JP6479501B2 - 光学デバイスおよび露光装置 - Google Patents

Description

この発明は、進行方向に進む光を露光データに応じて変調して変調光を出射する光学デバイスおよび当該光学デバイスを用いて露光処理を行う露光装置に関するものである。

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

特開２０１０−１５２２１２号公報

上記光変調器では、複数のチャンネルで多段階の光変調が可能となっている。より詳しくは、各チャンネルに対応して電気光学結晶基板上に短冊状の電極がに設けられており、各電極に与える電圧を制御データに応じて例えば２５６階調に階調制御することで各チャンネルの光強度を制御する。ところが、空間光変調器に入射する光の幅方向の光量分布は一様でなく、不均一になるか、あるいは単純な照明光学系では中央付近で盛り上がった状態となることがある（図５の破線参照）。その結果、空間光変調器から出力される各チャンネルでの変調光の光量が均一にならず、画像記録装置により画像を高精度に記録することができなかった。

このような変調光の光量が所望値からずれて露光されるという問題は、単チャンネルの光変調を行う光学デバイスでも生じるものであり、露光データに応じて光変調を行う技術分野においては、チャンネル数を問わず、変調光の光量を調整可能な光学デバイスの提供が要望されている。しかしながら、現状では光学デバイスにおいて、制御データに応じた光変調機能と光量調整機能とを兼ね備えた光学デバイスは存在していなかった。

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光変調機能と光量調整機能とを兼ね備え、高精度な露光を可能とする光学デバイスおよび当該光学デバイスを用いた露光装置を提供することを目的とする。

この発明の一態様は、進行方向に進む光を露光データに応じて変調して変調光を出射する光学デバイスであって、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分極対を第１周期で進行方向に対して直交または傾斜する第１配列方向に配列した第１周期分極反転構造を有し、光が第１周期分極反転構造を介して通過する第１変調部と、進行方向において第１変調部に隣接して設けられ、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２分極対を第２周期で進行方向に対して直交または傾斜する第２配列方向に配列した第２周期分極反転構造を有し、光が第２周期分極反転構造を介して通過する第２変調部と、第１変調部への入射光、第１変調部からの出射光、第２変調部への入射光および第２変調部からの出射光のうちの少なくとも１つの光量に基づいて第１変調部に与える電圧によって第１変調部に回折格子を形成するとともに回折格子の回折効率を調整して変調光のシェーディング補正を行って変調光の光量を調整し、露光データに基づいて第２変調部に与える電圧によって第２変調部に回折格子を形成して露光データに対応する光変調を行う駆動部とを備えることを特徴としている。

この発明の他の態様は、露光装置であって、上記光学デバイスと、光を出射する光源と、光学デバイスに入射または光学デバイスから出射する光の光量を検出する検出器と、を備え、駆動部は、検出器の検出値に基づいて第１変調部に与える電圧を決定することを特徴としている。

以上のように、本発明によれば、第１周期分極反転構造を有する第１変調部と、第２周期分極反転構造を有する第２変調部とが進行方向において互いに隣接して設けられている。そして、第２変調部に対し、露光データに基づいて電圧が与えれることで第２変調部に回折格子が形成され、第２変調部に入射される光が露光データに応じて光変調されて第２変調部から進行方向に出射される。この第２変調部に対し、進行方向において第１変調部が設けられ、第２変調部に入射される前または第２変調部から出射された後で、第１変調部に形成される回折格子によって光量調整が行われる。これによって、露光データに応じて変調された変調光を所望の光量で光学デバイスから出射させることができる。また、このような変調光を用いて露光処理を行うことで高精度な画像形成を行うことが可能となる。

本発明にかかる光学デバイスの一実施形態を装備する露光装置の一例を模式的に示す斜視図である。 光量調整を行うための変調部の構成を模式的に示す斜視図である。 図２Ａに示す変調部の部分拡大図である。 光変調を行うための変調部の構成を模式的に示す斜視図である。 図３Ａに示す変調部の部分拡大図である。 図１に示す露光装置の電気的構成および動作概要を模式的に示す図である。 空間光変調器の入射面に入射する光の光量分布の一例を示す図である。 本発明にかかる露光装置の比較装置の電気的構成および動作概要を模式的に示す図である。 比較装置における電圧と光量との関係を示す図である。 本実施形態における電圧と光量との関係を示す図である。 本発明を適用可能な描画装置の一例を示す正面図である。 図８の描画装置の平面図である。 図８の描画装置の電気的構成を示すブロック図である。

図１は、本発明にかかる光学デバイスの一実施形態を装備する露光装置の一例を模式的に示す斜視図である。同図では、露光装置２の光軸ＯＡが一点鎖線で示され、光の経路が破線で示され、光の断面が梨地で示されている。同図に示すように、露光装置２は、本発明にかかる光学デバイスの一実施形態である空間光変調器４により変調した光を露光対象である基板Ｗに照射する。この露光装置２では、光源６からの光が照明光学系８を介して空間光変調器４の入射面４ａに入射する。そして、空間光変調器４が光量調整および光変調を行い、変調光を出射面４ｂから出射する。さらに、この変調光は投影光学系１０を介して基板Ｗに照射される。

光源６は、所定の波長（例えば、８３０、６３５、４０５、あるいは、３５５ナノメートル（ｎｍ））のレーザ光を出射する半導体レーザなどにより構成されている。例えば、３５５ｎｍのレーザ光を用いる場合は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの３倍高調波を用いる固体レーザ光源を使用することができる。

照明光学系８は、光源６から出射された光を空間光変調器４の入射面４ａの形状に合わせてＹ方向に伸びる光Ｌ１を形成する。そして、この光Ｌ１が空間光変調器４の入射面４ａに入射する。

この空間光変調器４は、薄板形状またはスラブ形状を有する電気光学結晶基板４ｃを備えている。この電気光学結晶基板４ｃは、例えばリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶やリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）単結晶などの強誘電体基板で構成されている。そして、空間光変調器４のうち入射面側半分の領域に変調部１２が形成され、出射面側半分の領域に変調部１４が形成されている。以下、変調部１２、１４をそれぞれ「第１変調部」および「第２変調部」と称する。

これらの変調部１２、１４は光軸ＯＡに平行な光進行方向Ｚに並べて設けられており、入射面４ａを介して入射された光Ｌ１は第１変調部１２および第２第２変調部１４の順で通過する。また、電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄでは第１変調部１２側に複数の第１電極（図２Ａおよび図２Ｂ中の符号１６）が設けられるとともに第２変調部１４側に複数の第２電極（図３Ａおよび図３Ｂ中の符号１８）が設けられ、裏面４ｅには電気光学結晶基板４ｃを挟んで上記第１電極および第２電極に対向して対向電極（図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ中の符号２０）が設けられている。そして、次に説明するように露光装置２全体を制御する露光制御部（図４中の符号２２）からの各種信号に基づいて駆動部（図４中の符号２４）から第１電極および第２電極に電圧が印加されて変調部１２、１４の各々で回折格子が形成される。変調部１２、１４は回折格子の回折効率を変化させて光を偏向する点で共通するが、第１変調部１２は回折効率の多段階切替によるシェーディング補正によって光量調整を行うのに対し、第２変調部１４はＯＮ／ＯＦＦ切替による光変調を行っており、機能は相互に相違している。以下、図２Ａおよび図２Ｂを参照しつつ第１変調部１２の構成および動作を説明し、また図３Ａおよび図３Ｂを参照しつつ第２変調部１４の構成および動作を説明する。

図２Ａは光量調整を行うための変調部の構成を模式的に示す斜視図であり、図２Ｂは図２Ａに示す変調部の部分拡大図である。また、図４は図１に示す露光装置の電気的構成および動作概要を模式的に示す図である。この第１変調部１２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１２１および第２分極部１２２が交互に進行方向Ｚと直交する配列方向Ｙで配列されている。この第１変調部１２は、第１分極部１２１および第２分極部１２２からなる分極対１２３が周期Λ１で配列された分極反転構造１２４を有している。なお、この実施形態では、第１分極部１２１および第２分極部１２２はいずれも進行方向Ｚと平行に延びる帯状形状を有し、進行方向Ｚと直交する配列方向Ｙにおいて同一幅を有している。この点については、第２変調部１４においても同様である。

第１変調部１２の表面１２５（電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄの入射面側領域）には、３本の第１電極１６が配列方向Ｙに所定間隔だけ離間して並設されており、それぞれ独立して駆動部２４から電圧印加を受ける。また、第１変調部１２の裏面１２６（電気光学結晶基板４ｃの裏面４ｅの入射面側領域）上には、対向電極２０が設けられ、接地されている。このため、第１変調部１２の分極反転構造１２４内では、駆動部２４から第１電圧が印加された第１電極１６に対応する領域でのみ第１電極１６と対向電極２０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。このような領域（本発明の「第１領域」の一例に相当）は第１電極１６毎に存在する。そして、後で詳述するように第１電圧の値を変更することで回折格子の回折効率が変化し、上記領域をそのまま進んで第１変調部１２から出射する０次光（非回折光）Ｌ２の光量も変化する。本実施形態では、３本の第１電極１６に印加する第１電圧をそれぞれ制御することで３チャンネル分の光Ｌ２の光量調整を独立して行い、光Ｌ２の全部について光量を均一に調整することが可能となっている。このように第１変調部１２は光量調整機能を有している。なお、上記のように構成された第１変調部１２では、第１電圧印加によって周期分極反転構造１２４内で形成される回折の傾向はラマン‐ナス回折型となっている。

図３Ａは光変調を行うための変調部の構成を模式的に示す斜視図であり、図３Ｂは図３Ａに示す変調部の部分拡大図である。この第２変調部１４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１４１および第２分極部１４２が交互に進行方向Ｚと直交する配列方向Ｙで配列されている。この第２変調部１４は、第１分極部１４１および第２分極部１４２からなる分極対１４３が周期Λ２で配列された分極反転構造１４４を有している。

第２変調部１４の表面１４５（電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄの出射面側領域）には、６本の第２電極１８が配列方向Ｙに所定間隔だけ離間して並設されており、それぞれ独立して駆動部２４から電圧印加を受ける。また、第２変調部１４の裏面１４６（電気光学結晶基板４ｃの裏面４ｅの出射面側領域）上に対向電極２０が延設されている。このように対向電極２０は変調部１２、１４の共通電極として機能する。そして、第２変調部１４の分極反転構造１４４内では、駆動部２４から第２電圧（０［Ｖ］以外の電圧）が印加された第２電極１８に対応する領域でのみ第２電極１８と対向電極２０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。このような領域（本発明の「第２領域」の一例に相当）は第２電極１８毎に存在する。そして、後で詳述するように露光データに応じて所定の第２電圧を第２電極１８に印加することで電圧印加を受けた領域内で回折格子が形成される。この場合、上記領域を進む光Ｌ２が分極反転構造１４４内で回折され、回折光として第２変調部１４から出射される。一方、第２電極１８への電圧印加を行わない領域では電界は発生せず、当該領域を進む光はそのまま真っ直ぐに分極反転構造１４４内を直進して第２変調部１４から０次光（非回折光）として出射する。このように６本の第２電極１８に対する電圧印加をそれぞれ制御することで６チャンネル分の光変調を行い、６本の変調光Ｌ３を基板Ｗに向けて出射することが可能となっている。つまり、第２変調部１４は光変調機能を有している。なお、上記のように構成された第２変調部１４では、第２電圧印加によって周期分極反転構造１４４内で形成される回折の傾向はラマン‐ナス回折型となっている。

また、第１変調部１２で回折した光が第２変調部１４に入射して空間光変調器４から出射すると、これが消光比を低下させる要因となる。そこで、本実施形態では、次式、
Λ１＜Λ２ … 式（１）
Λ１＝ｎ×Λ２… 式（２）
ただし、ｎは２以上の自然数
が満足されるように変調部１２、１４は構成されている。

図１に戻って、露光装置２の説明を続ける。空間光変調器４の出射側に設けられた投影光学系１０では、レンズ１０ａ、アパーチャ１０ｂおよびレンズ１０ｃがこの順番で配置されている。レンズ１０ａの前側焦点は、空間光変調器４の出射面４ｂの位置に設定され、レンズ１０ａの後側焦点にアパーチャ１０ｂが設けられており、空間光変調器４の出射面４ｂから光軸ＯＡ（光進行方向Ｚ）に平行に出射された変調光Ｌ３はアパーチャ１０ｂを通過してレンズ１０ｃに入射する。さらに、レンズ１０ｃの前側焦点はアパーチャ１０ｂの位置に設定され、レンズ１０ｃの後側焦点はステージ（図示省略）に保持された基板Ｗの表面上に設定されており、変調光Ｌ３はレンズ１０ｃを介して基板Ｗの表面上に照射される。これに対して、空間光変調器４から出射された回折光は、光軸ＯＡに対して傾いた状態で空間光変調器４から出射されるため、アパーチャ１０ｂを通過できずに遮蔽される。

なお、本実施形態では、上記した第１変調部１２によるシェーディング補正を高精度に行うために、図１および図４に示すように、キャリブレーション光学系２８が設けられている。このキャリブレーション光学系２８は、フォトダイオードなどで構成される光検出器３０と、基板Ｗ上に露光されて形成される像を光検出器３０の検出面（図示省略）上に結像する結像レンズ３２とで構成されている。この像には、Ｙ方向に長く、チャンネル毎に第２変調部１４から出射された変調光Ｌ３を投影光学系１０により基板Ｗ上に露光することで形成されるスポット像を含んでいる。そこで、キャリブレーション光学系２８をＹ方向に移動させる移動機構（図示省略）が設けられている。そして、キャリブレーション光学系２８は移動され、一のスポットを撮像して変調光Ｌ３の光量を取得し、その光量に関連する光量情報を露光制御部２２に出力する。この移動および光量取得を繰り返すことで露光制御部２２は６チャンネル分の光量情報を取得可能となっている。

露光制御部２２はそれらの光量情報に基づきシェーディング補正のための階調信号、つまりシェーディング補正用階調信号を作成し、図４に示すように、上記した変調部１２、１４を駆動する駆動部２４に与える。また、露光制御部２２は、上記シェーディング補正用階調信号以外に、シェーディング補正のＯＮ／ＯＦＦ切替を行うためのシェーディングタイミング信号を駆動部２４に与えて上記した光量調整を第１変調部１２で実行させ、また第２電極１８に印加するための第２電圧と、露光データに基づく光変調のＯＮ／ＯＦＦ切替を行うためのＯＮ／ＯＦＦ変調信号とを駆動部２４に与えて上記した光変調を第２変調部１４で実行させる。

駆動部２４は、光量調整を行うための第１印加電圧を第１電極１６に印加する第１電圧印加回路３４と、光変調のための第２電圧を第２電極１８に印加する第２電圧印加回路３６とを有している。第１電圧印加回路３４は第１電極１６毎に設けられるとともに、第２電圧印加回路３６は第２電極１８毎に設けられており、本実施形態における第１電圧印加回路３４および第２電圧印加回路３６の個数はそれぞれ「３」および「６」である。

各第１電圧印加回路３４は、デジタル／アナログ（以下「Ｄ／Ａ」と略する）変換器３４ａ、アンプ３４ｂおよびＯＮ／ＯＦＦスイッチ３４ｃを有している。Ｄ／Ａ変換器３４ａには露光制御部２２からシェーディング補正用階調信号が与えられ、当該Ｄ／Ａ変換器３４ａによってアナログ信号に変換された後、アンプ３４ｂにより増幅されて第１電圧が作成される。この第１電圧の第１電極１６への印加／印加停止を、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３４ｃが露光制御部２２から与えられるシェーディングタイミング信号に応じて切り替える。なお、本実施形態では、露光制御部２２はシェーディング補正用階調信号を１１ビットの階調で作成し、第１電圧を例えば２０［Ｖ］ないし５０［Ｖ］の範囲で変更可能となっている。また、第１電圧印加回路３４により第１電圧を第１電極１６に与えることで第１変調部１２で行われる変調は比較的低速であり、１０［ｋＨｚ］ないし１００［ｋＨｚ］程度にとどまる。というのも、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３４ｃは高速で切替可能であるが、上記したようにシェーディング補正を行うためには階調制御が必要だからである。つまり、階調制御のためのＤ／Ａ変換の応答速度はスイッチ切替のそれに比べて遅く、これが階調制御を律速してしまう。これに加え、第１電圧が比較的高いために高速駆動が難しいという要因もある。ただし、第１電圧が高いため、ノイズレベル（通常２０［ｍＶ］程度）に対し、階調分解能を決める電圧が高くなり、安定した階調分解能が得られるという作用効果が奏せられる。

各第２電圧印加回路３６はＯＮ／ＯＦＦスイッチ３６ａを有している。このＯＮ／ＯＦＦスイッチ３６ａには、露光制御部２２から第２電圧と１ビットのＯＮ／ＯＦＦ変調信号とが入力されている。そして、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３６ａがＯＮ／ＯＦＦ変調信号に応じて第２電圧の第２電極１８への印加／印加停止を切り替える。本実施形態では、露光制御部２２は第１電圧よりも低い電圧、例えば２［Ｖ］ないし１０［Ｖ］の範囲内で固定化された電圧を第２電圧としてＯＮ／ＯＦＦスイッチ３６ａに与えている。このため、第２変調部１４で行われる変調は第１変調部１２に比べて高速であり、１０［ＭＨｚ］ないし５０［ＭＨｚ］程度である。

このように構成された露光装置２では、装置外部から与えられる露光データおよびメモリ（図示省略）に予め記憶されている露光プログラムにしたがって露光装置２の露光制御部２２が装置各部を制御して基板Ｗに対する露光処理を実行するが、その露光処理前にキャリブレーション処理を実行してもよい。というのも、光源６から出射した光は照明光学系８によりＹ方向に伸びる光Ｌ１に整形され、空間光変調器４の入射面４ａに入射するが、光Ｌ１の幅方向の光量分布は一様でなく、例えば図５中の破線で示すように光軸ＯＡ付近で盛り上がっていることが多いからである。

このキャリブレーション処理では、キャリブレーション用の基板Ｗを所定の露光位置にセットした後、全チャンネルのシェーディングタイミング信号をＯＦＦ状態とするとともに全チャンネルのＯＮ／ＯＦＦ変調信号をＯＦＦ状態とする。これらの状態で光源６を点灯させると、光Ｌ１は空間光変調器４を通過し、投影光学系１０により基板Ｗ上に露光される。露光制御部２２は、光源６を一定時間点灯させ続けたまま、キャリブレーション光学系２８をＹ方向に走査させる。この走査中に光検出器３０から出力される検出信号を露光制御部２２は連続的あるいは断続的に受け取り、基板Ｗに形成される像の明るさを検出する。これによって、露光制御部２２は、露光された領域の中央領域の光量と、それを挟む両側領域の光量から光Ｌ１の光量分布特性を求める。なお、第１変調部１２の電気光学結晶基板４ｃ内において光Ｌ１が透過するチャンネルを３つに分け、それらをＹ方向の上流側から順に「第１チャンネルＣＨ１」、「第２チャンネルＣＨ２」および「第３チャンネルＣＨ３」と称すると、上記中央領域および両側領域はそれぞれ第１変調部１２の電気光学結晶基板４ｃのうち、第２チャンネルＣＨ２、第１チャンネルＣＨ１および第３チャンネルＣＨ３に相当する領域である。

こうして光の光量分布特性が求まると、基板Ｗを搬送する搬送ロボットによって、あるいはオペレータ操作によってキャリブレーション用基板を取り外した後で露光対象の基板Ｗをセットする。それに続いて、露光制御部２２は光源６を点灯させた後で上記光量分布特性に応じて各第１電極１６に与える第１電圧を制御して光量を所望の階調に調整しながら、露光データに基づいて各第２電極１８への第２電圧の印加を制御して光変調を行う。

以上のように、本実施形態によれば、第２変調部１４で露光データに基づく光変調を行うとともに、第２変調部１４に対して光源６側で隣接される第１変調部１２でシェーディング補正を行っている。このため、第２変調部１４に入射される光は均一な光量を有し、その結果、第２変調部１４から出射される各チャンネルｃｈ１〜ｃｈ６の変調光Ｌ３の光量を一定に整えて露光処理を行う、いわゆるバイナリーＯＮ／ＯＦＦ変調を高精度に行うことができる。

また、本実施形態では、第１変調部１２および第２変調部１４を１つの電気光学結晶基板４ｃに形成している。これらの変調部１２、１４については互いに異なる電気光学結晶基板に形成して空間的に分離した形で配置してもよいが、結合ロスの抑制の観点から本実施形態のように単一の電気光学結晶基板４ｃに形成するのが好適である。また、このように変調部１２、１４を分離した場合、それらの間にレンズや導波路などの光学素子を設ける必要がある。したがって、光学素子の削減や透過損の抑制という観点からも本実施形態は優れており、安定的に高い光量で露光処理を行うことが可能となっている。さらに、空間光変調器（光学デバイス）４の小型化にも寄与する。

また、本実施形態では、変調部１２、１４における回折の傾向がいずれもラマン−ナス回折型となるように構成するとともに、上記式（１）および式（２）が満足されるように構成されている。このため、高い消光比で光変調を行うことができる。

また、本実施形態では、第１変調部１２で光量調整を行うとともに第２変調部１４で光変調を行うように構成している。つまり、光量調整機能と光変調機能を分離した形で実行している。このため、次のような作用効果を有している。

空間光変調器４に入射する光Ｌ１の光量が幅方向Ｙにおいて不均一である（例えば図５中の破線参照）ことに起因する問題を解決する手段として、例えば特許文献１に記載の光変調器と、図６に示す構成を有する駆動部３８とを組み合わせた露光装置（以下「比較装置」という）が考えられる。この特許文献１に記載の光変調器は、図６に示すように、上記第２変調部１４と同様に構成されている。そして、第１変調部１２と同様に、電極１８に対して印加する電圧を階調制御することでチャンネルｃｈ１〜ｃｈ６毎に変調光Ｌ３の光量を調整することができる。そこで、第１電圧印加回路３４と同じ構成を有する第３電圧印加回路が第２電極１８毎に設けられた駆動部３８を設け、この駆動部３８により空間光変調器４を駆動する、つまり単一の変調部１４が光量調整機能と光変調機能とを兼ね備えるように構成することで、上記実施形態と同様に、バイナリーＯＮ／ＯＦＦ変調を高精度に行うことができる。

しかしながら、図６に示す比較装置における電圧と光量との関係を示す特性曲線は、図７Ａに示すように、チャンネル毎に異なる。つまり、複数のチャンネルｃｈ１〜ｃｈ６のうち中央部のチャンネルｃｈ３、ｃｈ４に対する特性曲線は符号Ｃ３４で示した通りであり、最も中央部から離れたチャンネルｃｈ１、ｃｈ６に対する特性曲線は符号Ｃ１６で示した通りであり、中間のチャンネルｃｈ２、ｃｈ５に対する特性曲線は符号Ｃ２５で示した通りである。各チャンネルｃｈ１〜ｃｈ６に入射された時点での光の光量が相違しているため、それを反映して電極１８に電圧を印加しない、つまりＯＦＦ状態での各チャンネルｃｈ１〜ｃｈ６からの変調光Ｌ３の光量（以下「ＯＦＦ状態光量」という）が本来的に相違している。そのため、ＯＦＦ状態光量が最も少ないチャンネルｃｈ１、ｃｈ６に合わせて階調制御を行うという制限が生じる。したがって、当該制限がない場合には、チャンネルｃｈ２〜ｃｈ５においても、チャンネルｃｈ１、ｃｈ６と同様に、電圧可動範囲Ｖ１６で階調制御を行うことができるが、上記制限によってチャンネルｃｈ２、ｃｈ５では電圧可動範囲Ｖ２５に狭まり、さらにチャンネルｃｈ３、ｃｈ４では電圧可動範囲Ｖ３４に狭まっている。その結果、全チャンネルｃｈ１〜ｃｈ６について階調制御を行うためには、電圧可動範囲Ｖ３４となり、分解能が低下するという問題がある。

これに対し、上記実施形態では、各チャンネルｃｈ１〜ｃｈ６に入射された時点での光の光量は均一であるため、図７Ｂに示すように、いずれのチャンネルｃｈ１〜ｃｈ６とも特性曲線は曲線ＣＣにほぼ一致し、ＯＦＦ状態光量が同一であるため、広い電圧可動範囲Ｖ１６で階調制御することができる。その結果、比較装置に比べて高い分解能が得られ、より高精度な制御を行うことができる。

また、比較装置では、階調制御と変調制御とを同一の第３電圧印加回路で行うため、動作速度はＤ／Ａ変換器３８ａの階調制御に律速されてしまう。一方、上記実施形態では、上記したように階調制御と変調制御とを分離し、光変調を行う第２変調部１４を駆動するための第２電圧印加回路３６をＯＮ／ＯＦＦスイッチ３６ａのみで構成しているため、高速変調が可能となっている。また、回路構成がシンプルであるため、比較装置に比べてチャンネル数の増大に有利である。つまり、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３６ａを構成するトランジスタなどのスイッチング素子の高密度実装が可能となり、配線の短縮化によって高速駆動が可能となる。なお、光量調整を行う第１変調部１２を駆動するための第１電圧印加回路３４では階調制御の高速性が要求されないので、特に上記実施形態では上記問題は発生しない。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、第１電極１６および第２電極１８をそれぞれ３本および６本設けているが、電極の本数はこれらに限定されるものはなく、任意であり、例えば単一チャンネルの光変調器
も本発明にかかる光学デバイスに含まれる。また、変調部１２、１４の機能がそれぞれ光量調整および光変調であることを考慮すれば、第２電極１８の本数はチャンネル数に設定するのに対し、第１電極１６の本数については第２電極１８の本数以下に設定するのが好適である。

また、上記実施形態では、第１電極１６を第１変調部１２の表面１２５（電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄの入射面側領域）上に直接配置しているが、この直接配置は光機能を発揮させる上での必須構成事項ではなく、例えば絶縁層を介して第１電極１６を電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄ上に配置してもよい。この点に関しては、第２変調部１４の表面１４５（電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄの出射面側領域）に対する第２電極１８の配置、および電気光学結晶基板４ｃの裏面４ｅに対する対向電極２０の配置関係についても同様である。

また、上記実施形態では、光の進行方向Ｚにおいて変調部１２、１４をこの順序で配置しているが、当該配置順序を入れ替えてもよい。

また、上記実施形態では、変調部１２，１４のいずれも回折の傾向がラマン‐ナス回折型となるように形成しているが、変調部１２，１４の組み合わせはこれに限定されるものではなく、例えば第１変調部１２については回折の傾向がラマン‐ナス回折型となるように形成し、第２変調部１４については回折の傾向がブラッグ回折型となるように形成してもよい。この場合、分極対１２３の周期Λ１と、分極対１４３の周期Λ２とは、上記式（１）式および式（２）式を満足するように構成してもよいし、次式、
Λ１＞Λ２ … 式（３）
Λ２＝ｎ×Λ１… 式（４）
ただし、ｎは２以上の自然数
が満足されるように変調部１２、１４を構成してもよい。

また、上記実施形態では、基板Ｗに形成される像の一部を撮像する光検出器３０により光量検出を行っているが、Ｙ方向に延びるラインセンサや２次元ＣＣＤなどにより像全体を一括して撮像して光量検出を行ってもよい。

また、上記実施形態では、基板Ｗ上の光量、つまり第２変調部１４から出射された光Ｌ３の光量を検出し、当該光量に基づいて第１変調部１２に与える第１電圧を決定しているが、第１変調部１２への入射光Ｌ１または第１変調部１２からの出射光（第２変調部１４への入射光）Ｌ２を取り出し、取り出された光の光量に基づいて第１電圧を決定してもよい。検出すべき光量も１種類に限定されるものではない。つまり、第１変調部１２への入射光、第１変調部１２からの出射光、第２変調部１４への入射光および第２変調部１４からの出射光のうちの少なくとも１つの光量に基づいて第１電圧を決定すればよい。

また、本発明にかかる光学デバイスについては種々の装置に適用可能であるが、上記したように光源から出射する光を変調して基板表面などの被露光部を照射する露光装置２に好適に適用可能となっている。さらに、当該露光装置２についても、種々の装置に適用することができる、例えば当該露光装置を描画装置に適用してもよく、この適用によって高精度なパターン描画が可能となる。以下、図８ないし図１０を参照しつつ本発明にかかる露光装置を用いたパターン描画の一例について説明する。

図８は本発明を適用可能な描画装置の一例を示す正面図である。図９は図８の描画装置の平面図である。図１０は図８の描画装置の電気的構成を示すブロック図である。描画装置は、プリアライメント処理された半導体ウエハなどの基板Ｗを処理ステージ１０１に搬送し、当該処理ステージ１０１で基板Ｗを保持したまま光を基板Ｗの表面に照射してパターンを描画する装置である。

描画装置は、露光ユニット１００、プリアライメントユニット２００、搬送ユニット３００およびデータ作成ユニット５００を有している。そして、これらのうち露光ユニット１００、プリアライメントユニット２００および搬送ユニット３００の主要構成要素が、本体フレーム６０１で構成される骨格の天井面および周囲面にカバーパネル（図示省略）が取り付けられることによって形成される本体内部に配置されている。

描画装置の本体内部は、処理領域６０２と受け渡し領域６０３とに区分されている。これらの領域のうち処理領域６０２には、主として、露光ユニット１００の主要構成である処理ステージ１０１、ステージ移動部１０２、ステージ位置計測部１０３、光学ユニット１０４、アライメント部１０５が配置されている。そして、露光ユニット１００の露光制御部１０６が露光ユニット１００の各部を制御することで光ビームを基板Ｗに露光してパターンを描画する。一方、受け渡し領域６０３には、図９に示すようにプリアライメントユニット２００および搬送ユニット３００が配置されている。プリアライメントユニット２００は、プリアライメント処理を行う。また、搬送ユニット３００は処理領域６０２に対する基板Ｗの搬出入を行う搬送ロボット３０１を有している。

また、描画装置の本体外部には、図８に示すようにアライメント部１０５に照明光を供給する照明部１０７が配置される。また、図８および図９への図示を省略しているが、同本体外部には上記露光制御部１０６およびデータ作成ユニット５００が配置されている。

さらに、描画装置の本体外部で、受け渡し領域６０３に隣接する位置には、キャリアＣを載置するためのキャリア載置部６０４が配置される。そして、搬送ロボット３０１がキャリアＣ、プリアライメントユニット２００および処理ステージ１０１にアクセスして基板Ｗを次のように搬送する。つまり、搬送ロボット３０１は、キャリア載置部６０４に載置されたキャリアＣに収容された未処理の基板Ｗを取り出し、プリアライメントユニット２００に搬入する。このプリアライメントユニット２００は、プリアライメント処理を行って基板Ｗの外周部に形成されるノッチＷａ（図９）が予め設定した基準方向に向くように基板Ｗを位置決めする。こうしてプリアライメント処理を受けた基板Ｗを当該プリアライメントユニット２００から処理ステージ１０１に搬送し、描画を行う。そして、描画終了後に描画処理済の基板Ｗを処理ステージ１０１からキャリアＣに搬出する。

処理ステージ１０１は、平板状の外形を有し、その上面に基板Ｗを水平姿勢に載置して保持する保持部である。処理ステージ１０１の上面には、複数の吸引孔（図示省略）が形成されており、この吸引孔に負圧（吸引圧）を付与することによって、処理ステージ１０１上に載置された基板Ｗを処理ステージ１０１の上面に固定保持することができるようになっている。そして、処理ステージ１０１はステージ移動部１０２により移動させる。

ステージ移動部１０２は、処理ステージ１０１を主走査方向（Ｙ軸方向）、副走査方向（Ｘ軸方向）、及び回転方向（Ｚ軸周りの回転方向（θ軸方向））に移動させる機構である。ステージ移動部１０２は、支持プレート１２２上で処理ステージ１０１を鉛直軸Ｚ回りに微小回転させる回転機構１２１と、支持プレート１２２を支持するベースプレート１２４と、支持プレート１２２を副走査方向Ｘに移動させる副走査機構１２３と、ベースプレート１２４を主走査方向Ｙに移動させる主走査機構１２５とを備える。副走査機構１２３および主走査機構１２５は露光制御部１０６からの指示に応じて処理ステージ１０１を移動させる。なお、このようなステージ移動部１０２としては、従来多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。

ステージ位置計測部１０３は、処理ステージ１０１の位置を計測する機構である。ステージ位置計測部１０３は、露光制御部１０６と電気的に接続されており、露光制御部１０６からの指示に応じて処理ステージ１０１の位置を計測する。ステージ位置計測部１０３は、例えば処理ステージ１０１に向けてレーザ光を照射し、その反射光と出射光との干渉を利用して、処理ステージ１０１の位置を計測する機構により構成されているが、その構成動作はこれに限定されるものではない。

光学ユニット１０４は、２つの露光ヘッド１ａ、１ｂを有している。露光ヘッド１ａ、１ｂは図１に示す露光装置２と同一構成を有しており、光源６から出射された光ビームをＣＡＤ（Computer Aided Design）データで記述されたパターンに対応する描画データ（「露光データ」に相当）に基づき変調する。なお、露光ヘッドの設置数はこれに限定されず任意である。

アライメント部１０５は基板Ｗの表面に形成されるアライメントマーク（図示省略）を撮像する。アライメント部１０５は、鏡筒、対物レンズ、およびＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサを有する撮像部１５１を備える。本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサとしてエリアイメージセンサ（二次元イメージセンサ）を用いているが、これに限定されるものではない。また、アライメント部１０５は、図示しない昇降機構によって所定の範囲内で昇降可能に支持されている。

照明部１０７は鏡筒とファイバ１７１を介して接続され、アライメント部１０５に対して照明用の光を供給する。照明部１０７から延びるファイバ１７１によって導かれる光は、撮像部１５１の鏡筒を介して基板Ｗの上面に導かれ、その反射光は、対物レンズを介してＣＣＤイメージセンサで受光される。これによって、基板Ｗの上面が撮像されて撮像データが取得されることになる。撮像部１５１はマーク位置計測部１５２と電気的に接続されており、取得した撮像データをマーク位置計測部１５２に出力する。マーク位置計測部１５２は当該撮像データに基づいてアライメントマークの座標位置を求め、露光制御部１０６に出力する。

データ作成ユニット５００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や記憶部５１０等を有するコンピュータで構成されており、露光制御部１０６とともに電装ラック内に配置されている。また、データ作成ユニット５００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、データ作成部５２０、アライメント座標導出部５３０およびラスタライズ部５４０が実現される。本実施形態では、基板Ｗの表面に重ね合わせて描画するパターンは外部のＣＡＤ等により生成されたベクトル形式の設計データで記述されており、その設計データがデータ作成ユニット５００に入力されると、記憶部５１０に書き込まれて保存される。そして、データ作成部５２０が設計データ５１１を補正して補正設計データを作成し、アライメント座標導出部５３０およびラスタライズ部５４０に送る。

アライメント座標導出部５３０は上記補正設計データに含まれるアライメントマークの座標を導出し、露光制御部１０６に送信する。これを受けて露光制御部１０６はアライメント部１０５によるアライメント処理を実行する。

ラスタライズ部５４０は、アライメント座標導出部５３０によるアライメントマークの座標導出処理および露光制御部１０６によるアライメント処理と並行して補正設計データをラスタライズしてランレングスデータ（描画データ）５１２を生成して記憶部５１０に保存する。そして、露光制御部１０６からのデータ要求に応じてランレングスデータ５１２が記憶部５１０から露光制御部１０６に出力され、当該ランレングスデータ５１２にしがたって基板Ｗの表面へのパターン描画が実行される。

上記のように構成された描画装置では、搬送ロボット３０１がキャリア載置部６０４に載置されたキャリアＣから基板Ｗを搬出し、プリアライメントユニット２００に搬送し、プリアライメント処理を行う。プリアライメント処理が完了すると、搬送ロボット３０１がプリアライメントユニット２００から処理ステージ１０１への基板Ｗの搬送を開始する。そして、基板搬送動作を行っている間に、データ作成ユニット５００がランレングスデータを作成する。

そして、搬送ロボット３０１により基板Ｗが処理ステージ１０１に載置されて基板Ｗのローディング動作が完了すると、露光制御部１０６はアライメント処理を行う。すなわち、ステージ移動部１０２により処理ステージ１０１が撮像部１５１の直下位置に移動して各アライメントマークを順番に撮像部１５１の撮像可能位置に位置決めし、撮像部１５１によるマーク撮像が実行される。この撮像部１５１から出力される画像信号はマーク位置計測部１５２により処理され、アライメントマークの処理ステージ１０１上の位置が正確に求められる。そして、これらの計測位置情報に基づき回転機構１２１が作動して処理ステージ１０１を基板Ｗの表面の面法線と平行な軸、つまり鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗの表面をパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）する。

アライメント処理が完了すると、露光制御部１０６はデータ作成ユニット５００に対してデータ要求を行い、記憶部５１０から読み出されるランレングスデータ５１２にしがたって基板Ｗの表面に対するパターン描画を行う。

以上のように、本発明にかかる光学デバイスを装備する露光装置によって露光ヘッド１ａ、１ｂを構成しているため、基板Ｗに照射される光の各々が所望の光量に調整され、その結果、基板Ｗの表面にパターンを高精度に描画することができる。

以上説明したように、この実施形態においては、分極対１２３の周期Λ１および分極対１４３の周期Λ２がそれぞれ本発明の「第１周期」および「第２周期」の一例に相当し、周期分極反転構造１２４、１４４がそれぞれ本発明の「第１周期分極反転構造」および「第２周期分極反転構造」の一例に相当している。また、電気光学結晶基板４ｃの表面４ｄが本発明の「入射面および出射面と異なる一方主面」に相当し、電気光学結晶基板４ｃの表面４ｅが本発明の「一方主面と対向する他方主面」に相当している。

以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明は、例えば、第１変調部と第２変調部は、同一の強誘電体基板の内部に設けられてもよい。

また強誘電体基板は、光が入射される入射面と、入射面と進行方向に対向する出射面と、入射面および出射面と異なる一方主面と、一方主面と対向する他方主面とを有し、一方主面と他方主面とが平行な平板形状であり、第１電極が第１変調部の一方主面上に設けられ、第２電極が第１電極とは独立して第２変調部の一方主面上に設けられ、対向電極が第１変調部および第２変調部の他方主面上に設けられ、駆動部は、第１電極と対向電極との間に電界を発生させて第１周期分極反転構造内に回折格子を形成し、第２電極と対向電極との間に電界を発生させて第２周期分極反転構造内に回折格子を形成してもよい。

また、第１電極は複数個、進行方向と直交する幅方向に互いに離間して並設されるとともに、第２電極は複数個、幅方向に互いに離間して並設され、駆動部は、複数の第１電極にそれぞれ独立して電圧を与えて第１周期分極反転構造内の複数の第１領域でそれぞれ回折格子の回折効率を調整して変調光のシェーディング補正を行うとともに、複数の第２電極にそれぞれ独立して電圧を与えて第２周期分極反転構造内の複数の第２領域で光変調を行ってもよい。

また、第１電極の個数は第２電極の個数以下であってもよい。

また、進行方向に進む光は進行方向と直交する方向に延びる線状光であり、第１配列方向および第２配列方向は線状光の幅方向であってもよい。

この発明は、光を露光データに応じて変調して変調光を出射する光学デバイスおよび当該光学デバイスを用いて露光処理を行う露光装置全般に好適に用いることができる。

２…露光装置
４…空間光変調器
４ｃ…電気光学結晶基板
４ｄ，１２５，１４５…表面（一方主面）
４ｅ，１２６，１４６…裏面（他方主面）
６…光源
１２…第１変調部
１４…第２変調部
１６…第１電極
１８…第２電極
２０…対向電極
２２…露光制御部
２４…駆動部
３０…光検出器
３４…第１電圧印加回路
３６…第２電圧印加回路
１００…露光ユニット
１２４…(第１）周期分極反転構造
１４４…(第２）周期分極反転構造
ＯＡ…光軸
Ｗ…基板
Ｙ…配列方向，幅方向，主走査方向
Ｚ…光進行方向
Λ１…（第１）周期
Λ２…（第２）周期

Claims (7)

1. 進行方向に進む光を露光データに応じて変調して変調光を出射する光学デバイスであって、
   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分極対を第１周期で前記進行方向に対して直交または傾斜する第１配列方向に配列した第１周期分極反転構造を有し、前記光が前記第１周期分極反転構造を介して通過する第１変調部と、
   前記進行方向において前記第１変調部に隣接して設けられ、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２分極対を第２周期で前記進行方向に対して直交または傾斜する第２配列方向に配列した第２周期分極反転構造を有し、前記光が前記第２周期分極反転構造を介して通過する第２変調部と、
   前記第１変調部への入射光、前記第１変調部からの出射光、前記第２変調部への入射光および前記第２変調部からの出射光のうちの少なくとも１つの光量に基づいて前記第１変調部に与える電圧によって前記第１変調部に回折格子を形成するとともに前記回折格子の回折効率を調整して前記変調光のシェーディング補正を行って前記変調光の光量を調整し、前記露光データに基づいて前記第２変調部に与える電圧によって前記第２変調部に回折格子を形成して前記露光データに対応する光変調を行う駆動部と
   を備えることを特徴とする光学デバイス。
2. 請求項１に記載の光学デバイスであって、
   前記第１変調部と前記第２変調部は、同一の強誘電体基板の内部に設けられる光学デバイス。
3. 請求項２に記載の光学デバイスであって、
   前記強誘電体基板は、光が入射される入射面と、前記入射面と前記進行方向に対向する出射面と、前記入射面および前記出射面と異なる一方主面と、前記一方主面と対向する他方主面とを有し、前記一方主面と前記他方主面とが平行な平板形状であり、
   第１電極が前記第１変調部の前記一方主面上に設けられ、
   第２電極が前記第１電極とは独立して前記第２変調部の前記一方主面上に設けられ、
   対向電極が前記第１変調部および第２変調部の他方主面上に設けられ、
   前記駆動部は、前記第１電極と前記対向電極との間に電界を発生させて前記第１周期分極反転構造内に前記回折格子を形成し、前記第２電極と前記対向電極との間に電界を発生させて前記第２周期分極反転構造内に前記回折格子を形成する光学デバイス。
4. 請求項３に記載の光学デバイスであって、
   前記第１電極は複数個、前記進行方向と直交する幅方向に互いに離間して並設されるとともに、前記第２電極は複数個、前記幅方向に互いに離間して並設され、
   前記駆動部は、前記複数の第１電極にそれぞれ独立して電圧を与えて前記第１周期分極反転構造内の複数の第１領域でそれぞれ回折格子の回折効率を調整して前記変調光のシェーディング補正を行うとともに、前記複数の第２電極にそれぞれ独立して電圧を与えて前記第２周期分極反転構造内の複数の第２領域で光変調を行う光学デバイス。
5. 請求項４に記載の光学デバイスであって、
   前記第１電極の個数は前記第２電極の個数以下である光学デバイス。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学デバイスであって、
   前記光は前記進行方向と直交する方向に延びる線状光であり、
   前記第１配列方向および前記第２配列方向は、前記線状光の幅方向である光学デバイス。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学デバイスと、
   前記光を出射する光源と、
   前記光学デバイスに入射または前記光学デバイスから出射する前記光の光量を検出する検出器と、を備え、
   前記駆動部は、前記検出器の検出値に基づいて前記第１変調部に与える電圧を決定することを特徴とする露光装置。

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