JP2004139638A - Exposure device for master disk of optical recording medium and exposing method for master disk of optical recording medium - Google Patents

Exposure device for master disk of optical recording medium and exposing method for master disk of optical recording medium Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exposure device for a master disk of an optical recording medium, by which fine pits are accurately formed and the productivity is remarkably improved, and to provide an exposing method for the optical recording medium. <P>SOLUTION: This exposure device for the master disk of the optical recording medium is provided with a modulation means 3 for modulating the light intensity from an exposure light source 1 corresponding to the recording information and a light converging optical system 9 for converging the light modulated by this modulation means 3 on a photoresist 12 on the master disk 11 of the optical recording medium, to carry out the pattern exposure to the photoresist 12 in accordance with the recording information. The exposure light source 1 is constituted of a super-short pulse laser having the repetition frequency of ≥1, ≤20 times the clock frequency of the recording information, and a frequency dividing optical system 15 is provided for dividing the frequency of laser beams emitted from this super-short pulse laser. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光光源からの光をフォトレジストが塗布された光記録媒体原盤上に照射することにより記録情報に対応するパターン露光を行う光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
CD(Compact Disc)、MD(Mini Disc) 、DVD(Digital Versatile Disc)等の各種光ディスク、光磁気ディスクなどの光記録媒体を製造する際の光記録媒体原盤は、例えば円盤状の原盤用基板上にフォトレジストが被着され、その表面に記録情報に対応する凹凸パターンが露光及び現像により形成され、即ちいわゆるカッティングされて形成される。
このカッティングを行うマスタリング装置、すなわち光記録媒体原盤露光装置は、露光光源から出射される波長が400nm前後のレーザ光、例えばKrレーザ(λ=413nm)やArレーザ(λ=351nm)等の紫外波長域の連続発振固体レーザ光源を用いて対物レンズを介してレジストが塗布された原盤上に回折限界の微小スポットに絞り込んで照射することによって露光処理を行っている。
【0003】
上述したような各種の光記録媒体は、その記録容量を高めるための高密度化に伴ってピットまたはグルーブの加工寸法を微細化することが求められている。ところが、このピットの加工寸法として0.25μm以下の寸法が要求されるようになると、上述した光記録媒体原盤露光装置で使用する気体レーザの波長では集光レンズの開口数NAを1に近いレンズにしてもレーザ光を十分に絞り込むことができなくなる。このため、現状では光記録媒体原盤の作成において0.25μm以下の寸法に精度良く加工することが極めて困難である。
【0004】
例えば、波長532nmの半導体レーザ励起高出力グリーンレーザを励起光源として外部共振器構造の第2高調波発生装置を用いて波長266nmの紫外レーザ光を発生し、ビームスポットサイズとしては開口数NA=0.9の無収差対物レンズを用いて0.36μmのエアリースポットを得ている( 例えば、特許文献1参照。) 。
【0005】
近年、光ディスクの高密度化の傾向はさらに加速し、現在はより微小なピットの形成、例えば、0.2μm以下が必須となり、より短波長の光源が求められている。光記録媒体原盤露光装置に利用可能な安定性、低ノイズ、ビーム品質を有する連続発振のレーザ光源としては、アルゴンガスレーザの共振器内にBaB2 4 (BBO)等の非線形光学結晶が設置されたDeep UV発振水冷アルゴンガスレーザ(波長229nmで出力40mW、波長238nmで出力100mWが得られる)が市販されている。しかしながら、波長比は229/266=0.86であり、0.2μm以下の分解能を得る為には、より高NAの対物レンズなどを併用する必要がある。かつ、多量の冷却水を用いることから、組み込みの機器内での振動を回避する対策を要する不便さもある。
【0006】
さらに高NAの光学系として、NA>1のソリッドイマージョンレンズ(SIL)を用いたニアフィールド光学系を利用する手段の技術検討がなされている。しかしながら、ワーキングディスタンスは100nm以下、例えば数10nmと非常に狭く、埃や塵の混入や、光記録媒体原盤の表面平滑性等に十分に注意しなければならず、光記録媒体原盤の回転数もあまり高く上げることができないという問題がある。
【0007】
別の高分解能化の手段として最近では電子ビーム露光装置を用いた微小ピット加工法が提案されている( 例えば、特許文献2参照。) 。
【0008】
しかしながら、電子ビーム露光装置では、電子ビームを用いることから真空装置を必要とし、ガラス原盤の高精度高回転機構を真空中で有するなど大掛かりな装置になる。
【0009】
一方、近年、カーレンズモードロック方式の繰り返し周波数1MHzから100MHz 程度の高出力Ti:Sapphire(チタニウム・サファイア)超短パルスレーザ光源がいくつか市販されている。このTi:Sapphire超短パルスレーザ光源は半導体レーザ励起高出力グリーンレーザで励起され、 中心波長760nmから840nmの間、たとえば800nmでパルス発振し、平均出力数W 、パルス幅(FWHM、半値全幅)100fsのものが安定に得られる。ビームの横モードはTEM00でノイズも0.1 %以下の優れた性能を有する。
【0010】
またその他、例えばSpectra Physics 社のTsunami シリーズ、Coherent社のMiraシリーズなど、繰り返し周波数80MHzでパルス幅(FWHM)100fs以下、平均出力1W以上のものが実用化されている。
【0011】
またこのような超短パルスレーザ光源を用いて2光子吸収過程を発生させ、非線形光学効果を利用した超解像特性によって回折限界よりも微細なパターンを形成することができる( 例えば、非特許文献1参照。) 。
【0012】
例えば、波長780nm、繰り返し周波数76MHz、パルス幅150fsのレーザ、開口数NA1.4の対物レンズを用いて、幅120nmのドット状パターンを形成した例が報告されている( 例えば、非特許文献2参照。) 。
しかしながら、現状では光記録媒体用の記録情報の変調信号を、2光子吸収過程を利用してパターン露光によりレジスト上に形成し、光記録媒体原盤の露光に利用する技術は実現化されていない。
【0013】
【特許文献1】
特開平7−98891号公報
【特許文献2】
特許第3233650号公報
【非特許文献1】
河田聡編、日本分光学会測定法シリーズ38「超解像の光学」、学会出版センター、1999年3月20日、第5章、第79頁
【非特許文献2】
S.Kawata et al,“Fine features for functional microdevices ”,Nature ,2001,Vol.412,p.697)
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたものであり、微細なピットを高精度に形成でき、生産性を大幅に向上させることができる光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体の露光方法の提供を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、露光光源からの光を記録情報に対応する光強度変調を行う変調手段と、この変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光する集光光学系とが設けられて、フォトレジストを記録情報に応じてパターン露光する光記録媒体原盤露光装置であって、露光光源を、記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザより構成し、この超短パルスレーザから出射されるレーザ光を分周する分周光学系を設ける構成とする。
【0016】
また本発明は、上述の構成において、超短パルスレーザの繰り返し周波数を記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の整数倍として、この超短パルスレーザの共振器長を可変として、超短パルスレーザの繰り返し周波数を記録情報のクロック周波数に同期してモードロックし、パルス発振させる外部同期機構を設ける構成とする。
【0017】
更に本発明は、露光光源と分周光学系との間に、超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段を設ける構成とする。
【0018】
また本発明による光記録媒体原盤の露光方法は、上述の光記録媒体原盤露光装置を用いて露光を行う。
すなわち、露光光源からの光を記録情報に対応して光強度変調を行い、この変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、フォトレジストを記録情報に応じてパターン露光する光記録媒体原盤の露光方法であって、露光光源を、前記記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザより構成し、超短パルスレーザから出射されるレーザ光を分周する分周光学系を設ける。
【0019】
更に本発明は、上述の露光方法において、超短パルスレーザの繰り返し周波数を記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の整数倍として、超短パルスレーザの共振器長を可変とする外部同期機構を設け、超短パルスレーザの繰り返し周波数をクロック周波数に同期してモードロックし、パルス発振させる。
【0020】
また本発明は、上述の各露光方法において、露光光源から出射された光を、この露光光源を励起光源とした高次高調波発生手段によって、非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化して出射させ、分周光学系に入射させる。
【0021】
上述したように、本発明による光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法は、露光光源として超短パルスレーザ光源を用いるとともに、その繰り返し周波数を、記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下として、この超短パルスレーザから出射されるレーザ光を分周する分周光学系を設ける構成とする。
【0022】
光ディスクの記録情報信号のクロック周波数は、CDの場合4.3MHz、DVDの場合26MHzである。また近年高密度ディスクとして注目され、再生光の波長λが405nm、対物レンズのNAが0.85とされて開発が進められているいわゆるBlu−ray Discの場合で66MHzである。例えばBlu−ray Discの場合66MHzであるから、超短パルスレーザの繰り返し周波数とほぼ同程度である為、情報データ信号とレーザのパルス発振のタイミングを合わせる必要がある。
【0023】
しかしながら本発明によれば、上述したように超短パルスレーザのパルスの繰り返し周波数を例えば2倍、4倍、8倍…とする分周光学系を設けることによってパルスの間隔を縮小させ、パルスレーザを記録情報に重畳させた場合に1パルスあたりの露光のずれを低減化することができ、パターン不良の発生を回避し、パターン不良による例えば再生信号のジッターの増加を抑えることができる。したがって、超短パルスレーザを用いることによって従来と比較して微細なパターンを、精度よく形成することが可能となる。
またこの繰り返し周波数を20倍以下とすることによって、超短パルスレーザの尖頭出力の低下によるパターン形成精度の低下を回避することができる。すなわち超短パルスレーザ光源から出射されたレーザ光を分周させ、また高次高調波発生手段により短波長化させることによって、その尖頭出力は低下するが、繰り返し周波数を20倍以下とする場合は超短パルスレーザの出力を十分確保して、後述する2光子吸収過程を効率よく生じさせ、微細なスポットサイズのパターン露光を行うことができる。
【0024】
また本発明において、超短パルスレーザの繰り返し周波数を記録情報のクロック信号の1倍以上20倍以下の整数倍とするときは、露光光源として用いる超短パルスレーザ光源の共振器長を調整する外部同期機構を設け、これにより共振器長の調整を行い、繰り返し周波数をクロック信号に同期させることができ、再生信号のジッターを10%以下に抑えることができる。
このようにして同期させることによって、超短パルスレーザ光源からの光を露光光源として、CD、 DVD、Blu−ray Discなどの各種光記録媒体に記録する情報信号に同期したパターン露光を確実に行うことができる。
【0025】
また、他の本発明においては、露光光源と変調手段との間に、高次高調波発生手段を設け、超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射させることによって、より短波長の露光光源を得ることができる。
【0026】
このように本発明に係る光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤露光方法によれば、擬似的に連続光と同等にみなせる繰り返し周波数の高い超短パルスレーザ光を出射する露光光源、またはこれを励起手段とする高次高調波発生手段により短波長化された超短パルスレーザ光を出射して、光強度変調手段で変調された光を所定の集光光学系により回折限界のスポットサイズに集光してフォトレジストに照射することによって、従来と比較して微細なパターンのピットなどの凹凸パターンの露光を行うことができる。
【0027】
また上述の本発明において、分周光学系を、偏光ビームスプリッタと光遅延回路とより構成し、この分周光学系を超短パルスレーザより成る光源の後段に設けることにより、また高次高調波発生手段を設ける場合はその後段にこの分周光学系を設ける構成とすることにより、パワーの損失が少なく高効率で有効なレーザ光の利用が可能となる。
【0028】
すなわち、高次高調波光の平均出力パワーは、基本波パワーの2乗に比例する。そこで、高出力が得られる比較的低い繰り返し周波数の超短パルスレーザ光を入射させて高効率に高次高調波を発生し、その後このパルス列を数倍に分周すれば、同じ投入基本波パワーで、高出力かつ高繰り返し周波数のパルス発振が可能となり、記録情報のクロックのタイミングを考慮した装置構成とする必要がなくなる。
【0029】
この場合、短波長化する高次高調波発生手段が非線形光学過程であるのに対し、分周光学系を経る過程は線形光学過程であることから、出力の損失を低減化することができるという利点を有する。
【0030】
さらに本発明は、上述の光記録媒体原盤露光装置または光記録媒体原盤の露光方法において、フォトレジストの露光を、2光子吸収過程によってなされることとする。尖頭出力( ピーク出力) が非常に高い超短パルスレーザ光源を露光光源として用い、かつ集光光学系によってビームを集光することにより、レジスト内では2光子吸収過程が非常に効率的に起こる。例えば繰り返し周波数が1GHzで、対物レンズ出射後のレーザの平均パワーが10mWである時、フォトレジストの表面上のビームスポット内の光強度は尖頭出力にして100GW/cm2 に及ぶ。
【0031】
2光子吸収過程は非線形光学現象の一つであり、レジストの露光は、ビームスポットの強度分布の2乗で与えられることになる。レジストの2光子吸収断面積は10−46 〜10−47 cm4 s/photon程度と小さな値であり、レジストの感度は低いが、数%の吸収が起こる。
【0032】
このように高効率で2光子吸収を起こす為には超短パルスレーザ光の尖頭出力が高くなければない。
本発明においては、高繰り返し周波数のパルス発振を用いると共に、そのパルス幅(FWHM)を少なくとも1 ps(1 ×10−12 秒)以下とするものであるが、このようにパルス幅を規定することによって、効率よく2光子吸収を起こすことができた。
【0033】
レジストの露光の際に、レジスト面内における光源の光の吸収分布は、通常の吸収の場合、ビーム強度分布に比例し、2光子吸収の場合はビーム強度分布の2乗に比例する。光の吸収分布を図6に示す。図6において、Iはビーム強度分布を示し、通常の吸収の場合に相当する。I2 はビーム強度分布の2乗を示し、2光子吸収の場合に対応する。エアリースポット径dは、
d=1.22λ/NA
となる。対物レンズの開口数NAが、NA=0.9、波長λ=267nmの時、スポットサイズは0.36μm であるが、2光子吸収の場合、ほぼ1/√2=0.7倍のビームスポット、即ち、波長190nmの露光光源を用いた通常の露光時のビームスポットサイズに相当する。これにより、記録線密度は1光子の(通常の)露光の場合の約1.4倍になる。
【0034】
また、本発明は、上述の各光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法において、集光光学系から出射され、フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、レーザ光の走査方向に延在する長円状とするものである。
【0035】
例えばグルーブなどの線状のパターンを露光する為には、パルス間隔(繰り返し周波数の逆数)、走査速度(円盤状の光記録媒体原盤の場合線速)がレジストの感度に合わせ最適化されなければならない。ところが、パルス間隔はクロックによって一義的に固定されているので、線状のパターンを露光するのは難しい。
上述の本発明によれば、集光光学系から出射されレジストに集光されたビームスポットをビーム走査方向に長円化していることから、照射される光量分布が拡がり平均化されて、グルーブなどの線状のパターンが容易に得られることとなる。
【0036】
このように、本発明においては、超短パルスレーザを露光光源として用いて、さらに集光光学系でビームを回折限界まで絞ることから、高効率に2光子吸収を行わせることができることと、2光子吸収過程によりレジストの感光はビームスポットの強度分布の2乗で与えられることになり、非線形効果を利用した超解像特性を有することになり、回折限界よりもさらに微細なより小さなピットの記録が可能になる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光ディスク原盤露光装置の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0038】
図1に、本発明による光記録媒体原盤の露光装置の一例の模式的な構成図を示す。この例においては、露光光源1からの光を記録情報に対応する光強度変調を行う変調手段3と、この変調手段3で変調された光を、図示の例ではディスク状の光記録媒体原盤11上のフォトレジスト12上に集光する集光光学系9とを設けて、フォトレジスト12を記録情報に応じてパターン露光するものである。
【0039】
図1において、1は超短パルスレーザよりなる露光光源、15は後述の図2においてその一例を詳細に説明する分周光学系、4はチャ―プ補正光学系、5はビームエキスパンダ、6は後段の実施例においてその一例を詳細に説明するオートフォーカス光学系、7は1/4波長板、8aは対物レンズ、8b及び8cは電磁アクチュエータを示す。1a、1b及び1cはミラーである。また、光記録媒体原盤11は、載置台10に固定される。載置台10は、この例では回転手段14により矢印aで示すように回転されて、また集光光学系9が、図示しないが例えば移動光学テーブル上に配置されることによって光記録媒体原盤11の半径方向に移動するようになされて、光記録媒体原盤上の全面にわたって、露光用光が照射され得るようになされている。
【0040】
図2Aに、分周光学系の一例の概略構成図を示す。図2Aにおいて、60及び70はそれぞれ分周回路を示す。超短パルスレーザよりなる露光光源から出射された光L11は、ビームスプリッタ61により50:50に分離される。この光がs偏光とすると、ビームスプリッタ61を透過した光が透過する偏光ビームスプリッタ67を配置する。ビームスプリッタ61により反射された光は、レンズ62、ミラー63及び64、レンズ65を介して1/2波長板66に入射されてp偏光とされ、偏光ビームスプリッタ67により完全反射される。
同様に、分周光学系70において、ビームスプリッタ71、分周光学系60から出射された光L12は、ビームスプリッタ71により50:50に分離される。この光がs偏光とすると、ビームスプリッタ71を透過した光が透過する偏光ビームスプリッタ77を配置する。ビームスプリッタ71により反射された光は、レンズ72、ミラー73及び74、レンズ75を介して1/2波長76に入射されてp偏光とされ、偏光ビームスプリッタ77により完全反射される。
【0041】
ここで、レンズ62及び65、72及び75はアフォーカル( 望遠鏡) 系を成し、双方のビームパラメータを一致させるように配置される。1/2波長板66、76は、その光軸を45°回転して設置され、上述したように偏光ビームスプリッタ67、77により全反射されるように入射光の偏光面を90°回転させるものである。
また、ミラー63及び64、73及び74は、直角プリズムや、コーナーキューブで置き換えることもできる。
【0042】
分周光学系60において、入射光L11をビームスプリッタ61により分割した2つの光の光路長の差を適切に選定することによって、光遅延回路が構成される。このビームの光路長の差は、パルスの通過時間が、入射光L11のパルス列の間隔(すなわち超短パルスレーザの繰り返し周波数の逆数)の1/2に等しくなるように精度良く調整されることによって、図2Bにおいて、パルス列の変換過程を模式的に示すように、入射したパルス列p11を、間隔が1/2とされ、すなわち周波数が2倍とされたパルス列p12に変換することができる。
【0043】
例えば、繰り返し周波数を66MHzとするとパルス列の間隔は15.152ns(10−9秒)となり、光路長は2.2712mとなる(光速=2.998×108 m/s)。
また、ビームスプリッタ61の代わりに、光軸を22.5°入射パルスレーザ光の偏光面に対して回転して配置した1/2波長板を設けて偏光面を45°回転させ、偏光ビームスプリッタと組み合わせてもよい。
【0044】
更にこの分周光学系60の後段の分周光学系70において、光路長差を、このパルス列p12の間隔の1/2に等しくなるように精度良く調整することによって、図2Bに示すように、分周回路60から出射されたパルス列p12の間隔が更に1/2とされたパルス列p13を出射させることができる。この場合の光路差は1.1356mである。
【0045】
このようにして得られたパルス列は、分周回路60を通過するとピークパワーが1/2、繰り返し周波数が2倍のパルス列に分周され、分周回路70を通過するとピークパワーが1/4、繰り返し周波数が4倍のパルス列に分周される。前述の66MHzの超短パルスレーザを入射すると、繰り返し周波数は264MHzとなる。ただし、各々のパルスp12及びp13の偏光面は、互いに90°傾いた水平偏光と垂直偏光になるが、露光装置及び露光方法としては直接的な影響はない。
【0046】
この超短パルスレーザ光源及び分周光学系によるパルス信号の模式的な波形を図3Aに、またパルス信号を上述の変調手段3によって、記録情報の信号波形Sに重畳させた状態の模式的な波形を図3B示す。図3Aに示すように、パルスPの間隔を適切に選定して、その周波数を図3Cに示す記録情報のクロック信号Cの1倍以上20倍以下、図示の例では2倍の周波数として、図3Bに示すように、記録情報の信号Sに重畳させる。図3Bにおいては、パルス波形を破線P’として示す。このように、パルス列の繰り返し周波数が記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の整数倍の場合は、以下に示すように、超短パルスレーザに外部同期機構を設けることにより、記録情報と同期した露光を行って、記録情報に対応してフォトレジストのパターン露光を行うことができる。
【0047】
図4に、本発明の実施の形態に用いて好適な外部同期機構及び露光光源の一例の模式的な概略構成図を示す。図4において、30は例えばTi:Sapphire を利用した超短パルスレーザ光源、50は外部同期機構を示す。
まず、超短パルスレーザ光源30には、半導体レーザ( 図示せず) 等の励起光Li0 がレンズ31、球面ミラー32を介してTi:Sapphire 等のレーザ媒質34に入射される。レーザ媒質34から出射された光は球面ミラー33に反射され、さらに高反射ミラー35に反射された後分散補償プリズム36a及び36bに入射される。そしてスリット37を介して高反射ミラー38によって反射される。そして再びスリット37を通過して、分散補償プリズム36b及び36a、高反射ミラー35、球面ミラー33を介してレーザ媒質34に戻される。露光用光としては、レーザ媒質34から球面ミラー32に戻った光を出力窓(出力カプラー)39、ビームスプリッタ40を介して出射光Li2 として外部に取り出す。
【0048】
そしてこの外部同期機構においては、ビームスプリッタ40で一部の出力光を高速のフォトダイオード等よりなる光検出器41で検出する。そして、この光検出器41からの出力、すなわちレーザパルス発振による電気信号と、光記録媒体に記録する情報信号出力装置のクロック信号発生器42の出力とを位相検出器43で位相比較する。ここで、クロック信号の2以上の整数倍とする場合は、クロック信号発生器42の信号の整数倍のクロック信号との位相比較を行う。そして、位相検出器43から出力した信号をPLL(Phase Lock Loop) 回路等よりなる制御部44に入力して、所定の制御量に変換した制御信号を、ピエゾ駆動部45に入力して、前述の高反射ミラー38に固定したピエゾ素子46を光軸方向に微小移動させて、レーザ共振器の共振器長を微調整することができる。なお、この例における共振器長は、球面ミラー32から高反射ミラー38にいたる光路の長さとなる。
【0049】
このような構成とすることによって、記録情報のクロック信号とレーザの発振パルスとの間のジッターは1ps以下にすることができる。
そして情報記録信号の光変調器駆動信号も、クロック信号に同期して送信されるので、超短パルスレーザのパルス発振とはタイミングが取れることとなる。超短パルスレーザ光源の繰り返し周波数をクロック信号の1倍、すなわち同期させる場合、フォトレジストには例えば(1,7) 変調コードを用いて記録される時は、2T 最短ピットには2パルスが照射される。もしクロック信号の2倍の周波数、前述のBlu−ray Discの場合132MHz に外部同期させるときは、共振器長RをR=c/2L=1136mm(cは光速)となるように超短パルスレーザ装置内の光学系を配置すればよく、2T最短ピットには前述の図3Bに示すように、4パルスが照射されることになる。
【0050】
なお、レーザ発振の繰り返し周波数を高くして行くと、平均出力は同じでもパルスの尖頭出力が低下してしまう為、後段の高次高調波発生やレジストの2光子吸収の効率が低下してしまうので、超短パルスレーザ光源の繰り返し周波数は、クロック信号の周波数の20倍以下に選定する。
また、繰り返し周波数をクロック信号の周波数の10倍以上の整数倍とするときに、クロックとのずれを周期の1/10以下とし、再生信号のジッターを10%以下とすることができる場合は、外部同期機構を設けることなく、露光することができる。
【0051】
また本発明は、上述の構成において、露光光源1と変調手段3との間に、図1に示すように、超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段2を設ける構成とする。
【0052】
この高次高調波発生手段2の一例の模式的な構成を図5に示す。
図5において26は第2高調波(SHG)発生部、27はディレーラインユニット、28は第3高調波(THG)発生部をそれぞれ示す。第2高調波発生部26に入射された光Liは、集光用レンズ19aを介して非線形光学結晶20に入射し、集光レンズ19bを介してハーモニックセパレータ21aで反射されてL2−1 として取り出されるか、またはこのハーモニックセパレータ21aを設けない場合はディレーラインユニット27に入射される。
【0053】
ディレーラインユニット27に入射された光は、ハーモニックセパレータ21bにより基本波L1 と第2高調波L2−2 とに分割される。基本波はミラー22a、22bにより反射されて第3高調波発生部28に入射され、第2高調波L2−2 は、1/2波長板23を介してミラー22c、22d、21cにより反射されて第3高調波発生部28に入射される。
【0054】
例えば、F.Rotermund,et al:“Generation of the fourth harmonic of a femtosecond Ti:Sapphire laser”Optics Letters,July 1,1998,Vol.23,No.13,p1040 にあるように、前述の中心波長が800nmのTi:Sapphire超短パルスレーザ(くり返し周波数82MHz、パルス幅85fs、平均出力1.9W)を用い、非線形光学結晶LiB3 5 (LBO)のタイプIのクリティカル位相整合を用いた第2高調波発生(SHG)装置を用いることで、中心波長が400nm、パルス幅は群速度分散により多少拡がるが例えば100fs、平均出力600mWの超短パルスレーザ光を得ることができる。
【0055】
第2高調波発生においてタイプIの位相整合を用いる場合は、基本波と第2高調波の偏光面は90°回転している為、例えば図5に一例を示すように、タイプIの位相整合を用いる第2の非線形光学結晶24に入射する前に基本波L1 に揃える1/2波長板23を設けることによって、第2高調波L2−2 の偏光面を基本波に合わせることができる。
【0056】
また、第1の非線形光学結晶20内での波長分散により、基本波L1 に遅れて第2高調波L2−2 が出射する為、上述のディレーラインユニット27によって、第2の非線形光学結晶24に入射する前に基本波L1 を遅延させる。遅延させる手段はハーモニックセパレータ21bによって両波を分離し、基本波L1 の光路長のみを遅延時間に相当する長さだけ長くして再び合波することによってなされる。
【0057】
そして図5に示すように、第3高調波発生部28において、合波を非線形光学結晶24に入射させて、和周波混合により第3次高調波L3 を外部に出射させる。19c及び19dは集光レンズ、21dはミラー、25はビームストッパ、Loは不要光を示す。
なお、各レンズ19a〜19dは、結晶内でのビーム強度を高くし、変換効率を向上させる為に配置されている。
【0058】
超短パルスレーザ光の場合尖頭出力は非常に高く、2次の非線形光学現象である第2高調波発生はレーザの強度に比例してその変換効率が大きくなるので、シングルパス、則ち非線形光学結晶を1 回通過する光路設定でも、高い効率が得られる。但し、超短パルスレーザを用いた高次高調波発生の場合、非線形光学結晶の群速度分散がある為、結晶が厚いと群速度不整合が生じ、有効な波長変換が行われない。例えばLBOの結晶長は、パルス幅が100fs、中心波長が800nmの場合、1.5mm以下とする必要がある。
【0059】
さらに上述の第3高調波発生部28において、例えば中心波長800nmの基本波と上述の高次高調波発生手段から出射される例えば中心波長400nmの第2高調波との和周波混合(SFM)によって、中心波長267nm、パルス幅115fs、平均出力150mW程度の超短パルスレーザ光を得ることができる。この和周波混合は第2高調波発生と同様、2次の非線形光学現象であり、例えば非線形光学結晶BBOのタイプIのクリティカル位相整合を用いることができるが、その結晶長さも上述の理由により0.3mm以下とすることが必要となる。
【0060】
更に和周波混合用の非線形光学結晶(BBO)を追加することによって4次高調波発生が可能であり、波長204nmの光源を得ることが可能となる。パルス幅340fs、平均出力15mWが得られている。したがって、波長としては4次高調波の光まで、十分な平均出力パワーをもって、本発明の光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法に適用して露光光源として用いることができる。
【0061】
上述したように本発明においては、高繰り返し周波数のパルス発振を用いる場合、そのパルス幅(FWHM)を少なくとも1 ps(1 ×10−12 秒)以下とするものであるが、このようにパルス幅を規定することによって、効率よく2光子吸収を起こすことができた。
【0062】
また、本発明において、フォトレジストの吸収ピーク波長を露光光源の波長の半分以下とすることにより、次のような効果が得られる。
上述したように、フォトレジストとして、露光光源の波長域では透明で、その半分の波長において吸収を有するような材料を用いることによって、通常の吸収(1光子吸収)を効率よく抑制することができる。
2光子吸収では光子を2個同時吸収し、光子1個の持つエネルギーの2倍のエネルギーだけ上の準位にレジストの電子を遷移させる。吸収スペクトルで言えば露光光源の波長の半分の波長の光(1光子)で励起する場合に相当することから、2光子吸収用のレジストは吸収ピーク波長を露光光源の波長の半分以下とすることにより、効率よく2光子吸収を発生させ、より微細なパターン露光を行うことができる。
【0063】
そして、フォトレジストの全厚さにわたる露光を行う場合は、露光光源の半分の波長がフォトレジストの吸収ピークよりやや長波長側に存在することが望ましい。
例えばフォトレジストの厚さを100nm程度とするCD用等の原盤を露光する場合、吸収ピーク波長での吸収係数に対して、数%程度の吸収係数となる露光光源およびフォトレジストを選定するとレジストの表面近傍のみで2光子吸収されず、全厚さにわたる吸収を生じさせることができる。また、フォトレジストの厚さが、40nm程度とされるBlu−ray Disc用等の原盤では、10%程度の吸収係数となる露光光源及びフォトレジストを選定することによって、同様にレジストの全厚さにわたる吸収を生じさせ、現像後に原盤用基板の表面を露出させるパターン露光を行うことができることとなる。
【0064】
なお、前述のいずれの光源を用いるにせよ注意するべき点として、超短パルスレーザ光のバンド幅(FWHM)δλは、例えばパルス幅δtが100fsで、sech2 形のフーリエ変換限界パルスである場合、δλ・δt=0.315・λ2 /c(c:光速)であり、δλ= 6.7nmとなる。従って、NA0.5以上の高NAレンズを用いる場合、対物レンズには色消しレンズ例えば顕微鏡等で用いられるアポクロマートレンズを用いる必要がある。また、色収差は屈折系でのみ起こるもので、非球面の凹面鏡を用いた集光光学系を用いることでも上記の問題は回避することができる。
【0065】
また本発明においては、集光光学系から出射されレジストに集光されたビームスポットをビーム走査方向に長円化する。これにより、照射される光量分布が拡がり平均化されて、グルーブなどの線状のパターンが容易に得られることとなる。
ビームスポットを長円状とするためには、例えば図1において説明したビームエキスパンダ5がアナモルフィックな光学系、即ち、ビームの走査方向に対し垂直な方向のビーム径の方がより拡大されるものであればよい。
具体的には、シリンドリカルレンズ、シリンドリカル凹面鏡、アナモルフィックプリズムなどを用いてビーム拡大率の比を数倍程度にすることが望ましい。
【0066】
また、前述の図1において説明した光強度変調用の変調手段としては、記録情報信号によって変調された圧電素子で駆動された音響光学素子内の超音波で光がブラッグ回折することを利用した音響光学効果、あるいは、記録情報信号によって変調されたポックルス効果を利用する電気光学変調素子が適している。
【0067】
前述のレンズ、波長板、光変調器など全ての光学素子は正の群速度分散を有する為、露光光源を出射した時点でパルス幅が最小になるように調整されていても、これらを通過した超短パルスレーザ光は光記録媒体原盤のフォトレジストに照射される時には必ずチャープし、パルス幅が拡がってしまう。
【0068】
そこで、図1に示すチャープ補正光学系4として、負の群速度分散を有するチャープ補正光学系を用いて、露光光源出射後の超短パルス光に事前に負にチャープを与え、これを相殺することで、レジスト上で最短パルスが得られるようにする必要がある。このチャープ補正光学系4としては、分散プリズムペアやグレーティングペア、チャープミラーを用いることができる。
【0069】
またパルス幅の調整の際必要なパルス幅の計測には、従来の2次高調波発生法を用いた自己相関器によって行うことができる。
【0070】
【実施例1】
次に、本発明の光記録媒体原盤露光装置の一例について図1を参照しながら説明する。この例は、Ti:Sapphire超短パルスレーザ光源よりなる露光光源1と、この超短パルスレーザを励起光源とする高次高調波発生手段2と、この高次高調波発生手段2から出射された光を分周する分周光学系15と、この分周光学系15から出力されたパルスが各種の光学部品を通過する際に被る正の群速度分散を予め補正する負の群速度分散を有するチャープ補正光学系4と、これからの出射光を供給されるデータに応じた電気的なパルス信号で高速にスイッチングして光強度変調を行う変調手段としての変調手段3と、この変調手段3で変調された光を回折限界のスポットサイズに集光してフォトレジスト12が塗布された光記録媒体原盤11上に照射する集光光学系9とビームエキスパンダ5が設けられている。
【0071】
超短パルスレーザ光源には、繰り返し周波数が前述のBlu−ray Discのクロック周波数と同じ128MHzで、中心波長816nm、パルス幅80fs、平均出力0.8WのTi:Sapphire レーザ、すなわちTi:Sapphire を図4において説明したレーザ媒質34として用いる超短パルスレーザを用いた。
【0072】
そして前述の図5において説明した高次高調波発生手段3を用いて、波長408nmの第2高調波または波長272mの第3高調波を発生させた。この例では、図3に示す第2高調波発生部26の非線形光学結晶20としては、タイプIの位相整合するLBO結晶を用いた。また第3高調波発生部28の非線形光学結晶24にはタイプIのBBOを用いた。各種レンズ19a〜19dは、結晶内でのビーム強度を高くし、変換効率を向上させる為に配置されている。第2高調波光は平均出力300mW、パルス幅(FWHM)100fs、第3高調波光は平均出力60mW、パルス幅は1ps以下の120fsとして出射光を取り出すことができた。
【0073】
そして、分周光学系15としては、前述の図2において説明した分周回路60及び70を設けた4分周の光学系を設けた。この分周光学系15を通過させることにより、繰り返し周波数を528MHz、平均パワー15mWの出力を得ることができ、本実施例では、外部同期機構を設けることなく、パルスレーザ光を記録情報のクロック信号と重畳させて、良好な形状をもってパターン露光を行うことができた。
この場合、第1段の分周回路60では光路差を1.1356mとし、アフォーカル系のレンズ62、65を焦点距離300mmのものとした。第2段の分周回路70では、光路差を0.5678m、レンズ72、75を焦点距離160mmのものとした。パルス光の分離にはハーフミラーを用い、2次高調波408nm用の0次オーダーの1 /2波長板と、合波用に偏光ビームスプリッタを用いた。光路長の調整にはマイクロメーター付きのステージに2つの反射ミラーを載せて行った。超短パルスレーザを1.2GHzの帯域を持つ光速フォトディテクタで検出しスペクトラムアナライザで計測しながら、中心周波数が528MHzでバンド幅が最も狭くなるように調整した。
【0074】
チャープ補正光学系4としては、Breswster プリズム−ペアを用いた。
ミラー1aで90°反射されて変調手段3に送られる。変調手段3の光強度変調器としては、信号変調帯域80MHzの電気光学素子EOMを用いた。この変調手段3には、図示しないが光記録媒体原盤に記録するデータが電気的なパルス信号を発生する、いわゆるフォーマッタからピット記録信号が供給される。このデータに応じて光が変調される。
【0075】
この光変調された光がミラー1bで90°反射されビームエキスパンダ5、オートフォーカス光学系6の例えば偏光ビームスプリッタ(以下、PBSという)6aを介して1/4波長板7を通過させ、ミラー1cで90°反射させた後、高い開口率NAを有する対物レンズ8aを透過させて予めフォトレジスト12が塗布された光記録媒体原盤11に照射される。
フォトレジスト12としては、例えば、i線用レジスト(JSR(株)PFRIX1110Gなど)、KrFレーザマスタリング用レジスト(日本ゼオン(株)DVR−100など)を用いることができる。
【0076】
このとき、対物レンズ8aは入射光、例えば波長λ=267nm用に収差補正された高開口数NA値を有するレンズを用い、回折限界までビームを絞って照射している。この対物レンズ8aは、材質がこの波長領域の光を十分透過する合成石英や螢石等で構成された色消し対物レンズを用いた。また、光記録媒体原盤11は、スピンドルモータ等の回転手段13により矢印aで示す方向に回転する載置台10上に固定される。
【0077】
一方、高次高調波発生手段2は、波長λ=272nmの第3高調波光を出射すると共に、第2高調波の波長λ=408nmの光を同時に出射している。この光の光路も上述した各光学素子を通過する光路であり、光記録媒体原盤11に照射される。
光記録媒体原盤11から反射された戻り光は、対物レンズ8a、ミラー1c、1/4波長板7を介してPBS6aに入射される。ここで、この戻り光は、1/4波長板7を2回通過しているため、PBS6aで反射されてしまう。これによって、オートフォーカス光学系6のPBS6aは、戻り光を波長選択素子6bを介してフォーカス誤差量検出素子6cに送る。波長選択素子6bは、露光波長である第3高調波の光もPBS6aで相当量反射されるので多層干渉膜等を利用して露光波長の光を遮断するためのものである。
【0078】
フォーカス誤差量検出素子6cは、例えば非点収差法等を用いて露光用の光が光記録媒体原盤11上に合焦するときのベストフォーカス位置からの位置ずれ量を光学的に検知し、この検知量を電気信号に変換する。この検出した電気信号がオートフォーカスサーボ系6の一部をなす駆動制御部6dに供給される。
ここで、上述の非点収差法では、円筒レンズを検出レンズの後方に配置する構成にして非点収差を積極的に利用して光検出器で検出する方法である。この円筒レンズは、単一方向のみのレンズ作用を有し、この単一方向と直交する方向に対して平行平板と同じ作用しか持たないので、検出レンズとこの円筒レンズの合焦位置以外では収束せず、細いビーム像が結像することによりフォーカスエラー信号を検出している。このフォーカスエラー信号をゼロにするように制御することによって対物レンズのフォーカスを最適な位置に保つようにしている。
【0079】
駆動制御部11cでは、電気信号に基づいて位置ずれを補正する駆動信号を生成して対物レンズ8aを上下に微動させる電磁アクチュエータ8b、8cに出力する。電磁アクチュエータ8b、8cは、駆動信号で対物レンズ8aを矢印bで示す上下方向に、すなわちフォトレジストに近接または離間する方向に微小移動させることによって、光記録媒体原盤11の合焦位置を最適な位置に自動的に調整して損失を抑えて露光することができる。
【0080】
ここで、例えばレーザ光のスポットサイズが対物レンズとして開口数NA=0.9の無収差レンズを使用した場合、エアリーディスク(airy disc )としては0.36μmまで絞ることができた。したがって、2光子吸収過程を発生させることによって、0.36×(1√2)≒0.25(μm)のスポットサイズに相当する露光を行うことができた。
【0081】
またこのとき、上述したようにビームエキスパンダ5をアナモルフィックな光学系とすることによって、ビームの走査方向に拡大して長円化されたスポット形状とすることによって、グルーブ幅は従来と比較して微細なパターンとしてグルーブパターンを露光することができた。
【0082】
このように形成したレーザ光を回転手段13により光記録媒体原盤11上で回転走査させ、同時に対物レンズを含む光学系をディスク中心( 原盤中心) から半径方向に移動させることにより、スパイラル状にビームを原盤上で走査させ、フォトレジストを露光して高密度にピットを形成することができる。
なお、フォトレジスト12としては、上述のi線用などのほか、g線用あるいはi線用のポジ型レジストを用い得る。レジストの感光はフォトンモード記録であることから高繰り返し周波数の超短パルス光の場合も単位面積当たりフォトン数の積算量で感光量は決定される。本発明によれば、連続光照射の場合と異なり、サーマルモードを介することがほとんどない。即ち、不要なレジストの温度上昇による膨張や反応速度変化を抑制することができ、より微細なピットの形成が可能になる。
【0083】
上述の実施例1では、中心波長816nmの場合に関して述べたが、Ti:Sapphire 超短パルスレーザは760nmから発振可能で、この場合、前述と同様な手段(中心設計波長は全て変更する必要有り)で、380nmの第2高調波光、253nmの第3高調波光を利用することができる。但し効率は多少低下する為、超短パルスレーザ光源のレーザ媒質を励起する励起用グリーンレーザの出力を上げる必要がある。
【0084】
また、さらに和周波混合用の非線形光学結晶(例えばBBO)を追加することによって、4次高調波(波長200nm近傍)を発生させることができた。この場合、ビームのスポットサイズとしては、開口数NA0.9の無収差対物レンズを用いて0.28μmのエアリースポットが得られた。従って、0.28×(1/√2)≒0.2(μm)のスポットサイズに相当する露光を行うことができる。この場合、高感度のレジストとして、KrFレーザ( 波長248nm) またはArFレーザ(波長192nm)用のレジストを適用することができる。
【0085】
また上述の実施例1においては、高次高調波発生手段として第3高調波発生手段を例に説明したが、図5において説明した高次高調波発生手段は、第2高調波発生部と和周波混合部がそれぞれ独立に分離されているので、第2高調波を露光光源として用いることもできる。この場合第2高調波発生のほうが第3高調波発生に比べ変換効率が高く、同じ励起用のレーザパワーで高い露光パワーを得ることができるだけでなく、レーザ光の波長が可視光域に近く、多種の硝材を用いることができ、レンズ設計が容易であり、また光学素子の制限も低減する。
【0086】
【実施例2】
次に、本発明にかかる実施例2について説明する。
この例では、光記録媒体原盤露光装置の構成は上述の実施例1の場合と全く同様であるが、この例において露光光源として繰り返し周波数66MHz、中心波長816nm、パルス幅80fs、平均出力1.5WのTi:Sapphire をレーザ媒質とした超短パルスレーザ光源を用いた。そして高次高調波のレーザパワー強度を高めるために、各非線形光学結晶の手前にある集光レンズの焦点距離をより短くし、ビームスポット径を小さくして波長変換効率を高めている。
【0087】
そしてこの例においては、分周光学系5として、2分周光学回路のみを用いた。すなわち、前述の図2において説明した分周回路60のみを、高次高調波発生手段2とチャープ補正光学系4の間に設ける構成とした。この分周回路60の光路差は、2.2712mと設定し、アフォーカルレンズ62、65の焦点距離は600mmのものを用いた。パルスビームの分離にはハーフミラーを用い、3次高調波267nm用の0次オーダーの1 /2波長板と、合波用に偏光ビームスプリッタを用いた。
【0088】
第3高調波発生部28から出射された波長272nm、パルス幅が1 ps以下の130fsの超短パルス光を用いて、フォトレジストとしてArFレーザ用フォトレジストの例えばフッ素樹脂系レジストに照射したとき、レジスト面上のビームスポット内の光強度は尖頭出力にして100GW/cm2 に及び、2光子吸収が顕著に起こり数%の吸収、即ち、レジストの露光過程である光反応を進行させることができた。そしてこの例においては、対物レンズとしてNA=0.9の無収差対物レンズを用いて0.36μmのエアリースポットを得ることができ、2光子吸収過程を生じさせることにより、0.36×(1√2)=0.25μmのエアリースポットサイズの露光を行うことができた。
【0089】
レジストの感光はビームスポットの強度分布の2乗で与えられる。上述のレジストでは通常の吸収は、波長272nmの光に対して透明であるので起こらない。2光子吸収過程のみが強度分布の高い所のみで局所的に起こる。これは、ArFレーザ(193nm)用レジスト(例えば日本ゼオン(株)ZARF001)あるいは、KrFレーザ用レジスト(例えばJSR(株)KRFM89Y)などで代用することも可能である。
【0090】
またこの場合においても、ビームエキスパンダ5をアナモルフィックな光学系とすることによって、ビームの走査方向に拡大して長円化されたスポット形状とすることによって、グルーブ幅は従来と比較して微細なパターンとしてグルーブパターンを露光することができた。
【0091】
更にこの例においても、高次高調波発生手段を第2高調波発生と和周波混合部がそれぞれ独立に分離された図4に示す構成とすることによって、第2高調波(波長 403nm)を露光光源として用いることもできる。この場合使用するフォトレジストはKrF(波長 248nm)用またはi線(波長 365nm)用のレジストを用いるのが望ましい。
【0092】
また、2光子吸収断面積は非常に小さい値であるので、レジストの感度を高める為、2光子吸収断面積の高い有機色素を増感剤としてレジストに添加したものを用いることができる。実施例1の場合と同様の長所があるほか、適用可能なフォトレジストの選択範囲も広がる。
【0093】
なお、上述の実施例1においては、超短パルスレーザの繰り返し周波数を記録情報のクロック信号の周波数の2倍とし、更に4分周光学系を設けることによって、パルスの繰り返し周波数をクロック信号の周波数の8倍として、外部同期機構を設けることなく、良好な形状をもってパターン露光を行うことができた。
一方、上述の実施例2においては、超短パルスレーザの繰り返し周波数は記録情報のクロック信号の周波数の1 倍とし、分周光学系としては2分周光学系とすることによって、記録情報のクロック信号の2倍の周波数のパルスレーザ光を得て、この場合外部同期機構により露光用パルスをクロック信号に同期させることによって、良好な形状をもってパターン露光を行うことができた。
【0094】
一方、繰り返し周波数を高くし過ぎると、尖頭出力が低下してしまい、2光子吸収を発生させにくくなり、解像度の高いパターン露光を行えない。従って、その上限としては、現状では、露光を行う光記録媒体の記録情報のクロック信号の20倍程度とすることによって、確実に微細なパターンの露光を行うことが可能となる。
【0095】
また、上述の実施の形態及び各実施例においては、光源手段として、Ti:Sapphire超短パルスレーザを例にとったが、他にも様々な超短パルスレーザ光源を用いることができる。
例えばNd:Vanadete 超短パルスレーザは半導体レーザ励起可能で、半導体可飽和吸収ミラー(SESAM) を採用した中心波長1064nm、パルス幅7ps、平均出力数W で繰り返し周波数25MHzから1GHzのものが市販されている。中心波長917nmのものも入手可能である。レーザ媒質としても、Nd:YAGやNd:YLF等を用いることができる。また、Cr:LiSAF、Nd:Glassなどの固体レーザ媒質を用いた超短パルスレーザでは、パルス幅100fs以下、中心波長850nm、1058nmである。
【0096】
また、高次高調波発生手段において、和周波混合や第2高調波発生、第4高調波発生等を含み非線形結晶光学素子には、BBOの他にKDP、KTP、LNまたこれらの周期分極反転型KTP(PPKTP)やPPLN、LBO、LiIO3 、CBO等がある。
【0097】
さらに、これまで微小ピット及びグルーブの露光を例に説明を行ってきたが、従来方法の連続光光源と同様に扱うことができることから、微小ピット及びグルーブの形成のみならず、音響光学効果あるいはポックルス効果を利用した光偏向器を用いてウォブリングアドレスの形成なども同様に行うことが可能である。
【0098】
またさらに、本発明はディスク状の光記録媒体原盤用の露光装置及び露光方法に限るものではなく、図1において示す回転手段13替わりに、高精度のリニアアクチュエータを用いたX −Y 直線走査系のレーザ描画装置や、これらの回転系やX −Y 直線走査系に加えz方向のスライド機構を備えた3次元微細加工装置にも適用されるものである。
【0099】
【発明の効果】
本発明に係る光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体の露光方法では、露光光源から出力された超短パルスレーザ光またはこれを励起光源とした高次高調波発生手段から出力される短波長の超短パルスレーザ光を、光記録媒体に記録する情報信号のクロック周波数に対応させてパルスの繰り返し周波数を分周光学系、もしくは分周光学系と外部同期機構を用いて調節することによって、クロック信号に対応した良好な形状のパターン露光を行うことができて、再生信号のジッターを10%程度以下に抑えた光記録媒体を得ることができる。特に、高次高調波発生手段により短波長化したパルスレーザを用いることによって、2光子吸収過程を発生させて、従来に比し微細な0.25μm以下程度のピットなどのパターン露光を高精度に行うことができる。
【0100】
また本発明において、分周光学系を、偏光ビームスプリッタと光遅延回路とより構成してこの分周光学系を超短パルスレーザより成る光源の後段に設けることにより、パワーの損失が少なく高効率で有効なレーザ光の利用が可能となる。
また高次高調波発生手段を設ける場合はその後段にこの分周光学系を設ける構成とすることにより、高次高調波発生手段においては超短パルスレーザからの尖頭出力の比較的高いレーザ光を利用することができ、最終的に露光用光として得られるパルスレーザ光の尖頭出力を確保することができる。
【0101】
また、超短パルスレーザのパルス幅を1×10−12 秒以下とすることで2光子吸収過程をより効率よく発生させることができ、露光光源の波長の回折限界以下のより微細なピット形成を可能とする。
【0102】
さらに、本発明において、光記録媒体原盤に照射するレーザ光のビームスポットを長円状とすることによって、グルーブ等の走査方向に延在するパターンの信号も、良好な形状をもって、パターン露光することができる。
【0103】
このような本発明によれば、前述したような高開口数のSILを用いたニアフィールド光学系ではなく、ファーフィールド光学系を採用できる為、ワーキングディスタンスを十分広く取ることができ露光時の回転数を高くすることにより、生産性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光記録媒体原盤露光装置の一例の模式的な構成図である。
【図2】Aは分周光学系の一例の模式的な構成図である。Bはパルス列の一例の模式的な波形の説明図である。
【図3】Aは超短パルスレーザ光のパルス波形の模式的な説明図である。Bは情報信号の波形及び超短パルスレーザ光のパルス波形の模式的な説明図である。Cはクロック信号のパルス波形の模式的な説明図である。
【図4】外部同期機構の説明図である。
【図5】高次高調波発生手段の一例の模式的な構成図である。
【図6】フォトレジストにおけるエアリースポットの吸収量を示す図である。
【符号の説明】
1…露光光源、1a…ミラー、1b …ミラー、1c …ミラー、2…高次高調波発生手段、3…変調手段、4…チャープ補正光学系、5…ビームエキスパンダ、6…オートフォーカス光学系、6a …偏光ビームスプリッタ、6b …波長選択素子、6c…フォーカス誤差量検出素子、6d …駆動制御部、7…1/4波長板、8a…対物レンズ、8b…、電磁アクチュエータ、8c…電磁アクチュエータ、9…集光光学系、10…載置台、11…光記録媒体原盤、12…フォトレジスト、13…回転手段、15…分周光学系、19a …レンズ、19b…レンズ、19c…レンズ、19d …レンズ、20…非線形光学結晶、21a…ハーモニックセパレータ、21b…ハーモニックセパレータ、21c…ハーモニックセパレータ、21d…ハーモニックセパレータ、22a…高反射ミラー、22b…高反射ミラー、22c…高反射ミラー、22d…高反射ミラー、23…1/2波長板(HWP)、24…非線形光学結晶、25…ビームストッパ、26…第2高調波(SHG)発生部、27…ディレーラインユニット、28…第3高調波(THG)発生部、31…レンズ、32…球面ミラー、33…球面ミラー、34…レーザ媒質、35…高反射ミラー、36a…分散補償プリズム、36b…分散補償プリズム、37…スリット、38…高反射ミラー、39…出力窓、40…ビームスプリッタ、41…光検出器、46…ピエゾ素子、60…分周回路、61…ビームスプリッタ、62…レンズ、63…ミラー、64…ミラー、65…レンズ、66…1/2波長板、67…偏光ビームスプリッタ、70…分周回路、71…ビームスプリッタ、72…レンズ、73…ミラー、74…ミラー、75…レンズ、76…1/2波長板、77…偏光ビームスプリッタ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical recording medium master exposing apparatus and an optical recording medium master exposing method for performing pattern exposure corresponding to recording information by irradiating light from an exposure light source onto a photoresist-coated optical recording medium master. .
[0002]
[Prior art]
An optical recording medium master for producing an optical recording medium such as various optical disks such as a CD (Compact Disc), an MD (Mini Disc), a DVD (Digital Versatile Disc) and a magneto-optical disk is, for example, on a disk-shaped master disk substrate. Is coated with a photoresist, and a concavo-convex pattern corresponding to recorded information is formed on the surface by exposure and development, that is, so-called cutting is performed.
A mastering apparatus that performs this cutting, that is, an optical recording medium master exposure apparatus, emits a laser beam having a wavelength of about 400 nm emitted from an exposure light source, for example, an ultraviolet wavelength such as a Kr laser (λ = 413 nm) or an Ar laser (λ = 351 nm). The exposure process is performed by narrowing down and irradiating a minute spot of a diffraction limit on a master on which a resist is applied through an objective lens using a continuous wave solid-state laser light source in a range.
[0003]
In the various optical recording media as described above, there is a demand for miniaturizing the processing size of pits or grooves in accordance with the increase in density for increasing the recording capacity. However, when a size of 0.25 μm or less is required as a processing dimension of the pit, the numerical aperture NA of the condensing lens is close to 1 at the wavelength of the gas laser used in the above-described optical recording medium master exposure apparatus. However, the laser beam cannot be sufficiently narrowed down. For this reason, at present, it is extremely difficult to accurately process the optical recording medium master to a size of 0.25 μm or less in producing the master.
[0004]
For example, an ultraviolet laser beam with a wavelength of 266 nm is generated using a semiconductor laser-excited high-power green laser with a wavelength of 532 nm as a pumping light source and a second harmonic generator having an external resonator structure. An airy spot of 0.36 μm is obtained using an aberration-free objective lens of 0.9 (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
In recent years, the tendency of optical discs to have higher densities has been further accelerated, and the formation of finer pits, for example, 0.2 μm or less is now essential, and a light source with a shorter wavelength is required. As a continuous oscillation laser light source having stability, low noise, and beam quality that can be used for an optical recording medium master exposure apparatus, a BaB laser is used in a resonator of an argon gas laser. 2 O 4 A deep UV oscillation water-cooled argon gas laser (with an output of 40 mW at a wavelength of 229 nm and an output of 100 mW at a wavelength of 238 nm) provided with a nonlinear optical crystal such as (BBO) is commercially available. However, the wavelength ratio is 229/266 = 0.86, and in order to obtain a resolution of 0.2 μm or less, it is necessary to use an objective lens having a higher NA in combination. In addition, since a large amount of cooling water is used, there is also an inconvenience that a measure for avoiding vibration in the built-in device is required.
[0006]
Further, as a high NA optical system, a technical study of a means using a near field optical system using a solid immersion lens (SIL) with NA> 1 has been conducted. However, the working distance is very narrow, such as 100 nm or less, for example, several tens of nm. Therefore, it is necessary to pay sufficient attention to dust and dirt, the surface smoothness of the optical recording medium master, and the rotational speed of the optical recording medium master. There is a problem that it cannot be raised too high.
[0007]
As another means for increasing the resolution, a micro pit processing method using an electron beam exposure apparatus has recently been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0008]
However, an electron beam exposure apparatus requires a vacuum apparatus because an electron beam is used, and is a large-scale apparatus having a high-precision and high-speed rotation mechanism of a glass master in a vacuum.
[0009]
On the other hand, in recent years, several high-output Ti: Sapphire (titanium / sapphire) ultrashort pulse laser light sources having a repetition frequency of about 1 MHz to about 100 MHz of the Kerr-lens mode-locking method are commercially available. This Ti: Sapphire ultrashort pulse laser light source is excited by a semiconductor laser-excited high-output green laser, oscillates at a center wavelength of 760 nm to 840 nm, for example, 800 nm, average output number W, pulse width (FWHM, full width at half maximum) 100 fs. Is obtained stably. The transverse mode of the beam is TEM00 and has excellent performance with a noise of 0.1% or less.
[0010]
In addition, for example, a Tsunami series manufactured by Spectra Physics, a Mira series manufactured by Coherent, and the like, having a repetition frequency of 80 MHz, a pulse width (FWHM) of 100 fs or less, and an average output of 1 W or more, have been put to practical use.
[0011]
In addition, a two-photon absorption process can be generated using such an ultrashort pulse laser light source, and a pattern finer than the diffraction limit can be formed by super-resolution characteristics using a nonlinear optical effect (for example, see Non-Patent Document 1).
[0012]
For example, there has been reported an example in which a dot pattern having a width of 120 nm is formed using a laser having a wavelength of 780 nm, a repetition frequency of 76 MHz, a pulse width of 150 fs, and an objective lens having a numerical aperture of NA 1.4 (for example, see Non-Patent Document 2). .)
However, at present, a technique of forming a modulation signal of recording information for an optical recording medium on a resist by pattern exposure using a two-photon absorption process and using the same for exposure of a master optical recording medium has not been realized.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-7-98891
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3233350
[Non-patent document 1]
Edited by Satoshi Kawada, Spectroscopy Society of Japan, Measurement Method Series 38, “Super-Resolution Optics,” Society Press Center, March 20, 1999, Chapter 5, page 79
[Non-patent document 2]
S. Kawata et al, "Fine features for functional microdevices", Nature, 2001, Vol. 412, p. 697)
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has an optical recording medium master exposure apparatus and an optical recording medium exposure apparatus capable of forming fine pits with high precision and greatly improving productivity. The purpose is to provide a method.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a modulating means for performing light intensity modulation of light from an exposure light source corresponding to recording information, and a condensing optical system for condensing the light modulated by the modulating means on a photoresist on an optical recording medium master. An optical recording medium master exposure apparatus for exposing a photoresist in a pattern according to recording information, wherein the exposure light source is an ultrashort pulse having a repetition frequency of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information. It is constituted by a laser and provided with a frequency dividing optical system for dividing the laser light emitted from the ultrashort pulse laser.
[0016]
Further, according to the present invention, in the above-described configuration, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to an integer multiple of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information, and the resonator length of the ultrashort pulse laser is made variable. An external synchronization mechanism for mode-locking the repetition frequency of the pulse laser in synchronization with the clock frequency of the recording information and oscillating pulses is provided.
[0017]
Further, the present invention provides a high-order harmonic generating means for emitting light whose wavelength has been shortened by wavelength conversion using a non-linear optical element with an ultrashort pulse laser light source as an excitation light source between an exposure light source and a frequency dividing optical system. Is provided.
[0018]
In the method of exposing an optical recording medium master according to the present invention, exposure is performed using the above-described optical recording medium master exposure apparatus.
That is, the light from the exposure light source is subjected to light intensity modulation corresponding to the recording information, and the light modulated by the modulating means is focused on the photoresist on the optical recording medium master, and the photoresist is converted into the recording information. An exposure method for an optical recording medium master for performing pattern exposure in accordance with the method described above, wherein the exposure light source comprises an ultrashort pulse laser having a repetition frequency of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information, A frequency division optical system for dividing the emitted laser light is provided.
[0019]
Further, according to the present invention, in the above-described exposure method, an external synchronization method in which the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to an integer multiple of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information and the resonator length of the ultrashort pulse laser is variable. A mechanism is provided to lock the mode of the repetition frequency of the ultrashort pulse laser in synchronization with the clock frequency, thereby causing pulse oscillation.
[0020]
Further, according to the present invention, in each of the above-described exposure methods, the light emitted from the exposure light source is shortened by high-order harmonic generation means using the exposure light source as an excitation light source by wavelength conversion using a nonlinear optical element. The light is emitted and made incident on the frequency dividing optical system.
[0021]
As described above, the optical recording medium master exposure apparatus and the optical recording medium master exposure method according to the present invention use an ultrashort pulse laser light source as an exposure light source and set the repetition frequency to at least one time the clock frequency of the recording information. The frequency is reduced to 20 times or less, and a frequency dividing optical system for dividing the frequency of the laser light emitted from the ultrashort pulse laser is provided.
[0022]
The clock frequency of the recording information signal of the optical disk is 4.3 MHz for a CD and 26 MHz for a DVD. In recent years, a so-called Blu-ray Disc, which has been attracting attention as a high-density disc and has been developed with a wavelength λ of reproduction light of 405 nm and an NA of an objective lens of 0.85, is 66 MHz. For example, in the case of a Blu-ray Disc, the frequency is 66 MHz, which is almost the same as the repetition frequency of the ultrashort pulse laser. Therefore, it is necessary to match the timing of the information data signal and the pulse oscillation of the laser.
[0023]
However, according to the present invention, as described above, the interval between the pulses is reduced by providing a frequency dividing optical system that makes the pulse repetition frequency of the ultrashort pulse laser twice, four times, eight times. Is superimposed on the recording information, it is possible to reduce the exposure deviation per pulse, to avoid the occurrence of a pattern defect, and to suppress the increase in, for example, the jitter of the reproduction signal due to the pattern defect. Therefore, by using an ultrashort pulse laser, it is possible to form a fine pattern with higher precision than in the past.
By setting the repetition frequency to 20 times or less, it is possible to avoid a decrease in pattern formation accuracy due to a decrease in the peak output of the ultrashort pulse laser. That is, when the laser beam emitted from the ultrashort pulse laser light source is frequency-divided and the wavelength is shortened by the high-order harmonic generation means, the peak output decreases, but the repetition frequency is set to 20 times or less. Can sufficiently secure the output of the ultrashort pulse laser, efficiently generate a two-photon absorption process described later, and perform pattern exposure with a fine spot size.
[0024]
In the present invention, when the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to an integral multiple of 1 to 20 times the clock signal of the recording information, an external device for adjusting the resonator length of the ultrashort pulse laser light source used as the exposure light source is used. A synchronization mechanism is provided, whereby the resonator length is adjusted, the repetition frequency can be synchronized with the clock signal, and the jitter of the reproduction signal can be suppressed to 10% or less.
By synchronizing in this way, pattern exposure synchronized with information signals recorded on various optical recording media such as CDs, DVDs, and Blu-ray Discs is reliably performed using light from an ultrashort pulse laser light source as an exposure light source. be able to.
[0025]
In another aspect of the present invention, a high-order harmonic generation unit is provided between the exposure light source and the modulation unit, and the wavelength is shortened by wavelength conversion using a non-linear optical element with an ultrashort pulse laser light source as an excitation light source. By emitting the light, an exposure light source having a shorter wavelength can be obtained.
[0026]
Thus, according to the optical recording medium master exposure apparatus and the optical recording medium master exposure method according to the present invention, an exposure light source that emits an ultrashort pulse laser beam having a high repetition frequency that can be regarded as being equivalent to pseudo continuous light, or The ultrashort pulse laser light whose wavelength has been shortened by the high-order harmonic generation means having the excitation means is emitted, and the light modulated by the light intensity modulation means is converted into a diffraction-limited spot size by a predetermined focusing optical system. By condensing and irradiating the photoresist, it is possible to perform exposure of a concave and convex pattern such as a pit having a finer pattern than in the related art.
[0027]
In the above-described present invention, the frequency dividing optical system is constituted by a polarizing beam splitter and an optical delay circuit. When the generating means is provided, by adopting a configuration in which the frequency dividing optical system is provided at the subsequent stage, it is possible to use laser light with high efficiency and little power loss.
[0028]
That is, the average output power of the higher harmonic light is proportional to the square of the fundamental wave power. Therefore, high-order harmonics are generated with high efficiency by injecting ultrashort pulse laser light with a relatively low repetition frequency to obtain high output, and then this pulse train is divided several times to obtain the same input fundamental wave power. As a result, high-output and high-repetition-frequency pulse oscillation can be performed, and it is not necessary to adopt a device configuration in consideration of the clock timing of the recording information.
[0029]
In this case, the high-order harmonic generation means for shortening the wavelength is a non-linear optical process, whereas the process through the frequency dividing optical system is a linear optical process, so that the output loss can be reduced. Has advantages.
[0030]
Further, according to the present invention, in the above-described optical recording medium master exposure apparatus or method, the photoresist is exposed by a two-photon absorption process. By using an ultra-short pulse laser light source with very high peak output (peak output) as an exposure light source and condensing the beam with a condensing optical system, the two-photon absorption process occurs very efficiently in the resist. . For example, when the repetition frequency is 1 GHz and the average power of the laser after emission from the objective lens is 10 mW, the light intensity in the beam spot on the surface of the photoresist is 100 GW / cm as a peak output. 2 Range.
[0031]
The two-photon absorption process is one of nonlinear optical phenomena, and the exposure of the resist is given by the square of the intensity distribution of the beam spot. The two-photon absorption cross section of the resist is 10 −46 -10 −47 cm 4 The value is as small as about s / photon, and the sensitivity of the resist is low, but several% absorption occurs.
[0032]
In order to cause two-photon absorption with high efficiency, the peak output of the ultrashort pulse laser beam must be high.
In the present invention, a pulse oscillation having a high repetition frequency is used, and the pulse width (FWHM) is set to at least 1 ps (1 × 10 -12 Seconds) or less, but by defining the pulse width in this way, two-photon absorption can be efficiently caused.
[0033]
When the resist is exposed, the light absorption distribution of the light source in the resist surface is proportional to the beam intensity distribution in the case of normal absorption, and proportional to the square of the beam intensity distribution in the case of two-photon absorption. FIG. 6 shows the light absorption distribution. In FIG. 6, I indicates a beam intensity distribution, which corresponds to the case of normal absorption. I2 represents the square of the beam intensity distribution, which corresponds to the case of two-photon absorption. Airy spot diameter d is
d = 1.22λ / NA
It becomes. When the numerical aperture NA of the objective lens is NA = 0.9 and the wavelength λ = 267 nm, the spot size is 0.36 μm. In the case of two-photon absorption, the beam spot is approximately 1 / √2 = 0.7 times. That is, it corresponds to the beam spot size at the time of normal exposure using an exposure light source having a wavelength of 190 nm. As a result, the recording linear density is about 1.4 times that in the case of one-photon (normal) exposure.
[0034]
Further, according to the present invention, in each of the optical recording medium master exposure apparatus and the optical recording medium master exposure method described above, the spot shape of the laser light emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is changed. It has an elliptical shape extending in the scanning direction.
[0035]
For example, in order to expose a linear pattern such as a groove, the pulse interval (the reciprocal of the repetition frequency) and the scanning speed (the linear speed in the case of a disc-shaped optical recording medium master) must be optimized according to the sensitivity of the resist. No. However, since the pulse interval is uniquely fixed by the clock, it is difficult to expose a linear pattern.
According to the present invention described above, since the beam spot emitted from the focusing optical system and focused on the resist is elongated in the beam scanning direction, the distribution of the irradiated light amount is spread and averaged, and the groove and the like are obtained. Can be easily obtained.
[0036]
As described above, in the present invention, an ultrashort pulse laser is used as an exposure light source, and the beam is narrowed down to the diffraction limit by a focusing optical system, so that two-photon absorption can be performed with high efficiency. Due to the photon absorption process, the photosensitivity of the resist is given by the square of the intensity distribution of the beam spot, which has super-resolution characteristics using the nonlinear effect, and records smaller pits finer than the diffraction limit. Becomes possible.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an optical disk master exposure apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0038]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an example of an exposure apparatus for an optical recording medium master according to the present invention. In this example, a modulating means 3 for performing light intensity modulation of light from an exposure light source 1 corresponding to recording information, and a light modulated by the modulating means 3 is used as a disc-shaped optical recording medium master 11 in the illustrated example. A condensing optical system 9 for condensing light on the upper photoresist 12 is provided, and the photoresist 12 is subjected to pattern exposure according to recording information.
[0039]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an exposure light source composed of an ultrashort pulse laser, 15 denotes a frequency dividing optical system which will be described in detail later with reference to FIG. 2, 4 denotes a chirp correcting optical system, 5 denotes a beam expander, 6 Denotes an autofocus optical system, an example of which will be described in detail in a later embodiment, 7 denotes a quarter-wave plate, 8a denotes an objective lens, and 8b and 8c denote electromagnetic actuators. 1a, 1b and 1c are mirrors. The optical recording medium master 11 is fixed to the mounting table 10. In this example, the mounting table 10 is rotated by a rotating means 14 as shown by an arrow a, and the condensing optical system 9 is disposed on, for example, a moving optical table (not shown). It is adapted to move in the radial direction so that exposure light can be irradiated over the entire surface of the optical recording medium master.
[0040]
FIG. 2A shows a schematic configuration diagram of an example of the frequency division optical system. In FIG. 2A, reference numerals 60 and 70 denote frequency divider circuits, respectively. Light L11 emitted from an exposure light source composed of an ultrashort pulse laser is split 50:50 by a beam splitter 61. Assuming that this light is s-polarized light, a polarizing beam splitter 67 that transmits light transmitted through the beam splitter 61 is provided. The light reflected by the beam splitter 61 is incident on a half-wave plate 66 via a lens 62, mirrors 63 and 64, and a lens 65, becomes p-polarized light, and is completely reflected by a polarization beam splitter 67.
Similarly, in the frequency dividing optical system 70, the light L12 emitted from the beam splitter 71 and the frequency dividing optical system 60 is split by the beam splitter 71 at 50:50. Assuming that this light is s-polarized light, a polarizing beam splitter 77 that transmits light transmitted through the beam splitter 71 is disposed. The light reflected by the beam splitter 71 enters the half wavelength 76 via the lens 72, the mirrors 73 and 74, and the lens 75, becomes p-polarized light, and is completely reflected by the polarization beam splitter 77.
[0041]
Here, the lenses 62 and 65, 72 and 75 form an afocal (telescope) system, and are arranged so that both beam parameters match. The half-wave plates 66 and 76 are provided with their optical axes rotated by 45 °, and rotate the polarization plane of the incident light by 90 ° so as to be totally reflected by the polarizing beam splitters 67 and 77 as described above. It is.
Further, the mirrors 63 and 64, 73 and 74 can be replaced with a right-angle prism or a corner cube.
[0042]
In the frequency dividing optical system 60, an optical delay circuit is configured by appropriately selecting the difference between the optical path lengths of two lights obtained by splitting the incident light L11 by the beam splitter 61. The difference between the optical path lengths of the beams is precisely adjusted so that the pulse transit time is equal to half the interval between the pulse trains of the incident light L11 (that is, the reciprocal of the repetition frequency of the ultrashort pulse laser). 2B, the incident pulse train p11 can be converted into a pulse train p12 having an interval of 、, that is, a frequency doubled, as schematically shown in FIG. 2B.
[0043]
For example, when the repetition frequency is 66 MHz, the interval between the pulse trains is 15.152 ns (10-9 seconds), and the optical path length is 2.2712 m (light speed = 2.998 × 108 m / s).
Further, instead of the beam splitter 61, a half-wave plate is provided in which the optical axis is arranged to be rotated by 22.5 ° with respect to the polarization plane of the incident pulse laser beam, and the polarization plane is rotated by 45 °, and the polarization beam splitter is rotated. May be combined.
[0044]
Further, in the frequency dividing optical system 70 at the subsequent stage of the frequency dividing optical system 60, the optical path length difference is precisely adjusted to be equal to 1/2 of the interval of the pulse train p12, as shown in FIG. 2B. A pulse train p13 in which the interval between the pulse trains p12 emitted from the frequency dividing circuit 60 is further reduced to 1 / can be emitted. The optical path difference in this case is 1.1356 m.
[0045]
The pulse train obtained in this way is divided into a pulse train having a peak power of 1/2 when passing through the frequency dividing circuit 60 and a double repetition frequency, and a peak power of 1/4 when passing through the frequency dividing circuit 70. The repetition frequency is divided into quadruple pulse trains. When the aforementioned 66 MHz ultrashort pulse laser is incident, the repetition frequency becomes 264 MHz. However, the polarization planes of the pulses p12 and p13 become horizontal polarization and vertical polarization inclined at 90 ° to each other, but have no direct influence on the exposure apparatus and the exposure method.
[0046]
FIG. 3A shows a schematic waveform of a pulse signal from the ultrashort pulse laser light source and the frequency dividing optical system, and FIG. 3A shows a schematic diagram of a state in which the pulse signal is superimposed on a signal waveform S of recording information by the above-described modulation means 3. The waveform is shown in FIG. 3B. As shown in FIG. 3A, the interval between the pulses P is appropriately selected, and the frequency thereof is set to a frequency of 1 to 20 times the clock signal C of the recording information shown in FIG. As shown in FIG. 3B, it is superimposed on the signal S of the recording information. In FIG. 3B, the pulse waveform is shown as a broken line P ′. As described above, when the repetition frequency of the pulse train is an integer multiple of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information, as described below, by providing an external synchronization mechanism in the ultrashort pulse laser, By performing the exposure in synchronization, the pattern exposure of the photoresist can be performed according to the recording information.
[0047]
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of an external synchronization mechanism and an exposure light source suitable for use in the embodiment of the present invention. In FIG. 4, reference numeral 30 denotes an ultrashort pulse laser light source using, for example, Ti: Sapphire, and reference numeral 50 denotes an external synchronization mechanism.
First, excitation light Li0 such as a semiconductor laser (not shown) is incident on the ultrashort pulse laser light source 30 via a lens 31 and a spherical mirror 32 to a laser medium 34 such as Ti: Sapphire. The light emitted from the laser medium 34 is reflected by the spherical mirror 33, further reflected by the high reflection mirror 35, and then enters the dispersion compensating prisms 36a and 36b. Then, the light is reflected by the high reflection mirror 38 through the slit 37. After passing through the slit 37 again, the light is returned to the laser medium 34 via the dispersion compensating prisms 36b and 36a, the high reflection mirror 35, and the spherical mirror 33. As the exposure light, the light returned from the laser medium 34 to the spherical mirror 32 is extracted outside as output light Li2 through an output window (output coupler) 39 and a beam splitter 40.
[0048]
In this external synchronization mechanism, a part of the output light is detected by a beam splitter 40 by a photodetector 41 composed of a high-speed photodiode or the like. Then, the phase of the output from the photodetector 41, that is, the electric signal by laser pulse oscillation and the output of the clock signal generator 42 of the information signal output device to be recorded on the optical recording medium are compared by the phase detector 43. Here, when the clock signal is set to an integer multiple of 2 or more, the phase of the clock signal is compared with that of the clock signal generated by the clock signal generator 42. Then, the signal output from the phase detector 43 is input to a control unit 44 including a PLL (Phase Lock Loop) circuit or the like, and the control signal converted into a predetermined control amount is input to the piezo drive unit 45, By slightly moving the piezo element 46 fixed to the high reflection mirror 38 in the optical axis direction, the resonator length of the laser resonator can be finely adjusted. Note that the resonator length in this example is the length of the optical path from the spherical mirror 32 to the high reflection mirror 38.
[0049]
With this configuration, the jitter between the clock signal of the recording information and the oscillation pulse of the laser can be reduced to 1 ps or less.
Since the optical modulator drive signal of the information recording signal is also transmitted in synchronization with the clock signal, the timing is synchronized with the pulse oscillation of the ultrashort pulse laser. When the repetition frequency of the ultrashort pulse laser light source is one time of the clock signal, that is, when the clock signal is synchronized, for example, when recorded using a (1,7) modulation code in the photoresist, 2T is irradiated to the 2T shortest pit. Is done. When externally synchronizing with a frequency twice as high as the clock signal, ie, 132 MHz in the case of the Blu-ray Disc, an ultrashort pulse laser is used so that the resonator length R is R = c / 2L = 1136 mm (c is the speed of light) An optical system in the apparatus may be provided, and the shortest pit of 2T is irradiated with four pulses as shown in FIG. 3B described above.
[0050]
If the repetition frequency of the laser oscillation is increased, the peak output of the pulse is reduced even if the average output is the same, so that the efficiency of generation of higher-order harmonics in the subsequent stage and absorption of two-photon by the resist is reduced. Therefore, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser light source is selected to be 20 times or less the frequency of the clock signal.
When the repetition frequency is set to an integral multiple of 10 times or more of the frequency of the clock signal, when the deviation from the clock is set to 1/10 or less of the cycle and the jitter of the reproduction signal can be set to 10% or less, Exposure can be performed without providing an external synchronization mechanism.
[0051]
Further, according to the present invention, in the above-described configuration, as shown in FIG. 1, between the exposure light source 1 and the modulating means 3, the wavelength is shortened by wavelength conversion using a non-linear optical element with an ultrashort pulse laser light source as an excitation light source. And a high-order harmonic generating means 2 for emitting the generated light.
[0052]
FIG. 5 shows a schematic configuration of an example of the high-order harmonic generation means 2.
In FIG. 5, 26 denotes a second harmonic (SHG) generator, 27 denotes a delay line unit, and 28 denotes a third harmonic (THG) generator. The light Li that has entered the second harmonic generation unit 26 enters the nonlinear optical crystal 20 via the condenser lens 19a, is reflected by the harmonic separator 21a via the condenser lens 19b, and is extracted as L2-1. Or when the harmonic separator 21a is not provided, the light enters the delay line unit 27.
[0053]
The light incident on the delay line unit 27 is split into a fundamental wave L1 and a second harmonic L2-2 by the harmonic separator 21b. The fundamental wave is reflected by the mirrors 22a and 22b and is incident on the third harmonic generation unit 28, and the second harmonic L2-2 is reflected by the mirrors 22c, 22d and 21c via the half-wave plate 23. The light is incident on the third harmonic generator 28.
[0054]
For example, F. Roterund, et al: "Generation of the fourth harmonic of a femtosecond Ti: Sapphire laser" Optics Letters, July 1, 1998, Vol. 23, no. 13, p1040, a nonlinear optical crystal LiB using a Ti: Sapphire ultrashort pulse laser having a center wavelength of 800 nm (repetition frequency 82 MHz, pulse width 85 fs, average output 1.9 W). 3 O 5 By using a second harmonic generation (SHG) device using (LBO) type I critical phase matching, the center wavelength is 400 nm, and the pulse width is slightly widened by group velocity dispersion, but is, for example, 100 fs and average output 600 mW. Short pulse laser light can be obtained.
[0055]
When the type I phase matching is used in the generation of the second harmonic, the polarization planes of the fundamental wave and the second harmonic are rotated by 90 °, so that, for example, as shown in FIG. The polarization plane of the second harmonic L2-2 can be adjusted to the fundamental wave by providing the half-wave plate 23 for aligning with the fundamental wave L1 before entering the second nonlinear optical crystal 24 using.
[0056]
Further, since the second harmonic L2-2 is emitted with a delay from the fundamental wave L1 due to the wavelength dispersion in the first nonlinear optical crystal 20, the second nonlinear optical crystal 24 is transmitted to the second nonlinear optical crystal 24 by the delay line unit 27 described above. Before the incidence, the fundamental wave L1 is delayed. The delay is achieved by separating the two waves by the harmonic separator 21b, lengthening only the optical path length of the fundamental wave L1 by a length corresponding to the delay time, and combining the waves again.
[0057]
Then, as shown in FIG. 5, in the third harmonic generation unit 28, the combined wave is made incident on the nonlinear optical crystal 24, and the third harmonic L3 is emitted to the outside by sum frequency mixing. 19c and 19d are condenser lenses, 21d is a mirror, 25 is a beam stopper, and Lo is unnecessary light.
The lenses 19a to 19d are arranged to increase the beam intensity in the crystal and improve the conversion efficiency.
[0058]
In the case of ultrashort pulse laser light, the peak output is very high and the conversion efficiency of the second harmonic generation, which is the second-order nonlinear optical phenomenon, increases in proportion to the laser intensity. High efficiency can be obtained even if the optical path is set to pass once through the optical crystal. However, in the case of high-order harmonic generation using an ultrashort pulse laser, the group velocity dispersion of the nonlinear optical crystal causes a group velocity mismatch when the crystal is thick, so that effective wavelength conversion is not performed. For example, the crystal length of LBO needs to be 1.5 mm or less when the pulse width is 100 fs and the center wavelength is 800 nm.
[0059]
Further, in the above-described third harmonic generation unit 28, for example, by sum frequency mixing (SFM) of a fundamental wave having a center wavelength of 800 nm and a second harmonic having a center wavelength of 400 nm emitted from the high-order harmonic generation means, for example. An ultrashort pulse laser beam having a center wavelength of 267 nm, a pulse width of 115 fs, and an average output of about 150 mW can be obtained. This sum frequency mixing is a second-order nonlinear optical phenomenon like the second harmonic generation. For example, the type I critical phase matching of the nonlinear optical crystal BBO can be used. .3 mm or less.
[0060]
Further, by adding a nonlinear optical crystal (BBO) for sum frequency mixing, the fourth harmonic can be generated, and a light source having a wavelength of 204 nm can be obtained. A pulse width of 340 fs and an average output of 15 mW are obtained. Therefore, it can be used as an exposure light source when applied to the optical recording medium master exposure apparatus and the optical recording medium master exposure method of the present invention with sufficient average output power up to the fourth harmonic light.
[0061]
As described above, in the present invention, when pulse oscillation with a high repetition frequency is used, the pulse width (FWHM) is set to at least 1 ps (1 × 10 -12 Seconds) or less, but by defining the pulse width in this way, two-photon absorption can be efficiently caused.
[0062]
In the present invention, the following effects can be obtained by setting the absorption peak wavelength of the photoresist to half or less of the wavelength of the exposure light source.
As described above, normal absorption (one-photon absorption) can be efficiently suppressed by using a material that is transparent in the wavelength region of the exposure light source and has absorption at half the wavelength as the photoresist. .
In two-photon absorption, two photons are simultaneously absorbed, and the electrons of the resist are shifted to a level higher by twice the energy of one photon. In terms of absorption spectrum, this is equivalent to the case of being excited by light (one photon) having a wavelength of half the wavelength of the exposure light source. Therefore, the resist for absorbing two photons should have an absorption peak wavelength not more than half the wavelength of the exposure light source. Accordingly, two-photon absorption can be efficiently generated, and finer pattern exposure can be performed.
[0063]
When exposure is performed over the entire thickness of the photoresist, it is desirable that half of the wavelength of the exposure light source be slightly longer than the absorption peak of the photoresist.
For example, when exposing a master for a CD or the like having a photoresist thickness of about 100 nm, selecting an exposure light source and a photoresist that has an absorption coefficient of about several% with respect to the absorption coefficient at the absorption peak wavelength makes the resist Two-photon absorption is not performed only in the vicinity of the surface, and absorption over the entire thickness can be caused. In the case of a master for a Blu-ray Disc having a photoresist thickness of about 40 nm, by selecting an exposure light source and a photoresist having an absorption coefficient of about 10%, the total thickness of the photoresist is similarly reduced. , And pattern exposure for exposing the surface of the master disk substrate after development can be performed.
[0064]
It should be noted that the bandwidth (FWHM) δλ of the ultrashort pulse laser beam is, for example, 100 fs when the pulse width δt is 100 fs, regardless of which light source is used. 2 Δ · δt = 0.315 · λ for a Fourier transform limit pulse of the form 2 / C (c: speed of light), and δλ = 6.7 nm. Therefore, when a high NA lens having an NA of 0.5 or more is used, it is necessary to use an achromatic lens such as an apochromatic lens used in a microscope or the like as the objective lens. Further, since chromatic aberration occurs only in a refraction system, the above problem can also be avoided by using a condensing optical system using an aspherical concave mirror.
[0065]
In the present invention, the beam spot emitted from the focusing optical system and focused on the resist is elongated in the beam scanning direction. Thereby, the distribution of the amount of light to be irradiated is expanded and averaged, and a linear pattern such as a groove can be easily obtained.
In order to make the beam spot elliptical, for example, the beam expander 5 described in FIG. 1 is an anamorphic optical system, that is, the beam diameter in the direction perpendicular to the beam scanning direction is further enlarged. Anything can be used.
Specifically, it is desirable to use a cylindrical lens, a cylindrical concave mirror, an anamorphic prism, or the like to make the ratio of the beam expansion ratio about several times.
[0066]
Further, as the modulation means for light intensity modulation described in FIG. 1 described above, an acoustic wave utilizing the Bragg diffraction of light by an ultrasonic wave in an acousto-optic element driven by a piezoelectric element modulated by a recording information signal is used. An electro-optic modulator using an optical effect or a Pockles effect modulated by a recording information signal is suitable.
[0067]
Since all the optical elements such as the lens, the wave plate, and the optical modulator described above have a positive group velocity dispersion, even when the pulse width is adjusted to be minimum at the time of emitting the exposure light source, the light passes through these. When the ultrashort pulse laser beam is applied to the photoresist of the master optical recording medium, it always chirps and the pulse width is widened.
[0068]
Therefore, a chirp correction optical system having a negative group velocity dispersion is used as the chirp correction optical system 4 shown in FIG. 1, and a negative chirp is given to the ultrashort pulse light emitted from the exposure light source in advance, thereby canceling the chirp. Thus, it is necessary to obtain the shortest pulse on the resist. As the chirp correcting optical system 4, a dispersion prism pair, a grating pair, and a chirp mirror can be used.
[0069]
The pulse width required for adjusting the pulse width can be measured by an autocorrelator using a conventional second harmonic generation method.
[0070]
Embodiment 1
Next, an example of the optical recording medium master disc exposure apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. In this example, an exposure light source 1 composed of a Ti: Sapphire ultrashort pulse laser light source, a higher harmonic generation means 2 using the ultrashort pulse laser as an excitation light source, and light emitted from the higher harmonic generation means 2 It has a frequency dividing optical system 15 for dividing the light, and a negative group velocity dispersion for correcting in advance a positive group velocity dispersion caused when a pulse output from the frequency dividing optical system 15 passes through various optical components. A chirp correcting optical system 4, a modulating means 3 for modulating light intensity by switching light emitted from the chirp at high speed with an electric pulse signal corresponding to supplied data, and modulating by the modulating means 3. A converging optical system 9 and a beam expander 5 are provided for condensing the obtained light to a diffraction-limited spot size and irradiating the light onto a master optical disc 11 coated with a photoresist 12.
[0071]
The ultrashort pulse laser light source is a Ti: Sapphire laser having a repetition frequency of 128 MHz, which is the same as the above-mentioned Blu-ray Disc clock frequency, a center wavelength of 816 nm, a pulse width of 80 fs, and an average output of 0.8 W, that is, Ti: Sapphire. The ultrashort pulse laser used as the laser medium 34 described in 4 was used.
[0072]
Then, the second harmonic having a wavelength of 408 nm or the third harmonic having a wavelength of 272 m was generated using the high-order harmonic generating means 3 described in FIG. In this example, a type I phase-matched LBO crystal was used as the nonlinear optical crystal 20 of the second harmonic generation unit 26 shown in FIG. A type I BBO was used for the nonlinear optical crystal 24 of the third harmonic generation unit 28. The various lenses 19a to 19d are arranged to increase the beam intensity in the crystal and improve the conversion efficiency. Outgoing light could be extracted with the second harmonic light having an average output of 300 mW and a pulse width (FWHM) of 100 fs, the third harmonic light having an average output of 60 mW and a pulse width of 120 fs or less at 1 ps or less.
[0073]
Then, as the frequency dividing optical system 15, an optical system of frequency dividing by 4 provided with the frequency dividing circuits 60 and 70 described in FIG. By passing the light through the frequency dividing optical system 15, an output having a repetition frequency of 528 MHz and an average power of 15 mW can be obtained. In this embodiment, the pulse laser light is supplied to the clock signal of the recording information without providing an external synchronization mechanism. And pattern exposure could be performed with a good shape.
In this case, the first-stage frequency dividing circuit 60 has an optical path difference of 1.1356 m and the afocal lenses 62 and 65 have a focal length of 300 mm. In the second-stage frequency dividing circuit 70, the optical path difference is 0.5678 m, and the lenses 72 and 75 have a focal length of 160 mm. A half mirror was used to separate the pulse light, and a half-wave plate of the 0th order for the second harmonic of 408 nm and a polarizing beam splitter for multiplexing were used. The adjustment of the optical path length was performed by mounting two reflecting mirrors on a stage with a micrometer. The ultrashort pulse laser was detected by a light-speed photodetector having a band of 1.2 GHz, and while measuring with a spectrum analyzer, the center frequency was adjusted to 528 MHz and the bandwidth became the narrowest.
[0074]
As the chirp correcting optical system 4, a Brewster prism-pair was used.
The light is reflected at 90 ° by the mirror 1 a and sent to the modulating means 3. As the light intensity modulator of the modulating means 3, an electro-optical element EOM having a signal modulation band of 80 MHz was used. The modulation means 3 is supplied with a pit recording signal from a so-called formatter (not shown) which generates electrical pulse signals for data to be recorded on the optical recording medium master. Light is modulated according to this data.
[0075]
This light-modulated light is reflected at 90 ° by the mirror 1b, passes through a quarter-wave plate 7 via a beam expander 5, and a polarizing beam splitter (hereinafter, referred to as PBS) 6a of an autofocus optical system 6, for example. After the light is reflected by 90 ° at 1c, the light is transmitted through an objective lens 8a having a high aperture ratio NA to irradiate the optical recording medium master 11 coated with a photoresist 12 in advance.
As the photoresist 12, for example, an i-line resist (JSR Corporation PFRIX1110G or the like) or a KrF laser mastering resist (Zeon Corporation DVR-100 or the like) can be used.
[0076]
At this time, the objective lens 8a uses an incident light, for example, a lens having a high numerical aperture NA corrected for aberration for a wavelength λ = 267 nm, and irradiates the beam with the beam narrowed down to the diffraction limit. As the objective lens 8a, an achromatizing objective lens made of synthetic quartz, fluorite, or the like, whose material sufficiently transmits light in this wavelength range, was used. The optical recording medium master 11 is fixed on a mounting table 10 which rotates in a direction indicated by an arrow a by rotating means 13 such as a spindle motor.
[0077]
On the other hand, the higher harmonic generation means 2 emits the third harmonic light having the wavelength λ = 272 nm and simultaneously emits the second harmonic light having the wavelength λ = 408 nm. The optical path of this light is also an optical path passing through each of the above-described optical elements, and is applied to the optical recording medium master 11.
The return light reflected from the optical recording medium master 11 is incident on the PBS 6a via the objective lens 8a, the mirror 1c, and the quarter wavelength plate 7. Here, since this return light has passed through the quarter-wave plate 7 twice, it is reflected by the PBS 6a. Thereby, the PBS 6a of the autofocus optical system 6 sends the return light to the focus error amount detection element 6c via the wavelength selection element 6b. The wavelength selection element 6b is used to block the light of the exposure wavelength using a multilayer interference film or the like because a considerable amount of the light of the third harmonic, which is the exposure wavelength, is also reflected by the PBS 6a.
[0078]
The focus error amount detection element 6c optically detects the amount of displacement from the best focus position when the exposure light is focused on the optical recording medium master 11 using, for example, an astigmatism method. The detected amount is converted into an electric signal. The detected electric signal is supplied to a drive control unit 6d which forms a part of the autofocus servo system 6.
Here, the above-mentioned astigmatism method is a method in which a cylindrical lens is arranged behind a detection lens, and a photodetector detects the astigmatism by positively utilizing astigmatism. This cylindrical lens has a lens action only in a single direction, and has only the same action as a parallel plate in a direction orthogonal to this single direction, so it converges at positions other than the focus position of the detection lens and this cylindrical lens. Instead, the focus error signal is detected by forming a thin beam image. By controlling this focus error signal to be zero, the focus of the objective lens is maintained at an optimum position.
[0079]
The drive control unit 11c generates a drive signal for correcting the displacement based on the electric signal, and outputs the drive signal to the electromagnetic actuators 8b and 8c for finely moving the objective lens 8a up and down. The electromagnetic actuators 8b and 8c move the objective lens 8a in the vertical direction indicated by an arrow b by a drive signal, that is, in the direction in which the objective lens 8a approaches or separates from the photoresist, to thereby optimize the focusing position of the optical recording medium master 11. The position can be automatically adjusted to allow exposure with reduced loss.
[0080]
Here, for example, when an aberration-free lens having a numerical aperture NA of 0.9 was used as the objective lens with a laser beam spot size, the airy disc could be reduced to 0.36 μm. Therefore, by generating the two-photon absorption process, exposure corresponding to a spot size of 0.36 × (1√2) ≒ 0.25 (μm) could be performed.
[0081]
At this time, as described above, the beam expander 5 has an anamorphic optical system, and has a spot shape expanded and elongated in the beam scanning direction. As a result, the groove pattern was exposed as a fine pattern.
[0082]
The laser beam formed in this way is rotated and scanned on the optical recording medium master 11 by the rotating means 13, and at the same time, the optical system including the objective lens is moved in the radial direction from the center of the disk (center of the master) to form a spiral beam. Can be scanned on the master to expose the photoresist to form pits with high density.
The photoresist 12 may be a positive resist for g-line or i-line in addition to the above-mentioned i-line. Since the photosensitivity of the resist is photon mode recording, even in the case of ultrashort pulse light having a high repetition frequency, the photosensitivity is determined by the integrated amount of photons per unit area. According to the present invention, unlike the case of continuous light irradiation, there is almost no need to go through the thermal mode. That is, it is possible to suppress an unnecessary expansion and a change in the reaction speed due to an increase in the temperature of the resist, and it is possible to form finer pits.
[0083]
In the first embodiment described above, the case where the center wavelength is 816 nm is described. However, the Ti: Sapphire ultrashort pulse laser can oscillate from 760 nm. In this case, the same means as described above (all the center design wavelengths need to be changed) Thus, the second harmonic light of 380 nm and the third harmonic light of 253 nm can be used. However, since the efficiency is somewhat reduced, it is necessary to increase the output of the excitation green laser for exciting the laser medium of the ultrashort pulse laser light source.
[0084]
Further, by adding a non-linear optical crystal (for example, BBO) for sum frequency mixing, it was possible to generate a fourth harmonic (wavelength around 200 nm). In this case, as the beam spot size, an Airy spot of 0.28 μm was obtained using an aberration-free objective lens having a numerical aperture of NA 0.9. Therefore, exposure corresponding to a spot size of 0.28 × (1 / √2) ≒ 0.2 (μm) can be performed. In this case, a resist for a KrF laser (wavelength 248 nm) or an ArF laser (wavelength 192 nm) can be used as a highly sensitive resist.
[0085]
In the first embodiment, the third harmonic generation means is described as an example of the high harmonic generation means. However, the high harmonic generation means described in FIG. Since the frequency mixing units are independently separated from each other, the second harmonic can be used as an exposure light source. In this case, the conversion efficiency of the second harmonic generation is higher than that of the third harmonic generation, and not only a high exposure power can be obtained with the same excitation laser power, but also the wavelength of the laser light is close to the visible light range, Since various types of glass materials can be used, lens design is easy, and restrictions on optical elements are reduced.
[0086]
Embodiment 2
Next, a second embodiment according to the present invention will be described.
In this example, the configuration of the optical recording medium master exposure apparatus is exactly the same as that of the first embodiment. In this example, the exposure light source has a repetition frequency of 66 MHz, a center wavelength of 816 nm, a pulse width of 80 fs, and an average output of 1.5 W. An ultra-short pulse laser light source using Ti: Sapphire as a laser medium was used. Then, in order to increase the laser power intensity of the higher harmonics, the focal length of the condenser lens in front of each nonlinear optical crystal is made shorter, the beam spot diameter is made smaller, and the wavelength conversion efficiency is increased.
[0087]
In this example, only the frequency-divided optical circuit 5 is used as the frequency-divided optical system 5. That is, only the frequency dividing circuit 60 described in FIG. 2 is provided between the high-order harmonic generating means 2 and the chirp correction optical system 4. The optical path difference of the frequency dividing circuit 60 was set to 2.2712 m, and the focal length of the afocal lenses 62 and 65 was 600 mm. A half mirror was used for separation of the pulse beam, and a half-wave plate of the 0th order for the third harmonic of 267 nm was used, and a polarization beam splitter was used for multiplexing.
[0088]
When an ultrashort pulse light having a wavelength of 272 nm and a pulse width of 1 fps or less and emitted from the third harmonic generation unit 28 and having a pulse width of 1 ps or less is used to irradiate an ArF laser photoresist such as a fluororesin resist as a photoresist, The light intensity in the beam spot on the resist surface is 100 GW / cm as a peak output. 2 In addition, two-photon absorption was remarkable, and several percent of absorption, that is, a photoreaction, which is a process of exposing the resist, was able to proceed. In this example, an airy spot of 0.36 μm can be obtained by using an aberration-free objective lens with NA = 0.9 as the objective lens, and a 0.36 × (1 √2) Exposure with an Airy spot size of 0.25 μm could be performed.
[0089]
The photosensitivity of the resist is given by the square of the intensity distribution of the beam spot. In the above-described resist, normal absorption does not occur because it is transparent to light having a wavelength of 272 nm. Only the two-photon absorption process occurs locally only at high intensity distributions. This can be replaced with a resist for ArF laser (193 nm) (for example, ZARF001 of Nippon Zeon Co., Ltd.) or a resist for KrF laser (for example, KRFM89Y of JSR Corporation).
[0090]
Also in this case, the groove width is made larger than that of the conventional one by making the beam expander 5 an anamorphic optical system to make the spot shape expanded and elongated in the beam scanning direction. The groove pattern was exposed as a fine pattern.
[0091]
Further, also in this example, the second harmonic (wavelength: 403 nm) is exposed by using the high harmonic generation means having the configuration shown in FIG. 4 in which the second harmonic generation and the sum frequency mixer are independently separated. It can also be used as a light source. In this case, it is desirable to use a photoresist for KrF (wavelength: 248 nm) or i-line (wavelength: 365 nm) as a photoresist.
[0092]
In addition, since the two-photon absorption cross-section is a very small value, an organic dye having a high two-photon absorption cross-section added to the resist as a sensitizer can be used to enhance the sensitivity of the resist. In addition to the same advantages as in the case of the first embodiment, the selection range of applicable photoresists is widened.
[0093]
In the first embodiment described above, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to twice the frequency of the clock signal of the recording information, and furthermore, a four-frequency dividing optical system is provided to reduce the repetition frequency of the pulse. As a result, pattern exposure could be performed with a good shape without providing an external synchronization mechanism.
On the other hand, in the above-described second embodiment, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to be one time the frequency of the clock signal of the recording information, and the frequency dividing optical system is a 2-frequency dividing optical system. A pulse laser beam having a frequency twice as high as that of the signal was obtained, and in this case, the pattern exposure could be performed with a good shape by synchronizing the exposure pulse with the clock signal by an external synchronization mechanism.
[0094]
On the other hand, if the repetition frequency is set too high, the peak output decreases, and it becomes difficult to generate two-photon absorption, and pattern exposure with high resolution cannot be performed. Therefore, under the present circumstances, a fine pattern can be reliably exposed by setting the upper limit to about 20 times the clock signal of the recording information of the optical recording medium to be exposed.
[0095]
Further, in the above-described embodiment and each example, a Ti: Sapphire ultrashort pulse laser is taken as an example of the light source means, but various other ultrashort pulse laser light sources can be used.
For example, an Nd: Vanadete ultrashort pulse laser that can be excited by a semiconductor laser, has a center wavelength of 1064 nm employing a semiconductor saturable absorption mirror (SESAM), a pulse width of 7 ps, an average output number W, and a repetition frequency of 25 MHz to 1 GHz is commercially available. I have. One with a center wavelength of 917 nm is also available. As a laser medium, Nd: YAG, Nd: YLF, or the like can be used. An ultrashort pulse laser using a solid laser medium such as Cr: LiSAF or Nd: Glass has a pulse width of 100 fs or less and a center wavelength of 850 nm and 1058 nm.
[0096]
The high-order harmonic generation means includes sum frequency mixing, second harmonic generation, fourth harmonic generation, and the like. Non-linear crystal optical elements include, in addition to BBO, KDP, KTP, LN, and periodic polarization inversion thereof. Type KTP (PPKTP), PPLN, LBO, LiIO 3 , CBO and the like.
[0097]
Furthermore, although the description has been made by taking the exposure of minute pits and grooves as an example, since it can be handled in the same manner as the continuous light source of the conventional method, not only the formation of minute pits and grooves, but also the acousto-optic effect or A wobbling address can be similarly formed using an optical deflector utilizing the effect.
[0098]
Further, the present invention is not limited to an exposure apparatus and an exposure method for a disc-shaped optical recording medium master, but instead of the rotating means 13 shown in FIG. 1, an XY linear scanning system using a high-precision linear actuator. And a three-dimensional micromachining apparatus having a z-direction slide mechanism in addition to the rotary system and the XY linear scanning system.
[0099]
【The invention's effect】
In the optical recording medium master disc exposure apparatus and the optical recording medium exposure method according to the present invention, the ultra-short pulse laser light output from the exposure light source or the short wavelength laser light output from the higher harmonic generation means using the same as an excitation light source is used. By adjusting the pulse repetition frequency of the ultrashort pulse laser beam in accordance with the clock frequency of the information signal to be recorded on the optical recording medium using a frequency dividing optical system or a frequency dividing optical system and an external synchronization mechanism, the clock is controlled. It is possible to perform pattern exposure of a good shape corresponding to a signal, and to obtain an optical recording medium in which the jitter of a reproduced signal is suppressed to about 10% or less. In particular, by using a pulse laser whose wavelength is shortened by the high-order harmonic generation means, a two-photon absorption process is generated, so that pattern exposure of fine pits of about 0.25 μm or less as compared with the conventional method can be performed with high precision. It can be carried out.
[0100]
In the present invention, the frequency dividing optical system is composed of a polarizing beam splitter and an optical delay circuit, and the frequency dividing optical system is provided after the light source made of an ultra-short pulse laser. Thus, the effective use of the laser beam becomes possible.
When the high-order harmonic generation means is provided, the frequency division optical system is provided at the subsequent stage, so that the high-order harmonic generation means uses a laser beam having a relatively high peak output from an ultrashort pulse laser. And the peak output of the pulse laser light finally obtained as the exposure light can be secured.
[0101]
Further, the pulse width of the ultrashort pulse laser is set to 1 × 10 -12 By setting the time to less than seconds, the two-photon absorption process can be generated more efficiently, and finer pits smaller than the diffraction limit of the wavelength of the exposure light source can be formed.
[0102]
Further, in the present invention, by making the beam spot of the laser beam irradiating the optical recording medium master into an elliptical shape, the signal of the pattern extending in the scanning direction such as the groove can be subjected to pattern exposure with a good shape. Can be.
[0103]
According to the present invention, since a far-field optical system can be adopted instead of the near-field optical system using the SIL having a high numerical aperture as described above, a sufficiently large working distance can be obtained, and rotation during exposure can be performed. By increasing the number, productivity can be significantly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an example of an optical recording medium master exposure apparatus.
FIG. 2A is a schematic configuration diagram of an example of a frequency dividing optical system. B is an explanatory diagram of a schematic waveform of an example of a pulse train.
FIG. 3A is a schematic explanatory diagram of a pulse waveform of an ultrashort pulse laser beam. B is a schematic explanatory diagram of the waveform of the information signal and the pulse waveform of the ultrashort pulse laser beam. C is a schematic explanatory diagram of the pulse waveform of the clock signal.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an external synchronization mechanism.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an example of a high-order harmonic generation means.
FIG. 6 is a diagram showing an absorption amount of an airy spot in a photoresist.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exposure light source, 1a ... Mirror, 1b ... Mirror, 1c ... Mirror, 2 ... Higher harmonic generation means, 3 ... Modulation means, 4 ... Chirp correction optical system, 5 ... Beam expander, 6 ... Autofocus optical system , 6a: polarization beam splitter, 6b: wavelength selection element, 6c: focus error amount detection element, 6d: drive control unit, 7: quarter wave plate, 8a: objective lens, 8b ..., electromagnetic actuator, 8c: electromagnetic actuator , 9: Condensing optical system, 10: Mounting table, 11: Optical recording medium master, 12: Photoresist, 13: Rotating means, 15: Frequency dividing optical system, 19a: Lens, 19b: Lens, 19c: Lens, 19d ... Lens, 20 ... Nonlinear optical crystal, 21a ... Harmonic separator, 21b ... Harmonic separator, 21c ... Harmonic separator, 21d ... Harmonic Nick separator, 22a high-reflection mirror, 22b high-reflection mirror, 22c high-reflection mirror, 22d high-reflection mirror, 23 half-wave plate (HWP), 24 nonlinear optical crystal, 25 beam stopper, 26 .. Second harmonic (SHG) generator, 27 delay line unit, 28 third harmonic (THG) generator, 31 lens, 32 spherical mirror, 33 spherical mirror, 34 laser medium, 35 laser High reflection mirror, 36a: dispersion compensation prism, 36b: dispersion compensation prism, 37: slit, 38: high reflection mirror, 39: output window, 40: beam splitter, 41: photodetector, 46: piezo element, 60: minute Circuit, 61: Beam splitter, 62: Lens, 63: Mirror, 64: Mirror, 65: Lens, 66: 1/2 wavelength plate, 67: Polarized beam splitter , 70 ... dividing circuit, 71 ... beam splitter 72 ... lens, 73 ... mirror, 74 ... mirror, 75 ... lens, 76 ... 1/2-wave plate, 77 ... polarizing beam splitter

Claims (40)

露光光源からの光を記録情報に対応する光強度変調を行う変調手段と、該変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光する集光光学系とが設けられて、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する光記録媒体原盤露光装置であって、
上記露光光源が、前記記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザよりなり、
上記超短パルスレーザから出射されるレーザ光を分周する分周光学系が設けられてなることを特徴とする光記録媒体原盤露光装置。
A modulating means for performing light intensity modulation of light from the exposure light source in accordance with recording information, and a condensing optical system for condensing light modulated by the modulating means on a photoresist on an optical recording medium master are provided. An optical recording medium master exposure apparatus that performs pattern exposure on the photoresist in accordance with the recording information,
The exposure light source comprises an ultrashort pulse laser having a repetition frequency of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information,
An optical recording medium master exposure apparatus, comprising: a frequency dividing optical system for dividing a laser beam emitted from the ultrashort pulse laser.
前記超短パルスレーザの繰り返し周波数が前記記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の整数倍とされ、
前記超短パルスレーザの共振器長を可変として、前記超短パルスレーザの繰り返し周波数を前記クロック周波数に同期してモードロックし、パルス発振させる外部同期機構が設けられてなることを特徴とする請求項1に記載の光記録媒体原盤露光装置。
The repetition frequency of the ultrashort pulse laser is an integer multiple of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information,
An external synchronization mechanism is provided, wherein the resonator length of the ultrashort pulse laser is variable, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is mode-locked in synchronization with the clock frequency, and pulse oscillation is performed. Item 2. An optical recording medium master exposure apparatus according to Item 1.
前記露光光源と前記分周光学系との間に、前記超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段が設けられることを特徴とする請求項1に記載の光記録媒体原盤露光装置。Between the exposure light source and the frequency-dividing optical system, high-order harmonic generation means for emitting light whose wavelength has been shortened by wavelength conversion using a non-linear optical element with the ultrashort pulse laser light source as an excitation light source is provided. 2. The optical recording medium master disc exposure apparatus according to claim 1, wherein: 前記露光光源と前記分周光学系との間に、前記超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段が設けられることを特徴とする請求項2に記載の光記録媒体原盤露光装置。Between the exposure light source and the frequency-dividing optical system, high-order harmonic generation means for emitting light whose wavelength has been shortened by wavelength conversion using a non-linear optical element with the ultrashort pulse laser light source as an excitation light source is provided. 3. The optical recording medium master exposure apparatus according to claim 2, wherein: 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項1に記載の光記録媒体原盤露光装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein the frequency dividing optical system includes a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項2に記載の光記録媒体原盤露光装置。3. The apparatus according to claim 2, wherein the frequency dividing optical system includes a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項3に記載の光記録媒体原盤露光装置。4. The apparatus according to claim 3, wherein the frequency dividing optical system includes a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項4に記載の光記録媒体原盤露光装置。5. The apparatus according to claim 4, wherein the frequency division optical system includes a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項1に記載の光記録媒体原盤露光装置。2. The apparatus according to claim 1, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項2に記載の光記録媒体原盤露光装置。3. The apparatus according to claim 2, wherein the photoresist is exposed by a two-photon absorption process. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項3に記載の光記録媒体原盤露光装置。4. The apparatus according to claim 3, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項4に記載の光記録媒体原盤露光装置。5. The apparatus according to claim 4, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記露光光源のパルス幅が1×10−12 秒以下であることを特徴とする請求項9に記載の光記録媒体原盤露光装置。10. The apparatus according to claim 9, wherein a pulse width of the exposure light source is 1 * 10 <-12> seconds or less. 前記露光光源のパルス幅が1×10−12 秒以下であることを特徴とする請求項10に記載の光記録媒体原盤露光装置。11. The apparatus according to claim 10, wherein a pulse width of the exposure light source is 1 * 10 <-12> seconds or less. 前記露光光源のパルス幅が1×10−12 秒以下であることを特徴とする請求項11に記載の光記録媒体原盤露光装置。12. The apparatus according to claim 11, wherein a pulse width of the exposure light source is 1 * 10 <-12> seconds or less. 前記露光光源のパルス幅が1×10−12 秒以下であることを特徴とする請求項12に記載の光記録媒体原盤露光装置。13. The apparatus according to claim 12, wherein a pulse width of the exposure light source is 1 * 10 <-12> seconds or less. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状が、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とされることを特徴とする請求項9に記載の光記録媒体原盤露光装置。10. The spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an ellipse extending in the scanning direction of the laser beam. Optical recording medium master exposure equipment. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状が、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とされることを特徴とする請求項10に記載の光記録媒体原盤露光装置。The spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an ellipse extending in the scanning direction of the laser beam. Optical recording medium master exposure equipment. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状が、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とされることを特徴とする請求項11に記載の光記録媒体原盤露光装置。12. The spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an ellipse extending in the scanning direction of the laser beam. Optical recording medium master exposure equipment. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状が、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とされることを特徴とする請求項12に記載の光記録媒体原盤露光装置。13. The spot shape of a laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an oval extending in a scanning direction of the laser beam. Optical recording medium master exposure equipment. 露光光源からの光を記録情報に対応して光強度変調を行い、該変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する光記録媒体原盤の露光方法であって、
前記露光光源が、前記記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザよりなり、
上記超短パルスレーザから出射されるレーザ光を分周する分周光学系を設けることを特徴とする光記録媒体原盤の露光方法。
The light from the exposure light source is subjected to light intensity modulation corresponding to the recording information, and the light modulated by the modulating means is focused on a photoresist on an optical recording medium master, and the photoresist is converted to the recording information. Exposure method of the optical recording medium master for pattern exposure according to,
The exposure light source is an ultrashort pulse laser having a repetition frequency of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information,
A method for exposing a master optical recording medium, comprising providing a frequency dividing optical system for dividing a laser beam emitted from the ultrashort pulse laser.
前記超短パルスレーザの繰り返し周波数を前記記録情報のクロック周波数の1倍以上20倍以下の整数倍として、
前記超短パルスレーザの共振器長を可変とする外部同期機構を設け、前記超短パルスレーザの繰り返し周波数を前記クロック周波数に同期してモードロックし、パルス発振させることを特徴とする請求項21に記載の光記録媒体原盤の露光方法。
The repetition frequency of the ultrashort pulse laser is an integer multiple of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information,
22. An external synchronization mechanism for changing a resonator length of the ultrashort pulse laser, wherein a mode lock is performed in synchronization with a repetition frequency of the ultrashort pulse laser in synchronization with the clock frequency, and pulse oscillation is performed. 3. The method for exposing an optical recording medium master according to item 1.
前記露光光源から出射された光を、前記露光光源を励起光源とした高次高調波発生手段によって、非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化して出射させて前記分周光学系に入射させることを特徴とする請求項21に記載の光記録媒体原盤の露光方法。The light emitted from the exposure light source is made shorter by a wavelength conversion using a non-linear optical element to be emitted by high-order harmonic generation means using the exposure light source as an excitation light source, and is incident on the frequency dividing optical system. 22. The method for exposing a master optical recording medium according to claim 21, wherein: 前記露光光源から出射された光を、前記露光光源を励起光源とした高次高調波発生手段によって、非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化して出射させて前記分周光学系に入射させることを特徴とする請求項22に記載の光記録媒体原盤の露光方法。The light emitted from the exposure light source is made shorter by a wavelength conversion using a non-linear optical element to be emitted by high-order harmonic generation means using the exposure light source as an excitation light source, and is incident on the frequency dividing optical system. The method for exposing a master optical recording medium according to claim 22, wherein: 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項21に記載の光記録媒体原盤の露光方法。22. The method according to claim 21, wherein the frequency dividing optical system comprises a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項22に記載の光記録媒体原盤の露光方法。23. The exposure method for an optical recording medium master according to claim 22, wherein the frequency dividing optical system comprises a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項23に記載の光記録媒体原盤の露光方法。24. The method according to claim 23, wherein the frequency dividing optical system comprises a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 上記分周光学系が、偏光ビームスプリッタ及び光遅延回路より構成されることを特徴とする請求項24に記載の光記録媒体原盤の露光方法。25. The method according to claim 24, wherein the frequency dividing optical system comprises a polarization beam splitter and an optical delay circuit. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項21に記載の光記録媒体原盤の露光方法。22. The method according to claim 21, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項22に記載の光記録媒体原盤の露光方法。23. The method according to claim 22, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項23に記載の光記録媒体原盤の露光方法。24. The method according to claim 23, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記フォトレジストの露光が、2光子吸収過程によってなされることを特徴とする請求項24に記載の光記録媒体原盤の露光方法。25. The method according to claim 24, wherein the exposure of the photoresist is performed by a two-photon absorption process. 前記露光光源のパルス幅を1×10−12 秒以下とすることを特徴とする請求項29に記載された光記録媒体原盤の露光方法。30. The method of exposing an optical recording medium master according to claim 29, wherein a pulse width of the exposure light source is set to 1 × 10 −12 seconds or less. 前記露光光源のパルス幅を1×10−12 秒以下とすることを特徴とする請求項30に記載された光記録媒体原盤の露光方法。31. The method of exposing a master optical recording medium according to claim 30, wherein a pulse width of the exposure light source is set to 1 × 10 −12 seconds or less. 前記露光光源のパルス幅を1×10−12 秒以下とすることを特徴とする請求項31に記載された光記録媒体原盤の露光方法。32. The method according to claim 31, wherein a pulse width of the exposure light source is set to 1 * 10 <-12> seconds or less. 前記露光光源のパルス幅を1×10−12 秒以下とすることを特徴とする請求項32に記載された光記録媒体原盤の露光方法。33. The method of exposing a master optical recording medium according to claim 32, wherein a pulse width of the exposure light source is set to 1 × 10 −12 seconds or less. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とすることを特徴とする請求項29に記載の光記録媒体原盤の露光方法。30. The spot according to claim 29, wherein the spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an ellipse extending in the scanning direction of the laser beam. An exposure method for an optical recording medium master. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とすることを特徴とする請求項30に記載の光記録媒体原盤の露光方法。31. The laser beam according to claim 30, wherein the spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an ellipse extending in the scanning direction of the laser beam. An exposure method for an optical recording medium master. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とすることを特徴とする請求項31に記載の光記録媒体原盤の露光方法。32. The spot according to claim 31, wherein the spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an ellipse extending in the scanning direction of the laser beam. An exposure method for an optical recording medium master. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とすることを特徴とする請求項32に記載の光記録媒体原盤の露光方法。33. The spot according to claim 32, wherein the spot shape of the laser beam emitted from the focusing optical system and focused on the photoresist is an oval extending in the scanning direction of the laser beam. An exposure method for an optical recording medium master.
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