(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レーザー光源と、該レーザー光源から発したレーザー光を回折させることによりこのレーザー光を複数本に分岐させてそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子とを含むマルチビーム光学系において、
前記回折分岐素子は、帯状の基準位相パターンが等ピッチで多数並列して形成され、前記基準位相パターンは、基準波長λMにおいて入射するレーザー光を所定の次数の回折光に等分岐させるよう定められ、前記回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλLとして、λS＜λM＜λLの条件を満たし、各次数において、波長λS、λLの基準波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせるようにしたことを特徴とするマルチビーム光学系。
【請求項２】
複数のピーク波長で発光するレーザー光源と、該レーザー光源から発したレーザー光を回折させることによりこのレーザー光を複数本に分岐させてそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子とを含むマルチビーム光学系において、
前記回折分岐素子は、帯状の基準位相パターンが等ピッチで多数並列して形成され、前記回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλL、前記波長λSにつき前記回折分岐素子により分岐された回折光の強度分布の標準偏差をSDS、同様に波長λLについての強度分布の標準偏差をSDL、λS＜λM＜λLを満たす波長λMについての強度分布の標準偏差をSDMとしたときに、前記基準位相パターンは、
SDM < SDS
SDM < SDL
を満たし、各次数において、波長λS、λLの基準波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせるようにしたことを特徴とするマルチビーム光学系。
【請求項３】
前記波長λS、λLの２つのピーク波長のレーザー光を利用することを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチビーム光学系。
【請求項４】
前記回折分岐素子は、分岐した各回折次数に含まれる複数の波長の光強度を合計した強度和が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマルチビーム光学系。
【請求項５】
前記回折分岐素子は、レーザー光が照射される感光材料の分光感度に応じて、各ピーク波長の強度と当該波長での感度との積の総和で決まる前記感光材料の感光量が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか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、光源から発する光束を複数に分割して描画面等に導く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、回折分岐素子は波長依存性を持つため、所定の波長でレーザー光の光量を等分岐させるよう設計された回折分岐素子は、入射するレーザー光の波長が変化するとレーザー光を等光量で分岐させることができず、分岐した各次数の回折光間に光量のアンバランスを生じさせ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、回折素子を利用して光量をバランスよく分配するためには、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に鑑み、複数のピーク波長を持つ光源を用い、かつ、分岐素子として回折分岐素子を用いた場合にも、各回折光の光量バランスを適切に設定することができるマルチビーム光学系を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるマルチビーム光学系は、上記の目的を達成させるため、複数のピーク波長で発光するレーザー光源と、レーザー光源から発したレーザー光を回折させることによりこのレーザー光を複数本に分岐させてそれぞれ異なる角度で射出させる回折分岐素子とを含む構成において、帯状の基準位相パターンが等ピッチで多数並列して形成することにより回折分岐素子を形成し、基準波長λMにおいて入射するレーザー光を所定の次数の回折光に等分岐させるよう基準位相パターンを定め、回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλLとして、λS＜λM＜λLの条件を満たすよう設定したことを特徴とする。
【０００８】
上記のように基準波長λMにおいて等分岐となる回折分岐素子を用い、λS＜λM＜λLの条件を満たす場合、各次数において、波長λSにおける配分光量と基準波長λMにおける配分光量との差は、波長λLにおける配分光量と基準波長λMにおける配分光量との差に対して逆符号となり、波長λS、λLの基準波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせることができる。
【０００９】
また、この発明にかかるマルチビーム光学系は、別の表現によれば、回折分岐素子に入射するレーザー光のピーク波長のうち最も短い波長をλS、最も長い波長をλL、波長λSにつき回折分岐素子により分岐された回折光の強度分布の標準偏差をSDS、同様に波長λLについての強度分布の標準偏差をSDL、λS＜λM＜λLを満たす波長λMについての強度分布の標準偏差をSDMとしたときに、基準位相パターンが、
SDM < SDS
SDM < SDL
を満たすことを特徴とする。
【００１０】
上記のようにλS＜λM＜λLの関係においてSDM < SDS、SDM < SDLを満たす場合、波長λS、λLにおけるよりも波長λMにおいて各次数の光量間のバラツキが小さいこととなり、基準位相パターンは、波長λMに近い波長においてレーザー光を等分岐させるよう設計されていることとなる。したがって、この場合にも、上記と同様に波長λS、λLの波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせることができる。
【００１１】
なお、波長λS、λLの２波長のピーク波長のみを利用する場合には、３波長以上を考慮する場合と比較して、各次数における各波長の光量バランスを計算するのが容易である。
【００１２】
回折分岐素子は、分岐した各回折次数に含まれる複数の波長の光強度を合計した強度和が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させるようにしてもよいし、レーザー光が照射される感光材料の分光感度に応じて、各ピーク波長の強度と当該波長での感度との積の総和で決まる感光材料の感光量が、各回折次数間でほぼ等しくなるよう各波長のレーザー光を分岐させるようにしてもよい。
【００１３】
【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、実施形態のマルチビーム光学系が適用されたレーザーフォトプロッターの光学系を示す説明図であり、図１(Ａ)は光学系の具体的構成の説明図、図１(Ｂ)は光学系の光路を展開した説明図、図２(Ａ)は図１の光学系の一部を示す説明図、図２(Ｂ)は図２(Ａ)の回折分岐素子の部分を拡大して示す説明図である。なお、図２(Ａ)では、分割された複数のビーム中の１本の光路を示している。
【００１４】
実施形態の装置の光学系は、図１(Ａ)に示されるように、アルゴンレーザー等のガスレーザー光源１０から発したビームＬ1をハーフミラープリズム１２によりビームＬ2、Ｌ3に分割し、かつ、それぞれのビームを回折分岐素子２６ａ，２６ｂにより９本のビームに分割し、それぞれ９本中の８本のビームをマルチチャンネル(８チャンネル)の音響光学変調器(ＡＯＭ)２８ａ，２８ｂにより独立して変調し、これらを偏光ビームスプリッター３１により合成し、合成された１６本のビームをポリゴンミラー４０及びｆθレンズ４１を含む走査光学系により動的に偏向させて結像面(露光面)５０上に走査させる。さらに、光学系と結像面５０とをビームの走査方向(主走査方向)に対して垂直な副走査方向に沿って相対的に移動することにより、結像面５０上に二次元の露光パターンを形成することができる。
【００１５】
以下、図１および図２を参照しつつ各光学素子の配置、作用について説明する。
ガスレーザー光源１０は複数のピーク波長で発光する。ここでは、488.0nmと514.5nmの２つのピーク波長を含むものとする。このレーザー光源１０から発したビームＬ1は、ミラー１１により反射されてハーフミラープリズム１２に入射する。ハーフミラープリズム１２を透過したビームＬ2は、正のパワーを持つ第１レンズ２０ａにより収束され、図１(Ｂ)に示すように収束位置の後方に配置された音響光学変調器２１ａに入射する。この音響光学変調器２１ａは、ポリゴンミラー４０の面倒れ誤差を補正するため、ビームを反射している反射面が切り替わる毎に射出角度を調整する。音響光学変調器２１ａを射出した発散ビームは、正のパワーを持つ第２レンズ２２ａにより再び収束され、ミラー２３ａで反射された後に正のパワーを持つ第３レンズ２４ａに入射する。
【００１６】
第３レンズ２４ａによりほぼ平行光とされたビームは、ミラー２５ａで反射された後、回折分岐素子２６ａに入射し、図２(Ｂ)に示すように、その回折作用により角度差を持つ９本のビームに分割される。分割された９本のビームは正のパワーを持つ第４レンズ２７ａに入射して収束され、その中の１本が遮光板６０により遮断され、残りの８本が第４レンズ２７ａによるビームの収束位置の後方に配置された音響光学変調器２８ａに入射する。なお、回折分岐素子２６ａは、第４レンズ２７ａの光源側の焦点位置にほぼ一致して配置されている。
音響光学変調器２８ａは、前述のように８チャンネルの変調部を備え、入射する８本の光束を独立して変調することができる。音響光学変調器２８ａから射出したビームは、ミラー３０で反射された後、偏光ビームスプリッター３１に対してＳ偏光として入射し、これにより反射される。
【００１７】
一方、ハーフミラープリズム１２で反射されたビームＬ3の光路にも、ビームＬ2の光路に配置されたのと同様の光学素子が配置されている。すなわち、ビームＬ3は、第１レンズ２０ｂ、面倒れ補正用の音響光学変調器２１ｂ、第２レンズ２２ｂ、ミラー２３ｂ、第３レンズ２４ｂ、ミラー２５ｂ、回折分岐素子２６ｂ、第４レンズ(集光レンズ)２７ｂを順に透過し、あるいは反射されて、音響光学変調器２８ｂに入射する。音響光学変調器２８ｂから射出したビームは、１／２波長板２９を透過した後、偏光ビームスプリッター３１に対してＰ偏光として入射し、これを透過する。
【００１８】
偏光ビームスプリッター３１で合成された１６本の発散ビームは、コリメータレンズを構成する第５、第６レンズ３３，３４によりほぼ平行光とされ、ポリゴンミラー４０により同時に反射、偏向される。偏向された１６本のビームは、ｆθレンズ４１とコンデンサレンズ４２とを介してそれぞれ結像面５０上の異なる位置に収束(結像)する。
【００１９】
次に、上記実施形態で用いられている回折分岐素子２６ａ，２６ｂの形状及び作用について説明する。回折分岐素子２６ａ，２６ｂの一方の面には、図３に示されるように、帯状の基準位相パターンＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4…が等ピッチで多数並列して形成されている。この基準位相パターンは、ピッチ内で与える位相差が非線形に変化するよう形成され、しかも隣接する基準位相パターンの間での位相ギャップを有しない滑らかな形状である。
【００２０】
表１は、実施形態の回折分岐素子に用いられる基準位相パターンの形状を示す。この表では、基準位相パターンの１ピッチを図３のｙ方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って０〜６３の６４の座標に等分割し、各座標での相対的な形状を光の位相差(単位：ラジアン)として示している。実形状は、座標０の点からのｚ方向の距離として表される場合、空気中での使用を前提とすると、波長をλ、素子の屈折率をｎとして、位相×λ/(２π(ｎ−１))により求められる。図４は、表１に示される回折分岐素子の基準位相パターンの形状を示すグラフであり、縦軸が位相差、横軸が座標である。この基準位相パターンは、光束を９本に分割するときに、(1)分割された各光束の強度が同一になるようにすること、(2)目的とする分割数以外の位置に余分な光が出ないようにすること、という２つの条件を満たすよう最適化することにより求められた形状である。
【００２１】
【表１】
0003992890.tif 000002
【００２２】
前述のように、この実施形態では、回折分岐素子２６ａ，２６ｂに入射するレーザー光は２つのピーク波長を有している。最も短い波長λS=488.0nm、最も長い波長λL=514.5nmである。そこで、回折分岐素子２６ａ，２６ｂは、λS＜λM＜λLの条件を満たす基準波長λMにおいて入射するレーザー光を所定の次数の回折光に等分岐させるように定められる。
【００２３】
488.0nmの入射光と514.5nmの入射光との強度が同一であり、結像面に配置される感光材料の感度が両波長に対して同一である場合には、各回折次数における488.0nmの回折光と514.5nmの回折光との合計強度が均等によるように回折分岐素子の基準波長を定める。このような配分のためには、基準波長λM=501.1nmに設定し、表１の基準位相パターンに基づき、位相×501.1nm/(２π(ｎ−１))により実形状を定めればよい。
【００２４】
501.1nmで最適化された回折分岐素子は、501.1nmの入射光束を均等に９分割する性能を有しており、488.0nmで入射する光束、あるいは514.5nmで入射する光束はそれぞれ不均等に９分割されるが、各次数において、波長488.0nmにおける分配光量の基準波長501.1nmにおける分配光量からのズレと、514.5nmにおける分配光量の基準波長501.1nmにおける分配光量からのズレとを互いに打ち消し合わせることができ、結果的に各次数間においいて両波長の光量を合計した光量配分を均一化することができる。
【００２５】
また、別の表現によれば、波長λSにつき回折分岐素子により分岐された回折光の強度分布の標準偏差をSDS、同様に波長λLについての強度分布の標準偏差をSDL、λS＜λM＜λLを満たす波長λMについての強度分布の標準偏差をSDMとしたときに、
SDM < SDS
SDM < SDL
を満たすよう基準位相パターンを設計すれば、上記と同様に波長λS、λMの波長λMからのズレによる光量変化を互いに打ち消し合わせることができる。
【００２６】
以下の表２は、上述の回折分岐素子の光束分割性能を示す数値であり、それぞれ波長501.1nm、488.0nm、514.5nmの光束を入射させた際の各次数の分岐光量を、入射光の強度を１とした比率で示している。合計欄は、実際の光束の波長488.0nm、514.5nmの各次数の分岐光量の和を示している。SDは、各波長における強度分布の標準偏差を示す。
【００２７】
【表２】
0003992890.tif 000003
【００２８】
なお、表２に示される回折光の波長501.1nmにおける強度分布は、図５のグラフに示されている。また、図６は実使用波長488.0nmの回折光の強度分布の上に514.5nmの回折光の強度分布を重ねて示したグラフである。これらのグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は各次数の回折光の強度を示す。
【００２９】
図６によれば、２種類の使用波長の合計光量が各次数に均等に分配されていることが理解できる。また、波長488.0nmの回折光の強度分布の標準偏差SDS=0.01025、波長514.5nmについての強度分布の標準偏差SDL=0.01026、波長501.1nmについての強度分布の標準偏差SDM=0.00000であり、SDM < SDS、SDM < SDLを満たしている。
【００３０】
次に、レーザー光が照射される感光材料の分光感度を考慮した設計例について説明する。488.0nmの入射光と514.5nmの入射光との強度が同一であり、結像面に配置される感光材料が488.0nmにおいて514.5nmにおける感度の２倍の感度を持つ場合、回折分岐素子は、488.0nmの回折光の分配光量を1.333倍した値と、514.5nmの回折光の分配光量を0.667倍した値との合計が、各次数において均一になるようにレーザー光を分岐させる必要がある。これにより、感光材料の感光量が、各回折次数間でほぼ等しくなる。このような配分のためには、基準波長λM=495.5nmに設定し、表１の基準位相パターンに基づき、位相×495.5nm/(２π(ｎ−１))により実形状を定めればよい。基準位相パターンの形状は前記の基準波長501.1nmの例と同様であるが、凹凸の高さが基準波長に応じて異なるものとなる。
【００３１】
495.5nmで最適化された回折分岐素子は、495.5nmの入射光束を均等に９分割する性能を有しており、488.0nmで入射する光束、あるいは514.5nmで入射する光束はそれぞれ不均等に９分割される。ただし、感光材料の感度を考慮すると、結果的に各次数間において両波長の光量を合計した光量配分による感光量を均一化することができる。
【００３２】
以下の表３は、分光感度を考慮した回折分岐素子の光束分割性能を示す数値であり、それぞれ波長495.5nm、488.0nm、514.5nmの光束を入射させた際の各次数の分岐光量を入射光の強度を１とした比率で示すと共に、488.0nmの回折光の分配光量を1.333倍した値と、514.5nmの回折光の分配光量を0.667倍した値を示している。合計欄は、倍率をかけた波長488.0nm、514.5nmの各次数の分岐光量の和を示している。SDは、各波長における強度分布の標準偏差を示す。
【００３３】
【表３】
0003992890.tif 000004
【００３４】
なお、図７は実使用波長488.0nmの回折光の強度分布を1.333倍した値の上に514.5nmの回折光の強度分布を0.667倍した値を重ねて示したグラフである。このグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は感光材料の感光量を示す。
【００３５】
図７によれば、２種類の使用波長の合計した際の感光量が各次数に均等になることが理解できる。また、波長488.0nmの回折光の強度分布の標準偏差SDS=0.00514、波長514.5nmについての強度分布の標準偏差SDL=0.01026、波長495.5nmについての強度分布の標準偏差SDM=0.00000であり、SDM < SDS、SDM < SDLを満たしている。
【００３６】
なお、上記の実施形態では、光束を９分割する例につき説明したが、これ以外の分割数の回折分岐素子に対しても、基準波長を適宜設定することにより、複数のピーク波長の回折光をバランスよく配分することが可能である。
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、複数のピーク波長を有する光束を回折分岐素子を用いて分割する際に、回折分岐素子の設計基準波長をピーク波長の短波長側の値と長波長側の値との中間に設定することにより、各回折光の光量バランスを適切に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (Ａ)は、実施形態にかかる多ビーム走査型露光装置の光学系を示す説明図、(Ｂ)はこの光学系の光路を展開して示した光路図。
【図２】  (Ａ)は図１の光学系の一部を示す光路図、(Ｂ)は(Ａ)の回折分岐素子の部分を拡大して示す説明図。
【図３】  実施形態の回折分岐素子の位相パターンの形状を示す斜視図。
【図４】  実施形態の回折分岐素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ。
【図５】  実施形態の回折分岐素子の設計波長における光束分割性能を示すグラフ。
【図６】  実施形態の回折分岐素子の２つの実使用波長における回折光の強度分布を重ねて示したグラフ。
【図７】  他の実施形態の回折分岐素子の２つの実使用波長における回折光による感光量の分布を重ねて示したグラフ。
【符号の説明】
１０  レーザー光源
２６ａ，２６ｂ  回折分岐素子
４０  ポリゴンミラー
４１  ｆθレンズ
５０  結像面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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