TWI448833B - An exposure device and a light source device - Google Patents

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TWI448833B
TWI448833B TW100127353A TW100127353A TWI448833B TW I448833 B TWI448833 B TW I448833B TW 100127353 A TW100127353 A TW 100127353A TW 100127353 A TW100127353 A TW 100127353A TW I448833 B TWI448833 B TW I448833B
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Masahiko Kokubo
Hiroyuki Shirota
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Dainippon Screen Mfg
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Description

曝光裝置及光源裝置
本發明係關於一種曝光裝置及光源裝置，更詳細而言，本發明係關於一種用於電子工業用之印刷基板、半導體或液晶顯示器製造用途之曝光裝置、及使用於該等曝光裝置等之光源裝置。
例如，於電子工業用之印刷基板或半導體晶圓、液晶顯示器製造用玻璃基板等之處理步驟中，通常使用利用光微影法之表面圖案化技術。習知，例如於印刷基板之製造步驟中，係利用塗布或積層等手法，於印刷基板上形成感光材料(具有感光性之樹脂等)之覆膜，並介隔形成所需圖案之光罩進行曝光而使圖案形成於該感光材料之覆膜上。
近年來，不使用光罩而是採用藉由使用光調變元件、例如數位微鏡裝置(DMD，Digital Micromirror Device)所調變之光進行曝光，直接描繪圖案即被稱為直寫(direct writing)之曝光方式。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2003-332221號公報
專利文獻2：日本專利特開2006-133635號公報
於專利文獻1所揭示之直寫式曝光裝置中，雖然使用燈作為光源，但通常用於此種裝置之超高壓水銀燈存在者大型且耗電量大、壽命短之問題。因此，亦提案有如專利文獻2所揭示之使用耗電量少且壽命長之發光二極體(LED，Light Emitting Diode)作為光源。
然而，有時需要根據曝光之對象物即感光材料之特性，照射波長帶相對較寬之光，而使用照射光之波長帶較窄之LED將無法獲得所需之特性，導致圖案化無法順利進行。例如對抗焊劑之曝光，由於必須照射360～390 nm附近之波長帶相對較寬之光，故僅照射來自在365 nm附近具有波峰之單一波長之LED之光將無法充分曝光，存在著抗焊劑之圖案剖面變成倒錐形等缺陷。
相對於此，雖然亦可考慮將專利文獻2所揭示之光源，混用2種發出不同波長之光的LED，但若每一波長之LED數減少，就會變成無法獲得足以進行曝光之光量。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種耗電量少壽命長，且可將所需波長帶之光以所需之光量有效率地射出之光源裝置及曝光裝置。
於申請專利範圍第1項所記載之發明，其特徵在於具備：第1光源陣列，其係排列有複數個具有射出第1波長特性之光的發光部之光源元件；第1透鏡陣列，其係排列有複數個形成上述第1光源陣列之各光源元件的發光部之放大影像之透鏡；第2光源陣列，其係排列有複數個具有射出第2波長特性之光的發光部之光源元件；第2透鏡陣列，其係排列有複數個形成上述第2光源陣列之各光源元件之發光部的放大影像之透鏡；光學合成元件，其係將上述第1透鏡陣列所形成之上述第1光源陣列發光部之影像與上述第2透鏡陣列所形成之上述第2光源陣列發光部之影像疊合而形成合成影像；及均勻化元件，其係使上述光學合成元件所合成之合成影像之光束成為均勻之照度分布之光束射出。
於申請專利範圍第2項所記載之發明，係如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置，其中，進一步具備有：第3透鏡陣列，其係使上述光學合成元件所形成各光源元件之每一發光部之合成影像的光束之主光線平行於光軸；及雙側遠心(telecentric)之第1成像光學系統，其係將自上述第3透鏡陣列所射出之上述合成影像縮小投影至上述均勻化元件之入射端。
於申請專利範圍第3項所記載之發明，係如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置，其中，上述第1透鏡陣列係將上述第1光源陣列之各光源元件之發光部放大投影為該光源元件之排列間距之大小，上述第2透鏡陣列係將上述第2光源陣列之各光源元件之發光部放大投影為該光源元件之排列間距之大小。
於申請專利範圍第4項所記載之發明，係如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置，其中，進一步具備有將上述均勻化元件射出之光束投影至既定之照明區域的第2成像光學系統。
於申請專利範圍第5項所記載之發明，係如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置，其中，上述均勻化元件係積分器光學系統。
於申請專利範圍第6項所記載之發明，係如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置，其中，上述光學合成元件係分光鏡。
於申請專利範圍第7項所記載之發明係一種曝光裝置，其特徵在於具備：申請專利範圍第1至6項中任一項所記載之光源裝置；光調變元件，其係由此光源裝置照明；投影光學系統，其係將由上述光調變元件所調變之光照射至描繪對象物；及掃描機構，其係使上述投影光學系統與上述描繪對象物進行相對移動而掃描上述描繪對象物。
於申請專利範圍第8項所記載之發明，係一種曝光裝置，其特徵在於具備：申請專利範圍第6項所記載之光源裝置；光調變元件，其係由此光源裝置所照明；投影光學系統，其係將由上述光調變元件所調變之光照射至形成有抗焊劑之覆膜之描繪對象物；及掃描機構，其係使上述投影光學系統與上述描繪對象物進行相對移動而掃描上述描繪對象物；且上述第1光源陣列之發光元件係包含射出在波長385 nm附近具有波峰之光之發光部，上述第2光源陣列之發光元件係包含射出在波長365 nm附近具有波峰之光之發光部，上述分光鏡係配置為使來自上述第1光源陣列之光穿透，同時將來自上述第2光源陣列之光反射而形成合成影像。
根據申請專利範圍第1至6項所記載之發明，可獲得耗電量少、壽命長且可射出所需波長帶之光進行曝光之光源裝置。
根據申請專利範圍第2項所記載之發明，可特別有效率地射出所需形狀之光束。
根據申請專利範圍第7項所記載之發明，可獲得耗電量少、壽命長且可射出所需波長帶之光而進行曝光之曝光裝置。
根據申請專利範圍第8項所記載之發明，可獲得可射出具有特別適於抗焊劑之曝光之波長特性之光而進行曝光之曝光裝置。
 ＜1.曝光裝置之構成與動作之概要＞
圖1係表示本發明一實施形態之曝光裝置1之構成的示意圖。於圖1中，為了表示裝置之內部結構而以虛線表示裝置之外形。曝光裝置1係於藉由將抗焊劑之覆膜塗布或積層在表面所形成之印刷基板(以下，簡稱為基板)9上曝光既定之圖案而形成圖案者，且具有保持基板9之平台2、使平台2朝圖1中之Y方向移動之平台移動機構31、使光束朝向基板9射出之頭部4、使頭部4朝圖1中之X方向移動之頭部移動機構32、及連接於此等平台移動機構31、頭部4及頭部移動機構32之控制部5。
頭部4係內建包含射出如下所述之既定波長的光束之光源單元41、及設置有以格狀排列之微鏡組之DMD42之光學系統，且藉由利用DMD42之微鏡組反射來自光源單元41之光束生成經空間調變之光束，並射出至由平台2所保持之基板9進行曝光而形成圖案。
針對光學系統之概要進行說明。自光源單元41所射出之光束，係經由桿積算器433、透鏡434a、透鏡434b及鏡435引導至鏡436，鏡436係將光束一面聚光一面引導至DMD42。入射至DMD42之光束係以既定之入射角(例如24度)均勻地照射於DMD42之微鏡組。如上所述，照明光學系統43a係構成為藉由光源單元41、桿積算器433、透鏡434a、透鏡434b、鏡435及鏡436將來自光源單元41之光引導至DMD42。
僅由來自DMD42之各微鏡中為既定之姿勢(於根據下述DMD42之光照射之說明中，對應於ON狀態之姿勢)之微鏡之反射光所形成之光束(即，經空間調變之光束)係朝變焦透鏡437入射，且由變焦透鏡437調整倍率並經由鏡438引導至投影透鏡439。而且，來自投影透鏡439之光束係對於微鏡組朝光學共軛之基板9上之區域照射。如此，於曝光裝置1中，投影光學系統43b係構成為藉由變焦透鏡437、鏡438、及投影透鏡439，將來自各微鏡之光引導至基板9上之對應之光照射區域。
平台2係固定於線性馬達即平台移動機構31之移動體側，且藉由控制部5對平台移動機構31進行控制，使由來自微鏡組之光所照射之光照射區域組(設為一個微鏡對應於一個光照射區域)於光阻膜上朝圖1中之Y方向進行相對移動。即，光照射區域組係對於頭部4相對地固定，且藉由基板9之移動使光照射區域組於基板9上移動。
頭部4係固定於頭部移動機構32之移動體側，且朝與光照射區域組之主掃描方向(圖1中之Y方向)垂直之副掃描方向(X方向)間歇性地移動。即，每當主掃描結束時，頭部移動機構32係將頭部4朝X方向移動至下一個主掃描之開始位置。然後，藉由此平台移動機構31與頭部移動機構32之驅動，使頭部4掃描基板9表面並進行曝光。
圖2係表示DMD42之圖式。DMD42係於矽基板421上具有以格狀且等間隔地排列多個微鏡(以作為朝相互垂直之2方向排列為M列N行者進行以下說明)之微鏡組422之空間光調變裝置，並依照寫入至對應於各微鏡之記憶單元之資料，使各微鏡因靜電場作用而傾斜既定之角度。
若自圖1所示之控制部5對DMD42輸入重置脈衝，則各微鏡係依照被寫入至對應之記憶單元之資料，以反射面之對角線為軸一起傾斜成既定之姿勢。藉此，照射至DMD42之光束將對應各微鏡之傾斜方向進行反射，而進行對光照射區域之光照射的ON/OFF。即，若記憶單元中被寫入表示ON之資料之微鏡接收到重置脈衝之信號，則入射至該微鏡之光將朝變焦透鏡437反射，而將光照射至所對應之光照射區域。又，若使微鏡成為OFF狀態，則微鏡將使入射之光朝與變焦透鏡437不同之既定位置反射，而使得所對應之光照射區域成為未導入光之狀態。
然後藉由相關之構成，基板9之表面係一邊由頭部4相對地進行掃描，一邊照射有經DMD42所調變之光束，而於基板9表面之抗焊劑上形成既定之圖案。
＜2.光學系統之細節＞
接著針對光學系統之細節進行說明。圖3係表示包含光源單元41之照明光學系統43a的一部分之示意性斜視圖，圖4係光源單元41之側視圖，圖5係表示摘錄光源單元41之一部分之側視圖，圖6係表示LED晶片之外觀及其投影影像之圖式，圖7係表示第1LED陣列411、第1透鏡陣列412及第3透鏡陣列416之斜視圖。
光源單元41之構成，係包含第1LED陣列411、第1透鏡陣列412、第2LED陣列413、第2透鏡陣列414、分光鏡415、第3透鏡陣列416、及第1成像光學系統417。
第1LED陣列411，係構成為於基板411b上排列12個具有射出中心波長385nm(第1波長特性)之光的發光部之LED晶片(LED晶粒)411a。LED晶片411a係為1 mm見方之大小，且收納於陶瓷封裝體(省略圖示)之內部。LED晶片411a係因電極陰影之影響等存在著不發光部分，而並非1 mm見方之整面均會發光。此實施形態之LED晶片411a，係如圖6(A)所示在表面之0.8 mm見方之範圍內，形成有於圖中以標示影線所表示之發光部411c。第1LED陣列411係將該LED晶片411a以10 mm間距(圖5中之d=10 mm)且縱橫二維地排列成3×4之方式，將各LED晶片411a之陶瓷封裝體安裝於基板411b上。又，於各LED晶片411a之前表面，設置有用以保護表面之防護玻璃411d。
第1透鏡陣列412，係將形成第1LED陣列411之各LED晶片411a的發光部411c之影像之透鏡組，對應於LED晶片411a之排列且以相同之縱橫二維地排列3×4之12個而形成者，其構成為每1個LED晶片411a，自LED晶片411a側觀察，具有由雙凸面之第1透鏡412a與平凸形之第2透鏡412b之2片所構成之透鏡組，並將該等組入框架412c。(圖7係透視基板411b而標示第1透鏡412a)此等第1透鏡412a與第2透鏡412b之透鏡組，係將LED晶片411a中之存在有發光部411c之0.8 mm見方之大致正方形的區域放大投影為該各LED晶片411a之排列間距(以圖5中以d表示)之大小，即10 mm見方之大小。然後，所投影之發光部411c之影像恰好將構成下述第3透鏡陣列416之各個透鏡416a之整面覆蓋。
第2LED陣列413，係構成為於基板413b上排列12個具有射出中心波長365 nm(第2波長特性)之光的發光部之LED晶片413a。此第2LED陣列413及LED晶片413a之構成，除了LED晶片413a之射出光之波長以外，係與圖5所示之第1LED陣列411、LED晶片411a相同，且將LED晶片413a以10 mm間距且縱橫二維地排列為3×4之方式，將各LED晶片413a之陶瓷封裝體安裝於基板413b上。又，於各LED晶片413a之前表面，設置有用以保護表面之防護玻璃413d。
第2透鏡陣列414之構成，係與上述第1透鏡陣列412相同，且將形成第2LED陣列413之各LED晶片413a發光部413c之影像之透鏡組，對應於LED晶片413a之排列，以相同之縱橫二維地排列3×4之12個而形成者，其構成為每1個LED晶片413a，自LED晶片413a側觀察，具有由雙凸面之第1透鏡414a與平凸形之第2透鏡414b之2片所構成之透鏡組，並將該等組入框架414c。此等第1透鏡414a與第2透鏡414b之透鏡組，係與圖5所示之第1透鏡陣列412相同，將LED晶片413a中之存在有發光部413c之0.8 mm見方之大致正方形的區域，放大投影為該各LED晶片413a之排列間距之大小，即10 mm見方之大小。然後，所投影之發光部413c之影像恰好將構成下述第3透鏡陣列416之各個透鏡416a之整面覆蓋。
於第1透鏡陣列412、與其所形成之第1LED陣列411之各LED晶片411a發光部411c之影像之間，係傾斜地配置有分光鏡415，而且於夾著該分光鏡415之第1透鏡陣列412之相反側，配置有第2透鏡陣列414與第2LED陣列413。(於圖5中，分光鏡415、第2透鏡陣列414等係省略圖示)藉此，分光鏡415係使來自第1LED陣列411及第1透鏡陣列412之光穿透，同時將來自第2LED陣列413及第2透鏡陣列414之光反射，而以使第2LED陣列413發光部413c之影像疊合於第1LED陣列411發光部411c之影像進行合成之方式配置。藉此，由第1透鏡陣列412與第2透鏡陣列414所合成之影像係成為將如圖6(B)所示之各LED陣列411、413之發光部之形狀放大地排列者。
再者，第1LED陣列411之光係為中心波長385 nm，第2LED陣列413之光係為中心波長365 nm，由於兩者之差為20 nm左右，故為了合成此等，分光鏡415必須具有較為陡峭之稜角之分光反射率(分光穿透率)的特性。在對分光鏡415之入射角為45度以上之情形時，由於會產生PS極化分量之光學特性的分離而無法獲得陡峭之特性，故於本實施形態中，使各自之光之入射角小於40度。而且為了使2種波長的光合成之效率提高，故各自於分光鏡415之反射側利用波長較短之第2LED陣列413，於透射側利用波長較長之第1LED陣列411。
第3透鏡陣列416，係配置於由分光鏡415所合成之第1LED陣列411之影像與第2LED陣列413之影像的合成影像之位置，使入射光束之主光線平行於光軸而入射至下述第1成像光學系統417。第3透鏡陣列416係以3×4之方式排列10 mm見方之平凸透鏡416a者，且各個透鏡416a成為與各自的發光部411c、413c相似之形狀(即正方形)，而且與該合成影像為大致相同之大小。
第1成像光學系統417，係為雙側遠心之光學系統，且包含第1透鏡417a、第2透鏡417b、及第3透鏡417c，該第1成像光學系統417係將分光鏡415所形成之第1LED陣列411與第2LED陣列413之合成影像縮小投影至桿積算器433之入射端。就效率而言，較佳為使桿積算器433之入射端之形狀，與由第1成像光學系統417所縮小之第1LED陣列411、第2LED陣列413的發光部之影像為大致相同之形狀。
然後，自桿積算器433之出射端所輸出之均勻之照度分布的光，係藉由包含透鏡434a、透鏡434b、鏡435及鏡436之第2成像光學系統，照射至DMD42之既定之照明區域。照射至DMD42之光之波長頻譜，如圖8所示，係將第1LED陣列411之中心波長385 nm之光與第2LED陣列413之中心波長365 nm之光進行合成者。於此，對各個LED陣列之接通電流係根據控制部5之控制而為可變，可使2個波長之光之強度比可變。藉此，可配合為照射對象之光阻特性，精細地設定照射之光之特性，例如可配合抗焊劑之特性獲得所需之圖案剖面之形狀。
＜3.曝光裝置之動作與效果＞
若將形成有抗焊劑之覆膜之基板9搬入至曝光裝置1之平台2，則控制部5將控制平台移動機構31或頭部4、頭部移動機構32等以進行曝光處理。此時，光源單元41係將第1LED陣列411所射出之中心波長385 nm之光與第2LED陣列413所射出之中心波長365 nm之光進行合成所得之光輸出而對DMD42進行照明，並利用該光對基板9之抗焊劑進行曝光。光源單元41所射出之光，係控制對各LED陣列411、413之開啟電流，成為配合欲處理之基板9之波長、強度之光，而良好地執行曝光。於光源單元41中，可在2個LED陣列411、413中設置充分之數量之射出所需波長之光的LED晶片411a、413a，以獲得所需之波長、光量之光。
＜4.變形例＞
於上述實施形態中，雖然在由分光鏡415合成第1LED陣列411之光與第2LED陣列413之光後，藉由第3透鏡陣列416成為遠心，並由第1成像光學系統417進行縮小，但若為可容許之些許之效率低下，則可省略例如第3透鏡陣列416。又，根據光源單元41所要求之出射光束之形狀，亦可省略第1成像光學系統417。假設在省略此兩者之情況，可使以分光鏡415合成之後之光直接入射至桿積算器433之輸入端。
又，於本實施形態中，雖為了合成第1LED陣列411之光與第2LED陣列413之光而使用分光鏡415，但亦可取代該分光鏡415而使用例如立方體之二向色稜鏡。又，亦可根據所需之光之波長區域合成3種以上之波長之光，且於該情況下，作為光學合成元件，亦可使用複數個分光鏡415，或者亦可使用正交稜鏡、飛利浦型稜鏡(PHILIPS Prism)、凱斯特(Kester)稜鏡等二向色稜鏡。
又，此處係以桿積算器433作為均勻化元件而使用。此既可為以反射面為內側將鏡黏合成中空之光導管，亦可為利用全反射之多角柱之實心桿。亦可為入射側剖面形狀與出射側剖面形狀為大致相似形狀之錐形型態。而且亦可取代桿積算器433而使用蠅眼透鏡(fly-eye lens)。此時，較佳為，使蠅眼透鏡之各個透鏡之形狀與被照射面之形狀為大致相似之形狀，可藉由將第1成像光學系統417內部之主光線設置於與光軸相交之位置，而實現均勻之照度分布。
1．．．曝光裝置
2．．．平台
4．．．頭部
5．．．控制部
9．．．基板
31．．．平台移動機構
32．．．頭部移動機構
41．．．光源單元
42．．．DMD
43a．．．照明光學系統
43b．．．投影光學系統
411．．．第1LED陣列
411a．．．LED晶片
411b．．．基板
411c．．．發光部
411d．．．防護玻璃
412．．．第1透鏡陣列
412a．．．第1透鏡
412b．．．第2透鏡
412c．．．框架
413．．．第2LED陣列
413a．．．LED晶片
413b．．．基板
413c．．．發光部
413d．．．防護玻璃
414．．．第2透鏡陣列
414a．．．第1透鏡
414b．．．第2透鏡
414c．．．框架
415．．．分光鏡
416．．．第3透鏡陣列
416a．．．透鏡
417．．．第1成像光學系統
417a．．．第1透鏡
417b．．．第2透鏡
417c．．．第3透鏡
421．．．矽基板
422．．．微鏡組
433．．．桿積算器
434a．．．透鏡
434b．．．透鏡
435．．．鏡
436．．．鏡
437．．．變焦透鏡
438．．．鏡
439．．．投影透鏡
d．．．間距
X、Y．．．方向
圖1係表示本發明之實施形態之曝光裝置的示意圖。
圖2係表示DMD之圖式。
圖3係表示照明光學系統之一部分之示意性的斜視圖。
圖4係光源單元之側視圖。
圖5係表示摘錄於光源單元之一部分之側視圖。
圖6(A)及(B)係表示LED晶片之外觀及其投影像之圖式。
圖7係表示摘錄於光源單元之一部分之斜視圖。
圖8係表示出射光之分光波長特性之圖式。
411．．．第1LED陣列
411a、413a．．．LED晶片
411b、413b．．．基板
411d、413d．．．防護玻璃
412．．．第1透鏡陣列
413．．．第2LED陣列
414．．．第2透鏡陣列
414a．．．第1透鏡
414b．．．第2透鏡
415．．．分光鏡
416．．．第3透鏡陣列
417．．．第1成像光學系統
417a．．．第1透鏡
417b．．．第2透鏡
417c．．．第3透鏡

Claims (7)

  1. 一種光源裝置，其特徵在於，具備有：第1光源陣列，其係排列有複數個具有射出第1波長特性之光的發光部之光源元件；第1透鏡陣列，其係排列有複數個形成上述第1光源陣列之各光源元件的發光部之放大影像之透鏡；第2光源陣列，其係排列有複數個具有射出第2波長特性之光的發光部之光源元件；第2透鏡陣列，其係排列有複數個形成上述第2光源陣列之各光源元件之發光部的放大影像之透鏡；光學合成元件，其係將上述第1透鏡陣列所形成之上述第1光源陣列發光部之影像、與上述第2透鏡陣列所形成之上述第2光源陣列發光部之影像疊合而形成合成影像；及均勻化元件，其係使上述光學合成元件所合成之合成影像之光束成為均勻之照度分布之光束射出；上述第1透鏡陣列係將上述第1光源陣列之各光源元件之發光部放大投影為該光源元件之排列間距之大小，上述第2透鏡陣列係將上述第2光源陣列之各光源元件之發光部放大投影為該光源元件之排列間距之大小。
  2. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中，進一步具備有：第3透鏡陣列，其係使上述光學合成元件所形成各光源元 件之每一發光部之合成影像的光束之主光線平行於光軸；及雙側遠心之第1成像光學系統，其係將自上述第3透鏡陣列所射出之上述合成影像縮小投影至上述均勻化元件之入射端。
  3. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中，進一步具備有將上述均勻化元件射出之光束投影至既定之照明區域的第2成像光學系統。
  4. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中，上述均勻化元件係積分器光學系統。
  5. 如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中，上述光學合成元件係分光鏡。
  6. 一種曝光裝置，其特徵在於，具備有：申請專利範圍第1至5項中任一項之光源裝置；光調變元件，其係由此光源裝置所照明；投影光學系統，其係將由上述光調變元件所調變之光照射至描繪對象物；及掃描機構，其係使上述投影光學系統與上述描繪對象物進行相對移動而掃描上述描繪對象物。
  7. 一種曝光裝置，其特徵在於，具備有：申請專利範圍第5項之光源裝置；光調變元件，其係由此光源裝置所照明；投影光學系統，其係將由上述光調變元件所調變之光照射 至形成有抗焊劑之覆膜之描繪對象物；及掃描機構，其係使上述投影光學系統與上述描繪對象物進行相對移動而掃描上述描繪對象物；且上述第1光源陣列之發光元件係包含射出在波長385nm附近具有波峰之光之發光部，上述第2光源陣列之發光元件係包含射出在波長365nm附近具有波峰之光之發光部，上述分光鏡係配置為使來自上述第1光源陣列之光穿透，同時將來自上述第2光源陣列之光反射而形成合成影像。
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