CN104166312A - 一种多光源大视场拼接照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，包括：多个光源，多个光纤，及多个照明分系统，每个光源和每个照明分系统之间至少设置有一个光纤，光线由所述光源发射，经过所述多个光纤分别入射到所述多个照明分系统，经所述照明分系统处理后在掩模板上形成照明视场。本发明使用多根光纤拼接耦合的技术方案可以克服大直径多分支光纤的制造困难和对灯室设计安装造成的限制。通过平行平板/楔形平板调节装置克服因单个汞灯故障造成的像面不均匀性。

Description

一种多光源大视场拼接照明系统

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种用于光刻设备的多光源大视场拼接照明系统。 

背景技术

随着薄膜场效应晶体管TFT光刻技术的发展，基板的尺寸越来越大，集成的单元越来越多，单一的照明系统很难满足TFT光刻的需求。在集成电路IC、封装等步进光刻设备中最大的照明视场一般为8英寸，扫描光刻也只是在扫描方向有更大的视场，一般也不超过10英寸。但是现在五代以上的TFT曝光视场都在17英寸以上，所以单一镜头的照明视场远远不能满足大视场光刻的要求。 

采用多个照明分系统形成梯形曝光区域拼接扫描是实现大视场TFT光刻的解决方案之一，增大曝光分系统的数量有利于增大曝光区域的尺寸。这种解决方案主要解决两个问题：第一，将光源能量耦合并分解到分支的曝光分系统中去。第二，在曝光分系统中形成可以完好拼接扫描的梯形曝光视场。 

图1为现有单一光源的照明方案，该方案将光源的能量用单头两分枝的光纤结构耦合入两个曝光分系统中去实现大视场的拼接扫描。当采用单光源时，光源的能量被分解到多个曝光分系统中，曝光分系统越多，单一曝光视场的像面照度越低。 

为克服单光源时视场像面照度低的问题，现有技术多采用增加光源数量，将多个光源的能量耦合分解到多个曝光分系统中去的方案。日本专利JP1996139009采用3个光源4个镜头拼接的方式实现了大视场曝光，如图2所示。 

为实现多光源分系统的照明，日本专利JP3348467中采用了如图3所示的大端口多分支的光纤结构。前述照明方案中的光纤结构存在加工制造的困难，而且特殊的光纤结构对照明灯室的设计、安装造成了很大的限制性。此外，当采用多个光源将其能量耦合分解到多个分系统时，每个分系统都要接收所有光源的光能。当单个灯熄灭或者故障时，物面初始光能分布会发生较大的变化，而系统的耦合组没有相应的调节装置，会使所有分系统的照明视场均匀度下降，不利于光刻设备长期稳定的工作。 

楔形平板玻璃是一类重要的光学元件，利用其相对棱边的偏向角大小，可以调节通过楔形平板玻璃的光束的角分布。如图4所示，日本专利JP2005331694中利用两块楔形平板玻璃的相对移动和转动，实现了调节像面位置和放大倍率的目的。 

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，包括：多个光源，多个光纤，及多个照明分系统，每个光源和每个照明分系统之间设置有至少一个光纤，光线由所述光源发射，经过所述多个光纤分别入射到所述多个照明分系统，经所述照明分系统处理后在掩模板上形成照明视场。 

其中，所述照明分系统包括耦合透镜组，平板调节装置，匀光装置，及中继透镜组，由所述光纤引导的光线，入射到所述耦合透镜组耦合后，经平板调节装置调整角度，再经匀光装置匀光后进入中继透镜组。 

较优地，还包括投影物镜，所述投影物镜中设置狭缝光阑，由所述照明分系统出射的光线，经过所述投影物镜及所述狭缝光阑，在所述投影物镜的像面上形成梯形曝光视场。 

其中，所述光源包括汞灯光源及椭球反射镜。 

其中，所述匀光装置包括微透镜阵列和石英棒。 

其中，所述光纤的数目与照明分系统数目相同。 

其中，所述平板调节装置包括一个平行平板和两个楔角方向相反的楔形平板。 

其中，所述两个楔形平板的倾斜角度分别为13.68°和11.31°。 

其中，所述平板调节装置位于耦合透镜组后方，匀光装置前方。 

本发明使用多根光纤拼接耦合的技术方案可以克服大直径多分支光纤的制造困难和对灯室设计安装造成的限制。通过平行平板/楔形平板调节装置克服因单个汞灯故障造成的像面不均匀性。 

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。 

图1为现有单一光源照明系统； 

图2为现有多光源照明系统；

图3为现有多光源照明系统多分支光纤结构；

图4为现有多光源照明系统利用楔形平板的物镜结构；

图5为本发明多光源照明系统结构示意图；

图6为本发明多光源照明系统中光纤组入射端面结构示意图；

图7为本发明多光源照明系统中耦合透镜组结构示意图；

图8为本发明多光源照明系统中光纤组出射端面结构示意图；

图9为本发明多光源照明系统中平板调节装置结构示意图；

图10为汞灯熄灭是掩模面照度分布图；

图11为使用平板调节装置调节后掩模面照度分布图；

图12为使用楔形平板调节掩模面照度的原理图；

图13为本发明多光源照明系统中继透镜组结构示意图；

图14为本发明多光源照明系统物镜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。 

如图5所示，本发明多光源大视场拼接照明系统包括多个光源1，每个光源1对应多个光纤2，光线经过所述多个光纤2分别入射到多个耦合透镜组3，经所述耦合透镜组3耦合的光线经平板调节装置4调整角度，再经匀光装置5匀光后经中继透镜组6在掩模板7上形成所需的具有一定数值孔径、尺寸和均匀性的照明视场。后经投影物镜8，投影物镜8中设置狭缝光阑，在投影物镜8的像面上形成梯形曝光视场9。 

为克服大端口多分枝光纤结构对灯室设计、设备安装带来的局限性，本发明提出一种新的光纤耦合分光方案。在光源的灯室焦点将灯室的光能耦合进多个独立的光纤中，比如有5个曝光分系统，则将单个灯室的光能耦合进5根光纤中，再将这5根光纤各自经过5个照明分系统连接到对应的曝光分系统的耦合透镜组物方焦面处。光纤的数目与曝光分系统数目相同。对于每一个灯室都设置5根相应的独立光纤结构，这样就实现了多光源的能量耦合和能量分解，将多个光源的光能分解到多个相应的曝光分系统中。 

本发明照明系统中光纤组入射端面结构如图6所示，将矩形端面的5根光纤入射端口通过固定装置固定在光源中椭球碗反射镜的焦点处。光纤组的出射端面如图8所示，将矩形端面的3根光纤出射端口通过固定装置固定在耦合透镜组的物方焦面处。系统中使用的光纤为单根的独立光纤，这种结构可以实现多个光源的光束耦合分束处理，将3个光源的光束分解到5个分系统中，这种结构方案可以大大增加曝光装置的灵活性，使灯室和后续镜组的设计、安装有了更大的伸缩性。 

本系统所采用的耦合透镜组3为4片镜片结构，如图7所示。四片镜片全部为球面，分为两个透镜组G1、G2，光焦度依次为正、正。G1和G2两个透镜组之间包含一块滤波片10。该耦合透镜组能较好地保证入射到滤波片的光线入射角度小于6°，使滤波片保持较好的滤光效果。 

本系统中采用的匀光装置5为微透镜阵列和石英棒。当光线以不同的入射角度入射时，其经微透镜阵列后的扩散角度会变化，当光线经过微透镜阵列进入石英棒时，大角度光线在石英棒内部反射次数多，小角度光线在石英棒内部反射次数少，不同入射角度的光线在石英棒内部多次反射充分混合达到匀光的效果。当三盏灯当中某盏灯的照度降低，通过调整其他灯的工作电压，使他们的照度值相同或者照度差在5%范围内，系统掩模面的照度均匀度仍能保持在设计值范围内。当系统中有某个光源因故障熄灭，或者某盏灯的照度严重衰减通过调节其他灯的工作电压虽能保持像面均匀度但照度严重下降，或者需要大幅度调节掩模面照度值时，需要关闭某个汞灯。上述情况下，入射匀光组件的光束的角度分布会有比较大的变化，使系统的匀光效果变差，进而使照明系统掩模面照度均匀度变差。 

本系统中采用的平行平板/楔形平板调节装置如图9所示，采用固定装置将两个斜边倾角分别为13.68°和11.31°且楔角方向相反的楔形平板11，12以及一块平行平板13固定在一起。当三盏灯同时亮或者只有中间的一盏灯亮的时候，采用装置中间的平行平板，当三盏灯中另外两盏灯熄灭的时候，若采用平行平板，系统的掩膜面照度均匀度会变差，如图10所示。若采用调节装置中的楔形平板，可以改变入射到微透镜阵列的光束的入射角度，维持掩膜面的照度均匀度如图11所示。 

图12为使用楔形平板调节掩模面照度的原理图。当楔形平板两个分立倾斜边倾斜角度不同，不同入射角的光束偏折程度不同。当楔形平板的斜边倾斜角度变化时，通过楔形平板的光束的出射角度也跟着变化。调整楔形平板两个斜边的倾斜角，就可以调整通过楔形平板的光束的角度分布，这样就补偿了由于光源改变带来的入射光束角分布的变化，使掩模面照度均匀。系统中的平行平板用以调节光束的相面位置使其与采用楔形平板时的相面位置一致，使光线尽可能多地耦合进入微透镜、石英棒匀光组件中。 

入射到微透镜阵列的光束经微透镜阵列和石英棒匀光后进入如图13所示的中继透镜组。本发明照明系统包含的中继透镜组通过优化多波长下的质心光线与光轴的夹角，实现多波长光线共同作用的质心远心照明，提供的远心值更精确、更贴合实际。 

本照明系统在保证了照明视场光照强度均匀性的前提下，增大了照明视场内边缘视场的理论数值孔径，提升了边缘视场的光照强度，从而补偿了由于镀膜工艺条件、石英棒的棱边和棱角的毛边漫反射以及漏光等因素引起的照明视场内光照强度中间视场高边缘视场低的影响，进一步有效地保证了照明视场内光照强度的均匀性。 

图14所示为本发明照明系统中使用的物镜结构，为两个dyson结构的物镜，通过系统中的光阑的作用，在物镜的相方形成了需要的梯形曝光视场。 

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。 

  

Claims (9)

1.一种多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，包括：多个光源，多个光纤，及多个照明分系统，每个光源和每个照明分系统之间至少设置有一个光纤，光线由所述光源发射，经过所述多个光纤分别入射到所述多个照明分系统，经所述照明分系统处理后在掩模板上形成照明视场。

2.如权利要求1所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述照明分系统包括耦合透镜组，平板调节装置，匀光装置，及中继透镜组，由所述光纤引导的光线，入射到所述耦合透镜组耦合后，经平板调节装置调整角度，再经匀光装置匀光后进入中继透镜组。

3.如权利要求1或2所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，还包括投影物镜，所述投影物镜中设置狭缝光阑，由所述照明分系统出射的光线，经过所述投影物镜及所述狭缝光阑，在所述投影物镜的像面上形成梯形曝光视场。

4.如权利要求1所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述光源包括汞灯及椭球反射镜。

5.如权利要求2所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述匀光装置包括微透镜阵列和石英棒。

6.如权利要求1所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述光纤的数目与照明分系统数目相同。

7.如权利要求2所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述平板调节装置包括一个平行平板和两个楔角方向相反的楔形平板。

8.如权利要求7所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述两个楔形平板的倾斜角度分别为13.68°和11.31°。

9.如权利要求2所述的多光源大视场拼接照明系统，其特征在于，所述平板调节装置位于所述耦合透镜组后方，所述匀光装置前方。