(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのビームを光束分割素子により列状に配列する９つのビームに分岐させ、これらの分岐されたビームを，ポリゴンミラーを含む走査光学系により結像面上で走査させる多ビーム走査型露光装置において、
前記光束分割素子が、
帯状の基準位相パターンが基板上に等ピッチで多数並列して形成された、入射光を回折させて複数の光束に分割するグレーティング型の素子であって、前記基準位相パターンとして、前記ピッチ内を６４に等分割した場合の各座標位置での位相(単位：ラジアン)が以下の値を中心とする所定の誤差範囲内に入る非線形形状のものが、隣接する２基準位相パターン間で位相ギャップを有しない形で形成されている素子である
ことを特徴とする多ビーム走査型露光装置。
【表１】
0004106478.tif 000006
【請求項２】
略平行光として進む前記ビームを収束させる集光レンズと、この集光レンズと前記走査光学系との間に配置され且つ前記集光レンズによって収束された後に発散する前記ビームを再度略平行光にするコリメータレンズとを更に備えるとともに、前記光束分割素子を前記集光レンズの光源側焦点位置に配置したことを特徴とする請求項１記載の多ビーム走査型露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光源から発した単一のビームを光束分割素子を介して列状に並ぶ複数のビームに分割し、この分割されたビームを走査光学系により結像面上で走査させる多ビーム走査型露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の多ビーム走査型露光装置は、例えば特開平８−２４８３３８号公報に開示される。この公報に開示される装置の光学系は、アルゴンレーザーから発する１本のレーザービームをハーフミラーで分割し、それぞれのビームを光束分割素子を用いて８分割し、合計１６本のビームを同時にポリゴンミラーで偏向させることにより結像面上を走査するようにしている。
【０００３】
図７は、上記公報の光学系に用いられている光束分割素子を示す斜視図である。この光束分割素子は、両端に斜面が４５度となる直角三角プリズム７１，７２を備え、その間に６枚の平行平面プリズム７３ａ〜７３ｇが配置され、これらをエポキシ系接着剤等の有機系接着剤により接合して構成されている。第１の直角三角プリズム７１と平行平面プリズム７３ａとの間の接合面、および平行平面プリズム７３ａ〜７３ｆどうしの接合面には、光束分割膜７４ａ〜７４ｇが形成されており、平行平面プリズム７３ｇと第２の直角三角プリズム７２との間の接合面には反射膜７５が形成されている。第１の平行平面プリズム７３ａの図中後方の端面から入射したビームは、光束分割膜７４ａ〜７４ｇにより８等分されて図中手前側の端面から互いに平行に射出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の多ビーム走査型露光装置では、光束分割素子の精度を設計通り高く保つことが困難であるため、結像面上でのビーム配列が乱れ、描画品質(主走査線幅、主走査線ピッチムラ)を高く保つことができないという問題がある。すなわち、従来の装置に用いられる光束分割素子は、複数のプリズムを接着剤で貼り合わせて構成されるため、プリズム単体の加工誤差と貼り合わせ時の組立誤差との２種類の誤差を含み、これらが重畳されるため全体の誤差が大きくなり、これがビーム配列を大きく乱す原因となる。
【０００５】
また、従来の多ビーム走査型露光装置では、光束分割素子の各プリズムを接着するために有機系の接着剤が用いられているため、ビームの照射エネルギーにより接着剤が炭化(黒化)して透過率が低下し、射出する複数のビーム間のパワーのバランスが崩れるという問題がある。このため、従来の光束分割素子は寿命が短く頻繁な交換が必要であり、一方、入射ビームのパワーもあまり大きくすることはできなかった。
【０００６】
この発明は、上述した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、結像面上でのビーム配列を正確に設定することができ、かつ、光束分割素子の耐パワー性を向上させることができる多ビーム走査型露光装置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】
この発明にかかる多ビーム走査型露光装置は、上記の目的を達成させるため、１つのビームを光束分割素子により列状に配列する９つのビームに分岐させ、これらの分岐されたビームを，ポリゴンミラーを含む走査光学系により走査光学系を介して結像面上で走査させる構成において、光束分割素子として、帯状の基準位相パターンが基板上に等ピッチで多数並列して形成された、入射光を回折させて複数の光束に分割するグレーティング型の素子あって、前記基準位相パターンとして、前記ピッチ内を６４に等分割した場合の各座標位置での位相(単位：ラジアン)が以下の値を中心とする所定の誤差範囲内に入る非線形形状のものが、隣接する２基準位相パターン間で位相ギャップを有しない形で形成されている素子を用いたことを特徴とする。
【表２】
0004106478.tif 000002
【０００８】
上記の構成によれば、光源側から入射するビームは光束分割素子の回折作用により一度に９つのビームに分割される。分割された分岐ビームは、走査光学系を介して所定の配列を保ちつつ結像面上を走査する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる多ビーム走査型露光装置の実施形態を説明する。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主走査面内の説明図、図１(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副走査面内の光路図、図２(Ｂ)は図２(Ａ)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。
【００１０】
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グレーティング型の光束分割素子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。
【００１１】
なお、ビームの走査方向(主走査方向)は紙面と平行な方向であり、光学系と結像面５０とは紙面と垂直な方向(副走査方向)に相対的に移動して結像面上に二次元の露光パターンを形成させる。
【００１２】
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。
【００１３】
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、光束分割素子２６ａに入射し、図２(Ｂ)に示すように、その回折作用により副走査方向に角度差を持つ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(集光レンズ)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、光束分割素子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偏向として入射し、これにより反射される。
【００１４】
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、光束分割素子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偏向として入射し、これを透過する。
【００１５】
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。
【００１６】
上記の実施形態のように光束分割素子２６ａ，２６ｂとしてグレーティング型の素子を用いることにより、光源側から入射するビームを光束分割素子の回折作用により一度に複数のビームに分割することができる。したがって、従来の貼り合わせプリズムを用いた場合のような加工・組立誤差による影響を抑えることができ、結像面５０上でのビーム配列を正確に設定することができる。また、接着剤を用いていないため、耐パワー性が高く、素子の交換寿命は従来より格段に長くなり、しかも、入射光のパワーをより大きくして描画時間を短縮することも可能である。
【００１７】
次に、上記実施形態で用いられている光束分割素子２６ａ，２６ｂの形状について説明する。光束分割素子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。
【００１８】
実施形態のように位相差が非線形に変化するような複雑な位相パターンを持つ回折格子は、干渉法や、干渉法により得られたパターンをマスクとするエッチング法では正確に刻むことができない。そこで、ここでは、機械刻線法によりマスターとなる金型を作成し、その刻線されたマスターのパターンを樹脂や光学ガラスに転写することにより光束分割素子を作成する。
【００１９】
また、機械刻線法によりマスターを形成する場合にも、平面上に位相パターンを形成するためには、この平面に平行な面内の直交２軸方向と、平面に垂直な高さ方向との全部で３次元の方向に対してバイトと金型とを相対的に駆動制御しなければならず、加工に時間がかかる上、３次元の制御で波長オーダーの精密なパターンを刻むためには駆動装置のコストが高くなる。実施形態では、形成される位相パターンが、その高さがｙ方向(図３参照)に沿ってのみ変化し、ｘ方向については同一であることに着目し、ｘ方向を円周方向とする円柱面(凹面)上に位相パターンを形成するよう構成している。
【００２０】
この方法によれば、バイトと金型との相対的な位置を回転軸方向ｙ、及び回転軸に近接、離反するｚ方向の二次元方向に制御するのみで金型を加工することができ、比較的簡単な制御で実施形態のように位相パターンが多値、非線形の複雑な位相差を持つグレーティングパターンのマスターを形成することができる。
【００２１】
したがって、形成される光束分割素子は、微視的にはメニスカスのシリンダー面を有する形状となるが、シリンダーの曲率半径が素子のサイズと比較して十分に大きいため、巨視的には平行平面板とみなすことができる。なお、位相パターンは、光の入射側、射出側のいずれに配置しても回折効果は同一である。
【００２２】
表１は、実施形態の光束分割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、使用波長を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に示される光束分割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。
【００２３】
【表１】
0004106478.tif 000003
【００２４】
以下の表２は、上述の光束分割素子の光束分割性能を示す数値であり、入射光の強度を１として、分割された各光束の光量を次数毎に示している。回折効率は、目的とする分割数の回折光の強度が入射光束の強度に占める割合を示す。なお、表２に示される回折光の強度分布は、図５のグラフに示されている。これらのグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は入射光の強度を１としたときの各次数の回折光の強度を示す。
【００２５】
【表２】
0004106478.tif 000004
【００２６】
表２に示されるように、表１の形状を採用することにより極めて高い効率で回折光を利用することができ、しかも、利用される各次数の回折光の強度を均一に保つことができる。
【００２７】
なお、上述した実施形態の光束分割素子の位相パターンは、凹凸を反転させた場合にも全く同一の効果を得ることができる。表３は、表１に示す実施形態の光束分割素子の位相パターンの凹凸を反転させた変形例における基準位相パターンの形状を示す。符号の意味は表１におけるのと同一である。図６は、表３に示される光束分割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。表３の構成による場合にも、各次数毎の回折光の強度、および回折効率は表２に示す数値と一致する。
【００２８】
【表３】
0004106478.tif 000005
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、光源側から入射するビームは光束分割素子の回折作用により一度に複数のビームに分割されるため、従来の貼り合わせプリズムを用いた場合のような加工・組立誤差による影響を抑えることができ、結像面上でのビーム配列を正確に設定することができる。また、接着剤を用いていないため、耐パワー性が高く、素子の交換寿命は従来より格段に長くなり、しかも、入射光のパワーをより大きくして描画時間を短縮することも可能である。
【００３０】
さらに、光束分割素子の基準位相パターンを所定の数値に一致するよう作成することにより、極めて高い効率で回折光を利用することができ、しかも、利用される各次数の回折光の強度を均一に保つことができる。
【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主走査面内の説明図、(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の光学系の副走査面内の光路図、(Ｂ)は(Ａ)を拡大して示す説明図。
【図３】  実施形態の光束分割素子の位相パターンの形状を示す斜視図。
【図４】  実施形態の光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ。
【図５】  実施形態の光束分割素子の光束分割性能を示すグラフ。
【図６】  実施形態の変形例である光束分割素子の基準位相パターンの形状を示すグラフ。
【図７】  従来の光束分割素子を示す斜視図。
【符号の説明】
１０  ガスレーザー光源
１２  ハーフミラープリズム
２６ａ，２６ｂ  光束分割素子
３１  偏光ビームスプリッター
４０  ポリゴンミラー
４１  ｆθレンズ
５０  結像面
【図１】
0004106478.tif 000007
【図２】
0004106478.tif 000008
【図３】
0004106478.tif 000009
【図４】
0004106478.tif 000010
【図５】
0004106478.tif 000011
【図６】
0004106478.tif 000012
【図７】
0004106478.tif 000013