KR20050003356A - 노광헤드 및 노광장치와 그 응용 - Google Patents

노광헤드 및 노광장치와 그 응용 Download PDF

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KR20050003356A
KR20050003356A KR10-2004-7016103A KR20047016103A KR20050003356A KR 20050003356 A KR20050003356 A KR 20050003356A KR 20047016103 A KR20047016103 A KR 20047016103A KR 20050003356 A KR20050003356 A KR 20050003356A
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light source
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이시카와히로미
나가노카주히코
오카자키요지
후지이타케시
야마카와히로미쯔
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후지 샤신 필름 가부시기가이샤
후지 포토 옵티칼 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 노광헤드 및 노광장치는 공간 광변조소자에 대해서, 그 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어한다. 즉, 기판에 배열된 화소부의 전부를 제어하는 일없이, 일부의 화소부를 제어하고 있다. 그 때문에, 제어하는 화소부의 개수가 적게 되고, 제어신호의 전송속도가 전체 화소부의 제어신호를 전송하는 경우보다 짧게 된다. 이것에 의해서, 레이저광의 변조속도를 빠르게 할 수 있고, 고속 노광이 가능하게 된다. 레이저장치로서는, 레이저광을 합파하여 광 파이버에 입사시키는 합파 레이저 광원을 포함하는 파이버 어레이 광원이 바람직하다. 합파 레이저 광원을 이용함으로써, 고휘도, 고출력을 얻을 수 있고, 공간 광변조소자의 노광에 바람직하다. 특히, 발진파장 350~450nm의 반도체 레이저는 단일 소자에서의 고출력화가 어렵지만, 합파에 의해 고출력화를 도모할 수 있다. 또한, 어레이화하는 광 파이버의 개수가 적게 끝나고, 저비용이다. 또한, 광 파이버의 개수가 적으므로, 어레이화했을 때의 발광영역이 더욱 작게 된다(고휘도화된다). 본 발명의 노광장치는 광 조형장치 등 각종 응용이 가능하다.

Description

노광헤드 및 노광장치와 그 응용{EXPOSURE HEAD, EXPOSURE APPARATUS, AND ITS APPLICATION}
종래, 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 등의 공간 광변조소자를 이용하여, 화상 데이터에 따라 변조된 광 빔으로 화상노광을 행하는 노광장치가 각종 제안되어 있다.
예컨대, DMD는, 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변화되는 다수의 마이크로미러가, 실리콘 등의 반도체 기판 상에 2차원상으로 배열된 미러 장치이며, 이 DMD를 이용한 노광장치는, 도 15(A)에 나타내는 바와 같이, 레이저광을 조사하는 광원(1), 광원(1)로부터 조사된 레이저광을 콜리메이트하는 렌즈계(2), 렌즈계(2)의 대략 초점위치에 배치된 DMD(3), DMD(3)에서 반사된 레이저광을 주사면(5) 상에 결상하는 렌즈계(4,6)로 구성되어 있다.
상기 노광장치에서는 화상 데이터 등에 따라 생성한 제어신호에 의해서, DMD(3)의 마이크로미러 각각을 도시하지 않은 제어장치로 온 오프제어하여 레이저광을 변조하여, 변조된 레이저광으로 화상노광을 행하고 있다.
그러나, 통상 사용되고 있는 DMD는, 기판 상에, 주주사방향으로 약 800개, 부주사방향으로 약 600개의 마이크로미러를 2차원상으로 배열하여 구성되어 있고, 1화소에 상당하는 1개의 마이크로미러로 레이저광을 변조하는데에 100~200μsec의 시간을 필요로 한다.
이 때문에, 예컨대, 주주사방향으로 배열된 복수의 노광헤드를 부주사방향으로 연속적으로 이동시키면서, 1 주주사 라인당 200μsec로 변조하고, 그 동안에 노광헤드를 부주사방향으로 2㎛ 이동시키는 경우, 500㎟의 영역을 노광하는데에 50초정도의 시간을 필요로 하고 있었다. 즉, DMD는 변조속도가 느리므로, 공간 광변조소자로서 DMD를 이용한 노광헤드에서는 고속의 노광이 곤란하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 본 발명의 제 1 목적은 공간 광변조소자의 변조속도를 빠르게 하여, 고속 노광이 가능한 노광헤드 및 노광장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 최근, 3차원 CAD(Computer Aided Design) 시스템의 보급에 수반해서고, 3차원 CAD에 의해 컴퓨터 상의 가상공간에 작성된 3차원 형상을, CAD 데이터에 기초하여 광경화성 수지를 광 빔으로 노광하여 3차원 모델을 조형하는 광조형 시스템이 이용되고 있다. 이 광조형 시스템에서는, 컴퓨터 상에서 CAD 데이터를 소정 간격으로 슬라이스하여 복수의 단면 데이터를 작성하고, 각 단면 데이터에 기초하여 액상의 광경화성 수지의 표면을 레이저광으로 주사하여 층상으로 경화시켜, 수지경화층을 순차 적층해서 3차원 모델을 조형한다. 광조형 방법으로서는 상방 개방형의 통 내에 액상의 광경화성 수지를 저류해 두고, 광경화성 수지의 액면 근처에 배치한 조형 테이블을 수지의 자유액면에서부터 순차 침하시키면서 수지경화층을 적층하는 자유액면법이 널리 알려져 있다.
종래, 이 광조형 시스템에 사용되는 광 조형장치에는 「마루타니 요지:광조형 시스템의 기초ㆍ현상ㆍ문제점, 프레임 기술, 제7권 제10호, pp18-23,1992」에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 플로터 방식에 의해 주사를 행하는 것과 가동 미러 방식에 의해 주사를 행하는 것이 있었다.
레이저 플로터 방식에 의한 광 조형장치를 도 30에 나타낸다. 이 장치에서는, 레이저 광원(250)으로부터 발진된 레이저광은, 셔터(252)를 구비한 광 파이버(254)를 통해 XY 플로터(256)에 도달하고, XY 플로터(256)로부터 용기(260) 내의 광경화성 수지(262)의 액면(266)에 조사된다. 또한, X 위치결정기구(258a)와 Y 위치결정기구(258b)를 구비한 XY 위치결정기구(258)에 의해, XY 플로터(256)의 X방향, Y방향의 위치가 제어된다. 따라서, XY 플로터(256)를 X방향, Y방향으로 이동시키면서, 셔터(252)에 의해 XY 플로터(256)로부터 조사되는 레이저광을 단면 데이터에 따라 온 오프제어함으로써, 액면(266)의 소정 부분의 광경화성 수지(262)를 경화시킬 수 있다.
그러나, 레이저 플로터 방식에 의한 광 조형장치에서는 셔터속도나 플로터의 이동속도에는 한계가 있고, 조형에 장시간을 필요로 한다는 문제가 있다.
다음에, 종래의 검류계 미러를 이용한 가동 미러 방식에 의한 광 조형장치를 도 31에 나타낸다. 이 장치에서는, 레이저광(270)은 X축 회전미러(272), Y축 회전미러(274)에 반사되어 광경화성 수지(262)에 조사된다. X축 회전미러(272)는 Z축을 회전축으로 하여 회전함으로써 조사위치의 X방향의 위치를, Y축 회전미러(274)는 X축을 회전축으로 하여 회전함으로써 조사위치의 Y방향의 위치를 제어한다. 상기 가동 미러 방식에서는 레이저 플로터 방식에 비해서 주사속도를 올릴 수 있다.
그러나, 가동 미러 방식에 의한 광 조형장치에 있어서도, 미소한 레이저 스폿으로 주사하기 때문에, 예컨대, 2~12m/s의 고속주사를 행하여도, 10센티미터 입방정도의 3차원 모델의 조형에 8~24시간의 시간을 필요로 하는 등, 조형에 장시간을 필요로 하고 있다. 또한, 레이저광(270)은 Y축 회전미러(274)에 소정 범위의 각도로 입사한 경우에밖에 반사되지 않기 때문에 조사 영역이 한정된다. 그래서, 조사 영역을 넓히기 위해서 Y축 회전미러(274)를 광경화성 수지(262)로부터 떨어진 높은 위치에 배치하면, 레이저 스폿의 지름이 크게 되어 위치결정 정밀도가 나쁘게 되고, 조형 정밀도가 저하한다는 문제가 있다. 또한, Y축 회전미러(274)의 회전각도를 크게 한 경우에도 조사 범위는 확대되지만, 마찬가지로 위치결정 정밀도가 나쁘게 되고, 핀ㆍ쿠션ㆍ에러가 증가한다. 또한, 검류계 미러를 이용한 광 조형장치에는 왜곡 보정이나 광축조정 등의 광학계의 조정이 복잡한, 광학계가 복잡하며 장치전체가 대형화된다는 문제도 있다.
또한, 어느 방식에 의한 광 조형장치에 있어서도, 레이저 광원으로서는 고출력의 자외선 레이저 광원이 사용되고, 종래는 아르곤 레이저 등의 가스 레이저 또는 THG(제 3 고조파)에 의한 고체 레이저가 일반적이었지만, 가스 레이저는 튜브의 교환 등의 보수 관리가 번거로운데다가, 고가여서 광 조형장치의 가격을 끌어 올리고, 냉각용 기기 등의 부대설비가 필요하여 장치 전체가 대형화된다. THG 고체 레이저에 있어서는 Q스위치의 펄스 동작이고, 반복 스피드가 느리고, 고속 노광에는 부적절하였다. 또한, THG 광을 이용하기 때문에 파장변환효율이 나쁘며 고출력화할 수 없는데다가, 여기 반도체 레이저로서 고출력의 것을 이용해야만 하고, 매우 비용의 높은 것이었다.
이 문제를 감안하여, 일본 특허공개 평11-138645호 공보에는, 단일의 픽셀보다 큰 사이즈의 스폿으로 노광영역을 조사할 수 있는 광원을 복수 준비하고, 복수의 광원에 의해 픽셀을 다중 노광하는 광 조형장치가 제안되어 있다. 이 장치에서는 복수의 광원에 의해 픽셀을 다중 노광하므로, 각각의 광원의 출력은 작아도 좋기 때문에 값싼 발광 다이오드(LED)을 광원으로서 사용할 수 있다.
그러나, 일본 특허공개 평11-138645호 공보에 기재된 광 조형장치에서는 각광원의 스폿 사이즈는 단일의 픽셀보다 크기 때문에, 고정밀 및 고세밀한 조형에는 사용할 수 없고, 또한, 복수의 광원에 의해 픽셀을 다중 노광하기 때문에 동작에 낭비가 많고, 조형에 장시간을 요한다는 문제도 있다. 또한, 광원의 수가 증가함으로써 노광부가 대형화된다는 문제도 있다. 또한, LED의 출력광량으로 다중 노광해도, 충분한 분해능이 얻어지지 않을 우려도 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것이고, 본 발명의 제 2 목적은 고속조형이 가능한 광 조형장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 제 3 목적은 고정밀 및 고세밀한 조형이 가능한 광 조형장치를 제공하는 것에 있다.
광경화성 수지를 이용하는 적층 조형장치 다음으로 개발되어, 현재 많이 이용되고 있는 쾌속조형기로서 분말소결 적층 조형장치가 알려져 있다. 분말소결 적층 조형장치에서는 컴퓨터 상에서 제작된 3차원 모델의 단면 데이터에 기초하여, 분말체의 표면을 레이저광으로 주사한다. 레이저광에 의한 주사로, 분말체를 차차 용융, 소결함으로써, 분말체를 경화시키는 처리를 반복한다. 이 처리의 반복에 의해, 적층된 분말소결체로 이루어지는 3차원 모델이 조형된다.
분말소결에 의한 적층 조형장치는 다종 다양한 재료를 선택할 수 있고, 인성이 풍부하는 기능 평가 모델이나 정밀 주조 패턴ㆍ주형뿐만 아니라 금형이나 금속부품을 직접 제작할 수 있고, 그 응용범위가 넓다는 이점을 갖고 있다. 또한, 이 적층 조형장치는 적층 조형장치에 비해서, 장치 가격이 싸고, 성형속도도 비교적 고속이기 때문에 의장 모델 확인용으로서의 용도가 굳어지고 있다.
그러나, 분말소결에 의한 적층 조형장치에서도, 검류계 미러 등의 가동 미러 방식을 이용하고 있는 것, 및 광원으로서 고출력의 적외선을 출력하는 CO2레이저(파장 10.6㎛) 및 YAG 레이저(파장 1.06㎛) 등의 가스 레이저 및 고체 레이저를 이용하고 있는 것에 의해 상기 적층 조형장치에 있어서, 이들을 사용한 경우와 마찬가지의 문제점을 갖는다. 또한, 빔 스폿지름이 크고 해상도가 낮았다. 또한, 장파장이기 때문에 빔의 퍼짐 각도가 크고, 충분한 초점 심도를 얻을 수 없었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 제 4 목적은 고속조형이 가능한 광 조형장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 제 5 목적은 고정밀 및 고세밀한 조형이 가능한 광 조형장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 최근, 마이크로 머시닝 기술을 이용하여, 용액의 혼합, 반응, 분리, 검출 등을 행하는 시스템을 몇 센티각의 유리기판 상에 집적화하는 래버러토리 온 칩(Laboratory on a Chip)으로 불리우는 장치 기술이 한창 연구되고 있다. 래버러토리 온 칩은 집적화하는 시스템에 따라서, 마이크로 TAS(Micro Total Analysis System), 마이크로 리액터 등으로도 호칭된다.
통상, 래버러토리 온 칩은 두께 1mm정도의 기판에 형성된 홈폭이 수십~수백㎛의 미소 유로를 구비하고 있고, 미소 유로 안에서 용액의 혼합 등을 행한다. 미소 유로 안에서는 비계면적이 크게 되므로, 사이즈 효과에 의해 반응하기 어려운 것이 반응하고, 혼합하기 어려운 것이 혼합되는 등, 용액의 혼합이나 반응을 효율 좋게 행할 수 있다. 미소 유로의 홈폭을 10㎛~50㎛로 함으로써, 유로저항을 비교적 작게 할 수 있고, 양호한 사이즈 효과를 얻을 수 있다. 또한, 미소 유로의 형상은 유체의 액 이송특성에 큰 영향을 주기 때문에, 미소 유로는 평활한 벽면을 구비하고 또한 고정밀도로 제작되는 것이 바람직하다.
종래, 래버러토리 온 칩의 미소 유로는 기판 표면을 레지스트막으로 피복하고, 자외선이나 전자선을 이용한 포토리소그래피에 의해 레지스트막을 패터닝한 후, 이것을 마스크로서 기판을 에칭한다는 반도체 가공기술을 이용하여 형성되어 있다. 포토리소그래피는 반도체 제조 프로세스에서 사용되어 있는 밀착 노광장치를 이용하여 행해지고 있다. 그 노광방식은 마스크 얼라이너를 이용한 아날로그 노광방식이며, 예컨대, 1평방미터로 한 대면적을 고속 노광하는 것은 어려웠다.
그러나, 종래의 미소 유로의 형성방법에서는 패터닝을 마스크 노광으로 행하고 있기 때문에, 포토레지스트막의 두께가 제한되어, 미소 유로를 고정밀도로 형성하는 것이 어렵다라는 문제가 있었다. 즉, 포토레지스트막이 얇으면, 기판을 에칭 할 때에 사이드 에칭되기 쉬워져, 홈폭의 제작 정밀도가 저하함과 아울러 충분한 홈깊이를 달성할 수 없게 된다.
또한, 마스크 노광에서는 패턴마다 고정밀도한 유리 마스크 등이 필요하게 되기 때문에 비용이 높게 되고, 대면적화가 곤란함과 동시에 소량 다품종 생산에도 적합하지 않다는 문제가 있었다.
한편, 포토리소그래피 공정을, 디지털 노광방식에 의해 행하는 것도 고려되지만, 자외선을 이용한 종래의 디지털 노광장치는 단일 빔으로의 주사 노광이기 때문에, 노광시간이 지나치게 걸린다. 특히, 빔지름이 10㎛이하이고 또한 어드렛서빌리티(addressability)가 1㎛정도인 고정밀 및 고세밀한 노광의 경우에는 노광시간이 지나치게 걸리다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 본 발명의 제 6 목적은 미소 유로를 고속 또한 고정밀도로 형성할 수 있는 미소 유로의 형성방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 제 7 목적은 임의의 패턴의 미소 유로를 저비용으로 형성할 수 있는 미소 유로의 형성방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 섬유제품의 염색가공에 있어서는 염색처리를 행하기 전에, 섬유에 함유되는 착색물질을 산화 또는 환원처리에 의해서 분해 제거하는 표백처리를 실시한다. 착색물질은 그 구조 중에 발색에 관여하는 공역이중결합을 포함하고 있지만, 산화 또는 환원처리보다 착색물질의 공역계가 파괴되어, 그 결과, 섬유가 표백된다. 산화 표백제로서는, 차아염소산 소다 등의 염소계 표백제, 과산화수소 등이 사용되고, 환원 표백제로서는 하이드로설파이드 등이 사용되고 있다.
종래, 상기 표백처리는, 일반적으로, 고농도의 표백제를 함유하는 수용액 안에서 섬유제품을 장시간 끓임으로써 행해지고 있지만, 열용량아 큰 물을 비점 부근까지 가열해야만 하고,에너지 효율이 나쁘며, 열과 약품의 상호작용에 의해 섬유의 취화나 경화가 발생한다는 문제가 있었다.
최근, 환경에의 부하가 큰 염소계 표백제를 사용하지 않는 표백 기술의 연구가 한창 행해지고 있다. 예컨대, 일본 특허공개 평11-43861호 공보에는 수소화 붕소 나트륨 수용액을 함침시킨 면포에, 실온에서 자외선 레이저를 펄스 조사하여 표백을 행하는 기술이 개시되어 있다. 표백제로서 사용되는 수소화 붕소 나트륨은 환원력이 약하지만, 레이저 조사에 의해 착색물질이 활성화되어 표백제와 반응하기 쉽게 된다. 이 기술에 의하면, 염소계 표백제를 사용하지 않고 끝낼뿐만 아니라, 저온에서 표백을 행할 수 있고, 처리 시간이 단축된다. 또한, 저온에서 표백처리를 행할 수 있기 때문에 섬유의 손상도 저감된다.
상기 표백방법에서는 고에너지 밀도의 레이저장치가 필요로 되고, 자외영역에서 고출력을 얻을 수 있는 엑시머 레이저를 사용하고 있다. 또한, 자외영역의 파장으로 발진하는 반도체 레이저는 일반적으로 출력이 작기 때문에, 반도체 레이저를 사용하는 경우에는 복수개의 반도체 레이저를 집적화하여 사용하는 것으로 되어 있다.
그러나, 엑시머 레이저는에너지 효율이 불과 3%로 낮고, 이것을 사용한 표백방법은에너지 소비량이 크게 되고, 환경에 배려한 표백방법이라고는 말할 수 없다. 또한, 엑시머 레이저는 펄스 구동의 반복 주파수가 300Hz로 낮고, 생산성이 낮다. 또한, 레이저 튜브나 레이저 가스의 수명이 1×107쇼트정도로 짧고 보수 관리 비용이 높으며, 장치가 대형화된다, 고휘도의 레이저광이 얻어지지 않으며, 펄스화가 어렵다라는 문제도 있다.
또한, 종래, 자외영역의 파장으로 발진하는 반도체 레이저는 실용화되어 있지 않고, 일본 특허공개 평11-43861호 공보에도 반도체 레이저의 구체적인 구성은 기재되어 있지 않다. 게다가, 단파장의 반도체 레이저는 고수율로 제조하는 것이 어렵지만, 일본 특허공개 평11-43861호 공보에는, 자외영역의 파장으로 발진하는 복수개의 반도체 레이저를 집적화하고, 10000mJ/㎠의 광밀도를 실현하는 구체적인 구성은 전혀 기재되어 있지 않, 현실에 자외영역의 파장으로 발진하는 반도체 레이저를 이용한 고출력 광원을 얻는 것은 곤란하였다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 제 8 목적은 단 펄스화한 레이저광의 조사에 의해, 높은에너지 밀도로 표백처리를 행할 수 있는 표백처리장치를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 제 9 목적은에너지효율이 높고, 고속 또한 저비용으로 표백처리를 행할 수 있는 표백처리장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 노광헤드 및 노광장치와 그 응용에 관한 것으로, 특히, 화상 데이터에 따라 공간 광변조소자에 의해 변조된 광 빔으로 감광재료를 노광하는 노광헤드와, 그 노광헤드를 구비한 노광장치와, 그 노광장치를 응용한 광 조형(造型)장치 및 적층 조형장치, 및 표백처리장치와, 상기 노광장치를 이용한 미소 유로의 형성방법에 관한 것이다.
도 1은 제 1 실시형태에 관한 노광장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 관한 노광장치의 스캐너의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3A는 감광재료에 형성되는 노광이 끝난 영역을 나타내는 평면도이고, 도 3B는 각 노광헤드에 의한 노광영역의 배열을 나타내는 도면인다.
도 4는 제 1 실시형태에 관한 노광장치의 노광헤드의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5A는 도 4에 나타내는 노광헤드의 구성을 나타내는 광축에 따른 부주사방향의 단면도이고, 도 5B는 도 4에 나타내는 노광헤드의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 6은 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 구성을 나타내는 부분 확대도이다.
도 7A 및 도 7B는 DMD의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 8A는 DMD를 경사 배치하지 않은 경우의 노광빔의 배치 및 주사선을 나타내는 평면도이며, 도 8B는 DMD를 경사 배치하는 경우의 노광 빔의 배치 및 주사선을 나타내는 평면도이다.
도 9A는 파이버 어레이 광원의 구성을 나타내는 사시도이며, 도 9B는 도 9A에 나타내는 파이버 어레이 광원의 부분 확대도이며, 도 9C는 레이저 출사부에 있어서의 발광점의 배열을 나타내는 평면도이며, 도 9D는 레이저 출사부에 있어서의 발광점의 다른 배열을 나타내는 평면도이다.
도 10은 멀티모드 광 파이버의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 합파 레이저 광원의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 12는 레이저 모듈의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 13은 도 12에 나타내는 레이저 모듈의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 14는 도 12에 나타내는 레이저 모듈의 구성을 나타내는 부분 측면도이다.
도 15A는 종래의 노광장치에 있어서의 초점 심도를 나타내는 광축에 따른 단면도이며, 도 15B는 제 1 실시형태에 관한 노광장치에 있어서의 초점 심도를 나타내는 광축에 따른 단면도이다.
도 16A는 DMD의 사용영역의 일례를 나타내는 도면이고, 도 16B는 DMD의 사용영역의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 17A는 DMD의 사용영역이 적정한 경우의 측면도이고, 도 17B는 도 17A의 광축에 따른 부주사방향의 단면도이다.
도 18은 스캐너에 의한 1회의 주사로 감광재료를 노광하는 노광방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 19A 및 도 19B는 스캐너에 의한 복수회의 주사로 감광재료를 노광하는 노광방식을 설명하기 위한 평면도이다.
도 20은 레이저 어레이의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 21A는 멀티 캐비티 레이저의 구성을 나타내는 사시도이며, 도 21B는 도 21A에 나타내는 멀티 캐비티 레이저를 어레이상으로 배열한 멀티 캐비티 레이저 어레이의 사시도이다.
도 22는 합파 레이저 광원의 다른 구성을 나타내는 평면도이다.
도 23은 합파 레이저 광원의 다른 구성을 나타내는 평면도이다.
도 24A는 합파 레이저 광원의 다른 구성을 나타내는 평면도이며, 도 24B는 도 24A의 광축에 따른 단면도이다.
도 25A, 도 25B 및 도 25C는 광량분포 보정 광학계에 의한 보정의 개념의 설명도이다.
도 26은 광원이 가우스 분포로 또한 광량분포의 보정을 행하지 않은 경우의 광량분포를 나타내는 그래프이다.
도 27은 광량분포 보정 광학계에 의한 보정후의 광량분포를 나타내는 그래프이다.
도 28A는 결합 광학계간 다른 타 노광헤드의 구성을 나타내는 광축에 따른 단면도이고, 도 28B는 마이크로 렌즈 어레이 등을 사용하지 않는 경우에 피노광면에 투영되는 광상을 나타내는 평면도이다. 도 28C는 마이크로 렌즈 어레이 등을 사용한 경우에 피노광면에 투영되는 광상을 나타내는 평면도이다.
도 29는 파이버 어레이 광원의 다른 구성을 나타내는 사시도이다.
도 30은 종래의 레이저 주사방식의 적층 조형장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 31은 종래의 가동 미러 방식의 적층 조형장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 32는 제 2 실시형태에 관한 광 조형장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 33은 제 2 실시형태에 관한 광 조형장치의 스캐너의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 34A는 노광영역의 노광패턴의 일례를 나타내는 평면도이고, 도 34B는 도 34A의 제 1 그룹의 화소를 노광한 후의 상태를 나타내는 사시도이며, 도 34C는 도 34A의 제 2 그룹의 화소를 노광한 후의 상태를 나타내는 사시도이다.
도 35는 제 3 실시형태에 관한 적층 조형장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 36은 제 3 실시형태에 관한 적층 조형장치의 스캐너의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 37은 합성반응용 마이크로칩의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 38A~G는 도 37에 나타내는 합성반응용 마이크로칩의 제조공정을 순서에 따라 나타내는 단면도이다.
도 39A~C는 레지스트막의 후막화의 예를 나타내는 단면도이다.
도 40A 및 도 40B는 레지스트막의 후막화를 따라 에칭 정밀도가 향상하는 것을 설명하기 위한 설명도이다.
도 41은 테이퍼형상으로 패터닝된 레지스트막을 나타내는 단면도이다.
도 42는 제 5 실시형태에 관한 표백처리장치의 개략 구성도이다.
도 43은 표백처리장치의 레이저 조사부의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 44A는 조사 헤드의 구성을 나타내는 광축에 따른 파이버 배열방향의 단면도이고, 도 44B는 조사 헤드의 구성을 나타내는 부주사방향의 단면도이다.
도 45A는 조사 헤드의 다른 구성을 나타내는 광축에 따른 파이버 배열방향의 단면도이고, 도 45B는 조사 헤드의 구성을 나타내는 부주사방향의 단면도이다.
상기 제 1 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 노광헤드는 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동되는 노광헤드로서, 레이저광을 조사하는 레이저장치와, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되어, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단과, 각 화소부에서 변조된 레이저광을 노광면 상에 결상시키는 광학계를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 노광장치는 본 발명의 노광헤드와, 이 노광헤드를 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다. 이 노광장치는 복수의 노광헤드를 구비한 멀티 헤드방식의 노광장치로서 구성할 수도 있다.
본 발명의 노광헤드 및 노광장치는 공간 광변조소자에 대해서, 그 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해 제어한다. 즉, 기판에 배열된 화소부의 전부를 제어하는 일없이, 일부의 화소부를 제어하고 있다. 그 때문에, 제어하는 화소부의 개수가 적게 되고, 제어신호의 전송속도가 전체 화소부의 제어신호를 전송하는 경우보다짧게 된다. 이것에 의해서, 레이저광의 변조속도를 빠르게 할 수 있고, 고속 노광이 가능하게 된다.
상기 노광헤드는 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동되지만, 상기 제어수단에 의해 제어되는 화소부는, 상기 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 영역에 포함되는 화소부인 것이 바람직하다. 노광헤드의 이동방향(부주사방향)과 교차하는 방향으로 긴 영역의 화소부를 사용함으로써, 사용하는 노광헤드의 수를 줄일 수 있다.
상기 노광헤드에 있어서, 상기 레이저장치를, 광 파이버의 입사단으로부터 입사된 레이저광을 그 출사단에서 출사하는 복수의 파이버 광원을 구비하고, 상기 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 어레이상으로 배열된 파이버 어레이 광원 또는 번들(bundle)상으로 배열한 파이버 번들 광원으로 구성할 수 있다. 상기 광 파이버로서는, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용하는 것이 바람직하다.
파이버 어레이 광원이나 파이버 번들 광원을 구성하는 각 파이버 광원으로서는 레이저광을 합파하여 광 파이버에 입사시키는 합파 레이저 광원이 바람직하다. 합파 레이저 광원으로 함으로써, 고휘도, 고출력을 얻을 수 있고, 공간 광변조소자의 노광에 바람직하다. 특히, 발진파장 350~450nm의 반도체 레이저는 단일 소자에서의 고출력화가 어렵지만, 합파에 의해 고출력화를 도모할 수 있다.
또한, 동일 광출력을 얻기 위해서 어레이화하는 광 파이버의 개수가 적게 끝나고, 저비용이다. 또한, 광 파이버의 개수가 적으므로, 어레이화했을 때의 발광영역이 더욱 작게 된다(고휘도화된다).
예컨대, 파이버 광원을, 복수의 반도체 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계로 구성할 수 있다.
또한, 파이버 광원을, 소정 방향으로 배열된 복수의 발광점을 구비하는 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계로 구성하여도 좋다. 또한, 복수의 멀티 캐비티 레이저의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여 1개의 광 파이버에 결합하여도 좋다.
공간 광변조소자로서는, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 마이크로미러 장치나, 각각 제어신호에 따라 투과광을 차단하는 것이 가능한 다수의 액정 셀이 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 액정 셔터 어레이를 이용할 수 있다.
또한, 레이저장치와 공간 광변조소자 사이에는, 레이저장치로부터의 레이저광[광속(光束)]을 평행광(평행 광속)으로 하는 콜리메이터 렌즈와, 광축에 가까운 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비가, 입사측에 비해서 출사측쪽이 작게 되도록, 각 출사위치에 있어서의 광속폭을 변화시키고, 상기 콜리메이터 렌즈에 의해 평행광화(평행 광속화)된 레이저광의 광량분포가, 상기 공간 광변조소자의 피조사면에 있어서 거의 균일하게 되도록 보정하는 광량분포 보정 광학계를 배치하는 것이 바람직하다.
상기 광량분포 보정 광학계에 의하면, 예컨대, 입사측에 있어서 동일한 광속폭이었던 광이, 출사측에 있어서는 중앙부의 광속폭이 주변부에 비해서 크게 되고, 반대로, 주변부의 광속폭은 중심부에 비해서 작게 된다. 이와 같이, 중앙부의 광속을 주변부에 살려 둘 수 있으므로, 전체적으로 광의 이용효율을 저하시키지 않고, 광량분포가 거의 균일한 광으로 공간 광변조소자를 조명할 수 있다. 이것에 의해, 피노광면에 있어서 노광 얼룩이 발생하지 않고, 고화질한 노광이 가능하게 된다.
종래, 자외영역의 레이저광으로 감광재료를 노광하는 노광장치(자외노광장치)에는 아르곤 레이저 등의 가스 레이저, THG(제 3 고조파)에 의한 고체 레이저가 사용되는 것이 일반적이었지만, 장치가 대형이고 보수 관리가 번거로우며, 노광속도가 느리다라는 문제가 있었다. 본 발명의 노광장치는 레이저장치에 파장 350~450nm의 GaN(질화 갈륨)계 반도체 레이저를 이용함으로써 자외노광장치로 할 수 있다. 이 자외노광장치에 의하면, 종래의 자외노광장치에 비해서, 장치의 소형화, 저비용화를 도모할 수 있음과 아울러 고속 노광이 가능하게 된다.
또한, 상기 제 2 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 광 조형장치는, 광경화성 수지를 수용하는 조형 통과, 상기 조형 통 내에 승강가능하게 설치된 조형물을 지지하기 위한 지지대와, 레이저광을 조사하는 레이저장치와, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되어, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단과, 각 화소부에서 변조된 레이저광을 상기 조형 통에 수용된 광경화성 수지의 액면에 결상시키는 광학계를 포함하는 노광헤드와, 상기 노광헤드를 상기 광경화성 수지의 액면에 대해서 상대이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 광 조형장치에서는 노광헤드의 공간 광변조소자의 각 화소부에서 변조된 레이저광을, 상기 조형 통에 수용된 광경화성 수지의 액면에 결상시킴과 아울러, 이동수단에 의해 상기 노광헤드를 상기 광경화성 수지의 액면에 대해서 상대이동시킴으로써, 조형 통에 수용된 광경화성 수지의 액면을 주사 노광한다. 노광된 수지는 경화해서 경화수지층이 형성된다. 경화수지층을 1층 형성한 후, 조형물을 지지하기 위해서 조형 통 내에 설치된 지지대를 강하시켜 새로운 수지표면을 형성하고, 마찬가지로 하여 다음의 경화수지층을 형성한다. 이와 같이 수지의 경화와 지지대의 강하를 반복하여, 경화수지층을 순차 적층해서 3차원 모델을 조형한다.
본 발명의 광 조형장치에 있어서는 노광헤드의 공간 광변조소자에 대해서, 그 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해 제어한다. 즉, 기판에 배열된 화소부의 전부를 제어하는 일없이, 일부의 화소부를 제어하고 있다. 이 때문에, 제어하는 화소부의 개수가 적게 되고, 제어신호의 전송속도가 전체 화소부의 제어신호를 전송하는 경우보다 짧게 된다. 이것에 의해서 변조속도를 빠르게 할 수 있고, 고속조형이 가능하게 된다.
상기 광 조형장치에 있어서, 상기 제어수단에 의해 제어되는 화소부는, 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 영역에 포함되는 화소부인 것이 바람직하다. 레이저장치의 발광점의 배열방향으로 긴 영역의 화소부를 사용함으로써, 사용하는 노광헤드의 수를 줄일 수 있다.
또한, 상기 광 조형장치에 있어서, 상기 레이저장치를, 광 파이버의 입사단으로부터 입사된 레이저광을 그 출사단에서 출사하는 복수의 파이버 광원을 구비하고, 상기 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 1차원 또는 2차원 어레이상으로 배열된 파이버 어레이 광원으로 구성할 수 있다. 또한, 상기 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 번들상으로 배열된 파이버 번들 광원으로 구성하여도 좋다. 어레이화 또는 번들화함으로써 고출력화를 도모할 수 있다. 상기 광 파이버로서는, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용하는 것이 바람직하다.
파이버 어레이 광원 등을 구성하는 각 파이버 광원으로서는 레이저광을 합파하여 광 파이버에 입사시키는 합파 레이저 광원이 바람직하다. 합파 레이저 광원으로 함으로써, 고휘도, 고출력을 얻을 수 있다. 또한, 동일 광출력을 얻기 위해서 어레이화하는 광 파이버의 개수가 적게 끝나고, 저비용이다. 또한, 광 파이버의 개수가 적으므로, 어레이화했을 때의 발광영역이 더욱 작게 된다(고휘도화된다). 전술의 클래드 지름이 작은 파이버를 이용함으로써, 어레이화했을 때의 발광영역이 더욱 작아져 고휘도화할 수 있다. 공간 광변조소자를 부분적으로 사용하는 경우에도, 고휘도의 파이버 어레이 광원이나 파이버 번들 광원을 이용함으로써, 사용부분에 레이저광을 효율 좋게 조사할 수 있고, 특히 공간 광변조소자로의 조명 NA를 작게 할 수 있으므로, 공간 광변조소자 통과후의 결상빔의 초점 심도를 깊게 가질 수있고, 고광밀도로 레이저광을 조사할 수 있다. 이것에 의해, 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 노광, 조형이 가능하게 된다. 예컨대, 1㎛ 오더의 미세형상의 조형도 가능하다.
예컨대, 파이버 광원을, 복수의 반도체 레이저와, 복수의 반도체 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계로 구성할 수 있다. 또한, 파이버 광원을, 복수의 발광점을 구비한 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계로 구성하여도 좋다. 또한, 복수의 멀티 캐비티 레이저의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여 1개의 광 파이버에 결합해도 좋다.
상기 광 조형장치에 사용되는 공간 광변조소자로서는, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 디지털 마이크로미러 장치(DMD)나, 각각 제어신호에 따라 투과광을 차단하는 것이 가능한 다수의 액정 셀이 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 액정 셔터 어레이를 이용할 수 있다. DMD와 같이 다수의 화소부를 구비한 공간 광변조소자를 이용하여 다수의 채널로 노광함으로써, 파워가 분산되어 열왜곡이 방지된다.
상기 광 조형장치에 사용되는 레이저장치로서는, 파장 350~450nm의 레이저광을 조사하는 것이 바람직하다. 예컨대, 반도체 레이저에 GaN계 반도체 레이저를 이용함으로써, 파장 350~450nm의 레이저광을 조사하는 레이저장치를 구성할 수 있다.파장 350~450nm의 레이저광을 사용함으로써, 적외파장영역의 레이저광을 사용하는 경우에 비해서, 광경화성 수지의 광흡수율을 대폭 증가시킬 수 있다. 파장 350~450nm의 레이저광은 단파장이기 때문에 광자에너지가 크고, 열에너지로 변환하는 것이 용이하다. 이와 같이, 파장 350~450nm의 레이저광은 광흡수율이 크고, 열에너지로의 변환이 용이하기 때문에, 광경화성 수지의 경화, 즉 조형을 고속으로 행할 수 있다. 레이저광의 파장대역은 350~420nm이 바람직하다. 저비용의 GaN계 반도체 레이저를 이용한다라는 점에서는, 파장 405nm이 특히 바람직하다.
또한, 상기 광 조형장치는 노광헤드를 복수 구비한 멀티 헤드방식의 광 조형장치로서 구성할 수 있다. 멀티 헤드화함으로써 더욱 조형의 고속화가 도모된다.
또한, 상기 제 4 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 적층 조형장치는, 광조사에 의해 소결하는 분말을 수용하는 조형 통과, 상기 조형 통 내에 승강가능하게 설치된 조형물을 지지하기 위한 지지대와, 레이저광을 조사하는 레이저장치와, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되어, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단과, 각 화소부에서 변조된 레이저광을 상기 조형 통에 수용된 분말의 표면에 결상시키는 광학계를 포함하는 노광헤드와, 이 노광헤드를 상기 분말의 표면에 대해서 상대이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 적층 조형장치에서는, 노광헤드의 공간 광변조소자의 각 화소부에서 변조된 레이저광을, 상기 조형 통에 수용된 분말의 표면에 결상시킴과 아울러, 이동수단에 의해 상기 노광헤드를 상기 분말의 표면에 대해서 상대이동시킴으로써, 조형 통에 수용된 분말표면을 주사 노광한다. 노광된 분말은 소결하고 경화해서 소결층이 형성된다. 소결층을 1층 형성한 후, 조형물을 지지하기 위해선 조형 통 내에 설치된 지지대를 강하시켜 새로운 분말표면을 형성하고, 마찬가지로 하여 다음의 소결층을 형성한다. 이와 같이 소결과 지지대의 강하와를 반복하여, 소결층을 순차 적층해서 3차원 모델을 조형한다.
본 발명의 적층 조형장치에 있어서는, 노광헤드의 공간 광변조소자에 대해서, 그 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해 제어한다. 즉, 기판에 배열된 화소부의 전부를 제어하는 일없이, 일부의 화소부를 제어하고 있다. 그 때문에, 제어하는 화소부의 개수가 적게 되고, 제어신호의 전송속도가 전체 화소부의 제어신호를 전송하는 경우보다 짧게 된다. 이것에 의해서 변조속도를 빠르게 할 수 있고, 고속조형이 가능하게 된다.
상기 적층 조형장치에 있어서, 상기 제어수단에 의해 제어되는 화소부는, 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 영역에 포함되는 화소부인 것이 바람직하다. 레이저장치의 발광점의 배열방향으로 긴 영역의 화소부를 사용함으로써, 사용하는 노광헤드의 수를 줄일 수 있다.
또한, 상기 적층 조형장치에 있어서, 상기 레이저장치를, 광 파이버의 입사단으로부터 입사된 레이저광을 그 출사단에서 출사하는 복수의 파이버 광원을 구비하고, 이 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 1차원 또는 2차원 어레이상으로 배열된 파이버 어레이 광원으로 구성할 수 있다. 또한, 상기 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 번들상으로 배열된 파이버 번들 광원으로 구성하여도 좋다. 어레이화 또는 번들화함으로써 고출력화를 도모할 수 있다. 상기 광 파이버로서는, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용하는 것이 바람직하다.
파이버 어레이 광원 등을 구성하는 각 파이버 광원으로서는, 레이저광을 합파하여 광 파이버에 입사시키는 합파 레이저 광원이 바람직하다. 합파 레이저 광원으로 함으로써, 고휘도, 고출력을 얻을 수 있다. 또한, 동일 광출력을 얻기 위해 어레이화하는 광 파이버의 개수가 적게 끝나고, 저비용이다. 또한, 광 파이버의 개수가 적으므로, 어레이화했을 때의 발광영역이 더욱 작게 된다(고휘도화된다). 전술의 클래드 지름이 작은 파이버를 이용함으로써, 어레이화했을 때의 발광영역이 더욱 작아져 고휘도화할 수 있다. 공간 광변조소자를 부분적으로 사용하는 경우에도, 고휘도의 파이버 어레이 광원이나 파이버 번들 광원을 이용함으로써, 사용부분에 레이저광을 효율 좋게 조사할 수 있고, 특히 공간 광변조소자로의 조명 NA를 작게 할 수 있으므로, 공간 광변조소자 통과후의 결상 빔의 초점 심도를 깊게 가질 수 있고, 고광밀도로 소결용 분말에 레이저광을 조사할 수 있다. 이것에 의해, 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 노광이 가능하게 된다. 예컨대, 1㎛ 오더의 미세형상의 조형도 가능하다.
예컨대, 파이버 광원을, 복수의 반도체 레이저와, 복수의 반도체 레이저와,1개의 광 파이버와, 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계로 구성할 수 있다. 또한, 파이버 광원을, 복수의 발광점을 구비한 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계로 구성하여도 좋다. 또한, 복수의 멀티 캐비티 레이저의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여 1개의 광 파이버에 결합해도 좋다.
상기 적층 조형장치에 사용되는 공간 광변조소자로서는, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 디지털 마이크로미러 장치(DMD)나, 각각 제어신호에 따라 투과광을 차단하는 것이 가능한 다수의 액정 셀이 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 액정셔터 어레이를 이용할 수 있다. DMD와 같이 다수의 화소부를 구비한 공간 광변조소자를 이용하여 다수의 채널로 노광함으로써, 파워가 분산되어 열왜곡이 방지된다.
상기 적층 조형장치에 사용되는 레이저장치로서는, 파장 350~450nm의 레이저광을 조사하는 것이 바람직하다. 예컨대, 반도체 레이저에 GaN계 반도체 레이저를 이용함으로써, 파장 350~450nm의 레이저광을 조사하는 레이저장치를 구성할 수 있다. 파장 350~450nm의 레이저광을 사용함으로써, 적외파장영역의 레이저광을 사용하는 경우에 비해서, 소결용 분말의 광흡수율을 대폭 증가시킬 수 있다. 특히, 금속분말의 경우에는 광흡수율이 현저하게 증가한다. 파장 350~450nm의 레이저광은단파장이기 때문에 광자에너지가 크고, 분말을 소결하기 위한 소결에너지로 변환하는 것이 용이하다. 이와 같이, 파장 350~450nm의 레이저광은 광흡수율이 크고, 소결에너지로의 변환이 용이하기 때문에, 분말의 소결, 즉 조형을 고속으로 행할 수 있다. 레이저광의 파장대역은 350~420nm이 바람직하다. 저비용의 GaN계 반도체 레이저를 이용한다는 점에서는 파장 405nm이 특히 바람직하다.
또한, 레이저장치가 펄스 구동되는 것이 바람직하다. 분말을 펄스 구동된 레이저광으로 노광함으로써, 조사한 광에 의해 발생하는 열의 확산이 방지되기 때문에, 광에너지가 분말의 소결에 유효하게 이용되고, 고속의 조형이 가능하게 된다. 또한, 열확산이 방지되기 때문에, 조사되었을 때의 빔형상과 거의 같은 크기로, 분말이 소결되어, 표면이 매끄러운 고정밀 및 고세밀한 조형이 가능하게 된다. 따라서, 레이저광의 펄스폭은 짧은 쪽이 바람직하고, 1psec~100nsec가 보다 바람직하고, 1psec~300psec가 더욱 바람직하다.
또한, 상기 적층 조형장치는 노광헤드를 복수 구비한 멀티 헤드방식의 적층 조형장치로서 구성할 수 있다. 멀티 헤드화함으로써 더욱 조형의 고속화가 도모된다.
상기 제 6 및 제 7 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 미소 유로의 형성방법은, 기판 상에 형성된 레지스트막을, 미소 유로의 형성 패턴 데이터에 따라 공간적으로 변조된 파장 350nm~450nm의 레이저광으로 노광하는 노광공정과, 상기 레지스트막을 노광 패턴에 따라 부분적으로 제거하고, 소정 패턴의 레지스트막을 형성하는 패턴화 공정과, 상기 소정 패턴의 레지스트막을 이용하여, 상기 기판을 표면에서 에칭하여 제거하고, 미소 유로를 형성하는 에칭공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
이 미소 유로의 형성방법에서는 파장 350nm~450nm의 레이저광을 이용하고 있으므로, 엑시머 레이저와 같은 자외선 대응의 특수한 재료의 광학계를 이용할 필요가 없고, 가시영역의 레이저 노광장치와 마찬가지로, DMD 등의 공간 광변조소자를 이용할 수 있다. 이것에 의해, 미소 유로의 형성 패턴 데이터에 따라 공간적으로 변조된 레이저광으로 레지스트막을 노광할 수 있다. 즉, 임의 패턴에서의 레지스트막의 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 디지털 노광이 가능하다.
이와 같이, 노광공정에 있어서, 임의 패턴에서의 레지스트막의 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 노광이 가능하므로, 다음의 패턴화 공정 및 에칭공정를 경유하여, 임의의 패턴의 미소 유로를 고속 또한 고정밀도로 형성할 수 있다. 또한, 디지털 노광이기 때문에 패턴마다의 마스크가 불필요하고, 저비용으로 미소 유로를 형성할 수 있다.
상기 노광공정에는, 레이저광을 조사하는 레이저 광원과, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 매트릭스상으로 배열되어, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 각 화소부에서 변조된 레이저광을 노광면 상에 결상시키는 광학계를 구비한 노광헤드를 이용할 수 있다. 또한, 이 노광헤드를 레지스트막의 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동시켜서, 기판 상에 형성된 레지스트막을 주사 노광할 수 있다.
레지스트막을 보다 고정밀 및 고세밀하게 노광하기 위해서, 공간 광변조소자를 그 각 화소부의 배열방향이 부주사방향과 직교하는 방향과 소정 각도(θ)를 이루도록 약간 경사지게 하여 배치해 다중 노광하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 빔 지름 10㎛이며 1㎛의 어드렛서빌리티의 고정밀 및 고세밀한 노광이 가능하다. 경사각도(θ)는 1°~5°의 범위가 바람직하다.
또한, 공간 광변조소자의 출사측에는, 공간 광변조소자의 각 화소부에 대응해서 설치되고 또한 각 화소마다 레이저광을 집광하는 마이크로 렌즈를 구비한 마이크로 렌즈 어레이를 배치하는 것이 보다 바람직하다. 마이크로 렌즈 어레이를 배치한 경우에는, 공간 광변조소자의 각 화소부에서 변조된 레이저광은, 마이크로 렌즈 어레이의 각 마이크로 렌즈에 의해 각 화소에 대응해서 집광되므로, 피노광면에 있어서의 노광영역이 확대된 경우에도, 각 빔 스폿의 사이즈를 축소할 수 있고, 고정밀 및 고세밀한 노광을 행할 수 있다. 이 축소 광학계를 이용함으로써, 1㎛의 빔지름이며 0.1㎛의 어드렛서빌리티로 초고정밀 및 고세밀한 노광이 가능하게 된다.
이와 같이 레지스트막을 고정밀 및 고세밀하게 노광함으로써, 매우 부드러운 미소 유로의 벽면을 형성할 수 있고, 유로저항을 저감하여 양호한 사이즈 효과를 얻을 수 있다.
미소 유로를 고정밀도로 형성하기 위해서, 레지스트막의 두께는 두꺼운 쪽이 바람직하다. 홈폭 10㎛~50㎛의 미소 유로를 형성하는 경우에는, 레지스트막의 두께는 10㎛~50㎛이 바람직하고, 10㎛~100㎛이 보다 바람직하다. 특히, 레지스트막을 2층 및 3층과 같이 복수의 층으로 적층하여 노광하는 것이 보다 바람직하다. 레지스트막을 디지털 노광하므로, 디지털 스케일링 기능에 의해 노광시 및 현상후 등의 신장 등의 보정을 고정밀도로 행할 수 있고, 1층째의 노광위치와 2층째 등의 복수의 층의 노광위치의 위치맞춤을 고정밀도로 실현할 수 있다. 그 결과, 종래의 2배의 두께의 레지스트막으로 고정밀도 또한 고어스펙트비의 패터닝이 가능하게 되고, 에칭으로 고정밀도로 또한 깊은 미소 유로를 형성할 수 있다. 또한, 어스펙트비는 레지스트막에 형성된 홈의 홈폭(a)에 대한 홈깊이(b)의 비율 a/b이다.
상기 형성방법의 노광공정에 있어서는, 고휘도 광원을 이용하여 깊은 초점 심도로 노광함으로써, 보다 높은 정밀도로 레지스트막을 노광할 수 있다. 고휘도 광원으로서는 복수의 레이저광을 합파하여 광 파이버 각각에 입사시키는 합파 레이저 광원이 바람직하다. 또한, 후막화한 레지스트막의 노광에는 고출력의 레이저 광원이 필요하다. 발진파장 350~450nm의 반도체 레이저는 단일 소자에서의 고출력화가 어렵지만, 합파에 의해 고출력화를 도모할 수 있다.
합파 레이저 광원은, 예컨대, (1) 복수의 반도체 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저광을 집광하여, 집광빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 포함하는 구성, (2) 복수의 발광점을 구비한 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저광을 집광하여, 집광빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 포함하는 구성, 또는 (3) 복수의 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 멀티 캐비티 레이저의 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저광을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 포함하는 구성으로 할 수 있다.
상기 합파 레이저 광원의 광 파이버의 출사단에 있어서의 발광점 각각을 어레이상으로 배열하여 파이버 어레이 광원으로 하거나, 발광점의 각각을 번들상으로 배열하여 파이버 번들 광원으로 할 수 있다. 번들화 또는 어레이화함으로썬, 더욱 고출력화를 도모할 수 있다. 또한, 고휘도화를 도모하는 관점에서는, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용하는 것이 바람직하다.
광 파이버의 출사단의 클래드 지름은, 발광점의 지름을 작게 하는 관점에서 125㎛보다 작은 쪽이 바람직하고, 80㎛이하가 보다 바람직하고, 60㎛이하가 특히 바람직하다. 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버는, 예컨대, 코어지름이 동일하고 클래드 지름이 다른 복수의 광 파이버를 결합하여 구성할 수 있다. 이것에 의해, 어레이화했을 때의 발광영역을 더욱 작게 할 수 있고, 고휘도화할 수 있다. 아직, 복수의 광 파이버를 커넥터로 착탈가능하게 접속하여 구성함으로써, 광원 모듈이 부분적으로 파손된 경우 등에, 교환이 용이하게 된다.
특히, 상기와 같이 공간 광변조소자를 경사 배치하고 또한 축소 광학계나 등배 광학계를 이용하여 초고정밀 및 고세밀한 노광을 하는 경우에 있어서, 전술의 고휘도의 파이버 어레이 광원 또는 파이버 번들 광원을 이용함으로썬, 공간 광변조소자로의 조명 NA를 작게 할 수 있으므로, 공간 광변조소자 통과후의 결상 빔의 초점 심도를 깊게 가질 수 있고, 깊은 초점 심도를 얻어지고, 레지스트 표면 및 레지스트내에 있어서 빔 굵기가 없고, 보다 고정밀도로 고어스펙트비의 패터닝이 가능하게 된다. 또한, 벽면이 경사된 경사 유로를 형성하는 경우에도 부드러운 패터닝이 가능하게 된다.
상기 노광공정에서는, 레이저광은, 예컨대, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 배열된 공간 광변조소자에 조사되어, 상기 공간 광변조소자의 각 화소부에서 변조된다.
공간 광변조소자로서는, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 기판(예컨대, 실리콘 기판) 상에 2차원상으로 배열되어 구성된, 마이크로미러 장치(DMD;디지털 마이크로미러 장치)를 이용할 수 있다. 또한, 공간 광변조소자를, 리본상의 반사면을 구비하곤 또한 제어신호에 따라 이동가능한 가동격자와, 리본상의 반사면을 구비한 고정격자 교대로 다수개 병렬 배치하여 구성한 1차원의 회절격자 라이트 밸브(GLV)로 구성하여도 좋다. 또한, 각각 제어신호에 따라 투과광을 차단하는 것이 가능한 다수의 액정 셀이 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 액정 셔터 어레이를 이용하여도 좋다.
이들 공간 광변조소자의 출사측에는, 공간 광변조소자의 각 화소부에 대응하여 설치되고 또한 각 화소마다 레이저광을 집광하는 마이크로 렌즈를 구비한 마이크로 렌즈 어레이를 배치하는 것이 바람직하다. 마이크로 렌즈 어레이를 배치한 경우에는, 공간 광변조소자의 각 화소부에서 변조된 레이저광은, 마이크로 렌즈 어레이의 각 마이크로 렌즈에 의해 각 화소에 대응해서 집광되므로, 피노광면에 있어서의 노광영역이 확대된 경우에도, 각 빔 스폿의 사이즈를 축소할 수 있고, 대면적화한 경우에도 고정밀 및 고세밀한 노광을 행할 수 있다.
상기 제 8 및 제 9 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 표백처리장치는, 염색 전의 섬유에, 산화제 또는 환원제를 함유하는 약액을 함침시키는 약액함침수단과, 복수의 반도체 레이저, 1개의 광 파이버, 및 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 합파 레이저 광원을 구비하고, 상기 약액을 함침시킨 직물에 파장 200nm~450nm의 레이저광을 펄스 조사하는 레이저 조사수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 표백처리장치에서는, 약액함침수단에 의해, 염색 전의 섬유에 산화제 또는 환원제를 함유하는 약액을 함침시킨다. 또한, 약액을 함침시킨 직물에, 레이저 조사수단으로부터 파장 200nm~450nm의 레이저광이 펄스 조사된다.
합파 레이저 광원은, 복수의 반도체 레이저, 1개의 광 파이버, 및 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비하고 있다. 상기 합파 레이저 광원은 복수의 레이저빔을 광 파이버를 이용하여 합파하므로, 고출력 또한 고휘도이다. 레이저 조사수단은 이 고출력 또한 고휘도의 합파 레이저 광원을 구비하고 있으므로, 본 발명의 표백처리장치에서는, 표백처리에 필요한 고에너지 밀도를 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 합파 레이저 광원은, 연속 구동이 가능하고 출력 안정성이 우수한 반도체 레이저를 이용하여 구성되어 있으므로, 단 펄스화한 레이저광을 조사할 수 있고,에너지 효율이 높고, 고속으로 표백처리를 행할 수 있음과 아울러,엑시머 레이저를 이용한 장치와 비교해서 보수 관리가 용이하고 저비용이다.
상기 표백처리장치에 있어서, 레이저 조사수단에 의해 조사하는 레이저광의 파장은, 표백처리를 촉진해서 고속화를 도모하는 관점에서는, 고출력의 질화 갈륨(GaN)계 반도체 레이저를 얻을 수 있는 350nm~450nm의 범위가 바람직하다. 특히, GaN계 반도체 레이저로 가장 고출력화가 용이한 파장 400nm~415nm의 범위가 바람직하다. 또한, 섬유의 손상을 저감하여, 보다 표백성능을 높이는 관점에서는, 파장 200nm~350nm이 바람직하다. 또한, 특수한 재료의 광학계를 사용하지 않고 장치의 저비용화를 도모하고 또한 고속처리를 행하는 관점에서는 400nm보다 장파장이 바람직하다.
또한, GaN계 반도체 레이저는 공유성 결합이므로 전위의 이동도가 GaAs계나 AlGaInP계보다 매우 작고, 또한, 열전도 계수도 GaAs계나 AlGaInP계보다 매우 크므로, 높은 COD(Catastrophic Optical Damage) 레벨을 갖고 있다. 그 때문에, 펄스 구동한 경우에도 고출력화를 도모할 수 있다. 그 결과, 단 펄스화에 의해 피크 파워로 수10OmW~수10W의 고출력을 얻을 수 있다. 이것에 의해, 듀티(duty)를 0.1%~10%정도로 작게 할 수 있고, 고에너지 밀도가 얻어지고 또한 열에 의한 섬유의 손상을 저감할 수 있다.
상기 합파 레이저 광원은, 복수의 발광점을 구비한 반도체 레이저, 1개의 광 파이버, 및 상기 복수의 발광점을 구비한 반도체 레이저의 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비하여 구성되어 있어도 좋다. 예컨대, 복수의 발광점을 구비한 반도체 레이저로서는 멀티 캐비티 레이저를 사용할 수 있다.
또한, 합파 레이저 광원의 광 파이버로서는, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용하는 것이 바람직하다. 출사단의 클래드 지름을 작게 함으로써, 광원의 고휘도화를 도모할 수 있다. 광 파이버의 출사단의 클래드 지름은, 발광점의 지름을 작게 하는 관점에서 125㎛보다 작은 쪽이 바람직하고, 80㎛이하가 보다 바람직하고, 60㎛이하가 특히 바람직하다. 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버는, 예컨대, 코어지름이 동일하고 클래드 지름이 다른 복수의 광 파이버를 결합하여 구성할 수 있다. 이것에 의해, 어레이로 했을 때의 발광영역을 더욱 작게 할 수 있고, 고휘도화할 수 있다. 또한, 복수의 광 파이버를 커넥터로 착탈가능하게 접속하여 구성함으로써, 광원 모듈이 부분적으로 파손된 경우 등에, 교환이 용이하게 된다.
상기 레이저 조사수단은, 복수의 합파 레이저 광원을 포함하여 구성되어 있어도 좋다. 예컨대, 합파 레이저 광원의 발광점(광 파이버의 출사단)을 복수 어레이상으로 배열한 파이버 어레이 광원이나, 합파 레이저 광원의 발광점을 번들화한 파이버 번들 광원으로서 구성하여도 좋다. 파이버 어레이 광원이나 파이버 번들 광원에서는, 복수개의 광 파이버를 묶어서 광원을 구성하므로, 더나은 고출력화가 가능하게 된다. 이것에 의해, 저비용이고 고휘도 광원을 얻을 수 있고, 초점 심도가 깊은 고휘도의 결상 빔을 얻을 수 있으므로, 고속의 레이저 표백처리가 가능하게 된다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
(제 1 실시형태)
제 1 실시형태는 화상 데이터에 따라 공간 광변조소자에 의해 변조된 광 빔으로 감광재료를 노광하는 노광헤드를 구비한 노광장치의 실시형태이다.
[노광장치의 구성]
본 발명의 실시형태에 관한 노광장치는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 시트 상의 감광재료(150)를 표면에 흡착하여 유지하는 평판형상의 스테이지(152)를 구비하고 있다. 4개의 다리부(154)에 지지된 두꺼운 판형상의 설치대(156)의 상면에는 스테이지 이동방향을 따라 연장된 2개의 가이드(158)가 설치되어 있다. 스테이지(152)는 그 길이방향이 스테이지 이동방향을 향하도록 배치됨과 아울러, 가이드(158)에 의해 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 또한, 이 노광장치에는 스테이지(152)를 가이드(158)를 따라 구동하기 위한 도시하지 않은 구동장치가 설치되어 있다.
설치대(156)의 중앙부에는, 스테이지(152)의 이동경로를 걸치도록 コ자 형상의 게이트(160)가 설치되어 있다. コ자 형상의 게이트(160)의 단부 각각은 설치대(156)의 양측면에 고정되어 있다. 상기 게이트(160)을 끼워서 한쪽측에는 스캐너(162)가 설치되고, 다른쪽측에는 감광재료(150)의 선단 및 후단을 검지하는 복수(예컨대, 2개)의 검지센서(164)가 설치되어 있다. 스캐너(162) 및 검지센서(164)는 게이트(160)에 각각 설치되어, 스테이지(152)의 이동경로의 상방에 고정 배치되어 있다. 또한, 스캐너(162) 및 검지센서(164)는 이들을 제어하는 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다.
스캐너(162)는, 도 2 및 도 3(B)에 나타내는 바와 같이, m행n열(예컨대, 3행5열)의 대략 매트릭스상으로 배열된 복수(예컨대, 14개)의 노광헤드(166)를 구비하고 있다. 이 예에서는 감광재료(150)의 폭과의 관계에서, 3행째에는 4개의 노광헤드(166)를 배치했다. 또한, m행의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드를 나타내는 경우는 노광헤드 166mn으로 표기한다.
노광헤드(166)에 의한 노광영역(168)은 부주사방향을 단변으로 하는 직사각형상이다. 따라서, 스테이지(152)의 이동에 따라, 감광재료(150)에는 노광헤드(166)마다 띠상의 노광이 끝난 영역(170)이 형성된다. 또한, m행의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드에 의한 노광영역을 나타내는 경우는 노광영역 168mn으로 표기한다.
또한, 도 3(A) 및 도 3(B)에 나타내는 바와 같이, 띠상의 노광이 끝난 영역(170)이 부주사방향과 직교하는 방향으로 간극없이 배열되도록, 라인상으로 배열된 각 행의 노광헤드 각각은, 배열방향으로 소정 간격(노광영역의 장변의 자연수배, 본 실시형태에서는 2배) 어긋나게 하여 배치되어 있다. 그 때문에, 1행째의 노광영역(16811)과 노광영역(16812) 사이의 노광할 수 없는 부분은 2행째의 노광영역(16821)과 3행째의 노광영역(16831)에 의해 노광할 수 있다.
노광헤드(16611~166mn) 각각은, 도 4, 도 5(A) 및 도 5(B)에 나타내는 바와 같이, 입사된 광빔을 화상 데이터에 따라 각 화소마다 변조하는 공간 광변조소자로서, 디지털 마이크로미러 장치(DMD)(50)를 구비하고 있다. 이 DMD(50)는 데이터 처리부와 미러 구동 제어부를 구비한 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다. 이 컨트롤러의 데이터 처리부에서는, 입력된 화상 데이터에 기초하여, 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 제어해야 할 영역 내의 각 마이크로미러를 구동 제어하는 제어신호를 생성한다. 또한, 제어해야 할 영역에 대해서는 후술한다. 또한, 미러 구동 제어부에서는 화상 데이터 처리부에서 생성한 제어신호에 기초하여, 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 각 마이크로미러의 반사면의 각도를 제어한다. 또한, 반사면의 각도의 제어에 대해서는 후술한다.
DMD(50)의 광입사측에는, 광 파이버의 출사단부(발광점)가 노광영역(168)의 장변방향과 대응하는 방향을 따라 1열로 배열된 레이저 출사부를 구비한 파이버 어레이 광원(66), 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광을 보정하여 DMD 상에 집광시키는 렌즈계(67), 렌즈계(67)를 투과한 레이저광을 DMD(50)를 향해서 반사하는 미러(69)가 이 순서대로 배치되어 있다.
렌즈계(67)는 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광을 평행광화하는 1쌍의 조합 렌즈(71), 평행광화된 레이저광의 광량분포가 균일하게 되도록 보정하는 1쌍의 조합 렌즈(73), 및 광량분포가 보정된 레이저광을 DMD 상에 집광하는 집광렌즈(75)로 구성되어 있다. 조합 렌즈(73)는 레이저 출사단의 배열방향에 대해서는 렌즈의 광축에 가까운 부분은 광속을 넓히고 또한 광축으로부터 떨어진 부분은 광속을 줄이고, 또한 이 배열방향과 직교하는 방향에 대해서는 광을 그대로 통과시키는 기능을 구비하고 있고, 광량분포가 균일이 되도록 레이저광을 보정한다. 혹은, 플라이 아이 렌즈나 로드 인티그레이터 등의 광학계를 이용하여 광량분포를 균일화해도 좋다.
또한, DMD(50)의 광반사측에는, DMD(50)에서 반사된 레이저광을 감광재료(150)의 주사면(피노광면)(56) 상에 결상하는 렌즈계(54,58)가 배치되어 있다. 렌즈계(54 및 58)는 DMD(50)와 피노광면(56)이 공역한 관계가 되도록 배치되어 있다.
DMD(50)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, SRAM셀(메모리셀)(60) 상에, 미소 미러(마이크로미러)(62)가 지주에 의해 지지되어 배치된 것이며, 화소(픽셀)를 구성하는 다수의(예컨대, 600개×800개)의 미소 미러를 격자상으로 배열하여 구성된 미러 장치이다. 각 픽셀에는, 최상부에 지주에 지지된 마이크로미러(62)가 설치되어지고 있고, 마이크로미러(62)의 표면에는 알루미늄 등의 반사율이 높은 재료가 증착되어 있다. 또한, 마이크로미러(62)의 반사율은 90%이상이다. 또한, 마이크로미러(62)의 바로밑에는, 힌지 및 요크를 포함하는 지주를 통해 통상의 반도체 메모리의 제조라인에서 제조되는 실리콘 게이트의 CMOS의 SRAM셀(60)이 배치되고 있고, 전체는 모놀리식(일체형)으로 구성되어 있다.
DMD(50)의 SRAM셀(60)에 디지털신호가 입력되면, 지주에 지지된 마이크로미러(62)가, 대각선을 중심으로 하여 DMD(50)가 배치된 기판측에 대해서 ±α도(예컨대 ±10도)의 범위에서 경사진다. 도 7(A)은 마이크로미러(62)가 온 상태인 +α도로 경사진 상태를 도시하고, 도 7(B)은 마이크로미러(62)가 오프 상태인 -α도로 경사진 상태를 나타낸다. 따라서, 화상신호에 따라, DMD(50)의 각 픽셀에 있어서의 마이크로미러(62)의 경사를, 도 6에 나타내는 바와 같이 제어함으로써, DMD(50)에 입사된 광은 각각의 마이크로미러(62)의 경사 방향으로 반사된다.
또한, 도 6에는, DMD(50)의 일부를 확대하고, 마이크로미러(62)가 +α도 또는 -α도로 제어되어 있는 상태의 일례를 나타낸다. 각각의 마이크로미러(62)의 온 오프제어는 DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 의해 행해진다. 또한, 오프 상태의 마이크로미러(62)에 의해 의해 광 빔이 반사되는 방향에는 광흡수체(도시안함)가 배치되어 있다.
또한, DMD(50)는, 그 단변이 부주사방향과 소정 각도(θ)(예컨대, 1°~5°)를 이루도록 약간 경사지게 하여 배치하는 것이 바람직하다. 도 8(A)은 DMD(50)를 경사시키지 않는 경우의 각 마이크로미러에 의한 반사광상(노광 빔)(53)의 주사 궤적을 나타내고, 도 8(B)은 DMD(50)를 경사지게 한 경우의 노광 빔(53)의 주사 궤적을 나타내고 있다.
DMD(50)에는 길이방향으로 마이크로미러가 다수개(예컨대, 800개) 배열된 마이크로미러 열이, 두께방향으로 다수조(예컨대, 600조) 배열되어 있지만, 도 8(B)에 나타내는 바와 같이, DMD(50)를 경사지게 함으로써, 각 마이크로미러에 의한 노광 빔(53)의 주사 궤적(주사선)의 피치(P1)가, DMD(50)를 경사지게 하지 않는 경우의 주사선의 피치(P2)보다 좁게 되고, 해상도를 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 한편, DMD(50)의 경사각은 미소하므로, DMD(50)를 경사지게 한 경우의 주사폭(W2)과, DMD(50)를 경사지게 하지 않는 경우의 주사폭(W1)은 거의 동일하다.
또한, 다른 마이크로미러 열에 의해 동일한 주사선 상이 겹쳐서 노광(다중 노광)되게 된다. 이와 같이, 다중 노광됨으로써, 노광위치의 미소량을 컨트롤할 수 있고, 고정밀 및 고세밀한 노광을 실현할 수 있다. 또한, 주주사방향으로 배열된 복수의 노광헤드의 사이의 연결눈을 미소량의 노광위치제어 등의 디지털 화상처리에 의해 단차없이 연결할 수 있다.
또한, DMD(50)를 경사시키는 대신에, 각 마이크로미러 열을 부주사방향과 직교하는 방향으로 소정 간격 어긋나게 하여 지그재그상으로 배치해도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
파이버 어레이 광원(66)은, 도 9(A)에 나타내는 바와 같이, 복수(예컨대, 6개)의 레이저 모듈(64)을 구비하고 있곤, 각 레이저 모듈(64)에는 멀티모드 광 파이버(30)의 일단이 결합되어 있다. 멀티모드 광 파이버(30)의 타단에는, 코어지름이 멀티모드 광 파이버(30)와 동일하고 또한 클래드 지름이 멀티모드 광 파이버(30)보다 작은 광 파이버(31)가 결합되고, 도 9(C)에 나타내는 바와 같이, 광 파이버(31)의 출사단부(발광점)가 부주사방향과 직교하는 주주사방향을 따라 1열로 배열되어 레이저 출사부(68)가 구성되어 있다. 또한, 도 9(D)에 나타내는 바와 같이, 발광점을 주주사방향을 따라 2열로 배열할 수도 있다.
광 파이버(31)의 출사단부는, 도 9(B)에 나타내는 바와 같이, 표면이 평탄한2장의 지지판(65)에 끼워넣어져 고정되어 있다. 또한, 광 파이버(31)의 광출사측에는, 광 파이버(31)의 끝면을 보호하기 위해서, 유리 등의 투명한 보호판(63)이 배치되어 있다. 보호판(63)은, 광 파이버(31)의 끝면과 밀착시켜 배치해도 좋고, 광 파이버(31)의 끝면이 밀봉되도록 배치해도 좋다. 광 파이버(31)의 출사단부는, 광밀도가 높고 집진하기 쉬우며 열화하기 쉽지만, 보호판(63)을 배치함으로써 끝면에의 진애의 설치을 방지할 수 있음과 아울러 열화를 지연시킬 수 있다.
이 예에서는, 클래드 지름이 작은 광 파이버(31)의 출사단을 간극없이 1열로 배열하기 위해서, 클래드 지름이 큰 부분에서 인접하는 2개의 멀티모드 광 파이버(30)의 사이에 멀티모드 광 파이버(30)를 겹쳐 쌓고, 겹쳐 쌓아진 멀티모드 광 파이버(30)에 결합된 광 파이버(31)의 출사단이, 클래드 지름이 큰 부분에서 인접하는 2개의 멀티모드 광 파이버(30)에 결합된 광 파이버(31)의 2개의 출사단의 사이에 끼워지도록 배열되어 있다.
이와 같은 광 파이버는, 예컨대, 도 10에 나타내는 바와 같이, 클래드 지름이 큰 멀티모드 광 파이버(30)의 레이저광 출사측의 선단부분에, 길이 1~30㎝의 클래드 지름이 작은 광 파이버(31)를 동축적으로 결합함으로써 얻을 수 있다. 2개의 광 파이버는, 광 파이버(31)의 입사 끝면이, 멀티모드 광 파이버(30)의 출사 끝면에, 양 광 파이버의 중심축이 일치하도록 융착하여 결합되어 있다. 상술한 바와 같이, 광 파이버(31)의 코어(31a)의 지름은 멀티모드 광 파이버(30)의 코어(30a)의 지름과 동일한 크기이다.
또한, 길이가 짧고 클래드 지름이 큰 광 파이버에 클래드 지름이 작은 광 파이버를 융착시킨 길이가 짧은 광 파이버를, 페룰이나 광 커넥터 등을 통해서 멀티모드 광 파이버(30)의 출사단에 결합하여도 좋다. 커넥터 등을 이용하여 착탈가능하게 결합함으로써, 클래드 지름이 작은 광 파이버가 파손된 경우 등에 선단부분의 교환이 용이하게 되고, 노광헤드의 보수 관리에 요하는 비용을 저감할 수 있다. 또한, 이하에서는 광 파이버(31)를 멀티모드 광 파이버(30)의 출사단부로 칭하는 경우가 있다.
멀티모드 광 파이버(30) 및 광 파이버(31)로서는 스텝 인덱스형 광 파이버, 그레디드 인덱스(graded index)형 광 파이버, 및 복합형 광 파이버 중 어느라도 좋다. 예컨대, 미쯔비시덴센고교 가부시키가이샤 제작의 스텝 인덱스형 광섬유를 이용할 수 있다. 본 실시형태에서는 멀티모드 광섬유(30) 및 광섬유(31)는 스텝 인덱스형 광섬유이고, 멀티모드 광섬유(30)는 클래드 지름= 125㎛, 코어지름= 25㎛, NA= 0.2, 입사 끝면 코트(coat)의 투과율= 99.5% 이상이고, 광섬유(31)는 클래드 지름= 60㎛, 코어지름= 25㎛, NA= 0.2이다.
일반적으로, 적외영역의 레이저광에서는 광 파이버의 클래드 지름을 작게 하면 전파 손실이 증가한다. 그 때문에, 레이저광의 파장대역에 따라 바람직한 클래드 지름이 결정되어 있다. 그러나, 파장이 짧을수록 전파 손실은 적게 되고, GaN계 반도체 레이저로부터 출사된 파장 405nm의 레이저광에서는, 클래드의 두께{(클래드 지름-코어지름)/2}를 800nm의 파장대역의 적외광을 전파시키는 경우의 1/2정도, 통신용의 1.5㎛의 파장대역의 적외광을 전파시키는 경우의 약 1/4로 하여도, 전파 손실은 거의 증가하지 않는다. 따라서, 클래드 지름을 60㎛로 작게 할 수 있다. GaN계의 LD를 이용함으로써 고광밀도의 광빔을 용이하게 얻을 수 있다.
단, 광 파이버(31)의 클래드 지름은 60㎛에는 한정되지 않는다. 종래의 파이버 광원에 사용되어 있는 광 파이버의 클래드 지름은 125㎛이지만, 클래드 지름이 작게 될수록 초점 심도가 보다 깊어지므로, 멀티모드 광 파이버의 클래드 지름은 80㎛이하가 바람직하고, 60㎛이하가 보다 바람직하고, 40㎛이하가 더욱 바람직하다. 한편, 코어지름은 적어도 3~4㎛ 필요하므로, 광 파이버(31)의 클래드 지름은 10㎛이상이 바람직하다.
레이저 모듈(64)은 도 11에 나타내는 합파 레이저 광원(파이버 광원)으로 구성되어 있다. 이 합파 레이저 광원은 히트 블록(10) 상에 배열 고정된 복수(예컨대, 7개)의 칩상의 가로 멀티모드 또는 싱글모드의 GaN계 반도체 레이저(LD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6, 및 LD7)과, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7) 각각에 대응해서 설치된 콜리메이터 렌즈(11,12,13,14,15,16, 및 17)와, 1개의 집광렌즈(20)와, 1개의 멀티모드 광 파이버(30)로 구성되어 있다. 또한, 반도체 레이저의 개수는 7개에는 한정되지 않는다. 예컨대, 클래드 지름=60㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2의 멀티모드 광 파이버에는 20개의 반도체 레이저광을 입사하는 것이 가능하고, 노광헤드의 필요 광량을 실현하고, 또한 광 파이버 개수를 보다 감할 수 있다.
GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)는, 발진파장이 전부 공통(예컨대, 405nm)이며, 최대출력도 전부 공통(예컨대, 멀티모드 레이저에서는 100mW, 싱글모드 레이저에서는 30mW)이다. 또한, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)로서는, 350nm~450nm의 파장범위에서, 상기 405nm 이외의 발진파장을 구비하는 레이저를 이용하여도 좋다.
상기 합파 레이저 광원은, 도 12 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 다른 광학요소와 함께, 상방이 개구된 상자형상의 패키지(40) 내에 수납되어 있다. 패키지(40)는 그 개구를 폐쇄하도록 작성된 패키지 덮개(41)를 구비하고 있고, 탈기처리후에 밀봉 가스를 도입하고, 패키지(40)의 개구를 패키지 덮개(41)로 폐쇄함으로써, 패키지(40)와 패키지 덮개(41)에 의해 형성되는 폐쇄공간(밀봉공간) 내에 상기 합파 레이저 광원이 기밀 밀봉되어 있다.
패키지(40)의 저면에는 베이스판(42)이 고정되고 있고, 이 베이스판(42)의 상면에는, 상기 히트 블록(10)과, 집광렌즈(20)를 유지하는 집광렌즈 홀더(45)와, 멀티모드 광 파이버(30)의 입사단부를 유지하는 섬유 홀더(46)가 설치되어 있다. 멀티모드 광 파이버(30)의 출사단부는 패키지(40)의 벽면에 형성된 개구로부터 패키지 밖에 인출되어 있다.
또한, 히트 블록(10)의 측면에는 콜리메이터 렌즈 홀더(44)가 설치되어 있고, 콜리메이터 렌즈(11~17)가 유지되어 있다. 패키지(40)의 가로벽면에는 개구가 형성되고, 이 개구를 통해서 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)에 구동전류를 공급하는 배선(47)이 패키지 밖에 인출되어 있다.
또한, 도 13에 있어서는, 도면의 번잡화를 피하기 위하여, 복수의 GaN계 반도체 레이저 중 GaN계 반도체 레이저(LD7)에만 번호를 붙이고, 복수의 콜리메이터 렌즈 중 콜리메이터 렌즈(17)에만 번호를 붙이고 있다.
도 14는 상기 콜리메이터 렌즈(11~17)의 설치 부분의 정면형상을 나타내는 것이다. 콜리메이터 렌즈(11~17) 각각은, 비구면을 구비한 원형 렌즈의 광축을 포함하는 영역을 평행한 평면에서 가늘고 길게 잘라낸 형상으로 형성되어 있다. 이 가늘고 긴 형상의 콜리메이터 렌즈는, 예컨대, 수지 또는 광학유리를 몰드 성형함으로써 형성할 수 있다. 콜리메이터 렌즈(11~17)는, 길이방향이 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 발광점의 배열방향(도 14의 좌우 방향)과 직교하도록, 상기 발광점의 배열방향으로 밀접하게 배치되어 있다.
한편, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)로서는, 발광폭이 2㎛의 활성층을 구비하고, 활성층과 평행한 방향, 직각인 방향의 퍼짐 각이 각각 예컨대 10°, 30°의 상태로 각각 레이저빔(B1~B7)을 발사하는 레이저가 이용되고 있다. 이들 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)는 활성층과 평행한 방향으로 발광점이 1열로 배열되도록 배치되어 있다.
따라서, 각 발광점에서 발사된 레이저빔(B1~B7)은, 상기한 바와 같이 가늘고 긴 형상의 각 콜리메이터 렌즈(11~17)에 대해서, 퍼짐 각도가 큰 방향이 길이방향과 일치하고, 퍼짐 각도가 작은 방향이 폭방향(길이방향과 직교하는 방향)과 일치하는 상태에서 입사하게 된다. 즉, 각 콜리메이터 렌즈(11~17)의 폭이 1.1mm, 길이가 4.6mm이며, 이들에 입사하는 레이저빔(B1~B7)의 수평방향, 수직방향의 빔 지름은 각각 0.9mm, 2.6mm이다. 또한, 콜리메이터 렌즈(11~17) 각각은 초점거리 f1=3mm, NA=0.6, 렌즈 배치 피치=1.25mm이다.
집광렌즈(20)는, 비구면을 구비한 원형 렌즈의 광축을 포함하는 영역을 평행한 평면에서 가늘고 길게 잘라내고, 콜리메이터 렌즈(11~17)의 배열방향, 즉 수평방향으로 길고, 이것과 직각인 방향으로 짧은 형상으로 형성되어 있다. 이 집광렌즈(20)는 초점거리 f2=23mm, NA=0.2이다. 이 집광렌즈(20)도, 예컨대, 수지 또는 광학유리를 몰드 성형함으로써 형성된다.
[노광장치의 동작]
다음에, 상기 노광장치의 동작에 대해서 설명한다.
스캐너(162)의 각 노광헤드(166)에 있어서, 파이버 어레이 광원(66)의 합파 레이저 광원을 구성하는 GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7) 각각으로부터 발산광 상태에서 출사된 레이저빔(B1,B2,B3,B4,B5,B6, 및 B7) 각각은, 대응하는 콜리메이터 렌즈(11~17)에 의해서 평행광화된다. 평행광화된 레이저빔(B1~B7)은 집광렌즈(20)에 의해 집광되고, 멀티모드 광 파이버(30)의 코어(30a)의 입사 끝면에 수속된다.
본 예에서는 콜리메이터 렌즈(11~17) 및 집광렌즈(20)에 의해 집광 광학계가 구성되고, 그 집광 광학계와 멀티모드 광 파이버(30)에 의해 합파 광학계가 구성되어 있다. 즉, 집광렌즈(20)에 의해 상술한 바와 같이 집광된 레이저빔(B1~B7)이, 상기 멀티모드 광 파이버(30)의 코어(30a)에 입사해서 광 파이버 내를 전파하고, 1개의 레이저빔(B)에 합파되어 멀티모드 광 파이버(30)의 출사단부에 결합된 광 파이버(31)로부터 출사된다.
각 레이저 모듈에 있어서, 레이저빔(B1~B7)의 멀티모드 광 파이버(30)로의 결합 효율이 0.85이고, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 각 출력이 30mW인 경우에는, 어레이상으로 배열된 광 파이버(31)의 각각에 대해서, 출력 180mW(=30mW×0.85×7)의 합파 레이저빔(B)을 얻을 수 있다. 따라서, 6개의 광 파이버(31)가 어레이상으로 배열된 레이저 출사부(68)에서의 출력은 약 1W(=180mW×6)이다.
파이버 어레이 광원(66)의 레이저 출사부(68)에는, 이와 같이 고휘도의 발광점이 주주사방향을 따라 1열로 배열되어 있다. 단일의 반도체 레이저로부터의 레이저광을 1개의 광 파이버에 결합시키는 종래의 파이버 광원은 저출력이기 때문에, 다수열 배열하지 않으면 소망의 출력을 얻을 수 없었지만, 본 실시형태에서 사용하는 합파 레이저 광원은 고출력이기 때문에, 소수열, 예컨대 1열로도 소망의 출력을 얻을 수 있다.
예컨대, 반도체 레이저와 광 파이버를 1대1로 결합시킨 종래의 파이버 광원에서는, 통상, 반도체 레이저로서는 출력 30mW(밀리와트)정도의 레이저가 사용되고, 광 파이버로서는 코어지름 50㎛, 클래드 지름 125㎛, NA(개구수) 0.2의 멀티모드 광 파이버가 사용되고 있으므로, 약 1W(와트)의 출력을 얻자고 하면, 멀티모드 광 파이버를 48개(8×6) 묶어야만 하고, 발광영역의 면적은 0.621㎟(0.675mm×0.925mm)이기 때문에, 레이저 출사부(68)에서의 휘도는 1.6×106(W/㎡), 광 파이버 1개당 휘도는 3.2×106(W/㎡)이다.
이것에 대해서, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 멀티모드 광 파이버 6개로 약 1W의 출력을 얻을 수 있고, 레이저 출사부(68)에서의 발광영역의 면적은 0.0081㎟(0.325mm×0.025mm)이기 때문에, 레이저 출사부(68)에서의 휘도는 123×106(W/㎡)이 되고, 종래에 비해 약 80배의 고휘도화를 도모할 수 있다. 또한, 광 파이버 1개당 휘도는 9O×106(W/㎡)이고, 종래에 비해 약 28배의 고휘도화를 도모할 수 있다.
여기서, 도 15(A) 및 도 15(B)를 참조하여, 종래의 노광헤드와 본 실시형태의 노광헤드의 초점 심도의 차이에 대해서 설명한다. 종래의 노광헤드의 번들상 파이버 광원의 발광영역의 부주사방향의 지름은 0.675mm이며, 본 실시형태의 노광헤드의 파이버 어레이 광원의 발광영역의 부주사방향의 지름은 0.025mm이다. 도 15(A)에 나타내는 바와 같이, 종래의 노광헤드에서는 광원(번들상 파이버 광원)(1)의 발광영역이 크므로, DMD(3)에 입사하는 광속의 각도가 크게 되고, 결과로서 주사면(5)에 입사하는 광속의 각도가 커진다. 그 때문에, 집광 방향(핀트 방향의 어긋남)에 대해서 빔 지름이 굵어지기 쉽다.
한편, 도 15(B)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 노광헤드에서는, 파이버 어레이 광원(66)의 발광영역의 부주사방향의 지름이 작으므로, 렌즈계(67)를 통과하여 DMD(50)에 입사되는 광속의 각도가 작게 되고, 결과로서 주사면(56)에 입사되는 광속의 각도가 작게 된다. 즉, 초점 심도가 깊게 된다. 이 예에서는, 발광영역의 부주사방향의 지름은 종래의 약 30배로 되어 있고, 거의 회절한계에 상당하는 초점 심도를 얻을 수 있다. 따라서, 미소 스폿의 노광에 바람직하다. 이 초점 심도에의 효과는, 노광헤드의 필요 광량이 클수록 현저하고, 유효하다. 이 예에서는, 노광면에 투영된 1화소 사이즈는 10㎛×10㎛이다. 또한, DMD는 반사형 공간 광변조소자이지만, 도 15(A) 및 도 15(B)는 광학적인 관계를 설명하기 위해 전개도로 하였다.
노광 패턴에 따른 화상 데이터가, DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되고, 컨트롤러 내의 프레임 메모리에 일단 기억된다. 이 화상 데이터는, 화상을 구성하는 각 화소의 농도를 2값(도트의 기록의 유무)으로 표시한 데이터다.
감광재료(150)를 표면에 흡착한 스테이지(152)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 게이트(160)의 상류측으로부터 하류측으로 일정 속도로 이동된다. 스테이지(152)가 게이트(160) 아래를 통과할 때에, 게이트(160)에 설치된 검지센서(164)에 의해 감광재료(150)의 선단이 검출되면, 프레임 메모리에 기억된 화상 데이터가 복수 라인분씩 순차 판독되고, 데이터 처리부에서 판독된 화상 데이터에 기초해서 각 노광헤드(166)마다 제어신호가 생성된다. 또한, 미러 구동 제어부에 의해, 생성된 제어신호에 기초해서 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 마이크로미러 각각이 온 오프제어된다.
파이버 어레이 광원(66)으로부터 DMD(50)에 레이저광이 조사되면, DMD(50)의 마이크로미러가 온 상태일 때에 반사된 레이저광은, 렌즈계(54,58)에 의해 감광재료(150)의 피노광면(56) 상에 결상된다. 이와 같이 하여, 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광이 화소마다 온오프되어, 감광재료(150)가 DMD(50)의 사용 화소수와 거의 동수의 화소단위[노광영역(168)]로 노광된다. 또한, 감광재료(150)가 스테이지(152)와 함께 일정 속도로 이동됨으로써, 감광재료(150)가 스캐너(162)에 의해 스테이지 이동방향과 반대인 방향으로 부주사되고, 각 노광헤드(166)마다 띠상의 노광이 끝난 영역(170)이 형성된다.
도 16(A) 및 도 16(B)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, DMD(50)에는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열되어 있지만, 본 실시형태에서는, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열(예컨대, 800개×100열)만이 구동되도록 제어한다.
도 16(A)에 나타내는 바와 같이, DMD(50)의 중앙부에 배치된 마이크로미러 열을 사용해도 좋고, 도 16(B)에 나타내는 바와 같이, DMD(50)의 단부에 배치된 마이크로미러 열을 사용해도 좋다. 또한, 일부의 마이크로미러에 결함이 발생한 경우는, 결함이 발생하지 않은 마이크로미러 열을 사용하는 등, 상황에 따라 사용하는 마이크로미러 열을 적절히 변경해도 좋다.
DMD(50)의 데이터 처리속도에는 한계가 있고, 사용하는 화소수에 비례하여 1라인당 변조속도가 결정되므로, 일부의 마이크로미러 열만을 사용함으로써 1라인당 변조속도가 빠르게 된다. 한편, 연속적으로 노광헤드를 노광면에 대해서 상대이동시키는 노광방식의 경우에는 부주사방향의 화소를 전부 사용할 필요는 없다.
예컨대, 600조의 마이크로미러 열의 안, 300조만 사용하는 경우에는, 600조 전부 사용하는 경우와 비교하면 1라인당 2배 빠르게 변조할 수 있다. 또한, 600조의 마이크로미러 열의 안, 200조만 사용하는 경우에는, 600조 전부 사용하는 경우와 비교하면 1라인당 3배 빠르게 변조할 수 있다. 즉, 부주사방향으로 500mm의 영역을 17초로 노광할 수 있다. 또한, 100조만 사용하는 경우에는 1라인당 6배 빠르게 변조할 수 있다. 즉, 부주사방향으로 500mm의 영역을 9초로 노광할 수 있다.
사용하는 마이크로미러 열의 수, 즉, 부주사방향으로 배열된 마이크로미러의개수는, 10이상이고 또한 200이하가 바람직하고, 10이상이고 또한 100이하가 보다 바람직하다. 1화소에 상당하는 마이크로미러 1개당 면적은 15㎛×15㎛이기 때문에, DMD(50)의 사용영역에 환산하면, 12mm×150㎛이상이고 또한 12mm×3mm이하의 영역이 바람직하고, 12mm×150㎛이상이고 또한 12mm×1.5mm이하의 영역이 보다 바람직하다.
사용하는 마이크로미러 열의 수가 상기 범위에 있으면, 도 17(A) 및 도 17(B)에 나타내는 바와 같이, 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광을 렌즈계(67)에서 거의 평행광화하여, DMD(50)에 조사할 수 있다. DMD(50)에 의해 레이저광을 조사하는 조사 영역은 DMD(50)의 사용영역과 일치하는 것이 바람직하다. 조사 영역이 사용영역에서도 넓으면 레이저광의 이용효율이 저하한다.
한편, DMD(50) 상에 집광시키는 광빔의 부주사방향의 지름을, 렌즈계(67)에 의해 부주사방향으로 배열된 마이크로미러의 개수에 따라 작게 할 필요가 있지만, 사용하는 마이크로미러 열의 수가 10미만이면, DMD(50)에 입사되는 광속의 각도가 크게 되고, 주사면(56)에 있어서의 광빔의 초점 심도가 얕게 되므로 바람직하지 않다. 또한, 사용하는 마이크로미러 열의 수가 200이하가 변조속도의 관점에서 바람직하다. 또한, DMD는 반사형 공간 광변조소자이지만, 도 17(A) 및 도 17 (B)은 광학적인 관계를 설명하기 위해 전개도로 하였다.
스캐너(162)에 의한 감광재료(150)의 부주사가 종료하고, 검지센서(164)에 의해 감광재료(150)의 후단이 검출되면, 스테이지(152)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 게이트(160)의 최상류측에 있는 원점으로 복귀하고,다시, 가이드(158)를 따라 게이트(160)의 상류측으로부터 하류측으로 일정 속도로 이동된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 노광장치는 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열된 DMD를 구비하고 있지만, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열만이 구동되도록 제어하는 것이므로, 전부의 마이크로미러 열을 구동할 경우에 비해서, 1라인당 변조속도가 빠르게 된다. 이것에 의해 고속으로의 노광이 가능하게 된다.
또한, DMD를 조명하는 광원에, 합파 레이저 광원의 광 파이버의 출사단부를 어레이상으로 배열한 고휘도의 파이버 어레이 광원을 이용하고 있으므로, 고출력이고 또한 깊은 초점 심도를 구비한 노광장치를 실현할 수 있다. 또한, 각 파이버 광원의 출력이 크게 됨으로써, 소망의 출력을 얻기 위해 필요한 파이버 광원수가 적게 되고, 노광장치의 저비용화가 도모된다.
특히, 본 실시형태에서는, 광 파이버의 출사단의 클래드 지름을 입사단의 클래드 지름보다 작게 함으로써, 발광부 지름이 보다 작게 되고, 파이버 어레이 광원의 고휘도화가 도모된다. 이것에 의해, 보다 깊은 초점 심도를 구비한 노광장치를 실현할 수 있다. 예컨대, 빔 지름 1㎛이하, 해상도 0.1㎛이하의 초고해상도 노광의 경우에도 깊은 초점 심도를 얻을 수 있고, 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 노광이 가능하게 된다. 따라서, 고해상도가 필요로 되는 박막 트랜지스터(TFT)의 노광공정에 바람직하다.
이어서, 이상 설명한 노광장치의 변형예 등에 대해서 설명한다.
[노광장치의 용도]
상기 노광장치는, 예컨대, 프린트 배선기판(PWB;Printed Wiring Board)의 제조공정에 있어서의 드라이 필름 레지스트(DFR;Dry Film Resist)의 노광, 액정표시장치(LCD)의 제조공정에 있어서의 컬러 필터의 형성, TFT의 제조공정에 있어서의 DFR의 노광, 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)의 제조공정에 있어서의 DFR의 노광 등의 용도에 바람직하게 이용할 수 있다.
또한, 상기 노광장치는, 레이저 조사에 의해 재료의 일부를 증발, 비산 등 시켜서 제거하는 레이저 박피나 소결, 리소그래피 등의 각종 레이저 가공에도 사용할 수 있다. 상기 노광장치는 고출력이며, 고속 또한 긴 초점 심도에서의 노광이 가능한 것 때문에, 레이저 박피 등에 의한 미세가공에 사용할 수 있다. 예컨대, 현상 처리를 행하는 대신에 레지스트를 박피에 의해 패턴을 따라 제거하여 PWB를 작성하거나, 레지스트를 사용하지 않고 직접 박피로 PWB의 패턴을 형성하는데에, 상기 노광장치를 사용할 수 있다. 또한, 다수의 용액의 혼합, 반응, 분리, 검출 등을 유리나 플라스틱 칩에 집적한 래버러토리 온 칩에 있어서의, 홈폭 수십㎛의 미소 유로의 형성에도 사용할 수 있다.
특히, 상기 노광장치는, 파이버 어레이 광원에 GaN계 반도체 레이저를 이용하고 있으므로, 상술의 레이저 가공에 바람직하게 사용할 수 있다. 즉, GaN계 반도체 레이저는 단 펄스 구동이 가능하고, 레이저 박피 등에도 충분한 파워를 얻을 수 있다. 또한, 반도체 레이저이기 때문에, 구동속도가 느린 고체 레이저와 다르고, 반복 주파수 10MHz정도에서의 고속구동이 가능하고, 고속 노광이 가능하다. 또한,금속은 파장 400nm부근의 레이저광의 광흡수율이 크고, 열에너지로의 변환이 용이하기 때문에, 레이저 박피 등을 고속으로 행할 수 있다.
또한, TFT의 패터닝에 사용되는 액체 레지스트나 컬러 필터를 패터닝하기 위해 사용되는 액체 레지스트를 노광하는 경우에는, 산소 저해에 의한 감도저하(감소감)을 없애기 위해서, 질소분위기 하에서 피노광재료를 노광하는 것이 바람직하다. 질소분위기 하에서 노광함으로써 광중합반응의 산소 저해가 억제되어 레지스트가 고감도화되고, 고속 노광이 가능하게 된다.
또한, 상기 노광장치에는, 노광에 의해 직접 정보가 기록되는 포톤 모드 감광재료, 노광에 의해 발생한 열에 의해 정보가 기록되는 히트 모드 감광재료 모두 사용할 수 있다. 포톤 모드 감광재료를 사용하는 경우, 레이저장치에는 GaN계 반도체 레이저, 파장변환 고체 레이저 등이 사용되고, 히트 모드 감광재료를 사용하는 경우, 레이저장치에는 AlGaAs계 반도체 레이저(적외 레이저), 고체 레이저가 사용된다.
[기타 공간 광변조소자]
상기 실시형태에서는, DMD의 마이크로미러를 부분적으로 구동하는 예에 대해서 설명하였지만, 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 기판 상에, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 2차원상으로 배열된 가늘고 긴 DMD를 이용해도, 반사면의 각도를 제어하는 마이크로미러의 개수가 적어지므로, 마찬가지로 변조속도를 빠르게 할 수 있다.
상기 실시형태에서는, 공간 광변조소자로서 DMD를 구비한 노광헤드에 대해서 설명하였지만, 예컨대, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 타입의 공간 광변조소자(SLM;Spacial Light Modulator)이나, 전기광학효과에 의해 투과광을 변조하는 광학소자(PLZT소자)나 액정광 셔터(FLC) 등, MEMS 타입 이외의 공간 광변조소자를 이용한 경우에도, 기판 상에 배열된 전체 화소부에 대해 일부의 화소부를 사용함으로써, 1화소당, 1주주사라인당 변조속도를 빠르게 할 수 있으므로, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
MEMS 타입의 공간 광변조소자로서, 예컨대, 리본상의 반사면을 구비하고 또한 제어신호에 따라 이동가능한 가동격자와, 리본상의 반사면을 구비한 고정격자를 교대로 다수개 병렬 배치하여 구성한 회절격자 라이트 밸브(GLV)소자나, GLV소자가 어레이상으로 배열된 라이트 밸브 어레이를 이용할 수 있다.
또한, MEMS는 IC제조 프로세스를 기반으로 한 마이크로 머시닝 기술에 의한 마이크로 사이즈의 센서, 엑추에이터, 또한 제어회로를 집적화한 미세 시스템의 총칭이며, MEMS 타입의 공간 광변조소자는, 정전기력을 이용한 전기기계동작에 의해 구동되는 공간 광변조소자를 의미하고 있다.
[기타 노광방식]
도 18에 나타내는 바와 같이, 상기 실시형태와 마찬가지로, 스캐너(162)에 의한 X방향으로의 1회의 주사로 감광재료(150)의 전체면을 노광해도 좋고, 도 19(A) 및 도 19(B)에 나타내는 바와 같이, 스캐너(162)에 의해 감광재료(150)를 X방향으로 주사한 후, 스캐너(162)를 Y방향으로 1스텝 이동하고, X방향으로 주사를행하는 바와 같이, 주사와 이동을 반복하여, 복수회의 주사로 감광재료(150)의 전체면을 노광하도록 해도 좋다. 또한, 이 예에서는, 스캐너(162)는 18개의 노광헤드(166)를 구비하고 있다.
[기타 레이저장치(광원)]
상기 실시형태에서는, 합파 레이저 광원을 복수 구비한 파이버 어레이 광원을 이용하는 예에 대해서 설명하였지만, 레이저장치는, 합파 레이저 광원을 어레이화한 파이버 어레이 광원에는 한정되지 않는다. 예컨대, 1개의 발광점을 갖는 단일의 반도체 레이저로부터 입사된 레이저광을 출사하는 1개의 광 파이버를 구비한 파이버 광원을 어레이화한 파이버 어레이 광원을 이용할 수 있다. 그러나, 보다 바람직하게는, 초점 심도가 깊은 합파 레이저 광원이 좋다.
또한, 복수의 발광점을 구비한 광원으로서는, 예컨대, 도 20에 나타내는 바와 같이, 히트 블록(100) 상에, 복수(예컨대, 7개)의 칩상의 반도체 레이저(LD1~LD7)를 배열한 레이저 어레이를 이용할 수 있다. 또한, 도 21(A)에 나타내는, 복수(예컨대, 5개)의 발광점(110a)이 소정 방향으로 배열된 칩상의 멀티 캐비티 레이저(110)가 알려져 있다. 멀티 캐비티 레이저(110)는, 칩상의 반도체 레이저를 배열하는 경우와 비교하여, 발광점을 위치 정밀도 좋게 배열할 수 있으므로, 각 발광점으로부터 출사되는 레이저빔을 합파하기 쉽다. 단, 발광점이 많게 되면 레이저 제조시에 멀티 캐비티 레이저(110)에 휨이 발생하기 쉬워지기 때문에, 발광점(110a)의 개수는 5개이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 노광헤드에서는, 상기 멀티 캐비티 레이저(110)나, 도 21(B)에 나타내는 바와 같이, 히트 블록(100) 상에, 복수의 멀티 캐비티 레이저(110)가 각 칩의 발광점(110a)의 배열방향과 동일한 방향으로 배열된 멀티 캐비티 레이저 어레이를, 레이저장치(광원)로서 이용할 수 있다.
또한, 합파 레이저 광원은, 복수의 칩상의 반도체 레이저로부터 출사된 레이저광을 합파하는 것에는 한정되지 않는다. 예컨대, 도 22에 나타내는 바와 같이, 복수(예컨대, 3개)의 발광점(110a)을 갖는 칩상의 멀티 캐비티 레이저(110)를 구비한 합파 레이저 광원을 이용할 수 있다. 이 합파 레이저 광원은, 멀티 캐비티 레이저(110)와, 1개의 멀티모드 광 파이버(130)와, 집광렌즈(120)를 구비하여 구성되어 있다. 멀티 캐비티 레이저(110)는, 예컨대, 발진파장이 405nm의 GaN계 레이저 다이오드로 구성할 수 있다.
상기 구성에서는, 멀티 캐비티 레이저(110)의 복수의 발광점(110a) 각각으로부터 출사된 레이저빔(B) 각각은 집광렌즈(120)에 의해 집광되고, 멀티모드 광 파이버(130)의 코어(130a)에 입사된다. 코어(130a)에 입사된 레이저광은 광 파이버 내를 전파하고, 1개로 합파되어 출사된다.
멀티 캐비티 레이저(110)의 복수의 발광점(110a)을, 상기 멀티모드 광 파이버(130)의 코어지름과 거의 같은 폭내에 병설함과 아울러, 집광렌즈(120)로서, 멀티모드 광 파이버(130)의 코어지름과 거의 같은 초점거리의 볼록렌즈나, 멀티 캐비티 레이저(110)로부터의 출사빔을 그 활성층에 수직인 면내에만 콜리메이트하는 로드 렌즈를 이용함으로써, 레이저빔(B)의 멀티모드 광 파이버(130)로의 결합 효율을 올릴 수 있다.
또한, 도 23에 나타내는 바와 같이, 복수(예컨대, 3개)의 발광점을 구비한 멀티 캐비티 레이저(110)를 이용하고, 히트 블록(111) 상에 복수(예컨대, 9개)의 멀티 캐비티 레이저(110)가 서로 등간격으로 배열된 레이저 어레이(140)를 구비한 합파 레이저 광원을 이용할 수 있다. 복수의 멀티 캐비티 레이저(110)는 각 칩의 발광점(110a)의 배열방향과 동일한 방향으로 배열되어 고정되어 있다.
이 합파 레이저 광원은, 레이저 어레이(140)와, 각 멀티 캐비티 레이저(110)에 대응시켜 배치한 복수의 렌즈 어레이(114)와, 레이저 어레이(140)와 복수의 렌즈 어레이(114) 사이에 배치된 1개의 로드 렌즈(113)와, 1개의 멀티모드 광 파이버(130)와, 집광렌즈(120)를 구비하여 구성되어 있다. 렌즈 어레이(114)는 멀티 캐비티 레이저(110)의 발광점에 대응한 복수의 마이크로 렌즈를 구비하고 있다.
상기 구성에서는, 복수의 멀티 캐비티 레이저(110)의 복수의 발광점(10a) 각각으로부터 출사된 레이저빔(B) 각각은, 로드 렌즈(113)에 의해 소정 방향으로 집광된 후, 렌즈 어레이(114)의 각 마이크로 렌즈에 의해 평행광화된다. 평행광화된 레이저빔(L)은 집광렌즈(120)에 의해 집광되고, 멀티모드 광 파이버(130)의 코어(130a)에 입사된다. 코어(130a)에 입사된 레이저광은 광 파이버 내를 전파하고, 1개로 합파되어 출사된다.
또 다른 합파 레이저 광원의 예를 나타낸다. 이 합파 레이저 광원은, 도 24(A) 및 도 24(B)에 나타내는 바와 같이, 대략 직사각형상의 히트 블록(180) 상에 광축방향의 단면이 L자 형상의 히트 블록(182)이 탑재되고, 2개의 히트 블록 사이에 수납공간이 형성되어 있다. L자 형상의 히트 블록(182)의 상면에는, 복수의 발광점(예컨대, 5개)이 어레이상으로 배열된 복수(예컨대, 2개)의 멀티 캐비티 레이저(110)가, 각 칩의 발광점(110a)의 배열방향과 동일한 방향으로 등간격으로 배열되어 고정되어 있다.
대략 직사각형상의 히트 블록(180)에는 오목부가 형성되고 있곤, 히트 블록(180)의 공간측 상면에는, 복수의 발광점(예컨대, 5개)이 어레이상으로 배열된 복수(예컨대, 2개)의 멀티 캐비티 레이저(110)가, 그 발광점이 히트 블록(182)의 상면에 배치된 레이저 칩의 발광점과 동일한 연직면 상에 위치하도록 배치되어 있다.
멀티 캐비티 레이저(110)의 레이저광 출사측에는, 각 칩의 발광점(110a)에 대응하여 콜리메이터 렌즈가 배열된 콜리메이터 렌즈 어레이(184)가 배치되어 있다. 콜리메이터 렌즈 어레이(184)는, 각 콜리메이터 렌즈의 길이방향과 레이저빔의 퍼짐 각이 큰 방향(빠른 축방향)과 일치하고, 각 콜리메이터 렌즈의 폭방향이 퍼짐 각이 작은 방향(느린 축방향)과 일치하도록 배치되어 있다. 이와 같이, 콜리메이터 렌즈를 어레이화하여 일체화함으로써, 레이저광의 공간이용효율이 향상하고 합파 레이저 광원의 고출력화가 도모됨과 아울러, 부품점수가 감소하여 저비용화할 수 있다.
또한, 콜리메이터 렌즈 어레이(184)의 레이저광 출사측에는, 1개의 멀티모드 광 파이버(130)와, 이 멀티모드 광 파이버(130)의 입사단에 레이저빔을 집광하여 결합하는 집광렌즈(120)가 배치되어 있다.
상기 구성에서는, 레이저 블록(180,182) 상에 배치된 복수의 멀티 캐비티 레이저(110)의 복수의 발광점(10a) 각각으로부터 출사된 레이저빔처(B) 각각은, 콜리메이터 렌즈 어레이(184)에 의해 평행광화되고, 집광렌즈(120)에 의해 집광되어, 멀티모드 광 파이버(130)의 코어(130a)에 입사된다. 코어(130a)에 입사된 레이저광은 광 파이버 내를 전파되고, 1개로 합파되어 출사된다.
이 합파 레이저 광원은, 상기와 같이, 멀티 캐비티 레이저의 다단 배치와 콜리메이터 렌즈의 어레이화에 의해, 특히 고출력화를 도모할 수 있다. 이 합파 레이저 광원을 이용함으로써, 보다 고휘도의 파이버 어레이 광원이나 번들 파이버 광원을 구성할 수 있으므로, 본 발명의 노광장치의 레이저 광원을 구성하는 파이버 광원으로서 특히 바람직하다.
또한, 상기 각 합파 레이저 광원을 케이싱 내에 수납하고, 멀티모드 광 파이버(130)의 출사단부를 그 케이싱으로부터 인출한 레이저 모듈을 구성할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 합파 레이저 광원의 멀티모드 광 파이버의 출사단에, 코어지름이 멀티모드 광 파이버로 동일하고 또한 클래드 지름이 멀티모드 광 파이버보다 작은 다른 광 파이버를 결합하여 파이버 어레이 광원의 고휘도화를 도모하는 예에 대해서 설명하였지만, 예컨대, 도 29에 나타내는 바와 같이, 클래드 지름이 125㎛, 80㎛, 60㎛ 등의 멀티모드 광 파이버(30)를, 출사단에 다른 광 파이버를 결합하지 않고 사용해도 좋다.
[광량분포 보정 광학계]
상기 실시형태에서는, 노광헤드에 1쌍의 조합 렌즈로 이루어지는 광량분포 보정 광학계를 이용하고 있다. 이 광량분포 보정 광학계는, 광축에 가까운 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비가 입사측에 비해서 출사측쪽이 작게 되도록 각 출사위치에 있어서의 광속폭을 변화시켜, 광원으로부터의 평행 광속을 DMD에 조사할 때에, 피조사면에서의 광량분포가 거의 균일하게 되도록 보정한다. 이하, 이 광량분포 보정 광학계의 작용에 대해서 설명한다.
우선, 도 25(A)에 나타낸 바와 같이, 입사 광속과 출사 광속으로, 그 전체의 광속폭(전체 광속폭)(H0,H1)이 동일한 경우에 대해서 설명한다. 또한, 도 25(A)에 있어서, 부호 51,52로 나타낸 부분은 광량분포 보정 광학계에 있어서의 입사면 및 출사면을 가상적으로 나타낸 것이다.
광량분포 보정 광학계에 있어서, 광축(Z1)에 가까운 중심부에 입사한 광속과, 주변부에 입사한 광속의 각각의 광속폭(h0,h1)이, 동일한 것으로 한다(h0=hl). 광량분포 보정 광학계는, 입사측에 있어서 동일한 광속폭(h0,h1)인 광에 대하여, 중심부의 입사 광속에 대해서는, 그 광속폭(h0)을 확대하고, 반대로, 주변부의 입사 광속에 대해서는 그 광속폭(h1)을 축소하는 작용을 실시한다. 즉, 중심부의 출사 광속의 폭(h10)과, 주변부의 출사 광속의 폭(h11)에 대해서, h11<h10이 되도록 한다. 광속폭의 비율로 표시하면, 출사측에 있어서의 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비「h11/h10」가, 입사측에 있어서의 비(h1/h0=1)에 비해서 작게 되어 있다[(h11/h10)<1].
이와 같이 광속폭을 변화시킴으로써, 통상에는 광량분포가 크게 되고 있는 중앙부의 광속을, 광량이 부족한 주변부에 살려 둘 수 있고, 전체적으로 광의 이용효율을 떨어뜨리지 않고, 피조사면에서의 광량분포가 거의 균일화된다. 균일화의 정도는, 예컨대, 유효영역 내에 있어서의 광량 얼룩이 30%이내, 바람직하게는 20%이내가 되도록 한다.
이와 같은 광량분포 보정 광학계에 의한 작용, 효과는 입사측과 출사측에서, 전체의 광속폭을 바꿀 경우[도 25(B),(C)]에 있어서도 마찬가지이다.
도 25(B)는, 입사측의 전체의 광속폭 H0을, 폭 H2로 "축소" 하여 출사하는 경우(H0>H2)를 나타내고 있다. 이와 같은 경우에 있어서도, 광량분포 보정 광학계는, 입사측에 있어서 동일한 광속폭(h0,h1)인 광을, 출사측에 있어서, 중앙부의 광속폭(h10)이 주변부에 비해서 크게 되고, 반대로, 주변부의 광속폭(h11)이 중심부에 비해서 작게 되도록 한다. 광속의 축소율로 생각하면, 중심부의 입사 광속에 대한 축소율을 주변부에 비해서 작게 하고, 주변부의 입사 광속에 대한 축소율을 중심부에 비해서 크게 하는 작용을 실시하고 있다. 이 경우에도, 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비「h11/h10」가, 입사측에 있어서의 비(h1/h0=1)에 비해서 작게 된다[(h11/h10)<1].
도 25(C)는 입사측의 전체의 광속폭 H0을, 폭 H3으로 "확대" 하여 출사하는 경우(H0<H3)를 나타내고 있다. 이와 같은 경우에 있어서도, 광량분포 보정 광학계는, 입사측에 있어서 동일한 광속폭(h0,h1)인 광을, 출사측에 있어서, 중앙부의 광속폭(h10)이 주변부에 비해서 크게 되고, 반대로, 주변부의 광속폭(h11)이 중심부에 비해서 작게 되도록 한다. 광속의 확대율로 생각하면, 중심부의 입사 광속에 대한 확대율을 주변부에 비해서 크게 하고, 주변부의 입사 광속에 대한 확대율을 중심부에 비해서 작게 하는 작용을 실시하고 있다. 이 경우에도, 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비「h11/h10」가, 입사측에 있어서의 비(h1/h0=1)에 비해서 작게 된다[(h11/h10)<1].
이와 같이, 광량분포 보정 광학계는, 각 출사위치에 있어서의 광속폭을 변화시켜, 광축(Z1)에 가까운 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비를 입사측에 비해서 출사측쪽이 작게 되도록 한 것이므로, 입사측에 있어서 동일한 광속폭인 광이, 출사측에 있어서는, 중앙부의 광속폭이 주변부에 비해서 크게 되고, 주변부의 광속폭은 중심부에 비해서 작게 된다. 이것에 의해, 중앙부의 광속을 주변부에 살려 둘 수 있고, 광학계 전체로서의 광의 이용효율을 떨어뜨리지 않고, 광량분포의 거의 균일화된 광속 단면을 형성할 수 있다.
다음에, 광량분포 보정 광학계로서 사용하는 1쌍의 조합 렌즈의 구체적인 렌즈 데이터의 일례를 나타낸다. 이 예에서는, 광원이 레이저 어레이 광원인 경우와 같이, 출사 광속의 단면에서의 광량분포가 가우스 분포인 경우의 렌즈 데이터를 나타낸다. 또한, 싱글모드 광 파이버의 입사단에 1개의 반도체 레이저를 접속한 경우에는, 광 파이버로부터의 출사 광속의 광량분포가 가우스 분포로 된다. 본 실시형태는 이와 같은 경우에도 적용가능하다. 또한, 멀티모드 광 파이버의 코어지름을 작게 해서 싱글모드 광 파이버의 구성에 가까이 하는 것 등에 의해 광축에 가까운 중심부의 광량이 주변부의 광량보다 큰 경우에도 적용가능하다.
하기 표1에 기본 렌즈 데이터를 나타낸다.
기본 렌즈 데이터
Si(면번호) ri(곡률반경) di(면간격) Ni(굴절율)
01020304 비구면∞∞비구면 5.00050.0007.000 1.528111.52811
표1로부터 알 수 있는 바와 같이, 1쌍의 조합 렌즈는, 회전 대칭의 2개의 비구면 렌즈로 구성되어 있다. 광입사측에 배치된 제 1 렌즈의 광입사측의 면을 제 1 면, 광출사측의 면을 제 2 면으로 하면, 제 1 면은 비구면 형상이다. 또한, 광출사측에 배치된 제 2 렌즈의 광입사측의 면을 제 3 면, 광출사측의 면을 제 4 면으로 하면, 제 4 면이 비구면 형상이다.
표1에 있어서, 면번호(Si)는 i번째(i=1~4)의 면의 번호를 나타내고, 곡률반경(ri)은 i번째의 면의 곡률반경을 나타내고, 면간격(di)은 i번째의 면과 i+1번째의 면의 광축 상의 면간격을 나타낸다. 면간격(di)값의 단위는 밀리미터(mm)이다. 굴절율(Ni)은 i번째의 면을 구비한 광학요소의 파장 405nm에 대한 굴절율의 값을 나타낸다.
하기 표2에 제 1 면 및 제 4 면의 비구면 데이터를 나타낸다.
상기 비구면 데이터는 비구면 형상을 표시하는 하기 식(A)에 있어서의 계수로 표시된다.
[수식1]
.....(A)
상기 식(A)에 있어서 각 계수를 이하와 같이 정의한다.
Z: 광축으로부터 높이(ρ)의 위치에 있는 비구면 상의 점으로부터, 비구면의 정점의 접촉평면(광축에 수직인 평면)에 내린 수선의 길이(mm)
ρ:광축으로부터의 거리(mm)
K:원추 계수
C:근축(近軸)곡률(1/r,r:근축곡률반경)
ai:제 i 차(i=3~10)의 비구면계수
표2에 나타낸 수치에 있어서, 기호 "E"는, 그 다음에 계속되는 수치가 10을 바닥으로 한 "지수"인 것을 나타내고, 그 10을 바닥으로 한 지수함수로 표시되는 수치가 "E" 앞의 수치에 곱셈되는 것을 나타낸다. 예컨대, 「1.0E-02」이면, 「1.0×10-2」인 것을 나타낸다.
도 27은, 상기 표1 및 표2에 나타내는 1쌍의 조합 렌즈에 의해 얻어지는 조명광의 광량분포를 나타내고 있다. 가로축은 광축으로부터의 좌표를 나타내고, 세로축은 광량비(%)를 나타낸다. 또한, 비교를 위해, 도 26에, 보정을 행하지 않은 경우의 조명광의 광량분포(가우스 분포)을 나타낸다. 도 26 및 도 27로부터 알 수 있는 바와 같이, 광량분포 보정 광학계로 보정을 행함으로써, 보정을 행하지 않은 경우와 비교하여, 거의 균일화된 광량분포가 얻어지고 있다. 이것에 의해, 노광헤드에 있어서의 광의 이용효율을 떨어뜨리지 않고, 균일한 레이저광으로 얼룩없이 노광을 행할 수 있다. 한편, 일반적으로 잘 이용되는 로드 인티그레이터나 플라이 아이 렌즈 등을 이용하여도 좋다.
[기타 결상광학계]
상기 실시형태에서는, 노광헤드에 사용하는 DMD의 광반사측에, 결상광학계로서 2조의 렌즈를 배치했지만, 레이저광을 확대해서 결상하는 결상광학계를 배치해도 좋다. DMD에 의해 반사되는 광속선의 단면적을 확대함으로써, 피노광면에 있어서의 노광영역면적(화상영역)을 소망의 크기로 확대할 수 있다.
예컨대, 노광헤드를, 도 28(A)에 나타내는 바와 같이, DMD(50), DMD(50)에 레이저광을 조사하는 조명장치(144), DMD(50)에서 반사된 레이저광을 확대해서 결상하는 렌즈계(454,458), DMD(50)의 각 화소에 대응하여 다수의 마이크로 렌즈(474)가 배치된 마이크로 렌즈 어레이(472), 마이크로 렌즈 어레이(472)의 각 마이크로 렌즈에 대응해서 다수의 조리개(478)가 설치된 조리개 어레이(476), 조리개를 통과한 레이저광을 피노광면(56)에 결상하는 렌즈계(480,482)로 구성할 수 있다.
이 노광헤드에서는, 조명장치(144)로부터 레이저광이 조사되면, DMD(50)에 의해 온 방향으로 반사되는 광속선의 단면적이, 렌즈계(454,458)에 의해 수배(예컨대, 2배)로 확대된다. 확대된 레이저광은, 마이크로 렌즈 어레이(472)의 각 마이크로 렌즈에 의해 DMD(50)의 각 화소에 대응해서 집광되고, 조리개 어레이(476)의 대응하는 조리개를 통과한다. 조리개를 통과한 레이저광은 렌즈계(480,482)에 의해 피노광면(56) 상에 결상된다.
이 결상광학계에서는, DMD(50)에 의해 반사된 레이저광은, 확대 렌즈(454,458)에 의해 수배로 확대되어 피노광면(56)에 투영되므로, 전체의 화상영역이 넓게 된다. 이 때, 마이크로 렌즈 어레이(472) 및 조리개 어레이(476)가 배치되어 있지 않으면, 도 28(B)에 나타내는 바와 같이, 피노광면(56)에 투영되는 각 빔 스폿(BS)의 1화소 사이즈(스폿 사이즈)가 노광영역(468)의 사이즈에 따라 큰 것이 되고, 노광영역(468)의 선명도를 표시하는 MTF(Modulation Transfer Function) 특성이 저하한다.
한편, 마이크로 렌즈 어레이(472) 및 조리개 어레이(476)를 배치한 경우에는, DMD(50)에 의해 반사된 레이저광은, 마이크로 렌즈 어레이(472)의 각 마이크로 렌즈에 의해 DMD(50)의 각 화소에 대응해서 집광된다. 이것에 의해, 도 28(C)에 나타내는 바와 같이, 노광영역이 확대된 경우에도, 각 빔 스폿(BS)의 스폿 사이즈를 소망의 크기(예컨대, 10㎛×10㎛)로 축소할 수 있고, MTF 특성의 저하를 방지하여 고정밀 및 고세밀한 노광을 행할 수 있다. 또한, 노광영역(468)이 경사져 있는 것은, 화소간의 간극을 없애기 위해서 DMD(50)를 경사지게 배치하고 있기 때문이다.
또한, 마이크로 렌즈의 수차(aberration)에 의한 빔의 굵기가 있어도, 조리개에 의해 피노광면(56) 상에서의 스폿 사이즈가 일정한 크기가 되도록 빔을 정형 할 수 있음과 아울러, 각 화소에 대응해서 설치된 조리개를 통과시킴으로써, 인접하는 화소간에서의 크로스 토크를 방지할 수 있다.
또한, 조명장치(144)에 상기 실시형태와 마찬가지로 고휘도 광원을 사용함으로써, 렌즈(458)로부터 마이크로 렌즈 어레이(472)의 각 마이크로 렌즈에 입사되는 광속의 각도가 작게 되므로, 인접하는 화소의 광속의 일부가 입사되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 고 소광비를 실현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 노광헤드 및 노광장치는, 공간 광변조소자를 구비하고 있지만, 이 공간 광변조소자의 변조속도를 빠르게 하여, 고속 노광을 행할 수 있다라는 효과를 거둘 수 있다.
(제 2 실시형태)
제 2 실시형태는, 화상 데이터에 따라 공간 광변조소자에 의해 변조된 광빔으로 광경화성 수지를 노광하여 3차원 모델을 조형하는 광 조형장치의 실시형태이다.
[광 조형장치]
본 발명의 실시형태에 관한 광 조형장치는, 도 32에 나타내는 바와 같이, 상방으로 개구한 용기(156)를 구비하고 있어, 용기(156) 내에는 액상의 광경화성 수지(150)가 수용되어 있다. 또한, 용기(156) 내에는, 평판형상의 승강 스테이지(152)가 배치되고 있고, 이 승강 스테이지(152)는, 용기(156) 밖에 배치된 지지부(154)에 지지되어 있다. 지지부(154)에는, 수나사부(154A)가 설치되어 있고, 이 수나사부(154A)는, 도시하지 않은 구동모터에 의해 회전가능하게 된 리드 스쿠루(155)가 나사결합되어 있다. 이 리드 스쿠루(155)의 회전에 따라, 승강 스테이지(152)가 승강된다.
용기(156) 내에 수용된 광경화성 수지(152)의 액면 상방에는, 상자형상의 스캐너(162)가 그 길이방향을 용기(156)의 두께방향을 향해서 배치되어 있다. 스캐너(162)는, 두께방향의 양측면에 설치된 2개의 지지 암(160)에 의해 지지되어 있다. 또한, 스캐너(162)는, 이것을 제어하는 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다.
또한, 용기(156)의 길이방향의 양측면에는, 부주사방향으로 연장된 가이드(158)가 각각 설치되어 있다. 2개의 지지 암(160)의 하단부가, 이 가이드(158)에 부주사방향을 따라 왕복이동가능하게 설치되어 있다. 또한, 이 광 조형장치에는, 지지 암(160)과 함께 스캐너(162)를 가이드(158)를 따라 구동하기 위한 도시하지 않은 구동장치가 설치되어 있다.
스캐너(162)는, 도 33에 나타내는 바와 같이,(예컨대, 3행5열)의 대략 매트릭스상으로 배열된 복수(예컨대, 14개)의 노광헤드(166)를 구비하고 있다. 이 예에서는, 용기(156)의 두께방향의 폭과의 관계에서, 3행째에는 4개의 노광헤드(166)를 배치했다. 또한, m행의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드를 나타내는 경우는, 노광헤드 166mn으로 표기한다.
노광헤드(166)에 의한 노광영역(168)은, 부주사방향을 단변으로 하는 직사각형상이다. 따라서, 스캐너(162)의 이동에 따라, 광경화성 수지(152)의 액면에는 노광헤드(166)마다 띠상의 노광이 끝난 영역(경화영역)(170)이 형성된다. 또한, m행의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드에 의한 노광영역을 나타내는 경우는, 노광영역 168mn으로 표기한다.
노광헤드(16611~166mn) 각각의 구성, 동작, 및 변형예는, 제 1 실시형태와 마찬가지이다. 단, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 파장대역은 350~420nm이 보다 바람직하다. 저비용의 GaN계 반도체 레이저를 이용한다는 점에서는 파장 408nm이 특히 바람직하다.
또한, DMD(50)에는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열되어 있지만, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열(예컨대, 800개×100열)만이 구동되도록 제어하는 점도 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
상기 광 조형장치에서는 1층분의 노광패턴에 따른 화상 데이터가, DMD(50)에접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되고, 컨트롤러 내의 프레임 메모리에 일단 기억된다. 이 화상 데이터는, 화상을 구성하는 각 화소의 농도를 2값(도트의 기록의 유무)으로 표시한 데이터이다.
스캐너(162)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 부주사방향의 상류측으로부터 하류측으로 일정 속도로 이동된다. 스캐너(162)의 이동이 개시되면, 프레임 메모리에 기억된 화상 데이터가 복수 라인분씩 순차 판독되고, 데이터 처리부에서 판독된 화상 데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다 제어신호가 생성된다. 또한, 미러 구동 제어부에 의해, 생성된 제어신호에 기초해서 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 마이크로미러 각각이 온 오프제어된다.
파이버 어레이 광원(66)으로부터 DMD(50)에 레이저광이 조사되면, DMD(50)의 마이크로미러가 온 상태일 때에 반사된 레이저광은, 렌즈계(54,58)에 의해 광경화성 수지(150)의 액면(피노광면)(56) 상에 결상된다. 이와 같이 하여, 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광이 화소마다 온 오프되어, 광경화성 수지(150)가 DMD(50)의 사용 화소수와 거의 동수의 화소단위[노광영역(168)]로 노광되어 경화한다. 또한, 스캐너(162)가 일정 속도로 이동됨으로써, 광경화성 수지(150)의 액면이 부주사되고, 각 노광헤드(166)마다 띠상의 경화 영역(170)이 형성된다.
스캐너(162)에 의한 1회의 부주사에 의해 1층분의 경화가 종료하면, 스캐너(162)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 최상류측에 있는 원점으로 복귀한다. 이어서, 도시하지 않은 구동모터에 의해 리드 스쿠루(155)를 회전시켜 승강 스테이지(152)를 소정량 강하시켜, 광경화성 수지(150)의 경화 부분을액면 아래에 가라앉히고, 경화 부분 상방을 액상의 광경화성 수지(150)로 채운다. 또한, 다음 층의 화상 데이터가, DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되면, 다시, 스캐너(162)에 의한 부주사가 행해진다. 이와 같이, 부주사에 의한 노광(경화)과 스테이지의 강하를 반복해서 행하고, 경화 부분이 겹쳐 쌓임으로써 3차원 모델이 형성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 광 조형장치는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열된 DMD를 구비하고 있지만, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열만이 구동되도록 제어하므로, 전부의 마이크로미러 열을 구동할 경우에 비해서, 1라인당 변조속도가 빠르게 된다. 이것에 의해 고속의 노광, 조형이 가능하게 된다.
또한, DMD를 조명하는 광원에, 합파 레이저 광원의 광 파이버의 출사단부를 어레이상으로 배열한 고휘도의 파이버 어레이 광원을 이용하고 있으므로, 고출력임과 아울러 깊은 초점 심도를 얻을 수 있고 또한 높은 광밀도 출력이 얻어지므로, 고속 또한 고정밀 및 고세밀하게 조형을 행할 수 있다. 또한, 각 파이버 광원의 출력이 크게 되는 것이므로, 소망의 출력을 얻기 위해 필요한 파이버 광원수가 적게 되고, 광 조형장치의 저비용화가 도모된다.
특히, 본 실시형태에서는, 광 파이버의 출사단의 클래드 지름을 입사단의 클래드 지름보다도 작게 하고 있으므로, 발광부 지름이 더욱 작게 되고, 파이버 어레이 광원의 고휘도화가 한층 도모된다. 이것에 의해, 보다 고정밀 및 고세밀한 조형이 가능하게 된다.
[레이저 구동방법]
파이버 어레이 광원에 포함되는 각 GaN계 반도체 레이저는, 연속 구동해도 좋고, 또한 펄스 구동해도 좋다. 펄스 구동된 레이저광으로 노광함으로써 열확산이 방지되고, 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 조형이 가능하게 된다. 펄스폭은 짧은 쪽이 바람직하고, 1psec~100nsec가 바람직하고, 1psec~300psec가 보다 바람직하다. 또한, GaN계 반도체 레이저는, COD(Catastrophic Optical Damage)로 불리는 광출사 끝면의 파손이 생기기 어렵고, 고신뢰성이며, 1psec~300psec의 펄스폭도 용이하게 실현가능하다.
[기타 노광방식]
일반적으로, 3차원 모델을 조형하는 광조형 방법에 있어서는, 수지의 경화에 따른 중합 수축, 경화시에 발생한 중합열(重合熱)에 의해 고온이 된 수지가 상온에 냉각되어 왜곡에 의한 경화 수축이 발생하고, 이들 경화에 따른 수축에 의해 조형물이 왜곡되고, 조형 정밀도가 저하한다는 문제가 있다. 특히, 복수의 화소를 포함하는 영역을 동시에 노광(면노광)하여 평판 형상으로 조형할 경우에는, 조형물이 적층방향에 대하여 하측으로 볼록하게 뒤집혀 버린다. 이와 같은 경화 수축에 의한 왜곡의 발생을 방지하기 위해서, 노광영역을 복수의 영역으로 나누어 순차 노광하는 것이 바람직하다.
예컨대, 광경화성 수지의 동일한 액면을 복수회 주사함으로써 1회째의 주사로 조형 형상의 윤곽선을 노광하여 광경화성 수지를 경화시킨 후, 2회째 이후의 주사로 윤곽선의 내부를 노광하여 광경화성 수지를 경화시킴으로써, 왜곡의 발생이방지된다.
또한, 도 34(A)에 나타내는 바와 같이, 노광영역을 다수개의 화소로 분할하고, 이 다수개의 화소를, 서로 인접하지 않는 화소(102)로 구성되는 제 1 그룹과, 서로 인접하지 않는 화소(104)로 구성되는 제 2 그룹의 2개의 그룹으로 나누어서, 그룹마다 주사 노광해도 좋다. 화소(102)와 화소(104)는 체크 무늬를 구성하도록 교대로 배열되어 있다. 도 34(A)에는 노광영역의 일부를 도시하지만, 예컨대 100 만화소의 DMD를 구비한 노광헤드를 이용한 경우에는, DMD의 화소수에 따라 노광영역을 100만개의 화소로 분할할 수 있다.
우선, 1회째의 주사로, 도 34(B)에 나타내는 바와 같이, 제 1 그룹에 속하는 화소(102)를 노광하고, 2회째의 주사로, 도 34(C)에 나타내는 바와 같이, 제 2 그룹에 속하는 화소(104)를 노광한다. 이것에 의해, 화소와 화소의 간극을 메워서, 광경화성 수지의 액면의 노광영역의 전면이 노광된다.
1회째의 주사로 동시에 노광되는 제 1 그룹의 화소끼리는 서로 인접하고 있지 않고, 2회째의 주사로 동시에 노광되는 제 2 그룹의 화소끼리도 서로 인접하지 않고 있다. 이와 같이 인접하는 화소는 동시에 노광되는 일이 없으므로, 인접하는 화소에 경화 수축에 의한 왜곡이 전파되지 않는다. 즉, 노광영역 전체를 동시에 노광하는 경우에는, 경화 수축에 의한 왜곡은 노광영역을 전파함에 따라 크게 되고, 상당한 왜곡이 발생하게 되지만, 이 예에서는, 경화 수축은 1화소의 범위에서만 생기고, 경화 수축에 의한 왜곡은 인접하는 화소에는 전파되지 않는다. 이것에 의해, 적층 조형물에 있어서 왜곡의 발생이 현저하게 억제되어, 고정밀도의 조형이 가능하게 된다.
상기 실시형태의 노광장치에서는, 스캐너에 의한 1회의 주사에 의해 광경화성 수지의 액면을 임의의 패턴으로 노광할 수 있다. 따라서, 복수회의 주사에 의해 분할된 영역마다 노광하는 것은 비교적 용이하다.
[광경화성 수지]
광조형에서 이용할 수 있는 액상의 광경화성 수지로서는, 일반적으로, 광 라디컬 중합반응에 의해 경화되는 우레탄 아크릴레이트계 수지나, 광 양이온 중합반응에 의해 경화되는 에폭시계 수지가 사용된다. 또한, 상온에서는 겔 상태에 있고, 레이저 조사에 의해 열에너지가 부여되면 졸 상태로 전이하는 졸-겔 변환형의 광경화성 수지를 이용할 수 있다. 졸-겔 변환형의 광경화성 수지를 이용한 광조형 방법에서는, 액상이 아니고 겔 상태의 조형면에 있어서 노광, 경화를 행하므로, 조형물이 겔 상태의 수지 중에 형성되고, 조형물을 지지하기 위한 서포트 부분이나 연결 부분을 조형할 필요가 없다는 이점이 있다.
소정 영역을 동시에 노광하는 라인 노광, 영역 노광을 행하는 경우에는, 상기 졸-겔 변환형의 광경화성 수지에 열전도성의 충전재를 첨가한 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 열전도성의 충전재를 첨가함으로써 열확산성이 발휘되고, 조형물에 있어서의 열왜곡의 발생이 방지된다. 특히, 졸-겔 변환형의 광경화성 수지에서는, 통상의 수지와 달리 충전재를 침강시키지 않고 균일하게 분산시킬 수 있으므로, 열확산성을 유지할 수 있다.
(제 3 실시형태)
제 3 실시형태는, 화상 데이터에 따라 공간 광변조소자에 의해 변조된 광빔으로 분말을 소결시켜 소결층을 형성하고, 상기 소결층을 적층해서 분말소결체로 이루어지는 3차원 모델을 조형하는 적층 조형장치의 실시형태이다.
[적층 조형장치]
본 발명의 실시형태에 관한 적층 조형장치는, 도 35에 나타내는 바와 같이, 상방으로 개구한 용기(156)를 구비하고 있다. 용기(156) 안은, 2장의 분할판(151)에 의해 길이방향으로 3개로 분할되고 있고, 중앙부에는 조형물을 제작하기 위한 조형부(153)가 배치되고, 이 조형부(153)의 양측에는 조형에 사용하는 분말(150)을 조형부(153)에 공급하는 공급부(155)가 배치되어 있다.
분말(150)로서는, 엔지니어링 플라스틱, 금속, 세라믹스, 모래, 왁스 등의 분말을 사용할 수 있다. 예컨대, 아크릴산, 나일론(Nylon)(11)의 복합재료, 비즈(Beads)가 들어간 나일론(11), 합성고무, 스테인레스(316), 스테인레스(420), 지르콘 모래, 실리카 모래 등의 분말을 사용할 수 있다.
조형부(153)의 저면을 구성하는 스테이지(152)는 지지부(154)에 의해 지지되고 있고, 지지부(154)에 설치된 도시하지 않은 구동기구에 의해 승강가능하게 구성되어 있다. 또한, 용기(156)의 내측 상부에는, 용기(156) 내의 분말(150) 표면을 평탄화하기 위한 역회전 롤러(157)가, 부주사방향으로 왕복이동가능하게 설치되어 있다. 조형부(153)의 스테이지(152)가 강하하면, 조형부(153)의 분말(150)이 부족하므로, 역회전 롤러(157)에 의해 공급부(155)로부터 분말(150)이 공급된다. 또한, 역회전 롤러(157)가 이동방향과 역방향으로 회전됨으로써 공급된 분말(150)이 조형부(153) 상에 널리 퍼지고, 분말(150)의 표면이 평탄화된다.
용기(156) 내에 수용된 분말(150)의 표면 상방에게는, 상자형상의 스캐너(162)가 그 길이방향을 용기(156)의 두께방향으로 향하게 배치되어 있다. 스캐너(162)는, 두께방향의 양측면에 설치된 2개의 지지 암(160)에 의해 지지되어 있다. 또한, 스캐너(162)는, 이것을 제어하는 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다.
또한, 용기(156)의 길이방향의 양측면에는, 부주사방향으로 연장된 가이드(158)가 각각 설치되어 있다. 2개의 지지 암(160)의 하단부가, 상기 가이드(158)에 부주사방향을 따라 왕복이동가능하게 설치되어 있다. 또한, 이 적층 조형장치에는, 지지 암(160)과 함께 스캐너(162)를 가이드(158)를 따라 구동하기 위한 도시하지 않은 구동장치가 설치되어 있다.
스캐너(162)는, 도 36에 나타내는 바와 같이, (예컨대, 3행5열)의 대략 매트릭스상으로 배열된 복수(예컨대, 14개)의 노광헤드(166)를 구비하고 있다. 이 예에서는, 용기(156)의 두께방향의 폭과의 관계에서, 3행째에는 4개의 노광헤드(166)를 배치했다. 또한, m행의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드를 나타내는 경우는 노광헤드 166mn으로 표기한다.
노광헤드(166)에 의한 노광영역(168)은, 부주사방향을 단변으로 하는 직사각형상이다. 따라서, 스캐너(162)의 이동에 따라, 분말(152)의 표면에는 노광헤드(166)마다 띠상의 노광이 끝난 영역(소결영역)(170)이 형성된다. 또한, m행의 n열째에 배열된 각각의 노광헤드에 의한 노광영역을 나타내는 경우는 노광영역 168mn으로 표기한다.
노광헤드(16611~166mn) 각각의 구성, 동작, 및 변형예는 제 1 실시형태와 마찬가지이다. 단, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)로서는, 350nm~450nm의 파장범위이고, 상기 405nm 이외의 발진파장을 구비하는 레이저도 이용할 수 있다. 파장 350~450nm의 레이저광은 광흡수율이 크고, 소결 에너지로의 변환이 용이하기 때문에, 분말의 소결, 즉 조형을 고속으로 행할 수 있다. 레이저광의 파장대역은 350~420nm이 보다 바람직하다. 저비용의 GaN계 반도체 레이저를 이용한다는 점에서는 파장 405nm이 특히 바람직하다.
또한, DMD(50)에는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열되어 있지만, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열(예컨대, 800개×100열)만이 구동되도록 제어하는 점도 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
상기 광 조형장치에서는, 1층분의 노광 패턴에 따른 화상 데이터가, DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되고, 컨트롤러 내의 프레임 메모리에 일단 기억된다. 이 화상 데이터는, 화상을 구성하는 각 화소의 농도를 2값(도트의 기록의 유무)으로 표시한 데이터이다.
스캐너(162)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 부주사방향의 상류측으로부터 하류측으로 일정 속도로 이동된다. 스캐너(162)의 이동이 개시되면, 프레임 메모리에 기억된 화상 데이터가 복수 라인분씩 순차 판독되고,데이터 처리부에서 판독된 화상 데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다 제어신호가 생성된다. 또한, 미러 구동 제어부에 의해, 생성된 제어신호에 기초하여 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 마이크로미러 각각이 온 오프제어된다.
파이버 어레이 광원(66)으로부터 DMD(50)에 레이저광이 조사되면, DMD(50)의 마이크로미러가 온 상태일 때에 반사된 레이저광은, 렌즈계(54,58)에 의해 분말(150)의 표면(피노광면)(56) 상에 결상된다. 이와 같이 하여, 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광이 화소마다 온 오프되어, 분말(150)이 DMD(50)의 사용 화소수와 거의 동수의 화소단위[노광영역(168)]로 노광되어 소결, 즉, 용융되어 경화되다. 또한, 스캐너(162)가 일정 속도로 이동됨으로써, 분말(150)의 표면이 부주사되어, 각 노광헤드(166)마다 띠상의 소결영역(170)이 형성된다.
스캐너(162)에 의한 1회의 부주사에 의해 1층분의 소결이 종료하면, 스캐너(162)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 최상류측에 있는 원점으로 복귀한다. 이어서, 도시하지 않은 구동기구에 의해 조형부(153)의 스테이지(152)를 소정량 강하시키면, 스테이지(152)의 강하에 의해 부족한 분말(150)이, 공급부(155)로부터 공급되고, 역회전 롤러(157)에 의해 분말(150)의 표면이 평탄화된다. 또한, 다음 층의 화상 데이터가, DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되면, 다시, 스캐너(162)에 의한 부주사가 행해진다. 이와 같이, 부주사에 의한 노광(소결)과 스테이지의 강하를 반복해서 행하고, 소결층이 겹쳐 쌓임으로써 3차원 모델이 형성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 적층 조형장치는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열된 DMD를 구비하고 있지만, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열만이 구동되도록 제어하므로, 전부의 마이크로미러 열을 구동하는 경우에 비해서, 1라인당 변조속도가 빠르게 된다. 이것에 의해 고속의 노광, 조형이 가능하게 된다.
또한, DMD를 조명하는 광원에, 합파 레이저 광원의 광 파이버의 출사단부를 어레이상으로 배열한 고휘도의 파이버 어레이 광원을 이용하고 있으므로, 고출력임과 아울러 깊은 초점 심도를 얻을 수 있고 또한 높은 광밀도 출력이 얻어지므로, 고속 또한 고정밀 및 고세밀하게 조형을 행할 수 있다. 또한, 각 파이버 광원의 출력이 크게 되므로, 소망의 출력을 얻기 위해 필요한 파이버 광원수가 적게 되고, 적층 조형장치의 저비용화가 도모된다.
특히, 본 실시형태에서는, 광 파이버의 출사단의 클래드 지름을 입사단의 클래드 지름보다도 작게 하고 있으므로, 발광부 지름이 더욱 작게 되고, 파이버 어레이 광원의 고휘도화가 한층 도모된다. 이것에 의해, 보다 고정밀 및 고세밀한 조형이 가능하게 된다.
또한, 제 2 실시형태와 마찬가지로, 펄스 구동된 레이저광으로 노광해도 좋고, 동일 소결층을 복수회로 나누어 노광해도 좋다.
(제 4 실시형태)
제 4 실시형태는, 제 1 실시형태에 관한 노광장치를 이용하여, 미소 유로가 형성된 합성반응용 마이크로칩을 제조하는 실시형태이다.
[합성반응용 마이크로칩]
합성반응용 마이크로칩은, 도 37에 나타내는 바와 같이, 유리 등으로 형성된 평판형상의 기판(150) 상에, 보호기판(202)을 겹치게 하여 구성되어 있다. 기판(150)의 두께는, 통상, 0.5mm~2.0mm정도이며, 보호기판(202)의 두께는, 통상, 0.1mm~2.0mm정도이다. 보호기판(202)에는, 시약을 주입하기 위한 주입구(204a,204b)와, 시약이 반응해서 얻어진 반응액을 배출하는 배출구(206)가, 각각 보호기판(202)을 관통하도록 설치되어 있다. 기판(150)에는, 시약 또는 반응액이 유통하기 위한 미소 유로(208)가 설치되어 있다. 미소 유로(208)는, 주입구(204a,204b) 각각으로부터 주입된 시약이, 합류점(210)에서 합류한 후, 배출구(206)에 배출되도록 배치되어 있다. 미소 유로의 홈폭은 수십~수백㎛이고, 10㎛~50㎛이 특히 바람직하다. 홈폭이 10㎛~50㎛인 미소 유로는 유로저항이 비교적 작고, 양호한 사이즈 효과를 얻을 수 있다.
상기 반응용 마이크로칩의 주입구(204a,204b) 각각에 시약을 주입하고, 배출구(206)측으로부터 흡인하면, 시약은 미소 유로(208)를 유통하연 합류점(210)에서 혼합되어 반응한다. 이것에 의해 소망의 물질을 합성할 수 있다. 얻어진 반응액이 미소 유로(208)를 유통하여 배출구(206)로부터 배출된다. 이 배출구(206)로부터 얻어진 반응액의 분석에 의해, 보통 스케일에서의 반응과 마찬가지로, 반응 생성물의 동정이나 정량을 행할 수 있다.
[마이크로칩의 제조방법]
다음에, 도 38을 참조하여 상기 합성반응용 마이크로칩의 제조방법에 대해서 설명한다. 이 제조방법은, 포토레지스트막을 노광하는 노광공정과, 포토레지스트막을 부분적으로 제거하여 패턴화하는 패턴화 공정과, 기판을 에칭하여 미소 유로를 형성하는 에칭공정와, 미소 유로가 형성된 기판과 보호기판을 접합하는 접합공정으로 구성되어 있다. 이하, 각 공정을 설명한다.
도 38(A)에 나타내는 바와 같이, 기판(150) 상에 포토레지스트막(212)을 스핀 코트법 등에 의해 형성한 후, 도 38(B)에 나타내는 바와 같이, 미소 유로(208)의 패턴을 따라 포토레지스트막(212)을 노광하고, 도 38(C)에 나타내는 바와 같이, 노광부분(214)을 현상액에 용해시켜 제거한다. 여기서, 포토레지스트막(212)을 높은 위치 정밀도로 패터닝함으로써, 미소 유로(208)를 고정밀도로 형성할 수 있다. 또한, 포토레지스트막(212)의 노광공정에 대해서는 후술한다.
또한, 도 38(D)에 나타내는 바와 같이, 패터닝 된 포토레지스트막(212)을 이용하여, 기판(150)을 표면으로부터 에칭하여 미소 유로(208)를 형성하고, 도 38(E)에 나타내는 바와 같이, 남은 포토레지스트막(212)을 제거한다. 기판(150)의 에칭은, 건식 에칭 및 습식 에칭 중 어느 것으로도 행할 수 있지만, 미세 가공이기 때문에, 고속원자선(FAB) 에칭 등의 건식 에칭이 바람직하다.
다음에, 도 38(F)에 나타내는 바와 같이, 초음파가공 등에 의해 보호기판(202)에, 주입구(204a,204b), 배출구(206)가 되는 관통구멍을 형성한다. 또한, 도 38(G)에 나타내는 바와 같이, 보호기판(202)과, 기판(150)의 미소 유로(208)가 형성된 면이 대향하도록 양 기판을 겹치게 하고, 밀착시켜 고정한다. 예컨대, 고정에는 UV접착제를 이용할 수 있다. UV접착제를, 보호기판(202)의 미소 유로(208)가 형성된 면에 스핀 코트법 등에 의해 도포하고, 기판(150)과 보호기판(202)을 밀착시킨 후, 자외선을 조사해서 접착한다.
또한, 기판(150)과 보호기판(202)이 유리로 형성되어 있는 경우에는, 불화수소산으로 양 기판의 표면을 용해해서 접합해도 좋다.
[포토레지스트막의 노광]
다음에, 포토레지스트막의 노광공정에 대해서 상세하게 설명한다. 이 노광공정에서는, 공간 광변조소자를 이용하여, 파장 350nm~450nm의 레이저광을 미소 유로의 형성 패턴 데이터에 따라 변조하고, 변조된 레이저광으로 포토레지스트막(212)을 디지털 노광한다. 보다 높은 정밀도로 노광을 행하기 위해서는, 고휘도 광원으로부터 출사된 깊은 초점 심도의 레이저광으로 노광하는 것이 바람직하다.
포토레지스트막(212)에는 프린트 배선기판(PWB;Printed Wiring Board)의 제조공정에서 사용되는 드라이 필름 레지스트(DFR;Dry Film Resist)나 전착 레지스트를 이용할 수 있다. 이들 DFR이나 전착 레지스트는, 반도체 제조 프로세스에서 사용되고 있는 레지스트에 비해서 후막화가 가능하며, 두께 10㎛~40㎛의 막을 형성할 수 있다.
또한, 포토레지스트막을 복수층 적층함으로써, 후막화를 한층 도모할 수 있다. 이 경우, 도 39(A)에 나타내는 바와 같이, 제 1 포토레지스트막(212a)을 형성하고, 소정 영역(214a)을 노광한 후, 도 39(B)에 나타내는 바와 같이, 제 1 포토레지스트막(212a) 상에 제 2 포토레지스트막(212b)을 형성하고, 디지털 노광의 스케일링 기능을 이용하여 소정 영역(214a)에 대응하는 영역(214b)을 노광한다. 도 39(C)에 나타내는 바와 같이, 노광된 영역(214a) 및 영역(214b)을 제거하면, 레지스트에 의한 깊은 홈이 형성된다. 또한, 이 예에서는 레지스트막을 2층 적층하는 예에 대해서 설명하였지만, 레지스트막을 3층, 4층으로 겹쳐 쌓는다. 디지털 노광의 스케일링 기능에 의해 동일한 위치를 노광하는 것으로 더욱 깊은 홈을 형성할 수 있다. 또, 여기서는, 노광을 현상 공정은 통하지 않고, 2층이상으로 겹쳐 쌓아가는 설명을 해 왔지만, 1층째를 노광하고, 그 후 현상하고, 현상 후의 기판의 신장이나 레지스트의 팽윤 등을 디지털 스케일링에 의해 보정하고, 2층째를 노광한다라는 것과 같이, 현상 후에 노광해서 3층째, 4층째도 마찬가지로 하여 노광해도 좋다. 이것에 의해 현상시의 패턴의 위치 어긋남을 고정밀도로 보정할 수 있다.
또한, 이와 같이 포토레지스트막(212)을 후막화함으로써, 레지스트에 의한 깊은 홈을 형성할 수 있고, 에칭에 의해 기판(202)에 깊은 홈(미소 유로)을 정밀도 좋게 형성할 수 있다. 예컨대, 도 40(A) 및 도 40(B)로부터 알 수 있는 바와 같이, 동일한 홈폭의 미소 유로를 FAB 에칭으로 형성하는 경우, 포토레지스트막(212)이 얇으면, 경사 광에 의해 기판(150)이 사이드 에칭되기 쉽지만, 포토레지스트막(212)이 두꺼우면, 채이는 것에 의해 경사 광이 입사되기 어렵고, 기판(150)이 사이드 에칭되기 어려워진다. 이것에 의해, 기판(150)에 깊은 홈을 정밀도 좋게 형성할 수 있다. 또한, 건식 에칭하기 쉽도록, 2층째, 3층째의 패턴을 위치 및 패턴 폭등을 이용하여 디지털 보정이 가능하다.
홈폭 10㎛~50㎛의 미소 유로를 형성하는 경우에는, 포토레지스트막(212)의 두께는, 10㎛~50㎛이 바람직하고, 10㎛~100㎛이 보다 바람직하다.
또한, 미소 유로를 에칭 용액을 이용한 습식 에칭으로 형성하는 경우에는,도 41에 나타내는 바와 같이, 포토레지스트막(212)에 테이퍼형상으로 확개 개방된 개구(216)를 패턴 형성해도 좋다. 개구(216)가 테이퍼형상으로 확대 개방되어 있으므로, 에칭용액을 침입시키기 쉽다.
[미소 유로의 형성]
노광 패턴에 따른 화상 데이터가, DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 입력되고, 컨트롤러 내의 프레임 메모리에 일단 기억된다. 이 화상 데이터는, 화상을 구성하는 각 화소의 농도를 2값(도트의 기록의 유무)으로 표시한 데이터이다.
포토레지스트막이 형성된 기판(150)을 표면에 흡착한 스테이지(152)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 게이트(160)의 상류측으로부터 하류측으로 일정 속도로 이동된다. 스테이지(152)가 게이트(160) 아래를 통과할 때에, 게이트(160)에 설치된 검지센서(164)에 의해 기판(150)의 선단이 검출되면, 프레임 메모리에 기억된 화상 데이터가 복수 라인분씩 순차 판독되고, 데이터 처리부에서 판독된 화상 데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다 제어신호가 생성된다. 또한, 미러 구동 제어부에 의해, 생성된 제어신호에 기초해서 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 마이크로미러 각각이 온 오프제어된다. 즉, DMD(50)에는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열되어 있지만, 그 전부를 사용한다.
파이버 어레이 광원(66)으로부터 DMD(50)에 레이저광이 조사되면, DMD(50)의 마이크로미러가 온 상태일 때에 반사된 레이저광은, 렌즈계(54,58)에 의해 기판(150) 상에 형성된 포토레지스트막의 피노광면(56) 상에 결상된다. 이와 같이 하여, 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저광이 화소마다 온 오프되어, 포토레지스트막이 DMD(50)의 사용 화소수와 거의 동수의 화소단위[노광영역(168)]로 노광된다. 또한, 기판(150)이 스테이지(152)와 함께 일정 속도로 이동됨으로써, 기판(150) 상에 형성된 포토레지스트막이 스캐너(162)에 의해 스테이지 이동방향과 반대인 방향으로 부주사되고, 각 노광헤드(166)마다 띠상의 노광이 끝난 영역(170)이 형성된다.
스캐너(162)에 의한 포토레지스트막의 부주사가 종료하고, 검지센서(164)에 의해 기판(150)의 후단이 검출되면, 스테이지(152)는, 도시하지 않은 구동장치에 의해, 가이드(158)를 따라 게이트(160)의 최상류측에 있는 원점으로 복귀하고, 다시, 가이드(158)를 따라 게이트(160)의 상류측으로부터 하류측으로 일정 속도로 이동된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 포토레지스트막의 노광공정에 있어서, DMD 등의 공간 광변조소자를 이용하고 있으므로, 미소 유로의 형성 패턴에 따라 레이저광을 화소마다 변조할 수 있고, 변조된 레이저광으로 포토레지스트막을 고속 또한 고정밀 및 고세밀하게 노광할 수 있다. 이와 같이, 노광공정에 있어서, 임의 패턴에서의 포토레지스트막의 고속 또한 고정밀 및 고세밀한 노광이 가능한 것 때문에, 다음 패턴화 공정 및 에칭공정를 경유하여, 임의의 패턴의 미소 유로를 고속 또한 고정밀도로 형성할 수 있다.
상기와 같이, 임의의 패턴에서의 노광이 가능한 것 때문에, 복잡한 패턴의미소 유로를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 고속 노광이 가능한 것 때문에, 대면적의 유리기판에 단시간에 미소 유로를 형성할 수 있다. 또한, 디지털 노광이기 때문 패턴마다의 마스크가 불필요하고, 저비용으로 미소 유로를 형성할 수 있다.
또한, 포토레지스트막에, DFR이나 전착 레지스트를 이용하므로, 반도체 제조 프로세스에서 사용되고 있는 레지스트에 비해서 후막화가 가능하곤, 두께 10㎛~4O㎛의 포토레지스트막을 형성할 수 있다. 이와 같이, 포토레지스트막을 후막화하는 것으로, 에칭에 의해 깊은 홈의 미소 유로를 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
또한, 포토레지스트막을 복수층 적층하여, 더욱 후막화를 도모할 수 있다. 이 경우는, 디지털 노광의 스케일링 기능을 이용하여, 복수 적층된 포토레지스트막의 동일한 위치를 노광할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 노광장치에 있어서, 합파 레이저 광원을 이용하여 파이버 어레이 광원을 구성함과 아울러, 광 파이버의 출사단의 클래드 지름을 입사단의 클래드 지름보다도 작게 하고 있으므로, 발광부 지름이 더욱 작게 되고, 파이버 어레이 광원의 고휘도화가 도모된다. 이것에 의해, 깊은 초점 심도의 레이저광으로 포토레지스트막을, 더욱 고정밀 및 고세밀하게 노광할 수 있다. 예컨대, 빔 지름 1㎛이하, 해상도 0.1㎛이하의 초고해상도에서의 노광이 가능하고, 홈폭 10㎛~5O㎛의 미소 유로를 정밀도 좋게 형성하는데도 충분하다.
[고속 구동방법]
보통, DMD에는, 주주사방향으로 마이크로미러가 800개 배열된 마이크로미러 열이, 부주사방향으로 600조 배열되어 있지만, 컨트롤러에 의해 일부의 마이크로미러 열(예컨대, 800개×10열)만이 구동되도록 제어해도 좋다. DMD의 데이터 처리속도에는 한계가 있고, 사용하는 화소수에 비례해서 1라인당 변조속도가 결정되므로, 일부의 마이크로미러 열만을 사용함으로써 1라인당 변조속도가 빠르게 된다. 이것에 의해 노광시간을 단축할 수 있다. 한편, 연속적으로 조사 헤드를 노광면에 대해서 상대이동시키는 주사방식의 경우에는, 부주사방향의 화소를 전부 사용할 필요는 없다.
[마이크로칩의 다른 제조방법]
상기 실시형태에서는, 마이크로칩을 구성하는 기판에, 직접, 미소 유로를 형성하는 예에 대해서 설명하였지만, 형 제작용의 기판에 미소 유로를 형성해서 형을 제작하고, 이 형을 이용한 스탬핑이나 유리 몰드에 의해, 미소 유로를 구비한 마이크로칩을 제조할 수도 있다.
[미소 유로를 구비한 마이크로칩]
상기 실시형태에서는, 합성반응용 마이크로칩을 제조하는 예에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 미소 유로의 형성방법은, 미소 유로를 구비한 다른 종류의 마이크로칩을 제조하는 경우에도 적용할 수 있다.
다른 종류의 마이크로칩으로서는, 암진단 칩, 세포생화학 칩, 환경계측 칩, 크로마토그래피 칩, 전기영동 칩, 프로틴 칩, 면역분석 칩 등을 들 수 있다. 이들 칩은 각 칩의 기능에 따라 미소 유로의 형성 패턴이 다르지만, 본 발명의 미소 유로의 형성방법에 의하면, 미소 유로의 형성 패턴에 따른 디지털 노광에 의해 에칭 마스크를 형성할 수 있으므로, 다품종 생산에의 대응이 용이하다. 또한, 복수의 기능을 구비한 미소 유로를 형성하는 것도 용이하다. 특히 본 방법에 의해 대면적의 패터닝을 할 수 있고, 수율 향상과 수익 향상에 의해, 저비용의 미소 유로형성방법이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 미소 유로의 형성방법은, 래버러토리 온 칩의 미소 유로에 한정되지 않고, 기판 상에 미세한 홈을 형성하는 방법으로서 널리 사용할 수 있다.
(제 5 실시형태)
제 5 실시형태는, 제 1 실시형태에 관한 노광장치와 마찬가지로 고출력 또한 고휘도 파이버 어레이 광원을 이용한 표백처리장치의 실시형태이다.
[표백처리장치의 구성]
본 발명의 실시형태에 관한 표백처리장치가, 도 42에 나타내는 바와 같이, 길이가 긴의 직물(200)을 소정의 반송로를 따라 반송하는 복수의 반송롤러(202)를 구비하고 있다. 또한, 표백처리장치는, 산화제 또는 환원제를 함유하는 약액(204)이 저류된 약액 통(206)을 구비하고 있고, 그 약액 통(206)의 반송방향 하류측에는 레이저 조사부(208)가 설치되어 있다. 이 레이저 조사부(208)에서는, 도 43에 나타내는 바와 같이, 직물(200)에 레이저광을 펄스 조사하는 조사 헤드(500)가, 반송로에 놓여진 직물(200)의 상방에 배치되어 있다.
조사 헤드(500)는, 도 44(A) 및 도 44(B)에 나타내는 바와 같이, 다수(예컨대, 1000개)의 광 파이버(30)가 부주사방향과 직교하는 방향을 따라 1열로 배열된 파이버 어레이 광원(506)과, 파이버 어레이 광원(506)으로부터 출사된 레이저광을 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 직교하는 방향으로만 집광하여 직물(200)의표면(주사면)(56) 상에 결상하는 원주렌즈(510)로 구성되어 있다. 또한, 도 44에서는, 광 파이버(30)의 입사단이 결합된 파이버 어레이 광원(506)의 모듈부분에 대해서는 도시를 생략했다.
원주렌즈(510)는, 소정 방향으로 곡률을 갖고 또한 소정 방향과 직교하는 방향으로 긴 형상을 하고 있고, 길이방향(소정 방향과 직교하는 방향)이 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 또한, 원주렌즈(510)와 함께, 플라이 아이 렌즈계에 의한 균일화 조명 광학계나, 레이저 출사단의 배열방향에 대해서는, 렌즈의 광축에 가까운 부분은 광속을 넓히고 또한 광축으로부터 떨어진 부분은 광속을 줄이고, 또한 이 배열방향과 직교하는 방향에 대해서는 광을 그대로 통과시키는 기능을 구비한 광량분포 보정 광학계를 이용하여도 좋다.
파이버 어레이 광원(506)은, 도 29에 나타내는 바와 같이, 다수의 레이저 모듈(64)을 구비하고 있고, 각 레이저 모듈(64)에는, 멀티모드 광 파이버(30)의 일단이 결합되어 있다. 또한, 각 레이저 모듈(64)의 구성, 동작, 및 변형예는, 제 1 실시형태와 마찬가지이다. 각 레이저 모듈(64)에 있어서, 레이저빔(B1~B7)의 멀티모드 광 파이버(30)로의 결합 효율이 0.85이고, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 각 출력이 30mW인 경우에는, 어레이상으로 배열된 광 파이버(31)의 각각에 대해서, 연속동작에서는 출력 180mW(=30mW×0.85×7)의 합파 레이저빔(B)을 얻을 수 있다.
또한, 상기 합파 레이저 광원에서는, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7) 각각을 펄스 구동하여, 소정의 펄스폭의 레이저광을 얻을 수 있다. 레이저광을 펄스 조사함으로써 발열이 억제되어, 열에 의한 섬유의 손상(직물에의 손상)이 방지된다.
각 펄스의 피크 파워는 300mW~3W가 바람직하다. 피크 파워가 30OmW인 경우에는, 펄스폭이 10nsec(나노초)~10μsec(마이크로초)이고, 1초당 펄스수는 104~107이 바람직하다. 이 경우의 듀티는 약 10%이다. 또한, 피크 파워가 3W인 경우에는 펄스폭이 1nsec~1μsec이고, 1초당 펄스수가 104~107이 바람직하다. 이 경우의 듀티는 약 1.0%이다.
또한, GaN계 반도체 레이저는, 전술한 바와 같이, COD(Catastrophic 0ptical Damage)로 불리우는 광출사 끝면의 파손이 생기기 어렵고, 고신뢰성이며, 고 피크 파워를 실현할 수 있다.
[표백처리장치의 동작]
다음에, 상기 표백처리장치의 동작에 대해서 설명한다.
섬유에 부착된 유분 등의 협잡물을 제거하는 정련 공정, 호제(糊劑)를 제거하는 풀제거 공정을 경유한 염색 전의 직물(200)을, 상기 표백처리장치에 공급하면, 직물(200)은 반송롤러(202)의 회전에 따라 화살표A 방향으로 반송되어, 약액 통(206) 내의 약액(204)에 침지된다. 침지시간은 0.1~1시간이 바람직하다.
약액(204)은, 산화제 또는 환원제를 소정 농도로 함유하고 있다. 산화제로서는, 과산화수소(H2O2), 과붕소산나트륨(NaBO3ㆍ4H2O), 과망간산칼륨(KMnO4) 등의 과산화물이나, 표백분(CaC1ㆍClO), 차아염소산나트륨(NaClO), 아염소산나트륨(NaClO2) 등의 염소화합물 등을 사용할 수 있다. 또한, 환원제로서는, 하이드로설파이드(Na2S2O4), 테트라히드로 붕산나트륨(NaBH4) 등을 사용할 수 있다. 이 중에서도, 섬유의 손상을 억제하는 관점에서, 산화 환원 작용이 약한 테트라히드로 붕산나트륨이 특히 바람직하다.
용매로서는, 물이나 메탄올,에탄올 등의 저급 알코올을 이용할 수 있다. 산화제 또는 환원제의 농도는 1%~10%이 바람직하다. 또한, 약액(204)에는, 산화제, 환원제를 활성화하기 위한 활성화 조제를 적당히 첨가해도 좋다.
이어서, 약액 통(206)으로부터 인출된 직물(200)은, 약액(204)이 함침된 상태에서 레이저 조사부(208)에 공급된다. 레이저 조사부(208)에서는, 조사 헤드(500)의 파이버 어레이 광원(506)으로부터 출사된 레이저광은, 원주렌즈(510)에 의해 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 직교하는 방향으로만 집광되어, 직물(200)의 표면(56)에 라인상으로 결상된다. 이 원주렌즈(510)는, 예컨대, 단축방향으로 3배, 장축방향으로 1배의 배율로 빔 지름을 확대하는 확대 광학계로서 기능한다. 또한, 직물(200)이 일정 속도로 반송되어, 조사 헤드(500)로부터의 라인 빔(502)에 의해, 반송방향과 반대의 방향으로 부주사된다.
이와 같이, 약액(204)이 함침된 직물에 레이저광을 조사함으로써, 섬유에 부착된 착색 성분 및 약액(204) 중의 산화제 또는 환원제가 활성화되어, 양자의 반응성이 높아지고, 양호한 표백효과를 얻을 수 있다. 열에 의한 섬유의 손상을 방지하여 활성화 효과를 얻기 위해서, 조사하는 레이저광의 파장은 350nm~450nm이며, 400nm~415nm이 보다 바람직하다. 한편, 산화제 또는 환원제의 반응성이 높은 경우에는, 광학계에의 부하가 적고, 반도체 레이저의 고출력화가 용이한 400nm이상의 파장이 바람직하다.
여기서, 직물(200)의 표면 상에서의 광밀도를 산출한다. 조사 헤드의 합파 레이저 광원에 있어서, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 각 출력이 30mW의 경우에는, 어레이상으로 배열된 광 파이버(30) 각각에 대해서, 출력 180mW(=30mW×0.85×7)의 합파 레이저빔(B)을 얻을 수 있다. 따라서, 1000개의 멀티모드 광 파이버(30)가 1열로 배열된 파이버 어레이 광원의 경우, 레이저 출사부(68)에서의 연속동작에서의 출력은 약 180W이다.
파이버 어레이 광원(506)의 레이저 출사부(68)에는, 이와 같이 고휘도의 발광점이 주주사방향을 따라 1열로 배열되어 있다. 단일의 반도체 레이저로부터의 레이저광을 1개의 광 파이버에 결합시키는 종래의 파이버 광원은 저출력이기 때문에, 다수열 배열하지 않으면 소망의 출력을 얻을 수 없었지만, 본 실시형태에서 사용하는 합파 레이저 광원은 고출력이기 때문에, 소수열, 예컨대 1열로도 소망의 출력을 얻을 수 있다.
또한, 멀티모드 광 파이버(30)로서, 클래드 지름=125㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2의 스텝 인덱스형 광 파이버를 이용한 경우에는, 레이저 출사부(68)에서의 빔 지름은 50㎛×125mm이다. 단축방향으로 3배, 장축방향으로 1배의 배율로 빔 지름이 확대되면, 조사 영역(506)의 면적은 150㎛×125mm이 된다.
일반적으로, 레이저 어시스트에 의한 표백처리에서는, 200OmJ/㎠~200OOmJ/㎠의 범위의 높은 광밀도가 필요하지만, 본 실시형태에서는, 어레이화하는 섬유 개수, 합파하는 레이저빔의 개수를 적당히 변경함으로써, 이 범위의 광밀도를 용이하게 실현할 수 있다. 표백처리에 요하는 노광면 상에서의 광밀도를 10000mJ/㎠로 하면, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7)의 피크 파워를 3W, 펄스폭을 100nsec, 1초당 펄스수를 105, 듀티 1%의 조건에서 직물(200)의 표면에 펄스 조사하는 경우에는, 노광면 상에서의 광밀도는 1펄스당 10mJ/㎠이며, 1.4cm/s로 고속 노광할 수 있다.
한편, GaN계 반도체 레이저의 합파 레이저 광원 대신에 엑시머 레이저를 이용한 경우에는, 반복 주파수가 낮아지므로, 동일한 영역을 노광하는데도 약 10배이상의 스피드를 요한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 표백처리장치에서는, 고출력 또한 고휘도의 합파 레이저 광원을 어레이화한 파이버 어레이 광원을 이용하여, 약액을 함침시킨 직물에 레이저광을 펄스 조사하고, 직물 표면에 있어서 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 약액 및 착색 성분의 적어도 한쪽을 활성화하여, 표백 반응을 촉진하고, 높은 표백효과를 얻을 수 있다. 또한, 레이저 펄스의 듀티가 1%인 것 때문에, 발열이 억제되어, 섬유의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 표백처리장치에서는, 연속 구동이 가능하고 출력 안정성이 우수한 반도체 레이저로 구성된 합파 레이저 광원을 레이저 조사부에 이용하고 있으므로, 엑시머 레이저를 이용한 표백처리장치와 비교하면, 임의의 반복 주파수, 펄스폭으로 펄스 구동할 수 있고, 반복 주파수를 높게 설정함으로써, 수배 고속으로 표백처리를 행할 수 있다. 또한, 엑시머 레이저를 이용한 표백처리장치와 비교해서, 에너지 효율이 10%~20%로 높고, 보수 관리가 용이하며 저비용이다.
특히, GaN계 반도체 레이저는 공유결합성이기 때문에, COD(Catastrophic Optical Damage)로 불리우는 광출사 끝면의 파손이 생기기 어렵고, 고신뢰성이며, 고 피크 파워를 실현할 수 있다. 예컨대, 펄스폭 100nsec, 듀티 1%의 조건에서, 3W의 고 피크 파워를 실현할 수 있다. 또한, 이 경우의 평균 출력은 30mW이다.
또한, 본 실시형태의 표백처리장치에서는, 파이버 어레이 광원의 광 파이버의 어레이 배열에 의해, 라인 빔을 용이하게 얻을 수 있다. 보통, 섬유제품은 길이가 길게 형성되므로, 단축방향으로 좁아지고, 이것과 직교하는 장축방향으로 넓어진 라인 빔으로 레이저 조사하는 것이 합리적이다. 또한, 어레이화하는 광 파이버의 개수를 증가시킴으로써, 에너지 강도와 그 균일성을 유지한 상태에서 라인 빔 길이를 신장할 수 있다. 또한, 파장 350~450nm의 레이저광을 이용하고 있으므로, 자외선 대응의 특수한 재료의 광학계를 이용하여 라인 빔을 생성할 필요가 없고, 저비용이다.
[멀티 헤드]
상기 실시형태에서는, 단일의 조사 헤드를 구비한 레이저 조사부를 설치한 예에 대해서 설명하였지만, 라인 빔의 장축방향의 길이가 부족한 경우는, 복수의 조사 헤드를 장축방향으로 배열해도 좋다.
[반도체 레이저]
상기에서는 반도체 레이저로서, 장래적으로 더나은 고출력화를 기대할 수 있는 발진파장 350nm~450nm의 GaN계 반도체 레이저를 이용하는 예에 대해서 설명하였지만, 반도체 레이저는 GaN계 반도체 레이저에는 한정되지 않는다. 예컨대, III족원소(Al,Ga,In)와 질소로 구성되는 질화물 반도체 레이저를 이용할 수 있다. 질화물 반도체는, AlxGayIn1-x-yN(x+y≤1)로 표시되는 어떠한 조성으로 이루어지고 있어도 좋다. 적당히 조성을 변경하여 발진파장 200nm~450nm의 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
[확대 광학계의 다른 예]
상기 조사 헤드(500)를, 도 45(A) 및 도 45(B)에 나타내는 바와 같이, 다수(예컨대, 1000개)의 광 파이버(30)의 출사단(발광점)이 부주사방향과 직교하는 방향을 따라 1열로 배열된 레이저 출사부를 구비한 파이버 어레이 광원(506)과, 파이버 어레이 광원(506)으로부터 출사된 레이저광을 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 직교하는 방향으로만 집광하는 제 1 원주렌즈(512)와, 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 직교하는 방향으로 집광된 레이저광을 배열방향으로만 집광하여 직물(200)의 표면(주사면)(56) 상에 결상하는 제 2 원주렌즈(514)로 구성할 수 있다.
제 1 원주렌즈(512)는, 소정 방향으로 곡률을 갖고 또한 소정 방향과 직교하는 방향으로 긴 형상을 하고 있고, 길이방향(소정 방향과 직교하는 방향)이 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 또한, 제 2 원주렌즈(514)는, 소정 방향으로 곡률을 갖고 또한 그 소정 방향으로 긴 형상을 하고 있고, 곡률방향(소정 방향)이 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다.
이 조사 헤드에서는, 파이버 어레이 광원(506)으로부터 출사된 레이저광은,제 1 원주렌즈(512)에 의해 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향과 직교하는 방향으로 집광되고, 제 2 원주렌즈(514)에 의해 광 파이버(30)의 출사단의 배열방향으로 집광되어, 주사면(56) 상에 라인 상으로 결상된다.
이들 원주렌즈(512,514)는, 예컨대, 단축방향으로 3배, 장축방향으로 10배의 배율로 빔 지름을 확대하는 확대 광학계로서 기능한다. 또한, 도 42에 있어서 직물(200)이 일정 속도로 반송되어, 조사 헤드(500)로부터의 라인 빔에 의해, 반송방향과 반대의 방향으로 부주사된다. 이와 같이, 파이버 어레이 광원의 빔을 광학계에 의해 확대함으로써, 넓은 노광면을 노광할 수 있다. 또한, 빔을 확대함으로써, 보다 깊은 초점 심도를 얻을 수 있고, 고속으로 반송된 직물을 균일하게 조명할 수 있다.
여기서, 노광면 상에서의 광밀도를 산출한다. 조사 헤드의 합파 레이저 광원에 피크 파워가 6W인 멀티모드 레이저를 사용하는 경우에는, 7개의 LD에 의해 피크 파워 36W인 합파 레이저빔(B)을 얻을 수 있다. 따라서, 1000개의 멀티모드 광 파이버(30)가 1열로 배열된 파이버 어레이 광원의 경우, 레이저 출사부(68)에서의 피크 파워는 약 36kW이다.
또한, 멀티모드 광 파이버(30)로서, 클래드 지름=125㎛, 코어지름=50㎛, NA=0.2의 스텝 인덱스형 광 파이버를 이용한 경우에는, 레이저 출사부(68)에서의 빔 지름은 50㎛×125mm이다. 단축방향으로 3배, 장축방향으로 10배의 배율로 빔지름이 확대되면, 조사 영역(506)의 면적은 150㎛×1250mm이다. 따라서, 피크 파워 6W, 펄스폭 100nsec, 듀티 1%, 1초당 펄스수 105의 조건에서, 직물(200)의 표면에펄스 조사하는 경우는, 노광면 상에서의 광밀도는 1펄스당 2mJ/㎠이다. 광학계에 의한 손실을 약 8O%로 견적하여도, 노광면 상에서의 광밀도는 1펄스당 1.5mJ/㎠이다. 따라서, 1000OmJ/㎠의 광밀도로 노광하는 경우에는, 폭 1.25m의 직물을 0.2㎝/s로 고속 노광할 수 있다.
[광 파이버의 변형예]
상기 실시형태에서는, 합파 레이저 광원에 클래드 지름이 125㎛이고 균일한 광 파이버를 이용하는 예에 대해서 설명하였지만, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 광 파이버의 출사단의 클래드 지름을 입사단의 클래드 지름보다도 작게 할 수 있다. 광 파이버의 출사단의 클래드 지름을 작게 함으로써, 발광부 지름이 보다 작게 되고, 파이버 어레이 광원의 고휘도화가 도모된다.
[합파 레이저 광원의 변형예]
도 24(A) 및 도 24(B)에 나타내는 다단 구조의 레이저 어레이 이용의 합파 레이저 광원은, 멀티 캐비티 레이저의 다단 배치와 콜리메이터 렌즈의 어레이화에 의해, 특히 고출력화를 도모할 수 있다. 이 합파 레이저 광원을 이용함으로써, 보다 고휘도의 파이버 어레이 광원이나 번들 파이버 광원을 구성할 수 있으므로, 본 실시형태의 조사 헤드의 레이저 광원을 구성하는 파이버 광원으로서 특히 바람직하다.
이 경우의 노광면 상에서의 광밀도를 계산한다. 조사 헤드의 합파 레이저 광원으로서, 멀티 가로 모드의 칩을 사용함으로써, 1발광점당 피크 파워를 6W로 하면, 20개의 LD에 의해 피크 파워 103W의 합파 레이저빔을 얻을 수 있다. 따라서,1750개의 멀티모드 광 파이버를 1열로 배열한 파이버 어레이 광원의 경우, 레이저 출사부에서의 피크 파워는 180kW이다.
또한, 멀티모드 광 파이버로서, 마찬가지의 것을 이용한 경우, 레이저 출사부에서의 빔 지름은, 50㎛×220mm이다. 단축방향으로 3배, 장축방향으로 10배의 배율로 빔 지름이 확대되면, 조사 영역의 면적은 150㎛×2200mm이다. 따라서, 피크 파워 6W, 펄스폭 100nsec, 듀티 1%, 1초당 펄스수 105의 조건에서, 직물의 표면에 펄스 조사하는 경우는, 노광면 상에서의 광밀도는 1펄스당 10mJ/㎠이다. 광학계에 의한 손실을 약 80%로 견적하여도, 노광면 상에서의 광밀도는 1펄스당 8mJ/㎠이다. 따라서, 1000OmJ/㎠의 광밀도로 노광하는 경우에는, 폭 2.2m의 직물을 1.2cm/s로 고속 노광할 수 있다.

Claims (30)

  1. 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동되는 노광헤드로서,
    레이저광을 조사하는 레이저장치;
    각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되고, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자;
    상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단; 및
    각 화소부에서 변조된 레이저광을 노광면 상에 결상시키는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어수단에 의해 제어되는 화소부는, 상기 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 영역에 포함되는 화소부인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저장치를, 광 파이버의 입사단으로부터 입사된 레이저광을 그 출사단에서 출사하는 복수의 파이버 광원을 구비하고, 그 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 어레이상으로 배열된 파이버 어레이광원 또는 번들상으로 배열된 파이버 번들 광원으로 구성한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광 파이버로서, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  5. 제3항에 있어서, 상기 파이버 광원을, 레이저광을 합파하여 광 파이버에 입사시키는 합파 레이저 광원으로 한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저장치는 파장 350~450nm의 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  7. 제3항에 있어서, 상기 파이버 광원은, 복수의 반도체 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  8. 제3항에 있어서, 상기 파이버 광원은, 복수의 발광점을 구비하는 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  9. 제3항에 있어서, 상기 파이버 광원은, 복수의 발광점을 구비하는 복수의 멀티 캐비티 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 멀티 캐비티 레이저의 상기 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공간 광변조소자를, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 마이크로미러 장치, 또는 각각 제어신호에 따라 투과광을 차단하는 것이 가능한 다수의 액정 셀이 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 액정 셔터 어레이로 한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  11. 제1항에 있어서, 상기 레이저장치와 상기 공간 광변조소자 사이에,
    상기 레이저장치로부터의 레이저광을 평행광으로 하는 콜리메이터 렌즈; 및
    광축에 가까운 중심부의 광속폭에 대한 주변부의 광속폭의 비가, 입사측에 비해서 출사측쪽이 작게 되도록, 각 출사위치에 있어서의 광속폭을 변화시키고, 상기 콜리메이터 렌즈에 의해 평행광화된 레이저광의 광량분포가, 상기 공간 광변조소자의 피조사면에 있어서 거의 균일하게 되도록 보정하는 광량분포 보정 광학계를배치한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  12. 레이저광을 조사하는 레이저장치와, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되고, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단과, 각 화소부에서 변조된 레이저광을 노광면 상에 결상시키는 광학계를 포함하는 노광헤드; 및
    상기 노광헤드를 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 노광장치.
  13. 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동되는 노광헤드로서,
    복수의 발광점을 구비한 광원;
    각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 기판 상에 2차원상으로 배열되어 구성된 마이크로미러 장치;
    상기 기판에 배열된 마이크로미러의 전체 개수보다 적고, 또한 상기 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 영역에 포함되는 복수의 마이크로미러 각각의 반사면의 각도를, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단; 및
    마이크로미러에 의해 반사된 광을 노광면 상에 결상시키는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  14. 제13항에 있어서, 상기 영역에 포함되는 복수의 마이크로미러에 있어서의 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 개수가, 10이상이고 또한 200이하인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  15. 노광면에 대해서 소정 방향과 교차하는 방향으로 상대이동되는 노광헤드로서,
    복수의 발광점을 구비한 광원;
    상기 소정 방향에 대응하는 방향의 길이가 상기 소정 방향과 교차하는 방향의 길이보다 긴 기판 상에, 각각 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변경가능한 다수의 마이크로미러가 2차원상으로 배열되어 구성된 마이크로미러 장치;
    상기 다수의 마이크로미러 각각의 반사면의 각도를, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단; 및
    마이크로미러에 의해 반사된 광을 노광면 상에 결상시키는 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  16. 광경화성 수지를 수용하는 조형 통과, 그 조형 통 내에 승강가능하게 설치된 조형물을 지지하기 위한 지지대와, 레이저광을 조사하는 레이저장치와, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되고, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단과, 각 화소부에서 변조된 레이저광을 상기 조형 통에 수용된 광경화성 수지의 액면에 결상시키는 광학계를 포함하는 노광헤드와, 그 노광헤드를 상기 광경화성 수지의 액면에 대해서 상대이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광 조형장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 레이저장치를, 광 파이버의 입사단에 합파하여 입사된 레이저광을 그 출사단에서 출사하는 복수의 파이버 광원을 구비하고, 그 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 어레이상으로 배열된 파이버 어레이 광원 또는 번들상으로 배열된 파이버 번들 광원으로 구성한 것을 특징으로 하는 광 조형장치.
  18. 광조사에 의해 소결하는 분말을 수용하는 조형 통과, 그 조형 통 내에 승강가능하게 설치된 조형물을 지지하기 위한 지지대와, 레이저광을 조사하는 레이저장치와, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 2차원상으로 배열되고, 상기 레이저장치로부터 조사된 레이저광을 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 기판 상에 배열된 화소부의 전체 개수보다 적은 개수의 복수의 화소부 각각을, 노광정보에 따라 생성한 제어신호에 의해서 제어하는 제어수단과,각 화소부에서 변조된 레이저광을 상기 조형 통에 수용된 분말의 표면에 결상시키는 광학계를 포함한 노광헤드와, 그 노광헤드를 상기 분말의 표면에 대해서 상대이동시키는 이동수단을 구비한 것을 특징으로 하는 광 조형장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 레이저장치를, 광 파이버의 입사단에 합파하여 입사된 레이저광을 그 출사단에서 출사하는 복수의 파이버 광원을 구비하고, 그 복수의 파이버 광원의 출사단에 있어서의 발광점 각각이 어레이상으로 배열된 파이버 어레이 광원 또는 번들상으로 배열된 파이버 번들 광원으로 구성한 것을 특징으로 하는 광 조형장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 레이저장치가 펄스 구동되는 것을 특징으로 하는 광 조형장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 레이저장치가 1psec~100nsec의 펄스폭에서 펄스 구동되는 것을 특징으로 하는 광 조형장치.
  22. 기판 상에 형성된 레지스트막을, 미소 유로의 형성 패턴 데이터에 따라 공간적으로 변조된 파장 350nm~450nm의 레이저광으로 노광하는 노광공정;
    상기 레지스트막을 노광 패턴에 따라 부분적으로 제거하고, 소정 패턴의 레지스트막을 형성하는 패턴화 공정; 및
    상기 소정 패턴의 레지스트막을 이용하여, 상기 기판을 표면으로부터 에칭하여 제거하고, 미소 유로를 형성하는 에칭공정을 갖는 것을 특징으로 하는 미소 유로의 형성방법.
  23. 제22항에 있어서, 홈폭 10㎛~50㎛의 미소 유로를 형성하는 경우에는, 상기 레지스트막의 두께를 10㎛~100㎛로 하는 것을 특징으로 하는 미소 유로의 형성방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 레이저광은 복수의 반도체 레이저와, 1개의 광 파이버와, 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저광을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 합파 레이저 광원으로부터 출사되는 것을 특징으로 하는 미소 유로의 형성방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 광 파이버로서, 코어지름이 균일하고 출사단의 클래드 지름이 입사단의 클래드 지름보다 작은 광 파이버를 이용한 것을 특징으로 하는 미소 유로의 형성방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 레이저광은, 각각 제어신호에 따라 광변조상태가 변화하는 다수의 화소부가 기판 상에 배열된 공간 광변조소자에 조사되어, 상기 공간 광변조소자의 각 화소부에서 변조되는 것을 특징으로 하는 미소 유로의 형성방법.
  27. 염색 전의 섬유에, 산화제 또는 환원제를 함유하는 약액을 함침시키는 약액함침수단; 및
    복수의 반도체 레이저, 1개의 광 파이버, 및 상기 복수의 반도체 레이저 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 합파 레이저 광원을 구비하고, 상기 약액을 함침시킨 직물에 파장 200nm~450nm의 레이저광을 펄스 조사하는 레이저 조사수단을 구비한 것을 특징으로 하는 표백처리장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 레이저 조사수단은 파장 350nm~450nm의 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하는 표백처리장치.
  29. 염색 전의 섬유에, 산화제 또는 환원제를 함유하는 약액을 함침시키는 약액함침수단; 및
    복수의 발광점을 구비한 반도체 레이저, 1개의 광 파이버, 및 상기 복수의 발광점을 구비한 반도체 레이저의 복수의 발광점 각각으로부터 출사된 레이저빔을 집광하여, 집광 빔을 상기 광 파이버의 입사단에 결합시키는 집광 광학계를 구비한 합파 레이저 광원을 구비하고, 상기 약액을 함침시킨 직물에 파장 200nm~450nm의 레이저광을 펄스 조사하는 레이저 조사수단을 구비한 것을 특징으로 하는 표백처리장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 레이저 조사수단은 파장 350nm~450nm의 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하는 표백처리장치.
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