JP2010117577A

JP2010117577A - 偏光子

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Publication number: JP2010117577A
Application number: JP2008291105A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Asano; 功輔浅野; Tasuke Isano; 太輔伊佐野; Yasushi Kaneda; 泰金田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: US20100118392A1; US8305683B2; JP5430126B2; EP2187246A1; EP2187246B1

Abstract

【課題】深紫外波長の光に対してより偏光制御性能の高い偏光子を提供する。
【解決手段】深紫外光を透過する基板１と、基板１の上に所定の間隔で形成された複数の構造部で構成される周期構造体２を備え、入射した深紫外光を偏光方向に応じて周期構造体２で反射する反射光と隣り合う構造部の間を透過する透過光とに分離する偏光子であって、周期構造体はタングステンまたは酸化クロムによって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、深紫外領域の光を偏光制御するための偏光子に関するものである。

偏光子は、プリズム型のものと、フィルタ型のものとに大別される。

プリズム型の偏光子は、複屈折性やブリュースター角等の性質を利用し、偏光特性が高いという特徴がある。しかしながら、プリズム型の偏光子は、厚みが大きく、大きな設置スペースを必要とする上、入射光の入射角が制限され、垂直入射のみで斜め入射のものは偏光させることができない。

一方、フィルタ型の偏光子は、薄く形成することができるため小さな設置スペースに配置することができると共に、入射光の入射角の制限も小さい（斜め入射も可能）等の利点がある。フィルタ型の偏光子は、一例として、ハロゲン化銀などの導電性粒子を混ぜ込んだ硝子基板を一方向に圧延してハロゲン化銀粒子を長楕円形状にすることで形成される。超長楕円形状とされたハロゲン化銀粒子が電気伝導の異方性を与えることにより、偏光特性が生じるものである。

また、フィルタ型の偏光子の別形態として、ワイヤーグリッド偏光子（ｗｉｒｅｇｒｉｄｐｏｌａｒｉｚｅｒ）と呼ばれる偏光子が知られている。この偏光子は、硝子基板上にアルミニウム等の金属細線を等間隔に並べた構造を有しており、前述のフィルタ型の偏光子と同様に、電気伝導の異方性を利用したものである。このようなワイヤーグリッド偏光子を用いたフィルタ型の偏光子は、特許文献１や非特許文献１に記載されている。非特許文献１には、金、銀、クロム、アルミニウムの金属細線を８０ｎｍのピッチを形成することで、紫外から近赤外の波長域（３００ｎｍ〜５μｍ）に対応した偏光子が記載されている。またＣａＦ_２を基板として用い、その上にアルミニウムのワイヤーグリッドが形成された構成も記載されている。
特開２００８−９０２３８号公報Ｚ．Ｙ．Ｙａｎｇらによる「ＢｒｏａｄｂａｎｄＮａｎｏｗｉｒｅ−ｇｒｉｄＰｏｌａｒｉｚｅｒｓＩｎＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ−Ｖｉｓｉｂｌｅ−Ｎｅａｒ−ＩｎｆｒａｒｅｄＲｅｇｉｏｎｓ」（ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳＶｏｌ．１５、Ｎｏ．１５、ｐｐ．９５１０−９５１９）

従来、これらのプリズム型、フィルタ型の偏光子は、可視光、赤外光、紫外光を偏光制御するものとして検討されていた。

ところで、露光装置における露光波長として、より微小なパターンを形成するために、紫外光（３００ｎｍ〜３８０ｎｍ）よりもさらに短い波長の光が使用されている。例えばＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、Ｆ_２（１５７ｎｍ）、Ａｒ_２（１２６ｎｍ）などがある。このような波長域の光を露光光として用いる露光装置の偏光照明光学系や、ステージ位置制御のための干渉計などに偏光子を用いることがある。

しかしながら、ハロゲン化銀の楕円粒子を用いたフィルタ型の偏光子は、紫外光に対しても透明度の高いホタル石（ＣａＦ_２）やフッ素をドープした石英硝子（ＳｉＯ_２）等を基板に用いる必要があるため、ハロゲン化銀粒子を混ぜ込んで圧延することができない。そのため、ハロゲン化銀の楕円粒子を形成することができず、異方性を与えることができない。

また、深紫外の波長域に対しては、非特許文献１に記載されている金属からなる金属細線でも性能の高い偏光特性を実現することは困難である。これまでワイヤーグリッド偏光子は赤外光の偏光子として長く間使われてきたが、深紫外波長の光に対しては金属細線の間隔が十分狭く、かつ高アスペクト比のものを作成できないため、十分な偏光特性を発揮できない。

そこで本発明は、深紫外波長の光に対してより偏光制御性能の高い偏光子を提供することを目的とする。

本発明では、格子部の材料として、タングステン、または酸化クロムを用いた。

つまり、本発明の偏光子は、深紫外光を透過する基板と、前記基板上に所定の間隔で形成された複数の構造部で構成される周期構造体を備え、入射した深紫外光を偏光方向に応じて前記周期構造体で反射する反射光と隣り合う前記構造部の間を透過する透過光とに分離する偏光子であって、前記周期構造体はタングステンまたは酸化クロムによって形成されていることを特徴とする。

本発明による偏光子は、深紫外波長において高い偏光制御性能を達成できる。

本発明の偏光子は、深紫外光を透過する基板と、基板上に形成された複数の構造物で構成される周期構造体とを有する。周期構造体は、入射した深紫外光を偏光方向に応じて透過光と反射光とに分離する機能を有している。そして、本発明では、周期構造体はタングステンまたは酸化クロムによって形成されている。タングステンまたは酸化クロムによって形成されていることにより、アルミニウムや銀などの材料を周期構造体に用いていた従来の偏光子に比べてより消光比を高め、偏光制御性能を向上させることができる。

ここで、深紫外光とは、１９０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光を指すものとする。また、周期構造体とは、長尺状の構造部が等間隔に周期的に配置された構造体のことである。また、本発明における酸化クロムは、酸化クロム（III）（Ｃｒ_２Ｏ_３）を指すものである。

図１は、本発明に係る偏光子の構成の一例を示す断面模式図である。図１において、１は基板、２は周期構造体である。

基板１は、深紫外光を透過する基板である。深紫外光に対する透過率は９９％以上であることが好ましい。また、このような基板の材料として、ホタル石（ＣａＦ_２）やフッ素をドープした石英硝子（ＳｉＯ_２）を用いることが好ましい。

周期構造体２は、基板１の上に形成されており、長尺状の構造部が等間隔に周期的に配置された構造体である。図１では断面構造が矩形であるが、本発明における周期構造体は、断面が矩形のものに限られず、台形、三角形等であってもよい。構造部同士は基板の端部で繋がっていても良いし、互いに独立して形成されていてもよい。隣り合う構造部の間は基板１が露出しており、露出した基板に入射した深紫外光は、基板を透過する。

周期構造体２は、高さｄ、ピッチｐ、フィリングファクター（基板１の面積に対する周期構造体２の面積比）ｆで形成されている。このとき、隣り合う構造部の間隔は（１−ｆ）ｐとなる。周期構造体の高さｄやフィリングファクターｆを所望の値に設定することで、透過率や消光比などを所望の値に設定することが可能である。

ピッチｐが光学素子の対象波長以下である場合には、対象光の構造部の長尺方向に垂直に振動する電場ベクトル成分が透過し、長尺方向に平行に振動する電場ベクトル成分が反射するため、偏光子として機能する。逆にピッチｐが光学素子の対象波長よりも大きい場合には偏光子としての機能はほとんどなく、回折光学素子としての機能を有することになる。

本発明では、深紫外波長（１９０ｎｍ以上３００以下）を対象波長としているため、ピッチｐは３００ｎｍ以下である。特にピッチｐが対象波長の１／２以下の場合偏光子としての機能は最良のものとなるため、ピッチｐは１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

周期構造体は、従来知られている方法により形成することが可能である。例えば、基板の上に所定の金属膜を形成する工程、電子線描画やフォトリソグラフィーによるレジストパターンを形成する工程、ドライエッチングにより形成された金属膜をエッチングする工程を行うことにより形成できる。また、基板上に電子線描画やフォトリソグラフィーによるレジストパターンを形成する工程、所定の金属膜を形成する工程、リフトオフにより形成された金属膜を選択的に除去する工程を行うことによっても形成できる。

そして、本発明では、周期構造体２がタングステンまたは酸化クロムによって形成されている。本発明者の知見により、従来一般的に用いられていた材料であるアルミニウムや銀等で形成した場合、周期構造体の高さやフィリングファクターを極めて小さくしないと深紫外光に対する偏光子として機能させることはできないことが分かった。しかし、このような条件の周期構造体を形成することは極めて困難であるため、実際に従来一般的に用いられていた材料で深紫外光に対する偏光子はできなかった。本発明者は、このような実情に鑑みて、種々の材料を用いた場合について鋭意検討を行った。その結果、タングステンまたは酸化クロムによって周期構造体を形成した場合には、周期構造体の高さやフィリングファクターを極めて小さくしなくても深紫外光に対する偏光子として機能させられることが分かった。タングステンまたは酸化クロムと従来一般的に用いられていた材料とで異なる現象が生じる原因は定かではない。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
図１は本発明による偏光子を構成した実施例１に係る偏光子の構成を示す図である。

本実施例では、合成石英基板上にピッチｐ＝９０ｎｍ、高さｄ＝２８０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．３７の、タングステンの周期構造体を形成する。表１に本実施例及び以下説明する各実施例、比較例の周期構造体の諸元を示す。本実施例の偏光子は、波長３００ｎｍの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。

図２は実施例１に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。シミュレーションには回折光解析技術に基づく高精度な結像シミュレーション法であるＲＣＷＡ（ＲｉｇｏｒｏｕｓＣｏｕｐｌｅｄＷａｖｅＡｎａｌｙｓｉｓ）法を用いた。ここで、ＴＥ波（構造部の長尺方向と同方向の偏光を持つ光）の素子透過光強度をＩ_ＴＥ、ＴＭ波（構造部の配列方向と同方向の偏光を持つ光）の素子透過光強度をＩ_ＴＭとして、消光比γ＝１０Ｌｏｇ_１０（Ｉ_ＴＭ／Ｉ_ＴＥ）と定義する。本実施例の偏光子の構成により、３００ｎｍの波長の光に対して、消光比γは１００ｄＢ以上、透過率Ｔは７０％以上の透過率となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。また、深紫外域（１９０ｎｍ以上３００ｎｍ以下）に対して消光比γが６０ｄＢ以上の高消光比となることが分かった。また、２００ｎｍ以下の波長域においても透過率Ｔは２０％程度にはなるが６０ｄＢ以上の高消光比の偏光子を得ることができることが分かった。

［実施例２］
本実施例の構成は実施例１と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチｐ＝９０ｎｍ、高さｄ＝３５０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．１１の、タングステンの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長２５０ｎｍの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。

図３は実施例２に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、２５０ｎｍの波長の光に対して、消光比γは６５ｄＢ以上、透過率Ｔは８０％以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。また、深紫外域（１９０ｎｍ以上３００ｎｍ以下）に対して透過率Ｔが８０％以上の高透過率となることが分かった。また、２００ｎｍ以下の波長域においても消光比γが２５ｄＢにはなるが透過率Ｔが８０％以上の高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。

［実施例３］
本実施例の構成は実施例１、２と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、実施例１、２と異なり酸化クロムの周期構造体を形成する。ここで周期構造体のピッチｐは対象波長となる深紫外光（３００ｎｍ）の半分以下である。また、本実施例では、合成石英基板上にピッチｐ＝９０ｎｍ、高さをｄ＝２１０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．２８の周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長２００ｎｍの光に対して消光比が高くなるように設計したものである。

図４は実施例３に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、２００ｎｍの波長の光に対して、透過率Ｔは２０％程度となるが、消光比γは６０ｄＢ以上となり、高消光比の偏光子を得ることができることが分かった。また、波長が１９０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の波長域に対して消光比γが２０ｄＢ以上、透過率Ｔが２０％以上の偏光子を得ることができることが分かった。

［実施例４］
本実施例の構成は実施例３と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチｐ＝９０ｎｍ、高さｄ＝２３０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．１２の、酸化クロムの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長２００ｎｍの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。

図５は実施例４に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、波長が２００ｎｍの場合には消光比γは３０ｄＢ以上、透過率Ｔは８０％以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。

［実施例５］
本実施例の構成は実施例３と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチｐ＝１５０ｎｍ、高さｄ＝３７０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．１５の、酸化クロムの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長２５０ｎｍの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。

図６は実施例５に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、２５０ｎｍの波長の光に対して、消光比γは４５ｄＢ程度、透過率Ｔあ７０％以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。また、波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長域に対して消光比γが２０ｄＢ以上、透過率Ｔが２０％以上となることが分かった。

［実施例６］
本実施例の構成は実施例３と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチｐ＝８０ｎｍ、高さｄ＝２００ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．１７の、酸化クロムの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長２００ｎｍの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。

図７は実施例６に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、２００ｎｍの波長の光に対して消光比γは３５ｄＢ以上、透過率Ｔは７０％以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。

（比較例１）
本比較例の構成は、実施例４の構成と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。周期構造体のピッチｐ、高さｄ、フィリングファクターｆはそれぞれ実施例４と同じであり、ピッチｐ＝９０ｎｍ、高さｄ＝２３０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．１２である。本比較例では、実施例４と異なりアルミニウムの周期構造体を形成する。

図８は比較例１に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本比較例の偏光子の構成により、波長が２００ｎｍの場合には透過率Ｔは９０％以上となるが、消光比γは５ｄＢ以下となり、高消光比の偏光子を得ることができないことが分かった。また、波長が１９０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の深紫外域でも偏光特性を得られないことが分かった。

（比較例２）
本比較例の構成は、実施例４及び比較例１の構成と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本比較例では、合成石英基板上にピッチｐ＝９０ｎｍ、高さｄ＝２０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝０．０２６の、アルミニウムの周期構造体を形成する。本比較例の偏光子は、実施例４と同様に波長２００ｎｍの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。

図９は比較例２に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本比較例は、偏光子として機能し得る条件をシミュレーションによって求めたものである。本比較例の偏光子の構成により、波長２００ｎｍの場合に透過率Ｔは５０％程度、消光比γは３０ｄＢ以上となり、高消光比の偏光子となることが分かった。しかしながら、本比較例の条件の周期構造体を形成することは極めて困難であるため、実際に従来一般的に用いられていた材料で深紫外光に対する偏光子を作成するのは極めて困難であることが分かった。

本発明の偏光子は、半導体及び液晶露光装置の偏光照明光学系、レーザー描画装置の偏光制御機構、偏光計測器の偏光センサ等に用いることができる。

本発明の偏光子の構造を示す断面模式図。本発明の実施例１に係る偏光子の特性を示す図。本発明の実施例２に係る偏光子の特性を示す図。本発明の実施例３に係る偏光子の特性を示す図。本発明の実施例４に係る偏光子の特性を示す図。本発明の実施例５に係る偏光子の特性を示す図。本発明の実施例６に係る偏光子の特性を示す図。比較例１に係る偏光子の特性を示す図。比較例２に係る偏光子の特性を示す図。

符号の説明

１基板
２周期構造体

Claims

深紫外光を透過する基板と、前記基板上に所定の間隔で形成された複数の構造部で構成される周期構造体を備え、入射した深紫外光を偏光方向に応じて前記周期構造体で反射する反射光と隣り合う前記構造部の間を透過する透過光とに分離する偏光子において、
前記周期構造体はタングステンまたは酸化クロムによって形成されていることを特徴とする偏光子。
前記周期構造体のピッチが３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の偏光子。
前記周期構造体のピッチは、前記偏光子の対象とする対象波長の１／２以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏光子。