CN110007565B - 光源装置及具备其的曝光装置 - Google Patents

光源装置及具备其的曝光装置 Download PDF

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CN110007565B CN201910011217.5A CN201910011217A CN110007565B CN 110007565 B CN110007565 B CN 110007565B CN 201910011217 A CN201910011217 A CN 201910011217A CN 110007565 B CN110007565 B CN 110007565B
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Abstract

本发明提供一种能够将从光源放射的光集中在规定的照射范围并能够提高光的利用效率的光源装置。利用光源(12)、使来自光源(12)的光朝向照射面(S)成为更接近平行光的状态的平行化元件(14)、以及配设于平行化元件(14)与照射面(S)之间并将来自平行化元件(14)的光集中到照射面(S)的聚光元件(16)构成光源装置(10)。

Description

光源装置及具备其的曝光装置
技术领域
本发明涉及用于例如半导体制造用的曝光装置等的光源装置。
背景技术
一般来说，由于光从灯等光源以放射状发出，所以朝向照射面的光为总发光量的一部分，光的利用效率非常差。因此，一直以来，设法通过控制这些光的朝向来增加朝向照射对象的光的比例，从而提高光的利用效率。
例如，如图7所示，通常的做法是使用在内表面具有反射面2的反射器1。通过由旋转抛物面规定反射器1的反射面2，并在该旋转抛物面的焦点3的位置配置光源4，能够使从光源4射出的光的大部分为朝向照射面5的接近平行光的光(模拟平行光)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-29873号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，由于实际的光源不是理论上的点发光体而是具有规定的发光面积的面发光体，所以在使用上述那样的反射器1的情况下，大部分的光从稍微偏离焦点3的位置被发出。因此，由反射面2反射后，从反射器1的开口放射的光不是完全的平行光，而是随着远离反射器1而向外侧扩散的光。
因此，在照射面5距反射器较远(例如，500(单位mm)以上)，且该照射面5的面积小的情况下，存在无法提高光的利用效率的问题。
例如，在专利文献1公开了如下技术，即，为了提高从反射器放射的光的平行的程度，将在中央部具有开孔的反射镜配设于该反射器的开口。
但是，专利文献1公开的技术也只不过是对来自规定形成于反射器内侧的反射面的旋转抛物面的焦点位置的光进行了叙述，从具有规定的发光面积的实际的面发光体放射的光没有成为完全的平行光，而成为随着远离反射器而向外侧扩散的光。因此，在照射面距反射器较远，且该照射面的面积小的情况下，不能解决无法提高光的利用效率的问题。
本发明是鉴于这样的课题而作出的，其目的在于提供一种能够将从光源放射的光集中在规定的照射范围并能够提高光的利用效率的光源装置及具备其的曝光装置。
用于解决课题的技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种光源装置，具备：
光源；
平行化元件，其使来自所述光源的光朝向照射面成为更接近平行光的状态；以及
聚光元件，其配设于所述平行化元件与所述照射面之间，将来自所述平行化元件的光集中到所述照射面。
优选地，
所述平行化元件为在内侧具有由旋转抛物面规定的反射面的反射器，
所述聚光元件为具有焦点的透镜，
且满足以下的条件式：
L1≥a×L/(d+a)
其中，
L为所述反射器的开口至所述照射面的距离，其单位为mm；
L1为所述反射器的开口至所述聚光元件的光学中心的距离，其单位为mm；
a为所述反射器的开口的直径，其单位为mm；
d为所述照射面的直径，其单位为mm。
根据第一方面所述的光源装置，其特征在于，
所述光源为平面发光体，
所述平行化元件为透镜，
所述聚光元件为具有焦点的透镜，
且满足以下的条件式：
L1≥a×L/(d+a)
其中，
L为所述平行化元件的光学中心至所述照射面的距离，其单位为mm；
L1为所述平行化元件的光学中心至所述聚光元件的光学中心的距离，其单位为mm；
a为所述平行化元件的有效径，其单位为mm；
d为所述照射面的直径，其单位为mm。
优选地，
所述光源装置分别包括多个所述光源、所述平行化元件及所述聚光元件，并且满足以下的条件式：
L1≤(L2×tanα-a)/(2×tanθ)
其中，
L2为所述聚光元件的光学中心至所述照射面的距离，其单位为mm；
θ为从所述平行化元件射出的光的射出扩散角，其单位为°；
α为从彼此相邻的所述平行化元件射出的光的中心轴彼此形成的角度，其单位为°。
优选地，
在设为L1(A)＝a×L/(d+a)且L1(B)＝(L2×tanα-a)/(2×tanθ)时，L1的尺寸值如下，
在L1(A)≤L1(B)的情况下，L1的尺寸值为L1(B)的值；
在L1(A)>L1(B)的情况下，L1的尺寸值为L1(A)至L1(B)之间的值。
优选地，满足以下的条件式：
f＝a×L/(d+a)
其中，f为所述聚光元件的焦距，其单位为mm。
根据本发明的其他方面，提供一种曝光装置，其具备上述的光源装置。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能将从光源放射的光集中在规定的照射范围并能提高光的利用效率的光源装置及具备其的曝光装置。
附图说明
图1是表示应用了本发明的光源装置10的一个例子的图。
图2是主要用于对平行化元件14进行说明的图。
图3是用于对各元件及照射面S的尺寸进行说明的图。
图4是表示变形例1所涉及的光源装置10的一个例子的图。
图5是表示变形例2所涉及的光源装置10的一个例子的图。
图6是表示变形例3所涉及的光源装置10及曝光装置100的一个例子的图。
图7是表示现有的光源装置的图。
具体实施方式
(光源装置10的结构)
图1表示应用了本发明的实施方式所涉及的光源装置10。光源装置10大致具备光源12、平行化元件14及聚光元件16，是朝向具有规定的径(直径)的照射面S照射光的装置。
光源12为接收来自外部的电力供给，并放射包含适于光源装置10的用途的波长的光的元件，例如，可以举出发光二极管及有机EL等平面发光体、放电灯等，但并不限于这些元件。此外，如后面记述的那样，在作为平行化元件14使用反射器的情况下，能够使用例如放电灯那样的光的指向性低的光源12。
平行化元件14是使来自光源12的光朝向照射面S成为更接近平行光的状态的元件，在本实施方式中使用反射器。以下，对于反射器，也使用相同的符号“14”进行说明。在本实施方式中，如前述那样，平行化元件14使用了反射器，但只要是起到上述作用的元件，也可使用除反射器之外的元件。作为除反射器之外的平行化元件14的例子，对于使用透镜的情况，在后面记述的“变形例2”中进行说明。
如图2所示，反射器14形成为大致碗状，具有开口20以及形成于其内侧表面的反射面22。另外，该反射面22由旋转抛物面规定，该旋转抛物面的旋转轴与反射器14的中心轴CL相互一致。
并且，旋转抛物面具有焦点PF，在本实施方式中，规定了光源12与反射器14的位置关系，以使光源12的中心的位置与该焦点PF的位置一致。由此，从焦点PF的位置放射后，在由旋转抛物面规定的反射面22反射并从开口20射出的光成为与反射器14的中心轴CL平行的平行光。
但是，光源12不是理论上的点发光体，即使在作为光源12使用放电灯的情况下，也会从具有规定的大小的发光面放射光，因此从光源12放射的光的大部分从偏离焦点PF的位置放射。因此，从光源12放射，并由反射面22反射并且从开口20射出的光不是完全的平行光，而成为随着远离反射器14而向外侧扩散的光。
回到图1，聚光元件16配设于反射器(平行化元件)14与照射面S之间，是具有将来自反射器(平行化元件)14的光集中到照射面S的作用的元件。在本实施方式中，聚光元件16使用了透镜，但只要是起到上述的作用的元件，也可使用除透镜之外的元件。
(光源装置10的作用)
使用图1对光源装置10的作用进行说明。就从光源12放射的光而言，其一部分从反射器14的开口20直接向外射出，并且剩余的光在反射器14的内侧的反射面22反射后从开口20向外射出。由反射面22反射的光以相对于反射器14的中心轴CL接近平行光的角度前进，但不是完全的平行光，而是随着远离反射器14而向外侧扩散。
从反射器14射出的光在经过聚光元件16时朝向照射面S折射。由此，从聚光元件16射出的光朝向照射面S集中，照射照射面S。
(各元件等的位置关系及尺寸)
接下来，使用图3对各元件及照射面S彼此的位置关系、各元件及照射面S的尺寸进行说明。在距反射器(平行化元件)14的开口20为距离L(单位mm)的位置配设有照射面S。当将照射面S的径(直径)设为c(单位mm)时，为了使该径c最小化，只要使聚光元件16(透镜)至照射面S的距离L2(单位mm)与聚光元件16的焦距f(单位mm)一致即可。也就是说，当欲提高照射面S的聚光的程度来提高光的利用效率时，聚光元件16的位置靠近照射面S(距离L2缩短)。换言之，聚光元件16远离反射器14(反射器14的开口20至聚光元件16的距离L1(单位mm)增加)。
在此，如上述那样，由于从反射器14射出的光不是完全的平行光，而是随着远离反射器14而向外侧扩散的光，所以当距离L1增加时，聚光元件16的位置上的光的扩散(直径)也变大。因此，当距离L1逐渐增加时，一部分的外侧的光成为偏离聚光元件16的无效的光(无法集中到照射面S的光)。
也就是说，当使聚光元件16靠近照射面S时，存在聚光的程度提高且光的利用效率提高的倾向，但相反，聚光元件16远离平行化元件14，来自平行化元件14的光偏离聚光元件16，无效的光增加，从而光的利用效率降低。
因此，首先，对平行化元件14的开口20至聚光元件16的距离L1进行研究。当将反射器14的开口20的径(直径)设为a(单位mm)，并将从平行化元件14射出的光的射出扩散角(与中心轴CL形成的角)设为θ(单位°)时，聚光元件16的位置上的光的照射范围的直径E(单位mm)能够用以下的条件式表示。
E＝a+L1×2tanθ
此外，聚光元件16的位置上的光的利用率，即，从平行化元件14射出并进入聚光元件16的光的比例S1能够用以下的条件式表示。此外，将聚光元件16的径(直径)设为b(单位mm)。
S1＝b2/E2＝b2/(a+L1×2tanθ)2
接下来，对聚光元件16至照射面S的距离进行研究。当将照射面S的径(直径)设为c(单位mm)时，通常满足以下的关系。
c/a＝L2/L1
在此，如上述那样，由来自聚光元件16的光所照射的范围(直径)d(单位mm)与所需的照射面S的径c(单位mm)一致时为最大的利用效率，因此满足以下的关系。
c＝d
另外，L2＝L-L1。
因此，
d＝a×(L-L1)/L1
L1＝a×L/(d+a)及
L2＝L×(1-a)/(d+a)。
另一方面，当将聚光元件16的焦距设为f(单位mm)时，满足以下的关系。
1/L1+1/L2＝1/f
因此，聚光元件16的焦距f(单位mm)能够用以下的条件式表示。
f＝L1×L2/(L1+L2)
＝a×L/(d+a)
由以上内容可知，在满足以下的两个条件式时为最大的利用效率。
L1＝a×L/(d+a)及
f＝a×L/(d+a)
另外，通过满足以下的条件，由来自聚光元件16的光照射的范围(直径)d(单位mm)在所需的照射面S的径c(单位mm)的范围内，在没有照射照射面S外的无用的光这一点上是有效的。
L1>a×L/(d+a)
此外，当将从平行化元件14射出的光的光量设为W时，照射面S的光量Z能够用以下的条件式表示。
Z＝W×b2/(a+(a×L/(d+a))×2tanθ)2
(变形例1)
在上述的实施方式中，光源装置10分别包括一个光源12、反射器14及聚光元件16，但也可替代该方式，如图4所示，分别利用多个光源12、反射器14及聚光元件16来构成光源装置10，并使由来自各光源12的光照射一个照射面S。此外，关于以下的说明，对于L、L1及L2，可参照图3。
在该情况下，基本上，如在上述的实施方式叙述的那样，也优选满足以下的条件式。
L1≥a×L/(d+a)
此外，以下，将由上述条件式“a×L/(d+a)”规定的L1标记为“L1(A)”。即，为“L1(A)＝a×L/(d+a)”。
但是，在利用多个光源12等构成光源装置10的情况下，由于想尽量紧凑地构成该光源装置10这样的现实要求，产生尺寸上的限制。具体地说，在聚光元件(透镜)16的有效径(直径)的大小上产生限制。这是因为当使聚光元件(透镜)16的有效径(直径)过大时，其会和相邻配设的聚光元件(透镜)16干扰。
在图4所示的变形例1中，聚光元件(透镜)16的最大有效径(直径)B(单位mm)能够用以下的条件式表示。此外，α为从彼此相邻的平行化元件(反射器)14射出的光的中心轴CL彼此形成的角度(单位°)。
B＝L2×tanα
另外，聚光元件(透镜)16被从光源12放射后从反射器14射出的光照射的范围(直径)g(单位mm)能够用以下的条件式表示。
g＝a+2×L1×tanθ
a：平行化元件(反射器)14的开口的直径(单位mm)
θ：从平行化元件(反射器)14射出的光的射出扩散角(与中心轴CL形成的角)
当聚光元件(透镜)16被从反射器14射出的光照射的范围(直径)g大于聚光元件(透镜)16的最大有效径(直径)B时，从反射器14射出的光的一部分从聚光元件(透镜)16偏离而成为无用的光。因此，优选满足以下的关系。
B≥g，即，
L2×tanα≥a+2×L1×tanθ，若将其变形，
则成为L1≤(L2×tanα-a)/(2×tanθ)。
此外，以下，将由上述条件式“(L2×tanα-a)/(2×tanθ)”规定的L1标记为“L1(B)”。即，为“L1(B)＝(L2×tanα-a)/(2×tanθ)”。
由以上内容可知，当简单地表现L1的尺寸时，可以说“优选L1(A)较大”，相反，“优选L1(B)较小”。因此，分别计算出L1(A)及L1(B)后，优选如以下这样决定L1的尺寸。
在L1(A)≤L1(B)的情况下，作为L1的尺寸采用L1(B)。
在L1(A)>L1(B)的情况下，作为L1的尺寸采用L1(A)至L1(B)之间的值。即，成为L1(A)>L1>L1(B)的关系。
(变形例2)
在上述的实施方式中，作为平行化元件14使用了反射器，但也可替代该反射器，如图5所示，作为平行化元件14使用透镜。在图5中描述了使用一个(单体)的透镜的情况，作为平行化元件14的透镜的数量也可以为多个。在该情况下，从光源12放射的光经过平行化元件(透镜)14时折射，朝向照射面S成为更接近平行光的状态。而且，从平行化元件(透镜)14射出的光通过聚光元件16被集中到照射面S。
在该变形例2的情况(即，作为平行化元件14使用透镜的情况)下，在上述的实施方式中说明的数学条件式、作用效果也成立。因此，关于变形例2所涉及的数学条件式、作用效果的说明，分别将上述的实施方式的说明中的“反射器14”替换读作“透镜14”，将“反射器14的开口20”替换读作“透镜14”或者“透镜14的光学中心”，另外，将反射器14的开口20的径(直径)a(单位mm)”替换读作“透镜14的有效径(直径)a(单位mm)”来引用。
此外，作为平行化元件14使用透镜的情况与使用反射器的情况相比，作为光源12优选使用放射的光的指向性高的LED或有机EL。
(变形例3)
接下来，使用图6，对分别使用多个光源12、平行化元件14及聚光元件16构成光源装置10且将该光源装置10应用到曝光装置100的示例进行说明。
变形例3所涉及的曝光装置100具备光源装置10、第一反射镜102、第二反射镜104、第三反射镜106、积分器108及平行化透镜110。
如上述，在该变形例3中使用的光源装置10具备两个光源12、两个平行化元件(反射器)14及两个聚光元件16。从光源装置10射出的光由第一反射镜102及第二反射镜104沿规定的方向反射后，照射积分器108的入射面112。即，对光源装置10而言，在该情况下，积分器108的入射面112成为照射面S。
从积分器108的射出面114射出的光由第三反射镜106沿规定的方向反射后，穿过平行化透镜110成为平行光，并照射曝光面116。
应当认为本次公开的实施方式的所有的方面都是例示，并非对本发明的限制。本发明的范围不是由上述的说明来表示，而是由权利要求书来表示，本发明意图包含与权利要求书等同的意思及范围内的所有变更。
符号说明
10 光源装置
12 光源
14 平行化元件(反射器或者透镜)
16 聚光元件
20 开口
22 反射面
S 照射面
CL 中心轴
PF (旋转抛物面的)焦点
L 平行化元件14至照射面S的距离
L1 平行化元件14至聚光元件16的距离
L2 聚光元件16至照射面S的距离
a 开口20的径(直径)或者透镜14的有效径(直径)
b 聚光元件16的径(直径)
c 照射面S的径(直径)
d 由来自聚光元件16的光照射的范围(直径)
f 聚光元件16的焦距
g 聚光元件(透镜)16被从平行化元件14射出的光照射的范围(直径)
θ 从平行化元件14射出的光的射出扩散角(与中心轴CL形成的角)
α 从彼此相邻的平行化元件14射出的光的中心轴CL彼此形成的角度
100 曝光装置
102 第一反射镜
104 第二反射镜
106 第三反射镜
108 积分器
110 平行化透镜
112 (积分器108的)入射面
114 (积分器108的)射出面
116 曝光面

Claims (6)

1.一种光源装置，其特征在于，具备：
光源；
平行化元件，其使来自所述光源的光朝向照射面成为更接近平行光的状态；以及
聚光元件，其配设于所述平行化元件与所述照射面之间，将来自所述平行化元件的光集中到所述照射面，
所述平行化元件为在内侧具有由旋转抛物面规定的反射面的反射器，
所述聚光元件为具有焦点的透镜，
且满足以下的条件式：
L1≥a×L/(d+a)
其中，
L为所述反射器的开口至所述照射面的距离，其单位为mm；
L1为所述反射器的开口至所述聚光元件的光学中心的距离，其单位为mm；
a为所述反射器的开口的直径，其单位为mm；
d为所述照射面的直径，其单位为mm，
所述光源装置分别包括多个所述光源、所述平行化元件及所述聚光元件，并且满足以下的条件式：
L1≤(L2×tanα-a)/(2×tanθ)
其中，
L2为所述聚光元件的光学中心至所述照射面的距离，其单位为mm；
θ为从所述平行化元件射出的光的射出扩散角，其单位为°；
α为从彼此相邻的所述平行化元件射出的光的中心轴彼此形成的角度，其单位为°。
2.一种光源装置，其特征在于，具备：
光源；
平行化元件，其使来自所述光源的光朝向照射面成为更接近平行光的状态；以及
聚光元件，其配设于所述平行化元件与所述照射面之间，将来自所述平行化元件的光集中到所述照射面，
所述光源为平面发光体，
所述平行化元件为透镜，
所述聚光元件为具有焦点的透镜，
且满足以下的条件式：
L1≥a×L/(d+a)
其中，
L为所述平行化元件的光学中心至所述照射面的距离，其单位为mm；
L1为所述平行化元件的光学中心至所述聚光元件的光学中心的距离，其单位为mm；
a为所述平行化元件的有效径，其单位为mm；
d为所述照射面的直径，其单位为mm，
所述光源装置分别包括多个所述光源、所述平行化元件及所述聚光元件，并且满足以下的条件式：
L1≤(L2×tanα-a)/(2×tanθ)
其中，
L2为所述聚光元件的光学中心至所述照射面的距离，其单位为mm；
θ为从所述平行化元件射出的光的射出扩散角，其单位为°；
α为从彼此相邻的所述平行化元件射出的光的中心轴彼此形成的角度，其单位为°。
3.根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，
构成所述平行化元件的透镜的数量为多个。
4.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，
在设为L1(A)＝a×L/(d+a)且L1(B)＝(L2×tanα-a)/(2×tanθ)时，L1的尺寸值如下，
在L1(A)≤L1(B)的情况下，L1的尺寸值为L1(B)的值；
在L1(A)>L1(B)的情况下，L1的尺寸值为L1(A)至L1(B)之间的值。
5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
满足以下的条件式：
f＝a×L/(d+a)
其中，f为所述聚光元件的焦距，其单位为mm。
6.一种曝光装置，其特征在于，具备权利要求1或2所述的光源装置。
CN201910011217.5A 2018-01-19 2019-01-07 光源装置及具备其的曝光装置 Active CN110007565B (zh)

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