TWI697741B

TWI697741B - 光源裝置及具備其的曝光裝置

Info

Publication number: TWI697741B
Application number: TW108100904A
Authority: TW
Inventors: 張正桓; 山田芳彥
Original assignee: 南韓商世振Ｏｎｔ股份公司; 山田芳彥; 日商鳳凰電機股份有限公司
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-07-01
Also published as: TW201932993A; TW202046025A; CN110007565A; KR102182430B1; KR20190088884A; CN110007565B; JP2019125548A; JP6371925B1

Abstract

本發明提供一種能夠將從光源放射的光集中在規定的照射範圍並能夠提高光的利用效率的光源裝置。利用光源（12）、使來自光源（12）的光朝向照射面（S）成為更接近平行光的狀態的平行化元件（14）、以及配設於平行化元件（14）與照射面（S）之間並將來自平行化元件（14）的光集中到照射面（S）的聚光元件（16）構成光源裝置（10）。

Description

光源裝置及具備其的曝光裝置

本發明係關於一種用於例如半導體製造用的曝光裝置等的光源裝置。

一般來說，由於光從燈等光源以放射狀發出，所以朝向照射面的光為總發光量的一部分，光的利用效率非常差。因此，一直以來，設法通過控制這些光的朝向來增加朝向照射對象的光的比例，從而提高光的利用效率。

例如，如圖7所示，通常的做法是使用在內表面具有反射面2的反射器1。通過由旋轉抛物面規定反射器1的反射面2，並在該旋轉抛物面的焦點3的位置配置光源4，能夠使從光源4射出的光的大部分為朝向照射面5的接近平行光的光(模擬平行光)。

《現有技術文獻》《專利文獻》

專利文獻1：日本特開平8-29873號公報

但是，由於實際的光源不是理論上的點發光體而是具有規定的發光面積的面發光體，所以在使用上述那樣的反射器1的情況下，大部分的光從稍微偏離焦點3的位置被發出。因此，由反射面2反射後，從反射器1的開口放射的光不是完全的平行光，而是隨著遠離反射器1而向外側擴散的光。

因此，在照射面5距反射器較遠(例如，500(單位mm)以上)，且該照射面5的面積小的情況下，存在無法提高光的利用效率的問題。

例如，在專利文獻1公開了如下技術，即，為了提高從反射器放射的光的平行的程度，將在中央部具有開孔的反射鏡配設於該反射器的開口。

但是，專利文獻1公開的技術也只不過是對來自規定形成於反射器內側的反射面的旋轉抛物面的焦點位置的光進行了敘述，從具有規定的發光面積的實際的面發光體放射的光沒有成為完全的平行光，而成為隨著遠離反射器而向外側擴散的光。因此，在照射面距反射器較遠，且該照射面的面積小的情況下，不能解決無法提高光的利用效率的問題。

本發明是鑒於這樣的課題而作出的，其目的在於提供一種能夠將從光源放射的光集中在規定的照射範圍並能夠提高光的利用效率的光源裝置及具備其的曝光裝置。

根據本發明的一個方面，提供一種光源裝置，具備：光源；平行化元件，其使來自所述光源的光朝向照射面成為更接近平行光的狀態；以及聚光元件，其配設於所述平行化元件與所述照射面之間，將來自所述平行化元件的光集中到所述照射面。

優選地，所述平行化元件為在內側具有由旋轉抛物面規定的反射面的反射器，所述聚光元件為具有焦點的透鏡，且滿足以下的條件式：L1

a×L/(d+a)

其中，L為所述反射器的開口至所述照射面的距離，其單位為mm；L1為所述反射器的開口至所述聚光元件的光學中心的距離，其單位為mm；a為所述反射器的開口的直徑，其單位為mm；d為所述照射面的直徑，其單位為mm。

根據第一方面所述的光源裝置，其特徵在於，所述光源為平面發光體，所述平行化元件為透鏡，所述聚光元件為具有焦點的透鏡，且滿足以下的條件式：L1

a×L/(d+a)

其中，L為所述平行化元件的光學中心至所述照射面的距離，其單位為mm；L1為所述平行化元件的光學中心至所述聚光元件的光學中心的距離，其單位為mm；a為所述平行化元件的有效徑，其單位為mm； d為所述照射面的直徑，其單位為mm。

優選地，所述光源裝置分別包括多個所述光源、所述平行化元件及所述聚光元件，並且滿足以下的條件式：L1

(L2×tanα-a)/(2×tanθ)

其中，L2為所述聚光元件的光學中心至所述照射面的距離，其單位為mm；θ為從所述平行化元件射出的光的射出擴散角，其單位為°；α為從彼此相鄰的所述平行化元件射出的光的中心軸彼此形成的角度，其單位為°。

優選地，在設為L1(A)=a×L/(d+a)且L1(B)=(L2×tanα-a)/(2×tanθ)時，L1的尺寸值如下，在L1(A)

L1(B)的情況下，L1的尺寸值為L1(B)的值；在L1(A)>L1(B)的情況下，L1的尺寸值為L1(A)至L1(B)之間的值。

優選地，滿足以下的條件式：f=a×L/(d+a)

其中，f為所述聚光元件的焦距，其單位為mm。

根據本發明的其他方面，提供一種曝光裝置，其具備上述的光源裝置。

根據本發明，能夠提供一種能將從光源放射的光集中在規定的照射範圍並能提高光的利用效率的光源裝置及具備其的曝光裝置。

10:光源裝置

12:光源

14:平行化元件(反射器或者透鏡)

16:聚光元件

20:開口

22:反射面

S:照射面

CL:中心軸

PF:(旋轉抛物面的)焦點

L:平行化元件14至照射面S的距離

L1:平行化元件14至聚光元件16的距離

L2:聚光元件16至照射面S的距離

a:開口20的徑(直徑)或者透鏡14的有效徑(直徑)

b:聚光元件16的徑(直徑)

c:照射面S的徑(直徑)

d:由來自聚光元件16的光照射的範圍(直徑)

f:聚光元件16的焦距

g:聚光元件(透鏡)16被從平行化元件14射出的光照射的範圍(直徑)

θ:從平行化元件14射出的光的射出擴散角(與中心軸CL形成的角)

α:從彼此相鄰的平行化元件14射出的光的中心軸CL彼此形成的角度

100:曝光裝置

102:第一反射鏡

104:第二反射鏡

106:第三反射鏡

108:積分器

110:平行化透鏡

112:(積分器108的)入射面

114:(積分器108的)射出面

116:曝光面

圖1是表示應用了本發明的光源裝置10的一個例子的圖。

圖2是主要用於對平行化元件14進行說明的圖。

圖3是用於對各元件及照射面S的尺寸進行說明的圖。

圖4是表示變形例1所涉及的光源裝置10的一個例子的圖。

圖5是表示變形例2所涉及的光源裝置10的一個例子的圖。

圖6是表示變形例3所涉及的光源裝置10及曝光裝置100的一個例子的圖。

圖7是表示現有的光源裝置的圖。

(光源裝置10的結構)

圖1表示應用了本發明的實施方式所涉及的光源裝置10。光源裝置10大致具備光源12、平行化元件14及聚光元件16，是朝向具有規定的徑(直徑)的照射面S照射光的裝置。

光源12為接收來自外部的電力供給，並放射包含適於光源裝置10的用途的波長的光的元件，例如，可以舉出發光二極管及有機EL等平面發光體、放電燈等，但並不限於這些元件。此外，如後面記述的那樣，在作為平行化元件14使用反射器的情況下，能夠使用例如放電燈那樣的光的指向性低的光源12。

平行化元件14是使來自光源12的光朝向照射面S成為更接近平行光的狀態的元件，在本實施方式中使用反射器。以下，對於反射器，也使用相同的符號“14”進行說明。在本實施方式中，如前述那樣，平行化元件14使用了反射器，但只要是起到上述作用的元件，也可使用除反射器之外的元件。作為除反射器之外的平行化元件14的例子，對於使用透鏡的情況，在後面記述的“變形例2”中進行說明。

如圖2所示，反射器14形成為大致碗狀，具有開口20以及形成於其內側表面的反射面22。另外，該反射面22由旋轉抛物面規定，該旋轉抛物面的旋轉軸與反射器14的中心軸CL相互一致。

並且，旋轉抛物面具有焦點PF，在本實施方式中，規定了光源12與反射器14的位置關係，以使光源12的中心的位置與該焦點PF的位置一致。由此，從焦點PF的位置放射後，在由旋轉抛物面規定的反射面22反射並從開口20射出的光成為與反射器14的中心軸CL平行的平行光。

但是，光源12不是理論上的點發光體，即使在作為光源12使用放電燈的情況下，也會從具有規定的大小的發光面放射光，因此從光源12放射的光的大部分從偏離焦點PF的位置放射。因此，從光源12放射，並由反射面22反射並且從開口20射出的光不是完全的平行光，而成為隨著遠離反射器14而向外側擴散的光。

回到圖1，聚光元件16配設於反射器(平行化元件)14與照射面S之間，是具有將來自反射器(平行化元件)14的光集中到照射面S的作用的元件。在本實施方式中，聚光元件16使用了透鏡，但只要是起到上述的作用的元件，也可使用除透鏡之外的元件。

(光源裝置10的作用)

使用圖1對光源裝置10的作用進行說明。就從光源12放射的光而言，其一部分從反射器14的開口20直接向外射出，並且剩餘的光在反射器14的內側的反射面22反射後從開口20向外射出。由反射面22反射的光以相對於反射器14的中心軸CL接近平行光的角度前進，但不是完全的平行光，而是隨著遠離反射器14而向外側擴散。

從反射器14射出的光在經過聚光元件16時朝向照射面S折射。由此，從聚光元件16射出的光朝向照射面S集中，照射照射面S。

(各元件等的位置關係及尺寸)

接下來，使用圖3對各元件及照射面S彼此的位置關係、各元件及照射面S的尺寸進行說明。在距反射器(平行化元件)14的開口20為距離L(單位mm)的位置配設有照射面S。當將照射面S的徑(直徑)設為c(單位mm)時，為了使該徑c最小化，只要使聚光元件16(透鏡)至照射面S的距離L2(單位mm)與聚光元件16的焦距f(單位mm)一致即可。也就是說，當欲提高照射面S的聚光的程度來提高光的利用效率時，聚光元件16的位置靠近照射面S(距離L2縮短)。換言之，聚光元件16遠離反射器14(反射器14的開口20至聚光元件16的距離L1(單位mm)增加)。

在此，如上述那樣，由於從反射器14射出的光不是完全的平行光，而是隨著遠離反射器14而向外側擴散的光，所以當距離L1增加時，聚光元件16的位置上的光的擴散(直徑)也變大。因此，當距離L1逐漸增加時，一部分的外側的光成為偏離聚光元件16的無效的光(無法集中到照射面S的光)。

也就是說，當使聚光元件16靠近照射面S時，存在聚光的程度提高且光的利用效率提高的傾向，但相反，聚光元件16遠離平行化元件14，來自平行化元件14的光偏離聚光元件16，無效的光增加，從而光的利用效率降低。

因此，首先，對平行化元件14的開口20至聚光元件16的距離L1進行研究。當將反射器14的開口20的徑(直徑)設為a(單位mm)，並將從平行化元件14射出的光的射出擴散角(與中心軸CL形成的角)設為θ(單位。)時，聚光元件16的位置上的光的照射範圍的直徑E(單位mm)能夠用以下的條件式表示。

E=a+L1×2tanθ

此外，聚光元件16的位置上的光的利用率，即，從平行化元件14射出並進入聚光元件16的光的比例S1能夠用以下的條件式表示。此外，將聚光元件16的徑(直徑)設為b(單位mm)。

S1=b²/E²=b²/(a+L1×2tan θ)²

接下來，對聚光元件16至照射面S的距離進行研究。當將照射面S的徑(直徑)設為c(單位mm)時，通常滿足以下的關係。

c/a=L2/L1

在此，如上述那樣，由來自聚光元件16的光所照射的範圍(直徑)d(單位mm)與所需的照射面S的徑c(單位mm)一致時為最大的利用效率，因此滿足以下的關係。

c=d

另外，L2=L-L1。

因此，d=a×(L-L1)/L1

L1=a×L/(d+a)及L2=L×d/(d+a)。

另一方面，當將聚光元件16的焦距設為f(單位mm)時，滿足以下的關係。

1/L1+1/L2=1/f

因此，聚光元件16的焦距f(單位mm)能夠用以下的條件式表示。

f=L1×L2/(L1+L2)=a×d×L/(d+a)²

由以上內容可知，在滿足以下的兩個條件式時為最大的利用效率。

L1=a×L/(d+a)及f=a×L/(d+a)

另外，通過滿足以下的條件，由來自聚光元件16的光照射的範圍(直徑)d(單位mm)在所需的照射面S的徑c(單位mm)的範圍內，在沒有照射照射面S外的無用的光這一點上是有效的。

L1>a×L/(d+a)

此外，當將從平行化元件14射出的光的光量設為W時，照射面S的光量Z能夠用以下的條件式表示。

Z=W×b²/(a+(a×L/(d+a))×2tan θ)²

(變形例1)

在上述的實施方式中，光源裝置10分別包括一個光源12、反射器14及聚光元件16，但也可替代該方式，如圖4所示，分別利用多個光源12、反射器14及聚光元件16來構成光源裝置10，並使由來自各光源12的光照射一個照射面S。此外，關於以下的說明，對於L、L1及L2，可參照圖3。

在該情況下，基本上，如在上述的實施方式敘述的那樣，也優選滿足以下的條件式。

L1

a×L/(d+a)

此外，以下，將由上述條件式“a×L/(d+a)”規定的L1標記為“L1(A)”。即，為“L1(A)=a×L/(d+a)”。

但是，在利用多個光源12等構成光源裝置10的情況下，由於想儘量緊湊地構成該光源裝置10這樣的現實要求，產生尺寸上的限制。具體地說，在聚光元件(透鏡)16的有效徑(直徑)的大小上產生限制。這是因為當使聚光元件(透鏡)16的有效徑(直徑)過大時，其會和相鄰配設的聚光元件(透鏡)16干擾。

在圖4所示的變形例1中，聚光元件(透鏡)16的最大有效徑(直徑)B(單位mm)能夠用以下的條件式表示。此外，α為從彼此相鄰的平行化元件(反射器)14射出的光的中心軸CL彼此形成的角度(單位°)。

B=L2×tanα

另外，聚光元件(透鏡)16被從光源12放射後從反射器14射出的光照射的範圍(直徑)g(單位mm)能夠用以下的條件式表示。

g=a+2×L1×tanθ

a：平行化元件(反射器)14的開口的直徑(單位mm)

θ：從平行化元件(反射器)14射出的光的射出擴散角(與中心軸CL形成的角)

當聚光元件(透鏡)16被從反射器14射出的光照射的範圍(直徑)g大於聚光元件(透鏡)16的最大有效徑(直徑)B時，從反射器14射出的光的一部分從聚光元件(透鏡)16偏離而成為無用的光。因此，優選滿足以下的關係。

B

g，即，L2×tanα

a+2×L1×tanθ，若將其變形，則成為L1

(L2×tanα-a)/(2×tanθ)。

此外，以下，將由上述條件式“(L2×tanα-a)/(2×tanθ)”規定的L1標記為“L1(B)”。即，為“L1(B)=(L2×tanα-a)/(2×tanθ)”。

由以上內容可知，當簡單地表現L1的尺寸時，可以說“優選L1(A)較大”，相反，“優選L1(B)較小”。因此，分別計算出L1(A)及L1(B)後，優選如以下這樣決定L1的尺寸。

在L1(A)

L1(B)的情況下，作為L1的尺寸採用L1(B)。

在L1(A)>L1(B)的情況下，作為L1的尺寸採用L1(A)至L1(B)之間的值。即，成為L1(A)>L1>L1(B)的關係。

(變形例2)

在上述的實施方式中，作為平行化元件14使用了反射器，但也可替代該反射器，如圖5所示，作為平行化元件14使用透鏡。在圖5中描述了使用一個(單體)的透鏡的情況，作為平行化元件14的透鏡的數量也可以為多個。在該情況下，從光源12放射的光經過平行化元件(透鏡)14時折射，朝向照射面S成為更接近平行光的狀態。而且，從平行化元件(透鏡)14射出的光通過聚光元件16被集中到照射面S。

在該變形例2的情況(即，作為平行化元件14使用透鏡的情況)下，在上述的實施方式中說明的數學條件式、作用效果也成立。因此，關於變形例2所涉及的數學條件式、作用效果的說明，分別將上述的實施方式的說明中的“反射器14”替換讀作“透鏡14”，將“反射器14的開口20”替換讀作“透鏡14”或者“透鏡14的光學中心”，另外，將反射器14的開口20的徑(直徑)a(單位mm)”替換讀作“透鏡14的有效徑(直徑)a(單位mm)”來引用。

此外，作為平行化元件14使用透鏡的情況與使用反射器的情況相比，作為光源12優選使用放射的光的指向性高的LED或有機EL。

(變形例3)

接下來，使用圖6，對分別使用多個光源12、平行化元件14及聚光元件16構成光源裝置10且將該光源裝置10應用到曝光裝置100的示例進行說明。

變形例3所涉及的曝光裝置100具備光源裝置10、第一反射鏡102、第二反射鏡104、第三反射鏡106、積分器108及平行化透鏡110。

如上述，在該變形例3中使用的光源裝置10具備兩個光源12、兩個平行化元件(反射器)14及兩個聚光元件16。從光源裝置10射出的光由第一反射鏡102及第二反射鏡104沿規定的方向反射後，照射積分器108的入射面112。即，對光源裝置10而言，在該情況下，積分器108的入射面112成為照射面S。

從積分器108的射出面114射出的光由第三反射鏡106沿規定的方向反射後，穿過平行化透鏡110成為平行光，並照射曝光面116。

應當認為本次公開的實施方式的所有的方面都是例示，並非對本發明的限制。本發明的範圍不是由上述的說明來表示，而是由申請專利範圍來表示，本發明意圖包含與申請專利範圍等同的意思及範圍內的所有變更。

10‧‧‧光源裝置

12‧‧‧光源

14‧‧‧平行化元件(反射器或者透鏡)

16‧‧‧聚光元件

S‧‧‧照射面

CL‧‧‧中心軸

Claims

一種光源裝置，其特徵在於具備：光源；平行化元件，其使來自所述光源的光朝向照射面成為更接近平行光的狀態；以及聚光元件，其配設於所述平行化元件與所述照射面之間，將來自所述平行化元件的光集中到所述照射面；所述光源裝置為分別由複數個所述光源、所述平行化元件、及所述聚光元件所構成；所述平行化元件為在內側具有以旋轉抛物面規定的反射面的反射器，所述聚光元件為具有焦點的透鏡，且滿足以下的2個條件式：L1
a×L/(d+a)其中，L為所述反射器的開口至所述照射面的距離，其單位為mm；L1為所述反射器的開口至所述聚光元件的光學中心的距離，其單位為mm；a為所述反射器的開口的直徑，其單位為mm；d為所述照射面的直徑，其單位為mm；L1
(L2×tanα-a)/(2×tanθ)其中，L2為所述聚光元件的光學中心至所述照射面的距離，其單位為mm；θ為從所述平行化元件射出的光的射出擴散角，其單位為°； α為從彼此相鄰的所述平行化元件射出的光的中心軸彼此形成的角度，其單位為°。
一種光源裝置，其特徵在於具備：光源；平行化元件，其使來自所述光源的光朝向照射面成為更接近平行光的狀態；以及聚光元件，其配設於所述平行化元件與所述照射面之間，將來自所述平行化元件的光集中到所述照射面；所述光源裝置為分別由複數個所述光源、所述平行化元件、及所述聚光元件所構成；所述光源為平面發光體，所述平行化元件為透鏡，所述聚光元件為具有焦點的透鏡，且滿足以下的2個條件式：L1
a×L/(d+a)其中，L為所述平行化元件的光學中心至所述照射面的距離，其單位為mm；L1為所述平行化元件的光學中心至所述聚光元件的光學中心的距離，其單位為mm；a為所述平行化元件的有效徑，其單位為mm；d為所述照射面的直徑，其單位為mm；L1
(L2×tanα-a)/(2×tanθ) 其中，L2為所述聚光元件的光學中心至所述照射面的距離，其單位為mm；θ為從所述平行化元件射出的光的射出擴散角，其單位為°；α為從彼此相鄰的所述平行化元件射出的光的中心軸彼此形成的角度，其單位為°。
如請求項1或2所述的光源裝置，其中在設為L1(A)=a×L/(d+a)且L1(B)=(L2×tanα-a)/(2×tanθ)時，L1的尺寸值如下，在L1(A)
L1(B)的情況下，L1的尺寸值為L1(B)的值；在L1(A)>L1(B)的情況下，L1的尺寸值為L1(A)至L1(B)之間的值。
一種曝光裝置，其特徵在於：具備如請求項1或2所述的光源裝置。