TWI294045B - Exposure aparatus - Google Patents

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1294045 玖、發明說明： (一） 發明所屬之技術領域 本發明是關於曝光裝置，更詳細爲關於提高照明效率 並且可均勻地曝光的曝光裝置。 (二） 先前技術 已知有用來自光源的光照明LCD(液晶元件）或DMD(數 位微鏡裝置（digital micro mirror device))等的二次元空間光 調變（optical modulation)元件（以下稱爲二次元SLM)，使具 有此照明光學系，被二次元S L Μ控制的光像曝光於感光材 的曝光裝置。在這種曝光裝置中需要均勻地照明二次元SLM ’照明光學系係使用光學積分器（optical integrator)，在曝 光裝置以外一般以投影機（proj ec tor)來使用。 光學積分器係指藉由分割光束，通過不同的路徑後再 合成以解除強度與位置的相關關係（強度分布），使其均勻 化’由於光束的分割方式的不同而有兩種方式。（1 )、一種 爲使用二次元地配置透鏡的透鏡陣列（lens array)(蠅眼透鏡 :fly’s-eye lens)，在空間上分割光束的蠅眼型（fiy’s -eye type) ’（2 )、另一種爲使用將玻璃的桿（r o d )或內面作成鏡子的中 空的桿，藉由多重反射角度地分割的桿型（rod type)。 在蠅眼型中作成使用兩片蠅眼透鏡，以第一片蠅眼透 鏡聚光於第二片蠅眼透鏡的各透鏡單元（lens cell)的構成。 而且，在第二片蠅眼透鏡的各透鏡單元連接有光源像，第 二片蠅眼透鏡係成爲使第一片蠅眼透鏡的各透鏡單元的像 成像於二次元S LM上的構成。另一方面，在桿型的情形係 1294045 成爲在桿的入射面連接有光源像，使桿的射出面的像成像 、 於二次元s LM上的構成。 在光源使用超高壓水銀燈等的燈的情形，燈的光射出 部形狀與二次元SLM的照明區域形狀（即照明二次元SLM 的區域形狀）完全不同，惟藉由使用上述的積分器，僅二次 元S LM的必要的使用區域就能均勻地照明。 【專利文獻1】 曰本特開平3 - 1 1 1 8 0 6號公報 (三）發明內容 修 但是’實際上像燈其光源面積與立體角的積（Etendue) 大且光射出部的形狀與到達二次元S LM的照明光的照明區 域的形狀不同的情形，很難完全有效地利用由燈射出的光 ，照明效率低爲現狀。 若舉具體例說明的話，例如使用燈與蠅眼型的積分器 的情形成爲藉由第一片蠅眼透鏡，在第二片蠅眼透鏡的各 單元（cell)連接有燈的弧光（arc)的像。在像二次元SLm上 的使用區域爲長方形的情形係以蠅眼透鏡的透鏡單元形狀 β 也與照明的區域相似形的形狀，成像有透鏡單元的像的構 成’燈的弧光像爲第二片蠅眼透鏡的透鏡尺寸以下而設計 ’但實際上由於光源尺寸（燈的光射出部尺寸即弧光尺寸） 、光的擴大、透鏡的像差（aberration)等，光源的像的全部 很難入射到透鏡單元，因此，發生光學性能劣化，照明效 率的降低或照明均勻度變差等的問題。 本發明乃考慮上述事實，以提供可得到高的照明效率 -6 - 1294045 並且可均勻地曝光的曝光裝置爲課題。 本發明者著眼於若以具有與蠅眼透鏡的透鏡單元形狀（ 桿的射出部形狀）略相似形，即與光學積分器的射出面的輪 廓形狀略相似形的光射出部之光源，則可將由光射出部出 來的光的大部分導引到照明區域，照明效率以及照明均勻 度的提高被期待。而且，注意到以光纖的端部爲束（bundle) 而捆綁的光射出部通常如第1 〇圖所示爲六角形狀（略圓形） ，惟此形狀可作成任意的形狀，更進一步重複檢討達到完 成本發明。 申請專利範圍第1項所述之發明係一種曝光裝置，包 含： 光源； 由前述光源供給光的光學積分器；以及 被經由前述光學積分器的光照明的二次元空間調變元 件，其特徵爲： 前述光源係並排光纖而排列，由自前述光纖射出光的 光纖束構成的光源， 使以由射出側看的前述光纖束的端部形成的射出區域 的形狀與前述光學積分器的射出面的輪廓形狀成略相似形 0 在本說明書中光纖束係指將多數條光纖的端部捆成一 束的端部。光纖束可作成任意的形狀。 對於在光纖束的入射側供給光使用燈也可以，且使用 LD (半導體雷射）也可以，未特別限定。使用LD的情形，在 1294045 光纖的入射側結合LD。而且，在一條光纖結合 也可以’據此，可在減小光源面積與立體角的 下增大光的功率。再者，使用排列複數個射極 陣列狀的寬頻區域型（broad area type)的半導體 〇 藉由申請專利範圍第1項所述之發明，因 束端部射出的光的大部分導引到到達二次元空 的照明光的照明區域，故可得到高的照明效率 地曝光。 前述光學積分器許多係蠅眼型或桿型。 此外，若光纖的條數多，則光纖束端部的 即光源側的光源面積與立體角的積（Etendue)變 源側的光源面積與立體角的積（E t e n d u e)比二次 件側的光源面積與立體角的積（Etendue)大，則 降。因此，光纖的條數多的情形藉由縮小光纖 徑或纖殼（cl ad)徑，可防止照明效率的降低。 前述二次元空間調變元件使用DMD的情开 的各鏡面的光軸以預定的角度斜斜地入射光， 傾斜的方向使其入射（即因由各鏡面的預定的對 入射），故即使由射出側看的光纖束端部的形狀 形，在各DMD的面上也成爲使長方形變形的形 變形量小，故考慮爲略長方形也可以。因此， 元空間調變元件使用DMD的情形，若作成由射 纖束端部的形狀與光學積分器的射出面的輪廓 一 8 - 複數個LD 積（Etendue) (emitter)成 雷射也可以 可將由光纖 間調變元件 並且可均勻 尺寸變大， 大。若此光 元光調變元 照明效率下 9 核心（core) 多因對 DMD 且由各鏡子 角方向使其 例如爲長方 狀。但是因 即使是二次 出側看的光 形狀成略相 1294045 似形的話佳。 D M D因無像L C D (液晶元件）在u V光劣化，故據此可 用高的照明效率使對UV光具有感度的感光材料曝光。 (四）實施方式

以下舉實施形態，針對本發明的實施形態來說明。與 本發明的一實施形態有關的曝光裝置1 42係如第1圖所示 ，具備吸附薄片狀的感光材料1 5 0於表面而保持的平板狀 的載物台（s t a g e) 1 5 2。在支持於四根腳部1 5 4的壁厚板狀的 設置台1 5 6的頂面設置有沿著載物台移動方向延伸的兩根 導軌（guide)158。載物台152係被配置使其縱向朝載物台移 動方向，並且藉由導軌158可往復移動地支持。此外，在 此曝光裝置1 42配設有沿著導軌1 5 8驅動載物台1 5 2用的 未圖示的驅動裝置。

在設置台1 5 6的中央部跨越載物台1 5 2的移動路徑而 配設有’ 口 ’字形的門（g a t e) 1 6 0。門1 6 0的端部的每一個係固 定於設置台1 56的兩側面。夾著此門1 60在一方的側配設 有掃描器（scanner) 162,在他方的側配設有檢測感光材料150 的前端以及後端的複數個（例如兩個）的檢測感測器1 64。掃 描器1 62以及檢測感測器1 64分別安裝於門1 60，固定配置 於載物台152的移動路徑的上方。此外，掃描器162以及 檢測感測器1 64連接於控制它們的未圖示的控制器。 掃描器162如第2圖以及第3(B)圖所示具備排列成m 行η歹ij (例如3行5歹ij )的略矩陣狀的複數個（例如1 4個）曝 光頭1 6 6。在此例子中，在與感光材料1 5 0的寬度的關係上 -9 一 1294045 在第3行配置4個曝光頭1 6 6。此外，顯示排列於第m行 的第η列的各個曝光頭的情形係表示成曝光頭1 6 6 mn。各曝 光頭1 6 6的構成相同。 藉由曝光頭1 6 6產生的曝光區域1 6 8係以副掃描方向 V爲短邊的矩形狀。因此，伴隨著載物台1 5 2的移動，在 感光材料150每一曝光頭166形成有帶狀的曝光完成區域 1 70。此外，顯示由排列於第m行的第η列的各個曝光頭產 生的曝光區域的情形係表示成曝光區域168mn。 而且，如第3(A)圖以及第3(B)圖所示，使帶狀的曝光 完成區域1 7 0在與副掃描方向直交的方向無間隙地並排， 排列成線狀的各行的曝光頭的每一個係在排列方向偏移預 定間隔（曝光區域的長邊的自然數倍，在本實施形態中爲兩 倍）而配置。因此，第1行的曝光區域168^與曝光區域16812 之間的不能曝光的部分可藉由第2行的曝光區域1 6 8 21與第 3行的曝光區域1 6 8 31來曝光。 [曝光頭的構成] 曝光頭166^-166^的構成因都相同，故以下針對一個 曝光頭來說明其構成。 曝光頭1 66如第4圖所示令射出側端部被捆綁作成光 纖束端部174E的多數根光纖174，與使多數根光纖174與 LD結合的光源作爲光源而具備。 而且，曝光頭166係由光纖束端部174E射出的光入射 的照明光學系具備光學積分器1 7 6。光學積分器1 7 6具備： 聚集來自光纖束端部 174E的光的準直儀（collimatoi*)透鏡 1294045 1 7 8，與透過準直儀透鏡1 7 8的收斂光依次透過的兩片蠅眼 透鏡 1 8 0 A、1 8 0 B 以及場透鏡（f i e 1 d 1 e 11 s ) 1 8 2。 再者，在曝光頭1 6 6配設有調變透過場透鏡丨8 2的光 的二次元S LM (二次元空間調變元件）1 8 6。 如第5圖所示，應照明於二次元S L Μ 1 8 6的所希望的 照明設定區域1 9 0係作成長方形狀。而且如第6圖所示， 光纖束端部174Ε由射出側看係形成與照明設定區域190略 相似形的射出區域1 92。據此，可用來自光纖束端部丨74Ε 的光作爲照明光而無浪費地利用，可得到高的照明效率。 此外，不是蠅眼透鏡型如第7圖所示爲具有使用由玻 璃構成的桿1 94的桿型的曝光頭的曝光裝置也可以。據此 ，可使裝置構成簡單。 [照明光學系的透性、配置位置] 顯示照明光學系的簡略圖的一例於第4圖。蠅眼透鏡 180A係令透鏡單元尺寸爲S1、透鏡單元數爲N1、縱方向 長度爲A1、焦距爲ML1F，聚光尺寸爲Zl( = 2xMLlFxNAl) 。蠅眼透鏡180B係透鏡尺寸S2( = S1)、透鏡單元數N2( = N1) 以及縱方向長度A2( = A1)都與蠅眼透鏡180A相同，令焦距 爲ML2F。場透鏡1 82係縱方向長度FLD與A2大致相同。 而且，場透鏡182的焦距FLF係蠅眼透鏡180B與二次元 SLM186的距離L4大致相同而配置有二次元SLM186。

光纖束端部1 7 4 E與準直儀透鏡1 7 8的距離L 1以及準 直儀透鏡1 7 8與蠅眼透鏡丨8 〇 A的距離L2都設成與準直儀 透鏡178的焦距CL2F相同。蠅眼透鏡180A與蠅眼透鏡180B 1294045 的距離L3係設成與蠅眼透鏡i8〇A的焦距ML1F相同。 . 其中，若令具有光纖束端部1 7 4 E的一方向長度爲 A 〇 ，來自光纖束端部1 7 4 E的光的發散角度爲N A 0，朝蠅眼透 鏡1 80A的聚光角度爲NA1，則照明系的基本公式由以下的 公式給予。 Α0·ΝΑ0 = Α1·ΝΑ1 (即 Α0 · ΝΑ0=Ν1 · SI . ΝΑΙ) 而且，成像特性由以下的公式給予。 1/L3 + 1/L4=1/ML2F ¥ (即 1/ML1F+1/L4 = 1/ML2F) 倍率特性由以下的公式給予。 ACS/S 1 =L4/L3 (即 ACS/S1=L4/ML1F) 聚光特性若令由蠅眼透鏡180A產生的聚光尺寸（直徑） 爲Z 1，則由以下的公式給予。

Zl=2 · ML1F · NA1

照明FN d系以 SFN〇 = FLF/FLD( = L4/L2) 而給予。 [Etendue(光源面積與立體角的積）的槪念] 照明SLM(空間調變元件）係指成像某光源的像於SLM 。若令光學倍率爲/5，則如第8圖所示，像的面積S 2與/3 2 成比例（S 2 = /3 2 S J，光線與光軸所成的角0與倍率/3成反比（ 〆/?)。即 -12- 1294045 S! 0 )2= s2022 其中，立體角Ω因大致與0 2成比例，故 Q ] S j ^ Q 2 S 9 即光源面積與立體角的積爲一定。嚴格上，利用理想 透鏡（透射係數1 0 0 %，無像差）1 9 8的光束的傳達係以 光束：e=SS$Qcos(9 · dS. d Ω 表示。當0十分小（F2.5以上）時因cos 0与1，故可視爲 光束：e 与

此[Ω S]爲光源面積與立體角的積（Et endue)。若假想爲理想 的無像差、透射係數100%的光學系，則光源面積與立體角 的積（Etendue)被保存（此外，已知即使不爲共軛的關係，光 源面積與立體角的積（Et endue)也被保存）。 即若令上述圖的光源B爲二次元SLM，光源A的光源 面積與立體角的積（Etendue)比二次元SLM的光源面積與立 體角的積（Etendue)小的話，則以非常高的效率進行照明爲 可會g 。

(計算例） 令光源側的光源面積與立體角的積（Etendue)爲Es。 (1 )、弧光長4mm的放電燈的例子 令光源爲直徑1 m m，長度4 m m的圓柱，若由側面等向 地放出光的話，

Es=7t · 1· 4· 2^-=80 mm 2 · s t r (光源面積與立體角的積（E t e n d u e)大）。 (2) '纖（fiber)光源的例子 - 1 3 - 1294045 若令束（bundle)射出部尺寸爲 0.7χ〇·7 mm、ΝΑΟ.2(兰 1 1 · 5 d e g)，則

Es = 2 π · (l-cosll.5)· 0.7· 0.7 = 0.06 nun 2 · str (光源面積與立體角的積（Etendue)非常小）。 [實施例]

以下舉以二次元S LM 1 8 6使用D M D的情形作爲實施例 來說明。如圖9所示，在本實施例中二次元SLM與DMD 200 係配設於各曝光頭166m 〜166mn，藉由DMD200依照影像資 料各像素調變入射的光束。 第9(A)圖係顯示對主掃描方向U不使DMD200傾斜的 情形的各像素部的實像（射束點BS)的掃描軌跡，第9(B)圖 係顯示對主掃描方向U使DMD 2 00傾斜的情形的射束點BS 的掃描軌跡。DMD200係其邊方向與主掃描方向U成預定 角度Θ (例如0.1 °〜1 ° )而稍微使其傾斜而配置較佳。

在DMD200沿著縱向（行方向）像素部排列多數個（例如 8 00個）的像素列係在橫方向排列多數組（例如600組），但 如第4圖（B)所示，藉由使DMD200傾斜使由各像素部射出 的射束點BS的掃描軌跡（掃描線）的間距P2比不使DMD200 傾斜的情形的掃描線的間距P i窄，可大幅地提高解像度。 另一方面，D M D 2 0 0的傾斜角因爲微小，故使D M D 2 0 0傾 斜的情形的掃描寬度W2與不使DMD 2 00傾斜的情形的掃描 寬度Wi爲略同一。 而且，藉由不同的像素列使相同的掃描線上的略同一 的位置（點）重疊而被曝光（多重曝光）。如此，藉由被多重曝 -14- 1294045 光可控制曝光位置的極少量，可實現高精細的曝光。而且 ，藉由極少量的曝光位置控制可無層差地連接沿著主掃描 方向U排列的複數個曝光頭間的接縫。但是，其變形量小 如以上所說明的，在本實施例中以無像LC D (液晶元件） 在UV光劣化的DMD200作爲二次元SLM而配設。據此， 可用高的照明效率使對UV光具有感度的感光材料均勻地 曝光。

以上雖然舉實施形態來說明本發明的實施形態，惟上 述實施形態係一例，在不脫離要旨的範圍內可實施種種的 變更。而且，當然本發明的權力範圍未被限定於上述實施 形態。 【發明的功效】 本發明因以上述構成，故可實現可得到高的照明效率 並且可均勻地曝光的曝光裝置。 (五）圖式簡單說明

第1圖是顯示與本發明的一實施形態有關的曝光裝置 的外觀的斜視圖。 第2圖是顯示與本發明的一實施形態有關的曝光裝置 的掃描器的構成的斜視圖。 第3 (A)圖是顯示形成於感光材料的曝光完成區域的俯 視圖，第3(B)圖是顯示藉由各曝光頭所產生的曝光區域的 排列的俯視圖。 第4圖是顯示與本發明的一實施形態有關的曝光裝置 -15- 1294045 的曝光頭的構成的模式圖。 _ 第5圖是顯示與本發明的一實施形態有關的曝光裝置 ，應以二次元SLM照明的照明設定區域的俯視圖。 第6圖是與本發明的一實施形態有關的曝光裝置，光 纖束端部的前視圖。 第7圖是顯示與本發明的一實施形態有關的曝光裝置 的曝光頭的變形例的模式圖。 第8圖是說明光源面積與立體角的積（Etendue)的原理 用的模式圖。 φ 第9(A)圖以及第9(B)圖分別爲不傾斜配置DMD的情 形與傾斜配置的情形，比較入射於DMD的射束的位置以及 由DMD射出的掃描線而顯示的模式圖。 第1 0圖是習知的光纖束端部的前視圖。 【符號說明】 142:曝光裝置

1 5 0 :感光材料 1 5 2 :載物台 1 5 6 :設置台 158:導軌 160:門 164:檢測感測器 166、166mn:曝光頭 170:曝光完成區域 174:光纖 -16- 1294045 174E:光纖束端部（端部） 176:光學積分器 1 7 8 :準直儀透鏡 1 8 0 A、1 8 0 B :蠅眼透鏡 1 8 2 :場透鏡 186:二次元SLM(二次元空間 190:照明設定區域 1 9 2 :射出區域 200: DMD A、B :光源 B S :射束點 U:主掃描方向 V ·.副掃描方向 變元件）

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Claims (1)

1294045 拾、申請專利範圍： 1·一種曝光裝置，包含： 光源； 由該光源供給光的光學積分器；以及 被經由該光學積分器的光照明的二次元空間調變元 件，其特徵爲： 該光源係並排光纖而排列，由自該光纖射出光的光 纖束構成的光源， 使以由射出側看的該光纖束的端部形成的射出區域 的形狀與該光學積分器的射出面的輪廓形狀成略相似形 〇 2 .如申請專利範圍第1項所述之曝光裝置，其中該光學積 分器係蠅眼型或桿型。

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