CN101095084A - 形成用于光刻转印的准直uv光线的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生产用于曝光印刷电路板的准直的UV辐射的改进方法和设备。该方法在于，通过分开多个辐射源上的UV辐射来缩短下游光学装置的光程长，并且，通过使用扫描滑动片来将UV辐射均匀地分布在基底上。

Description

形成用于光刻转印的准直UV光线的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于将图案光刻转印到涂有光敏聚合物的基底上的准直光学装置。更具体地说，本发明涉及一种用于光刻转印到印刷电路板上的准直UV光学装置。
背景技术
具有UV准直光学装置的曝光***用于曝光其导体线路＜100μ的印刷电路板。
UV准直光学装置是本领域已知的。例如，参见EP 618 505、EP 807505、EP 807 856、DE 41066 7311和US 2002/016 7788 A1中的说明书，这些文献的内容都在此引用作为参考。现有的UV准直光学装置将水银短弧灯的UV辐射聚集在椭圆反射镜的焦点上，并且通过准直光学装置将该焦点扩展到抛物面反射镜。UV光线以准直的且与基底垂直的方式离开该抛物面反射镜。
在DE 42 066 73 A1(该文献的内容在此引用作为参考)和US2002/0167788A1中所述的扫描光学装置中，在基底的短尺寸上以条纹的形式进行扩展。在此引用作为参考的US 2004/0166249描述了使用LED固化具有多个光谱灵敏度峰值的聚合物。
在已知的UV准直光学装置中的聚焦和扩展需要长的光程。所以，这些光学装置具有大的空间要求，从而非常贵。因此，人们需要一种扩展和聚焦不需要长的光程的设备和/或方法，从而更实用，并且通常不贵。
发明内容
本发明提供一种形成用于曝光在印刷电路板上的光敏基底的准直UV辐射的改进方法和设备。本发明的方法和设备不需要在本领域的现有的准直UV辐射装置中的长的光程。本发明通过将来自上游辐射源的准直的UV辐射分成多个次级辐射源并且通过使用扫描滑动片(scanning slide)将来自次级源的UV辐射分布成均匀地照射目标基底，来实现缩短下游光学装置的光程长的目的。
在优选实施例中，使用两种技术中的一种技术提供次级(或者“小型”)UV辐射源。在第一种技术中，通过将5-8kW水银点光源灯的辐射分束并且将这些分离的束分布在多个UV液体光导的输入端上，来提供小型UV辐射源。以类似的方式，从单个波导输出的准直UV辐射自身分束，输入到多个UV液体光导。在第二种技术中，通过使用UV发光LED的阵列或者矩阵的UV辐射来提供小型UV辐射源。
在第二种技术的优选实施例中，UV LED直接结合或者焊接在散热器上。在该实施例中，此外，优选的是，使用水冷却将吸热材料冷却到合适的温度，例如，6℃，以便使用寿命最大，并且帮助稳定UV LED的UV输出辐射。
在优选实施例中，UV LED和UV LED芯片组布置成方形，并且将该方形布置旋转45°，使得芯片组的对角线与扫描滑动片的扫描运动方向平行。假如通过准直透镜适当地放大方形辐射源，这些辐射投影在基底的菱形子区域上，在扫描过程中所述菱形子区域的辐射密度与相邻的LED的菱形子区域的辐射密度最佳地加在一起，进一步产生好的均匀性。在示例性实施例中参照附图描述该方法的细节。
LED按群组的形式组合，优选按两行每行八个的形式组合，并且用恒定的电流串联供应。升压转换器执行控制。5.1V齐纳二极管(Z-二极管)与每个LED并联。在由于LED故障而导致中断的情况下，该齐纳二极管确保电流继续流过串联的其余LED，并且避免曝光器失效。
准直光学装置包括多透镜板，其通过从UV兼容的丙烯酸玻璃铣削而产生。非球面透镜形状被最优地计算以用于成像。准直角度可以通过电动调节多透镜板离小型UV辐射源的间距来改变。该角度优选可以在2°至10°调节。
根据洁净室质量、导体线路的分辨率和技术(液体抗蚀剂/干抗蚀剂)，程控准直角度的方法使用该设备，以在规定作业参数之后自动设定最佳的准直角度。
曝光的均匀性是抗蚀剂在随后的工序步骤中的作用的重要变量，所述步骤为：显影/电镀/蚀刻。因此，将曝光能量均匀地引入到基底上是有益的。
本发明提供进一步的方法和设备，相对于就提高均匀性所述的有益方法，该方法进一步提高均匀性。
US 2004/0166249描述选择方法，所述选择方法在这里无法使用，所以由下述方法替代。
本发明根据UV功率/mA选择，并且使用选择的群组，用于不同的曝光***。本发明还根据LED的UV光谱选择，并且使用它们，用于不同的抗蚀剂型和/或焊接抗蚀剂。
准直设备测量和收集用于为了提高均匀性而***在UV光路中的横向孔径的设计和生产该孔径的方法中的性能数据。准直设备定位在曝光机的边缘区域上，并且具有光电元件，该光电元件可以通过齿带驱动相对于扫描滑动片的扫描方向横向地移位。以逐步的方式调节该光电元件。
因此，以条纹的形式测量UV准直光学装置的辐射功率。由计算机使用该结果，以得到孔径轮廓，该孔径轮廓被横向地放入光路中，并且主要补偿UV辐射功率中的偏差。还使用光电元件，以便通过补偿灯流的增加而引起的扫描速度的变化，而补偿由于在接通照明之后芯片的加热而引起UV-LED的强度浪费。
本发明提供从测量的数据产生用于印刷电路板铣床的程序的方法，其中，印刷电路板铣床用于生产铣削部分，该铣削部分可以用作孔径轮廓，以便提高均匀性。因此，用户能够周期性地(例如，逐年地)测量其机器，并且自己能够以低的费用生产所需的准直孔径。
另一种方法改善由于扫描运动的不良的稳定性而产生的均匀性误差。US 2002/016 788 A1描述一种仅仅通过改变扫描速度来控制抗蚀剂的曝光能量/cm2的方法。抗蚀剂/焊接灵敏度在10mJ/cm2至500mJ/cm2的范围内。由于此宽幅，仅仅通过改变扫描速度无法使曝光能量适合抗蚀剂。因此，本发明使用恒定的速度，以便为了电动控制而分别固定最佳的PID参数。仅仅通过控制LED的电流，进行精密的控制，并进一步调节该范围。因此，在用于所有的抗蚀剂/焊接抗蚀剂曝光的能量密度的情况中，可以具有1％的分辨率。
需要便宜的小型的UV准直光学装置。该目的在于提供一种相对于现有技术基本上得以改进的UV准直光学装置，并且该UV准直光学装置的光程长从1000mm缩短到40-80mm。UV准直光学装置的光程长基本上由其上扩展聚焦的UV辐射的基底表面的尺寸决定。因此，根据本发明，通过用小型UV辐射源代替5-8kW水银短弧灯来实现该光程长的缩短。这些仅仅曝光基底的子区域。该下游的准直光学装置相应地缩短了光程长。
本发明使用两种小型UV辐射源：多臂UV液体光导的辐射输出、以及UV LED的辐射。
为了实现均匀的曝光，在扫描滑动片上的小型UV辐射源以合适的速度在整个基底上移动。
另外的优点是：
-准直角度可以适应洁净室质量和方法
-曝光均匀度从+/-10％改善为+/-5％
-在机器和洁净室中产生最小的热
-在UV LED中每个曝光***每年节省100kW/h的能量
-灯的使用寿命从1000小时提高为100000小时(在UV LED情况下)
附图说明
图1和图2示出基于液体光导的小型UV辐射源；
图3和图4示出基于UV LED的小型UV辐射源；
图5示出在曝光框中的UV准直光学装置；
图6A至图6C示出对具有作为透镜板的Z-致动器的楔形滑动片的UV准直光学装置的详细视图；
图7A至图7D详细地示出UV LED模块；
图8示出用于测量孔径轮廓的参数的校准装置；
图9示意性地示出校准方法；以及
图10示出UV LED的辐射投影在基底上的透视图。
具体实施方式
图1和图2示出基于液体光导的UV准直光学装置。在该实施例中，通过椭圆体(1)将水银短弧灯(2)的UV辐射会聚在焦点(3.5)上。冷光反射镜(3)设置在焦点(3.5)的前面，并且使辐射束向准直透镜(4)偏转(在所示的实施例中，偏转90°)。准直透镜(4)将UV辐射聚集在光栅透镜板(5)上，该光栅透镜板(5)将辐射分成多个分离的辐射束(5.5)，并将分离的辐射束(5.5)聚焦在多液体光导(6)的入口端(6.5)上。液体光导(6)以低的损耗将UV辐射向扫描滑动片(50)的基板(9)传输。每个液体光导(6)终止在法兰(7)中，该法兰(7)紧固在基板(9)上。通过第二准直透镜(8)将液体光导(6)的分量UV辐射束聚集在第二光栅透镜板(10)。来自液体光导(6)的UV辐射束被第二光栅透镜板(10)分成多个第二分离的辐射束(10.5)。第二分离的辐射束(10.5)均聚焦于在中间板(11)上的分配器光导(13)的入口端(13.5)上，并且向小型UV辐射源板(12)传输，分配器光导(13)的远端(12.5)安装在该小型UV辐射源板(12)上。小型UV辐射源从分配器光导(13)的远端(12.5)射出。多透镜板14将来自分配器光导(13)的远端出孔(12.5)的UV辐射以1∶15的放大率成像在基底(15)上。
图3和图4示出基于UV LED的小型UV辐射源。UV LED模块(19)附接(在所示的实施例中，通过螺丝钉连接)到基板(17)，基板(17)还充当具有水冷却的散热器。UV辐射的发射角度被准直孔径(39)限制为+/-45°。每个UV LED的辐射束借助于结合在多透镜板(14)中的非球面透镜(14.5)通过膜(30)以1.5°和10°之间的准直角度成像在基底(15)上。
图5示出曝光框(60)中的UV准直光学装置。起初，扫描滑动片(50)在框(60)的末端的停放位置上。膜(30)和基底(15)位于UV LED(16)的辐射的外面。现在LED(16)通过程序来接通。扫描滑动片电动机(31)使扫描滑动片(50)和有源LED一起在整个基底(15)上移动。在优选实施例中，可以为扫描速度设置三个速度。滚珠丝杠组件(32)使得能够均匀地进给。在完全穿过基底(15)之后，切断LED，并且，扫描滑动片(50)移入停放位置。在这种情况下，通过由Z电动机(34)的齿带驱动的四个Z螺丝(33)来设定准直角度。
在图6A至图6C所示的优选实施例中，UV准直光学装置包括具有水冷却的基板(17)。在12.5mm光栅透镜(14)的上方，UV LED模块(19)以两行每行八个LED(16)的形式安装在基板(17)上。在图中的UV LED模块(19)的下方是由铝制成的透镜框(20)。由丙烯酸玻璃制成的多透镜板(14)设置在透镜框(20)的周缘轧除部分中。
多个非球面透镜(14.5)结合到多透镜板(14)的丙烯酸玻璃中。每个非球面透镜(14.5)相对于LED(16)以中心的方式设置。非球面透镜(14.5)具有为LED的成像优化计算的形状。成像的比例为约1∶15。
紧固在透镜框(20)上的是一个或多个孔径条纹(没有示出，参见图4和图9的(39))，该条纹的一侧具有由稍后描述的校准方法的值计算的轮廓。孔径条纹(39)部分设置在UV LED(16)的光路上，并且遮掩一部分UV辐射，使得其余的辐射的均匀度为+/-5％。通过楔形滑动片(18)改变具有嵌入多透镜板(14)的铝框(20)离LED的间距。间距的改变，改变了UV辐射在经过透镜之后在1.5°至10°之间的出射角。使用借助于电动机(21)的程序控制来进行改变。可以借助于滚珠丝杠组件(32)和电动机(31)(参见图5)来使扫描滑动片(50)相对于曝光框(60)移动。扫描滑动片(50)在一侧上由波纹引导件(corrugated guide)(56)引导，并且在另一侧上由脚轮组件(58)支撑。
图7A至图7D示出本发明的优选实施例。该实施例包括在两侧上具有部件的UV LED模块(19)(参见图7B)。一侧(图7C)装配LED(16)。另一侧(参见图7D)具有冷却板(25)，其通过导热粘合剂紧固在中间。在所示的实施例中，在板(25)中的六个螺孔(47)用于通过螺纹紧固件(未图示)紧固在基底(17)上。如图7A所示，光栅透镜框(20)设置在离UV LED模块(19)的LED(16)的约0.1mm处。
每个LED(16)被并联的Z二极管电保护。在LED中断/失效时，该组的其它7个LED的电流通过Z二极管引导。电连接(未图示)位于另一侧的条纹上(参见图7D)，该条纹位于冷却板(25)的外面。在相对的条纹上构造用于两组每组八个LED的两个恒定电流控制。计算模块和LED的位置，使得模块可以按照所需的那样排列。
图8示出具有光电元件(36)的校准装置(37)的优选实施例。如图所示，光电元件(36)可以通过位移电动机(未图示)沿着校准装置(37)的长度移动。在所示的实施例中，扫描滑动片(50)往返移动，使得UV LED(16)的辐射图案的整个宽度在光电元件(36)的下面移动。随后，沿着校准装置(37)的长度移置光电元件(36)。以2mm的光栅测量UV条的平均辐射密度。由计算机程序测量该值，描绘条纹孔径的轮廓。条纹孔径通过铣削获得，并且通过定位销被固定在UV LED的光路上。参见图9。对于阅读本说明书和附图的本领域的普通技术人员来说，利用所示的校准装置(37)的其它校准方法是已知的并可用于本发明中。
图10示意性地示出本发明的透视图，其中，每个小型UV辐射源LED(16)的UV发射束在照射基底(15)之前，用光栅板(14)上的透镜(14.5)进行准直。
在本文所述的本发明的实施例中，可以进行多种变形和修改。虽然在本文中已经示出和描述了本发明的一些示例性实施例，但是，大范围的修改、改变和替换也在前述公开内容的预计中。在某些实例中，在没有相应使用本发明的其它特征的情况下，可以使用本发明的一些特征。因此，前述的说明应当广义地解释和理解为仅仅以举例的方式给出，本发明的精神和范围仅仅由所附权利要求书限定。

Claims (29)

1.一种形成准直UV辐射的方法，用于将图案光刻转印到涂有光敏聚合物的基底上，该方法包括以下步骤：
(a)提供多个小型的UV辐射源，所述辐射源的UV辐射通过较短
的准直光学装置被准直，
(b)将所述小型的UV辐射源附接到支撑板，以及
(c)将所述支撑板安装在扫描滑动片上，并且，通过与所述基底
边之一平行地移动所述扫描滑动片来曝光所述基底。
2.如权利要求1所述的方法，其中，每个小型的UV辐射源通过透镜被准直。
3.如权利要求2所述的方法，其中，将全部所述透镜都装配在多透镜板上。
4.如权利要求3所述的方法，其中，多透镜板具有在1°和10°之间的固定的准直角度，所述准直角度根据洁净室的质量而使用。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述多透镜板具有在1°和10°之间可变的可调节的准直角度，该准直角度通过与所述多透镜板通信的电动调节器进行调节。
6.如权利要求5所述的方法，其中，根据规定的作业参数，在程序控制下进行所述准直角度的调节。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述小型的UV辐射源是多臂UV液体光导的输出。
8.如权利要求1所述的方法，包括这样的设备，在所述设备中，所述小型的UV辐射源是UV LED的输出。
9.如权利要求8所述的设备，包括：
(a)水银短弧灯，用于产生UV辐射；椭圆体，其将所述UV辐射会聚在焦点上；
(b)介质UV反射镜，其使所述UV辐射偏转到置于超过所述焦点的透镜光栅板上；
(c)透镜光栅板，其分开所述UV辐射，并且将分量的分离的辐射束聚焦在多臂UV液体光导的输入端上；
(d)多臂UV液体光导，其以低的损耗将所述UV辐射传输到扫描滑动片上；以及
(e)分配光学装置，其将从所述多臂UV液体光导发出的UV束分布在小型的UV辐射源支撑板上。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述水银短弧灯、灯电源单元和所述介质UV反射镜被安装在独立的外壳中。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述独立的外壳定位在与小型的UV辐射源支撑板环境分离的环境中。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述小型的UV辐射源支撑板环境是洁净室，并且，所述独立的外壳定位在所述洁净室的外面。
13.如权利要求8所述的设备，其中，所述UV二极管以至少一行的形式布置，所述行的长度大于所述基底的较小边。
14.如权利要求13所述的设备，其中，所述UV LED以由1个、4个、8个、12个或者16个LED构成的组的形式布置，以形成方形，该方形具有相对于所述行的长度和扫描方向旋转45°的边。
15.如权利要求14所述的设备，其中，每个方形的对角线通过所述准直透镜放大为所述UV LED组的间距的两倍，使得每个组的UV辐射能加入到其相邻的组的辐射能上，以在所述基底上形成均匀的值。
16.如权利要求14所述的设备，其中，所述UV LED组的行以至少两行的形式布置，每个组的对角线通过所述准直透镜放大为使用下述公式计算的值：2×组的间距/行数，并且，每行与相邻的行移位了使用下述公式计算的值：组的间距/行数。
17.如权利要求8所述的设备，其中，所述支撑板还包括散热板。
18.如权利要求17所述的设备，其中，所述散热板包括使用水冷却方式冷却的散热器。
19.如权利要求18所述的设备，其中，所述冷却不被控制，直到所述散热板达到最低的温度，优选6℃。
20.如权利要求8所述的设备，其中，所述UV LED是可控制的，并且可以以编程的方式开关，以当所述扫描滑动片通过所述基底时仅仅曝光所述基底的期望区域。
21.如权利要求8所述的设备，其中，在所述基底上的UV曝光的强度可以通过控制扫描速度和UV LED的电流来控制。
22.一种用于在如权利要求21所述的设备中控制UV曝光的强度的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供控制程序，通过该控制程序，借助于硬件使用对多个恒定的速度优化的PID参数，确定所述多个恒定速度，用固定的减少因子优选0.8来降低确定的速度，以提供相对的设定速度，所述设定速度能够选择性地切换；
(b)选择抗蚀剂/焊接掩模基底的设定速度，使得当以该速度曝光该抗蚀剂/焊接掩模基底时产生最佳的UV曝光能；以及
(c)通过将UV LED的电流调节到合适的值，而控制所引起的任何过度曝光。
23.如权利要求22所述的方法，其中，在高度灵敏的抗蚀剂的情况下，将所述速度限制为由机构的稳定性规定的值，并且，通过UV LED电流控制的附加减少因子FV来进行UV曝光能的调节，使用下述公式计算该因子FV：FV＝最大的机械上可行的扫描滑动片速度/用于校正UV曝光能的计算所得的扫描滑动片速度，然后，使用总因子0.8×FV，通过电流控制来减少UV辐射。
24.如权利要求18所述的设备，包括校准机构，该校准机构包括：UV光电元件，作为安装在校准滑动片上的测量传感器，其可以通过电动机相对于所述扫描滑动片横向地移位，所述校准滑动片安装在位于曝光区域外的曝光框的区域中，同时，所述扫描滑动片的整个宽度可以被所述校准滑动片的UV光电元件通过。
25.如权利要求24所述的方法和设备，其中，所述小型UV辐射源的UV辐射可以通过如下来以条纹的形式测量：逐步地调节所述校准滑动片、并随后使所述扫描滑动片相应地经过所述UV光电元件，以提供测量的UV辐射分布。
26.如权利要求25所述的设备，其中，所述测量的UV辐射分布用于获得孔径，所述孔径当被横向地放置在所述UV光路上时，通过遮盖来提高曝光的均匀性。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述测量的UV辐射分布通过计算机程序来处理，以产生铣削程序，该铣削程序可以在客户处使用的印刷电路板铣床上执行，以产生用作孔径的铣削部分，从而提高UV曝光能的均匀性。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述孔径由板状材料制成，并且优选为双包层FR 4/1.5mm。
29.如权利要求25所述的方法，其中，在所述扫描滑动片在停放位置的情况下，在LED被接通之后，随着所述LED的温度升高，用所述光电元件测量所述UV辐射，以提供测量的UV辐射分布，包括可用于确定设定速度和用于补偿由热引发的曝光强度变化的LED电流的测量结果。
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