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JP3728124B2 - ビーム形状補正光学系および描画装置 - Google Patents

ビーム形状補正光学系および描画装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームの形状を補正するためのビーム形状補正光学系と、当該ビーム形状補正光学系を備えた描画装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ビームを用いた装置には、光源が出力する光ビームの形状を所定の形状に補正することが必要な装置が存在している。例えば、光ビームが描画に用いられる描画装置では、描画面上で真円形の光ビームが得られることが望ましいので、光源(例えば、アルゴンレーザ)から出力されるレーザビームの形状を真円形に補正することが行われている。従来、この形状補正は、必要とされている補正が行える光学系を設計、製造するか、多数のシリンドリカルレンズで構成されたズームエキスパンダを用いて行われていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
必要とされている補正が行える光学系を設計、製造することによりビームの形状補正を行う場合、レーザ光源が出力するレーザビームの形状には固体差があるため、装置毎に光学系の設計を行わなくてはならなかった。さらに、寿命によりレーザ光源の交換が必要となった際に、光学系を交換する必要もあった。
【0004】
また、ズームエキスパンダを用いた場合には、シリンドリカル面の母線の相対的な傾きが波面収差に大きな影響を与えるため、ズームエキスパンダの調整に多大な労力が必要とされていた。また、ズーミング時に発生する偏心によっても大きな収差が発生するため、ズームエキスパンダによる形状補正は極めて困難なものとなっていた。
【0005】
そこで、本発明の課題は、各種のビーム形状の補正が簡単に行えるビーム形状補正光学系を提供することにある。また、本発明の他の課題は、製造時やレーザ光源の交換時の調整作業が簡単な描画装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のビーム形状補正光学系は、第1入射端面を有し、その第1入射端面に第1所定方向から入射された平行ビーム、第1所定方向と直交する第1倍率方向にのみm倍した平行ビームに変換する第1アナモフィック(anamorphic)ビームエキスパンダと、この第1アナモフィックビームエキスパンダを、第1入射端面を通り、第1所定方向と平行な軸である第1回転軸の周りで回転可能な形態で保持する第1保持部と、第2入射端面を有し、その第2入射端面に第2所定方向から入射された平行ビーム、第2所定方向と直交する第2倍率方向にのみn倍した平行ビームに変換する第2アナモフィックビームエキスパンダと、この第2アナモフィックビームエキスパンダを、第2入射端面を通り、第2所定方向と平行且つ第1回転軸と同軸に設定された第2回転軸の周りで回転可能な形態で保持する第2保持部とを備える。
【0007】
すなわち、本発明のビーム形状補正光学系は、第1倍率方向と第2倍率方向の向きを変化させることにより、n、mの値に応じた範囲の軸長比を有する楕円形状の平行ビームの真円形の平行ビームへの変換等を行える構成を有する。このため、本発明のビーム形状補正光学系を用いれば、従来に比して簡単な作業で各種のビーム形状の補正が行えることになる。
【0008】
本発明のビーム形状補正光学系を構成する第1、第2アナモフィックビームエキスパンダの仕様(m、nの値)は、必要としているビーム形状と本光学系に入力されるビーム形状の関係に基づき定める。例えば、入射ビームをそのままの形状で出力させる必要がある場合には、m×n=1あるいはm=nが成立する第1、第2アナモフィックビームエキスパンダを用いる。なお、m×n=1が成立する第1、第2アナモフィックビームエキスパンダを用いた場合には、第1倍率方向と第2倍率方向を互いに平行にしたときに、入射ビームがそのままの形状で出力されることとなり、m=nが成立する第1、第2アナモフィックビームエキスパンダを用いた場合には、第1、第2倍率方向を互いに垂直にしたときに、入射ビームがそのままの形状で出力されることとなる。ただし、m=nとした場合に出力されるビームは、入射ビームと同形状ではあるがサイズが異なる(拡大あるいは縮小された)ビームとなるので、入射ビームと同形状、同サイズのビームを出力させたい場合には、m×n=1が成立する第1、第2アナモフィックビームエキスパンダを用いる。
【0009】
なお、本発明のビーム形状補正光学系を構成するアナモフィックビームエキスパンダとしては、例えば、2つのシリンドリカルレンズで構成されたものや、2つのプリズムで構成されたものを用いることができる。
【0010】
そして、本発明の描画装置は、上記ビーム形状補正光学系が、例えば、ガスレーザなどのレーザ光源が出力するレーザ光の形状補正のために使用されるように構成される。従って、本発明の描画装置では、製造時やレーザ光源の交換時の調整作業が簡単に行えることになる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【0012】
図1に、本発明の第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の構成を示す。図1(A)に示したように、第1実施形態に係るビーム形状補正光学系は、ビームエキスパンダ111及び保持部121からなる第1形状補正器101と、ビームエキスパンダ112及び保持部122からなる第2形状補正器102とを備える。ビームエキスパンダ11i(i=1、2)は、所定方向から入射された平行ビームの径を一方向にのみMi(≠1)倍する(所定方向から入射された平行ビームを、ある方向の径のみがMi倍された平行ビームに変換する)アナモフィックなビームエキスパンダである。
【0013】
各ビームエキスパンダ11は、図1(B)に示したように、平凸シリンドリカルレンズ15と平凹シリンドリカルレンズ16と円筒状筐体17とで構成されている。なお、円筒状筐体17は、中空円筒状部材と、その一方の端部に設けられた、シリンドリカルレンズ15を中空円筒状部材に対して所定角度で固定するための部材と、他方の端部に設けられた、シリンドリカルレンズ16を中空円筒状部材に対して所定角度で固定するための部材とからなっている。すなわち、円筒状筐体17は、シリンドリカルレンズ15、16を、そのシリンドリカル面の母線が平行となるように固定できる中空筐体となっている。
【0014】
保持部12iは、ビームエキスパンダ11iを、上記所定方向に平行な回転軸の周りに回転可能な形態で保持できる構成を有しており、ビーム形状補正光学系は、第1、第2形状補正器101、102を、その回転軸が同軸となるように配置して成っている。
【0015】
すなわち、ビーム形状補正光学系は、所定方向から入射された平行ビームの径を、ビームエキスパンダ111の倍率を持つ方向(以下、第1倍率方向と表記する)にM1倍し、ビームエキスパンダ112の倍率を持つ方向(以下、第2倍率方向と表記する)にM2倍する光学系であって、第1、第2倍率方向の向きを個別に変更できる光学系となっている。
【0016】
ビーム形状補正光学系を構成するビームエキスパンダ111、112の倍率M1、M2は、ビーム形状補正光学系の用途(出力させたいビーム形状と、入力するビーム形状との関係)に基づき定められる。
【0017】
すなわち、図2(i)に模式的に示したように、矢印202で示してある第2倍率方向の、矢印201で示したある第1倍率方向からの回転角θが0°であった場合を考える。この場合、ビームエキスパンダ111からは、入射ビーム300を第1倍率方向にM1倍したビーム301が射出され、そのビーム301がビームエキスパンダ112によって第1倍率方向と同方向にM2倍されることになる。従って、ビーム形状補正光学系は、入射ビーム300を第1倍率方向にのみM1×M2倍したビーム302を射出する光学系として機能することになる。
【0018】
また、第2倍率方向の、第1倍率方向からの回転角θが90°であった場合、ビーム形状補正光学系は、図2(ii)に模式的に示したように、入射ビーム300を、第1倍率方向にM1倍するとともに、第2倍率方向にM2倍する光学系として機能することになる。換言すれば、この場合、ビーム形状補正光学系は、入射ビーム300を、第1倍率方向にM1/M2倍した後、等方的にM2倍する光学系(第2倍率方向にM2/M1倍した後、等方的にM1倍する光学系)として機能する。
【0019】
詳細は後述するが、0°<θ<90°である場合、ビーム形状補正光学系は、入射ビームを、第2倍率方向からの回転角がφである方向にのみMA倍し、さらに、等方的にMI倍する光学系として機能する。なお、θ=90°の場合の説明から明らかなように、φ、MA、MIには、MA>1となる組み合わせと、MA<1となる組み合わせがあるが、以下では、MA>1となる組み合わせを用いることにする。
【0020】
既に説明したように、θ=0°の場合、MAの値(以下、補正比と表記する)は、M1×M2(或いはその逆数)であり、θ=90°の場合、補正比は、M2/M1(或いはその逆数)となる。そして、後述するように、0°<θ<90°の範囲の回転角θに対する補正比は、それらの値の間の値を取る。
【0021】
なお、M1×M2が入射ビーム300に対するビーム302の断面積比となるので、ビームの面積を変更しない場合には、M1×M2=1となるように、ビームエキスパンダ111、112を設計、製造する。
【0022】
より具体的には、真円形のビームから、軸長比が1.5625(=1.252)の楕円形のビームまでを、断面積が同じ真円形のビームに補正するために本ビーム形状補正光学系を使用する場合には、例えば、M1=0.8となるようにビームエキスパンダ111を設計、製造し、M2=1.25となるようにビームエキスパンダ112を設計、製造する。すなわち、M1×M2=1、M2/M1=1.5625が成立するように2つのビームエキスパンダ111、112を設計、製造する。
【0023】
なお、M1=0.8のビームエキスパンダ111は、例えば、図3に示したような構成で実現できる。すなわち、入射側のシリンドリカルレンズとして、屈折率が1.52177の材料から成り、光源側面の曲率半径が104.354であり、レンズ厚が5.0である平凸シリンドリカルレンズ(n1=1.52177、r1=104.354、r2=∞、d1=5.000)を用い、その平凸シリンドリカルレンズからの間隔d2が36.175である位置に、屈折率が1.52177の材料から成り、光源側面の曲率半径が-83.483であり、レンズ厚が3.0である平凹シリンドリカルレンズ(n1=1.52177、r3=-83.483、r4=∞、d2=3.000)を配置することによって実現できる。また、この図に示した構成のビームエキスパンダを、右側の平凹シリンドリカルレンズからビームが入射されるように使用すれば、M2=1.25のビームエキスパンダ112が得られることになる。
【0024】
以下、M1=m(<1)、M2=1/mである場合を例に、本ビーム形状補正光学系の機能をさらに詳細に説明する。
【0025】
まず、ビーム形状補正光学系に入射されているビームが、半径rの真円形のビームである場合を考える。この場合、第1形状補正器101を通過した後のビーム形状は、短軸が第1倍率方向と平行であり、短軸長が2mr、長軸長が2rである楕円となる。従って、第1倍率方向をy軸とする直交座標系xyを用いると、第1形状補正器101におけるビーム形状の変化は、図4のように表せる。すなわち、ビーム形状補正光学系に入射された円形のビーム300は、第1形状補正器101によって、y軸(矢印201で示してある第1倍率方向)上に長さ2mrの短軸を有し、x軸上に長さ2rの長軸を有する楕円形状のビーム301に変換される。このビーム301の形状は、次式で表すことができる。
【0026】
【数1】
Figure 0003728124
【0027】
本ビーム形状補正光学系では、この(1)式で表される形状を有するビーム301が、第2形状補正器102によって、第2倍率方向にのみM2(=1/m>1)倍に拡大される。ここで、第2倍率方向の、第1倍率方向からの回転角をθで表すと、第2形状補正器102から射出されるビーム302の形状は、直交座標系xyを角度θだけ回転させた直交座標系XYを用いて、次のように表せることになる。
【0028】
【数2】
Figure 0003728124
【0029】
すなわち、図5に示したように、第2形状補正器102においては、短軸がy軸上にあるビーム301が、y軸とのなす角がθである、矢印202で示した第2倍率方向にのみ1/m倍され、ビーム302となる。ここで、ビーム301の形状を表す、第2倍率方向をY軸とする直交座標系XYを用いた関数を考えると、ビーム302の形状は、当該関数に対して、Y→Y/mの変換を施した関数によって表されることになる。そして、ビーム301の形状を表す、直交座標系XYを用いた関数は、(1)式に対して、座標系を回転させる変換を施してやれば得ることができる。
【0030】
これらの2種の変換を(1)式に対して施すためには、xを、Xcosθ−mYsinθに、yを、Xsinθ+mYcosθに置換してやれば良いので、結局、ビーム302の形状をXY座標系で表す関数として、(2)式が得られることになる。
【0031】
さて、(2)式をX、Yについて整理すれば、以下に記す(3)式が得られる。
【0032】
【数3】
Figure 0003728124
【0033】
さらに、X=X′cosφ−Y′sinφ、Y=X′sinφ+Y′cosφという関係式を用いて、この(3)式からX、Yを消去すれば、次式が得られる。
【0034】
【数4】
Figure 0003728124
【0035】
従って、C=0を満たすφ(“tan2φ=2m/((1+m2)tanθ)”の解φ)を用いれば、(3)式を、AX′2+BY′2=r2という形式に変換できることになる。この式(C=0である場合の(4)式)は、短軸、長軸が、それぞれ、X′、Y′軸上にあり、短軸の長さが2r/SQRT(A)、長軸の長さが2r/SQRT(B)である楕円を表している(m<1である場合、θの値に依らず、A≧Bが成立するので、X′軸上の対象軸が短軸となる)。
【0036】
また、上記したXY座標系のX′Y′座標系への変換は、角度φだけ座標系を回転させる変換となっている。すなわち、C=0を満たすφは、図6に示したように、ビーム302の外形をなす楕円の長軸のY軸からの回転角を表している。そして、Y軸のy軸からの回転角がθであるので、結局、第1倍率方向と第2倍率方向との成す角がθであるビーム形状補正光学系は、入射されたビームを、y軸(第1倍率方向)からの回転角がθ+φであるY′軸方向に、1/SQRT(B)倍し、Y′軸と直交するX′軸方向に、1/SQRT(A)倍する(第2倍率方向からの回転角がφである方向に、SQRT(A/B)倍した後、等方的に1/SQRT(A)倍する)光学系となっていると言うことができる。
【0037】
従って、第1倍率方向と第2倍率方向との成す角がθであるビーム形状補正光学系は、Y′軸方向に長さ2rSQRT(B)の短軸を有し、X′軸方向に長さ2rSQRT(A)の長軸を有する楕円形状のビームを、半径rの真円形のビームに変換できることになる。
【0038】
また、ある形状の入射ビームを真円形のビームに変換する際には、当該入射ビームの形状に関する情報(軸長比Rxと長軸/短軸の基準面から傾き)を得て、C=0という条件下、(3.1)〜(3.3)、(4.1)〜(4.3)を用いて、Rx=SQRT(A/B)となるθを求め、そのθからφを求める。そして、第1、第2倍率方向が、θ、φ、入射ビームの長軸(或いは短軸)の基準面からの傾きに応じた方向を向くように形状補正器101、102を調整すれば、ビーム形状補正光学系を、その入射ビームを円形のビームに補正する光学系として機能させることができることになる。
【0039】
以下、第1実施形態に係る本ビーム形状補正光学系を用いた描画装置を例に、本ビーム形状補正光学系の使用法をさらに具体的に説明する。
【0040】
図7に、第1実施形態に係るビーム形状補正光学系を用いて形成された描画装置の概略構成を示す。この描画装置は、回路パターンを基板上に描画するための装置であり、レーザ光源40と、レーザビームを2分割するためのハーフミラー41を備える。また、描画装置は、ハーフミラー41を通過したレーザビームを処理するための光学系であって、面倒れ補正を行うための音響光学変調器(AOM)42、ビームを8個のビームに分割するビームセパレータ43、8個のビームに変調を施すためのマルチャネルAOM44、レンズ及びミラーからなる光学系451を備える。さらに、描画装置は、ハーフミラー41で反射されたレーザビームを処理するための、光学系451と同機能の光学系452を備える。
【0041】
また、描画装置は、光学系451、452からの総計16本のビームを同方向に向かわせるための偏光合成プリズム46、偏光合成プリズム46からの16本のビームを基板上で走査するためのポリゴンミラー47、fθレンズ48、コンデンサーレンズ49等を備える。そして、描画装置は、ビーム形状補正光学系が、レーザ光源40とハーフミラー41の間に設けられた装置となっている。
【0042】
本描画装置の組み立て時には、レーザ光源40が出力するビーム形状、すなわち、軸長比Rxと長軸の基準面からの傾きが別装置で測定される。そして、その測定結果に基づき、ビーム形状補正光学系を構成している2つのビームエキスパンダ111、112の倍率方向が調整される。
【0043】
既に説明したように、軸長比Rx等が分かれば、(3.1)〜(3.3)、(4.1)〜(4.3)式を用いて、θ、φを算出することができるので、その算出結果を用いて上記調整を行っても良いのであるが、ここでは、グラフを利用した調整手順を説明することにする。
【0044】
グラフを利用して調整を行う場合、補正比のθ依存性を示すグラフ、ψのθ依存性を示すグラフを、ビーム形状補正光学系に用いられているビームエキスパンダ111、112の倍率M1、M2に基づき作成しておく。なお、ψは、入射ビームの形状を成す楕円の長軸を基準とした設定を可能とするために導入した回転角であり、ψ=90−θ−φである。
【0045】
例えば、M1=0.8、M2=1.25である場合、補正比のθ依存性、ψのθ依存性は、それぞれ、図8、図9に示したものとなる。θ、ψを求める際には、まず、図8に示したグラフから、入射ビームの軸長比Rxと一致する補正比が得られるθを求める。次いで、図9に示したグラフから、当該θに対応するψを求める。そして、図10に示したように、入射ビーム300の形状を成す楕円の長軸からの回転角がψの方向に第1倍率方向(矢印201で示してある)を向け、第1倍率方向からの回転角がθの方向に第2倍率方向(矢印202で示してある)を向ければ、当該入射ビームを真円形に補正できる状態にビーム形状補正光学系を設定できることになる。
【0046】
以上、説明したように、第1実施形態に係るビーム形状補正光学系は、2つのビームエキスパンダの回転角に応じた変形を入射ビームに対して施すことができるので、各種のビーム形状の補正が簡単に行えることになる。また、ビーム形状補正光学系が用いられた描画装置では、組み立て時やレーザ光源の交換時に必要とされる調整作業が簡単に行えることになる。
【0047】
次に、本発明の第2実施形態に係るビーム形状補正光学系の説明を行う。第2実施形態に係るビーム形状補正光学系では、第1実施形態に係るビーム形状補正光学系内のビームエキスパンダ11の代わりに、ビームエキスパンダ11と同じ機能を有する、プリズムによって構成されたビームエキスパンダが用いられる。
【0048】
例えば、倍率が0.8のビームエキスパンダとしては、図11に示した構成のものが用いられる。すなわち、形状補正器の回転軸AXに対して20°の角度を成す第1面と33.9°の角度を成す第2面とを有し、それらの面と回転軸AXとの交点間の間隔が12.0の第1プリズムと、回転軸AXに対して−9.0°の角度を成す第1面と−26.257°の角度を成す第2面とを有し、それらの面と回転軸AXとの交点間の間隔が2.4の第2プリズムとを、第1プリズムの第2面と第2プリズムの第1面との回転軸AX上における間隔が5.0となるように配置したビームエキスパンダが用いられる。なお、この図に示したビームエキスパンダは、左側からビームを入射した場合、倍率が0.8のビームエキスパンダとして機能し、右側からビームを入射した場合、倍率が1.25のビームエキスパンダとして機能する。
【0049】
このプリズムからなるビームエキスパンダを用いたビーム形状補正光学系によっても、第1実施形態に係るビーム形状補正光学系と同様に、2つのビームエキスパンダの回転角に応じた変形を入射ビームに対して施すことができるので、各種のビーム形状の補正が簡単に行えることになる。
【0050】
【発明の効果】
本発明のビーム形状補正光学系を用いれば、2つのアナモフィックビームエキスパンダを回転させるだけで、それらの回転角に応じた変形を入射ビームに施すことができるので、各種のビーム形状の補正が簡単に行えることになる。また、本発明の描画装置は、ビーム形状補正光学系を備えているので、本発明によれば、レーザ光源の交換時等の調整作業が容易な描画装置が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の構成図である。
【図2】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の機能の説明図である。
【図3】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系で用いることができるアナモフィックビームエキスパンダの構成の説明図である。
【図4】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の機能の説明図である。
【図5】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の機能の説明図である。
【図6】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の機能の説明図である。
【図7】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系を備えた描画装置の概略構成図である。
【図8】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系における補正比と、第2倍率方向の第1倍率方向からの回転角であるθとの関係を示したグラフである。
【図9】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系における、第1倍率方向の、入射ビームの形状を成す楕円の長軸からの回転角ψと回転角θとの関係を示したグラフである。
【図10】第1実施形態に係るビーム形状補正光学系の設定手順の説明図である。
【図11】第2実施形態に係るビーム形状補正光学系で用いられているアナモフィックビームエキスパンダの構成の説明図である。
【符号の説明】
10 形状補正器
11 ビームエキスパンダ
12 保持部
15、16 シリンドリカルレンズ
17 円筒状筐体
40 レーザ光源
41 ハーフミラー
42 音響光学変調器(AOM)
43 ビームセパレータ
44 マルチチャネルAOM
45 光学系
46 偏光合成プリズム
47 ポリゴンミラー
48 fθレンズ
49 コンデンサーレンズ

Claims (8)

  1. 第1入射端面を有し、その第1入射端面に第1所定方向から入射された平行ビーム、前記第1所定方向と直交する第1倍率方向にのみm倍した平行ビームに変換する第1アナモフィックビームエキスパンダと、
    この第1アナモフィックビームエキスパンダを、前記第1入射端面を通り、前記第1所定方向と平行な軸である第1回転軸の周りで回転可能な形態で保持する第1保持部と、
    第2入射端面を有し、その第2入射端面に第2所定方向から入射された平行ビーム、前記第2所定方向と直交する第2倍率方向にのみn倍した平行ビームに変換する第2アナモフィックビームエキスパンダと、
    この第2アナモフィックビームエキスパンダを、前記第2入射端面を通り、前記第2所定方向と平行、且つ、前記第1回転軸と同軸に設定された第2回転軸の周りで回転可能な形態で保持する第2保持部
    とを備えることを特徴とするビーム形状補正光学系。
  2. m×n=1である
    ことを特徴とする請求項1記載のビーム形状補正光学系。
  3. m=nである
    ことを特徴とする請求項1記載のビーム形状補正光学系。
  4. 前記第1、第2アナモフィックビームエキスパンダが、それぞれ、2つのシリンドリカルレンズで構成されている
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のビーム形状補正光学系。
  5. 前記第1、第2アナモフィックビームエキスパンダが、それぞれ、2つのプリズムで構成されている。
    ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のビーム形状補正光学系。
  6. レーザ光源を有する描画装置であって、
    前記レーザ光源が出力するレーザビームの形状補正のために、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のビーム形状補正光学系が設けられていることを特徴とする描画装置。
  7. 前記レーザ光源がガスレーザである
    ことを特徴とする請求項6記載の描画装置。
  8. 第1入射端面を有し、その第1入射端面に第1所定方向から入射された平行ビーム、前記第1所定方向と直交する第1倍率方向にのみm倍した平行ビームに変換する第1アナモフィックビームエキスパンダと、
    この第1アナモフィックビームエキスパンダを、前記第1入射端面を通り、前記第1所定方向と平行な軸である第1回転軸の周りで回転可能な形態で保持する第1保持部と、
    第2入射端面を有し、その第2入射端面に第2所定方向から入射された平行ビーム、前記第2所定方向と直交する第2倍率方向にのみn倍した平行ビームに変換する第2アナモフィックビームエキスパンダと、
    この第2アナモフィックビームエキスパンダを、前記第2入射端面を通り、前記第1回転軸とほぼ平行な第2回転軸の周りで回転可能な形態で保持する第2保持部
    とを備えることを特徴とするビーム形状補正光学系。
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