CN117280263A - 高均匀性远心照明器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种远心照明器，该远心照明器可例如在用于半导体晶片加工的掩模对准器系统中使用，或用作用于太阳能电池的表征的太阳模拟器系统的一部分。该远心照明器包括锥形光学器件、具有多个透镜和一个孔径光阑的透镜组、以及混合菲涅耳透镜。该菲涅耳透镜设置在沿着该远心照明器的光轴的某个位置处，以在照明平面处生成该孔径光阑的远心图像。该菲涅耳透镜可具有弯曲中心部分，并且该孔径光阑可变迹以实现期望的照明特性并提高掩模对准器系统的分辨率。

Description

高均匀性远心照明器

相关申请

本申请要求2021年4月14日提交的标题为“高均匀性远心照明器(HighUniformity Telecentric Illuminator)”的美国临时专利申请63/174,798号和2021年4月15日提交的标题为“高均匀性远心照明器(High Uniformity Telecentric Illuminator)”的美国临时专利申请63/175,179号的较早申请日的权益，这些申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

所公开的技术涉及远心照明的高光亮度发光二极管(LED)紫外(UV)和蓝光源，其用于通过与半导体晶片直接接触或以微小间隙紧密接近地放置的掩模来选择性地曝光可光固化材料，以用于器件的基于掩模的选择性图案化。例如，此类图案化可用于集成电路和LED管芯的制造。这些UV和蓝光光谱接触式和接近式曝光照明器用于一类通常称为掩模对准器的半导体工具中。所公开的技术也应用于太阳模拟器，其中LED光源即LED管芯覆盖包括UV、可见光和近红外(NIR)的广谱波长。

背景技术

LED光源的性能水平仅在最近才适合用于接触式和接近式曝光系统以及太阳模拟器中具有挑战性的高强度应用。最近对于用LED代替常规汞基灯和其他非固态光源的浓厚兴趣受许多因素驱动，包括显著更长的寿命、稳定的时间输出、以及可用于使照明系统的光谱更具体地适应相关光致抗蚀剂的光引发剂的吸收光谱的各种波长。关于标准灯技术的附加因素包括：维护和停机时间减少，操作成本大幅节省，以及利用LED技术可实现更高的强度。

发明内容

本公开的示例包括远心照明器。作为示例，远心照明器可作为用于半导体晶片加工的掩模对准器系统的一部分、或用于太阳能电池的表征的太阳模拟器系统的一部分来提供。

在一个示例中，远心照明器包括锥形光学器件、透镜组和菲涅耳透镜。锥形光学器件具有用以接收来自发光二极管光源的光的输入孔径并具有出口孔径。透镜组与锥形光学器件的出口孔径光学连通并包括多个透镜和一个孔径光阑，并且菲涅耳透镜与透镜组光学连通。锥形光学器件、透镜组和菲涅耳透镜布置在光轴上，并且菲涅耳透镜定位在光轴上，以在照明平面处生成孔径光阑的远心图像。

菲涅耳透镜可包括围绕光轴设置的弯曲中心部分和与光轴同心的外区。每个外区可包括小平面表面。另选地，每个外区可包括弯曲表面。

菲涅耳透镜可以由UV透射材料形成。

远心照明器还可包括与菲涅耳透镜相邻的保护窗口。

远心照明器还可包括LED光源。LED光源可提供UV光和蓝光中的至少一者。另选地，LED光源可提供波长在UV波段、可见光波段和NIR波段内的光。

在另一示例中，远心照明器包括锥形光学器件、透镜组和菲涅耳透镜。锥形光学器件具有用以接收来自发光二极管光源的光的输入孔径并具有出口孔径。透镜组与锥形光学器件的出口孔径光学连通并包括多个透镜和一个变迹孔径光阑，并且菲涅耳透镜与透镜组光学连通。锥形光学器件、透镜组和菲涅耳透镜布置在光轴上，并且菲涅耳透镜定位在光轴上，以在照明平面处生成孔径光阑的远心图像。

菲涅耳透镜可以由UV透射材料形成，并且变迹孔径光阑可以具有径向变化的反射率。

变迹孔径光阑可以具有中心反射区域和/或反射环形区域。中心反射区域可以具有非圆形对称形状。

附图说明

通过结合附图来阅读以下具体实施方式，可以最好地理解本发明的结构、操作和方法及其其他目的和优点，在附图中，每个部分具有指定的数字或标记，该数字或标记对在各个附图中出现在任何地方的该部分进行标识，并且其中：

图1示出了提供高度均匀照明的远心照明器的一个示例的图解截面图。

图2是图1的远心照明器的图解截面图，其中混合菲涅耳透镜由UV透明玻璃透镜代替。

图3是图1的远心照明器的图解等距视图。

图4示出了图1的远心照明器的混合菲涅耳透镜的剖视等距视图。

图5示出了图3的远心照明器的一部分的详细图解等距视图细节。

图6示出了图5所示部件的图解等距剖视图。

图7示出了没有反射孔径光阑并包括光学光线路径的图5的部件的图解剖视图。

图8示出了图7的部件和反射孔径光阑并且包括指示LED光的再循环的光学光线路径。

图9示出了包括耦合到窗口的实心玻璃的锥形光学器件的一个示例，作为图7所示的空心锥形光学器件的替代方案。

图10示出了锥形光学器件的另选示例并且包括实心玻璃锥形光学器件元件，该元件被耦合到直壁空心元件上。

图11示出了归一化光谱功率随着可用于UV接触式曝光掩模对准器系统中的代表性UV和蓝光LED管芯的波长而变化的曲线图。

图12示出了归一化光谱功率随着可用于远心照明器的实施方案中以进行太阳模拟且波长范围在UVA、可见光和NIR区间内的LED管芯的波长而变化的曲线图。

图13示出了远心照明器的一部分的图解视图，其中图10的锥形光学器件部分由作为普通竖直中空光管输入的半尺寸锥形光学器件的2×2阵列代替。

图14A和图14B分别示出了分别用于根据图10和图13的远心照明器的单个锥形光学器件和锥形光学器件二乘二阵列的LED管芯阵列的图解顶视图。

图15示出了在远心照明器的另一示例中使用的二向色光束组合系统的图解剖视图。

图16示出了图15的光谱光束组合系统的替代方案的图解截面图。

图17示出了图15和图16的光谱光束组合系统的另选示例的图解截面图。

图18示出了图8的部件，其中具有中心孔的反射孔径由反射变迹孔径光阑代替。

图19A至图19J示出了可以在远心照明器的不同示例中使用的变迹孔径光阑的示例。

图20示出了图1的远心照明器的另选示例的图解截面图。

图21示出了在转向镜上游的图20的远心照明器的部件的放大图解截面图。

图22示出了图21所示的蝇眼微透镜阵列中的一个阵列的等距视图。

具体实施方式

如以下实施方案中所述，远心照明器使用三通远心光学成像系统。照明器在物空间和像空间中以及在孔径光阑处是远心的，以增强从LED阵列通过锥形非成像收集光学器件、反射视场光阑和远心孔径光阑而成像的强度，远心孔径光阑将光阑尺寸之外的光重新导向回到LED管芯阵列，并且通过视场光阑和孔径光阑漫反射回到混合菲涅耳透镜，以在与覆盖有光致抗蚀剂的半导体晶片接触或紧密接近的掩模平面处产生低发散性、远心、均匀的照明而用于蚀刻具有清晰分辨率的电路元件特征。该系统可另选地用作太阳模拟器，其提供均匀的模拟太阳照明以用于太阳能电池的表征。

参考图1，示出了高均匀性远心照明器的一个实施方案的图解截面图。该照明器包括LED管芯或管芯阵列105、锥形非成像收集和强度均化元件(本文称为“锥形光学器件”)110和反射视场光阑115。锥形光学器件110的输出立即入射到反射视场光阑115上。照明器还包括具有孔径光阑125和高反射率转向镜135的一组成像透镜(透镜组120)，以重新引导光轴并将光线130向下引导(作为光线140)到具有中心弯曲透镜部分的混合菲涅耳透镜145，从而导致远心光线155穿过保护窗口150，该保护窗口保护混合菲涅耳透镜145的表面特征。光线155形成视场光阑115的输出的图像160。所得到的具有窄远场角度范围的高均匀性远心照明入射到掩模165上。为了蚀刻晶片170上的图案，穿过掩模165的光将半导体晶片170上的可光致固化型光致抗蚀剂曝光。当LED管芯或管芯阵列105提供UVA和/或蓝光时，系统配置通常称为UV接触式或接近式曝光系统，诸如在与称为掩模对准器的晶片加工系统相关联的半导体加工中使用的系统。该远心布置导致UVA和蓝光入射于掩模165处，其中主光线基本上垂直于整个图像上的照明平面。照明通过整个图像区域上的高强度均匀性来表征，这实现了在光致抗蚀剂上形成清晰、无失真且分辨率良好的照明图案，并且形成了用以创建相对于掩模165具有高位置精度的很小特征的能力。可将图1的系统缩放到典型图像尺寸160为200mm至300mm的其他尺寸，以适应标准的8英寸和12英寸半导体晶片制造光刻蚀刻要求。

该系统的另选实施方案利用波长范围跨越UVA光谱带、可见光谱带和NIR光谱带的LED管芯，例如如IEC 60904-9所规定的。此类系统可作为太阳模拟器来应用，其可用于表征、测量和优化太阳能电池光伏性能。有利地，入射光的角距和光谱可被配置为严格匹配太阳的角距和光谱，并且可以满足或超过强度均匀性和光谱匹配的要求，以实现用于太阳模拟的AAA类标准。

远心照明器的另选实施方案在图2的图解截面图中示出，其中图1的菲涅耳透镜145和窗口150由玻璃透镜210代替。成像光线220产生入射到掩模165和半导体晶片170上的远心图像230。

图1的系统在图3中以图解等距视图300示出，其中在图像160的对角线上对光线320进行映射。金属芯LED板310被示出为与锥形非成像收集和均化光学器件110接口连接。许多系统部件(未示出)可包括在掩模对准器中并且有助于形成系统的垂直尺寸。此类部件可能涉及掩模、照明和晶片之间的对准以及晶片处理和移动。因此，由于包括使光路交叠的转向镜135，这导致在垂直尺寸上存在使光学系统更紧凑的重要动机。在另选实施方案中，省略了转向镜135，使得光学路径不交叠。优选地，镜135由具有高反射率干涉涂层的基本上平坦的玻璃或金属基底制成，该高反射率干涉涂层专用于适当的标称入射角，在该情况下，标称入射角为与法线成45°。例如，可以在感兴趣的光谱范围内实现90％或更大的反射率。尽管反射镜135可以另选地具有曲率，但是任何此类光功率都会引入不合期望的离轴几何像差和畸变。

图4示出了图1和图3的菲涅尔透镜145的截面等距视图。透镜145包括旋转对称的棱柱形凹槽或小平面420(在许多菲涅尔透镜实现方式中是典型的)和处于部件中间的定制混合中心区430。棱镜小平面420的角度从透镜145的外边缘向中心变化，并且每个旋转对称棱镜小平面420的宽度随着半径的减小而增加，以最佳地投射具有垂直于照明平面的主光线的光，从而实现远心性。优选地，透镜的最中心区域430通过球形或非球形轮廓来表征，以提高相对于在整个透镜孔径上具有小平面的标准菲涅耳透镜的图像均匀性。同样，小平面420可以是线性的、球形的或非球形的。对可见光透明的标准光学塑料，诸如丙烯酸(PMMA)、聚苯乙烯、聚碳酸酯或其他类似的光学聚合物，无法透射足够的UV光，并且/或者在长时间暴露于UV光之中后，经历不可接受的日晒作用或透射劣化。为了克服这些限制，可使用专门的光学级UV透明且抗日晒的聚合物，诸如购自Roehm America LLC ofParsippany，NJ的Acrylite H12 UVT Acrylic。在加速寿命测试中，在中心接近365nm的高UVA通量下，对Acrylite H12UVT Acrylic材料进行评价，并且确定其适合作为混合菲涅耳透镜材料。透镜145的前表面和后表面都优选地具有抗反射(AR)涂层，以使菲涅耳损耗最小化。与使用由UV透明且抗日晒玻璃形成的标准透镜(诸如图2的透镜210)相比，混合菲涅耳透镜145的一项益处是系统成本大幅降低。通过图1和图3的系统可以在照明平面处实现小于1％的非均匀性。

图4描绘了入射于混合菲涅耳透镜145的第一表面处的光线440、450和460，它们分别作为光线470、480和490而朝图1和图3的远心图像160进行重新引导。在生产中，可使用各种制造方法来制造混合菲涅耳透镜，包括注模或压模技术。另选地，透镜145可由UV透明且基本上防日晒的有机硅或玻璃模制或浇铸而成。常规玻璃透镜的高成本部分地是由于材料的成本以及透镜尺寸。常规透镜(例如图2中的透镜210)的中心与边缘之间的大厚度差导致透镜中心与边缘之间的透射梯度。该透射梯度是由于对所有处于较短UVA区间内的玻璃而言玻璃的光谱吸收率有限，除了用于此类大面积基底的昂贵玻璃(诸如，熔融石英或i线平版印刷玻璃)之外。然而，混合菲涅耳透镜145在其整个范围内保持相对恒定的厚度，使得任何有限的吸收几乎是均匀的。例如，使用高质量标准玻璃诸如SchottN-BK7，由于透镜厚度随透镜半径而减小所导致的有限光谱吸收差异，导致轴上透射率比视场边缘低若干百分点。因此，如果此类材料具有相对日晒稳定性，则它们的使用无论如何将导致在照明平面处不可接受的强度不均匀性。

混合菲涅耳透镜145的特征以与视场光阑115的形状类似的方式成形，使得对于正方形视场光阑，透镜145的通光孔径为正方形；然而，对于圆形视场光阑孔径115，通光孔径可为圆形的。有利地，混合菲涅耳透镜145的成本比常规透镜210(见图2)的成本低一个数量级以上，从而导致显著更低的总系统成本。

图5示出了图2的成像透镜120的详细视图，其中液体冷却歧管510附接到具有多脚电连接器530的LED板上芯片(COB)金属芯印刷电路板(PCB)520。LED管芯或管芯阵列被附接到PCB 520并且接口连接到锥形光学器件110。在透镜组120的上游侧，锥形光学系统110的端面基本上与反射视场光阑115接触。PCB 520由高导热率材料诸如铜制成并且在后侧上附接到液体冷却歧管510且在前侧上附接到LED管芯或管芯阵列105，除了用于附接到LED管芯或管芯阵列105的材料之外，没有中间热阻抗。在一个优选实施方案中，LED管芯或管芯阵列105通过高传导性焊料直接附接到铜金属芯PCB，共晶附接到铜金属芯PCB，或者通过低热阻抗粘合剂(诸如，包含烧结银材料的粘合剂)或低热阻抗预制件附接到铜金属芯PCB。在具有多个LED管芯阵列的一个优选实施方案中，LED管芯被定位成在相邻LED管芯之间具有最小空间，以使光展量(面积、立体角、折射率平方乘积)最大化，这是因为此类系统的光学器件在强度上非常受源光展量的限制。在另一优选实施方案中，如下文进一步详细解释的，管芯阵列中的LED管芯由每个LED管芯一个电流源独立地驱动，以使光功率和寿命最大化。这提供了相对于平行电驱动式LED管芯的一项优点，平行电驱动式LED管芯由于电管芯阻抗的变化而受到不利影响，电管芯阻抗的变化导致电流分布不均匀以及在实现最优性能所需的高电流密度下热失控和灾难性管芯故障的可能性。例如，尺寸为8英寸的图像系统的一个优选实施方案可包括具有总共十六个独立电流源的LED管芯的四乘四阵列。对于每侧大约1.0mm至1.2mm长的典型正方形LED管芯，每个电流源能够针对每个管芯提供多安培电流。液体冷却歧管510可另选地由强制对流冷却式散热器代替，并且/或者可包括用于提高散热率的标准热管或蒸汽室或热电式珀尔帖固态冷却器。LED管芯的输出随着温度减小而增加，因此冷却LED管芯是有益的。对于10℃的LED结温增加，LED管芯的寿命缩短大约一半，这可以激发在较低结温下操作的益处。此外，就间歇性地将掩模对准器应用于光功率而言，相变材料的使用可通过使关断时间内的热耗散平均化来减小冷却器的尺寸。

关于视场光阑115和锥形光学器件110，表面质量或AR涂层内的任何灰尘颗粒或缺陷可能导致伪影区域，该伪影区域会降低照明均匀性，照明均匀性降低将无法使光致抗蚀剂发生适当程度的固化。因此，在非扫描系统(诸如，本文所公开的系统)中，使用中空收集和均化光学器件是有益的。然而，如果足够小心，使用实心锥形光学器件和带窗口的视场光阑是可行的，只要表面上不存在伪影。

如图所示，透镜组120由处于反射孔径光阑570之前的透镜元件540、550和560以及处于孔径光阑570之后的透镜580和590组成。透镜组120优选地包括高UV透明玻璃，诸如UV级熔融石英光学玻璃或其他抗日晒玻璃。例如，由诸如Schott等公司生产的i线玻璃可用于在半导体集成电路制造中使用的UV光刻系统。这些透镜的形状可以由本领域技术人员进行优化，以在图2的照明平面160处生成期望的远心图像。

反射视场光阑115的目的是双重的。首先，视场光阑115通过掩蔽锥形光学器件110的四个玻璃侧或金属侧的内反射表面的各侧之间的任何间隙起到向照明平面160提供图像共轭的清晰轮廓的作用。第二，通过在锥形110的输出处过量填充视场光阑115，入射于视场光阑115的内部镜射LED侧表面上的LED光被“再循环”，以增强照明平面处的强度。该增强是来自视场光阑115的通光孔径外部的漫反射LED光向后反射从而入射在LED管芯或管芯阵列105处的结果。如果期望圆形照明区域，可使用圆形反射视场光阑而非正方形反射视场光阑。锥形光学器件的截面形状基本上为正方形或矩形，以导致足够的强度均化，这是因为圆形截面导致很差的近场空间混合度和强度均匀性。因此，将内切圆视场光阑用于位置115处起到反射并因此恢复原本将耗损的LED光的作用。因此，通过LED光的这种恢复，可将照明平面内的强度增加几个百分点或更多。在正方形视场光阑的情况下，过度填充以牺牲效率为代价实现在视场光阑115的输出处的光亮度增强。随着过度填充程度增加，相对于LED功率和热负载的增加，该益处减少，因此需要进行权衡，以根据系统级强度和电功率要求来确定最佳过度填充程度。图5和图6的检测器组件595对通过孔径光阑570中的小孔出射的光进行采样，并且提供了一种用于监测LED管芯或管芯阵列的强度的方式。通过将LED电源的电流修改一定量，所监测的光允许进行闭环强度操作，该量随着时间的推移而在照明平面160处实现基本上恒定的强度。

图6是图5的系统的截面图。该图示出了处于锥形光学器件110的输入孔径处的LED管芯阵列105(其被示为中空锥形)以及穿过反射孔径光阑570的切口。如上所述，反射孔径光阑115中的孔610允许检测器板595上的光传感器对来自LED管芯105的光进行采样，其中对于所有LED管芯位置而言，信号基本上等效，因为如本领域已知，每个光源的输出最均匀地分布在与反射孔径570重合的孔径光阑570处。

图7示出了从LED管芯或管芯阵列105穿过成像透镜组120的图1的一部分的图解截面图。锥形光学器件110的输入孔径710与LED管芯或管芯阵列105重合，并且输出孔径720处于锥形光学器件110的相对端处并且基本上与视场光阑115重合。在输出孔径720处离开锥形光学器件110的光的远场角度由输出孔径尺寸与输入孔径尺寸的比率以及锥形光学器件110的长度来确定。对于非均匀的输入强度分布，离开锥形光学器件110的光的近场均匀性随着锥形光学器件110的长度增加而增加。作为示例，非均匀的输入强度分布可能是由LED管芯表面电极、引线接合、具有不同光谱内容的LED管芯、以及阵列内不同LED管芯之间的管芯到管芯差异所造成的。与其他方法(诸如，直接通过透镜或其他非成像部件诸如复合抛物面聚光器(CPC)进行成像)相比，平侧锥形光学器件导致更高的近场空间强度分布混合度。例如，对于基本上均匀的输入强度分布(这不是标准LED管芯的特征)，CPC仅在近场内产生均匀的强度分布。在一个优选实施方案中，反射视场光阑115由薄铝制成。例如，反射视场光阑115可以由可购自Anomet Corporation,Brampton,Ontario,Canada的高反射率铝片来制造，这些高反射率铝片在UVA光谱区间内具有90％或更大的反射率。在另一示例中，可使用施加到玻璃基底上的高反射率宽带干涉涂层，以在期望的光谱范围内实现大于95％的反射率。锥形光学器件的优选长度由掩模对准器系统的系统均匀性规格来确定并且通常与图7所示的相对尺寸一致。应注意，锥形光学器件110可由耦合到正方形或六边形均化器的光纤束或液体光导代替；然而，此类部件通常效率较低并且导致掩模平面处的强度较低。

现在参考图8，示出了图7的系统，其中光线810从LED管芯或管芯阵列穿过，从中空反射锥体110的顶侧和底侧反射，穿过视场光阑115的顶边缘，被引导穿过透镜元件540、550和560，然后沿着光线路径820从孔径光阑570的镜像外边缘反射，从而返回到LED阵列105。然后光线810从LED管芯阵列的顶部(其具有大约50％的漫反射率)朝锥形110的输出孔径720漫反射，使得光线810具有穿过孔径光阑570到照明平面160的高概率，从而增强了强度。通过从锥形光学器件110过量填充该系统的光展量，结合与反射孔径570的再循环效应耦合的反射视场光阑115，强度被增强到超过将通过严格光展量匹配所限制的强度。因此，在掩模165处生成高强度、高均匀性、高光亮度的入射照明分布，以在覆盖有光致抗蚀剂的半导体器件170上生成图案。反射孔径光阑的通光孔径之外的区域被照亮，并且为位于反射孔径光阑570中的小孔610附近的光电传感器提供位置。透镜系统的一个重要方面是：入射到反射孔径光阑570上的通量是远心的，使得该通量基本上按锥形光学器件110的接受角之内的角度范围而朝视场光阑孔径往回传播，以允许所返回的通量横穿回LED阵列105。

现在参考图9所示的图解截面图，前述附图的锥形光学器件110由固体电介质锥形光学器件910代替，该固体电介质锥形光学器件由UV透射和抗日晒材料制成。例如，诸如熔融石英或先前提到的i线玻璃或其他抗日晒玻璃等材料、或由已知抵抗来自高强度UVA通量的破坏的UV透明硅酮制成的材料。对本领域技术人员而言显而易见的是，假定使用针对光学器件的透明材料以及针对较短光谱波长的AR和反射涂层，也可结合较短波长的UVB和UVCLED管芯，以解决由于氧阻聚(有时与开发跟汞灯一起使用的传统光引发剂相关联)引起的表面固化问题。LED管芯或管芯阵列105在输入面920处与固体电介质锥形光学器件910相邻并且在输出面930处离开。在输出面930处，将窗口940用作保持固体电介质锥形光学器件930的机械装置。应当理解，可以通过涂覆窗口940的LED侧来形成反射视场光阑，以执行与图7的反射视场光阑115类似的功能。输入面920在离开朗伯分布的半球体的立体角上入射，该朗伯分布离开LED管芯或管芯阵列。因此，抗反射涂层将不会有效并且导致大约8％至10％的反射菲涅耳损耗。多次内反射；然而，与带空心镜涂层的锥形光学器件的内侧的反射耗损相比，基本上是无损的，在某种程度上弥补了该差异。特别地，锥形光学器件越长，透射越有利于实心锥形光学器件。然而，对于相同次数的内部反射和因此的均化效果，由于由固体电介质锥形光学器件的电介质的斯涅耳折射定律导致的角度偏差，中空锥形光学器件将更短。

现在参考图10，示出了混合非成像收集光学器件的图解截面图，其中具有输入孔径1020和输出孔径1030的第一固体电介质锥形光学器件1010耦合到第二元件，该第二元件包括直壁中空光管1040，该直壁中空光管具有耦合到透镜组120的输入孔径1050和输出孔径1060。应当注意，如果期望的话，为了前述增强像平面160处的强度的目的，反射视场光阑115可位于输出孔径1060处。电介质锥形光学器件1010和直壁中空光管1040的长度可以在长度上进行优化，以给出均匀性、成本和强度的最佳整体组合。可使中空光管1040的输入孔径1050小于电介质锥形光学器件1010的输出，以像图9的窗口940的功能那样机械地保持后者。显然，中空光管1040的壁可以按一定角度逐渐变细。另选地，中空光管1040可以相反地形成为固体电介质，对于该固体电介质，通量被全内反射，而无需针对内壁的镜面。

适用于掩模对准器应用的LED光谱示于图11的曲线图中。UVA和蓝光光谱范围内的任何中心波长都适用于图1的系统；然而，为了下面详细讨论的光谱光束组合的目的，必须在LED光谱之间具有最小的光谱重叠。掩模对准器系统的LED光源的常见中心波长集中在365nm、405nm和435nm附近，它们与最广泛使用的光引发剂响应很好地结合。三个波长的光谱被示出为在它们各自的发射光谱之间具有很小的光谱重叠，并且因此是采用二向色光束组合方法进行耦合的良好波长选择。

参考图12，示出了UVA、可见光和NIR范围内的LED的归一化光谱输出的光谱图。假如LED管芯的驱动电流稳定，则装配有类似波长的LED光源阵列的图1的系统产生高均匀性的太阳模拟器系统，其通过AAA性能来表征。光学材料涂覆有宽带AR和镜面涂层，以形成高透射效率。在一些情况下，具有不同折射率和色散度范围的玻璃可用于实现太阳模拟器照明系统固有的宽波长范围内的性能。

图13示出了图10所示的收集光学器件的另选实施方案的图解截面图。在所示实施方案中，由LED阵列1110和1140以及分别具有输入孔径1130和1150以及输出孔径1135和1060的相关联的电介质锥形光学器件1120和1145(在图中仅两个可见)所描绘的按比例更小的LED管芯阵列(在图中仅两个可见)的二乘二阵列被用作中空光管均化器1040的输入。另选地，锥形光学器件阵列可以相反地包括中空锥形光学器件，或者竖直光管1040可以具有固体电介质构造。下文描述了所示的另选实施方案的优点。

现在参考图14A和图14B，分别示出了图10和图13的LED锥体和LED阵列的俯视图。尺寸为一毫米的LED管芯的总数在两种情况下是相同的；然而，通过锥形光学器件1220耦合的图14A的四乘四阵列1210的十六个LED管芯在图14B中由锥形光学器件1320、1330、1340和1350通过LED管芯1310的四个对称定位的二乘二阵列代替。与图14A的方法相比，图14B的方法有两个优点。首先，实现了针对相等强度均化等级的总长度的减小，并且其次，由于来自相邻LED管芯的LED管芯结的发热的减少，四个LED管芯阵列1310的物理分离导致更高的热性能。因此，增加的寿命和/或强度是可能的，这与随着LED管芯结温增加而降低的LED效率有关，这是LED管芯的公知特性。在一侧上的尺寸大约为1.0mm至1.2mm的十六个LED管芯与用于将八英寸半导体晶片曝光的掩模对准器一致。这导致在具有工业级领先强度的照明平面处小于3°的远场角度。此类很小的远场照明角度以及在整个图像上小于百分之一的高远心度实现了要压印在生产掩模对准器系统的半导体晶片上的特征的必要清晰度。系统的尺寸可以按比例增加到在IC和LED管芯生产制造设施中越来越普及的十二英寸半导体晶片所需的尺寸。针对十二英寸晶片掩模对准器的传统汞基灯系统主要基于5kW汞灯，其具有有限寿命，表征为高操作成本，需要频繁校准，并且导致用于替换短寿命汞弧光灯的大量停机时间，生成有毒臭氧和热量，与基于本文所述LED技术的系统相比，这大大增加了安装及维护成本。本文所述的实施方案的另一重要属性是能够在图14A的情况下在视场光阑115的输出处或在锥形收集光学器件1220的输出处，或者在图14B的椎体1320、1330、1340和1350的输出处，于一个公共孔径内混合多个LED管芯波长。锥形光学器件在空间上混合近场内的强度的能力是优异的；然而，在LED管芯阵列附近的锥形光学器件的入口孔径处定位的复合光源越均匀，则为了覆盖更宽的光谱范围，从而允许各种光引发剂的吸收光谱的变化，在多管芯、多波长配置的输出面处的均匀性越好。例如，参考图14A，对于三波长系统的情况，诸如365nm、405nm和435nm都组合在一个LED阵列中，将第一波长LED(例如，365nm管芯)定位在位置1、4、6、11、13和16中，将405nm定位在位置2、7、9、12和14中，并且将435nm管芯定位在位置3、5、8、10和15中，这基于(max-min)/(max+min)的标准度量，导致针对所有波长的可接受照明平面非均匀性独立地且共同地优于1.5％。如果LED管芯更小并因此使用更多的LED管芯并以类似方式均匀分布，则形成的均匀性更好。同样，如果期望的话，增加锥形光学器件的长度提高了均化度并且进一步提高了均匀性。如果图14A的所有LED管芯的工作波长相同，则非均匀性小于0.5％，这比照明平面上的2％至3％非均匀性的工业级标准更好。对于包含四个不同LED管芯阵列和锥形光学器件的图14B的情况，如果每个LED阵列包括所有LED管芯波长，则近场均匀性是最佳的。例如，管芯编号1、4、5、8、9、12、13和16可以是365nm管芯，管芯位置3、7、11和15可以是405nm，并且管芯位置2、6、10和14可以是435nm。注意，在这两种情况下，365nm管芯的数量高于405nm和435nm的数量，这是因为现有技术UVA LED管芯对于较短波长365nm管芯的光功率低于405nm和435nm管芯的光功率，这两者大致相同。注意，也可设想LED管芯的其他配置。利用非顺序光学设计程序(诸如，)进行建模，这可用作一种确定由LED管芯的任何给定布置所导致的均匀性的技术。下文讨论了将LED光源光谱分离成物理上分离的管芯阵列的动机，为此提出了各种光谱光束组合方法，这些方法允许通过共享具有不同光谱的相同公共路径光学器件来增加照明平面处的强度，而不增加下游系统光展量。

具有光谱分离式LED波长的LED阵列的二向色耦合(如图11的曲线图所指示)可用于以图解截面图示出的图15的系统中。该系统利用两个光谱带，这两个光谱带共享光谱组合元件1475下游的公共光路。因此，总光功率得到增加而光展量没有任何增加，并且实现了与图1的系统相同的窄远场角度。第一锥形光学器件910耦合LED阵列105的输出，通过第一光学元件1410和1420而朝向并穿过二向色分束器1475，然后穿过公共路径透镜1478到达基本上远心的孔径光阑1480，然后在被透射到图1的系统的公共转向镜和远心成像透镜之前，穿过光学系统透镜1482和1485的两个附加的第一部分。在光谱上与LED阵列105的光分离且来自第二LED阵列1435的光由具有输入孔径1445和输出孔径1450的第二锥形光学器件1440收集，该第二锥形光学器件通过窗口1445机械地保持在适当位置并且通过分别具有与透镜1410和1420相同的光学规格的第一透镜1460和1465进行耦合。透镜1465的光输出通过公共路径透镜1478、孔径光阑1480、透镜1482和透镜1485而反射离开二向色分束器1475，其中光线1490朝类似于图1的系统的转向镜和远心成像透镜(未示出)投射。

现在参考图16，示出了光展量保持系统的图解截面图，该系统包括通过电介质锥形光学器件而组合的三个二向色LED阵列1505、1535和1555。来自LED管芯阵列1505的光被耦合到具有输入孔径1515和出口孔径1520的锥形光学器件1510中，进入直角三角形玻璃元件1525中。然后，当光线全内反射离开棱镜1580和1575的外壁时，光穿过空气间隔的直角棱镜1530，从而充当实心光管并继续全内反射离开直角棱镜1525和1530的侧壁并且进入具有输入孔径1590和输出孔径1595的公共中空光管1585的输入孔径中。光传播到反射视场光阑115并且通过透镜组120进行成像。同样，来自LED阵列1535的光由具有输入孔径1545和出口孔径1550的玻璃锥形光学器件1540来收集，穿过棱镜1550的邻接面，通过全内反射而反射离开棱镜1530的空气间隔出口表面，然后反射离开棱镜1530斜边上的二向色涂层。反射光线沿系统光轴传播，并全内反射离开棱镜1530与椎体1540输出面之间的邻接面，然后通过全内反射继续以类似方式穿过棱镜元件1580和1575，随后进入中空光管1585中。类似地，LED阵列1555由具有输入孔径1565和出口孔径1570的锥体1560来收集，通过棱镜1575的邻接入射面，全内反射离开棱镜1575的邻接中空光管1585的入射面1590的出射面，随后反射离开棱镜1575的空气间隔二向色涂覆斜边，然后全内反射离开棱镜1575的邻接锥体1560的入射面的外表面，然后穿过中空光管1585的入射面1590，现在与阵列1505和1535的输出一起处于共同路径中。此类配置的优点是光束组合元件的尺寸紧凑以及非公共光路透镜的减少，如图15的光束组合系统的情况。光线1598中存在的耦合光谱然后以与图1所示类似的方式传到转向镜和远心成像透镜。棱镜元件1525、1530、1580和1575以至少几微米量级而空气间隔开，以执行二向色光束组合和实心玻璃光管的全内反射特性的双重功能。

现在参考图17，示出了三个光谱分离式LED管芯阵列105、1605和1640的二向色光束组合和光展量保存系统的另选实施方案的图解截面图。在该实施方案中，每个LED管芯阵列具有其自己的完整光学前端，类似于锥形光学器件110、具有图1的系统的出射光线130的透镜组120。LED阵列1605耦合到锥形光学器件1610和视场光阑1615中，随后通过具有孔径光阑1625和发射光线1630的透镜系统1620进行传播，然后被二向色分束器1632沿着与LED阵列105的光轴共同的光轴反射离开并朝二向色分束器1670重新引导，随后朝混合菲涅耳元件145向下反射并成像到照明平面160上。以类似方式，LED阵列1640由具有视场光阑1650的锥形光学器件1645、透镜系统1655通过孔径光阑1660来收集，其中所发射的光线1665随后透射通过二向色分束器1670，由此与来自二向色LED阵列105和1605的通量组合。该配置的优点是三个LED阵列光源105、1605和1640通过标准二向色分束器进行耦合。该配置的缺点是使用了更多的光学元件并且系统尺寸更大。一般来说，光谱分离式LED阵列输出与这些阵列耦合得越近，所需的元件越紧凑且越少，这是因为公共路径共享元件的数量与系统部件的总数成比例地增加。优选配置可基于保持光学元件所需的机械部件的复杂性和成本。

现在参考图18，示出了图8的系统的图解截面图，其中反射孔径光阑570在图18中由窗口反射孔径光阑1710代替。窗口反射孔径光阑1710允许窗口反射孔径光阑1710的各部分通过透明区域、高反射率区域和/或部分透明部分反射区域而选择性地进行图案化。例如，图19A示出了有效地具有与图8的孔径光阑570相同的功能性的窗口反射孔径光阑，其中透明孔径处于由黑色所指示的反射环形区域围绕的中心处。在窗口反射孔径光阑为透明的区域中，使用抗反射涂层来使透射通量最大化。在一个优选实施方案中，面向照明平面的窗口光阑的透明背侧具有抗反射涂层。另选地，图19B示出了变迹孔径光阑，其中中心直径区以与图19A的窗口反射孔径光阑类似的方式进行反射式涂覆。这仅留下透明环形区域，针对该区域，来自LED的发射透射通过孔径光阑。由此，如图19C所示，修改了在图1的照明平面160处形成的衍射图案，其中如具有曲线图的惠更斯点扩散函数(PSF)的曲线图所示，抑制了所得到的艾里斑的环，其中强度被绘制为离衍射斑中心且以微米为单位的径向距离的函数。因此，通过由窗口1710来提供变迹孔径光阑，可以提高掩模对准器光学系统的分辨率。成像照明平面处的衍射图案被计算性地确定为孔径光阑的空间频率透射函数的快速傅里叶变换(FFT)。变迹孔径光阑可以提高像平面分辨率。例如，变迹孔径光阑通常用于天文学领域，以增强望远镜分辨两个成像相近的星星的能力。对应用于掩模对准器系统的分辨率的净效应是衍射以及几何像差和色差的组合效应的函数。因此，重要的是将色差效应和几何像差(诸如球面像差、彗差和像散)最小化，特别是在离轴点处，使其最小化到此类效应和像差会影响光线角距的程度。同样，期望保持高度的远心性，使得在成像照明平面中的任何点处入射的光束的主光线基本上垂直于照明平面。优选地，该系统由在照明平面的整个有效面积内相对于远心条件的偏差小于1％来表征。

尽管上述变迹孔径光阑具有径向变化的反射率和圆对称性，但是也可使用其他变迹孔径光阑。参考图19D和图19E，分别示出了具有水平和45°旋转正方形的正方形中心反射变迹孔径光阑。所得到的衍射图案具有在公知图案中垂直于各侧轴线的十字形扩展图案。由于各侧的三个不同角度，图19F的孔径函数形成了对称设置的星形图案化衍射图案。可使用其他变迹孔径图案。例如，图19G示出了另一此类变化。所得到的衍射图案可通过FFT和PSF表征计算模拟工具来模拟，这些工具在光学信号处理领域中是容易获得且已知的。有待利用的变迹孔径函数的最佳选择由将被蚀刻到正在进行图案化的半导体基底中的图案几何形状来确定。由图19H和图19I所表示的正和负高斯函数或者如图19J所示的混合函数都可导致有利的分辨率提高性能。应当注意，需在入射到照明平面处的透射强度与变迹孔径光阑的分辨率增强效果之间进行取舍。例如，参考图19B的变迹孔径光阑与图19A的完全打开标准和非变迹孔径光阑之间的透射比较结果，所透射的总光功率是透射光功率与阻挡光功率的函数。在系统结合了本发明的优选实施方案的反射孔径技术的情况下，原本对于非反射孔径光阑而言将耗损的光功率通过从LED管芯表面漫反射返回而部分地恢复，以增强在照明平面处所得到的图像的强度。

现在参考图20，示出了针对掩模对准器应用的UV接触式曝光系统的图解截面图，该系统结合了匹配透镜阵列的科勒蝇眼照明组。此类匹配的一组透镜阵列已经广泛用于投影系统中并且降低了整个图像上的强度波动，使用诸如汞弧灯等非均匀性光源就会发生此类强度波动。来自LED管芯或管芯阵列1805的光由具有靠近二维透镜阵列1820定位的输出孔径1815的中空或实心玻璃锥形光学器件1810在近场内进行收集和均化。图22示出了图21的透镜阵列1820的详细等距视图，从而示出了均具有正方形孔径的各个透镜2010。在电介质阵列的两侧，透镜阵列可具有功率，并且除了球面半径之外，表面曲率还可包括非球面项；然而，在一些应用中，可仅在阵列的一侧上形成标准球面透镜曲率。另外，对于透镜2010是平凸面的实施方案，面向更靠近LED光源的凸表面和更靠近像平面的平坦侧，其中第二透镜阵列定位成远离第一透镜阵列一个焦距(对于给定透镜元件)，并且将第二透镜阵列的输出定位成靠近孔径光阑1830或在距该孔径光阑一定焦距内，照明平面160处的所得图像(见图1)对应于蝇眼透镜阵列中的各个透镜元件的形状。因此，如果期望照明平面处的强度图案为正方形，则该阵列中的每个透镜的形状为正方形。照明平面处的图像是透射通过每个透镜孔径的光的叠加，这就是为什么第一微透镜阵列平面处的输入均匀性由于巨大的平均效应而并不关键的原因。锥形光学器件1810的使用消除了使用基于成像透镜的系统来照射微透镜阵列原本所需的许多部件，这导致系统更紧凑。使用微透镜阵列科勒蝇眼聚光的一个缺点是：与图1的系统相比，针对给定数量的LED管芯，远场内的光亮度较低。具体地，如果没有孔径光阑1830，则照明平面处的远场基本上为正方形，因此圆形远场界限之外的远场角度具有增加的角距，从而导致更大的模糊效应，特别是在掩模与基底之间存在微米至几十微米量级的有限间隙的接近式掩模的情况下。如果使用圆形孔径光阑，则照明平面处的强度比图1的系统的强度小大约25％。因此，为了实现使几何角模糊最小化所需的远场更小，其表现不如图1的系统好。透镜阵列可由与上文针对其他透镜、模制或浇铸光学部件所讨论的材料类似的材料制成，并且可进行AR涂覆以降低菲涅耳反射耗损或使其最小化，从而提高照明平面处的强度。

Claims (15)

1.一种远心照明器，包括：

锥形光学器件，所述锥形光学器件具有用以接收来自发光二极管光源的光的输入孔径并且具有出口孔径；

透镜组，所述透镜组与所述锥形光学器件的所述出口孔径光学连通，所述透镜组包括多个透镜和一个孔径光阑；和

菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜与所述透镜组光学连通，其中所述锥形光学器件、所述透镜组和所述菲涅耳透镜布置在光轴上，并且其中所述菲涅耳透镜定位在所述光轴上，以在照明平面处生成所述孔径光阑的远心图像。

2.根据权利要求1所述的远心照明器，其中所述菲涅耳透镜包括围绕所述光轴设置的弯曲中心部分和与所述光轴同心的外区。

3.根据权利要求2所述的远心照明器，其中每个外区包括小平面表面。

4.根据权利要求2所述的远心照明器，其中每个外区包括弯曲表面。

5.根据权利要求1所述的远心照明器，其中所述菲涅耳透镜由紫外透射材料形成。

6.根据权利要求1所述的远心照明器，还包括与所述菲涅耳透镜相邻的保护窗口。

7.根据权利要求1所述的远心照明器，还包括发光二极管光源。

8.根据权利要求7所述的远心照明器，其中所述发光二极管光源提供紫外光和蓝光中的至少一者。

9.根据权利要求7所述的远心照明器，其中所述发光二极管光源提供波长在紫外光谱带、可见光谱带和红外光谱带内的光。

10.一种远心照明器，包括：

锥形光学器件，所述锥形光学器件具有用以接收来自发光二极管光源的光的输入孔径并且具有出口孔径；

透镜组，所述透镜组与所述锥形光学器件的所述出口孔径光学连通，所述透镜组包括多个透镜和一个变迹孔径光阑；和

菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜与所述透镜组光学连通，

其中所述锥形光学器件、所述透镜组和所述菲涅耳透镜布置在光轴上，所述菲涅耳透镜定位在所述光轴上，以在照明平面处生成所述孔径光阑的远心图像。

11.根据权利要求10所述的远心照明器，其中所述变迹孔径光阑具有径向变化的反射率。

12.根据权利要求10所述的远心照明器，其中所述变迹孔径光阑包括中心反射区域。

13.根据权利要求12所述的远心照明器，其中所述中心反射区域具有非圆形对称形状。

14.根据权利要求10所述的远心照明器，其中所述变迹孔径光阑包括反射环形区域。

15.根据权利要求10所述的远心照明器，其中所述菲涅耳透镜由紫外透射材料形成。