CN116060799A - 照明光学系统和激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供照明光学系统和激光加工装置。能够独立地调整激光光束的不同方向的尺寸。一种照明光学系统，其将激光向照射面引导，其中，采用了如下的结构：所述照明光学系统具有光量均匀化部，该光量均匀化部使激光均匀化，将z轴设为光轴方向，将与z轴和y轴垂直的方向设为x轴，将与z轴和x轴垂直的方向设为y轴，光量均匀化部由第1对和第2对构成，该第1对由沿着z轴排列的2片第1柱面透镜阵列构成，该第2对由沿着z轴排列的2片第2柱面透镜阵列构成，第1柱面透镜阵列在x轴方向上具有透镜作用，第2柱面透镜阵列在y轴方向上具有透镜作用，第1对的第1柱面透镜阵列的第1间隔和第2对的第2柱面透镜阵列的第2间隔中的至少一方可变。

Description

照明光学系统和激光加工装置

技术领域

本发明涉及用于向光掩模照射线状的激光的照明光学系统以及具有照明光学系统的激光加工装置。

背景技术

已知有如下的技术：通过透过光掩模后的激光对树脂、硅等非金属材料的被加工物(工件，例如印刷板的树脂层)进行扫描，从而将被加工物烧蚀加工(ablation：基于熔化、蒸发的去除加工)成光掩模的图案的形状(例如过孔)。在需要精密加工的情况下，使用准分子激光(KrF激光，波长为248nm)进行基于烧蚀的加工。

作为一例的加工装置的照明光学系统将光束成形为照射区域呈线状，通过例如蝇眼透镜而使激光均匀化，使得照射区域(光掩模面)中的光的通量均等。另外，线状的激光是指光束在与光轴垂直的平面中的截面形状呈线状的激光。在线状光束中，期求不变更线的宽度而仅调整长度这样的非各向同性的微调。

例如在专利文献1中记载了如下的技术：一种成形出线状的光的光学系统，通过变更光束扩展器40的透镜间隔L而对激光的扩展角(照射范围)进行微调。此外，在专利文献2中记载了如下的技术：积分器部(90)具有2片蝇眼透镜(91、92)，蝇眼透镜间隔调整机构(95)变更2片蝇眼透镜(91、92)的光轴方向的间隔d，对曝光面上的平均照度值的变化进行校正。在蝇眼透镜91与蝇眼透镜92的间隔d短时，焦距f变短，从而实现低NA且大视野的照明，另一方面，在蝇眼透镜91与蝇眼透镜92的间隔d长时，焦距f变长，从而实现了高NA且小视野的照明。

专利文献1：日本特开2003-053578号公报

专利文献2：WO-A1-2019/059315

在专利文献1中，激光光束的倍率调整使用可变激光扩束器来进行。但是，在可变激光扩束器中，进行各向同性的倍率调整，因此不适合期求非各向同性的微调的线状光束。专利文献2通过调整蝇眼透镜的间隔来变更一对透镜元件93A、93B的合成焦距，变更视野范围。但是，在该方法中，与专利文献1同样地进行各向同性的倍率调整，因此无法进行非各向同性的倍率的微调。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供能够对激光的光束进行非各向同性的微调的照明光学系统和激光加工装置。

本发明是一种照明光学系统，其将激光向照射面引导，其中，所述照明光学系统采用了如下的结构：所述照明光学系统具有光量均匀化部，该光量均匀化部使激光均匀化，将z轴设为光轴方向，将与z轴和y轴垂直的方向设为x轴，将与z轴和x轴垂直的方向设为y轴，光量均匀化部由第1对和第2对构成，该第1对由沿着z轴排列的2片第1柱面透镜阵列构成，该第2对由沿着z轴排列的2片第2柱面透镜阵列构成，第1柱面透镜阵列在x轴方向上具有透镜作用，第2柱面透镜阵列在y轴方向上具有透镜作用，第1对的第1柱面透镜阵列的第1间隔和第2对的第2柱面透镜阵列的第2间隔中的至少一方可变。

并且，本发明是一种激光加工装置，其具有：光源，其射出激光；照明光学系统，其使激光成为截面呈线状的激光而向光掩模照射，并且借助扫描机构对光掩模进行扫描；投影光学系统，其将经过光掩模后的激光照射于被加工物；以及被加工物载置工作台，其载置被加工物，并且使被加工物在x-y方向上移动，照明光学系统的光量均匀化部为上述的结构。

根据至少一个实施方式，本发明通过调整2片柱面透镜阵列的间隔而能够进行激光的期望方向的倍率调整。另外，这里记载的效果不必须是限定的，可以是本说明书中记载的任意效果或与它们不同的效果。

附图说明

图1是示出能够应用本发明的激光加工装置的概略结构的图。

图2是本发明的一个实施方式的主视图。

图3是示出本发明的一个实施方式的光掩模与线状光束的关系的俯视图。

图4是在本发明的一个实施方式中使用的基板的一例的放大俯视图。

图5是示出本发明的一个实施方式的光学系统的框图。

图6的A是照明光学系统的一例的结构的侧视图，图6的B是照明光学系统的一例的结构的俯视图，图6的C是省略了照明光学系统的一例的一部分的结构的侧视图，图6的D是省略了照明光学系统的一例的一部分的结构的俯视图。

标号说明

W：被加工物(基板)；11：激光光源；12：线状激光扫描机构；13：光掩模；14：投影光学系统；15：载置工作台；16：扫描机构；17：照明光学系统；18：掩模台；30、31：光束成形部；32：透镜阵列部；33：准直透镜部。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式等进行说明。另外，以下所说明的实施方式等是本发明的优选的具体例，本发明的内容不限于这些实施方式等。

图1是能够应用本发明的加工装置例如激光加工装置的一例的概略结构图。激光加工装置具有激光光源11。激光光源11例如是以脉冲的形式照射波长为248nm的KrF准分子激光的准分子激光光源。激光提供给线状激光扫描机构12。

线状激光扫描机构12具有将激光光束整形为长方形形状(线状)的照明光学系统和用于使激光LB扫描光掩模13的扫描机构(直动机构)。

在光掩模13上形成有与要通过烧蚀对被加工物(以下，适当地称为基板W)形成的加工图案对应的掩模图案。即，在使KrF准分子激光透过的基材(例如石英玻璃)上描绘有由遮断KrF准分子激光的遮光膜(例如Cr膜)形成的图案。作为加工图案，是贯通过孔、非贯通过孔、布线图案用的槽(沟槽)等。在通过烧蚀加工形成了加工图案之后，填充铜等导体。

通过光掩模13后的激光LB入射到投影光学系统14。从投影光学系统14射出的激光照射到基板W的表面。投影光学系统14在光掩模面和基板W的表面具有焦点面。基板W例如是在环氧树脂等基板上形成有铜布线层并在该铜布线层上形成有绝缘层的树脂基板。

基板W设置有多个图案区域WA，该基板W固定在用于载置被加工物的载置工作台15上。通过载置工作台15在2维方向上移位并且旋转而能够将图案区域WA相对于光掩模13分别定位。另外，为了能够遍及基板W的整体对被加工区域进行加工，载置工作台15使基板W在扫描方向上步进移动。

参照图2对激光加工装置的一个实施方式进行说明。激光加工装置安装于构成支承体的基座部21和上部框架22。上部框架22固定在基座部21上。基座部21和上部框架22由刚性高、能够使振动衰减的特性的材料构成。

在上部框架22固定有由扫描机构16和照明光学系统17构成的线状激光扫描机构、载置光掩模13的掩模台18(光掩模的支承部)以及投影光学系统14。在基座部21上固定有载置工作台15。即，将该扫描机构16、照明光学系统17、掩模台18、投影光学系统14以及载置工作台15定位为满足规定的光学关系(使激光准确地向照明光学系统17入射的关系)，在定位后，在由于照明光学系统17的扫描动作和载置工作台15的移位动作所引起的振动等而导致基座部21和上部框架22摆动的情况下，它们一体地移位。通过光束位置校正部27对激光相对于照明光学系统17的入射位置和入射角度进行校正。

激光光源11收纳于与基座部21和上部框架22独立设置的框体24内。激光光源11以脉冲的形式照射波长为248nm的KrF准分子激光(称为激光)L1。激光L1和引导用激光(未图示)入射到光束位置校正部(称为光束转向机构)27。

光束位置校正部27是用于实时地进行激光L1的定位(位置和入射角)的机构。无论激光加工装置的基座部21和上部框架22的倾斜如何，都能够通过光束位置校正部27调整为激光L1始终以准确的位置和角度向照明光学系统17入射。另外，引导用激光的波长例如为400nm～700nm。光束位置校正部27所包含的反射镜具有分别使波长不同的激光L1和引导用激光的波长反射的2个反射膜。在光束位置校正部27设置有用于使各激光入射到各反射膜的光束成形部。

从光束位置校正部27射出的激光L1被反射镜28反射而向照明光学系统17入射。照明光学系统17使激光光源射出的光的强度分布均匀化，并且将其成形为线状的加工用激光。照明光学系统17具有用于成形出线状激光的透镜阵列(也称为蝇眼透镜阵列)。透镜阵列是在放大激光的方向上排列有多个凸透镜而得到的透镜阵列。来自照明光学系统17的线状激光LB照射掩模13。另外，后面描述照明光学系统17的具体例。

扫描机构16是照明光学系统17的一部分，使照明光学系统17的整体移动。借助扫描机构16使激光LB相对于光掩模13移动，通过激光对分别固定于掩模台18和载置工作台15的光掩模13和基板W进行扫描。

图3示出了激光LB与光掩模13的大小之间的关系。例如激光LB的(长度×宽度)为(100×0.1(mm))、(35×0.3(mm))等。与激光LB的长度方向垂直的宽度方向为扫描方向。

光掩模13的掩模图案是通过对使KrF准分子激光透过的基材(例如石英玻璃)形成遮断KrF准分子激光的遮断膜(铬膜、铝膜等)来描绘的。可以在光掩模13上描绘在基板W上反复出现的图案，或者可以描绘遍及基板W整体的图案。

掩模台18具有对光掩模13进行保持且能够进行光掩模的定位的xyθ台。配置有用于读取设置于光掩模13的对准标记并进行光掩模13的定位的照相机(未图示)。

通过光掩模13后的激光入射到投影光学系统14。投影光学系统14是在光掩模13的表面和基板W的表面具有焦点的投影光学系统，将透过光掩模13后的光投影于基板W。这里，投影光学系统14构成为缩小投影光学系统(例如1/4倍)。

载置工作台15通过真空吸附等而将基板W固定，并且借助工作台移动机构通过x-y方向上的移动和旋转而将基板W相对于光掩模13定位。并且，能够沿着扫描方向进行步进移动，从而能够遍及基板W整体进行烧结加工。在载置工作台15的旁边设置有对设置于基板W的对准标记进行拍摄的对准照相机(未图示)。还可以设置调焦用的z机构等。

基板W(工件)例如是印刷布线板用的有机基板，在表面形成有进行激光加工的被加工层。被加工层例如是树脂膜或金属箔，由能够通过激光进行形成过孔等加工处理的材料形成。通过激光加工机来形成过孔和布线图案，在之后的工序中向加工部分填充铜等导体。

图4放大示出了基板W的一例。基板W是拼版基板，在基板W上，呈(8×8)的矩阵状反复设置有与光掩模13的图案对应的图案区域WA。在图4中，横向是副步进方向，纵向是主步进方向。在扫描某一图案区域WA后，扫描下一图案区域。另外，图示的扫描的方向(箭头)是一例。

另外，在本发明的一个实施方式中，虽然未图示，但设置有搬送机构，通过搬送机构来进行被加工物向载置工作台的载置和取出。例如可以使用SCARA机器人等。另外，具有覆盖加工装置和激光光源的框体的未图示的空调室。

在上述的本发明的一个实施方式中，具有用于对装置整体进行控制的控制装置(未图示)。控制装置进行激光光源11的控制、驱动部各部的控制、光掩模、基板W的对准、生产信息的管理和配方管理等。

将上述的激光加工装置的光学系统表示为框图的话，如图5所示。对图5中的与图1和图2对应的部分标注相同的参照标号。来自激光光源11的激光提供给光束成形部30。来自光束成形部30的激光提供给光束位置校正部27。通过光束位置校正部27将激光调整为激光始终以准确的位置和角度向照明光学系统17入射。如上所述，光束成形部30对激光进行成形，以使来自激光光源11的激光和引导用激光入射到与反射镜不同的反射膜。

照明光学系统17具有沿着光轴依次配置有光束成形部31、作为光量均匀化部的透镜阵列部32以及准直透镜部33的结构。通过光束成形部31来形成具有规定的长度和宽度的长方形的激光，通过透镜阵列部32使激光的分布均匀并且成为线状的激光。透镜阵列部32由第1对34和第2对35构成，该第1对34由沿着光轴方向排列的2片第1柱面透镜阵列(在图5中记为SLA)36a、36b构成，该第2对35由沿着光轴方向排列的2片第2柱面透镜阵列37a、37b构成。

通过准直透镜部33使来自透镜阵列部32的激光成为大致平行光。来自照明光学系统17的准直透镜部33的激光向光掩模13照射。通过光掩模13后的激光入射到投影光学系统14。投影光学系统14将透过光掩模13后的光投影于基板W。

参照图6对照明光学系统17的一例进行说明。将与照明光学系统17的光轴的方向平行的方向设为z轴，将与z轴和y轴垂直的方向设为x轴，将与z轴和x轴垂直的方向设为y轴。即，将与z轴垂直且相互垂直的轴设为x轴和y轴。图6的A是照明光学系统17的侧视图，图6的B是照明光学系统17的俯视图。并且，线状激光的宽度方向为x轴方向，线状激光的长度方向为y轴方向。

在图6的A的侧视图中，用粗线示出的柱面透镜31a、柱面透镜阵列36a和36b以及柱面透镜33a是在x轴方向上具有透镜作用的元件。提取这些具有透镜作用的元件并在图6的C中示出。另外，在图6的B的侧视图中，用粗线示出的柱面透镜31b、柱面透镜阵列37a、37b、柱面透镜33b是在y轴方向上具有透镜作用的元件。提取这些具有透镜作用的元件并在图6的D中示出。

光束成形部31具有如下的结构：在z轴方向上依次排列有在x轴方向上具有透镜作用(换言之，在x轴方向上具有光焦度)的柱面透镜31a和在y轴方向上具有透镜作用(换言之，在y轴方向上具有光焦度)的柱面透镜31b。当来自光源的激光入射到柱面透镜31a时，从柱面透镜31a产生在x轴方向(宽度方向)上扩展的激光。进而，当激光入射到柱面透镜31b时，从柱面透镜31b产生在y轴方向(长度方向)上扩展的激光。来自柱面透镜31b的激光从光束成形部31射出。光束成形部31根据透镜阵列部32的柱面透镜阵列的入射面的大小来扩大激光，并且使激光平行地向柱面透镜阵列入射。另外，入射到蝇眼透镜的激光具有高斯曲线等的强度的偏差。

从光束成形部31射出的激光入射到透镜阵列部32的第1对34的光源侧的柱面透镜阵列36a。沿z轴方向与柱面透镜阵列36a平行地排列有柱面透镜阵列36b。柱面透镜阵列36a和35b在x轴方向上排列有多个小径的柱面透镜(凸透镜)。柱面透镜阵列36a的入射侧的透镜面为凸状，出射侧的透镜面为平面。柱面透镜阵列36b的入射侧的透镜面为平面，出射侧的透镜面为凸状。通过柱面透镜阵列36a和36b进行激光的均匀化。

从第1对34射出的激光入射到透镜阵列部32的第2对35的光源侧的柱面透镜阵列37a。沿z轴方向与柱面透镜阵列37a平行地排列有柱面透镜阵列37b。柱面透镜阵列37a和37b在y轴方向上排列有多个小径的柱面透镜(凸透镜)。通过柱面透镜阵列37a和37b进行激光的均匀化。

从透镜阵列部32的第2对35的柱面透镜阵列37b射出的激光入射到准直透镜部33的第1柱面透镜33a。柱面透镜33a在x轴方向上具有透镜作用。与柱面透镜33a平行地排列有第2柱面透镜33b。柱面透镜33b在y轴方向上具有透镜作用。准直透镜部33使分割出的激光成为平行光，并且使它们在照射面上重叠并均匀化。

在本发明的一个实施方式中，如图6的A和图6的B所示，第1对34的第1柱面透镜阵列36a与36b的第1间隔和第2对35的第2柱面透镜阵列37a与37b的第2间隔中的至少一方可变。在一个实施方式中，第1间隔和第2间隔双方可变。

在上述的本发明的一个实施方式中，使柱面透镜阵列的间隔可变，因此能够调整期望的方向的倍率。

以上，对本技术的一个实施方式进行了具体说明，但本发明不限于上述的一个实施方式，可以根据本发明的技术思想进行各种变形。例如，也可以使用透镜沿x轴方向和y轴方向这两个方向排列而得到的透镜阵列。并且，不限于设置有两个对的结构，能够将本发明应用于设置有一个透镜阵列的对的结构。而且，x方向透镜阵列部34和y方向透镜阵列部35的顺序也可以是与上述的一个实施方式相反的顺序。另外，在上述的实施方式中列举的结构、方法、工序、形状、材料以及数值等仅是例子，可以根据需要而使用与其不同的结构、方法、工序、形状、材料以及数值等。

Claims (6)

1.一种照明光学系统，其将激光向照射面引导，其中，

所述照明光学系统采用了如下的结构：

所述照明光学系统具有光量均匀化部，该光量均匀化部使激光均匀化，

将z轴设为光轴方向，将与z轴和y轴垂直的方向设为x轴，将与z轴和x轴垂直的方向设为y轴，

所述光量均匀化部由第1对和第2对构成，该第1对由沿着所述z轴排列的2片第1柱面透镜阵列构成，该第2对由沿着所述z轴排列的2片第2柱面透镜阵列构成，

所述第1柱面透镜阵列在x轴方向上具有透镜作用，所述第2柱面透镜阵列在y轴方向上具有透镜作用，

所述第1对的所述第1柱面透镜阵列的第1间隔和所述第2对的所述第2柱面透镜阵列的第2间隔中的至少一方可变。

2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，

所述第1间隔和所述第2间隔可变。

3.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，

沿着所述z轴依次排列有光束成形部、所述光量均匀化部以及准直透镜部，使所述激光成为在x轴方向上伸长的线状的激光。

4.根据权利要求3所述的照明光学系统，其中，

所述光量均匀化部在从所述光束成形部入射所述激光的一侧配置有所述第1对，在向所述准直透镜部射出所述激光的一侧配置有所述第2对。

5.根据权利要求3所述的照明光学系统，其中，

所述光量均匀化部在从所述光束成形部入射所述激光的一侧配置有所述第2对，在向所述准直透镜部射出所述激光的一侧配置有所述第1对。

6.一种激光加工装置，其具有：

光源，其射出激光；

照明光学系统，其使所述激光成为截面呈线状的激光而向光掩模照射，并且借助扫描机构对所述光掩模进行扫描；

投影光学系统，其将经过所述光掩模后的激光照射于被加工物；以及

被加工物载置工作台，其载置所述被加工物，并且使所述被加工物在x-y方向上移动，

所述照明光学系统的光量均匀化部为权利要求1所记载的结构。

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