(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のピーク波長で発光する光源と、
該光源からの光束を波長に応じて複数の単色光に分離する波長分離光学系と、
前記波長分離手段により分離されたそれぞれの光束に対応して設けられ、入射光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子と、前記回折分岐素子により分岐された光束をそれぞれ独立して変調するマルチチャンネル変調器とを備える複数の変調光学系と、
前記各変調光学系により変調された複数の光束を合成する合成光学系とを備え、描画面上にビームスポットを形成する多波長レーザー光学系であって、
前記各回折分岐素子の回折格子ピッチは、分岐された各波長の光束が前記描画面上で形成するスポット列のピッチが互いに等しくなるように、前記各変調光学系に入射するピーク波長に応じて互いに異なる値に設定されていることを特徴とする多波長レーザー光学系。
【請求項２】
複数のピーク波長で発光する光源と、
該光源からの光束を波長に応じて複数の単色光に分離する波長分離光学系と、
前記波長分離手段により分離されたそれぞれの光束に対応して設けられ、入射光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子と、前記回折分岐素子により分岐された光束をそれぞれ独立して変調するマルチチャンネル変調器とを備える複数の変調光学系と、
前記各変調光学系により変調された複数の光束を合成する合成光学系とを備え、描画面上にビームスポットを形成する多波長レーザー光学系であって、
前記各変調光学系に含まれるパワーを持つ光学系の焦点距離が、分岐された各波長の光束が前記描画面上で形成するスポット列のピッチが互いに等しくなるように、前記各変調光学系に入射するピーク波長に応じて互いに異なる値に設定されていることを特徴とする多波長レーザー光学系。
【請求項３】
前記合成光学系は、前記各変調光学系により変調された光束が描画面上でそれぞれ独立したビームスポットを形成するよう合成することを特徴とする請求項１または２に記載の多波長レーザー光学系。
【請求項４】
前記変調器は、入力される超音波のＯＮ−ＯＦＦにより回折を利用して光の方向を切り替え、回折光を変調光として取り出す音響光学変調器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多波長レーザー光学系。
【請求項５】
前記波長分離光学系は、前記光源からのレーザー光を２つの波長成分に分離し、前記変調光学系は、分離された光束に応じて一対設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多波長レーザー光学系。
【請求項６】
前記合成光学系は、偏光ビームスプリッターを含み、前記変調光学系の一方からの光束を前記偏光ビームスプリッターに対してＳ偏光で入射させ、前記変調光学系の他方からの光束を前記偏光ビームスプリッターに対してＰ偏光で入射させることを特徴とする請求項５に記載の多波長レーザー光学系。
【請求項７】
前記合成光学系により合成された複数の光束を偏向させる偏向器と、該偏向器により偏向された光束を前記描画面上に結像させる結像光学系とを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の多波長レーザー光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザーフォトプロッター等に利用される光学系であって、複数の波長で発光する光源を用いた多波長レーザー光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
比較的大きな光量が要求されるレーザーフォトプロッター等の露光装置では、光源としてガスレーザーが用いられる。ガスレーザーは、一般に複数のピーク波長で発振する。例えば、アルゴンレーザーは、可視域、紫外域で複数のピーク波長を持つ。この種の露光装置では、エネルギーを有効に利用して描画速度を向上させるために、複数のピーク波長のレーザー光を同時に使用したいという要請がある。
【０００３】
特に、プリント基板や半導体素子を製造するための露光装置では、複数の発光波長のビームを重ねて用いたいという要望が強い。これは、パターンの微細化に伴って光学系にも高い解像度が求められているためビームの波長は短いほど望ましいにもかかわらず、一般にガスレーザーの発振効率は紫外域では可視域より低くなる傾向にあるため、単波長では光量が不足しがちとなるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学系が色収差を持つ場合には、複数の波長の光束を入射させると、本来描画上で同一位置に形成されるべきスポットが波長によって異なる位置に形成され、描画性能を悪化させるという問題がある。特に、光学系に音響光学変調器（ＡＯＭ）や回折分岐素子等の回折成分が含まれる場合には、回折成分により発生する色収差が屈折レンズのそれと比較して大きいため、描画性能の劣化が著しい。このため、回折成分を含む光学系では、光源から発する複数のピーク波長のうちの一つしか使用し得ず、エネルギーの利用効率を高めることができなかった。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、回折分岐素子やＡＯＭが持つ波長依存性による悪影響を防ぐことができ、ビームに複数の互いに異なる波長成分が含まれる場合にも、描画面上でのビームスポットの位置ズレを防ぐことができる多波長レーザー光学系の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる多波長レーザー光学系は、上記の目的を達成させるため、光源から発する複数のピーク波長のレーザー光を波長分離光学系により波長毎に分割し、回折成分を含む複数の変調光学系によりそれぞれ変調し、変調された複数の光束を合成光学系により合成し、描画面上にビームスポットを形成するようにしたことを特徴とする。変調光学系は、波長分離手段により分離されたそれぞれの光束に対応して設けられ、入射光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子と、回折分岐素子により分岐された光束をそれぞれ独立して変調するマルチチャンネル変調器とを備えている。また、各回折分岐素子の回折格子ピッチは、各変調光学系に入射するピーク波長に応じて互いに異なる値に設定され、あるいは格子ピッチは一定とされ、含まれるパワーを持つ光学系(レンズまたはミラー)の焦点距離がピーク波長に応じて異なるよう設定される。
【０００７】
上記の構成によれば、回折成分を含む変調光学系には単一のピーク波長の光束が入射するため、各変調光学系を入射するピーク波長専用に設計することにより、回折成分の色収差による影響を除去することができる。また、回折分岐素子により分岐された各波長の光束が描画面上で形成するスポット列のピッチを互いに等しくすることができる。合成光学系は、分離された異なる波長の光束が描画面上で重なるように合成してもよいし、それぞれが独立したビームスポットを形成するように合成してもよい。
【０００８】
変調器としては、入力される超音波のＯＮ−ＯＦＦにより回折を利用して光の方向を切り替え、回折光を変調光として取り出す音響光学変調器を用いることができる。
【０００９】
また、描画面上で１つの波長のスポット列のスポットと、他の波長のスポット列のスポットとが交互に配列するようにすることが望ましい。
【００１０】
波長分離光学系は、光源からのレーザー光を２つの波長成分に分離することができる。この場合、変調光学系は、分離された光束に応じて一対設けられる。２つの波長成分を合成するには、偏光を用いることができる。すなわち、合成光学系に偏光ビームスプリッターを設け、一方の変調光学系からの光束をＳ偏光、他方の変調光学系からの光束をＰ偏光で入射させることにより、偏光を利用した光束の合成が可能となる。さらに、合成光学系により合成された複数の光束を偏向させる偏向器と、偏向器により偏向された光束を描画面上に結像させる結像光学系とを備えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる多波長レーザー光学系の実施形態を説明する。図１はこの発明の多波長レーザー光学系をマルチビームの走査光学系に適用した実施形態の概要を示す説明図、図２は図１をより具体化した光路図である。まず、図１に基づいて実施形態の概要を説明する。
【００１２】
実施形態の走査光学系は、図１に示すように、複数のピーク波長で発光するレーザー光源１０と、このレーザー光源１０からの光束を波長に応じて複数の単色光、この例では２つの波長成分に分離する波長分離光学系２０と、分離された光束に応じて設けられた第１，第２の変調光学系３０，４０と、各変調光学系３０，４０により変調された複数の光束を合成する合成光学系５０と、合成された複数の光束を偏向させる偏向器６０と、この偏向器６０により偏向された光束を描画面Ｓ上に結像させる結像光学系７０とから構成されている。
【００１３】
第１の変調光学系３０は、光束を複数に分割する回折分岐素子３１と、分割された光束をそれぞれ独立して変調するマルチチャンネル音響光学変調器（ＡＯＭ）３２とを備えている。第２の変調光学系４０は、同様に回折分岐素子４１と、マルチチャンネルＡＯＭ４２とを備えている。
【００１４】
回折分岐素子３１、４１は、透明基板のいずれか一方の表面に、多数の微細な帯状の基準位相パターンを有する回折格子を形成して構成され、入射光束を回折させることにより複数本に分岐してそれぞれ異なる角度で射出させる。ＡＯＭは、入力される超音波のＯＮ−ＯＦＦにより回折を利用して光の方向を切り替え、回折光、若しくは非回折光の一方を変調光として取り出す素子である。マルチチャンネルＡＯＭ３２，４２は、回折分岐素子３１，４１により分岐された複数の光束を入射させる複数のチャンネルを有し、各チャンネルを独立して制御することにより、各光束を独立して変調する。
【００１５】
レーザー光源１０から発したレーザー光は、波長分離光学系２０により２つの波長成分に分離され、それぞれ第１，第２の変調光学系３０，４０に入射する。各変調光学系は、それぞれ入射光束を複数に分割し、分割されたそれぞれの光束を変調する。変調された光束は、合成光学系５０に入射して合成され、偏向器６０、結像光学系７０を介して描画面上に複数のビームスポットを形成する。
【００１６】
図１の例では、各変調光学系に含まれる回折分岐素子が、回折を利用した光学素子であり、複数の波長が含まれると回折角度にズレが生じる。また、マルチチャンネルＡＯＭも、回折を利用した素子であり、回折光を描画光として用いる場合には、複数の波長が含まれると回折角度にずれが生じる。そこで、使用される２つの波長毎に独立の変調光学系を設け、回折角度のズレが生じないようにしている。
【００１７】
次に、図２に基づいて上記の走査光学系の具体的な構成を説明する。
レーザー光源１０は、例えばアルゴンレーザーであり、その複数のピーク波長のうち、第１の波長３６３．８ｎｍと第２の波長３５１．１ｎｍの２波長を利用する。レーザー光源１０から発してミラー１１で反射されたレーザー光は、波長分離光学系２０としての波長分離プリズム２１の分散を利用して空間的に分離される。波長の長い第１の波長の光束は、楔型の波長分離プリズム２１により所定の屈折角で屈折し、ミラー２２により反射されて第１の変調光学系３０に入射する。一方、波長の短い第２の波長の光束は、第１の波長の光束よりも小さい屈折角度で屈折し、ミラー２３により反射されて第２の変調光学系４０に入射する。
【００１８】
変調光学系３０，４０からの光束は、合成光学系５０としての偏光ビームスプリッター５１により合成され、偏向器６０を構成するポリゴンミラー６１により反射・偏向され、結像光学系７０としてのｆθレンズ７１により描画面Ｓ上を走査する複数のビームスポットを形成する。
【００１９】
第１の変調光学系３０は、光束が入射するミラー２２側から順に、一対の正レンズから構成される第１のリレーレンズ系３３、ポリゴンミラー６１の面倒れ誤差を補正するためのピエゾミラー３４、一対の正レンズから構成される第２のリレーレンズ系３５、回折分岐素子３１、集光レンズ３６、マルチチャンネルＡＯＭ３２、コリメートレンズ３７を備えている。
【００２０】
ミラー２２により反射されたレーザー光は、第１，第２のリレーレンズ系３３，３５によりその光束径が調整され、平行光として回折分岐素子３１に入射し、それぞれ異なる角度で射出する複数の光束に分割される。図２では、０次回折光（実線）と、１次回折光（破線）との２つの光束が示されるが、より多くの本数に分割することができる。分割された各光束は、集光レンズ３６により収束光となり、集光レンズ３６の後焦点位置に配置されたマルチチャンネルＡＯＭ３２に入射して変調される。
【００２１】
変調された発散光は、コリメートレンズ３７により再び平行光とされ、偏光ビームスプリッター５１に入射する。レーザー光源１０から第１の変調光学系３０までの光学素子は、第１の変調光学系３０を透過した光束がＰ偏光として偏光ビームスプリッター５１に入射するよう設定されている。このため、第１の変調光学系３０からの光束は、偏光ビームスプリッター５１を透過する。
【００２２】
第２の変調光学系４０は、第１の変調光学系３０におけるのと同様に、光束が入射するミラー２３側から順に、一対の正レンズから構成される第１のリレーレンズ系４３、ピエゾミラー４４、一対の正レンズから構成される第２のリレーレンズ系４５、回折分岐素子４１、集光レンズ４６、マルチチャンネルＡＯＭ４２、ミラー４７、コリメートレンズ４８、１／２波長板４９を備えている。
【００２３】
ミラー２３により反射されたレーザー光は、第１，第２のリレーレンズ系４３，４５によりその光束径が調整され、平行光として回折分岐素子４１に入射し、それぞれ異なる角度で射出する複数の光束に分割される。分割された各光束は、集光レンズ４６により収束光となり、集光レンズ４６の後焦点位置に配置されたマルチチャンネルＡＯＭ４２に入射して変調される。
【００２４】
変調された発散光は、コリメートレンズ４８により再び平行光とされ、１／２波長板４９を介して偏光ビームスプリッター５１にＳ偏光として入射する。このため、第２の変調光学系４０からの光束は、偏光ビームスプリッター５１により反射される。
偏光ビームスプリッター５１は、第１の変調光学系３０からの光束を透過させると共に、第２の変調光学系４０からの光束を反射させることにより両者を合成する機能を備え、合成された光束は、共にポリゴンミラー６１により反射されてｆθレンズ７１を介して描画面Ｓに達する。
【００２５】
なお、第１の変調光学系３０を経て描画面Ｓに至る第１の波長の光束は、所定のピッチで配列する複数のビームスポットを形成し、第２の変調光学系を経て描画面Ｓに至る第２の波長の光束も、所定のピッチで配列する複数のビームスポットを形成する。マルチチャンネルＡＯＭのチャンネル間距離を狭めることなく走査線のピッチを小さく、すなわち副走査方向の解像度を大きくするためには、各波長のビームスポットが交互に配列するようにすることが望ましく、かつ、これらを一直線上に配列するためには、各波長のビームスポットのピッチが、互いに等しいことが望ましい。そこで、各波長の光束により形成される描画面Ｓ上でのビームスポットのピッチを揃えるため、各変調光学系をそれぞれの使用波長に応じて設定する。
【００２６】
次に、第１，第２の波長により形成されるビームスポットの描画面Ｓ上でのピッチを揃えるための設定の具体例について説明する。描画面Ｓ上でのピッチを揃えるためには、描画面Ｓと光学的に共役な位置関係にあるマルチチャンネルＡＯＭ３２，４２上での集光点のピッチを揃えればよい。そのためには、回折分岐素子３１，４１の格子ピッチを波長に比例させるか、格子ピッチを変えずに集光レンズ３６，４６の焦点距離を波長に反比例させればよい。前者の設計例を表１に、後者の設計例を表２に示す。表中、λは波長、ｄｐは回折分岐素子上の回折格子の格子ピッチ、ｄａは回折分岐素子による分岐光の回折角度のピッチ、ｆｃは集光レンズの焦点距離、ｂｐはマルチチャンネルＡＯＭ上での集光点のピッチである。
【００２７】
【表１】
0003564004.tif 000002
【００２８】
【表２】
0003564004.tif 000003
【００２９】
上記のいずれかの設定により、マルチチャンネルＡＯＭ上での集光点のピッチを揃えることができ、これにより、描画面Ｓ上でのビームスポットのピッチを揃えることができる。また、マルチチャンネルＡＯＭの超音波入力時の回折光を描画光として利用する場合には、各波長の光束により形成されるビームスポットの相対位置を一定に保つため、マルチチャンネルＡＯＭの設定を波長に応じて変更することが望ましい。
【００３０】
ＡＯＭの回折角θ（ｒａｄ．）は、超音波の周波数をｆ（Ｈｚ）、超音波の伝搬速度をｖ（ｍ／ｓ）、入射する光の波長をλ（ｎｍ）とすると、
θ＝λ・ｆ／ｖ
により決定される。このため、各変調光学系で同一仕様のＡＯＭを利用すると、描画面Ｓに対する入射角度がそれぞれ異なることになる。ＡＯＭと描画面Ｓとは共役な位置関係にあるため、通常は入射角度が異なっても、両波長のビームスポットの位置ズレは生じない。しかしながら、ｆθレンズ７１の像面湾曲や描画面のうねり等により共役関係が崩れた場合には、スポットの相対位置がずれる可能性がある。そこで、回折角θを一定に保つため、超音波の周波数ｆを波長に反比例するように定めればよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、回折分岐素子やＡＯＭが持つ波長依存性による悪影響を防ぐことができ、ビームに複数の互いに異なる波長成分が含まれる場合にも、描画面上でのビームスポットの位置ズレを防ぐことができ、その結果、レーザー光源から発する複数のピーク波長の光束を利用することができ、エネルギーの利用効率を高めることができる。また、各回折分岐素子の回折格子ピッチを、各変調光学系に入射するピーク波長に応じて互いに異なる値に設定し、あるいは格子ピッチを一定として、含まれるパワーを持つ光学系(レンズまたはミラー)の焦点距離をピーク波長に応じて異なるよう設定することにより、回折分岐素子により分岐された各波長の光束が描画面上で形成するスポット列のピッチを互いに等しくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の多波長レーザー変調光学系が適用された走査光学系の概念図。
【図２】図１の走査光学系の具体例を示す光路図。
【符号の説明】
１０  レーザー光源
２１  波長分離プリズム
３０  第１の変調光学系
４０  第２の変調光学系
３１，４１  回折分岐素子
３２，４２  マルチチャンネルＡＯＭ
５１  偏光ビームスプリッター
６１  ポリゴンミラー
７１  ｆθレンズ
Ｓ  描画面
【図１】
0003564004.tif 000004
【図２】
0003564004.tif 000005