JP4328320B2 - 露光用光源 - Google Patents

Description

この発明は、基板の表面に形成された感光膜（フォトレジスト）上に、パターンが描かれたフォトマスクを通して光を照射することによって、フォトマスクに描かれたパターンを基板の表面に形成された感光膜上に転写する露光処理に用いられる露光用光源に関する。

従来、基板の表面に形成された感光膜上に、パターンが描かれたフォトマスクを通して光を照射することによって、フォトマスクに描かれたパターンを基板の表面に形成された感光膜上に転写する露光処理に用いられる露光用光源は、発光源として感光膜の感光に適した紫外線から青色にいたる短波長の光を発する水銀ランプ等のランプが用いられてきた。この種のランプは高出力品が比較的容易に製作出来ることから広く用いられているが、次のような問題を包含している。即ちこの種のランプは水銀などの有害物質を用いていること、また使用時にランプ内圧が高いため破裂する危険性がある。さらに近年露光処理される基板の面積が、大きくなる傾向に合わせて、高出力ランプが使用されるようになったが、それに伴って発熱量も非常に大きくなり、冷却、冷房負荷の増大を招いている。

しかしながら、上記のような問題をこの種のランプは包含しているが、今までこの種のランプに代わる高出力の優れた発光源が見当らず、一部高出力レーザが使用されているが、大変高価であり普及するには至っていない。このため露光用光源の発光源としては、水銀ランプ等のランプが多用されているのが現状である。

以上本願に係る発明についての背景の技術を、出願人の知得した一般的技術情報に基づいて説明したが、出願人の記憶する範囲において、本願の出願前までに先行技術文献情報として開示すべき情報を出願人は有しておらず、かつ、本願に先行する出願人自身の特許出願等についても認識していない。

この発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を包含するランプに代わる発光源を用いた露光用光源を提供しようとするものである。近年、開発と実用化が進む半導体面発光素子は、紫外線から青色にいたる短波長の光を発する製品も実用化され、その出力も時を追って高い製品が実用化されつつある。半導体面発光素子はランプに比べて多くの特長を持っている。即ち寿命が非常に長く、ＯＮ，ＯＦＦ制御が容易であり、発熱量も少なく軽量小型である点にある。したがって、この発明の目的は、こうした特長を備える半導体面発光素子を用いて、ランプに代わる発光源を用いた露光用光源を実現しようとするものである。

半導体面発光素子は高出力の製品が実用化されつつあるとは云え、ランプの出力に比べて一素子当たりの出力は相当低いので、ランプに代わり半導体面発光素子を用いて、露光用光源を実現しようとすれば、数多くの素子を使用せねばならない。一方、近年ますます高精細化するフォトマスクに描かれたパターンを忠実に基板に転写する必要から、露光用光源として要求される光は、照度が均一な平行光である。露光処理で許容される光質の平行光を得るためには、幾何光学上発光源が従来用いられているショートアークランプのように小さいことが条件となるが、一つの半導体面発光素子は高出力のショートアークランプの発光体であるアークよりも小さいので、平面状に集合させる半導体面発光素子の適切な数量選択によって、平行光を得るに十分な一つの発光源として用いることが可能である。

本発明に基づく露光用光源によれば、従来のランプを用いた露光用光源の問題点を解決した高性能高出力の平行光の露光用光源を実現することが可能となる。

以下、本発明に基づいた面発光素子を用いた露光用光源についてより詳細に説明を行なう。第一に、平面状に集合させた複数の面発光素子を有する発光源と光学系とを用いて上記面発光素子から発する光を集光させて曲面ミラーに照射し、上記曲面ミラーによって平行光に変えて露光面に照射する露光用光源である。

次に望ましい形態を示すと、平面状に集合させた複数の面発光素子に、少なくとも１個の光学多角柱の端面を接近させて配置し、上記面発光素子から発する光を、上記光学多角柱を通過させて照度を均一化したのち、レンズによって集光させて曲面ミラーに照射し、曲面ミラーによって平行光に変えて露光面に照射するようにする。

さらに高出力の露光用光源を得るには、平面状に集合させた複数の面発光素子と１つの光学系とから構成される光照射ユニットを複数台設け、各光照射ユニットから発する光を、フライアイレンズに集光させ、フライアイレンズを通過した光を曲面ミラーに照射して平行光に変えればよい。

なお、現在最も多く使用されている基板の表面に形成される感光膜（フォトレジスト）の感光波長は、水銀ランプの発する光の主な波長であるｈ（４０５ｎｍ）線、ｉ（３６５ｎｍ）線、ｇ（４３６ｎｍ）線に対応しているので、面発光素子を発光源にする場合にも複数の面発光素子が水銀ランプの複数の発光波長にそれぞれ対応する波長の光を発することが望ましい。このため、上記平面状に集合させた複数の面発光素子から発する光の波長が異なる種類の発光素子で構成すればよく、特定すれば上記平面状に集合させた複数の面発光素子の発光波長が、水銀ランプの複数の発光波長にそれぞれ対応する発光波長の面発光素子で構成すればよい。

また、平面状に集合させた複数の面発光素子、光学多角柱、および、レンズを有する光照射ユニットを複数台設け、上記複数の光照射ユニットから発する光を、曲面ミラーに照射して平行光に変えて露光面に光を照射するようにしてもよい。また、上記複数の光照射ユニットを、光照射方向と直交する円形内に密集させて配置し、光の出射面積を小さくして平行光の光質を向上させるようにしてもよい。

さらに、複数の光照射ユニットに用いられるレンズを四角形にして、上記複数の光照射ユニットに対応する複数の上記四角形レンズを光照射方向と直交する方向に互いに密着して密集させて配置し、光の出射面積を小さくして平行光の光質を向上させるようにしてもよい。また、複数の光照射ユニットに用いられるレンズを六角形にして、上記複数の光照射ユニットに対応する複数の上記六角形レンズを光照射方向と直交する方向に互いに密着して密集させて配置し、光の出射面積を小さくして平行光の光質を向上させるようにしてもよい。

また、上記光学多角柱の少なくとも一端面を球面にしてレンズ作用を兼ねた光学多角柱を用いてもよい。

さらに、複数の光照射ユニットの全数から光を照射する方式と、任意に定めた数量の光照射ユニットからのみ光を照射する方式とを選択可能に設けることで、光照射ユニット全数からのみ光を照射する方式に比べて、照度を容易に調節することが可能となる。また、光を照射する光照射ユニット数を減らすことによって照度は低下するが、光出射面積が小さくなるので、平行光の光質が向上し、フォトマスクのパターンをより忠実に基板に転写することが可能となる。

さらに、２つの露光ステーションを有し、上記複数の光照射ユニットの照射方向または照射位置を変えて、上記２つの露光ステーションへ交互に光照射するようにすれば、１つの光源で２つの露光ステーションに光を照射することができ、露光装置を安価に製作することができる。

以上記述した面発光素子の代表例は、半導体面発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）であるが、他の面発光素子でもよい。

また、上記高出力の露光用光源を得る光学系の場合は、照射される光の波長が異なる上記複数の光照射ユニットで構成すればよく、特定すれば照射される光の波長が水銀ランプの複数の発光波長にそれぞれ対応する上記複数の光照射ユニットで構成すればよい。

なお、複数の面発光素子が水銀ランプの複数の発光波長にそれぞれ対応する波長の光を発することが望ましいとしたが、水銀ランプの発光波長の内少なくとも２つの波長に対応すればよく、また発光波長も水銀ランプの発光波長に正確に一致しなくとも近い波長であればよい。

（実施例１）
以下、この発明に基づいた露光用光源の実施例１について、図を参照して説明する。まず、図１および図２に従って説明すると、基板１に実装された複数の面発光素子２から発する光８を発光源として用い、この光８を該面発光素子２に接近して配置された光学多角柱３の端面から入射させ、光学多角柱３によって照度を均一化する。光学多角柱３の他の端面から出射する光９は、レンズ４によって集光させて曲面ミラー５に照射され、曲面ミラー５によって平行光１１に変えられて、フォトマスク６に平行光１１が照射される。フォトマスク６に照射された平行光１１によってフォトマスク６に描かれたパターンを被露光基板７上に形成された感光膜に転写する露光を行なう。上記の構成において、光学多角柱３は１個でもよいが細い光学多角柱を束ねたものでもよい。また、図１において、レンズ４は１個として示しているが、複数枚を組み合わせてもよい。

次に、図２および図３に示すように、複数の面発光素子２は基板１上に集合させて実装されている。図では各面発光素子２は説明しやすいように間隔をあけて描いているが、実際には最小限の間隔で密集させている。上述したように露光処理で許容される光質の平行光を得るためには発光源の大きさに限度があるが、面発光素子２の大きさは１ｍｍ〜２ｍｍ角程度であり、数個ないし数十個集合させた発光源としても十分に実用上支障のない平行光を得ることが可能である。

（実施例２）
図４は、さらに高出力の平行光を得るため、この発明に基づいた実施例２における露光用光源の構成を示した図である。基板１０１に実装された複数の面発光素子１０２（説明の便宜上、図４には１個のみ示す）から発する光１０８を発光源として用い、この光１０８を該半導体面発光素子１０２に接近して配置したレンズ１０４に入射させる。また、基板１０１、半導体面発光素子１０２およびレンズ１０４から構成される光照射ユニット１１２を複数台設け、各光照射ユニット１１２から発する光１０９を、レンズ１０４と曲面ミラー１０５の中間位置に設けた照度を均一化するためのフライアイレンズ１１３に集光させ、フライアイレンズ１１３を通過した光１１０を曲面ミラー１０５に照射して平行光１１１に変えてフォトマスク１０６に照射する。フォトマスク１０６に照射された平行光１１１によってフォトマスク１０６に描かれたパターンを被露光基板１０７上に形成された感光膜に転写する露光を行なう。このように、図１に示した実施例における露光用光源に比べて少なくとも数倍の高出力露光用光源を実現することが出来る。

（実施例３）
図５は、さらに高出力の平行光を得るための他の実施例を示した図である。この実施例３で用いる光照射ユニット２１２は、上記図１から図３に示したものと同様の構成を有し、基板１、複数の面発光素子２、光学多角柱３、および、レンズ４から構成されている。図５には、複数の光照射ユニット２１２を便宜上複数の矩形で図示している。

図４に示す実施例２においては、フライアイレンズ１１３を用いていたが、本実施例では、複数の光照射ユニット２１２から直接曲面ミラー２０５に光２１０を照射し、曲面ミラー２０５によって平行光２１１に変えて、フォトマスク２０６、被露光基板２０７に光を照射している。本実施例では、図４に示す実施例２の構成におけるフライアイレンズ１１３が設けられる位置と略同じ位置に、複数の光照射ユニット２１２を配置していることから、光路を短くすることが可能となる。

図６および図７は、図５に示す実施例３の構成で使用される複数の光照射ユニット２１２の配置を示す一例である。複数の光照射ユニット２１２を用いて平行光を得る場合に、平行光の光質すなわち光の平行度、露光面に対する垂直度等の向上を図るためには、集合させた複数の光照射ユニット２１２の外接円２１３を小さくすることが好ましい。したがって、複数の光照射ユニット２１２を光照射方向と直交する円形内に密集させて配置させることが重要である。図７は、１９台の光照射ユニット２１２を円形内に密集させて配置した図であるが、仮に略同じ数量の光照射ユニットを四角形に配置すれば、その外接円内には空きスペースが発生し外接円が大きくなり、平行光の光質を悪化させる原因となる。なお、複数の光照射ユニット２１２を円形内に密集させて配置した図７に示す構成は、多角形配置にも見えるが、円形内配置に包含されるものとする。

また、図６では、基板１を各光照射ユニット２１２ごとに設けているが、一体の基板上に面発光素子２を実装しても構わない。いずれの構成であっても、高出力を得るために面発光素子２は、基板１部分で水冷される構造が好ましい。さらに、複数の光照射ユニット２１２は、１つの支持部材に組み込まれることが、組立精度の向上と低価格化のために有効である。

（実施例４）
上記図６および図７に示した実施例３は、各光照射ユニットに用いられるレンズが、一般的な円形レンズであるが、レンズを四角形にした他の実施例を図８および図９に示す。図８は側面図で、各光照射ユニットが基板１に実装された面発光素子２、光学四角柱３Ａ、レンズ群４Ａ、および面発光素子２の冷却部７Ａから構成されていることを示している。

図９は、レンズ群４Ａの正面図で、四角形レンズが縦横各３枚、合計９枚の四角形レンズが、光照射方向と直交する方向に互いに密着して密集させて配置されている。すなわち、９台の光照射ユニットで構成された光源を表わしている。面発光素子２から発する光は、図６および図７で示した実施例と同様に、光学四角柱３Ａ、レンズ群４Ａを通って曲面ミラー（図示省略）に集光されて平行光に変えられ、露光面に照射される。なお、レンズ群４Ａから曲面ミラーに集光される光を光１０Ａで示す。

この実施例４によれば、円形レンズよりもさらに各光照射ユニットを密集できるので、光の出射面積が小さくなり、高質の平行光を得ることが可能となる。また、レンズを互いに接着して一体化できるために、レンズの組立が円形レンズに比べて容易になる利点がある。

なお、本実施例では、レンズ群４Ａを光軸方向に２枚のレンズで示しているが、光軸方向と直交する方向のレンズ９枚を含め、本実施例に基づき、レンズの枚数が制限されるものではない。また、レンズ群４Ａに四角形レンズを用いた場合について示したが、六角形レンズを用いることによっても、同様の作用効果を得ることが可能である。

（実施例５）
次に、図１０および図１１は、２つの露光ステーション２２０ａ，２２０ｂを有する露光装置において、複数の光照射ユニット２１２の照射方向または照射位置を変えて、２つの露光ステーション２２０ａ，２２０ｂへ交互に光を照射する構成を示したものである。

図１０は、複数の光照射ユニット２１２を、回転中心Ｃを中心にして回転させたもので、２つの露光ステーション２２０ａ，２２０ｂに光を交互に照射することを可能としている。図１１は、複数の光照射ユニット２１２と曲面ミラー２０５との間に反転ミラー２１４を設け、反転ミラー２１４を回転させることにより、２つの露光ステーション２２０ａ，２２０ｂへ交互に光を照射する構成を示したものである。なお、反転ミラー２１４は、図１１においては、平面ミラーを図示しているが、光路を短縮させたい場合には、曲面ミラーを用いることも可能である。

このように２つの露光ステーションを有する露光装置において、複数の光照射ユニット２１２の照射方向または照射位置を変えることによって、２つの露光ステーション２２０ａ，２２０ｂへ交互に光を照射するようにすれば、１つの光源で２つの露光ステーションに光を照射することができる。その結果、安価に露光装置を製作することが可能となる。

また、複数の光照射ユニットの全数から光を照射する方式と、任意に定めた数量の光照射ユニットからのみ光を照射する方式とを選択可能に設けることで、光照射ユニット全数からのみ光を照射する方式に比べて、照度を容易に調節することが可能となる。また、光を照射する光照射ユニット数を減らすことによって照度は低下するが、光出射面積が小さくなるので、平行光の光質が向上し、フォトマスクのパターンをより忠実に基板に転写することが可能となる。

また、従来用いられてきたランプは、ガラスで製造されているため破損しやすく、取付方向に制約があったが、面発光素子による光源は小型軽量で堅牢に製作できるので、取付方向は自由であり、回転や移動にも適している。また、ランプのように取り付け方向に制約がなく小型であるため、ランプ光源に比べ光路を短縮あるいは、簡素化することが容易であるため、信頼性の高い露光用光源を提供することができる。

また、上記各実施例において用いられる光学多角柱の少なくとも一端面を球面にしてレンズ作用を兼ねた光学多角柱を用いることも可能である。

以上、今回開示した上記実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。また、実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせて、所望の構成からなる露光用光源を得ることが可能である。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

この発明に基づいた実施例１における露光用光源の構成を示す概念図である。 図１中のＡで囲まれる領域の拡大図である。 図２中ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 この発明に基づいた実施例２における露光用光源の構成を示す概念図である。 この発明に基づいた実施例３における露光用光源の構成を示す概念図である。 実施例３における露光用光源に用いられる複数の光照射ユニットを示す図であり、図７中のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。 図６中のＶＩＩ線矢視図である。 この発明に基づいた実施例４における露光用光源の構成を示す概念図（側面図）である。 この発明に基づいた実施例４における露光用光源に採用されるレンズ群の正面図である。 この発明に基づいた実施例５における露光用光源の第１の構成を示す概念図である。 この発明に基づいた実施例５における露光用光源の第２の構成を示す概念図である。

符号の説明

１，１０１ 基板、２，１０２ 面発光素子、３ 光学多角柱、３Ａ 光学四角柱、４，１０４ レンズ、４Ａ レンズ群、５，１０５，２０５ 曲面ミラー、６，１０６，２０６ フォトマスク、７，１０７，２０７ 被露光基板、７Ａ 冷却部、８，９，１０，１０Ａ，１０８，１０９，１１０，２１０ 光、１１，２１１ 平行光、１１３ フライアイレンズ、１１２，２１２ 光照射ユニット、２２０ａ，２２０ｂ 露光ステーション。

Claims (4)

1. 平面状に集合させた複数の面発光素子を有する発光源と光学系とを用いて前記面発光素子から発する光を集光させて曲面ミラーに照射し、前記曲面ミラーによって平行光に変えて露光面に光を照射する、露光用光源であって、
   前記平面状に集合させた複数の面発光素子に対して、少なくとも１個の光学多角柱の端面を接近させて配置し、前記面発光素子から発する光を、前記光学多角柱に直接入射させ且つ該光学多角柱を通過させて照度を均一化したのち、レンズによって集光させて前記曲面ミラーに照射し、前記曲面ミラーによって平行光に変えて露光面に照射するようになされた、露光用光源。
2. 前記平面状に集合させた複数の面発光素子と、前記光学多角柱と、前記レンズとを有する光照射ユニットを複数台設け、前記複数の光照射ユニットから発する光を、前記曲面ミラーに照射して平行光に変えて露光面に光を照射する、請求項１に記載の露光用光源。
3. 前記複数の光照射ユニットに用いられる前記レンズが四角形であり、前記複数の光照射ユニットに対応する複数の前記四角形レンズを光照射方向と直交する方向に互いに接着して密集させて配置した、請求項２に記載の露光用光源。
4. 前記複数の光照射ユニットを回転させて光照射方向または光照射位置を変えることにより２つの露光ステーションへ交互に光照射するようになされた、請求項２または３に記載の露光用光源。

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