JPH08202044A - 露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 中心近傍も含めた均一な同心円グレーティン
グを形成する。 【構成】 レーザー光源と、このレーザー光源から出射
するレーザー光の光軸を軸とする回転面で屈折させる干
渉レンズ９と、レーザー光の光軸に直交する感光平板21
上に形成された感光膜20とを備えた露光装置において、
レーザー光源と干渉レンズ９との間、または干渉レンズ
９と感光膜20を有する感光平板21との間に、レーザー光
の光軸を中心軸とする１つもしくは複数個の円を境に段
差部15を有する透明板からなる位相フィルター13を設置
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同心円形状のグレーテ
ィングを作成する露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、グレーティングレンズやフレネル
レンズ、同心円グレーティングカプラや同心円集光グレ
ーティングカプラなどの平面構成の新しい光学素子の研
究開発が盛んであり、これらの素子を作成するための同
心円グレーティングパターンの露光法，露光装置の研究
開発も活発化している。

【０００３】このような同心円状のグレーティングパタ
ーンを作成する手段として、我々は、特願平３−47878
号(平成３年３月13日出願)において、新たな露光法，露
光装置の提案を行った。以下、図面を参照しながら、こ
の先行技術であるグレーティングパターン露光装置につ
いて説明する。

【０００４】図６は前記特願平３−47878号における露
光装置の断面を示す構成図であり、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、４は１／４波
長板、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、８aはＮＤフィルター、８bは
パターニングマスク、９は干渉レンズ、10は試料基板、
11は試料基板10上に形成された感光膜である。

【０００５】ここで、ＮＤフィルター８aは、光軸を中
心とする円または円群を境に透過率の異なるフィルター
であり、干渉レンズ９の屈折面形状によって集束性の光
と発散性の光との光束干渉となる場合であっても高いコ
ントラストが得られるように、各々の光束の光強度を調
整する。

【０００６】パターニングマスク８bは透明基板上に軸
対称な図形の遮光膜を形成したもので、その対称軸(中
心軸)は干渉レンズ９の中心軸９Ｌに一致しており、露
光面の干渉領域を特定の範囲に設定する。

【０００７】干渉レンズ９は軸９Ｌに対し回転対称な形
状をなし、入射面９Ｐは平面、出射面９Ｓは円錐面に近
い回転面であり、干渉レンズ９の中心軸９Ｌはレーザー
光の光軸に一致している。試料基板10は、表面が中心軸
９Ｌと直交するとともに、試料基板10を軸９Ｌ、すなわ
ち矢印Ｐ方向に沿って動かすことができる。

【０００８】次に、上記のように構成された露光装置の
動作について説明する。

【０００９】図６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により光量が段階的に調整され
る。また１／４波長板４を透過することで円偏光に変換
され、屈折光量および振動面方位の回転対称性を保ちつ
つ、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。

【００１０】この平面波は、ＮＤフィルター８a，パタ
ーニングマスク８bを経てその一部が減衰，遮光され、
干渉レンズ９の入射面９Ｐに垂直入射し、出射面９Ｓに
て光12a，12b，12Ａ，12Ｂのごとく屈折して感光膜11上
に入射する。光12aと12Ａおよび光12bと12Ｂは、それぞ
れ中心軸９Ｌに対する同一円周上の対角に位置し、感光
膜11上で光12aはこれよりやや内周側の光12Ｂと、光12
Ａはこれよりやや内周側の光12bと干渉し、全体として
中心軸９Ｌを中心とする同心円の干渉縞を形成する。こ
の干渉縞によりパターン露光すれば、同心円のグレーテ
ィングパターンが得られる。

【００１１】なお、露光装置の干渉レンズ回転面の母線
形状を適当に設定することで、特定のグレーティングピ
ッチ変調を有する同心円グレーティングパターンを得る
こともできる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成の露光装置において、次のような問題点があ
った。以下、図７を用いてこれを説明する。図７(a)は
従来の露光装置における干渉レンズおよび露光面の断面
の一部を示し、図７(b)は露光面における光強度分布を
示す。

【００１３】図７(a)において、干渉レンズ９の屈折面
９Ｓで屈折した光12aは、対角母線を屈折した光12bと互
いに干渉し、露光面11aの表面では図中の−ｘ1〜＋ｘ１
を直径とする円形領域で同心円の干渉縞を形成する。こ
こで、干渉レンズ９は光を光軸近傍に集光する作用をも
有するために、露光面11aにおける光強度分布は図７(b)
の曲線101に示すように光軸上で最大となる。

【００１４】このため、−ｘ1〜＋ｘ１を直径とする円
形領域のうち、中心近傍の領域と外周寄りの領域とでは
露光状態が著しく異なり、外周側での露光条件に合わせ
れば、中心部では過露光部が生じてしまう。すなわち、
図７(b)で示す領域102にはグレーティングが形成され
ず、実際のグレーティングの形成領域は輪帯領域103に
限定されるという問題があった。

【００１５】本発明は上記問題点に鑑み、光軸近傍にも
同心円グレーティングを形成し得る露光装置を提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の露光装置は、レーザー光源と、前記レーザ
ー光源から出射するレーザー光を光軸を軸とする回転面
で屈折させる屈折体と、前記レーザー光の光軸にほぼ直
交する基板上に形成された感光膜とを備え、前記屈折体
の各対角母線で屈折した光束が交差，干渉して光軸法平
面上にて形成される同心円状の周期的明暗縞により感光
膜をパターン露光する露光装置において、前記レーザー
光源と前記屈折体の間、または屈折体と基板との間に、
光軸を中心軸とする少なくとも１個の円を境に段差を有
する透明板からなる位相フィルターを設けたものであ
る。また、位相フィルターに形成される段差の大きさｄ
が、透明板の屈折率をｎ、光源の波長をλとしたとき
(数３)式、

【００１７】

【数３】 (ｎ-1)ｄ＝(２ｍ+1)λ/２ (ｍ＝0，1，2,……) を満たすｄの大きさから40％以下の範囲でずれていた方
が、より効果的である。また、位相フィルターを設ける
代わりに、屈折体にその中心軸を中心とする円を境に段
差部を設けてもよい。

【００１８】

【作用】本発明は、上記した構成によって、露光面にお
ける光軸近傍の光強度の集中を緩和でき、露光面上の光
強度分布をほぼ均一にできるために、光軸近傍にも同心
円グレーティングを形成することができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例における露光装置につ
いて図面を参照しながら説明する。なお、図６に示した
従来の技術と同一の部材については同一の符号を付し
て、詳細な説明は省略した。

【００２０】図１は本発明の露光装置の第１実施例に係
る位相フィルターの平面図およびＸ−Ｘ′断面図であ
る。位相フィルター13は、透明板の一部に円形状の凹部
14を形成した構成であり、段差部15を境界線とする２つ
の領域ＡおよびＢをそれぞれ透過する光ａ，ｂ間の位相
を異ならせる作用を有する。

【００２１】位相フィルター13の屈折率をｎ、露光に用
いるレーザー光源１(図６参照)の波長をλ、段差高さを
ｄとしたとき、２つの領域Ａ，Ｂを透過した光ａ，ｂ間
で生ずる位相差Δは(数４)式で表される。

【００２２】

【数４】Δ＝２πｎｄ/λ−２πｄ/λ ここで、位相差Δが(数５)式を満たせば、

【００２３】

【数５】Δ＝(２ｍ+1)π (ｍ＝0，1，2，……) 光ａ，ｂがその境界領域において互いに打ち消し合うこ
とになる。図２は位相フィルターを透過した光の光束断
面を示す説明図であり、図２に示すように境界領域で光
が互いに打ち消し合うことによって、リング状の暗線16
が光束断面17内に形成される。

【００２４】すなわち、(数４)式および(数５)式より位
相フィルター13の透明板の屈折率ｎ、レーザー光源の波
長λ、透明板に形成される段差ｄが、(数６)式の関係を
満たせば、

【００２５】

【数６】 (ｎ-1)ｄ＝(２ｍ+1)λ/２ (ｍ＝0，1，2,……) 図２に示すようなリング状の暗線16が光束断面17内に形
成できる。

【００２６】次に上記した位相フィルターを備えた本発
明の第１実施例の露光装置について説明する。

【００２７】図３は本発明の第１実施例の露光装置に係
る位相フィルターと干渉レンズ，開口制限マスクおよび
感光膜とその基板の一部を示す断面図である。図３にお
いて、干渉レンズ９の光源側には輪帯状の開口制限マス
ク18が設けられており、干渉レンズ９と開口制限マスク
18との間には位相フィルター13が設けられている。

【００２８】位相フィルター13には開口制限マスク18の
輪帯に同心した円形領域に対して凹部14が形成されてお
り、その円形領域の径は開口制限マスク18の輪帯の外周
径と内周径のほぼ中間の値になっている。すなわち、開
口制限マスク18を通過した輪帯状の光束断面を有する光
束のうち、位相フィルター13の段差部15を通過した光19
a，19bが干渉レンズ９の屈折面で屈折した後、互いに交
わる点が、感光膜20の表面と干渉レンズ中心軸９Ｌとが
交わる点Ｏと一致するようにその径が設定されている。
なお、図３中の波形図はｃ−ｄ間の強度分布を示す。

【００２９】ここで、位相フィルター13に形成された段
差の大きさｄが(数６)式の関係を満たしていれば、図２
に示したリング状の暗線16部分が感光膜20表面では点Ｏ
に集まることになり、点Ｏ近傍において光の強度が低減
される。

【００３０】図４は感光膜表面における光の強度分布を
示す分布図であり、位相フィルター13がない場合には、
感光膜20表面、すなわち露光面20aにおける光の強度分
布が図４の破線で示す中心、すなわち図３に示す点Ｏ近
傍に光強度が集中したものとなる。その一方、位相フィ
ルター13を設けた構成では、露光面20aにおける光の強
度分布は、図４の実線に示されるように、光軸上におけ
る光の集中が緩和された、より均一な強度分布となる。
すなわち、中心近傍も含めて光の干渉領域(−ｘ２＜ｘ
＜＋ｘ２)内の露光条件が均一化され、露光面20a上で同
心円グレーティングがその中心領域まで作製できる。

【００３１】なお、上記実施例では(数６)式の関係を満
たす位相フィルターの場合で説明したが、実際は光の回
折の影響で露光面20aまで伝搬した暗線リングは、ある
程度の幅を有するために、逆に中心近傍に未露光部が生
ずる場合がある。この場合、(数６)式の条件から、あえ
て段差高さｄをややずらして、露光面20a上の中心強度
が完全にゼロにならないようにした方が望ましい。実験
によれば、屈折面の形状や干渉レンズ９の頂角の大きさ
により違いはあるが、(数６)式を満たす段差高さｄの値
から40％以下の範囲でずらして段差高さを設定すれば、
中心まで同心円グレーティングが形成されることが確認
できた。

【００３２】なお、本実施例の位相フィルターでは透明
板の一部に円形状の凹部14を形成した構成としたが、凹
部の代わりに凸部であっても同様の作用を有する。ま
た、透明板に形成する凹凸が円形状でなく、１つもしく
は複数個の円環状に形成されている場合も、それぞれの
段差部15で同様の効果が現れ、干渉レンズ９の中心軸上
に沿って感光平板21を動かせば、中心軸上の複数のポイ
ントで中心近傍まで均一に形成された同心円グレーティ
ングを作製できる。さらに、位相フィルター13はレーザ
ー光源１(図６参照)と干渉レンズ９の間でなく、干渉レ
ンズ９と感光平板21との間に配置してもよい。

【００３３】図５は本発明の第２実施例に係る干渉レン
ズの構造を示す側面図であり、図５(a)では干渉レンズ
９aの平面側に凹部14aが設けてあり、図５(b)では干渉
レンズ９bの屈折面に段差部15aが形成されている。この
場合も(数６)式の関係を満たす段差高さｄ、または(数
６)式を満たす段差高さｄから40％以内の範囲内のずれ
を有する段差高さであれば、同様の効果により感光膜20
表面上において光の干渉領域の中心近傍の光強度が低減
でき、中心近傍まで均一に同心円グレーティングが形成
できる。また、第２実施例によれば、第１実施例に示し
た露光装置における位相フィルターと干渉レンズとの中
心軸合わせ，あおり角度の調整が不要となり、装置がよ
り簡素化される。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、感光膜
表面近傍にて光軸と交差する光束部分の強度を低減する
ことで、露光面における光軸近傍の光の集中をなくすこ
とができるために、光軸近傍まで同心円グレーティング
が形成でき、微小領域でグレーティングレンズやフレネ
ルレンズ、同心円グレーティングカプラや同心円集光グ
レーティングカプラなどの平面構成の光学素子を作成す
るための同心円状のグレーティングパターンの露光法，
露光装置としてきわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の露光装置の第１実施例に係る位相フィ
ルターの構成図である。

【図２】位相フィルターを通過した光束の断面を示す説
明図である。

【図３】本発明の露光装置の第１実施例の要部構成およ
び光の進行方向を示す説明図である。

【図４】感光膜表面における光の強度分布を示す分布図
である。

【図５】本発明の露光装置の第２実施例に係る干渉レン
ズの構造を示す側面図である。

【図６】露光装置の従来例の構成図である。

【図７】従来の露光装置における干渉レンズの説明図で
ある。

【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、 ４…１／４波長板、 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、 ８a…ＮＤフィルター、 ８b…パターニングマス
ク、 ９…干渉レンズ、 ９Ｐ…入射面、 ９Ｓ…出射
面、 ９Ｌ…中心軸、 10…試料基板、11，20…感光
膜、 11a，20a…露光面、 12a，12b，12Ａ，12Ｂ…
光、 13…位相フィルター、 14，14a…凹部、 15，1
5a…段差部、 16…暗線、 17…光束断面、 18…開口
制限マスク、 19a，19b…光、 21…感光平板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光源と、前記レーザー光源から
   出射するレーザー光を光軸を軸とする回転面で屈折させ
   る屈折体と、前記レーザー光の光軸に直交する基板上に
   形成された感光膜とを備え、前記屈折体の屈折面の各対
   角母線で屈折した光束が交差，干渉して光軸法平面上に
   て形成される同心円状の周期的明暗縞により前記感光膜
   をパターン露光する露光装置において、前記レーザー光
   源と前記屈折体との間、または前記屈折体と前記基板と
   の間に、前記光軸を中心軸とする少なくとも１個の円を
   境に段差を有する透明板からなる位相フィルターを設け
   たことを特徴とする露光装置。
2. 【請求項２】 前記段差の大きさｄ₀が、透明板の屈折
   率をｎ₀、レーザー光源の波長をλとしたとき(数１)
   式、 【数１】 0.6λ/２(ｎ₀-1)≦｜ｄ₀−２ｍλ/２(ｎ₀-1)｜≦1.4λ/２(ｎ₀-1) （ｍ＝0，1，2，……） を満たすことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
3. 【請求項３】 レーザー光源と、前記レーザー光源から
   出射するレーザー光を光軸を軸とする回転面で屈折させ
   る屈折体と、前記レーザー光の光軸に直交する基板上に
   形成された感光膜とを備え、前記屈折体の屈折面の各対
   角母線で屈折した光束が交差，干渉して光軸法平面上に
   て形成される同心円状の周期的明暗縞により前記感光膜
   をパターン露光する露光装置において、前記屈折体にそ
   の中心軸を中心とする少なくとも１個の円を境に段差を
   設けたことを特徴とする露光装置。
4. 【請求項４】 前記段差の大きさｄ₁が、屈折体の屈折
   率をｎ₁、レーザー光源の波長をλとしたとき(数２)
   式、 【数２】 0.6λ/２(ｎ₁-1)≦｜ｄ₁−２ｍλ/２(ｎ₁-1)｜≦1.4λ/２(ｎ₁-1) （ｍ＝0，1，2，……） を満たすことを特徴とする請求項３記載の露光装置。