JP2006171427A - 照明光学系及びそれを用いた露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロッドインテグレータへ入射される照明光の入射位置がずれても、ロッドインテグレータから出射される照明光の均一度の変化を少なくする。
【解決手段】 ファイバアレイ光源３６から照射されたレーザー光Ｂは、第1ロッドインテグレータ４４と第２ロッドインテグレータ４８とを透過する。このため、第２ロッドインテグレータ４８へ入射する位置がずれても、第１ロッドインテグレータ４４によって均一化されたレーザ光Ｂが、第２ロッドインテグレータ４８に入射されるので、第２ロッドインテグレータ４８から出射されるレーザ光Ｂの均一度の変化が少ない。また、第１ロッドインテグレータ４４へ入射する位置がずれても、第１ロッドインテグレータ４４によって、ある程度均一化されたレーザ光Ｂが、第２ロッドインテグレータ４８が入射されるので、第２ロッドインテグレータ４８から出射されるレーザ光Ｂの均一度の変化が少ない。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光源から被照明体（２次元空間光変調素子等）へ照射される照明光を通過させて、その強度分布を均一化するオプティカルインテグレータを備える照明光学系に関する。

従来から、ＬＣＤ（液晶素子）やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス、「テキサス・インスツルメンツ社の登録商標」）等の２次元空間光変調素子を光源からの照明光で照明し、２次元空間光変調素子で制御された光像を感材に露光する露光装置が知られている。このような露光装置では、２次元空間光変調素子を均一に照明する必要があるため、照明光学系にはオプティカルインテグレータが用いられている。

オプティカルインテグレータは、光束を分割し、異なる経路を通した後、再合成することにより、強度と位置の相関関係（強度分布）を解消して均一化するものであるが、光束の分割方式の違いにより、２つの方式がある。（１）一つは、２次元にレンズを配置したレンズアレイ（フライアイレンズ）を使用して空間的に光束を分割するフライアイタイプであり、（２）もう一つは、ガラスのロッドや内面をミラーにした中空のロッドを使用して、多重反射により角度的に分割するロッドタイプである（オプティカルインテグレータを用いた照明光学系としては、例えば、特許文献１）。

このロッドタイプにおいては、高い照明効率と均一度を実現するために、一般的にロッド入射端面での照明光のサイズを小さくし、照明光の入射角度を大きくしていた。

このように、ロッド端面での入射角度を大きくすると、ロッド内での反射回数が多くなり、強度分布の均一度を向上させることができる。
特開平９−６８６６７号公報

しかしながら、ロッド断面サイズに対して相対的に照明光が小さくなるため、ロッドに入射する位置や角度がずれると、２次元空間光変調素子の照明領域における強度分布の均一度が変化してしまうという欠点がある。

また、照明光のサイズが小さくなると、ロッド端面での光パワー密度が高くなるため、集塵作用が起こる。このため、ロッド端面に塵埃が付着し、照明光による汚染や劣化の発生、ロッドの透過率の低下が生じるという問題があった。

本発明は、上記事実を考慮し、ロッドインテグレータへ入射される照明光の入射位置がずれても、ロッドインテグレータから出射される照明光の均一度の変化を少なくすることを目的とする。

本発明の請求項１に係る照明光学系は、被照明体へ照明光を照射する光源と、前記光源と前記被照明体との間に配置され、前記照明光を透過させることにより該照明光の強度分布を均一化するロッドインテグレータと、を備える照明光学系において、前記ロッドインテグレータは、第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとから構成され、第１ロッドインテグレータで強度分布が均一化された照明光を集光レンズで集光し、第２ロッドインテグレータに入射することを特徴とする照明光学系。

上記構成によれば、光源から照射された照明光は、第１ロッドインテグレータを透過することによって、強度分布が均一化される。この強度分布が均一化された照明光は、第２ロッドインテグレータを透過することによって、さらに強度分布が均一化され、被照明体に照射される。このように、光源から照射された照明光は、２段階の均一化を経て被照明体に照射される。

従って、２段階目の第２ロッドインテグレータに入射する位置がずれても、１段階目の第１ロッドインテグレータによって均一化された照明光が、第２ロッドインテグレータに入射されるので、第２ロッドインテグレータから出射される照明光の均一度の変化が少ない。

また、光源や第１ロッドインテグレータ等がずれることにより、１段階目の第１ロッドインテグレータに入射する照明光の位置がずれても、１段階目の第１ロッドインテグレータによって、ある程度均一化された照明光が、第２ロッドインテグレータが入射されるので、第２ロッドインテグレータから出射される照明光の均一度の変化が少ない。

さらに、第１ロッドインテグレータの強度分布の均一化によって、２段階目の第２ロッドインテグレータに入射する照明光のパワー密度が小さくできるので、集塵作用を抑制でき、ロッド端面に塵埃が付着しにくく、光ビームによる汚染や劣化の発生や、透過率の低下が生じにくくなる。

また、第１ロッドインテグレータで強度分布が均一化された照明光を、一旦集光レンズで集光し、第２ロッドインテグレータに入射しているので、第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとの間隔を広くすることができ、第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとの配置の自由度が増す。

請求項２に記載の照明光学系は、請求項１の構成において、第１ロッドインテグレータの断面形状が、被照明体の照明領域と略相似形状とされたことを特徴とする。

このように、第１ロッドインテグレータの断面形状を、被照明体の照明領域と略相似形状とすることにより、第１ロッドインテグレータから出射した照明光を無駄なく照明領域に導くことが可能になり、高い照明効率を実現できる。

請求項３に記載の照明光学系は、請求項１又は請求項２の構成において、第１ロッドインテグレータが、内部がミラーからなる中空のロッドから構成されていることを特徴とする。

この構成よれば、内部がミラーからなる中空のロッドなので、端面が存在しないため、光パワー密度が高い場合に生じる集塵作用が起こっても、塵埃の付着を防止でき、光ビームによる汚染や劣化の発生や、透過率の低下を防げる。

請求項４に記載の照明光学系は、請求項１乃至３のいずれか１項の構成において、第１ロッドインテグレータが、封止されていることを特徴とする。

この構成よれば、第１ロッドインテグレータが封止されているので、光パワー密度が高い場合に生じる集塵作用が起こっても、塵埃の付着を防止でき、光ビームによる汚染や劣化の発生や、透過率の低下を防げる。

請求項５に記載の照明光学系は、請求項４の構成において、第１ロッドインテグレータの断面サイズが、第２ロッドインテグレータの断面サイズ以下であることを特徴とする。

上記構成のように、第１ロッドインテグレータの断面サイズが第２ロッドインテグレータの断面サイズ以下であれば、相対的に第１ロッドインテグレータを小型化することが可能となるので、封止しやすくなる。

請求項６に記載の照明光学系は、請求項４又は請求項５の構成において、第１ロッドインテグレータの長手方向長さが、第２ロッドインテグレータの長手方向長さ以下であることを特徴とする。

上記構成のように、第１ロッドインテグレータの長手方向長さが第２ロッドインテグレータの長手方向長さ以下であれば、相対的に第１ロッドインテグレータを小型化することが可能となるので、封止しやすくなる。

また、請求項１に記載の光源としては、請求項７に記載のように、ＬＤ（半導体レーザ）から発せられたレーザ光を被照明体に照射するレーザ光源とすることができる。なお、このレーザ光源には、ＬＤから発せられたレーザ光を光ファイバに通さないで、被照明体へ照射するものが含まれる。

また、この請求項７に記載のレーザ光源としては、請求項８に記載のように、ＬＤから発せられたレーザ光を入射し、入射したレーザ光を被照明体へ照射する光ファイバを複数本束ねてバンドル状としたファイバ光源とすることができる。なお、このファイバ光源には、１つのＬＤから発せられたレーザ光を１本の光ファイバを入射して、そのレーザ光を被照明体へ照射するものが含まれる。

また、この請求項８に記載のファイバ光源としては、請求項９に記載のように、複数のＬＤから発せられた各レーザ光を１本の光ファイバに入射させて合波するファイバ光源とすることができる。

このファイバ光源では、複数のＬＤ（半導体レーザ）から発せられた各レーザ光を１本の光ファイバに入射させて合波する。このため、光パワーを向上させつつ、エタンデュー（Etendue）を小さくしたままにできるので、被照明体側の開口数（ＮＡ）も小さくできる。これにより、結像光学系が被照明体の下流側に配置された場合でも、その結像光学系の照明深度を大きくでき、結像される露光画像のピントずれを抑制できる。

また、光ファイバを複数本束ねてバンドル状とした場合、その端部サイズが大きくなる、すなわち、光源側のエタンデューが大きくなる。この場合に、上記構成とすれば、エタンデューの大きさを維持したまま、光パワーを向上させることができるので、特に有効である。

また、請求項１に記載の被照明体としては、請求項１０に記載のように、２次元空間光変調素子とすることができる。また、請求項１０に記載の２次元空間光変調素子としては、請求項１１に記載のように、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）とすることができる。

２次元空間光変調素子を、ＤＭＤとすれば、ＬＣＤのようにＵＶ光が劣化しないのでＵＶ光に感度を持つ感光材料の露光装置にも使用が可能となる。

請求項１２に記載の露光装置は、上記の請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明光学系と、照明光学系から照射される照明光を所定の画像信号に基づいて変調する被照明体と、被照明体により変調された照明光を感光材料に結像させる結像光学系と、を備えることを特徴とする。

請求項１２に記載の被照明体としては、請求項１３に記載のように、２次元空間光変調素子とすることができる。また、請求項１３に記載の２次元空間光変調素子としては、請求項１４に記載のように、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）とすることができる。

２次元空間光変調素子を、ＤＭＤとすれば、ＬＣＤのようにＵＶ光が劣化しないのでＵＶ光に感度を持つ感光材料にも露光装置の使用が可能となる。

本発明は、上記構成としたので、ロッドインテグレータへ入射される照明光の入射位置がずれても、ロッドインテグレータから出射される照明光の均一度の変化を少なくすることができる。

本発明の照明光学系及びそれを用いた露光装置に係る一の実施の形態を図１〜図１８に基づき説明する。

まず、本発明の照明光学系が用いられる画像露光装置の全体構成について説明する。

この露光装置１０は、図１に示すように、シート状の感光材料１２を表面に吸着して保持する平板状の移動ステージ１４を備えている。４本の脚部１６に支持された厚い板状の設置台１８の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド２０が設置されている。移動ステージ１４は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド２０によって往復移動可能に支持されている。なお、この露光装置１０には、副走査手段としての移動ステージ１４をガイド２０に沿って駆動する後述のステージ駆動装置１０８（図１７参照）が設けられている。

設置台１８の中央部には、移動ステージ１４の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート２２が設けられている。コ字状のゲート２２の端部の各々は、設置台１８の両側面に固定されている。このゲート２２を挟んで一方の側にはスキャナ２４が設けられ、他方の側には感光材料1２の先端および後端を検知する複数（例えば２個）のカメラ２６が設けられている。スキャナ２４およびカメラ２６はゲート２２に各々取り付けられて、移動ステージ１４の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ２４およびカメラ２６は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。

スキャナ２４は、図２に示すように、ｍ行ｎ列（例えば３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば１４個）の露光ヘッド２８を備えている。この例では、感光材料1２の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド２８を配置してある。

露光ヘッド２８による露光エリア３０は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、移動ステージ１４の移動に伴い、感光材料1２には露光ヘッド２８毎に帯状の露光済み領域３２が形成される。

露光ヘッド２８の各々は、図３に示すように、入射されたレーザ光Ｂを画像データに応じて各画素毎に変調する２次空間光変調素子（被照明体）として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）３４を備えている。このＤＭＤ３４は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた後述のコントローラ１０４（図１７参照）に接続されている。このコントローラ１０４のデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド２８毎にＤＭＤ３４の制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。なお、制御すべき領域については後述する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド２８毎にＤＭＤ３４の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御については後述する。

ＤＭＤ３４の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が露光エリア３０の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部８８を備えたファイバアレイ光源３６、ファイバアレイ光源３６から出射されたレーザ光（照明光）Ｂを補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系３８、このレンズ系３８を透過したレーザ光ＢをＴＩＲプリズム５８に向けて反射するミラー４０、ミラー４０からのレーザ光ＢをＤＭＤ３４に向けて全反射させるＴＩＲプリズム５８がこの順に配置されている。このファイバアレイ光源３６、レンズ系３８、ミラー４０及びＴＩＲプリズム５８によって照明光学系５４が構成される。なお、レンズ系３８については、後述する。

また、ＤＭＤ３４の光反射側には、ＤＭＤ３４で反射されたレーザ光Ｂを、記録媒体としての感光材料1２上に結像する結像光学系６０が配置されている。この結像光学系６０は、図３に示すように、レンズ系６２、６４からなる第１結像光学系と、レンズ系６６、６８からなる第２結像光学系と、これらの結像光学系の間に挿入されたマイクロレンズアレイ７０と、アパーチャアレイ７２とから構成されている。上記のマイクロレンズアレイ７０は、ＤＭＤ３４の各画素に対応する多数のマイクロレンズ７０ａが配置されてなるものである。このマイクロレンズ７０ａは、一例として焦点距離が０．１９ｍｍ、ＮＡ（開口数）が０．１１のものである。また、アパーチャアレイ７２は、マイクロレンズアレイ７０の各マイクロレンズ７０ａに対応する多数のアパーチャ７２ａが形成されてなるものである。

上記第１結像光学系は、ＤＭＤ３４による像を３倍に拡大してマイクロレンズアレイ７０上に結像する。そして、第２結像光学系は、マイクロレンズアレイ７０を経た像を１．６７倍に拡大して感光材料1２上に結像、投影する。したがって、全体では、ＤＭＤ３４による像が５倍に拡大して感光材料1２上に結像、投影されることになる。

なお、本例では、第２結像光学系と感光材料1２との間にプリズムペア7４が配設され、このプリズムペア7４を図３中で上下方向に移動させることにより、感光材料1２上における像のピントを調節可能となっている。なお、同図中において、感光材料1２は矢印Ｙ方向に副走査送りされる。

ここで、照明光学系５４の一部を構成するレンズ系３８について説明する。

レンズ系３８は、図４に示すように、ファイバアレイ光源３６から出射した照明光としてのレーザ光Ｂを集光する第1集光レンズ４２と、第1集光レンズ４２によって集光されたレーザ光Ｂを透過する第1ロッドインテグレータ４４と、第1ロッドインテグレータ４４が透過したレーザ光Ｂをさらに集光する第２集光レンズ４６と、この第２集光レンズ４６によって集光されたレーザ光Ｂをさらに透過する第２ロッドインテグレータ４８と、この第2ロッドインテグレータ４８の前方つまりミラー４０側に配置された結像レンズ５０から構成されている。

第1ロッドインテグレータ４４には、ファイバアレイ光源３６から出射し、第1集光レンズ４２で集光されたレーザ光Ｂが入射される。第1ロッドインテグレータ４４に入射したレーザ光Ｂは、ガラスで形成されたロッドの内部で全反射を繰り返し、ビーム断面内強度が均一化された光束として第２集光レンズ４６へ入射し、再び集光される。

第２集光レンズ４６で集光されたレーザ光Ｂは第２ロッドインテグレータ４８に入射する。第２ロッドインテグレータ４８に入射したレーザ光Ｂは、ロッドの内部で全反射を繰り返し、ビーム断面内強度が均一化された光束として結像レンズ５０へ入射する。結像レンズ５０へ入射したレーザ光Ｂは、結像レンズ５０の結像作用により、第１及び第２ロッドインテグレータ４４、４８の形状に対応した形状で、ミラー４０で反射し、ＴＩＲ（全反射）プリズム５８を介して、ＤＭＤ３４上に結像照射される。このように、ファイバアレイ光源３６から出射されたレーザ光Ｂは、第1ロッドインテグレータ４４及び第２ロッドインテグレータ４８の２段階の均一化を経てＤＭＤ３４に照射される。

第1ロッドインテグレータ４４の入射側のロッド端面Ｓ１では、図５（Ａ）に示すように、ファイバアレイ光源３６のレーザ出射部８８１つあたりのレーザ光Ｂは、サイズが小さく円形状をし、強度分布が均一化されていないレーザ光Ｂである。

第１ロッドインテグレータ４４を透過すると、第1ロッドインテグレータ４４の入射側のロッド端面Ｓ１では、図５（Ｂ）に示すように、サイズが大きい矩形状となり、ビーム断面内強度が均一化され、光パワー密度の低いレーザ光Ｂとなる。

このため、２段階目の第２ロッドインテグレータ４８に入射する位置がずれても、１段階目の第１ロッドインテグレータ４４によって均一化されたレーザ光Ｂが、第２ロッドインテグレータ４８に入射されるので、第２ロッドインテグレータ４８から出射されるレーザ光Ｂの均一度の変化が少ない。

また、ファイバアレイ光源３６や第１ロッドインテグレータ４４等がずれることにより、１段階目の第１ロッドインテグレータ４４に入射するレーザ光Ｂの位置がずれても、１段階目の第１ロッドインテグレータ４４によって、ある程度均一化されたレーザ光Ｂが、第２ロッドインテグレータ４８が入射されるので、第２ロッドインテグレータ４８から出射されるレーザ光Ｂの均一度の変化が少ない。

さらに、第１ロッドインテグレータ４４の強度分布の均一化によって、２段階目の第２ロッドインテグレータ４８に入射するレーザ光Ｂのパワー密度が小さくなるので、集塵作用を抑制でき、ロッド端面に塵埃が付着しにくく、光ビームによる汚染や劣化の発生や、透過率の低下が生じにくくなる（＝光耐久性が向上する）。

また、第１ロッドインテグレータ４４で強度分布が均一化されたレーザ光Ｂを、一旦第１集光レンズ４６で集光し、第２ロッドインテグレータ４８に入射しているので、第１ロッドインテグレータ４４と第２ロッドインテグレータ４８との間隔を広くすることができ、第１ロッドインテグレータ４４と第２ロッドインテグレータ４８との配置の自由度が増す。

第1ロッドインテグレータ４４の断面形状は、ＤＭＤ３４の照明領域と相似形状である矩形状とされている。これにより、第１ロッドインテグレータ４４から出射したレーザ光Ｂを無駄なくＤＭＤ３４の照明領域に導くことが可能になり、高い照明効率を実現できる。

また、この第１ロッドインテグレータ４４は、図６に示すような内部がミラー４３Ａからなる中空のロッドから構成された中空ロッドインテグレータ４３としてもよい。

内部がミラー４３Ａからなる中空のロッドとすれば、端面が存在しないため、光パワー密度が高い場合に生じる集塵作用が起こっても、塵埃の付着を防止できる。これにより、レーザ光Ｂによる汚染や劣化の発生や、透過率の低下を防げる。

また、この第１ロッドインテグレータ４４は、図７に示すように、封止構造としてもよい。

本実施の形態では、金属製のハウジング５２を用い、第１ロッドインテグレータ４４をハウジング５２の内部に配置し、ハウジング５２の一端部を第1集光レンズ４２で塞ぎ、ハウジング５２の他端部を第２集光レンズ４６で塞いでいる。

このように、第１ロッドインテグレータ４４を封止すれば、光パワー密度が高い場合に生じる集塵作用が起こっても、ロッド端面に塵埃の付着を防止できる。これにより、光ビームによる汚染や劣化の発生や、透過率の低下を防げる。

この第１ロッドインテグレータ４４の断面サイズは、第２ロッドインテグレータ４８の断面サイズより、小さく形成され、第１ロッドインテグレータ４４の長手方向長さは、第２ロッドインテグレータ４８の長手方向長さより短くされている。これにより、相対的に第１ロッドインテグレータ４４を小型化することが可能となるので、封止しやすくなる。

次に、ＤＭＤ３４について説明する。

ＤＭＤ３４は、図８に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）７６上に、微小ミラー（マイクロミラー）７８が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば１０２４個×７６８個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー７８が設けられており、マイクロミラー７８の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー７８の反射率は９０％以上である。また、マイクロミラー７８の直下には、ヒンジおよびヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル７６が配置されており、全体はモノリシックに構成されている。

ＤＭＤ３４のＳＲＡＭセル７６にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー７８が、対角線を中心としてＤＭＤ３４が配置された基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾けられる。図９（Ａ）は、マイクロミラー７８がオン状態である＋α度に傾いた状態を示し、図９（Ｂ）は、マイクロミラー７８がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。したがって、画像信号に応じて、ＤＭＤ３４の各ピクセルにおけるマイクロミラー７８の傾きを、図８に示すように制御することによって、ＤＭＤ３４に入射したレーザ光Ｂはそれぞれのマイクロミラー７８の傾き方向へ反射される。

なお、図８には、ＤＭＤ３４の一部を拡大し、マイクロミラー７８が＋α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー７８のオンオフ制御は、ＤＭＤ３４に接続された上記コントローラ１０４によって行われる。また、オフ状態のマイクロミラー７８で反射したレーザ光Ｂが進行する方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。

また、ＤＭＤ３４は、その短辺が副走査方向と所定角度θ（例えば、０．１°〜１°）を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図１０（Ａ）は、ＤＭＤ３４を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像（露光ビーム）８０の走査軌跡を示し、図１０（Ｂ）は、ＤＭＤ３４を傾斜させた場合の露光ビーム８０の走査軌跡を示している。

ＤＭＤ３４には、長手方向にマイクロミラーが多数個（例えば１０２４個）配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組（例えば７５６組）配列されているが、図１０（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ３４を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる露光ビーム８０の走査軌跡（走査線）のピッチＰ₁が、ＤＭＤ３４を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ₂より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、ＤＭＤ３４の傾斜角は微小であるので、ＤＭＤ３４を傾斜させた場合の走査幅Ｗ₂と、ＤＭＤ３４を傾斜させない場合の走査幅Ｗ₁とは略同一である。

また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねて露光（多重露光）されることになる。このように、多重露光されることで、露光位置の微少量をコントロールすることができ、高精細な露光を実現することができる。また、主走査方向に配列された複数の露光ヘッドの間のつなぎ目を微少量の露光位置制御により段差無くつなぐことができる。

なお、ＤＭＤ３４を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。

次に、ファイバアレイ光源３６について説明する。

ファイバアレイ光源３６は、図１１（Ａ）に示すように、複数（例えば１４個）のレーザモジュール８２を備えており、各レーザモジュール８２には、マルチモード光ファイバ８４の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ８４の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ８４と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ８４より小さいマルチモード光ファイバ８６が結合されている。

マルチモード光ファイバ８６は、複数本（例えば１４本）束ねられ、バンドル状とされており、図１１（Ｂ）に示すように、マルチモード光ファイバ８６のマルチモード光ファイバ８４と反対側の端部は、副走査方向と直交する主走査方向に沿って７個並べられ、それが２列に配列されてレーザ出射部８８が構成されている。

マルチモード光ファイバ８６の端部で構成されるレーザ出射部８８は、図１１（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板９０に挟み込まれて固定されている。また、マルチモード光ファイバ８６の光出射端面には、その保護のために、ガラス等の透明な保護板が配置されるのが望ましい。マルチモード光ファイバ８６の光出射端面は、光密度が高いため集塵し易く劣化し易いが、上述のような保護板を配置することにより、端面への塵埃の付着を防止し、また劣化を遅らせることができる。

本例では、図１２に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ８４のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍ程度のクラッド径が小さい光ファイバ８６が同軸的に結合されている。それらのマルチモード光ファイバ８４、８６は、それぞれのコア軸が一致する状態で光ファイバ８６の入射端面をマルチモード光ファイバ８４の出射端面に融着することにより結合されている。上述した通り、マルチモード光ファイバ８６のコア８６ａの径は、マルチモード光ファイバ８４のコア８４ａの径と同じ大きさである。

マルチモード光ファイバ８４およびマルチモード光ファイバ８６としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本例では、マルチモード光ファイバ８４および光ファイバ８６は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ８４は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ８６は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２である。

但し、光ファイバ８６のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも３〜４μｍ必要であることから、光ファイバ８６のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。

レーザモジュール８２は、図１３に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック９８上に配列固定された複数（例えば７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，およびＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７および９７と、１つの集光レンズ９９と、１本のマルチモード光ファイバ８４とから構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個に限定されるものではなく、その他の個数が採用されてもよい。また、上述のような７個のコリメータレンズ９１〜９７に代えて、それらのレンズが一体化されてなるコリメータレンズアレイを用いることもできる。

ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。

上記の合波レーザ光源は、図１４および図１５に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ８９内に収納されている。パッケージ８９は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋８７を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ８９の開口をパッケージ蓋８７で閉じることにより、それらによって形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。

パッケージ８９の底面にはベース板８５が固定されており、このベース板８５の上面には、前記ヒートブロック９８と、集光レンズ９９を保持する集光レンズホルダー８３と、マルチモード光ファイバ８４の入射端部を保持するファイバホルダー８１とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ８４の出射端部は、パッケージ８９の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。

また、ヒートブロック９８の側面にはコリメータレンズホルダー７９が取り付けられており、そこにコリメータレンズ９１〜９７が保持されている。パッケージ８９の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線７７がパッケージ外に引き出されている。

なお、図１５においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ９７にのみ番号を付している。

図１６は、上記コリメータレンズ９１〜９７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ９１〜９７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ９１〜９７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１６の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。

一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザ光Ｂ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。

したがって、各発光点から発せられたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ９１〜９７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ９１〜９７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザ光Ｂ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ９１〜９７の各々は、焦点距離ｆ₁＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。

集光レンズ９９は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ９１〜９７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ９９は、焦点距離ｆ₂＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ９９も、例えば樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。

次に、図１７を参照して、本例の画像露光装置における電気的な構成について説明する。ここに示されるように全体制御部１００には変調回路１０２が接続され、該変調回路１０２にはＤＭＤ３４を制御するコントローラ１０４が接続されている。また全体制御部１００には、レーザモジュール８２を駆動するパルス駆動回路１０６が接続されている。さらにこの全体制御部１００には、前記移動ステージ１４を駆動するステージ駆動装置１０８が接続されている。

次に、本実施の形態に係る露光装置の動作について説明する。

スキャナ２４の各露光ヘッド２８において、ファイバアレイ光源３６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７（図１３参照）の各々から発散光状態で出射したレーザ光Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，およびＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ９１〜９７によって平行光化される。平行光化されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７は、集光レンズ９９によって集光され、マルチモード光ファイバ８４のコア８４ａの入射端面上で収束する。

本例では、コリメータレンズ９１〜９７および集光レンズ９９によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ８４とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ９９によって上述のように集光されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ８４のコア８４ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザ光Ｂに合波されてマルチモード光ファイバ８４の出射端部に結合された光ファイバ８６から出射する。

このように、複数（本実施形態では７つ）のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７から発せられた各レーザ光Ｂを１本の光ファイバに入射させて合波することにより、光パワーを向上しているので、エタンデュー（Etendue）を小さくしたままにできるため、ＤＭＤ３４側の開口数（ＮＡ）も小さくできる。これにより、結像光学系６０の照明深度を大きくでき、結像される露光画像のピントずれを抑制できる。

各レーザモジュールにおいて、レーザ光Ｂ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ８４への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ８６の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザ光Ｂを得ることができる。したがって、１４本のマルチモード光ファイバ８６全体では、２．５２Ｗ（＝０．１８Ｗ×１７）の出力のレーザ光Ｂが得られる。

画像露光に際しては、図１７に示す変調回路１０２から露光パターンに応じた画像データがＤＭＤ３４のコントローラ１０４に入力され、そのフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。

感光材料1２を表面に吸着した移動ステージ１４は、図１７に示すステージ駆動装置１０８により、ガイド２０に沿ってゲート２２の上流側から下流側に一定速度で移動される。移動ステージ１４がゲート２２下を通過する際に、ゲート２２に取り付けられたカメラ２６により感光材料1２の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド２８毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド２８毎にＤＭＤ３４のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。なお本例の場合、１画素部となる上記マイクロミラーのサイズは１４μｍ×１４μｍである。

ファイバアレイ光源３６からＤＭＤ３４にレーザ光Ｂが照射されると、ＤＭＤ３４のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系６４、６８により感光材料1２上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源３６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、感光材料1２がＤＭＤ３４の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア３０）で露光される。また、感光材料1２が移動ステージ１４と共に一定速度で移動されることにより、感光材料1２がスキャナ２４によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各露光ヘッド２８毎に帯状の露光済み領域３２が形成される。

このように、２次元空間光変調素子（被照明体）として、ＤＭＤを使用しているので、ＬＣＤのようにＵＶ光が劣化しないので、ＵＶ光に感度を持つ感光材料に対しても使用可能である。

なお、本例では、図１８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ３４には、主走査方向にマイクロミラーが１０２４個配列されたマイクロミラー列が副走査方向に７６８組配列されているが、本例では、コントローラ１０４により一部のマイクロミラー列（例えば、１０２４個×２５６列）だけが駆動するように制御がなされる。

この場合、図１８（Ａ）に示すようにＤＭＤ３４の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図１８（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ３４の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。

ＤＭＤ３４のデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して１ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで１ライン当りの変調速度が速くなる。一方、連続的に露光ヘッドを露光面に対して相対移動させる露光方式の場合には、副走査方向の画素を全部使用する必要はない。

スキャナ２４による感光材料1２の副走査が終了し、カメラ２６で感光材料1２の後端が検出されると、移動ステージ１４は、ステージ駆動装置１０８により、ガイド２０に沿ってゲート２２の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド２０に沿ってゲート２２の上流側から下流側に一定速度で移動される。

本発明は、上記の実施の形態に限るものではなく、種々の形態が可能である。

本実施の形態では、２次元空間光変調素子として、ＤＭＤについて説明したが、これに限られず、例えば、ＬＣＤ（液晶素子）であっても構わない。

本実施の形態では、本発明の照明光学系が用いられる例として露光装置について説明したが、これに限られず、例えば、プロジェクタであっても構わない。

図１は、本発明の一の実施形態に係る照明光学系が用いられた露光装置を示す斜視図である。 図２は、図１の露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。 図３は、本実施形態に係る照明光学系を含む露光ヘッドの断面図である。 図４は、本実施形態に係る照明光学系を示す図である。 図５は、本実施形態に係る第１及び第２ロッドインテグレータの入射端面を示す図である。 図６は、本実施形態に係る第１ロッドインテグレータが中空である場合を示す図である。 図７は、本実施形態に係る第１ロッドインテグレータが封止構造である場合を示す図である。 図８は、本実施形態に係るデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の構成を示す部分拡大図である。 図９（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの動作を説明するための説明図である。 図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置および走査線を比較して示す平面図である。 図１１（Ａ）は、本実施形態に係るファイバアレイ光源の構成を示す斜視図である。

図１１（Ｂ）は、ファイバアレイ光源のレーザ出射部における発光点の配列を示す正面図である。
図１２は、本実施形態に係るマルチモード光ファイバの構成を示す図である。 図１３は、本実施形態に係るファイバ光源の構成を示す平面図である。 図１４は、レーザモジュールの構成を示す平面図である。 図１５は、図１４に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。 図１６は、図１４に示すレーザモジュールの構成を示す部分正面図である。 図１７は、上記露光装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１８（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図である。

符号の説明

１０ 露光装置
３４ ＤＭＤ（２次元空間光変調素子、被照明体）
３６ ファイバ光源（レーザ光源、光源）
４４ 第１ロッドインテグレータ
４６ 第２集光レンズ（集光レンズ）
４８ 第２ロッドインテグレータ
５４ 照明光学系
６０ 結像光学系

Claims (14)

1. 被照明体へ照明光を照射する光源と、
   前記光源と前記被照明体との間に配置され、前記照明光を透過させることにより該照明光の強度分布を均一化するロッドインテグレータと、
   を備える照明光学系において、
   前記ロッドインテグレータは、第１ロッドインテグレータと第２ロッドインテグレータとから構成され、第１ロッドインテグレータで強度分布が均一化された照明光を集光レンズで集光し、第２ロッドインテグレータに入射することを特徴とする照明光学系。
2. 前記第１ロッドインテグレータの断面形状は、被照明体の照明領域と略相似形状であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記第１ロッドインテグレータは、内部がミラーからなる中空のロッドから構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記第１ロッドインテグレータは、封止されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記第１ロッドインテグレータの断面サイズは、第２ロッドインテグレータの断面サイズ以下であることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
6. 前記第１ロッドインテグレータの長手方向長さは、第２ロッドインテグレータの長手方向長さ以下であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の照明光学系。
7. 前記光源は、ＬＤから発せられたレーザ光を被照明体へ照射するレーザ光源であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
8. 前記レーザ光源は、前記ＬＤから発せられたレーザ光を入射し、入射したレーザ光を被照明体へ照射する光ファイバを複数本束ねてバンドル状としたファイバ光源であることを特徴とする請求項7に記載の照明光学系。
9. 前記ファイバ光源は、複数のＬＤから発せられた各レーザ光を１本の光ファイバに入射させて合波することを特徴とする請求項８に記載の照明光学系。
10. 前記被照明体は、２次元空間光変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
11. 前記２次元空間光変調素子は、ＤＭＤであることを特徴とする請求項１０に記載の照明光学系。
12. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明光学系と、
    前記照明光学系から照射される照明光を所定の画像信号に基づいて変調する被照明体と、
    前記被照明体により変調された照明光を感光材料に結像させる結像光学系と、
    を備えることを特徴とする露光装置。
13. 前記被照明体は、２次元空間光変調素子であることを特徴とする請求項１２に記載の露光装置。
14. 前記２次元空間光変調素子は、ＤＭＤであることを特徴とする請求項１３に記載の露光装置。

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