CN105659162B - 具有许多小发射器的大面积高均匀性紫外光源 - Google Patents

具有许多小发射器的大面积高均匀性紫外光源 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于固化应用的光发射源。所述光发射源包括具有顶壁和一个或多个侧壁的第一壳体。所述顶壁和所述一个或多个侧壁限定具有第一开口端的第一包壳。光发射源还包括布置在第一壳体的第一包壳中的多个光发射装置。所述多个光发射装置中的每一个的一侧从第一包壳的第一开口端面向外。所述多个光发射装置构造成从第一开口端发射光，以在目标物的表面的面对部分上产生大致均匀的照明区域。

Description

具有许多小发射器的大面积高均匀性紫外光源
相关申请的交叉引用
本申请要求在2013年9月11日提交的美国临时专利申请No.61/876,373的优先权，其公开内容整体上通过援引并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于紫外光固化的紫外光发射源，并且更特别地，涉及一系列小紫外光发射器，以在大面积上提供几乎恒定的光辐照度。
背景技术
在一些固化应用中(比如膜的半导体处理、平板显示器制造、和万维网应用)，相当大(例如，长度为10)的细长紫外光发射灯已经被用于辐照大面积基质(例如，半导体晶片)的表面。在受辐照基质上的最终辐照图案一般是不均匀的。辐照光学系统的相关技术已经采用了复杂的光学设计以修正不均匀的辐照度。由于额外的光学部件被添加至系统以改善不均匀的辐照度，这导致了辐照光学系统的低效率(或集光率)。
发明内容
通过提供一种用于固化应用的光发射源解决了上述问题并获得了本技术领域的技术方案。所述光发射源包括第一壳体，所述第一壳体具有顶壁和一个或多个侧壁。所述顶壁和所述一个或多个侧壁限定具有第一开口端的第一包壳。所述光发射源还包括布置在所述第一壳体的第一包壳中的多个光发射装置。所述多个光发射装置中的每一个的一侧从所述第一包壳的所述第一开口端面向外。所述多个光发射装置构造成从所述第一开口端发射光，以在目标物的表面的面对部分上产生大致均匀的照明区域。
附图说明
结合附图考虑下文所示示例的详细描述，将更容易地理解本公开，在附图中：
图1显示了本公开的大面积辐照设备的一个示例的侧视图。
图2A显示了图1的设备的透明侧视图，其重点放在设备中的一系列光发射装置的位置上。
图2B显示了图1和2A的设备中的光发射装置的布置样式的一个示例的仰视图。
图3显示了示出了图1、2A和2B的设备的光学输出的一个示例的模拟模型的三维图。
图4A是包含进图1的设备中的单个光发射装置的正面前视图。
图4B是图4A的光发射装置的侧视图。
图4C是图4B的光发射装置的底部侧视图。
图5A和5B分别显示了与图4B和4C的光发射装置相同的视图，伴随的图分别显示了光发射装置通过黑玻璃(welding glass)的等离子体发射。
图6是图4A-4C的光发射装置示例的测量的辐照曲线对比模拟的辐照曲线的二维图。
应当理解，附图仅出于阐述本公开概念的目的，且可以不成比例。
具体实施方式
图1显示了本公开的大面积辐照设备100的一个示例的侧视图。图2A显示了图1的设备100的透明侧视图，其重点放在设备100中的一系列光发射装置102a-102n的位置上。图2B显示了图1和2A的设备100中的光发射装置102a-102n的布置样式的一个示例的仰视图。在示例中，设备100包括一系列小(例如，1英寸长)紫外光发射装置102a-102n、具有顶壁106和一个或多个侧壁108的壳体104。在一个非限制性示例中，壳体104可以具有圆筒形形状。在示例中，顶壁106可以具有圆形形状且所述一个或多个侧壁108可以是形成敞开圆筒的一个侧壁(此后称为“侧壁108”)。
顶壁106和侧壁108限定具有开口端112的包壳110。多个光发射装置102a-102n布置在壳体104的包壳110中。所述多个光发射装置102a-102n中的每一个的一侧116a-116n从包壳110的开口端112面向外(例如，面向图2的纸面之外)。所述多个光发射装置102a-102n构造成沿着方向113从开口端112发射光，以在目标物(未示出)的表面的面对部分上产生大致均匀的照明区域。
图3显示了示出了图1、2A和2B的设备的光学输出的一个示例的模拟模型的三维图。辐照输出的模型图显示了在450mm直径上具有1W/cm2亮度的高均匀图案。对于在模拟中使用的19个发射器中的每一个来说，每个发射器的辐照输出设定为120W(无镜面依赖性)。在目标表面区域(未示出)的面对部分上的照明均匀度的变化小于或等于5％且光学效率大于90％。对观察到的辐照图案的不均匀性起主要贡献的因素可以归因于在模型中使用的有限数量的光子。在实际系统中，可以期望更高的均匀性。
返回图1、2A和2B，所述多个光发射装置102a-102n中的每个光发射装置(例如，102a)相对于其它光发射装置(102b-102n)的位置可以在设备100中被改变(例如，是灵活的)。在一个示例中，每个光发射装置(102a)的位置可以独立于设备100中的所述多个光发射装置102a-102n中的其它光发射装置(例如，102b-102n)的位置(例如，自由地布置)。在另一示例中，所述多个光发射装置102a-102n能够以相对于壳体104的中心而言在壳体104的侧壁108附近具有更高密度的光发射装置102a-102n的方式布置在壳体104中。在另一示例中，所述多个光发射装置102a-102n可以布置在大致平行于壳体104的顶壁106的平面中。
在一个示例中，所述设备可以进一步包括第一反射器118，所述第一反射器从靠近壳体104的开口端112的侧壁108处延伸。在一个示例中，所述第一反射器118可以在内表面120上具有反射涂层，所述反射涂层反射入射在内表面120上的光。在一个示例中，所述第一反射器118可以由金属或石英基材料制成。在一个示例中，所述第一反射器118可以由形成为圆筒形状的一张反射性铝基材料(例如，Alanod Miro)形成，以捕获光发射装置102a-102n的所有发射光并将其重定向在基质上。石英基材料可以具有高镜面反射电介质涂层或漫反射石英反射涂层，或具有这两种涂层。
在一个示例中，所述设备可以进一步包括第二反射器122，所述第二反射器从所述第一反射器118延伸，并且在一个示例中，可以与所述第一反射器118具有(但非必须)相同的形状(例如，圆筒形)和/或材料。在一个示例中，第二反射器122可以在内表面124上具有用于入射在内表面124上的光的反射涂层。在一个示例中，第二反射器122可以由金属或石英基材料制成。在一个示例中，如果要求真空相容性和低污染性，则第二反射器122能够由石英材料制成，该石英材料具有高镜面反射电介质涂层或漫反射石英反射涂层，比如Heraeus反射涂层(HRC)。HRC是熔融在石英表面中的碾碎的石英材料。HRC由HeraeusQuartz America，LLC of Buford，Georgia制造。第一反射器118和第二反射器122的长度、直径和材料可以独立地改变，以优化入射在目标物上的辐照轮廓并优化制造过程的相容性。
在一个示例中，第二反射器122可以通过真空交界窗126与第一反射器118分开。在一个示例中，真空交界窗126可以包含石英。真空交界窗126还可以在至少一个表面上包含抗反射涂层。金属屏(未示出)可以位于真空交界窗126附近，用于降低目标物处的电磁干扰，以降低在敏感基质附近的任何电磁场。在一个示例中，第一反射器118和第二反射器124可以具有构造成独立地变化的长度、直径和材料，以优化在目标物表面上的辐照轮廓。在一个示例中，真空交界窗126、第一反射器118、和壳体104可以形成第二包壳128。在一个示例中，第二包壳128可以被排空空气以形成真空包壳。
在图1、2A和2B的设备100的示例性仰视图中，在一个示例中，第一反射器118和第二反射器122可以具有相同的50cm的直径并且可以由相同的高镜面材料制成。在一个示例中，第一反射器118可以具有约108mm的高度且第二反射器122可以具有约45mm的高度。在示出的示例中，真空交界窗126的厚度可以超过1cm。
图4A是包含进图1的设备100中的单个光发射装置102a的正面前视图。图4B是图4A的光发射装置102a的侧视图。图4C是图4B的光发射装置102a的底部侧视图。图5A和5B分别显示了与图4B和4C的光发射装置102a相同的视图，伴随的图502a、502b分别显示了光发射装置102a通过黑玻璃的等离子体发射。在一个示例中，所述多个光发射装置102a-102n可以构造成发射一种或多种波长的紫外光。光发射装置102a-102n的适当示例包括由LuximCorporation of Santa Clara，California制造的Light Emitting PlasmaTM(LEP)射频驱动装置的STA系列(STA-25，STA-41，STA-75)。在一个示例中，所述多个光发射装置102a-102n中的每一个光发射装置(例如，102a)可以包括无灯丝灯泡402，其填充有一种或多种材料以响应于由射频或微波能的激励而发射紫外光。在一个示例中，填充至少一个无灯丝灯泡402的材料可以不同于填充所述多个光发射装置102a-102n中的其它无灯丝灯泡(未示出)的材料。
光发射装置400可以包括具有顶壁406和一个或多个侧壁408(例如，单个圆筒形侧壁406)的壳体404。顶壁406和所述一个或多个侧壁408可以限定具有开口端412的包壳410。无灯丝灯泡402的远端侧可以从包壳410的开口端412面向外，并且构造成从开口端412发射光。开口端412可以与开口端112对齐，以沿着方向113、413从壳体104向外将由图1、2A和2B的反射器118、122聚集的光发射到目标物(未示出)的表面上。
在一个示例中，光发射装置400可以包括热联接在壳体404和无灯丝灯泡402的近端侧416之间的介电包装材料414。在一个示例中，介电包装材料414可以包括氧化铝。一对射频或微波电极418可以从无灯丝灯泡402的后面延伸。射频或微波电缆422可以电联接至一对射频或微波电极418并从一对射频或微波电极418延伸。
在一个示例中，介电涂层(例如，多层堆叠或石英反射涂层(QRC))可以形成在无灯丝灯泡的背部，以提高电磁波谱的紫外光部分的反射。
在一个示例中，壳体404可以构造成接收外部散热器(未示出)。在一个示例中，散热器(未示出)可以是空气冷却或液体冷却散热器。
图6是光发射装置(例如，102a)的一个示例的测量的辐照曲线602对比模拟的辐照曲线604的二维图。利用Photopia光学模拟软件实施模拟并利用工业标准辐照计(由EIT,LLC of Sterling，Virginia制造)实施测量。亮度数值范围被归一化，以更接近地比较光的空间分布。距目标物的距离被设定为约77mm。虚线606显示了灯泡的中心线并且与数据对准。如数据所示，模拟的辐照曲线604和测量的辐照曲线602在空间范围内非常接近。
本发明具有灵活和有效的优势。一系列小(1英寸长)紫外光发射装置102a-102n可以通过使用发射器装置和简单的外部光学器件而在大面积上提供几乎恒定的光辐照度。通过使用许多小紫外光发射装置102a-102n，每个光发射装置102a-102n的位置相对于彼此是灵活的(独立的)。这允许更精细地控制最终的(光)辐照图案。还有，如果需要，每个灯泡填充物可以被改变，以在辐照图案中产生更加定制化的光谱含量。效率(发射的光冲击表面的总百分比)可以远高于80％，且具有小于5％的均匀性波动，而当前的设计一般在50％的效率且大于7％的均匀性波动下工作。
本公开的示例可以应用于各种领域，比如膜的半导体处理、平板显示器制造、和万维网应用。
应当理解，上面的描述是阐述性的而非限制性的。在阅读和理解了上面的描述之后，许多其它的实施例将对本领域技术人员来说显而易见。尽管参照具体示例性实施例已经描述了本公开，但是将认识到本公开不局限于描述的实施例，而是能够以在所附权利要求的精神和范围内的修改和替代进行实施。因此，说明书和附图应被认为是阐述性的而非限制性的。因此，应该参照所附权利要求、以及授权于本权利要求的等同物的全部范围来确定本公开的范围。

Claims (20)

1.一种光发射源，包括：
第一壳体，所述第一壳体具有顶壁和一个或多个侧壁，所述第一壳体的所述顶壁和所述一个或多个侧壁限定具有第一开口端的第一包壳；
多个光发射装置，所述多个光发射装置布置在所述第一壳体的所述第一包壳中，所述多个光发射装置中的每一个的一侧从所述第一包壳的第一开口端面向外，所述多个光发射装置构造成从所述第一开口端发射光，以在目标物的表面的面对部分上产生大致均匀的照明区域；
第一反射器，所述第一反射器从靠近所述第一壳体的第一开口端的一个或多个侧壁延伸；和
第二反射器，所述第二反射器从所述第一反射器延伸，所述第二反射器通过真空交界窗与所述第一反射器分开。
2.根据权利要求1所述的光发射源，其中，每个光发射装置相对于所述多个光发射装置的其它光发射装置的位置是能够变化的。
3.根据权利要求1所述的光发射源，其中，每个光发射装置的位置独立于所述多个光发射装置的其它光发射装置的位置。
4.根据权利要求1所述的光发射源，其中，所述多个光发射装置以相对于所述第一壳体的中心而言在所述第一壳体的所述一个或多个侧壁附近具有更高密度的光发射装置的方式布置在所述第一壳体中。
5.根据权利要求1所述的光发射源，其中，所述多个光发射装置构造成发射一种或多种波长的紫外光。
6.根据权利要求1所述的光发射源，其中，所述多个光发射装置中的每个光发射装置包括填充有一种或多种材料的无灯丝灯泡，以响应于射频或微波能的激励而发射紫外光。
7.根据权利要求1所述的光发射源，其中，填充至少一个无灯丝灯泡的材料不同于填充所述多个光发射装置中的另一无灯丝灯泡的材料。
8.根据权利要求1所述的光发射源，其中，所述多个光发射装置中的每个光发射装置包括：
第二壳体，所述第二壳体具有顶壁和一个或多个侧壁，所述第二壳体的所述顶壁和所述一个或多个侧壁限定具有第二开口端的第二包壳，无灯丝灯泡的远端侧从所述第二包壳的所述第二开口端面向外并且构造成从所述第二开口端发射光。
9.根据权利要求8所述的光发射源，其中，每个光发射装置还包括：
介电包装材料，所述介电包装材料热联接在所述第二壳体和所述无灯丝灯泡的近端侧之间；
介电涂层，所述介电涂层形成在所述无灯丝灯泡的背部；
一对射频或微波电极，所述一对射频或微波电极从所述无灯丝灯泡的后面延伸；和
射频或微波电缆，所述射频或微波电缆电连接至所述一对射频或微波电极并且从所述一对射频或微波电极延伸。
10.根据权利要求8所述的光发射源，其中，所述第二壳体构造成接收空气冷却或水冷却的外部散热器。
11.一种光发射源，包括：
第一壳体，所述第一壳体具有顶壁和一个或多个侧壁，所述顶壁和所述一个或多个侧壁限定具有第一开口端的第一包壳；
多个光发射装置，所述多个光发射装置布置在所述第一壳体的所述第一包壳中，所述多个光发射装置中的每一个的一侧从所述第一包壳的第一开口端面向外，所述多个光发射装置构造成从所述第一开口端发射光，以在目标物的表面的面对部分上产生大致均匀的照明区域；和
第一反射器，所述第一反射器从靠近所述第一壳体的第一开口端的一个或多个侧壁延伸。
12.根据权利要求11所述的光发射源，其中，所述第一反射器由金属或石英基材料中的一种制成。
13.根据权利要求12所述的光发射源，其中，所述石英基材料具有高镜面反射介电涂层或漫反射石英反射涂层中的至少一种。
14.根据权利要求11所述的光发射源，还包括第二反射器，所述第二反射器具有与所述第一反射器相同的形状并且从所述第一反射器延伸。
15.根据权利要求14所述的光发射源，其中，所述第二反射器由金属或石英基材料中的一种制成。
16.根据权利要求15所述的光发射源，其中，所述石英基材料具有高镜面反射介电涂层或漫反射石英反射涂层中的至少一种。
17.根据权利要求14所述的光发射源，其中，所述第二反射器通过真空交界窗与所述第一反射器分开。
18.根据权利要求17所述的光发射源，其中，所述真空交界窗包含石英。
19.根据权利要求17所述的光发射源，其中，所述真空交界窗在至少一个表面上包含抗反射涂层。
20.根据权利要求17所述的光发射源，其中，所述真空交界窗、所述第一反射器、和所述第一壳体形成第二包壳，所述第二包壳排出空气以形成真空包壳。
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