JP2668695B2 - ビーム平坦化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガウス分布をもつレーザビームのビーム断面
における強度分布形状を平坦化する装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

レーザビームのビーム断面における強度分布は第13図
に示されるようにピーク値Ｅのガウス分布をなし、ビー
ムの中心部付近と周辺部では強度に大きな差がある。こ
のためレーザ光を使用するにあたってはビーム断面にお
ける強度の均一化を図るための装置が必要であった。

従来のこの種の装置は第12図に示す様な構造をなして
おり、図に於いて101はレーザ光源、102は凹レンズ、10
3は凸レンズ、111はアパーチャーである。

レーザ光源101から射出されたビームは、ビームエキ
スパンダーをなす凹レンズ102および凸レンズ103によっ
て適当な大きさに拡大された平行光になり、開口部の直
径がａであるアパーチャー111に入る。

これにより、第13図に示された強度分布における中心
部の所定の領域（ビーム直径ａで強度ｅ）以外の周辺部
のビームはカットされることになり、即ち、極端に強度
の弱いビームが除去されて、レーザビームの強度の均一
化が図られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の如き従来のビーム平坦化装置に於いては強度分
布がガウス分布をなすビームの中心部分のみを使用し、
周辺部のビームはほとんどカットしてしまうので、大き
な光量損失となるという欠点があった。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
光量損失の極めて少ないビーム平坦化装置を提供するこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本願請求項１に記載の発明のビーム平坦化装置は、断
面内の中心部と周辺部とで強度が異なる入射ビームを、
ほぼ平坦な強度分布のビームに変換して射出するビーム
平坦化装置において、前記入射ビームを２つのビームに
分割する光分割手段と、該光分割手段で分割された一方
のビームに対して、断面内の中心部と周辺部とが入れ替
わるように強度分布を反転させる光学部材と、該光学部
材を介して強度分布が反転されたビームおよび前記光分
割手段で分割された他方のビームをほぼ同軸に重ね合わ
せる光合成手段とを備えたことを特徴とするものであ
る。

請求項２に記載した発明のビーム平坦化装置は、請求
項１に記載したビーム平坦化装置であり、前記入射ビー
ムは、断面内の中心部の強度が周辺部の強度よりも高
く、かつビーム光軸に対してほぼ対称的な強度分布を有
するレーザビームであることを特徴とするものである。

請求項３に記載した発明のビーム平坦化装置は、請求
項２に記載のビーム平坦化装置であり、前記光学部材
は、透過性の円錐状光学素子、くさび状光学素子または
角錐状光学素子のいずれか一つを反転光学素子として含
み、該反転光学素子の頂点を通る中心線が前記光学部材
に入射するビームの光軸とほぼ一致するように配置され
ることを特徴とするものである。

請求項４に記載した発明のビーム平坦化装置は、請求
項３に記載したビーム平坦化装置であり、前記光学部材
は、前記円錐状光学素子を前記反転光学素子として含
み、前記光学部材に入射するビームの断面の直径をφと
するとき、該ビームの光軸から距離ｒの位置における光
線と、前記光軸から径方向に距離（φ/2）−ｒの位置に
おける光線とを反転させて射出することを特徴とするも
のである。

請求項５に記載した発明のビーム平坦化装置は、請求
項２に記載したビーム平坦化装置であり、前記光分割手
段と前記光合成手段は、前記レーザビームの偏光特性に
応じてビームの分割または合成を行う偏光ビームスプリ
ッターを含むことを特徴とするものである。

請求項６に記載した発明のビーム平坦化装置は、請求
項２に記載したビーム平坦化装置であり、前記レーザビ
ームは、露光装置の均一照明として使われるエキシマレ
ーザであることを特徴とするものである。

〔作用〕

断面内の中心部と周辺部とで強度が異なる入射ビーム
を、光分割手段で２つのビームに分割し、分割された一
方のビームの光軸上に特定形状の光学部材を介在させる
ことによって、そのビーム断面内の中心部と周辺部とが
入れ替わるように強度分布を反転させる。その後、この
強度分布が反転されたビームおよび光分割手段で分割さ
れた他方のビームを、光合成手段でほぼ同軸に重ね合わ
せることにより、ほぼ平坦な強度分布に変換して射出す
る。

例えば、入射ビームが、断面内の中心部の強度が周辺
部の強度よりも高く、かつビーム光軸に対してほぼ対称
的な強度分布を有するレーザビームであれば、本来レー
ザビームの断面における強度分布は第２図（ア）の如く
中心部の強度が高く周辺部に裾をひくガウス分布をなし
ているが、本発明にかかる特定形状の光学部材を通過さ
せるとちょうどガウス分布を中心と周辺とで反転した形
状の第２図（イ）の如き中央部で強度が弱く、周辺部で
強度の強い強度分布形状をもつビームに矯正される。

そこで、強度分布形状を矯正したビームと矯正してい
ない本来のガウス分布をなすビームを重ねあわせれば、
第２図（ウ）に示されるように互いに補償しあってビー
ム断面の広い範囲で強度分布の平坦化が行われる。

このように、本発明においてはビーム断面の強度の均
一化を図るにあたって、従来のように中心部以外のビー
ムをカットしてしまうという手段を取らないので、光量
損失が極めて少なく、エネルギー効率が良い。

例えば通常のガウス分布ではビーム強度が中心の1/e²
になる所でビームを一次元アパーチャーによりカットし
た場合、ビーム最大強度Ｅに対して（Ｅ−ｅ）/E×100
＝86％の平坦化しか得られない。また、この一次元アパ
ーチャーの幅の1/5の幅でカットした場合、７％の平坦
化が行なえるが、かなりの光量を損失することになる。
これに対し、本発明に於いては1/e²でビームをカットし
た場合で７％の平坦化となり、光量損失も非常に少ない
ものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す模式図である。図にお
いて１はレーザ光源、2,3はビームを適当な大きさに拡
大するための凹レンズおよび凸レンズ、４はビームを偏
光方向によって分割する偏光ビームスプリッター、10は
分割された一方向のビームの光軸上に配置され、該ビー
ムの強度分布形状を矯正する石英等による特定形状の光
学部材、5,6は分割されたもう一方のビームを偏向する
ミラー、７は分割された２つのビームを再び重ね合せる
偏光ビームスプリッター、11は所定の領域でビームを遮
断するアパーチャーである。

ここで、本実施例において用いられている光学部材10
は、第３〜５図に示されるように２つの円錐を円柱の両
端にそれぞれ底面を向きあわせて一体化した形状をなし
ている。第４図は第３図の部材10を紙面内の方向から見
たもので、第５図は第３図のものを光軸方向から見たも
のである。この光学部材10においては、材質、円錐頂角
の大きさ、部材の長さ等の条件の適当な設定によって、
ビームの直径をΦとしたとき、ビーム断面中心点からの
距離がｒの位置で入射した光を中心点からΦ/2−ｒの位
置に出射する。即ち、この光学部材を通過したほぼ平行
なビームの強度分布形状は、部材10の２つの円錐の頂点
を結ぶ中心線をレーザービームの光軸と一致させた場
合、本来のガウス分布を中心と周辺とで丁度反転させた
形状となる。

このため、偏向ビームスプリッター４によって分割さ
れて、光学部材10を通過したビームと光学部材を通過し
ないで進行したビームを偏向ビームスプリッター７によ
って再度重ね合せれば、ビーム断面のほぼ全面に渡って
強度の均一化が図られることになる。即ち、アパーチャ
ー11によってカットしなければならない領域が僅かで、
光量損失が極めて少ない。

また、本発明においてビームの強度分布形状を反転す
るために用いられる光学部材の形状は第３図〜第５図に
示されるように円柱と円錐を組合せたものだけに限定さ
れるものではなく、用途によっては第６図〜第８図の正
面図、側面図および平面図に示されるような角柱とくさ
び形を組合せた形状、また第９図〜第11図の正面図、側
面図および平面図に示されるような角柱と角錐を組合せ
た形状のもの等でも良い。即ち、要求されるビーム平坦
化のレベルに応じて、ガウス分布をなす強度分布の少な
くとも一部（例えば一次元方向のみ）を反転出来るよう
な形状の光学部材であれば良いのである。

なお、本実施例においては、簡単のためビーム断面の
大きさを一致させる様なレンズ系は省略されているが、
必要に応じて適宜設けられることは言うまでもない。

また、アライメント用のレーザービームとして被検出
物上にスリット状のビーム断面を形成する場合、スリッ
ト状のビームの長手方向の強度分布をほぼ平坦化すると
良好なマーク検出精度が得られる。この場合、スリット
状ビームを得るためのシリンドリカルレンズの手前（光
源側）に長手方向の一次元のみ平坦化する系（例えば第
6,7,8図のもの）を設ければよい。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明にかかるビーム平坦化装置は、断面
内の中心部と周辺部とで強度が異なる入射ビームに対し
て、分割された一方のビームの強度分布を特定形状の光
学部材によって、ビーム断面内の中心部と周辺部とが入
れ替わるように反転させた形状に矯正し、再び分割され
ていたビームを重ね合せることにより、ビーム断面の広
い領域において強度分布形状の平坦化を図ることを可能
にし、光量損失が極めて少ないないという優れた効果を
有している。

本発明にかかるビーム平坦化装置をアライメントレー
ザ等に用いれば、ガウス分布をなしているためにカット
部分のスロープが大きく、アパーチャーで周辺部分のビ
ームをカットしてもビーム揺ぎによってビーム位置が変
化してしまうという従来からの問題点を解決でき、アパ
ーチャーで非常に少ない部分をカットするのみでレーザ
自身のもつレーザビームの平行揺ぎ（光軸と直交する方
向の揺ぎ）による光の重心変化を極めて少なくすること
が可能である。

また、レーザビームで露光を行なうエキシマレーザ露
光装置等の均一照明光学系としても極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる実施例の摸式図、第２図は本発
明における平坦化方法を説明する説明図、第３図は第１
図の実施例に用いられる光学部材の一例の正面図、第４
図は第３図光学部材の側面図、第５図は第３図光学部材
の平面図、第６図は本発明にかかる光学部材の別の例を
示す正面図、第７図は第６図光学部材の側面図、第８図
は第６図光学部材の平面図、第９図は本発明にかかる光
学部材のさらに別の例を示す正面図、第10図は第９図光
学部材の側面図、第11図は第９図光学部材の平面図、第
12図は従来の平坦化装置の摸式図、第13図はレーザービ
ームの強度分布を示すグラフ。 1,101……レーザ光源、2,102……凹レンズ、3,103……
凸レンズ、4,7……偏光ビームスプリッター、5,6……ミ
ラー、10……光学部材、11,111……アパーチャー。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断面内の中心部と周辺部とで強度が異なる
   入射ビームを、ほぼ平坦な強度分布のビームに変換して
   射出するビーム平坦化装置において、 前記入射ビームを２つのビームに分割する光分割手段
   と、 該光分割手段で分割された一方のビームに対して、断面
   内の中心部と周辺部とが入れ替わるように強度分布を反
   転させる光学部材と、 該光学部材を介して強度分布が反転されたビームおよび
   前記光分割手段で分割された他方のビームをほぼ同軸に
   重ね合わせる光合成手段とを備えたことを特徴とするビ
   ーム平坦化装置。
2. 【請求項２】前記入射ビームは、断面内の中心部の強度
   が周辺部の強度よりも高く、かつビーム光軸に対してほ
   ぼ対称的な強度分布を有するレーザビームであることを
   特徴とする請求項１に記載したビーム平坦化装置。
3. 【請求項３】前記光学部材は、透過性の円錐状光学素
   子、くさび状光学素子または角錐状光学素子のいずれか
   一つを反転光学素子として含み、該反転光学素子の頂点
   を通る中心線が前記光学部材に入射するビームの光軸と
   ほぼ一致するように配置されることを特徴とする請求項
   ２に記載したビーム平坦化装置。
4. 【請求項４】前記光学部材は、前記円錐状光学素子を前
   記反転光学素子として含み、前記光学部材に入射するビ
   ームの断面の直径をφとするとき、該ビームの光軸から
   距離ｒの位置における光線と、前記光軸から径方向に距
   離（φ/2）−ｒの位置における光線とを反転させて射出
   することを特徴とする請求項３に記載したビーム平坦化
   装置。
5. 【請求項５】前記光分割手段と前記光合成手段は、前記
   レーザビームの偏光特性に応じてビームの分割または合
   成を行う偏光ビームスプリッターを含むことを特徴とす
   る請求項２に記載したビーム平坦化装置。
6. 【請求項６】前記レーザビームは、露光装置の均一照明
   として使われるエキシマレーザであることを特徴とする
   請求項２に記載したビーム平坦化装置。