JP7458853B2 - 光源装置、照明装置、及び露光装置。 - Google Patents
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Description
本発明は、光源装置、照明装置、及び露光装置に関する。
半導体デバイスやフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の製造工程において露光装置が用いられている。露光装置は、リソグラフィ工程において、原版であるレチクルやマスクのパターンを、投影光学系を介して感光性の基板（例えば、表面にレジスト層が形成されたウエハやガラスプレート）に転写する。
露光装置の光源として、例えば水銀ランプが用いられているが、近年、水銀ランプの代わりに、省エネルギーである発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）へ置換することが期待されている。ＬＥＤは発光を制御する基板回路に電流を流してから、光の出力が安定するまでの時間が短く、水銀ランプのように常時発光させる必要がないため、長寿命でもある。
ただし、ＬＥＤチップ１個当たりの光出力は極めて小さい。そこで、水銀ランプの代わりに光源としてＬＥＤを用いる場合、複数のＬＥＤチップ（一例としては１０００個程度）を基板に整列させたＬＥＤアレイを用いて光の総出力を大きくすることや、発熱したＬＥＤチップを効率よく冷却するための技術が求められる。
また、同じ規格内のＬＥＤチップであったとしても、ＬＥＤチップを製造する際の製造誤差によって発光効率に差がある場合がある。特許文献１は、ＬＥＤを光源としたバックライトについて開示しており、ＬＥＤチップの発光効率が良い場合には配置するＬＥＤチップの数を減らしてコストを抑えることができる技術を開示している。
複数のＬＥＤチップを使用する場合、ＬＥＤチップの発熱によりＬＥＤチップの許容温度を越えてしまい、ＬＥＤチップが不点灯となってしまうことが問題となる。特許文献１にはこのような課題認識が存在せず、ＬＥＤチップからの発熱に関する内容について開示していない。
そこで、本発明は、ＬＥＤを光源とした光源装置において、光の総出力の低下を抑制するために有利な技術を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光源装置は、複数のＬＥＤチップが基板上に直列に配置されたチップ列を複数備えたＬＥＤアレイと、冷媒入口から冷媒出口に向かって流れる冷媒により、前記ＬＥＤアレイを冷却する冷却器と、を有し、前記基板上に配置された第１のＬＥＤチップは、前記第１のＬＥＤチップより発光効率が高い第２のＬＥＤチップよりも前記冷却器の冷媒入口側に配置されることを特徴とする。
本発明によれば、例えば、ＬＥＤを光源とした光源装置において、光の総出力の低下を抑制するために有利な技術を提供することができる。
以下に本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１を用いて光源装置１について説明する。図１は本実施形態の光源装置１の平面図である。光源装置１は、電気基板２、ＬＥＤチップ３、冷却器４、及び制御部５を有する。電気基板２上には、複数のＬＥＤチップ３が配置されており、以下では、電気基板２と複数のＬＥＤチップ３をまとめてＬＥＤアレイと呼ぶ。電気基板２には銅配線がＬＥＤチップ３に接続・実装されており、ＬＥＤチップ３を駆動するための回路が形成されている。回路に電流を流すことで、ＬＥＤチップ３から所定の波長の光が出力され、ＬＥＤチップ３が発熱する。
図１を用いて光源装置１について説明する。図１は本実施形態の光源装置１の平面図である。光源装置１は、電気基板２、ＬＥＤチップ３、冷却器４、及び制御部５を有する。電気基板２上には、複数のＬＥＤチップ３が配置されており、以下では、電気基板２と複数のＬＥＤチップ３をまとめてＬＥＤアレイと呼ぶ。電気基板２には銅配線がＬＥＤチップ３に接続・実装されており、ＬＥＤチップ３を駆動するための回路が形成されている。回路に電流を流すことで、ＬＥＤチップ３から所定の波長の光が出力され、ＬＥＤチップ３が発熱する。
本実施形態におけるＬＥＤアレイは、複数のＬＥＤチップ３が電気的に直列に配置されたチップ列を形成している。図１に示すようにチップ列を複数含んでＬＥＤアレイが形成されても良く、チップ列は、コネクタ６ａ、６ｂを介して制御部５に接続されている。
制御部５は、電源を含み、ＬＥＤチップ３に流れる電流や電源に印加する電圧を制御し、ＬＥＤチップ３から出力される光量を制御する。制御部５は、光学装置１で照明する照明面で目標照度となるようにＬＥＤチップ３に流れる電流や電源に印加する電圧を制御しても良い。制御部５は、１つの制御部が複数のチップ列に接続されても良いし、複数の制御部がチップ列のまとまり毎に接続されて、制御部毎にＬＥＤチップに流れる電流や電源に印加する電圧を制御しても良い。
冷却器４は、電気基板２のＬＥＤチップ３が配置されている面とは反対側の面に接している。冷却器４は、冷却器４内部を冷媒が流れることにより、電気基板２から熱を奪ってＬＥＤアレイを冷却する。図２は冷却器４の内部構造を示す図である。冷却器４は、冷凍機７に接続されており、冷却器４の冷媒入口８から冷媒出口９に向かって冷媒が流れる。電気基板２から熱を奪った後の冷媒は、冷却器出口９から冷凍機７へと循環することで、再びＬＥＤアレイを冷却する。
冷媒が単位時間あたりにＬＥＤアレイから除去できる熱量で定義される冷却力を向上させるため、冷却器４には冷媒入口側から冷媒出口側の方向に沿って複数の仕切り１０が延在している。これにより、冷却器４全体に冷媒を行き届かせる流路を形成する。冷媒は仕切り１０間を流れて、熱交換により電気基板２から熱を奪い、ＬＥＤアレイを冷却する。冷媒には、例えば、冷却力が優れている水を主成分とする液体や、電気絶縁性に優れたオイルを主成分する液体が用いられる。
上記の冷却力を向上させるために、熱伝導率の良い素材を電気基板２や冷却器４に用いることが好ましい。電気基板２の基材としては、例えば、熱伝導率の高い窒化アルミニウムを用いると良い。冷却器４の素材としては、例えば、銅やアルミニウムなどを用いると良い。
（ＬＥＤチップの発光効率と発熱量）
ＬＥＤチップの発光効率について説明する。図３はＬＥＤチップ３に流す電流とＬＥＤチップ３にかかる電力量（光出力量と発熱量の和で表せる）の関係を示す図である。ＬＥＤチップ３に電流が流れると、電流の大きさに応じて、ＬＥＤチップ３から光が出力される。電流に対するＬＥＤチップ３の光出力量は、ＬＥＤチップ３の発光効率により決まる。ＬＥＤチップ３の発光効率は、ＬＥＤチップ３にかかる電力に対するＬＥＤチップ３の光出力の大きさの割合で定義され、
図３（ａ）は発光効率が低い例であり、ＬＥＤチップ３にかかる電力に対してＬＥＤチップの光出力が小さく、ＬＥＤチップの発熱量が大きい。一方、図３（ｂ）は発光効率が高い例であり、ＬＥＤチップ３にかかる電力に対してＬＥＤチップの光出力が大きく、ＬＥＤチップの発熱量が小さい。即ち、発光効率が異なるＬＥＤチップで同じ光出力を得るためには、発光効率が低いＬＥＤチップに流す電流を大きくする必要がある。この時、発光効率が低いＬＥＤチップでは、発光効率が高いＬＥＤチップに比べて発熱量が大きくなる。
ＬＥＤチップの発光効率について説明する。図３はＬＥＤチップ３に流す電流とＬＥＤチップ３にかかる電力量（光出力量と発熱量の和で表せる）の関係を示す図である。ＬＥＤチップ３に電流が流れると、電流の大きさに応じて、ＬＥＤチップ３から光が出力される。電流に対するＬＥＤチップ３の光出力量は、ＬＥＤチップ３の発光効率により決まる。ＬＥＤチップ３の発光効率は、ＬＥＤチップ３にかかる電力に対するＬＥＤチップ３の光出力の大きさの割合で定義され、
図３（ａ）は発光効率が低い例であり、ＬＥＤチップ３にかかる電力に対してＬＥＤチップの光出力が小さく、ＬＥＤチップの発熱量が大きい。一方、図３（ｂ）は発光効率が高い例であり、ＬＥＤチップ３にかかる電力に対してＬＥＤチップの光出力が大きく、ＬＥＤチップの発熱量が小さい。即ち、発光効率が異なるＬＥＤチップで同じ光出力を得るためには、発光効率が低いＬＥＤチップに流す電流を大きくする必要がある。この時、発光効率が低いＬＥＤチップでは、発光効率が高いＬＥＤチップに比べて発熱量が大きくなる。
また、図３に示すように、ＬＥＤチップからの光出力を大きくするには、ＬＥＤチップに流す電流を大きくする必要がある。電流を大きくすると、ＬＥＤチップの発光効率に応じてＬＥＤチップが発熱する。ＬＥＤチップには許容可能なＬＥＤチップの許容温度があり、ＬＥＤチップの温度がその許容温度を超えると、ＬＥＤチップが不点灯となる。ＬＥＤチップの温度は、ＬＥＤチップの発熱量と冷媒の冷却力に依存して決まる。そのため、ＬＥＤチップに流す電流は、ＬＥＤチップの発熱量によって制限される。
また、ＬＥＤチップがチップ列を構成する場合には、１つのＬＥＤチップが不点灯となると、同じチップ列の他のＬＥＤチップも不点灯となってしまう。したがって、チップ列へ投入可能な最大の電流は、ＬＥＤチップの発光効率に依存する。（同様に、冷媒による冷却力にも依存する。）
上記のようなＬＥＤチップの発光効率の違いは、同じ規格のＬＥＤチップの間にも製造誤差等により生じる。ＬＥＤチップは、予め発光効率を示す情報に基づいてランクの分類がされており、発光効率が高いＬＥＤチップを、高いランクのＬＥＤチップと呼ぶ。
上記のようなＬＥＤチップの発光効率の違いは、同じ規格のＬＥＤチップの間にも製造誤差等により生じる。ＬＥＤチップは、予め発光効率を示す情報に基づいてランクの分類がされており、発光効率が高いＬＥＤチップを、高いランクのＬＥＤチップと呼ぶ。
（比較例）
本実施例の比較例として、ＬＥＤチップのランクを考慮せずに、ＬＥＤチップがランダムに配置される場合について説明する。図４は異なるランクのＬＥＤチップ３ａ～３ｃがランダムに配置されている光源装置の図である。ＬＥＤチップ３ａ～３ｃにおけるランクの高い順番は、３ｃ、３ｂ、３ａとなる。
本実施例の比較例として、ＬＥＤチップのランクを考慮せずに、ＬＥＤチップがランダムに配置される場合について説明する。図４は異なるランクのＬＥＤチップ３ａ～３ｃがランダムに配置されている光源装置の図である。ＬＥＤチップ３ａ～３ｃにおけるランクの高い順番は、３ｃ、３ｂ、３ａとなる。
また、冷却器４は、冷媒入口８付近の領域と冷媒出口９付近の領域とでは冷却力が異なる。冷媒出口９付近の領域では既に熱交換が繰り返されている冷媒が流入してくるために、冷媒入口８付近の領域に比べて冷却力が低い。比較例では、冷却器４内での冷却力の違いを考慮せずにＬＥＤチップ３ａ～３ｃが配置されている。
冷却器４の冷却力が一様であれば、ＬＥＤチップ３ａ～３ｃがランダムに配置されても良い。しかしながら、比較例のように、冷却器４の冷却力が領域により異なる場合にはＬＥＤチップ３ａ～３ｃがランダムに配置されることは好ましくない。冷却力が低い冷媒出口９付近の領域に発光効率が低いＬＥＤチップ３ａが配置された場合、ＬＥＤチップ３ｂ、３ｃと比較して発熱量が大きいにもかかわらず、冷却器４の冷却力は低い。このようにＬＥＤチップの温度が上昇しやすい場合には、ＬＥＤチップが不点灯とならない範囲で電流を流さなければならず、十分な光出力を得ることができない。
（本実施例でのＬＥＤチップの配置）
本実施例では、ＬＥＤチップの発光効率のランクを考慮して、ＬＥＤチップの配置を決定している。図５は、異なるランクのＬＥＤチップ３ａ～３ｃが、冷却器４の冷却力を考慮して配置されている光源装置の図である。冷却器４の冷媒が流れる方向はチップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と平行であり、比較例と同様に、冷媒出口９付近の領域では既に熱交換が繰り返されている冷媒が流入してくるために、冷媒入口８付近の領域に比べて冷却力が低い。
本実施例では、ＬＥＤチップの発光効率のランクを考慮して、ＬＥＤチップの配置を決定している。図５は、異なるランクのＬＥＤチップ３ａ～３ｃが、冷却器４の冷却力を考慮して配置されている光源装置の図である。冷却器４の冷媒が流れる方向はチップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と平行であり、比較例と同様に、冷媒出口９付近の領域では既に熱交換が繰り返されている冷媒が流入してくるために、冷媒入口８付近の領域に比べて冷却力が低い。
本実施形態では、冷却力が高い冷媒入口８付近の領域には低いランクであるＬＥＤチップ３ａを配置している。ＬＥＤチップ３ａは、ＬＥＤチップ３ｂや３ｃと比較してＬＥＤチップの発熱量が大きいため、冷却力が高い基板領域に配置している。冷却力が高い基板領域にＬＥＤチップ３ａを配置する理由は、冷却力が低い基板領域にＬＥＤチップ３ａを配置する場合に比べて、電流を大きくすることが可能となるためである。即ち、発光効率が低いＬＥＤチップ３ａにおいても、光出力を大きくすることができる。
また、本実施形態では、冷却力が低い冷媒出口９付近の領域には高いランクのＬＥＤチップ３ｃを配置している。ＬＥＤチップ３ｃは、ＬＥＤチップ３ａや３ｂと比較してＬＥＤチップの発熱量が小さいため、冷却力が低い基板領域に配置している。冷却力が低い基板領域にＬＥＤチップ３ｃを配置することにより、ＬＥＤチップ３ｃより発光効率が低いＬＥＤチップ３ａや３ｂを冷却力が高い基板領域に配置できるため、ＬＥＤチップが不点灯とならない範囲で最大の電流を流すことができる。
そのため、ＬＥＤアレイ全体としては光出力を大きくすることができる。したがって、比較例よりもＬＥＤチップの光出力を向上させることができる。
本実施形態では、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と平行である形態について説明したが、完全に平行でなくても良い。例えば、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向に対して、水平な成分を含むような配置であれば良い。
本実施形態では、１つのチップ列に対して３つのＬＥＤチップ３ａ～３ｃで構成されているが、これに限らず３つ以外の個数のＬＥＤチップで構成されても良い。また、１つのチップ列に３つ以上のＬＥＤチップを使用する場合、冷媒入口側から冷媒出口側に向かって発光効率の低いＬＥＤチップから順番に配置してもよい。また、ＬＥＤチップのランクが３段階である場合について説明したが、２段階でも良いし４段階以上のランクに分類しても良い。
本実施形態では、電気基板２にＬＥＤチップ３ａ～３ｃを直接実装した形態で説明しているが、回路への接続が容易であるＬＥＤパッケージを使用してもよい。また、同一チップ列内のＬＥＤチップ３ａ～３ｃの配置は等間隔と不等間隔のどちらでも良いし、チップ列間の配置も等間隔と不等間隔のどちらでも良い。
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と平行である形態について説明した。本実施形態では、ＬＥＤチップの発光効率のランクを考慮してＬＥＤチップの配置を決定しているという点では第１実施形態と同じだが、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と垂直である形態について説明する。図５は、異なるランクのＬＥＤチップ３ａ～３ｃが、冷却器４の冷却力を考慮して配置されている光源装置の図である。
第１実施形態では、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と平行である形態について説明した。本実施形態では、ＬＥＤチップの発光効率のランクを考慮してＬＥＤチップの配置を決定しているという点では第１実施形態と同じだが、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と垂直である形態について説明する。図５は、異なるランクのＬＥＤチップ３ａ～３ｃが、冷却器４の冷却力を考慮して配置されている光源装置の図である。
本実施形態では、１つのチップ列に同一のランクのＬＥＤチップが構成される。冷却力が高い冷媒入口８付近の領域には、低いランクであるＬＥＤチップ３ａで構成されるチップ列が配置される。また、冷却力が低い冷媒入口８付近の領域には、高いランクであるＬＥＤチップ３ｃで構成されるチップ列が配置される。
第１実施形態の説明でも述べたように、低いランクであるＬＥＤチップ３ａは、ＬＥＤチップ３ｂや３ｃと比較してＬＥＤチップの発熱量が大きいため、冷却力が高い基板領域に配置している。冷却力が高い基板領域にＬＥＤチップ３ａを配置する理由は、冷却力が低い基板領域にＬＥＤチップ３ａを配置する場合に比べて、電流を大きくすることが可能となるためである。即ち、発光力が低いＬＥＤチップ３ａにおいても、光出力を大きくすることができる。
また、冷却力が低い冷媒出口９付近の領域には、高いランクであるＬＥＤチップ３ｃを配置している。ＬＥＤチップ３ｃは、ＬＥＤチップ３ａや３ｂと比較してＬＥＤチップの発熱量が小さいため、冷却力が低い基板領域に配置している。冷却力が低い基板領域にＬＥＤチップ３ｃを配置することにより、ＬＥＤチップ３ｃより発光効率が低いＬＥＤチップ３ａや３ｂを冷却力が高い基板領域に配置できるため、ＬＥＤチップが不点灯とならない範囲で最大の電流を流すことができる。そのため、ＬＥＤアレイ全体としては光出力を向上させることができる。
本実施形態では、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向と垂直である形態について説明したが、完全に垂直でなくても良い。例えば、冷却器４の冷媒が流れる方向が、チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向に対して、垂直な成分を含むような配置であれば良い。
本実施形態では、１つのチップ列に対して３つのＬＥＤチップ３ａ～３ｃで構成されているが、これに限らず３つ以外の個数のＬＥＤチップで構成されても良い。また、ＬＥＤアレイは６つのチップ列で構成されているが、これに限らず６つ以外のチップ列で構成されても良い。また、違うチップ列に同じランクのＬＥＤチップが配置されても良く、冷媒入口側から冷媒出口側に向かって発光効率が高くなるようにＬＥＤチップを配置してもよい。また、ＬＥＤチップのランクが３段階である場合について説明したが、２段階でも良いし４段階以上のランクに分類しても良い。
本実施形態では、電気基板２にＬＥＤチップ３ａ～３ｃを直接実装した形態で説明しているが、回路への接続が容易であるＬＥＤパッケージを使用してもよい。また、同一チップ列内のＬＥＤチップ３ａ～３ｃの配置は等間隔と不等間隔のどちらでも良いし、チップ列間の配置も等間隔と不等間隔のどちらでも良い。
＜第３実施形態＞
第１実施形態と第２実施形態では、冷媒の流路が１方向である場合について説明した。本実施形態では、冷媒の流路が複数方向存在するものについて説明する。図７（ａ）、図７（ｂ）は、２つの冷媒入口８ａ、８ｂと、２つの冷媒出口９ａ、９ｂを有する光源装置１の図である。冷媒の流路は、冷媒入口８ａ側から冷媒出口９ａ側の方向と、冷媒入口８ｂ側から冷媒出口９ｂ側の方向の２つの流路が形成される。
第１実施形態と第２実施形態では、冷媒の流路が１方向である場合について説明した。本実施形態では、冷媒の流路が複数方向存在するものについて説明する。図７（ａ）、図７（ｂ）は、２つの冷媒入口８ａ、８ｂと、２つの冷媒出口９ａ、９ｂを有する光源装置１の図である。冷媒の流路は、冷媒入口８ａ側から冷媒出口９ａ側の方向と、冷媒入口８ｂ側から冷媒出口９ｂ側の方向の２つの流路が形成される。
図７（ａ）、図７（ｂ）では、２つの電気基板２ａ、２ｂに複数のＬＥＤチップ３ａ～３ｃが配置されており、２つのＬＥＤアレイによって光源装置１が構成されている。それぞれのＬＥＤアレイには、電源を含む制御部５ａ、５ｂが独立して接続されており、ＬＥＤチップ３ａ～３ｃに流れる電流や電源に印加する電圧を制御し、ＬＥＤチップ３ａ～３ｃから出力される光量を制御する。制御部５ａ、５ｂは、光学装置１で照明する照明面で目標照度となるようにそれぞれのＬＥＤアレイを独立して制御できる。
本実施形態では、冷却力が高い冷媒入口８ａ、８ｂ付近の領域には、低いランクのＬＥＤチップ３ａが配置される。また、冷却力が低い冷媒出口９ａ、９ｂ付近の領域には、高いランクのＬＥＤチップ３ｃが配置される。
第１実施形態の説明でも述べたように、低いランクであるＬＥＤチップ３ａは、ＬＥＤチップ３ｂや３ｃと比較してＬＥＤチップの発熱量が大きいため、冷却力が高い冷媒入口８ａ、８ｂ付近の領域に配置している。冷却力が高い基板領域にＬＥＤチップ３ａを配置する理由は、冷却力が低い基板領域にＬＥＤチップ３ａを配置する場合に比べて、電流を大きくすることが可能となるためである。即ち、発光効率が低いＬＥＤチップ３ａにおいても、光出力を大きくすることができる。
また、冷却力が低い冷媒出口９ａ、９ｂ付近の領域には発光効率が高いランクのＬＥＤチップ３ｃを配置している。ＬＥＤチップ３ｃは、ＬＥＤチップ３ａや３ｂと比較してＬＥＤチップの発熱量が小さいため、冷却力が低い基板領域に配置している。冷却力が低い基板領域にＬＥＤチップ３ｃを配置することにより、ＬＥＤチップ３ｃより発光効率が低いＬＥＤチップ３ａや３ｂを冷却力が高い基板領域に配置できるため、ＬＥＤチップが不点灯とならない範囲で最大の電流を流すことができる。そのため、ＬＥＤアレイ全体としては光出力を向上させることができる。
本実施形態では、冷媒の流路が反対方向に２つである場合について説明したが、これに限らない。冷媒の流路が３つ以上形成されても良いし、流路の方向が本実施形態と異なるものでも良い。
本実施形態では、１つのチップ列に対して６つのＬＥＤチップ３ａ～３ｃで構成されているが、これに限らず６つ以外の個数のＬＥＤチップで構成されても良い。また、１つのチップ列に３つ以上のＬＥＤチップを使用する場合、冷媒入口側から冷媒出口側に向かって発光効率の低いＬＥＤチップから順番に配置してもよい。また、ＬＥＤチップのランクが３段階である場合について説明したが、２段階でも良いし４段階以上のランクに分類しても良い。
本実施形態では、電気基板２ａ、２ｂにＬＥＤチップ３ａ～３ｃを直接実装した形態で説明しているが、回路への接続が容易であるＬＥＤパッケージを使用してもよい。また、同一チップ列内のＬＥＤチップ３ａ～３ｃの配置は等間隔と不等間隔のどちらでも良いし、チップ列間の配置も等間隔と不等間隔のどちらでも良い。
＜照明光学系の実施形態＞
次に、図８を用いて照明光学系の例を説明する。図８は照明光学系の概略断面図である。照明光学系５０は、光源部５１、コンデンサレンズ５２、インテグレータ光学系５３、コンデンサレンズ５４を有する。光源部５１から出た光束は、コンデンサレンズ５２を通過して、インテグレータ光学系５３に至る。コンデンサレンズ５２は、光源部５１の射出面位置とインテグレータ光学系５３の入射面位置が、光学的にフーリエ共役面になるように設計されている。このような照明系をケーラー照明とよぶ。コンデンサレンズ５２は、図８では平凸レンズ１枚を描いているが、実際は複数のレンズ群で構成されることが多い。インテグレータ光学系５３を用いることにより、インテグレータ光学系５３の射出面位置には、光源部５１の射出面と共役な複数の二次光源像が形成される。インテグレータ光学系５３の射出面から射出された光は、コンデンサレンズ５４を介して照明面５５に至る。
次に、図８を用いて照明光学系の例を説明する。図８は照明光学系の概略断面図である。照明光学系５０は、光源部５１、コンデンサレンズ５２、インテグレータ光学系５３、コンデンサレンズ５４を有する。光源部５１から出た光束は、コンデンサレンズ５２を通過して、インテグレータ光学系５３に至る。コンデンサレンズ５２は、光源部５１の射出面位置とインテグレータ光学系５３の入射面位置が、光学的にフーリエ共役面になるように設計されている。このような照明系をケーラー照明とよぶ。コンデンサレンズ５２は、図８では平凸レンズ１枚を描いているが、実際は複数のレンズ群で構成されることが多い。インテグレータ光学系５３を用いることにより、インテグレータ光学系５３の射出面位置には、光源部５１の射出面と共役な複数の二次光源像が形成される。インテグレータ光学系５３の射出面から射出された光は、コンデンサレンズ５４を介して照明面５５に至る。
図９を用いて光源部５１を説明する。図９は、光源部５１の概略図である。光源部５１は、光源装置１、集光レンズ５６、集光レンズ５７を有する。図９では光源装置１の一部として、電気基板２、ＬＥＤチップ３を図示している。集光レンズ５６、５７は、各ＬＥＤチップ３に対応して設けられた各レンズを有するレンズアレイである。集光レンズ５６の各レンズは各ＬＥＤチップ３上に設けられている。レンズは、図９のような平凸レンズであっても良いし、その他のパワーがついた形状をとっても良い。レンズアレイとしては、エッチングや切削等で連続的にレンズを形成したレンズアレイや、個々のレンズを接合したレンズアレイを用いることができる。ＬＥＤチップ３から出た光は、半角で５０°～７０°程度の広がりを持っているが、集光レンズ５６、５７によって、それらは３０°以下程度に変換される。集光レンズ５６はＬＥＤチップから所定の間隔だけ離されて設けられ、電気基板２とともに一体的に固定されていてもよい。
図８の説明に戻る。インテグレータ光学系５３は、光強度分布を均一化させる機能を有する。インテグレータ光学系５３には、オプティカルインテグレータレンズやロッドレンズが用いられ、照射面５５の照度均一度を改善する。
コンデンサレンズ５４は、インテグレータ光学系５３の射出面と照明面５５が光学的にフーリエ共役面になるように設計されており、インテグレータ光学系５３の射出面またはその共役面は照明光学系の瞳面となる。その結果、照明面５５において、ほぼ均一な光強度分布を作成することができる。
本発明において、光源装置１におけるＬＥＤチップ３の発光効率が異なるため、ＬＥＤアレイ全面での照度は不均一となる。しかしながら、照明光学系５０には、上述した光強度分布を均一化させるインテグレータ光学系５３が備えられているため、光源装置１から出射された不均一な光は、照明面５５において均一な照度を得ることができる。
上記の光源装置１や照明光学系５０は各種照明装置に適用でき、光硬化性樹脂を照明する装置、被検物を照明して検査する装置、リソグラフィ装置などにも用いることができる。例えば、マスクのパターンを基板に露光する露光装置、マスクレス露光装置、型を用いて基板にパターンを形成するインプリント装置、又は、平坦層形成装置に適用することできる。
＜露光装置の実施形態＞
本実施形態では、上記の光源装置１や照明光学系５０を露光装置に適用した場合について説明する。図１０は、露光装置１００の構成を示す概略図である。露光装置１００は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程であるリソグラフィ工程に採用され、基板上にパターンを形成するリソグラフィ装置である。露光装置１００は、マスクを介して基板を露光して、マスクのパターンを基板に転写する。露光装置１００は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置、所謂、走査型露光装置であるが、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式を採用してもよい。
本実施形態では、上記の光源装置１や照明光学系５０を露光装置に適用した場合について説明する。図１０は、露光装置１００の構成を示す概略図である。露光装置１００は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程であるリソグラフィ工程に採用され、基板上にパターンを形成するリソグラフィ装置である。露光装置１００は、マスクを介して基板を露光して、マスクのパターンを基板に転写する。露光装置１００は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置、所謂、走査型露光装置であるが、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式を採用してもよい。
露光装置１００は、マスク１０１を照明する照明光学系５０、マスク１０１のパターンを基板１０２上に投影する投影光学系１０３を有する。投影光学系１０３はレンズからなる投影レンズや、ミラーを用いた反射型投影系でもよい。
照明光学系５０は、光源装置１からの光をマスク１０１に照明する光学系である。マスク１０１には、基板１０２に形成すべきパターンに対応するパターンが形成されている。マスク１０１は、マスクステージ１０４に保持されており、基板１０２は、基板ステージ１０５に保持されている。
マスク１０１と基板１０２とは、投影光学系１０３を介して、光学的にほぼ共役な位置に配置されている。投影光学系１０３は、物体を像面に投影する光学系である。投影光学系１０３には、反射系、屈折系、反射屈折系を適用することができる。投影光学系１０３は、本実施形態では、所定の投影倍率を有し、マスク１０１に形成されたパターンを基板１０２に投影する。そして、マスクステージ１０４及び基板ステージ１０５を、投影光学系１０３の物体面と平行な方向に、投影光学系１０３の投影倍率に応じた速度比で走査する。これにより、マスク１０１に形成されたパターンを基板１０２に転写することができる。
＜物品の製造方法の実施形態＞
本実施形態では、上記の露光装置を利用した物品の製造方法について説明する。物品とは、例えば、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）である。物品の製造方法は、基板上に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。更に、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
本実施形態では、上記の露光装置を利用した物品の製造方法について説明する。物品とは、例えば、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）である。物品の製造方法は、基板上に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。更に、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含む。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
１ 光源装置
２ 電気基板
３ ＬＥＤチップ
４ 冷却器
８ 冷媒入口
９ 冷媒出口
２ 電気基板
３ ＬＥＤチップ
４ 冷却器
８ 冷媒入口
９ 冷媒出口
Claims (15)
- 複数のＬＥＤチップが基板上に直列に配置されたチップ列を複数備えたＬＥＤアレイと、
冷媒入口から冷媒出口に向かって流れる冷媒により、前記ＬＥＤアレイを冷却する冷却器と、を有し、
前記基板上に配置された第１のＬＥＤチップは、前記第１のＬＥＤチップより発光効率が高い第２のＬＥＤチップよりも前記冷却器の冷媒入口側に配置されることを特徴とする光源装置。 - 前記冷却器は、前記基板において前記第１のＬＥＤチップ及び前記第２のＬＥＤチップが配置された面とは反対側の面に接して配置され、前記基板の領域に応じて前記冷却器の冷却力が異なることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
- 前記冷却器の冷媒入口側は、前記冷却器の冷媒出口側よりも冷却力が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
- 前記冷媒が流れる方向は、前記チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向に対して、水平な成分を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置。
- 前記冷媒が流れる方向は、前記チップ列におけるＬＥＤチップの配列方向に対して、垂直な成分を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光源装置。
- 前記ＬＥＤアレイには、発光効率に基づいて少なくとも２つのランクに分類されているＬＥＤチップが配置されており、
前記チップ列は、同じランクに分類されているＬＥＤチップにより構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。 - 前記冷却器の冷媒入口側に配置されているチップ列のＬＥＤチップは、前記冷却器の冷媒出口側に配置されているチップ列のＬＥＤチップよりも発光効率が低いことを特徴とする請求項５又は６に記載の光源装置。
- 前記基板には、複数のＬＥＤチップが二次元に配列されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
- 前記発光効率は、ＬＥＤチップにかかる電力に対する光出力の大きさの割合であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置。
- 電源を含む制御部を更に有し、
前記制御部は、照明面が目標照度になるよう前記第１のＬＥＤチップ及び前記第２のＬＥＤチップに流れる電流、及び電源に印加する電圧の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光源装置。 - 前記冷媒は、主成分がオイルであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
- 前記冷媒は、主成分が水であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
- 照明装置であって、
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光源装置と、
コンデンサレンズと、を有し、
前記光源装置における複数のＬＥＤチップのそれぞれからの照明光を、前記コンデンサレンズを介して、重ね合わせることを特徴とする照明装置。 - 基板を露光する露光装置であって、
マスクを照明する照明装置であり、請求項１３に記載された照明装置と、
前記マスクのパターンを基板に露光する露光手段を有することを特徴とする露光装置。 - 物品の製造方法であって、
請求項１４に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
露光された基板を現像する工程と、を有し、
現像された基板から物品を製造することを特徴とする物品の製造方法。
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