JP2006251732A - 露光装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置コストを抑えつつ、２次元的に分布した各描画単位の光量を均一化して高精度な画像露光を行う。
【解決手段】 光源から出射されたレーザ光を、主光線の角度に分布を持たせることで光軸中心に比べて周辺部の光密度を高め、周辺部の光輝度を高めたレーザ光としてＤＭＤ５０に照射する。ＤＭＤ５０により変調された光ビームの光量が、レンズ系の要因により光軸の中心部に比べて周辺部が低下してしまう場合に、その光ビームの露光面での光量分布は均一になるように補正される。
【選択図】 図９

Description

本発明は、露光装置及び方法に関し、特に、画像情報に応じて光変調状態が変化する複数の画素部が２次元的に配列された空間光変調素子により、光源から複数の画素部に入射した光ビームを画素部毎に変調して露光ヘッドから感光材料に照射し画像露光を行う露光装置及び方法に関する。

従来から、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）等の空間光変調素子（ＳＬＭ）を利用し、画像データに応じて変調された光ビームで画像露光を行う露光装置が種々提案されている。

例えば、ＤＭＤは、制御信号に応じて反射面の角度が変化する多数のマイクロミラーが、シリコン等の半導体基板上に２次元状に配列されたミラーデバイスであり、このＤＭＤを用いた従来のデジタル露光方式の露光装置では、レーザ光を照射する光源、光源から照射されたレーザ光をコリメートするレンズ系、レンズ系の略焦点位置に配置されたＤＭＤ、ＤＭＤで反射されたレーザ光を走査面上に結像するレンズ系、を備えた露光ヘッドにより、画像データ等に応じて生成した制御信号によりＤＭＤのマイクロミラーの各々をオンオフ制御してレーザ光を変調し、変調されたレーザ光（光ビーム）で、ステージ上にセットされ走査方向に沿って移動されるプリント配線板や液晶表示素子等の感光材料に対し画像（パターン）を走査露光している。

このように、描画単位が２次元的に分布した露光ヘッドを備えるデジタル露光装置では、各描画単位で微細なパターンを高精度に形成するために、露光ヘッド内の各描画単位の光量が均一であることが重要である。ただし実際には、露光ヘッドから照射される光ビームは、レンズ系の要因で光軸の中心部に比べて周辺部の光強度が低下してしまい、特にこの傾向は、各描画単位をマイクロレンズアレイにて集光する系で顕著である。そのため、露光ヘッドから照射された光ビームの光強度分布（光量）を測定し、この光強度分布に応じて空間光変調素子の各画素の駆動タイミングを変化させるよう駆動制御することにより、各描画単位の光量が均一になるよう補正するシェーディング技術を、既に本出願人が提案している（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００５−２２２４８号公報 特願２００５−２２２４９号公報

しかしながら、上述した特許文献１、２の技術では、空間光変調素子の駆動制御部に掛かる負荷が増加して処理速度に影響が及び、また、電気的な回路構成や処理ソフトが複雑化してコストアップを招いてしまう場合がある。このような電気的な制御系システムのコストは、装置全体のコストで大きな割合を占めるため、装置コストを抑えるために、制御系システムの負荷を軽減できる新たな技術が望まれる。

本発明は上記事実を考慮して、装置コストを抑えつつ、２次元的に分布した各描画単位の光量を均一化して高精度な画像露光を行うことができる露光装置及び方法を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、光ビームを出射する光源と、画像情報に応じて光変調状態が変化する複数の画素部が２次元的に配列され、前記光源から前記複数の画素部に入射した光ビームを、前記画素部毎に変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子の光ビーム入射側の光路上に設けられ、空間光変調素子に照射される光ビームの照射領域内での光量に分布を持たせ、空間光変調素子により変調された光ビームの露光面での光量分布が均一になるように補正する光量分布補正手段と、を有することを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、画像情報に応じて光変調状態を変化させる複数の画素部が２次元的に配列された空間光変調素子のその複数の画素部に、光源から出射した光ビームを光学系を介して照射し、前記複数の画素部によって画素部毎に変調した光ビームを感光材料の露光面に照射することにより画像露光を行う露光方法において、前記光学系によって前記空間光変調素子に照射する光ビームの照射領域内での光量に分布を持たせ、空間光変調素子により変調された光ビームの前記露光面での光量分布が均一になるように補正することを特徴としている。

請求項１及び請求項６に記載の発明では、光源から出射された光ビームは、空間光変調素子の光ビーム入射側の光路上に設けられた光量分布補正手段／光学系を介して、空間光変調素子が備える２次元的に配列された複数の画素部に照射される。ここで、空間光変調素子は画像情報に応じて複数の画素部の光変調状態を変化させ、複数の画素部に入射した光ビームを画素部毎に変調する。この空間光変調素子により変調されて出射された光ビームは、例えば、空間光変調素子の光ビーム出射側の光路上に設けられた投影光学系を透過して、感光材料の露光面に投影される。これにより、空間光変調素子により変調された光ビームが感光材料に照射され画像露光が行われる。

通常、この光ビームの光量（光強度）分布は、レンズ系の要因により光軸の中心部に比べて周辺部が低下してしまうが、ここでは、光ビーム入射側の光路上に設けた光量分布補正手段／光学系によって、空間光変調素子に照射される光ビームの照射領域内での光量に分布が持たせられることにより、空間光変調素子により変調された光ビームの露光面での光量分布が均一になるように補正される。これにより、２次元的に分布した複数の画素部において、各描画単位の光量が均一になるよう補正され、高精度な画像露光を行うことができる。

また、光量分布に応じて空間光変調素子の各画素の駆動タイミングを変化させるよう駆動制御する技術を組み合わせて用いる場合でも、各描画単位の光量が均一になるよう予め補正されているため、空間光変調素子の駆動制御部に掛かる負荷が軽減されて処理速度への影響が低減され、また、電気的な回路構成や処理ソフトを簡素化することができて、コストを抑えることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の露光装置において、前記光量分布補正手段は、入射される光ビームに対して主光線の角度に分布を有する光ビームを出射する光学系であることを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６記載の露光方法において、前記光源から出射された光ビームを前記光学系により主光線の角度に分布を有する光ビームとして前記空間光変調素子に照射することを特徴としている。

請求項２及び請求項７に記載の発明では、光源から光学系へ入射された光ビームは、光学系により、主光線の角度に分布を有する光ビームとされて光学系から出射され、空間光変調素子に照射される。この主光線の角度に分布を有する光ビームによって、空間光変調素子における光ビーム照射領域内での光量に分布が持たせられるようになり、このような簡素且つ安価な構成の光学系からなる光量分布補正手段を用いることで、露光面での光量分布を均一化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の露光装置において、前記光量分布補正手段は、出射される光ビームの主光線が平行となるテレセントリック光学系であることを特徴としている。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６記載の露光方法において、前記光源から出射された光ビームを前記光学系によりテレセントリック光として前記空間光変調素子に照射することを特徴としている。

請求項３及び請求項８に記載の発明では、光源から入射された光ビームは、テレセントリック光学系によりテレセントリック光とされて出射され、空間光変調素子に照射される。これにより、空間光変調素子に照射する光ビームのテレセントリック性と、空間光変調素子により変調された光ビームの露光面での光量分布の均一性との両立を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３記載の露光装置において、前記テレセントリック光学系は、光軸中心から離れるに従いレンズパワーが小さくなるような非球面形状を持つ第１の光学レンズと、光軸中心から離れるに従いレンズパワーが大きくなるような非球面形状を持つ第２の光学レンズと、を有することを特徴としている。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８記載の露光方法において、前記光学系に、光軸中心から離れるに従いレンズパワーが小さくなるような非球面形状を持つ第１の光学レンズと、光軸中心から離れるに従いレンズパワーが大きくなるような非球面形状を持つ第２の光学レンズと、を設けたことを特徴としている。

請求項４及び請求項９に記載の発明では、光軸に沿って第１の光学レンズのパワーが変化することにより、第１の光学レンズの周辺部を通過した光に比べて中央付近を通過した光の方が、光軸から遠ざかる度合いを強める状況を実現できる。また、光軸に沿ったレンズパワーの変化を第１の光学レンズと第２の光学レンズにて逆転させることにより、テレセントリック光学系を実現できる。

これにより、このテレセントリック光学系から出射された光ビームの光量分布は、光軸中心に対して周辺部の分布密度が高くなり、このような簡素な構成の光学レンズを有するテレセントリック光学系を用いることで、露光面での光量分布を均一化することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項記載の露光装置において、前記光量分布補正手段は、前記照射領域の中心部よりも周辺部の光量を増加させることを特徴としている。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項６〜請求項９の何れか１項記載の露光方法において、前記光学系によって前記照射領域の中心部よりも周辺部の光量を増加させることを特徴としている。

請求項５及び請求項１０に記載の発明では、空間光変調素子に照射される光ビームの光量は、照射領域の中心部よりも周辺部が低下してしまうが、その周辺部の光量を光量分布補正手段／光学系によって増加させることにより、露光における光利用効率の低下が抑えられる。また、光源から出射する光ビームの低出力化も可能となり、これにより、光源の長寿命化や高輝度光による光学系の汚染／劣化の抑制が図られるとともに、光源及び光学系のメンテナンス回数を減少させることができて装置のメンテナンスコストを低減することができる。

本発明の露光装置及び方法は上記構成としたので、装置コストを抑えつつ、２次元的に分布した各描画単位の光量を均一化して高精度な画像露光を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
（露光装置の概略構成）
図１には、第１の実施形態に係る露光装置に設けられた露光ヘッド１００の概略構成が示されている。図示のように、この露光ヘッド１００は、入射された光ビームを画像データに応じて画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、ＤＭＤ５０の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、ＤＭＤ５０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御に付いては後述する。

ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が所定方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源１１２、ファイバアレイ光源１１２から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させる集光レンズ系１１４、集光レンズ系１１４を透過したレーザ光をＤＭＤ５０に向けて反射するミラー１２２、１２４がこの順に配置されている。

集光レンズ系１１４は、ファイバアレイ光源１１２から出射されたレーザ光を集光する１対の組合せレンズ１１６、集光されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正するロッドインテグレータ１１８、及び光量分布が補正されたレーザ光をＤＭＤ上に集光する集光レンズ１２０で構成されている。ロッドインテグレータ１１８は、インテグレータ内を光が全反射しながら導光して行くので、光量分布が均一となるようにレーザ光を補正することができる。

また、ＤＭＤ５０の光反射側には投影光学系が設けられ、この投影光学系は、ＤＭＤ５０の光反射側の露光面にある感光材料１３４上に光源像を投影するため、ＤＭＤ５０側から感光材料１３４へ向って順に、レンズ系１２６、マイクロレンズアレイ１２８、対物レンズ系１３０の各露光用の光学部材が配置されて構成されている。

ここで、レンズ系１２６及び対物レンズ系１３０は、図１に示すように複数枚のレンズ（凸レンズや凹レンズ等）を組み合せた拡大光学系として構成されており、ＤＭＤ５０により反射されるレーザビーム（光線束）の断面積を拡大することで、ＤＭＤ５０により反射されたレーザビームによる感光材料１３４上の露光エリアの面積を所定の大きさに拡大している。なお、感光材料１３４は、対物レンズ系１３０の後方焦点位置に配置される。

マイクロレンズアレイ１２８は、図１に示すように、ファイバアレイ光源１１２から照射されたレーザ光を反射するＤＭＤ５０の各マイクロミラー６２（図２参照）に１対１で対応する複数のマイクロレンズ１３２が２次元状に配列され、一体的に成形されて矩形平板状に形成されたものであり、各マイクロレンズ１３２は、それぞれレンズ系１２６を透過した各レーザビームの光軸上にそれぞれ配置されている。このマイクロレンズアレイ１２８は、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。

ＤＭＤ５０は、図２に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）６０上に、微小ミラー（マイクロミラー）６２が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー６２が設けられており、マイクロミラー６２の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー６２の反射率は９０％以上である。また、マイクロミラー６２の直下には、ヒンジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル６０が配置されており、全体はモノリシック（一体型）に構成されている。

ＤＭＤ５０のＳＲＡＭセル６０にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー６２が、対角線を中心としてＤＭＤ５０が配置された基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾けられる。図３（Ａ）は、マイクロミラー６２がオン状態である＋α度に傾いた状態を示し、図３（Ｂ）は、マイクロミラー６２がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、画像信号に応じて、ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図２に示すように制御することによって、ＤＭＤ５０に入射された光はそれぞれのマイクロミラー６２の傾き方向へ反射される。

なお、図２には、ＤＭＤ５０の一部を拡大し、マイクロミラー６２が＋α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー６２のオンオフ制御は、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー６２により光ビームが反射される方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。

ファイバアレイ光源１１２は、図４（Ａ）に示すように、複数（図では２５個）のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合され、図４（Ｂ）に示すように、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が所定方向に沿って複数列（図では３列）配列されてレーザ出射部６８が構成されている。

マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２である。

但し、光ファイバ３１のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも３〜４μｍ必要であることから、光ファイバ３１のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。

レーザモジュール６４は、図５に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。例えば、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。

ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。なお、好適な波長範囲については後述する。

上記の合波レーザ光源は、図６及び図７に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。

パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。

また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。

なお、図６においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。

図８は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図８の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。

一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。

従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ₁＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。

集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ₂＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。

このように構成されたファイバアレイ光源１１２では、合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。

このコリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。

各レーザモジュールにおいて、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合（シングルモードレーザを使用する場合）には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、２５本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約４．５Ｗ（＝１８０ｍＷ×２５）である。

ファイバアレイ光源１１２のレーザ出射部６８には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができる。

例えば、半導体レーザと光ファイバを１対１で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力３０ｍＷ（ミリワット）程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ（開口数）０．２のマルチモード光ファイバが使用でき、約４．５Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを２２５本（１５×１５）束ねなければならず、発光領域の面積は３．６ｍｍ²（１．９ｍｍ×１．９ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は１．２５（Ｗ／ｍｍ²）、光ファイバ１本当りの輝度は１０（Ｗ／ｍｍ²）である。

これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ２５本で約４．５Ｗの出力を得ることができ、レーザ出射部６８での発光領域の面積は０．２ｍｍ²（０．１８ｍｍ×１．１３ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は２２．５（Ｗ／ｍｍ²）となり、従来に比べ約１８倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ１本当りの輝度は９０（Ｗ／ｍｍ²）であり、従来に比べ約９倍の高輝度化を図ることができる。

また、合波レーザ光源を構成する半導体レーザとしては、４００ｎｍ近傍の発振波長を有する青色レーザが好適である。青色レーザを用いた方が、マイクロレンズアレイ１２８の各マイクロレンズ１３２の集光ビームを絞ることができる。

また、本実施形態の露光ヘッド１００では、前述した集光レンズ系１１４は、ロッドインテグレータ１１８が備える光量分布補正機能とは別に、ＤＭＤ５０により変調された露光ビームの露光面での光量分布をより高い精度で均一に補正するため、ＤＭＤ５０に照射するレーザ光の照射領域内での光量に所定の分布を持たせる機能、詳細には、ファイバアレイ光源１１２から入射されるレーザ光に対し、主光線の角度に所定の分布を持たせたレーザ光を出射してＤＭＤ５０に照射する機能を備えている。

ここで、この主光線の角度に分布を有するレーザ光をＤＭＤ５０に照射する例を、図９を用いて説明する。なお、主光線（principal ray／chief ray）とは、光学系で物体空間での入射瞳（あるいは開口絞り）の中心を通過する光線（開口絞りを最小にしてもケラレなしに存在する光線）、広義には斜光線束の中心の光線であり、ここでは後者の意味で用いる。

図９（Ａ）は、ＤＭＤ５０上に照射されるレーザ光の主光線の傾きを模式的に示した図である。図９（Ａ）に示すように、ＤＭＤ５０上の特定の位置Ｐに照射されるレーザ光ＬＢにおいて、レーザ光ＬＢの主光線がマイナス（−）側に傾く場合には、矢印−ＰＲで示すように主光線はレーザ光の光軸（光軸中心）Ｘに近づく方向へ傾き、プラス（＋）側に傾く場合には、矢印＋ＰＲで示すようにレーザ光の光軸Ｘから遠ざかる方向へ傾く。

図９（Ｂ）は、本実施形態の集光レンズ系１１４から出射されるレーザ光が、ＤＭＤ５０上の照明領域に、光軸中心からの距離に応じて主光線の角度に分布を持った状態で照射される例を示した図である。図９（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０上の照明領域（レーザ光照射領域）に照射されるレーザ光の主光線角度の分布は、レーザ光の光軸中心では主光線が傾かずに光軸と平行であり、光軸中心から照明領域の周辺部に行くに従って、主光線が＋側に除々に傾くとともにその傾斜角度が除々に大きくなり、所定距離ＹＡに達すると主光線の＋側への傾斜角度が最大となり（最大傾斜角度Ａ）、所定距離ＹＡを過ぎると主光線の＋側への傾斜角度が除々に小さくなり、照明領域の周辺端部に至ると、光軸中心と同じく主光線の傾きが無くなる分布となっている。レーザ光の主光線の角度にこのような分布を持たせることにより、ＤＭＤ５０上の照明領域には、光軸中心に比べて周辺部の光密度が高められた、すなわち、光軸中心に比べて周辺部の光輝度が高められたレーザ光が照射される。

なお、レーザ光の主光線角度に上述した分布を持たせる場合には、主光線の最大傾斜角度Ａによって決定される分布量の大きさは、周辺部での光量低下量以上で、且つ、露光面で要求される露光ビームのテレセントリック性（主光線と光軸との平行度）を満足する量以下にすることが好ましい。本実施形態の露光ヘッド１００の場合、露光面における露光ビームの周辺部の光量低下は、主に、ＤＭＤ５０の光反射側に配置された投影光学系のマイクロレンズアレイ１２８（図１参照）によって引き起こされるため、上記の分布量の大きさを、例えばこのマイクロレンズアレイ１２８によって生じる周辺部の光量低下量以上に設定することが望ましい。また、所定距離ＹＡについては、この周辺部の光量低下量及び光量低下領域（光量を補正する領域）に応じて適宜設定することができるが、図９（Ｂ）に示した例では、光軸中心から照明領域の周辺端部（ＤＭＤ５０の外周端部）までの距離をＹＳとすると、ＹＳ＞ＹＡ＞ＹＳ／２に設定している。

（露光装置の動作）
次に、上記露光装置の動作について説明する。この露光装置では、図示しないコントローラに画像データが入力されると、コントローラは入力された画像データに基づいて、露光ヘッド１００に設けられたＤＭＤ５０の各マイクロミラー６２を駆動制御する制御信号を生成し、生成した制御信号に基づいてＤＭＤ５０の各マイクロミラー６２の反射面の角度を制御する。

ファイバアレイ光源１１２から集光レンズ系１１４を介してＤＭＤ５０に照射された照明光（レーザ光）は、各マイクロミラー６２の反射面の角度に応じて所定方向に反射されて変調され、変調された光ビームがレンズ系１２６により拡大されてマイクロレンズアレイ１２８に設けられたマイクロレンズ１３２の各々に入射され集光される。そして、この集光された光ビームは、対物レンズ系１３０によって感光材料１３４の露光面上に結像され、このようにして、ファイバアレイ光源１１２から照射されたレーザ光が画素毎にオンオフ（変調）されて、感光材料１３４がＤＭＤ３６の使用画素数と略同数の画素単位（露光エリア）で露光される。

通常は、この光ビームの光量（光強度）分布は、レンズ系の要因により光軸の中心部に比べて周辺部が低下してしまうが、本実施形態の露光ヘッド１００には、ファイバアレイ光源１１２から出射されたレーザ光の光量分布を均一化してＤＭＤ５０に照射するために、ＤＭＤ５０の光入射側の光路上に配置した集光レンズ系１１４にロッドインテグレータ１１８を設けている。ただし、このロッドインテグレータ１１８によっても、本実施形態のように各描画単位をマイクロレンズアレイ１２８によって集光する系では、光軸中心部に対する周辺部の光強度低下が顕著となり、より高い精度で画像露光を行う場合に光量分布を要求精度まで補正することが難しい。また、この光量分布の補正精度を高めるために、ロッドインテグレータ１１８を長尺化することも考えられるが、その場合、ロッドインテグレータ１１８は非常に高価な光学部品であるため、装置コストが上昇し、また、露光ヘッド１００が大型化してしまうデメリットがある。

これに対し、本実施形態の露光ヘッド１００では、前述したように、ファイバアレイ光源１１２から集光レンズ系１１４へ入射されたレーザ光が、図１０（Ａ）に示すように、主光線の角度に分布を持ち光軸中心に比べて周辺部の光輝度が高められたレーザ光とされて集光レンズ系１１４から出射され、ＤＭＤ５０に照射されるため、ＤＭＤ５０のレーザ光照射領域における光量分布は、図１０（Ｂ）に示すように、光軸中心に比べて周辺部の光量が高められる。そのため、ＤＭＤ５０により画素毎に変調された光ビームが、図１０（Ｃ）に示すように、光軸中心から周辺部に行くに従って光の透過量を低下させる特性を持つマイクロレンズアレイ１２８を透過して感光材料１３４の露光面に照射されると、図１０（Ｄ）に示すように、露光面での光ビームの光量分布は均一になるよう補正される。

以上説明した通り、本実施の形態の露光装置では、２次元的に分布した複数の画素部において、各描画単位の光量が均一になるよう補正され、高精度な画像露光を行うことができる。また、光量分布に応じてＤＭＤ５０の各マイクロミラー６２の駆動タイミングを変化させるよう駆動制御する技術を組み合わせて用いる場合でも、各描画単位の光量が均一になるよう予め補正されているため、ＤＭＤ５０の駆動制御部に掛かる負荷が軽減されて処理速度への影響が低減され、また、電気的な回路構成や処理ソフトを簡素化することができて、コストを抑えることができる。

また、本実施の形態では、上述した光量分布を補正する手段として光学系（集光レンズ系１１４）を用いており、このような光学系からなる光量分布補正手段であれば、簡素且つ安価な構成により実現できる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、上述した第１の実施形態に係る露光装置の露光ヘッド１００において、集光レンズ系１１４に、非球面レンズを有するテレセントリック光学系を設けることで、第１の実施形態と同様に露光面での光ビームの光量分布を均一化する技術である。

第２の実施形態に係る露光ヘッドでは、例えば集光レンズ系１１４に、図１１（Ａ）に示すような２枚で一組の平凸レンズ１５２、１５４により構成されたテレセントリック光学系１５０が設けられており、このテレセントリック光学系１５０は、例えばロッドインテグレータ１１８と集光レンズ１２０の間に配置されている。

平凸レンズ１５２、１５４は、凸面側が非球面状に形成された非球面レンズとされている。レーザ光の入射側（ファイバアレイ光源１１２側）に配置された平凸レンズ１５２は、入射面Ｓ２の面形状が、曲率半径が光軸（光軸中心）Ｘから離れるに従い大きくなる非球面、換言すれば、曲率が光軸Ｘから離れるに従い小さくなる非球面とされ、出射面Ｓ３が平面状とされている。また、レーザ光の出射側（ＤＭＤ５０側）に配置された平凸レンズ１５４は、入射面Ｓ４が平面状とされ、出射面Ｓ５の面形状が、曲率半径が光軸Ｘから離れるに従い小さくなる非球面、換言すれば、曲率が光軸Ｘから離れるに従い大きくなる非球面とされている。

以下、表１に、本実施形態に係るテレセントリック光学系１５０のレンズデータの一例を示し、表２に、本実施形態に係る入射面Ｓ２及び出射面Ｓ５の非球面データの一例を示す。

また、上記の非球面データは、非球面形状を表す下記式（１）における係数で表される。

上記式（１）において各係数を以下の通り定義する。
Ｚ：光軸から高さｈの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）
ｈ：光軸からの距離（ｍｍ） （ｈ²＝ｘ²＋ｙ²）
Ｒ：曲率半径 （曲率：１／Ｒ）
Ａ：非球面データ
以上の構成により、本実施形態の露光装置では、図１１（Ａ）に示すように、平凸レンズ１５２から出射されたレーザ光ＬＢ２では、光軸Ｘから離れるに従い焦点距離が長くなる。よって、レーザ光ＬＢ２が平凸レンズ１５４の入射面Ｓ４に到達した際には、平凸レンズ１５２の周辺部を通過した光に比べて中央付近を通過した光の方が、光軸Ｘから離れる傾向が強くなる。これにより、レンズの中央付近よりも周辺部の方が光の輝度が高くなる。また、平凸レンズ１５４は、平凸レンズ１５２とは反対に、光軸Ｘから離れるに従い焦点距離が短くなるため、これらの２枚の平凸レンズ１５２、１５４を組み合わせると、テレセントリックな光学系を組むことができる。

これにより、この平凸レンズ１５２、１５４を有するテレセントリック光学系１５０から平行化されて出射されたレーザ光ＬＢ３の光量分布は、光軸中心に対して周辺部の分布密度が高くなり、このレーザ光ＬＢ３が照射されたＤＭＤ５０では、レーザ光照射領域の中心部（光軸中心）よりも周辺部の光量が増加される。

図１１（Ｂ）には、非球面レンズ系とした本実施形態のテレセントリック光学系１５０のベースとなる、球面レンズ系のテレセントリック光学系１６０の光線図を示す。このテレセントリック光学系１６０では、レーザ光（ＬＢ１）の入射側に配置された平凸レンズ１６２の入射面Ｓ２´が球面とされ、レーザ光（ＬＢ３´）の出射側に配置された平凸レンズ１６４の出射面Ｓ５´が球面とされており、したがって、このテレセントリック光学系１６０では、出射面Ｓ５´から出射されたレーザ光ＬＢ３´の光量分布は、図１１（Ｂ）に示すように、光軸中心から周辺部に掛けてほぼ均等な分布となる。

このように、本実施形態の非球面レンズ系（テレセントリック光学系１５０）では、上記の球面レンズ系（テレセントリック光学系１６０）を用いた場合の光量分布との比較からも分かるように、出射されたレーザ光の光量分布は光軸中心に対して周辺部の分布密度が高くなり、光軸中心よりも周辺部の光量が増加される。

したがって、第１の実施形態と同様に、ＤＭＤ５０によって変調された光ビームがマイクロレンズアレイ１２８を透過することで、光軸中心部に対する周辺部の光量低下を生じても、露光面には光量分布が均一になるよう補正された光ビームが照射され、このテレセントリック光学系１５０を備えた露光装置によっても高精度な画像露光を行うことができる。また、上述したように、テレセントリック光学系１５０から出射されるレーザ光は、テレセントリック光として出射されてＤＭＤ５０に照射されるため、ＤＭＤ５０に照射するレーザ光のテレセントリック性と、ＤＭＤ５０により変調された光ビームの露光面での光量分布の均一性との両立を図ることができる。

また、本実施形態も第１の実施形態と同様に、光量分布を補正する手段として、２枚で一組の平凸レンズ１５２、１５４からなる光学系を用いていることで、このような光学系からなる光量分布補正手段であれば、簡素な構成により実現できる。

また、本実施形態では、上記のテレセントリック光学系１５０を用いてレーザ光の周辺部の光量を増加させていることにより、露光における光利用効率の低下が抑えられる。またこれによって、ファイバアレイ光源１１２から出射するレーザ光の出力を低化させることも可能になるため、ファイバアレイ光源１１２の長寿命化や、高輝度光による光学系の汚染／劣化の抑制を図ることもできる。さらに、ファイバアレイ光源１１２や光学系のメンテナンス回数を減少させることも可能となり、露光装置のメンテナンスコストを低減することもできる。

以上、本発明を上述した第１及び第２の実施形態により詳細に説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の形態が実施可能である。

例えば、上記の実施の形態における露光装置では、空間変調素子としてＤＭＤを備えた露光ヘッドについて説明したが、このような反射型空間光変調素子の他に、透過型空間光変調素子（ＬＣＤ）を使用することもできる。例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプの空間光変調素子（ＳＬＭ；Special Light Modulator）や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）や液晶光シャッタ（ＦＬＣ）等の液晶シャッターアレイなど、ＭＥＭＳタイプ以外の空間光変調素子を用いることも可能である。なお、ＭＥＭＳとは、ＩＣ製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、ＭＥＭＳタイプの空間光変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間光変調素子を意味している。さらに、Grating Light Valve（ＧＬＶ）を複数ならべて二次元状に構成したものを用いることもできる。これらの反射型空間光変調素子（ＧＬＶ）や透過型空間光変調素子（ＬＣＤ）を使用する構成では、上記したレーザの他にランプ等も光源として使用可能である。

また、上記の実施の形態における光源としては、合波レーザ光源を複数備えたファイバアレイ光源、１個の発光点を有する単一の半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する１本の光ファイバを備えたファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源、複数の発光点が二次元状に配列された光源（たとえば、ＬＤアレイ、有機ＥＬアレイ等）、等が適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る露光装置が備える露光ヘッドの光学系を示す概略構成図である。 （Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る露光装置における、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる露光ビームの走査軌跡を示す要部平面図、（Ｂ）はＤＭＤを傾斜させた場合の露光ビームの走査軌跡を示す要部平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は図２のＤＭＤの動作を説明するための説明図である。 （Ａ）はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のレーザ出射部における発光点の配列を示す平面図である。 合波レーザ光源の構成を示す平面図である。 レーザモジュールの構成を示す平面図である。 図６に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。 図６に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。 （Ａ）はＤＭＤ上に照射されるレーザ光の主光線の傾きを模式的に示す模式図、（Ｂ）はＤＭＤ上に照射されるレーザ光の主光線角度の分布を示すグラフ図である。 （Ａ）は図９（Ｂ）に示したグラフ図、（Ｂ）は（Ａ）に示した主光線角度の分布を有するレーザ光をＤＭＤ上に照射したときの光量分布を示すグラフ図、（Ｃ）はＤＭＤ−マイクロレンズアレイ間の光透過特性を示すグラフ図、（Ｄ）は（Ｃ）のように調整したレーザ光で画像露光を行うことにより露光エリアでの光量分布が均一化されて補正された状態を示すグラフ図である。 （Ａ）は本発明の第２の実施形態に係る非球面レンズを有するテレセントリック光学系を示す構成図、（Ｂ）は（Ａ）のテレセントリック光学系のベースとなる球面レンズを有するテレセントリック光学系を示す構成図である。

符号の説明

５０ ＤＭＤ（空間変調素子）
６２ マイクロミラー（画素部）
１００ 露光ヘッド
１１２ ファイバアレイ光源（光源）
１１４ 集光レンズ系（光量分布補正手段）
１３４ 感光材料
１５０ テレセントリック光学系
１５２ 平凸レンズ（第１の光学レンズ）
１５４ 平凸レンズ（第２の光学レンズ）
ＬＢ レーザ光（光ビーム）
Ｓ２ 入射面
Ｓ３ 出射面
Ｓ４ 入射面
Ｓ５ 出射面
Ｘ 光軸

Claims (10)

1. 光ビームを出射する光源と、
   画像情報に応じて光変調状態が変化する複数の画素部が２次元的に配列され、前記光源から前記複数の画素部に入射した光ビームを、前記画素部毎に変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子の光ビーム入射側の光路上に設けられ、空間光変調素子に照射される光ビームの照射領域内での光量に分布を持たせ、空間光変調素子により変調された光ビームの露光面での光量分布が均一になるように補正する光量分布補正手段と、
   を有することを特徴とする露光装置。
2. 前記光量分布補正手段は、入射される光ビームに対して主光線の角度に分布を有する光ビームを出射する光学系であることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
3. 前記光量分布補正手段は、出射される光ビームの主光線が平行となるテレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
4. 前記テレセントリック光学系は、
   光軸中心から離れるに従いレンズパワーが小さくなるような非球面形状を持つ第１の光学レンズと、
   光軸中心から離れるに従いレンズパワーが大きくなるような非球面形状を持つ第２の光学レンズと、
   を有することを特徴とする請求項３記載の露光装置。
5. 前記光量分布補正手段は、前記照射領域の中心部よりも周辺部の光量を増加させることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項記載の露光装置。
6. 画像情報に応じて光変調状態を変化させる複数の画素部が２次元的に配列された空間光変調素子のその複数の画素部に、光源から出射した光ビームを光学系を介して照射し、前記複数の画素部によって画素部毎に変調した光ビームを感光材料の露光面に照射することにより画像露光を行う露光方法において、
   前記光学系によって前記空間光変調素子に照射する光ビームの照射領域内での光量に分布を持たせ、空間光変調素子により変調された光ビームの前記露光面での光量分布が均一になるように補正することを特徴とする露光方法。
7. 前記光源から出射された光ビームを前記光学系により主光線の角度に分布を有する光ビームとして前記空間光変調素子に照射することを特徴とする請求項６記載の露光方法。
8. 前記光源から出射された光ビームを前記光学系によりテレセントリック光として前記空間光変調素子に照射することを特徴とする請求項６記載の露光方法。
9. 前記光学系に、
   光軸中心から離れるに従いレンズパワーが小さくなるような非球面形状を持つ第１の光学レンズと、
   光軸中心から離れるに従いレンズパワーが大きくなるような非球面形状を持つ第２の光学レンズと、
   を設けたことを特徴とする請求項８記載の露光方法。
10. 前記光学系によって前記照射領域の中心部よりも周辺部の光量を増加させることを特徴とする請求項６〜請求項９の何れか１項記載の露光方法。

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