JP2004047170A

JP2004047170A - 電子線描画装置

Info

Publication number: JP2004047170A
Application number: JP2002200113A
Authority: JP
Inventors: Sumio Hosaka; 保坂　純男; Tatsuto Suzuki; 鈴木　達人; Tetsuya Nishida; 西田　哲也
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】回転型電子ビームマスタリング装置において、高精度のビーム位置決めができ、安価で堅牢な機構システムを提供する。
【解決手段】試料６を保持する回転テーブル３１は、回転用モータ２８により回転駆動され、直動用モータ４３により直線駆動される。回転軸４０の軸受けとしてボールベアリング軸受け２７を用い、回転の半径方向の変動を容量変位計４４ａ，４４ｂで測定し、直動運動における目標値からのズレをレーザ測長計４７で検出する。この測定誤差量を誤差検出・補正回路４８に入力し、２種類の誤差量を加えて偏向信号２５を作り、静電偏向電極１５に入力することで、電子ビーム１０の正確な位置決めを可能とする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光及び磁気記録媒体の微小な記録ビットや微細なガイド溝などを正確に形成する電子線描画装置に係わり、特に、超高密度マスタリング用電子線描画装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報化社会の進展は目覚ましく、より多くの情報を記憶できる技術の開発が要求されている。現在、ディスク型ファイルメモリの研究分野では記録ビット径の微細化と共に多値記録化が進められている。現在では、光記録で約０．４μｍのビット径であるが、これ以上の向上は困難な状況にある。しかし、２００２年には、２０〜２５ＧＢの大容量光ディスクが必要となる。現在の容量は４．７ＧＢ（記録密度約３Ｇｂ／ｉｎ^２）であり、この４〜５倍が要求され、記録密度約１５Ｇｂ／ｉｎ^２が要求される。これを実現するには現状のビット径の半分以下、０．２μｍより小さい記録ビット径の実現が必要となる。これに伴い、書き込み／読み出しに必要なビーム径は、１００ｎｍ前後のサブミクロン径が必要となる。また、ＲＯＭ（読出し専用メモリ）でも、同様に１００ｎｍ以下の微小なビットパターンや間隙が必要となる。
【０００３】
一方、現行の光技術で、ビーム光学系は現状のままで多値記録する研究が進められている。現状の技術では、青色レーザ（波長：４０５ｎｍ）を用い、高ＮＡ化（ＮＡ：０．９５）したとしても、ビーム径は約２５０ｎｍであり、高密度化は難しい。そこで、最近では、上述の微小光スポットと多値記録方式を採用しようとする要求が高まっている。多値記録に関する最近の提案は、小川清也「ナノメータ制御光ディスクシステムプロジェクトの概要」第１回次世代光メモリシンポジウム講演資料（（財）光産業技術進行協会、平成１１年１１月１日発行）に記載されている。そこには、１００Ｇｂ／ｉｎ^２の高密度記録方式の例が示され、１つのマークに３〜８ｂｉｔｓの多値情報をもたせる多値記録の方式が提案されている。マークの中心位置の間隔は３８０ｎｍ、トラック間隔は１４０ｎｍと非常に微小なものとなっている。多値記録は、マークのタンジェンシャル方向の長さをマーク内にシステムで設定された位置から最小の長さをとり、そこから７ｎｍ刻みで１６レベル（４ｂｉｔｓ）を設定することによって、１００Ｇｂ／ｉｎ^２が実現される。この方式をエッジ変調記録と言う。ここでは、さらに、マーク内にシステム内で設定された位置の前後にこのエッジ変調記録を行うので、１つのマークに２倍の８ｂｉｔｓの情報をもたせることができる。この場合、ビット長さの精度を１ｎｍ以下にすることが必要となる。特開２００２−１５４２４号公報に記載されている幅に多値情報をもたせる多値記録方法においても、同様に、正確なビット幅サイズが必要となる。
【０００４】
微細なビットパターンや案内溝を記録するためにレーザ光に代えて電子線を用いる電子線マスタリング装置が開発されている（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，　３３，　ｐ．２０３２；　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　３７，　ｐ．２１３７）。従来のレーザマスタリング装置に代わる電子線マスタリング装置は、回転機構に気体軸受けを使用している。電子線描画装置装置にも気体ベアリングを使用しているのは、スムーズに試料を回転し、更に非同期な軸方向への振動が起こらないようにするためである。このような方式は、レーザマスタリング装置で採用されている方式である。レーザマスタリング装置は、レーザビームを高速にシフトすることが難しいため、非常に高精度な回転機構を組み込み、レーザビームの位置補正は行わずに高精度なマスタリング技術を達成している。
【０００５】
図３は、従来の電子線マスタリング装置の回転機構部を示す概略図である。
試料６は回転テーブル３１上に保持されている。電子ビーム１０は、コンデンサレンズ２と対物レンズ２２によって、試料６上に絞り込まれ、ナノメータオーダーのビームスポットが形成される。試料室には、気体軸受け方式の軸受けが設置されている。気体を大気中から真空中に導き、気体軸受け部で、軸受け用回転平板３９に上下から気体を噴き出して回転軸を浮かし、側壁から更に気体を軸方向に噴き出して、モータ２８によって回転される回転軸４０を固定している。真空中で気体軸受けを動作させるためには、気体軸受けから吹き出る気体を真空中に出さずに、大気中に放出する必要がある。そのため、供給空気配管３５，３６を通して気体が供給される空気軸受けシリンダ３７を軸受け外部ハウジング３８で囲い、供給された気体を真空中に出さない構造としている。軸受け外部ハウジング３８は排気管３４に結合され、図示省略したポンプにて気体を試料室外に排気する。固定部と回転軸４０との間は、僅かの間隙を作って両者を非接触状態に保っている。このため、回転軸４０とハウジング３８の間隙から空気が真空中にリークするが、それを最小限にするため、間隙を１μｍ前後に設計・製作している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
気体軸受けを真空中で動作させるには精密な機構系が必要で、技術的な困難が伴い、保守も難しい。さらに、気体が真空中に少しでもリークすれば、電子銃が破壊され、重大な事故となる。これは、電子描画装置（マスタリング装置）の信頼性をなくす致命的な欠点となる。
【０００７】
本発明は、気体軸受けを使用せずに、ナノメートルオーダの回転及びスパイラル曲線及び情報ビット列を形成できる電子線描画装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来から使用されているボールベアリング（軸受け）に注目すると、通常のボールベアリングを使用すると回転軸に対して半径方向の非同期位置誤差が最大で約０．２５μｍ生じることが分かっている。これは、ボールベアリングのボール直径の不揃いに起因する。また、その周波数成分は数１０００回転（ｒｐｍ）で、約数１０ｋＨｚである。また、回転方向の非同期信号はサンプルサーボ方式を採用すれば、無視できる。従って、非同期信号を多く持つ半径方向の誤差を補正できれば従来から使用されているボールベアリング方式が電子線描画装置でも使用できることになる。電子線描画装置で使用されている偏向系には静電偏向方式と電磁偏向方式とがある。後者は、エディカレント等の影響で数１００ｋＨｚの応答性しか持たないが、前者は容量等を小さくすることにより、数１０から数１００ＭＨｚの応答帯域を持つ。従って、ボールベアリング方式を採用しても、静電偏向方式の電子線位置補正方式を採用すれば十分スムーズな回転曲線を形成することができる。
【０００９】
このような検討のもとになされた本発明の電子線描画装置は、真空排気された試料室と、試料室内に位置し試料を保持して回転する回転テーブルと、回転テーブルに固定された回転軸を回転駆動する回転駆動機構と、回転駆動機構を回転軸と直交する方向に駆動する直動機構と、細く絞った電子線を試料上に照射する電子光学系とを含む電子線描画装置において、回転駆動機構は回転軸の軸受け部にボールベアリング軸受けを用い、回転テーブルの回転に伴う軸振れを検出する第１の検出器と、直動機構による駆動目標位置からの位置誤差を検出する第２の検出器と、第１の検出器の出力信号及び第２の検出器の出力信号を演算して試料上の電子線照射位置を補正するための補正信号を発生する補正信号発生部と、補正信号によって電子線を偏向する電子線偏向部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
ボールベアリング軸受けは非磁性のボールを用いるのが好ましい。また、回転駆動機構は回転駆動モータ及びエンコーダを備え、ボールベアリング軸受け、回転駆動モータ及びエンコ−ダを包囲する磁気シールドを有するのが好ましい。
【００１１】
以上のように、本発明によると、レーザマスタリング装置に使用されていた空気軸受けを用いることなく正確に回転位置誤差を検出して電子線照射位置を補正することにより位置誤差を抑制することができる。これにより、真空中で実現するのが難しい空気軸受けを持った回転機構を使用しなくても、従来から用いられてきたボール軸受けを用いて電子線マスタリング装置を実現することができ、装置の信頼性を増すことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１から図３において、同じ機能部分には同一の番号を付して説明する。
【００１３】
図１は、本発明による回転機構及び直動機構を搭載した電子線マスタリング装置（電子線描画装置）の概略図である。
【００１４】
電子光学系は、ショットキエミッション型電界放射電子銃１から電子を放出させ、コンデンサレンズ２及び対物レンズ２２で電子線１０を直径１０ナノメータまで絞り込む。また、微細なピット列や円及びスパイラルなどに沿って描くためのブランキング電極８及び位置誤差補正をするための偏向コイル４あるいは静電偏向電極１５を装備し、ビット形成及び機構系の位置誤差補正をする機能を有する。この電子光学系を試料室５や真空排気系７に結合して電子光学系筐体部分を形成している。試料室５には、試料６を支える試料台と直線あるいは直交移動機構及び回転移動機構１３があり、試料６上に微小なビットを同心円状あるいはスパイラル状にマーク列として形成することができる。装置全体は計算機システム１１によって制御される。計算機システム１１の制御下にある制御系１２は、ブランキング回路１４を介してブランキング電極８にブランキング信号４９を出力する。また、制御系１２は、直線あるいは直交移動機構及び回転移動機構１３に直線移動、回転速度等を指定する信号１６を送り、回転速度、位置等の計測信号１７を受信する。さらに、制御系１２は、偏向コイル４あるいは静電偏向電極１５に偏向信号を送出する。
【００１５】
図２は、図１に示した電子線マスタリング装置に搭載されているボール軸受けを持つ回転機構及び直動機構と、位置誤差補正機構の例を示す図である。
【００１６】
回転直動機構系は、試料台ベース４１の上に直動用モータ４３、移動テーブル４２を設置し、その上に回転機構系を設置して構成されている。移動テーブル４２は、直動用モータ４３によって試料台ベース４１上を直線的に移動する。移動テーブル４２に設けられた回転機構系は、回転テーブル３１、回転軸４０、ボールベアリング２７、回転用モータ２８、エンコーダ２９を備え、回転テーブル３１の上に試料６を載せて回転する。回転機構系は、回転テーブル３１を除いた部品が磁気シールド３０で覆われている。磁気シールド３０は、モータ２８、ボール軸受け及びエンコーダ２９から交番あるいは誘導磁界が発生するため、これらの漏洩磁界が試料６上の電子線１０の位置を変化させることを防ぐ目的で設けられている。この他にボールベアリング２７のボールにサファイア等の非磁性材料を使うことも有効である。
【００１７】
この回転直動機構系は最大で１μｍ前後の位置誤差を持つ。これを偏向系でフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御して高精度なマーク列形成を行う。上記の誤差を極力少なくするためには、回転誤差と直線誤差を極力サブナノメートルで計測しなければならない。
【００１８】
試料台ベース４１にはレーザ測長計４７が設置され、移動テーブル４２に固定されたミラー４６との間の距離を測定する。また、移動テーブル４２には、回転テーブル３１の回転中心を挟んで対向するように一対の容量変位計４４ａ，４４ｂが設置されている。各容量変位計４４ａ，４４ｂは、容量変位計ヘッドと容量変位検出回路から構成され、対面する回転テーブル３１の端面までの距離に応じた出力信号を発生する。高精度の検出をするためには周波数の高いキャリア信号を持ったものが良い。レーザ測長計４７は、レーザ光を用いた干渉計であり、単一干渉型と複数（多重）干渉型のものがあるが、より高精度の検出を行うには複数干渉型のものが良い。また、電気的に干渉信号を分割するので、検出分解能は約０．３ｎｍとなる。レーザ測長計４７及び一対の容量変位計４４ａ，４４ｂからの信号は誤差検出・補正回路４８に入力され、誤差検出・補正回路４８から静電偏向電極１５に偏向信号が出力される。また、回転方向の回転ムラはエンコーダ２９で検出する。
【００１９】
回転用モータ２８と直動用モータ４３によって試料６を回転させながら、その回転中心を直線的に移動させることにより、試料６上に電子線１０によってスパイラルや同心円状に電子線描画を行う。スパイラルデータやピット列データは、計算機システム１１に格納され、電子線描画条件データと共に保存されている。電子線描画データが変更になるとスパイラルデータ等を変更する必要があるが、ここではソフトウェアで自動的に変更する。直動速度、回転速度さらに開始点終了点などが基本的に指定され、ピットデータが入力される。この時、回転速度ムラは、セクタの先頭番地に相当するエンコーダ番地で常に同期を取る。この同期信号を基準として、セクタ毎のピット列が描画される。
【００２０】
回転の半径方向の変動は容量変位計４４ａ，４４ｂによって測定され、この測定誤差量を誤差検出・補正回路４８に入力する。さらに、直動運動においても目標値からのズレがレーザ測長計４７によって検出され、誤差量が誤差検出・補正回路４８に入力される。上記の２種類の誤差量を加えて偏向信号２５を作り、静電偏向電極１５に入力する。これにより、電子ビーム１０の正確な位置決めが可能となり、この位置決め信号あるいはセクタを指定する同期信号によるクロック信号を基にブランキング信号４９が作られ、ブランキング電極８に送られて、ピット列がナノメートル精度で形成される。
【００２１】
ここで、位置誤差検出・補正回路４８による位置誤差補正量の算出方法について説明する。容量変位計４４ａ，４４ｂによって検出された基準値からの変位をそれぞれΔＸ⁻，ΔＸ^＋とすると、回転に伴う非同期の位置誤差ΔＸは、次のように計算される。ｋ_１は比例定数である。
【００２２】
【数１】

【００２３】
また、制御系１２から直動用モータ４３に指令された直動運動の目標値ｘ_０とレーザ測長計４７による測定値ｘから、次式によって直動運動の誤差Δｘが計算される。
Δｘ＝ｘ−ｘ_０
【００２４】
位置誤差検出・補正回路４８は、上記回転に伴う非同期の位置誤差ΔＸと直動運動の誤差Δｘから位置誤差補正量Δε_ｘを算出し、それに静電偏向電極１５の装置係数ｋ_２を掛けたものを、偏向信号２５として静電偏向電極１５に出力する。
【００２５】
なお、図２には容量変位計４４ａ，４４ｂ及び静電偏向電極１５は１軸方向（ｘ軸方向）しか図示していないが、ｙ軸方向にも容量変位計と静電偏向電極を備え、同様に電子線１０の位置制御を行うことで、より高精度の描画を行うことができる。また、レーザ測長計も１軸しか図示していないが、ｙ軸方向にも備えてもよい。
【００２６】
以上には、本発明を光ディスクに適用するための例を示した。これに加えて、本発明の電子線描画装置は、磁気ディスクのトラックパターンやサーボマーク、量子磁気ドットパターンを形成するのに用いることもできる。また、ボールベアリングは高級で１ミクロン以下の精度が揃ったものが良く、あるいはサファイアのような絶縁物でサブミクロンの精度が揃ったものを選択するのが望ましい。磁気シールド内を排気すること、磁気シールドを水冷することも有効である。上述した例では、静電偏向器、容量変位計、レーザ測長計の組み合わせを示したが、静電偏向電極の代わりに電磁偏向器を用いたり、容量変位計の代わりにレーザ測長計などを用いてもよく、さらに他の測長計を用いてもよい。
また、本発明の電子線描画装置によると装置コストを下げることができ、試料の電気的な導通が容易となるなど高精度描画が可能となる。これは、ボールベアリングを使用しているので、試料台本体と回転機構上に搭載した試料台を電気的にブラシで接触して導電性をとることができるためである。従来技術では空気軸受けを使用しているので、確実な導電性をとることができない。このように、本発明では確実な導電性をとることができるので、試料のチャージアップを防止でき、高精度な描画が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来から使用している空気軸受けを持つ回転機構ではなく、ボール軸受けを持つ回転機構を用いて電子線マスタリングシステムを構築することができるので、装置が堅牢となり、より実用的なシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子線マスタリング装置（電子線描画装置）の概略図。
【図２】図１に示した電子線マスタリング装置に搭載されているボール軸受けを持つ回転機構及び直動機構と、位置誤差補正機構の例を示す図。
【図３】従来の電子線マスタリング装置の回転機構部を示す概略図。
【符号の説明】
１…ショットキエミッション型電界放射電子銃、２…コンデンサレンズ、４…偏向コイル、５…試料室、６…試料、７…真空排気系、８…ブランキング電極、１０…電子線、１１…計算機システム、１２…制御系、１３…回転移動機構および直交あるいは直線移動機構、１４…ブランキング回路、１５…静電偏向電極、２２…対物レンズ、２５…偏向信号、２７…ボールベアリング（ボール軸受け）、２８…回転用モータ、３０…磁気シールド、３１…回転テーブル、３４…排気管、３５…供給空気配管、３７…空気軸受けシリンダ、３８…軸受け外部ハウジング、３９…軸受け用回転平板、４０…回転軸、４１…試料台ベース、４２…移動テーブル、４３…直動用モータ、４４ａ，４４ｂ…容量変位計、４６…ミラー、４７…レーザ測長計、４８…誤差検出・補正回路、４９…ブランキング信号

Claims

真空排気された試料室と、前記試料室内に位置し試料を保持して回転する回転テーブルと、前記回転テーブルに固定された回転軸を回転駆動する回転駆動機構と、前記回転駆動機構を前記回転軸と直交する方向に駆動する直動機構と、細く絞った電子線を試料上に照射する電子光学系とを含む電子線描画装置において、
前記回転駆動機構は前記回転軸の軸受け部にボールベアリング軸受けを用い、前記回転テーブルの回転に伴う軸振れを検出する第１の検出器と、前記直動機構による駆動目標位置からの位置誤差を検出する第２の検出器と、前記第１の検出器の出力信号及び前記第２の検出器の出力信号を演算して試料上の電子線照射位置を補正するための補正信号を発生する補正信号発生部と、前記補正信号によって電子線を偏向する電子線偏向部とを備えることを特徴とする電子線描画装置。
請求項１記載の電子線描画装置において、前記ボールベアリング軸受けは非磁性のボールを用いることを特徴とする電子線描画装置。
請求項１又は２記載の電子線描画装置において、前記回転駆動機構は回転駆動モータ及びエンコーダを備え、前記ボールベアリング軸受け、前記回転駆動モータ及びエンコ−ダを包囲する磁気シールドを有することを特徴とする電子線描画装置。