CN109240046A - 一种直写曝光机用led照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种直写曝光机用LED照明系统，系统采用光轴旋转对称的同轴透射式光学结构，包括LED光源、匀光器件、中继成像镜组、被照明面；所述LED光源出光面为平面，其出射光发散角为60°；所述匀光器件为一实心或空心光学积分棒，其入光端面与所述LED光源出光面紧贴，其出光端面与所述中继成像镜组第一镜片紧贴；所述中继成像镜组将所述匀光器件的出光面成像至被照明面。本发明具有光源利用率高、照明均匀性好、结构简单、装配精度要求低、成本低、良品率高的特点。

Description

一种直写曝光机用LED照明系统
技术领域
本发明属于直写曝光机的光学系统设计技术领域，涉及一种直写曝光机用LED照明系统。
背景技术
直写曝光机区别于传统曝光机，其通过可编程逻辑器件进行独立寻址和像素阵列的控制，将数字微镜器件（DMD）以一定的放大倍率投影到光敏感元件衬底上产生特征的构图，从而省去了传统的曝光工艺中所需制造及使用的掩膜，降低了时间和成本。
照明系统是直写曝光机光学系统中重要组成部分之一，为DMD数字微镜器件提供高功率、高均匀性的光辐射，其光源类型和系统结构不仅影响曝光机的光学性能，还会关系到设备的复杂程度和设计难度，这些都与曝光机的尺寸、重量、稳定性、维护便利性以及成本等核心竞争力息息相关。
目前市面上直写曝光机产品一般使用超高压汞灯、激光器或LED作为光源进行作业，从光源特性及系统结构来看存在下述问题：
1、从光源特性角度看，汞灯光源本身寿命短，且在系统中会作为常亮光源使用，致使汞灯的使用周期仅约3个月，如此频繁更换光源不仅降低了生产效率，还增加了维护成本；汞灯的耗电量大，超高压汞灯需要2000W以上的功率，属于高能耗光源，不利于节能环保，同时增加了运作成本；波长的高功率激光光源价格非常昂贵，导致激光直写曝光机成本难以下降；LED光源发散角大，较难收光，通常在照明系统中会有较大的能量损失，光源利用率低。
2、从照明结构角度看，采用汞灯作为光源的直写曝光机，其光源的腔室设计较为复杂，需要较大的椭圆反射杯进行集束，同时，照明部分还需增加电源供给、水冷散热、滤光片等部件配合，使得照明系统所占空间比例较大，导致曝光机设备难以缩小体积；汞灯在光路中的位置及角度非常敏感，会直接影响照明均匀性，因此其装调过程繁琐，需要专业人员进行调试和定期维护，增加了曝光机的运行成本；汞灯在使用中温度高达上千度，而曝光机对于环境温度有着严格的要求，温度大幅变化会严重影响其稳定性，因此，在使用汞灯的设备中，光源制冷和系统控温部分需要进行大量的研究和复杂的设计，所需的水泵、真空管等附件增加了整机的复杂性。采用激光器作为光源的曝光机，通常需要光纤配合出光，而由于光纤出光端能量集中度很高，一旦沾染灰尘颗粒会导致烧蚀现象，因此对环境要求十分严格。同时，光纤不能过度弯折和拉扯，在使用、运输过程中需要额外保护，提高了结构设计难度。光纤属于易损件，一旦出现上述问题必须进行更换，增加了系统维护成本。采用LED作为光源的曝光机，由于其光源发散角大，结构中不能完全将光源出射光收集，一般会利用机械件来遮挡、吸收杂散光，但这个方式会在结构内产生热堆积，影响光刻机稳定性。
因此，如何解决上述问题，是本领域技术人员着重要研究的内容。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种直写曝光机用LED照明系统。该照明系统具有光源利用率高、照明均匀性好、结构简单、装配精度要求低、成本低、良品率高的特点。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直写曝光机用LED照明系统，系统采用光轴旋转对称的同轴透射式光学结构，包括LED光源、匀光器件、中继成像镜组、被照明面；所述LED光源出光面为平面正方形或长方形，所述LED光源的出射光发散角为60°；所述匀光器件为一实心或空心光学积分棒，所述匀光器件的入光端面与所述LED光源出光面紧贴，所述匀光器件的出光端面与所述中继成像镜组第一镜片紧贴；所述中继成像镜组将所述匀光器件的出光面成像至被照明面。
上述方案中，有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述LED光源为LED光源，其波长范围为360nm-410nm。
2、上述方案中，所述匀光器件为一实心或空心光学积分棒，所述匀光器件的入光端面和出光端面都为正方形或长方形，且所述出光端面尺寸大于所述入光端面尺寸，从而进一步减小光线出射角度。
3、上述方案中，所述LED光源的出光面长、宽方向与所述匀光器件入光端面长、宽方向一致。
4、上述方案中，所述中继成像镜组为一物像倍率放大的成像镜组，物像两侧均为远心设计，其像方NA≤0.2。
5、上述方案中、所述中继成像镜组第一镜片为平凸厚透镜，且与所述匀光器件出光端面紧贴。目的是减小光线出射角，降低后续系统设计难度，同时使中继成像镜组整体尺寸减小。
6、上述方案中，所述被照明面光斑的方向与所述LED光源和所述匀光器件同时转动。即所述被照明面光斑的方向需要转动时，所述LED光源和所述匀光器件需同时转动。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
（1）本发明采用透镜聚光，有效缩小了光源腔室，有助于改善光刻机的整体尺寸；
（2）本发明中LED光源发出的光几乎可以全部进入到光路中，能量利用率高；相应地，由于杂散光很少，无需利用机械结构遮挡，因此不会造成热堆积，降低了温控系统的复杂性以及设计难度；
（3）LED光源寿命长，一般为10000小时以上，而且在使用中无需常亮，可以在曝光过程中点亮，曝光结束后熄灭，理论推算光刻机在两年内无需更换光源，降低了维护成本；
（4）LED光源耗电量低，发光效率高，有利于节能环保；
（5）本发明设计了合理、精巧的匀光器件，与传统的复眼相比，大大降低了器件成本，根据被照明面上光斑面积的大小，可随时更改光棒出光面的尺寸，与复眼制作时需开模具相比，大大缩短了加工周期和成本；
（6）本发明对LED光源安装的容差较大，因此装配、更换LED光源便捷；
（7）本发明的LED光源无需借助光纤出光，避免了使用光纤所带来的风险，增加了可靠性；
（8）LED光源价格远低于光刻波长的激光器，降低了光刻机成本。
基于此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
图1是本发明的光路结构示意图；
图2是本发明的LED出光面示意图；
图3是本发明的匀光器件结构示意图；
图4是本发明的中继成像镜组光路示意图；
图5是本发明的被照明面光斑方向与LED光源及匀光器件匹配调节示意图；
图6是本发明的照明光斑效果图。
以上附图中：1、LED光源；2、匀光器件；21、匀光器件入光端面；22、匀光器件出光端面；3、中继成像镜组；31、中继成像镜组第一镜片；32、中继成像镜组第二镜片；33、中继成像镜组第三镜片；34、中继成像镜组第四镜片；4、被照明面。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例结合附图说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
实施例：
如图1所示，一种直写曝光机用LED照明系统，系统采用光轴旋转对称的同轴透射式光学结构，包括LED光源1、匀光器件2、中继成像镜组3、被照明面4；LED光源1的出光面11为平面正方形或长方形，其出射光发散角为60°；匀光器件2为一实心或空心光学积分棒，其入光端面21与LED光源1的出光面11紧贴，其出光端面22与中继成像镜组3中的中继成像镜组第一镜片31紧贴；中继成像镜组3将匀光器件2的出光端面22成像至被照明面4，得到均匀的光斑。
如图2所示，是本实施例提供的照明系统中的LED光源出光面11示意图，为一平面的正方形或长方形，由多颗LED单元密排阵列组成，出光发散角度为60°，出光功率能达到20W以上，波长范围为360nm-410nm。
如图3所示，是本实施例提供的照明系统中的匀光器件2，为一实心光棒，入光端面21和出光端面22均为正方形或长方形，且出光端面22尺寸大于入光端面21尺寸，这样可以进一步减小光线出射角度。
如图4所示，是本实施例提供的照明系统中的中继成像镜组3，将匀光器件2的出光端面22成像至被照明面4，该成像镜组为一物像倍率放大的成像镜组，物像两侧均为远心设计，其像方NA≤0.2，以匹配数字微镜器件的NA值。本实施例由四个镜片组成，其中中继成像镜组第一镜片31为一平凸厚透镜，且与所述匀光器件出光端面紧贴，目的是减小光线出射角，降低后续镜组设计难度，同时使中继成像镜组3的整体尺寸减小；中继成像镜组第二镜片32为一双凸透镜，进一步减小光线角度，中继成像镜组第三镜片33为一弯月凹透镜，且弯向被照明面4，有利于提高被照明面4的边缘相对照度，中继成像镜组第四镜片34为一双凸透镜，控制后工作距离。
如图5所示，是本实施例提供的照明系统的光学模拟图，同时给出了被照明面4的光斑方向与LED光源1及匀光器件2匹配调节示意，当需要改变被照明面4的光斑方向时，LED光源1和匀光器件2需同时一起转动。
如图6所示，是本实施例提供的照明系统的被照明面4的光斑效果图，整场范围内光强度分布均匀。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：系统采用光轴旋转对称的同轴透射式光学结构，包括LED光源、匀光器件、中继成像镜组、被照明面；所述LED光源出光面为平面正方形或长方形，所述LED光源的出射光发散角为60°；所述匀光器件为一实心或空心光学积分棒，所述匀光器件的入光端面与所述LED光源出光面紧贴，所述匀光器件的出光端面与所述中继成像镜组第一镜片紧贴；所述中继成像镜组将所述匀光器件的出光面成像至被照明面。
2.根据权利要求1所述的直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：所述LED光源为LED光源，其波长范围为360nm-410nm。
3.根据权利要求1所述的直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：所述匀光器件为一实心或空心光学积分棒，所述匀光器件的入光端面和出光端面都为正方形或长方形，且所述出光端面尺寸大于所述入光端面尺寸，从而进一步减小光线出射角度。
4.根据权利要求1所述的直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：所述LED光源的出光面长、宽方向与所述匀光器件入光端面长、宽方向一致。
5.根据权利要求1所述的直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：所述中继成像镜组为一物像倍率放大的成像镜组，物像两侧均为远心设计，其像方NA≤0.2。
6.根据权利要求1所述的直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：所述中继成像镜组第一镜片为平凸厚透镜，且与所述匀光器件出光端面紧贴。
7.根据权利要求1所述的直写曝光机用LED照明系统，其特征在于：所述被照明面光斑的方向与所述LED光源和所述匀光器件同时转动。
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