JP4749682B2

JP4749682B2 - 露光装置

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Publication number: JP4749682B2
Application number: JP2004167092A
Authority: JP
Inventors: 洋二岡崎
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2005019982A

Description

本発明は、露光装置に関し、特に、近接場光で高精度にデジタル露光を行う露光装置に関する。

近年、近接場光（エバネッセント光）を用いて高密度記録や微細加工を行う近接場光ヘッドが種々提案されている。例えば、尖鋭化した光ファイバの先端に微小開口を形成し、他端からレーザ光を導入して、この微小開口から滲み出るエバネッセント光を用いて感光材料を露光する露光ヘッドが提案されている（特許文献１）。この露光ヘッドでは、光ファイバコアが２次元的に配列されており、書き込もうとする情報のビットパターンに応じた位置の光ファイバコアにレーザ光が導入される。また、製造が容易な光ヘッドとして、レンズアレイの光出射側に微小開口を有する遮光膜が設けられた近接場光ヘッドが提案されている（特許文献２）。
特開２００２−１２３９６５号公報、段落００３８〜００３９、図８特開２０００−２２８５５４号公報

しかしながら、特許文献１には、情報のビットパターンに応じた位置の光ファイバコアにレーザ光を導入するための具体的な手段は記載されていない。光ファイバコアの径は数μｍ程度であり、２次元的に配列された光ファイバコアの各々に高い結合効率でレーザ光を導入することは困難である、という問題がある。

また、特許文献２にも、レンズアレイにレーザ光を導入するための具体的な手段は記載されていない。この場合も、レンズアレイの各レンズ毎に光軸を一致させてレーザ光を導入するのは難しい。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる露光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の第１の露光装置は、照明用の光ビームを出射する光源と、各々制御信号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、前記複数の画素部に対応するピッチで複数のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記画素部により変調された光ビームを、前記マイクロレンズ毎に集光するマイクロレンズアレイと、前記複数のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで、コア及びクラッドをテーパ状に形成して出射端が数１０〜数１００ｎｍ程度の径に先鋭化された複数の光ファイバの入射端の各々が２次元的に配列されたヘッド部と、を備え、前記複数の光ファイバの出射端の各々から漏れ出す近接場光で感光材料を露光することを特徴とする。

本発明の第１の露光装置では、光源から空間光変調素子に入射した光ビームは、空間光変調素子の画素部毎に変調され、画素部により変調された光ビームは、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ毎に集光される。

ヘッド部には、複数のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで、複数の光ファイバの入射端が２次元的に配列されている。従って、空間光変調素子の画素部毎に変調され、マイクロレンズアレイで集光された光ビームは、ヘッド部に配列された複数の光ファイバの入射端の各々に効率良く入射される。複数の光ファイバの出射端は先鋭化されており、この先鋭化された出射端から漏れ出す近接場光で、感光材料が露光される。即ち、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

上記の第１の露光装置において、複数の光ファイバの入射端を固定配置すると共に、複数の光ファイバの出射端を移動可能とすることができる。例えば、光ファイバの長さを長くすることで、光ファイバの入射端を固定配置すると共に出射端を移動可能とすることができる。

なお、参考例に係る第２の露光装置は、照明用の光ビームを出射する光源と、各々制御信号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、前記複数の画素部に対応するピッチで複数のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記画素部により変調された光ビームを、前記マイクロレンズ毎に集光するマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイの光出射面に設けられ、前記複数のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口の各々が２次元的に配列された遮光膜と、を備え、前記複数の微小開口の各々から漏れ出す近接場光で感光材料を露光することを特徴とする。

参考例に係る第２の露光装置では、光源から空間光変調素子に入射した光ビームは、空間光変調素子の画素部毎に変調され、画素部により変調された光ビームは、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ毎に集光される。マイクロレンズアレイの光出射面には、複数のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口が２次元的に配列された遮光膜が設けられている。従って、空間光変調素子の画素部毎に変調された光ビームは、マイクロレンズの各々に効率良く入射される。

マイクロレンズアレイの光出射面には、複数のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口が２次元的に配列された遮光膜が設けられている。この複数の微小開口から漏れ出す近接場光で、感光材料が露光される。即ち、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

また、参考例に係る第３の露光装置は、照明用の光ビームを出射する光源と、各々制御信号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、前記複数の画素部に対応するピッチで複数の第１のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記画素部により変調された光ビームを、前記第１のマイクロレンズ毎に集光する第１のマイクロレンズアレイと、前記複数の第１のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の光ファイバの入射端が２次元的に配列された導光部と、前記光ファイバの出射端に対応するピッチで複数の第２のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記光ファイバから出射された光ビームを、前記第２のマイクロレンズ毎に集光する第２のマイクロレンズアレイと、前記第２のマイクロレンズアレイの光出射面に設けられ、前記複数の第２のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口の各々が２次元的に配列された遮光膜と、を備え、前記複数の微小開口の各々から漏れ出す近接場光で感光材料を露光することを特徴とする。

参考例に係る第３の露光装置では、光源から空間光変調素子に入射した光ビームは、空間光変調素子の画素部毎に変調され、画素部により変調された光ビームは、第１のマイクロレンズアレイの第１のマイクロレンズ毎に集光される。導光部には、複数の第１のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで、複数の光ファイバの入射端の各々が２次元的に配列されており、空間光変調素子の画素部毎に変調され、第１のマイクロレンズアレイで集光された光ビームは、導光部に配列された複数の光ファイバの入射端の各々に効率良く入射され導光される。

第２のマイクロレンズアレイには、光ファイバの出射端に対応するピッチで複数の第２のマイクロレンズが２次元的に配列されており、導光部により導光された光ビームは、第２のマイクロレンズアレイの第２のマイクロレンズ毎に集光される。従って、光ビームは、第２のマイクロレンズの各々に効率良く入射される。第２のマイクロレンズアレイの光出射面には、複数の第２のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口の各々が２次元的に配列された遮光膜が設けられている。この複数の微小開口の各々から漏れ出す近接場光で、感光材料が露光される。即ち、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

上記目的を達成するために本発明の第４の露光装置は、照明用の光ビームを出射する光源と、各々制御信号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、前記複数の画素部に対応するピッチで複数の第１のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記画素部により変調された光ビームを、前記第１のマイクロレンズ毎に集光する第１のマイクロレンズアレイと、前記複数の第１のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の光ファイバの入射端の各々が２次元的に配列された導光部と、前記光ファイバの出射端に対応するピッチで複数の第２のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記光ファイバから出射された光ビームを、前記第２のマイクロレンズ毎に集光する第２のマイクロレンズアレイと、前記複数の第２のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の第３のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記第２のマイクロレンズアレイから入射した各光ビームを、前記第３のマイクロレンズ毎に集光する第３のマイクロレンズアレイと、前記第３のマイクロレンズアレイの光出射面に設けられ、前記複数の第３のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口の各々が２次元的に配列された遮光膜と、を備え、前記複数の微小開口の各々から漏れ出す近接場光で感光材料を露光することを特徴とする。

本発明の第４の露光装置では、光源から空間光変調素子に入射した光ビームは、空間光変調素子の画素部毎に変調され、画素部により変調された光ビームは、第１のマイクロレ
ンズアレイの第１のマイクロレンズ毎に集光される。導光部には、複数の第１のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで、複数の光ファイバの入射端の各々が２次元的に配列されており、空間光変調素子の画素部毎に変調され、第１のマイクロレンズアレイで集光された光ビームは、導光部に配列された複数の光ファイバの入射端の各々に効率良く入射され導光される。

第２のマイクロレンズアレイには、光ファイバの出射端に対応するピッチで複数の第２のマイクロレンズが２次元的に配列されており、導光部により導光された光ビームは、第２のマイクロレンズアレイの第２のマイクロレンズ毎に集光される。従って、光ビームは、第２のマイクロレンズの各々に効率良く入射される。

また、第３のマイクロレンズアレイには、複数の第２のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の第３のマイクロレンズが２次元的に配列されており、第２のマイクロレンズ毎に集光された光ビームは、第３のマイクロレンズアレイの第３のマイクロレンズ毎に集光される。従って、光ビームは、第３のマイクロレンズの各々に効率良く入射される。

第３のマイクロレンズアレイの光出射面には、複数の第３のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口の各々が２次元的に配列された遮光膜が設けられている。この複数の微小開口の各々から漏れ出す近接場光で、感光材料が露光される。即ち、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

本発明の露光装置によれば、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる、という効果が得られる。

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の実施の形態］
（露光装置の概略構成）
第１の実施の形態に係る露光装置は、図１に示すように、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）１１０を備えている。このＤＭＤ１１０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、ＤＭＤ１１０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、ＤＭＤ１１０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。

ＤＭＤ１１０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上に集光させるレンズ系１１４、レンズ系１１４を透過したレーザ光をＤＭＤ１１０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。

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平行光化する１対の組合せレンズ１１６、平行光化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、ＤＭＤ１１０の光反射側には、ＤＭＤ１１０で反射されたＤＭＤ像を拡大する拡大レンズ系１２６，１２８が配置されている。拡大レンズ系１２６，１２８でＤＭＤ像が結像される位置には、マイクロレンズがＤＭＤの各画素に対応して設けられたマイクロレンズアレイ１３０が配置されている。そして、マイクロレンズアレイ１３０の光出射側には、近接場アレイヘッド１３２が配置されている。近接場アレイヘッド１３２は、感光材料１３４を近接場光で露光するように、感光材料１３４の表面に近接配置される。

近接場アレイヘッド１３２は、図２に示すように、コア１４０及びクラッド１４２を備えた複数の光ファイバ１３６が、束ねられて構成されている。光ファイバ１３６の入射端では、コア１４０は、マイクロレンズアレイ１３０の集光位置に対応してマトリクス状に配列されている。光ファイバ１３６の出射側の端部１３８は、数１０〜数１００ｎｍ程度の径に尖鋭化され、その先端に微小開口が形成されている。光ファイバ１３６の他端からレーザ光を導入すると、この微小開口からエバネッセント光が滲み出してくる。

なお、図２では、２８本の光ファイバ１３６が束ねられ、そのコア１４０が４行７列のマトリクス状に配列されている例を示すが、実際には、マイクロレンズアレイ１３０に配列されたマイクロレンズと同数の光ファイバ１３６が束ねられて、近接場アレイヘッド１３２が構成される。

ＤＭＤ１１０は、図３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。

ＤＭＤ１１０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ＤＭＤ１１０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４（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４（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、ＤＭＤ１１０の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図３に示すように制御することによって、ＤＭＤ１１０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３には、ＤＭＤ１１０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、ＤＭＤ１１０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５（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５（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１０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１１及び図１２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１２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１３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１３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６６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６６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。本実施の形態の露光装置では、ファイバアレイ光源１１２の発光領域の径が小さいので、レンズ系１１４を通過してＤＭＤ１１０へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として近接場アレイヘッド１３２に入射する光束の角度が小さくなる。即ち、近接場アレイヘッド１３２に十分小さなスポット径にて集光でき且つ焦点深度を深くすることができるので、近接場アレイヘッド１３２に高効率の光結合ができる。

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。

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１３０の集光ビームを絞ることができる。その結果、アレイヘッドに高効率で光結合することができ、高強度の光をアレイヘッドに供給することができる。また、１０００万画素もの近接場アレイヘッドになっても、マイクロレンズアレイの集光ビームを絞ることができ、且つ高強度の光をアレイヘッドに導入することができることから、１画素の光強度も十分に実用的な値にすることができる。

なお、上記ではシングルモードレーザからの光を合波する例を示したが、マルチモードの高出力レーザ（例えば、２００ｍＷ）からの光を合波し結合することで、より高輝度な光源出力を得ることも可能である。例えば、マルチモードレーザの各出力が２００ｍＷの場合には、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１Ｗ（＝２００ｍＷ×０．８５×６）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、５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５Ｗ（＝１Ｗ×５）である。

また、これまでは、複数の半導体レーザを合波する場合について説明してきたが、合波せずに、半導体レーザと光ファイバとを１対１で結合し、先端のファイバーに、合波した場合と同様にクラッド径が小さい（例えば、クラッド径６０μｍでコア径を同等とする）光ファイバを結合してもよい。特にこの場合は、半導体レーザとしてマルチモードの高出力レーザ（２００ｍＷ）を用いることが好ましく、このような高出力レーザを用いることで、高輝度な光源を得ることができる。この場合の輝度は、半導体レーザと光ファイバとを１対１で結合した構造に対して、発光面積を１／４にできるので４倍の輝度を実現できる。

（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ＤＭＤ１１０の各マイクロミラー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ＤＭＤ１１０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。

光源１１２からレンズ系１１４を介してＤＭＤ１１０に照射された照明光は、各マイクロミラー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、変調された光が拡大レンズ系１２６，１２８により拡大される。拡大レンズ系１２６，１２８により拡大された光は、マイクロレンズアレイ１３０に設けられたマイクロレンズの各々に入射される。

マイクロレンズアレイ１３０で集光された光は、近接場アレイヘッド１３２にマトリクス状に配列された対応するコア１４０に入射され、光ファイバ１３６内を導光する。マイクロレンズアレイ１３０で集光された光を、マイクロレンズに対応するコア１４０に入射させるので、効率良く入射することができる。また、上述した通り、近接場アレイヘッド１３２に入射する光ビームの集光スポットを小さくすることができ且つ焦点深度を深くすることで、蹴られが減少し結合効率が高くなる。そして、光ファイバ１３６の出射側の端部１３８に形成された微小開口からは、エバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光で感光材料１３４が露光される。

マイクロレンズアレイ１３０により集光される光ビームのビーム径は、光ファイバ１３６のコア１４０の径と同じ大きさとすることが好ましい。同じ大きさとすることで、光ビームの光ファイバ１３６への結合効率が高くなる。例えば、４μｍのコア径のシングルモードファイバを用いる場合には、高結合効率を実現するために、集光ビームと光ファイバのビーム径を一致させ、モードマッチングを図るために、集光される光ビームのビーム径も４μｍとする。

以上説明した通り、本実施の形態の露光装置では、ＤＭＤの各画素部に対応させてマイクロレンズアレイのマイクロレンズが配列されると共に、マイクロレンズアレイに配列されたマイクロレンズに対応させて、近接場アレイヘッドの光ファイバコアを配列しているため、ＤＭＤで変調されマイクロレンズで集光された光を、対応する光ファイバコアに効率良く入射させることができる。即ち、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

特に、本実施の形態では、高輝度光源を用いているので、近接場アレイヘッドに入射する光ビームの焦点深度を深くすることができる。これにより、光ファイバコアでの蹴られが減少し、更に結合効率が高くなる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係る露光装置は、図６に示すように、近接場アレイヘッドの光ファイバの長さを長くした以外は、第１の実施の形態と同じ構成であるため、同じ構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

近接場アレイヘッド１３２Ａは、光ファイバ１３６よりも長い光ファイバ１３６Ａを用いた以外は、図２に示す近接場アレイヘッド１３２と同様に、コア１４０、クラッド１４２、及び微小開口が形成される尖鋭化された出射側の端部１３８を備えて構成されている。光ファイバ１３６Ａの入射端は、マイクロレンズアレイ１３０の集光位置に対応してコア１４０がマトリクス状に配列されるように、所定位置に固定配置されている。一方、微小開口が設けられた光ファイバ１３６Ａの出射側の端部１３８は、感光材料１３４の表面に近接配置されると共に、感光材料１３４の表面に沿って移動可能に構成されている。

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、該画像データに基づいてＤＭＤ１１０の各マイクロミラーの反射面の角度が制御される。光源１１２からレンズ系１１４を介してＤＭＤ１１０に照射された照明光は、各マイクロミラー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、変調された光が拡大レンズ系１２６，１２８により拡大されて、マイクロレンズアレイ１３０に設けられたマイクロレンズの各々に入射される。

マイクロレンズアレイ１３０で集光された光は、近接場アレイヘッド１３２Ａにマトリクス状に配列された対応するコアに入射され、光ファイバ１３６Ａ内を導光する。そして、光ファイバ１３６Ａの出射側の端部に形成された微小開口からは、エバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光で感光材料１３４が露光される。

以上説明した通り、本実施の形態では、近接場アレイヘッドの入射端が所定位置に固定配置されているので、第１の実施の形態と同様に、ＤＭＤで変調されマイクロレンズで集光された光を、対応する光ファイバコアに効率良く入射させることができる。即ち、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。また、長い光ファイバを備えた近接場アレイヘッドを用いているので、近接場アレイヘッドの出射端の空間的自由度を向上させることができ、且つ近接場アレイヘッド部を軽量化することができる。また、近接場アレイヘッドをｎｍの超高精度で位置決めすることやｎｍの超高精度で感光材料の表面とのギャップの細かい制御も容易に実現できる。更に、超高精度で感光材料の表面に沿って近接場アレイヘッドを自由に移動させることができる。

［第３の実施の形態（参考例）］
参考例に係る露光装置は、図７に示すように、マイクロレンズアレイに遮光膜と微小開口とが設けられた近接場アレイヘッドを用いた以外は、第１の実施の形態と同じ構成であるため、同じ構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

近接場アレイヘッド１４４は、拡大レンズ系１２６，１２８でＤＭＤ像が結像される位置に配置されると共に、感光材料１３４の表面に近接配置される。また、近接場アレイヘッド１４４は、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、マイクロレンズがＤＭＤの各画素に対応して設けられたマイクロレンズアレイ１４６を備えている。マイクロレンズアレイ１４６の光出射側の表面には、遮光膜１４８が設けられ、遮光膜１４８の各マイクロレンズの集光位置には、微小開口１５０が設けられている。微小開口１５０の径は、略１００ｎｍ程度である。マイクロレンズアレイ１４６にレーザ光を入射させると、この微小開口からエバネッセント光が滲み出してくる。

この近接場アレイヘッド１４４は、マイクロレンズアレイ１４６の光出射面にアルミニウム等の金属薄膜を蒸着して遮光膜１４８を形成し、マイクロレンズに高出力レーザ光を入射させて焦点位置に微小開口１５０を形成することにより、簡単に作製することができる。

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、該画像データに基づいてＤＭＤ１１０の各マイクロミラーの反射面の角度が制御される。光源１１２からレンズ系１１４を介してＤＭＤ１１０に照射された照明光は、各マイクロミラー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、変調された光が拡大レンズ系１２６，１２８により拡大されて、近接場アレイヘッド１４４のマイクロレンズアレイ１４６に設けられたマイクロレンズの各々に入射される。マイクロレンズアレイ１４６に入射された光は、遮光膜１４８に形成された微小開口１５０の近傍に集光される。微小開口１５０からは、エバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光で感光材料１３４が露光される。

以上説明した通り、本実施の形態の露光装置では、ＤＭＤの各画素部に対応させてマイクロレンズアレイのマイクロレンズが配列されると共に、このマイクロレンズアレイを近接場アレイヘッドの一部として用いているため、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

また、ファイバーを用いた近接場アレイヘッドに代えて、半導体プロセスを用いて作製可能なマイクロレンズアレイで構成された近接場アレイヘッドを用いているので、その画素ピッチをより高精度で細かくできる。その結果、アレイ数を１００万画素、１０００万画素と増やすことも容易にでき、より高解像度の近接場アレイヘッドを実現できる。更に、半導体プロセスを用いることができるので、構成が簡単で部品点数の少ない、量産性に優れた近接場アレイヘッドを実現することができる。

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態に係る露光装置は、図９に示すように、長い光ファイバを導光させた光を、マイクロレンズアレイに遮光膜と微小開口とが設けられた近接場アレイヘッドに入射させる構成とした以外は、第１の実施の形態と同じ構成であるため、同じ構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

マイクロレンズアレイ１３０の光出射側には、複数の光ファイバが束ねられて構成された導光部１５２が設けられている。導光部１５２の入射端では、光ファイバのコアは、マイクロレンズアレイ１３０の各マイクロレンズの集光位置に対応してマトリクス状に配列されている。導光部１５２の光出射側には、マイクロレンズアレイ１５４が配置されている。

導光部１５２の入射端は、マイクロレンズアレイ１３０の集光位置に対応してコアがマトリクス状に配列されるように、所定位置に固定配置されている。一方、導光部１５２の出射端は、移動可能に構成されている。

マイクロレンズアレイ１５４の各マイクロレンズは、導光部１５２の出射端の光ファイバのコアに対応してマトリクス状に配列されている。マイクロレンズアレイ１５４でＤＭＤ像が結像される位置には、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す近接場アレイヘッド１４４が配置されている。

マイクロレンズアレイ１３０で集光された光は、導光部１５２を構成する光ファイバに入射され、光ファイバ内を導光して出射される。導光部１５２より出射された光は、マイクロレンズアレイ１５４の各マイクロレンズにより集光され、近接場アレイヘッド１４４のマイクロレンズアレイ１４６に設けられたマイクロレンズの各々に入射される。マイクロレンズアレイ１４６に入射された光は、遮光膜１４８に形成された微小開口１５０の近傍に集光される。微小開口１５０からは、エバネッセント光が滲み出し、このエバネッセント光で感光材料１３４が露光される。特に、マイクロレンズアレイ１４６のピッチを小さくした場合は、導光ファイバのクラッド径を１０μｍ程度にして細径化を図り、高密度化することが可能である。

以上説明した通り、本実施の形態の露光装置では、ＤＭＤの各画素部に対応させて第１のマイクロレンズアレイのマイクロレンズが配列されると共に、各マイクロレンズの集光ビームをファイバーバンドルに導光し、集光ビームに対応させてマイクロレンズが配置された第２のマイクロレンズアレイにより近接場アレイヘッドヘ入射させ、第３のマイクロレンズアレイを近接場アレイヘッドとして用いているため、近接場光を用いて、高い光利用効率で、高精度にデジタル露光を行うことができる。

本実施形態では、第２のマイクロレンズアレイにより集光された光を、集光位置近傍に遮光膜及び微小開口が設けられた第３のマイクロレンズアレイにより構成される近接場アレイヘッドヘ入射し、近接場アレイヘッドから凄み出したエバネッセント光により露光する構成であるが、第２のマイクロレンズアレイに前記遮光膜及び微小開口を設け、第２のマイクロレンズアレイを近接場アレイヘッドとして用いた構成としても良い。

また、長い光ファイバを備えた近接場アレイヘッドを用いているので、近接場アレイヘッドの出射端の空間的自由度を向上させることができ、且つ近接場アレイヘッド部を軽量化することができる。また、近接場アレイヘッドをｎｍの超高精度で位置決めすることやｎｍの超高精度で感光材料の表面とのギャップの細かい制御も容易に実現できる。更に、超高精度で感光材料の表面に沿って近接場アレイヘッドを自由に移動させることができる。

第１の実施の形態に係る露光装置の構成を示す光軸に沿った断面図である。図１に示す露光装置に用いられる近接場アレイヘッドの構成を示す斜視図である。ＤＭＤの構成を示す部分拡大図である。（Ａ）及び（Ｂ）は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。第２の実施の形態に係る露光装置の構成を示す光軸に沿った断面図である。第３の実施の形態に係る露光装置の構成を示す光軸に沿った断面図である。（Ａ）は図１に示す露光装置に用いられる近接場アレイヘッドの構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。第４の実施の形態に係る露光装置の構成を示す光軸に沿った断面図である。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１１に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。図１１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。

符号の説明

１１０デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
１１２ファイバアレイ光源
１１４レンズ系
１２６，１２８拡大レンズ系
１３０，１５４マイクロレンズアレイ
１３２，１３２Ａ，１４４近接場アレイヘッド
１３４感光材料
１３６，１３６Ａ光ファイバ
１３８端部
１４０コア
１４２クラッド
１４６マイクロレンズアレイ
１４８遮光膜
１５０微小開口
１５２導光部

Claims

照明用の光ビームを出射する光源と、
各々制御信号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、
前記複数の画素部に対応するピッチで複数のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記画素部により変調された光ビームを、前記マイクロレンズ毎に集光するマイクロレンズアレイと、
前記複数のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで、コア及びクラッドをテーパ状に形成して出射端が数１０〜数１００ｎｍ程度の径に先鋭化された複数の光ファイバの入射端の各々が２次元的に配列されたヘッド部と、
を備え、
前記複数の光ファイバの出射端の各々から漏れ出す近接場光で感光材料を露光する露光装置。
前記複数の光ファイバの入射端を固定配置すると共に、前記複数の光ファイバの出射端を移動可能とした請求項１に記載の露光装置。
照明用の光ビームを出射する光源と、
各々制御信号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、
前記複数の画素部に対応するピッチで複数の第１のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記画素部により変調された光ビームを、前記第１のマイクロレンズ毎に集光する第１のマイクロレンズアレイと、
前記複数の第１のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の光ファイバの入射端の各々が２次元的に配列された導光部と、
前記光ファイバの出射端に対応するピッチで複数の第２のマイクロレンズが２次元的に配列され、前記光ファイバから出射された光ビームを、前記第２のマイクロレンズ毎に集光する第２のマイクロレンズアレイと、
前記複数の第２のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の第３のマイクロ
レンズが２次元的に配列され、前記第２のマイクロレンズアレイから入射した各光ビーム
を、前記第３のマイクロレンズ毎に集光する第３のマイクロレンズアレイと、
前記第３のマイクロレンズアレイの光出射面に設けられ、前記複数の第３のマイクロレンズの集光位置に対応するピッチで複数の微小開口の各々が２次元的に配列された遮光膜と、
を備え、
前記複数の微小開口の各々から漏れ出す近接場光で感光材料を露光する露光装置。
前記レーザ光の波長が約４００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光装置。