CN202257030U

CN202257030U - 大视场直接投影式激光光刻光学系统

Info

Publication number: CN202257030U
Application number: CN2011204009416U
Authority: CN
Inventors: 周金运; 李文静; 雷亮; 林清华; 裴文彦; 梅龙华
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong Superfocus Laser Co., Ltd.
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-10-19

Abstract

本实用新型是一种大视场直接投影式激光光刻光学系统。包括激光照明系统及激光投影成像系统，激光照明系统包括依次装设的第一柱面镜、第二柱面镜、会聚球面透镜、匀光棒、第一照明透镜、第二照明透镜、第三照明透镜、第四照明透镜、第五照明透镜，且第五照明透镜的后端装设有掩模板；激光投影成像系统包括依次装设的第一投影透镜、第二投影透镜、第三投影透镜、第四投影透镜、光阑、第五投影透镜、第六投影透镜、第七投影透镜、第八投影透镜，且第一投影透镜的前端是物面，第八投影透镜的后端装是像面，掩模板处于投影系统的物面上。本实用新型的光学系统分辨率高、焦深大、畸变小、结构简单、方便实用，可用于小型化的高端个人电子设备PCB和ITO的一次性大面积投影光刻。

Description

大视场直接投影式激光光刻光学系统

技术领域

本实用新型涉及小型化高端个人电子设备光刻技术领域，尤其涉及高性能手机的PCB(印刷电路板)和ITO(氧化铟锡)直接投影光刻的光学系统及其应用。

背景技术

随着个人电子设备朝微型化、轻薄化、系统高度集成化方向发展，下一代手机等高端个人电子设备的制造商需要生产出功能更强大、但体积更小和更节能的产品，而这些则有赖于其中微加工制造过程中的光刻技术。高端个人电子设备的国际趋势：PCB和ITO的特征尺寸由数百微米缩减到十微米左右。

光刻设备，市场上存在两大类产品：一种是主要用于IC芯片制造的光刻机，另一种是主要用于PCB制造的曝光机。前者的光刻技术水平已到达数十纳米的工艺水平，但售价极其昂贵；后者虽然价格便宜，但由于采用建立在普通光源之上的光刻，光刻技术水平约数十微米以上，且产品的报废率较大。本实用新型专利针对介于上述两种光刻水平之间的激光光刻，实用新型了一种大视场直接投影式激光光刻光学系统，它恰好能满足小型化高端个人电子设备的PCB和ITO光刻的需要。

面向小型化高端个人电子设备，由于集成电路等电子元器件的互连都离不开高密度PCB，高质量的显示离不开ITO的高精度加工，因此需要在光刻方面取得突破。传统的工业曝光(光刻)设备采用普通光源——汞(Hg)灯为曝光光源，这种传统的曝光设备已存在二十到四十年，它们被开发的潜能已尽，无论技术如何改进，建立在普通光源之上的曝光装置，对小型化高端个人电子设备所要求的光刻几乎难以符合要求。而目前高端光刻机，对小型化高端个人电子设备PCB和ITO的10微米量级光刻当然没有问题，但使用成本太高，且这种激光直接成像(LDI)光刻的方法，是通过形成的数字化图形由数据工作站来控制激光束聚焦以光栅方式一次一个像素点曝光而成像，最明显的好处是不需要掩模，但由于LDI是一次一个像素点曝光成像，因而其工业生产应用中的有效产量较低。

由于准分子激光器已成为紫外光谱区内最强大和最有效的激光光源，其高功率和低热效应的特点使其在微光刻技术、微细加工和制造等方面获得了广泛的应用，因此本方法利用准分子激光器作为光源，将该激光进行扩束和均匀化后进行直接投影快速光刻，设计的光学系统不仅能保证一定需要的光刻精度，而且可以满足一次性大面积和大批量的生产需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种可实现小型化高端个人电子设备的一次性大面积和高分辨光刻的大视场直接投影式激光光刻光学系统。本实用新型可用于小型化电子设备印刷电路板(PCB)和氧化铟锡(ITO)的一次性大面积直接投影光刻。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的大视场直接投影式激光光刻光学系统，包括有激光照明系统及激光投影成像系统，其中激光照明系统包括有依次装设的第一柱面镜、第二柱面镜、会聚球面透镜、匀光棒、第一照明透镜、第二照明透镜、第三照明透镜、第四照明透镜、第五照明透镜，且第五照明透镜的后端装设有掩模板；激光投影成像系统包括有依次装设的第一投影透镜、第二投影透镜、第三投影透镜、第四投影透镜、光阑、第五投影透镜、第六投影透镜、第七投影透镜、第八投影透镜，且第一投影透镜的前端是物面，第八投影透镜的后端装是像面，掩模板处于投影系统的物面上。

上述激光照明系统中，第一柱面镜、第二柱面镜相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由会聚球面透镜使准直的光斑全部会聚进入匀光棒。

上述第一照明透镜、第二照明透镜、第三照明透镜、第四照明透镜、第五照明透镜均为球面透镜。

上述由匀光棒对准分子激光进行均束，匀光棒预先被加工成横截面的形状与光刻对象的产品大小形状相似，最后由球面透镜组放大为所需尺寸，在掩模上获得均匀的光斑。

上述激光投影成像系统中，第一投影透镜、第二投影透镜、第三投影透镜、第四投影透镜、第五投影透镜、第六投影透镜、第七投影透镜、第八投影透镜八块球面透镜组合成一种大视场、高分辨率的投影物镜，其结构和物像关系完全对称，放大倍率为-1，使掩模板所处在的物面和像面的位置成物像共轭关系。

上述采用双远心的光路设计，物方和像方都是远心结构，避免掩模板和像面的移动而引起其放大率的改变，且掩模板和像面相对照度一致。

上述激光照明系统由准分子激光作为光源。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1)与现有的普通曝光机相比，普通曝光机的光刻分辨率有限，对高端个人电子设备PCB和ITO的近十微米水平的光刻根本难以实现。而本实用新型采用激光和提高物镜数值孔径的方法，使分辨率提高5倍以上，能满足高端个人电子设备PCB和ITO的光刻需要。

2)与现有的高端光刻机相比，亚微米以下光刻水平的光刻机由于光学系统结构复杂和工艺难度大，因而造价昂贵，用于PCB和ITO的近10微米水平的光刻是大材小用，造成不必要的成本浪费。而本实用新型则相对而言，光学系统结构简单和工艺难度较小，因而用于高端个人电子设备PCB和ITO光刻的成本可以节约5倍以上。

3)本实用新型采用激光大面积投影曝光方式，掩模板和基板保持空间位置共轭而成像，避免了现代光刻机一次一个像素点直接曝光成像所带来的生产效率低的问题，因而能够满足高产量和高产率的需求。

4)本实用新型使用光棒来成型和均匀化激光束，代替了常用的微透镜阵列器作为均束器，易于加工成型，方法简单有效，比高难度加工要求的微透镜阵列器更经济实惠。

5)本实用新型通过把激光扩束整形成所需尺寸照射到掩膜板上(进行一次性大面积曝光)，再通过双远心设计的物镜投影，其掩模板和光刻基板的位置相对固定，降低了光刻对位的要求，比高难度对位的扫描光刻具有大的优势。

总之，本实用新型是一种分辨率高、焦深大、畸变小、结构简单、一次性大面积曝光的方便实用的光刻光学系统，可用于小型化的高端个人电子设备PCB和ITO的光刻。

附图说明

下面参照附图，结合实施例对本实用新型做进一步的描述。

图1是本实用新型激光照明系统的结构示意图。

图2是本实用新型激光投影成像系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实用新型的大视场直接投影式激光光刻光学系统，包括有激光照明系统及激光投影成像系统，其中本实用新型的激光照明系统的结构示意图如图1所示，包括有依次装设的第一柱面镜1、第二柱面镜2、会聚球面透镜3、匀光棒4、第一照明透镜5、第二照明透镜6、第三照明透镜7、第四照明透镜8、第五照明透镜9，且第五照明透镜9的后端装设有掩模板10；本实用新型的激光投影成像系统的结构示意图如图2所示，包括有依次装设的第一投影透镜11、第二投影透镜12、第三投影透镜13、第四投影透镜14、光阑15、第五投影透镜16、第六投影透镜17、第七投影透镜18、第八投影透镜19，且第一投影透镜11的前端装设有物面20，第八投影透镜19的后端装设有像面21，掩模板10处于投影系统的物面20上。

本实施例中，采用351nm波长的XeF准分子激光器，上述第一柱面镜1，第二柱面镜2相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的平行光斑。

上述会聚球面透镜3使准直的光斑全部会聚进入光棒。

上述匀光棒4起均匀光斑的作用。根据光刻产品形状与大小，光棒的横截面形状应与其一致，成像到掩模面上的光斑大小应与其一致，能最大程度地利用光的能量。

本实施例中，上述第一照明透镜5、第二照明透镜6、第三照明透镜7、第四照明透镜8、第五照明透镜9均为球面透镜。整组的作用是把光棒后表面的均匀光斑放大成像到掩模板10上，且满足照明数值孔径(NA)的要求。

本实施例中，上述照明系统光斑大小为110mm×60mm，工作波长为351nm，玻璃材料全部采用熔石英，照明数值孔径(NA)为0.02。

上述附图1中各光学器件满足以下条件：

其中匀光棒4的光学参数为：长×宽×高＝6mm×11mm×200mm，光棒与透镜5的距离为30.5mm。

本实用新型的激光投影成像系统中，上述第一投影透镜11与第八投影透镜19的结构完全相同，第二投影透镜12与第七投影透镜18的结构完全相同，第三投影透镜13与第六投影透镜17的结构完全相同，第四投影透镜14与第五投影透镜16的结构完全相同。

本实施例中，上述光阑15中间一段是平行光路。

上述使掩模板10所处在的物面20和像面21的位置成物像共轭关系。

本实用新型大视场直接投影式激光光刻光学系统，用于小型化电子设备PCB和ITO的一次性大面积直接投影光刻。

本实施例中，上述激光投影成像系统中，第一投影透镜11、第二投影透镜12、第三投影透镜13、第四投影透镜14、第五投影透镜16、第六投影透镜17、第七投影透镜18、第八投影透镜19八块球面透镜组合成一种大视场、高分辨率的投影物镜，其结构和物像关系完全对称，放大倍率为-1，使掩模板10和像面21的位置成物像共轭关系。其工作波长为351nm，数值孔径0.03，像方视场Φ100mm×100mm。其结构完全对称且物像关系也对称，即放大倍率为-1，因此其垂轴像差很小，畸变几乎为零。采用双远心的光路设计，避免了因为掩模板和基板的移动导致放大率发生改变。本实用新型分辨率达到了衍射极限，在50线对/毫米时，传递函数MTF＞0.6，离焦±200um时，MTF＞0.4，光刻分辨力为10um。由于八片球面透镜组合成物方和像方都是远心的双远心光路结构，这种结构避免了由于掩模和基板的离焦而导致放大倍率发生变化，且相对照度几乎达到100％。

上述附图2中各光学器件满足以下条件：

实施例2：

本实用新型实施例的结构与实施例1相同，不同之处在于本实用新型照明系统的光斑大小为110mm×60mm，工作波长为248nm，玻璃材料全部采用熔石英，照明NA为0.02。

上述图1中各光学器件满足以下条件：

其中匀光棒4的光学参数为：长×宽×高＝6mm×11mm×200mm，光棒与透镜5的距离为28mm。

本实用新型的激光投影成像系统的结构与实施例1相同，不同之处在于第一投影透镜11、第二投影透镜12、第三投影透镜13、第四投影透镜14、第五投影透镜16、第六投影透镜17、第七投影透镜18、第八投影透镜19八块球面透镜组合成一种大视场、高分辨率的投影物镜，其结构和物像关系完全对称，放大倍率为-1，使掩模板10和像面21的位置成物像共轭关系。其工作波长为248nm，数值孔径0.03，像方视场Φ100mm×100mm。其结构完全对称且物像关系也对称，即放大倍率为-1，因此其垂轴像差很小，畸变几乎为零。采用双远心的光路设计，避免了因为掩模板和基板的移动导致放大率发生改变。本实用新型分辨率达到了衍射极限，在50线对/毫米时，传递函数MTF＞0.6，离焦±200um时，MTF＞0.4，光刻分辨力为10um。

上述附图2中各光学器件满足以下条件：

实施例3：

本实用新型实施例的结构与实施例1相同，不同之处在于本实用新型激光照明系统中，采用193nm波长的ArF准分子激光，上述第一柱面镜1，第二柱面镜2相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的平行光斑。

上述会聚球面透镜3使准直的光斑全部会聚进入光棒。

上述激光照明系统中的光斑大小为110mm×60mm，工作波长为193nm，玻璃材料全部采用熔石英，照明NA为0.02。

上述附图1中各光学器件满足以下条件：

其中匀光棒4的光学参数为：长×宽×高＝6mm×11mm×200mm，光棒与透镜5的距离为24.5mm。

本实用新型的激光投影成像系统的结构与实施例1相同，不同之处在于上述第一投影透镜11、第二投影透镜12、第三投影透镜13、第四投影透镜14、第五投影透镜16、第六投影透镜17、第七投影透镜18、第八投影透镜19八片球面透镜组合成一种大视场、高分辨率的投影物镜，其工作波长为193nm，数值孔径0.03，像方视场Φ100mm×100mm。其结构完全对称且物像关系也对称，即放大倍率为-1，因此其垂轴像差很小，畸变几乎为零。采用双远心的光路设计，避免了因为掩模板和基板的移动导致放大率发生改变。本实用新型分辨率达到了衍射极限，在50线对/毫米时，传递函数MTF＞0.6，离焦±200um时，MTF＞0.4，光刻分辨力为10um。

上述附图2中各光学器件满足以下条件：

Claims

1.一种大视场直接投影式激光光刻光学系统，包括有激光照明系统及激光投影成像系统，其中激光照明系统包括有依次装设的第一柱面镜（1）、第二柱面镜（2）、会聚球面透镜（3）、匀光棒（4）、第一照明透镜（5）、第二照明透镜（6）、第三照明透镜（7）、第四照明透镜（8）、第五照明透镜（9），且第五照明透镜（9）的后端装设有掩模板（10）；激光投影成像系统包括有依次装设的第一投影透镜（11）、第二投影透镜（12）、第三投影透镜（13）、第四投影透镜（14）、光阑（15）、第五投影透镜（16）、第六投影透镜（17）、第七投影透镜（18）、第八投影透镜（19），且第一投影透镜（11）的前端是物面（20），第八投影透镜（19）的后端装是像面（21），掩模板（10）处于投影系统的物面（20）上。

2.根据权利要求1所述的大视场直接投影式激光光刻光学系统，其特征在于上述激光照明系统中，第一柱面镜（1）、第二柱面镜（2）相互组合，把长方形的准分子激光光斑整形成正方形的光斑，再由会聚球面透镜使准直的光斑全部会聚进入匀光棒（4）。

3.根据权利要求1所述的大视场直接投影式激光光刻光学系统，其特征在于上述第一照明透镜（5）、第二照明透镜（6）、第三照明透镜（7）、第四照明透镜（8）、第五照明透镜（9）均为球面透镜。

4.根据权利要求1所述的大视场直接投影式激光光刻光学系统，其特征在于上述由匀光棒（4）对准分子激光进行均束，匀光棒预先被加工成横截面的形状与光刻对象的产品大小形状相似，最后由球面透镜组放大为所需尺寸，在掩模上获得均匀的光斑。

5.根据权利要求1所述的大视场直接投影式激光光刻光学系统，其特征在于上述激光投影成像系统中，第一投影透镜（11）、第二投影透镜（12）、第三投影透镜（13）、第四投影透镜（14）、第五投影透镜（16）、第六投影透镜（17）、第七投影透镜（18）、第八投影透镜（19）八块球面透镜组合成一种大视场、高分辨率的投影物镜，其结构和物像关系完全对称，放大倍率为-1，使掩模板（10）所处在的物面（20）和像面（21）的位置成物像共轭关系。

6.根据权利要求1所述的大视场直接投影式激光光刻光学系统，其特征在于上述采用双远心的光路设计，物方和像方都是远心结构，避免掩模板（10）和像面（21）的移动而引起其放大率的改变，且掩模板（10）和像面（21）相对照度一致。

7.根据权利要求1所述的大视场直接投影式激光光刻光学系统，其特征在于上述激光照明系统由准分子激光作为光源。