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Description

本発明は、深紫外領域の光を偏光制御するための偏光子に関するものである。
偏光子は、プリズム型のものと、フィルタ型のものとに大別される。
プリズム型の偏光子は、複屈折性やブリュースター角等の性質を利用し、偏光特性が高いという特徴がある。しかしながら、プリズム型の偏光子は、厚みが大きく、大きな設置スペースを必要とする上、入射光の入射角が制限され、垂直入射のみで斜め入射のものは偏光させることができない。
一方、フィルタ型の偏光子は、薄く形成することができるため小さな設置スペースに配置することができると共に、入射光の入射角の制限も小さい(斜め入射も可能)等の利点がある。フィルタ型の偏光子は、一例として、ハロゲン化銀などの導電性粒子を混ぜ込んだ硝子基板を一方向に圧延してハロゲン化銀粒子を長楕円形状にすることで形成される。超長楕円形状とされたハロゲン化銀粒子が電気伝導の異方性を与えることにより、偏光特性が生じるものである。
また、フィルタ型の偏光子の別形態として、ワイヤーグリッド偏光子(wire grid polarizer)と呼ばれる偏光子が知られている。この偏光子は、硝子基板上にアルミニウム等の金属細線を等間隔に並べた構造を有しており、前述のフィルタ型の偏光子と同様に、電気伝導の異方性を利用したものである。このようなワイヤーグリッド偏光子を用いたフィルタ型の偏光子は、特許文献1や非特許文献1に記載されている。非特許文献1には、金、銀、クロム、アルミニウムの金属細線を80nmのピッチを形成することで、紫外から近赤外の波長域(300nm〜5μm)に対応した偏光子が記載されている。またCaFを基板として用い、その上にアルミニウムのワイヤーグリッドが形成された構成も記載されている。
特開2008−90238号公報 Z.Y.Yangらによる「Broadband Nanowire−grid Polarizers In Ultraviolet−Visible−Near−Infrared Regions」(OPTICS EXPRESS Vol.15、No.15、pp.9510−9519)
従来、これらのプリズム型、フィルタ型の偏光子は、可視光、赤外光、紫外光を偏光制御するものとして検討されていた。
ところで、露光装置における露光波長として、より微小なパターンを形成するために、紫外光(300nm〜380nm)よりもさらに短い波長の光が使用されている。例えばKrF(248nm)、ArF(193nm)、F(157nm)、Ar(126nm)などがある。このような波長域の光を露光光として用いる露光装置の偏光照明光学系や、ステージ位置制御のための干渉計などに偏光子を用いることがある。
しかしながら、ハロゲン化銀の楕円粒子を用いたフィルタ型の偏光子は、紫外光に対しても透明度の高いホタル石(CaF)やフッ素をドープした石英硝子(SiO)等を基板に用いる必要があるため、ハロゲン化銀粒子を混ぜ込んで圧延することができない。そのため、ハロゲン化銀の楕円粒子を形成することができず、異方性を与えることができない。
また、深紫外の波長域に対しては、非特許文献1に記載されている金属からなる金属細線でも性能の高い偏光特性を実現することは困難である。これまでワイヤーグリッド偏光子は赤外光の偏光子として長く間使われてきたが、深紫外波長の光に対しては金属細線の間隔が十分狭く、かつ高アスペクト比のものを作成できないため、十分な偏光特性を発揮できない。
そこで本発明は、深紫外に対する偏光子を提供することを目的とする。
本発明は、紫外光を透過する基板と、前記基板上に所定のピッチで配列された複数の構造部で構成される周期構造体とを備え、入射した深紫外光のうち前記構造部の長尺方向に垂直な偏光方向を有する成分を透過する偏光子であって、
前記周期構造体は、酸化クロムからなり、前記深紫外光の有する対象波長以下の前記ピッチを有し、0.1より大きいフィリングファクターを有し、100nm以上の高さを有する、ことを特徴とする偏光子である。
本発明によれば、深紫外光に対する偏光子を提供することができる。
本発明の偏光子は、深紫外光を透過する基板と、基板上に形成された複数の構造物で構成される周期構造体とを有する。周期構造体は、入射した深紫外光の特定の偏光方向の成分を透過させる機能を有している。そして、本発明では、周期構造体はタングステンまたは酸化クロムによって形成されている。タングステンまたは酸化クロムによって形成されていることにより、アルミニウムや銀などの材料を周期構造体に用いていた従来の偏光子に比べてより消光比を高め、偏光制御性能を向上させることができる。
ここで、深紫外光とは、190nm以上300nm以下の波長の光を指すものとする。また、周期構造体とは、長尺状の構造部が等間隔に周期的に配置された構造体のことである。また、本発明における酸化クロムは、酸化クロム(III)(Cr)を指すものである。
図1は、本発明に係る偏光子の構成の一例を示す断面模式図である。図1において、1は基板、2は周期構造体である。
基板1は、深紫外光を透過する基板である。深紫外光に対する透過率は99%以上であることが好ましい。また、このような基板の材料として、ホタル石(CaF)やフッ素をドープした石英硝子(SiO)を用いることが好ましい。
周期構造体2は、基板1の上に形成されており、長尺状の構造部が等間隔に周期的に配置された構造体である。図1では断面構造が矩形であるが、本発明における周期構造体は、断面が矩形のものに限られず、台形、三角形等であってもよい。構造部同士は基板の端部で繋がっていても良いし、互いに独立して形成されていてもよい。隣り合う構造部の間は基板1が露出しており、露出した基板に入射した深紫外光は、基板を透過する。
周期構造体2は、高さd、ピッチp、フィリングファクター(基板1の面積に対する周期構造体2の面積比)fで形成されている。このとき、隣り合う構造部の間隔は(1−f)pとなる。周期構造体の高さdやフィリングファクターfを所望の値に設定することで、透過率や消光比などを所望の値に設定することが可能である。
ピッチpが光学素子の対象波長以下である場合には、対象光の構造部の長尺方向に垂直に振動する電場ベクトル成分が透過るため、偏光子として機能する。逆にピッチpが光学素子の対象波長よりも大きい場合には偏光子としての機能はほとんどなく、回折光学素子としての機能を有することになる。
本発明では、深紫外波長(190nm以上300以下)を対象波長としているため、ピッチpは300nm以下である。特にピッチpが対象波長の1/2以下の場合偏光子としての機能は最良のものとなるため、ピッチpは150nm以下であることがさらに好ましい。
周期構造体は、従来知られている方法により形成することが可能である。例えば、基板の上に所定の金属膜を形成する工程、電子線描画やフォトリソグラフィーによるレジストパターンを形成する工程、ドライエッチングにより形成された金属膜をエッチングする工程を行うことにより形成できる。また、基板上に電子線描画やフォトリソグラフィーによるレジストパターンを形成する工程、所定の金属膜を形成する工程、リフトオフにより形成された金属膜を選択的に除去する工程を行うことによっても形成できる。
そして、本発明では、周期構造体2がタングステンまたは酸化クロムによって形成されている。本発明者の知見により、従来一般的に用いられていた材料であるアルミニウムや銀等で形成した場合、周期構造体の高さやフィリングファクターを極めて小さくしないと深紫外光に対する偏光子として機能させることはできないことが分かった。しかし、このような条件の周期構造体を形成することは極めて困難であるため、実際に従来一般的に用いられていた材料で深紫外光に対する偏光子はできなかった。本発明者は、このような実情に鑑みて、種々の材料を用いた場合について鋭意検討を行った。その結果、タングステンまたは酸化クロムによって周期構造体を形成した場合には、周期構造体の高さやフィリングファクターを極めて小さくしなくても深紫外光に対する偏光子として機能させられることが分かった。タングステンまたは酸化クロムと従来一般的に用いられていた材料とで異なる現象が生じる原因は定かではない。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
[実施例1]
図1は本発明による偏光子を構成した実施例1に係る偏光子の構成を示す図である。
本実施例では、合成石英基板上にピッチp=90nm、高さd=280nm、フィリングファクターf=0.37の、タングステンの周期構造体を形成する。表1に本実施例及び以下説明する各実施例、比較例の周期構造体の諸元を示す。本実施例の偏光子は、波長300nmの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。
図2は実施例1に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。シミュレーションには回折光解析技術に基づく高精度な結像シミュレーション法であるRCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)法を用いた。ここで、TE波(構造部の長尺方向と同方向の偏光を持つ光)の素子透過光強度をITE、TM波(構造部の配列方向と同方向の偏光を持つ光)の素子透過光強度をITMとして、消光比γ=10Log10(ITM/ITE)と定義する。本実施例の偏光子の構成により、300nmの波長の光に対して、消光比γは100dB以上、透過率Tは70%以上の透過率となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。また、深紫外域(190nm以上300nm以下)に対して消光比γが60dB以上の高消光比となることが分かった。また、200nm以下の波長域においても透過率Tは20%程度にはなるが60dB以上の高消光比の偏光子を得ることができることが分かった。
[実施例2]
本実施例の構成は実施例1と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチp=90nm、高さd=350nm、フィリングファクターf=0.11の、タングステンの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長250nmの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。
図3は実施例2に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、250nmの波長の光に対して、消光比γは65dB以上、透過率Tは80%以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。また、深紫外域(190nm以上300nm以下)に対して透過率Tが80%以上の高透過率となることが分かった。また、200nm以下の波長域においても消光比γが25dBにはなるが透過率Tが80%以上の高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。
[実施例3]
本実施例の構成は実施例1、2と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、実施例1、2と異なり酸化クロムの周期構造体を形成する。ここで周期構造体のピッチpは対象波長となる深紫外光(300nm)の半分以下である。また、本実施例では、合成石英基板上にピッチp=90nm、高さをd=210nm、フィリングファクターf=0.28の周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長200nmの光に対して消光比が高くなるように設計したものである。
図4は実施例3に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、200nmの波長の光に対して、透過率Tは20%程度となるが、消光比γは60dB以上となり、高消光比の偏光子を得ることができることが分かった。また、波長が190nm以上250nm以下の波長域に対して消光比γが20dB以上、透過率Tが20%以上の偏光子を得ることができることが分かった。
[実施例4]
本実施例の構成は実施例3と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチp=90nm、高さd=230nm、フィリングファクターf=0.12の、酸化クロムの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長200nmの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。
図5は実施例4に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、波長が200nmの場合には消光比γは30dB以上、透過率Tは80%以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。
[実施例5]
本実施例の構成は実施例3と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチp=150nm、高さd=370nm、フィリングファクターf=0.15の、酸化クロムの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長250nmの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。
図6は実施例5に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、250nmの波長の光に対して、消光比γは45dB程度、透過率Tあ70%以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。また、波長が210nm以上300nm以下の波長域に対して消光比γが20dB以上、透過率Tが20%以上となることが分かった。
[実施例6]
本実施例の構成は実施例3と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本実施例では、合成石英基板上にピッチp=80nm、高さd=200nm、フィリングファクターf=0.17の、酸化クロムの周期構造体を形成する。本実施例の偏光子は、波長200nmの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。
図7は実施例6に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本実施例の偏光子の構成により、200nmの波長の光に対して消光比γは35dB以上、透過率Tは70%以上となり、高消光比、高透過率の偏光子を得ることができることが分かった。
(比較例1)
本比較例の構成は、実施例4の構成と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。周期構造体のピッチp、高さd、フィリングファクターfはそれぞれ実施例4と同じであり、ピッチp=90nm、高さd=230nm、フィリングファクターf=0.12である。本比較例では、実施例4と異なりアルミニウムの周期構造体を形成する。
図8は比較例1に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本比較例の偏光子の構成により、波長が200nmの場合には透過率Tは90%以上となるが、消光比γは5dB以下となり、高消光比の偏光子を得ることができないことが分かった。また、波長が190nm以上300nm以下の深紫外域でも偏光特性を得られないことが分かった。
(比較例2)
本比較例の構成は、実施例4及び比較例1の構成と同じであり、基板の上に周期構造体が形成されている構成である。本比較例では、合成石英基板上にピッチp=90nm、高さd=20nm、フィリングファクターf=0.026の、アルミニウムの周期構造体を形成する。本比較例の偏光子は、実施例4と同様に波長200nmの光に対して消光比、透過率とも高くなるように設計したものである。
図9は比較例2に係る偏光子の特性を示す図であり、シミュレーションによる結果を示したものである。本比較例は、偏光子として機能し得る条件をシミュレーションによって求めたものである。本比較例の偏光子の構成により、波長200nmの場合に透過率Tは50%程度、消光比γは30dB以上となり、高消光比の偏光子となることが分かった。しかしながら、本比較例の条件の周期構造体を形成することは極めて困難であるため、実際に従来一般的に用いられていた材料で深紫外光に対する偏光子を作成するのは極めて困難であることが分かった。
Figure 0005430126
本発明の偏光子は、半導体及び液晶露光装置の偏光照明光学系、レーザー描画装置の偏光制御機構、偏光計測器の偏光センサ等に用いることができる。
本発明の偏光子の構造を示す断面模式図。 本発明の実施例1に係る偏光子の特性を示す図。 本発明の実施例2に係る偏光子の特性を示す図。 本発明の実施例3に係る偏光子の特性を示す図。 本発明の実施例4に係る偏光子の特性を示す図。 本発明の実施例5に係る偏光子の特性を示す図。 本発明の実施例6に係る偏光子の特性を示す図。 比較例1に係る偏光子の特性を示す図。 比較例2に係る偏光子の特性を示す図。
符号の説明
1 基板
2 周期構造体

Claims (5)

  1. 紫外光を透過する基板と、前記基板上に所定のピッチで配置された複数の構造部で構成された周期構造体とを備え、入射した深紫外光のうち前記構造部の長尺方向に垂直な偏光方向を有する成分を透過する偏光子であって、
    前記周期構造体は、酸化クロムからなり、前記深紫外光の有する対象波長以下の前記ピッチを有し、0.1より大きいフィリングファクターを有し、100nm以上の高さを有する、ことを特徴とする偏光子。
  2. 前記基板の材料は、ホタル石、またはフッ素をドープした石英硝子である、ことを特徴とする請求項1に記載の偏光子。
  3. 前記ピッチは、前記対象波長の1/2以下である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の偏光子。
  4. 前記高さは、200nm以上である、ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の偏光子。
  5. 前記高さは、前記対象波長以上である、ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の偏光子。
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