WO2020116081A1 - 露光用光源装置 - Google Patents
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- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
Definitions
- the present invention relates to an exposure light source device, and more particularly to an exposure light source device that uses light emitted from a semiconductor laser light source.
- a single semiconductor laser light source has a small amount of radiated luminous flux as a light source for exposure equipment.
- a method of arranging a plurality of semiconductor laser light sources and condensing the light emitted from each semiconductor laser light source can be considered.
- Patent Document 1 discloses an exposure apparatus for a flexible printed circuit board, which includes a plurality of semiconductor laser light sources and optical fibers corresponding to the respective semiconductor laser light sources.
- a method of condensing with a collimating lens or a condensing lens can be considered.
- the present inventors replace the light source device for the exposure apparatus with a light source device that condenses light emitted from a plurality of semiconductor laser light sources by an optical system from a light source device that uses a discharge lamp. Upon examination, they found that the following problems existed. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.
- FIG. 7A is a drawing schematically showing an exposure light source device including a semiconductor laser light source 100, a collimator lens 101 (also referred to as “collimation lens”), a condenser lens 102, and a rod integrator 104. ..
- FIG. 7A schematically illustrates the traveling paths of each principal ray and each ray bundle of light (laser light) emitted from the plurality of semiconductor laser light sources 100.
- a light beam emitted from the center of the semiconductor laser light source 100 in parallel with the optical axis 140 is referred to as a “main light beam”, and a bundle of light beams emitted from the semiconductor laser light source 100 is referred to as a “bundle light beam”.
- a ray bundle A ray bundle”.
- an axis orthogonal to the incident surface 105 of the rod integrator 104 is an optical axis 140.
- the optical axis 140 direction is the Z direction
- the plane orthogonal to the Z direction is the XY plane
- the incident angle of light with respect to the incident surface 105 is ⁇ 1.
- the light flux (121a, 121b, 121c) emitted from the semiconductor laser light source 100 is converted into a substantially parallel light flux (122a, 122b, 122c) by the collimator lens 101.
- the bundles of rays (122a, 122b, 122c) are parallel to each other, do not overlap each other, and enter the condenser lens 102 at the subsequent stage.
- the bundle of rays (122a, 122b, 122c) incident on the condenser lens 102 is converted into a bundle of rays (123a, 123b, 123c) that converges toward the focus position 150 of the condenser lens 102.
- a rod integrator 104 is arranged in the subsequent stage of the condenser lens 102 in order to make the light intensity distribution of the light bundles (123a, 123b, 123c) condensed by the condenser lens 102 uniform.
- the rod integrator 104 is arranged so that the incident surface 105 is aligned with the focal position 150 of the condenser lens 102.
- the semiconductor laser light source 100 and the collimator lens 101 cannot be arranged in close contact with each other, a gap is generated between the light beam bundles (122a, 122b, 122c), and light is incident on the incident surface 103 of the condenser lens 102. There are places where it exists and places where it does not exist, and uneven illumination occurs.
- FIG. 7B is a schematic view of the condenser lens 102 of FIG. 7A when viewed from the incident surface 103 side in the Z direction.
- the same number of semiconductor laser light sources 100 and collimating lenses 101 are arranged in the Y direction at the same intervals as in the X direction, and the chief ray 110b of the ray bundle 122b is aligned with the optical axis 140. I was supposed to do it.
- FIG. 7A shows that in addition to the bundle of rays (122a, 122b, 122c) incident on the incident surface 103 of the condenser lens 102, The rod integrator 104 located in the +Z direction from the optical lens 102 is also illustrated.
- FIG. 8 is a perspective view schematically showing the structure of the semiconductor laser chip 200.
- the semiconductor laser light source 100 shown in FIG. 7A is a laser light source in which the semiconductor laser chip 200 shown in FIG. 8 is casing.
- the semiconductor laser light source 100 is a laser light source that emits light so that the principal rays (110a, 110b, 110c) pass through the center of the light emission window.
- the direction in which the divergence angle of the ray bundle 121 is large (Y direction shown in FIG. 8) is The “Fast axis direction” is referred to, and the direction in which the divergence angle of the light bundle 121 is small (X direction shown in FIG. 8) is referred to as the “Slow axis direction”.
- the divergence angle is an angle formed by the principal ray (110a, 110b, 110c) and a ray propagating at a light intensity of 1/e 2 of the principal ray (110a, 110b, 110c) having the maximum light intensity. Points twice the angle.
- each ray bundle (122a, 122b, 122c) has no light or is in the vicinity of the principal ray on a concentric circle centered on the optical axis 140.
- a region 130 having extremely low light intensity is generated. This is because the semiconductor laser light source 100 and the collimator lens 101 cannot be arranged in close contact with each other for the same reason as described above.
- the rod integrator 104 guides the incident light to the emission surface 106 (see FIG. 7A) while repeatedly totally reflecting the incident light on the side surface, the light intensity distribution at the position on the XY plane (hereinafter, “position distribution”).
- position distribution the light intensity distribution at the position on the XY plane
- angle distribution the light intensity distribution for each incident angle ⁇ 1 on the incident surface 105 of the rod integrator 104
- FIG. 9 is a drawing schematically showing a configuration example of a light source device using the discharge lamp 160.
- a discharge gas is enclosed in a tube body 161, and light is emitted from a light emitting section 164 by being discharged between a cathode 162 and an anode 163. ..
- the elliptic mirror 165 has an elliptic arc shape with two focal points, the light emitting section 164 and the entrance surface 105 of the lot integrator 104.
- the maximum incident angle of light on the incident surface 105 of the rod integrator 104 is set to the angle ⁇ 1. Further, of the light emitted from the light emitting section 164, the light traveling in the vicinity of the optical axis 15 is blocked by a part of the tube body 161, and does not reach the incident surface 105 of the rod integrator 104. Therefore, there is no light in the region where the incident angle is smaller than the angle ⁇ 2.
- the angle distribution of the light source device using the discharge lamp 160 is such that light does not exist in the angle range smaller than the angle ⁇ 2 from the optical axis 140 and is in the range from the angle ⁇ 2 to the angle ⁇ 1.
- Light is distributed continuously.
- a part of the lights reflected by the elliptical mirror 165 is denser as the incident angle on the incident surface 105 of the rod integrator 104 is smaller. And the light intensity increases.
- FIG. 10 is a graph schematically showing an angular distribution of light emitted from a light source device using the discharge lamp 160.
- the angular distribution of the light source device using the discharge lamp 160 is such that there is no light in the portion where the incident angle is close to 0°, and the angle within the angular range in which the condensed light exists. Has a peak in a small range, and the light intensity continuously decreases as the angle increases.
- the position distribution is made uniform by the lot integrator 104.
- the light source device using the semiconductor laser light source is equivalent to the light source device using the discharge lamp 160. It is expected that the light has the same position distribution and angle distribution as the light source device using the discharge lamp 160.
- the light emitted from the plurality of semiconductor laser light sources 100 is converted into light equivalent to that when the discharge lamp 160 is used, only by the configuration of the collimator lens 101, the condenser lens 102, and the rod integrator 104. I can't. That is, it has been found that the position distribution of the light source device using the discharge lamp 160 can be made equal, but the angular distribution is not equal.
- an object of the present invention to provide an exposure light source device that uses a plurality of semiconductor laser light sources and supplies light with an angular distribution equivalent to that of a light source device that uses a discharge lamp.
- the exposure light source device is A plurality of semiconductor laser light sources, A plurality of collimating optical systems, which are arranged corresponding to the plurality of semiconductor laser light sources, convert the light flux emitted from the semiconductor laser light source into a substantially parallel light flux, and emit the light.
- a condensing optical system that includes an incident surface on which the light flux emitted from the collimating optical system is incident, and that condenses the light flux emitted from the collimating optical system,
- the respective light fluxes emitted from the plurality of semiconductor laser light sources on the entrance surface of the condensing optical system are virtually rotated about the optical axis of the condensing optical system and are directed in the same radial direction.
- the number of ray bundles belonging to the bundle of ray bundles having the same distance from the optical axis of the condensing optical system is the distance from the optical axis. It is characterized in that it is arranged so as to gradually decrease with increasing distance from the optical axis, with the n-th ray bundle group closest to the n-th reference.
- the respective light fluxes emitted from the respective semiconductor laser light sources are rotated about the optical axis of the condensing optical system and directed in the same radial direction. When they are arranged side by side, some of the adjacent ray bundles overlap. The process of rotating the condensing optical system about the optical axis and arranging them in the same radial direction will be described later in the description of FIG. 3B.
- ⁇ N is an arbitrary natural number.
- the n-th ray bundle group whose distance from the optical axis is closest to the nth as a reference, it means that the ray bundle group gradually decreases as the number of n increases from the arbitrarily determined value n. It means that the number of belonging ray bundles decreases intermittently or continuously. That is, the number of ray bundles belonging to the ray bundle group next to the optical axis next to the n-th ray bundle group is the same as the number of ray bundles belonging to the n-th ray bundle group, or of the ray bundles belonging to the n-th ray bundle group. This means that the plurality of semiconductor laser light sources are arranged so as to be less than the number.
- the same distance from the optical axis is not limited to the same distance from the optical axis. If the distance error is 1 mm or less, the light bundles belonging to the same light bundle group are included. May be regarded as
- the light source device for exposure includes an optical waveguide whose entrance surface is circular. Since the incident surface is circular, the light emitted from the optical waveguide is converted into uniform light on a concentric circle centered on the optical axis while maintaining the incident angle on the incident surface. Details will be described later in the description of FIG. 1B.
- the plurality of semiconductor laser light sources may be arranged on the same plane.
- the semiconductor laser light sources are arranged on the same substrate, it is possible to wire each semiconductor laser light source on the same substrate. Furthermore, the semiconductor laser light source may be cooled by a cooling mechanism on the same substrate.
- the number of ray bundles belonging to the bundle of ray bundles having the same distance from the optical axis of the condensing optical system is the distance from the optical axis.
- the closest first ray bundle group may be used as a reference, and the first ray bundle group may be arranged so as to gradually decrease with distance from the optical axis.
- the number of ray bundles belonging to the first ray bundle group is at least 2 or more. This is because if the number of the light ray bundles belonging to the first light ray bundle group is 1, the number of the light ray bundles belonging to all the light ray bundle groups becomes 1, and there is no decrease. Then, the light beam bundle is not arranged on the optical axis of the condensing optical system, and light does not exist near the incident angle of 0° on the incident surface of the optical waveguide. Furthermore, within a range of angles larger than the incident angle corresponding to the first bundle of rays, the light intensity gradually decreases as the incident angle increases, and the angle distribution of the light emitted from the light source device using the discharge lamp is further reduced. It is possible to obtain light having a close angular distribution.
- Each of the light fluxes emitted from the plurality of semiconductor laser light sources on the incident surface of the condensing optical system has an elliptical shape whose major axis direction faces the optical axis side of the condensing optical system. I don't care.
- the respective light fluxes emitted from the respective semiconductor laser light sources are arranged along the radial direction when rotated about the optical axis of the condensing optical system. Since the major axis directions are aligned with each other, adjacent ray bundles are easily overlapped with each other, and the adjacent ray bundles can be separated from each other as compared with the case where they are aligned in the minor axis direction. Therefore, adjacent semiconductor laser light sources and adjacent collimating optical systems can be arranged more sparsely. If the semiconductor laser light source and the collimating optical system can be arranged sparsely, the degree of freedom of each arrangement can be increased, and a configuration in which wiring is easier can be adopted.
- the fact that the major axis direction of the bundle of rays faces the optical axis side of the condensing optical system means that the major axis of the bundle of rays incident on the condensing optical system is It is not limited to the case where the straight line drawn from the axis toward the center of the light beam bundle is parallel, that is, the angle formed by both straight lines is 0°, and the angle includes less than 45°.
- the exposure light source device may be provided with an integrator optical system that homogenizes the position distribution of the light flux emitted from the optical waveguide and emits it.
- the integrator optical system improves the uniformity of the position distribution, it is close to the angular distribution of the light emitted from the light source device using the discharge lamp, and the uniformity of the position distribution is improved. You get the light.
- an exposure light source device that uses a plurality of semiconductor laser light sources to supply light having an angle distribution equivalent to that of a light source device that uses a discharge lamp.
- FIG. 3 is a drawing schematically showing light emitted from an optical waveguide 13.
- 2 is a schematic view of the condensing optical system of FIG. 1 when viewed from the incident surface side in the Z direction.
- FIG. 3B is a schematic drawing showing a state in which the light beam bundles on the entrance surface of the condensing optical system shown in FIG. 3A are rotated about the optical axis and arranged in the same radial direction.
- FIG. 3B It is drawing which expands and shows a set of adjacent light beam bundles on the entrance surface of the condensing optical system shown in FIG. 3B. It is drawing which shows typically the structural example of another embodiment of the light source device for exposure.
- 4B is a schematic view of the condensing optical system of FIG. 4A when viewed from the incident surface side in the Z direction.
- FIG. It is drawing which shows typically the structural example of another embodiment of the light source device for exposure. It is drawing which shows the structure of an exposure apparatus typically. It is drawing which showed typically the light source device for exposure comprised by the semiconductor laser light source, the collimating lens, the condensing lens, and the rod integrator.
- 7B is a schematic view of the condenser lens of FIG.
- FIG. 7A when viewed from the incident surface side in the Z direction.
- FIG. It is a perspective view which shows the structure of a semiconductor laser chip typically. It is drawing which shows typically the structural example of the light source device using a discharge lamp. It is a graph which shows typically the angular distribution of the light radiate
- FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration example of a first embodiment of an exposure light source device.
- the exposure light source device 1 includes a plurality of semiconductor laser light sources 10, a plurality of collimating optical systems 11, a condensing optical system 12, and an optical waveguide 13.
- the optical waveguide 13 has a cylindrical shape, and in FIG. 1, the axis orthogonal to the incident surface 14 is the optical axis 15 and is arranged so as to coincide with the optical axis of the condensing optical system 12. .. Further, the optical axis 15 direction is the Z direction, the plane orthogonal to the Z direction is the XY plane, and the incident angle of light with respect to the incident surface 14 is ⁇ 1.
- the optical waveguide 13 specifically, an optical fiber, a cylindrical glass body, or the like can be used as the optical waveguide 13, specifically, an optical fiber, a cylindrical glass body, or the like can be used.
- the semiconductor laser light source 10 is a laser light source in which a semiconductor laser chip is casing.
- the semiconductor laser light source 10 is a laser light source that emits light so that the principal ray 22a passes through the center of the light emission window.
- the collimating optical system 11 is a collimating lens that converts a light beam bundle 21 emitted from the semiconductor laser light source 10 into a substantially parallel light beam bundle 22 and emits it.
- a plurality of collimating optical systems 11 are arranged corresponding to each semiconductor laser light source 10.
- the condensing optical system 12 is a condensing lens that converts the light beam bundle 22 emitted from the collimating optical system 11 into a light beam bundle 23 that converges toward a focal position and emits the light beam bundle 23.
- the optical waveguide 13 shown in FIG. 1 is arranged so that the incident surface 14 is at the focal point of the condensing optical system 12.
- “to be placed at the focal position” means that the position is perfectly coincident with the focal position and that the lens is moved by a distance of ⁇ 10% in the direction parallel to the optical axis 15 with respect to the focal length. It is assumed to be a concept including position.
- the optical axis 15 in FIG. 1 is an axis that is orthogonal to the incident surface 20 of the condensing optical system 12 and passes through the center of the incident surface 20. As shown in FIG.
- the axis passing through the center of the condensing optical system 12 is arranged so as to coincide with the optical axis 15, but the optical axis 15 and the center of the condensing optical system 12 are arranged.
- the axes to pass do not have to match.
- the optical waveguide 13 homogenizes the distribution of the light incident from the incident surface 14 in the circumferential direction around the optical axis 15 while maintaining the angle of incidence angle ⁇ 1 with respect to the optical axis 15 from the emission surface 16.
- the light is emitted at an emission angle ⁇ 2 (see FIG. 2A) that is the same as the incident angle ⁇ 1.
- FIG. 2A is a diagram schematically showing light traveling in the optical waveguide 13 in a YZ plan view. As shown in FIG. 2A, the optical waveguide 13 guides the light beam to the emission surface 16 while repeatedly reflecting the incident light on the side surface.
- FIG. 2A only one light beam is schematically shown, but a plurality of light beam bundles are incident on the optical waveguide 13, and the light beams are aggregated in the optical waveguide 13 and travel, so that the emission surface 16 At, the light flux is emitted as a bundle of rays with a uniform distribution on the XY plane.
- FIG. 2B is a diagram schematically showing light traveling in the optical waveguide 13 in XY plan view.
- the light beam bundle 24 that has entered the optical waveguide 13 is reflected on the inner wall surface of the circular optical waveguide 13.
- the light bundle 24 advances toward the opposite wall surface while widening the width.
- FIG. 2C is a drawing schematically showing the light emitted from the optical waveguide 13.
- the light bundle 24 travels while repeating reflection on the inner wall surface of the optical waveguide 13, and eventually becomes a light bundle 24 that travels while reflecting all over the inner wall surface of the optical waveguide 13 in the circumferential direction.
- the light beam bundle 24 that has reached the output surface 16 is output as an annular light beam bundle 25 having an output angle ⁇ 2 with the optical axis 15 as the center.
- the semiconductor laser light sources 10 are arranged on the same plane, and the light beam bundle on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 is rotated about the optical axis 15 to be the same.
- the adjacent ray bundles are arranged so as to partially overlap each other.
- Each collimating optical system 11 is also arranged on the same plane so as to correspond to each semiconductor laser light source 10, but neither the semiconductor laser light source 10 nor the collimating optical system 11 may be arranged on the same plane. ..
- FIG. 3A is a schematic view of the condensing optical system 12 of FIG. 1 when viewed from the incident surface 20 side in the Z direction.
- FIG. 3B shows a state in which the light beam bundles 22 on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 shown in FIG. 3A are virtually rotated about the optical axis 15 and arranged in the same radial direction 30. It is a schematic drawing shown. As shown in FIG. 3B, each ray bundle 22 arranged in the same radial direction 30 overlaps a part of an adjacent ray bundle 22. In FIG. 3B, the region where the adjacent light beam bundles 22 overlap each other is shown by hatching.
- FIG. 3B is an enlarged view of a set of adjacent light beam bundles 22 on the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 shown in FIG. 3B.
- an area of a region L1 where adjacent light fluxes 22 overlap each other on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 is S1
- an irradiation region of the light flux 22 on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 is set.
- the value of S1/S2 is preferably 20% or more and 70% or less, and more preferably 30% or more and 50% or less. The same applies to the overlap between the other adjacent ray bundles 22.
- the light flux emitted from the condensing optical system 12 in which the unevenness of the angular distribution is suppressed is incident on the incident surface 14 of the optical waveguide 13, and the circumferential distribution around the optical axis 15 is made uniform.
- the light is emitted from the emission surface 16.
- the number of light bundle groups arranged at the same distance from the optical axis 15 is the light bundle close to the optical axis.
- the number belonging to the first ray bundle group having the first radius R1 is 4, the number belonging to the second ray bundle group having the second radius R2 is 3, and the number belonging to the third ray bundle group having the third radius R3. Is 2, and the number belonging to the fourth ray bundle group having the fourth radius R4 is 1.
- the number of light flux groups belonging to the same distance from the optical axis 15 gradually decreases as the distance from the optical axis 15 increases. Therefore, the light emitted from the emission surface 16 of the optical waveguide 13 exhibits an angular distribution in which the light intensity gradually decreases as the emission angle ⁇ 2 increases. Thereby, as illustrated in FIG. 10, it is possible to obtain an angular distribution close to the angular distribution when the light source device is a discharge lamp.
- the ray bundle groups are the first ray bundle group, the second ray bundle group, and the third ray bundle in order from the ray bundle closest to the optical axis 15.
- the number of light ray bundles belonging to the light ray bundle group may gradually decrease with distance from the optical axis 15 with reference to the nth light ray bundle group whose distance from the optical axis 15 is the nth closest. Absent. As described above, n is an arbitrary natural number.
- FIG. 4A is a drawing schematically showing a configuration example of another embodiment of the exposure light source device.
- a bundle of rays 22 that enters the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 is a bundle of rays 22p that enters the positive direction side of the optical axis 15 in the Y direction, and a bundle of rays 22 that enters the negative direction side. It is divided into a light beam bundle 22m that The bundle of light rays (22p, 22m) traveling in a direction not parallel to the optical axis 15 is converted by the mirror 40 into a bundle of light rays (22p, 22m) traveling in a direction parallel to the optical axis 15 and collected. It is incident on the incident surface 20 of the optical optical system 12.
- the semiconductor laser light source 10p relating to the light beam bundle 22p and the collimating optical system 11p are arranged in the positive direction with respect to the optical axis 15 in the Y direction, and the semiconductor laser light source 10m relating to the light beam bundle 22m.
- the collimating optical system 11m is arranged on a plane facing each other in the negative direction with respect to the optical axis 15 in the Y direction.
- the semiconductor laser light sources (10p, 10m) and the collimating optical systems (11p, 11m) do not have to be arranged on the same plane.
- FIG. 4B is a schematic drawing of the condensing optical system of FIG. 4A as viewed from the incident surface side in the Z direction.
- the bundle of rays (22p, 22m) that has become a light traveling parallel to the optical axis 15 by the mirror 40 is incident on the incident surface 20 of the condensing optical system 12.
- the light beam bundles (22p, 22m) are rotated about the optical axis 15 on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 and aligned in the same radial direction 30, , Are arranged so that adjacent light beam bundles partially overlap with each other.
- the number of bundles of rays arranged at the same distance from the optical axis 15 has the center at the optical axis 15.
- a certain ray bundle 22 is 1, the number of which belongs to the first ray bundle group of the first radius R1 is 4, the number of which belongs to the second ray bundle group of the second radius R2 is 3, and the third in the order of being closest to the optical axis.
- the number belonging to the third ray bundle group having the radius R3 is 2, and the number belonging to the fourth ray bundle group having the fourth radius R4 is 1.
- the number of light flux groups belonging to the same distance from the optical axis 15 gradually decreases as the distance from the optical axis 15 increases. Therefore, the light emitted from the emission surface 16 of the optical waveguide 13 exhibits an angular distribution in which the light intensity gradually decreases as the emission angle ⁇ 2 increases. Thereby, as illustrated in FIG. 10, it is possible to obtain an angular distribution close to the angular distribution when the light source device is a discharge lamp.
- the light source device 1 for exposure that emits light having an angle distribution close to that of the light emitted from the light source device using the discharge lamp as described above can be used as a light source of the exposure device as follows.
- FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of the exposure apparatus 70.
- the exposure apparatus 70 shown in FIG. 6 includes the exposure light source device 1 of the first embodiment described above, but may include the exposure light source device 1 of the second embodiment.
- an integrator optical system 71, a projection optical system 72, and a mask 73 that make the position distribution uniform are provided at the subsequent stage of the optical waveguide 13, and a projection lens 74 is provided as necessary.
- a mask 73 is installed at a position projected by the projection optical system 72, and a photosensitive substrate 75, which is a target for printing a pattern image of the mask 73, is installed at a stage subsequent to the mask 73.
- the integrator optical system 71 uses an optical system such as a rod integrator or a fly's eye lens that improves the uniformity of the position distribution of incident light and emits the light.
- the integrator optical system 71 makes the position distribution uniform and irradiates the projection optical system 72.
- the projection optical system 72 projects this light onto the photosensitive substrate 75 either directly or via the projection lens 74 as a pattern image of the mask 73.
- the exposure apparatus 70 includes the exposure light source device 1 described in each of the above-described embodiments, and thus uses the semiconductor laser light source to expose the light emitted from the light source device using the discharge lamp, which is close to the angular distribution of the light. be able to.
- FIG. 5 is a drawing schematically showing a configuration example of another embodiment of the exposure light source device.
- the major axis 22L of the bundle of rays 22 having an elliptical shape has an elliptical shape facing the optical axis 15 side.
- each light beam bundle 22 is arranged so as to be along the radial direction 30 when rotated about the optical axis 15. Since the major axis 22L directions are aligned, adjacent ray bundles 22 are likely to overlap with each other, and the adjacent ray bundles 22 can be separated from each other as compared with the case where they are aligned in the minor axis 22S direction. Therefore, the adjacent semiconductor laser light sources 10 and the adjacent collimating optical system 11 as shown in FIG. 1 can be arranged more sparsely. If the semiconductor laser light source 10 and the collimating optical system 11 can be arranged sparsely, the degree of freedom of each arrangement can be increased, and a configuration in which wiring is easier can be adopted.
- the configuration of the present invention is such that when the light entrance surface 20 of the condensing optical system 12 is rotated about the optical axis 15 and arranged in the same radial direction 30, the two are adjacent to each other.
- the number of ray bundles 22 that belong to the ray bundle group having the same distance from the optical axis 15 and the number of ray bundles that belong to the same distance from the optical axis 15 are
- the distance between the semiconductor laser light source 10 and the collimating optical system 11 is not limited to that in the above embodiment, as long as the distance from the optical axis 15 is reduced.
- one embodiment of the light source device for exposure may include an optical fiber into which the light beam bundle 22 emitted from the semiconductor laser light source 10 and converted into substantially parallel light by the collimating optical system 11 is incident.
- the light beam bundles 22 incident on the condensing optical system 12 are adjacent to each other on the incident surface 20 of the condensing optical system 12 when they are rotated around the optical axis 15 and aligned in the same radial direction 30.
- the light emitting surface of the optical fiber is arranged such that the number of light beam bundles 22 that overlap each other and belong to the light beam bundle group having the same distance from the optical axis 15 gradually decreases as the distance from the optical axis 15 increases. May be.
- the semiconductor laser chip included in the semiconductor laser light source 10 has a so-called “edge emitting type” structure similar to each semiconductor laser chip 200 described with reference to FIG. Explained.
- the present invention can be similarly applied even if each semiconductor laser chip has a so-called “surface emitting type” structure in which light is extracted in the stacking direction of the semiconductor layers.
- the bundle of rays incident on the entrance surface 20 of the condensing optical system 12 has a substantially perfect circular shape.
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Abstract
複数の半導体レーザ光源を用いて、放電ランプを用いた光源装置と同等の角度分布の光を供給する露光用光源装置を提供する。 複数の半導体レーザ光源と、半導体レーザ光源から出射された光線束を、略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、集光光学系の入射面における、複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっており、複数の半導体レーザ光源は、集光光学系の入射面において、集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離がn番目に近い第n光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されている。
Description
本発明は、露光用光源装置に関し、特に半導体レーザ光源から出射された光を用いた露光用光源装置に関する。
従来、プリント基板等の製造工程等に用いられる露光装置には光強度の高い放電ランプが用いられていた。近年では、固体光源技術の進歩に伴い、放電ランプから高効率で長寿命な半導体レーザ光源に置き換える検討が進められている。
単体の半導体レーザ光源では、露光装置の光源としては放射光束が少ない。高い強度の光を得るためには、複数の半導体レーザ光源を配置し、それぞれの半導体レーザ光源から出射された光を集光する方法が考えられる。例えば、特許文献1には、複数の半導体レーザ光源と、それぞれの半導体レーザ光源に対応する光ファイバを備えた、フレキシブルプリント基板用の露光装置が開示されている。
複数の半導体レーザ光源から出射される光を集光するには、コリメートレンズや集光レンズを用いて集光する方法が考えられる。しかし、本発明者らは、露光装置用の光源装置を、放電ランプを用いた光源装置から、複数の半導体レーザ光源より出射された光を、光学系によって集光する光源装置へと置き換えることを検討したところ、以下のような課題が存在することを突き止めた。以下、図面を参照しながら説明する。
図7Aは、半導体レーザ光源100とコリメートレンズ101(「コリメーションレンズ」とも称される。)と集光レンズ102及びロッドインテグレータ104で構成された、露光用光源装置を模式的に示した図面である。図7Aは、複数の半導体レーザ光源100から出射される光(レーザ光)の各主光線及び各光線束の進行経路を模式的に図示している。なお、本明細書では、半導体レーザ光源100の中心から光軸140と平行に出射される光線を「主光線」と称し、半導体レーザ光源100から出射される束状に形成された光線群を「光線束」と称する。
図7Aにおいては、ロッドインテグレータ104の入射面105に対して直交する軸を光軸140とする。また、光軸140方向をZ方向とし、Z方向に直交する平面をXY平面とし、入射面105に対する光の入射角をθ1とする。
半導体レーザ光源100から出射された光線束(121a,121b,121c)は、コリメートレンズ101によって略平行な光線束(122a,122b,122c)に変換される。光線束(122a,122b,122c)は互いに平行であって、相互に重なり合うことはなく、後段の集光レンズ102に入射する。集光レンズ102に入射した光線束(122a,122b,122c)は、集光レンズ102の焦点位置150に向かって集光する光線束(123a,123b,123c)に変換される。
集光レンズ102の後段には、集光レンズ102によって集光された光線束(123a,123b,123c)の光強度分布を均一化するため、ロッドインテグレータ104が配置される。ロッドインテグレータ104は、入射面105が、集光レンズ102の焦点位置150と合うように配置される。
ここで、半導体レーザ光源100及びコリメートレンズ101を完全に密接して配置できないため、各光線束(122a,122b,122c)の間に隙間が生じ、集光レンズ102の入射面103において、光が存在する場所としない場所が生じてしまい、照度ムラが発生してしまう。
従って、集光レンズ102の出射面に発生した照度ムラが発生した光を、集光レンズ102によって焦点位置150に集光するように変換された光線束(123a,123b,123c)は、一部の角度範囲において光が存在しない、又は主光線(110a,110b,110c)近傍と比較して、極めて光強度の低い領域130が生じてしまう。
さらに、集光レンズ102の入射面103をXY平面で見た場合を説明する。図7Bは、図7Aの集光レンズ102を入射面103側からZ方向に向かって見たときの模式的な図面である。なお、説明の便宜のため、Y方向においても、X方向と同じ間隔で、同数の半導体レーザ光源100及びコリメートレンズ101が整列されており、光線束122bの主光線110bが、光軸140と一致しているものとした。また、XY平面上の相対的な位置関係の理解を容易にするため、図7Aには、集光レンズ102の入射面103に入射される光線束(122a,122b,122c)に加えて、集光レンズ102から+Z方向に位置するロッドインテグレータ104についても図示されている。
各光線束(122a,122b,122c)は、集光レンズ102の入射面103において楕円形状である。図8は、半導体レーザチップ200の構造を模式的に示す斜視図である。図8に示すような、いわゆる「端面発光型」の半導体レーザチップ200の場合、エミッタ201から出射される光線束121は、楕円錐型を示すことが知られている。従って、図7Bに示すように、各光線束(122a,122b,122c)の断面は楕円形状となる。なお、図7Aに示す半導体レーザ光源100は、図8に示す半導体レーザチップ200をケーシングしたレーザ光源である。半導体レーザ光源100は、光の出射窓の中心を主光線(110a,110b,110c)が通過するように、光を出射するレーザ光源である。
本明細書では、光軸(図8に示すZ方向)に直交する2方向(X方向及びY方向)のうち、光線束121の発散角が大きい方向(図8に示すY方向)を、「Fast軸方向」と呼び、光線束121の発散角が小さい方向(図8に示すX方向)を、「Slow軸方向」と呼ぶ。ここで、発散角とは、光強度が最大となる主光線(110a,110b,110c)の1/e2の光強度で進行する光線と、主光線(110a,110b,110c)とがなす角の2倍の角を指す。
図7Bに示すように、集光レンズ102の入射面103では、各光線束(122a,122b,122c)は、光軸140を中心とした同心円上において、光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域130が生じる。これは、上述の理由と同様で、半導体レーザ光源100及びコリメートレンズ101を完全に密接して配置できないためである。
ロッドインテグレータ104は、入射された光を側面で繰り返し全反射させながら、出射面106(図7A参照)へと導くものであるため、XY平面上の位置における光強度分布(以下、「位置分布)という。)の均一性を向上させる効果はあるが、ロッドインテグレータ104の入射面105における入射角θ1ごとの光強度分布(以下、「角度分布」という。)は出射面106においても保持されるため、角度分布の均一性を向上させる効果はない。
従って、ロッドインテグレータ104を用いても、一部の角度範囲において光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域は解消されない。つまり、集光レンズ102の出射面に発生した角度分布のムラは、ロッドインテグレータ104の出射面106から出射される光においても解消されない。
ここで、放電ランプ160を用いた光源装置から出射される光の角度分布について説明する。図9は、放電ランプ160を用いた光源装置の構成例を模式的に示す図面である。図9に示すように、放電ランプ160を用いた光源装置は、管体161内に放電ガスを封入し、陰極162と陽極163の間で放電されることで発光部164から光が出射される。
放電ランプ160から出射された光のうち、一部の光は、楕円ミラー165によって反射されて、ロッドインテグレータ104の入射面105に集光される。楕円ミラー165は、発光部164と、ロットインテグレータ104の入射面105の2か所を焦点とする、楕円弧の形状をなしている。
図9に示すように、ロッドインテグレータ104の入射面105における、最も大きな光の入射角が角度α1となるように構成されている。また、発光部164から出射される光のうち、光軸15の近傍を進行する光は、管体161の一部によって遮られてしまい、ロッドインテグレータ104の入射面105には到達しない。そのため、入射角が角度α2よりも小さい領域には光が存在しない。
つまり、図9に示すような、放電ランプ160を用いた光源装置の角度分布は、光軸140から、角度α2より小さい角度範囲には、光が存在せず、角度α2から角度α1の範囲に光が連続的に分布している。また、放電ランプ160から全方向に一様に出射された光のうち、楕円ミラー165で反射された一部の光は、ロッドインテグレータ104の入射面105における入射角が小さいほど、光線同士が密となり、光強度が高くなる。
図10は、放電ランプ160を用いた光源装置から出射される光の角度分布を模式的に示すグラフである。図10に示すように、放電ランプ160を用いた光源装置の角度分布は、入射角が0°に近い部分では、光が存在せず、集光される光が存在する角度範囲のうち、角度が小さい範囲においてピークを持ち、そこから角度が大きくなるにつれて、光強度は連続的に減少する。なお、位置分布に関しては、ロットインテグレータ104によって均一化される。
露光装置用の光源装置を、放電ランプ160を用いた光源装置から半導体レーザ光源を用いた光源装置に置き換えるため、半導体レーザ光源を用いた光源装置が、放電ランプ160を用いた光源装置と同等の光、すなわち放電ランプ160を用いた光源装置と同じ位置分布及び角度分布であることが期待されている。
しかし、上述のとおり、複数の半導体レーザ光源100から出射された光を、コリメートレンズ101、集光レンズ102、及び、ロッドインテグレータ104による構成だけで、放電ランプ160を用いた場合と同等の光にはできない。すなわち、放電ランプ160を用いた光源装置の位置分布とは同等にすることができるが、角度分布は同等とならないことがわかった。
本発明は、上記の課題に鑑み、複数の半導体レーザ光源を用いて、放電ランプを用いた光源装置と同等の角度分布の光を供給する露光用光源装置を提供することを目的とする。
本発明に係る露光用光源装置は、
複数の半導体レーザ光源と、
前記複数の半導体レーザ光源に対応して配置され、前記半導体レーザ光源から出射された光線束を、略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射された光線束が入射される入射面を含み、前記コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、
前記集光光学系から出射された光線束が集光する位置に配置された、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、
前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に前記集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっており、
前記複数の半導体レーザ光源は、前記集光光学系の入射面において、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離がn番目に近い第n光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されていることを特徴とする。
複数の半導体レーザ光源と、
前記複数の半導体レーザ光源に対応して配置され、前記半導体レーザ光源から出射された光線束を、略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射された光線束が入射される入射面を含み、前記コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、
前記集光光学系から出射された光線束が集光する位置に配置された、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、
前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に前記集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっており、
前記複数の半導体レーザ光源は、前記集光光学系の入射面において、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離がn番目に近い第n光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されていることを特徴とする。
上記露光用光源装置は、集光光学系の入射面において、各半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっている。なお、集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べるという過程は、図3Bの説明において後述する。
上記構成によれば、図7Bに示すような、集光光学系の光軸を中心とする同心円上において、隣接する光線束群同士の間で、光が存在しない、又は主光線近傍と比較して、極めて光強度の低い領域は生じない。つまり、光軸に対する角度方向において、光が存在する領域内の一部に光が存在しない範囲がなくなる。詳細は、図3Bの説明において後述する。
nは任意の自然数である。また、光軸からの距離がn番目に近い第n光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するとは、任意に定められる値nから、nの数が増えるごとに、光線束群に属する光線束の数が、断続的又は連続的に減少することを意味する。つまり、第n光線束群の次に光軸に近い光線束群に属する光線束の数は、第n光線束群に属する光線束の数と同じ又は、第n光線束群に属する光線束の数よりも少なくなるように、前記複数の半導体レーザ光源が配置されていることを意味している。
集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が多くなるほど、光導波路の入射面における入射角ごとの光強度が高くなる。つまり、上記構成によれば、光導波路の入射面における所定の入射角よりも角度が大きい範囲において、入射角が大きくなるにつれて光強度が逓減する角度分布となり、放電ランプを用いた光源装置から出射される光の角度分布に近い角度分布を示す光が得られる。
なお、光軸からの距離が同一であるとは、光軸からの距離が一致しているものだけには限られず、距離の誤差が1mm以下であれば、同一の光線束群に属する光線束とみなしてもよい。
上記露光用光源装置は、入射面が円形状である光導波路を備える。入射面が円形状であることによって、光導波路から出射される光は、入射面における入射角を維持したまま、光軸を中心とした同心円上において均一な光に変換される。詳細は、図1Bの説明において後述する。
上記露光用光源装置において、
複数の前記半導体レーザ光源は、同一平面上に配置されていても構わない。
複数の前記半導体レーザ光源は、同一平面上に配置されていても構わない。
上記構成によれば、全ての半導体レーザ光源が、同一の基板上に配置されるため、各半導体レーザ光源を同一基板上で配線することができる。さらには、半導体レーザ光源が、同一基板上の冷却機構で冷却する構成とすることができる。
上記露光用光源装置において、
前記複数の半導体レーザ光源は、前記集光光学系の入射面において、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離が最も近い第1光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されていても構わない。
前記複数の半導体レーザ光源は、前記集光光学系の入射面において、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離が最も近い第1光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されていても構わない。
上記構成によれば、前記第1光線束群に属する光線束の数は少なくとも2以上となる。これは、第1光線束群に属する光線束が1つでは、全ての光線束群に属する光線束の数が1となってしまい、逓減することがないためである。そうすると、前記集光光学系の光軸上には光線束が配置されることはなく、光導波路の入射面における入射角が0°付近には光が存在しない。さらに、前記第1光線束群に対応する入射角よりも大きな角度の範囲で、入射角が大きくなるほど光強度が逓減し、放電ランプを用いた光源装置から出射される光の角度分布に、より近い角度分布を示す光を得ることができる。
上記露光用光源装置において、
前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向く楕円形状を呈するものであっても構わない。
前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向く楕円形状を呈するものであっても構わない。
上記構成によれば、集光光学系の入射面において、各半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束が、集光光学系の光軸を中心に回転させたときに、径方向に沿うように長軸方向が揃うため、隣接する光線束同士が重なりやすく、短軸方向でそろえる場合に比較して、隣接する光線束を離間させることができる。従って、隣接する半導体レーザ光源や、隣接するコリメート光学系をより疎に配置することができる。半導体レーザ光源やコリメート光学系が疎に配置できれば、それぞれの配置の自由度が高くなり、より配線しやすい構成等を採用することができる。
また、光線束の長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向いているとは、集光光学系の入射面において、集光光学系に入射する光線束の長軸と、光軸から光線束の中心に向かって引いた直線とが平行、すなわち両直線のなす角度が0°である場合に限定されず、前記角度は45°未満のものが含まれる。
上記露光用光源装置において、
前記光導波路から出射された光線束の位置分布を均一化して出射するインテグレータ光学系を備えるものであっても構わない。
前記光導波路から出射された光線束の位置分布を均一化して出射するインテグレータ光学系を備えるものであっても構わない。
上記構成によれば、インテグレータ光学系によって、位置分布の均一性が向上されるため、放電ランプを用いた光源装置から出射される光の角度分布に近く、かつ、位置分布の均一性が向上された光が得られる。
本発明によれば、複数の半導体レーザ光源を用いて、放電ランプを用いた光源装置と同等の角度分布の光を供給する露光用光源装置を提供できる。
以下、本発明の露光用光源装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。
[第一実施形態]
図1は、露光用光源装置の第一実施形態の構成例を模式的に示す図面である。露光用光源装置1は、複数の半導体レーザ光源10と、複数のコリメート光学系11と、集光光学系12と、光導波路13を備える。
図1は、露光用光源装置の第一実施形態の構成例を模式的に示す図面である。露光用光源装置1は、複数の半導体レーザ光源10と、複数のコリメート光学系11と、集光光学系12と、光導波路13を備える。
第一実施形態においては、光導波路13は円筒形状であり、図1においては、入射面14と直交する軸を光軸15とし、集光光学系12の光軸と一致するように配置されてる。また、光軸15方向をZ方向とし、Z方向に直交する平面をXY平面とし、入射面14に対する光の入射角をθ1とする。ここで、光導波路13は、具体的には光ファイバや円柱形状のガラス体等を用いることができる。
半導体レーザ光源10は、半導体レーザチップをケーシングしたレーザ光源である。半導体レーザ光源10は、光の出射窓の中心を主光線22aが通過するように、光を出射するレーザ光源である。
図1に示すように、コリメート光学系11は、半導体レーザ光源10から出射された光線束21を、略平行の光線束22に変換して出射するコリメートレンズである。各半導体レーザ光源10に対応して複数のコリメート光学系11が配置されている。
図1に示すように、集光光学系12は、コリメート光学系11から出射された光線束22を、焦点位置に向かって集光する光線束23に変換して出射する集光レンズである。
図1に示す、光導波路13は、入射面14が、集光光学系12の焦点の位置になるように配置されている。ただし、本明細書では、「焦点位置に配置する」とは、完全に焦点の位置に一致する場合の他、焦点距離に対して光軸15に平行な方向に±10%の距離だけ移動した位置を含む概念であるものとする。なお、図1における光軸15とは、集光光学系12の入射面20に対して直交し、入射面20の中心を通る軸である。図1に示すように、本実施形態においては、集光光学系12の中心を通る軸は光軸15に一致するように配置されているが、光軸15と集光光学系12の中心を通る軸は一致していなくても構わない。
光導波路13は、入射面14から入射された光を、光軸15に対する入射角θ1の角度を保持したまま、光軸15を中心とした周方向の分布を均一化させて、出射面16から入射角θ1と同じ角度の出射角θ2(図2A参照)で出射する。
ここで、光導波路13に入射した光線束が、どのように変換されて出射されるかを説明する。図2Aは、YZ平面視において、光導波路13内を進行する光を模式的に示した図面である。図2Aに示すように、光導波路13は、入射された光を側面で繰り返し反射させながら、光線を出射面16へと導く。
図2Aでは、模式的に一本の光線のみを表しているが、光導波路13には複数の光線束が入射され、光線が、光導波路13内に集約されて進行することによって、出射面16においてXY平面上の分布が均一化された光線束となって出射される。
次に、光導波路13内を進行する光を、XY平面で見た場合を説明する。図2Bは、XY平面視において、光導波路13内を進行する光を模式的に示した図面である。図2Bに示すように、光導波路13に入射した光線束24は、円形である光導波路13の内壁面上で反射する。ここで、一定の幅を有する光線束24は、光導波路13の円形の内壁面上で反射すると、対向する壁面に向かって、幅が広がりながら進行する。
図2Cは、光導波路13から出射される光を模式的に示した図面である。光線束24は、光導波路13の内壁面上で反射を繰り返しながら進行し、やがて光導波路13の内壁面の周方向全体にわたって反射しながら進行する光線束24となる。出射面16に到達した光線束24は、光軸15を中心とした出射角θ2の円環状の光線束25として出射される。
光導波路13から出射する光が、照度ムラを生じないためには、上述のように、光軸15を中心とする同心円上において、光が存在しない、又は主光線22a近傍と比較して、極めて光強度の低い領域が存在しないように光源や光学系の配置をする必要がある。
第一実施形態においては、各半導体レーザ光源10は、同一平面上に配置されており、集光光学系12の入射面20上の光線束を、光軸15を中心に回転させて、同一の径方向30に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なるように配置されている。各コリメート光学系11も各半導体レーザ光源10に対応するように、同一平面上に配置されているが、半導体レーザ光源10もコリメート光学系11も、同一平面上に配置されていなくても構わない。
図3Aは、図1の集光光学系12を入射面20側からZ方向に向かって見たときの模式的な図面である。図3Bは、図3Aに示す集光光学系12の入射面20上の各光線束22を、仮想的に光軸15を中心に回転させて、同一の径方向30に向かって並べた状態を示す模式的な図面である。図3Bが示すように、同一の径方向30に向かって並べられた各光線束22は、隣接する光線束22の一部と重なっている。図3Bでは隣接する光線束22同士が重なっている領域がハッチングにて図示されている。
図3Bにおいては、集光光学系12の入射面20において、光軸15を中心として回転させて、同一の径方向30に向かってに並べたときの隣接する光線束22の一部が重なり合っている。図3Cは、図3Bに示す集光光学系12の入射面20上で隣接する一組の光線束22を、拡大して示す図面である。図3Cに示すように、隣接する光線束22が集光光学系12の入射面20上において重なり合う領域L1の面積をS1とし、集光光学系12の入射面20上における光線束22の照射領域L2の面積をS2とした場合に、S1/S2の値は20%以上70%以下が好ましく、30%以上50%以下がより好ましい。他の隣接する光線束22同士の重なり合いについても同様である。
従って、集光光学系12から出射された角度分布のムラが抑えられた光線束は、光導波路13の入射面14に入射され、光軸15を中心とした周方向の分布が均一化されて、出射面16から出射される。
さらに、図3Aに示す例では、集光光学系12を入射面20上の光線束22に関し、光軸15から同一の距離に配置されている光線束群の数は、光軸に近い光線束群から順番に、第一半径R1の第1光線束群に属する数が4、第二半径R2の第2光線束群に属する数が3、第三半径R3の第3光線束群に属する数が2、第四半径R4の第4光線束群に属する数が1となっている。
つまり、光軸15からの距離が同一の光線束群に属する数が、光軸15から離れるにつれて逓減している。従って、光導波路13の出射面16から出射される光は、出射角θ2が大きくなるほど光強度が逓減する角度分布を示す。これにより、図10に例示したように、光源装置を放電ランプとした場合の角度分布に近い角度分布を得ることができる。
第一実施形態では、第4光線束群までの構成としているが、光線束群は、光軸15に最も近い光線束から順番に、第1光線束群、第2光線束群、第3光線束群、・・・、第n光線束群、・・・と、任意の数だけ構成されていてもよい。さらに当該構成において、光軸15からの距離がn番目に近い第n光線束群を基準として、光線束群に属する光線束の数が、光軸15から離れるにつれて逓減するものであっても構わない。なお、上述のとおり、nは任意の自然数である。
[第二実施形態]
本発明の露光用光源装置の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
本発明の露光用光源装置の第二実施形態の構成につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
図4Aは、露光用光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示す図面である。図4Aに示す実施形態は、集光光学系12の入射面20に入射する光線束22は、Y方向において、光軸15よりも正方向側に入射する光線束22pと、負方向側に入射する光線束22mとに分けられる。光軸15とは非平行な方向に進行する光線束(22p,22m)は、ミラー40によって、光軸15に対して平行な方向に進行する光線束(22p,22m)に変換されて、集光光学系12の入射面20に入射される。
図4Aに示すように、第二実施形態では、光線束22pに係る半導体レーザ光源10pとコリメート光学系11pを、Y方向において光軸15に対して正方向、光線束22mに係る半導体レーザ光源10mとコリメート光学系11mを、Y方向において光軸15に対して負方向に、それぞれ対向する平面上に配置されているものとした。各半導体レーザ光源(10p,10m)と各コリメート光学系(11p,11m)は、それぞれ同一平面上に配置されていなくても構わない。
図4Bは、図4Aの集光光学系を入射面側からZ方向に向かって見たときの模式的な図面である。ミラー40によって光軸15に平行に進行する光となった光線束(22p,22m)は、集光光学系12の入射面20に入射する。図4Bに示すように、各光線束(22p,22m)は、集光光学系12の入射面20において、光軸15を中心に回転させて、同一の径方向30に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なるように配置されている。
また、第二実施形態においても、集光光学系12を入射面20上の光線束22に関し、光軸15から同一の距離に配置されている光線束群の数は、中心が光軸15にある光線束22が1、次に光軸に近い順番で、第一半径R1の第1光線束群に属する数が4、第二半径R2の第2光線束群に属する数が3、第三半径R3の第3光線束群に属する数が2、第四半径R4の第4光線束群に属する数が1となっている。
つまり、光軸15からの距離が同一の光線束群に属する数が、光軸15から離れるにつれて逓減している。従って、光導波路13の出射面16から出射される光は、出射角θ2が大きくなるほど光強度が逓減する角度分布を示す。これにより、図10に例示したように、光源装置を放電ランプとした場合の角度分布に近い角度分布を得ることができる。
上述したような、放電ランプを用いた光源装置から出射される光の角度分布に近い光を出射する露光用光源装置1は、以下のように、露光装置の光源として利用することができる。
図6は、露光装置70の構成を模式的に示す図面である。図6に示す露光装置70は、上述の第一実施形態の露光用光源装置1を備えているが、第二実施形態の露光用光源装置1を備えるものであっても構わない。そして、光導波路13の後段に、位置分布を均一化させるインテグレータ光学系71と投影光学系72及びマスク73を備え、必要に応じて投影レンズ74を備える。投影光学系72によって投影される位置にマスク73を設置し、マスク73の後段にマスク73のパターン像を焼き付ける対象となる感光性基板75を設置する。なお、インテグレータ光学系71には、例えばロッドインテグレータやフライアイレンズのような、入射した光の位置分布の均一性を向上させて出射する光学系が用いられる。
この状態で、光導波路13から光が出射されると、インテグレータ光学系71によって位置分布が均一化されて、投影光学系72に照射される。投影光学系72は、この光を、マスク73のパターン像を直接又は投影レンズ74を介して感光性基板75上に投影する。
露光装置70は、上記各実施形態で説明した露光用光源装置1を備えることで、半導体レーザ光源を用いて、放電ランプを用いた光源装置から出射される光の角度分布に近い光を露光することができる。
[別実施形態]
以下、別実施形態について説明する。
以下、別実施形態について説明する。
〈1〉 図5は、露光用光源装置の別実施形態の構成例を模式的に示す図面である。図5が示すように、集光光学系12の入射面20において、楕円形状を呈する光線束22の長軸22Lが、光軸15側を向く楕円形状を呈している。
このような構成によれば、上述のように、集光光学系12の入射面20において、それぞれの光線束22は、光軸15を中心に回転させたときに、径方向30に沿うように長軸22L方向が揃うため、隣接する光線束22同士が重なりやすく、短軸22S方向でそろえる場合に比較して、隣接する光線束22を離間させることができる。従って、図1に示すような、隣接する半導体レーザ光源10や、隣接するコリメート光学系11をより疎に配置することができる。半導体レーザ光源10やコリメート光学系11が疎に配置できれば、それぞれの配置の自由度が高くなり、より配線しやすい構成等を採用することができる。
〈2〉 図4Aに示すように、本発明の構成は集光光学系12の入射面20において、光軸15を中心に回転させて、同一の径方向30に向かって並べたときに、隣接する光線束22の一部が重なっており、光軸15からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸15からの距離が同一の光線束群に属する数が、光軸15から離れるにつれて逓減していればよく、半導体レーザ光源10とコリメート光学系11の配置は、上記実施形態には限られない。
例えば、露光用光源装置の一つの実施形態としては、半導体レーザ光源10から出射され、コリメート光学系11によって略平行光に変換された光線束22が入射する光ファイバを備えていてもよい。集光光学系12に入射した光線束22が、集光光学系12の入射面20上において、光軸15を中心に回転させて、同一の径方向30に向かって並べたときに、隣接する光線束22の一部が重なり、光軸15からの距離が同一の光線束群に属する数が、光軸15から離れるにつれて逓減するように、当該光ファイバの出射面が配置された構成であってもよい。
〈3〉 上記実施形態では、半導体レーザ光源10に含まれる半導体レーザチップは、図8を参照して説明した各半導体レーザチップ200と同様の、いわゆる「端面発光型」の構造である場合を想定して説明した。しかし、本発明は、各半導体レーザチップが、半導体層の積層方向に光が取り出される、いわゆる「面発光型」の構造であっても、同様に適用可能である。ただし、この場合には、集光光学系12の入射面20上に入射される光線束は、ほぼ真円形状を呈する。
1 : 光源装置
10,10p,10m : 半導体レーザ光源
11,11p,11m : コリメート光学系
12 : 集光光学系
13 : 光導波路
14 : 光導波路入射面
15 : 光軸
16 : 光導波路出射面
20 : 集光光学系入射面
21 : 光線束
22,22p,22m : 光線束
22a : 主光線
22L : 光線束の長軸
22S : 光線束の短軸
23 : 光線束
24 : 光線束
25 : 光線束
30 : 径方向
40 : ミラー
70 : 露光装置
71 : インテグレータ光学系
72 : 投影光学系
73 : マスク
74 : 投影レンズ
75 : 感光性基板
100 : 半導体レーザ光源
101 : コリメートレンズ
102 : 集光レンズ
103 : 集光レンズ入射面
104 : ロッドインテグレータ
105 : ロッドインテグレータ入射面
106 : ロッドインテグレータ出射面
110a,110b,110c : 主光線
111a,111b,111c : 主光線
121,121a,121b,121c : 光線束
122a,122b,122c : 光線束
123a,123b,123c : 光線束
130 : 領域
140 : 光軸
150 : 焦点位置
200 : 半導体レーザチップ
201 : エミッタ
θ1 : 入射角
θ2 : 出射角
α1,α2 : 入射角
R1 : 第一半径
R2 : 第二半径
R3 : 第三半径
R4 : 第四半径
L1 : 照射重複領域
L2 : 照射領域
S1,S2 : 面積
10,10p,10m : 半導体レーザ光源
11,11p,11m : コリメート光学系
12 : 集光光学系
13 : 光導波路
14 : 光導波路入射面
15 : 光軸
16 : 光導波路出射面
20 : 集光光学系入射面
21 : 光線束
22,22p,22m : 光線束
22a : 主光線
22L : 光線束の長軸
22S : 光線束の短軸
23 : 光線束
24 : 光線束
25 : 光線束
30 : 径方向
40 : ミラー
70 : 露光装置
71 : インテグレータ光学系
72 : 投影光学系
73 : マスク
74 : 投影レンズ
75 : 感光性基板
100 : 半導体レーザ光源
101 : コリメートレンズ
102 : 集光レンズ
103 : 集光レンズ入射面
104 : ロッドインテグレータ
105 : ロッドインテグレータ入射面
106 : ロッドインテグレータ出射面
110a,110b,110c : 主光線
111a,111b,111c : 主光線
121,121a,121b,121c : 光線束
122a,122b,122c : 光線束
123a,123b,123c : 光線束
130 : 領域
140 : 光軸
150 : 焦点位置
200 : 半導体レーザチップ
201 : エミッタ
θ1 : 入射角
θ2 : 出射角
α1,α2 : 入射角
R1 : 第一半径
R2 : 第二半径
R3 : 第三半径
R4 : 第四半径
L1 : 照射重複領域
L2 : 照射領域
S1,S2 : 面積
Claims (5)
- 複数の半導体レーザ光源と、
前記複数の半導体レーザ光源に対応して配置され、前記半導体レーザ光源から出射された光線束を、略平行の光線束に変換して出射する、複数のコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出射された光線束が入射される入射面を含み、前記コリメート光学系から出射された光線束を集光する集光光学系と、
前記集光光学系から出射された光線束が集光する位置に配置された、円形状の入射面を含む光導波路とを備え、
前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、仮想的に前記集光光学系の光軸を中心に回転させて、同一の径方向に向かって並べたときに、隣接する光線束の一部が重なっており、
前記複数の半導体レーザ光源は、前記集光光学系の入射面において、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離がn番目に近い第n光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されていることを特徴とする露光用光源装置。 - 前記複数の半導体レーザ光源は、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の露光用光源装置。
- 前記複数の半導体レーザ光源は、前記集光光学系の入射面において、前記集光光学系の光軸からの距離が同一である光線束群に属する光線束の数が、光軸からの距離が最も近い第1光線束群を基準として、光軸から離れるにつれて逓減するように配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の露光用光源装置。
- 前記集光光学系の入射面における、前記複数の半導体レーザ光源から出射されたそれぞれの光線束は、長軸方向が、前記集光光学系の光軸側を向く楕円形状を呈することを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の露光用光源装置。
- 前記光導波路から出射された光線束の位置分布を均一化して出射するインテグレータ光学系を備えることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の露光用光源装置。
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JP2003524195A (ja) * | 1999-03-12 | 2003-08-12 | コダック ポリクロム グラフィックス カンパニーリミテッド | 空間変調器のための照明システムおよび方法 |
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2019
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