CN106707693A - 一种led光源照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LED光源照明装置，其特征在于，依次包括：LED阵列光源、抛物面反射镜、窄带滤光片、透镜、曝光剂量控制装置、光阑挡片以及石英棒；所述LED阵列光源辐射出的光线经所述抛物面反射镜收集并准直后入射到所述窄带滤光片上，经所述窄带滤光片过滤成窄带光谱光，经过所述透镜改变光线的角度，经过所述曝光剂量控制装置控制曝光剂量，最后入射到所述石英棒匀光，形成均匀的照射光斑。

Description

一种LED光源照明装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种用于投影光刻设备的LED 光源照明装置。

背景技术

用于大规模集成电路制造的光学投影曝光光刻技术，是近年来的主要光刻手段之一。其原理是通过投影物镜将掩模版上大规模集成电路图形成像在涂胶硅片上实现图形的转移。投影光刻曝光波长集中在紫外区域，光源一般选择高压汞灯或准分子激光器。248nm、193nm等深紫外波长主要使用激光光源，365nm、405nm、436nm波长使用汞灯光源。

由于汞灯辐射出的能量分布并非均匀，因此需要使用匀光器件对其进行整合后才能使用。为了提高匀光器件出射端的光能量，必须1）使尽可能多的光能量进入匀光器件，2）提高汞灯自身的电功率。对于第一种方式，可以将汞灯光源紧贴匀光器件入射，或是通过耦合器件收集到匀光器件的入射端。但耦合效率受制于镜头的数值孔径和匀光器件的横截面尺寸。对于第二种方式，可以选择使用更高功率的汞灯，而高功率的汞灯不但外形尺寸更大，且安全性设计更复杂，除此之外，还要承受高昂的价格。

LED阵列光源如图1所示，LED阵列光源辐射光线空间角分布如图2所示。现有LED阵列光源照明系统如图3所示，LED阵列光源照明系统将LED阵列辐射出的光线直接引入异形石英棒的入端，由石英棒将光线充分混合后，在出射端面形成均匀照射的光斑。但存在如下缺点：1）LED阵列辐射光谱能量集中在360-370nm，为了获得曝光所需的365nm窄带光谱，需要加入滤光片，而窄带滤光片对光线角度比较敏感，角度越大，透过率越低。根据设计，安装在光线角度小于10度的位置才能使透过率损失最小。现有技术的照明结构没有光线角度小于10度的位置，因此，无法安装窄带滤光片。2）整个照明结构由于没有空间可以安装曝光剂量控制装置，无法对曝光剂量进行有效控制。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种LED 光源照明装置，其特征在于，依次包括：LED阵列光源、抛物面反射镜、窄带滤光片、透镜、曝光剂量控制装置、光阑挡片以及石英棒；所述LED阵列光源辐射出的光线经所述抛物面反射镜收集并准直后入射到所述窄带滤光片上，经所述窄带滤光片过滤成窄带光谱光，经过所述透镜改变光线的角度，经过所述曝光剂量控制装置控制曝光剂量，最后入射到所述石英棒匀光，形成均匀的照射光斑。

更进一步地，所述LED阵列光源由九个相同型号的LED子光源排列而成，所述LED阵列光源的角分布呈朗伯分布，光谱能量集中在360-380nm。

更进一步地，所述曝光剂量控制装置位于所述透镜与所述石英棒之间，包括第一平板玻璃和第二平板玻璃；所述第一和第二平板玻璃表面沿着运动方向镀有透过率随距离变化的膜层。

更进一步地，所述第一和第二平板玻璃的形状是矩形或圆形。

更进一步地，所述膜层的透过率随距离的变化形式是多项式或三角函数式。

更进一步地，所述LED阵列光源波长是465nm、435nm、365nm。

更进一步地，所述窄带滤光片的固定机构为抽拉形式。

与现有技术相比较，本发明LED阵列光源照明系统使用抛物面反射镜，将LED辐射出的光线收集并准直后，以近乎于平行光的方式出射，经过透镜折射，光线角度发生改变，使得进入石英棒的光线达到所需NA，在抛物面反射镜与透镜之间的光线近乎平行光，有利于安装滤光片。另外，本发明在石英棒与透镜之间留有足够空间，可以安装曝光剂量控制装置。经过仿真，抛物面反射镜出端口的光线角度在10度以内的能量占比约90%，能量利用效率与现有技术相当，约35%。

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是LED阵列光源示意图；

图2是LED阵列光源辐射光线空间角分布图；

图3是现有LED阵列光源照明系统结构示意图；

图4是本发明LED阵列光源照明系统结构示意图；

图5是本发明LED阵列光源照明系统实施例一结构示意图；

图6是本发明LED阵列光源照明系统实施例一结构示意图；

图7是平板玻璃运动形式；

图8是平板玻璃外形。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明LED阵列光源照明系统如图4所示，包括：LED阵列光源401、抛物面反射镜402、窄带滤光片403、透镜404、曝光剂量控制装置（408、409）、光阑挡片405、石英棒406。LED阵列光源401辐射出的光线经抛物面反射镜402收集并准直后入射到窄带滤光片403上，经窄带滤光片403过滤成窄带光谱光，经过透镜404改变光线的角度，经过曝光剂量控制装置控制曝光剂量，最后入射到石英棒406匀光，形成均匀的照射光斑。LED阵列光源401是由九个相同型号的LED子光源按照一定的方式排列而成，LED阵列光源的角分布呈朗伯分布，光谱能量集中在360-380nm。抛物面反射镜402的作用是将LED阵列光源401辐射出的光线收集并准直，使得入射到窄带滤光片403上的光线角度尽可能的小于θ，因为入射角度越大，透过率损失越大。窄带滤光片403的作用是获得曝光所需的365nm窄带光谱。抛物面反射镜402与窄带滤光片403组合，可以使其余波段的光谱能量消除在照明装置外，避免对后续照明部件带来热的影响。透镜404的作用是改变透过滤光片的光线角度，使得进入石英棒406的光线NA等于成像镜头物方NA。由石英棒的匀光原理可知，光线在其内部反射，最终在出射端形成均匀分布的照射光斑，而不会改变光线的NA。透镜404与石英棒406入射端面间的距离L（ ）由成像镜头的物方NA与石英棒端面的尺寸H决定。透镜404与石英棒406间的距离L应尽可能的大，方便安装曝光剂量控制装置。LED阵列光源、抛物面反射镜、窄带滤光片、透镜、曝光剂量控制装置、光阑挡片、石英棒、中继镜组依次排列，且均关于光轴407对称。

曝光剂量控制原理如图7和8所示。由于LED光源控制器能够设置的光导通与截止时间，可能存在不能适应不同厚度光刻胶的曝光工艺，因此需要在照明装置其他部位放置可以控制硅片面曝光时间的装置。本发明在透镜404与石英棒406之间预留了足够空间，用于安装曝光剂量控制装置。该装置包括第一平板玻璃408和第二平板玻璃409，两块平板玻璃表面沿着运动方向镀有透过率随距离变化的膜层，并将两块玻璃成180度轴对称平行放置。通过改变两块平板玻璃在垂直于光轴407同一平面内的相对位置，可以改变光线的透过率，使得照明光强均匀地衰减，从而切换LED光路的导通与截止状态，实现硅片面的曝光剂量控制。

实施例 1

本发明LED阵列光源照明系统第一实施例如图5所示，LED阵列光源照明系统包括LED阵列光源401、抛物面反射镜402、窄带滤光片403、透镜404、光阑挡片405、石英棒406、中继镜组507和掩模板508。LED阵列光源401辐射出的光线被抛物面反射镜402收集并准直后以近乎平行光入射到窄带滤光片403上，而小角度的出射光线有利于提高窄带滤光片的透过率，因为入射角度越大，透过率损失越大。滤光片截取365nm窄带光谱后获得曝光所需波长，然后通过透镜404改变光线角度，得到与中继镜组507物方NA相等的NA进入石英棒406匀光，最终在石英棒出端形成均匀分布的照射光斑。

LED阵列光源501是由9个相同规格的LED子光源按照一定的方式形成。LED阵列光源401的空间角分布约70度（图2），直接耦合进石英棒会有大角度光线能量的损失，通过抛物面反射镜402反射并准直后可以几乎全部收集，总的能量使用效率提高。LED阵列光源401，其波长可以是465nm、435nm、365nm或者更短的波长。透镜404，可以根据掩模面需求NA进行优化，得到匹配的NA。

本实施例中，LED阵列光源401外形尺寸为L1×L1，出射NA小于0.95，出射光斑口径为Ф1。抛物面反射镜402外形尺寸为L2×Ф2×Ф3，LED阵列光源距离抛物面反射镜底部的距离为L3，透镜口径为Ф3，厚度为L4，石英棒尺寸为H×H×L5，数值孔径为0.4。

实施例 2

本发明LED阵列光源照明系统第二实施例如图6所示，本实施例中的窄带滤光片固定机构603做成抽拉形式，方便安装及维护。在透镜404与石英棒406的空间里安装曝光剂量控制装置，该装置内包括第一平板玻璃408、第二平板玻璃409，该平板玻璃表面镀有透过率随距离变化的膜层。根据硅片面能量传感器探测到的光照度值，改变剂量控制装置内两块平板玻璃的相对位置，使得LED照明光路导通或截止，以及照明光强均匀地衰减或增强，最终达到曝光所需值，实现曝光剂量的控制。曝光剂量控制装置内的平板玻璃形状可以是矩形、圆形等任意形状。曝光剂量控制装置内的平板玻璃408、409表面膜层的透过率随距离的变化形式可以是多项式、三角函数式等。

本实施例中，平板玻璃408、409的外形尺寸为L1×W1×H1，两块平板玻璃间的距离为D，在垂直于光轴同一平面内运动，运动形式如图7所示，平板玻璃表面透过率随距离变化的曲线如图8所示。

与现有技术相比较，本发明LED阵列光源照明系统使用抛物面反射镜，将LED辐射出的光线收集并准直后，以近乎于平行光的方式出射，经过透镜折射，光线角度发生改变，使得进入石英棒的光线达到所需NA，在抛物面反射镜与透镜之间的光线近乎平行光，有利于安装滤光片。另外，本发明在石英棒与透镜之间留有足够空间，可以安装曝光剂量控制装置。经过仿真，抛物面反射镜出端口的光线角度在10度以内的能量占比约90%，能量利用效率与现有技术相当，约35%。

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 (7)

1. 一种LED 光源照明装置，其特征在于，依次包括：LED阵列光源、抛物面反射镜、窄带滤光片、透镜、曝光剂量控制装置、光阑挡片以及石英棒；所述LED阵列光源辐射出的光线经所述抛物面反射镜收集并准直后入射到所述窄带滤光片上，经所述窄带滤光片过滤成窄带光谱光，经过所述透镜改变光线的角度，经过所述曝光剂量控制装置控制曝光剂量，最后入射到所述石英棒匀光，形成均匀的照射光斑。

2.如权利要求1所述的LED 光源照明装置，其特征在于，所述LED阵列光源由九个相同型号的LED子光源排列而成，所述LED阵列光源的角分布呈朗伯分布，光谱能量集中在360-380nm。

3.如权利要求1所述的LED 光源照明装置，其特征在于，所述曝光剂量控制装置位于所述透镜与所述石英棒之间，包括第一平板玻璃和第二平板玻璃；所述第一和第二平板玻璃表面沿着运动方向镀有透过率随距离变化的膜层。

4.如权利要求3所述的LED 光源照明装置，其特征在于，所述第一和第二平板玻璃的形状是矩形或圆形。

5.如权利要求3所述的LED 光源照明装置，其特征在于，所述膜层的透过率随距离的变化形式是多项式或三角函数式。

6.如权利要求1所述的LED 光源照明装置，其特征在于，所述LED阵列光源波长是465nm、435nm、365nm。

7.如权利要求1所述的LED 光源照明装置，其特征在于，所述窄带滤光片的固定机构为抽拉结构。