PCB激光投影光刻照明系统的设计

第24卷第2期2007年6月广东工业大学学报JournalofGuangdongUniversityofTechnologyVo.l24No.2June2007PCB激光投影光刻照明系统的设计林清华,李文静,宋超,王鲁宾(广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006)摘要:针对大面积、高产量和节约型印制电路板(PCB)生产使用的激光投影光刻机,利用ZEMAX工程光学设计软件,对其照明系统进行了模拟设计与优化,并对优化后的结果进行了分析.对于设计的照明系统,其像面均匀性、光斑大小和形状、像差以及照明系统与投影物镜的匹配都符合实际要求.关键词:印制电路板;激光投影光刻;照明系统中图分类号:TN305.7文献标识码:A文章编号:1007-7162(2007)02-0033-03照明系统是投影光刻机的关键部件之一,要求具有很好的照明均匀性,且能量利用率高,其性能直接影响到光刻机的蚀刻图形的质量.如果照明不均匀,将导致光刻出来的线条粗细不均匀,整块板上的分辨力不一致,或有断线等,这在生产过程中是不允许的.因此一个好的照明系统也是至关重要的.激光投影光刻机,尤其是扫描式的激光投影光刻机基于其优越的性能,在制造大面积、高密度集成电路(IC)、液晶显示(LCD)、印制电路板(PCB)等方面显示出巨大的优势[1-2]对比度质量也比较好[3].对于印制电路板,其光刻分辨力达到10m,可以满足今后10年内对产品需求,其投影物镜的数值孔径NA=0.025,如果相干度取0.8,则照明系统的数值孔径应为0.02.3)照明均匀性:投影光刻机对曝光均匀性的要求很高,一般情况下,线宽越小对均匀性的要求越高[4].对于本设计,其分辨力不要求达到亚微米量4)与投影物镜的匹配:设计的照明系统除了要级,其照明不均匀性在5%以内即可.求照明相干度满足上述要求外,还要求其出瞳与投影物镜入瞳匹配[5].本文仅就用于PCB曝光的激光投影光刻机的照明系统进行设计研究.准分子激光器发出的是高斯光束,其强度呈高斯分布,中间强,两端逐渐减弱,光束截面呈长方形,要把它作为光刻照明光源,首先必须对它的光束进行整形,使其成为达到要求几何形状和大小的均匀光束..对于投影光刻物镜,通常采用双远心的结构设计,这种形式的投影物镜,不但在像面(基板表面)离焦时,而且在物面(掩模图形面)有位移时,投影的倍率都可以保持不变[5].此结构的投影物镜,其入瞳在无穷远处,因此照明系统的出瞳位置也应在无穷远处才能使照明系统的出瞳与投影物镜的入瞳相匹配.此外,光斑大小也要与投影物镜的视场保持一致.5)光斑形状和大小:光刻机系统采用六边形无接缝扫描技术,因此传播到底板上的光束截面应呈正六边形分布;光斑大小应与投影物镜的视场一致,投影物镜的视场在半径为25mm的范围内,因此正六边形边长应取25mm才能与其一致.6)玻璃材料:为了尽可能减少能量损失,应选择紫外线透过率较高的玻璃材料,而且选择的玻璃材料受准分子激光照射时损伤较小.最适合的玻璃材料是熔石英,这种材料的机械强度好、耐热性能高、化学性质稳定、热膨胀系数小,紫外线的透过率均在90%以上,远高于其它普通玻璃,如果再镀制1设计要点1)像差校正:对于照明系统,其像差最重要的影响是远心度的破坏,其中影响最为严重的是球差.照明系统像差校正不要求像投影物镜那样严格,主要是校正球差.2)相干度的选择:所谓照明相干度,就是通过照明系统所形成的光源像在投影物镜入瞳上成像的H聚大小与入瞳直径的比值即=,也可以表示为照D物明系统的数值孔径与投影物镜的数值孔径的比值,=(NA照明),其相干度一般取06~08为好,此时NA投影照明系统光能利用率高,而且投影物镜成像的线条收稿日期:2007-03-14基金项目:广州市科技计划项目(2006Z3-D0041)女,,.34广东工业大学学报第24卷高质量的增透膜,对351nm波长的透过率可以达到98%以上.7)玻璃厚度:为了满足实际光学加工的需求,光学玻璃厚度不能太小,一般对于正透镜中心厚度应大于3mm,负透镜口径与中心厚度的比值不应小于1/15~1/10.[6]图2复眼透镜阵列2光学设计本设计是基于Coherent公司的ExcistarS-lndus-trial1000型XeF准分子激光器而设计的,其波长为351nm,光斑大小3mm6mm,发散角1mrad2mrad.2.1扩束准直系统设计准分子激光光束截面呈长方形,且能量分布不均匀,由于需要满足在均束面能量均匀、对称分布的要求,透镜阵列采用正方形分布.为了满足透镜阵列正方形输入光的要求,首先需将准分子原始光斑形状由矩形变为正方形分布[7]2.3聚光镜组设计复眼透镜组必须与聚光镜组很好地配合才能在底板上得到很好的照明均匀性,通常采用柯拉照明方式,复眼透镜组的前透镜阵列被它后面的光学系统成像在掩模上,而复眼透镜组的后透镜阵列应被聚光镜组成像在投影物镜的入瞳处,这样既保证了像面的均匀性,又做到了与投影物镜的匹配.为了使照明系统的出瞳与投影系统的入瞳对应,照明系统的出瞳应在无穷远处,此时复眼透镜后组应位于聚光镜组的前焦面处;底板应位于聚光镜组的后焦面处,这样才能保证复眼透镜前组被它后面的光学系统成像在底板上;此外,对于聚光镜组,由于视场和孔径角都相对较小,因此只用两片球面透镜像差即可校正得很好.设计的聚光镜如图3所示.,因此需要一组柱面扩束镜一维扩束,将光束变为6mm6mm的正方形光斑,再由一组球面扩束镜扩束为大小合适的正方形的光斑,而且可以进一步减少光束发散角,其光学设计的结构图如图1所示.图3聚光镜图3结果分析与讨论图1扩束系统图3.1照明系统光路图利用ZEMAX设计的照明系统如图4所示.在接收面前加一固定大小的正六边形的光阑,以保证最后出射的光斑形状呈正六边形分布,且光斑大小符合要求.2.2复眼透镜设计利用复眼透镜组能获得很好的照明均匀性,其主要原因是:复眼透镜组的第一面组合把能量分布不均匀的光通道进行了分割,从而得到了许多个能量分布相对均匀的小面积块,将这些小面积块都成像于掩模板,这样在掩模板上就得到了能量分布较为均匀的照明.这些小面积块的像在掩模板上互相重迭,对提高照明均匀性也是非常有利的,使各个小面积块的不均匀情况在掩模板上互相弥补.理论上讲,光通道上的复眼透镜面越多,也就是光通道被分割得越细,则每个小复眼透镜光源本身越均匀.但是分割得越细,每个小复眼透镜的直径越小,这样每个小复眼透镜的长度与直径之比太大,给光学加工带来了困难[8]图4照明系统图3.2照明均匀性图5是利用ZEMAX模拟的接收面的效果图,呈现边长为25mm的正六边形的分布,高度的均匀性,完全符合光刻的要求.3.3系统像差与数值孔径对于设计的照明系统,主要是消球差,其三级球差系数仅为00061,满足光刻照明系统对球差的要求;此外,其照明系统的数值孔径约为002,而投影0025,..目前市场上销售的复眼透镜主要有77、99、1111阵列,我们采用99阵列的复眼透镜即可满足不均匀性在5%以内的要求,其设计的复眼透镜组如图2所示.第2期林清华,等:PCB激光投影光刻照明系统的设计35镜完全匹配,出入瞳对应,光斑大小为边长为25mm的正六边形,数值孔径002,满足相干度08的要求,光能利用率高.又由于准分子激光的发散角比较小,对照明系统的均匀性几乎没有影响.参考文献:[1]JAINK,DUNNTJ,BLACKPP.High-speed,high-reso-lutionlarge-areaexposuresystemforPCBpatterning[J].PrintedCircuitFabrication,1997,20(5):34-36.图5像面效果图[2]JAINK,ZEMELM,KLOSNERM.Large-areahigh-reso-lutionlithographyandphotoablationsystemsformicroelec-tronicsandoptoelectronicsfabrication[J].ProceedingsoftheIEEE,2002,90(10):1681-1688.[3]李尧.I线分步投影光刻机曝光系统[J].电子工业专用设备,2001,30(4):7-11.[4]张强.分步投影光刻机的照明光学系统[J].航空精密制造技术,1996,32(6):10-14.[5]林大键,李展.亚微米I线投影光刻物镜的光学设计与研制[J].光电工程,1997(24):6-11.[6]胡家升.光学工程导论[M].大连:大连理工大学出版社,2005:51.[7]杜国军,陈涛,左铁钏.应用于准分子激光的透镜阵列均束器[J].光电子激光,2005,16(3):279-281.[8]段立安.一种可实用的照明曝光系统[J].电子工业专用设备,2003,32(109):17-24.[9]匡丽娟,翟金会,阮玉,等.复眼透镜阵列应用于均匀照明系统的特性研究[J].光学与光电技术,2005,3(6):29-31.3.4激光发散角对照明效果的影响准分子激光器的发散角通常比较小,例如本设计采用的准分子激光器,其发散角只有1mrad2mrad,通过扩束准直后发散角更小.光线通过第一列复眼透镜后,偏离了第二列透镜单元的中心,但没有完全偏离对应的透镜小单元,这时由于焦平面上同一点发出的光线经过透镜后,将平行出射,因此这与平行光轴的平行光通过第二列复眼透镜阵列后出射的光线方向一致,将照射到相同的区域,不产生旁瓣[9].因此当发散角比较小时,复眼透镜可予以纠正,对照明系统均匀性基本没有影响.4结论利用ZEMAX光学设计软件设计的照明系统,其三级球差系数仅为0.0061,呈现正六边的分布,高度的均匀性,并且整个照明系统与后面的投影物DesignoftheIlluminationSystemforLaserProjectionLithographyLINQing-hua,LIWen-jing,SONGChao,WANGLu-bin(FacultyofPhysicsandOp