WO2020116086A1 - 露光用光源装置 - Google Patents

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WO2020116086A1
WO2020116086A1 PCT/JP2019/043823 JP2019043823W WO2020116086A1 WO 2020116086 A1 WO2020116086 A1 WO 2020116086A1 JP 2019043823 W JP2019043823 W JP 2019043823W WO 2020116086 A1 WO2020116086 A1 WO 2020116086A1
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WO
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optical system
light
semiconductor laser
light source
laser light
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Application number
PCT/JP2019/043823
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English (en)
French (fr)
Inventor
林　賢志
三浦　雄一
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
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Publication date
Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to an exposure light source device, and more particularly to an exposure light source device that uses light emitted from a semiconductor laser light source.
  • a single semiconductor laser light source has a small amount of radiated luminous flux as a light source for exposure equipment.
  • a method of arranging a plurality of semiconductor laser light sources and condensing the light emitted from each semiconductor laser light source can be considered.
  • Patent Document 1 discloses an exposure apparatus for a flexible printed circuit board, which includes a plurality of semiconductor laser light sources and optical fibers corresponding to the respective semiconductor laser light sources.
  • FIG. 8A is a drawing schematically showing an exposure light source device including a semiconductor laser light source 100, a collimator lens 101 (also referred to as “collimation lens”), a condenser lens 102, and a rod integrator 104. ..
  • FIG. 8A schematically shows the traveling paths of each principal ray and each ray bundle of the light (laser light) emitted from the plurality of semiconductor laser light sources 100.
  • a light beam emitted from the center of the semiconductor laser light source 100 in parallel with the optical axis 140 is referred to as a “main light beam”, and a bundle of light beams emitted from the semiconductor laser light source 100 is referred to as a “bundle light beam”.
  • a ray bundle is referred to as a “bundle light beam”.
  • an axis orthogonal to the incident surface 105 of the rod integrator 104 is an optical axis 140.
  • the optical axis 140 direction is the Z direction
  • the plane orthogonal to the Z direction is the XY plane
  • the incident angle of light with respect to the incident surface 105 is ⁇ 1.
  • the light flux (121a, 121b, 121c) emitted from the semiconductor laser light source 100 is converted into a substantially parallel light flux (122a, 122b, 122c) by the collimator lens 101.
  • the bundles of rays (122a, 122b, 122c) are parallel to each other, do not overlap each other, and enter the condenser lens 102 at the subsequent stage.
  • the bundle of rays (122a, 122b, 122c) incident on the condenser lens 102 is converted into a bundle of rays (123a, 123b, 123c) that converges toward the focus position 150 of the condenser lens 102.
  • a rod integrator 104 is arranged at the subsequent stage of the condenser lens 102 in order to enhance the uniformity of the light intensity distribution of the light beam bundles (123a, 123b, 123c) condensed by the condenser lens 102.
  • the rod integrator 104 is arranged so that the incident surface 105 is aligned with the focal position 150 of the condenser lens 102.
  • the semiconductor laser light source 100 and the collimator lens 101 cannot be arranged in close contact with each other, a gap is generated between the light beam bundles (122a, 122b, 122c), and light is incident on the incident surface 103 of the condenser lens 102. There are places where it exists and places where it does not exist, and uneven illumination occurs.
  • FIG. 8B is a schematic view of the condenser lens 102 of FIG. 8A when viewed from the incident surface 103 side in the Z direction.
  • the same number of semiconductor laser light sources 100 and collimating lenses 101 are arranged in the Y direction at the same intervals as in the X direction, and the chief ray 110b of the ray bundle 122b is aligned with the optical axis 140. I was supposed to do it.
  • FIG. 8A shows a bundle of rays (122a, 122b, 122c) incident on the incident surface 103 of the condenser lens 102, and The rod integrator 104 located in the +Z direction from the optical lens 102 is also illustrated.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing the structure of the semiconductor laser chip 200.
  • the semiconductor laser light source 100 shown in FIG. 8A is a laser light source in which the semiconductor laser chip 200 shown in FIG. 9 is casing.
  • the semiconductor laser light source 100 is a laser light source that emits light so that the principal rays (110a, 110b, 110c) pass through the center of the light emission window.
  • the direction in which the divergence angle of the ray bundle 121 is large is “ The “Fast axis direction” is called, and the direction in which the divergence angle of the light bundle 121 is small (X direction shown in FIG. 9) is called the “Slow axis direction”.
  • the divergence angle is an angle formed by the principal ray (110a, 110b, 110c) and a ray propagating at a light intensity of 1/e 2 of the principal ray (110a, 110b, 110c) having the maximum light intensity. Points twice the angle.
  • each of the light beam bundles (122a, 122b, 122c) does not exist on the concentric circle centered on the optical axis 140, or the principal ray (110a). , 110b, 110c), a region 130 having extremely low light intensity is generated. This is because the semiconductor laser light source 100 and the collimator lens 101 shown in FIG. 8A cannot be placed completely in close contact with each other for the same reason as described above.
  • the rod integrator 104 guides the incident light to the emission surface 106 (see FIG. 8A) while repeatedly totally reflecting the incident light on the side surface, the light intensity distribution at the position on the XY plane (hereinafter, “position distribution”).
  • position distribution the light intensity distribution at the position on the XY plane
  • angle distribution the light intensity distribution for each incident angle ⁇ 1 on the incident surface 105 of the rod integrator 104
  • the rod integrator 104 Even if the rod integrator 104 is used, the light does not exist in a part of the angular range, or the region where the light intensity is extremely low as compared with the vicinity of the principal rays (111a, 111b, 111c) cannot be eliminated. That is, the unevenness of the angular distribution generated on the emission surface of the condenser lens 102 is not eliminated even by the light emitted from the emission surface 106 of the rod integrator 104.
  • Exposure equipment is expected to be capable of uniform exposure so that uneven illumination does not occur on the object to be exposed. Therefore, it is preferable that the light source device used in the exposure apparatus be capable of outputting light that is uniform in position distribution and angle distribution.
  • the light emitted from the plurality of semiconductor laser light sources 100 is condensed by the collimator lens 101 and the condenser lens 102, and the rod integrator 104 improves the uniformity of the position distribution. It was found that the uniform distribution of light required for the exposure apparatus could not be obtained, and uneven illuminance would occur on the object to be exposed.
  • an object of the present invention is to provide an exposure light source device that uses a plurality of semiconductor laser light sources to supply light with improved uniformity of angular distribution.
  • the exposure light source device is A plurality of semiconductor laser light sources, A plurality of collimating optical systems, which are arranged corresponding to the plurality of semiconductor laser light sources, convert the light flux emitted from the semiconductor laser light source into a substantially parallel light flux, and emit the light.
  • a condensing optical system that includes an incident surface on which the light flux emitted from the collimating optical system is incident, and that condenses the light flux emitted from the collimating optical system,
  • An optical waveguide including a circular incident surface, which is arranged at a position where a bundle of rays emitted from the condensing optical system is condensed,
  • the ratio of the maximum value and the minimum value of the numbers belonging to the ray bundle groups in which the adjacent ray bundles partially overlap and the distance from the optical axis of the condensing optical system is the same is less than 2. It is characterized by
  • the respective light fluxes emitted from the respective semiconductor laser light sources are rotated about the optical axis of the condensing optical system and directed in the same radial direction. When they are arranged side by side, some of the adjacent ray bundles overlap. The process of rotating the condensing optical system about the optical axis and arranging them in the same radial direction will be described later in the description of FIG. 3B.
  • the ratio between the maximum value and the minimum value of the number of ray bundles belonging to the ray bundle group having the same distance from the optical axis of the condensing optical system is less than 2.
  • the same distance from the optical axis is not limited to the same distance from the optical axis. If the distance error is 1 mm or less, the light bundles belonging to the same light bundle group are included. May be regarded as
  • the light source device for exposure includes an optical waveguide whose entrance surface is circular. Since the incident surface is circular, the light emitted from the optical waveguide is converted into uniform light on a concentric circle centered on the optical axis while maintaining the incident angle on the incident surface. Details will be described later in the description of FIG. 1B.
  • the plurality of semiconductor laser light sources may be arranged on the same plane.
  • the semiconductor laser light sources are arranged on the same substrate, it is possible to wire each semiconductor laser light source on the same substrate. Furthermore, the semiconductor laser light source may be cooled by a cooling mechanism on the same substrate.
  • the ratio of the maximum value and the minimum value of the numbers belonging to the bundle of light rays having the same distance from the optical axis of the condensing optical system is 1.
  • the number of light flux groups belonging to the same distance from the optical axis of the condensing optical system are all the same, and the angular intensity distribution can have a smaller light intensity difference.
  • Each of the light fluxes emitted from the plurality of semiconductor laser light sources on the incident surface of the condensing optical system has an elliptical shape whose major axis direction faces the optical axis side of the condensing optical system. I don't care.
  • each light beam emitted from each semiconductor laser light source is aligned along the radial direction when rotated about the optical axis of the condensing optical system. Since the major axis directions are aligned with each other, adjacent ray bundles are easily overlapped with each other, and the adjacent ray bundles can be separated from each other as compared with the case where they are aligned in the minor axis direction. Therefore, adjacent semiconductor laser light sources and adjacent collimating optical systems can be arranged more sparsely. If the semiconductor laser light source and the collimating optical system can be arranged sparsely, the degree of freedom of each arrangement can be increased, and a configuration in which wiring is easier can be adopted.
  • the fact that the major axis direction of the bundle of rays faces the optical axis side of the condensing optical system means that the major axis of the bundle of rays incident on the condensing optical system is It is not limited to the case where the straight line drawn from the axis toward the center of the light beam bundle is parallel, that is, the angle formed by both straight lines is 0°, and the angle includes less than 45°.
  • the exposure light source device may be provided with an integrator optical system that homogenizes the position distribution of the light flux emitted from the optical waveguide and emits it.
  • the uniformity of the position distribution is improved by the integrator optical system, so that light with improved uniformity of the angular distribution and the position distribution can be obtained.
  • an exposure light source device that uses a plurality of semiconductor laser light sources to supply light with improved uniformity of angular distribution to the exposure light source device.
  • FIG. 3 is a drawing schematically showing light emitted from an optical waveguide 13.
  • 2 is a schematic view of the condensing optical system of FIG. 1 when viewed from the incident surface side in the Z direction.
  • FIG. 3B is a schematic drawing showing a state in which the light beam bundles on the entrance surface of the condensing optical system shown in FIG. 3A are rotated about the optical axis and arranged in the same radial direction.
  • FIG. 5B is a schematic view of the condensing optical system of FIG. 5A when viewed from the incident surface side in the Z direction. It is drawing which shows typically the structural example of another embodiment of the light source device for exposure.
  • 6B is a schematic view of the configuration of the exposure light source device of FIG. 6A when viewed from the power feeding portion side of the semiconductor laser light source. It is drawing which shows the structure of an exposure apparatus typically. It is drawing which showed typically the light source device for exposure comprised by the semiconductor laser light source, the collimating lens, the condensing lens, and the rod integrator.
  • FIG. 8B is a schematic view of the condenser lens of FIG. 8A when viewed from the incident surface side in the Z direction. It is a perspective view which shows the structure of a semiconductor laser chip typically.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration example of a first embodiment of an exposure light source device.
  • the exposure light source device 1 includes a plurality of semiconductor laser light sources 10, a plurality of collimating optical systems 11, a condensing optical system 12, and an optical waveguide 13.
  • the optical waveguide 13 has a cylindrical shape, and in FIG. 1, the axis orthogonal to the incident surface 14 is the optical axis 15 and is arranged so as to coincide with the optical axis of the condensing optical system 12. .. Further, the optical axis 15 direction is the Z direction, the plane orthogonal to the Z direction is the XY plane, and the incident angle of light with respect to the incident surface 14 is ⁇ 1.
  • the optical waveguide 13 specifically, an optical fiber, a cylindrical glass body, or the like can be used as the optical waveguide 13, specifically, an optical fiber, a cylindrical glass body, or the like can be used.
  • the semiconductor laser light source 10 is a laser light source in which a semiconductor laser chip is casing.
  • the semiconductor laser light source 10 is a laser light source that emits light so that the principal ray 22a passes through the center of the light emission window.
  • the collimating optical system 11 is a collimating lens that converts a light beam bundle 21 emitted from the semiconductor laser light source 10 into a substantially parallel light beam bundle 22 and emits it.
  • a plurality of collimating optical systems 11 are arranged corresponding to each semiconductor laser light source 10.
  • the condensing optical system 12 is a condensing lens that converts the light beam bundle 22 emitted from the collimating optical system 11 into a light beam bundle 23 that converges toward a focal position and emits the light beam bundle 23.
  • the optical waveguide 13 shown in FIG. 1 is arranged so that the incident surface 14 is at the focal point of the condensing optical system 12.
  • “to be placed at the focal position” means that the position is perfectly coincident with the focal position and that the lens is moved by a distance of ⁇ 10% in the direction parallel to the optical axis 15 with respect to the focal length. It is assumed to be a concept including position.
  • the optical axis 15 in FIG. 1 is an axis that is orthogonal to the incident surface 20 of the condensing optical system 12 and passes through the center of the incident surface 20. As shown in FIG.
  • the axis passing through the center of the condensing optical system 12 is arranged so as to coincide with the optical axis 15, but the optical axis 15 and the center of the condensing optical system 12 are arranged.
  • the axes to pass do not have to match.
  • the optical waveguide 13 homogenizes the distribution of the light incident from the incident surface 14 in the circumferential direction around the optical axis 15 while maintaining the angle of incidence angle ⁇ 1 with respect to the optical axis 15 from the emission surface 16.
  • the light is emitted at an emission angle ⁇ 2 (see FIG. 2A) that is the same as the incident angle ⁇ 1.
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing light traveling in the optical waveguide 13 in a YZ plan view. As shown in FIG. 2A, the optical waveguide 13 guides the light beam to the emission surface 16 while repeatedly reflecting the incident light on the side surface.
  • FIG. 2A only one light beam is schematically shown, but a plurality of light beam bundles are incident on the optical waveguide 13, and the light beams are aggregated in the optical waveguide 13 and travel, so that the emission surface 16 At, the light flux is emitted as a bundle of rays with a uniform distribution on the XY plane.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing light traveling in the optical waveguide 13 in XY plan view.
  • the light beam bundle 24 that has entered the optical waveguide 13 is reflected on the inner wall surface of the circular optical waveguide 13.
  • the light bundle 24 advances toward the opposite wall surface while widening the width.
  • FIG. 2C is a drawing schematically showing the light emitted from the optical waveguide 13.
  • the light bundle 24 travels while repeating reflection on the inner wall surface of the optical waveguide 13, and eventually becomes a light bundle 24 that travels while reflecting all over the inner wall surface of the optical waveguide 13 in the circumferential direction.
  • the light beam bundle 24 that has reached the output surface 16 is output as an annular light beam bundle 25 having an output angle ⁇ 2 with the optical axis 15 as the center.
  • the semiconductor laser light sources 10 are arranged on the same plane, and the light beam bundle on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 is rotated about the optical axis 15 to be the same.
  • the adjacent ray bundles are arranged so as to partially overlap each other.
  • Each collimating optical system 11 is also arranged on the same plane so as to correspond to each semiconductor laser light source 10, but neither the semiconductor laser light source 10 nor the collimating optical system 11 may be arranged on the same plane. ..
  • FIG. 3A is a schematic view of the condensing optical system 12 of FIG. 1 when viewed from the incident surface 20 side in the Z direction.
  • FIG. 3B shows a state in which the light beam bundles 22 on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 shown in FIG. 3A are virtually rotated about the optical axis 15 and arranged in the same radial direction 30. It is a schematic drawing shown. As shown in FIG. 3B, each ray bundle 22 arranged in the same radial direction 30 overlaps a part of an adjacent ray bundle 22. In FIG. 3B, the region where the adjacent light beam bundles 22 overlap each other is shown by hatching.
  • FIG. 3B is an enlarged view of a set of adjacent light beam bundles 22 on the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 shown in FIG. 3B.
  • an area of a region L1 where adjacent light fluxes 22 overlap each other on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 is S1
  • an irradiation area of the light flux 22 on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 is set.
  • the value of S1/S2 is preferably 10% or more and 70% or less, and more preferably 30% or more and 50% or less. The same applies to the overlap between the other adjacent ray bundles 22.
  • the light flux emitted from the condensing optical system 12 in which the unevenness of the angular distribution is suppressed is incident on the incident surface 14 of the optical waveguide 13, and the circumferential distribution around the optical axis 15 is made uniform.
  • the light is emitted from the emission surface 16.
  • FIGS. 4A and 4B show the condensing optical system 12 viewed from the incident surface 20 side in the Z direction in a configuration in which the semiconductor laser light source 10 and the collimating optical system 11 are arranged on the same plane with the closest packing. It is a schematic drawing at the time.
  • FIGS. 4A and 4B show condensing optics in two cases as an example in which the semiconductor laser light source 10 and the collimating optical system 11 are arranged on the same plane in a point-symmetrical close-packed manner about the optical axis 15.
  • a ray bundle 22 on the entrance face 20 of the system 12 is shown.
  • the number of the bundles of rays arranged at the same distance from the optical axis 15 with respect to the bundle of rays 22 on the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 is such that the center is the optical axis.
  • the number of ray bundles 22 in 15 is 1, and the number of ray bundles belonging to the ray bundle group on the first radius R1 is 6 (hereinafter, simply the number belonging to the ray bundle group of the nth radius Rn) in the order of being closest to the optical axis.
  • the number belonging to the ray bundle group of the second radius R2 is 6, the number belonging to the ray bundle group of the third radius R3 is 6, and the number belonging to the ray bundle group of the fourth radius R4 is 12. Therefore, the ratio between the maximum value and the minimum value of the numbers belonging to the ray bundle groups having the same distance from the optical axis 15 is 12. Even if the configuration in which the light beam bundle 22 whose center is arranged on the optical axis 15 is removed is adopted, the ratio between the maximum value and the minimum value is 2.
  • the number of light bundle groups arranged at the same distance from the optical axis 15 with respect to the light bundle 22 on the entrance surface 20 of the condensing optical system is In close order, the number of rays belonging to the ray bundle group of the first radius R1 is 2, the number of rays belonging to the ray bundle group of the second radius R2 is 2, the number of rays belonging to the ray bundle group of the third radius R3 is 4, and the fourth radius R4. 2 belong to the ray bundle group, the number belongs to the ray bundle group with the fifth radius R5 is 4, the number belongs to the ray bundle group with the sixth radius R6 is 4, and the distance from the optical axis 15 is the same.
  • the ratio of the maximum value and the minimum value of the numbers belonging to the ray bundle group is 2.
  • the ratio of the maximum value and the minimum value of the numbers belonging to the bundle of rays having the same distance from the optical axis 15 is 1 (FIG. 3 ), so that the semiconductor laser As compared with the case where the light source 10 and the collimating optical system 11 are arranged in the closest packing, it is possible to obtain light with less unevenness in the angular distribution.
  • FIG. 5A is a drawing schematically showing a configuration example of another embodiment of the exposure light source device.
  • the bundle of rays 22 that enters the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 is a bundle of rays 22p that enters the positive direction side of the optical axis 15 in the Y direction, and the bundle of rays 22 that enters the negative side. It is divided into a light beam bundle 22m that The bundle of light rays (22p, 22m) traveling in a direction not parallel to the optical axis 15 is converted by the mirror 40 into a bundle of light rays (22p, 22m) traveling in a direction parallel to the optical axis 15 and collected. It is incident on the incident surface 20 of the optical optical system 12.
  • the semiconductor laser light source 10p related to the light beam bundle 22p and the collimating optical system 11p are arranged in the positive direction with respect to the optical axis 15 in the Y direction, and the semiconductor laser light source 10m related to the light beam bundle 22m.
  • the collimating optical system 11m is arranged on a plane facing each other in the negative direction with respect to the optical axis 15 in the Y direction.
  • the semiconductor laser light sources (10p, 10m) and the collimating optical systems (11p, 11m) do not have to be arranged on the same plane.
  • FIG. 5B is a schematic drawing of the condensing optical system of FIG. 5A when viewed from the incident surface side in the Z direction.
  • the bundle of rays (22p, 22m) that has become a light traveling parallel to the optical axis 15 by the mirror 40 is incident on the incident surface 20 of the condensing optical system 12.
  • the light beam bundles (22p, 22m) are aligned around the optical axis 15 on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 and aligned in the same radial direction 30, , Are arranged so that adjacent light beam bundles partially overlap with each other.
  • the ratio between the maximum value and the minimum value of the number of ray bundles belonging to the ray bundle group having the same distance from the optical axis 15 is 1.
  • the light whose unevenness in the angular distribution is suppressed is incident on the incident surface 14 of the optical waveguide 13 and the optical axis.
  • the distribution in the circumferential direction around 15 is made uniform, and the light is emitted from the emission surface 16. As described above, it is possible to obtain light with little unevenness in angular distribution.
  • FIG. 6A is a drawing schematically showing a configuration example of another embodiment of the exposure light source device.
  • the major axis 22L of the bundle of rays 22 having an elliptical shape has an elliptical shape facing the optical axis 15 side.
  • each light beam bundle 22 is arranged in a spiral shape around the optical axis 15 of the condensing optical system 12. That is, the respective semiconductor laser light sources 10 are arranged on the plane in a spiral shape with the optical axis 15 as the center.
  • each light beam bundle 22 is arranged along the array direction 30 when rotated about the optical axis 15. Since the major axis 22L directions are aligned, adjacent ray bundles 22 are likely to overlap with each other, and the adjacent ray bundles 22 can be separated from each other as compared with the case where they are aligned in the minor axis 22S direction. Therefore, the adjacent semiconductor laser light sources 10 and the adjacent collimating optical system 11 as shown in FIG. 1 can be arranged more sparsely. If the semiconductor laser light source 10 and the collimating optical system 11 can be arranged sparsely, the degree of freedom of each arrangement can be increased, and a configuration in which wiring is easier can be adopted.
  • FIG. 6B is a schematic drawing of the configuration of the exposure light source device of FIG. 6A when viewed from the power feeding section side of the semiconductor laser light source 10. If a semiconductor laser light source that is similarly casing with the same casing material is used, as shown in FIG. 6B, by arranging in a spiral manner, the power supply terminals formed in the casing material also follow the arrangement of the casing material. So that it becomes spiral. Therefore, with the configuration as described above, it is easy to wire the semiconductor laser light sources 10 in series, and it is possible to avoid complicated wiring in which the wires 10a intersect or become dense.
  • the exposure light source device 1 that emits light with improved uniformity of angular distribution as described above can be used as a light source of an exposure device as follows.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the configuration of the exposure apparatus 70.
  • the exposure apparatus 70 shown in FIG. 7 includes the exposure light source device 1 of the first embodiment described above, but may include the exposure light source device 1 of the second embodiment.
  • an integrator optical system 71, a projection optical system 72, and a mask 73 that make the position distribution uniform are provided at the subsequent stage of the optical waveguide 13, and a projection lens 74 is provided as necessary.
  • a mask 73 is installed at a position projected by the projection optical system 72, and a photosensitive substrate 75, which is a target for printing a pattern image of the mask 73, is installed at a stage subsequent to the mask 73.
  • the integrator optical system 71 for example, an optical system such as a rod integrator or a fly-eye lens that emits light with improved uniformity of position distribution of incident light is used.
  • the integrator optical system 71 makes the position distribution uniform and irradiates the projection optical system 72.
  • the projection optical system 72 projects this light onto the photosensitive substrate 75 either directly or via the projection lens 74 as a pattern image of the mask 73.
  • the exposure apparatus 70 includes the exposure light source device 1 described in each of the above-described embodiments, the exposure apparatus 70 can perform exposure using light having improved uniformity of angular distribution as compared with the related art, and uneven exposure is suppressed. ..
  • one embodiment of the light source device for exposure may include an optical fiber into which the light beam bundle 22 emitted from the semiconductor laser light source 10 and converted into substantially parallel light by the collimating optical system 11 is incident.
  • the light beam bundles 22 incident on the condensing optical system 12 are adjacent to each other on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 when they are rotated around the optical axis 15 and aligned in the same radial direction 30.
  • the optical fibers are set so that the ratio of the maximum value and the minimum value of the number of the light bundles 22 belonging to the light bundle group having the same distance from the optical axis 15 is less than 2.
  • the emission surface may be arranged.
  • the number of the light beam bundles 22 belonging to the light beam bundle group having the same distance from the optical axis 15 on the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 is all one.
  • the number of the light ray bundles 22 belonging to each light ray bundle group may be two or more.
  • the number of light beam bundles 22 belonging to each light beam bundle group may be different.
  • the ratio of the maximum value and the minimum value of the number of light bundles 22 of each light bundle group is It is arranged to be less than 2.
  • the semiconductor laser chip included in the semiconductor laser light source 10 has a so-called “edge emitting type” structure similar to each semiconductor laser chip 200 described with reference to FIG. Explained.
  • the present invention can be similarly applied even if each semiconductor laser chip has a so-called “surface emitting type” structure in which light is extracted in the stacking direction of the semiconductor layers.
  • the bundle of rays incident on the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 has a substantially perfect circular shape.

Abstract

複数の半導体レーザ光源を用いて、角度分布の均一性を向上させた光を供給する露光用光源装置を提供する。　複数の半導体レーザ光源と、複数の半導体レーザ光源に対応して配置され、半導体レーザ光源から出射された光線束を略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、コリメート光学系から出射された光線束が入射される入射面を含み、コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、集光光学系から出射された光線束が集光する位置に配置された、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、集光光学系の入射面における、半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なり、集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率が２未満である。

Description

露光用光源装置
　本発明は、露光用光源装置に関し、特に半導体レーザ光源から出射された光を用いた露光用光源装置に関する。
　従来、プリント基板等の製造工程等に用いられる露光装置には光強度の高い放電ランプが用いられていた。近年では、固体光源技術の進歩に伴い、放電ランプから高効率で長寿命な半導体レーザ光源に置き換える検討が進められている。
　単体の半導体レーザ光源では、露光装置の光源としては放射光束が少ない。高い強度の光を得るためには、複数の半導体レーザ光源を配置し、それぞれの半導体レーザ光源から出射された光を集光する方法が考えられる。例えば、特許文献１には、複数の半導体レーザ光源と、それぞれの半導体レーザ光源に対応する光ファイバを備えた、フレキシブルプリント基板用の露光装置が開示されている。
特開２００１－２７２７９１号公報
　複数の半導体レーザ光源から出射される光を集光するには、コリメートレンズや集光レンズを用いて集光する方法が考えられる。しかし、本発明者らは、複数の半導体レーザ光源より出射された光を、これらの集光に用いられる光学系によって集光する露光用光源装置を検討したところ、以下のような課題が存在することを突き止めた。以下、図面を参照しながら説明する。
　図８Ａは、半導体レーザ光源１００とコリメートレンズ１０１（「コリメーションレンズ」とも称される。）と集光レンズ１０２及びロッドインテグレータ１０４で構成された、露光用光源装置を模式的に示した図面である。図８Ａは、複数の半導体レーザ光源１００から出射される光（レーザ光）の各主光線及び各光線束の進行経路を模式的に図示している。なお、本明細書では、半導体レーザ光源１００の中心から光軸１４０と平行に出射される光線を「主光線」と称し、半導体レーザ光源１００から出射される束状に形成された光線群を「光線束」と称する。
　図８Ａにおいては、ロッドインテグレータ１０４の入射面１０５に対して直交する軸を光軸１４０とする。また、光軸１４０方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面とし、入射面１０５に対する光の入射角をθ１とする。
　半導体レーザ光源１００から出射された光線束（１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ）は、コリメートレンズ１０１によって略平行な光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）に変換される。光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）は互いに平行であって、相互に重なり合うことはなく、後段の集光レンズ１０２に入射する。集光レンズ１０２に入射した光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）は、集光レンズ１０２の焦点位置１５０に向かって集光する光線束（１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ）に変換される。
　集光レンズ１０２の後段には、集光レンズ１０２によって集光された光線束（１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ）の光強度分布の均一性を高めるため、ロッドインテグレータ１０４が配置される。ロッドインテグレータ１０４は、入射面１０５が、集光レンズ１０２の焦点位置１５０と合うように配置される。
　ここで、半導体レーザ光源１００及びコリメートレンズ１０１を完全に密接して配置できないため、各光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）の間に隙間が生じ、集光レンズ１０２の入射面１０３において、光が存在する場所としない場所が生じてしまい、照度ムラが発生してしまう。
　従って、集光レンズ１０２の出射面に発生した照度ムラが発生した光を、集光レンズ１０２によって焦点位置１５０に集光するように変換された光線束（１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ）は、一部の角度範囲において光が存在しない、又は主光線（１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ）近傍と比較して、極めて光強度の低い領域１３０が生じてしまう。
　さらに、集光レンズ１０２の入射面１０３をＸＹ平面で見た場合を説明する。図８Ｂは、図８Ａの集光レンズ１０２を入射面１０３側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。なお、説明の便宜のため、Ｙ方向においても、Ｘ方向と同じ間隔で、同数の半導体レーザ光源１００及びコリメートレンズ１０１が整列されており、光線束１２２ｂの主光線１１０ｂが、光軸１４０と一致しているものとした。また、ＸＹ平面上の相対的な位置関係の理解を容易にするため、図８Ａには、集光レンズ１０２の入射面１０３に入射される光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）に加えて、集光レンズ１０２から＋Ｚ方向に位置するロッドインテグレータ１０４についても図示されている。
　各光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）は、集光レンズ１０２の入射面１０３において楕円形状である。図９は、半導体レーザチップ２００の構造を模式的に示す斜視図である。図９に示すような、いわゆる「端面発光型」の半導体レーザチップ２００の場合、エミッタ２０１から出射される光線束１２１は、楕円錐型を示すことが知られている。従って、図８Ｂに示すように、各光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）の断面は楕円形状となる。なお、図８Ａに示す半導体レーザ光源１００は、図９に示す半導体レーザチップ２００をケーシングしたレーザ光源である。半導体レーザ光源１００は、光の出射窓の中心を主光線（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）が通過するように、光を出射するレーザ光源である。
　本明細書では、光軸（図９に示すＺ方向）に直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）のうち、光線束１２１の発散角が大きい方向（図９に示すＹ方向）を、「Ｆａｓｔ軸方向」と呼び、光線束１２１の発散角が小さい方向（図９に示すＸ方向）を、「Ｓｌｏｗ軸方向」と呼ぶ。ここで、発散角とは、光強度が最大となる主光線（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）の１／e2の光強度で進行する光線と、主光線（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）とがなす角の２倍の角を指す。
　図８Ｂに示すように、集光レンズ１０２の入射面１０３では、各光線束（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）は、光軸１４０を中心とした同心円上において、光が存在しない、又は主光線（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）近傍と比較して、極めて光強度の低い領域１３０が生じる。これは、上述の理由と同様で、図８Ａに示す、半導体レーザ光源１００及びコリメートレンズ１０１を完全に密接して配置できないためである。
　ロッドインテグレータ１０４は、入射された光を側面で繰り返し全反射させながら、出射面１０６（図８Ａ参照）へと導くものであるため、ＸＹ平面上の位置における光強度分布（以下、「位置分布」という。）の均一性を向上させる効果はあるが、ロッドインテグレータ１０４の入射面１０５における入射角θ１ごとの光強度分布（以下、「角度分布」という。）は出射面１０６においても保持されるため、角度分布の均一性を向上させる効果はない。
　従って、ロッドインテグレータ１０４を用いても、一部の角度範囲において光が存在しない、又は主光線（１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ）近傍と比較して、極めて光強度の低い領域は解消されない。つまり、集光レンズ１０２の出射面に発生した角度分布のムラは、ロッドインテグレータ１０４の出射面１０６から出射される光においても解消されない。
　露光装置は、露光対象物に対して照度ムラが発生しないように、均一に露光できるものが期待されている。そのため、露光装置に用いられる光源装置には、位置分布及び角度分布において均一な光が出力できるものであることが好ましい。
　しかし、上述のとおり、複数の半導体レーザ光源１００から出射された光を、コリメートレンズ１０１と集光レンズ１０２で集光し、ロッドインテグレータ１０４によって位置分布の均一性を向上させるだけでは、角度分布については露光装置に求められる均一な分布の光が得られず、露光対象物に対して照度ムラが発生してしまうことがわかった。
　本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザ光源を用いて、角度分布の均一性を向上させた光を供給する露光用光源装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る露光用光源装置は、
　複数の半導体レーザ光源と、
　前記複数の半導体レーザ光源に対応して配置され、前記半導体レーザ光源から出射された光線束を、略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、
　前記コリメート光学系から出射された光線束が入射される入射面を含み、前記コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、
　前記集光光学系から出射された光線束が集光する位置に配置された、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、
　前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に前記集光光学系の光軸を中心に回転させて、直線上に並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっており、かつ、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率が２未満であることを特徴とする。
　上記露光用光源装置は、集光光学系の入射面において、各半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっている。なお、集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べるという過程は、図３Ｂの説明において後述する。
　上記構成によれば、図８Ｂに示すような、集光光学系の光軸を中心とした同心円上において、光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域は生じない。つまり、光軸に対する角度方向において、光が存在する領域内の一部に光が存在しない範囲がなくなり、角度分布の均一性が高められる。詳細は、図３Ｂの説明において後述する。
　上記露光用光源装置は、集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数の最大値と最小値の比率が２未満である。
　集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が多くなるほど、光導波路の入射面における入射角ごとの光強度が高くなる。つまり、集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が同じであれば、光導波路の入射面における入射角ごとの光強度差が小さくなる。従って、集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率が１に近いほど、角度分布の均一性が、より高められる。
　なお、光軸からの距離が同一であるとは、光軸からの距離が一致しているものだけには限られず、距離の誤差が１ｍｍ以下であれば、同一の光線束群に属する光線束とみなしてもよい。
　上記露光用光源装置は、入射面が円形状である光導波路を備える。入射面が円形状であることによって、光導波路から出射される光は、入射面における入射角を維持したまま、光軸を中心とした同心円上において均一な光に変換される。詳細は、図１Ｂの説明において後述する。
　上記露光用光源装置において、
　複数の前記半導体レーザ光源は、同一平面上に配置されていても構わない。
　上記構成によれば、全ての半導体レーザ光源が、同一の基板上に配置されるため、各半導体レーザ光源を同一基板上で配線することができる。さらには、半導体レーザ光源が、同一基板上の冷却機構で冷却する構成とすることができる。
　上記露光用光源装置において、
　前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率が１であることが好ましい。
　上記構成によれば、集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する数が全て同数となり、角度分布において、光強度差がより小さい分布とすることができる。
　上記露光用光源装置において、
　前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向く楕円形状を呈するものであっても構わない。
　上記構成によれば、集光光学系の入射面において、各半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、集光光学系の光軸を中心に回転させたときに、径方向に沿うように長軸方向が揃うため、隣接する光線束同士が重なりやすく、短軸方向でそろえる場合に比較して、隣接する光線束を離間させることができる。従って、隣接する半導体レーザ光源や、隣接するコリメート光学系をより疎に配置することができる。半導体レーザ光源やコリメート光学系が疎に配置できれば、それぞれの配置の自由度が高くなり、より配線しやすい構成等を採用することができる。
　また、光線束の長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向いているとは、集光光学系の入射面において、集光光学系に入射する光線束の長軸と、光軸から光線束の中心に向かって引いた直線とが平行、すなわち両直線のなす角度が０°である場合に限定されず、前記角度は４５°未満のものが含まれる。
　上記露光用光源装置において、
　前記光導波路から出射された光線束の位置分布を均一化して出射するインテグレータ光学系を備えるものであっても構わない。
　上記構成によれば、インテグレータ光学系によって、位置分布の均一性が向上されるため、角度分布と位置分布の均一性が向上された光が得られる。
　本発明によれば、複数の半導体レーザ光源を用いて、露光用光源装置に角度分布の均一性を向上させた光を供給する露光用光源装置を提供できる。
露光用光源装置の一実施形態の構成例を模式的に示す図面である。 ＹＺ平面視において、光導波路内を進行する光を模式的に示した図面である。 ＸＹ平面視において、光導波路内を進行する光を模式的に示した図面である。 光導波路１３から出射される光を模式的に示した図面である。 図１の集光光学系を入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。 図３Ａに示す集光光学系の入射面上の各光線束を、光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べた状態を示す模式的な図面である。 図３Ｂに示す集光光学系の入射面上で隣接する一組の光線束を、拡大して示す図面である。 半導体レーザ光源及びコリメート光学系が、同一平面上に光軸を中心とした点対称の最密充填で配置された構成において、集光光学系を入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。 半導体レーザ光源及びコリメート光学系が、同一平面上に光軸を中心とした点対称の最密充填で配置された構成において、集光光学系を入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。 露光用光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示す図面である。 図５Ａの集光光学系を入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。 露光用光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示す図面である。 図６Ａの露光用光源装置の構成において、半導体レーザ光源の給電部側から見たときの模式的な図面である。 露光装置の構成を模式的に示す図面である。 半導体レーザ光源とコリメートレンズと集光レンズ及びロッドインテグレータで構成された、露光用光源装置を模式的に示した図面である。 図８Ａの集光レンズを入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。 半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。
　以下、本発明の露光用光源装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。
　［第一実施形態］
　図１は、露光用光源装置の第一実施形態の構成例を模式的に示す図面である。露光用光源装置１は、複数の半導体レーザ光源１０と、複数のコリメート光学系１１と、集光光学系１２と、光導波路１３を備える。
　第一実施形態においては、光導波路１３は円柱形状であり、図１においては、入射面１４と直交する軸を光軸１５とし、集光光学系１２の光軸と一致するように配置されてる。また、光軸１５方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する平面をＸＹ平面とし、入射面１４に対する光の入射角をθ１とする。ここで、光導波路１３は、具体的には光ファイバや円柱形状のガラス体等を用いることができる。
　半導体レーザ光源１０は、半導体レーザチップをケーシングしたレーザ光源である。半導体レーザ光源１０は、光の出射窓の中心を主光線２２ａが通過するように、光を出射するレーザ光源である。
　図１に示すように、コリメート光学系１１は、半導体レーザ光源１０から出射された光線束２１を、略平行の光線束２２に変換して出射するコリメートレンズである。各半導体レーザ光源１０に対応して複数のコリメート光学系１１が配置されている。
　図１に示すように、集光光学系１２は、コリメート光学系１１から出射された光線束２２を、焦点位置に向かって集光する光線束２３に変換して出射する集光レンズである。
　図１に示す、光導波路１３は、入射面１４が、集光光学系１２の焦点の位置になるように配置されている。ただし、本明細書では、「焦点位置に配置する」とは、完全に焦点の位置に一致する場合の他、焦点距離に対して光軸１５に平行な方向に±１０％の距離だけ移動した位置を含む概念であるものとする。なお、図１における光軸１５とは、集光光学系１２の入射面２０に対して直交し、入射面２０の中心を通る軸である。図１に示すように、本実施形態においては、集光光学系１２の中心を通る軸は光軸１５に一致するように配置されているが、光軸１５と集光光学系１２の中心を通る軸は一致していなくても構わない。
　光導波路１３は、入射面１４から入射された光を、光軸１５に対する入射角θ１の角度を保持したまま、光軸１５を中心とした周方向の分布を均一化させて、出射面１６から入射角θ１と同じ角度の出射角θ２（図２Ａ参照）で出射する。
　ここで、光導波路１３に入射した光線束が、どのように変換されて出射されるかを説明する。図２Ａは、ＹＺ平面視において、光導波路１３内を進行する光を模式的に示した図面である。図２Ａに示すように、光導波路１３は、入射された光を側面で繰り返し反射させながら、光線を出射面１６へと導く。
　図２Ａでは、模式的に一本の光線のみを表しているが、光導波路１３には複数の光線束が入射され、光線が、光導波路１３内に集約されて進行することによって、出射面１６においてＸＹ平面上の分布が均一化された光線束となって出射される。
　次に、光導波路１３内を進行する光を、ＸＹ平面で見た場合を説明する。図２Ｂは、ＸＹ平面視において、光導波路１３内を進行する光を模式的に示した図面である。図２Ｂに示すように、光導波路１３に入射した光線束２４は、円形である光導波路１３の内壁面上で反射する。ここで、一定の幅を有する光線束２４は、光導波路１３の円形の内壁面上で反射すると、対向する壁面に向かって、幅が広がりながら進行する。
　図２Ｃは、光導波路１３から出射される光を模式的に示した図面である。光線束２４は、光導波路１３の内壁面上で反射を繰り返しながら進行し、やがて光導波路１３の内壁面の周方向全体にわたって反射しながら進行する光線束２４となる。出射面１６に到達した光線束２４は、光軸１５を中心とした出射角θ２の円環状の光線束２５として出射される。
　光導波路１３から出射する光が、照度ムラを生じないためには、上述のように、光軸１５を中心とする同心円上において、光が存在しない、又は主光線２２ａ近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が存在しないように光源や光学系の配置をする必要がある。
　第一実施形態においては、各半導体レーザ光源１０は、同一平面上に配置されており、集光光学系１２の入射面２０上の光線束を、光軸１５を中心に回転させて、同一の径方向３０に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なるように配置されている。各コリメート光学系１１も各半導体レーザ光源１０に対応するように、同一平面上に配置されているが、半導体レーザ光源１０もコリメート光学系１１も、同一平面上に配置されていなくても構わない。
　図３Ａは、図１の集光光学系１２を入射面２０側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図３Ｂは、図３Ａに示す集光光学系１２の入射面２０上の各光線束２２を、仮想的に光軸１５を中心に回転させて、同一の径方向３０に向かって並べた状態を示す模式的な図面である。図３Ｂが示すように、同一の径方向３０に向かって並べられた各光線束２２は、隣接する光線束２２の一部と重なっている。図３Ｂでは隣接する光線束２２同士が重なっている領域がハッチングにて図示されている。
　図３Ｂにおいては、集光光学系１２の入射面２０において、光軸１５を中心として回転させて、同一の径方向３０に向かってに並べたときの隣接する光線束２２の一部が重なり合っている。図３Ｃは、図３Ｂに示す集光光学系１２の入射面２０上で隣接する一組の光線束２２を、拡大して示す図面である。図３Ｃに示すように、隣接する光線束２２が集光光学系１２の入射面２０上において重なり合う領域Ｌ１の面積をＳ１とし、集光光学系１２の入射面２０上における光線束２２の照射領域Ｌ２の面積をＳ２とした場合に、Ｓ１／Ｓ２の値は１０％以上７０％以下が好ましく、３０％以上５０％以下がより好ましい。他の隣接する光線束２２同士の重なり合いについても同様である。
　従って、集光光学系１２から出射された角度分布のムラが抑えられた光線束は、光導波路１３の入射面１４に入射され、光軸１５を中心とした周方向の分布が均一化されて、出射面１６から出射される。
　ここで、照度ムラについて、半導体レーザ光源１０及びコリメート光学系１１が、同一平面上において最密充填で配置されたものと比較する。図４Ａ及び図４Ｂは、半導体レーザ光源１０及びコリメート光学系１１が、同一平面上に最密充填で配置された構成において、集光光学系１２を入射面２０側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。
　図４Ａ及び図４Ｂは、半導体レーザ光源１０及びコリメート光学系１１が、同一平面上に光軸１５を中心とした点対称の最密充填で配置されている例として、２つの場合の集光光学系１２の入射面２０上の光線束２２を示している。
　図４Ａに示す場合の最密充填では、集光光学系１２を入射面２０上の光線束２２に関し、光軸１５から同一の距離に配置されている光線束群の数は、中心が光軸１５にある光線束２２が１、次に光軸に近い順番で、第一半径Ｒ１上の光線束群に属する光線束の数が６（以下、単に第ｎ半径Ｒｎの光線束群に属する数がｘと記載する）、第二半径Ｒ２の光線束群に属する数が６、第三半径Ｒ３の光線束群に属する数が６、第四半径Ｒ４の光線束群に属する数が１２となっており、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率は１２である。光軸１５上に中心が配置されている光線束２２を除いた構成を採用したとしても、最大値と最小値の比率は２である。
　図４Ｂに示す場合の最密充填では、の集光光学系１２を入射面２０上の光線束２２に関し、光軸１５から同一の距離に配置されている光線束群の数は、光軸に近い順番で、第一半径Ｒ１の光線束群に属する数が２、第二半径Ｒ２の光線束群に属する数が２、第三半径Ｒ３の光線束群に属する数が４、第四半径Ｒ４の光線束群に属する数が２、第五半径Ｒ５の光線束群に属する数が４、第六半径Ｒ６の光線束群に属する数が４となっており、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率は２である。
　従って、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、半導体レーザ光源１０及びコリメート光学系１１が、同一平面上に光軸１５中心とした点対称の最密充填で配置されている場合には、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率は２以上となる。光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率が１に近いほど、各角度領域における光線束（半導体レーザから出射される光）の数の差が少なくなり、照度ムラの少ない光となる。第一実施形態の露光用光源装置１によれば、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率は１であるため（図３）、半導体レーザ光源１０及びコリメート光学系１１が最密充填で配置されている場合と比較して、角度分布のムラが少ない光を得られる。
　［第二実施形態］
　本発明の露光用光源装置の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
　図５Ａは、露光用光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示す図面である。図５Ａに示す実施形態は、集光光学系１２の入射面２０に入射する光線束２２は、Ｙ方向において、光軸１５よりも正方向側に入射する光線束２２ｐと、負方向側に入射する光線束２２ｍとに分けられる。光軸１５とは非平行な方向に進行する光線束（２２ｐ，２２ｍ）は、ミラー４０によって、光軸１５に対して平行な方向に進行する光線束（２２ｐ，２２ｍ）に変換されて、集光光学系１２の入射面２０に入射される。
　図５Ａに示すように、第二実施形態では、光線束２２ｐに係る半導体レーザ光源１０ｐとコリメート光学系１１ｐを、Ｙ方向において光軸１５に対して正方向、光線束２２ｍに係る半導体レーザ光源１０ｍとコリメート光学系１１ｍを、Ｙ方向において光軸１５に対して負方向に、それぞれ対向する平面上に配置されているものとした。各半導体レーザ光源（１０ｐ，１０ｍ）と各コリメート光学系（１１ｐ，１１ｍ）は、それぞれ同一平面上に配置されていなくても構わない。
　図５Ｂは、図５Ａの集光光学系を入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。ミラー４０によって光軸１５に平行に進行する光となった光線束（２２ｐ，２２ｍ）は、集光光学系１２の入射面２０に入射する。図５Ｂに示すように、各光線束（２２ｐ，２２ｍ）は、集光光学系１２の入射面２０において、光軸１５を中心に回転させて、同一の径方向３０に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なるように配置されている。
　また、第二実施形態においても、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数の最大値と最小値の比率は１である。
　従って、集光光学系１２の入射面２０上での光線束２２の配置が調整されることによって、角度分布のムラが抑えられた光は、光導波路１３の入射面１４に入射され、光軸１５を中心とした周方向の分布が均一化されて、出射面１６から出射される。以上により、角度分布のムラが少ない光を得られる。
　［第三実施形態］
　本発明の露光用光源装置の第三実施形態の構成につき、第一実施形態及び第二実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
　図６Ａは、露光用光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示す図面である。図６Ａが示すように、集光光学系１２の入射面２０において、楕円形状を呈する光線束２２の長軸２２Ｌが、光軸１５側を向く楕円形状を呈している。
　また、集光光学系１２の入射面２０において、各光線束２２が集光光学系１２の光軸１５を中心とした螺旋状に配置されている。つまり、各半導体レーザ光源１０が平面上に光軸１５を中心とした螺旋状に配置されている。
　このような構成によれば、上述のように、集光光学系１２の入射面２０において、それぞれの光線束２２は、光軸１５を中心に回転させたときに、配列方向３０に沿うように長軸２２Ｌ方向が揃うため、隣接する光線束２２同士が重なりやすく、短軸２２Ｓ方向でそろえる場合に比較して、隣接する光線束２２を離間させることができる。従って、図１に示すような、隣接する半導体レーザ光源１０や、隣接するコリメート光学系１１をより疎に配置することができる。半導体レーザ光源１０やコリメート光学系１１が疎に配置できれば、それぞれの配置の自由度が高くなり、より配線しやすい構成等を採用することができる。
　図６Ｂは、図６Ａの露光用光源装置の構成において、半導体レーザ光源１０の給電部側から見たときの模式的な図面である。同一のケーシング材で同じようにケーシングされた半導体レーザ光源を用いれば、図６Ｂに示すように、螺旋状に配置することで、ケーシング材に構成された給電用の端子もケーシング材の配置に沿うように螺旋状となる。従って、上述のような構成であれば、半導体レーザ光源１０を直列に配線しやすく、配線１０ａが交差や密集してしまうような複雑な配線を回避することができる。
　上述したような、角度分布の均一性が向上された光を出射する露光用光源装置１は、以下のように、露光装置の光源として利用することができる。
　図７は、露光装置７０の構成を模式的に示す図面である。図７に示す露光装置７０は、上述の第一実施形態の露光用光源装置１を備えているが、第二実施形態の露光用光源装置１を備えるものであっても構わない。そして、光導波路１３の後段に、位置分布を均一化させるインテグレータ光学系７１と投影光学系７２及びマスク７３を備え、必要に応じて投影レンズ７４を備える。投影光学系７２によって投影される位置にマスク７３を設置し、マスク７３の後段にマスク７３のパターン像を焼き付ける対象となる感光性基板７５を設置する。なお、インテグレータ光学系７１には、例えば、ロッドインテグレータやフライアイレンズのような、入射した光の位置分布の均一性を向上させて出射する光学系が用いられる。
　この状態で、光導波路１３から光が出射されると、インテグレータ光学系７１によって位置分布が均一化されて、投影光学系７２に照射される。投影光学系７２は、この光を、マスク７３のパターン像を直接又は投影レンズ７４を介して感光性基板７５上に投影する。
　露光装置７０は、上記各実施形態で説明した露光用光源装置１を備えることで、従来よりも角度分布の均一性が向上された光を用いて露光することができ、露光ムラが抑制される。
　［別実施形態］
　以下、別実施形態について説明する。
　〈１〉　図５Ａ、図６Ａに示すように、本発明の構成は集光光学系１２の入射面２０において、光軸１５を中心に回転させて、同一の径方向３０に向かって並べたときに、隣接する光線束２２の一部が重なっており、かつ、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する光線束２２の数の最大値と最小値の比率が２未満のものであればよく、半導体レーザ光源１０とコリメート光学系１１の配置は、上記実施形態には限られない。
　例えば、露光用光源装置の一つの実施形態としては、半導体レーザ光源１０から出射され、コリメート光学系１１によって略平行光に変換された光線束２２が入射する光ファイバを備えていてもよい。集光光学系１２に入射した光線束２２が、集光光学系１２の入射面２０上において、光軸１５を中心に回転させて、同一の径方向３０に向かって並べたときに、隣接する光線束２２の一部が重なり、かつ、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する光線束２２の数の最大値と最小値の比率が２未満となるように、当該光ファイバの出射面が配置された構成であってもよい。
　〈２〉　上記実施形態では、集光光学系１２の入射面２０において、光軸１５からの距離が同一である光線束群に属する光線束２２の数が全て１になるように配置されるものとしたが、各光線束群に属する光線束２２の数が２以上になるように配置されるものとしても構わない。また、各光線束群に属する光線束２２の数を異ならせても構わない。ただし、各光線束群に属する光線束２２の数を異ならせる場合には、角度分布の光強度差を小さくするため、各光線束群の光線束２２の数の最大値と最小値の比率が２未満となるように配置される。
　〈３〉　上記実施形態では、半導体レーザ光源１０に含まれる半導体レーザチップは、図９を参照して説明した各半導体レーザチップ２００と同様の、いわゆる「端面発光型」の構造である場合を想定して説明した。しかし、本発明は、各半導体レーザチップが、半導体層の積層方向に光が取り出される、いわゆる「面発光型」の構造であっても、同様に適用可能である。ただし、この場合には、集光光学系１２の入射面２０上に入射される光線束は、ほぼ真円形状を呈する。
　　　　１　　　　：　　光源装置
　　　１０，１０ｐ，１０ｍ　　：　　半導体レーザ光源
　　　１０ａ　　　：　　配線
　　　１１，１１ｐ，１１ｍ　　：　　コリメート光学系
　　　１２　　　　：　　集光光学系
　　　１３　　　　：　　光導波路
　　　１４　　　　：　　光導波路入射面
　　　１５　　　　：　　光軸
　　　１６　　　　：　　光導波路出射面
　　　２０　　　　：　　集光光学系入射面
　　　２１　　　　：　　光線束
　　　２２，２２ｐ，２２ｍ　　：　　光線束
　　　２２ａ　　　：　　主光線
　　　２２Ｌ　　　：　　光線束の長軸
　　　２２Ｓ　　　：　　光線束の短軸
　　　２３　　　　：　　光線束
　　　２４　　　　：　　光線束
　　　２５　　　　：　　光線束
　　　３０　　　　：　　径方向
　　　４０　　　　：　　ミラー
　　　７０　　　　：　　露光装置
　　　７１　　　　：　　インテグレータ光学系
　　　７２　　　　：　　投影光学系
　　　７３　　　　：　　マスク
　　　７４　　　　：　　投影レンズ
　　　７５　　　　：　　感光性基板
　　１００　　　　：　　半導体レーザ光源
　　１０１　　　　：　　コリメートレンズ
　　１０２　　　　：　　集光レンズ
　　１０３　　　　：　　集光レンズ入射面
　　１０４　　　　：　　ロッドインテグレータ
　　１０５　　　　：　　ロッドインテグレータ入射面
　　１０６　　　　：　　ロッドインテグレータ出射面
　　１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ　　：　　主光線
　　１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ　　：　　主光線
　　１２１，１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ　　：　　光線束
　　１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ　　：　　光線束
　　１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ　　：　　光線束
　　１３０　　　　：　　領域
　　１４０　　　　：　　光軸
　　１５０　　　　：　　焦点位置
　　２００　　　　：　　半導体レーザチップ
　　２０１　　　　：　　エミッタ
　　　θ１　　　　：　　入射角
　　　θ２　　　　：　　出射角
　　　Ｒ１　　　　：　　第一半径
　　　Ｒ２　　　　：　　第二半径
　　　Ｒ３　　　　：　　第三半径
　　　Ｒ４　　　　：　　第四半径
　　　Ｒ５　　　　：　　第五半径
　　　Ｒ６　　　　：　　第六半径
　　　Ｌ１　　　　：　　照射重複領域
　　　Ｌ２　　　　：　　照射領域
　　　Ｓ１，Ｓ２　：　　面積
 

Claims (5)

  1. 　複数の半導体レーザ光源と、
    　前記複数の半導体レーザ光源に対応して配置され、前記半導体レーザ光源から出射された光線束を、略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、
    　前記コリメート光学系から出射された光線束が入射される入射面を含み、前記コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、
    　前記集光光学系から出射された光線束が集光する位置に配置された、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、
    　前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に前記集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっており、かつ、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する数の最大値と最小値の比率が２未満であることを特徴とする露光用光源装置。
  2. 　前記複数の半導体レーザ光源は、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の露光用光源装置。
  3. 　前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数の最大値と最小値の比率が１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の露光用光源装置。
  4. 　前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向く楕円形状を呈することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の露光用光源装置。
  5. 　前記光導波路から出射された光線束の位置分布を均一化して出射するインテグレータ光学系を備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の露光用光源装置。
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