CN107450274A - 照明光学***及采用该照明光学***的光刻设备 - Google Patents

照明光学***及采用该照明光学***的光刻设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种照明光学***及采用该***的光刻设备，其中照明光学***包括：峰值波长互不相同的至少两组LED光源阵列；分别一一对应地布置在各组LED光源阵列出光侧、以使得每组LED光源阵列发出的光束经其透射后均成为平行光束的若干个光束准直元件；用于将各个光束准直元件透射出的各个平行光束合成为一整束总平行光束的若干块光束合成元件；设于所述总平行光束的光路上的光束耦合元件；以及位于光束耦合元件出光侧的均光元件；所述总平行光束经过光束耦合元件的耦合后，射入所述均光元件，在均光元件出射端得到光线分布均匀的平行光束。本发明这种照明光学***结构简单，能量利用率高，便于安装调试与控制，安全性高。

Description

照明光学***及采用该照明光学***的光刻设备
技术领域
本发明涉及一种照明光学***，尤其是一种多波长LED光源阵列的照明光学***，其主要用于微光刻技术中，还适用于其他对照明亮度和视场均匀性要求较高的光学***。还涉及一种采用该照明光学***的光刻设备。
背景技术
半导体制造中的微光刻技术就是利用光学***把掩膜版上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的硅片上。
现有的照明光学***采用的光源主要有两种，一种是汞灯光源，另一种是LED光源。
然而，申请人发现，现有的汞灯光源照明光学***在***设计，***装配调试，整机使用过程中存在如下缺点：
1、设计过程中，汞灯光源的灯室设计比较复杂；
2、***装备调试过程中，汞灯光源灯室由灯室机械装置，椭球反射镜，平面反射镜以及汞灯组成，组件较多，造成在调试过程中自由度多，在***装备调试的过程中，不宜调试到最佳位置，调试过程复杂，调试周期较长；
3、汞灯光源有一定的危险性。汞灯光源灯泡内充满高压汞蒸气，如果使用不当发生泄露对环境及工作人员都有很大的危害；
4、现有汞灯光源照明***由于组件较多，在整个光路中光能损失严重，有效波段光能利用率低。
随着LED光源技术的发展，LED光源的功率越来越接近现代半导体工业大功率高强度的需求，LED光源有很大的应用前景。LED光源一般包括基板，基板上设置有LED灯芯，LED灯芯外是封装树脂。LED光源具有体积小、寿命长、出射光功率易于控制等特点。在不同使用场景下，LED光源通过使用不同的能量收集和匀光器件来满足需求。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种照明光学***以及采用该照明光学***的光刻设备，该照明光学***结构简单，能量利用率高，便于安装调试与控制，安全性高。
本发明的技术方案如下：
一种照明光学***，包括：
峰值波长互不相同的至少两组LED光源阵列；
分别一一对应地布置在各组LED光源阵列出光侧、以使得每组LED光源阵列发出的光束经其透射后均成为平行光束的若干个光束准直元件；
用于将所述各个光束准直元件透射出的各束平行光束合成为一整束总平行光束的若干个光束合成元件；
设于所述总平行光束的光路上的光束耦合元件；
以及
位于所述光束耦合元件出光侧的均光元件；
所述总平行光束经过所述光束耦合元件的耦合后，射入所述均光元件，在所述均光元件的出射端得到光线分布均匀的平行光束。
本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
所述光束准直元件为准直透镜组。
所述光束耦合元件为耦合透镜组。
所述均光元件为石英棒。
所述光束合成元件为棱镜。
所述棱镜为直角棱镜。
所述光束合成元件为分光镜。
所述的LED光源阵列共有三组，分别为第一LED光源阵列、第二LED光源阵列和第三LED光源阵列；所述准直透镜组共有三个，分别为第一准直透镜组、第二准直透镜组和第三准直透镜组；所述分光镜共有两块，分别为第一分光镜和第二分光镜；其中：
所述第一准直透镜组设于所述第一LED光源阵列的出光侧，第一LED光源阵列发出的光束透过该第一准直透镜组后得到第一平行光束；
所述第二准直透镜组设于所述第二LED光源阵列的出光侧，第二LED光源阵列发出的光束透过该第二准直透镜组后得到第二平行光束；
所述第三准直透镜组设于所述第三LED光源阵列的出光侧，第三LED光源阵列发出的光束透过该第三准直透镜组后得到第三平行光束；
所述第一分光镜同时位于所述第一平行光束的光路以及所述第二平行光束的光路上，该第一分光镜透射所述第一平行光束而反射所述第二平行光束，并且第二平行光束的反射方向与第一平行光束的透射方向相同，从而将第一平行光束和第二平行光束合成为射向所述第二分光镜的第四平行光束；
所述第二分光镜同时位于所述第三平行光束的光路以及所述第四平行光束的光路上，该第二分光镜透射所述成第四平行光束而反射所述第三平行光束，并且第三平行光束的反射方向与第一平行光束的透射方向相同，从而将第三平行光束和第四平行光束合成为射向所述耦合透镜组的所述总平行光束；
所述总平行光束经过耦合透镜组的耦合后成为会聚光束，该会聚光束射入所述石英棒，在所述石英棒内经多次反射匀光，在所述石英棒的出射端得到光线分布均匀的平行光束。
所述第一LED光源阵列、第一准直透镜组、第一分光镜、第二分光镜、耦合透镜组和石英棒布置在同一条直线上，且沿该直线依次排布。
每一组所述LED光源阵列均由峰值波长相同的若干LED光源排布而成，而且每一组所述LED光源阵列均为中心对称结构，所述直线为所述第一LED光源阵列的对称中心线。
所述LED光源阵列中各个LED光源的峰值波长为435nm、405nm或365nm。
所述第一分光镜和第二分光镜相互垂直布置，所述第一分光镜与所述第二平行光束的夹角、所述第一分光镜与所述第三平行光束的夹角、所述第二分光镜与所述第四平行光束的夹角以及所述第二分光镜与所述总平行光束的夹角均为45°；所述第二LED光源阵列发出光束与第一LED光源阵列发出的光束相互垂直；所述第三LED光源阵列发出的光束与第一LED光源阵列发出的光束相互垂直，并与第二LED光源阵列发出的光束平行。
所述准直透镜组包括沿光轴依次排布的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜的物面位于LED光源阵列的出光端。
在各个所述准直透镜组中，所述第一透镜朝向所述LED光源阵列那一面的通光孔径大于该LED光源阵列的外接圆半径。
所述第一透镜朝向所述LED光源阵列那一面的通光孔径为该LED光源阵列的外接圆半径的5～6倍。
所述准直透镜组的物方数值孔径为0.7～0.8，物面口径为2～11mm，放大倍数在5倍以上。
本发明所提供的这种光刻设备，包括上述结构的照明光学***。
本发明将不同波长的LED光源阵列所发射的光束，合成为一束广光谱多峰值波长、光线分布均匀的平行光束，经耦合透镜组转换为会聚光束，进入石英棒，具有以下优点：
1、相对于使用汞灯作为光源的照明***，本发明采用LED光源，光路设计简单巧妙，能量利用率高，减少光能损失，便于安装调试，安全性高。
2、相对于使用单个LED光源阵列，本发明采用不同峰值波长的多组LED光源阵列，光能高，亮度高，光谱宽，峰值波长多。
3、相对于传统技术中采用微透镜阵列匀光准直LED阵列发射光束的照明方案，本发明采用准直透镜组，结构更简单，成本更加低廉。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍：
图1为本发明实施例中照明光学***的结构示意图，该图1中，α为第一平行光束在第一分光镜上的入射角，β为第二平行光束在第一分光镜上的夹角，γ为第三平行光束在第二分光镜上的夹角；
图2为本发明实施例中照明光学***中准直透镜组的结构示意图；
图3为本发明实施例中总平行光束的光谱分布示意图；
其中：101-第一LED光源阵列，102-第一准直透镜组，103-第一分光镜，104-第二LED光源阵列，105-第二准直透镜组，106-第三LED光源阵列，107-第三准直透镜组，108-第二分光镜，109-耦合透镜组，110-石英棒；
201-第一透镜，202-第二透镜，203-第三透镜。
具体实施方式
本发明这种照明光学***，包括：
峰值波长互不相同的至少两组LED光源阵列；
分别一一对应地布置在各组LED光源阵列出光侧、以使得每组LED光源阵列发出的光束经其透射后均成为平行光束的若干个光束准直元件；
用于将所述各个光束准直元件透射出的各束平行光束合成为一整束总平行光束的若干个光束合成元件；
设于所述总平行光束的光路上的光束耦合元件；
以及
位于所述光束耦合元件出光侧的均光元件；
所述总平行光束经过所述光束耦合元件的耦合后，射入所述均光元件，在所述均光元件的出射端得到光线分布均匀的平行光束。
图1示出了本发明这种多波长LED光源阵列照明***的一个具体实施例，该***包括：
三组LED光源阵列，分别第一LED光源阵列101、第二LED光源阵列104和第三LED光源阵列106；
三个准直透镜组(为本发明所说的光束准直元件)，分别为第一准直透镜组102、第二准直透镜组105和第三准直透镜组107；
两块分光镜(为本发明所说的光束合成元件)，分别为第一分光镜103和第三分光镜108；
耦合透镜组109(为本发明所说的光束耦合元件)；
石英棒110(为本发明所说的均光元件)。其中：
第一LED光源阵列101、第二LED光源阵列104和第三LED光源阵列106这三组LED光源阵列的峰值波长互不相同，每组LED光源阵列均由相同型号的若干个LED光源按照一定方式排列组合而成，并且每一组LED光源阵列均为中心对称结构，即每组LED光源阵列均具有自己的对称中心线，在每组LED光源阵列种每一个LED光源的角分布是朗伯分布。之所以处于同一组LED光源阵列中的各个LED光源选择同一型号，是为了保证这些LED光源的峰值波长相同。
第一准直透镜组102设于第一LED光源阵列101的出光侧，第一LED光源阵列101发出的光束经过第一准直透镜组102的透射后得到第一平行光束。
第二准直透镜组105设于第二LED光源阵列104的出光侧，第二LED光源阵列104发出的光束经过第二准直透镜组105的透射后得到第二平行光束。
第三准直透镜组107设于第三LED光源阵列106的出光侧，第三LED光源阵列106发出的光束经过第三准直透镜组107的透射后得到第三平行光束。
每一个准直透镜组的物面均位于对应LED光源阵列的出光端。准直透镜组的作用是将对应LED光源阵列出射的光束准直为平行光，并且出射角分布均匀。
第一分光镜103既位于所述第一平行光束的光路上，又位于所述第二平行光束的光路上。该第一分光镜103透射所述第一平行光束、而反射所述第二平行光束，并且第二平行光束的反射方向与第一平行光束的透射方向相同，从而将第一平行光束和第二平行光束合成为射向所述第二分光镜108的第四平行光束(将两束平行光合成为一束平行光)。
第二分光镜108既位于所述第三平行光束的光路上，又位于所述第四平行光束的光路上。该第二分光镜103透射所述成第四平行光束、而反射所述第三平行光束，并且第三平行光束的反射方向与第一平行光束的透射方向相同，从而将第三平行光束和第四平行光束合成为射向所述耦合透镜组109的第五平行光束(将两束平行光合成为一束平行光)，为了方便读者理解本发明的方案，在此将该第五平行光束称之为总平行光束。从第二分光镜103出射的合成光束即所述总平行光束的光谱分布如图3所示，不难看出，该总平行光束为广光谱多峰值波长光束。
耦合透镜组109设于所述总平行光束的光路上。石英棒110位于所述耦合透镜组109的出光侧，石英棒的前端面位于耦合透镜组的像面上。所述总平行光束经过耦合透镜组109的耦合后成为会聚光束，耦合透镜组改变所得的广光谱多峰值波长光束(即所述总平行光束)的NA，使其全部射入所述石英棒110，以提高能量利用率。光束在所述石英棒110内经多次反射匀光，在所述石英棒110的出射端得到广光谱多峰值波长、光线分布均匀的平行光束(也即在石英棒的出射端形成一定视场大小的均匀照明视场)。
再参照图1所示，本实施例中，所述第一LED光源阵列101、第一准直透镜组102、第一分光镜103、第二分光镜108、耦合透镜组109和石英棒110布置在同一条直线上，并且沿该条直线依次排布。该条直线具体为所述第一LED光源阵列101的对称中心线。
再次参照图1所示，第二LED光源阵列104发出光束与第一LED光源阵列101发出的光束相互垂直，或者说，从第一准直透镜组102出射的所述第一平行光束与从第二准直透镜组105出射的所述第二平行光束相互垂直。所述第三LED光源阵列106发出的光束与第一LED光源阵列101发出的光束相互垂直，并与第二LED光源阵列104发出的光束平行，或者说，从第三准直透镜组107出射的所述第四平行光束与从第一准直透镜组102出射的所述第一平行光束相平行，从第三准直透镜组107出射的所述第四平行光束与从第二准直透镜组105出射的所述第二平行光束相互垂直。
同样参照图1所示，所述第一分光镜103和第二分光镜108相互垂直布置，而且第一分光镜103与入射光束、反射光束所成的夹角均为45°，第二分光镜108与入射光束、反射光束所成的夹角也均为45°。即：第一分光镜103与所述第二平行光束的夹角＝第一分光镜103与所述第三平行光束的夹角＝45°，第二分光镜108与所述第四平行光束的夹角＝第二分光镜108与所述总平行光束的夹角＝45°。
参照图2所示，所述准直透镜组包括第一透镜201、第二透镜202和第三透镜203，并且该第一透镜201、第二透镜202和第三透镜203沿光轴依次排布，其中第一透镜201的物面位于对应LED光源阵列的出光端(如：第一准直透镜组中第一透镜的物面位于第一LED光源阵列的出光端)，也就是说在这三片透镜中，第一透镜201最靠近LED光源阵列，次之为第二透镜202，再次之为第三透镜203。在各个准直透镜组中，在各个所述准直透镜组中，所述第一透镜朝向对应LED光源阵列那一面的通光孔径(半径)大于该LED光源阵列的外接圆半径，第一透镜201能够将该LED光源阵列发出的110°角度范围内90％以上的发散光束会聚进入相应的准直透镜组，第二透镜202和第三透镜203的作用是将光束进一步准直。
准直透镜组不仅限于只由三片透镜组成，可以在此基础上添加更多的镜片以优化准直性能。
所述LED光源阵列的组数并不局限于本实施例的三组，也可以是两组、四组或五组等等。在那些采用了其余组数LED光源阵列的其他实施例中，所述准直透镜组和分光镜的个数也需对应地调整。在本实施例公开的基础上，本领域技术人员可以得知如何调整准直透镜组和分光镜的个数和位置来与相应组数的组数LED光源阵列相对应，在此不再赘述。
一般，所述第一透镜朝向对应LED光源阵列那一面的通光孔径为该LED光源阵列的外接圆半径的5～6倍。作为优选，各准直透镜组的物方数值孔径最好在0.7～0.8范围内(包含0.7、0.8)，物面口径最好为2～11mm(更优选为10mm)，放大倍数一般在5倍以上。
单组LED光源阵列中各个LED光源的峰值波长优选为435nm、405nm、365nm或更短波长，具体在本实施例中，第一LED光源阵列中各个LED光源的峰值波长为435nm，第二LED光源阵列中各个LED光源的峰值波长为405nm，第三LED光源阵列中各个LED光源的峰值波长为365nm。
本实施例采用的是准直透镜组作为光束准直元件，分光镜作为光束合成元件，耦合透镜组作为光束耦合元件，石英棒作为均光元件。但应理解，也可以采用其他形式的光束准直元件、光束合成元件、光束耦合元件和均光元件实施本发明，以将峰值波长互不相同的多组LED光源阵列发出的光汇集利用，得到光线分布均匀且强度较高的平行光束。比如技术人员可以采用直角棱镜或其他棱镜替代分光镜作为光束合成元件。在本实施例公开的基础上本领域技术人员可以得知如何采用其他形式的光束准直元件、光束合成元件(如直角棱镜或其他棱镜)、光束耦合元件和均光元件实施本发明，在此不再赘述。
本实施例这种照明***不仅适用于微光刻技术中的光学***，应用在光刻机中，还适用于其他对照明亮度和视场均匀性要求较高的光学***。
当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种照明光学***，其特征在于，包括：
峰值波长互不相同的至少两组LED光源阵列；
分别一一对应地布置在各组LED光源阵列出光侧、以使得每组LED光源阵列发出的光束经其透射后均成为平行光束的若干个光束准直元件；
用于将所述各个光束准直元件透射出的各束平行光束合成为一整束总平行光束的若干个光束合成元件；
设于所述总平行光束的光路上的光束耦合元件；
以及
位于所述光束耦合元件出光侧的均光元件；
所述总平行光束经过所述光束耦合元件的耦合后，射入所述均光元件，在所述均光元件的出射端得到光线分布均匀的平行光束。
2.根据权利要求1所述的照明光学***，其特征在于：所述光束准直元件为准直透镜组。
3.根据权利要求2所述的照明光学***，其特征在于：所述光束耦合元件为耦合透镜组。
4.根据权利要求3所述的照明光学***，其特征在于：所述均光元件为石英棒。
5.根据权利要求4所述的照明光学***，其特征在于：所述光束合成元件为棱镜。
6.根据权利要求5所述的照明光学***，其特征在于：所述棱镜为直角棱镜。
7.根据权利要求4所述的照明光学***，其特征在于：所述光束合成元件为分光镜。
8.根据权利要求7所述的照明光学***，其特征在于：所述的LED光源阵列共有三组，分别为第一LED光源阵列、第二LED光源阵列和第三LED光源阵列；所述准直透镜组共有三个，分别为第一准直透镜组、第二准直透镜组和第三准直透镜组；所述分光镜共有两块，分别为第一分光镜和第二分光镜；其中：
所述第一准直透镜组设于所述第一LED光源阵列的出光侧，第一LED光源阵列发出的光束透过该第一准直透镜组后得到第一平行光束；
所述第二准直透镜组设于所述第二LED光源阵列的出光侧，第二LED光源阵列发出的光束透过该第二准直透镜组后得到第二平行光束；
所述第三准直透镜组设于所述第三LED光源阵列的出光侧，第三LED光源阵列发出的光束透过该第三准直透镜组后得到第三平行光束；
所述第一分光镜同时位于所述第一平行光束的光路以及所述第二平行光束的光路上，该第一分光镜透射所述第一平行光束而反射所述第二平行光束，并且第二平行光束的反射方向与第一平行光束的透射方向相同，从而将第一平行光束和第二平行光束合成为射向所述第二分光镜的第四平行光束；
所述第二分光镜同时位于所述第三平行光束的光路以及所述第四平行光束的光路上，该第二分光镜透射所述成第四平行光束而反射所述第三平行光束，并且第三平行光束的反射方向与第一平行光束的透射方向相同，从而将第三平行光束和第四平行光束合成为射向所述耦合透镜组的所述总平行光束；
所述总平行光束经过耦合透镜组的耦合后成为会聚光束，该会聚光束射入所述石英棒，在所述石英棒内经多次反射匀光，在所述石英棒的出射端得到光线分布均匀的平行光束。
9.根据权利要求8所述的照明光学***，其特征在于：所述第一LED光源阵列、第一准直透镜组、第一分光镜、第二分光镜、耦合透镜组和石英棒布置在同一条直线上，且沿该直线依次排布。
10.根据权利要求9所述的照明光学***，其特征在于：每一组所述LED光源阵列均由峰值波长相同的若干LED光源排布而成，而且每一组所述LED光源阵列均为中心对称结构，所述直线为所述第一LED光源阵列的对称中心线。
11.根据权利要求10所述的照明光学***，其特征在于：所述LED光源阵列中各个LED光源的峰值波长为435nm、405nm或365nm。
12.根据权利要求10所述的照明光学***，其特征在于：所述第一分光镜和第二分光镜相互垂直布置，所述第一分光镜与所述第二平行光束的夹角、所述第一分光镜与所述第三平行光束的夹角、所述第二分光镜与所述第四平行光束的夹角以及所述第二分光镜与所述总平行光束的夹角均为45°；所述第二LED光源阵列发出光束与第一LED光源阵列发出的光束相互垂直；所述第三LED光源阵列发出的光束与第一LED光源阵列发出的光束相互垂直，并与第二LED光源阵列发出的光束平行。
13.根据权利要求8所述的照明光学***，其特征在于：所述准直透镜组包括沿光轴依次排布的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中第一透镜的物面位于LED光源阵列的出光端。
14.根据权利要求13所述的照明光学***，其特征在于：在各个所述准直透镜组中，所述第一透镜朝向所述LED光源阵列那一面的通光孔径大于该LED光源阵列的外接圆半径。
15.根据权利要求14所述的照明光学***，其特征在于：所述第一透镜朝向所述LED光源阵列那一面的通光孔径为该LED光源阵列的外接圆半径的5～6倍。
16.根据权利要求8所述的照明光学***，其特征在于：所述准直透镜组的物方数值孔径为0.7～0.8，物面口径为2～11mm，放大倍数在5倍以上。
17.一种光刻设备，其特征在于：包括如权利要求1～16中任一权利要求所述的照明光学***。
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