光源装置、照明装置以及曝光装置的制作方法

1.本发明涉及光源装置、照明装置以及曝光装置。


背景技术：

2.在半导体器件或平板显示器(fpd)的制造工序中使用曝光装置。曝光装置在光刻工序中，将作为原版的光罩或掩模的图案，经由投影光学系统转印到感光性的基板(例如在表面形成有抗蚀剂层的晶圆或玻璃板)上。
3.作为曝光装置的光源，例如使用汞灯，但近年来，作为汞灯的替代，期望置换成节能的发光二极管(led：light emitting diode)。对于led，从使电流流向控制发光的基板电路起直至光的输出稳定为止的时间短，无需像汞灯那样始终发光，故而寿命也长。
4.可是，每个led芯片的光输出极小。于是，在作为光源使用led替代汞灯的场合，寻求的是使用将多个led芯片(作为一例是1000个左右)排列在基板上而得的led阵列来增大光的总输出的方式以及用于高效冷却发热的led芯片的技术。
5.另外，即便是相同规格内的led芯片，有时也会因制造led芯片时的制造误差而导致发光效率出现差异。专利文献1公开了以led为光源的背光源，公开的是能在led芯片的发光效率好的场合减少配置的led芯片的数量来抑制成本的技术。
6.在先技术文献
7.专利文献1：日本特开2009
‑
129591号公报
8.发明所要解决的课题
9.在使用多个led芯片的场合，存在着以下问题：会因led芯片的发热而超过led芯片的允许温度，led芯片会无法点亮。在专利文献1中不存在这样的课题认知，没有公开有关来自led芯片的发热的内容。


技术实现要素：

10.于是，本发明的目的在于提供在以led为光源的光源装置中有利于抑制光的总输出降低的技术。
11.用于解决课题的方案
12.为了达成上述目的，作为本发明的一个方面的光源装置，其特征在于，该光源装置具有：led阵列，该led阵列包括基板和配置在上述基板上的发光效率不同的多个led芯片并具备电路；以及冷却器，该冷却器用于利用从制冷剂入口流向制冷剂出口的制冷剂来冷却上述led阵列，将来自上述led阵列的光照向照明面，其中，基于表示上述冷却器的冷却能力和上述led芯片的发光效率的信息，在上述基板上配置上述多个led芯片。
13.发明的效果
14.根据本发明，能提供例如在以led为光源的光源装置中有利于抑制光的总输出降低的技术。
15.通过以下示例性实施例的描述(参考附图)，本发明的其他特征将变得显而易见。
附图说明
16.图1是光学装置的俯视图。
17.图2是示出冷却器的内部结构的图。
18.图3是说明发光效率的图。
19.图4是示出比较例的图。
20.图5是第一实施方式的光学装置的俯视图。
21.图6是第二实施方式的光学装置的俯视图。
22.图7是第三实施方式的光学装置的俯视图。
23.图8是照明光学系统的概略图。
24.图9是光源部的剖视概略图。
25.图10是曝光装置的概略图。
具体实施方式
26.下面，基于附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。
27.<第一实施方式>
28.使用图1对光源装置1进行说明。图1是本实施方式的光源装置1的俯视图。光源装置1具有电力基板2、led芯片3、冷却器4以及控制部5。在电力基板2上配置有多个led芯片3，以下，将电力基板2和多个led芯片3统称为led阵列。在电力基板2上将铜配线与led芯片3连接并安装，形成有用于驱动led芯片3的电路。通过在电路中流通电流，从led芯片3输出规定波长的光，led芯片3发热。
29.本实施方式中的led阵列形成有电力串联配置了多个led芯片3而成的芯片列。可以如图1所示那样，包括多个芯片列地形成led阵列，芯片列经由连接器6a、6b而与控制部5连接。
30.控制部5包括电源，对流向led芯片3的电流、施加于电源的电压进行控制，对从led芯片3输出的光量控制。控制部5也可以控制流向led芯片3的电流、施加于电源的电压，以便在由光学装置1照明的照明面成为目标光照强度。控制部5既可以是1个控制部与多个芯片列连接，也可以是多个控制部与芯片列的每个组连接并以每个控制部对流向led芯片的电流、施加于电源的电压进行控制。
31.冷却器4跟电力基板2中与配置有led芯片3的面相反侧的面接触。冷却器4通过使制冷剂在冷却器4内部流动，从电力基板2吸走热量来冷却led阵列。图2是示出冷却器4的内部结构的图。冷却器4与制冷机7连接，制冷剂从冷却器4的制冷剂入口8流向制冷剂出口9。从电力基板2吸走热量后的制冷剂从冷却器出口9向制冷机7循环，从而再次冷却led阵列。
32.为了提高由制冷剂在每单位时间能从led阵列除去的热量定义的冷却能力，在冷却器4中，沿着从制冷剂入口侧向制冷剂出口侧的方向延伸地设有多个隔板10。由此，形成使制冷剂可到达冷却器4整体的流路。制冷剂在隔板10间流动，通过热交换而从电力基板2吸走热量，将led阵列冷却。在制冷剂中，例如使用以冷却能力优异的水作为主成分的液体、或是以电绝缘性优异的油作为主成分的液体。
33.为了提高上述的冷却能力，优选的是，在电力基板2或冷却器4使用热传导率好的材料。作为电力基板2的基材，例如可使用热传导率高的氮化铝。作为冷却器4的材料，例如
可使用铜或铝等。
34.(led芯片的发光效率和发热量)
35.对led芯片的发光效率进行说明。图3是示出流向led芯片3的电流与施加于led芯片3的电力量(由光输出量与发热量之和表示)的关系的图。若有电流流向led芯片3，则对应于电流的大小，从led芯片3输出光。相对于电流的led芯片3的光输出量由led芯片3的发光效率确定。led芯片3的发光效率由led芯片3的光输出的大小相对于施加于led芯片3的电力的比例来定义。
36.图3的(a)是发光效率低的例子，相对于施加于led芯片3的电力，led芯片的光输出小，led芯片的发热量大。另一方面，图3的(b)是发光效率高的例子，相对于施加于led芯片3的电力，led芯片的光输出大，led芯片的发热量小。即，为了以发光效率不同的led芯片获得相同的光输出，需要增大流向发光效率低的led芯片的电流。此时，在发光效率低的led芯片中，相比发光效率高的led芯片，发热量变大。
37.另外，如图3所示那样，为了增大来自led芯片的光输出，需要增大流向led芯片的电流。若增大电流，则对应于led芯片的发光效率，led芯片发热。在led芯片中具有可允许的led芯片的允许温度，若led芯片的温度超过该允许温度，则led芯片会变成无法点亮。led芯片的温度依赖于led芯片的发热量和制冷剂的冷却能力来确定。为此，流向led芯片的电流由led芯片的发热量限制。
38.另外，在led芯片构成芯片列的场合，若1个led芯片变成无法点亮，则相同芯片列的其他led芯片也会变成无法点亮。因此，能向芯片列投入的最大电流依赖于led芯片的发光效率(同样也依赖于制冷剂的冷却能力。)。
39.在相同规格的led芯片之间，也会因制造误差等产生上述那样的led芯片的发光效率的差异。led芯片预先基于表示发光效率的信息进行等级的分类，将发光效率高的led芯片称为高等级的led芯片。
40.(比较例)
41.作为本实施例的比较例，对未考虑led芯片的等级地随机地配置led芯片的场合进行说明。图4是随机地配置有不同等级的led芯片3a～3c的光源装置的图。led芯片3a～3c的等级的降序排列为3c、3b、3a。
42.另外，冷却器4在制冷剂入口8附近的区域和制冷剂出口9附近的区域，冷却能力有所不同。由于在制冷剂出口9附近的区域流入的是已经反复进行过热交换的制冷剂，相比制冷剂入口8附近的区域，冷却能力低。在比较例中，不考虑冷却器4内的冷却能力的差异地配置led芯片3a～3c。
43.若冷却器4的冷却能力一样，则可以随机地配置led芯片3a～3c。但是，如比较例那样，在冷却器4的冷却能力因区域而有所不同的场合，随机地配置led芯片3a～3c并不理想。在冷却能力低的制冷剂出口9附近的区域配置有发光效率低的led芯片3a的场合，无论发热量是否比led芯片3b、3c大，冷却器4的冷却能力都低。在这样led芯片的温度容易上升的场合，必须在避免led芯片无法点亮的范围内使电流流动，无法获得充分的光输出。
44.(本实施例中的led芯片的配置)
45.在本实施例中，考虑led芯片的发光效率的等级来确定led芯片的配置。图5是考虑冷却器4的冷却能力而配置有不同等级的led芯片3a～3c的光源装置的图。冷却器4的制冷
剂流动的方向与芯片列中的led芯片的排列方向平行，与比较例同样地，由于在制冷剂出口9附近的区域流入的是已经反复进行过热交换的制冷剂，故而冷却能力比制冷剂入口8附近的区域低。
46.在本实施方式中，在冷却能力高的制冷剂入口8附近的区域配置低等级的led芯片3a。led芯片3a由于与led芯片3b、3c相比led芯片的发热量大，所以配置在冷却能力高的基板区域。在冷却能力高的基板区域配置led芯片3a的理由在于，与在冷却能力低的基板区域配置led芯片3a的场合相比，能增大电流。即，也能在发光效率低的led芯片3a增大光输出。
47.另外，在本实施方式中，在冷却能力低的制冷剂出口9附近的区域配置有高等级的led芯片3c。led芯片3c由于与led芯片3a、3b相比led芯片的发热量小，所以配置在冷却能力低的基板区域。通过在冷却能力低的基板区域配置led芯片3c，能在冷却能力高的基板区域配置发光效率比led芯片3c低的led芯片3a、3b，因而，能在避免led芯片无法点亮的范围内使最大的电流流动。
48.为此，作为led阵列整体能增大光输出。因此，相比比较例能使led芯片的光输出提高。
49.在本实施方式中，对冷却器4的制冷剂流动的方向与芯片列中的led芯片的排列方向平行的方式进行了说明，但也可以不是完全平行。例如只要是冷却器4的制冷剂流动的方向包含相对于芯片列中的led芯片的排列方向水平的分量那样的配置即可。另外，在各个芯片列中，led芯片也可以不配置在一条直线上，例如芯片列内的led芯片可以配置成锯齿形。另外，led芯片也可以呈交错状配置在电力基板上。
50.在本实施方式中，对于1个芯片列，由3个led芯片3a～3c构成，但并不限于此，也可以由3个以外个数的led芯片构成。另外，在1个芯片列使用3个以上的led芯片的场合，也可以从制冷剂入口侧朝制冷剂出口侧，从发光效率低的led芯片起依次进行配置。另外，对led芯片的等级为3级的场合进行了说明，但也可以分类成2级或4级以上的等级。
51.在本实施方式中，对在电力基板2上直接安装led芯片3a～3c的方式进行了说明，但也可以使用向电路的连接容易的led封装体。另外，相同芯片列内的led芯片3a～3c的配置可以是等间隔和不等间隔中的任一者，芯片列间的配置也可以是等间隔和不等间隔中的任一者。
52.<第二实施方式>
53.在第一实施方式中，对冷却器4的制冷剂流动的方向与芯片列中的led芯片的排列方向平行的方式进行了说明。在本实施方式中，说明的是以下方式：在考虑led芯片的发光效率的等级来确定led芯片的配置这点上与第一实施方式相同，但冷却器4的制冷剂流动的方向与芯片列中的led芯片的排列方向垂直。图5是考虑冷却器4的冷却能力而配置有不同等级的led芯片3a～3c的光源装置的图。
54.在本实施方式中，对于1个芯片列，由相同等级的led芯片构成。在冷却能力高的制冷剂入口8附近的区域，配置由低等级的led芯片3a构成的芯片列。另外，在冷却能力低的制冷剂入口8附近的区域，配置由高等级的led芯片3c构成的芯片列。
55.也如第一实施方式所说明的那样，低等级的led芯片3a由于与led芯片3b、3c相比led芯片的发热量大，所以配置在冷却能力高的基板区域。在冷却能力高的基板区域配置led芯片3a的理由在于，与在冷却能力低的基板区域配置led芯片3a的场合相比，能增大电
流。即，也能在发光效率低的led芯片3a增大光输出。
56.另外，在冷却能力低的制冷剂出口9附近的区域配置有高等级的led芯片3c。led芯片3c由于与led芯片3a、3b相比led芯片的发热量小，所以配置在冷却能力低的基板区域。通过在冷却能力低的基板区域配置led芯片3c，能在冷却能力高的基板区域配置发光效率比led芯片3c低的led芯片3a、3b，因而，能在避免led芯片无法点亮的范围内使最大的电流流动。为此，作为led阵列整体能提高光输出。
57.在本实施方式中，对冷却器4的制冷剂流动的方向与芯片列中的led芯片的排列方向垂直的方式进行了说明，但也可以不是完全垂直。例如只要是冷却器4的制冷剂流动的方向包含相对于芯片列中的led芯片的排列方向垂直的分量那样的配置即可。
58.在本实施方式中，对于1个芯片列，由3个led芯片3a～3c构成，但并不限于此，也可以由3个以外个数的led芯片构成。另外，led阵列由6个芯片列构成，但并不限于此，也可以由6个以外的芯片列构成。另外，也可以在不同的芯片列配置相同等级的led芯片，还可以以从制冷剂入口侧向制冷剂出口侧发光效率变高的方式配置led芯片。另外，对led芯片的等级为3级的场合进行了说明，但也可以分类成2级或4级以上的等级。
59.在本实施方式中，对在电力基板2上直接安装led芯片3a～3c的方式进行了说明，但也可以使用向电路的连接容易的led封装体。另外，相同芯片列内的led芯片3a～3c的配置可以是等间隔和不等间隔中的任一者，芯片列间的配置也可以是等间隔和不等间隔中的任一者。
60.<第三实施方式>
61.在第一实施方式和第二实施方式中，对制冷剂的流路是1个方向的场合进行了说明。在本实施方式中，对制冷剂的流路以多个方向存在的方式进行说明。图7的(a)、图7的(b)是具有2个制冷剂入口8a、8b和2个制冷剂出口9a、9b的光源装置1的图。制冷剂的流路形成有从制冷剂入口8a侧向制冷剂出口9a侧的方向和从制冷剂入口8b侧向制冷剂出口9b侧的方向的2个流路。
62.在图7的(a)、图7的(b)中，在2个电力基板2a、2b上配置有多个led芯片3a～3c，由2个led阵列构成光源装置1。在各个led阵列上，独立地连接有包含电源的控制部5a、5b，对流向led芯片3a～3c的电流、施加于电源的电压进行控制，对从led芯片3a～3c输出的光量进行控制。控制部5a、5b能独立地控制各个led阵列，以便在由光学装置1照明的照明面成为目标光照强度。
63.在本实施方式中，在冷却能力高的制冷剂入口8a、8b附近的区域，配置低等级的led芯片3a。另外，在冷却能力低的制冷剂出口9a、9b附近的区域，配置高等级的led芯片3c。
64.也如第一实施方式所说明的那样，低等级的led芯片3a由于与led芯片3b、3c相比led芯片的发热量大，所以配置在冷却能力高的制冷剂入口8a、8b附近的区域。在冷却能力高的基板区域配置led芯片3a的理由在于，与在冷却能力低的基板区域配置led芯片3a的场合相比，能增大电流。即，也能在发光效率低的led芯片3a增大光输出。
65.另外，在冷却能力低的制冷剂出口9a、9b附近的区域配置有发光效率高的等级的led芯片3c。led芯片3c由于与led芯片3a、3b相比led芯片的发热量小，所以配置在冷却能力低的基板区域。通过在冷却能力低的基板区域配置led芯片3c，能在冷却能力高的基板区域配置发光效率比led芯片3c低的led芯片3a、3b，因而，能在避免led芯片无法点亮的范围内
使最大的电流流动。为此，作为led阵列整体能提高光输出。
66.在本实施方式中，对制冷剂的流路在相反方向为2个的场合进行了说明，但并不限于此。制冷剂的流路也可以形成3个以上，流路的方向也可以与本实施方式不同。
67.在本实施方式中，对于1个芯片列，由6个led芯片3a～3c构成，但并不限于此，也可以由6个以外个数的led芯片构成。另外，在1个芯片列使用3个以上的led芯片的场合，也可以从制冷剂入口侧朝制冷剂出口侧，从发光效率低的led芯片起依次进行配置。另外，对led芯片的等级为3级的场合进行了说明，但也可以分类成2级或4级以上的等级。
68.在本实施方式中，以在电力基板2a、2b上直接安装led芯片3a～3c的方式进行了说明，但也可以使用向电路的连接容易的led封装体。另外，相同芯片列内的led芯片3a～3c的配置可以是等间隔和不等间隔中的任一者，芯片列间的配置也可以是等间隔和不等间隔中的任一者。
69.<照明光学系统的实施方式>
70.接着，使用图8对照明光学系统的例子进行说明。图8是照明光学系统的概略剖视图。照明光学系统50具有光源部51、聚光透镜52、光学积分器系统53、聚光透镜54。从光源部51射出的光束经过聚光透镜52而到达光学积分器系统53。聚光透镜52被设计成光源部51的射出面位置和光学积分器系统53的入射面位置在光学上成为傅里叶共轭面。将这样的照明系统称为柯勒照明。聚光透镜52在图8中描绘了一个平凸透镜，而实际上大多由多个透镜组构成。通过使用光学积分器系统53，在光学积分器系统53的射出面位置，形成与光源部51的射出面共轭的多个二次光源像。从光学积分器系统53的射出面射出的光经由聚光透镜54而到达照明面55。
71.使用图9来说明光源部51。图9是光源部51的概略图。光源部51具有光源装置1、集光透镜56、集光透镜57。在图9中，作为光源装置1的一部分，图示出电力基板2、led芯片3。集光透镜56、57是具有与各led芯片3对应设置的各透镜的透镜阵列。集光透镜56的各透镜设在各led芯片3上。透镜既可以是像图9那样的平凸透镜，也可以是其他的带有动力的形式。作为透镜阵列，可以使用通过蚀刻或切削等连续地形成出透镜的透镜阵列、或是将各个透镜接合而得的透镜阵列。从led芯片3射出的光具有按半角为50
°
～70
°
左右的扩散角，而通过集光透镜56、57，这些扩散角被转换成30
°
以下左右。集光透镜56也可以设置成以规定间隔离开led芯片，与电力基板2一起一体地被固定。
72.返回图8的说明。光学积分器系统53具有使光强分布变均匀的功能。在光学积分器系统53中，使用光学积分器透镜或柱状透镜，改进了照射面55的光照强度均匀程度。
73.聚光透镜54被设计成光学积分器系统53的射出面与照明面55在光学上成为傅里叶共轭面，光学积分器系统53的射出面或者其共轭面成为照明光学系统的瞳面。其结果，在照明面55上，能生成大致均匀的光强分布。
74.在本发明中，由于光源装置1中的led芯片3的发光效率不同，所以，led阵列整个面上的光照强度不均匀。但是，由于在照明光学系统50中具备上述的使光强分布变均匀的光学积分器系统53，所以，从光源装置1射出的不均匀的光能在照明面55上获得均匀的光照强度。
75.上述的光源装置1或照明光学系统50能应用于各种照明装置，也能应用于对光硬化性树脂进行照明的装置、对被检测物进行照明来进行检查的装置、光刻装置等。例如能应
用于将掩模的图案曝光到基板上的曝光装置、无掩模曝光装置、使用模具在基板上形成图案的压印装置、或者平坦层形成装置。
76.<曝光装置的实施方式>
77.在本实施方式中，对将上述的光源装置1或照明光学系统50应用于曝光装置的场合进行说明。图10是示出曝光装置100的构成的概略图。曝光装置100是光刻装置，被使用于半导体元件或液晶显示元件的制造工序即光刻工序，在基板上形成图案。曝光装置100经由掩模对基板进行曝光，将掩模的图案转印到基板上。在本实施方式中，曝光装置100是步进扫描方式的曝光装置即所谓扫描型曝光装置，但也可以采用步进重复方式或其他曝光方式。
78.曝光装置100具有对掩模101进行照明的照明光学系统50、将掩模101的图案投影到基板102上的投影光学系统103。投影光学系统103可以是使用了由透镜构成的投影透镜、反射镜的反射型投影系统。
79.照明光学系统50是将来自光源装置1的光向掩模101照射的光学系统。在掩模101上，形成有与应形成于基板102的图案对应的图案。掩模101被保持于掩模工作台104，基板102被保持于基板工作台105。
80.掩模101和基板102配置在经由投影光学系统103在光学上大致共轭的位置上。投影光学系统103是将物体投影到像面上的光学系统。能在投影光学系统103中应用反射系统、折射系统、反射折射系统。在本实施方式中，投影光学系统103具有规定投影倍率，将形成于掩模101的图案投影到基板102上。并且，在与投影光学系统103的物面平行的方向上，以与投影光学系统103的投影倍率相应的速度比，对掩模工作台104以及基板工作台105进行扫描。由此，能够将形成于掩模101的图案转印到基板102上。
81.<物品制造方法的实施方式>
82.在本实施方式中，说明了利用上述曝光装置的物品制造方法。物品例如是指平板显示器(fpd)。物品制造方法包括：使用上述曝光装置在被涂敷于基板的感光剂上形成潜像图案的工序(对基板进行曝光的工序)；以及对在该工序中形成了潜像图案的基板进行显影的工序。进而，该制造方法包括其他周知的工序(氧化、成膜、蒸镀、掺杂、平坦化、蚀刻、抗蚀剂剥离、切割、粘合、封装等)。本实施方式的物品制造方法相比以往的方法在物品的性能、品质、生产效率、生产成本中的至少一个方面是有利的。
83.附图标记的说明
84.1 光源装置
85.2 电力基板
86.3 led芯片
87.4 冷却器
88.8 制冷剂入口
89.9 制冷剂出口