一种3D曝光系统及方法与流程

一种3d曝光系统及方法
技术领域
1.本发明涉及成像技术领域，特别是涉及本技术涉及数字化光刻领域，更为具体的，涉及一种新型的3d曝光系统及方法。


背景技术：

2.在现有技术中，采用无掩模曝光系统对平面基板进行曝光。例如，如图1所示，曝光光源100产生的光束通过光纤110到达光准直均化装置200，然后经过准直和/或均化处理的光由反光镜500发射到dmd器件300。dmd器件300用作空间光调制器。dmd器件300生成的像素掩膜图形产生的光输入到无掩膜投影装置600，通过无掩膜投影装置600的曝光光束900聚焦到承载在承载板800上的平面基板750的上表面。由此，完成对平面基板750的无掩模光刻。
3.但是，上述的技术方案仅仅能够对平面基板进行无掩模光刻，而无法实现对3d基板的无掩模光刻。
4.例如，计算机类(computer)、通信类(communication)、消费类(consumer)电子产品的开发热，要求加工各种非比寻常的3d产品。对产品图形的制作提出越来越多的期望。而现有技术的上述无掩模光刻技术无法应用到3d基板。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种3d曝光系统来实现对3d基板的光刻。
6.为实现上述目的，本发明提供一种3d曝光系统，所述3d曝光系统包括：
7.第一光学引擎，其设置在3d基板光源装置的第一侧，用于生成第一曝光图案并将所述第一曝光图案投影到所述3d基板光源装置的第一面，具体地，所述第一光学引擎包括dmd器件光源装置和无掩膜投影装置光源装置，所述dmd器件光源装置用作空间光调制器，所述dmd器件光源装置生成的像素掩膜图形产生的光输入到所述无掩膜投影装置光源装置，通过无掩膜投影装置光源装置的光作为曝光光束聚焦到所述3d基板光源装置的第一面，
8.光源装置，用于对所述第一光学引擎提供光源；
9.其中，所述dmd器件光源装置相对于所述无掩膜投影装置光源装置的光轴倾斜设置，通过无掩膜投影装置光源装置的光的焦平面为斜面，所述斜面相对于所述无掩膜投影装置光源装置的光轴的倾斜角度，等于所述所述dmd器件光源装置相对于所述无掩膜投影装置光源装置的光轴的倾斜角度。
10.优选地，所述倾斜角度设置在小于90度大于等于45度的范围内。
11.优选地，所述3d曝光系统还包括z向移动装置，所述z向移动装置用于驱动所述无掩膜投影装置光源装置在z向上运动。
12.优选地，所述dmd器件光源装置沿着其倾斜方向分为至少两个dmd区域，分别用于对所述3d基板光源装置的第一侧的相应个数不同高度区间部位进行曝光。
13.优选地，所述3d曝光系统包括视觉识别装置，所述视觉识别装置用于获取所述3d基板光源装置在承载板光源装置上的定位信息。
14.优选地，所述dmd器件光源装置的数量为多个，且具有不同高度和不同倾斜度。
15.优选地，所述dmd器件光源装置的高度和/或倾斜角度可调。
16.优选地，所述3d曝光系统还包括：
17.第二光学引擎，其设置在3d基板光源装置的第二侧，用于生成第二曝光图案并将所述第二曝光图案投影到所述3d基板光源装置的第二面，具体地，所述第二光学引擎包括第二dmd器件和第二无掩膜投影装置，所述第二dmd器件用作空间光调制器，所述第二dmd器件生成的像素掩膜图形产生的光输入到所述第二无掩膜投影装置，通过第二无掩膜投影装置的光作为曝光光束聚焦到所述3d基板光源装置的第二面，
18.第二光源装置，用于对所述第二光学引擎提供光源；
19.其中，所述第二dmd器件相对于所述第二无掩膜投影装置的光轴倾斜设置，通过第二无掩膜投影装置的光的焦平面为斜面，所述斜面相对于所述第二无掩膜投影装置的光轴的倾斜角度，等于所述所述第二dmd器件相对于所述第二无掩膜投影装置的光轴的倾斜角度。
20.本发明还提供一种3d曝光方法，所述3d曝光方法采用如上所述的3d曝光系统对3d基板光源装置进行曝光。
21.优选地，所述3d曝光方法包括下述步骤：
22.装载步骤，将3d基板光源装置装载在承载板光源装置上，所述3d基板光源装置的一面带有高度不同的立体结构，且所述立体结构上已喷曝光油墨或感光胶；
23.区域分割步骤，根据高度不同，将所述3d基板的所述一面分割为至少两个子区域；相应地，根据高度不同，将所述dmd器件光源装置分为至少两个dmd区域，所述3d基板的一个子区域对应所述dmd器件光源装置的一个dmd区域，使得所述dmd区域生成的像素掩膜图形通过无掩膜投影装置光源装置聚焦后在所述3d基板的相应子区域上处于所需的焦深范围内。
24.本发明的3d曝光系统及方法，能够对3d基板进行曝光或光刻。
附图说明
25.图1是现有技术的曝光系统的示意图。
26.图2是根据本发明一实施例的3d曝光系统的示意图。
27.图3是图2的局部视图。
28.附图标记：
29.100曝光光源430第三dmd区域110光纤710第一斜面200光准直匀化装置720第二斜面300dmd器件711第一子斜面400dmd器件712第二子斜面500反射镜713第三子斜面600无掩膜投影装置724第四子斜面
7003d基板725第五子斜面750平面基板726第六子斜面800承载板910第一曝光光束900曝光光束920第二曝光光束410第一dmd区域930第三曝光光束420第二dmd区域
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具体实施方式
30.在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
31.在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
32.如图2所示，根据本发明一实施例的3d曝光系统包括：第一光学引擎和光源装置。光源装置用于对所述第一光学引擎提供光源。光源装置例如包括曝光光源100、光纤110和光准直均化装置200。曝光光源100例如提供uv光，以对涂有诸如光刻胶的光敏材料的3d基板700进行曝光。曝光光源100发射的光通过光纤110进入光准直匀化装置200，以对曝光光源100发射的光进行准直和/或均匀化处理。
33.3d基板700是相对于常规的平面基板750而言的。3d基板700上带有待光刻的起伏的3d轮廓，因此本发明中的3d基板也可以称为待光刻的3d构件。3d基板700的形状和构造不限于图2所示的形状和构造。
34.第一光学引擎设置在3d基板700的第一侧(图2中为上侧，也可以为下侧)，用于生成第一曝光图案并将所述第一曝光图案投影到所述3d基板700的第一面(图2中为上表面，也可以为下表面)。具体地，所述第一光学引擎包括dmd器件400和无掩膜投影装置600，所述dmd器件400用作空间光调制器，所述dmd器件400生成的像素掩膜图形产生的光输入到所述无掩膜投影装置600，通过无掩膜投影装置600的光作为曝光光束聚焦到所述3d基板700的第一面。
35.参见图2，所述dmd器件400相对于所述无掩膜投影装置600的光轴倾斜设置。从而，从dmd器件400反射的光在通过无掩膜投影装置600之后的焦平面为斜面。所述斜面相对于所述无掩膜投影装置600的光轴的倾斜角度，等于所述dmd器件400相对于所述无掩膜投影装置600的光轴的倾斜角度。
36.需要指出的是，在本发明中，所述dmd器件400相对于所述无掩膜投影装置600的光轴倾斜设置(非垂直设置)，是指dmd器件400整体上相对于所述无掩膜投影装置600的光轴倾斜设置，而不是指dmd器件400的某些微镜单元倾斜设置。
37.所述倾斜角度可以根据需要设置，例如可以设置在小于90度小于等于75度的范围内。dmd器件400的倾斜角度决定了焦面高度的变化范围大小。也就是说，可以根据所需要加工的3d基板的表面起伏高度差来确定dmd器件400的倾斜角度，使得dmd器件400所产生光的焦面高度差大于3d基板的表面起伏高度差。
38.这样，从dmd器件400反射的光在经过无掩膜投影装置600后将具有不同高度的焦面位置。换句话说，dmd器件400的不同区域将对应不同的焦面高度。从而，能够对起伏的3d基板的相应高度位置的表面进行光刻。
39.本发明的上述系统能够用于针对3d轮廓进行光刻，而且是能够作为针对在毫米级及微米级小范围内有连续起伏、高低落差大的3d复杂图形的高分辨率数字化图形曝光系统。也可以通过多个光学组组合，实现超大面积曝光范围且局部毫米级甚至微米级范围内有连续起伏、高低落差大的3d复杂图形的高分辨率数字化图形曝光系统。
40.本发明的上述系统具备扫描曝光速度快，使用方便快捷，适用范围非常广，可实现线路板、5g天线、光电显示、芯片及封装等各种电子产品线路图形制作行业，也可以满足装饰类行业、精密机械加工行业、3d打印、机械铸造模具等多个工业化高速量产的生产需求。
41.在一个实施例中，所述dmd器件400的数量为多个，且具有不同高度和不同倾斜度。从而，能够通过所述多个dmd器件400的组合来实现复杂3d基板的光刻。进一步地，在所述多个dmd器件400中，包括与所述无掩膜投影装置600的光轴垂直设置的至少一个dmd器件400，以用于对所述3d基板的局部水平区域进行光刻。
42.在一个备选实施例中，一个或更多个的dmd器件400的高度和/或倾斜角度设置为可调的。由此适应更大范围的起伏高度以及更复杂的立体结构。
43.具体地，为了对3d基板的起伏表面进行曝光，所述dmd器件400沿着其倾斜方向分为至少两个dmd区域，分别用于对所述3d基板700的第一侧的相应个数不同高度区间部位进行曝光。
44.参见图2和图3，示例的3d基板700上带有多个起伏的斜坡。在图2中标注了第一斜面710和第二斜面720。如图3所示，根据高度不同，第一斜面710分为第一子斜面711、第二子斜面712和第三子斜面713。第二斜面720分为第四子斜面724、第五子斜面725和第六子斜面726。其中，第一子斜面711和第六子斜面726具有相同的高度范围；第二子斜面712和第五子斜面725具有相同的高度范围；第三子斜面713和第六子斜面726具有相同的高度范围。
45.相应地，如图2所示，将dmd器件400沿着其倾斜方向也分为三个区域：第一dmd区域410、第二dmd区域420和第三dmd区域430。第一dmd区域410、第二dmd区域420和第三dmd区域430的高度逐渐升高，其对应的焦平面的高度也相应升高。从而，第一dmd区域410对应对第一子斜面711和第六子斜面726进行曝光；第二dmd区域420对应对第二子斜面712和第五子斜面725进行曝光；第三dmd区域430对应对第三子斜面713和第六子斜面726进行曝光。也就是说，所述dmd器件(400)沿着其倾斜方向分为至少两个dmd区域，分别用于对所述3d基板(700)的第一侧的相应个数不同高度区间部位进行曝光。
46.尽管上述的实施例中，示例3d基板带有的起伏为斜面，但是本发明也可以应用与波浪形起伏，或其他规则或不规则起伏。只要将3d基板上的起伏根据起伏程度分为相应的区域，再根据3d基板上的区域划分情况对dmd器件400进行相应的区分，并将3d基板上的区域与dmd器件400上的相应dmd区域进行对应，利用dmd器件400上的相应dmd区域对3d基板上的区域进行曝光。
47.所述3d曝光系统包括承载板和视觉识别装置。承载板用于承载若干已喷曝光油墨或感光胶的三维立体结构产品(即3d基板)。可以同时在承载板800上承载多个较小的三维立体结构产品，同时进行曝光处理，以提高处理效率。
48.视觉识别装置用于获取三维立体结构产品在承载板800上的定位信息。例如，视觉识别系统摄取三维立体结构产品边缘位置图像或是定位图像，以便将产品曝光至所需的位置。
49.在一个备选实施例中，3d曝光系统包括z向移动装置，所述z向移动装置用于驱动所述无掩膜投影装置600在z向上运动，以提高对大起伏的3d基板的处理能力。
50.为了进行双面3d曝光，本发明一个未图示实施例的3d曝光系统在前述装置的基础上还包括：
51.第二光学引擎，其设置在3d基板(700)的第二侧，用于生成第二曝光图案并将所述第二曝光图案投影到所述3d基板(700)的第二面，具体地，所述第二光学引擎包括第二dmd器件和第二无掩膜投影装置，所述第二dmd器件用作空间光调制器，所述第二dmd器件生成的像素掩膜图形产生的光输入到所述第二无掩膜投影装置，通过第二无掩膜投影装置的光作为曝光光束聚焦到所述3d基板(700)的第二面，
52.第二光源装置，用于对所述第二光学引擎提供光源；
53.其中，所述第二dmd器件相对于所述第二无掩膜投影装置的光轴倾斜设置，通过第二无掩膜投影装置的光的焦平面为斜面，所述斜面相对于所述第二无掩膜投影装置的光轴的倾斜角度，等于所述所述第二dmd器件相对于所述第二无掩膜投影装置的光轴的倾斜角度。
54.为了提高对复杂3d基板的自动处理能力，在一个实施例中，3d曝光系统包括曝光图形分割和曝光焦点仿真装置，该装置能够根据每款三维立体结构产品的曝光尺寸大小自动生成电子图形，并通过计算将每款三维立体结构产品表面分割成若干分割区域并确定每个分割区域的曝光焦点，并根据每个分割区域的大小及位置将电子图形进行分割形成新的区域电子图形。
55.在一个实施例中，3d曝光系统包括曝光电子图形生成装置：该装置将区域电子图形填充至相应的三维立体结构产品上的对应的分割区域，并形成曝光图形。
56.在一个实施例中，3d曝光系统包括动态电子掩模生成装置：该装置根据定位信息对三维立体结构产品上的曝光图形的位置及角度进行修正，使各曝光图形的位置与对应的三维立体结构产品上的实际位置一致，生成动态电子掩模。
57.根据本发明一实施例的3d曝光方法采用如上所述的3d曝光系统对3d基板700进行曝光。
58.所述3d曝光方法例如包括下述步骤：
59.装载步骤，将3d基板700装载在承载板800上，所述3d基板700的一面带有高度不同的立体结构，且所述立体结构上已喷曝光油墨或感光胶；
60.区域分割步骤，根据高度不同，将所述3d基板的所述一面分割为至少两个子区域；相应地，根据高度不同，将所述dmd器件400分为至少两个dmd区域，所述3d基板的一个子区域对应所述dmd器件400的一个dmd区域，使得所述dmd区域生成的像素掩膜图形通过无掩膜投影装置600聚焦后在所述3d基板的相应子区域上处于所需的焦深范围内。
61.根据本发明一备选实施例的3d曝光方法的具体步骤例如包括：
62.a、承载板定位，
63.b、放板，将三维立体结构产品放置在承载板上，
64.c、读取定位数据，通过视觉识别系统获取三维立体结构产品在承载板上的定位信息，
65.d、存储定位信息，将上步中获取的三维立体结构产品在承载板上的定位信息信息储存到系统数据库中，
66.e、读取定位信息，从系统数据库中读取该承载板上三维立体结构产品的定位信息，
67.f、读取曝光图形中的图形填充位置、曝光位置、曝光焦点信息，
68.g、生成动态电子掩模，动态电子掩模生成系统对曝光图形的填充位置及倾斜角度进行修正，生成动态电子掩模，3d图形软件处理系统，将需要曝光的3d图形经数字化处理后，形成与本发明相匹配的图形单元，并将所需要曝光的图形分割为所需的曝光单元，该曝光单元可匹配到单个dmd的不同分区区域或是多个dmd的不同分区区域，更进一步的该曝光单元可具体分配详细至不同区域的每个像素点，并可以对每个像素点做独立的出图控制
69.h、3d图形光学处理单元系统，将一个或多个数字光处理dmd器件做结构的调整，该调整包含一个或多个dmd光学器件的旋转或倾斜或上下高度的平移、侧移等预处理，形成与产品相匹配的图形数字化曝光光学系统的单元或单元阵列，以达成对3d产品任意高度差、任意形貌的高低不平的复杂3d形貌图形曝光
70.i、3d曝光执行，将b项中经3d图形软件处理系统做图形转换后的图形单元经转换后发送至c项中3d图形光学处理单元系统，经光学处理系统发送实时曝光图形，经光学组合透镜放大或缩微后投影至a项精密移动平台上放置的需曝光产品的3d形貌的不同高度及各个坡面上，对产品上的感光胶或感光干膜做图形曝光感光，精密移动平台带动产品做高速高精度的步进扫描式移动，对产品上整版图形做移动扫描曝光成像，完成产品上整版的3d图形曝光。
71.本发明实施例的3d曝光系统及方法，例如特别针对在毫米级及微米级小范围内有连续起伏、高低落差大的3d复杂图形进行高分辨率数字化图形曝光；也可以通过多个光学组组合，实现超大面积曝光范围且局部毫米级甚至微米级范围内有连续起伏、高低落差大的3d复杂图形的高分辨率数字化图形曝光系统。
72.本发明实施例的3d曝光系统及方法具备扫描曝光速度快，使用方便快捷，适用范围非常广，可实现线路板、5g天线、光电显示、芯片及封装等各种电子产品线路图形制作行业，也可以满足装饰类行业、精密机械加工行业、3d打印、机械铸造模具等多个工业化高速量产的生产需求。
73.本发明实施例的3d曝光系统及方法还具备优点如下：
74.对3d图形做智能化、数字化区域分割，不同高度的图形通过本专利可以使每个区域不同高度差的图形在曝光中都处于最佳焦点的焦深范围以内，并可以一次性完成所有高度的超高分辨率的图形曝光，达到和平面曝光完全一样的精度和分辨率。
75.可以在单个dmd上做不同高度的分区域曝光管理，也可以组合多个dmd、各个dmd在不同高度位置，实现超大面积、任意高度差、任意景深要求、任意角度的产品图形曝光，在对图形精细化曝光的实现上不受限制。
76.也可以采用承载板多片小片拼版曝光功能，只要读取承载板的小片3d产品位置信息，做到数据共享、统一管理，可有效提高了曝光生产效率。
77.由于不同曝光高度上的dmd器件的分区区域在物理上是分离的，且都可以单独控制，本发明采用动态电子掩模移动扫描曝光，可一次性曝光的同时以保证各个高度差的曝光图形的位置准确性以及图形的超高清分辨率，达到和平面光刻一样的精度。
78.根据本发明另一实施例的在三维立体上制备高精度线路图形的曝光方法包括下述具体特征。
79.a、采用精密移动平台，例如采用微米级以及纳米级的定位精度移动平台来移动3d基板和/或dmd器件，以及相应配备与本发明的3d曝光方法相匹配的专业软件控制系统、硬件控制系统及与本发明相配套的平台软硬件控制系统。
80.b、采用3d图形软件处理系统，将需要曝光的3d图形经数字化处理后，形成与本发明相匹配的图形单元，并将所需要曝光的图形分割为所需的曝光单元，该曝光单元可匹配到单个dmd的不同分区区域或是多个dmd的不同分区区域，更进一步的该曝光单元可具体分配详细至不同区域的每个像素点，并可以对每个像素点做独立的出图控制。
81.c、采用3d图形光学处理单元系统，将一个或多个数字光处理dmd器件做结构的调整，该调整包含一个或多个dmd光学器件的旋转或倾斜或上下高度的平移、侧移等预处理，形成与产品相匹配的图形数字化曝光光学系统的单元或单元阵列，以达成对3d产品任意高度差、任意形貌的高低不平的复杂3d形貌图形曝光。
82.d、在3d曝光执行中，将经3d图形软件处理系统做图形转换后的图形单元经转换后发送至3d图形光学处理单元系统，经光学处理系统发送实时曝光图形，经光学组合透镜放大或缩微后投影至精密移动平台上放置的需曝光产品的3d形貌的不同高度及各个坡面上，对产品(3d基板)上的感光胶或感光干膜做图形曝光感光。精密移动平台带动产品做高速高精度的步进扫描式移动，对产品上整版图形做移动扫描曝光成像，完成产品上整版的3d图形曝光。
83.e、所需3d曝光图形的软件转换及图形分割算法
84.f、采用3d曝光焦点仿真系统：该系统能够根据每款三维立体结构产品的曝光尺寸大小自动生成电子图形，并通过计算将每款三维立体结构产品各个需曝光的表面分割成若干分割区域并确定每个分割区域的曝光焦点，并根据每个分割区域的大小及位置将电子图形进行分割形成新的区域电子图形；
85.g、采用曝光电子图形生成系统；
86.h、采用动态电子掩模生成系统：根据三维立体结构产品上的曝光图形的位置及倾斜角度进行修正，使各曝光图形的位置与三维立体结构产品所需曝光区域的实际位置一致，生成动态电子掩模；
87.i、采用无掩模光刻系统：利用激光无掩模曝光技术按动态电子掩模进行3d光刻。
88.精密移动平台上需要曝光的产品可以是任意高度差、任意形貌的高低不平的复杂3d形貌图形。针对不同的3d形貌进行区域划分和dmd区域划分，或者采用不同的工序与工艺。例如：
89.(1)对于产品3d形貌高度在一定高度范围内，例如产品的形貌高低起伏在5毫米以下、曝光线宽/线距分辨率在10um以上的，利用本发明可一次性完成产品的图形曝光；超出以上范围的，可采用多个dmd的3d曝光组合实现一次性曝光产品图形。
90.(2)对于产品3d形貌高度差较大，利用本发明设置为低成本单个dmd采用分步多次
曝光，图形叠加对位曝光完成产品的3d立体图形曝光
91.(3)对于产品3d形貌分辨率要求较高达到亚微米、纳米级的以及第(1)项、第(2)项无法单次扫描曝光完成的，利用本发明对曝光引擎光学组件做升级，进一步提升分辨率，根据产品要求可一次性完成产品的超高分辨率图形曝光；或是分层对位多次曝光达到超高分辨率、高度落差大的复杂3d图形；或是采用多个不同高度不同倾斜度的dmd拼版曝光、每个dmd可调整在不同高度的位置不同的倾斜角度以达成一次性曝光完成
92.(4)对于产品3d形貌有无坡面的垂直结构，正面光无法达到垂直结构侧面的，可利用本发明专利对单个dmd的局部像素区域分光出光，并通过光学镜片做45
°
或其它角度斜面反射达到垂直结构侧面，完成3d垂直图形侧面图形曝光，也可以利用多个dmd的像素区域组合或是配合来完成对垂直结构侧面的图形曝光，更进一步的讲单个dmd倾斜后对dmd像素分区，不同高度区域的像素阵列用于曝光3d产品不同高度坡面的感光胶曝光，另外分出一部分区域经45
°
或其它角度斜面反射后到达垂直结构侧面，对正面光无法直接到达的区域做图形曝光，更进一步的讲也可以通过多个dmd不同像素区域分区，多个dmd配合完成以上复杂图形的曝光
93.(5)对于产品为球面体或是圆柱、圆锥形等难以做单方向光学曝光处理的，可采用夹具对产品做匀速旋转或加速度旋转，利用本发明数字化立体曝光系统，针对匀速旋转的做匀速出图立体球面、柱面、锥面曝光，针对加速度旋转可同样加速度数字化立体出图曝光，更进一步的讲也可以通过单个dmd的像素分区曝光配合或是多个dmd不同像素区域分区配合来完成上述产品的图形曝光。
94.以上对本发明实施例所提供的一种在三维立体上制备高精度线路图形的曝光方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
95.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。