JP4350446B2

JP4350446B2 - 電場の発生方法、電場の発生装置

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Publication number: JP4350446B2
Application number: JP2003273186A
Authority: JP
Inventors: 朋宏山田; 夏彦水谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: US20050007654A1; JP2005031028A; US7335873B2

Description

本発明は、電場の発生方法、電場の発生装置に関するものである。

従来、近接場光を用いた顕微鏡やストレージ装置、あるいは露光技術として、例えば、非特許文献１あるいは特許文献１に示されているように、様々なものが提案されている。これらの技術は、微小開口から発生する近接場光を用いるもの、もしくはスリットや空隙等から発生する近接場光を用いるもの等が、主たるものである。
例えば、近接場光を用いた顕微鏡においては、光源からの光によってスリットから発生する近接場光を、基板上の試料表面に対して近接させ、これにより生じる散乱光を用いて試料表面の像を検出するものである。また、ストレージ装置においては、光源からの光を記録媒体に照射し、記録媒体の表面に形成された周期構造の微小開口からの散乱透過光を用いて記録再生等を行うものである。

一方、非特許文献２等に示されているように伝播光内の光電場の向きや分布を所望のパターンにする手法や、そうして作製されたビームの挙動などの解析も行われている。特に、ラジアル偏波ビーム（ｒａｄｉａｌｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｂｅａｍ）と呼ばれる、光の電場ベクトルが回転対称であり、且つ放射状であり、さらに対称中心から等距離の点での電場ベクトルの大きさが等しい光（図４）などが研究されている。

Ｄｕｒｉｇ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９，３３１８（１９８６）Ｚｅ‘ｅｖＢｏｍｚｏｎ他，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ７９，１５８７（２００１）特開平０８−１７９４９３号公報

しかしながら、上記した従来における近接場光学顕微鏡やストレージ装置等においては、周期構造等の微小開口やスリットから発生する近接場光を用いて、これらの微小な領域に光電場を集中させる場合、上記微小開口やスリットの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、上記微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に大きく依存してしまうこととなる。このため、従来においては所望の集光性能を得るにはエッジラフネスの制御や微小開口径などの高い加工精度が必要であった。

そこで、本発明は、上記した微小開口やスリットの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、これらの微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に依存することを抑制することが可能となる電場の発生方法、電場の発生装置を提供することを目的としている。

本発明は、以下のように構成した電場の発生方法、電場の発生装置を提供するものである。
すなわち、本発明の電場の発生方法は、第一の面及び該第一の面の裏側に第二の面を有し、前記第一の面より第二の面に通じる微小開口部が少なくとも２個所形成され、これら２個所の微小開口部間に遮光部を備えた部材に対し、
前記部材の第一の面側から光を照射し、前記部材の第二の面側に強い電場領域を形成する電場の発生方法であって、
前記第一の面側から光を照射するに際し、前記遮光部を境に右側の微小開口部には、右向きの電場ベクトル成分、左側の微小開口部には、左向きの電場ベクトル成分、をそれぞれ含む、ベクトルの向きの異なるラジアル偏波ビームを照射することにより、
前記第二の面側における前記遮光部の直下で、前記微小開口部を介して得られる表面プラズモンポラリトン同士を同位相で干渉させ、該遮光部の直下に前記微小開口部直下よりも強い電場領域を形成するように構成される。
また、本発明の電場の発生方法は、前記微小開口部が、一対のスリットまたはスリットを周期的に配列したもので構成することができる。
また、本発明の電場の発生方法は、前記スリットは、ラインアンドスペース状または同心円状に配列した構成とすることができる。
また、本発明の電場の発生方法は、前記電場ベクトルの分布が、回転対称または反転対称をなすものを用いることができる。
また、本発明の電場の発生装置は、第一の面及び該第一の面の裏側に第二の面を有し、前記第一の面より第二の面に通じる微小開口部が少なくとも２個所形成され、これら２個所の微小開口部間に遮光部を備えた部材と、
前記部材の第一の面側より、前記遮光部を境に右側の微小開口部には、右向きの電場ベクトル成分、左側の微小開口部には、左向きの電場ベクトル成分、をそれぞれ含む、ベクトルの向きの異なるラジアル偏波ビームを照射する光照射手段と、を有し、
前記光照射手段による前記第一の面側の前記２個所の微小開口部への光の照射により、前記第二の面側における前記遮光部の直下で、前記微小開口部を介して得られる表面プラズモンポラリトン同士を同位相で干渉させ、該遮光部の直下に前記微小開口部直下よりも強い電場領域を形成するように構成される。

本発明によれば、微小開口やスリットから発生する近接場光を用いて、その微小な領域に光電場を集中させる場合において、これらの出射口近傍に発生する光電場の強度分布が、微小開口やスリットにおけるエッジラフネスや開口径に依存することを抑制することが可能となる電場の発生方法、電場の発生装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、電場ベクトルの向きが異なる照射ビームを周期構造に入射させることにより、周期構造の中央部における遮光部の下部に、高効率に強電場を形成することが可能となる原理を説明するための図である。
図１（ａ）は図１（ｂ）における周期構造の遮光層のＢ−Ｂ’断面図であり、また、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。

図１において、周期構造１０１に対して照射ビーム１０７が入射する構成をとる。周期構造１０１のピッチや開口部の大きさは入射光波長よりも小さいとする。照射ビーム１０７内の光電場ベクトルの向きは図のように、点線Ａ−Ａ’を境に右側では電場ベクトルは右向き、左側では電場ベクトルの向きは左向きであるとする。
また、照射ビームはコヒーレントまたは部分コヒーレントであり、表面プラズモンポラリトン（以下ＳＰＰと記す）の伝播長以上の空間コヒーレンスを有して
いるとする。

このビームを図１のように周期構造１０１に入射する場合、スリット１０２、スリット１０３、スリット１０４、スリット１０５からは近接場光が発生する。また、この近接場光は周期構造表面に表面プラズモンポラリトン（以下ＳＰＰと略す）を励起する。ここで、スリット１０３とスリット１０４に着目した場合、スリット１０３からの＋１次回折光とスリット１０４からの−１次回折光（共に近接場光）は、コヒーレント光成分の照射の場合同位相となり、これらの近接場光によって励起されるＳＰＰは遮光部１０６の直下で必ず同位相となるため、微小領域に集中した強電場が形成されることとなる（強電場発生部１０８）。これは遮光部１０６の直下で顕著に発生する現象である。

この電場分布の大きさや形状は、近接場光同士の干渉や、各スリットから発生するＳＰＰ同士の干渉効果で生じるため、遮光部のエッジラフネスや線幅等の加工精度には顕著に依存せず、むしろ、スリットのピッチに依存することとなる。また、スリットのピッチが周期構造表面でのＳＰＰの波長の整数倍になっている場合には、ＳＰＰの干渉効果が顕著に表れ、遮光部１０６の直下の電場分布が特に増強される。
また、周期構造１０１の全体から発生する表面プラズモンには遮光部１０６の下部に集まって来る成分もあり、周期構造１０１全体が一種のＳＰＰ集光レンズとして働いていることから、遮光部１０６の下部には高効率に強電場を形成できる。

また、遮光部１０６の形状はラインアンドスペースに限らない。格子状や同心円状など、周期構造、もしくは部分的にでも周期性があればよい。
また、周期構造のうち透過部の大きさが入射光波長より十分小さい場合は、周期構造の出射側に発生する近接場光への寄与は、もっぱらスリットと垂直な偏光方向の成分のみで
あるため、入射光の偏光成分が必ずしも周期構造と厳密に垂直である必要はない
。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図２は、本発明の電場の発生方法を適用した実施例１における集光方法を説明する図である。
まず、周期構造２０１を用意する。周期構造２０１は母材２０２が窒化シリコン、遮光部２０３がＣｒで形成されている。
周期構造２０１は、図２に示すとおり、ピッチを４００ｎｍにする。この周期構造に、図中のようにＡ−Ａ’に対して右側と左側で電場ベクトルの向きが異なるビームを照射する。
このようなビームは、例えば旋光度が異なる二つの物質の界面に直線偏光を入射して作成することが出来る。また、ビームの作製法はこれに限らず、所定のパターンの回折格子や位相シフトデバイス等を用いても作製できる。

このようなビームを、図２のように周期構造２０１に照射することにより、周期構造中の透過部２０４と透過部２０５の中央部の遮光部の下部に、強電場の集光部２０７が発生する。この集光部は直線状をなしている。
このようなビームにより強電場の集光部２０７を発生させた周期構造２０１を被露光基板に近接させることで、直線状の露光パターンを形成することが出来る。そして、周期構造と被露光基板の位置関係は固定し、ビームの照射位置を移動することで周期構造全体を露光することも出来る。

本発明の集光方法により、集光部の形状が遮光部の作製精度に顕著には依存しない電場強度分布を形成することができる。これにより、露光パターン形状も周期構造遮光部の作製精度に依存しない形状で作製することが可能となる。なお、本実施例では周期構造として、ラインアンドスペースにしたが、周期構造はこのような形状に限定されるものではなく、格子状や同心円状でもよい。
また、平面構造ではなく図８のように立体的な構造を有してもよい。また、ビ
ームの電場ベクトルの分布も、本実施例に限定されるものではなく、回転対称や反転対称分布でもよい。

［実施例２］
図３は、本発明の電場の発生装置を適用した実施例２におけるイルミネーション（照射）モードの近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）の装置構成を示す図である。
ビーム発生装置３０１では、図４の矢印で表されるような回転対称の電場ベクトルの分布を有するビーム（以下ラジアル偏波ビームとする）を発生する。ビーム発生装置から発生したラジアル偏波ビーム３０２を周期構造３０３に照射する。
また、周期構造３０３はピッチ４００ｎｍの、図５に示されるような同心円状スリットであり、透過部のスリット幅が約５０ｎｍとされている。

周期構造の出射側表面では遮光部３１３の下部に集光部が形成される。この集光部を基板３０４上の試料３０５表面に対して１００ｎｍ以下の距離まで近接させて照射した結果
生じる散乱光を集光レンズ３０６で集光し、光電子増倍管３０７で検出し、これをＳＮＯＭ信号とし、計測制御コンピュータ３０８に入力する。
計測制御コンピュータ３０８からはｘｙｚステージ３１１を駆動するための駆動信号がステージ駆動回路３０９を介して出力され、ｘｙｚステージ３１１の三次元位置制御を行う。
計測制御コンピュータ３０８では、ｘｙｚステージ３１１を駆動することにより、試料３０５に対する集光部を走査し、その位置に応じてＳＮＯＭ信号を三次元プロットすることにより、試料表面のＳＮＯＭ像を形成し、これをディスプレイ３１０に表示する。

本発明の電場の発生装置を適用して、イルミネーションモードＳＮＯＭ装置を構成することにより、光の回折限界を超える解像度が達成できた。
また、本実施例で用いた集光方法によると、周期構造の作製精度に顕著には依存しないため、周期構造の作製の歩留まりも高くなる。また、高効率な近接場光を発生させることができるため、高速に試料を観察することが出来た。
また、本実施例の装置構成を適用して、ストレージ装置や露光装置を構成してもよい。

［実施例３］
図６は、本発明の電場の発生装置を適用した実施例３におけるストレージ装置の装置構成を示す図である。
図６において、ビーム発生装置６０１では図４のような回転対称の電場ベクトルの分布を有するビームを発生する。ビーム発生装置６０１から発生したラジアル偏波ビーム６０２を基板６０３上の記録媒体６０４に照射し、記録再生を行う。

記録媒体６０４の表面は周期構造層６０５になっており、その２次元構造は図７のようになっている。ビームの強度を増大させることにより強度の大きい近接場光を用いて記録を行い、ビームの強度を弱めることにより、強度の小さい近接場光を記録媒体６０４に照射してその散乱透過光を集光レンズ６０７で集光してアバランシェフォトダイオード６０８で強度を検出して再生信号とし、記録再生制御コンピュータ６０９に入力する。

記録再生制御コンピュータ６０９から回転モータ駆動回路６１０を介して回転モータ６１１を駆動し、ビームに対して記録媒体６０４を回転させる。
得る信号は位置合わせ（トラッキング）用の制御信号として記録再生制御コンピュータ６０９に入力し、ビーム発生装置６０１に対する記録媒体６０４の位置合わせを行うために用いられる。

本発明の電場の発生装置を適用してストレージ装置を構成することにより、光の回折限界を超える記録密度を達成することが出来る。これは記録媒体上の同心円パターンが回折限界以下のピッチに作製されているためである。
また、ラジアル偏波ビームでこれらの同心円を照射し、ラジアル偏波の中心と同心円の中心が一致している場合、その同心円のみが強く励起され、その中心に集光スポットが形成される。このため記録ビット間のクロストークも抑制できる。

さらに、ラジアル偏波の中心近傍にある同心円の中心は、その他の同心円の中心と比べて高効率に励起される。このため、ある同心円の中心のみを励起したい場合、厳密にその同心円の中心とビームの中心を合わせなくとも、他の同心円の中心と比べて目的とする同
心円の中心がビームの中心に十分近ければ、結果として目的とする同心円の中心のみを選択的に励起することが出来る。これにより、ある同心円の中心を励起するための照射ビームの位置精度は低く抑えることが出来、位置合わせの時間短縮や装置構成の簡略化が可能となる。

また、高効率な近接場光発生のため短時間に情報記録、再生をすることが出来る。本実施例ではラジアル偏波ビームを同心円パターンを有する媒体表面に入射したが、この構成に限るものではなく、反転対称の電場ベクトル分布を持つビームや回転対称な電場ベクトル分布を持つビームを、作製が容易な格子状のパターンを有する媒体表面に照射してもよい。

本発明の実施の形態における高効率に強電場を形成することが可能となる原理を説明するための図であり、（ａ）は（ｂ）における周期構造の遮光層のＢ−Ｂ’断面図であり、また、（ｂ）は（ａ）における周期構造の平面図である。本発明の実施例１における集光方法を説明する図である。本発明の実施例２におけるイルミネーション（照射）モードの近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）に適用した装置構成を示す図である。本発明の実施例２に用いられる回転対称の電場ベクトルの分布を有するビーム（ラジアル偏波）を示す図である。本発明の実施例２に用いられる同心円状スリットを示す図である。本発明の実施例３におけるストレージ装置に適用した装置構成を示す図である。本発明の実施例３に用いられる記録媒体の表面に形成された２次元構造の周期構造層の構成を示す図である。本発明の実施例１に適用可能な周期構造として、立体的な構造の周期構造を示す図。

符号の説明

１０１：周期構造
１０２：スリット
１０３：スリット
１０４：スリット
１０５：スリット
１０６：遮光部
１０７：照射ビーム
１０８：強電場発生部
２０１：周期構造
２０２：母材
２０３：遮光部
２０４：透過部
２０５：透過部
２０６：ビーム
２０７：集光部
３０１：ビーム発生装置
３０２：ラジアル偏波ビーム
３０３：周期構造
３０４：基板
３０５：試料
３０６：集光レンズ
３０７：光電子増倍管
３０８：計測制御コンピュータ
３０９：ステージ駆動装置
３１０：ディスプレイ
３１１：ＸＹＺステージ
３１２：母材
３１３：遮光部
３１４：遮光部
６０１：ビーム発生装置
６０２：ラジアル偏波ビーム
６０３：基板
６０４：記録媒体
６０５：周期構造層
６０６：記録層
６０７：集光レンズ
６０８：アバランシェフォトダイオード
６０９：記録再生制御コンピュータ
６１０：回転モータ駆動回路
６１１：回転モータ

Claims

第一の面及び該第一の面の裏側に第二の面を有し、前記第一の面より第二の面に通じる微小開口部が少なくとも２個所形成され、これら２個所の微小開口部間に遮光部を備えた部材に対し、
前記部材の第一の面側から光を照射し、前記部材の第二の面側に強い電場領域を形成する電場の発生方法であって、
前記第一の面側から光を照射するに際し、前記遮光部を境に右側の微小開口部には、右向きの電場ベクトル成分、左側の微小開口部には、左向きの電場ベクトル成分、をそれぞれ含む、ベクトルの向きの異なるラジアル偏波ビームを照射することにより、
前記第二の面側における前記遮光部の直下で、前記微小開口部を介して得られる表面プラズモンポラリトン同士を同位相で干渉させ、該遮光部の直下に前記微小開口部直下よりも強い電場領域を形成することを特徴とする電場の発生方法。
前記微小開口部が、一対のスリットまたはスリットを周期的に配列したものであることを特徴とする請求項１に記載の電場の発生方法。
前記スリットは、ラインアンドスペース状または同心円状に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の電場の発生方法。
前記電場ベクトルの分布が、回転対称または反転対称をなすことを特徴とする請求項１に記載の電場の発生方法。
第一の面及び該第一の面の裏側に第二の面を有し、前記第一の面より第二の面に通じる微小開口部が少なくとも２個所形成され、これら２個所の微小開口部間に遮光部を備えた部材と、
前記部材の第一の面側より、前記遮光部を境に右側の微小開口部には、右向きの電場ベクトル成分、左側の微小開口部には、左向きの電場ベクトル成分、をそれぞれ含む、ベクトルの向きの異なるラジアル偏波ビームを照射する光照射手段と、を有し、
前記光照射手段による前記第一の面側の前記２個所の微小開口部への光の照射により、
前記第二の面側における前記遮光部の直下で、前記微小開口部を介して得られる表面プラズモンポラリトン同士を同位相で干渉させ、該遮光部の直下に前記微小開口部直下よりも強い電場領域を形成することを特徴とする電場の発生装置。