KR20040095186A - 투영 노광장치 - Google Patents

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KR20040095186A
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KR1020040031867A
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이시카와히로미
니시하타수미히로
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후지 샤신 필름 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은 투영 노광장치에 있어서, 변조된 광의 2차원 패턴을 투영할 때에 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킴과 아울러 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 상측 텔레센트릭 제 1 결상 광학 시스템(51) 및 제 2 결상 광학 시스템(52) 중 어느 하나에 있어서 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 결상 광학 시스템(50)을 준비하고, 광원 유닛(60)으로부터 발생된 광속을 DMD(80)에서 공간 광변조하고, 이 DMD(80)에서 공간 광변조된 2차원 패턴을 상기 결상 광학 시스템(50)을 통해서 감광재료(150) 위에 결상시킨다.

Description

투영 노광장치{PROJECTION AND EXPOSURE APPARATUS}
본 발명은 투영 노광장치에 관한 것이고, 상세하게는 광원으로부터 발생된 광을 변조하여 얻어진 광의 2차원 패턴의 상을 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 통해서 감광재료 위에 투영하여 노광하는 투영 노광장치에 관한 것이다.
종래로부터, 입사한 광을 노광 마스크에 의해서 변조한 광의 2차원 패턴, 또는 입사한 광을 공간 광변조수단으로 공간 광변조한 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 투영하여 이 감광재료를 노광하는 투영 노광장치가 알려져 있다. 또한, 상기 공간 광변조수단으로서, 경사각도 변경가능한 마이크로미러를 2차원상으로 다수 배열(예컨대, 1024×756)한 디지털 마이크로미러 장치(이후 DMD라 함)를 이용한 투영 노광장치도 알려져 있다(예컨대, 특허문헌1). 또한, 상기 디지털 마이크로미러 장치(DMD)로서는, 예컨대, 미국 TI사(Texas Instruments사)가 개발한 것이 알려져 있고, 이 DMD를 이용한 동화상용 프로젝터 등이 제품되어 있다.
상기 DMD를 이용한 투영 노광장치는 DMD의 각 마이크로미러의 상을 감광재료 위에 결상시키기 위한 결상 렌즈를 구비하고, 노광용 광의 조사를 받은 각 마이크로미러 중의 소정 각도로 경사진 마이크로미러에서 반사되고, 상기 결상 렌즈를 향해 전파된 광만을 상기 결상 렌즈를 통해서 결상함으로써 상기 마이크로미러에서 형성된 2차원 패턴을 감광재료 위에 투영하여 이 감광재료를 노광하는 것이다. 즉, 상기 투영 노광장치는 상기 2차원 패턴의 상을 형성하는 각 화소가 각 마이크로미러에 대응하도록 하여 노광을 행하는 것이다.
또한, 상기 투영 노광장치를 이용하여 기판 위의 포토레지스트(감광재료)에 회로 패턴을 노광하는 시험도 행해지고 있고, 기판 위에 회로 패턴의 상을 정확한 배율로, 즉, 회로 패턴의 상의 크기가 변화하거나 이 상이 왜곡되는 일없이 결상할 수 있도록 상기 투영 노광장치의 결상 광학 시스템으로서 상측에 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 이용하는 방식도 검토되고 있다.
[특허문헌1]
일본 특허 공개 2001-305663호 공보
그런데, 상기 회로 패턴의 노광에 관해서, 기판 위에 노광되는 회로 패턴의 상을 형성하는 각 화소의 등피치성의 더나은 향상이 요망되고 있기 때문에 결상 렌즈의 왜곡을 1㎛이하가 되도록 하고 싶은 요청과 함께 MTF(Modulation Transfer Function)성능을 향상시키고 싶다라는 요청이 있다. 즉, 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시키고 싶다라는 요청이 있다.
또한, 회로 패턴과 같은 가느다란 선의 노광에는 파장이 짧은 광, 예컨대, 파장 450nm이하의 광을 광원으로 이용하는 것이 바람직하지만 이와 같은 단파장의광은 상기 결상 렌즈를 구성하는 유리나 수지 등에 대한 투과율이 낮기 때문에 결상 렌즈를 구성하는 렌즈 개수를 적게 하여 광의 이용효율을 높이고 싶다라는 요청도 있다. 즉, 예컨대, 노광 광원으로서 복수의 레이저 광속을 합파시키는 레이저광 합파 광원을 사용하는 경우에는 광의 이용효율을 높임으로써, 합파시키는 레이저 광속의 수를 적게 하더라도 노광에 필요한 소정의 레이저 광속의 강도를 얻을 수 있게 되므로 노광 광원의 비용을 저감할 수 있고, 또한, 광원의 고장 빈도를 적게 할 수도 있다.
또한, 결상 렌즈를 구성하는 렌즈 개수를 많게 하면 각 렌즈의 제조 상의 오차의 누적에 의해 왜곡이나 상면(像面) 만곡이 크게 되어 버린다라는 문제가 있으므로 소정의 성능의 결상 렌즈를 얻기 위한 가공ㆍ조립ㆍ조정의 부담이 크게 된다라는 문제도 생긴다.
이것에 대해서 일반적으로 상측 텔레센트릭 결상 렌즈의 상측으로, 왜곡 보정용 비구면 렌즈를 배치하여 상기 결상 렌즈의 왜곡을 작게 함과 아울러 렌즈 개수를 줄이는 것이 고려된다.
그러나, 상측 텔레센트릭 결상 렌즈의 상측의 개구 지름이 크므로 상기 상측에 배치하는 비구면 렌즈의 지름도 상기 개구 지름에 따라 크게 하게 되고, 이와같이 큰 지름의 비구면 렌즈의 제작, 예컨대, 유리 성형에서의 제작이 어렵다라는 문제가 있다.
또한, 상기 왜곡을 억제하면서 MTF성능을 향상시키는 요청, 광의 이용 효율을 높이고 싶다라는 요청, 및 비구면 렌즈의 제작이 곤란하다라는 문제 등은 입사한 광을 노광 마스크에 의해서 변조한 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 투영하여 이 감광재료를 노광하는 경우에 사용하는 투영 노광장치의 결상 광학 시스템에도 공통하는 것이다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 2차원 패턴을 투영할 때에 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킴과 아울러 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높일 수 있는 투영 노광장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
도 1은 투영 노광장치에 탑재되는 노광헤드의 개략 구성을 전개하여 도시하는 개념도이다.
도 2는 노광헤드 내를 전파하는 광속의 광로를 따라 노광헤드의 구성을 도시하는 측면도이다.
도 3은 DMD의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
도 4는 눈동자 인접 렌즈에 비구면을 갖는 상측(像側) 텔레센트릭 (telecentric)한 결상 광학 시스템의 구성을 도시하는 측면도이다.
도 5는 실시예와 비교예의 사양과 성능을 도시하는 도면이다.
도 6은 비교예1의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예1의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 8은 실시예2의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 9는 실시예3의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 10은 실시예4의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 11은 실시예5의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 12는 실시예6의 설계값, 렌즈 구성, 및 광로를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 투영 노광장치의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 14는 도 13의 투영 노광장치에 의한 노광의 형태를 도시하는 사시도이다.
도 15(A)는 감광재료 위에 형성되는 노광 완료 영역을 도시하는 평면도이고, 도 15(B)는 각 노광헤드에 의한 노광영역의 배열을 도시하는 도면이다.
도 16은 레이저광 합파 광원의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 17은 레이저광 합파 광원의 구성을 도시하는 측면도이다.
도 18은 레이저광 합파 광원의 구성을 도시하는 정면도이다.
도 19는 레이저광 합파 광원의 광학 요소를 도시하는 확대 평면도이다.
도 20(A)는 광원 유닛의 구성을 도시하는 사시도이고, 도 20(B)는 레이저 출사부의 부분 확대도이고, 도 20(C) 및 도 20(D)는 레이저 출사부에 있어서의 광섬유의 배열을 도시하는 정면도이다.
도 21은 레이저광 합파 광원의 멀티모드 광섬유와, 레이저 출사부의 광섬유의 접속상태를 도시하는 도면이다.
도 22(A) 및 도 22(B)는 DMD를 경사지게 배치하지 않은 경우와 경사지게 배치하는 경우에 있어서의 감광재료로의 노광상태의 차이를 비교하여 도시하는 평면도이다.
도 23(A) 및 도 23(B)는 DMD 중의 사용영역의 예를 도시하는 도면이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
40 … 레이저광 합파 광원 50 … 결상 광학 시스템
51 … 제 1 결상 광학 시스템 52 … 제 2 결상 광학 시스템
60 … 광원 유닛 61 … 레이저 출사부
70 … DMD 조사 광학 시스템 80 … 디지털 마이크로미러 장치(DMD)
150 … 감광재료 152 … 스테이지
162 … 스캐너 166 … 노광헤드
168 … 노광영역 170 … 노광 완료 영역
본 발명의 제 1 투영 노광장치는, 광원으로부터 발생된 광을 공간 광변조하는 공간 광변조수단과, 이 공간 광변조수단에 의해 공간 광변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 결상시키기 위한 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 구비하고, 상기 결상 광학 시스템을 통해서 상기 2차원 패턴을 상기 감광재료 위에 투영하고, 이 2차원 패턴을 상기 감광재료에 노광하는 투영 노광장치로서, 상기 결상 광학 시스템의 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈가, 이 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제 2 투영 노광장치는 광원으로부터 발생된 광을 변조하는 노광 마스크와, 이 노광 마스크에 의해 변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 결상시키기 위한 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 구비하고, 상기 결상 광학 시스템을 통해서 2차원 패턴을 상기 감광재료 위에 투영하고, 상기 2차원 패턴을 상기 감광재료에 노광하는 투영 노광장치로서, 상기 결상 광학 시스템의 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈가, 이 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 2개의 눈동자 인접 렌즈는 각각의 렌즈면 중 입사 눈동자 위치측과는 반대측의 렌즈면을 비구면으로 한 것으로 할 수 있다.
상기 2개의 눈동자 인접 렌즈는, 각각의 렌즈면의 양면을 비구면으로 한 것으로 할 수 있다.
상기 결상 광학 시스템은 2개의 눈동자 인접 렌즈 중의, 상기 감광재료측과는 반대측에 배치된 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면 형상의 코닉(conic) 성분을 나타내는 계수의 절대치가, 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치보다 크게 되도록 구성하거나, 또는, 상기 2개의 눈동자 인접 렌즈 중의, 상기 감광재료측에 배치된 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치가, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치보다 작게 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 결상 광학 시스템은 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(δ1)과, 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(δ2)의 비(δo=δ1/δ2)가 1≤δo≤δ70이 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 결상 광학 시스템은 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(γ1)과, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(γ2)의 비(γo=γ1/γ2)가 1≤γo≤70이 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 결상 광학 시스템을 통하는 광의 파장은 350nm이상, 450nm이하로 할 수 있다.
상기 공간 광변조수단은 DMD로 할 수 있다.
상기 노광 마스크는 입사되는 광을 반사하거나 흡수하거나 또는 투과시키는 각 영역을 갖고, 각 영역에 있어서의 광의 변조특성의 차이에 기초하여 광의 2차원 패턴을 작성하는 것이다. 예컨대, 광을 투과시키는 유리판 위에 광을 흡수하는 2차원 패턴을 형성하거나, 광을 반사하는 유리판 위에 광을 흡수하는 2차원 패턴을 형성하는 것 등에 의해 상기 노광 마스크를 작성할 수 있다.
본 발명자는 상기 과제에 대해서 상측에 텔레센트릭 결상 광학 시스템 중의 지름을 작게 할 수 있는 렌즈, 즉, 비구면 렌즈의 가공이 비교적 용이한 렌즈에 주목하고, 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킬 수 있는 결상 광학 시스템의 실현에 관해서 각종 검토한 결과, 광학성능에 민감하게 효과가 있는 입사 눈동자 위치 근방의 렌즈를 비구면화하고, 이 비구면화한 렌즈를 포함하는 입사 눈동자 위치 근방의 몇 개의 렌즈에 대해서 특별히 고정밀도한 가공ㆍ조립ㆍ조정을 실시함으로써 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킨 원하는 성능의 결상 광학 시스템을 실현할 수 있다라는 지견을 얻어 이러한 지견에 기초하여 본 발명에 이르른 것이다.
본 발명의 투영 노광장치는 공간 광변조수단에 의해서 공간 광변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 결상시키기 위한 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템의입사 눈동자 위치에 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 하거나, 노광 마스크에 의해서 변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 결상시키기 위한 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템의 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 것이므로, 즉, 예컨대, 2개의 눈동자 인접 렌즈를, 각각의 렌즈면 중 입사 눈동자 위치측과는 반대측의 렌즈면을 비구면으로 하거나, 또는, 2개의 눈동자 인접 렌즈를, 각각의 렌즈면의 양면을 비구면으로 한 것이므로 비구면 렌즈의 지름을 제조가 비교적 용이하게 될 정도로 작게 할 수 있고, 상기 비구면 렌즈의 채용에 의해 상기 결상 광학 시스템의 왜곡을 작게(예컨대, 1㎛ 이하로) 하여 MTF성능을 향상시킴과 아울러 상기 결상 광학 시스템을 구성하는 렌즈 개수를 적게 할 수 있음으로써 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높일 수 있음과 아울러 상기 결상 광학 시스템의 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 결상 광학 시스템을 통하는 광의 파장을 350nm이상, 450nm이하로 하면 일반적으로 상기 파장 영역의 광에 대한 렌즈부재의 투과율이 낮으므로 상기 결상 광학 시스템을 구성하는 렌즈 개수를 적게 하여 광의 이용효율을 높이는 현저한 효과를 거둘 수 있다.
또한, 2개의 눈동자 인접 렌즈 중의, 감광재료측과는 반대측에 배치된 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치를, 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의절대치보다 크게 하거나, 또는, 2개의 눈동자 인접 렌즈 중의, 감광재료측에 배치된 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치를, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치보다 작게 하면 상기 결상 광학 시스템의 왜곡을 확실하게 작게 함과 아울러 상기 결상 광학 시스템을 구성하는 렌즈 개수를 확실히 적게 할 수 있다. 이로써, 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높이고, 또한, 광의 2차원 패턴을 투영할 때의 왜곡을 보다 작게 할 수 있다.
또한, 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(δ1)과, 이 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(δ2)의 비(δo=δ1/δ2)를 1≤δo≤70으로 하거나, 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(γ1)과, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 성분을 도시하는 계수의 절대치의 값(γ2)의 비(γo=γ1/γ2)를 1≤γ≤70으로 하면 상기 결상 광학 시스템의 왜곡을 확실히 작게 하여 MTF성능을 향상시킬 수 있음과 아울러 상기 결상 광학 시스템을 구성하는 렌즈 개수를 보다 확실하게 적게 할 수 있음으로써 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높이고, 또한, 광의 2차원 패턴을 투영할 때의 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 투영 노광장치의 실시형태에 관해서 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 투영 노광장치에 탑재되는 노광헤드의 개략 구성을 전개하여 도시하는 개념도이고, 도 2는 상기 노광헤드 내를 전파하는 광속의 광로를 따라 상기 노광헤드를 구성하는 광학 요소를 도시하는 측면도이고, 도 3은 DMD의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
본 발명의 실시형태에 의한 투영 노광장치는 광원인 광원 유닛(60)으로부터 발생된 광을 공간 광변조하는 공간 광변조수단인 DMD(80)와, 이 DMD(80)에 의해 공간 광변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료(150) 위에 결상시키기 위한 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템인 제 1 결상 광학 시스템(51) 및 제 2 결상 광학 시스템(52)을 갖는 결상 광학 시스템(50)을 구비하고 있다. 상기 투영 노광장치는 제 1 결상 광학 시스템(51) 및 제 2 결상 광학 시스템(52)을 통해서 상기 2차원 패턴을 감광재료(150) 위에 투영하고, 상기 2차원 패턴을 감광재료(150)에 노광하는 것이다. 또한, 상기 광원 유닛(60), DMD(80), 결상 광학 시스템(50) 등은 후술하는 노광헤드(166)를 구성하는 광학 요소로 되는 것이다. 상기 2차원 패턴은 표시용 화상, 또는 전기배선의 회로 패턴 등을 표시하는 화상 패턴으로 할 수 있고, 감광재료(150)는 회로 패턴이 형성되는 프린트 배선작성용 기판에 적층된 감광재료로 하거나, 또는 액정표시용 기판이나 플라스마 디스플레이용 기판작성용 기판에 적층된 감광재료로 할 수 있다.
이하, 상기 결상 광학 시스템(50)에 관해서 설명한다.
< 결상 광학 시스템(50) >
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 노광헤드(166)를 구성하는 광학 요소인 결상 광학 시스템(50)은 상기 제 1 결상 광학 시스템(51) 및 제 2 결상 광학 시스템(52)과, 제 1 결상 광학 시스템(51)과 제 2 결상 광학 시스템(52) 사이의 광로중에 배치된 마이크로 렌즈 어레이(55)와, 구경 어레이(aperture array)로 구성되어 있다. 상기 마이크로 렌즈 어레이(55)는 DMD(80)에서 반사된 각 광속 각각을 개별적으로 통하도록 DMD(80)의 각 마이크로미러(81)(도 3 참조)에 대응하여 배치된 다수의 마이크로 렌즈(55a)로 이루어지는 것이다. 또한, 구경 어레이(59)는 상기 각 마이크로 렌즈(55a)를 통한 각 광속 각각을 개별적으로 통하도록 각 마이크로 렌즈(55a)에 대응하여 배치된 다수의 구경(59a)을 갖는 것이다.
상기 구성에 있어서 DMD(80)의 각 마이크로미러(81)에서 반사한 광에 의한 상기 마이크로미러(81)의 상은 제 1 결상 광학 시스템(51)에 의해 3배로 확대되어 결상된다. 여기서, 각 마이크로미러(81)에서 반사되어 제 1 결상 광학 시스템(51)을 통한 상기 각 마이크로미러(81)에 대응하는 텔레센트릭 각 광속(La)은 제 1 결상 광학 시스템(51)에 의한 결상위치의 근방에 배치된 마이크로 렌즈 어레이(55)의 각 마이크로 렌즈(55a)에 의해서 개별적으로 집광되고, 이 개별적으로 집광된 광속이 구경(59a)을 통과한다. 마이크로 렌즈 어레이(55) 및 구경(59)을 통하는 광속은 제 2 결상 광학 시스템(52)에 의해 더욱 1.67배로 확대된 상태에서 감광재료(150)의 감광면(151)에 결상된다.
여기서, 2차원 패턴의 상을 형성하는 각 화소, 즉, 각 마이크로미러(81)에서 반사되어 각 마이크로 렌즈(55a)를 통한 광속(La)에 상기 광학 요소의 수차(收差) 등에 의한 굵기가 있어도 구경(59a)에 의해서 감광면(151)에서의 스폿 사이즈가 일정한 크기로 되도록 상기 광속(La)을 정형할 수 있다. 또한, 각 마이크로미러(81)에서 반사된 광속(La)을 각 마이크로미러(81)에 대응하여 설치된 구경(59a)을 통과시킴으로써 각 마이크로미러(각 화소) 사이에서의 크로스 토크를 방지할 수 있고, 노광을 행할 때의 각 마이크로미러에 의한 온/오프의 소광비를 개선할 수 있다.
또한, 마이크로미러를 상기 소정 각도로 경사지게 하여 상기 마이크로미러에서 반사된 광을 결상 광학 시스템(50)을 향하여 전파시키는 상태가 마이크로미러의 온상태이고, 마이크로미러를 상기 소정 각도와는 다른 각도로 경사지게 하여 상기 마이크로미러에서 반사한 광을 결상 광학 시스템(50)을 향하는 광로로부터 떨어져서 전파시키는 상태가 마이크로미러의 오프상태이고, 상기 온상태의 마이크로미러에서 반사된 광이 감광면(151)에 결상되어 감광재료(150)를 노광한다. 즉, 각 마이크로미러는 마이크로미러의 경사각도를 변경함으로써 입사된 광을 변조하고, DMD는 소정의 제어신호에 따라 각 마이크로미러의 경사각도를 변경함으로써 입사된 광을 공간 광변조한다.
이하, 상기 상측 텔레센트릭 제 1 결상 광학 시스템(51)에 관해서 도 4 내지 도 12를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 상측 텔레센트릭 제 1 결상 광학 시스템(51)의 구성을 도시하는 도면이다. 또한, DMD(80)와 제 1 결상 광학 시스템(51) 사이에는, 미러(75)에서 반사된 광을 DMD(80)로 향해 전반사시킴과 아울러 DMD(80)에서 반사한 광을 투과시키는, 2개의 삼각 프리즘이 조합된 평행평판형상의 TIR 프리즘(전반사 프리즘)인 프리즘 (76)(도 1 또는 도 2 참조)이 배치되어 있다.
제 1 결상 광학 시스템(51)은 제 1 렌즈(51A), 제 2 렌즈(51B), 제 3 렌즈 (51C), 제 4 렌즈(51D)가 입사측으로부터 이 순서대로 배치된 눈동자 전방측 렌즈군(FF)과, 상기 제 4 렌즈(51D)에 잇따르는, 제 5 렌즈(51F), 제 6 렌즈(51G), 제 7 렌즈(51H), 제 8 렌즈(51I)가 입사측으로부터 이 순서대로 배치된 눈동자 후방측 렌즈군(EE)을 갖고 있다. 상기 눈동자 전방측 렌즈군(FF)과 눈동자 후방측 렌즈군 (EE) 사이에 입사 눈동자 위치(51E)가 위치한다.
상기 제 4 렌즈(51D)와 제 5 렌즈(51F)가 상기 입사 눈동자 위치(51E)를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈이고, 감광재료(150)측에 배치된 제 5 렌즈(51F)가 제 2 눈동자 인접 렌즈이고, 감광재료(150)측과는 반대측에 배치된 제 4 렌즈(51D)가 제 2 눈동자 인접 렌즈로 된다.
DMD(80) 중의 온상태로 되어 있는 마이크로미러에서 반사되어 프리즘(76)을 통과한 광은 결상 광학 시스템(50)에 입사하고, 이 광은 상기 눈동자 전방측 렌즈군(FF), 입사 눈동자 위치(51E), 및 눈동자 후방측 렌즈군(EE)을 이 순서를 통해 상면(ZZ)으로 전파된다. DMD(80)와 상면(ZZ)은 1:3(3배)의 배율의 결상 관계에 있고, 마이크로 렌즈(55)는 이 상면(ZZ)에 배치된다.
또한, 제 2 결상 광학 시스템(52)은 상기 마이크로 렌즈(55)에서 집광된 광속을 감광재료(150) 위에 결상한다.
이하, 제 1 결상 광학 시스템(51)의 구체적인 6개의 실시예와 1개의 비교예에 관해서 MTF성능과 상기 코닉 성분을 나타내는 계수(이후, 코닉계수라 함)의 절대치의 비(δo) 및(γo)[이후, 코닉 계수비(δo) 및 코닉 계수비(γo)라 함]의 관계 등에 관해서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5(a)는 제 1 눈동자 인접 렌즈를 비구면화한 실시예와 비교예의 사양과 성능을 도시하고, 도 5(b)는 제 2 눈동자 인접 렌즈를 비구면화한 실시예와 비교예의 사양과 성능을 도시한다.
여기서, 6개의 실시예와 1개의 비교예는 모두 입사 눈동자 위치의 입사측에 4개의 눈동자 전방측 렌즈군, 입사 눈동자 위치의 출사측에 4개의 눈동자 후방측 렌즈군이 위치하고 있으므로 상기 실시예와 비교예를 설명함에 있어서 도 4 및 도 4에 도시하는 기호를 공통으로 사용하여 설명한다.
또한, 상기 6개의 실시예와 1개의 비교예는 모두 왜곡이 소정값 이하, 즉, 1㎛이하로 되도록 설계된 것이고, 이들 구체적인 설계값은 후술한다.
또한, 이하의 설명에 있어서는 하기와 같이 정한 제 1 조건 ~ 제 5조건을 인용하여 각 실시예, 비교예를 설명한다.
제 1 조건: 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈가 상기 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 것이다.
제 2 조건: 2개의 눈동자 인접 렌즈가 각각의 렌즈면 중 입사 눈동자 위치측과는 반대측의 렌즈면을 비구면으로 한 것이다.
제 3 조건: 2개의 눈동자 인접 렌즈가 각각의 렌즈면의 양면을 비구면으로 한 것이다.
도 4 조건: 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 계수의 절대치가 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 계수의 절대치보다 크거나, 또는 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 계수의 절대치가 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 계수의 절대치보다 작다.
제 5 조건: 제 1 눈동자 인접 렌즈의 코닉 계수비(δo)가 1≤δo≤70이거나, 또는 제 2 눈동자 인접 렌즈의 코닉 계수비(γo)가 1≤γ≤70이다.
< 비교예1 >
비교예1의 결상 렌즈는 구면 렌즈만으로 설계한 광학시스템이고, 상기 제 1 조건 ~ 제 5조건 중 어느 하나도 만족하지 않는다. 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 2.0, MTF(50)의 값이 11.0이므로, MTF성능이 낮고, 소정의 MTF성능을 만족하지 않고, 성능판정은 ×로 도시되어 있다. 또한, MTF(25)의 값은 25cycle/mm에 있어서의 MTF성능을 나타내고, MTF(50)의 값은 50cycle/mm에 있어서의 MTF성능을 나타낸다.
< 실시예1 >
실시예1의 결상 렌즈는 제 1 눈동자 인접 렌즈인 제 4 렌즈(51D)의 양면을 비구면으로 한 것이므로 코닉 계수비(δo)는 0.90이고, 상기 제 1 조건에서부터 제 3 조건까지를 만족하고 있다. 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 11.7, MTF(50)의 값이 32.0이므로 소정의 MTF성능을 만족하고 있고, 성능 판정은 ○로 표시되어 있다.
< 실시예2 >
실시예2의 결상 렌즈는 제 1 눈동자 인접 렌즈인 제 4 렌즈(51D)의 양면을 비구면으로 한 것이므로 코닉 계수비(δo)는 89.4이고, 상기 제 1 조건에서부터 제 4 조건까지를 만족하고 있다. 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 12.9, MTF(50)의 값이 31.0이므로 소정의 MTF성능을 만족하고 있고, 성능 판정은○로 표시되어 있다.
< 실시예3 >
실시예3의 결상 렌즈는 제 1 눈동자 인접 렌즈인 제 4 렌즈(51D)의 양면을 비구면으로 한 것이므로 코닉 계수비(δo)는 70.0이고, 상기 제 1 조건에서부터 제 5 조건까지를 만족하고 있다. 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 19.6, MTF(50)의 값이 37.8이므로 소정의 MTF성능을 크게 상회하고 있고, 성능 판정은 ◎로 표시되어 있다.
< 실시예4 >
실시예4의 결상 렌즈는 제 1 눈동자 인접 렌즈인 제 4 렌즈(51D)의 양면을 비구면으로 한 것이므로 코닉 계수비(δo)는 14.8이고, 상기 제 1 조건 ~ 제 5 조건 모두를 만족하고 있다. 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 39.4, MTF(50)의 값이 66.8이므로 소정의 MTF성능을 크게 상회하고 있고, 성능 판정은 ◎로 표시되어 있다.
< 실시예5 >
실시예5의 결상 렌즈는 제 2 눈동자 인접 렌즈인 제 5 렌즈(51F)의 양면을 비구면으로 한 것이므로 코닉 계수비(γo)는 0.1이고, 상기 제 1 조건에서부터 제 3 조건까지를 만족하고 있다. 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 9.6, MTF(50)의 값이 31.3이므로 소정의 MTF성능을 만족하고 있고, 성능 판정은 ○로 표시되어 있다.
< 실시예6 >
실시예6의 결상 렌즈는 제 2 눈동자 인접 렌즈인 제 5 렌즈(51F)의 양면을 비구면으로 한 것이므로 코닉 계수비(γo)는 9.6이고, 상기 제 1 조건에서부터 제 5 조건까지를 만족하고 있다. 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, MTF(25)의 값이 21.4, MTF(50)의 값이 37.9이므로 소정의 MTF성능을 크게 상회하고 있고, 성능 판정은 ◎로 표시되어 있다.
상기 비교예1, 및 실시예1 ~ 실시예6의 구체적인 설계값을 도 6 ~ 도 12에 도시한다. 도 6(a)는 비교예1의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 6(b)는 비교예1의 렌즈 구성과 광로를 도시하는 도면이다. 도 7(a)는 실시예1의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 7(b)는 실시예1의 렌즈 구성과 광로를 도시하는 도면이다. 도 8(a)는 실시예2의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 8(b)는 실시예2의 렌즈 구성과 관로를 도시하는 도면이다. 도 9(a)는 실시예3의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 9(b)는 실시예3의 렌즈 구성과 광로를 도시하는 도면이다. 도 10(a)는 실시예4의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 10(b)는 실시예4의 렌즈 구성과 광로를 도시하는 도면이다. 도 11(a)는 실시예5의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 11(b)는 실시예5의 렌즈 구성과 광로를 도시하는 도면이다. 도 12(a)는 실시예6의 설계값을 도시하는 도면이고, 도 12(b)는 실시예6의 렌즈 구성과 광로를 도시하는 도면이다.
또한, 상기 도 6 ~ 도 12의 각 도면 중에 OBJ에서부터 IMG까지의 각 설계값으로 도시되는 광학소자는 OBJ, i, …, 로부터 …, 21, IMG를 향하는 순서로 프리즘(76), 제 1 렌즈(51A), 제 2 렌즈(51B), 제 3 렌즈(51C), 제 4 렌즈(51D), 제 5 렌즈(51F), 제 6 렌즈(51G), 제 7 렌즈(51H), 제 8 렌즈(51I)가 대응하고 있다. 또한, 상기 도 6 ~ 도 12 중에 도시되는 ASP는 대응하는 렌즈면이 비구면인 것을 도시하고, 이 비구면식은,
비구면식: Z=cY2/[1+SQRT{1-(1+K)c2Y2}]+AY4+BY6+CY8+DY10
으로 표시된다. 여기서, K는 코닉 계수, c는 곡률(즉, c=1/곡률반경)을 도시한다.
상기한 바와 같이, 눈동자 인접 렌즈를 비구면화함으로써 렌즈 개수를 증가시키는 일없이 상기 결상 광학 시스템의 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 비교예1, 및 실시예1 ~ 실시예6을, 공간 광변조소자인 DMD(80)의 위치에 노광 마스크(80R)가 배치된 광학시스템으로 하여도 상기와 마찬가지의 결과가 얻어진다. 이 경우에는 노광 마스크는 투과형 노광 마스크가 아니고 반사형 노광 마스크가 사용된다.
이하, 상기 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 갖는 결상 광학 시스템(50)을 사용한 노광헤드(166)를 탑재한 투영 노광장치에 관해서 상세하게 설명한다.
《 투영 노광장치의 전체 구성의 설명 》
도 13은 본 발명의 투영 노광장치의 외관을 도시하는 사시도, 도 14는 상기 투영 노광장치에 의한 노광의 형태를 도시하는 사시도이고, 도 15(A)는 감광재료 위에 형성되는 노광 완료 영역을 도시하는 평면도이고, 도 15(B)는 각 노광헤드에 의한 노광영역의 배열을 도시하는 도면이다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 투영 노광장치는 스캐너 유닛(162)과, 이 스캐너 유닛(162)을 지지하는 본체부로 이루어진다. 상기 본체부는 감광재료(150)를 표면에 흡착하여 유지하는 평판형상의 스테이지(152)를 구비하고, 이 스테이지(152)를 부주사방향으로 이동가능하게 지지하는 상기 부주사방향을 따라 연장된 2개의 가이드(158)를 설치대(156) 위에 갖고 있다. 스테이지(152)는 가이드 (158)에 의해서 부주사방향으로 왕복이동가능하게 지지되고, 상기 스테이지(152)의 길이방향이 부주사방향을 향하도록 배치되어 있다. 또한, 상기 투영 노광장치에는 스테이지(152)를 가이드(158)를 따라 구동시키기 위한 도시하지 않은 구동부가 구비되어 있다.
설치대(156)의 중앙부에는 스테이지(152)의 이동경로에 걸쳐서 상기 스캐너 유닛(162)을 지지하는 문형상의 스캐너 지지부(160)가 설치되어 있다. 스캐너 지지부(160)에는 이 스캐너 지지부(160)를 사이에 두고 부주사방향의 한쪽측에는 스캐너 유닛(162)이 설치되고, 다른쪽측에는 감광재료(150)의 선단 및 후단을 검지하는 2개의 검지 센서(164)가 설치되어 있다. 스캐너 유닛(162) 및 검지 센서(164)는 스캐너 지지부(160)에 각각 설치되고, 스테이지(152)의 이동경로의 상방에 배치되어 있다. 또한, 스캐너 유닛(162) 및 검지 센서(164)는 이들을 제어하는 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다.
스캐너 유닛(162)은, 도 14 및 도 15에 도시하는 바와 같이, m행 n열(예컨대, 3행 5열)의 대략 매트릭스형상으로 배열된 감광재료(150)에 노광용 광을 조사하는 복수(예컨대, 14개)의 노광헤드(166)를 구비하고 있다.
본 실시형태에서는 감광재료(150)의 폭과의 관계 때문에 1행째 및 2행째에는5개의 노광헤드(166)를, 3행째에는 4개의 노광헤드(166)를 배치하였다. 또한, m행의 n열째에 배열된 개개의 노광헤드를 도시하는 경우는 노광헤드(166mn)로 표기한다.
노광헤드(166)에 의해서 노광되는 각 노광헤드(166mn)에 대응하는 노광영역 (168mn)은, 도 15(B)에 도시하는 바와 같이, 대략, 부주사방향을 단변으로 하는 직사각형상이고, 스테이지(152)의 이동에 수반하여 감광재료(150)에는 각 노광헤드 (166mn)에 대응한 도 15(A)에 도시하는 바와 같은 띠형상의 노광 완료 영역(170mn)이 형성된다.
상기 노광헤드 각각은 상기 부주사방향과 직교하는 주주사방향으로 소정 간격 어긋나게 배치되어 있고, 띠형상의 노광 완료 영역(170)이 상기 주주사방향으로 간극없이 형성되도록 1행째에 배치되어 있는 노광영역(16811)과 노광영역(16812) 사이의 노광할 수 없는 부분은, 2행째에 배치되어 있는 노광영역(16821)과 3행째에 배치되어 있는 노광영역(16831)에 의해 노광된다.
상기 노광헤드(166)는 상기 광원 유닛(60), DMD(80), 및 결상 광학 시스템 (50)과, 광원 유닛(60)으로부터 출사된 노광용 광을 입사하여 DMD(80)에 조사하는 DMD 조사 광학 시스템(70)으로 구성되고, DMD(80)에서 공간 광변조된 광을 감광재료(150) 위에 도입하여 이 감광재료(150)를 노광한다.
《 노광헤드(166)를 구성하는 각 요소의 설명 》
이하, 노광헤드(166)를 구성하는 각 요소에 관해서 설명한다. 또한, 이미 설명이 끝난 결상 광학 시스템(50)에 관해서는 여기서의 설명을 생략한다.
< 광원 유닛(60) >
광원 유닛(60)은 복수(예컨대, 6개)의 레이저광 합파 광원(40)과, 상기 복수의 각 레이저광 합파 광원(40)의 구성 요소인 각 멀티모드 광섬유(30)에 접속되는 복수의 광섬유(31)를 통합하는 레이저 출사부(61)로 이루어진다.
[ 레이저광 합파 광원(40)의 설명 ]
도 16은 레이저광 합파 광원의 구성을 도시하는 평면도이고, 도 17은 레이저광 합파 광원의 구성을 도시하는 측면도이며, 도 18은 레이저광 합파 광원의 구성을 도시하는 정면도이고, 도 19는 레이저광 합파 광원을 구성하는 광학 요소를 도시하는 확대 평면도이다.
○ 레이저광 합파 광원(40)의 구성
레이저광 합파 광원(40)은 복수의 반도체 레이저(LD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6, 및 LD7)와, 1개의 광섬유(30)와, 상기 복수의 반도체 레이저(LD1~LD7)로부터 출사된 각 광속으로 이루어지는 전체 광속을 수속시켜 광섬유(30)의 코어부에 입사시키는 광속 수속수단인 콜리메이터 렌즈(11~17) 및 1개의 집광 렌즈(20)를 구비하고, 상기 광섬유(30) 중에 상기 전체 광속을 합파시키고, 이 합파된 광속을 광섬유(30)를 통해서 출사한다.
보다 구체적으로는 상기 레이저광 합파 광원(40)은 구리 등의 열전도율이 높은 재료로 이루어지는 히트 블록(heat block)(10) 위의 1방향으로 나열되어 고정된 복수(예컨대, 7개)의 칩형상의 횡 멀티모드 또는 싱글모드의 GaN계 반도체 레이저(LD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6, 및 LD7)와, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7) 각각에 대해서 설치된 콜리메이터 렌즈(11,12,13,14,15,16, 및 17)와, 콜리메이터 렌즈(11~17)로부터 출사된 각 광속 전체를 1점에 수속시키는 1개의 집광 렌즈(20)와, 집광 렌즈(20)에서 수속된 상기 전체 광속을 입사하여 합파하는 1개의 멀티모드 광섬유 (30) 등으로 구성되어 있다.
또한, 반도체 레이저의 개수는 7개로 한정되지 않는다. 예컨대, 클래드 (clad) 지름=60㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2의 멀티모드 광섬유에 20개의 반도체 레이저로부터 출사된 각각의 광속을 입사하는 것도 가능하다.
GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)는 발진파장이 모두 공통(예컨대, 405nm)이고, 최대출력도 모두 공통(예컨대, 멀티모드 레이저에서는 100mW, 싱글모드 레이저에서는 30mW)이다. 또한, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)로서는 350nm~450nm의 파장 범위에 있어서 상기 405nm이외의 발진파장을 구비하는 레이저를 이용하여도 좋다.
또한, 도 16, 도 17 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 상기 레이저광 합파 광원(40)은 상방이 개구된 통형상의 패키지(41) 내에 상기 광학 요소를 수납한 것이다. 패키지(41)는 그 개구를 폐쇄하도록 작성된 패키지 덮개(49)를 구비하고 있고, 상자형상의 패키지(41)의 패키지(41)를 탈기처리한 후, 밀봉가스를 도입하여 패키지(41)의 개구를 패키지 덮개(49)로 폐쇄함으로써 패키지(41)와 패키지 덮개(49)로 둘러싸인 폐쇄공간(밀봉공간)이 기밀로 밀봉되어 있다.
패키지(41)의 저면 위에는 베이스판(42)이 고정되어 있고, 이 베이스판(42)의 윗면에는 상기 히트 블록(20)과, 집광 렌즈(20)를 유지하는 집광 렌즈 홀더(45)와, 멀티모드 광섬유(30)의 입사 단부를 유지하는 섬유 홀더(46)가 설치되어 있다. 멀티모드 광섬유(30)의 출사 단부는 패키지(41)의 벽면에 형성된 개구로부터 패키지 밖으로 인출되어 있다.
상기 베이스판(42)은 유체를 매체로 한 온도조절수단 또는 펠티어 소자 등(도시는 생략)에 의해 온도조절되고 있고, 투영 노광장치의 가동 중에는 항상 일정한 온도로 유지된다.
히트 블록(10)의 측면에는 콜리메이터 렌즈 홀더(44)가 설치되어 있고, 콜리메이터 렌즈(11~17)가 유지되어 있다. 또한, 패키지(41)의 벽면에 형성된 개구를 통해서 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)에 구동전류를 공급하는 배선(47)이 패키지 밖으로 인출되어 있다.
또한, 도 16 및 도 17에 있어서는 번잡화를 피하기 위하여 복수의 GaN계 반도체 레이저 중 GaN계 반도체 레이저(LD1) 및(LD7)에만 번호를 붙이고, 복수의 콜리메이터 렌즈 중 콜리메이터 렌즈(1) 및(17)에만 번호를 붙이고 있다.
도 18은 상기 콜리메이터 렌즈(11~17)의 설치부분을 정면으로부터 바라본 도면이다. 콜리메이터 렌즈(11~17) 각각은 비구면 렌즈이고, 상기 비구면 렌즈의 광축을 포함하는 영역을 상기 광축에 평행한 평면에서 가늘고 길게 잘라낸 형상으로 형성되어 있다. 이 가늘고 긴 형상의 콜리메이터 렌즈는, 예컨대, 수지성형 또는 유리성형에 의해서 형성할 수 있다. 콜리메이터 렌즈(11~17)는 길이방향이, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 발광점이 나열방향(도 18의 좌우방향)과 직교하는 방향으로 되도록 하여 상기 나열방향(도 18의 좌우방향)으로 밀접하게 배치되어 있다.
GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)로서는 발광폭이 2㎛인 활성층을 구비하고, 활성층의 표면에 대해서 평행한 방향의 확장 각도가 각각, 예컨대, 10°, 활성층의 표면에 대해서 직각인 방향의 확장 각도가 각각, 예컨대, 30°인 상태에서 각각 레이저빔(B1~B7)을 발생하는 것이 이용되고 있다.
이들 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)는 활성층의 표면이 상기 발광점이 1열로 나열방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 즉, 각 발광점으로부터 발생된 레이저빔(B1~B7)의 확장 각도가 큰 방향이, 상기 가늘고 긴 형상의 각 콜리메이터 렌즈 (11~17)의 길이방향과 일치하고, 확장 각도가 작은 방향이 상기 각 콜리메이터 렌즈(11~17)의 두께방향과 일치한다.
또한, 각 콜리메이터 렌즈(11~17)의 길이방향의 폭은 4.6mm, 두께방향의 폭인 1.1mm이고, 이들에 대응하여 입사하는 레이저빔(B1~B7)의 타원형상의 빔지름의 긴 지름은 2.6mm, 짧은 지름은 0.9mm이다. 또한, 콜리메이터 렌즈(11~17) 각각은 집점 거리(f=3mm), NA=0.6, 렌즈 배치 피치=1.25mm이다.
집광 렌즈(20)는 비구면 렌즈의 광축을 포함하는 영역을 이 광축에 평행한 평면에서 가늘고 길게 잘라낸 형상을 갖고, 콜리메이터 렌즈(11~17)가 나열되는 방향과 상기 집광 렌즈(20)의 길이방향이 일치하고, 이것과 직각인 방향과 집광 렌즈 (20)의 두께방향이 일치하도록 배치되어 있다.
또한, 상기 집광 렌즈(20)는 집점 거리(f=23mm), NA=0.2이다. 상기 집광 렌즈(20)도, 예컨대, 수지성형 또는 유리성형에 의해 형성할 수 있다.
○ 레이저광 합파 광원(40)의 동작
상기 레이저광 합파 광원(40)을 구성하는 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7) 각각으로부터 출사된 레이저빔(B1,B2,B3,B4,5B,B6, 및 B7) 각각은, 대응하는 콜리메이터 렌즈(11~17)에 의해서 평행광화된다. 평행광화된 레이저빔(B1~B7)은 집광 렌즈(20)에 의해서 수속되고, 멀티모드 광섬유(30)의 코어부(30a)의 입사 끝면에 입사된다.
집광 렌즈(20)에 의해서 상기한 바와 같이 수속된 레이저빔(B1~B7)이, 상기 멀티모드 광섬유(30)의 코어부(30a)에 입사하여 1개의 레이저빔(B)으로 합파되어 상기 멀티모드 광섬유(30) 내를 타고 이동하여 멀티모드 광섬유(30)의 출사단으로부터 출사된다. 멀티모드 광섬유(30)의 출사단으로부터 출사된 상기 합파된 레이저빔(B)은 상기 멀티모드 광섬유(30)에 접속된 후술하는 광섬유(31)에 입사한다.
예컨대, 레이저빔(B1~B7)의 멀티모드 광섬유(30)로의 결합효율이 0.85이고, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 각 출력이 30mW인 경우에는 출력 180mW (=30mW×0.85×7)의 합파 레이저빔(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 관해서 도 20 및 도 21을 참조하여 설명한다. 도 20(A)는 레이저광 합파 광원의 멀티모드 광섬유와, 레이저 출사부의 광섬유의 접속상태를 도시하는 사시도이고, 도 20(B)는 레이저 출사부의 부분 확대도이고, 도 20(C) 및 도 20(D)는 레이저 출사부에 있어서의 광섬유의 배열을 도시하는 정면도이고,도 21은 레이저광 합파 광원의 멀티모드 광섬유와, 레이저 출사부의 광섬유의 접속상태를 상세하게 도시하는 단면도이다.
도 20(A)로부터(D)에 도시하는 바와 같이, 상기 레이저 출사부(61)는 광섬유 (31), 지지판(65), 및 보호판(63)으로 이루어지고, 이하와 같이 구성되어 있다.
도 20(A)에 도시하는 바와 같이, 상기 레이저광 합파 광원(40)의 각 멀티모드 광섬유(30)의 출사단에는 코어 지름이 멀티모드 광섬유(30)의 코어 지름과 동일하므로 클래드 지름이 멀티모드 광섬유(30)의 클래드 지름보다 작은 광섬유(31)의 입사단이 각각 접속되어 있다. 또한, 상기 각 광섬유(31)의 출사단은, 도 20(C)에 도시하는 바와 같이, 1열에 배열된 출사단부(68)를 구성하고 있다. 또한, 도 20(D)에 도시하는 바와 같이, 출사단부(68)는 1열에 배열되는 경우에 한정되지 않고 2단 겹쳐서 쌀가마니 쌓은 형상으로 배열하도록 하여도 좋다.
광섬유(31)의 출사측의 부분은, 도 20(B)에 도시하는 바와 같이, 표면이 평탄한 2장의 지지판(65)에 끼워넣어져 고정되어 있다. 또한, 상기 광섬유(31)의 출사측이 끝면에는 이 끝면을 보호하기 위한 유리 등으로 이루어지는 투명한 보호판 (63)이 배치되어 있다. 보호판(63)은 광섬유(31)의 끝면에 밀착시켜 배치하여도 좋고, 또는 밀착하지 않도록 배치하여도 좋다.
상기 광섬유(31)와 멀티모드 광섬유(30)의 접속은, 도 21에 도시하는 바와 같이, 클래드 지름이 큰 멀티모드 광섬유(30)의 끝면 중의 소경부분(30c)에, 클래드 지름이 작은 광섬유(31)의 끝면을 동축적으로 결합하는 것이고, 이 결합은, 예컨대, 융착에 의해 실시할 수 있다.
또한, 길이가 짧고 클래드 지름이 큰 광섬유에 클래드 지름이 작은 광섬유를 융착시킨 길이가 짧은 광섬유를 별도 작성하여 이 길이가 짧은 광섬유를 페룰이나 광커넥터 등을 통해서 멀티모드 광섬유(30)의 출사단에 결합하여도 좋다. 커넥터 등을 이용하여 착탈가능하게 결합함으로써 클래드 지름이 작은 광섬유가 파손된 경우 등에 선단부분의 교환이 용이하게 되고, 노광헤드의 보수 관리에 용하는 비용을 저감할 수 있다.
멀티모드 광섬유(30) 및 광섬유(31)로서는 스텝 인덱스(step index)형 광섬유, 그레디드 인덱스(graded index)형 광섬유, 및 복합형 광섬유 중 어느 하나이어도 좋다. 예컨대, 미쯔비시덴센고교 가부시키가이샤 제작의 스텝 인덱스형 광섬유를 이용할 수 있다. 본 예에서는 멀티모드 광섬유(30) 및 광섬유(31)는 스텝 인덱스형 광섬유이다.
또한, 멀티모드 광섬유(30)는 클래드 지름=125㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2, 입사 끝면 코트(coat)의 투과율=99.5%이상이고, 광섬유(31)는 클래드 지름=60㎛, 코어 지름=50㎛, NA=0.2이다.
< DMD(80) >
이어서, DMD(80)에 관해서 설명한다. 도 22(A) 및 도 22(B)는 DMD를 경사지게 배치하지 않은 경우와 경사지게 배치하는 경우에 있어서의 감광재료로의 노광상태의 차이를 비교하여 도시하는 평면도이다.
노광헤드(16611~166mn) 각각은, 상기 설명이 끝난 도 1, 도 2에 도시하는 바와 같이, 입사된 광빔을 소정의 제어신호에 따라 변조하는 공간 광변조수단으로서, 디지털 마이크로미러 장치: DMD(80)를 구비하고 있다(도 3 참조). 이 DMD(80)는 데이터 처리부와 미러 구동제어부를 구비한 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다. 이 컨트롤러의 데이터 처리부에서는 입력된 화상 데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다, DMD(80)에 배치되어 있는 각 마이크로미러(81)의 구동을 제어하는 제어신호를 생성한다. 또한, 미러 구동제어부에서는 데이터 처리부에서 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(예컨대, 1024개) 행방향으로 배열된 마이크로미러가 두께방향으로 복수열(예컨대, 756열) 배열되어 있다. 도 22에 도시하는 바와 같이, 각 마이크로미러(81)에서 반사된 개별의 광속에 의한 부주사바양의 주사궤적(부주사선)의 피치는 DMD(80)를 경사지게 배치시킴으로써 DMD(80)를 경사지게 배치시키지 않을 때의 피치(P1)[도 22(A) 참조]보다 작은 피치(P2)[도 22(B) 참조]로 설정할 수 있고, 이 경사의 설정에 의해 상기 노광헤드(166)에 의한 노광의 해상도를 대폭적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 서로 다른 마이크로미러(81)에 의해 감광재료(150)의 상기 부주사선 위의 동일 영역이 겹쳐서 노광(다중 노광)되는 것이므로 노광위치의 미소량을 컨트롤할 수 있고, 고정밀 및 고세밀한 노광을 실현할 수 있다. 또한, 주주사방향에 인접하여 나열되는 노광헤드 사이의 각 광속에 의해 노광되는 2차원 패턴의 연결눈이 눈에 띄지 않도록 할 수도 있다.
< DMD 조사 광학 시스템(70) >
상기 DMD 조사 광학 시스템(70)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 광원 유닛 (60)의 레이저 출사부(61)로부터 출사된 복수의 광속을, 전체적으로 대략 평행광화하는 콜리메이터 렌즈(71), 이 콜리메이터 렌즈(71)를 통과한 광의 광로에 배치된 마이크로 플라이 아이 렌즈(micro Fly's Eye Lens)(72), 이 마이크로 플라이 아이 렌즈(72)와 마주 대하는 상태로 배치된 별도의 마이크로 플라이 아이 렌즈(73), 및 이 마이크로 플라이 아이 렌즈(73)의 출사측 즉 후술하는 미러(75)측에 배치된 시야 렌즈(field lens)(74), 및 후술하는 프리즘(76)으로 구성되어 있다.
마이크로 플라이 아이 렌즈(72) 및(73)는 미소 렌즈 셀이 종횡으로 다수 배치되어 이루어지는 것이고, 이들 미소 렌즈 셀 각각을 통과한 광이 미러(75) 및 프리즘(76)을 통해서 DMD(80)에 서로 겹치는 상태로 입사하는 것이므로 상기 DMD(80)를 조사하는 광의 광량분포가 균일화된다.
또한, 미러(75)는 시야 렌즈(74)를 통과한 광을 반사시키고, 프리즘(76)은 TIR 프리즘(전반사 프리즘)이고, 미러(75)에서 반사된 광을 DMD(80)를 향해 전반사시킨다. 상기한 것에 의해 DMD 조사 광학 시스템(70)이 DMD(80)에 대해서 대략 균일한 강도 분포의 광을 조사한다.
《 투영 노광장치의 동작의 설명 》
이어서, 상기 투영 노광장치의 동작에 관해서 설명한다.
투영 노광장치가 가동되어 각 부가 가동상태로 된다. 이 상태에 있어서 레이저광 합파 광원(40)은 온도조절되지만 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)는 점등되지않는다.
2차원 패턴에 따른 화상 데이터가, DMD(80)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되고, 컨트롤러 내의 프레임 메모리에 일단 기억된다. 상기 화상 데이터는 화상을 구성하는 각 화소의 농도를 표시한 데이터이다. 이 데이터는, 예컨대, 각 화소의 농도를 2값(도트의 기록의 유무)으로 표시하는 것으로 할 수 있다.
감광재료(150)를 표면에 흡착한 스테이지(152)는 도시하지 않은 구동부에 으해, 가이드(158)를 따라 스캐너 지지부(160)의 상류측으로부터 하류측에 일정 속도로 이동한다. 스테이지(152)가 스캐너 지지부(160) 아래를 통과할 때에 스캐너 지지부(160)에 설치된 검지 센서(164)에 의해 감광재료(150)의 선단이 검출되면 프레임 메모리에 기억된 화상 데이터가 복수라인분씩 순차 출력되고, 데이터 처리부에서 출력된 화상 데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다의 제어신호가 생성된다.
또한, 감광재료(150)로의 노광준비가 갖춰졌을 때에 GaN계 반도체 레이저 (LD1~LD7)가 점등되고, 상기 생성된 제어신호에 기초하여 미러 구동제어부에 의해 각 노광헤드(166)에 있어서의 DMD(80)의 마이크로미러(81) 각각이 제어되어 감광재료(150)가 노광된다.
각 레이저광 합파 광원(40)에서 발생되어 레이저 출사부(61)로부터 출사된 광속이 DMD 조사 광학 시스템(70)을 통해서 DMD(80)에 조사되면 DMD(80)의 마이크로미러(81)가 온상태일 때에 반사된 광속은 결상 광학 시스템(50)을 통해서 감광재료(150)의 감광면(151) 위에 결상된다. 한편, DMD(80)의 마이크로미러(81)가 오프상태일 때에 반사된 광속은 감광면(151) 위에 결상되지 않으므로 감광재료(150)를노광하지 않는다.
이와 같이 하여 광원 유닛(60)으로부터 출사된 광속이 각 마이크로미러(81)마다(화소마다) 온ㆍ오프되어 각 노광헤드(166)에 대응하는 감광재료(150) 위의 각 노광영역(168)이 노광된다(도 14 및 도 15 참조). 또한, 감광재료(150)가 스테이지 (152)와 함께 부주사방향으로 이동되고, 각 노광헤드(166)마다 부주사방향으로 연장되는 띠형상의 노광 완료 영역(170)이 형성된다.
[ DMD(80)의 부분사용에 관해서 ]
또한, 본 실시형태에서는, 도 23(A) 및(B)에 도시하는 바와 같이, DMD(80)에는 노광할 때의 주주사방향 즉, 행방향으로 1024개(화소) 배치된 마이크로미러가, 노광할 때의 부주사방향 즉 열방향으로 756열(화소열) 배열되어 있지만, 본 예에서는 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러의 행(예컨대, 1024개×300행)만큼을 구동하도록 제어가 이루어진다.
예컨대, 도 23(A)에 도시하는 바와 같이, DMD(80)의 열방향의 중앙부에 배치된 마이크로미러의 행렬 영역(80C)만을 제어하여도 좋고, 도 23(B)에 도시하는 바와 같이, DMD(80)의 단부에 배치된 마이크로미러의 행렬 영역(80T)만을 제어하여도 좋다. 또한, 일부의 마이크로미러에 결함이 발생한 경우는 결함이 발생하지 않은 마이크로미러의 행렬 영역을 사용하는 것 등, 상황에 따라서 사용하는 마이크로미러 중의 영역을 적절히 변경하여도 좋다.
즉, DMD(80)의 데이터 처리속도에는 한계가 있고, 제어하는 마이크로미러의 수(화소수)에 비례하여 1라인당 변조속도가 결정되는 것이므로 마이크로미러 중의일부분만을 사용함으로써 1라인당 변조속도를 빠르게 할 수 있다.
DMD(80)에 접속된 컨트롤러 내의 프레임 메모리에 기억된 화상 데이터에 기초하는 노광이 종료하면 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)가 소등되어 레이저광 합파 광원으로부터의 광속의 출사가 정지된다. 그 후, 스캐너 유닛(162)에 의한 감광재료(150)의 부주사가 종료하고, 검지 센서(164)에서 감광재료(150)의 후단이 검출되면 스테이지(152)는 도시하지 않은 구동부에 의해 가이드(158)를 따라 스캐너 지지부(160)의 최상류측에 있는 원점에 복귀시키고, 다시 가이드(158)를 따라 스캐너 지지부(160)의 상류측으로부터 하류측에 이동시켜 다음 노광을 행한다.
또한, 본 발명의 투영 노광장치는 공간 광변조수단으로서 DMD(80)를 이용하는 경우에 한정되지 않고, 2차원 패턴이 유리 상에 그린 노광 마스크(80R) 등을 DMD(80) 대신에 이용한 장치로서 구성하도록 하여도 상기와 마찬가지로 광의 2차원 패턴을 투영할 때의 왜곡을 작게 하여 MTF성능을 향상시킴과 아울러 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 투영 노광장치는 노광할 때의 광의 파장이 한정되는 것은 아니고, 어떠한 파장의 광에 의한 노광에 대해서도 대응가능한 것이고, 공간 광변조수단에 광을 조사하는 방식, 및 그 광원 등은 어떠한 것이어도 좋다.
본 발명의 투영 노광장치에 의하면 2차원 패턴을 투영할 때에 왜곡을 억제하여 MTF성능을 향상할 수 있음과 아울러 광원으로부터 발생된 광의 이용효율을 높일 수 있다.

Claims (10)

  1. 광원으로부터 발생된 광을 공간 광변조하는 공간 광변조수단과, 이 공간 광변조수단에 의해 공간 광변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 결상시키기 위한 상측(像側) 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 구비하고; 상기 결상 광학 시스템을 통해서 상기 2차원 패턴을 상기 감광재료 위에 투영하고, 이 2차원 패턴을 상기 감광재료에 노광하는 투영 노광장치로서:
    상기 결상 광학 시스템의 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈가, 이 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  2. 광원으로부터 발생된 광을 변조하는 노광 마스크와, 이 노광 마스크에 의해 변조된 광의 2차원 패턴을 감광재료 위에 결상시키기 위한 상측 텔레센트릭 결상 광학 시스템을 구비하고; 상기 결상 광학 시스템을 통해서 2차원 패턴을 상기 감광재료 위에 투영하고, 상기 2차원 패턴을 상기 감광재료에 노광하는 투영 노광장치로서:
    상기 결상 광학 시스템의 입사 눈동자 위치를 사이에 두고 인접하는 2개의 눈동자 인접 렌즈 중 적어도 한쪽의 렌즈가, 이 렌즈의 렌즈면 중 적어도 한쪽을 비구면으로 한 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 눈동자 인접 렌즈는, 각각의 렌즈면 중 상기 입사 눈동자 위치측과는 반대측의 렌즈면을 비구면으로 한 것임을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 눈동자 인접 렌즈는, 각각의 렌즈면의 양면을 비구면으로 한 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 2개의 눈동자 인접 렌즈 중의, 상기 감광재료측과는 반대측에 배치된 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치가, 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치보다 큰 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 2개의 눈동자 인접 렌즈 중의, 상기 감광재료측에 배치된 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치가, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면 형상의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치보다 작은 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(δ1)과, 상기 제 1 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(δ2)의 비(δo=δ1/δ2)가1≤δo≤δ70인 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 출사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(γ1)과, 상기 제 2 눈동자 인접 렌즈의 입사측 렌즈면의 코닉 성분을 나타내는 계수의 절대치의 값(γ2)의 비(γo=γ1/γ2)가 1≤γo≤70인 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결상 광학 시스템을 통하는 광의 파장이 350nm이상, 450nm이하인 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
  10. 제1항, 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간 광변조수단이 DMD인 것을 특징으로 하는 투영 노광장치.
KR1020040031867A 2003-05-06 2004-05-06 투영 노광장치 KR20040095186A (ko)

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JP2003127892A JP2004335639A (ja) 2003-05-06 2003-05-06 投影露光装置
JPJP-P-2003-00127892 2003-05-06

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