具有高收光效率的基于發(fā)光二極管的光刻發(fā)光器的制造方法
【專利摘要】一種具有高收光效率的基于發(fā)光二極管的光刻發(fā)光器揭露于此。所述發(fā)光器使用發(fā)光二極管陣列，其中各發(fā)光二極管具有發(fā)光二極管晶粒以及散熱器。發(fā)光二極管晶粒被成像在光均勻器柱的輸入端以大致覆蓋該輸入端，而不包含發(fā)光二極管的不會發(fā)光的散熱器部分。微透鏡陣列用來成像發(fā)光二極管晶粒。發(fā)光器的收光效率比50%來的更好，且光均勻器的輸出端的照明均勻性在+/-2%以內(nèi)。
【專利說明】具有高收光效率的基于發(fā)光二極管的光刻發(fā)光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般關(guān)于一種光刻系統(tǒng),特別關(guān)于一種具有高收光效率的基于發(fā)光二極管的光刻發(fā)光器。
【背景技術(shù)】
[0002]光刻系統(tǒng)具有作為其基礎(chǔ)組件的發(fā)光器，其具有光源、圖案化標(biāo)線片、投射成像透鏡以及光感(例如涂布光阻)晶圓。發(fā)光器以來自光源所發(fā)出的光對標(biāo)線片進(jìn)行照射。由標(biāo)線片傳送的光或者自標(biāo)線片反射的光會被投射成像透鏡成像在光感晶圓上。然后，光感晶圓被加工以在晶圓上形成圖案。光刻曝光過程以及曝光后過程會以多個不同的標(biāo)線片執(zhí)行數(shù)次以在晶圓表面上形成定義集成電路的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0003]光刻工具中的發(fā)光系統(tǒng)一般都使用萊燈作為光源。然而，來自萊燈的光發(fā)射非常不均勻。為了獲得光刻所需的曝光均勻性，汞燈的光發(fā)射可被導(dǎo)引至光均勻器柱。其或者將汞燈設(shè)置地非?？拷饩鶆蚱髦?，或者以透鏡收集汞燈所發(fā)出的光線再將所發(fā)出的光線成像于光均勻器柱的輸入表面。
[0004]進(jìn)入光均勻器柱中的光在軸向表面之間藉由全內(nèi)反射反彈，最后再從相對的另一端離開。光均勻器柱長度被選擇以使得輸出非常均勻。光均勻器柱的長度取決于多個因素，例如光均勻器柱的截面積、光線在光均勻器柱中行進(jìn)的角展度(angular spread)、所需的內(nèi)反彈次數(shù)、以及針對特定應(yīng)用所需的均勻性。
[0005]典型地，光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(jīng)歷的反彈次數(shù)愈多，輸出端的發(fā)光均勻性就愈佳。較典型的執(zhí)行手段是使用一收集透鏡來收集光源的光，并且將其成像于光均勻器柱的輸入表面。
[0006]但很不幸地，汞弧燈具有較短的操作壽命，典型地為數(shù)周或數(shù)月。此外，它的效率也不佳，僅有幾個百分比的輸入功率實際轉(zhuǎn)換成所需的光譜而被放射出。再者，汞弧燈的棄置也會產(chǎn)生環(huán)保問題，因為汞必須根據(jù)管理要求小心地安置。
[0007]汞弧燈也受限于輸出功率。為了增加光刻工具的產(chǎn)能，增加光均勻器柱輸出表面所發(fā)射的功率是必要的。因為光源尺寸與發(fā)散角由光均勻器柱的物理特性與發(fā)散角(取決于將光源稱合于光均勻器柱的透鏡)定義，光源的光展量(etendue)因而被確定。增加光均勻器柱的輸出端的發(fā)射功率等同于增加光源亮度。
[0008]增加汞燈光源的功率往往必須付出燈源尺寸增加的代價。使輸出功率加倍通常也需要把光源的尺寸加倍。因此，光源的有效亮度仍然大致保持恒定，且晶圓平面上的功率密度也保持恒定。
[0009]因此，產(chǎn)能通常不因為較大的燈泡而獲得改善，因為較大的功率無法被轉(zhuǎn)達(dá)到晶圓平面上。維持汞弧燈的發(fā)射功率的量的同時，又要減少系統(tǒng)的光展量也是同樣非常困難的。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本公開關(guān)于一種具有高收光效率(例如50%或更高)的基于發(fā)光二極管的光刻發(fā)光器。其部分是藉由創(chuàng)建虛擬發(fā)光二極管光源陣列所達(dá)成的。在此，術(shù)語“虛擬一詞并非嚴(yán)格地指向一種虛擬圖像的概念，而是關(guān)于發(fā)光二極管光源的發(fā)光二極管晶粒的真實影像作為有效的光源的事實。所述發(fā)光器允許在所需數(shù)值光圈(NA)內(nèi)，有效地將來自發(fā)光二極管陣列的發(fā)射光稱合至光均勻器柱(homogenizer rod)。
[0011]藉由設(shè)計與制造可用來將發(fā)光二極管陣列耦合至光均勻器柱的適當(dāng)?shù)奈⑼哥R陣列，創(chuàng)造具有虛擬(有效)發(fā)光二極管光源的發(fā)光器成為可能，且所述虛擬發(fā)光二極管光源更能根據(jù)實際耦合入投射成像透鏡內(nèi)的光線的多少而良好地匹配投射成像透鏡。在一范例中，收光效率大于發(fā)光二極管陣列所發(fā)射的總光量的50% ;而在另一范例中，收光效率大于75%。這些發(fā)光效率(也稱為發(fā)光產(chǎn)能)更適合于滿足對于傳遞更多光線至標(biāo)線片且最終傳遞到晶圓平面的光刻應(yīng)用的日益增加的需求。
[0012]因此，本發(fā)明的第一個方面是一種適用于光刻系統(tǒng)的發(fā)光器。所述發(fā)光器沿發(fā)光器軸線包括光源，所述光源包含大體設(shè)置于第一平面的發(fā)光二極管(LED)陣列。所述發(fā)光二極管陣列的各發(fā)光二極管具有發(fā)光二極管晶粒，所述發(fā)光二極管晶粒發(fā)出光化學(xué)光線且具有一軸與第一區(qū)域。所述第一區(qū)域的尺寸為LD，其中，所述發(fā)光二極管晶粒承載于不發(fā)光的散熱器上，所述散熱器具有第二區(qū)域，所述第二區(qū)域的尺寸為Lh，其中Lh>Ld。所述發(fā)光器還包含多個微透鏡，大體設(shè)置于第二平面。所述第二平面大致平行于所述第一平面，各微透鏡具有微透鏡軸，所述微透鏡軸大體與相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒同軸，且各微透鏡具有2倍至20倍的放大倍率。所述發(fā)光器包含光均勻器柱，其具有輸入端與輸出端。各微透鏡于光均勻器柱的輸入端形成相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒的影像，以形成大致覆蓋整個輸入端的發(fā)光二極管晶粒影像的陣列，藉以于輸入端定義多個虛擬發(fā)光二極管光源，且在輸出端獲得在+/ - 2%內(nèi)的光均勻性。
[0013]在所述發(fā)光器中，光均勻器柱優(yōu)選地呈錐形。
[0014]在所述發(fā)光器中，所述發(fā)光器優(yōu)選地具有大于50%的收光效率，更佳地具有大于75%的收光效率。
[0015]在所述發(fā)光器中，微透鏡陣列的各微透鏡具有放大倍率M，M滿足(0.5) -Lh/Ld ^ M ^ (1.1) ? Lh/Ld。
[0016]在所述發(fā)光器中，光化學(xué)光線優(yōu)選地具有介于360nm至450nm的范圍間的波長。
[0017]在所述發(fā)光器中，光刻系統(tǒng)優(yōu)選地包含標(biāo)線片。優(yōu)選地，發(fā)光器還包含中繼光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)置以接收來自光均勻器柱的輸出端的均勻化的光化學(xué)光線并照射標(biāo)線片。
[0018]本發(fā)明的另一方面是一種適用于具有投射成像系統(tǒng)的光刻系統(tǒng)的發(fā)光器，且所述投射成像系統(tǒng)具有一視場尺寸。所述發(fā)光器包含光源，所述光源包含大體設(shè)置于第一平面的發(fā)光二極管(LED)陣列，所述發(fā)光二極管陣列的各發(fā)光二極管具有發(fā)光二極管晶粒，所述發(fā)光二極管晶粒發(fā)出輻照度為600mW/mm2的光化學(xué)光線且具有一軸與第一區(qū)域，所述第一區(qū)域的尺寸為LD。其中，所述發(fā)光二極管晶粒承載于不發(fā)光的散熱器上。所述散熱器具有第二區(qū)域，所述第二區(qū)域的尺寸為Lh，其中Lh>Ld。所述發(fā)光器具有多個微透鏡，大體設(shè)置于第二平面，所述第二平面大致平行于第一平面。各微透鏡具有微透鏡軸，該微透鏡軸大體與相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒同軸，各微透鏡具有放大倍率M，且M滿足(0.5) -Lh/Ld ^ M ^ (1.1) *Lh/Ld。所述發(fā)光器包含光均勻器柱,其具有輸入端與輸出端,其中所述輸出端大致匹配于投射成像系統(tǒng)的視場尺寸。各微透鏡于光均勻器柱的輸入端形成相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒的影像，以形成大致覆蓋整個輸入端的發(fā)光二極管晶粒影像的陣列，藉以于輸入端定義多個虛擬發(fā)光二極管光源，且在輸出端獲得在+/ - 2%內(nèi)的照明均勻性。所述發(fā)光器還具有大于50%的收光效率。
[0019]在上述發(fā)光器中，收光效率優(yōu)選地大于75%。
[0020]在上述發(fā)光器中，光化學(xué)光線優(yōu)選地具有介于360nm至450nm的范圍間的波長。
[0021]在上述發(fā)光器中，光均勻器柱優(yōu)選地為錐形，且輸出端具有比輸入端大的面積。
[0022]在上述發(fā)光器中，光刻系統(tǒng)優(yōu)選地包含標(biāo)線片。優(yōu)選地，發(fā)光器還包含中繼光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)置以接收來自光均勻器柱的輸出端的均勻化的光化學(xué)光線并照射標(biāo)線片。
[0023]本發(fā)明額外的特征與優(yōu)點將在以下的實施方式中提出，且其可被所屬【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員藉由說明書、權(quán)利要求與圖示而了解。權(quán)利要求被并入至本發(fā)明的詳細(xì)描述內(nèi)且構(gòu)成本發(fā)明的說明書的一部分。
[0024]前述的一般描述以及以下的詳細(xì)說明都用以提供一個整體的概念或架構(gòu)，以使本發(fā)明所欲保護(hù)的性質(zhì)和特征更容易被了解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]附圖包括在此以提供本公開的進(jìn)一步理解，并且附圖被并入并構(gòu)成本說明書的一部分。附圖示例本發(fā)明的各實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。
[0026]圖1為可適用本發(fā)明所述的發(fā)光器的例示UV光刻系統(tǒng)的示意圖；
[0027]圖2A為例示標(biāo)線片的示意前視圖，其顯示定義了標(biāo)線片區(qū)域的標(biāo)線片圖案，也顯示例示掃描照明區(qū)域；
[0028]圖2B為例示掃描照明區(qū)域示意圖以及與掃描照明區(qū)域相關(guān)聯(lián)的例示曝光區(qū)域示意圖；
[0029]圖2C類似于圖2A且示例了例示全區(qū)照明區(qū)域；
[0030]圖2D類似于圖2B且示例了例示全區(qū)影像區(qū)域，其在尺寸上對應(yīng)于相對應(yīng)的曝光區(qū)域；
[0031]圖3為具有曝光區(qū)域形成于其上的半導(dǎo)體晶圓的平面圖，所述曝光區(qū)域藉由圖1的光刻系統(tǒng)所形成；
[0032]圖4A與圖4B分別為例示發(fā)光二極管陣列的前視圖與側(cè)視圖，其示例了發(fā)光二極管晶粒如何被發(fā)光二極管的不發(fā)光區(qū)域所分隔，所述發(fā)光二極管的不發(fā)光區(qū)域與各發(fā)光二極管晶粒所需的散熱器相關(guān)聯(lián)；
[0033]圖5A是示例了根據(jù)本發(fā)明的一例示發(fā)光器的實施例的示意圖，其中光均勻器柱系為圓柱狀；
[0034]圖5B類似于圖5A，并且示例了本發(fā)明的一例示實施例，其中，光均勻器柱為錐狀，且輸出端的面積大于輸入端的面積；
[0035]圖6為光軌跡仿真，其顯示與八個發(fā)光二極管及矩形光均勻器柱相關(guān)聯(lián)的光線；
[0036]圖7A為來自2x4發(fā)光二極管陣列的光發(fā)射的計算機仿真圖；
[0037]圖7B為形成于光均勻器柱的輸入端的發(fā)光二極管晶粒影像的計算機仿真圖；
[0038]圖7C為光均勻器柱的輸出端的計算機仿真圖；以及[0039]圖8為光均勻器柱的強度(任意單位)對Y軸(mm)的曲線圖，其根據(jù)第7C圖的數(shù)據(jù)示出了光均勻器柱的輸出端的光發(fā)射的均勻性。
【具體實施方式】
[0040]現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的目前優(yōu)選實施例，該實施例的實例說明于隨附圖式中。在可能時，貫穿該等圖式使用相同參考數(shù)字及符號指代相同或相似部分。
[0041]美國專利申請?zhí)枮?2/462678的發(fā)明名稱為“光刻系統(tǒng)的發(fā)光器”的專利在此通過引用而并入本文。
[0042]下面記載的權(quán)利要求并入并構(gòu)成說明書的一部分。
[0043]本發(fā)明關(guān)于一種基于發(fā)光二極管的光刻發(fā)光器，其使用微透鏡陣列。例不的光刻系統(tǒng)系先被描述，其后接著是適用于所述例示光刻系統(tǒng)的一例示發(fā)光器的詳細(xì)描述。
[0044]光刻系統(tǒng).[0045]本發(fā)明的示例實施例為光刻系統(tǒng)，其使用本發(fā)明的發(fā)光器。其中可使用本文公開的發(fā)光器的例示光刻系統(tǒng)記載于美國專利號為7，177,099,7, 148,953,7, 116,496、6，863，403,6, 813，098,6, 381，077、及5，410，434的美國專利中，該些專利在此通過引用而并入。
[0046]圖1為例示光刻系統(tǒng)200的示意圖，本發(fā)明所述的發(fā)光二極管發(fā)光器可適用于其中。光刻系統(tǒng)200沿著一光軸AO按順序包含:基于發(fā)光二極管的發(fā)光器(“發(fā)光器”)10 (后面將詳細(xì)描述)；標(biāo)線片210 (例如，圖案化掩模)，在標(biāo)線片平面RP上被標(biāo)線片平臺220所承載；投射成像透鏡230 ;以及晶圓240，在晶圓平面WP上被晶圓平臺250所承載。標(biāo)線片210包含圖案化區(qū)域211，其包含圖案組件212，并定義標(biāo)線片區(qū)域RF。晶圓240包含外緣241 (請參照圖3)。
[0047]晶圓240包含設(shè)置于晶圓表面上的一光感涂層242 (例如光阻),其可被位在發(fā)光器10中的光源310所產(chǎn)生的光線(例如“光化學(xué)光線”)320所活化。在一范例中，光源310由發(fā)光二極管312的陣列314所構(gòu)成。光線320可以是UV波長和DUV波長，波長范圍典型地與光刻相關(guān)聯(lián)。在一范例中，光線320具有介于360nm至450nm的范圍間的波長。發(fā)光器10被示出為包含光圈閘(aperture stop) 330。
[0048]光刻系統(tǒng)200也包含一控制器260，其可操作地連接至發(fā)光器10、標(biāo)線片平臺220以及晶圓平臺250。控制器260設(shè)置以控制光刻系統(tǒng)200的操作。例示的控制器260包含一計算機，例如個人計算機或工作站。在一范例中，控制器260包含裝置控制軟件，其包含嵌入于計算機可讀取媒體中的指令，其控制光刻系統(tǒng)200的不同組件。
[0049]發(fā)光器10設(shè)置以在對應(yīng)于標(biāo)線片平面RP的照明平面上產(chǎn)生照明區(qū)域ILF (請參照圖2A與圖2C)。照明區(qū)域ILF包含均勻化光線320’，且于標(biāo)線片區(qū)域曝光時間中照射標(biāo)線片區(qū)域RF的至少一部分，因而投射成像透鏡230在晶圓平面WP上形成相對應(yīng)的影像區(qū)域IF，并持續(xù)一相對應(yīng)的晶圓曝光時間。晶圓平臺250是可移動的(例如，藉由來自控制器260的一控制信號SCW)，因而影像區(qū)域IF可`以被放置在晶圓240的不同部位，以在晶圓240上，特別是在光感涂層(例如光阻)242上，形成不同的曝光區(qū)域EF。在一范例中，標(biāo)線片平臺220是可動的，其根據(jù)來自控制器260的控制信號SCR而移動。
[0050]因此，來自發(fā)光器10的均勻化光線320’用以照射圖案化區(qū)域211的至少一部分，圖案化區(qū)域211定義標(biāo)線片區(qū)域RF。然后標(biāo)線片區(qū)域RF的被照射的部分藉由投射成像透鏡230成像在晶圓240的光感涂層242上。在一示例性實施例中，標(biāo)線片210與晶圓240按以下方式一起移動:當(dāng)照明區(qū)域ILF掃描整個標(biāo)線片區(qū)域RF時，也會掃描整個晶圓240上的影像區(qū)域IF，如同圖1的箭頭AR所繪，也如同圖2A與圖2B所繪。如此操作形成一被掃描曝光區(qū)域EF，其大于照明區(qū)域ILF或大于影像區(qū)域IF。此過程接著對于晶圓240的一個不同(未曝光)區(qū)域重復(fù)。此印刷方法在本【技術(shù)領(lǐng)域】中稱為“步進(jìn)且掃描(st印and scan)”。
[0051]在另一范例中，照明區(qū)域ILF照射整個標(biāo)線片區(qū)域RF—次，藉以在單一曝光下，形成一曝光區(qū)域EF。然后晶圓240被移動，并且重復(fù)進(jìn)行單一靜態(tài)曝光。此印刷處理稱為“步進(jìn)且重復(fù)(st印and repeat)".圖2C類似于圖2A且示例用于步進(jìn)且重復(fù)式印刷的全區(qū)照明區(qū)域ILF。圖2D類似于圖2B，且示例一例示的全區(qū)影像區(qū)域IF，當(dāng)用在步進(jìn)且重復(fù)式印刷時，其在尺寸上對應(yīng)于相應(yīng)的曝光區(qū)域EF。
[0052]參照圖3，形成于晶圓240上且在光感涂層242 (例如，光阻)242內(nèi)的曝光區(qū)域EF再藉由標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)與半導(dǎo)體處理技術(shù)而被用來形成集成電路芯片。
[0053]基于發(fā)光二極管的發(fā)光器
[0054]發(fā)光器10有多個重要設(shè)計考慮。發(fā)光二極管312的陣列314的收光發(fā)射必須與光刻系統(tǒng)200中使用的投射成像透鏡230的光展量相互匹配。光展量是光源尺寸(mm2)與立體角(steradians)的乘積,單位是mm2_steradians。該乘積與光源310的“亮度”負(fù)相關(guān)(watts/mm2_steradians)。整個光學(xué)系統(tǒng)的光展量為固定的。因此，對于給定的光源尺寸，光學(xué)系統(tǒng)所收集的光320的角發(fā)射量取決于光學(xué)系統(tǒng)的光展量。沒有人可以通過使用傳統(tǒng)透鏡或反射鏡，藉由減少光展量使光源變亮。光源310的尺寸可以通過使用光學(xué)組件來放大或縮小，并且也可以反過來改變光源尺寸與立體角，但光展量將保持恒定。
[0055]當(dāng)使用汞弧燈光源與光均勻器柱來做為光刻發(fā)光器時，汞弧燈的影像被投射到光均勻器柱的輸入表面。汞弧燈影像可以藉由收集透鏡而被放大或縮小，以改變它在光均勻器柱輸入端的尺寸。如果收集透鏡具有一數(shù)值光圈NA，且其在光均勻器柱的輸入端產(chǎn)生放大倍率為M的汞弧燈的放大影像，則在光均勻器柱的輸入端的數(shù)值光圈為NA/M。矩形光均勻器柱維持穿過它的光線的角度。因此，照明系統(tǒng)的光展量可以根據(jù)光均勻器柱的輸入端的立體角(取決于NA/M)與光均勻器柱(假設(shè)為圓柱形柱體)的輸出面積(或輸入面積)而被計算出來。
[0056]如果這種照明器的光展量大于光刻系統(tǒng)200的投射成像系統(tǒng)230的光展量，則會有照明不匹配，其中，光刻系統(tǒng)200無法使用來自發(fā)光器10的所有光320。光源310的光展量將被減少，或者通過減少光源NA (亦即發(fā)散角或收集透鏡NA)或通過減少光均勻器柱的面積減小。這將導(dǎo)致光刻系統(tǒng)200可獲得的光線變少。
[0057]為了增加光刻系統(tǒng)200的照明產(chǎn)能(即，從光源310到晶圓240的光線320的量)，增加來自光均勻器柱的輸出面的發(fā)射功率是有必要的。因為光源310的發(fā)散角以及允許的尺寸由設(shè)定了光源光展量的光均勻器柱的物理特性與發(fā)散角(由用來耦合光源310至光均勻器柱的透鏡來確定)所定義。增加光均勻器柱輸出端的發(fā)射功率等同于增加光源的亮度。
[0058]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(jié)果，光源310的有效亮度保持大致不變，且晶圓平面WP的功率密度也保持不變。因此，產(chǎn)能也并未因為有此類較大的燈泡而獲得改善。較大的功率無法轉(zhuǎn)達(dá)至晶圓平面WP，也無法被轉(zhuǎn)換成較高的產(chǎn)能。
[0059]因此，光源310需要適當(dāng)?shù)牧炼?即，光展量必須匹配)，必須具有足夠的總功率，以及必須滿足可靠度與可操作性要求以使光源310最適于光刻應(yīng)用。
[0060]此處所揭露的光源310包含前述發(fā)光二極管312的陣列314。發(fā)光二極管312變得愈來愈有效率，并且隨著發(fā)光二極管技術(shù)的發(fā)展繼續(xù)具有改善的性能。在過去十年，發(fā)光二極管的效率(在發(fā)射功率/輸入功率方面)已經(jīng)增加10倍，且預(yù)期在接下來的五年內(nèi)再進(jìn)一步增加2倍到4倍。隨著發(fā)光二極管312的效率增加，亮度也隨之增加。對于UV發(fā)光二極管而言，現(xiàn)在的發(fā)光二極管312的發(fā)射接近lwatt/mm2，且對于可見光發(fā)光二極管而言，其發(fā)射更高。由于發(fā)光二極管效率的改善，發(fā)光二極管的亮度(watts/cm2_steradian)現(xiàn)今已等于或大于傳統(tǒng)汞弧燈可用的亮度。此外，發(fā)光二極管312并沒有任何危害環(huán)境的材料(例如汞)，且它們也比汞弧燈具有更好的電效率。
[0061]但是，發(fā)光二極管312的效率仍有一點不足。發(fā)光二極管每發(fā)射出I瓦的功率，便有數(shù)瓦必然通過熱消散。目前，發(fā)光二極管312的效率大約為10%至30%，但它們變得愈來愈有效率。預(yù)期發(fā)光二極管312的效率將會大于30%，也期望將會有對其操作進(jìn)行熱管理的持續(xù)的需求。
[0062]圖4A與圖4B分別為例示發(fā)光二極管312的陣列314的前視圖與側(cè)視圖。每一發(fā)光二極管312包含固著于散熱器318上的發(fā)光二極管晶粒316。發(fā)光二極管晶粒316具有尺寸LD，而散熱器318具有尺寸Lh。在本例中，假定發(fā)光二極管晶粒316和散熱器318都為正方形。在一范例中，尺寸Ld在標(biāo)稱Imm至3mm的范圍中，而尺寸Lh在標(biāo)稱5mm至IOmm的范圍中。每一發(fā)光二極管晶粒316包含一發(fā)射軸AL，其大致在光線320的發(fā)射圖案的中央(參照圖4)。在一范例中，發(fā)光二極管陣列314的每一發(fā)光二極管312的按大于600mW/mm2的輻照度發(fā)射。
[0063]需要散熱器318來移除來自相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒316的多余的熱。將發(fā)光二極管晶粒316彼此緊鄰設(shè)置會產(chǎn)生高得多的(局部的)熱負(fù)載(watts/cm2)，其會導(dǎo)致發(fā)光二極管接面的溫度增加。較高的發(fā)光二極管接面溫度是不希望的，因為這導(dǎo)致發(fā)射量的減少、波長的偏移以及較短的發(fā)光二極管壽命。因此，散熱器318必須被使用，因為除了散熱之外，他們也用于使陣列314中的單個發(fā)光二極管晶粒316保持足夠遠(yuǎn)的距離，藉以減少來自相鄰發(fā)光二極管312的發(fā)光二極管晶粒316發(fā)熱的副作用。
[0064]散熱器318的相對大的尺寸(相對于發(fā)光二極管晶粒316的尺寸來說)使得如果不把單個晶粒設(shè)置得彼此靠近則會使其產(chǎn)生很大問題，這對于形成適用于光刻系統(tǒng)200的高亮度、高功率的發(fā)光二極管光源310是希望的。簡單地將發(fā)光二極管312設(shè)置為靠近在一起(在其外殼內(nèi))會產(chǎn)生一光源310，其在發(fā)光二極管晶粒316之間的間隙中并不發(fā)光。散熱器318被設(shè)計用于分散發(fā)光二極管晶粒316所在區(qū)域中所產(chǎn)生的熱。散熱器318典型地以高熱傳導(dǎo)率材料制成，例如銅或?qū)崽沾伞?br> [0065]因此，散熱器318不具有半導(dǎo)體特性，因此無法被制造來在光化學(xué)波長的波段發(fā)出光線320。也就是說，它們是不發(fā)光的。因此，發(fā)光二極管312的陣列314所形成的光源31所具有的平均亮度由于不發(fā)光散熱器318所占的比例面積而減少。其意謂來自光源310的光線320本質(zhì)上不均勻，因為光源310具有被零發(fā)射區(qū)域(散熱器318)所圍繞的高發(fā)射區(qū)域(發(fā)光二極管晶粒316)。此類型的光源310難以有效地耦合至一光均勻器。盡管單個發(fā)光二極管312發(fā)射的亮度與功率可能是高的，但是光源310的平均亮度與功率(取決于發(fā)光區(qū)域面積與不發(fā)光區(qū)域面積的比值)卻是相當(dāng)?shù)偷摹?br> [0066]藉由將光源310緊鄰設(shè)置于光均勻器柱其的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(fā)射的光線320的角頻譜(angularspectrum)o特別情況下，光均勻器柱的輸入端NA與輸出端NA相同。光均勻器柱的目的是用來在其輸入端接收來自不均勻光源310的光線320，且內(nèi)反射這些光線320以在其輸出端產(chǎn)生均勻發(fā)光區(qū)域。
[0067]盡管光均勻器柱的輸出端的輸出可能是均勻的，但發(fā)射角可能非常高。對于具有相對低的NA (S卩，小于0.5)的投射成像透鏡230而言，來自光均勻器柱的角輸出(angularoutput)如此高以至于許多離開光均勻器柱的輸出端的光線將落在投射成像透鏡NA內(nèi)。此夕卜，許多非常高角度的光線并沒有被光均勻器柱內(nèi)的總內(nèi)反射所捕捉，因而從光均勻器柱的側(cè)面離開而散失(即，沒有被收集到)。
[0068]藉由設(shè)置在晶粒陣列314與光均勻器柱的輸入之間的單透鏡來放大光源發(fā)射，更密切地匹配發(fā)光器10與投射成像透鏡NA是可能的。然而，這將需要增加光均勻器柱的輸入端與輸出端的尺寸。因為光均勻器柱的輸出端確定了光源尺寸，投射成像透鏡的光展量限制了光源尺寸。
[0069]一種用來定位NA不匹配的問題的處置方法是使用在發(fā)光二極管光源310與光均勻器柱之間的收集透鏡，以使得發(fā)光二極管陣列314被放大至光均勻器柱的輸入端。然而，因為與散熱器318有關(guān)的大福射區(qū)域,位于光均勻器柱的輸入端的發(fā)光二極管陣列314的影像非常大。這需要光均勻器柱也必須一樣的大。例如，如果在6mm (即LH=6mm)的節(jié)距(pitch)上發(fā)光二極管晶粒316的尺寸為2mmx2mm，且具有，則對于一個3x3的發(fā)光二極管陣列314,發(fā)光二極管光源陣列314的尺寸為14mm xl4mm。
[0070]典型的收集透鏡可具有NA = 0.9，且當(dāng)將光源310成像至光均勻器柱的輸入端時，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42mmx42mm的尺寸。因此，入射至光均勻器柱的輸入端且離開光均勻器柱的光線320的NA為0.9/3=3。光展量大約為(嫩)2(面積)=159臟2 - NA2。投射成像透鏡230 (例如UltratechAP-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的僅有大約14%被投射成像透鏡230所收集。來自光源310的光線320中有接近86%將落在投射成像透鏡230的收集能力以外。
[0071]圖5A為本發(fā)明的一例不發(fā)光器10的剖面圖。發(fā)光器10具有一光軸Al,沿著光軸Al安設(shè)有光源310,其包含發(fā)光二極管陣列314 (如圖4A所不)，以及安設(shè)有一光均勻器柱450，其具有輸入端452與輸出端454。微透鏡陣列414沿著光軸Al位在光源310與光均勻器柱450的輸入端452之間。微透鏡陣列414包含多個微透鏡組件(微透鏡)416，各具有一微透鏡軸A3、一對象平面OP與一影像平面IP。發(fā)光二極管陣列314 —般位在對象平面0P，而光均勻器柱450的輸入端452 —般位在影像平面IP。
[0072]圖5A所示的光均勻器柱450為圓柱狀，即截面積隨長度保持不變。圖5B類似于圖5A,并不出了本發(fā)明的一實施例，其中光均勻器柱450為錐狀,其尺寸從輸入端452朝輸出端454增加，因此輸出端454的面積大于輸入端452的面積。然而，光均勻器柱450的截面積可以是矩形。[0073]發(fā)光器10也包含一中繼光學(xué)系統(tǒng)470，其相鄰于光均勻器柱450的輸出端454。中繼光學(xué)系統(tǒng)470用以將輸出端454成像至標(biāo)線片210，也用以與投射成像透鏡230共同作用以定義所需光瞳填滿度(pupil fill)。
[0074]各微透鏡416可操作地相對于一相對應(yīng)的發(fā)光二極管312而設(shè)置，微透鏡軸A3大致與發(fā)光二極管晶粒軸A2同軸。微透鏡416設(shè)置以盡可能多地捕捉光源320所發(fā)出的光，因而可以具有最高達(dá)大約I的收集透鏡NA。微透鏡416的例示材料包含熔融硅石與石英，其在UV波長下具有良好的光學(xué)穿透性。
[0075]各微透鏡416設(shè)置以形成相對應(yīng)于發(fā)光二極管晶粒316的一發(fā)光二極管晶粒影像316’。用于光線320的光線線條針對一個微透鏡-發(fā)光二極管對被顯示出來。收斂的光線線條束標(biāo)示為320RB，且定義了微透鏡416的影像側(cè)NA，其NA與光均勻器柱450的輸入側(cè)NA相對應(yīng)。
[0076]在一范例中，微透鏡416的放大率M由M=LH/LD定義。放大率M可以與LH/LD不同，如果光刻工具如此要求的話。例如，假如發(fā)光二極管晶粒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，且微透鏡416產(chǎn)生一虛擬發(fā)光二極管影像316’的陣列，此時為6mmX6mm，且相鄰的晶粒影像間沒有間距。換句話說，與散熱器318有關(guān)的發(fā)光二極管陣列314的不發(fā)光部分并不包括在通過微透鏡416的成像中，因此光均勻器柱450的輸入端452在照明上大致是沒有間隙的(即，圖7B的發(fā)光二極管晶粒影像316’被視為大致沒有間隙，而圖7A的影像則大致是有間隙的；圖7八與圖78將詳述如下)。此成像過程產(chǎn)生被放大且位在輸入端452的一虛擬發(fā)光二極管晶粒影像316’的陣列。在一范例中，各微透鏡416具有介于2倍至20倍之間的放大率。
[0077]在一范例中，微透鏡416的放大率M滿足(0.5) *LH/LDM(1.1).LH/LD。此范圍的上限允許光均勻器柱450的輸入端452的稍微過填(overfilling),較大的過滿減少發(fā)光器10整體收光效率。此范圍的下限允許輸入端452的不填滿(underfilling)，其并不會減少收光效率，但相較于輸入端452恰好填滿的情況,其可能需要較長的光均勻器柱450。
[0078]虛擬陣列在空間和發(fā)散角上都比發(fā)光二極管陣列314均勻得多，且可方便地直接耦合到光均勻器柱450中。在上個范例中，光均勻器柱450的輸入端452的尺寸現(xiàn)在為18mmxl8mm0進(jìn)入光均勻器柱450的光線束320RB的NA以縮放倍率R被減少。例如，如果微透鏡416具有0.9的NA，則入射在光均勻器柱450的輸入端452的光線束320RB具有0.3的NA，其也對應(yīng)于光均勻器柱450的輸出NA。此NA足夠小，以使得光均勻器柱450捕捉所有光線320。此外，大致所有光線320在光均勻器柱450內(nèi)全內(nèi)反射，因而大致沒有光線從光均勻器柱450的側(cè)面散失。在一范例中，光均勻器柱450的輸入端452的尺寸被調(diào)整為具有一面積，所述面積大致等于虛擬陣列的面積。
[0079]由使用上述數(shù)據(jù)的發(fā)光二極管陣列314、微透鏡416與光均勻器柱450所定義的一例不的發(fā)光器10的光展量為29mm2 - NA2。其相當(dāng)良好地匹配于典型光刻系統(tǒng)的光展量。舉例而言，例示的發(fā)光器10具有一光展量，其僅僅過填投射成像透鏡230的20%，因而有80 %來自光源310的光線320可以被成像系統(tǒng)所利用，若是使用傳統(tǒng)成像方式時，則通常只有約14%被利用。
[0080]圖6為發(fā)光二極管陣列314的光線-軌跡模擬的視圖，使用ZEEMAX透鏡設(shè)計軟件來執(zhí)行，發(fā)光二極管陣列314具有八個發(fā)光二極管312，各自耦合至如圖5A所示的相對應(yīng)的微透鏡416。圖6顯不光均勻器柱450的輸入端452以及八個發(fā)光二極管312中的四個。
[0081]圖7A為來自2x4發(fā)光二極管陣列314的光線發(fā)射的仿真影像，而圖7B是光均勻器柱450輸入端452的模擬光線分布。圖7C顯不了在光均勻器柱450的輸出端454的計算后的照度，其顯示了優(yōu)良的照明均勻性。
[0082]圖8為光均勻器柱450的輸出端454的強度對位置(Y座標(biāo)值)的曲線圖，其根據(jù)圖7C的Y方向截面的數(shù)據(jù)繪示，且確認(rèn)了優(yōu)良的照明均勻性。在一個例示實施例中，光均勻器柱450的輸出端454的均勻化的光化學(xué)反應(yīng)光線320’的照明強度均勻性在+/ - 2%內(nèi)。
[0083]通過改變微透鏡放大率來獲得不同的結(jié)果是可能的。舉例而言，如果希望來自光均勻器柱450的輸出端454的輸出NA為0.5，那么可以改變微透鏡的放大率至2.0，以及改變微透鏡收光(對象側(cè))NA至1.0。光均勻器柱450因此將在輸出端454產(chǎn)生具有適當(dāng)NA與尺寸的均勻輸出。
[0084]光均勻器柱450的輸出端454可以利用中繼光學(xué)系統(tǒng)470來調(diào)整以匹配于下游投射成像透鏡230的視場尺寸與數(shù)值光圈。在較先的范例中，光均勻器柱450的輸出端454為18mmxl8mm(324mm2)且具有0.3的NA。讓我們假設(shè)所需的面積與NA分別大于884mm2與
0.16。通過使用中繼光學(xué)系統(tǒng)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的NA。此有效的光源稍微過填滿投射成像透鏡230，其事實上比試圖完全匹配于投射成像透鏡NA更令人滿意 o
[0085]如上所述，光均勻器柱450可以被錐型化。通過將上述例子中的矩形光均勻器柱450替代為其入口光圈為18mmxl8mm (324mm2)并且輸出光圈為30.6mmx30.6mm(936mm2)的錐形光均勻器柱450，可創(chuàng)造出對于成像系統(tǒng)而言，兼具正確視場尺寸與正確NA的光源。因此，照明系統(tǒng)的復(fù)雜度減少，且其效率被強化。在某些情況，具有反向錐型的光均勻器柱450，以使得輸出端454的截面積小于輸入端452的截面積，可能是需要的。
[0086]本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容已經(jīng)以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神所作些許的更動與潤飾，皆應(yīng)涵蓋于本發(fā)明的范疇內(nèi)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的申請專利范圍所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于光刻系統(tǒng)的發(fā)光器，該發(fā)光器沿發(fā)光器軸線包括: 光源，包含大體設(shè)置于第一平面的發(fā)光二極管(LED)陣列，該發(fā)光二極管陣列的各發(fā)光二極管具有發(fā)出光化學(xué)光線的發(fā)光二極管晶粒且具有一軸及由維度Ld限定的第一區(qū)域，其中，該發(fā)光二極管晶粒承載于不發(fā)光的散熱器上，該散熱器具有由維度Lh限定的第二區(qū)域，其中Lh>Ld ； 多個微透鏡，大體設(shè)置于第二平面，該第二平面大致平行于該第一平面，各微透鏡具有大體與相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒同軸的微透鏡軸，其中各微透鏡具有介于2倍至20倍之間的放大倍率；及 光均勻器柱，具有輸入端與輸出端； 其中，各微透鏡于光均勻器柱的輸入端形成相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒的影像，以形成大致覆蓋整個輸入端的發(fā)光二極管晶粒的影像的陣列，藉以于該輸入端定義多個虛擬發(fā)光二極管光源，且在輸出端獲得在+/ - 2%內(nèi)的照明均勻性。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光器，其中該光均勻器柱呈錐形。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光器，其中該發(fā)光器具有大于50%的收光效率。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)光器,其中該發(fā)光器具有大于75%的收光效率。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光器，其中各發(fā)光二極管以大于600mW/mm2的福照度發(fā)光。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光器，其中該微透鏡陣列中的各微透鏡具有一放大倍率M,且M 滿足( 0.5) ? Lh/Ld ≤ M ≤(1.1) ? Lh/Ld。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光器，其中該光化學(xué)光線具有介于360nm至450nm之間的波長。
8.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光器，其中，該光刻系統(tǒng)包含標(biāo)線片，該發(fā)光器進(jìn)一步包含中繼光學(xué)系統(tǒng)，該中繼光學(xué)系統(tǒng)被配置以接收來自光均勻器柱的輸出端的均勻化的光化學(xué)光線并照射該標(biāo)線片。
9.一種適用于具有投射成像系統(tǒng)的光刻系統(tǒng)的發(fā)光器，該投射成像系統(tǒng)具有一視場尺寸，所述發(fā)光器包含: 光源，包含大體設(shè)置于第一平面的發(fā)光二極管(LED)陣列，該發(fā)光二極管陣列的各發(fā)光二極管具有發(fā)出輻照度為600mW/mm2的光化學(xué)光線的發(fā)光二極管晶粒且具有一軸及由維度Ld限定的第一區(qū)域，其中，發(fā)光二極管晶粒承載于不發(fā)光的散熱器上，該散熱器具有由維度匕限定的第二區(qū)域，其中Lh>Ld; 多個微透鏡，大體設(shè)置于大致平行于第一平面的第二平面，各微透鏡具有大體與相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒同軸的微透鏡軸，各微透鏡具有放大倍率M，且M滿足(0.5) -Lh/Ld ≤M ≤(1.1) ? Lh/Ld ;及 光均勻器柱，具有輸入端與輸出端，其中，該輸出端大致匹配于所述投射成像系統(tǒng)的所述視場尺寸； 其中，各微透鏡于光均勻器柱的輸入端形成相對應(yīng)的發(fā)光二極管晶粒的影像，以形成大致覆蓋整個輸入端的發(fā)光二極管晶粒的影像的陣列，藉以于該輸入端定義多個虛擬發(fā)光二極管光源，且在輸出端獲得在+/ - 2%內(nèi)的照明均勻性； 其中，該發(fā)光器具有大于50%的收光效率。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光器,其中該收光效率大于75%。
11.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光器，其中該光化學(xué)光線具有介于360nm至450nm之間的波長。
12.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光器，其中該光均勻器柱為錐形，并且所述輸出端具有大于所述輸入端的面積。
13.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光器，其中所述光刻系統(tǒng)包含標(biāo)線片，該發(fā)光器還包含中繼光學(xué)系統(tǒng)，所述中繼光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置以接收來自該光均勻器柱的輸出端的均勻化的光化學(xué)光線并照射該標(biāo)線片。
【文檔編號】G02B6/42GK103592727SQ201310357355
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月17日
【發(fā)明者】D·G·斯蒂特斯, A·M·霍里魯克 申請人:超科技公司