專利名稱：一種具有長焦深的激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光裝置，特別是一種具有長焦深的激光裝置。

背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)與加工技術(shù)的進(jìn)步，各式電子元件及光學(xué)元件日趨小型化。半導(dǎo)體技術(shù)中的微影制程(Lithography)，或是加工技術(shù)中的激光加工，都開始采用短波長的紫外光激光裝置(UV Laser)以使電子元件或光學(xué)元件的特征尺寸(Feature size)及解析度(Resolution)達(dá)到要求。由于解析度R反比于λ/NA(λ為激光波長，NA為數(shù)值孔徑)，焦深DOF(Depth of Focus)正比于λ/NA2，在此可理解為激光作用的有效深度正比于λ/NA2，因此若解析度(用激光光斑大小進(jìn)行評估)提高，則焦深就會下降。焦深的下降將會影響被加工物件的表面品質(zhì)，例如銳利度(Sharpness)降低、粗糙度增加。因此，如何提供一種能夠使電子元件或光學(xué)元件具有較高解析度，且具有長焦深的紫外光激光裝置便成為值得研發(fā)的課題。
現(xiàn)有技術(shù)中采用色差透鏡(Lens with chromatic aberration)將寬頻(wide band)激光或多波長激光的焦點群集成一線段(不同頻段的光束被聚焦在不同的焦平面上)，以延長焦深。但是，此技術(shù)需要寬頻激光或多波長激光，致使成本提高。另外，還可利用光學(xué)繞射元件(Diffractive Optical Flement，DOE)來延長焦深，但這種技術(shù)仍需要寬頻激光或多波長激光，且存在光束的高階繞射使得光利用效率降低。有鑒于此，提供一種成本較低、光利用效率較高且具有長焦深的激光裝置實為必要。


發(fā)明內(nèi)容
以下將以實施例說明一種成本較低、光利用效率較高且具有長焦深的激光裝置。
一種具有長焦深的激光裝置，包括一個激光源，其用于發(fā)射單波長紫外光；一個光學(xué)模組，其包括一個與設(shè)置在該單波長紫外光光路上的第一光學(xué)元件，該第一光學(xué)元件具有一個鄰近該激光源的第一表面及一個與該第一表面相對的第二表面，該第一表面與該第二表面中至少一者為非球面以用于使所述單波長紫外光會聚于一點。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，所述激光裝置包括一個第一光學(xué)元件，該第一光學(xué)元件所包括的第一表面與第二表面中至少一者為非球面，該非球面能夠?qū)⑺黾す庠窗l(fā)出的單波長紫外光會聚于一點，并延長該激光裝置的焦深。同時，該非球面不會產(chǎn)生繞射作用，能夠較大限度的會聚所述激光源發(fā)出的單波長紫外光，使得該激光裝置的光利用效率較高。由于該激光裝置只包括一個具有非球面的第一光學(xué)元件，因此該激光裝置的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。



圖1是本發(fā)明第一實施例激光裝置的光路示意圖。
圖2是本發(fā)明第二實施例激光裝置的光路示意圖。
圖3是本發(fā)明第三實施例激光裝置的光路示意圖。
圖4是本發(fā)明第四實施例激光裝置的光路示意圖。
圖5是圖4所示激光裝置的部分光路放大示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參見圖1，本發(fā)明第一實施例提供的激光裝置10，其包括激光源11及光學(xué)模組12。
激光源11用于發(fā)射單波長紫外光101。
光學(xué)模組12為一個透鏡，其設(shè)置在單波長紫外光101的光路上。光學(xué)模組12具有一個鄰近激光源11的第一表面121，及一個與第一表面121相對的第二表面122。第一表面121為由圓錐常數(shù)(conic constant)或非球面系數(shù)(aspheric coefficients)定義的非球面(asphericalsurface)。第二表面122為平面。激光源11發(fā)出的單波長紫外光101經(jīng)由光學(xué)模組12的第一表面121透射后被會聚到像平面13上并形成一光斑131。
第一表面121為非球面，其可將激光源11發(fā)出的單波長紫外光101會聚于一點，即在像平面13上形成一光斑131，并延長了激光裝置10的焦深。同時，設(shè)計為非球面的第一表面121不會產(chǎn)生繞射作用，能夠較大限度的會聚激光源11發(fā)出的單波長紫外光101，使得激光裝置10的光利用效率較高。在本實施例中，激光裝置10只包括一個具有非球面的透鏡，因此激光裝置10的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。
值得注意的是，第二表面122也可為平面、球面、圓柱面或非球面，第一表面121也可為平面、球面、圓柱面，但第一表面121與第二表面122中至少一者為非球面。
請參見圖2，本發(fā)明第二實施例提供的激光裝置20，其與第一實施例提供的激光裝置10基本相同，不同之處在于激光裝置20包括一個光學(xué)模組22。光學(xué)模組22為一個旋轉(zhuǎn)對稱的錐形透鏡(Axicon Lens)。錐形透鏡用于延長激光裝置20的焦深。
請參見圖3，本發(fā)明第三實施例提供的激光裝置30，其與第一實施例提供的激光裝置10基本相同，不同之處在于光學(xué)模組35包括一個第一光學(xué)元件31與一個第二光學(xué)元件32。第二光學(xué)元件32設(shè)置在單波長紫外光101的光路上且位于第一光學(xué)元件31的遠(yuǎn)離激光源11的一側(cè)。第二光學(xué)元件32具有一個鄰近第一光學(xué)元件31的第三表面321及與第三表面321相對的第四表面322。第三表面321與第四表面322為平面、球面、非球面或圓柱面。在本實施例中，第三表面321為一平面，第四表面322為一內(nèi)凹的球面。第二光學(xué)元件32用于進(jìn)一步延長激光裝置30的焦深。
若激光源11發(fā)出的紫外光101的波長為355nm且光束直徑為10.92mm。經(jīng)由第二光學(xué)元件32出射至像平面33上所形成的光斑331的直徑需要小于或等于6um(即激光裝置30的解析度R等于6um)，焦深DOF需要大于或等于350um。根據(jù)雷式判據(jù)(Reyleigh Criteria)，R＝1.22*λ*2Fn；6um＝1.22*0.355um*2Fn，則Fn＝6.93um，F(xiàn)n(F-number)為焦數(shù)(在此為光學(xué)模組的有效焦距與入射光光束直徑之比值)。另外，焦深DOF＝±2(Fn)2λ，則焦深DOF＝68um。然而，焦深DOF等于68um的激光裝置并不能滿足實際需求。
為了延長激光裝置30的焦深DOF，第一光學(xué)元件31的第一表面311或第二表面312可設(shè)計為球面，而第二光學(xué)元件32的第三表面321或第四表面322設(shè)計為非球面。在此，第一光學(xué)元件31與第二光學(xué)元件32的參數(shù)設(shè)置參見表1。
表1光學(xué)元件31，32的參數(shù)設(shè)置(單位mm)
表1中，厚度1.00×1020mm是指物體面到第一表面311的距離，其可被理解為進(jìn)入光學(xué)模組35的光束101為平行光；厚度10.000mm表示第一表面311與第二表面312之間的距離；厚度5.033mm表示第二表面312與第三表面321之間的距離；厚度10.703mm表示第三表面321與第四表面322之間的距離；厚度159.800mm表示第四表面322與像平面33之間的距離；材料是指紫外光101通過光學(xué)元件的某一表面后所射向的材料。
將非球面的圓錐常數(shù)或非球面系數(shù)作為優(yōu)化的變量并以點擴散函數(shù)(point spreadfunction)作為評薦之參考以量取焦深DOF及光斑大小，激光源11發(fā)出的紫外光101經(jīng)由第一光學(xué)元件31及第二光學(xué)元件32衍射后得到的光斑331的直徑為5.8um，焦深DOF為400um，符合實際要求。
若激光源11發(fā)出的紫外光101的波長為355nm且光束直徑為10.92mm。經(jīng)由第二光學(xué)元件32出射至像平面33上所形成的光斑331的直徑需要小于或等于2um，焦深DOF需要大于或等于80um。則可將第一光學(xué)元件31的第一表面311或第二表面312設(shè)計為非球面，第二光學(xué)元件32的第三表面321或第四表面322也可設(shè)計為非球面。在此，第一光學(xué)元件31的第一表面311與第二表面312，以及第二光學(xué)元件32的的第三表面321與第四表面322均為非球面，其參數(shù)設(shè)置參見表2。表2中各參數(shù)的定義與上述表1的基本相同，在此不再贅述。
表2光學(xué)元件31，32的參數(shù)設(shè)置(單位mm) 將非球面的圓錐常數(shù)或非球面系數(shù)作為優(yōu)化的變量并以點擴散函數(shù)作為評薦之參考以量取焦深DOF及光斑大小，激光源11發(fā)出的紫外光101經(jīng)由第一光學(xué)元件31及第二光學(xué)元件32衍射后得到的光斑331的直徑為2um，焦深DOF為94um，符合實際要求。
請參見圖4與圖5，本發(fā)明第四實施例提供的激光裝置40，其與第一實施例提供的激光裝置10基本相同，不同之處在于激光裝置40進(jìn)一步包括一個第一反射元件44及一個第二反射元件45。第一反射元件44與第二反射元件45設(shè)置在激光源41與第一光學(xué)元件42之間。第一光學(xué)元件42為聚焦透鏡，其折射率等于1.5。第一反射元件44與第二反射元件45可為橢球面反射鏡(Fllipsoid Mirror)或拋物面反射鏡(Paraboloid Mirror)。
激光源41發(fā)出的紫外光401的光束直徑為B，經(jīng)由第二反射元件45反射且進(jìn)入第一光學(xué)元件42之前的紫外光402的光束直徑為D，則光束放大倍率M＝D/B。根據(jù)平面光學(xué)擴束器(PlanarBeam Expander)的原理，第一反射元件44的焦距f1及第二反射元件45的焦距f2與光束放大倍率M及第一反射元件44與第二反射元件45的頂點間距d，滿足以下的條件式 |f1|+|f2|＝d(1) |f2|/|f1|＝M(2) 如果激光裝置40由衍射效應(yīng)(Diffraction Effect)來支配，根據(jù)衍射原理，衍射焦深(Diffractive Depth Of Focus，DDOF)DDOF，滿足以下的條件式 DDOF＝±c1Fn2λ(3) Fn＝f/D(4) 在此，c1為常數(shù)，f表示第一光學(xué)元件42的焦距，λ表示紫外光401在自由空間中的波長。
在像平面43上所形成的光斑431的直徑w，滿足以下的條件式 w＝c2λFn(5) 在此，c2為常數(shù)，在雷式判據(jù)中，c2等于2.44。結(jié)合條件式(3)與(5)，可得以下條件式 DDOF＝±cw2/λ(6) 其中，c＝c1/c22，c也為常數(shù)。由條件式(6)可知，如果光斑431的直徑w與紫外光401的波長λ為已知量，則衍射焦深DDOF即可得出。
如果激光裝置40由幾何光學(xué)(Geometric Optics)來支配，根據(jù)幾何焦深(GeometricalDepth of Focus，GDOF)原理，幾何焦深GDOF與光斑431的直徑w，第一光學(xué)元件42的焦距與紫外光401的光束直徑D的比值Fn，滿足以下的條件式 GDOF＝2Fnw(7) 根據(jù)條件式(2)，(4)和(7)，第一反射元件44的焦距f1、第二反射元件45的焦距f2，與幾何焦深GDOF，滿足以下的條件式 |f2|/|f1|＝2fw/BGDOF(8) 根據(jù)條件式(1)和(8)，可以得出第一反射元件44的焦距f1、第二反射元件45的焦距f2的設(shè)計要求。
若激光裝置40的焦深DOF的設(shè)計要求為大于或等于400um，光斑431的直徑的設(shè)計要求為小于或等于5um，而激光源41發(fā)出的紫外光401的光束直徑B等于10.92mm，第一反射元件44與第二反射元件45的頂點間距d等于5mm。如果工作距離(通常等效于的有效聚焦焦距)為160mm，根據(jù)條件式(1)和(8)，第一反射元件44的焦距f1＝3.6595mm，第二反射元件45的焦距f2＝1.3405。
由此可見，激光裝置40所包括的第一光學(xué)元件42，第一反射元件44及第二反射元件45，可依據(jù)條件式(1)、(6)和(8)來設(shè)計各自的參數(shù)，以延長激光裝置40的焦深DOF并得到符合要求的光斑大小。在此，第一光學(xué)元件42的第一表面421為球面，而第二表面422為平面，其與第一反射元件44及第二反射元件45的參數(shù)設(shè)置參見表3。表3中各參數(shù)的定義與上述表1的基本相同，在此不再贅述。
表3光學(xué)元件42與反射元件44、45的參數(shù)設(shè)置(單位mm)

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可于本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有長焦深的激光裝置，包括
一個激光源，其用于發(fā)射單波長紫外光；
一個光學(xué)模組，其包括一個與設(shè)置在該單波長紫外光光路上的第一光學(xué)元件，該第一光學(xué)元件具有一個鄰近該激光源的第一表面及一個與該第一表面相對的第二表面，該第一表面與該第二表面中至少一者為非球面以用于使所述單波長紫外光會聚于一點。
2.如權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，該第一表面或該第二表面為球面。
3.如權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，該第一表面或該第二表面為平面或圓柱面。
4.如權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，該第一光學(xué)元件為一錐形透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，該光學(xué)模組進(jìn)一步包括一個第二光學(xué)元件，該第二光學(xué)元件設(shè)置在該第一光學(xué)元件的遠(yuǎn)離該激光源的一側(cè)，該第二光學(xué)元件具有一個鄰近該第一光學(xué)元件的第三表面及與該第三表面相對的第四表面。
6.如權(quán)利要求5所述的激光裝置，其特征在于，該第三表面與該第四表面中至少一者為非球面。
7.如權(quán)利要求5所述的激光裝置，其特征在于，該第三表面與該第四表面為平面、球面或圓柱面。
8.如權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，該光學(xué)模組進(jìn)一步包括一個第一反射元件及一個第二反射元件，該第一反射元件與該第二反射元件設(shè)置在該激光源與該第一光學(xué)元件之間，該第一反射元件的焦距f1與該第二反射元件的焦距f2，滿足以下的條件式
|f1|+|f2|＝d
|f2|/|f1|＝2fw/BGDOF
其中，d表示該第一反射元件與該第二反射元件的頂點間距，f表示該第一光學(xué)元件的焦距，w表示該激光源發(fā)射出的單波長紫外光經(jīng)由該光學(xué)模組出射后所形成的光斑的直徑，B表示該激光源發(fā)射出的單波長紫外光的光束直徑，GDOF表示該激光裝置的幾何焦深。
9.如權(quán)利要求8所述的激光裝置，其特征在于，該第一反射元件與該第二反射元件為橢球面反射鏡。
10.如權(quán)利要求8所述的激光裝置，其特征在于，該第一反射元件與該第二反射元件為拋物面反射鏡。
全文摘要
一種具有長焦深(Depth of Focus)的激光裝置，其包括一個激光源及一個光學(xué)模組。該激光源用于發(fā)射單波長紫外光。該光學(xué)模組包括一個與設(shè)置在該單波長紫外光光路上的第一光學(xué)元件，該第一光學(xué)元件具有一個鄰近該激光源的第一表面及一個與該第一表面相對的第二表面，該第一表面與該第二表面中至少一者為非球面以用于使所述單波長紫外光會聚于一點。
文檔編號G02B27/09GK101620317SQ20081030245
公開日2010年1月6日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者韋安琪, 陳志隆 申請人:富士邁半導(dǎo)體精密工業(yè)(上海)有限公司, 沛鑫半導(dǎo)體工業(yè)股份有限公司