JP4196634B2 - Optical recording medium master exposure apparatus and optical recording medium master exposure method - Google Patents

Optical recording medium master exposure apparatus and optical recording medium master exposure method Download PDF

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【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、登録商標)、MD(Mini Disc、登録商標)、DVD(Digital Versatile Disc、登録商標)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(登録商標)の場合4.3MHz、DVD(登録商標)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(登録商標)の場合で66MHzである。例えばBlu-ray Disc(登録商標)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(登録商標)、DVD(登録商標)、Blu-ray Disc(登録商標)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らない。
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1ps(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1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】
Aに、分周光学系の一例の概略構成図を示す。図A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B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A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Bに示す。図A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C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Bに示すように、記録情報の信号Sに重畳させる。図B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(登録商標)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B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に示す。
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(登録商標)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(登録商標)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(登録商標)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6d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3】高次高調波発生手段の一例の模式的な構成図である。
【図4】外部同期機構の説明図である。
【図5】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]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical recording medium master exposure apparatus that performs pattern exposure corresponding to recording information by irradiating light from an exposure light source onto an optical recording medium master coated with a photoresist, and an exposure method for the optical recording medium master. .
[0002]
[Prior art]
  CD (Compact Disc,Registered trademark), MD (Mini Disc,Registered trademark), DVD (Digital Versatile Disc,Registered trademarkThe optical recording medium master for producing optical recording media such as various optical disks, magneto-optical disks, etc. is coated with a photoresist on, for example, a disc-shaped master substrate, and the surface has irregularities corresponding to recording information. The pattern is formed by exposure and development, that is, formed by so-called cutting.
  A mastering apparatus that performs this cutting, ie, an optical recording medium master exposure apparatus, is 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). An exposure process is performed by narrowing down and irradiating a diffraction-limited microspot on a master plate coated with a resist through an objective lens using a continuous wave solid-state laser light source in the region.
[0003]
Various optical recording media as described above are required to have finer pit or groove processing dimensions as the recording density is increased to increase the recording capacity. However, when a dimension of 0.25 μm or less is required as the processing dimension of the pit, a lens having a numerical aperture NA close to 1 at the wavelength of the gas laser used in the optical recording medium master exposure apparatus described above. However, the laser beam cannot be sufficiently narrowed down. Therefore, at present, it is extremely difficult to accurately process to a size of 0.25 μm or less in the production of an optical recording medium master.
[0004]
For example, an ultraviolet laser beam having a wavelength of 266 nm is generated using a semiconductor laser pumped high power green laser having a wavelength of 532 nm as a pumping light source and using a second harmonic generator having an external resonator structure, and the numerical aperture NA = 0 as the beam spot size. .9 aberration-free objective lens is used to obtain an Airy spot of 0.36 μm (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
In recent years, the trend toward higher density of optical disks has further accelerated, and at present, formation of finer pits, for example, 0.2 μm or less is 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 is included in a resonator of an argon gas laser.2OFourA Deep UV oscillation water-cooled argon gas laser (an output of 40 mW at a wavelength of 229 nm and an output of 100 mW at a wavelength of 238 nm) in which a nonlinear optical crystal such as (BBO) is installed 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 with a higher NA. In addition, since a large amount of cooling water is used, there is an inconvenience that requires measures to avoid vibration in the built-in equipment.
[0006]
Further, as a high NA optical system, a technical study of means using a near field optical system using a solid immersion lens (SIL) of NA> 1 has been made. However, the working distance is as narrow as 100 nm or less, for example, several tens of nanometers, and attention must be paid to dust and dust mixing, surface smoothness of the optical recording medium master, and the rotation speed of the optical recording medium master. There is a problem that it cannot be raised too much.
[0007]
Recently, a micropit processing method using an electron beam exposure apparatus has been proposed as another means for increasing the resolution (see, for example, Patent Document 2).
[0008]
However, since an electron beam exposure apparatus uses an electron beam, a vacuum apparatus is required, and a large-scale apparatus such as a high-precision high-rotation mechanism for a glass master is provided in a vacuum.
[0009]
On the other hand, in recent years, several high-power Ti: Sapphire (titanium sapphire) ultrashort pulse laser light sources having a repetition rate of 1 MHz to 100 MHz in a car lens mode lock system are commercially available. This Ti: Sapphire ultrashort pulse laser light source is pumped by a semiconductor laser pumped high-power green laser, and oscillates at a central wavelength of 760 nm to 840 nm, for example, 800 nm. Can be obtained stably. The transverse mode of the beam is TEM00 and the noise is 0.1% or less.
[0010]
In addition, for example, Tsunami series by Spectra Physics, Mira series by Coherent, etc., those having a repetition frequency of 80 MHz and a pulse width (FWHM) of 100 fs or less and an average output of 1 W or more have been put into practical use.
[0011]
In addition, a two-photon absorption process is 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, non-patent literature) 1).
[0012]
For example, an example in which a dot-shaped 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 NA of 1.4 is reported (for example, see Non-Patent Document 2). .)
However, at present, a technique for 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 it for exposure of an optical recording medium master has not been realized.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-7-98891
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3233650
[Non-Patent Document 1]
Edited by Satoshi Kawada, Spectroscopical Society of Japan, Series 38 “Super-Resolution Optics”, Society Publishing 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 an optical recording medium master exposure apparatus and an optical recording medium exposure capable of forming fine pits with high accuracy and greatly improving productivity. The purpose is to provide a method.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a modulation unit that modulates light intensity from an exposure light source corresponding to recording information, and a condensing optical system that condenses the light modulated by the modulation unit onto a photoresist on an optical recording medium master. And an optical recording medium master exposure apparatus for pattern exposure of a photoresist 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. A laser is used, and a frequency dividing optical system that divides the laser beam emitted from the ultrashort pulse laser is provided.
[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 is provided in which the repetition frequency of the pulse laser is mode-locked in synchronization with the clock frequency of the recording information to generate pulse oscillation.
[0017]
Furthermore, the present invention provides high-order harmonic generation means for emitting light having a wavelength shortened by wavelength conversion using a nonlinear optical element with an ultrashort pulse laser light source as an excitation light source between the exposure light source and the frequency dividing optical system. It is set as the structure which provides.
[0018]
The exposure method for an optical recording medium master according to the present invention performs exposure using the above-described optical recording medium master exposure apparatus.
That is, light intensity modulation is performed on the light from the exposure light source corresponding to the recording information, and the light modulated by the modulation means is condensed on the photoresist on the optical recording medium master, and the photoresist is used as the recording information. An exposure method of an optical recording medium master that performs pattern exposure in response, wherein the exposure light source is composed of an ultrashort pulse laser having a repetition frequency of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information, and the ultrashort pulse laser A frequency dividing optical system for dividing the emitted laser light is provided.
[0019]
Further, according to the present invention, in the exposure method described above, the external synchronization in which the repetitive frequency of the ultrashort pulse laser is 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 so that the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is mode-locked in synchronization with the clock frequency to generate a pulse oscillation.
[0020]
Further, the present invention provides a method for shortening the wavelength of light emitted from an exposure light source by wavelength conversion using a nonlinear optical element by high-order harmonic generation means using the exposure light source as an excitation light source. The light is emitted and 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 uses an ultrashort pulse laser light source as an exposure light source, and the repetition frequency thereof is one or more times the clock frequency of recording information. A frequency dividing optical system that divides the laser beam emitted from the ultrashort pulse laser is set to 20 times or less.
[0022]
  The clock frequency of the recording information signal of the optical disc is CD(Registered trademark)In case of 4.3MHz, DVD(Registered trademark)In the case of 26 MHz. In recent years, the so-called Blu-ray Disc has been attracting attention as a high-density disc and is being developed with a reproduction light wavelength λ of 405 nm and an objective lens NA of 0.85.(Registered trademark)In this case, it is 66 MHz. For example, Blu-ray Disc(Registered trademark)In this case, since it is 66 MHz, it is almost the same as the repetition frequency of the ultrashort pulse laser, so it is necessary to match the timing of information data signal and laser pulse oscillation.
[0023]
However, according to the present invention, as described above, the pulse interval is reduced by providing the frequency dividing optical system that makes the pulse repetition frequency of the ultrashort pulse laser 2 times, 4 times, 8 times,. Is superimposed on the recording information, the deviation of exposure per pulse can be reduced, the occurrence of pattern defects can be avoided, and an increase in the jitter of a reproduction signal, for example, due to the pattern defects can be suppressed. Therefore, by using an ultrashort pulse laser, it is possible to form a fine pattern with high accuracy as compared with the conventional case.
Further, 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, by dividing the laser light emitted from the ultrashort pulse laser light source and shortening the wavelength by high-order harmonic generation means, the peak output is reduced, but the repetition frequency is 20 times or less. Can sufficiently secure the output of the ultrashort pulse laser, efficiently generate the two-photon absorption process described later, and can 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 integer multiple of 1 to 20 times the clock signal of the recording information, the external length for adjusting the resonator length of the ultrashort pulse laser light source used as the exposure light source 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, the light from the ultrashort pulse laser light source is used as the exposure light source, and the CD(Registered trademark), DVD(Registered trademark), Blu-ray Disc(Registered trademark)It is possible to reliably perform pattern exposure synchronized with information signals recorded on various optical recording media.
[0025]
In another aspect of the present invention, high-order harmonic generation means is provided between the exposure light source and the modulation means, and the wavelength is shortened by wavelength conversion using a nonlinear optical element with an ultrashort pulse laser light source as an excitation light source. An exposure light source having a shorter wavelength can be obtained by emitting the emitted light.
[0026]
As described above, 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 pseudo continuous light or the like. The ultra-short pulse laser light having a short wavelength is emitted by the high-order harmonic generation means using the excitation means as the excitation means, and the light modulated by the light intensity modulation means is made into a diffraction-limited spot size by a predetermined condensing optical system. By condensing and irradiating the photoresist, it is possible to expose a concavo-convex pattern such as a pit having a finer pattern than in the past.
[0027]
In the above-described present invention, the frequency dividing optical system is composed of a polarizing beam splitter and an optical delay circuit, and this frequency dividing optical system is provided at the subsequent stage of the light source composed of the ultrashort pulse laser, and the higher order harmonics. In the case where the generating means is provided, this frequency-dividing optical system is provided in the subsequent stage, so that it is possible to use laser light with high efficiency and high efficiency with little power loss.
[0028]
That is, the average output power of high-order harmonic light is proportional to the square of the fundamental wave power. Therefore, if the ultra-short pulse laser beam with a relatively low repetition frequency that provides high output is incident to generate high-order harmonics with high efficiency, and then this pulse train is divided several times, the same input fundamental wave power Therefore, pulse oscillation with a high output and a high repetition frequency is possible, and it is not necessary to have a device configuration that takes into account the timing of the clock of recording information.
[0029]
In this case, the high-order harmonic generation means for shortening the wavelength is a nonlinear optical process, whereas the process through the frequency dividing optical system is a linear optical process, so that it is possible to reduce output loss. Have advantages.
[0030]
Further, according to the present invention, in the above-described optical recording medium master exposure apparatus or optical recording medium master exposure method, the photoresist is exposed by a two-photon absorption process. By using an ultrashort 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, a 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 with a peak output.2It extends to.
[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~Ten-47cmFourAlthough it is a small value of about s / photon, the sensitivity of the resist is low, but absorption of several percent occurs.
[0032]
  Thus, in order to cause two-photon absorption with high efficiency, the peak output of the ultrashort pulse laser beam must be high.RanaYes.
  In the present invention, pulse oscillation with a high repetition frequency is used, and the pulse width (FWHM) is at least 1 ps (1 × 10 10).-12However, by defining the pulse width in this way, two-photon absorption could 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 is proportional to the square of the beam intensity distribution in the case of two-photon absorption. The light absorption distribution is shown in FIG. In FIG. 6, I indicates the beam intensity distribution, which corresponds to the case of normal absorption. I2 represents the square of the beam intensity distribution and corresponds to the case of two-photon absorption. The 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, this corresponds to the beam spot size during 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]
The present invention also relates to the above-described optical recording medium master exposure apparatus and optical recording medium master exposure method, wherein the spot shape of the laser light emitted from the condensing optical system and condensed on the photoresist The shape is an ellipse extending in the scanning direction.
[0035]
For example, in order to expose a linear pattern such as a groove, the pulse interval (reciprocal of the repetition frequency) and scanning speed (linear speed in the case of a disk-shaped optical recording medium master) must be optimized in accordance with the resist sensitivity. Don't be. 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, the beam spot emitted from the focusing optical system and focused on the resist is elongated in the beam scanning direction. This linear pattern can be easily obtained.
[0036]
As described above, in the present invention, since the ultrashort pulse laser is used as the exposure light source and the beam is further narrowed down to the diffraction limit by the condensing optical system, two-photon absorption can be performed with high efficiency, and 2 Photosensitivity of the resist is given by the square of the intensity distribution of the beam spot due to the photon absorption process, and it has super-resolution characteristics using non-linear effects, and records smaller pits that are finer than the diffraction limit. Is possible.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF 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 block diagram of an example of an exposure apparatus for an optical recording medium master according to the present invention. In this example, modulation means 3 that modulates light intensity from the exposure light source 1 corresponding to recording information, and light modulated by the modulation means 3 are converted into a disk-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 recorded information.
[0039]
  In FIG. 1, 1 is an exposure light source made of an ultrashort pulse laser, and 15 is a diagram to be described later.51 is a frequency dividing optical system, 4 is a chirp correction optical system, 5 is a beam expander, 6 is an autofocus optical system, and an example is described in detail in the following embodiments. / 4 wavelength plate, 8a is an objective lens, 8b and 8c are electromagnetic actuators. 1a, 1b and 1c are mirrors. The optical recording medium master 11 is fixed to the mounting table 10. The mounting table 10 is a rotating means 1 in this example.3The condensing optical system 9 is moved in the radial direction of the optical recording medium master 11 by being arranged on a moving optical table (not shown), for example, as shown by the arrow a. The exposure light can be irradiated over the entire surface of the recording medium master.
[0040]
  Figure5A schematic diagram of an example of the frequency dividing optical system is shown in FIG. Figure5In A, reference numerals 60 and 70 denote frequency dividing circuits. The light L11 emitted from the exposure light source composed of the ultrashort pulse laser is separated by the beam splitter 61 into 50:50. If this light is s-polarized light, a polarizing beam splitter 67 through which the light transmitted through the beam splitter 61 passes is disposed. The light reflected by the beam splitter 61 enters the half-wave plate 66 through the lens 62, mirrors 63 and 64, and the lens 65 to be p-polarized light, and is completely reflected by the 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 separated into 50:50 by the beam splitter 71. If this light is s-polarized light, a polarization beam splitter 77 that transmits the light transmitted through the beam splitter 71 is disposed. The light reflected by the beam splitter 71 is incident on the half wavelength 76 through the lens 72, mirrors 73 and 74, and the lens 75 to be 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 coincide with each other. The half-wave plates 66 and 76 are installed by rotating their optical axes by 45 °, and rotate the polarization plane of incident light by 90 ° so as to be totally reflected by the polarization beam splitters 67 and 77 as described above. It is.
Further, the mirrors 63 and 64, 73 and 74 can be replaced with right-angle prisms or corner cubes.
[0042]
  In the frequency dividing optical system 60, an optical delay circuit is configured by appropriately selecting a difference in optical path length between two lights obtained by dividing the incident light L11 by the beam splitter 61. This difference in the optical path length of the beam is adjusted with high accuracy so that the pulse transit time is equal to ½ of the pulse train interval of the incident light L11 (that is, the reciprocal of the repetition frequency of the ultrashort pulse laser). The figure5In B, as schematically shown in the pulse train conversion process, the incident pulse train p11 can be converted into a pulse train p12 whose interval is halved, that is, whose frequency is doubled.
[0043]
For example, if the repetition frequency is 66 MHz, the interval between pulse trains is 15.152 ns (10 −9 seconds), and the optical path length is 2.2712 m (light speed = 2.998 × 10 8 m / s).
Further, instead of the beam splitter 61, a half-wave plate whose optical axis is rotated with respect to the polarization plane of the 22.5 ° incident pulse laser beam is provided to rotate the polarization plane by 45 °, and the polarization beam splitter. And may be combined.
[0044]
Further, in the frequency dividing optical system 70 at the subsequent stage of the frequency dividing optical system 60, by accurately adjusting the optical path length difference to be equal to ½ of the interval of the pulse train p12, as shown in FIG. It is possible to emit a pulse train p13 in which the interval of the pulse train p12 emitted from the frequency dividing circuit 60 is further halved. In this case, the optical path difference is 1.1356 m.
[0045]
The pulse train obtained in this way is divided into pulse trains having a peak power of 1/2 and a repetition frequency twice when passing through the frequency divider circuit 60, and a peak power of 1/4 when passing through the frequency divider circuit 70. The repetition frequency is divided into four times the pulse train. When the above-mentioned 66 MHz ultrashort pulse laser is incident, the repetition frequency becomes 264 MHz. However, although the polarization planes of the pulses p12 and p13 are horizontal polarization and vertical polarization inclined by 90 °, there is no direct influence on the exposure apparatus and the exposure method.
[0046]
  A schematic waveform of a pulse signal from this ultrashort pulse laser light source and frequency dividing optical system is shown.2A schematic waveform in a state in which the pulse signal is superimposed on the signal waveform S of the recording information by A and the modulation means 3 is shown in FIG.2Shown in B. Figure2As shown in A, the interval between the pulses P is appropriately selected, and the frequency is plotted.21 to 20 times or less of the clock signal C of the recording information shown in C, and in the example shown, the frequency is doubled.2As shown in B, it is superimposed on the signal S of the recording information. Figure2In B, the pulse waveform is shown as a broken line P '. In this way, when the repetition frequency of the pulse train is an integer multiple of 1 to 20 times the clock frequency of the recording information, the recording information and the recording information By performing synchronized exposure, the pattern exposure of the photoresist can be performed in accordance with the recorded information.
[0047]
FIG. 4 shows a schematic schematic configuration diagram of 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, 30 is an ultrashort pulse laser light source using, for example, Ti: Sapphire, and 50 is an external synchronization mechanism.
First, excitation light Li0 such as a semiconductor laser (not shown) enters a laser medium 34 such as Ti: Sapphire via a lens 31 and a spherical mirror 32. 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 incident on the dispersion compensation prisms 36 a and 36 b. Then, the light is reflected by the high reflection mirror 38 through the slit 37. Then, the light passes again through the slit 37 and is returned to the laser medium 34 via the dispersion compensating prisms 36 b and 36 a, 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 output light is detected by a beam splitter 40 by a photodetector 41 made of a high-speed photodiode or the like. Then, the phase detector 43 compares the phase of the output from the photodetector 41, that is, the electrical signal generated by the laser pulse oscillation, and the output of the clock signal generator 42 of the information signal output device recorded on the optical recording medium. Here, when the clock signal is an integer multiple of 2 or more, phase comparison with a clock signal that is an integral multiple of the signal of the clock signal generator 42 is performed. Then, the signal output from the phase detector 43 is input to a control unit 44 composed of 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 to The resonator length of the laser resonator can be finely adjusted by slightly moving the piezo element 46 fixed to the high reflection mirror 38 in the optical axis direction. 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 such a configuration, the jitter between the clock signal of the recording information and the laser oscillation pulse can be reduced to 1 ps or less.
  Since the optical modulator driving signal of the information recording signal is also transmitted in synchronization with the clock signal, the pulse oscillation of the ultrashort pulse laser can be timed. When the repetition frequency of the ultra-short pulse laser light source is 1 times that of the clock signal, that is, synchronized, when the photoresist is recorded using, for example, a (1,7) modulation code, the 2T shortest pit is irradiated with 2 pulses. Is done. If the frequency is twice that of the clock signal, the aforementioned Blu-ray Disc(Registered trademark)In the case of external synchronization with 132 MHz, the optical system in the ultrashort pulse laser device may be arranged so that the resonator length R is R = c / 2L = 1136 mm (c is the speed of light), and the 2T shortest pit is obtained. Is the figure above2As shown in B, four pulses are irradiated.
[0050]
If the repetition frequency of laser oscillation is increased, the peak output of the pulse decreases even if the average output is the same, so that the efficiency of generation of higher harmonics in the subsequent stage and the two-photon absorption of the resist decreases. 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.
Further, when the repetition frequency is an integer multiple of 10 times the frequency of the clock signal, the deviation from the clock can be 1/10 or less of the cycle, and the jitter of the reproduction signal can be 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, the wavelength is shortened by wavelength conversion using a nonlinear optical element with an ultrashort pulse laser light source as an excitation light source between the exposure light source 1 and the modulation means 3 as shown in FIG. The high-order harmonic generation means 2 that emits the emitted light is provided.
[0052]
  A schematic configuration of an example of the high-order harmonic generation means 2 is illustrated.3Shown in
  Figure3, 26 denotes a second harmonic (SHG) generator, 27 denotes a delay line unit, and 28 denotes a third harmonic (THG) generator. The light Li incident on the second harmonic generation unit 26 enters the nonlinear optical crystal 20 through the condensing lens 19a, is reflected by the harmonic separator 21a through the condensing lens 19b, and is extracted as L2-1. If 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 divided 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 enters the third harmonic generation unit 28.
[0054]
For example, as described in 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 Using an 800 nm Ti: Sapphire ultrashort pulse laser (repetition frequency 82 MHz, pulse width 85 fs, average output 1.9 W), nonlinear optical crystal LiBThreeOFiveBy using a second harmonic generation (SHG) device using (LBO) type I critical phase matching, the center wavelength is 400 nm, the pulse width is slightly expanded due to group velocity dispersion, for example, 100 fs, and the average output exceeds 600 mW. Short pulse laser light can be obtained.
[0055]
  When using type I phase matching in the second harmonic generation, the polarization planes of the fundamental wave and the second harmonic are rotated by 90 °.3As shown in FIG. 1, by providing a half-wave plate 23 that aligns with the fundamental wave L1 before entering the second nonlinear optical crystal 24 that uses type I phase matching, the second harmonic L2-2 The polarization plane can be adjusted to the fundamental wave.
[0056]
Further, since the second harmonic L2-2 is emitted behind the fundamental wave L1 due to the chromatic dispersion in the first nonlinear optical crystal 20, the delay line unit 27 causes the second nonlinear optical crystal 24 to emit light. The fundamental wave L1 is delayed before entering. The means for delaying is made by separating both waves by the harmonic separator 21b, and combining them again by lengthening only the optical path length of the fundamental wave L1 by a length corresponding to the delay time.
[0057]
  And figure3As shown in FIG. 3, the third harmonic generation unit 28 causes the combined wave to enter the nonlinear optical crystal 24 and emit the third harmonic L3 to the outside by sum frequency mixing. 19c and 19d are condensing 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 ultra-short pulse laser light, the peak output is very high, and the second harmonic generation, which is a second-order nonlinear optical phenomenon, increases its conversion efficiency in proportion to the intensity of the laser. High efficiency can be obtained even if the optical path is set once through the optical crystal. However, in the case of high-order harmonic generation using an ultrashort pulse laser, there is group velocity dispersion of the nonlinear optical crystal. Therefore, if the crystal is thick, group velocity mismatch occurs and 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]
Furthermore, in the above-described third harmonic generation unit 28, for example, by sum frequency mixing (SFM) of, for example, a fundamental wave having a center wavelength of 800 nm and a second harmonic having a center wavelength of 400 nm emitted from the above-described higher-order harmonic generation unit. In addition, 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 similar to the second harmonic generation. For example, the type I critical phase matching of the nonlinear optical crystal BBO can be used. It is necessary to set it to 3 mm or less.
[0060]
Further, by adding a nonlinear optical crystal (BBO) for sum frequency mixing, fourth-order harmonics can be generated, and a light source with 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 by applying 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 as the wavelength.
[0061]
As described above, in the present invention, when pulse oscillation with a high repetition frequency is used, the pulse width (FWHM) is at least 1 ps (1 × 10 10).-12However, by defining the pulse width in this way, two-photon absorption could 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 range of the exposure light source and has absorption at half the wavelength as the photoresist. .
In the two-photon absorption, two photons are absorbed simultaneously, and the resist electrons are shifted to a level higher by twice the energy of one photon. In terms of absorption spectrum, this corresponds to excitation with light having a wavelength half the wavelength of the exposure light source (one photon), so that the resist for absorption of two photons has an absorption peak wavelength that is half or less of the wavelength of the exposure light source. Thus, 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 the wavelength of the exposure light source be slightly longer than the absorption peak of the photoresist.
  For example, a CD with a photoresist thickness of about 100 nm(Registered trademark)When an exposure master is exposed, if an exposure light source and a photoresist that have an absorption coefficient of several percent of the absorption coefficient at the absorption peak wavelength are selected, the two-photon absorption is not achieved only near the resist surface, and the total thickness Absorptive absorption can occur. Also, Blu-ray Discs with a photoresist thickness of about 40 nm(Registered trademark)For masters, etc., pattern exposure that causes absorption over the entire thickness of the resist by selecting an exposure light source and a photoresist having an absorption coefficient of about 10%, and exposes the surface of the master 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, a pulse width δt of 100 fs and sech2Δλ · δt = 0.315 · λ for a Fourier transform limit pulse of the shape2/ C (c: speed of light) and δλ = 6.7 nm. Therefore, when using a high NA lens with NA of 0.5 or more, it is necessary to use an achromatic lens such as an achromatic lens used in a microscope or the like as the objective lens. Further, chromatic aberration occurs only in the refraction system, and the above problem can be avoided by using a condensing optical system using an aspheric concave mirror.
[0065]
In the present invention, the beam spot emitted from the condensing optical system and condensed on the resist is elongated in the beam scanning direction. As a result, the distribution of the amount of light to be irradiated is spread and averaged, and a linear pattern such as a groove can be easily obtained.
In order to make the beam spot into an ellipse, for example, the beam expander 5 described in FIG. 1 has an anamorphic optical system, that is, the beam diameter in the direction perpendicular to the beam scanning direction is further enlarged. Anything is acceptable.
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 utilizing the fact that light is Bragg diffracted by an ultrasonic wave in an acousto-optic element driven by a piezoelectric element modulated by a recording information signal. An electro-optic modulation element using an optical effect or a Pockles effect modulated by a recording information signal is suitable.
[0067]
All optical elements such as the lens, wave plate, and optical modulator described above have positive group velocity dispersion, so they passed through even though the pulse width was adjusted to be minimal when the exposure light source was emitted. The ultrashort pulse laser beam is always chirped when irradiated to the photoresist of the optical recording medium master, and the pulse width is expanded.
[0068]
Therefore, as the chirp correction optical system 4 shown in FIG. 1, a chirp correction optical system having negative group velocity dispersion is used to give a negative chirp in advance to the ultrashort pulse light after being emitted from the exposure light source, thereby canceling this. Thus, it is necessary to obtain the shortest pulse on the resist. As the chirp correction optical system 4, a dispersion prism pair, a grating pair, or 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]
[Example 1]
Next, an example of the optical recording medium master 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, high-order harmonic generation means 2 using this ultrashort pulse laser as an excitation light source, and the high-order harmonic generation means 2 are emitted. A frequency-dividing optical system 15 that divides light, and a negative group velocity dispersion that corrects in advance positive group velocity dispersion experienced when a pulse output from the frequency-dividing optical system 15 passes through various optical components. A chirp correction optical system 4, a modulation means 3 as a modulation means for performing light intensity modulation by switching at high speed with an electrical pulse signal corresponding to supplied data, and modulation by the modulation means 3 A condensing optical system 9 and a beam expander 5 are provided for condensing the emitted light to a diffraction-limited spot size and irradiating it on an optical recording medium master 11 coated with a photoresist 12.
[0071]
  The ultra-short pulse laser light source has a repetition frequency of the aforementioned Blu-ray Disc.(Registered trademark)A Ti: Sapphire laser having a central frequency of 816 nm, a pulse width of 80 fs, and an average output of 0.8 W, that is, an ultrashort pulse laser using Ti: Sapphire as the laser medium 34 described with reference to FIG.
[0072]
  And the above figure3The second harmonic wave having a wavelength of 408 nm or the wavelength 272 is obtained using the high-order harmonic wave generation means 3 described in 1).nThe third harmonic of m was generated. In this example, a type I phase-matching LBO crystal is used as the nonlinear optical crystal 20 of the second harmonic generation unit 26 shown in FIG. The nonlinear optical crystal 24 of the third harmonic generation unit 28 is type I BBO. The various lenses 19a to 19d are arranged to increase the beam intensity in the crystal and improve the conversion efficiency. The second harmonic light had an average output of 300 mW and a pulse width (FWHM) of 100 fs, the third harmonic light had an average output of 60 mW and a pulse width of 120 fs with a pulse width of 1 ps or less.
[0073]
  As the frequency dividing optical system 15, the above-mentioned figure.5An optical system of ¼ frequency division provided with the frequency dividing circuits 60 and 70 described in the above was provided. By passing this frequency dividing optical system 15, it is possible to obtain an output with a repetition frequency of 528 MHz and an average power of 15 mW. In this embodiment, the pulse laser beam is used as a clock signal for recording information without providing an external synchronization mechanism. It was possible to perform pattern exposure with a good shape.
  In this case, in the first-stage frequency divider 60, the optical path difference is 1.1356 m, and the afocal lenses 62 and 65 have a focal length of 300 mm. In the second-stage frequency divider 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 for separating the pulsed light, and a 0th order half-wave plate for the second harmonic 408 nm and a polarizing beam splitter were used for multiplexing. The optical path length was adjusted by placing two reflecting mirrors on a stage with a micrometer. An ultrashort pulse laser was detected with a light speed photodetector having a band of 1.2 GHz and measured with a spectrum analyzer, and the center frequency was adjusted to be the narrowest at 528 MHz.
[0074]
As the chirp correction optical system 4, a Breswster prism pair was used.
The light is reflected at 90 ° by the mirror 1 a and sent to the modulation means 3. As the light intensity modulator of the modulation means 3, an electro-optic element EOM having a signal modulation band of 80 MHz was used. Although not shown, the modulation means 3 is supplied with a pit recording signal from a so-called formatter in which data recorded on the optical recording medium master generates an electrical pulse signal. Light is modulated according to this data.
[0075]
This light-modulated light is reflected by 90 [deg.] By the mirror 1b, and passes through the quarter-wave plate 7 via the beam expander 5 and the autofocus optical system 6 through, for example, a polarization beam splitter (hereinafter referred to as PBS) 6a. After 90 ° reflection at 1c, the light is transmitted through an objective lens 8a having a high numerical aperture NA and irradiated onto an optical recording medium master 11 on which a photoresist 12 has been applied in advance.
As the photoresist 12, for example, an i-line resist (such as JSR Corporation PFRIX 1110G) or a KrF laser mastering resist (such as Nippon Zeon Corporation DVR-100) can be used.
[0076]
At this time, the objective lens 8a uses incident light, for example, a lens having a high numerical aperture NA value corrected for aberration for the wavelength λ = 267 nm, and irradiates the focused beam to the diffraction limit. As the objective lens 8a, an achromatic objective lens made of synthetic quartz, meteorite, or the like whose material sufficiently transmits light in this wavelength region was used. The optical recording medium master 11 is fixed on a mounting table 10 that rotates in a direction indicated by an arrow a by a rotating means 13 such as a spindle motor.
[0077]
On the other hand, the high-order harmonic generation means 2 emits the third harmonic light having the wavelength λ = 272 nm and simultaneously emits the light having the second harmonic wavelength λ = 408 nm. The optical path of this light is also an optical path that passes through each optical element described above, and is applied to the optical recording medium master 11.
The return light reflected from the optical recording medium master 11 enters the PBS 6a through the objective lens 8a, the mirror 1c, and the quarter wavelength plate 7. Here, since the return light passes through the quarter-wave plate 7 twice, it is reflected by the PBS 6a. Thus, 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 for blocking the exposure wavelength light by using a multilayer interference film or the like because the third harmonic light as the exposure wavelength is also reflected by the PBS 6a in a considerable amount.
[0078]
The focus error amount detection element 6c optically detects a positional deviation amount 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 electrical signal is supplied to a drive control unit 6d that forms part of the autofocus servo system 6.
Here, the above-mentioned astigmatism method is a method in which a cylindrical lens is arranged behind the detection lens and the astigmatism is positively used and detected by a photodetector. Since 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 perpendicular to this single direction, it converges at a position other than the focus position of the detection lens and this cylindrical lens. Instead, a focus error signal is detected by forming a thin beam image. By controlling the focus error signal to be zero, the focus of the objective lens is maintained at an optimum position.
[0079]
  Drive controller6dThen, based on the electrical signal, a drive signal for correcting the positional deviation is generated and output to the electromagnetic actuators 8b and 8c that finely move the objective lens 8a up and down. The electromagnetic actuators 8b and 8c move the objective lens 8a in the vertical direction indicated by the arrow b in response to the drive signal, that is, in the direction close to or away from the photoresist, thereby optimizing the focus position of the optical recording medium master 11. It is possible to perform exposure while automatically adjusting the position and suppressing loss.
[0080]
Here, for example, when a non-aberration lens having a numerical aperture NA = 0.9 is used as the objective lens with a laser beam spot size, the airy disc can be reduced to 0.36 μm. Therefore, exposure corresponding to a spot size of 0.36 × (1√2) ≈0.25 (μm) could be performed by generating a two-photon absorption process.
[0081]
At this time, as described above, the beam expander 5 is formed as an anamorphic optical system, so that the spot shape is enlarged and elongated in the beam scanning direction. Thus, the groove pattern could be exposed as a fine pattern.
[0082]
The laser beam thus formed 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 (the center of the master), so that the beam is spirally formed. Can be scanned on the master, and the photoresist can be exposed 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 exposure of the resist is photon mode recording, the exposure amount is determined by the integrated amount of photons per unit area even in the case of ultra-short pulse light with a high repetition frequency. According to the present invention, unlike the case of continuous light irradiation, the thermal mode is hardly involved. That is, it is possible to suppress unnecessary expansion of the resist due to temperature rise and change in reaction speed, and finer pits can be formed.
[0083]
In the first embodiment, the case where the center wavelength is 816 nm has been described. However, the Ti: Sapphire ultrashort pulse laser can oscillate from 760 nm, and in this case, the same means as described above (the center design wavelength needs to be all changed). Therefore, 380 nm second harmonic light and 253 nm third harmonic light can be used. However, since the efficiency is somewhat reduced, it is necessary to increase the output of the excitation green laser that excites the laser medium of the ultrashort pulse laser light source.
[0084]
Further, by adding a nonlinear optical crystal (for example, BBO) for sum frequency mixing, a fourth harmonic (wavelength near 200 nm) could be generated. In this case, as a beam spot size, an Airy spot of 0.28 μm was obtained using a non-aberration objective lens having a numerical aperture NA of 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 KrF laser (wavelength 248 nm) or ArF laser (wavelength 192 nm) can be applied as a highly sensitive resist.
[0085]
  In the first embodiment described above, the third harmonic generation means is described as an example of the higher harmonic generation means.3Since the second harmonic generation unit and the sum frequency mixing unit are independently separated from each other in the high-order harmonic generation unit described in, the second harmonic can also be used as the exposure light source. In this case, the second harmonic generation has higher conversion efficiency than the third harmonic generation, and not only can high exposure power be obtained with the same laser power for excitation, but also the wavelength of the laser light is close to the visible light range, Various glass materials can be used, the lens design is easy, and the limitation of optical elements is reduced.
[0086]
[Example 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, but 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 ultrashort pulse laser source using Ti: Sapphire as the laser medium was used. In order to increase the laser power intensity of high-order harmonics, the focal length of the condensing lens in front of each nonlinear optical crystal is shortened, the beam spot diameter is reduced, and the wavelength conversion efficiency is increased.
[0087]
  And in this example, the dividing optical system15, only the divide-by-2 optical circuit was used. That is, the previous figure5Only the frequency dividing circuit 60 described in the above item is provided between the high-order harmonic generation means 2 and the chirp correction optical system 4. The optical path difference of the frequency dividing circuit 60 is set to 2.2712 m, and the focal lengths of the afocal lenses 62 and 65 are 600 mm. A half mirror was used for separation of the pulse beam, and a zero-order half-wave plate for the third harmonic 267 nm and a polarizing beam splitter were used for multiplexing.
[0088]
When irradiating a photoresist for ArF laser, for example, a fluororesin resist, for example, as a photoresist, using an ultrashort pulse light of 130 fs having a wavelength of 272 nm and a pulse width of 1 ps or less emitted from the third harmonic generation unit 28, The light intensity in the beam spot on the resist surface is 100 GW / cm at the peak output2In addition, two-photon absorption remarkably occurred and several percent absorption, that is, a photoreaction which is a resist exposure process was allowed to proceed. In this example, a non-aberration objective lens with NA = 0.9 is used as the objective lens, and an Airy spot of 0.36 μm can be obtained. By generating a two-photon absorption process, 0.36 × (1 √2) = Expiration with an Airy spot size of 0.25 μm could be performed.
[0089]
Resist exposure is given by the square of the intensity distribution of the beam spot. In the above resist, normal absorption does not occur because it is transparent to light with a wavelength of 272 nm. Only the two-photon absorption process occurs locally only in places where the intensity distribution is high. This can be replaced by a resist for ArF laser (193 nm) (for example, ZERF Corporation ZARF001) or a KrF laser resist (for example, JSR Corporation KRFM89Y).
[0090]
Also in this case, by making the beam expander 5 an anamorphic optical system, the groove width is made larger than that of the prior art by enlarging the beam expander 5 in the beam scanning direction into an elliptical spot shape. The groove pattern could be exposed as a fine pattern.
[0091]
  Further, in this example, the second harmonic generation unit and the sum frequency mixing unit are separately separated from each other as the high-order harmonic generation unit.3The second harmonic (wavelength 403 nm) can also be used as the exposure light source. In this case, it is desirable to use a photoresist for KrF (wavelength 248 nm) or i-line (wavelength 365 nm) as the photoresist used.
[0092]
Since the two-photon absorption cross-sectional area is a very small value, an organic dye having a high two-photon absorption cross-sectional area added to the resist as a sensitizer can be used in order to increase the sensitivity of the resist. In addition to the same advantages as in the case of Example 1, the range of applicable photoresist selections is expanded.
[0093]
In the first embodiment described above, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to be twice the frequency of the clock signal of the recording information, and further, by providing a divide-by-4 optical system, the repetition frequency of the pulse is set to the frequency of the clock signal. As a result, pattern exposure could be performed with a good shape without providing an external synchronization mechanism.
On the other hand, in Embodiment 2 described above, the repetition frequency of the ultrashort pulse laser is set to one time the frequency of the clock signal of the recording information, and the frequency dividing optical system is a frequency dividing optical system, whereby the clock of the recording information is obtained. By obtaining a pulsed laser beam having a frequency twice that of the signal and synchronizing the exposure pulse with the clock signal by an external synchronization mechanism in this case, the pattern exposure can be performed with a good shape.
[0094]
On the other hand, if the repetition frequency is too high, the peak output is lowered, it becomes difficult to generate two-photon absorption, and pattern exposure with high resolution cannot be performed. Therefore, at present, the upper limit is about 20 times the clock signal of the recording information of the optical recording medium to be exposed, so that it is possible to surely expose a fine pattern.
[0095]
In the above-described embodiment and each example, the 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 can be pumped with a semiconductor laser, and a laser with a center wavelength of 1064 nm, a pulse width of 7 ps, an average output number W and a repetition frequency of 25 MHz to 1 GHz using a semiconductor saturable absorption mirror (SESAM) is commercially available. Yes. A center wavelength of 917 nm is also available. Nd: YAG, Nd: YLF, or the like can also be used as the laser medium. Further, in an ultrashort pulse laser using a solid laser medium such as Cr: LiSAF or Nd: Glass, the pulse width is 100 fs or less, and the center wavelengths are 850 nm and 1058 nm.
[0096]
In addition, the higher harmonic generation means includes sum frequency mixing, second harmonic generation, fourth harmonic generation, etc., and nonlinear crystal optical elements include KDP, KTP, LN, and their periodic polarization inversion in addition to BBO. Type KTP (PPKTP), PPLN, LBO, LiIOThreeAnd CBO.
[0097]
Further, the exposure of minute pits and grooves has been described above as an example. However, since it can be handled in the same manner as the conventional continuous light source, not only the formation of minute pits and grooves but also the acousto-optic effect or Pockels A wobbling address can be similarly formed using an optical deflector utilizing the effect.
[0098]
Furthermore, the present invention is not limited to an exposure apparatus and exposure method for a disk-shaped optical recording medium master, and an XY linear scanning system using a high-precision linear actuator instead of the rotating means 13 shown in FIG. In addition to these laser drawing apparatuses and these rotation systems and XY linear scanning systems, the present invention is also applied to a three-dimensional microfabrication apparatus provided with a z-direction slide mechanism.
[0099]
【The invention's effect】
In the optical recording medium master exposure apparatus and optical recording medium exposure method according to the present invention, the ultrashort pulse laser beam output from the exposure light source or the short wavelength output from the high-order harmonic generation means using this as an excitation light source. By adjusting the pulse repetition frequency using the frequency division optical system or the frequency division optical system and an external synchronization mechanism in accordance with the clock frequency of the information signal recorded on the optical recording medium, the ultrashort pulse laser light It is possible to perform pattern exposure with a good shape corresponding to the signal, and to obtain an optical recording medium in which the jitter of the reproduction signal is suppressed to about 10% or less. In particular, a two-photon absorption process is generated by using a pulse laser having a shorter wavelength by means of higher-order harmonic generation means, and pattern exposure such as fine pits of about 0.25 μm or less is performed with high accuracy compared to the prior art. It can be carried out.
[0100]
Further, in the present invention, the frequency dividing optical system is composed of a polarizing beam splitter and an optical delay circuit, and this frequency dividing optical system is provided in the subsequent stage of the light source composed of an ultrashort pulse laser, thereby reducing power loss and high efficiency. This makes it possible to use an effective laser beam.
In addition, when high-order harmonic generation means is provided, this frequency-dividing optical system is provided at the subsequent stage, so that high-order harmonic generation means has a laser beam with a relatively high peak output from the ultrashort pulse laser. And the peak output of the pulsed laser light finally obtained as the exposure light can be secured.
[0101]
Also, the pulse width of the ultrashort pulse laser is 1 × 10-12By setting it to 2 seconds or less, the two-photon absorption process can be generated more efficiently, and finer pits can be formed below the diffraction limit of the wavelength of the exposure light source.
[0102]
Furthermore, in the present invention, by making the beam spot of the laser beam irradiated onto the optical recording medium master disk into an oval shape, the pattern signal extending in the scanning direction of the groove or the like can be subjected to pattern exposure with a good shape. Can do.
[0103]
According to the present invention, since the far field optical system can be adopted instead of the near field optical system using the high numerical aperture SIL as described above, the working distance can be sufficiently widened and the rotation at the time of exposure can be ensured. 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 disc exposure apparatus.
[Figure 2]A is a schematic explanatory view 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 view of a pulse waveform of a clock signal.
[Fig. 3]It is a typical block diagram of an example of a high order harmonic generation means.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an external synchronization mechanism.
[Figure 5]FIG. 2A is a schematic configuration diagram of an example of a frequency dividing optical system. B is an explanatory view of a schematic waveform of an example of a pulse train.
FIG. 6 is a diagram showing the amount of airy spot absorption 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 ... Auto focus 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 ... -Monic separator, 22a ... high reflection mirror, 22b ... high reflection mirror, 22c ... high reflection mirror, 22d ... high reflection mirror, 23 ... 1/2 wavelength plate (HWP), 24 ... nonlinear optical crystal, 25 ... beam stopper, 26: Second harmonic (SHG) generating unit, 27: Delay line unit, 28: Third harmonic (THG) generating unit, 31: Lens, 32: Spherical mirror, 33: Spherical mirror, 34: Laser medium, 35 ... 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 ... Frequency divider, 61 ... beam splitter, 62 ... lens, 63 ... mirror, 64 ... mirror, 65 ... lens, 66 ... 1/2 wavelength plate, 67 ... polarizing beam sp Ritter, 70 ... frequency divider, 71 ... beam splitter, 72 ... lens, 73 ... mirror, 74 ... mirror, 75 ... lens, 76 ... half-wave plate, 77 ... polarization beam splitter

Claims (14)

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。
There are provided modulation means for modulating the light intensity from the exposure light source corresponding to the record information, and a condensing optical system for condensing the light modulated by the modulation means on the photoresist on the optical recording medium master. An optical recording medium master exposure apparatus that pattern-exposes 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 division 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,
The resonator length of the ultrashort pulse laser is variable, and an external synchronization mechanism is provided that performs pulse locking by mode-locking the repetition frequency of the ultrashort pulse laser in synchronization with the clock frequency. Item 4. The 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又は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, there is provided high-order harmonic generation means for emitting light having a wavelength shortened by wavelength conversion using a nonlinear optical element using the ultrashort pulse laser light source as an excitation light source. optical recording medium master exposure apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is. 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又は2に記載の光記録媒体原盤露光装置。 3. The optical recording medium master disc exposure 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に記載の光記録媒体原盤露光装置。4. The optical recording medium master disc exposure apparatus according to claim 3 , wherein the frequency dividing 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又は2に記載の光記録媒体原盤露光装置。The optical recording medium master disk exposure apparatus according to claim 1 or 2 , 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に記載の光記録媒体原盤露光装置。4. The optical recording medium master exposure apparatus according to claim 3 , 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に記載の光記録媒体原盤露光装置。7. The optical recording medium master disc exposure apparatus according to claim 6 , 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に記載の光記録媒体原盤露光装置。8. The optical recording medium master exposure apparatus according to claim 7 , 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に記載の光記録媒体原盤露光装置。Is emitted from the light converging optical system, the spot shape of said photoresist is focused laser beam, according to claim 6, characterized in that are oblong shape extending in the scanning direction of the laser beam Optical recording medium master exposure apparatus. 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に記載の光記録媒体原盤露光装置。Is emitted from the light converging optical system, the spot shape of said photoresist is focused laser beam, according to claim 7, characterized in that are oblong shape extending in the scanning direction of the laser beam Optical recording medium master exposure apparatus. 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, the light modulated by the modulating means is condensed on the photoresist on the optical recording medium master, and the photoresist is used as the recording information. An exposure method for an optical recording medium master that performs pattern exposure according to the method,
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 exposure method for an optical recording medium master, comprising a frequency division 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12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,
The ultrasonic resonator length of the short pulse laser to provide a external synchronization mechanism for varying the repetition frequency of the ultrashort pulse laser with mode locking in synchronization with the clock frequency, claim 12, characterized in that to pulsed An exposure method for an optical recording medium master as described in 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12又は13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 to have a short wavelength by wavelength conversion using a non-linear optical element by the high-order harmonic generation means using the exposure light source as an excitation light source, and is incident on the frequency dividing optical system. 14. An exposure method for an optical recording medium master according to claim 12 or 13 .
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