CN100342261C - 曝光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能将空间光调制元件的像，准确地投影到成像面上的曝光装置。配置4分割探测器(26)，使存在于曝光区中1个角的4个像素(481)、(482)、(483)、(484)(曝光图像的像素)，分别与4分割探测器(26)的4个二极管(261)、(262)、(263)、(264)相对应。DMD(10)与微透镜阵列(18)之间存在相对位置偏移时，4分割探测器(26)的输出信号(P1)、(P2)、(P3)、(P4)会产生差异，所以可检测出由DMD(10)的微型镜(像素部分)反射的光束与对应微透镜之间的偏移(光束位置的偏移)。根据检测的偏移量，进行调整微透镜阵列(18)的位置，从而消除了位置偏移。

Description

曝光装置
技术领域
本发明是关于曝光装置，尤其是关于通过空间光调制元件，按照图像数据，以光调制束对感光材料进行曝光的曝光装置。
背景技术
以前提出了种种曝光装置，利用空间光调制的元件，按照图像数据，以光调制束对图像曝光的曝光装置，例如，液晶制造装置中使用的光掩模曝光装置和印刷线路板制造用的曝光装置等。
作为空间光调制元件，使用数字·微型镜·器件(DMD)的曝光装置，例如，如图9(A)所示，由照射激光的光源1，将光源1射出的激光形成准直的透镜系统2、大致配置在透镜系统2的焦点处的DMD 3，将DMD 3反射的激光，在扫描面5上进行成象的透镜系统4、6构成。DMD是将按照控制信号改变反射面角度的多个微型镜，以2维状排列在硅等半导体基板上的镜器件。在这种曝光装置中，通过按照图像数据等而生成的控制信号，以未图示的各种DMD 3微型镜的控制装置进行接通、断开控制，调制激光，并用该调制的激光进行图像曝光。图9(A)是沿光轴展开的模式图。
这样的曝光装置，例如，如图9(B)所示，为了减小光点直径提高析像度，与DMD 3的图像相对应配置微透镜阵列8，进行高析像度的图像曝光。图9(B)中，由光源1照射，并由透镜系统2形成准直的激光，由全反射(TIR)棱镜反射后，照射DMD 3上。另外，由DMD 3反射的激光透过TIR棱镜射入透镜系统4内。
然而，将由DMD反射的各反射光，由微透镜阵列(MLA)的对应透镜进行集光，通过孔眼进行成像，在具有上述共焦点光学系统的曝光装置中，组装时，即使进行光轴调整，仍存在如下问题，即，由于构成部件的热膨胀，和构成部件内残留的应力不断地释放等原因，导致构成部件之间的相对位置产生偏移，DMD上的像不能准确地投影到成像面上。其结果产生的问题是曝光装置中光的利用效率降低，焦点位置偏移，光线偏入相邻的像素中，造成析像度恶化。
发明内容
本发明就是为解决上述现有技术中存在的问题而进行的，本发明的目的是提供一种能将空间光调制元件的像，准确地投影到成像面上的曝光装置。
为达到上述目的，本发明的曝光装置，其特征在于具有以下部分，即，发射照明用光束的光源；二维排列的根据各个控制信号改变光调制状态的多个像素部分；将由上述光源射入上述多个像素部分的光束，按每个像素部分进行调制的空间光调制元件；以与上述多个像素部分相对应的间距，二维排列多个微透镜，将由上述像素部分调制的光束，按每个上述微透镜进行集光的微透镜阵列；对由上述像素部分调制的光束与对应微透镜的相对位置的偏移量，进行检测的偏移量检测机构、和根据检测的偏移量，微调整上述空间光调制元件和微透镜阵列中至少一方位置的位置调整机构。
本发明的曝光装置中，由光源射入空间光调制元件中的光束，由空间光调制元件的每个像素部分进行调制，调制的光束由微透镜阵列的每个微透镜进行聚光。这时，由于热膨胀和残留应力不断地释放等原因，空间光调制元件与微透镜阵列之间产生相对位置偏移。因此，由偏移量检测机构，检测出由空间光调制元件的各像素部分调制的光束与相对微透镜的相对位置偏移量。这样，由位置调整机构，根据检测的偏移量，对空间光调制元件和微透镜阵列中至少一方的位置进行微调整。由此，由各像素部分调制的光束适当地射入相对应的微透镜中，并使空间光调制元件的像准确地投影到成像面上。
在上述曝光装置中，位置调整机构，最好根据检测的偏移量，微调整空间光调制元件和微透镜阵列中至少一方的位置，以减少上述偏移量。更具体地讲，最好微调整空间光调制元件和微透镜中至少一方的位置，以将偏移检测机构中检测的，由像素部分调制的光束与相对应微透镜的相对位置偏移量减小到所定值以下。
另外，上述曝光装置中，具有将由像素部分光调制束，与微透镜对应进行成像的成像光学系统，在配置了这种成像光学系统时，通过位置调整机构，微调整空间光调制元件、微透镜阵列、及构成成像光学系统的光学部件中至少一个的位置。构成部件中，对于光轴偏移，调整敏感度更低的部件位置，可更容易调整光轴。
这种情况下，位置调整机构，最好也根据检测的偏移量，微调整空间光调制元件、微透镜阵列、及构成成像光学系统的光学部件中至少1个的位置，以减小上述偏移量。更具体地讲，最好微调整空间光调制元件、微透镜阵列、及构成成像光学系统的光学部件中至少一个的位置，将偏移量检测机构中检测的，由像素部分调制的光束与相对应微透镜的相对位置偏移量减小到等于或小于所定值。
作为偏移量检测机构，可使用包括如下部分的偏移量检测机构，即，与相互邻接的多个像素部分分别对应的多个光检测元件、和根据该多个光检测元件的检测信号，对由上述像素部分调制的光束与相对应微透镜的偏移量，进行演算的演算机构。作为光检测元件，除了光二极管外，还可使用光敏晶体管、CCD(Charge CoupledDevice)等。
例如，可使用含有以部分的4分割检测器，即，与矩阵状排列的4个像素部分分别对应的4个光二极管，和根据该4个光二极管的检测信号，对与上述像素部分调制的光束相对应微透镜，在行方向上的偏移量和在列方向上的偏移量进行演算的演算机构。
作为位置调整机构，可使用利用压电元件的微调整机构。
附图说明
图1是本实施方式的曝光装置构成示意图。
图2(A)是表示在载物台上形成曝光区的平面图，(B)是表示配置4分割探测器的平面图。
图3(A)是表示检测位置偏移时点亮的4个像素的图，(B)是说明利用4分割探测器检测位置偏移方法的图。
图4(A)是表示DMD的像素与微透镜阵列中微透镜位置一致的状态图，(B)是表示DMD的像素与微透镜阵列中微透镜位置不一致的状态图。
图5是表示进行修正光束位置偏移时，控制程序的方块流程图。
图6是表示其他配置4分割探测器的平面图。
图7是表示分别检测X方向偏移量和Y方向偏移量时，点亮的像素的示意图。
图8是表示可插入退出4分割探测器的构成实例的图。
图9(A)和(B)是表示现有的曝光头的构成的沿光轴的侧视图。
图中，
10-数值·微型镜·设备，12-光源，14-放大透镜系统，16-倍率调整透镜，18-微透镜阵列，20-成像透镜，22-感光材料，24-载物台，26-4分割探测器，28、34、40、44-驱动部，30-控制器，32、38-微调整机构，36、42-位置检测传感器，46-曝光区，481、482、483、484-像素，49-噪声，261、262、263、264-二极管
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的实施方式。
(曝光装置的构成)
本实施方式的曝光装置，如图1所示，作为按照画像数据，按每个像素对入射光束进行调制的空间光调制元件，具有数字·微型镜·装置(DMD)10。在DMD 10的光入射侧配置照明DMD 10的光源12。而在DMD 10的光反射侧，从上流侧依次配置将由DMD10反射的DMD像进行放大的放大透镜系统14，和调整成像倍率的倍率调整透镜16。
在通过倍率调整透镜16使DMD像成像的位置上，配置微透镜阵列18，与DMD的各像素相对应设置微透镜。在微透镜阵列18的光射出侧，配置成像透镜系统20，使DMD 10和曝光面形成共轭关系。
在成像透镜系统20的光射出侧配置载置感光材料22的载物台24。载物台24的构成是可在XY方向上和垂直XY方向的Z方向三个方向上移动。在载物台24上，以和感光材料22的曝光面相同高度，设置4分割探测器26。
DMD 10，通过驱动各个微型镜的驱动部分28，连接在控制器30。控制器30是由具有CPU、ROM、存储器、及监测器或键盘等输入输出装置的计算机构成。
倍率调整透镜16中装载了利用压电元件的微调整机构32。该微调整机构32，通过驱动部分34与控制器30连接着。在倍率调整透镜16旁边，配置检测倍率调整透镜16位置的位置检测传感器36。微调整机构32，根据位置检测传感器36的检测信号，在XY方向上微调整倍率调整透镜16的位置。
在微透镜阵列18中，和倍率调整透镜16一样，装载利用压电元件的微调整机构38。该微调整机构38，通过驱动部分40与控制器30连接着。在微透镜阵列18的旁边，配置着检测微透镜阵列18位置的位置检测传感器42。微调整机构38根据位置检测传感器42的检测信号，在XY方向上微调整微透镜阵列18的位置。
另外，DMD 10的像素和微透镜18的各个微透镜必须1对1的相对应，设计放大透镜14的倍率要与两者的像素间距一致。然而，由于透镜的曲率和面间距，折射率偏差等原因，透镜的倍率会有1-2％的误差。除了放大透镜14外，还要配置倍率调整透镜16，可调整放大透镜14与倍率调整透镜16的间距，以修正透镜倍率形成的误差，并能按设计值调整透镜倍率。
载物台24通过驱动部分44连接在控制器30。该驱动部分44根据来自控制器30的控制信号，驱动载物台24。设置在载物台24上的4分割探测器26连接在控制器30，4分割探测器26的检测信号输入到控制器30中。
下面说明图1所示曝光装置的曝光原理。当画像数据输入控制器30中时，控制器30根据输入的图像数据，生成驱动控制DMD 10的各个微型镜的控制信号。驱动部分28根据该控制信号，变更DMD10的各微型镜反射面角度。
由光源12照射DMD 10的照射光，根据各微型镜的反射面角度，将反射调制到所定方向上，被调制的光，由放大透镜系统14进行放大。由此，DMD 10的曝光面上，像素点的尺寸被放大，与此同时，也放大了像素点的间距。
由放大透镜系统14放大的光，由倍率调整透镜16微调整成像倍率，调整倍率的光射入设在微透镜阵列18中的各个微透镜中，再次缩小放大的DMD像。这时，全光束向微透镜阵列18射入。由微透镜阵列18聚光的光，射入成像透镜系统20内，由成像透镜系统20，在感光材料22的曝光面上形成DMD 10像的成像。
(4分割探测器)
4分割探测器26，如图2(A)所示，在将载物台24配置在基准位置时，至少配置在载物台24上形成的矩形状曝光区46的4个角A、B、C、D中的至少1处。曝光区46由与DMD 10各像素相对应的多个像素构成。
例如，如图2(B)所示，在角A处配置时，配置4分割探测器26，以使在曝光区46的角A处，而且相互邻接的4个像素481、482、483、484(曝光像素的像素)，分别相对应于4分割探测器26的4个二极管261、262、263、264。
1.5mm×2.0mm左右大小的4分割探测器，由于邻接二极管的间隔大约15μm，将使曝光像素中邻接的像素间隔大约为70μm时，也可以将4分割探测器相对于4像素配置为±20μm。
接着，说明利用该4分割探测器26检测DMD10和微透镜阵列18的相对的位置偏移的方法。首先，如图3(A)所示，处于曝光区46的角A处的4像素481、482、483、484对应的DMD10的4像素点亮。
如图3(B)所示，与4个像素对应的4个二极管261、262、263、264的输出信号，分别为P1、P2、P3、P4时，当DMD 10与微透镜阵列18之间存在相对位置偏移时，输出信号P1、P2、P3、P4的值会失去平衡，例如，此例中，只有P4值增大。
对于发生不平衡的原因作简单说明。如图4(A)所示，由DMD10的像素调制的光束，与微透镜阵列18中对应微透镜的位置一致时，射入微透镜的光束会在曝光面的所定位置成像。而另一方面，如图4(B)所示，当微透镜阵列18向箭头A方向偏移时，与邻接DMD 10的像素相对应光束的1份，会射入邻接的微透镜中，会在偏离所定位置处成像。例如，图3(B)实例中，作为像素484成像的所有光，会在与二极管264的像素484不同的位置上，作为噪音49成像。
如上述，在DMD 10与对应的微透镜阵列18之间存在相对位置偏移时，4分割探测器26的输出信号P1、P2、P3、P4会产生差异，并能检测出产生的误差(偏移)。即，能够检测出由DMD 10的微型镜(像素部分)反射的光束与对应的微透镜的相对位置偏移(以下称作“光束位置偏移”)。X方向的偏移量取为ΔX，Y方向的偏移量取为ΔY时，ΔX和ΔY，使用输出信号P1、P2、P3、P4的值，以下式表示。式中，K和K’为常数。
(数1)
ΔX = k P 1 + P 3 - ( P 2 + P 4 ) P 1 + P 2 + P 3 + P 4
ΔY = k ′ P 1 + P 2 - ( P 2 + P 4 ) P 1 + P 2 + P 3 + P 4
(光束位置偏移的修正)
以下对“光束位置偏移”的修正进行说明。图5中示出了进行修正时控制器30的控制程序。在曝光开始前或暴光后的任意时刻，实施进行“光束位置偏移”的检测和修正的插入程序。
在步骤100中，点亮与曝光区46角A处4个像素相对应的DMD10的4个像素，步骤102中，输入来自4分割探测器26的输出信号P1-P4。步骤104中，演算X方向的偏移量ΔX，和Y方向的偏移量ΔY。
接着，在步骤106中，判断演算的偏移量ΔX，ΔY是否在预定允许量或其以下(“以下”含义为“等于或小于”，下同)。偏移量在允许量以下时，不进行光束位置偏移的修正，终止程序。而偏移量超出允许量时，在步骤108中，进行光束位置偏移的修正。在本实施方式中，由于DMD 10是固定配置，所以根据偏移量ΔX和ΔY进行调整微透镜阵列18的位置。此时的修正量，X方向上为-ΔX，Y方向上为-ΔY。
位置调整结束后，返回到步骤102，输入新的输出信号，演算调整后的偏移量ΔX和ΔY。在步骤106中，已演算的偏移量ΔX、ΔY达到允许量以下为止，重复步骤102-108的处理。由此可消除掉光束的位置偏移，由DMD 10的每个像素射入微透镜阵列18中各个微透镜中的光束，在曝光面的所定位置上成像。
另外，利用位置检测传感器42，取代重复步骤102-108的处理，一边监测微透镜阵列18的目前位置，一边由原位置移动-ΔX或-ΔY。
如以上说明，本实施方式中，由于配置了4分割探测器的4个二极管与DMD像的4个像素分别相对应，所以在DMD与微透镜阵列之间存在相对位置偏移时，4分割探测器的输出信号产生差异，所以能够检测出DMD的各微型镜反射的光束与对应微透镜形成的偏移(光束的位置偏移)。
本实施方式中，由于反复进行微透镜阵列的位置调整，使光束的位置偏移达到允许量以下为止，所以减小了光束位置的偏移。不必限定光束位置偏移的允许量，只要接近于零，就能没有光束位置偏移。由此，DMD的各个微型镜反射的光束能适当地射入对应的微透镜中，并能使DMD像准确地投影到成像面上。
(变形例)
上述实施方式中，虽然对将4分割探测器26配置在矩形状曝光区46的4个角A、B、C、D中，至少一处的情况作了说明。但是，例如图6所示，也可将4分割探测器26配置在角A和角B二处。用2点进行测定，也可以检测出旋转方向的位置偏移。
例如，将使用配置在角A处的4分割探测器26而检测的光束偏移量取为ΔXA、ΔYB，将使用配置在角B处的4分割探测器26而检测的光束偏移量为ΔXB、ΔYB，以及将AB间的距离取为L时，在考虑整个曝光区中光束的位置偏移时，X方向的偏移量ΔX，Y方向的偏移量ΔY，以及旋转方向的偏移量θZ，可以用下式表示。因此，为了消除光束的位置偏移，只可将微透镜阵列18，从原位置移动-ΔX、-ΔY、θZ就可以了。
(数2)
ΔX = Δ X A + ΔX B 2
ΔY = ΔY A + ΔY B 2
θ z = ΔY B - ΔY A L
或者，将4分割探测器26配置在对角线上的角A和角D二处，也可分别配置在4个角处、配置在对角线上2个角或4个角处，可检测出整个曝光区中的光束位置偏移，包括旋转方向的位置偏移(角度偏移)和倍率偏移。
在上述实施方式中，虽然对同时检测X方向偏移量和Y方向偏移量的实例作了说明，但也可分别检测X方向偏移量和Y方向偏移量。例如，如图7所示，将X方向的2个像素、Y方向的6个像素，合计12个像素点亮，可以检测X方向的偏移量。根据每3个像素，分配在4分割探测器26的各个二极管。图7的例中，对二极管261，分配像素4811-4813，对二极管262，分配像素4821-4823，对二极管263，分配像素4831-4833，对二极管264，分配像素4841-4843。
同样，将Y方向的2个像素，X方向的6个像素，合计12个像素点亮，可检测Y方向的偏移量。对各个二极管，每个分配1个像素，有时，每1个二极管的光量不足，得不到充分的检测精度。对于这种情况，利用增加检测偏移量方向上点亮像素数的方法，可提高检测精度。这种情况下，也可使用2分割探测器。
在上述实施方式中，对将载物台配置在基准位置时，4分割探测器配置在曝光区中1个角的实例作了说明，但，如图8中2点划线所示，在将载物台24配置在基准位置上时，也可将4分割探测器26配置在曝光区46的外部。
检测“光束的位置偏移”时，如图8中实线所示，将4分割探测器26与载物台24一起移动，将4分割探测器26配置在曝光区46的1个角处。这样形成可使4分割探测器26插入和退出的结构，也可与曝光区的缩小和循环时间长期化相对应。但是，需要移动4分割探测器26，也需要以数十μm再现性可移动的载物台，使各二极管之间的间隙不能与点亮像素的形成重叠。
或者，也可在曝光区的1个角处，配置曝光中不使用的虚设像素。由此可经常检测光束的位置偏移。
在上述实施方式中，对调整微透镜阵列的位置，修正光束位置偏移的实例作了说明。但也可以代替微透镜阵列，而调整倍率调整透镜的位置，还可以调整DMD的位置。例如，要想调整10μm的位置偏移，只移动2μm光轴，即可完成，在构成部件中，调整对光轴偏移感度更低的部件位置，可更容易调整光轴。或者，在微透镜阵列的入射光侧，插入平行平板，通过改变该平行平板的倾斜度，也能修正光束的位置偏移。
在上述实施方式中，虽然对使用4分割探测器的实例作了说明，但也可以使用2维CCD(Charge Coupled Device)和光敏晶体管进行区分割，以取代4分割探测器。
在上述实施方式中，作为调整透镜等位置的微调整机构，虽然对使用压电元件的微调整机构的实例作了说明，但也可使用其他的微调整机构。例如，除了用压电元件等压电元件从3个方向挤压移动对象的机构外，还可使用如下机构，即，可以使用佩尔蒂元件和热敏电阻对移动对象的保持部件进行温度控制，控制伸缩量的机构，或者，将减速机或凸轮等与电机组合缩小移动量的机械机构等。
根据本发明的曝光装置，具有可以将空间光调制元件的像准确地投影到成像面上的效果。

Claims (8)

1.一种曝光装置，其特征在于，
包括：
射出照明用光束的光源；
空间光调制元件，其根据各控制信号改变光调制状态的多个像素部分，按2维排列，按上述每个像素部分，调制由上述光源向上述多个像素部分射入的光束；
微透镜阵列，其以与上述多个像素部分相对应的间距，按2维排列多个微透镜，并按上述每个微透镜，对由上述像素部分调制的光束进行聚光；
偏移量检测机构，其检测由上述像素部分调制的光束与相对应微透镜之间相对位置偏移量；和
位置调整机构，其以根据检测的偏移量，对上述空间光调制元件和上述微透镜阵列的至少一方的位置，进行微调整。
2.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，
上述位置调整机构，对上述空间光调制元件和上述微透镜阵列中的至少一方的位置进行微调，以使由上述偏移量检测机构中检测的，由上述像素部分调制的光束与对应的微透镜之间相对位置的偏移量，达到所定值以下。
3.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，
还包括：
成像光学系统，以使由上述像素部分调制的光束与上述微透镜相对应，进行成像，
所述位置调整机构，还根据检测的偏移量，对上述微透镜阵列及构成上述成像光学系统的光学部件中的至少一个的位置，进行微调整。
4.根据权利要求1或3所述的曝光装置，其特征在于，
上述位置调整机构，对上述空间光调制元件、上述微透镜阵列、及构成上述光学系统的光学部件中的至少1个的位置，进行微调整，使上述偏移量检测机构检测的，由上述像素部分调制的光束与相对应的微透镜之间相对位置偏移量达到所定值以下。
5.根据权利要求1或2所述的曝光装置，其特征在于，
上述偏移量检测机构，包括：与相互邻接的多个像素部分分别对应的多个光检测元件；和根据该多个光检测元件的检测信号，对由上述像素部分调制的光束与对应微透镜之间的偏移量，进行演算的演算机构。
6.根据权利要求1或2所述的曝光装置，其特征在于，上述光检测元件是光二极管。
7.根据权利要求1或2所述的曝光装置，其特征在于，
上述偏移量检测机构是4分割探测器，而该4分割探测器包括：与按阵列状配列的4个像素部分分别对应的4个光二极管；和根据该4个光二极管的检测信号，对与由上述像素部分调制的光束相对应微透镜的行向偏移量和列向偏移量，进行演算的演算机构。
8.根据权利要求1或2所述的曝光装置，其特征在于，上述位置调整机构，是利用压电元件的微调整机构。
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