JP2013207163A - 光源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の光源を使用しながら、効率よく集光して照明することができる。
【解決手段】インテグレータレンズ50の光軸E周りに回転楕円面の一部であるリフレクター32A、32Bを対向配置し、それぞれの焦点位置にLED40A、40Bが配置される。そして、反射プリズム34を光軸上に配置することによって、LED40A、40Bから射出した光を、インテグレータレンズ50に入射させる。このとき、インテグレータレンズ50の入射角θ1が出射角θ2以下となるように、リフレクター32A、32Bが配置される。
【選択図】図5
【解決手段】インテグレータレンズ50の光軸E周りに回転楕円面の一部であるリフレクター32A、32Bを対向配置し、それぞれの焦点位置にLED40A、40Bが配置される。そして、反射プリズム34を光軸上に配置することによって、LED40A、40Bから射出した光を、インテグレータレンズ50に入射させる。このとき、インテグレータレンズ50の入射角θ1が出射角θ2以下となるように、リフレクター32A、32Bが配置される。
【選択図】図5
Description
本発明は、露光装置等に使用される光源装置に関し、特に、LEDなどの光源を複数配置させた光源装置の集光光学系に関する。
露光装置に設けられた光源装置は、放電ランプ、あるいはLEDなどの光源を備え、放電ランプ周囲には集光用リフレクターが配置されている。放電ランプから放射された光は、リフレクターで反射した後、照明光学系に入射する。
照明光学系では、インテグレータレンズによって照明光の照度が均一化され、また、コリメータレンズによって平行光に変換される。そして、照明光学系を出射した光は、マスク、あるいはDMDなどの光変調素子アレイによってパターン光に変換された後、結像光学系によって基板表面に結像する。
さらに、複数の光源を配置させてマルチ点灯を行なうことにより、照度(露光量)を増加させることが可能である(例えば、特許文献1、2参照)。特に、LED光源など個々のランプの発光強度が大きくないランプを使用する場合、スループット向上を図るため、マルチ点灯によって照度アップすることが有効である。
しかしながら、照明光学系の入射面に向けて複数の放電ランプおよびリフレクターを配列した場合、複数のランプの全体的射出範囲に相当する集光円が大きくなり、インテグレータレンズへの入射角が大きくなる。入射角が大きくなると、インテグレータレンズに入射した照明光の一部が基板照射に利用されず、集光効率が低下する。
複数の光源を用いて集光効率を上げる方法として、各光源の光を略同じ場所に集める構成が知られている(特許文献3参照)。そこでは、反射プリズムを照明光学系の光軸上に配置することにより、複数の放電ランプからの光を光軸近傍に集め、その集光部分を輝点として、照明光を照明光学系に入射させる。
LEDなどの光源は、それ自身が厚みのある面発光光源であり、また、光源から射出される光は拡散を伴う。そのような光を単に集光させても、その光を効率よく適正な入射角度でインテグレータレンズに入射させることはできず、集光効率が向上しない。
したがって、複数の光源を用いながら、効率よく照明光を照明光学系に入射させることが必要とされる。
本発明の光源装置は、露光装置に適用可能であり、それぞれ焦点が規定される複数の凹面鏡と、それぞれ対応する焦点位置に配置される複数の光源とを備える。さらに、前記複数の凹面鏡で反射した前記複数の光源からの光を反射して照度均一化光学系(例えば、インテグレータレンズ)へ導く複数の反射面を有し、前記照度均一化光学系の光軸に沿って配置される反射光学素子を備える。例えば、複数の光源は、LEDなど、略円錐状の配光特性を有する面発光光源によって構成される。
本発明では、単一の仮想凹面鏡とその焦点位置にある単一の仮想光源とを、前記照度均一化光学系の光軸に沿って反射光学素子後方側に規定したとき、前記複数の凹面鏡それぞれが、前記複数の反射面に対して前記仮想凹面鏡の一部と共役な位置に配置されており、また、前記複数の光源が、前記複数の反射面に対して前記仮想光源と共役な位置に配置されている。
すなわち、本発明では、単一の凹面鏡と単一の光源とを備えた光源部を、照度均一化光学系の光軸に沿って仮想規定できるように、複数の凹面鏡および複数の光源を光軸周囲に配置し、反射光学素子を照度均一化光学系の光軸上に沿って配置する。ただし、光学的に共役な位置とは、仮想の光源部から照度均一化光学系に入射する光の光路と、複数の凹面鏡、複数の光源および反射プリズムによって照度均一化光学系に入射する光の光路が、光学的に等価であることを示す。
本来、光源はそれ自身サイズをもち、配光特性をもつが、光学的に共役な位置に単一の凹面鏡、光源を規定することが可能な場合、複数の光源から照射される光を、あらかじめ定められた所定の入射角に従って進行させることが可能となる。
特に、出射方向(光軸の向き)の異なる複数の光源を配置することにより、仮想の凹面鏡の焦点位置にある仮想の光源からは、周方向全体に渡って径方向外側へ放射させることが可能であり、配光角が狭い光源を複数個配置することにより、管状放電ランプのように放射状の光を出射させて、照度均一化光学系に入射させることが可能となる。
照度均一化光学系を進行する過程での光量ロスを防ぐことを考慮すれば、照度均一化光学系への入射角が、前記照度均一化光学系の出射角に基づいた所定角度以下であるのが望ましい。例えば、入射角が出射角度以下となるように定められる。
凹面鏡の構成としては、回転楕円面の一部として形成することができる。例えば、回転楕円面を略等分割して複数の部分的回転楕円面を形成することが可能である。光学的に共役な位置に規定される前記複数の凹面鏡の他の焦点位置が、前記照度均一化光学系の光軸上となるように、凹面鏡を配置すればよい。
あるいは、複数の凹面鏡を、回転放物面の一部として構成することが可能である。例えば、回転放物面を略等分割して複数の部分的回転放物面を形成すればよい。この場合、光学的に共役な位置として規定される前記複数の凹面鏡の準線が、前記照度均一化光学系の光軸に略垂直な平面と平行になるように配置される。
例えば、前記複数の凹面鏡は、前記反射光学素子を中心として、前記照度均一化光学系の光軸周りに所定間隔で配置可能である。また、前記複数の凹面鏡が、前記照度均一化光学系の光軸に関して対称的な位置に配置可能である。
前記反射光学素子の形状としては、複数の凹面鏡、複数の光源の個数に従い、三角柱形状、三角錐形状、四角錐形状などに構成することが可能である。また、反射光学素子の反射面は、前記照度均一化光学系の光軸に対して略45°の角度となる位置に配置することが可能である。
本発明によれば、複数の光源を使用しながら、効率よく集光して照明することができる。
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態である露光装置を模式的に示した斜視図である。
露光装置(描画装置)10は、フォトレジストなどの感光材料を塗布あるいは貼り付けた基板SWに対し、照明光を投影してパターンを形成する露光装置であって、ゲート状構造体12、基台14を備える。基台14には、描画テーブル18を支持するX−Yステージ駆動機構(ここでは、図示せず)が搭載され、描画テーブル18上に基板SWが設置されている。
描画装置10は、露光制御部(ここでは図示せず)を備えており、描画制御部によって露光動作が実行、制御される。ゲート状構造体12には、基板SWの表面にパターンを形成する露光ヘッド16が設けられ、支持部材(ここでは図示せず)に取り付けられている。また、ゲート状構造体12の上部には、光源装置20が配置されている。
光源装置20から放射される光は、照明光学系(ここでは図示せず)を介して露光ヘッド16に導かれる。露光ヘッド16は、DMD(Digital Micro-mirror Device)を備えており、微小矩形状マイクロミラーがマトリクス状に2次元配列されている。各マイクロミラーは、描画データに基づいてON/OFF制御される。
描画テーブル18が走査方向に沿って移動するのに伴って露光動作が実行され、所定の露光ピッチで各マイクロミラーがON/OFF制御される。基板SWを相対移動させながらラスタ走査を順に行うことにより、パターンが基板全体に形成されていく。
図2は、光源装置および照明光学系を示した図である。
光源装置20は、2つのLED40A、40Bを備え、その周囲に配置されたリフレクター32A、32B、反射プリズム34とともに光源部30を構成する。LED40A、LED40Bから照射された光は、リフレクター32A、32Bによって反射し、反射プリズム34へ導かれる。そして、反射プリズム34に入射した光は反射によって照明光学系70へ導かれる。
照明光学系70は、インテグレータレンズ50、コリメータレンズ60を備える。微小レンズを配列させた2枚のレンズ群から成るフライアイレンズによって構成されたインテグレータレンズ50は、入射する照明光の光強度を均一化する。インテグレータレンズ50の射出側に設けられたコリメータレンズ60は、照明光を平行光に変換する。照度均一で平行光となった照明光は、露光ヘッド16に向けて進む。
図3は、リフレクター、LEDと反射プリズムの側面図である。図4は、リフレクター、LEDと反射プリズムの正面図である。ただし、リフレクターは1つのみ図示している。
リフレクター32Aは、回転楕円面を略4分割することによって形成される部分的楕円面形状になっており、支持部材(図示せず)によって位置決めされている。略円錐状の配光特性を有するLED40Aは、その回転楕円面の焦点位置において保持部材(図示せず)によって保持されている。また、LED40Aは、その射出方向がリフレクター32Aの反射面側を向くような姿勢で位置決めされている。図示しないLED40B、リフレクター32Bも同様な構成になっている。
反射プリズム34は、断面形状が二等辺三角形である三角柱状プリズムであり、その側面に反射面34A、34Bを形成する。反射プリズム34の残りの側面34Cは光軸Eに関して垂直である。また、反射面34A、34Bは、光軸Eに関して対称的な位置関係にあり、インテグレータレンズ50の光軸Eに関して略45度の傾斜角をもつ。
回転楕円面の一部であるリフレクター32A、32Bは、反射プリズム34の反射面34A、34Bの上方もしくは下方側に光軸Eに関して対称的な位置に配置されており、光軸E周りに略180度間隔で配置されている。
反射面34Aは、リフレクター32Aによって反射した光を、反射面34Bは、図示しないリフレクター32Bからの光をそれぞれインテグレータレンズ50に向けて反射する。この2方向からの光束が合成されてインテグレータレンズ50に入射する。
図5は、照明光の光路を示した図である。図5を用いて、反射プリズムを用いた集光について説明する。
上述したように、リフレクター32A、32Bは、回転楕円面の一部を構成する形状であり、2つを組み合わせると、回転楕円面を略半分に分割した形状になる。また、LED40A、40Bは、その回転楕円面の焦点位置にある。
ここで光学的に共役な位置関係を考えると、反射プリズム34を配置することにより、共役な位置にある楕円面形状のリフレクター42(以下、仮想リフレクターという)とLED43(以下、仮想LEDという)を仮想し、規定することができる。
ただし、ここでの共役とは、光軸に沿って配置される仮想LED43および仮想リフレクター42から構成される光源部によってインテグレータレンズ50へ入射する光の光路と、上述したリフレクター32A、32BおよびLED40A、40Bから構成される光源部によってインテグレータレンズ50へ入射する光の光路が、光学的に等価であることを表す。
仮想リフレクター42は、回転楕円面を略2分割することによって形成される半楕円形状の断面を有し、その焦点IFは光軸Eを通り、その反射面はインテグレータレンズ50の方向を向けて開口するように配置される。リフレクター32A、32Bは、仮想リフレクター42の一部に相当する。
したがって、光学的に共役な位置関係を考慮すれば、リフレクター32A、32Bの他の焦点位置は、インテグレータレンズ50の光軸E上にあり、焦点IFと一致する。
一方、仮想LED43は、その焦点IFに位置し、射出方向は、LED40A、40Bを組み合わせたものとなる。すなわち、互いに反対方向を向いて径方向外側に向けて略円錐状の配光特性をもつ光が照射する。
このように仮想リフレクター42と仮想LED43が配置されていると仮定したとき、仮想LED43から放射される光ILは、仮想リフレクター42によって反射した後、インテグレータレンズ50に入射する。ただし、反射プリズム34はその間に存在しないものとする。
そして、仮想リフレクター42のインテグレータレンズ50に対する入射角(集光角)をθ1、射出角をθ2とすると、図5のように配置された仮想リフレクター42と仮想LED43から構成される光源部は、θ1≦θ2を満たすように光を照射する。
従来知られているように、インテグレータレンズ50の出射側レンズに配列した微小光学素子に形成される光源像がそのサイズを超え、隣接する素子に光が一部入射すると、この光は露光には使用することができず、集光効率が低下する。そのため、θ1≦θ2を満たすように、インテグレータレンズ50のサイズおよび入射側レンズ、出射側レンズ間の距離を定めるのが望ましい。
しかしながら、被照射面へ入射する光の最大入射角度を表すコリメーション角は、露光条件などによって適正な角度があらかじめ決まっていることが多く、また、出射角θ2も、光学系の配置関係上あらかじめ設定されていることが多い。したがって、インテグレータレンズを大きくし、入射角θ1が大きくても光量ロスをなくすことは困難である。
その一方で、単体では光強度の弱い複数のLEDをそのまま配置すると、LEDおよびリフレクターの配置場所は、当然光軸から外れた位置になるため、入射角θ1はその分だけ大きくなる。これでは、光量ロスを避けることができない。
また、プリズムなどを用いて複数のLEDの輝点を光軸近傍に配置したとしても、各LEDは略円錐状の配光特性であるため集光できず、光が拡散していく。したがって、インテグレータレンズの入射角θ1に従って進行しない一部の光が存在し、集光効率が上がらない。
一方、本実施形態では、仮想リフレクター42と仮想LED43から成る光源部と同等、等価な光源部を、光軸E周りに配置されたLED40A、40B、リフレクター32A、32B、そして反射プリズム34から得ている。これは、反射プリズム34を光軸上に配置し、反射面34A、34Bに関して仮想リフレクター42と共役な位置に、リフレクター32A、32Bを向かい合わせで配置したことによる。
LED40A、40Bおよびリフレクター32A、32Bから照射される光は、あたかも仮想LED43および仮想リフレクター42が存在すると仮定したときにインテグレータレンズ50へ入射する光と同じ光束を形成する。また、仮想リフレクター42の焦点位置にある単体の仮想LED43は、2つのLED40A、40Bの配光特性をそれぞれ持つ。
よって、この仮想リフレクター42と仮想LED43が、インテグレータレンズ50への入射角θ1が出射角θ2以下となる配置を決定し、そして、反射プリズム34を設置したとき、その反射面に関して共役な位置にLED40A、40Bおよびリフレクター32A、32Bを配置することにより、同じ入射角条件を満たす光源部を構成することができる。
このように本実施形態によれば、インテグレータレンズ50の光軸E周りに回転楕円面の一部であるリフレクター32A、32Bを対向配置し、それぞれの焦点位置にLED40A、40Bが配置される。そして、反射プリズム34を光軸上に配置することによって、LED40A、40Bから射出した光を、インテグレータレンズ50に入射させる。このとき、インテグレータレンズ50の入射角θ1が出射角θ2以下となるように、リフレクター32A、32Bが配置される。
インテグレータレンズ50の光軸に沿って配置される仮想リフレクター42、仮想LED43を想定し、この光源部からの光が入射角条件を満たすように構成し、それと共役な位置にリフレクター32A、32B、LED40A、40Bを配置することにより、LEDのような略円錐状の拡散光であるにも関わらず、効率よく照明光を露光に使用できる。
しかも、2つのLED40A、40Bの配光特性を有する光源を、擬似的に1つの焦点位置から射出することを実現している。実際にLEDを1つ焦点位置に配置しても、1つの配光特性しか得られない。また、LED自身の大きさのため、焦点位置に2つのLEDを配置することは不可能である。
しかしながら、本実施形態のように、共役な位置関係に複数のLED、リフレクターを配置することにより、軸周り全体に渡って放射状の照明光を放出する放電ランプと同等の光を、照射領域の狭い配光特性をもつLEDを使って得ることが可能となる。
次に、図6、7を用いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、3つのLEDとリフレクターが使用される。それ以外の構成については、実質的に第1の実施形態と同じである。
図6は、第2の実施形態におけるリフレクター、LED、反射プリズムを示した側面図である。図7は、第2の実施形態におけるリフレクター、LED、反射プリズムを示した正面図である。
図6、7に示すように、反射プリズム134は、反射面134A、134B、134Cをもつ三角錐形状プリズムであり、各反射面に合わせて3つのリフレクターおよびLEDが配置される。ただし、図6、7では、1つのLED140Aおよびリフレクター132Aのみ図示している。
3つのリフレクターは、光軸E周りに略等間隔で配置されており、光軸Eに関して対称的配置となっている。これにより、3つのLEDからリフレクター、反射プリズムを通じてインテグレータレンズ50に入射する光は、第1の実施形態に示した仮想リフレクター42、仮想LED43を規定した場合と同等の光となる。ただし、3つのLEDを使用するため、仮想LED43は、それぞれ異なる径方向に沿って略円錐形状に拡散する3つの配光特性をもつ。
次に、図8、9を用いて、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、4つのLEDとリフレクターが使用される。それ以外の構成については、実質的に第1の実施形態と同じである。
図8は、第3の実施形態におけるリフレクター、LED、反射プリズムを示した側面図である。図9は、第3の実施形態におけるリフレクター、LED、反射プリズムを示した正面図である。
図8、9に示すように、反射プリズム234は、反射面234A、234B、234C、234Dをもつ四角錐形状プリズムであり、各反射面に合わせて4つのリフレクターおよびLEDが配置される。ただし、図8、9では、1つのLED240Aおよびリフレクター232Aのみ図示している。
4つのリフレクターは、光軸E周りに略等間隔で配置されており、光軸Eに関して対称的配置となっている。これにより、4つのLEDからリフレクター、反射プリズムを通じてインテグレータレンズ50に入射する光は、第1の実施形態に示した仮想リフレクター42、仮想LED43を規定した場合と同等の光となる。ただし、4つのLEDを使用するため、仮想LED43は、それぞれ異なる径方向に沿って略円錐形状に拡散する3つの配光特性をもつ。
なお、入射角条件については、光学系の構成、露光条件などに鑑み、出射角以外の角度を条件として設定してもよい。また、焦点を有する形状であれば、任意の数によってリフレクターを構成してもよい。例えば、回転楕円面を略等分割して複数のリフレクターを形成する場合、光学的共役な位置関係を考慮して、各リフレクターのLEDを配置しない他方の焦点位置(すなわち、仮想リフレクターの焦点位置)が、インテグレータレンズの光軸上に位置するように、リフレクターを配置し、また、反射プリズムの反射面の配置場所、形状、光軸に対する傾斜角度を設定すればよい。
あるいは、回転放物面を略均等に分割して形成される部分的回転放物面をリフレクターとして用いてもよい。この場合、それぞれの部分的回転放物面の共役な位置に規定される準線、すなわち仮想の単一回転放物面の準線が、インテグレータレンズの光軸に略垂直な平面に対して平行となるように、複数のリフレクターを配置してもよい。
インタグレータレンズ以外の光学素子であって光照度を均一化する光学素子を用いてもよい。また、インテグレータレンズと反射プリズムとの間にコリメータレンズを配置してもよい。さらには、LED以外の光源を用いることも可能である。反射プリズムの形状も、上記以外の形状にすることが可能であり、プリズム以外の光学素子(ミラー)によって構成することが可能である。
10 露光装置
30 光源部
32A リフレクター
32B リフレクター
40A LED
40B LED
42 仮想リフレクター
43 仮想LED
30 光源部
32A リフレクター
32B リフレクター
40A LED
40B LED
42 仮想リフレクター
43 仮想LED
Claims (12)
- それぞれ焦点が規定される複数の凹面鏡と、
それぞれ対応する焦点位置に配置される複数の光源と、
前記複数の凹面鏡で反射した前記複数の光源からの光を反射して照度均一化光学系へ導く複数の反射面を有し、前記照度均一化光学系の光軸に沿って配置される反射光学素子とを備え、
単一の仮想凹面鏡とその焦点位置にある単一の仮想光源とを、前記照度均一化光学系の光軸に沿って反射光学素子後方側に規定したとき、前記複数の凹面鏡それぞれが、前記複数の反射面に対して前記仮想凹面鏡の一部と共役な位置に配置されており、また、前記複数の光源が、前記複数の反射面に対して前記仮想光源と共役な位置に配置されていることを特徴とする光源装置。 - 前記複数の凹面鏡が、前記反射光学素子を中心として、前記照度均一化光学系の光軸周りに所定間隔で配置されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
- 前記複数の凹面鏡が、前記照度均一化光学系の光軸に関して対称的な位置に配置されることを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
- 前記照度均一化光学系への入射角が、前記照度均一化光学系の出射角に基づいた所定角度以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光源装置。
- 前記反射光学素子は、三角柱形状、三角錐形状、四角錐形状のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の光源装置。
- 前記反射光学素子の反射面は、前記照度均一化光学系の光軸に対して略45°の角度となる位置に配置されることを特徴とする請求項5に記載の光源装置。
- 前記複数の凹面鏡それぞれが、回転楕円面の一部であって、共役な位置として規定される前記複数の凹面鏡の他の焦点位置が前記照度均一化光学系の光軸上となるように、配置されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の光源装置。
- 前記複数の凹面鏡それぞれが、回転放物面の一部であって、共役な位置として規定される前記複数の凹面鏡の準線が、前記照度均一化光学系の光軸に略垂直な平面と平行になるように配置されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の光源装置。
- 前記複数の光源それぞれが、略円錐状の配光特性を有する面発光光源であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の光源装置。
- 前記複数の光源が、放射光の出射方向が異なる複数のLEDを有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の光源装置。
- 前記照度均一化光学系が、インテグレータレンズを有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の光源装置。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載された光源装置を備えた露光装置。
Priority Applications (3)
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