TWI600975B - Light source device and exposure device - Google Patents

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Junichi Tamaki
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

光源裝置及曝光裝置
本發明係有關於曝光裝置的光源裝置，且特別有關於使用波長特性不同的複數陣列光源的光源裝置及曝光裝置。
過去，曝光裝置的光源中會使用燈管。具體來說，例如在印刷基板的配線圖樣形成或防銲膜形成中，根據要使用的感光材料的感度特性，使用強烈發出436nm(g線)、405nm(h線)、365nm(i線)的光譜線的水銀燈於光源中。對此，近年來，因應光源的長壽命化或省電力化的要求，持續開發使用LED替代水銀燈管於光源中的光源裝置。LED比起水銀燈管有壽命長的優點，但另一方面，1個LED輸出的光量比水銀燈管少，且相對於水銀燈管輸出包含g線、h線、i線的廣帶域的光，LED輸出特定狹窄帶域的波長的光，因此不能直接使用於需要廣帶域的曝光裝置用的光源中。
因此，使用由多數的LED組成的LED陣列光源來獲得相當於水銀燈管的光量，以及使用波長特性不同的複數的LED陣列光源來獲得配合感光材料的感度特性的複數波長的光這樣的方案被提出。專利文獻1中，在波長特性不同的複數的LED陣列光源上，重疊了形成各LED元件的發光部的影像的 透鏡陣列，將相同透鏡陣列的集光光束以分色鏡重疊後，形成發光部影像的合成影像，成像於積分器(光量均一化元件)的入射面。
專利文獻2的投影曝光裝置(步進機)使用一種光源裝置，此光源裝置使用分色鏡合成從波長特性不同的複數LED陣列光源所發出的光，並成像於積分器的入射面。在此專利文獻2中，從LED陣列光源的各LED元件發出的光做為發散光入射分色鏡。
[先行技術文獻]
專利文獻1：日本特開2012-63390號公報
專利文獻2：日本特開2004-335949號公報
分色鏡一般來說根據光的入射角度的不同，切換於光的反射與透射的截止波長會平移。當透射的光與反射的光的波長差小時，會因為此截止波長的平移而造成光的利用效率降低。在專利文獻1中，LED陣列的影像在積分器的入口成像，而LED陣列周邊部的光在積分器入口被遮擋而產生光量損失。另外，如專利文獻1將LED陣列的共軛面設置於光路中的光學系統的話，透鏡等的光學要素增多，結果就會需要許多空間用來設置光源裝置。
專利文獻2中，分色鏡的面積隨著光源發出的光的展開而增大，光源裝置必須要有許多空間。再者，專利文獻1及專利文獻2中，從各LED陣列光源到最初的聚光透鏡的入射 位置為止的光路長都必須相等，因此合成的LED陣列的數目越增加，光路長就會有變得越長的傾向，因而需要更多的空間。因此，在這些光學系統中，存在著比現有的曝光裝置的燈管光源更大型化且無法與現有的曝光裝置的光源交換的問題。
本發明的目的是提供一種省空間的曝光裝置的光源裝置，能夠減少分色鏡(光束合成元件)在光束合成時的光損失，不需要使分色鏡大型化，並且可替代現有的曝光裝置的燈管光源。
本發明的完成是著眼於將發出不同波長光的複數LED陣列光源(陣列光源)的光束轉換成平行光束再入射分色鏡(光束合成元件)的話，就能夠獲得光損失少且不需要長的光路長的小型光源裝置。
本發明的光源裝置，包括：第1陣列光源，由放射出第1波長特性的光的複數個光源元件排列而成；第1透鏡陣列，由對應該放射出第1波長特性的光的各光源元件並將該第1波長特性的光分別轉為平行光的準直透鏡排列而成；第2陣列光源，由放射出與該第1波長特性不同的第2波長特性的光的複數個光源元件排列而成；第2透鏡陣列，由對應該放射出第2波長特性的光的各光源元件並將該第2波長特性的光分別轉為平行光的準直透鏡排列而成；第3陣列光源，由放射出與該第1、第2波長特性不同的第3波長特性的光的複數個光源元件排列而成；第3透鏡陣列，由對應該放射出第3波長特性的光的各光源元件並將該第3波長特性的光分別轉為平行光的準直透鏡排列 而成；第1光學合成元件，以共用主光軸的方式合成該第1透鏡陣列所形成的該第1波長特性的平行光以及該第2透鏡陣列所形成的該第2波長特性的平行光，成為第1合成光束；第2光學合成元件，以共用主光軸的方式合成該第1合成光束以及該第3透鏡陣列所形成的該第3波長特性的平行光，形成第2合成光束；以及聚光透鏡，將該第2合成光束集光後入射於光量均一化元件。
第1光學合成元件與第2光學合成元件實際上分別是由第1與第2分色鏡構成。而第1與第2分色鏡中的至少一者配置成從第1至第3陣列光源入射該分色鏡的光束的入射角小於45°。
更具體來說，可將第1分色鏡配置成從第1陣列光源入射的光束的入射角為45°，將第2分色鏡配置成從第3陣列光源入射的光束的入射角小於45°。
第1陣列光源與第2陣列光源的波長特性中一者是最長波長，另一者是最短波長，第3陣列光源的波長特性是最長波長與最短波長之間的中間波長為佳。
入射於光量均一化元件的入射面的光束的能量分佈為中心部高周邊部低的連續變化。
陣列光源的多數的光源元件配置成格子狀或交錯狀為佳。
本發明的另一態樣是使用以上的光源裝置的曝光裝置。
本發明的光源裝置因為LED陣列光源(陣列光源)發出的光以平行光的狀態入射分色鏡(光束合成元件)，因此 能夠抑制因為入射地點不同所造成的入射角度變化之損失，實現效率良好的光源裝置。再者，因為以平行光的狀態進行光束合成，所以分色鏡不會變大，且能夠將平行光部分的光路做成自由的長度，因此即使是合成3個以上的陣列光源的光學系統也能夠實現省空間的光源裝置。
10‧‧‧曝光裝置
11‧‧‧光源裝置
12‧‧‧電源裝置
13‧‧‧照明光學系統
13a‧‧‧柱狀積分器
13b‧‧‧入射端面
14‧‧‧圖樣描繪手段
15‧‧‧曝光桌
16‧‧‧控制裝置
21‧‧‧第1 LED陣列光源
22‧‧‧第2 LED陣列光源
23‧‧‧第3 LED陣列光源
24‧‧‧第4 LED陣列光源
21a、22a、23a、24a‧‧‧LED元件
21X、22X、23X、24X‧‧‧主光軸
31、32、33、34‧‧‧透鏡陣列
31a、32a、33a、34a‧‧‧準直透鏡
41‧‧‧第1分色鏡
42‧‧‧第2分色鏡
43‧‧‧聚光透鏡
44‧‧‧第3分色鏡
W‧‧‧基板
第1圖係顯示本發明包含光源裝置的曝光裝置的全體架構的方塊圖。
第2圖係顯示本發明的光源裝置的第一實施型態的光學架構圖。
第3圖係顯示本發明的光源裝置的第二實施型態的光學架構圖。
第4圖係顯示LED陣列光源的一實施型態的平面圖。
第5圖係顯示LED陣列光源的另一實施型態的平面圖。
第6圖係顯示入射照明光學系統的柱狀積分器的入射端面的光的光量分佈。
第7圖係顯示相對於分色鏡的入射角度與透過率(反射率)的特性。
第8圖係顯示相對於分色鏡的其他入射角度與透過率(反射率)的特性。
第1圖顯示做為本發明對象的包含光源裝置11的曝光裝置10的全體。第1圖中，箭頭表示光，直線表示控制信 號的連接。被電源裝置12驅動的光源裝置11射出的光入射照明光學系統13，從照明光學系統13射出的光入射圖樣描繪手段14。圖樣描繪手段14將從照明光學系統13入射的光照射到載置於曝光桌15上的基板W。基板W塗布或沈積有感光材料。電源裝置12、圖樣描繪手段14及曝光桌15被控制裝置16所控制。
更具體來說，照明光學系統13具備將柱狀積分器等的光學裝置11發出的光的面光量分佈進行均一化的積分器(光量均一化元件)，並且形成適合圖樣描繪手段14的形狀的照明光。圖樣描繪手段14將從照明光學系統13入射的照明光轉換成用以在基板W上的感光材料形成圖樣的圖樣光。照明光學系統13可具備快門或光量調整手段等。
圖樣描繪手段14中能夠使用例如DMD等的光調變元件，或者是能夠使用光罩等的遮光手段。另外也可以更具備用來投影圖樣光至感光材料的投影光學系統。感光材料能夠接近或者是抵接光罩等的遮光手段。圖樣描繪手段14及伴隨圖樣描繪手段14而來的光學系統會因應曝光裝置10的用途而適當地設計。曝光桌15可因應需要而兼做基板對齊手段或基板搬送手段等。曝光桌15的形狀等會因應基板而做適當設計。
本發明適用於例如以上所述的構造的曝光裝置10中的光源裝置11，第2圖顯示其第一實施型態。
此實施型態的光源裝置11具有發出第1波長特性(365nm)的光的第1 LED陣列光源21、發出第2波長特性(405nm)的光的第2 LED陣列光源22、發出第3波長特性(385nm)的光的第3 LED陣列光源23。光源裝置11將這些不 同波長特性的光從上流開始依序合成。第1至第3 LED陣列光源21、22、23除了發出的波長外，構造皆相同，分別具備發出365nm的光的複數的LED元件21a、發出405nm的光的複數的LED元件22a、發出385nm的光的複數的LED元件23a。第2圖中，為了圖式的簡潔，僅畫出排列了3個的LED元件21a、22a、23a，但實際上這些LED元件21a、22a、23a是縱向及橫向排列多個於同一平面上。第4圖、第5圖就顯示了具體的平面配置的例子，第4圖的例子中，LED元件21a、22a、23a縱橫排列成格子狀(矩陣狀)，第5圖的例子中則是縱橫排列成交錯狀。交錯狀排列是當各橫列的LED元件21a、22a、23a的排列間距為p時，在上與下列LED元件21a、22a、21c的間距會偏移p/2。這種交錯狀排列比起格子狀排列，能夠提高LED元件的密度而抑制照明光學系統所使用的光的損失。
第1至第3 LED陣列光源21、22、23上分別重疊配置著透鏡陣列31、32、33。透鏡陣列31、32、33分別具備複數的準直透鏡31a、32a、33a，對應各LED元件21a、22a、23a並且將各LED元件21a、22a、23a的發散光轉為平行光束。LED元件雖然嚴格地實行面發光，但因為發光面積相對於光學系統來說相當地小所以實質上可說是點光源，因此能夠使用準直透鏡將LED元件發出的光轉換為平行光束。在此所述的平行光束並不一定要是完全平行的光，只要實質上可視為平行光的程度的話也可帶有相對於光軸的夾角(例如2°以內)。準直透鏡31a、32a、33a的平面配置與LED元件21a、22a、23a的平面配置相同，第4圖、第5圖將兩者合併描繪。如已知技術，相對於LED元件 21a、22a、23a的發光部的光為發散光，準直透鏡31a、32a、33a以各LED元件21a、22a、23a為單位將發散光轉為平行光束。也就是說，被各準直透鏡31a、32a、33a轉為平行光束的LED元件21a、22a、23a的光軸互相平行且彼此獨立，並無共有關係。以下為了說明方便，將第1 LED光源21與透鏡陣列31、第2 LED光源22與透鏡陣列32、第3 LED光源23與透鏡陣列33所形成的平行光束群的中心的光軸定義為主光軸21X、22X、23X。
第1 LED陣列光源21的主光軸21X上依序配置第1分色鏡41、第2分色鏡42、及聚光透鏡43。照明光學系統13的柱狀積分器13a位於聚光透鏡43的集光位置。相對於第1分色鏡41的主光軸21X的入射角(主光軸21X與鏡面41的入射面的法線間的夾角)為α，相對於第2分色鏡42的主光軸21X的入射角(主光軸21X與鏡面42的入射面的法線間的夾角)為β。
第2 LED陣列光源22以入射第1分色鏡41的背面後反射的主光軸22X與主光軸21X一致的方式配置。第3 LED陣列光源23以入射第2分色鏡42的背面後反射的主光軸23X與主光軸21X(及主光軸22X)一致的方式配置。相對於第1分色鏡41的主光軸22X的入射角(主光軸22X與鏡面41的背面入射面的法線間的夾角)為γ，在此實施型態中α=γ=45°。相對於第2分色鏡42的主光軸23X的入射角(主光軸23X與鏡面42的背面入射面的法線間的夾角)為δ，在此實施型態中β=δ=25°(β=δ<45°)。
第1分色鏡41具有使第1 LED陣列光源21的波長特性的光透過，使第2 LED陣列光源22的波長特性的光反射的特 性。第2分色鏡42具有使第1 LED陣列光源21及第2 LED陣列光源22的波長特性的光透過，使第3 LED陣列光源23的波長特性的光反射的特性。
也就是說，第1分色鏡41、第2分色鏡42是為了獲得以上的透過反射特性，而考量設置角度α、β、γ、δ，做為多層膜被設計且製造出來。
因此，第1分色鏡41、第2分色鏡42合成來自第1 LED陣列21與透鏡陣列31、第2 LED陣列22與透鏡陣列32、第3 LED陣列23與透鏡陣列33的平行光束群，被合成的光透過聚光透鏡43集光於照明光學系統13的柱狀積分器13a的入射端面13b。柱狀積分器13a是，將入射的光束的平面光量分佈均一化後射出的，一般已知的光量均一化元件。
本實施型態中，入射第1分光鏡41的第1 LED陣列光源21的光束及第2 LED陣列光源22的光束、入射第2分光鏡42的第1 LED陣列光源21的光束、第2 LED陣列光源22的光束、及第3 LED陣列光源23的光束任一者皆為平行光束(群)。因此，光入射於第1分色鏡41、第2分色鏡42的任一部位的入射角是同樣的(入射角不會因為光的入射部位不同而有差異)，並且透過分光鏡或者是被分光鏡所反射的光的比例是同樣的。因此，藉由適當地設計分色鏡的反射與透過的截止波長，能夠將在分色鏡的光損失抑制到最小。
本實施型態在上流側的第1分色鏡41合成最短波長(365nm)的第1 LED陣列光源21發出的光與最長波長(405nm)的第2 LED陣列光源22發出的光，接著在下流側的 第2分色鏡42合成中間波長(385nm)的第3 LED陣列光源23發出的光。第1 LED陣列光源21發射的波長與第2 LED陣列光源22發射的波長之間存在著極大的波長差，因此第1分色鏡41能夠取更大的切換透過與反射的截止波長的容限。因此，將入射第1分色鏡41的入射角α與γ取在能夠使鏡面面積最小的配置效率佳的45°。相對於此，在第2分色鏡42的透過波長與反射波長的波長差小。因此，入射角δ為45°的話第3 LED陣列光源23往第2分色鏡42入射的光一部分會透過而不會反射，效率不佳。因此，第2圖的實施型態中，將朝向第2分色鏡42的主光軸23X的入射角δ設定為25°，使切換透過與反射的截止波長的寬度變狹窄(使截止波長曲線的傾斜變急遽)。如此一來，因應合成光的波長的間隔來適當地設定分色鏡的角度，藉此來提高光源裝置的光利用效率。
第7圖、第8圖是顯示入射分色鏡的入射角θ、入射波長nm、及切換透過與反射的波長(透過率)的圖。分色鏡在45°的使用下，其截止波長如第7圖所示地具有約20nm的寬度。另一方面。在25°的使用下，其截止波長具有約10nm的寬度(第8圖)。因此，如第8圖所示，合成的光的波長的間隔窄時，會希望減少分色鏡的角度以在截止波長的寬度窄的狀態下使用。若入射分色鏡的光非平行光，入射角度會因位置而不同的情況下，如第7圖所示，截止波長的位置會平移。因此以分色鏡全體來看的話跟截止波長的寬度寬的結果是相同的。例如入射角度有9°的差距時，截止波長的寬度實質上擴大了約10nm，而成為30nm(第7圖)。
又在本實施型態中，第1至第3 LED陣列光源21、22、23的透鏡陣列31、32、33至聚光透鏡43之間為平行光，第1至第3 LED陣列光源21、22、23的共軛面並不存在。因此，第1至第3 LED陣列光源21、22、23至聚光透鏡43之間的光路長能夠是任意距離。也就是說，第1 LED陣列光源21至聚光透鏡43、第2 LED陣列光源22至聚光透鏡43、第3 LED陣列光源23至聚光透鏡43的光路長並沒有受限，因此光路設計的自由度高，能夠節省光源裝置的空間。
第6圖顯示往照明光學系統13的柱狀積分器13a的入射端面13b入射的光束的光量分佈。本實施型態中，LED元件至柱狀積分器的入射端面13b為止是形成科勒照明的關係。被聚光透鏡43集光於柱狀積分器13a的入射端面13b的光是來自全部LED元件的平行光，因此在柱狀積分器13a的入射端面13b上的光量分佈為一種中心的能量密度最高，越往周邊能量密度越低的連續的圖形，其形狀成為中心部高周邊部低的高斯分佈。因此，即使柱狀積分器13a的入射開口尺寸小，照明光學系統13也能汲取大量的光，能夠提高光的利用效率。
第3圖是顯示一種4波長合成的實施型態，在第2圖的光源裝置11中，配置第3分色鏡44於第3 LED陣列光源23的主光軸23X上，並且將來自發出第2中間波長(400nm)的光的第4 LED陣列光源24與透鏡陣列34的平行光束群入射第3分色鏡44的背面入射面。第4 LED陣列光源24具備發射400nm的光的複數LED元件24a(參照第4、5圖)，透鏡陣列34具備複數的準直透鏡34a，對應各LED元件24a並將各LED元件24a發出的發 散光轉為平行光束。第3分色鏡44具備使第3 LED陣列光源23發出的385nm的光透過，使第4 LED陣列光源24發出的400nm的光反射的特性。主光軸23X對於第3分色鏡44的入射角(主光軸23X與鏡面44的入射面的法線的夾角)為ε，主光軸24X對於第3分色鏡44的入射角(主光軸24X與鏡面44的背面入射面的法線的夾角)為η。
上述實施型態中，顯示了LED陣列光源21~24代表陣列光源，但也可以使用半導體雷射陣列光源、或者是將半導體雷射元件與光纖連接物束在一起的光纖陣列光源。另外雖以分色鏡41、42、44的例子表示光束合成元件，但也可以使用分色稜鏡等的光束合成元件。
11‧‧‧光源裝置
13‧‧‧照明光學系統
13a‧‧‧柱狀積分器
13b‧‧‧入射端面
21‧‧‧第1 LED陣列光源
22‧‧‧第2 LED陣列光源
23‧‧‧第3 LED陣列光源
21a、22a、23a‧‧‧LED元件
21X、22X、23X‧‧‧主光軸
31、32、33‧‧‧透鏡陣列
31a、32a、33a‧‧‧準直透鏡
41‧‧‧第1分色鏡
42‧‧‧第2分色鏡
43‧‧‧聚光透鏡

Claims (4)

  1. 一種光源裝置，包括：第1陣列光源，由放射出第1波長特性的光的複數個光源元件排列而成；第1透鏡陣列，由對應該放射出第1波長特性的光的各光源元件並將該第1波長特性的光分別轉為平行光的準直透鏡排列而成；第2陣列光源，由放射出與該第1波長特性不同的第2波長特性的光的複數個光源元件排列而成；第2透鏡陣列，由對應該放射出第2波長特性的光的各光源元件並將該第2波長特性的光分別轉為平行光的準直透鏡排列而成；第3陣列光源，由放射出與該第1、第2波長特性不同的第3波長特性的光的複數個光源元件排列而成；第3透鏡陣列，由對應該放射出第3波長特性的光的各光源元件並將該第3波長特性的光分別轉為平行光的準直透鏡排列而成；第1光學合成元件，以共用主光軸的方式合成該第1透鏡陣列所形成的該第1波長特性的平行光以及該第2透鏡陣列所形成的該第2波長特性的平行光，成為第1合成光束；第2光學合成元件，以共用主光軸的方式合成該第1合成光束以及該第3透鏡陣列所形成的該第3波長特性的平行光，形成第2合成光束；以及聚光透鏡，將該第2合成光束集光後入射於光量均一化元 件，其中該第1陣列光源與該第2陣列光源的波長特性中一者是最長波長，另一者是最短波長，該第3陣列光源的波長特性是該最長波長與該最短波長之間的中間波長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光源裝置，其中該第1光學合成元件與該第2光學合成元件分別是第1分色鏡與第2分色鏡，該第1分色鏡與第2分色鏡中的至少一者配置成從該第1至第3陣列光源入射該分色鏡的光束的入射角小於45°。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光源裝置，其中該第1分色鏡配置成從該第1陣列光源入射的光束的入射角為45°，該第2分色鏡配置成從該第3陣列光源入射的光束的入射角小於45°。
  4. 一種曝光裝置，包括：如申請專利範圍第1至3項任一項所述之光源裝置。
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