TW201514632A - 照明裝置及包含該照明裝置的曝光裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的目的是適當地檢測光源發出的照明光的照度/強度。將以基本頻率F重疊了因各燈管而異的特定頻率f1~f4的交流電力，做為供給至各放電燈管的交流電力，使各放電燈管的照明光週期地變動。照度感測器40檢測出各放電燈管的有震盪的照明光重疊而成的合成照明光的照度。照度量測部45根據彼此不同的特定頻率f1~f4，以同步檢測的方式檢測出不含震盪成分的各放電燈管的照度。

Description

照明裝置及包含該照明裝置的曝光裝置
本發明係有關於可使用於曝光裝置等的照明裝置，且特別有關於照明裝置的照度量測。
曝光裝置中會使用發光強度大的短弧型放電燈管。為了提高發光強度，會將複數放電燈管組成的多燈式照明裝置組裝在內(例如，參照專利文獻1)。在其中，規則地排列由放電燈管及反射器組成的光源元件來構成燈管單元，用以照明基板。
關於照度調整，為了均勻地照明基板，會採用定照度點燈方法。在基板所搭載的平台等配置照度計，檢測出曝光動作前的照明光的照度。然後，調整放電燈管的輸出使達到與目標照度一致(例如，參照專利文獻2)。
[先行技術文獻]
專利文獻1：日本特開2012-221726號公報
專利文獻2：日本特開2012-208351號公報
多燈式照明裝置的情況下，從複數光源分別射出的光聚成單一照明光朝基板照射。因此，配置於平台上的照度 計檢測出基於全部光源的照度(全體照度)，而沒有檢測出個別光源的照度。
光源本身有個體差，隨使用時間經過而損耗的比例也各不相同。因此，即使供給相同的電力(供給電力)給各光源，照度下降會依光源而異。然而，若是起因於特定光源而造成全體照度下降，在定照度點燈控制下，會一律地增加對全部光源的供給電力。
結果，對照度幾乎沒有下降的光源供給電力過大，反而加速損耗。這進一步招致全體照度下降，而關係到多燈式照明裝置的發光效率的惡化與壽命縮短。
另一方面，在各光源旁設置複數的照度計的情況下，在光源側所量測的照度與在基板側所量測的照度不一定一致。原因可能是照明光學系統的配置特性，或者是在平台附近有來自裝置外部的照明光。因此，當光源的放射光以外的外來光重疊後，就無法適當地量測照度。
因此，照明裝置需要能適當地檢測出光源的照度/強度。
本發明的照明裝置，包括：複數的光源，分別發出照明光；光檢出部，配置在照明光學系統與被照射領域之間，檢測出該複數的光源的全體照明光的照度或強度(以下以照度/強度表示)；以及照明控制部，對各個該複數的光源進行發光控制。在維持照度為一定的定照度點燈方式下，照明控 制部可一律地控制對各光源的供給電力。
照明控制部讓該複數的光源分別發出照度/強度隨著對應複數的光源的各自不同的頻率而變動的量測照明光。而光檢出部根據各自不同的頻率，從各光源的量測照明光重疊後的全體量測照明光中，獲得各光源的不包含變動成分的照明光的照度/強度。
照明控制部可根據照度/強度會因應供給至各光源的電力的週期變動而產生週期變動的頻率，來發出量測照明光。
例如，複數的光源個別因為交流電力輸入而發出照明光，照明控制部對各光源，供給具有基本頻率及對應該光源的特定頻率重疊而成的合成頻率的交流電力，來發出量測照明光。
考慮到確實地抽出特定頻率，照明控制部可將至少超過基本頻率的2倍的特定頻率重疊於基本頻率。又，對應該複數的光源的複數的特定頻率彼此之間可具有容許最小間隔以上的頻率間隔。
例如，照明控制部可將滿足以下式子的範圍的特定頻率重疊至基本頻率。式子中的上限值是從過去沒有被了解的供給電力與特定頻率的關係中根據經驗推導出來。其中fm可以設定在滿足上限值以下，或者是滿足下限值以上的範圍。
6×F≦fm≦10/PW0
其中fm表示特定頻率(kHz)，F表示基本頻率(kHz)，PW0表示具有基本頻率F的矩形波的交流電力(kW)。
做為檢出各光源的照度的構造，例如光檢出部可設置同步檢測部。
或者是，光檢出部中，具備將全體照明光分離為各光源的量測照明光的濾波器，光檢出部從各光源的量測照明光的振幅中檢測出震盪的照明光的照度/強度。
本發明的另一態樣的照明裝置，包括：單一光源，發出照明光；光檢出部，配置於照明光學系統與被照射領域之間，檢測出該光源產生的全體照明光的照度/強度；以及照明控制部，對該光源進行發光控制。照明控制部將具有光源的電力波形及對應光源的特定頻率重疊後的合成頻率的交流電力，供給至光源，藉此使光源發出隨該合成頻率變動的量測照明光。光檢出部根據合成頻率，從重疊了光源的量測照明光的全體量測照明光中，得到光源的不含變動成分的照明光的照度/強度。
根據本發明，能夠適當地檢測出光源放射的照明光的照度/強度(以下，有時單以照度稱之)。
10‧‧‧曝光裝置
20‧‧‧照明裝置
20A~20D‧‧‧光源單元
21‧‧‧鏡面
22A~22D‧‧‧電源電路
24‧‧‧折返鏡面
26‧‧‧照明光學系統
28A~28D‧‧‧放電燈管
29A~29D‧‧‧反射器
30‧‧‧曝光頭
40‧‧‧照度感測器
45‧‧‧照度量測部
50‧‧‧控制部
S‧‧‧基板
M‧‧‧半個週期
PW、PW0‧‧‧交流電力
W‧‧‧供給電力振幅
Wm‧‧‧照度振幅
第1圖係第1實施型態的曝光裝置的方塊圖。
第2圖係顯示照度測量時供給各燈管的交流電力。
第3圖係第2圖的電極矩形波的部份放大圖。
第4圖係顯示以照度感測器檢測出各燈管的照明光所合成的全體照明光的照度震盪。
第5圖係顯示以同步檢測所檢測的各放電燈管的照度。
第6圖係顯示第2實施型態的濾波後的照明光的時序上的變動。
以下，參照圖式說明本發明的實施型態。
第1圖係第1實施型態的曝光裝置的方塊圖。
曝光裝置10對塗布或貼上光阻等的感光材料的基板S，投影照明光形成圖樣。基板S設置於描繪桌(未圖示)上。
曝光裝置10具備照明裝置20、曝光頭30、控制部50，由控制部50來實行、控制曝光動作。照明裝置20在此由4個光源單元20A~20D所組成。光源單元20A具備放電燈管28A及反射器29A，其他的光源單元20B~20D也分別具有短弧型放電燈管28B、28C、28D及反射器29B、29C、29D。
放電燈管28A~28D在此適用短弧型放電燈管，水銀量封入0.15mg/mm3以上。放電燈管28A~28D根據交流電力點燈，在此，以電源電路22A~22D供給具有大約0.05~0.2(kHz)的頻率(基本頻率)的矩形波交流電力。
分別從放電燈管28A~28D放射的光經反射器29A~29D聚集射出，並在折返鏡面24反射。在折返鏡面24反射的光朝照明光學系統26入射。照明光學系統26具有複眼透鏡等的光學系統，將空間上均一強度的光束所組成的光射出。從照明光學系統26射出的光透過鏡面21等被導引至曝光頭30內的DMD(未圖示)。
控制部50配合基板S相對於描繪桌的位置來發送網格資料發送給DMD。做為空間光調變器的DMD是微小矩形狀的微鏡面配置成二維矩陣狀。DMD的各微鏡面根據網格資料而控制在ON/OFF。
照度感測器40設置於桌面的一端，曝光動作開始前會移動到曝光區域的位置。照度量測時，控制部50控制電源電路22A~22D，變動放電燈管28A~28D個別的光輸出，使個別的照明光及全體的照明光產生照度震盪。照度量測部45從被量測的全體的照明光中檢測到個別燈管的照明光的照度。
控制部50進行定照度點燈控制，一律地控制往放電燈管28A~28D的供給電力。同時，控制部50個別地監控各放電燈管的照度。當特別的放電燈管的照度下降到超出預定範圍的情況下，控制部50對螢幕(未圖示)送出燈管交換通知的資料。或者是，可以設置發出蜂鳴聲的機制。
第2圖係顯示照度測量時供給各燈管的交流電力。第3圖係第2圖的電極矩形波的部份放大圖。第4圖係顯示以照度感測器檢測出各燈管的照明光所合成的全體照明光的照度震盪。接著，使用第2~4圖說明照度量測時所供給的交流電力特性。
通常的曝光動作中，具有低頻率F(以下稱為基本頻率)的矩形波的交流電力PW0送至放電燈管28A~28D。供給電力的值對任一放電燈管皆相同。在此，基本頻率F定在0.05~0.2(kHz)的範圍。
另一方面，進行照度量測的情況下，也就是說更 換基板期間、燈管點燈開始的定期檢查期間、曝光裝置的系統變更期間等，當不形成圖樣於基板時，控制部50供給了高頻率(以下稱為特定頻率)fm重疊至基本頻率F的重疊頻率(合成頻率)的交流電力PW。
第2圖中，顯示了具有振幅W與基本頻率F的矩形波的交流供給電力PW0的波形，以及特定頻率fm(m=1~4)重疊至基本頻率F的合成頻率的交流供給電力PW的波形。第3圖放大了第2圖的交流供給電力PW的矩形波半個週期(M)。對放電燈管28A~28D的供給電力具有特定頻率f1~f4分別重疊至基本頻率F的合成頻率的交流電力波形。放電燈管28A~28D的供給電力波形分別以符號A~D表示。
特定頻率f1~f4是比基本頻率F高的頻率，設定在數kHz~數100kHz的範圍。又，特定頻率fm的值會因燈管而異。關於特定頻率fm的下限值，是設定為不干涉基本的交流電力PW0的矩形波形。例如，基本頻率F的矩形波的略半週期的期間內，特定頻率fm的波形至少出現1個週期的分量，也就是說可規定為超過基本頻率F的2倍。
另一方面，關於特定頻率fm的上限值，則設定為照明光的照度不會產生不穩定的狀態。具體來說，照明光配合供給電力的變動而變動，也就是，上限值設定在照度/強度的週期變動與供給電力的週期變動成比例的可能範圍。
照明光的變動是因為供給電力的變動造成電極溫度及水銀蒸發量等的變動而發生。特別是，封入水銀0.15(mg/mm3)以上的短弧型放電燈管的情況下，照度的變動速 度有其界限，而反應於供給電力變動的照明光變動的反應性也有其界線。
因此，供給電力大照度高的燈管的情況下，特定頻率重疊而產生供給電力的變動量變大，另一方面，照度變得無法追隨供給電力的變動，而變得無法量測正確的照度變動量。
上述短弧型放電燈的情況下，特定頻率必須是照度能夠追隨供給電力的變動的最大值(特定頻率上限值fmmax)以下。本實施型態中，當燈管的水銀封入量在既定範圍內的情況下，根據經驗發現能夠從特定頻率與供給電力的關係中設定出特定頻率的上限。具體來說，封入燈管內的水銀量為0.15~0.4(mg/mm3)，供給燈管的交流電力為0.05~0.6(kW)的情況下，特定頻率的上限值可由以下式子求出。其中fmmax表示特定頻率上限值(kHz)。
fmmax=10/PW0..(1)
短弧型放電燈管的照度除了供給電力的變動外，也有受到週邊環境(例如燈管週邊溫度)影響而微小變化的可能性。為了不受到這種照度變動的影響而抽出特定頻率，必須是相對於基本頻率，超出某一基準值的高頻率。
具體來說，為了檢測出因應供給電力變動的正確的照明光變動量，在基本頻率F的矩形波的半週期期間，特定頻率fm的波形至少出現3個週期的分量。也就是說，如下式所示，規定特定頻率fm超過基本頻率F的6倍為佳。
6×F≦fm≦10/PW0..(2)
又，特定頻率f1~f4要設定為彼此的頻率間隔在一定值以上(需具有容許最小間隔以上的頻率間隔)。這是為了容易進行照度/強度的個別檢測處理。在此，基本頻率F為90Hz的情況下，特定頻率f1、f2、f3、f4可分別設定為2.43(kHz)、2.61(kHz)、2.79(kHz)、2.97(kHz)。也可等間隔地設定特定頻率。
各放電燈管所發射的個別的照明光會與第3圖中的各放電燈管的供給電力波形成比例而週期變動。照明感測器40因為檢測出合成各燈管的照明光後的全體照明光，所以如第4圖所示，全體的照明光的震盪是不規則的。
第5圖係顯示以同步檢測所檢測的各放電燈的照度。
照度量測部45以同步檢測求取各放電燈管的照度。照度量測部45按照控制部50送來的配合特定頻率f1~f4的時脈信號，在同步時間點檢測各放電燈管的照度。
第5圖中，將放電燈管28A~28D的照度分別以符號A~D表示。利用同步檢測，從全體的照明光的震盪中檢測出直流成分的各燈管的照度。控制部50從被量測的各放電燈管的照度A~D中判斷是否有超出規格範圍外的放電燈管的照度存在。可以將燈管點燈開始時的照度為基準值，對各放電燈管量測出以基準值為標準的照度下降率。
當有超出規定範圍外的照度下降的放電燈管存在的情況下，將該狀況告知操作者。當操作者交換新的燈管時，再次進行定照度點燈控制，一律地進行電力調整。
根據本實施型態，使各放電燈管的交流供給電力為基本頻率F與依各燈管而異的特定頻率f1~f4重疊的交流供給電力，週期地變動各放電燈管的照明光。照度感測器40檢測出各放電燈管的有震盪的照明光所重疊的合成照明光的照度。照度量測部45根據彼此不同的特定頻率f1~f4，以同步檢測檢測出不含震盪的各放電燈管的照度。
藉由個別地檢測出放電燈管的照度，在一律調整供給電力的定照度點燈控制下，能夠防止過度提昇沒有照度下降的放電燈管的供給電力，結果，就能延長照明裝置全體的壽命，提高發光效率。
因為特定頻率fm相對於基本頻率F相當地高，所以不與基本頻率F的電力矩形波產生干涉。另一方面，因為也沒有過度地提高特定頻率fm，能夠防止放射光的變動不跟隨供給電力變動這類的不穩定震盪的情況。又因為頻率間隔大致相等，容易進行同步檢測。
接著，使用第6圖說明第2實施型態。第2實施型態中，以濾波器將照明光依燈管分離，根據照明光的振幅來量測光強度/照度。除此之外的構造與第1實施型態相同。
第6圖係顯示第2實施型態的濾波後的照明光的時序上的變動。
第2實施型態中，照度量測部45具有習知的濾波電路，全體的照明光透過濾波電路而分離為各放電燈管的照明光。然後，根據以下的式子，求出各放電燈管的照明光的照度。其中，Em(m=1~4)表示透過濾波器檢測的各放電燈管的照 度，Vm表示各放電燈管的具有特定頻率的供給電力的振幅，Wm表示各放電燈管的照明光的振幅。而k、Y表示根據照明光學系統等的光學特性的係數。
Em=k×(Wm/Vm)+Y..(3)
也可以用1個放電燈管代替複數的放電燈管來構成照明裝置。這種情況下，即使燈管以外的外界光入射照度感測器的情況下，也能夠正確地檢測出各放電燈管的照明光的照度/強度。另外，供給直流電力的放電燈管也可適用，也能夠使用放電燈管以外的光源。
[實施例]
以下使用實施例說明滿足上述(1)式的放電燈管。
本發明的實施例的放電燈管做為光源以單一放電燈管構成，水銀封入量設定在0.15~0.4(mg/mm3)。接著，進行實驗，一邊改變特定頻率與供給電力，一邊確認照度變動的追隨性。
首先，在不重疊特定頻率的情況下測量照度。接著，重疊特定頻率的情況下檢測出照度。然後，對不同的供給電力分別量測照度。以下的表1為實驗結果。
根據表1，可知在確認有照度追隨性的範圍內的供給電力(kW)與特定頻率(kHz)的關係性是供給電力(kW)與特定頻率(kHz)的乘積在10以下。即使供給電力在0.05~0.6(kW)之間，配合供給電力而準備數個特定頻率時，也能導出相同的上限值。
10‧‧‧曝光裝置
20‧‧‧照明裝置
20A~20D‧‧‧光源單元
21‧‧‧鏡面
22A~22D‧‧‧電源電路
24‧‧‧折返鏡面
26‧‧‧照明光學系統
28A~28D‧‧‧放電燈管
29A~29D‧‧‧反射器
30‧‧‧曝光頭
40‧‧‧照度感測器
45‧‧‧照度量測部
50‧‧‧控制部
S‧‧‧基板

Claims (11)

  1. 一種照明裝置，包括：複數的光源，分別發出照明光；光檢出部，配置在照明光學系統與被照射領域之間，檢測出該複數的光源的全體照明光的照度/強度；以及照明控制部，對各個該複數的光源進行發光控制，其中該照明控制部讓該複數的光源分別發出照度/強度隨著對應該複數的光源的各自不同的頻率而變動的量測照明光，該光檢出部根據各自不同的頻率，從各光源的量測照明光重疊後的全體量測照明光中，獲得各光源的不包含變動成分的照明光的照度/強度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中該照明控制部根據照度/強度會因應供給至各光源的電力的週期變動而產生週期變動的頻率，來發出量測照明光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中該複數的光源個別因為交流電力輸入而發出照明光，該照明控制部對各光源，供給具有基本頻率及對應該光源的特定頻率重疊而成的合成頻率的交流電力，來發出量測照明光。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之照明裝置，其中該照明控制部將至少超過基本頻率的2倍的特定頻率重疊於基本頻率。
  5. 如申請專利範圍第3至4項任一項所述之照明裝置，其中該照明控制部將滿足以下式子的範圍的特定頻率重疊至基 本頻率，6×F≦fm≦10/PW0其中fm表示特定頻率(kHz)，F表示基本頻率(kHz)，PW0表示具有基本頻率F的矩形波的交流電力(kW)。
  6. 如申請專利範圍第3至5項任一項所述之照明裝置，其中對應該複數的光源的複數的特定頻率彼此之間具有容許最小間隔以上的頻率間隔。
  7. 如申請專利範圍第1至6項任一項所述之照明裝置，其中該光檢出部具有同步檢測部。
  8. 如申請專利範圍第1至6項任一項所述之照明裝置，其中該光檢出部具有將全體照明光分離為各光源的量測照明光的濾波器，該光檢出部從各光源的量測照明光的振幅中檢測出震盪的照明光的照度/強度。
  9. 如申請專利範圍第1至8項任一項所述之照明裝置，其中該照明控制部一律地控制供給至各光源的供給電力。
  10. 一種照明裝置，包括：單一光源，發出照明光，光檢出部，配置於照明光學系統與被照射領域之間，檢測出該光源產生的全體照明光的照度/強度；以及照明控制部，對該光源進行發光控制，其中該照明控制部將具有該光源的電力波形及對應該光源的特定頻率重疊後的合成頻率的交流電力，供給至該光源，藉此使該光源發出隨該合成頻率變動的量測照明光， 該光檢出部根據該合成頻率，從重疊了該光源的量測照明光的全體量測照明光中，得到該光源的不含變動成分的照明光的照度/強度。
  11. 一種曝光裝置，包括：如申請專利範圍第1至10項任一項所述之照明裝置。
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