JPH11249043A - 多ビーム走査型露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結像面上でのビーム配列を正確に設定するこ
とができ、かつ、光束分割素子の耐パワー性を向上させ
ることができる多ビーム走査型露光装置を提供すること
を課題(目的)とする。 【解決手段】 ガスレーザー光源１０から発したビーム
Ｌ1をハーフミラープリズム１２によりビームＬ2、Ｌ3
に分割し、かつ、それぞれのビームをグレーティング型
の光束分割素子２６ａ，２６ｂにより９本のビームに分
割し、それぞれ９本中の８本のビームをマルチチャンネ
ル(８チャンネル)の音響光学変調器(ＡＯＭ)２８ａ，２
８ｂにより独立して変調し、これらを偏光ビームスプリ
ッター３１により合成し、合成された１６本のビームを
ポリゴンミラー４０及びｆθレンズ４１を含む走査光学
系により動的に偏向させて結像面(露光面)５０上に走査
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光源から発した
単一のビームを光束分割素子を介して列状に並ぶ複数の
ビームに分割し、この分割されたビームを走査光学系に
より結像面上で走査させる多ビーム走査型露光装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の多ビーム走査型露光装置は、例え
ば特開平８−２４８３３８号公報に開示される。この公
報に開示される装置の光学系は、アルゴンレーザーから
発する１本のレーザービームをハーフミラーで分割し、
それぞれのビームを光束分割素子を用いて８分割し、合
計１６本のビームを同時にポリゴンミラーで偏向させる
ことにより結像面上を走査するようにしている。

【０００３】図７は、上記公報の光学系に用いられてい
る光束分割素子を示す斜視図である。この光束分割素子
は、両端に斜面が４５度となる直角三角プリズム７１，
７２を備え、その間に６枚の平行平面プリズム７３ａ〜
７３ｇが配置され、これらをエポキシ系接着剤等の有機
系接着剤により接合して構成されている。第１の直角三
角プリズム７１と平行平面プリズム７３ａとの間の接合
面、および平行平面プリズム７３ａ〜７３ｆどうしの接
合面には、光束分割膜７４ａ〜７４ｇが形成されてお
り、平行平面プリズム７３ｇと第２の直角三角プリズム
７２との間の接合面には反射膜７５が形成されている。
第１の平行平面プリズム７３ａの図中後方の端面から入
射したビームは、光束分割膜７４ａ〜７４ｇにより８等
分されて図中手前側の端面から互いに平行に射出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の多ビーム走査型露光装置では、光束分割素子の
精度を設計通り高く保つことが困難であるため、結像面
上でのビーム配列が乱れ、描画品質(主走査線幅、主走
査線ピッチムラ)を高く保つことができないという問題
がある。すなわち、従来の装置に用いられる光束分割素
子は、複数のプリズムを接着剤で貼り合わせて構成され
るため、プリズム単体の加工誤差と貼り合わせ時の組立
誤差との２種類の誤差を含み、これらが重畳されるため
全体の誤差が大きくなり、これがビーム配列を大きく乱
す原因となる。

【０００５】また、従来の多ビーム走査型露光装置で
は、光束分割素子の各プリズムを接着するために有機系
の接着剤が用いられているため、ビームの照射エネルギ
ーにより接着剤が炭化(黒化)して透過率が低下し、射出
する複数のビーム間のパワーのバランスが崩れるという
問題がある。このため、従来の光束分割素子は寿命が短
く頻繁な交換が必要であり、一方、入射ビームのパワー
もあまり大きくすることはできなかった。

【０００６】この発明は、上述した従来技術の問題に鑑
みてなされたものであり、結像面上でのビーム配列を正
確に設定することができ、かつ、光束分割素子の耐パワ
ー性を向上させることができる多ビーム走査型露光装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる多ビー
ム走査型露光装置は、上記の目的を達成させるため、１
つのビームを光束分割素子により列状に配列する複数の
ビームに分岐させ、これらの分岐されたビームを走査光
学系を介して結像面上で走査させる構成において、光束
分割素子として、帯状の基準位相パターンが基板上に等
ピッチで多数並列して形成され、入射光を回折させて複
数の光束に分割するグレーティング型の素子を用いたこ
とを特徴とする。

【０００８】上記の構成によれば、光源側から入射する
ビームは光束分割素子の回折作用により一度に複数のビ
ームに分割される。分割された分岐ビームは、走査光学
系を介して所定の配列を保ちつつ結像面上を走査する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる多ビーム
走査型露光装置の実施形態を説明する。図１(Ａ)は、実
施形態にかかる多ビーム走査型露光装置の光学系を示す
主走査面内の説明図、図１(Ｂ)はこの光学系の光路を展
開して示した光路図、図２(Ａ)は図１の光学系の一部を
示す副走査面内の光路図、図２(Ｂ)は図２(Ａ)を拡大し
て示す説明図である。なお、図２(Ａ)では、分割された
複数のビーム中の１本の光路を示している。

【００１０】実施形態の装置の光学系は、図１(Ａ)に示
されるように、アルゴンレーザー等のガスレーザー光源
１０から発したビームＬ1をハーフミラープリズム１２
によりビームＬ2、Ｌ3に分割し、かつ、それぞれのビー
ムをグレーティング型の光束分割素子２６ａ，２６ｂに
より９本のビームに分割し、それぞれ９本中の８本のビ
ームをマルチチャンネル(８チャンネル)の音響光学変調
器(ＡＯＭ)２８ａ，２８ｂにより独立して変調し、これ
らを偏光ビームスプリッター３１により合成し、合成さ
れた１６本のビームをポリゴンミラー４０及びｆθレン
ズ４１を含む走査光学系により動的に偏向させて結像面
(露光面)５０上に走査させる。

【００１１】なお、ビームの走査方向(主走査方向)は紙
面と平行な方向であり、光学系と結像面５０とは紙面と
垂直な方向(副走査方向)に相対的に移動して結像面上に
二次元の露光パターンを形成させる。

【００１２】以下、図１および図２を参照しつつ各光学
素子の配置、作用について説明する。ガスレーザー光源
１０から発したビームＬ1は、ミラー１１により反射さ
れてハーフミラープリズム１２に入射する。ハーフミラ
ープリズム１２を透過したビームＬ2は、正のパワーを
持つ第１レンズ２０ａにより収束され、図１(Ｂ)に示す
ように収束位置の後方に配置された音響光学変調器２１
ａに入射する。この音響光学変調器２１ａは、ポリゴン
ミラー４０の面倒れ誤差を補正するため、ビームを反射
している反射面が切り替わる毎に射出角度を調整する。
音響光学変調器２１ａを射出した発散ビームは、正のパ
ワーを持つ第２レンズ２２ａにより再び収束され、ミラ
ー２３ａで反射された後に正のパワーを持つ第３レンズ
２４ａに入射する。

【００１３】第３レンズ２４ａによりほぼ平行光とされ
たビームは、ミラー２５ａで反射された後、光束分割素
子２６ａに入射し、図２(Ｂ)に示すように、その回折作
用により副走査方向に角度差を持つ９本のビームに分割
される。分割された９本のビームは正のパワーを持つ第
４レンズ(集光レンズ)２７ａに入射して収束され、その
中の１本が遮光板６０により遮断され、残りの８本が第
４レンズ２７ａによるビームの収束位置の後方に配置さ
れた音響光学変調器２８ａに入射する。なお、光束分割
素子２６ａは、第４レンズ２７ａの光源側の焦点位置に
ほぼ一致して配置されている。音響光学変調器２８ａ
は、前述のように８チャンネルの変調部を備え、入射す
る８本の光束を独立して変調することができる。音響光
学変調器２８ａから射出したビームは、ミラー３０で反
射された後、偏光ビームスプリッター３１に対してＳ偏
向として入射し、これにより反射される。

【００１４】一方、ハーフミラープリズム１２で反射さ
れたビームＬ3の光路にも、ビームＬ2の光路に配置され
たのと同様の光学素子が配置されている。すなわち、ビ
ームＬ3は、第１レンズ２０ｂ、面倒れ補正用の音響光
学変調器２１ｂ、第２レンズ２２ｂ、ミラー２３ｂ、第
３レンズ２４ｂ、ミラー２５ｂ、光束分割素子２６ｂ、
第４レンズ(集光レンズ)２７ｂを順に透過し、あるいは
反射されて、音響光学変調器２８ｂに入射する。音響光
学変調器２８ｂから射出したビームは、１／２波長板２
９を透過した後、偏光ビームスプリッター３１に対して
Ｐ偏向として入射し、これを透過する。

【００１５】偏光ビームスプリッター３１で合成された
１６本の発散ビームは、コリメータレンズを構成する第
５、第６レンズ３３，３４によりほぼ平行光とされ、ポ
リゴンミラー４０により同時に反射、偏向される。偏向
された１６本のビームは、ｆθレンズ４１とコンデンサ
レンズ４２とを介してそれぞれ結像面５０上の異なる位
置に収束(結像)する。

【００１６】上記の実施形態のように光束分割素子２６
ａ，２６ｂとしてグレーティング型の素子を用いること
により、光源側から入射するビームを光束分割素子の回
折作用により一度に複数のビームに分割することができ
る。したがって、従来の貼り合わせプリズムを用いた場
合のような加工・組立誤差による影響を抑えることがで
き、結像面５０上でのビーム配列を正確に設定すること
ができる。また、接着剤を用いていないため、耐パワー
性が高く、素子の交換寿命は従来より格段に長くなり、
しかも、入射光のパワーをより大きくして描画時間を短
縮することも可能である。

【００１７】次に、上記実施形態で用いられている光束
分割素子２６ａ，２６ｂの形状について説明する。光束
分割素子２６ａ，２６ｂの一方の面には、図３に示され
るように、帯状の基準位相パターンＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4
…が等ピッチで多数並列して形成されている。この基準
位相パターンは、ピッチ内で与える位相差が非線形に変
化するよう形成され、しかも隣接する基準位相パターン
の間での位相ギャップを有しない滑らかな形状である。

【００１８】実施形態のように位相差が非線形に変化す
るような複雑な位相パターンを持つ回折格子は、干渉法
や、干渉法により得られたパターンをマスクとするエッ
チング法では正確に刻むことができない。そこで、ここ
では、機械刻線法によりマスターとなる金型を作成し、
その刻線されたマスターのパターンを樹脂や光学ガラス
に転写することにより光束分割素子を作成する。

【００１９】また、機械刻線法によりマスターを形成す
る場合にも、平面上に位相パターンを形成するために
は、この平面に平行な面内の直交２軸方向と、平面に垂
直な高さ方向との全部で３次元の方向に対してバイトと
金型とを相対的に駆動制御しなければならず、加工に時
間がかかる上、３次元の制御で波長オーダーの精密なパ
ターンを刻むためには駆動装置のコストが高くなる。実
施形態では、形成される位相パターンが、その高さがｙ
方向(図３参照)に沿ってのみ変化し、ｘ方向については
同一であることに着目し、ｘ方向を円周方向とする円柱
面(凹面)上に位相パターンを形成するよう構成してい
る。

【００２０】この方法によれば、バイトと金型との相対
的な位置を回転軸方向ｙ、及び回転軸に近接、離反する
ｚ方向の二次元方向に制御するのみで金型を加工するこ
とができ、比較的簡単な制御で実施形態のように位相パ
ターンが多値、非線形の複雑な位相差を持つグレーティ
ングパターンのマスターを形成することができる。

【００２１】したがって、形成される光束分割素子は、
微視的にはメニスカスのシリンダー面を有する形状とな
るが、シリンダーの曲率半径が素子のサイズと比較して
十分に大きいため、巨視的には平行平面板とみなすこと
ができる。なお、位相パターンは、光の入射側、射出側
のいずれに配置しても回折効果は同一である。

【００２２】表１は、実施形態の光束分割素子に用いら
れる基準位相パターンの形状を示す。この表では、基準
位相パターンの１ピッチを図３のｙ方向、すなわち位相
パターンの並列方向に沿って０〜６３の６４の座標に等
分割し、各座標での相対的な形状を光の位相差(単位：
ラジアン)として示している。実形状は、座標０の点か
らのｚ方向の距離として表される場合、空気中での使用
を前提とすると、使用波長をλ、素子の屈折率をｎとし
て、位相×λ/(２π(ｎ−１))により求められる。図４
は、表１に示される光束分割素子の基準位相パターンの
形状を示すグラフであり、縦軸が位相差、横軸が座標で
ある。この基準位相パターンは、光束を９本に分割する
ときに、(1)分割された各光束の強度が同一になるよう
にすること、(2)目的とする分割数以外の位置に余分な
光が出ないようにすること、という２つの条件を満たす
よう最適化することにより求められた形状である。

【００２３】

【表１】

【００２４】以下の表２は、上述の光束分割素子の光束
分割性能を示す数値であり、入射光の強度を１として、
分割された各光束の光量を次数毎に示している。回折効
率は、目的とする分割数の回折光の強度が入射光束の強
度に占める割合を示す。なお、表２に示される回折光の
強度分布は、図５のグラフに示されている。これらのグ
ラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は入射光の強度を１
としたときの各次数の回折光の強度を示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２に示されるように、表１の形状を採用
することにより極めて高い効率で回折光を利用すること
ができ、しかも、利用される各次数の回折光の強度を均
一に保つことができる。

【００２７】なお、上述した実施形態の光束分割素子の
位相パターンは、凹凸を反転させた場合にも全く同一の
効果を得ることができる。表３は、表１に示す実施形態
の光束分割素子の位相パターンの凹凸を反転させた変形
例における基準位相パターンの形状を示す。符号の意味
は表１におけるのと同一である。図６は、表３に示され
る光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ
であり、縦軸が位相差、横軸が座標である。表３の構成
による場合にも、各次数毎の回折光の強度、および回折
効率は表２に示す数値と一致する。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、光源側から入射するビームは光束分割素子の回折作
用により一度に複数のビームに分割されるため、従来の
貼り合わせプリズムを用いた場合のような加工・組立誤
差による影響を抑えることができ、結像面上でのビーム
配列を正確に設定することができる。また、接着剤を用
いていないため、耐パワー性が高く、素子の交換寿命は
従来より格段に長くなり、しかも、入射光のパワーをよ
り大きくして描画時間を短縮することも可能である。

【００３０】さらに、光束分割素子の基準位相パターン
を所定の数値に一致するよう作成することにより、極め
て高い効率で回折光を利用することができ、しかも、利
用される各次数の回折光の強度を均一に保つことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 (Ａ)は、実施形態にかかる多ビーム走査型露
光装置の光学系を示す主走査面内の説明図、(Ｂ)はこの
光学系の光路を展開して示した光路図。

【図２】 (Ａ)は図１の光学系の副走査面内の光路図、
(Ｂ)は(Ａ)を拡大して示す説明図。

【図３】 実施形態の光束分割素子の位相パターンの形
状を示す斜視図。

【図４】 実施形態の光束分割素子の基準位相パターン
の形状を示すグラフ。

【図５】 実施形態の光束分割素子の光束分割性能を示
すグラフ。

【図６】 実施形態の変形例である光束分割素子の基準
位相パターンの形状を示すグラフ。

【図７】 従来の光束分割素子を示す斜視図。

【符号の説明】

１０ ガスレーザー光源 １２ ハーフミラープリズム ２６ａ，２６ｂ 光束分割素子 ３１ 偏光ビームスプリッター ４０ ポリゴンミラー ４１ ｆθレンズ ５０ 結像面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つのビームを光束分割素子により列状
   に配列する複数のビームに分岐させ、これらの分岐され
   たビームを走査光学系を介して結像面上で走査させる多
   ビーム走査型露光装置において、 前記光束分割素子は、帯状の基準位相パターンが基板上
   に等ピッチで多数並列して形成され、入射光を回折させ
   て複数の光束に分割するグレーティング型の素子である
   ことを特徴とする多ビーム走査型露光装置。
2. 【請求項２】 前記光束分割素子の前記基準位相パター
   ンは、前記ピッチ内で与える位相差が非線形に変化する
   よう形成され、隣接する前記基準位相パターンの間での
   位相ギャップを有しない形状であることを特徴とする請
   求項１に記載の多ビーム走査型露光装置。
3. 【請求項３】 前記光束分割素子の前記基準位相パター
   ンは、前記ピッチ内を６４に等分割した場合の各座標位
   置での位相(単位：ラジアン)が、以下の値を中心とする
   所定の誤差範囲内に入るよう形成され、前記入射光を９
   分割することを特徴とする請求項２に記載の多ビーム走
   査型露光装置。
4. 【請求項４】 略平行光として進む前記ビームを収束さ
   せる集光レンズと、この集光レンズと前記走査光学系と
   の間に配置され且つ前記集光レンズによって収束された
   後に発散する前記ビームを再度略平行光にするコリメー
   タレンズとを更に備えるとともに、 前記光束分割素子を前記集光レンズの光源側焦点位置に
   配置したことを特徴とする請求項１記載の多ビーム走査
   型露光装置。