CN105676598A - 光线收集透镜、曝光光学系统、曝光头及曝光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及精密加工设备技术领域，具体涉及一种光线收集透镜、曝光光学系统、曝光头及曝光装置，所述光线收集透镜，包括用于容纳光源的容纳腔，所述光源包括若干阵列布置的LED芯片，所述容纳腔的壁面为入射面，光源发出的光线由光线收集透镜收集并进行角度和光束口径的控制，使尽量多的光线能够被后继其他透镜接收并且有效通过。本申请的光线收集透镜，光源发出的光线尽可能多的进入光线收集透镜，首先是保证了对光源发出光线的利用率；同时，进而提高了透镜对光源发出光线的控制能力，降低照射在透镜外部的光线对曝光设备的不利影响；再一方面，还能够对各个LED芯片发出的光线进行协调的控制，提高输出光线的均匀度。

Description

光线收集透镜、曝光光学系统、曝光头及曝光装置
技术领域
本发明涉及精密加工设备技术领域，具体涉及一种光线收集透镜、曝光光学系统、曝光头及曝光装置。
背景技术
在微电子、微光学等微纳加工领域，平行光曝光机是实现高精度加工复制的重要装备。其工作原理是，通过平行光将掩膜上的图形等尺寸的转移到掩膜下面的菲林上，然后再通过腐蚀或者刻蚀等方式，将菲林上的图形转移到基片上，最后完成产品的制作。
在上述工作过程中，图形转移的精度直接决定着最终产品的制造精度，而在图形转移过程中，是否能够能够将掩膜上的图形等尺寸的转移到掩膜下面的菲林上，取决于照明光线的平行度，当照明光线的平行度达到较高精度时，光线经过掩模后不会很快扩散，进而可以很好的保证加工精度，所以，如何保证照明光线的平行度精度成为了本领域内的研发热点。
目前，曝光机的通常是采用汞灯作为光源，汞灯产生的光谱比较复杂，包含很多条谱线，并且还有大量的红外辐射，效率非常低。另一方面，汞灯的寿命都非常短，一般只有800小时，而大功率的汞灯价格都在几万元人民币，导致生产成本很高。
UV-LED具有效率高、寿命长和谱线窄等优点，是替换汞灯的理想光源。然而，单个UV-LED灯珠光功率很低，要达到与汞灯相当的功率密度，需要多个UV-LED灯珠进行同时工作。而目前UV-LED的发散角很大，并且多个灯珠排布的点阵属于面光源，能量很难有效利用。
所以，目前亟需一种能够有效利用UV-LED作为照明光源的曝光设备。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前难以有效利用UV-LED作为曝光装置照明光源的问题，提供一种能够有效利用UV-LED作为照明光源提高产品精度的曝光设备。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种光线收集透镜，包括用于容纳光源的容纳腔，所述光源包括若干阵列布置的LED芯片，所述容纳腔的壁面为入射面，光源发出的光线由光线收集透镜收集并进行角度和光束口径的控制，使尽量多的光线能够被后继其他透镜接收并且有效通过。
本申请的光线收集透镜，由于设置有容纳光源的容纳腔，光源设置容纳腔内，容纳腔壁面为入射面，光源发出的光线尽可能多的进入光线收集透镜，首先是保证了对光源发出光线的利用率；同时，减少或者避免了光线照射在透镜外，进而提高了透镜对光源发出光线的控制能力，降低照射在透镜外部的光线对曝光设备的不利影响；再一方面，由于若干的LED芯片是被设置在同一个透镜的容纳腔内，光线收集透镜不仅起到收集光线的作用，还能够对各个LED芯片发出的光线进行协调的控制，提高输出光线的均匀度。
作为优选，所述光源发出的光线包括位于中部的小角度光线和环绕与所述小角度光线外的大角度光线，所述光线收集透镜还包括有出射面和反射面，小角度光线由入射面进入光线收集透镜后直接由出射面射出，大角度光线光线由入射面进入光线收集透镜后，经所述反射面后再折射出出射面。
作为优选，所述入射面包括第一入射面和第二入射面，所述第二入射面环绕于所述第一入射面外，小角度光线和大角度光线分别由第一入射面和第二入射面折射进入光线收集透镜。
作为优选，所述出射面包括第一出射面和第二出射面，所述第二出射面环绕于所述第一出射面外，小角度光线和大角度光线分别由第一入射面和第二入射面折射出光线收集透镜。
在本申请的上述方案中，将光源发出的光学分为小角度光线和大角度光线，对于光源而言，小角度光线发散角度小，强度较大，而大角度光线，发散角度大，强度较弱，所以，在本申请中，将小角度光线和大角度光线进行分别控制，提高透镜对光线的控制能力和控制精度。
作为优选，所述第一入射面为向光源凸起的曲面，所述第一出射面为背离所述第一入射面凸起的曲面，所述第一出射面的曲率半径大于第一入射面的曲率半径。
作为优选，所述反射面呈碗状，所述第二出射面为平面。
在本申请的上述方案中，由于小角度光线的发散角度较小，强度较大，所以通过第一入射面和第一出射面设置为曲面，并且第一出射面的曲率半径大于第一入射面的曲率半径，使得小角度光线适当的发散，增大其发散角度，并且降低其强度；而将反射面设置为碗状，第二出射面为平面，使大角度光线适当的收缩，减小其发散角度，同时也增大其强度，如此，将小角度光线与大角度光线进行协调控制，进一步的提高光线收集透镜对光线的控制能力和控制精度。
本申请还公开了一种曝光光学系统，包括上述的光线收集透镜，还包括有准直镜，准直镜将光线收集透镜折射出的光线进行准直，使曝光光学系统输出平行光线，然后投射到曝光工作面。
在本申请的上述方案中，曝光光学系统包括光线收集透镜和准直镜，光线收集透镜使得光源发出的光线尽量多的被利用，并且将光线进行角度和光束口径的控制，使光线尽量多的进入到准直镜中参与曝光工作，提高光源的利用率；准直镜将接收的光线进行准直，输出平行光线进行曝光工作，提高曝光的精度，所以，本申请的曝光光学系统在提高光线利用率的同时，还提高了曝光质量。
作为优选，所述曝光光学系统还包括有复眼透镜，所述复眼透镜设置在所述光线收集透镜与准直镜之间，所述复眼透镜接收光线收集透镜出射的光线，并对光线进行扩束和整形处理，然后再将光线折射至所述准直镜。
在本申请的上述方案中，通过在光线收集透镜与准直镜之间设置复眼透镜，通过复眼透镜先对光线收集透镜折射出的光线进行调整，然后再将光线折射进入准直镜，降低了准直镜对光线进行准直的难度，进一步提高了准直镜输出光线的平行度，提高曝光光学系统的曝光质量。
作为优选，所述复眼透镜由多个复眼透镜子单元堆叠而成，每个复眼透镜子单元对其接收到的光线进行扩束及整形处理。
在上述方案中，复眼透镜由多个复眼透镜子单元堆叠而成，每个复眼透镜子单元对其接收到的光线分别进行扩束及整形处理，由于照射在复眼透镜各个部位上的光线并不相同，所以通过复眼透镜子单元分别进行控制，进一步的提高复眼透镜对光线的控制能力。
作为优选，所述复眼透镜子单元的外形为正四边形。
作为进一步的优选，所述曝光光学系统还包括有场镜，所述场镜设置在所述复眼透镜与准直镜之间，由所述复眼透镜折射出的光学进入到的场镜中，所述场镜将复眼透镜子单元射出的光束进行重叠叠加。
在本申请的上述方案中，通过设置场镜，场镜将复眼透镜子单元射出的光束进行重叠叠加，然后再折射至准直镜，由各个复眼透镜子单元折射出的光线还较为离散，所以，通过设置场镜，对光线进行重叠叠加，使得由准直镜输出的光线不仅有较高的平行度，而且各个区域的强度也具有良好的一致性。
作为优选，所述场镜与所述准直镜之间或者所述收集透镜与复眼透镜之还设置有用于改变光线传输方向的反射镜。
在本申请上述方案中，通过设置反射镜是光线传输的方向发生改变，对光线进行折叠，可以使本申请的曝光光学系统的长度减小，使整个曝光光学系统的结构紧凑。
作为优选，所述准直镜为折射透镜或者曲面反射镜。
在本申请的上述方案中，可以根据实际需要，将准直镜设置为折射透镜或者曲面反射镜。
本申请还公开了一种曝光头，其包括上述的曝光光学系统或者上述的光线收集透镜，还包括有光源，所述光源为紫外光源。
作为优选，所述光源为若干阵列布置在同一封装内的紫外LED芯片。
本申请的曝光头，由于采用了上述的光学收集透镜或者曝光光学系统，使其能够有效利用紫外LED芯片作为照明光源，提高曝光头的曝光精度；并且光源为若干阵列布置在同一封装内的紫外LED芯片，使得各个紫外LED芯片发出的光线能够得到协调的控制，不仅使得曝光头能够输出较高平行度的光线，而且还提高了输出光线强度的均匀性。
本申请还公开了一种曝光装置，其包括有上述的光线收集透镜或者曝光光学系统或者曝光头。
本申请的曝光装置，由于采用上述的光线收集透镜或者曝光光学系统或者曝光头，使其在曝光过程中具有较高的精度，进而良好保证图形转移的精度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请的有益效果是：
1、光源发出的光线尽可能多的进入光线收集透镜，保证了对光源发出光线的利用率；
2、减少或者避免了光线照射在透镜外，提高了透镜对光源发出光线的控制能力，降低照射在透镜外部的光线对曝光设备的不利影响；
3、光线收集透镜不仅起到收集光线的作用，还能够对各个LED芯片发出的光线进行协调的控制，提高输出光线的均匀度。
附图说明
图1为本申请曝光光学系统中准直镜为折射透镜的光路示意图；
图2为本申请曝光光学系统中准直镜为曲面反射镜的光路示意图；
图3为本申请曝光光学系统中设置反射镜的光路示意图；
图4为本申请光线收集透镜的结构示意图；
图5为复眼透镜的局部结构示意图；
图6为光源的结构示意图，
图中标记：1-光源，2-光线收集透镜，3-LED芯片，4-反射面，5-第一入射面，6-第二入射面，7-第一出射面，8-第二出射面，9-准直镜，10-复眼透镜，11-复眼透镜子单元，12-场镜，13-反射镜，14-光源发出的光线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1-6所示，
一种光线收集透镜，包括用于容纳光源1的容纳腔3，所述光源1包括若干阵列布置的LED芯片3，所述容纳腔3的壁面为入射面，光源1发出的光线14由光线收集透镜2收集并进行角度和光束口径的控制，使尽量多的光线能够被后继其他透镜接收并且有效通过，所述光源1发出的光线14包括位于中部的小角度光线和环绕与所述小角度光线外的大角度光线，所述光线收集透镜2还包括有出射面和反射面4，小角度光线由入射面进入光线收集透镜2后直接由出射面射出，大角度光线光线由入射面进入光线收集透镜2后，经所述反射面4后再折射出出射面，所述入射面包括第一入射面5和第二入射面6，所述第二入射面6环绕于所述第一入射面5外，小角度光线和大角度光线分别由第一入射面5和第二入射面6折射进入光线收集透镜2，所述出射面包括第一出射面7和第二出射面8，所述第二出射面8环绕于所述第一出射面7外，小角度光线和大角度光线分别由第一入射面5和第二入射面6折射出光线收集透镜2，所述第一入射面5为向光源1凸起的曲面，所述第一出射面7为背离所述第一入射面5凸起的曲面，所述第一出射面7的曲率半径大于第一入射面5的曲率半径，所述反射面4呈碗状，所述第二出射面8为平面。
本实施例的光线收集透镜2，由于设置有容纳光源1的容纳腔3，光源1设置容纳腔3内，容纳腔3壁面为入射面，光源1发出的光线14尽可能多的进入光线收集透镜2，首先是保证了对光源1发出光线的利用率；同时，减少或者避免了光线照射在透镜外，进而提高了透镜对光源1发出光线的控制能力，降低照射在透镜外部的光线对曝光设备的不利影响；再一方面，由于若干的LED芯片3是被设置在同一个透镜的容纳腔3内，光线收集透镜2不仅起到收集光线的作用，还能够对各个LED芯片3发出的光线14进行协调的控制，提高输出光线的均匀度。
在本实施例的上述方案中，将光源1发出的光学分为小角度光线和大角度光线，对于光源1而言，小角度光线发散角度小，强度较大，而大角度光线，发散角度大，强度较弱，所以，在本实施例中，将小角度光线和大角度光线进行分别控制，提高透镜对光线的控制能力和控制精度。
在本实施例的上述方案中，由于小角度光线的发散角度较小，强度较大，所以通过第一入射面5和第一出射面7设置为曲面，并且第一出射面7的曲率半径大于第一入射面5的曲率半径，使得小角度光线适当的发散，增大其发散角度，并且降低其强度；而将反射面4设置为碗状，第二出射面8为平面，使大角度光线适当的收缩，减小其发散角度，同时也增大其强度，如此，将小角度光线与大角度光线进行协调控制，进一步的提高光线收集透镜2对光线的控制能力和控制精度。
实施例2：如图1-6所示，
一种曝光光学系统，包括实施例1所述的光线收集透镜2，还包括有准直镜9，准直镜9将光线收集透镜2折射出的光线进行准直，使曝光光学系统输出平行光线，然后投射到曝光工作面，所述曝光光学系统还包括有复眼透镜10，所述复眼透镜10设置在所述光线收集透镜2与准直镜9之间，所述复眼透镜10接收光线收集透镜2出射的光线，并对光线进行扩束和整形处理，然后再将光线折射至所述准直镜9，所述复眼透镜10由多个复眼透镜子单元11堆叠而成，每个复眼透镜子单元11对其接收到的光线进行扩束及整形处理，所述复眼透镜子单元11的外形为正四边形，所述曝光光学系统还包括有场镜12，所述场镜12设置在所述复眼透镜10与准直镜9之间，由所述复眼透镜10折射出的光学进入到的场镜12中，所述场镜12将复眼透镜子单元11射出的光束进行重叠叠加，所述场镜12与所述准直镜9之间或者所述收集透镜与复眼透镜10之还设置有用于改变光线传输方向的反射镜13，所述准直镜9为折射透镜或者曲面反射镜。
在本实施例的上述方案中，曝光光学系统包括光线收集透镜2和准直镜9，光线收集透镜2使得光源1发出的光线14尽量多的被利用，并且将光线进行角度和光束口径的控制，使光线尽量多的进入到准直镜9中参与曝光工作，提高光源1的利用率；准直镜9将接收的光线进行准直，输出平行光线进行曝光工作，提高曝光的精度，所以，本实施例的曝光光学系统在提高光线利用率的同时，还提高了曝光质量。
在本实施例的上述方案中，通过在光线收集透镜2与准直镜9之间设置复眼透镜10，通过复眼透镜10先对光线收集透镜2折射出的光线进行调整，然后再将光线折射进入准直镜9，降低了准直镜9对光线进行准直的难度，进一步提高了准直镜9输出光线的平行度，提高曝光光学系统的曝光质量。
在上述实施例中，复眼透镜10由多个复眼透镜子单元11堆叠而成，每个复眼透镜子单元11对其接收到的光线分别进行扩束及整形处理，由于照射在复眼透镜10各个部位上的光线并不相同，所以通过复眼透镜子单元11分别进行控制，进一步的提高复眼透镜10对光线的控制能力。
在本实施例的上述方案中，通过设置场镜12，场镜12将复眼透镜子单元11射出的光束进行重叠叠加，然后再折射至准直镜9，由各个复眼透镜子单元11折射出的光线还较为离散，所以，通过设置场镜12，对光线进行重叠叠加，使得由准直镜9输出的光线不仅有较高的平行度，而且各个区域的强度也具有良好的一致性；通过设置反射镜13是光线传输的方向发生改变，对光线进行折叠，可以使本实施例的曝光光学系统的长度减小，使整个曝光光学系统的结构紧凑；可以根据实际需要，将准直镜9设置为折射透镜或者曲面反射镜。
实施例3：如图1-6所示，
一种曝光头，其包括实施例2的曝光光学系统或者实施例1的光线收集透镜2，还包括有光源1，所述光源1为紫外光源1；所述光源1为若干阵列布置在同一封装内的紫外LED芯片3。
本实施例的曝光头，由于采用了上述的光学收集透镜或者曝光光学系统，使其能够有效利用紫外LED芯片3作为照明光源1，提高曝光头的曝光精度；并且光源1为若干阵列布置在同一封装内的紫外LED芯片3，使得各个紫外LED芯片3发出的光线14能够得到协调的控制，不仅使得曝光头能够输出较高平行度的光线，而且还提高了输出光线强度的均匀性。
实施例4：如图1-6所示，
一种曝光装置，其包括有实施例1的光线收集透镜2或者实施例2的曝光光学系统或者实施例3的曝光头。
本实施例的曝光装置，由于采用上述的光线收集透镜2或者曝光光学系统或者曝光头，使其在曝光过程中具有较高的精度，进而良好保证图形转移的精度。
凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种光线收集透镜，其特征在于：包括用于容纳光源的容纳腔，所述光源包括若干阵列布置的LED芯片，所述容纳腔的壁面为入射面，光源发出的光线由光线收集透镜收集并进行角度和光束口径的控制，使尽量多的光线能够被后继其他透镜接收并且有效通过。
2.如权利要求1所述的光线收集透镜，其特征在于：所述光源发出的光线包括位于中部的小角度光线和环绕与所述小角度光线外的大角度光线，所述光线收集透镜还包括有出射面和反射面，小角度光线由入射面进入光线收集透镜后直接由出射面射出，大角度光线光线由入射面进入光线收集透镜后，经所述反射面后再折射出出射面。
3.如权利要求2所述的光线收集透镜，其特征在于：所述入射面包括第一入射面和第二入射面，所述第二入射面环绕于所述第一入射面外，小角度光线和大角度光线分别由第一入射面和第二入射面折射进入光线收集透镜。
4.如权利要求3所述的光线收集透镜，其特征在于：所述出射面包括第一出射面和第二出射面，所述第二出射面环绕于所述第一出射面外，小角度光线和大角度光线分别由第一入射面和第二入射面折射出光线收集透镜。
5.如权利要求4所述的光线收集透镜，其特征在于：所述第一入射面为向光源凸起的曲面，所述第一出射面为背离所述第一入射面凸起的曲面，所述第一出射面的曲率半径大于第一入射面的曲率半径。
6.如权利要求3-5任意一项所述的光线收集透镜，其特征在于：所述反射面呈碗状，所述第二出射面为平面。
7.一种曝光光学系统，其特征在于：包括如权利要求1-6任意一项所述的光线收集透镜，还包括有准直镜，准直镜将光线收集透镜折射出的光线进行准直，使曝光光学系统输出平行光线，然后投射到曝光工作面。
8.如权利要求7所述的曝光光学系统，其特征在于：所述曝光光学系统还包括有复眼透镜，所述复眼透镜设置在所述光线收集透镜与准直镜之间，所述复眼透镜接收光线收集透镜出射的光线，并对光线进行扩束和整形处理，然后再将光线折射至所述准直镜。
9.如权利要求8所述的曝光光学系统，其特征在于：所述复眼透镜由多个复眼透镜子单元堆叠而成，每个复眼透镜子单元对其接收到的光线进行扩束及整形处理。
10.如权利要求9所述的曝光光学系统，其特征在于：所述曝光光学系统还包括有场镜，所述场镜设置在所述复眼透镜与准直镜之间，由所述复眼透镜折射出的光学进入到的场镜中，所述场镜将复眼透镜子单元射出的光束进行重叠叠加。
11.如权利要求10所述的曝光光学系统，其特征在于：所述场镜与所述准直镜之间或者所述收集透镜与复眼透镜之还设置有用于改变光线传输方向的反射镜。
12.如权利要求7-11任意一项所述的曝光光学系统，其特征在于：所述准直镜为折射透镜或者曲面反射镜。
13.一种曝光头，其特征在于：包括如权利要求1-6任意一项所述的光线收集透镜或者如权利要求7-12任意一项所述的曝光光学系统或者上述的，还包括有光源，所述光源为紫外光源。
14.如权利要求13所述的曝光头，其特征在于：所述光源为若干阵列布置在同一封装内的紫外LED芯片。
15.一种曝光装置，其特征在于：其包括有如权利要求1-6任意一项所述的光线收集透镜或者如权利要求7-12任意一项所述的曝光光学系统或者如权利要求13或14任意一项所述的曝光头。
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