JP4279053B2 - Exposure head and exposure apparatus - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像データに応じて空間光変調素子により空間変調されたレーザビームにより感光材料等における露光面を露光するための露光ヘッド及び、この露光ヘッドを備えた露光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)等の空間光変調素子を利用して、画像データに応じて変調された光ビームで画像露光を行う露光装置が種々提案されている。
【0003】
例えば、DMDとしては、制御信号に応じて反射面の角度が変化する多数のマイクロミラーが、シリコン等の半導体基板上に2次元的に配列されたミラーデバイスが用いられ、このDMDを用いた露光装置は、図18に示すように、レーザビームを出射する光源1、光源1から出射されたレーザビームをコリメートするレンズ系2、レンズ系2の略焦点位置に配置されたDMD3、DMD3で反射されたレーザビームを露光面5上に結像するレンズ系4、6から構成されている。なお、DMD3は反射型の空間光変調素子であるが、なお、図18では、説明を簡単にするため、レーザビームが偏向されることなくDMD3から露光面5側へ出射されるように示されている。
【0004】
この露光装置では、画像データ等に応じて生成した制御信号によって、DMD3のマイクロミラーの各々を図示しない制御装置でオンオフ制御してレーザビームを変調(偏向)し、変調されたレーザビームにより露光面を2露光している。ここで、レンズ系4、6は拡大光学系として構成されており、マイクロミラーが配置されたDMD3の表面部に対して露光面5での露光面積を拡大している。
【0005】
また、上記のような露光装置では、通常、DMDにおけるマイクロミラーと露光面とが互いに共役とされ、レンズ系4、6によりマイクロミラーによる反射光像が露光面5へ結像され、この反射光像をビームスポットとして露光面5を露光する。
【0006】
しかし、レンズ系4、6によりDMD3の表面部の面積に対して露光面5に対する露光エリアの面積を拡大すると、その拡大率に応じて露光面5におけるビームスポットの面積(スポット径)も拡大するため、露光面5におけるMTF(Modulation Transfer Function)特性が露光面積の拡大率に応じて低下する。
【0007】
そこで、上記のような露光装置には、図19に示すように、レンズ系6と露光面5との間に複数のマイクロレンズ7をDMD3の各マイクロミラーに1対1で対応するように配置し、これらのマイクロレンズ7によりマイクロミラーにより反射されたレーザビームを縮小することで、露光面5におけるスポット径を所望のサイズに調整(縮小)するものがある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような露光装置では、通常、光源1におけるレーザー出射部がある程度の面積を有し点光源と見なせない。このため、図19に示すように、DMD3のマイクロミラーにより反射されたレーザビームも、レーザー出射部の面積に対応する一定の広がり角αsを有する。この結果、上記のような露光装置では、露光面5上におけるビームスポットのスポット径を縮小するためにマイクロレンズを用いた場合、所定のマイクロミラーにより反射されたレーザビームの一部が、迷光SLとして所定のマイクロミラーに対応するマイクロレンズ7以外のマイクロレンズ7に入射する。このような迷光SLは、多くの場合、マイクロレンズ7を通して露光面5上にゴースト像GIを形成し、露光面5にノイズ成分となる露光部分を生じさせる。
【0009】
また、上記のような露光装置では、マイクロレンズ7を用いずに、レンズ系6と露光面5との間に所要のビームスポットのスポット径に対応する開口径を有するアパーチャを配置し、このアパーチャにより露光面5上におけるビーム径を縮小することも考えられるが、このようなアパーチャを用いた場合には、レーザビームに対する縮小率が増加するに従ってアパーチャによる光量損失が増加し、光利用効率が著しく低下する。
【0010】
本発明の目的は、上記事実を考慮して、迷光の発生及び光効率の低下を生じさせることなく、露光面を露光するビームスポットを所望のスポット径に調整できる露光ヘッド及び露光装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る請求項1記載の露光ヘッドは、露光面を複数本のレーザビームにより2次元的に露光するための露光ヘッドであって、レーザー出射部からレーザビームを出射する照明手段と、制御信号に応じて光変調状態がそれぞれ変化する複数の画素部が2次元的に配列され、前記レーザー出射部から入射したレーザビームを前記画素部により露光状態及び非露光状態の何れかに変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子における各画素部の像をそれぞれ結像する第1光学系と、前記複数の画素部の像位置に、該像位置に形成される像サイズと同一ピッチで2次元的に配列され、前記複数の画素部により前記露光状態に変調されたレーザビームを集光する複数個の第1マイクロレンズと、
前記複数の第1マイクロレンズの後方焦点位置に配置され、前記画素部の実像を前記露光面上にそれぞれ結像する複数の第2マイクロレンズとを有し、前記第2マイクロレンズにより結像された前記画素部の実像をビームスポットとして前記露光面を露光することを特徴とする。
【0012】
上記請求項1記載の露光ヘッドでは、複数の第1マイクロレンズが、空間光変調素子における複数の画素部により前記露光状態に変調されたレーザビームを集光すると共に、これらの第1マイクロレンズの後方焦点位置に配置された複数の第2マイクロレンズが、画素部の実像を露光面上にそれぞれ結像することにより、露光状態に変調されたレーザビームを第1マイクロレンズにより集光し、この集光されたレーザビームを第2マイクロレンズへ入射できるので、露光状態に変調されたレーザビームがレーザー出射部の面積に対応する広がり角を有する場合でも、所定の画素部により露光状態に変調されたレーザビームの一部が所定の画素部に対応する第2マイクロレンズ以外の第2マイクロレンズへ迷光として入射することを防止できる。
【0013】
また請求項1記載の露光ヘッドでは、第2マイクロレンズの焦点距離を適宜設定することで、露光面上にビームスポットとして結像される画素部の実像のサイズを任意のサイズに縮小できるので、第1光学系として拡大光学系を用いて空間光変調素子のサイズに対して露光エリアの面積を拡大した場合でも、露光面におけるMTF特性の低下を防止できる。
【0014】
ここで、第1マイクロレンズ及び第2マイクロレンズは、それぞれ単一のレンズにより構成する必要は無く、色収差、球面収差等を改善するため複数のレンズを組み合せて構成するようにしても良い。また空間光変調素子は、レーザビームを非露光状態に変調した際に、必ずしもレーザビームを完全にマイクロレンズに対して遮断する必要は無く、強度が弱められたレーザビームをマイクロレンズに入射させるようにしても良い。
【0015】
本発明に係る請求項2記載の露光ヘッドは、請求項1記載の露光ヘッドにおいて、前記複数の第2マイクロレンズにより結像される前記画素部の像の集合である実像群を前記露光面上に結像する第2光学系を有することを特徴とする。
【0016】
本発明に係る請求項3記載の露光ヘッドは、請求項2記載の露光ヘッドにおいて、前記複数の第2マイクロレンズにより前記画素部が結像される実像位置に、前記露光面におけるビームスポットのスポット径及びスポット形状に対応する開口径及び開口形状を有する複数の第1アパーチャをそれぞれ配置したことを特徴とする。
【0017】
上記請求項記載の露光ヘッドによれば、第2マイクロレンズにより前記画素部が結像される実像位置に、露光面におけるビームスポットのスポット径及びスポット形状に対応する開口径及び開口形状を有する第1アパーチャを配置することにより、第2マイクロレンズから出射されたレーザビームにおける散乱光、回折光等のノイズ成分となる光を第1アパーチャにより遮断できるので、露光面に投影されるビームスポットを所要のスポット形状に精度良く整形でき、かつビームスポットの外側にノイズ成分となる光が投影されることを防止できる。
本発明に係る請求項4記載の露光ヘッドは、請求項1〜3のいずれか1項に記載の露光ヘッドにおいて、前記複数の第1マイクロレンズの後方焦点位置に、前記複数の第1マイクロレンズに1対1で対応する複数の第2アパーチャを配置し、前記第2マイクロレンズを、各第2アパーチャの開口内に配置したことを特徴とする。
【0018】
本発明に係る請求項記載の露光装置は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の露光ヘッドと、前記露光ヘッドを前記複数個の画素部の配列方向が前記露光面に対する走査方向に対して傾くように支持すると共に、前記露光ヘッドを前記露光面に対する露光時に前記走査方向へ相対移動させる移動手段と、を有することを特徴とする。
【0019】
上記請求項記載の露光装置によれば、走査方向に略直交する方向(行方向)に沿ってj個の画素部が空間光変調素子に配列され、走査方向に略対応する方向(列方向)に沿ってk個の画素部が空間光変調素子に配列されている場合、空間光変調素子の画素部の配列方向が走査方向に対して傾くように露光ヘッドを支持しつつ、露光ヘッドを走査方向へ相対移動させることにより、走査方向に対する画素部の配列方向の傾き角に応じてjの整数倍、すなわち(j×N)本のレーザビームにより露光面における同一走査線上のそれぞれ異なる位置を露光できるようになるので、画素部の配列方向の傾き角を適宜調整することで、露光面に形成される露光パターンの画素密度を所要の密度へ増加でき、また同一走査線上の略同一の位置(ドット)を空間光変調素子の同一列に配置されたk/N個の画素部により変調されたレーザビームによりk/N回の露光(多重露光)できるので、露光面に形成される露光パターンの解像度も向上できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[露光装置の構成]
本発明の実施の形態に係る露光装置142は、図1に示すように、シート状の感光材料150を表面に吸着して保持する平板状のステージ152を備えている。4本の脚部154に支持された肉厚板状の設置台156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158が設置されている。ステージ152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158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142には、ステージ152をガイド158に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【0021】
設置台156の中央部には、ステージ152の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート160が設けられている。ゲート160の端部の各々は、設置台156の両側面に固定されている。このゲート160を挟んで一方の側にはスキャナ162が設けられ、他方の側には感光材料150の先端及び後端を検知する複数(例えば、2個)の検知センサ164が設けられている。スキャナ162及び検知センサ164はゲート160に各々取り付けられて、ステージ152の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ162及び検知センサ164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。
【0022】
スキャナ162は、図2及び図3(B)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166を備えている。この例では、感光材料150の幅との関係で、3行目には4個の露光ヘッド166を配置した。なお、m行目のn列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド166mnと表記する。
【0023】
露光ヘッド166による露光エリア168は、走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ステージ152の移動に伴い、感光材料150には露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。なお、m行目のn列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア168mnと表記する。
【0024】
また、図3(A)及び(B)に示すように、帯状の露光済み領域170が走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔(露光エリアの長辺の自然数倍、本実施の形態では2倍)ずらして配置されている。このため、1行目の露光エリア16811と露光エリア16812との間の露光できない部分は、2行目の露光エリア168 21 と3行目の露光エリア16831とにより露光することができる。
【0025】
露光ヘッド166 11 〜 166mn各々は、図4及び図5(A)に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)50を備えている。このDMD50は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラ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166毎にDMD50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166毎にDMD50における各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、この反射面の角度の制御に付いては後述する。
【0026】
露光ヘッド166には、図4に示すように、DMD50の光入射側に照明ユニット144が設けられている。この照明ユニット144には、光ファイバの出射端部(発光点)が露光エリア168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ー出射部を備えたファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を補正してDMD上に集光させるレンズ系67、レンズ系67を透過したレーザ光をDMD50に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。
【0027】
DMD50は、図6に示すように、SRAMセル(メモリセル)60上に、微小ミラー(マイクロミラー)62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、600個×800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62が設けられており、マイクロミラー62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。このマイクロミラー62の反射率は90%以上である。また、マイクロミラー62の直下には、ヒンジ及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60が配置されており、全体はモノリシック(一体型)に構成されている。
【0028】
DMD50のSRAMセル60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62が、対角線を中心としてDMD50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7(A)は、マイクロミラー62がオン状態である+α度に傾いた状態を示し、図7(B)は、マイクロミラー62がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、画像信号に応じて、DMD50の各ピクセルにおけるマイクロミラー62の傾きを、図6に示すように制御することによって、DMD50に入射された光はそれぞれのマイクロミラー62の傾き方向へ反射される。
【0029】
なお、図6には、DMD50の一部を拡大し、マイクロミラー62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62のオンオフ制御は、DMD50に接続された図示しないコントローラによって行われる。ここで、オン状態のマイクロミラー62により反射された光は露光状態に変調され、DMD50の光出射側に設けられた結像光学系146(図5参照)へ入射する。またオフ状態のマイクロミラー62により反射された光は非露光状態に変調され、光吸収体(図示省略)に入射する。
【0030】
また、DMD50は、その短辺方向が走査方向と所定角度θ(例えば、0.1°〜0.5°)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8(A)はDMD50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)53の走査軌跡を示し、図8(B)はDMD50を傾斜させた場合の露光ビーム53の走査軌跡を示している。
【0031】
DMD50には、長手方向(行方向)に沿ってマイクロミラーが多数個(例えば、800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、600組)配列されているが、図8(B)に示すように、DMD50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53の走査軌跡(走査線)のピッチ が、DMD50を傾斜させない場合の走査線のピッチ 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、DMD50の傾斜角は微小であるので、DMD50を傾斜させた場合の走査幅Wと、DMD50を傾斜させない場合の走査幅Wとは略同一である。
【0032】
また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上における略同一の位置(ドット)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、走査方向に配列された複数の露光ヘッド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。
【0033】
なお、DMD50を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を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。
【0034】
ファイバアレイ光源66は、例えば、図9(A)に示すように、複数(例えば、6個)のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ30より小さい光ファイバ31が結合され、図9(C)に示すように、光ファイバ31の出射端部(発光点)が走査方向と直交する方向に沿って1列に配列されてレーザー出射部68が構成されている。なお、図9(D)に示すように、発光点を走査方向に直交する方向に沿って2列に配列することもできる。このような光ファイバ31の出射端部の配列は、後述するように、露光面56に投影するビームスポットのスポット形状に基づいて決められる。
【0035】
光ファイバ31の出射端部は、図9(B)に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ31の光出射側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ31の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易いため劣化し易いが、保護板63を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0036】
図9(B)の例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0037】
このような光ファイバは、例えば、図10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30のレーザ光出射側の先端部分に、長さ1〜30cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結合することにより得ることができる。2本の光ファイバ30、31は、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファイバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファイバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
【0038】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、露光ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0039】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31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、及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。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31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30は、クラッド径=125μm、コア径=25μm、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31は、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0040】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0041】
但し、光ファイバ31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31のクラッド径は10μm以上が好ましい。
【0042】
レーザモジュール64は、図11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10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,及び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11,12,13,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は7個には限定されない。
【0043】
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。
【0044】
上記の合波レーザ光源は、図12及び図13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40内に収納されている。パッケージ40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋41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40の開口をパッケージ蓋41で閉じることにより、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される密閉空間内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【0045】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、パッケージ40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。
【0046】
また、ヒートブロック10の側面にはコリメータレンズホルダー44が取り付けられており、コリメータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ40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47がパッケージ外に引き出されている。
【0047】
なお、図13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17にのみ番号を付している。
【0048】
図14は、上記コリメータレンズ11〜17及びその取付部を正面から見たものである。コリメータレンズ11〜17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11〜17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14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。
【0049】
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ビーム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。
【0050】
従って、各発光点から発せられたレーザビームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ11〜17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11〜17の幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入射するレーザビーム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11〜17の各々は、焦点距離f=3mm、NA=0.6、レンズ配置ピッチ=1.25mmである。
【0051】
集光レンズ20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11〜17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20は、焦点距離f2=23mm、NA=0.2である。この集光レンズ20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。
【0052】
次に、露光ヘッド166におけるDMD50の光反射側に設けられた結像光学系146について説明する。図5(A)に示されるように、露光ヘッド166には、DMD50の光反射側に露光面56上に光源像を投影するための結像光学系146が設けられている。結像光学系146には、DMD50の側から露光面56へ向って順に、一対のレンズ系54,58、マイクロフィールドレンズアレイ72、マイクロ結像レンズアレイ76、一対のレンズ系80,82が配置されている。
【0053】
ここで、レンズ系54 ,58は拡大光学系として構成されており、DMD50のマイクロミラー62により反射される光線束の断面積を拡大することで、露光面56におけるDMD50により反射された光線束による露光エリア168の面積を所要の大きさに拡大している。マイクロフィールドレンズアレイ72は、照明ユニット144からの光を反射するDMD50の各マイクロミラー62に1対1で対応する複数の第1マイクロレンズ74が一体的に成形されたものであり、第1マイクロレンズ74は、レンズ系54,58を透過したレーザビームの光軸上におけるマイクロミラー62の結像面上に配置されており、その直径がマイクロミラー62の実像の像サイズと略同一径とされている。マイクロフィールドレンズアレイ72には、各第1マイクロレンズ74が像位置におけるマイクロミラー62の像サイズと同一ピッチで2次元的に配列されている。
【0054】
マイクロ結像レンズアレイ76には、マイクロフィールドレンズアレイ72における複数の第1マイクロレンズ74に1対1で対応する複数のアパーチャ(開口絞り)78が設けられると共に、各アパーチャ78の開口内に第2マイクロレンズ79が配置されている。この第2マイクロレンズ79のレンズ径はアパーチャ78の開口径と一致しており、第2マイクロレンズ79の光軸と第1マイクロレンズ74の光軸とは一致している。
【0055】
結像光学系146では、レンズ系54の焦点距離がf1とされ、レンズ系58の焦点距離がf2とされている。また第2マイクロレンズ79の焦点距離はf4とされている。マイクロ結像レンズアレイ72は、第1マイクロレンズ74の後方焦点位置に配置されている。またレンズ系80,82は、例えば、等倍光学系として構成されており、複数個の第2マイクロレンズ79によりそれぞれ結像されるマイクロミラー62の実像の集合である実像群を露光面56上に結像する。ここで、レンズ系80及びレンズ系82の焦点距離はf5とされている。なお、結像光学系146における各レンズ系54,58,レンズ系80,82は、図5において、それぞれ1枚のレンズとして示されているが、複数枚のレンズ(例えば、凸レンズと凹レンズ)を組み合せたものであっても良い。
【0056】
結像光学系146では、露光面56に結像されるビームスポットのスポット径及びスポット形状が、露光済み領域170に形成される露光パターンの解像度、露光ヘッド166の走査速度、DMD50の走査方向に対する傾き角の大きさ、感光材料150の特性等の設計事項に応じて決められる。一方、アパーチャ78の開口径及び開口形状は、露光面56に結像されるビームスポットのスポット径及びスポット形状に応じて設定される。
【0057】
図5を参照して、結像光学系146における第1マイクロレンズ74及び第2マイクロレンズ79の作用を説明する。拡大光学系を構成するレンズ系54,58は、DMD50により反射される光線束の断面積を拡大することで、露光面56における露光エリア168の面積を所要の大きさに拡大している。このとき、DMD50のマイクロミラー62により反射されたレーザビームも、レンズ系54,58を透過することで、そのビーム径がレンズ系54,58の拡大率に応じて拡大される。このことから、結像光学系146にマイクロレンズ74,79が配置されていない場合、図5(B)に示すように、露光面56に投影される各ビームスポットBSのスポット径が露光エリア168のサイズに応じて大きなものになる。このため、図8(A)に示すように走査露光しても、露光エリア168のMTF(Modulation Transfer Function)特性がレンズ系54,58の拡大率に応じて低下する。
【0058】
上記のようなMTF特性の低下を防止すると共に、マイクロミラー62により露光状態に変調されたレーザビームの一部が迷光になることを防止するため、結像光学系146には、レンズ系54,58によりマイクロミラー62の実像が形成される結像面に複数の第1マイクロレンズ74がDMD50の各マイクロミラー62に1対1で対応するように2次元的に配置され、且つ、これらの第1マイクロレンズ74の後方焦点位置にそれぞれ複数の第2マイクロレンズ79が2次元的に配置されている。
【0059】
ここで、図15に示すように、第2マイクロレンズ79は、マイクロミラー62の実像RI1を縮小して、露光面56と等価となる仮想面である結像面85上に実像RI2を形成する。これにより、図5(C)に示すように、露光エリア168がレンズ系54,58により高倍率で拡大された場合でも、ビームスポットBSのスポット径を要求されるサイズに縮小できると共に、露光面56におけるMTF特性の低下を防止できる。また第1マイクロレンズ74は、レーザビームを集光するフィールドレンズとして作用し、レーザー出射部68の光軸直角方向に沿った面積に応じた広がり角αsを有する1本のレーザビームを集光し、1個の第2マイクロレンズ79に入射させる。
【0060】
次に、第1マイクロレンズ74の焦点距離f3を設定する方法を具体的に説明する。図15に示すように、第1マイクロレンズ74の開口径2Rは、レンズ系58により結像されたマイクロミラー62の実像RI1のサイズと一致している。また第1マイクロレンズ74の後方焦点位置に配置された第2マイクロレンズ79の開口径を(2R/n)に設定する。このとき、nは第1マイクロレンズ74の開口径に対する第2マイクロレンズ79の開口径の縮小率であり、このn(n≧1)は、ビームスポットBSのスポット径に基づいて決定される。
【0061】
第1マイクロレンズ74を透過した全ての光線束が理論的に第2マイクロレンズ79に、すなわちアパーチャ78へ入射する条件を考える。このとき、第1マイクロレンズ74から光源側へ向う光線束の広がり角をαsとすると、この広がり角αsは下記(1)式により求められる。
【0062】
αs=(R/n)/f3・・・(1)
(1)式からマイクロレンズ74の焦点距離f3は下記(2)式により求められる。
【0063】
f3=(R/n)/αs・・・(2)
第1マイクロレンズ74の焦点距離f3を上記(2)式による算出値に設定した場合、図15に示されるように、第1マイクロレンズ74を透過した光(レーザビーム)は、理論的には、アパーチャ78により遮られること無く、全量が1個の第2マイクロレンズ79に入射する。但し、第1マイクロレンズ74を透過した光には、第1マイクロレンズ74の収差による回折光、散乱による散乱光等のノイズ成分となる光が含まれ、このようなノイズ成分となる光がアパーチャ78により遮蔽されるため、実際にはアパーチャ78により僅かな光量損失が生じる。但し、(2)式により得られる焦点距離f3は、光量損失を最小化するための理論的な最適値である。このため、露光ヘッド166では、アパーチャ78によるビームスポットBSの整形性、ノイズ光の除去性等を考慮し、アパーチャ78及び第2マイクロレンズ79を第1マイクロレンズ74の後方焦点位置から微小距離前後へ配置することは許容される。
【0064】
なお、図16には、特に縮小率nが1とされ、第2マイクロレンズ79の開口径が第1マイクロレンズ74の開口径2Rに等しい場合を示している。
【0065】
ここで、結像面85は、レンズ系80,82を介して露光面56と互いに共役になっている。これにより、露光面56には、第2マイクロレンズ79により縮小されたマイクロミラー62の実像RI2と同一サイズのマイクロミラー62の実像が結像する。露光装置142では、レンズ系80,82により結像されたマイクロミラー62の実像をビームスポットBSとして露光面56を露光する。
[露光装置の動作]
次に、上記露光装置142の動作について説明する。
【0066】
スキャナ162の各露光ヘッド166において、ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及びB7の各々は、図11に示すように、コリメータレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30aの入射端面に収束する。
【0067】
本実施形態では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ20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30とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビームB1〜B7が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端部に結合された光ファイバ31から出射する。
【0068】
各レーザモジュール64において、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30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、図9に示すように、アレイ状に配列された光ファイバ31の各々について、出力180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。従って、6本の光ファイバ31がアレイ状に配列されたレーザー出射部68での出力は約1W(=180mW×6)である。
【0069】
例えば、半導体レーザと光ファイバを1対1で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力30mW(ミリワット)程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径50μm、クラッド径125μm、NA(開口数)0.2のマルチモード光ファイバが使用されているので、約1W(ワット)の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを48本(8×6)束ねなければならず、発光領域の面積は0.62mm2(0.675mm×0.925mm)であるから、レーザー出射部68での輝度は1.6×106(W/m2)、光ファイバ1本当りの輝度は3.2×106(W/m2)である。
【0070】
これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ6本で約1Wの出力を得ることができ、レーザー出射部68での発光領域の面積は0.0081mm2(0.325mm×0.025mm)であるから、レーザー出射部68での輝度は123×106(W/m2)となり、従来に比べ約80倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ1本当りの輝度は90×106(W/m2)であり、従来に比べ約28倍の高輝度化を図ることができる。これにより、DMD50へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として露光面56へ入射する光束の角度も小さくなるので、ビームスポットの焦点深度を深くできる。
【0071】
露光パターンに応じた画像データが、DMD50に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内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。
【0072】
感光材料150を表面に吸着したステージ152は、図示しない駆動装置により、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ152がゲート160下を通過する際に、ゲート160に取り付けられた検知センサ164により感光材料150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166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166毎にDMD50のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。
【0073】
ファイバアレイ光源66からDMD50にレーザ光が照射されると、DMD50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54、58により感光材料150の露光面56上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源66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150がDMD50の使用画素数と略同数の画素単位(露光エリア168)で露光される。また、感光材料150がステージ152と共に一定速度で移動されることにより、感光材料150がスキャナ162によりステージ移動方向と反対の方向に走査され、各露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。
【0074】
スキャナ162による感光材料150の走査が終了し、検知センサ164で感光材料150の後端が検出されると、ステージ152は、図示しない駆動装置により、ガイド158に沿ってゲート160の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【0075】
以上説明した露光装置142では、複数の第1マイクロレンズ74が、DMD50における各マイクロミラー62により露光状態に変調されたレーザビームを集光すると共に、これらの第1マイクロレンズ74の後方焦点位置に配置された複数の第2マイクロレンズ79が、マイクロミラーの実像を露光面上にそれぞれ結像することにより、露光状態に変調されたレーザビームを第1マイクロレンズ74により集光し、この集光されたレーザビームを第2マイクロレンズ79へ入射できるので、露光状態に変調されたレーザビームがレーザー出射部68の面積に対応する広がり角を有する場合でも、所定のマイクロミラー62により露光状態に変調されたレーザビームの一部が所定のマイクロミラー62に対応する第2マイクロレンズ79以外の第2マイクロレンズ79へ迷光として入射することを防止できる。
【0076】
また露光装置142では、第2マイクロレンズ79の焦点距離を所要のビームスポットBSのスポット径に応じて適宜設定することで、露光面56上にビームスポットBSとして形成されるマイクロミラー62の実像のサイズを任意のサイズに縮小できるので、レンズ系54,58により露光エリア168の面積を拡大した場合でも、露光面56におけるMTF特性の低下を防止できる。
【0077】
なお、本実施形態の露光装置142では、第1マイクロレンズ74及び第2マイクロレンズ79がそれぞれ単一のレンズにより構成されていたが、第1マイクロレンズ74及び第2マイクロレンズ79の一方又は双方をそれぞれ複数のレンズ(マイクロレンズを組み合せて構成するようにしても良い。このようにマイクロレンズ74 ,79を複数のレンズ(マイクロレンズ)を組み合すことにより、色収差、球面収差等を効果的に改善できるようになる。
【0078】
また、図17に示すように、第2マイクロレンズの後方焦点位置付近に、露光面56におけるビームスポットBSのスポット径及びスポット形状に対応するアパーチャ88が設けられたアパーチャアレイ86を配置するようにしても良い。このように第2マイクロレンズ79の後方焦点位置付近に、露光面56におけるビームスポットBSのスポット径及びスポット形状に対応する開口径及び開口形状を有するアパーチャ88を配置することにより、第2マイクロレンズ79から出射されたレーザビームにおける散乱光、回折光等のノイズ成分となる光をアパーチャ88により遮断できるので、露光面56に投影されるビームスポットBSを所要のスポット形状に精度良く整形でき、かつビームスポットBSの外側にノイズ成分となる光が投影されることを防止できる。
【0079】
また、露光ヘッド166から露光面56までのクリアランスが十分に短い場合には、図20に示すように、レンズ系80 ,82(第2光学系)を結像光学系146から省略し、マイクロ結像レンズアレイ86の第2マイクロレンズ79により結像されたDMD50の各マイクロミラー62の実像をビームスポットBSとして直接、露光面56上に投影して感光材料150を露光するようにしても良い。
【0080】
また、本実施形態に係る露光装置142では、空間変調素子としてDMDを用いたが、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間変調素子(SLM ; Spacial Light Modulator)や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子(PLZT素子)や液晶光シャッタ(FLC)等、MEMSタイプ以外の空間変調素子をDMD50に代えて用いた場合にも、結像光学系146として図5又は図20に示すものを用いれば、アパーチャ78による光量損失を抑制しつつ、露光エリア168におけるMTF特性下の低下を防止できる。
【0081】
なお、MEMSとは、IC製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、MEMSタイプの空間変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間変調素子を意味している。
【0082】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の露光ヘッド及び露光装置によれば、迷光の発生及び光効率の低下を生じさせることなく、露光面を露光するビームスポットを所望のスポット径に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態に係る露光装置の外観を示す斜視図である。
【図2】 第1の実施の形態に係る露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図3】 (A)は感光材料に形成される露光済み領域を示す平面図であり、(B)は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す図である。
【図4】 本発明の実施の形態に係る露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図5】 (A)は図4に示す露光ヘッドにおける結像光学系の構成を示す側面図、(B)及び(C)は露光ヘッドによる露光エリアの平面図である。
【図6】 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7】 (A)及び(B)はDMDの動作を説明するための説明図である。
【図8】 (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、露光ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図である。
【図9】 (A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(Aの部分拡大図であり、(C)及び(D)はレーザー出射部における発光点の配列を示す平面図である。
【図10】 マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図11】 合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図12】 レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図13】 図12に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図14】 図12に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図15】 図5に示す露光ヘッドにおける第1マイクロレンズ及び第2マイクロレンズの側面図であり、第2マイクロレンズの開口径を第1マイクロレンズよりも小さくした構成例を示している。
【図16】 図5に示す露光ヘッドにおける第1マイクロレンズ及び第2マイクロレンズの側面図であり、第1マイクロレンズと第2マイクロレンズの開口径を等しくした構成例を示している。
【図17】 図5に示す第2マイクロレンズの後方焦点位置にアパーチャを追加した場合の露光ヘッドの構成を示す側面図である。
【図18】 従来の露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った側面図である。
【図19】 従来の露光ヘッドにマイクロレンズを適用した構成を示す側面図である。
【図20】図5に示す結像光学系から第2レンズ系を省略した場合の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
50 DMD(空間光変調素子)
54,58 レンズ系(第1光学系)
56 露光面
62 マイクロミラー(画素部)
68 レーザー出射部
72 マイクロレンズアレイ
74 第1マイクロレンズ
76 アパーチャアレイ
78 アパーチャ
79 第2マイクロレンズ
80,82 レンズ系(第2光学系)
86 アパーチャアレイ
88 アパーチャ
142 露光装置
144 照明ユニット(照明手段)
146 結像光学系
166 露光ヘッド
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exposure head for exposing an exposure surface of a photosensitive material or the like with a laser beam spatially modulated by a spatial light modulation element according to image data, and an exposure apparatus provided with the exposure head.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various exposure apparatuses that perform image exposure with a light beam modulated in accordance with image data using a spatial light modulation element such as a digital micromirror device (DMD) have been proposed.
[0003]
For example, as the DMD, a mirror device in which a number of micromirrors whose reflection surfaces change in response to a control signal are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate such as silicon is used, and exposure using the DMD is performed. As shown in FIG. 18, the apparatus is reflected by a light source 1 that emits a laser beam, a lens system 2 that collimates the laser beam emitted from the light source 1, and DMDs 3 and DMD 3 that are disposed at substantially focal positions of the lens system 2. The lens systems 4 and 6 form an image of the laser beam on the exposure surface 5. The DMD 3 is a reflective spatial light modulator, but in FIG. 18, for the sake of simplicity, the laser beam is shown as being emitted from the DMD 3 to the exposure surface 5 side without being deflected. ing.
[0004]
In this exposure apparatus, each of the micromirrors of the DMD 3 is on / off controlled by a control device (not shown) by a control signal generated according to image data or the like to modulate (deflect) the laser beam, and the exposure surface is modulated by the modulated laser beam. 2 exposures. Here, the lens systems 4 and 6 are configured as a magnifying optical system, and the exposure area on the exposure surface 5 is enlarged with respect to the surface portion of the DMD 3 on which the micromirrors are arranged.
[0005]
Moreover, in the above exposure apparatus, the micromirror and exposure surface in DMD are usually used.5Are made conjugate with each other, and a reflected light image by the micromirror is formed on the exposure surface 5 by the lens systems 4 and 6, and the exposure surface 5 is exposed using the reflected light image as a beam spot.
[0006]
However, when the area of the exposure area with respect to the exposure surface 5 is expanded with respect to the area of the surface portion of the DMD 3 by the lens systems 4 and 6, the area (spot diameter) of the beam spot on the exposure surface 5 is also expanded according to the expansion ratio. Therefore, the MTF (Modulation Transfer Function) characteristic on the exposure surface 5 is lowered in accordance with the enlargement ratio of the exposure area.
[0007]
Therefore, in the exposure apparatus as described above, as shown in FIG. 19, a plurality of microlenses 7 are arranged between the lens system 6 and the exposure surface 5 so as to correspond to each micromirror of the DMD 3 on a one-to-one basis. In some cases, the spot diameter on the exposure surface 5 is adjusted (reduced) to a desired size by reducing the laser beam reflected by the micromirror by these microlenses 7.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the exposure apparatus as described above, the laser emission part in the light source 1 usually has a certain area and cannot be regarded as a point light source. For this reason, as shown in FIG. 19, the laser beam reflected by the micromirror of DMD 3 also has a certain spread angle αs corresponding to the area of the laser emitting portion. As a result, in the exposure apparatus as described above, when a microlens is used to reduce the spot diameter of the beam spot on the exposure surface 5, a part of the laser beam reflected by the predetermined micromirror is stray light SL. The light enters the microlens 7 other than the microlens 7 corresponding to the predetermined micromirror. In many cases, such stray light SL forms a ghost image GI on the exposure surface 5 through the microlens 7, and generates an exposure portion that becomes a noise component on the exposure surface 5.
[0009]
Further, in the exposure apparatus as described above, an aperture having an aperture diameter corresponding to the spot diameter of a required beam spot is disposed between the lens system 6 and the exposure surface 5 without using the microlens 7, and this aperture. It is conceivable to reduce the beam diameter on the exposure surface 5 by using this aperture. However, when such an aperture is used, the light loss due to the aperture increases as the reduction ratio with respect to the laser beam increases, and the light utilization efficiency is remarkably increased. descend.
[0010]
In view of the above facts, an object of the present invention is to provide an exposure head and an exposure apparatus that can adjust a beam spot for exposing an exposure surface to a desired spot diameter without generating stray light and reducing light efficiency. There is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an exposure head according to a first aspect of the present invention is an exposure head for two-dimensionally exposing an exposure surface with a plurality of laser beams, wherein the laser beam is emitted from a laser emitting portion. The illuminating means that emits and a plurality of pixel portions whose light modulation states change according to the control signal are two-dimensionally arranged, and the laser beam incident from the laser emitting portion is exposed and non-exposed by the pixel portion. A spatial light modulation element that modulates any one of the above, a first optical system that forms an image of each pixel portion in the spatial light modulation element, and an image position of each of the plurality of pixel portions. A plurality of first microlenses that condense the laser beams that are two-dimensionally arranged at the same pitch as the image size and that are modulated by the plurality of pixel portions into the exposure state;
A plurality of second microlenses that are arranged at rear focal positions of the plurality of first microlenses, and that respectively form a real image of the pixel portion on the exposure surface, and are imaged by the second microlenses. The exposure surface is exposed using a real image of the pixel portion as a beam spot.
[0012]
In the exposure head according to the first aspect, the plurality of first microlenses condense the laser beams modulated in the exposure state by the plurality of pixel portions in the spatial light modulator, and The plurality of second microlenses arranged at the back focal position respectively form a real image of the pixel portion on the exposure surface, thereby condensing the laser beam modulated in the exposure state by the first microlens. Since the focused laser beam can be incident on the second microlens, even if the laser beam modulated in the exposure state has a spread angle corresponding to the area of the laser emitting portion, it is modulated in the exposure state by a predetermined pixel portion. It is possible to prevent a part of the laser beam from entering the second microlens other than the second microlens corresponding to the predetermined pixel portion as stray light.
[0013]
In the exposure head according to claim 1, since the focal length of the second microlens is appropriately set, the size of the real image of the pixel portion formed as a beam spot on the exposure surface can be reduced to an arbitrary size. Even when the area of the exposure area is enlarged with respect to the size of the spatial light modulator using the magnifying optical system as the first optical system, it is possible to prevent the MTF characteristic from being lowered on the exposure surface.
[0014]
Here, the first microlens and the second microlens do not need to be configured by a single lens, but may be configured by combining a plurality of lenses in order to improve chromatic aberration, spherical aberration, and the like. In addition, the spatial light modulator does not necessarily need to completely block the laser beam from the microlens when the laser beam is modulated to the non-exposure state, and causes the laser beam whose intensity is weakened to enter the microlens. Anyway.
[0015]
An exposure head according to a second aspect of the present invention is the exposure head according to the first aspect, wherein a real image group that is a set of images of the pixel portion formed by the plurality of second microlenses is formed on the exposure surface. And a second optical system that forms an image.
[0016]
An exposure head according to a third aspect of the present invention is the exposure head according to the second aspect, wherein a spot of a beam spot on the exposure surface is formed at a real image position where the pixel portion is imaged by the plurality of second microlenses. A plurality of aperture diameters and aperture shapes corresponding to the diameter and spot shape.FirstIt is characterized in that each aperture is arranged.
[0017]
Claims above3According to the described exposure head, the real image position where the pixel portion is imaged by the second microlens has an aperture diameter and an aperture shape corresponding to the spot diameter and spot shape of the beam spot on the exposure surface.FirstBy arranging the aperture, light that becomes a noise component such as scattered light and diffracted light in the laser beam emitted from the second microlens can be blocked by the first aperture. It is possible to accurately shape the spot shape, and to prevent light that becomes a noise component from being projected outside the beam spot.
An exposure head according to a fourth aspect of the present invention is the exposure head according to any one of the first to third aspects, wherein the plurality of first microlenses are located at a rear focal position of the plurality of first microlenses. A plurality of second apertures corresponding one-to-one are arranged, and the second microlenses are arranged in openings of the second apertures.
[0018]
Claims related to the present invention5The exposure apparatus described is5. The method according to any one of claims 1 to 4.The exposure head and the exposure head so that the arrangement direction of the plurality of pixel portions is inclined with respect to the scanning direction with respect to the exposure surface, and the exposure head is relative to the scanning direction during exposure with respect to the exposure surface. And moving means for moving.
[0019]
Claims above5According to the described exposure apparatus, j pixel units are arranged in the spatial light modulator along a direction (row direction) substantially orthogonal to the scanning direction, and along a direction (column direction) substantially corresponding to the scanning direction. When k pixel units are arranged in the spatial light modulation element, the exposure head is relatively moved in the scanning direction while supporting the exposure head so that the arrangement direction of the pixel parts of the spatial light modulation element is inclined with respect to the scanning direction. By moving, it is possible to expose different positions on the same scanning line on the exposure surface by an integral multiple of j, that is, (j × N) laser beams, according to the inclination angle of the pixel portion in the arrangement direction with respect to the scanning direction. Therefore, the pixel density of the exposure pattern formed on the exposure surface can be increased to a required density by appropriately adjusting the tilt angle in the arrangement direction of the pixel portion, and substantially the same position (dot) on the same scanning line can be set. Spatial light modulation Since it exposed to the laser beam modulated by k / N pixel units arranged in the same column of the child of k / N times (multiple exposure), the resolution of the exposure pattern to be formed on the exposed surface can be improved.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Configuration of exposure apparatus]
As shown in FIG. 1, the exposure apparatus 142 according to the embodiment of the present invention includes a flat plate stage 152 that holds a sheet-like photosensitive material 150 by adsorbing to the surface. Two guides 158 extending along the stage moving direction are installed on the upper surface of the thick plate-shaped installation base 156 supported by the four legs 154. The stage 152 is arranged so that the longitudinal direction thereof faces the stage moving direction, and is supported by a guide 158 so as to be reciprocally movable. The exposure device 142 is provided with a drive device (not shown) for driving the stage 152 along the guide 158.
[0021]
A U-shaped gate 160 is provided at the center of the installation table 156 so as to straddle the movement path of the stage 152. Each of the end portions of the gate 160 is fixed to both side surfaces of the installation table 156. A scanner 162 is provided on one side of the gate 160, and a plurality of (for example, two) detection sensors 164 for detecting the front and rear ends of the photosensitive material 150 are provided on the other side. The scanner 162 and the detection sensor 164 are respectively attached to the gate 160 and fixedly arranged above the moving path of the stage 152. The scanner 162 and the detection sensor 164 are connected to a controller (not shown) that controls them.
[0022]
As shown in FIGS. 2 and 3B, the scanner 162 includes a plurality of (for example, 14) exposure heads 166 arranged in an approximately matrix of m rows and n columns (for example, 3 rows and 5 columns). ing. In this example, four exposure heads 166 are arranged in the third row in relation to the width of the photosensitive material 150. In addition, when showing each exposure head arranged in the m-th row and the n-th column, it is expressed as an exposure head 166mn.
[0023]
An exposure area 168 by the exposure head 166 has a rectangular shape with a short side in the scanning direction. Therefore, as the stage 152 moves, a strip-shaped exposed area 170 is formed for each exposure head 166 in the photosensitive material 150. In addition, when showing the exposure area by each exposure head arranged in the mth row and the nth column, it is expressed as an exposure area 168mn.
[0024]
Also, as shown in FIGS. 3A and 3B, each of the exposure heads in each row arranged in a line so that the strip-shaped exposed regions 170 are arranged in the direction orthogonal to the scanning direction without gaps. The arrangement direction is shifted by a predetermined interval (a natural number multiple of the long side of the exposure area, twice in the present embodiment). Therefore, the exposure area 168 in the first row11And exposure area 16812The part that cannot be exposed is the exposure area in the second row168 21 And exposure area 168 in the third row31And can be exposed.
[0025]
Exposure head166 11  Each of 166 mn has a digital micromirror device (DMD) as a spatial light modulation element that modulates an incident light beam for each pixel in accordance with image data, as shown in FIGS. 50. The DMD 50 is connected to a controller (not shown) including a data processing unit and a mirror drive control unit. The data processing unit of this controller generates a control signal for driving and controlling each micromirror in the region to be controlled by the DMD 50 for each exposure head 166 based on the input image data. The area to be controlled will be described later. The mirror drive control unit controls the angle of the reflection surface of each micromirror in the DMD 50 for each exposure head 166 based on the control signal generated by the image data processing unit. The control of the angle of the reflecting surface will be described later.
[0026]
As shown in FIG. 4, the exposure head 166 is provided with an illumination unit 144 on the light incident side of the DMD 50. The illumination unit 144 includes a fiber array light source 66 having a laser emission portion in which emission ends (light emission points) of optical fibers are arranged in a line along a direction corresponding to the long side direction of the exposure area 168, and a fiber array. A lens system 67 that corrects laser light emitted from the light source 66 and collects the light on the DMD, and a mirror 69 that reflects the laser light transmitted through the lens system 67 toward the DMD 50 are arranged in this order.
[0027]
As shown in FIG. 6, the DMD 50 is configured such that a micromirror 62 is supported by a support column on an SRAM cell (memory cell) 60, and a large number of (pixels) (pixels) are formed. For example, the mirror device is configured by arranging 600 × 800 micromirrors in a lattice pattern. Each pixel is provided with a micromirror 62 supported by a support column at the top, and a material having a high reflectance such as aluminum is deposited on the surface of the micromirror 62. The reflectance of the micromirror 62 is 90% or more. A silicon gate CMOS SRAM cell 60 manufactured on a normal semiconductor memory manufacturing line is disposed directly below the micromirror 62 via a support including a hinge and a yoke, and is entirely monolithic (integrated type). ).
[0028]
When a digital signal is written in the SRAM cell 60 of the DMD 50, the micromirror 62 supported by the support is inclined within a range of ± α degrees (for example, ± 10 degrees) with respect to the substrate side on which the DMD 50 is disposed with the diagonal line as the center. It is done. FIG. 7A shows a state in which the micromirror 62 is tilted to + α degrees in the on state, and FIG. 7B shows a state in which the micromirror 62 is tilted to −α degrees in the off state. Therefore, by controlling the inclination of the micromirror 62 in each pixel of the DMD 50 as shown in FIG. 6 according to the image signal, the light incident on the DMD 50 is reflected in the inclination direction of each micromirror 62. .
[0029]
FIG. 6 shows an example of a state in which a part of the DMD 50 is enlarged and the micromirror 62 is controlled to + α degrees or −α degrees. On / off control of each micromirror 62 is performed by a controller (not shown) connected to the DMD 50. Here, the light reflected by the on-state micromirror 62 is modulated into an exposure state, and enters an imaging optical system 146 (see FIG. 5) provided on the light exit side of the DMD 50. The light reflected by the micromirror 62 in the off state is modulated into a non-exposure state and enters a light absorber (not shown).
[0030]
Further, it is preferable that the DMD 50 is disposed slightly inclined so that the short side direction forms a predetermined angle θ (for example, 0.1 ° to 0.5 °) with the scanning direction. 8A shows the scanning trajectory of the reflected light image (exposure beam) 53 by each micromirror when the DMD 50 is not tilted, and FIG. 8B shows the scanning trajectory of the exposure beam 53 when the DMD 50 is tilted. Show.
[0031]
In the DMD 50, a number of micromirror arrays in which a large number (for example, 800) of micromirrors are arranged along the longitudinal direction (row direction) are arranged in a short direction (for example, 600 sets). As shown in FIG. 8B, by tilting the DMD 50, the pitch of the scanning locus (scanning line) of the exposure beam 53 by each micromirror.P 2 Is the pitch of the scanning line when the DMD 50 is not inclinedP 1 It becomes narrower and the resolution can be greatly improved. On the other hand, since the tilt angle of the DMD 50 is very small, the scanning width W when the DMD 50 is tilted.2And the scanning width W when the DMD 50 is not inclined.1Is substantially the same.
[0032]
Further, substantially the same position (dot) on the same scanning line is overlapped and exposed (multiple exposure) by different micromirror rows. In this way, by performing multiple exposure, it is possible to control a minute amount of the exposure position and to realize high-definition exposure. Further, the joints between the plurality of exposure heads arranged in the scanning direction can be connected without any step by controlling a very small amount of exposure position.
[0033]
Note that the same effect can be obtained by arranging the micromirror rows in a staggered manner by shifting the micromirror rows by a predetermined interval in a direction orthogonal to the scanning direction instead of inclining the DMD 50.
[0034]
For example, as shown in FIG. 9A, the fiber array light source 66 includes a plurality of (for example, six) laser modules 64, and one end of the multimode optical fiber 30 is coupled to each laser module 64. Has been. The other end of the multimode optical fiber 30 is coupled with an optical fiber 31 having the same core diameter as the multimode optical fiber 30 and a cladding diameter smaller than the multimode optical fiber 30, as shown in FIG. A laser emission portion 68 is configured by arranging emission ends (light emission points) of the optical fiber 31 in a line along a direction orthogonal to the scanning direction. As shown in FIG. 9D, the light emitting points can be arranged in two rows along a direction orthogonal to the scanning direction. Such an arrangement of the emission end portions of the optical fiber 31 is determined based on the spot shape of the beam spot projected onto the exposure surface 56, as will be described later.
[0035]
As shown in FIG. 9B, the emission end of the optical fiber 31 is sandwiched and fixed between two support plates 65 having a flat surface. Further, a transparent protective plate 63 such as glass is disposed on the light emitting side of the optical fiber 31 in order to protect the end face of the optical fiber 31. The protective plate 63 may be disposed in close contact with the end surface of the optical fiber 31 or may be disposed so that the end surface of the optical fiber 31 is sealed. The exit end of the optical fiber 31 is easily deteriorated because of its high light density and easy dust collection. However, the protective plate 63 can prevent dust from adhering to the end face and delay the deterioration. .
[0036]
In the example of FIG. 9B, in order to arrange the output ends of the optical fibers 31 having a small cladding diameter in a line without any gap, a multi-mode optical fiber 30 adjacent to each other at a portion having a large cladding diameter is arranged. The optical fibers 31 are stacked, and the output ends of the optical fibers 31 coupled to the stacked multimode optical fibers 30 are coupled to two adjacent multimode optical fibers 30 at a portion where the cladding diameter is large. Are arranged so as to be sandwiched between the emission ends of the two.
[0037]
For example, as shown in FIG. 10, an optical fiber 31 having a length of 1 to 30 cm and having a small cladding diameter is coaxially connected to the tip of the multimode optical fiber 30 having a large cladding diameter on the laser light emission side. Can be obtained by linking them together. The two optical fibers 30 and 31 are fused and joined so that the incident end face of the optical fiber 31 is coincident with the outgoing end face of the multimode optical fiber 30 so that the central axes of both optical fibers coincide. As described above, the diameter of the core 31 a of the optical fiber 31 is the same as the diameter of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0038]
In addition, a short optical fiber in which an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter is fused to an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter may be coupled to the output end of the multimode optical fiber 30 via a ferrule or an optical connector. Good. By detachably coupling using a connector or the like, the tip portion can be easily replaced when an optical fiber having a small cladding diameter is broken, and the cost required for exposure head maintenance can be reduced. Hereinafter, the optical fiber 31 may be referred to as an emission end portion of the multimode optical fiber 30.
[0039]
The multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 may be any of a step index type optical fiber, a graded index type optical fiber, and a composite type optical fiber. For example, a step index type optical fiber manufactured by Mitsubishi Cable Industries, Ltd. can be used. In the present embodiment, the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 are step index type optical fibers, and the multimode optical fiber 30 has a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 25 μm, NA = 0.2, an incident end face. The transmittance of the coat is 99.5% or more, and the optical fiber 31 has a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 25 μm, and NA = 0.2.
[0040]
In general, in the laser light in the infrared region, the propagation loss increases as the cladding diameter of the optical fiber is reduced. For this reason, a suitable cladding diameter is determined according to the wavelength band of the laser beam. However, the shorter the wavelength, the smaller the propagation loss. In the case of laser light having a wavelength of 405 nm emitted from a GaN-based semiconductor laser, the cladding thickness {(cladding diameter−core diameter) / 2} is set to an infrared light having a wavelength band of 800 nm. The propagation loss hardly increases even if it is about ½ of the case of propagating infrared light and about ¼ of the case of propagating infrared light in the 1.5 μm wavelength band for communication. Therefore, the cladding diameter can be reduced to 60 μm.
[0041]
However, the cladding diameter of the optical fiber 31 is not limited to 60 μm. The clad diameter of the optical fiber used in the conventional fiber light source is 125 μm, but the depth of focus becomes deeper as the clad diameter becomes smaller. Therefore, the clad diameter of the multimode optical fiber is preferably 80 μm or less, more preferably 60 μm or less. Preferably, it is 40 μm or less. On the other hand, since the core diameter needs to be at least 3 to 4 μm, the cladding diameter of the optical fiber 31 is preferably 10 μm or more.
[0042]
The laser module 64 is configured by a combined laser light source (fiber light source) shown in FIG. This combined laser light source includes a plurality of (for example, seven) chip-like lateral multimode or single mode GaN-based semiconductor lasers LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, arrayed and fixed on the heat block 10. And LD7, collimator lenses 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, one condenser lens 20, and one multi-lens. Mode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven.
[0043]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have the same oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all the same (for example, 100 mW for the multimode laser and 30 mW for the single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used.
[0044]
As shown in FIGS. 12 and 13, the above-described combined laser light source is housed in a box-shaped package 40 having an upper opening together with other optical elements. The package 40 includes a package lid 41 created so as to close the opening thereof. After the deaeration process, a sealing gas is introduced, and the package 40 and the package lid 41 are closed by closing the opening of the package 40 with the package lid 41. 41. The combined laser light source is hermetically sealed in a sealed space formed by 41.
[0045]
A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condensing lens holder 45 that holds the condensing lens 20, and the multimode optical fiber 30 are disposed on the top surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the incident end is attached. The exit end of the multimode optical fiber 30 is drawn out of the package from an opening formed in the wall surface of the package 40.
[0046]
Further, a collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10, and the collimator lenses 11 to 17 are held. An opening is formed in the lateral wall surface of the package 40, and wiring 47 for supplying a driving current to the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package through the opening.
[0047]
In FIG. 13, in order to avoid complication of the drawing, only the GaN semiconductor laser LD7 among the plurality of GaN semiconductor lasers is numbered, and only the collimator lens 17 among the plurality of collimator lenses is numbered. is doing.
[0048]
FIG. 14 is a front view of the collimator lenses 11 to 17 and their mounting portions. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape obtained by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface into a long and narrow plane. This elongated collimator lens can be formed, for example, by molding resin or optical glass. The collimator lenses 11 to 17 are closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so that the length direction is orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 (left and right direction in FIG. 14).
[0049]
On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to the active layer, respectively, for example A laser emitting ~ B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
[0050]
Accordingly, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the elongated collimator lenses 11 to 17 as described above. Incident light is incident in a state where the direction coincides with the width direction (direction perpendicular to the length direction). That is, the collimator lenses 11 to 17 have a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the horizontal and vertical beam diameters of the laser beams B1 to B7 incident thereon are 0.9 mm and 2. 6 mm. Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f = 3 mm, NA = 0.6, and a lens arrangement pitch = 1.25 mm.
[0051]
The condensing lens 20 is formed by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspheric surface into a long and narrow shape in parallel planes, and is long in the arrangement direction of the collimator lenses 11 to 17, that is, in a horizontal direction and short in a direction perpendicular thereto Is formed. The condenser lens 20 has a focal length f2 = 23 mm and NA = 0.2. This condensing lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.
[0052]
Next, the imaging optical system 146 provided on the light reflection side of the DMD 50 in the exposure head 166 will be described. As shown in FIG. 5A, the exposure head 166 is provided with an imaging optical system 146 for projecting a light source image on the exposure surface 56 on the light reflection side of the DMD 50. In the imaging optical system 146, a pair of lens systems 54, 58, a micro field lens array 72, a micro imaging lens array 76, and a pair of lens systems 80, 82 are arranged in this order from the DMD 50 side to the exposure surface 56. Has been.
[0053]
Here, the lens systems 54 and 58 are configured as a magnifying optical system, and by expanding the cross-sectional area of the light beam reflected by the micromirror 62 of the DMD 50, the light beam reflected by the DMD 50 on the exposure surface 56 is used. The area of the exposure area 168 is expanded to a required size. The micro field lens array 72 is formed by integrally forming a plurality of first micro lenses 74 corresponding to each micro mirror 62 of the DMD 50 that reflects light from the illumination unit 144 in a one-to-one manner. The lens 74 is disposed on the imaging surface of the micromirror 62 on the optical axis of the laser beam that has passed through the lens systems 54 and 58, and the diameter thereof is substantially the same as the image size of the real image of the micromirror 62. ing. Micro field lens array72The first micro lenses 74 are two-dimensionally arranged at the same pitch as the image size of the micro mirror 62 at the image position.
[0054]
The micro imaging lens array 76 is provided with a plurality of apertures (aperture stops) 78 corresponding to the plurality of first microlenses 74 in the microfield lens array 72 in a one-to-one manner. Two microlenses 79 are arranged. The lens diameter of the second microlens 79 coincides with the aperture diameter of the aperture 78, and the optical axis of the second microlens 79 and the optical axis of the first microlens 74 coincide.
[0055]
In the imaging optical system 146, the focal length of the lens system 54 is f1, and the focal length of the lens system 58 is f2. The focal length of the second microlens 79 is f4. The micro imaging lens array 72 is disposed at the rear focal position of the first microlens 74. The lens systems 80 and 82 are configured as, for example, equal-magnification optical systems, and a real image group, which is a set of real images of the micromirrors 62 formed by the plurality of second microlenses 79, is exposed on the exposure surface 56. To form an image. Here, the focal lengths of the lens system 80 and the lens system 82 are set to f5. The lens systems 54 and 58 and the lens systems 80 and 82 in the imaging optical system 146 are shown as one lens in FIG. 5, but a plurality of lenses (for example, a convex lens and a concave lens) are used. It may be a combination.
[0056]
In the imaging optical system 146, the spot diameter and the spot shape of the beam spot imaged on the exposure surface 56 depend on the resolution of the exposure pattern formed in the exposed region 170, the scanning speed of the exposure head 166, and the scanning direction of the DMD 50. It is determined according to design items such as the size of the tilt angle and the characteristics of the photosensitive material 150. On the other hand, the aperture diameter and the aperture shape of the aperture 78 are set according to the spot diameter and spot shape of the beam spot imaged on the exposure surface 56.
[0057]
With reference to FIG. 5, the operation of the first microlens 74 and the second microlens 79 in the imaging optical system 146 will be described. The lens systems 54 and 58 constituting the magnifying optical system enlarge the area of the exposure area 168 on the exposure surface 56 to a required size by enlarging the cross-sectional area of the light beam reflected by the DMD 50. At this time, the laser beam reflected by the micromirror 62 of the DMD 50 is also transmitted through the lens systems 54 and 58, so that the beam diameter is expanded according to the magnification of the lens systems 54 and 58. Therefore, when the microlenses 74 and 79 are not arranged in the imaging optical system 146, the spot diameter of each beam spot BS projected on the exposure surface 56 is set to the exposure area 168 as shown in FIG. It will be bigger depending on the size. For this reason, even if scanning exposure is performed as shown in FIG. 8A, the MTF (Modulation Transfer Function) characteristic of the exposure area 168 is lowered in accordance with the magnification ratio of the lens systems 54 and 58.
[0058]
In order to prevent the deterioration of the MTF characteristics as described above and to prevent a part of the laser beam modulated into the exposure state by the micromirror 62 from becoming stray light, the imaging optical system 146 includes a lens system 54, A plurality of first microlenses 74 are two-dimensionally arranged so as to correspond to the respective micromirrors 62 of the DMD 50 on the image forming surface on which a real image of the micromirror 62 is formed by the 58. A plurality of second microlenses 79 are two-dimensionally arranged at the back focal position of one microlens 74.
[0059]
Here, as shown in FIG. 15, the second microlens 79 is a real image RI of the micromirror 62.1Is reduced to a real image RI on an image plane 85 which is a virtual plane equivalent to the exposure plane 56.2Form. As a result, as shown in FIG. 5C, even when the exposure area 168 is enlarged by the lens systems 54 and 58 at a high magnification, the spot diameter of the beam spot BS can be reduced to a required size, and the exposure surface can be reduced. The deterioration of the MTF characteristic at 56 can be prevented. The first microlens 74 acts as a field lens for condensing the laser beam, and condenses one laser beam having a spread angle αs corresponding to the area along the direction perpendicular to the optical axis of the laser emitting unit 68. The light is incident on one second microlens 79.
[0060]
Next, a method for setting the focal length f3 of the first microlens 74 will be specifically described. As shown in FIG. 15, the opening diameter 2R of the first microlens 74 is the real image RI of the micromirror 62 imaged by the lens system 58.1Is consistent with the size. Further, the aperture diameter of the second microlens 79 disposed at the rear focal position of the first microlens 74 is set to (2R / n). At this time, n is a reduction ratio of the opening diameter of the second microlens 79 with respect to the opening diameter of the first microlens 74, and this n (n ≧ 1) is determined based on the spot diameter of the beam spot BS.
[0061]
Consider a condition in which all the light beams transmitted through the first microlens 74 are theoretically incident on the second microlens 79, that is, the aperture 78. At this time, if the spread angle of the light flux from the first microlens 74 toward the light source is αs, the spread angle αs can be obtained by the following equation (1).
[0062]
αs = (R / n) / f3 (1)
From the equation (1), the focal length f3 of the micro lens 74 is obtained by the following equation (2).
[0063]
f3 = (R / n) / αs (2)
When the focal length f3 of the first microlens 74 is set to a value calculated by the above equation (2), the light (laser beam) transmitted through the first microlens 74 is theoretically as shown in FIG. The entire amount is incident on one second microlens 79 without being blocked by the aperture 78. However, the light transmitted through the first microlens 74 includes light that becomes noise components such as diffracted light due to aberration of the first microlens 74 and scattered light due to scattering, and the light that becomes such noise components is apertured. In actuality, a slight light loss is caused by the aperture 78. However, the focal length f3 obtained by the equation (2) is a theoretical optimum value for minimizing the light loss. For this reason, the exposure head 166 considers the shape of the beam spot BS by the aperture 78, the noise light removability, and the like, so that the aperture 78 and the second microlens 79 are positioned around a minute distance from the back focal position of the first microlens 74. It is allowed to be placed in
[0064]
FIG. 16 shows a case where the reduction ratio n is particularly 1, and the opening diameter of the second microlens 79 is equal to the opening diameter 2R of the first microlens 74.
[0065]
Here, the imaging surface 85 is conjugated with the exposure surface 56 via the lens systems 80 and 82. Thereby, the real image RI of the micromirror 62 reduced by the second microlens 79 is formed on the exposure surface 56.2A real image of the micromirror 62 having the same size as the first image is formed. The exposure device 142 exposes the exposure surface 56 using the real image of the micromirror 62 formed by the lens systems 80 and 82 as a beam spot BS.
[Operation of exposure apparatus]
Next, the operation of the exposure apparatus 142 will be described.
[0066]
In each exposure head 166 of the scanner 162, laser beams B1, B2, B3, B4, B5, and B6 emitted in a divergent light state from each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source of the fiber array light source 66. , And B7 are collimated by collimator lenses 11-17 as shown in FIG. The collimated laser beams B <b> 1 to B <b> 7 are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0067]
In the present embodiment, a condensing optical system is configured by the collimator lenses 11 to 17 and the condensing lens 20, and a combining optical system is configured by the condensing optical system and the multimode optical fiber 30. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condenser lens 20 enter the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate through the optical fiber to be combined with one laser beam B. The light is emitted from the optical fiber 31 coupled to the output end of the multimode optical fiber 30.
[0068]
In each laser module 64, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.85 and each output of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is 30 mW, as shown in FIG. A combined laser beam B having an output of 180 mW (= 30 mW × 0.85 × 7) can be obtained for each of the optical fibers 31 arranged in an array. Therefore, the output from the laser emitting unit 68 in which the six optical fibers 31 are arranged in an array is about 1 W (= 180 mW × 6).
[0069]
For example, in a conventional fiber light source in which a semiconductor laser and an optical fiber are coupled on a one-to-one basis, a laser having an output of about 30 mW (milliwatt) is usually used as the semiconductor laser, and the core diameter is 50 μm and the cladding diameter is 125 μm. Since a multimode optical fiber having a numerical aperture (NA) of 0.2 is used, if an output of about 1 W (watt) is to be obtained, 48 multimode optical fibers (8 × 6) must be bundled. The area of the light emitting region is 0.62 mm2(0.675 mm × 0.925 mm), the luminance at the laser emitting portion 68 is 1.6 × 10 6 (W / m).2), The luminance per optical fiber is 3.2 × 10 6 (W / m)2).
[0070]
On the other hand, in this embodiment, as described above, an output of about 1 W can be obtained with six multimode optical fibers, and the area of the light emitting region at the laser emitting portion 68 is 0.0081 mm.2(0.325 mm × 0.025 mm), the luminance at the laser emitting portion 68 is 123 × 10 6 (W / m).2Thus, the brightness can be increased by about 80 times compared to the conventional case. The luminance per optical fiber is 90 × 10 6 (W / m2The brightness can be increased by about 28 times compared to the conventional case. As a result, the angle of the light beam incident on the DMD 50 is reduced, and as a result, the angle of the light beam incident on the exposure surface 56 is also reduced, so that the focal depth of the beam spot can be increased.
[0071]
Image data corresponding to the exposure pattern is input to a controller (not shown) connected to the DMD 50 and temporarily stored in a frame memory in the controller. This image data is data representing the density of each pixel constituting the image by binary values (whether or not dots are recorded).
[0072]
The stage 152 that has adsorbed the photosensitive material 150 to the surface is moved at a constant speed from the upstream side to the downstream side of the gate 160 along the guide 158 by a driving device (not shown). When the leading edge of the photosensitive material 150 is detected by the detection sensor 164 attached to the gate 160 when the stage 152 passes under the gate 160, the image data stored in the frame memory is sequentially read out for a plurality of lines. A control signal is generated for each exposure head 166 based on the image data read by the data processing unit. Then, each of the micromirrors of the DMD 50 is controlled on and off for each exposure head 166 based on the generated control signal by the mirror drive control unit.
[0073]
When the DMD 50 is irradiated with laser light from the fiber array light source 66, the laser light reflected when the micromirror of the DMD 50 is on is imaged on the exposure surface 56 of the photosensitive material 150 by the lens systems 54 and 58. The In this manner, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is turned on and off for each pixel, and the photosensitive material 150 is exposed in pixel units (exposure area 168) that is approximately the same number as the number of pixels used in the DMD 50. Further, the photosensitive material 150 is moved at a constant speed together with the stage 152, so that the photosensitive material 150 is scanned in the direction opposite to the stage moving direction by the scanner 162, and a strip-shaped exposed region 170 is formed for each exposure head 166. Is done.
[0074]
When the scanning of the photosensitive material 150 by the scanner 162 is completed and the rear end of the photosensitive material 150 is detected by the detection sensor 164, the stage 152 is moved to the most upstream side of the gate 160 along the guide 158 by a driving device (not shown). It returns to a certain origin, and again moves along the guide 158 from the upstream side to the downstream side of the gate 160 at a constant speed.
[0075]
In the exposure apparatus 142 described above, the plurality of first microlenses 74 condense the laser beams modulated in the exposure state by the respective micromirrors 62 in the DMD 50 and at the rear focal positions of these first microlenses 74. The plurality of arranged second microlenses 79 each form a real image of the micromirror on the exposure surface, thereby condensing the laser beam modulated in the exposure state by the first microlens 74, Therefore, even when the laser beam modulated in the exposure state has a divergence angle corresponding to the area of the laser emitting portion 68, it is modulated into the exposure state by the predetermined micromirror 62. The second microlens 79 or the like in which a part of the laser beam that has been formed corresponds to a predetermined micromirror 62. It can be prevented from entering the stray light to the second micro lens 79.
[0076]
Further, the exposure apparatus 142 appropriately sets the focal length of the second microlens 79 according to the spot diameter of the required beam spot BS, so that the real image of the micromirror 62 formed as the beam spot BS on the exposure surface 56 is obtained. Since the size can be reduced to an arbitrary size, even when the area of the exposure area 168 is enlarged by the lens systems 54 and 58, a decrease in the MTF characteristic on the exposure surface 56 can be prevented.
[0077]
In the exposure apparatus 142 of the present embodiment, the first microlens 74 and the second microlens 79 are each constituted by a single lens. However, one or both of the first microlens 74 and the second microlens 79 are used. May be configured by combining a plurality of lenses (microlenses. In this way, the microlenses 74 and 79 are combined with a plurality of lenses (microlenses).SukoThus, chromatic aberration, spherical aberration, etc. can be effectively improved.
[0078]
In addition, as shown in FIG. 17, an aperture array 86 provided with apertures 88 corresponding to the spot diameter and spot shape of the beam spot BS on the exposure surface 56 is disposed near the rear focal position of the second microlens. May be. Thus, by arranging the aperture 88 having an aperture diameter and an aperture shape corresponding to the spot diameter and spot shape of the beam spot BS on the exposure surface 56 in the vicinity of the rear focal position of the second microlens 79, the second microlens is arranged. Since light that becomes noise components such as scattered light and diffracted light in the laser beam emitted from 79 can be blocked by the aperture 88, the beam spot BS projected on the exposure surface 56 can be accurately shaped into a required spot shape, and It is possible to prevent light that is a noise component from being projected outside the beam spot BS.
[0079]
If the clearance from the exposure head 166 to the exposure surface 56 is sufficiently short, the lens systems 80 and 82 (second optical system) are omitted from the imaging optical system 146 as shown in FIG. Second microlens of image lens array 8679The real image of each micromirror 62 of the DMD 50 formed by the above may be projected directly onto the exposure surface 56 as a beam spot BS to expose the photosensitive material 150.
[0080]
In the exposure apparatus 142 according to the present embodiment, a DMD is used as a spatial modulation element. For example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type spatial modulation element (SLM; Spatial Light Modulator) or transmission by an electro-optic effect is used. Even when a spatial modulation element other than the MEMS type such as an optical element (PLZT element) for modulating light or a liquid crystal optical shutter (FLC) is used in place of the DMD 50, the imaging optical system 146 is shown in FIG.FIG.If the one shown in FIG. 2 is used, it is possible to prevent the lowering of the MTF characteristics in the exposure area 168 while suppressing the light amount loss due to the aperture 78.
[0081]
Note that MEMS is a general term for micro systems that integrate micro-sized sensors, actuators, and control circuits based on micro-machining technology based on the IC manufacturing process. It means a spatial modulation element that is driven by the electromechanical operation used.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the exposure head and the exposure apparatus of the present invention, the beam spot for exposing the exposure surface can be adjusted to a desired spot diameter without generating stray light and reducing light efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of an exposure apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a scanner of the exposure apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3A is a plan view showing an exposed region formed on a photosensitive material, and FIG. 3B is a diagram showing an arrangement of exposure areas by each exposure head.
FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of an exposure head of the exposure apparatus according to the embodiment of the present invention.
5A is a side view showing a configuration of an imaging optical system in the exposure head shown in FIG. 4, and FIGS. 5B and 5C are plan views of an exposure area by the exposure head.
FIG. 6 is a partially enlarged view showing a configuration of a digital micromirror device (DMD).
7A and 7B are explanatory diagrams for explaining the operation of the DMD. FIG.
FIGS. 8A and 8B are plan views showing the arrangement of exposure beams and scanning lines in a case where the DMD is not inclined and in a case where the DMD is inclined. FIG.
9A is a perspective view showing the configuration of a fiber array light source, FIG. 9B is a partially enlarged view of A, and FIGS. 9C and 9D show the arrangement of light emitting points in a laser emitting section. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a multimode optical fiber.
FIG. 11 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source.
FIG. 12 is a plan view showing a configuration of a laser module.
13 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12. FIG.
14 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12. FIG.
15 is a side view of the first microlens and the second microlens in the exposure head shown in FIG. 5, showing a configuration example in which the aperture diameter of the second microlens is smaller than that of the first microlens.
16 is a side view of the first micro lens and the second micro lens in the exposure head shown in FIG. 5, and shows a configuration example in which the aperture diameters of the first micro lens and the second micro lens are made equal.
17 is a side view showing the configuration of the exposure head when an aperture is added to the rear focal position of the second microlens shown in FIG. 5. FIG.
FIG. 18 is a side view along the optical axis showing the configuration of a conventional exposure head.
FIG. 19 is a side view showing a configuration in which a microlens is applied to a conventional exposure head.
20 is a side view showing the configuration when the second lens system is omitted from the imaging optical system shown in FIG. 5. FIG.
[Explanation of symbols]
50 DMD (Spatial Light Modulator)
54, 58 Lens system (first optical system)
56 Exposure surface
62 Micromirror (pixel part)
68 Laser emitting part
72 Micro lens array
74 First microlens
76 Aperture Array
78 Aperture
79 Second micro lens
80, 82 lens system (second optical system)
86 Aperture Array
88 aperture
142 Exposure equipment
144 Illumination unit (illumination means)
146 Imaging optical system
166 Exposure head

Claims (5)

露光面を複数本のレーザビームにより2次元的に露光するための露光ヘッドであって、レーザー出射部からレーザビームを出射する照明手段と、
制御信号に応じて光変調状態がそれぞれ変化する複数の画素部が2次元的に配列され、前記レーザー出射部から入射したレーザビームを前記画素部により露光状態及び非露光状態の何れかに変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子における各画素部の像をそれぞれ結像する第1光学系と、
前記複数の画素部の像位置に、該像位置に形成される像サイズと同一ピッチで2次元的に配列され、前記複数の画素部により前記露光状態に変調されたレーザビームを集光する複数個の第1マイクロレンズと、
前記複数の第1マイクロレンズの後方焦点位置に配置され、前記画素部の実像を前記露光面上にそれぞれ結像する複数の第2マイクロレンズとを有し、
前記第2マイクロレンズにより結像された前記画素部の実像をビームスポットとして前記露光面を露光することを特徴とする露光ヘッド。
An exposure head for two-dimensionally exposing an exposure surface with a plurality of laser beams, the illumination means for emitting a laser beam from a laser emitting unit;
A plurality of pixel portions whose light modulation states change according to the control signal are two-dimensionally arranged, and the laser beam incident from the laser emitting portion is modulated by the pixel portion into either an exposure state or a non-exposure state. A spatial light modulator;
A first optical system that forms an image of each pixel portion in the spatial light modulator ;
A plurality of light beams that are two-dimensionally arranged at the image positions of the plurality of pixel portions at the same pitch as the image size formed at the image positions and that are modulated by the plurality of pixel portions into the exposure state. First microlenses,
A plurality of second microlenses that are arranged at rear focal positions of the plurality of first microlenses and that respectively form a real image of the pixel portion on the exposure surface;
An exposure head that exposes the exposure surface using a real image of the pixel portion formed by the second microlens as a beam spot.
前記複数の第2マイクロレンズによりそれぞれ結像される前記画素部の実像の集合である実像群を前記露光面上に結像する第2光学系を有することを特徴とする請求項1記載の露光ヘッド。  2. The exposure according to claim 1, further comprising: a second optical system that forms on the exposure surface a real image group that is a set of real images of the pixel unit that is imaged by the plurality of second microlenses. head. 前記複数の第2マイクロレンズにより前記画素部が結像される実像位置に、前記露光面におけるビームスポットのスポット径及びスポット形状に対応する開口径及び開口形状を有する複数の第1アパーチャをそれぞれ配置したことを特徴とする請求項1又は2記載の露光ヘッド。A plurality of first apertures each having an aperture diameter and an aperture shape corresponding to the spot diameter and spot shape of the beam spot on the exposure surface are arranged at real image positions where the pixel portions are imaged by the plurality of second microlenses, respectively. The exposure head according to claim 1 or 2, wherein 前記複数の第1マイクロレンズの後方焦点位置に、前記複数の第1マイクロレンズに1対1で対応する複数の第2アパーチャを配置し、前記第2マイクロレンズを、各第2アパーチャの開口内に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の露光ヘッド。A plurality of second apertures that correspond one-to-one to the plurality of first microlenses are disposed at the back focal positions of the plurality of first microlenses, and the second microlenses are disposed within the openings of the second apertures. The exposure head according to any one of claims 1 to 3, wherein the exposure head is arranged in a position. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の露光ヘッドと、The exposure head according to any one of claims 1 to 4,
前記露光ヘッドを前記複数個の画素部の配列方向が前記露光面に対する走査方向に対して傾くように支持すると共に、前記露光ヘッドを前記露光面に対する露光時に前記走査方向へ相対移動させる移動手段と、  Moving means for supporting the exposure head so that an arrangement direction of the plurality of pixel portions is inclined with respect to a scanning direction with respect to the exposure surface, and moving the exposure head in the scanning direction at the time of exposure with respect to the exposure surface; ,
を有することを特徴とする露光装置。  An exposure apparatus comprising:
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