TW202317300A - 照明光學系統以及雷射加工裝置 - Google Patents

Abstract

議題：可防止光學元件成為高溫之情事，而且，防止光路長度變長及裝置大型化之情事。 解決方式：一種照射光學系統，導引雷射光往照射面，其特徵在於：具有均勻化雷射光之光量均勻化部，具有光量均勻化部沿著光軸以被依序排列之第1透鏡陣列、第2透鏡陣列、及第3透鏡陣列，在比第1透鏡陣列之焦點還要後方之位置，設有第2透鏡陣列，第2透鏡陣列之後，於至照射面為止之間之光路，不存在集光點，第1透鏡陣列及第3透鏡陣列係具有正之功率，第2透鏡陣列係具有負之功率。

Description

照明光學系統以及雷射加工裝置

本發明係關於一種使用於對光罩照射線狀雷射光之照明光學系統、以及包括照明光學系統之雷射加工裝置。

使透過光學光罩之雷射光，掃描做為塑膠、矽膠等非金屬材料之被加工物（工件，例如印刷電路板的塑膠層），藉此，消融加工（ablation：由熔解、蒸發所做的去除加工）被加工物為光學光罩的圖案之形狀（例如通過孔），其係被知曉。當需要精密加工時，其進行由使用準分子雷射（KrF雷射、波長248nm）之消融所做的加工。

由準分子雷射所做的消融加工，其需要使非常高之能量之光，照射到被加工對象物，高通量之光束係通過照明光學系統。因此，有透鏡等光學元件的玻璃材料、塗膜等，因為熱而承受損傷之問題。又，當為了光學元件不成為高溫，而配置為在光學元件上，不做集光點時，有變得避開集光點以配置光學元件，光路長度係變長，亦即，裝置係大型化之課題。

例如專利文獻1所述之照明光學系統之構造，其為使全息元件12、圓柱狀透鏡陣列13a及圓柱狀透鏡陣列13b，沿著光軸以依序排列。

於專利文獻2中，記載有一種加長化且細線化照射領域之光束均質器。於專利文獻2之構造中，其為使圓柱體陣列1A,2B,1B沿著光軸以依序排列，在圓柱體陣列1B之後，具有集光部。 [先行技術文獻] [專利文獻]

［專利文獻1］日本特開2003－090959號公報 ［專利文獻2］日本特開平10－153746號公報

[發明所欲解決的問題]

在專利文獻1之照明光學系統中，為了在圓柱狀透鏡陣列13b的透鏡面附近，存在有集光部，而有圓柱狀透鏡陣列13b發熱之問題。又，在專利文獻2之構造中，於光學元件上係沒有集光部，但是，光學元件之配置係承受限制，光路係變長，裝置係大型化。

因此，本發明之目的，其在於提供一種於光學元件不存在集光部，而且，可防止光路變長之照明光學系統以及雷射加工裝置。 [用以解決問題的手段]

本發明係一種照射光學系統，導引雷射光往照射面，其特徵在於： 具有均勻化雷射光之光量均勻化部， 光量均勻化部具有沿著光軸被依序排列之第1透鏡陣列、第2透鏡陣列、及第3透鏡陣列， 於比第1透鏡陣列之焦點還要後方之位置，設有第2透鏡陣列， 第2透鏡陣列之後，在至照射面為止之間之光路，不存在集光點， 第1透鏡陣列及第3透鏡陣列係具有正之功率，第2透鏡陣列係具有負之功率。 又，本發明係一種照射光學系統，導引雷射光往照射面，其特徵在於： 具有均勻化雷射光之光量均勻化部， 將z軸作為光軸方向，將與z軸及y軸直交之方向作為x軸，將與z軸及x軸直交之方向作為y軸， 光量均勻化部係在x軸方向及y軸方向之一者之方向上，具有透鏡作用之第1透鏡陣列部、及x軸方向及y軸方向之另一者之方向上，具有透鏡作用之第2透鏡陣列部，其沿著z軸以被依序排列， 第1透鏡陣列部，其具有沿著光軸以被依序排列之第1圓柱狀透鏡陣列、第2圓柱狀透鏡陣列、及第3圓柱狀透鏡陣列， 在比第1圓柱狀透鏡陣列之焦點還要後方之位置，設有第2圓柱狀透鏡陣列， 第2圓柱狀透鏡陣列之後，於至照射面為止之間之光路，不存在集光點， 第1圓柱狀透鏡陣列及第3圓柱狀透鏡陣列係具有正之功率，第2圓柱狀透鏡陣列係具有負之功率。 而且，本發明係一種雷射加工裝置，其包括： 光源，射出雷射光； 照明光學系統，使雷射光為剖面呈線狀之雷射光，以照射到光罩，同時藉掃描機構以掃描光罩； 投影光學系統，照射中介有光罩之雷射光到被加工物；以及 被加工物載置桌台，載置有被加工物，同時在x－y方向上，移動被加工物， 照明光學系統的光量均勻化部係上述之構造。 [發明功效]

當依據至少一個實施形態時，本發明係可以防止光學元件成為高溫，而且，可以防止光路長度變長，裝置大型化。而且，在此所記載之效果，其未必侷限於此，其也可以為本專利說明書所述之任何效果或與這些不同之效果。

[用以實施發明的形態]

以下，參照圖面，說明本發明之實施形態等。而且，以下說明之實施形態等，其為本發明之最佳具體例，本發明之內容並未侷限於這些實施形態等。

圖1為本發明可通用之加工裝置，例如雷射加工裝置一例之示意構造圖。雷射加工裝置係具有雷射光源11。雷射光源11，其為脈衝照射例如波長248nm之KrF準分子雷射光之準分子雷射光源。雷射光係被供給到線狀雷射掃描機構12。

線狀雷射掃描機構12係具有：照明光學系統，整形雷射光束為長方形狀（線狀）；以及掃描機構（直線運動機構），用於雷射光LB掃描光罩13。

於光罩13形成有對應於對於被加工物（以下，適宜稱做基板W），藉消融以形成之加工圖案之遮罩圖案。亦即，於透過KrF準分子雷射之基材（例如石英玻璃），描繪有由遮斷KrF準分子雷射之遮光膜（例如Cr膜）所做之圖案。作為加工圖案，其為貫穿通過孔、非貫穿通過孔、配線圖案用之凹槽（溝槽）等。在藉消融加工以形成加工圖案之後，填充銅等導體。

通過光罩13之雷射光LB，其被入射到投影光學系統14。自投影光學系統14射出之雷射光，其被照射到基板W的表面。投影光學系統14，其在光罩面與基板W的表面，具有焦點面。基板W，其為在例如環氧樹脂等基板上，形成有銅配線層，於其上，形成有絶緣層之塑膠基板。

基板W，其設有複數之圖案領域WA，被固定於被加工物載置用之載置桌台15上。載置桌台15係藉在二維方向上，位移或旋轉，使圖案領域WA相對於光罩13而言，可分別定位。又，為了綿延基板W之全體使皆成可加工的的被加工領域，而載置桌台15係在掃描方向上，步進運動基板W。

參照圖2，說明雷射加工裝置之一實施形態。雷射加工裝置係被安裝於構成支撐體之基座部21及上部框架22。上部框架22係被固定於基座部21上。基座部21及上部框架22，其由剛性較高，具有衰減震動特性之材料所組成。

由掃描機構16及照明光學系統17所組成之線狀雷射掃描機構、載置有光罩13之遮罩台18（光罩的支撐部）、及投影光學系統14，其被固定於上部框架22。於基座部21上，固定有載置桌台15。亦即，這些掃描機構16、照明光學系統17、遮罩台18、投影光學系統14及載置桌台15，其被定位為滿足既定之光學性關係（雷射光係相對於照明光學系統17而言，正確入射之關係），在定位後，當因為由照明光學系統17之掃描動作及載置桌台15之位移動作所致之震動等，而基座部21及上部框架22擺動後，一體位移。藉光束位置校正部27，校正對於照明光學系統17之雷射光之入射位置及入射角度。

雷射光源11，其基座部21及上部框架22被收納於個別設置之框體24內。雷射光源11，其脈衝照射波長248nm之KrF準分子雷射（稱做雷射光）L1。雷射光L1及導引用雷射光（未圖示），其被入射到光束位置校正部（被稱做光束轉向機構）27。

光束位置校正部27，其為用於即時進行雷射光L1之定位（位置及入射角）之機構。藉光束位置校正部27，與雷射加工裝置的基座部21及上部框架22之傾斜無關地，可調整使得雷射光L1對於照明光學系統17，總是以正確之位置及角度入射。而且，導引用雷射光之波長，其被當作例如400nm～700nm。包含於光束位置校正部27之反射鏡，其具有分別反射波長不同之雷射光L1與導引用雷射光之波長之兩個反射膜。用於入射各雷射光到各反射膜之光束成形部，其被設於光束位置校正部27。

自光束位置校正部27射出之雷射光L1，其被反射鏡28反射，以入射到照明光學系統17。照明光學系統17，其均勻化雷射光源射出之光之強度分布，同時成型線狀之加工用雷射光。照明光學系統17，其具有用於成型線狀雷射光之透鏡陣列（也稱做複眼透鏡陣列）。透鏡陣列，其為在放大雷射光之方向上，排列有複數凸透鏡之透鏡陣列。來自照明光學系統17之線狀雷射光LB係照射光罩13。另外，照明光學系統17之具體例係後述之。

掃描機構16，其為照明光學系統17的一部份，且移動照明光學系統17的全體。雷射光LB係藉掃描機構16，相對於光罩13移動，分別被固定於遮罩台18及載置桌台15之光罩13及基板W，其被雷射光所掃描。

圖3為表示雷射光LB與光罩13之大小關係。例如雷射光LB係當作（長度×寬度）為（100×0.1（mm））、（35×0.3（mm））等。與雷射光LB之長度方向直交之寬度方向，其被作為掃描方向。

光罩13，其對於透過KrF準分子雷射光之基材（例如石英玻璃），形成遮斷KrF準分子雷射光之遮斷膜（鉻膜、鋁膜等），藉此，描繪有遮罩圖案。於光罩13，也可以描繪重複出現之圖案到基板W，或者，也可以描繪綿延基板W全體之圖案。

遮罩台18，其包括保持光罩13，可以定位光罩之xyθ桌台。包括有用於讀取被設於光罩13之對準標記，定位光罩13之相機（未圖示）。

通過光罩13後之雷射光，其被入射到投影光學系統14。投影光學系統14，其為在光罩13的表面與基板W的表面，具有焦點之投影光學系統，投影透過光罩13後之光到基板W。在此，投影光學系統14之構造，其作為縮小投影光學系統（例如1／4倍）。

載置桌台15，其藉真空吸附等以固定基板W，同時以桌台移動機構，藉往x－y方向之移動及旋轉，針對光罩13，定位基板W。又，其為可沿著掃描方向之步進運動，使得綿延基板W全體，可以進行消融加工。於載置桌台15之旁邊，設有拍攝被設於基板W之對準標記之對準相機（未圖示）。而且，也可以設置焦點調整用之z機構等。

基板W（工件），其為例如印刷電路板用之有機基板，於表面形成有進行雷射加工之被加工層。被加工層，其為例如塑膠膜、金屬箔等，由藉雷射光，可加工處理形成通過孔等之材料所形成。藉雷射加工機以形成通過孔、配線圖案等，在其後之工序，填充銅等導體到加工部分。

圖4為放大表示基板W之一例。基板W，其為多面性基板，於基板W，與光罩13的圖案相對應之圖案領域WA，其被重複設為（8×8）之矩陣狀。於圖4中，橫向係作為次步進方向，縱向係作為主步進方向。當某圖案領域WA被掃描時，下一個圖案領域係被掃描。而且，圖示之掃描之方向（箭頭）係一例。

而且，於本發明之一實施形態中，雖然未圖示，但是，設有輸送機構，藉輸送機構，被加工物係被載置往載置桌台或取出。可使用例如水平多關節機器人等。又，包括有覆蓋加工裝置與雷射光源的框體之未圖示之空調腔體。

在上述之本發明之一實施形態中，其包括用於控制裝置全體之減震裝置（未圖示）。控制裝置，其進行雷射光源11之控制、驅動部各部之控制、光罩、基板W之對準、生產資訊之管理、配方管理等。

使上述之雷射加工裝置中之光學系統，以方塊圖表示的話，即如圖5所示。在與圖5中之圖1及圖2相對應之部分，其賦予相同之參照編號。來自雷射光源11之雷射光，其被供給到光束成形部30。來自光束成形部30之雷射光，其被供給到光束位置校正部27。藉光束位置校正部27，雷射光係被調整，使得雷射光對於照明光學系統17，總是以正確之位置及角度入射。光束成形部30，如上所述，其為用於成型使來自雷射光源11之雷射光與導引用雷射光，入射到與反射鏡不同之反射膜之雷射光者。

照明光學系統17，其具有光束成形部31、作為光量均勻化部之透鏡陣列部32及准直透鏡部33，沿著光軸依序被配置之構造。藉光束成形部31，形成具有既定之長度及寬度之長方形雷射光，藉透鏡陣列部32，雷射光之分布係被均勻化，同時成為線狀之雷射光。透鏡陣列部32，其由沿著光軸方向以被排列之三塊之第1圓柱狀透鏡陣列（在圖5中，標示為SLA）36a、第2圓柱狀透鏡陣列36b及第3圓柱狀透鏡陣列36c，所組成之x方向透鏡陣列部34、及沿著光軸方向以被排列之兩塊之圓柱狀透鏡陣列37a,37b，所組成之y方向透鏡陣列部35所構成。

來自透鏡陣列部32之雷射光，其藉准直透鏡部33而成為幾近平行光。來自照明光學系統17的准直透鏡部33之雷射光，係被照射到光罩13。通過光罩13後之雷射光，其被入射到投影光學系統14。投影光學系統14，其使透過光罩13後之光，投影到基板W。

參照圖6，說明照明光學系統17之一例。將與照明光學系統17的光軸之方向平行之方向，作為z軸，將與z軸及y軸直交之方向，作為x軸，將與z軸及x軸直交之方向，作為y軸。亦即，將與z軸垂直，且彼此直交之軸，作為x軸及y軸。圖6A為照明光學系統17之側視圖，圖6B為照明光學系統17之俯視圖。而且，線狀雷射光之寬度方向，其作為x軸方向，線狀雷射光之長度方向，其作為y軸方向。又，圖17為放大表示x方向透鏡陣列部34的部分之側視圖。

於圖6A之側視圖中，粗線所示之圓柱狀透鏡31a、圓柱狀透鏡陣列36a,36b,36c、及圓柱狀透鏡33a，其為在x軸方向上，具有透鏡作用之元件。又，於圖6B之側視圖中，粗線所示之圓柱狀透鏡31b、圓柱狀透鏡陣列37a,37b、及圓柱狀透鏡33b，其為在y軸方向上，具有透鏡作用之元件。

光束成形部31，其具有在x軸方向上，具有透鏡作用（換言之，在x軸方向上，具有功率）之圓柱狀透鏡31a、及在y軸方向上，具有透鏡作用（換言之，在y軸方向上，具有功率）之圓柱狀透鏡31b，其在z軸方向上，被依序排列之構造。當來自光源之雷射光係被入射到圓柱狀透鏡31a時，產生自圓柱狀透鏡31a往x軸方向（寬度方向）擴大之雷射光。而且，當雷射光被入射到圓柱狀透鏡31b時，產生自圓柱狀透鏡31b往y軸方向（長度方向）擴大之雷射光。來自圓柱狀透鏡31b之雷射光，其自光束成形部31被射出。光束成形部31，其配合透鏡陣列部32的圓柱狀透鏡陣列的入射面之大小，以放大雷射光，同時相對於透鏡陣列部32而言，雷射光係平行地入射。而且，入射到複眼透鏡之雷射光，其具有高斯曲線等之強度之偏差。

自光束成形部31射出之雷射光，其被入射到透鏡陣列部32的x方向透鏡陣列部34（在圖7表示放大側視圖）的光源側的第1圓柱狀透鏡陣列36a。沿著z軸方向，與圓柱狀透鏡陣列36a平行地，排列有第2圓柱狀透鏡陣列36b及第3圓柱狀透鏡陣列36c。圓柱狀透鏡陣列36a及36c，其為在x軸方向上，排列有複數之小直徑圓柱狀透鏡（凸透鏡）者。因此，圓柱狀透鏡陣列36a及36c係具有正之透鏡功率。圓柱狀透鏡陣列36a之入射側的透鏡面係呈凸狀，射出側的透鏡面係平面。圓柱狀透鏡陣列36c之入射側的透鏡面係平面，射出側的透鏡面係呈凸狀。圓柱狀透鏡陣列36b，其為在x軸方向上，排列有複數之小直徑圓柱狀透鏡（凹透鏡）者。因此，圓柱狀透鏡陣列36b係具有負之透鏡功率。藉圓柱狀透鏡陣列36a,36b及36c，進行雷射光之均勻化。

自x方向透鏡陣列部34射出之雷射光，其被入射到透鏡陣列部32的y方向透鏡陣列部35之光源側的圓柱狀透鏡陣列37a。沿著z軸方向，與圓柱狀透鏡陣列37a平行地，排列有圓柱狀透鏡陣列37b。圓柱狀透鏡陣列37a及37b，其為在y軸方向上，排列有複數之小直徑圓柱狀透鏡（凸透鏡）者。藉圓柱狀透鏡陣列37a及37b，進行雷射光之均勻化。

自透鏡陣列部32的y方向透鏡陣列部35的圓柱狀透鏡陣列37b射出之雷射光，其被入射到准直透鏡部33的第1圓柱狀透鏡33a。圓柱狀透鏡33a，其在x軸方向上，具有透鏡作用。與圓柱狀透鏡33a平行地，排列有第2圓柱狀透鏡33b。圓柱狀透鏡33b，其在y軸方向上，具有透鏡作用。准直透鏡部33，其使被分割後之雷射光為平行光，同時在照射面上，重疊且均勻化。

在本發明之一實施形態中，如圖6A及圖7所示，於比光源側的x方向透鏡陣列部34的第1圓柱狀透鏡陣列36a的焦點還要後方之位置，設有第2圓柱狀透鏡陣列36b，在第2圓柱狀透鏡陣列36b之後，於至照射面為止之間之光路，不存在集光點。

在上述之一實施形態中，透鏡陣列部32，其由x方向透鏡陣列部33及y方向透鏡陣列部34所組成，但是，其也可以為具有一者之透鏡陣列部之構造。又，也可以一個透鏡陣列部，其為於x方向及y方向之兩方向上，具有透鏡作用之構造。

例如如圖8所示，也可以為光束成形用透鏡41、透鏡陣列部42及准直透鏡43，其自光源至照射面為止，被依序排列，透鏡陣列部42，其為透鏡陣列43a、透鏡陣列43b及透鏡陣列43c被依序排列之構造。透鏡陣列43a及43c係凸透鏡陣列，透鏡陣列43b係凹透鏡陣列，在比透鏡陣列43a之焦點還要後方之位置，設有透鏡陣列43b，在透鏡陣列43b之後，於至照射面為止之間之光路，不存在集光點。

上述之本發明之一實施形態，其為在光學元件上，沒有集光點之配置，所以，可防止光學元件成為高溫，而且，可防止光路長度變長，裝置大型化。

以上，具體說明了本技術之一實施形態，但是，本發明並不侷限於上述之一實施形態，其可依據本發明之技術性思想做各種變形。例如x方向透鏡陣列部34與y方向透鏡陣列部35之順序，其也可以為上述之一實施形態之相反順序。又，上述實施形態中，例舉之構造、方法、工序、形狀、材料及數值等，只不過係舉例，其也可以因應需要，而使用與此不同之構造、方法、工序、形狀、材料及數值等。

W:被加工物（基板） 11:雷射光源 12:線狀雷射掃描機構 13:光罩 14:投影光學系統 15:載置桌台 16:掃描機構 17:照明光學系統 18:遮罩台 30,31:光束成形部 32:透鏡陣列部 33:准直透鏡部 36a,36b,36c:圓柱狀透鏡陣列

圖1為表示可適用本發明之雷射加工裝置之示意構造之圖。 圖2為本發明一實施形態之正視圖。 圖3為表示本發明一實施形態中之光罩與線狀光束之關係之俯視圖。 圖4為使用於本發明一實施形態之基板一例之放大俯視圖。 圖5為表示本發明一實施形態中之光學系統之方塊圖。 圖6之圖6A為照明光學系統一例之構造之側視圖；圖6B為照明光學系統一例之構造之俯視圖。 圖7為本發明一實施形態之局部構造之放大側視圖。 圖8為本發明之變形例之側視圖。

41:光束成形用透鏡

42:透鏡陣列部

43:准直透鏡

43a:透鏡陣列

43b:透鏡陣列

43c:透鏡陣列

Claims (6)

1. 一種照明光學系統，導引雷射光往照射面，其特徵在於： 具有均勻化雷射光之光量均勻化部，該光量均勻化部 具有沿著光軸依序排列的第1透鏡陣列、第2透鏡陣列、以及第3透鏡陣列， 於比該第1透鏡陣列之焦點還要後方之位置，設有該第2透鏡陣列， 該第2透鏡陣列之後，於至該照射面為止之間之光路，不存在集光點， 該第1透鏡陣列及該第3透鏡陣列係具有正之功率，該第2透鏡陣列係具有負之功率。
2. 如請求項1之照明光學系統，其中該第1及第3透鏡陣列係凸透鏡之集合，該第2透鏡陣列係凹透鏡之集合。
3. 一種照明光學系統，導引雷射光往照射面，其特徵在於： 具有均勻化雷射光之光量均勻化部， 將z軸作為光軸方向，將與z軸及y軸直交之方向作為x軸，將與z軸及x軸直交之方向作為y軸， 在該光量均勻化部於該x軸方向及y軸方向之一者之方向上，具有透鏡作用之第1透鏡陣列部、及其構造為在該x軸方向及該y軸方向之另一者之方向上，具有透鏡作用之第2透鏡陣列部，其沿著該z軸被依序排列而構成， 該第1透鏡陣列部係具有沿著光軸被依序排列的第1圓柱狀透鏡陣列、第2圓柱狀透鏡陣列、以及第3圓柱狀透鏡陣列， 在比該第1圓柱狀透鏡陣列之焦點還要後方之位置，設置有該第2圓柱狀透鏡陣列， 該第2圓柱狀透鏡陣列之後，於至該照射面為止之間之光路，不存在集光點， 該第1圓柱狀透鏡陣列及該第3圓柱狀透鏡陣列係具有正之功率，該第2圓柱狀透鏡陣列係具有負之功率。
4. 如請求項3之照明光學系統，其中該第1及第3圓柱狀透鏡陣列，其為圓柱狀凸透鏡之集合，該第3透鏡陣列係圓柱狀凹透鏡之集合。
5. 如請求項1～4中任一項之照明光學系統，其中沿著該z軸，光束成形部、該光量均勻化部及准直透鏡部係被依序排列。
6. 一種雷射加工裝置，其包括： 光源，射出雷射光； 照明光學系統，使該雷射光為剖面呈線狀之雷射光，以照射到光罩，同時藉掃描機構掃描該光罩； 投影光學系統，照射中介有該光罩之雷射光到被加工物；以及 被加工物載置桌台，載置有該被加工物，同時在x－y方向上，移動該被加工物， 該照明光學系統的光量均勻化部係如請求項3之構造。

Images