KONSTRUKCJA CYFROWEJ NAŚWIETLARKI OBWODÓW DRUKOWANYCH PIOTR DOMANOWSKI, RYSZARD WOCIANIEC Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, 85-796 Bydgoszcz, ul. Sylwestra Kaliskiego 7 piotr.domanowski@utp.edu.pl, ryszard.wocianiec@utp.edu.pl STRESZCZENIE W artykule przedstawiono budowę specjalnego układu optycznego zastosowanego w naświetlarce cyfrowej. Składa się on ze źródła promieniowania UV, układu mikrozwierciadeł tworzącego obraz, układu projekcyjnego dla przeniesienia obrazu na fotopolimer oraz umieszczonego w torze optycznym zwierciadła odchylającego promienie UV o kąt 45 o a związanego z piezoelektrycznym aktuatorem. Tak ukształtowany układ optyczny umożliwia zastosowane sub-pikselowego przewijania obrazu rzutowanego na fotopolimer. Umieszczenie w torze optycznym drugiego zwierciadła z aktuatorem lustra odchylającym obraz w kierunku prostopadłym do podstawowego kierunku skanowania umożliwia zwiększenie dokładności przeniesienia obrazu. W artykule pokazano zasadę działania układu bezpośredniego przeniesienia obrazu, oraz omówiono ideę sub-pikselowego przewijania obrazu. 1. Wprowadzenie W produkcji urządzeń mikroelektronicznych stosowane są metody fotolitograficzne bezpośredniego przeniesienia obrazu na panel pokryty fotopolimerem bez pośrednictwa klisz. Do bezpośredniego przeniesienia obrazu zastosować można cyfrowe matryce zwierciadeł (DMD), np. firmy Texas Instruments. DMD składają się z układu mini-zwierciadeł obejmującego 415 872 pojedynczych elementów lustrzanych (DLP3000) [1], z których każdy można
ustawiać w dwóch pozycjach (rys.1). Nachylenie elementów lustrzanych układu mini-zwierciadeł wytwarza powierzchnię składającą się z odchylonych i nieodchylonych elementów lustrzanych, której obraz jest rzutowany przy pomocy optyki projekcyjnej na światłoczułe podłoże. Kolejne, następujące po sobie obrazy, wytwarzane są za pomocą komputera a następnie przenoszone na podłoże. Przy współczynniku reprodukcji 1:1, naświetlana jest powierzchnia podłoża o wielkości 6571,8 x 3699 µm (DLP3000) [1]. Rys. 1. Zasada działania układu DMD (Digital Mirror Devices) firmy Texas Instruments Inc. [1] 2
Najnowsze zastosowania DMD do bezpośredniego przenoszenia obrazu wykorzystują głównie dwie metody naświetlania większych powierzchni podłoża: 1. metodę statyczną (step-and-repeat) [2], 2. metodę przewijania (scrolling method) [3]. Metoda step-and-repeat (1) dzieli informacje o obrazie całego podłoża na pola cząstkowe wielkości ok. 10 x 14 mm, które są sukcesywnie przenoszone przez optykę oświetleniową (illumination optics) na podłoże. Ciągłą metodę przewijania (2) można opisać jako naświetlanie elementu powierzchni podłoża (piksel) przez element lustrzany. Element lustrzany i element powierzchni podłoża przesuwają się względem siebie z dokładnie kontrolowaną prędkością. W celu uzyskania obrazu o tych samych wymiarach co matryca zwierciadeł DMD, ruch względny odbywa na drodze odpowiadającej długości matrycy zwierciadeł. Podczas powrotnego ruchu matrycy do nowego położenia następuje przesyłanie kolejnego obrazu do układu DMD. Jeżeli zgodnie z tym, obraz opóźniony o jeden element lustrzany, zostanie załadowany i przełączony po przesunięciu o długość pojedynczego elementu lustrzanego układu zwierciadeł DMD względem podłoża, to powstała metoda może nosić nazwę przewijania. Obie metody mają pewne wady. Przy metodzie step-and-repeat należy wykonać tysiące dokładnych pozycjonowań, co prowadzi do skomplikowanej mechaniki i długich okresów martwych. Metoda przewijania wykonuje jednolite przesunięcie ładowania kosztem zasmarowanych przejść na krawędziach i z prędkością ograniczoną przez częstotliwość przełączania luster, np. przy powiększeniu 1:1 ok. 135 mm/sekundę. Wspomniane metody przewijania wymagają ponadto dokładnie kontrolowanych prędkości. Uniemożliwia to zastosowanie niedrogich przekładni paskowych zębatych. 2. Budowa układu do bezpośredniego przeniesienia obrazu metodą przewijania sub-pikselowego Metoda przewijania sub-pikselowego (Subpixel Scroll Method) [3], wykorzystuje dodatkowy element w postaci zwierciadła nachylonego pod kątem 45, które umieszczone jest pomiędzy matrycą układu DMD oraz optyką projekcyjną [2] w celu optycznego przesunięcia pozycji elementów lustrzanych 3
względem osi projekcji każdorazowo o wielkość jednego sub-piksela (n-tej części piksela). W układzie preferowanym lustro nachylone pod kątem 45 jest przesuwane o ¼ szerokości elementu lustrzanego przez sterowalny aktuator piezoelektryczny. Wielkość zmiany położenia tego lustra oraz punkt czasowy są zsynchronizowane poprzez sygnały czujnika położenia urządzenia skanującego w taki sposób, że element lustrzany (tak samo jak w standardowej metodzie przewijania) wydaje się znajdować nieruchomo względem elementu powierzchni podłoża. W odróżnieniu od standardowej metody przewijania, występuje tutaj przestawienie do pozycji wyjściowej (resetting), które jednak nie jest powiązane z prędkością przełączania DMD 10 khz. Ze względu na wyższą rozdzielczość, niniejsza metoda redukuje zamglenie na krawędzi przejścia i umożliwia stosowanie wyższej prędkości naświetlania, przy czym prędkość ta zależy od dynamiki aktuatora, skutecznej mocy źródła promieniowania UV oraz czułości polimeru światłoczułego. Dodatkową korzystną funkcją układu bezpośredniego przeniesienia obrazu metodą przewijania subpikselowego jest możliwość przenoszenia obrazu z wyższą rozdzielczością niż ta, która określona jest przez rozmiar elementu lustrzanego. W celu zwiększenia rozdzielczości w kierunkach x (kierunek skanowania) oraz y (prostopadła do kierunku skanowania) potrzebne są dwa aktuatory luster pracujące w kierunkach x oraz y. Rys.2. Układ do bezpośredniego przeniesienia obrazu metodą przewijania sub-pikselowego (opis w treści rozdziału 2) 4
Zaprojektowany system litograficzny przedstawiony na rys. 2 zawiera źródło promieniowania ultrafioletowego - 3, optykę kondensora - 4, przestrzenny modulator światła (SLM) - 1 (w niniejszym projekcie modulator wyposażony jest w cyfrową matrycę luster (DMD), np. Discovery 1100 firmy Texas Instruments), projekcyjny system soczewek - 5 oraz aktuator piezoelektryczny lustra pochylonego pod kątem 45-2. Promienie odbijane przez matrycę luster 1 przesuwane są optycznie wzdłuż osi projekcji przez aktuator piezoelektryczny lustra 2. Rys. 2 pokazuje ponadto system sterowania cyfrowego przetwornika sygnału (DSP) oraz swobodnie programowalny układ logiczny (FPLA) 11, który kontroluje wszystkie funkcje systemu litograficznego. W systemie komputerowym (PC) 14 przygotowywane są dane układu pikseli (obraz). Dla preferowanego formatu podłoża 600 x 500 mm oraz preferowanej rozdzielczości 12,7 µm/piksel, rozmiar przygotowanego zestawu danych wynosi ok. 275 megabajtów. Ta ilość danych jest przekazywana do pamięci RAM 13. Odległość optyki projektora 5 do podłoża 10 jest mierzona i w sposób ciągły stabilizowana. Przed rozpoczęciem naświetlania, każde nowe podłoże 10 jest dokładnie mierzone i wyrównywane do kierunku skanowania urządzenia skanującego 8 poprzez funkcję wyrównania podłoża 7 DSP/FPLA 11. Liniowy system pomiarowy 9 dostarcza sygnały dla dokładnej synchronizacji wszystkich procesów przełączania SLM 1 oraz optycznego przemieszczania odbitych promieni UV przez aktuator lustra 2. Synchronizacja wszystkich procesów przełączania realizowana jest przy pomocy sygnałów czujnika położenia, co sprawia, że przenoszenie obrazów jest niezależne od prędkości optyki projekcji względem podłoża. Przy niskiej prędkości w okolicy punktu zmiany kierunku skanowania, energia UV jest kontrolowana przez funkcję on-off elementów lustrzanych 1. 5
3. Proces bezpośredniego przeniesienia obrazu Rys. 3a-3f pokazują proces metody przewijania sub-pikselowego z naświetlaniem elementu powierzchni podłoża przez trzy elementy lustrzane. W tym przykładzie, każdy krok korekty wykonywany przez aktuator lustra 45 wynosi 0,5 piksela. W pokazanym na rysunkach ustawieniu, całkowita korekta aktuatora lustra 45 wynosi 2 piksele. Po czterech krokach korekty o 0,5 piksela każdy aktuator lustra 45 musi zostać cofnięty do wartości początkowej (reset). Jednak w niniejszym rozwiązaniu korekta może być wykonywana o dowolną liczbę kroków przy odpowiedniej kontroli procesu aktuatora lustra 2. Rys. 3a pokazuje przykładowy modulator światła SLM z trzema elementami lustrzanymi 1. Element lustrzany w położeniu włączonym ON (zakreskowany) 1a odbija wiązkę promieni UV na lustro 2 (podparte aktuatorem piezoelektrycznym) i dalej przy pomocy optyki projekcyjnej 5 na element powierzchni podłoża 10. Jest to początkowy krok procesu naświetlania. Z aktuatorem lustra 45 2 w położeniu wyjściowym, podłoże 10 i optyka projekcyjna 5 przesuwają się względem siebie. Przebyta droga jest mierzona przez liniowy wskaźnik położenia 9 (rys. 2). Jeżeli zostanie przebyty odcinek wynoszący 0,5 x długość piksela = 6,35 µm, to system sterowania FPLA/DSP 11 wysyła sygnał korekcyjny do aktuatora lustra 45 2. Ruch aktuatora lustra 45 2 kompensuje przesunięcie zgromadzone w cyklu 2a pomiędzy podłożem 10 oraz optyką projekcyjną 5. Podczas względnego ruchu o 0,5 piksela, element podłoża zostaje naświetlony również na dodatkowej długości 0,5 piksela. Rys. 3b pokazuje sytuację po pierwszym kroku korekty: aktuator lustra 2 przesunął wiązkę promieni UV elementu lustrzanego 1 o ½ piksela. Wiązka promieni UV rzutuje obraz w tym samym miejscu podłoża 10 jak w kroku początkowym procesu pokazanym na rys. 3a. Rys. 3c przedstawia sytuację po drugim kroku korekty; proces ten był podobny do pokazanego na rys. 3a i 3b, a wiązka promieni UV rzutuje na to samo położenie podłoża 10 jak w kroku początkowym procesu. Rys. 3d pokazuje sytuację po 3-cim kroku korekty; proces ten był podobny do pokazanego na rys. 3a, 3b oraz 3c. Dodatkowe kroki korekty są możliwe przy odpowiedniej kontroli procesu i skali aktuatora lustra 2. Jednak w tym przypadku całkowity skok aktuatora lustra 2a wynosi tylko 2 piksele. Po wykonaniu maksymalnie 4 kroków korekty (n-ty krok korekty na rys. 3d), aktuator lustra musi zostać przestawiony do położenia zerowego (reset). 6
Rys. 3. Kolejne fazy naświetlania metodą przewijania sub-pikselowego 7
Rys. 3e opisuje sekwencję fazy przestawiania na pozycję zero. Po zakończeniu n-tego kroku korekty wszystkie elementy lustrzane 1 są wyłączane poprzez funkcję clear układu DMD. Po wyłączeniu elementów lustrzanych, aktuator lustra 2 może zostać przestawiony na pozycję zerową bez naświetlania podłoża. W tym samym czasie kolejny wzór elementu lustra (np. z rys. 3f) jest przygotowywany w obrębie obszaru logicznego SLM. Rys. 3f. Po osiągnięciu położenia zerowego przez aktuator lustra 2, system pomiaru liniowego 9, dokładnie po długości 2 pikseli włącza kolejny wzór elementu lustrzanego. Ta sekwencja naświetlania dla piksela podłoża 10 jest powtarzana. Metoda przewijania sub-pikselowego naświetla element powierzchni podłoża 10, podczas gdy optyka naświetlania i podłoże przesuwają się względem siebie. Rozmazanie krawędzi elementu powierzchni podłoża zależy od ilości kroków korekty na dany element powierzchni podłoża, może więc wynosić 1/n szerokości elementu powierzchni podłoża. Prędkość systemu naświetlania nie jest ograniczona do częstotliwości przełączania szerokości elementu powierzchni podłoża, jak ma to miejsce w znanych metodach przewijania. Maksymalna prędkość skanowania, a co za tym idzie czas naświetlania całego podłoża, zależy od skoku korekty aktuatora lustra, czasu przełączania do załadowania nowego wzoru w DMD, czułości podłoża oraz mocy promieni UV. Na rys. 4 przedstawiono prospekt naświetlarki cyfrowej z bezpośrednim przenoszeniem obrazu, której prototyp przy udziale konstrukcyjnym autorów artykułu, wytworzony został na początku bieżącego roku w firmie OLEC- Fabcon w USA [4]. 8
Rys. 4. Aplikacja opracowanej metody naświetlania bezpośredniego w naświetlarce obwodów drukowanych firmy OLEC-Fabcon [4] 9
4. Wnioski Wyższa rozdzielczość tej metody uzyskiwana jest poprzez podwojenie czasu naświetlania. Poprzez wprowadzenie kolejnych kroków partycjonowania i przejściach naświetlania, rozdzielczość może być potencjalnie dowolnie zwiększana. Opisana metoda zmniejsza rozmazanie na krawędzi przejścia i umożliwia wyższą prędkość skanowania, przez co prędkość skanowania zależy od dynamiki aktuatora, skutecznej mocy źródła UV oraz czułości polimeru światłoczułego. Metoda przewijania sub-pikselowego umożliwia przenoszenie wzoru o wyższej rozdzielczości niż ta, która określona jest rozmiarem elementu lustrzanego matrycy DMD. Bibliografia 1. DLP3000 Technical Documents, http://www.ti.com/product/dlp3000, 24 Oct 2012 2. Domanowski P., Wocianiec R.: Wpływ jakości montażu układu optycznego cyfrowej naświetlarki obwodów drukowanych na dokładność odwzorowania obrazu, Projektowanie Mechatroniczne Zagadnienia wybrane, praca zbiorowa pod redakcją Tadeusza Uhla, Kraków, 2011 3. Skibicki D., Paczkowski T., Domanowski P.: Lithographic method for mask less pattern transfer onto a photosensitive substrate, United States Patent, US 7,982,853, B2, 2011 4. AccuBeam Direct Circuit Imaging, prospekt firmy OLEC Fabcon USA, 2013 10