KR100738284B1 - 노광헤드 - Google Patents

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KR100738284B1
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노구치마사루
이시카와히로미
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후지필름 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 노광헤드에 있어서는 제 1 마이크로 렌즈 어레이에, DMD에 있어서의 복수의 마이크로미러에 대응하도록 복수의 제 1 마이크로 수속소자가 배열된다. 복수의 제 1 마이크로 수속소자에 각각 대응하도록 배열된 복수의 조리개를 포함하는 조리개 어레이가 설치된다. 조리개 어레이는 원방 회절상의 주요부분만을 투과시킨다. 조리개를 투과한 원방 회절상의 주요부분은 제 2 마이크로 렌즈 어레이의 제 2 마이크로 수속소자에 의해서 노광면 상에 결상된다. 본 발명의 노광헤드에 의하면 크로스 토크광이나 산란광을 효과적으로 감소시키면서 조리개 어레이를 통해서 노광면 상에 투영되는 빔 스폿의 빔 지름을 소정의 사이즈로 조정할 수 있다.

Description

노광헤드{EXPOSURE HEAD}
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 노광헤드가 적용된 노광장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내어지는 노광장치의 스캐너의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3A는 감광재료에 형성되는 노광완료 영역을 나타내는 평면도이다.
도 3B는 각 노광헤드에 의한 노광영역의 배열을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 노광헤드의 개략 구성을 나타내는 측면도이다.
도 5는 도 4에 나타내어지는 노광헤드에 있어서의 DMD의 광반사측에 배치된 광학계의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 6은 디지털 마이크로미러 장치(DMD)의 구성을 나타내는 부분 확대도이다.
도 7A는 DMD의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7B는 DMD의 동작을 설명하기 위한 다른 설명도이다.
도 8A는 DMD를 경사지게 배치하지 않은 경우의 노광빔의 배치 및 주사선을 나타내는 평면도이다.
도 8B는 DMD를 경사지게 배치한 경우의 노광빔의 배치 및 주사선을 나타내는 평면도이다.
도 9A는 파이버 어레이 광원의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9B는 도 9A의 부분 확대도이다.
도 9C는 레이저 출사부에 있어서의 발광점의 배열을 나타내는 평면도이다.
도 9D는 레이저 출사부에 있어서의 발광점의 배열을 나타내는 다른 평면도이다.
도 10은 합파 레이저빔원의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 11A~도 11D는 각각 도 5에 나타내어지는 면(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3) 및(X4,Y4)에 있어서의 노광빔의 사이즈 및 피치의 관계를 나타내는 평면도이다.
도 12는 DMD를 주사방향에 대해서 경사지게 한 경우의 노광면(X4,Y4)에서의 해상도의 향상효과를 설명하기 위한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태의 변형예에 관한 노광헤드에 있어서의 DMD의 광반사측에 배치된 광학계의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 14는 DMD를 구성하는 마이크로미러의 반사면의 평면도를 측정한 결과를 등고선에 의해 나타낸 평면도이다.
도 15A 및 도 15B는 도 14에 나타내어지는 마이크로미러에 있어서의 반사면의 높이위치변위를 나타내는 그래프이다.
도 16A 및 도 16B는 토릭(toric) 렌즈를 이용한 마이크로 렌즈 어레이의 구성을 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 17A 및 도 17B는 각각 도 16A 및 도 16B에 나타내어지는 마이크로 렌즈 어레이에 있어서의 토릭 렌즈의 구성을 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 18A 및 도 18B는 각각 도 17A 및 도 17B에 나타내어지는 토릭 렌즈에 의한 화소빔의 집광상태를 나타내는 측면도이다.
도 19A는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 토릭 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.18mm인 경우를 나타내고 있다.
도 19B는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 토릭 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.2mm인 경우를 나타내고 있다.
도 19C는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 토릭 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.22mm인 경우를 나타내고 있다.
도 19D는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 토릭 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.24mm인 경우를 나타내고 있다.
도 20A는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 구면 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이 고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.18mm인 경우를 나타내고 있다.
도 20B는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 구면 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.2mm인 경우를 나타내고 있다.
도 20C는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 구면 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.22mm인 경우를 나타내고 있다.
도 20D는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로서 구면 렌즈를 이용한 경우의 집광위치 근방에 있어서의 빔 지름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이고, 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터 평가위치까지의 거리가 0.24mm인 경우를 나타내고 있다.
도 21A 및 도 21B는 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈로 하여 굴절률 분포를 가지게 한 경우의 마이크로 렌즈의 구성을 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 22A 및 도 22B는 각각 도 21A 및 도 21B에 나타내어지는 마이크로 렌즈에 의한 화소빔의 집광렌즈의 집광상태를 나타내는 측면도이다.
도 23A 및 도 23B는 각각 도 16A 및 도 16B에 나타내어지는 마이크로 렌즈 어레이에 있어서의 토릭 렌즈의 다른 구성을 나타내는 정면도 및 측면도이다.
본 발명은 화상 데이터에 따라 공간 광변조소자에 의해 변조된 광빔의 다발에 의해 감광재료 등에 있어서의 노광면을 노광하기 위한 노광헤드에 관한 것이다.
종래, 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 등의 공간 광변조소자를 이용하여 화상 데이터에 따라 변조된 광빔으로 화상노광을 행하기 위한 노광헤드가 각종 제안되어 있다.
상기 DMD로서는, 제어신호에 따라 반사면의 각도가 변화하는 다수의 마이크로미러가 실리콘 등의 반도체 기판 상에 2차원적으로 배열된 미러 장치가 이용된다.
상기 DMD를 이용한 노광헤드는, 예컨대, 레이저빔을 출사하는 광원, 광원으로부터 출사된 레이저빔을 콜리메이트하는 콜리메이터 렌즈 시스템, 레이저빔을 변조하는 DMD, 이 DMD에서 반사된 레이저빔을 노광면 상에 결상하는 결상 광학계 등을 구비하고 있다.
상기 노광헤드에서는 화상 데이터 등에 따라 생성된 제어신호에 의해서 DMD의 각 마이크로미러를 각각 제어장치로 온/오프 제어하여 레이저빔을 노광상태 또는 비노광상태로 변조(편향)하고, 노광상태로 변조된 레이저빔(이들 집합을, 이하 「빔 다발」이라함.)에 의해 노광면을 노광하고 있다.
여기서, 결상 광학계는 통상 확대 광학계으로서 구성되어 있고, 마이크로미러가 2차원적으로 배열된 DMD의 유효영역의 면적에 대해서 노광면 상에서의 노광면적을 확대하고 있다. 그러나, 결상 광학계에 의해 DMD의 유효영역의 면적에 대해서 노광면에 대한 노광영역의 면적을 확대하면 그 확대율에 따라 노광면에 있어서의 빔 스폿의 면적(스폿 지름)도 확대되기 때문에 노광면에 있어서의 MTF(Modulation Transfer Function) 특성이 노광면적의 확대율에 따라 저하한다.
그래서, 상기와 같은 문제를 해결할 수 있는 노광헤드로서는, 예컨대, 미국 특허 공보 6,133,986(도 14 참조) 및 미국 특허 공보 6,473,237 B2(도 15 참조)에 나타내어져 있는 바와 같은 구성을 갖는 것이 있다.
미국 특허 공보 6,133,986에는 개구수는 작지만 이미지영역(image field)이 큰 이중 텔레센트릭(double - telecentric)의 투영광학계와, 각각이 큰 개구수와 작은 영역(field)을 갖는 마이크로 렌즈의 어레이와, 마이크로 렌즈 개구의 어레이(microlens aperture arrary)를 조합시킨 광학시스템이 나타내어져 있다. 이 광학시스템을 구비한 광주사장치(microlens scanner)에서는 마이크로 렌즈 어레이에 의해 형성된 노광 스폿에 의해 노광면(printing surface) 상을 주사 노광한다.
그러나, 이와 같은 광학시스템에서는 마이크로 렌즈 개구 상의 조명의 균일성과, 인접하는 개구로의 광누설[크로스 토크(cross talk)]의 억제 사이에 트레이드 오프(trade-off)가 필요하게 되고, 노광면에 있어서 균일한 노광 스폿을 얻는 것과 광이용효율의 양립이 어려워진다라는 문제가 있다.
또한, 예컨대, 미국 특허 공보 6,473,237 B2의 도 15에는 화소 패널(pixel panel)에 표시되는 패턴정보를 웨이퍼(wafer) 등의 재료(subject) 상에 결상시키기 위해 렌즈군(group of lenses)과, 마이크로 렌즈 어레이 등의 포인트 어레이(point array)와, 격자(grating)와, 부가적인 렌즈군을 이용하는 구성이 나타내어져 있다.
여기서, 격자는 화소 패널을 조명하는 광의 산란성분이나 화소 패널로부터의 회절, 산란 등에 의한 크로스 토크광이나 노이즈광을 차폐효과에 의해서 감소시키기 위한 것이다.
그러나, 상기 격자는 마이크로 렌즈 어레이에 의한 수속광빔(focused light beam)이 수속하기 이전의 위치, 소위 프레넬 회절(fresnel diffraction)의 영역에 배치되면 크로스 토크광이나 산란광을 감소시키는 효과가 충분하지 않다. 또한, 격자가 수속광빔의 수속위치, 소위, 원방 회절(fraunhofer diffraction)의 위치에 배치되면 작업거리(working distance)가 확보가능하지 않기 때문에 빔수속위치에 재료를 직접 둘 수 없고, 부가적인 렌즈군(결상 렌즈계)을 통해서 재료 상에 결상시키는 것이 필요하게 된다.
상기 결상 렌즈계는 특히 고해상도의 결상을 행하는 경우에는 다수개의 요소 렌즈가 필요로 되어 비용이 높게 됨과 아울러 큰 공간을 필요로 한다는 결점이 있다.
상기 사실을 고려하여 본 발명은 공간 광변조소자에 의해 표시되는 광학적인 패턴정보를 넓은 노광면적에 걸쳐서 고분해능 및 고해상도로 노광하는 것을 가능하게 하는 노광헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 있어서 노광면에 대해서 주사방향을 따라 상대이동하면서, 상기 노광면을 상기 주사방향과 교차하는 행방향을 따라 배열된 광빔의 다발에 의해 2차원적으로 노광하기 위한 노광헤드가, 제어신호에 따라 광변조상태가 각각 변화하는 복수의 화소부가 일차원적 또는 2차원적으로 배열되고, 광원부로부터 입사된 광빔을 상기 복수의 화소부에 의해 복수개의 화소빔으로 분할함과 아울러 복수개의 화소빔을 각각 노광상태 및 비노광상태 중 어느 하나로 선택적으로 변조하는 공간 광변조소자와, 상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부에 대응하도록 복수의 제 1 마이크로 수속소자가 배열된 제 1 마이크로 수속소자 어레이와, 상기 공간 광변조소자에 의해서 상기 노광상태로 변조된 화소빔의 원방 회절상을 상기 제 1 마이크로 수속소자가 형성하는, 상기 제 1 마이크로 수속소자의 후방측 초점면 부근에 배치됨과 아울러 상기 복수의 제 1 마이크로 수속소자에 각각 대응하는 복수의 조리개가 배열되고, 이 조리개에 의해 상기 원방 회절상의 주요부분만을 투과시키는 조리개 어레이와, 상기 복수의 조리개에 대응하도록 배열된 복수의 제 2 마이크로 수속소자를 갖고, 상기 복수의 조리개를 각각 투과한 화소빔의 실상(實像)을 상기 복수의 제 2 마이크로 수속소자에 의해 상기 노광면 상에 형성하는 제 2 마이크로 수속소자 어레이를 포함한다.
본 발명에 관한 노광헤드에서는 제 1 마이크로 수속소자 어레이에, 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부에 대응하도록 복수의 제 1 마이크로 수속소자가 배열된다. 또한, 제 1 마이크로 수속소자의 후방측 초점면 부근에 배치된 조리개 어레이가, 복수의 제 1 마이크로 수속소자에 각각 대응하도록 배열된 복수의 조리개를 포함한다.
제 1 마이크로 렌즈 어레이에 의해서 형성되는 원방 회절상의 주요부분에만 상기 조리개를 투과시킴으로써 공간 광변조소자의 각 화소부에 의해 노광상태로 변조된 화소빔의 빔지름을 축소할 수 있다. 따라서, 제 2 마이크로 렌즈 어레이를 통해서 노광면 상에 투영되는 빔 스폿의 빔 지름을 소정의 사이즈로 조정가능하다라는 제 1 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 관한 노광헤드에서는 복수의 조리개를 각각 투과한 화소빔의 실상을, 복수의 제 2 마이크로 수속소자에 의해 노광면 상에 형성한다. 이것에 의해, 제 1 마이크로 수속소자 어레이의 제 1 마이크로 수속소자 및 조리개 어레이의 조리개를 투과함으로써 빔 지름이 축소된 화소빔을, 제 2 마이크로 수속소자의 초점거리와 결상배율에 의해서 결정되는 위치로 빔 스폿으로서 결상할 수 있다.
따라서, 제 2 우수한 효과로서, 조리개의 작용에 의해 크로스 토크광이나 산란광을 효과적으로 감소시키면서 소정의 작업거리를 확보하여 노광면을 화소빔의 수속위치로 직접 설정할 수 있도록 된다.
종래기술에서는 작업거리를 확보하기 위해, 마이크로 렌즈 어레이 등의 마이크로 수속소자 어레이를 이용하고 있다. 즉, 복수개의 요소 렌즈로 이루어지는 결상 렌즈계를 이용해야만 한다.
한편, 본 발명에 있어서는 이렇게 한 복수개의 요소 렌즈가 불필요하므로 장치의 부품점수를 대폭적으로 감소할 수 있다. 따라서, 설치 공간을 대폭적으로 감소할 수 있음과 아울러 장치비용의 저감 및 장치의 소형화가 가능하게 된다.
또한, 이상 설명한 본 발명에 관한 노광헤드에서는 제 1 마이크로 수속소자 및 제 2 마이크로 수속소자 중 적어도 어느 한쪽으로서, 토릭 렌즈 등의 비구면 렌 즈를 이용할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
[노광장치의 구성]
본 발명의 실시형태에 관한 노광헤드가 적용된 노광장치(142)는, 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 시트형상의 감광재료(150)를 표면에 흡착하여 유지하는 평판형상의 스테이지(152)를 구비하고 있다. 다리부(154)에 지지된 두꺼운 판형상의 설치대(156)의 상면에는 스테이지 이동방향을 따라 연장된 2개의 가이드(158)가 설치되고, 상기 스테이지(152)는 가이드(158)에 의해서 왕복이동가능하게 지지되어 있다. 또한, 상기 노광장치(142)에는 스테이지(152)를 가이드(158)를 따라 구동하기 위한 도시하지 않은 구동장치가 설치되어 있다.
설치대(156)의 중앙부에는 스테이지(152)의 이동경로를 걸치도록 コ자형상의 게이트(160)가 설치되어 있다. 게이트(160)의 단부의 각각은 설치대(156)의 양측면에 고정되어 있다. 상기 게이트(160)를 사이에 두고 한쪽측에는 레이저 스캐너(162)가 설치되고, 다른쪽에는 감광재료(150)의 선단 및 후단을 검지하는 복수(예컨대, 2개)의 검지센서(164)가 설치되어 있다. 레이저 스캐너(162) 및 검지센서(164)는 게이트(160)에 각각 설치되어 스테이지(152)의 이동경로의 상방에 고정 배치되어 있다. 또한, 레이저 스캐너(162) 및 검지센서(164)는 이들을 제어하는 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다.
레이저 스캐너(162)는, 도 2 및 도 3B에 나타내어지는 바와 같이, m행n열(예컨대, 3행5열)의 대략 매트릭스상으로 배열된 복수(예컨대, 14개)의 노광헤드(166) 를 구비하고 있다. 이 예에서는 감광재료(150)의 폭과의 관계에서 3행째에는 4개의 노광헤드(166)를 배치하였다. 또한, m행의 n열째에 배열된 개개의 노광헤드를 나타내는 경우는 노광헤드(166mn)로 표기한다.
노광헤드(166)에 의한 노광영역(168)은 주사방향을 단변으로 하는 직사각형상이다. 따라서, 스테이지(152)의 이동에 따라, 감광재료(150)에는 노광헤드(166)마다 띠형상의 노광완료 영역(170)이 형성된다. 또한, m행의 n열째에 배열된 개개의 노광헤드에 의한 노광영역을 나타내는 경우는 노광영역(168mn)으로 표기한다.
또한, 도 3A 및 도 3B에 나타내어지는 바와 같이, 띠형상의 노광완료 영역(170)이 주사방향과 직교하는 방향으로 간극없이 나열되도록 라인형상으로 배열된 각 행의 노광헤드의 각각은, 배열방향으로 소정 간격(노광영역의 장변의 자연수배, 본 실시형태에서는 2배) 어긋나게 배치되어 있다. 이 때문에, 1행째의 노광영역(16811)과 노광영역(16812) 사이의 노광가능하지 않은 부분은 2행째의 노광영역(16821)과 3행째의 노광영역(16831)에 의해 노광할 수 있다.
노광헤드(16611~166mn) 각각은, 도 4에 나타내어지는 바와 같이, 입사된 광빔을 화상 데이터에 따라 각 화소마다 변조하는 공간 광변조소자로서, 디지털 마이크로미러 장치(DMD)(50)를 구비하고 있다.
상기 DMD(50)는 데이터 처리부와 미러 구동제어부를 구비한 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어 있다.
상기 컨트롤러의 데이터 처리부에서는 입력된 화상 데이터에 기초하여 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)의 제어해야 할 영역(유효영역) 내의 각 마이크로미러를 구동 제어하는 제어신호를 생성한다. 또한, DMD(50)의 유효영역에 대해서는 후술한다.
또한, 미러 구동제어부에서는 화상 데이터처리부에서 생성한 제어신호에 기초하여 각 노광헤드(166)마다 DMD(50)에 있어서의 각 마이크로미러의 반사면의 각도를 제어한다. 또한, 상기 반사면의 각도의 제어에 대해서도 후술한다.
노광헤드(166)에는, 도 4에 나타내어지는 바와 같이, 광파이버의 출사단부(발광점)가 노광영역(168)의 장변방향과 대응하는 방향을 따라 일렬로 배열된 레이저 출사부를 구비한 파이버 어레이 광원(66), 파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사된 레이저빔을 DMD(50) 상에 균일한 조명광으로서 조사하는 조명 광학계(67), 조명 광학계(67)를 투과한 레이저빔을 DMD(50)를 향해 반사하는 꺽임 미러(74), 꺽임 미러(74)에 의해 반사되어 DMD(50)에 입사되는 레이저빔과 DMD(50)에 의해 반사된 레이저빔을 고효율로 분리하는 TIR(전반사) 프리즘(76)이 이 순서로 배치되어 있다.
여기서, 조명 광학계(67)에는 광축방향을 따른 중간부에 요소 렌즈로서 미소 로드 렌즈(71)가 배치되어 있고, 그 미소 로드 렌즈(71)를 파이버 어레이 광원(66)으로부터의 레이저빔이 투과함으로써 조명광이 균일화된다.
DMD(50)는, 도 6에 나타내어지는 바와 같이, SRAM셀(메모리셀)(60) 상에, 미소 미러(마이크로미러)(62)가 지주에 의해 지지되어 배치된 것이고, 화소(픽셀)(62)를 구성하는 다수의(예컨대, 600개×800개) 미소 미러를 격자형상으로 배열하여 구성된 미러 장치이다. 각 픽셀에는 최상부에, 지주에 지지된 마이크로미러(62)가 설치되어 있고, 마이크로미러(62)의 표면에는 알루미늄 등의 반사율이 높은 재료가 증착되어 있다. 상기 마이크로미러(62)의 반사율은 90%이상이다.
또한, 마이크로미러(62)의 바로밑에는 힌지 및 요크를 포함하는 지주를 통해 통상의 반도체 메모리의 제조라인에서 제조되는 실리콘 게이트의 CMOS의 SRAM셀(60)이 배치되어 있고, 전체는 모놀리식(일체형)으로 구성되어 있다.
DMD(50)의 SRAM셀(60)에 디지털 신호가 기록되면 지주에 지지된 마이크로미러(62)가, 대각선을 중심으로 하여 DMD(50)가 배치된 기판측에 대해서 ±α(예컨대, ±10도)의 범위에서 경사진다. 도 7A는 마이크로미러(62)가 온상태인 +α도로 경사진 상태를 나타내고, 도 7B는 마이크로미러(62)가 오프상태인 -α도로 경사진 상태를 나타낸다.
따라서, 화상신호에 따라 DMD(50)의 각 픽셀에 있어서의 마이크로미러(62)의 경사를, 도 6에 나타내어지는 바와 같이, 제어함으로써 DMD(50)에 입사된 광은 각각의 마이크로미러(62)의 경사에 대응하는 방향으로 반사된다.
또한, 도 6에는 DMD(50)의 일부를 확대하고, 마이크로미러(62)가 +α도 또는 -α도로 제어되어 있는 상태의 일례를 나타낸다. 각각의 마이크로미러(62)의 온오프 제어는 DMD(50)에 접속된 도시하지 않은 컨트롤러에 의해서 행해진다.
여기서, 온상태의 마이크로미러(62)에 의해 반사된 광은 노광상태로 변조되고, DMD(50)의 광출사측에 설치된 조명 광학계(67)(도 4 참조)에 입사된다. 또한, 오프상태의 마이크로미러(62)에 의해 반사된 광은 비노광상태로 변조되고, 광흡수체(도시생략)에 입사된다.
또한, DMD(50)는 그 단변방향(행방향)이 주사방향과 소정 각도(θ)(예컨대, 0.1°~0.5°)를 이루도록 약간 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.
도 8A는 DMD(50)를 경사지게 하지 않는 경우의 각 마이크로미러에 의한 노광면 상에 있어서의 빔 스폿(레이저빔)(53)의 주사궤적을 나타내고, 도 8B는 DMD(50)를 경사지게 한 경우의 노광면 상에 있어서의 빔 스폿(53)의 주사궤적을 나타내고 있다.
DMD(50)에는 길이방향(행방향)을 따라 마이크로미러가 다수개(예컨대, 800개) 배열된 마이크로미러열이, 두께방향으로 다수세트(예컨대, 600세트) 배열되어 있다.
도 8B에 나타내는 바와 같이, DMD(50)를 경사지게 함으로써 각 마이크로미러에 의한 노광빔(53)의 주사궤적(주사선)의 피치(P')가, DMD(50)를 경사지게 하지 않는 경우의 주사선의 피치(P)보다 좁게 되어, 해상도를 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 한편, DMD(50)의 경사각은 미소이므로 DMD(50)를 경사지게 한 경우의 주사폭(W')과, DMD(50)를 경사지게 하지 않는 경우의 주사폭(W')은 대략 동일하게 보여진다.
또한, DMD(50)를 경사지게 하는 대신에 각 마이크로미러열을 주사방향과 직교하는 방향으로 소정 간격 어긋나게 하여 지그재그형상으로 배치하여도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
파이버 어레이 광원(66)은, 예컨내, 도 9A에 나타내어지는 바와 같이, 복수(예컨대, 6개)의 레이저 모듈(64)을 구비하고 있고, 각 레이저 모듈(64)에는 멀티모드 광파이버(30)의 일단이 결합되어 있다. 멀티모드 광파이버(30)의 타단에는 코어 지름이 멀티모드 광파이버(30)와 동일하고 또한 클래드 지름이 멀티모드 광파이버(30)보다 작은 광파이버(31)가 결합되고, 도 9C에 나타내어지는 바와 같이, 광파이버(31)의 출사단부(발광점)가 주사방향과 직교하는 방향을 따라 1열로 배열되어 레이저 출사부(68)가 구성되어 있다.
또한, 도 9D에 나타내어지는 바와 같이, 발광점을, 주사방향에 직교하는 방향을 따라 2열로 배열하는 것도 가능하다.
광파이버(31)의 출사단부(도 9A~9D 참조)는 표면이 평탄한 2장의 지지판(도시생략)에 끼워넣어져 고정되어 있다. 또한, 도 9B에 나타내어지는 바와 같이, 광파이버(31)의 광출사측에는 광파이버(31)의 끝면을 보호하기 위해 유리 등의 투명한 보호판(63)이 배치되어 있다. 광파이버(31)의 출산단부는 광밀도가 높고 집진하기 쉽기 때문에 열화하기 쉽지만, 보호판(63)을 배치함으로써 끝면으로의 진애의 부착을 방지할 수 있음과 아울러 열화를 지연시킬 수 있다.
멀티모드 광파이버(30) 및 광파이버(31)로서는 스텝 인덱스(step index)형 광파이버, 그레디드 인덱스(graded index)형 광파이버, 및 복합형 광파이버 중 어느 하나이어도 좋다. 예컨대, 미쯔비시덴센고교 가부시키가이샤 제작의 스텝 인덱스형 광파이버를 이용할 수 있다.
본 실시형태에서는 멀티모드 광파이버(30) 및 광파이버(31)는 스텝 인덱스형 광파이버이다. 멀티모드 광파이버(30)는 클래드 지름=125㎛, 코어 지름=25㎛, NA=0.2, 입사 끝면 코트(coat)의 투과율=99.5%이상이고, 광파이버(31)는 클래드 지름=60㎛, 코어 지름=25㎛, NA=0.2이다.
레이저 모듈(64)은 도 10에 나타내는 합파 레이저빔원(파이버 광원)에 의해서 구성되어 있다. 이 합파 레이저빔원은, 히트 블록(10) 상에 배열 고정된 복수(예컨대, 7개)의 칩형상의 가로 멀티모드 또는 싱글모드의 GaN계 반도체 레이저(LD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6, 및 LD7)와, GaN계 반도체 레이저(LD1~LD7) 각각에 대응하여 설치된 콜리메이터 렌즈(11,12,13,14,15,16, 및 17)와, 1개의 집광렌즈(20)와, 1개의 멀티모드 광파이버(30)로 구성되어 있다. 또한, 반도체 레이저의 개수는 7개로는 한정되지 않는다.
이어서, 노광헤드(166)에 있어서의 DMD(50)의 광반사측에 있어서의 광학계의 구성에 대해서 설명한다.
도 5에 나타내어지는 바와 같이, 노광헤드(166)에는 DMD(50)의 광반사측에 화소빔의 진행방향을 따라 결상 렌즈계(200), 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206), 조리개 어레이(210) 및 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)가 순서대로 설치되어 있다 여기서, DMD(5)는 면(X1,Y1)에 배치되어 있고, DMD(50)의 각 마이크로 미러(62)는 면(X1,Y1)을 따라 배치되어 있다.
또한, 결상 렌즈계(200)는 화소빔의 입사측(물체측) 및 출사측(상측) 모두 텔레센트릭 광학계로 하는 것이 바람직하고, 요소 렌즈(202,204)의 초점거리는 각각 f1,f2로 되어 있다.
도 5에 있어서 220A, 220B, 220C는 각각 마이크로미러(62A,62B,62C)에 의해 노광상태로 변조된 화소빔, 222A,222B,222C는 각각 결상 렌즈계(200)를 통과한 화소빔, 224A, 224B, 224C는 결상 렌즈계(200)에 의해 각각 형성된 마이크로미러(62A,62B,62C)의 실상이다.
또한, 도 5에서는 결상 렌즈계(200)에 있어서의 광축방향 양단에 배치된 2개의 요소 렌즈(202,204)만이 나타내어져 있지만, 실제로는 이와 같은 결상 렌즈계(200)는 충분히 높은 해상도의 결상을 행하기 위해 5~15개라는 다수개의 요소 렌즈로 구성되거나, 또는 제조가 어려운 비구면 렌즈를 포함하는 다수개의 요소 렌즈로 구성되는 것이 일반적이다.
결상 렌즈계(200)는 DMD(50)를 구성하는 각 마이크로미러(62)[도 5에서는 3개의 마이크로미러(62A,62B,62C)만이 나타내어져 있다.]를 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 입사면 상에 결상한다. 즉, 마이크로미러(62A,62B,62C)의 반사면과, 이들 실상(224A,224B,224C)이 형성되는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 입사면은 결상 렌즈계(200)에 관해서 서로 공역의 관계로 되어 있다.
도 5에서는 DMD(50)에 있어서의 마이크로미러(62A,62B,62C)에 의해 노광상태로 변조된 화소빔(220A,220B,220C)을 실선으로 나타내고, 또한, 결상 렌즈계(200)에 관한 공역 관계를 파선으로 나타내고 있다.
설명의 간략화를 위하여 도 5에서는 3개의 마이크로미러(62A,62B,62C)만을 나타내고 있지만, 노광헤드(166)에서는 DMD(50)에 있어서의 모든(예컨대, 800×600개, 1024×256개) 마이크로 미러(62)에 의해 구성되는 광반사면으로부터 소정의 유 효영역을 선택하고, 상기 유효영역에 포함되는 다수개(예컨대, 200×600개)의 마이크로미러(62)에 의해 각각 레이저빔을 변조한다.
제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)에는 복수개의 마이크로 렌즈(208)가 설치되어 있고, 이들 마이크로 렌즈(208)는 그 광입사면이 마이크로미러(62A,62B,62C)의 실상(224A,224B,224C)이 형성되는 면(X2,Y2)과 일치하도록 배치되어 있다.
또한, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 각 마이크로 렌즈(208)는 DMD(50)에 있어서의 유효영역에 배열된 복수개의 마이크로미러(62)에 각각 1대1로 대응하고 있다. 즉, 예컨대, DMD(50)에 있어서는 800×600의 마이크로미러(62)를 이용하여 레이저빔을 변조하는 경우는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)에는 800×600개의 마이크로 렌즈(208)가 각 마이크로미러(62)에 각각 대응하도록 이차원적으로 배열된다.
여기서, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 마이크로 렌즈(208)의 초점거리는 f3으로 되어 있고, 또한, 226A,226B,226C는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 마이크로 렌즈(208)에 의해 수속된 화소빔(원방 회절상)을 각각 나타내고 있다.
즉, DMD(50)에 의해 변조된 레이저빔은 통상 대략 콜리메이트된 화소빔(220A,220B,220C)으로서 출사되고, 결상 렌즈계(200)를 경유하여 대략 콜리메이트된 화소빔(222A,222B,222C)으로서 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 각 마이크로 렌즈(208)에 입사된다.
이들 화소빔(222A,222B,222C)은 각각 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 마이크로 렌즈(208)에 의해서 수속되고, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 초점면 (X3,Y3)에 원방 회절상을 형성한다.
도 5에 나타내어지는 바와 같이, 조리개 어레이(210)는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 초점면(X3,Y3)에 배치되어 있다. 조리개 어레이(210)에는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 각 마이크로 렌즈(208)에 각각 1대1로 대응하도록 조리개(212)가 이차원적으로 배열되어 있다. 이들 조리개(212)는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 각 마이크로 렌즈(208)에 의해 형성된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고 있다.
이것에 의해 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)에 의해 형성된 회절상에 포함되는 노이즈 성분, 예컨대, DMD(50)를 조명하는 레이저빔에 포함되는 산란성분이나 DMD(50)로부터 발생하는 산란성분, 또는 DMD(50)로부터의 회절에 의해 생기는 크로스 토크성분 등이 차단된다.
조리개 어레이(210)를 통과하여 노이즈 성분이 제거된 화소빔은 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)의 각 마이크로 렌즈(216)에 의해서 결상되고, 노광면(56) 상에 노광 스폿(228A,228B,228C)을 형성한다.
이 때, 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)와 노광면(56) 사이에는 일정한 공간(작업거리)이 확보되기 때문에 노광면(56) 상에 배치된 감광재료를 고분해능의 노광 스폿(228A,228B,228C)에 의해서 노광할 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈 어레이(206,214)의 각 마이크로 렌즈(208,216)의 초점거리는 통상 0.1~1mm정도로 할 수 있으므로, DMD(50)의 각 마이크로미러(62)의 실상(224A,224B,224C)이 형성되는 면으로부터 노광면(56)까지의 거리 (L)를 10mm이하로 할 수 있다.
이어서, 상기와 같이 구성된 DMD(50), 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206), 조리개 어레이(210) 및 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)로 이루어지는 광학계에 의해 얻어지는 분해능에 대해서 이론적인 설명을 행한다.
도 11A에는 도 5에 나타내어지는 공역면(X1,Y1)에 배치된 DMD(50)가 나타내어져 있다. 단, 여기서는 DMD(50)에 있어서의 일부(5행×5열)의 마이크로미러(62)만을 도시하고 있다. 전형적으로는 DMD(50)에는 60행×800열 등으로 마이크로미러(62)가 배열된다. 여기서, P1은 화소 주기, W1은 화소 사이즈이고, 화소 사이즈(W1)는 행방향(X1방향), 열방향(Y1방향) 모두 동일 사이즈인 것으로 한다.
도 11B에는 공역면(X2,Y2)에 형성되는 각 마이크로미러(62)의 실상(224)이 나타내어져 있다. 여기서, 결상 렌즈계(200)의 결상배율(a)은 f2/f1에 의해 산출되고, 실상(224)의 화소 주기(P2)는 aㆍP1, 화소 사이즈(W2)는 aㆍW1에 의해 각각 산출된다.
도 11C에는 초점면(X3,Y3)에 배치된 조리개 어레이(210)가 나타내어져 있다. 초점면(X3,Y3)에는, 상기한 바와 같이, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)에 있어서의 각 마이크로 렌즈(208)에 입사한 화소빔(222A,222B,222C)의 원방 회절상이 형성된다.
여기서, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)에 있어서의 각 마이크로 렌즈(208)의 유효 개구가 입사되는 화소빔(222A,222B,222C)을 커버하고 있는 것으로 가정한 경우, 초점면(X3,Y3)에 형성되는 회절상은, 화소빔(222A,222B,222C)의 사이즈와 동 일한 직사각형 개구가 한결같이 조명된 경우의 회절상으로 고려할 수 있다.
이 때, 좌표의 원점을 각 화소의 중심으로 하였을 때의 강도분포I(X3,Y3)는 광의 파장을 λ, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206) 개개의 마이크로 렌즈(208)의 초점거리를 f3로 한 경우에 하기(7)식에 의해 표시된다.
I(X3,Y3)=Cㆍsinc2(W2ㆍX3/λㆍf3)ㆍsinc2(W2ㆍY3/λㆍf3) …(7)
단, C는 정수, sinc(ω)=sin(πω)/(πω)이다.
상기 강도분포I(X3,Y3)는 중심(ω=0)에 주극대(主極大)가 있고(0차 회절상), ω=1,2,3,…에서 0으로 된다. ω=1,2,3,…의 사이에는 부극대(副極大)가 나타나지만 주극대에 비하면 매우 강도가 낮고, 전체 에너지의 대부분은 0차 회절상에 포함된다.
또한, 0차 회절상의 둘레 가장자리를 주는 ω=1로 되는 좌표(X31,Y31)는 ｜X31｜=｜Y31｜=λㆍf3/W2이다. 여기서, 각 화소의 위치에 X방향, Y방향으로 s=2ㆍ｜X31｜=2ㆍ｜Y31｜=2λㆍf3/W2의 정사각형의 조리개(212)를 갖는 조리개 어레이(210)를 배치하여 0차 회절상만을 투과시키도록 하면 조리개 어레이(210)를 투과한 직후에 있어서 화소 주기는 P3=P2=aㆍP1, 화소 사이즈는 W3=s로 된다.
도 11D에는 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)에 의해 노광면(X4,Y4)(56) 상에 형성되는 각 마이크로미러(62)의 실상(화소빔)(228)이 나타내어져 있다. 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)의 각 마이크로 렌즈(216)는 조리개 어레이(210)의 각 조리 개(212)를 투과한 직후의 개개의 화소빔을 노광면(X4,Y4)(56) 상에 결상하고, 실상을 형성한다. 이 때, 결상배율을 b로 하면 화소 주기는 P4=P3=P2=aㆍP1, 화소 사이즈는 W4=bㆍs로 된다.
(구체적인 수치예에 기초하는 계산결과)
이어서, 이상 설명한 이론적인 연산식에, 구체적인 수치를 대입하여 구한 분해능의 연산결과의 일례에 대해서 설명한다.
노광헤드(166)에 있어서의, DMD(50)에 있어서의 화소 주기(P1)를 13.7㎛, 화소 사이즈(W1)를 13.0㎛,
결상 렌즈계(200)의 요소 렌즈(202,204)의 초점거리(f1 및 f2)를 각각 20mm 및 40mm,
파이버 어레이 광원(66)으로부터 출사되는 레이저빔의 파장(λ)을 0.4㎛,
제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 각 마이크로 렌즈(208)의 초점거리(f3)를 0.2mm,
조리개 어레이(210)의 각 조리개(212) 일변의 치수를 s[여기서, s는 조리개(212)의 형상을 정사각형으로 하고, 0차 회절상만 통과시키기 위한 이론적인 치수],
제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)의 각 마이크로 렌즈(216)에 의한 실상 형성의 결상배율(b)을 1로 한 경우, 노광면(X4,Y4)(56) 상에 있어서의 화소 사이즈(W4) 및 화소 주기(P4)는 이하와 같이 구해진다.
a=f2/f1=40/20=2
W1=13.0㎛, P1=13.7㎛, W2=26.0㎛, P2=27.4㎛
｜X31｜=｜Y31｜= λㆍf3/W2 = 0.4×0.2/26.0 = 3.1㎛
s =2ㆍ｜X31｜=2ㆍ｜Y31｜=6.2㎛
W3 = s = 6.2㎛, P3 = P2 = 27.4㎛
W4 = bㆍs = 1×6.2 = 6.2㎛, P4 = P3 = 27.4㎛로 된다.
즉, 노광면(X4,Y4)(56) 상의 화소빔 사이즈(W4)는 6.2㎛로 되고, DMD(50)의 화소 사이즈(W1)(=13.0㎛)보다 충분히 작게 되고, 고분해능화된다.
(경사진 주사에 의한 해상도의 향상효과)
이어서, DMD(50)의 행방향을 주사방향에 대해서 소정의 각도(θ)정도 경사지게 한 경우의 해상도의 향상효과에 대해서 이론적인 설명을 행한다.
도 12에 나타내어지는 바와 같이, DMD(50)의 행방향을 주사방향에 대해서 tanθ=1/n(n은 열의 수)로 되는 각도(θ)만큼 경사지게 하여 주사하는 경우에 대해서 노광면(X4,Y4)(56) 상에 있어서의 화소빔의 주사형태를 고려한다.
여기서, 각도(θ)는 DMD(50)의 행방향(화살표X 방향)과, 노광면(56)에 대한 주사방향(화살표t 방향)이 이루는 각도(0°〈θ〈90°),
P4는 노광면(X4,Y4)(56) 상에 있어서의 화소 주기,
W4는 노광면(X4,Y4)(56) 상에 있어서의 화소 사이즈
단, 여기서 말하는 화소는 노광 스폿(228)(도 11D 참조)의 노광에 의해 노광면(X4,Y4)(56) 상에 형성되는 화상의 단위요소를 의미하고 있지만, 이 화소의 화소 주기 및 화소 사이즈는 노광면(X4,Y4)(56) 상에 결상된 노광 스폿(228)(도 11D 참조)의 주기 및 사이즈와 같은 것으로서 이하의 설명을 행한다.
도 12에 나타내어지는 바와 같이, 본 실시형태의 노광헤드(166)에서는 DMD(50)에 있어서의 임의의 1개의 행에 포함되는 n개의 화소에 의한 n개의 주사선군이, 상호 P4ㆍsinθ의 간격으로 나열되고, 또한, 인접하는 다음 행에 포함되는 n개의 화소에 의한 n개의 주사선군의 인접 간격도 P4ㆍsinθ로 되고, 전체적으로 간격 P4ㆍsinθ의 주사선이 형성된다.
이 때, 주사선 간격과 동일한 간격으로 노광화소를 배열하도록 변조 제어하면 노광화소 주기는 P4ㆍsinθ로 된다. 이것에 상기 수치예를 적용시키면,
θ = tan-1(1/n) = tan-1(0.2) = 11.3°
노광화소 주기 = P4ㆍsinθ = 27.4×sin11.3°= 5.4㎛
또한, 노광면(X4,Y4)(56) 상에서의 노광화소빔 사이즈는 W4 = bㆍs = 1×6.2㎛ = 6.2㎛이다.
따라서, 6.2㎛라는 충분히 작은 노광빔에 의해 다소의 겹치는 노광을 하면서 5.4㎛라는 화소 주기로 적절한 노광을 행할 수 있다. 즉, 노광면(56)의 노광화소 주기 P4ㆍsinθ=5.4㎛는 DMD(50)의 화소 주기 P1=13.7㎛보다 작게 되고, 고해상도화된다.
[마이크로 렌즈 어레이의 변형예]
이상 설명한 본 실시형태에 관한 노광헤드(166)에서는 마이크로 렌즈 어레이 (206)의 마이크로 렌즈(208) 및 마이크로 렌즈 어레이(214)의 마이크로 렌즈(216)로서 각각 구면 렌즈를 이용하고 있었지만 이와 같은 마이크로 렌즈 어레이(206,214)의 마이크로 렌즈로서, 비구면 렌즈, 구체적으로는, 예컨대, 토릭 렌즈를 이용하여도 좋다.
마이크로 렌즈 어레이(206,216) 중 적어도 어느 한쪽이, 상기 마이크로 렌즈로서 토릭 렌즈를 이용함으로써 DMD(50)의 변형에 의한 영향을 해소하는 것이 가능하게 된다.
즉, DMD(50)의 마이크로 미러(52)에는 변형이 있는 경우가 있고, 그 변형의 영향에 의해, 온상태의 마이크로미러(52)에 의해 변조된 광을 마이크로 렌즈 어레이(206)에서 집광하고자 하여도 형상이 흐트러진 빔으로 되고, 충분히 작은 빔으로 집광할 수 없을 우려가 있다. 그 상태에서는 노광면(56) 상에서 빔 지름을 충분히 작게 집광할 수 없거나, 또는, 조리개(210)를 통과하지 않는 광이 증가하여 광이용효율이 떨어져 버린다는 문제의 발생이 우려된다.
그래서, 본 실시형태에 관한 노광헤드(166)에서는 상기와 같은 문제가 특별히 우려되는 경우에는, 비구면의 마이크로 렌즈(여기서는, 토릭 렌즈)로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이(206,214)를 채용함으로써 이와 같은 문제의 발생을 회피하도록 하고 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이(206) 및 마이크로 렌즈 어레이(214) 중, 하류측의 마이크로 렌즈 어레이(214)를 토릭 렌즈가 배열된 마이크로 렌즈 어레이(이하, 「토릭 렌즈 어레이」라 함.)로 하여도 좋지만 조리개(210)보다 상류측에서 빔 정형하는 쪽이 보다 바람직하다. 따라서, 마이크로 렌즈 어레이(206)를 토릭 렌즈 어레이로 하는 쪽이 바람직하다.
이 경우, 조리개(210)로의 입사빔의 형상, 사이즈가 양호하게 되므로 빔의 이클립스(eclipse)가 적게 되는 등의 이점이 있다. 이 때문에 여기서는 조리개(210)의 상류측에 배치된 마이크로 렌즈 어레이로서, 복수의 토릭 렌즈가 이차원적으로 배열된 것(이하, 이것을 「마이크로 렌즈 어레이(260)」라함.)을 이용한 경우에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 관한 마이크로 렌즈 어레이로서 이용되는 토릭 렌즈 어레이에 대해서 상세하게 설명한다.
도 14에는 DMD(50)를 구성하는 마이크로미러(62)의 반사면의 평면도를 측정한 결과의 일례를 나타낸다. 동 도 14에 있어서는 반사면의 동일한 높이위치를 등고석으로 연결하여 나타내고 있고, 등고선의 피치는 5nm이다.
또한, 동 도 14에 나타내는 x방향 및 y방향은 마이크로미러(62)의 2개 대각선방향이고, 이 마이크로미러(62)의 y방향으로 연장되는 회전축을 중심으로 하여 회전하도록 구성되어 있다. 또한, 도 15A 및 도 15B에는 각각 상기 x방향, y방향을 따른 마이크로미러(62)의 반사면의 높이위치변위를 나타낸다.
상기 도 14 및 도 15A,B에 나타내어지는 바와 같이, 마이크로미러(62)의 반사면에는 변형이 존재하고, 또한, 특히 미러 중앙부를 주목해서 보면 1개의 대각선방향(y방향)의 변형이, 다른 대각선방향(x방향)의 변형보다 크게 되어 있다. 그 때문에 마이크로 렌즈 어레이(206)의 구면 마이크로 렌즈(208)(도 5 참조)에서 집광 된 레이저광(화소빔)의 집광위치에 있어서의 형상이 변형된다는 문제가 발생할 수 있다.
본 실시형태에 관한 노광헤드(166)에 있어서는 상기 문제를 방지하기 위해서 마이크로 미러 어레이(260)의 마이크로 렌즈(262)로서 비구면 렌즈(토릭 렌즈)를 이용할 수 있다.
도 16A 및 도 16B에는 토릭 렌즈를 이용한 마이크로 렌즈 어레이의 정면형상 및 측면형상이 각각 나타내어져 있다. 이들 도면에는 마이크로 렌즈 어레이(260)의 각 부의 치수도 기입되어 있고, 이들 단위는 mm이다.
여기서는 DMD(50)의 1024개×256열의 마이크로미러(62)가 구동되는 것으로 하고, 이것에 대응시켜 마이크로 렌즈 어레이(260)는 가로방향으로 1024개 나열한 마이크로 렌즈(262)의 열을 세로방향으로 256열 병설하여 구성되어 있다.
또한, 도 16A에서는 마이크로 렌즈 어레이(260)의 나열 순서를 가로방향에 대해서는 j로, 세로방향에 대해서는 k로 나타내고 있다.
또한, 도 17A 및 도 17B는 각각 상기 마이크로 렌즈 어레이(260)에 있어서의 1개의 마이크로 렌즈(262)의 정면형상 및 측면형상을 나타내는 것이다. 또한, 도 17A에는 마이크로 렌즈(262)의 등고선을 아울러서 나타내고 있다. 각 마이크로 렌즈(262)의 광출사측의 끝면은 상기 마이크로미러(62)의 반사면의 변형에 의한 오차를 보정하는 비구면 형상으로 되어 있다.
보다 구체적으로는 마이크로 렌즈(262)는 토릭 렌즈로 되어 있고, 상기 x방향으로 광학적으로 대응하는 방향의 곡률반경(Rx)이 -0.125mm, 상기 y방향에 대응 하는 방향의 곡률반경(Ry)이 -0.1mm로 되어 있다.
따라서, 상기 x방향 및 y방향으로 평행한 단면 내에 있어서의 화소빔(B)의 집광상태는 대략 각각 도 18A 및 도 18B에 나타내는 바와 같이 된다. 즉, x방향으로 평행한 단면 내와 y방향으로 평행한 단면 내를 비교하면 후자의 단면 내의 쪽의 마이크로 렌즈(262)의 곡률반경이 보다 작아져서 초점거리가 보다 짧게 되어 있다.
마이크로 렌즈(262)를 상기 형상으로 한 경우의, 이 마이크로 렌즈(262)의 집광위치(초점위치) 근방에 있어서의 빔 지름을 계산기에 의해서 시뮬레이션한 결과를 도 19A, 도 19B, 도 19C, 및 도 19에 각각 나타낸다.
또한, 비교를 위해 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 곡률반경 Rx = Ry = -0.1mm의 구면형상인 경우에 대해서 마찬가지의 시뮬레이션을 행한 경우를 도 20A, 도 20B, 도 20C 및 도 20D에 나타낸다. 또한, 각 도면에 있어서의 z의 값은 마이크로 렌즈의 초점방향의 평가위치를, 이 마이크로 렌즈의 빔출사면으로부터의 거리로 나타내고 있다.
또한, 상기 시뮬레이션에 이용한 마이크로 렌즈(262)의 면형상은 하기(8)식에 의해 표시된다.
Figure 112006018755275-pat00001
…(8)
또한, 상기 식에 있어서 Cx:x방향의 곡률(=1/Rx), Cy:y방향의 곡률(=1/Ry), X:x방향에 관한 렌즈광축(O)으로부터의 거리, Y:y방향에 관한 레즈광축(O)으로부터의 거리이다.
도 19A~도 19D와 도 20A~도 20D를 비교하면 명확해지는 바와 같이, 본 실시형태에 관한 노광헤드(166)에 있어서는 마이크로 렌즈(262)를, y방향에 평행한 단면 내의 초점거리가 x방향으로 평행한 단면 내의 초점거리보다 작은 토릭 렌즈로 한 것에 의해, 그 집광위치 근방에 있어서의 빔형상의 변형이 억제된다. 결과로서 변형이 없고, 보다 고정밀도의 화상을 감광재료(150)에 노광할 수 있게 된다.
또한, 도 19A~도 19D에 나타내는 마이크로 렌즈(262)쪽이, 구면 렌즈를 마이크로 렌즈로서 이용한 경우보다 빔 지름이 낮은 영역이 보다 넓고, 즉, 초점 심도가 보다 큰 것을 알았다.
또한, 마이크로미러(62)의 x방향 및 y방향에 관한 중앙부의 변형의 대소 관계가 상기와 반대로 되어 있는 경우는, x방향으로 평행한 단면 내의 초점거리가 y방향으로 평행한 단면 내의 초점거리보다 작은 토릭 렌즈에 의해서 마이크로 렌즈(262)를 구성할 수 있다. 이것에 의해, 마찬가지로 변형이 없고, 보다 고정밀도의 화상을 감광재료(150)에 노광할 수 있게 된다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이(260)의 집광위치 근방에 배치된 조리개 어레이(210)는 그 각 조리개(212)에, 이것과 대응하는 마이크로 렌즈 어레이(262)를 경유한 광만이 입사되도록 배치된 것이다. 즉, 상기 조리개 어레이(210)가 설치되어 있음으로써 각 조리개(212)에, 이것과 대응하지 않는 인접 마이크로 렌즈(262)로부터의 광이 입사되는 것이 방지되고, 소광비가 높아진다.
본래, 상기 목적으로 설치되는 조리개 어레이(210)의 조리개(212)의 지름을 어느 정도 작게 하면 마이크로 렌즈(262)의 집광위치에 있어서의 빔형상의 변형을 억제하는 효과도 얻어진다.
그러나 이와 같이 한 경우는 조리개 어레이(210)에서 차단되는 광량이 보다 많게 되고, 광이용효율이 저하하게 된다. 이것에 대해서 마이크로 렌즈(262)를 비구면 형상으로 하는 경우는 광을 차단하는 일이 없으므로 광이용효율도 높게 유지된다.
또한, 여기서는 본 실시형태에 관한 노광헤드(166)에 있어서 마이크로 렌즈 어레이(260)의 마이크로 렌즈(262)를, 2차의 비구면 형상을 갖는 토릭 렌즈로 한 경우에 대해서 설명하였지만, 보다 고차(4차, 6차 …)의 비구면 형상 렌즈를 채용함으로써 빔형상을 더욱 좋게 할 수 있다.
또한, 변형예에 관한 마이크로 렌즈 어레이(260)에서는 그 마이크로 렌즈(262)의 광출사측의 끝면이 비구면(토릭면)으로 되어 있지만, 2개의 광통과 끝면의 한쪽을 구면으로 하고, 다른쪽을 원통면으로 한 마이크로 렌즈에 의해 마이크로 렌즈 어레이를 구성하여도 마이크로 렌즈(262)와 마찬가지의 효과를 얻을 수도 있다.
또한, 변형예에 관한 마이크로 렌즈 어레이(260)에서는 그 마이크로 렌즈(262)가 마이크로미러(62)의 반사면의 변형에 의한 오차를 보정하는 비구면 형상으로 되어 있지만, 이와 같은 비구면 형상을 채용하는 대신에 마이크로 렌즈 어레이(260)를 구성하는 각 마이크로 렌즈(262)에, 마이크로미러(62)의 반사면의 변형에 의한 오차를 보정하는 굴절률 분포를 가지게 하여도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있 다.
이와 같은 마이크로 렌즈(264)의 일례를 도 21에 나타낸다. 도 21A 및 도 21B는 각각 상기 마이크로 렌즈(264)의 정면형상 및 측면형상을 나타내는 것이고, 도시하는 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈(264)의 외형형상은 평행 평판형상이다. 또한, 동 도 21A 및 도 21B에 있어서의 x,y방향은 이미 서술한 바와 같다.
또한, 도 22A 및 도 22B는 도 21에 나타내어지는 마이크로 렌즈(264)에 의한 상기 x방향 및 y방향으로 평행한 단면 내에 있어서의 화소빔(B)의 집광상태를 개략적으로 나타내고 있다. 상기 마이크로 렌즈(264)는 광축(O)으로부터 외측방향을 향해 차츰 증대하는 굴절률 분포를 갖는 것이고, 동 도 22A 및 도 22B에 있어서 마이크로 렌즈(264) 내에 나타내는 파선은 그 굴절률이 광축(O)으로부터 소정의 등피치로 변화한 위치를 나타내고 있다.
도시하는 바와 같이, x방향으로 평행한 단면 내와 y방향으로 평행한 단면 내를 비교하면 후자의 단면 내의 쪽이 마이크로 렌즈(264)의 굴절률 변화의 비율이 보다 크고 초점거리가 보다 짧게 되어 있다. 이와 같은 굴절률 분포형 렌즈로 구성되는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여도 변형예에 관한 마이크로 렌즈 어레이(260)를 이용하는 경우와 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 앞에 도 17 및 도 18에 나타낸 마이크로 렌즈(262)와 같이 면형상을 비구면으로 한 마이크로 렌즈에 있어서, 아울러 상기와 같은 굴절률 분포를 주고, 면형상과 굴절률 분포의 쌍방에 의해서 마이크로미러(62)의 반사면의 변형에 의한 오차를 보정하도록 하여도 좋다.
또한, 도 17A, 도 17B의 마이크로 렌즈(262) 대신에, 도 23A, 23B의 마이크로 렌즈(266)를 채용하여도 좋다. 마이크로 렌즈(266)의 등고선의 분포는 DMD(50)의 미러의 변형방향의 변경에 따라 마이크로 렌즈(262)를 광축 둘레로 회전시키는 분포로 되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는 DMD(50)의 변형 형상에 대응한 최적의 등고선의 분포가 얻어지도록 마이크로 렌즈를 형성하거나, 그 설치쪽을 설정하거나 할 수 있다.
본 실시형태에서는 조리개(210)의 상류측에 배치된 마이크로 렌즈 어레이로서 비구면 렌즈로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이(260)를 이용한 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 조리개(210)의 상류측에 배치된 마이크로 렌즈 어레이로서 구면 렌즈로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이(216)를 이용하고, 조리개(210)의 하류측에 배치된 마이크로 렌즈 어레이로서 비구면 렌즈로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여도 좋다.
이 경우, 조리개(210)에 의한 입사빔의 이클립스(eclipse)가 약간 증가할 우려가 있지만 마이크로 렌즈 어레이(262)를 조리개(210)의 상류측에 배치한 경우와 마찬가지로 노광면(56) 상에서의 빔형상, 사이즈를 양호하게 할 수 있다.
또한, 조리개(210)의 상류측 및 하류측에 각각 배치된 2개의 마이크로 렌즈 어레이의 쌍방을 비구면 렌즈로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이로서, 조리개(210)의 상류측 및 하류측에서 각각 마이크로미러(62)의 반사면의 변형에 의한 오차를 보정하도록 하여도 좋다.
[노광헤드의 변형예]
이어서, 본 발명의 실시형태의 변형예에 관한 노광헤드에 대해서 설명한다.
도 13에는 본 발명의 실시형태의 변형예에 관한 노광헤드에 있어서의 DMD(50)의 광반사측의 구성이 나타내어져 있다. 이 변형예에 관한 노광헤드(250)가 도 5에 나타내어지는 노광헤드(166)와 다른 점은 결상 렌즈계(200)가 생략되어 있는 점이다.
도 13에 도시되는 노광헤드(250)에서는 DMD(50)의 각 마이크로미러(62A,62B,62C)로부터의 화소빔(220A,220B,220C)이 대략 콜리메이트되어 있고, 이들 화소빔(220A,220B,220C)은 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 각 마이크로 렌즈(208)에 입사되고, 각 마이크로 렌즈(208)의 초점위치에 원방 회절상(226A,226B,226C)을 형성한다.
이들 회절상(226A,226B,226C)은 그 0차 회절상과 동일한 사이즈의 조리개(212)를 갖는 조리개 어레이(210)를 통과함으로써 노이즈 성분이 제거되어 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)의 각 마이크로 렌즈(216)에 입사된다.
이것에 의해, 도 5에 나타내어지는 경우와 마찬가지로, 노광면(X4,Y4)(56) 상에 실상(228A,228B,228C)이 노광빔 스폿으로서 형성된다. 상기 노광헤드(250)에서는 도 5에 나타내어지는 노광헤드(166)에 있어서 배율 a=1의 결상 렌즈계(200)를 이용하는 경우와 대략 동일한 광학특성이 얻어지게 된다.
이상 설명한 변형예에 관한 노광헤드(250)는 DMD(50)로부터 노광면(56)까지의 거리가 짧은 경우에 바람직하게 사용할 수 있고, 노광헤드(166)와 비교하여 결상 렌즈계(200)를 생략할 수 있으므로 장치의 부품점수를 감소하여 제조비용을 저 감함과 아울러 장치의 소형화가 가능하게 된다.
또한, 변형예에 관한 노광헤드(250)에서도 조리개 어레이(210)의 상류측 및 하류측에 각각 배치된 2개의 마이크로 렌즈 어레이의 적어도 어느 한쪽을 토릭 렌즈 어레이 등의 비구면 렌즈로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이로 하고, 이 비구면 렌즈로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이에 의해 마이크로미러(62)의 반사면의 변형에 의한 오차를 보정하도록 하여도 좋다.
[고해상도 조건의 일반화]
이어서, 이상 설명한 본 발명의 실시형태에 관한 노광헤드(166,250)를 이용하여 노광면(56)을 주사 노광하는 경우에 고해상도를 얻기 위한 일반화된 조건에 대해서 설명한다.
① 노광빔 사이즈 및 주사선 간격
노광빔 사이즈(W4)는 하기(9)식에 의해 구해진다.
W4 = bㆍW3 = bㆍs = bㆍ(2λㆍf3/W2)= bㆍ(2λㆍf3/aㆍW1) = 2bㆍλㆍf3/aㆍW1 …(9)
또한, DMD(50)의 n개의 화소를 갖는 행방향에 대해서, tanθ=1/n인 각도(θ)의 방향으로 주사하여 노광하는 경우의 주사선 간격은 하기(10)식에 의해 구해진다.
P4ㆍsinθ = aㆍP1ㆍsin[tan-1(1/n)] ≒ aㆍP1ㆍ(1/n) = aㆍP1/n …(10)
② 고해상도를 얻기 위한 일반화된 조건식
고해상도를 얻기 위해서는 하기(a)~(c) 중 어느 하나에 기재된 조건을 만족할 필요가 있다.
(a) 노광빔 사이즈가 원래의 공간 광변조기의 화소 사이즈이하인 것
즉, W4≤W1,
상기(9)로부터 2bㆍλㆍf3/aㆍW1 ≤ W1
따라서, 2bㆍλㆍf3 ≤ aㆍW12
(b) 주사선 간격이 노광빔 사이즈 이하인 것
즉, P4ㆍsinθ≤ W4
상기(10)식으로부터 aㆍP1/n ≤ 2bㆍλㆍf3/aㆍW1
따라서, a2ㆍP1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3
(c) 상기(a) 및(b)의 조건식이 동시에 성립하는 것
즉, a2ㆍP1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3 ≤ aㆍW12
또한, 도 13에 나타내어지는 노광헤드(250)에서는 상기(a) 및(b)에서 a=1로 하면 고해상도를 얻기 위한 일반화된 조건을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태의 노광헤드(166,250)에서는 공간 광변조소자로서 DMD(50)를 이용한 경우만을 설명하였다. 그러나, 이와 같은 공간 광변조소자로서는 광파이버 광원(66)으로부터 출사된 레이저빔을 소정의 화소 피치의 복수의 화소빔(광속군)으로 분할함과 아울러 이들 화소빔을 노광상태 및 비노광상태 중 어느 하나로 선택적으로 변조할 수 있는 것이면 DMD(50) 이외의 것이어도 적용가능하다.
예컨대, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 타입의 공간 광변조소자나, 전기광학효과에 의해 투과광을 변조하는 광학소자(PLZT 소자)나 액정광 셔터(LCD) 등도 적용가능하다. 단, 화소마다 공간 광변조된 광속군을 얻기 위한 조명 광학계는 공강 광변조소자의 종류에 따라 개개로 최적화할 필요가 있다.
또한, 상기와 같은 공간 광변조소자는 반드시 마이크로미러 등의 화소가 이차원적으로 배열된 것일 필요는 없고, 화소가 일차원적으로 배열된 것, 즉, n개의 화소가 행방향을 따라 직선적으로 배열된 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태에 관한 노광헤드(166,250)에서는 제 1 마이크로 렌즈 어레이(206)의 입사면에 형성된 공간 광변조기의 실상을, 등배상[결상 렌즈계(200)의 배율 a=1]으로 하여도 확대상(a〉1)으로 하여도 좋고, 또한 제 2 마이크로 렌즈 어레이(214)의 각 마이크로 렌즈(216)에 의한 결상배율(b)을 1배이외의 값으로 설정하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시형태에 관한 노광헤드(166,250)에서는 마이크로 렌즈 어레이(206,214)를 이용하였지만 굴절형의 마이크로 렌즈(208,216)를 갖는 마이크로 렌즈 어레이(206,214)에 한정되지 않고, 빔수속성을 갖는 마이크로 수속소자이면 좋고, 예컨대, GRIN(graded index)형 마이크로 렌즈 어레이, 홀로그램 등의 회절형 마이크로 렌즈 어레이 및 반사형 마이크로 오목면 반사 미러 어레이 등도 적용가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 노광헤드에 의하면 공간 광변조소자에 의해 표시되는 광학적인 패턴정보를 넓은 노광면적에 걸쳐서 고분해능 및 고해상도로 노광할 수 있다.
구체적으로는 본 발명의 노광헤드에 의하면 공간 광변조소자의 화소 사이즈를, 마이크로 렌즈 어레이 등을 이용하여 화소마다 축소하여 노광면에 있어서 고분해능화(high resolving power)함과 아울러 공간 광변조소자의 1개의 화소열에 대해서 일정한 각도(θ)(0°〈θ〈90°)를 이루는 직선을 따라 노광면을 주사하여 노광밀도를 높게 하여 고해상도화(high resolution)를 도모하는 노광헤드에 있어서,
① 공간 광변조소자를 조명하는 광에 포함되는 산란성분이나 공간 광변조소자로부터의 회절, 산란 등에 의해서 생기는 크로스 토크성분 등의 노이즈 성분을 거의 완전히 차단하여 고해상도의 노광빔을 얻을 수 있다.
② 상기 노광빔을 공간적으로 별도의 면에 전달함으로써 작업거리(working distance)를 확보하고, 전달된 면에 실제의 노광체를 배치할 수 있다.
③ 상기 ②를 저비용 또한 작은 공간에서 실현할 수 있다.
본 발명의 노광헤드에 의하면, 공간 광변조소자에 의해 표시되는 광학적인 패턴정보를 넓은 노광면적에 걸쳐서 고분해능 및 고해상도로 노광할 수 있다.

Claims (24)

  1. 노광면에 대해서 주사방향을 따라 상대이동하면서, 상기 노광면을 상기 주사방향과 교차하는 행방향을 따라 배열된 광빔의 다발에 의해 2차원적으로 노광하기 위한 노광헤드로서,
    제어신호에 따라 광변조상태가 각각 변화하는 복수의 화소부가 일차원적 또는 2차원적으로 배열되고, 광원부로부터 입사된 광빔을 상기 복수의 화소부에 의해 복수개의 화소빔으로 분할함과 아울러 복수개의 화소빔을 각각 노광상태 및 비노광상태 중 어느 하나로 선택적으로 변조하는 공간 광변조소자;
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부에 대응하도록 복수의 제 1 마이크로 수속소자가 배열된 제 1 마이크로 수속소자 어레이;
    상기 공간 광변조소자에 의해서 상기 노광상태로 변조된 화소빔의 원방 회절상을 상기 제 1 마이크로 수속소자가 형성하는, 상기 제 1 마이크로 수속소자의 후방측 초점면 부근에 배치됨과 아울러 상기 복수의 제 1 마이크로 수속소자에 각각 대응하는 복수의 조리개가 배열된 조리개 어레이; 및
    상기 복수의 조리개에 대응하도록 배열된 복수의 제 2 마이크로 수속소자를 갖고, 상기 복수의 조리개를 각각 투과한 화소빔의 실상을 상기 복수의 제 2 마이크로 수속소자에 의해 상기 노광면 상에 형성하는 제 2 마이크로 수속소자 어레이를 갖는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공간 광변조소자와 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이 사이에 결상 렌즈계를 설치함과 아울러,
    상기 화소부에 있어서의 화소빔의 출사면과 상기 제 1 마이크로 수속소자에 있어서의 화소빔의 입사면이 상기 결상 렌즈계에 대해서 서로 공역의 위치관계로 되도록, 상기 공간 광변조소자 및 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이를 배치한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조리개가 상기 제 1 마이크로 수속소자에 의해 형성된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조리개가, 상기 제 1 마이크로 수속소자에 의해 형성된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고,
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부의 화소 주기를 P1, 화소 사이즈를 W1, 상기 주사방향에 대해서 대략 직교하는 행방향을 따라 배열된 화소부의 화소수를 n,
    상기 제 1 마이크로 수속소자의 초점거리를 f3,
    상기 제 2 마이크로 수속소자가 상기 조리개를 투과한 화소빔의 실상을 노광면 상에 형성하는 광학배율을 b,
    상기 광원부로부터 출사되는 광빔의 파장을 λ으로 한 경우에,
    상기 행방향과 상기 주사방향이 이루는 각도를 tan-1(1/n)으로 함과 아울러 하기(1)식~(3)식 중 어느 하나의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
    2bㆍλㆍf3 ≤ W12 …(1)
    P1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3 …(2)
    P1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3 ≤ W12 …(3)
  5. 제2항에 있어서, 상기 조리개가, 상기 제 1 마이크로 수속소자로부터 출사된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고,
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부의 화소 주기를 P1, 화소 사이즈를 W1, 상기 주사방향에 대해서 대략 직교하는 행방향을 따라 배열된 화소부의 화소수를 n,
    상기 제 1 마이크로 수속소자의 초점거리를 f3,
    상기 제 2 마이크로 수속소자가 상기 조리개를 투과한 화소빔의 실상을 노광면 상에 형성하는 광학배율을 b,
    상기 결상 렌즈계가 상기 화소부에 있어서의 화소빔의 출사면 상의 실상을 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이에 있어서의 화소빔의 입사면 상에 결상하는 배율을 a,
    상기 광원부로부터 출사되는 광빔의 파장을 λ으로 한 경우에,
    상기 행방향과 상기 주사방향이 이루는 각도를 tan-1(1/n)으로 함과 아울러 하기(4)식~(6)식 중 어느 하나의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
    2bㆍλㆍf3 ≤aㆍ W12 …(4)
    a2ㆍP1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3 …(5)
    a2ㆍP1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3 ≤ a2ㆍW12 …(6)
  6. 제4항에 있어서, 상기 조리개의 크기가 2λㆍf3/W1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  7. 제5항에 있어서, 상기 조리개의 크기가 2λㆍf3/aㆍW1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  8. 노광면에 대해서 주사방향을 따라 상대이동하면서, 상기 노광면을 상기 주사방향과 교차하는 행방향을 따라 배열된 광빔의 다발에 의해 2차원적으로 노광하기 위한 노광헤드로서,
    제어신호에 따라 광변조상태가 각각 변화하는 복수의 화소부가 일차원적 또는 2차원적으로 배열되고, 광원부로부터 입사된 광빔을 상기 복수의 화소부에 의해 복수개의 화소빔으로 분할함과 아울러 복수개의 화소빔을 각각 노광상태 및 비노광상태 중 어느 하나로 선택적으로 변조하는 공간 광변조소자;
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부에 대응하도록, 또한, 상기 공간 광변조소자에 의해서 상기 노광상태로 변조된 화소빔의 원방 회절상을 형성하도록 배열된 제 1 마이크로 수속소자를 포함하는 제 1 마이크로 수속소자 어레이;
    상기 복수의 제 1 마이크로 수속소자에 각각 대응하는 복수의 조리개가 배열된 조리개 어레이; 및
    상기 복수의 조리개에 대응하도록 배열된 복수의 제 2 마이크로 수속소자를 갖고, 상기 복수의 조리개를 각각 투과한 화소빔의 실상을 상기 복수의 제 2 마이크로 수속소자에 의해 상기 노광면 상에 형성하는 제 2 마이크로 수속소자 어레이를 포함하고:
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 각 화소부의 사이즈를 W1, 상기 노광면 상의 빔 사이즈를 W4로 하였을 때, W4≤W1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  9. 제8항에 있어서, 상기 원방 회절상이, 상기 제 1 마이크로 수속소자에 의해 그 후방측 초점면 부근에 형성됨과 아울러 상기 조리개 어레이가 상기 후방측 초점면 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  10. 제8항에 있어서, 상기 조리개가, 상기 제 1 마이크로 수속소자에 의해 형성된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고,
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부의 화소 주기를 P1, 상기 주사방향에 대해서 대략 직교하는 행방향을 따라 배열된 화소부의 화소수를 n,
    상기 제 1 마이크로 수속소자의 초점거리를 f3,
    상기 제 2 마이크로 수속소자가 상기 조리개를 투과한 화소빔의 실상을 노광면 상에 형성하는 광학배율을 b,
    상기 광원부로부터 출사되는 광빔의 파장을 λ로 한 경우에 하기(1)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
    2bㆍλㆍf3 ≤ W12 …(1)
  11. 제10항에 있어서, 상기 조리개의 크기가 2λㆍf3 / W1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  12. 제8항에 있어서, 상기 공간 광변조소자와 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이 사이에 결상 렌즈계를 설치함과 아울러,
    상기 화소부에 있어서의 화소빔의 출사면과 상기 제 1 마이크로 수속소자에 있어서의 화소빔의 입사면이 상기 결상 렌즈계에 대해서 서로 공역의 위치관계로 되도록 상기 공간 광변조소자 및 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이를 배치한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  13. 제12항에 있어서, 상기 조리개가, 상기 제 1 마이크로 수속소자로부터 출사된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고,
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부의 화소 주기를 P1, 상기 주사방향에 대해서 대략 직교하는 행방향을 따라 배열된 화소부의 화소수를 n,
    상기 제 1 마이크로 수속소자의 초점거리를 f3,
    상기 제 2 마이크로 수속소자가 상기 조리개를 투과한 화소빔의 실상을 노광면 상에 형성하는 광학배율을 b,
    상기 결상 렌즈계가 상기 화소부에 있어서의 화소빔의 출사면 상의 실상을 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이에 있어서의 화소빔의 입사면 상에 결상하는 배율을 a,
    상기 광원부로부터 출사되는 광빔의 파장을 λ로 한 경우에 하기(4)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
    2bㆍλㆍf3 ≤ aㆍW12 …(4)
  14. 제13항에 있어서, 상기 조리개의 크기가 2λㆍf3/aㆍW1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  15. 노광면에 대해서 주사방향을 따라 상대이동하면서, 상기 노광면을 상기 주사방향과 교차하는 행방향을 따라 배열된 광빔의 다발에 의해 2차원적으로 노광하기 위한 노광헤드로서,
    제어신호에 따라 광변조상태가 각각 변화하는 복수의 화소부가 일차원적 또는 2차원적으로 배열되고, 광원부로부터 입사된 광빔을 상기 복수의 화소부에 의해 복수개의 화소빔으로 분할함과 아울러 복수개의 화소빔을 각각 노광상태 및 비노광상태 중 어느 하나로 선택적으로 변조하는 공간 광변조소자;
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부에 대응하도록, 또한, 상기 공간 광변조소자에 의해서 상기 노광상태로 변조된 화소빔의 원방 회절상을 형성하도록 배열된 제 1 마이크로 수속소자를 포함하는 제 1 마이크로 수속소자 어레이;
    상기 복수의 제 1 마이크로 수속소자에 각각 대응하는 복수의 조리개가 배열된 조리개 어레이; 및
    상기 복수의 조리개에 대응하도록 배열된 복수의 제 2 마이크로 수속소자를 갖고, 상기 복수의 조리개를 각각 투과한 화소빔의 실상을 상기 복수의 제 2 마이크로 수속소자에 의해 상기 노광면 상에 형성하는 제 2 마이크로 수속소자 어레이를 포함하고:
    상기 노광면에서의 주사선 간격이 상기 노광면 상의 빔 사이즈 이하인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 원방 회절상이 상기 제 1 마이크로 수속소자에 의해 그 후방측 초점면 부근에 형성됨과 아울러 상기 조리개 어레이가 그 후방측 초점면 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  17. 제15항에 있어서, 상기 조리개가, 상기 제 1 마이크로 수속소자에 의해 형성된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고,
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부의 화소 주기를 P1, 화소 사이즈를 W1, 상기 주사방향에 대해서 대략 직교하는 행방향을 따라 배열된 화소부의 화소수를 n,
    상기 제 1 마이크로 수속소자의 초점거리를 f3,
    상기 제 2 마이크로 수속소자가 상기 조리개를 투과한 화소빔의 실상을 노광면 상에 형성하는 광학배율을 b,
    상기 광원부로부터 출사되는 광빔의 파장을 λ으로 한 경우에,
    상기 행방향과 상기 주사방향이 이루는 각도를 tan-1(1/n)으로 함과 아울러 하기(2)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
    P1ㆍW1/n ≤ 2bㆍλㆍf3 …(2)
  18. 제17항에 있어서, 상기 조리개의 크기가 2λㆍf3/W1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  19. 제15항에 있어서, 상기 공간 광변조소자와 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이 사이에 결상 렌즈계를 설치함과 아울러,
    상기 화소부에 있어서의 화소빔의 출사면과 상기 제 1 마이크로 수속소자에 있어서의 화소빔의 입사면이 상기 결상 렌즈계에 대해서 서로 공역의 위치관계로 되도록 상기 공간 광변조소자 및 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이를 배치한 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  20. 제19항에 있어서, 상기 조리개가, 상기 제 1 마이크로 수속소자로부터 출사된 원방 회절상의 0차 회절상만을 실질적으로 투과시키는 사이즈 및 형상을 갖고,
    상기 공간 광변조소자에 있어서의 복수의 화소부의 화소 주기를 P1, 화소 사이즈를 W1, 상기 주사방향에 대해서 대략 직교하는 행방향을 따라 배열된 화소부의 화소수를 n,
    상기 제 1 마이크로 수속소자의 초점거리를 f3,
    상기 제 2 마이크로 수속소자가 상기 조리개를 투과한 화소빔의 실상을 노광면 상에 형성하는 광학배율을 b,
    상기 결상 렌즈계가 상기 화소부에 있어서의 화소빔의 출사면 상의 실상을 상기 제 1 마이크로 수속소자 어레이에 있어서의 화소빔의 입사면 상에 결상하는 배율을 a,
    상기 광원부로부터 출사되는 광빔의 파장을 λ로 한 경우에,
    상기 행방향과 상기 주사방향이 이루는 각도를 tan-1(1/n)으로 함과 아울러 하기(5)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 노광헤드.
    a2ㆍP1ㆍW1/n≤2bㆍλㆍf3 …(5)
  21. 제20항에 있어서, 상기 조리개의 크기가 2λㆍf3/aㆍW1인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제 1 마이크로 수속소자 및 상기 제 2 마이크로 수속소자 중 적어도 한쪽이 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제 1 마이크로 수속소자가 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
  24. 제23항에 있어서, 상기 비구면 렌즈가 토릭 렌즈인 것을 특징으로 하는 노광헤드.
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