TWI509370B - 具高收光效率之以發光二極體為基礎之光微影製程發光器 - Google Patents

具高收光效率之以發光二極體為基礎之光微影製程發光器 Download PDF

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Description

具高收光效率之以發光二極體為基礎之光微影 製程發光器
本發明係關於一種微影製程系統，特別是關於一種具有高收光效率之以發光二極體為基礎之光微影製程發光器。
微影製程系統具有作為基礎元件之一發光器，其具有一光源、一圖案化標線片、一投射成像鏡頭以及一光感(例如塗布光阻)晶圓。發光器以來自光源所發出的光對標線片進行照射。由標線片傳送之光或者自標線片反射之光會被投射成像鏡頭成像在光感晶圓上。然後光感晶圓被加工以在晶圓上形成圖案。光微影曝光製程以及曝光後製程會以不同的標線片執行數次以在晶圓表面形成半導體結構並定義一積體電路。
光微影製程工具中的發光系統一般都使用汞燈作為光源。然而，來自汞燈的光發射率非常不均勻。為了獲得光微影製程所需的曝光均勻性，汞燈的光發射可被導引至光均勻器柱。其若不是將汞燈設置地非常靠近光均勻器柱便是以鏡頭收集汞燈所發出的光線再將所發出的光 線成像於光均勻器柱之輸入表面。
進入光均勻器柱中的光線在軸向表面之間藉由全內反射來回行進，最後再從相對的另一端離開。光均勻器柱長度係被選擇以使得輸出可以非常均勻。光均勻器柱的長度係取決於多個因素，例如光均勻器柱的截面積、光線在光均勻器柱中行進的角展度(angular spread)、所需的光線內反彈次數、以及針對特定應用所需的均勻性。
典型地，光線必須在光均勻器的相對壁面之間反彈最少五次。在輸入與輸出之間所經歷的反彈次數愈高，輸出端的發光均勻性就愈佳。較典型的執行手段是使用一收集鏡頭來收集光源的光，並且將其成像於光均勻器柱的輸入表面。
但很不幸地，汞弧燈具有較短的操作壽命，典型地為數周或數月。此外，它的效率也不佳，僅有少數幾個百分比的輸入功率轉換成所需的光譜而被放射出。再者，汞弧燈的棄置也會產生環保問題，因為汞必須根據管理要求小心地安置。
汞弧燈也受限於輸出功率。為了增加光微影製程工具的產能，增加光均勻器柱輸出表面所發射的功率是必要的。因為光源尺寸與發散角係由光均勻器柱之物理特性與將光源耦合於光均勻器柱之鏡頭之發散角所定義，光源的光展量(etendue)因而被決定。增加光均勻器柱之輸出端的發射功率等同於增加光源亮度。
增加汞燈的功率往往必須付出燈源尺寸增加 之代價。使輸出功率加倍通常也需要把燈源的尺寸加倍。因此，燈源的有效亮度仍然大致保持恆定，且晶圓平面上的功率密度也保持恆定。
因此，產能通常不會因為較大的燈泡而獲得改善，因為較大的功率無法被轉達到晶圓平面上。維持汞弧燈的總發射功率的同時，又要減少系統的光展量也是同樣非常困難。
本發明係關於一種具有高收光效率(例如50%或更高)之以發光二極體為基礎的光微影製程發光器。其某種程度係藉由創造一虛擬發光二極體光源陣列所達成。在此，「虛擬」一詞並非嚴格地指向一種虛擬影像的概念，而是關於發光二極體光源之發光二極體晶粒的真實影像真正地作為有效的光源。所述發光器允許在所需數值光圈(NA)內，有效地將來自發光二極體陣列之發射光耦合至一光均勻器柱(homogenizer rod)。
藉由設計與製造可用來將一發光二極體陣列耦合至一光均勻器柱之一適當的微鏡頭陣列，創造具有虛擬(有效)發光二極體光源之一發光器成為可能，且所述虛擬發光二極體光源更能根據實際耦合入投射成像鏡頭內的光線而良好地匹配於投射成像鏡頭。在一範例中，收光效率係大於發光二極體陣列所發射之總光量的50%；而在另一範例中，收光效率係大於75%。這些發光效率(也稱為發光產能)係更適合於需傳遞更多光線至標線片且最終 傳遞到晶圓平面之光微影製程應用，此類光微影製程應用的需求日益增加。
因此，本發明之第一個概念係一種適用於一微影製程系統之一發光器。所述發光器沿一發光器軸線包括一光源，所述光源包含設置於一第一平面之一發光二極體陣列。所述發光二極體陣列之各發光二極體具有一發光二極體晶粒，所述發光二極體晶粒發出光化學光線且具有一軸與一第一區域。所述第一區域之尺寸為LD ，所述發光二極體晶粒係承載於不會發光之一散熱器上，所述散熱器具有一第二區域，所述第二區域之尺寸為LH ，其中LH >LD 。所述發光器也包含複數微鏡頭，設置於一第二平面。所述第二平面實質上平行於所述第一平面，各微鏡頭具有一微鏡頭軸，所述微鏡頭軸實質上與相對應之發光二極體晶粒同軸，且各微鏡頭具有2倍至20倍的放大倍率。所述發光器也包含一光均勻器柱，其具有一輸入端與一輸出端。各微鏡頭於光均勻器柱之輸入端形成相對應之發光二極體晶粒之一影像，以形成實質上覆蓋整個輸入端之一發光二極體陣列影像，藉以於輸入端定義複數虛擬發光二極體光源，且在輸出端獲致+/- 2%之光均勻性。
在所述發光器中，光均勻器柱較佳地係呈錐形。
在所述發光器中，所述發光器較佳地具有大於50%之收光效率，更佳地係具有大於75%之收光效率。
在所述發光器中，微鏡頭陣列之各微鏡頭具有 一放大倍率M，且(0.5)*LH /LD M(1.1)*LH /LD 。
在所述發光器中，光化學光線具有一波長，介於360奈米至450奈米之範圍間。
在所述發光器中，微影製程系統較佳地包含一標線片，發光器更包含一中繼光學系統，設置以接收來自光均勻器柱之輸出端之均勻化的光化學光線並照射標線片。
本發明之另一概念係一種適用於具有投射成像系統之微影製程系統之一發光器，且所述投射成像系統具有一視場尺寸。所述發光器包含一光源，所述光源包含設置於一第一平面之一發光二極體陣列，所述發光二極體陣列之各發光二極體具有一發光二極體晶粒，所述發光二極體晶粒發出強度為600mW/mm2 之光化學光線且具有一軸與一第一區域。所述第一區域之尺寸為LD ，所述發光二極體晶粒係承載於不會發光之一散熱器上。所述散熱器具有一第二區域，所述第二區域之尺寸為LH ，其中LH >LD 。所述發光器還具有複數微鏡頭，設置於一第二平面，所述第二平面實質上平行於第一平面。各微鏡頭具有一微鏡頭軸，微鏡頭軸實質上與相對應之發光二極體晶粒同軸，各微鏡頭具有一放大倍率M，且(0.5)*LH /LD M(1.1)*LH /LD 。所述發光器還包含光均勻器柱，具有一輸入端與一輸出端，所述輸出端實質上匹配於投射成像系統之視場尺寸。各微鏡頭於光均勻器柱之輸入端形成相對應之發光二極體晶粒之一影像，以形成實質上覆蓋整個輸入端之一發光二極體 陣列影像，藉以於輸入端定義複數虛擬發光二極體光源，且在輸出端獲致+/- 2%之光均勻性。所述發光器也具有大於50%之一收光效率。
在上述發光器中，收光效率較佳地係大於75%。
在上述發光器中，光化學光線具有一波長，介於360奈米至450奈米之範圍間。
在上述發光器中，光均勻器柱較佳地係為錐形，且輸出端具有比輸入端大的面積。
在上述發光器中，微影製程系統包含一標線片，發光器更包含一中繼光學系統，設置以接收來自光均勻器柱之輸出端之均勻化的光化學光線並照射標線片。
本發明額外的特徵與優點將在以下的實施方式中提出，且其可被所屬技術領域中具有通常知識者藉由說明書、申請專利範圍與圖示而了解。申請專利範圍被併入至本發明之詳細描述內且構成本發明之說明書之一部分。
前述的一般描述以及以下的詳細說明與實施例係用以提供一個整體的概念或架構，以使本發明所欲保護的特徵更容易被了解。
10‧‧‧發光器
200‧‧‧微影製程系統
210‧‧‧標線片
220‧‧‧標線片平台
221‧‧‧圖案化區域
230‧‧‧投射成像鏡頭
240‧‧‧晶圓
241‧‧‧外緣
242‧‧‧光感塗層
250‧‧‧晶圓平台
260‧‧‧控制器
310‧‧‧光源
312‧‧‧發光二極體
314‧‧‧陣列
316‧‧‧發光二極體晶粒
316’‧‧‧發光二極體晶粒影像
318‧‧‧散熱器
320‧‧‧光線
320RB‧‧‧光線線條束
330‧‧‧光圈閘
414‧‧‧微鏡頭陣列
416‧‧‧微鏡頭元件/微鏡頭
450‧‧‧光均勻器柱
452‧‧‧輸入端
454‧‧‧輸出端
A0‧‧‧光軸
A1‧‧‧光軸
A2‧‧‧發光二極體晶粒軸
A3‧‧‧微鏡頭軸
AL‧‧‧發射軸
AR‧‧‧箭頭
EF‧‧‧曝光區域
IF‧‧‧影像區域
ILF‧‧‧照明區域
IP‧‧‧影像平面
LD ‧‧‧晶粒尺寸
LH ‧‧‧散熱器尺寸
OP‧‧‧物件平面
RP‧‧‧標線片平面
SCW‧‧‧控制訊號
WP‧‧‧晶圓平面
第1圖為可適用本發明所述之發光器之一例示UV微影製程系統；第2A圖為一例示標線片的前視圖，其顯示定義了標線片區域之標線片圖案，也顯示一例示掃描照明區域；第2B圖為一例示掃描發光區域示意圖以及與掃描照明區域相關聯之一例示曝光區域示意圖；第2C圖近似於第2A圖且繪示一例示全區照明區域；第2D圖近似於第2B圖且繪示一例示全區影像區域，其在尺寸上符合所相對之曝光區域；第3圖係為具有曝光區域形成於其上之半導體晶圓，所述曝光區域係藉由第1圖之微影製程系統所形成；第4A圖與第4B圖係分別為一例示發光二極體陣列之前視圖與側視圖，其繪示了發光二極體晶粒如何被發光二極體之不發光區域所分隔，所述發光二極體之不發光區域係與各發光二極體晶粒所需的散熱器相關聯；第5A圖繪示了本發明之一例示發光器，其中光均勻器柱係為圓柱狀；第5B圖近似於第5A圖，繪示了本發明之一例示發光器，其中光均勻器柱係為錐狀，且輸出端之面積大於輸入端之面積；第6圖係為一光軌跡模擬，其顯示與八個發光二極體 及一舉行光均勻器柱相關聯之光線；第7A圖係為來自一2 x 4發光二極體陣列之光線之電腦模擬圖；第7B圖係為形成於光均勻器柱之輸入端之發光二極體晶粒影像之電腦模擬圖；第7C圖係為光均勻器柱之輸出端之電腦模擬圖；第8圖係為光均勻器柱之強度(任意單位)對Y軸的曲線圖，其根據第7C圖之資料繪示了光均勻器柱之輸出端之光強度均勻性。
附圖相同現在詳細參考本發明之目前較佳實施例，該等實施例之實例說明於隨附圖式中。在可能時，貫穿該等圖式使用相同參考數字及符號來指代相同或相似部分。
美國專利申請號為12/462678之發明名稱為「微影製程系統之發光器」之專利在此被引用。
本發明係關於一種以發光二極體為基礎之微影製程系統發光器，其使用一微鏡頭陣列。一例示的微影製程系統係先被描述，其後接著是適用於所述例示微影製程系統之一例示發光器的詳細描述。
微影製程系統.
本發明之一實施例係為一微影製程系統，其使用本發明之發光器。例示微影製程系統中之發光器可適用記載於美國專利號碼7,177,099、7,148,953、7,116,496、6,863,403、6,813,098、6,381,077、及5,410,434，該些專利也在此被引用。
第1圖為一例示微影製程系統200之示意圖，本發明所述之發光二極體發光器可適用於其中。微影製程系統200沿著一光軸A0依序包含：以發光二極體為基礎之一發光器10(後面將詳細描述)；一標線片(reticle)210(例如一圖案化光罩)，在一標線片平面RP上被一標線片平台220所承載；一投射成像鏡頭230；以及一晶圓240，在一晶圓平面WP上被一晶圓平台250所承載。標線片210 包含一圖案化區域211，包含圖案化元件212，定義一標線片區域RF。晶圓240包含一外緣241(請參照第3圖)。
晶圓240包含設置於晶圓表面上之一光感塗層242(例如光阻)，其可被位在發光器10中的光源310所產生之光線(例如光化學光線)320所活化。在一範例中，光源310係由發光二極體312之一陣列314所構成。光線320可以是UV波長或者是DUV波長，波長範圍典型地係取決於光微影製程。在一範例中，光線320具有介於360奈米至450奈米之範圍間的波長。所繪示的發光器10係包含一光圈閘(aperture stop)330。
微影製程系統200也包含一控制器260，可操作地於發光器10、標線片平台220以及晶圓平台250。控制器260係設置以控制微影製程系統200的操作。一例示的控制器260包含一電腦，例如個人電腦或工作站。在一範例中，控制器260包含裝置控制軟體，其包含嵌入於電腦可讀取媒體中之指令集，其控制微影製程系統200之不同元件。
發光器10設置以在一照明平面上產生一照明區域ILF(請參照第2A圖與第2C圖)，照明平面係相對於標線片平面RP。照明區域ILF包含均勻化光線320’，且於一標線片區域曝光時間中照射標線片區域RF的至少一部分，因而投射成像鏡頭230在晶圓平面WP上形成一相對應的影像區域IF，並持續一相對應的晶圓曝光時間。晶圓平台250係可移動的(例如藉由來自控制器260之一控制 訊號SCW)，因而影像區域IF可以被放置在晶圓240的不同部位，以在晶圓240上，特別是在光感塗層(例如光阻)242上，形成不同的曝光區域EF。在一範例中，標線片平台220是可動的，其係根據來自控制器260的控制訊號SCR而移動。
因此，來自發光器10之均勻化光線320’係用以照射圖案化區域211的至少一部分，圖案化區域211定義標線片區域RF。然後標線片區域RF之被照射的部分係藉由投射成像鏡頭230成像在晶圓240之光感塗層242上。在一實施態樣中，標線片210與晶圓240係一起移動，當照明區域ILF掃描整個標線片區域RF時，也會掃描整個晶圓240上的影像區域IF，如同第1圖之箭頭AR所繪示般，也如同第2A圖與第2B圖所繪示般。如此操作會形成一被掃描曝光區域EF，其大於照明區域ILF或大於影像區域IF。此製程會在晶圓240之不同(未曝光)區域重複。此印刷處理在本技術領域中稱之為步進且掃描(step and scan)。
在另一範例中，照明區域ILF照射整個標線片區域RF一次，藉以在單一曝光下，形成一曝光區域EF。然後晶圓240被移動，並且單一靜態曝光重複進行。此印刷處理稱之為步進且重複(step and repeat)。第2C圖近似於第2A圖且繪示一全區照明區域ILF，適用於步進且重複式印刷。第2D圖近似於第2B圖，且繪示一例示的全區影像區域IF，當應用在步進且重複式印刷時，其在尺寸上係 對應於曝光區域EF。
請參照第3圖，形成於晶圓240上且在光感塗層242(例如光阻)內之曝光區域EF，接著會藉由標準微影製程技術與半導體製程技術而被用來形成積體電路晶片。
發光二極體為基礎之發光器
發光器10有多個重要設計考量。發光二極體312之陣列314的收光效率必須與微影製程系統200之投射成像鏡頭230之光展量(etendue)相互匹配。光展量是光源尺寸(mm2 )與立體角(solid angle,steradians)的乘積，單位是mm2 -steradians。此乘積與光源310的亮度負相關(watts/mm2 -steradians)。整個光學系統之光展量係為固定的。因此，對於一給定的光源尺寸，光學系統所收集之光線320之角發射量係取決於光學系統之光展量。沒有人可以在使用傳統鏡頭或面鏡的情況下，藉由減少光展量使光源變亮。光源310的尺寸可以透過使用光學元件來放大或縮小，且我們也可以反過來改變光源尺寸與立體角，但光展量還是會保持一致。
當我們使用汞弧燈源搭配光均勻器柱來做為微影製程發光器時，汞弧燈的影像係被投射到光均勻器柱之輸入端。汞弧燈影像可以藉由一收集鏡頭而被放大或縮小，以改變它在光均勻器柱輸入端的尺寸。如果收集鏡頭具有一數值光圈NA，且其在光均勻器柱之輸入端產生放大 倍率為M之汞弧燈的放大影像，則在光均勻器柱之輸入端之數值光圈為NA/M。一矩形光均勻器柱維持光線穿過它的時候的角度。因此，照明系統的光展量可以根據光均勻器柱之輸入端之立體角(取決於NA/M)與光均勻器柱(假設為一圓柱形柱體)之輸出面積(或輸入面積)而被計算出來。
如果照明器之光展量大於微影製程系統200之投射成像系統230之光展量，則會有照明不匹配，微影製程系統200將無法使用來自發光器10的所有光線320。光源310的光展量將必須被減少，無論是透過減少光源NA(亦即發散角或收集鏡頭NA)或透過減少光均勻器柱的面積。這將導致微影製程系統200可獲得的光線變少。
為了增加微影製程系統200的照明產能(亦即從光源310到晶圓240的光線320總量)，增加光均勻器柱之輸出面的發射功率是有必要的。因為允許的尺寸以及光源310的發散角係由設定了光源光展量之光均勻器柱的物理特性與發散角(由用來耦合光源310至光均勻器柱的鏡頭來決定)所定義。增加光均勻器柱輸出端的發射功率係等同於增加光源的亮度。
如上所述，增加汞弧燈功率通常需要增加光源尺寸。使輸出功率加倍便需要使光源的尺寸加倍。結果光源310的有效亮度保持大致不變，且晶圓平面WP之功率密度也保持不變。因此，產能也並未因為有此類較大的燈泡而獲得改善。較大的功率並無法轉達至晶圓平面WP也 無法被轉換成較高的產能。
因此，光源310需要適當的亮度(亦即光展量必須匹配)，必須具有足夠的總功率，以及必須符合可靠度與可操作性的要求，以使光源310成為最適於微影製程應用。
此處所揭露的光源310包含前述發光二極體312的陣列314。隨著發光二極體技術的發展，發光二極體312變得愈來愈有效率，也具有改善的性能。在過去十年，發光二極體的效率(發射功率/輸入功率)已經增加10倍，且預期接下來的五年會再進一步增加2倍到4倍。隨著發光二極體312的效率增加，亮度也隨之增加。對於UV發光二極體而言，現在的發光二極體312的發射功率已經接近1watt/mm2 ，且對於可見光發光二極體而言，其發射功率更高。由於發光二極體效率的改善，發光二極體的亮度(watts/cm2 -steradian)現今已等於或大於傳統汞弧燈的亮度。此外，發光二極體312並沒有任何危害環境的材料(例如汞)，且他們也比汞燈具有更好的電效率。
但是，發光二極體312的效率仍有一點不足。發光二極體每發射出1瓦的功率，便有數瓦的熱必須散除。目前發光二極體312的效率大約為10%至30%，他們會變得愈來愈有效率。預期發光二極體312的效率將會大於30%，也可預期將會有熱管理上持續的需求。
第4A圖與第4B圖係分別為一例示發光二極體312的陣列314的前視圖與側視圖。每一發光二極體312 包含一發光二極體晶粒316固著於一散熱器318上。發光二極體晶粒316具有一尺寸LD ，且散熱器具有一尺寸LH 。在一範例中，尺寸LD 係在標稱1mm至3mm之範圍中，而尺寸LH 係在標稱5mm至10mm之範圍中。每一發光二極體晶粒316包含一發射軸AL，其大致在光線320之發射圖案的中央(參照第4圖)。在一範例中，發光二極體陣列314之每一發光二極體312之發射強度大於600mW/mm2 。
散熱器318係必要的，用以移除來自相對應之發光二極體晶粒316之額外的熱。將發光二極體316彼此緊鄰設置會產生遠遠較高的(局部的)熱負擔(watts/cm2 )，其會導致發光二極體接面的溫度增加。較高的發光二極體接面溫度是不好的，因為這會導致發射量的減少、波長的偏移以及較短的發光二極體壽命。因此，散熱器必須被使用，因為除了散熱之外，他們也使個別的發光二極體晶粒316保持足夠遠的距離，藉以減少來自相鄰發光二極體312之發光二極體晶粒316發熱的副作用。
相對於發光二極體晶粒316來說，如果把個別晶粒設置的彼此靠近並非不可能，則相對大的散熱器318尺寸會使其產生問題，因為為了形成適用於微影製程系統200之高亮度、高功率之發光二極體光源310，讓晶粒彼此靠近是有需要的。簡單地將發光二極體312設置地靠近在一起會產生一光源310，其發光二極體晶粒316間的間距並不發光。散熱器係被設計來分散發光二極體晶粒316所在區域所產生的熱。散熱器318典型地係以高熱傳導率材 料製成，例如銅或導熱陶瓷。
因此，散熱器318不具有半導體特性，因此無法被製造來在光化學波長的波段發出光線320。也就是說，他們是不發光的。因此，發光二極體312的陣列314所形成的光源31所具有的平均亮度係隨著不發光散熱器318所佔的比例面積增加而減少。其意謂來自光源310之光線320本質上係不均勻的，因為光源310具有被零發射區域(散熱器318)所圍繞之高發射區域(發光二極體晶粒316)。此類型之光源310難以有效地耦合至一光均勻器。個別發光二極體312的亮度與發射功率可能是高的，但是光源312的亮度與功率卻是相當低的，其取決於發光區域面積與不發光區域面積的比值。
藉由將光源310緊鄰設置於光均勻器柱其之一端而直接耦合光源310至光均勻器柱是有問題的。矩形光均勻器柱保持光源310所發射之光線320的角頻譜(angular spectrum)。特別情況下，光均勻器柱之輸入端NA係相同於輸出端NA。光均勻器柱的目的是用來在其輸入端接收來自光源310之不均勻的光線320，且內反射該些光線320以在其輸出端產生一均勻發光區域。
光均勻器柱之輸出端的輸出可能是均勻的，但發射角可能非常高。對於具有非常低NA(例如小於0.5)的投射成像鏡頭230而言，來自光均勻器柱之角輸出(angular output)係如此高以至於許多離開光均勻器柱之輸出端的光線將會落在投射成像鏡頭NA內。此外，許多 高角度的光線並沒有被光均勻器柱內的內反射所捕捉，因而從光均勻器柱之側面離開而散失(亦即沒有被收集到)。
藉由設置在晶粒陣列314與光均勻器柱之間之單鏡頭來放大光源發射，以更密切匹配發光器10與投射成像鏡頭NA是可能的。然而，這將需要增加光均勻器柱之輸入端與輸出端的尺寸。因為光均勻器柱之輸出端決定了光源尺寸，投射成像鏡頭之光展量限制了光源尺寸。
一種用來定位光圈不匹配的問題的處置方法是使用一收集鏡頭，使其位在發光二極體光源310與光均勻器柱之間，因而發光二極體陣列314被放大至光均勻器柱之輸入端。但因為與散熱器318有關之大輻射區域，位在光均勻器柱之輸入端之發光二極體陣列314的影像非常大。這需要光均勻器柱也必須一樣的大。例如，如果發光二極體晶粒316的尺寸為2mm x 2mm，且具有6mm(亦即LH =6mm)的間距，則對於一個3x3的發光二極體陣列314，發光二極體光源陣列314的尺寸為14mm x 14mm。
典型的收集鏡頭可具有0.9的NA，且當將光源310成像至光均勻器柱之輸入端時，可將3x3陣列314予以放大。在這樣的條件下，光均勻器柱必須至少有42mm x 42mm的尺寸。因此，入射至光均勻器柱之輸入端且離開光均勻器柱之光線320的NA為0.9/3=3。光展量大約為(NA)2 (area)=159mm2 -NA2 。投射成像鏡頭230(例如Ultratech AP-300；NA=0.16；884mm2 )的光展量為23mm2 -NA2 。這是很大的不匹配，來自光源310的光線320僅有 大約14%被投射成像鏡頭230所收集。來自光源310的光線320中有接近86%會落在投射成像鏡頭230的收集能力之外。
第5A圖為本發明之一例示發光器10的剖面圖。發光器10具有一光軸A1，沿著光軸A1安設有光源310，其包含發光二極體陣列314(如第4A圖所示)，以及安設有一光均勻器柱450，其具有輸入端452與輸出端454。微鏡頭陣列414沿著光軸A1係位在光源310與光均勻器柱450之輸入端452之間。微鏡頭陣列414包含多個微鏡頭元件(微鏡頭)416，各具有一微鏡頭軸A3、一物件平面OP與一影像平面IP。發光二極體陣列314一般位在物件平面OP，而光均勻器柱450之輸入端452一般是位在影像平面IP。
第5A圖所示之光均勻器柱450係為圓柱狀，亦即截面積保持不變而為長度的函數。第5B圖近似於第5A圖，繪示了本發明之一實施例，其中光均勻器柱450係為錐狀，其尺寸從輸入端452朝輸出端454增加，因此輸出端454之面積大於輸入端452之面積。然而，光均勻器柱450之截面積也可以是矩形。
發光器10也包含一中繼光學系統470，相鄰於光均勻器柱450的輸出端454。中繼光學系統470用以將輸出端454成像至標線片210，也用以與投射成像鏡頭230共同作用以定義一所需的光瞳填滿度(pupil fill)。
各微鏡頭416可操作地相對於一相對應之發光 二極體312而設置，微鏡頭軸A3係實質上與發光二極體晶粒軸A2同軸。微鏡頭416係設置以盡可能地捕捉光源320所發出的光，因而可以具有接近1的收集鏡頭NA。微鏡頭416的例示材料包含熔融矽石與石英，其在UV波長下具有良好的光學穿透性。
各微鏡頭416設置以形成相對應於發光二極體晶粒316之一發光二極體晶粒影像316’。一個微鏡頭-發光二極體對之光線320的光線線條係被顯示出來。收斂的光線線條束係標示為320RB，且定義了微鏡頭416之影像測NA，其NA與光均勻器柱450之輸入側NA相符。
在一範例中，微鏡頭416之放大率係由M=LH /LD 所定義。放大率M可以與LH /LD 不同，如果微影製程如此要求的話。例如，假如發光二極體晶粒316具有尺寸LD =2mm，且散熱器318具有尺寸LH =6mm，則最大放大率R=3，且微鏡頭416產生一虛擬發光二極體影像316’的陣列，此時為6mm x 6mm，且相鄰的晶粒影像間沒有間距。換句話說，與散熱器318有關之發光二極體陣列314的不發光部分，並不存在於微鏡頭416的成像之下，因此光均勻器柱450之輸入端452在照明上實質上是沒有間隙的(亦即第7B圖之發光二極體晶粒影像316’被視為實質上沒有間隙，而第7A圖之影像則實質上是有間隙的；第7A圖與第7B圖將詳述如下)。此成像過程產生被放大之一虛擬發光二極體影像316’的陣列，且位在輸入端452。在一範例中，各微鏡頭416具有介於2倍至20倍的放大率。
在一範例中，微鏡頭416的放大率M滿足(0.5)*LH /LD M(1.1)*LH /LD 。此範圍的上限允許光均勻器柱450之輸入端452的稍微過填(overfilling)，較大的稍微過填會減少發光器10整體的收光效率。此範圍的下限允許輸入端452的不填滿(underfilling)，其並不會減少收光效率，但相較於輸入端452恰好填滿的情況，其可能需要較長的光均勻器柱450。
虛擬陣列無論在空間上或發散角上都比發光二極體陣列314來得更加均勻，且可更方便地直接耦合入光均勻器柱450中。在上個範例中，光均勻器柱450之輸入端452的尺寸係為18mm x 18mm。進入光均勻器柱450之光線線條束320RB的NA係以R的倍率被減少。例如，如果微鏡頭416具有0.9之NA，則入射光均勻器柱450之輸入端452之光線線條束320RB具有0.3之NA，其也符合於光均勻器柱450的輸出NA。此NA足夠小，因而光均勻器柱450可捕捉所有光線320。此外，實質上所有光線320係在光均勻器柱450內全反射，因而實質上沒有光線從光均勻器柱450之側面散失。在一範例中，光均勻器柱450之輸入端452的尺寸被調整至具有一面積，所述面積實質上等於虛擬陣列之面積。
一個由使用上述數據之發光二極體陣列314、微鏡頭416與光均勻器柱450所定義之一例示的發光器10，其光展量為29mm2 -NA2 。其相當良好地匹配於典型微影製程系統的光展量。舉例而言，例示的發光器10具有 一光展量，其僅僅過填投射成像鏡頭230百分之二十，因而有百分之八十來自光源310的光線320可以被成像系統所利用，若是使用傳統成像處理方式時，則只有約14%被利用。
第6圖係為一光線-軌跡之模擬的視圖，係使用ZEEMAX鏡頭設計軟體來執行，其中發光二極體陣列314具有八個發光二極體312，各自耦合至如第5A圖所示之一相對應的微鏡頭416。第6圖顯示光均勻器柱450之輸入端452以及八個發光二極體312中的四個。
第7A圖為來自2x4發光二極體陣列314之光線的模擬影像，而第7B圖係光均勻器柱450輸入端452的模擬光線分布。第7C圖顯示了在光均勻器柱450之輸出端454之計算後的照度，其顯示了優良的照明均勻性。
第8圖為光均勻器柱450之輸出端454的強度對Y軸的曲線圖，其根據第7C圖之Y方向截面的資料繪示，且顯示了光均勻器柱450之輸出端454之均勻化的光化學反應光線320’的強度均勻性係在+/- 2%。
藉由改變微鏡頭的放大率來獲得不同的結果是可能的。舉例而言，如果來自光均勻器柱450之輸出端454之一0.5的輸出NA是有需要的，那麼可以改變微鏡頭的放大率至2.0，以及改變微鏡頭(物件側)NA至1.0。光均勻器柱450因此將在輸出端454產生具有適當NA與尺寸之一均勻輸出。
光均勻器柱450之輸出端454可以以中繼光學 系統470來調整以匹配於下游投射成像鏡頭230的視場尺寸與數值光圈。在較先的範例中，光均勻器柱450的輸出端454係為18mm x 18mm(324mm2 )且具有0.3之NA。讓我們假設所需的面積與NA分別大於884mm2 與0.16。使用中繼光學系統470、錐形光均勻器柱450或者二者的組合，光源尺寸沿各個方向可以被放大1.7倍以獲得一有效的光源尺寸936mm2 同時具有0.176之NA。此有效的光源稍微過填滿投射成像鏡頭230，且事實上比試著完全匹配於投射成像鏡頭NA來的更好。
如上所述，光均勻器柱450可以被錐型化。藉由將矩形光均勻器柱改以入口光圈為18mm x 18mm(324mm2 )輸出光圈為30.6mm x 30.6mm(936mm2 )之錐形光均勻器柱來取代，可創造出對於成像系統而言，兼具正確視場尺寸與正確NA之光源。因此，照明系統的複雜度減少，且其效率被強化。在某些情況，具有反向錐型之光均勻器柱450，也就是輸出端454的截面積小於輸入端452的截面積，可能是需要的。
本發明的技術內容已經以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧發光器
210‧‧‧標線片
230‧‧‧投射成像鏡頭
310‧‧‧光源
312‧‧‧發光二極體
314‧‧‧陣列
316‧‧‧發光二極體晶粒
316’‧‧‧發光二極體晶粒影像
318‧‧‧散熱器
320‧‧‧光線
320’‧‧‧光化學反應光線
320RB‧‧‧光線線條束
414‧‧‧微鏡頭陣列
416‧‧‧微鏡頭元件/微鏡頭
450‧‧‧光均勻器柱
452‧‧‧輸入端
454‧‧‧輸出端
A0‧‧‧光軸
A1‧‧‧光軸
A2‧‧‧發光二極體晶粒軸
A3‧‧‧微鏡頭軸
IP‧‧‧影像平面
LD ‧‧‧晶粒尺寸
LH ‧‧‧散熱器尺寸
OP‧‧‧物件平面

Claims (13)

  1. 一種發光器，適用於一微影製程系統，該發光器沿一發光器軸線包括：一光源，包含設置於一第一平面之一發光二極體陣列，該發光二極體陣列之各發光二極體具有一發光二極體晶粒，該發光二極體晶粒發出光化學光線且具有一軸與一第一區域，該第一區域之尺寸為LD ，該發光二極體晶粒係承載於不發光之一散熱器上，該散熱器具有一第二區域，該第二區域之尺寸為LH ，其中LH >LD ；複數微鏡頭，設置於一第二平面，該第二平面實質上平行於該第一平面，各該微鏡頭具有一微鏡頭軸，該微鏡頭軸實質上與相對應之該發光二極體晶粒同軸，各該微鏡頭具有2倍至20倍的放大倍率；及一光均勻器柱，具有一輸入端與一輸出端，其中該光均勻器柱之長度方向係平行於該發光器軸線與各該微鏡頭之該微鏡頭軸；其中各該微鏡頭於該光均勻器柱之該輸入端形成相對應之該發光二極體晶粒之一影像，以形成實質上覆蓋整個該輸入端之一發光二極體陣列影像，藉以於該輸入端定義複數虛擬發光二極體光源，且在輸出端獲致+/- 2%之光均勻性。
  2. 如請求項1所述之發光器，其中該光均勻器柱係呈錐形。
  3. 如請求項1所述之發光器，其中該發光器具有大於50%之收光效率。
  4. 如請求項3所述之發光器，其中該發光器具有大於75%之收光效率。
  5. 如請求項1所述之發光器，其中各該發光二極體具有大於600mW/mm2 之發光強度。
  6. 如請求項1所述之發光器，其中該微鏡頭陣列之各該微鏡頭具有一放大倍率M，且(0.5)*LH /LD M(1.1)*LH /LD 。
  7. 如請求項1所述之發光器，其中該光化學光線具有一波長，介於360奈米至450奈米之範圍間。
  8. 如請求項1所述之發光器，其中該微影製程系統包含一標線片，該發光器更包含一中繼光學系統，設置以接收來自該光均勻器柱之輸出端之均勻化的光化學光線並照射該標線片。
  9. 一種發光器，適用於具有一投射成像系統之一微影製程系統，該投射成像系統具有一視場尺寸，包含：一光源，包含設置於一第一平面之一發光二極體陣列，該發光二極體陣列之各發光二極體具有一發光二極體晶粒，該發光二極體晶粒發出強度為600mW/mm2 之光化學光線且具有一軸與一第一區域，該第一區域之尺寸為LD ，該發光二極體晶粒係承載於不發光之一散熱器上，該散熱器具有一第二區域，該第二區域之尺寸為LH ，其中LH >LD ；複數微鏡頭，設置於一第二平面，該第二平面實質上平行於該第一平面，各該微鏡頭具有一微鏡頭軸，該微鏡頭軸實質上與相對應之該發光二極體晶粒同軸，各該微鏡頭具有一放大倍率M，且(0.5)*LH /LD M(1.1)*LH /LD ；及 一光均勻器柱，具有一輸入端與一輸出端，其中該光均勻器柱之長度方向係平行於各該微鏡頭之該微鏡頭軸，該輸出端實質上匹配於該投射成像系統之該視場尺寸；其中各該微鏡頭於該光均勻器柱之該輸入端形成相對應之該發光二極體晶粒之一影像，以形成實質上覆蓋整個該輸入端之一發光二極體陣列影像，藉以於該輸入端定義複數虛擬發光二極體光源，且在輸出端獲致+/- 2%之光均勻性；該發光器具有大於50%之一收光效率。
  10. 如請求項9所述之發光器，其中該收光效率係大於75%。
  11. 如請求項9所述之發光器，其中該光化學光線具有一波長，介於360奈米至450奈米之範圍間。
  12. 如請求項9所述之發光器，其中該光均勻器柱係為錐形，該輸出端具有大於該輸入端之一面積。
  13. 如請求項9所述之發光器，其中該微影製程系統包含一標線片，該發光器更包含一中繼光學系統，設置以接收來自該光均勻器柱之輸出端之均勻化的光化學光線並照射該標線片。
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