JP2010014798A

JP2010014798A - マイクロミラーデバイス及び光照射装置

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Publication number: JP2010014798A
Application number: JP2008172448A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Oguchi; 寿明小口
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】温度変化が少なく安定な動作を実現可能なマイクロミラーデバイス及び光照射装置を提供する。
【解決手段】このマイクロミラーデバイス１０は、マイクロミラー２１と、マイクロミラーを覆うようにして配置された透光性窓部材２３と、マイクロミラーと透光性窓部材との間のスペースＳに空気を流すようにした空冷手段１１と、マイクロミラーが配置された基板の裏面側に設けられた冷却手段１２，１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却機能を有するマイクロミラーデバイス及びそれを用いた光照射装置に関する。

近年、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のような２次元変調ミラーデバイス（例えば、特許文献４参照）を用いた露光応用が注目されている。ミラーが微小であるために、応答性に優れ、光スイッチとしてのマッチングがよい。このため、リソグラフィーのような露光技術に応用されるだけでなく、下記特許文献１のように視力矯正の手術用途や、下記特許文献３のように比較的大きなパワーのレーザ光を照射するレーザーリペアプロセスにも応用されている。

特許文献１は、精密矯正用のレーザ用途を目的とした、紫外線光を透過する窓を有するデジタルマイクロミラーアレイを開示し、このデジタルマイクロミラーアレイは、紫外線を全反射するミラー皮膜として誘電体多層膜を用いているが、ミラー上に誘電体多層膜を置くのではなく封止すべき窓のアセンブリに誘電体多層膜を置いている。特許文献２は、紫外領域の光の入射角度変化に対する偏光反射率の変動が少ない紫外光用ミラー及びそれを用いた露光装置を開示し、この紫外光用ミラーはミラー上に誘電体多層膜を置いているが、石英基板上のミラー構造であり、ミラーはマイクロミラーではない。この紫外光用ミラーは半導体製造用縮小投影露光装置（ステッパ）に高解像度化のために用いられる。特許文献３は、ＹＡＧレーザ等の高出力レーザ光源を用いたレーザリペア装置を開示し、このレーザリペア装置は、ＤＭＤユニットを用いてレーザ光を整形するものであるが、特に誘電体多層膜は設けられていない。
特表２００６−５２１５８０号公報特開２００３−０１４９２１号公報特開２００７−０２９９８３号公報特開２０００−０２８９３７号公報

上述のような従来技術においては、積極的に冷却機能を設けていないために、マイクロミラーの温度上昇による動作不安定の問題があった。また、ミラー自身の反射率を向上させることによるヒートショックの緩和化が図られていないなどの間題が存在する。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、温度変化が少なく安定な動作を実現可能なマイクロミラーデバイス及び光照射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態のマイクロミラーデバイスは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーを覆うようにして配置された透光性窓部材と、前記マイクロミラーと前記透光性窓部材との間のスペースに空気を流すようにした空冷手段と、前記マイクロミラーが配置された基板の裏面側に設けられた冷却手段と、を備えることを特徴とする。

このマイクロミラーデバイスによれば、デバイス表面側で透光性窓部材により光透過構造となっているが、マイクロミラーと透光性窓部材との間のスペースに空冷手段により空気を流して放熱することで、光の反射を損なうことなく効率的に冷却が可能であるとともに、マイクロミラーが配置された基板の裏面側でも冷却手段により冷却が可能であり、マイクロミラーの両側で効率的に冷却することができるから、マイクロミラーデバイスにおいて温度変化が少なく安定な動作を実現することができる。

上記マイクロミラーデバイスにおいてマイクロミラー上に多層膜を設けることで反射率を向上させることができる。これにより、マイクロミラーにおける入射光エネルギーから熱エネルギーへの変換効率が減少し、損失エネルギーが減少するので、発熱を抑えることができ、デバイスの温度上昇を緩和することができる。なお、多層膜は、例えば、誘電体からなる高屈折率層と低屈折率層とを交互に形成した交互層から構成できる。

また、前記冷却手段は水冷手段を備えることが好ましい。マイクロミラーが配置された基板の裏面側には光の反射窓がないために、水冷機構等の水冷手段を設けることができ、水冷は放熱性に優れるために冷却効率がよい。

また、前記冷却手段は温度制御可能なペルチェ素子を備えることが好ましい。温度制御可能なペルチェ素子を設けることで、温度変化に対するアクティブな制御が可能になるために、温度による外乱が減少し、デバイスの動作安定化に寄与することができる。

また、前記透光性窓部材と前記基板との間に設けられたシール部材を備え、前記シール部材に配線用孔を設けることが好ましい。この配線用孔を通してデバイスの制御用配線をすることができ、デバイスの制御コントロールを損なわない。

本実施形態の別のマイクロミラーデバイスは、マイクロミラー上に反射率向上のために多層膜を設けたことを特徴とする。

このマイクロミラーデバイスによれば、マイクロミラーの反射率を向上させることができ、マイクロミラーにおける入射光エネルギーから熱エネルギーへの変換効率が減少し、損失エネルギーが減少するので、デバイスの温度上昇を緩和することができる。これにより、マイクロミラーデバイスにおいて温度変化が少なく安定な動作を実現することができる。なお、多層膜は、例えば、誘電体からなる高屈折率層と低屈折率層とを交互に形成した交互層から構成できる。

本実施形態の光照射装置は、レーザ装置と、前記レーザ装置からの光をマイクロミラーで反射し変調する上述の冷却機能付きマイクロミラーデバイスと、を備えることを特徴とする。

この光照射装置によれば、レーザ装置からの光をマイクロミラーデバイスのマイクロミラーで反射し変調するが、高出力のレーザ装置を用いた場合でも、マイクロミラーデバイスが温度変化の少ない安定な動作を実現できるので、安定した光照射を行うことができる。このような光照射装置は、フォトリソグラフィー用の露光装置や光造形装置やレーザ加工装置や局所加熱装置などに適用可能である。

本発明によれば、温度変化が少なく安定な動作を実現可能なマイクロミラーデバイス及び光照射装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態による冷却機能付きマイクロミラーデバイスを概略的に示す側断面図である。図２は図１のマイクロミラー上の多層膜の断面構成を模式的に示す図である。

図１に示すように、マイクロミラーデバイス１０は、光が入射するデバイス表面側に設けられた空冷機構１１と、デバイス裏面側に設けられた温度制御機能付きペルチェ素子１２と、同じくデバイス裏面側に設けられた水冷付きヒートシンク１３と、を備え、冷却機能を有している。

マイクロミラーデバイス１０は、基板２２に形成された複数のマイクロミラー２１と、複数のマイクロミラー２１を覆うように設けられたガラス等からなる透光性窓部材２３と、ヒートシンク１３と透光性窓部材２３との間に設けられて内部をシールするシール部材２４と、を備え、ＭＥＭＳ技術を用いて製造可能である。

複数のマイクロミラー２１は、１次元または２次元方向に配列されており、基板２２と透光性カバー２０ａと側部材２０ｂとに包囲されている。各マイクロミラー２１は、図１の破線で囲んで示す部分が１ピクセルに対応し、ドライバ（図示省略）により各マイクロミラー２１を回転させてマイクロミラー２１の角度を変えることで、外部光をオンオフ制御し、光変調が可能になっている。マイクロミラー２１は、例えば、ドライバからの電圧印加で生じる静電引力により角度が高速に切り替え可能になっている。このようなマイクロミラーは例えば上記特許文献４から公知である。

図１のように、空冷機構１１は、空冷ファン１１ａと空気導入管１１ｂと空気排出管１１ｃとを備え、空冷ファン１１ａからの空気が空気導入管１１ｂを通して矢印方向ａに送られ、マイクロミラーデバイス１０内の透光性窓部材２３と透光性カバー２０ａとの間のスペースＳに導入されて、スペースＳ内を矢印ｂのように旋回して通り、矢印方向ｃに空気排出管１１ｃを通して外部に排出されるようになっている。

板状のペルチェ素子１２が基板２２の裏面２２ａに接するようにして裏面２２ａとヒートシンク１３との間に配置されており、ドライバ（図示省略）からの駆動電流の制御により温度制御が可能になっている。

ヒートシンク１３は、上面側にペルチェ素子１２が配置されるとともに、外部のポンプ（図示省略）からの水が水導入口１３ｂを通して矢印方向ｄ’に流れ、ヒートシンク内部１３ａに導入されて矢印方向ｅに流れ、矢印方向ｆに水排出口１３ｃを通して外部に排出されるようになっている。

デバイス側面のシール部材２４の一部には配線用孔２５が設けられ、かかる配線用孔２５を通してデバイスの制御用配線をすることで、デバイスの制御コントロールを損なわない。例えば、マイクロミラー２１やペルチェ素子１２への配線を配線用孔２５を通して行うことができる。

図１の各マイクロミラー２１はそれぞれ誘電体多層膜３１を有する。すなわち、図２のように、マイクロミラー２１は、例えばアルミニウム膜からなるミラー部３０上に誘電体多層膜３１が設けられており、ミラーの反射率を向上させている。誘電体多層膜３１は、低屈折率層３２と高屈折率層３３とが交互に形成された交互層から構成されている。各層３２，３３は蒸着やスパッタリング等の公知の方法により形成できる。なお、誘電体多層膜３１の構成材料は、低屈折率材料として、例えば、MgF₂、AlF₃、NaF、LiF、CaF₂、Si0₂、BaF₂などがあり、高屈折率材料として、例えば、Al₂0₃、Ti0₂、ZnS、Zr0₂、NdF₃、LaF₃、GdF₃、DyF₃、PbF₂、Hf0₂、YF₃などがあるが、これらに限定されるものではない。

図２のような高屈折率層３３と低屈折率層３２の交互層からなる誘電体多層膜３１において、入射光の波長をλとすると、各層の光路長がλ／４になるように設定され、各層の屈折率をｎ、光学的膜厚をｄ、入射光の入射角をΦとすると、光学的膜厚ｄは次式で決まる。上述の各膜の設計は例えば電子計算機によって最適化できる。
ｎｄ＝(λ／４)／(ｃｏｓ(ｓｉｎ^-1(ｓｉｎΦ)))

上述のように、図１，図２のマイクロミラーデバイス１０によれば、マイクロミラー２１上に誘電体多層膜３１を設けることで反射率が向上する。反射率の向上により、マイクロミラー２１における入射光エネルギーから熱エネルギーへの変換効率が減少し、損失エネルギーの変換効率が減少するので、発熱を抑えることができ、デバイスの温度上昇を緩和することができる。

また、マイクロミラーデバイス１０は、反射型の光スイッチとなっているために、デバイス表面において光が透過する構造でなければならないことから、デバイス上部にはガラスなどの光透過性材料からなる窓部材２３を設けるとともに、空冷機構１１による空冷で内部のスペースＳから放熱することで、光の反射を損なうことなく効率的に冷却が可能である。

また、デバイス下部には光の反射窓がないために、水冷機構を有するヒートシンク１３を設けている。かかる水冷機能は放熱性に優れるために冷却効率がよい。さらに、温度制御付きペルチェ素子１２を設けることで、温度変化に対するアクティブな制御が可能になるために、温度による外乱が減少し、デバイスの安定動作化に寄与することができる。

以上のように、本実施形態のマイクロミラーデバイス１０によれば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）と同等な機能を有するとともに、マイクロミラー上に誘電体多層膜３１を設けることで発熱を抑えることができ、また、発熱が生じたとしてもマイクロミラーの上部及び下部において効率的に冷却することができ、その結果、デバイスにおける温度上昇を効率的に抑えることができるので、高出力（ハイパワー）のレーザ装置や光源を用いた場合でも、マイクロミラーデバイスの温度変化が少なく、安定な光変調動作を実現することができる。

次に、図１，図２のマイクロミラーデバイス１０を用いた光照射装置について図３を参照して説明する。図３は図１，図２のマイクロミラーデバイス１０を用いた光照射装置の概略的構成を示す図である。

図３のように、光照射装置５０は、レーザ装置５１から出射したレーザ光がレンズ５２，ビームエキスパンダ５３を通して、反射ミラー５４，５５で反射し、図１，図２のマイクロミラーデバイス１０に入射して光のオンオフ制御により光変調されてからレンズ５６によりステージ５８上の被光照射物５７に集光されるようになっている。

図３の光照射装置５０によれば、レーザ装置５１が高出力タイプのものであっても、図１，図２のマイクロミラーデバイス１０を用いて温度変化の少ない安定な光変調動作を実現できるので、被光照射物５７に対し安定した光照射を行うことができる。このような光照射装置５０は、ステージ５８により被光照射物５７を移動させて被光照射物５７に光照射することができ、フォトリソグラフィー用の露光装置や光造形装置やレーザ加工装置やレーザリペア等のための局所加熱装置などに適用可能である。フォトリソグラフィー用の露光装置は、プリント基板用露光、マイクロマシン製造用露光、マイクロ流路パターニング用露光、液晶パネルのカラーフィルターおよびＴＦＴ、周辺配線の露光、フォトマスク作製に用いることができる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図１では基板の裏面側の冷却手段としてペルチェ素子１２及びヒートシンク１３を設けたが、いずれか一方を省略してもよい。

また、例えば、比較的ローパワーでの使用の場合には、マイクロミラー上に誘電体多層膜を設けるだけの構成でもよく、発熱を抑えることができ、デバイスの温度上昇を緩和できる。

本実施形態による冷却機能付きマイクロミラーデバイスを概略的に示す側断面図である。図１のマイクロミラー上の多層膜の断面構成を模式的に示す図である。図１，図２のマイクロミラーデバイス１０を用いた光照射装置の概略的構成を示す図である。

符号の説明

１０マイクロミラーデバイス、１１空冷機構、１２ペルチェ素子、１３ヒートシンク、２１マイクロミラー、２２基板、２３透光性窓部材、２４シール部材、２５配線用孔、３１誘電体多層膜、３２低屈折率層、３３高屈折率層、５０光照射装置、Ｓスペース

Claims

マイクロミラーと、
前記マイクロミラーを覆うようにして配置された透光性窓部材と、
前記マイクロミラーと前記透光性窓部材との間のスペースに空気を流すようにした空冷手段と、
前記マイクロミラーが配置された基板の裏面側に設けられた冷却手段と、を備えることを特徴とするマイクロミラーデバイス。
前記マイクロミラー上に反射率向上のために多層膜を設けた請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
前記冷却手段は水冷手段を備える請求項１または２に記載のマイクロミラーデバイス。
前記冷却手段は温度制御可能なペルチェ素子を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却機能付きマイクロミラーデバイス。
前記透光性窓部材と前記基板との間に設けられたシール部材を備え、前記シール部材に配線用孔を設けた請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
マイクロミラー上に反射率向上のために多層膜を設けたことを特徴とするマイクロミラーデバイス。
レーザ装置と、前記レーザ装置からの光をマイクロミラーで反射し変調する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスと、を備えることを特徴とする光照射装置。