光的光记录介质时钟频率的大约二十倍。
再者，尽管在所述实施方式和各发明例中以Ti：蓝宝石超短波脉冲激光器为例进行了描述，但本发明不限于此，可使用多种超短波脉冲激光光源。
例如，可以用目前可从市场上购得的Nd：钒酸盐(vanadete)超短波脉冲激光器激励半导体激光器。这种超短波脉冲激光器使用半导体饱和吸收反射镜(SESAM)，并且中心波长为1064nm，脉冲宽度为7ps，平均输出为几瓦，重复频率在25MHz到1GHz范围内。中心波长为917nm的这类超短波脉冲激光器也可以从市场上购得。此外，使用固态激光介质如Cr:LiSAF；Nd：玻璃的超短波脉冲激光器具有等于或小于100fs的脉冲宽度和850nm及1058nm的中心波长。
在高次高阶谐波发生组件中，作为包括和频混合、二次谐波产生和四次谐波产生等的非线性光学晶体，除了BBO以外，还可以列出KDP、KTP、LN或周期偏振转换型KTP(PPKTP)、PPLN、LBO、LiIO2、CBO等。
另外，尽管以微凹坑和凹槽的曝光为例描述了本发明，由于对本发明的曝光光源可以与现有的连续光光源一样处理，不仅可以形成微凹坑和凹槽，而且通过使用有效利用声光效应或泡克尔斯效应的偏光器可以同样形成摆动地址。
此外，本发明不限于盘形光记录介质主盘的曝光装置和曝光方法，可以应用于使用高精度线形激励器取代图1中所示旋转装置13的X-Y线形扫描系统的激光写入装置，或者除旋转系统和X-Y线形扫描系统以外还包括Z-方向滑动机构的三维微型加工装置。
在本发明的光记录介质主盘曝光装置和光记录介质曝光方法中，调节从曝光光源输出的超短波脉冲激光的重复频率脉冲，或者从使用该超短波脉冲激光器作为激励光源的高次高阶谐波发生组件输出的具有短波长的超短波脉冲激光的重复频率脉冲，使其为记录在光记录介质上的信息信号时钟频率的一倍至二十倍范围内的整数倍，从而对光致抗蚀剂曝光。结果，可发生双光子吸收过程，与现有技术相比，可以高精度地形成近似等于或小于0.25μm的非常小的凹坑。
此外，由于将超短波脉冲激光器的脉冲宽度选择为等于或小于1×10-12秒，可更有效地产生双光子吸收过程，从而可形成小于曝光光源波长的衍射极限的更微小的凹坑。
另外，在上面提到的本发明中，由于照射在光记录介质主盘上的激光束斑形成为长方形束斑，还可以将具有沿凹槽等的扫描方向延伸的图形的信号构图曝光为令人满意的形状。
此外，根据本发明另一方面，由于调节从曝光光源输出的超短波脉冲激光的重复频率脉冲，或者从使用该超短波脉冲激光器作为激励光源的高次高阶谐波发生组件输出的具有短波长的超短波脉冲激光的重复频率脉冲，使其处于记录信息信号时钟频率的一倍至二十倍范围内，该脉冲激光经过用于调制光强的调制组件的调制，再通过聚焦光学系统聚焦成衍射极限的束斑尺寸，从而对光致抗蚀剂曝光，可以将光致抗蚀剂曝光成小于现有技术的图形。
尤其在这种情形中，由于发生双光子吸收过程，并且高次高阶谐波发生组件使用具有更短波长的超短波脉冲激光，可以曝光生成等于或小于0.25μm的更小的图形。
另外，根据所述本发明，由于将超短波脉冲激光器的脉冲宽度选择为等于或小于1×10-12秒，从而可更有效地发生双光子吸收过程，在满足曝光光源波长的衍射极限下，可形成更小凹坑。
此外，根据本发明的所提到的各个方面，不使用具有高数值孔径的SIL的近场光学系统而使用远场光学系统可以充分增大工作距离，并且可以增大光致抗蚀剂曝光时所需的旋转速度，从而可以显著提高生产率。

Claims (20)

1.一种光记录介质主盘曝光装置，包括一调制组件，该调制组件根据记录信息调制曝光光源发出的光强度；和一聚焦光学系统，该系统用于将经过所述调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，从而根据所述记录信息构图曝光所述光致抗蚀剂，所述光记录介质主盘曝光装置的特征在于，所述曝光光源由重复频率处于一倍至二十倍于所述记录信息时钟频率范围内的整数倍的超短波脉冲激光器组成；所述光记录介质主盘曝光装置包括一外同步机构，用于改变所述超短波脉冲激光器的谐振腔长度，以便将所述超短波脉冲激光器的重复频率锁模成与所述时钟频率同步，从而使所述超短波脉冲激光器发射脉冲。
2.根据权利要求1所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，所述曝光光源和所述调制组件之间设有使用所述超短波脉冲激光光源作为激励光源的一高次高阶谐波发生组件，以便使用一非线性光学元件通过波长转换发射出波长减小的光。
3.根据权利要求1所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，通过双光子吸收过程将所述光致抗蚀剂曝光。
4.根据权利要求2所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，通过双光子吸收过程将所述光致抗蚀剂曝光。
5.根据权利要求3所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，所述曝光光源的脉冲宽度等于或小于1×10-12秒。
6.根据权利要求4所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，所述曝光光源的脉冲宽度等于或小于1×10-12秒。
7.根据权利要求3所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，从所述聚焦光学系统出射后聚焦在所述光致抗蚀剂上面的激光的束斑形状为沿所述激光扫描方向延伸的长方形束斑形状。
8.根据权利要求4所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，从所述聚焦光学系统出射后聚焦在所述光致抗蚀剂上面的激光的束斑形状为沿所述激光扫描方向延伸的长方形束斑形状。
9.一种光记录介质主盘曝光方法，包括根据记录信息调制曝光光源发出的光强度；以及将经过所述调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，从而根据所述记录信息构图曝光所述光致抗蚀剂的步骤，所述光记录介质主盘曝光方法的特征在于，所述曝光光源包括重复频率处于一倍到二十倍于所述记录信息时钟频率范围内的整数倍的一超短波激光器，所述光记录介质主盘曝光方法包括用于改变所述超短波脉冲激光器谐振腔长度的一外同步机构，以便将所述超短波脉冲激光器的所述重复频率锁模成与所述时钟频率同步，从而使所述超短波脉冲激光器发射出脉冲。
10.根据权利要求9所述的光记录介质主盘曝光方法，其特征在于，一高次高阶谐波发生组件使用所述曝光光源作为激励光源，从所述曝光光源发射出光，并且使用非线性光学元件通过波长转换减小其波长。
11.根据权利要求9所述的光记录介质主盘曝光方法，其特征在于，从所述聚焦光学系统出射后聚焦在所述光致抗蚀剂上面的激光的束斑形状为沿所述激光扫描方向延伸的长方形束斑形状。
12.根据权利要求10所述的光记录介质主盘曝光方法，其特征在于，从所述聚焦光学系统出射后聚焦在所述光致抗蚀剂上面的激光的束斑形状为沿所述激光扫描方向延伸的长方形束斑形状。
13.一种光记录介质主盘曝光装置，包括一调制组件，该组件根据记录信息调制曝光光源发出的光强度；和聚焦光学系统，该系统用于将经过所述调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，从而根据所述记录信息构图曝光所述光致抗蚀剂，所述光记录介质主盘曝光装置的特征在于，所述曝光光源由重复频率处于十倍至二十倍于所述记录信息时钟频率范围内的超短波脉冲激光器组成。
14.根据权利要求13所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，所述曝光光源和所述调制组件之间设置有使用所述超短波脉冲激光光源作为激励光源的高次高阶谐波发生组件，该发生组件使用非线性光学元件通过波长转换发射出波长减小的光。
15.根据权利要求13所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，通过双光子吸收过程将所述光致抗蚀剂曝光。
16.根据权利要求14所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，通过双光子吸收过程将所述光致抗蚀剂曝光。
17.根据权利要求15所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，所述曝光光源的脉冲宽度等于或小于1×10-12秒。
18.根据权利要求16所述的光记录介质主盘曝光装置，其特征在于，所述曝光光源的脉冲宽度等于或小于1×10-12秒。
19.一种光记录介质主盘曝光方法，包括根据记录信息调制曝光光源发出的光强度；以及将经过所述调制组件调制的光聚焦在光记录介质主盘上的光致抗蚀剂上，从而根据所述记录信息构图曝光所述光致抗蚀剂的步骤，所述光记录介质主盘曝光方法的特征在于，所述曝光光源包括重复频率处于十倍到二十倍于所述记录信息时钟频率范围内的整数倍的一超短波激光器。
20.根据权利要求19所述的光记录介质主盘曝光方法，其特征在于，一高次高阶谐波发生组件使用所述曝光光源作为激励光源，从所述曝光光源出射光，并且使用一非线性光学元件通过波长转换减小其波长。
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