JP2015191998A - 固体光源、照明光学系、および露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、発散角の小さい固体光源を提供する。
【解決手段】この固体光源は、ベース部材に配置される発光素子と、発光素子の発散光の一部を反射する第１反射部と、第１反射部からベース部材に向かう光をさらに反射する第２反射部と、発散光の一部および第２反射部により反射した光を通過させる開口部とを備え、第１反射部からの反射光のベース部材の法線に対する角度φは、第１反射部への入射光の該法線に対する角度θよりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体光源、照明光学系、および露光装置に関する。

従来、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）など、固体発光素子を備える固体光源が知られている。固体発光素子は、固体物質に電気などのエネルギーを供給し、励起させることにより発光する光源素子である。この固体発光素子は、超高圧水銀ランプなどの他の光源素子に比べ、小型で、エネルギー使用量が少なく、寿命が長いため、近年、多くの照明光学装置に使用されている。しかし、固体発光素子は、±５０度以上の発散角を有するため、光を効率的に使用するためには、固体発光素子からの光を集光する構成が必要となる。特許文献１には、固体発光素子(特許文献１では「固体光源」に対応)から射出された光を固体発光素子の射出面に対し、略平行方向に集光する固体光源(特許文献１では「光源装置」に対応)が開示されている。この固体光源は、光を固体発光素子の射出面に対し略平行方向に反射させる主鏡と、主鏡に対向して配置され、光を固体発光素子に向けて反射させる副鏡とを有し、固体発光素子から射出した光を略平行方向に集光する。

特開２００６−２６７５７９号

しかしながら、特許文献１に記載の固体光源は、反射面を介さず、固体発光素子から射出した光を直接装置から射出することができない。この固体光源は、実際には、主鏡、副鏡、および固体発光素子の周囲に配置される反射部の３つの反射面を用いて、固体発光素子から発せられた光を反射させ、主鏡の反射面側に副鏡との高さの差で形成される開口部に導光することにより集光している。このような部品点数の多い固体光源は、その固体光源の製造を複雑化させる。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、例えば、簡易な構成で、発散角の小さい固体光源を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、固体光源であって、ベース部材に配置される発光素子と、発光素子の発散光の一部を反射する第１反射部と、第１反射部からベース部材に向かう光をさらに反射する第２反射部と、発散光の一部および第２反射部により反射した光を通過させる開口部とを備え、第１反射部からの反射光のベース部材の法線に対する角度は、第１反射部への入射光の該法線に対する角度よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、簡易な構成で、発散角の小さい固体光源を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る固体光源の構成を示す図である。 第１実施形態に係る反射鏡の設計例を示す図である。 本実施形態に係る反射鏡の形状の設計例を示す図である。 本実施形態に係る固体光源の内部空間を冷却する構成を示す図である。 第２実施形態に係る固体光源の構成を示す図である。 第３実施形態に係る固体光源の構成を示す図である。 第４実施形態に係る固体光源の構成を示す図である。 第５実施形態に係る固体光源の構成を示す図である。 本発明の固体光源を適用可能な露光装置の構成を示す図である。 本発明の固体光源を適用可能な固体光源装置の構成を示す図である。 本発明の固体光源を適用可能な集光光学系の設計例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）

まず、本発明の第１実施形態に係る固体光源について説明する。図１は、固体光源１１０の構成を示す概略図である。固体光源１１０は、固体物質に電気などのエネルギーを供給し、励起させることにより発光する固体発光素子を使用した、照明光学系などに使用される光源である。この固体光源１１０は、発光素子１１１と、発光素子１１１を配置する実装基板１１２と、反射鏡１１３とを備える。

発光素子（固体発光素子）１１１としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザーダイオード）、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）などが採用される。例えば、本発明の固体光源１１０を半導体露光装置の光源として使用する場合、短波長の光を射出する発光素子が採用される。そのような発光素子１１１としては、水銀ランプのｉ線近傍の３６５ｎｍの光を発光するものやｈ線近傍の４０５ｎｍの光を発光するものが、光源として水銀ランプを使用する露光装置と同じ投影光学系が使用できるため部品流用の点で経済上好ましい。

実装基板（ベース部材）１１２は、発光素子１１１を配置する基板である。実装基板１１２の実装面（第２反射部）は、発光素子１１１へ電力を供給する銅線などにより、高い反射率を有する。より好ましくは、当該実装面には、発光素子１１１からの発光波長に応じて高い反射率を有する、アルミニウムや銀などの金属膜、または誘電体多層膜が形成される。

反射鏡（第１反射部）１１３は、長軸方向を実装面と垂直な方向にもつ回転楕円形状であり、その中心部に中抜けの開口部を有して、実装基板に対向して配置される。反射鏡１１３は、樹脂もしくはモールド用ガラス材料を用いてモールド成形により形成され、その発光素子１１１側の面には、例えば、アルミニウムや銀で形成される反射膜を有する。反射鏡１１３は、その第１焦点を発光素子１１１の位置に、第２焦点を発光素子１１１よりも実装基板１１２側に有する形状とする。反射鏡１１３からの反射光と実装基板１１２に対する垂直方向（法線）とがなす角φは、入射光と該垂直方向との角度θよりも小さく、反射鏡１１３で反射され固体光源１１０から射出される光は、実装基板１１２に対しより垂直に近い光となる。好ましくは、角度φが、反射鏡１１３にて反射せず開口部を通過する光の角度αよりも小さくなる構成とする。

一例として、発光素子１１１からの最大射出角度βが５０度である場合に、固体光源１１０からの光の射出角度αを３０度以下にする具体的構成を、図２を参照して説明する。この場合、反射鏡１１３には、その中心部に、射出角度αが３０度となる開口部が形成される。反射鏡１１３の回転楕円形状は、発光素子１１１の最大射出角度βである５０度の光が発せられた際、該光が反射鏡１１３にて反射した反射光と、発光素子１１１の発光中心とがなす角度α′が３０度となるよう構成される。このとき、実装基板１１２の実装面での反射光Ａは、再度反射鏡１１３でけられることがないよう構成される。例えば、図３に示すように、焦点間距離ｘが２．９ｍｍ、短軸の長さｙが５ｍｍとなるよう構成された反射鏡１１３を使用すると、固体光源１１０は、発光素子１１１からの光の射出角度αを３０度以下に集光し射出することができる。

次に、固体光源１１０における光の進み方について説明する。まず、発光素子１１１に電力を印加し、光を発散させる。発光素子１１１から発せられた光のうち、所定の角度αより発散角の小さい光は、反射鏡１１３にて反射せず、開口部を通過し、そのまま射出される。一方、所定の角度αよりも大きな発散角を有する光は、反射鏡１１３にて反射し、実装基板１１２へと向かう。反射鏡１１３にて反射した光は、実装基板１１２の実装面にて反射し、その後、開口部を通過し射出される。本実施形態の反射鏡１１３は、反射鏡１１３での反射光と実装基板１１２に対する垂直方向とがなす角φが、入射光と該垂直方向との角度θよりも小さくなるよう設定されている。この構成により、発散角の大きな発光素子を使用した場合においても、２つの反射面を使用する簡易な構成で効率的に集光することができる。

また、本実施形態によれば、反射鏡１１３は、その中心部に開口部を備えているため、放射や対流による固体光源内の熱を放散することができる。さらに、本実施形態では、実装基板１１２と反射鏡１１３とで形成される内部空間は、空洞であるため、冷却気体などでこのような内部空間を冷却することもできる。具体的には、例えば、図４に示すように、反射鏡１１３の開口部に、冷却装置としてノズル１１７を取り付ける構成としてもよい。ノズル１１７は、反射鏡１１３の内部空間に冷却気体を吹き込む装置である。この構成により、冷却気体が発光素子１１１に直接吹きかけられ、効率よく発光素子１１１を冷却することができる。

なお、本実施形態においては、実装基板１１２の実装面の一部を第２反射部として構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、実装基板１１２の実装面上に、第２反射部を別体で設けるように構成してもよい。この場合の具体的構成例については、後述する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る固体光源の構成について説明する。第１実施形態では、発光素子の発散光の一部を反射する第１反射部として、回転楕円形状の反射鏡を用いた場合を例に挙げたが、本実施形態では、第１反射部として円錐台形状の反射鏡を用いた場合を例に挙げる。図５は、本実施形態の固体光源の構成を示す概略図である。図５において、図１に示す第１実施形態に係る固体光源１１０の構成要素と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の反射鏡１１４は、円錐台形状であり、その上面と底面とを開放し、上面を開口部とする形状を有する。この反射鏡１１４の発光素子側の側面には、反射膜が形成される。第１実施形態同様、本実施形態の反射鏡１１４の角度は、反射鏡１１４からの反射光と実装基板１１２に対する垂直方向とがなす角φが、入射光と該垂直方向との角度θよりも小さくなるよう設定されている。この構成により、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を有し、さらに、反射鏡１１４と実装基板１１２との間が接合されていないため、発光素子１１１近傍の熱をより発散することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る固体光源の構成について説明する。本実施形態では、の発光素子の発散光の一部を反射する第１反射部として、板状の部材に円錐台形状の穴を開け、形成した反射鏡１１５を用いた場合を例に挙げる。図６は、本実施形態の固体光源１１０の構成を示す概略図である。図６において、図１に示す第１実施形態に係る固体光源１１０の構成要素と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の反射鏡１１５は、板状の部材に円錐台形状の穴を開けることにより形成され、その円錐台形の上面を開口部とする形状を有し、その円錐台形の側面には、反射膜が形成される。第１実施形態同様、本実施形態の反射鏡１１５の角度は、反射鏡１１５からの反射光と実装基板１１２に対する垂直方向とがなす角φが、入射光と該垂直方向との角度θよりも小さくなるよう設定されている。この構成により、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を有し、さらに、反射鏡１１５と実装基板１１２との間が接合されていないため、発光素子１１１近傍の熱をより発散することができる。

なお、本実施形態の反射鏡１１５は、板状の部材に円錐台形状の穴を開け、形成されるものとしたが、これに限定されるものではなく、回転楕円形状の穴を開け、形成するものであってもよく。この場合、回転楕円形状の穴の長軸中心付近に開口部を配し、該穴の側面に反射膜を形成する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る固体光源の構成について説明する。本実施形態では、上述したように実装基板１１２の実装面上に第２反射部を別体で設けた場合の構成例を挙げる。図７は、本実施形態の固体光源１１０の構成を示す概略図である。図７において、図１に示す第１実施形態に係る固体光源１１０の構成要素と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。第１実施形態の実装基板１１２の実装面は、高い反射率を有していたのに対し、本実施形態の実装基板１１２は、光を反射する構成を有さない。そこで、本実施形態の固体光源１１０は、実装基板１１２上に、第２反射部として反射部材１１６を備える。反射鏡１１３から実装基板へ向かう光は、反射部材１１６で反射され、開口部を通過し、集光される。第１実施形態同様、本実施形態の反射鏡１１３の角度は、反射鏡１１３からの反射光と実装基板１１２に対する垂直方向とがなす角φが、入射光と該垂直方向との角度θよりも小さくなるよう設定されている。この構成により、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を有し、さらに、製造の点から実装基板１１２の反射率を高めるができない場合にも、第１実施形態同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る固体光源の構成について説明する。上述した各実施形態では、１つの光学素子を設けた場合を例に挙げて説明したが、本実施形態では、発光素子を複数配置する場合を例に挙げる。図８は、本実施形態の固体光源１１０の構成を示す概略図である。図８において、図１に示す第１実施形態に係る固体光源１１０の構成要素と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の固体光源１１０は、２つの発光素子１１１を有し、固体光源１１０の発光光量を増加させている。第１実施形態同様、本実施形態の反射鏡１１５の角度は、反射鏡１１５からの反射光と実装基板１１２に対する垂直方向とがなす角φが、入射光と該垂直方向との角度θよりも、小さくなるよう設定されている。そのため、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を有し、さらに、増加した光量を効率的に集光することができる。なお、本実施形態においては、発光素子１１１を２つ有する構成としたが、これに限定されるものではなく、３つ以上の発光素子１１１を有する構成としてもよい。

（露光装置）
以上に説明した固体光源は、懐中電灯、自転車・自動車のライト、プリンタまたは液晶プロジェクタ等の機器の照明光学系において有用である。ここでは、一例として、露光装置の照明光学系への適用例を説明する。なお、露光装置は、半導体デバイスや液晶表示装置等の製造工程であるリソグラフィ工程において、例えば、（極端）紫外光を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する装置である。

図９は、本発明に係る固体光源を適用可能な露光装置の構成を示す概略図である。ここでは、一例として、原版に形成されたパターンを基板上に投影露光する投影型露光装置であるものとする。この露光装置は、照明光学系１から射出された光で、パターンが形成された原版（被照明面）２を照明し、原版のパターンを所定の倍率にする投影光学系３を介して、表面にレジストが塗布された基板４上にパターンを投影露光する。

照明光学系１は、複数の固体光源装置１１から発光された光を、インテグレーター１２に導光する。インテグレーター１２は、内面で光が多重反射することにより射出面での照度均一性を高める光学系であり、例えば、ロット形状やシリンドリカル形状のフライアイレンズ光学系、または光ファイバーを使用する光学系等が用いられる。インテグレーター１２から射出された光は、倍率可変な第１リレー光学系１３により、波長フィルター１４を介して、ハエノメレンズ１５に投影される。

波長フィルター１４は、固体光源装置１１から射出された光のうち、露光に使用する波長の光のみを透過するフィルターである。投影光学系３で良好に色収差を補正している波長帯域幅は、通常数十ｎｍ程度であり、固体光源装置１１の発光スペクトルが広帯域である場合、波長フィルター１４を用いて光を狭帯域化する。また、温度などの環境変化や、使用時間により、固体光源装置１１の発光スペクトルが変化する場合がある。この場合にも、波長フィルター１４を用いて所望の波長帯域のみを抽出することにより、良好な結像性能を得ることができる。波長フィルター１４は、要求される結像性能に応じて、異なる透過帯域幅を持つフィルターを交換できる構成を有することが望ましい。例えば、太い線幅を露光する場合、透過波長帯域が広いフィルターを使用することにより、高い照度を実現し、生産性を高めることができる。一方、細い線幅を露光する場合には、透過波長帯域が狭いフィルターを使用することにより、投影光学系の色収差の発生量を小さくすることができる。

ハエノメレンズ１５は、固体光源装置１１からの光を波面分割し、多数の２次光源を射出面に形成する。ハエノメレンズ１５は、ロッドレンズを積み重ねたものでもよく、短冊状のシリンドリカルレンズを積み重ねたものや、一体形成されたマイクロレンズアレイでもよい。コンデンサレンズ１６は、ハエノメレンズ１５の射出面に形成された２次光源からの光を重畳的に重ね合わせることによって、マスキングブレード１７に均一な光強度分布を形成する。第２リレー光学系１８は、マスキングブレード１７の位置と原版２を光学的に共役な関係にする。

ハーフミラー１９は、照明光学系１の光路内に形成され、露光中の光量を監視するセンサ２０に光を分岐する。センサ２０の測定値を用いて、基板４への露光量が制御される。例えば、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置の場合、基板４への露光開始時に発光素子１１１を点灯し、その後、基板４への積算露光量を監視し、所望の露光量で発光素子１１１が消灯するよう制御される。消灯の制御に時間がかかる場合、所望の露光量よりも小さい露光量を予め設定し、該露光量が検出された際に消灯の制御を行う。また、このような露光量の制御は、発光素子１１１の点灯／消灯に限定せず、発光素子１１１を点灯した状態で、不図示のシャッターを開閉することにより露光量を制御してもよい。さらに、走査型露光装置の場合、センサ２０の測定値が一定となるよう発光素子１１１への印加電力を制御する。所望の露光量が小さく、最大走査速度で露光できない場合には、一部の発光素子１１１を消灯、もしくは発光素子１１１への印加電力を減少させることにより、基板４上の照度を調整することが望ましい。

図１０は、固体光源装置１１の構成を示す概略図である。固体光源装置１１は、固体光源１１０と、集光光学系１２０とを備える。固体光源１１０から発せられた光は、複数のレンズを有する集光光学系１２０により、効率よく固体光源装置１１の出力面に集光され、インテグレーター１２へ導光される。この固体光源１１０は、先の実施形態で説明した固体光源とし得る。

次に、図１１を参照して、固体光源１１０からの光の射出角度αを３０度以下とした場合の集光光学系１２０のレンズ設計の例を示す。図１１は、固体光源１１０からインテグレーター１２までの構成を示す概略図である。ここで、発光素子１１１から発せられる光の波長は、ｉ線（３６５ｎｍ）とし、レンズの材料としては、石英を用いる。表１は、レンズの曲率半径および物理長の設計情報を示す表である。

表１に示すように、集光光学系１２０は、第１レンズ１２１と、第２レンズ１２２と、第３レンズ１２３と、第４レンズ１２４とを備える。第１レンズは、固体光源１１０の射出面∞から３．０ｍｍの距離に、固体光源１１０側の曲率半径−３５．７ｍｍ、厚み２．５５ｍｍ、インテグレーター１２側の曲率半径−５．４５ｍｍである石英製のレンズである。第２レンズ１２２は、第１レンズ１２１から０．１ｍｍの距離に、固体光源１１０側の曲率半径３０.０ｍｍ、厚み２．２５ｍｍ、インテグレーター１２側の曲率半径−１０．７ｍｍである石英製のレンズである。第３レンズ１２３は、第２レンズ１２２から０．２ｍｍの距離に、固体光源１１０側の曲率半径１３．８ｍｍ、厚み３．３７ｍｍ、インテグレーター１２側の曲率半径−１９．００ｍｍである石英製のレンズである。第４レンズ１２４は、第３レンズ１２３から２１．０ｍｍの距離に、固体光源１１０側の曲率半径１４．０ｍｍ、厚み３．６ｍｍ、インテグレーター１２側の曲率半径１１６．０ｍｍである石英製のレンズである。この集光光学系１２０において、第４レンズ１２４からインテグレーター１２までの距離は、１３．０ｍｍである。本発明の固体光源１１０は、固体光源１１０内で効率的に光を集光することができるため、固体光源１１０から射出された光を大幅に集光する必要がなく、上述のような設計のレンズを有する集光光学系１２０を使用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１１０ 固体発光素子
１１２ 実装基板
１１３ 反射鏡

Claims (7)

1. ベース部材に配置される発光素子と、
   前記発光素子の発散光の一部を反射する第１反射部と、
   前記第１反射部から前記ベース部材に向かう光をさらに反射する第２反射部と、
   前記発散光の一部および前記第２反射部により反射した光を通過させる開口部と、を備え、
   前記第１反射部からの反射光の前記ベース部材の法線に対する角度は、前記第１反射部への入射光の前記法線に対する角度よりも小さいことを特徴とする固体光源。
2. 前記第１反射部は、前記ベース部材に対向して配置され、前記開口部を囲む回転楕円形状の反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の固体光源。
3. 前記第１反射部は、前記ベース部材に対向して配置され、前記開口部を囲む円錐台形状の反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の固体光源。
4. 前記発光素子は、複数配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体光源。
5. 前記固体光源は、前記第１反射部と前記第２反射部で形成される空間を冷却する冷却装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体光源。
6. 請求項１〜５に記載の固体光源を有し、前記固体光源からの光を用いて被照明面を照明することを特徴とする照明光学系。
7. 基板を露光する露光装置であって、
   原版を照明するように構成された請求項６に記載の照明光学系と、
   前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系と、
   を備えることを特徴とする露光装置。

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