TWI666526B

TWI666526B - 無光罩雷射直寫曝光機

Info

Publication number: TWI666526B
Application number: TW106137625A
Authority: TW
Inventors: 洪國書; 劉俊賢; 張明宏; 廖述政
Original assignee: 旭東機械工業股份有限公司
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-07-21
Also published as: TW201918801A; US20190129309A1

Abstract

本發明關於一種無光罩雷射直寫曝光機，其包括可在一Y方向上相對位移的一載台及一雷射曝光裝置，且在相對位移過程中，該雷射曝光裝置可在一X方向上對該載台上之待曝光基板進行掃描，以在該待曝光基板上形成一潛像圖案。該雷射曝光裝置具有一雷射模組，其包括一線性雷射光源、一穿透式掃描器、複數聚焦透鏡以及修正像差的一補償透鏡。該線性雷射光源之長度方向傾斜於X方向。該穿透式掃描器具有一多稜鏡，其轉軸平行於該線性雷射光源之長度方向。該轉動的過程中，該多稜鏡之刻面允許每一雷射光束穿透並在該待曝光基板上形成傾斜的一條狀曝光光斑，且相鄰之兩雷射光束所形成之曝光光斑在X方向上之投影存在部分重疊。

Description

無光罩雷射直寫曝光機

本發明係關於一種無光罩雷射直寫曝光機（Maskless Laser Direct Imaging System），尤其是一種利用線性掃描方式成像之無光罩雷射直寫曝光機。

近年來，在印刷電路板（PCB）之製程中對精密度之要求不斷提高，使得傳統接觸印刷製程逐漸無法符合要求。對此，許多印刷電路板廠商轉而使用雷射直寫曝光機以解決良率及產出率的問題。相較於傳統的微影技術，此雷射直寫曝光機能在不使用光罩的情況下，在電路板之電路圖案資料送入電腦後直接在待曝光基板上寫入對應所需的電路圖案，至此不僅精密度大幅提升，兼能有效降低生產成本。

台灣專利第523968號揭露一種雷射直寫曝光機，其能在無光罩使用下，直接在一待曝光基板表面上形成一潛影圖案（latent image）。其中，該雷射直寫曝光機主要包括一雷射光源及設於該雷射光源與待曝光基板之間的一反射式掃描器。該雷射光源用以輸出一載有影像資訊的雷射光束。該反射式掃描器具有一多面鏡，其在轉動時對待曝光基板進行掃描，以形成該潛影圖案。

值得注意的是，傳統反射式的掃描方法會產生諸多缺點。首先，如第十一圖所示，在使用反射式多面鏡9時，待曝光基板4的高度變化會造成聚焦點F3、F4的位置偏移，連帶影響其潛影圖案之成像品質。再者，如第十二圖所示，傳統鏡面91對雷射光束92之聚焦點F會因為鏡面91轉動角度而有所不同，導致基板4成像時產生影像周圍失焦的情形。為改善此些缺點，前述台灣專利所教示之直接雷射影像系統需要在該反射式掃描器與該基板之間的光學路徑上設置一平場聚焦透鏡（F-theta lens）來補正，以提高成像品質。

有別於以往之反射式無光罩雷射直寫曝光機，本發明提供一種新的穿透式無光罩雷射直寫曝光機，藉由其穿透式的掃描器來直接成像，可以避免反射式掃描器的失焦或焦點偏移等問題，且其搭配之光學系統更可配置適當的補償透鏡以進一步提高光學品質。此外，本發明無光罩雷射直寫曝光機之雷射曝光裝置係採用成排之多顆雷射二極體的線性掃描方式，更可以大幅提高掃描速度。

具體而言，本發明無光罩雷射直寫曝光機主要包括一載台及一雷射曝光裝置。該載台係供承載一待曝光基板，該待曝光基板表面塗佈有一感光層。該雷射曝光裝置可與該載台於一Y方向上相對位移，且在相對位移的過程中，該載台上之待曝光基板的感光層在一X方向上的位置點也能受到該雷射曝光裝置之選擇性曝光，以構成一潛像圖案。

詳言之，該雷射曝光裝置具有一第一雷射模組，該第一雷射模組包括一線性雷射光源、一穿透式掃描器、複數聚焦透鏡以及至少一補償透鏡。其中，該線性雷射光源包括沿其長度方向間隔排列之複數雷射二極體，用以輸出相互平行的多道雷射光束，其中該線性雷射光源之長度方向傾斜於X方向。該穿透式掃描器具有可轉動的一多稜鏡，該多稜鏡之轉軸平行於該線性雷射光源之長度方向，且具有多個刻面，供該些雷射光束射入。該些聚焦透鏡設於該線性雷射光源與該多稜鏡之間，用以對應地將該些雷射二極體之雷射光束聚焦至該待曝光基板。該補償透鏡設於該多稜鏡與該待曝光基板之間，以修正該些聚焦透鏡於聚焦時所造成之像差。值得注意的是，該穿透式掃描器之多稜鏡的每一刻面皆能使每一條入射的雷射光束產生偏折，並經該多稜鏡之折射出光後在該待曝光基板的感光層形成一光點，且該多稜鏡在轉動過程中所形成的光點會在該待曝光基板的感光層的一斜向掃描路徑上形成一條狀曝光光斑，且相鄰之兩雷射光束所形成之條狀曝光光斑在X方向上之投影存在部分重疊。

較佳地，該至少一補償透鏡可以是一柱面透鏡，與該多稜鏡平行設置。或者，該至少一補償透鏡可以包括複數球面透鏡，分別對應該些該些雷射二極體。又或，該至少一補償透鏡可以包括複數非球面模造透鏡，分別對應該些該些雷射二極體。

較佳地，該雷射曝光裝置更包括一第二雷射模組，其結構相同於該第一雷射模組，且該第一雷射模組之最後一道雷射光束所形成之條狀曝光光斑與該第二雷射模組之第一道雷射光束所形成之條狀曝光光斑在X方向上之投影存在部分重疊。

較佳地，該雷射曝光裝置的第一雷射模組更包括一水冷卻系統，用以對該第一雷射模組之線性雷射光源進行散熱。

較佳地，該雷射曝光裝置的第一雷射模組更包括複數鏡筒，每一鏡筒恰軸向套設於對應之雷射二極體的一基座上，而該些聚焦透鏡分別設於該些鏡筒內。

較佳地，該雷射曝光裝置更包括一控制單元，該控制單元係控制該穿透式掃描器之多稜鏡的轉動以及該線性雷射光源之雷射二極體的開關，使得該些雷射光束被限定在以一預定範圍內的一入射角進入該多稜鏡的刻面，其中該預定範圍是介於正20度角至負20度角之間。

第一至十圖係顯示本發明無光罩雷射直寫曝光機100的一個較佳實施例，用以將一數位圖案資訊直接寫入一待曝光基板4，以在該待曝光基板4表面的一感光層41（第八圖）形成一潛像圖案。如第一圖所示，該無光罩雷射直寫曝光機100大致包括一機台1、一雷射曝光裝置2及一控制單元3。該雷射曝光裝置2係設於該機台1的一龍門12上。該機台1具有一載台11，供承載該待曝光基板4。

具體而言，該載台11連同其上之待曝光基板4可沿一Y方向前進，而與該龍門12上之該雷射曝光裝置2相對位移。此外，在該雷射曝光裝置2與該載台11相對位移的過程中，該待曝光基板之感光層41在X方向上的每個位置點皆能受到該雷射曝光裝置2之選擇性曝光，以在該感光層41上形成二維之潛像圖案（未顯示）。該潛像圖案可經由後續的一顯影製程而在該待曝光基板4上被具象化。

第二圖係顯示第一圖中之該雷射曝光裝置2與該待曝光基板4的位置關係示意圖。其中，該雷射曝光裝置2具有結構完全相同的一第一雷射模組5及一第二雷射模組6。如第四圖之平面圖所示，該第一及第二雷射模組5、6彼此相互平行，但傾斜於該待曝光基板4的前進方向（也就是Y方向）。

為簡化起見，今僅以該第一雷射模組5為例說明，該第二雷射模組6之結構得比照該第一雷射模組5之結構。如第五及六圖所示，該第一雷射模組5包括一線性雷射光源51、一光學組件52、一穿透式掃描器53及一水冷卻系統54。其中，該線性雷射光源51之長度方向（M）係傾斜於X方向（如第四圖所示），且包括複數雷射二極體510（較佳如第六圖所示），該些雷射二極體510沿該線性雷射光源51之長度方向（M）間隔排列，用以輸出相互平行的多道雷射光束511。同樣地，該光學組件52具有成排沿該線性雷射光源51之長度方向（M）設置的複數聚焦透鏡單元520，用以分別對應地將該些雷射光束511聚焦至該待曝光基板4。每一聚焦透鏡單元520包括一鏡筒521及設於該鏡筒521內的聚焦透鏡522。該聚焦透鏡522較佳係選用玻璃模造的非球面透鏡。此外，如第七圖之橫向放大圖所示，該鏡筒521恰軸向套設於對應之雷射二極體510的一基座512上，而該基座512復再被固定於一舟架513上。如此，可以省去每一個雷射二極體510與對應之聚焦透鏡522之間原本在光學軸上需要彼此繁複精準的對位問題。另如第五圖所示，該水冷卻系統54係連接該線性雷射光源51之該些舟架513，用以對該線性雷射光源51之該些雷射二極體510進行散熱，以防止過熱失效。

復參閱第六圖，該穿透式掃描器53具有一多稜鏡531及用以驅使該多稜鏡531轉動的一馬達532。該多稜鏡531之轉軸平行於該線性雷射光源51之長度方向（M），且該多稜鏡531具有多個刻面533，供該些雷射光束511射入。該些聚焦透鏡522係設於該線性雷射光源51與該多稜鏡531之間，用以對應地將該些雷射二極體510之雷射光束511聚焦至該待曝光基板4。

較佳地，該光學組件52更可配置至少一補償透鏡523於該多稜鏡與該待曝光基板之間，以修正該些聚焦透鏡於聚焦時所造成之像差，使得雷射光點更為細小銳利，藉以提高圖案解析度。其中，該補償透鏡可以是一長條的柱面透鏡（cylindrical lens）或是一整排的球面透鏡（spherical lens）或非球面透鏡（aspherical lens），且該補償透鏡之直徑或寬度不小於該多稜鏡之直徑。在本實施例中，該補償透鏡523是選用柱面透鏡，其與該多稜鏡53平行設置，如第二或五圖所示。然而在其他的例子中，該補償透鏡523也可選用複數間隔排列的球面透鏡或非球面透鏡，而該非球面透鏡較佳可選用玻璃模造之非球面透鏡（aspherical glass molded lens）。

如第八A圖所示，雷射光束511是從該多稜鏡531的一刻面533進入，且該多稜鏡531之每一刻面533皆能使每一條入射的雷射光束511產生偏折，並經該多稜鏡531之折射出光後在該待曝光基板4的感光層形成一光點P。又如第十圖所示，雷射光束在經過該多稜鏡531之折射後，待曝光基板4的高度變化並不會造成聚焦點F1、F2的位置偏移。再者，該多稜鏡531在轉動一預定角度範圍（例如30度）的過程中（第八A~八C圖）所形成的諸多光點P會在該待曝光基板4的感光層41的一斜向掃描路徑（N）上形成一條狀曝光光斑S，如第八C圖所示。

如第三圖之放大圖所示，相鄰之兩雷射光束511a、511b所形成之條狀曝光光斑S ₁₁、S ₁₂在X方向上之投影存在部分重疊。再者，如第九圖所示，相鄰兩雷射模組5、6所產生之條狀雷射光斑也存在著部分重疊，其中該第一雷射模組5之最後一道雷射光束511ℓ所形成之條狀曝光光斑S _1N與該第二雷射模組6之第一道雷射光束611a所形成之條狀曝光光斑S ₂₁在X方向上之投影存在部分重疊。如此，該雷射曝光裝置2之兩雷射模組5、6確實能夠在X方向上對該待曝光基板4之感光層41的不同位置曝光，且在該待曝光基板4前進被掃描的過程中，該控制單元3（第一圖）同時控制該穿透式掃描器之多稜鏡的轉動以及該兩雷射模組5、6之雷射二極體510的開關，使得每一曝光光斑或未曝光的位置形成該潛像圖案的一畫素點，且相鄰畫素點不會產生空白間隙。較佳地，該控制單元3使該些雷射光束511被限定在以一預定範圍內的入射角進入該多稜鏡531的刻面533，其中該預定範圍是介於正20度角至負20度角之間，以達到較佳的雷射光點；更佳地，該預定範圍是介於正15度角至負15度角之間，以取得更細緻的雷射光點所構成之條狀曝光光斑。

以第八A~八C圖為例，該多稜鏡531轉動30度的過程中，該雷射光束511係從起始的正15度（+15°）的入射角入射該多稜鏡531的刻面533（第八A圖），隨後逐漸變化到從零度的入射角入射該刻面533，也就是垂直入射該刻面533（第八B圖），最後變化到從負15度（-15°）的入射角入射該刻面533（第八C圖）。在這過程中，雷射光點的直徑也隨入射角的變化而變化。

底下表列雷射光束在不同入射角（0°~15°）下入射該多稜鏡531的刻面533，並搭配不同類型之補償透鏡（包含無設置補償透鏡之對照組）所產生之雷射光點的直徑（單位：微米）：

編號	類型	入射角（度）
0	3	6	9	12	15
1	無	3.6 0	4.20	6.20	8.20	10.30	12.30
2	柱面透鏡	3.50	4.00	3.95	3.97	4.79	6.18
3	球面透鏡	3.42	3.44	3.42	3.50	3.66	4.13
4	非球面透鏡	1.29	1.33	1.39	1.61	1.80	2.03

從上表可知，相較於沒有使用補償透鏡（編號1）的情況，無論增加何種補償透鏡（編號2~4）皆可或多或少縮小雷射光點，尤其是在以較大的入射角（例如15度）入射時，其改善更為明顯。此外，在各種補償透鏡中，選用非球面透鏡（編號4）作為補償透鏡時還能得到最細緻的雷射光點，其直徑甚至可低至約1~2微米。

藉由上述設置，本發明之無光罩雷射直寫曝光機藉由其穿透式的掃描器來直接成像，可以避免反射式掃描器的失焦或焦點偏移等問題，且其搭配之光學系統更可配置適當的補償透鏡以進一步提高光學品質。此外，本發明無光罩雷射直寫曝光機之雷射曝光裝置係採用成排之多顆雷射二極體的線性掃描方式，更可以大幅提高掃描速度。

無論如何，任何人都可以從上述例子的說明獲得足夠教導，並據而了解本發明內容確實不同於先前技術，且具有產業上之利用性，及足具進步性。是本發明確已符合專利要件，爰依法提出申請。

無光罩雷射直寫曝光機100 機台1 載台11 龍門12 雷射曝光裝置2 控制單元3 待曝光基板4 感光層41 第一雷射模組5 線性雷射光源51 雷射二極體510 雷射光束511/511a/511b/511ℓ 基座512 舟架513 光學組件52 聚焦透鏡單元520 鏡筒521 聚焦透鏡522 補償透鏡523 穿透式掃描器53 多稜鏡531 馬達532 刻面533 水冷卻系統54 第二雷射模組6 多面鏡9 鏡面91 雷射光束92

第一圖係本發明無光罩雷射直寫曝光機的立體結構示意圖。第二圖係第一圖之無光罩雷射直寫曝光機中之雷射曝光裝置之立體結構示意圖。第三圖係第二圖的一局部放大示意圖。第四圖係第二圖之雷射曝光裝置的兩雷射模組與待曝光基板之俯視平面示意圖。第五圖係第二圖之雷射曝光裝置的其中一雷射模組之立體結構示意圖。第六圖係第五圖之雷射模組之部分結構的斷面結構示意圖。第七圖係第六圖中沿著VII-VII線剖切的一斷面示意圖。第八A至八C圖係顯示本發明之多稜鏡掃描器在轉動中使得雷射光束在待曝光基板上形成一條狀雷射光斑的過程。第九圖係在X-Y坐標軸上呈現該雷射曝光裝置所形成之條狀雷射光斑的示意圖。第十圖係顯示本發明之多稜鏡掃描器在進行雷射光束掃描時，雷射光束垂直入射待曝光基板表面的情形。第十一圖係顯示習知多面鏡掃描器在進行雷射光束掃描時因基板高度變化造成聚焦點偏移的情形。第十二圖係顯示習知鏡面因轉動角度不同而在反射雷射光束時造成影像周圍失焦的情形。

Claims

一種無光罩雷射直寫曝光機，包括：一載台，供承載一待曝光基板，該待曝光基板表面塗佈有一感光層；一龍門，跨於該載台的上方；及一雷射曝光裝置，設於該龍門上，可與該載台於一Y方向上相對位移，其中該雷射曝光裝置具有一第一雷射模組，該第一雷射模組包括：一線性雷射光源，包括沿其長度方向間隔排列之複數雷射二極體，用以輸出相互平行的多道雷射光束，其中該線性雷射光源之長度方向傾斜於一X方向；複數聚焦透鏡，設於該線性雷射光源下方，用以對應接地將該些雷射二極體之雷射光束聚焦至該待曝光基板；一穿透式掃描器，設於該些聚焦透鏡的下方，具有可轉動的一多稜鏡，該多稜鏡之轉軸平行於該線性雷射光源之長度方向，且具有多個刻面，由該些聚焦透鏡射出的該些雷射光束從其中一刻面射入，並從另一刻面射出；及至少一補償透鏡，設於該多稜鏡的下方，且位於該多稜鏡與該待曝光基板之間，其中，該至少一補償透鏡面對該多稜鏡之面為一凸弧面，該至少一補償透鏡面對該待曝光基板之面為一平面，從該多稜鏡射出的該些雷射光束由該凸弧面射入，並由該平面射出至該待曝光基板。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該雷射曝光裝置更包括一第二雷射模組，其結構相同於該第一雷射模組，且該第一雷射模組之最後一道雷射光束所形成之條狀曝光光斑與該第二雷射模組之第一道雷射光束所形成之條狀曝光光斑在X方向上之投影存在部分重疊。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該雷射曝光裝置的第一雷射模組更包括一水冷卻系統，用以對該第一雷射模組之線性雷射光源進行散熱。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該雷射曝光裝置的第一雷射模組更包括複數鏡筒，每一鏡筒恰軸向套設於對應之雷射二極體的一基座上，而該些聚焦透鏡分別設於該些鏡筒內。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該至少一補償透鏡是一柱面透鏡，與該多稜鏡平行設置。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該至少一補償透鏡包括複數球面透鏡，分別對應該些該些雷射二極體。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該至少一補償透鏡包括複數非球面模造透鏡，分別對應該些該些雷射二極體。
如申請專利範圍第1項所述之無光罩雷射直寫曝光機，其中該雷射曝光裝置更包括一控制單元，該控制單元係控制該穿透式掃描器之多稜鏡的轉動以及該線性雷射光源之雷射二極體的開關，使得該些雷射光束被限定在以一預定範圍內的一入射角進入該多稜鏡的刻面，其中該預定範圍是介於正20度角至負20度角之間。