JP2003248184A - ビームモード整形光学系、及び露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源からの出射光を、断面が円形で且つ径の
小さなビームへ確実に整形するビームモード整形光学系
を簡潔に実現する。 【解決手段】 光ファイバ２４と、光ファイバ２４の入
射端２４ａに半導体レーザ２１から出射された出射光を
導く導入レンズ２３と、シングルモード光ファイバ２４
の出射端２４ｂから出射された光をコリメートするコリ
メートレンズ２５とによりビームモード整形光学系１を
構成する。光ファイバ２４は、そのコア及びクラッドを
入射端２４ａから出射端２４ｂに亘ってテーパ状に縮径
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビームモード整形
光学系と、このビームモード整形光学系を具備する露光
装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ、エキシマレーザ、或いは
発光ダイオード（以下、「半導体レーザ等」という。）
から出射されたビームは横モードを含んでおり、当該ビ
ームの断面形状が線状、三日月状、或いは楕円状となっ
てしまう。従って、半導体レーザ等を光源として採用す
る光学機器のうちスポット形状が円形であることが望ま
れるものにおいては、半導体レーザ等から出射されたビ
ームのモードパターンを予め円形に整形する事が行われ
ている。

【０００３】具体的には従来、平行レンズと集光レンズ
とを離間して対向配置し、当該各レンズ間に縦横の集束
率が異なるシリンドリカルレンズを介在させて成るシン
ドリカンルレンズ型のビームモード整形光学系や、一対
のプリズムを組み合わせて成るアナモルフィック（ペア
プリズム）型のビームモード整形光学系を用いる事によ
り、半導体レーザ等から出射されたビームを整形する事
が行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のビームモード整形光学系では、ビームのモードパタ
ーンを確実に円形に整形するのが困難であった。即ち、
従来のビームモード整形光学系では、光源としての半導
体レーザ等自体の横モードが悪い場合はそれを除去する
のが難しく、場合によっては横モード分が残ってしま
い、結果として出射光束の断面形状が楕円状、線状、或
いは三日月状になってしまう事があった。

【０００５】また、上記従来のビームモード整形光学系
は、複数のレンズやプリズムを組み合わせて成るので、
これを搭載する光学機器全体の構造が複雑になると共
に、光軸合わせ等の調整が困難であると云う問題があっ
た。

【０００６】また、上記従来のビームモード整形光学系
では、出力ビームの径が半導体レーザ等における発光点
の大きさに依存するので、例えば露光装置などの様に投
射光のスポット形状が円形である事に加えて、描画精度
等の観点からそのスポット径が小さいことが特に望まれ
るものには適用し難いと云う問題があった。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑みて成されたも
のであり、光源から出射されたビームの断面形状を確実
に円形に整形すると共に、そのビーム径を充分小さくす
る技術を提供する事を目的とする。また、本発明は、構
造が簡単で光軸合わせ等の調整が容易なビームモード整
形光学系を提供する事を目的とする。また、本発明は、
露光装置を簡潔な構造で安価に実現する事を目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の態様によるビームモード整形光学系は、光フ
ァイバと、前記光ファイバの入射端に光源から出射され
た出射光を導く導入レンズと、前記光ファイバの出射端
から出射された光をコリメートするコリメートレンズ
と、を備えるビームモード整形光学系であって、前記光
ファイバのコア及びクラッドを、入射端から出射端に亘
ってテーパ状に縮径して構成した事を特徴とする。

【０００９】ここで光源には、例えば半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）、エキシマレーザ、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）
等を用いることができる。

【００１０】第１の態様によるビームモード整形光学系
において、光源から出射された光は導入レンズによって
光ファイバの入射端に導入される。入射端に導入された
光は、コアとクラッドとの境界面で略全反射しながら当
該光ファイバを伝播して出射端より出射する。この様
に、光源から出射された光を光ファイバに導入する事に
より、当該光ファイバの出射端から出射する光の拡がり
角を、光源における拡がり角に依存しない均一なものに
できる。また、当該光ファイバのコア及びクラッドは入
射端から出射端に亘ってテーパ状に縮径されているの
で、入射端に導入された光は当該光ファイバを伝播する
過程で、第１にその非点隔差が確実に除去され、第２に
シングルモード化され、第３にその径が絞られる。これ
により、光ファイバの出射端からは、径が小さく且つ断
面形状が円形に整形されたビームを得る事ができる。か
くして、光ファイバの出射端を理想的な点光源とみなす
ことができる。また、シングルモード光ファイバのコア
及びクラッドは入射端から出射端に亘ってテーパ状に縮
径されているので、入射端におけるコア径が出射端にお
けるコア径よりも大きい。従って、出射端から出射され
る光の径を充分に小さくしたままで、入射端では導入レ
ンズの位置決め或いは当該ファイバとの結合を確実且つ
容易に行える程度のコア径を確保できる。又これによ
り、仮に導入レンズによって導入される光の形状にバラ
ツキを生じたり、或いは振動等に起因して導入レンズと
入射端面との光軸が多少ずれたとしても、光源から出射
された光を低損失でもらすことなく入射端に導入でき
る。かくして、構造が簡単で光軸合わせ等の調整が容易
なビームモード整形光学系が実現される。また、光ファ
イバは、可撓性を有するので、光源の配置箇所を柔軟に
設計変更できる。また、光ファイバの出射端から出射さ
れた光は、コリメータレンズでコリメートされるが、シ
ングルモード光ファイバの出射端は理想的な点光源であ
るので、コリメータレンズによって完全な平行光束を得
る。従って、後の光学系では、この平行光束を焦点距離
の長いレンズで以って集光して何ら差し支えない。

【００１１】また、上記目的を達成する本発明の第２の
態様によるビームモード整形光学系は、第１の態様によ
るビームモード整形光学系に於いて、前記光源としての
半導体レーザを備えたことを特徴とする。

【００１２】第２の態様によるビームモード整形光学系
では、光源としての半導体レーザを備えるが、上述の様
にこのビームモード整形光学系では、半導体レーザから
出射された出射光の断面形状を円形に整形でき、しかも
ビーム径を充分小さくできると云った効果を奏するの
で、この半導体レーザを例えば気体レーザ等の代替とし
て用いることが可能となる。即ち、従来光源として拡が
り角の小さなガスレーザを用いていた光学機器に、当該
ガスレーザの代替としてビームモード整形光学系を適用
する事により、その光学機器の構成を著しく簡素化でき
ると共に、製作コストを低減できる。

【００１３】また、上記目的を達成する本発明の第３の
態様による露光装置は、第１又は第２の態様によるビー
ムモード整形光学系と、前記コリメートレンズから出射
された光を、露光対象に照射させながら当該照射箇所を
前記露光対象上で走査させる走査手段とを備えた事を特
徴とする。

【００１４】ここに云う露光装置とは、感光性材料を塗
布した基板上にビームを照射する事によって、マスクを
用いずに所定のパターンを焼き付けるダイレクトレーザ
方式の描画装置や、液状の光硬化性樹脂にレーザを照射
してその一部を硬化させ、任意の３次元形状を造形する
光硬化造形装置などを含む。

【００１５】第３の態様による露光装置において、走査
手段はビームモード整形光学系のコリメートレンズから
出射された光を、露光対象に照射させながら当該照射箇
所を前記露光対象上で走査させる。これにより、露光対
象上には、所定のパターンが露光される。上述の様に、
ビームモード整形光学系を具備する事によって、断面形
状が円形で且つ小さな径を有するビームを得ることがで
きるので、この露光装置によれば描画精度及び描画密度
を向上できる。

【００１６】また、上記目的を達成する本発明の第４の
態様による露光装置は、第３の態様による露光装置に於
いて、前記走査手段は、前記コリメートレンズから出射
された光を、ｆθレンズを介して前記露光対象に照射さ
せるジンバル型のスキャナミラーである事を特徴とす
る。

【００１７】この第４の態様による露光装置によれば、
走査手段としてジンバル型のスキャナミラーを採用する
ので装置全体の構成を著しく簡素化できる。また、当該
ミラーの回転中心が一点となるので、像面湾曲を低減で
きる。また、コリメートレンズから出射された光は、ｆ
θレンズを介して露光対象に照射されるわけであるが、
光ファイバの出射端を理想的な点光源とみなすことがで
き、コリメートレンズによって完全な平行光が形成され
るので、当該ｆθレンズとして焦点距離の長いものを用
いる事ができる。これにより、小型でありながら広い露
光面積を有する露光装置が実現される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図１から図５を参照して本
発明の実施の形態について説明する。 〔第１の実施の形態〕図１は第１の実施の形態による露
光装置の構成を模式的に示す平面概略図であり、図２は
その正面概略図である。この露光装置１は、断面形状が
円形に整形されたビームを出射するビームモード整形光
学系２と、このビームモード整形光学系２から出射され
た出射光を露光対象としての基板Ｗに照射させながら当
該基板Ｗ上で走査させる走査部３と、を備えて構成され
ている。

【００１９】ここで、基板Ｗは、例えば半導体ウエハや
液晶基板等がこれに相当する。また、基板Ｗの被露光面
にはフォトレジスト等の感光性材料が塗布されている。

【００２０】ビームモード整形光学系２は、光源として
の半導体レーザ（ＬＤ）２１、ＬＤコリメートレンズ２
２、導入レンズとしての集光レンズ２３、テーパ型光フ
ァイバ２４、及びコリメートレンズ２５を光路に沿って
この順に配置して成る。尚、半導体レーザ２１から出射
される出射光の波長は４００[ｎｍ]程度である。

【００２１】また、テーパ型ファイバ２４は、可撓性を
有する光ファイバから成るが、図３に示す様に、その入
射端２４ａ側からその出射端２４ｂ側に向かってコア２
４１及びクラッド２４２がテーパ状に形成されている。
入射端２４ａにおけるコア径と出射端２４ｂにおけるコ
ア径との比は、略３対１である。また、出射端２４ｂに
おけるコア径は３[μｍ]程度である。但し、テーパ型フ
ァイバ２４のサイズは、これらの値に特に限定される事
はなく、６００乃至７００[ｎｍ]程度の波長を有する半
導体レーザを光源として採用する場合は、出射端２４ｂ
におけるコア径を６[μｍ]程度としてもよい。また、テ
ーパは光ファイバ２４の出射端部分にのみ設けてもよ
い。

【００２２】走査部３は、一対のガルバノミラー３１，
３２、ｆθレンズ３３、及び図示せぬ制御部を備えて構
成されている。一方のガルバノミラー３１は、図示せぬ
第１モータに駆動されて、図１の紙面に垂直な回転軸を
中心として回転する。他方のガルバノミラー３２は、図
示せぬ第２モータに駆動されて、図１の紙面内にある回
転軸を中心として回転する。尚、第１モータ及び第２モ
ータは図示せぬ制御部によって駆動制御される。これに
よって、当該各ミラー３１，３２の姿勢が制御され、ｆ
θレンズ３３を介してビームが露光対象Ｗ上を走査する
様になっている。ｆθレンズ３３は、このレンズ３３に
入射するビームの角度と、スポットの位置とを比例させ
るもので、図２に示す様に、一対のガルバノミラー３
１，３２と露光対象Ｗとの間に配置されている。

【００２３】上記の様に構成されて成る露光装置１の作
用は次の通りである。半導体レーザ２１から出射された
出射光は、先ずＬＤコリメートレンズ２２によってコリ
メートされる。コリメートされた光は、導入レンズ２３
によって集光され、テーパ型光ファイバ２４の入射端２
４ａに導かれる。テーパ型光ファイバ２４の入射端２４
ａに導入された光は、コア２４１とクラッド２４２の境
界面で全反射しながら当該テーパ型光ファイバ２４を伝
播してその出射端２４ｂから出射される。テーパ型光フ
ァイバ２４の出射端２４ｂから出射された光は、コリメ
ートレンズ２５によって平行光にされて、ガルバノミラ
ー３１に出射される。

【００２４】ガルバノミラー３１に出射された光は、当
該ガルバノミラー３１及びガルバノミラー３２によって
反射される。反射されたビーム光は、図２中破線で示す
様に、ｆθレンズ３３を介して、露光対象Ｗの主表面の
全領域に亘って均一なスポット径で以って走査される。
その過程で、図示せぬ制御部は、スポットの軌跡が所与
のパターンを描画するよう図示せぬ第１モータ及び第２
モータを制御する。この様にして露光が行われる。

【００２５】以上説明した露光装置によれば次の様な効
果が得られる。 (1)半導体レーザ２１から出射された光を光ファイバ２
４に導入する事により、当該光ファイバ２４の出射端２
４ｂから出射する光の拡がり角を、半導体レーザ２１の
拡がり角に依存しない均一なものにできる。

【００２６】(2)テーパ型光ファイバ２４のコア２４１
及びクラッド２４２は入射端２４ａから出射端２４ｂに
亘ってテーパ状に縮径されているので、入射端２４ａに
導入された光は当該光ファイバ２４を伝播する過程で、
第１にその非点隔差が確実に除去され、第２にシングル
モード化され、第３にその径が絞られる。これにより、
テーパ型光ファイバ２４の出射端２４ｂからは、断面形
状が円形に整形された、スポット径の充分小さなビーム
を得る事ができる。従って、テーパ型光ファイバ２４の
出射端２４ｂを理想的な点光源とみなすことができる。

【００２７】(3)テーパ型ファイバ２４のコア２４１及
びクラッド２４２は入射端２４ａから出射端２４ｂに亘
ってテーパ状に縮径されているので、入射端２４ａにお
けるコア２４１の径が出射端２４ｂにおけるコア２４１
の径よりも大きい。従って、出射端２４ｂから出射され
る光の径を充分に絞ったままで、入射端２４ａでは導入
レンズ２３の位置決め或いは当該ファイバ２４との結合
を確実且つ容易に行える程度のコア径を確保できる。
尚、テーパを設けずに、光ファイバの出射端を理想的な
点光源とみなそうとする場合は、当該ファイバとしてシ
ングルモード光ファイバを用い、且つ入射端において
０．０５μｍ程度の非常に高精度な導入レンズの位置決
めが必要となる。

【００２８】(4)入射端２４ａにおけるコア２４１の径
が出射端２４ｂにおけるコア２４１の径よりも大きいの
で、仮に導入レンズ２３によって導入される光の形状に
バラツキを生じたり、或いは振動等に起因して導入レン
ズ２３と入射端２４ａ面との光軸が多少ずれたとして
も、半導体レーザ２１から出射されＬＤコリメータレン
ズ２２でコリメートされた光を漏れなく入射端２４ａに
導入できる。

【００２９】(5)テーパ型光ファイバ２４の出射端２４
ｂから出射された光は、コリメータレンズ２５でコリメ
ートされるが、テーパ型光ファイバ２４の出射端２４ｂ
は理想的な点光源であるので、コリメータレンズ２５に
よって完全な平行光束を得る。従って、後の光学系で
は、この平行光束を焦点距離の長いレンズで以って集光
して差し支えない。具体的には、露光装置１では、コリ
メータレンズ２５によって完全な平行光束を得るので、
ｆθレンズ３３として焦点距離の長いものを採用でき
る。これにより、広い露光面積を確保できる。

【００３０】(6)テーパ型ファイバ２４のコア２４１及
びクラッド２４２は入射端２４ａから出射端２４ｂに亘
ってテーパ状に縮径されているので、その入射端２４ａ
に導入された光は、当該ファイバ２４を伝播する過程で
径が絞られる。これにより、ｆθレンズ３３を介して露
光対象Ｗに投射されるビームのスポット径を充分小さく
できる。

【００３１】(7)テーパ型光ファイバ２４は可撓性を有
するので、具体的な露光装置１の設計においては、半導
体レーザ２１等をフレキシブルに配置できる。また、テ
ーパ型ファイバ２４を短くすれば、露光装置１のコンパ
クト化に寄与する。

【００３２】(8)半導体レーザ２１は、ガスレーザ等に
比べてビーム径及び拡がり角が大きいが、ビームモード
整形光学系２によれば、光源として半導体レーザ２１を
用いながら、当該半導体レーザ２１から出射された出射
光の断面形状を円形に整形でき、且つそのビーム径充分
小さくできるので、半導体レーザ２１を例えばガスレー
ザ等の代替として用いることができる。即ち、従来光源
として拡がり角の小さなガスレーザを用いていた露光装
置に、このビームモード整形光学系を適用する事によっ
て当該露光装置を安価且つ簡素に実現できる。

【００３３】尚、ビームモード整形光学系２において
は、ＬＤコリメータ２２、及び集光レンズ２３を省略す
ることもできる。即ち、図４に示す様に、半導体レーザ
２１からの出射光を、テーパ型光ファイバ２４に直接導
入することとしてもよい。そうすると、ビーム整形光学
系の構成を一層簡素化できる。この場合は、半導体レー
ザ２１をテーパ型光ファイバ２４の入射端面に出来るだ
け近づけると共に、テーパ型光ファイバ２４の入射端２
４におけるコア径を、半導体レーザ２１との結合を損失
なく行える程度に確保しておくのが好ましい。

【００３４】〔第２の実施の形態〕第２の実施の形態に
よる露光装置は、第１の実施の形態による露光装置１と
同様であるが、ガルバノミラー３１，３２に代えて、図
５に示すジンバル型スキャナミラー４を備えたものであ
る。

【００３５】図５に示すジンバル型のスキャナミラー４
は、シリコン基板をエッチングする事によって得られた
本体４０を基礎として構成されている。シリコンから成
る本体４０は、中央に配置された平面視矩形の中央部４
１と、この中央部を取り囲む様に配置された外枠部４２
とにより構成されている。中央部４１には、Ａｕ（金）
等が成膜されて成るミラー面４１１が設けられている。
ミラー面４１１の周囲及び裏面にはコイルパターン４１
２が設けられている。

【００３６】この中央部４１と外枠部４２とは、Ｘ軸方
向（図５中、左右方向）に延びる一対のトーションバー
４１３，４１４のみによって連結されている。外枠部４
２には、全周にわたってコイルパターン４２１が設けら
れている。また、この外枠部４２からは、一対のトーシ
ョンバー４２２，４２３がＹ軸方向（図５中、上下方
向）に延びている。尚、トーションバー４１３，４１
４，４２２，４２３はシリコンから成るので可撓性を有
している。更に、外枠部４２の周囲には、４つの永久磁
石４３，４４，４５，４６が固定されている。

【００３７】この様に構成されたジンバル型のスキャナ
ミラー４では、各永久磁石によって、コイルパターン４
１２，４２１にそれぞれ常に静磁場が与えられている。
この状態で、各コイルパターン４１２，４２１に電流を
供給すると、当該コイルが生ぜしめる磁場と、永久磁石
によって与えられる静磁場との相互作用によって、各コ
イルにはローレンツ力による回転トルクが発生する。

【００３８】このとき、中央部４１は、一対のトーショ
ンバー４１３，４１４を回転軸として、当該各トーショ
ンバー４１３，４１４のねじり復元力と、コイル４１２
の生ぜしめる回転トルクとが釣り合う位置まで回転す
る。これに伴って、ミラー面４１１がＸ軸を中心として
揺動する。一方、外枠部４１は、一対のトーションバー
４２２，４２３を回転軸として、当該各トーションバー
４２２，４２３のねじり復元力と、コイル４２１の生ぜ
しめる回転トルクとが釣り合う位置まで回転する。これ
に伴って、ミラー面４１１がＹ軸を中心として揺動す
る。

【００３９】各コイル４１２，４２１が生ぜしめる回転
トルクの大きさは、当該各コイルに供給する電流の大き
さに応じた値となる。従って、当該各コイル４１２，４
２１に供給する電流値を制御する事によってミラー面４
１１の姿勢を任意に変えることができる。これにより、
ミラー面４１１で反射されるビームのスポット位置を、
ＸＹ平面（露光対象の主表面）内で自在に走査する事が
実現される。

【００４０】第２の実施の形態による露光装置によれ
ば、第１の実施の形態による露光装置１において必要で
あった第１モータ及び第２モータが不要となるので、露
光装置全体の構成を著しく簡素化できる。また、スポッ
トを走査するためのミラー面４１１の回転中心が一点と
なるので、第１の実施の形態に比べて像面湾曲を低減で
きる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、光
源から出射されたビームの断面形状を確実に円形に整形
すると共に、そのビーム径を充分小さくする事が実現さ
れる。また、本発明によれば、構造が簡単で光軸合わせ
等の調整が容易なビームモード整形光学系が提供され
る。また、本発明によれば、露光装置を簡潔な構造で安
価に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態による露光装置の構成を示す平面模
式図である。

【図２】実施の形態による露光装置の構成を示す正面模
式図である。

【図３】テーパ型光ファイバの構造を模式的に示す断面
図である。

【図４】別の実施の形態におけるビームモード整形光学
系を示す模式図。

【図５】更に別の実施の形態におけるジンバル型ガルバ
ノミラーの構成を示す図。

【符号の説明】

２ ビームモード整形光学系 ３ 走査部（走査手段） ４ ジンバル型スキャナミラー（走査手段） ２１ 半導体レーザ（光源） ２３ 集光レンズ（導入レンズ） ２４ テーパ型光ファイバ（光ファイバ） ２５ コリメートレンズ Ｗ 基板（露光対象）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大越 良一 埼玉県日高市下高萩新田17−２ シグマ光 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2H045 AB03 AB06 AB13 AB16 BA12 CB24 DA11 2H050 AC83

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバと、 前記光ファイバの入射端に、光源から出射された出射光
   を導く導入レンズと、 前記光ファイバの出射端から出射された光をコリメート
   するコリメートレンズと、を備えるビームモード整形光
   学系であって、 前記光ファイバは、入射端から出射端に亘ってコア及び
   クラッドがテーパ状に縮径されて成る事を特徴とするビ
   ームモード整形光学系。
2. 【請求項２】前記光源としての半導体レーザを備えた事
   を特徴とする請求項１記載のビームモード整形光学系。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のビームモード整形光
   学系と、 前記コリメートレンズから出射された光を、露光対象に
   照射させながら当該照射箇所を前記露光対象上で走査さ
   せる走査手段と、 を備えた事を特徴とする露光装置。
4. 【請求項４】前記走査手段は、前記コリメートレンズか
   ら出射された光を、ｆθレンズを介して前記露光対象に
   照射させるジンバル型のスキャナミラーである事を特徴
   とする請求項３記載の露光装置。