JP2014142494A - 空間光変調器、空間光変調方法、パターン描画装置、パターン描画方法、空間光変調器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学結晶基板を用いた光変調の消光比を確保可能とする技術を提供する。
【解決手段】電気光学結晶基板３１、３２が設けられ、光は電気光学結晶基板３１を通過した後に電気光学結晶基板３２を通過する。電気光学結晶基板３１、３２のそれぞれは、印加電圧に応じて形成される回折格子によって、通過する光を回折する。この際、各基板３１、３２での分極軸Ｐ1および分極軸Ｐ2が傾斜しているため、各基板３１、３２において屈折率変化が大きくなる方向が異なる。すなわち、各基板３１、３２の回折格子が異方性を示す方向が異なっている。このような構成では、電気光学結晶基板３１の回折格子で変調されなかった光の偏光成分を電気光学結晶基板３２の回折格子で変調するといった動作が実行できる。その結果、変調を受けるべき光のうち変調を受けることなく素通りしてしまう割合を抑制して、光変調の消光比が確保可能となっている。
【選択図】図７

Description

この発明は、印加電圧に応じて電気光学結晶基板に形成される回折格子を用いて光を変調する空間光変調技術に関する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）やリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）等で構成された電気光学結晶基板の屈折率は、外部から与えられた電圧に応じて変化する。そこで、特許文献１では、印加電圧に応じて電気光学結晶基板に屈折率分布が生じるように構成し、屈折率分布を回折格子として機能させて光を変調する空間光変調器が提案されている。つまり、この空間光変調器は、電気光学結晶基板を通過する光を、印加電圧に応じて形成される回折格子によって変調する。

特開２００９−０３１７３２号公報

ところで、電気光学結晶基板に生じる屈折率変化は等方的でなく、一方向（例えば、リチウムナイオベートの場合は、ｚ軸に平行に電圧を印加して、電気光学定数ｒ33に対応する結晶のｚ軸の方向）に大きくなる性質を示す。このような異方性を示す屈折率変化によって回折格子が形成されるため、当該一方向に平行な光の偏光成分が主として回折格子からの変調を受けるのに対し、当該一方向に直交する光の偏光成分は回折格子からの変調をあまり受けずに電気光学結晶基板を通過する。例えば上記リチウムナイオベートのｚ軸に平行に電圧を印加した場合、電気光学定数ｒ13に対応する変調で、平行な光の偏光成分の変調の３分の１以下となる。したがって、光の偏光状態によっては、変調を受けるべき光の一部が変調を受けることなく素通りしてしまい、光変調のＯＮ／ＯＦＦ間における消光比を確保できない場合があった。

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電気光学結晶基板を用いた光変調の消光比を確保可能とする技術の提供を第１目的とするとともに、当該第１目的に資する空間光変調器を簡便に製造する技術の提供を第２目的とする。

本発明にかかる空間光変調器は、上記第１目的を達成するために、第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第１電気光学結晶基板と、光の進行方向に垂直な面内での角度において第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第２電気光学結晶基板と、第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板へ与える印加電圧によって、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とを順に通過する光を変調する変調部とを備えたことを特徴としている。

本発明にかかる空間光変調方法は、上記第１目的を達成するために、第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第１電気光学結晶基板を通過する光を、印加電圧に応じて第１電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と、光の進行方向に垂直な面内での角度において第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第２電気光学結晶基板を第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を、印加電圧に応じて第２電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程とを備えたことを特徴としている。

本発明にかかるパターン描画装置は、上記第１目的を達成するために、光を射出する光源と、光源から射出された光を変調する空間光変調器と、空間光変調器から射出された０次光および回折光のうちの一方を描画対象に導く光学系とを備え、空間光変調器は、第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第１電気光学結晶基板と、光の進行方向に垂直な面内での角度において第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第２電気光学結晶基板と、第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板へ与える印加電圧によって、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とを順に通過する光を変調する変調部とを有することを特徴としている。

本発明にかかるパターン描画方法は、上記第１目的を達成するために、第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第１電気光学結晶基板を通過する光を、印加電圧に応じて第１電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と、光の進行方向に垂直な面内での角度において第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第２電気光学結晶基板を第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を、印加電圧に応じて第２電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と、第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶で構成される空間光変調器から射出された０次光および回折光のうちの一方を描画対象に導く工程とを備えたことを特徴としている。

このように構成された本発明（空間光変調器、空間光変調方法、パターン描画装置、パターン描画方法）では、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とが設けられ、光は第１電気光学結晶基板を通過した後に第２電気光学結晶基板を通過する。そして、第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板のそれぞれは、印加電圧に応じて形成される回折格子によって、通過する光を回折する。この際、各基板の第１分極軸および第２分極軸が傾斜しているため、各基板において屈折率変化が大きくなる方向が異なる。すなわち、各基板の回折格子が異方性を示す方向が異なっている。このような構成では、第１電気光学結晶基板の回折格子で十分に変調されなかった光の偏光成分を第２電気光学結晶基板の回折格子で変調するといった動作が実行できる。その結果、変調を受けるべき光のうち変調を受けることなく素通りしてしまう割合を抑制して、光変調の消光比が確保可能となっている。

また、光の進行方向に垂直な面内での角度において、第２分極軸が第１分極軸に対して９０度傾斜するように、空間光変調器を構成しても良い。このように構成することで、互いに直交する異なる偏光成分のそれぞれを確実に変調することができ、光変調の消光比をより向上させることができる。

なお、第１分極軸に対して第２分極軸を９０度傾斜させる具体的構成としては、種々の態様を採用できる。そこで、例えば、第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板それぞれは、両主面が平行な平板形状を有し、第１分極軸は、第１電気光学結晶の主面に対して−４５度傾斜し、第２分極軸は、第２電気光学結晶の主面に対して４５度傾斜するように、空間光変調器を構成しても良い。

また、変調部は、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とに互いに共通する印加電圧を与えるように、空間光変調器を構成しても良い。このような構成では、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板は、互いに異なる偏光成分に同一の変調を行う。

あるいは、変調部は、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とに互いに独立する印加電圧を与えるように、空間光変調器を構成しても良い。このような構成では、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板は、互いに異なる偏光成分に対して、同一の変調を行うこともできるし異なる変調を行うこともできる。その結果、より多様な光変調を実現することができる。具体例を挙げると、一方の電気光学結晶基板による光変調を実行せずに、他方の電気光学結晶基板による光変調を実行することで、階調を再現すること等が可能となる。

また、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板は同じ厚みを有するように、空間光変調器を構成しても良い。

また、第１電気光学結晶基板は、第１分極軸に平行な方向へ分極方向が交互に反転する周期分極反転構造を有し、第２電気光学結晶基板は、第２分極軸に平行な方向へ分極方向が交互に反転する周期分極反転構造を有するように、空間光変調器を構成しても良い。

本発明にかかる空間光変調器の製造方法は、上記第２目的を達成するために、分極軸に平行な方向に分極する電気光学結晶のインゴットから、分極軸に対して傾斜する一方主面および他方主面を有する平板状に電気光学結晶を切り出す工程と、平板状に切り出された電気光学結晶を分割して、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とを生成する工程と、配列方向から見て第１光学結晶基板および第２光学結晶基板それぞれの分極軸が傾斜するように、配列方向に第１光学結晶基板と第２光学結晶基板とを隣接させる工程とを備えたことを特徴としている。

このように構成された本発明（空間光変調器の製造方法）では、分極軸に平行な方向に分極する電気光学結晶のインゴットから、分極軸に対して傾斜する一方主面および他方主面を有する平板状に電気光学結晶が切り出される。続いて、平板状に切り出された電気光学結晶を分割して、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とが生成される。そして、配列方向から見て第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板それぞれの分極軸が傾斜するように、配列方向に第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とを隣接させる。こうして、それぞれの分極軸を互いに傾斜させて第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とを配置した上記のような空間光変調器を簡便に製造することが可能となっている。

また、電気光学結晶から分割されてそれぞれの分極軸が平行な状態で並ぶ第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板の一方を、その法線に平行な軸を中心に回転させることで、配列方向から見てそれぞれの分極軸が傾斜するように、配列方向に第１光学結晶基板と第２光学結晶基板とを隣接させるように、空間光変調器の製造方法を構成しても良い。

あるいは、電気光学結晶から分割されてそれぞれの分極軸が平行な状態で並ぶ第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板の一方を、その両主面の位置関係を反転させることで、配列方向から見てそれぞれの分極軸が傾斜するように、配列方向に第１光学結晶基板と第２光学結晶基板とを隣接させるように、空間光変調器の製造方法を構成しても良い。

以上のように、本発明によれば、電気光学結晶基板を用いた光変調の消光比が確保可能となる。また、電気光学結晶基板を用いた光変調の消光比を光の偏光状態によらずに確保できる空間光変調器を簡便に製造することが可能となる。

本発明を適用可能なパターン描画装置の一例を示す斜視図である。 図１に示すパターン描画装置の一例の側面図である。 図１に示すパターン描画装置の一例の電気的構成を示すブロック図である。 本発明にかかる空間光変調器の一例を搭載した光学ヘッドを模式的に示す斜視図である。 本発明にかかる空間光変調器の一例を模式的に示す側面図である。 図５の空間光変調器の一例を模式的に示す平面図である。 図５の空間光変調器の一例が具備する電気光学結晶基板の断面を模式的に示す図である。 空間光変調器の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図８のフローチャートに従って実行される動作の一例を模式的に示す図である。 本発明にかかる空間光変調器の変形例を模式的に示す側面図である。

パターン描画装置
図１は、本発明を適用可能なパターン描画装置の一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示すパターン描画装置の一例の側面図であり、図３は、図１に示すパターン描画装置の一例の電気的構成を示すブロック図である。このパターン描画装置１００は、感光材料が表面に付与された半導体基板やガラス基板等の基板Ｗの表面に光を照射してパターンを描画する装置である。

このパターン描画装置１００では、本体フレーム１０１に対してカバー１０２が取り付けられて形成される本体内部に装置各部が配置されて本体部が構成されるとともに、本体部の外側（本実施形態では、図２に示すように本体部の右手側）に基板収納カセット１１０が配置されている。この基板収納カセット１１０には、露光処理を受けるべき未処理基板Ｗが収納されており、本体内部に配置される搬送ロボット１２０によって本体部にローディングされる。また、未処理基板Ｗに対して露光処理（パターン描画処理）が施された後、当該基板Ｗが搬送ロボット１２０によって本体部からアンローディングされて基板収納カセット１１０に戻される。

この本体部では、図１および図２に示すように、カバー１０２に囲まれた本体内部の右手端部に搬送ロボット１２０が配置されている。また、この搬送ロボット１２０の左手側には基台１３０が配置されている。この基台１３０の一方端側領域（図１および図２の右手側領域）が、搬送ロボット１２０との間で基板Ｗの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域（図１および図２の左手側領域）が基板Ｗへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台１３０上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部１４０が設けられている。このヘッド支持部１４０では、基台１３０から上方に２本の脚部材１４１、１４２が立設されるとともに、それらの脚部材１４１、１４２の頂部を橋渡しするように梁部材１４３が横設されている。そして、図２に示すように、梁部材１４３のパターン描画領域側側面にカメラ（撮像部）１５０が固定されてステージ１６０に保持された基板Ｗの表面（被描画面、被露光面）を撮像可能となっている。

このステージ１６０は基台１３０上でステージ移動機構１６１によりＸ方向、Ｙ方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構１６１は基台１３０の上面にＸ軸駆動部１６１Ｘ（図３）、Ｙ軸駆動部１６１Ｙ（図３）およびθ軸駆動部１６１Ｔ（図３）をこの順序で積層配置したものであり、ステージ１６０を水平面内で二次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ１６０をθ軸（鉛直軸）回りに回転させて後述する光学ヘッド３に対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構１６１としては、従来多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。

また、ヘッド支持部１４０のパターン描画領域側では、光学ヘッド３がボックス１７２に対して固定的に取り付けられている。光学ヘッド３は、空間光変調器によって変調した光を基板Ｗに照射するものであり、特に「副走査方向」に相当するＹ方向に複数チャネルで光を同時に照射できる。すなわち、Ｙ方向にそれぞれ個別に変調された複数の光ビームを同時に照射することができる。そして、「主走査方向」に相当するＸ方向にステージ１６０に伴って移動する基板Ｗに対して光学ヘッド３から光を照射して、基板Ｗにパターンを描画可能となっている。

また、基台１３０の反基板受渡側端部（図１および図２の左手側端部）においても、２本の脚部材１４４が立設されている。そして、この梁部材１４３と２本の脚部材１４４の頂部を橋渡しするように光学ヘッド３の照明光学系を収納したボックス１７２が設けられており、基台１３０のパターン描画領域を上方から覆っている。

パターン描画装置１００は装置全体を制御するためにコンピュータ２００を有している。コンピュータ２００はＣＰＵ(Central Processing Unit)および記憶部２０１によって構成され、露光制御部１８１とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。そして、コンピュータ２００内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部２０２、伸縮率算出部２０３、データ修正部２０４およびデータ生成部２０５が実現される。例えば１つのＬＳＩ(Large Scale Integration)に相当するパターンのデータは外部のＣＡＤ(Computer Aided Design)等により生成されたデータであり、予めＬＳＩデータ２１１として記憶部２０１に準備されている。そして、次に説明するように、各機能部２０２〜２０５が当該ＬＳＩデータ２１１から生成した描画データＤdに基づいて装置各部が動作することで、ＬＳＩのパターンが基板Ｗ上に描画される。

ラスタライズ部２０２は、ＬＳＩデータ２１１が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ２１２を生成して記憶部２０１に保存する。こうしてラスタデータ２１２の準備後、あるいはラスタデータ２１２の準備と並行して、上記のようにしてカセット１１０に収納されている未処理の基板Ｗが搬送ロボット１２０により搬出され、搬送ロボット１２０によってステージ１６０に載置される。

その後、ステージ移動機構１６１によりステージ１６０がカメラ１５０の直下位置に移動して基板Ｗ上の各アライメントマーク（基準マーク）を順番にカメラ１５０の撮像可能位置に位置決めし、カメラ１５０によるマーク撮像が実行される。カメラ１５０から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路（図３において図示省略）により処理され、アライメントマークのステージ１６０上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部１６１Ｔが作動してステージ１６０を鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗへのパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）される。ここで、ステージ１６０を光学ヘッド３の直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。

伸縮率算出部２０３は、画像処理回路にて求められた基板Ｗ上のアライメントマークの位置、および基板Ｗの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、ならびに主走査方向Ｘおよび副走査方向Ｙに対する基板Ｗの伸縮率（すなわち、主面の伸縮率）を求める。一方、データ修正部２０４はラスタデータ２１２を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第４０２０２４８号に記載の方法を採用することができ、１つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ２１２がデータ生成部２０５へと送られる。データ生成部２０５では、変更後の分割領域に対応する描画データＤd、すなわち、１つのストライプに相当するデータが生成される。こうして、コンピュータ２００では、描画データＤdが順次生成されて、露光制御部１８１へと出力される。

露光制御部１８１は、光学ヘッド３およびステージ移動機構１６１を描画データＤdに基づき制御することで、基板Ｗへのパターン描画を実行する。具体的には、露光制御部１８１は、光学ヘッド３に搭載された駆動回路３０Ｄを描画データＤdに基づき動作させつつ、ステージ移動機構１６１によって基板Ｗを移動させて、１ストライプ分の露光を光学ヘッド３の各チャネルに実行させる。これによって、チャネル数分のストライプが基板Ｗに描画される。そして、露光制御部１８１は、ステージ移動機構１６１により基板Ｗを次の描画開始位置に移動させて、続く描画データＤdに基づく露光を光学ヘッド３に実行させる。こうした動作が繰り返されて、全てのストライプが基板Ｗに描画される。

基板Ｗ上の全ストライプの描画が終了して基板Ｗの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ１６０は描画済み基板Ｗを載置したまま基板受渡位置（図１および図２の右側領域）に移動した後、基板搬送ロボット１２０により基板Ｗがカセット１１０へと戻され、次の基板Ｗが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセット１１０に収納されている全ての基板Ｗに対するパターン描画が終了すると、カセット１１０がパターン描画装置１００から搬出される。

以上がパターン描画装置１００の概要である。ところで、本実施形態の光学ヘッド３は、異なる偏光成分を含む光を効率的に変調可能な空間光変調素子を備える。続いては、かかる光学ヘッド３の構成および動作について詳述する。図４は、本発明にかかる空間光変調器の一例を搭載した光学ヘッドを模式的に示す斜視図である。同図では、光学ヘッド３の光軸ＯＡが一点鎖線で示されるとともに、光軸ＯＡを中心とした偏光成分の傾きが太字矢印で示されている。また、光の経路が破線で示されるとともに、光の断面が梨地で示されている。同図に示すように、光学ヘッド３は、空間光変調器３０により変調した光を露光対象である基板Ｗに照射するものであり、２個の光源３３１、３３２からの光を照明光学系３５により空間光変調器３０に入射させて、空間光変調器３０から射出された光を投影光学系３７により基板Ｗに照射する概略構成を具備する。

光源３３１、３３２は、所定の波長（例えば、８３０、６３５、４０５、あるいは、３５５ナノメートル（ｎｍ））のレーザ光を出射する半導体レーザなどにより構成されている。例えば、３５５ｎｍのレーザ光を用いる場合は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの３倍高調波を用いる固体レーザ光源を使用することができる。また、光源３３１、３３２は、同一方向に偏光された光を射出する。なお、光源３３１、３３２から射出された光の偏光方向を、光軸ＯＡ回りの角度が０度の方向として、以下の説明を行う。

照明光学系３５は、光源３３１、３３２それぞれから射出された光を偏光ビームスプリッタ３５１により合成して、空間光変調器３０の入射端の形状に合わせてＹ方向に伸びる光を形成する。詳述すると、光源３３１は偏光ビームスプリッタ３５１の反射面３５１aを透過するＹ方向に伸びた光を射出し、光源３３２は偏光ビームスプリッタ３５１の反射面３５１aで反射され当該反射面３５１aにおいてＹ方向に伸びた光を射出する。その結果、光源３３１、３３２からの光を合成する偏光ビームスプリッタ３５１からは、Ｙ方向に伸びる合成光が射出される。

この際、照明光学系３５は、偏光成分を互いに直交させて光源３３１、３３２からの光を合成する。つまり、照明光学系３５では、光源３３１、３３２に対向して、コリメートレンズ３５２と半波長板３５４、３５５（λ／２板）とがそれぞれ配置されている。そのため、光源３３１、３３２から射出された光は、コリメートレンズ３５２、３５３によって平行に整形された後に、半波長板３５４、３５５を通過する。この際、光源３３１からの光の偏光成分は、半波長板３５４の作用によって−４５度だけ回転する一方、光源３３２からの光の偏光成分は、半波長板３５５の作用によって＋４５度だけ回転する。こうして、互いに逆方向に４５度だけ回転した２個の光が半波長板３５４、３５５から射出されてビームスプリッタ３５１に入射する。その結果、偏光成分が互いに直交する２個の光がビームスプリッタ３５１により合成されて、空間光変調器３０に入射することとなる。

図５は、本発明にかかる空間光変調器の一例を模式的に示す側面図であり、図６は、図５の空間光変調器の一例を模式的に示す平面図である。これらの図に示すように、空間光変調器３０では、光軸ＯＡに平行な光進行方向Ｄpに２枚の電気光学結晶基板３１、３２が並べて接続されており、こうしてカスケード接続された電気光学結晶基板３１、３２へ順に光が通過する。より具体的には、空間光変調器３０では、電気光学結晶基板３１、３２が共通のグランド電極３０２を介して支持基板３０４に接合されるとともに、光進行方向Ｄpに電気光学結晶基板３１、３２を跨ぐ信号電極３０６がＹ方向に複数配列されており、グランド電極３０２と信号電極３０６との間に電気光学結晶基板３１、３２が挟まれている。ちなみに、電気光学結晶基板３１と電気光学結晶基板３２とは同じ厚みを有しており、基板３１、３２の境界には段差がない。したがって、電気光学結晶基板３１、３２の裏面を跨ぐグランド電極３０２、および電気光学結晶基板３１、３２の表面を跨ぐ信号電極３０６の両方を、基板３１、３２の境界で屈曲させることなく形成できる。そして、各信号電極３０６は、駆動回路３０から供給される印加電圧を電気光学結晶基板３１、３２に与えて、電気光学結晶基板３１、３２の内部に回折格子として機能する屈折率分布を生じさせて、上記したようなチャネルｃｈ1〜ｃｈ5を構成する。

図７は、図５の空間光変調器の一例が具備する電気光学結晶基板の断面を模式的に示す図であり、同図の上段では電気光学結晶基板３１のＹ方向断面が示され、同図の下段では電気光学結晶基板３２のＹ方向断面が示されている。電気光学結晶基板３１、３２はいずれも、分極の向きが交互に反転する周期分極反転構造を有する強誘電体結晶により構成されている。このような電気光学結晶基板３１、３２は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加したリチウムナイオベート（LiNbO₃：Lithium Niobate）やストイキオメトリックリチウムタンタレート（SLT：Stoichiometric Lithium Tantalate）の単結晶基板に対して処理を加えることで形成できる。

図７に示すように、電気光学結晶基板３１は、分極軸Ｐ1に平行な方向へ分極方向が交互に反転する周期分極反転構造を有し、電気光学結晶基板３２は、分極軸Ｐ2に平行な方向へ分極方向が交互に反転する周期分極反転構造を有する。このように構成された電気光学結晶基板３１、３２のそれぞれでは、信号電極３０６に対向する領域に印加電圧に応じた回折効率を有する回折格子が形成されて、通過する光Ｌが変調される。こうして、信号電極３０６の対向する領域のそれぞれがチャネルｃｈ1〜ｃｈ5として機能する。なお、周期分極反転構造を具備する電気光学結晶基板に形成される回折格子によって光が変調される原理については、例えば特開２０１２−０７８４４３号公報や特開２０１２−１４５８９０号公報での記載と同様である。

そして、本実施形態では、周期分極反転構造における分極軸Ｐ1、Ｐ2の角度が、電気光学結晶基板３１、３２の間で互いに異なっている。つまり、電気光学結晶基板３１では、光軸ＯＡの回りに−４５度だけ傾いた分極軸Ｐ1に平行な方向に分極が生じている。一方、電気光学結晶基板３２では、光軸ＯＡの回りに＋４５度だけ傾いた分極軸Ｐ2に平行な方向に分極が生じている。換言すれば、電気光学結晶基板３１、３２のそれぞれは、表裏面（両主面）が平行な平板形状を有しているため、分極軸Ｐ1は電気光学結晶基板３１の主面に対して−４５度だけ傾き、分極軸Ｐ2は電気光学結晶基板３２の主面に対して＋４５度だけ傾く。こうして、分極軸Ｐ1、Ｐ2それぞれの光軸ＯＡ回りの角度が直交するように構成されている。

なお、分極軸Ｐ1、Ｐ2は、電気光学定数ｒ33に対応する電気光学結晶基板３１、３２のｚ軸に相当する。したがって、光源３３１から射出された光は、電気光学結晶基板３１に形成された回折格子によって主として回折され、電気光学結晶基板３２に形成された回折格子からは、主に電気光学定数ｒ13（電気光学定数ｒ33の３分の１以下）に対応する影響を受けるだけで、あまり影響を受けない。一方、光源３３２から射出された光は、電気光学結晶基板３２に形成された回折格子によって主として回折され、電気光学結晶基板３１に形成された回折格子からは、主に電気光学定数ｒ13（電気光学定数ｒ33の３分の１以下）に対応する影響を受けるだけで、あまり影響を受けない。

このような空間光変調器３０は、駆動回路３０Ｄから信号電極３０６へ供給する印加電圧を制御することで光を変調する。また、各チャネルは３本の信号電極３０６により構成される。図６に示すチャネルｃｈ2、ｃｈ3の動作を例示しつつ具体的に説明する。ここで、チャネルｃｈ2には高電位Ｖh（＞グランド電位）が与えられ、チャネルｃｈ3には低電位Ｖｌ（＝グランド電位）が与えられているとする。チャネルｃｈ2では、電気光学結晶基板３１、３２のそれぞれに共通の高電位Ｖhが与えられるため、回折格子が形成される。その結果、光源３３１から射出された光は、電気光学結晶基板３１により回折されて、回折光Ｌaとして空間光変調器３０から射出されるとともに、光源３３２から射出された光は、電気光学結晶基板３２により回折されて、回折光Ｌbとして空間光変調器３０から射出される。これに対して、チャネルｃｈ3では、電気光学結晶基板３１、３２のそれぞれに共通の低電位Ｖlが与えられるため、回折格子が形成されない。したがって、光源３３１、３３２から射出された光のいずれもが０次光Ｌoとして空間光変調器３０から射出される。このように、電気光学結晶基板３１と電気光学結晶基板３２とに互いに共通する印加電圧が与えられるため、電気光学結晶基板３１と電気光学結晶基板３２は、互いに異なる偏光成分に同一の変調を行う。

図４に戻って、光学ヘッド３の説明を続ける。空間光変調器３０の光の射出側に設けられた投影光学系３７では、レンズ３７１、アパーチャ３７３およびレンズ３７５がこの順番で配置されている。レンズ３７１の前側焦点は、電気光学結晶基板３２の射出端の位置に設定され、レンズ３７１の後側焦点にアパーチャ３７３が設けられており、電気光学結晶基板３２の射出端から光軸ＯＡ（光進行方向Ｄp）に平行に射出された０次光Ｌoはアパーチャ３７３を通過してレンズ３７５に入射する。さらに、レンズ３７５の前側焦点はアパーチャ３７３の位置に設定され、レンズ３７５の後側焦点はステージ１６０に保持された基板Ｗの表面上に設定されており、０次光Ｌoはレンズ３５５を介して基板Ｗの表面上に照射される。これに対して、空間光変調器３０から射出された回折光Ｌa、Ｌbは、光軸ＯＡに対して傾いた状態で電気光学結晶基板３２から射出されるため、アパーチャ３７３を通過できずに遮蔽される。

以上に説明したように、この実施形態では、電気光学結晶基板３１と電気光学結晶基板３２とが設けられ、光は電気光学結晶基板３１を通過した後に電気光学結晶基板３２を通過する。そして、電気光学結晶基板３１および電気光学結晶基板３２のそれぞれは、印加電圧に応じて形成される回折格子によって、通過する光を回折する。この際、各基板３１、３２での分極軸Ｐ1および分極軸Ｐ2が傾斜しているため、各基板３１、３２において屈折率変化が大きくなる方向が異なる。すなわち、各基板３１、３２の回折格子が異方性を示す方向が異なっている。このような構成では、電気光学結晶基板３１の回折格子で変調されなかった光の偏光成分を電気光学結晶基板３２の回折格子で変調するといった動作が実行できる。その結果、変調を受けるべき光のうち変調を受けることなく素通りしてしまう割合を抑制して、光変調の消光比が確保可能となっている。

また、この実施形態では、光軸ＯＡ回りの角度（換言すれば、光進行方向Ｄpに垂直な面内での角度）において、分極軸Ｐ1と分極軸Ｐ2とが互いに直交している。そのため、互いに直交する異なる偏光成分のそれぞれを確実に変調することができ、光変調の消光比をより向上させることができる。

空間光変調器の製造方法
図８は、空間光変調器の製造方法の一例を示すフローチャートである。図９は、図８のフローチャートに従って実行される動作の一例を模式的に示す図である。続いて、これらの図を用いて、空間光変調器の製造方法について説明する。

ステップＳ１０１では、電気光学結晶のインゴットＩＧから平板状に電気光学結晶を切り出して、結晶平板ＩＰを形成する。特にステップＳ１０１では、インゴットＩＧの分極軸ｚ（電気光学定数ｒ33に対応するインゴットＩＧのｚ軸）に対して結晶平板ＩＰの表裏面（一方主面、他方主面）が傾斜するように、結晶平板ＩＰが切り出される。なお、図９に示す例では、結晶平板ＩＰの両主面は、分極軸ｚに対して４５度傾いている。

ステップＳ１０２では、結晶平板ＩＰの裏面が導電性の接合部Ｅgを介して保持基板Ｓに固定される。これによって、結晶平板ＩＰは、保持基板Ｓに保持されることとなる。このステップＳ１０２は、保持基板Ｓによって結晶平板ＩＰを補強することで、以後の工程における結晶平板ＩＰの損傷を防止するために実行されるものであり、結晶平板ＩＰが薄い場合に特に有効となる。したがって、結晶平板ＩＰの強度が十分である場合には、ステップＳ１０２を省略しても構わない。

ステップＳ１０３では、所定間隔で並ぶ複数の電極Ｅsが結晶平板ＩＰの表面に形成される。続くステップＳ１０４では、接合部Ｅgを基準として各電極Ｅsに分極反転電圧が印加される。これによって、結晶平板ＩＰ内の各電極Ｅsに対向する領域の分極方向が反転し、結晶平板ＩＰ内に周期分極反転構造が形成される。

ステップＳ１０５では、分極が周期的に反転する方向に平行に結晶平板ＩＰを切断して、結晶平板ＩＰから２個の電気光学結晶基板３１、３２を形成する。ステップＳ１０６では、電気光学結晶基板３２をその法線に平行な軸（図９のステップＳ１０６の欄の紙面に垂直な軸）を中心に半回転（１８０度回転）させる。これによって、電気光学結晶基板３１の切断面と、電気光学結晶基板３２の切断面と逆側の面とが向き合って、電気光学結晶基板３１、３２が配列方向Ｄaに並ぶ。ステップＳ１０７では、電気光学結晶基板３１、３２の互いに向かう面を接合して、電気光学結晶基板３１、３２を一体化させる。これによって、配列方向Ｄaから見てそれぞれの分極軸Ｐ1、Ｐ2が傾斜するように、電気光学結晶基板３１、３２が隣接して接続される。なお、図９に示す例では、分極軸Ｐ1、Ｐ2は互いに直交することとなる。

そして、電気光学結晶基板３１、３２からなる変調光学素子によって空間光変調器３０を構成することができる。こうして、それぞれの分極軸Ｐ1、Ｐ2を互いに傾斜させて電気光学結晶基板３１と電気光学結晶基板３２とを配置した上記のような空間光変調器３０を簡便に製造することが可能となっている。

その他
以上のように、上記実施形態では、空間光変調器３０が本発明の「空間光変調器」の一例に相当し、電気光学結晶基板３１が本発明の「第１電気光学結晶基板」の一例に相当し、電気光学結晶基板３２が本発明の「第２電気光学結晶基板」の一例に相当し、分極軸Ｐ1が本発明の「第１分極軸」の一例に相当し、分極軸Ｐ2が本発明の「第２分極軸」の一例に相当し、信号電極３０６が、あるいはこれと駆動回路３０Ｄが協働して本発明の「変調部」の一例として機能する。また、パターン描画装置１００が本発明の「パターン描画装置」の一例に相当し、光源３３１、３３２が本発明の「光源」の一例に相当し、投影光学系３７が本発明の「光学系」の一例に相当する。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、電気光学結晶基板３１、３２を跨いで信号電極３０６が形成されており、電気光学結晶基板３１、３２には共通の印加電圧が与えられていた。しかしながら、信号電極の配設態様については種々の変形が可能であり、例えば図１０に示すように構成しても良い。

図１０は、本発明にかかる空間光変調器の変形例を模式的に示す側面図である。同図にかかる空間光変調器３０では、電気光学結晶基板３１、３２に対して別々の信号電極３０６a、３０６bが設けられており、光進行方向Ｄpに沿って並ぶ１対の信号電極３０６a、３０６bで１本の電極が形成され、３本（分極反転構造３周期）で１つのチャネルが構成されている。そして、駆動回路３０Ｄは、同一のチャネルを構成する信号電極３０６a、３０６bそれぞれに対して独立した印加電圧を供給する。このような構成では、電気光学結晶基板３１と電気光学結晶基板３２は、互いに異なる偏光成分に対して、同一の変調を行うこともできるし異なる変調を行うこともできる。その結果、より多様な光変調を実現することができる。

この点について、図１０に示すチャネルｃｈ2を用いて具体的に説明する。例えば、チャネルｃｈ2を構成する信号電極３０６a、３０６bの両方に高電圧Ｖhを供給した場合には、電気光学結晶基板３１、３２のそれぞれで異なる偏光成分が回折光Ｌa、Ｌbとして回折される。また、チャネルｃｈ2を構成する信号電極３０６a、３０６bのいずれか一方に高電圧Ｖhを供給して他方に低電圧Ｖlを供給した場合には、異なる偏光成分のうちの一方のみが回折光Ｌaあるいは回折光Ｌbとして回折されて他方は０次光Ｌoとしてチャネルｃｈ2から射出される。さらに、チャネルｃｈ2を構成する信号電極３０６a、３０６bの両方に低電圧Ｖlを供給した場合には、異なる偏光成分はいずれも電気光学結晶基板３１、３２からの回折を受けずに０次光Ｌoとしてチャネルｃｈ2から射出される。したがって、図１０の空間光変調器３０は、基板Ｗに到達する光の量を少なくとも３段階で変更することができ、階調再現を行うにあたって好適となる。

また、上記実施形態では、結晶軸Ｐ1、Ｐ2が相互に傾く角度は９０度であった（図７）。しかしながら、結晶軸Ｐ1、Ｐ2の間の角度は９０度に限られず、互いに異なれば他の角度であっても構わない。

また、上記実施形態では、電気光学結晶基板３１、３２は互いに接触して配置されていた（図５、図６、図９）。しかしながら、間隔を空けて電気光学結晶基板３１、３２を配置しても構わない。この際、電気光学結晶基板３１、３２の間を透明樹脂などの光透過性部材で充填して、界面での反射を抑制するように構成しても構わない。

また、上記実施形態では、周期分極反転構造を有する電気光学結晶基板３１、３２を用いて空間光変調器３０が構成されていた（図７）。しかしながら、周期分極反転構造を有しない、換言すれば分極軸Ｐ1、Ｐ2の一方向にのみ分極した電気光学結晶基板３１、３２で構成された空間光変調器３０に対して本発明を適用することも可能である。

また、空間光変調器３０を構成する電気光学結晶基板の個数は、上述の２個に限られず、３個以上であっても良い。

また、光源３３１、３３２の個数は上記に限られず、１個あるいは３個以上でも構わない。さらに、照明光学系３５や投影光学系３７の構成についても適宜変更が可能である。

また、上記実施形態では、０次光Ｌ０を基板Ｗに照射してパターンを描画するパターン描画装置に本発明を適用した場合について説明した（図４）。しかしながら１次以上の回折光を基板Ｗに照射してパターンを描画するパターン描画装置に対しても本発明を適用可能である。

また、上記実施形態では、電気光学結晶基板３２をその法線に平行な軸を中心に半回転させることで、配列方向Ｄaから見てそれぞれの分極軸Ｐ1、Ｐ2が傾斜するように電気光学結晶基板３１、３２を位置決めしていた（ステップＳ１０６）。しかしながら、電気光学結晶基板３２に代えて電気光学結晶基板３１を半回転させても良い。

また、電気光学結晶基板３１、３２の一方を半回転させる代わりに、電気光学結晶基板３１、３２の一方を、その表裏面の位置関係を反転させても良い（換言すれば、表裏をひっくり返しても良い。これによっても、配列方向Ｄaから見てそれぞれの分極軸Ｐ1、Ｐ2が傾斜するように、電気光学結晶基板３１、３２を位置決めすることができる。

また、以上に列挙したもの以外の変形を空間光変調器３０に対して実行することも適宜可能である。例を挙げれば、特開２０１０−１５２２１４号公報の記載のような導波路をアニールプロトン法によって電気光学結晶基板３１、３２の主面に対して形成するといった構成を追加するといった変形が可能である。

この発明は、分極軸に分極した電気光学結晶を用いて光変調を行う空間光変調技術の全般に適用することができ、特に当該空間光変調技術を用いて変調した光によって露光を行うパターン描画技術に好適に用いることができる。

３０…空間光変調器
３３１…光源
３３２…光源
３１…電気光学結晶基板
３２…電気光学結晶基板
Ｐ1…分極軸
Ｐ2…分極軸
３０６…信号電極
３０Ｄ…駆動回路
３５…照明光学系
３７…投影光学系
１００…パターン描画装置

Claims (13)

1. 第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第１電気光学結晶基板と、
   光の進行方向に垂直な面内での角度において前記第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、前記第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第２電気光学結晶基板と、
   前記第１電気光学結晶基板および前記第２電気光学結晶基板へ与える印加電圧によって、前記第１電気光学結晶基板と前記第２電気光学結晶基板とを順に通過する光を変調する変調部と
   を備えたことを特徴とする空間光変調器。
2. 光の進行方向に垂直な面内での角度において、前記第２分極軸が前記第１分極軸に対して９０度傾斜する請求項１に記載の空間光変調器。
3. 前記第１電気光学結晶基板および前記第２電気光学結晶基板それぞれは、両主面が平行な平板形状を有し、前記第１分極軸は、前記第１電気光学結晶の主面に対して−４５度傾斜し、前記第２分極軸は、前記第２電気光学結晶の主面に対して４５度傾斜する請求項２に記載の空間光変調器。
4. 前記変調部は、前記第１電気光学結晶基板と前記第２電気光学結晶基板とに互いに共通する印加電圧を与える請求項１ないし３のいずれか一項に記載の空間光変調器。
5. 前記変調部は、前記第１電気光学結晶基板と前記第２電気光学結晶基板とに互いに独立する印加電圧を与える請求項１ないし３のいずれか一項に記載の空間光変調器。
6. 前記第１電気光学結晶基板と前記第２電気光学結晶基板は同じ厚みを有する請求項１ないし５のいずれか一項に記載の空間光変調器。
7. 前記第１電気光学結晶基板は、前記第１分極軸に平行な方向へ分極方向が交互に反転する周期分極反転構造を有し、前記第２電気光学結晶基板は、前記第２分極軸に平行な方向へ分極方向が交互に反転する周期分極反転構造を有する請求項１ないし６のいずれか一項に記載の空間光変調器。
8. 第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第１電気光学結晶基板を通過する光を、印加電圧に応じて前記第１電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と、
   光の進行方向に垂直な面内での角度において前記第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第２電気光学結晶基板を前記第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を、印加電圧に応じて前記第２電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と
   を備えたことを特徴とする空間光変調方法。
9. 光を射出する光源と、
   前記光源から射出された光を変調する空間光変調器と、
   前記空間光変調器から射出された０次光および回折光のうちの一方を描画対象に導く光学系と
   を備え、
   前記空間光変調器は、
   第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第１電気光学結晶基板と、
   光の進行方向に垂直な面内での角度において前記第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有して、前記第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を印加電圧に応じて形成される回折格子によって回折する第２電気光学結晶基板と、
   前記第１電気光学結晶基板および前記第２電気光学結晶基板へ与える印加電圧によって、前記第１電気光学結晶基板と前記第２電気光学結晶基板とを順に通過する光を変調する変調部と
   を有することを特徴とするパターン描画装置。
10. 第１分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第１電気光学結晶基板を通過する光を、印加電圧に応じて前記第１電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と、
    光の進行方向に垂直な面内での角度において前記第１分極軸に対して傾斜する第２分極軸に平行な方向へ分極する構造を有する第２電気光学結晶基板を前記第１電気光学結晶基板から射出された後に通過する光を、印加電圧に応じて前記第２電気光学結晶基板に形成される回折格子によって変調する工程と、
    前記第１電気光学結晶基板および前記第２電気光学結晶で構成される空間光変調器から射出された０次光および回折光のうちの一方を描画対象に導く工程と
    を備えたことを特徴とするパターン描画方法。
11. 分極軸に平行な方向に分極する電気光学結晶のインゴットから、前記分極軸に対して傾斜する一方主面および他方主面を有する平板状に前記電気光学結晶を切り出す工程と、
    平板状に切り出された前記電気光学結晶を分割して、第１電気光学結晶基板と第２電気光学結晶基板とを生成する工程と、
    配列方向から見てそれぞれの前記分極軸が傾斜するように、前記配列方向に前記第１光学結晶基板と前記第２光学結晶基板とを隣接させる工程と
    を備えた空間光変調器の製造方法。
12. 前記電気光学結晶から分割されてそれぞれの分極軸が平行な状態で並ぶ第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板の一方を、その法線に平行な軸を中心に回転させることで、前記配列方向から見てそれぞれの前記分極軸が傾斜するように、前記配列方向に前記第１光学結晶基板と前記第２光学結晶基板とを隣接させる請求項１１に記載の空間光変調器の製造方法。
13. 前記電気光学結晶から分割されてそれぞれの分極軸が平行な状態で並ぶ第１電気光学結晶基板および第２電気光学結晶基板の一方を、その両主面の位置関係を反転させることで、前記配列方向から見てそれぞれの前記分極軸が傾斜するように、前記配列方向に前記第１光学結晶基板と前記第２光学結晶基板とを隣接させる請求項１１に記載の空間光変調器の製造方法。

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