JP5447445B2 - 照明光学系、露光装置及び投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系、露光装置及び投射装置に関する。

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、特許文献１（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、上記特許文献１の公報の構成でも干渉縞が無くなるわけではない。

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。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、被照射部への照明性能を向上させることを目的とする。

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こととする。

本発明にかかる照明光学系は、
レーザ発振部を直線状に複数並べた第１レーザアレイと、
レーザ発振部を直線状に複数並べた第２レーザアレイと、
入射した光の一方向の強度分布を均一な分布に近づける回折格子を有する回折素子と、
入射した光の前記一方向に垂直な方向の強度分布を均一な分布に近づけるように配置されたフライアイレンズ系と、を有し、
前記第１レーザアレイからのレーザビームおよび前記第２レーザアレイからのレーザビームは、前記回折素子の異なる箇所に入射し、
前記回折素子および前記フライアイレンズ系を経た前記第１レーザアレイからのレーザビーム、および、前記回折素子および前記フライアイレンズ系を経た前記第２レーザアレイからのレーザビームは、照明領域が重なることを特徴とする。

本発明によれば、被照射部への照明性能を向上させることができる。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明による投射装置の一実施例を説明するための概略図である。 本発明による投射装置の他の実施例を説明するための図である。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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からのレーザ光を上述したレーザ照明光学系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。

（実施例１２）
図２３は、本発明による投射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。

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。

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。

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。

（実施例１３）
図２４は本発明による投射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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

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

特開平０８−０９４８３９号公報

Claims (4)

1. レーザ発振部を直線状に複数並べた第１レーザアレイと、
   レーザ発振部を直線状に複数並べた第２レーザアレイと、
   入射した光の一方向の強度分布を均一な分布に近づける回折格子を有する回折素子と、
   入射した光の前記一方向に垂直な方向の強度分布を均一な分布に近づけるように配置されたフライアイレンズ系と、を有し、
   前記第１レーザアレイからのレーザビームおよび前記第２レーザアレイからのレーザビームは、前記回折素子の異なる箇所に入射し、
   前記回折素子および前記フライアイレンズ系を経た前記第１レーザアレイからのレーザビーム、および、前記回折素子および前記フライアイレンズ系を経た前記第２レーザアレイからのレーザビームは、照明領域が重なることを特徴とする照明光学系。
2. 前記回折素子は、該素子の異なる箇所に入射した光の照明位置における中心を一致させることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明光学系と、該照明光学系からの照明光の光路上に配置された投射レンズと、からなることを特徴とする露光装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の照明光学系と、該照明光学系に照明されるライトバルブと、該ライトバルブに形成された画像光を投射する投射レンズと、からなることを特徴とする投射装置。

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