(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数が前記複数の発光部の約数であるフライアイインテグレータを有するレーザ照明光学系であって、
前記フライアイレンズのレンズに入射される前記発光部のレーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせることを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項２】
複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、フライアイレンズを有するフライアイインテグレータを有するレーザ照明光学系であって、
前記レーザアレイ光源の発光部は周期的に配置されており、前記レーザアレイ光源の発光部には、周期的に非点灯である発光部を有しており、前記フライアイレンズのレンズに入射される前記発光部のレーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせ、前記フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数は、前記発光部のうち点灯する発光部の約数であることを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザ照明光学系において、
前記レーザアレイ光源と前記フライアイレンズの間に配置され該フライアイレンズのアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段を有することを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項４】
複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、コリメートレンズアレイと、フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数が発光部の約数であるフライアイインテグレータとを有し、前記フライアイレンズの所定のレンズに入射される前記発光部のレーザ光を変位させて、前記レーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせる手段を前記コリメートレンズと前記フライアイレンズとの間に配置したことを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項５】
請求項１，３または４記載のレーザ照明光学系において、
前記フライアイインテグレータは、シリンドリカルレンズアレイとシリンダーレンズで構成され、レーザアレイに直交方向の光束は、光源とフライアイインテグレータの間に配置される変調ピッチのホログラム素子で均一化されることを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項６】
請求項１，３または４記載のレーザ照明光学系において、
前記フライアイインテグレータは、フライアイレンズに代えて同機能のホログラム素子で構成され、レーザアレイに直交方向の光束は、光源とフライアイインテグレータの間に配置される変調ピッチのホログラム素子で均一化されることを特徴とするレーザ照明光学系。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、投影レンズを備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、レンズを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、色合成手段と、空間変調器と、投射レンズを備えたことを特徴とする投射装置。
【請求項１０】
請求項９記載の投射装置において、色合成手段と空間変調器の間にフライアイインテグレータを配置したことを特徴とする投射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを光源として被照射部における照度を均一化したレーザ照明光学系と、それを用いた露光装置、レーザ加工装置、投射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザを光源とした投射装置は、レーザの発振スペクトルが狭いために色純度の高い投射が期待される。その一方で、レーザは干渉性が高いため、光束を分割してから合成すると干渉縞が発生することがある。例えば、一本のレーザビームを通常のフライアイレンズ光学系で照度均一化すると、被照射部で干渉縞が見られる。また、例えば特開平８−９４８３９号公報に記載のホログラム素子では、レーザビームの一部分を被照射部で重ね合わせており、干渉を小さく抑える構成を開示しているが、上記公報の構成でも干渉縞がなくなるわけではない。
【０００３】
一方、比較的小型で光出力の高いレーザ光源としてレーザアレイ光源（特に半導体レーザアレイ光源）が期待されており、このレーザアレイ光源とフライアイレンズ等を組み合わせることにより被照射部における照度を均一化したレーザ照明光学系を構成することが可能である。また、レーザアレイ光源とフライアイレンズを組み合わせる場合、フライアイレンズの分割数がレーザアレイ数の約数以外の数を選ぶことによって照度の均一化が可能である。
【０００４】
しかしながら、フライアイレンズの分割数としてレーザアレイ数の約数以外の数を選んだ場合、レーザアレイ数によっては、大きい数になってしまうことがあり、設計の自由度が低くなるという不具合があった。
すなわち、レーザアレイ光源とフライアイレンズ等を組み合わせる場合、フライアイレンズの分割数として、レーザアレイ数の約数となる分割数で照度の均一化ができれば、レーザ照明光学系の設計の自由度を高くすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザアレイ光源とフライアイレンズ等を組み合わせたレーザ照明光学系において、従来、照度均一化が困難であったフライアイレンズの分割数がレーザアレイ数の約数のときに、被照射部での照度均一性を高めることを目的とする。
【０００６】
より詳しくは、請求項１，２，３に係る発明は、レーザアレイ光源とフライアイレンズを有し、従来、照度均一化が困難であったフライアイレンズの分割数が点灯しているレーザアレイ数の約数のときにも、被照射部での照度均一性を高めることができるレーザ照明光学系を提供することを目的とする。
また、請求項４に係る発明は、半導体レーザアレイ光源とフライアイレンズを有し、従来、照度均一化が困難であったフライアイレンズの分割数が点灯しているレーザアレイ数の約数のときにも、被照射部でレーザアレイ方向の照度均一性を高めることができるレーザ照明光学系を提供することを目的とする。
【０００７】
さらに請求項５に係る発明は、従来、照度均一化が困難であったフライアイレンズの分割数がレーザアレイ数の約数のときにも、被照射部でレーザアレイ方向の照度均一性を高めることができ、かつ、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因する干渉縞を減らし、被照射部への照明性能を向上させることができるレーザ照明光学系を提供することを目的とする。
また、請求項６に係る発明は、フライアイレンズに代えてホログラム素子を用い、その分割数がレーザアレイ数の約数のときにも、被照射部でレーザアレイ方向の照度均一性を高めることができ、かつ、レーザアレイ光源のアレイ垂直方向の光束に起因する干渉縞を減らし、被照射部への照明性能を向上させ、さらに、光学系の小型化を図ることができるレーザ照明光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
請求項７に係る発明は、照明光学系の照度が均一で、レチクルなどへの照明性能の良好な露光装置を提供することを目的とする。
また、請求項８に係る発明は、照明光学系の照度が均一で、照度均一性が高いレーザ加工装置や、さらには干渉縞がないレーザ加工装置を提供することを目的とする。
さらに請求項９に係る発明は、照明光学系の照度が均一で、空間変調器（ライトバルブ）上の照明性能が良好な投射装置、さらには干渉縞が発生しない投射装置を提供することを目的とする。
また、請求項１０に係る発明は、請求項９の目的に加えて、照明光学系の小型化を図ることができる投射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載のレーザ照明光学系は、複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数が前記複数の発光部の約数であるフライアイインテグレータを有するレーザ照明光学系であって、前記フライアイレンズのレンズに入射される前記発光部のレーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせることを特徴とするものである。
また、請求項２記載のレーザ照明光学系は、複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、フライアイレンズを有するフライアイインテグレータを有するレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源の発光部は周期的に配置されており、前記レーザアレイ光源の発光部には、周期的に非点灯である発光部を有しており、前記フライアイレンズのレンズに入射される前記発光部のレーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせ、前記フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数は、前記発光部のうち点灯する発光部の約数であることを特徴とするものである。
また、請求項３記載のレーザ照明光学系は、請求項１または２の構成に加えて、前記レーザアレイ光源と前記フライアイレンズの間に配置され該フライアイレンズのアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段を有することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４記載のレーザ照明光学系は、複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、コリメートレンズアレイと、フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数が発光部の約数であるフライアイインテグレータとを有し、前記フライアイレンズの所定のレンズに入射される前記発光部のレーザ光を変位させて、前記レーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせる手段を前記コリメートレンズと前記フライアイレンズとの間に配置したことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５記載のレーザ照明光学系は、請求項１，３または４の構成において、前記フライアイインテグレータはシリンドリカルレンズアレイとシリンダーレンズで構成され、レーザアレイに直交方向の光束は、光源とフライアイインテグレータの間に配置される変調ピッチのホログラム素子で均一化されることを特徴とするものである。
また、請求項６記載のレーザ照明光学系は、請求項１，３または４の構成において、前記フライアイインテグレータは、フライアイレンズに代えて同機能のホログラム素子で構成され、レーザアレイに直交方向の光束は、光源とフライアイインテグレータの間に配置される変調ピッチのホログラム素子で均一化されることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項７記載の露光装置は、請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、投影レンズを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項８記載のレーザ加工装置は、請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、レンズを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項９記載の投射装置は、請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、色合成手段と、空間変調器（ライトバルブ）と、投射レンズを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項１０記載の投射装置は、請求項９の構成に加えて、色合成手段と空間変調器の間にフライアイインテグレータを配置したことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ照明光学系及びそれを用いた露光装置、レーザ加工装置、投射装置の構成、動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
（実施例１）
まず、請求項１に係る発明の実施例について説明する。
図１は請求項１に係る発明の一実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。このレーザ照明光学系は、複数の発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源１０と、第１フライアイレンズ１３と第２フライアイレンズ１４及びコンデンサレンズ１５からなりフライアイレンズ１３，１４のレーザアレイ方向の分割数がレーザアレイ数の約数であるフライアイインテグレータとで構成されており、レーザアレイ光源１０から発振された複数のレーザビームをフライアイインテグレータ１３〜１５を介して被照射部１６を照明する。この被照射部１６は均一化された光束が照射される部分であり、露光装置では露光用マスク（レチクル）が、投射装置では空間光変調器（所謂ライトバルブ）がこの被照射部に該当する。
【００１６】
レーザアレイ光源１０には、半導体レーザ等のレーザ発振部（発光部）がアレイ状に配列されたタイプのものやストライプ型のレーザなどを好適に用いることができる。
フライアイインテグレータを構成する第１フライアイレンズ１３、第２フライアイレンズ１４は、レーザアレイの方向と同方向にアレイ状に球面や円筒状レンズを配置してなるもので、例えばシリンドリカルレンズアレイからなり、第１フライアイレンズ１３は入射光束をレンズアレイ数の光束に分割し、かつ第２フライアイレンズ１４の各レンズに集光させる働きをする。第２フライアイレンズ１４は第１フライアイレンズで集光した像を屈折させ、できるだけ被照射部１６上に光束を集める働きをする。
【００１７】
フライアイインテグレータの第２フライアイレンズ１４の出射側光路上に配置されたコンデンサレンズ１５は例えばシリンドリカルレンズからなり、このコンデンサレンズ１５は、所定の位置に配されている被照射部１６をより均一に照明するために設けられているもので、第２フライアイレンズ１４からの出射光を被照射部１６に集光することにより、光の利用効率を高くすることができ、かつ照度ムラをなくして均一性を向上させることができるようにしたものである。すなわち、第１、第２のフライアイレンズ１３，１４によってレンズアレイ方向の光強度が均一化されているが、コンデンサレンズ１５が無い場合には、被照射部１６を照明しないアレイ光が生じるとともに、被照射部１６におけるアレイ光の重なりかたによっては、照度ムラが生じる可能性があるが、本実施例においては、コンデンサレンズ（シリンドリカルレンズ）１５によって、第１、第２のフライアイレンズ１３，１４のレンズアレイ方向（レーザアレイ方向）の光束を被照射部１６に集光するように設定することにより、被照射部１６における均一照明を実現している。
【００１８】
本実施例では、上記フライアイインテグレータを構成するフライアイレンズ１３，１４のレーザアレイ方向の分割数は、レーザアレイ光源１０のレーザ発振部（発光部）のアレイ数の約数である。図１の例ではレーザアレイ数を１６、フライアイレンズ１３，１４のレーザアレイ方向の分割数を４としている。尚、これは一例であって、約数の関係が成り立てばその他の組合せでもよい。
また、本実施例では、フライアイレンズ１３，１４の各アレイ（各レンズ部）に入射されるレーザアレイ光のプロファイルの空間的な位相が各々異なることを特徴としている。
【００１９】
ここで、レーザアレイ光源１０の各発光部の配置とフライアイレンズ１３，１４の関係を図３を使って説明する。図３は図１に示すレーザ照明光学系の第１フライアイレンズ１３に入射されるレーザアレイ光のプロファイルを示している。レーザアレイ光源１０の各発光部からのレーザ光はガウシアンプロファイルでビームの直径がＰで４個ずつ周期的に配置され、Ｐだけ隙間があって次の４個が配置される。別の表現をすれば、５Ｐの周期の中で４個のレーザプロファイルがあることになる。従って第１フライアイレンズ１３の各アレイ（各レンズ部）の長さは１９Ｐ／４とする。このような構成によって、第１フライアイレンズ１３に入射するレーザ光のプロファイルはＰ／４ずつ位相がずれることになる。第１フライアイレンズ１３と被照射部１６は共役の関係にあるため、被照射部１６でもＰ／４ずつ位相がずれてガウシアンプロファイルアレイが加算される。フライアイレンズの４分割された各アレイ（各レンズ部）を通過したレーザアレイ光（アレイ１〜４）の強度分布と被照射部１６上で加算された強度分布は図６のようになり、被照射部１６上の照明強度が均一化される。
【００２０】
（実施例２）
次に請求項２に係る発明の実施例について説明する。
図２は請求項２に係る発明の一実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。このレーザ照明光学系は、複数の発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源１１と、第１フライアイレンズ１３と第２フライアイレンズ１４及びコンデンサレンズ１５からなる。ただし、レーザアレイ光源１１は、実施例１とは異なり、隣接レーザとの間隔がすべて同じであるが、周期的に点灯させない発光部があるように駆動する。すなわち、レーザアレイ光源１１は、周期的に配置された非点灯発光部を備えている。図２では一例としてレーザアレイ光源１１の５個の発光部１１ａ〜１１ｅを一組として、その中の１つの発光部１１ｅを非点灯としている。フライアイレンズ１３，１４は、レーザアレイ方向の分割数が点灯させるレーザアレイ数の約数となるように構成されており、レーザアレイ光源１１から発振された複数のレーザビームをフライアイインテグレータ１３〜１５を介して被照射部１６を照明する。この被照射部１６は均一化された光束が照射される部分であり、露光装置では露光用マスク（レチクル）が、投射装置では空間光変調器（所謂ライトバルブ）がこの被照射部に該当する。
レーザアレイ光源１１には、レーザ等のレーザ発振部（発光部）がアレイ状に配列されたタイプのものやストライプ型のレーザなどを好適に用いることができる。
フライアイインテグレータの働きは実施例１で説明した通りであるので説明を省略する。
【００２１】
本実施例では、レーザアレイ光源１１の点灯させたレーザ光はガウシアンプロファイルでビームの直径がＰで４個ずつ周期的に配置され、Ｐだけ隙間があって次の４個が配置される。別の表現をすれば、５Ｐの周期の中で４個のレーザプロファイルがあることになる。従って、図３に示すように、第１フライアイレンズ１３の各アレイ（各レンズ部）の長さは１９Ｐ／４とする。このような構成によって、第１フライアイレンズ１３に入射するレーザ光のプロファイルはＰ／４ずつ位相がずれることになる。第１フライアイレンズ１３と被照射部１６は共役の関係にあるため、被照射部１６でもＰ／４ずつ位相がずれてガウシアンプロファイルアレイが加算される。フライアイレンズの４分割された各アレイ（各レンズ部）を通過したレーザアレイ光（アレイ１〜４）の強度分布と被照射部１６上で加算された強度分布は図６のようになり、被照射部１６上の照明強度が均一化される。
【００２２】
（実施例３）
次に請求項３に係る発明の実施例について説明する。
図４は請求項３に係る発明の第１の実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。このレーザ照明光学系は、レーザアレイ光源１１と、複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄと、フライアイインテグレータ１３，１４，１５で構成されており、１６は被照射部を示している。すなわち、図４に示す構成は、図１の構成に加えて、レーザアレイ光源１１とフライアイインテグレータ１３，１４，１５の間に透明部材からなる複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄを配置し、複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄでフライアイレンズ１３，１４のアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段を構成したものである。尚、フライアイインテグレータ１３，１４，１５の構成及び機能（動作）は実施例１と同様である。
【００２３】
本実施例では、動作説明のためにレーザアレイ光源１１のレーザアレイ数を実施例１（図１）と同様に１６個、第１、第２フライアイレンズ１３，１４のレーザアレイ方向の分割数を４とする。通常のフライアイインテグレータで構成すると第１フライアイレンズ１３の一つのアレイ（レンズ部）には図５に示すようなプロファイル（強度分布）の４個のレーザアレイ光が入射される。第１フライアイレンズ１３の全てのアレイ（レンズ部）には図５と同じプロファイルの光が入射されるため、被照射部１６では図５のプロファイルが４つ同相で積算されることになり、照度ムラが発生する。
【００２４】
そこで本実施例では、図４に示すようにレーザアレイ光源１１と第１フライアイレンズ１３の間に複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄを配置し、フライアイレンズ１３のアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段を設けている。この変位手段を構成する各々の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄは所定の傾斜角で配置され、所定の厚さを持つものとする。例えば、レーザアレイ光の一本のビーム径Ｐが１ｍｍとすると、フライアイレンズ１３の分割数は４であるので、平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄによる光の変位量は１／４=０．２５［ｍｍ］ずつとする。具体例としては、下記の表１に示すような傾斜角と厚さの平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄを配置させる。ただし、平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄの屈折率は１．５２とした。
【００２５】
【表１】
0003987350.tif 000002
【００２６】
尚、表１では平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄの傾斜方向と厚さで変位量を決めているが、下記の表２のように平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄの厚さを同じにして傾斜角を各々変えても良い。
【００２７】
【表２】
0003987350.tif 000003
【００２８】
表１または表２に示す傾斜角と厚さの平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄを用いて、レーザアレイ光の光路を変位させ、フライアイインテグレータ１３，１４，１５で被照射部１６を照明すると図６のような強度分布が得られる。すなわち第１フライアイレンズ１３の各アレイ（各レンズ部）への入射光プロファイルは図６のアレイ１〜アレイ４に示すような位相がずれた強度分布となるため、被照射部１６で積算されると照度が均一化される。ただし、合成された光の周辺部は均一では無いため図６の矢印で示す領域が被照射部となるように設計することで均一性を確保できる。
【００２９】
次に図７は請求項３に係る発明の第２の実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。このレーザ照明光学系は、レーザアレイ光源１１と、複数のホログラム素子４１ａ，４１ｃ，４１ｄと、フライアイインテグレータ１３，１４，１５で構成されており、１６は被照射部を示している。すなわち、図７に示す構成は、図４の構成の平行平板の代わりに、レーザアレイ光源１１とフライアイインテグレータ１３，１４，１５の間に複数のホログラム素子４１ａ，４１ｃ，４１ｄを配置し、複数のホログラム素子４１ａ，４１ｃ，４１ｄでフライアイレンズ１３，１４のアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段を構成したものである。尚、その他の構成は図４と同様である。
【００３０】
ホログラム素子４１ａ，４１ｃ，４１ｄは、例えば透明な平行平板の表裏にレリーフ型ホログラムを作製し、表側で回折された光を裏側のホログラムで再度回折させる構成である。また、ホログラム素子４１ａ，４１ｃ，４１ｄへの入射光軸と出射光軸が平行となるようにし、変位量は第１の実施例で示した値と同じとする。この第２の実施例の構成でも、被照射部１６での照度分布は図６のようになり、照度が均一化される。本実施例でホログラム素子４１ａ，４１ｃ，４１ｄは表裏にホログラムが設置されているが、入射光軸と出射光軸は平行にしなくても本発明の効果は得られる。従って、ホログラム素子は表裏のうちどちらか一方にホログラムを作製しても良い。
【００３１】
（実施例４）
次に請求項４に係る発明の実施例について説明する。
図８は請求項４に係る発明の一実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。このレーザ照明光学系は、レーザ発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源５１（例えば半導体レーザアレイ光源）と、コリメートレンズアレイ５２と、フライアイレンズのアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段１２と、フライアイインテグレータ１３，１４，１５で構成されており、１６は被照射部である。
【００３２】
フライアイインテグレータ１３，１４，１５の構成及び機能（動作）は実施例１と同様である。
変位手段１２は、一例として、実施例３の第１実施例と同様に複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄを用いた場合を図示しているが、その他にも、実施例３の第２実施例と同様の複数のホログラム素子を用いた変位手段であっても良い。
レーザアレイ光源５１から出射される各レーザ光は全角で１０〜３０°程度の広がり角で発散される。コリメートレンズアレイ５２はこれらの発散ビームを平行光束化させるように機能する。すなわちコリメートレンズアレイ５２は、レーザアレイ光源５１の発光部のアレイピッチと同じピッチでレンズがアレイ化されており、レーザアレイ光源５１の各々の発光部から発散されるレーザ光を、各々対応するレンズでコリメートして平行光束化させる。コリメートレンズアレイ５２で平行光束化されたレーザビームは変位手段１２によって所定のビームが所定の距離だけ変位される。
【００３３】
仮に、レーザアレイ光源５１のアレイ数が１６で、第１、第２フライアイレンズ１３，１４の光源アレイ方向に沿った分割数が４の場合には、第１フライアイレンズ１３の各アレイに図５と同様な４個のガウシアンプロファイルのアレイ光が入射される。従ってこのときの変位手段１２（例えば複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄ）による変位量は前述の表１または表２のようになり、実施例３で述べたように、第１フライアイレンズ１３の各アレイ（各レンズ部）への入射光プロファイルは図６のアレイ１〜アレイ４に示すような位相がずれた強度分布となるため、被照射部１６で積算されると照度が均一化される。
このように、光源５１をレーザアレイとしても、コリメートレンズアレイ５２と変位手段１２を用いることによって、フライアイレンズ１３，１４の分割数が光源のアレイ数の約数であるという条件でも、被照射部１６上での照度の均一化が可能である。
【００３４】
（実施例５）
次に請求項５に係る発明の実施例について説明する。
図９は請求項５に係る発明の一実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。このレーザ照明光学系は、レーザ発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源５１（例えば半導体レーザアレイ光源）と、コリメートレンズアレイ５２と、レーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段１２と、レーザアレイに直交方向の光束を均一化させるホログラム素子６１と、フライアイインテグレータ６３，６４，６５で構成されており、１６は被照射部である。尚、図９（ａ），（ｂ）にはコリメートレンズアレイ５２があるが、光源の広がり角が小さければ必ずしも必要ではない。また、変位手段１２は、一例として、実施例３の第１実施例と同様の複数の平行平板１２ａ，１２ｃ，１２ｄを用いた場合を図示しているが、その他にも、実施例３の第２実施例と同様のホログラム素子を用いることも可能である。
【００３５】
本実施例のフライアイインテグレータはフライアイレンズ６３，６４とコンデンサレンズ６５からなり、実施例１と同様にシリンドリカルレンズ系で構成されており機能も同様のものである。すなわち、第１及び第２のフライアイレンズ６３，６４はシリンドリカルレンズアレイであり、コンデンサレンズ６５はシリンドリカルレンズである。そして図９（ａ）の紙面内に平行な光束がフライアイインテグレータで均一化され、被照射部１６が均一照明される。図９（ａ）の紙面内の動作は実施例４で述べた動作と同様であり、第１フライアイレンズ６３に入射されるレーザアレイ光が変位手段１２によって所定の距離だけ変位され、被照射部１６に照射されるプロファイルの位相が適宜ずれるため、照度が均一化される。
【００３６】
次にレーザアレイに直交方向の光束を均一化させるホログラム素子６１について述べる。ホログラム素子６１は、透過型振幅格子、透過型位相格子または透過型ブレーズ格子等により構成され、それぞれフォトレジストに干渉縞を焼き付けたり、機械的にダイヤモンドカッターでガラス板等の基板表面に溝を刻線する等して作製することができる。このホログラム素子６１は、レーザアレイ光源５１から発散されるレーザ光束のうち、一方向（格子溝のピッチ方向）のみの強度分布を格子によって変換させる働きを有する。本実施例では、ホログラム素子６１の格子方向は図９（ａ）の紙面に平行で、格子ピッチはホログラム素子面内で異なっているので、レーザアレイに直交方向の光束を均一化させるように機能する。このホログラム素子６１の変調ピッチは、一例として図１０に示すような格子ピッチで実現される。このような変調ピッチにガウシアンプロファイルのレーザビームが入射されると、光束の中心付近が広がり、ビームの周辺が圧縮されて均一化強度になる。図９（ｂ）では光束の強度の強い光線は間隔を狭めて表しており、ホログラム素子６１によってレーザアレイ光源５１のレーザアレイに直交する方向の光線の方向が変わり、被照射部１６で均一な照度が得られる。尚、フライアイインテグレータ６３，６４，６５はシリンドリカルレンズ系で構成されているので、図９（ｂ）のように、照明光学系の側面側からフライアイインテグレータを見ると単なる平板にすぎず、レーザアレイ光源５１のレーザアレイに直交する方向の屈折作用は無い。
【００３７】
ホログラム素子６１によるレーザアレイに直交方向の光束の照度均一化の過程では、フライアイインテグレータ６３，６４，６５を用いて光束を分割し被照射部１６で重ね合わせるといった場合にも干渉縞発生は起こらない。すなわち、ホログラム素子６１により光束の密度（照度）を連続的に変えていくため干渉縞が出ない。このため、被照射部１６の照度均一性は良好となる。尚、図９（ａ）においては、フライアイインテグレータ６３，６４，６５を用いた光学系であるが、被照射部１６で重ね合わされる光どうしはレーザアレイ光源５１の別々の光共振部（レーザ発光部）から出射した光であるため干渉しない。
【００３８】
（実施例６）
次に請求項６に係る発明の実施例について説明する。
図１１は請求項６に係る発明の実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。このレーザ照明光学系は、レーザ発光部がアレイ状に配列されたレーザアレイ光源５１（例えば半導体レーザアレイ光源）と、コリメートレンズアレイ５２と、レーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段１２と、レーザアレイに直交方向の光束を均一化させるホログラム素子６１と、フライアイインテグレータ機能を有するホログラム素子６２で構成されており、１６は被照射部である。
【００３９】
本実施例のレーザ照明光学系は、図９に示した構成のレーザ照明光学系のフライアイインテグレータ（フライアイレンズとコンデンサレンズ）に代えて、該フライアイインテグレータと同じ機能を持つホログラム素子６２を用いたものであり、その他のレーザアレイ光源５１、コリメートレンズアレイ５２、変位手段１２、ホログラム素子６１の構成、動作は実施例５と同様であるので、これらの説明は省略する。
【００４０】
フライアイインテグレータとしてのホログラム素子６２は、図９（ａ）に示したフライアイレンズ系と同じ機能を持つので、図１１（ａ）に示すように例えば１６個の発光部を有するレーザアレイ光源５１に対してアレイ方向に４分割して用いるものとするなら、各領域からの回折光は被照射部１６の全面を照らすように偏向され、かつ、拡大（場合によっては縮小）される。また、図９に示したようなフライアイレンズ系に比べれば、少なくともフライアイレンズ間隔（第１フライアイレンズ６３から第２フライアイレンズ６４までの間隔）を縮めることができる。このため、光学系を小型にすることができる。
【００４１】
（実施例７）
次に請求項７に係る発明の実施例について説明する。
図１２は請求項７に係る発明の一実施例を示す露光装置の概略構成図であり、図中の符号１００はレーザアレイ光源（または半導体レーザアレイ光源）、１０１は実施例１〜６（請求項１〜請求項６）のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレーザ照明光学系、１０２は被照射部であるレチクル、１０３は投影レンズ、１０４は基板ステージである。
【００４２】
本実施例の露光装置では、レーザアレイ光源１００からのレーザアレイ光は、実施例１〜６（請求項１〜請求項６）のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレーザ照明光学系１０１によって被照射部であるレチクル１０２上で均一放射照度となる。
レチクル１０２は半導体デバイスの製作工程でウエハー上に回路パターンを露光するために使用される露光用マスクのことであり、レチクル１０２のパターンは投影レンズ１０３によって基板ステージ１０４上に置かれたウエハーに露光される。また、基板ステージ１０４で露光位置を調整し、ウエハーの所望の位置を露光する。
【００４３】
尚、レーザ照明光学系１０１として、実施例１〜４（請求項１〜４）のうちのいずれか一つで説明した構成のレーザ照明光学系を用いた場合には、レチクル面上で均一照明が可能であり、また、実施例５，６（請求項５，６）で説明したレーザ照明光学系を用いた場合には、レーザアレイ光源１００のアレイ直交方向の光束を変調ピッチのホログラム素子で均一化させるため、レチクル面上で干渉縞のでない均一照明で露光を行うことができる。従って、照明性能がよく高性能な露光装置を実現することができる。
【００４４】
（実施例８）
次に請求項８に係る発明の実施例について説明する。
図１３は請求項８に係る発明の一実施例を示すレーザ加工装置の概略構成図であり、図中の符号１００はレーザアレイ光源（または半導体レーザアレイ光源）、１０１は実施例１〜６（請求項１〜請求項６）のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレーザ照明光学系、１０５はレンズ、１０６はワークである。
【００４５】
本実施例のレーザ加工装置では、レーザアレイ光源１００からのレーザ光を実施例１〜６（請求項１〜請求項６）のうちのいずれか一つに記載のレーザ照明光学系で均一ビームに変換し、レンズ１０５でワーク１０６に縮小または拡大して照射される。集光スポットではワーク１０６の表面加工や切断加工ができる。また、レンズ１０５を投影レンズに置きかえるか、もしくは被照射部を直接ワークとする配置では、ワーク１０６の広い範囲にわたって均一照明できるため、レーザアニールとしても利用できる。
【００４６】
尚、レーザ照明光学系１０１として、実施例１〜４（請求項１〜４）のうちのいずれか一つで説明した構成のレーザ照明光学系を用いた場合には、ワーク上で均一照明でき、また、実施例５，６（請求項５，６）で説明したレーザ照明光学系を用いた場合には、レーザアレイ光源１００のアレイ直交方向の光束を変調ピッチのホログラム素子で均一化させるため、ワーク上で干渉縞が発生しない。このため、良好なレーザ加工やレーザアニールを行うことができる。
【００４７】
（実施例９）
次に請求項９に係る発明の実施例について説明する。
図１４は請求項９に係る発明の一実施例を示す投射装置の概略構成図である。本実施例の投射装置は、レーザアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂと、実施例１〜６（請求項１〜請求項６）のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレーザ照明光学系１１０ｒ、１１０ｇ、１１０ｂと、色合成手段１１３と、空間変調器（ライトバルブ）１１４と、投射レンズ１１５で構成されている。また、符号１１６はフィールドレンズで、ライトバルブ１１４からの画像光を効率良く投射レンズ瞳に入れるために用いるが、必ずしも必要ではない。尚、色合成手段１１３としてはダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いることができる。
【００４８】
本実施例では、レーザ照明光学系１１０ｒ、１１０ｇ、１１０ｂは、例えばホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂとフライアイインテグレータ１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂで構成されている。すなわち本実施例では、実施例５（または実施例６）で述べたような変調ピッチのホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂでレーザアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂのアレイ直交方向の強度分布を変換し、アレイ方向はフライアイインテグレータ（フライアイレンズとコンデンサレンズ、あるいはフライアイインテグレータの機能を持つホログラム素子）１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂで照度均一化させる。このレーザ照明光学系１１０ｒ、１１０ｇ、１１０ｂを使えば被照射部であるライトバルブ１１４面で干渉縞が発生しない。また、光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂとホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂの間にコリメートレンズアレイを用いても良い。また、ホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂを使用せず、フライアイインテグレータ１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂでレーザアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂのアレイ方向とアレイ直交方向とを均一化させても良い。
【００４９】
レーザ照明光学系１１０ｒ、１１０ｇ、１１０ｂからの光束は色合成手段１１３に入射し、色合成手段１１３で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光が合成される。この３色の合成光でライトバルブ１１４が照明され、ライドバルブ１１４で空間変調された画像は投射レンズ１１５でスクリーン（図示を省略）に投影される。ライトバルブ１１４としては例えば液晶素子を用いることができる。また、図１４では透過型のライトバルブを図示しているが、反射型のライトバルブを用いて照明光と投射光を偏光ビームスプリッタで分岐するように構成しても良い。
【００５０】
また、本実施例では単板のライトバルブ１１４を使っているが、３つのライトバルブを使うようにしても良い。図示しないが、３板式の場合には、一つのレーザアレイ光源とレーザ照明光学系の被照射部にライトバルブを配置し、３つのライトバルブからの画像光を色合成手段（例えばダイクロイックプリズム）で合成して投射レンズでスクリーンに投影させる。
【００５１】
本実施例の投射装置では、光源がレーザアレイ光源であるため、個々のレーザパワーが小さくてもアレイ数を多くすることにより高出力にできる。また、本実施例のように、レーザアレイ光源のレーザアレイ直交方向の光束を変調ピッチのホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂで強度分布を変換させる場合、ライトバルブ１１４上で干渉縞の発生しない均一照明ができるため、明るくて表示品質の高い投射装置を実現することができる。
【００５２】
（実施例１０）
次に請求項１０に係る発明の実施例について説明する。
図１５は請求項１０に係る発明の一実施例を示す投射装置の概略構成図である。本実施例の投射装置は、レーザアレイ光源１００ｒ，１００ｇ，１００ｂと、実施例１〜６（請求項１〜請求項６）のうちのいずれか一つに記載の構成を用いたレーザ照明光学系（ホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂ，フライアイインテグレータ１１２）と、色合成手段１１３と、ライトバルブ１１４と、投射レンズ１１５で構成されている。また、符号１１６はフィールドレンズで、ライトバルブ１１４からの画像光を効率良く投射レンズ瞳に入れるために用いるが、必ずしも必要ではない。尚、色合成手段１１３としては、ダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いることができる。
【００５３】
本実施例では、レーザ照明光学系は、三つのホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂと一つのフライアイインテグレータ（例えばフライアイレンズ系、あるいはフライアイレンズ系の機能を有するホログラム素子）１１２からなるが、フライアイインテグレータ１１２は、色合成手段１１３で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のレーザ光を合成した後の光路に配置している。本実施例の構成によって、フライアイインテグレータ１１２が１組で足りるため装置の部品点数を減らすことができ、装置も小型にすることができる。
【００５４】
本実施例の投射装置では、光源がレーザアレイ光源であるため、個々のレーザパワーが小さくてもアレイ数を多くすることにより高出力にできる。また、本実施例のように、レーザアレイ光源のレーザアレイ直交方向の光束を変調ピッチのホログラム素子１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂで強度分布を変換させる場合、ライトバルブ上で干渉縞の発生しない均一照明ができるため、明るくて表示品質の高い投射装置を実現することができる。さらに、本実施例では、フライアイインテグレータ１１２を共通化させたため、部品点数が少なくなり、低コストで小型の投射装置を実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載のレーザ照明光学系では、複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数が前記複数の発光部の約数であるフライアイインテグレータを有するレーザ照明光学系であって、前記フライアイレンズのレンズに入射される前記発光部のレーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせることを特徴とするので、レーザアレイの周期構造とフライアイレンズの大きさを所定の条件にすることで、フライアイレンズの分割数がレーザアレイ光のアレイ数の約数の条件でも、被照射部での照度の均一化を図ることができる。
【００５６】
請求項２記載のレーザ照明光学系では、複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、フライアイレンズを有するフライアイインテグレータを有するレーザ照明光学系であって、前記レーザアレイ光源の発光部は周期的に配置されており、前記レーザアレイ光源の発光部には、周期的に非点灯である発光部を有しており、前記フライアイレンズのレンズに入射される前記発光部のレーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせ、前記フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数は、前記発光部のうち点灯する発光部の約数であることにより、フライアイレンズの分割数がレーザアレイ光のアレイ数の約数の条件でも、被照射部での照度の均一化を図ることができる。
【００５７】
請求項３記載のレーザ照明光学系では、請求項１または２の構成に加えて、前記レーザアレイ光源と前記フライアイレンズの間に配置され該フライアイレンズのアレイごとに入射されるレーザアレイ光を所定の距離だけ変位させる手段を有することを特徴とするので、フライアイレンズに入射されるレーザアレイ光を変位手段で変位させることにより、フライアイレンズの分割数がレーザアレイ光のアレイ数の約数の条件でも、被照射部での照度の均一化を図ることができる。
【００５８】
請求項４記載のレーザ照明光学系では、複数の発光部を有するレーザアレイ光源と、コリメートレンズアレイと、フライアイレンズのレーザアレイ方向の分割数が発光部の約数であるフライアイインテグレータとを有し、前記フライアイレンズの所定のレンズに入射される前記発光部のレーザ光を変位させて、前記レーザ光のプロファイルの空間的な位相をレンズ毎に異ならせる手段を前記コリメートレンズと前記フライアイレンズとの間に配置したことを特徴とするので、フライアイレンズに入射されるレーザアレイ光を変位手段で変位させることにより、レーザアレイを用い且つフライアイレンズの分割数がレーザアレイ光のアレイ数の約数の条件でも、被照射部での照度の均一化を図ることができる。
【００５９】
請求項５記載のレーザ照明光学系では、請求項１，３または４の構成において、前記フライアイインテグレータはシリンドリカルレンズアレイとシリンダーレンズで構成され、レーザアレイに直交方向の光束は、光源とフライアイインテグレータの間に配置される変調ピッチのホログラム素子で均一化されることを特徴とするので、フライアイレンズに入射されるレーザアレイ光を変位させることで、フライアイレンズの分割数がレーザアレイ光のアレイ数の約数の条件でも、レーザアレイ方向の光束成分の照度を均一化ができ、レーザアレイに垂直方向は変調ピッチのホログラム素子で照度分布を変換し均一化を図るため、被照射部で干渉縞が出ず良好な照明が可能になる。
【００６０】
請求項６記載のレーザ照明光学系では、請求項１，３または４の構成において、前記フライアイインテグレータは、フライアイレンズに代えて同機能のホログラム素子で構成され、レーザアレイに直交方向の光束は、光源とフライアイインテグレータの間に配置される変調ピッチのホログラム素子で均一化されることを特徴とするので、請求項５と同様の効果が得られると共に、レーザアレイ方向の照度均一化と、アレイ直交方向の照度均一化を測る素子の両方をホログラム素子で構成するので、照明光学系を小さくすることが可能になる。
【００６１】
請求項７記載の露光装置では、請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、投影レンズを備えたことを特徴とするので、フライアイインテグレータのアレイ数がレーザアレイ数の約数の条件でも良好な照明が可能な露光装置を実現することができる。
【００６２】
請求項８記載のレーザ加工装置では、請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、レンズを備えたことを特徴とするので、フライアイインテグレータのアレイ数がレーザアレイ数の約数の条件でも良好な照明が可能なレーザ加工装置を実現することができる。
【００６３】
請求項９記載の投射装置では、請求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザ照明光学系と、色合成手段と、空間変調器（ライトバルブ）と、投射レンズを備えたことを特徴とするので、フライアイインテグレータのアレイ数がレーザアレイ数の約数の条件でも良好な照明が可能で、色純度の高い投射装置を実現することができる。
【００６４】
請求項１０記載の投射装置では、請求項９の構成に加えて、色合成手段と空間変調器の間にフライアイインテグレータを配置したことを特徴とするので、フライアイインテグレータのアレイ数がレーザアレイ数の約数の条件でも良好な照明が可能で、色純度の高い投射装置を実現でき、さらに、複数の光源に対してフライアイインテグレータを一つに共通化させることができるので、部品点数を減らすことができ、低コストで小型な投射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に係る発明の一実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。
【図２】請求項２に係る発明の一実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。
【図３】図１および図２に示すレーザ照明光学系の第１フライアイレンズに入射されるレーザアレイ光のプロファイルを示す図である。
【図４】請求項３に係る発明の第１の実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。
【図５】図４に示すレーザ照明光学系の第１フライアイレンズの一つのアレイ（レンズ部）に入射されるレーザアレイ光のプロファイルを示す図である。
【図６】図１、図２または図４に示すレーザ照明光学系のフライアイレンズの４分割された各アレイ（各レンズ部）を通過したレーザアレイ光（アレイ１〜４）の強度分布と被照射部１６上で加算された強度分布を示す図である。
【図７】請求項３に係る発明の第２の実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。
【図８】請求項４に係る発明の一実施例を示すレーザ照明光学系の概略平面構成図である。
【図９】請求項５に係る発明の一実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。
【図１０】図９に示すレーザ照明光学系に用いられるホログラム素子のホログラム面の位置と格子ピッチの関係を示す図である。
【図１１】請求項６に係る発明の一実施例を示す図であって、（ａ）はレーザ照明光学系の概略平面構成図、（ｂ）はレーザ照明光学系の概略側面構成図である。
【図１２】請求項７に係る発明の一実施例を示す露光装置の概略構成図である。
【図１３】請求項８に係る発明の一実施例を示すレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１４】請求項９に係る発明の一実施例を示す投射装置の概略構成図である。
【図１５】請求項１０に係る発明の一実施例を示す投射装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０，１１：レーザアレイ光源
１２：変位手段
１２ａ，１２ｃ，１２ｄ：変位手段を構成する平行平板
１３：第１フライアイレンズ
１４：第２フライアイレンズ
１５：コンデンサレンズ
１６：被照射部
４１ａ，４１ｃ，４１ｄ：変位手段を構成するホログラム素子
５１：レーザアレイ光源
５２：コリメートレンズアレイ
６１：変調ピッチのホログラム素子
６２：フライアイインテグレータ機能を有するホログラム素子
６３：第１フライアイレンズ（シリンドリカルレンズアレイ）
６４：第２フライアイレンズ（シリンドリカルレンズアレイ）
６５：コンデンサレンズ（シリンドリカルレンズ）
１００：レーザアレイ光源（または半導体レーザアレイ光源）
１００ｒ，１００ｇ，１００ｂ：レーザアレイ光源（または半導体レーザアレイ光源）
１０１：レーザ照明光学系
１０２：レチクル（露光用マスク）
１０３：投影レンズ
１０４：基板ステージ
１０５：レンズ
１０６：ワーク
１１０ｒ，１１０ｇ，１１０ｂ：レーザ照明光学系
１１１ｒ，１１１ｇ，１１１ｂ：ホログラム素子
１１２：フライアイインテグレータ
１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂ：フライアイインテグレータ
１１３：色合成手段
１１４：空間変調器（ライトバルブ）
１１５：投射レンズ
１１６：フィールドレンズ
【図１】
0003987350.tif 000004
【図２】
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【図３】
0003987350.tif 000006
【図４】
0003987350.tif 000007
【図５】
0003987350.tif 000008
【図６】
0003987350.tif 000009
【図７】
0003987350.tif 000010
【図８】
0003987350.tif 000011
【図９】
0003987350.tif 000012
【図１０】
0003987350.tif 000013
【図１１】
0003987350.tif 000014
【図１２】
0003987350.tif 000015
【図１３】
0003987350.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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