(57)【要約】【課題】高い照明効率が得られると共に均一に露光することができる露光装置を提供することを課題とする。【解決手段】光源と、この光源から光が供給されるオプティカルインテグレータと、このオプティカルインテグレータを経由した光で照明される２次元空間変調素子と、を有する露光装置において、オプティカルインテグレータに向けて光を出射する光ファイババンドル端部１７４Ｅを光源に設け、出射側から見た光ファイババンドル端部１７４Ｅの出射エリア１９２を、オプティカルインテグレータの出射面の輪郭形状と略相似形とする。これにより、光ファイババンドル端部１７４Ｅから出射した光の大部分を照明設定エリアに照射することができるので、高い照明効率が得られると共に均一に露光することができる。【選択図】        図６
2004228343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から光が供給されるオプティカルインテグレータと、前記オプティカルインテグレータを経由した光で照明される２次元空間変調素子と、を有する露光装置であって、
前記光源は、光ファイバを並べて配列し、前記光ファイバから光を出射する光ファイババンドルからなる光源であり、
出射側から見た前記光ファイババンドルの端部で形成される出射エリアの形状と、前記オプティカルインテグレータの射出面の輪郭形状と、を略相似形にしたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】
前記オプティカルインテグレータがフライアイタイプ又はロッドタイプであることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置に関し、更に詳細には、照明効率を向上させると共に均一に露光できる露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＣＤ（液晶素子）やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）等の２次元空間光変調素子（以下２次元ＳＬＭという）を光源からの光で照明し、この照明光学系を有し２次元ＳＬＭで制御された光像を感材に露光する露光装置が知られている。このような露光装置では、２次元ＳＬＭを均一に照明する必要があり、照明光学系にはオプティカルインテグレータが用いられ、露光装置以外にもプロジェクターで一般的に使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
オプティカルインテグレータとは、光束を分割し、異なる経路を通した後再合成することにより、強度と位置の相関関係（強度分布）を解消して均一化するものであるが、光束の分割方式の違いにより、２つの方式がある。（１）一つは、２次元にレンズを配置したレンズアレイ（フライアイレンズ）を使用して空間的に光束を分割するフライアイタイプであり、（２）もう一つは、ガラスのロッドや内面をミラーにした中空のロッドを使用して、多重反射により角度的に分割するロッドタイプである。
【０００４】
フライアイタイプでは、２枚のフライアイレンズを使用し、１枚目のフライアイレンズで２枚目のフライアイレンズの各レンズセルに光を集光するような構成にされている。そして、２枚目のフライアイレンズの各レンズセルには光源像が結ばれ、２枚目のフライアイレンズは、１枚目のフライアイレンズの各レンズセルの像を２次元ＳＬＭ上に結像するような構成となっている。一方、ロッドタイプの場合では、ロッドの入射面に光源像が結ばれ、ロッドの射出面の像を２次元ＳＬＭ上に結像するような構成となっている。
【０００５】
光源に、超高圧水銀ランプ等のランプを使用する場合、ランプの光射出部形状と２次元ＳＬＭの照明エリア形状（すなわち、２次元ＳＬＭを照明するエリア形状）が全く異なるが、上記のインテグレータを使用することで、２次元ＳＬＭの必要な使用エリアのみ均一に照明することが可能となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１１１８０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際には、ランプのようにエタンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）が大きくかつ光射出部の形状が、２次元ＳＬＭに到達した照明光の照明エリアの形状と異なる場合、ランプから射出された光を全て有効に利用することが困難であり、照明効率が低くなっているのが現状である。
【０００８】
具体例を挙げて説明すると、例えば、ランプとフライアイタイプのインテグレータとを使用した場合、１枚目のフライアイレンズにより、２枚目のフライアイレンズの各セルに、ランプのアークの像が結ばれることになる。２次元ＳＬＭ上の使用エリアが長方形のような場合では、フライアイレンズのレンズセル形状も照明するエリアと相似形の形状として、レンズセルの像が結像されるような構成とし、ランプのアーク像が２枚目のフライアイレンズのレンズサイズ以下となるように設計するが、実際は、光源サイズ（ランプの光射出部サイズすなわちアークサイズ）、光の広がり、レンズの収差等により、光源の像の全てがレンズセルに入射することが困難であり、このため、光学性能が劣化し、照明効率の低下や照明均一度が悪くなるなどの問題が発生する。
【０００９】
本発明は、上記事実を考慮して、高い照明効率が得られると共に均一に露光することができる露光装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、フライアイレンズのレンズセル形状（ロッドの射出部形状）と略相似形、すなわちオプティカルインテグレータの射出面の輪郭形状と略相似形となるような光射出部を持つ光源とすれば、光射出部から出た光の大部分を照明エリアに導くことが可能になり、照明効率及び照明均一度の向上が期待されることに着目した。そして、光ファイバの端部をバンドルとして束ねた光射出部は、通常、図１０に示すように六角形状（略円形）であるが、この形状は任意の形状にすることができることに気付き、更に検討を重ね、本発明を完成するに到った。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、光源と、前記光源から光が供給されるオプティカルインテグレータと、前記オプティカルインテグレータを経由した光で照明される２次元空間変調素子と、を有する露光装置であって、前記光源は、光ファイバを並べて配列し、前記光ファイバから光を出射する光ファイババンドルからなる光源であり、出射側から見た前記光ファイババンドルの端部で形成される出射エリアの形状と、前記オプティカルインテグレータの射出面の輪郭形状と、を略相似形にしたことを特徴とする。
【００１２】
本明細書で光ファイババンドルとは、多数本の光ファイバの端部を１束に束ねた端部をいう。光ファイババンドルは任意の形状にされ得る。
【００１３】
光ファイババンドルの入射側に光を供給するには、ランプを用いてもよいし、ＬＤ（半導体レーザ）を用いてもよく、特に限定はしない。ＬＤを用いる場合、光ファイバの入射側にＬＤを結合する。また、１本の光ファイバに複数個のＬＤを結合してもよく、これにより、エタンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）を小さくしたまま光のパワーを増大させることができる。更に、複数のエミッタをアレイ状に配列したブロードエリアタイプの半導体レーザを用いてもよい。
【００１４】
請求項１に記載の発明により、光ファイババンドル端部から出射した光の大部分を、２次元空間変調素子に到達した照明光の照明エリアに導くことができるので、高い照明効率が得られると共に均一に露光することができる。
【００１５】
前記オプティカルインテグレータは、フライアイタイプ又はロッドタイプであることが多い。
【００１６】
なお、光ファイバの本数が多くなると、光ファイババンドル端部のサイズが大きくなる、すなわち、光源側のエタンデューが大きくなる。この光源側のエタンデューが２次元光変調素子側のエタンデューに比べて大きくなると、照明効率が低下する。このため、光ファイバの本数が多い場合、光ファイバのコア径やクラッド径を小さくすることにより、照明効率の低下を防止することができる。
【００１７】
前記２次元空間変調素子としてＤＭＤを使用する場合、ＤＭＤの各ミラー面の光軸に対して所定の角度で光を斜めに入射し、かつ、各ミラーが傾く方向から入射させるので（すなわち、各ミラー面の所定の対角方向から入射させるので）、出射側から見た光ファイババンドル端部の形状が例えば長方形であっても、各ＤＭＤの面上では、長方形を変形させた形状になる。しかし、変形量が小さいので略長方形と考えても良い。従って、２次元空間変調素子としてＤＭＤを使用する場合でも、出射側から見た光ファイババンドル端部の形状と、オプティカルインテグレータの射出面の輪郭形状と、を略相似形にすれば良い。
【００１８】
ＤＭＤは、ＬＣＤ（液晶素子）のようにＵＶ光で劣化することがないので、これにより、ＵＶ光に対して感度を有する感光材料を高い照明効率で露光することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、実施形態を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。本発明の一実施形態に係る露光装置１４２は、図１に示すように、シート状の感光材料１５０を表面に吸着して保持する平板状のステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された肉厚板状の設置台１５６の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド１５８が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、この露光装置１４２には、ステージ１５２をガイド１５８に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【００２０】
設置台１５６の中央部には、ステージ１５２の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート１６０が設けられている。ゲート１６０の端部の各々は、設置台１５６の両側面に固定されている。このゲート１６０を挟んで一方の側にはスキャナ１６２が設けられ、他方の側には感光材料１５０の先端及び後端を検知する複数（例えば、２個）の検知センサ１６４が設けられている。スキャナ１６２及び検知センサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２及び検知センサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００２１】
スキャナ１６２は、図２及び図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（例えば、３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば、１４個）の露光ヘッド１６６を備えている。この例では、感光材料１５０の幅との関係で、３行目には４個の露光ヘッド１６６を配置した。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド１６６ｍｎと表記する。各露光ヘッドの構成は同じである。
【００２２】
露光ヘッド１６６による露光エリア１６８は、副走査方向Ｖを短辺とする矩形状である。従って、ステージ１５２の移動に伴い、感光材料１５０には露光ヘッド１６６毎に帯状の露光済み領域１７０が形成される。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア１６８ｍｎと表記する。
【００２３】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、帯状の露光済み領域１７０が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（露光エリアの長辺の自然数倍、本実施形態では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の露光エリア１６８１１と露光エリア１６８１２との間の露光できない部分は、２行目の露光エリア１６８２１と３行目の露光エリア１６８３１とにより露光することができる。
【００２４】
［露光ヘッドの構成］
露光ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎの構成は、何れも同じなので、以下、一の露光ヘッドについてその構成を説明する。
【００２５】
露光ヘッド１６６は、図４に示すように、出射側端部が束ねられて光ファイババンドル端部１７４Ｅとされた多数本の光ファイバ１７４と、多数本の光ファイバ１７４とＬＤを結合させた光源と、を光源として備えている。
【００２６】
また、露光ヘッド１６６は、光ファイババンドル端部１７４Ｅから出射された光が入射する照明光学系としてオプティカルインテグレータ１７６を備えている。オプティカルインテグレータ１７６は、光ファイババンドル端部１７４Ｅからの光を集光するコリメータレンズ１７８と、コリメータレンズ１７８を透過した収束光が順次透過する２枚のフライアイレンズ１８０Ａ、１８０Ｂ、及び、フィールドレンズ１８２を備えている。
【００２７】
更に、露光ヘッド１６６には、フィールドレンズ１８２を透過した光を変調する２次元ＳＬＭ（２次元空間変調素子）１８６が設けられている。
【００２８】
図５に示すように、２次元ＳＬＭ１８６に照明すべき意図した照明設定エリア１９０は長方形状にされている。また、図６に示すように、光ファイババンドル端部１７４Ｅは、出射側から見て、照明設定エリア１９０と略相似形の出射エリア１９２を形成している。これにより、光ファイババンドル端部１７４Ｅからの光を照明光として無駄なく利用でき、高い照明効率が得られる。
【００２９】
なお、フライアイレンズタイプでなく、図７に示すように、ガラスからなるロッド１９４を用いたロッドタイプの露光ヘッドを有する露光装置であってもよい。これにより、装置構成を簡素にすることができる。
【００３０】
［照明光学系の特性、配置位置］
照明光学系の簡略図の一例を図４に示す。フライアイレンズ１８０Ａは、レンズセルサイズＳ１、レンズセル数Ｎ１、縦方向長さＡ１、焦点距離ＭＬ１Ｆ、とされており、集光サイズはＺ１（＝２×ＭＬ１Ｆ×ＮＡ１）である。フライアイレンズ１８０Ｂは、レンズサイズＳ２（＝Ｓ１）、レンズセル数Ｎ２（＝Ｎ１）、及び、縦方向長さＡ２（＝Ａ１）が何れもフライアイレンズ１８０Ａと同じであり、焦点距離ＭＬ２Ｆとされている。フィールドレンズ１８２は、縦方向長さＦＬＤがＡ２とほぼ同じである。また、フィールドレンズ１８２の焦点距離ＦＬＦが、フライアイレンズ１８０Ｂと２次元ＳＬＭ１８６との距離Ｌ４とほぼ同じになるように２次元ＳＬＭ１８６が配置されている。
【００３１】
光ファイババンドル端部１７４Ｅとコリメータレンズ１７８との距離Ｌ１、及び、コリメータレンズ１７８とフライアイレンズ１８０Ａとの距離Ｌ２は、何れも、コリメータレンズ１７８の焦点距離ＣＬ２Ｆと同じにされている。フライアイレンズ１８０Ａとフライアイレンズ１８０Ｂとの距離Ｌ３は、フライアイレンズ１８０Ａの焦点距離ＭＬ１Ｆと同じにされている。
【００３２】
ここで、光ファイババンドル端部１７４Ｅのある一方向長さをＡ０、光ファイババンドル端部１７４Ｅからの光の放散角度をＮＡ０、フライアイレンズ１８０Ａへの集光角度をＮＡ１、とすると、照明系の基本式は以下の式で与えられる。
【００３３】
Ａ０・ＮＡ０＝Ａ１・ＮＡ１
（すなわち、Ａ０・ＮＡ０＝Ｎ１・Ｓ１・ＮＡ１）
【００３４】
また、結像特性は以下の式で与えられる。
１／Ｌ３＋１／Ｌ４＝１／ＭＬ２Ｆ
（すなわち、１／ＭＬ１Ｆ＋１／Ｌ４＝１／ＭＬ２Ｆ）
【００３５】
倍率特性は以下の式で与えられる。
ＡＣＳ／Ｓ１＝Ｌ４／Ｌ３
（すなわち、ＡＣＳ／Ｓ１＝Ｌ４／ＭＬ１Ｆ）
【００３６】
集光特性は、フライアイレンズ１８０Ａによる集光サイズ（直径）をＺ１とすると、以下の式で与えられる。
Ｚ１＝２・ＭＬ１Ｆ・ＮＡ１
照明ＦＮ０は、
ＳＦＮ０＝ＦＬＦ／ＦＬＤ（≒Ｌ４／Ｌ２）
で与えられる。
【００３７】
［Ｅｔｅｎｄｕｅ（エタンデュー）の概念］
ＳＬＭ（空間変調素子）を照明するということは、ある光源の像をＳＬＭに結像するということである。光学倍率をβとすると、図８に示すように、像の面積Ｓ２はβ２に比例し（Ｓ２＝β２Ｓ１）、光線と光軸の成す角θは倍率βに逆比例する（θ２＝θ１／β）。すなわち、
Ｓ１θ１２＝Ｓ２θ２２
となる。ここで、立体角Ωはθ２にほぼ比例するので、
Ω１Ｓ１≒Ω２Ｓ２
となる。すなわち、光源面積と立体角の積は一定となる。厳密には、理想レンズ（透過率１００％、無収差）１９８による光束の伝達は、
光束：ｅ＝∫Ｓ∫Ωｃｏｓθ・ｄＳ・ｄΩ
で表される。θが十分小さい（Ｆ２．５以上）ときにはｃｏｓθ≒１であるので、
光束：ｅ≒Ω１Ｓ１≒Ω２Ｓ２
とみなせる。この「ΩＳ」がエタンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）である。理想的な無収差・透過率１００％の光学系を想定すると、エタンデューは保存される（なお、共役な関係でなくても、エタンデューは保存されることが知られている）。
【００３８】
つまり、上記図の光源Ｂを２次元ＳＬＭとすれば、光源Ａのエタンデューが２次元ＳＬＭのエタンデューより小さければ、非常に高い効率で照明することが可能となる。
【００３９】
（計算例）
光源側のエタンデューをＥｓとする。
▲１▼アーク長４ｍｍの放電ランプの例
光源を直径１ｍｍ、長さ４ｍｍの円柱とし、側面から等方的に光が放出されるとすると、
Ｅｓ＝π・１・４・２π≒８０ｍｍ２・ｓｔｒ
となる（エタンデューが大きい）。
▲２▼ファイバ光源の例
バンドル出射部サイズ０．７×０．７ｍｍ、ＮＡ０．２（≒１１．５ｄｅｇ）とすると、
Ｅｓ＝２π・（１−ｃｏｓ１１．５）・０．７・０．７≒０．０６ｍｍ２・ｓｔｒ
となる（エタンデューが非常に小さい）。
【００４０】
［実施例］
以下、２次元ＳＬＭ１８６としてＤＭＤを用いた場合を実施例として挙げて説明する。図９に示すように、本実施例では、２次元ＳＬＭとしてＤＭＤ２００が各露光ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎに設けられており、ＤＭＤ２００によって、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調するようになっている。
【００４１】
図９（Ａ）は、主走査方向Ｕに対してＤＭＤ２００を傾斜させない場合の各画素部の実像（ビームスポットＢＳ）の走査軌跡を示し、図９（Ｂ）は、主走査方向Ｕに対してＤＭＤ２００を傾斜させた場合のビームスポットＢＳの走査軌跡を示している。ＤＭＤ２００は、その辺方向が主走査方向Ｕと所定角度θ（例えば、０．１°〜１°）を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。
【００４２】
ＤＭＤ２００には、長手方向（行方向）に沿って画素部が多数個（例えば、８００個）配列された画素列が、短手方向に多数組（例えば、６００組）配列されているが、図４（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ２００を傾斜させることにより、各画素部から出射されたビームスポットＢＳの走査軌跡（走査線）のピッチＰ２が、ＤＭＤ２００を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ１より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、ＤＭＤ２００の傾斜角は微小であるので、ＤＭＤ２００を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、ＤＭＤ２００を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００４３】
また、異なる画素列により同じ走査線上における略同一の位置（ドット）が重ねて露光（多重露光）されることになる。このように、多重露光されることで、露光位置の微少量をコントロールすることができ、高精細な露光を実現することができる。また、主走査方向Ｕに沿って配列された複数の露光ヘッド間のつなぎ目を微少量の露光位置制御により段差無くつなぐことができる。しかし、その変形量は小さい。
【００４４】
以上説明したように、本実施例では、ＬＣＤ（液晶素子）のようにＵＶ光で劣化することがないＤＭＤ２００を２次元ＳＬＭとして設けている。これにより、ＵＶ光に対して感度を有する感光材料を高い照明効率で均一に露光することができる。
【００４５】
以上、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、上記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、高い照明効率が得られると共に均一に露光することができる露光装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る露光装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は感光材料に形成される露光済み領域を示す平面図であり、（Ｂ）は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る露光装置の露光ヘッドの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る露光装置で、２次元ＳＬＭで照明すべき照明設定エリアを示す平面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る露光装置で、光ファイババンドル端部の正面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る露光装置の露光ヘッドの変形例を示す模式図である。
【図８】エタンデューの原理を説明するための模式図である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置した場合とで、ＤＭＤに入射されるビームの位置及びＤＭＤから出射した走査線を比較して示す模式図である。
【図１０】従来の光ファイババンドル端部の正面図である。
【符号の説明】
１４２  露光装置
１６６  露光ヘッド
１７４Ｅ  光ファイババンドル端部（端部）
１７６  オプティカルインテグレータ
１８６  ２次元ＳＬＭ（２次元空間変調素子）
１９２  出射エリア
２００  ＤＭＤ
【図１】
2004228343.tif 000003
【図２】
2004228343.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004228343.tif 000008
【図７】
2004228343.tif 000009
【図８】
2004228343.tif 000010
【図９】
2004228343.tif 000011
【図１０】
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