KR20040095183A

KR20040095183A - 투영노광장치

Info

Publication number: KR20040095183A
Application number: KR1020040031759A
Authority: KR
Inventors: 이시카와히로미
Original assignee: 후지 샤신 필름 가부시기가이샤
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2004-11-12
Also published as: US20040223229A1; US6980366B2; JP2004335640A; TW200500641A; CN1550874A

Abstract

본 발명은 투영노광장치에 있어서, 감광재료에 투영하는 2차원패턴의 소광비를 향상시키는 것을 과제로 한다.

DMD(80)로 공간광변조된 광의 2차원패턴을 상측 텔레센트릭(telecentric)한 제1결상 광학계(51)를 통해 결상시킬 때의 결상배율을 배율조절 광학계(53)에 의해 조절한다. 그 후, 광원유닛(60)으로부터 발생되어 DMD 조사 광학계(70)를 통해 입사된 광을 DMD(80)로 공간광변조하고, DMD(80)에 의해 공간광변조된 2차원패턴을 제1결상 광학계(51), 배율조절 광학계(53), 마이크로렌즈 어레이(55), 애퍼쳐 어레이(59), 및 제2결상 광학계(52)를 통해 감광재료(150)상에 투영하여 이 감광재료(150)에 노광한다.

Description

투영노광장치{PROJECTION AND EXPOSURE APPARATUS}

본 발명은 투영노광장치에 관한 것으로, 상세하게는, 공간광변조된 광의 2차원패턴을 텔레센트릭한 결상 광학계를 통해 감광재료상에 투영하여 노광하는 투영노광장치에 관한 것이다.

종래부터, 입사된 광을 소정의 제어신호에 따라 공간광변조하는 공간광변조수단을 이용하여, 이 공간광변조수단에 의해 공간광변조된 2차원패턴을 감광재료상에 투영해서 이 감광재료를 노광하는 투영노광장치가 알려져 있다. 또, 상기 공간광변조수단으로서, 경사각도를 변경가능한 마이크로미러를 2차원상으로 다수배열(예를 들면 1024×756)한 디지털 마이크로미러 디바이스(이하, DMD라 함)를 이용한 투영노광장치도 알려져 있다(예를 들면 특허문헌1). 또, 상기 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)로서는, 예를 들면, 미국TI사(Texas Instruments사)가 개발한 것이 알려져 있고, 이 DMD를 이용한 동화(動畵)용 프로젝터 등이 제품화되어 있다.

상기 DMD를 이용한 투영노광장치는, DMD의 각 마이크로미러의 상을 감광재료상에 결상시키기 위한 결상 광학계를 구비하고, 노광용의 광의 조사를 받은 각 마이크로미러중의 소정 각도로 경사진 마이크로미러로 반사되어, 상기 결상 광학계를 향해 전파된 광만을 이 결상 광학계를 통해 결상하고, 이것에 의해, 상기 마이크로미러에 의해 형성된 2차원패턴을 감광재료상에 투영해서 이 감광재료를 노광하는 것이다. 즉, 이 투영노광장치는 상기 2차원패턴의 상을 형성하는 각 화소가 각 마이크로미러에 대응하도록 해서 노광을 행하는 것이다.

또, 투영노광장치에 탑재되는, 상기 2차원패턴을 감광재료상에 노광하는 노광헤드를 구성하는 광학요소는 예를 들면 도20에 나타내듯이, DMD(80J), DMD(80J)를 조명하는 광을 발생하는 광원유닛(60J), 광원유닛(60J)으로부터 발생된 광을 전파하여 전반사시켜 DMD(80J)에 조사하는 전반사 프리즘(76J)을 구비한 DMD 조사 광학계(70J), DMD(80J)로 공간광변조된 광의 2차원패턴을 감광재료(150J)상에 결상하는 광학계(50J) 등으로 이루어진다.

상기 광학계(50J)는 상기 제1결상 광학계(51J), 제1결상 광학계(51J)로 결상된 2차원패턴의 상을 릴레이해서 감광재료(150J)상에 결상하는 제2결상 광학계(52J), 제1결상 광학계(51J)와 제2결상 광학계(52J) 사이의 광로내에 배치된 마이크로렌즈 어레이(55J) 및 애퍼쳐 어레이(59J) 등으로 구성되어 있다.

상기 마이크로렌즈 어레이(55J)는 DMD(80J)의 각 마이크로미러(81J)로 반사되어 제1결상 광학계(51J)를 통과한, 상기 각 마이크로미러(81J)에 대응하는 텔레센트릭한 각 광속(Lj) 각각을 개별로 통과시켜 수속시키도록 상기 각 마이크로미러(81J)에 대응해서 배치된 다수의 마이크로렌즈(55Ja)로 이루어지는 것이다. 또, 애퍼쳐 어레이(59J)는 상기 각 마이크로렌즈(55Ja)를 통과한 각 광속 각각을 개별로 통과시키도록 각 마이크로렌즈(55Ja)에 대응해서 배치된 다수의 애퍼쳐(59Ja)를 갖는 것이다.

상기 구성에 있어서, DMD(80J)의 각 마이크로미러(81J)로 반사되어 제1결상 광학계(51J)를 통과한 상기 각 마이크로미러(81J)에 대응하는 텔레센트릭한 각 광속(Lj)은 제1결상 광학계(51)에 의한 결상위치근방의 제1결상 광학계(51J)측에 배치된 마이크로렌즈 어레이(55J)의 각 마이크로렌즈(55Ja)에 의해 개별로 집광되고, 이 개별로 집광된 광속이 애퍼쳐(59Ja)를 통과해서 결상된다.

제1결상 광학계(51J)에 의해 결상된, 상기 마이크로렌즈 어레이(55J) 및 애퍼쳐(59J)를 통과한 각 광속(Lj)은 제2결상 광학계(52J)에 의해 릴레이되어 감광재료(150J)상에 결상되고, 이것에 의해, 상기 2차원패턴이 감광재료(150J)상에 투영되어 이 감광재료를 노광한다.

여기에서, 2차원패턴의 상을 형성하는 각 화소 즉, 각 마이크로미러(81J)로 반사되어 각 마이크로렌즈(55Ja)를 통과한 각 광속(Lj)에 상기 광학요소의 수차 등에 의한 굵기가 있어도, 애퍼쳐(59Ja)에 의해 감광재료상에서의 스폿 사이즈가 일정한 크기로 되도록 이 광속(Lj)을 정형할 수 있음과 아울러, 각 마이크로미러(81J)로 반사된 광속을 각 마이크로미러(81J)에 대응해서 설치된 애퍼쳐(59Ja)를 통과시킴으로써, 각 마이크로미러(81J) 사이, 즉, 2차원패턴의 상을 형성하는 각 화소사이에서의 크로스토크를 방지할 수 있어, 노광을 행할 때의 각 마이크로미러(81J)에 의한 온/오프의 소광비를 높일 수 있다. 이것에 의해, 감광재료(150J)상에 투영되는 2차원패턴의 콘트라스트가 높아져서, 노광품질을 높일 수 있다.

또, 마이크로미러(81J)를 상기 소정 각도로 경사시켜 이 마이크로미러(81J)로 반사된 광을 광학계(50J)를 향해 전파시키는 상태가 마이크로미러(81J)의 온상태이며, 마이크로미러(81J)를 상기 소정 각도와는 다른 각도로 경사시켜서 이 마이크로미러(81J)로 반사된 광을 광학계(50J)를 향하는 광로로부터 벗어나서 전파시키는 상태가 마이크로미러(81J)의 오프상태이며, 상기 온상태의 마이크로미러(81J)로 반사된 광이 감광재료(150J)상에 결상되어 이 감광재료(150J)를 노광한다. 따라서, 마이크로미러(81J)가 온일 때에 감광재료(150J)상에 결상된 이 마이크로미러(81J)에 대응하는 화소영역의 밝기와, 마이크로미러(81J)가 오프일 때의 감광재료(150J)상의 상기 화소영역의 밝기의 비가 소광비로 된다.

(특허문헌1)

일본특허공개 2001-305663호 공보

그런데, 상기 투영노광장치에 대해서 소광비를 높여 노광품질을 더욱 향상시키고 싶다라는 요청이 있다. 그것을 위해서는, 상기 구성에 있어서, 예를 들면 1024×256(약 26만)의 각 마이크로미러로 반사되어 제1결상 광학계를 통과한 텔레센트릭한 각 광속을 보다 높은 정밀도로, 상기 각 마이크로미러에 대응하는 1024×256의 각 마이크로렌즈 및 애퍼쳐에 통과시켜 상기 각 광속을 결상시키는 것이 요구된다. 보다 구체적으로는, 각 마이크로렌즈 및 애퍼쳐에 입사되는 상기 약 26만의 텔레센트릭한 각 광속의 피치를, 이것에 대응하는 동수의 각 마이크로렌즈 및 애퍼쳐의 피치에 일치시키고, 또한 상기 각 광속의 굵기나 각 광속간의 평행도의 오차를 억제할 필요가 있으며, 그러기 위해서, 제1결상 광학계(51J)의 MTF성능(광속의 굵기), 텔레센트릭성(각 광속간의 평행도), 디스토션성능(등피치성), 및 결상배율의 정확성 등을 원하는 노광품질이 얻어지는 소정의 성능으로 향상시키는 것이 요구된다.

그러나, 상기 각 성능(MTF성능, 텔레센트릭성, 디스토션성능 및 결상배율의 정확성)은 서로 관련되어 있으며, 예를 들면, 결상배율의 정확성을 높이면 MTF성능이나 디스토션성능이 저하하므로, 상기 각 성능이 모두 소정의 성능이상으로 되도록 제1결상 광학계를 제작하기 어렵다라는 문제가 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 감광재료에 투영하는 2차원패턴의 소광비를 높여, 이것에 의해 노광품질을 향상시킬 수 있는 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

도1은 투영노광장치에 탑재되는 노광헤드의 개략 구성을 전개하여 나타내는 개념도이다.

도2는 노광헤드내를 전파하는 광속의 광로를 따라 노광헤드의 구성을 나타내는 측면도이다.

도3은 DMD의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.

도4는 마이크로렌즈 어레이를 나타내는 도이다.

도5는 단일의 마이크로렌즈의 확대사시도이다.

도6은 마이크로렌즈에 광속이 입사되는 모습을 나타내는 정면도이다.

도7은 제1결상 광학계와 배율조절 광학계의 개략 구성을 나타내는 측면도이다.

도8은 제1결상 광학계와 배율조절 광학계의 설계값을 나타내는 도이다.

도9는 본 발명의 투영노광장치의 외관을 나타내는 사시도이다.

도10은 도9의 투영노광장치에 의한 노광의 모습을 나타내는 사시도이다.

도11의 (A)는 감광재료상에 형성되는 노광이 완료된 영역을 나타내는 평면도, (B)는 각 노광헤드에 의한 노광영역의 배열을 나타내는 도이다.

도12는 레이저광 합파광원의 구성을 나타내는 평면도이다.

도13은 레이저광 합파광원의 구성을 나타내는 측면도이다.

도14는 레이저광 합파광원의 구성을 나타내는 정면도이다.

도15는 레이저광 합파광원의 광학요소를 나타내는 확대평면도이다.

도16의 (A)는 광원유닛의 구성을 나타내는 사시도, (B)는 레이저 출사부의 부분확대도, (C) 및 (D)는 레이저 출사부에 있어서의 광섬유의 배열을 나타내는 정면도이다.

도17은 레이저광 합파광원의 멀티모드 광섬유와, 레이저 출사부의 광섬유의 접속상태를 나타내는 도이다.

도18의 (A) 및 (B)는 DMD를 비스듬히 배치하지 않은 경우와 비스듬히 배치하는 경우에 있어서의 감광재료에의 노광상태의 차이를 비교해서 나타내는 평면도이다.

도19의 (A) 및 (B)는 DMD중의 사용영역의 예를 나타내는 평면도이다.

도20은 종래기술을 나타내는 도이다.

(부호의 설명)

40:레이저광 합파광원 50:결상 광학계

51:제1결상 광학계 52:제2결상 광학계

53:배율조절 광학계 60:광원유닛

61:레이저 출사부 70:DMD 조사 광학계

80:디지털 마이크로미러 디바이스(DMD) 150:감광재료

152:스테이지 162:스캐너

166:노광헤드 168:노광영역

170:노광이 완료된 영역

본 발명의 투영노광장치는, 입사된 광을 소정의 제어신호에 따라 변조하는 화소부를 2차원상으로 다수배열해서 이루어지며, 상기 다수의 화소부에 의해 상기 광을 공간광변조하는 공간광변조수단과, 이 공간광변조수단으로 공간광변조된 광의 2차원패턴을 결상시키는 상(像)측 텔레센트릭한 결상 광학계와, 상기 결상 광학계에 의해 결상되는 2차원패턴의 결상면근방에 배치된, 상기 결상 광학계를 통과한 각 화소부에 대응하는 각 광을 각각 통과시키는 개별의 마이크로렌즈를 2차원상으로 배치해서 이루어지는 마이크로렌즈 어레이를 구비하고, 상기 2차원패턴을 감광재료상에 투영해서 이 감광재료에 2차원패턴을 노광하는 투영노광장치에 있어서, 결상 광학계와 마이크로렌즈 어레이 사이에, 상기 2차원패턴을 결상 광학계로 결상시킬 때의 결상배율을 조절하는 배율조절 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 배율조절 광학계는 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

상기 배율조절 광학계는 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈의 초점거리가 모두 800㎜이상으로 되도록 구성된 것으로 할 수 있다.

상기 오목렌즈의 초점거리에 대한 상기 볼록렌즈의 초점거리의 비의 값은 대략 1로 할 수 있다.

또, 상기 「비의 값을 대략 1로 한다」란, 비의 값을 원하는 텔레센트릭성을 실현할 수 있을 정도의 1에 가까운 값으로 하는 것을 의미하는 것이다.

상기 배율조절 광학계는 2차원패턴을 결상 광학계로 결상시킬 때의 디스토션을 보정하는 디스토션보정 광학계를 겸용하는 것으로 할 수 있다. 예를 들면, 상기 디스토션보정 광학계를 겸용하는 배율조절 광학계는 상기 볼록렌즈를 결상 광학계의 광축에 대해서 직교하는 방향으로 이동시켜서 디스토션을 보정하도록 구성할 수 있다.

상기 2차원패턴은 표시용 화상, 또는 전기배선의 회로패턴 등을 나타내는 것으로 할 수 있다.

상기 감광재료는 2차원패턴인 배선패턴을 형성하기 위한 감광재료층을 갖는 프린트기판 제작용 기판으로 하거나, 또는 배선패턴을 형성하기 위한 감광재료층을 갖는 액정표시기판 제작용 기판이나 플라즈마 디스플레이기판 제작용 기판으로 할수 있다.

이하, 본 발명의 투영노광장치의 실시형태에 대해서, 도면을 이용해서 설명한다. 도1은 본 발명의 투영노광장치에 탑재되는 노광헤드의 개략 구성을 전개해서 나타내는 개념도, 도2는 상기 노광헤드내를 전파하는 광속의 광로를 따라 이 노광헤드를 구성하는 광학요소를 나타내는 측면도, 도3은 DMD의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.

본 발명의 실시형태에 의한 투영노광장치는, 광원인 광원유닛(60)으로부터 발생되어 DMD 조사 광학계(70)를 통해 입사된 광을 소정의 제어신호에 따라 변조하는 화소부인 마이크로미러(81)를 2차원상으로 다수배열해서 이루어지며, 상기 마이크로미러(81)에 의해 상기 광을 공간광변조하는 공간광변조수단인 DMD(80)와, DMD(80)로 공간광변조된 광의 2차원패턴을 결상시키는 상측 텔레센트릭한 결상 광학계인 제1결상 광학계(51)와, 제1결상 광학계(51)에 의해 결상되는 상기 2차원패턴의 결상면근방의 이 제1결상 광학계(51)측에 배치된, 상기 제1결상 광학계(51)를 통과한 상기 각 마이크로미러(81)에 대응하는 각 광을 각각 통과시켜 집광시키는 개별 마이크로렌즈(55a)를 2차원상으로 배치해서 이루어지는 마이크로렌즈 어레이(55)와, 제1결상 광학계(51)와 마이크로렌즈 어레이(55) 사이에 배치된, 상기 2차원패턴을 제1결상 광학계(51)로 결상할 때의 결상배율을 조절하는 배율조절 광학계(53)를 구비하고, 상기 2차원패턴을 감광재료(150)상에 투영해서 이 감광재료(150)에 상기 2차원패턴을 노광하는 것이다. 또, 상기 화소부인 마이크로미러(81)는 광원인 광원유닛(60)으로부터 발생되어 DMD 조사 광학계(70)를통해 입사된 광을 소정의 제어신호에 따라 편향시키는 것이다.

또, 상기 광원유닛(60), DMD(80), 제1결상 광학계(51), 배율조절 광학계(53), 및 마이크로렌즈 어레이(55) 등은 후술하는 노광헤드(166)를 구성하는 광학요소로 되는 것이다. 상기 2차원패턴은 예를 들면 전기회로의 배선패턴 등으로 할 수 있고, 감광재료(150)는 예를 들면 포토레지스트가 표면에 도포된 전기회로의 기판으로 할 수 있다.

상기 도2에 나타내듯이, 노광헤드(166)를 구성하는 광학요소인 광학계(50)는 상기 제1결상 광학계(51)와, 제1결상 광학계(51)로 결상된 상기 2차원패턴을 릴레이해서 감광재료(150)상에 결상시키는 제2결상 광학계(52)와, 제1결상 광학계(51)와 제2결상 광학계(52) 사이의 광로내에 배치된 배율조절 광학계(53), 마이크로렌즈 어레이(55) 및 애퍼쳐 어레이(59) 등으로 구성되어 있다.

상기 마이크로렌즈 어레이(55)는 DMD(80)로 반사되어 제1결상 광학계(51) 및 배율조절 광학계(53)를 통과한 각 광속 각각을 개별로 통과시키도록 DMD(80)의 각 마이크로미러(81)(도3참조)에 대응해서 배치된 다수의 마이크로렌즈(55a)로 이루어지는 것이다.

또 애퍼쳐 어레이(59)는 상기 각 마이크로렌즈(55a)를 통과한 각 광속 각각을 개별로 통과시키도록 각 마이크로렌즈(55a)에 대응해서 배치된 다수의 애퍼쳐(59a)를 갖는 것이다.

또, 상기 배율조절 광학계(53)는 오목렌즈(53U)와 볼록렌즈(53H)의 조합으로 이루어지는 것이며, 오목렌즈(53U) 및 볼록렌즈(53H)의 초점거리가 모두 800㎜이상이며, 오목렌즈(53U)의 초점거리에 대한 볼록렌즈(53H)의 초점거리의 비의 값이 1이 되도록 구성된 것이다. 또, 이 배율조절 광학계(53)는 상기 2차원패턴을 제1결상 광학계(51)로 결상시킬 때의 디스토션을 보정하는 디스토션보정 광학계를 겸용하는 것이다.

상기 구성에 있어서, DMD(80)의 각 마이크로미러(81)로 반사된 광에 의한 이 마이크로미러(81)의 상은, 제1결상 광학계(51)에 의해 3배로 확대되어 결상된다. 여기에서, 각 마이크로미러(81)로 반사되어 제1결상 광학계(51)를 통과한 상기 각 마이크로미러(81)에 대응하는 텔레센트릭한 각 광속(La)은 제1결상 광학계(51)에 의한 결상위치의 근방에 배치된 마이크로렌즈 어레이(55)의 각 마이크로렌즈(55a)에 의해 개별로 집광되고, 이 개별로 집광된 광속이 애퍼쳐(59a)를 통과한다. 마이크로렌즈 어레이(55) 및 애퍼쳐(59a)를 통과한 광속은 제2결상 광학계(52)에 의해 다시 1.67배로 확대된 후에, 감광재료(150)의 감광면(151)에 결상된다.

여기에서, 2차원패턴의 상을 형성하는 각 화소, 즉 각 마이크로미러(81)로 반사되어 각 마이크로렌즈(55a)를 통과한 광속(La)에 상기 광학요소의 수차 등에 의한 굵기가 있어도, 애퍼쳐(59a)에 의해 감광면(151)에서의 스폿 사이즈가 일정한 크기로 되도록 이 광속(La)을 정형할 수 있다. 또, 각 마이크로미러(81)로 반사된 광속(La)을 각 마이크로미러(81)에 대응해서 설치된 애퍼쳐(59a)를 통과시킴으로써, 각 마이크로미러(81)(각 화소) 사이에서의 크로스토크를 방지할 수 있어, 노광을 행할 때의 각 마이크로미러(81)에 의한 온/오프의 소광비를 높일 수 있다.

또, 마이크로미러(81)를 상기 소정 각도로 경사시켜서 이 마이크로미러(81)로 반사된 광을 광학계(50)를 향해서 전파시키는 상태가 마이크로미러(81)의 온상태이며, 마이크로미러(81)를 상기 소정 각도와는 다른 각도로 경사시켜서 이 마이크로미러(81)로 반사된 광을 광학계(50)를 향하는 광로로부터 벗어나서 전파시키는 상태가 마이크로미러(81)의 오프상태이며, 상기 온상태의 마이크로미러(81)로 반사된 광이 감광면(151)에 결상되어 감광재료(150)를 노광한다. 즉, 각 마이크로미러(81)는 마이크로미러의 경사각도를 변경함으로써 입사된 광을 변조하고, DMD(80)는 소정의 제어신호에 따라 각 마이크로미러(81)의 경사각도를 변경함으로써 입사된 광을 공간광변조한다.

이하, 상기 배율조절 광학계(53)를 이용해서, 상기 2차원패턴을 제1결상 광학계(51)로 결상시킬 때의 결상배율을 조절하여 디스토션을 보정해서, 상기 소광비를 높이는 경우에 대해서 설명한다. 도4(a)는 마이크로렌즈 어레이를 제1결상 광학계의 광축의 방향에서 본 정면도, 도4(b)는 상기 마이크로렌즈 어레이의 측면도, 도5는 단일의 마이크로렌즈의 확대사시도, 도6은 마이크로렌즈에 광속이 입사되는 모습을 나타내는 정면도이다.

먼저 처음에, 상기 소광비와 배율조절 광학계(53)에 의한 배율조절 정밀도의 관계에 대해서 설명한다.

도4에 나타내듯이, 마이크로렌즈 어레이(55)는 상기 제1결상 광학계(51)의 Z방향으로 연장되는 광축(Zc)에대해서 직교하는 Y방향으로 1024개, 상기 Z방향 및 Y방향에 대해서 직교하는 방향으로 256개 배열되는, n=1∼256행, m=1∼1024열의 매트릭스상의, 1024×256개의 마이크로렌즈(55a)를 갖고 있다. 도5에 나타내듯이 각마이크로렌즈(55a)의 X방향의 폭(W1)은 0.0410㎜, Y방향의 폭(W2)은 0.0410㎜, 렌즈면(R)의 곡률반경(r)은 0.10㎜이며, 이 마이크로렌즈 어레이(55)를 형성하고 있는 재료는 유리(BK7)이다.

상기 마이크로렌즈(55a)가 Y방향으로 1024개 배열되는 길이는 41.984㎜(41.984㎜=0.0410㎜×1024개)이며, 마이크로렌즈(55a)가 Y방향으로 배열되는 중심위치(C1)로부터의 한쪽의 단부(m=1)의 열(E1) 및 상기 중심위치(C)로부터의 다른쪽의 단부(m=1024)의 열(E2)까지의 각각의 거리(L1,L2)는 모두 20.992㎜로 되어 있다.

여기에서, 상기 투영노광장치에서, 감광재료(150)를 노광할 때에는, 감광재료(150)의 감광특성에 의해 적어도 1:10의 소광비에 있어서 노광을 행할 필요가 있다. DMD(80)의 각 마이크로미러(81)로 반사된 각각의 광속이 마이크로렌즈 어레이(55)의 각 마이크로렌즈(55a)를 정확하게 통과하도록 전파되면, 상기 소광비가 얻어지지만, DMD(80)의 각 마이크로미러(81)로 반사된 각각의 광속이 마이크로렌즈 어레이(55)의 각 마이크로렌즈(55a)를 정확하게 통과하지 않는 경우에는 상기 결상배율 및 디스토션의 조절이 필요하게 된다.

즉, 도6에 나타내듯이, 1개의 마이크로미러(81)로 반사되어 1개의 마이크로렌즈(55a)를 통과하는 광속(K1)이 Y방향으로 4.1㎛ 어긋나서 이 마이크로렌즈(55a)를 통과하면, 마이크로렌즈(55a)의 Y방향의 폭(W1)이 41㎛이므로, 마이크로렌즈(55a)의 90%(0.9=((41㎛-4.1㎛)/41㎛)의 영역(R1)은 소정의 마이크로미러(81)로 반사된 광속(K1)이 통과하지만, 4.1㎛ 어긋나서 광속(K1)이 통과하지않는 영역(R2)에는 소정의 마이크로미러와는 다른 마이크로미러로 반사된 광속(K2)이 입사하게 되므로, 영역(R2)의 면적:(영역(R1)+영역(R2))의 면적의 비율에 기초하여, 실질적으로 소광비가 1:10으로 된다. 따라서, 1:10이상의 소광비를 얻기 위해서는, 마이크로미러(81)로 반사되어 마이크로렌즈(55a)를 통과하는 광속의 Y방향의 어긋남이 4.1㎛미만으로 되도록, 광속(K1)이 통과하는 광로를 조절할 필요가 있다. 즉, 마이크로렌즈(55a)의 중심위치(C1)로부터 Y방향의 양 단부의 열(E1), 열(E2)까지의 각각의 거리(L1,L2)는 모두 20.992㎜이므로, 대략 0.2%(4.1㎛/20.992㎜≒0.0002)의 배율조절 정밀도로 배율조절 광학계(53)에 의해 상기 광속의 광로를 조절하면 되는 것을 알 수 있다.

이하, 상기 0.2%의 배율조절 정밀도를 실현하기 위한 배율조절 광학계(53), 및 제1결상 광학계(51)에 대해서 구체적으로 설명한다. 도7은 제1결상 광학계와 배율조절 광학계의 개략 구성을 나타내는 도이며, 도8은 제1결상 광학계와 배율조절 광학계의 설계값을 나타내는 도이다. 또, DMD(80)와 제1결상 광학계(51) 사이에는 미러(75)로 반사된 광을 DMD(80)를 향해 전반사시킴과 아울러, DMD(80)로 반사된 광을 통과시키는, 2개의 삼각프리즘이 조합된 평행평판상의 TIR 프리즘(전반사 프리즘)인 프리즘(76)(도1 또는 도2 참조)이 배치되어 있다.

도7 및 도8에 나타내듯이, 제1결상 광학계(51)는 렌즈(51A), 렌즈(51B), 렌즈(51C), 렌즈(51D), 렌즈(51E), 렌즈(51F), 렌즈(51G), 렌즈(51H), 렌즈(51I), 렌즈(51J), 렌즈(51K), 렌즈(51L), 렌즈(51M)가 DMD(80)에 의한 반사광속의 입사측으로부터 이 순서대로 배치되어 있다. 또, 상기 렌즈(51A)부터 렌즈(51M)의 각 렌즈는 렌즈프레임(U10)내에 수용되어 이 렌즈프레임(U10)에 고정되어 있다.

DMD(80)중의 온상태로 되어 있는 마이크로미러로 반사되어 프리즘(76)을 통과한 광속은 제1결상 광학계(51)에 입사되고, 이 광속은 상기 렌즈(51A)부터 렌즈(51M)를 이 순서대로 통과하고, 다시 배율조절 광학계(53)를 통과하여 마이크로렌즈 어레이(55)에 입사된다.

상기 배율조절 광학계(53)의 오목렌즈(53U)의 초점거리는 -875㎜, 볼록렌즈(53H)의 초점거리는 872㎜이며, 양 렌즈의 초점거리는 모두 800㎜이상이다. 볼록렌즈(53H)는 렌즈프레임(H1)에 접착고정되어 있다. 오목렌즈(53U)는 제1결상 광학계(51)의 렌즈프레임(U10)과 일체화된 렌즈프레임(U1)에 접착고정되어 있고, 이 렌즈프레임(U1)은 상기 렌즈프레임(H1)을 수용하는 둘레가장자리 볼록부(U2)를 갖는다.

이 둘레가장자리 볼록부(U2)는 광축(Zc)의 둘레의 90도마다, 광축(Zc)과 직교해서 이 광축(Zc)을 향하도록 형성된 4개의 나사구멍(U3)을 갖고 있고, 각 나사구멍(U3)에 나사결합하는 4개의 나사(U4)에 의해 렌즈프레임(U1)에 수용된 렌즈프레임(H1)의 위치가 광축(Zc)과 직교하는 방향으로 조절됨과 아울러, 이 렌즈프레임(H1)의 위치가 고정된다.

또, 상기 광축(Zc)방향(Z방향)에 있어서의 렌즈프레임(U1)과 렌즈프레임(H1)의 사이에는, 두께 100㎛의 복수의 스페이서를 포함하는 스페이서(Q)가 배치되어 있고, 이 스페이서(Q)의 두께를 변경함으로써, 렌즈프레임(H1)의 상기 광축(Zc)방향(Z방향)에 있어서의 위치가 조절된다.

<배율의 조절>

여기에서, 2차원패턴을 제1결상 광학계(51)로 결상시킬 때의 배율조절 광학계(53)에 의한 배율의 조절에 대해서 설명한다.

상기 배율조절 광학계(53)에 의한 배율의 조절은 볼록렌즈(53H)를 제1결상 광학계(51)의 광축(Zc)을 따라 평행이동시킴으로써 실시된다. 예를 들면, 볼록렌즈(53H)를 광축(Zc)(Z방향)을 따라 제1결상 광학계(51)측으로 100㎛ 이동시킴으로써, 상기 마이크로렌즈(55a)의 중심위치(C1)로부터 Y방향으로 20.992㎜ 떨어진 한쪽의 단부의 열(E1)을 통과하는 광속의 위치, 및 상기 중심위치(C1)로부터 20.992㎜ 떨어진 다른 쪽의 단부의 열(E2)을 통과하는 광속의 위치를 모두, Y방향을 따라 상기 중심위치(C1)에 가까워지는 측으로 4㎛ 이동시킬 수 있다.

또, 볼록렌즈(53H)를 광축(Zc)(Z방향)을 따라 마이크로렌즈 어레이(55)측으로 100㎛ 이동시킴으로써, 상기 마이크로렌즈(55a)의 단부의 열(E1)을 통과하는 광속의 위치, 및 상기 마이크로렌즈(55a)의 단부의 열(E2)을 통과하는 광속의 위치를 Y방향을 따라 상기 중심위치(C)로부터 멀어지는 측으로 4㎛ 이동시킬 수 있다.

상기 볼록렌즈(53H)의 광축(Zc)(Z방향)을 따른 이동은, 이 볼록렌즈(53H)의 렌즈프레임(H1)과 오목렌즈(53U)의 렌즈프레임(U1)의 사이에 배치되어 있는 상기 스페이서(Q)중의 두께 100㎛의 스페이서의 수를 증감시킴으로써 실시할 수 있고, 이것에 의해, 상기 2차원패턴을 제1결상 광학계(51)로 결상시킬 때의 결상배율을 대략 0.2%의 배율조절 정밀도로 조절할 수 있다.

<디스토션의 보정>

다음에, 디스토션보정 광학계를 겸용하는 배율조절 광학계(53)에 의한 디스토션의 보정에 대해서 설명한다.

배율조절 광학계(53)에 의한 디스토션의 보정은, 볼록렌즈(53H)를 제1결상 광학계(51)의 광축(Zc)과 직교하는 방향을 따라서 평행이동시킴으로써 실시된다. 볼록렌즈(53H)를 Y방향을 따라 단부의 열(E1)의 측으로 430㎛ 이동시킴으로써, 상기 마이크로렌즈(55a)의 Y방향의 중심위치(C1)로부터 단부의 열(E1)까지의 사이의 영역에 위치하는 각 마이크로렌즈(55a)를 통과하는 각 광속의 피치를 대략 0.02% 좁힘과 아울러, 상기 중심위치(C1)로부터 단부의 열(E2)까지의 사이의 영역에 위치하는 각 마이크로렌즈(55a)를 통과하는 각 광속의 피치를 대략 0.02% 넓힐 수 있다.

상기 볼록렌즈(53H)의, 광축(Zc)(Z방향)과 직교하는 방향을 따른 이동은 4개의 나사(U4)에 의해 렌즈프레임(U1)에 수용된 렌즈프레임(H1)을 이동시킴으로써 실시할 수 있다.

또, 상기 실시형태에 있어서는, 배율조절 광학계를 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어지는 것으로 하고, 오목렌즈 및 볼록렌즈의 초점거리가 모두 800㎜이상으로 되도록 하고, 오목렌즈의 초점거리에 대한 볼록렌즈의 초점거리의 비의 값이 1이 되도록 했지만, 이러한 경우에 한정되지 않고, 상기 오목렌즈의 초점거리에 대한 볼록렌즈의 초점거리의 비의 값이 1이 아닌 경우이거나, 또는 오목렌즈 및 볼록렌즈의 초점거리가 모두 800㎜이상이 아닌 경우라도, 또한, 이 배율조절 광학계가 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어진 것이 아닌 경우라도, 결상 광학계와 마이크로렌즈 어레이 사이에 2차원패턴을 결상 광학계로 결상시킬 때의 결상배율을 조절하는 배율조절 광학계를 구비함으로써 상기 효과를 얻을 수 있다.

이하, 상기 상측 텔레센트릭한 결상 광학계를 갖는 광학계(50)를 사용한 노광헤드(166)를 탑재한 투영노광장치에 대해서 상세하게 설명한다.

<<투영노광장치의 전체구성의 설명>>

도9는 본 발명의 투영노광장치의 외관을 나타내는 사시도, 도10은 상기 투영노광장치에 의한 노광의 모습을 나타내는 사시도, 도11(A)는 감광재료상에 형성되는 노광이 완료된 영역을 나타내는 평면도, 도11(B)는 각 노광헤드에 의한 노광영역의 배열을 나타내는 도이다.

도9에 나타내듯이, 본 발명의 투영노광장치는 스캐너유닛(162)과, 이 스캐너유닛(162)을 지지하는 본체부로 이루어진다. 상기 본체부는 감광재료(150)를 표면에 흡착해서 유지하는 평판상의 스테이지(152)를 구비하고, 이 스테이지(152)를 부주사방향으로 이동가능하게 지지하는 상기 부주사방향을 따라 연장된 2개의 가이드(158)를 설치대(156)상에 갖고 있다. 스테이지(152)는 가이드(158)에 의해 부주사방향으로 왕복이동가능하게 지지되고, 이 스테이지(152)의 길이방향이 부주사방향을 향하도록 배치되어 있다. 또, 이 투영노광장치에는 스테이지(152)를 가이드(158)를 따라 구동하기 위한 도시가 생략된 구동부가 구비되어 있다.

설치대(156)의 중앙부에는 스테이지(152)의 이동경로에 걸쳐져서 상기 스케너유닛(162)을 지지하는 문형의 스캐너 지지부(160)가 설치되어 있다. 스캐너 지지부(160)에는 이 스캐너 지지부(160)를 사이에 둔 부주사방향의 한쪽에는 스캐너유닛(162)이 설치되고, 다른쪽에는 감광재료(150)의 선단 및 후단을 검지하는 2개의 검지센서(164)가 설치되어 있다. 스캐너유닛(162) 및 검지센서(164)는 스캐너 지지부(160)에 각각 부착되고, 스테이지(152)의 이동경로의 상방에 배치되어 있다. 또, 스캐너유닛(162) 및 검지센서(164)는 이들을 제어하는 도시가 생략된 컨트롤러에 접속되어 있다.

스캐너유닛(162)은 도10 및 도11에 나타내듯이, m행 n열(예를 들면, 3행 5열)의 대략 매트릭스상으로 배열된 감광재료(150)에 노광용의 광을 조사하는 복수(예를 들면, 14개)의 노광헤드(166)를 구비하고 있다.

본 실시형태에서는, 감광재료(150)의 폭과의 관계에서, 1행째 및 2행째에는 5개의 노광헤드(166)를, 3행째에는 4개의 노광헤드(166)를 배치했다. 또, m행째의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드를 나타내는 경우에는, 노광헤드(166mn)로 표기한다.

노광헤드(166)에 의해 노광되는 각 노광헤드(166mn)에 대응하는 노광영역(168mn)은 도11(B)에 나타내듯이, 대략, 부주사방향을 단변으로 하는 직사각형상이며, 스테이지(152)의 이동에 따라, 감광재료(150)에는 각 노광헤드(166mn)에 대응한 도11(A)에 나타내는 밴드상의 노광이 완료된 영역(170mn)이 형성된다.

상기 노광헤드의 각각은 상기 부주사방향과 직교하는 주주사방향으로 소정 간격 어긋나게 배치되어 있고, 밴드상의 노광이 완료된 영역(170)이 상기 주주사방향으로 간극없이 형성되도록, 1행째에 배치되어 있는 노광영역(16811)과 노광영역(16812) 사이의 노광할 수 없는 부분은, 2행째에 배치되어 있는노광영역(16821)과 3행째에 배치되어 있는 노광영역(16831)에 의해 노광된다.

상기 노광헤드(166)는 상기 광원유닛(60), DMD(80), 및 광학계(50)와, 광원유닛(60)으로부터 출사된 노광용 광을 입사시켜 DMD(80)에 조사하는 DMD 조사 광학계(70)로 구성되고, DMD(80)로 공간광변조된 광을 감광재료(150)상에 인도해서 이 감광재료(150)를 노광한다.

<<노광헤드(166)를 구성하는 각 요소의 설명>>

이하, 노광헤드(166)를 구성하는 각 요소에 대해서 설명한다. 또, 이미 설명한 광학계(50)에 대해서는 여기에서의 설명을 생략한다.

<광원유닛(60)>

광원유닛(60)은 복수(예를 들면, 6개)의 레이저광 합파광원(40)과, 상기 복수의 각 레이저광 합파광원(40)의 구성요소인 각 멀티모드 광섬유(30)에 접속되는 복수의 광섬유(31)를 통합하는 레이저 출사부(61)로 이루어진다.

[레이저광 합파광원(40)의 설명]

도12는 레이저광 합파광원의 구성을 나타내는 평면도, 도13은 레이저광 합파광원의 구성을 나타내는 측면도, 도14는 레이저광 합파광원의 구성을 나타내는 정면도, 도15는 레이저광 합파광원을 구성하는 광학요소를 나타내는 확대평면도이다.

●레이저광 합파광원(40)의 구성

레이저광 합파광원(40)은 복수의 반도체레이저(LD1∼LD7)와, 1개의 광섬유(30)와, 상기 복수의 반도체레이저(LD1∼LD7)로부터 출사된 각 광속으로 이루어지는 전체광속을 수속시켜서 광섬유(30)의 코어부에 입사시키는 광속수속수단인 콜리메이터렌즈(11∼17) 및 1개의 집광렌즈(20)를 구비하고, 상기 광섬유(30)내에 상기 전체광속을 합파시키고, 이 합파된 광속을 광섬유(30)를 통과시켜 출사한다.

보다 구체적으로는, 이 레이저광 합파광원(40)은 구리 등의 열전도율이 높은 재료로 이루어지는 히트블록(10)상의 1방향으로 배열되어 고정된 복수(예를 들면 7개)의 칩상의 횡멀티모드 또는 싱글모드의 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)와, GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)의 각각에 대응해서 설치된 콜리메이터렌즈(11∼17)와, 콜리메이터렌즈(11∼17)로부터 출사된 각 광속의 전체를 1점에 수속시키는 1개의 집광렌즈(20)와, 집광렌즈(20)로 수속된 상기 전체광속을 입사시켜 합파하는 1개의 멀티모드 광섬유(30) 등으로 구성되어 있다.

또, 반도체레이저의 개수는 7개에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 클래드지름=60㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2의 멀티모드 광섬유에, 20개의 반도체레이저로부터 출사된 각각의 광속을 입사시키는 것도 가능하다.

GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)는 발진파장이 모두 공통(예를 들면, 405㎚)이며, 최대출력도 모두 공통(예를 들면, 멀티모드 레이저에서는 100mW, 싱글모드 레이저에서는 30mW)이다. 또, GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)로서는, 350㎚∼450㎚의 파장범위에 있어서 상기 405㎚이외의 발진파장을 갖는 레이저를 이용해도 좋다.

또, 도12, 도13 및 도14에 나타내듯이, 이 레이저광 합파광원(40)은 상방이 개구된 상자형상의 패키지(41)내에 상기 광학요소를 수납한 것이다. 패키지(41)는 그 개구를 폐쇄하도록 제작된 패키지덮개(49)를 구비하고 있고, 상자형상의패키지(41)를 탈기처리한 후, 밀봉가스를 도입해서 패키지(41)의 개구를 패키지덮개(49)로 폐쇄함으로써, 패키지(41)와 패키지덮개(49)로 둘러싸여진 폐쇄공간(밀봉공간)이 기밀밀봉되어 있다.

패키지(41)의 저면상에는 베이스판(42)이 고정되어 있고, 이 베이스판(42)의 상면에는, 상기 히트블록(10)과, 집광렌즈(20)를 유지하는 집광렌즈 홀더(45)와, 멀티모드 광섬유(30)의 입사단부를 유지하는 섬유홀더(46)가 부착되어 있다. 멀티모드 광섬유(30)의 출사단부는 패키지(41)의 벽면에 형성된 개구로부터 패키지밖으로 인출되어 있다.

상기 베이스판(42)은 유체를 매체로 한 온도조절수단인 펠티에소자 등(도시는 생략)에 의해 온조조절되어 있어, 투영노광장치의 가동중에는 항상 일정 온도로 유지된다.

히트블록(10)의 측면에는 콜리메이터렌즈 홀더(44)가 부착되어 있어, 콜리메이터렌즈(11∼17)가 유지되어 있다. 또, 패키지(41)의 벽면에 형성된 개구를 통해 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)에 구동전류를 공급하는 배선(47)이 패키지밖으로 인출되어 있다.

또, 도12 및 도13에 있어서는, 번잡화를 피하기 위해서, 복수의 GaN계 반도체레이저 중 GaN계 반도체레이저(LD1 및 LD7)에만 번호를 붙이고, 복수의 콜리메이터렌즈 중 콜리메이터렌즈(1 및 17)에만 번호를 붙이고 있다.

도14는 상기 콜리메이터렌즈(11∼17)의 부착부분을 정면에서 본 도이다. 콜리메이터렌즈(11∼17)의 각각은 비구면렌즈이고, 상기 비구면렌즈의 광축을 포함하는 영역을 이 광축에 평행한 평면으로 가늘고 길게 잘라낸 형상으로 형성되어 있다. 이 가늘고 긴 형상의 콜리메이터렌즈는 예를 들면 수지성형 또는 유리성형에 의해 형성할 수 있다. 콜리메이터렌즈(11∼17)는 길이방향이 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)의 발광점이 배열되는 방향(도14의 좌우방향)과 직교하는 방향으로 되도록 하고, 상기 배열방향(도14의 좌우방향)으로 밀접하게 배치되어 있다.

GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)로서는, 발광폭이 2㎛인 활성층을 구비하고, 활성층의 표면에 대해서 평행한 방향의 퍼짐각이 각각 예를 들면 10°, 활성층의 표면에 대해서 직각인 방향의 퍼짐각이 각각 예를 들면 30°인 상태로 각각 레이저빔(B1∼B7)을 발사하는 것이 이용되고 있다.

이들 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)는 활성층의 표면이 상기 발광점이 1열로 배열되는 방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 즉, 각 발광점에서 발사된 레이저빔(B1∼B7)의 퍼짐각도가 큰 방향이 상기 가늘고 긴 형상의 각 콜리메이터렌즈(11∼17)의 길이방향과 일치하고, 퍼짐각도가 작은 방향이 상기 각 콜리메이터렌즈(11∼17)의 폭방향과 일치한다.

또, 각 콜리메이터렌즈(11∼17)의 길이방향의 폭은 4.6㎜, 폭방향의 폭이 1.1㎜이며, 이들에 대응해서 입사되는 레이저빔(B1∼B7)의 타원형상의 빔지름의 장경은 2.6㎜, 단경이 0.9㎜이다. 또, 콜리메이터렌즈(11∼17)의 각각은 초점거리(f)=3㎜, NA=0.6, 렌즈배치피치=1.25㎜이다.

집광렌즈(20)는 비구면렌즈의 광축을 포함하는 영역을 이 광축에 평행한 평면으로 가늘고 길게 잘라낸 형상을 갖고, 콜리메이터렌즈(11∼17)가 배열되는 방향으로 이 집광렌즈(20)의 길이방향이 일치하고, 그것과 직각인 방향으로 집광렌즈(20)의 폭방향이 일치하도록 배치되어 있다.

또, 이 집광렌즈(20)는 초점거리(f)=23㎜, NA=0.2이다. 이 집광렌즈(20)도 예를 들면 수지성형 또는 유리성형에 의해 형성할 수 있다.

●레이저광 합파광원(40)의 동작

상기 레이저광 합파광원(40)을 구성하는 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)의 각각으로부터 출사된 레이저빔(B1∼B7)의 각각은 대응하는 콜리메이터렌즈(11∼17)에 의해 평행광화된다. 평행광화된 레이저빔(B1∼B7)은 집광렌즈(20)에 의해 수속되어, 멀티모드 광섬유(30)의 코어부(30a)의 입사단면에 입사된다.

집광렌즈(20)에 의해 상술과 같이 수속된 레이저빔(B1∼B7)이 이 멀티모드 광섬유(30)의 코어부(30a)에 입사되어 1개의 레이저빔(B)으로 합파되고, 이 멀티모드 광섬유(30)내를 전파해서 멀티모드 광섬유(30)의 출사단으로부터 출사된다. 멀티모드 광섬유(30)의 출사단으로부터 출사된 상기 합파된 레이저빔(B)은 이 멀티모드 광섬유(30)에 접속된 후술하는 광섬유(31)에 입사된다.

예를 들면, 레이저빔(B1∼B7)의 멀티모드 광섬유(30)에의 결합효율이 0.85이고, GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)의 각 출력이 30mW인 경우에는, 출력 180mW(=30mW×0.85×7)의 합파레이저빔(B)을 얻을 수 있고, 이 출력이 광섬유(31)에 전파된다. 따라서, 각 멀티모드 광섬유(30)에 각각 접속된 6개의 광섬유(31)가 통합된 후술하는 레이저 출사부(61)에서의 출력은 약 1W(=180mW×6)이다.

[레이저 출사부(61)]

레이저 출사부(61)에 대해서, 도16 및 도17을 참조해서 설명한다. 도16(A)는 레이저광 합파광원의 멀티모드 광섬유와, 레이저 출사부의 광섬유의 접속상태를 나타내는 사시도, 도16(B)는 레이저 출사부의 부분확대도, 도16(C) 및 도16(D)는 레이저 출사부에 있어서의 광섬유의 배열을 나타내는 정면도, 도17은 레이저광 합파광원의 멀티모드 광섬유와, 레이저 출사부의 광섬유의 접속상태의 상세를 나타내는 단면도이다.

도16(A)∼도16(D)에 나타내듯이, 상기 레이저 출사부(61)는 광섬유(31), 지지판(65), 및 보호판(63)으로 이루어지며, 이하와 같이 구성되어 있다.

도16(A)에 나타내듯이, 상기 레이저광 합파광원(40)의 각 멀티모드 광섬유(30)의 출사단에는, 코어지름이 멀티모드 광섬유(30)의 코어지름과 동일하고, 클래드지름이 멀티모드 광섬유(30)의 클래드지름보다 작은 광섬유(31)의 입사단이 각각 접속되어 있다. 또, 상기 각 광섬유(31)의 출사단은 도16(C)에 나타내듯이, 1열로 배열된 출사단부(68)를 구성하고 있다. 또, 도16(D)에 나타내듯이, 출사단부(68)는 1열로 배열되는 경우에 한정되지 않고 2단 겹쳐서 적층상태로 배열하도록 해도 좋다.

광섬유(31)의 출사측의 부분은 도16(B)에 나타내듯이, 표면이 평탄한 2매의 지지판(65)에 끼워넣어져서 고정되어 있다. 또, 이 광섬유(31)의 출사측의 끝면에는 이 끝면을 보호하기 위한 유리 등으로 이루어지는 투명한 보호판(63)이 배치되어 있다. 보호판(63)은 광섬유(31)의 끝면에 밀착시켜서 배치해도 좋고, 또는 밀착하지 않도록 배치해도 좋다.

상기 광섬유(31)와 멀티모드 광섬유(30)의 접속은, 도17에 나타내듯이, 클래드지름이 큰 멀티모드 광섬유(30)의 끝면중의 소경부분(30c)에, 클래드지름이 작은 광섬유(31)의 끝면을 동축적으로 결합하는 것이며, 이 결합은 예를 들면 융착에 의해 실시할 수 있다.

또, 길이가 짧고 클래드지름이 큰 광섬유에 클래드지름이 작은 광섬유를 융착시킨 짧은 광섬유를 별도로 제작해서, 이 짧은 광섬유를 페룰(ferrule)이나 광커넥터 등을 통해 멀티모드 광섬유(30)의 출사단에 결합해도 좋다. 커넥터 등을 이용해서 착탈가능하게 결합함으로써, 클래드지름이 작은 광섬유가 파손된 경우 등에 선단부분의 교환이 용이하게 되어, 노광헤드의 보수관리에 필요한 비용을 저감할 수 있다.

멀티모드 광섬유(30) 및 광섬유(31)로서는, 스텝인덱스형 광섬유, 그레이티드인덱스형 광섬유, 및 복합형 광섬유 중 어느 것이라도 좋다. 예를 들면, 미츠비시 덴센고교 가부시키가이샤 제의 스텝인덱스형 광섬유를 이용할 수 있다. 본 예에서는, 멀티모드 광섬유(30) 및 광섬유(31)는 스텝인덱스형 광섬유이다.

또, 멀티모드 광섬유(30)는 클래드지름=125㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2, 입사 끝면코트의 투과율=99.5%이상이며, 광섬유(31)는 클래드지름=60㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2이다.

<DMD(80)>

계속해서, DMD(80)에 대해서 설명한다. 도18(A) 및 도18(B)는 DMD를 비스듬히 배치하지 않은 경우와 비스듬히 배치하는 경우에 있어서의 감광재료에의 노광상태의 차이를 비교해서 나타내는 평면도이다.

노광헤드(16611∼166mn)의 각각은, 상기 설명한 도1, 도2에 나타내듯이, 입사된 광빔을 소정의 제어신호에 따라 변조하는 공간광변조수단으로서, 디지털 마이크로미러 디바이스:DMD(80)를 구비하고 있다(도3참조). 이 DMD(80)는 데이터처리부와 미러구동 제어부를 구비한 도시가 생략된 컨트롤러에 접속되어 있다. 이 컨트롤러의 데이터처리부에서는, 입력된 화상데이터에 기초하여, 각 노광헤드(166)마다, DMD(80)에 배치되어 있는 각 마이크로미러(81)의 구동을 제어하는 제어신호를 생성한다. 또, 미러구동 제어부에서는 데이터처리부에서 생성한 제어신호에 기초하여, 각 노광헤드(166)마다, DMD(80)의 각 마이크로미러(81)의 반사면의 각도를 제어한다.

상기 DMD(80)는 길이방향으로 마이크로미러(81)가 다수개(예를 들면 1024개)행방향으로 배열된 마이크로미러가, 폭방향으로 복수열(예를 들면 756열)배치되어 있다. 도18에 나타내듯이, 각 마이크로미러(81)로 반사된 개별의 광속 부주사방향의 주사궤적(부주사선)의 피치는 DMD(80)를 비스듬히 배치시킴으로써, DMD(80)를 비스듬히 배치시키지 않을 때의 피치(P1)(도18(A)참조)보다 작은 피치(P2)(도18(B)참조)로 설정할 수 있고, 이 기울기의 설정에 의해, 이 노광헤드(166)에 의한 노광의 해상도를 대폭 향상시킬 수 있다.

또, 서로 다른 마이크로미러(81)에 의해 감광재료(150)의 상기 부주사선상의 같은 영역이 겹쳐서 노광(다중노광)됨으로써, 노광위치의 미소량을 컨트롤할 수 있어, 고정밀의 노광을 실현할 수 있다. 또, 주주사방향으로 인접해서 배열되는 노광헤드간의 각 광속에 의해 노광되는 2차원패턴의 이음매가 두드러지지 않도록 할 수도 있다.

상기 DMD 조사 광학계(70)는 도2에 나타내듯이, 광원유닛(60)의 레이저 출사부(61)로부터 출사된 복수의 광속을, 전체적으로 대략 평행광화하는 콜리메이터렌즈(71), 이 콜리메이터렌즈(71)를 통과한 광의 광로에 배치된 마이크로 플라이 아이 렌즈(72), 이 마이크로 플라이 아이 렌즈(72)와 마주보는 상태로 배치된 다른 마이크로 플라이 아이 렌즈(73), 및 이 마이크로 플라이 아이 렌즈(73)의 출사측 즉 후술하는 미러(75)측에 배치된 필드렌즈(74), 및 후술하는 프리즘(76)으로 구성되어 있다.

마이크로 플라이 아이 렌즈(72 및 73)는 미소 렌즈셀이 가로세로로 다수 배치되어 이루어진 것이며, 이들 미소 렌즈셀의 각각을 통과한 광이 미러(75) 및 프리즘(76)을 통해 DMD(80)에 서로 겹쳐지는 상태로 입사되므로, 이 DMD(80)를 조사하는 광의 광량분포가 균일화된다. 또, 마이크로 플라이 아이 렌즈(72 및 73) 대신에 로드 인테그레이터를 사용할 수도 있다.

또, 미러(75)는 필드렌즈(74)를 통과한 광을 반사시키고, 프리즘(76)은 TIR 프리즘(전반사 프리즘)이며, 미러(75)로 반사된 광을 DMD(80)를 향해서 전반사시킨다. 상기와 같이 DMD 조사 광학계(70)가 DMD(80)에 대해서 대략 균일한 강도분포의 광을 조사한다.

<<투영노광장치의 동작의 설명>>

다음에, 상기 투영노광장치의 동작에 대해서 설명한다.

투영노광장치가 가동되어 각 부가 가동상태로 된다. 이 상태에서 레이저광 합파광원(40)은 온도조절되지만 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)는 점등되지 않는다.

2차원패턴에 따른 화상데이터가 DMD(80)에 접속된 도시가 생략된 컨트롤러에 입력되어, 컨트롤러내의 프레임메모리에 일단 기억된다. 이 화상데이터는 화상을 구성하는 각 화소의 농도를 나타낸 데이터이다. 이 데이터는, 예를 들면, 각 화소의 농도를 2값(도트의 기록의 유무)으로 나타낸 것으로 할 수 있다.

감광재료(150)를 표면에 흡착한 스테이지(152)는 도시가 생략된 구동부에 의해 가이드(158)를 따라 스캐너 지지부(160)를 상류측에서 하류측으로 일정속도로 이동시킨다. 스테이지(152)가 스캐너 지지부(160)아래를 통과할 때, 스캐너 지지부(160)에 부착된 검지센서(164)에 의해 감광재료(150)의 선단이 검출되면, 프레임메모리에 기억된 화상데이터가 복수라인분씩 순차 판독되고, 데이터처리부에서 판독된 화상데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다의 제어신호가 생성된다.

그리고, 감과어재료(150)에의 노광준비가 갖추어졌을 때 GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)가 점등되고, 상기 생성된 제어신호에 기초하여, 미러구동 제어부에 의해 각 노광헤드(166)에 있어서의 DMD(80)의 마이크로미러(81)의 각각이 제어되어 감광제료(150)가 노광된다.

각 레이저광 합파광원(40)에서 발생되어 레이저 출사부(61)로부터 출사된 광속이 DMD 조사 광학계(70)를 통해 DMD(80)에 조사되면, DMD(80)의마이크로미러(81)가 온상태일 때에 반사된 광속은, 광학계(50)를 통해 감광재료(150)의 감광면(151)상에 결상된다. 한편, DMD(80)의 마이크로미러(81)가 온상태일 때에 반사된 광속은, 감광면(151)상에 결상되지 않으므로 감광재료(150)를 노광하지 않는다.

이렇게 해서, 광원유닛(60)으로부터 출사된 광속이 각 마이크로미러(81)마다(화소마다) 온/오프되어, 각 노광헤드(166)에 대응하는 감광재료(150)상의 각 노광영역(168)이 노광된다(도10 및 도11 참조). 또, 감광재료(150)가 스테이지(152)와 함께 부주사방향으로 이동되어, 각 노광헤드(166)마다 부주사방향으로 연장되는 밴드상의 노광이 완료된 영역(170)이 형성된다.

[DMD(80)의 부분사용에 대해서]

또, 본 실시형태에서는, 도19(A) 및 (B)에 나타내듯이, DMD(80)에는, 노광할 때의 주주사방향 즉, 행방향으로 1024개(화소) 배치된 마이크로미러가, 노광할 때의 부주사방향 즉 열방향으로 756(화소열) 배열되어 있지만, 본 예에서는 컨트롤러에 의해 일부 마이크로미러의 행(예를 들면, 1024개×300행)만을 구동하도록 제어가 이루어진다.

예를 들면, 도19(A)에 나타내듯이, DMD(80)의 열방향의 중앙부에 배치된 마이크로미러의 행열영역(80C)만을 제어해도 좋고, 도19(B)에 나타내듯이, DMD(80)의 단부에 배치된 마이크로미러의 행열영역(80T)만을 제어해도 좋다. 또, 일부의 마이크로미러에 결함이 발생한 경우에는, 결함이 발생하지 않은 마이크로미러의 행열영역을 사용하는 등, 상황에 따라 사용하는 마이크로미러중의 영역을 적절히 변경해도 좋다.

즉, DMD(80)의 데이터 처리속도에는 한계가 있어, 제어하는 마이크로미러의 수(화소수)에 비례해서 1라인당의 변조속도가 결정되므로, 마이크로미러중의 일부분만을 사용함으로써 1라인당의 변조속도를 빠르게 할 수 있다.

DMD(80)에 접속된 컨트롤러내의 프레임메모리에 기억된 화상데이터에 기초한 노광이 종료되면, GaN계 반도체레이저(LD1∼LD7)가 소등되어 레이저광 합파광원으로부터의 광속의 출사가 정지된다. 그 후, 스캐너유닛(162)에 의한 감광재료(150)의 부주사가 종료되고, 검지센서(164)에서 감광재료(150)의 후단이 검출되면, 스테이지(152)는 도시가 생략된 구동부에 의해, 가이드(158)를 따라 스캐너 지지부(160)를 최상류측에 있는 원점으로 복귀시키고, 다시 가이드(158)를 따라 스캐너 지지부(160)를 상류측으로부터 하류측으로 이동시켜 다음의 노광을 행한다.

또, 본 발명의 투영노광장치는 공간광변조수단으로서 DMD를 이용하는 경우에 한정되지 않고, 이 DMD 대신에 MEMS(Micro Electro Mecanical Systems)타입의 공간광변조소자(SLM:Spacial Light Modulator), 전기광학효과에 의해 투과광을 변조하는 광학소자(PLZT소자), 또는 액정셔터(FLC) 등을 이용해서 장치를 구성하도록 해도 상기 실시형태와 마찬가지로, 감광재료에 투영하는 2차원패턴의 소광비를 높여, 이것에 의해 노광품질을 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 투영노광장치는, 노광할 때의 광의 파장이 한정되는 것은 아니고, 어떤 파장의 광에 의한 노광에 대해서나 대응가능한 것이며, 공간광변조수단에 광을 조사하는 방식, 및 그 광원 등은 어떤 것이어도 좋다.

본 발명의 투영노광장치는, 공간광변조된 광의 2차원패턴을 결상시키는 상층 텔레센트릭한 결상 광학계와 마이크로렌즈 어레이 사이에, 상기 결상 광학계로 결상되는 2차원패턴의 결상배율을 조절하는 배율조절 광학계를 구비하고 있으므로, 결상 광학계의 MTF성능, 텔레센트릭성 및 디스토션성능 등과는 독립적으로 결상배율을 변경할 수 있어, 상기 MTF성능, 텔레센트릭성 및 디스토션성능 등을 저하시키는 일없이 결상배율을 조절해서, 상기 각 광속을 보다 정확하게 상기 각 마이크로렌즈에 통과시킬 수 있다. 이것에 의해, 감광재료상에 투영되는 2차원패턴의 상을 형성하는 각 화소의 소광비를 향상시킬 수 있어 노광품질을 높일 수 있다.

또, 배율조절 광학계를 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어지는 것으로 하면, 결상 광학계의 MTF성능, 텔레센트릭성 및 디스토션성능 등과, 결상배율의 변경의 독립성을 보다 높일 수 있어, 상기 소광비를 향상시키기 위한 결상배율의 조절을 보다 용이하게 행할 수 있다.

또, 배율조절 광학계를 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어지는 것으로 하고, 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈의 초점거리가 모두 800㎜이상으로 되도록 구성한 것으로 하면, 결상 광학계의 MTF성능, 텔레센트릭성, 및 디스토션성능 등과, 결상배율의 독립성을 보다 높일 수 있고, 또한 오목렌즈 및 볼록렌즈 중 어느 한쪽을 결상 광학계의 광축방향으로 이동시켜서 배율조절을 행하는 경우에는, 오목렌즈 또는 볼록렌즈의 이동량에 대한 배율변화, 즉 배율조절감도를 둔하게 할 수 있어, 보다 배율조절의 정밀도를 높일 수 있다.

또, 오목렌즈의 초점거리에 대한 볼록렌즈의 초점거리의 비의 값을 대략 1로 하면, 결상 광학계의 MTF성능, 텔레센트릭성, 및 디스토션성능 등과 결상배율의 독립성을 보다 높일 수 있다.

상기 배율조절 광학계를, 2차원패턴을 결상 광학계로 결상시킬 때의 디스토션을 보정하는 디스토션보정 광학계를 겸용하는 것으로 하면, 상기 소광비를 향상시키기 위한 결상배율의 조절 및 디스토션의 보정을 더욱 용이하게 행할 수 있다. 예를 들면, 오목렌즈 및 볼록렌즈 중 적어도 어느 한쪽을 결상 광학계의 축광방향으로 이동시켜서 배율조절을 행하고, 상기 볼록렌즈 및 오목렌즈 중 적어도 한쪽을 결상 광학계의 광축에 대해서 직교하는 방향으로 이동시켜서 디스토션을 보정함으로써, 결상배율의 조절, 및 디스토션의 보정을 독립적으로 실시할 수 있어, 상기 소광비를 향상시키기 위한 조절을 보다 용이하게 행할 수 있다.

Claims

입사된 광을 소정의 제어신호에 따라 변조하는 화소부를 2차원상으로 다수배열해서 이루어지며, 상기 다수의 화소부에 의해 상기 광을 공간광변조하는 공간광변조수단;

상기 공간광변조수단으로 공간광변조된 광의 2차원패턴을 결상시키는 상측 텔레센트릭한 결상 광학계; 및

상기 결상 광학계에 의해 결상되는 2차원패턴의 결상면근방에 배치된, 상기 결상 광학계를 통과한 상기 각 화소부에 대응하는 각 광을 각각 통과시키는 개별의 마이크로렌즈를 2차원상으로 배치해서 이루어지는 마이크로렌즈 어레이를 구비하고,

상기 2차원패턴을 감광재료상에 투영해서 이 감광재료에 상기 2차원패턴을 노광하는 투영노광장치에 있어서,

상기 결상 광학계와 상기 마이크로렌즈 어레이 사이에, 상기 2차원패턴을 상기 결상 광학계로 결상시킬 때의 결상배율을 조절하는 배율조절 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
제1항에 있어서, 상기 배율조절 광학계가 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 투영노광장치.
제1항에 있어서, 상기 배율조절 광학계가 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합으로 이루어지는 것이며, 상기 오목렌즈 및 볼록렌즈의 초점거리가 모두 800㎜이상으로 되도록 구성된 것임을 특징으로 하는 투영노광장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 오목렌즈의 초점거리에 대한 상기 볼록렌즈의 초점거리의 비의 값이 대략 1인 것을 특징으로 하는 투영노광장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배율조절 광학계가, 상기 2차원패턴을 상기 결상 광학계로 결상시킬 때의 디스토션을 보정하는 디스토션보정 광학계를 겸용하는 것임을 특징으로 하는 투영노광장치.