(57)【要約】【課題】高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能が高く、かつ高速な変調が可能な光変調デバイスおよび当該光変調デバイスを用いた露光装置を提供する。【解決手段】両端面１１ａ、１１ｂを露出させたまま電気光学結晶層１１の周囲が結晶部１４（電気光学結晶層１２、１３）で取り囲まれて四角柱形状の外観を有する電気光学結晶基板１５が形成されている。また、電気光学結晶基板１５の上面および下面に電極１６ａ、１６ｂがそれぞれ形成される。電極１６ａ、１６ｂは電位付与部１７と電気的に接続されており、電位付与部１７から電極１６ａ、１６ｂに正電位および負電位を与えると、電気光学結晶層１１および結晶部１４の屈折率がそれぞれ増加および減少して入射光Ｌinを電気光学結晶層１１に封じ込めて伝搬する。逆電位を付与すると、入射光Ｌinが結晶部１４に吸い込まれるように広がる。【選択図】図１
2011197554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方端面から内部に入射される光を第１方向に導光して他方端面から出射させる第１電気光学結晶層を、前記第１電気光学結晶層と異なる結晶軸方位を有する第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層で前記第１方向に対して直交する第２方向から挟み込むように構成される電気光学結晶基板と、
前記第２電気光学結晶層の表面に設けられる第１電極と、
前記第３電気光学結晶層の表面に設けられる第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とに付与する電位を制御して前記入射光に対する前記第１電気光学結晶層、前記第２電気光学結晶層および前記第３電気光学結晶層の屈折率を変化させて前記他方端面から出射される光の強度を変化させる電位付与部と
を備えることを特徴とする光変調デバイス。
【請求項２】
前記第２電気光学結晶層および前記第３電気光学結晶層は一体的に形成されて結晶部を構成し、前記第１方向に対する断面において前記結晶部で前記第１電気光学結晶層を取り囲む請求項１に記載の光変調デバイス。
【請求項３】
前記第２電気光学結晶層および前記第３電気光学結晶層は前記第２方向において互いに離間して形成される請求項１に記載の光変調デバイス。
【請求項４】
前記第１電気光学結晶層の結晶軸方位と、前記第２電気光学結晶層および前記第３電気光学結晶層の結晶軸方位とは、互いに１８０゜ずれている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光変調デバイス。
【請求項５】
前記第１電気光学結晶層の結晶軸方位と、前記第２電気光学結晶層および前記第３電気光学結晶層の結晶軸方位とは、前記第２方向に平行な方位である請求項４に記載の光変調デバイス。
【請求項６】
前記第１電気光学結晶層、前記第２電気光学結晶層および前記第３電気光学結晶層は同一種類の結晶である請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光変調デバイス。
【請求項７】
前記第１方向における前記第１電気光学結晶層の長さは１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、前記第２方向における前記第１電気光学結晶層の厚みは５μｍ以上１００μｍ以下である請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光変調デバイス。
【請求項８】
前記第２電気光学結晶層は前記第２方向と直交する第１表面を有するとともに、前記第３電気光学結晶層は前記第２方向と直交する第２表面を有し、
前記第１電極が前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向において互いに離間して前記第１表面上にｎ（ｎ≧２）個設けられるとともに、前記第２電極が前記第３方向において互いに離間して前記第２表面上にｎ個設けられて、前記第１電気光学結晶層を挟んで互いに対向する前記第１電極と前記第２電極とにより構成される電極対がｎ組設けられ、
前記電位付与部は前記ｎ組の電極対に対して付与する電位を独立して制御する請求項１ないし７のいずれか一項に記載の光変調デバイス。
【請求項９】
前記ｎ個の第１電極および前記ｎ個の第２電極は前記第１方向と平行に延設されている請求項８に記載の光変調デバイス。
【請求項１０】
被露光面に光を照射して露光する露光装置であって、
請求項１ないし９のいずれか一項に記載の光変調デバイスと、
前記第１電気光学結晶層の一方端面に光を入射させる光源部と、
前記光変調デバイスにより変調されて前記第１電気光学結晶層の他方端面から出射される変調光を前記被露光面に導く光学系と
を備えたことを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気光学結晶を用いた光変調デバイスおよび当該光変調デバイスを装備する露光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気光学結晶を用いた光変調デバイスとして、例えばMach-Zehnder型の光変調デバイスが広く知られている。この光変調デバイスは、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）等の電界により屈折率が変化する電気光学結晶に対して分岐する２つの光導波路を形成したものであり、これらの光導波路に電圧を加えることにより光変調を行うものである。つまり、電圧印加により光導波路中の光の位相を変化させることで相対的に位相差を設け、各光導波路を伝搬してきた光を合成する際の干渉を利用しており、同位相の場合にＯＮ状態となり、逆位相の場合にＯＦＦ状態となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】社団法人応用物理学会編「応用物理ハンドブック」丸善株式会社、平成２年３月３０日、ｐ．１０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように構成された光変調デバイスでは、光導波路の分岐や合成の際に発生する光損失を抑制すべく、光導波路の急な屈曲を避けて比較的緩やかに光導波路を曲げている。このため、光導波路を光が進む光伝搬方向において光変調デバイスを長く設計する必要があり、光伝搬方向でのデバイスの長さが５センチを超えることも珍しくない。また、各光導波路を伝搬する光が互いに影響し合わないようにするには、光伝搬方向に直交する幅方向において光導波路同士を十分に離間する必要があり、このことが光導波路同士の配置密度を高める上で大きな障害となっている。そして、一般に光導波路の幅は数ミクロン程度であり、プロトン交換やチタン拡散などの方法で形成される。その結果、光導波路を構成する光学部材の屈折率が比較的高くなり、光導波路に光を封じ込める力が高くなる。そこで、多モード化を避けるため、つまり光導波路をシングルモード導波路にするために、幅方向における光導波路の幅は数ミクロン程度に狭く設計されている。このことが幸いして光分岐や光合成などを行う屈曲部においても、光損失を少なくし上手く光を導波することができる。しかしながら、その一方で、このような技術背景から光導波路の幅を狭くせざるを得なくなったことで光導波路内のパワー密度が上がり、耐パワー限界や短波長光などでは光損傷などの問題が生じている。
【０００５】
この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能が高く、かつ高速な変調が可能な光変調デバイスおよび当該光変調デバイスを用いた露光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】
【０００６】
この発明にかかる光変調デバイスは、上記目的を達成するため、一方端面から内部に入射される光を第１方向に導光して他方端面から出射させる第１電気光学結晶層を、第１電気光学結晶層と異なる結晶軸方位を有する第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層で第１方向に対して直交する第２方向から挟み込むように構成される電気光学結晶基板と、第２電気光学結晶層の表面に設けられる第１電極と、第３電気光学結晶層の表面に設けられる第２電極と、第１電極と第２電極とに付与する電位を制御して入射光に対する第１電気光学結晶層、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層の屈折率を変化させて他方端面から出射される光の強度を変化させる電位付与部とを備えることを特徴としている。
【０００７】
この発明にかかる露光装置は、上記目的を達成するため、上記のように構成される光変調デバイスと、第１電気光学結晶層の一方端面に光を入射させる光源部と、光変調デバイスにより変調されて第１電気光学結晶層の他方端面から出射される変調光を被露光面に導く光学系とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
このように構成された発明（光変調デバイスおよび露光装置）では、第１電気光学結晶層を、第１電気光学結晶層と異なる結晶軸方位を有する第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層で挟み込んで電気光学結晶基板が構成されている。また、第２電気光学結晶層の表面に対して第１電極が設けられるとともに、第３電気光学結晶層の表面に対して第２電極が設けられ、これらの電極に電位付与部から電位が与えられる。そして、第１電極および第２電極の間での電位差を制御することで第１電極および第２電極の間で発生する電界の向きや大きさを変化させることができる。一方、電気光学結晶基板内では、第１電気光学結晶層に入射される光に対する第１電気光学結晶層、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層の屈折率がそれぞれ電界に応じた値となる。このように第１電極および第２電極への電位付与を制御することで電気光学結晶基板内での屈折率の分布状態を制御することが可能となっており、その屈折率の分布状態により第１電気光学結晶層で導光されて他方端面から出射される光の強度が変化する。すなわち、第１電極および第２電極の電位を制御することによって光変調を行うことが可能となっている。
【０００９】
ここで、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層は一体的に形成されて結晶部を構成し、第１方向に対する断面において結晶部が第１電気光学結晶層を取り囲むに構成してもよい。この場合、電位制御によって第１電気光学結晶層がコアであり、結晶部がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板を作用させて第１電気光学結晶層に入射された光を第１電気光学結晶層の内部に閉じ込めながら第１方向に伝搬することが可能となる。
【００１０】
また、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層を第２方向において互いに離間して形成する、つまり電気光学結晶基板が第２方向において（第２電気光学結晶層−第１電気光学結晶層−第３電気光学結晶層）の３層構造を有するように構成してもよい。
【００１１】
また、第１電気光学結晶層の結晶軸方位と、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層の結晶軸方位とは、互いに異なっておればよいが、特に互いに１８０゜ずれるように構成するのが望ましい。また、第１電気光学結晶層の結晶軸方位と、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層の結晶軸方位とが、第２方向に平行な方位となるように構成するのが望ましい。また、第１電気光学結晶層、第２電気光学結晶層および第３電気光学結晶層を同一種類の結晶で構成してもよく、この場合、第１電極および第２電極に同電位を付与すると、電気光学結晶基板が全体として同一の結晶で形成されるのと等価となる。
【００１２】
また、第１方向における第１電気光学結晶層の長さについては１ｍｍ以上５０ｍｍ以下にするのが好ましく、第２方向における第１電気光学結晶層の厚みについては５μｍ以上１００μｍ以下にするのが好ましい。
【００１３】
さらに、第１電極および第２電極の個数は「１」に限定されるものではなく、複数個設けてもよく、これによって多チャンネルの光変調デバイスが得られる。すなわち、第１電極を第１方向および第２方向に直交する第３方向において互いに離間して第２電気光学結晶層の第１表面上にｎ（ｎ≧２）個設けるとともに、第２電極を第３方向において互いに離間して第３電気光学結晶層の第２表面上にｎ個設けて、第１電気光学結晶層を挟んで互いに対向する第１電極と第２電極とにより構成される電極対をｎ組設けてもよい。そして、ｎ組の電極対に対して付与する電位を独立して制御することで各電極対で光変調を独立して行うことができる。なお、この場合、第１電極および第２電極を第１方向と平行に延設することで各電極対での光変調を安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、第１電極および第２電極に付与する電位を制御することによって電気光学結晶基板内での屈折率の分布状態を制御して第１電気光学結晶層に入射される光を変調しているので、高速な光変調が可能となっている。また、電位差を与えて電気光学結晶基板内の屈折率を変化させる場合、その屈折率の変化は僅かであるため、入射光の伝搬方向（第１方向）に対する第１電気光学結晶層の断面積を比較的広く設定することができ、高いパワーの光や短波長光を第１電気光学結晶層に入射したとしても、光損傷などの不具合を発生させることなく、光変調することができる。つまり、高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる光変調デバイスの第１実施形態を示す図である。
【図２】図１の光変調デバイスの構成および動作を模式的に示す図である。
【図３】ＯＮ状態でのＢＰＭ法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図４】中間状態でのＢＰＭ法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図５】ＯＦＦ状態でのＢＰＭ法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる光変調デバイスの第２実施形態を示す図である。
【図７】本発明にかかる光変調デバイスの第３実施形態を示す図である。
【図８】本発明にかかる光変調デバイスの第４実施形態を示す図である。
【図９】本発明にかかる光変調デバイスの第５実施形態を示す図である。
【図１０】本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の一実施形態を示す図である。
【図１１】本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の他の実施形態を示す図である。
【図１２】図１１に示す露光装置の本体部を示す斜視図である。
【図１３】図１１の露光装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図１４】光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図である。
【図１５】スリット板の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜光変調デバイスの第１実施形態＞
図１は本発明にかかる光変調デバイスの第１実施形態を示す図であり、同図（ａ）は光変調デバイスの斜視図であり、同図（ｂ）〜（ｄ）は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。また、図２は図１の光変調デバイスの構成および動作を模式的に示す図である。この光変調デバイス１Ａは、Ｚ方向に延設された四角柱形状の一軸性電気光学結晶層１１を有している。この電気光学結晶層１１の両端面１１ａ、１１ｂは矩形形状を有しており、一方端面１１ａを介して光Ｌinが電気光学結晶層１１の内部に入射されると、方向Ｚに導光されて他方端面１１ｂから出射させられる。この電気光学結晶層１１としては、例えばＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）やＬＴ（ＬｉＴａＯ３）などの一軸性電気光学結晶を用いることができる。
【００１７】
また、光伝搬方向Ｚに対して直交する上下方向Ｙから電気光学結晶層１１を挟み込むように、電気光学結晶層１１と同一材料で構成される電気光学結晶層１２、１３が配置されるとともに、これら電気光学結晶層１２、１３が一体化されて結晶部１４が構成されている。すなわち、両端面１１ａ、１１ｂを露出させたまま電気光学結晶層１１の周囲が結晶部１４（電気光学結晶層１２、１３）で取り囲まれて四角柱形状の外観を有する電気光学結晶基板１５が形成されている。
【００１８】
また、本実施形態では、後述するように電気光学係数の最も大きなｒ33を用いる向きで使用するため、電気光学結晶層１１の結晶軸方位（結晶のＣ軸方位とも言う）は図１の端面１１ａ中の矢印で示すように上向きになっている。一方、結晶部１４は電気光学結晶層１１の結晶軸方位と異なる方位を有しており、特に本実施形態では結晶部１４の結晶軸方位を電気光学結晶層１１の結晶軸方位から１８０゜ずれた向き、つまり電気光学結晶層１１と反対の下向きとなっている。このように結晶部１４中の矢印は分極の向きを示している（この点については、後で説明する図面においても同様である）。
【００１９】
このように構成された電気光学結晶基板１５の上面（電気光学結晶層１２の上面）はＸＺ平面に平行な水平面に仕上げられており、この上面全体に第１電極１６ａが形成される。また、電気光学結晶基板１５の下面（電気光学結晶層１２の下面）もＸＺ平面に平行な水平面に仕上げられている。そして、電気光学結晶基板１５の下面全体に第２電極１６ｂが形成されており、これら２つの電極１６ａ、１６ｂで電気光学結晶基板１５が上下方向Ｙから挟み込まれている。また、電極１６ａ、１６ｂは電位付与部１７と電気的に接続されており、電位付与部１７は電極１６ａ、１６ｂに与える電位を任意に制御可能となっている。そして、電極１６ａ、１６ｂの間で電位差を与えることで電気光学結晶層１１および結晶部１４の結晶軸方位と平行な方向、つまり上下方向Ｙに電界が発生する。したがって、第１電極１６ａおよび第２電極１６ｂの間での電位差を制御することで、電界の向きや大きさを変化させることができ、次に説明するように、電気光学結晶基板１５内での屈折率の分布状態を制御することが可能となっており、その屈折率の分布状態に応じて第１電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度が変化する。
【００２０】
図１（ｃ）および図２（ｂ）に示すように電極１６ａ、１６ｂに対して同電位を与えて電位差をゼロに設定した場合、電気光学結晶基板１５全体は、入射光Ｌinに対する屈折率が「ｎ」の一様な結晶と等価である。したがって、結晶軸の方向に偏光した異常光線のシングルモード光（ガウス分布を有する光）Ｌinを電気光学結晶層１１の一方端面１１ａを介して電気光学結晶層１１に入射すると、この光Ｌinは一様な結晶中を伝搬するのと同様に末広がり状に広がりながら電気光学結晶基板１５の内部を光伝搬方向Ｚにシングルモードで伝搬する。よって、光伝搬方向Ｚにおける電気光学結晶基板１５の長さが長くなるにしたがって電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は徐々に低下する。なお、このように電位差をゼロに設定して比較的低い光強度の光Ｌoutを出射させる状態を「中間状態」という。また、以下の説明において、特に言及しない限り「屈折率」とは、入射光Ｌinに対する屈折率を意味する。
【００２１】
また、図１（ｂ）および図２（ａ）に示すように、電気光学結晶層１１の結晶軸方位側、つまり上側の電極１６ａの電位が下側の電極１６ｂの電位よりも高くなるように電圧を印加すると、上から下を向いた電界が電気光学結晶基板１５内に発生して電気光学結晶層１１の屈折率はΔｎｅだけ増加し、（ｎ＋Δｎｅ）となる一方、結晶部１４（電気光学結晶層１２、１３）の屈折率はΔｎｅだけ減少し、（ｎ−Δｎｅ）となる。このため、電気光学結晶層１１がコアであり、光伝搬方向Ｚと直交する断面において電気光学結晶層１１を取り囲む結晶部１４がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板１５は作用して光Ｌinを電気光学結晶層１１に閉じ込めながら光伝搬方向Ｚにシングルモードで伝搬する。したがって、電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は中間状態（図１（ｂ）や図２（ｂ）の状態）に比べて高くなっている。なお、このように電圧を印加して電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから比較的高い光強度の光Ｌoutを出射させる状態を「ＯＮ状態」という。
【００２２】
また、ＯＮ状態とは真逆の電圧を印加する、つまり図１（ｄ）および図２（ｃ）に示すように、電気光学結晶層１１の結晶軸方位側、つまり上側の電極１６ａの電位が下側の電極１６ｂの電位よりも低くなるように電圧を印加すると、下から上を向いた電界が電気光学結晶基板１５内に発生して電気光学結晶層１１の屈折率はΔｎｅだけ減少し、（ｎ−Δｎｅ）となる一方、結晶部１４（電気光学結晶層１２、１３）の屈折率はΔｎｅだけ高くなり、（ｎ＋Δｎｅ）となる。このように結晶部１４の屈折率が中央部の電気光学結晶層１１よりも上がっているため、電気光学結晶層１１に入射した光Ｌinは積極的に結晶部１４に吸い込まれるように広がっていく。よって、光伝搬方向Ｚにおける電気光学結晶基板１５の長さが長くなるにしたがって電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は極端に低下し、中間状態よりも光強度は更に低く、ゼロに近くなる。なお、このように電圧を印加して電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度がほぼゼロに近い状態を「ＯＦＦ状態」という。
【００２３】
以上のように、第１実施形態にかかる光変調デバイス１Ａによれば、電位付与部１７から電極１６ａ、１６ｂに与える電位を制御することで電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度を良好に変調することができ、高速な光変調が可能となっている。ここで、上記のように構成された光変調デバイス１Ａの変調性能を検証するため、以下の条件
・電気光学結晶層１１〜１３：ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）
・電気光学結晶層１１の端面１１ａ、１１ｂ：３０μｍ角
・結晶部１４の厚み：１５μｍ
・Ｚ方向の長さ：２０ｍｍ
・電気光学結晶層１１の結晶軸（Ｃ軸）方位：上向き（第１電極１６ａ側）
・結晶部１４の結晶軸（Ｃ軸）方位：下向き（第２電極１６ｂ側）
・入射光Ｌinの波長λ：６３３ナノメートル（ｎｍ）
・ＯＮ状態での電位付与：上から下向きに１０Ｖ
・中間状態での電位付与：電位差０Ｖ
・ＯＦＦ状態での電位付与：下から上向きに１０Ｖ
で光のピークの１／ｅ径で３０μｍの結晶軸の方向に偏光した異常光線のガウスビームを電気光学結晶層１１に入射させたときの様子を２次元のＢＰＭ(Beam Propagation Method)法によりシミュレーションした。
【００２４】
図３はＯＮ状態でのＢＰＭ法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。このＯＮ状態では、図１（ｂ）および図２（ａ）に示すように、電気光学結晶層１１の屈折率はΔｎｅだけ増加し、（ｎ＋Δｎｅ）となる一方、結晶部１４（電気光学結晶層１２、１３）の屈折率はΔｎｅだけ減少し、（ｎ−Δｎｅ）となり、電気光学結晶層１１がコアであるとともに結晶部１４がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板１５は作用する。そして、シミュレーション結果からわかるように、光損失を抑制しながら電気光学結晶層１１から光Ｌoutが出射することができる。
【００２５】
図４は中間状態でのＢＰＭ法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。この中間状態では、図１（ｃ）および図２（ｂ）に示すように、電気光学結晶基板１５全体が一様な屈折率をもつ結晶と同じになる。そして、シミュレーション結果からわかるように、入射光は一様な結晶中を伝搬するのと同様に末広がり状に広がりながら電気光学結晶基板１５の内部を光伝搬方向Ｚにシングルモードで伝搬し、電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度はゼロにまで減少していないが、ＯＮ状態に比べて大幅に低減されている。
【００２６】
図５はＯＦＦ状態でのＢＰＭ法によるシミュレーションの結果を示すグラフである。このＯＦＦ状態では、図１（ｄ）および図２（ｃ）に示すように、結晶部１４の屈折率が中央部の電気光学結晶層１１よりも上がっている。そして、シミュレーション結果からわかるように、入射光は結晶部１４に積極的に導光されて電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は中間状態よりもさらに減少し、ゼロに近い値となっている。
【００２７】
このように本実施形態にかかる光変調デバイス１Ａによれば、優れた変調性能で３段階の光変調を行うことができる。もちろん、変調の段数は「３」に限定されるものではなく、第１電極１６ａおよび第２電極１６ｂに付与する電位を２段階に切り替えてＯＮ／ＯＦＦ制御したり、逆に電位の切替段数を増やすことで階調変調を行うことも可能である。すなわち、屈折率の変化量の絶対値Δｎｅは次式で示すように電極１６ａ、１６ｂの間で発生する電界に応じて変化する。また、符号は結晶軸方位と電界方位により決まり、同じ場合は（−）マイナスで減少、逆の場合は（＋）プラスで増加となる。なお、同式中の符号Γは電界低減係数である。
【数１】
2011197554.tif 000003
【００２８】
このように電界発生を制御することで屈折率の変化量Δｎｅを異ならせて光Ｌを変調することができるが、電界は次式に示すように方向Ｙにおける電極１６ａ、１６ｂのギャップｇ（図１（ｃ）参照）と電極１６ａ、１６ｂの電位差ｖで決まる。
【数２】
2011197554.tif 000004
【００２９】
したがって、上記数２を数１に代入することで次式が得られる。そして、次式から明らかなように電位差ｖを制御することで屈折率の変化量Δｎｅを制御可能であることがわかる。
【数３】
2011197554.tif 000005
【００３０】
例えば電気光学結晶層１１〜１３をいずれもＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）で構成する。また、電気光学結晶層１１の一方端面１１ａおよび他方端面１１ｂを３０μｍ角に設定し、結晶部１４の厚みを１５μｍに設定すると、方向Ｙにおける電極１６ａ、１６ｂのギャップｇは６０μｍとなる。そして、波長λが６３３ｎｍで結晶軸の方向に偏光した異常光線の光Ｌinを電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射するとともに、電圧ｖ＝１０Ｖで第１電極１６ａおよび第２電極１６ｂに電位を付与した場合、数３に基づき計算すると、屈折率の変化量Δｎｅは約２．７３×１０−５となる。なお、ここでは、電界低減係数Γが１であると仮定して計算している。
【００３１】
また、図１に示す構成の光変調デバイス１Ａでは、屈折率差は中央部と周辺部で互いに逆向きに変化するので、デバイス全体の屈折率差は、２×Δｎｅ≒５．４６×１０−５となり、光ファイバーなどの通常の光導波路に比べて非常に小さい。したがって、図１（ｂ）および図２（ａ）に示すようにＯＮ状態で使用する場合、電気光学結晶層１１がコアであり、結晶部１４がクラッドに相当する光導波路のように、電気光学結晶基板１５は作用するが、電気光学結晶層（コア部分）１１に光Ｌinを封じ込める力は非常に弱い。したがって、電気光学結晶層１１で基本モード光、つまりガウス分布を有する光を通そうとすると、例えば薮哲郎著「光導波路解析入門」森北出版、２００７年１０月５日発行、ｐ．４３〜４６などに記載されているモード伝搬の理論に基づけば数十μｍの導波路が必要となり、光ファイバーや集積光回路の光導波路と比較して十分に太い入射断面および出射断面が必要となる。このように電気光学結晶層１１の端面１１ａ、１１ｂを広げることは、電気光学結晶層１１内での光エネルギー密度を低減させることに直結し、高エネルギー光を伝搬する場合や光損傷を低減させるのに好適である。つまり、本実施形態によれば、入射光Ｌinの伝搬方向（第１方向）Ｚに対する電気光学結晶層１１の断面積を比較的広く設定することができ、高いパワーの光や短波長光を電気光学結晶層１１に入射したとしても、光損傷などの不具合を発生させることなく、光変調することができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、電気光学結晶基板１５の上面（電気光学結晶層１２の上面）全体および下面（電気光学結晶層１２の下面）全体に対して電極１６ａ、１６ｂがそれぞれ形成されている。このため、電極１６ａ、１６ｂの間で発生する電界と、入射光Ｌinとの相互作用範囲が広がり、低電圧で光変調を行うことができる。
【００３３】
また、電気光学結晶層１１と結晶部１４（電気光学結晶層１２、１３）とを同一材料で構成しているため、電極１６ａ、１６ｂの電位差をゼロにしたときに光Ｌinを電気光学結晶層１１に封じ込める力がなくなり、光変調を良好に行うことができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、本発明の「第１方向」に相当する光伝搬方向Ｚにおける第１電気光学結晶層１１の長さを２０ｍｍに設定した光変調デバイス１Ａが優れた光変調性能を発揮することを説明したが、光伝搬方向Ｚにおける第１電気光学結晶層１１の長さについては１ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定するのが望ましい。それは次の理由からである。この長さは光と電界（Ｅ）との相互作用距離に相当するため、長くすることで駆動電圧を下げることができ、高速変調を図ることができる。また、ＯＦＦ状態では上記したように第１電気光学結晶層１１から結晶部１４に光が逃げることで第１電気光学結晶層１１から出射する光Ｌoutの強度低下を図っているため、長くすることで消光比を高めることができる。このような理由から低電圧で光変調を行うためには、光伝搬方向Ｚにおける第１電気光学結晶層１１の長さを２０ｍｍに最低限１ｍｍ以上に設定する必要がある。また、第１電気光学結晶層１１をＺ方向に長くするにしたがって電圧低下や消光比は向上するが、電気光学結晶を切り出すインゴット（ウエハ）の製造限界、従来の光変調デバイスよりも小型化したいという要望、光減衰による光強度の低下などの観点からは、５０ｍｍ以下にするのが望ましい。
【００３５】
さら、第１実施形態では、本発明の「第２方向」に相当する上下方向Ｙにおける第１電気光学結晶層１１の厚みを３０μｍに設定した光変調デバイス１Ａが優れた光変調性能を発揮することを説明したが、上下方向Ｙにおける第１電気光学結晶層１１の厚みについては５μｍ以上１００μｍ以下に設定するのが望ましい。それは次の理由からである。上記のように電気光学結晶基板１５中に電界を発生させるように構成しているので、本発明の「第２方向」に相当する上下方向Ｙにおける第１電気光学結晶層１１の厚みが大きくなると、電極１６ａ、１６ｂ間での電位差を大きくする必要が生じ、１００μｍを超えると、従来装置程度あるいはそれ以下の変調速度しか得られない。したがって、高速変調を確保するためには、第１電気光学結晶層１１の厚みを１００μｍ以下に抑えるのが望ましい。また、光変調デバイス１Ａでは電極１６ａ、１６ｂの間での電位差を制御した場合でも、第１電気光学結晶層１１と結晶部１４（第２電気光学結晶層１２、第３電気光学結晶層１１３）との屈折率差は光ファイバーなどの導波路に比べて大幅に小さい。したがって、大きなパワーを有する光を第１電気光学結晶層１１内に閉じこめながら伝搬させるためには、５μｍ以上の厚みが必要となる。
【００３６】
＜光変調デバイスの第２実施形態＞
図６は本発明にかかる光変調デバイスの第２実施形態を示す図であり、同図（ａ）は光変調デバイスの斜視図であり、同図（ｂ）〜（ｄ）は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。この第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、電気光学結晶層１１の断面構成である。すなわち、第１実施形態では電気光学結晶層１１の断面が矩形形状であるのに対し、第２実施形態では電気光学結晶層１１の断面が円形形状となっている。つまり、第２実施形態では円柱状の電気光学結晶層１１が設けられており、上下方向Ｙから電気光学結晶層１１を挟み込むように、電気光学結晶層１１と同一材料で構成される電気光学結晶層１２、１３が配置されるとともに、これら電気光学結晶層１２、１３が一体化されて結晶部１４が構成されている。なお、電気光学結晶基板１５の外観形状は第１実施形態と同様に四角柱形状である。また、その他の構成は第１実施形態と同一である。したがって、同一構成については、同一符号を付して説明を省略する（この点については以下の実施形態においても同様である）。
【００３７】
このように構成された光変調デバイス１Ｂにおいては、電気光学結晶層１１の円形端面１１ａに対して光Ｌinが入射されるとともに、第１電極１６ａおよび第２電極１６ｂに付与される電位を制御することでＯＮ状態（同図（ｂ））、中間状態（同図（ｃ）およびＯＦＦ状態（同図（ｄ））に切り替えられて３段階の光変調が実行される。したがって、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３８】
＜光変調デバイスの第３実施形態＞
図７は本発明にかかる光変調デバイスの第３実施形態を示す図であり、同図（ａ）は光変調デバイスの斜視図であり、同図（ｂ）〜（ｄ）は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。この第３実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、電気光学結晶基板１５の構造である。この第３実施形態にかかる光変調デバイス１Ｃでは、Ｚ方向に延設された四角柱形状の一軸性電気光学結晶層１１の上面に電気光学結晶層１２が形成される一方、電気光学結晶層１１の下面に電気光学結晶層１３が形成されている。すなわち、第３実施形態では、電気光学結晶層１２、１３が方向Ｙにおいて互いに離間した状態で電気光学結晶層１１を上下方向Ｙから挟み込んだ３層構造を有している。また、これらの電気光学結晶層１１〜１３は、第１実施形態と同様に、同一材料、例えばＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）やＬＴ（ＬｉＴａＯ３）などの一軸性電気光学結晶で構成されているが、電気光学結晶層１１の結晶軸方位は図７の端面１１ａ中の矢印で示すように上向きになっている一方、電気光学結晶層１２、１３の結晶軸方位は図７の端面１２ａ、１３ａ中の矢印で示すように下向きになっている。このように電気光学結晶層１１の結晶軸方位と、電気光学結晶層１２、１３の結晶軸方位とは互いに１８０゜ずれており、正反対の向きとなっている。なお、その他の構成は第１実施形態と同一である。
【００３９】
このように構成された光変調デバイス１Ｃにおいては、図７（ａ）に示すように、スラブ状に整形された光Ｌinが電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射される。そして、第１電極１６ａおよび第２電極１６ｂに付与される電位を制御することでＯＮ状態（同図（ｂ））、中間状態（同図（ｃ）およびＯＦＦ状態（同図（ｄ））に切り替えられて３段階の光変調が実行される。したがって、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４０】
＜光変調デバイスの第４実施形態＞
図８は本発明にかかる光変調デバイスの第４実施形態を示す図であり、同図（ａ）は光変調デバイスの斜視図であり、同図（ｂ）〜（ｄ）は光変調デバイスの光変調動作を模式的に示す図である。この第４実施形態の特徴は、電気光学結晶基板１５の構造と、電極構造である。これらのうち電気光学結晶基板１５の構造は、第３実施形態と同様に、電気光学結晶層１２、１３が方向Ｙにおいて互いに離間して状態で電気光学結晶層１１を上下方向Ｙから挟み込んだ３層構造となっている。
【００４１】
一方、電極構造については、第３実施形態と異なっている。すなわち、この第４実施形態では、光伝搬方向Ｚおよび上下方向Ｙの両方に直交する左右方向Ｘでの電気光学結晶層１２の両側面に第１電極１６ａが形成されるとともに、左右方向Ｘでの電気光学結晶層１３の両側面に第２電極１６ｂが形成されている。なお、その他の構成は第３実施形態と同一である。
【００４２】
このように構成された光変調デバイス１Ｄにおいては、図８（ａ）に示すように、結晶軸の方向に偏光した異常光線のスラブ状に整形された光Ｌinが電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射される。そして、第１電極１６ａ、１６ａおよび第２電極１６ｂ、１６ｂに付与される電位を制御することでＯＮ状態（同図（ｂ））、中間状態（同図（ｃ）およびＯＦＦ状態（同図（ｄ））に切り替えられて３段階の光変調が実行される。したがって、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。また、第４実施形態では、電気光学結晶基板１５の側面に電極１６ａ、１６ｂを形成しているため、上下方向Ｙにおいて光変調デバイス１Ｄを小型化することができる。
【００４３】
＜光変調デバイスの第５実施形態＞
図９は本発明にかかる光変調デバイスの第５実施形態を示す図である。この光変調デバイス１Ｅは複数のチャンネルについて独立して光変調を行うことができるものであり、次のように構成されている。この光変調デバイス１Ｅの電気光学結晶基板１５は、厚み５〜１００μｍの平板状電気光学結晶層１１を電気光学結晶層１２、１３で上下方向Ｙから挟み込んだ３層構造を有している。また、この第５実施形態においても、第３実施形態および第４実施形態と同様に、電気光学結晶層１１〜１３は同一の一軸性電気光学結晶で構成されているが、電気光学結晶層１１の結晶軸方位は図９の側面中の矢印で示すように上向きになっている一方、電気光学結晶層１２、１３の結晶軸方位は図９の側面中の矢印で示すように下向きになっている。このように電気光学結晶層１１の結晶軸方位と、電気光学結晶層１２、１３の結晶軸方位とは互いに１８０゜ずれており、正反対の向きとなっている。
【００４４】
このように構成された電気光学結晶基板１５の上面（電気光学結晶層１２の上面）はＸＺ平面に平行な水平面に仕上げられている。そして、この上面に複数本（この実施形態では５本）の第１電極１６ａが一定間隔だけＸ方向に離間しながら互いに平行に配置されている。この第５実施形態では、各第１電極１６ａは光伝搬方向Ｚと平行に、しかも電気光学結晶基板１５の（−Ｚ）側端部から（＋Ｚ）側端部まで延設されている。また、電気光学結晶基板１５の下面（電気光学結晶層１３の下面）もＸＺ平面に平行な水平面に仕上げられるとともに、下面に対して第１電極１６ａと同数の第２電極１６ｂが第１電極１６ａと１対１の関係で電気光学結晶基板１５を挟んで配置されている。こうして、図９（ｂ）に示すように５組の電極対が形成されており、電気光学結晶基板１５には電極１６ａ、１６ｂで挟まれた領域（以下「チャンネル領域」という）がＸ方向に並んで存在している。したがって、１つのチャンネル領域に着目すると、上面に第１電極１６ａが配置されるとともに下面に第２電極１６ｂが配置されており、このような構成は第３実施形態の光変調デバイス１Ｃと同一である。つまり、第５実施形態にかかる光変調デバイス１Ｅでは、第３実施形態の光変調デバイス１Ｃと等価な構成がＸ方向に５つ並設されている。そして、同図（ａ）に示すように、結晶軸の方向に偏光した異常光線のＸ方向に延びる断面を有するスラブ状の光Ｌinが電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射され、チャンネル領域を伝搬する。
【００４５】
また、各電極１６ａ、１６ｂは電位付与部１７と電気的に接続されており、電位付与部１７から電極１６ａ、１６ｂに与える電位を任意に制御可能となっている。例えば図９（ｂ）中の左端に位置するチャンネル領域ＣＲ１の上面に配置される第１電極１６ａに付与される電位がチャンネル領域ＣＲ１の下面に配置される第２電極１６ｂに付与される電位よりも高くなるように、これらの電極１６ａ、１６ｂに電位が付与されると、同チャンネル領域ＣＲ１では次のように屈折率が分布する。つまり、チャンネル領域ＣＲ１において、上下方向Ｙの中央に位置する電気光学結晶層１１の屈折率は同図（ｄ）に示すようにΔｎｅだけ増加し、（ｎ＋Δｎｅ）となる。一方、チャンネル領域ＣＲ１において電気光学結晶層１１の上下方向に位置する電気光学結晶層１２、１３の屈折率は同図（ｅ）に示すようにΔｎｅだけ減少し、（ｎ−Δｎｅ）となる。このため、チャンネル領域ＣＲ１を伝搬される光Ｌinは電気光学結晶層１１に閉じ込められながら光伝搬方向Ｚにシングルモードで伝搬する。したがって、電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は同図（ｃ）に示すように比較的高くなる、つまり「ＯＮ状態」となる。また、図９（ｂ）中の左端から２番目および３番目に位置するチャンネル領域についてもチャンネル領域ＣＲ１と同様に、「ＯＮ状態」となる。
【００４６】
また、図９（ｂ）中の左端から４番目に位置するチャンネル領域ＣＲ４の上面に配置される第１電極１６ａおよび下面に配置される第２電極１６ｂに対して同電位が付与されると、同チャンネル領域ＣＲ４では同図（ｄ）および（ｅ）に示すように電気光学結晶基板１５全体が屈折率ｎとなる。このため、電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は同図（ｃ）に示すようにＯＮ状態よりも低い値となる、つまり「中間状態」となる。
【００４７】
さらに、図９（ｂ）中の右端に位置するチャンネル領域ＣＲ５の上面に配置される第１電極１６ａに付与される電位がチャンネル領域ＣＲ５の下面に配置される第２電極１６ｂに付与される電位よりも低くなるように、これらの電極１６ａ、１６ｂに電位が付与されると、同チャンネル領域ＣＲ５では次のように屈折率が分布する。つまり、チャンネル領域ＣＲ５において、上下方向Ｙの中央に位置する電気光学結晶層１１の屈折率は同図（ｄ）に示すようにΔｎｅだけ減少し、（ｎ−Δｎｅ）となる。一方、チャンネル領域ＣＲ５において電気光学結晶層１１の上下方向に位置する電気光学結晶層１２、１３の屈折率は同図（ｅ）に示すようにΔｎｅだけ増加し、（ｎ＋Δｎｅ）となる。このため、チャンネル領域ＣＲ５を伝搬される光Ｌinは電気光学結晶層１２、１３に吸い込まれるように広がっていき、電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される光Ｌoutの強度は極端に低下し、中間状態よりも光強度は更に低く、ゼロに近くなる、つまり「ＯＦＦ状態」となる。
【００４８】
このように第５実施形態によれば、第１電極１６ａをＸ方向において互いに離間して電気光学結晶層１２の表面上に５個設けるとともに、第２電極１６ｂをＸ方向において互いに離間して電気光学結晶層１３の表面上に５個設けて、５組の電極対を設けるとともに、各電極対に対して付与する電位を独立して制御している。したがって、各電極対で光変調を独立して行うことができる。つまり、図９に示すように構成された光変調デバイス１Ｅでは、５チャンネルの空間光変調を行うことが可能となっている。もちろん、各チャンネルとも第３実施形態の光変調デバイス１Ｃと基本的に構成および動作が共通しているため、第３実施形態と同様の作用効果、つまり高い耐パワー性能と短波長光での光損傷性能が高く、かつ高速な変調が可能であるという作用効果を有している。
【００４９】
また、第５実施形態にかかるマルチチャンネルの光変調デバイス１Ｅでは、隣り合うチャンネル領域に対して特段の制限を設ける必要がないため、チャンネル間の距離を縮めることができ、小型で高密度な多チャンネル駆動が可能となっている。
【００５０】
＜露光装置＞
図１０は本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の一実施形態を示す図であり、同図（ａ）はＹＺ平面における構成を示す図であり、同図（ｂ）は光変調デバイスとアパーチャとの配置関係を示す斜視図である。この露光装置１００Ａは単一光源部１７３から出射される光Ｌinを第１実施形態にかかる光変調デバイス１Ａによって変調して基板表面などの被露光面ＥＳに照射する装置である。この露光装置１００Ａは、所定の波長（例えば６３３ｎｍ）の光を出射する半導体レーザなどにより構成された光源部１７３を有している。この光源部１７３はコリメータレンズ（図示省略）を有しており、半導体レーザなどから出射される光はコリメータレンズを介して平行光とされて正のパワーを有する単レンズで構成される照明光学系１７４に入射する。なお、この露光装置１００Ａでは、光変調デバイス１Ａを用いて光変調を行うため、入射させる光Ｌinは直線偏光レーザで偏光面を光変調デバイス１Ａの電気光学結晶層１１〜１３の結晶軸と平行に向かせている。そして、光源部１７３から出射してきた光Ｌinは照明光学系１７４を介して光変調デバイス１Ａの電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射する。
【００５１】
この露光装置１００Ａでは、光源部１７３および光変調デバイス１Ａとして具体的に以下の構成を採用している。光源部１７３の光源として波長λが６３３ｎｍの直線偏光を発生させるヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザを用いている。また、光変調デバイス１Ａの電気光学結晶基板１５を構成する電気光学結晶層１１および結晶部１４をＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）で形成している。また、電気光学結晶層１１の両端面１１ａ、１１ｂは３０μｍ角であるのに対し、結晶部１４の厚みは１５μｍである。したがって、第１電極１６ａと第２電極１６ｂとのギャップｇ（図１（ｃ）参照）は６０μｍとなっている。また、Ｚ方向における電気光学結晶基板１５の長さは２０ｍｍである。この電気光学結晶基板１５では、第１実施形態と同様に、電気光学結晶層１１の結晶軸方位は図１０（ａ）の端面１１ａ中の矢印で示すように上向きで、結晶部１４は下向きとなっている。このように、本実施形態では入射光Ｌinに波長６３３ｎｍのヘリウム−ネオンレーザ光を用いているため、ＬＮ結晶のポッケルス定数ｒ33＝３０．８×１０−６（μｍ／Ｖ)で、異常光線の屈折率ｎｅ＝２．２００である。
【００５２】
そして、第１電極１６ａに＋５ボルト、第２電極１６ｂに−５ボルトを印加すると、電界は上から下向きにかかる。したがって、数３により屈折率の変化量Δｎｅ＝２．７３×１０−５であるため、電気光学結晶層１１ではΔｎｅだけ屈折率が増加するのに対し、電気光学結晶層１１の周辺部、つまり結晶部１４ではΔｎｅだけ屈折率が減少して「ＯＮ状態」となり、電気光学結晶層１１で入射光Ｌinを導波する。そして、光Ｌinは電気光学結晶層１１の端面１１ｂから伝播光Ｌoutとして出射される。また、逆の電圧すなわち第１電極１６ａに−５ボルト、第２電極１６ｂに＋５ボルトを印加すると、屈折率変化の符号は電気光学結晶層１１と結晶部１４とで逆転し、電気光学結晶層１１に入射された光Ｌinは結晶部１４へ逃げて非伝播光Ｌ′となって電気光学結晶基板１５から出射される。
【００５３】
光変調デバイス１Ａの出射側（図１０（ａ）の右手側）では、光変調デバイス１Ａで変調された光Ｌoutを被露光面ＥＳに結像して露光スポットを形成する光学系として結像レンズ１７６が配置されている。また、光変調デバイス１Ａは上記したように電極１６ａ、１６ｂに付与する電位に応じて伝播光Ｌoutと非伝播光Ｌ′を出射する。そこで、本実施形態にかかる露光装置１００Ａでは、光変調デバイス１Ａと結像レンズ１７６との間に、アパーチャ板１７７が配置されている。このアパーチャ板１７７の中央部にはアパーチャ１７７ａが形成されており、光変調デバイス１Ａから出射される伝播光Ｌoutのみを通過させて非伝播光L′をアパーチャ板１７７で遮断する。したがって、第１電極１６ａに＋５ボルト、第２電極１６ｂに−５ボルトを印加して光変調デバイス１Ａを「ＯＮ状態」にしたときに、高い光強度を有する伝播光Ｌoutが被露光面ＥＳに照射される。また、両電極１６ａ、１６ｂを同一電位にして光変調デバイス１Ａを「中間状態」にしたときに、「ＯＮ状態」よりも低い光強度の伝播光Ｌoutが被露光面ＥＳに照射される。さらに、第１電極１６ａに−５ボルト、第２電極１６ｂに＋５ボルトを印加して光変調デバイス１Ａを「ＯＦＦ状態」にしたときには電気光学結晶層１１に入射された光Ｌinの大部分は結晶部１４の端面から非伝播光Ｌ′として出射されるとともに、アパーチャ板１７７で遮蔽されて被露光面ＥＳへの伝播光Ｌoutの照射量はゼロとなる。
【００５４】
以上のように、高い耐パワー性能を有する光変調デバイス１Ａを用いることで、光源部１７３に比較的高いパワーの光源を用いることができ、露光効率を高めることができる。また、光変調デバイス１Ａは短波長光での光損傷性能が高いため、露光装置１００Ａで使用することができる波長範囲が広がり、汎用性に優れている。さらに、１０Ｖ程度の電位差によって光変調を行うことができるため、変調速度を高めて露光効率をさらに高めることができる。
【００５５】
また、上記露光装置１００Ａで採用している光変調デバイス１Ａは、従来の光変調デバイス、例えば非特許文献１に記載の装置における変調原理と大きく異なり、波長依存性が少ない。そのため、互いに波長が異なる複数の光をまとめて光変調デバイス１Ａに入射することで、これらの光を一度に変調することができる。また、光変調デバイス１Ａでは波長範囲（半値幅）の広いブロードな光についても良好に光変調することができるため、このような光を用いて露光処理を行う露光装置に対しても、良好に適用することができる。
【００５６】
また、露光装置１００Ａでは、光変調デバイス１Ａを用いて光変調しているが、図６〜図８に示す光変調デバイス１Ｂ〜１Ｄを用いても同様の作用効果が得られる。また、露光装置１００Ａは単一光によって露光処理を行っているが、光源部１７３と光変調デバイス１Ａ（または１Ｂ〜１Ｄ）との組み合わせを複数個設けることで露光処理の効率をさらに高めることができる。また、多チャンネルの光変調デバイス１Ｅを用いることで単一光源でありながら、マルチ露光を行うことも可能である。以下、図１１ないし図１４を参照しながら露光装置の他の実施形態について説明する。
【００５７】
図１１は本発明にかかる光変調デバイスを装備した露光装置の他の実施形態を示す図であり、図１２は図１１に示す露光装置の本体部を示す斜視図であり、図１３は図１１の露光装置の電気的構成を示すブロック図である。この露光装置１００Ｂは、感光材料が表面に付与された半導体基板やガラス基板等の基板Ｗの表面に光を照射してパターンを描画する装置であり、光を上記第５実施形態にかかるマルチチャンネルの光変調デバイス１Ｅを用いて光変調し、その変調された光を用いてパターンを描画する。以下、露光装置１００Ｂの全体構成を説明した後で、光変調デバイス１Ｅを用いて光を変調するための構成および動作について詳述する。
【００５８】
この露光装置１００Ｂでは、本体フレーム１０１に対してカバー１０２が取り付けられて形成される本体内部に装置各部が配置されて本体部が構成されるとともに、本体部の外側（本実施形態では、図１１に示すように本体部の右手側）に基板収納カセット１１０が配置されている。この基板収納カセット１１０には、露光処理を受けるべき未処理基板Ｗが収納されており、本体内部に配置される搬送ロボット１２０によって本体部にローディングされる。また、未処理基板Ｗに対して露光処理（パターン描画処理）が施された後、当該基板Ｗが搬送ロボット１２０によって本体部からアンローディングされて基板収納カセット１１０に戻される。
【００５９】
この本体部では、図１１および図１２に示すように、カバー１０２に囲まれた本体内部の右手端部に搬送ロボット１２０が配置されている。また、この搬送ロボット１２０の左手側には基台１３０が配置されている。この基台１３０の一方端側領域（図１１および図１２の右手側領域）が、搬送ロボット１２０との間で基板Ｗの受け渡しを行う基板受渡領域となっているのに対し、他方端側領域（図１１および図１２の左手側領域）が基板Ｗへのパターン描画を行うパターン描画領域となっている。この基台１３０上では、基板受渡領域とパターン描画領域の境界位置にヘッド支持部１４０が設けられている。このヘッド支持部１４０では、基台１３０から上方に２本の脚部材１４１、１４２が立設されるとともに、それらの脚部材１４１、１４２の頂部を橋渡しするように梁部材１４３が横設されている。そして、図１１に示すように、梁部材１４３のパターン描画領域側側面にカメラ（撮像部）１５０が固定されてステージ１６０に保持された基板Ｗの表面（被描画面、被露光面）を撮像可能となっている。
【００６０】
このステージ１６０は基台１３０上でステージ移動機構１６１によりＸ方向、Ｙ方向ならびにθ方向に移動される。すなわち、ステージ移動機構１６１は基台１３０の上面にＹ軸駆動部１６１Ｙ（図１３）、Ｘ軸駆動部１６１Ｘ（図１３）およびθ軸駆動部１６１Ｔ（図１３）をこの順序で積層配置したものであり、ステージ１６０を水平面内で２次元的に移動させて位置決めする。また、ステージ１６０をθ軸（鉛直軸）回りの回転させて後述する光学ヘッド１７０に対する相対角度を調整して位置決めする。なお、このようなステージ移動機構１６１としては、従来より多用されているＸ−Ｙ−θ軸移動機構を用いることができる。
【００６１】
また、このように構成されたヘッド支持部１４０のパターン描画領域側で光学ヘッド１７０が上下方向に移動自在に取り付けられており、露光制御部１８１からの動作指令に応じてヘッド移動機構１７１が作動することで後述するステージ１６０に保持される基板Ｗとの距離を高精度に調整可能となっている。なお、光学ヘッド１７０は上記第５実施形態にかかる光変調デバイス１Ｅを装備して基板Ｗに対して光を照射して露光するものであり、その構成および動作については後で詳述する。
【００６２】
また、基台１３０の反基板受渡側端部（図１１および図１２の左手側端部）においても、２本の脚部材１４４が立設されている。そして、この梁部材１４３と２本の脚部材１４４の頂部を橋渡しするように光学ヘッド１７０の照明光学系を収納したボックス１７２が設けられており、基台１３０のパターン描画領域を上方から覆っている。したがって、露光装置１００Ｂが設置されるクリーンルーム内に供給されているダウンフローを本体内部に引き入れたとしても、パターン描画領域にダウンフローが供給されない空間ＳＰが形成される。
【００６３】
そこで、本実施形態にかかる露光装置１００Ｂでは、上記空間ＳＰの反搬送ロボット側にステージ１６０と光学ヘッド１７０のボックス１７２とに挟まれた空間ＳＰに向けて温調された気体を吹き出す気体吹出部１９０が配置されている。この実施形態では、本体部の左手側壁を構成するカバー１０２を貫通するように２つの気体吹出部１９０が上下に取り付けられている。これらの気体吹出部１９０は空調器１９１に接続されており、露光制御部１８１から指令に応じて作動して空調器１９１で温調された空気を空間ＳＰに向けて吹き出す。これによって、気体吹出部１９０から吹き出された温調気体が横向きに流れて空間ＳＰを通過する。これによって上記空間ＳＰの雰囲気が入替えられてパターン描画領域での温度変化が抑制される。また、このように上記空間ＳＰを通過した空気は搬送ロボット１２０に流れ込むが、この実施形態では、搬送ロボット１２０の下方部に排気口１９２が設けられるとともに、排気口１９２が配管１９３を介して空調器１９１に接続されている。したがって、排気口１９２を設けたことで搬送ロボット１２０を取り囲む雰囲気は排気されて同雰囲気内で下向きの気流、つまりダウンフローが形成される。したがって、搬送ロボット１２０でパーティクルが舞い上がり散乱するのが効果的に防止される。
【００６４】
次に光学ヘッド１７０の構成および動作について説明する。この実施形態では、光学ヘッド１７０は上記したようにヘッド支持部１４０に対して上下方向Ｚに移動自在に取り付けられており、光学ヘッド１７０の直下位置で移動している基板Ｗに対して光を落射することでステージ１６０に保持された基板Ｗを露光してパターンを描画する。なお、本実施形態では、光学ヘッド１７０はＸ方向に複数チャンネルで光を同時に照射可能となっており、Ｘ方向が「副走査方向」に相当している。また、ステージ１６０をＹ方向に移動させることで基板Ｗに対してパターンを２次元的に描画することが可能となっており、Ｙ方向が「主走査方向」に相当している。
【００６５】
図１４は光学ヘッドの内部構成を簡略化して示す図であり、同図（ａ）は光学ヘッド１７０の光軸ＯＡおよび副走査方向Ｘに沿って光学ヘッド１７０を上方から見た場合の光学ヘッド１７０の内部構成を示し、同図（ｂ）は主走査方向Ｙに沿って側方から光学ヘッド１７０側を見た場合の光学ヘッド１７０の内部構成を示している。
【００６６】
図１４に示す光学ヘッド１７０は、所定の波長の光を出射する半導体レーザなどにより構成された光源部１７３を有している。この光源部１７３はコリメータレンズ（図示省略）を有しており、半導体レーザなどから出射される光はコリメータレンズを介して平行光とされて照明光学系１７４に入射する。
【００６７】
この照明光学系１７４は３枚のシリンドリカルレンズ１７４ａ〜１７４ｃにより構成されており、光源部１７３から出射してきた光Ｌinはシリンドリカルレンズ１７４ａ〜１７４ｃの順で通過して光変調デバイス１Ｅの電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射する。これらのうちシリンドリカルレンズ１７４ａはＸ方向にのみ負のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ１７４ａを通過した光は光軸ＯＡに垂直な光束断面が円形から次第にＸ方向に長い楕円形へと変化する。一方、光軸ＯＡおよびＸ方向に垂直なＹ方向に関して、シリンドリカルレンズ１７４ａを通過した光Ｌinの光束断面の幅は（ほぼ）一定とされる。
【００６８】
また、シリンドリカルレンズ１７４ｂはＸ方向にのみ正のパワーを有しており、シリンドリカルレンズ１７４ａを通過した光Ｌinはシリンドリカルレンズ１７４ｂによりビーム整形される。つまり、シリンドリカルレンズ１７４ｂを通過した光Ｌinは、光束断面がＸ方向に長い一定の大きさの楕円形とされてシリンドリカルレンズ１７４ｃへと入射する。
【００６９】
このシリンドリカルレンズ１７４ｃは、Ｙ方向にのみ正のパワーを有し、Ｙ方向のみに着目した場合には、図１４（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ１７４ｃを通過した光Ｌinは集光しつつ電気光学結晶層１１の一方端面１１ａへと入射する。また、Ｘ方向に関しては、図１４（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ１７４ｃからの光Ｌinは平行光として電気光学結晶層１１の一方端面１１ａに入射する。なお、光変調デバイス１Ｅの構成および動作については既に説明しているため、ここでは説明を省略する。
【００７０】
光変調デバイス１Ｅの出射側（図１４の右手側）では、スリット板１７８、Ｙ方向にのみ正のパワーを有するシリンドリカルレンズ１７５およびシュリーレン光学系１７６がこの順序で配置されている。
【００７１】
図１５はスリット板の斜視図である。このスリット板１７８の中央部には、電気光学結晶層１１の端面１１ｂから出射される伝播光Ｌoutのみを通過させるスリット１７８ａが設けられている。一方、電気光学結晶層１１中を導波できない光（非導波光）、つまり非伝播光Ｌ′については、図１４（ｂ）の破線で示すように、結晶部１４の端面から出射され、スリット板１７８で遮蔽される。したがって、伝播光Ｌoutのみがシリンドリカルレンズ１７５に入射される。
【００７２】
このシリンドリカルレンズ１７５はＹ方向にのみ正のパワーを有しており、光変調デバイス１Ｅの電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射される伝播光Ｌoutを図１４（ｂ）に示すように、
シリンドリカルレンズ１７５にてＹ方向に関してほぼ平行な光とされ、シュリーレン光学系１７６に入射する。このシュリーレン光学系１７６はレンズ１７６ａ、アパーチャ１７６ｂ１を有するアパーチャ板１７６ｂ、レンズ１７６ｃで構成されており、伝播光Ｌoutはアパーチャ１７６ｂ１をすり抜けて基板Ｗの表面に達する。なお、この実施形態では、アパーチャ板１７６ｂを設けているが、これは必須構成ではなく、アパーチャ板１７６ｂを省略してもよい。
【００７３】
このように本実施形態では、非伝播光Ｌ′についてはスリット板１７８で遮蔽する一方、電極対毎に電位を制御することにより変調された伝播光Ｌoutについては基板Ｗの表面（被露光面）に照射される。このようにして５チャンネルの各々について光変調が行われる。例えば図９（ｂ）で示したように各電極１６ａ、１６ｂに付与する電位を制御することで第１ないし第３チャンネルを「ＯＮ状態」にした場合、電気光学結晶層１１のうち、これらのチャンネルに対応する領域で光Ｌinが導波されて電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから出射されて基板Ｗの表面に照射される。その結果、第１ないし第３チャンネルに対応してスポット状に露光される。また、図９（ｂ）では第４チャンネルについては「中間状態」となっているため、第４チャンネルに対応する電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから光Ｌoutが出射されて基板Ｗの表面に照射される。ただし、その光量は僅かであるため、図１４（ａ）では第１ないし第３チャンネルの露光位置を黒丸のスポットで図示する一方、第４チャンネルの露光位置を梨地模様のスポットで図示して第４チャンネルでの露光光量が第１ないし第３チャンネルでの露光光量より低いことを図示している。さらに、図９（ｂ）では第５チャンネルについては「ＯＦＦ状態」となっているため、チャンネルに対応する電気光学結晶層１１の他方端面１１ｂから光Ｌoutがほとんど出射されないため、第５チャンネルに対応するスポットは形成されない。
【００７４】
このように、本実施形態では、レンズ１７６ａ、アパーチャ板１７６ｂおよびレンズ１７６ｃにより、いわゆるシュリーレン光学系１７６を構成している。このシュリーレン光学系１７６は両側テレセントリック光学系と同等の配置であり、図１４に示すように、複数のチャンネルを有する光学ヘッド１７０で基板Ｗに露光する場合にも、その露光面（基板Ｗの表面）に対して各チャンネルの伝播光Ｌoutは垂直であり、露光面（基板Ｗの表面）のピント方向Ｚの変動に対して倍率の変化を受けない。その結果、高精度な露光が可能となる。
【００７５】
なお、上記のように構成された露光装置１００Ｂは装置全体を制御するためにコンピュータ２００を有している。このコンピュータ２００はＣＰＵやメモリ２０１等を有しており、露光制御部１８１とともに電装ラック（図示省略）内に配置されている。また、コンピュータ２００内のＣＰＵが所定のプログラムに従って演算処理することにより、ラスタライズ部２０２、伸縮率算出部２０３、データ修正部２０４およびデータ生成部２０５が実現される。例えば１つのＬＳＩに相当するパターンのデータは外部のＣＡＤ等により生成されたデータであり、予めＬＳＩデータ２１１としてメモリ２０１に準備されており、当該ＬＳＩデータ２１１に基づき次のようにしてＬＳＩのパターンが基板Ｗ上に描画される。
【００７６】
ラスタライズ部２０２は、ＬＳＩデータ２１１が示す単位領域を分割してラスタライズし、ラスタデータ２１２を生成してメモリ２０１に保存する。こうしてラスタデータ２１２の準備後、または、ラスタデータ２１２の準備と並行して、上記のようにしてカセットＣＳに収納されている未処理の基板Ｗが搬送ロボット１２０により搬出されてステージ１６０に載置される。
【００７７】
その後、ステージ移動機構１６１によりステージ１６０がカメラ１５０の直下位置に移動して基板Ｗ上の各アライメントマーク（基準マーク）を順番にカメラ１５０の撮像可能位置に位置決めし、カメラ１５０によるマーク撮像が実行される。カメラ１５０から出力される画像信号は電装ラック内の画像処理回路により処理され、アライメントマークのステージ１６０上の位置が正確に求められる。そして、これらの位置情報に基づきθ軸駆動部１６１Ｔが作動してステージ１６０を鉛直軸回りに微小回転させて基板Ｗへのパターン描画に適した向きにアライメント（位置合わせ）される。ここで、ステージ１６０を光学ヘッド１７０の直下位置に移動させた後で当該アライメントを行ってもよい。
【００７８】
図１３に示す伸縮率算出部２０３は、画像処理回路にて求められた基板Ｗ上のアライメントマークの位置、および基板Ｗの向きの修正量を取得し、アライメント後のアライメントマークの位置、並びに、主走査方向Ｙおよび副走査方向Ｘに対する基板Ｗの伸縮率（すなわち、主面の伸縮率）を求める。
【００７９】
一方、データ修正部２０４はラスタデータ２１２を取得し、伸縮の検出結果である伸縮率に基づいてデータの修正を行う。なお、このデータ修正については、例えば特許第４０２０２４８号に記載の方法を採用することができ、１つの分割領域のデータ修正が終了すると、修正後のラスタデータ２１２がデータ生成部２０５へと送られる。データ生成部２０５では、変更後の分割領域に対応する描画データ、すなわち、１つのストライプに相当するデータが生成される。
【００８０】
こうして生成された描画データは、データ生成部２０５から露光制御部１８１へと送られ、露光制御部１８１が電位付与部１７、ヘッド移動機構１７１およびステージ移動機構１６１の各部を制御することにより１ストライプ分の描画が行われる。なお、露光動作については上記したとおり電位付与部１７により電極１６ａ、１６ｂに付与する電位制御により行われる。１つのストライプに対する露光記録が終了すると、次の分割領域に対して同様の処理が行われ、ストライプごとの描画が繰り返される。こうして、基板Ｗ上の全ストライプの描画が終了して基板Ｗの表面への所望パターンの描画が完了すると、ステージ１６０は描画済み基板Ｗを載置したまま基板受渡位置に移動した後、搬送ロボット１２０により基板ＷがカセットＣＳへと戻され、次の基板Ｗが取り出されて上記したと同様の一連の処理が繰り返される。さらに、カセットＣＳに収納されている全ての基板Ｗに対するパターン描画が終了すると、カセットＣＳが露光装置１００Ｂから搬出される。
【００８１】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記第１ないし第４実施形態では、電気光学結晶層１２、１３の表面全体や側面全体に電極を形成している。また、第５実施形態では、第１電極１６ａおよび第２電極１６ｂを電気光学結晶基板１５の（−Ｚ）側端部から（＋Ｚ）側端部まで延設している。しかしながら、電極１６ａ、１６ｂの形成範囲はこれに限定されるものではない。
【００８２】
また、図１１に示す実施形態では、本発明にかかる光変調デバイスを装備した光学ヘッド１７０にヘッド移動機構１７１を設けて基板Ｗと光学ヘッド１７０との距離を調整しているが、ステージ移動機構１６１に昇降駆動部を設けて上記距離を調整可能としてもよい。また、上記光学ヘッド１７０に対して基板Ｗを相対移動させる構成は上記実施形態に限定されるものではない。つまり、光変調デバイス１Ｅから出射される複数の光Ｌoutをステージ１６０に保持された基板Ｗに照射する位置を基板Ｗに対して相対的に移動しつつ描画（ＬＳＩ）データに応じて光変調デバイス１Ｅを制御してパターンを描画するパターン描画装置全般に本発明を適用することができる。
【００８３】
また、パターンを描画する記録材料は、プリント配線基板や半導体基板等の感光性材料が塗布された、あるいは、感光性を有する他の材料であってもよく、光の照射による熱に反応する材料であってもよい。
【００８４】
さらに、上記のように構成された光変調デバイス１Ａ〜１Ｅはパターン描画以外の用途に用いられてもよく、この場合、光の照射の対象物も記録材料以外であってもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１Ａ〜１Ｅ…光変調デバイス
１１…第１電気光学結晶層
１２…第２電気光学結晶層
１３…第４電気光学結晶層
１１ａ…（第１電気光学結晶層の）一方端面
１１ｂ…（第１電気光学結晶層の）他方端面
１５…電気光学結晶基板
１６ａ…第１電極
１６ｂ…第２電極
１７…電位付与部
１００Ａ、１００Ｂ…露光装置
１７３…光源部
１７５…シリンドリカルレンズ（光学系）
１７６…シュリーレン光学系、結像レンズ（光学系）
Ｌin…入射光
Ｌout…伝播光
Ｌ′…非伝播光
Ｗ…基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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