JPH0611609A

JPH0611609A - 露光装置

Info

Publication number: JPH0611609A
Application number: JP4168787A
Authority: JP
Inventors: Junichi Asada; 潤一麻田; Seiji Nishiwaki; 青児西脇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】低廉なうえ簡単で、グレーティングの周期精
度とその均一性が良好であり、広い面積の露光やグレー
ティングピッチの調節も可能な露光装置を提供する。【構成】レーザー光源１からのレーザー光はシャッタ
ー２で制御され、アッテネータ３で光量を調整され、ビ
ーム拡大レンズ５、空間フィルター６、コリメーション
レンズ７によりビーム径の拡大された平面波に変換され
る。この平面波はＮＤフィルター４ａ、パターニングマ
スク４ｂを経てその一部が減衰、遮光され、干渉プリズ
ム９の入射面９Ｐに垂直入射し、出射面９Ｓ₁、９Ｓ₂か
ら光線１２Ａ、１２Ｂおよび１２ａ、１２ｂのごとく屈
折して感光膜１１上に入射する。感光膜１１上では、光
線１２ａは光線１２Ｂと、光線１２Ａは光線１２ｂと干
渉し、境界線９Ｒと平行な直線の干渉縞を形成する。こ
の干渉縞を用いて所定のグレーティングパターンを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は周期的グレーティングパ
ターンを露光する露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、グレーティングカプラ等を用いた
薄膜構成の光学素子の研究開発が盛んであり、これらの
素子を作成するための微細な周期的グレーティングパタ
ーンの露光法、露光装置の研究開発が活発になってい
る。

【０００３】従来、グレーティング形成手段としてｇ線
(波長436nm)やｉ線(波長365nm)の紫外光源を用いた縮小
露光法や電子線描画法等があった。しかしながら縮小露
光法では、グレーティングの周期が非常に微細になる
と、光の回折効果により基板上の光強度分布の境界が不
明確になるため、レジスト膜を十分に解像することがで
きず、ハーフミクロンピッチのグレーティングを形成す
るのが困難であった。

【０００４】また、光源の短波長化やレンズの高ＮＡ化
により解像度を向上するにしても、光源の安定性、レン
ズ材料、焦点深度等の制約による限界がある。

【０００５】また、電子線描画法は高い解像度を有し
(0.2μｍピッチ程度)、小面積(１ｍｍ角程度)ではグレ
ーティング形状の自由度もあるが、電子線の偏向や焦点
位置の制御精度に限界があるため良好な周期精度と均一
性が得られず、かつ大面積化が困難であり、生産性も低
いという問題があった。

【０００６】一方、２光束干渉法(ホログラフィック干
渉法)による露光では、解像度および周期精度の高いグ
レーティングが広い面積にわたって得られるとともに生
産性もよいという特徴がある。

【０００７】以下、図面を参照しながら、従来の２光束
干渉法による露光装置について説明する。図５はこの従
来の２光束干渉法による露光装置の構成図を示す。図５
において、１はＡrまたはＨe-Ｃdなどのレーザー光源、
２はシャッター、５０、５１、５２、５３、５４は反射
ミラー、３は可変アッテネータ、５はビーム拡大レン
ズ、６は空間フィルター、７はコリメーションレンズ、
８はハーフミラー、１０は試料基板、１１は試料基板上
に形成された感光膜である。

【０００８】レーザー光源１を出射するレーザー光は、
シャッター２により光の通過を制御され、可変アッテネ
ータ３により光量を段階的に調整され、ビーム拡大レン
ズ５により集束光に変換されて空間フィルター６の円形
スリット内に集光し、これを通過してコリメーションレ
ンズ７によりビーム径の拡大された平面波に変換される
（空間フィルター６はレンズ、ミラーの欠陥、汚れによ
り発生する高次の回折光をカットする）。この平面波
は、ハーフミラー８により２つの平面波に分割され、こ
の２つの平面波はそれぞれ反射ミラー５３、５４により
反射され、これらの２光束が試料基板１０上に予め塗布
された感光膜１１に入射する。

【０００９】２光束の光路長、強度を等しくすれば、そ
れぞれの光束の入射角に応じたピッチの直線状干渉パタ
ーンがコントラストよく形成され、感光膜１１を感光し
て周期的パターンを露光できる。

【００１０】図６（ａ）は、従来例における露光装置の
周期的パターン形成原理を示す説明図であり、図６
（ｂ）は現像後のグレーティングを示す断面説明図であ
る。図６（ａ）に示すように基板面にθ_A、θ_Bの角で入
射する波長λの２つの光束５５ａ、５５ｂにより生ずる
干渉縞は、この面上で入射面を含む方向（動径方向）に
（式１）の周期Λを持つ。

【００１１】 Λ／λ＝１／（sinθ_A＋sinθ_B） … （式１）感光膜１１の現像後には図６（ｂ）に示すような直線状
のグレーティング５６が得られる。

【００１２】この従来例の手法は、（ａ）グレーティン
グパターンを比較的容易に作成できる。（ｂ）広面積の
グレーティングが形成できる、などの長所を持つことが
知られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の露光装置に於て以下の問題点があった。

【００１４】すなわち、（ａ）反射ミラー５３、５４の
位置調整（３次元的位置関係と傾きなどの調整）が難し
く、とくにグレーティングパターンが狭ピッチで高精度
であった場合、位置調整の許容度はより狭くなる。ま
た、装置の周囲の環境条件(温度変化等)による反射ミラ
ーの相対位置ずれ等によりグレーティングパターンに誤
差も発生し、高い周期精度と優れた周期均一性が得にく
い。

【００１５】（ｂ）特定の変調特性に従う周期的グレー
ティングパターンを露光することが困難である。

【００１６】本発明はかかる課題に鑑み、装置が低廉な
うえ簡単で、パターンの周期精度とその均一性が良好で
あり、広面積の露光が容易で、かつピッチ変調も可能な
周期パターンを露光する露光装置を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願発明の露光装置は、レーザー光源と、レーザー
光の光束面積を拡大する拡大手段と、拡大されたレーザ
ー光を透過、屈折させるプリズムと、レーザー光の光軸
にほぼ直交する平板上に形成された感光膜とからなり、
プリズムが少なくとも一つの綾線をもち、稜線を境界と
してレーザー光の波面分割を行なうとともに、稜線を挟
む各屈折面での屈折光が互いに交差、干渉して空間上で
形成される直線または曲線の周期的明暗縞により前記感
光膜を露光することを特徴とする。

【００１８】特に、プリズムの稜線を挟む２対の屈折面
が、直線の平行運動の軌跡で表わされる線織面であっ
て、稜線と平行な面について互いに対称であることを特
徴とする。

【００１９】また、レーザー光源とプリズムの間、また
はプリズムと感光平板との間に、シリンドリカルレンズ
などの波面変換手段を挟んでもよい。

【００２０】あるいは、レーザー光源とプリズムの間、
またはプリズムと感光平板との間に、レーザー光の光束
断面内の光強度を部分的に減衰させるフィルターを挟む
ことを特徴とする露光装置である。

【００２１】または、レーザー光源とプリズムの間、ま
たはプリズムと感光平板との間、あるいはその両方に、
レーザー光の一部を遮光する遮光体を挟むことを特徴と
する露光装置である。また、露光装置がプリズムまたは
感光平板をプリズムの稜線に直交する方向に移動する摺
動手段や、プリズムまたは感光平板を光軸に対して傾け
る傾斜手段を有していてもよい。

【００２２】

【作用】本発明は前記した構成により、互いに干渉して
周期的明暗を発生させる２つの光束が一つのプリズムに
より形成されるために、プリズムの形状を精度良く加工
しておけば、高い周期精度と優れた周期均一性を有する
狭ピッチのグレーティングパターンが形成でき、位置調
整も不要となる。また、装置の周囲の環境変化等による
グレーティングパターンの誤差もない。そして、プリズ
ムの屈折面の形状を最適化することで、特定の変調特性
に従う周期的グレーティングパターンを露光することが
できる。

【００２３】

【実施例】以下本発明の一実施例の露光装置について、
図面を参照しながら説明する。なお、従来例と同一の機
能を有する部材には同一番号を付して説明する。

【００２４】図１は本発明の実施例における露光装置の
断面構成を示すものである。図１において、１はレーザ
ー光源、２はシャッター、３は可変アッテネータ、５は
ビーム拡大レンズ、６は空間フィルター、７はコリメー
ションレンズ、４ａはＮＤフィルター、４ｂはパターニ
ングマスク、９は干渉プリズム、１０は試料基板、１１
は試料基板上に形成された感光膜である。

【００２５】干渉プリズム９は稜線９Ｒを挟む２対の屈
折面が、稜線９Ｒと平行な平面９Ｌについて互いに対称
な形状をなし(稜線９Ｒは図１の紙面に垂直な線であ
る。)、入射面９Ｐは入射光の光軸に対して直交する平
面、出射面９Ｓ₁、９Ｓ₂はともに入射光の光軸に対して
特定の傾きを有する平面である。

【００２６】ＮＤフィルター４ａは稜線９Ｒと平行な線
について対称な線を境に透過率の異なるフィルターであ
り、パターニングマスク４ｂは稜線９Ｒと平行な図形の
遮光膜を形成したもので、それらの対称軸はＸＹ軸ステ
ージにより平面９Ｌと一致するよう調整されている。

【００２７】干渉プリズム９はＸＹ軸ステージ、ＸＹ軸
傾斜ステージ、および回転ステージ上に構成され、これ
らのステージにより干渉プリズム９の、入射光光軸に対
する位置が調整される。

【００２８】試料基板１０はＸＹＺ軸ステージ、ＸＹ軸
傾斜ステージ、および回転ステージ上に構成され、基板
表面が光軸と直交ないしは特定の角度になるように配置
されるとともに試料基板１０を動かすことで、干渉プリ
ズム９との相対位置を調整することができる。

【００２９】以上のように構成された露光装置につい
て、その動作を説明する。図１においてレーザー光源１
を出射するレーザー光はシャッター２により光の通過を
制御され、可変アッテネータ３により光量を段階的に調
整される。また、ビーム拡大レンズ５により集束光に変
換されて空間フィルター６の円形スリット内に集光し、
これを通過してコリメーションレンズ７によりビーム径
の拡大された平面波に変換される。

【００３０】この平面波はＮＤフィルター４ａ、パター
ニングマスク４ｂを経てその一部が減衰、遮光され、干
渉プリズム９の入射面９Ｐに垂直入射し、出射面９
Ｓ₁、９Ｓ₂によりそれぞれ光線１２Ａ、１２Ｂおよび１
２ａ、１２ｂのごとく屈折して感光膜１１上に入射す
る。光線１２ａと１２Ａおよび１２ｂと１２Ｂはそれぞ
れ平面９Ｌについて等距離の対称位置にあり、感光膜１
１上で光線１２ａはこれよりやや内側の光線１２Ｂと、
光線１２Ａはこれよりやや内側の光線１２ｂと干渉し、
全体として出射面９Ｓ₁、９Ｓ₂のプリズムの稜線９Ｒと
平行する直線の干渉縞を形成する。

【００３１】この干渉縞により感光膜１１を感光させ、
現像、エッチングすることで、特定の領域に直線の周期
的グレーティングパターンがコントラストよく得られ
る。また、感光膜１１に入射する光線の交差角が大きく
なるように屈折面の光軸に対する角度を設定すること
で、光線の波長λ以下の値も取り得る。

【００３２】以上は、干渉プリズム９の屈折面が平面９
Ｌについて対称な２つの平面である場合について説明し
たが、干渉プリズム９の屈折面は２つ以上の平面、曲面
であってもよく、平面９Ｌについて非対称な形状であっ
てもよい。例えば屈折面が、３次元的な曲面であれば、
曲面の波面の光の干渉により干渉縞が形成されるため、
周期変調を有する曲線状のグレーティングパターンが露
光面上に形成できる。

【００３３】図２（ａ）は本発明の第２実施例における
干渉プリズム９の屈折面が平面９Ｌについて対称な曲面
である干渉プリズムとその干渉プリズムによる屈折光線
とを示す図である。この場合、干渉プリズム９の屈折面
が曲面になっていることで、屈折光線１２Ｃ、１２ｃの
角度が連続的に異なるので（式２）、および（式２）を
プロットした図２（ｂ）のように、屈折光線の干渉によ
る干渉縞の明暗ピッチΛは露光面上の位置ｒの関数とな
る。

【００３４】 Λ(ｒ)／λ＝１／（sinθ_A(ｒ)＋sinθ_B(ｒ)） … （式２）すなわち、屈折面の曲面形状を適当に設定することで、
所定のピッチ変調を有する直線グレーティングが形成で
きる。

【００３５】なお、以上の実施例において、感光膜１１
上には、干渉プリズムの稜線９Ｒと平行な線について対
称な２対のグレーティングパターンが形成されるが、そ
の一方についてのみパターニングしたい場合には露光面
に密着して片側のグレーティングパターン形成領域を覆
うマスクを設ければよい。

【００３６】さらに、屈折面を曲面の代わりに複数の平
面で構成した場合も、干渉プリズムと露光面との相対位
置を変えることで、一つの干渉プリズムで異なるピッチ
の直線グレーティングが同一露光面に形成できるという
効果がある。

【００３７】以上のような、干渉プリズム９の屈折面を
曲面にする場合において、干渉プリズム９または露光面
を光軸方向へ移動したり、あるいは干渉プリズム９また
は露光面を紙面に平行な面内で回転することにより、露
光面上の所定位置でのグレーティングピッチが変化する
ので、グレーティングパターンの周期変調を微調整する
こともでき、干渉プリズムの加工誤差やその他の加工、
調整誤差を露光面の位置調整で補うことが可能である。

【００３８】また実施例において、コリメーションレン
ズ７と干渉プリズム９の間、または干渉プリズム９と試
料基板１０の間にシリンドリカルな凸レンズや凹レンズ
などのレンズ系を挿入してもよい。この場合、レンズ、
プリズムの設計における自由度が増す効果があり、レン
ズ系の光軸に沿った位置調整でグレーティングパターン
の周期変調を微調整することもできる。

【００３９】図３は本発明の実施例における露光装置の
パターニングマスクの断面形状と光の干渉領域断面の関
係を示すものである。

【００４０】図３（ａ）のごとくパターニングマスク４
ｂが干渉プリズム９の稜線９Ｒと平行な線について対称
な帯状領域１８以外での遮光を行うものであれば、干渉
領域の光軸に沿った断面はほぼひし形の図形１９とな
る。

【００４１】図３（ｂ）のごとくマスク４ｂが稜線９Ｒ
と平行な線について対称な直線の帯状領域２０以外での
遮光を行う場合も、干渉領域の断面はほぼひし形の図形
２１となる。

【００４２】図３（ｃ）のごとくマスク４ｂが稜線９Ｒ
と平行な線について対称な帯状領域２２および直線の帯
状領域２３以外での遮光を行う場合は、干渉領域の断面
はほぼひし形の図形２４、２５、２６、２７となる。

【００４３】なおこれらの図形に接する２８ａ、２８
ｂ、２８ｃ、２８ｄおよび２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２
９ｄ、２９ｅ、２９ｆ、２９ｇ、２９ｈの領域は、光は
通るが干渉しない(２光束でない)領域であり、その他の
領域３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０
ｆ、３０ｇ、３０ｈおよび３１は光が全く通らない領域
である。

【００４４】従って図３（ｂ）や（ｃ）のマスクを使い
分けることにより、図３（ｂ）のマスクで内側２１の領
域の露光を（このとき外側は光が全く通らない領域で露
光されない）、図３（ｃ）のマスクで外側２６、２７の
領域の露光（このとき内側は領域３１に相当し露光され
ない）を行えば、それぞれの露光を独立して行うことが
できる。

【００４５】さらに、干渉プリズムの屈折面を曲面にす
ることで、感光膜への入射光線光束が２本より多くなっ
てしまう場合（すなわち、干渉縞が形成されない場合）
も生ずるが、この場合、不要な光束領域をマスクにより
遮光することで、干渉縞が形成できる。すなわち、パタ
ーニングマスクを用いることで干渉領域を効果的に広げ
ることもできる。

【００４６】また、感光面に密着してさらに遮光マスク
を設ける構成にしてもよい。この場合、上記パターニン
グマスク４ｂの光透過面積を拡大することができ、パタ
ーニングマスク４ｂにより光透過領域と遮光領域の境界
で発生する回折の影響が低減され、パターンの外形精度
を高めることができる。

【００４７】図４は本発明の実施例における露光装置の
屈折光の光線追跡図である。本実施例において、干渉プ
リズムの屈折面の断面は変曲点Ｐを有する曲線であり、
Ｐの外側で干渉プリズムからみて凸面、内側で凹面をな
す。この場合、点Ｐの外側を屈折する光１７ａは集束性
の光となり、内側を屈折する光１７ｂは発散性の光とな
る。すなわち屈折前での光強度が一様（ＮＤフィルター
４ａがない、またはその透過率分布Ｔが一様）であれ
ば、露光位置１１Ｓでは２光束（１７ａ、１７ｂ）間の
光強度が大きく異なり、コントラストの低下を引き起こ
す。

【００４８】したがって、図４に示すように、｜ｈ／ｈ
₀｜≦１での透過率が１００％であり、｜ｈ／ｈ₀｜≧１
での透過率がＴ₀の分布を持つＮＤフィルター４ａを干
渉プリズム９の手前に配置すれば、透過率Ｔ₀の最適化
により２光束間の光強度を揃えることができ、コントラ
ストは改善される。

【００４９】なお、ＮＤフィルター４ａを挟んでも２光
束間の光路長差は少なく、この観点からも良好な露光コ
ントラストを得やすい。一方、屈折面の母線曲線１６が
複数の変曲点を持つ場合には、ＮＤフィルター４ａを各
変曲点の位置に対応した直線帯群を境に透過率の異なる
フィルターとすることで、各領域の透過率の最適化によ
り、コントラストを改善できる。

【００５０】このように本発明の実施例は（１）干渉光
束を発生さす光学系が１個の干渉プリズムで構成できる
ので、光学系の調整は光軸と干渉プリズムの平行度にの
み注意を払えばよく、干渉プリズムの精度が十分であれ
ば、狭ピッチのグレーティングパターンであっても高い
周期精度と優れた周期均一性を得やすいこと、（２）波
長以下のグレーティングピッチも可能なこと、（３）グ
レーティングパターンの周期を変調できること、（４）
露光面と干渉プリズムとの配置調整でグレーティングパ
ターンの周期変調を微調整できること、（５）パターニ
ングマスクとの組合せで露光領域を特定できること、
（６）ＮＤフィルターの最適化により良好な露光コント
ラストが得られること、（７）干渉プリズムの大きさに
より広面積のグレーティングが容易に形成できること、
などの特徴を持つ。

【００５１】

【発明の効果】以上、本発明の露光装置によれば、ピッ
チが一定または特定の変調度を有する周期的グレーティ
ングパターンをコントラストよく露光でき、露光面およ
び屈折体対の位置調整や光軸に対する傾き調整で周期変
調の微調整も可能である。またパターニングマスクとの
組合せで露光領域を特定でき、同一露光面上に露光条件
を変えたグレーティングパターンを組み合わせることが
できる。

【００５２】さらに、装置がレーザー光源や廉価な光学
素子の簡単な組合せで構成でき、周期パターンの精度が
既に高精度の加工体として実績のある光学レンズの精度
により決まるとともに、互いに干渉し合う２つの光束が
一つの屈折体により形成できるため環境(温度)変化等の
影響も少なく、良好な周期精度と均一性を有するグレー
ティングが安定して形成でき、その露光範囲も干渉プリ
ズムの大きさ次第で広面積化も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における露光装置の構成
を示す断面図

【図２】（ａ）は、本発明の実施例における干渉レンズ
出射面の断面形状と屈折光線との関係を示す説明図（ｂ）は、本発明の実施例におけるパターニングピッチ
Λと露光面上の位置ｒとの関係を示す説明図

【図３】本発明の第１の実施例における露光装置のパタ
ーニングマスクの断面形状と光の干渉領域断面の関係図
であり、（ａ）は、光が１つの特定な帯状領域を透過する場合の
関係図（ｂ）は、光が２つの特定な帯状領域を透過する場合の
関係図（ｃ）は、光が３つの特定な帯状領域を透過する場合の
関係図

【図４】本発明の実施例における露光装置の屈折光の光
線追跡図

【図５】従来例における露光装置の構成を示す断面図

【図６】（ａ）は、従来例の露光装置の周期的パターン
形成原理を示す説明図（ｂ）は、従来例の露光装置の現像後のグレーティング
を示す断面図

【符号の説明】

１レーザー光源２シャッター３可変アッテネータ４ａＮＤフィルター４ｂパターニングマスク５ビーム拡大レンズ６空間フィルター７コリメーションレンズ９干渉プリズム１０試料基板１１感光膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光源と、前記レーザー光の光束面
積を拡大する拡大手段と、拡大されたレーザー光を透
過、屈折させるプリズムと、前記レーザー光の光軸にほ
ぼ直交する平板上に形成された感光膜とからなり、前記
プリズムは少なくとも一つの綾線をもち、前記稜線を境
界としてレーザー光の波面分割を行なうとともに、前記
稜線を挟む各屈折面での屈折光が互いに交差、干渉して
空間上で形成される直線または曲線の周期的明暗縞によ
り前記感光膜を露光することを特徴とする露光装置。
【請求項２】プリズムの稜線を挟む２対の屈折面が、直
線の平行運動の軌跡で表わされる線織面であって、前記
稜線と平行な面に関して互いに対称であることを特徴と
する請求項１記載の露光装置。
【請求項３】レーザー光源とプリズムの間、またはプリ
ズムと感光平板との間に、シリンドリカルレンズ等の波
面変換手段を挟むことを特徴とする請求項１記載の露光
装置。
【請求項４】レーザー光源とプリズムの間、またはプリ
ズムと感光平板との間に、レーザー光の光束断面内の光
強度を部分的に減衰させるフィルターを挟むことを特徴
とする請求項１記載の露光装置。
【請求項５】フィルターの透過率が、プリズムの稜線と
平行な線を境に異なることを特徴とする請求項４記載の
露光装置。
【請求項６】レーザー光源とプリズムの間、またはプリ
ズムと感光平板との間、あるいはその両方に、レーザー
光の一部を遮光する遮光体を挟むことを特徴とする請求
項１記載の露光装置。
【請求項７】遮光体が、プリズムの稜線と平行な帯状領
域内の透過光を遮光することを特徴とする請求項６記載
の露光装置。
【請求項８】プリズムまたは感光平板をプリズムの稜線
と直交する方向に移動する摺動手段を有することを特徴
とする請求項２記載の露光装置。
【請求項９】プリズムまたは感光平板を光軸に対して傾
ける傾斜手段を有することを特徴とする請求項１記載の
露光装置。