JP2003149594A

JP2003149594A - レーザ照明光学系及びそれを用いた露光装置、レーザ加工装置、投射装置

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Publication number: JP2003149594A
Application number: JP2001351686A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Miyagaki; 一也宮垣; Kenji Kameyama; 健司亀山; Ikuo Kato; 幾雄加藤; Keishin Aisaka; 敬信逢坂; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザアレイ光源を用いたレーザ照明光学系に
おいて、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起
因する干渉縞を減らし、照度の均一化を図る。【解決手段】本発明は、少なくともレーザアレイ光源１
１と、ホログラム素子１２で構成されるレーザ照明光学
系であって、レーザアレイ光源１１のアレイ方向と垂直
な光束成分がホログラム素子１２によってガウシアンプ
ロファイルから均一強度の光束に変換され、被照射部１
３上で各レーザ光束のアレイ方向に平行な光束成分がピ
ーク強度の１／ｅ^２倍となる距離をＷとすると、各レー
ザ光束の被照射部でのプロファイルのピッチＰが、０＜
Ｐ≦Ｗの条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わ
せることを特徴としており、レーザアレイ光源のアレイ
垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビーム
プロファイルを変換させるため、被照射部で干渉縞が発
生しにくく、照明性能が良くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを光源とし
て被照射部における照度を均一化したレーザ照明光学系
と、それを用いた露光装置、レーザ加工装置、投射装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザを光源とした投射装置は、レーザ
の発振スペクトルが狭いために色純度の高い投射が期待
される。その一方で、レーザは干渉性が高いため、光束
を分割してから合成すると干渉縞が発生することがあ
る。例えば、一本のレーザビームを通常のフライアイレ
ンズ光学系で照度均一化すると、被照射部で干渉縞が見
られる。また、例えば特開平８−９４８３９号公報に記
載のホログラム素子では、レーザビームの一部分を被照
射部で重ね合わせており、干渉を小さく抑える構成を開
示しているが、上記公報の構成でも干渉縞がなくなるわ
けではない。

【０００３】一方、比較的小型で光出力の高いレーザ光
源としてレーザアレイ光源（特に半導体レーザアレイ光
源）が期待されており、このレーザアレイ光源とフライ
アイレンズ等を組み合わせることにより被照射部におけ
る照度を均一化したレーザ照明光学系を構成することが
可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】レーザ照明光学系にお
いて、レーザアレイを光源として用いた場合、光共振器
の異なる光源から光が発振されるため、アレイ間の光の
干渉は無い。このため、干渉縞が被照射部で複数重なる
ことになる。レーザアレイ数が多いほど干渉縞は目立た
なくなるが、アレイ数やフライアイレンズ系の組み合わ
せによっては干渉縞を低減することが難しい。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、レーザアレイ光源を用いたレーザ照明光学系にお
いて、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因
する干渉縞を減らし、照度の均一化を図ることを課題と
している。

【０００６】より詳しくは、請求項１に係る発明は、レ
ーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因する干渉
縞を減らし、簡素な構成で照度均一化できるレーザ照明
光学系を提供することを目的とする。また、請求項２に
係る発明は、広がり角の大きいレーザ光源でもホログラ
ム素子が設置しやすく、レーザアレイ光源のアレイ垂直
方向の光束に起因する干渉縞を減らし、簡素な構成で照
度均一化できるレーザ照明光学系を提供することを目的
とする。さらに請求項３に係る発明は、レーザアレイ光
源のアレイ垂直方向の光束に起因する干渉縞を減らし、
簡素な構成で照度均一化でき、かつ、照明系を小型化さ
せることができるレーザ照明光学系を提供することを目
的とする。さらに請求項４に係る発明は、レーザアレイ
光源のアレイ垂直方向の光束に起因する干渉縞を減ら
し、簡素な構成で照度均一化でき、かつ、照明光学系を
さらに小型化させることができるレーザ照明光学系を提
供することを目的とする。

【０００７】請求項５に係る発明は、照明光学系の照度
が均一で、レチクルなどへの照明性能の良好な露光装置
を提供することを目的とする。また、請求項６に係る発
明は、照明光学系の照度が均一で、干渉縞がなく照度均
一性が高いレーザ加工装置を提供することを目的とす
る。さらに請求項８に係る発明は、照明光学系の照度が
均一で、空間変調器（ライトバルブ）上で干渉縞が発生
せず照明性能が良好な投射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】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、少なくともレーザアレイ光
源と、ホログラム素子で構成されるレーザ照明光学系で
あって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光
束成分が前記ホログラム素子によってガウシアンプロフ
ァイルから均一強度の光束に変換され、被照射部上で各
レーザ光束のアレイ方向に平行な光束成分がピーク強度
の１／ｅ^２倍となる距離をＷとすると、各レーザ光束の
被照射部でのプロファイルのピッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗの
条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わせること
を特徴とするものである。

【０００９】請求項２に係る発明は、少なくともレーザ
アレイ光源と、平行光束化手段と、ホログラム素子で構
成されるレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ
光源のアレイ方向と垂直な光束成分が前記ホログラム素
子によってガウシアンプロファイルから均一強度の光束
に変換され、被照射部上で各レーザ光束のアレイ方向に
平行な光束成分がピーク強度の１／ｅ^２倍となる距離を
Ｗとすると、各レーザ光束の被照射部でのプロファイル
のピッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗの条件を満たすように、隣接
する光束を重ね合わせることを特徴とするものである。

【００１０】請求項３に係る発明は、請求項１または２
記載のレーザ照明光学系において、前記ホログラム素子
と被照射部の間にレンズアレイを有し、該レンズアレイ
によって隣接する光束が被照射部で所定の隣接光束の一
部と重ね合わされることを特徴とするものである。ま
た、請求項４に係る発明は、請求項３記載のレーザ照明
光学系において、前記レンズアレイの機能を前記ホログ
ラム素子（第１のホログラム素子）または第２のホログ
ラム素子に置き換えたことを特徴とするものである。

【００１１】請求項５に係る発明は、露光装置であっ
て、請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ照明光
学系と、投影レンズを備えたことを特徴とするものであ
る。また、請求項６に係る発明は、レーザ加工装置であ
って、請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ照明
光学系と、レンズを備えたことを特徴とするものであ
る。さらに請求項７に係る発明は、投射装置であって、
請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系
と、色合成手段と、空間変調器（ライトバルブ）と、投
射レンズを備えたことを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザ照明光
学系及びそれを用いた露光装置、レーザ加工装置、投射
装置の構成、動作及び作用を、図示の実施例に基づいて
詳細に説明する。

【００１３】（実施例１）まず、請求項１に係る発明の
実施例について説明する。図１は請求項１に係る発明の
一実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系
の概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側
面構成図である。このレーザ照明光学系は、複数のレー
ザ発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源１１
とホログラム素子１２からなり、符号１３は被照射部を
表している。この被照射部１３は均一化された光束が照
射される部分であり、露光装置では露光用マスク（レチ
クル）が、レーザ加工装置ではワークが、投射装置では
空間光変調器（所謂ライトバルブ）がこの被照射部に該
当する。

【００１４】レーザアレイ光源１１は、複数のレーザ発
光部として、複数のレーザ光源がアレイ状に配列された
ものでも良いし、レーザバーのように複数のレーザ光源
が集積化された光源であっても良い。また、複数のレー
ザ発振部がアレイ状に配列された半導体レーザアレイで
も良い。ホログラム素子１２は、透過型振幅格子、透過
型位相格子または透過型ブレーズ格子等により構成さ
れ、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けたり、
機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板表面
に溝を刻線する等して作製することができる。このホロ
グラム素子１２は、レーザアレイ光源１１から発散され
るレーザ光束のうち、一方向（格子溝のピッチ方向）の
みの強度分布を格子によって変換させる働きを有する。
本実施例では、ホログラム素子１２によりレーザ光束は
例えば図１（ｂ）の面内でのみ回折されるため、図１
（ａ）側はレーザ光が単なる平行平板を透過するように
進む。被照射部１３では隣接する光束が所定の割合で重
なり合う。

【００１５】ここで、所定の条件で重ね合わす説明の前
に、ホログラム素子１２の構成と動作をより詳しく説明
する。ホログラム素子１２の回折格子はレーザアレイ方
向に平行に回折格子の格子方向がある。格子ピッチは格
子の場所によって異なる、所謂変調ピッチとする。この
変調ピッチの一例として、図１（ｂ）のホログラム素子
１２に入射されるビームの幅を１０ｍｍとすると、ホロ
グラム素子１２の面内で図２に示すような格子ピッチと
することによって、ガウシアンプロファイルの中心付近
の強度の強い光束は拡大され、さらに周辺付近の強度の
弱い光束は縮小される。このようにして、図１（ｂ）の
紙面に垂直方向から見た光束成分のプロファイルがガウ
シアン分布から均一強度に変換される。

【００１６】ホログラム素子１２の格子ピッチを図２に
示すような変調ピッチにすれば、レーザアレイ光源１１
の一つの光源から放射されたガウシアンプロファイルの
レーザ光は、ホログラム素子１２によって被照射部１３
上で図３（ａ）に示すようなプロファイルに変換され
る。このプロファイルを図３（ｂ）に示すように所定ピ
ッチＰで被照射部１３上で重ね合わす。本実施例では、
図３（ｂ）に示すように、一つのプロファイルのピーク
強度の１／ｅ^２となるポイントまでの距離をＷとする
と、各レーザ光束の被照射部１３でのプロファイルのピ
ッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗ・・・（１）の条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わす。被
照射部１３上で各レーザ光束のプロファイルを重ね合わ
せることによってレーザアレイ方向の光束も均一化され
る。そして、上記の式（１）を満たすことで９５％以上
の照度均一性が得られる。例えばアレイ数１０のレーザ
アレイ光源１１の場合、Ｐ＝Ｗのピッチで重ね合わす
と、図４に示すように、被照射部１３でのレーザアレイ
方向の断面プロファイルは、各レーザ光の強度分布ａ
（アレイ１）〜ｊ（アレイ１０）を重ね合わせた強度分
布ｋ（合成プロファイル）のようになり照度が均一化さ
れる。図４の矢印の間が照度均一性の高いところであ
る。したがって、レーザアレイ光源１１の両端のレーザ
光は被照射部領域から外れるようにすれば、被照射部上
で均一性の高い照明が可能である。

【００１７】本実施例の構成によれば、ホログラム素子
１２以外にフライアイレンズのような光学素子を用いな
いため構成部品数が少なくなり、レーザ照明光学系がコ
ンパクトになる。また、レーザアレイ光はレーザアレイ
方向に垂直な方向を強度変換させる変調ピッチのホログ
ラム素子１２で対応するため、基本的に被照射部１３で
干渉縞が発生しない。したがって、被照射部１３で干渉
縞が発生しにくくなり、照明性能が良くなる。

【００１８】（実施例２）次に請求項２に係る発明の実
施例について説明する。図５は請求項２に係る発明の一
実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の
概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面
構成図である。このレーザ照明光学系は、複数のレーザ
発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源２１と
平行光束化手段１４，１５とホログラム素子１２からな
り、符号１３は被照射部を表している。この被照射部１
３は均一化された光束が照射される部分であり、露光装
置では露光用マスク（レチクル）が、レーザ加工装置で
はワークが、投射装置では空間光変調器（所謂ライトバ
ルブ）がこの被照射部に該当する。

【００１９】レーザアレイ光源２１は、複数のレーザ発
光部として、複数のレーザ光源がアレイ状に配列された
ものでも良いし、レーザバーのように複数のレーザ光源
が集積化された光源であっても良い。また、複数のレー
ザ発振部がアレイ状に配列された半導体レーザアレイで
も良い。さらに、本実施例では平行光束化手段としてシ
リンドリカルレンズアレイ１４とシリンダーレンズ１５
を用いているが、２次元のレンズパワーを有するレンズ
がアレイ状に配列されたコリメートレンズアレイであっ
ても良い。

【００２０】ホログラム素子１２は、透過型振幅格子、
透過型位相格子または透過型ブレーズ格子等により構成
され、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けた
り、機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板
表面に溝を刻線する等して作製することができる。この
ホログラム素子１２は、レーザアレイ光源２１から発散
されるレーザ光束のうち、一方向（格子溝のピッチ方
向）のみの強度分布を格子によって変換させる働きを有
する。本実施例では、ホログラム素子１２によりレーザ
光束は例えば図５（ｂ）の面内でのみ回折されるため、
図５（ａ）側はレーザ光が単なる平行平板を透過するよ
うに進む。被照射部１３では隣接する光束が所定の割合
で重なり合う。尚、ホログラム素子１２の構成や、重ね
合わせについては実施例１で述べた通りであるため、こ
こでは説明を省略する。

【００２１】本実施例の構成によれば、ホログラム素子
１２と平行光束化手段１４，１５以外にフライアイレン
ズのような光学素子を用いないため、構成部品数が少な
くなりレーザ照明光学系がコンパクトになる。また、レ
ーザアレイ光はレーザアレイ方向に垂直な方向を強度変
換させる変調ピッチのホログラム素子１２で対応するた
め基本的に被照射部１３で干渉縞が発生しない。したが
って、被照射部１３で干渉縞が発生しにくくなり、照明
性能が良くなる。さらに、本実施例では平行光束化手段
１４，１５を有するため、レーザアレイ光源２１から出
射された各レーザ光が比較的大きな広がり角を有してい
たとしてもホログラム素子１２へ平行光束を入射させる
ことができるため、ホログラム素子１２の設計が容易に
なり、かつ、ホログラム素子１２の光軸方向の設置自由
度を高くすることができる。

【００２２】（実施例３）次に請求項３に係る発明の実
施例について説明する。図６は請求項３に係る発明の一
実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の
概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面
構成図である。このレーザ照明光学系は、複数のレーザ
発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源２１と
平行光束化手段１４，１５とホログラム素子１２とレン
ズアレイ１６からなり、符号１３は被照射部を表してい
る。この被照射部１３は均一化された光束が照射される
部分であり、露光装置では露光用マスク（レチクル）
が、レーザ加工装置ではワークが、投射装置では空間光
変調器（所謂ライトバルブ）がこの被照射部に該当す
る。

【００２３】レーザアレイ光源２１は、複数のレーザ発
光部として、複数のレーザ光源がアレイ状に配列された
ものでも良いし、レーザバーのように複数のレーザ光源
が集積化された光源であっても良い。また、複数のレー
ザ発振部がアレイ状に配列された半導体レーザアレイで
も良い。さらに、本実施例では平行光束化手段としてシ
リンドリカルレンズアレイ１４とシリンダーレンズ１５
を用いているが、２次元のレンズパワーを有するレンズ
がアレイ状に配列されたコリメートレンズアレイであっ
ても良い。また、レンズアレイ１６は、レーザ光束を広
げて隣接する光束が被照射部１３で所定の隣接光束の一
部と重ね合わされるようにする機能を有しており、図６
ではレンズアレイ１６として凹レンズアレイを用いてい
るが、凸レンズアレイであっても良い。凸レンズアレイ
の場合には一度収束した後、発散ビームが所定の重なり
の状態となる位置が被照射部１３となるようにする。
尚、平行光束化手段１４，１５は省略することも可能で
ある。

【００２４】ホログラム素子１２は、透過型振幅格子、
透過型位相格子または透過型ブレーズ格子等により構成
され、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けた
り、機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板
表面に溝を刻線する等して作製することができる。この
ホログラム素子１２は、レーザアレイ光源２１から発散
されるレーザ光束のうち、一方向（格子溝のピッチ方
向）のみの強度分布を格子によって変換させる働きを有
する。本実施例では、ホログラム素子１２によりレーザ
光束は例えば図６（ｂ）の面内でのみ回折されるため、
図６（ａ）側はレーザ光が単なる平行平板を透過するよ
うに進む。被照射部１３では隣接する光束が所定の割合
で重なり合う。尚、ホログラム素子１２の構成や、重ね
合わせについては実施例１で述べた通りであるため、こ
こでは説明を省略する。

【００２５】本実施例の構成によれば、ホログラム素子
１２と平行光束化手段１４，１５とレンズアレイ１６以
外にフライアイレンズのような光学素子を用いないた
め、構成部品数が少なくなり照明系がコンパクトにな
る。レーザアレイ光はレーザアレイ方向に垂直な方向を
強度変換させる変調ピッチのホログラム素子１２で対応
するため基本的に被照射部１３で干渉縞が発生しない。
したがって、被照射部１３で干渉縞が発生しにくくな
り、照明性能が良くなる。また、レンズアレイ１６によ
ってレーザ光束を広げて隣接する光束が被照射部で所定
の隣接光束の一部と重ね合わされるようにすると共に、
レンズアレイ１６でアレイ直交方向の照度も均一化させ
ることができるので、より照明性能が良くなる。また、
図６に示すように平行光束化手段１４，１５を用いれ
ば、レーザアレイ光源２１から出射された各レーザ光が
比較的大きな広がり角を有していたとしてもホログラム
素子１２へ平行光束を入射させることができるため、ホ
ログラム素子１２の設計が容易になり、かつ、ホログラ
ム素子１２の光軸方向の設置自由度を高くすることがで
きる。さらに、ホログラム素子１２の後にレンズアレイ
１６を配置することによって積極的にレーザ光束を広げ
るため、隣接するレーザ光束が所定のピッチＰで重なる
までの距離を短くすることができる。このため、光路が
短くなり一層コンパクトな照明光学系になる。

【００２６】（実施例４）次に請求項４に係る発明の実
施例について説明する。図７は請求項４に係る発明の一
実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の
概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面
構成図である。このレーザ照明光学系は、複数のレーザ
発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源２１と
平行光束化手段１４，１５とホログラム素子２２からな
り、符号１３は被照射部を表している。この被照射部１
３は均一化された光束が照射される部分であり、露光装
置では露光用マスク（レチクル）が、レーザ加工装置で
はワークが、投射装置では空間光変調器（所謂ライトバ
ルブ）がこの被照射部に該当する。

【００２７】レーザアレイ光源２１は、複数のレーザ発
光部として、複数のレーザ光源がアレイ状に配列された
ものでも良いし、レーザバーのように複数のレーザ光源
が集積化された光源であっても良い。また、複数のレー
ザ発振部がアレイ状に配列された半導体レーザアレイで
も良い。さらに、本実施例では平行光束化手段としてシ
リンドリカルレンズアレイ１４とシリンダーレンズ１５
を用いているが、２次元のレンズパワーを有するレンズ
がアレイ状に配列されたコリメートレンズアレイであっ
ても良い。尚、平行光束化手段１４，１５は省略するこ
とも可能である。

【００２８】ホログラム素子２２は、透過型振幅格子、
透過型位相格子または透過型ブレーズ格子等により構成
され、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けた
り、機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板
表面に溝を刻線する等して作製することができる。この
ホログラム素子２２は、実施例３（図６）のホログラム
素子１２の機能とレンズアレイ１６の機能を合わせた機
能を有し、図７（ｂ）の面内の光束成分を均一化させる
働きと、図７（ａ）の面内のビームアレイを所定のピッ
チで重ね合わせる働きを有しており、被照射部１３では
隣接する光束が所定の割合で重なり合うと共にアレイ直
交方向の照度も均一化される。尚、ホログラム素子２２
の基本的な構成や、重ね合わせについては前述した通り
であるため、ここでは説明を省略する。

【００２９】尚、図７ではホログラム素子２２は１枚で
構成されているが、第１のホログラム素子と第２のホロ
グラム素子の２枚構成にしても良い。例えば、実施例３
（図６）のホログラム素子１２の機能を有する第１のホ
ログラム素子と、レンズアレイ１６の機能を有する第２
のホログラム素子の２枚構成にして、第１のホログラム
素子で図７（ｂ）の面内の光束成分を均一化させ、第２
のホログラム素子には凹レンズアレイ（または凸レンズ
アレイ）と同様の機能を持たせる。これにより、被照射
部では隣接する光束が所定の割合で重なり合うと共にア
レイ直交方向の照度も均一化される。

【００３０】本実施例の構成によれば、ホログラム素子
２２と平行光束化手段１４，１５以外にフライアイレン
ズのような光学素子を用いないため、構成部品数が少な
くなりレーザ照明光学系がコンパクトになる。レーザア
レイ光はレーザアレイ方向に垂直な方向を強度変換させ
る変調ピッチのホログラム素子２２で対応するため基本
的に被照射部１３で干渉縞が発生しない。したがって、
被照射部１３で干渉縞が発生しにくくなり、照明性能が
良くなる。また、ホログラム素子２２でアレイ直交方向
の照度も均一化させることができるため、より照明性能
が良くなる。さらに図７に示すように平行光束化手段１
４，１５を有する場合には、レーザアレイ光源２１から
出射された各レーザ光が比較的大きな広がり角を有して
いたとしてもホログラム素子２２へ平行光束を入射させ
ることができるため、ホログラム素子２２の設計が容易
になり、かつ、ホログラム素子２２の光軸方向の設置自
由度を高くすることができる。さらにホログラム素子を
レンズアレイの機能も兼ね備えた１枚のホログラム素子
で構成した場合、照明光学系はより一層小型にすること
ができる。

【００３１】（実施例５）次に請求項５に係る発明の実
施例について説明する。図８は請求項５に係る発明の一
実施例を示す露光装置の概略構成図であり、図中の符号
１００はレーザアレイ光源（または半導体レーザアレイ
光源）、１０１は実施例１〜４（請求項１〜請求項４）
のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレーザ照明
光学系、１０２は被照射部であるレチクル、１０３は投
影レンズ、１０４は基板ステージである。

【００３２】本実施例の露光装置では、レーザアレイ光
源１００からのレーザアレイ光は、実施例１〜４（請求
項１〜請求項４）のうちのいずれか一つに記載の構成を
用いたレーザ照明光学系１０１によって被照射部である
レチクル１０２上で均一放射照度となる。レチクル１０
２は半導体デバイスの製作工程でウエハー上に回路パタ
ーンを露光するために使用される露光用マスクのことで
あり、レチクル１０２のパターンは投影レンズ１０３に
よって基板ステージ１０４上に置かれたウエハーに露光
される。また、基板ステージ１０４で露光位置を調整
し、ウエハーの所望の位置を露光する。

【００３３】尚、レーザ照明光学系１０１として、実施
例１，２（請求項１，２）で説明した構成のレーザ照明
光学系を用いた場合には、レチクル面上で干渉縞のでな
い均一照明が可能であり、また、実施例３，４（請求項
３，４）で説明したレーザ照明光学系を用いた場合に
は、レチクル面上で干渉縞のでないより均一照度の照明
で露光を行うことができる。従って、照明性能がよく高
性能な露光装置を実現することができる。

【００３４】（実施例６）次に請求項６に係る発明の実
施例について説明する。図９は請求項６に係る発明の一
実施例を示すレーザ加工装置の概略構成図であり、図中
の符号１００はレーザアレイ光源（または半導体レーザ
アレイ光源）、１０１は実施例１〜４（請求項１〜請求
項４）のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレー
ザ照明光学系、１０５はレンズ、１０６はワークであ
る。

【００３５】本実施例のレーザ加工装置では、レーザア
レイ光源１００からのレーザ光を実施例１〜４（請求項
１〜請求項４）のうちのいずれか一つに記載のレーザ照
明光学系で均一ビームに変換し、レンズ１０５でワーク
１０６に縮小または拡大して照射される。集光スポット
ではワーク１０６の表面加工や切断加工ができる。ま
た、レンズ１０５を投影レンズに置きかえるか、もしく
は被照射部を直接ワークとする配置では、ワーク１０６
の広い範囲にわたって均一照明できるため、レーザアニ
ールとしても利用することができる。

【００３６】尚、レーザ照明光学系１０１として、実施
例１，２（請求項１，２）で説明した構成のレーザ照明
光学系を用いた場合にはワーク上で干渉縞のでない均一
照明を用いた加工やアニールが可能であり、また、実施
例３，４（請求項３，４）で説明したレーザ照明光学系
を用いた場合にはワーク上で干渉縞が発生しないより均
一照度の照明光を用いた加工やアニールが可能となる。
このため、良好なレーザ加工やレーザアニールを行うこ
とができる。

【００３７】（実施例７）次に請求項７に係る発明の実
施例について説明する。図１０は請求項７に係る発明の
一実施例を示す投射装置の概略構成図である。本実施例
の投射装置は、レーザアレイ光源（または半導体レーザ
アレイ光源）１００ｒ，１００ｇ，１００ｂと、実施例
１〜４（請求項１〜請求項４）のうちのいずれか一つに
記載の構成を用いたレーザ照明光学系１１０ｒ、１１０
ｇ、１１０ｂと、色合成手段１１３と、空間変調器（ラ
イトバルブ）１１４と、投射レンズ１１５で構成されて
いる。また、符号１１６はフィールドレンズで、ライト
バルブ１１４からの画像光を効率良く投射レンズ瞳に入
れるために用いるが、必ずしも必要ではない。尚、色合
成手段１１３としてはダイクロイックプリズムやダイク
ロイックミラーを用いることができる。

【００３８】本実施例では、レーザ照明光学系１１０
ｒ、１１０ｇ、１１０ｂは、例えば平行光束化手段１１
１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂとホログラム素子１１２ｒ，
１１２ｇ，１１２ｂで構成されている。すなわち本実施
例では、前述の通り、ホログラム素子１１２ｒ，１１２
ｇ，１１２ｂでレーザアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，
１００ｂのアレイ直交方向の強度分布を変換し、アレイ
方向は所定のピッチで隣接ビームを重ね合わせて照度均
一化させる。このレーザ照明光学系１１０ｒ、１１０
ｇ、１１０ｂを使えば被照射部であるライトバルブ１１
４面で干渉縞が発生しない均一照明を行うことができ
る。また、ホログラム素子１１２ｒ，１１２ｇ，１１２
ｂは図１０の紙面に垂直方向の強度均一化だけ行い、ホ
ログラム素子１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂと色合成手
段１１３の間に実施例３（図６）に示したようなレンズ
アレイ１６を用いても良い。

【００３９】レーザ照明光学系１１０ｒ、１１０ｇ、１
１０ｂからの光束は色合成手段１１３に入射し、色合成
手段１１３で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレ
ーザ光が合成される。この３色の合成光でライトバルブ
１１４が照明され、ライドバルブ１１４で空間変調され
た画像は投射レンズ１１５でスクリーン（図示を省略）
に投影される。ライトバルブ１１４としては例えば液晶
素子を用いることができる。また、図１０では透過型の
ライトバルブを図示しているが、反射型のライトバルブ
を用いて照明光と投射光を偏光ビームスプリッタで分岐
するように構成しても良い。

【００４０】また、本実施例では単板のライトバルブ１
１４を使っているが、３つのライトバルブを使うように
しても良い。図示しないが、３板式の場合には、一つの
レーザアレイ光源とレーザ照明光学系の被照射部にライ
トバルブを配置し、３つのライトバルブからの画像光を
色合成手段（例えばダイクロイックプリズム）で合成し
て投射レンズでスクリーンに投影させる。

【００４１】本実施例の投射装置では、光源がレーザア
レイ光源であるため、個々のレーザパワーが小さくても
アレイ数を多くすることにより高出力にできる。また、
本実施例のように、レーザアレイ光源のレーザアレイ直
交方向の光束を変調ピッチのホログラム素子１１２ｒ，
１１２ｇ，１１２ｂで強度分布を変換させる場合、ライ
トバルブ１１４上で干渉縞の発生しない均一照明ができ
るため、明るくて表示品質の高い投射装置を実現するこ
とができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載のレ
ーザ照明光学系は、少なくともレーザアレイ光源と、ホ
ログラム素子で構成されるレーザ照明光学系であって、
前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分が
前記ホログラム素子によってガウシアンプロファイルか
ら均一強度の光束に変換され、被照射部上で各レーザ光
束のアレイ方向に平行な光束成分がピーク強度の１／ｅ
^２倍となる距離をＷとすると、各レーザ光束の被照射部
でのプロファイルのピッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗの条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わせるこ
とを特徴としており、レーザアレイ光源のアレイ垂直方
向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロフ
ァイルを変換させるため、被照射部で干渉縞が発生しに
くく、照明性能が良くなる。従って請求項１に係る発明
によれば、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に
起因する干渉縞を減らし、簡素な構成で照度均一化でき
るレーザ照明光学系を実現することができる。

【００４３】請求項２記載のレーザ照明光学系は、少な
くともレーザアレイ光源と、平行光束化手段と、ホログ
ラム素子で構成されるレーザ照明光学系であって、前記
レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分が前記
ホログラム素子によってガウシアンプロファイルから均
一強度の光束に変換され、被照射部上で各レーザ光束の
アレイ方向に平行な光束成分がピーク強度の１／ｅ^２倍
となる距離をＷとすると、各レーザ光束の被照射部での
プロファイルのピッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗの条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わせるこ
とを特徴としており、レーザアレイ光源のアレイ垂直方
向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロフ
ァイルを変換させるため、被照射部で干渉縞が発生しに
くく、しかも平行光束化手段にシリンドリカルレンズを
用いることにより被照射部の照明性能がさらに良くな
る。従って請求項２に係る発明によれば、広がり角の大
きいレーザ光源でもホログラム素子が設置しやすく、レ
ーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因する干渉
縞を減らし、簡素な構成で照度均一化できるレーザ照明
光学系を実現することができる。

【００４４】請求項３記載のレーザ照明光学系は、請求
項１または２の構成に加えて、前記ホログラム素子と被
照射部の間にレンズアレイを有し、該レンズアレイによ
って隣接する光束が被照射部で所定の隣接光束の一部と
重ね合わされることを特徴としており、レーザアレイ光
源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素
子でビームプロファイルを変換させるため、被照射部で
干渉縞が発生しにくく照明性能が良くなる。また、レン
ズアレイによってレーザ光束を広げて隣接する光束が被
照射部で所定の隣接光束の一部と重ね合わされるように
すると共に、レンズアレイでアレイ直交方向の照度も均
一化させることができるので、より照明性能が良くな
る。さらに、平行光束化手段としてコリメートレンズア
レイを用いて、該コリメートレンズアレイでアレイ光を
平行光束化させることにより、ホログラム素子は直線状
の回折格子となり作製しやすくなる。また、コリメート
レンズアレイとホログラム素子の間隔は任意にできるた
め設置許容性が高い。従って請求項３に係る発明によれ
ば、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因す
る干渉縞を減らし、簡素な構成で照度均一化でき、か
つ、照明系を小型化させることができるレーザ照明光学
系を実現することができる。

【００４５】請求項４記載のレーザ照明光学系は、請求
項３の構成において、前記レンズアレイの機能を前記ホ
ログラム素子（第１のホログラム素子）または第２のホ
ログラム素子に置き換えたことを特徴としており、レー
ザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホ
ログラム素子でビームプロファイルを変換させるため、
被照射部で干渉縞が発生しにくく、照明性能が良くな
る。また、ホログラム素子でアレイ直交方向の照度も均
一化させることができるため、より照明性能が良くな
る。また、ホログラム素子以外にフライアイレンズのよ
うな光学素子を用いないため、構成部品数が少なくなり
レーザ照明光学系がコンパクトになる。さらにホログラ
ム素子をレンズアレイの機能も兼ね備えた１枚のホログ
ラム素子で構成した場合、照明光学系はより一層小型に
することができる。従って請求項４に係る発明によれ
ば、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因す
る干渉縞を減らし、簡素な構成で照度均一化でき、か
つ、照明光学系をさらに小型化させることができるレー
ザ照明光学系を実現することができる。

【００４６】請求項５記載の露光装置は、請求項１〜４
のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、投影レン
ズを備えたことを特徴としており、レーザアレイ光源の
アレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子で
ビームプロファイルを変換させるため、レチクル面で干
渉縞が発生しにくく照明性能が良い露光装置を実現する
ことができる。

【００４７】請求項６記載のレーザ加工装置は、請求項
１〜４のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、レ
ンズを備えたことを特徴としており、レーザアレイ光源
のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子
でビームプロファイルを変換させるため、ワーク上で干
渉縞が発生しにくく照明性能が良いレーザ加工装置を実
現することができる。

【００４８】請求項７記載の投射装置は、請求項１〜４
のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、色合成手
段と、空間変調器（ライトバルブ）と、投射レンズを備
えたことを特徴としており、レーザアレイ光源のアレイ
垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビーム
プロファイルを変換させるため、ライトバルブ面で干渉
縞が発生しにくく照明性能が良い投射装置を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に係る発明の一実施例を示す図であっ
て、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、
（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。

【図２】ホログラム素子の面内の位置と格子ピッチの関
係を示す図である。

【図３】（ａ）はレーザアレイ光源の一つの光源から放
射されホログラム素子によって被照射部上に照射された
レーザ光のプロファイルを示す図であり、（ｂ）は上記
プロファイルを所定ピッチＰで被照射部上で重ね合わせ
た様子を示す図である。

【図４】アレイ数１０のレーザアレイ光源の各レーザ光
の強度分布と、それを被照射部上で重ね合わせた強度分
布（合成プロファイル）を示す図である。

【図５】請求項２に係る発明の一実施例を示す図であっ
て、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、
（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。

【図６】請求項３に係る発明の一実施例を示す図であっ
て、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、
（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。

【図７】請求項４に係る発明の一実施例を示す図であっ
て、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、
（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。

【図８】請求項５に係る発明の一実施例を示す露光装置
の概略構成図である。

【図９】請求項６に係る発明の一実施例を示すレーザ加
工装置の概略構成図である。

【図１０】請求項７に係る発明の一実施例を示す投射装
置の概略構成図である。

【符号の説明】

１１，２１：レーザアレイ光源１２，２２：ホログラム素子１３：被照射部１４，１５：平行光束化手段１６：レンズアレイ２１：レーザアレイ光源２２：ホログラム素子１００：レーザアレイ光源（または半導体レーザアレイ
光源）１００ｒ，１００ｇ，１００ｂ：レーザアレイ光源（ま
たは半導体レーザアレイ光源）１０１：レーザ照明光学系１０２：レチクル（露光用マスク）１０３：投影レンズ１０４：基板ステージ１０５：レンズ１０６：ワーク１１０ｒ，１１０ｇ，１１０ｂ：レーザ照明光学系１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂ：平行光束化手段１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂ：ホログラム素子１１３：色合成手段１１４：空間変調器（ライトバルブ）１１５：投射レンズ１１６：フィールドレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５１５Ｄ (72)発明者加藤幾雄東京都大田区中馬込１丁目３番６号・株式会社リコー内 (72)発明者逢坂敬信東京都大田区中馬込１丁目３番６号・株式会社リコー内 (72)発明者滝口康之東京都大田区中馬込１丁目３番６号・株式会社リコー内Ｆターム(参考） 2H049 AA26 AA65 CA01 CA08 CA18 CA22 5F046 BA03 CA03 CB12 CB23 CB27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともレーザアレイ光源と、ホログラ
ム素子で構成されるレーザ照明光学系であって、前記レ
ーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分が前記ホ
ログラム素子によってガウシアンプロファイルから均一
強度の光束に変換され、被照射部上で各レーザ光束のア
レイ方向に平行な光束成分がピーク強度の１／ｅ^２倍と
なる距離をＷとすると、各レーザ光束の被照射部でのプ
ロファイルのピッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗの条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わせるこ
とを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項２】少なくともレーザアレイ光源と、平行光束
化手段と、ホログラム素子で構成されるレーザ照明光学
系であって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直
な光束成分が前記ホログラム素子によってガウシアンプ
ロファイルから均一強度の光束に変換され、被照射部上
で各レーザ光束のアレイ方向に平行な光束成分がピーク
強度の１／ｅ^２倍となる距離をＷとすると、各レーザ光
束の被照射部でのプロファイルのピッチＰが、０＜Ｐ≦Ｗの条件を満たすように、隣接する光束を重ね合わせるこ
とを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項３】請求項１または２記載のレーザ照明光学系
において、前記ホログラム素子と被照射部の間にレンズアレイを有
し、該レンズアレイによって隣接する光束が被照射部で
所定の隣接光束の一部と重ね合わされることを特徴とす
るレーザ照明光学系。
【請求項４】請求項３記載のレーザ照明光学系におい
て、前記レンズアレイの機能を前記ホログラム素子（第１の
ホログラム素子）または第２のホログラム素子に置き換
えたことを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか一つに記載のレー
ザ照明光学系と、投影レンズを備えたことを特徴とする
露光装置。
【請求項６】請求項１〜４のいずれか一つに記載のレー
ザ照明光学系と、レンズを備えたことを特徴とするレー
ザ加工装置。
【請求項７】請求項１〜４のいずれか一つに記載のレー
ザ照明光学系と、色合成手段と、空間変調器と、投射レ
ンズを備えたことを特徴とする投射装置。