JP2024039152A - 光照射装置および露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源を用いて生成されたレーザー光ビームを単一ビームに合成して出射する光照射装置において、光路長の増大を招くことなく、複数のレーザー光源から出射される光の散逸を抑制する。【解決手段】本発明に係る光照射装置において、照明光学系は、ビームエキスパンダーをなす位置関係に配置された第１および第２のレンズを含む入射角変換部と、入射角変換部の光軸に垂直かつ平面に沿う方向に配列された複数のレンズを有し、入射角変換部から出射された光を複数のレンズにより分割する分割レンズ部と、光軸に垂直な方向に配列されるとともに互いに異なる光路長を有する複数の透光部を有し、複数のレンズを通過した光を複数の透光部にそれぞれ入射させる光路長差生成部と、複数の透光部から出射された光の照射領域を、被照射面上で重ねる集光レンズ部とを有する。【選択図】図６

Description

この発明は、例えば半導体基板、半導体パッケージ基板、プリント配線基板、ガラス基板等の基板にパターンを描画するために基板を露光する技術に関する。

半導体基板、プリント配線基板、半導体パッケージ基板、ガラス基板等の各種基板に配線パターン等のパターンを形成する技術として、基板表面に形成された感光層に、露光データに応じて変調された光ビームを入射し、感光層を露光させるものがある。例えば特許文献１には、扁平形状のビームスポットを有するレーザー光ビーム（ラインビーム）を光変調器により変調して基板に入射させることで基板に描画を行う描画装置およびその光源として用いられる光照射装置が開示されている。この技術では、均一な強度分布を有する高強度のラインビームを発生させるために、複数のレーザー光源（レーザーダイオード）から出射されるレーザー光が合成されて単一のラインビームが生成される。

具体的には、出射光の方向が同一平面内に含まれるように配置された複数のレーザー光源から該平面状の１点に向けて出射される光の光路上に、分割レンズ、光路長差生成部、集光レンズ等が順番に配置されている。これらの光学系の作用により、上記平面と平行な方向を長手方向とする一方、これと垂直な方向においては広がりが絞り込まれたラインビームが生成される。光路長差生成部は、コヒーレント光であるレーザー光が合成される際に生じる干渉を抑制するために設けられる。

特許第６３８３１６６号公報

例えばさらなる光強度の増大を図るに際しては、レーザー光源の配設数を増加することが考えられる。このような場合、分割レンズに対し大きな入射角で入射する光の成分が多くなる。そうすると、分割レンズから出て光路長差生成部に入射する光も種々の角度成分を持つことになる。このように大きい角度で分割レンズおよび光路長生成部に入射した光は、これらの光学素子の側面から射出されてしまうことがある。このような光の散逸により、最終的なラインビームにおける強度を十分に高めることができず、またその均一性も損なわれるという問題が生じる。

この問題を回避するためには、分割レンズに対して入射する光の拡がり角を小さく抑える必要がある。例えば光源と分割レンズとの距離を大きくすることが考えられる。しかしながら、そのようにした場合、光路の全長が長くなり、装置が大型化してしまうという問題がある。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数の光源を用いて生成されたレーザー光ビームを単一ビームに合成して出射する光照射装置およびこれを用いた露光装置において、光路長の増大を招くことなく、複数のレーザー光源から出射される光の散逸を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。

この発明に係る光照射装置は、出射光の中心線が互いに同一の平面に含まれかつ前記平面内の一点で交わるように配置された複数のレーザー光源と、前記複数のレーザー光源から出射されるレーザー光を合成して単一のレーザー光ビームを生成し被照射面に照射する照明光学系とを備えている。そして、前記照明光学系は、前記複数のレーザー光源のそれぞれから出射された光が入射する位置に配置された第１のレンズ、および、前記第１のレンズとビームエキスパンダーをなす位置関係に配置された第２のレンズを含む入射角変換部と、前記入射角変換部の光軸に垂直かつ前記平面に沿う方向に配列された複数のレンズを有し、前記入射角変換部から出射された光を前記複数のレンズにより分割する分割レンズ部と、前記光軸に垂直な方向に配列されるとともに互いに異なる光路長を有する複数の透光部を有し、前記複数のレンズを通過した光を前記複数の透光部にそれぞれ入射させる光路長差生成部と、前記複数の透光部から出射された光の照射領域を、前記被照射面上で重ねる集光レンズ部とを有している。

このように構成された発明では、単一平面内の種々の方向から平面内の１点に向けて光を出射する複数のレーザー光源と、分割レンズ部との間に入射角変換部が設けられている。入射角変換部では、第１のレンズと第２のレンズとがビームエキスパンダーをなす位置関係に配置されている。一般にビームエキスパンダーは、その光軸に沿ってコリメート光を入射させ、コリメート光のビーム径を拡大または縮小する目的に使用される。一方、本発明の入射角変換部には、種々の方向からレーザー光が入射するため、光軸に対し傾きを有する方向からも光が入射する。

詳しくは後述するが、このような構成とすることで、分割レンズに入射する光の拡がり角を、入射角変換部を設けない場合に比べて小さくすることができる。すなわち、入射角変換部は、各レーザー光源から出射された光が分割レンズに入射する際の入射角を小さくする作用を有する。このように、入射角変換部は、レーザー光源と分割レンズとの距離を広げるのと同等の効果を、実際の距離を広げることなく実現することができる。

したがって、分割レンズに入射する光の入射角を小さくすることで得られる、分割レンズおよび光路長差生成部からの光の散逸抑制効果を、光路長を増大させることなく実現することが可能である。

また、入射角変換部はビームエキスパンダーとしての作用も有しているから、各レーザー光源から出射される光ビームから、分割レンズのサイズに応じたスポットサイズを有する光ビームを生成し、分割レンズに入射させることができる。そのため、分割レンズを構成する複数のレンズに対し均一に光を入射させることが可能である。

上記のように、本発明によれば、複数のレーザー光源から分割レンズに至る光路上に、２つのレンズを組み合わせた入射角変換部を設けたことにより、分割レンズに大きな入射角で光が入射することに起因する光の散逸を、光路長を増大させることなく防ぐことができる。

本発明にかかる露光装置の概略構成を模式的に示す正面図である。 図１の露光装置が備える電気的構成の一例を示すブロック図である。 光照射部の概略構成を示す図である。 露光ヘッドが備える詳細構成の一例を模式的に示す図である。 レーザー出射部の概略構成を示す図である。 照明光学系の全体構成および光ビームの光路を示す光線図である。 入射角変換部のより詳細な構成およびその作用を示す図である。 分割レンズおよび光路長差生成部を通過する光を示す光線図である。 入射角変換部への入射光と分割レンズへの入射光との関係を示す図である。

図１は本発明にかかる露光装置の概略構成を模式的に示す正面図であり、図２は図１の露光装置が備える電気的構成の一例を示すブロック図である。図１および以下の図では、水平方向であるＸ方向、Ｘ方向に直交する水平方向であるＹ方向、鉛直方向であるＺ方向およびＺ方向に平行な回転軸を中心とする回転方向θを適宜示す。

露光装置１は、レジストなどの感光材料の層が形成された基板Ｓ（露光対象基板）に所定のパターンのレーザー光を照射することで、感光材料にパターンを描画する。基板Ｓとしては、例えば半導体パッケージ基板、プリント配線基板、各種表示装置用のガラス基板、半導体基板などの各種基板を適用可能である。

露光装置１は本体１１を備え、本体１１は、本体フレーム１１１と、本体フレーム１１１に取り付けられたカバーパネル（図示省略）とで構成される。そして、本体１１の内部と外部とのそれぞれに、露光装置１の各種の構成要素が配置されている。

露光装置１の本体１１の内部は、処理領域１１２と受け渡し領域１１３とに区分されている。処理領域１１２には、主として、ステージ２、ステージ駆動機構３、露光ユニット４およびアライメントユニット５が配置される。また、本体１１の外部には、アライメントユニット５に照明光を供給する照明ユニット６が配置されている。受け渡し領域１１３には、処理領域１１２に対して基板Ｓの搬出入を行う搬送ロボット等の搬送装置７が配置される。さらに、本体１１の内部には制御部９が配置されており、制御部９は、露光装置１の各部と電気的に接続されて、これら各部の動作を制御する。

本体１１の内部の受け渡し領域１１３に配置された搬送装置７は、図示しない外部の搬送装置または基板保管装置から未処理の基板Ｓを受け取って処理領域１１２に搬入（ローディング）するとともに、処理領域１１２から処理済みの基板Ｓを搬出（アンローディング）し外部へ払い出す。未処理基板Ｓのローディングおよび処理済基板Ｓのアンローディングは制御部９からの指示に応じて搬送装置７により実行される。

ステージ２は、平板状の外形を有し、その上面に載置された基板Ｓを水平姿勢に保持する。ステージ２の上面には、複数の吸引孔（図示省略）が形成されており、この吸引孔に負圧（吸引圧）を付与することによって、ステージ２上に載置された基板Ｓをステージ２の上面に固定する。このステージ２はステージ駆動機構３により駆動される。

ステージ駆動機構３は、ステージ２をＹ方向（主走査方向）、Ｘ方向（副走査方向）、Ｚ方向および回転方向θ（ヨー方向）に移動させるＸ－Ｙ－Ｚ－θ駆動機構である。ステージ駆動機構３は、Ｙ方向に延設された単軸ロボットであるＹ軸ロボット３１と、Ｙ軸ロボット３１によってＹ方向に駆動されるテーブル３２と、テーブル３２の上面においてＸ方向に延設された単軸ロボットであるＸ軸ロボット３３と、Ｘ軸ロボット３３によってＸ方向に駆動されるテーブル３４と、テーブル３４の上面に支持されたステージ２をテーブル３４に対して回転方向θに駆動するθ軸ロボット３５とを有する。

したがって、ステージ駆動機構３は、Ｙ軸ロボット３１が有するＹ軸サーボモーターによってステージ２をＹ方向に駆動し、Ｘ軸ロボット３３が有するＸ軸サーボモーターによってステージ２をＸ方向に駆動し、θ軸ロボット３５が有するθ軸サーボモーターによってステージ２を回転方向θに駆動することができる。これらのサーボモーターについては図示を省略する。また、ステージ駆動機構３は、図１では図示を省略するＺ軸ロボット３７によってステージ２をＺ方向に駆動することができる。かかるステージ駆動機構３は、制御部９からの指令に応じて、Ｙ軸ロボット３１、Ｘ軸ロボット３３、θ軸ロボット３５およびＺ軸ロボット３７を動作させることで、ステージ２に載置された基板Ｓを移動させる。

露光ユニット４は、ステージ２上の基板Ｓより上方に配置された露光ヘッド４１と、光源駆動部４２、レーザー出射部４３および照明光学系４４を含み露光ヘッド４１に対してレーザー光を照射する光照射部４０とを有する。露光ユニット４は、Ｘ方向に位置を異ならせて複数設けられてもよい。

光源駆動部４２の作動によりレーザー出射部４３から射出されたレーザー光が、照明光学系４４を介して露光ヘッド４１へと照射される。露光ヘッド４１は、光照射部から照射されたレーザー光を空間光変調器（以下、単に「光変調器」ということがある）４１０によって変調して、その直下を移動する基板Ｓに対して落射する。こうして基板Ｓをレーザー光ビームによって露光することで、パターンが基板Ｓに描画される（露光動作）。

アライメントユニット５は、ステージ２上の基板Ｓより上方に配置されたアライメントカメラ５１を有する。このアライメントカメラ５１は、鏡筒、対物レンズおよびＣＣＤイメージセンサを有し、その直下を移動する基板Ｓの上面に設けられたアライメントマークを撮像する。アライメントカメラ５１が備えるＣＣＤイメージセンサは、例えばエリアイメージセンサ（二次元イメージセンサ）により構成される。

照明ユニット６は、アライメントカメラ５１の鏡筒と光ファイバー６１を介して接続され、アライメントカメラ５１に対して照明光を供給する。照明ユニット６から延びる光ファイバー６１によって導かれる照明光は、アライメントカメラ５１の鏡筒を介して基板Ｓの上面に導かれ、基板Ｓでの反射光が、対物レンズを介してＣＣＤイメージセンサに入射する。これによって、基板Ｓの上面が撮像されて撮像画像が取得されることになる。アライメントカメラ５１は制御部９と電気的に接続されており、制御部９からの指示に応じて撮像画像を取得して、この撮像画像を制御部９に送信する。

制御部９は、アライメントカメラ５１により撮像された撮像画像が示すアライメントマークの位置を取得する。また制御部９は、アライメントマークの位置に基づき露光ユニット４を制御することで、露光動作において露光ヘッド４１から基板Ｓに照射するレーザー光のパターンを調整する。そして、制御部９は、描画すべきパターンに応じて変調されたレーザー光を露光ヘッド４１から基板Ｓに照射させることで、基板Ｓにパターンを描画する。

制御部９は、上記した各ユニットの動作を制御することで各種の処理を実現する。この目的のために、制御部９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、メモリー（ＲＡＭ）９２、ストレージ９３、入力部９４、表示部９５およびインターフェース部９６などを備えている。ＣＰＵ９１は、予めストレージ９３に記憶されている制御プログラム９３１を読み出して実行し、後述する各種の動作を実行する。メモリー９２はＣＰＵ９１による演算処理に用いられ、あるいは演算処理の結果として生成されるデータを短期的に記憶する。ストレージ９３は各種のデータや制御プログラムを長期的に記憶する。具体的には、ストレージ９３は、フラッシュメモリー記憶装置、ハードディスクドライブ装置などの不揮発性記憶装置であり、ＣＰＵ９１が実行する制御プログラム９３１の他に例えば、描画すべきパターンの内容を表す設計データであるＣＡＤ（Computer Aided Design）データ９３２を記憶している。

入力部９４は、ユーザーからの操作入力を受け付け、この目的のために、キーボード、マウス、タッチパネル等の適宜の入力デバイス（図示省略）を有している。表示部９５は、各種の情報を表示出力することでユーザーに報知し、この目的のために適宜の表示デバイス、例えば液晶表示パネルを有している。インターフェース部９６は外部装置との間の通信を司る。例えば、この露光装置１が制御プログラム９３１およびＣＡＤデータ９３２を外部から受け取る際に、インターフェース部９６が機能する。この目的のために、インターフェース部９６は、外部記録媒体からデータを読み出すための機能を備えていてもよい。

ＣＰＵ９１は、制御プログラム９３１を実行することにより、露光データ生成部９１１、露光制御部９１２、フォーカス制御部９１３、ステージ制御部９１４などの機能ブロックをソフトウェア的に実現する。なお、これらの機能ブロックのそれぞれは、少なくとも一部が専用ハードウェアにより実現されてもよい。

露光データ生成部９１１は、ストレージ９３から読み出されたＣＡＤデータ９３２に基づき、光ビームをパターンに応じて変調するための露光データを生成する。基板Ｓに歪み等の変形がある場合には、露光データ生成部９１１は、基板Ｓの歪み量に応じて露光データを修正することで、基板Ｓの形状に合わせた描画が可能となる。露光データは露光ヘッド４１に送られ、該露光データに応じて露光ヘッド４１が、光照射部４０から出射されるレーザー光を変調する。こうしてパターンに応じて変調された変調光ビームが基板Ｓに照射され、基板Ｓ表面が部分的に露光されてパターンが描画される。

露光制御部９１２は、光照射部４０を制御して、所定のパワーおよびスポットサイズを有するレーザー光ビームを出射させる。フォーカス制御部９１３は、露光ヘッド４１に設けられた投影光学系（後述）を制御してレーザー光ビームを基板Ｓの表面に収束させる。

ステージ制御部９１４はステージ駆動機構３を制御して、アライメント調整のためのステージ２の移動および露光時の走査移動のためのステージ２の移動を実現する。アライメント調整においては、ステージ２に載置された基板Ｓと露光ヘッド４１との間における露光開始時の相対的な位置関係が予め定められた関係となるように、ステージ２の位置がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向およびθ方向に調整される。一方、走査移動においては、ステージ２を一定速度でＹ方向に移動させることで基板Ｓを露光ヘッド４１の下方を通過させる主走査移動と、一定ピッチでのＸ方向へのステップ送り（副走査移動）とが組み合わせられる。

図３は光照射部の概略構成を示す図である。光照射部４０は、上記したレーザー出射部４３および空間光変調器４１０の他の主要な構成として、入射角変換部４４１、分割レンズ４４２、光路調整差生成部４４３、集光レンズ４４４および投影光学系４１４などの光学素子を備えている。入射角変換部４４１、分割レンズ４４２、光路調整差生成部４４３および集光レンズ４４４は一体として照明光学系４４を構成している。

レーザー出射部４３から出射されるレーザー光ビームは入射角変換部４４１を介して分割レンズ部４４２に入射し、さらに光路長差生成部４４３に入射する。後述するように、光路長差生成部４４３から出射される光は、水平方向（Ｘ方向）を長軸方向とする扁平なスポット形状を有する光ビームとなっている。光ビームは集光レンズ４４４によりさらに短軸方向に絞り込まれてライン光ビームとなり、露光ヘッド４１の空間光変調器４１０に入射する。空間光変調器４１０から出射される光は露光データにより変調された光ビームであり、これが投影光学系４１１を介してステージ２上の基板Ｓに照射される。

照明光学系４４の詳細構造については後に説明することとし、ここではまず光照射部４０のうち露光ヘッド４１の構造について説明する。

図４は露光ヘッドが備える詳細構成の一例を模式的に示す図である。図４に示すように、露光ヘッド４１では、回折光学素子４１１を有する空間光変調器４１０が設けられている。具体的には、露光ヘッド４１に上下方向（Ｚ方向）に延設された支柱４００の上部に取り付けられた空間光変調器４１０は、回折光学素子４１１の反射面を下方に向けた状態で、可動ステージ４１２を介して支柱４００に支持されている。

露光ヘッド４１において、回折光学素子４１１は、その反射面の法線が入射光ビームＬの進行方向に対して傾斜して配置されており、照明光学系５３から射出された光は、支柱４００の開口を通してミラー４１３に入射し、ミラー４１３によって反射された後に回折光学素子４１１に照射される。そして、回折光学素子４１１の各チャンネルの状態が露光データに応じて制御部９によって切り換えられて、回折光学素子４１１に入射したレーザー光ビームＬが変調される。

そして、回折光学素子４１１から０次回折光として反射されたレーザー光が投影光学系４１４のレンズへ入射する一方、回折光学素子４１１から１次以上の回折光として反射されたレーザー光は投影光学系４１４のレンズへ入射しない。つまり、基本的には回折光学素子４１１で反射された０次回折光のみが投影光学系４１４へ入射するように構成されている。０次回折光が（－Ｚ）方向へ出射されるように、回折光学素子４１１は配置されている。回折光学素子４１１としては、例えばシリコン・ライト・マシーンズ社のＧＬＶ（Grating Light Valve；「ＧＬＶ」は同社の登録商標）素子を好適に適用可能である。

投影光学系４１４のレンズを通過した光は、フォーカシングレンズ４１５により収束され、（－Ｚ）方向を進行方向とする、つまり下向きの露光ビームとして所定の倍率にて基板Ｓ上へ導かれる。投影光学系４１４は縮小光学系を構成している。このフォーカシングレンズ４１５はフォーカス駆動機構４１６に取り付けられている。そして、制御部９のフォーカス制御部９１３からの制御指令に応じてフォーカス駆動機構４１６がフォーカシングレンズ４１５を鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って昇降させることで、フォーカシングレンズ４１５から射出された露光ビームの収束位置が基板Ｓの上面に調整される。

図４に一点鎖線で示されるレーザー光ビームＬの光路に沿って示すように、光照射部４０から露光ヘッド４１へ案内されるレーザー光ビームＬは、Ｘ方向を長軸方向、Ｚ方向を短軸方向としてＸ方向に均一に細長く延びるビームスポット形状を有している。一方、光変調器４１０により変調された後の変調レーザー光ビームＬｍは、Ｘ方向を長軸方向、Ｙ方向を短軸方向としており、しかも、Ｘ方向の各位置における強度が露光データに応じて変調されている。さらに、投影光学系４１４から基板Ｓに向けて出射される露光ビームＬｅは、変調されたレーザー光ビームＬｍをＸ方向およびＹ方向に縮小したものとなっている。このようにスポットサイズが絞り込まれた露光ビームＬｅを基板Ｓの被露光面に入射させることで、基板Ｓの表面に微細なパターンを描画することができる。

露光データに応じて変調された露光ビームＬｅを基板Ｓに入射させながら、露光ヘッド４１と基板ＳとをＹ方向に相対移動させることで、基板Ｓのうち、露光ビームＬｅのＸ方向におけるスポットサイズと同等の幅を有しＹ方向に延びる帯状の領域を露光することができる。Ｘ方向における露光ヘッド４１と基板Ｓとの相対位置を順次変更しながら露光を繰り返し行うことで、最終的には基板Ｓの全体を露光することができる。

このように、露光ヘッド４１と基板Ｓとの間で、Ｙ方向への走査移動とＸ方向への走査移動とを組み合わせることで、基板Ｓの全体に描画を行うことができる。本明細書では、Ｙ方向への走査移動を「主走査移動」と称し、Ｙ方向を「主走査方向」と称する。一方、Ｘ方向への走査移動を「副走査移動」と称し、Ｘ方向を「副走査方向」と称する。この実施形態では、固定された露光ヘッド４１に対し基板Ｓを支持するステージ２が移動することで、これらの走査移動が実現される。

上記のような構成を有する露光ユニット４については、Ｘ方向に位置を異ならせて複数設けることが可能である。この実施形態では、互いに同一の構成を有する露光ユニット４が５組設けられており、これらが並列的に露光ビームＬｅを出射し描画を行うことで、描画処理のスループット向上が図られている。なお、これらの露光ユニット４は互いに独立して動作し得るが、構造上、基板Ｓに対する走査移動については画一的である。

次に、光照射部４０のうちレーザー出射部４３および照明光学系４４の構造について説明する。

図５はレーザー出射部の概略構成を示す図である。レーザー出射部４３の構成としては、例えば図５（ａ）および図５（ｂ）に示すようにいくつかの態様が考えられる。図５（ａ）に示す構成例では、レーザー出射部４３ａは、複数の光源ユニット４３０ａを備えている。ここでは７組の光源ユニット４３０ａが用いられているが、光源ユニットの配設数はこれに限定されず任意である。

各光源ユニット４３０ａは、レーザー光を出射するレーザー光源４３１と、コリメーターレンズ４３２と、集光レンズ４３３とを有している。レーザー光源４３１は所定波長のレーザー光を出力する、例えばレーザーダイオードである。コリメーターレンズ４３２はレーザー光源４３１から出射されるレーザー光をコリメート光に変換する。集光レンズ４３３は、コリメート化されたレーザー光を集光し収束光ビームとして出射する。

図に一点鎖線で示すように、各光源ユニット４３０ａは、それぞれの出力光ビームが一点で交わるように配置されている。具体的には、各光源ユニット４３０ａは、一点鎖線で示される出射光の中心線が互いに同一のＸＹ平面に沿って進むように、かつ、それらが当該ＸＹ平面内の一点Ｐａで交わるように配置されている。

一方、図５（ｂ）に示す構成例のレーザー出射部４３ｂでは、上記構成例と同様のレーザー光源４３１、コリメーターレンズ４３２および集光レンズ４３３を有する光源ユニット４３０ｂが設けられている。各レーザー光源４３１は互いに同一のＸＹ平面内で互いに同一の方向（この例ではＹ方向）にレーザー光を出射する。すなわち、各レーザー光源４３１から出射されるレーザー光は互いに平行である。

それぞれの光路上にはウェッジプリズム４３４（４３４１～４３４７）が設けられている。各ウェッジプリズム４３４１～４３４７の（＋Ｙ）側端面については、それぞれの出射光がＸＹ平面上の一点Ｐｂで交わるように、ＸＺ平面に対する傾きが設定されている。各レーザー光源４３１から出射されたレーザー光で平行からずれた誤差分については、集光レンズ４３３とウェッジプリズム４３４とをＹ方向に移動させる調整を行うことで、ＸＹ平面上の一点Ｐｂに対するずれを解消することができる。

レーザー出射部４３としては、上記した２つの構成例４３ａ，４３ｂのいずれをも好適に適用可能である。このため、以下の説明では、特にこれらを区別せず「レーザー出射部４３」として記述する。また図において例示される構成が上記構成例４３ａ，４３ｂのいずれかに対応するものであっても、他方の構成例を問題なく適用することが可能である。

なお、部品製造上の観点からは、レーザー光源４３１が一列かつ直線状に配列される、図５（ｂ）の構成が有利である。特にレーザー光源４３１の配設数が多い場合、各レーザー光源４３１を適切な角度で配置する必要がある図５（ａ）の構成では調整作業が煩雑になる可能性がある。また、光源を冷却するために水冷機構を設ける場合にも、レーザー光源４３１が直線状に配列された構造が有利である。また、ＸＹ平面内における各レーザー光源４３１の配置については、照明光学系４４の光軸に対し対称であることが望ましい。

図６は照明光学系の全体構成および光ビームの光路を示す光線図である。より具体的には、図６は、ＸＹ平面およびＹＺ平面それぞれにおける照明光学系４４の構成を示す。なお、図６および以下の図において光線図を示すとき、図面を見やすくするために、一部の光線の記載を省略している。具体的には、例えば図６では、７組のレーザー光源４３１から出射される光のうち中央の１つおよび両端の２つからの出射光のみを示している。

照明光学系４４は、前記した主要な構成、すなわち入射角変換部４４１、分割レンズ４４２、光路長差生成部４４３および集光レンズ４４４の他に、Ｚ方向コリメーターレンズ４４５、Ｚ方向拡散レンズ４４６、Ｚ方向集光レンズ４４７等を備えている。これらの光学素子は互いに光軸が一致するように配置される。図６では、光軸が一点鎖線により表されている。

レーザー出射部４３から出射される複数のレーザー光ビームは、その交点付近に設けられた入射角変換部４４１に入射する。具体的には、交点よりも手前側、すなわちレーザー出射部４３に近い側にはコリメーターレンズ４４５が設けられ、該レンズ４４５を通過した光ビームが入射角変換部４４１に入射する。コリメーターレンズ４４５は例えば、Ｘ方向にパワーを有さずＺ方向にパワーを有するシリンドリカルレンズである。したがって、Ｚ方向において、レーザー光ビームはコリメート化される。

入射角変換部４４１では、レーザー光ビームの交点よりも手前側であって、かつ、各レーザー光源４３０から出射されるレーザー光ビームをいずれも入射することができる位置に、凹レンズ４４１１が配置されている。凹レンズ４４１１はＸ方向にパワーを有しＺ方向にパワーを有さない。また、レーザー光ビームの光路において凹レンズ４４１１の後方に、凸レンズ４４１２が配置されている。次に説明するように、凸レンズ４４１２は、凹レンズ４４１１に対し、凹レンズ４４１１との間でビームエキスパンダーをなす位置に配置されている。

図７は入射角変換部のより詳細な構成およびその作用を示す図である。本実施形態の入射角変換部４４１は、図７（ａ）に示す構成を有している。凹レンズ４４１１の焦点距離をｆ１、凸レンズ４４１２の焦点距離をｆ２で表すとき、両レンズは、図７（ａ）に示す位置関係とされる。すなわち、凸レンズ４４１２は、その前側焦点位置が凹レンズ４４１１の焦点位置と一致するように配置される。

このようなレンズの組み合わせは、いわゆるガリレイ型ビームエキスパンダーと呼ばれる構成に相当するものである。ビームエキスパンダーは一般に、光軸に沿って入射するコリメート光のビーム径の拡大（または縮小）のために使用される。一方、この実施形態では、図７（ａ）の光線図に示すように、レーザー照射部４３から凹レンズ４４１１に対して複数の方向から光が入射し、その入射方向は必ずしも光軸に沿ったものではない。

このような条件では、比較的大きな拡がり角をもって凹レンズ４４１１に入射した光が、凹レンズ４４１１によっていったん拡散した後に凸レンズ４４１２により集光されることにより、出射光の拡がり角が入射光よりも小さくなる。こうして拡がり角が抑えられた光が分割レンズ４４２に入射する。つまり、入射角変換部４４１は、分割レンズ４４２から見たときの入射光の拡がりの大きさを小さく、定量的には分割レンズ４４２に対する入射光の最大入射角を小さくする作用を有している。

図６に戻って照明光学系４４の説明を続ける。分割レンズ４４２および光路長差生成部４４３の構成は特許文献１に記載のものと同じである。すなわち、分割レンズ（フライアイレンズ）４４２は、光軸に垂直かつＸ方向に配列された複数のレンズ４４２１を有し、入射角変換部４４１から出射された光を複数のレンズ４４２１により分割する。一方、光路長差生成部４４３は、光軸に垂直な方向に配列されるとともに互いに異なる光路長を有する複数の透光部を有し、分割レンズ４４２を通過した光を複数の透光部にそれぞれ入射させる。これらの構造および作用については特許文献１（特許第６３８３１６６号公報）に詳しく記載されているため、ここでは説明を省略する。要するに、これらは一体として、入射ビーム光をＸ方向に一定ピッチで並ぶ複数のビームに分割し、かつそれらの光路長を調整する機能を有する。

図８は分割レンズおよび光路長差生成部を通過する光を示す光線図である。図８（ａ）に示す例では、分割レンズ４４２の（－Ｙ）側端面から入射した光が分割レンズ４４２の（＋Ｙ）側端面および光路長差生成部４４２の（＋Ｙ）側端面から射出される。一方、図８（ｂ）に示す例では、光路長差生成部４４２に入射した光の一部がその側面から射出され、（＋Ｙ）側端面まで到達せずに散逸している。分割レンズ４４２に入射する光の最大入射角が大きい場合に、このような光の散逸が生じる。こうして生じる光の散逸は、全体としての光強度を低下させるとともに、Ｘ方向における光強度の均一性を低下させる。

光強度を大きくするためにレーザー光源４３１の個数を多くする場合、それらをＸ方向に並べて配置するという構造上、端部に配置されたレーザー光源４３１から分割レンズ４４２への光の入射角が大きくなってしまうことが避けられない。すなわち、分割レンズ４４２に対する入射光の拡がり角が大きくなる。

レーザー出射部４３と分割レンズ４４２との間に入射角変換部４４１を設けることで、分割レンズ４４２に対する入射光の拡がり角を小さく抑え平行光に近づけることが可能となる。その結果、上記した入射光の拡がりに起因する光の散逸を抑制することができる。一例として、入射角変換部４４１には光軸に対して最大約９度の傾きを有する光が入射する場合において、ｆ１＝－１１ｍの凹レンズ４４１１、ｆ２＝１００ｍｍの凸レンズ４４１２を使用すると、入射角変換部４４１から分割レンズ４４３に対して最大約１度の傾きを有する光を入射させることができる。

また、入射角変換部４４１は、複数のレーザー光源４３１からの光を全体として平行光に近い光に変換する作用に加えて、これらの光が全体としてなす光ビームのＸ方向スポットサイズを分割レンズ４４２のサイズに適合したものに合わせ込む作用を有する。すなわち、分割レンズ４４２を構成する複数のレンズ４４２１のそれぞれに光が均等に入射するようにする作用を、入射角変換部４４１は有している。これは、入射光ビームのスポットサイズを適宜に拡大または縮小することのできるビームエキスパンダーとしての作用であると言える。

入射光の拡がり角を抑えるという面では、同様の効果は、レーザー出射部４３と分割レンズ４４２との距離を離し、入射角を小さくすることによっても得られる。その場合、光路長が長くなるため、照明光学系４０全体のサイズが大きくなってしまうことが避けられない。本実施形態の入射角変換部４４１は、光路長の延長を伴うことなく入射角を小さくすることができる点でより好ましい。

なお、ビームエキスパンダーとしては、上記したガリレイ型のものの他、凸レンズ２枚を組み合わせたケプラー型のものがある。入射角変換部４４１としては、このようなケプラー型のものも適用可能である。すなわち、図７（ｂ）に示すように、レーザー出射部４３から出射される複数の光ビームの交点よりも後方で、それらの光ビームを入射することができる位置に、凸レンズ４４１３が配置される。凸レンズ４４１３は、少なくともＸ方向にパワーを有する。

そして、もう１つの凸レンズ４４１４は、その前側焦点位置が凸レンズ４４１３の後側焦点位置となるように配置される。凸レンズ４４１４は、少なくともＸ方向にパワーを有する。図７（ｂ）において符号ｆ１，ｆ２は、それぞれ凸レンズ４４１３，４４１４の焦点距離を示している。このようにしてケプラー型ビームエキスパンダーが構成される。このような構成であっても、図７（ｂ）の光線図に示すように、比較的大きな拡がり角を以ってレーザー出射部４３から出射される光を、より拡がり角の小さい光として分割レンズ４４２に入射させることができる。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示す構成を比較すると、図７（ａ）に示す構成は、レンズ倍率が同じであれば光路長を短くすることができ、またビームを収束させないため光路上の塵等の影響を受けにくいという利点がある。一方、図７（ｂ）に示す構成は、凸レンズの組み合わせにより実現可能であり、またビームをレンズ間で収束させる構造であるため調整がより容易であるという利点がある。

なお、入射角変換部４４１では、入射光と出射光との間でのビームの拡大（または縮小）倍率を所望の値とするために、２つのレンズの配置がそれぞれの焦点距離に応じ、ガリレイ型またはケプラー型のビームエキスパンダーの構成要件を満たすように定められる必要がある。一方、単に光ビームの拡がり角を調整するという目的においては、レンズの配置についてはある程度の変動が許容される。すなわち、２つのレンズの配置は、厳密にビームエキスパンダーの要件を満たしていなくてもよい。

また、ビームの拡がり角を調整するという目的は、単一の凹レンズでも一応達成可能であると考えられる。しかしながら、次に説明するように、単一レンズによる入射角変換では、必ずしも良好な結果を得られない。

レンズ特性を適切に設定することで、単一の凹レンズでも入射光を平行光に近い光に変換し拡がり角を抑えることは可能である。ただし、現実的には、凹レンズ通過後の光の拡がりを抑えようとすると、レンズ曲面の曲率をあまり大きく取ることができない。そうすると、入射光ビームのスポットサイズと出射光ビームのスポットサイズとの比は必ずしも大きくならず、分割レンズ４４２にはレーザー出射部４３から出射される個々の光ビームがあまり拡大されずに入射することになる。この場合の個々のビームスポットは一般的に分割レンズ４４２を構成する個々のレンズの径よりも十分に小さいから、個々のレンズに均等に光を入射させるという目的が達成されにくくなる。

このことから、本実施形態では、２枚のレンズを組み合わせたビームエキスパンダーの原理を利用することとしている。このような構成は、入射角変換（拡がり角の低減）としての効果およびその制御性に優れており、またレンズ倍率を適宜に選択することで、ビームスポットサイズの調整も容易である。

再び図６に戻って、光路長差生成部４４３から出射された光ビームはＺ方向拡散レンズ４４６に入射する。Ｚ方向拡散レンズ４４６はＸ方向にパワーを有さずＺ方向にパワーを有する凹レンズである。したがって、Ｚ方向拡散レンズ４４６からはＺ方向に拡散する光ビームが出射されることになる。

この光ビームは集光レンズ４４４およびＺ方向集光レンズ４４７を介して像面に入射する。この場合の像面とは、回折光学素子４１４の受光面である。集光レンズ４４４はＸ方向およびＺ方向の両方にパワーを有する凸レンズであり、光ビームを像面に収束させる。これにより、分割レンズ４４２から出射される、Ｘ方向に並ぶ複数本の光ビームが像面で重ね合わされる。これらの光ビームがコヒーレント光であることから、重ね合わせに際してこれらの干渉が生じ得る。光路長差生成部４４３は、各光ビームの光路長に差を生じさせることにより、干渉の発生を回避する。

一方、Ｚ方向においては、Ｚ方向拡散レンズ４４６によりいったん拡げられた光ビームが２つの集光レンズ４４４，４４７により大きく絞られる。その結果、像面（回折光学素子４１４）には、Ｘ方向に扁平で均一な強度を有し、Ｚ方向には拡がりの小さいライン光ビームＬが入射することになる。図４に示した通り、このライン光ビームＬが空間光変調器４１０の回折光学素子４１４によって変調され、変調光ビームＬｍが投影光学系４１４により縮小され、露光ビームＬｅとして基板Ｓに照射される。

次に、入射角変換部４４１に要求される光学特性について、図９を参照して説明する。図９は入射角変換部への入射光と分割レンズへの入射光との関係を示す図である。図９に示すように、分割レンズ４４２への入射光に許容される最大入射角を符号θ１で表すこととする。ここで、最大入射角θ１は、分割レンズ４４２に入射した光が散逸することなく光路長差生成部４４３から出射される入射角の最大値である。つまり、光の散逸を防止するためには、分割レンズ４４２への入射光の入射角は最大入射角θ１以下である必要がある。最大入射角θ１は、分割レンズ４４２を構成する各レンズの径および長さと、光路長差生成部４４３の長さとに依存する。

入射角変換部４４１から分割レンズ４４２へ入射する光の入射角を最大入射角θ１以下とするために、入射角変換部４４１への入射光の入射角θ０が満たすべき条件は、次式：
θ１≧１／｜ｆ２／ｆ１｜×θ０＝｜ｆ１／ｆ２｜×θ０ … （式１）、
あるいはこれを変形した、
θ０≦｜ｆ２／ｆ１｜×θ１ … （式２）
により表すことができる。等号成立のとき、レーザー照射部４３から入射角変換部４４１への入射角の許容値を最大とすることができる。この条件に合致するように、かつ分割レンズ４４２を構成する各レンズに均等に光を入射させることができるビームスポットサイズを得られる適度の拡大（または縮小）倍率となるように、２つのレンズ４４１１，４４１２の焦点距離ｆ１，ｆ２が設定されればよい。図において符号Ｆは２つのレンズ４４１１，４４１２の焦点を示す。

以上のように、この実施形態では、Ｘ方向に並べられた複数のレーザー光源４３１から出射されるレーザー光が照明光学系４４により互いに重ね合わされて、Ｘ方向を長軸方向とする扁平なビームスポット形状を有するライン光ビームＬが生成される。複数のレーザー光源４３１と分割レンズ４４２との間には、分割レンズ４４２への入射角を小さくする入射角変換部４４１が設けられている。

これにより、レーザー光源４３１の配設数が多くそれらから出射される光の拡がり角が大きくなる場合でも、分割レンズ４４２への入射角を小さく抑えることができる。これにより、この実施形態では、レーザー光源４３１から出射される光ビームを分割レンズ４４２および光路長差生成部４４３の射出側（＋Ｙ側）の端面まで確実に案内して、側面からの光の散逸を防止することができる。その結果、高強度かつ強度分布の一様なライン光ビームを生成することが可能である。

入射角変換部４４１は、互いに光軸を共通とする、凹レンズ４４１１と凸レンズ４４１２との組み合わせ、または、凸レンズ４４１３と凸レンズ４４１４との組み合わせにより実現可能であり、２枚のレンズはビームエキスパンダーをなす条件を満たす位置関係に配置されている。このような光学系を、光軸に対して斜め方向からも光が入射する条件で使用することで、出射光の拡がり、つまり後段への入射角を、当該光学系への入射光の入射角よりも小さくすることができる。

また、入射角変換部４４１はビームエキスパンダーとしての機能を有しており、後段の分割レンズ４４２に対して適切なスポットサイズに調整された光を入射させることができる。そのため、分割レンズ４４２を構成する各レンズ４４２１に均一に光を入射させることができ、それらからの出射光が合成されて最終的に生成されるライン光ビームの長軸方向における光量分布を均一にすることができる。

以上説明したように、本実施形態の露光装置１においては、光照射部４０が本発明の「光照射部」として、空間光変調器４１０が本発明の「光変調器」として、投影光学系４１４が本発明の「投影光学系」として、また制御部９が本発明の「制御部」として、それぞれ機能している。また、光照射部４０は、本発明の「光照射装置」に相当している。

また、上記実施形態では、レーザー光源４３１、入射角変換部４４１、分割レンズ４４２、光路長差生成部４４３および集光レンズ４４４を含む照明光学系４４が、本発明の「照明光学系」として機能している。また、コリメートレンズ４４５、拡散レンズ４４６が、それぞれ本発明の「コリメートレンズ」、「拡散レンズ」として機能している。

そして、入射角変換部４４１においては、凹レンズ４４１１および凸レンズ４４１３が本発明の「第１のレンズ」に相当する一方、凸レンズ４４１２，４４１４が本発明の「第２のレンズ」に相当している。また、上記実施形態におけるＸＹ平面が、本発明にいう「平面」に該当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、レーザー出射部４３におけるレーザー光源４３１の配設数が７であるが、これに限定されるものではない。レーザー光源が少数である場合には必然的に光の拡がりを小さく抑えることができるため入射角変換部を必ずしも必要としないが、レーザー光源の数が多くなった場合に、本発明は特に有効なものとなる。

また、ビーム光強度をさらに高めるために、Ｚ方向にも複数のレーザー光源を配置することが考えられる。このような場合の構成例としては、Ｚ方向に複数設けられたレーザー光源からの光を適宜の光学系でＸＹ平面に沿った１つの光ビームに合成し、さらにそのような光ビームを複数本、ＸＹ平面内で合成するものが考えられる。このような場合には、Ｚ方向において合成された各光ビームを、上記実施形態における各レーザー出射部４３からの出射光ビームと同等に扱うことで、本発明を適用した場合の構成についても想到可能である。

また、上記実施形態には、本発明の「光変調器」として一次元回折光学素子であるＧＬＶ素子を好適に適用可能であるが、光変調器としてはこれ以外のものも適用可能である。例えば、二次元回折光学素子や、微細なミラーを多数配列して反射を制御するＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）素子等を、光変調器として用いることが可能である。

また、上記実施形態の露光装置１は、本発明に係る「光照射装置」に相当する光照射部４０を内蔵するものであるが、単体の光照射部４０を本発明の実施形態と考えることも可能である。例えば既存の露光装置における光照射部を本実施形態のものと取り換える、あるいは本実施形態の光照射部４０のように改良することによっても、本発明を実施することが可能である。

以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る光照射装置の入射角変換部は、第１のレンズと第２のレンズとの組み合わせとして、凹レンズと凸レンズ、凸レンズと凸レンズのいずれによっても実現可能である。凹レンズと凸レンズとの組み合わせはいわゆるガリレイ型のビームエキスパンダーの構成を適用することが可能であり、また凸レンズと凸レンズとの組み合わせはいわゆるケプラー型のビームエキスパンダーの構成を適用することが可能である。これらのいずれによっても、分割レンズ部への光の入射角を小さくして、分割レンズ部および光路長差生成部からの光の散逸を抑えることが可能である。

また例えば、第１のレンズは、平面と直交する方向にパワーを有さないものであってもよい。入射角変換部は上記平面に沿った方向における入射角を調整する目的で設けられるものであり、平面と直交する方向においては何ら作用を及ぼさないものであってよい。これにより、平面に沿った方向とそれに直交する方向での光学系の設計を独立して行うことができ、設計の自由度が高くなる。

また例えば、複数のレーザー光源の配置は、平面内において光軸に対して対称となるようにすることができる。光軸に対し傾いて第１のレンズに入射する光が、光軸に対して対称な方向から入射するようにすることで、平面内での光の均一性を高めることができる。

また例えば、レーザー光源と入射角変換部との間に、平面に直交する方向にパワーを有するコリメートレンズが配置されてもよい。このような構成によれば、平面に直交する方向への光の拡散を抑え、レーザー光源からの出射光を確実に入射角変換部および分割レンズ部へ案内することができる。

この場合、例えば光路長差生成部と集光レンズとの間に、平面に直交する方向にパワーを有する拡散レンズが配置されてもよい。このような構成によれば、集光レンズの手前で光を平面に直交する方向にいったん拡散させることにより、最終的に光を平面に直交する方向に大きく絞り込むことが可能となる。

また、第１のレンズから見た複数のレーザー光源からの出射光の拡がり角をθ１、分割レンズ部に入射し光路長差生成部を通過することができる光の入射角の最大値をθ０、第１のレンズの焦点距離をｆ１、第２のレンズの焦点距離をｆ２とするとき、以下の関係：
θ１≧｜ｆ１／ｆ２｜×θ０
が成立するようにすれば、レーザー光源から入射する光を散逸させることなく、光路長差生成部の出射端から出射させることができる。上式において等号は、θ０が第１のレンズへの光の入射角として許容される最大値となる条件を示している。言い換えれば、複数のレーザー光源からの最大入射角θ０が予め決まっているとき、上式を満たすように第１および第２のレンズを選定することで、後段での光の散逸を抑えることが可能となる。

この発明は、例えば半導体基板、半導体パッケージ基板、プリント配線基板あるいはガラス基板等の基板にパターンを形成するために基板を露光する技術分野に好適である。

１ 露光装置
２ ステージ
９ 制御部
４０ 光照射部
４４ 照明光学系
４１０ 空間光変調器（光変調器）
４１４ 投影光学系
４３１ レーザー光源
４４１ 入射角変換部
４４１１ 凹レンズ（第１のレンズ）
４４１２ 凸レンズ（第２のレンズ）
４４１３ 凸レンズ（第１のレンズ）
４４１４ 凸レンズ（第２のレンズ）
４４２ 分割レンズ（分割レンズ部）
４４３ 光路長差生成部
４４４ 集光レンズ
４４５ コリメートレンズ
４４６ 拡散レンズ
Ｌ レーザー光ビーム
Ｌｅ 露光ビーム
Ｓ 基板

Claims (9)

1. 出射光の中心線が互いに同一の平面に含まれかつ前記平面内の一点で交わるように配置された複数のレーザー光源と、
   前記複数のレーザー光源から出射されるレーザー光を合成して単一のレーザー光ビームを生成し被照射面に照射する照明光学系と
   を備え、
   前記照明光学系は、
   前記複数のレーザー光源のそれぞれから出射された光が入射する位置に配置された第１のレンズ、および、前記第１のレンズとビームエキスパンダーをなす位置関係に配置された第２のレンズを含む入射角変換部と、
   前記入射角変換部の光軸に垂直かつ前記平面に沿う方向に配列された複数のレンズを有し、前記入射角変換部から出射された光を前記複数のレンズにより分割する分割レンズ部と、
   前記光軸に垂直な方向に配列されるとともに互いに異なる光路長を有する複数の透光部を有し、前記複数のレンズを通過した光を前記複数の透光部にそれぞれ入射させる光路長差生成部と、
   前記複数の透光部から出射された光の照射領域を、前記被照射面上で重ねる集光レンズ部と
   を有する、光照射装置。
2. 前記第１のレンズが凹レンズであり、前記第２のレンズが凸レンズである、請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記第１のレンズおよび前記第２のレンズが凸レンズである、請求項１に記載の光照射装置。
4. 前記第１のレンズは、前記平面と直交する方向にパワーを有さない、請求項１ないし３のいずれかに記載の光照射装置。
5. 前記複数のレーザー光源の配置は、前記平面内において前記光軸に対して対称である、請求項１ないし３のいずれかに記載の光照射装置。
6. 前記レーザー光源と前記入射角変換部との間に、前記平面に直交する方向にパワーを有するコリメートレンズが配置される、請求項１ないし３のいずれかに記載の光照射装置。
7. 前記光路長差生成部と前記集光レンズとの間に、前記平面に直交する方向にパワーを有する拡散レンズが配置される、請求項６に記載の光照射装置。
8. 前記第１のレンズから見た前記複数のレーザー光源からの出射光の拡がり角をθ１、前記分割レンズ部に入射し前記光路長差生成部を通過することができる光の入射角の最大値をθ０、前記第１のレンズの焦点距離をｆ１、前記第２のレンズの焦点距離をｆ２とするとき、以下の関係：
   θ１≧｜ｆ１／ｆ２｜×θ０
   が成立する、請求項１ないし３のいずれかに記載の光照射装置。
9. 基板の表面を露光することで所定パターンの描画を行う露光装置であって、
   請求項１に記載の光照射装置と同一構成を有する光照射部と、
   前記被照射面の位置に配置された光変調器と、
   描画すべきパターンを表す露光データに基づき前記光変調器を制御して、前記レーザー光ビームを変調する制御部と、
   変調された前記レーザー光ビームを前記基板に入射させる投影光学系と
   を備える、露光装置。

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