(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入射させる位置に配置され、倍率が波長に反比例する補正光学系とを備え、
該補正光学系は、負のパワーを持つ回折レンズ成分が正のパワーを持つ反射面上に形成され全体として正のパワーと正の色分散を持つ第１群と、正のパワーを持つ回折レンズ成分が正のパワーを持つ反射面上に形成され全体として正のパワーと負の色分散を持つ第２群とから構成され、前記回折分岐素子の波長に依存する回折角度のずれを補正することを特徴とするマルチビーム光学系。
【請求項２】
前記回折分岐素子への入射光が平行光であり、該回折分岐素子と前記補正光学系との間に、回折分岐素子からの平行光を収束させる収束素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。
【請求項３】
前記光源から発する複数のピーク波長のうち描画に使用する２つのピーク波長をλA、λB (λA＞λB) として、前記第１群、第２群の焦点距離が、以下の条件(イ)、(ロ)を満たすよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。
(イ)  λA/λB = (f1(λA)/f2(λA))・(f2(λB)/ f1(λB))
(ロ) f1(λA) + f2(λA) = f1(λB) + f2(λB)
ただし、
f1(λA)：第１群の波長λAにおける焦点距離、
f1(λB)：第１群の波長λBにおける焦点距離、
f2(λA)：第２群の波長λAにおける焦点距離、
f2(λB)：第２群の波長λBにおける焦点距離である。
【請求項４】
前記回折分岐素子により分岐された光束のそれぞれを独立して変調するマルチチャンネルの変調素子と、変調された光束を偏向器により偏向し、走査レンズを介して被露光対象面上に走査させる走査光学系に適用され、前記補正光学系が、前記回折分岐素子と前記偏向器との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチビーム光学系。
【請求項５】
前記補正光学系は、前記回折分岐素子と前記マルチチャンネル変調素子との間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のマルチビーム光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、露光対象面上に複数のビームスポットを形成するマルチビームレーザープロッター等のマルチビーム光学系に関し、特に、単一の光源からのレーザー光を回折分岐素子を用いて分割して複数のビームを得るタイプの光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マルチビーム光学系には、光源から発したレーザー光をビームスポットの数に応じたビームに分岐させるための分岐素子が必要である。従来、分岐素子としてはプリズム型の素子が用いられていたが、プリズム型では分岐するビーム数に対応する個数のプリズムブロックが必要となり、本数が多くなるほど接合時の誤差による露光対象面上でのビームスポットのズレが大きくなる。
【０００３】
そこで、近時、回折効果を利用した回折分岐素子が用いられるようになっている。回折分岐素子は、貼り合わせ等が不要な単一の素子で構成されるため、分岐するビームの本数が多くなってもプリズム型におけるような誤差は生じない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光の回折角度は波長に比例して変化するため、光源が複数の波長で発光する場合には、同一の次数で回折したビームであっても露光対象面上では波長によって収束位置がずれ、あるいは、光源の発光波長が単一である場合にも、発光波長が変化すると露光対象面上でのビームスポットのピッチが変化するという問題がある。
【０００５】
例えば、レーザーフォトプロッター等の光源として用いられる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が、回折素子を利用する場合にはその一つの波長しか使用し得ず、エネルギーの利用効率を高めることができなかった。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、回折分岐素子が持つ波長依存性による影響を補正することができ、波長が異なる複数のビームを利用した場合の露光対象面上でのビームスポットの位置ズレや、波長が変化した際のビームスポットのピッチの変化を防ぐことができるマルチビーム光学系の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明にかかるマルチビーム光学系は、回折レンズを利用した補正光学系を回折分岐素子の後段に設け、この補正光学系の倍率が波長に反比例するように設定したことを特徴とする。
【０００８】
すなわち、この発明にかかるマルチビーム光学系は、複数のピーク波長で発光する光源と、光源からの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入射させる位置に配置され、倍率が波長に反比例する補正光学系とを備え、この補正光学系が、回折レンズ成分を含み、回折分岐素子の波長に依存する回折角度のずれを補正するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、回折分岐素子により分岐された光束の回折角度のピーク波長毎のズレを、補正光学系の色分散特性により補正することができ、それぞれの回折次数において、異なる角度で回折された複数の波長の光束を同一の位置に揃えることができる。回折分岐素子の波長依存性の角度誤差を補正するためには、屈折レンズの色分散では不足するため、補正光学系には回折レンズ成分が含まれる。
【００１０】
補正光学系は、負のパワーを持つ回折レンズ成分を含み全体として正のパワーと正の色分散を持つ第１群と、正のパワーを持つ回折レンズ成分を含み全体として正のパワーと負の色分散を持つ第２群とから構成されることが望ましい。なお、この明細書では、波長が短くなるにしたがって等価屈折率が高くなる場合を「正の色分散」と定義する。
【００１１】
回折分岐素子への入射光が平行光である場合、回折分岐素子と補正光学系との間に、回折分岐素子からの平行光を収束させる収束素子を配置することが望ましい。なお、この収束素子は、色収差を発生させないことが望ましいため、凹面鏡を利用するか、屈折レンズのレンズ面上に色収差補正用の回折レンズ構造を設けて利用してもよい。
【００１２】
また、回折レンズ成分は、正のパワーを持つ屈折レンズの一方のレンズ面、あるいは凹面ミラーの表面に形成することができる。反射面上に各回折レンズ成分を形成すると、補正光学系における色分散が回折レンズ成分のみにより発生するため、その分散が波長に対してリニアであり、同じく回折型の素子である回折分岐素子で発生した波長に対してリニアな色分散を補正するのに適している。
【００１３】
具体的には、光源から発する複数のピーク波長のうち描画に使用する２つのピーク波長をλA、λBとして、第１群、第２群の焦点距離が、以下の条件(イ)、(ロ)を満たすよう設定することが望ましい。
(イ)  λA/λB = (f1(λA)/f2(λA))・(f2(λB)/ f1(λB))
(ロ) f1(λA) + f2(λA) = f1(λB) + f2(λB)
ただし、
f1(λA)：第１群の波長λAにおける焦点距離、
f1(λB)：第１群の波長λBにおける焦点距離、
f2(λA)：第２群の波長λAにおける焦点距離、
f2(λB)：第２群の波長λBにおける焦点距離である。
【００１４】
この発明のマルチビーム光学系を走査光学系に適用する場合、補正光学系は、回折分岐素子と偏向器との間に配置されることが望ましい。さらに、回折分岐素子とこの素子により分岐された光束のそれぞれを独立して変調するマルチチャンネルの変調素子との間に配置されることがより望ましい。
【００１５】
なお、上記のマルチビーム光学系を走査光学系の一部として用いる場合、補正光学系は、回折分岐素子とポリゴンミラー等の偏向器とをつなぐリレー光学系として機能する。そして、このリレー光学系の倍率が波長に反比例するよう設定することにより、回折分岐素子より後段の光学系の合成焦点距離が波長に反比例し、回折分岐素子の波長に依存する角度ズレを補正することができる。また、リレー光学系がアフォーカル系である場合には、その角倍率が、波長に比例するよう設定すればよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかるマルチビーム光学系の実施形態を説明する。図１はこの発明のマルチビーム光学系を走査光学系に適用した実施形態を示す説明図、図２は発明の原理の説明図である。まず、図１に基づいて実施形態の構成を説明した後、図２にしたがって発明の原理を説明する。なお、図１、図２では、図面を簡略化するため、パワーを持つミラーについてもレンズと同様に透過型の素子として図示している。
【００１７】
実施形態の走査光学系は、図１に示すように、図中左側から順に、光源１、ビームエクスパンダー２、回折分岐素子３、収束ミラー４、補正光学系５、マルチチャンネル変調器６、コリメートレンズ７、偏向器としてのポリゴンミラー８、走査レンズであるｆθレンズ９、そして、露光対象面１０が配列して構成されている。
【００１８】
光源１は、複数のピーク波長で発光するアルゴンレーザー等のレーザー光源であり、この光源１から発した光束はビームエクスパンダー２により光束径が調整される。回折分岐素子３は、ビームエクスパンダー２からの平行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。
【００１９】
回折分岐素子３により分岐された複数の平行光束は、収束ミラー４により収束光とされて補正光学系５に入射する。補正光学系５は、全体として正のパワーを持ち、正の色分散を与える回折レンズ成分を含む第１群５ａ、および、全体として正のパワーを持ち、負の色分散を与える回折レンズ成分を含む第２群５ｂとから構成され、第１群５ａと第２群５ｂとを合成した補正光学系５の焦点距離が、入射する光束の波長に反比例するよう設定されている。このような設定の具体例については後述する。なお、補正光学系５は、回折分岐素子３とマルチチャンネル変調器６とをつなぐアフォーカルなリレー光学系としての機能を有している。
【００２０】
補正光学系５から導かれる複数の光束は、ＡＯＭ(音響光学変調素子)等のマルチチャンネル変調素子６によりそれぞれ独立して変調される。変調された複数の光束は、コリメートレンズ７を介してポリゴンミラー８に入射し、このポリゴンミラーの回転に伴って反射、偏向される。偏向された複数の光束は、ｆθレンズ９を介して露光対象面１０上に主走査方向に走査する複数のビームスポットを形成する。
【００２１】
続いて、図２に基づいて補正光学系５の詳細について説明する。第１群５ａ、第２群５ｂは、実施形態では、凹面ミラーの表面にフレネルレンズ状の回折レンズ構造を形成することにより構成されている。反射面上に各回折レンズ成分を形成すると、補正光学系５における色分散が回折レンズ成分のみにより発生するため、その分散が波長に対してリニアであり、同じく回折型の素子である回折分岐素子３で発生した波長に対してリニアな色分散を補正するのに適している。
【００２２】
屈折レンズのアッベ数に相当する回折レンズ成分の分散値νDOEは−３．４５３であり、回折レンズ成分は屈折レンズと比較してかなり大きな分散特性を持つため、屈折レンズのみでは困難な色補正が実現できる。
【００２３】
実施形態の補正光学系５は、光源１から発する複数のピーク波長のうちの描画に使用する２つの波長λA、λBについて、回折分岐素子３の波長に依存する回折角度のズレを補正する機能を有している。
【００２４】
ここで、各レンズの焦点距離を以下のように定義し、回折分岐素子３による１つの次数の回折光、例えば−１次回折光について考察する。なお、図２では説明を簡単にするため単一の次数についてのみ光束を示しているが、補正光学系５による補正効果はいずれの次数の光束に対しても同様に作用する。
f0：収束ミラー４の焦点距離、
f1(λA)：第１群５ａの波長λAにおける焦点距離、
f1(λB)：第１群５ａの波長λBにおける焦点距離、
f2(λA)：第２群５ｂの波長λAにおける焦点距離、
f2(λB)：第２群５ｂの波長λBにおける焦点距離である。
【００２５】
前述のように、補正光学系５の第１群５ａ、第２群５ｂには大きな分散特性を持つ回折レンズ成分が含まれる。したがって、波長の変化による焦点距離の変化も比較的大きくなるため、波長λA、λBについてそれぞれ焦点距離を定義している。これに対して、反射面のみからなる収束ミラー４は波長の変化による焦点距離の変化がないため、単にf0で示している。なお、非回折収束素子を屈折レンズから構成した場合にも、波長の変化による焦点距離の変化は回折素子を含む群と比較すると小さく、かつ、波長λA、λBは同一の光源から発するピーク波長であってその差は僅かである場合には、これらの波長の違いによる焦点距離の変化は無視することができる。
【００２６】
回折分岐素子３から射出する−１次回折光の回折角度は、波長によって異なる。図２では、波長λAの光束を直線、λBの光束を破線で示している。収束ミラー４に平行光として入射したこれらの光束は、収束ミラー４から焦点距離f0離れた位置で焦点を結ぶ。これらの焦点の光軸からの高さを、波長λAの光束についてはｙA、波長λBの光束についてはｙBとすると、これらの値は、回折分岐素子３の基準波長をλ、基準波長λの光束が入射した際の−１次回折光の回折角度をθとして、以下のように表される。
ｙA = f0θ(λA/λ)，  ｙB = f0θ(λB/λ)
【００２７】
補正光学系５の波長λAにおける倍率ｍA、波長λBにおける倍率ｍBは、以下の通りとなる。
ｍA = f2(λA)/ f1(λA),  ｍB = f2(λB)/ f1(λB)
したがって、アフォーカルな補正光学系５を経た各光束は、所定の位置に収束し、その収束位置の光軸からの高さＹA，ＹBは、以下の通りとなる。
ＹA =ｙAｍA,  ＹB =ｙBｍB
【００２８】
ここで、２つの波長の光束が補正光学系５を介して形成する収束点の高さを揃えるためには、以下の条件(イ)が成立することが必要となる。
(イ)  λA/λB = (f1(λA)/f2(λA))・(f2(λB)/ f1(λB))
また、補正光学系５の射出側でのテレセントリック性を保つためには、以下の条件(ロ)の成立が必要となる。
(ロ)  f1(λA) + f2(λA) = f1(λB) + f2(λB)
【００２９】
上記の２つの条件を満たすことにより、回折分岐素子３により異なる角度で回折された波長λA、λBの２つの光束は、補正光学系５を射出した位置で、収束点の光軸からの高さ、及び主光線の方向が同一に揃えられ、マルチチャンネル変調器６より後段の光学系においては、同一の光路を進む単一の光束として扱うことができる。
【００３０】
ただし、この種の光学系では、露光対象面１０上に形成される走査線の間隔を、実際のビームスポットの間隔より狭くするため、複数のビームスポットを主走査、副走査の両方向に対して傾いた直線上に配置しており、実際には上記の２つの条件が厳密に成立する必要はなく、以下の条件(１)，(２)が成立する範囲では、補正光学系５による補正効果が得られ、回折分岐素子３の波長に依存する回折角度のズレによる露光対象面上でのビームスポットのピッチのズレを小さく抑えることができる。
(１)  λB /λA ＜ (f1(λA) + f2(λA))/(f1(λB) + f2(λB)) ＜ λA/λB
(２)  √(λA/λB)＜(f1(λA)/f2(λA))・(f2(λB)/ f1(λB))＜(√(λA/λB))3
【００３１】
次に、前述の条件(イ)、(ロ)を成立させる具体的な光学構成の一例を説明する。回折分岐素子５の基準波長を３５５ｎｍ、描画に用いる２つのピーク波長λA,λBをそれぞれ３６０ｎｍ，３５０ｎｍとして、波長３５５ｎｍにおける各素子の焦点距離f0,f1,f2、及び分散値ν0,ν1,ν2を以下のように定める。なお、第１群５ａ、第２群５ｂの焦点距離f1,f2は、それぞれ凹面ミラーとその表面に形成された回折レンズ成分とを合成した値であり、ミラー成分の焦点距離f1M,f2Mと、回折レンズ成分の焦点距離f1D,f2Dとを併せて示す。
0003965504.tif 000002
【００３２】
上記の構成によれば、前述の条件(イ)、(ロ)が成立し、補正光学系５によって回折分岐素子３の波長に依存する回折角度のずれを上記の２波長については完全に補正することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折分岐素子により分岐された光束の回折角度のピーク波長毎のズレを、補正光学系の色分散特性により補正することができ、それぞれの回折次数において、異なる角度で回折された複数の波長の光束を同一の位置に揃えることができる。
【００３４】
したがって、貼り合わせの不要で正確な分岐が可能な回折分岐素子を用いつつ、波長の違いによる露光対象面上でのビームスポットのズレや、ピッチの変化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態にかかるマルチビーム光学系が適用された走査光学系を示す説明図。
【図２】  発明の原理を示す図１の一部拡大図。
【符号の説明】
１  光源
３  回折分岐素子
４  収束ミラー
５  補正光学系
５ａ  第１群
５ｂ  第２群
６  マルチチャンネル変調器
８  ポリゴンミラー
９  ｆθレンズ
１０  露光対象面
【図１】
0003965504.tif 000003
【図２】
0003965504.tif 000004