[发明专利]具有高收光效率的基于发光二极管的光刻发光器

说明书

技术领域

本发明一般关于一种光刻系统，特别关于一种具有高收光效率的基于发光二极管的光刻发光器。

背景技术

光刻系统具有作为其基础组件的发光器，其具有光源、图案化标线片、投射成像透镜以及光感（例如涂布光阻）晶圆。发光器以来自光源所发出的光对标线片进行照射。由标线片传送的光或者自标线片反射的光会被投射成像透镜成像在光感晶圆上。然后，光感晶圆被加工以在晶圆上形成图案。光刻曝光过程以及曝光后过程会以多个不同的标线片执行数次以在晶圆表面上形成定义集成电路的半导体结构。

光刻工具中的发光系统一般都使用汞灯作为光源。然而，来自汞灯的光发射非常不均匀。为了获得光刻所需的曝光均匀性，汞灯的光发射可被导引至光均匀器柱。其或者将汞灯设置地非常靠近光均匀器柱，或者以透镜收集汞灯所发出的光线再将所发出的光线成像于光均匀器柱的输入表面。

进入光均匀器柱中的光在轴向表面之间藉由全内反射反弹，最后再从相对的另一端离开。光均匀器柱长度被选择以使得输出非常均匀。光均匀器柱的长度取决于多个因素，例如光均匀器柱的截面积、光线在光均匀器柱中行进的角展度（angular spread）、所需的内反弹次数、以及针对特定应用所需的均匀性。

典型地，光必须在光均匀器的相对壁面之间反弹最少五次。在输入与输出之间所经历的反弹次数愈多，输出端的发光均匀性就愈佳。较典型的执行手段是使用一收集透镜来收集光源的光，并且将其成像于光均匀器柱的输入表面。

但很不幸地，汞弧灯具有较短的操作寿命，典型地为数周或数月。此外，它的效率也不佳，仅有几个百分比的输入功率实际转换成所需的光谱而被放射出。再者，汞弧灯的弃置也会产生环保问题，因为汞必须根据管理要求小心地安置。

汞弧灯也受限于输出功率。为了增加光刻工具的产能，增加光均匀器柱输出表面所发射的功率是必要的。因为光源尺寸与发散角由光均匀器柱的物理特性与发散角（取决于将光源耦合于光均匀器柱的透镜）定义，光源的光展量（etendue）因而被确定。增加光均匀器柱的输出端的发射功率等同于增加光源亮度。

增加汞灯光源的功率往往必须付出灯源尺寸增加的代价。使输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，且晶圆平面上的功率密度也保持恒定。

因此，产能通常不因为较大的灯泡而获得改善，因为较大的功率无法被转达到晶圆平面上。维持汞弧灯的发射功率的量的同时，又要减少系统的光展量也是同样非常困难的。

发明内容

本公开关于一种具有高收光效率（例如50%或更高）的基于发光二极管的光刻发光器。其部分是藉由创建虚拟发光二极管光源阵列所达成的。在此，术语“虚拟一词并非严格地指向一种虚拟图像的概念，而是关于发光二极管光源的发光二极管晶粒的真实影像作为有效的光源的事实。所述发光器允许在所需数值光圈（NA）内，有效地将来自发光二极管阵列的发射光耦合至光均匀器柱（homogenizer rod）。

藉由设计与制造可用来将发光二极管阵列耦合至光均匀器柱的适当的微透镜阵列，创造具有虚拟（有效）发光二极管光源的发光器成为可能，且所述虚拟发光二极管光源更能根据实际耦合入投射成像透镜内的光线的多少而良好地匹配投射成像透镜。在一范例中，收光效率大于发光二极管阵列所发射的总光量的50%；而在另一范例中，收光效率大于75%。这些发光效率（也称为发光产能）更适合于满足对于传递更多光线至标线片且最终传递到晶圆平面的光刻应用的日益增加的需求。

因此，本发明的第一个方面是一种适用于光刻系统的发光器。所述发光器沿发光器轴线包括光源，所述光源包含大体设置于第一平面的发光二极管（LED）阵列。所述发光二极管阵列的各发光二极管具有发光二极管晶粒，所述发光二极管晶粒发出光化学光线且具有一轴与第一区域。所述第一区域的尺寸为L_D，其中，所述发光二极管晶粒承载于不发光的散热器上，所述散热器具有第二区域，所述第二区域的尺寸为L_H，其中L_H>L_D。所述发光器还包含多个微透镜，大体设置于第二平面。所述第二平面大致平行于所述第一平面，各微透镜具有微透镜轴，所述微透镜轴大体与相对应的发光二极管晶粒同轴，且各微透镜具有2倍至20倍的放大倍率。所述发光器包含光均匀器柱，其具有输入端与输出端。各微透镜于光均匀器柱的输入端形成相对应的发光二极管晶粒的影像，以形成大致覆盖整个输入端的发光二极管晶粒影像的阵列，藉以于输入端定义多个虚拟发光二极管光源，且在输出端获得在+/–2%内的光均匀性。