(57)【要約】【課題】光源から放射された光を所定の照射範囲に集めることができ、光の利用効率を向上させることができる光源装置を提供する。【解決手段】光源装置１０を、光源１２と、光源１２からの光を、照射面Ｓに向けてより平行光に近い状態にする平行化素子１４と、平行化素子１４と照射面Ｓとの間に配設され、平行化素子１４からの光を照射面Ｓに集める集光素子１６とで構成する。また、光源１２として平面発光体を使用し、平行化素子１４としてレンズを使用し、集光素子１６としてレンズを使用する。さらに式「Ｌ１≧ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）」を満たす。Ｌは、平行化素子１４の光学中心から照射面Ｓまでの距離[mm]。Ｌ１は、平行化素子１４の光学中心から集光素子１６の光学中心までの距離[mm]。ａは、平行化素子１４の有効径[mm]。ｄは、照射面Ｓの径[mm]。【選択図】図５
2019128581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を、照射面に向けてより平行光に近い状態にする平行化素子と、
前記平行化素子と前記照射面との間に配設され、前記平行化素子からの光を前記照射面に集める集光素子とを備えており、
前記光源は平面発光体であり、
前記平行化素子は、レンズであり、
前記集光素子は、焦点を有するレンズであり、
以下の式を満たすことを特徴とする光源装置。
Ｌ１≧ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）
Ｌ：前記平行化素子の光学中心から前記照射面までの距離[mm]
Ｌ１：前記平行化素子の光学中心から前記集光素子の光学中心までの距離[mm]
ａ：前記平行化素子の有効径[mm]
ｄ：前記照射面の径[mm]
【請求項２】
前記平行化素子を構成するレンズの数は複数であることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光源装置を備える露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体製造用の露光装置等に使用される光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にランプ等の光源からは光が放射状に発せられることから、照射面に向かう光は全発光量の一部となり光の利用効率が非常に悪い。このため、従前から、これら光の向きを制御して照射対象に向かう光の割合を増加させることにより、光の利用効率を向上させる工夫がなされてきた。
【０００３】
例えば、図７に示すように、内面に反射面２を有するリフレクタ１を使用することが一般的に行われている。リフレクタ１の反射面２を回転放物面で規定し、当該回転放物面の焦点３の位置に光源４を配置することにより、光源４から出た光の多くを照射面５に向かう平行光に近い光（疑似平行光）にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２９８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、実際の光源は、理論上の点発光体ではなく所定の発光面積を有する面発光体であることから、上述したようなリフレクタ１を使用する場合、大部分の光は焦点３から少しずれた位置から発光されることになる。このため、反射面２で反射した後、リフレクタ１の開口から放射される光は、完全な平行光ではなく、リフレクタ１から離れるにつれて外側に広がっていく光となる。
【０００６】
このため、照射面５がリフレクタから比較的遠く（例えば、５００[mm]以上）にあり、かつ、当該照射面５の面積が小さい場合には、光の利用効率を上げることができないという問題があった。
【０００７】
例えば、特許文献１には、リフレクタから放射される光の平行の度合いを向上させるため、中央部に開孔を有する反射鏡を当該リフレクタの開口に配設する技術が開示されている。
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された技術も、リフレクタの内側に形成された反射面を規定する回転放物面の焦点位置からの光について述べているに過ぎず、所定の発光面積を有する実際の面発光体から放射された光は完全な平行光にはならず、リフレクタから離れるにつれて外側に広がっていく光となる。このため、照射面がリフレクタから比較的遠くにあり、かつ、当該照射面の面積が小さい場合には、光の利用効率を向上させることができないという問題を解消することはできていなかった。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光源から放射された光を所定の照射範囲に集めることができ、光の利用効率を向上させることができる光源装置、およびそれを備える露光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一局面によれば、
光源と、
前記光源からの光を、照射面に向けてより平行光に近い状態にする平行化素子と、
前記平行化素子と前記照射面との間に配設され、前記平行化素子からの光を前記照射面に集める集光素子とを備えており、
前記光源は平面発光体であり、
前記平行化素子は、レンズであり、
前記集光素子は、焦点を有するレンズであり、
以下の式を満たすことを特徴とする光源装置が提供される。
Ｌ１≧ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）
Ｌ：前記平行化素子の光学中心から前記照射面までの距離[mm]
Ｌ１：前記平行化素子の光学中心から前記集光素子の光学中心までの距離[mm]
ａ：前記平行化素子の有効径[mm]
ｄ：前記照射面の径[mm]
【００１１】
好適には、
前記平行化素子を構成するレンズの数は複数である。
【００１２】
本発明の別の局面によれば、
上述した光源装置を備える露光装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光源から放射された光を所定の照射範囲に集めることができ、光の利用効率を向上させることができる光源装置、およびそれを備える露光装置を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明が適用された光源装置１０の一例を示す図である。
【図２】主に平行化素子１４について説明するための図である。
【図３】各素子および照射面Ｓの寸法他について説明するための図である。
【図４】変形例１に係る光源装置１０の一例を示す図である。
【図５】変形例２に係る光源装置１０の一例を示す図である。
【図６】変形例３に係る光源装置１０および露光装置１００の一例を示す図である。
【図７】従来の光源装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（光源装置１０の構成）
図１は、本発明が適用された実施形態に係る光源装置１０を示す。光源装置１０は、大略、光源１２と、平行化素子１４と、集光素子１６とを備えており、所定の径（直径）を有する照射面Ｓに向けて光を照射する装置である。
【００１６】
光源１２は、外部からの電力供給を受けて、光源装置１０の用途に適した波長を含む光を放射する素子であり、例えば、発光ダイオードおよび有機ＥＬ等の平面発光体や、放電灯等が考えられるが、これらに限定されるものではない。なお、後述するように、平行化素子１４としてリフレクタを使用する場合は、例えば放電灯のように光の指向性が低い光源１２を使用することができる。
【００１７】
平行化素子１４は、光源１２からの光を、照射面Ｓに向けてより平行光に近い状態にする素子であり、本実施形態ではリフレクタが使用されている。以下では、リフレクタにも同じ符号「１４」を用いて説明する。本実施形態において、前述のように、平行化素子１４にはリフレクタが使用されているが、上記の役割を果たす素子であれば、リフレクタ以外の素子を使用してもよい。リフレクタ以外の平行化素子１４の例として、レンズを使用する場合について、後述する「変形例２」において説明する。
【００１８】
図２に示すように、リフレクタ１４は、略椀状に形成されており、開口２０と、その内側表面に形成された反射面２２とを有している。また、この反射面２２は回転放物面で規定されており、当該回転放物面の回転軸とリフレクタ１４の中心軸ＣＬとは互いに一致している。
【００１９】
さらに、回転放物面は焦点ＰＦを有しており、本実施形態では、光源１２の中心の位置がこの焦点ＰＦの位置と一致するように、光源１２とリフレクタ１４との位置関係が規定されている。これより、焦点ＰＦの位置から放射された後、回転放物面で規定された反射面２２で反射して開口２０から出た光は、リフレクタ１４の中心軸ＣＬに平行な平行光となる。
【００２０】
しかしながら、光源１２は理論上の点発光体ではなく、例え光源１２として放電灯を使用する場合であっても所定の広さを有する発光面から光を放射することになるから、光源１２から放射される光の多くは焦点ＰＦからずれた位置から放射されることになる。このため、光源１２から放射され、反射面２２で反射して開口２０から出た光は、完全な平行光ではなく、リフレクタ１４から離れるにつれて外側に広がっていく光となる。
【００２１】
図１に戻り、集光素子１６は、リフレクタ（平行化素子）１４と照射面Ｓとの間に配設されており、リフレクタ（平行化素子）１４からの光を照射面Ｓに集める役割を有する素子である。本実施形態において、集光素子１６にはレンズが使用されているが、上記の役割を果たす素子であれば、レンズ以外の素子を使用してもよい。
【００２２】
（光源装置１０の作用）
図１を用いて光源装置１０の作用について説明する。光源１２から放射された光は、その一部がリフレクタ１４の開口２０から直接外へ出るとともに、残りの光がリフレクタ１４の内側の反射面２２で反射した後、開口２０から外へ出る。反射面２２で反射した光は、リフレクタ１４の中心軸ＣＬに対して平行光に近い角度で進むが、完全な平行光ではなくリフレクタ１４から離れるにつれて外側に広がっていく。
【００２３】
リフレクタ１４から出た光は、集光素子１６を通過する際に照射面Ｓに向けて屈折される。これにより、集光素子１６から出た光は、照射面Ｓに向けて集められ、照射面Ｓを照射する。
【００２４】
（各素子等の位置関係および寸法）
次に、各素子および照射面Ｓ同士の位置関係や、各素子および照射面Ｓの寸法について、図３を用いて説明する。リフレクタ（平行化素子）１４の開口２０から距離Ｌ[mm]の位置に照射面Ｓが配設されている。照射面Ｓの径（直径）をｃ[mm]とすると、この径ｃを最小化するには、集光素子１６（レンズ）から照射面Ｓまでの距離Ｌ２[mm]を、集光素子１６の焦点距離ｆ[mm]と一致させればよいことになる。つまり、照射面Ｓにおける集光の度合いを高めて光の利用効率を高めようとすると、集光素子１６の位置は照射面Ｓに近づく（距離Ｌ２が短縮する）ことになる。換言すると、集光素子１６がリフレクタ１４から遠ざかる（リフレクタ１４の開口２０から集光素子１６までの距離Ｌ１[mm]が増加する）ことになる。
【００２５】
ここで、上述したように、リフレクタ１４から出た光は完全な平行光ではなくリフレクタ１４から離れるにつれて外側に広がっていく光であることから、距離Ｌ１が増加すると集光素子１６の位置における光の広がり（径）も大きくなる。このため、距離Ｌ１が増加していくと、一部の外側の光が集光素子１６から外れた無効な光（照射面Ｓに集めることができない光）となる。
【００２６】
つまり、集光素子１６を照射面Ｓに近づけると集光の度合いが高まって光の利用効率が高まる傾向にあるが、反対に、集光素子１６が平行化素子１４から遠ざかることになって平行化素子１４からの光が集光素子１６から外れてしまい、無効な光が増加して光の利用効率が低下することになる。
【００２７】
そこで、先ず、平行化素子１４の開口２０から集光素子１６までの距離Ｌ１について検討する。リフレクタ１４の開口２０の径（直径）をａ[mm]とし、平行化素子１４から出た光の出射広がり角（中心軸ＣＬと成す角）をθ[°]とすると、集光素子１６の位置における光の照射範囲の径Ｅ[mm]は、以下の式であらわすことができる。
Ｅ＝ａ＋Ｌ１×２ｔａｎθ
【００２８】
なお、集光素子１６の位置における光の利用率、つまり、平行化素子１４から出て集光素子１６に入る光の割合Ｓ１は、以下の式であらわすことができる。なお、集光素子１６の径（直径）をｂ[mm]とする。
Ｓ１＝ｂ２／Ｅ２＝ｂ２／（ａ＋Ｌ１×２ｔａｎθ）２
【００２９】
次に、集光素子１６から照射面Ｓまでの距離について検討する。照射面Ｓの径（直径）をｃ[mm]とすると、一般に以下の関係が言える。
ｃ／ａ＝Ｌ２／Ｌ１
【００３０】
ここで、上述のように、集光素子１６からの光で照射される範囲（直径）ｄ[mm]が、必要な照射面Ｓの径ｃ[mm]と一致するときが最大の利用効率となることから、以下の関係がいえる。
ｃ＝ｄ
また、Ｌ２＝Ｌ−Ｌ１である。
【００３１】
したがって、
ｄ＝ａ×（Ｌ−Ｌ１）／Ｌ１
Ｌ１＝ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）  および
Ｌ２＝Ｌ×（１−ａ）／（ｄ＋ａ）  となる。
【００３２】
一方、集光素子１６の焦点距離をｆ[mm]とすると、以下の関係がいえる。
１／Ｌ１＋１／Ｌ２＝１／ｆ
したがって、集光素子１６の焦点距離をｆ[mm]は以下の式であらわすことができる。
ｆ＝Ｌ１×Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）
＝ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）
【００３３】
以上のことから、以下の２つの式を満たすときに最大の利用効率となる。
Ｌ１＝ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）  および
ｆ＝ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）
【００３４】
また、以下の条件を満たすことにより、集光素子１６からの光で照射される範囲（直径）ｄ[mm]が必要な照射面Ｓの径ｃ[mm]の範囲内となり、照射面Ｓ外を照らす無駄な光がなくなる点で有効である。
Ｌ１＞ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）
【００３５】
なお、照射面Ｓにおける光量Ｚは、平行化素子１４から出る光の光量をＷとすると、以下の式であらわすことができる。
Ｚ＝Ｗ×ｂ２／（ａ＋（ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ））×２ｔａｎθ）２
【００３６】
（変形例１）
上述した実施形態では、光源装置１０がそれぞれ１つの光源１２、リフレクタ１４、および集光素子１６で構成されていたが、これに代えて、図４に示すように、それぞれ複数の光源１２、リフレクタ１４、および集光素子１６で光源装置１０を構成して、各光源１２からの光でひとつの照射面Ｓを照らすようにしてもよい。なお、以下の説明に関し、Ｌ、Ｌ１、およびＬ２については図３を参照のこと。
【００３７】
この場合も、基本的には、上述した実施形態で述べたように、以下の式を満たすのが好適である。
Ｌ１≧ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）
なお、上記関係式「ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）」で規定されるＬ１を以下では「Ｌ１（Ａ）」と標記する。つまり、「Ｌ１（Ａ）＝ａ×Ｌ／（ｄ＋ａ）」である。
【００３８】
しかしながら、複数の光源１２等で光源装置１０を構成する場合には、当該光源装置１０を極力コンパクトに構成したいという現実的な要請から、寸法的な制約が生じてくる。具体的には、集光素子（レンズ）１６の有効径（直径）の大きさに制約が生じる。集光素子（レンズ）１６の有効径（直径）を大きくしすぎると、隣に配設された集光素子（レンズ）１６に干渉してしまうからである。
【００３９】
図４に示す変形例１において、集光素子（レンズ）１６の最大有効径（直径）Ｂ[mm]は、以下の式で表すことができる。なお、αは、互いに隣り合う平行化素子（リフレクタ）１４から出る光の中心軸ＣＬ同士が成す角度[°]である。
Ｂ＝Ｌ２×ｔａｎα
【００４０】
また、光源１２から放射された後、リフレクタ１４から出た光によって集光素子（レンズ）１６が照射される範囲（直径）ｇ[mm]は、以下の式で表すことができる。
ｇ＝ａ＋２×Ｌ１×ｔａｎθ
ａ：平行化素子（リフレクタ）１４の開口の径[mm]
θ：平行化素子（リフレクタ）１４から出た光の出射広がり角（中心軸ＣＬと成す角）
【００４１】
リフレクタ１４から出た光によって集光素子（レンズ）１６が照射される範囲（直径）ｇが集光素子（レンズ）１６の最大有効径（直径）Ｂよりも大きくなってしまうと、リフレクタ１４から出た光の一部が集光素子（レンズ）１６から外れて無駄な光になってしまう。したがって、以下の関係が満たされることが好適である。
Ｂ≧ｇ、つまり、
Ｌ２×ｔａｎα≧ａ＋２×Ｌ１×ｔａｎθ、これを変形すると、
Ｌ１≦（Ｌ２×ｔａｎα−ａ）／（２×ｔａｎθ）となる。
なお、上記関係式「（Ｌ２×ｔａｎα−ａ）／（２×ｔａｎθ）」で規定されるＬ１を以下では「Ｌ１（Ｂ）」と標記する。つまり、「Ｌ１（Ｂ）＝（Ｌ２×ｔａｎα−ａ）／（２×ｔａｎθ）」である。
【００４２】
以上のことから、Ｌ１の寸法は、簡単に表現すると、「Ｌ１（Ａ）は大きい方が好適」であり、逆に、「Ｌ１（Ｂ）は小さい方が好適」であるといえる。そこで、Ｌ１（Ａ）およびＬ１（Ｂ）をそれぞれ算出した後、以下のようにＬ１の寸法を決定することが好適である。
・  Ｌ１（Ａ）≦Ｌ１（Ｂ）の場合は、Ｌ１（Ｂ）をＬ１の寸法として採用する。
・  Ｌ１（Ａ）＞Ｌ１（Ｂ）の場合は、Ｌ１（Ａ）からＬ１（Ｂ）の間の値をＬ１の寸法として採用する。つまり、Ｌ１（Ａ）＞Ｌ１＞Ｌ１（Ｂ）の関係となる。
【００４３】
（変形例２）
上述した実施形態では、平行化素子１４としてリフレクタを使用していたが、これに変えて、図５に示すように、平行化素子１４としてレンズを使用してもよい。図５ではひとつ（単体）のレンズを使用する場合を描いているが、平行化素子１４としてのレンズの数は複数であってもよい。この場合、光源１２から放射された光は、平行化素子（レンズ）１４を通過する際に屈折し、照射面Ｓに向けてより平行光に近い状態となる。そして、平行化素子（レンズ）１４から出た光は集光素子１６によって照射面Ｓに集められる。
【００４４】
この変形例２の場合（つまり、平行化素子１４としてレンズを使用する場合）も、上述した実施形態で説明した数式や作用効果が成り立つ。そこで、変形例２に係る数式や作用効果の説明については、上述した実施形態の説明における、「リフレクタ１４」を「レンズ１４」と、「リフレクタ１４の開口２０」を「レンズ１４」あるいは「レンズ１４の光学中心」と、また、「リフレクタ１４の開口２０の径（直径）ａ[mm]」を「レンズ１４の有効径（直径）ａ[mm]」とそれぞれ読み替えて援用する。
【００４５】
なお、平行化素子１４としてレンズを使用する場合は、リフレクタを使用する場合に比べて、放射する光の指向性が高いＬＥＤや有機ＥＬを光源１２として使用するのが好適である。
【００４６】
（変形例３）
次に、光源１２、平行化素子１４、および集光素子１６をそれぞれ複数使用して光源装置１０を構成し、かつ、当該光源装置１０を露光装置１００に適用する例について、図６を用いて説明する。
【００４７】
変形例３に係る露光装置１００は、光源装置１０と、第１反射鏡１０２と、第２反射鏡１０４と、第３反射鏡１０６と、インテグレータ１０８と、平行化レンズ１１０とを備えている。
【００４８】
この変形例３で使用される光源装置１０は、上述の通り、２つの光源１２と、２つの平行化素子（リフレクタ）１４と、２つの集光素子１６とを備えている。光源装置１０から出た光は、第１反射鏡１０２および第２反射鏡１０４で所定の方向に反射された後、インテグレータ１０８の入射面１１２を照らすようになっている。つまり、光源装置１０にとっては、この場合インテグレータ１０８の入射面１１２が照射面Ｓとなる。
【００４９】
インテグレータ１０８の出射面１１４から出た光は、第３反射鏡１０６で所定の方向に反射された後、平行化レンズ１１０を通って平行光となり、露光面１１６を照らす。
【００５０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５１】
１０…光源装置、１２…光源、１４…平行化素子（リフレクタあるいはレンズ）、１６…集光素子
２０…開口、２２…反射面
Ｓ…照射面、ＣＬ…中心軸、ＰＦ…（回転放物面の）焦点、Ｌ…平行化素子１４から照射面Ｓまでの距離、Ｌ１…平行化素子１４から集光素子１６までの距離、Ｌ２…集光素子１６から照射面Ｓまでの距離、ａ…開口２０の径（直径）あるいはレンズ１４の有効径（直径）、ｂ…集光素子１６の径（直径）、ｃ…照射面Ｓの径（直径）、ｄ…集光素子１６からの光で照射される範囲（直径）、ｆ…集光素子１６の焦点距離、ｇ…平行化素子１４から出た光によって集光素子（レンズ）１６が照射される範囲（直径）、θ…平行化素子１４から出た光の出射広がり角（中心軸ＣＬと成す角）、α…互いに隣り合う平行化素子１４から出る光の中心軸ＣＬ同士が成す角度
１００…露光装置、１０２…第１反射鏡、１０４…第２反射鏡、１０６…第３反射鏡、１０８…インテグレータ、１１０…平行化レンズ、１１２…（インテグレータ１０８の）入射面、１１４…（インテグレータ１０８の）出射面、１１６…露光面
【図１】
2019128581.tif 000003
【図２】
2019128581.tif 000004
【図３】
2019128581.tif 000005
【図４】
2019128581.tif 000006
【図５】
2019128581.tif 000007
【図６】
2019128581.tif 000008
【図７】
2019128581.tif 000009