本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)與紫外LED曝光光源技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高均勻性LED平行光紫外曝光機光源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在微電子、微光學(xué)、線路板等微加工領(lǐng)域，紫外平行光曝光機是實現(xiàn)高精度加工復(fù)制的重要裝備。平行光曝光機通過平行光光刻工藝將掩膜版上的圖形等尺寸地轉(zhuǎn)移到掩膜版下面的光阻上，然后再通過腐蝕或者刻蝕進一步轉(zhuǎn)移到基片上。

平行光曝光機通常采用紫外線作為照明光源。 傳統(tǒng)的平行光曝光機中采用汞燈光源，汞燈具有高壓、高溫和含有毒的汞的缺點。汞燈的壽命通常只有1000 個小時左右，因此，使用1-2 個月后，則需要替換一次光源，維護成本高。紫外汞燈的能耗較大，使用成本高。其輸入能量中只有大約20%的能量產(chǎn)生紫外線，而有20%是可見能源，40%是熱量，而且其發(fā)光波段較多;同時，汞燈的開關(guān)壽命有限，開燈一段時間后光強才保持穩(wěn)定，為了保持其光強穩(wěn)定性，在使用過程中及時曝光也保持開燈狀態(tài)，進一步增加了其能耗。汞燈由于短波長紫外線的輻射會產(chǎn)生有危害性的臭氧。2013 年，全球140 多個國家和地區(qū)達成共識，并由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署主持簽訂《水俁公約》，限定各行業(yè)對汞成分的控制和排量計劃。采用新型的節(jié)能環(huán)保紫外光源替代傳統(tǒng)紫外線曝光燈己勢在必行。紫外LED (紫外線發(fā)光二極管)近年來快速發(fā)展，與汞燈相比，具有壽命長、節(jié)能、譜線窄、不含汞、不產(chǎn)生臭氧、瞬間開關(guān)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在紫外曝光機應(yīng)用中受到關(guān)注并逐步得到應(yīng)用。

光線平行度和紫外能量均勻度是紫外曝光光源和曝光機的兩個最重要技術(shù)指標。在曝光機的有效曝光面積內(nèi)，紫外線的平行度、能量均勻度等決定了曝光的精度和均勻性。平行度越好，越能夠轉(zhuǎn)印掩膜版上更細的線條，得到更高的曝光精度。由于光學(xué)曝光照明系統(tǒng)輻照度不均勻，導(dǎo)致線條粗細不均勻，整塊板上的分辨力不一致，或有斷線等現(xiàn)象的發(fā)生，這在PCB 或液晶顯示器的生產(chǎn)過程中是不允許的；反過來說，紫外能量均勻度越高，則線條粗細越均勻。

由于單個紫外LED 燈珠光功率很低，要達到與大面積曝光所需的功率密度，需要多個燈珠同時工作。同時，由于LED燈珠的發(fā)光角度較寬，其發(fā)光往往中心強度較高，越往兩邊發(fā)光強度越低。在采用光學(xué)設(shè)計將其發(fā)光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄鈺r，輻照強度的均勻性往往難以保證，需要特別的設(shè)計。

CN105301910A公開了一種紫外LED光源結(jié)構(gòu)和平行光曝光機。利用汞燈光源的部分光路。其技術(shù)方法可利用在現(xiàn)有曝光機升級中，但沒有充分發(fā)揮LED的特點，LED光面排布較為集中，散熱要求較高，光強也受到較大制約。

CN104749889A公開了一種紫外LED曝光頭，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但基于光路特點，該技術(shù)能提供均勻平行光的區(qū)域面積較為有限。

CN103513518B公開了一種紫外LED曝光機光學(xué)曝光照明系統(tǒng)及紫外LED 曝光機。該技術(shù)采用依次排列多行等距排列的準直紫外LED光源，通過準直透鏡實現(xiàn)平行光，通過矩陣排布對光源強度較低的位置進行補償，從而提高曝光的均勻度。該技術(shù)可以實現(xiàn)大面積的平行光。但由于平行度變好時，發(fā)光角度收窄，均勻度補償更困難，均勻度會下降。因此需要更好的兼顧均勻度和平行度的技術(shù)方案，以適應(yīng)要求較高的應(yīng)用。

此外，由于LED燈珠發(fā)光峰窄，波長單一，現(xiàn)有技術(shù)方案對不同油墨和光阻適應(yīng)性不好。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高均勻性LED平行光紫外曝光機光源系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的還在于提供一種提供多波長組合的高均勻性LED平行光紫外曝光機光源系統(tǒng)，以解決LED光源波長單一，對不同油墨和光阻適應(yīng)性不好的問題。

為達到以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種高均勻性LED平行光紫外曝光機光源系統(tǒng)，包括由陣列排布的紫外LED燈珠和對應(yīng)的準直透鏡紫外LED組成的平行光源模組、支撐光源模組或樣品移動的機械與控制系統(tǒng)，該機械與控制系統(tǒng)使曝光時光源模組與樣品在x-y二維平面內(nèi)相對運動，其運動軌跡均勻分布且最外圍覆蓋光源模組的最小重復(fù)單元。

優(yōu)選的，LED燈珠發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡準直后平行半角小于或等于3°。

紫外LED燈珠為多行多列排列，紫外LED設(shè)置在行列的交點上，除光源邊界外，每個行列交點上都設(shè)置有相同的紫外LED;優(yōu)選的，紫外LED燈珠陣列構(gòu)成正方形網(wǎng)格陣列或者六角密堆陣列?；蛘撸贤釲ED燈珠為六角密堆點陣排布，整個陣列成長方形，第一行燈珠排布次序為ABC重復(fù)，第二行燈珠排布次序為CAB重復(fù)或BCA重復(fù)，且C位于上一行AB中間正下方，奇數(shù)行重復(fù)第一行排布，偶數(shù)行重復(fù)第一行排布；上述ABC各代表一種不同波長范圍的燈珠，ABC中至少兩種與另一種波長不同；優(yōu)選的，所述A為365nm波段（±5nm）燈珠，B為385nm波段（±5nm）燈珠，A為405nm波段（±5nm）。

優(yōu)選的，所述紫外 LED 光源面板外圍設(shè)有與LED平行光方向平行的反射鏡。

優(yōu)選的，曝光時所述光源模組與樣品在x-y二維平面內(nèi)相對運動的軌跡近似為多組阿基米德螺線，可具體描述為：

當(dāng)2NT≤t<(2N+1)T, N=0，1，2…時，

x=vtcos(ωt)

y=vtsin(ωt)

當(dāng)(2N+1)T≤t<(2N+2)T, N=0，1，2…時，

x=(vT-vt)cos(ωt)

y=(vT-vt)sin(ωt)，

其中vT為螺線中心到最遠處距離，ωT為單一阿基米德螺線旋轉(zhuǎn)的角度，曝光總時間t_exp大于2T；進一步優(yōu)選的，vT不小于光源的最小重復(fù)單元的最長對角長度的一半，ωT為720°以上，并且曝光總時間t_exp≥4T。

優(yōu)選的，所述陣列LED上的準直透鏡的直徑小于4cm。

優(yōu)選的，所述待曝光件距離平行光透鏡頂面高度為40-100cm。

相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)勢：

光源按照一定的陣列周期排布，光源與曝光樣品的相對運動軌跡均勻分布，且充分覆蓋了光源模組的最小重復(fù)單元，使曝光樣品上任一點受到的總輻照強度為沿移動曲線的積分強度，極大地提高了曝光均勻度，解決了LED平行光面光源的平行度和均勻度互相矛盾的問題，提高了曝光質(zhì)量，解決了因分辨率不一致而導(dǎo)致的斷線等現(xiàn)象。

可以通過重復(fù)單元擴展平行光面積，易于實現(xiàn)大面積平行光；同時，采用面光源形式，發(fā)熱相對分散，散熱易于實現(xiàn)，成本較低。

多種波長的平行光在空間上重疊實現(xiàn)均勻性師十分困難，通過曝光量的移動積分可以實現(xiàn)極佳的均勻性，從而可以適應(yīng)不同的油墨、光阻。

本發(fā)明優(yōu)選的方案采用沿阿基米德螺線移動積分，易于通過程序準確實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整簡單，適應(yīng)性強，曝光時間內(nèi)移動軌跡可多次周期重復(fù)，在不同曝光時間下都能實現(xiàn)極高均勻性。

附圖說明

圖1近平行光光源模組的立體示意圖。

圖2實施例1的光源點陣排布示意圖。

圖3為平行光透鏡示意圖。

圖4為本發(fā)明中支撐光源模組的一種滑軌組合。

圖5為本發(fā)明的一種優(yōu)選的光源與樣品相對運動軌跡的一部分，近似為多組阿基米德螺線。

圖6為實施例3中多種波段組合的光源點陣排布示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1：

一種高均勻性LED平行光紫外曝光機光源系統(tǒng)，其包括近平行光光源模組1，以及承載并控制光源模組1移動的機電系統(tǒng)2。請參閱圖1。圖1所示為近平行光光源模組的立體視圖。光源模組1主要包含陣列排布的紫外LED燈珠101（圖1中被透鏡遮擋），與燈珠一一對應(yīng)的二次透鏡102，MCPCB 103，以及散熱平臺104。紫外LED燈珠101焊接MCPCB 103上，通過MCPCB 103的布線及其上的焊線連接實現(xiàn)與外部驅(qū)動電源鏈接；紫外LED燈珠101與二次透鏡102一一對應(yīng)，并與二次透鏡102的精確配合，從而實現(xiàn)近平行光；MCPCB 103通過螺絲固定再的散熱平臺104上。MCPCB和散熱平臺之間有導(dǎo)熱硅脂改善散熱。散熱平臺設(shè)置有鰭片散熱，或鰭片結(jié)合風(fēng)冷散熱，或者水冷散熱。

紫外LED燈珠101為多行多列的陣列排列。行與行之間的間距（行間距）相等，列與列之間的間距（列間距）也相等；行間距與列間距可以相等，也可以不等；行列之間的夾角為任意角度。紫外LED設(shè)置在行列的交點上，除光源邊界外，每個行列交點上都設(shè)置有發(fā)光波段和亮度近似相同的紫外LED。由于紫外LED燈珠101排布為周期排布，可以劃分出模組的最小重復(fù)單元。

優(yōu)選方案一，如圖2所示，行間距與列間距相等，行列之間夾角為60度，形成六角密堆結(jié)構(gòu)。本優(yōu)選方案的最小重復(fù)單元分別為105。

優(yōu)選方案二，行間距與列間距相等，行列之間夾角為90度，形成正方點陣結(jié)構(gòu)。

紫外LED燈珠101為石英或耐紫外硅膠透鏡封裝的LED封裝。優(yōu)選的，紫外LED燈珠101的發(fā)光角度為60度，90度或者120度。紫外LED燈珠101內(nèi)封裝有一顆或多顆紫外LED芯片；優(yōu)選的，封裝一顆紫外LED芯片，這樣能夠更好地實現(xiàn)平行光。

如圖3所示，每一個紫外LED燈珠101上還設(shè)置有二次透鏡102。圖3所示二次透鏡102利用光線的折射反射實現(xiàn)平行光，該設(shè)計僅為一種常見的平行光透鏡設(shè)計，也可以是純折射的凸透鏡，或者其他設(shè)計。通過該二次透鏡102，可以將LED 光源101發(fā)出的光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?，平行半角小?°。二次透鏡102底面靠近LED，其頂面最寬。優(yōu)選地，透鏡頂面為直徑小于4cm的圓。二次透鏡102固定在透鏡載具的園型槽內(nèi)，透鏡載具底部開有螺絲孔，通過螺絲孔穿過MCPCB 103固定到散熱平臺104上。所述二次透鏡可依據(jù)需要采用石英玻璃、亞克力或其他抗紫外光學(xué)玻璃制成。簡單起見，透鏡載具、MCPCB 103、散熱平臺104在圖3中未具體畫出。

MCPCB 103為一片或多片，LED燈珠101通過MCPCB 103的布線和焊接在PCB焊盤上的電線實現(xiàn)串并聯(lián)并與驅(qū)動電路連接。

所述紫外LED光源面板外圍可設(shè)置反射鏡，其反射面嚴格與平行光中心放行平行，通過反射鏡可以進一步彌補了光源面板邊緣曝光不足的缺陷，增加可曝光面積。

待曝光件與平行光透鏡頂面距離為20cm-100cm，優(yōu)選地，其距離為40~60cm。在此距離下，單個燈珠按照3°的平行半角，照射直徑為約5cm，比透鏡略大，通過透鏡較為緊密的排布，相鄰燈珠光強重疊，易于實現(xiàn)較好的均勻性。

承載并控制光源模組移動的機電系統(tǒng)2包括至少一組直線導(dǎo)軌，一組直線導(dǎo)軌由在二維平面的一個X直線滑軌201、滑面202和Y直線滑軌203、滑面204，以及X、Y滑軌的驅(qū)動電機和傳動裝置。請參閱圖4，其為本實施例的一種滑軌組合（簡單起見圖中未畫出傳動裝置），其中兩個X直線滑軌201通過螺釘固定在底座3上，通過4個滑面202與Y方向的兩個滑軌203相連，Y方向的兩個滑軌203上有4個滑面204。光源模組的散熱平臺104通過螺釘固定在Y方向的4個滑面204之上。這樣光源面板在X和Y方向?qū)к壍慕M合下即可實現(xiàn)二維平面內(nèi)的整體同步自由滑動，而不會發(fā)生繞Z方向的轉(zhuǎn)動。X方向和Y方向?qū)к壣隙荚O(shè)置有驅(qū)動電機和傳動裝置。X方向的驅(qū)動電機傳動軸和皮帶帶動X方向的四個滑塊同步運動，Y方向的驅(qū)動電機傳動軸和皮帶帶動Y方向的四個滑塊同步運動，進而帶動平行光源模組整體在XY平面運動，任一時間X、Y方向運動狀態(tài)可以通過控制X、Y驅(qū)動電機分別設(shè)置。

光源模組相對樣品移動軌跡可編程實現(xiàn)，其在平面內(nèi)作往復(fù)曲線運動。被曝光的樣品上受到的輻射通量為面光源上不同點正下方輻射功率密度和和該處停留時間的積分。經(jīng)過本技術(shù)方案的移動平均后，總輻射通量均勻性大幅提高。

優(yōu)選地，其運動軌跡近似為多組阿基米德螺線，請參考圖5，其為本發(fā)明的一種優(yōu)選的光源與樣品相對運動軌跡的一部分，近似為多組阿基米德螺線。具體描述如下：

……….公式(1)

其中vT為螺線中心到最遠處距離，ωT為單一阿基米德螺線旋轉(zhuǎn)的角度，曝光總時間t_exp大于2T。

圖5中所示實線部分是2NT≤t<(2N+1)T時的部分的運動軌跡，螺線從原點出發(fā)逐步向外展開；虛線部分代表(2N+1)T≤t<(2N+2)T時的運動軌跡，螺線逐步向內(nèi)收縮并回到原點。優(yōu)選地，vT不小于光源的最小重復(fù)單元的最長對角長度的一半，ωT為720°以上，并且曝光總時間t_exp≥4T。通過以上優(yōu)選條件，由于光源照度在空間分布有一定的連續(xù)性，該曲線掃過的軌跡不重復(fù)，周期T內(nèi)至少轉(zhuǎn)動2圈，且沿徑向等間距向外擴展，具有較好的均勻化的效果。根據(jù)仿真結(jié)果，對于初始均勻度位85%的光分布，均勻度可以提升到98%以上。

所述紫外LED 曝光機還可以包括兩個分別位于曝光臺面上下位置的光源安裝臺面，兩者通過連接件相對固定，并統(tǒng)一由一組滑塊系統(tǒng)支撐。上面的光源發(fā)光面朝下，上下光源保持平行，中間有光學(xué)玻璃臺面，臺面承載樣品和掩模版等，臺面和上下發(fā)光面之間有間隙，方便光源移動和樣品移入和取出。采用雙面曝光的方式，對 PCB 板進行雙面同時曝光，可以進一步提高工作效率。

實施例2:

與實施例1不同在于，所述LED燈珠為多芯片封裝。如采用4芯片封裝，在單個封裝中集成4種不同的波長的芯片，如365nm， 380nm, 395nm, 420nm。通過多種波長組合以及通過每種波長芯片施加電流的控制，可以適應(yīng)不同類型的感光油墨和光阻。

實施例3

本實施例與實施例1的不同僅在于燈珠的排布形式不同。

與實施例1類似，紫外LED燈珠為多行多列的陣列排列，每個LED燈珠位于陣列的格點上。與實施例1不同的是，陣列上不同位置的LED發(fā)光波長并不近似相同，而是構(gòu)成不同波段的紫外LED燈珠組合。

優(yōu)選的，如圖6所示，其為3種燈珠（以下稱燈珠A,燈珠B,燈珠C）的組合，形成六角密堆結(jié)構(gòu)。其中燈珠A 1011峰值波長為365nm附近，燈珠B 1012峰值波長為385nm附近，燈珠C 1013峰值波長為405nm附近。第一行燈珠排布次序為ABC重復(fù)，第二行燈珠排布次序為CAB重復(fù)，且C位于上一行AB中間正下方，第奇數(shù)三行重復(fù)第一行排布，偶數(shù)行重復(fù)第一行排布。除邊緣外，整個光源面板可以看作正六邊形元胞按照六角密堆形式周期排布。本實施例中，最小重復(fù)單元如圖5中所示的虛線所圍正六邊形，相鄰燈珠的中心距離為R，則其較長對角線為2R。本優(yōu)選方案光源模組相對樣品移動軌跡為公式（1）所描述的阿基米德螺線。當(dāng)vT >R時，螺線所掃過的面積就完全覆蓋最小重復(fù)單元，從而實現(xiàn)極好的曝光均勻性。

本實施例通過多種波長燈珠的組合，可以適應(yīng)更多類型光阻、油墨。不同波長燈珠的發(fā)光強度還可以進一步根據(jù)光祖、油墨類型進行優(yōu)化設(shè)置。不同波長的組合，結(jié)合曲線移動平均，可以有效解決不同波長紫外LED燈珠相隔距離較遠，而平行光角度較小，僅僅通燈珠照射面的重疊無法達到不同波長輻照強度都均勻的問題，即可以同時滿足波長組合、輻照均勻度、平行光角度的要求。

本發(fā)明實施例及優(yōu)選方案采用曲線移動平均和特殊的密排多邊形方式極大地提高了曝光均勻度及降低光源發(fā)散角度為前提，避免由于光學(xué)曝光照明系統(tǒng)輻照度不均勻，導(dǎo)致線條粗細不均勻， 整塊板上的分辨率不一致， 或有斷線等現(xiàn)象的發(fā)生，通過本光源系統(tǒng)應(yīng)用到的紫外曝光機，在光源的角度，曝光均勻性，以及曝光材料對光源特性的要求上都有極大的提高。

以上結(jié)合附圖所描述的實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，而并非對本發(fā)明的保護范圍的限定，任何基于本發(fā)明精神所做的改進都理應(yīng)在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。