KR101773666B1 - 광조사 장치 및 묘화 장치 - Google Patents

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마사히코 고쿠보
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가부시키가이샤 스크린 홀딩스
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Abstract

광원부(4)로부터의 레이저광은, 조사 광학계(5)의 광축(J1)을 따라서 조사면(320)으로 유도된다. 조사 광학계(5)의 분할 렌즈부(62)는, 입사하는 광을 분할하는 복수의 요소 렌즈를 갖고, 광로 길이 차 생성부(61)는, 서로 상이한 광로 길이를 갖는 복수의 투광부를 갖는다. 복수의 요소 렌즈를 통과한 복수의 광속은, 복수의 투광부에 각각 입사한다. 집광부(63)는, 조사면 상에서 복수의 광속의 조사 영역(50)을 겹친다. 요소 렌즈의 배열 방향을 따라서 본 경우에, 집광부에 대해 복수의 광속이 평행광으로서 입사한다. 집광부는, 상기 배열 방향에 수직인 Y방향으로 평행광을 발산시키는 발산 렌즈(631)와, 발산 렌즈로부터의 광을 조사면 상에서 집광시키는 수렴 렌즈(633)를 구비한다. 이에 의해, 집광부의 Y방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 설계가 용이하게 실현되고, 조사면 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남이 억제된다.

Description

광조사 장치 및 묘화 장치{LIGHT IRRADIATION APPARATUS AND DRAWING APPARATUS}
본 발명은, 광조사 장치 및 묘화 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 레이저 등의 광원으로부터 출사되는 레이저광을, 소정의 면 상에 균일하게 조사하는 기술이 제안되어 있다. 예를 들면, 광원부로부터 입사하는 레이저광을, 실린드리컬 렌즈 어레이에 있어서의 복수의 실린드리컬 렌즈에서 복수의 광속으로 분할하고, 복수의 광속의 조사 영역을 다른 렌즈에 의해 조사면 상에서 겹치는 광조사 장치에 있어서, 광원부와 실린드리컬 렌즈 어레이 사이에 광로 길이 차 생성부가 설치된다. 광로 길이 차 생성부에는, 상기 레이저광의 코히런스 길이(가간섭 거리)보다도 긴 광로 길이 차를 서로 발생시키는 복수의 투광부가 설치되고, 복수의 투광부를 통과한 광이 복수의 실린드리컬 렌즈에 각각 입사한다. 이에 의해, 간섭 무늬의 발생을 방지하여, 조사면 상에 조사되는 조명광의 강도 분포의 균일화를 도모할 수 있다(이러한 장치로서, 예를 들면, 일본국 특허 공개 2004-12757호 공보 참조).
그런데, 상기 광조사 장치에 있어서, 조사면 상에 있어서의 광속 단면을 라인형상으로 할 때는, 실린드리컬 렌즈의 배열 방향을 따라서 본 경우에, 조사면 상에서 복수의 광속을 같은 위치에서 집광시키는 집광부가 설치된다. 그러나, 상기 배열 방향을 따라서 본 경우에 있어서, 투광부의 입사면과 출사면의 평행도가 투광부마다 불균일하거나, 또는, 실린드리컬 렌즈의 입사면과 출사면의 평행도가 실린드리컬 렌즈마다 불균일할 때는, 조사면 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치가, 상기 배열 방향에 수직인 방향으로 어긋나 버린다. 이와 같이, 복수의 광속의 집광 위치에 어긋남이 발생하면, 조명광의 질이 저하되어, 예를 들면 상기 광조사 장치를 이용한 묘화 장치에서는, 패턴 묘화의 정밀도가 저하한다.
본 발명은, 광조사 장치를 위한 것이며, 조사면 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남을 억제하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 하나의 광조사 장치는, 소정 위치를 향해 레이저광을 출사하는 광원부와, 상기 소정 위치에 배치되고, 상기 광원부로부터의 레이저광을 광축을 따라서 조사면으로 유도하는 조사 광학계를 구비하고, 상기 조사 광학계가, 상기 광축에 수직인 제1의 방향으로 배열된 복수의 요소 렌즈를 갖고, 입사하는 광을 상기 복수의 요소 렌즈에 의해 복수의 광속으로 분할하는 분할 렌즈부와, 상기 분할 렌즈부보다도 상기 조사면측에 배치되고, 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속의 조사 영역을 겹치는 집광부를 구비하고, 상기 복수의 요소 렌즈가, 상기 광축 및 상기 제1의 방향에 수직인 제2의 방향으로 파워를 갖지 않는 복수의 실린드리컬 렌즈이며, 또는, 상기 제1의 방향으로 배열됨과 더불어 서로 상이한 광로 길이를 갖는 복수의 투광부가 상기 조사 광학계에 설치되고, 상기 복수의 요소 렌즈를 통과한 광, 혹은, 상기 복수의 요소 렌즈를 향하는 광이 상기 복수의 투광부에 각각 입사하고, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 집광부에 대해 상기 복수의 광속이 평행광으로서 입사하고, 상기 집광부에 의해 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속이 집광되고, 상기 집광부가, 상기 제2의 방향으로 상기 평행광을 발산시키는 발산부와, 상기 발산부로부터의 광이 입사함과 더불어, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에 상기 조사면 상에서 상기 광을 집광시키는 수렴 렌즈를 구비한다.
상기 광조사 장치에서는, 집광부의 제2의 방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 설계를 용이하게 실현할 수 있어, 그 결과, 조사면 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남을 억제할 수 있다.
바람직하게는, 상기 발산부가, 상기 제2의 방향으로만 음의 파워를 갖는 실린드리컬 렌즈이다.
본 발명에 따른 다른 광조사 장치는, 소정 위치를 향해 레이저광을 출사하는 광원부와, 상기 소정 위치에 배치되고, 상기 광원부로부터의 레이저광을 광축을 따라서 조사면으로 유도하는 조사 광학계를 구비하고, 상기 조사 광학계가, 상기 광축에 수직인 제1의 방향으로 배열된 복수의 요소 렌즈를 갖고, 입사하는 광을 상기 복수의 요소 렌즈에 의해 복수의 광속으로 분할하는 분할 렌즈부와, 상기 분할 렌즈부보다도 상기 조사면측에 배치되고, 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속의 조사 영역을 겹치는 집광부를 구비하고, 상기 복수의 요소 렌즈가, 상기 광축 및 상기 제1의 방향에 수직인 제2의 방향으로 파워를 갖지 않는 복수의 실린드리컬 렌즈이며, 또는, 상기 제1의 방향으로 배열됨과 더불어 서로 상이한 광로 길이를 갖는 복수의 투광부가 상기 조사 광학계에 설치되고, 상기 복수의 요소 렌즈를 통과한 광, 혹은, 상기 복수의 요소 렌즈를 향하는 광이 상기 복수의 투광부에 각각 입사하고, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 집광부에 대해 상기 복수의 광속이 평행광으로서 입사하고, 상기 집광부에 의해 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속이 집광되고, 상기 광원부로부터 상기 조사 광학계에 콜리메이트된 레이저광이 입사하고, 상기 조사 광학계가, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 콜리메이트된 레이저광의 상기 제2의 방향에 있어서의 폭보다도, 상기 집광부에 입사하는 상기 평행광의 상기 제2의 방향에 있어서의 폭을 작게 하는 폭 조정부를 더 구비한다.
상기 광조사 장치에 있어서도, 집광부의 제2의 방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 설계를 용이하게 실현할 수 있어, 그 결과, 조사면 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남을 억제할 수 있다.
바람직하게는, 상기 분할 렌즈부에 있어서의 상기 복수의 요소 렌즈의 각각이, 구면(球面)의 렌즈면을 갖고, 상기 렌즈면이, 상기 폭 조정부의 일부를 겸한다.
본 발명은, 묘화 장치를 위한 것이기도 하다. 본 발명에 따른 묘화 장치는, 상기 광조사 장치와, 상기 광조사 장치에 있어서의 상기 조사면에 배치되는 공간 광변조기와, 상기 공간 광변조기에 의해 공간 변조된 광을 대상물 상으로 유도하는 투영 광학계와, 상기 공간 변조된 광의 상기 대상물 상에 있어서의 조사 위치를 이동하는 이동 기구와, 상기 이동 기구에 의한 상기 조사 위치의 이동에 동기하여 상기 공간 광변조기를 제어하는 제어부를 구비한다.
상술한 목적 및 다른 목적, 특징, 양태 및 이점은, 첨부한 도면을 참조하여 이하에서 행하는 이 발명의 상세한 설명에 의해 밝혀진다.
도 1은, 묘화 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은, 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는, 분할 렌즈부 및 광로 길이 차 생성부의 일부를 확대하여 나타내는 도면이다.
도 5는, 조사면 상에 있어서의 광의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은, 비교예의 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은, 비교예의 광조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은, 분할 렌즈부 및 광로 길이 차 생성부를 나타내는 도면이다.
도 9는, 조사면 상에 있어서의 집광 위치를 나타내는 도면이다.
도 10은, 조사면 상에 있어서의 광의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 12는, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 13은, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 14는, 요소 렌즈를 나타내는 도면이다.
도 15는, 요소 렌즈를 나타내는 도면이다.
도 16은, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 17은, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 18은, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 19는, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 20은, 광조사 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 묘화 장치(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 묘화 장치(1)는, 감광 재료가 표면에 부여된 반도체 기판이나 유리 기판 등의 기판(9)의 표면에 광 빔을 조사하여 패턴을 묘화하는 직접 묘화 장치이다. 묘화 장치(1)는, 스테이지(21)와, 이동 기구(22)와, 광조사 장치(31)와, 공간 광변조기(32)와, 투영 광학계(33)와, 제어부(11)를 구비한다. 스테이지(21)는 기판(9)을 유지하고, 이동 기구(22)는, 스테이지(21)를 기판(9)의 주면을 따라서 이동시킨다. 이동 기구(22)는, 기판(9)을, 주면에 수직인 축을 중심으로 하여 회동해도 된다.
광조사 장치(31)는, 미러(39)를 통해 공간 광변조기(32)에 라인형상의 광을 조사한다. 광조사 장치(31)의 상세한 사항에 대해서는 후술한다. 공간 광변조기(32)는, 예를 들면 회절 격자형 또한 반사형이며, 격자의 깊이를 변경할 수 있는 회절 격자이다. 공간 광변조기(32)는, 반도체 장치 제조 기술을 이용하여 제조된다. 본 실시형태에 이용되는 회절 격자형의 광변조기는, 예를 들면, GLV(grating light valve)(Silicon Light Machines(서니베일, 캘리포니아)의 등록상표)이다. 공간 광변조기(32)는 일렬로 배열된 복수의 격자 요소를 갖고, 각 격자 요소는 1차 회절광이 출사되는 상태와, 0차 회절광(0차광)이 출사되는 상태 사이에서 천이한다. 이와 같이 하여, 공간 광변조기(32)로부터 공간 변조된 광이 출사된다.
투영 광학계(33)는, 차광판(331)과, 렌즈(332)와, 렌즈(333)와, 조리개판(334)과, 포커싱 렌즈(335)를 구비한다. 차광판(331)은, 고스트광 및 고차 회절광의 일부를 차폐하고, 공간 광변조기(32)로부터의 광을 통과시킨다. 렌즈(332, 333)는 줌부를 구성한다. 조리개판(334)은, (±1)차 회절광(및 고차 회절광)을 차폐하고, 0차 회절광을 통과시킨다. 조리개판(334)을 통과한 광은, 포커싱 렌즈(335)에 의해 기판(9)의 주면 상으로 유도된다. 이와 같이 하여, 공간 광변조기(32)에 의해 공간 변조된 광이, 투영 광학계(33)에 의해 기판(9) 상으로 유도된다.
제어부(11)는, 광조사 장치(31), 공간 광변조기(32) 및 이동 기구(22)에 접속되고, 이들의 구성을 제어한다. 묘화 장치(1)에서는, 이동 기구(22)가 스테이지(21)를 이동시킴으로써, 공간 광변조기(32)로부터의 광의 기판(9) 상에 있어서의 조사 위치가 이동한다. 또, 제어부(11)가, 이동 기구(22)에 의한 상기 조사 위치의 이동에 동기하여, 공간 광변조기(32)를 제어한다. 이에 의해, 기판(9) 상의 감광 재료에 원하는 패턴이 묘화된다.
도 2 및 도 3은, 광조사 장치(31)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3에서는, 후술하는 조사 광학계(5)의 광축(J1)에 평행한 방향을 Z방향으로서 나타내고, Z방향에 수직, 또한, 서로 직교하는 방향을 X방향 및 Y방향으로서 나타내고 있다(이하 동일). 도 2는, Y방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타내고, 도 3은, X방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타낸다.
도 2 및 도 3에 나타낸 광조사 장치(31)는, 광원 유닛(40)과, 조사 광학계(5)를 구비한다. 광원 유닛(40)은, 복수의 광원부(4)를 갖고, 각 광원부(4)는, 1개의 광원(41)(예를 들면 반도체 레이저)과, 1개의 콜리메이터 렌즈(42)를 갖는다. 복수의 광원부(4)의 광원(41)은, ZX 평면에 평행한 면(이하, 「광원 배열면」이라 함) 상에 있어서, 대략 X방향으로 배열된다. 각 광원(41)으로부터 출사되는 레이저광은, 콜리메이터 렌즈(42)에 의해 콜리메이트되어 조사 광학계(5)에 입사한다. 광원 유닛(40)에서는, 광원 배열면 상에 배열된 복수의 광원부(4)에 의해, 광원 배열면을 따르는 서로 상이한 방향으로부터 조사 광학계(5) 상의 같은 위치(후술하는 분할 렌즈부(62))를 향해서 레이저광이 출사된다.
조사 광학계(5)는, 복수의 광원부(4)에 의한 레이저광의 조사 위치에 배치된다. 조사 광학계(5)는, 상기 레이저광을 광축(J1)을 따라서 조사면(도 2 및 도 3 중에서 부호 320을 부여하는 파선으로 나타냄)인 공간 광변조기(32)의 표면, 즉, 복수의 격자 요소의 표면으로 유도한다. 이미 기술한 바와 같이, 광조사 장치(31)로부터의 광은, 미러(39)를 통해 공간 광변조기(32)에 조사되므로, 실제로는, 광조사 장치(31)는 미러(39)를 구성 요소로서 포함하는데, 도 2 및 도 3에서는, 도시의 편의상, 미러(39)를 생략하고 있다(이하 동일).
조사 광학계(5)는, 광로 길이 차 생성부(61)와, 분할 렌즈부(62)와, 집광부(63)를 구비한다. 조사 광학계(5)에서는, 광원 유닛(40)으로부터 조사면(320)을 향해, 분할 렌즈부(62), 광로 길이 차 생성부(61), 집광부(63)의 순으로, 이들의 구성이 광축(J1)을 따라서 배치된다. 복수의 광원부(4)로부터의 콜리메이트된 레이저광은, 분할 렌즈부(62)에 입사한다.
도 4는, 분할 렌즈부(62) 및 광로 길이 차 생성부(61)의 일부를 확대하여 나타내는 도면이다. 분할 렌즈부(62)는, 조사 광학계(5)의 광축(J1)에 수직, 또한, 광원 배열면을 따르는 방향(여기에서는, X방향)으로 일정한 피치로 조밀하게 배열된 복수의 렌즈(620)(이하, 「요소 렌즈(620)」라고 함)를 구비한다. 각 요소 렌즈(620)는, Y방향으로 긴 블록형상이며, (-Z)측(광원 유닛(40)측)에 위치하는 측면인 제1 렌즈면(621)과, (+Z)측(광로 길이 차 생성부(61)측)에 위치하는 측면인 제2 렌즈면(622)을 갖는다. Y방향을 따라서 본 경우에, 제1 렌즈면(621)은 (-Z)측으로 돌출하는 볼록한 형상이며, 제2 렌즈면(622)은 (+Z)측으로 돌출하는 볼록한 형상이다. X방향을 따라서 본 경우에, 각 요소 렌즈(620)의 형상은 직사각형이다(도 3 참조). 이와 같이, 요소 렌즈(620)는 X방향으로만 파워를 갖는 실린드리컬 렌즈이며, 분할 렌즈부(62)는, 소위 실린드리컬 렌즈 어레이(또는, 실린드리컬 플라이 아이 렌즈)이다.
제1 렌즈면(621) 및 제2 렌즈면(622)은, 광축(J1)에 수직인 면(XY 평면에 평행한 면)에 대해 대칭 형상이다. 제1 렌즈면(621)은 제2 렌즈면(622)의 초점에 배치되고, 제2 렌즈면(622)은 제1 렌즈면(621)의 초점에 배치된다. 즉, 제1 렌즈면(621) 및 제2 렌즈면(622)의 초점 거리는 같다. 요소 렌즈(620)에 입사하는 평행광은 제2 렌즈면(622) 상에서 집광된다. X방향으로 적층된 복수의 요소 렌즈(620)는, 하나로 연결된 부재로서 형성되어도 되고, 개별적으로 형성된 복수의 요소 렌즈(620)가 서로 접합되어도 된다.
Y방향을 따라서 본 경우에, 분할 렌즈부(62)로 입사하는 광은 복수의 요소 렌즈(620)에서 X방향에 관해 분할된다. 이 때, 각 요소 렌즈(620)의 제1 렌즈면(621)에는 각 광원부(4)로부터의 평행광이 입사하고, 제2 렌즈면(622)의 근방에 복수의 광원(41)의 상(像)이 형성된다. 복수의 요소 렌즈(620)에서 분할된 광(복수의 광속)은, 주 광선이 광축(J1)(Z방향)에 평행이 되도록 제2 렌즈면(622)으로부터 출사된다. 각 요소 렌즈(620)로부터 출사된 광속은 확산되면서, 광로 길이 차 생성부(61)에 입사한다.
광로 길이 차 생성부(61)는, 광축(J1)에 수직, 또한, 광원 배열면을 따르는 방향(여기에서는, X 방향)으로 일정한 피치로 조밀하게 배열된 복수의 투광부(610)를 구비한다. 도 2의 예에서는, 광로 길이 차 생성부(61)에 있어서의 투광부(610)의 개수는, 분할 렌즈부(62)에 있어서의 요소 렌즈(620)의 개수보다도 1개만큼 적다. 또, 투광부(610)의 배열 피치는, 요소 렌즈(620)의 배열 피치와 동일하다. 각 투광부(610)는, (이상적으로는) X방향, Y방향 및 Z방향에 수직인 면을 갖는 블록형상이다. X방향으로 일렬로 늘어선 복수의 투광부(610)에서는, X방향 및 Y방향의 길이는 같고, Z방향, 즉, 광축(J1)을 따르는 방향의 길이는 서로 상이하다. 이와 같이, 복수의 투광부(610)는 서로 상이한 광로 길이를 갖는다. 도 2의 광로 길이 차 생성부(61)에서는, 복수의 투광부(610) 중 (+X)측에 위치하는 투광부(610)일수록 Z방향의 길이가 작다. 복수의 투광부(610)의 광축(J1)방향의 길이는, 반드시 X방향을 따라서 순차적으로 길어질(또는, 짧아질) 필요는 없고, 임의의 요철 형상이면 된다. 본 실시형태에서는, 광로 길이 차 생성부(61)에 있어서의 복수의 투광부(610)는 같은 재료로, 하나로 연결된 부재로서 형성된다. 광로 길이 차 생성부(61)에서는, 개별적으로 형성된 복수의 투광부(610)가 서로 접합되어도 된다.
분할 렌즈부(62)와 광로 길이 차 생성부(61)는 Z방향으로 서로 근접하여 배치되고, X방향에 관해, 가장 (+X)측의 요소 렌즈(620)를 제외한 복수의 요소 렌즈(620)와 복수의 투광부(610)가 각각 같은 위치에 배치된다. 따라서, 이러한 요소 렌즈(620)를 통과한 복수의 광속이, 복수의 투광부(610)에 각각 입사한다. 상세하게는, 이들 요소 렌즈(620)의 각각의 제2 렌즈면(622)(도 4 참조)으로부터 출사되는 광속이, X방향으로 같은 위치에 배치되는 투광부(610)의 (-Z)측의 면인 입사면(611)에 입사한다. 상기 광속은, 상기 투광부(610)를 투과하여 (+Z)측의 면인 출사면(612)으로부터 출사된다. 또한, 가장 (+X)측의 요소 렌즈(620)를 통과한 광속은, 어느 투광부(610)도 통과하지 않는다.
실제로는, X방향에 관해, 각 투광부(610)의 출사면(612)으로부터 출사되는 광속의 폭이 상기 투광부(610)의 폭, 즉, 투광부(610)의 배열 피치보다도 작아진다. 따라서, 상기 광속이 상기 투광부(610)의 에지(즉, X방향의 끝이며, 주로 입사면(611) 및 출사면(612)에 있어서의 에지임)에 걸리는 것이 방지 또는 억제된다. 또한, 광로 길이 차 생성부(61)에서는, 분할 렌즈부(62)에 있어서의 요소 렌즈(620)의 개수와 같은 개수의 투광부(610)가 설치되어도 된다. 이 경우, 복수(모두)의 요소 렌즈(620)를 통과한 광이, 복수의 투광부(610)에 각각 입사한다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 각 투광부(610)를 통과한 광속은, 집광부(63)로 향한다. 집광부(63)는, 3개의 실린드리컬 렌즈(631, 632, 633)를 갖는다. 실린드리컬 렌즈(632)는, 요소 렌즈(620)의 배열 방향인 X방향으로 양의 파워를 갖고, 광축(J1) 및 상기 배열 방향에 수직인 Y방향으로는 파워를 갖지 않는다. 실린드리컬 렌즈(632)는, 그 초점 거리 fc만큼 복수의 요소 렌즈(620)의 제2 렌즈면(622)으로부터 (+Z)측으로 떨어진 위치에 배치된다. 환언하면, 각 요소 렌즈(620)의 제2 렌즈면(622)은, 실린드리컬 렌즈(632)의 전측 초점 위치에 배치된다. 또, 광축(J1) 상에 배치되는 조사면(320)은, 실린드리컬 렌즈(632)의 초점 거리 fc만큼, 실린드리컬 렌즈(632)로부터 (+Z)측으로 떨어진 위치에 배치된다. 즉, 조사면(320)은, 실린드리컬 렌즈(632)의 후측 초점 위치에 배치된다.
실린드리컬 렌즈(631)는, Y방향으로 음의 파워를 갖고, X방향으로는 파워를 갖지 않는다. 실린드리컬 렌즈(631)는, 광로 길이 차 생성부(61)와 실린드리컬 렌즈(632) 사이에 배치된다. 실린드리컬 렌즈(633)는, Y방향으로 양의 파워를 갖고, X방향으로는 파워를 갖지 않는다. 실린드리컬 렌즈(633)는, 실린드리컬 렌즈(632)와 조사면(320) 사이에 배치된다. 후술하는 바와 같이, X방향을 따라서 본 경우에, 실린드리컬 렌즈(631)는 입사하는 광을 발산시키고, 실린드리컬 렌즈(633)는 입사하는 광을 수렴시키므로, 이하, 실린드리컬 렌즈(631)를 「발산 렌즈(631)」라고 부르고, 실린드리컬 렌즈(633)를 「수렴 렌즈(633)」라고 부른다.
조사 광학계(5)에 있어서의 복수의 광학 소자 중, 조사면(320)에 대해 가장 근접하는 수렴 렌즈(633)는, 소정의 거리 fb(이하, 「백 포커스 fb」라고 함)만큼 조사면(320)으로부터 (-Z)측으로 떨어진 위치에 배치된다. Y방향으로만 주목한 경우에, 발산 렌즈(631) 및 수렴 렌즈(633)에 의한 합성 초점 거리 fL은, 백 포커스 fb보다도 짧다. 합성 초점 거리 fL은, Y방향으로만 주목한 경우에 있어서의 집광부(63)의 초점 거리로 파악할 수 있고, 이하의 설명에서는, 합성 초점 거리 fL를 「집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL」이라고 한다.
여기서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL은, 발산 렌즈(631)의 초점 거리를 fL1, 수렴 렌즈(633)의 초점 거리를 fL2, 발산 렌즈(631)와 수렴 렌즈(633) 사이의 거리를 dL로 하여, 식 1로 표시된다. 마찬가지로, 백 포커스 fb는, 식 2로 표시된다. 또한, 식 1 및 식 2에서는, 렌즈의 두께를 무시하고 있다.
(식 1)
fL=fL1·fL2/(fL1+fL2-dL)
(식 2)
fb=fL2(fL1-dL)/(fL1+fL2-dL)
식 1 및 식 2로부터 분명한 바와 같이, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL 및 백 포커스 fb는, 발산 렌즈(631) 및 수렴 렌즈(633)의 초점 거리 fL1, fL2, 및, 양자 사이의 거리 dL만으로 정해진다.
도 2에 나타낸 바와 같이 Y방향을 따라서 본 경우에, 복수의 요소 렌즈(620)로부터 출사된 복수의 광속은, 실린드리컬 렌즈(632)에 의해 평행광이 되고, 조사면(320)에 있어서 중첩된다. 즉, 복수의 요소 렌즈(620)로부터의 광(즉, 복수의 투광부(610)를 통과한 복수의 광속)의 조사 영역(50)이 전체적으로 겹쳐진다. 도 2 및 도 3에서는, 조사 영역(50)을 굵은 실선에서 나타내고 있고, 조사 영역(50)은, X방향에 관해 일정한 폭을 갖는다. 이미 기술한 바와 같이, 복수의 요소 렌즈(620)로부터 출사되는 복수의 광속은, 서로 상이한 투광부(610)를 통과하고 있기 때문에, 분할 렌즈부(62)와 조사면(320) 사이에 있어서 복수의 광속에 광로 길이 차가 발생한다. 따라서, 복수의 요소 렌즈(620)에서 분할된 광의 간섭에 의해, 조사면(320)에 있어서 간섭 무늬가 발생하는 것이 억제(또는 방지)된다. 즉, 도 5의 상단에 나타낸 바와 같이, 조사면(320) 상에 있어서 X방향에 있어서의 광의 강도 분포가 대략 균일해진다. 복수의 투광부(610) 중 2개의 투광부(610)의 각 조합에서는, 상기 2개의 투광부(610)를 통과하는 광속의 광로 길이의 차가, 광원부(4)로부터 출사되는 레이저광의 가간섭 거리 이상인 것이 바람직하다.
도 3에 나타낸 바와 같이 X방향을 따라서 본 경우에, 광원 유닛(40)으로부터 분할 렌즈부(62)로 입사하는 광은, 광축(J1)을 따르는 평행광(정확하게는, ZX 평면에 평행한 평행광)인 채로 분할 렌즈부(62) 및 광로 길이 차 생성부(61)를 통과해, 발산 렌즈(631)로 유도된다. Y방향으로만 음의 파워를 갖는 발산 렌즈(631)는, 상기 평행광을 Y방향으로 발산시킨다. 발산 렌즈(631)에 의한 발산광은, 실린드리컬 렌즈(632)를 통과해 수렴 렌즈(633)에 입사한다. Y방향으로만 양의 파워를 갖는 수렴 렌즈(633)는, 발산 렌즈(631)로부터의 발산광을 조사면(320) 상에서 집광시킨다. 따라서, 조사면(320)에 있어서, 각 요소 렌즈(620)로부터의 광의 조사 영역(50)은, X방향으로 신장되는 라인형상이 된다. 이에 의해, 복수의 요소 렌즈(620)를 통과한 광의 집합이며, 조사면(320) 상에 있어서의 단면(즉, 광축(J1)에 수직인 광속 단면이다. 이하 동일)이 X방향으로 신장되는 라인형상이 되는 라인 조명광이 얻어진다. 도 5의 하단에서는, Y방향에 있어서의 라인 조명광의 강도 분포를 나타내고 있다.
여기서, 비교예의 광조사 장치에 대해서 설명한다. 도 6 및 도 7은, 비교예의 광조사 장치(90)의 구성을 나타내는 도면이며, 도 2 및 도 3에 각각 대응한다. 비교예의 광조사 장치(90)는, 광원부(4)와, 분할 렌즈부(62)와, 광로 길이 차 생성부(61)와, 집광부(93)를 구비한다. 광원부(4), 분할 렌즈부(62) 및 광로 길이 차 생성부(61)의 구성은, 도 2 및 도 3의 광조사 장치(31)와 동일하다. 집광부(93)는, 2개의 실린드리컬 렌즈(931, 932)를 갖는다. 실린드리컬 렌즈(931)의 조사면(320)에 대한 위치는, 도 2 및 도 3의 실린드리컬 렌즈(632)와 동일하다. 한편, 조사면(320)에 대해 가장 근접하는 실린드리컬 렌즈(932)는, 그 초점 거리 fr만큼 조사면(320)으로부터 (-Z)측으로 떨어진 위치에 배치된다. 실린드리컬 렌즈(932)의 초점 거리 fr은, 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 분할 렌즈부(62)의 요소 렌즈(620)에서는, 그 제조상의 한계에 의해, X방향을 따라서 본 경우에 있어서의 제1 렌즈면(621)에 대한 제2 렌즈면(622)의 각도 αh(웨지각이라고도 불리고, 이하, 「평행도」라고도 함)가 0은 되지 않고, 평행도는 요소 렌즈(620)마다 불균일하다. 마찬가지로, 광로 길이 차 생성부(61)의 투광부(610)에서는, 그 제조상의 한계에 의해, X방향을 따라서 본 경우에 있어서의 입사면(611)에 대한 출사면(612)의 각도 αs가 0은 되지 않고, 평행도가 투광부(610)마다 불균일하다. 분할 렌즈부(62) 및 광로 길이 차 생성부(61)를 보다 고정밀도로 제조함으로써, 평행도를 수 초~수십 초로 하는 것도 가능하지만, 분할 렌즈부(62) 및 광로 길이 차 생성부(61)의 제조 비용이 증대해 버린다. 또한, 도 8에서는, 설명의 편의상, 분할 렌즈부(62)와 광로 길이 차 생성부(61)를 Z방향으로 이격하여 도시하고 있다.
도 8의 예에서는, X방향을 따라서 본 경우에, 요소 렌즈(620)의 제2 렌즈면(622)으로부터 출사되는 광의 진행 방향은, 제1 렌즈면(621)으로의 입사시에 있어서의 진행 방향(여기에서는, ZX 평면에 평행인 것으로 함)에 대해 각도 θh만큼 기울고, 투광부(610)의 출사면(612)으로부터 출사되는 광의 진행 방향은, 입사면(611)으로의 입사시에 있어서의 진행 방향에 대해서 각도 θs만큼 기운다. 따라서, 요소 렌즈(620) 및 투광부(610)를 통과한 광의 진행 방향은, 상기 요소 렌즈(620)의 제1 렌즈면(621)으로의 입사시에 있어서의 진행 방향, 즉, 광축(J1)에 대해 각도 θy(θy=θh+θs)만큼 기운다. 또한, 요소 렌즈(620)의 굴절률을 nh로 하여, 상기 각도 θh는, (nh-1)αh로서 표시되고, 투광부(610)의 굴절률을 ns로 하여, 상기 각도 θs는, (ns-1)αs로서 표시된다. 단, 공기 중의 굴절률을 1로 하고, 각도 αh, αs, θh, θs는 충분히 작은 것으로 하고 있다.
도 7에 나타낸 비교예의 광조사 장치(90)에 있어서, 복수의 요소 렌즈(620)를 각각 통과한 복수의 광속이, 요소 렌즈(620) 및 투광부(610)의 평행도의 불균일에 의해, 도 9에 나타낸 바와 같이 광축(J1)에 대해 상이한 각도 θy1, θy2에서 집광부(93)에 입사하는 경우, 조사면(320) 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치는, 서로 Y방향으로 어긋나 버린다. 도 9에서는, 복수의 광속의 집광 위치의 광축(J1)으로부터의 거리를 Δy1, Δy2로 하여 나타내고 있다. 복수의 광속에 있어서의 집광 위치의 어긋남에 의해, 조사면(320) 상에 있어서, 이들 광속의 집합인 라인 조명광의 Y방향의 폭이 굵어진다. 실제로는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 라인 조명광의 Y방향에 있어서의 강도 분포의 형상이, 도 5의 하단의 강도 분포에 비해 무너져버린다.
여기서, 조사면(320) 상에 있어서의 각 광속의 집광 위치의 광축(J1)으로부터의 Y방향의 거리(이하, 단순히 「집광 위치의 편차량」이라 함) Δy는, 상기 광속의 집광부(93)로의 입사시에 있어서의 진행 방향의 광축(J1)에 대한 각도(이하, 「집광부 입사각」이라 함) θy, 및, 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리 fr을 이용하여, 식 3으로 표시된다. 또한, 식 3에서는, 집광부 입사각 θy는 충분히 작은 것으로 하고 있다.
(식 3)
Δy=fr·θy=fr((nh-1)αh+(ns-1)αs)
복수의 광속에 있어서의 집광 위치의 어긋남량 Δy를 작게 함으로써, 라인 조명광의 Y방향에 있어서의 강도 분포의 형상이 무너지는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 식 3과 같이, 집광 위치의 어긋남량 Δy는, 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리 fr과, 집광부 입사각 θy의 곱으로 표시되므로, 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리 fr 및 집광부 입사각 θy중 적어도 한쪽을 작게 함으로써, 집광 위치의 어긋남량 Δy는 작아진다.
도 2 및 도 3에 나타낸 광조사 장치(31)에서는, 집광부(63)가, X방향을 따라서 본 경우에 평행광으로서 입사하는 광속을 Y방향으로 발산시키는 발산 렌즈(631)와, 발산 렌즈(631)로부터의 광을 조사면(320) 상에서 집광시키는 수렴 렌즈(633)를 구비한다. 이에 의해, 백 포커스 fb를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하거나, 또는, 비교예의 광조사 장치(90)보다도 길게 하는 경우라도, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL을 비교예의 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리 fr보다도 짧게 할 수 있다. 환언하면, 백 포커스 fb를 비교적 크게 하면서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL을 짧게 하는 설계를 용이하게 실현할 수 있다. 그 결과, 복수의 요소 렌즈(620) 및 복수의 투광부(610)의 평행도의 불균일에 기인하는, 조사면(320) 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남을 억제할 수 있어, 바람직한 라인 조명광을 조사면(320) 상에 조사할 수 있다. 또, 광조사 장치(31)를 갖는 묘화 장치(1)에서는, 패턴의 묘화를 고정밀도로 행하는 것이 가능해진다. 또한, 광조사 장치(31)에서는, 비교예의 집광부(93)의 실린드리컬 렌즈(932)를, 2개의 실린드리컬 렌즈(631, 633)로 치환한 것이라고 파악할 수 있다.
또, 도 2의 광조사 장치(31)에서는, 복수의 광원부(4)로부터 분할 렌즈부(62)를 향해서 레이저광이 출사된다. 이에 의해, 1개의 광원부(4)만이 이용되는 비교예의 광조사 장치(90)에 비해, 고강도의 라인 조명광을 얻을 수 있다.
그런데, 도 2 및 도 3의 광조사 장치(31)에서는, 백 포커스 fb를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하는 경우에, 상 측(像側)의 NA(개구 수)가 비교예의 광조사 장치(90)보다도 커진다. 다음에, 상 측의 NA를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하면서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 비교예의 광조사 장치(90)보다도 짧게 하는 광조사 장치(31)에 대해서 기술한다.
도 11 및 도 12는, 광조사 장치(31)의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 11은, Y방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타내고, 도 12는, X방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타낸다. 도 11 및 도 12에 나타내는 광조사 장치(31)에서는, 도 2 및 도 3의 광조사 장치(31)에 비해, 발산 렌즈(631)가 생략됨과 더불어, 폭 조정부(64)가 조사 광학계(5)에 추가된다. 다른 구성은, 도 2 및 도 3의 광조사 장치(31)와 동일하며, 같은 구성에 같은 부호를 부여한다.
도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 폭 조정부(64)는, 광원 유닛(40)과 분할 렌즈부(62) 사이에 설치된다. 폭 조정부(64)는, 입사하는 레이저광의 Y방향의 폭을 변경하는 빔 익스팬더이며, 2개의 실린드리컬 렌즈(641, 642)를 갖는다. 2개의 실린드리컬 렌즈(641, 642)는 모두, Y방향으로 양의 파워를 갖고, X방향으로는 파워를 갖지 않는다. 실린드리컬 렌즈(641)의 초점 거리를 fe1, 실린드리컬 렌즈(642)의 초점 거리를 fe2로서, 2개의 실린드리컬 렌즈(641, 642) 사이의 거리 de는, (fe1+fe2)로 표시된다. 광원 유닛(40)측에 배치되는 실린드리컬 렌즈(641)의 초점 거리 fe1은, 분할 렌즈부(62)측에 배치되는 실린드리컬 렌즈(642)의 초점 거리 fe2보다도 크다.
이미 기술한 바와 같이, 각 광원부(4)로부터 조사 광학계(5)에 콜리메이트된 레이저광이 입사한다. 폭 조정부(64)는, 조사 광학계(5)에 있어서 가장 광원 유닛(40)측에 배치되어 있고, 콜리메이트된 레이저광은, 폭 조정부(64)의 실린드리컬 렌즈(641)에 입사한다. 이 때, 도 12에 나타낸 바와 같이 X방향을 따라서 본 경우에, 상기 레이저광은, 광축(J1)을 따르는 평행광(정확하게는, ZX 평면에 평행한 평행광)의 상태로 실린드리컬 렌즈(641)에 입사하고, 광축(J1)을 따르는 평행광의 상태로 실린드리컬 렌즈(642)로부터 출사된다. 또 , 실린드리컬 렌즈(642)로부터 출사되는 평행광의 Y방향의 폭은, 실린드리컬 렌즈(641)에 입사하는 평행광의 Y방향의 폭보다도 작아진다.
폭 조정부(64)를 통과한 평행광은, Y방향에 관해 렌즈 작용을 받지 않고, 분할 렌즈부(62), 광로 길이 차 생성부(61), 및, 집광부(63)의 실린드리컬 렌즈(632)를 통과해, 수렴 렌즈(633)에 입사한다. 수렴 렌즈(633)에 의해, 상기 평행광은 Y방향에 관해 수렴되고, 조사면(320) 상에서 집광된다. 또한, Y방향을 따라서 본 경우에 있어서의 광의 경로는, 도 2의 광조사 장치(31)와 동일하다.
이상으로 설명한 바와 같이, 도 11 및 도 12에 나타낸 광조사 장치(31)에서는, Y방향으로만 빔 폭을 변경하는 폭 조정부(64)가 설치되고, X방향을 따라서 본 경우에, 집광부(63)에 입사하는 평행광의 Y방향의 폭이, 광원부(4)로부터 조사 광학계(5)에 입사하는 레이저광의 Y방향의 폭보다도 작게 된다.
여기서, 도 12의 광조사 장치(31)에 있어서의 상 측의 NA가, 도 7의 비교예의 광조사 장치(90)와 동일한 것으로 가정한다. 이 경우, 폭 조정부(64)에 있어서의 Y방향에 관한 축소 배율을 M(단, M은 1 미만임)으로 하여, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL(여기에서는, 수렴 렌즈(633)의 초점 거리)은, 비교예의 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리 fr의 M배로 표시된다. 즉, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL이 비교예의 집광부(93)의 Y방향에 관한 초점 거리 fr보다도 작아진다. 또한, 폭 조정부(64)에 있어서의 Y방향의 축소 배율 M은, 실린드리컬 렌즈(641, 642)의 초점 거리 fe1, fe2에 의존한다.
이와 같이, 도 12의 광조사 장치(31)에서는, 상 측의 NA를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하면서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 설계를 용이하게 실현할 수 있다. 그 결과, 조사면(320) 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남(Y방향의 어긋남)을 억제할 수 있다.
도 11의 광조사 장치(31)에 있어서, 복수의 광원부(4)에 대해 개별적으로 폭 조정부(64)가 설치되어도 되고, 이 경우에, 실린드리컬 렌즈(641, 642)를, X방향 및 Y방향의 쌍방에 파워를 갖는 2개의 렌즈로 치환하는 것도 가능하다. 이러한 폭 조정부(64)에서는, 상기 2개의 렌즈에 의해, 양측 텔레센트릭 광학계가 구성된다. 또, 폭 조정부(64)의 실린드리컬 렌즈(641, 642)는, 광로 길이 차 생성부(61)와 실린드리컬 렌즈(633) 사이에 설치되어도 된다. 이들 변형은, 폭 조정부(64)를 갖는 다른 광조사 장치(31)에 있어서 동일하다.
광조사 장치(31)에서는, 폭 조정부(64)의 일부의 기능이 분할 렌즈부에 의해 실현되어도 된다. 구체적으로는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 분할 렌즈부(62a)의 각 요소 렌즈(620a)의 제 1 렌즈면(621) 및 제2 렌즈면(622)이 모두 구면의 일부가 됨과 더불어, 도 12의 광조사 장치(31)에 있어서의 실린드리컬 렌즈(642)가 생략된다. 또, 실린드리컬 렌즈(641)로부터 그 초점 거리 fe1만큼 떨어진 위치에, 요소 렌즈(620a)의 제1 렌즈면(621)이 배치된다. 분할 렌즈부(62a)에 있어서도, 요소 렌즈(620a)의 제1 렌즈면(621)은, 제2 렌즈면(622)의 초점에 배치되고, 제2 렌즈면(622)은, 제1 렌즈면(621)의 초점에 배치된다. 즉, 제1 렌즈면(621) 및 제2 렌즈면(622)의 초점 거리는 같다.
X 방향을 따라서 본 경우에, 광원부(4)로부터의 레이저광은, 광축(J1)을 따르는 평행광(정확하게는, ZX 평면에 평행한 평행광)의 상태로 실린드리컬 렌즈(641)에 입사한다. 실린드리컬 렌즈(641)로부터 출사되는 광은, 요소 렌즈(620a)의 제1 렌즈면(621) 상에서 집광되고, 요소 렌즈(620a) 내에서 확산되면서 제2 렌즈면(622)으로 향한다. 그리고, 제2 렌즈면(622)으로부터, 광축(J1)을 따르도록 평행광이 출사된다. 또, 요소 렌즈(620a)로부터 출사되는 평행광의 Y방향의 폭은, 실린드리컬 렌즈(641)에 입사하는 평행광의 Y방향의 폭보다도 작아진다. 요소 렌즈(620a)로부터 출사되는 평행광은, 광로 길이 차 생성부(61) 및 실린드리컬 렌즈(632)를 통해 수렴 렌즈(633)에 입사하고, 조사면(320) 상에서 집광된다.
이상과 같이, 도 13의 광조사 장치(31)에서는, 분할 렌즈부(62a)에 있어서의 복수의 요소 렌즈(620a)의 각각이, 구면의 제2 렌즈면(622)을 갖고, 제2 렌즈면(622)이, 폭 조정부(64)의 일부를 겸한다. 이에 의해, 분할 렌즈부(62a)보다도 조사면(320)측에 배치되는 집광부(63)에 Y방향의 폭이 좁은 평행광(X방향을 따라서 본 경우에 있어서의 평행광)을 입사시킬 수 있어, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL을 용이하게 짧게 할 수 있다. 또, 도 12의 광조사 장치(31)에 비해, 부품 점수를 적게 할 수 있다.
그런데, 구면의 제1 및 제2 렌즈면(621, 622)을 갖는 요소 렌즈(620a)에서는, 제조시에 있어서의 오차에 의해, 도 14에 나타낸 바와 같이, 요소 렌즈(620a)의 중심선(C1)이, 요소 렌즈(620a)의 초점을 통과하는 광축(J2)과 어긋나는 일이 있다(편심으로 파악하는 것도 가능함). X방향을 따라서 본 경우에, 이러한 요소 렌즈(620a)를, 가령, 그 중심선(C1)이 조사 광학계(5)의 광축(J1)에 일치하도록 배치하면, 광축(J1)을 따라서 입사하는 광의 경로(K1)가 광축(J1)에 대해 경사진다. 이에 의해, 실린드리컬 렌즈인 요소 렌즈(620)의 평행도가 저하된 경우와 마찬가지로, 조사면(320) 상에 있어서의 광속의 집광 위치가 광축(J1)으로부터 Y방향으로 떨어져, 라인 조명광의 Y방향에 있어서의 강도 분포의 형상이 무너져 버린다.
한편, 바람직한 광조사 장치(31)에서는, 분할 렌즈부(62a)의 제조시에 있어서, 도 15에 나타낸 바와 같이, 요소 렌즈(620a)의 중심선(C1)이 아니라, 광축(J2)이 조사 광학계(5)의 광축(J1)에 일치하도록, 각 요소 렌즈(620a)의 위치가 조정된다. 이에 의해, 복수의 요소 렌즈(620a)를 통과한 복수의 광속의 조사면(320) 상에 있어서의 집광 위치가, 광축(J1)으로부터 Y방향으로 어긋나는 것을 억제할 수 있다. 이러한 분할 렌즈부(62a)를 갖는 광조사 장치(31)에서는, 복수의 광속의 조사면(320) 상에 있어서의 집광 위치의 어긋남의 인자를, 투광부(610)에 있어서의 평행도의 불균일로만 제한할 수 있어, 조사면(320) 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남을 더욱 억제할 수 있다.
광조사 장치(31)에서는, 요소 렌즈(620a)의 제1 렌즈면(621)이, 폭 조정부(64)의 일부를 겸해도 된다. 이 경우, 요소 렌즈(620a)의 (+Z)측에 실린드리컬 렌즈(642)가 설치된다. X방향을 따라서 본 경우에, 요소 렌즈(620a)의 제1 렌즈면(621)에 입사한 평행광은, 제2 렌즈면(622) 상에서 집광된다. 또, 제2 렌즈면(622)으로부터 출사되는 광은, 실린드리컬 렌즈(642)에 의해 평행광이 되고, 집광부(63)에 입사한다. 이 때, 상기와 동일하게, 집광부(63)에 입사하는 평행광의 Y방향의 폭이, 광원부(4)로부터 조사 광학계(5)에 입사하는 레이저광의 Y방향의 폭보다도 작게 된다.
그런데, 도 11 내지 도 13의 광조사 장치(31)에서는, 상 측의 NA를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하는 것이 가능하지만, 백 포커스가 비교예의 광조사 장치(90)보다도 작아진다. 다음에, 백 포커스 및 상 측의 NA를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하면서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 비교예의 광조사 장치(90)보다도 짧게 하는 광조사 장치(31)에 대해서 기술한다.
도 16은, 광조사 장치(31)의 다른 예를 나타내는 도면이며, X방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타낸다. 도 16에 나타내는 광조사 장치(31)에서는, 도 3의 광조사 장치(31)에, 도 12의 폭 조정부(64)가 추가된다. 폭 조정부(64)의 축소 배율, 및, 발산 렌즈(631) 및 수렴 렌즈(633)의 초점 거리 및 배치를 조정함으로써, 백 포커스 fb 및 상 측의 NA를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하면서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL을 비교예의 광조사 장치(90)보다도 짧게 할 수 있다. 그 결과, 조사면(320) 상에 있어서의 복수의 광속의 집광 위치의 어긋남을 억제할 수 있다. 또, 비교예의 광조사 장치(90)가 설치되는 묘화 장치에 있어서, 상기 광조사 장치(90)를 도 16의 광조사 장치(31)에 그대로 치환할 수 있어, 묘화 장치의 대폭적인 설계 변경 등을 불요로 하면서, 상기 묘화 장치에 있어서 고정밀도의 패턴 묘화가 가능해진다(후술하는 도 17 및 도 18의 광조사 장치(31)에 있어서 동일).
도 17 및 도 18은, 광조사 장치(31)의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 17은, Y방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타내고, 도 18은, X방향을 따라서 본 광조사 장치(31)의 구성을 나타낸다. 도 17 및 도 18에 나타낸 광조사 장치(31)에서는, 도 13의 광조사 장치(31)에, 도 3의 발산 렌즈(631)가 추가된다. 이에 의해, 도 16의 광조사 장치(31)와 마찬가지로, 백 포커스 fb 및 상 측의 NA를 비교예의 광조사 장치(90)와 동일하게 하면서, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리 fL을 비교예의 광조사 장치(90)보다도 짧게 할 수 있다. 또, 도 16의 광조사 장치(31)에 비해, 부품 점수를 적게 할 수 있다. 또한, 폭 조정부(64)의 실린드리컬 렌즈(641)가, 복수의 광원부(4)에 대해 개별적으로 설치되어도 된다.
상기 광조사 장치(31)에서는 다양한 변형이 가능하다.
분할 렌즈부(62, 62a)에서는, 반드시 복수의 요소 렌즈(620, 620a)가 배열 방향으로 일정한 피치로 배열될 필요는 없고, 예를 들면, 복수의 요소 렌즈(620, 620a)의 배열 방향의 폭이 서로 상이해도 된다. 이 경우, 배열 방향에 관해, 광로 길이 차 생성부(61)에 있어서의 각 투광부(610)의 폭과, 상기 투광부(610)에 대응하는 분할 렌즈부(62, 62a)의 요소 렌즈(620, 620a)의 폭의 비가, 모든 투광부(610)에 있어서 일정하게 되도록, 복수의 투광부(610)의 배열 방향의 폭도 변경된다.
광로 길이 차 생성부(61)는, 반드시 분할 렌즈부(62)에 인접하여 설치될 필요는 없고, 예를 들면, 도 19에 나타낸 바와 같이, 분할 렌즈부(62)와 광로 길이 차 생성부(61) 사이에, 렌즈(51, 52)가 설치되어도 된다. 렌즈(51, 52)는, 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하고, 분할 렌즈부(62)의 복수의 요소 렌즈(620)를 통과한 복수의 광속은, 렌즈(51, 52)를 통해, 광로 길이 차 생성부(61)의 복수의 투광부(610)에 각각 입사한다.
또, 광원 유닛(40)에 있어서 1개의 광원부(4)만이 설치되는 경우에는, 도 20에 나타낸 바와 같이, 광로 길이 차 생성부(61)가 광원부(4)와 분할 렌즈부(62) 사이에 배치되어도 된다. 도 20의 광조사 장치(31)에서는, 광원부(4)와 광로 길이 차 생성부(61) 사이에, 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하는 렌즈(51, 52)가 설치되고, 광로 길이 차 생성부(61)와 분할 렌즈부(62) 사이에도, 양측 텔레센트릭 광학계를 구성하는 렌즈(53, 54)가 설치된다. 그리고, 광로 길이 차 생성부(61)의 복수의 투광부(610)를 통과한 복수의 광속은, 렌즈(53, 54)를 통해, 분할 렌즈부(62)의 복수의 요소 렌즈(620)에 각각 입사한다. 즉, 복수의 요소 렌즈(620)를 향하는 광이 복수의 투광부(610)에 각각 입사한다. 도 19 및 도 20의 광조사 장치(31)에서는, 발산 렌즈(631) 및 수렴 렌즈(633)가 설치됨으로써, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 설계를 용이하게 실현될 수 있다. 물론, 도 19 및 도 20의 광조사 장치(31)에 폭 조정부(64)가 설치되어도 된다.
또, 광조사 장치(31)에 있어서 요구되는 라인 조명광의 균일성에 따라서는, 광로 길이 차 생성부(61)가 생략되어도 된다. 이 경우에도, 분할 렌즈부(62)의 요소 렌즈(620)가, 실린드리컬 렌즈일 때는, 요소 렌즈(620)의 입사면과 출사면의 평행도가 요소 렌즈(620)마다 불균일하기 때문에, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 상기 수법이 적용된다. 이상과 같이, 광조사 장치(31)에 있어서, 복수의 요소 렌즈가, Y방향으로 파워를 갖지 않는 복수의 실린드리컬 렌즈이거나, 또는, X방향으로 배열됨과 더불어 서로 상이한 광로 길이를 갖는 복수의 투광부가 조사 광학계(5)에 설치되는 경우에(복수의 요소 렌즈가 복수의 실린드리컬 렌즈이며, 또한, 복수의 투광부가 조사 광학계(5)에 설치되는 경우를 포함함), 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 짧게 하는 상기 수법이 적용된다. 또한, 복수의 투광부가 설치되는 경우에는, 복수의 요소 렌즈를 통과한 광, 또는, 복수의 요소 렌즈를 향하는 광이 복수의 투광부에 각각 입사한다.
광조사 장치(31)의 설계에 따라서는, 수렴 렌즈(633)가 구면 렌즈여도 된다. 이 경우, 실린드리컬 렌즈(632) 및 수렴 렌즈(633)가 협동함으로써, 조사면(320) 상에서 복수의 광속의 조사 영역(50)이 겹쳐진다. 동일한 이유로, 렌즈(632)가 구면 렌즈여도 된다. 이 경우, 도면의 Y방향에는, 렌즈(632)와 렌즈(633)가 협동함으로써 집광된다. 합성 초점 거리 fL은, 렌즈(631, 632, 633)의 3개의 합성으로 표시된다. 또, 상기 실시형태에서는, Y방향으로 평행광을 발산시키는 발산부가, Y방향으로만 음의 파워를 갖는 발산 렌즈(631)에 의해 실현되지만, 양의 파워를 갖는 렌즈가 발산부로서 설치되어도 된다. 이 경우에도, 상기 렌즈를 통과한 광은 Y방향으로 집광된 후, 발산하기 때문에, 집광부(63)의 Y방향에 관한 초점 거리를 짧게 할 수 있다. 또, 발산부가, 실린드리컬 미러 등의 다른 광학 소자에서 실현되어도 된다.
묘화 장치(1)에 있어서, 광조사 장치(31)의 조사면(320)에 배치되는 공간 광변조기(32)는, 회절 격자형의 광변조기 이외여도 되고, 예를 들면, 미소한 미러의 집합을 이용한 공간 광변조기가 이용되어도 된다.
기판(9) 상의 광의 조사 위치를 이동하는 이동 기구는, 스테이지(21)를 이동하는 이동 기구(22) 이외여도 되고, 예를 들면, 광조사 장치(31), 공간 광변조기(32) 및 투영 광학계(33)를 포함하는 헤드를 기판(9)에 대해 이동하는 이동 기구이면 된다.
묘화 장치(1)에서 묘화가 행해지는 대상물은, 반도체 기판이나 유리 기판 이외의 기판이면 되고, 또, 기판 이외여도 된다. 광조사 장치(31)는, 묘화 장치(1) 이외에 이용되어도 된다.
상기 실시형태 및 각 변형예에 있어서의 구성은, 서로 모순되지 않는 한 적절히 조합되면 된다.
발명을 상세하게 묘사하여 설명했는데, 기술의 설명은 예시적이며 한정적인 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한, 다수의 변형이나 양태가 가능하다고 할 수 있다.
1: 묘화 장치 4: 광원부
5: 조사 광학계 9: 기판
11: 제어부 22: 이동 기구
31: 광조사 장치 32: 공간 광변조기
33: 투영 광학계 50: 조사 영역
62, 62a: 분할 렌즈부 63: 집광부
64: 폭 조정부 320: 조사면
610: 투광부 620, 620a: 요소 렌즈
621, 622: 렌즈면 631: 발산 렌즈
633: 수렴 렌즈 J1: 광축

Claims (7)

  1. 광조사 장치로서,
    소정 위치를 향해 레이저광을 출사하는 광원부와,
    상기 소정 위치에 배치되고, 상기 광원부로부터의 레이저광을 광축을 따라서 조사면으로 유도하는 조사 광학계를 구비하고,
    상기 조사 광학계가,
    상기 광축에 수직인 제1의 방향으로 배열된 복수의 요소 렌즈를 갖고, 입사하는 광을 상기 복수의 요소 렌즈에 의해 복수의 광속으로 분할하는 분할 렌즈부와,
    상기 분할 렌즈부보다도 상기 조사면측에 배치되고, 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속의 조사 영역을 겹치는 집광부를 구비하고,
    상기 복수의 요소 렌즈가, 상기 광축 및 상기 제1의 방향에 수직인 제2의 방향으로 파워를 갖지 않는 복수의 실린드리컬 렌즈이며, 또는, 상기 제1의 방향으로 배열됨과 더불어 서로 상이한 광로 길이를 갖는 복수의 투광부가 상기 조사 광학계에 설치되고, 상기 복수의 요소 렌즈를 통과한 광이 상기 분할 렌즈부와 상기 집광부 사이에 배치된 상기 복수의 투광부에 각각 입사하고, 혹은, 상기 광원부와 상기 분할 렌즈부 사이에 배치된 상기 복수의 투광부를 통과한 광이 상기 복수의 요소 렌즈에 각각 입사하고,
    상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 집광부에 대해 상기 복수의 광속이 평행광으로서 입사하고, 상기 집광부에 의해 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속이 집광되고,
    상기 집광부가,
    상기 제2의 방향으로 상기 평행광을 발산시키는 발산부와,
    상기 발산부로부터의 광이 입사함과 더불어, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에 상기 조사면 상에서 상기 광을 집광시키는 수렴 렌즈를 구비하고,
    상기 집광부에 의해, 상기 조사면에 있어서 상기 복수의 광속의 각각의 조사 영역이 상기 제1의 방향으로 신장하는 라인형상을 이루는, 광조사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원부로부터 상기 조사 광학계에 콜리메이트된 레이저광이 입사하고,
    상기 조사 광학계가, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 콜리메이트된 레이저광의 상기 제2의 방향에 있어서의 폭보다도, 상기 집광부에 입사하는 상기 평행광의 상기 제2의 방향에 있어서의 폭을 작게 하는 폭 조정부를 더 구비하는, 광조사 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분할 렌즈부에 있어서의 상기 복수의 요소 렌즈의 각각이, 구면(球面)의 렌즈면을 갖고,
    상기 렌즈면이 상기 폭 조정부의 일부를 겸하는, 광조사 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발산부가, 상기 제2의 방향으로만 음의 파워를 갖는 실린드리컬 렌즈인, 광조사 장치.
  5. 광조사 장치로서,
    소정 위치를 향해 레이저광을 출사하는 광원부와,
    상기 소정 위치에 배치되고, 상기 광원부로부터의 레이저광을 광축을 따라서 조사면으로 유도하는 조사 광학계를 구비하고,
    상기 조사 광학계가,
    상기 광축에 수직인 제1의 방향으로 배열된 복수의 요소 렌즈를 갖고, 입사하는 광을 상기 복수의 요소 렌즈에 의해 복수의 광속으로 분할하는 분할 렌즈부와,
    상기 분할 렌즈부보다도 상기 조사면측에 배치되고, 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속의 조사 영역을 겹치는 집광부를 구비하고,
    상기 복수의 요소 렌즈가, 상기 광축 및 상기 제1의 방향에 수직인 제2의 방향으로 파워를 갖지 않는 복수의 실린드리컬 렌즈이며, 또는, 상기 제1의 방향으로 배열됨과 더불어 서로 상이한 광로 길이를 갖는 복수의 투광부가 상기 조사 광학계에 설치되고, 상기 복수의 요소 렌즈를 통과한 광이 상기 분할 렌즈부와 상기 집광부의 사이에 배치된 상기 복수의 투광부에 각각 입사하고, 혹은, 상기 광원부와 상기 분할 렌즈부 사이에 배치된 상기 복수의 투광부를 통과한 광이 상기 복수의 요소 렌즈에 각각 입사하고,
    상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 집광부에 대해 상기 복수의 광속이 평행광으로서 입사하고, 상기 집광부에 의해 상기 조사면 상에서 상기 복수의 광속이 집광되고,
    상기 집광부에 의해, 상기 조사면에 있어서 상기 복수의 광속의 각각의 조사 영역이 상기 제1의 방향으로 신장하는 라인형상을 이루고,
    상기 광원부로부터 상기 조사 광학계에 콜리메이트된 레이저광이 입사하고,
    상기 조사 광학계가, 상기 제1의 방향을 따라서 본 경우에, 상기 콜리메이트된 레이저광의 상기 제2의 방향에 있어서의 폭보다도, 상기 집광부에 입사하는 상기 평행광의 상기 제2의 방향에 있어서의 폭을 작게 하는 폭 조정부를 더 구비하는, 광조사 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분할 렌즈부에 있어서의 상기 복수의 요소 렌즈의 각각이, 구면의 렌즈면을 갖고,
    상기 렌즈면이 상기 폭 조정부의 일부를 겸하는, 광조사 장치.
  7. 묘화 장치로서,
    청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 광조사 장치와,
    상기 광조사 장치에 있어서의 상기 조사면에 배치되는 공간 광변조기와,
    상기 공간 광변조기에 의해 공간 변조된 광을 대상물 상으로 유도하는 투영 광학계와,
    상기 공간 변조된 광의 상기 대상물 상에 있어서의 조사 위치를 이동시키는 이동 기구와,
    상기 이동 기구에 의한 상기 조사 위치의 이동에 동기하여 상기 공간 광변조기를 제어하는 제어부를 구비하는, 묘화 장치.
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