(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＥＤ素子と、
前記複数のＬＥＤ素子から射出された光をそれぞれコリメートする複数のコリメートレンズを含む第一光学系と、
前記第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、
入射面が前記第二光学系の焦点位置に配置された導光部材とを備え、
前記導光部材は、前記入射面から入射された光を、内側面で反射を繰り返させながら射出面へと導く光学部材であり、
前記複数のＬＥＤ素子は、所定の第一平面上に配置されており、
前記コリメートレンズは、対応する前記ＬＥＤ素子からの射出光が入射される入射面の面積が、前記ＬＥＤ素子の発光面の面積よりも大きくなるように構成され、
前記第一平面に直交する方向に前記第一光学系を見たときに、隣接する複数の前記コリメートレンズの外縁同士の間隔が、前記コリメートレンズの外径よりも狭く、
前記導光部材の入射面は、多角形状で構成されており、
前記第一平面を前記導光部材の入射面に平行になるように移動させたときに、移動後の前記第一平面である第二平面上において並べられている前記ＬＥＤ素子の配列数が最も少ない方向を第一方向とすると、前記第二平面上において前記第一方向に直交する第二方向の少なくとも一つが、前記導光部材の入射面上において当該入射面を構成する辺に対して直交する第三方向に平行でないように、前記複数のＬＥＤ素子が配置されていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
全ての前記第二方向が、前記第三方向に平行でないように、前記複数のＬＥＤ素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記ＬＥＤ素子の外縁、及び前記導光部材の入射面は、いずれも四角形の形状を有し、
前記第二平面上において前記ＬＥＤ素子の外縁が構成する四角形の２辺が、前記導光部材の入射面が構成する四角形の２辺に平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記導光部材がロッドインテグレータで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項５】
マスクのパターンを感光性基板上に転写する露光装置であって、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置と、
前記導光部材の射出面からの光を前記マスクに照射して、前記マスクのパターン像を前記感光性基板上に投影する投影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】
本発明は、光源装置に関し、特に、複数のＬＥＤ素子を備えた光源装置に関する。また、本発明は、このような光源装置を含む露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を用いた微細加工に露光装置が利用されている。近年では、露光技術は種々の分野で展開されており、微細加工の中でも比較的大きなパターンの作製や三次元的な微細加工に利用されている。より具体的には、例えばＬＥＤの電極パターンの作製や、加速度センサーに代表されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の製造工程などに露光技術が利用されている。
【０００３】
これらの露光技術において、光源としては、以前から輝度の高い放電ランプが用いられていた。しかし、近年の固体光源技術の進歩に伴い、複数のＬＥＤ素子が配置されたものを光源として利用することが検討されている。このような技術として、例えば特許文献１には、複数のＬＥＤ素子からなるユニットを光源とし、この光源とマスクの間にフライアイレンズが配置された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２００４−３３５９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＥＤ素子は、露光用の光源としては一チップ当たりの放射光束が少ない。このため、露光用の光源装置として使用するためには、複数のＬＥＤ素子からの射出光をできる限り集める必要がある。このためには、光源として配置されるＬＥＤ素子の個数を増やす必要がある。
【０００６】
上記特許文献１に開示された光源装置の構成を、図１４を参照して説明する。図１４（ａ）は、この光源装置の一部分を模式的に示した図面である。図１４（ａ）に示すように、この光源装置は、複数のＬＥＤ素子（１０１，１０２，…）を含む光源１００、コリメートレンズ１０３、及びフライアイレンズ１０４を含んで構成される。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の一部拡大図である。
【０００７】
ＬＥＤ素子１０１は光軸の中心に位置しており、ＬＥＤ素子１０２は光源１００の周縁部に位置している。図１４に示される光線Ｌ１は、ＬＥＤ素子１０１からの放射光のうち、フライアイレンズ１０４に含まれる一つのレンズ１１０の入射面１２１に入射される光である。同様に、光線Ｌ２は、ＬＥＤ素子１０２からの放射光のうち、フライアイレンズ１０４に含まれる一つのレンズ１１０の入射面１２１に入射される光である。  
【０００８】
光軸の中心に位置するＬＥＤ素子１０１から射出される光線Ｌ１は、レンズ１１０に対して、光軸に平行に入射される。一方、光軸から離れた位置に配置されたＬＥＤ素子１０２から射出される光線Ｌ２は、レンズ１１０に対して、光軸に対して角度を有して入射される。これらの光は、レンズ１１０の射出面１２２でそれぞれ結像する（ＩＭ１０１，ＩＭ１０２）。図１４（ｃ）は、レンズ１１０の射出面１２２に結像された状態を模式的に示す図面である。
【０００９】
射出面１２２から射出される光が後段の光学系（不図示）に入射されることで、この光が利用される。つまり、射出面１２２は二次光源となる。この二次光源の輝度は、個々のＬＥＤ素子（１０１，１０２，…）の輝度に、ＬＥＤ像（ＩＭ１０１，ＩＭ１０２，…）の総面積を乗じ、射出面１２２の面積で除した値となる。すなわち、二次光源として機能する射出面１２２の輝度をできるだけ高くするためには、ＬＥＤ像の総面積と射出面１２２の面積をなるべく一致させる必要がある。このためには、ＬＥＤ素子（１０１，１０２，…）をなるべく隙間なく並べることが必要である。
【００１０】
しかし、図１４に示すように、複数のＬＥＤ素子（１０１，１０２，…）を配置して光源１００を構成する場合、各ＬＥＤ素子（１０１，１０２，…）に電流を供給するための信号線やスイッチング素子などの周辺回路が必要となる。このため、現実的には、ＬＥＤ素子（１０１，１０２，…）を隙間なく並べることができない。この結果、従来の構成によれば、二次光源（図１４の構成であればフライアイレンズ１０４の射出面）の輝度が低下してしまう。
【００１１】
このような課題に鑑み、本発明は、複数のＬＥＤ素子を含み、輝度の低下を抑制した光源装置を実現することを目的とする。また、本発明は、このような光源装置を含む露光装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光源装置は、
複数のＬＥＤ素子と、
前記複数のＬＥＤ素子から射出された光をそれぞれコリメートする複数のコリメートレンズを含む第一光学系と、
前記第一光学系から射出された光を集光する第二光学系と、
入射面が前記第二光学系の焦点位置に配置された導光部材とを備え、
前記導光部材は、前記入射面から入射された光を、内側面で反射を繰り返させながら射出面へと導く光学部材であることを特徴とする。
【００１３】
前述したように、一つのＬＥＤ素子から射出される光は、ランプに比べて輝度が小さい。このため、例えば露光装置など、多くの光を必要とする用途の光源に利用されることを想定した場合には、なるべく輝度を落とすことなく、多くのＬＥＤ素子の光を集めることが重要となる。
【００１４】
ところで、ＬＥＤ素子は、電源供給のための配線パターンが不可欠であるため、「発明が解決しようとする課題」の項で上述したように、ＬＥＤ素子自体を完全に密接して配置することができない。つまり、複数のＬＥＤ素子を配置するに際しては、隣接するＬＥＤ素子同士に一定の間隔を空けざるを得ない。この間隔を形成する領域は、光を射出しない領域（非発光領域）を構成する。このため、単に複数のＬＥＤ素子を配置し、各ＬＥＤ素子からの射出光を集光したとしても、非発光領域が不可避的に生じてしまう。よって、複数のＬＥＤ素子から射出された光を単に集光しただけでは、照射面での輝度の低下を招いてしまう。
【００１５】
上記構成によれば、複数のＬＥＤ素子から射出された光を、第一光学系においてコリメートした後に、集光している。これにより、第一光学系から射出された光は、ＬＥＤ素子から射出された直後の時点に比べて、輝度を維持したまま、光軸に直交する平面上において面積の広い光束を構成する。これにより、各ＬＥＤ素子から射出された光束同士の間隔を狭めることができ、非発光領域の少ない光源が構成される。これにより、従来よりも輝度の高い光源装置が実現される。
【００１６】
更に、上記の構成によれば、照射面における照度分布を均一化できるという第二の効果も実現される。この点につき説明する。図１Ａは、ＬＥＤ素子を上面から見たときの模式図である。図１Ａに示すＬＥＤ素子４０は、光取り出し部４１、電極部４２、及び素子被覆部４３を備えている。光取り出し部４１は通常半導体層で構成されており、発光領域に該当する。電極部４２は光を透過しない導電性材料で構成されており、この部分が非発光領域に該当する。
【００１７】
図１Ｂは、図１Ａに示す形状を有するＬＥＤ素子を複数備えた場合において、各ＬＥＤ素子からの射出光を、第一光学系及び第二光学系を介して所定の入射面上に集光させたときの、当該入射面上における像の写真である。図１Ｂの写真において、一部分の領域に暗い部分の存在が確認されるが、図１Ａの図面と照らし合わせると、この暗い部分が電極部４２の位置に対応していることが分かる。
【００１８】
つまり、図１Ｂに示されるような照度分布を有した光を、露光用の光として例えばワークに照射した場合、ワーク面に露光ムラが生じる可能性がある。
【００１９】
そこで、上記の構成においては、第二光学系で集光された光を、導光部材の入射面に入射させている。この導光部材は、入射面から入射された光を、内側面で反射を繰り返させながら射出面へと導く光学部材である。これにより、導光部材内において入射された光がそれぞれ反射を繰り返すことで色々な角度成分及び位置成分の光が混ざり合うため、導光部材の射出面上においては、入射面よりも照度が均一化される。
【００２０】
つまり、上記の構成によれば、光源部にＬＥＤ素子を用いた場合においても、高い輝度を実現すると共に、更に照度バラツキを抑制することができる。よって、高輝度の光が要求される、露光用の光源として利用することができる。また、この構成によれば、照度の均一化も図られるため、露光ムラを抑制することもできる。なお、この導光部材は、例えばロッドインテグレータで構成されることができる。
【００２１】
前記複数のＬＥＤ素子は、所定の第一平面上に配置されており、
前記コリメートレンズは、対応する前記ＬＥＤ素子からの射出光が入射される入射面の面積が、前記ＬＥＤ素子の発光面の面積よりも大きくなるように構成され、
前記第一平面に直交する方向に前記第一光学系を見たときに、隣接する複数の前記コリメートレンズの外縁同士の間隔が、前記コリメートレンズの外径よりも狭いものとしても構わない。
【００２２】
このようにＬＥＤ素子及びコリメートレンズが配置されることで、複数のＬＥＤ素子からの射出光をできるだけ多く集光してロッドインテグレータの入射面に導くことができる。これにより、高い輝度の光源が実現される。
【００２３】
このようにＬＥＤ素子を配置するための具体的な方法としては、最も外縁に位置する複数のＬＥＤ素子が正六角形状や正方形状を構成するように各ＬＥＤ素子を整列して配置する方法が想定される。
【００２４】
前記導光部材の入射面は、多角形状で構成されており、
前記第一平面を前記導光部材の入射面に平行になるように移動させたときに、移動後の前記第一平面である第二平面上において並べられている前記ＬＥＤ素子の数が最も少ない方向を第一方向とすると、前記第二平面上において前記第一方向に直交する第二方向の少なくとも一つが、前記導光部材の入射面上において当該入射面を構成する辺に対して直交する第三方向に平行でないように、前記複数のＬＥＤ素子が配置されているものとしても構わない。
【００２５】
このような構成を採用することで、導光部材の入射面に対して入射される光の角度成分の種類を増やすことができ、導光部材の射出面上における照度バラツキを更に低減させる効果が得られる。この理由については、「発明を実施するための形態」の項で後述される。
【００２６】
上記構成において、全ての前記第二方向が、前記第三方向に平行でないように、前記複数のＬＥＤ素子が配置されているものとしても構わない。このような構成とした場合、導光部材の射出面上における照度バラツキを低減させる効果を更に高めることができる。
【００２７】
前記ＬＥＤ素子の外縁、及び前記導光部材の入射面は、いずれも四角形の形状を有し、
前記第二平面上において前記ＬＥＤ素子の外縁が構成する四角形の２辺が、前記導光部材の入射面が構成する四角形の２辺に平行であるものとしても構わない。
【００２８】
上記構成によれば、各ＬＥＤ素子の発光領域から射出される光を漏れ無く導光部材の入射面に導くことができる。
【００２９】
なお、上記の構成において、各ＬＥＤ素子は、それぞれ同一の形状を有するものとしても構わない。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、複数のＬＥＤ素子を備える構成において、輝度の低下を抑制した光源装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】ＬＥＤ素子を上面から見たときの模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示すＬＥＤ素子から射出された光を、コリメートした後に集光させた面上における像の写真である。
【図２】第一実施形態の光源装置の光学系を模式的に示す図面である。
【図３】第一実施形態の光源装置において、第一光学系と第二光学系の間から、Ｚ方向に光源部側を見たときの様子を模式的に示す図面である。
【図４】ＬＥＤ素子の配置間隔が広い場合において、第一光学系と第二光学系の間から、Ｚ方向に光源部側を見たときの様子を模式的に示す図面である。
【図５】図４の態様でＬＥＤ素子が配置された場合における光源装置の光学系を模式的に示す図面である。
【図６】第一実施形態の光源装置において、第一光学系と第二光学系の間から、Ｚ方向に光源部側を見たときの様子を模式的に示す別の図面である。
【図７】第二実施形態の光源装置において、第一光学系と第二光学系の間から、Ｚ方向に光源部側を見たときの様子を模式的に示す図面である。
【図８Ａ】ＬＥＤ素子を図３に示す態様で配置した場合において、各ＬＥＤ素子の中央位置から射出された光の光路を模式的に示す図面である。
【図８Ｂ】ＬＥＤ素子を図３に示す態様で配置した場合において、各ＬＥＤ素子の中央位置から射出された光の光路を模式的に示す図面である。
【図９Ａ】ＬＥＤ素子を図７に示す態様で配置した場合において、各ＬＥＤ素子の中央位置から射出された光の光路を模式的に示す図面である。
【図９Ｂ】ＬＥＤ素子を図７に示す態様で配置した場合において、各ＬＥＤ素子の中央位置から射出された光の光路を模式的に示す図面である。
【図１０Ａ】ＬＥＤ素子を図３に示す態様で配置した場合におけるロッドインテグレータの後段の光学系に照射される光の照度分布を示すグラフである。
【図１０Ｂ】ＬＥＤ素子を図７に示す態様で配置した場合におけるロッドインテグレータの後段の光学系に照射される光の照度分布を示すグラフである。
【図１１】第三実施形態の光源装置において、第一光学系と第二光学系の間から、Ｚ方向に光源部側を見たときの様子を模式的に示す図面である。
【図１２Ａ】ＬＥＤ素子を図７に示す態様で配置した場合におけるロッドインテグレータの入射面上における光の像を模式的に示す図面である。
【図１２Ｂ】ＬＥＤ素子を図１１に示す態様で配置した場合におけるロッドインテグレータの入射面上における光の像を模式的に示す図面である。
【図１３】露光装置の構成を模式的に示す図面である。
【図１４】従来の光源装置の構成の一部分を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の光源装置及び露光装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図における寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。
【００３３】
［第一実施形態］
図２は、第一実施形態の光源装置の光学系を模式的に示す図面である。光源装置１は、光源部２と、第一光学系５と、第二光学系７と、ロッドインテグレータ９を備える。
【００３４】
光源部２は、複数のＬＥＤ素子３を含む。複数のＬＥＤ素子３は、それぞれ、例えば図１Ａに示したような構造を有している。各ＬＥＤ素子３は、所定の平面上に配置されている。
【００３５】
第一光学系５は、複数のＬＥＤ素子３から射出された光をそれぞれコリメートする光学系であり、各ＬＥＤ素子３に対応して複数のコリメートレンズ６が配置されて構成されている。
【００３６】
第二光学系７は、第一光学系５から射出された光を、第二光学系７の焦点７ｆに集光する光学系である。
【００３７】
ロッドインテグレータ９は、その入射面９ａが、第二光学系７の焦点７ｆ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１１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２における光軸１１とは、ロッドインテグレータ９の入射面９ａに対して直交する軸としている。
【００３８】
ロッドインテグレータ９は、入射面９ａに入射された光を、側面で全反射を繰り返させながら射出面９ｂへと導くことで、射出面９ｂにおける光の照度分布を均一化する機能を有する導光部材（光ガイド）の一例である。このような導光部材は、例えば、ガラスや樹脂などの光透過性の材料からなる柱状部材、内面が反射鏡で構成された中空部材等で構成される。後者の構成のものは、特にライトトンネルと称されることがある。なお、導光部材は、その内部において、光軸に平行な方向に複数の光路が分割されて構成されていても構わない。
【００３９】
なお、以下では、光軸１１に平行な方向をＺ方向とし、このＺ方向に直交する平面をＸＹ平面として説明する。
【００４０】
図３は、第一光学系５と第二光学系７の間から、Ｚ方向（光軸１１方向）に光源部２側を見たときの様子を模式的に示す図面である。図３に示されるように、複数のＬＥＤ素子３は、所定の平面（ここではＸＹ平面）上に規則的に配置されており、各ＬＥＤ素子３に対してＺ方向に対向する位置にコリメートレンズ６が配置されている。図３の例では、外縁部を構成する各ＬＥＤ素子３が正六角形を構成し、且つ、各ＬＥＤ素子３がＸ方向及びＹ方向に整列して配置されている。なお、図３において、各ＬＥＤ素子３につき、説明の便宜上、それぞれ符号５１〜６９を付している。この符号を参照して説明すれば、外縁部を構成する各ＬＥＤ素子（５１，５２，５３，５７，６２，６６，６９，６８，６７，６３，５８，５４）が正六角形を構成している。
【００４１】
図２において、模式的に光線を図示しているように、各ＬＥＤ素子３の中心から射出された光が、コリメートレンズ６の射出面の周囲まで拡がった後、平行光に変換される。すなわち、コリメートレンズ６の射出面上での輝度は、各ＬＥＤ素子３上における輝度に等しい。このため、隣接するコリメートレンズ６間に隙間が生じていると、コリメートレンズ６群（すなわち、第一光学系５）の射出面側によって構成される二次光源の輝度値が、この隙間の分だけ低下する。よって、各ＬＥＤ素子３の輝度をできるだけ維持させるためには、隣接するコリメートレンズ６をなるべく密着させるのが好ましい。かかる観点から、本実施形態では、各コリメートレンズ６を正六角形状に密接配置している。コリメートレンズ６は、入射面６ａの面積が、対応するＬＥＤ素子３の発光面の面積よりも大きくなるように構成されている。
【００４２】
複数のＬＥＤ素子３が、図３に示すような態様で配置されることで、限られた領域内に多くのＬＥＤ素子３を密集させることができる。これにより、多くのＬＥＤ素子３からの射出光を第二光学系７によって集光させることができる。図２に示すように、例えば、あるＬＥＤ素子３からの射出光が第二光学系７を経て形成する光束２０ａと、別のＬＥＤ素子３からの射出光が第二光学系７を経て形成する光束２０ｂとの間隔ｄを極力短くすることができる。つまり、ロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される光を密にすることができる。
【００４３】
図１Ａを参照して上述したように、ＬＥＤ素子３は電極部４２を有しており、図示されていないが、この電極部４２に対して電源を供給するための配線が別途必要となる。このように、ＬＥＤ素子３を配置するに際しては、配線を取り回すための領域を確保することが不可避であるため、隣接するＬＥＤ素子３同士の間には間隔２１（図３参照）を空けざるを得ないという事情がある。
【００４４】
例えば、図４に示すように、ＬＥＤ素子３の間隔２１を広くして配置した場合を考える。図４は、ＬＥＤ素子３’及びこれに対応するコリメートレンズ６’を配置することができる余裕が存在する態様で配置されている場合を例示したものである。このようにＬＥＤ素子３を配置した場合、図５に示すように、あるＬＥＤ素子３からの射出光が第二光学系７を経て形成する光束２０ａと、別のＬＥＤ素子３からの射出光が第二光学系７を形成する光束２０ｂとに距離ｄが広がる。この場合、前述したように、図２の構成と比較して、第一光学系５の射出側における輝度値が低下する。また、ロッドインテグレータ９は、入射側の端面９ａに入射された光の角度成分を保持したまま光を進行させるため、射出側の端面９ｂ側において照度分布が生じてしまう。
【００４５】
上述したように、ロッドインテグレータ９は、内側面で光を全反射させることにより、入射面９ａで入射された光の進行する角度を保持しつつ、長手方向（ここではＺ方向）に沿って光を伝搬するように構成されている。すなわち、ロッドインテグレータ９は、入射面９ａで入射された光の角度を保持しながら、射出面９ｂでの照度分布を均一化する機能がある。このため、図４及び図５の構成であっても、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上では、入射面９ａ上よりは照度分布が均一化されている。しかし、図４及び図５の構成では、ロッドインテグレータ９の入射面９ａ上に入射される光の角度成分に抜けがあるため、射出面９ｂでの照度分布の均一化に不利に働く。これらを均一にするためにはロッドインテグレータ９内における反射回数を多く確保する必要がある。この結果、ロッドインテグレータ９の長さを長くしなければならない。
【００４６】
しかし、図３に示すようにＬＥＤ素子３を配置した場合には、各ＬＥＤ素子３の間隔２１が狭くされているため、図２に示すように、各ＬＥＤ素子３から射出された光束の間隔ｄを極力狭くすることができる。これにより、角度成分に抜けのない光をロッドインテグレータ９の入射面９ａに集光させることができ、ロッドインテグレータの射出面９ｂにおける光の照度分布が更に均一化される。
【００４７】
なお、図３を参照して上述したＬＥＤ素子３の配置方法は、あくまで一例であり、配置方法は適宜選択される。例えば、図６に示すように、外縁部を構成する各ＬＥＤ素子３がほぼ正方形を構成し、且つ、各ＬＥＤ素子３がＸ方向及びＹ方向に整列して配置されているものとすることができる。図６の態様においても、各ＬＥＤ素子３及び各コリメートレンズ６を密に配置させることができる。ＬＥＤ素子３をこのように配置した場合においても、図３の場合と同様に、角度成分に抜けが少ない光をロッドインテグレータ９の入射面９ａに集光させることができる。
【００４８】
［第二実施形態］
第二実施形態の光源装置について説明する。第二実施形態は、第一実施形態と比較して、各ＬＥＤ素子３の配置方法が異なる。
【００４９】
図７は、第二実施形態におけるＬＥＤ素子３の配置方法につき、図３にならって図示したものである。図７に示すＬＥＤ素子３は、複数のＬＥＤ素子３が、Ｘ方向及びＹ方向にいずれも非平行な、方向ｃ１及びｃ２に整列して配置されている。このように配置されることで、図３の態様でＬＥＤ素子３が配置される場合よりも、更にロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上における照度分布が均一化される点につき、以下説明する。
【００５０】
図８Ａ及び図８Ｂは、ＬＥＤ素子３が図３に示す態様で配置された場合において、各ＬＥＤ素子３の中央位置からＺ方向に射出された光が第二光学系７に入射された後、ロッドインテグレータ９に入射されるまでの光路を模式的に示している。この光路は、第二光学系７からロッドインテグレータ９までの間において、各ＬＥＤ素子３から射出された光が示す光軸に対応する。なお、図８Ａは、光学系をＸ方向に見たときの模式的な図面であり、図８Ｂは、光学系をＹ方向に見たときの模式的な図面である。
【００５１】
図３に示されるような態様でＬＥＤ素子３を配置した場合、ＸＹ平面上において、各ＬＥＤ素子３は、異なる９種類のＹ座標（Ｙ１〜Ｙ９）を示している。より詳細には、これらのＹ座標は、ＬＥＤ素子６２が示すＹ１、ＬＥＤ素子５７及び６６が示すＹ２、ＬＥＤ素子５３、６１及び６９が示すＹ３、ＬＥＤ素子５６及び６５が示すＹ４、ＬＥＤ素子５２、６０及び６８が示すＹ５、ＬＥＤ素子５５及び６４が示すＹ６、ＬＥＤ素子５１、５９及び６７が示すＹ７、ＬＥＤ素子５４及び６３が示すＹ８、並びに、ＬＥＤ素子５８が示すＹ９である。
【００５２】
異なるＹ座標を示すＬＥＤ素子３から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａ上において、それぞれＹ座標が異なる位置に入射される。すなわち、Ｙ座標の値がＹ９であるＬＥＤ素子５８から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａ上において最もＹ座標の大きな位置に入射される。この光は、光軸３１Ｙ９を有した光としてロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される。
【００５３】
同様に、Ｙ座標の値がＹ８であるＬＥＤ素子５４及び６３から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａ上において、ＬＥＤ素子５８から射出された光の次にＹ座標の大きな位置に入射される。この光は、光軸３１Ｙ８を有した光としてロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される。
【００５４】
つまり、図８Ａに示される光軸３１Ｙ９を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ９を示すＬＥＤ素子５８の１つである。図８Ａに示される光軸３１Ｙ８を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ８を示すＬＥＤ素子５４及び６３の２つである。以下、同様に記載する。
【００５５】
図８Ａに示される光軸３１Ｙ７を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ７を示すＬＥＤ素子５１、５９、及び６７の３つである。図８Ａに示される光軸３１Ｙ６を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ６を示すＬＥＤ素子５５及び６４の２つである。
【００５６】
図８Ａに示される光軸３１Ｙ５を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ５を示すＬＥＤ素子５２、６０、及び６８の３つである。図８Ａに示される光軸３１Ｙ４を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ４を示すＬＥＤ素子５６及び６５の２つである。
【００５７】
図８Ａに示される光軸３１Ｙ３を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ３を示すＬＥＤ素子５３、６１、及び６９の３つである。図８Ａに示される光軸３１Ｙ２を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ２を示すＬＥＤ素子５７及び６６の２つである。図８Ａに示される光軸３１Ｙ１を有する光を射出するのは、配置されたＹ座標の値がＹ１を示すＬＥＤ素子６２の１つである。
【００５８】
図８Ａに示すように、第二光学系７の入射面７ａ上において入射される光の位置が、第二光学系７の光軸１１から±Ｙ方向に離れるほど、ロットイングレータ９の入射面９ａ上におけるＹ方向に係る入射角度の大きな光となる。第二光学系７の光軸１１に対してＹ方向に対称に入射される光同士は、ロットイングレータ９の入射面９ａ上におけるＹ方向に係る入射角度が等しいとすれば、図８Ａに示す例では、ロッドインテグレータ９への入射角度が５種類であるといえる。すなわち、入射角度の大きい順に、光軸３１Ｙ９（又は３１Ｙ１）を有する光、光軸３１Ｙ８（又は３１Ｙ２）を有する光、光軸３１Ｙ７（又は３１Ｙ３）を有する光、光軸３１Ｙ６（又は３１Ｙ４）を有する光、及び光軸３１Ｙ５を有する光である。そして、これらの光を射出しているＬＥＤ素子３の数は、順に、２，４，６，４，３である。
【００５９】
同様に、各ＬＥＤ素子３のＸ座標についても検討する。図３に示されるような態様でＬＥＤ素子３を配置した場合、ＸＹ平面上において、各ＬＥＤ素子３は、異なる５種類のＸ座標（Ｘ１〜Ｘ５）を示している。より詳細には、これらのＸ座標は、ＬＥＤ素子５１，５２，及び５３が示すＸ１、ＬＥＤ素子５４，５５，５６，及び５７が示すＸ２、ＬＥＤ素子５８，５９，６０，６１及び６２が示すＸ３、ＬＥＤ素子６３，６４，６５，及び６６が示すＸ４、並びに、ＬＥＤ素子６７，６８及び６９が示すＸ５である。
【００６０】
異なるＸ座標を示すＬＥＤ素子３から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａに対して、異なるＸ座標の位置に入射される。すなわち、Ｘ座標の値がＸ５であるＬＥＤ素子６７，６８，及び６９から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａ上において最もＸ座標の大きな位置に入射される。この光は、光軸３１Ｘ５を有した光としてロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される。
【００６１】
つまり、Ｘ座標についてもＹ座標と同様に議論することができる。図８Ｂに示される光軸３１Ｘ５を有する光を射出するのは、配置されたＸ座標の値がＸ５を示すＬＥＤ素子６７，６８及び６９の３つである。図８Ａに示される光軸３１Ｘ４を有する光を射出するのは、配置されたＸ座標の値がＸ４を示すＬＥＤ素子６３，６４，６５，及び６６の４つである。
【００６２】
図８Ｂに示される光軸３１Ｘ３を有する光を射出するのは、配置されたＸ座標の値がＸ３を示すＬＥＤ素子５８，５９，６０，６１，及び６２の５つである。図８Ｂに示される光軸３１Ｘ２を有する光を射出するのは、配置されたＸ座標の値がＸ２を示すＬＥＤ素子５４，５５，５６及び５７の４つである。図８Ｂに示される光軸３１Ｘ１を有する光を射出するのは、配置されたＸ座標の値がＸ１を示すＬＥＤ素子５１，５２及び５３の３つである。
【００６３】
図８Ｂに示すように、第二光学系７の入射面７ａ上において入射される光の位置が、第二光学系７の光軸１１から±Ｘ方向に離れるほど、ロットイングレータ９の入射面９ａ上におけるＸ方向に係る入射角度の大きな光となる。第二光学系７の光軸１１に対してＸ方向に対称に入射される光同士は、ロットイングレータ９の入射面９ａ上におけるＸ方向に係る入射角度が等しいとすれば、図８Ｂに示す例では、ロッドインテグレータ９への入射角度が３種類であるといえる。すなわち、入射角度の大きい順に、光軸３１Ｘ５（又は３１Ｘ１）を有する光、光軸３１Ｘ４（又は３１Ｘ２）を有する光、及び光軸３１Ｘ３を有する光である。そして、これらの光を射出しているＬＥＤ素子３の数は、順に、６，８，５である。
【００６４】
同一の角度を有してロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される光を射出したＬＥＤ素子３の数が多いほど、当該角度成分を示す光量が高くなる。つまり、入射面９ａに対する入射角度に応じて光量が大きく異なると、射出面９ｂにおいて角度成分の強度バラツキに応じた照度分布が生成されてしまう。図３の配置の態様であれば、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれにおいて、入射角度に応じた光量が異なっているため、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上において照度分布が生成されているものと考えられる。言い換えれば、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上において照度をなるべく均一にするためには、ロッドインテグレータ９の入射面９ａに対して異なる入射角度を示す光の強度をなるべく均一化するのが好ましいと考えられる。
【００６５】
図９Ａ及び図９Ｂは、ＬＥＤ素子３が図７に示す態様で配置された場合において、各ＬＥＤ素子３の中央位置からＺ方向に射出された光が第二光学系７に入射された後、ロッドインテグレータ９に入射されるまでの光路を模式的に示している。図９Ａは、光学系をＸ方向に見たときの模式的な図面であり、図９Ｂは、光学系をＹ方向に見たときの模式的な図面である。
【００６６】
図７に示されるような態様でＬＥＤ素子３を配置した場合、図３の場合とは異なり、ＸＹ平面上において、各ＬＥＤ素子３は、異なる１９種類のＹ座標（Ｙ１１〜Ｙ２９）及び異なる１９種類のＸ座標（Ｘ１１〜Ｘ２９）を示している。図７の例では、全てのＬＥＤ素子３の配置位置について、Ｙ座標及びＸ座標が異なっている。よって、図９Ａに示すように、各ＬＥＤ素子３から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａに対して、それぞれ異なるＹ座標の位置に入射される。例えば、Ｙ座標の値がＹ２５であるＬＥＤ素子５９から射出された光は、光軸３１Ｙ２５を有した光としてロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される。また、図９Ｂに示すように、各ＬＥＤ素子３から射出された光は、第二光学系７の入射面７ａに対して、それぞれ異なるＸ座標の位置に入射される。例えば、Ｘ座標の値がＸ１９であるＬＥＤ素子５９から射出された光は、光軸３１Ｘ１９を有した光としてロッドインテグレータ９の入射面９ａに入射される。
【００６７】
図３に示す配置態様の場合、同一の角度でロットイングレータ９の入射面９ａに入射される光を射出しているＬＥＤ素子３が複数存在し、且つ、これらの数が角度に応じて隔たりを有していた。この結果、ロットイングレータ９の射出面９ｂ上において、入射角度に応じた照度分布を有していた。
【００６８】
しかし、図７に示すような配置態様とした場合、ロットイングレータ９の射出面９ｂ上において、各ＬＥＤ素子３から射出された光の入射角度を、図３に示す配置態様よりも分散させることができる。このことは、同一の角度でロットイングレータ９の入射面９ａに入射される光を射出しているＬＥＤ素子３の数を、均一化することができることを意味する。つまり、図７の配置態様によれば、ロットイングレータ９の射出面９ｂ上における照度分布を低減できる効果が得られる。
【００６９】
図１０Ａは、実際にＬＥＤ素子３を図３に示す態様で配置した場合の、ロッドインテグレータ９の後段の光学系に照射される光の照度分布を示すグラフである。図１０Ｂは、実際にＬＥＤ素子３を図７に示す態様で配置した場合の、ロッドインテグレータ９後段の光学系に照射される光の照度分布を示すグラフである。なお、図１０Ａ、図１０Ｂは、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上における照度分布と整合する。
【００７０】
図１０Ａによれば、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上において、Ｙ方向よりもＸ方向に照度の分布が高いことが分かる。これは、図８Ａ及び図８Ｂを参照して上述したように、ロッドインテグレータ９への入射角度に関して、Ｙ方向よりもＸ方向の方が種類が少ないため、角度毎の光の強度バラつきが大きくなっていることを表しているものと考えられる。
【００７１】
これに対し、図１０Ｂによれば、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上において、Ｘ方向及びＹ方向共に、照度を均一化できていることが分かる。このことからも、ロッドインテグレータ９への光の入射角度をなるべく異ならせ、異なる入射角度を示す光の間での強度差をできるだけ小さくすることで、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上における照度のバラツキを更に低減する効果が得られることが分かる。すなわち、本実施形態の構成によれば、光源部２から射出される光の輝度の低下を抑制しながらも、照度分布が均一化された光を実現することができる。
【００７２】
［第三実施形態］
第三実施形態の光源装置について説明する。第三実施形態は、第二実施形態と比較して、各ＬＥＤ素子３の配置方法が異なる。図１１は、第三実施形態におけるＬＥＤ素子３の配置方法につき、図７にならって図示したものである。図１１に示すＬＥＤ素子３は、図７と同様に、複数のＬＥＤ素子３が、Ｘ方向及びＹ方向にいずれも非平行な、方向ｃ１及びｃ２に整列して配置されている。ただし、各ＬＥＤ素子３の辺の方向自体は、Ｘ方向及びＹ方向に平行になるように配置している。
【００７３】
図１２Ａは、第二実施形態で上述したように、ＬＥＤ素子３を図７に示す態様で配置した場合の、ロッドインテグレータ９の入射面９ａに形成される像を模式的に示す図面である。図１２Ｂは、ＬＥＤ素子３を図１１に示す態様で配置した場合の、ロッドインテグレータ９の入射面９ａ上に形成される像を模式的に示す図面である。
【００７４】
図１２Ａに示すように、図７に示される配置態様の場合、ＬＥＤ素子３自体もＸ方向及びＹ方向に傾斜しているため、ロッドインテグレータ９の入射面９ａ上における像９Ｌが傾いている。この結果、入射面９ａ上において、像９Ｌの領域がはみ出してしまう。このはみ出した領域内の光は有効に利用されないため、結果的に光の利用効率が低下してしまう。
【００７５】
これに対し、図９に示される配置態様の場合、ＬＥＤ素子３そのものは傾斜せずに配置されているため、図１２Ｂに示すように、入射面９ａ上に形成される像９Ｌは、入射面９ａが構成する辺に平行になる。この結果、ロッドインテグレータ９に取り込むことのできる範囲内で複数のＬＥＤ素子３を集光することのみで、光を最大限有効に利用することができる。
【００７６】
更に、図７に示される配置態様の場合、図１２Ａに示すように、入射面９ａ上において、像９Ｌの領域と像が形成されない領域との間で照度分布が生じてしまう。これに対し、図９に示される配置態様の場合、図１２Ｂに示すように、入射面９ａの領域に対する像９Ｌの領域の面積の割合を高めることができる。この結果、図７に示される配置態様と比較して、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上における照度分布を更に均一化できる。
【００７７】
［第四実施形態］
図１３は、露光装置の構成を模式的に示す図面である。図１３に示す露光装置１９は、上述したいずれかの実施形態の光源装置１を備える。そして、ロッドインテグレータ９の後段に、投影光学系１５及びマスク１６を備え、必要に応じて投影レンズ１７を備える。投影光学系１５によって投影される位置にマスク１６を設置し、マスク１６の後段にマスク１６のパターン像を焼き付ける対象となる感光性基板１８を設置する。この状態で、光源部２から光が射出されると、この光が第二光学系７によって集光された後、ロッドインテグレータ９で照度分布が均一化された光として、投影光学系１５に照射される。投影光学系１２は、この光を、マスク１６のパターン像を直接又は投影レンズ１７を介して感光性基板１８上に投影する。
【００７８】
露光装置１９は、上記各実施形態で説明した光源装置１を備えることで、従来よりも照度のバラツキが改善された光を用いて露光することができ、露光ムラが抑制される。
【００７９】
［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。
【００８０】
〈１〉  第二実施形態では、ＬＥＤ素子３の配列方向ｃ１及びｃ２を、それぞれＸ及びＹ方向から１５°傾けた場合を採り上げて説明した。しかし、この傾ける角度については、１５°に限定されるものではない。
【００８１】
上述したように、図３のようにＬＥＤ素子３を配置した場合、Ｙ方向よりもＸ方向に関して座標数が少なくなり、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上では、Ｘ方向に照度のバラつきが生じた。図３の例では、各ＬＥＤ素子３を通過する線として、Ｘ方向に平行な線が９本引ける（９つのＹ座標を示す）一方、Ｙ方向に平行な線は５本しか引けない（５つのＸ座標を示す）。つまり、図３のようにＬＥＤ素子３が配置された場合、Ｘ方向には９列のＬＥＤ素子が並べられており、Ｙ方向には５列のＬＥＤ素子が並べられていることになる。
【００８２】
このような構成においては、ＬＥＤ素子３の配列数が少ない方向（図３ではＹ方向）に対して直交する方向、すなわちＸ方向と、ロッドインテグレータ９の入射面９ａを構成する辺の方向が平行でないように、ＬＥＤ素子３を配置態様を変更する。これにより、ロッドインテグレータ９の入射面９ａ上における角度毎の光の強度分布が抑えられ、射出面９ｂ上における照度を均一化することができる。より詳細には、ＬＥＤ素子３の配列数が最も少ない方向に対して直交する方向と、ロッドインテグレータ９の入射面９ａを構成する辺の方向が平行でないように、ＬＥＤ素子３を配置するのが好ましい。
【００８３】
更にいえば、上記の実施形態では、ロッドインテグレータ９の入射面９ａの形状が矩形であるものとして説明した。しかし、ロッドインテグレータ９の入射面９ａの形状は、矩形に限られず、三角形、直角三角形、正六角形等の形状を採用することができる。ここで、ロッドインテグレータ９に入射された光は、内面で反射を繰り返しながら、光が混ぜ合わされて射出面９ｂへと導かれる。この点に鑑みれば、ロッドインテグレータの入射面９ａ上において、この入射面９ａを構成する辺に対して直交する方向と、ＬＥＤ素子３が並べられている数の少ない方向に直交する方向（図３の例ではＸ方向）とが平行でないように、ＬＥＤ素子３を配置することで、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上における照度を均一化することができる。
【００８４】
〈２〉  第二実施形態では、ＬＥＤ素子３とロッドインテグレータ９の入射面９ａとが、共にＸＹ平面上に存在する場合を採り上げて説明した。しかし、光源部２とロッドインテグレータ９の間に例えば反射光学系等を配置することで、光の進行方向を変更する場合も考えられる。この構成の下では、ＬＥＤ素子３とロッドインテグレータ９の入射面９ａとは、必ずしも平行な平面上に存在しない。
【００８５】
このような場合には、ＬＥＤ素子３が配置されている平面を、ロッドインテグレータ９の入射面９ａに平行になるように移動させた仮想平面上で、上述した実施形態と同様の方法でＬＥＤ素子３を配置すればよい。ＬＥＤ素子３が配置されている平面を「第一平面」とし、この第一平面をロッドインテグレータ９の入射面９ａに平行になるように移動させたときに構成される平面を「第二平面」とする。第二平面上において並べられているＬＥＤ素子の配列数が最も少ない方向が、ロッドインテグレータ９の入射面９ａ上において当該入射面９ａを構成する辺に対して直交する方向に対して平行でないように、ＬＥＤ素子３が配置されることで、第二実施形態の構成と同様の効果が得られる。
【００８６】
なお、ＬＥＤ素子３の配列態様によっては、ＬＥＤ素子３の配列数が最も少ない方向が複数存在する場合がある。このときは、特に、第二平面上において並べられているＬＥＤ素子の配列数が最も少ない方向に直交する方向の全てが、ロッドインテグレータ９の入射面９ａ上において当該入射面９ａを構成する辺に対して直交する方向に対して平行でないように、ＬＥＤ素子３を配置するのが更に好ましい。このように構成することで、ロッドインテグレータ９の射出面９ｂ上における照度分布を均一化させる効果を更に高めることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１      ：    光源装置
２      ：    光源部
３      ：    ＬＥＤ素子
５      ：    第一光学系
６      ：    コリメートレンズ
６ａ    ：    コリメートレンズの入射面
７      ：    第二光学系
７ａ    ：    第二光学系の入射面
７ｆ    ：    第二光学系の焦点
９      ：    ロッドインテグレータ
９ａ    ：    ロッドインテグレータの入射面
９ｂ    ：    ロッドインテグレータの射出面
９Ｌ    ：    ロッドインテグレータの入射面上における光の像
１１      ：    光軸
１５      ：    投影光学系
１６      ：    マスク
１７      ：    投影レンズ
１８      ：    感光性基板
１９      ：    露光装置
２０ａ，２０ｂ      ：    光束
２１      ：    間隔
３１Ｘ１〜３１Ｘ５    ：    ＬＥＤ素子から射出された光の光軸
３１Ｘ１１〜３１Ｘ２９    ：    ＬＥＤ素子から射出された光の光軸
３１Ｙ１〜３１Ｙ９    ：    ＬＥＤ素子から射出された光の光軸
３１Ｙ１１〜３１Ｙ２９：    ＬＥＤ素子から射出された光の光軸
４０      ：    ＬＥＤ素子
４１      ：    光取り出し部
４２      ：    電極部
４３      ：    素子被覆部
５１〜６９：    ＬＥＤ素子
１００          ：    光源
１０１，１０２  ：    ＬＥＤ素子
１０３          ：    コリメートレンズ
１０４          ：    フライアイレンズ
１１０          ：    フライアイレンズを構成する一のレンズ
１２１          ：    レンズ１１０の入射面
１２２          ：    レンズ１１０の射出面
ＩＭ１０１      ：    ＬＥＤ素子１０１の像
ＩＭ１０２      ：    ＬＥＤ素子１０２の像
【図１Ａ】
0006471900.tif 000002
【図１Ｂ】
0006471900.tif 000003
【図２】
0006471900.tif 000004
【図３】
0006471900.tif 000005
【図４】
0006471900.tif 000006
【図５】
0006471900.tif 000007
【図６】
0006471900.tif 000008
【図７】
0006471900.tif 000009
【図８Ａ】
0006471900.tif 000010
【図８Ｂ】
0006471900.tif 000011
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
0006471900.tif 000013
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
0006471900.tif 000015
【図１１】
0006471900.tif 000016
【図１２Ａ】
0006471900.tif 000017
【図１２Ｂ】
0006471900.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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