直接描画露光装置用半導体レーザモジュール

【課題】半導体レーザモジュールの光軸方向の調整機構と光軸に直交する方向の調整機構を分離し、調整済の半導体レーザモジュールをアレイ状に配列し調整を容易にする。
【解決手段】半導体レーザ１１と、筒部の内径は半導体レーザ１１の位置調整のためにＬＤ外径より大きく形成されているＬＤ固定ホルダ１２と、調整スペース部の内径は半導体レーザの位置調整のためにＬＤ台座外径より大きく形成され、ＬＤ調整ピンを差し込む複数の貫通孔が設けられているＬＤ固定キャップ１３と、レーザ光を平行光にする非球面レンズ２１と、非球面レンズ２１を中心線を合わせて挟むためのテーパー部および円筒スリーブ部を有する非球面レンズ固定スリーブ２２と、ＬＤ固定ホルダ１２の開口部に差し込まれるための円筒管部を有し、円筒管部の内側には非球面レンズ固定スリーブ２２を保持するための嵌め合い部を有する非球面レンズホルダ２３とからなる半導体レーザモジュール。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接描画露光装置の光源光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板、液晶ディスプレイのＴＦＴ基板、カラーフィルタ基板あるいはプラズマディスプレイ等の基板にパターンを露光するため、従来は、パターンの原版となるマスクを製作し、このマスクをマスク露光装置により上記の基板に露光していた。
【０００３】
しかし、基板の寸法は近年ますます大きくなると共に、これら基板の設計、製作に要求される時間はますます短くなっている。このため、マスクを必要としない、液晶やＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）等の２次元空間変調器を用いて２次元パターンを発生させ、これを投影レンズで基板上に露光する直接描画露光装置が実用化された。
【０００４】
このような直接描画露光装置の従来の光源光学系は、特許文献１に記載されているように、複数の半導体レーザおよび非球面レンズをアレイ状に配列後、非球面レンズを微調整機構によりｘｙｚ方向に微動調整することで光学性能を得ていた。微調整機構を図で示すと、図１４のようになる。
【０００５】
従来は光軸の調整をする際、半導体レーザ１１がＬＤスタンド５１に完全固定されているため、非球面レンズ２１を光軸に直交するｘｙ方向に移動して調整していた。調整のためにＸＹ軸調整固定ねじ１２４を緩めると、非球面レンズ２１が光軸に平行なｚ方向に移動し、半導体レーザ１１と非球面レンズ２１との距離が変わってしまうことから、ｚ方向の調整が必要になった。そのためｘｙ方向とｚ方向の調整を何度か繰り返し行なわなければならず、調整作業に時間がかかっていた。
【０００６】
従来の光源光学系は、図１５および図１６で示すように、複数の半導体レーザ１１をアレイ状に配列させた構造に非球面レンズ２１および調整機構を合わせた構造であり、各半導体レーザ１１のアレイ状の配列ピッチが数ｍｍであるため、μオーダの非常に繊細な調整技術が必要であり、また光源光学系の組み立てから調整までの作業を作業者１名が連続で行うことになり、作業効率に問題があった。さらに、このような構成の光源光学系は複雑な構造のため冷却効率が悪く、半導体レーザ１１の出力や寿命について十分に性能を発揮できないという問題もあった。
【０００７】
発光素子の交換作業が容易な描画装置の光源光学系について、特許文献２に開示されている。
【０００８】
特許文献２の光源光学系は、鏡筒内に各々配設された半導体レーザとコリメータレンズと位置合わせスリーブとを備え、半導体レーザは、鏡筒内において完全固定され、コリメータレンズは、鏡筒内に配設された筒体の先端部に固定され、この筒体の外周部と鏡筒の内面には互いに螺合するねじ部が設けられ、鏡筒に対して筒体を回転させることにより、コリメータレンズを光軸方向に移動させて、光軸方向の調整をしている。筒体の外周部に設けられたねじ部と螺合する固定筒を利用することにより、鏡筒に対して筒体を固定している。
【０００９】
鏡筒の外周部には、複数個のねじが鏡筒の側壁を貫通する状態で立設され、このねじを回転させることにより、ねじが筒体を押圧してコリメータレンズを光軸と直交する方向に弾性変形させることにより、光軸と直交する方向の調整をしている。
【００１０】
しかしながら、ねじ締めの押圧による筒体の弾性変形により、コリメータレンズも歪むこととなる。これは、コリメータレンズの光学特性が変化（光弾性効果）する原因となり、軸調整を難しくする。さらに、加圧状態が続くため、コリメータレンズの劣化（ヒビ等）も早くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−３１６３４９号公報（段落００５７〜段落００６１）
【００１２】
【特許文献２】特開平１０−３３９８３６号公報（段落００１８〜段落００２４、段落００３１〜段落００３３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、調整が容易でありメンテナンス性の優れた直接描画露光装置の光源光学系を形成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明では、光源光学系を、光軸に直交するｘｙ方向の調整機構と光軸に平行なｚ方向の調整機構を切り離したモジュール構造にし、モジュール単体で調整し、調整済みのモジュールをアレイ状に配列することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
これにより、光源光学系の組み立て・調整効率が向上し、半導体レーザの冷却効率も向上することから、安定した光源で工数を低減することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る半導体レーザモジュールの全体構成図である。
【図２】本発明に係る半導体レーザアレイユニットの正面図である。
【図３】本発明に係る半導体レーザアレイユニットの側面図である。
【図４】ＬＤ調整部の構成図である。
【図５】ＬＤ調整部の分解図である。
【図６】ＬＤ調整部の分解図（ねじ部を有する場合）である。
【図７】レンズ調整部の構成図である。
【図８】レンズ調整部の分解図である。
【図９】レンズ調整部の分解図（ねじ部を有する場合）である。
【図１０】レンズホルダ固定リングの構成図である。
【図１１】調整治具を示す図である。
【図１２】調整方法を説明する図である。
【図１３】ＬＤベーススタンドを示す図である。
【図１４】従来の光源光学系の構成図である。
【図１５】従来の半導体レーザアレイユニットの正面図である。
【図１６】従来の半導体レーザアレイユニットの側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
本発明の光源光学系は、図１で示す調整済みの半導体レーザモジュール１を図２および図３のようにアレイ状に配列した半導体レーザアレイユニットである。
【００１９】
半導体レーザモジュール１の組み立て方法を説明する。半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ１１を光軸に直交する方向（ｘｙ方向）に移動させてｘｙ方向の調整をするＬＤ調整部１０と、非球面レンズ２１を光軸に平行な方向（ｚ方向）に移動させてｚ方向の調整をするレンズ調整部２０とからなる。
【００２０】
まず、ＬＤ調整部１０を組み立てる。ＬＤ調整部１０は、半導体レーザ１１、ＬＤ固定ホルダ１２およびＬＤ固定キャップ１３とからなる。
【００２１】
図４および図５で示すように、半導体レーザ１１はＬＤ固定ホルダ１２とＬＤ固定キャップ１３とで挟持され、ｚ方向に固定されるが、ＬＤ固定キャップ１３の調整スペース部１８の２つの貫通孔１９に差し込まれた図１１で示される調整ピン４２でＬＤ台座１４を押して、ｘｙ方向へ動く程度に締め付けられる。
【００２２】
ＬＤ固定ホルダ１２の筒部１５の内径は半導体レーザ１１の位置調整のためにＬＤ外形より大きく形成されている。また、ＬＤ固定キャップ１３の調整スペース部１８の内径は半導体レーザ１１の位置調整のためにＬＤ台座外形より大きく形成されている。本実施例では、半導体レーザ１１は、中心線より１．５ｍｍ移動できるようになっている。
【００２３】
本実施例では、図６で示すように、ＬＤ固定ホルダ１２の筒部１５の外周とＬＤ固定キャップ１３のキャップ部１７の内側にはねじ溝が設けられており、ねじ込むことで半導体レーザ１１が固定される。
【００２４】
次に、レンズ調整部２０を組み立てる。レンズ調整部２０は、非球面レンズ２１、非球面レンズ固定スリーブ２２および非球面レンズ固定ホルダ２３とからなる。
【００２５】
図７および図８で示すように、非球面レンズ固定スリーブ２２を圧入し、非球面レンズ２１を非球面レンズ固定スリーブ２２のテーパー部２５で中心線を合わせて挟みｚ方向に固定する。非球面レンズ２１は回転方向に対して対称であり、テーパー部２５と接触する位置に丸みを帯びているため、またテーパー部２５の角度を非球面レンズ２１の形状に合わせることで、非球面レンズ２１は非球面レンズ固定スリーブ２２の中心に固定される。
【００２６】
非球面レンズ２１を保持した非球面レンズ固定スリーブ２２を非球面レンズホルダ２３の円筒管部２６に差し込み、嵌め合い部２７で非球面レンズ固定スリーブ２２を中心線を合わせてｚ方向に固定する。
【００２７】
そして、ＬＤ調整部１０とレンズ調整部を２０を組み合わせる。図１で示すように、非球面レンズ２１および非球面レンズ固定スリーブ２２を保持する非球面レンズホルダ２３を、半導体レーザ１１およびＬＤ固定キャップ１３を保持するＬＤ固定ホルダ１２に差し込み固定する。
【００２８】
本実施例では、図６および図９で示すように、ＬＤ固定ホルダ１２の開口部１６の内側と非球面レンズホルダ２３の円筒管部２６の外周にはねじ溝が設けられており、ねじ込むことでＬＤ調整部１０とレンズ調整部２０がｚ方向に固定され、半導体レーザモジュール１の組み立てが完了する。
【００２９】
さらに本実施例では、図１０で示すように、リング部３１の内側にねじ溝を有するレンズホルダ固定リング３０を設け、非球面レンズホルダ２３の円筒管部２６の外周のねじ溝と合わせてねじ込むことで、ＬＤ調整部１０とレンズ調整部２０を固定する。
【００３０】
半導体レーザモジュール１の調整方法を図１１および図１２を用いて説明する。組み立てられた半導体レーザモジュール１を、図１１で示すように調整治具４０に固定する。調整治具４０は、ＸＹ軸ステージ４１、複数の調整ピン４２、ｘ方向およびｙ方向のマイクロメータヘッド４３で構成されている。
【００３１】
まず、ｚ方向の調整をし、次にｘｙ方向の調整を行う。調整治具のターゲットでレーザ光が平行光束であり、光軸の中心が半導体レーザモジュール１の中心にあることを確認できれば、調整は完了である。
【００３２】
ｚ方向の調整方法について説明する。調整治具４０に固定された状態で、非球面レンズ２１を保持している非球面レンズ固定ホルダ２３を、ＬＤ固定ホルダ１２の奥まで入っている状態から半時計回りに手で回してスポット形状を観察する。本実施例では、発散した状態からスポット形状が米粒大に変化して収束し、また米粒大になって発散していく状態が確認できるので、初めに米粒大になる位置が平行光束であるため、この位置で固定する。このようにｚ方向の調整を行い、レンズホルダ固定リング３０で固定する。
【００３３】
ｘｙ方向の調整方法について説明する。ＬＤ固定キャップ１３の調整スペース部１８に明けられた２つの貫通孔１９のそれぞれに調整ピン４２を差し込み、２つの調整ピン４２がＬＤ台座１４を押した状態で、ＸＹ軸ステージ４１にあるマイクロメータヘッド４３のつまみを回しながら２つの調整ピン４２をｘｙ方向に移動させることで半導体レーザ１１をｘｙ方向に移動し、微調整する。調整が済んだら、ＬＤ固定キャップ１３を締めて固定する。
【００３４】
調整後、調整ピン４２を取り外し、半導体レーザモジュール１を調整治具４０から取り外して、半導体レーザモジュール１の調整が完了する。
【００３５】
組み立ておよび調整が済んだ半導体レーザモジュール１から出射されるレーザ光は楕円ビームであるが、その後の光学系で円形スポットとなるように調整される。
【００３６】
組み立ておよび調整が済んだ複数の半導体レーザモジュール１を、調整治具のターゲットで確認しながら楕円ビームの長いほうが縦になるような向きにそろえて、図１３で示す規則的に穴が開いた構造のＬＤベーススタンド５０に圧入して挿入し、半導体レーザアレイユニットが完成する。光軸の微調整には、特許文献１で開示されている楔状のウエッジガラス等の光軸補正システムを使用する。
【００３７】
このように、ＬＤ調整部で半導体レーザ１１をｘｙ方向に移動させることで光軸に垂直なｘｙ方向の調整を行い、レンズ調整部で非球面レンズ２１をｚ方向に移動させることで光軸に平行なｚ方向の調整を行い、ｘｙ方向とｚ方向の調整機構を分離したことで、調整を繰り返し行なわなくてよくなった。
【００３８】
また、従来技術では、半導体レーザおよび調整機構をアレイ状に配列した後に調整を行なうのに対して、本発明では、調整機構をモジュール化させ、半導体レーザモジュール１をｘｙｚ方向に調整した後に、ＬＤベーススタンド５０に配列することが可能になり、調整スペースを大きく確保できることから、調整が容易になった。
【００３９】
さらに、工数の多くを占める調整作業を従来では一人でしか行なえなかったのが、複数人で行なえるようになり、短納期にも対応することが可能になった。
【００４０】
さらに、メンテナンスのために半導体レーザモジュール１を取り外したときの調整も容易に行えるようになった。
【符号の説明】
【００４１】
１半導体レーザモジュール
２半導体レーザアレイユニット
１０ＬＤ調整部
１１半導体レーザ（ＬＤ）
１２ＬＤ固定ホルダ
１３ＬＤ固定キャップ
２０レンズ調整部
２１非球面レンズ（コリメータレンズ）
２２非球面レンズ固定スリーブ
２３非球面レンズホルダ
３０レンズホルダ固定リング
４０調整治具
５０ＬＤベーススタンド

【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、該半導体レーザを差し込むための筒部および開口部を有し、該筒部の内径は前記半導体レーザの位置調整のためにＬＤ外径より大きく形成されているＬＤ固定ホルダと、前記ＬＤ固定ホルダの筒部を差し込むためのキャップ部および調整スペース部を有し、該調整スペース部の内径は前記半導体レーザの位置調整のためにＬＤ台座外径より大きく形成され、該ＬＤ台座を押して移動させるためのＬＤ調整ピンを差し込む複数の貫通孔が設けられているＬＤ固定キャップと、
前記半導体レーザから出射されたレーザ光を平行光にする非球面レンズと、前記非球面レンズを中心線を合わせて挟むためのテーパー部および円筒スリーブ部を有する非球面レンズ固定スリーブと、前記ＬＤ固定ホルダの開口部に差し込まれるための円筒管部を有し、該円筒管部の内側には前記非球面レンズ固定スリーブを保持するための嵌め合い部を有する非球面レンズホルダと
からなることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記非球面レンズホルダを差し込むためのリング部を有するレンズホルダ固定リングを備えている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の複数の前記半導体レーザモジュール
からなることを特徴とする半導体レーザアレイユニット。

【図１】