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JP4506466B2 - 光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法 - Google Patents

光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法 Download PDF

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Description

本発明は、露光光源からの光をフォトレジストが塗布された光記録媒体原盤上に照射することにより記録情報に対応するパターン露光を行う光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法に関する。
ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（Mini Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の各種光ディスク、光磁気ディスクなどの光記録媒体を製造する際の光記録媒体原盤は、例えば円盤状の原盤用基板上にフォトレジストが被着され、その表面に記録情報に対応する凹凸パターンが露光及び現像により形成され、即ちいわゆるカッティングされて形成される。
このカッティングを行うマスタリング装置、すなわち光記録媒体原盤露光装置は、露光光源から出射される波長が４００ｎｍ前後のレーザ光、例えばＫｒレーザ（λ＝４１３ｎｍ）やＡｒレーザ（λ＝３５１ｎｍ）等の紫外波長域の連続発振固体レーザ光源を用いて対物レンズを介してレジストが塗布された原盤上に回折限界の微小スポットに絞り込んで照射することによって露光処理を行っている。
上述したような各種の光記録媒体は、その記録容量を高めるための高密度化に伴ってピットまたはグルーブの加工寸法を微細化することが求められている。ところが、このピットの加工寸法として０．２５μｍ以下の寸法が要求されるようになると、上述した光記録媒体原盤露光装置で使用する気体レーザの波長では集光レンズの開口数ＮＡを１に近いレンズにしてもレーザ光を十分に絞り込むことができなくなる。このため、現状では光記録媒体原盤の作成において０．２５μｍ以下の寸法に精度良く加工することが極めて困難である。
例えば、微細パターンを加工する技術として、波長５３２ｎｍの半導体レーザ励起高出力グリーンレーザを励起光源として外部共振器構造の第２高調波発生装置を用いて波長２６６ｎｍの紫外レーザ光を発生し、ビームスポットサイズとしては開口数ＮＡ＝０．９の無収差対物レンズを用いて０．３６μｍのエアリースポットを得た例が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
近年、光ディスクの高密度化の傾向はさらに加速し、現在はより微小なピットの形成、例えば、０．２μｍ以下が必須となり、より短波長の光源が求められている。光記録媒体原盤露光装置に利用可能な安定性、低ノイズ、ビーム品質を有する連続発振のレーザ光源としては、アルゴンガスレーザの共振器内にＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）等の非線形光学結晶が設置されたＤｅｅｐ ＵＶ発振水冷アルゴンガスレーザ（波長２２９ｎｍで出力４０ｍＷ、波長２３８ｎｍで出力１００ｍＷが得られる）が市販されている。しかしながら、波長比は２２９／２６６＝０．８６であり、０．２μｍ以下の分解能を得る為には、より高ＮＡの対物レンズなどを併用する必要がある。かつ、多量の冷却水を用いることから、組み込みの機器内での振動を回避する対策を要する不便さもある。
さらに高ＮＡの光学系として、ＮＡ＞１のソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）を用いたニアフィールド光学系を利用する手段の技術検討がなされている。しかしながら、ワーキングディスタンスは１００ｎｍ以下、例えば数１０ｎｍと非常に狭く、埃や塵の混入や、光記録媒体原盤の表面平滑性等に十分に注意しなければならず、光記録媒体原盤の回転数もあまり高く上げることができないという問題がある。
別の高分解能化の手段として最近では電子ビーム露光装置を用いた微小ピット加工法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら電子ビームを用いる方法では、真空装置を必要とし、ガラス原盤の高精度高回転機構を真空中で有するなど大掛かりな装置になる。
一方、近年、負の群速度分散を有するチャープ補正誘電体ミラーが開発されたことから、プリズムペアやグレーティングペアを用いることなく、非常にコンパクトな構成でカーレンズモードロック方式の高繰り返し周波数を実現したＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ（チタニウム・サファイア）よりなる超短パルスレーザ光源がいくつか実用化されている。
この超短パルスレーザ光源の繰り返し周波数Ｒは共振器長Ｌで決まり、定在波型（例えばＺ字型の光路の場合）ではＲ＝ｃ／２Ｌ（ｃ：光速）、また進行波型（例えばリング型の光路の場合）ではＲ＝ｃ／Ｌで与えられる。
一例として、２ＧＨｚの高繰り返し周波数での発振器が実用化された例が報告されている。例えば２ＧＨｚの繰り返し周波数を得たい時には、リング型の場合で共振器長Ｌは１５ｃｍとなる（例えば河田聡編、日本分光学会測定法シリーズ３８「超解像の光学」、学会出版センター、１９９９年３月２０日、第７９頁参照。）。
このＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザ光源は、半導体レーザ励起高出力グリーンレーザで励起され、中心波長７６０ｎｍから８４０ｎｍの間、たとえば８００ｎｍでパルス発振し、平均出力１Ｗ、パルス幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum、半値全幅）が１００ｆｓ（１００×１０−１５秒）以下、例えば２３ｆｓのものが安定に得られる。ビームの横モードはＴＥＭ００でノイズも０．１％以下の優れた性能を有する。さらに、例えばSpectra Physics社のTsunamiシリーズ、Coherent社のMiraシリーズなど、繰り返し周波数８０ＭＨｚでパルス幅（ＦＷＨＭ）１００ｆｓ以下、平均出力１Ｗ以上のものが実用化されている。
またこのような超短パルスレーザ光源を用いて２光子吸収過程を発生させ、非線形光学効果を利用した超解像特性による回折限界よりも微細なパターンを形成することが報告されている（例えば、河田聡編、日本分光学会測定法シリーズ３８「超解像の光学」、学会出版センター、１９９９年３月２０日、第７９頁、及びS. Kawata, et al: “Fine features for functional microdevices”, Nature, 2001, Vol.412, p.697参照。）。
上記文献においては、波長７８０ｎｍ、繰り返し周波数７６ＭＨｚ、パルス幅１００ｆｓのレーザ、開口数ＮＡ１．４の対物レンズを用いて、幅１２０ｎｍのドット状パターンを形成した例が報告されている。
しかしながら、現状では光記録媒体用の記録情報の変調信号を、２光子吸収過程を利用してパターン露光によりレジスト上に形成し、光記録媒体原盤の露光に利用する技術は実現化されていない。
特開平７−９８８９１号公報 特許第３２３３６５０号公報
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたものであり、微細なピットを高精度に形成でき、生産性を大幅に向上させることができる光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体の露光方法の提供を目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る光記録媒体原盤露光装置は、共振器長が可変とされるレーザ共振器を有する超短パルスレーザよりなる露光光源と、超短パルスレーザの共振器長を制御して、超短パルスレーザの繰り返し周波数を、記録情報のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍の周波数にモードロックし、パルス発振させる外部同期機構と、露光光源からの光に対し前記記録情報に対応して光強度変調を行う変調手段と、この変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する集光光学系と、を有する構成とする。
また本発明は、上述の光記録媒体原盤露光装置において、露光光源と変調手段との間に、超短パルスレーザを励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段を設ける構成とする。
また更に本発明に係る光記録媒体原盤の露光方法は、共振器長が可変とされるレーザ共振器を有する超短パルスレーザよりなる露光光源を用いて、外部同期機構により超短パルスレーザの共振器長を制御して、この超短パルスレーザの繰り返し周波数を、記録情報のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍の周波数にモードロックしてパルス発振させ、露光光源からの光に対し記録情報に対応して光強度変調を行い、変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、フォトレジストを記録情報に応じてパターン露光する。
また本発明に係る光記録媒体原盤露光装置は、記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザよりなる露光光源と、この露光光源からの光に対し記録情報に対応して光強度変調を行う変調手段と、この変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、フォトレジストを記録情報に応じてパターン露光する集光光学系と、を有する構成とする。
更に本発明は、上述の構成において、露光光源と変調手段との間に、超短パルスレーザを励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段を設ける構成とする。
また本発明に係る光記録媒体原盤の露光方法は、記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザよりなる露光光源を用いて、この露光光源からの光に対し記録情報に対応して光強度変調を行い、変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、フォトレジストを記録情報に応じてパターン露光する。
更にまた本発明は、上述の各光記録媒体原盤の露光方法において、露光光源から出射された光を、この露光光源を励起光源とした高次高調波発生手段によって、非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化して出射させる。
上述したように、一の本発明は、露光光源として共振器長が可変とされるレーザ共振器を有する超短パルスレーザ光源を用いるとともに、その共振器長を制御して、繰り返し周波数を、記録情報のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍とする外部同期機構を設けるものである。
光ディスクの記録情報信号のクロック周波数は、ＣＤの場合４．３ＭＨｚ、ＤＶＤの場合２６ＭＨｚである。また近年高密度ディスクとして注目され、再生光の波長λが４０５ｎｍ、対物レンズの開口数ＮＡが０．８５とされて開発が進められているいわゆるBlu-ray Disc（登録商標）の場合で６６ＭＨｚである。例えばBlu-ray Disc（登録商標）の場合６６ＭＨｚであるから、超短パルスレーザの繰り返し周波数とほぼ同程度である為、情報データ信号とレーザのパルス発振のタイミングを合わせる必要がある。
本発明においては露光光源として用いる超短パルスレーザ光源の共振器長を調整する外部同期機構を設け、これにより共振器長の調整を行い、繰り返し周波数がチャンネルクロックの１以上２０以下の整数倍すなわち１倍、２倍、３倍‥‥２０倍となるようにする。
このようにして同期させることによって、超短パルスレーザ光源からの光を露光光源として、ＣＤ、ＤＶＤ、Blu-ray Disc（登録商標）などの各種光記録媒体に記録する情報信号に同期したパターン露光を確実に行うことができる。
一方、上述した他の本発明は、光記録媒体原盤露光装置の露光光源として超短パルスレーザ光源を用いると共に、その周波数を、記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下の繰り返し周波数とするものである。
光記録媒体の記録情報信号のクロックは、上述したようにＣＤの場合４．３ＭＨｚ、ＤＶＤの場合２６ＭＨｚ、またBlu-ray Disc（登録商標）の場合で６６ＭＨｚである。これら周波数の１０倍程度以上の高繰り返し周波数で発振する超短パルスレーザ光を用いれば、光記録媒体の情報信号記録の際に、パルス間隔を信号の間隔に比して十分小さくすることができることから、各パルスは積分平均化され、またピット信号などのパターンのずれを再生信号に影響を与えることなく抑制することができることから、従来技術の連続発振光と同様に扱うことができ、再生時の信号ジッター値を１０％以下にすることができる。
この場合、外部同期機構などによってパルスレーザ光と記録情報のクロック信号等を同期させる必要がなく、装置構成の複雑化を回避することができる。
またこのとき、繰り返し周波数を２０倍以下とすることによって、超短パルスレーザ光の尖頭出力を微細なパターン露光を行うに十分な出力に保持することができて、従来に比し微細なパターン露光を精度良く行うことができる。
上述の光記録媒体のうち最も周波数の高いBlu-ray Disc（登録商標）の場合を例にとると、６６×１０＝６６０ＭＨｚ以上の高繰り返し周波数で発振する超短パルスレーザを用いればよいことになる。
つまり、このようにクロック周波数の１０倍以上の繰り返し周波数とする場合は、非常に高い繰り返し周波数でパルス発振している為、従来方法の連続発振レーザ光を用いる場合と同様に情報記録信号の光変調器とのタイミングを精度良く調整することなく露光することが可能となるという利点を有する。
尚、光記録媒体のクロック周波数が上述のBlu-ray Disc（登録商標）よりも更に高くなる場合、超短パルスレーザの繰り返し周波数を１０倍以上とすると尖頭出力が十分得られなくなる恐れがある。尖頭出力が十分でないと後述する２光子吸収過程を起こしにくくなって、目的とする微小なスポット径による露光を行い難くなる恐れもある。
この場合においては、前述したように外部同期機構を設けて、超短パルスレーザの繰り返し周波数を光記録媒体のクロック周波数の１倍以上１０倍以下の整数倍として、クロック信号に同期させる構成とすることが望ましい。
また、上述の各本発明において、露光光源と変調手段との間に、高次高調波発生手段を設け、超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射させることによって、より短波長の露光光源を得ることができる。
このように本発明に係る光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤露光方法によれば、擬似的に連続光と同等にみなせる繰り返し周波数の高い超短パルスレーザ光を出射する露光光源、またはこれを励起手段とする高次高調波発生手段により短波長化された超短パルスレーザ光を出射して、光強度変調手段で変調された光を所定の集光光学系により回折限界のスポットサイズに集光してフォトレジストに照射することによって、従来と比較して微細なパターンのピットなどの凹凸パターンの露光を行うことができる。
さらに本発明は、上述の光記録媒体原盤露光装置または光記録媒体原盤の露光方法において、フォトレジストの露光を、２光子吸収過程によってなされることとする。尖頭出力（ピーク出力）が非常に高い超短パルスレーザ光源を露光光源として用い、かつ集光光学系によってビームを集光することにより、レジスト内では２光子吸収過程が非常に効率的に起こる。例えば繰り返し周波数が１ＧＨｚで、対物レンズ出射後のレーザの平均パワーが１０ｍＷである時、フォトレジストの表面上のビームスポット内の光強度は尖頭出力にして１００ＧＷ／ｃｍ２に及ぶ。
２光子吸収過程は非線形光学現象の一つであり、レジストの露光は、ビームスポットの強度分布の２乗で与えられることになる。レジストの２光子吸収断面積は１０−４６〜１０−４７ｃｍ４ｓ／ｐｈｏｔｏｎ程度と小さな値であり、レジストの感度は低いが、数％の吸収が起こる。
このように高効率で２光子吸収を起こす為には超短パルスレーザ光の尖頭出力が高くなければならない。
本発明においては、高繰り返し周波数のパルス発振を用いると共に、そのパルス幅（ＦＷＨＭ）を少なくとも１ｐｓ（１×１０−１２秒）以下とするものであるが、このようにパルス幅を規定することによって、効率よく２光子吸収を起こすことができた。
レジストの露光の過程で、レジスト面内における光源の光の吸収分布は、通常の吸収の場合、ビーム強度分布に比例し、２光子吸収の場合はビーム強度分布の２乗に比例する。
光の吸収分布を図６に示す。図６において、Ｉはビーム強度分布を示し、通常の吸収の場合に相当する。Ｉ２はビーム強度分布の２乗を示し、２光子吸収の場合に対応する。エアリースポット径ｄは、
ｄ＝１．２２λ／ＮＡ
となる。対物レンズの開口数ＮＡが、ＮＡ＝０．９、波長λ＝２６７ｎｍの時、スポットサイズは０．３６μｍであるが、２光子吸収の場合、ほぼ１／√２＝０．７倍のビームスポット、即ち、波長１９０ｎｍの露光光源を用いた通常の露光時のビームスポットサイズに相当する。これにより、記録線密度は１光子の（通常の）露光の場合の約１．４倍になる。
また、本発明は、上述の各光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法において、集光光学系から出射され、フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、レーザ光の走査方向に延在する長円状とするものである。
例えばグルーブなどの線状のパターンを露光する為には、パルス間隔（繰り返し周波数の逆数）、走査速度（円盤状の光記録媒体原盤の場合線速）がレジストの感度に合わせ最適化されなければならない。ところが、パルス間隔はチャンネルクロックによって一義的に固定されているので、線状のパターンを露光するのは難しい。
上述の本発明によれば、集光光学系から出射されレジストに集光されたビームスポットをビーム走査方向に長円化していることから、照射される光量分布が拡がり平均化されて、グルーブなどの線状のパターンが容易に得られることとなる。
更にまた本発明においては、フォトレジストの吸収ピーク波長を露光光源の波長の半分以下とする。
このように、フォトレジストとして露光光源の波長域では透明で、その半分の波長において吸収を有するような材料を用いることによって、通常の吸収（１光子吸収）を効率よく抑制することができる。
２光子吸収では光子を２個同時吸収し、光子１個の持つエネルギーの２倍のエネルギーだけ上の準位にレジストの電子を遷移させる。吸収スペクトルで言えば露光光源の波長の半分の波長の光（１光子）で励起する場合に相当することから、２光子吸収用のレジストは吸収ピーク波長を露光光源の波長の半分以下とすることにより、効率よく２光子吸収を発生させ、より微細なパターン露光を行うことができる。
このように、本発明においては、超短パルスレーザを露光光源として用いて、さらに集光光学系でビームを回折限界まで絞ることから、高効率に２光子吸収を行わせることができることと、２光子吸収過程によりレジストの感光はビームスポットの強度分布の２乗で与えられることになり、非線形効果を利用した超解像特性を有することになり、回折限界よりもさらに微細なより小さなピットの記録が可能になる。
本発明によれば、微細なピットを高精度に形成でき、生産性を大幅に向上させることができる光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体の露光方法を提供することができる。
以下、本発明に係る光記録媒体原盤露光装置の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明による光記録媒体原盤の露光装置の一例の模式的な構成図を示す。この例においては、露光光源１からの光を記録情報に対応する光強度変調を行う変調手段３と、この変調手段３で変調された光を、図示の例ではディスク状の光記録媒体原盤１１上のフォトレジスト１２上に集光する集光光学系９とを設けて、フォトレジスト１２を記録情報に応じてパターン露光するものである。
図１に示すように、露光光源１から出射されたパルスレーザ光は、後段で詳細に説明する高次高調波発生手段２、更にチャープ補正光学系４を介してミラー１ａで反射され、変調手段３を経てミラー１ｂで反射されて、ビームエキスパンダ５を介して集光光学系９に導かれる。この集光光学系９において、レーザ光は、後段の実施例においてその一例を詳細に説明するオートフォーカス光学系６を介して、１／４波長板７を通過し、更にミラー１ｃにより反射されて、電磁アクチュエータ８ｂ及び８ｃにより光記録媒体原盤１１からの距離を精度良く調整された対物レンズ８ａを介して、光記録媒体原盤１１上の例えば所定の記録トラック位置上に照射される。また、光記録媒体原盤１１は、載置台１０に固定される。載置台１０は、この例では回転手段１３により矢印ａで示すように回転されて、また集光光学系９が、図示しないが例えば移動光学テーブル上に配置されることによって光記録媒体原盤１１の半径方向に移動するようになされて、光記録媒体原盤上の全面にわたって、露光用光が照射され得るようになされている。
そして本発明においては、露光光源１を、記録情報のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍の繰り返し周波数の超短パルスレーザより構成する。
この超短パルスレーザ光源によるパルス信号の模式的な波形を図２Ａに、またパルス信号を上述の変調手段３によって、記録情報の信号波形Ｓに重畳させた状態の模式的な波形を図２Ｂに示す。図２Ａに示すように、パルスＰの間隔を適切に選定して、その周波数を図２Ｃに示す記録情報のクロック信号Ｃの１倍以上２０倍以下の整数倍、図示の例では１倍の周波数として、図２Ｂに示すように、記録情報の信号Ｓに重畳させる。図２Ｂにおいては、パルス波形を破線Ｐ’として示す。これにより、記録情報と同期した露光を行って、記録情報に対応してフォトレジストのパターン露光を行うことができる。
このように、露光光源の超短パルスレーザの繰り返し周波数を記録情報のクロック周波数の整数倍に合わせるために、本発明においては例えば図３に示す外部同期機構を設ける。図３において、３０は例えばＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅを利用した超短パルスレーザ光源、５０は外部同期機構を示す。
まず、超短パルスレーザ光源３０には、半導体レーザ（図示せず）等の励起光Ｌｉ０ がレンズ３１、球面ミラー３２を介してＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ等のレーザ媒質３４に入射される。レーザ媒質３４から出射された光は球面ミラー３３に反射され、さらに高反射ミラー３５に反射された後分散補償プリズム３６ａ及び３６ｂに入射される。そしてスリット３７を介して高反射ミラー３８によって反射される。そして再びスリット３７を通過して、分散補償プリズム３６ｂ及び３６ａ、高反射ミラー３５、球面ミラー３３を介してレーザ媒質３４に戻される。露光用光としては、レーザ媒質３４から球面ミラー３２に戻った光を出力窓（出力カプラー）３９、ビームスプリッタ４０を介して出射光Ｌｉ２ として外部に取り出す。
そして本発明においては、ビームスプリッタ４０で一部の出力光を高速のフォトダイオード等よりなる光検出器４１で検出する。そして、この光検出器４１からの出力、すなわちレーザパルス発振による電気信号と、光記録媒体に記録する情報信号出力装置のクロック信号発生器４２の出力とを位相検出器４３で位相比較する。ここで、クロック信号の２以上の整数倍とする場合は、クロック信号発生器４２の信号の整数倍のクロック信号との位相比較を行う。そして、位相検出器４３から出力した信号をＰＬＬ（Phase Lock Loop） 回路等よりなる制御部４４に入力して、所定の制御量に変換した制御信号を、ピエゾ駆動部４５に入力して、前述の高反射ミラー３８に固定したピエゾ素子４６を光軸方向に微小移動させて、レーザ共振器の共振器長を微調整することができる。なお、この例における共振器長は、球面ミラー３２から高反射ミラー３８にいたる光路の長さとなる。
このような構成とすることによって、記録情報のクロック信号とレーザの発振パルスとの間のジッターは１ｐｓ以下にすることができる。
そして情報記録信号の光変調器駆動信号も、クロック信号に同期して送信されるので、超短パルスレーザのパルス発振とはタイミングが取れることとなる。超短パルスレーザ光源の繰り返し周波数をクロック信号の１倍、すなわち同期させる場合、フォトレジストには例えば（１，７）変調コードを用いて記録される時は、２Ｔ最短ピットには２パルスが照射される。もしクロック信号の２倍の周波数、前述のBlu-ray Disc（登録商標）の場合１３２ＭＨｚに外部同期させるときは、共振器長ＲをＲ＝ｃ／２Ｌ＝１１３６ｍｍ（ｃは光速）となるように超短パルスレーザ装置内の光学系を配置すればよく、２Ｔ最短ピットには４パルスが照射されることになる。
尚、超短パルスレーザの繰り返し周波数をクロック周波数の１０倍以上とするときは、前述したようにジッターを１０％以内に抑えられるため、外部同期機構を設けて整数倍としなくてもよいが、より確実にジッターを抑えるためには、外部同期機構を設けて整数倍としてもよいことはいうまでもない。
また用いる超短パルスレーザの出力によるが、２光子吸収等多光子吸収の発生に必要な尖頭出力値を得るためには、８倍以下の整数倍とすることが望ましい。
特に、上述のBlu-ray Disc（登録商標）、或いはそれ以上の高いクロック周波数の光記録媒体に適用する場合は、４倍以下の整数倍とすることが望ましい。
更に、クロック周波数の１〜４倍の整数倍とする場合において、１記録マーク内のパルス数が少なくなり、ジッターが問題となる恐れがある場合は、前述の図２Ｂにおいて示すような矩形波状の記録ではなく、１記録マーク内で部分的にレーザ出力を調整するいわゆる記録補償を行うことにより、光量の積算値の分布を微調整し、形成されるピットの形状を補正することができて、これによりタイミングジッター等の低下を抑制することができる。
また他の本発明においては、上述の図１に示す光記録媒体原盤露光装置において、露光光源１を、記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザより構成する。
この超短パルスレーザ光源によるパルス信号の模式的な波形を図４Ａに、またパルス信号を上述の変調手段３によって、記録情報の信号波形Ｓに重畳させた状態の模式的な波形を図４Ｂに示す。図４Ａに示すように、パルスｐの間隔ｐｔを適切に選定して、図４Ｃに示す記録情報のクロック信号Ｃの１０倍以上の周波数として、図４Ｂに示すように、記録情報の信号に重畳させる。これにより、擬似的に連続光と見なせる露光を行って、記録情報に対応してフォトレジストのパターン露光を行うことができる。図４Ａにおいてｐｗはパルス幅である。
なお、レーザ発振の繰り返し周波数を高くして行くと、平均出力は同じでもパルスの尖頭出力が低下してしまう為、後段の高次高調波発生やレジストの２光子吸収の効率が低下してしまうので、超短パルスレーザ光源の繰り返し周波数は、クロック信号の周波数の２０倍以下とする。
また本発明は、上述の構成において、露光光源１と変調手段３との間に、図１に示すように、超短パルスレーザ光源を励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段２を設ける構成とする。
この高次高調波発生手段２の一例の模式的な構成を図５に示す。
図５において、２６は第２高調波（ＳＨＧ）発生部、２７はディレーラインユニット、２８は第３高調波（ＴＨＧ）発生部をそれぞれ示す。第２高調波発生部２６に入射された光Ｌｉは、集光用レンズ１９ａを介して非線形光学結晶２０に入射し、集光レンズ１９ｂを介してハーモニックセパレータ２１ａで反射されてＬ２−１として取り出されるか、またはこのハーモニックセパレータ２１ａを設けない場合はディレーラインユニット２７に入射される。
ディレーラインユニット２７に入射された光は、ハーモニックセパレータ２１ｂにより基本波Ｌ１と第２高調波Ｌ２−２とに分割される。基本波はミラー２２ａ、２２ｂにより反射されて第３高調波発生部２８に入射され、第２高調波Ｌ２−２は、１／２波長板２３を介してミラー２２ｃ、２２ｄ、２１ｃにより反射されて第３高調波発生部２８に入射される。
例えば、F. Rotermund, et al: “Generation of the fourth harmonic of a femtosecond Ti:Sapphire laser” Optics Letters, July 1, 1998, Vol.23, No.13, p1040にあるように、前述の中心波長が８００ｎｍのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザ（くり返し周波数８２ＭＨｚ、パルス幅８５ｆｓ、平均出力１．９Ｗ）を用い、非線形光学結晶ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）のタイプＩのクリティカル位相整合を用いた第２高調波発生（ＳＨＧ）装置を用いることで、中心波長が４００ｎｍ、パルス幅は群速度分散により多少拡がるが例えば１００ｆｓ、平均出力６００ｍＷの超短パルスレーザ光を得ることができる。
第２高調波発生においてタイプＩの位相整合を用いる場合は、基本波と第２高調波の偏光面は９０°回転している為、例えば図５に一例を示すように、タイプＩの位相整合を用いる第２の非線形光学結晶２４に入射する前に基本波Ｌ１に揃える１／２波長板２３を設けることによって、第２高調波Ｌ２−２の偏光面を基本波に合わせることができる。
また、第１の非線形光学結晶２０内での波長分散により、基本波Ｌ１に遅れて第２高調波Ｌ２−２が出射する為、上述のディレーラインユニット２７によって、第２の非線形光学結晶２４に入射する前に基本波Ｌ１を遅延させる。遅延させる手段はハーモニックセパレータ２１ｂによって両波を分離し、基本波Ｌ１の光路長のみを遅延時間に相当する長さだけ長くして再び合波することによってなされる。（C. Rulliere ed. “Femtosecond Laser Pulses”, Springer, p.170参照）
そして図５に示すように、第３高調波発生部２８において、合波を非線形光学結晶２４に入射させて、和周波混合により第３次高調波Ｌ３を外部に出射させる。１９ｃ及び１９ｄは集光レンズ、２１ｄはミラー、２５はビームストッパ、Ｌｏは不要光を示す。
なお、各レンズ１９ａ〜１９ｄは、結晶内でのビーム強度を高くし、変換効率を向上させる為に配置されている。
超短パルスレーザ光の場合尖頭出力は非常に高く、２次の非線形光学現象である第２高調波発生はレーザの強度に比例してその変換効率が大きくなるので、シングルパス、則ち非線形光学結晶を１回通過する光路設定でも、高い効率が得られる。但し、例えば１００ｆｓ以下の超短パルスレーザを用いた高次高調波発生の場合、非線形光学結晶の群速度分散がある為、結晶が厚いと群速度不整合が生じ、有効な波長変換が行われない。例えばＬＢＯの結晶長は、パルス幅が１００ｆｓ、中心波長が８００ｎｍの場合、１．５ｍｍ以下とする必要がある。
さらに上述の第３高調波発生部２８において、例えば中心波長８００ｎｍの基本波と上述の高次高調波発生手段から出射される例えば中心波長４００ｎｍの第２高調波との和周波混合（ＳＦＭ）によって、中心波長２６７ｎｍ、パルス幅１１５ｆｓ、平均出力１００ｍＷ程度の超短パルスレーザ光を得ることができる。この和周波混合は第２高調波発生と同様、２次の非線形光学現象であり、例えば非線形光学結晶ＢＢＯのタイプＩのクリティカル位相整合を用いることができるが、その結晶長さも上述の理由により０．４ｍｍ以下とすることが必要となる。
更に和周波混合用の非線形光学結晶（ＢＢＯ）を追加することによって４次高調波発生が可能であり、波長２０４ｎｍの光源を得ることが可能となる。パルス幅３４０ｆｓ、平均出力１５ｍＷが得られている。したがって、波長としては４次高調波の光まで、十分な平均出力パワーをもって、本発明の光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体原盤の露光方法に適用して露光光源として用いることができる。
上述したように本発明においては、高繰り返し周波数のパルス発振を用いる場合、そのパルス幅（ＦＷＨＭ）を少なくとも１ｐｓ（１×１０−１２秒）以下とするものであるが、このようにパルス幅を規定することによって、効率よく２光子吸収を起こすことができた。
なお、本発明において、フォトレジストの吸収ピーク波長を露光光源の波長の半分以下とすることによって次のような効果が得られる。
すなわち、フォトレジストとして露光光源の波長域では透明で、その半分の波長において吸収を有するような材料を用いることによって、通常の吸収を効率よく抑制することができる。
そして更に、フォトレジストの全厚さにわたる露光を行う場合は、露光光源の半分の波長がフォトレジストの吸収ピークよりやや長波長側に存在することが望ましい。
例えばフォトレジストの厚さを１００ｎｍ程度とするＣＤ用等の原盤を露光する場合、吸収ピーク波長での吸収係数に対して、数％程度の吸収係数となる露光光源およびフォトレジストを選定するとレジストの表面近傍のみで２光子吸収されず、全厚さにわたる吸収を生じさせることができる。また、フォトレジストの厚さが、４０ｎｍ程度とされるBlu-ray Disc（登録商標）用等の原盤では、１０％程度の吸収係数となる露光光源及びフォトレジストを選定することによって、同様にレジストの全厚さにわたる吸収を生じさせ、現像後に原盤用基板の表面を露出させるパターン露光を行うことができることとなる。
なお、前述のいずれの光源を用いるにせよ注意するべき点として、超短パルスレーザ光のバンド幅（ＦＷＨＭ）δλは、例えばパルス幅δｔが１００ｆｓで、ｓｅｃｈ２形のフーリエ変換限界パルスである場合、δλ・δｔ＝０．３１５・λ２／ｃ（ｃ：光速）であり、δλ＝６．７ｎｍとなる。従って、ＮＡ０．５以上の高ＮＡレンズを用いる場合、対物レンズには色消しレンズ例えば顕微鏡等で用いられるアポクロマートレンズを用いる必要がある。また、色収差は屈折系でのみ起こるもので、非球面の凹面鏡を用いた集光光学系を用いることでも上記の問題は回避することができる。
また本発明においては、集光光学系から出射されレジストに集光されたビームスポットをビーム走査方向に長円化する。これにより、照射される光量分布が拡がり平均化されて、グルーブなどの線状のパターンが容易に得られることとなる。
ビームスポットを長円状とするためには、例えば図１において説明したビームエキスパンダ５がアナモルフィックな光学系、即ち、ビームの走査方向に対し平行な方向のビーム径の方がより拡大されるものであればよい。
具体的には、シリンドリカルレンズ、シリンドリカル凹面鏡、アナモルフィックプリズムなどを用いてビーム拡大率の比を数倍程度にすることが望ましい。
また、前述の図１において説明した光強度変調用の変調手段としては、記録情報信号によって変調された圧電素子で駆動された音響光学素子内の超音波で光がブラッグ回折することを利用した音響光学効果、あるいは、記録情報信号によって変調されたポッケルス効果を利用する電気光学変調素子が適している。
前述のレンズ、波長板、光変調器など全ての光学素子は正の群速度分散を有する為、露光光源を出射した時点でパルス幅が最小になるように調整されていても、これらを通過した超短パルスレーザ光は光記録媒体原盤のフォトレジストに照射される時には必ずチャープし、パルス幅が拡がってしまう。
そこで、図１に示すチャープ補正光学系４として、負の群速度分散を有するチャープ補正光学系を用いて、露光光源出射後の超短パルス光に事前に負にチャープを与え、これを相殺することで、レジスト上で最短パルスが得られるようにする必要がある。このチャープ補正光学系４としては、分散プリズムペアやグレーティングペア、チャープミラーを用いることができる。
またパルス幅の調整の際必要なパルス幅の計測には、従来の２次高調波発生法を用いた自己相関器によって行うことができる。
〔実施例１〕
次に、本発明の光記録媒体原盤露光装置の一例について図１を参照しながら説明する。この例は、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザ光源よりなる露光光源１と、この超短パルスレーザを励起光源とする高次高調波発生手段２と、これらの光から出力されたパルスが各種の光学部品を通過する際に被る正の群速度分散を予め補正する負の群速度分散を有するチャープ補正光学系４と、これからの出射光を供給されるデータに応じた電気的なパルス信号で高速にスイッチングして光強度変調を行う変調手段としての変調手段３と、この変調手段３で変調された光を回折限界のスポットサイズに集光してフォトレジスト１２が塗布された光記録媒体原盤１１上に照射する集光光学系９とビームエキスパンダ５が設けられている。
超短パルスレーザ光源には、繰り返し周波数が前述のBlu-ray Disc（登録商標）のクロック周波数と同じ６６ＭＨｚで、中心波長８１６ｎｍ、パルス幅８０ｆｓ、平均出力１．５ＷのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザ、すなわちＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅを図２において説明したレーザ媒質３４として用いる超短パルスレーザを用いた。
そして前述の図５において説明した高次高調波発生手段３を用いて、波長４０８ｎｍの第２高調波または波長２７２ｍの第３高調波を発生させた。この例では、図５に示す第２高調波発生部２６の非線形光学結晶２０としては、タイプＩの位相整合するＬＢＯ結晶を用いた。また第３高調波発生部２８の非線形光学結晶２４にはタイプＩのＢＢＯを用いた。各種レンズ１９ａ〜１９ｄは、結晶内でのビーム強度を高くし、変換効率を向上させる為に配置されている。第２高調波光は平均出力６００ｍＷ、パルス幅（ＦＷＨＭ）１００ｆｓ、第３高調波光は平均出力１２０ｍＷ、パルス幅は１ｐｓ以下の１２０ｆｓとして出射光を取り出すことができた。
チャープ補正光学系４としては、ブルースタープリズムペアを用いた。
図１に示すように、出射光はミラー１ａで９０°反射されて変調手段３に送られる。変調手段３の光強度変調器としては、信号変調帯域８０ＭＨｚの電気光学素子ＥＯＭを用いた。この変調手段３には、図示しないが光記録媒体原盤に記録するデータが電気的なパルス信号を発生する、いわゆるフォーマッタからピット記録信号が供給される。このデータに応じて光が変調される。
この光変調された光がミラー１ｂで９０°反射されビームエキスパンダ５、オートフォーカス光学系６の例えば偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという）６ａを介して１／４波長板７を通過させ、ミラー１ｃで９０°反射させた後、高い開口率ＮＡを有する対物レンズ８ａを透過させて予めフォトレジスト１２が塗布された光記録媒体原盤１１に照射される。
フォトレジスト１２としては、例えば、ｉ線用レジスト（ＪＳＲ（株）ＰＦＲＩＸ１１１０Ｇなど）、Ｋｒレーザマスタリング用レジスト（日本ゼオン（株）ＤＶＲ−１００など）を用いることができる。
このとき、対物レンズ８ａは入射光、例えば波長λ＝２６７ｎｍ用に収差補正された高開口数ＮＡ値を有するレンズを用い、回折限界までビームを絞って照射している。この対物レンズ８ａは、材質がこの波長領域の光を十分透過する合成石英や螢石等で構成された色消し対物レンズを用いた。また、光記録媒体原盤１１は、スピンドルモータ等の回転手段１３により矢印ａで示す方向に回転する載置台１０上に固定される。
一方、高次高調波発生手段２は、波長λ＝２７２ｎｍの第３高調波光を出射すると共に、第２高調波の波長λ＝４０８ｎｍの光を同時に出射している。この光の光路も上述した各光学素子を通過する光路であり、光記録媒体原盤１１に照射される。
光記録媒体原盤１１から反射された戻り光は、対物レンズ８ａ、ミラー１ｃ、１／４波長板７を介してＰＢＳ６ａに入射される。ここで、この戻り光は、１／４波長板７を２回通過しているため、ＰＢＳ６ａで反射されてしまう。これによって、オートフォーカス光学系６のＰＢＳ６ａは、戻り光を、波長選択素子６ｂを介してフォーカス誤差量検出素子６ｃに送る。波長選択素子６ｂは、露光波長である第３高調波の光もＰＢＳ６ａで相当量反射されるので多層干渉膜等を利用して露光波長の光を遮断するためのものである。
フォーカス誤差量検出素子６ｃは、例えば非点収差法等を用いて露光用の光が光記録媒体原盤１１上に合焦するときのベストフォーカス位置からの位置ずれ量を光学的に検知し、この検知量を電気信号に変換する。この検出した電気信号がオートフォーカスサーボ系６の一部をなす駆動制御部６ｄに供給される。
ここで、上述の非点収差法では、円筒レンズを検出レンズの後方に配置する構成にして非点収差を積極的に利用して光検出器で検出する方法である。この円筒レンズは、単一方向のみのレンズ作用を有し、この単一方向と直交する方向に対して平行平板と同じ作用しか持たないので、検出レンズとこの円筒レンズの合焦位置以外では収束せず、細いビーム像が結像することによりフォーカスエラー信号を検出している。このフォーカスエラー信号をゼロにするように制御することによって対物レンズのフォーカスを最適な位置に保つようにしている。
駆動制御部６ｄでは、電気信号に基づいて位置ずれを補正する駆動信号を生成して対物レンズ８ａを上下に微動させる電磁アクチュエータ８ｂ、８ｃに出力する。電磁アクチュエータ８ｂ、８ｃは、駆動信号で対物レンズ８ａを矢印ｂで示す上下方向に、すなわちフォトレジストに近接または離間する方向に微小移動させることによって、光記録媒体原盤１１の合焦位置を最適な位置に自動的に調整して損失を抑えて露光することができる。
ここで、例えばレーザ光のスポットサイズが対物レンズとして開口数ＮＡ＝０．９の無収差レンズを使用した場合、エアリーディスク（airy disc）としては０．３６μｍまで絞ることができた。したがって、２光子吸収過程を発生させることによって、０．３６×（１／√２）≒０．２５（μｍ）のスポットサイズに相当する露光を行うことができた。
またこのとき、上述したようにビームエキスパンダ５をアナモルフィックな光学系とすることによって、ビームの走査方向に拡大して長円化されたスポット形状とすることによって、グルーブ幅は従来と比較して微細なパターンとしてグルーブパターンを露光することができた。
このように形成したレーザ光を回転手段１３により光記録媒体原盤１１上で回転走査させ、同時に対物レンズを含む光学系をディスク中心（原盤中心）から半径方向に移動させることにより、スパイラル状にビームを原盤上で走査させ、フォトレジストを露光して高密度にピットを形成することができる。
なお、フォトレジスト１２としては、上述のｉ線用レジストなどのほか、ｇ線用のポジ型レジストを用いることができる。レジストの感光はフォトンモード記録であることから高繰り返し周波数の超短パルス光の場合も単位面積当たりフォトン数の積算量で感光量は決定される。本発明によれば、連続光照射の場合と異なり、サーマルモードを介することがほとんどない。即ち、不要なレジストの温度上昇による膨張や反応速度変化を抑制することができ、より微細なピットの形成が可能になる。
上述の実施例１では、中心波長８１６ｎｍの場合に関して述べたが、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザは７６０ｎｍ程度から発振可能で、この場合、前述と同様な手段（中心設計波長は全て変更する必要有り）で、３８０ｎｍの第２高調波光、２５３ｎｍの第３高調波光を利用することができる。但し効率は多少低下する為、超短パルスレーザ光源のレーザ媒質を励起する励起用グリーンレーザの出力を上げる必要がある。
また、さらに和周波混合用の非線形光学結晶（例えばＢＢＯ）を追加することによって、４次高調波（波長２０４ｎｍ、平均出力１２ｍＷ）を発生させることができた。この場合、ビームのスポットサイズとしては、開口数ＮＡ０．９の無収差対物レンズを用いて０．２８μｍのエアリースポットが得られた。
したがって、０．２８×（１／√２）＝０．２（μｍ）スポットサイズに相当する露光を行うことができる。
この場合、高感度のレジストとして、ＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）またはＡｒＦレーザ（波長１９２ｎｍ）用のレジストを適用することができる。
また上述の実施例１においては、高次高調波発生手段として第３高調波発生手段を例に説明したが、図５において説明した高次高調波発生手段は、第２高調波発生部と和周波混合部がそれぞれ独立に分離されているので、第２高調波を露光光源として用いることもできる。この場合第２高調波発生のほうが第３高調波発生に比べ変換効率が高く、同じ励起用のレーザパワーで高い露光パワーを得ることができるだけでなく、レーザ光の波長が可視光域に近く、多種の硝材を用いることができ、レンズ設計が容易であり、また光学素子の制限も低減する。
〔実施例２〕
次に、本発明にかかる実施例２について説明する。
この例では、光記録媒体原盤露光装置の材料、構成は上述の実施例１の場合と全く同様であるが、露光光源のレーザパワー強度を１０倍程度高くして用いた。
すなわちこの例において露光光源として繰り返し周波数６６ＭＨｚ、中心波長８１６ｎｍ、パルス幅８０ｆｓであるが、平均出力は２ＷのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅをレーザ媒質とした超短パルスレーザ光源を用いた。
さらに高次高調波のレーザパワー強度を高める為に、各非線形光学結晶２０、２４の前後にある集光レンズ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄの焦点距離をより短くし、結晶内におけるビームスポット径を小さくして励起光の電場強度を大きくすることで波長変換効率を高めて、第３高調波のレーザパワー強度を高くし、およそ実施例１の１０倍程度のパワーを得た。但し、パルス幅は多少広くなった。
第３高調波発生部２８から出射された２７２ｎｍ、パルス幅が１３０ｆｓの超短パルス光を用いて、フォトレジストとしてＡｒＦレーザ用フォトレジストの例えばフッ素樹脂系レジストに照射した。
レジスト面上のビームスポット内の光強度は尖頭出力にして１００ＧＷ／ｃｍ２に及び、２光子吸収が顕著に起こり数％の吸収、即ち、レジストの露光過程である光反応を進行させることができた。そしてこの例においては、対物レンズとしてＮＡ＝０．９の無収差対物レンズを用いて０．３６μｍのエアリースポットを得ることができ、２光子吸収過程を生じさせることにより、０．３６×（１／√２）＝０．２５μｍのエアリースポットサイズの露光を行うことができた。
レジストの感光はビームスポットの強度分布の２乗で与えられる。上述のレジストでは通常の吸収は、波長２６９ｎｍの光に対して透明であるので起こらない。２光子吸収過程のみが強度分布の高い所のみで局所的に起こる。これは、ＡｒＦレーザ（波長１９３ｎｍ）用レジスト（日本ゼオン（株）ＺＡＲＦ００１など）のみならず、現在開発が進行中のＦ２レーザ用フッ素樹脂系レジストで代用することも可能である。
またこの場合においても、ビームエキスパンダ５をアナモルフィックな光学系とすることによって、ビームの走査方向に拡大して長円化されたスポット形状とすることによって、グルーブ幅は従来と比較して微細なパターンとしてグルーブパターンを露光することができた。
更にこの例においても、高次高調波発生手段を第２高調波発生部と和周波混合部がそれぞれ独立に分離された図５に示す構成とすることによって、第２高調波（波長４０３ｎｍ）を露光光源として用いることもできる。この場合使用するフォトレジストは例えばＡｒＦレーザ用レジスト（日本ゼオン（株）ＺＡＲＦ００１など）や、又は例えばＫｒＦレーザ用レジスト（ＪＳＲ（株）ＫＲＦＭ８９Ｙなど）を用いるのが望ましい。
また、２光子吸収断面積は非常に小さい値であるので、レジストの感度を高める為、２光子吸収断面積の高い有機色素を増感剤としてレジストに添加したものを用いることができる。実施例１の場合と同様の長所があるほか、適用可能なフォトレジストの選択範囲も広がる。
〔実施例３〕
次に、他の本発明による光記録媒体原盤露光装置の一例について図１を参照しながら説明する。この例においても、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザ光源よりなる露光光源１と、この超短パルスレーザを励起光源とする高次高調波発生手段２と、これらの光から出力されたパルスが各種の光学部品を通過する際に被る正の群速度分散を予め補正する負の群速度分散を有するチャープ補正光学系４と、これからの出射光を供給されるデータに応じた電気的なパルス信号で高速にスイッチングして光強度変調を行う変調手段としての変調手段３と、この変調手段３で変調された光を回折限界のスポットサイズに集光してフォトレジスト１２が塗布された光記録媒体原盤１１上に照射する集光光学系９としてビームエキスパンダ５、対物レンズ８ａとを有している。
超短パルスレーザ光源には、繰り返し周波数が前述のBlu-ray Disc（登録商標）のクロック周波数（６６ＭＨｚ）の１０倍以上の７５０ＭＨｚ、中心波長８１６ｎｍ、パルス幅８０ｆｓ、平均出力１．５ＷのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いた。
前述の図５において説明した高次高調波発生手段３を用いて、波長４０８ｎｍの第２高調波または波長２７２ｍの第３高調波を発生させた。この例では、図５に示す第２高調波発生部２６の非線形光学結晶２０としては、タイプＩの位相整合するＬＢＯ結晶を用いた。また第３高調波発生部２８の非線形光学結晶２４にはタイプＩのＢＢＯを用いた。各種レンズ１９ａ〜１９ｄは、結晶内でのビーム強度を高くし、変換効率を向上させる為に配置されている。第２高調波光は平均出力２０ｍＷ、パルス幅１００ｆｓ、第３高調波光は平均出力４ｍＷ、パルス幅（ＦＷＨＭ）は１ｐｓ以下の１３０ｆｓとして出射光を取り出すことができた。
またこの例においても、図１に示すチャープ補正光学系４としては、ブルースタープリズムペアを用いた。図１に示すように、チャープ補正光学系４から出射された光は、ミラー１ａで９０°反射されて光強度の変調手段３に送られる。変調手段３の光強度変調器には信号変調帯域５０ＭＨｚの電気光学素子ＥＯＭを用い、入力端子を介して光記録媒体原盤に記録する情報が電気的なパルス信号を発生する、いわゆるフォーマッタからピット記録信号として供給して、この記録情報に応じて光を変調させる。
この光変調された光を、上述したようにミラー１ｂで９０°反射させビームエキスパンダ５、フォーカス検出制御系６の例えば偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６ａ、１／４波長板７を通過させ、ミラー１ｃで９０°反射させた後、高い開口率ＮＡを有する対物レンズ８ａを透過させて予めフォトレジスト１２が塗布された光記録媒体原盤１１に照射させる。
フォトレジスト１２としては、例えばｉ線用レジスト（ＪＳＲ（株）ＰＦＲＩＸ１１１０Ｇなど）、Ｋｒレーザマスタリング用（日本ゼオン（株）ＤＶＲ−１００など）を用いることができる。
このとき、対物レンズ８ａは入射光、例えば波長λ＝２７２ｎｍ用に収差補正された高開口数ＮＡ値を有するレンズを用い、回折限界までビームを絞って照射している。またこの対物レンズ８ａとしては、材質がこの波長領域の光を十分透過する合成石英や螢石等で構成された色消し対物レンズを用いた。
高次高調波発生手段２は、波長λ＝２７２ｎｍの第３高調波光を出射すると共に、第２高調波の波長λ＝４０８ｎｍの光を同時に出射している。この光の光路も上述した各光学素子を通過する光路であり、光記録媒体原盤１１に照射される。その他の構成は、前述の実施例１と同様とした。
この例においても、レーザ光のスポットサイズは、対物レンズとして開口数ＮＡ＝０．９の無収差レンズを使用した場合、エアリーディスク（airy disc）としては０．３６μｍまで絞ることができる。従って、０．３６×（１／√２）≒０．２５（μｍ）のスポットサイズに相当する露光を行うことができた。
このように形成したレーザ光をディスク回転機構によりディスク上で回転走査させ、同時に対物レンズを含む光学系をディスク中心から半径方向に移動させることにより、スパイラル状にビームをディスク上で走査させ、フォトレジストを露光して高密度にピットを形成することができる。フォトレジストにはｇ線用あるいはｉ線用のポジ型レジストを用いた。レジストの感光はフォトンモード記録であることから高繰り返し周波数の超短パルス光の場合も単位面積当たりフォトン数の積算量で感光量は決定される。本発明によれば、連続光照射の場合と異なり、サーマルモードを介することがほとんどない。即ち、レジストの不要な温度上昇による膨張や反応速度変化を抑制することができ、より微細なピットの形成が可能になる。
実施例３では中心波長８１６ｎｍの場合に関して述べたが、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザは７６０ｎｍ程度から発振可能で、この場合、前述と同様な手段（中心設計波長は全て変更する必要有り）で、３８０ｎｍの第２高調波光、２５３ｎｍの第３高調波光を利用することができる。但し効率は多少低下する為、励起用グリーンレーザの出力を上げる必要がある。
また、さらに和周波混合用の非線形光学結晶（ＢＢＯ）を追加することによって、４次高調波発生（波長２００ｎｍ近辺）の利用も考えられる。この場合、ビームスポットサイズとしてはＮＡ０．９の無収差レンズを用いて０．２８μｍのエアリースポットが得られる。従って、０．２８×（１／√２）≒０．２（μｍ）のスポットサイズに相当する露光を行うことができる。平均出力は数１０μＷ程度と少し低いが、露光用光の走査速度、すなわち光記録媒体原盤の回転数を落とすことで、光源のレーザパワーが低い問題を解決することも可能である。
また、上述の実施例３においては、高次高調波発生手段として第３高調波発生手段を例に説明したが、上述の図５において説明した高次高調波発生手段は、第２高調波発生部と和周波混合部がそれぞれ独立に分離されているので、第２高調波を露光光源として用いることもできる。この場合第２高調波発生のほうが第３高調波発生に比べ変換効率が高く、同じ励起用のレーザパワーで高い露光パワーを得ることができるだけでなく、レーザ光の波長が可視光域に近く、多種の硝材を用いることができ、レンズ設計が容易であり、また光学素子の制限も低減する。
〔実施例４〕
次に、本発明に係る実施例４について説明する。
この例では、光記録媒体原盤露光装置の材料、構成は実施例３の場合と全く同様であるが、高次高調波のレーザパワー強度を高めるために、各非線形光学結晶の手前にある集光レンズの焦点距離をより短くし、ビームスポット径を小さくして波長変換効率を高めている。
この例においても露光光源１として繰り返し周波数７５０ＭＨｚ、中心波長８１６ｎｍ、パルス幅８０ｆｓ、平均出力１．５ＷのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザを用いた。
第３高調波発生手段から出射された波長２７２ｎｍ、パルス幅が１ｐｓ以下の１３０ｆｓの超短パルス光を、ＡｒＦレーザ用フォトレジストの例えばフッ素系樹脂に照射した時、レジスト面上のビームスポット内の光強度は尖頭出力にして１００ＧＷ／ｃｍ２に及ぶため、２光子吸収が顕著に起こり数％の吸収、即ちレジストの露光過程である光反応が進行する。この例においては、対物レンズとしてＮＡ＝０．９の無収差レンズを用いて０．３６μｍのエアリースポットを得ることができ、０．３６×（１／√２）＝０．２５μｍのエアリースポットサイズの露光を行うことができた。
上述したようにレジストの感光はビームスポットの強度分布の２乗で与えられる。すなわちこの場合もレジストでは通常の吸収は、波長２７２ｎｍの光に対して透明であるので起こらず、２光子吸収過程のみが強度分布の高い所のみで局所的に起こる。そしてこの場合もＡｒＦレーザ（波長１９３ｎｍ）用レジスト（日本ゼオン（株）ＺＡＲＦ００１など）のみならず、現在開発が進行中のＦ２レーザ用フッ素樹脂系レジストで代用することも可能である。
また、この例においても、高次高調波発生手段を第２高調波発生部と和周波混合部がそれぞれ独立に分離された図５に示す構成を用いることによって、第２高調波（波長４０３ｎｍ）を露光光源として用いることもできる。この場合使用するフォトレジストは例えばＡｒＦレーザ用レジスト（日本ゼオン（株）ＺＡＲＦ００１など）、あるいはＫｒＦレーザ用レジスト（ＪＳＲ（株）ＫＲＦＭ８９Ｙなど）を用いるのが望ましい。
また、この場合においても、レジストの感度を高める為、２光子吸収断面積の高い有機色素を増感剤としてレジストに添加したものを用いることができる。実施例３の場合と同様の長所があるほか、適用可能なフォトレジストの選択範囲も広がる。
上述の各実施例３及び４においては、超短パルスレーザの繰り返し周波数を、光記録媒体の記録情報のクロック周波数の１０倍以上とすることによって、光記録媒体の記録情報のクロック周波数とのずれをクロックの１／１０以下とし、ジッターを１０％以下に抑えることができた。
また上述したように、繰り返し周波数を高くしすぎるとパルスの尖頭出力が低下してしまい、２光子吸収を発生させにくくなり、解像度の高いパターン露光を行えない。従って、上述の本発明においては、その上限として、現状で得られる超短パルスレーザ光源の最大出力や開発中の各種光記録媒体のクロック周波数を考慮して、露光を行う光記録媒体のクロック周波数の２０倍程度以下に選定するものである。
また、上述の実施の形態及び各実施例においては、光源手段として、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ超短パルスレーザを例にとったが、他にも様々な超短パルスレーザ光源を用いることができる。
例えばＮｄ：Ｖａｎａｄｅｔｅ超短パルスレーザは半導体レーザ励起可能で、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）を採用した中心波長１０６４ｎｍ、パルス幅７ｐｓ、平均出力数Ｗで繰り返し周波数２５ＭＨｚから１ＧＨｚのものが市販されている。中心波長９１７ｎｍのものも入手可能である。レーザ媒質としても、Ｎｄ：ＹＡＧや、Ｎｄ：ＹＬＦ等を用いることができる。また、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓなどの固体レーザ媒質を用いた超短パルスレーザでは、パルス幅１００ｆｓ以下、中心波長８５０ｎｍ、１０５８ｎｍである。
また、高次高調波発生手段において、和周波混合や第２高調波発生、第４高調波発生等を含み非線形結晶光学素子には、ＢＢＯの他にＫＤＰ、ＫＴＰ、ＬＮまたこれらの周期分極反転型ＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ）やＰＰＬＮ、ＬＢＯ、ＬｉＩＯ３、ＣＢＯ等がある。
さらに、これまで微小ピット及びグルーブの露光を例に説明を行ってきたが、従来方法の連続光光源と同様に扱うことができることから、微小ピット及びグルーブの形成のみならず、音響光学効果あるいはポッケルス効果を利用した光偏向器を用いてウォブリングアドレスの形成なども同様に行うことが可能である。
さらに、本発明はディスク状の光記録媒体原盤用の露光装置及び露光方法に限るものではなく、図１において示す回転手段１３に代えて、高精度のリニアアクチュエータを用いたＸ−Ｙ直線走査系のレーザ描画装置や、これらの回転系やＸ−Ｙ直線走査系に加えｚ方向のスライド機構を備えた３次元微細加工装置にも適用されるものである。
本発明に係る光記録媒体原盤露光装置及び光記録媒体の露光方法では、露光光源から出力された超短パルスレーザ光またはこれを励起光源とした高次高調波発生手段から出力される短波長の超短パルスレーザ光を、光記録媒体に記録する情報信号のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍にパルスの繰り返し周波数を調節してフォトレジストの露光を行うことにより、２光子吸収過程を発生させて、従来に比し微細な０．２５μｍ以下程度のピットを高精度に形成することができる。
また、超短パルスレーザのパルス幅を１×１０−１２秒以下とすることで２光子吸収過程をより効率よく発生させることができ、露光光源の波長の回折限界以下のより微細なピット形成を可能とする。
さらに、上述の本発明において、光記録媒体原盤に照射するレーザ光のビームスポットを長円状とすることによって、グルーブ等の走査方向に延在するパターンの信号も、良好な形状をもって、パターン露光することができる。
また他の本発明において、露光光源から出力された超短パルスレーザ光またはこれを励起光源とした高次高調波発生手段から出力される短波長の超短パルスレーザ光を、その繰り返し周波数を記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下とし、光強度変調を行う変調手段で変調し集光光学系で回折限界のスポットサイズに集光してフォトレジストの露光を行うことにより、従来に比し微細なパターン露光を行うことができる。
特にこの場合、２光子吸収過程を生じさせ、更に、高次高調波発生手段によってより短波長の超短パルスレーザを用いることによって、０．２５μｍ以下の微細なパターンを精度良く露光することができる。
更にまた上述の本発明において、超短パルスレーザのパルス幅を１×１０−１２秒以下とすることによって２光子吸収過程をより効率よく発生させることができ、露光光源の波長の回折限界以下のより微細なピット形成が可能となる。
また更に上述の各本発明においては、前述したような高開口数のＳＩＬを用いたニアフィールド光学系ではなく、ファーフィールド光学系を採用できる為、ワーキングディスタンスを十分広く取ることができ露光時の回転数を高くすることにより、生産性を大幅に向上させることができる。
図１は、本発明に係る光記録媒体原盤露光装置の一例の模式的構成図である。 Ａは超短パルスレーザ光のパルス波形の一例の説明図、Ｂは情報信号の波形及び超短パルスレーザ光のパルス波形の一例の説明図、Ｃはクロック信号のパルス波形の一例の説明図である。 外部同期機構の説明図である。 Ａは超短パルスレーザ光のパルス波形の一例の説明図、Ｂは情報信号の波形及び超短パルスレーザ光のパルス波形の一例の説明図、Ｃはクロック信号のパルス波形の一例の説明図である。 高次高調波発生手段の一例の模式的構成図である。 フォトレジストにおけるエアリースポットの吸収量を示す図である。
符号の説明
１．露光光源、１ａ．ミラー、１ｂ．ミラー、１ｃ．ミラー、２．高次高調波発生手段、３．変調手段、４．チャープ補正光学系、５．ビームエキスパンダ、６．オートフォーカス光学系、６ａ．偏光ビームスプリッタ、６ｂ．波長選択素子、６ｃ．フォーカス誤差量検出素子、６ｄ．駆動制御部、７．１／４波長板、８ａ．対物レンズ、８ｂ．電磁アクチュエータ、８ｃ．電磁アクチュエータ、９．集光光学系、１０．載置台、１１．光記録媒体原盤、１２．フォトレジスト、１３．回転手段、１９ａ．レンズ、１９ｂ．レンズ、１９ｃ．レンズ、１９ｄ．レンズ、２０．非線形光学結晶、２１ａ．ハーモニックセパレータ、２１ｂ．ハーモニックセパレータ、２１ｃ．ハーモニックセパレータ、２１ｄ．ハーモニックセパレータ、２２ａ．高反射ミラー、２２ｂ．高反射ミラー、２２ｃ．高反射ミラー、２２ｄ．高反射ミラー、２３．１／２波長板、２４．非線形光学結晶、２５．ビームストッパ、２６．第２高調波発生部、２７．ディレーラインユニット、２８．第３高調波発生部、３１．レンズ、３２．球面ミラー、３３．球面ミラー３４．レーザ媒質、３５．高反射ミラー、３６ａ．分散補償プリズム、３６ｂ．分散補償プリズム、３７．スリット、３８．高反射ミラー、３９．出力窓、４０．ビームスプリッタ、４１．光検出器、４６．ピエゾ素子

Claims (14)

  1. 共振器長が可変とされるレーザ共振器を有する超短パルスレーザよりなる露光光源と、
    前記超短パルスレーザの共振器長を制御して、前記超短パルスレーザの繰り返し周波数を、記録情報のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍の周波数にモードロックし、パルス発振させる外部同期機構と、
    前記露光光源からの光に対し前記記録情報に対応して光強度変調を行う変調手段と、
    該変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する集光光学系と、を有する
    光記録媒体原盤露光装置。
  2. 前記露光光源と前記変調手段との間に、前記超短パルスレーザを励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段が設けられる請求項１記載の光記録媒体原盤露光装置。
  3. 前記フォトレジストの露光が、２光子吸収過程によってなされる請求項１又は２に記載の光記録媒体原盤露光装置。
  4. 前記露光光源のパルス幅が１×１０−１２秒以下である請求項３記載の光記録媒体原盤露光装置。
  5. 前記集光光学系から出射され、前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状が、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とされる請求項１〜４のいずれかに記載の光記録媒体原盤露光装置。
  6. 共振器長が可変とされるレーザ共振器を有する超短パルスレーザよりなる露光光源を用いて、
    外部同期機構により前記超短パルスレーザの共振器長を制御して、前記超短パルスレーザの繰り返し周波数を、記録情報のクロック周波数の１倍以上２０倍以下の整数倍の周波数にモードロックしてパルス発振させ、
    前記露光光源からの光に対し前記記録情報に対応して光強度変調を行い、変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する
    光記録媒体原盤の露光方法。
  7. 前記露光光源から出射された光を、前記露光光源を励起光源とした高次高調波発生手段によって、非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化して出射させる請求項６記載の光記録媒体原盤の露光方法。
  8. 前記フォトレジストに集光されたレーザ光のスポット形状を、前記レーザ光の走査方向に延在する長円状とする請求項６又は７に記載の光記録媒体原盤の露光方法。
  9. 記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザよりなる露光光源と、
    前記露光光源からの光に対し記録情報に対応して光強度変調を行う変調手段と、
    該変調手段で変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する集光光学系と、を有する
    光記録媒体原盤露光装置。
  10. 前記露光光源と前記変調手段との間に、前記超短パルスレーザを励起光源として非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化された光を出射する高次高調波発生手段が設けられる請求項９記載の光記録媒体原盤露光装置。
  11. 前記フォトレジストの露光が、２光子吸収過程によってなされる請求項９又は１０に記載の光記録媒体原盤露光装置。
  12. 前記露光光源のパルス幅が１×１０−１２秒以下である請求項１１記載の光記録媒体原盤露光装置。
  13. 記録情報のクロック周波数の１０倍以上２０倍以下の繰り返し周波数の超短パルスレーザよりなる露光光源を用いて、
    前記露光光源からの光に対し前記記録情報に対応して光強度変調を行い、変調された光を光記録媒体原盤上のフォトレジスト上に集光して、前記フォトレジストを前記記録情報に応じてパターン露光する
    光記録媒体原盤の露光方法。
  14. 前記露光光源から出射された光を、前記露光光源を励起光源とした高次高調波発生手段によって、非線形光学素子を用いた波長変換によって短波長化して出射させる請求項１３記載の光記録媒体原盤の露光方法。
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