CN110501868A - 投影系统、曝光设备 - Google Patents

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荐莉莉
王雪燕
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Abstract

本发明实施例提供一种投影系统、曝光设备，属于曝光技术领域，其可至少部分解决现有的直写曝光技术效率低、成本高的问题。本发明实施例的投影系统包括：第一投影单元，用于将来自n个光源的光投射至图案单元，并在图案单元上形成对应的n个第一光斑，其中，各第一光斑沿第一方向间隔排列，且在垂直于第一方向的第二方向上相互对齐，n为大于或等于2的整数；第二投影单元，用于将来自图案单元的光投射向分光单元；分光单元，用于对来自第二投影单元的、对应不同第一光斑的光进行分光，并在待曝光基板上形成对应的n个第二光斑，其中，任意两个第二光斑在第三方向上至少部分错开设置，所述第三方向对应图案单元上的第二方向。

Description

投影系统、曝光设备
技术领域
本发明属于曝光技术领域，具体涉及一种投影系统、曝光设备。
背景技术
在芯片、印刷电路板、掩膜板、显示面板、生物芯片、光学玻璃等产品的制备中，经常需要进行曝光。
曝光可采用直写曝光(LDI)技术，与使用掩膜版(Mask)的曝光不同，直写曝光先在数字微镜(DMD)上形成出光斑，数字微镜根据所要形成的图形(Pattern)调整其各微反射镜的角度，以将部分选定位置的光投影至基板上形成具有所需图形的光斑，而通过光斑的运动(扫描)，即可完成对整个基板的曝光。
显然，直写曝光中，光斑在垂直于扫描方向上的尺寸受到数字微镜尺寸的限制，从而导致其效率低、成本高。
发明内容
本发明至少部分解决现有的直写曝光技术效率低、成本高的问题，提供一种效率高、成本低的投影系统、曝光设备。
本发明的一个方面提供一种投影系统，其包括：
第一投影单元，用于将来自n个光源的光投射至图案单元，并在图案单元上形成对应的n个第一光斑，其中，各第一光斑沿第一方向间隔排列，且在垂直于第一方向的第二方向上相互对齐，n为大于或等于2的整数；
第二投影单元，用于将来自图案单元的光投射向分光单元；
分光单元，用于对来自第二投影单元的、对应不同第一光斑的光进行分光，并在待曝光基板上形成对应的n个第二光斑，其中，任意两个第二光斑在第三方向上至少部分错开设置，所述第三方向对应图案单元上的第二方向。
可选的，所述n为2或3。
可选的，所述第一投影单元用于形成矩形的第一光斑，所述第一光斑的长度大于宽度，且其长度方向平行于第二方向。
可选的，在第二方向上，所述第一光斑的尺寸等于图案单元的图案化区域的尺寸。
可选的，各第二光斑沿第三方向依次排列，任意两相邻第二光斑在第三方向上一端部重叠，且不相邻的任意第二光斑在第三方向上无重叠。
可选的，所述第一投影单元包括：
n个匀光棱镜，每个匀光棱镜用于对来自一个光源的光进行匀光，并将该光源对应的第一光斑转变为预定形状。
可选的，所述分光单元包括n组反射镜，每组反射镜包括：
第一反射镜，用于反射对应的第一光斑的光，以使对应不同第一光斑的第二光斑在第三方向上产生位置差；
第二反射镜，用于将来自第一反射镜的光反射向待曝光基板形成第二光斑。
本发明的一个方面提供一种曝光设备，其包括：
光源单元，用于产生n个光源；
图案单元，用于将射在其上的光投射出预定图形；
上述的投影系统；
驱动单元，用于驱动所述光源单元、投影系统、图案单元运动，以使第二光斑沿垂直于第三方向的扫描方向移动。
可选的，所述图案单元为数字微镜。
可选的，所述光源单元为光纤激光器，所述光纤激光器包括光纤接头和多条用于传播激光的光纤，各所述光纤在光纤接头处集中为n束，每束包括多条端面对齐的光纤，并构成一个光源。
采用本发明实施例的投影系统可形成多个在第三方向上错开的第二光斑，其中每个第二光斑在第三方向上的尺寸都可对应图案单元能实现的最大尺寸，从而各第二光斑的总宽度(即实际曝光区域的宽度)可大于采用单一光斑时图案单元能实现的最大尺寸，由此，本发明可在曝光精度不变的情况下，减少所需的投影系统的数量(前提是保证同样的曝光区域宽度)，降低成本(如降低为原来的50％或33％)，或者是提高曝光效率(前提是采用相同数量的投影系统)。
附图说明
图1为本发明实施例的一种曝光设备的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种曝光设备中采用的光源的位置分布示意图；
图3为本发明实施例的一种曝光设备中的匀光棱镜的侧视结构示意图；
图4为本发明实施例的一种曝光设备中的匀光棱镜的端面结构示意图；
图5为本发明实施例的一种曝光设备中在图案单元上形成的第一光斑的分布示意图；
图6为本发明实施例的一种曝光设备中的分光单元的结构示意图；
图7为本发明实施例的一种曝光设备中在待曝光基板上形成的第二光斑的分布示意图；
其中，附图标记为：1、光源单元；11、光源；21、汇聚模块；22、匀光棱镜；23、放大模块；24、反射模块；3、图案单元；4、第二投影单元；5、分光单元；51、第一反射镜；52、第二反射镜；6、待曝光基板；91、第一光斑；92、第二光斑。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
可以理解的是，此处描述的具体实施例和附图仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
可以理解的是，在不冲突的情况下，本发明中的各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
可以理解的是，为便于描述，本发明的附图中仅示出了与本发明相关的部分，而与本发明无关的部分未在附图中示出。
可以理解的是，本发明的实施例中所涉及的每个单元、模块可仅对应一个实体结构，也可由多个实体结构组成，或者，多个单元、模块也可集成为一个实体结构。
实施例1：
参照图1至图7，本发明实施例提供一种投影系统，其包括：
第一投影单元，用于将来自n个光源11的光投射至图案单元3，并在图案单元3上形成对应的n个第一光斑91，其中，各第一光斑91沿第一方向间隔排列，且在垂直于第一方向的第二方向上相互对齐，n为大于或等于2的整数；
第二投影单元4，用于将来自图案单元3的光投射向分光单元5；
分光单元5，用于对来自第二投影单元4的、对应不同第一光斑91的光进行分光，并在待曝光基板6上形成对应的n个第二光斑92，其中，任意两个第二光斑92在第三方向上至少部分错开设置，第三方向对应图案单元3上的第二方向。
本发明实施例的投影系统可为激光投影系统(光源11可为激光源)，其可与光源单元1、图案单元3等配合使用，并用于曝光设备中，更具体用于直写曝光(LDI)设备中。
其中，每个光源11是指在一定范围基本连续的发光的光的来源，多个光源11是指在位置上具有间隔的多个不同光源11，多个光源11可分别由多个器件提供，也可由一个器件提供。
具体的，参照图1，光源单元1可为光纤激光器，光纤激光器包括光纤接头和多条用于传播激光的光纤，各光纤在光纤接头处集中为n束，每束包括多条端面对齐的光纤，并构成一个光源。
本发明实施例中，可采用光纤激光器作为光源单元1，光纤激光器包括多条光纤(直径可在0.05mm～0.2mm，数值孔径为0.22)，每条光纤对应一个LD激光芯片，LD激光芯片发出的光耦合进入光纤后在光纤中传播，各光纤可先集束在一起，之后被光纤接头(即光纤的端部)分为多束(n束)，每束为多条集中在一起的光纤，且这些光纤的端面齐平，从而构成一个光源11。例如，参照图2，若光纤激光器中有100条光纤，则可将它们分为2束，每束50条，从而形成两个光源11；或者，也可将它们分为3束等以形成更多光源。
而每个光源11的具体形状可根据需要设定，例如，光源11可参照图2为圆形、椭圆形(即将一束中各条光纤的端面拼接为近似圆形或近似椭圆形)。同时，不同光源11间的间距也可根据需要设置。
其中，图案单元3用于将射在其上的光投射出预定图形(Pattern)。例如，图案单元3可根据所需的图形，对射在其不同位置的光进行不同的反射或透射，从而仅使部分光能最终投射在待曝光基板6上，形成所需图形。
具体的，图案单元3可为数字微镜(DMD)，数字微镜包括多个排成阵列的微反射镜，每个微反射镜可独立的在一定范围内翻转，从而将射到其上的光反射至不同位置，形成所需图形。
参照图1，本发明实施例的投影系统中，第一投影单元将来自多个光源11的光投影至图案单元3(如数字微镜)上形成多个相互分开的第一光斑91，参照图5，这些第一光斑91沿第一方向间隔的排成一排，但在第二方向是相互对齐的。
参照图1，来自图案单元3的光(如被数字微镜反射的光)继续被第二投影单元4投射，并被分光单元5分光后投射在待曝光基板6上，形成多个用于曝光的第二光斑92，参照图7，各第二光斑92在第三方向上错开。当然，此时每个第二光斑92都具有所需的图形，在此不再详细描述。
待曝光基板6的第三方向与以上第二方向对应，即第一光斑91在第二方向上的尺寸被对应转变(可有放大等)为第二光斑92在第三方向上的尺寸。由于第一光斑91在第二方向上不能超出图案单元3，故每个第二光斑92在第三方向上的尺寸实际是受图案单元3的尺寸限制的。
根据本发明实施例，分光单元5可在第三方向上分光，即让不同的第二光斑92在第三方向上产生不同的位置变化，从而使各第二光斑92在第三方向上相互错开，由此，参照图7，多个第二光斑92在第三方向上的总尺寸(即曝光区域的宽度)大于单个第二光斑92的尺寸，也就是大于图案单元3原本限定的最大尺寸。
参照图7，若曝光时的扫描方向垂直于第三方向，则本发明实施例的投影系统就相当于在不改变图案单元3的形式、不影响曝光精度的情况下，增大了每次扫描的曝光区域的实际宽度。由此，本发明实施例可在曝光效率不变(曝光区域宽度)不变的情况下，减少所需的投影系统的数量，降低成本(如降低为原来的50％或33％)；或者，也可在投影系统数量不变的情况下，提高曝光效率(因为提高了曝光区域宽度，故每次扫描曝光的范围更大)。
可选的，光源单元1用于产生n个排成一排的光源11。
以上多个光源优选排成一排，即一条直线间隔分布，以便后续对第二光斑92的分光。
可选的，n为2或3。
从实用性的角度考虑，光源11(相应光斑)数量可为2个或3个，以下以光源11(包括相应光斑)数量为2个为例进行说明。
可选的，第一投影单元用于形成矩形的第一光斑91，第一光斑91的长度大于宽度，且其长度方向平行于第二方向。
参照图5，从便于实现所需图形的角度考虑，每个第一光斑91优选是长方形的，且其较长的边优选平行于第二方向，以增大最终实现的曝光区域的宽度。
可选的，在第二方向上，第一光斑91的尺寸等于图案单元3的图案化区域的尺寸。
参照图5，可通过设置光源11、第一投影单元，使每个第一光斑91都在第二方向上正好占满图案单元3的实际有效区域(如设有微反射镜阵列的区域)，以最充分的利用图案单元3。
可选的，各第二光斑92沿第三方向依次排列，任意两相邻第二光斑92在第三方向上一端部重叠，且不相邻的任意第二光斑92在第三方向上无重叠。
参照图7，为充分利用各第二光斑92的尺寸，同时保证不同第二光斑92间不产生无光斑的间隔，可通过设置分光单元5，使各第二光斑92在第三方向上仅在相邻的端部稍有重叠(但不一定要排成一排)，例如在第三方向上，每个端部重叠区域的尺寸可小于单个第二光斑92尺寸的1/10。
以下对本发明实施例的投影系统的一种具体形式进行介绍。
以光纤激光器为光源单元1，其中各光纤在光纤接头处分为两束(即n＝2)，参照图2，每束形成一个椭圆形的光源11，两椭圆形的长轴平行，短轴位于一条直线内，且间距为a。
参照图1，第一投影单元包括对应光源11设置的汇聚模块21，其用于汇聚来自各个光源11的光。
其中，每束光纤(每个光源11)发出的激光为高斯光束，其对应的聚焦参数可使用以下公式计算：其中，ω'为束腰半径，f'为焦距，λ为激光波长，ω(z)为近似镜片直径。相应的，汇聚模块21可由两个透镜构成，其具体参数如下表1。
表1、汇聚模块的透镜参数
其中，表中多个同种参数的顺序按照光的传播顺序排列，而厚度表示透镜的一个界面的中点到下一个界面(或焦平面)的中点间的距离，其中，对应有材质牌号的厚度表示透镜本体的厚度，而无材质牌号的厚度则表示透镜间空气层的厚度，下同。
当然，各附图中透镜的数量、尺寸、形状、位置等只是示意性的，并不一定与各表格中的参数完全对应，下同。
可选的，第一投影单元还包括：
n个(两个)匀光棱镜22，每个匀光棱镜22用于对来自一个光源11的光进行匀光，并将该光源11对应的第一光斑91转变为预定形状。
参照图1、图3、图4，可为每个光源11设置对应的匀光棱镜22，以通过全反射(一般在3次以上全反射，匀光棱镜22长度可根据全反射次数设置)将对应的第一光斑91转变为预定形状，并使其中各位置的光的能量均匀。
当然，此时匀光棱镜22之间的间距应与以上光源11的间距对应，例如也可为a。
具体的，参照图3、图4，匀光棱镜22可为横截面是矩形的棱镜，从而来自不同光源11的光耦合进入相应匀光棱镜22后，通过多次全反射，可被转变为矩形光束，并进行形成相应的矩形的第一光斑91。
参照图1，第一投影单元还可包括放大模块23，用于将来自匀光棱镜22的光斑均匀放大并投影。该放大模块23的数值孔径可为0.22，倍率根据数字微镜尺寸与来自匀光棱镜22的光斑的尺寸比例决定，其可由多个透镜组成，对应的具体参数如下表2。
表2、放大模块的透镜参数
参照图1，第一投影单元还可包括反射模块24，用于将光反射至图案单元3(数字微镜)。
其中，参照图5，数字微镜(DMD)可包括1920*1080＝2073600个微反射镜(图中数字表示相应方向上的微反射镜数量，或者说“像素”数量)，而每个微反射镜为边长10.8μm的正方形，并可在-12度～+12度(相对于数字微镜自身所在平面)的范围内翻转。
具体的，以垂直于待曝光基板6的方向为Z轴，以图1中水平的左右方向为Y轴，以垂直于图1的纸面的方向为X轴，建立坐标系。若数字微镜处于X轴和Y轴所在平面中且垂直于Z轴，则若要求当其中的微反射镜偏转至+12度时可将光竖直的反射向第二投影单元4，可知光应以相对Z轴偏转24度的方向斜入射到数字微镜，相应的，若反射模块24为一个反射镜，可计算出该反射镜应平行于X轴，且相对Y轴倾斜57度，相对Z轴倾斜33度。
具体的，参照图5，以上两个矩形第二光斑92的长度(即在第二方向上的尺寸)占满1920个微反射镜，而宽度则为300个微反射镜的尺寸(当然也可不同，这里只是示例性的数据)。
参照图1，第二投影单元4用于将来自数字微镜的光(已经具有图形)放大并投影向待曝光基板6。例如，第二投影单元4可为双高斯结构的双远心镜头，其相关参数可根据需求决定，这里以数值孔径0.1、放大倍率2.3为例，相应的第二投影单元4的多个透镜具体参数如下表3。
表3、第二投影单元的透镜参数
透镜编号 透镜表面曲率 厚度(mm) 材质牌号 透镜直径(mm)
1 204.12 10.182 N-FK51 25
193.541 3.117 25
2 170.311 9.296 F2HT 26
-124.174 7.35 26
3 282.229 10.265 N-FK51 27
-87.89 5.841 27
4 72.519 7.805 N-FK51 26
1918.627 6.426 26
5 120.519 9.541 N-FK51 25
-141.071 2.102 25
6 60.021 8.576 N-FK51 21
35.002 7.443 21
7 -25.207 7.37 F2HT 17
195.692 7.682 17
8 -50.514 6.979 F2HT 23
-394.196 8.809 23
9 531.21 9.107 F2HT 30
-49.631 21.459 30
10 503.139 10.134 N-FK51 32
-113.759 100 32
11 410.072 9.361 F2HT 35
-601.826 150 35
可选的，分光单元5包括n组反射镜，每组反射镜包括：
第一反射镜51，用于反射对应的第一光斑91的光，以使对应不同第一光斑91的第二光斑92在第三方向上产生位置差；
第二反射镜52，用于将来自第一反射镜51的光反射向待曝光基板6形成第二光斑92。
参照图1、图6，分光单元5可对应设有n组(两组)反射镜，每组反射镜对应来自一个第一光斑91的光，其中，第一反射镜51用于反射光，以使不同的第二光斑92在第三方向上错开位置，而第二反射镜52用于将经第一反射镜51反射的光竖直的反射向待曝光基板6以形成第二光斑92。
例如，参照图6，两个第一反射镜51可中心对称设置，其沿X方向倾斜35度，沿Y方向倾斜20度；而两个第一反射镜51也中心对称设置，以能将来自第一反射镜51的光竖直反射为准。
最终，参照图7所示，在待曝光基板6上可形成两个矩形的、具有图案的第二光斑92，该两个第二光斑92在第三方向上连续且无重叠的分布，从而相当于将曝光区域的宽度扩展为单个第二光斑92的最大尺寸的2倍。
当然，应当理解，以上描述的各单元的镜片的具体个数、形状、材质、位置等参数等，均可根据需要设定，以上具体例子不是对其保护范围的限定，在此不再详细描述。
当然，应当理解，以上的各种镜片，均可设置在相应的安装框架中，并通过螺丝、胶等方式固定，在此不再详细描述。
实施例2：
参照图1至图7，本发明实施例提供一种曝光设备，其包括：
光源单元1，用于产生n个光源11；
图案单元3，用于将射在其上的光投射出预定图形；
上述的投影系统；
驱动单元，用于驱动光源单元1、投影系统、图案单元3运动，以使第二光斑92沿垂直于第三方向的扫描方向移动。
将以上的投影系统与光源单元1、图案单元3组合，得到用于进行直写曝光(LDI)的曝光设备，更具体为激光曝光设备。
曝光设备还包括用于驱动光源单元1、投影系统、图案单元3中的一者或多者运动的驱动单元，从而驱动单元可驱动第二光斑92沿垂直于第三方向的扫描方向运动，以充分利用曝光区域的宽度提升，提高效率、降低成本。
应当理解，在一个曝光设备中，可设有多套相应的光源单元1、图案单元3、投影系统，其中每套都能产生多个第二光斑92，而所有的第二光斑92可整体一起沿扫描方向移动，以进一步提高单次扫描对应的曝光区域的宽度。
可选的，图案单元3为数字微镜(DMD)。
可选的，光源单元1用于产生n个排成一排的光源11。
可选的，光源单元1为光纤激光器，光纤激光器包括光纤接头和多条用于传播激光的光纤，各光纤在光纤接头处集中为n束，每束包括多条端面对齐的光纤，并构成一个光源11。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种投影系统，其特征在于，包括：
第一投影单元，用于将来自n个光源的光投射至图案单元，并在图案单元上形成对应的n个第一光斑，其中，各第一光斑沿第一方向间隔排列，且在垂直于第一方向的第二方向上相互对齐，n为大于或等于2的整数；
第二投影单元，用于将来自图案单元的光投射向分光单元；
分光单元，用于对来自第二投影单元的、对应不同第一光斑的光进行分光，并在待曝光基板上形成对应的n个第二光斑，其中，任意两个第二光斑在第三方向上至少部分错开设置，所述第三方向对应图案单元上的第二方向。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，
所述n为2或3。
3.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，
所述第一投影单元用于形成矩形的第一光斑，所述第一光斑的长度大于宽度，且其长度方向平行于第二方向。
4.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，
在第二方向上，所述第一光斑的尺寸等于图案单元的图案化区域的尺寸。
5.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，
各第二光斑沿第三方向依次排列，任意两相邻第二光斑在第三方向上一端部重叠，且不相邻的任意第二光斑在第三方向上无重叠。
6.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一投影单元包括：
n个匀光棱镜，每个匀光棱镜用于对来自一个光源的光进行匀光，并将该光源对应的第一光斑转变为预定形状。
7.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述分光单元包括n组反射镜，每组反射镜包括：
第一反射镜，用于反射对应的第一光斑的光，以使对应不同第一光斑的第二光斑在第三方向上产生位置差；
第二反射镜，用于将来自第一反射镜的光反射向待曝光基板形成第二光斑。
8.一种曝光设备，其特征在于，包括：
光源单元，用于产生n个光源；
图案单元，用于将射在其上的光投射出预定图形；
权利要求1至7中任意一项所述的投影系统；
驱动单元，用于驱动所述光源单元、投影系统、图案单元运动，以使第二光斑沿垂直于第三方向的扫描方向移动。
9.根据权利要求8所述的曝光设备，其特征在于，
所述图案单元为数字微镜。
10.根据权利要求8所述的曝光设备，其特征在于，
所述光源单元为光纤激光器，所述光纤激光器包括光纤接头和多条用于传播激光的光纤，各所述光纤在光纤接头处集中为n束，每束包括多条端面对齐的光纤，并构成一个光源。
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