JP3992890B2 - マルチビーム光学系 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光源から発する光束を複数に分割して描画面等に導くマルチビーム光学系に関し、特に、単一の光源からのレーザー光を回折分岐素子を用いて分割して複数のビームを得るタイプの光学系に関する。
【0002】
【従来の技術】
マルチビーム光学系には、光源から発したレーザー光をビームスポットの数に応じたビームに分岐させるための分岐素子が必要である。従来、分岐素子としてはプリズム型の素子が用いられていたが、プリズム型では分岐するビーム数に対応する個数のプリズムブロックが必要となり、本数が多くなるほど接合時の誤差による露光対象面上でのビームスポットのズレが大きくなる。
【0003】
そこで、近時、回折効果を利用した回折分岐素子が用いられるようになっている。回折分岐素子は、貼り合わせ等が不要な単一の素子で構成されるため、分岐するビームの本数が多くなってもプリズム型におけるような誤差は生じない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折分岐素子は波長依存性を持つため、所定の波長でレーザー光の光量を等分岐させるよう設計された回折分岐素子は、入射するレーザー光の波長が変化するとレーザー光を等光量で分岐させることができず、分岐した各次数の回折光間に光量のアンバランスを生じさせるという問題がある。
【0005】
例えば、レーザーフォトプロッター等の光源として用いられるアルゴンレーザーは、可視域、紫外域で複数のピーク波長を持つが、回折素子を利用して光量をバランスよく分配するためには、その一つの波長しか使用し得ず、エネルギーの利用効率を高めることができなかった。
【0006】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、複数のピーク波長を持つ光源を用い、かつ、分岐素子として回折分岐素子を用いた場合にも、各回折光の光量バランスを適切に設定することができるマルチビーム光学系を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるマルチビーム光学系は、上記の目的を達成させるため、複数のピーク波長で発光するレーザー光源と、レーザー光源から発したレーザー光を回折させることによりこのレーザー光を複数本に分岐させてそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子とを含む構成において、帯状の基準位相パターンが等ピッチで多数並列して形成することにより回折分岐素子を形成し、基準波長λMにおいて入射するレーザー光を所定の次数の回折光に等分岐させるよう基準位相パターンを定め、回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλLとして、λS<λM<λLの条件を満たすよう設定したことを特徴とする。
【0008】
上記のように基準波長λMにおいて等分岐となる回折分岐素子を用い、λS<λM<λLの条件を満たす場合、各次数において、波長λSにおける配分光量と基準波長λMにおける配分光量との差は、波長λLにおける配分光量と基準波長λMにおける配分光量との差に対して逆符号となり、波長λS、λ L の基準波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせることができる。
【0009】
また、この発明にかかるマルチビーム光学系は、別の表現によれば、回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλL、波長λSにつき回折分岐素子により分岐された回折光の強度分布の標準偏差をSDS、同様に波長λLについての強度分布の標準偏差をSDL、λS<λM<λLを満たす波長λMについての強度分布の標準偏差をSDMとしたときに、基準位相パターンが、
SDM < SDS
SDM < SDL
を満たすことを特徴とする。
【0010】
上記のようにλS<λM<λLの関係においてSDM < SDS、SDM < SDLを満たす場合、波長λS、λLにおけるよりも波長λMにおいて各次数の光量間のバラツキが小さいこととなり、基準位相パターンは、波長λMに近い波長においてレーザー光を等分岐させるよう設計されていることとなる。したがって、この場合にも、上記と同様に波長λS、λLの波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせることができる。
【0011】
なお、波長λS、λLの2波長のピーク波長のみを利用する場合には、3波長以上を考慮する場合と比較して、各次数における各波長の光量バランスを計算するのが容易である。
【0012】
回折分岐素子は、分岐した各回折次数に含まれる複数の波長の光強度を合計した強度和が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させるようにしてもよいし、レーザー光が照射される感光材料の分光感度に応じて、各ピーク波長の強度と当該波長での感度との積の総和で決まる感光材料の感光量が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させるようにしてもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかるマルチビーム光学系の実施形態を説明する。図1は、実施形態のマルチビーム光学系が適用されたレーザーフォトプロッターの光学系を示す説明図であり、図1(A)は光学系の具体的構成の説明図、図1(B)は光学系の光路を展開した説明図、図2(A)は図1の光学系の一部を示す説明図、図2(B)は図2(A)の回折分岐素子の部分を拡大して示す説明図である。なお、図2(A)では、分割された複数のビーム中の1本の光路を示している。
【0014】
実施形態の装置の光学系は、図1(A)に示されるように、アルゴンレーザー等のガスレーザー光源10から発したビームL1をハーフミラープリズム12によりビームL2、L3に分割し、かつ、それぞれのビームを回折分岐素子26a,26bにより9本のビームに分割し、それぞれ9本中の8本のビームをマルチチャンネル(8チャンネル)の音響光学変調器(AOM)28a,28bにより独立して変調し、これらを偏光ビームスプリッター31により合成し、合成された16本のビームをポリゴンミラー40及びfθレンズ41を含む走査光学系により動的に偏向させて結像面(露光面)50上に走査させる。さらに、光学系と結像面50とをビームの走査方向(主走査方向)に対して垂直な副走査方向に沿って相対的に移動することにより、結像面50上に二次元の露光パターンを形成することができる。
【0015】
以下、図1および図2を参照しつつ各光学素子の配置、作用について説明する。
ガスレーザー光源10は複数のピーク波長で発光する。ここでは、488.0nmと514.5nmの2つのピーク波長を含むものとする。このレーザー光源10から発したビームL1は、ミラー11により反射されてハーフミラープリズム12に入射する。ハーフミラープリズム12を透過したビームL2は、正のパワーを持つ第1レンズ20aにより収束され、図1(B)に示すように収束位置の後方に配置された音響光学変調器21aに入射する。この音響光学変調器21aは、ポリゴンミラー40の面倒れ誤差を補正するため、ビームを反射している反射面が切り替わる毎に射出角度を調整する。音響光学変調器21aを射出した発散ビームは、正のパワーを持つ第2レンズ22aにより再び収束され、ミラー23aで反射された後に正のパワーを持つ第3レンズ24aに入射する。
【0016】
第3レンズ24aによりほぼ平行光とされたビームは、ミラー25aで反射された後、回折分岐素子26aに入射し、図2(B)に示すように、その回折作用により角度差を持つ9本のビームに分割される。分割された9本のビームは正のパワーを持つ第4レンズ27aに入射して収束され、その中の1本が遮光板60により遮断され、残りの8本が第4レンズ27aによるビームの収束位置の後方に配置された音響光学変調器28aに入射する。なお、回折分岐素子26aは、第4レンズ27aの光源側の焦点位置にほぼ一致して配置されている。
音響光学変調器28aは、前述のように8チャンネルの変調部を備え、入射する8本の光束を独立して変調することができる。音響光学変調器28aから射出したビームは、ミラー30で反射された後、偏光ビームスプリッター31に対してS偏光として入射し、これにより反射される。
【0017】
一方、ハーフミラープリズム12で反射されたビームL3の光路にも、ビームL2の光路に配置されたのと同様の光学素子が配置されている。すなわち、ビームL3は、第1レンズ20b、面倒れ補正用の音響光学変調器21b、第2レンズ22b、ミラー23b、第3レンズ24b、ミラー25b、回折分岐素子26b、第4レンズ(集光レンズ)27bを順に透過し、あるいは反射されて、音響光学変調器28bに入射する。音響光学変調器28bから射出したビームは、1/2波長板29を透過した後、偏光ビームスプリッター31に対してP偏光として入射し、これを透過する。
【0018】
偏光ビームスプリッター31で合成された16本の発散ビームは、コリメータレンズを構成する第5、第6レンズ33,34によりほぼ平行光とされ、ポリゴンミラー40により同時に反射、偏向される。偏向された16本のビームは、fθレンズ41とコンデンサレンズ42とを介してそれぞれ結像面50上の異なる位置に収束(結像)する。
【0019】
次に、上記実施形態で用いられている回折分岐素子26a,26bの形状及び作用について説明する。回折分岐素子26a,26bの一方の面には、図3に示されるように、帯状の基準位相パターンP1,P2,P3,P4…が等ピッチで多数並列して形成されている。この基準位相パターンは、ピッチ内で与える位相差が非線形に変化するよう形成され、しかも隣接する基準位相パターンの間での位相ギャップを有しない滑らかな形状である。
【0020】
表1は、実施形態の回折分岐素子に用いられる基準位相パターンの形状を示す。この表では、基準位相パターンの1ピッチを図3のy方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って0〜63の64の座標に等分割し、各座標での相対的な形状を光の位相差(単位:ラジアン)として示している。実形状は、座標0の点からのz方向の距離として表される場合、空気中での使用を前提とすると、波長をλ、素子の屈折率をnとして、位相×λ/(2π(n−1))により求められる。図4は、表1に示される回折分岐素子の基準位相パターンの形状を示すグラフであり、縦軸が位相差、横軸が座標である。この基準位相パターンは、光束を9本に分割するときに、(1)分割された各光束の強度が同一になるようにすること、(2)目的とする分割数以外の位置に余分な光が出ないようにすること、という2つの条件を満たすよう最適化することにより求められた形状である。
【0021】
【表1】
【0022】
前述のように、この実施形態では、回折分岐素子26a,26bに入射するレーザー光は2つのピーク波長を有している。最も短い波長λS=488.0nm、最も長い波長λL=514.5nmである。そこで、回折分岐素子26a,26bは、λS<λM<λLの条件を満たす基準波長λMにおいて入射するレーザー光を所定の次数の回折光に等分岐させるように定められる。
【0023】
488.0nmの入射光と514.5nmの入射光との強度が同一であり、結像面に配置される感光材料の感度が両波長に対して同一である場合には、各回折次数における488.0nmの回折光と514.5nmの回折光との合計強度が均等によるように回折分岐素子の基準波長を定める。このような配分のためには、基準波長λM=501.1nmに設定し、表1の基準位相パターンに基づき、位相×501.1nm/(2π(n−1))により実形状を定めればよい。
【0024】
501.1nmで最適化された回折分岐素子は、501.1nmの入射光束を均等に9分割する性能を有しており、488.0nmで入射する光束、あるいは514.5nmで入射する光束はそれぞれ不均等に9分割されるが、各次数において、波長488.0nmにおける分配光量の基準波長501.1nmにおける分配光量からのズレと、514.5nmにおける分配光量の基準波長501.1nmにおける分配光量からのズレとを互いに打ち消し合わせることができ、結果的に各次数間においいて両波長の光量を合計した光量配分を均一化することができる。
【0025】
また、別の表現によれば、波長λSにつき回折分岐素子により分岐された回折光の強度分布の標準偏差をSDS、同様に波長λLについての強度分布の標準偏差をSDL、λS<λM<λLを満たす波長λMについての強度分布の標準偏差をSDMとしたときに、
SDM < SDS
SDM < SDL
を満たすよう基準位相パターンを設計すれば、上記と同様に波長λS、λMの波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせることができる。
【0026】
以下の表2は、上述の回折分岐素子の光束分割性能を示す数値であり、それぞれ波長501.1nm、488.0nm、514.5nmの光束を入射させた際の各次数の分岐光量を、入射光の強度を1とした比率で示している。合計欄は、実際の光束の波長488.0nm、514.5nmの各次数の分岐光量の和を示している。SDは、各波長における強度分布の標準偏差を示す。
【0027】
【表2】
【0028】
なお、表2に示される回折光の波長501.1nmにおける強度分布は、図5のグラフに示されている。また、図6は実使用波長488.0nmの回折光の強度分布の上に514.5nmの回折光の強度分布を重ねて示したグラフである。これらのグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は各次数の回折光の強度を示す。
【0029】
図6によれば、2種類の使用波長の合計光量が各次数に均等に分配されていることが理解できる。また、波長488.0nmの回折光の強度分布の標準偏差SDS=0.01025、波長514.5nmについての強度分布の標準偏差SDL=0.01026、波長501.1nmについての強度分布の標準偏差SDM=0.00000であり、SDM < SDS、SDM < SDLを満たしている。
【0030】
次に、レーザー光が照射される感光材料の分光感度を考慮した設計例について説明する。488.0nmの入射光と514.5nmの入射光との強度が同一であり、結像面に配置される感光材料が488.0nmにおいて514.5nmにおける感度の2倍の感度を持つ場合、回折分岐素子は、488.0nmの回折光の分配光量を1.333倍した値と、514.5nmの回折光の分配光量を0.667倍した値との合計が、各次数において均一になるようにレーザー光を分岐させる必要がある。これにより、感光材料の感光量が、各回折次数間でほぼ等しくなる。このような配分のためには、基準波長λM=495.5nmに設定し、表1の基準位相パターンに基づき、位相×495.5nm/(2π(n−1))により実形状を定めればよい。基準位相パターンの形状は前記の基準波長501.1nmの例と同様であるが、凹凸の高さが基準波長に応じて異なるものとなる。
【0031】
495.5nmで最適化された回折分岐素子は、495.5nmの入射光束を均等に9分割する性能を有しており、488.0nmで入射する光束、あるいは514.5nmで入射する光束はそれぞれ不均等に9分割される。ただし、感光材料の感度を考慮すると、結果的に各次数間において両波長の光量を合計した光量配分による感光量を均一化することができる。
【0032】
以下の表3は、分光感度を考慮した回折分岐素子の光束分割性能を示す数値であり、それぞれ波長495.5nm、488.0nm、514.5nmの光束を入射させた際の各次数の分岐光量を入射光の強度を1とした比率で示すと共に、488.0nmの回折光の分配光量を1.333倍した値と、514.5nmの回折光の分配光量を0.667倍した値を示している。合計欄は、倍率をかけた波長488.0nm、514.5nmの各次数の分岐光量の和を示している。SDは、各波長における強度分布の標準偏差を示す。
【0033】
【表3】
【0034】
なお、図7は実使用波長488.0nmの回折光の強度分布を1.333倍した値の上に514.5nmの回折光の強度分布を0.667倍した値を重ねて示したグラフである。このグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は感光材料の感光量を示す。
【0035】
図7によれば、2種類の使用波長の合計した際の感光量が各次数に均等になることが理解できる。また、波長488.0nmの回折光の強度分布の標準偏差SDS=0.00514、波長514.5nmについての強度分布の標準偏差SDL=0.01026、波長495.5nmについての強度分布の標準偏差SDM=0.00000であり、SDM < SDS、SDM < SDLを満たしている。
【0036】
なお、上記の実施形態では、光束を9分割する例につき説明したが、これ以外の分割数の回折分岐素子に対しても、基準波長を適宜設定することにより、複数のピーク波長の回折光をバランスよく配分することが可能である。
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、複数のピーク波長を有する光束を回折分岐素子を用いて分割する際に、回折分岐素子の設計基準波長をピーク波長の短波長側の値と長波長側の値との中間に設定することにより、各回折光の光量バランスを適切に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (A)は、実施形態にかかる多ビーム走査型露光装置の光学系を示す説明図、(B)はこの光学系の光路を展開して示した光路図。
【図2】 (A)は図1の光学系の一部を示す光路図、(B)は(A)の回折分岐素子の部分を拡大して示す説明図。
【図3】 実施形態の回折分岐素子の位相パターンの形状を示す斜視図。
【図4】 実施形態の回折分岐素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ。
【図5】 実施形態の回折分岐素子の設計波長における光束分割性能を示すグラフ。
【図6】 実施形態の回折分岐素子の2つの実使用波長における回折光の強度分布を重ねて示したグラフ。
【図7】 他の実施形態の回折分岐素子の2つの実使用波長における回折光による感光量の分布を重ねて示したグラフ。
【符号の説明】
10 レーザー光源
26a,26b 回折分岐素子
40 ポリゴンミラー
41 fθレンズ
50 結像面
Claims (5)
- 複数のピーク波長で発光するレーザー光源と、該レーザー光源から発したレーザー光を回折させることによりこのレーザー光を複数本に分岐させてそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子とを含むマルチビーム光学系において、
前記回折分岐素子は、帯状の基準位相パターンが等ピッチで多数並列して形成され、前記基準位相パターンは、基準波長λMにおいて入射するレーザー光を所定の次数の回折光に等分岐させるよう定められ、前記回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλLとして、λS<λM<λLの条件を満たし、各次数において、波長λ S 、λ L の基準波長λ M からのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせるようにしたことを特徴とするマルチビーム光学系。 - 複数のピーク波長で発光するレーザー光源と、該レーザー光源から発したレーザー光を回折させることによりこのレーザー光を複数本に分岐させてそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子とを含むマルチビーム光学系において、
前記回折分岐素子は、帯状の基準位相パターンが等ピッチで多数並列して形成され、前記回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλL、前記波長λSにつき前記回折分岐素子により分岐された回折光の強度分布の標準偏差をSDS、同様に波長λLについての強度分布の標準偏差をSDL、λS<λM<λLを満たす波長λMについての強度分布の標準偏差をSDMとしたときに、前記基準位相パターンは、
SDM < SDS
SDM < SDL
を満たし、各次数において、波長λ S 、λ L の基準波長λ M からのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせるようにしたことを特徴とするマルチビーム光学系。 - 前記波長λS、λLの2つのピーク波長のレーザー光を利用することを特徴とする請求項1又は2に記載のマルチビーム光学系。
- 前記回折分岐素子は、分岐した各回折次数に含まれる複数の波長の光強度を合計した強度和が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のマルチビーム光学系。
- 前記回折分岐素子は、レーザー光が照射される感光材料の分光感度に応じて、各ピーク波長の強度と当該波長での感度との積の総和で決まる前記感光材料の感光量が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のマルチビーム光学系。
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