JP2008170679A - 光束分岐素子および光束干渉光学系および光束干渉露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡素で、入射光束を４光束に分岐することもできる新規な光束分岐素子を実現する。
【解決手段】入射光束を分岐する光束分岐素子であって、平面上で互いに直交するＸ方向およびＹ方向、上記平面に直交する方向をＺ方向として、基板の表面形状として第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄの配列を有し、第１の面積領域はＹ方向において第３の面積領域と交互に、Ｘ方向において第４の面積領域と交互に配列され、Ｙ方向に対して傾く斜め方向において、第２の面積領域と交互に配列され、Ｘ方向の偏光光束に対してＹ方向の回折格子として作用し、Ｙ方向の偏光光束に対してＸ方向の回折格子として作用するように、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄの大きさと配列形態、および各面積領域のＸ、Ｙ方向の偏向光束に対する有効屈折率が定められている。
【選択図】図１

Description

この発明は、光束分岐素子および光束干渉光学系および露光装置に関する。

偏光を利用して光束を分離する光学素子は、従来から種々知られている。
このような光学素子で構造複屈折を利用したものとして特許文献１、２記載のものが知られている。また、液晶を利用したものとして、特許文献３記載のものが知られている。

特許文献１には、入射光の偏光方向に依存して光路を切り替える光学素子として、略周期的に形成された複数の面積領域の一周期内で、少なくとも一つの面積領域が入射光の波長以下の１次元周期構造を有する凹凸形状の形成領域であり、この凹凸形状の形成領域に、屈折率の異なる等方性媒質からなる多層膜が、屈折率の配列が周期的になるように積層されているホログラム素子が開示されている。

特許文献１記載のホログラム素子は、入射光の波長以下の１次元周期構造を有する凹凸形状による構造複屈折を利用するが、ホログラム素子の構成要素として「等方性媒質からなる多層膜」を必要とする。

特許文献２には、微細構造を持つ１次元格子より成る格子層を複数層に形成して成る偏光分離層を平行平板の面上に密着させた部材を、光入射面と光射出面及び該平行平板と密着する面とを有する第１光学部材と、第１光学部材の光入射面からの光束のうち、該偏光分離層を通過した光束を射出させる光射出面を有する第２光学部材とで挟持し、第１光学部材の光入射面からの入射光束の偏光方向に応じて、光束を反射又は透過させる偏光分離素子が開示されている。

特許文献２記述の偏光分離素子は、１次元周期構造を複数層に積層して作製されるものであり、構造的にやや複雑であり、製造に多くの工程を要する。

特許文献３は、液晶の複屈折性を利用するものであり、構造複屈折を利用するものではない。

特開２０００−２９２６１７ 特開２００６−１３３４０３ 特開２００６−１８９６９５

この発明は、構造複屈折を利用し、構造が簡素で、入射光束を４光束に分岐することもできる新規な光束分岐素子の実現を課題とする。この発明はまた、この光束分岐素子を用いる光束干渉光学系および光束干渉露光装置の実現を課題とする。

この発明の光束分岐素子は「入射光束を分岐する光束分岐素子」であって、以下の如き特徴を有する（請求項１）。
即ち、平面上で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向、上記平面に直交する方向をＺ方向とするとき、光束分岐素子をなす基板の表面形状として、第１〜第４の面積領域の配列を有する。

「第１の面積領域」は、Ｚ方向の高さが「Ｘ方向に周期的に変化し、Ｙ方向には一定」である凹凸による１次元周期構造を有する。「Ｚ方向の高さがＹ方向に一定」であるとは、ＸＺ面内における凹凸構造の断面形状がＹ方向に一定であることを意味する。
「第２の面積領域」は、Ｚ方向の高さが「Ｙ方向に周期的に変化し、Ｘ方向には一定」である凹凸による１次元周期構造を有する。「Ｚ方向の高さがＸ方向に一定」であるとは、ＹＺ面内における凹凸構造の断面形状がＸ方向に一定であることを意味する。

「第３の面積領域」は、Ｚ方向の高さが「Ｘ方向およびＹ方向に同一周期で周期的に変化」する凹凸による２次元周期構造を有する。
「第４の面積領域」は、Ｚ方向の高さが「Ｘ方向およびＹ方向に同一周期で周期的に変化」する凹凸による２次元周期構造を有する。
第３および第４の面積領域は互いに「２次元周期構造におけるフィルファクタ」が異なる。そして、第１〜第４の面積領域における１次元周期構造および２次元周期構造の凹凸の周期は全て入射光の波長以下である。即ち、第１、第２の面積領域の１次元周期構造は「１次元のサブ波長構造」であり、第３、第４の面積領域の２次元周期構造は「２次元のサブ波長構造」であり、これら第１〜第４の面積領域では「構造複屈折」が発現する。

第１〜第４の面積領域は、以下のように配列される。
即ち、第１の面積領域は、Ｙ方向において第３の面積領域と交互に配列されるとともに、Ｘ方向において第４の面積領域と交互に配列され、且つ、Ｙ方向に対して傾く斜め方向においては第２の面積領域と交互に配列される。このように、第１〜第４の面積領域は、それぞれが多数個あり、上記の如くに配列されるのである。

そして、Ｘ方向の偏光光束に対してＹ方向の回折格子として作用し、Ｙ方向の偏光光束に対してＸ方向の回折格子として作用するように、第１〜第４の面積領域の大きさと配列形態、および各面積領域のＸ、Ｙ方向の偏向光束に対する有効屈折率が定められている。

「Ｘ方向の回折格子」は、Ｚ方向からの入射光の回折がＸＺ面内で、Ｘ方向に生じるような回折格子である。
「Ｙ方向の回折格子」は、Ｚ方向からの入射光の回折がＹＺ面内で、Ｙ方向に生じるような回折格子である。
「有効屈折率」、「フィルファクタ」に関しては後述する。

上記第１〜第４の面積領域は、基板の同一表面に形成しても良いが、基板が平行平板である場合、例えば、第１、第２の面積領域を表面側に、第３、第４の面積領域を裏面側に形成し、表面側から見て、第１〜第４の面積領域が上記の如くに配列するようにしてもよい。

「光束分岐素子をなす基板」は、形状としては平行平板を好適に用いることができるが、これに限らず、各種のプリズム等を用い、その光束入射面および／または光束射出面に「表面形状」として、上記第１〜第４の面積領域の配列を形成することができる。

請求項１記載の光束分岐素子は「第１〜第４の面積領域における１次元周期構造、２次元周期構造におけるＺ方向の高さ（凹凸構造における凸部の高さ）が全て同一」であることが好ましい（請求項２）。このように１次元周期構造、２次元周期構造のＺ方向の高さが同一であると光束分岐素子の製造が容易である。

請求項２記載の光束分岐素子は、第１〜第４の面積領域における１次元周期構造、２次元周期構造におけるＺ方向の高さ：Ｈ、入射光束の波長：λ、第３の面積領域と第４の面積領域の有効屈折率の差：Δｎが、条件：
Δｎ×Ｈ≒λ／２
を満足することが好ましい（請求項３）。このような条件を満足すると、０次光の強度を０もしくは「０に近く」することができる。

この発明の光束干渉光学系は、光源と、この光源から放射される光束を分岐する光束分岐素子と、この光束分岐素子により分岐された光束を集光する集光素子とを有し、光束分岐素子として、請求項１〜３の任意の１に記載のものを用いることを特徴とする（請求項４）。集光された光束は互いに干渉させられる。

この発明の光束干渉露光装置は、請求項４記載の光束干渉光学系を用いて光束干渉露光を行う装置である（請求項５）。

以上に説明したように、この発明の光束分岐素子は、基板の表面形状として上記第１〜第４の面積領域の配列を形成するのみで、構造複屈折を利用して入射光束を４光束に分岐させることもでき、素子構造が簡素であり製造も容易であるところから低コストで実現できる。従って、このような光束分岐素子を用いることにより、構成の簡素で性能良好な光束干渉光学系や光束干渉露光装置を安価に実現できる。

以下、図面を参照しつつ、発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の光束分岐素子の実施の形態を説明するための図である。
図１（ａ）において符号１０で示す光束分岐素子は平行平板状の透明板を基板とするものであり、図における上下の面の何れを入射面としてもよいが、簡単のために図１（ａ）の上方の面を入射面、下方の面を射出面として説明する。

光束分岐素子１０に入射面側から入射光Ｌを入射させると、射出面側から分岐された４本の光束Ｌ１〜Ｌ４が射出する。図１（ａ）のようにＸ方向、Ｙ方向（図面に直交する方向）、Ｚ方向を設定すると、光束Ｌ１とＬ２とはＸＺ面に平行な面内でＸ方向に分岐し、光束Ｌ３とＬ４とはＹＺ面に平行な面内でＹ方向に分岐する。
光束分岐素子１０の入射側面または射出側面に、前述の第１〜第４の面積領域が配列形成されている。ここでは入射面に第１〜第４の面積領域が配列形成されているものとして説明する。

図１（ｂ）左図は、光束分岐素子１０の入射面に設定されたＸ軸（Ｘ方向）、Ｙ軸（Ｙ方向）と各面積領域とを説明図的に示している。
Ｘ軸およびＹ軸は、光束分岐素子１０の表面に適宜に設定された仮想的な軸であり、光束分岐素子１０の外観形状とは無関係である。なお、図１（ｂ）左図の図面に直交する方向がＺ方向である。

さて、図１（ｂ）左図に示すように、光束分岐素子１０の入射面には、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄが配列されている。第１の面積領域Ａ、第２の面積領域Ｂ、第３の面積領域Ｃ、第４の面積領域Ｄの配列は以下の如くである。

即ち、第１の面積領域Ａは、Ｙ方向において第３の面積領域Ｃと交互に配列されるとともに、Ｘ方向において第４の面積領域Ｄと交互に配列される。また、Ｙ方向に対して傾く斜め方向においては、第１の面積領域Ａと第２の面積領域Ｂとが交互に配列される。換言すれば、第２の面積領域Ｂは、Ｙ方向においては第４の面積領域Ｄと交互に配列され、Ｘ方向においては第３の面積領域Ｃと交互に配列される。
第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄには「互いに異なるサブ波長構造」が形成されている。

図１（ｂ）右図は、これら４種のサブ波長構造を説明図的に示している。
図１（ｂ）右図において（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、図１（ｂ）左図における４つの面積領域Ａ〜Ｄのそれぞれを表している。

まず、第１の面積領域Ａは、Ｚ方向（図面に直交する方向）の高さが、Ｘ方向に周期的に変化し、Ｙ方向には一定である凹凸による１次元周期構造を有する。
第２の面積領域Ｂは、Ｚ方向の高さが、Ｙ方向に周期的に変化し、Ｘ方向には一定である凹凸による１次元周期構造を有する。
第３の面積領域Ｃは、Ｚ方向の高さが、Ｘ方向およびＹ方向に同一周期で周期的に変化する凹凸による２次元周期構造を有する。
第４の面積領域Ｄは、Ｚ方向の高さが、Ｘ方向およびＹ方向に同一周期で周期的に変化する凹凸による２次元周期構造を有する。
これら１次元周期構造・２次元周期構造は、光束分岐素子１０の表面形状として形成されている。
上記の如く、第１および第２の面積領域Ａ、Ｂは共に１次元周期構造を有するが、これら１次元周期構造は、凹凸が周期的に変化する方向が互いに直交している。

また、第３および第４の面積領域は共に２次元周期構造を有するが、これら各２次元周期構造において凹凸の変化は「Ｘ方向およびＹ方向に同一周期」であるので、各２次元周期構造における「凸部」の形状はＸ、Ｙ方向の長さが等しい。この実施の形態においては２次元周期構造における凸部の形状（Ｚ方向から見た形状）は「正方形形状」である。
第３の面積領域Ｃに形成されている２次元周期構造と、第４の面積領域Ｄに形成されている２次元周期構造は、互いにフィルファクタが異なる。

上記の如く、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄの有する１次元周期構造・２次元周期構造はサブ波長構造であり、凹凸の周期（第１の面積領域ＡではＸ方向の周期、第２の面積領域ではＹ方向の周期、第３、第４の面積領域ではＸ方向およびＹ方向の周期）は全て入射光の波長以下である。また、説明中の実施の形態において、１次元周期構造・２次元周期構造における凸部の高さは「全て同一」である（請求項２）。

ここで、図２を参照して、構造複屈折を説明する。

図２（ａ）において、符号１は基板を示し、符号２は基板１の表面形状として形成された波長以下の微細な凹凸構造（サブ波長構造）による１次元周期構造を示している。この１次元周期構造２は、基板１の面に直交する方向（図の上下方向であり、上述の説明におけるＺ方向である。）における断面矩形波状の凹凸の高さ（凸部の高さ：Ｈ）が、図の左右方向に周期的に変化し、図面に直交する方向には一定である。

このような１次元周期構造２において、図の如く、凹凸の周期をＰとすると、波長：λに対して、Ｐ＜λである。
一般に「格子定数：Ｔの回折格子」による回折に関するブラッグの条件は、回折次数：ｍと、回折角：θ、格子定数：Ｔを用いて、
Ｔ・ｓｉｎθ＝ｍλ
で表される。

図２に示したサブ波長構造の１次元周期構造の場合、凹凸の周期：Ｐが格子定数：Ｔに対応するから、有限の回折角：θを持つ最も次数の低い「ｍ＝±１次」の回折条件は、
Ｐ・ｓｉｎθ＝λ （１）
であるが、Ｐ＜λであるので、
ｓｉｎθ＝λ／Ｐ＞１
となり、この条件を満足する回折角：θは存在しない。即ち、サブ波長構造の１次元周期構造２では回折は生じない。

図２（ａ）に示すように、１次元周期構造２に対して光を入射する。このとき、入射する光において、１次元周期構造２の凹凸の周期方向（図の左右方向）に平行な偏光成分をＴＭ偏光成分（図中に「ＴＭ」と表示する。）と呼び、周期方向と入射方向とに直交する偏光成分、即ち、図面に直交する方向の偏光成分をＴＥ偏光成分（図中に「ＴＥ」と表示する。）と呼ぶ。

また、図２（ａ）において、１次元周期構造２における凹凸の１周期：Ｐ内における凸部の幅を「ｗ」とすると、「ｗ／Ｐ」を「フィルファクタ」と呼び「ｆ」で表す。

１次元周期構造２による構造複屈折は、１次元周期構造２の部分における屈折率が、ＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分とで異なる現象である。
ここで、図２（ａ）における１次元周期構造２は基板１と同一材料であるとし、この材料の屈折率をｎ、入射光の波長をλとする。

このとき、ＴＥ偏光成分に対する有効屈折率をｎ_ＴＥ、ＴＭ偏光成分に対する有効屈折率をｎ_ＴＭとすると、これらと上記屈折率：ｎ、波長：λ、１次元周期構造２の凹凸の周期：Ｐ、フィルファクタ：ｆ（＝ｗ／Ｐ）との間に近似的に以下の関係が成り立つ。

ｎ_ＴＥ ²＝ｆｎ²＋(１−ｆ)＋[π²Ｐ²ｆ²(１−ｆ)²(ｎ²−１)²]/３λ²・ （２）
ｎ_ＴＭ ²＝{ｆｎ^-2＋(１−ｆ)}^-1＋
[π²Ｐ²f²(１−ｆ)²{ｆｎ²＋(１−ｆ)}(ｎ^-2−１)²]/[３λ²{ｆ/ｎ²＋(１−ｆ)}^-3]
（３）
（２）、（３）式により、有効屈折率：ｎ_ＴＥ、ｎ_ＴＭを求めることができる。

図２（ａ）のように、１次元周期構造２の凸部の高さ：Ｈを用いると、１次元周子構造２の部分で「ＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分とに与えられる位相差：φ」は、
φ＝２π（ｎ_ＴＥ−ｎ_ＴＭ）Ｈ／λ （４）
と表すことができる。従って、波長：λの光におけるＴＥ偏光成分とＴＭ偏光成分の位相差：φを「１次元周期構造の構造要素である屈折率：ｎ、フィルファクタ：ｆ、凹凸の周期：Ｐ、凹凸の高さ：Ｈ」によって制御できる。

図２（ｂ）は、ＴＥ偏光成分、ＴＭ偏光成分に対する有効屈折率の「フィルファクタ」に対する依存性の１例を、上記（２）、（３）式において、屈折率：ｎ、周期：Ｐと波長：λを一定とし、フィルファクタ：ｆを変化させて算出したものを示している。

ここで図１に戻ると、図１（ｂ）右図に示す第１の面積領域Ａ、第２の面積領域Ｂにおいて、１次元周期構造は、図２（ａ）に示す如きもの、即ち、第１、第２の面積領域における周期的な凹凸構造の断面形状は「矩形波状」であるとする。また、第３の面積領域Ｃ、第４の面積領域Ｄの２次元周期構造における２次元的な周期的な凹凸構造の断面形状は、ＺＸ面内の断面形状、ＹＺ面内の断面形状とも矩形波状であるとする。２次元周期構造ではＸ、Ｙ両方向において凹凸の周期が等しいので、２次元周期構造をＺ方向から見た状態では凸部の形状は前述の如く正方形形状である。

また、第３、第４の面積領域における２次元周期構造ではフィルファクタが異なる。２次元周期構造におけるフィルファクタは、第３、第４の面積領域における２次元周期構造に即して言えば、Ｘ方向における凹凸の周期：Ｐ_ｘ、凸部の幅：ｗ_ｘ、Ｙ方向における凹凸の周期：Ｐ_ｙ、凸部の幅：ｗ_ｙとして、Ｘ方向につきｆ_Ｘ＝ｗ_ｘ／Ｐ_ｘ、Ｙ方向につきｆ_Ｙ＝ｗ_ｙ／Ｐ_ｙである。第３、第４の面積領域における２次元周期構造では、凹凸の周期がＸ方向およびＹ方向において互いに等しいから、ｆ_Ｘ＝ｆ_Ｙ＝ｆ_２Ｄ（２次元周期構造のフィルファクタ）である。

しかしながら、第３、第４の面積領域における２次元周期構造は「互いにフィルファクタが異なる」ので、これら第３、第４の面積領域Ｃ、Ｄにおける２次元周期構造のフィルファクタをｆ_Ｃ２Ｄ、ｆ_Ｄ２Ｄとすると、ｆ_Ｃ２Ｄ≠ｆ_Ｄ２Ｄである。このため、図１（ｂ）右図に示すように、第３の面積領域Ｃの２次元周期構造における正方形形状の凸部の大きさは、第４の面積領域Ｄにおける２次元周期構造における正方形形状の凸部の大きさよりも大きい。なお、第３、第４の面積領域Ｃ、Ｄにおける２次元周期構造における「凹凸の周期」は、互いに均しく設定されている。

２次元周期構造の有効屈折率：ｎ_２Ｄは、上に与えられるｎ_ＴＥ、ｎ_ＴＭを用いて一般に次式（５）により近似できる。
ｎ_２Ｄ＝[(１−ｆ＋ｆｎ_ＴＭ ^２)^１／２＋(１−ｆ＋ｆｎ_ＴＥ ^−２)^−１／２]/２
（５）
説明中の実施の形態において、第３、第４の面積領域における２次元周期構造は、Ｘ、Ｙ両方向において凹凸構造の周期が同一であるので、ＴＥ偏光成分、ＴＭ偏光成分に対する有効屈折率は、Ｘ方向、Ｙ方向について同一となり「両偏光成分に対して共通の値」となる。そして、この有効屈折率はフィルファクタ（ｆ_Ｃ２Ｄ、ｆ_Ｄ２Ｄ）により変化する。

そうすると、第１の面積領域Ａにおいて、ＴＥ偏光成分となるのはＹ方向の偏光成分であり、ＴＭ偏光成分となるのはＸ方向の偏光成分である。第２の面積領域Ｂにおいては、ＴＥ偏光成分となるのはＸ方向の偏光成分であり、ＴＭ偏光成分となるのはＹ方向の偏光成分である。従って、第１、第２の面積領域Ａ、Ｂでは、Ｘ方向の偏光成分とＹ方向の偏光成分とに対して有効屈折率が互いに異なる。

また、第３、第４の面積領域Ｃ、Ｄにおける有効屈折率は「各面積領域ごとにＴＥ偏光成分、ＴＭ偏光成分に共通の値となる」が、これら面積領域における２次元周期構造ではフィルファクタが異なるので、第３の面積領域Ｃと第４の面積領域Ｄの有効屈折率は、フィルファクタの差異により異なったものとなる。

具体例に即して説明すると、基板として屈折率：１．４６の石英の平行平板を用い、周期：Ｐ＝２６４ｎｍによる１次元周期構造、２次元周期構造（Ｘ、Ｙ方向とも周期：Ｐ＝２６４ｎｍ）を形成するものとし、フィルファクタを変化させたときの、波長：λ＝４０５ｎｍの入射光に対する有効屈折率の変化を図３に示す。

図３において「縦軸」は有効屈折率、「横軸」はフィルファクタであり、「ＴＥ」はＴＥ偏光成分の有効屈折率変化、「ＴＭ」はＴＭ偏光成分の有効屈折率変化であって、１次元周期構造に対するものである。「２次元」は２次元周期構造による有効屈折率変化を示す。
これらの有効屈折率変化は、上記式（２）、（３）、（５）において、ｎ＝１．４６、Ｐ＝２６４ｎｍとし、フィルファクタ：ｆを変化させて算出したものである。この図から明らかなように、フィルファクタを変えることによって、１次元周期構造、２次元周期構造の有効屈折率を調整することが可能である。

以下、光束分岐素子の具体的な実施例に即して説明する。
上記の「屈折率：１．４６の石英の平行平板」を基板として用い、その表面形状として、図１（ｂ）左図のような第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄを以下の如くに形成した。
各面積領域Ａ〜Ｄの形状は「１辺の長さ：１．１６６μｍの正方形形状」とした。
第１の面積領域Ａには、Ｚ方向の高さがＸ方向に周期的に変化する断面矩形波状の１次元周期構造を、凹凸の周期：Ｐ＝２６４ｎｍ、フィルファクタ：ｆ＝０．３５として形成した。第２の面積領域Ｂには、Ｚ方向の高さがＹ方向に周期的に変化する断面矩形波状の１次元周期構造を、凹凸の周期：Ｐ＝２６４ｎｍ、フィルファクタ：ｆ＝０．３５として形成した。

また、第３の面積領域Ｃには、Ｚ方向の高さがＸ、Ｙ方向に同周期で変化する断面矩形波状の２次元周期構造を、凹凸の周期：Ｐ＝２６４ｎｍ、フィルファクタ：ｆ＝０．７として形成した。第４の面積領域Ｄには、Ｚ方向の高さがＸ、Ｙ方向に同周期で変化する断面矩形波状の２次元周期構造を、凹凸の周期：Ｐ＝２６４ｎｍ（Ｘ、Ｙ方向とも同周期）、フィルファクタ：ｆ＝０．５２として形成した。
これらの面積領域の配列は、基板の同一面に形成した。

入射光Ｌの波長は４０５ｎｍとした。上記の如く、１次元周期構造、２次元周期構造とも凹凸の周期：Ｐ（＝２６４ｎｍ）が波長：４０５ｎｍよりも小さいため、この光束分岐素子は入射光Ｌに対して構造複屈折性を発現させる。

図１（ａ）に示すように、Ｚ方向から入射光Ｌ（波長：４０５ｎｍのコヒーレント光）を入射させた場合の、入射光Ｌにおける「Ｘ方向の偏光成分」に対する有効屈折率を前述の式（２）、（３）、（５）によって求めると、第１の面積領域Ａの有する１次元周期構造（フィルファクタ：ｆ＝０．３５）では、Ｘ方向の偏光成分はＴＭ偏光成分であるので、その有効屈折率は１．１２となる。第２の面積領域Ｂの有する１次元周期構造（フィルファクタ：ｆ＝０．３５）では、Ｘ方向の偏光成分はＴＥ偏光成分となるので、その有効屈折率は１．２２となる。

また、第３の面積領域Ｃに形成された２次元周期構造（フィルファクタ：ｆ＝０．７）での有効屈折率は、偏光方向に拘わり無く１．２２であり、第４の面積領域Ｄに形成された２次元周期構造（フィルファクタ：ｆ＝０．５２）での有効屈折率は、偏光方向に拘わり無く１．１２である。

そうすると、この光束分岐素子においては「Ｘ方向の偏光成分」に対しては、第１の面積領域Ａおよび第４の面積領域Ｄで有効屈折率：１．１２、第２の面積領域Ｂおよび第３の面積領域Ｃにおいて有効屈折率：１．２２である。

また「Ｙ方向の偏光成分」は、第１の面積領域ＡではＴＥ偏光成分、第２の面積領域ＢではＴＭ偏光成分であるから、第１の面積領域Ａおよび第３の面積領域Ｃで有効屈折率：１．２２、第２の面積領域Ｂおよび第４の面積領域Ｄにおいて有効屈折率：１．１２である。

図１の（ｃ）、（Ｄ）は、上記Ｘ、Ｙ方向の偏光成分に対する光束分岐素子１０の有効屈折率の配分状態を示している。
まず、Ｙ方向の偏光成分についてみると、図１（ｂ）における第１の面積領域Ａと第３の面積領域Ｃに対しては有効屈折率：１．２２、第２の面積領域Ｂと第４の面積領域Ｄに対しては有効屈折率：１．１２である。第１の面積領域Ａと第３の面積領域ＣはＹ方向に交互に配列し、第２の面積領域Ｂと第４の面積領域ＤもＹ方向に交互に配列している。

従って、Ｙ方向の偏光成分に対しては、光束分岐素子１０の有効屈折率分布は「第１の面積領域Ａと第３の面積領域ＣとのＹ方向の交互の配列」による屈折率：１．２２の帯状領域Ｙ１と、「第２の面積領域Ｂと第４の面積領域ＤとのＹ方向の交互の配列」による屈折率：１．１２の帯状領域Ｙ２とが交互にＸ方向に配列したものとなる。

このように、Ｙ方向の偏光成分に対する有効屈折率：１．２２の帯状領域Ｙ１と、有効屈折率：１．１２の帯状領域Ｙ２との交互の配列は、Ｙ方向の偏光成分に対して「Ｘ方向の回折格子」として作用する。

一方、Ｘ方向の偏光成分に対しては、光束分岐素子１０の有効屈折率分布は「第１の面積領域Ａと第４の面積領域ＤとのＸ方向の交互の配列」による屈折率：１．１２の帯状領域Ｘ１と、「第２の面積領域Ｂと第３の面積領域ＣとのＸ方向の交互の配列」による屈折率：１．２２の帯状領域Ｘ２とが交互にＹ方向に配列したものとなる。

このように、Ｘ方向の偏光成分に対する有効屈折率：１．１２の帯状領域Ｘ１と、有効屈折率：１．２２の帯状領域Ｘ２との交互の配列は、Ｘ方向の偏光成分に対して「Ｙ方向の回折格子」として作用する。

なお、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄは「長さ：１．１６６μｍの正方形形状」であるから、上記Ｘ方向の回折格子、Ｙ方向の回折格子における格子周期は２．２３２μｍであり、回折が起こるのに十分な大きさである。

従って、説明中の実施例において、図１（ａ）に示すように、光学分岐素子１０にＺ方向から入射光Ｌを入射させると、Ｘ方向の偏光成分はＹ方向に回折して光束Ｌ３、Ｌ４として分岐し、Ｙ方向の偏光成分はＸ方向に回折して光束Ｌ１、Ｌ２として分岐する。

このようにして、入射光Ｌを４本の光束Ｌ１〜Ｌ４に分岐させることができる。なお、上の説明から明らかなように、入射光ＬがＸ（またはＹ）方向に偏光した光である場合には、回折はＹＺ（またはＸＺ）面内でのみ生じるので、入射光を２光束に分岐させることができる。

即ち、分岐された光束を±１次の回折光と考え、０次光を考慮しなければ、入射光を２光束または４光束に分岐させることができる。

上に説明した実施例の光束分岐素子は、入射光束を分岐する光束分岐素子であって、平面上で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向、上記平面に直交する方向をＺ方向とするとき、基板の表面形状として、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄを有し、第１の面積領域Ａは、Ｚ方向の高さが、Ｘ方向に周期的に変化し、Ｙ方向には一定である凹凸による１次元周期構造を有し、第２の面積領域Ｂは、Ｚ方向の高さが、Ｙ方向に周期的に変化し、Ｘ方向には一定である凹凸による１次元周期構造を有し、第３および第４の面積領域Ｃ、Ｄは、Ｚ方向の高さが、Ｘ方向およびＹ方向に同一周期で周期的に変化する凹凸による２次元周期構造を有し、且つ、第３および第４の面積領域Ｃ、Ｄは互いに２次元周期構造におけるフィルファクタが異なり、第１〜第４の面積領域における１次元周期構造および２次元周期構造の凹凸の周期は全て入射光の波長以下であり、第１の面積領域Ａは、Ｙ方向において第３の面積領域Ｃと交互に配列されるとともに、Ｘ方向において第４の面積領域Ｄと交互に配列され、且つ、Ｙ方向に対して傾く斜め方向において、第２の面積領域Ｂと交互に配列されており、Ｘ方向の偏光光束に対してＹ方向の回折格子として作用し、Ｙ方向の偏光光束に対してＸ方向の回折格子として作用するように、上記第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄの大きさと配列形態、および各面積領域のＸ、Ｙ方向の偏向光束に対する有効屈折率が定められている。

また、第１〜第４の面積領域における１次元周期構造、２次元周期構造におけるＺ方向の高さ：Ｈが全て同一である（請求項２）。

なお、上に説明したように、この発明の光束分岐素子による光束分岐は、回折によるものであるから、場合によって、±１次より高い次数の回折光を発生させることも可能であり、このような場合には、４本より多くの本数の光束への分岐を行うことができるが、上に説明した回折格子の周期を適宜に選択することにより±２次以上の回折光が発生しないようにすることができる。

また、光束分岐素子１０を「回折されずに透過する０次光成分」も一般に発生するが、このような０次光を発生させないようにするには、第３、第４の面積領域Ｃ、Ｄの各２次元周期構造の有効屈折率の差：Δｎ、凹凸の高さ：Ｈ、入射光の波長：λが、条件：
Δｎ×Ｈ＝λ／２
を満足するようにすればよい。このとき、これら２次元周期構造を透過した光の位相が半波長分だけずれるため、干渉により互いに打ち消しあい、０次光が発生しなくなるのである。勿論、請求項３のように、
Δｎ×Ｈ≒λ／２
を満足させることにより、０次光の発生を実質的に防止することができる。
上に説明した実施例においては、フィルファクタ：ｆ＝０．７の第３の面積領域Ｃでの有効屈折率は１．２２、フィルファクタ：０．５２の第４の面積領域Ｄでの有効屈折率は１．１２であるからΔｎ＝０．１、入射光Ｌの波長：λ＝４０５ｎｍであるから、０次光が発生しないようにするには、Ｈ＝２．０２５μｍに設定すれば良い。

また、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄは１辺の長さ：ａ＝１．１６６μｍの正方形形状としたので、前述の（１）式において、Ｐ＝２ａ、λ＝４０５とすれば、ｓｉｎθ＝λ／Ｐ＝４０５／２ａ＝４０５ｎｍ／２．３３２μｍ＝０．１７４であり、ｓｉｎθ＝０．１７４を満足する回折角：θは１０度となる。即ち、上記実施例の光束分岐素子に波長：４０５ｎｍのコヒーレント光を入射させれば、Ｘ方向、Ｙ方向に回折角：θ＝１０度で回折する４光束が得られる。

ここで、上に説明した実施例の光束分岐素子の作製方法を説明する。
基板として石英の平行平板を用い、表面に紫外光やオゾンを照射して表面上の有機物やパーティクルを除去した後、フォトレジストとの密着性を上げるために、ヘキサジメチルジシラザンなどの有機溶媒を塗布する。露光を行う際に生じる基板からの反射光を防ぐため、反射防止膜を塗布してもよい。

次いで、フォトレジスト（東京応化製：商品名ＯＦＰＲ８００など）をスピンコートし、プリベークをしてレジストを安定させたのち、使用波長以下の１次元周期構造（第１、第２の面積領域Ａ、Ｂ）、２次元周期構造（第３、第４の面積領域Ｃ、Ｄ）の配列を形成するために、電子線による描画や、ステッパーなどの露光機もしくは多光束干渉などを用いる露光を行い、上記１次元周期構造・２次元周期構造に対応するパターンをフォトレジスト膜に書込む。

その後、現像工程によってフォトレジストのパターンを作成した後、このパターンをマスクとしてエッチングを行う。エッチングはプラズマによるドライエッチングを用いることが好ましい。ドライエッチングではプラズマ条件によってウエットエッチングよりも高い垂直性（異方性）でエッチングを行うことが可能である。このようにして、基板表面を上記パターンに従って侵刻することにより、基板の表面形状として、上記の如き１次元周期構造・２次元周期構造を有する第１〜第４の面積領域の配列を形成する。

上に説明した実施例では、基板として、石英基板を用いたが、基板の材料は石英に限らず種々のものが可能であり、有機材料（例えばポリカーボネ―ト、アクリル樹脂等）や、無機材料（例えば上記石英や酸化チタン等）などを用いることができる。また、例えば、石英の平行平板上に上記有機材料の層を積層し、この有機材料の層に第１〜第４の面積領域の配列を形成しても良い。

また、上の実施例では、第１〜第４の面積領域Ａ〜Ｄの形状を「正方形形状」としたが、例えば、これらの面積領域の形状を「Ｙ方向に長い長方形形状」とすれば、Ｘ方向とＹ方法とで回折角を異ならせることができ、Ｙ方向の回折角を小さくできる。「第１〜第４の各面積領域の形状」は、正方形や長方形に限らず、多角形や円形、楕円形等とすることも可能である。

図４を参照して、上に説明した光束分岐の様子を説明する。
図４（ａ）は、図面に直交する方向（Ｚ方向）から、直線偏光の入射光を入射させた場合を示している。入射直線偏光の電場ベクトルをＥとし、電場ベクトル：ＥとＸ方向の成す角をξとすると、Ｘ方向の偏光成分：Ｅｘ＝Ｅｓｉｎξ、Ｙ方向の偏光成分：Ｅｙ＝Ｅｃｏｓξである。即ち、入射直線偏光の電場ベクトル：Ｅは、Ｘ方向の偏光成分：ＥｘとＹ方向の偏光成分：Ｅｙのベクトル和である。

電場ベクトル：Ｅ、偏光成分：Ｅｘ、Ｅｙは何れも振動方向はＺ方向に直交している。図４（ｂ）は、入射光Ｌのうちの偏光成分：ＥｙがＸＺ面内で回折されて、回折光Ｌ１、Ｌ２として分岐される様子を示している。また、図４（ｃ）は、入射光Ｌのうちの偏光成分：ＥｘがＹＺ面内で回折され、回折光Ｌ３、Ｌ４として分岐される様子を示している。

上の説明から明らかなように、入射直線偏光の電場ベクトル：ＥとＸ方向の成す角：ξが４５度のとき、回折光Ｌ１〜Ｌ４の光強度は互いに等しくなるが、角：ξが４５度からはずれると、回折光Ｌ１、Ｌ２と回折光Ｌ３、Ｌ４の大きさが異なる。角：ξ＝０のとき、回折光Ｌ１、Ｌ２の強度は０であり、角：ξ＝９０のとき、回折光Ｌ３、Ｌ４の強度が０である。

また、何れの場合にも、回折光Ｌ１〜Ｌ４における電場の振動方向はＺ方向に直交する方向であり、換言すれば、光束分岐素子１０の表面に平行な方向である。このような偏光、即ち、光束分岐素子１０の表面に平行な振動を行う偏光はＳ偏光と呼ばれる。分岐した回折光Ｌ１〜Ｌ４は、何れもＳ偏光である（振動方向が図面に直交する方向であることを示すためにドットを付してある。）。

図５は、光束分岐素子を用いた光束干渉光学系の実施の１形態を説明するための図である。
半導体レーザー９０（波長：４０５ｎｍ）から出たコヒーレント光１００は、コリメートレンズ１０１で平行光に変換された後、ビーム整形プリズムなどのビーム強度均一化素子１０２でビームの強度分布を均一化される。コヒーレント光１００の強度は射出直後で数十ｍＷ程度であり、偏光は図のＸ、Ｙ軸に対して４５°方向の直線偏光である。

符号１０３で示す光束分岐素子は、上に説明した実施例のものであって、Ｘ方向の偏光成分に対してＹ方向の回折格子として作用し、Ｙ方向の偏光成分に対してはＸ方向の回折格子として作用する。
従って、光束分離素子１０３に入射したコヒーレント光１００は光束分岐素子１０３により４光束に分岐される。これら４光束のうち２光束はＸ方向に偏光し、他の２光束はＹ方向に偏光している。そして、これら４光束は何れも、露光面１０５に対して「Ｓ偏光」である。

なお、光束分岐素子１０３に０次光が生じる場合は、遮光板などで露光面１０５に到達しないように０次光をカットする必要があるが、上記の如く、０次光が生じないようにしておけばその必要はない。
分岐された４光束を、レンズやミラーなどの集光素子１０４により光路を変換させて露光面１０４上に集光し、露光面１０５上に４光束干渉パターンを生成させる。
即ち、この光束干渉光学系は、光源９０と、この光源９０から放射される光束を分岐する光束分岐素子１０３と、この光束分岐素子１０３により分岐された光束を集光する集光素子１０４とを有し、光束分岐素子１０３として請求項１に記載のものを用いるものである（請求項４）。

ここで、光束の干渉による干渉露光について若干補足する。
干渉露光では、分岐された２つの光束を干渉させることで、材料ウエハ上のレジストに明暗パターンを形成する。一般に露光では明暗のコントラストが高いほど、シャープな構造を作製することが可能である。

図６（ａ）は、Ｐ偏光（図の面内において、光の進行方向に直交する方向に偏光している）どうしの干渉の場合を示す。Ｐ偏光どうしが図の如く干渉し合う場合、干渉領域で２光束の電場ベクトルの向きが異なっているため、単純に２つの振幅を足し算できず、電場ベクトルを水平方向と垂直方向の振動成分に分解し、それぞれを足し合わせることで、電場ベクトルの和を求める。電場ベクトルの水平成分は同じ向きであるが、垂直成分は逆向きとなり、波は打ち消し合うことになる。光強度は振幅の自乗であるので、振幅を単純に足した場合に比べて明るい面積領域は暗くなり、暗い面積領域は明るくなる。つまり、図６（ｂ）に示す光強度の分布のようにコントラストが低下する。

図６（ｃ）は、Ｓ偏光（図に直交する面内において光の進行方向に直交する方向に偏光している）どうしの干渉の場合を示す。Ｓ偏光どうしの干渉の場合には、電場ベクトルの向きが互いに一致しているため、これらが単純に加算され、図６（ｄ）に示す光強度分布のように、コントラストのよい明暗を得ることができる。干渉露光によって微細な周期構造を作るには、Ｐ偏光を干渉させるよりも「Ｓ偏光どうしを干渉させる」方が良い。

図７はＰ偏光の干渉の場合と、Ｓ偏光の干渉の場合とにおける「開口数によるコントラスト」を表している。横軸が開口数、縦軸がコントラストである。入射光の開口数が大きくなるにつれて、Ｓ偏光の干渉とＰ偏光の干渉におけるコントラストの差が顕著になる。これは開口数が大きくなるにつれて、電場ベクトルの垂直成分が大きくなるためである。

多光束干渉においても、コントラストを上げるために入射面に対してすべての光束をＳ偏光にするのがよい。

前述の如く、実施例１の光束分岐素子では、分岐される４光束が全てＳ偏光であるので、図５に示した光束干渉光学系を用いることにより、４光束を干渉させてコントラストの高い明暗を実現できる。

図８は、光束干渉露光装置の実施の１形態を説明するための図である。

符号２０１は、図５に即して説明した光束干渉光学系を略示している。この光束干渉光学系２０１により、ステージ２０２上にセットされた露光対象物Ｏｂの露光面上に４光束干渉パターンを生成する。ステージ２０２は制御コンピュータ２０５で制御され、露光中にステージ２０２を走査することにより「つなぎ合わせの露光」を行うことができる。

また、ステージ２０２上の露光対象物Ｏｂの露光面をＣＣＤカメラ２０４によって観察できるようになっており、露光面の画像をディスプレイ２０６に出力し、アライメントを行うことができるようになっている。また、レーザ変位計２０３を用いて、光束干渉光学系２０１から出射された４光束の集光面がステージ２０２上の露光対象物Ｏｂの露光面と一致しているかどうかを測定する。そして、それらが一致するように、露光面に対して垂直方向のステージ位置の変位を調整する。

この露光装置により、液浸などの「入射光の開口数の高い４光束干渉」においても、λ／２板を用いずに、露光面に対して４光束ともＳ偏光となり、結果としてＸ、Ｙ方向ともに同等の高いコントラストをもった２次元周期構造を作成することが可能となる。

光束分岐素子の実施の形態を説明するための図である。 構造副屈折を、１次元周期構造を例として説明するための図である。 フィルファクタによる有効屈折率の変化を示す図である。 光束の分岐を説明するための図である。 光束干渉光学系の実施の１形態を説明するための図である。 Ｐ偏光の干渉による明暗とＳ偏光の干渉による明暗を説明する図である。 回口数によるコントラストの変化を示す図である。 光束干渉露光装置の実施の１形態を示す図である。

符号の説明

１０ 光束分岐素子
Ｌ 入射光
Ｌ１〜Ｌ４ 分岐した光束
Ａ〜Ｄ 第１〜第４の面積領域

Claims (5)

1. 入射光束を分岐する光束分岐素子であって、
   平面上で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向、上記平面に直交する方向をＺ方向とするとき、
   基板の表面形状として、第１〜第４の面積領域の配列を有し、
   第１の面積領域は、Ｚ方向の高さが、Ｘ方向に周期的に変化し、Ｙ方向には一定である凹凸による１次元周期構造を有し、
   第２の面積領域は、Ｚ方向の高さが、Ｙ方向に周期的に変化し、Ｘ方向には一定である凹凸による１次元周期構造を有し、
   第３および第４の面積領域は、Ｚ方向の高さが、Ｘ方向およびＹ方向に同一周期で周期的に変化する凹凸による２次元周期構造を有し、且つ、第３および第４の面積領域は互いに上記２次元周期構造におけるフィルファクタが異なり、
   上記第１〜第４の面積領域における上記１次元周期構造および２次元周期構造の凹凸の周期は全て入射光の波長以下であり、
   上記第１の面積領域は、Ｙ方向において上記第３の面積領域と交互に配列されるとともに、Ｘ方向において上記第４の面積領域と交互に配列され、且つ、上記Ｙ方向に対して傾く斜め方向において、第２の面積領域と交互に配列されており、
   Ｘ方向の偏光光束に対してＹ方向の回折格子として作用し、Ｙ方向の偏光光束に対してＸ方向の回折格子として作用するように、上記第１〜第４の面積領域の大きさと配列形態、および各面積領域の上記Ｘ、Ｙ方向の偏向光束に対する有効屈折率が定められていることを特徴とする光束分岐素子。
2. 請求項１記載の光束分岐素子において、
   第１〜第４の面積領域における１次元周期構造、２次元周期構造におけるＺ方向の高さが全て同一であることを特徴とする光束分岐素子。
3. 請求項２記載の光束分岐素子において、
   第１〜第４の面積領域における１次元周期構造、２次元周期構造におけるＺ方向の高さ：Ｈ、入射光束の波長：λ、第３の面積領域と第４の面積領域の有効屈折率の差：Δｎが、条件：
   Δｎ×Ｈ≒λ／２
   を満足することを特徴とする光束分岐素子。
4. 光源と、この光源から放射される光束を分岐する光束分岐素子と、この光束分岐素子により分岐された光束を集光する集光素子とを有し、上記光束分岐素子として請求項１〜３の任意の１に記載のものを用いることを特徴とする光束干渉光学系。
5. 請求項４記載の光束干渉光学系を用いて光束干渉露光を行う光束干渉露光装置。

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