(57)【要約】      （修正有）【課題】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。【解決手段】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２２を集光する集光光学系１２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２０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２２は、仮想的に集光光学系の光軸１５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る。【選択図】図３Ｂ
2020091402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７２７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【発明の効果】
【００４２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】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。
【図２Ａ】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。
【図２Ｂ】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。
【図２Ｃ】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３Ａ】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３Ｂ】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３Ｃ】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。
【図４Ａ】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４Ｂ】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。
【図５】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６】露光装置の構成を模式的に示す図面である。
【図７Ａ】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７Ｂ】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
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。
【００４５】
［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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
［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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。
【００７５】
〈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。
【００７６】
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。
【００７７】
〈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。
【００７８】
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。
【００７９】
〈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。
【符号の説明】
【００８０】
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
【図１】
2020091402.tif 000003
【図２Ａ】
2020091402.tif 000004
【図２Ｂ】
2020091402.tif 000005
【図２Ｃ】
2020091402.tif 000006
【図３Ａ】
2020091402.tif 000007
【図３Ｂ】
2020091402.tif 000008
【図３Ｃ】
2020091402.tif 000009
【図４Ａ】
2020091402.tif 000010
【図４Ｂ】
2020091402.tif 000011
【図５】
2020091402.tif 000012
【図６】
2020091402.tif 000013
【図７Ａ】
2020091402.tif 000014
【図７Ｂ】
2020091402.tif 000015
【図８】
2020091402.tif 000016
【図９】
2020091402.tif 000017
【図１０】
2020091402.tif 000018