JP2003272187A

JP2003272187A - フォーカス制御装置及び光ディスク原盤露光装置

Info

Publication number: JP2003272187A
Application number: JP2002077460A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yanagi; 柳　　雅士; Nobuo Kimura; 信夫木村; Tetsuo Ando; 哲生安藤; Hidekazu Nakamoto; 英和中元
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】色消しでない対物レンズを使用した場合、記録
光を平行光で対物レンズに入射させたときの合焦点に、
フォーカス光の合焦点を合わせるにはフォーカス光を対
物レンズに平行光でない状態で入射する必要がある。そ
のため、原盤の位置の変動に追従するための対物レンズ
の上下動作でフォーカス光の光路長が変化し、フォーカ
ス光の合焦点が変化してフォーカス精度が悪化するとい
う問題点があった。【解決手段】対物レンズの上下の変位量を検出すること
で、フォーカス光の光路長の変化を検出し、この変化分
を補正する働きを追加する構成とする。【効果】フォーカス状態を維持するのに必要な分だけ対
物レンズを駆動することで、フォーカス精度の向上を図
ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォーカス制御方
法および装置と、それを用いた原盤露光装置に係り、特
に光ディスク等の原盤を作成するための原盤露光装置に
好適なフォーカス制御方法および装置と、それを用いた
原盤露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原盤露光装置では原盤と対物レンズの間
隔を一定に保つフォーカス制御装置が用いられている。
フォーカス制御用のフォーカス光で原盤が露光されない
ように、記録光の波長とフォーカス光の波長は異なる。
従来、原盤露光用の対物レンズは色消しレンズと呼ばれ
る、波長の違いで合焦位置が変わらないレンズが使用さ
れていた。そのため、フォーカス光も記録光も平行光で
対物レンズに入射することが可能で、原盤の位置の変動
に追従するための対物レンズの上下動により、光路長が
変化することでフォーカス精度が悪化することはなかっ
た。

【０００３】上記従来技術に関連するものとしては、例
えば、特開平７−７３４９１号公報が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では対物
レンズに色消しレンズが使用されていたので、記録光で
ある露光用レーザ光の波長とフォーカス光であるフォー
カス用レーザ光との波長が異なっていても、波長による
焦点距離の差はなかった。しかしながら、次世代用の深
紫外域の波長のように対物レンズとして、まだ色消しレ
ンズが存在しない波長域のものがある。対物レンズが色
消しレンズで無い場合、記録光を平行光で対物レンズに
入射させたときの合焦点にフォーカス光の合焦点を合わ
せるには、波長の違いによる屈折分を考慮し、フォーカ
ス光を対物レンズに平行光でない状態で入射させる必要
がある。そのため、原盤の位置の変動に追従するための
対物レンズの上下動作でフォーカス光の光路長が変化し
た際に、フォーカス光の合焦点が変化してフォーカス精
度が悪化するという問題点がある。すなわち後述する図
１に示した構成のように、対物レンズ３に市販の深紫外
域波長（２５０ｎｍ付近）の対物レンズを使用し、凸レ
ンズ１２（焦点距離ｆ＝２.０mm ）と対物レンズ３間の
距離を１５０mmとした時、原盤４が１μｍ下降し、これ
に追従させて対物レンズ３が１μｍ下降した時、すなわ
ち光路長が１μｍ伸びた時、フォーカス光と記録光の合
焦点は約４０ｎｍずれる。原盤４の平坦度は仕様上１０
μｍ程度であるため、記録光の合焦点とフォーカス光の
合焦点は、最大４００ｎｍ程度のずれが生じることにな
る。これは深紫外域の波長の記録光の焦点深度と同程度
であり、フォーカス精度に影響してしまう。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、対物レンズの上下の変位量を検出す
ることで、フォーカス光の光路長の変化を検出し、この
変化分を補正する働きを追加することでフォーカス精度
の向上を図るものである。

【０００６】上記目的は、対物レンズの上下の変位量を
検出し、フォーカス光の光路長の変化を検出して、フォ
ーカス状態を維持するのに必要な分だけ対物レンズを駆
動するフォーカス制御方法とすることにより、達成され
る。

【０００７】また、上記目的は、フォーカス光を使用す
るフォーカス制御装置において、フォーカス光の光路長
変化を検出する手段と、該検出した変化量に基づいて対
物レンズの位置を補正する手段とを具備したフォーカス
制御装置とすることにより、達成される。

【０００８】さらに、上記目的は、フォーカス光の光路
長の変化を検出する手段と、該検出した変化量に基づい
て対物レンズの位置を補正する手段とを具備するフォー
カス制御装置を有した原盤露光装置とすることにより、
達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るフォーカス制
御装置の実施の形態を図面に従って説明する。図１は本
発明のフォーカス制御装置の構成を示す図である。この
フォーカス制御装置は、光学部と制御部の２つに大別さ
れる。光学部は原盤（被照射体）４に照射するフォーカ
ス光２を発生させる光源１と、このフォーカス光２を原
盤４に収束照射する対物レンズ３と、原盤４からの反射
光５を受光検出して２つの出力Ａ，Ｂ（６ａ，６ｂ）を
出力する二分割受光素子６からなる。また、制御部は二
分割受光素子６からの出力Ａ，Ｂ（６ａ，６ｂ）から演
算により対物レンズ制御信号８を得る制御演算部７と対
物レンズ制御信号８により対物レンズ３を駆動するドラ
イバ回路９および対物レンズ駆動部４０から構成され
る。対物レンズ３は原盤４の上方に配置され、対物レン
ズ駆動部４０の駆動により原盤４に対して垂直なＺ方向
に移動する構成とされている。対物レンズ駆動部４０
は、通常レンズホルダ４２、およびレンズホルダ４２を
支持する板バネ４３，コイル４４，マグネット４５で構
成される。対物レンズ制御信号８はドライバ回路９でコ
イル４４を駆動するコイル電流に変換され、コイル４４
に流れる電流を変化させることでレンズホルダ４２およ
びレンズホルダ内に格納された対物レンズ３をＺ方向に
（上下に）変位させる。

【００１０】フォーカス制御系では、光源１から照射さ
れたフォーカス光２は、対物レンズ３に入射し、対物レ
ンズ３で屈折した後に原盤４で反射され、再び対物レン
ズ３で屈折して反射光５となり二分割受光素子６に入射
する。二分割受光素子６の２つの出力Ａ，Ｂ（６ａ，６
ｂ）は対物レンズ３と原盤４の距離に応じて変化するた
め、この出力値Ａ，Ｂを制御演算部７に入力して、対物
レンズ３の移動量を計算し、対物レンズ制御信号８をド
ライバ回路９を介して対物レンズ駆動部４０に与えるこ
とで対物レンズ３の原盤４に対するフォーカス状態を制
御している。具体的な一例としてスキュー方式では二分
割受光素子の差信号Ａ−Ｂを用いる。差信号Ａ−Ｂは図
３に示すように、Ｓ字カーブと呼ばれる特性を示す。対
物レンズ３と原盤４の距離が対物レンズ３の合焦距離に
近い領域では、対物レンズ３と原盤４の距離が対物レン
ズ３の合焦距離に一致した時、差信号は０になり、レン
ズ間距離がこの合焦距離より短い時は正、長い時は負の
値を取る。これにより差信号Ａ−Ｂの極性および大きさ
を検出し、差信号Ａ−Ｂが常に０になるように、対物レ
ンズ制御信号８をドライバ回路９を介して対物レンズ駆
動部４０に与えることで、対物レンズ３の原盤４に対す
るフォーカス状態を制御することができる。

【００１１】こうして、制御系は、出力Ａ，Ｂの差が０
となるような負帰還制御を行い、図３のようなＳ字カー
ブ特性に従った引き込み動作がなされ、制御系に外乱が
無い場合には、制御系の動作点はＳ字カーブの中心点
（原点）に引き込まれ、制御系の動作は安定化される。

【００１２】光源１から生成されたフォーカス光２は凹
レンズ１１と凸レンズ１２の組み合わせで平行光でない
状態に調整されて、対物レンズ３に入射させる。これは
対物レンズ３が色消しレンズでないため記録光１６とフ
ォーカス光２を共に平行光で入射すると互いと合焦点が
一致しないためである。一例として、市販の２５７ｎｍ
用の対物レンズでは２５７ｎｍの記録光を平行光で入射
した時の合焦点に波長６５０ｎｍのフォーカス光の合焦
点を一致させるためにはフォーカス光の入射ビーム径を
３.３mm とした時、５.５度の入射角をつける必要があ
る。このようにフォーカス光２は平行光でない状態で対
物レンズ３に入射するため、対物レンズの上下動でフォ
ーカス光２および反射光５の光路長が変化し、光路長の
変化分、反射光５の位置が変化し、二分割受光素子６の
出力が変化する。その結果、制御演算部７の出力の対物
レンズ制御信号８に影響し、対物レンズ駆動部４０でフ
ォーカス状態を維持するのに必要な分に加えて光路長の
変化分も対物レンズを駆動してしまい、フォーカス精度
を悪化させてしまう。

【００１３】すなわち、フォーカス光２は非平行光なの
で、原盤４の上下方向の移動に従って対物レンズ３が移
動すると凸レンズ１２と対物レンズ３との距離が変化
し、フォーカス光の焦点位置が変化する。図４（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示すように、凸レンズ１２と対物レン
ズ３との距離に従って、入射距離ａ，ａ′，ａ″が変化
するので結像距離ｂ，ｂ′，ｂ″も変化する。図４
（ａ）を基準とすれば、図４（ｂ）では凸レンズ１２と
対物レンズ３との距離が短くなり、入射距離ａ′は長く
なり、結像距離ｂ′も長くなる。図４（ｃ）では、これ
とは逆に、入射距離ａ″，結像距離ｂ″ともに短くな
る。

【００１４】図１に戻るに、記録光１６は、フォーカス
系とは異なる系から入射され、凸レンズ１２と対物レン
ズ３との中間に設けられたハーフミラー１７で原盤４方
向に反射され、原盤４のレジスト層を露光する。

【００１５】ここで、記録光は平行光であるため、対物
レンズ３の上下方向の移動があっても結像距離は変化し
ない。従って、図４（ａ）の状態においてはフォーカス
光の結像距離と記録光の結像距離がともにｂに一致して
いるが、図４（ｂ）では、フォーカス光の結像距離ｂ′
は記録光の結像距離ｂよりも長くなり、図４（ｃ）では
フォーカス光の結像距離ｂ″は記録光の結像距離ｂより
短くなる。この関係を図５に示す。

【００１６】そこで、この対物レンズの変位量を対物レ
ンズ変位検出部５０で検出しＡＦ補正部１３でフォーカ
ス光２の光路長の変化分を検出し、この光路長の変化分
が対物レンズ制御信号８におよぼす量を演算し、補正信
号１４を制御演算部７に入力することにより対物レンズ
制御信号８にフォーカス状態を保つのに必要な適正な信
号を出力することでフォーカス精度の向上を図るもので
ある。

【００１７】対物レンズ変位検出部５０はレーザ変位計
５２とレーザ変位計からの測定用レーザ光の方向を変化
させるミラー５３から構成される。対物レンズ変位信号
５１は、対物レンズ３とレーザ変位計５２との距離に対
応した電圧を出力する。

【００１８】図２に制御演算部７及びＡＦ補正部１３の
一実施例の概略構成図を示す。制御演算部７では、二分
割受光素子の出力Ａ，Ｂ（６ａ，６ｂ）は減算器２３に
より差信号（Ａ−Ｂ）２４を生成する。差信号２４を増
幅器２５で増幅しこれに、オフセット設定器２１の出力
及びＡＦ補正部１３の出力である補正信号１４をオフセ
ット加減算器２６で加減算し、これを増幅器２７で増幅
して対物レンズ制御信号８を生成する。増幅器２７はゲ
イン設定器２２で増幅度を設定可能である。対物レンズ
制御信号８から二分割受光素子６の出力Ａ，Ｂ（６ａ，
６ｂ）間は、図１に示す駆動系および光学系を介してフ
ィードバックループを構成しており、ゲイン設定器２２
はこのループゲインを設定している。またオフセット設
定器２１は差信号２４上の動作点をシフトすることで記
録光とフォーカス光の合焦点をずらす働きをする。この
オフセット設定により記録光とフォーカス光２の合焦点
の微調整が可能になる。通常このオフセット設定器２１
の出力は直流で常に一定値で使用する。

【００１９】ＡＦ補正部１３では対物レンズ変位信号５
１をローパスフィルター３１で高周波分を除去し、この
信号から直流分減算器で、ある一定の直流分を除去し対
物レンズ変位信号５１の低周波成分（０〜２００Ｈｚ）
のみを抽出する。

【００２０】対物レンズの変位はボイスコイルの駆動に
よってなされるので、高周波成分は含まれず、対物レン
ズ変位信号５１の高周波成分はノイズ分と考えられるた
めローパスフィルター３１によってこれを除去する。次
に、ＡＦ補正に必要な信号は、図４（ａ）の状態から、
対物レンズがどれだけ変位したかであるため、対物レン
ズ変位信号５１からこの状態での直流分を引いた信号を
得るため、直流分減算器３２で、この直流分を減じる。
なお図４（ａ）の状態での直流分の値は実験により得る
ことができる。これらの演算により、記録光の合焦点付
近での対物レンズの変位量、すなわちフォーカス光の光
路長の変化量を得ることができる。

【００２１】すなわち、対物レンズ変位信号５１の低周
波成分は対物レンズの合焦点付近での上下の変位量を表
している。対物レンズの変位量とフォーカス光の光路長
（凸レンズ１２と対物レンズ３との距離）の変化分は等
しいので、この低周波成分を増幅器３３で適切な感度に
増幅することでＡＦ補正信号１４を生成することができ
る。この補正信号１４を制御演算部７のオフセット加減
算器２６に入力することによりフィードバックループを
構成している。増幅器３３については、光路長の変化分
と補正量は実験結果から直線関係となっているため、補
正量は適切なゲインをもつ増幅器で得ることができる。

【００２２】すなわち、低周波成分をフィードバックル
ープの外乱として加えることにより、図３に示すＳカー
ブ上で、動作点を原点からずれた位置に移動させること
ができ、この結果、対物レンズ３の位置にオフセットが
もたらされ、図４（ｂ）の場合は下側に移動し、図４
（ｃ）の場合は上側に移動して、原盤４と対物レンズ３
との距離はｂに維持される。

【００２３】なお、本実施例で増幅器３３を使用した直
線近似の例であるが、これに限定したものではなく光路
長の変化分を対物レンズの駆動量に変換する手段があれ
ばよい。

【００２４】それ故、本発明は図１に示すスキュー方式
のオートフォーカスに限られるものではなく、非点収差
方式や、ナイフエッジ方式のオートフォーカスにも適用
可能である。

【００２５】ここで図１の対物レンズ駆動部４０および
対物レンズ変位検出部５０の構造の一例を図６に示す。

【００２６】図６において、対物レンズ駆動部４０は、
レンズホルダ４２，板バネ４３，コイル４４，マグネッ
ト４５より構成されている。対物レンズ３を接着したレ
ンズホルダ４２は、原盤４に垂直なＺ方向に可動するよ
うＺ方向の２箇所（Ａ面とＢ面、Ｂ面は図を略す）で各
々３枚の板バネ４３で保持されており、コイル４４に流
す電流に応じて対物レンズ３及びレンズホルダ４２はＺ
方向に駆動される。

【００２７】レンズホルダ４２はボイスコイル４１によ
り原盤４に垂直なＺ方向に駆動される。レーザ変位計５
２は分解能０.１μｍ，作動距離１０mm程度のものが市
販されている。対物レンズ３には上方から記録光１６及
びフォーカス光２が入射するため、対物レンズ３の上方
はそれらの光学部品が設置されることが多い。また対物
レンズ３上方をコンパクトに設計するため、本実施例は
レーザ変位計５２はレーザの照射方向を横方向に設置し
ている。この場合、検出部のレンズホルダ端面Ｃ部には
ミラー５３を介して破線のようレーザ変位計の測定用レ
ーザは照射される。レーザ変位計５２はミラー５３を介
してレンズホルダ４２の上端部に入射するレーザ光を発
生するレーザ光と、レンズホルダ４２の上端部で反射し
た反射レーザ光を受光する光電変換素子を有する。この
レーザ光はレンズホルダ４２の移動方向に対して斜め方
向で入射してレンズホルダ４２の上端部でさらに斜め方
向に反射するように進行路が定められているので、レン
ズホルダ４２の上下位置により光電変換素子に受光され
る受光量が異なるため、光電変換素子が発生する電気信
号もレンズホルダ４２の上下位置に応じたものとなる。
このようなレーザ変位計５２は、例えばキーエンス社製
のＣＣＤレーザ変位センサＬＫ−３１００がある。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によると、対物レ
ンズ駆動部４０でフォーカス状態を維持するのに必要な
分に加えて、光路長の変化分も対物レンズを駆動し、フ
ォーカス精度が悪化していたのを、対物レンズ変位検出
部５０で対物レンズの変位、すなわちフォーカス光２お
よび反射光５の光路長の変化分を検出し、この光路長の
変化分が対物レンズ制御信号８におよぼす量を、ＡＦ補
正部１３で演算し、補正信号１４を制御演算部７に入力
し光路長の変化分が対物レンズ制御信号８に及ぼす量を
減じることにより、対物レンズ制御信号８にフォーカス
状態を保つのに必要な適正な信号を出力することでフォ
ーカス状態を維持するのに必要な分だけ対物レンズを駆
動することで、フォーカス精度の向上を図ることが可能
となる。

【００２９】以上、本発明の実施例によれば、色消しの
対物レンズを用いることなく、精度の良いフォーカス制
御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフォーカス制御装置の一例を示す概略
構成図である。

【図２】図１に示したフォーカス制御装置の制御演算部
及びＡＦ補正部の一例を示す概略図である。

【図３】図１の制御演算部で処理される差信号の波形図
である。

【図４】図１で用いられる非平行フォーカス光の、対物
レンズと凸レンズとの距離に応じた焦点距離の変化を示
す図である。

【図５】対物レンズと凸レンズとの距離に応じた平行記
録光と非平行フォーカス光との焦点距離の関係を示す図
である。

【図６】対物レンズ駆動部および対物レンズ変位検出部
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１…光源、２…フォーカス光、３…対物レンズ、４…原
盤、５…反射光、６…二分割受光素子、６ａ…出力Ａ、
６ｂ…出力Ｂ、７…制御演算部、８…対物レンズ制御信
号、９…ドライバ回路、１１…凹レンズ、１２…凸レン
ズ、１３…ＡＦ補正部、１４…補正信号、１６…記録
光、１７…ハーフミラー、２１…オフセット設定器、２
２…ゲイン設定器、２３…減算器、２４…差信号、２
５，２７，３３…増幅器、２６…オフセット加減算器、
３１…ローパスフィルター、３２…直流分減算器、４０
…対物レンズ駆動部、４２…レンズホルダ、４３…板バ
ネ、４４…コイル、４５…マグネット、５０…対物レン
ズ変位検出部、５１…対物レンズ変位信号、５２…レー
ザ変位計、５３…ミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤哲生山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者中元英和山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内Ｆターム(参考） 2H044 DA01 DC02 2H051 AA14 BB27 5D118 AA13 AA21 BA01 BB09 CA11 CA22 CD02 CF03 CG03 CG07 CG17 CG26 DC03 EA01 5D121 BB21 BB38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動の対物レンズと、上記対物レンズを挟んで目標物と反対側に設けられ、上
記対物レンズを通過して所定位置で結像する平行光を発
生する平行光発生手段と、上記対物レンズを挟んで目標物と反対側に設けられ、上
記対物レンズを通過して所定位置で結像する非平行のフ
ォーカス光を発生するフォーカス光発生手段と、上記目標物上での上記フォーカス光の結像状態を検出す
るフォーカス検出手段と、このフォーカス検出手段からの検出結果に応じて上記対
物レンズの位置を制御する自動フォーカス制御手段と、上記対物レンズの位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段からの検出信号により上記対物レンズ
の位置を制御する位置制御手段とからなるフォーカス制
御装置。
【請求項２】請求項１記載のフォーカス制御装置におい
て、上記位置検出手段は上記からの検出信号が上記自動
フォーカス制御手段に供給されるフォーカス制御装置。
【請求項３】可動の対物レンズと、上記対物レンズを挟んで目標物と反対側に設けられ、上
記対物レンズを通過して所定位置で結像する平行光を発
生する平行光発生器と、上記対物レンズを挟んで目標物と反対側に設けられ、上
記対物レンズを通過して所定位置で結像する非平行のフ
ォーカス光を発生するフォーカス光発生器と、上記目標物上での上記フォーカス光の結像状態を検出す
るフォーカス検出器と、このフォーカス検出器からの検出信号に応じて上記対物
レンズの位置を制御する駆動器と、上記対物レンズの位置を検出する位置検出器と、この位置検出器からの検出信号を上記駆動器に供給する
経路とからなるフォーカス制御装置。
【請求項４】請求項３記載のフォーカス制御装置におい
て、上記駆動器は上記対物レンズを支持し、上記対物レ
ンズとともに移動する支持部材を有し、上記位置検出手段は、上記支持部材に向かってレーザ光
を照射するレーザ光源と、上記支持部材で反射されたレ
ーザ光の反射光を受光し、受光量に応じた電気信号を発
生する光電変換部と、上記電気信号からその直流分と高
周波成分とを除くフィルタとを有するフォーカス制御装
置。
【請求項５】請求項１〜４記載のフォーカス制御装置を
具備する光ディスク原盤露光装置。
【請求項６】可動の対物レンズを挟んで目標物と反対側
に設けられ、上記対物レンズを通過して所定位置で結像
する平行光を発生する平行光発生ステップと、上記対物レンズを挟んで目標物と反対側に設けられ、上
記対物レンズを通過して所定位置で結像する非平行のフ
ォーカス光を発生するフォーカス光発生ステップと、上記目標物上での上記フォーカス光の結像状態を検出す
るフォーカス検出ステップと、このフォーカス検出ステップからの検出結果に応じて上
記対物レンズの位置を制御する自動フォーカス制御ステ
ップと、上記対物レンズの位置を検出する位置検出ステップと、この位置検出ステップからの検出信号により上記対物レ
ンズの位置を制御する位置制御ステップとからなるフォ
ーカス制御方法。