複眼勻光系統、光學引擎及光源優化裝置的製作方法
2024-01-22 03:36:15
本發明涉及光刻直寫曝光機及投影顯示技術領域，尤其是涉及一種複眼勻光系統、光學引擎及光源優化裝置。
背景技術：
光刻技術是用於在基底表面上印刷具有特徵構圖的技術。這樣的基底可用於製造半導體器件、多種集成電路、平面顯示器(例如液晶顯示器)、電路板、生物晶片、微機械電子晶片、光電子線路晶片等。由於市面上大多數的印刷電路板(Printed Circuit Board，簡稱PCB板)都為精密線路，普遍的解析能力達到10-20μm量級，因此直接成像(Direct Image，簡稱DI)設備能量的均勻性是影響曝光質量的主要因素，但是，現有技術中的複眼勻光系統存在DI曝光時能量分布不均勻，進而導致PCB板報廢率居高不下的問題。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種複眼勻光系統、光學引擎及光源優化裝置，以解決現有技術中複眼勻光系統存在的DI曝光時能量分布不均勻，進而導致PCB板報廢率居高不下的問題。
第一方面，本發明實施例提供了一種複眼勻光系統，包括第一鏡片組和第二鏡片組，第一鏡片組包括第二鏡片和第三鏡片，第二鏡片組包括第一鏡片和第四鏡片；
平行入射光依次經過第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片和第四鏡片；
第二鏡片的出光面和第三鏡片的入光面均設有第一複眼透鏡陣列；第一鏡片的入光面和第四鏡片的出光面均設有第二複眼透鏡陣列；第一複眼透鏡陣列垂直於第二複眼透鏡陣列；
第一鏡片的第二複眼透鏡陣列中各小透鏡的焦點與第二鏡片的第一複眼透鏡陣列中對應的小透鏡的光心重合；第三鏡片的第一複眼透鏡陣列中各小透鏡的焦點與第四鏡片的所述第二複眼透鏡陣列中對應的小透鏡的光心重合。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，第一複眼透鏡陣列的曲率小於第二複眼透鏡陣列的曲率。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，第一複眼透鏡陣列的曲率為1～2mm，第二複眼透鏡陣列的曲率為4.5～5.5mm，優選地，第一複眼透鏡陣列的曲率為1.5mm，第二複眼透鏡陣列的曲率為5mm。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，第二鏡片貼近第一鏡片；第三鏡片與第二鏡片間的距離為3.05～3.25mm，與第四鏡片間的距離為4.8～5.2mm；本實施方式中，第三鏡片與第二鏡片間的距離優選為3.15mm，第三鏡片與第四鏡片間的距離優選為5.55mm。
結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，第一複眼透鏡陣列和第二複眼透鏡陣列均為柱面鏡。
第二方面，本發明實施例還提供了一種光學引擎，包括光源、收光模塊以及第一方面及其可能的實施方式所述的複眼勻光系統，其中，
所述收光模塊包括光闌和透鏡；
所述收光模塊位於所述光源與所述複眼勻光系統之間。
結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中，所述光源為雷射光源、LED光源、光纖光源、汞燈的任意一種。
結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第二種可能的實施方式，其中，光闌為孔徑可調節光闌。
第三方面，本發明實施例還提供了一種光源優化裝置，包括光源、光源優化模塊以及第一方面及其可能的實施方式所述的複眼勻光系統，其中，
所述光源優化模塊包括望遠鏡系統和光闌；
所述望遠鏡系統為第一透鏡和第二透鏡構成的透鏡組；
所述光闌位於所述第一透鏡和所述第二透鏡之間。
結合第三方面，本發明實施例提供了第三方面的第一種可能的實施方式，其中，
所述光源為雷射光源。
本發明實施例帶來了以下有益效果：
平行入射光依次經過第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片和第四鏡片，第一複眼透鏡陣列垂直於第二複眼透鏡陣列，且第一鏡片的第二複眼透鏡陣列中各小透鏡的焦點與第二鏡片的第一複眼透鏡陣列中對應的小透鏡的光心重合；第三鏡片的第一複眼透鏡陣列中各小透鏡的焦點與第四鏡片的第二複眼透鏡陣列中對應的小透鏡的光心重合，使通過第一鏡片後的每個細光束範圍內的微小不均勻性得到多次補償，實現對光線的有效均勻化，從而在曝光時能夠獲得所需要的均勻能量。
本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例1提供的複眼勻光系統示意圖；
圖2為本發明實施例1提供的複眼勻光系統中的第一(第二)複眼透鏡陣列的結構示意圖；
圖3為本發明實施例2提供的光學引擎的結構示意圖；
圖4為本發明實施例2提供的光學引擎的光闌結構示意圖；
圖5為本發明實施例3提供的光源優化裝置的示意圖。
圖標：01-平行入射光；02-均勻出射光；03-光束；1-第一鏡片組；11-第二鏡片；12-第三鏡片；13-第一複眼透鏡陣列；2-第二鏡片組；21-第一鏡片；22-第四鏡片；23-第二複眼透鏡陣列；3-光闌；4-透鏡；5-光源；6-望遠鏡系統；61-第一透鏡；62-第二透鏡。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
目前的複眼勻光系統存在DI曝光時能量分布不均勻的問題，基於此，本發明實施例提供的一種複眼勻光系統、光學引擎及光源優化裝置，可以實現光線的有效均勻化，最後曝光時能夠獲得所需要的均勻能量。
為便於對本實施例進行理解，首先對本發明實施例所公開的一種複眼勻光系統進行詳細介紹。
實施例1
如圖1所示，本發明提供的複眼勻光系統，包括第一鏡片組1和第二鏡片組2，第一鏡片組1包括第二鏡片11和第三鏡片12，第二鏡片組2包括第一鏡片21和第四鏡片22。
平行入射光01依次經過第一鏡片21、第二鏡片11、第三鏡片12和第四鏡片22。
第二鏡片11的出光面和第三鏡片12的入光面均設有第一複眼透鏡陣列13；第一鏡片21的入光面和第四鏡片22的出光面均設有第二複眼透鏡陣列23；第一複眼透鏡陣列13垂直於第二複眼透鏡陣列23。
第一鏡片21的第二複眼透鏡陣列23中各小透鏡的焦點與第二鏡片11的第一複眼透鏡陣列13中對應的小透鏡的光心重合；第三鏡片12的第一複眼透鏡陣列13中各小透鏡的焦點與第四鏡片22的所述第二複眼透鏡陣列23中對應的小透鏡的光心重合。
平行入射光01依次經過第一鏡片21、第二鏡片11、第三鏡片12和第四鏡片22，第一複眼透鏡陣列13垂直於第二複眼透鏡陣列23，且第一鏡片21的第二複眼透鏡陣列23中各小透鏡的焦點與第二鏡片11的第一複眼透鏡陣列13中對應的小透鏡的光心重合；第三鏡片12的第一複眼透鏡陣列13中各小透鏡的焦點與第四鏡片22的第二複眼透鏡陣列23中對應的小透鏡的光心重合，使通過第一鏡片21後的每個細光束範圍內的微小不均勻性得到多次補償，實現對光線的有效均勻化，從而在曝光時能夠獲得所需要的均勻能量。
其中，第一複眼透鏡陣列13的曲率小於第二複眼透鏡陣列23的曲率，第一複眼透鏡陣列13的曲率為1～2mm，第二複眼透鏡陣列23的曲率為4.5～5.5mm。對應第一鏡片組1鏡片和第二鏡片組2鏡片的曲率，第二鏡片11貼近第一鏡片21；第三鏡片12與第二鏡片11間的距離為3.05～3.25mm，第三鏡片12與第四鏡片22間的距離為4.8～5.2mm。
如圖2所示，第一複眼透鏡陣列13和第二複眼透鏡陣列23均採用柱面鏡，柱面鏡便於不同鏡片之間光軸的調節與對齊，從而降低了加工難度和成本，提高了出射光的均勻性。
作為本實施例的優選實施方式，第一鏡片組1鏡片的曲率優選為5mm，第二鏡片組2鏡片的曲率優選為1.5mm，第二鏡片11貼近第一鏡片21，第二鏡片11和第三鏡片12之間的距離為3.15mm，第三鏡片12和第四鏡片22之間的距離為5mm，且複眼透鏡陣列中透鏡的大小為10mm×10mm×1.2mm，Pitch＝0.5mm。
實施例2
在一臺DI設備中往往包含了兩個以上類似的光學引擎，光學引擎為DI提供光能來源，光學引擎後還會經過一系列的光學元器件，光學引擎自身差異及後續光學器件的差異會造成到達曝光面工作檯的能量差異。該光學引擎可以調整這種差異，並不影響設備其他性能。
DI設備大多採用DMD成像技術，限於DMD畫幅的大小，一臺DI設備中往往需要多個同樣的光學鏡頭模塊，這就對每個鏡頭模塊中包含的光學引擎提出了較高的要求，要求光學引擎性能穩定，能量靈活可調。最終保證DI成像曝光區域的範圍內能量均勻一致。本發明提供了一種光學引擎可調節能量大小。
本發明提供了一種光學引擎，為直寫成像設備提供均勻整形的，穩定可靠的，能量大小可以無級調整的能量引擎，可以解決DI設備中各個曝光位置能量量不均勻而引起的產品良率問題。
如圖3所示，本實施例提供了一種光學引擎，用於直寫成像設備(Direct Imaging，簡稱DI)的光學引擎裝置。與現有技術相比該引擎，能夠在硬體上無級調節能量大小，並且不會引起照明均勻性、數值孔徑的變化。
該光學引擎包括光源5、收光模塊以及實施例1中的複眼勻光系統，其中，
收光模塊包括光闌3和透鏡4；
收光模塊位於光源5與複眼勻光系統之間。
進一步的是，光源5適用於雷射光源、LED光源、光纖光源、汞燈等，適用的光源範圍很廣，優選的是，光源5為雷射光源。
優選的是，光闌3為孔徑可調節光闌，結構見圖4，最大孔徑為Dmax，最小孔徑為Dmin，通過調節可以使孔徑在Dmax和Dmin之間無級變化，其中Dmin可以為零。
光闌3的孔徑可以通過手動或電動調節，光闌3置於複眼勻光系統之前，光闌3孔徑的改變只減少了進入勻光模塊的光線的多少，進入的光束仍然完成了勻光與整形，保證了光學性能穩定，同時調整了能量大小。
光源5為雷射光源，採用波長為405nm雷射器，採用的光纖通道技術(Fiber Channel，簡稱FC)接口方式提供385～405nm的光源，光纖端面直徑為0.49mm，數值孔徑(Numerical Aperture，簡稱NA)為0.2的半導體雷射器8，即雷射二極體(Laser Diode，簡稱LD)。
通過光源5出射的光束03入射到孔徑可調節光闌3上，未被光闌3阻擋的光束03會繼續通過，入射到透鏡4上，透鏡4為準直透鏡，進一步的是，準直透鏡4前鏡曲率範圍是31.775～35.775mm，後鏡曲率範圍是-17.986～13.986mm，本實施例中透鏡4的前鏡曲率優選為33.775mm，後鏡曲率優選為-15.986mm，半高為9mm，厚度5mm，雷射光源5的雷射經過準直透鏡4後形成的光斑大小與複眼尺寸大小相同，以免複眼系統出現「旁瓣」現象，導致能量不均勻。
光源5發射的光束03入射到孔徑可調節光闌3上，未被光闌3阻擋的光束03會繼續傳播，入射到透鏡4上，經過透鏡4後光束傳播方向會發生改變，變成準直光束，即平行入射光01，平行入射光01通過實施例1中的複眼勻光系統，以均勻出射光02照射到被照明物體上。
通過調節光闌3，改變其孔徑大小，可以控制到達透鏡4的光束03的大小，通過透鏡4的平行入射光01仍然不受幹擾的通過了複眼勻光系統，所以改變光闌3，只會影響到到達被照明物體的能量大小，不會影響其光學性能，如均勻性、面積大小、入射角度大小及數值孔徑。
實施例3
在一臺DI設備中往往包含了兩個以上類似的光源優化裝置，該光源優化裝置為DI提供光能來源，該光源優化裝置後還會經過一系列的光學元器件，該光源優化裝置自身差異及後續光學器件的差異會造成到達曝光面工作檯的成像質量差異。該光源優化裝置可以優化這種差異，並不影響設備其他性能。
DI設備涉及DMD投影技術以及光學成像系統，光成像中，不同波長的成像質量有一定的差異，若光源波長帶寬足夠窄，則成像質量更好，這就對到達成像系統前的光源有了較高要求。要求光源波長單一且性能穩定，最終保證DI投影到曝光區域的像的質量良好，為此本發明實施例提供了一種光源優化裝置。
如圖5所示，本實施例提供了一種光源優化裝置，包括光源5、光源優化模塊以及實施例1中的複眼勻光系統，其中，
光源優化模塊包括望遠鏡系統6和光闌3；
望遠鏡系統6為第一透鏡61和第二透鏡62構成的透鏡組；
光闌3位於第一透鏡61和第二透鏡62之間。
進一步的是，光源5適用於雷射光源等帶寬較窄的光源，光源5為雷射光源，適應脈衝或連續雷射光源，包括固定雷射器，半導體雷射器等，優選的是，光源5為半導體雷射器。
需要說明的是，根據光源5的帶寬來選擇光闌3的孔徑的大小，即光闌3是與光源5特性(波長、光斑)相對應的。
光源5為雷射光源，通過光源5出射的光束03入射到第一透鏡61上，經聚焦後到達焦點處的光闌3上，經過光闌3衍射後到達第二透鏡62，通過調整第二透鏡62的位置，只允許艾裡斑被第二透鏡62收集，且該光束成為準直光束，即平行入射光01，平行入射光01通過複眼勻光系統後，以均勻出射光02照射到被照明物體上。
根據光源選擇合適的光闌3，可以將不需要的螢光過濾掉，從而使得到達勻光模塊的光束單一性更好。
光闌3孔徑的值應為與光源波長一個量級的大小，光闌3的作用是對傳輸的光束進行了過濾，使得光源更單一，減少了螢光的幹擾。為濾去周圍的雜散光和螢光，由第一透鏡61聚焦，在第一透鏡61的焦點處加光闌3，然後再通過第二透鏡62，使其焦點與第一個焦點重合。
半導體雷射器發出的光束03依次經過光源優化模塊以及複眼勻光系統。
光源5發出的光束03經過光源優化模塊收集，光源優化模塊中包含瞭望遠鏡系統6的第一透鏡61和第二透鏡62，以及光闌3。通過光源優化模塊的光線進入勻光系統，勻光系統可以使用複眼勻光系統或方棒(即圓柱形)勻光系統，本實施例為複眼勻光系統，通過複眼勻光系統的光束符合既定的均勻性、面積大小、入射角度大小及數值孔徑以及單一性要求。
半導體雷射器發出的光束03通過光源優化模塊形成平行入射光01，平行入射光01的光斑大小與複眼尺寸大小相同，平行入射光01依次通過複眼勻光系統的第一鏡片21、第二鏡片11、第三鏡片12和第四鏡片22，實現了對光源的有效勻光，並輸出均勻出射光02，繼而對DI最後曝光的能量做到有效均勻化，降低了PCB板的報廢率。
優選地，光源5採用波長為405nm雷射器，採用的光纖通道技術(Fiber Channel，簡稱FC)接口方式提供385～405nm的光源，光纖端面直徑為0.49mm，數值孔徑(Numerical Aperture，簡稱NA)為0.2的半導體雷射器，即雷射二極體(Laser Diode，簡稱LD)；第二透鏡62前鏡曲率範圍是31.775～35.775mm，後鏡曲率範圍是-17.986～13.986mm，本實施例中準直透鏡7的前鏡曲率優選為33.775mm，後鏡曲率優選為-15.986mm，半高為9mm，厚度5mm，雷射器的雷射經過第二透鏡62後形成的光斑大小與複眼尺寸大小相同，以免複眼系統出現「旁瓣」現象，導致能量不均勻。
本發明實施例提供的光源優化裝置，與上述實施例提供的光學引擎及複眼勻光系統具有相同的技術特徵，所以也能解決相同的技術問題，達到相同的技術效果。
此外，該光源優化裝置還可以解決DI設備中由於光源中含螢光比重較大而引起的解析不良導致產品良率的問題。
所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統和裝置的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
另外，在本發明實施例的描述中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
最後應說明的是：以上所述實施例，僅為本發明的具體實施方式，用以說明本發明的技術方案，而非對其限制，本發明的保護範圍並不局限於此，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改、變化或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和範圍，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。