CN106773549B - 一种高均匀性led平行光紫外曝光机光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，包由阵列排布的紫外LED灯珠和对应的准直透镜紫外LED组成的平行光源模组、支撑光源模组或样品移动的机械与控制系统，该机械与控制系统使曝光时光源模组与样品在x‑y二维平面内相对运动，其运动轨迹均匀分布且最外围覆盖光源模组的最小重复单元。本发明采用移动旋转系统及其平行光源模组极大地提高了曝光均匀度，同时因降低了光源发散角而使得曝光强度提高，提高了曝光质量，解决了因分辨率不一致而导致的断线等现象；本发明还有利于多种波长的平行光实现均匀曝光，从而适应不同的油墨、光阻。

Description

一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统

技术领域

本发明涉及光学系统与紫外LED曝光光源技术领域，特别是涉及一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统。

背景技术

在微电子、微光学、线路板等微加工领域，紫外平行光曝光机是实现高精度加工复制的重要装备。平行光曝光机通过平行光光刻工艺将掩膜版上的图形等尺寸地转移到掩膜版下面的光阻上，然后再通过腐蚀或者刻蚀进一步转移到基片上。

平行光曝光机通常采用紫外线作为照明光源。 传统的平行光曝光机中采用汞灯光源，汞灯具有高压、高温和含有毒的汞的缺点。汞灯的寿命通常只有1000 个小时左右，因此，使用1-2 个月后，则需要替换一次光源，维护成本高。紫外汞灯的能耗较大，使用成本高。其输入能量中只有大约20%的能量产生紫外线，而有20%是可见能源，40%是热量，而且其发光波段较多;同时，汞灯的开关寿命有限，开灯一段时间后光强才保持稳定，为了保持其光强稳定性，在使用过程中及时曝光也保持开灯状态，进一步增加了其能耗。汞灯由于短波长紫外线的辐射会产生有危害性的臭氧。2013 年，全球140 多个国家和地区达成共识，并由联合国环境规划署主持签订《水俣公约》，限定各行业对汞成分的控制和排量计划。采用新型的节能环保紫外光源替代传统紫外线曝光灯己势在必行。紫外LED (紫外线发光二极管)近年来快速发展，与汞灯相比，具有寿命长、节能、谱线窄、不含汞、不产生臭氧、瞬间开关、稳定性好等优势，在紫外曝光机应用中受到关注并逐步得到应用。

光线平行度和紫外能量均匀度是紫外曝光光源和曝光机的两个最重要技术指标。在曝光机的有效曝光面积内，紫外线的平行度、能量均匀度等决定了曝光的精度和均匀性。平行度越好，越能够转印掩膜版上更细的线条，得到更高的曝光精度。由于光学曝光照明系统辐照度不均匀，导致线条粗细不均匀，整块板上的分辨力不一致，或有断线等现象的发生，这在PCB 或液晶显示器的生产过程中是不允许的；反过来说，紫外能量均匀度越高，则线条粗细越均匀。

由于单个紫外LED 灯珠光功率很低，要达到与大面积曝光所需的功率密度，需要多个灯珠同时工作。同时，由于LED灯珠的发光角度较宽，其发光往往中心强度较高，越往两边发光强度越低。在采用光学设计将其发光转变为平行光时，辐照强度的均匀性往往难以保证，需要特别的设计。

CN105301910A公开了一种紫外LED光源结构和平行光曝光机。利用汞灯光源的部分光路。其技术方法可利用在现有曝光机升级中，但没有充分发挥LED的特点，LED光面排布较为集中，散热要求较高，光强也受到较大制约。

CN104749889A公开了一种紫外LED曝光头，其结构简单，成本低。但基于光路特点，该技术能提供均匀平行光的区域面积较为有限。

CN103513518B公开了一种紫外LED曝光机光学曝光照明系统及紫外LED 曝光机。该技术采用依次排列多行等距排列的准直紫外LED光源，通过准直透镜实现平行光，通过矩阵排布对光源强度较低的位置进行补偿，从而提高曝光的均匀度。该技术可以实现大面积的平行光。但由于平行度变好时，发光角度收窄，均匀度补偿更困难，均匀度会下降。因此需要更好的兼顾均匀度和平行度的技术方案，以适应要求较高的应用。

此外，由于LED灯珠发光峰窄，波长单一，现有技术方案对不同油墨和光阻适应性不好。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统。

本发明的目的还在于提供一种提供多波长组合的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，以解决LED光源波长单一，对不同油墨和光阻适应性不好的问题。

为达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，包括由阵列排布的紫外LED灯珠和对应的准直透镜紫外LED组成的平行光源模组、支撑光源模组或样品移动的机械与控制系统，该机械与控制系统使曝光时光源模组与样品在x-y二维平面内相对运动，其运动轨迹均匀分布且最外围覆盖光源模组的最小重复单元。

优选的，LED灯珠发出的光经准直透镜准直后平行半角小于或等于3°。

紫外LED灯珠为多行多列排列，紫外LED设置在行列的交点上，除光源边界外，每个行列交点上都设置有相同的紫外LED;优选的，紫外LED灯珠阵列构成正方形网格阵列或者六角密堆阵列。或者，紫外LED灯珠为六角密堆点阵排布，整个阵列成长方形，第一行灯珠排布次序为ABC重复，第二行灯珠排布次序为CAB重复或BCA重复，且C位于上一行AB中间正下方，奇数行重复第一行排布，偶数行重复第一行排布；上述ABC各代表一种不同波长范围的灯珠，ABC中至少两种与另一种波长不同；优选的，所述A为365nm波段（±5nm）灯珠，B为385nm波段（±5nm）灯珠，A为405nm波段（±5nm）。

优选的，所述紫外 LED 光源面板外围设有与LED平行光方向平行的反射镜。

优选的，曝光时所述光源模组与样品在x-y二维平面内相对运动的轨迹近似为多组阿基米德螺线，可具体描述为：

当2NT≤t<(2N+1)T, N=0，1，2…时，

x=vtcos(ωt)

y=vtsin(ωt)

当(2N+1)T≤t<(2N+2)T, N=0，1，2…时，

x=(vT-vt)cos(ωt)

y=(vT-vt)sin(ωt)，

其中vT为螺线中心到最远处距离，ωT为单一阿基米德螺线旋转的角度，曝光总时间t_exp大于2T；进一步优选的，vT不小于光源的最小重复单元的最长对角长度的一半，ωT为720°以上，并且曝光总时间t_exp≥4T。

优选的，所述阵列LED上的准直透镜的直径小于4cm。

优选的，所述待曝光件距离平行光透镜顶面高度为40-100cm。

相对现有技术，本发明的技术方案具有如下优势：

光源按照一定的阵列周期排布，光源与曝光样品的相对运动轨迹均匀分布，且充分覆盖了光源模组的最小重复单元，使曝光样品上任一点受到的总辐照强度为沿移动曲线的积分强度，极大地提高了曝光均匀度，解决了LED平行光面光源的平行度和均匀度互相矛盾的问题，提高了曝光质量，解决了因分辨率不一致而导致的断线等现象。

可以通过重复单元扩展平行光面积，易于实现大面积平行光；同时，采用面光源形式，发热相对分散，散热易于实现，成本较低。

多种波长的平行光在空间上重叠实现均匀性师十分困难，通过曝光量的移动积分可以实现极佳的均匀性，从而可以适应不同的油墨、光阻。

本发明优选的方案采用沿阿基米德螺线移动积分，易于通过程序准确实现，参数调整简单，适应性强，曝光时间内移动轨迹可多次周期重复，在不同曝光时间下都能实现极高均匀性。

附图说明

图1近平行光光源模组的立体示意图。

图2实施例1的光源点阵排布示意图。

图3为平行光透镜示意图。

图4为本发明中支撑光源模组的一种滑轨组合。

图5为本发明的一种优选的光源与样品相对运动轨迹的一部分，近似为多组阿基米德螺线。

图6为实施例3中多种波段组合的光源点阵排布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其包括近平行光光源模组1，以及承载并控制光源模组1移动的机电系统2。请参阅图1。图1所示为近平行光光源模组的立体视图。光源模组1主要包含阵列排布的紫外LED灯珠101（图1中被透镜遮挡），与灯珠一一对应的二次透镜102，MCPCB 103，以及散热平台104。紫外LED灯珠101焊接MCPCB 103上，通过MCPCB 103的布线及其上的焊线连接实现与外部驱动电源链接；紫外LED灯珠101与二次透镜102一一对应，并与二次透镜102的精确配合，从而实现近平行光；MCPCB 103通过螺丝固定再的散热平台104上。MCPCB和散热平台之间有导热硅脂改善散热。散热平台设置有鳍片散热，或鳍片结合风冷散热，或者水冷散热。

紫外LED灯珠101为多行多列的阵列排列。行与行之间的间距（行间距）相等，列与列之间的间距（列间距）也相等；行间距与列间距可以相等，也可以不等；行列之间的夹角为任意角度。紫外LED设置在行列的交点上，除光源边界外，每个行列交点上都设置有发光波段和亮度近似相同的紫外LED。由于紫外LED灯珠101排布为周期排布，可以划分出模组的最小重复单元。

优选方案一，如图2所示，行间距与列间距相等，行列之间夹角为60度，形成六角密堆结构。本优选方案的最小重复单元分别为105。

优选方案二，行间距与列间距相等，行列之间夹角为90度，形成正方点阵结构。

紫外LED灯珠101为石英或耐紫外硅胶透镜封装的LED封装。优选的，紫外LED灯珠101的发光角度为60度，90度或者120度。紫外LED灯珠101内封装有一颗或多颗紫外LED芯片；优选的，封装一颗紫外LED芯片，这样能够更好地实现平行光。

如图3所示，每一个紫外LED灯珠101上还设置有二次透镜102。图3所示二次透镜102利用光线的折射反射实现平行光，该设计仅为一种常见的平行光透镜设计，也可以是纯折射的凸透镜，或者其他设计。通过该二次透镜102，可以将LED 光源101发出的光转变为平行光，平行半角小于3°。二次透镜102底面靠近LED，其顶面最宽。优选地，透镜顶面为直径小于4cm的圆。二次透镜102固定在透镜载具的园型槽内，透镜载具底部开有螺丝孔，通过螺丝孔穿过MCPCB 103固定到散热平台104上。所述二次透镜可依据需要采用石英玻璃、亚克力或其他抗紫外光学玻璃制成。简单起见，透镜载具、MCPCB103、散热平台104在图3中未具体画出。

MCPCB 103为一片或多片，LED灯珠101通过MCPCB 103的布线和焊接在PCB焊盘上的电线实现串并联并与驱动电路连接。

所述紫外LED光源面板外围可设置反射镜，其反射面严格与平行光中心放行平行，通过反射镜可以进一步弥补了光源面板边缘曝光不足的缺陷，增加可曝光面积。

待曝光件与平行光透镜顶面距离为20cm-100cm，优选地，其距离为40~60cm。在此距离下，单个灯珠按照3°的平行半角，照射直径为约5cm，比透镜略大，通过透镜较为紧密的排布，相邻灯珠光强重叠，易于实现较好的均匀性。

承载并控制光源模组移动的机电系统2包括至少一组直线导轨，一组直线导轨由在二维平面的一个X直线滑轨201、滑面202和Y直线滑轨203、滑面204，以及X、Y滑轨的驱动电机和传动装置。请参阅图4，其为本实施例的一种滑轨组合（简单起见图中未画出传动装置），其中两个X直线滑轨201通过螺钉固定在底座3上，通过4个滑面202与Y方向的两个滑轨203相连，Y方向的两个滑轨203上有4个滑面204。光源模组的散热平台104通过螺钉固定在Y方向的4个滑面204之上。这样光源面板在X和Y方向导轨的组合下即可实现二维平面内的整体同步自由滑动，而不会发生绕Z方向的转动。X方向和Y方向导轨上都设置有驱动电机和传动装置。X方向的驱动电机传动轴和皮带带动X方向的四个滑块同步运动，Y方向的驱动电机传动轴和皮带带动Y方向的四个滑块同步运动，进而带动平行光源模组整体在XY平面运动，任一时间X、Y方向运动状态可以通过控制X、Y驱动电机分别设置。

光源模组相对样品移动轨迹可编程实现，其在平面内作往复曲线运动。被曝光的样品上受到的辐射通量为面光源上不同点正下方辐射功率密度和和该处停留时间的积分。经过本技术方案的移动平均后，总辐射通量均匀性大幅提高。

优选地，其运动轨迹近似为多组阿基米德螺线，请参考图5，其为本发明的一种优选的光源与样品相对运动轨迹的一部分，近似为多组阿基米德螺线。具体描述如下：

………公式(1)

其中vT为螺线中心到最远处距离，ωT为单一阿基米德螺线旋转的角度，曝光总时间t_exp大于2T。

图5中所示实线部分是2NT≤t<(2N+1)T时的部分的运动轨迹，螺线从原点出发逐步向外展开；虚线部分代表(2N+1)T≤t<(2N+2)T时的运动轨迹，螺线逐步向内收缩并回到原点。优选地，vT不小于光源的最小重复单元的最长对角长度的一半，ωT为720°以上，并且曝光总时间t_exp≥4T。通过以上优选条件，由于光源照度在空间分布有一定的连续性，该曲线扫过的轨迹不重复，周期T内至少转动2圈，且沿径向等间距向外扩展，具有较好的均匀化的效果。根据仿真结果，对于初始均匀度位85%的光分布，均匀度可以提升到98%以上。

所述紫外LED 曝光机还可以包括两个分别位于曝光台面上下位置的光源安装台面，两者通过连接件相对固定，并统一由一组滑块系统支撑。上面的光源发光面朝下，上下光源保持平行，中间有光学玻璃台面，台面承载样品和掩模版等，台面和上下发光面之间有间隙，方便光源移动和样品移入和取出。采用双面曝光的方式，对 PCB 板进行双面同时曝光，可以进一步提高工作效率。

实施例2:

与实施例1不同在于，所述LED灯珠为多芯片封装。如采用4芯片封装，在单个封装中集成4种不同的波长的芯片，如365nm， 380nm, 395nm, 420nm。通过多种波长组合以及通过每种波长芯片施加电流的控制，可以适应不同类型的感光油墨和光阻。

实施例3

本实施例与实施例1的不同仅在于灯珠的排布形式不同。

与实施例1类似，紫外LED灯珠为多行多列的阵列排列，每个LED灯珠位于阵列的格点上。与实施例1不同的是，阵列上不同位置的LED发光波长并不近似相同，而是构成不同波段的紫外LED灯珠组合。

优选的，如图6所示，其为3种灯珠（以下称灯珠A,灯珠B,灯珠C）的组合，形成六角密堆结构。其中灯珠A 1011峰值波长为365nm附近，灯珠B1012峰值波长为385nm附近，灯珠C1013峰值波长为405nm附近。第一行灯珠排布次序为ABC重复，第二行灯珠排布次序为CAB重复，且C位于上一行AB中间正下方，第奇数三行重复第一行排布，偶数行重复第一行排布。除边缘外，整个光源面板可以看作正六边形元胞按照六角密堆形式周期排布。本实施例中，最小重复单元如图5中所示的虚线所围正六边形，相邻灯珠的中心距离为R，则其较长对角线为2R。本优选方案光源模组相对样品移动轨迹为公式（1）所描述的阿基米德螺线。当vT>R时，螺线所扫过的面积就完全覆盖最小重复单元，从而实现极好的曝光均匀性。

本实施例通过多种波长灯珠的组合，可以适应更多类型光阻、油墨。不同波长灯珠的发光强度还可以进一步根据光阻、油墨类型进行优化设置。不同波长的组合，结合曲线移动平均，可以有效解决不同波长紫外LED灯珠相隔距离较远，而平行光角度较小，仅仅通灯珠照射面的重叠无法达到不同波长辐照强度都均匀的问题，即可以同时满足波长组合、辐照均匀度、平行光角度的要求。

本发明实施例及优选方案采用曲线移动平均和特殊的密排多边形方式极大地提高了曝光均匀度及降低光源发散角度为前提，避免由于光学曝光照明系统辐照度不均匀，导致线条粗细不均匀， 整块板上的分辨率不一致， 或有断线等现象的发生，通过本光源系统应用到的紫外曝光机，在光源的角度，曝光均匀性，以及曝光材料对光源特性的要求上都有极大的提高。

以上结合附图所描述的实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的保护范围的限定，任何基于本发明精神所做的改进都理应在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于：包括由阵列排布的紫外LED灯珠、和紫外LED对应的准直透镜、MCPCB和散热平台组成的平行光源模组、支撑光源模组或样品移动的机械与控制系统，

紫外LED灯珠焊接在MCPCB上，并通过MCPCB的布线及其上的焊线连接实现与外部驱动电源连接，MCPCB通过螺丝固定在散热平台上，MCPCB和散热平台之间有导热硅脂；

该机械与控制系统使曝光时光源模组与样品在x-y二维平面内相对运动，其运动轨迹均匀分布且最外围覆盖光源模组的最小重复单元，

曝光时所述光源模组与样品在x-y二维平面内相对运动的轨迹近似为多组阿基米德螺线，可具体描述为：

当 2NT≤t＜(2N+1)T，N=0，1，2…时，

x=vtcos(ωt)

y=vtsin(ωt)

当(2N+1)T≤t＜(2N+2)T，N=0，1，2…时，

x=(vT-vt)cos(ωt)

y=(vT-vt)sin(ωt)，

其中vT为螺线中心到最远处距离，ωT为单一阿基米德螺线旋转的角度，曝光总时间t_exp大于2T； vT不小于光源的最小重复单元的最长对角长度的一半，ωT为720°以上，并且曝光总时间t_exp≥4T。

2.根据权利要求1所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于，LED灯珠发出的光经准直透镜准直后平行半角小于或等于3°。

3.根据权利要求1所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于，紫外LED灯珠为多行多列排列，紫外LED设置在行列的交点上，除光源边界外，每个行列交点上都设置有相同的紫外LED。

4.根据权利要求3所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于，紫外LED灯珠阵列构成正方形网格阵列或者六角密堆阵列。

5.根据权利要求1所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于：紫外LED灯珠为六角密堆点阵排布，整个阵列成长方形，第一行灯珠排布次序为ABC重复，第二行灯珠排布次序为CAB重复或BCA重复，且C位于上一行AB中间正下方，奇数行行重复第一行排布，偶数行重复第二行排布；上述ABC各代表一种不同波长范围的灯珠，ABC中至少两种与另一种波长不同。

6.根据权利要求5所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于：所述A为365nm波段（±5nm）灯珠，B为385nm波段（±5nm）灯珠，C为405nm波段（±5nm）。

7.根据权利要求1所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于，所述紫外LED 光源面板外围设有与LED平行光方向平行的反射镜。

8.根据权利要求 6 所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于，所述紫外LED上的准直透镜的直径小于4cm。

9.根据权利要求1所述的高均匀性LED平行光紫外曝光机光源系统，其特征在于，待曝光件距离平行光透镜顶面高度为40-100cm。