JP2007322543A - 光ビームの軸間ピッチ変換装置および基板露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工および取り扱いが容易で、ビームの平行度を優れたものとすることができる光ビームの軸間ピッチ変換装置および露光位置精度に優れる基板露光装置を提供する。
【解決手段】 ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱である平行ガラス１４１８と、ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱であってｘｙ方向と直角なｚ方向の一方の表面に溝Ｇを備える平行ガラス１４１１〜１４１７を、溝Ｇが内側になるようにして密着させて重ね、溝Ｇに進入しようとする光を全反射させることにより、１３ｍｍのピッチＰxで入射する平行ビーム１０Ａの光軸を、１ｍｍのピッチＰx′で出射する平行ビーム１０とする。
【選択図】図３

Description

本発明は光ビームのピッチを所望のピッチに変換する光ビームの軸間ピッチ変換装置および、行列状に配置された複数の光源から出力された光を光源とする前記光ビームの軸間ピッチ変換装置を備えたマスクレスの基板露光装置に関する。

プリント基板、液晶ディスプレイのＴＦＴ基板あるいはカラーフィルタ基板あるいはプラズマディスプレーの基板にパターンを露光するため、従来では、パターンの原版となるマスクを製作し、このマスク原版をマスク露光装置で上記の基板に露光していた。

しかし、基板の寸法は近年ますます大きくなってくると共に、これら基板の設計、製作に要求される時間はますます短くなっている。このため、液晶やＤＭＤ（Digital Mirror Device）等の２次元空間変調器を用いて２次元パターンを発生させ、これを投影レンズで基板上に露光する方法、出力の大きなレーザとポリゴンミラーを用いて走査させながらレーザ光をＥＯ変調器あるいはＡＯ変調器を用いて基板に描画露光する方法等、マスクを使用しない、いわゆるマスクレス露光方法が実用化された。しかし、前者の方法は比較的微細なパターンの描画が可能であるが、装置が高価なものであり、後者の方法はラフなパターンを広い領域に描画することができかつ構成がシンプルで比較的安価に生産できるが、大きな面積を高精細に描画することは難しく、また、スループットを短くするためには大出力のレーザが必要であり、装置コストが高く、ランニングコストも大きくなった。

このようなことから、複数の半導体レーザを光源として用いることにより、スループットが短く、安価で、かつランニングコストを低減させたパターン露光装置が知られている（特許文献１）。
特開２００５−３１６３４９号公報

しかし、特許文献１記載のビーム径不変ビームピッチ縮小手段は部品点数が多いだけでなく、ビームの平行度を優れたものにしようとすると、高価なものにならざるを得なかった。また、プリズムの板厚が薄いため、取り扱いに注意を要した。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、解決すべき課題は、加工および取り扱いが容易で、ビームの平行度を優れたものとすることにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、光ビームの軸間ピッチ変換装置として、ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱である第１の透明部材と、ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱であってｘｙ方向と直角なｚ方向の一方の表面に溝を備える少なくとも１個の第２の透明部材とを、前記溝が内側になるようにして密着させて重ね、前記溝により、前記溝に進入しようとする光を全反射させることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、行列状に配置された複数の光源から出力され光軸の間隔が等間隔である平行ビームの一方の側の光軸の間隔を光ビームの軸間ピッチ変換装置により変え、前記光源から出力された光を被露光基板に照射させるようにした基板露光装置において、前記光ビームの軸間ピッチ変換装置が、前記第１の手段に係る光ビームの軸間ピッチ変換装置であることを特徴とする。

本発明によれば、第１の透明部材と第２の透明部材が１個ずつであっても板厚方向に複数組の光ビームを配置することができるので、部品点数が減ると共に加工性が向上し、出射光の平行度を向上させることができる。また、板厚が厚くなるので、取り扱い操作性が向上する。

図１は本発明に係る露光装置の全体構成図、図２は本発明に係る光源光学系の説明図、図３は本発明に係る平行ガラス一体ユニット１４Ｌの構成説明図、図４は本発明に係る平行ガラス一体ユニットの動作説明図、図５は平行ガラス一体ユニットの他の配置例図、図６は露光面における光ビームの配置を示す図、図７は本発明に係る他の露光装置の全体構成図である。

露光装置２００は、光源光学系１と、ミラー１００と、長焦点レンズ３と、ミラー４と、ポリゴンミラー５と、ｆθレンズ６と、折り返しミラー６２と、シリンドリカルレンズ６１と、ステージ７および制御回路９とから構成されている。光源光学系１は、マルチ平行ビーム発生ユニット１１と、平行ガラス一体ユニット１４とから構成されている。露光基板８はステージ７上に固定されている。

図２（Ａ）は、光源光学系１の正面図（ミラー１００側から見た図であり、図の左側が上側である。）、図２（Ｂ）は、光源光学系１を側面側から見た模式的な平面断面図である。
マルチ平行ビーム発生ユニット１１は、銅材で形成されたホルダ１１０、半導体レーザ（以下「ＬＤ」という。）１２および非球面レンズ１３から構成されている。ホルダ１１０には、外径が５〜６ｍｍのキャンに実装されたＬＤ１２が１３ｍｍのピッチでｘ方向に１６個（左右各８個）、ｙ方向に８個、合計１２８個配置されている。なお、図２（Ａ）に点線で示すように、ＬＤ１２は隣接する列のＬＤ１２と１３／８ｍｍずつずらせて配置されている。また、出射光のＬＤ１２の光軸上にはそれぞれ非球面レンズ１３が配置されている。ＬＤ１２はｘ方向発散角の半値全幅が約２２度、y方向の半値全幅が約８度のレーザ光を出力する。

次に、平行ガラス一体ユニット１４について説明する。
図２（Ｂ）に示すように、平行ガラス一体ユニット１４は、断面が平行四辺形である平行ガラス１４０１〜１４０８（以下、このグループを「平行ガラス一体ユニット１４Ｒ」という。）と、平行ガラス１４１１〜１４１８（以下、このグループを「平行ガラス一体ユニット１４Ｌ」という。）から構成されている。

図３は平行ガラス一体ユニット１４の図示左側のユニットの構成を示す説明図であり、（Ａ）は平行ガラス一体ユニット１４Ｌ全体を、（Ｂ）は（Ａ）におけるＫ矢視図である。個々の平行ガラスは一方の頂角が４５度の平行四辺形である。（Ｂ）に示すように、平行ガラス１４１１の右側面にはコの字形の溝Ｇが形成されている。この実施形態の場合、溝Ｇの幅Ｗは１．６ｍｍである。平行ガラス１４１１の他の面は平坦である。平行ガラス１４１２〜１４１７も右側面には溝Ｇが形成されている（ただし、高さ方向に１３／８ｍｍずれている。）。これに対して、平行ガラス１４１８は総ての面が平坦である。

平行ガラス１４０１〜１４０８および１４１１〜１４１８はいわゆるオプティカルコンタクトにより密着されている。オプティカルコンタクトにすると接着剤を使用する場合に比べ、平行ビーム１０の平行度を格段によくすることができると共に、接着剤とガラスとの屈折率不一致に伴う、反射損失がなくなる。さらに、平行ビーム１０Ａが紫外光あるいは紫外光に近い紫色の光である場合に生じる接着剤の劣化の心配もない。

次に、平行ガラス一体ユニット１４の動作を説明する。
図４に示すように、図の下方から平行ガラス１４１１に入射した左端のレーザ光１０Ａであるレーザ光１０Ａ１は、空気との境目であるＡＬ１で全反射して図の右方に進み、以下、平行ガラス１４１２〜１４１８の内部を通り、空気との境目であるＢＬ１で全反射して図の上方に進み、平行ガラス１４１８の上方から出射する。また、図の下方から平行ガラス１４１２に入射した左から２番目の平行ビーム１０Ａ２は、平行ガラス１４１１に設けられた溝に対応するＡＬ２で全反射して図の右方に進み、以下、平行ガラス１４１３〜１４１８の内部を通り、空気との境目であるＢＬ２で全反射して図の上方に進み、平行ガラス１４１８の上方から出射する。他の平行ビーム１０Ａも同様に、平行ガラスを透過しようとする際に次の平行ガラスに溝Ｇが設けられているので、その地点で全反射する。すなわち、ピッチＰｘ１３ｍｍで入射する平行ビーム１０ＡはピッチＰx′（ここでは、１ｍｍ）の平行ビーム１０として平行ガラス１４１８から出射する。平行ガラス一体ユニット１４Ｒ側も同様に、ピッチＰx１３ｍｍで入射する平行ビーム１０ＡはピッチＰx′（１ｍｍ）の平行ビーム１０として平行ガラス１４０８から出射する。そして、図２（Ａ）に示すように、平行ガラス１４０８と平行ガラス１４１８が重なる部分は入れ子（それぞれを櫛歯状にして組み合わせた形状）にしてあるので、平行ビーム１０Ａの光路が乱さなれることはない。

なお、この実施形態では溝Ｇをコの字形にしたが、溝Ｇに進入しようとする光ビームを全反射させればよいので、幅Ｗ以上の空気層が形成できれば、Ｖ形、Ｕ形あるいは他の形状であってもよい。

次に、平行ガラスの間隔ｄp（すなわち、平行ガラスの板厚）について説明する。
図４に示すように、間隔ｄpは、入射する平行ビーム１０ＡのピッチＰxと出射する平行ビーム１０のピッチＰx′とから下記の式
ｄp＝（Ｐx―Ｐx′）／√２
によって求められる。

したがって、入射する平行ビーム１０のピッチＰxが１３ｍｍで、出射する平行ビーム１０のピッチＰx′を１ｍｍとする場合、ｄpを８．５ｍｍとすればよい。

なお、平行ビーム１０を平行に保つためには、入射透過面と出射透過面が平行であることが重要（隣接反射面間の平行度は実用的に３０秒以内。好ましくは１０秒。）であるが、平行ガラスの平行度を１秒程度に加工することは比較的容易にできる。またユニット化した後入射端面および出射端面を平行に加工することも比較的容易にできる。また全反射であるため、反射時の損失は０となる。また、入射透過面および出射透過面に反射防止コーティングを施すと、垂直入反射であるため、ここでの損失は０．２％以下にすることが可能である。

なお、図５に示すように、平行ガラス一体ユニット１４Ｒと平行ガラス一体ユニット１４Ｌをｚ方向にずらせて配置することも可能である。

また、平行ガラス１４０１〜１４０８および１４１１〜１４１８をオプティカルコンタクトで密着させることに代えて、透明な接着材を用いてもよい。

また、ガラスとして石英ガラスを用いると、熱膨張が他の硝材に比べ非常に小さいためオプティカルコンタクトを用いた際に、熱変化でオプティカルコンタクトが剥離することもほとんどなく、安定した高性能の平行ガラスユニットにすることが可能になる。

また、平行ガラス１４０１〜１４０８および１４１１〜１４１８をガラス以外の透明材質にしてもよい。

長焦点レンズ３は球面系のレンズ３１，３２，３３と、ｘ方向にパワーを有する焦点距離ｆcのシリンドリカルレンズ３４とから構成されている。レンズ３１，３２，３３は、それぞれ複数のレンズで構成されており、全体としての焦点距離はｆoである。

次に、動作を説明する。

ＬＤ１２から出力され非球面レンズ１３に入射したレーザは、非球面レンズ１３により、ｘ方向のピッチ（Ｐx）が１３ｍｍ、ｙ方向のピッチ（Ｐy）が１３ｍｍの互いに平行な平行ビーム１０Ａとしてマトリクス状に出射する。非球面レンズ１３でコリメートされた各レーザ光は、ｘ方向の径約４ｍｍ、ｙ方向の径約１．５ｍｍの楕円状強度分布を有している。

平行ガラス一体ユニット１４に入射した平行ビーム１０Ａは、Ｐy（ｙ方向のピッチ）が１３ｍｍ、ｘ方向のピッチ（Ｐx′）が１ｍｍであるマトリクス状のマルチ平行ビーム１０として平行ガラス一体ユニット１４から出射し、焦点距離約２０ｍの長焦点レンズ３に入射する。

長焦点レンズ３に入射したＰx′１ｍｍ、Ｐy１３ｍｍの平行ビーム１０は長焦点レンズ出射後、ｙ方向には、各ビームの主光線がミラー４に反射されてポリゴンミラー５のミラー面上に集まる。しかし焦点距離が２０ｍと長いため光の回折により各ビームのビーム径は１０ｍｍ程度に拡がっている。一方、ｘ方向はシリンドリカルレンズ３４により、ｘ方向の長焦点レンズ入射光ビームの配列ピッチＰx＝１ｍｍに対してポリゴンミラー上ｘ方向の集光ビームピッチＰxp（Ｐxp＝Ｐxｆc／ｆo）で集光する。

ポリゴンミラー５は矢印の方向に５０００ｒｐｍ程度の回転速度（角速度ではωrad・ｓ秒^―１）で回転しており、反射光はｆθレンズ６に入射し、折り返しミラー６２で反射後、焦点距離ｆθCのシリンドリカルレンズ６１を透過してステージ７上に搭載された露光基板８の露光面に図６に示すように各ＬＤ１２から出射したビームより形成されたスポット８０を結像する。

ｆθレンズ６の焦点距離をｆθ（ｍｍ）とすると、基板上のスポットはポリゴンミラー５の回転により図１のステージ上座標の-ｙ方向に２ｆθω（ｍｍ／ｓ）の速度で走査される。この走査と同期してステージ７を-ｘ方向に走査すると共に、制御回路９にあらかじめ保存されている描画データに基づき、各ＬＤ１２をＯＮ−ＯＦＦ制御することにより、露光基板８上に所望のパターンを露光することができる。

なお、露光基板８上のｘｙ方向のビーム径ｄx、ｄyは、光源光学系の各平行ビームのｘｙ方向ビーム径をそれぞれＤx、Ｄyとすると、それぞれ下記の式
ｄx＝Ｄxｆcｆθc／（ｆoｆθ）
ｄy＝Ｄyｆθ／ｆo
によって与えられる。

上記したように、Ｄx、Ｄyはそれぞれ４、１．５ｍｍ（ｅ^−２）であり、ｄx、ｄyが２０μｍ程度になるよう上記の各レンズの焦点距離が決められている。

また、長焦点レンズ３に入射する２次元配列ビームの走査方向および副走査方向の配列ピッチをそれぞれＰx、Ｐyとすると、露光基板上の配列ピッチＰEx、ＰEyはそれぞれ
ＰEx＝Ｐxｆθ／ｆo
ＰEy＝Ｐyｆθcｆc／（ｆoｆθ）
で表される。

図７は本発明の他の露光装置の構成図である。

マルチ平行ビーム発生ユニット１１は青紫半導体レーザ（４０７ｎｍ）ＬＤを搭載している。他方マルチ平行ビーム発生ユニット１１′は紫外半導体レーザ（３７５ｎｍ）ＬＤを搭載している。それぞれのマルチ平行ビーム発生ユニット１１、１１′からはｘｙ方向に１３ｍｍピッチの平行レーザ光が互いに平行に出射している。３７５ｎｍの紫外ＬＤマルチビームはミラー１５で反射し、波長合成ミラー１６を通過する。他方４０７ｎｍの青紫ＬＤマルチビームは波長合成ミラーで反射した後、３７５ｎｍのマルチビームとほぼ完全に一致した光路を通過する。図７の４０７ｎｍと３７５ｎｍのＬＤ光源の配置は逆にしてもよい。この場合当然波長合成ミラー１６は４０７ｎｍに対し、透過、３７５ｎｍに対し反射にする。

両波長のマルチビームは先に詳細な説明をした平行ガラスユニット１４に共に入射する。ｘ方向に１３ｍｍのピッチで入射したマルチビームは平行ガラスユニット１４を通過するとｘ方向のピッチは１ｍｍに圧縮されて出てくる。口径が１２０ｍｍほどの長焦点レンズ３は３７５ｎｍと４０７ｎｍの両方の波長に対し、色補正されているため長焦点レンズ３を透過した両波長のマルチビームはポリゴンミラー５上でｙ方向（水平方向）にはその主光線が一致する。ｘ方向付いても色補正されているため、先に説明したように１ｍｍピッチで配列していたビームが長焦点レンズ３の球面レンズ系の焦点距離ｆoと先端第４群の色補正されたシリンドリカルレンズの焦点距離ｆcで決まる倍率ｆc／ｆoで両波長共にポリゴンミラー上の同じ位置に縮小集光される。

ポリゴンミラー５で反射した両波長のビームはｆθレンズ６を透過し、ｙ方向はｆθレンズ６の焦点距離ｆθ、入射光のｙ方向ビーム径Ｄyと波長λを用いて次式
ｄy＝４ｆθλ／（πＤy）
で定まるスポット径ｄyで基板にそれぞれ集光する。

他方ｘ方向に付いてはｆθレンズ６の球面系の焦点距離とｆθレンズ後の色補正されたシリンドリカルレンズ６１により、長焦点レンズ入射光のｘ方向ビーム径Ｄxに対し式
ｄx＝Ｄxｆcｆθc／（ｆoｆθ）
７で定まるビーム径ｄxで基板にそれぞれ集光する。ここで、ｄx、ｄyはほぼ同じ大きさである。

このように両波長のマルチビームが同時に同じ位置にスポット径約２０μｍで集光されるので、ポリゴンミラー５の回転速度に同期させて、露光基板８を搭載したステージ７を図６の矢印の方向に移動させる。さらにポリゴンミラー５の回転に同期させて、コントローラ９から各ＬＤ１２をそれぞれのＬＤの配列位置と所望の描画情報により決めたタイミングでＯＮ−ＯＦＦ点灯させることにより、基板８上に所望の描画パターンを２つの波長で同時に露光する。

この実施形態の露光装置は、従来のマスク露光装置で用いていた水銀ランプのｈ線およびｉ線に近い波長のＬＤを用いて同時にマスクレス露光が可能であり、従来用いられていた安価なフォトレジストを用いて、良好な露光が可能になる。

本発明に係る露光装置の全体構成図である。 本発明に係る光源光学系の説明図である。 本発明に係る平行ガラス一体ユニットの構成説明図である。 本発明に係る平行ガラス一体ユニットの動作説明図である。 本発明に係る平行ガラス一体ユニットの他の配置例図である。 露光面における光ビームの配置を示す図である。 本発明に係る他の露光装置の全体構成図である。

符号の説明

１０ 出射ビーム
１０Ａ 入射ビーム
１４Ｌ 平行ガラス一体ユニット
１４１８ 平行ガラス
１４１１〜１４１７ 平行ガラス
Ｇ 溝
Ｐx 入射ビームのピッチ
Ｐx′ 出射ビームのピッチ

Claims (6)

1. ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱である第１の透明部材と、ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱であってｘｙ方向と直角なｚ方向の一方の表面に溝を備える少なくとも１個の第２の透明部材とを、前記溝が内側になるようにして密着させて重ね、前記溝に進入しようとする光を前記溝によって全反射させることを特徴とする光ビームの軸間ピッチ変換装置。
2. 前記平行四辺形の内角の一方が４５度であることを特徴とする請求項１に記載の光ビームの軸間ピッチ変換装置。
3. 前記第１の透明部材と第２の透明部材がガラスからなることを特徴とする請求項１に記載の光ビームの軸間ピッチ変換装置。
4. 前記第１および第２の透明部材はオプティカルコンタクトにより密着していることを特徴とする請求項３に記載の光ビームの軸間ピッチ変換装置。
5. 前記ガラスが石英を主成分とすることを特徴とする請求項３に記載の光ビームの軸間ピッチ変換装置。
6. 行列状に配置された複数の光源から出力され、光軸の間隔が等間隔である平行ビームの一方の側の光軸の間隔を光ビームの軸間ピッチ変換装置により変え、前記光源から出力された光を被露光基板に照射させるようにした基板露光装置において、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光ビームの光ビームの軸間ピッチ変換装置を備えていることを特徴とする基板露光装置。

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