CN112969969A - 曝光用光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用多个半导体激光光源(11)而供给均匀的位置分布以及角度分布的光的曝光用光源装置(1)。曝光用光源装置(1)具备：多个半导体激光单元(10)，分别包括：多个半导体激光光源(11)、将从所述半导体激光光源(11)射出的光线束转换成大致平行的光线束而射出的多个准直光学系统(12)、入射从所述多个准直光学系统(12)射出的多个光线束并将各个光线束转换成发散的光线束而射出的扩散光学系统(13)、以及将从所述扩散光学系统(13)射出的光线束聚光的聚光光学系统(14)；以及积分光学系统(15)，在从所述多个半导体激光单元(10)射出的多个光线束聚光的位置配置有入射面，所述扩散光学系统(13)配置于从不同的所述半导体激光光源(11)射出的光线束的至少一部分在所述聚光光学系统(14)的入射面上重合的位置。

Description

曝光用光源装置

技术领域

本发明涉及曝光用光源装置，特别是涉及使用了从半导体激光光源射出的光的曝光用光源装置。

背景技术

以往，在印刷基板等制造工序等中使用的曝光装置中使用了光强度高的放电灯。近年来，伴随着固体光源技术的进步，正在进行从放电灯置换为高效率且长寿命的半导体激光光源的研究。因此，市场上期待通过半导体激光光源来获得具有与放电灯同等的强度、分布的光的曝光用光源装置。

在单体的半导体激光光源中，作为曝光装置的光源，放射光束较少。为了获得高强度的光，考虑配置多个半导体激光光源，对从各个半导体激光光源射出的光进行聚光的方法。例如，在专利文献1中，公开了具备多个半导体激光光源以及与各个半导体激光光源对应的光纤的柔性印刷基板用的曝光装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2001－272791号公报

发明内容

发明要解决的课题

为了对从多个半导体激光光源射出的光进行聚光，考虑使用准直透镜、聚光透镜进行聚光的方法。但是，本发明人们对通过这些聚光所使用的光学系统对由多个半导体激光光源射出的光进行聚光的曝光用光源装置进行了研究，结果发现存在如下课题。以下，参照附图进行说明。

图7A是示意地表示由半导体激光光源100、准直透镜101(也称为“collimationlens”。)、以及聚光透镜102及柱状积分器104构成的曝光用光源装置的附图。图7A示意地示出了从多个半导体激光光源100射出的光(激光)的各主光线以及各光线束的行进路径。另外，在本说明书中，将从半导体激光光源100的中心与光轴140平行地射出的光线称作“主光线”，将从半导体激光光源100射出的形成为束状的光线组称作“光线束”。

在图7A中，将相对于柱状积分器104的入射面105正交的轴设为光轴140。另外，将光轴140方向设为Z方向，将光相对于入射面105的入射角设为θ。另外，从半导体激光光源100射出的光线束在图7A的XY平面中以椭圆形状射出，在XZ平面视图与YZ平面视图中，仅光线束的宽度不同，因此以下，仅对XZ平面视图进行说明。

从半导体激光光源100射出的光线束(121a、121b、121c)被准直透镜101转换成大致平行的光线束(122a、122b、122c)。光线束(122a、122b、122c)相互平行，不与从其他半导体激光光源100射出的光线束重合而入射到后级的聚光透镜102。入射到聚光透镜102的光线束(122a、122b、122c)被转换成朝向聚光透镜102的焦点位置150聚光的光线束(123a、123b、123c)。

为了使由聚光透镜102聚光的光线束(123a、123b、123c)的光强度分布均匀化，在聚光透镜102的后级配置柱状积分器104。柱状积分器104以入射面105与聚光透镜102的焦点位置150一致的方式配置。

这里，由于无法完全紧密接触地配置半导体激光光源100以及准直透镜101，因此在各光线束(122a、122b、122c)之间产生间隙，在聚光光学系统102的入射面103中，形成了存在光的部位和不存在光的部位。或者，即使存在光，与主光线附近相比，在与从邻接的半导体激光光源100射出的光线束邻近的位置，光强度变得极低，产生照度不均。

因而，在聚光透镜102的出射面产生的产生了照度不均的光被聚光透镜102转换成聚光于焦点位置150的光线束(123a、123b、123c)，在一部分的角度范围内不存在光、或者与主光线附近相比，产生光强度极低的区域130。

图7B是分别示意地表示焦点位置150处的、以光轴140为中心的X方向上的光强度分布(以下，称作“位置分布”。)以及相对于柱状积分器104的入射面105的每个入射角θ的光强度分布(以下，称作“角度分布”。)的图表。

由于各光线束(123a、123b、123c)以各主光线(111a、111b、111c)为中心在焦点位置150重合，因此位置分布如图7B所示的位置分布那样，成为在光轴140上、即X坐标为0的位置具有峰值的强度分布。

另外，即使以尽可能不存在所述区域130的宽度的方式紧密接触地配置半导体激光光源100以及准直透镜101，具有从各半导体激光光源100的中心射出的光线(主光线)的入射角度的附近的角度成分而入射的光强度与具有远离所述主光线的入射角度的角度成分而入射的光强度也产生较大的差。其结果，关于角度分布，如图7B所示，光强度根据入射角度而具有较大的差异。更详细地说，在各光线束(123a、123b、123c)彼此之间产生了不存在光的区域130的情况下，角度分布如图7B所示，成为在存在光的角度范围内的一部分中不存在光的离散的强度分布。

柱状积分器104具有使位置分布均匀化的效果，但由于是一边使入射的光在侧面反复全反射，一边向出射面106引导的构成，因此光的角度分布保持不变。因而，即使使用柱状积分器104，光的角度分布也不被均匀化。

期待曝光装置能够均匀地进行曝光，以防止对曝光对象物产生照度不均。因此，在用于曝光装置的光源装置中，优选能够在位置分布以及角度分布中输出均匀的光。

但是，如上述那样，可知仅通过由准直透镜101与聚光透镜102将从多个半导体激光光源100射出的光聚光，并利用柱状积分器104使位置分布均匀化，在角度分布上无法得到均匀分布的光，对曝光对象物产生照度不均。

鉴于上述的课题，本发明的目的在于提供一种使用多个半导体激光光源而供给均匀的位置分布以及角度分布的光的曝光用光源装置。

用来解决课题的手段

本发明的曝光用光源装置，其特征在于，具备：

多个半导体激光单元，分别包括：多个半导体激光光源；多个准直光学系统，将从所述半导体激光光源射出的光线束转换成大致平行的光线束而射出；扩散光学系统，被从所述多个准直光学系统射出的多个光线束入射，将该多个光线束分别转换成发散的光线束而射出；以及聚光光学系统，将从所述扩散光学系统射出的光线束聚光；以及

积分光学系统，在从所述多个半导体激光单元射出的多个光线束聚光的位置配置有入射面，

所述扩散光学系统配置于从不同的所述半导体激光光源射出的光线束的至少一部分在所述聚光光学系统的入射面上重合的位置。

上述曝光用光源装置具备扩散光学系统，该扩散光学系统入射从多个准直光学系统射出的多个光线束，将该多个光线束转换成发散的光线束而射出。通过了扩散光学系统的光朝向行进方向而发散。

扩散光学系统配置于从不同的所述半导体激光光源射出的光线束的至少一部分在所述聚光光学系统的入射面上重合的位置。即，在聚光光学系统的入射面上，从半导体激光光源射出的光线束与从不同的半导体激光光源射出的光线束在所述聚光光学系统的入射面上一部分重叠。

在聚光光学系统的入射面上，由于光线束重叠，在各光线束之间不存在光的区域消失。即，在相对于光轴的角度方向上，在存在光的区域内的一部分中不存在光的范围消失，角度分布被均匀化。详细情况在以下的图2的说明中进行说明。

上述曝光用光源装置构成由多个半导体激光光源、多个准直光学系统、扩散光学系统、聚光光学系统构成的半导体激光单元，并具备多个半导体激光单元。半导体激光单元配置于从扩散光学系统和聚光光学系统不同的所述半导体激光光源射出的光线束的至少一部分在所述聚光光学系统的入射面上重合的位置。

上述曝光用光源装置具备多个半导体激光单元。通过配置多个半导体激光单元，能够进一步提高聚光位置处的光强度。

上述曝光用光源装置具备积分光学系统，该积分光学系统在从多个半导体激光单元射出的多个光线束聚光的位置配置有入射面。积分光学系统使所入射的光的位置分布均匀化并从光出射面射出。另外，入射到积分光学系统的光在积分光学系统的壁面上一边反复全反射一边行进。因而，通过积分光学系统，光的角度成分未被均匀化，在入射面上不存在光的角度范围内，在出射面上也不存在光。

从半导体激光光源射出的光的角度分布通过扩散光学系统的配置位置的调整而均匀化，并从半导体激光单元射出。从半导体激光单元射出的角度分布被均匀化的光入射到积分光学系统，位置分布被均匀化并从积分光学系统射出。

在上述曝光用光源装置中，

也可以是，所述半导体激光单元各自所具备的所述聚光光学系统在从所述半导体激光单元的光轴方向观察的俯视时为多边形。

通过以多边形构成聚光光学系统，能够抑制与邻接的半导体激光单元之间不存在光线束的区域，使入射到积分光学系统的光的角度分布更均匀化。

在上述曝光用光源装置中，

也可以是，所述多个半导体激光单元的各自的所述聚光光学系统的入射面非平行地配置。

在上述曝光用光源装置中，

也可以是，所述多个半导体激光单元的各自的所述聚光光学系统具备将从所述扩散光学系统射出的光线束聚光的第一光学系统以及将主光线的行进方向向所述积分光学系统的入射面的方向转换的第二光学系统，

各个所述第一光学系统的入射面平行地配置。

聚光光学系统具备将从扩散光学系统射出的光线束聚光的第一光学系统以及将主光线的行进方向向积分光学系统的入射面的方向转换的第二光学系统。由于由第二光学系统决定光线束的行进方向，因此第一光学系统的前级能够与其他半导体激光单元的半导体激光光源、准直光学系统、扩散光学系统、第一光学系统分别平行地配置。

若半导体激光光源、各光学系统平行地配置，则通过将所有半导体激光光源配置于同一平面上，能够用单一的冷却板构成半导体激光光源的冷却机构。

发明效果

根据本发明，能够提供一种使用多个半导体激光光源向曝光用光源装置供给位置分布以及角度分布均匀的光的曝光用光源装置。

附图说明

图1是示意地表示曝光用光源装置的第一实施方式的构成例的附图。

图2A是示意地表示图1的半导体激光单元的附图。

图2B是分别示意地表示图2A的积分光学系统的出射面中的X方向的位置分布和角度分布的图表。

图3是示意地表示曝光用光源装置的第二实施方式的构成例的附图。

图4是示意地表示从半导体激光单元的Z方向观察时的扩散光学系统以及聚光光学系统的俯视图为圆形的多个半导体激光单元的配置构成例的附图。

图5是示意地表示从半导体激光单元的Z方向观察时的扩散光学系统以及聚光光学系统的俯视图为六边形的多个半导体激光单元的配置构成例的附图。

图6是示意地表示曝光装置的构成的附图。

图7A是示意地表示由半导体激光光源、准直透镜以及聚光透镜构成的曝光用光源装置的附图。

图7B是分别示意地表示图7A的聚光透镜的焦点位置处的X方向的位置分布和角度分布的图表。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的曝光用光源装置进行说明。另外，各图中的尺寸比、个数与实际的尺寸比、个数不一定一致。

[第一实施方式]

图1是示意地表示曝光用光源装置的第一实施方式的构成例的附图。曝光用光源装置1具备多个半导体激光单元10和积分光学系统15。

在图1中，将与积分光学系统15的入射面16正交的轴设为光轴17，将光轴17方向设为Z方向。另外，将光相对于入射面16的入射角设为θ。另外，与图7A的说明相同，以下仅对XZ平面视图进行说明。

图2A是示意地表示图1的半导体激光单元10的附图。半导体激光单元10具备多个半导体激光光源11、多个准直光学系统12、扩散光学系统13以及聚光光学系统14。

在图2A中，将相对于聚光透镜14的入射面20正交的轴设为光轴25，将光轴25方向设为Z方向。另外，将光轴25与各光线所成的角度设为θ。

在本实施方式的曝光用光源装置1中，多个半导体激光单元10配置为，各自的聚光光学系统14的入射面20彼此非平行。更具体而言，配置为，各个聚光光学系统14的入射面20配置于以积分光学系统15的入射面16为中心的球面上，从各个半导体激光单元10射出的光朝向积分光学系统15的入射面16。

半导体激光光源11是封装有半导体激光芯片的激光光源。半导体激光光源11是以主光线通过光的出射窗的中心的方式射出光的激光光源。

如图2A所示，准直光学系统12是将从半导体激光光源11射出的光线束(21a、21b、21c)转换成大致平行的光线束(22a、22b、22c)而射出的准直透镜。与各半导体激光光源11对应地配置有多个准直光学系统12。

扩散光学系统13是入射从准直光学系统12射出的多个光线束(22a、22b、22c)，并将各个光线束转换成朝向行进方向发散的光线束(23a、23b、23c)而射出的扩散板。例如，扩散光学系统13由对表面实施了凹凸加工的、聚碳酸酯、丙烯酸等不透明的树脂等构成。在本实施方式中，扩散光学系统13构成为，由一张扩散板将所有光线束(22a、22b、22c)转换成发散的光线束(23a、23b、23c)。但是，扩散光学系统13并不限定于该方式，例如，也可以由与从各半导体激光光源11射出的光线束(22a、22b、22c)对应地配置的多个扩散板构成。

聚光光学系统14是将从扩散光学系统13射出的光线束(23a、23b、23c)聚光的聚光透镜。通过在聚光光学系统14的前级配置扩散光学系统13，在聚光光学系统14的入射面20上，从不同的所述半导体激光光源11射出的光线束(23a、23b、23c)的一部分重合。在图2A中，在聚光光学系统14的入射面20上，光线束23a与光线束23b的一部分重合，光线束23b与光线束23c的一部分重合。另外，在将光线束23a与光线束23b在聚光光学系统14的入射面20上重合的面积将设为S1、将所述入射面上的光线束23a的照射面积设为S2的情况下，S1/S2的值优选为20％以上且70％以下，更优选为30％以上且50％以下。对于其他邻接的光线束彼此的重合也相同。

在聚光透镜14的入射面20上，强度分布被均匀化的光由聚光透镜14聚光，从而可获得角度分布被均匀化的光。

图1所示的积分光学系统15配置为，入射面16成为聚光光学系统14的焦点的位置。但是，在本说明书中，“配置于焦点位置”是指除了与焦点的位置完全一致的情况之外，还包含相对于焦点距离向与光轴17平行的方向移动±10％的距离的位置的概念。另外，图1中的光轴17是指与积分光学系统15的入射面16正交的轴。

积分光学系统15具有使从入射面16入射的光的位置分布均匀化而射出的效果。因而，从聚光光学系统14射出的角度分布被均匀化的光线束(24a、24b、24c)入射到积分光学系统15的入射面16，位置分布被均匀化，并从积分光学系统15射出。通过以上，可获得位置分布与角度分布被均匀化的光。

而且，如图1所示，本实施方式的曝光用光源装置1为了获得作为曝光装置所需的光强度，具备多个图2A所示的半导体激光单元10，使来自各个半导体激光单元10的出射光入射到积分光学系统15。

更具体而言，如上述那样，配置于各半导体激光单元10的聚光光学系统14的入射面20配置于以积分光学系统15的入射面16与光轴17的交点为中心的球面上。由此，来自多个半导体激光单元10的出射光被引导至积分光学系统15，因此可获得曝光装置所需的光强度。另外，若为从半导体激光单元10射出的光入射到积分光学系统15那样的配置，则聚光光学系统14的入射面20也可以不配置于严格的球面上。

例如，如上述那样，通过将多个半导体激光单元10各自所具备的聚光光学系统14的入射面20配置为彼此非平行，能够将从各个半导体激光单元10射出的光引导到积分光学系统15的入射面16。

[第二实施方式]

关于本发明的曝光用光源装置的第二实施方式的构成，以与第一实施方式及第二实施方式的不同之处为中心进行说明。

图3是示意地表示曝光用光源装置的第二实施方式的构成例的附图。第一实施方式的曝光用光源装置1为了将来自多个半导体激光单元10的出射光引导到积分光学系统15，配置于各半导体激光单元10的聚光光学系统14的入射面20配置于以积分光学系统15的入射面16与光轴17的交点为中心的球面上。与此相对，图3所示的本实施方式的曝光用光源装置1与第一实施方式相比，将配置于各半导体激光单元10的聚光光学系统14的入射面20平行地配置，并且使聚光光学系统14的构成不同。

具体而言，将配置于各半导体激光单元10的聚光光学系统14的入射面20配置于同一平面上，聚光光学系统14具备第一光学系统14a与第二光学系统14b。第一光学系统14a是将从扩散光学系统13射出的光线束23a转换成聚光的光线束24a的光学系统(例如，聚光透镜)。第二光学系统14b是将光线束24a的行进方向转换为朝向积分光学系统15的入射面的光学系统(例如，棱镜)。

根据本实施方式的曝光用光源装置1，由于配置于各半导体激光单元10的聚光光学系统14的入射面20配置于同一平面上，因此配置于聚光光学系统14的前级的、半导体激光光源11、准直光学系统12以及扩散光学系统13也能够分别配置于同一平面上。特别是，能够将多个半导体激光单元10所具备的各个半导体激光光源11配置于同一平面上，因此即使对搭载于不同的半导体激光单元10的多个半导体激光光源11，也能够通过具有相同的冷却面的冷却机构进行冷却。由此，可实现冷却机构的尺寸缩小，并且能够提高冷却效率。

另外，为了获得位置分布以及角度分布均匀的光，多个半导体激光单元10配置为在XY平面上，在X方向及Y方向上分别对称。

在XY平面上多个半导体激光单元10在X方向及Y方向上分别对称那样的配置，例如可以考虑在X方向及Y方向上排列配置多个半导体激光单元10的构成。另外，作为其他配置，也可以考虑以将一个半导体激光单元10配置于中央，其他半导体激光单元10包围该半导体激光单元10的方式配置成同心圆状的构成。

图4是示意地表示将从半导体激光单元10的Z方向观察的扩散光学系统13及聚光光学系统14的俯视图为圆形的构成在XY平面上排列配置多个的构成的附图。如图4所示，扩散光学系统13及聚光光学系统14在从Z方向观察的俯视时呈圆形，是在X方向及Y方向上排列配置多个半导体激光单元10的情况下的构成例。

从Z方向观察扩散光学系统13及聚光光学系统14的俯视图也可以不是圆形。例如，若从Z方向观察扩散光学系统13及聚光光学系统14的俯视图为正方形，则为在X方向及Y方向上排列配置多个半导体激光单元10的构成，并且能够减小与邻接的半导体激光单元10之间的间隙，能够使不存在从各半导体激光单元10射出的光线束的区域最小限。由此，能够获得更均匀的角度分布的光。

图5是示意地表示从半导体激光单元10的Z方向观察的扩散光学系统13及聚光光学系统14的俯视图为六边形的构成的附图。图4中，扩散光学系统13及聚光光学系统14在从Z方向观察的俯视时呈六边形，是以将一个半导体激光单元10配置于中央，其他半导体激光单元10包围该半导体激光单元10的方式配置成同心圆状的构成。

在该情况下，对于从Z方向观察扩散光学系统13及聚光光学系统14的俯视图为圆形的情况，也能够减小与邻接的半导体激光单元10之间的间隙，能够使不存在从各半导体激光单元10射出的光线束的区域为最小限。

即，通过将从光轴方向观察扩散光学系统13及聚光光学系统14时的俯视图以多边形构成，能够减小与邻接的半导体激光单元10之间的间隙，能够减小不存在从各半导体激光单元10射出的光线束的区域，能够获得更均匀的角度分布的光。

另外，扩散光学系统13与聚光光学系统14也可以不是相同的形状。因而，也可以是，在分别从Z方向观察的俯视时，扩散光学系统13为圆形、聚光光学系统14为六边形的构成。

如上述那样的射出位置分布以及角度分布被均匀化的光的曝光用光源装置1如以下那样，能够作为曝光装置的光源而使用。

图6是示意地表示曝光装置的构成的附图。图6所示的曝光装置30具备上述任一实施方式的曝光用光源装置1。而且，在积分光学系统15的后级具备投影光学系统31及掩模32，根据需要具备投影透镜33。在由投影光学系统31投影的位置设置掩模32，在掩模32的后级设置成为烧结掩模32的图案像的对象的感光性基板34。

在该状态下，当从半导体激光单元10射出光时，作为通过积分光学系统15而照度分布被均匀化的光，照射至投影光学系统31。投影光学系统31将该光经由该掩模32的图案像直接投影到感光性基板34上，或经由投影透镜33投影到感光性基板34上。

曝光装置30通过具备上述各实施方式中说明的曝光用光源装置1，能够使用与以往相比光强度分布被均匀化的光进行曝光，可抑制曝光不均。

[其他实施方式]

以下，对其他实施方式进行说明。

〈1〉在图1中，对半导体激光光源11为封装激光芯片而成的光源的情况进行了图示。但是，也可以由沿规定的方向配置有多个半导体激光光源11的激光阵列构成。

〈2〉上述曝光用光源装置1所具备的光学配置方式只是一个例子，本发明并不限定于图示的各构成。例如，也可以在某一光学系统与另一光学系统之间适当夹设用于使光的行进方向变化的反射光学系统。而且，半导体激光单元10的配置位置、配置数量也并不限定于图示的各构成。

附图标记说明

1：曝光用光源装置

10：半导体激光单元

11：半导体激光光源

12：准直光学系统

13：扩散光学系统

14：聚光光学系统

14a：第一光学系统

14b：第二光学系统

15：积分光学系统

16：积分光学系统入射面

17：积分光学系统的光轴

20：聚光光学系统入射面

21a、21b、21c：光线束

22a、22b、22c：光线束

23a、23b、23c：光线束

24a、24b、24c：光线束

25：半导体激光单元的光轴

30：曝光装置

31：投影光学系统

32：掩模

33：投影透镜

34：感光性基板

100：半导体激光光源

101：准直透镜

102：聚光透镜

103：聚光透镜入射面

104：柱状积分器

105：柱状积分器入射面

106：柱状积分器出射面

110a、110b、110c：主光线

111a、111b、111c：主光线

121a、121b、121c：光线束

122a、122b、122c：光线束

123a、123b、123c：光线束

130：区域

140：光轴

150：焦点位置

θ：入射角

Claims (4)

1.一种曝光用光源装置，其特征在于，具备：

多个半导体激光单元，分别包括：多个半导体激光光源；多个准直光学系统，将从所述半导体激光光源射出的光线束转换成大致平行的光线束而射出；扩散光学系统，从所述多个准直光学系统射出的多个光线束入射到该扩散光学系统，且该扩散光学系统将该多个光线束分别转换成发散的光线束而射出；以及聚光光学系统，将从所述扩散光学系统射出的光线束聚光；以及

积分光学系统，在从所述多个半导体激光单元射出的多个光线束聚光的位置配置有入射面，

所述扩散光学系统配置于从不同的所述半导体激光光源射出的光线束的至少一部分在所述聚光光学系统的入射面上重合的位置。

2.如权利要求1所述的曝光用光源装置，其特征在于，

所述聚光光学系统在从所述半导体激光单元的光轴方向观察的俯视时为多边形。

3.如权利要求1或2所述的曝光用光源装置，其特征在于，

所述多个半导体激光单元的各自的所述聚光光学系统的入射面非平行地配置。

4.如权利要求1或2所述的曝光用光源装置，其特征在于，

所述多个半导体激光单元的各自的所述聚光光学系统具备第一光学系统和第二光学系统，所述第一光学系统将从所述扩散光学系统射出的光线束聚光，所述第二光学系统将主光线的行进方向向所述积分光学系统的入射面的方向转换，

各个所述第一光学系统的入射面平行地配置。

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