JP2004146793A

JP2004146793A - 露光用半導体レーザ光源装置

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Publication number: JP2004146793A
Application number: JP2003208755A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oyu; 大湯　孝寛; Yasuo Fujikawa; 藤川　康夫
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP4458229B2

Abstract

【課題】発光波長の異なる複数個の半導体レーザからのレーザ光を合成して露光用光源に用いる露光用半導体レーザ光源装置。
【解決手段】複数個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの出力光を合成して露光用の照明光として用いる露光用半導体レーザ光源装置において、複数個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの少なくとも１つの半導体レーザは他の半導体レーザとは発光波長が異なるものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光用半導体レーザ光源装置に関し、特に、発光波長の異なる複数個の半導体レーザを用いた露光用半導体レーザ光源装置と、発光波長が紫外光領域にある複数個の半導体レーザを用いた露光用半導体レーザ光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば回路基板、液晶表示素子、半導体素子等の製造の際のフォトリソグラフィー用の光源として水銀ランプ等のアークランプが用いられている。このようなアークランプの代わりに効率の良い半導体レーザを露光用光源に用いる場合、
１）紫外線を用いる光源は、目に見えないという危険性がある。
【０００３】
２）半導体レーザからの光が単色で干渉性を持つため、スペックルが生じてそのスペックルパターンが焼き付けられてしまう問題がある。
【０００４】
３）また、光源が単色、あるいは、露光装置の投影光学系が許容できる範囲の単色性がないと、投影光学系の色収差が発生し、最適な露光ができない問題もある。
【０００５】
４）さらには、半導体レーザは１個当たりの光量が露光用光源としては必ずしも十分に高くないという問題もある。
【０００６】
ところで、フォトレジストの分光感度に合致する例えば青紫色半導体レーザとして知られているＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１）（例えば、特許文献１、特許文献２参照）においては、Ｉｎの組成比に応じてバンドギャップエネルギーが２から６．２ｅＶの間で変化し、発光波長は近紫外域から６００ｎｍ近傍まで変化する。そのため、Ｉｎの組成比を変えることにより、種々の異なる発光波長の半導体レーザを得ることができる。また、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１）は、紫外線硬化接着剤の感度にも合致している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−４４５７０号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−２３７４５７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術の上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数個の半導体レーザからのレーザ光を合成して紫外線照射用光源や露光用光源に用いる露光用半導体レーザ光源装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の露光用半導体レーザ光源装置は、複数個の半導体レーザからの出力光を合成して露光用の照明光として用いる露光用半導体レーザ光源装置において、複数個の半導体レーザの少なくとも１つの半導体レーザは他の半導体レーザとは発光波長が異なるものであることを特徴とするものである。
【００１１】
この場合に、合成光が略連続的なスペクトルを有するものであっても、離散的なスペクトルを有するものであってもよい。
【００１２】
また、少なくとも１つの半導体レーザは、可視光領域に発光波長を有し、複数個の半導体レーザ中の他の少なくとも１つの半導体レーザは、紫外光領域に発光波長を有するものとしてもよい。
【００１３】
また、複数個の半導体レーザからの出力光を各々別々の光ファイバーに結合させて伝送させ、それら光ファイバー同士が出射端で１つに束ねてバンドル光ファイバーとされ、そのバンドル光ファイバーの出射端面が出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの入射端面と突き合わせて接続され、前記出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの出射端から前記の複数の半導体レーザからの出力光が合成して出力光として取り出されるように構成されていることが望ましい。
【００１４】
なお、複数個の半導体レーザを何れもＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１）とすることができる。
【００１５】
本発明においては、複数個の半導体レーザからの出力光を合成して露光用の照明光として用いる露光用半導体レーザ光源装置において、
１）複数個の半導体レーザの少なくとも１つの半導体レーザは他の半導体レーザとは発光波長が異なるものであるので、所望の強度の照明光を効率良く得ることができる。また、その他の半導体レーザの中、少なくとも２つを同一の発光波長を有する半導体レーザとすることで、大きなパワー（高出力）の光源装置とすることができる。
【００１６】
２）略連続的な波長を選択することにより、照射面や露光面上では、スペックルが平均化されて目立たなくなる。特に、投影露光用の照明光として用いるときは、投影光学系が許容できる範囲で波長を略連続的化し、シャープな像を投影焼き付けすることができる。
【００１７】
３）さらには、照明光のスペクトルを使用する単数あるいは複数のフォトレジストの感度に合わせることができ、効率的な照射が可能になる。
【００１８】
４）また、少なくとも１つの半導体レーザは可視光領域に発光波長を有し、複数個の半導体レーザ中の他の少なくとも１つの半導体レーザは紫外光領域に発光波長を有するものとする場合には、合成されたレーザ光には紫外光領域の波長に加えて可視光領域の波長が同時に含まれることになり、実際に装置が発振（発光）しているのか目視で確認でき、また、レーザ光の照射位置を目視で調整することができ、照射対象物にレーザ光の焦点を目視で合わせることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の露光用半導体レーザ光源装置を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、半導体レーザのみに限られるものではなく、他の半導体発光素子（ＬＥＤ等）にも適用可能な技術である。
【００２０】
さて、このような前提の下、本発明の第１のものは、発光波長の異なる複数個の半導体レーザを使用し、それらからの波長の異なるレーザ光を合成して露光用光源に用いるものである。図１に、本発明の露光用半導体レーザ光源装置の１実施例の構成を示す。図１において、３０は電源部や制御部等の部品を実装した回路基板、３１は半導体レーザのリード端子と接続されるリード線、３２は半導体レーザの取り付け部、３３ａ〜３３ｎは発光波長の異なる複数個の半導体レーザ、３４ａ〜３４ｎは半導体レーザ３３ａ〜３３ｎと結合される光ファイバーである。各光ファイバー３４ａ〜３４ｎは、１つに束ねられてバンドル光ファイバー３５とされる。このバンドル光ファイバー３５は他端でコネクター３６を介して出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の入力端と接続され、出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の他端から発光波長域が単体の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎより広げられ、より大きなパワーの出力レーザ光Ｒとして取り出される。
【００２１】
ここで、複数個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎは、少なくともその１つの半導体レーザが他の半導体レーザとは発光波長が異なるものであり、前記したように、例えばＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１）を用いる場合に、そのＩｎの組成比を変えて、一部のものは例えば４００ｎｍの発光波長のものとし、残りは４５０ｎｍのものとするか、あるいは、複数個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの中、３分の１は４００ｎｍの発光波長のものとし、別の３分の１は４２５ｎｍの発光波長のものとし、残りの３分の１は４５０ｎｍの発光波長のものとすることにより、波長４００ｎｍから４５０ｎｍをカバーする出力レーザ光Ｒを出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の他端から出射させるようにする。
【００２２】
半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの数としては、合成されて最終的に出力レーザ光Ｒとして取り出される光が露光用の照明光として十分な強度となるような個数が選ばれる。
【００２３】
図２は、１例としてＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザの場合の出力スペクトルを模式的に示す図であり、中心波長は上記のようにＩｎの組成比を変えることによって近紫外域から６００ｎｍ近傍まで変えることができる。また、そのスペクトル幅は約２ｎｍである。したがって、半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの個数を１０個とし、その１０個の中心波長を２ｎｍずつずれるようにして、図１のような配置でその１０個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの出力光を合成すると、図３に模式的に示すように、例えば波長３９５ｎｍから４１５ｎｍの間の略連続的なスペクトルを有する出力レーザ光Ｒが得られる。
【００２４】
以上のように、発光波長の異なる複数個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの波長の異なるレーザ光を合成して連続的スペクルあるいは離散したスペクルの出力レーザ光Ｒをフォトリソグラフィー用の露光光として用いると、所望の強度の照明光を効率良く得ることができる。また、個々の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの光が単色で干渉性が良くても、波長の異なるものが合成されているため、露光面上ではスペックルは平均化されて目立たなくなる。また、合成光は比較的広い波長範囲に連続的あるいは離散的にあるので、投影露光用の照明光として用いるとき、投影光学系の色収差によって焦点深度が深くなり、マスク板のずれ、歪み等を吸収してボケが少ないシャープな像を投影焼き付けできる。さらには、照明光のスペクトルを使用する単数あるいは複数のフォトレジストの感度に合わせることができ、効率的な露光が可能になる。
【００２５】
次に、本発明の別の露光用半導体レーザ光源装置を説明する。特に発光波長が紫外領域（紫外光領域）にある半導体レーザ単体では発光光量が十分でなく、複数の紫外光発光半導体レーザを複数個用いて、それらの半導体レーザからの出力光を合成して強い紫外光を照射する露光用半導体レーザ光源装置が必要とされる場合がある。
【００２６】
その場合に、図１の構成を用いて、半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの全てを同じ発光波長（紫外光）を持つ半導体レーザとし、それらにバンドル光ファイバー３５を構成する各光ファイバー３４ａ〜３４ｎを結合し、このバンドル光ファイバー３５をコネクター３６を介して出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７に接続して、この出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の他端から合成された大きなパワーの紫外レーザ光Ｒを取り出すように構成する場合に、発光波長が紫外領域にあるので、実際にレーザ光が発振（発光）されているのか、照射対象物にレーザ光が照射されているのかどうかは、目視では確認できない。また、レーザ光Ｒの照射位置の調整を目視で行うことはできない。
【００２７】
そこで、他の実施例においては、図１の構成において、複数の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの中、少なくとも１つの半導体レーザ、例えば半導体レーザ３３ｎとして、発光波長が可視光領域にある半導体レーザを用いる。
【００２８】
このように、半導体レーザ３３ｎを除く他の半導体レーザ３３ａ、・・・を紫外光を発光する半導体レーザとし、半導体レーザ３３ｎを可視光を発光する半導体レーザとすることにより、バンドル光ファイバー３５の光ファイバー３４ａ〜３４ｎとコネクター３６を介して出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７を経て合成された大きなパワーのレーザ光Ｒ中には紫外光領域の波長に加えて、可視光領域の波長が同時に含まれることになり、実際にこの装置が発振（発光）しているのか目視で確認でき、また、レーザ光Ｒの照射位置を目視で調整することができるようになり、照射対象物に焦点を目視で合わせたりすることができるようになる。
【００２９】
具体例をあげると、例えば発振波長３７０ｎｍの１９個の半導体レーザ３３ａ、・・・と、発振波長４０５ｎｍの青紫色を発光する１個の半導体レーザ３３ｎとを用い、露光用半導体レーザ光源装置に組み込み、それぞれに光ファイバー３４ａ〜３４ｎを結合し、光ファイバー３４ａ〜３４ｎを１つに束ねてバンドル光ファイバー３５とし、その他端をコネクター３６を介して出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の入力端に接続し、出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の他端から、これら２０個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎから発光された波長３７０ｎｍと４０５ｎｍの合成された大きなパワーのレーザ光Ｒを取り出すように構成した場合に、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザ３３ｎからの青紫色レーザ光により、この露光用半導体レーザ光源装置から発振波長３７０ｎｍの紫外レーザ光Ｒが照射されているか否か、また、照射対象物に焦点が合っているか否かを目視で観測することができる。
【００３０】
なお、本発明において、可視光あるいは可視光領域は波長４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下を意味し、紫外光、紫外領域あるいは紫外光領域は波長４ｎｍ以上４００ｎｍ未満を意味する。
【００３１】
その他の半導体レーザの組合せの構成としては、次の（Ａ）、（Ｂ）等が考えられる。図４は、（Ａ）、（Ｂ）それぞれの合成光のスペクトルを示す図であり、波長Ｘ〜波長Ｙまで略連続的なスペクトルと、中心波長Ｚの単一スペクトルが示されている。
【００３２】
（Ａ）図４に示すように、（Ｘ＝）３７０ｎｍ〜（Ｙ＝）３８０ｎｍで略連続的なスペクトルの半導体レーザ２０個と、（Ｚ＝）６７５ｎｍの赤色発光する半導体レーザ１個とからなる露光用半導体レーザ光源装置とする。ここで、３７０ｎｍ〜３８０ｎｍで略連続的なスペクトルの半導体レーザ２０個は、同一波長の２つの半導体レーザを１組とし、スペクトル幅が約２ｎｍの１０組の半導体レーザからなる。また、６７５ｎｍの赤色発光の半導体レーザは、略連続的なスペクトルの半導体レーザそれぞれと比較して小さい出力のものが好ましい。赤色発光の半導体レーザは、強すぎると目視の際に人体に影響を及ぼす恐れがある。したがって、装置が発振（発光）しているのか目視で確認できる程度、また、レーザ光の照射位置を目視で調整することができる程度の小さい出力のものでよい。また、赤色発光の半導体レーザは、例えばＡｌＩｎＧａＰ系の材料等、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザと材料の異なる材料を用いる。
【００３３】
この（Ａ）の露光用半導体レーザ光源装置を、３７０ｎｍ〜３８０ｎｍの波長幅に感度分布が含まれるフォトリソグラフィーを用いた露光に適用すると、略連続的なスペクトルとした本実施の形態により、スペックルをなくすことが可能となり、また、好適に露光することができる。さらにまた、６７５ｎｍのように、フォトリソグラフィーの感度に影響しない（露光されることのない）波長で、さらに可視光の半導体レーザを有することで、目視も可能な優れた露光用半導体レーザ光源装置を得ることができる。
【００３４】
（Ｂ）図４に示すように、（Ｘ＝）３７０ｎｍ〜（Ｙ＝）４００ｎｍで略連続的なスペクトルの半導体レーザ１０個と、（Ｚ＝）６７５ｎｍの赤色発光する半導体レーザ１個とからなる露光用半導体レーザ光源装置とする。ここで、１０個の半導体レーザは、スペクトル幅が約２ｎｍの３７０ｎｍ〜４００ｎｍで略連続的なスペクトルである。また、６７５ｎｍの赤色発光の半導体レーザは、略連続的なスペクトルの半導体レーザそれぞれと比較して小さい出力のものが好ましい。赤色発光の半導体レーザは、強すぎると目視の際に人体に影響を及ぼす恐れがある。したがって、装置が発振（発光）しているのか目視で確認できる程度、また、レーザ光の照射位置を目視で調整することができる程度の小さい出力のものでよい。また、赤色発光の半導体レーザは、例えばＡｌＩｎＧａＰ系の材料等、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザと材料の異なる材料を用いる。
【００３５】
この（Ｂ）の露光用半導体レーザ光源装置を、紫外線硬化接着剤を用いて２つの物体を接着する際の紫外線硬化の手段として用いる。３７０ｎｍ〜４００ｎｍの波長幅に感度分布が含まれる紫外線硬化接着剤に本実施の形態を用いることにより、スペックルをなくすことが可能となり、また、好適に接着することができる。さらにまた、６７５ｎｍのように、接着剤が硬化されない波長で、さらに可視光の半導体レーザを有することで、目視も可能な優れた露光用半導体レーザ光源装置を得ることができる。
【００３６】
このように、（Ａ）、（Ｂ）に示すように、略連続的な波長の選択は、フォトリソグラフィーの感度又は紫外線硬化接着剤の硬化する感度に合わせた波長を選択するとよい。また、可視光の半導体レーザの中でも赤色発光の半導体レーザを用いることで、目視する際に、装置に人体に影響を及ぼす紫外光をカットするＵＶカットフィルタ等が備えられていても、十分な波長差があるため、容易に目視が可能となる。本発明では、赤色発光の半導体レーザとしては、例えば上記可視光の波長帯の中６００ｎｍ以上を指すものとする。
【００３７】
ところで、図１のような構成において、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）を行うには、従来技術を利用しようとすると、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎと光ファイバー３４ａ〜３４ｎとの間にビームスプリッターを配置して、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの出力光の一部を取り出してフォトダイオード等の光検出器でその強度を検出し、その検出信号を各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎへフィードバックさせて光出力制御を行わせなければならないので、ビームスプリッター等の素子の使用個数が増大して、光出力制御装置のコストが高くなるという問題がある。また、これらの素子を多数配置するためのスペースが不足するという問題もある。
【００３８】
そこで、本発明においては、図１のような構成の複数個の半導体レーザからの出力光を光ファイバーを用いて大きなパワーにまとめて１つの出力レーザ光として取り出す半導体レーザ光源装置において、簡単な構成で光出力制御用の光強度信号が得られ、高い信頼性で安定して大きなパワーの出力レーザ光が取り出せるようにするために、以下に示すような光検出手段及び光出力制御手段を用いることが望ましい。
【００３９】
図５に、第１の光検出手段及び光出力制御手段を用いた本発明の露光用半導体レーザ光源装置の１例の全体の構成を示す模式図を示す。また、図６に、図５の接続部の構成の詳細を示す図を示す。
【００４０】
この第１の光検出手段及び光出力制御手段の基本的な構成においては、接続部におけるバンドル光ファイバー３５の出射端面と出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の入射端面との間で発生する反射光を利用して光出力制御用の光強度信号を得て、この反射光による光強度信号をＡＰＣのフィードバック信号として利用するものである。
【００４１】
図５において、３０は電源部や制御部等の部品を実装した回路基板、３１は回路基板３０と半導体レーザ３３ａ〜３３ｎのリード端子とを接続するリード線、３９は回路基板３０とフォトダイオード３８のリード端子とを接続するリード線、３２は半導体レーザ３３ａ〜３３ｎ及びフォトダイオード３８の取り付け部、３４ａ〜３４ｎは半導体レーザ３３ａ〜３３ｎと結合される光ファイバー、３４ｘはフォトダイオード３８と結合される光ファイバーである。各光ファイバー３４ａ〜３４ｎ及び３４ｘは、１つに束ねられてバンドル光ファイバー３５とされる。このバンドル光ファイバー３５は他端でコネクター３６を介して出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の入力端と接続され、出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー３７の他端から、図１で説明したように、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの出力レーザ光がまとまった大きなパワーの出力レーザ光Ｒとして取り出される。
【００４２】
ここで、図６に接続部の構成を示すように、コネクター３６は内面にスペーサ用の突起２４を有するパイプ２３からなり、パイプ２３の一端からバンドル光ファイバー３５の出射側の端面２１が突起２４に当たるまで挿入され、また、パイプ２３の他端からはこの例の場合は出力光ファイバー３７の入射側の端面２２が突起２４に当たるまで挿入される。各光ファイバー３４ａ〜３４ｎ、３４ｘ、３７のコアは符号１で、クラッドは符号２で示してあり、また、バンドル光ファイバー３５の外套を符号３で示す。
【００４３】
各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの出力レーザ光はそれぞれ対応する光ファイバー３４ａ〜３４ｎに結合されてそれぞれのコア１とクラッド２の界面で全反射されてガイドされ、バンドル光ファイバー３５の出射端面２１からそれぞれ出射光ａとして出て、端面２１と端面２２の間のギャップを介して出力光ファイバー３７のコア１にガイド光として結合され、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの出力レーザ光がまとめられて大きなパワーとなって出力光ファイバー３７の出力端から出力レーザ光Ｒとして取り出される。
【００４４】
バンドル光ファイバー３５の出射端面２１から出た光ａの一部は出力光ファイバー３７の端面２２でのフレネル反射や散乱により、端面２１と端面２２の間のギャップ間で多重反射等を経て一部の光ｂがバンドル光ファイバー３５中の光ファイバー３４ｘにガイド光として結合され反対方向に進む光となる。この光は、光ファイバー３４ｘの一端に結合されたフォトダイオード３８の受光面に達し、その光強度が光強度信号としてフォトダイオード３８から出力される。ここで、光ファイバー３４ｘに反対側にガイドされる光として結合された光の強度は、バンドル光ファイバー３５から出力光ファイバー３７に結合される光全体の強度に略比例するものとなっている。
【００４５】
図７は、この半導体レーザ光源装置の光出力制御を行う構成の１例のブロック図であり、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎに対して共通の１つの駆動回路６が設けられており、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎを駆動するための入力データが与えられる。上記のように各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの出力レーザ光は対応する光ファイバー３４ａ〜３４ｎに入射され、バンドル光ファイバー３５の出射端面２１と出力光ファイバー３７の入射端面２２の間で多重反射等を経て光ファイバー３４ｘで反対方向にガイドされた一部の光は、フォトダイオード３８で検出される。フォトダイオード３８で検出された光強度は電気信号に変換されて制御回路５に入力される。制御回路５からは、駆動回路６に各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎへの出力電流を制御するような制御信号が送信される。このように、図７の構成では、端面２１と端面２２の間のギャップでの多重反射等を経て光ファイバー３４ｘに反対側にガイドされる光は出力レーザ光Ｒに比例するので、光ファイバー３４ｘでガイドされる光に基づいたフィードバック制御を行って、出力光ファイバー３７の出力端から得られる出力レーザ光Ｒの強度を駆動回路６に入力する入力データに応じて安定化するようにしている。
【００４６】
以上の実施例では、バンドル光ファイバー３５の出射端面２１と出力光ファイバー３７の入射端面２２との間に一定のギャップが形成されるように、コネクター３６のパイプ２３の内面に積極的にスペーサ用の突起２４を設けたが、このようなスペーサを設けずに端面２１と端面２２を突き合わせて接続する場合にも、端面２１と端面２２の間の一部の光が光ファイバー３４ｘで反対方向にガイドされ、かつ、その光の強度は出力光ファイバー３７に結合される光全体の強度に略比例するので、同様に光出力制御を行うことができる。
【００４７】
すなわち、この第１の光検出手段及び光出力制御手段は、複数の半導体レーザからの出力光を各々別々の光ファイバーに結合させて伝送させ、それら光ファイバー同士が出射端で１つに束ねてバンドル光ファイバーとされ、そのバンドル光ファイバーの出射端面が出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの入射端面と突き合わせて接続され、前記出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの出射端から前記の複数の半導体レーザからの出力光を合わせて出力光として取り出される半導体レーザ光源装置であって、前記バンドル光ファイバー中に少なくとももう１本の光検出用光ファイバーを含んで束ねられており、前記光検出用光ファイバーの一端は前記バンドル光ファイバーの出射端面で他の光ファイバーと同じ端面に揃えられており、前記光検出用光ファイバーの他端には、前記バンドル光ファイバーの出射端面と前記出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの入射端面との間で発生する反射光及び散乱光であって前記光検出用光ファイバーで伝送される光の強度を検出する光検出手段が結合されているものである。
【００４８】
また、前記光検出手段からの検出信号に基づいて、前記複数の半導体レーザの出力光強度が制御されるように構成されているものである。
【００４９】
このような構成をとると、その光検出手段による検出信号に基づいたフィードバック制御を行うことにより、出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの出力端から取り出される出力レーザ光の強度を、簡単な構成で高い信頼性で所定の値に安定化させることができる効果がある。
【００５０】
次に、本発明において利用可能な第２の光検出手段及び光出力制御手段は、図１のような構成において、各光ファイバー３４ａ〜３４ｎの途中に漏れ光発生部を設け、その漏れ光発生部からの漏れ光を光検出手段により検出して、この漏れ光をＡＰＣに使用するものである。
【００５１】
この例の構成は、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎからの出力レーザ光を各々別々の光ファイバーに結合させ、それら光ファイバー３４ａ〜３４ｎから各々別々に漏れ光を検出して、半導体レーザ３３ａ〜３３ｎを個別に光出力制御するものであり、以下に、半導体レーザ３３ａ〜３３ｎ各々を半導体レーザ１３３で、光ファイバー３４ａ〜３４ｎ各々を光ファイバー１３４で表す。
【００５２】
図８は、この第２の光検出手段及び光出力制御手段における個々の半導体レーザの漏れ光検出部の構成例を示す概略の説明図である。図８において、光ファイバー１３４に屈曲部１３４ａを形成する。この際に、光ファイバー１３４の屈曲部１３４ａからは漏れ光Ｒｘが放射され、この漏れ光Ｒｘはフォトダイオード１３８で検出される。フォトダイオード１３８は、漏れ光の検出データを制御装置に送出し、ＡＰＣを行う。
【００５３】
次に、図８のように光ファイバー１３４に屈曲部１３４ａを形成したときに、光ファイバー１３４の屈曲部１３４ａから漏れ光Ｒｘが放射される理由について説明する。図８の光ファイバー１３４は、中央部に屈折率ｎ_１の材質からなるコア１を有し、その外周に同心円筒状に屈折率ｎ_２の材質からなるクラッド２を設けてなるものである。
【００５４】
光ファイバー１３４の入射点においては、屈折率ｎ_０＝１の空気が存在しているので、空気と光ファイバー１３４のコア１との境界面において、光ファイバー１３４への入射光（半導体レーザ１３３の出力光）は屈折する。コア１内を進行した光は、コア１とクラッド２の境界面でさらに屈折する。
【００５５】
ここで、コア１の材質とクラッド２の材質の屈折率の関係を、ｎ_１＞ｎ_２に選定されているので、コア１とクラッド２の境界面で臨界角以上の入射角θ_１で入射する光は全反射する。すなわち、臨界角をθ_ｃとするとき、θ_１＞θ_ｃとすれば、コア１とクラッド２の境界面で光は全反射することになる。
【００５６】
光ファイバー１３４に屈曲部１３４ａを形成すると、屈曲部１３４ａにおけるコア１とクラッド２の境界面の光の入射角はθ_２となる。直線状の部分における入射角θ_１と屈曲部１３４ａにおける入射角θ_２との関係は、θ_２＜θ_１となる。屈曲角が大きい程θ_２は小さくなり、屈曲角がある角度以上になると、θ_２＜θ_ｃの関係が生じることになる。
【００５７】
この場合には、入射角θ_２は臨界角θ_ｃよりも小さくなり、コア１とクラッド２の境界面に入射した光は全反射せずに一部は漏れ光として外部に放射されることになる。このように、光ファイバー１３４に屈曲部１３４ａを形成することにより検出される漏れ光を用いてＡＰＣを行うことができる。
【００５８】
漏れ光をＡＰＣに用いるので、光ファイバー１３４を屈曲するだけの簡単な構成となり、各半導体レーザ毎にビームスプリッター等の光学素子を使用する必要がなく、光出力制御装置のコストを低減することができる。また、各光ファイバー１３４にフォトダイオード１３８を設置するだけなので、スペースをそれ程取らなくてもすむことになる。さらに、屈曲部１３４ａは特殊な工具等を必要とすることなく簡単に形成することができる。
【００５９】
図８に示したように、光ファイバー１３４に屈曲部１３４ａを設けることにより屈曲部１３４ａで一部漏れ光が生ずる他に、光の伝搬損失も発生するので、屈曲部１３４ａを形成する位置は、できるだけ出射端に近い位置を選定する。このように、出射端に近い位置で漏れ光を取得することにより、光ファイバー１３４の出射端から出射される光の光量と制御用の光の光量との比率の精度が高いものとなり、より高性能のＡＰＣを行うことができる。なお、フォトダイオード１３８で精度良く漏れ光を検出するために、フォトダイオード１３４の外周に光ファイバー１３４を螺旋状に巻きつけるように構成してもよい。
【００６０】
図９は、光出力制御装置の１例を示すブロック図である。図９において、光出力制御装置１１０には、半導体レーザ１３３の駆動回路１０６が設けられており、半導体レーザ１３３を駆動するための入力データが与えられる。半導体レーザ１３３の出射光は、前述のように光ファイバー１３４に入射され結合される。
【００６１】
光ファイバー１３４の屈曲部１３４ａで得られる漏れ光は、フォトダイオード１３８で検出される。フォトダイオード１３８で検出された漏れ光のデータは電気信号に変換されて制御回路１０５に入力される。制御回路１０５からは、駆動回路１０６に出力電流を制御するような制御信号が送信される。このように、図９の構成では、各半導体レーザ１３３を光ファイバー１３４からの漏れ光に基づいたフィードバック制御を行っている。
【００６２】
図１０は、第２の光検出手段及び光出力制御手段における個々の半導体レーザの漏れ光検出部の別の構成例を示す概略の説明図である。図１０においては、光ファイバー１３４のクラッド２の除去部２ｂを形成して、コア１を一部露出させるものである。この際に、コア１に僅かに凹凸面１ａが形成されるようにするとよい。このようにすると、凹凸面１ａでは光を散乱させる。
【００６３】
このため、コア１と空気の境界面における入射角θ_３が、θ_３＜θ_ｃの関係となる位置が生じて漏れ光Ｒｘが外部に放射される。漏れ光Ｒｘは、フォトダイオード１３８で検出され、図９の光出力制御装置によりＡＰＣが行われる。クラッド２の除去部２ｂを形成する位置は、できるだけ出射端に近い位置を選定する。このように、出射端に近い位置で漏れ光を取得することにより、前記のように光ファイバー１３４の出射端から出射される光の光量と制御用の光の光量との比率の精度が高いものとなり、より高性能のＡＰＣを行うことができる。
【００６４】
クラッド２を除去した際に、コア１を滑らかな平坦部で露出させると、コア１と空気の境界面において、空気の屈折率ｎ_０と、コア１の屈折率ｎ_１との関係は、ｎ_１＞ｎ_０となる。したがって、この部分に入射した光は全反射されて漏れ光が外部に放射されないことになる。このため、図１０の例では、コア１に僅かに凹凸面１ａを形成している。また、図１０の例では、図８の例のように光ファイバー１３４を屈曲させないので、光ファイバー１３４を直線状に配置する要請がある場合に対応することができる。
【００６５】
すなわち、この第２の光検出手段及び光出力制御手段は、半導体レーザと、前記半導体レーザに結合される光ファイバーと、前記光ファイバーに形成される漏れ光発生部と、前記漏れ光発生部に配置される漏れ光の光検出手段と、前記半導体レーザの光出力の制御手段とを備え、前記光検出手段からの検出信号を前記制御手段に入力して、前記半導体発光素子の光出力を制御するものである。このため、半導体レーザの出射側と光ファイバーの間にビームスプリッターのような光学素子を設ける必要がなく、光ファイバーに形成される漏れ光発生部に漏れ光の光検出手段を設けているので、構成が簡単になり、スペースもそれ程必要としないという利点がある。また、多数の半導体レーザを光ファイバーに結合し、各光ファイバーを１つに束ねてバンドルファイバーに結合する構成（図１）では、特にコストを低減すると共にスペースを節約することができる。
【００６６】
また、この場合に、光出力制御装置は、漏れ光発生部を、光ファイバーの屈曲部に形成するようにしてもよい。このように構成すると、特殊な工具等を必要とせずに漏れ光発生部を形成することが可能となり、ＡＰＣを行う際に簡単に光ファイバーからの漏れ光を発生させることができる。
【００６７】
また、屈曲部を螺旋状に形成して光検出手段を巻回するようにしてもよい。このように構成すると、光検出手段は精度良く漏れ光を検出することができる。
【００６８】
また、漏れ光発生部を、光ファイバーのクラッドを一部除去してコアを露出させて形成してもよい。このように構成すると、光ファイバーを直線状に配置する場合でも簡単に漏れ光を取得することができる。
【００６９】
この場合に、露出させたコアの外周に凹凸面を形成することが望ましい。このように構成すると、コアと空気の境界面に入射した光は全反射されることなく、漏れ光発生部から確実にＡＰＣ用の漏れ光を取得することができる。
【００７０】
また、漏れ光発生部を光ファイバーの出射端の近傍に形成することが望ましい。このように構成すると、光ファイバーの出射端から出射される光の光量と制御用の光の光量との比率の精度が高いものとなり、より高性能のＡＰＣを行うことができる。
【００７１】
なお、以上の図８〜図１０の構成では、各光ファイバー３４ａ〜３４ｎの途中に各々漏れ光発生部を設け、その漏れ光発生部からの漏れ光を光検出手段により検出して、この漏れ光を各々の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの個別のＡＰＣに使用するものであったが、コネクター３６を介して接続された出力光ファイバー３７に漏れ光発生部を設けて、その漏れ光発生部からの漏れ光を１個の光検出手段により検出して、この漏れ光による検出信号を、図７のように、制御回路５へフィードフィードバックさせて、各半導体レーザ３３ａ〜３３ｎの光出力制御を行わせるようにしてもよい。
【００７２】
以上、本発明の露光用半導体レーザ光源装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、発光波長の異なる複数個の半導体レーザ３３ａ〜３３ｎは同系の半導体レーザだけでなく、異なる系統の半導体レーザを含んでいてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の露光用半導体レーザ光源装置によると、複数個の半導体レーザからの出力光を合成して露光用の照明光として用いる露光用半導体レーザ光源装置において、複数個の半導体レーザの少なくとも１つの半導体レーザは他の半導体レーザとは発光波長が異なるものであるので、所望の強度の照明光を効率良く得ることができる。また、露光面上ではスペックルが平均化されて目立たなくなる。また、投影露光用の照明光として用いるとき、投影光学系の色収差（特に、軸上色収差）によって焦点深度が深くなり、マスク板のずれ、歪み等を吸収してボケが少ないシャープな像を投影焼き付けすることができる。さらには、照明光のスペクトルを使用する単数あるいは複数のフォトレジストの感度に合わせることができ、効率的な露光が可能になる。
【００７４】
また、少なくとも１つの半導体レーザは可視光領域に発光波長を有し、複数個の半導体レーザ中の他の少なくとも１つの半導体レーザは紫外光領域に発光波長を有するものとする場合には、合成されたレーザ光には紫外光領域の波長に加えて可視光領域の波長が同時に含まれることになり、実際に装置が発振（発光）しているのか目視で確認でき、また、レーザ光の照射位置を目視で調整することができ、照射対象物にレーザ光の焦点を目視で合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の露光用半導体レーザ光源装置の１実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明に用いる１例の半導体レーザの出力スペクトルを模式的に示す図である。
【図３】本発明の露光用半導体レーザ光源装置の１実施例の合成光のスペクトルを模式的に示す図である。
【図４】本発明の露光用半導体レーザ光源装置の他の実施例の合成光のスペクトルを模式的に示す図である。
【図５】本発明において利用可能な第１の光検出手段及び光出力制御手段を用いた本発明の露光用半導体レーザ光源装置の１例の全体の構成を示す模式図である。
【図６】図５の接続部の構成の詳細を示す図である。
【図７】図５の露光用半導体レーザ光源装置の光出力制御を行う構成の１例のブロック図である。
【図８】本発明において利用可能な第２の光検出手段及び光出力制御手段における個々の半導体レーザの漏れ光検出部の構成例を示す概略の説明図である。
【図９】図８の場合に用いる光出力制御装置の１例を示すブロック図である。
【図１０】第２の光検出手段及び光出力制御手段における個々の半導体レーザの漏れ光検出部の別の構成例を示す概略の説明図である。
【符号の説明】
Ｒ…出力レーザ光
ａ…バンドル光ファイバーの出射端面から出た光
ｂ…ギャップ中の多重反射光等
１…コア
１ａ…凹凸面
２…クラッド
２ｂ…クラッド除去部
３…バンドル光ファイバーの外套
５…制御回路
６…駆動回路
２１…バンドル光ファイバーの出射端面
２２…出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバー入射端面
２３…パイプ
２４…スペーサ用の突起
３０…回路基板
３１…回路基板と半導体レーザとを接続するリード線
３２…取り付け部
３３ａ〜３３ｎ…半導体レーザ
３４ａ〜３４ｎ…半導体レーザからの出力光をガイドする光ファイバー
３４ｘ、３４ｙ…フォトダイオードと結合される光ファイバー
３５…バンドル光ファイバー
３６…コネクター
３７…出力光ファイバー、出力バンドル光ファイバー
３８…フォトダイオード
３９…回路基板とフォトダイオードとを接続するリード線
１０５…制御回路
１０６…駆動回路
１３３…半導体レーザ
１３４…光ファイバー
１３４ａ…屈曲部
１３８…フォトダイオード

Claims

複数個の半導体レーザからの出力光を合成して露光用の照明光として用いる露光用半導体レーザ光源装置において、複数個の半導体レーザの少なくとも１つの半導体レーザは他の半導体レーザとは発光波長が異なるものであることを特徴とする露光用半導体レーザ光源装置。
合成光が略連続的なスペクトルを有することを特徴とする請求項１記載の露光用半導体レーザ光源装置。
合成光が離散的なスペクトルを有することを特徴とする請求項１記載の露光用半導体レーザ光源装置。
前記少なくとも１つの半導体レーザは、可視光領域に発光波長を有し、前記複数個の半導体レーザ中の他の少なくとも１つの半導体レーザは、紫外光領域に発光波長を有することを特徴とする請求項１記載の露光用半導体レーザ光源装置。
前記複数個の半導体レーザからの出力光を各々別々の光ファイバーに結合させて伝送させ、それら光ファイバー同士が出射端で１つに束ねてバンドル光ファイバーとされ、そのバンドル光ファイバーの出射端面が出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの入射端面と突き合わせて接続され、前記出力光ファイバー又は出力バンドル光ファイバーの出射端から前記の複数の半導体レーザからの出力光が合成して出力光として取り出されるように構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の露光用半導体レーザ光源装置。
前記複数個の半導体レーザが何れもＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系半導体レーザ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の露光用半導体レーザ光源装置。