本发明涉及光学曝光系统以及用光对光学取向层和液晶进行取向 的光学方法。
液晶显示器(LCD)应用于信息显示的很多领域中，包括仪表控 制器、钟表、便携式电脑、台式电脑监视器、LCD电视机和LCD投影 仪。大多数LCD装置使用具有一层液晶材料的LCD面板，所述液晶 材料置于一对基板之间。至少一个基板的内表面是用于在没有施加电 场的情况下对液晶分子进行取向的取向表面。通常，取向表面是聚合 物取向层。在某些显示器中，取向层的取向方向是在机械抛光过程中 确定的，在该机械抛光过程中，使用织物或其它纤维材料对聚合物层 进行抛光。与抛光表面接触的液晶介质通常与机械抛光方向平行地取 向。
或者，可以将包含各向异性吸收分子的取向层暴露于偏振UV光 下。这种曝光对取向层的分子进行取向，然后可以用取向层来对液晶 介质进行取向。这种类型的取向层在本文中称为曝光取向层。
在很多LCD中，取向层不仅对液晶(LC)分子进行取向，而且对这 些分子进行预倾斜。与取向层接触的具有预倾斜的LC分子沿与特定方 向(例如，当使用抛光取向层时的抛光方向)平行的方向取向，但是 LC分子不必一定与基板平行地取向。例如，LC分子可以从基板平面 倾斜几度。很多类型的LCD要求取向层具有预倾斜，以便获得最佳的 性能。当对取向层进行曝光时，可以通过改变UV光的入射角度使曝 光的取向层获得预倾斜。

鉴于上述讨论，需要一种有效的曝光系统用于曝光取向层。所 述曝光系统应当传送尽可能多的在所需偏振态下偏振的光。所述曝光 系统还应当适用于以非垂直的入射角照射取向层，以便可以对预倾斜 的取向层进行曝光。
本发明的一个实施例涉及一种用于曝光目标区域上的光学取向 层的光学曝光系统。该系统包括照射目标区域的光源，该光源在与第 一轴线平行的方向是细长的。设置第一偏振器，使从所述光源传送到 所述目标区域的光的至少一部分偏振。设置偏振旋转补偿元件，以控 制从所述第一偏振器导向所述目标区域的光的偏振的方位角旋转。
本发明的另一个实施例涉及对光学取向层进行取向的方法。该 方法包括在具有细长光源的照明单元中产生光以及使用第一偏振器 使来自所述细长光源的光偏振。用偏振光照射所述光学取向层，并且 补偿入射在所述光学取向层上的偏振光的方位角偏振旋转。
本发明的另一个实施例涉及一种用于曝光目标区域上的光学取 向层的光学曝光系统。该系统包括照明单元和第一偏振器，其中所述 照明单元包含光源，该光源在与第一轴线平行的方向上是细长的，所 述第一偏振器设置用来使从所述光源传送到所述目标区域的照射光 的至少一部分偏振，所述照射光的照明轴线以非垂直的倾斜角入射在 所述目标区域上，选择该非垂直的倾斜角以便减少光在所述目标区域 的横向上与第一轴线平行的方向上的偏振的方位角旋转。
本发明的另一个实施例涉及一种用于曝光目标区域上的光学取 向层的光学曝光系统。该系统包括光源和第一偏振器，其中所述光源 在与第一轴线平行的方向上是细长的，所述第一偏振器设置用来使从 所述光源传送到所述目标区域的光的至少一部分偏振。偏振旋转补偿 元件设置在所述第一偏振器旁边，使得从所述光源未入射到所述第一 偏振器上且到达所述目标的光中的至少一些光入射到该偏振旋转补 偿元件上。经过所述第一偏振器入射到所述目标区域上的光具有在所 述目标区域横向上的第一方位角偏振旋转分布，经过所述偏振旋转补 偿元件入射到所述目标区域上的光具有第二方位角偏振旋转分布，该 第二方位角偏振旋转分布至少部分地补偿了所述第一方位角偏振旋 转分布。
本发明的另一个实施例涉及一种用于曝光目标区域上的光学取 向层的光学曝光系统。该系统包括光源，该光源在与第一轴线平行的 方向上是细长的。该光源沿与第二轴线平行的方向发射光，光入射到 所述目标区域，所述第二轴线垂直于所述第一轴线。第一偏振器设置 用来使从所述光源传送到所述目标区域的光的至少一部分偏振。反射 组件设置在所述光源和所述目标区域之间。所述反射组件具有与所述 第二轴线不平行的至少一个第一反射平面，以使从所述光源以与所述 第二轴线不平行的方向传播到所述目标区域的至少一些光被所述至 少一个第一反射表面转向，以便与被所述至少一个第一反射表面转向 之前相比与所述第二轴线更平行。
本发明的另一个实施例涉及照射目标区域的方法。该方法包括 从光源发射光，该光源在与第一轴线平行的方向上是细长的。该光源 沿与第二轴线平行的方向发射光，光入射到所述目标区域，所述第二 轴线垂直于所述第一轴线。从所述光源发射向所述目标区域的光中的 至少一部分是偏振光。使用与所述第一轴线和所述第二轴线都不平行 的至少一个第一反射表面，将由所述光源沿与所述第二轴线不平行的 方向发射的光反射转向，使得与被所述至少一个反射表面转向之前相 比，该转向光沿与所述第二轴线更平行的方向传播。
本发明的以上概述并不意味着描述了本发明的每一个示例性的 实施例或每一种实施方式。附图和以下的详细说明更具体地举例说明 了这些实施例。

结合附图对本发明的各种实施例的以下详细的描述进行思考， 可更加全面地理解本发明，其中：
图1A和图1B示意性地示出了用于曝光取向层的现有技术的偏 振光曝光系统的实施例；
图2A示意性地示出了斜入射在偏振器上的光的偏振平面的方 位角旋转；
图2B示意性地示出了图1A和图1B中所示的系统的平面图， 显示了曝光区域边缘上的偏振旋转；
图2C示意性地示出了图1A和图1B中所示的系统的端视图， 显示了基板边缘的不对称的照射；
图3A示意性地示出了根据本发明原理的UV曝光系统的实施 例；
图3B示意性地示出了图3A中所示的系统的平面图，显示了光 在曝光基板横向上的不同点上的偏振态；
图3C示意性地示出了根据本发明原理的UV曝光系统的另一个 实施例；
图4A示意性地示出了根据本发明原理的UV曝光系统的另一个 实施例。
图4B示意性地示出了图4A中所示的系统的平面图，显示了光 在曝光基板横向上的不同点上的偏振态；
图4C示意性地示出了根据本发明原理的UV曝光系统的另一个 实施例；
图5示意性地示出了相对于被曝光的基板倾斜的现有技术的UV 曝光系统；
图6A和图6B显示了方位角偏振旋转与曝光基板横向上的位置 和倾斜角的依赖关系；
图7A-7C示意性地示出了根据本发明原理的倾斜的UV曝光系 统的实施例；
图8显示了对于不同的倾斜角的情况下，作为基板横向上的位 置的函数的方位角偏振旋转的图；
图9A和图9B显示了对于不同的倾斜角和补偿器角度情况下， 作为基板横向上的位置的函数的方位角偏振旋转的图；
图10A和图11A示意性地示出了根据本发明原理的UV曝光系 统的不同实施例；
图10B和图10C显示了对于就图10A中所示的曝光系统在不同 的倾斜角和偏振器角度的情况下，作为基板横向上的位置的函数的方 位角偏振旋转的图；
图11B和图11C显示了对于就图11A中所示的曝光系统在不同 的倾斜角和片角度的情况下，作为基板横向上的位置的函数的方位角 偏振旋转的图；
图12A和图12B示意性地示出了根据本发明原理的包括反射式 集光器的UV曝光系统的一个实施例；
图12C和图12D示意性地示出了根据本发明原理的反射式集光 器的一个实施例；
图12E示意性地示出了根据本发明原理的包括反射式集光器的 UV曝光系统的另一个实施例；
图13和图14示出了测量得到的由图12A和图12B中所示的UV 曝光系统产生的照射分布；
图15示出了测量得到的由图1A和图1B中所示的UV曝光系统 产生的照射分布；
图16A和图16B示意性地示出了根据本发明原理的包括反射式 集光器的UV曝光系统的另一个实施例；
图17示出了计算所得的图16A和图16B中所示的曝光系统的 照射分布与图1A和图1B中所示的曝光系统的照射分布之间的比较；
图18示出了计算所得的由图16A和图16B中所示的系统产生 的曝光光对角度的依赖关系；
图19示出了计算所得的与由图1A和图1B所示的系统产生的 曝光光相比的由图16A和图16B中所示的系统产生的曝光光的横向 (cross-web)角度依赖关系；
图20A-20C示意性地示出了三种不同类型的曝光系统，它们使 用不同的方法限制照射光的纵向(down-web)发散；
图21A示出了作为位置的函数的图20A-20C中所示的曝光系统 的纵向照射分布图；
图21B示出了作为入射角的函数的图20A-20C中所示的曝光系 统的纵向照射分布图；
图22A示出了对于不同狭缝孔径大小的、作为位置的函数的图 20B的系统的纵向照射分布图；
图22B示出了对于不同狭缝孔径大小的、作为入射角的函数的 图20B的系统的纵向照射分布图。
本发明容易进行各种修改和形式替换，其细节已经通过附图中 的例子被示出并被详细地描述。然而，应该明白，本发明并不局限于 就本发明所述的这些具体实施例。相反，本发明覆盖落入在由附属权 利要求书所界定的本发明的精神和范围内的所有的修改、替换及其等 同形式。

本发明适用于光学曝光系统，更具体地说适用于这样一种曝光 系统，该曝光系统用于通过使用当暴露于偏振光下时具有各向异性响 应的材料来形成取向层。这种材料包括各向异性吸收材料和线性可光 偏振的(linearly photopolarizable)聚合物。
在图1A中示出了常规的UV曝光系统100的示意图，图1B中 示出了对应的侧视图。线性UV光源102放置在基板104之上。基板 104包含暴露于UV光下的聚合物层105。
可以定义一套迪卡尔坐标系来帮助描述系统100。基板平面定义 为x-y平面，基板的法线与z轴平行。基板104可以相对于光源平移， 例如在x方向上平移。在某些情况下，基板104是在x方向上连续供 给的聚合物薄片。在这种情况下，与线性UV光源102的轴线平行的 y方向通常称为横向(cross-web)方向。
光源102产生UV光106，其中的一些光直接入射在基板104上。 反射镜108放置于UV光源102附近，以向基板104反射UV光，这 样增加了从UV光源102入射到基板104上的UV光106的量。在第 一对挡光板(vane)112之间形成第一孔径110。在第二对挡光板116 之间形成第二孔径114。这两个孔径110和114限定了入射在基板104 上的光106在x-z平面上的发散角。没有孔径或者挡光板限制光106 在与线性UV光源102平行的y-z平面上的发散。
偏振器118设置在两对挡光板112和116之间，以便使入射在 基板104上的光106偏振。偏振器118取决于布儒斯特效应使入射光 偏振。当p偏振光以布儒斯特角入射到一个层上时，光基本上无损失 地被透射过。当s偏振光以布儒斯特角入射到一个层上时，相当大部 分的s偏振光被反射，但也有明显的透射。光106经过偏振器118的 若干层对p偏振光影响甚微，但是由于在偏振器118的每层上都有对 s偏振光的额外反射影响，所以s偏振光的强度明显降低。因此，偏 振器118透射主要是p偏振的光束，反射主要是s偏振的光束。对于 图1A和图1B所示的特定的几何结构以及从光源102垂直入射到基 板104上的光，p偏振光与x-z平面平行地偏振，事实上，p偏振光 偏振为其电矢量在x方向上。被偏振器118反射的s偏振光被遮挡而 不能入射到基板104上，所以只有p偏振光到达基板104。
系统100不必一定只使用p偏振光曝光基板104。在另一个实施 例中，被偏振器118反射的s偏振光可以入射到基板104上，而p偏 振光被遮挡。而且，偏振器118，或者偏振器118的部分，可以围绕 z轴旋转90度，从而使p偏振光位于y-z平面。
但是，当使用系统100时，入射到基板104上的p偏振UV光 106的偏振在基板104的整个宽度上并不一致。现在参考图2A-C来 对这一点进行描述。首先，如图2A所示意性地示出的，考虑斜入射 到MacNeille偏振器上的效果。偏振器表面250以角度θp倾斜。为了 展示起见，在表面250上示出平行的虚线252。表面250上的虚线254 垂直于虚线252。实线256是表面250的法线。光线258入射在该表 面上，并与包含法线256和虚线252的平面平行。因此，平行于入射 平面的p偏振平面260与虚线252平行。斜光线262入射到该表面上， 但是并没有与包含法线256和虚线252的平面平行。因此，平行于入 射平面的p偏振平面264并不与虚线252平行。因此，相对于入射平 面垂直于偏振器表面的光线，斜光线的偏振平面按方位角旋转了。
现在考虑图2B，其中示意性地示出了横跨于基板204上的UV 曝光系统202。发现光的偏振在基板204的横向上并不相同。在基板 204的中心的光的偏振方向206如所需的那样基本上平行于x方向。 但是在基板的边缘上，偏振方向发生了旋转。例如，在基板204的右 手边缘上，光的偏振方向208相对于中心偏振206顺时针旋转。在基 板204的左手边缘上，光的偏振方向210相对于中心偏振206逆时针 旋转。
一般认为在基板的横向上发生偏振旋转是由于下述原因。第一， 应当注意到，对于图2B，在基板横向上的任何特定点都不仅仅使用 垂直入射光照射，而且还使用源自并不直接位于基板的该点上方的光 源212部分的光照射。例如，基板204的中心点214由垂直入射光 216、来自右侧的斜入射光218和来自左侧的斜入射光220照射。但 是，基板边缘仅由来自一侧的光倾斜照射。例如，位于基板204右侧 的点224由垂直入射光226和来自点224左侧的斜入射光230照射。 而且，位于基板204左侧的点234由垂直入射光236和来自点234 右侧的斜入射光238照射。与基板204中心的照射相比，基板204 边缘的照射缺乏对称性，这被认为是导致入射在基板上的光的偏振发 生方位角旋转的根源。
当斜入射到基板204上的光，比如光线218、220、230和238， 入射到偏振器118上时，其入射平面与垂直入射到基板204上的光(比 如光线216、226和236)的入射平面不同。结果，p偏振和s偏振的 斜入射光线的偏振平面相对于p偏振和s偏振的垂直入射光线的偏振 平面发生了旋转。这种效应在美国专利No.6,486,997中有更详细的 描述。结果，从左侧斜入射到基板204上的光(例如光线220和230) 的偏振方向相对于x方向顺时针旋转。旋转量取决于光线与垂直入射 方向所成的角度，即光线相对于z轴的角度。同样地，从右侧斜入射 到基板204上的光(例如光线218和238)的偏振方向相对于x方向 逆时针旋转。在x-y平面的偏振旋转称为方位角旋转。
位于基板204中心上的点214被来自左侧和右侧的斜入射光(例 如光线218和220)以及垂直入射光216对称地照射。最后效果是， 在点214的曝光取向层的偏振平行于x方向。另一方面，在基板204 右侧边缘的点224由垂直入射光226和来自左侧的斜入射光230照 射，从而对曝光取向层的最后效果是，其偏振方向相对于x方向顺时 针旋转。在基板204左侧边缘的点234由垂直入射光236和来自右侧 的斜入射光238照射，从而对曝光取向层的最后效果是，其偏振方向 相对于x方向逆时针旋转。
对于具有单个25cm长的光源的UV照明系统和宽度30cm的曝 光基板，曝光取向层的偏振方向最大可以改变约15°，这对很多取 向层应用而言是不能接受的。一种减少基板边缘的偏振旋转的方法是 将光源延长到大大超出到基板边缘，使得边缘被来自左侧和右侧的斜 入射光均匀地照射。但是，这样浪费了光和能量，因此这种方法是低 效的。另一种方法是遮挡斜入射光，以防止其到达基板边缘。这种方 法也浪费了光。
另一种减少基板边缘的偏振旋转的方法是包括边缘反射镜。但 是，很多反射镜远不够理想；在反射表面会发生强度损失。曝光取向 层的偏振方向仍然最大可改变几度，这对很多取向层应用而言仍然是 不能接受的。
下面描述在保持高的光效率的同时减少偏振方向的方位角旋转 的不同方法。
现在参考图3A和图3B描述一种减少偏振的方位角旋转的方 法。在这种方法中，曝光系统300包括两个连续放置的偏振器318a 和318b。所述偏振器可以是任何适合类型的偏振器，包括依赖于处 于布儒斯特角的多个介质层的偏振器(也称为MacNeille偏振器)、 片堆偏振器、或者线栅偏振器。
由线性光源302产生的光306经过由两对挡光板312和316限 定的孔径310和314。线性光源302还可以包括多个线光源，所述多 个线光源基本上沿单个轴线放置。为了在这里讨论的目的，光源102 是指单个光源，或者基本上沿单个轴线放置的一个以上的光源。曲面 反射镜308可以放置在UV光源302附近，以使光向基板304反射。 光306在入射到基板304上之前经过第一偏振器318a，然后经过第 二偏振器318b。由光源302产生的光是有光化学性的，也就是说， 该光具有能够在基板304上的取向层中产生化学反应的波长。适用于 普通类型的取向层的光源302的一个例子是UV灯。
减少了偏振旋转的光306入射到基板304上。两个偏振器318a 和318b可以具有不同的对比率，选择它们的对比率使得由第二偏振 器138b引起的方位角旋转补偿由第一偏振器138a引起的方位角旋 转。在图3B中示出了在基板304横向上的不同点上的净偏振。在中 心326、右边缘328和左边缘330上的光的偏振态基本上相同，并平 行于x方向。一种确定偏振器318a和318b的可用的对比率值的方法 是计算每个界面处的菲涅耳反射系数和透射系数，以及计算从光源 302传播到基板304的不同光线的偏振态。
现在参考图4A和4B介绍另一种方法。在这种方法中，曝光系 统400包括两个并行并沿彼此相反的方向倾斜地放置的偏振器418a 和418b。由线性光源402(比如UV光源)产生的光406经过由挡光 板412和416限定的孔径410和414。反射镜408可以放置在光源402 附近，以使光向基板404反射。一些光406a经过第一偏振器418a 到达基板404，其它的光406b经过第二偏振器418b到达基板404。
由于这两个偏振器418a和418b沿彼此相反的方向倾斜，所以 由第一偏振器418a引起的方位角偏振旋转的方向与由第二偏振器 418b引起的方位角偏振旋转的方向不同。因此，当第一斜光线经过 第一偏振器418a时可能会使它的偏振方向顺时针旋转，而该同一斜 光线经过第二偏振器418b时偏振方向旋转相同的量，但是沿逆时针 方向旋转。因此，经过第一偏振器418a入射到基板404上的光406a 在基板404的横向上具有由偏振方向426a、428a和430a所示的方位 角偏振旋转分布。在基板404的中心上，光406a的偏振平行于x轴。 在基板404的右边缘上，光406a的偏振通常相对于x方向逆时针旋 转428a。同样地，在基板404的左边缘上，光406a的偏振通常相对 于x方向顺时针旋转430a。
另外，经过第二偏振器418b入射到基板404上的光406b在基 板404的横向上具有由偏振方向426b、428b和430b所示的方位角偏 振旋转分布。在基板404的中心上，光406b的偏振平行于x轴。在 基板404的右边缘上，光406b的偏振通常相对于x方向顺时针旋转 428b。同样地，在基板404的左边缘上，光406b的偏振通常相对于 x方向逆时针旋转430b。
因为基板404在x方向移动，所以基板404上的同一点曝光于 经过第一偏振器418a的光406a和经过第二偏振器418b的光406b。 因此，在基板边缘上，基板404曝光于具有顺时针方位角偏振旋转的 光和具有逆时针方位角偏振旋转的光。如果经过第一偏振器418a的 光406a的量和经过第二偏振器418b的光406b的量相同，那么最终 效果是入射在基板404边缘的光平行于x方向偏振。这样，就可以说， 由第一偏振器418a引起的方位角偏振旋转分布补偿了由第二偏振器 418b引起的方位角偏振旋转分布，反之亦然。
在基板横向上不同点的光的方位角偏振旋转不是仅对p偏振光 才有的，当使用s偏振光时，这种方位角偏振旋转也会发生。虽然上 面对图3A和图4A的描述阐述了减少入射在基板上的p偏振光的方 位角偏振旋转的多种方法，但是应当认识到，s偏振光的方位角偏振 也可以得到补偿。例如，在图3C中示意性地示出的曝光系统330中， s偏振光可以通过被两个MacNeille偏振器318a和318b相继反射而 被导向基板，其中第一偏振器318a的反射角方向与第二偏振器318b 的反射角方向相反。在另一个例子中，在图4C中示意性地示出的曝 光系统430中，两个偏振器418a和418b可以用来减少方位角偏振旋 转，其中被偏振器418a和418b反射的s偏振光406a和406b入射到 基板404上，而p偏振光被挡光板416遮挡住。
例如现在参考图5进行描述的，在曝光系统和基板之间可以引 入相对的倾斜。引入相对倾斜的一个好处是，以对后续的取向层引入 预倾斜的方式曝光取向层。相对倾斜可以通过旋转基板或曝光系统来 引入。在很多制造系统中，基板由连续移动的薄膜片组成，这种情况 下倾斜曝光系统更容易些。但是，当本文讨论倾斜时，应当这样理解， 所述倾斜可以通过倾斜曝光系统或倾斜基板、或者两者都倾斜来引 入。
现有技术的倾斜曝光系统500包括使用UV光506照射基板504 的线性UV源502。反射镜508可以用来使光向基板504反射。光506 经过由两对挡光板512和516限定的孔径510和514。单个偏振器518 设置在两对挡光板512和516之间。角度θ被定义为曝光系统500 的轴线520和基板504的法线之间的角度。
正如现在参考图6A和图6B所讨论的那样，已经发现，偏振方 向的方位角旋转取决于曝光系统和被曝光的基板之间的倾斜角。使用 下述方法测量Elsicon OptoAlignTM系统的偏振方位角旋转。在玻片上 旋涂线性可光偏振的聚合物(Staralign 2110，由Huntsman Advanced Materials，Basel，Switerland生产)作为取向层，然后放入180℃的烘 箱中退火10分钟。玻片的各部分被掩模遮住，接着在与基板横向上 的不同位置对应的不同方位并以不同倾斜角进行曝光。然后，将液晶 聚合物(LCP)(CB 483，也是由Huntsman Advanced Materials生产) 旋涂于已曝光的取向层上，并在50℃退火5分钟。接着通过紫外光 泛光曝光LCP层而使其交联。然后使用椭偏计测量玻片上的LCP层 的取向。据估计，这种测量的精度是方位角偏振旋转角度的误差在±1° 内。
使用这种方法测定的LCP层的方位角取向在图6A中示出，图 6A绘出了对于倾斜角为0°、10°、25°、45°和55°的情况下方位角取 向与基板横向上的有效位置之间的关系。在垂直入射时，即曲线602， 方位角旋转最显著，在基板横向上从大约+12°到大约-12°。随着倾 斜角的增加，方位角旋转量减少。对于高达25°的倾斜角，方位角偏 振旋转的方向与垂直入射时相同，对于基板中心左侧的位置，该方位 角偏振旋转为正，而对于基板中心右侧的位置，该方位角偏振旋转为 负。但是，对于45°或以上的倾斜角，方位角偏振旋转的方向发生了 改变，对于基板中心左侧的位置，该方位角偏振旋转为负，而对于基 板中心右侧的位置，该方位角偏振旋转为正。这暗示了，对于35°左 右的倾斜角，在基板的整个宽度上方位角偏振旋转接近为零。
这在图6B中可以容易地看出，其中绘出了对于基板横向上的不 同位置，旋转的方位角角度与倾斜角的关系。从该图中可知，在倾斜 角为大约35°时，方位角旋转的范围最小。由此，通过仔细选择倾斜 角，方位角偏振旋转的效应如果没有消除，也可以减少。
普遍认为通过倾斜UV曝光系统进行方位角偏振旋转补偿是由 于基板充当第二MacNeille偏振器(虽然是效率低的偏振器)的缘故。 因为入射光和基板之间的角度θ与偏振器和入射光之间的角度θ1的 指向相反，所以基板的折射的方式与图3A中所示系统的第二偏振器 的折射的方式相似。
方位角偏振旋转得到补偿的倾斜角取决于多个因素，这些因素 包括，但不限于，取向层的折射率和偏振器的角度θ1。因此，上文 中就图6B所描述的给出最小方位角偏振旋转的35°倾斜角的值应当 被认为是这样一个值，该值取决于曝光系统的工作条件。
但是，这种补偿方位角偏振旋转的方法只对一个特定的倾斜角 进行补偿。现在参考图7A和图7B，讨论当光源相对于基板倾斜时 的另一种补偿方位角偏振旋转的方法。在曝光系统700中，来自灯 702的光706经过第一偏振器718入射到基板704上。中心光线706a 定义为入射在基板704上的光的平均方向。可任选的是，可以用两组 挡光板710和714来减少入射在基板704上的光706的发散。
图中定义了两个角度。第一个角度θ1是曝光系统700相对于基 板704的倾斜角，其定义为来自光源702的中心光线706a与基板704 的法线720之间的角度。在图7A中，倾斜角θ1＝0°，在图7B中，照 明系统700被旋转以便形成一个非零倾斜角θ1。
将具有至少一个表面724的可任选的透明元件722设置为形成 第二角度θ2，即表面724的法线和中心光线706a之间的角度。可任 选的透明元件722可以是将光706传送到基板704的任何合适的透明 元件。例如，可任选的透明元件722可以是由一个或多个片(比如石 英片或者熔融硅片)构成的片堆。可任选的透明元件722也可以是偏 振器，例如MacNeille偏振器或者线栅偏振器。可任选的透明元件722 可以放置在第一偏振器718和孔径板714之间，或者在孔径板714 和基板704之间。
可任选的透明元件722也可以在其它实施例中使用，例如如图 7C中所示意性地示出的，其中第一偏振器718用来将s偏振光反射 到基板704。在这种情况下，可任选的透明元件722可以放置在第一 偏振器718和基板704之间，位于s偏振光706b的光路上。
回想上述参照图3A和图3B的讨论，其中光学透明元件722是 第二偏振器，当θ1＝0°时，如果正确地选择第二偏振器，则可以补偿 方位角偏振旋转。正确地选择第二偏振器722包括选择对比率和角度 θ2。当相对于基板704倾斜整个曝光系统700以增大倾斜角θ1时，发 现如果θ1和θ2都保持恒定不变的话，该系统不再补偿基板横向上的方 位角偏振旋转。但是，可以将第二偏振器旋转到补偿方位角偏振旋转 的位置以改变θ2。可以使倾斜角θ1改变为不同的值：第二偏振器的伴 随旋转基本上保持对方位角偏振旋转的补偿。表I示出基本上保持零 方位角偏振旋转的倾斜角θ1和第二偏振器角度θ2的计算值。相对于斜 角为零时补偿方位角偏振旋转的那个值来给出第二偏振器角度θ2。
表I：用于补偿方位角偏振旋转的倾斜角和第二偏振器角度的组合
 倾斜角θ1  第二偏振器角度θ2     0°     0°     30°     42°     45°     56°
然而，光学透明元件722不必一定是第二MacNeille偏振器，可 以使用其它的元件，例如一个或多个石英片或线栅偏振器。
实例1
图8是示出光学透明元件722是线栅(WG)偏振器的情况下，作 为横向(cross-web)位置的函数的方位角偏振旋转的图。使用上述就图 6A和图6B所讨论的技术测量方位角偏振旋转的值。对于图8中所 示的每一条曲线的倾斜角和第二角度的值在表II中给出。
表II：图8中的倾斜角和WG偏振器角度的组合
    曲线编号     倾斜角θ1   WG偏振器角度θ2     802     0°     15°     804     15°     15°
    806     30°     15°
图8表明，当倾斜角θ1为零且WG偏振器设置为θ2＝15°时，在 基板的整个宽度上，偏振的方位角旋转小于1°。这些结果的插值表 明，当倾斜角θ1在2°至10°的范围内时，方位角旋转得以补偿。将会 认识到，可以将WG偏振器倾斜为其它的θ2值，以对不同倾斜角下 的方位角偏振旋转提供补偿。
实例2
图9A和图9B是示出光学透明元件722是由五个石英片构成的 片堆(每片3.2mm厚)的情况下，所测量的方位角偏振旋转与横向 位置的关系的曲线图。使用上述就图6A和图6B所讨论的技术测量 方位角偏振旋转的值。对于图中所示的每一条曲线的倾斜角和第二角 度的值在表III中给出。
表III：图9A和图9B中的倾斜角和石英片角度的组合
    曲线编号   倾斜角θ1   第二角度θ2     902     0°     +30°     904     0°     0°     906     0°     -30°     912     45°     -30°     914     45°     +30°
图9A表明，当倾斜角θ1为零且石英片设置为θ2＝-30°时，在基 板的整个宽度上，偏振的方位角旋转小于大约±1°。这些结果的插值 表明，当第二角度θ2在-30°至-40°的范围内时，垂直入射的方位角旋 转得以补偿。
图9B表明，当倾斜角θ1为45°且石英片设置为θ2＝-30°时，在 基板的整个宽度上，偏振的方位角旋转小于大约±2°。这些结果的插 值表明，当倾斜角为45°且第二角度θ2具有在-5°至-15°的范围内的 值时，方位角旋转得以补偿。可以将石英片堆倾斜为其它的θ2值，以 对不同倾斜角下的方位角偏振旋转提供补偿。
因此，透明光学元件722可以有效地用作用于补偿不同倾斜角 下的照明光源的方位角偏振旋转的补偿元件。而且，可以用不同类型 的光学元件作为补偿元件，包括MacNeille偏振器和WG偏振器以及 石英片堆，如下面在实例3和4中所讨论的那样。
实例3
图10A示意性地示出另一种构造的UV曝光系统。该曝光系统 1000包括具有准直狭缝装置1004的灯组件1002，准直狭缝装置1004 限定入射在基板1006上的光的发散。单个线栅偏振器1008设置在灯 组件1002和基板1006之间。在美国专利申请公开No.2004/0008310 A1中建议，当灯组件1002倾斜偏离垂直入射(θ1＝0°)时，可以使 用不同的偏振器角度θ2。通过对大量不同的倾斜角θ1和偏振器角度 θ2，测量入射在基板1006上的光的方位角偏振来探讨这种可能性。
图10B示出在倾斜角θ1为40°且偏振器角度θ2为-30°(曲线 1010)、0°(曲线1012)和+30°(曲线1014)的情况下，在基板1006 横向上所测得的偏振的方位角旋转。从这些数据中可知，当WG偏 振器1008从0°旋转到+30°时，方位角偏振旋转稍微有所下降，但是 在整个基板的横向上仍存在很大的偏振旋转。当WG偏振器1008旋 转到-30°时，增大了方位角偏振旋转。
图10C示出当WG偏振器1008设置为0°的偏振器角度，且倾 斜角θ1为0°(曲线1020)、20°(曲线1022)和40°(曲线1024)的 情况下，在基板1006横向上的偏振的方位角旋转。当倾斜角θ1为零 时，在基板横向上的方位角偏振旋转很小，变化量为大约±0.5°。在 基板1006横向上的偏振旋转的变化随着倾斜角θ1增大而增大。
实例4
图11A示意性地示出另一种构造的UV曝光系统。该曝光系统 1100包括具有准直狭缝装置1104的灯组件1102，准直狭缝装置1104 限定入射在基板1106上的光的发散。石英片(QP)堆1108设置在灯组 件1102和基板1106之间。每一石英片为3.2mm厚。对大量不同的 倾斜角θ1和片角度θ2，测量入射在基板1106上的光的方位角偏振。当 来自灯组件的中心光线垂直入射在石英片上时，片角度θ2为零。保持 线栅偏振器1109与来自灯组件1102的光的中心光线垂直。
图11B示出在倾斜角θ1为40°，且包含五个石英片的片堆设置为 +30°(曲线1110)和-30°(曲线1112)的片角度θ2的情况下，基板 1106横向上的偏振的方位角旋转。为了比较起见，还示出了没有石 英片的情况下的方位角偏振旋转(曲线1114)。从图中可知，相对 于没有石英片的情况而言，当石英片旋转到-30°时偏振旋转减少了。 但是，位于+30°的石英片增大了方位角偏振旋转。
图11C示出了对于不同数量的片，当倾斜角θ1为40°且角度θ2 为+30°时，基板1106横向上的偏振的方位角旋转。曲线1122表示 没有石英片的情况，曲线1124表示使用2片的情况，曲线1126对 应于使用5片的情况，曲线1128对应于使用含有8片的片堆的情况。 石英片设置在-30°，减少了方位角偏振旋转，并且当片堆1108包含 8片时，基板1106横向上的方位角偏振旋转被限制为小于±1°的值。 应当认识到，可以使用片角度和石英片数量的其它组合来控制方位角 偏振旋转。例如，还可以用设置为高于-30°的角度的更少量的片来 补偿方向偏振旋转。
图1所示的现有技术UV曝光系统仅具有两个在基板横向上排 列孔径，来控制照射到该基板的光在与x方向平行的沿着基板的方向 上的发散。对光在与y方向平行的基板横向上的发散没有限制。可以 将遮光板沿UV曝光系统的长度放置，以限制光在基板横向上的发 散，但是这只会通过阻挡非常斜的光线而降低系统的总照明效率。
可以使用反射准直仪来限制光在基板横向和/或沿基板方向上的 发散。这种装置可以用来增大入射在基板上的光量，还可以用来通过 减小入射在偏振器上的光的倾斜度而减少方位角偏振旋转量。一般而 言，这种准直仪可以包含具有一个或多个孔径的反射结构，来自灯的 光通过所述孔径传送到相应的一个或多个锥形部分。所述锥形部分包 含倾斜的反射壁，这些反射壁将入射在其上的光导向更靠近基板法线 的方向。
现在参照图12A-12D描述反射准直仪的一个具体实施例。图 12A示出照明系统1200的侧视图。曲面反射镜1208设置为包围在线 性光源1202的一部分。反射镜1208可以采用不同的形状，包括(但 不限于)抛物面形状或椭圆面形状。一些光1206a从光源1202直接 入射在基板1204上。其它光1206b可以通过反射镜1208反射到基板 1204上。反射组件1210设置在光源1202和基板1204之间。反射组 件1210可以具有上反射表面1212，所述上反射表面将光向光源1202 和反射镜1208反射回去。
反射组件1210还限定在z方向上是锥形的很多孔径1214。孔径 壁1216是反射的，以致于入射在壁1216上的光1206b向基板1204 反射。此外，因为壁1216是锥形的，所以入射在基板1204上的光 1206b的入射角小于没有反射壁1216时的入射角。因此，减少了入 射在基板1204上的光在x-z平面上的发散。当反射镜1208是椭圆形 时，如果光源1202放置在椭圆的一个焦点上，并且椭圆的第二焦点 放置在标记点“F”附近，其中标记点“F”近似在横跨孔径124的 中间位置并且位于反射表面1212的平面内，则可提高光收集效率。
偏振器1218可以放置在准直仪组件1212和基板1204之间。偏 振器1218可以是线栅型偏振器(如图所示)，或者可以是MacNeille 型偏振器或其它类型的偏振器。
图12B示出照明系统1200在基板横向上的视图。反射组件1210 具有上反射表面1212和倾斜的反射表面1224，所述上反射表面可以 是平坦的，并且与光源1202平行。来自光源1202的一些光1226a 通过位于反射表面1224之间的孔径直接入射在基板1204上。一些其 它光1226b在入射到基板之前被倾斜的反射表面1224反射。因为反 射表面1224相对于z方向成一定角度，所以光1226b以一定的角度 入射在基板上，所述角度比没有反射组件1210时的角度小。一些光 1226c通过反射表面1212向反射镜1208反射回去，然后又再次向基 板1204反射回去。端部反射镜1230可以设置在曝光系统1200的端 部上以反射光1226d，否则该光会通过系统1200的端部传播出去。
反射组件1210的上表面和下表面示于图12C和图12D中。反 射组件1210的上表面示于图12C中，示出了孔径1214和反射上表 面1212。反射组件的下表面示于图12D中，示出了孔径1214和反射 表面1216及1224。应当认识到，孔径的数目不必一定限制为8个， 可以更多个孔径或更少个孔径。
反射表面1216和1224不必一定是平坦的，而且可以采用不同 的外形。例如，反射表面1224可以是曲面，如图12E所示。可以使 用其它曲面形状，例如凸面或凹面。此外，反射表面1224不必一定 都具有相同的外形。例如，一个反射表面1224可以具有第一外形， 另一个反射表面1224可以具有与第一外形不同的第二外形。
实例5
反射组件1210由具有反射表面1212、1216和1224的不锈钢基 材制造，所述基材由得自Alanod GmbH，Ennepetal，Germany的 Miro-Silver形成。Miro-Silver材料起初以片的形式提供，以一层铝 为基底，在一个表面上设置有一层高纯度的银和反射氧化物层。反射 组件包括八个孔径，每个孔径在x方向上为4.3cm，在y方向上为 1.25cm。这些孔径设置成中心至中心的间距为3.4cm。反射壁1216 和1224设置为与z方向成15°的角度。
进行实验来评价反射组件将来自灯的光有效地导向基板的能 力。使用具有10英寸长的UV灯的改型Elsicon OptoAlignTM照明系 统来进行这些实验。UV灯以600W的输入微波功率工作，对y方向 上的基板横向的不同位置，测量积分的UV能量。将UV辐射计(UV Power Puck，由EIT Inc.Sterling，Virginia生产)放置在基板的位置 上，测量UV能量。UV辐射计放置在工作台上，该工作台沿x方向 平移经过灯的照明区。在所有这些实验中，工作台的平移速度是25.4 mm/秒。从灯到辐射计的z方向上的距离可以改变。灯以0°的倾斜 角工作。沿y方向以固定的间隔重复测量，以确定基板上的照明分布。 将线栅偏振器放置在反射组件和辐射计之间。
图13中示出了作为沿与灯的纵向轴平行的方向的y位置的函数 的测量UV辐照度。灯设置在离测量平面31.6cm的高度处。以三角 形表示的一组点1302表示在320nm-390nm的波长范围内的UVA光 的辐照度(单位为mJ cm-2)，以圆圈表示的一组点1304表示在280 nm-320nm的波长范围内的UVB光的辐照度。不同的波长范围由装 配有UV辐射计的滤光器确定。从图中可知，测量的光在照明区域的 中心具有峰值。
实例6
重复实例5的测量，但是该灯设置在离测量平面48.3cm的高度 处。这些测量的结果示于图14中，曲线1402表示UVA光的曲线， 曲线1404表示UVB光的曲线。从图中可知，总辐照度降低了，但 是沿y方向的照明分布比图13更平滑。
实例7
为了比较，使用未改型的Elsicon OptoAlignTM照明系统进行相 似的测量，其中，以如图1A和图1B中所示类似的方式，仅仅用两 个孔径板限定来自灯的光的发散，灯设置在离测量平面31.6cm的高 度处。没有使用反射组件。结果示于图15中，曲线1502表示UVA 光的曲线，曲线1504表示UVB光的曲线。沿y方向的照明分布相 对比较平滑，但是总辐照度小于图13或图14中的总辐照度。这表明， 反射组件比简单的孔径板更有效地将光导向基板。
实例8
进行另一个实验以测试反射组件1210的不锈钢基材的反射性。 除去反射组件1210的上表面上的Miro-Silver，使得反射表面1212 是抛光的不锈钢表面。在大部分y位置上重复UV辐照度测量。这些 结果以表示UVA光的一系列点1306和表示UVB光的一系列点1308 的形式示于图13中。从图中可知，在用Miro-Silver反射镜和不锈钢 反射镜测量的辐照度之间的差异甚小。
为了试图确定辐照度测量的精度，对于UVA光和UVB光，多 次测量中心位置0cm处的辐照度。点1306a和1308a表示用钢质反 射表面1212测量的结果的分散范围。结论是，测量与测量之间的误 差相对比较小，小于5％。
使用不同类型的反射组件1610的UV曝光系统1600的另一实 施例示意性地示于图16A和图16B中。在该实施例中，有一个向基 板1604开口的孔径1614，该孔径具有倾斜的反射壁1624。反射组件 的上表面1612的至少一部分是倾斜的，从而与y轴不平行。
将灯1602设置成其纵向轴平行于y轴。由灯1602发射的一些 光1626a从灯1602直接入射到基板1604上。另一部分光1626b从灯 1602经由反射壁1624的一次或多次反射而入射到基板1604上。另 外，从灯1602发射的一些光可以通过反射镜1608向基板反射。例如， 入射在反射表面1612上的光1626c可以向上反射镜1608反射，然后 导向基板1604。光在入射到基板1604之前经过偏振器1618偏振。 反射镜在x-z平面内的横截面示意性地示于图16B中，其中示出了光 1626d被反射壁1616反射。
为了比较如图1A所示的双狭缝装置和反射组件的性能，对使用 反射组件1610照射基板进行数值模拟。现在参考图17-19讨论数值 模拟的结果。图17中曲线1702表示当使用反射组件1610将光导向 基板时，对基板横向上的不同位置计算所得的基板上的强度。曲线 1704表示当使用双狭缝装置将光导向基板时，对基板横向上的不同 位置计算所得的基板上的强度。当使用反射组件时，在基板横向上更 多部分的强度分布比较平坦。另外，当使用反射组件时，入射在基板 上的光的强度明显较高，差不多是使用双狭缝装置所得到的强度的两 倍。
图18中的曲线1802和1804分别示出光在纵向(x-z平面)和 横向(y-z平面)上的角度依赖关系。光在纵向上的半峰发散全角(full angle，half maximum divergence)是大约54°，光在横向上的半峰发散 全角是大约34°。入射在基板上的光的发散取决于反射组件的反射 壁1616和1624的角度。在数值模拟的情况下，壁1624与平行于z 轴的方向成15°的角度。壁1616假设平行于z轴。
图19示出计算所得的入射在基板一点上的光的角度分布。曲线 1902表示使用反射组件入射在基板上的光的横向角度依赖关系，曲 线1904表使用双狭缝入射在基板上的光的横向角度依赖关系。在 每一种情况下，对与基板中心横向相距100mm的位置计算光分布。 使用反射组件的系统的半峰发散全角是大约22°，使用双狭缝装置 的系统的半峰发散全角是大约40°。曲线1902和1904的分布的中 心都不在零位置，这说明，对于偏离基板中心的位置，光的净入射方 向是倾斜的。但是，当使用反射组件时，光在较小的角度范围内入射 到基板上(曲线1902)。因此，当使用反射组件时，偏振的方位角 旋转减少了。
图18所示的曲线1802和1804均是将图19所示类型的很多曲 线相加在一起的结果，这些曲线中的每一个都来自薄片横向上的不同 点。
现在参考图20A描述本发明的另一实施例，图20A示意性地示 出了曝光系统2000(系统A)的侧视图，其中，曲面反射镜2008是 抛物面的，灯2002放置在抛物面反射镜2008的焦点上或者焦点附近。 因此，光2006经过反射镜2008反射后基本上是准直的。可以使用一 对孔径2012和2016来限定入射在目标基板2004上的光的纵向范围。 可以使用反射结构(图中未示出)来减小横向的光发散。
例如如图1A和图1B所示的另一类型的曝光系统使用椭圆曲面 反射镜、第一狭缝和第二狭缝，来限制光的纵向的角度范围，其中所 述第一狭缝放置在椭圆面反射镜的焦点上或者焦点附近，所述第二狭 缝在所述第一狭缝后面。在这种系统中，入射在目标基板上的光的角 度范围仅由这些狭缝的尺寸确定，狭缝孔径尺寸减小，纵向上的角度 范围就会减小，从而导致入射在目标基板上的光量减少。
图21A和图21B分别比较对于图20A的曝光系统(系统A)计 算所得的入射在目标基板上的光分布与图20B和图20C所示的实例 照明系统2050和2070的光分布。系统2050(系统B)与图1A和图 1B所示的系统相似，使用椭圆面反射镜2058和一对狭缝2012及2016 以限定入射在目标基板2004上的光2056的角度范围。狭缝孔径是 38mm。系统2070(系统C)使用椭圆面反射镜2078，但是使用反 射组件2072以将光2076导向目标基板2004。反射组件2072具有与 轴线2082成15°的角度的壁2078。在每一种情况下，灯都假设是一 样的，灯与目标基板之间的间距也假设是一样的。这些计算忽略了偏 振器所产生的任何影响。对于每一个系统，将光从灯转移到目标基板 的效率总结于表IV中。
表IV照明系统
  系统     描述  照明效率   A   抛物面的/狭缝(120mm)   33.4％   B   椭圆面的/狭缝(38mm)   10.4％   C   椭圆面的/角状物   43.9％
从该表中可知，系统B的效率最低。
图21A示出作为沿着薄片的位置的函数的光的纵向强度 (down-web intensity)，其中纵向强度以任意单位表示，图中标示了系 统A-C中的每一个系统。对于系统A和C，照明区域的宽度较大， 半峰全宽为大约150mm。
图21B示出作为入射角的函数的入射在目标基板上的光的纵向 强度，其中入射角以度为单位。系统A在靠近零入射角(垂直入射) 处提供最大的强度，具有比系统C更窄的角度范围，系统A的半峰 全宽(FAHM)为大约18°，系统C的FAHM为大约26°。
使用系统B的光的角度范围是大约10°(FAHM)。进行计算以 分析对于不同宽度的狭缝，系统B中的光的强度和角度范围的增加。 图22A中的结果是作为纵向上的位置(mm)的函数的入射光强度，图 22B中的结果是作为纵向上的角度范围(以度为单位)的函数的入射 光强度。图22A和图22B所示的结果总结于表V中。该表还列出了 照明效率。如所预料的那样，随着狭缝孔径增大，照明效率提高。
表V具有不同狭缝孔径的照明系统B的操作
  狭缝宽   度(mm)     照明     效率     (％)   宽度mm   (FWHM)  图22A  曲线#  角度范围   (FWHM)    图22B    曲线#     38     10.4     56   2202     10°     2212     50     15.5     70   2204     14°     2214
    70     21.7     100   2206     18°     2216     90     27.9     130   2208     22°     2218
在孔径为70mm的情况下，系统B的FWHM为18°，但是照 明效率仅为21.7％。这与系统A形成对比，系统A的FWHM也为18 °，但是其照明效率为33.4％。因此，对于相同的角度范围，与系统 B相比，系统A将多出50％的光入射在目标基板上。即使孔径开至 90°，系统B的照明效率也比系统A低，但是其角度范围更大。
应当认识到，相对于图21和图22所讨论的计算适用于具体的 几何结构，但是对于不同的几何结构，也可能得到其它的结果。然而， 这些计算至少定性地说明了，在某些条件下，布置抛物面反射镜和狭 缝(系统A)确实提供相对较高的入射光强度值，而其角度范围相对 比较小。
因此，本发明不应该被认为只局限于上述的具体实例，相反， 应该这样理解，本发明覆盖附属权利要求书中适当陈述的本发明的所 有方面。一旦本发明所属领域的技术人员对本说明书进行阅读，对他 们来说，对本发明的各种修改、等效处理和多种结构将是显而易见的。 本权利要求书旨在覆盖这些修改和设计。