JP5643373B2 - 空間光変調器 - Google Patents

Description

この発明は、電気光学結晶を用いた空間光変調器に関するものである。

従来より、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）等の電界により屈折率が変化する電気光学結晶を用いて空間光変調を行う手法が知られている。例えば、特許文献１では、電気光学結晶が薄板形状（スラブ形状）に仕上げられている。この電気光学結晶の一方主面（または両主面）には、複数の電極要素が一定ピッチで配列されて格子電極が形成されている。そして、これらの電極要素間に電位差を付与することで電気光学結晶中で生じる電界により電気光学結晶の内部で周期的な屈折率の変化が生じて回折格子が形成される。この電気光学結晶に対して格子電極の長さ方向とほぼ平行に光を入射させ、主にラマン・ナス回折を生じさせることにより空間光変調が行われている。

特開２００９−３１７３２号公報（図４、図７）

上記のように従来の空間光変調器では、電気光学結晶が薄板形状を有し、しかも格子電極を構成する電極要素の配列方向に光を伝播させているため、光と電界との相互距離を伸ばすことができ、低電圧で空間光変調器を高速駆動することが可能となる。しかしながら、上記空間光変調器では、ラマン・ナス回折を用いているため、次のような問題があった。すなわち、ラマン・ナス回折では１次回折光より高次の回折光の回折効率が低いため、上記した従来の空間光変調器をパターン描画装置などに適用する場合、０次光を用いてパターン描画を行うのが一般的であった。したがって、被描画面に光を照射しない時、つまり消光時には電極要素間に電位差を生じさせることでラマン・ナス回折を生じさせるのだが、その消光時における０次光の漏れ光が被描画面に到達してしまうことがあり、高い消光比（ON/OFF光量比）を得るのが難しいという問題があった。また、パターン描画に十分な光量を稼ぎながら同時に空間光変調器の解像度を高めるためには、電極要素を狭ピッチで設ける（格子周期の高精細化）とともに電極要素を長くせざるを得ず、その結果、回折効率が低下して消光比（ON/OFF光量比）の低下要因となっている。

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高い消光比を有する空間光変調器を提供することを目的とする。

この発明にかかる空間光変調器は、上記目的を達成するため、電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対である第１分極部および第２分極部を交互に所定周期で第１方向に配列した周期分極反転構造を有し、第１方向に対して傾斜した第２方向に沿って進む光が周期分極反転構造を介して通過する電気光学結晶基板と、電気光学結晶基板の一方主面上に設けられた複数の第１電極と、電気光学結晶基板の他方主面上に設けられた第２電極と、複数の第１電極と第２電極の間での電界発生をそれぞれ制御することで周期分極反転構造内の複数領域でそれぞれ回折効率を変化させて各領域を進む光を変調する変調部とを備え、複数の第１電極は周期分極反転構造内を進む光の進行方向と略垂直な第３方向に互いに離間して配列され、第１電極の第３方向における幅は所定周期と略同等であり、変調部は複数の第１電極ごとに独立して電圧を印加することを特徴としている。
このように構成された発明では、第１電極の第３方向における幅は第１分極部および第２分極部の配列の周期と略同等であり、複数の第１電極ごと、例えば後で説明する第２実施形態の図７（ａ）では隣接する３本の第１電極により構成される電極単位ごとに、当該電極単位を構成する第１電極への電圧の印加によって当該第１電極と第２電極の間で電界が生じる。このため、周期分極反転構造内では、複数の第１電極（電極単位）ごとに第１電極と第２電極の間の領域で回折効率が変化して当該領域を進む光を変調する。

上記した発明の各態様において、分極部を傾斜させると、消光比をさらに高めることができる。すなわち、互いに隣接配列された第１分極部および第２分極部の境界面が電気光学結晶基板の一方主面および他方主面に対して傾斜するように周期分極反転構造を構成してもよい。このように構成した場合、上記境界面が電気光学結晶基板の一方主面および他方主面に対して直交するように配置した場合に比べ、回折領域が制限され、ブラッグ回折における再結合が防止される。これによって、ゴースト光の発生を抑制することができ、消光比をさらに高めて高コントラストな光変調を行うことができる。また、このような空間光変調器を用いることで描画品質をさらに高めることができる。

また、電気光学結晶基板に、一方主面から他方主面に向かう厚さ方向の一部でスラブ導波路を設けてもよく、これによってスラブ導波路内で光が封じ込められて伝播するため、電気光学結晶基板内での光の損失を低減することができる。このようなスラブ導波路としては、例えばアニールプロトン交換法により形成することができ、Ｔｉ（チタン）拡散法と比べてもより短波長（例えば紫外域）での使用が可能となる。また、そのスラブ導波路を厚さ方向の中央に形成してもよく、この場合、光損失をさらに低減することができる。

さらに、電気光学結晶基板の一方主面から他方主面までの厚さを３０μｍ以下にすると、低電圧で空間光変調器を駆動することが可能となり、高速な光変調を行うことができる。

この発明にかかる空間光変調器によれば、複数の第１電極が周期分極反転構造を有する電気光学結晶基板の一方主面に設けられ、他方主面に設けられた第２電極と各第１電極との間での電界発生を制御することで各第１電極ごとにブラッグ回折を生じさせることが可能となっており、高い消光比が得られる。

本発明にかかる空間光変調器を装備したパターン描画装置の第１実施形態を示す斜視図である。 図１に示すパターン描画装置の側面図である。 図１のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。 光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図である。 本発明にかかる空間光変調器の第１実施形態を示す図である。 図５に示す空間光変調器の動作を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態を示す図である。 本発明の第３実施形態を示す図である。 本発明の第４実施形態を示す図である。 本発明の第５実施形態を示す図である。 本発明の第６実施形態を示す図である。 図１１に示すパターン描画装置で用いられた空間光変調器を示す図である。 第１実施形態と第６実施形態の対比図である。

＜第１実施形態＞
図１は本発明にかかる空間光変調器を装備したパターン描画装置の第１実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示すパターン描画装置の側面図であり、図３は図１のパターン描画装置の電気的構成を示すブロック図である。このパターン描画装置１では、基台２の一方端側領域（図１および図２の左手側領域）が基板Ｗの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域（図１および図２の右手側領域）が基板Ｗへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台２上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部２１が設けられている。このヘッド支持部２１では、基台２から上方に２本の脚部材２１１、２１２が立設されるとともに、それらの脚部材２１１、２１２の頂部を橋渡しするように梁部材２１３が横設されている。そして、このように構成されたヘッド支持部２１のパターン描画領域側で光学ヘッド３が上下方向Ｚに移動自在に取り付けられており、露光制御部４１からの動作指令に応じてヘッド移動機構３０が作動することで後述するステージ５に保持される基板Ｗと光学ヘッド３との距離を高精度に調整可能となっている。なお、光学ヘッド３は本発明にかかる空間光変調器を装備して基板Ｗに対して光を照射して露光するものであり、その構成および動作については、後で詳述する。

また、基台２の基板受渡領域では、パターン描画領域と反対側の端部に２本の脚部材２２１、２２２が立設されている。そして、脚部材２２１、２２２の頂部と梁部材２１３の上面を橋渡しするように光学ヘッド３の照明光学系を収納したボックスが設けられている。また、図２に示すように、梁部材２１３の基板受渡領域側側面にカメラ（撮像部）６が固定されてステージ５に保持された基板Ｗの表面（被描画面、被露光面）を撮像可能となっている。

この基板受渡領域の近傍には、基板収納カセットＣＳ、プリアライメント部ＰＡおよび基板搬送ロボット７が配置されている。この基板搬送ロボット７はウエハなどの基板Ｗをハンドリングするハンド７１および当該ハンド７１を移動させるハンド移動機構７２などを有している。そして、露光制御部４１からの指令に応じてハンド移動機構７２が作動することで基板Ｗが基板収納用のカセットＣＳ、プリアライメント部ＰＡおよび基板受渡領域に位置するステージ５の間で搬送される。すなわち、未処理の基板ＷはカセットＣＳからプリアライメント部ＰＡに搬送されて、いわゆるプリアライメント処理を受ける。その後、基板搬送ロボット７によりプリアライメント部ＰＡからステージ５に搬送される。また、後述するようにしてパターン描画領域でパターンが描画された基板Ｗはステージ５とともに基板受渡領域に移動され、基板搬送ロボット７によりカセットＣＳに搬入される。

このステージ５は基台２上でステージ移動機構５１によりＸ方向、Y方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構５１は基台２の上面にＹ軸駆動部（図示省略）、Ｘ軸駆動部（図示省略）およびθ軸駆動部（図示省略）をこの順序で積層配置したものであり、ステージ５を水平面内で２次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ５をθ軸（鉛直軸）回りの回転させて後述する光学ヘッド３に対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構５１としては、従来より多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。

次に光学ヘッド３の構成および動作について説明する。この実施形態では、光学ヘッド３は上記したようにヘッド支持部２１に対して上下方向Ｚに移動自在に取り付けられており、光学ヘッド３の直下位置で移動している基板Ｗに対して光を落射することでステージ５に保持された基板Ｗを露光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、光学ヘッド３はＸ方向に複数チャンネルで光を同時に照射可能となっており、Ｘ方向が「副走査方向」に相当している。また、ステージ５をY方向に移動させることで基板Ｗに対してパターンを２次元的に描画することが可能となっており、Y方向が「主走査方向」に相当している。

図４は光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図であり、同図（ａ）は光学ヘッド３の光軸ＯＡおよび副走査方向Ｘに沿って光学ヘッド３を上方（すなわち、図１中の（＋Ｙ）側）から見た場合の光学ヘッド３の内部構成を示し、同図（ｂ）は主走査方向Ｙに沿って図１のプリアライメントＰＡ側（左下側）から光学ヘッド３側を見た場合（すなわち、光学ヘッド３の（−Ｘ）側から（＋Ｘ）方向を向いて見た場合）の光学ヘッド３の内部構成を示している。

図４に示す光学ヘッド３は、所定の波長（例えば、８３０、６３５、４０５、あるいは、３５５ナノメートル（ｎｍ））の光ビームを出射する半導体レーザなどにより構成された光源部３１を有している。なお、３５５ｎｍのレーザ光を用いる場合は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの３倍高調波を用いる固体レーザ光源となる。この光源部３１はコリメータレンズ（図示省略）を有しており、半導体レーザから出射される光ビームはコリメータレンズを介して平行光とされて図示を省略するミラーを介して照明光学系３２に入射する。

この照明光学系３２は３枚のシリンドリカルレンズ３２１〜３２３により構成されており、光源部３１から出射してきた光ビームはシリンドリカルレンズ３２１〜３２３の順で通過して空間光変調器３３に入射する。これらのうちシリンドリカルレンズ３２１はＸ方向にのみ負のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光は光軸ＯＡに垂直な光束断面が円形から次第にＸ方向に長い楕円形へと変化する。一方、光軸ＯＡおよびＸ方向に垂直なY方向に関して、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光の光束断面の幅は（ほぼ）一定とされる。また、シリンドリカルレンズ３２２はＸ方向にのみ正のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ３２１を通過した光ビームはシリンドリカルレンズ３２２によりビーム整形される。つまり、シリンドリカルレンズ３２２を通過した光は、光束断面がＸ方向に長い一定の大きさの楕円形とされてシリンドリカルレンズ３２３へと入射する。このシリンドリカルレンズ３２３は、Y方向にのみ正のパワーを有し、Y方向のみに着目した場合には、図４（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３２３を通過した光は集光しつつ電気光学結晶基板３３１の（−Ｚ）側の端面（以下、「入射面」という）３３１ａへと入射する。また、Ｘ方向に関しては、図４（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ３２３からの光ビームは平行光ビームとして空間光変調器３３に入射する。

図５は空間光変調器を示す図であり、同図（ａ）は空間光変調器３３の分解組立斜視図であり、同図（ｂ）は空間光変調器３３の部分図である。また、図６は図５に示す空間光変調器の動作を模式的に示す図である。この空間光変調器３３は、本発明にかかる空間光変調器の第１実施形態に相当し、薄板状またはスラブ状の電気光学結晶基板３３１と、電気光学結晶基板３３１の上方主面３３２上に配置される第１電極３３３と、電気光学結晶基板３３１の下方主面３３４上に配置される第２電極３３５と、第１電極３３３の各々に対して独立して所望の電位を印加する電位付与部３３６とを備えている。

この実施形態では、電気光学結晶基板３３１はリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）（すなわち、ニオブ酸リチウムであり、ＬＮと略称される。）の単結晶にて形成されており、その厚み（方向Ｙにおける高さ）は例えば数十ミクロン、好ましくは３０ミクロン以下となっている。この電気光学結晶基板３３１では、電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対である第１分極部３３１１および第２分極部３３１２が交互に配列されており、電気光学結晶基板３３１は分極反転構造を有している。この実施形態では、特に、図６に示すように、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２はいずれも配列方向ＡＤに垂直な方向ＷＤに伸びる帯状形状を有し、配列方向ＡＤにおいて同一幅を有するとともに、互いに隣接配列された第１分極部３３１１および第２分極部３３１２からなる分極対３３１３が所定周期（ＸＹ断面において格子周期ＲＣ）で配列方向ＡＤに配列されており、電気光学結晶基板３３１はいわゆる周期分極反転構造を有している。このように配列方向ＡＤは本発明の「第１方向」に相当するものであり、本実施形態では空間光変調器３３に入射する光ビームの進む方向Ｚ（本発明の「第２方向」に相当）に対して角度θbだけ傾いた方向となっている。

また、電気光学結晶基板３３１では、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２の結晶軸は互いに反対の向きを有しており、次に説明するように第１電極３３３と第２電極３３５の間で電位差を発生させて電界を周期分極反転構造内で生じさせると、当該電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対となる。なお、ここで用いる電気光学結晶３３１はＬＮの他にリチウムタンタレート（ＬiＴaＯ_３：ＬＴ）などもあり、結晶軸は共に分極反転方向（電界を加える方位）がポッケルス定数（電気光学定数）の値の大きなｒ33のＺ軸方向となる。

また、第１分極部３３１１と第２分極部３３１２は結晶の軸方位（＋Ｚ）が逆であるが、元々均一な方位を持った結晶に例えば第２分極部に相当する部分（周期的）に電気光学結晶が固有に持っている分極反転電圧を一時的に印加するなどして部分的（周期的）に結晶の軸方位（＋Ｚ）を反転させて作る。この加工を施された結晶を用いる。故に本実施形態の場合、第１分極部３３１１は元々の結晶の軸方位であり、第２分極部は分極反転加工された軸方位となっている。

この実施形態では、図５および図６に示すように、複数（本実施形態では「５本」）の第１電極３３３はいずれも入射光ＬＩの進む方向Ｚと平行な方向に伸びるスラブ形状を有しており、入射光ＬＩの進む方向Ｚとほぼ直交する方向Ｘにおける電極幅ＥＷ1は格子周期ＲＣの約３倍となっている。また、このような形状を有する第１電極３３３は電気光学結晶基板３３１の上方主面３３２上でＸ方向に格子周期ＲＣより短い間隔ＥＷ2で平行に配列されている。一方、電気光学結晶基板３３１の下方主面３３４に対しては、当該下方主面３３４全体を覆うように第２電極３３５が配置されており、複数の第１電極３３３に対する共通電極として機能する。

このように構成された空間光変調器３３では、第２電極３３５は接地されるのに対し、複数の第１電極３３３は電位付与部３３６に接続され、露光制御部４１からの動作指令に応じてそれぞれ独立して電位付与部３３６から電位付与を受ける。このため、電気光学結晶基板３３１の周期分極反転構造内では、電位付与部３３６から所定電位Ｖ1（０Ｖ以外の電位）が付与された第１電極３３３に対応する領域でのみ第１電極３３３と第２電極３３５（共通電極）の間で生じる電界により分極方位に従った屈折率変化が発生して回折格子が形成される。しかも、この実施形態では、角度θbは上記のようにして形成される回折格子によりブラッグ回折が生じる条件を満足するように設定されている。したがって、例えば図６に示すように、５本の第１電極３３３のうち第２チャンネルに相当する第１電極３３３（２ｃｈ）に対してのみ電位Ｖ1を印加すると、当該第１電極３３３（２ｃｈ）に対応する周期分極反転構造の内部領域でのみ屈折率変化による回折格子が形成され、入射光ＬＩのうち第１電極３３３（２ｃｈ）と第２電極３３５の間を進む光ビームのみがブラッグ回折して水平面（ＸＺ平面）内で方向Ｚに対して角度（２θb）だけ傾いて空間光変調器３３からブラッグ回折光ＢＬとして出射する。一方、第１電極３３３への電圧印加を行わずに第１電極３３３と第２電極３３５の電位差がゼロであり、電界が発生しない場合には、両電極３３３、３３５間の屈折率分布は一様となっており、回折格子は形成されない。したがって、この場合の光ビームはそのまま真っ直ぐに電気光学結晶基板３３１内を直進して電気光学結晶基板３３１から０次光Ｌ０として出射する。このように５本の第１電極３３３に対する電位付与をそれぞれ制御することで５チャンネル分の光変調を行うことができる。また、回折効率１００％回折を起こす電圧よりも低い電圧を加える事で中間的な回折効率の変調（中間調変調・グレースケール変調）がおこなえる事は言うまでもない。

図４に戻って、光学ヘッド３の構成説明を続ける。上記のように構成された空間光変調器３３の出射側（図４の右手側）に、Y方向にのみ正のパワーを有するシリンドリカルレンズ３４、レンズ３５１、アパーチャ３５２１を有するアパーチャ板３５２、レンズ３５３がこの順序で配置されている。シリンドリカルレンズ３４はY方向にのみ正のパワーを有しており、空間光変調器３３からの０次光Ｌ０またはブラッグ回折光ＢＬは、図４（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３４にてY方向に関してほぼ平行な光とされ、正のパワーを有するレンズ３５１に入射する。

ここで、レンズ３５１の前側焦点は第１電極３３３の（＋Ｚ）側の端部近傍における電気光学結晶基板３３１内の位置とされ、レンズ３５１の後側焦点にアパーチャ３５２１が位置するようにアパーチャ板３５２が配置される。したがって、電気光学結晶基板３３１中で回折を受けず、レンズ３４を通過してＸ方向およびY方向の双方にほぼ平行とされる０次光Ｌ０は、図４（ｂ）中に細い実線にて示すように、レンズ３５１を介してアパーチャ３５２１に集光し、当該アパーチャ３５２１を通過してレンズ３５３に入射する。このレンズ３５３は、前側焦点がアパーチャ３５２１の近傍に位置し、後側焦点がステージ５に保持された基板Ｗの表面上となるように配置されており、０次光Ｌ０はレンズ３５３を介して基板Ｗの表面上に照射される。例えば図６（ａ）で示したように第２チャンネルの第１電極３３３（２ｃｈ）のみに電圧Ｖ1を付与したときには、他のチャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応する０次光Ｌ０が上記のようにして基板Ｗの表面上に照射されて各チャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応してスポット状に露光される。一方、ブラッグ回折光ＢＬは、図４（ｂ）中に破線にて示すように、光軸ＯＡに対して角度（２θb）だけ傾いて電気光学結晶基板３３１から出射されるため、アパーチャ３５２１から離れた位置、つまりアパーチャ板３５２の表面で遮蔽される。

このように、本実施形態では、レンズ３５１、アパーチャ板３５２およびレンズ３５３により、いわゆるシュリーレン光学系３５が構成されている。このシュリーレン光学系３５は両側テレセントリック光学系と同等の配置であり、図４に示すように、複数のチャンネルを有する光学ヘッド３で基板Ｗに露光する場合にも、その露光面（基板Ｗの表面）に対して各チャンネルの０次光ＬＯの主光線（図４中の２点鎖線）は垂直であり、露光面のピント方向Ｚの変動に対して倍率の変化を受けない。その結果、高精度な露光が可能となる。このように第１実施形態では０次光を用いて基板Ｗへのパターン描画を行っている。また、上記のように配置されたレンズ３４およびシュリーレン光学系３５が本発明の「光学系」として機能しており、空間光変調器３３からの光を基板Ｗの表面（被露光面、被描画面）に案内している。

なお、上記のように構成されたパターン描画装置１は装置全体を制御するためにコンピュータ８を有している。このコンピュータ８はＣＰＵやメモリ８１等を有しており、露光制御部４１とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。また、コンピュータ８内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部８２、伸縮率算出部８３、データ修正部８４およびデータ生成部８５が実現される。例えば１つのＬＳＩに相当するパターンのデータは外部のＣＡＤ等により生成されたデータであり、予めＬＳＩデータ８１１としてメモリ８１に準備されており、当該ＬＳＩデータ８１１に基づき次のようにしてＬＳＩのパターンが基板Ｗ上に描画される。

ラスタライズ部８２は、ＬＳＩデータ８１１が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ８１２を生成してメモリ８１に保存する。こうしてラスタデータ８１２の準備後、または、ラスタデータ８１２の準備と並行して、上記のようにしてカセットＣＳに収納されている未処理の基板Ｗがロボット７により搬出され、プリアライメント部ＰＡによるプリアライメント処理を受けた後にロボットによってステージ５に載置される。

その後、ステージ移動機構５１によりステージ５がカメラ６の直下位置に移動して基板Ｗ上の各アライメントマーク（基準マーク）を順番にカメラ６の撮像可能位置に位置決めし、カメラ６によるマーク撮像が実行される。カメラ６から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路（図３において図示省略）により処理され、アライメントマークのステージ５上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部５１Ｔが作動してステージ５を鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗへのパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）される。ここで、ステージ５を光学ヘッド３の直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。

図３に示す伸縮率算出部８３は、画像処理回路にて求められた基板Ｗ上のアライメントマークの位置、および基板Ｗの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、並びに、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｘに対する基板Ｗの伸縮率（すなわち、主面の伸縮率）を求める。

一方、データ修正部８４はラスタデータ８１２を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第４０２０２４８号に記載の方法を採用することができ、１つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ８１２がデータ生成部８５へと送られる。データ生成部８５では、変更後の分割領域に対応する描画データ、すなわち、１つのストライプに相当するデータが生成される。

こうして生成された描画データは、データ生成部８５から露光制御部４１へと送られ、露光制御部４１が電位付与部３３６、ヘッド移動機構３０およびステージ移動機構５１の各部を制御することにより１ストライプ分の描画が行われる。なお、露光動作については上記したとおり電位付与部３３６による電界発生制御により行われる。１つのストライプに対する露光記録が終了すると、次の分割領域に対して同様の処理が行われ、ストライプごとの描画が繰り返される。こうして、基板Ｗ上の全ストライプの描画が終了して基板Ｗの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ５は描画済み基板Ｗを載置したまま基板受渡位置（図１および図２の左側領域）に移動した後、基板搬送ロボット７により基板ＷがカセットＣＳへと戻され、次の基板Ｗが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセットＣＳに収納されている全ての基板Ｗに対するパターン描画が終了すると、カセットＣＳがパターン描画装置１から搬出される。

以上のように、上記実施形態によれば、５本の第１電極３３３が電気光学結晶基板３３１の周期分極反転構造内を進む入射光ＬＩの進行方向Ｚと略垂直なＸ方向に互いに離間して電気光学結晶基板３３１の一方主面３３２上に配列されている。各第１電極３３３は電位付与部３３６と電気的に接続されており、電位付与部３３６が第１電極３３３に印加する電圧を制御して第１電極３３３の各々と第２電極３３５の間での電界発生を制御し、第１電極３３３ごとに周期分極反転構造内での回折効率を変調している。このように本実施形態では、電位付与部３３６が本発明の「変調部」として機能しており、第１電極３３３と同数のチャンネル数で光変調を行うことが可能となっている。

しかも、本実施形態では、上記のようにして周期分極反転構造内で生じる回折格子がブラッグ回折の条件を満足するように、各第１電極３３３は配置されている。より詳しくは、本実施形態では、入射光ＬＩに対して第１分極部３３１１および第２分極部３３１２の配列方向ＡＤを角度（９０゜−θb）だけ傾けている。この角度θbは入射光ＬＩをブラッグ回折させる場合の回折角である。例えば、周期分極反転構造での格子周期ＲＣを１０μｍとし、入射光ＬＩの波長を６３５ｎｍとした場合、回折角θbを３．１８ｍｒａｄ（約１．８゜）に設定すると、周期分極反転構造内で生じる回折格子によってブラッグ回折光ＢＬが分離角２θb、つまり６３．５ｍｒａｄ（約３．６゜）で電気光学結晶基板３３１から出射する。このように、電位付与部３３６により電界発生を制御することでブラッグ回折光ＢＬを生じさせることができ、ブラッグ回折光ＢＬの回折効率は高く、その結果、高い消光比が得られる。また、この空間光変調器３３を用いて０次光Ｌ０を基板Ｗ（記録材料）に導いてＬＳＩデータに対応するパターンを描画することができ、描画品質を大幅に向上させることができる。

また、Ｘ方向における第１電極３３３の電極幅ＥＷ1が格子周期ＲＣより広く、例えば格子周期ＲＣの約３倍程度となるように各第１電極３３３は形成されている。このため、周期分極反転構造の製造に比べて第１電極３３３の製造は容易となり、しかも効果的な回折角が得られて高効率な光変調が可能となる。ただし、電極幅ＥＷ1が広くなるにしたがって露光幅は広がるため、基板Ｗへのパターン描画を高解像度に行うという観点からすれば、格子周期ＲＣの３〜５倍程度に設定するのが好ましい。

＜第２実施形態＞
ところで、第１実施形態では、第１電極３３３の電極幅ＥＷ1が格子周期ＲＣより広いが、Ｘ方向における第１電極３３３の電極幅ＥＷ1を細くしてもよい。

図７は本発明の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態では、同図に示すように、格子周期ＲＣと同程度の電極幅ＥＷ1を有し、光軸ＯＡと平行に延びる第１電極３３３を複数本、入射光ＬＩと略垂直となる方向Ｘに互いに離間しながら配列している。また、第２実施形態においても、各第１電極３３３ごとに独立して電圧印加するように構成しており、図示省略する電位付与部３３６からの電圧印加態様を制御することでチャンネル数および露光幅を細かく調整することが可能となっている。この第２実施形態では、１５本の第１電極３３３が設けられているが、同図（ａ）に示すように隣接する３本ごとに電圧印加を制御すると、５チャンネルで比較的細い露光幅が得られ、同図（ｂ）に示すように回折光ＢＬの位置を電極１本分シフトさせる制御をおこなうと露光位置を細かく設定できる。つまり、同図（ｃ）に示すように、第２チャンネル（２ｃｈ）の位置を電極単位で細かく制御することができる。なお、同図に示す実施形態では、１チャンネルを３分割した単位で制御可能となっている。もちろん、第１実施形態と同様に、周期分極反転構造内で生じる回折格子がブラッグ回折の条件を満足するように、各第１電極３３３は一方主面３３２上で配置されている。そして、電位付与部３３６から複数本単位（第２実施形態では、「３本」）で第１電極３３３への電圧印加を調整することで電界発生を制御してブラッグ回折光ＢＬを生じさせている。したがって、第１実施形態と同様に、ブラッグ回折光ＢＬの回折効率は高く、その結果、高い消光比が得られる。また、この空間光変調器３３を用いて０次光Ｌ０を基板Ｗ（記録材料）に導いてＬＳＩデータに対応するパターンを描画することができ、描画品質を大幅に向上させることができる。

＜第３実施形態＞
図８は本発明の第３実施形態を示す図である。この第３実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、第１電極３３３の配置である。すなわち、複数の第１電極３３３は、第１実施形態では入射光ＬＩの進む方向Ｚに対して略垂直な方向Ｘに配置されているのに対し、第３実施形態ではブラッグ回折光ＢＬの進む方向ＢＤ（本発明の「第２方向」に相当）に対して略垂直な方向ＮＤに互いに離間して配置されている。このように本発明の「第３方向」に相当する方向ＮＤに複数の第１電極３３３を離間して配置した場合も、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、第２実施形態においては、第１電極３３３はブラッグ回折光ＢＬの進む方向ＢＤに延設されている。

また、第３実施形態では、第１実施形態と同様に比較的幅広の第１電極３３３を用いて第１電極３３３と同数のチャンネル数で光変調を行うことが可能となっているが、第２実施形態と同様に比較的狭い第１電極３３３を用いる場合においても、第１電極３３３をブラッグ回折光ＢＬの進む方向ＢＤに対して略垂直な方向ＮＤに互いに離間して配置することで第２実施形態と同様の作用効果が得られる。

＜第４実施形態＞
図９は本発明の第４実施形態を示す図である。この第４実施形態はブラッグ回折光ＢＬを用いて基板Ｗの表面へのパターン描画を行う点で、０次光ＬＯを用いて露光記録を行う第１実施形態と大きく相違している。すなわち、第４実施形態の特徴部分は、図９に示すように、空間光変調器３３の出射側に設けられる光学系（シリンドリカルレンズ３４＋シュリーレン光学系３５）がＸＺ平面において入射光ＬＩの進む方向（空間光変調器３３の入射側の光軸ＯＡ）に対して角度２θbだけ傾斜して配置されている点である。

このように構成されたパターン描画装置では、同図（ａ）の破線にて示すように、空間光変調器３３でブラッグ回折されて空間光変調器３３の出射面からブラッグ回折光ＢＬはレンズ３５１を介してアパーチャ３５２１に集光し、当該アパーチャ３５２１を通過してレンズ３５３に入射する。そして、このレンズ３５３によりブラッグ回折光ＢＬはレンズ３５３を介して基板Ｗの表面上に照射される。例えば第１、３〜５チャンネルの第１電極３３３に電圧Ｖ1を付与したときには、これらのチャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応するブラッグ回折光ＢＬが上記のようにして基板Ｗの表面上に照射されて各チャンネル（１、３〜５ｃｈ）に対応してスポット状に露光される。一方、２チャンネルの光、つまり０次光ＬＯは、図９（ａ）中に実線にて示すように、光軸ＯＡと平行に電気光学結晶基板３３１から出射されるため、アパーチャ３５２１から離れた位置、つまりアパーチャ板３５２の表面で遮蔽される。

以上のように、第４実施形態においては、電位付与部３３６により周期分極反転構造内での電界発生を制御することでブラッグ回折光ＢＬを生じさせることができ、ブラッグ回折光ＢＬの回折効率は高く、その結果、高い消光比が得られる。また、この空間光変調器３３を用いてブラッグ回折光ＢＬを基板Ｗ（記録材料）に導いてＬＳＩデータに対応するパターンを描画することができ、描画品質を大幅に向上させることができる。

なお、上記第４実施形態では、図５および図６に示す空間光変調器３３が用いられているが、使用可能な空間光変調器３３はこれに限定されるものではなく、例えば図８に示す空間光変調器３３を用いてもよい。

＜第５実施形態＞
図１０は本発明の第５実施形態を示す図であり、空間光変調器３３の具体的構成を示している。同図に示す空間光変調器３３は電気光学結晶基板３３１内にスラブ導波路３３１４を設けている点で第１実施形態の空間光変調器３３（図５（ｂ）参照）と大きく相違する。すなわち、第５実施形態では、図１０（ａ）に示すように、電気光学結晶基板３３１の一方主面３３２全体に対してアニールプロトン交換法による処理が施されている。これにより、光の進行方向であるＺ方向に垂直な電気光学結晶基板３３１の断面において一方主面３２２の位置（同図の上方位置）から（−Ｙ）方向に離れるに従って屈折率（第１電極３３３と第２電極３３５間に電界が生じていない状態における屈折率）が小さくなる屈折率分布が、電気光学結晶基板３３１の全体において同様に形成される。なお、図１０では光が進む方向Ｚに対して垂直な断面に対してグラデーションを付して一方主面３３２から（−Ｙ）側に離れるに従って屈折率が漸次小さくなっていることを示している。このように構成することで、入射面３３１ａを介して電気光学結晶基板３３１の周期分極反転構造に入射した光ＬＩは、一方主面３３２近傍の屈折率が高い部分（薄い板状の部位）のみを通過してＺ方向に導かれる。このように、図１０（ａ）の空間光変調器３３では、電気光学結晶基板３３１の一方主面３３２近傍の部位がスラブ導波路となっている。したがって、電気光学結晶基板３３１内を伝播している途中での光損失はごく僅かなものとなり、光を効率よく伝播させることができる。

また光損失をさらに低減させるためには、例えば同図（ｂ）に示すように第１電極３３３を電気光学結晶基板３３１の一方主面３２２から距離Ｈ１（１μｍ弱程度の僅かな距離）だけ離間させて空気層を形成したり、同図（ｃ）に示すように電気光学結晶基板３３１の一方主面３２２と第１電極３３３の間にＳｉＯ２などの薄膜層３３７を介在させてもよい。このように構成された空間光変調器３３では、金属製の第１電極３３３での光（エバネッセント波）の吸収がなく、その結果、光損失を低減させることができる。

また、同図（ｄ）に示すように、Ｙ方向において電気光学結晶基板３３１の中央部にスラブ導波路３３１４を設けることで屈折率分布がスラブ導波路３３１４を中心に（＋Ｙ）方向および（−Ｙ）方向でほぼ対称となり、電気光学結晶基板３３１内を伝播している途中での光損失をさらに低減させることができる。なお、同図（ｄ）の電気光学結晶基板３３１については、次のようにして作成することができる。上記したように電気光学結晶基板３３１の両主面に対してアニールプロトン交換法による処理を施すと、各主面の近傍にスラブ導波路３３１４が形成される。そして、Ｙ方向における電気光学結晶基板３３１の中央部に沿って同基板３３１を２つに分割した後、スラブ導波路３３１４同士を貼り合わせるることで同図（ｄ）に示すようにＹ方向の中央部にスラブ導波路３３１４を有する電気光学結晶基板３３１が得られる。このようにして形成された電気光学結晶基板３３１を用いることで空間光変調器３３での光損失を大幅に低減させることができる。

さらに、図５に示す電気光学結晶基板３３１をＹ方向にさらに薄く、例えば５μｍ以下に薄膜化することで電気光学結晶基板３３１そのものを全体的にスラブ導波路化してもよい。この場合、光損失は図１０に示す電気光学結晶基板３３１よりも大きくなるが、第１電極３３３と第２電極３３５の距離が縮まり、周期分極反転構造内で発生する電界の強度が増大して電気光学効果も高まる。その結果、低電圧で光変調を行うことができる。

＜第６実施形態＞
図１１は本発明の第６実施形態を示す図である。また、図１２は図１１に示すパターン描画装置で用いられた空間光変調器を示す図である。さらに、図１３は第１実施形態と第６実施形態の対比図である。この第６実施形態にかかる空間光変調器３３が第１実施形態と相違するのは、電気光学結晶基板３３１に形成される周期分極反転構造と、空間光変調器３３とシリンドリカルレンズ３４との間にスリット板３６が配置されている点であり、その他の構成は基本的に第１実施形態と同一である。以下、その相違点を中心に説明する。

第６実施形態で用いられているスリット板３６には、Ｘ方向に延びるスリット３６１が形成されており、当該スリット３６１を介して０次光ＬＯが通過可能となっている。一方、第６実施形態では次に説明するように第１分極部３３１１および第２分極部３３１２が傾斜した周期分極反転構造を有しているために電気光学結晶基板３３１の中央部から一方主面３３２や他方主面３３４側に傾いて出射されるブラッグ回折光ＢＬや次に説明する再結合光はスリット板３６に遮蔽される。

次に、第１実施形態と第６実施形態での周期分極反転構造の相違点、ならびに第６実施形態における特有の作用効果について図１２および図１３を参照しつつ説明する。第１実施形態では図５に示すように、互いに隣接配列された第１分極部３３１１および第２分極部３３１２の境界面３３１５が電気光学結晶基板３３１の一方主面３３２および他方主面３３４に対して直交している、つまり入射光ＬＩが第１分極部３３１１および第２分極部３３１２に対して垂直入射するように構成されている。このため、図１３の「第１実施形態」の欄に示すように、ブラッグ回折の回折面は一方主面３３２および他方主面３３４と平行で、かつ両者のほぼ中間に位置している。したがって、電気光学結晶基板３３１に入射した入射光ＬＩがブラッグ回折されると、そのブラッグ回折光ＢＬは回折面に沿って進み、再結合が生じる。この再結合光は回折面に沿って、しかも入射光ＬＩと平行に進んで電気光学結晶基板３３１から出射する。このような再結合光は消光比を低減させる要因となるため、これを抑制することが消光比を高めて高コントラストを得る上で重要となる。

これに対し、第６実施形態では図１２に示すように、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２を傾斜させる、より具体的には第１分極部３３１１および第２分極部３３１２の境界面３３１５が電気光学結晶基板３３１の一方主面３３２および他方主面３３４に対して傾斜するように第１分極部３３１１および第２分極部３３１２が形成されている。このため、入射光ＬＩは第１分極部３３１１および第２分極部３３１２に対して斜入射し、ブラッグ回折の回折面は図１３の「第６実施形態」の欄に示すように、境界面３３１５の傾斜角に対応して傾斜している。したがって、入射光ＬＩがブラッグ回折されると、そのブラッグ回折光ＢＬは回折面に沿って一方主面３３１１（傾斜態様によっては他方主面３３１２）側に進む。このため、回折に必要な光の結合が生じにくくなり、再結合光の発生量は第１実施形態に比べて低減される。さらに、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２の傾斜角（つまり両主面３３２、３３４に対する境界面３３１５の傾斜角）を適切に設定することで再結合を防止して再結合光の発生自体を排除することができる。

以上のように、第６実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果が得られるのみならず、第１分極部３３１１および第２分極部３３１２を傾斜させることによって再結合光の発生を抑制、さらには防止することができ、より高い消光比が得られる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記第１、第２、第４〜第６実施形態では第１電極３３３が入射光ＬＩの進む方向Ｚに延設されているが、同実施形態において、第１電極３３３の形状については第１電極３３３の配列方向Ｘにおいて隣接するチャンネル同士が重なり合わない限り任意である。また、第３実施形態ではブラッグ回折光ＢＬが進む方向にＢＤに第１電極３３３が延設されているが、同実施形態において、第１電極３３３の形状については第１電極３３３の配列方向ＮＤにおいて隣接するチャンネル同士が重なり合わない限り任意である。

また、上記実施形態では、本発明にかかる空間光変調器３３を装備した光学ヘッド３にヘッド移動機構３０を設けて基板Ｗと光学ヘッド３との距離を調整しているが、ステージ移動機構５１に昇降駆動部を設けて上記距離を調整可能としてもよい。また、上記光学ヘッド３に対して基板Ｗを相対移動させる構成は上記実施形態に限定されるものではない。つまり、空間光変調器３３から出射される複数の光をステージ５に保持された基板Ｗに照射する位置を基板Ｗに対して相対的に移動しつつ描画（ＬＳＩ）データに応じて空間光変調器３３を制御してパターンを描画するパターン描画装置全般に本発明を適用することができる。

また、パターンを描画する記録材料は、プリント配線基板や半導体基板等の感光性材料が塗布された、あるいは、感光性を有する他の材料であってもよく、光の照射による熱に反応する材料であってもよい。

さらに、上記のように構成された空間光変調器３３はパターン描画以外の用途に用いられてもよく、この場合、光の照射の対象物も記録材料以外であってもよい。

１…パターン描画装置
３１…光源部
３２…照明光学系
３３…空間光変調器
３４…シリンドリカルレンズ（光学系）
３５…シュリーレン光学系（光学系）
３３１…電気光学結晶基板
３３１１…第１分極部
３３１２…第２分極部
３３１３…分極対
３３１４…スラブ導波路
３３１５…境界面
３３１ａ…入射面
３３２…（電気光学結晶基板の）一方主面
３３４…（電気光学結晶基板の）他方主面
３３６…電位付与部（変調部）
３３７…薄膜層
ＡＤ…配列方向（第１方向）
ＢＤ…ブラッグ回折光の進む方向（第２方向）
ＢＬ…ブラッグ回折光
ＬＩ…入射光
ＮＤ…配列方向（第３方向）
ＯＡ…光軸
ＲＣ…格子周期
Ｗ…基板
Ｘ…配列方向（第３方向）
Ｚ…入射光の進む方向（第２方向）

Claims (2)

1. 電界を受けて発生する分極の向きが互いに反対である第１分極部および第２分極部を交互に所定周期で第１方向に配列した周期分極反転構造を有し、前記第１方向に対して傾斜した第２方向に沿って進む光が前記周期分極反転構造を介して通過する電気光学結晶基板と、
   前記電気光学結晶基板の一方主面上に設けられた複数の第１電極と、
   前記電気光学結晶基板の他方主面上に設けられた第２電極と、
   前記複数の第１電極と前記第２電極の間での電界発生をそれぞれ制御することで前記周期分極反転構造内の複数領域でそれぞれ回折効率を変化させて各領域を進む光を変調する変調部とを備え、
   前記複数の第１電極は前記周期分極反転構造内を進む光の進行方向と略垂直な第３方向に互いに離間して配列され、
   前記第１電極の前記第３方向における幅は前記所定周期と略同等であり、
   前記変調部は前記複数の第１電極ごとに独立して電圧を印加することを特徴とする空間光変調器。
2. 前記変調部は、前記第１電極の隣接する３以上の複数本の前記第１電極を一単位として制御し、前記一単位の前記第１電極の位置を前記第３方向において前記第１電極１本分シフトさせて回折光の位置を調整する請求項１に記載の空間光変調器。

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