PCB激光投影光刻照明系統(tǒng)的設(shè)計

第24卷第2期2007年6月廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報JournalofGuangdongUniversityofTechnologyVo.l24No.2June2007PCB激光投影光刻照明系統(tǒng)的設(shè)計林清華,李文靜,宋超,王魯賓(廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,廣東廣州510006)摘要:針對大面積、高產(chǎn)量和節(jié)約型印制電路板(PCB)生產(chǎn)使用的激光投影光刻機,利用ZEMAX工程光學(xué)設(shè)計軟件,對其照明系統(tǒng)進(jìn)行了模擬設(shè)計與優(yōu)化,并對優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行了分析.對于設(shè)計的照明系統(tǒng),其像面均勻性、光斑大小和形狀、像差以及照明系統(tǒng)與投影物鏡的匹配都符合實際要求.關(guān)鍵詞:印制電路板;激光投影光刻;照明系統(tǒng)中圖分類號:TN305.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1007-7162(2007)02-0033-03照明系統(tǒng)是投影光刻機的關(guān)鍵部件之一,要求具有很好的照明均勻性,且能量利用率高,其性能直接影響到光刻機的蝕刻圖形的質(zhì)量.如果照明不均勻,將導(dǎo)致光刻出來的線條粗細(xì)不均勻,整塊板上的分辨力不一致,或有斷線等,這在生產(chǎn)過程中是不允許的.因此一個好的照明系統(tǒng)也是至關(guān)重要的.激光投影光刻機,尤其是掃描式的激光投影光刻機基于其優(yōu)越的性能,在制造大面積、高密度集成電路(IC)、液晶顯示(LCD)、印制電路板(PCB)等方面顯示出巨大的優(yōu)勢[1-2]對比度質(zhì)量也比較好[3].對于印制電路板,其光刻分辨力達(dá)到10m,可以滿足今后10年內(nèi)對產(chǎn)品需求,其投影物鏡的數(shù)值孔徑NA=0.025,如果相干度取0.8,則照明系統(tǒng)的數(shù)值孔徑應(yīng)為0.02.3)照明均勻性:投影光刻機對曝光均勻性的要求很高,一般情況下,線寬越小對均勻性的要求越高[4].對于本設(shè)計,其分辨力不要求達(dá)到亞微米量4)與投影物鏡的匹配:設(shè)計的照明系統(tǒng)除了要級,其照明不均勻性在5%以內(nèi)即可.求照明相干度滿足上述要求外,還要求其出瞳與投影物鏡入瞳匹配[5].本文僅就用于PCB曝光的激光投影光刻機的照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究.準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的是高斯光束,其強度呈高斯分布,中間強,兩端逐漸減弱,光束截面呈長方形,要把它作為光刻照明光源,首先必須對它的光束進(jìn)行整形,使其成為達(dá)到要求幾何形狀和大小的均勻光束..對于投影光刻物鏡,通常采用雙遠(yuǎn)心的結(jié)構(gòu)設(shè)計,這種形式的投影物鏡,不但在像面(基板表面)離焦時,而且在物面(掩模圖形面)有位移時,投影的倍率都可以保持不變[5].此結(jié)構(gòu)的投影物鏡,其入瞳在無窮遠(yuǎn)處,因此照明系統(tǒng)的出瞳位置也應(yīng)在無窮遠(yuǎn)處才能使照明系統(tǒng)的出瞳與投影物鏡的入瞳相匹配.此外,光斑大小也要與投影物鏡的視場保持一致.5)光斑形狀和大小:光刻機系統(tǒng)采用六邊形無接縫掃描技術(shù),因此傳播到底板上的光束截面應(yīng)呈正六邊形分布;光斑大小應(yīng)與投影物鏡的視場一致,投影物鏡的視場在半徑為25mm的范圍內(nèi),因此正六邊形邊長應(yīng)取25mm才能與其一致.6)玻璃材料:為了盡可能減少能量損失,應(yīng)選擇紫外線透過率較高的玻璃材料,而且選擇的玻璃材料受準(zhǔn)分子激光照射時損傷較小.最適合的玻璃材料是熔石英,這種材料的機械強度好、耐熱性能高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小,紫外線的透過率均在90%以上,遠(yuǎn)高于其它普通玻璃,如果再鍍制1設(shè)計要點1)像差校正:對于照明系統(tǒng),其像差最重要的影響是遠(yuǎn)心度的破壞,其中影響最為嚴(yán)重的是球差.照明系統(tǒng)像差校正不要求像投影物鏡那樣嚴(yán)格,主要是校正球差.2)相干度的選擇:所謂照明相干度,就是通過照明系統(tǒng)所形成的光源像在投影物鏡入瞳上成像的H聚大小與入瞳直徑的比值即=,也可以表示為照D物明系統(tǒng)的數(shù)值孔徑與投影物鏡的數(shù)值孔徑的比值,=(NA照明),其相干度一般取06~08為好,此時NA投影照明系統(tǒng)光能利用率高,而且投影物鏡成像的線條收稿日期:2007-03-14基金項目:廣州市科技計劃項目(2006Z3-D0041)女,,.34廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報第24卷高質(zhì)量的增透膜,對351nm波長的透過率可以達(dá)到98%以上.7)玻璃厚度:為了滿足實際光學(xué)加工的需求,光學(xué)玻璃厚度不能太小,一般對于正透鏡中心厚度應(yīng)大于3mm,負(fù)透鏡口徑與中心厚度的比值不應(yīng)小于1/15~1/10.[6]圖2復(fù)眼透鏡陣列2光學(xué)設(shè)計本設(shè)計是基于Coherent公司的ExcistarS-lndus-trial1000型XeF準(zhǔn)分子激光器而設(shè)計的,其波長為351nm,光斑大小3mm6mm,發(fā)散角1mrad2mrad.2.1擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)分子激光光束截面呈長方形,且能量分布不均勻,由于需要滿足在均束面能量均勻、對稱分布的要求,透鏡陣列采用正方形分布.為了滿足透鏡陣列正方形輸入光的要求,首先需將準(zhǔn)分子原始光斑形狀由矩形變?yōu)檎叫畏植糩7]2.3聚光鏡組設(shè)計復(fù)眼透鏡組必須與聚光鏡組很好地配合才能在底板上得到很好的照明均勻性,通常采用柯拉照明方式,復(fù)眼透鏡組的前透鏡陣列被它后面的光學(xué)系統(tǒng)成像在掩模上,而復(fù)眼透鏡組的后透鏡陣列應(yīng)被聚光鏡組成像在投影物鏡的入瞳處,這樣既保證了像面的均勻性,又做到了與投影物鏡的匹配.為了使照明系統(tǒng)的出瞳與投影系統(tǒng)的入瞳對應(yīng),照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)在無窮遠(yuǎn)處,此時復(fù)眼透鏡后組應(yīng)位于聚光鏡組的前焦面處;底板應(yīng)位于聚光鏡組的后焦面處,這樣才能保證復(fù)眼透鏡前組被它后面的光學(xué)系統(tǒng)成像在底板上;此外,對于聚光鏡組,由于視場和孔徑角都相對較小,因此只用兩片球面透鏡像差即可校正得很好.設(shè)計的聚光鏡如圖3所示.,因此需要一組柱面擴束鏡一維擴束,將光束變?yōu)?mm6mm的正方形光斑,再由一組球面擴束鏡擴束為大小合適的正方形的光斑,而且可以進(jìn)一步減少光束發(fā)散角,其光學(xué)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.圖3聚光鏡圖3結(jié)果分析與討論圖1擴束系統(tǒng)圖3.1照明系統(tǒng)光路圖利用ZEMAX設(shè)計的照明系統(tǒng)如圖4所示.在接收面前加一固定大小的正六邊形的光闌,以保證最后出射的光斑形狀呈正六邊形分布,且光斑大小符合要求.2.2復(fù)眼透鏡設(shè)計利用復(fù)眼透鏡組能獲得很好的照明均勻性,其主要原因是:復(fù)眼透鏡組的第一面組合把能量分布不均勻的光通道進(jìn)行了分割,從而得到了許多個能量分布相對均勻的小面積塊,將這些小面積塊都成像于掩模板,這樣在掩模板上就得到了能量分布較為均勻的照明.這些小面積塊的像在掩模板上互相重迭,對提高照明均勻性也是非常有利的,使各個小面積塊的不均勻情況在掩模板上互相彌補.理論上講,光通道上的復(fù)眼透鏡面越多,也就是光通道被分割得越細(xì),則每個小復(fù)眼透鏡光源本身越均勻.但是分割得越細(xì),每個小復(fù)眼透鏡的直徑越小,這樣每個小復(fù)眼透鏡的長度與直徑之比太大,給光學(xué)加工帶來了困難[8]圖4照明系統(tǒng)圖3.2照明均勻性圖5是利用ZEMAX模擬的接收面的效果圖,呈現(xiàn)邊長為25mm的正六邊形的分布,高度的均勻性,完全符合光刻的要求.3.3系統(tǒng)像差與數(shù)值孔徑對于設(shè)計的照明系統(tǒng),主要是消球差,其三級球差系數(shù)僅為00061,滿足光刻照明系統(tǒng)對球差的要求;此外,其照明系統(tǒng)的數(shù)值孔徑約為002,而投影0025,..目前市場上銷售的復(fù)眼透鏡主要有77、99、1111陣列,我們采用99陣列的復(fù)眼透鏡即可滿足不均勻性在5%以內(nèi)的要求,其設(shè)計的復(fù)眼透鏡組如圖2所示.第2期林清華,等:PCB激光投影光刻照明系統(tǒng)的設(shè)計35鏡完全匹配,出入瞳對應(yīng),光斑大小為邊長為25mm的正六邊形,數(shù)值孔徑002,滿足相干度08的要求,光能利用率高.又由于準(zhǔn)分子激光的發(fā)散角比較小,對照明系統(tǒng)的均勻性幾乎沒有影響.參考文獻(xiàn):[1]JAINK,DUNNTJ,BLACKPP.High-speed,high-reso-lutionlarge-areaexposuresystemforPCBpatterning[J].PrintedCircuitFabrication,1997,20(5):34-36.圖5像面效果圖[2]JAINK,ZEMELM,KLOSNERM.Large-areahigh-reso-lutionlithographyandphotoablationsystemsformicroelec-tronicsandoptoelectronicsfabrication[J].ProceedingsoftheIEEE,2002,90(10):1681-1688.[3]李堯.I線分步投影光刻機曝光系統(tǒng)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2001,30(4):7-11.[4]張強.分步投影光刻機的照明光學(xué)系統(tǒng)[J].航空精密制造技術(shù),1996,32(6):10-14.[5]林大鍵,李展.亞微米I線投影光刻物鏡的光學(xué)設(shè)計與研制[J].光電工程,1997(24):6-11.[6]胡家升.光學(xué)工程導(dǎo)論[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2005:51.[7]杜國軍,陳濤,左鐵釧.應(yīng)用于準(zhǔn)分子激光的透鏡陣列均束器[J].光電子激光,2005,16(3):279-281.[8]段立安.一種可實用的照明曝光系統(tǒng)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2003,32(109):17-24.[9]匡麗娟,翟金會,阮玉,等.復(fù)眼透鏡陣列應(yīng)用于均勻照明系統(tǒng)的特性研究[J].光學(xué)與光電技術(shù),2005,3(6):29-31.3.4激光發(fā)散角對照明效果的影響準(zhǔn)分子激光器的發(fā)散角通常比較小,例如本設(shè)計采用的準(zhǔn)分子激光器,其發(fā)散角只有1mrad2mrad,通過擴束準(zhǔn)直后發(fā)散角更小.光線通過第一列復(fù)眼透鏡后,偏離了第二列透鏡單元的中心,但沒有完全偏離對應(yīng)的透鏡小單元,這時由于焦平面上同一點發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡后,將平行出射,因此這與平行光軸的平行光通過第二列復(fù)眼透鏡陣列后出射的光線方向一致,將照射到相同的區(qū)域,不產(chǎn)生旁瓣[9].因此當(dāng)發(fā)散角比較小時,復(fù)眼透鏡可予以糾正,對照明系統(tǒng)均勻性基本沒有影響.4結(jié)論利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件設(shè)計的照明系統(tǒng),其三級球差系數(shù)僅為0.0061,呈現(xiàn)正六邊的分布,高度的均勻性,并且整個照明系統(tǒng)與后面的投影物DesignoftheIlluminationSystemforLaserProjectionLithographyLINQing-hua,LIWen-jing,SONGChao,WANGLu-bin(FacultyofPhysicsandOp