JP4859311B2 - Laser illumination optical system, exposure apparatus using the optical system, laser processing machine, and projection apparatus - Google Patents

Laser illumination optical system, exposure apparatus using the optical system, laser processing machine, and projection apparatus Download PDF

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  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ照明光学系、該光学系を用いた露光装置、レーザ加工機、及び投射装置に関し、より具体的には、レーザを光源として被照射部における照度を均一化した照明光学系と、これを用いたレーザ加工機、レーザ露光装置、レーザ投射装置などの装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザを光源とした投射装置は、レーザの発振スペクトルが狭いために色純度の高い投射を行うことが期待される。その一方で、レーザは干渉性が高いため、光束を分割してから合成すると干渉縞が発生することがある。例えば、一本のレーザビームを通常のフライアイレンズ光学系で照度均一化すると、被照射部で干渉縞が見られる。また、例えば特開平08−094839号公報記載のホログラム素子では、レーザビームの一部分を被照射部で重ね合わせており、干渉を小さく抑える構成を開示しているが、上記公報の構成でも干渉縞が無くなるわけではない。
【0003】
レーザアレイを光源とした場合、光共振機の異なる光源から光が発振されるため、アレイ間の光の干渉は無い。このため、干渉縞が被照射部で複数重なることになる。レーザアレイ数が多いほど干渉縞は目立たなくなるが、アレイ数やフライアイレンズ系の組み合わせによっては干渉縞を低減することが難しい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束の強度分布に起因する干渉縞を減らし、被照射部への照明性能を向上させることを目的とする
【0009】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有する。
本発明にかかるレーザ照明光学系は、
レーザ発振部を一方向にのみ複数並べたレーザアレイ光源と、格子溝のピッチ方向の光束成分の強度を均一化する回折格子を有する回折素子と、レンズアレイ方向の光束成分の強度を均一化する第1のシリンドリカルレンズアレイと第2のシリンドリカルレンズアレイから構成されるフライアイレンズ系を有し、前記回折素子は、前記レーザアレイ光源から出射されるレーザビームアレイのアレイ方向と前記回折素子の格子溝のピッチ方向とが垂直になるように配置され、前記フライアイレンズ系は、前記レーザビームアレイのアレイ方向と前記第1および第2のシリンドリカルレンズのレンズアレイ方向が平行になるように配置されており、前記第2のシリンドリカルレンズアレイは、前記第1のシリンドリカルレンズアレイの焦点位置が前記第2のシリンドリカルレンズアレイの各レンズに位置するように配置されていることを特徴とする。
【0010】
本発明にかかるレーザ照明光学系は、
レーザ発振部を一方向にのみ複数並べたレーザアレイ光源と、回折格子を形成した回折素子と、第1のシリンドリカルレンズアレイと第2のシリンドリカルレンズアレイから構成されるフライアイレンズ系とを有するレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分の強度が前記回折素子によって均一化され、前記アレイ方向に平行な光束成分の強度が前記フライアイレンズ系で均一化されるように構成されており、前記第2のシリンドリカルレンズアレイは、前記第1のシリンドリカルレンズアレイの焦点位置が前記第2のシリンドリカルレンズアレイの各レンズに位置するように配置されていることを特徴とする。
【0011】
本発明にかかるレーザ照明光学系は、
レーザ発振部を一方向にのみ複数並べたレーザアレイ光源と、回折格子を形成した回折素子と、第1のシリンドリカルレンズアレイと第2のシリンドリカルレンズアレイ及びシリンドリカルレンズからなるフライアイレンズ系とを有するレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分の強度が前記回折素子によって均一化され、前記アレイ方向に平行な光束成分の強度が前記フライアイレンズ系で均一化されるように構成されており、前記第2のシリンドリカルレンズアレイは、前記第1のシリンドリカルレンズアレイの焦点位置が前記第2のシリンドリカルレンズアレイの各レンズに位置するように配置されていることを特徴とする。
【0012】
本発明にかかる露光装置は、
上記記載のレーザ照明光学系と、投影レンズとを有することを特徴とする。
【0013】
本発明にかかるレーザ加工機は、
上記記載のレーザ照明光学系と、レンズとを有することを特徴とする。
【0014】
本発明にかかる投射装置は、
上記記載のレーザ照明光学系を3組と、色合成手段と、空間変調ライトバルブと、投射レンズとを備えたことを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を添付された図面を参照して具体的に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0025】
(実施例1)
図1ないし図3は、本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を主に説明するための図で、光学系の側面概略構成および光路を図1に、平面概略構成および光路を図2に、斜視概略構成及び光路を図3に示すものである。レーザ照明光学系は各図に示すようにレーザアレイ光源11と、ホログラム素子12と、シリンドリカルレンズアレイ13a,13bによるフライアイレンズ系13とで構成される。また図中、14は被照射部を示す。
【0026】
レーザアレイ光源11は、半導体レーザ等のレーザ発振部がアレイ状に配列されたタイプのものや、ストライプ型のレーザが好適に用いることができる。またホログラム素子12は、透過型振幅格子、透過型位相格子または透過型ブレーズド格子により構成され、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けたり、機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板表面に溝を刻線する等して作製することができる。
【0027】
このホログラム素子12は、レーザアレイ光源11から発散されるレーザビームによる光束のうち、一方向(格子溝のピッチ方向)のみの強度分布を格子によって変換させる働きを有する。そして、このホログラム素子12は、図3に示すようにレーザアレイ光源11から出射されたレーザビームアレイeのアレイ方向yに沿って格子溝gの方向が配されるよう、すなわちレーザビームアレイeのアレイ方向yと、光束の強度が均一化される方向である格子溝gのピッチ方向xが直交するように配置される。
【0028】
なお、図3に示すホログラム素子12の格子溝gは直線状のものであるが、本発明ではこのような直線上の構成に限られることなく、基板上に円状または楕円状等の格子溝を設けて入射光束の強度変換を行うようにしてもよい。格子溝gのピッチ方向xの光束成分の強度分布均一化のために、本実施例におけるホログラム素子12は、図2に示すように、ガウシアンプロファイル(図では光線強度の強いところを破線を狭めて表現している)を有するレーザ光の回折角を適宜調整し、被照射部14で照度分布が一定となるようにホログラム面内の格子ピッチをチャーピング(回折格子ピッチを位置に応じて増加ないしは減少すること)している。この作用を図4を用いてより詳細に説明する。
【0029】
図4は、図2と同様の照明光学系の平面概略構成および光路と、ホログラム素子上および被照射部上の照度(光の強度)分布とを示す図である。図中、12Pはホログラム素子12上の照度分布、14Pは被照射部14上の照度分布である。また、図中の破線は光路を示しており、レーザアレイ光源11から照射されたレーザビームのうちホログラム素子12上に等間隔で入射したものについての被照射部14まで至る経路である。
【0030】
ホログラム素子上の照度分布12Pは、ホログラム素子12における格子溝のピッチ方向(x方向)の照度(または光の強度)分布を示しており、0の位置がレーザビームの中心光軸上を示している。また、被照射部上の照度分布14Pは、被照射部14におけるx方向の照度(または光の強度)分布を示しており、0の位置がレーザビームの中心光軸上を示している。ホログラム素子12に入射したビームの照度分布は、ホログラム素子上の照度分布12Pに示すように中心光軸上の照度が一番大きく、中心光軸からそれるほど小さくなっていくガウス分布(ガウシアンプロファイル)を有している。
【0031】
しかし、被照射部14ではこの照度分布をできるだけ均一にしなければならない。そこで、被照射部14においては光軸付近では多くの光が照射されないように、また、光軸上から離れるに従い光が多く照射されるように(すなわち照度分布が被照射部上の照度分布14Pに示すように均一化するように)、ホログラム素子12の格子ピッチを調整している。なお、図1ないし図3において、ホログラム素子12は入射光の中心光軸に対して垂直に配置しているが、特にこの配置に制限されず、格子溝のピッチの設計(チャーピング)しだいで入射光軸に対して傾けて設置することも可能である。
【0032】
シリンドリカルレンズアレイ13a、13bは、短冊状に球面や円筒状レンズを配置してなるもので、第1のシリンドリカルレンズアレイ13aは、入射光束をアレイ数の光束に分割し、かつ、第2のシリンドリカルレンズアレイ13bの各レンズに集光させる働きをする。第2のシリンドリカルレンズアレイ13bは第1のシリンドリカルレンズアレイで集光しきれなかった光束を屈折させ、できるだけ被照射部14上に光束を集める働きをする。なお、第1のシリンドリカルレンズアレイ13aに入射される光束が平行光である場合等第2のシリンドリカルレンズアレイ13bがなくても被照射部14上に光束が十分集まる場合には、第2のシリンドリカルレンズアレイ13bは必要なくなる。
【0033】
そして、この両シリンドリカルレンズアレイ13a、13bの組み合わせによりフライアイレンズ系13が構成され、レンズアレイ方向の光強度を均一化することができ、照度ムラを減少させることができる。そこで、ホログラム素子12で強度変換する面と垂直な光束が被照射部で均一化されるようにシリンドリカルレンズアレイ13a、13bを設置すれば、被照射部14の面上で照度分布を均一化することができる。このためには、図1及び図3に示すように、レーザアレイ光源11から出射されたレーザビームアレイeのアレイ方向とシリンドリカルレンズアレイ13a、13b(またはフライアイレンズ系13)のアレイ方向を平行にすればよい。
【0034】
レーザアレイ光源11はレーザビームアレイeどうしの光の干渉性はない。これは光共振が別々であるため、光の位相が揃わないためである。従って、各アレイ光を被照射部で重ね合わされても干渉縞は発生しない。ところが図1の紙面内の光束をフライアイレンズで一度分割し、被照射部で重ね合わせると干渉縞が必ず発生する。この干渉縞は各アレイ光ごとに被照射部で干渉縞をつくるため、光源のアレイ数が多くなるほど干渉縞が重なり合い、目立たなくなるが、完全に消えることはない。本発明ではホログラム素子12によって光束を分割することなく被照射部で均一な照度にするため干渉縞が発生しない。
【0035】
被照射部14は、均一化された光束が照射される部分であり、投射装置では空間光変調素子(所謂ライトバルブ)が、露光装置ではマスク(レチクル)がこの被照射部14に該当する。
【0036】
次に本実施例におけるレーザ照明光学系の構成において、レーザアレイ光源11から出射されたレーザビームが被照射部14に至るまでの光路について主に図1ないし図3を用いて説明する。レーザアレイ光源11から出射されたレーザビームアレイeは、図3に示すように一定の広がり角をもって、ホログラム素子12に入射する。ホログラム素子12に入射した光束の内、レーザビームアレイeのアレイ方向yと垂直な光束成分は、図2または図4に示すように、また上述したように被照射部14で照度が均一化するように強度変換が行われた後、出射される。
【0037】
図5は、ホログラム素子からの出射光をコリメート化するためのホログラム素子の構成例を説明するための図で、ホログラム素子に形成した回折格子を模式的に示す図である。ホログラム素子12の概略斜視図を図5(A)に、図5(A)をB方向からみた概略図を図5(B)に、図5(A)をC方向からみた概略図を図5(C)に示す。
【0038】
レーザビームアレイeのアレイ方向yと平行な光束成分の光路は通常であればホログラム素子12では影響を受けない。しかしながら、本実施例では、図1に示すようにホログラム素子12により光束はコリメート化されている。これは、図5(B)に示すごとくのレーザアレイ方向に直交する方向の強度分布を均一化する格子溝gの他に、図5(C)に示すように、ホログラム素子12の一方の面に各レーザビームに対応してビームアレイeとは垂直方向に、変調ピッチの格子溝g′を設けるようにしたり、図示はしないが、コリメート用の円状、楕円状等の回折格子をホログラム素子12上に設けるようにすれば実現できる。なお、本実施例のようにレーザビームアレイeのアレイ方向と平行な光束成分をコリメート化しなくても本発明の目的を達成できるのは言うまでもない。
【0039】
ホログラム素子12を通過した光束は、次にシリンドリカルレンズアレイ13a、13bにより構成されるフライアイレンズ系13に入射する。この光束のうち、レーザビームアレイeのアレイ方向と垂直な光束成分に対しては、シリンドリカルレンズアレイ13a、13bは透明な平行平板と等価な関係となる。すなわち、平行平板の一般的な性質の通り、光束がシリンドリカルレンズアレイ13a、13bへ垂直に入射する場合にはそのまま透過する。また、光束が一定の角度をもって入射する場合にはその角度に応じて所定量光路がシフトする。
【0040】
ただし、図2または図4に示すように、シリンドリカルレンズアレイ13a、13bには全ての光束はほぼ垂直とみなせる程度に入射しているので、光路のシフト量もごく微小で無視できる程度である。一方、レーザビームアレイeのアレイ方向yと平行な光束成分は、図1に示すように及び上述した通り、第1のシリンドリカルレンズアレイ13aにより第2のシリンドリカルレンズアレイ13b上に集光するように分割され、さらに第2のシリンドリカルレンズアレイ13bで被照射部14に光束ができるだけ集まるように光路が修正される。
【0041】
なお、本実施例では、第1のシリンドリカルレンズアレイ13aに入射する光束が平行光となっているので、上述したように第2のシリンドリカルレンズアレイ13bは省略することも可能である。なお、図1ないし図3の構成では、レーザアレイ光源11の次段にホログラム素子12を設け、その次段にシリンドリカルレンズ13a、13bを設けているが、本発明の目的を達成するためにはこの順番に限られることなく、レーザアレイ光源11の次段にシリンドリカルレンズ13a、13bを設け、その次段にホログラム素子12を設ける構成でもよい。本実施例の様に、レーザアレイのアレイ方向に垂直な光束を変調ピッチのホログラム素子12で強度変換することによって被照射部14で干渉縞のない良好な照明をすることができる。
【0042】
(実施例2)
図6及び図7は、本発明によるレーザ照明光学系の他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を図6に、平面概略構成と光路を図7に示すものである。本実施例の光学系は、レーザアレイ光源11と、ホログラム素子12と、シリンドリカルレンズアレイ13a,13b及びシリンドリカルレンズ13cからなるフライアイレンズ系13で構成される。
【0043】
本実施例の照明光学系は、上述した実施例1の構成に加えて、フライアイレンズ系としてシリンドリカルレンズ13cがシリンドリカルレンズアレイ13a,13bの出射側光路上に配された構成となっている。シリンドリカルレンズ13cは、所定の位置に配されている被照射部14をより均一照明するために設けられているもので、シリンドリカルレンズアレイ13bからの出射光を被照射部14に集光することにより、光の利用効率を高くすることができ、かつ照度ムラをなくして均一性を向上させることができるようにしたものである。
【0044】
すなわち、上記実施例1では、シリンドリカルレンズ13a、13bによってレンズアレイ方向の光強度が均一化されているが、図1に示すような形態で被照射部14が配されている場合、被照射部14を照明しないアレイ光が生じるとともに、被照射部14におけるアレイ光の重なり方によっては、照度ムラが生じる可能性がある。本実施例においては、シリンドリカルレンズ13cによって、シリンドリカルレンズアレイ13a、13bのレンズアレイ方向(レーザアレイ方向)の光束を被照射部14に集光するように設定することにより、被照射部14における均一照明を実現できる。
【0045】
本実施例は、上述したようにシリンドリカルレンズ13cを除いて上記実施例1の構成と同様であって、実施例1と重複する各要素の特性及び作用は同様であって、また各要素によって作用を受けた光路については同様の振る舞いを示す。また実施例1において説明したごとくの各要素を応用した他の構成例についても、同様に本実施例に適用することが可能である。以下に本実施例の基本的な動作について実施例1と重複する部分も含めて説明するが、実施例1と重複する部分について実施例1に記載したごとくの詳述は省略する。
【0046】
実施例1と同様に、レーザアレイ光源11には、レーザ発振部がアレイ状に配列されたタイプのものやストライプ型のレーザを好適に用いることができる。またホログラム素子12は、レーザビームとしてレーザアレイ光源11から発散される光束のうち、一方向のみの強度分布を変換させる。図7に示すように、レーザ光のガウシアンプロファイル(図7では、光線強度の強い部分は、光路の間隔を狭めて表現している)を調整して被照射部で照度分布が一定となるようにするために、ホログラム素子12のホログラム面内の格子ピッチをチャーピングして該ホログラム素子12からの回折角を適宜調整する。
【0047】
図6及び図7の構成では、ホログラム素子12は入射光軸に対して垂直に配置しているが、特にこの配置に制限されず、変調ピッチの設計次第で入射光軸を変えることが可能である。また、シリンドリカルレンズアレイ13bは必ずしも必要ではなく省略することも可能である。
【0048】
本実施例においては、ホログラム素子12で強度変換する面と垂直な光束は、フライアイレンズ系13によって均一化され被照射部14を均一に照射する。図6に示すように、レーザアレイ光源11のアレイ方向とフライアイレンズ系13のアレイ方向を揃えれば良い。上述したように、シリンドリカルレンズアレイ13a,13bの後のシリンドリカルレンズ13cは、シリンドリカルレンズアレイ13bの各アレイからの光を被照射部上で重ね合わせるためのはたらきを持つ。本実施例によれば、上記実施例1に比べると、被照射部14の周辺部の照度均一性を向上させることができる。すなわち、シリンドリカルレンズ13cによって、シリンドリカルレンズアレイ13bからの出射光を被照射部14に集光することにより、光の利用効率を高くすることができ、かつ照度ムラをなくして均一性を向上させることができる。
【0049】
本実施例においては、レーザアレイ光源11のアレイ方向に垂直な光束を、変調ピッチのホログラム素子で強度変換することによって被照射部14で干渉縞のない良好な照明をすることができるようになる。またフライアイレンズ系にシリンドリカルレンズを用いたため被照射部の照明性能を良好にすることができる。
【0050】
(実施例3)
図8及び図9は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を図8に、平面概略構成と光路を図9に示すものである。本実施例の光学系は、レーザアレイ光源11と、コリメートレンズアレイ21と、ホログラム素子22とにより構成されるもので、上記実施例2の構成に加えてコリメートレンズアレイ21をレーザアレイ光源11とホログラム素子22との間の光路上に設けたものである。なお、図8に示すホログラム素子22は、実施例1及び2のホログラム素子12と同様にレーザアレイ光源11から発散されるレーザビームによる光束のうち一方向(格子溝のピッチ方向)のみの強度分布を格子によって変換させる働きを有するが、実施例1及び2のホログラム素子12に対して平行光が入射するように回折角が設定されるため、ここでは別の符号(22)が付してある。
【0051】
コリメートレンズアレイ21によってレーザアレイ光源11から出射したレーザビームアレイは平行光束化され、ホログラム素子22に入射する。本実施例のように平行光束をホログラム素子22に入射させるため、ホログラムの設置許容性が高くなる。すなわち、ホログラムの回折角の設計に際して入射光として平行光を想定すればよいので、本実施例で使用するホログラム素子22の作製は容易である。
【0052】
本実施例は、上述したようにコリメートレンズアレイ21を除いて上記実施例2の構成と同様であって、実施例2と重複する各要素の特性及び作用は同様であって、また各要素によって作用を受けた光路については同様の振る舞いを示す。また上述の実施例において説明したごとくの各要素を応用した他の構成例についても、同様に本実施例に適用することが可能である。以下に本実施例の基本的な動作について説明するが、上述の実施例と重複する部分について繰り返しの詳述は省略する。
【0053】
レーザアレイ光源11としては、レーザ発振部がアレイ状に配列されたストライプ型のレーザやストライプ型レーザが複数個層状に並んでいる光源を好適に用いることができる。またコリメートレンズアレイ21は、レーザアレイ光源11のアレイピッチと同じピッチでレンズがアレイ化されており、レーザアレイ光源11の各々の発光部から発散されるレーザ光を、各々対応するレンズでコリメートする。
【0054】
ホログラム素子12は光源のアレイ方向(図8の紙面内)には回折させる機能は無く、アレイに垂直方向の光束に対しては図9に示すように光束の強度分布を変換させる。図9において、ホログラム素子22に入射するビームにおけるアレイに垂直な方向成分は、その中心強度にピークを持つガウシアン分布を有している。ホログラム素子22の格子ピッチは、該ホログラム素子22から回折された光がビームの中心からの距離に応じて所定の回折角となるように設計される。図9では強度の強い光線部分を光線の幅を狭くして図示している。
【0055】
一方、レーザアレイ光源11からのアレイ方向の光束成分については、上記実施例2に示すごとくのフライアイレンズ系13によって、フライアイの分割数に応じてレーザアレイコリメート光を分割し、被照射部14で重ね合わせている。
【0056】
本実施例の構成によれば、レーザアレイ光源11からの出射光束をコリメートレンズアレイ21で平行光束化させてからホログラム素子12に入射させるため、ホログラムの設置許容性を広くすることができる。
【0057】
(実施例4)
図10及び図11は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を図10に、平面概略構成と光路を図11に示すものである。本実施例のレーザ照明光学系は、発光部が直線状にアレイ化されたレーザアレイ光源(またはシングルストライプレーザ)11と、シリンドリカルレンズアレイ(またはレンチキュラーレンズ)31と、シリンドリカルレンズ32と、ホログラム素子22と、シリンドリカルレンズアレイ13a,13b及びシリンドリカルレンズ13cからなるフライアイレンズ系13とにより構成されたもので、上記実施例2の構成に加えてシリンドリカルレンズアレイ(またはレンチキュラーレンズ)31とシリンドリカルレンズ32とをレーザアレイ光源21とホログラム素子12との間の光路上に設けたものである。
【0058】
本実施例におけるシリンドリカルレンズアレイ31とシリンドリカルレンズ32は、レーザアレイ光をコリメートするためのレンズ系である。シングルストライプ型のレーザアレイを光源とするため、隣接レーザ光が重なる前にシリンドリカルレンズアレイ31で各光束のアレイ方向成分を平行光束化し、その後シリンドリカルレンズ32でアレイ厚さ方向(アレイ方向の直交方向)の光束成分を平行化させる。
【0059】
ホログラム素子12に入射させるレーザアレイビームを平行光束化することにより上記実施例3と同様の効果を得ることができるが、本実施例では、コリメートレンズ系を2つの光学部品(シリンドリカルレンズアレイ31,シリンドリカルレンズ32)で機能させ、かつ、これらのレンズがシリンドリカルレンズであるため、母線方向への設置許容を大きくすることができる。さらに、光束の2方向成分をそれぞれ個別のレンズで平行光束させるため、コリメートアレイ光束全体の縦方向、横方向の長さの比をシリンドリカルレンズ32の焦点距離によって変えることができ、設計の許容性を広げることができる。
【0060】
また本実施例では、上記実施例3と同様に平行光束をホログラム素子12に入射させるため、ホログラムの設置許容性が高くなる。すなわち、ホログラムの回折角の設計に際して入射光として平行光を想定すればよいので、本実施例で使用するホログラム素子12の作製は容易である。
【0061】
本実施例の構成は、上述したようにシリンドリカルレンズアレイ31,シリンドリカルレンズ32によるコリメートレンズ系を除いて上記実施例2の構成と同じであり、実施例2と重複する各要素の特性及び作用は同様であって、また各要素によって作用を受けた光路については同様の振る舞いを示す。また上述の実施例において説明したごとくの各要素を応用した他の構成例についても、同様に本実施例に適用することが可能であり、上述の実施例と重複する部分について繰り返しの詳述は省略する。
【0062】
(実施例5)
図12は、レーザ光の遠視野像(ファーフィールドパターン)で、レーザの広がりに対する光強度分布の例を示す図である。一般的に、レーザビームの広がり角は図12に示すように半値全角θで表される。図6のホログラム素子12の面で隣接レーザ間の光束を重ならないようにするには、レーザ光の広がり角の2倍の光束が重ならなければ光の利用効率が高い。仮にレーザアレイ方向に平行な面内でのレーザの広がり角θ=10°のとき、図13のように半角でθ=10°(すなわち全角で2θ=20°)の光束が隣接ビームと重ならなければピーク強度の約6%の光までを利用できる。
【0063】
図13において、レーザアレイ光源11のアレイピッチをPとすれば、レーザ発光部からホログラム素子12の間隔dが、
d≦P/2/tan(θ) …(式1)
を満たすように配置することによって隣接レーザ光が重ならない。仮に、ホログラム素子12で隣接レーザ光が重なると、2方向からの入射光は同一の方向に回折できないため、光を損失させてしまう。すなわち上記(式1)を満たす構成によって光利用効率は高くなる。
【0064】
(実施例6)
図14は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示すものである。照明光学系は、レーザアレイ光源41a,41bと、ホログラム素子42と、シリンドリカルレンズアレイ13a,13b及びシリンドリカルレンズ13cからなるフライアイレンズ系13とにより構成される。上述の実施例と同様にシリンドリカルレンズアレイ13bは省略することも可能である。
【0065】
本実施例の構成は、レーザアレイ光源のユニットを複数備えてこれらが多段に配されたもので、図14の例は、二つのレーザアレイ光源41a,41bを用いて構成されたものである。本実施例は、レーザアレイ光源を多段で構成することによって、光源の全パワーをさらに高出力にすることができ、結果的に、被照射部14の放射束を大きくすることができるため被照射部14の照度を飛躍的に向上させることができるようにしたものである。
【0066】
レーザアレイ光源41a,41bは、それぞれの発光部が直線状にアレイ化されたもので、このアレイ光源が多段に構成されている。上述のように図14は、2段のレーザアレイ光源を示しているが、多段構成の数はいくつであっても良い。またホログラム素子42は、上記実施例1のホログラム素子12をアレイ状に構成したものである。
【0067】
本実施例の構成は、上記の実施例2と同様の光学系を多段に構成したものとして理解される。従って、一つのレーザ光源アレイ(41aまたは41b)から被照射部14の一部(図11では被照射部14のいずれか半分の領域)までの、各要素における作用と光路、及び他の応用構成例については実施例2と同様であり、ここではその繰り返しの説明は省略する。本実施例によれば、レーザアレイ光源を多段で構成することによって、上述のごとくに光源の全パワーの高出力化による被照射部の照度向上を実現することができる。
【0068】
(実施例7)
図15は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示すものである。レーザ照明光学系は、レーザアレイ光源41a,41bと、ホログラム素子43と、シリンドリカルレンズアレイ13a,13b及びシリンドリカルレンズ13cからなるフライアイレンズ系13とにより構成される。上述の実施例と同様にシリンドリカルレンズアレイ13bは省略することも可能である。
【0069】
本実施例は、レーザアレイ光源を多段に配置し、実施例2と同様の光学系を用いて被照射部14を均一照明するという点に関しては、上記実施例6と同様であるが、各レーザアレイ光源41a,41bから出射したレーザビームの中心を被照射部14の中心に合わせるようにし、すなわち、各レーザアレイ光源41a,41bからのレーザビームによる被照射部14の照射領域が重なるようにすることにより、被照射部14を均一かつ高い照度で照明することが可能となるようにしたものである。本実施例の各要素における作用及び光路は、ホログラム素子43によって回折光のビームを被照射部14の中心に向けて回折させるようにする点を除けば、上述の実施例6と同様である。
【0070】
本実施例のレーザアレイ光源41a,41bは、実施例6と同様にそれぞれの発光部が直線状にアレイ化されており、このアレイ光源が多段に構成されている。図15は、2段のレーザアレイ光源を示しているが、多段構成の数はいくつであっても良い。
【0071】
ホログラム素子43にはレーザアレイ光源の段数に対応した変調ピッチ回折格子が設置されるが、ホログラム素子43からの回折光は、レーザビームにおける図15の紙面に平行な面内の光束成分を均一化させ、かつ、ビームの中心を被照射部14の中心に合わせるはたらきを持つ。
【0072】
またフライアイレンズ系13は、上記実施例2と同様に図15の紙面に垂直な面内の光束成分を被照射部14で均一照度に照明する。例えば、シリンドリカルレンズアレイ13a,13bとシリンドリカルレンズ13cを用いることでフライアイレンズ系13を機能させることができる。本実施例の構成によって、レーザアレイ光源41a,41bのアレイ垂直方向の光束成分に起因する干渉縞を減らし、被照射部14への照明性能を向上させることができ、レーザアレイ光源41a,41bを層状にアレイ化してレーザパワーを高出力にすることができ、かつ、これらの出射光により被照射部14を均一かつ高い照度で照明することが可能となる。
【0073】
(実施例8)
図16は、本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示すものである。本実施例は、上記実施例7の光学系に対してホログラム素子42の直後にシリンドリカルレンズ44を配置したもので、その他の要素の作用及び光路については、上記実施例7と同様であるので繰り返しの説明は省略する。
【0074】
ホログラム素子42は、図14に示す実施例6に用いたものと同じレーザアレイ光源41a、41bの多段構成に対応したアレイ状のホログラム素子42である。シリンドリカルレンズ44は、ホログラム素子42のアレイ部からの回折光を被照射部14で重ね合わせるはたらきを有する。
【0075】
本実施例においても、上記実施例6及び7と同様にレーザアレイ光源41a,41bのアレイ垂直方向の光束成分に起因する干渉縞を減らし、被照射部14への照明性能を向上させることができ、レーザアレイ光源41a,41bを層状にアレイ化してレーザパワーを高出力にすることができ、かつ、これらの出射光により被照射部14を均一かつ高い照度で照明することが可能となる。
【0076】
(実施例9)
上述の各実施例において、レーザアレイ光のアレイ方向に直交する光束成分はホログラム素子によって強度変化させるが、アレイ方向の照度均一化はフライアイレンズ系に担当させている。レーザアレイ数とフライアイの分割数は、ある特定の関係を除外するように構成する必要がある。
【0077】
もし、フライアイレンズ系の分割数がレーザアレイ光源の有効アレイ数(実際にレーザ発振させているアレイ数)の約数に一致すると、被照射部のレーザアレイ方向にレーザアレイの強度分布の周期が完全に一致して照度均一化できなくなる。このため、レーザの有効アレイ数の約数にならない値となるように分割数を選ぶ。
【0078】
図17は、レーザの有効アレイ数を105とした時のフライアイ分割数による被照射部のアレイ方向での均一性を計算した結果を示す図である。105の約数に一致した分割数以外であれば均一性は高くなる。本実施例によれば、フライアイ分割数としてレーザ有効アレイ数の約数以外の値を選ぶため照度均一性を確実にすることができる。
【0079】
図18は、本発明で適用されるホログラム素子の設計思想について説明するための図で、12はホログラム素子、14は被照射部である。ホログラム素子12に入射するビームの照度プロファイルは、図19に示すようなガウシアンプロファイルを示す。すなわち、ビーム中心の照度が高く、ビームの周辺部に向かうに従って照度が低くなる特性を有する。ホログラム素子12は、このようなガウシアンプロファイルの入射ビームを、図20に示すような均一な照度分布となるようにする。
【0080】
すなわち、ホログラム素子12上の微小な領域での強度、例えば図19のAが被照射部14で図20の強度Bとなり、A=Bとなるようにその部分の回折角θ2が決定される。すなわち、入射角θ1と波長から以下の回折の式、
sinθ1+sinθ2=λ/P
によってホログラムのピッチPが決まる。ここでλは波長を表す。これを入射ビームの全領域にわたって計算するとホログラム素子12の変調ピッチが設計できる。なお、図8に用いるホログラム素子22はθ1=0とすることで変調ピッチを設計することができる。
【0081】
(実施例10)
図21は、本発明による露光装置の一実施例について説明するための概略図で、図中、100はレーザアレイ光源、101はレーザ照明光学系、102はレチクル(マスク)、103は投影レンズ、104は基板ステージである。照明光学系は、本発明に係わるレーザ照明光学系であって、例えば上記実施例で説明した照明光学系が適用される。レーザアレイ光源100からのアレイ光はレーザ照明光学系101によってレチクル102上で均一放射照度となる。
【0082】
レチクル102は半導体デバイスの制作工程でウェハー上に回路パターンを露光するために使用されるフォトマスクのことで、レチクル102のパターンは投影レンズによって基板ステージ上に置かれたウェハーなどに露光される。基板ステージ104でウェハーの所望の位置を露光する。
【0083】
本実施例では、上述したレーザ照明光学系を用いてレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させるため、レチクル102の面上で干渉縞が発生しない。このため、照明性能がよく高性能な露光を行うことができる。
【0084】
(実施例11)
図22は、本発明によるレーザ加工機の一実施例について説明するための概略図で、図中、105はレンズ、106はワークである。本発明のレーザ加工機は、レーザアレイ光源100からのレーザ光を請求項1から請求項11までに記載のいずれかのレーザ照明光学系101で均一ビームに変換し、レンズ105でワーク106に縮小または拡大して照射する。集光スポットではワークの表面加工や切断加工を行うことができる。また、レンズ105を投影レンズに置きかえるか、もしくは被照射部を直接ワークとする配置では、ワークの広い範囲にわたって均一照明できるため、レーザアニールとしても利用できる。本実施例では、上述したレーザ照明光学系を用いてレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させるため、ワーク上で干渉縞が発生しない。このため、良好なレーザ加工やレーザアニールを行うことができる。
【0085】
(実施例12)
図23は、本発明による投写装置の一実施例を説明するための概略図である。本発明の投射装置は、レーザアレイ光源100r,100g,100bと、上述したレーザ照明光学系101r,101g,101bと、色合成手段113と、ライトバルブ114と、投射レンズ115とを有している。また図中、116はフィールドレンズで、ライトバルブからの画像光を効率良く投射レンズ115の瞳に入れるために用いるが、必ずしも必須の構成ではない。色合成手段113としてはダイクロイックプリズムやダイクロ
イックミラーを用いることができる。
【0086】
本実施例においては、レーザ照明光学系は、ホログラム素子111r,111g,111bとフライアイレンズ系112r,112g,112bからなる。前述の通り、本発明に係わるレーザ照明光学系を使うことにより、被照射部であるライトバルブ114面で干渉縞が発生しない。ライトバルブ114で空間変調された画像を投射レンズ115でスクリーン(図示せず)に投影する。ライトバルブ114としては、例えば液晶素子を用いることができる。また、図23では透過型のライトバルブを図示しているが、反射型のライトバルブを用いて照明光と投射光を偏光ビームスプリッタで分岐するように構成してもよい。
【0087】
本実施例は、単板のライトバルブを使っているが、3つのライトバルブを使うようにしてもよい。図示しないが、3板式の場合には一つのレーザアレイ光源とレーザ照明光学系の被照射部にライトバルブを配置し、3つのライトバルブからの画像光を色合成手段(例えばダイクロイックプリズム)で合成して投射レンズでスクリーンに投影させる。
【0088】
上記実施例の投射装置によれば、レーザアレイ光源であるため、個々のレーザパワーが小さくてもアレイ数を多くすると高出力にできる。またレーザ照明光学系によってレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させるため、干渉縞の発生しない均一照明ができ、明るくて表示品質の高い投射装置を提供することができる。
【0089】
(実施例13)
図24は本発明による投写装置の他の実施例を説明するための図である。本発明の投射装置は、レーザアレイ光源100r,100g,100bと、上述したレーザ照明光学系(ホログラム素子111r,111g,111b,フライアイレンズ系112)、色合成手段113と、ライトバルブ114と、投射レンズ115とを有している。また図中、116はフィールドレンズで、ライトバルブ114からの画像光を効率良く投射レンズ115の瞳に入れるために用いるが、必ずしも必須の構成ではない。また色合成手段113としてはダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いることができる。
【0090】
本実施例では、レーザ照明光学系は、三つのホログラム素子111r,111g,111bと一つのフライアイレンズ系112からなるが、フライアイレンズ系112は、色合成手段113で3色のレーザ光を合成した後に配置する。本実施例の構成によって、フライアイレンズ系が1組で足りるため装置の部品点数を減らすことができ、装置も小型にすることができる。
【0091】
本実施例によれば、レーザアレイ光源であるため、個々のレーザパワーが小さくてもアレイ数を多くすると高出力にできる。またレーザ照明光学系によってレーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させるため、干渉縞の発生しない均一照明ができ、これにより明るくて表示品質の高く、小型のレーザ投射装置を提供することができる。さらに、レーザ照明光学系の一部を共有させるため、部品点数が少なく、小型の投射装置とすることができる。
【0092】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ照明光学系によれば、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束成分のビームプロファイルを、変調ピッチのホログラム素子で変換させるため、被照射部で干渉縞が発生しにくく、均一な照明を良好に行うことができる光学系を提供することができる。
【0093】
また、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させることにより、レチクル面で干渉縞が発生しにくく照明性能が良い露光装置を提供することができる。
【0094】
また、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させることにより、ワーク上で干渉縞が発生しにくく照明性能が良いレーザ加工機を提供することができる。
【0095】
また、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束を変調ピッチのホログラム素子でビームプロファイルを変換させることにより、ライトバルブ面で干渉縞が発生しにくく照明性能が良い投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成及び光路を示す図である。
【図2】 本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図である。
【図3】 本発明によるレーザ照明光学系の一実施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図である。
【図4】 図4は、図2と同様の照明光学系の平面概略構成および光路と、ホログラム素子上および被照射部上の照度(光の強度)分布とを示す図である。
【図5】 図5は、ホログラム素子からの出射光をコリメート化するためのホログラム素子の構成例を説明するための図である。
【図6】 本発明によるレーザ照明光学系の他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示す図である。
【図7】 本発明によるレーザ照明光学系の他の実施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図である。
【図8】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示す図である。
【図9】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図である。
【図10】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示す図である。
【図11】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、平面概略構成と光路を示す図である。
【図12】 レーザ光の遠視野像(ファーフィールドパターン)で、レーザの広がりに対する光強度分布を示す図である。
【図13】 隣接ビームを効率的に利用するための光路設計について説明するための図である。
【図14】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示すものである。
【図15】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示す図である。
【図16】 本発明によるレーザ照明光学系の更に他の実施例を説明するための図で、光学系の側面概略構成と光路を示す図である。
【図17】 レーザの有効アレイ数を105とした時のフライアイ分割数による被照射部のアレイ方向での均一性を計算した結果を示す図である。
【図18】 本発明で適用されるホログラム素子の設計思想について説明するための図である。
【図19】 レーザアレイ光源から出射する光速の強度分布を示す図である。
【図20】 回折素子によって調整された光の強度分布を示す図である。
【図21】 本発明による露光装置の一実施例について説明するための概略図である。
【図22】 本発明によるレーザ加工機の一実施例について説明するための概略図である。
【図23】 本発明による投写装置の一実施例を説明するための概略図である。
【図24】 本発明による投写装置の他の実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
11,41a,41b,100,100r,100g,100b…レーザアレイ光源、12…ホログラム素子、13,112b,112g,112r…フライアイレンズ系、13a,13b,31…シリンドリカルレンズアレイ、13c,32,44…シリンドリカルレンズ、14…被照射部、21…コリメートレンズアレイ、22,42,43,111b、111g、111r…ホログラム素子、101,101r,101g,101b…レーザ照明光学系、102…レチクル(マスク)、103…投影レンズ、104…基板ステージ、105…レンズ、106…ワーク、113…色合成手段、114…ライトバルブ、115…投射レンズ、116…フィールドレンズ、l…レーザビームアレイ、g,g′…格子溝。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser illumination optical system, an exposure apparatus using the optical system, a laser processing machine, and a projection apparatus, and more specifically, an illumination optical system that uses a laser as a light source to make the illuminance uniform in an irradiated part; The present invention relates to apparatuses such as a laser processing machine, a laser exposure apparatus, and a laser projection apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
A projection apparatus using a laser as a light source is expected to perform projection with high color purity because the oscillation spectrum of the laser is narrow. On the other hand, since the laser has high coherence, interference fringes may occur when the light beams are divided and then combined. For example, when a single laser beam is made uniform in illuminance by a normal fly-eye lens optical system, interference fringes are seen in the irradiated portion. Further, for example, in the hologram element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-094839, a configuration in which a part of the laser beam is superimposed on the irradiated portion to suppress interference is disclosed. It doesn't disappear.
[0003]
When a laser array is used as a light source, light is oscillated from light sources of different optical resonators, so there is no light interference between the arrays. For this reason, a plurality of interference fringes overlap at the irradiated portion. As the number of laser arrays increases, the interference fringes become less conspicuous, but it is difficult to reduce the interference fringes depending on the number of arrays and the combination of fly-eye lens systems.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention,the aboveIt was made in view of the actual situationYes,The purpose is to reduce the interference fringes caused by the intensity distribution of the luminous flux in the vertical direction of the laser array light source and improve the illumination performance to the irradiated part..
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, the present invention has the following features.
The laser illumination optical system according to the present invention is
  Laser oscillatorOnly in one directionA plurality of laser array light sources, a diffraction element having a diffraction grating that equalizes the intensity of light flux components in the pitch direction of the grating grooves, and the intensity of light flux components in the lens array direction are made uniform.A first cylindrical lens array and a secondCylindrical lens arrayFly eye lens system consisting ofWhen,The diffractive element is arranged such that the array direction of the laser beam array emitted from the laser array light source is perpendicular to the pitch direction of the grating grooves of the diffractive element,Fly eye lens systemThe array direction of the laser beam array and theOf the first and second cylindrical lensesIt is arranged so that the lens array direction is parallelThe second cylindrical lens array is arranged such that the focal position of the first cylindrical lens array is located on each lens of the second cylindrical lens array.That featuresAnd
[0010]
The laser illumination optical system according to the present invention is
  Multiple laser oscillators arranged in only one directionA laser array light source, a diffraction element on which a diffraction grating is formed, andA first cylindrical lens array and a secondCylindrical lens arrayComposed ofFly eye lens system,The intensity of the light beam component perpendicular to the array direction of the laser array light source is made uniform by the diffraction element, and the intensity of the light beam component parallel to the array direction is obtained by the fly-eye lens system. Configured to be uniformThe second cylindrical lens array is arranged so that the focal position of the first cylindrical lens array is located on each lens of the second cylindrical lens array.That featuresAnd
[0011]
The laser illumination optical system according to the present invention is
  Multiple laser oscillators arranged in only one directionA laser array light source, a diffraction element on which a diffraction grating is formed, andA first cylindrical lens array and a secondA fly-eye lens system comprising a cylindrical lens array and a cylindrical lens;,The intensity of the light beam component perpendicular to the array direction of the laser array light source is made uniform by the diffraction element, and the intensity of the light beam component parallel to the array direction is obtained by the fly-eye lens system. Configured to be uniformThe second cylindrical lens array is arranged so that the focal position of the first cylindrical lens array is located on each lens of the second cylindrical lens array.That featuresAnd
[0012]
  An exposure apparatus according to the present invention includes:
It has the laser illumination optical system described above and a projection lens.
[0013]
  The laser beam machine according to the present invention is
It has the above-mentioned laser illumination optical system and a lens.
[0014]
  The projection apparatus according to the present invention is
The laser illumination optical system described above is provided with three sets, a color synthesizing unit, a spatial modulation light valve, and a projection lens.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In all the drawings for explaining the embodiments, parts having the same function are denoted by the same reference numerals, and the repeated explanation thereof is omitted.
[0025]
  Example 1
  FIG. 1 to FIG. 3 are diagrams mainly for explaining an embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention. FIG. 1 shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system, and FIG. 2 shows a schematic plan configuration and optical path. FIG. 3 shows a schematic perspective structure and an optical path. As shown in each drawing, the laser illumination optical system includes a laser array light source 11, a hologram element 12, and a fly-eye lens system 13 including cylindrical lens arrays 13a and 13b. In the figure, reference numeral 14 denotes an irradiated portion.
[0026]
As the laser array light source 11, a type in which laser oscillation units such as semiconductor lasers are arranged in an array or a stripe type laser can be suitably used. The hologram element 12 is composed of a transmission type amplitude grating, a transmission type phase grating, or a transmission type blazed grating. Each of the hologram elements 12 is baked with interference fringes on a photoresist or mechanically etched with a diamond cutter on a substrate surface such as a glass plate. It can be produced by wire or the like.
[0027]
The hologram element 12 has a function of converting the intensity distribution of only one direction (the pitch direction of the grating grooves) of the light beam emitted from the laser array light source 11 by the grating. The hologram element 12 is arranged such that the direction of the grating grooves g is arranged along the array direction y of the laser beam array e emitted from the laser array light source 11 as shown in FIG. The array direction y and the pitch direction x of the grating grooves g, which are directions in which the intensity of the light beam is made uniform, are arranged so as to be orthogonal to each other.
[0028]
Note that the grating groove g of the hologram element 12 shown in FIG. 3 is linear, but the present invention is not limited to such a linear configuration, and a circular or elliptical grating groove on the substrate. May be provided to convert the intensity of the incident light beam. In order to make the intensity distribution of the luminous flux component in the pitch direction x of the grating groove g uniform, the hologram element 12 in this embodiment has a Gaussian profile (in FIG. The diffraction angle of the laser beam having the above is appropriately adjusted, and the grating pitch in the hologram surface is chirped so that the illuminance distribution becomes constant in the irradiated portion 14 (the diffraction grating pitch is increased or increased depending on the position). To decrease). This operation will be described in more detail with reference to FIG.
[0029]
FIG. 4 is a diagram showing a schematic plan configuration and an optical path of an illumination optical system similar to that in FIG. 2, and illuminance (light intensity) distribution on the hologram element and the irradiated portion. In the figure, 12P is an illuminance distribution on the hologram element 12, and 14P is an illuminance distribution on the irradiated portion 14. A broken line in the figure indicates an optical path, and is a path to the irradiated portion 14 of the laser beam irradiated from the laser array light source 11 and incident on the hologram element 12 at equal intervals.
[0030]
The illuminance distribution 12P on the hologram element indicates the illuminance (or light intensity) distribution in the pitch direction (x direction) of the grating grooves in the hologram element 12, and the position of 0 indicates the central optical axis of the laser beam. Yes. The illuminance distribution 14P on the irradiated portion indicates the illuminance (or light intensity) distribution in the x direction in the irradiated portion 14, and the position of 0 indicates the central optical axis of the laser beam. As shown in the illuminance distribution 12P on the hologram element, the illuminance distribution of the beam incident on the hologram element 12 has the highest illuminance on the central optical axis and decreases as it deviates from the central optical axis (Gaussian profile). )have.
[0031]
However, in the irradiated portion 14, this illuminance distribution must be made as uniform as possible. Therefore, the irradiated portion 14 is not irradiated with much light in the vicinity of the optical axis, and is irradiated with more light as it moves away from the optical axis (that is, the illuminance distribution is the illuminance distribution 14P on the irradiated portion). The grating pitch of the hologram element 12 is adjusted so as to make it uniform as shown in FIG. 1 to 3, the hologram element 12 is arranged perpendicular to the central optical axis of the incident light. However, the hologram element 12 is not particularly limited to this arrangement, and depends on the design (chirping) of the grating groove pitch. It is also possible to install it tilted with respect to the incident optical axis.
[0032]
The cylindrical lens arrays 13a and 13b are formed by arranging spherical or cylindrical lenses in a strip shape, and the first cylindrical lens array 13a divides an incident light beam into light beams of the number of arrays, and a second cylindrical lens. The light condenses on each lens of the lens array 13b. The second cylindrical lens array 13b functions to refract the light beam that could not be collected by the first cylindrical lens array, and collect the light beam on the irradiated portion 14 as much as possible. When the light beam incident on the first cylindrical lens array 13a is parallel light, such as when the light beam is sufficiently collected on the irradiated portion 14 without the second cylindrical lens array 13b, the second cylindrical lens is used. The lens array 13b is not necessary.
[0033]
The combination of the cylindrical lens arrays 13a and 13b constitutes the fly-eye lens system 13, the light intensity in the lens array direction can be made uniform, and illuminance unevenness can be reduced. Therefore, if the cylindrical lens arrays 13a and 13b are installed so that the light beam perpendicular to the surface whose intensity is converted by the hologram element 12 is made uniform in the irradiated portion, the illuminance distribution is made uniform on the surface of the irradiated portion 14. be able to. For this purpose, as shown in FIGS. 1 and 3, the array direction of the laser beam array e emitted from the laser array light source 11 and the array direction of the cylindrical lens arrays 13a and 13b (or the fly-eye lens system 13) are parallel to each other. You can do it.
[0034]
The laser array light source 11 has no light coherence between the laser beam arrays e. This is because the optical resonance is separate and the phases of the light are not aligned. Therefore, no interference fringes are generated even if each array light is superimposed on the irradiated portion. However, when the light beam in the paper surface of FIG. 1 is once divided by the fly-eye lens and overlapped by the irradiated portion, an interference fringe always occurs. Since the interference fringes are generated at the irradiated portion for each array light, the interference fringes overlap and become inconspicuous as the number of light source arrays increases, but they do not disappear completely. In the present invention, no interference fringes are generated in order to obtain a uniform illuminance at the irradiated portion without dividing the light beam by the hologram element 12.
[0035]
The irradiated portion 14 is a portion to which the uniformed light beam is irradiated, and a spatial light modulation element (so-called light valve) corresponds to the irradiated portion in the projection apparatus, and a mask (reticle) corresponds to the irradiated portion 14 in the exposure apparatus.
[0036]
Next, in the configuration of the laser illumination optical system in the present embodiment, the optical path from the laser beam emitted from the laser array light source 11 to the irradiated portion 14 will be described mainly with reference to FIGS. The laser beam array e emitted from the laser array light source 11 is incident on the hologram element 12 with a certain spread angle as shown in FIG. Of the light beam incident on the hologram element 12, the light beam component perpendicular to the array direction y of the laser beam array e has uniform illuminance at the irradiated portion 14 as shown in FIG. 2 or FIG. After the intensity conversion is performed as described above, the light is emitted.
[0037]
FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration example of a hologram element for collimating emitted light from the hologram element, and schematically showing a diffraction grating formed on the hologram element. 5A is a schematic perspective view of the hologram element 12, FIG. 5B is a schematic view of FIG. 5A viewed from the B direction, and FIG. 5 is a schematic view of FIG. 5A viewed from the C direction. Shown in (C).
[0038]
The optical path of the light beam component parallel to the array direction y of the laser beam array e is not affected by the hologram element 12 if it is normal. However, in this embodiment, the light beam is collimated by the hologram element 12 as shown in FIG. This is because, as shown in FIG. 5C, one surface of the hologram element 12 in addition to the grating grooves g that uniformize the intensity distribution in the direction orthogonal to the laser array direction as shown in FIG. Corresponding to each laser beam, a grating groove g ′ having a modulation pitch is provided in a direction perpendicular to the beam array e. Although not shown, a collimating circular or elliptical diffraction grating is used as a hologram element. This can be realized by providing on 12. Needless to say, the object of the present invention can be achieved without collimating the luminous flux component parallel to the array direction of the laser beam array e as in this embodiment.
[0039]
The light beam that has passed through the hologram element 12 is then incident on a fly-eye lens system 13 composed of cylindrical lens arrays 13a and 13b. Among these light beams, the cylindrical lens arrays 13a and 13b have an equivalent relationship with a transparent parallel plate with respect to a light beam component perpendicular to the array direction of the laser beam array e. That is, as a general property of the parallel plate, when the light beam enters the cylindrical lens arrays 13a and 13b perpendicularly, it is transmitted as it is. When the light beam is incident at a certain angle, the optical path is shifted by a predetermined amount according to the angle.
[0040]
However, as shown in FIG. 2 or FIG. 4, since all the light beams are incident on the cylindrical lens arrays 13a and 13b to such an extent that they can be regarded as almost vertical, the shift amount of the optical path is very small and negligible. On the other hand, the light beam component parallel to the array direction y of the laser beam array e is condensed on the second cylindrical lens array 13b by the first cylindrical lens array 13a as shown in FIG. 1 and as described above. Further, the optical path is corrected so that the light beam collects as much as possible in the irradiated portion 14 by the second cylindrical lens array 13b.
[0041]
In the present embodiment, since the light beam incident on the first cylindrical lens array 13a is parallel light, the second cylindrical lens array 13b can be omitted as described above. 1 to 3, the hologram element 12 is provided in the next stage of the laser array light source 11, and the cylindrical lenses 13a and 13b are provided in the next stage. However, in order to achieve the object of the present invention. Without being limited to this order, cylindrical lenses 13a and 13b may be provided at the next stage of the laser array light source 11, and the hologram element 12 may be provided at the next stage. As in this embodiment, the irradiated portion 14 can be illuminated with good interference fringes by converting the intensity of the light beam perpendicular to the array direction of the laser array with the hologram element 12 having a modulation pitch.
[0042]
  (Example 2)
  6 and 7 are diagrams for explaining another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention. FIG. 6 shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system, and FIG. 7 shows a schematic plan configuration and optical path. Is. The optical system of the present embodiment includes a fly-eye lens system 13 including a laser array light source 11, a hologram element 12, cylindrical lens arrays 13a and 13b, and a cylindrical lens 13c.
[0043]
In addition to the configuration of the first embodiment described above, the illumination optical system of the present embodiment has a configuration in which a cylindrical lens 13c is arranged on the emission side optical path of the cylindrical lens arrays 13a and 13b as a fly-eye lens system. The cylindrical lens 13c is provided to more uniformly illuminate the irradiated portion 14 arranged at a predetermined position, and condenses the emitted light from the cylindrical lens array 13b on the irradiated portion 14. The light utilization efficiency can be increased, and the uniformity can be improved by eliminating unevenness in illuminance.
[0044]
That is, in the first embodiment, the light intensity in the lens array direction is made uniform by the cylindrical lenses 13a and 13b. However, when the irradiated portion 14 is arranged in the form shown in FIG. As a result, array light that does not illuminate 14 is generated, and depending on how the array light overlaps in the irradiated portion 14, illuminance unevenness may occur. In the present embodiment, the cylindrical lens 13c is set so that the light beams in the lens array direction (laser array direction) of the cylindrical lens arrays 13a and 13b are condensed on the irradiated portion 14, thereby uniform in the irradiated portion 14. Lighting can be realized.
[0045]
The present embodiment is the same as the configuration of the first embodiment except for the cylindrical lens 13c as described above, and the characteristics and operations of the elements overlapping with those of the first embodiment are the same, and the operations are performed by the respective elements. The same behavior is shown for the optical path that received the light. Also, other configuration examples to which the respective elements as described in the first embodiment are applied can be similarly applied to the present embodiment. In the following, the basic operation of the present embodiment will be described including a portion overlapping with the first embodiment, but the detailed description of the portion overlapping with the first embodiment as described in the first embodiment will be omitted.
[0046]
As in the first embodiment, the laser array light source 11 can be preferably a type in which laser oscillation units are arranged in an array or a stripe type laser. Further, the hologram element 12 converts the intensity distribution in only one direction out of the light flux emitted from the laser array light source 11 as a laser beam. As shown in FIG. 7, the Gaussian profile of the laser light (in FIG. 7, the portion where the light intensity is strong is expressed by narrowing the optical path interval) so that the illuminance distribution becomes constant at the irradiated portion. In order to achieve this, the grating pitch in the hologram surface of the hologram element 12 is chirped, and the diffraction angle from the hologram element 12 is appropriately adjusted.
[0047]
6 and 7, the hologram element 12 is arranged perpendicular to the incident optical axis. However, the hologram element 12 is not particularly limited to this arrangement, and the incident optical axis can be changed depending on the design of the modulation pitch. is there. Further, the cylindrical lens array 13b is not always necessary and can be omitted.
[0048]
In the present embodiment, the light beam perpendicular to the surface whose intensity is converted by the hologram element 12 is made uniform by the fly-eye lens system 13 and irradiates the irradiated portion 14 uniformly. As shown in FIG. 6, the array direction of the laser array light source 11 and the array direction of the fly-eye lens system 13 may be aligned. As described above, the cylindrical lens 13c after the cylindrical lens arrays 13a and 13b has a function for superimposing light from each array of the cylindrical lens array 13b on the irradiated portion. According to the present embodiment, compared with the first embodiment, the illuminance uniformity in the peripheral portion of the irradiated portion 14 can be improved. That is, by collecting the light emitted from the cylindrical lens array 13b on the irradiated portion 14 by the cylindrical lens 13c, the light use efficiency can be increased, and the uniformity can be improved by eliminating unevenness in illuminance. Can do.
[0049]
In the present embodiment, the irradiated portion 14 can perform good illumination without interference fringes by converting the intensity of a light beam perpendicular to the array direction of the laser array light source 11 with a hologram element having a modulation pitch. . Moreover, since a cylindrical lens is used for the fly-eye lens system, the illumination performance of the irradiated portion can be improved.
[0050]
  (Example 3)
  FIGS. 8 and 9 are diagrams for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention. FIG. 8 shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system, and FIG. It is shown. The optical system of the present embodiment is configured by a laser array light source 11, a collimating lens array 21, and a hologram element 22. In addition to the configuration of the second embodiment, the collimating lens array 21 is connected to the laser array light source 11. It is provided on the optical path between the hologram element 22. Note that the hologram element 22 shown in FIG. 8 has an intensity distribution only in one direction (the pitch direction of the grating grooves) among the light beams emitted from the laser array light source 11 as in the hologram elements 12 of the first and second embodiments. However, since the diffraction angle is set so that parallel light is incident on the hologram element 12 of the first and second embodiments, another symbol (22) is attached here. .
[0051]
The laser beam array emitted from the laser array light source 11 by the collimator lens array 21 is converted into a parallel beam and is incident on the hologram element 22. Since the parallel light beam is incident on the hologram element 22 as in the present embodiment, the installation tolerance of the hologram is increased. That is, since it is only necessary to assume parallel light as the incident light when designing the diffraction angle of the hologram, the hologram element 22 used in this embodiment can be easily manufactured.
[0052]
This embodiment is the same as the configuration of the second embodiment except for the collimating lens array 21 as described above, and the characteristics and operations of the elements overlapping with the second embodiment are the same. The same behavior is shown for the affected optical path. Further, other configuration examples to which the respective elements as described in the above-described embodiments are applied can be similarly applied to the present embodiment. The basic operation of this embodiment will be described below, but repeated detailed description of the same parts as those in the above embodiment will be omitted.
[0053]
As the laser array light source 11, a stripe laser in which laser oscillation units are arranged in an array or a light source in which a plurality of stripe lasers are arranged in layers can be suitably used. Further, the collimating lens array 21 has an array of lenses at the same pitch as the array pitch of the laser array light source 11, and collimates the laser light emitted from each light emitting portion of the laser array light source 11 with the corresponding lens. .
[0054]
The hologram element 12 does not have a function of diffracting in the array direction of the light source (in the plane of FIG. 8), and converts the intensity distribution of the light beam as shown in FIG. 9 for the light beam perpendicular to the array. In FIG. 9, the direction component perpendicular to the array in the beam incident on the hologram element 22 has a Gaussian distribution having a peak at the center intensity. The grating pitch of the hologram element 22 is designed so that the light diffracted from the hologram element 22 has a predetermined diffraction angle according to the distance from the center of the beam. In FIG. 9, the light ray portion having a high intensity is shown with the light ray width narrowed.
[0055]
On the other hand, for the luminous flux component in the array direction from the laser array light source 11, the laser array collimated light is divided according to the number of divisions of the fly eye by the fly eye lens system 13 as shown in the second embodiment, and the irradiated portion 14 are superimposed.
[0056]
According to the configuration of the present embodiment, since the emitted light beam from the laser array light source 11 is collimated by the collimating lens array 21 and then incident on the hologram element 12, the hologram installation tolerance can be widened.
[0057]
  Example 4
  FIGS. 10 and 11 are diagrams for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention. FIG. 10 shows a schematic side configuration and optical path of the optical system, and FIG. It is shown. The laser illumination optical system of the present embodiment includes a laser array light source (or single stripe laser) 11 in which light emitting portions are arrayed linearly, a cylindrical lens array (or lenticular lens) 31, a cylindrical lens 32, and a hologram element. 22 and a fly-eye lens system 13 including cylindrical lens arrays 13a and 13b and a cylindrical lens 13c. In addition to the configuration of the second embodiment, a cylindrical lens array (or lenticular lens) 31 and a cylindrical lens 32 are provided. Are provided on the optical path between the laser array light source 21 and the hologram element 12.
[0058]
The cylindrical lens array 31 and the cylindrical lens 32 in this embodiment are lens systems for collimating laser array light. Since a single-stripe laser array is used as a light source, the cylindrical lens array 31 converts the array direction component of each light beam into a parallel light beam before the adjacent laser beams overlap, and the cylindrical lens 32 then converts the array thickness direction (in the direction orthogonal to the array direction). ) Are collimated.
[0059]
The effect similar to that of the third embodiment can be obtained by making the laser array beam incident on the hologram element 12 into a parallel light beam. However, in this embodiment, the collimating lens system includes two optical components (cylindrical lens array 31, Since the cylindrical lens 32) functions and these lenses are cylindrical lenses, it is possible to increase the installation tolerance in the direction of the generatrix. Furthermore, since the two-direction components of the light beam are collimated by individual lenses, the length ratio of the entire collimated array light beam can be changed depending on the focal length of the cylindrical lens 32. Can be spread.
[0060]
Further, in this embodiment, since the parallel light beam is incident on the hologram element 12 as in the third embodiment, the installation tolerance of the hologram is increased. That is, since it is sufficient to assume parallel light as the incident light when designing the diffraction angle of the hologram, the hologram element 12 used in this embodiment can be easily manufactured.
[0061]
The configuration of the present embodiment is the same as that of the second embodiment except for the collimating lens system including the cylindrical lens array 31 and the cylindrical lens 32 as described above. The same behavior is shown with respect to the optical path affected by each element. In addition, other configuration examples applying each element as described in the above embodiment can be applied to this embodiment in the same manner, and repeated detailed description of portions overlapping with the above embodiment is given. Omitted.
[0062]
  (Example 5)
  FIG. 12 is a far-field image (far field pattern) of laser light, and is a diagram illustrating an example of light intensity distribution with respect to the spread of the laser. In general, the spread angle of a laser beam is represented by a full width at half maximum θ as shown in FIG. In order to prevent the light beams between adjacent lasers from overlapping on the surface of the hologram element 12 in FIG. 6, the light utilization efficiency is high unless the light beams that are twice the spread angle of the laser light overlap. If the laser divergence angle θ in the plane parallel to the laser array direction is θ = 10 °, a half-angle θ = 10 ° (that is, 2θ = 20 ° in all angles) as shown in FIG. Otherwise, up to about 6% of the peak intensity can be used.
[0063]
In FIG. 13, if the array pitch of the laser array light source 11 is P, the distance d from the laser light emitting unit to the hologram element 12 is
d ≦ P / 2 / tan (θ) (Formula 1)
By arranging so as to satisfy the above, adjacent laser beams do not overlap. If adjacent laser beams overlap with each other at the hologram element 12, incident light from two directions cannot be diffracted in the same direction, and light is lost. That is, the light utilization efficiency is increased by the configuration satisfying the above (Equation 1).
[0064]
  (Example 6)
  FIG. 14 is a view for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system. The illumination optical system is composed of laser array light sources 41a and 41b, a hologram element 42, and a fly-eye lens system 13 including cylindrical lens arrays 13a and 13b and a cylindrical lens 13c. The cylindrical lens array 13b can be omitted as in the above-described embodiments.
[0065]
The configuration of this embodiment includes a plurality of laser array light source units arranged in multiple stages, and the example of FIG. 14 is configured using two laser array light sources 41a and 41b. In this embodiment, by configuring the laser array light source in multiple stages, the total power of the light source can be further increased, and as a result, the radiant flux of the irradiated portion 14 can be increased, so that irradiation is possible. The illuminance of the portion 14 can be dramatically improved.
[0066]
In the laser array light sources 41a and 41b, the respective light emitting units are linearly arrayed, and the array light sources are configured in multiple stages. As described above, FIG. 14 shows a two-stage laser array light source, but the number of multistage configurations may be any number. Further, the hologram element 42 is an array of the hologram elements 12 of the first embodiment.
[0067]
The configuration of this example is understood as a multi-stage configuration of the same optical system as that of Example 2 above. Therefore, the action and optical path in each element and other application configurations from one laser light source array (41a or 41b) to a part of the irradiated portion 14 (one half of the irradiated portion 14 in FIG. 11). The example is the same as that of the second embodiment, and the repeated description thereof is omitted here. According to the present embodiment, by configuring the laser array light source in multiple stages, it is possible to improve the illuminance of the irradiated portion by increasing the total power of the light source as described above.
[0068]
  (Example 7)
  FIG. 15 is a view for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system. The laser illumination optical system includes laser array light sources 41a and 41b, a hologram element 43, and a fly-eye lens system 13 including cylindrical lens arrays 13a and 13b and a cylindrical lens 13c. The cylindrical lens array 13b can be omitted as in the above-described embodiments.
[0069]
The present embodiment is the same as the sixth embodiment in that the laser array light sources are arranged in multiple stages and the irradiated portion 14 is uniformly illuminated using the same optical system as in the second embodiment. The centers of the laser beams emitted from the array light sources 41a and 41b are aligned with the centers of the irradiated portions 14, that is, the irradiation regions of the irradiated portions 14 by the laser beams from the laser array light sources 41a and 41b are overlapped. Thus, the irradiated portion 14 can be illuminated with uniform and high illuminance. The operation and optical path in each element of the present embodiment are the same as those of the above-described sixth embodiment except that the hologram element 43 diffracts the beam of diffracted light toward the center of the irradiated portion 14.
[0070]
In the laser array light sources 41a and 41b of the present embodiment, the light emitting sections are arrayed in a straight line as in the sixth embodiment, and the array light sources are configured in multiple stages. Although FIG. 15 shows a two-stage laser array light source, the number of multistage configurations may be any number.
[0071]
The hologram element 43 is provided with a modulation pitch diffraction grating corresponding to the number of stages of the laser array light source, but the diffracted light from the hologram element 43 equalizes the light beam component in the plane parallel to the paper surface of FIG. And has the function of aligning the center of the beam with the center of the irradiated portion 14.
[0072]
Similarly to the second embodiment, the fly-eye lens system 13 illuminates the light flux component in the plane perpendicular to the paper surface of FIG. For example, the fly-eye lens system 13 can be made to function by using the cylindrical lens arrays 13a and 13b and the cylindrical lens 13c. With the configuration of the present embodiment, interference fringes caused by light flux components in the array vertical direction of the laser array light sources 41a and 41b can be reduced, and the illumination performance to the irradiated portion 14 can be improved, and the laser array light sources 41a and 41b can be improved. The laser power can be increased by forming an array in layers, and the irradiated portion 14 can be illuminated with uniform and high illuminance by these emitted lights.
[0073]
  (Example 8)
  FIG. 16 is a view for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention and shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system. In the present embodiment, a cylindrical lens 44 is disposed immediately after the hologram element 42 in the optical system of the seventh embodiment, and the operation and optical path of other elements are the same as those of the seventh embodiment, so that the repetition is repeated. Description of is omitted.
[0074]
The hologram element 42 is an arrayed hologram element 42 corresponding to the multistage configuration of the laser array light sources 41a and 41b used in the sixth embodiment shown in FIG. The cylindrical lens 44 has a function to superimpose the diffracted light from the array portion of the hologram element 42 on the irradiated portion 14.
[0075]
In the present embodiment as well, as in the sixth and seventh embodiments, interference fringes caused by light flux components in the array vertical direction of the laser array light sources 41a and 41b can be reduced, and the illumination performance to the irradiated portion 14 can be improved. The laser array light sources 41a and 41b can be arranged in layers to increase the laser power, and the irradiated portion 14 can be illuminated with uniform and high illuminance by the emitted light.
[0076]
  Example 9
  In each of the embodiments described above, the intensity of the light beam component orthogonal to the array direction of the laser array light is changed by the hologram element, but the illuminance uniformity in the array direction is assigned to the fly-eye lens system. The number of laser arrays and the number of fly eye divisions need to be configured to exclude a specific relationship.
[0077]
If the number of divisions of the fly-eye lens system matches the divisor of the number of effective arrays of the laser array light source (the number of arrays actually oscillating), the period of the intensity distribution of the laser array in the direction of the laser array of the irradiated part Completely match and the illumination cannot be made uniform. For this reason, the number of divisions is selected so that the value is not a divisor of the effective number of laser arrays.
[0078]
FIG. 17 is a diagram showing the result of calculating the uniformity of the irradiated portion in the array direction based on the number of fly-eye divisions when the number of effective laser arrays is 105. FIG. If the number of divisions is not equal to the divisor of 105, the uniformity is high. According to this embodiment, since a value other than a divisor of the number of effective laser arrays is selected as the number of fly-eye divisions, the illuminance uniformity can be ensured.
[0079]
FIG. 18 is a diagram for explaining the design concept of a hologram element applied in the present invention, wherein 12 is a hologram element, and 14 is an irradiated portion. The illuminance profile of the beam incident on the hologram element 12 is a Gaussian profile as shown in FIG. That is, the illuminance at the center of the beam is high, and the illuminance decreases toward the periphery of the beam. The hologram element 12 causes the incident beam having such a Gaussian profile to have a uniform illuminance distribution as shown in FIG.
[0080]
That is, the intensity in a minute region on the hologram element 12, for example, A in FIG. 19 becomes the intensity B in FIG. 20 at the irradiated portion 14, and the diffraction angle θ2 of that portion is determined so that A = B. That is, the following diffraction equation from the incident angle θ1 and the wavelength:
sin θ1 + sin θ2 = λ / P
Determines the pitch P of the hologram. Here, λ represents a wavelength. If this is calculated over the entire area of the incident beam, the modulation pitch of the hologram element 12 can be designed. Note that the hologram element 22 used in FIG. 8 can design the modulation pitch by setting θ1 = 0.
[0081]
  (Example 10)
  FIG. 21 is a schematic diagram for explaining an embodiment of an exposure apparatus according to the present invention. In the figure, 100 is a laser array light source, 101 is a laser illumination optical system, 102 is a reticle (mask), 103 is a projection lens, Reference numeral 104 denotes a substrate stage. The illumination optical system is a laser illumination optical system according to the present invention, for example,the aboveThe illumination optical system described in the embodiment is applied. The array light from the laser array light source 100 becomes uniform irradiance on the reticle 102 by the laser illumination optical system 101.
[0082]
The reticle 102 is a photomask used to expose a circuit pattern on a wafer in a semiconductor device manufacturing process, and the pattern of the reticle 102 is exposed to a wafer or the like placed on a substrate stage by a projection lens. A desired position of the wafer is exposed on the substrate stage 104.
[0083]
  In this example,Mentioned aboveSince the beam profile is converted by the hologram element having the modulation pitch with respect to the light beam in the array vertical direction of the laser array light source using the laser illumination optical system, no interference fringes are generated on the surface of the reticle 102. For this reason, illumination performance is good and high-performance exposure can be performed.
[0084]
  (Example 11)
  FIG. 22 is a schematic view for explaining an embodiment of the laser beam machine according to the present invention, in which 105 is a lens and 106 is a workpiece. The laser beam machine of the present invention converts the laser beam from the laser array light source 100 into a uniform beam by the laser illumination optical system 101 according to any one of claims 1 to 11 and reduces it to the workpiece 106 by the lens 105. Or magnify and irradiate. The focused spot can be used for surface processing or cutting of the workpiece. Further, in the case where the lens 105 is replaced with a projection lens, or an arrangement in which the irradiated portion is directly a workpiece, uniform illumination can be performed over a wide range of the workpiece, so that it can also be used for laser annealing. In this example,Mentioned aboveSince the beam profile is converted by a hologram element having a modulation pitch with respect to the light beam in the array vertical direction of the laser array light source using the laser illumination optical system, no interference fringes are generated on the workpiece. For this reason, good laser processing and laser annealing can be performed.
[0085]
  Example 12
  FIG. 23 is a schematic diagram for explaining an embodiment of the projection apparatus according to the present invention. The projection apparatus of the present invention includes laser array light sources 100r, 100g, 100b,Mentioned aboveThe laser illumination optical system 101r, 101g, 101b, the color synthesizing unit 113, the light valve 114, and the projection lens 115 are provided. In the figure, reference numeral 116 denotes a field lens, which is used to efficiently put the image light from the light valve into the pupil of the projection lens 115, but is not necessarily indispensable. As the color synthesis means 113, a dichroic prism or dichroic is used.
An ic mirror can be used.
[0086]
In this embodiment, the laser illumination optical system includes hologram elements 111r, 111g, and 111b and fly-eye lens systems 112r, 112g, and 112b. As described above, by using the laser illumination optical system according to the present invention, no interference fringes are generated on the surface of the light valve 114 that is the irradiated portion. An image spatially modulated by the light valve 114 is projected onto a screen (not shown) by the projection lens 115. As the light valve 114, for example, a liquid crystal element can be used. Further, although a transmission type light valve is illustrated in FIG. 23, it may be configured such that illumination light and projection light are branched by a polarization beam splitter using a reflection type light valve.
[0087]
In this embodiment, a single plate light valve is used, but three light valves may be used. Although not shown, in the case of a three-plate type, a light valve is arranged on the irradiated portion of one laser array light source and the laser illumination optical system, and image light from the three light valves is synthesized by color synthesis means (for example, dichroic prism). And project it onto the screen with a projection lens.
[0088]
According to the projection apparatus of the above embodiment, since it is a laser array light source, it is possible to increase the output by increasing the number of arrays even if the individual laser power is small. In addition, since the beam profile is converted by the laser illumination optical system using a hologram element having a modulation pitch for the light beam in the array vertical direction of the laser array light source, uniform illumination without interference fringes can be performed, and a bright projection device with high display quality is provided. be able to.
[0089]
  (Example 13)
  FIG. 24 is a diagram for explaining another embodiment of the projection apparatus according to the present invention. The projection apparatus of the present invention includes laser array light sources 100r, 100g, 100b,Mentioned aboveA laser illumination optical system (hologram elements 111r, 111g, 111b, fly-eye lens system 112), a color synthesizing unit 113, a light valve 114, and a projection lens 115 are provided. In the figure, reference numeral 116 denotes a field lens, which is used to efficiently put the image light from the light valve 114 into the pupil of the projection lens 115, but is not necessarily an essential configuration. As the color synthesizing means 113, a dichroic prism or a dichroic mirror can be used.
[0090]
In this embodiment, the laser illumination optical system includes three hologram elements 111r, 111g, and 111b and one fly-eye lens system 112. The fly-eye lens system 112 emits three colors of laser beams by the color synthesizing unit 113. Place after synthesis. According to the configuration of the present embodiment, one set of fly-eye lens systems is sufficient, so that the number of parts of the device can be reduced, and the device can be downsized.
[0091]
According to the present embodiment, since it is a laser array light source, even if the individual laser power is small, the output can be increased by increasing the number of arrays. In addition, the laser illumination optical system converts the beam profile of the laser array light source in the vertical direction of the array with a hologram element with a modulation pitch, so that uniform illumination without interference fringes can be achieved, resulting in a bright, high display quality, compact size A laser projection apparatus can be provided. Furthermore, since a part of the laser illumination optical system is shared, the number of components is small and a small projection device can be obtained.
[0092]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the laser illumination optical system of the present invention, the beam profile of the light beam component in the array vertical direction of the laser array light source is converted by the hologram element of the modulation pitch, and therefore, interference occurs at the irradiated part. It is possible to provide an optical system in which fringes are hardly generated and uniform illumination can be favorably performed.
[0093]
Further, by converting the beam profile of the light beam in the array vertical direction of the laser array light source with a hologram element having a modulation pitch, it is possible to provide an exposure apparatus that is unlikely to generate interference fringes on the reticle surface and has good illumination performance.
[0094]
Further, by converting the beam profile of the light beam in the array vertical direction of the laser array light source with a hologram element having a modulation pitch, it is possible to provide a laser processing machine in which interference fringes are hardly generated on the workpiece and the illumination performance is good.
[0095]
Further, by converting the beam profile of the light beam in the array vertical direction of the laser array light source with a hologram element having a modulation pitch, it is possible to provide a projection device that is unlikely to generate interference fringes on the light valve surface and has good illumination performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of a laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of a laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic plan configuration and an optical path.
FIG. 3 is a diagram for explaining an embodiment of a laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic plan configuration and an optical path.
FIG. 4 is a diagram showing a schematic plan configuration and an optical path of an illumination optical system similar to that in FIG. 2, and illuminance (light intensity) distribution on the hologram element and the irradiated portion.
FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration example of a hologram element for collimating emitted light from the hologram element.
FIG. 6 is a diagram for explaining another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 7 is a diagram for explaining another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic plan configuration and an optical path.
FIG. 8 is a diagram for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 9 is a diagram for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic plan structure and an optical path.
FIG. 10 is a diagram for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 11 is a view for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a view showing a schematic plan structure and an optical path.
FIG. 12 is a diagram showing a light intensity distribution with respect to the spread of a laser in a far-field image (far field pattern) of laser light.
FIG. 13 is a diagram for explaining optical path design for efficiently using adjacent beams.
FIG. 14 is a view for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention and shows a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 15 is a diagram for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 16 is a diagram for explaining still another embodiment of the laser illumination optical system according to the present invention, and is a diagram showing a schematic side view configuration and optical path of the optical system.
FIG. 17 is a diagram showing the result of calculating the uniformity of the irradiated portion in the array direction based on the number of fly-eye divisions when the number of effective laser arrays is 105.
FIG. 18 is a diagram for explaining a design concept of a hologram element applied in the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing the intensity distribution of the speed of light emitted from a laser array light source.
FIG. 20 is a diagram showing light intensity distribution adjusted by a diffraction element.
FIG. 21 is a schematic view for explaining an embodiment of an exposure apparatus according to the present invention.
FIG. 22 is a schematic view for explaining one embodiment of a laser beam machine according to the present invention.
FIG. 23 is a schematic diagram for explaining an embodiment of a projection apparatus according to the present invention.
FIG. 24 is a diagram for explaining another embodiment of the projection apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11, 41a, 41b, 100, 100r, 100g, 100b ... laser array light source, 12 ... hologram element, 13, 112b, 112g, 112r ... fly-eye lens system, 13a, 13b, 31 ... cylindrical lens array, 13c, 32, 44 ... Cylindrical lens, 14 ... irradiated portion, 21 ... collimator lens array, 22, 42, 43, 111b, 111g, 111r ... hologram element, 101,101r, 101g, 101b ... laser illumination optical system, 102 ... reticle (mask) , 103 ... Projection lens, 104 ... Substrate stage, 105 ... Lens, 106 ... Workpiece, 113 ... Color composition means, 114 ... Light valve, 115 ... Projection lens, 116 ... Field lens, l ... Laser beam array, g, g '... Lattice groove.

Claims (12)

レーザ発振部を一方向にのみ複数並べたレーザアレイ光源と、格子溝のピッチ方向の光束成分の強度を均一化する回折格子を有する回折素子と、レンズアレイ方向の光束成分の強度を均一化する第1のシリンドリカルレンズアレイと第2のシリンドリカルレンズアレイから構成されるフライアイレンズ系と、を有し、前記回折素子は、前記レーザアレイ光源から出射されるレーザビームアレイのアレイ方向と前記回折素子の格子溝のピッチ方向とが垂直になるように配置され、前記フライアイレンズ系は、前記レーザビームアレイのアレイ方向と前記第1および第2のシリンドリカルレンズのレンズアレイ方向が平行になるように配置されており、前記第2のシリンドリカルレンズアレイは、前記第1のシリンドリカルレンズアレイの焦点位置が前記第2のシリンドリカルレンズアレイの各レンズに位置するように配置されていることを特徴とするレーザ照明光学系。  A laser array light source in which a plurality of laser oscillation units are arranged in only one direction, a diffraction element having a diffraction grating that equalizes the intensity of light flux components in the pitch direction of the grating grooves, and the intensity of light flux components in the lens array direction A fly-eye lens system including a first cylindrical lens array and a second cylindrical lens array, wherein the diffraction element includes an array direction of the laser beam array emitted from the laser array light source and the diffraction element The fly-eye lens system is arranged so that the array direction of the laser beam array and the lens array directions of the first and second cylindrical lenses are parallel to each other. The second cylindrical lens array is disposed at a focal position of the first cylindrical lens array. There laser illumination optical system characterized in that it is arranged to be positioned on each lens of the second cylindrical lens array. レーザ発振部を一方向にのみ複数並べたレーザアレイ光源と、回折格子を形成した回折素子と、第1のシリンドリカルレンズアレイと第2のシリンドリカルレンズアレイから構成されるフライアイレンズ系と、を有するレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分の強度が前記回折素子によって均一化され、前記アレイ方向に平行な光束成分の強度が前記フライアイレンズ系で均一化されるように構成されており、前記第2のシリンドリカルレンズアレイは、前記第1のシリンドリカルレンズアレイの焦点位置が前記第2のシリンドリカルレンズアレイの各レンズに位置するように配置されていることを特徴とするレーザ照明光学系。  A laser array light source in which a plurality of laser oscillation units are arranged in only one direction, a diffraction element in which a diffraction grating is formed, and a fly-eye lens system including a first cylindrical lens array and a second cylindrical lens array In the laser illumination optical system, the intensity of the light beam component perpendicular to the array direction of the laser array light source is made uniform by the diffraction element, and the intensity of the light beam component parallel to the array direction is made uniform by the fly-eye lens system The second cylindrical lens array is arranged such that the focal position of the first cylindrical lens array is located on each lens of the second cylindrical lens array. A featured laser illumination optical system. レーザ発振部を一方向にのみ複数並べたレーザアレイ光源と、回折格子を形成した回折素子と、第1のシリンドリカルレンズアレイと第2のシリンドリカルレンズアレイ及びシリンドリカルレンズからなるフライアイレンズ系と、を有するレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源のアレイ方向と垂直な光束成分の強度が前記回折素子によって均一化され、前記アレイ方向に平行な光束成分の強度が前記フライアイレンズ系で均一化されるように構成されており、前記第2のシリンドリカルレンズアレイは、前記第1のシリンドリカルレンズアレイの焦点位置が前記第2のシリンドリカルレンズアレイの各レンズに位置するように配置されていることを特徴とするレーザ照明光学系。  A laser array light source in which a plurality of laser oscillation units are arranged in only one direction, a diffraction element in which a diffraction grating is formed, a fly-eye lens system including a first cylindrical lens array, a second cylindrical lens array, and a cylindrical lens; A laser illumination optical system, wherein the intensity of the light beam component perpendicular to the array direction of the laser array light source is made uniform by the diffraction element, and the intensity of the light beam component parallel to the array direction is made uniform by the fly-eye lens system The second cylindrical lens array is arranged such that the focal position of the first cylindrical lens array is located on each lens of the second cylindrical lens array. A laser illumination optical system characterized by the above. 請求項1ないし3のいずれか1に記載のレーザ照明光学系において、前記回折素子は、前記回折格子としてホログラフィック格子を有するホログラフィック素子であることを特徴とするレーザ照明光学系。  4. The laser illumination optical system according to claim 1, wherein the diffraction element is a holographic element having a holographic grating as the diffraction grating. 5. 請求項1ないし4のいずれか1に記載のレーザ照明光学系において、前記レーザアレイ光源と前記回折素子との間に各レーザ光をコリメートする手段を設けたことを特徴とするレーザ照明光学系。  5. The laser illumination optical system according to claim 1, further comprising means for collimating each laser beam between the laser array light source and the diffraction element. 請求項5に記載のレーザ照明光学系において、前記レーザアレイ光源は、直線状にアレイ化された光源またはシングルストライプのレーザアレイ光源であって、前記コリメートする手段は、シリンドリカルレンズアレイまたはレンチキュラーレンズとシリンドリカルレンズとからなり、前記シリンドリカルレンズアレイのアレイピッチは前記レーザアレイ光源のアレイピッチと同等であり、前記シリンドリカルレンズは、前記レーザアレイ光源のアレイ方向に直交する方向にレンズパワーを有することを特徴とするレーザ照明光学系。  6. The laser illumination optical system according to claim 5, wherein the laser array light source is a linear array light source or a single stripe laser array light source, and the means for collimating includes a cylindrical lens array or a lenticular lens. The cylindrical lens has an array pitch equal to the array pitch of the laser array light source, and the cylindrical lens has a lens power in a direction orthogonal to the array direction of the laser array light source. Laser illumination optical system. 請求項1ないし6のいずれか1に記載のレーザ照明光学系において、前記レーザアレイ光源のアレイ方向におけるビームの広がり角を定義する半値全角をθ、前記レーザアレイ光源のピッチをPとするとき、前記回折素子と前記レーザアレイ光源の発光部の間隔dは、d≦P/2/tan(θ)を満たすことを特徴とするレーザ照明光学系。  The laser illumination optical system according to any one of claims 1 to 6, wherein θ is a full width at half maximum defining a beam spread angle in the array direction of the laser array light source, and P is a pitch of the laser array light source. The laser illumination optical system characterized in that an interval d between the diffraction element and the light emitting portion of the laser array light source satisfies d ≦ P / 2 / tan (θ). 請求項1ないしのいずれか1に記載のレーザ照明光学系において、前記フライアイレンズ系は、該フライアイレンズ系の光束分割数が前記レーザアレイ光源の有効アレイ数の約数以外の値をとることを特徴とするレーザ照明光学系。In claims 1 to 7 laser illumination optical system according to any one of the fly-eye lens system, the light beam division number of the fly's eye lens system a value other than about a few effective number of arrays of the laser array light source A laser illumination optical system. 請求項1ないしのいずれか1に記載のレーザ照明光学系と、投影レンズとを有することを特徴とする露光装置。A laser illumination optical system according to any one of claims 1 to 8, the exposure apparatus characterized by having a projection lens. 請求項1ないしのいずれか1に記載のレーザ照明光学系と、レンズとを有することを特徴とするレーザ加工機。Laser processing machine, characterized in that it comprises a laser illumination optical system, a lens according to any one of claims 1 to 8. 発振波長の異なる3つのレーザアレイ光源と、請求項1ないしのいずれか1に記載のレーザ照明光学系を3組と、色合成手段と、空間変調ライトバルブと、投射レンズとを備えたことを特徴とする投射装置。Three laser array light sources having different oscillation wavelengths, further comprising three sets of laser illumination optical system according to any one of claims 1 to 8, and the color synthesizing means, and the spatial modulation light valve, and a projection lens Projection device characterized by. 請求項11に記載の投射装置において、前記3組のレーザ照明光学系のフライアイレンズ系を共通化し、該フライアイレンズ系と3組の回折素子との間に前記色合成手段を配置したことを特徴とする投射装置。12. The projection apparatus according to claim 11 , wherein the fly-eye lens system of the three sets of laser illumination optical systems is shared, and the color synthesizing means is disposed between the fly-eye lens system and the three sets of diffraction elements. Projection device characterized by.
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