JP4938069B2 - パターン露光方法およびパターン露光装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザを光源とするマスクレスのパターン露光方法及びパターン露光装置に関する。

プリント基板、液晶ディスプレイのＴＦＴ基板或いはカラーフィルタ基板或いはプラズマディスプレーの基板（以下、「基板」という。）にパターンを露光するため、従来はパターンの原版となるマスクを製作し、このマスク原版をマスク露光装置で基板を露光していた。

近年、基板の寸法はますます大きくなると共に、これら基板の設計、製作に要求される時間はますます短くなっている。これら基板を設計する際、設計ミスを０にすることは非常に困難で、大概の場合設計見直しをして、再度マスクを製作し、露光を行うことが多い。また基板の種類によっては多品種少量生産の場合も多く、多くの品種に対し、その都度マスクを製作することはコスト面、納期面等で避けたいが、避けられない状況にあった。

上記の状況に鑑み、近年マスクを用いないマスクレス露光の要求が強くなっている。マスクレス露光を行う一方法として、液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等の２次元空間変調器を用いて２次元パターンを発生させ、これを投影レンズで基板上に露光する方法がある（特許文献１）。また出力の大きなレーザとポリゴンミラーを用いて走査させながらレーザ光をＥＯ変調器やＡＯ変調器を用いて基板に描画露光する方法がある。

特開平１１−３２０９６８号公報

しかし、従来技術の前者は、比較的微細なパターンの描画が可能であるが装置が高価になる。

また、従来技術の後者は、構成がシンプルで比較的安価に生産できるが、大きな面積を高精細に描画することが難しい。しかも、スループットを短くしようすると、大出力のレーザが必要になるために装置コストが高くなり、ランニングコストも高くなる。

本発明の目的は上記の課題を解決し、スループットが短く、安価な装置で、かつランニングコストが低いパターン露光方法およびパターン露光装置を提供するにある。

上記の課題を解決するため、本発明の手段は、パターン露光装置として、複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射された出射光を平行光にするコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射される複数の平行光を互いに平行にするマルチビーム平行光学手段と、互いに平行な複数の平行ビームをこのビームの光軸に直交する２方向に縮小するマルチビームスポット形成光学系と、該マルチビームスポット形成光学系により形成されるマルチスポットを露光する基板を搭載するステージと、前記マルチスポットと前記ステージとを相対的に走査させる走査手段と、所望の露光描画パターンと前記半導体レーザの配列ならびに前記相対的走査の速度に応じて前記複数の半導体レーザをオン・オフする制御回路とからなるパターン露光装置において、前記マルチビーム平行手段は、ビーム径は変化させずに前記走査方向と直角の副走査方向に縮小するビーム径不変ビームピッチ縮小手段を備え、前記ビーム径不変ビームピッチ縮小手段は、２つの平面反射面からなり、２つの面間隔が異なる反射面群から構成されることを特徴とする。

任意の露光箇所を互いに異なる光源から出射された出射光で複数回露光するので、光源として出力が小さいものを使用することができる。
また、光源の数を増すことにより、スループットを大きくすることができる。

本発明に係る２次光源形成光学系の構成図である。 ファイバの断面図である。 本発明に係る露光装置の機能説明図である。 本発明における２次光源の基板上における像を示す図である。 本発明に係る露光装置の構成を示す平面図である。 本発明の動作を説明する図である。 本発明の他の実施形態を表す図である。 図７の斜視図である。 本発明のさらに他の実施形態図である。 本発明の動作を説明する図である。 本発明の動作を説明する図である。 ファイバの接続を説明する図である。 ファイバを接続をガラスを説明する図である。 本発明の実施形態を示す２次光源形成光学系の構成図である。 半導体レーザの配置と、レーザ光の位置関係を説明する図である。 本発明に係る露光装置の機能説明図である。 レーザ光が基板上に照射される位置を示す図である。 本発明に係るビーム方向微調整手段の構成を示す図である。 本発明に係る楔ガラスの回転角度に対するレーザ光の光軸の角度変位を示す図である。 平行ガラスの回転角度と入射光の光軸の移動量の関係を示す図である。 本発明の実施形態を示す２次光源形成光学系の構成図である。 レーザ光の位置関係を表す図である。 本発明に係る露光装置の機能説明図である。

以下、詳細に説明する。

以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る２次光源形成光学系の構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ矢視図である。
光源系１は、２方向に整列させて配置された複数の半導体レーザ１１と、レンズ１２と、ファイバ１４とから構成されている。半導体レーザ１１は波長４０５ｎｍ、出力６０ｍＷのレーザ光１ａを出射する。出射されたレーザ光１ａは発散光であるので、焦点距離の短いレンズ１２により収束され、ファイバ１４の入射端１３に垂直に最大入射角が数度以下の高い指向性で入射する。このようにすることにより、レーザ光１ａは９０％以上の効率でファイバ１４内に導入される。なお、レンズ１２およびファイバ１４は、それぞれ半導体レーザ１１毎に設けられている。

ファイバ１４の出射端１５は面１６上に配置されている。同図（ｂ）に示すように、この実施形態では、出射端１５（すなわち２次光源）には、走査方向１５０の方向（ｙ方向）に１５１１，１５２１…，１５８１、また、走査方向１５０と交差する方向（ｘ方向）に１５１１、１５１２……１５１８の６４個が面１６上に配置されている。ファイバ１４は、図２に示すようにコア部１５０１と、コア部１５０１の周りに配置されたクラツド部１５００とから構成されている。本実施形態の場合、コア部１５０１の直径は５０μｍ、クラツド部１５００の直径は１００μｍである。なお、ファイバー１４の出射端１５は、二次光源となる

図３は、本発明に係る露光装置の機能説明図である。
集光レンズ２１は、ポリゴンミラー２７の表面から集光レンズ２１の焦点距離ｆ離れた位置に配置されている。

出射端１５から出射されるレーザ光１ａの主光線は互いに平行で、指向性は各ファイバ１４ヘの入射光の指向性とほぼ等しいか、若干指向性が悪くなる程度である。出射端１５から出射した６４本の指向性の高いレーザ光１ａ（レーザビーム）は集光レンズ２１を介してピエゾ偏向ミラー２２で反射され、シリンドリカルレンズ２３を介してポリゴンミラー２７に入射する。すなわち、出射端１５から指向性は高いが発散光となって出射したレーザ光１ａはレンズ２１でほぼ平行光になり、シリンドリカルレンズ２３により同図のｘ方向に絞り込まれ、ポリゴンミラー２７上において走査方向のレーザ光１ａがｙ方向に並んで（すなわち、１５１１，…，１５８１が第一段目、１５１２，…，１５８２が第二段目として）入射する。なお、ポリゴンミラー上ではｘ方向に関しては最小幅である。

２４，２５はこの２つでｆθレンズの機能を有する。このｆθレンズとシリンドリカルレンズ２３によりポリゴンミラー２７上のｘ方向の像は基板上に結像倍率Ｍで結像されるので基板上にはｘ方向に約３０μｍ径のスポットが形成される。シリンドリカルレンズ２３とシリンドリカルレンズ２６のレンズのｙ方向のパワーは０であるため、ｙ方向についてはｆθレンズに平行光が入射し、ｆθレンズの作用により、ｙ方向にやはり３０μｍのスポヅト径で集光される。このような構成にすることにより、ポリゴンミラーの各反射面間に例え面倒れがあっても、面倒れに伴う、走査ビームのピッチずれが発生することはない。このようにして基板上には図１（ｂ）に示した２次光源の像が形成される。

ピエゾ偏向ミラー２２は、ｆθレンズに含まれる像歪を補正するためのものである。すなわち、ポリゴンミラー２７の回転に伴いｆθレンズにより走査されるスポットが、露光面上で直線上を移動せず、ずれてしまうことがある。この場合、上記のずれは、走査のたび毎に再現される。そこで、予めこの像歪を求めておき、この像歪をピエゾ偏向ミラー２２により補正する。

制御回路３は露光パターンとポリゴンミラー２７の回転をモニターしているロータリーエンコーダ（図示せず）の信号に応じて６４個の半導体レーザ１１をＯＮ−ＯＦＦ制御すると共にピエゾ偏向ミラー２２を駆動することにより、ｆθレンズの像歪に応じた描画のｘ方向の補正を行う。また、基板５を搭載しているステージ４をｘ方向に一定の速度で駆動する。なお、ピエゾ偏向ミラー２２の駆動方法については後述する。

図４は、２次光源の基板上における像（スポット像）を示す図であり、右側に示した矢印の線はポリゴンミラーによる走査の方向を示している。なお、グリッド状に示した格子は描画の絵素の中心である。
同図において、１５１１、１５２１、１５３１……１５８１はポリゴンミラーの走査方向に並ぶスポットであり、１５１１，１５１２，１５１３……１５１８は走査方向にない方向のスポット配列を表している。図示の場合、走査方向に並ぶスポットは絵素ピッチＰすなわち分解能の１６倍のピッチ１６Ｐで配列され、スポットの走査方向と直角な方向の配列ピッチは絵素ピヅチＰになっている。

このようにすることにより、ポリゴンミラー２７の１ファセットの回転（Ｎ面体のポリゴンミラーであれば１／Ｎ回転）により、次の走査時には同図に示す１５１８の下隣の絵素が１５１１、１５２１……１５８１等のスポットで走査されることになる。すなわち、１回の走査により、走査方向と直角な方向の８絵素分が描画、露光されることになる。

また、走査方向の１絵素分に着目すると、走査方向に８個のスポットが並んでいるため、走査上の１点（１絵素点に）に着目すると、１回の走査で８つのスポットが通過し、露光することになる。例えば、各スポットに強度のばらつきがσ程度あっても統計的に、８回のスポットで露光された結果の積算露光量のばらつきはσ／２√２＝０．３５σ程度に低減することが可能になる。

また、同図における各像の直径は絵素ピッチＰの２倍であるが、ビーム径の大きさはＰ以上４Ｐ以下程度にするとよい。

図５は本発明に係る露光装置の構成を示す平面図であり、図３と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。同図に示すように、基板５と光学系を水平に配置するため、ｆθレンズと基板５との間でレーザ光１ａの光軸をミラー２８により９０度折り曲げ、垂直な光軸にして水平に配置した基板５を露光するようにしている。

なお、ステージ４に搭載された基板５が大きい場合には、現在露光している基板５の領域５１の露光が終了するとステージ４を同図のｙ方向にステップ移動させて領域５２を引き続き露光する。このような光学系によるｚ方向の走査とステージ４のｙ方向のステップ移動は、図示していない駆動機構とステージ４に取り付けた図示を省略する測長器を用いて行われる。したがって、ステージ４は、制御回路３により正確に位置制御される。

シャッタ２９はレーザビーム全体（すなわち、６４個の半導体レーザ１１から出射される６４本のレーザ光１ａ）の光路をＯＮ−ＯＦＦするためのものであり、ＥＯ変調器やＡＯ変調器或いはｍｓオーダで駆動するメカニカルシャッタで構成されている。なお、シャッタ２９については後述する。

次に図５と図６を用いて、本発明の露光方法及び露光装置の動作について説明する。
半導体レーザ１１は描画の情報に基づきＯＮ−ＯＦＦ駆動されるが、一般に半導体レーザは自体の温度により発光強度が変わる。このため描画の直前までＯＦＦの状態にして、いきなり描画を始める時点の発光強度と、描画後しばらく経過した時点での発光強度が異なってしまう。

この課題を解決するため、シヤッタ２９を用いる。
すなわち、描画を始めるしばらく前から半導体レーザ１１を描画時の平均的なＯＮとＯＦＦの比率で点滅させておく。この光は被露光物を照射してしまう可能性があるため、描画時でないときにシヤッタ２９をＯＦＦの状態、すなわち遮光状態にしておく。このようにすることにより、実際に描画するタイミングになった時に半導体レーザ１１は所望の安定した温度状態になり、安定な露光強度を実現することが可能になる。

露光の開始が可能になるまでには、ポリゴンミラー２７が一定の回転速度で回転していることが不可欠である。図示しない駆動回路により図示しないモータを回転させ、やはり図示しない回転エンコーダで回転状態を制御回路３でモニタし、ポリゴンミラー２７の回転数が所定の範囲内の一定値になったら、露光を開始する。図６のａはポリゴンミラー２７の回転位置φＰを表している。一定の回転速度であるので、傾きが回転速度を表す直線である。またこの回転速度に同期して制御回路３の指示によりステージ４が図示しないモータにより一定スピードでｚ方向に移動する。このステージ４の位置のＺ座標は図６のａの（Ｚｓ）で示すように直線である。

図６のａに示した△ｔＦと△ｔＰはそれぞれポリゴンミラーの１ファセット分の回転時間と１回転の時間を表す。ポリゴンミラー２７の回転に伴い、複数の半導体レーザ１１による複数のスポットは図５のｙ方向に走査される。この走査は前述したように理想的には直線になるが、ｆθレンズの組み立て精度等により必ずしも直線にならない。しかしこの非直線性は△ｔＦの周期で繰り返される各走査でいつも安定に再現する。このためこの非線形性を予め計測しておき、制御回路に保存しておきこの計測値を元にして決めた補償値でピエゾミラー偏向器２２を図６のｂに示すように駆動する。このようにすれば例えｆθレンズの像歪があっても走査はほぼ直線状になされる。

他方ポリゴンミラーが仮に一定回転であっても走査光のｙ方向の速度はｆθレンズの像歪があると一定でない。このｙ方向の像歪に付いても予め計測することが可能であるので、この歪を見込んで半導体レーザのＯＮ−ＯＦＦのタイミングを制御回路３で調整することにより、除去することが可能である。更に細かく見るとポリゴンミラー２７の回転速度は必ずしも一定ではないので、ポリゴンミラー２７に直結している回転エンコーダのパルス信号を読み取り、これに合わせて半導体レーザ１１をＯＮ−ＯＦＦすれば、ほとんど歪のない描画が可能になる。

図６のｃはシャッタ２９がＯＮ状態すなわちシャッタ２９が遮光する状態の時間を表す。前述したように露光が開始できる前でシャッタ２９は遮光状態になっているが、走査が終わり次の走査が開始されるまでの間も遮光状態にする。この走査の間における遮光状態の時にも半導体レーザは一定のデューテイでＯＮ−ＯＦＦさせるとよい。

図６のｄは半導体レーザ１１が走査の途中で描画情報に基づきＯＮ−○ＦＦするタイミングを表している。すなわち、上記したようにこのグラフの０の状態は半導体レーザ１１がＯＦＦの状態であることを表しているわけではない。図６のｄの１走査内（すなわち時刻ｔ０２〜ｔ０３の間）の詳細を示したのが同図ｅである。すなわち、描画情報に基づき半導体レーザ１１は高速度でＯＮ−ＯＦＦされ信号ＳＬのようになる。１絵素を通過する時間が△ｔＰとすると、ＯＮ−ＯＦＦ信号ＳＬのパルス幅は整数Ｎに対し、Ｎ△ｔＰとなる。上記のパルス駆動は当然全半導体レーザ１１に対して描画情報に基づき行われる。

以下、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７は本発明の第２の実施形態を表す図であり、図中のグリッドは最終的に被露光物体に投影され描画するときの絵素ピッチを表している。
半導体レーザ１１０１１，１１０１２、１１０１３、１１０１４は同図の走査方向ｙに相当する方向に並べて配置されている。また、半導体レーザ１１０１１，１１０５１，１
１０９１，１１１３１は図５におけるステージ４の移動方向ｚに並べて配置されている。

図８は図７の斜視図である。同図に示すように、半導体レーザ１１は半導体レーザホルダ基板１１０上に配列されている。各半導体レーザ１１から出射したレーザ光１ａは同じ配列状態で並ぶ複数のコリメータレンズ１１１により、それぞれほぼ平行なレーザ光１ａとなる。すなわち各半導体レーザ１から出射した各レーザ光１ａは対応するコリメータレンズ１１１を通過後その主光線は互いにほぼ平行で、かつ広がりもほとんどない状態になっている。各主光線の間隔は半導体レーザ１１のパッケージの直径よりやや大きい。

６４個の平行でテレセントリックなレーザ光１ａは集光レンズ１１２を通過し、集光レンズ１１２の焦点位置近傍のほぼ１点に集光する。レンズ１１３の前側焦点にこの集光点があるので、レンズ１１３を通過後、面１５ａ（図１の出射端１５に相当）に６４個のスポット像が２次光源として得られる。この２次光源を図１や図５に示したファイバ１４を用いる場合の２次光源と同じようにして用いれば、ファイバ１４を用いるとき同様にして、被露光物体に描画、露光することができる。

なお、図８においてレンズ１１３透過後の各レーザ光１ａの主光線は必ずしも平行である必要はなく、ｆθレンズの特性によってはむしろ主光線が集光または発散する状態の方が望ましい場合がある。また各ビームの平行度も平行でない方が望ましいことがある。

以下、本発明の第３の実施形態について説明する。
図９は本発明の第３の実施形態図であり、図５と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。
半導体レーザ１１を数十個〜数百個使用する場合、１つでも半導体レーザ１１が寿命になり出力が出なくなると、露光強度のばらつきを発生し、正しいパターンが露光できなくなる。そこで図示しない半導体レーザ１１に内蔵されたレーザ光強度検出素子、または半導体レーザ１１の外部にあり、各半導体レーザ１１を個別にその強度を検出する図示しないレーザ強度検出素子の検出信号強度を取り込む。この検出信号を個々の半導体レーザ１１に対し求め、この信号に基づき個々の半導体レーザの駆動電流を制御し、どの半導体レーザ１１からのレーザ出力も同じ一定値になるようにする。このようにすると図１０のａに示すように数千時間稼動していくうちに、各レーザの上記駆動電流値ＩＬＤが大きくなってきて、一定の閥値ＩＬＤ０に達するようになる。この閥値に達する時刻ｔＦに図９に示すモニター３１に半導体レーザ１１の寿命を知らせる表示をする。

更に複数の半導体レーザ１１と２次光源形成手段を一体化した一体化手段１とまったく同一の構造のからなる予備の一体化手段１´を併設しておく。そして、寿命に達した時刻ｔＦ後で露光に支障のないタイミングを見計らって自動的に上記一体化した手段１を新たな一体化手段１´に交換する。例えば現在作業中の基板の露光が終了した時点、或いは数十枚の基板単位を１ロットとして露光するときには１ロット分の露光が終了した時点、或いは１日の露光が終了した時点で上記の交換を行う。このようにすることにより、露光のエ程に差し障り無く連続的に稼動させることが可能になる。なお、図中のΔｔｓは交換時間である。

上記したように半導体レーザ１１に内蔵されたレーザ光強度検出素子、または上記半導体レーザの外部にあり、各半導体レーザを個別にその強度を検出するレーザ強度検出素子を用いて個々の半導体レーザの強度を検出することができる。このため図１０のｂに示すように１１ｎ番目の半導体レーザの強度ＰＬＤ１１ｎが一定になる様に半導体レーザ駆動電流ＩＬＤ１１ｎを調整し、レーザの強度が常に一定になるようにする。

１１ｎ番目の半導体レーザの出力を上記の方法により、一定に保つため半導体レーザ駆動電流値ＩＬＤ１１ｎを同図ａのように変えていくと、これ以上この電流値をあげると寿命に近づくと言う閾値ＩＬＤ１１ｎに到達する。この閾値は個々の半導体レーザ１１ごとに異なるが、予め駆動電流と出力の関係がわかっていれば、個々にその値を予想することが可能なので、この値を制御回路３に記憶しておく。６４個の半導体レーザ１１の内、ｎ番目の半導体レーザ１１が他の半導体レーザに先駆け時刻ｔＦにこの閾値電流に達したならば、上記したように交換のタイミングを見計らって一体化手段１を新たな一体化手段１´に交換する。この交換は一体化したものを位置の再現性精度さえよく行えば、無調整で実現可能であり、上記の基板の露光が終了し、次の基板の露光に移る間に完了することも可能である。

先に説明したように半導体レーザの出力はそれ自身の温度にも強く依存する。このため実際に露光しているときに個々のレーザ強度が一定になるように、露光のタイミングでない時間帯に上記シャッタ２９を遮光状態にして、半導体レーザ１１をＯＮにして駆動し、半導体レーザ１１の強度が一定になるように駆動電流等を電気制御するとさらに品質が安定した露光を行うことができる。

なお、上記では半導体レーザの数を６４にしたが、この数に限定されるわけではなく、個々の半導体レーザ１１の出力が大きければ数を少なくできる。また大きな出力の半導体レーザ１１を多く使えばスループットの大きな露光装置が実現できる。本発明はこのように、露光装置の目標性能に応じて半導体レーザ１１の数が選択でき、目標にあった装置を容易に実現できる。

次に、ファイバ１４を用いる場合のレーザ光１ａの強度について説明する。
図１１はファイバ１４に入射するレーザ光１ａの指向性と出射光の指向性を説明する図である。

レーザ光１ａの指向性は以下のようにして求める。
すなわち、スクリーン１２１をレンズ１２の背後に配置し、半導体レーザ１１の直後に配置されている焦点距離の短いレンズ１２を透過したレーザ光１ａの像１２１１から広がりｆ（ｘ、ｙ）を調べ、スクリーン１２１から入射端１３までの距離Ｌ１を用いて、ファイバ１４に入射するレーザ光１ａの指向性Ｃ（θｘ、θｙ）を求める。

同様に、スクリーン１５１を出射端１５ａの背後に配置し、出射端１５から出てくるレーザ光１ａの指向性をファイバ出射端からＬ２の位置に置いたスクリーン１５１の像１５１１から広がりｇ（ｘ、ｙ）を調べ、指向性Ｄ（θｘ、θｙ）を求める。

ファイバ１４に入射するレーザ光１ａは、半導体レーザ１１のｘ及びｙ方向の出射指向性が個々にばらつくため、回転対称の分布になっていないが、ファイバ１４から出射するレーザ光１ａの指向性はほぼ回転対称になっている。
ここで、角座標（θｘ、θｙ）を、ファイバ１４の中心軸に対する角度θと中心軸周りの角度φからなる角座標（θ、φ）座標に変換し（すなわち、θx＝sinθcosφ、またθy＝sinθsinφ）、C（θx、θy）とD（θx、θy）をθとφで表したものをＣ′（θ、φ）及びＤ′（θ、φ）とすると、ファイバ１４内部におけるロスが無視できる場合、下記の式がほぼ成り立つ。
∫Ｄ′（θ、φ）ｄφ＝∫Ｃ′（θ、φ）ｄφ、

しかし、図１２に示すように、入射端１３、及び出射端１５が平面でなく、球面に近いとレンズ効果が発生し、上記の式が成り立たなくなり、左辺すなわちレーザ光１ａの指向性が悪くなり、レーザ光１ａは広がる。レーザ光１ａが広がると基板５上に所望のスポット径で絞り込めなくなる。

ファイバ１４の端面は平坦になるように加工するが、ファイバ１４のコアの直径は数十から百ミクロン程度で非常に小さいため、端面を平坦に加工することが非常に難しい。このため何もしないでファイバ１４を用いるとレーザ光１ａの指向性が悪くなり必要なスポット径が得られなくなる。

図１３はこのような課題を解決する実施形態図である。すなわち、ファイバ１４の入射端１３及び出射端１５に予め平坦に加工したガラス１６０を接近して配置し、ファイバ１４とガラス１６０のギャップに光学接着剤１５５を充填する。ファイバ１４、ガラス１６０及び光学接着剤１５５の屈折率をほぼ同じにしておくと、ファイバ１４端の平坦度が悪くても結果的に平坦な端面に入射したのと同じになり、レーザ光１ａの指向性が悪くなることがない。

また、ガラス１６０の透過２面が完全に平行であると、ファイバ１４の軸に平行にレーザ入射軸を取ると、ガラス１６０の入射端１３及び出射端１５で垂直に反射し、戻り光が半導体レーザ１１に入射し、半導体レーザ１１の発振が不安定になる。この結果露光の強度が不安定になり、精度の高い描画ができなくなる。そこでガラス１６０の透過２面の間にごく僅か角度を付け、１６０の入射面及び出射面に垂直でない状態で、入射及び出射させたときに、ファイバ１４光軸にレーザ光１ａの主光線が平行になり、半導体レーザ１１への戻り光の問題も無く、かつ最も条件の良い状態（ファイバ光軸とファイバ入射直前のレーザ光１ａの主光線が平行な状態）でファイバ１４にレーザ光１ａを入射させることが可能になる。

以下、本発明の第４の実施形態について説明する。
図１４は本発明の第４の実施形態を示す２次光源形成光学系の構成図であり、（ａ）はレーザ光１ａの進む方向から見た図、（ｂ）はレーザ光１ａの進む方向が紙面と平行になる方向から見た図である。なお、図１と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

半導体レーザ１１を保持する半導体レーザホルダ基板１１０には、図示を省略する水冷パイプが設けられ、冷却されている。ｘ方向発散角の半値全幅が約２２度、y方向の半値全幅が約８度のレーザ光１ａは、レンズ１２により収束されて平行ビームになる。そして、後述するビーム方向微調整手段５３を介してビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４に垂直に入射する。

ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４は断面が平行四辺形のプリズム５４１を複数重ね、半導体レーザホルダ基板１１０の中心に関して左右対称に配置したものである。なお、中心部は、いわゆる入れ子（それぞれを櫛歯状にして組み合わせた形状）に形成され、レーザ光１ａはプリズム５４１の内部だけを通るように構成されている。

以上の構成であるから、同図（ｂ）の一番右のレーザ光１ａに着目すると、レーザ光１ａはプリズム５４１のＡ１面で反射されて左に進みプリズム５４１ｃの左端Ｂ面で反射されて上方に向かう。右から２番目のレーザ光１ａは右から２番目のプリズム５４１で反射され後左に進みこのプリズム５４１ｃの左端Ｂ面で反射されて上方に向かう。

さらに詳しく説明する。
図１５は、半導体レーザ１１の配置と、レーザ光１ａの位置関係を説明する図である。
同図（ａ）に示すように、半導体レーザ１１は、半導体レーザホルダ基板１１０上にｘｙ方向とも１２ｍｍピッチで並んでいる。したがって、レンズ１２でコリメートされたレーザ光１ａは、ｘｙ方向とも１２ｍｍピッチで並んだ状態でビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４に入射する。なお、レンズ１２でコリメートされたレーザ光１ａは、ｘ方向の径約４ｍｍ、ｙ方向の径約１．５ｍｍの楕円状強度分布を有している。
そして、同図（ｂ）に示すように、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過後することによりビーム形状は変わらずにｘ方向に１ｍｍピッチで並ぶことになる。すなわち、半導体レーザ１１の間隔が１２ｍｍであるのに対し、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過したレーザ光１ａの間隔は１ｍｍになる。

図１６は、本発明に係る露光装置の機能説明図、図１７はレーザ光１ａが基板５上に照射される位置を示す図であり、図３、５、９と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
長焦点レンズ系３０は長い焦点距離ｆ１の正のパワーを有する第１のレンズ群３０１（図では１枚のレンズ）と、短い焦点距離ｆ２の第２のレンズ群３０２と、正のパワーを有する長い焦点距離f３の第３レンズ群３０３と、正のパワーを有するシリンドリカルレンズ３４と、から構成されている。

次に、この露光装置の動作を説明する。
ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４から出射された互いに平行なレーザ光１ａはミラー１００１で反射された後、長焦点レンズ系３０を通過し、ピエゾ偏向ミラー２２に入射する。そして、ピエゾ偏向ミラー２２で反射されたレーザ光１ａはポリゴンミラー２７で反射され、ｆθレンズを通過後、ミラー２８により光路を９０度折り曲げられ、ｘ方向にパワーを有するシリンドリカルレンズ２６により基板５上を走査照明される。

基板５上のレーザ光１ａの入射位置（マルチスポット）は図１７および図１５の（ｃ）に示すような配列になる。すなわち、図１７におけるｘｙ方向の距離がΔＲのメッシュで示した所望の解像度あるいは絵素ピッチに等しくｘ方向（すなわち副走査方向）のスポットが配列されるようになる。このような直径Ｄｙ（この図ではｘ方向の直径Ｄｘに等しい。）のマルチスポット配列が基板５の上にできる。したがって、ポリゴンミラー２７でこのマルチスポット群をｙ方向に走査することにより、筋状のむらのないパターンを形成できる。

基板上に所望のパターンを露光するには制御回路３により、複数の半導体レーザを描画パターン情報と半導体レーザ１１の配列に応じて半導体レーザ１１を個別にＯＮ−ＯＦＦ制御する。また、半導体レーザ１１のＯＮ−ＯＦＦ制御と、ポリゴンミラー２７の回転と基板５を載置するステージ４のｘ方向駆動制御の同期を取る。さらにポリゴンミラー２７が回転し、隣の反射面による走査の時には基板５上にマルチスポット群がすでに露光した領域の隣の領域を走査露光するようにステージ４を制御する。

なお、この場合、すでに露光した領域と一部が重なるようにステージ４の移動速度を制御しても良い。

以上概略説明した全体の構成と動作をさらに詳しく説明する。先ずマルチスポットの結像関係について説明する。

上記したように、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過した個々のレーザ光１ａはｙ方向が短径、ｘ方向が長径で、約１．５×４ｍｍの楕円である。配列のピッチは図１５（ｂ）に示すようにｙ方向１．５ｍｍ、ｘ方向１ｍｍである。長焦点レンズ系３０のｙ方向の焦点距離は２２０００ｍｍであり、ポリゴンミラー２７の焦点距離は３５０ｍｍである。したがって、ｙ方向の基板５上のスポット径（幅）は約２５μｍとなり、ピッチも２５μｍになる。

一方、x方向は長焦点レンズ系３０の先端のシリンドリカルレンズ３０４によりポリゴンミラー２７上に４ｍｍのビーム径が約５０分の１に縮小結像された後、ｘ方向にパワーのあるシリンドリカルレンズを含むｆθレンズにより約０．３倍に結像される。この結果、基板５上ではスポット径（幅）が２５μｍでスポットピッチは６．４μｍとなる。

したがって、レーザ光１ａをｙ方向に走査することにより、２５μｍスポットを６．４μｍピッチの解像で描画することが可能になる。

ところで、上記の場合、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過したレーザ光１ａをy方向は約１／６３倍に、ｘ方向は約１／１６０倍に、それぞれ縮小している。したがって、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を通過直後のレーザ光１ａ相互の平行度がΔθとすると、基板５上における各レーザ光１ａ相互の平行度はこの倍率の逆数倍になり、ｙ方向は６３Δθ、ｘ方向は１６０Δθになる。２５μｍのスポットを４０５ｎｍの波長のレーザ光で形成する際の焦点深度は２ｍｍ程度ある。しかし、基板５の厚さのばらつきを考慮すると、光学系の焦点位置から±１００μｍの範囲の基板面に対して像のひずみや位置ずれが生じないようにする必要がある。このずれ量を絵素ピッチ即ち分解能の１／４とすると、基板５側でのテレセントリック性ΔθＢは
ΔθＢ＝６．４／４／１００＝０．０１６ｒａｄとなる。したがって、Δθは
Δθｙ＝０．０１６ｒａｄ／６３＝５２秒（ｙ方向）
Δθｘ＝０．０１６ｒａｄ／１６０＝２０秒（ｘ方向）
になる。
そして、このような平行性を実現するためには各レーザ光１ａの光軸の向きを揃える必要が生じる。

次に、ビーム方向微調整手段５３について説明する。
図１８は、本発明に係るビーム方向微調整手段の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は動作説明図である。

ビーム方向調整手段２００は楔ガラス２０１，２０２と平行ガラス２０３とから構成されている。楔ガラス２０１、２０２はくさびの角度が１０°の透明で表面が反射防止されたガラスである。この楔ガラス２０１を入射角と透過時の出射角が等しい状態をΔθｗ＝０とし、時計回りを正として角度を変えて行くと（ただし、楔ガラス２０２は固定）、楔ガラス２０２を透過したレーザ光１ａの光軸の角度が変化する。

図１９は、本発明に係る楔ガラスの回転角度に対するレーザ光の光軸の角度変位を示す図である。

いま、半導体レーザ１１の発光点と焦点距離ｆｃのレンズ１２の光軸がΔｘずれると光源側のテレセントリック性のずれΔθはΔｘ／ｆｃとなる。たとえばｆｃが６ｍｍとすると、上記の２０秒を満足するためには、光軸ずれΔｘは０．０２μｍが要求され、実現不可能である。

しかし、楔ガラス２０１，２０２を用いることにより、楔ガラス２０１の１度程度の回転Δθｗでこの調整が可能になる。すなわち、光軸ずれΔｘが５μｍであるとすると、上記のｆｃ（６ｍｍ）に対し、Δθは約３分になる。

すなわち、光軸ずれによりΔθが１０分程度（Δｘは１０μｍ程度）あっても、楔ガラス２０１を回転させることにより、光軸を目標の傾きに補正することができる。

なお、同図から明らかなように、楔ガラス２０１の回転角Δθｗが５〜１０度の範囲では、楔ガラス２０１を１度回転させるとレーザ光１ａの光軸が２分以上傾くことになり、微調整が難しい。このような場合には、楔ガラス２０２をΔθｗ＝０から数度回すことにより、同図における曲線の傾きが小さい部分に相当する微小角度調整ができることを利用して、最終的な角度合わせを行うことができる。

ところで、楔ガラス２０１と楔ガラス２０２を逆向きに配置することにより、レーザ光１ａの光軸方向を元の方向と平行にすることはできるが、位置がシフトする。そこで、平行ガラス２０３を挿入し、シフトしたレーザ光１ａの光軸を元の光軸に一致させる。

図２０は、平行ガラス２０３の回転角度と入射光の光軸の移動量の関係を示す図である。同図から明らかなように、平行ガラス２０３をΔθｐ回転すると光軸の位置を、数十μｍの精度で数百μｍの範囲を調整できる。

なお、レーザ光１ａの光軸は種々の方向に傾いているので、楔ガラス２０１と２０２および平行ガラス２０３とからなるビーム方向調整手段２００を３６０度回転可能にしておく。このように構成することにより、レーザ光１ａの光軸が任意の方向に１０分程度傾いていても、平行度を数十秒以内に合わせることができるので、基板５に入射するレーザ光１ａのテレセントリック性を高精度に調整することができる。

ここで、長焦点レンズ系３０についてさらに説明する。
長焦点レンズ系３０を構成する３群の球面（厳密には回転対称面）レンズ（焦点距離ｆ１、ｆ２、ｆ３）の焦点が隣接する群間で共有するようにすと、トータルの焦点距離ｆは次式で与えられる。
ｆ＝−ｆ１・ｆ３／ｆ２

基板５の寸法は数百ｍｍ〜１ｍ近くあるのに対してｆθレンズは小さい（直径数百ｍｍ前後）ため、基板５の全範囲を露光するためには、基板５を走査方向に数回移動させるか、露光光学系を走査方向に複数並べる必要がある。いずれにしてもｆθレンズ製作の技術的課題ならびに製作コストを考慮するとポリゴンミラー２７で走査する幅は数百〜５００ｍｍ程度になる。

また、基板５の凹凸や厚さむらと基板５に露光するパターンの位置精度とからレーザ光１ａがテレセントリックに基板５入射する必要がある。

半導体レーザ１１のコリメート後のスポット径が１〜数ｍｍ、マルチスポットの配列ピッチが１〜１０ｍｍ程度であるのに対し、基板上のスポット径は十〜数十μｍ、配列ピッチは５〜百μｍ程度である。このような倍率関係から長焦点レンズの焦点距離ｆは数ｍ〜数十ｍになる。このような長焦点レンズを短い鏡筒長で実現するには、上述の３群構成にし、上記の焦点距離の式から正のパワーを持つ焦点距離２００ｍｍ以上の第1群と焦点距離２０ｍｍ以下の第２群と正のパワーを持つ焦点距離２００ｍｍ以上の第３群とからなる構成にするのが実用的である。

このようにすると、鏡筒長は３６０ｍｍ程度になり、ｙ方向に関し焦点距離が数千ｍｍ以上の長焦点距離のレンズを実現することができる。

半導体レーザの発光波長のばらつきを考慮すると色補正が必要であるが、球面レンズ系からなる上記３群のレンズの場合、屈折率の異なる材質のレンズを組み合わせることにより比較的容易に色補正をすることができる。

他方ｘ方向、即ち副走査方向に付いては上記の球面レンズ系（球面または回転対称面からなる複数のレンズから構成される球面または回転対称面レンズ系）に正のパワーを有するシリンドリカルレンズを含めるとともに、ｘ方向に正のパワーを有するシリンドリカルレンズをｆθレンズに含める。ｘ方向の基板上での幅が狭い場合には色補正は必要なくなる。

以下、本発明の第５の実施形態について説明する。
図２１は本発明の第５の実施形態を示す２次光源形成光学系の構成図、図２２は、レーザ光の位置関係を表す図であり、図１６と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
半導体レーザ１１を多数保持する半導体レーザホルダ基板１１０とビーム方向調整手段２００とビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４とからなる光源系１と同じ構成の第２の光源系１´を互いに直角に配置する。光源系１´から得られる平行マルチビームを１／２波長板１０２を通して偏光ビームスプリッタ１０１に入射させる。

次に、この実施形態の動作を説明する。
光源系１から出射したレーザ光１ａは偏光ビームスプリッタ１０１にＰ偏光で入射し、ほぼ１００％透過する。また、光源系１´から出射したレーザ光１ａは１／２波長板１０２により偏光ビームスプリッタ１０１にＳ偏光で入射し、ほぼ１００％反射する。この結果、両光源系から出射したレーザ光１ａを損失なく利用できる。

図２２に示すように、光源系１、１´からのマルチスポットは、互いに半ピッチずれた位置に入るように位置合わせされる。この結果、同図（ａ）で示すように、走査方向ｙに１６個、副走査方向ｘに１６個のスポットが配列する。なお、同図（ｂ）は、基板５上のマルチスポットを示している。

また、光源系１、１´からのマルチスポットを互いに半ピッチずれた位置に入ることに代えて副走査方向に並列に配置すると、走査方向に８個副走査方向に３２個のスポットを配列することもできる。

図２３は、本発明に係る露光装置の機能説明図であり、（ａ）はコリメートされた１２８個のレーザ光１ａの配列（すなわち半導体レーザホルダ基板１１０における半導体レーザ１１の配列）を示している。
また、（ｂ１）、（ｂ２）はビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４を光軸に直交する２方向から見た図であり、ミラー系５４１、５４２、５４３、５４４を用いて、レーザ光１ａの形状を変えずに、配列ピッチを走査方向ｙは１／４、走査方向ｘは約１／２に縮小している。
また、（ｃ）は、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４から出射されたレーザ光１ａの配列を示している。
また、（ｄ）は、ビーム径不変ビームピッチ縮小手段５４から出射されたレーザ光１ａが、図１６に示す長焦点レンズ３０とｆθレンズを通過することにより、基板５上に照射される位置を示している。

ポリゴンミラー２７の回転とステージ４の移動により、マルチスポットが基板５上を同図（ｄ）に矢印で示すように走査されるよう角度調整する。このようにすることによりスポット径の１／４が絵素ピッチになり、むらが無くなり、かつ基板５上の任意の点を２個のレーザ光１ａで露光することになる。

なお、上記の実施形態で多面体のポリゴンミラーとして６面体の例を示したが、１０面体や１２面体にしてもよい。
例えば、偏向角の範囲が３４．４°の場合、６面体では光の利用効率が２９％であるのに対し、８面体では３８％、１０面体では４８％、１２面体では５７％になり、効率を大幅に向上させることができる。

１ａ レーザ光
１５ 出射端
２７ ポリゴンミラー

Claims (7)

1. 複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射された出射光を平行光にするコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射される複数の平行光を互いに平行にするマルチビーム平行光学手段と、互いに平行な複数の平行ビームをこのビームの光軸に直交する２方向に縮小するマルチビームスポット形成光学系と、該マルチビームスポット形成光学系により形成されるマルチスポットを露光する基板を搭載するステージと、前記マルチスポットと前記ステージとを相対的に走査させる走査手段と、所望の露光描画パターンと前記半導体レーザの配列ならびに前記相対的走査の速度に応じて前記複数の半導体レーザをオン・オフする制御回路とからなるパターン露光装置において、
   前記マルチビーム平行手段は、ビーム径は変化させずに前記走査方向と直角の副走査方向に縮小するビーム径不変ビームピッチ縮小手段を備え、
   前記ビーム径不変ビームピッチ縮小手段は、２つの平面反射面からなり、２つの面間隔が異なる反射面群から構成される
   ことを特徴とするパターン露光装置。
2. 前記光源及び前記露光箇所基板と共役である偏向手段を具備したテレセントリック縮小光学系を有することを特徴とする請求項１記載のパターン露光装置。
3. 前記テレセントリック縮小手段は前記走査方向については焦点距離ｆｙの正のパワーからなり、副走査方向については焦点距離ｆｘの正のパワーからなり、少なくとも１個のシリンドリカルレンズを含む長焦点レンズと、副走査方向に正のパワーを有するシリンドリカルレンズを含むｆθレンズからなることを特徴とする請求項２記載のパターン露光装置。
4. 前記マルチビーム平行光学手段は平行ビーム光路中に配置される楔ガラスからなるビーム方向微調整手段を具備することを特徴とする請求項１〜請求項３に記載のパターン露光装置。
5. 前記ビーム方向微調整手段は平行ガラスを回転することによりビーム位置を微調整するビーム位置微調整手段を具備することを特徴とする請求項１〜請求項４記載のパターン露光装置。
6. 前記楔ガラスを２個の楔ガラスで構成することを特徴とする請求項１〜請求項５に記載のパターン露光装置。
7. 前記縮小光学系は正のパワーを持つ焦点距離２００ｍｍ以上の第1群と焦点距離２０ｍｍ以下の第２群と正のパワーを持つ焦点距離２００ｍｍ以上の第３群とからなる一方の方向に関し焦点距離２０００ｍｍ以上の正のパワーを有し、前記一方の方向に直角な他方の方向に関し正のパワーを有するシリンドリカルレンズを含む長焦点レンズ系と、前記他方の方向に正のパワーを有するシリンドリカルレンズを含むｆθレンズから構成されることを特徴とする請求項１〜請求項６に記載のパターン露光装置。

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