WO2020116081A1 - 露光用光源装置 - Google Patents

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WO2020116081A1
WO2020116081A1 PCT/JP2019/043595 JP2019043595W WO2020116081A1 WO 2020116081 A1 WO2020116081 A1 WO 2020116081A1 JP 2019043595 W JP2019043595 W JP 2019043595W WO 2020116081 A1 WO2020116081 A1 WO 2020116081A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
optical system
semiconductor laser
light source
source device
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/043595
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English (en)
French (fr)
Inventor
三浦　雄一
林　賢志
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
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Publication date
Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • 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

露光用光源装置
　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。
特開２００１－２７２７９１号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
露光用光源装置の一実施形態の構成例を模式的に示す図面である。 ＹＺ平面視において、光導波路内を進行する光を模式的に示した図面である。 ＸＹ平面視において、光導波路内を進行する光を模式的に示した図面である。 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。 図１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。 図３Ａに示す集光光学系の入射面上の各光線束を、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状態を示す模式的な図面である。 図３Ｂに示す集光光学系の入射面上で隣接する一組の光線束を、拡大して示す図面である。 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。 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。 露光装置の構成を模式的に示す図面である。 半導体レーザ光源とコリメートレンズと集光レンズ及びロッドインテグレータで構成された、露光用光源装置を模式的に示した図面である。 図７Ａの集光レンズを入射面側からＺ方向に向かって見たときの模式的な図面である。 半導体レーザチップの構造を模式的に示す斜視図である。 放電ランプを用いた光源装置の構成例を模式的に示す図面である。 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を模式的に示すグラフである。
　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。
　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。
　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。
　〈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
 

Claims (5)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
JP2003345030A (ja) * 2002-05-23 2003-12-03 Fuji Photo Film Co Ltd 露光装置
JP2008501144A (ja) * 2004-06-01 2008-01-17 トルンプ フォトニクス，インコーポレイテッド 光ファイバへの２次元のレーザアレイスタックの出力の最適な整合
JP2009520353A (ja) * 2005-12-15 2009-05-21 マインド メルターズ， インコーポレーテッド レーザダイオードアレーから強力レーザ光を発生するシステムおよび方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
JP2003345030A (ja) * 2002-05-23 2003-12-03 Fuji Photo Film Co Ltd 露光装置
JP2008501144A (ja) * 2004-06-01 2008-01-17 トルンプ フォトニクス，インコーポレイテッド 光ファイバへの２次元のレーザアレイスタックの出力の最適な整合
JP2009520353A (ja) * 2005-12-15 2009-05-21 マインド メルターズ， インコーポレーテッド レーザダイオードアレーから強力レーザ光を発生するシステムおよび方法

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