(57)【要約】  【課題】高出力でかつ品質の安定したパターン露光装置を提供する。  【解決手段】平行光ビームとワークとを相対的に移動させ、前記平行光ビームにより前記ワークにパターンを露光するパターン露光装置において、前記平行光ビームを主走査方向に走査させる主走査手段と、前記ワークを副走査方向に走査させるステージと、前記平行光ビームを出射するための、活性層に沿う方向が前記主走査方向に対して垂直であるマルチモードの半導体レーザとを備え、前記ワークの任意の露光箇所を前記平行光ビームで露光することを特徴とするパターン露光装置。【選択図】図１
2012211979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光ビームとワークとを相対的に移動させ、前記平行光ビームにより前記ワークにパターンを露光するパターン露光装置において、
前記平行光ビームを主走査方向に走査させる主走査手段と、
前記ワークを副走査方向に走査させるステージと、
前記平行光ビームを出射するための、活性層に沿う方向が前記主走査方向に対して垂直であるマルチモードの半導体レーザとを備え、
前記ワークの任意の露光箇所を前記平行光ビームで露光することを特徴とするパターン露光装置。
【請求項２】
前記平行光ビームは複数のマルチモードの半導体レーザから出射された互いに平行な複数の平行光ビームであり、前記ワークの任意の露光箇所を互いに異なる前記平行光ビームで複数回露光する
ことを特徴とする請求項１に記載のパターン露光装置。
【請求項３】
前記主走査手段がポリゴンミラーである
ことを特徴とする請求項１に記載のパターン露光装置。
【請求項４】
前記平行光ビームのビーム径を前記主走査方向に縮小するビーム径縮小手段を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載のパターン露光装置。
【請求項５】
前記ビーム径縮小手段がアナモルフィックプリズムペアである
ことを特徴とする請求項４に記載のパターン露光装置。
【請求項６】
前記ビーム径縮小手段がシリンドリカルレンズタイプのビームエキスパンダーである
ことを特徴とする請求項４に記載のパターン露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモードの半導体レーザから出射された光ビームによりパターンを露光するパターン露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板、液晶ディスプレイのＴＦＴ基板、カラーフィルタ基板あるいはプラズマディスプレイ等の基板にパターンを露光するため、従来は、パターンの原版となるマスクを製作し、このマスクをマスク露光装置により上記の基板に露光していた。
【０００３】
しかし、基板の寸法は近年ますます大きくなると共に、これら基板の設計、製作に要求される時間はますます短くなっている。このため、液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の２次元空間変調器を用いて２次元パターンを発生させ、これを投影レンズで基板上に露光する方法、出力の大きなレーザとポリゴンミラーを用いて走査させながらレーザ光をＥＯ変調器やＡＯ変調器を用いて基板に描画露光する方法等、マスクを使用しない、いわゆるマスクレス露光方法が実用化された。しかし、前者の方法は比較的微細なパターンの描画が可能であるが、装置が高価なものになり、後者の方法はラフなパターンを広い領域に描画することができ、かつ構成がシンプルで比較的安価に生産できるが、大きな面積を高精細に描画することが難しく、また、スループットを短くするためには高出力のレーザが必要となった。しかしながら、高出力のレーザは高価であり、しかも設置台の振動、温度変化、風などといった環境による影響を受けやすく、これらの影響により光軸が動いてしまった場合には再調整が必要になったり、レーザ発振のためのレーザ結晶の交換時期が早まるなどランニングコストも高くなった。
【０００４】
このようなことから、複数の光源を直交する２軸方向に配置すると共に、主走査手段であるポリゴンミラーを設け、複数の前記光源の配列方向の一方を前記主走査手段であるポリゴンミラーの走査方向と同じ方向に配置し、任意の露光箇所を互いに異なる出射光で複数回露光することにより、スループットが短く、安価な装置で、かつランニングコストを低減させたパターン露光方法およびパターン露光装置が特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１のパターン露光装置は、図５に示すように、光源光学系１と、長焦点レンズ３と、主走査手段（ポリゴンミラー）５と、ステージ７等から構成され、被露光体である基板８はステージ７に固定されている。光源光学系１は、半導体レーザ１１と断面が平行四辺形のプリズムを複数重ねたビーム径不変ビームピッチ縮小手段を備え、レーザ光はプリズムの内部だけを通るように構成されている。なお、図５の上側にある座標軸はユニット１における座標を表し、下側にある座標軸はワークにおける座標を表す。
【０００６】
特許文献２には、ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱である平行ガラスと、ｘｙ方向の断面が平行四辺形の四角柱であってｘｙ方向と直角なｚ方向の一方の表面に溝Ｇを備える平行ガラスを、溝Ｇが内側になるようにして密着させて重ね、溝Ｇに進入しようとする光を全反射させることにより、平行ビームのピッチを所望のピッチに変換することを特徴とする光ビームの軸間ピッチ変換装置の平行ガラス一体ユニットについて開示されている。
【０００７】
この平行ガラス一体ユニットは、図６に示すように、断面が平行四辺形である平行ガラス１４０１〜１４０８と、平行ガラス１４１１〜１４１８から構成され、左側のユニットにおいては、図７に示すように、平行ガラス１４１１〜１４１７の右側面にコの字形の溝Ｇが形成され、個々の平行ガラスに下方から入射した各平行ビームは溝Ｇ（平行ガラス１４１１の場合は空気との境目）で全反射して右方に進み、右側にある平行ガラスの内部を通り、１４１８の空気の境目で全反射して上方に進み、平行ガラス１４１８の上方から出射することで、各平行ビームのピッチを変換させている。（図７の（Ｂ）は（Ａ）におけるＫ矢視図である。）
【０００８】
光源効率を向上させるといった観点からは、特許文献３に、マルチビームタイプのレーザ走査光学装置において、コリメータレンズに入射するレーザ光の光量を増加させるよう、半導体レーザの活性層に沿う方向の傾き角度を主走査方向の光束幅が最小となる角度にすること、つまり副走査方向に対して９０度（主走査方向に平行となる角度）にすることが好ましいことが開示されている。
【０００９】
ここで、マルチビームタイプとは、複数個の半導体レーザを用いて複数本のレーザ光を出射させるもの、または複数のレーザ光を単体で出射するアレイ型の半導体レーザを用いて複数本のレーザ光を出射させるものであり、本願に係わるマルチモードは発光部分の幅を広くして横モードを多重モードにしたものであるため、両者は異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３１６３４９号公報（段落００５２〜段落００８３、実施例４）
【００１１】
【特許文献２】特開２００７−３２２５４３号公報（段落００１０〜段落００３４）
【００１２】
【特許文献３】特開２００１−１０８９２９号公報（段落００２０〜段落００３０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
プリント基板の場合、ソルダーレジストを露光する工程があるが、ソルダーレジストの感度は一般に低く、露光のスループットが低かった。
【００１４】
そこで、本発明は、平行光ビームとワークとを相対的に移動させ、前記平行光ビームにより前記ワークにパターンを露光するパターン露光装置において、ソルダーレジスト等の低感度レジストに対応するため、高出力のマルチモードの半導体レーザを用いることが考えられるが、マルチモードの半導体レーザは活性層に沿う方向にパワーのピークが複数存在し、パワーのピークが複数存在する方向の品質が安定しないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するため、本発明では、平行光ビームとワークとを相対的に移動させ、前記平行光ビームにより前記ワークにパターンを露光するパターン露光装置において、高出力のマルチモードの半導体レーザを用い、マルチモードの半導体レーザの活性層に沿う方向を主走査方向に対して垂直に配置することを特徴とする。
【００１６】
しかしながら、本発明において、主走査方向のビーム径が平行ガラス一体ユニットの溝幅Ｗｇより大きくなってしまうという問題が発生した。これを改善するために、平行光ビームのビーム径を主走査方向に縮小するビーム径縮小手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
高出力のマルチモードの半導体レーザを用い、マルチモードの半導体レーザの活性層に沿う方向を主走査方向に垂直に配置することにより、品質の安定した高出力なパターン露光装置を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るパターン露光装置の半導体レーザの方向とビーム形状およびそのパワー分布を説明するための図である。
【図２】本発明に係るパターン露光装置の光源光学系を説明するための図である。
【図３】従来のパターン露光装置の半導体レーザの方向とビーム形状を説明するための図である。
【図４】半導体レーザの位置とレーザ光の向きを示す図である。
【図５】従来のパターン露光装置の全体構成図である。。
【図６】従来の光ビームの軸間ピッチ変換装置の光源光学系を説明するための図である。
【図７】平行ガラス一体ユニットの構成説明図である。
【図８】被露光面でのビーム走査位置を説明するための図である。
【図９】縦線（溝）を描画する場合の被露光面でのビーム形状を示す図である。
【図１０】実施例の結果（外観拡大イメージ）を表す図である。
【図１１】実施例の結果（溝幅）を表す図である。
【図１２】比較例１の結果（外観拡大イメージ）を表す図である。
【図１３】比較例１の結果（溝幅）を表す図である。
【図１４】比較例２の結果（外観拡大イメージ）を表す図である。
【図１５】比較例２の結果（溝幅）を表す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のパターン露光装置は、図５に示す従来のパターン露光装置において、マルチモードの半導体レーザを用い、マルチモードの半導体レーザを図１で示すように活性層に沿う方向を主走査方向に垂直に配置し、光源光学系１を図２に示す光源光学系１Ａに置き換えたものである。
【００２０】
図１は本発明に係るパターン露光装置のマルチ横モードの半導体レーザの方向とビーム形状およびそのパワー分布を説明する図、図２は本発明に係るパターン露光装置の光源光学系を説明する図である。ｘ方向が副走査方向であり、ｙ方向が主走査方向である。
【００２１】
半導体レーザの向きは、本発明のパターン露光装置においては、図１のように活性層に沿う方向が主走査方向に垂直であるが、従来のパターン露光装置においては、図３のように活性層に沿う方向が主走査方向に平行である。
【００２２】
マルチモードの半導体レーザは、図１に示すように、活性層に垂直な方向のパワーのピークは単一であり（シングルモード）、活性層に沿う方向にはパワーのピークが複数存在し（マルチモード）、パワーのピークが複数存在する方向（マルチモード方向）にパワーが安定しないという特徴を持つ。すなわち、ＯＮ−ＯＦＦ駆動により発光強度が変わり、活性層に沿う方向（マルチモード方向）のビーム径が変化しやすいという性質を持つ。
【００２３】
本発明のパターン露光装置の光源光学系１Ａは、図２に示すように、マルチモードの半導体レーザ１２と非球面レンズ１３とを含むマルチ平行ビーム発生ユニット１１と、ビーム径縮小手段４００と、平行ガラス一体ユニット１４とから構成されている。
【００２４】
マルチ平行ビーム発生ユニット１１は、マルチモードの半導体レーザ１２から出射した発散光を非球面レンズ１３により収束させて平行光ビーム１０にし、平行光ビーム１０が複数の場合、複数の平行光ビーム１０を互いに平行になるようにする。
【００２５】
平行光ビーム１０は、ビーム径縮小手段４００に入射し、平行ガラス一体ユニット１４の溝Ｇで全反射されるように主走査方向のビーム径が縮小される。
【００２６】
複数の半導体レーザを用いた場合の半導体レーザの位置とレーザ光の向きは、本発明の場合は図４（ａ）のようになり、従来技術の場合は図４（ｂ）のようになる。
【００２７】
従来技術における実験例を、比較例１および比較例２として示し、本発明の実験例を実施例として示す。
【００２８】
図８（１）は、横線（溝）を描画する場合の被露光面でのビーム走査位置を示す図であり、図８（２）は、縦線（溝）を描画する場合の被露光面でのビーム走査位置を示す図である。
【００２９】
図９（１）は、縦線（溝）を描画する時の半導体レーザの活性層に沿う方向が主走査方向に垂直である場合の被露光面でのビーム形状を示す図であり、図９（２）は、縦線（溝）を描画する時の半導体レーザの活性層に沿う方向が主走査方向に平行である場合の被露光面でのビーム形状を示す図である。
【００３０】
（比較例１）
図５に示す従来のパターン露光装置において、光源に複数のマルチ横モードの半導体レーザ１２を用い、図３に示すように各マルチ横モードの半導体レーザ１２の活性層３００に沿う方向を主走査方向に平行な方向で、図４（ｂ）に示すような規則的な２次元配列にし、互いに平行な複数の平行光ビーム１０で被露光箇所を複数回露光することで、基板８に横線（溝）を描画する実験を行なった。図８（１）に示すように、横線（溝）の描画は、主走査方向（ｙ方向）と横線の方向が同一であることより、半導体レーザ１２をＯＮ駆動した状態で、平行光ビーム１０を描画の開始点から終了点まで主走査方向（ｙ方向）に連続照射しながら移動させることで１本の横線（溝）を描画するため、動作は容易である。
【００３１】
この比較例の場合、図１２および図１３で示す結果となり、外観は凸凹のないなめらかな線で、各溝幅はほぼ均一であった。描画の開始点から終了点まで半導体レーザ１２をＯＮ駆動した状態であるため発光強度が不変であり、ビーム径も変化することがないため、溝幅がほぼ均一な安定した品質が得られた。
【００３２】
（比較例２）
図５に示す従来のパターン露光装置において、光源に複数のマルチ横モードの半導体レーザ１２を用い、図３に示すように各マルチ横モードの半導体レーザ１２の活性層３００に沿う方向を主走査方向に平行な方向で、図４（ｂ）に示すような規則的な２次元配列にし、互いに平行な複数の平行光ビーム１０で被露光箇所を複数回露光することで、基板８に縦線（溝）を描画する実験を行なった。図８（２）に示すように、縦線（溝）の被露光点で半導体レーザ１２をＯＮ−ＯＦＦ駆動させることによりできる平行光ビーム１０のビームスポットを、副走査方向（ｘ方向）に複数照射して合成させることにより１本の縦線（溝）を描画するため、動作は横線（溝）の描画より難しい。
【００３３】
この比較例の場合、図１４および図１５で示す結果となり、外観は凸凹のある線で、各溝幅は不均一である。図９（２）に示すように、活性層に沿う方向（マルチモード方向）が主走査方向（ｙ方向）であり、半導体レーザ１２はＯＮ−ＯＦＦ駆動のたびに発光強度が変わり、ビーム径が横方向（ｙ方向）に変化するため、溝幅が不均一な凸凹のある縦線（溝）になってしまった。
【実施例】
【００３４】
そこで、図５に示す従来のパターン露光装置において、光源光学系を図２に示す光源光学系１Ａに置き換え、光源にマルチ横モードの半導体レーザ１２を用い、図１に示すようにマルチ横モードの半導体レーザ１２の活性層３００に沿う方向を主走査方向に垂直な方向で、図４（ａ）のような規則的な２次元配列にし、互いに平行な複数の平行光ビーム１０で被露光箇所を複数回露光することで、基板８に縦線（溝）を描画する実験を行なった。比較例２と同様に、縦線（溝）の被露光点で半導体レーザ１２をＯＮ−ＯＦＦ駆動させることによりできる平行光ビーム１０のビームスポットを、副走査方向（ｘ方向）に複数照射して合成させることにより１本の縦線（溝）を描画した。
【００３５】
マルチ平行ビーム発生ユニット１１により互いに平行にされた平行光ビーム１０は、ビーム径縮小手段４００に入射し、平行ガラス一体ユニット１４の溝Ｇの幅Ｗｇで全反射されるように主走査方向のビーム径が縮小され、さらに平行ガラス一体ユニット１４により副走査方向のビームピッチが縮小される。
【００３６】
この実施例の場合、図７で示す溝Ｇの幅ＷｇはＷｇ＝１．６ｍｍである。図２において、非球面レンズ１３から出射した平行光ビーム１０の主走査方向のビーム径をφＡ＝４ｍｍとすると、溝Ｇに入射時のビーム径がφＢ＝約１．６ｍｍとなるようにビーム径縮小手段４００であるアナモルフィックプリズムペアの縮小倍率Ｍの値を次の計算により求め、設定する。
【００３７】
【数１】
2012211979.tif 000003
【００３８】
アナモルフィックプリズムペアの縮小倍率Ｍをより小さくすることで主走査方向のビーム径をさらに縮小してもよい。
【００３９】
主走査方向のビーム径を縮小するためにアナモルフィックプリズムペアを用いたが、シリンドリカルレンズタイプのビームエキスパンダーを用いてもよい。
【００４０】
アナモルフィックプリズムペアは、他の光学系に比べると、ペアであるプリズム同士をシフトさせたとしても光軸がずれるだけで収差が発生しないという利点がある。
【００４１】
この実施例の場合、図１０および図１１で示す結果となり、外観は凸凹の少ない線で、各溝幅はほぼ均一となり、縦線（溝）の品質を改善することができた。図９（１）に示すように、活性層３００に沿う方向（マルチモード方向）が副走査方向（ｘ方向）であることより、半導体レーザ１２がＯＮ−ＯＦＦ駆動しても、シングルモード方向である主走査方向（ｙ方向）の発光強度の変化は少なく、主走査方向（ｙ方向）である横方向のビーム径の変化も少ないため、縦線（溝）の溝幅はほぼ均一となった。副走査方向（ｘ方向）である縦方向のビーム径の変化は、縦線（溝）の溝幅には影響しないため問題ない。なお、図９におけるｘ方向はステージ７により走査される副走査方向、ｙ方向は本発明の主走査に最適な主走査手段（ポリゴンミラー）５により走査される主走査方向である。
【００４２】
この実施例の構成で、マルチモードの半導体レーザに代えてシングルモードの半導体レーザを用いたとしても品質面での問題はない。
【００４３】
また、平行光ビーム１０は単数でも複数でもよいが、ワークの任意の露光箇所を互いに異なる複数の平行光ビーム１０で複数回露光するほうが、露光品質を平均化することができ、より品質を安定させることにつながる。
【００４４】
この実施例のような構成にすることによって、高出力でかつ品質の安定したパターン露光装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１Ａ        光源光学系
５          主走査手段（ポリゴンミラー）
７          ステージ
８          基板
１０        平行光ビーム
１１        マルチ平行ビーム発生ユニット
１２        マルチモードの半導体レーザ
１３        非球面レンズ
１４        平行ガラス一体ユニット
３００      活性層
４００      ビーム径縮小手段
Ｇ          溝
【図１】
2012211979.tif 000004
【図２】
2012211979.tif 000005
【図３】
2012211979.tif 000006
【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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