激光装置的制作方法

专利名称：激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据图像数据，通过利用空间光调制元件进行空间调制的光束，使感光材料等的被曝光面进行曝光的曝光装置的，用作激光源的高亮度激光装置。
背景技术：
以往，在未公开的在先申请特愿2002-149888号中提出了一种利用数字·微反射镜·器件(DMD)等空间光调制的元件，根据图像数据，用调制的光束进行图像曝光的曝光装置。
该DMD的构成，例如是将根据控制信号改变反射面角度的许多微反射镜，以2维排列在硅等半导体基板上形成的反射镜装置。
使用该DMD的曝光装置，其构成为，例如是由射出激光束的激光源射出的激光束，用透镜系列形成准直，由配置在该透镜系列的大致焦点位置上的DMD反射激光束，通过孔径后，由透镜系列在曝光面上成像。
这种曝光装置，是由未图示的控制装置，根据依照图像数据等生成的控制信号，控制开关DMD的各个微反射镜，以调制激光束(偏向)，调制的激光束通过孔径，遮蔽一部分激光束(光线束)，将曝光面上的点径调整到所定的尺寸，同时使光束点的形状(点形状)调整成所定形状的光束点照射在曝光面上进行曝光。
该曝光装置，是将感光材料(光致抗蚀膜)配置在记录面上，由曝光装置的曝光头照射在感光材料上，使由孔径整形的成像光束点的位置对感光材料作相对移动，同时通过依照数据调制DMD，可在感光材料上实施图案曝光处理。
这种曝光装置，要求从用作光源的激光装置射出的激光必需是高功率的。因此，作为可射出高功率激光的激光装置，提出一种装置，包括多个半导体激光元件、一个多模光纤、和将由多个半导体激光元件射出的激光束在多模光纤中进行合波，可高功率化的合波激光源(例如，参照特许文献1)。
为了使曝光装置得到需要的激光功率，必需将多个这种合波激光源集束使用。进而，为了描绘出高精度的图像，光源部分必需是高亮度的。然而，使用以往一般使用的包层经125μm的纤维，将这些合波激光源集束时，不进行光传播的包层区域部分，亮度会降低，对要求的亮度，就显得不足。
特开2002-202442号公报如上述的以往曝光装置中，为了以提高分辨率的高精度曝光系统进行构筑，作为高精度的曝光装置，要求性能达到所要求的高功率，而且，能射出高亮度激光的激光装置。

发明内容
考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种为提高曝光装置的性能精度所需要的，能够射出高亮度激光的新型激光装置。
本发明之一所述的激光装置，具备多个激光模块，其具有激光元件、芯周围设有包层的光纤、将从激光元件射出的激光束进行聚光，并从光纤入射端射入的聚光光学系统；并具备激光射出部，其将多个光纤的射出端部以束状排列并形成为一体化的、一个出射光束射出用，其特征在于，其中将多条光纤中的各包层厚度h设定为按下式 算出的值以下。
根据如上构成，会减小由束状构成的激光射出部分得到的射出光光束的空间宽度(Etendeu)，可以从很小的面积上射出高亮度的激光，从而使激光装置高亮度化。于是可以构成，例如为提高曝光装置的分辨率，作为激光源，能够射出性能上所需高亮度激光束的激光装置。
本发明之二所述的激光装置，其特征在于，包括以下部分，即，
激光模块，其具有激光元件、芯周围设有包层的光纤、和将由上述激光元件射出的激光束进行聚光，并从上述光纤入射端射入的聚光光学系统；连接射出端部，其将从多个激光模块分别引出的所述光纤，按所定数目成为一束而纤维束状化；合波光纤，其具有使形成面积超过多条集束的上述芯部分的束状面积的芯径，以便将从上述连接射出端部射出的激光束进行合波，具有与从上述激光模块引出的光纤同等或其以上的NA(数值孔径)，并使入射端连接于连接射出端部；和将多个合波光纤的射出端部形成一束后纤维束状化的激光射出部。
通过如上述构成，从激光模块引出的光纤，由于减小了其包层的厚度h，而降低光纤的强度，在长距离来回引出不适宜的情况下，也利用形成粗的包层径，而使强度高的可延长用的合波光纤的一部分，仍可长距离来回引出。
本发明之三所述的发明，其特征在于，是在本发明之二所述的激光装置中，其构成为，将从多条光纤的纤维束状化的连接射出端部射出的合波光束，用聚光透镜进行聚光，射入合波光纤芯部，同时，设置内包连接射出端部、聚光透镜和合波光纤射入端部的密闭结构的以容器状构成的腔室，在其腔室的内部填充上含有惰性气体等的密封气氛。
通过如上述构成，除了本发明之二所述发明的作用与效果外，通过聚光透镜，可以连接多条光纤的纤维束状化的连接射出端部与合波光纤的射入端部。与其同时，通过在内包连接射出端部、合波光纤的射入端部和聚光透镜的腔室内，填充上含有惰性气等的密封气氛，可对它们形成保护，以防止因附着光化学反应分解有机物的分解物或气氛中的尘埃等污染物质，造成激光特性恶化。
本发明之四所述的发明，其特征在于，在本发明之二所述的曝光头中，具有如下部分，即，在多条光纤的纤维束状化的连接射出端部的射出端面上，配置的第1透明部件，以防止因附着污染物质造成激光特性恶化；在合波光纤的射入端面上配置的第2透明部件，以防止因附着污染物质造成激光特性恶化；和配置在第1透明部件和第2透明部件之间的聚光透镜，对从连接射出端部的射出端面射出的合波光束，透过第1透明部件后进行聚光，再透过第2透明部件射入合波光纤的芯部。
通过如上述构成，除了本发明之二所述的发明作用和效果外，从连接射出端部的射出端面到第1透明部件的射出端面，激光束透过时会扩展，扩大第1透明部件射出端面中的激光束径，降低能量密度，所以能防止在第1透明部件的射出端面上，附着光化学反应分解有机物的分解物或气氛中的尘埃等污染物质而导致激光特性恶化。而且，由聚光透镜聚光，射入第2透明部件的射入端面时，激光束径会扩大，而降低能量密度，所以能防止在第2透明部件的射出端面上附着光化学反应分解有机物的分解物和气氛中的尘埃等污染物质而导致激光特性恶化。


图1是表示具备本发明实施方式激光装置的曝光装置外观立体图。
图2是表示具备本发明实施方式激光装置的曝光装置的扫描器构成立体图。
图3(A)是表示具备本发明激光装置的曝光装置中，在感光材料上形成曝光完毕区域平面图。图3(B)是表示具备本发明激光装置的曝光装置中，由各个曝光头形成曝光区的排列图。
图4是表示具备本发明实施方式激光装置的曝光装置中的曝光头的简要构成的立体图。
图5是表示具备本发明实施方式激光装置的曝光装置中的曝光头的简要构成的侧面图。
图6是表示在具备本发明实施方式激光装置的曝光装置中使用的数字·微反射镜·器件(DMD)的主要构成部件放大图。
图7(A)和(B)是说明具备本发明实施方式激光装置的曝光装置中使用的DMD的工作原理说明图。
图8(A)和(B)是表示具备本发明实施方式激光装置的曝光装置中，使用的DMD，在不倾斜配置和倾斜配置的情况下，比较曝光束的配置和扫描线时的平面图。
图9(A)是表示具备本发明实施方式激光装置的曝光装置中使用的纤维光源的构成的立体图，(B)是表示激光射出部分的发光点排列正面图。
图10A是表示本发明实施方式激光装置中使用的纤维光源的主要构成部件的立体图。
图10B是表示本发明实施方式激光装置中使用的纤维光源中的连接射出端部与延长用合波光纤连接部之一例构成的放大断面图。
图10C是表示本发明实施方式激光装置中使用的纤维光源中的连接射出端部与延长用合波光纤连接部的另一例构成放大断面图。
图11是表示本发明实施方式激光装置中使用的合波激光源的构成的平面图。
图12是表示本发明实施方式激光装置中使用的激光模块的构成的平面图。
图13是表示图12中所示激光模块的构成的侧面图。
图14是表示图12中所示激光模块的主要构成部件的侧面图。
具体实施例方式
以下参照附图，对本发明激光装置的实施方式作详细说明。
本实施方式的激光装置，其构成为可用于通过由空间光调制的元件，根据图像数据进行空间调制的光束，使感光材料等的被曝光面进行曝光的曝光装置。
如图1所示，曝光装置151备有保持平板状的台架152，其表面上吸附有片状的感光材料150。在由4个支撑脚154支撑的厚板状设置台156的上面上，设有沿台架移动方向延伸的2个导轨158。台架152，其纵向方向向着台架移动方向配置，同时，由导轨158能够往复移动地支撑。另外，在曝光装置151上，设有未图示的驱动装置，以便沿着导轨158驱动台架152。
在设置台156的中央部设有コ字状的门160，跨越在台架152的移动路径上。门160的端部分别固定在设置台156的两个侧面上。以夹持该门160的方式，在其一侧设置扫描器162，在其另一侧设有能检测感光材料150前端或后端的多个(例如2个)检测传感器164。扫描器162和检测传感器164分别安装在门160上，并固定配置于台架152的移动路径上方。扫描器162和检测传感器164连接于以控制它们的未图示的控制器。
如图2和图3(B)所示，扫描器162备有m行n列(例如3行5列)略呈矩阵状排列的多个(例如14个)曝光头166。该例中，与感光材料150的宽度的关系方面，在第3行中配置了4个曝光头166。表示排列在第m行的第n列中的各个曝光头时，记作曝光头166mn。
由曝光头166形成的曝光区域168，例如将扫描方向取为短边的矩形形状。这种情况下，伴随着台架152的移动，每个曝光头166在感光材料150上形成带状的曝光完毕区域170。在表示由排列在第m行的第n列上的各个曝光头形成的曝光区域时，记作曝光区168mn。
如图3(A)和(B)所示，以线状排列的各行的曝光头，分别在排列方向上以所定间距错开配置(曝光区的长边自然倍数，本实施方式中为2倍)，使带状的曝光完毕区域170在与扫描方向正交的方向上无间隙地排列。由此，第1行的曝光区16811与曝光区16812之间为不可曝光部分，由第2行的曝光区域16821和第3行的曝光区16831进行曝光。
如图4和图5所示，曝光头16611-166mn，作为依照图像数据，将入射光束按各个像素进行调制的空间光调制元件，分别备有数字·微反射镜·器件(DMD)50。该DMD 50与具有数据处理部和镜驱动控制部的控制器51相连接。
该控制器51，虽然未图示，但由具备CPU、ROM、RAM、存储器、监测器和键盘等输入输出装置的计算机构成。
在DMD 50的光入射侧配置照亮DMD 50的光源66，进而在DMD 50上配置着进行聚光的透镜67，以修正由光源66射出的激光。
而在DMD 50的光反射侧，配置有放大透镜系列72、74，以放大由DMD 50反射的DMD像。
对于由放大透镜系列72、74使DMD像成像的位置，配置有根据DMD的各个像素设置微型透镜的微型透镜阵列76。在微型透镜阵列的光射出侧，配置孔径阵列78，在该孔径阵列78的光反射侧配置有透镜系列54、58，与DMD 50和曝光面56形成共轭关系。
在该曝光装置151中，当向控制器51输入图像数据时，控制器51按照输入的图像数据生成驱动控制DMD 50的各个微反射镜的控制信号，根据生成的控制信号，控制DMD 50中各个微反射镜的反射面的角度。
由光源66通过透镜系列67向DMD 50照射的照明光，根据各个微反射镜的反射面角度向所定方向反射后被调制，被调制的光由放大透镜系列72、74进行放大。由此，放大DMD 50在曝光面56上的像素点尺寸，同时也放大了像素点的间距。
由放大透镜系列72、74放大的光，射入微型透镜阵列76中设置的各个微型透镜中，放大的DMD像再次缩小。这时，由于全光束射入微型透镜阵列76，所以光的利用效率不会降低。
由微型透镜76进行聚光的光。通过孔径阵列(aperture array)78中设置的各个孔径，射入透镜系列54、58，由透镜系列54、58使DMD 50的像成像在曝光面56上。另外，通过孔径的方式，可防止由杂光引起的双重图像的发生。
如图6所示，DMD 50是通过支柱将微反射镜62支撑配置在SRAM单元(存储单元)60上，构成像素(pixel)的许多个(例如，600个×800个)的微小镜(微反射镜)的格子状排列构成的反射镜器件。如图7所示，对于各个像素，最上部设置由支柱支撑的微反射镜62，在微反射镜62的表面上蒸镀着铝等高反射率的材料。
另外，微反射镜62的反射率在90％以上。在微反射镜62的正下面，通过含有合页和支架的支柱，配置由通常的半导体存储器制造线制造的硅栅CMOS的SRAM单元60，全体构成为一个单片(一体型)。
向DMD 50的SRAM单元60输入数字信号时，由支柱支撑的微反射镜62，相对于将对角线为中心配置了DMD 50的基板侧，以±α度(例如±10度)的范围形成倾斜。图7(A)示出了微反射镜62以开启状态的+α度倾斜的状态，图7(B)示出了微反射镜62以关闭状态的-α度倾斜的状态。因此，按照图像信号，如图6所示，通过控制，DMD 50中各像素的微反射镜62倾斜，使射入DMD 50的光，向各个微反射镜62倾斜的方向反射。
图6中示出了将DMD 50部分放大，将微反射镜62控制在+α度或-α度的状态之一例。各个微反射镜62的关开，由与DMD 50连接的未图示的控制器进行控制。因此，由开启状态的微反射镜62反射的光调制成曝光状态，射入图5所示设的DMD 50的光射出侧的投影光学系统内。而且，由关闭状态的微反射镜62反射的光，调制成非曝光状态，射入光吸收体(图示省略)内。
另外，DMD 50最好以稍微倾斜状配置，使其短边方向与扫描方向形成所定的角度θ(例如，1°～5°)。图8(A)示出了没有倾斜DMD 50时，由各个微反射镜形成反射光线(曝光束)53的扫描轨迹，图8(B)示出了使DMD 50倾斜时，曝光束53的扫描轨迹。
在DMD 50中，沿着纵方向(行方向)排列了许多个(如800个)微反射镜的微反射镜列，在短方向上排列了许多组(例如，600组)，如图8(B)所示，通过使DMD 50倾斜，由各个微反射镜形成的曝光束53扫描轨迹(扫描线)的间距P1，比没有倾斜DMD 50时的扫描线间距P2狭窄，所以可大幅度提高分辨率。另一方面，由于DMD 50的倾斜角非常小，所以倾斜DMD 50时的扫描宽度W2与没有倾斜DMD 50时的扫描宽度W1大致相同。
另外，通过不同的微反射镜列，重复在相同扫描线上的大致同一位置(点)上进行曝光(多重曝光)。这样，以多重曝光。可对曝光位置的微小量进行控制，并可以实现高精度的细微曝光。通过微量的曝光位置控制，可使沿主扫描方向排列的多个曝光头之间的连接点形成无任何阶差的连接。
将各个微反射镜列，在与扫描方向成正交的方向上按所定间距，以交错状，错开配置，以代替倾斜DMD 50，仍能获得同样的效果。
例如，如图9(A)所示，纤维光源66备有多个(例如25个)所谓插头型的激光模块64。由各个激光模块64引出的光纤30，在利用多个单模LD或多模LD时，使用多模光纤。使用单数的单模LD时，也可使用单模式光纤。
由这些激光模块64分别引出的光纤30端部，如图9(A)和图9(B)所示，沿着与扫描方向成正交方向，无间隙地将光纤30的射出端部(发光点)排列成一列，构成为束状的激光射出部68。激光射出部68，也可以沿着与扫描方向成正交方向排列2列发光点，形成束状。
这种将光纤30的射出端部形成束状时的排列，如下述，可根据向曝光面56投影的激光束点的形状所决定。
将这些多个光纤30的射出端部形成束状时，通过将多个光纤30的射出端部，用玻璃熔合或用焊料固定而形成一个矩形整体的方式进行。进而也可将这些光纤30的射出端部夹在二块矩形平板间，形成一个整体。
进而，为了保护光纤30的端面，可在形成束状的多个光纤30的光射出侧，配置玻璃等透明的保护板63。配置保护板63时，也可以与光纤30的端面密接。进而也可以将光纤30的端面，用含有氮气等惰性气体或微量氧气的惰性气体进行密封。
光纤30的射出端部，由于射出激光的光密度很高，很容易集尘而恶化，所以通过使用配置保护板63等办法进行保护，可以防止端面集尘，并能延缓恶化。
而且，对于光纤30，可以使用阶梯式折射率型纤维、渐变折射率型光纤、或复合型光纤。例如可以使用三菱电线工业株式会社制的阶梯式折射率型的光纤。本实施方式中的光纤30就是使用了阶梯式折射率型的光纤。
作为这种光纤30，例如可以使用包层径＝60μm、芯径＝50μm、NA＝0.2的。
一般讲，使用红外区域的激光，当减小光纤的包层径时，会增加传输损失。为此，根据激光的波长带域决定适宜的包层径。然而，波长越短，传输损失越少。使用由GaN系半导体激光器射出的波长为405nm的激光，包层的厚度{(包层径-芯径)/2}为传输800nm波长带域的红外光时的1/2，传输通讯用1.5μm波长带域的红外光时的约1/4，传输损失几乎没有增加。因此，可以将包层经减小到60μm。
但是，光纤30的包层径并不限定为60μm。以往的纤维光源中使用的光纤包层径为125μm，由于包层径越小，集点深度越深，所以多模光纤的包层径最好80μm以下，更好为60μm以下，尤其好为40μm以下。而芯径至少需要3～4μm，所以光纤30的包层径最好为10μm以上。
下面对作为高亮度激光装置的纤维光源66，将由多个激光模块64分别引出的多个光纤30端部形成为束状，从构成的激光射出部68射出的激光亮度，设定为作为曝光装置151的曝光头166应具有性能所要求的高亮度的方法进行说明。
为了提高曝光装置151的分辨率，最好减少光束的空间宽度(数值孔径NA×发光区面积)。因此，为了实现作为曝光装置151性能所要求的高分辨率，必需将由多个激光模块64分别引出的多个光纤30端部形成束状，构成的激光射出部68的发光区面积，缩小到所要求的面积，才能射出高亮度的激光。
作为将束状化的激光射出部68的发光区面积缩小到所要面积的方法，有只将光纤30中设在芯30A周围的包层30B缩减面积，缩小到所要求的面积。
因此，光纤30的包层30B的厚度，可以从实现曝光装置151性能要求分辨率的激光亮度推导出而设定。
从束状化激光射出部68射出的激光亮度C，可从下式1求出。
亮度C≤(单一的激光模块射出光量W×模块数n)÷(光纤的面积A×光纤的条数N×填充率P)其中光纤的面积A＝π×(芯径t×包层的厚度h)填充率P＝光纤的面积A×光纤的条数N÷发光区面积SB进而，该激光装置中，模块数n＝光纤的条数N。
由以上可推导出求得包层厚度h的计算式时，如为下述式。
即，这种激光装置，具备多个将从光纤30的射入一端射入的LD激光的光，作为另一射出端射出激光的光源的插头型激光模块64(纤维模块)，并具有将从这些多个激光模块64分别引出的多条光纤30的射出端部进行集束形成一体化的束状纤维体的，射出激光束的一个激光射出部68。作为设定高亮度的方法，是将各条光纤30的包层厚度h，设定为由式1算出的值以下。
由此，可减小由纤维束状构成的激光射出部68获得的射出光的光束的空间宽度，从小面积中射出高亮度的激光，从而可使激光源高亮度化。
这样构成的激光装置，可射出作为激光源性能上所需高亮度的激光束，由此提高了曝光装置151的分辨率。
从插头型激光模块64引出的光纤30，必需是无损失传输激光束的光纤。因此，该光纤30的包层厚度h的最小值，就成为构成包层中消耗光(evanescent light)渗出区以上厚度的条件。
另外，构成各条光纤30包层的厚度h，设定为由式1算出的值时，使该光纤30的包层厚度h为大于最小值，使各条光纤30的强度不会降低到所需以上。
下面，对于例如，以线/间隙为20μm的高精度曝光系统构成曝光装置151，要求将曝光面上的光束径设定在7μm以下时的具体构成进行说明。
在这种情况的各个激光模块64中，单模激光束B1～B7，以0.76的结合效率。射入芯径50μm的多模光纤中。各个激光模块64中，各GaN系半导体激光的功率为30mW，在模块的光纤射出端，可得到160mW(30mW×7×0.76)的合波光束。
曝光装置151中，为实现线/间隙为20μm的高精度曝光，要求感光材料上的光束径在7μm以下。关于光功率，根据感光材料的感度、曝光速度、及曝光学系统的光利用效率，要求纤维束状端为4W的功率。
该曝光装置151中DMD的各像素尺寸为(13×13)μm，所用像素数量为128×1024。因此，来自纤维束的光照明区域为22.2mm2(1.66×13.31mm)。
从像素间距为13μm的DMD各像素射出的光束，通过成像光学系统，在焦点距离为200μm、透镜间距为39μm的微型透镜阵列的表面上成像，并由各个微型透镜进行聚光。该聚光面的像，由成像光学系统在感光材料面上成像，并曝光。
为了使该聚光的光束点达到7μm以上，要求DMD的照明NA在0.02以下。为了通过成像光学系统67，以NA0.02以下照明这样的DMD区域。将NA0.2的纤维进行集束的激光照明区域，必需在0.22mm2以下。
为了得到4W的输出功率，需要将25条多模光纤形成集束(4W/160mW＝25条)。
使用以往的在纤维模块中使用的芯径为50μm，包层径为125μm、NA为0.2的多模光纤时，发光区域的面积为0.39mm2(将包层径为125μm的多模光纤，集束形成5行、5列的正方形时的面积为125μm×5条×125μm×5条＝0.39mm2)，亮度达到10.24W/mm2(4W/0.39mm2＝10.24W/mm2)，对于装置要求的亮度，是不够的。
当使用上述数学式时，求出所需要的包层厚度在22μm以下(包层径在94μm以下)。当考虑到各个光学元件的公差时，包层径最好在80μm以下，进一步说，包层径更好为60μm。
使用芯径50μm、包层径60μm的纤维时，照明区域的面积为0.09mm2(60μm×5条×60μm×5条＝0.09mm2)，与以往使用包层径125μm的纤维情况比较，亮度达到4倍以上。
在这种线/间隙为20μm的高精度曝光系统中，例如，若采用芯径为30μm，包层径为40μm的光纤30时，从构成纤维束的激光射出部68得的射出光，可进一步减小光束的空间宽度，从更小面积射出高亮度的激光，所以激光装置可更高亮度化。
以下对由上述激光模块64引出的光纤30的包层厚度h减小的情况下，从作为高亮度激光装置的纤维光源66引出的光纤，适宜长距离来回引出利用的结构的方法，参照图10A、图10B、图10C进行说明。
如图10A所示，作为可长距离来回引出该高亮度激光装置的光纤的方法，将从所定数，例如7个激光模块64引出的，包层厚度很薄的7条构成光纤30形成一束，通过用玻璃熔合或焊料固定等方法形成一个柱状体，对其射出端部形成连接构成的射出端部200。
在该连接射出端部200的射出端面上，固定连接上延长用的合波光纤202的入射端面。
在该连接射出端部200和延长用合波光纤202的连接部，由于在连接射出端部200的射出端面，由多个，例如7个光纤30的芯部30A形成集束状态的配置，所以可从连接射出端部200射出合波光的光束。
因此，延长用的合波光纤202，是由集束的多个例如7个芯30A，具有不超出，而包含内接圆直径以上芯径的光纤构成。进而，延长用的合波光纤202是由与配置在连接射出端部200的光纤30的NA(数值孔径)同等或其以上NA(数值孔径)的光纤构成。
即，在该连接射出端部200上连接延长用的合波光纤202的入射端，该延长用的合波光纤202具有超出连接射出端部200中合波的束状面积的芯径，而且具有与该束中所用光纤30相等或其以上的NA(数值孔径)。
该延长用的合波光纤202，由所需要的长度形成，以使从纤维光源66长距离来回引出利用光纤。进而，这种延长用的合波光纤202，相对于单一的纤维光源66，仅设置按照用一个连接射出端部200集束的光纤30的数，除构成该纤维光源66的激光模块64总数得到的所定数。
如图10A所示，所定数的延长用合波光纤202的射出端部，是将延长用合波光纤202的射出端部(发光点)沿着与扫描方向成正交的方向，排列成无间隙的一列，并构成束状化的激光射出部68。
在由上述构成的纤维光源66引出的光纤，适宜长距离来回引出利用的结构的方法中，从激光模块64引出的光纤30，为了减小其包层的厚度h，而降低了光纤30的强度，在这种光纤30不适宜长距离来回引出使用时，也可以用部分形成粗包层径、高强度的延长用合波光纤202，以长距离来回引出利用。
以下，根据图10B，对由纤维光源66引出的光纤，适宜长距离来回引出利用的结构方法中，将从多个激光模块64引出的薄包层厚h构成的多条光纤30，形成一束的连接射出端部200和延长用合波光纤202的入射端面连接部的其他构成实例进行说明。
该图10B中示出的连接部，其构成是将从连接射出端部200射出的合波光束，用聚光透镜204聚光，射入延长用合波光纤202的芯202A内。
与其同时，图10(B)中示出的连接部，对于连接射出端部200、聚光透镜204、和延长用合波光纤202的入射端部，为了防止附着污染物质导致激光特性恶化，设置保护机构。
该保护机构是，当发射高能量紫外域激光的激光装置，向高功率输出、高亮度(高能量密度)发展时，为了防止连接射出端部200的射出端面、延长用合波光纤202的入射端和光学部件的聚光透镜204的表面，附着光化学反应分解有机物的分解物或气氛中的尘埃等污杂物质，而导致的激光特性恶化，而采用的。
为此，图10(B)中示出的连接部，设有同时内包连接射出部端部200、聚光透镜204、和延长用合波光纤202的入射端部的密闭结构容器状的腔室206 。
配置在该腔室206内部的连接射出端部200、聚光透镜204、和延长用合波光纤202的入射端部分别进行金属喷镀处理。该腔室206的内部，用惰性气体置换后，利用未图示的盖子形成金属密封。
作为该腔室206内填充的惰性气体，最好是在氮气(纯度为99.99％)中，含有1ppm以上浓度的氧和卤族气体和卤化合物气体的至少一种。
在密封气氛中含有1ppm以上浓度的氧时，可以抑制激光模块恶化。之所以能获得这种抑制恶化效果，是因为密封气氛中含有的氧，可氧化分解烃成分的受光分解产生的固体物。当氧浓度低于1ppm时，得不到恶化抑制效果。氧浓度过高时，反而会促进有机硅化合物气体的光化学反应，所以密封气氛的氧浓度，最好为1～800ppm，更好为1～100ppm。
所说的卤族气体是氯气(Cl2)、氟气(F2)等卤素气体，所说的卤化合物是含有氯原子(Cl)、溴原子(Br)、碘原子(I)、氟原子(F)等卤原子的气体状化合物。
作为卤素化合物气体，有CF3Cl、CF2Cl2、CFCl3、CF3Br、CCl4、CCl4-O2、C2F4Cl2、Cl-H2、CF3Br、PCl2、CF4、SF5、NF3、XeF2、C3F8、CHF3等，最好是氟或氯与碳(C)、氮(N)、硫(S)、氙(Xe)的化合物，更好是含有氯原子的。
卤素气体，微量就可发挥抑制恶化的效果，为了得到显著的恶化抑制效果，最好将卤系气体的含有浓度取为1ppm以上。之所以能获得这种恶化抑制效果，是因为密封气氛中所含的卤系气体能分解有机硅化合物气体受光分解产生的沉积物。
作为被覆光学部件最表面的材料，有硅(Si)、钼(Mo)、铬(Cr)、锡(Sn)、或锆(Zr)的氧化物或氮化物等，在使用对卤系气体具有反应性的材料时，这些光学部件的最表面层被腐蚀，而降低模块的信赖性。
因此，在气密封的连接射出端部200、聚光透镜204、和延长用合波光纤202的入射端部曝露于封闭环境气中的最表面层上，最好使用对卤系气体呈惰性的材料，例如，像铟(In)、镓(Ga)、铝(Al)、钛(Ti)或钽(Ta)的氧化物或氮化物。
另外，虽然没有图示，但腔室206内可安装气体循环装置。该气体循环装置的构成，是在从设在腔室206中的排气口引出并与设在腔室206中的供气口连接的配管上，设置去除污染物的过滤器、循环惰性气体的泵、和调整由气泵补充气体的阀。
该过滤器，最好使用填充吸附剂的。作为吸附剂可使用沸石吸附剂、活性炭、或者沸石吸附剂和活性炭两种。作为沸石吸附剂，最好是东曹(株)制的“ゼォラムF9 HA”，这种“ゼォラムF9 HA”是由碱金属或碱土金属的结晶性含水硅铝酸盐(Me/X·Al2O3·mSiO2·nH2OMe为x价的金属离子)所形成的。沸石吸附剂的量，最好按封装的容积，推定的污染物和吸附剂的吸附能力等考虑确定，并不限于沸石系的吸附剂，也可以使用其他组成的吸附剂。
进而在填充吸附剂的过滤器内，添加Pt、Pd等催化剂，也可以将该过滤器加热到500℃，以分解烃化合物。
另外，也可以在腔室206内，非激光束的光路的部位上，通过无机系或有机系粘接剂粘接上吸附剂，以去除污染物质。
以下，根据图10C说明，对由纤维光源66引出的光纤，适于长距离来回引出利用的结构方法中，将从多个激光模块64引出的，由薄包层厚度h构成的多条光纤30形成一束的连接射出端部200，与延长用合波光纤202入射端面连接部的其他构成例。
该图10C中示出的连接部，其构成是在连接射出端部200的端面上，熔合配置第1透明部件208，在延长用合波光纤202的入射端面上，熔合配置第2透明部件210，从连接射出端部200射出的合波光束，透过第1透明部件208后，由聚光透镜204聚光，进而透过第2透明部件210后，射入延长用合波光纤202的芯202A中。
这些的第1透明部件208和第2透明部件210，是对连接射出端部200的射出端面和延长用合波光纤202的入射端面上作为保护机构构成，以用于防止分别附着污染物质而造成的激光特性恶化用的。
作为这些保护机构的第1透明部件208和第2透明部件210，都是由透明玻璃或透明塑料制成，与固定在连接射出端部200的射出端面或延长用合波光纤202的入射端面上的相对向的另一面作为射出窗口，形成为所需要量的形状的透明体，以允许使激光束由连接射出端部200或延长用合波光纤202的外径扩展(本实施方式中，形成了圆柱状)。
进而，对连接射出端部200的射出端面、延长用合波光纤202的入射端面、第1透明部件208的入射面、和第2透明部件210的射出面上实施涂敷，分别形成对已合波的激光束的振荡波长无反射的端面，使之构成防止由空气层引起的反射，提高光束的透过率。
另外，第1透明部件208所要求的厚度，例如构成为2mm左右时，由于从连接射出端部200的射出端面到第1透明部件208的射出端面，激光束的扩展角为16.5°，所以扩大第1透明部件208的射出端面的激光束径，与连接射出端部200射出端面中的激光束比较，能量密度降低到1/1000，所以可以防止第1透明部件208的射出端面上附着光化学反应分解有机物的分解物或气氛中的尘埃等污染物质而使激光特性恶化。
而且，由聚光透镜204聚光，射入第2透镜部件210射入端面时的激光束径，由于扩大而降低了能量密度，所以可防止第2透明部件210的射出端面上附着光化学反应分解有机物的分解物或气氛中的尘埃等污染物质而使激光特性恶化。
以下，参照图11说明对作为合波激光源(纤维光源)而构成的激光模块64的具体构成例。
该合波激光源，由以固定排列在加热块10上的多个(例如7个)横向芯片状的多模或单模的GaN系半导体激光器LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、和LD7；与GaN系半导体激光器LD1～LD7分别对应的平行光管透镜11、12、13、14、15、16、和17；一个聚光透镜20；和一条多模光纤30构成。
另外，半导体激光器的个数并不限定于7个。例如，在包层径＝60μm、芯径＝50μm、NA＝0.2的多模光纤，能够射入20个半导体激光器的光，如果使用它，可以实现曝光头所需要的光量，而且能进一步减少光纤条数。
作为GaN系半导体激光器LD1～LD7，在350～450nm的波长范围内，也可以使用具备除上述405nm外的其他振荡波长的激光器。
该激光模块64，也可以为用多模激光器置换GaN系半导体激光器LD1～LD7中的单数或多个的构成。这种情况下，例如，其构成是将由发光层宽8μm构成的多模激光器排列4个，射入50μm的芯内。该激光模块64，其构成是GaN系半导体激光器LD1～LD7，7个全部用单一的多模激光器，例如用发光层宽15μm的多模激光器置换，而且，光纤30可用芯径更细的，例如芯径20μm、包层径30μm的光纤进行置换。
如图12和图13所示，上述合波激光源可与其他光学要件一起装入上方开口的组件40内。该组件40具有制成的组件盖41，以关闭该开口，脱气处理后，通过密封气体，通过用组件盖41关闭组件40的开口，在由组件40和组件盖41形成的密闭空间内，使上述合波激光源进行气密封。
在组件40的底面上固定基板42，在该基板42的上面，安装上述的加热块10、保持聚光透镜20的聚光透镜架45、和保持多模光纤30入射端部的纤维架46。使多模光纤30的射出端部从组件40的壁面开口处引出到组件外。
在加热块10的侧面安装平行光管透镜架44，以保持平行光管透镜11～17。组件40的横壁面上形成开口，通过该开口，将向GaN系半导体激光器LD1～LD7供给驱动电流的配线47引出到组件外。
图13中，为了避免图的复杂化，只对多个GaN系半导体激光器中的GaN系半导体激光器LD7付与了偏号，并只对多个平行光管透镜中的平行光管透镜17付与了编号。
图14是从正面看上述平行光管透镜11～17及其安装部分的图。平行光管透镜11～17，都是以平行平面切取成细长形状形成含有非球面的圆形透镜光轴的区域。这种细长形状的平行光管透镜，例如，可利用模具成形，由树脂或光学玻璃形成。平行光管透镜11～17与上述发光点的排列方向密接配置，使其纵向与GaN系半导体激光器LD1～LD7的发光点排列方向(图14的左右方向)形成正交。
另一方面，作为GaN系半导体激光器LD1～LD7，例如，可以使用具有发光宽度为2μm的活性层，与活性层的平行方向，直角方向的扩展角，例如都为10°、30°，在此状态下分别发射激光束B1～B7的激光器。配置这些GaN系半导体激光器LD1～LD7时，使发光点在与活性层平行的方向上并行形成1列。
因此，从各发光点发出的激光束B1～B7，对于上述细长形状的各个平行光管透镜11～17，扩展角度大的方向与纵向一致，扩展角度小的方向与宽度方向(与纵向成正交的方向)一致，在此状态下射入。
聚光透镜20，以平行平面将含有非球面圆形透镜光轴的区域切取成细长状，在平行光管透镜11～17的排列方向，即形成着水平方面上长，而在与其成直角的方向上短的形状。该聚光透镜20，例如，也通过模具成形，由树脂或光学玻璃形成。
以下对上述曝光装置151的工作进行说明。
在扫描器162的各个曝光头166中，以发散光的状态，从构成纤维光源66的合波激光源的各个GaN系半导体激光器LD1～LD7射出的激光束B1、B2、B3、B4、B5、B6、和B7，如图11所示，由平行光管透镜11～17形成平行光。形成平行光的激光束B1～B7，由聚光透镜20进行聚光，向多模光纤30芯部30A的入射端面形成聚束。
在本实施方式中，由平行光管透镜11～17和聚光透镜20构成聚光光学系统，由该聚光光学系统和多模光纤30构成合波光学系统。即，如上述，由聚光透镜20形成聚光的激光束B1～B7，射入该多模光纤30的芯30A内，并在光纤内传输，合波成一条激光束B后从多模光纤30的射出端射出。
在该曝光装置151中，依照曝光图案的图像数据，输入到与DMD 50连接的未图示控制器内，一旦存储到控制器内的帧存储器内，该图像数据就是以2值(有无点的记录)表示构成图像的各个像素浓度数据。
表面吸附了感光材料的台架152，由未图示的驱动装置，沿着导轨158，以一定速度，由门160的上流侧移动到下流侧。当台架152通过门160下时，安装在门160上的检测传感器164检测出感光材料150的初端时，以每份数线依次读取存储在帧存储器内的图像数据，数据处理部按照读取的画像数据，生成控制各个曝光头166的信号。同样，根据生成的控制信号，由反射镜驱动控制部分，控制各个曝光头166打开或关闭DMD 50的各个微反射镜。
当来自纤维光源66的激光照射到DMD 50时，DMD 50的微反射镜处于启开状态时，反射的激光，由透镜系54、58，在感光材料150的曝光面56上成像。这样，由纤维光源66射出的激光使每个像素打开或关闭，感光材料150由与DMD 50中使用像素数大致相同数的像素单位(曝光区168)进行曝光。另外，通过感光材料150与台架152一起以定速度移动，由扫描器162在与台架移动方向相反的方向上扫描，各个曝光头166在感光材料150上形成带状的曝光完毕区域170。
扫描器162结束对感光材料150扫描时，检测传感器164会检测出感光材料150的末端，台架152由未图示的驱动装置，沿着导轨158再返回到门160最流侧的原住处，再次沿着导轨158，以一定速度从门160的上流侧移动到下流侧。
如以上说明，本实施方式的曝光装置，具有由合波激光源的光纤射出端部(发光点)以列状排列的纤维光源，照亮空间光调制元件的曝光头。在该纤维光源中，由于将光纤射出端的包层径，设定为小到所要求的径，所以比发光部径小，可使纤维光源高亮度化。由此可以获得深的焦点深度，而且，能以高速进行高精度曝光。因此本实施方式的曝光装置可应用于要求高分辨率的薄膜晶体管(TFT)的曝光工序等。
如以上说明，根据本发明的激光装置，其构成可以获得能射出高亮度激光的效果，满足了曝光装置的高精度性能要求。
权利要求
1.一种激光装置，具备多个激光模块，其具有激光元件、在芯周围设置的光纤、将由上述激光元件射出的激光束进行聚光，并从上述光纤入射端射入的聚光光学系统；并具备将上述多条光纤射出端部以束状排列形成为一体化的，射出一个出射光束用的激光射出部，其特征在于，其中，将上述多条光纤中的各包层厚度h，设定为按下述式 算出的值以下而构成的。
2.一种激光装置，其特征在于，其中具有激光模块，其具有激光元件、芯周围设有包层的光纤、和将由上述激光元件射出的激光束进行聚光，并从上述光纤入射端射入的聚光光学系统；连接射出端部，其将从多个激光模块分别引出的所述光纤，使所定几条成为一束而纤维束状化；合波光纤，其具有使形成面积超过多条集束的上述芯部分的束状面积的芯径，以便将从上述连接射出端部射出的激光束进行合波，具有与从上述激光模块引出的光纤同等或其以上的NA(数值孔径)，并使入射端与上述连接射出端部连接；和激光射出部，其将多个上述合波光纤的射出端部形成一束后纤维束状化。
3.根据权利要求2所述的激光装置，其特征在于，其构成为将从多条光纤的纤维束状化的上述连接射出端部射出的合波光束，用聚光透镜进行聚光，并射入上述合波光纤的芯部，同时，设有同时内包上述连接射出端部、上述聚光透镜、和上述合波光纤入射端部的密闭结构的容器状构成的腔室，该腔室内部填充含有惰性气体等的密封气氛。
4.根据权利要求2所述的激光装置，其特征在于，具有第1透明部件，其为以防止上述多条光纤的纤维束状化的上述连接射出端部的射出端面上附着污染物质后使激光特性恶化的现象而配置；第2透明部件，其为以防止上述合波光纤的入射端面上附着污染物质后使激光特性恶化的现象而设置；和聚光透镜，其配置在上述第1透明部分和第2透明部件之间，为使从上述连接射出端部的射出端面射出的被合波的光束，透过第1透明部件后，再透过第2透明部件，以射入上述合波光纤的上述芯部，而进行聚光。
5.一种曝光装置，其特征在于，其中具备权利要求1～4中的任一项所述的激光装置；空间光调制元件，其将根据各控制信号而使光调制状态变化的多个像素排列为2维，并将从上述激光装置入射于上述多个像素部的光束按上述每个像素部进行调制；微透镜阵列，其以对应于上述多个像素部的间距使多个微透镜排列为2维，并将通过上述像素部被调制的光束，按每个上述微透镜进行聚光；和成像光学系统，其通过上述微透镜阵列，将上述被聚光的光束在成像面上进行成像。
全文摘要
本发明提供一种可射出高亮度激光的新型激光装置。具有多个将激光元件射出的激光束用聚光光学系统进行聚光，并从光纤(30)的入射端射入的激光模块(64)，设有将该光纤(30)的射出端部形成束状的激光射出部(68)的激光装置中，该光纤(30)的各包层厚度h，按上述式
文档编号G02B6/42GK1573410SQ20041004780
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月1日 优先权日2003年6月2日
发明者寺村友一, 山中英生, 冈崎洋二 申请人:富士胶片株式会社