Pierwszenstwo: Opublikowano: 10.X.1968 56021 KI. 57 a, 5/03 MKP G 03 b l# UKD CZYTELNIA Urzedu Pofcnfoweaa fikfcltj IzarcypftpiHjj Ib Wspóltwórcy wynalazku: mgr inz. Jan Reluga, mgr inz. Jan Groszynski Wlasciciel patentu: Instytut Maszyn Matematycznych, Warszawa (Polska) Urzadzenie do wykonywania fotomasek i wzorców kreskowych i Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do wy¬ konywania fotomasek i wzorców kreskowych me¬ toda fotograficzna, które umozliwia zastapienie wykonywania pracochlonnych i dokladnych ry¬ sunków wzorca oraz ich kolejnych zmniejszen, przenoszonych nastepnie na plytki pokryte emul¬ sja swiatloczula, bezposrednim nanoszeniem za¬ danego rysunku na plytke przez urzadzenie ste¬ rowane wedlug programu zapisanego na tasmie i odczytywanego w czytniku.Jednoczesnie z rozwojem zminiaturyzowanych ukladów z elementami pólprzewodnikowymi, sy¬ stemów druków oraz plytek mikromodulowych, powstala koniecznosc poszukiwania róznych tech¬ nik i technologii, zapewniajacych wlasciwe i szyb¬ kie wykonywanie wzorców kreskowych. Jedna z takich technik jest technika stosowania szablo¬ nów maskujacych, które umozliwiaja odwzoro¬ wanie rysunku poszczególnych elementów na po¬ wierzchni swiatloczulej, tak zwane fotomaski.Fotomaska jest wiec rysunkiem calego obwodu elektrycznego lub jego poszczególnych fragmen¬ tów, wykonanym precyzyjnie na kliszy fotogra¬ ficznej.W procesie technologicznym tworzenia dowol¬ nych ukladów pólprzewodnikowych, fotomaska stosowana jest w ten sposób, ze jej rysunek na¬ klada sie na plytke podstawowa pokryta warstwa swiatloczula poprzez naswietlenie tej warstwy przez fotomaske i na powierzchni plytki podsta- 10 15 20 25 30 wowej tworzy sie negatyw rysunku fotomaski.Operacja naswietlania plytki podstawowej moze powtarzac sie kilkakrotnie poprzez szereg foto¬ masek, zaleznie ocT stopnia zlozonosci samego ob¬ wodu elektrycznego, przy czym wszystkie kolejne fotomaski musza byc wykonane z odpowiednia dokladnoscia, dla zapewnienia dobrego odwzoro¬ wania poszczególnych rysunków na plytce pod¬ stawowej. Po wykonaniu naswietlenia i wywola¬ niu, splukuje sie nastepnie emulsje z miejsc nie- naswietlonych tworzac odpowiednie pola rysunku, pozostala zas na plytce sluzy jako warstwa ochronna w procesach napylania lub dyfuzji.Operacje takie moga byc powtarzane wielokrot¬ nie i umozliwiaja tworzenie obwodów wielowarst¬ wowych.Przeznaczenie fotomasek, a szczególnie dla two¬ rzenia ukladów wielowarstwowych, naklada na technologie ich wykonania ostre wymagania do¬ tyczace dokladnosci odwzorowania rysunku na plytce podstawowej. Ponadto dokladnosc poloze¬ nia krawedzi rysunku fotomaski siega rzedu 2 mikronów, a caly proces powstawania musi prze¬ biegac w warunkach absolutnej czystosci. Do wy¬ konania fotomasek stosuje sie powszechnie tech¬ nike duzych zmniejszen. Wzór rysowany jest w odpowiednim powiekszeniu i przenoszony naste¬ pnie na klisze swiatloczula droga kolejnego foto¬ grafowania rysunku przy odpowiednim zmniejsze¬ niu go do zadanych wymiarów. 5602156021 3 Uzyskanie ta droga dokladnego odwzorowania zlozonych rysunków jest niezmiernie trudne i pracochlonne, a sam rysunek musi byc wyko¬ nywany na koordynatografach, na specjalnym papierze zachowujacym niezmiennosc wymiarów $ w róznych warunkach atmosferycznych. Zmniej¬ szenia fotograficzne wykonuje sie zazwyczaj bar¬ dzo drogimi aparatami, o dokladnej optyce, usta¬ wionych na ciezkich betonowych fundamentach.Zdarza sie równiez czesto, ze rysunek wymaga 10 powielenia lub tez sklada sie z szeregu powta¬ rzalnych elementów, wówczas powstaje tylko je- ^ £en taki element na fotomasce, a nastepnie jest ^Ajjfcftwielany róznymi metodami zadana ilosc 15 razy. W takich przypadkach powstaje potrzeba nanoszenia dodatkowo odpowiednich znaków ba¬ zowych, które umozliwiaja powtarzalnosc usytu¬ owania rysunku na fotomasce i na plytce.Znane sa urzadzenia do powielania rysunków metoda stykowa, w których na przesuwnym sko- 20 kowo stole typu „step and repeat" fotografuje sie plytke podstawowa poprzez fotomaske. Urza¬ dzenia te sa jednak malo przydatne w przypad¬ kach koniecznosci nakladania kilku rysunków na siebie. Znane sa urzadzenia przenoszace rysunek na plytke podstawowa metoda projekcyjna, która daje mozliwosc uzyskania wiekszych dokladnosci, poniewaz w ostatnim stopniu zmniejszenia obiek¬ tyw fotograficzny przyrzadu pracuje waskim pe¬ kiem promieni przyosiowych, gdzie jak wiadomo sa najmniejsze bledy aberacji optycznych, ale sa to urzadzenia kosztowne i klopotliwe w obsludze.Wzajemne usytuowanie rysunku na fotomaskach wymaga dodatkowo w tym urzadzeniu wprowa¬ dzenia specjalnych znaków centrujacych, co z ko¬ lei wymaga stosowania specjalnie justowanych ramek sluzacych jako uchwyty dla fotomasek.Znane sa równiez inne urzadzenia, na których fotomaski wykonywane sa przez naswietlenie emulsji na plytce umieszczonej na stole obroto¬ wym. Urzadzenia takie wymagaja jednak stoso¬ wania systemu analizujacego wzorzec. Przeglad znanych urzadzen do wykonywania fotomasek wykazal ponadto, ze wszystkie stosowane pow¬ szechnie techniki wymagaja wykonania wzorca w formie rysunku, który nastepnie podlega 45 zmniejszeniu róznymi sposobami.Celem wynalazku jest opracowanie takiego urza¬ dzenia, które umozliwi bezposrednie nanoszenie, dowolnie zlozonego rysunku na fotomaske, bez potrzeby wykonywania wzorca, który nastepnie 50 jest przenoszony na plytke droga kolejnych zmniejszen fotograficznych.Cel ten osiagnieto dzieki opracowaniu urzadze¬ nia, wyposazonego w stól krzyzowy o ruchu w dwu prostopadlych kierunkach oraz w kolumne 55 fotograficzno-optyczna, które stanowi sprzezony funkcjonalnie zespól elementów mechanicznych i elektronicznych, skladajacy sie z elektronicz¬ nego zespolu sterujacego, ukladów odczytu polo¬ zenia stolu dzialajacych na obu kierunkach jego 60 posuwu, czytnika tasmy, sprzezonego mechanicz¬ nie ze sruba pociagowa oraz silnikiem napedo¬ wym i przekladnia, przy czym elektroniczny ze¬ spól sterujacy jest organem odczytujacym i koor¬ dynujacym prace migawki fotograficznej i posu- es 25 30 35 40 4 wów stolu z programem odczytywanym w czyt¬ niku.Urzadzenie stanowiace przedmiot niniejszego wynalazku w odróznieniu od znanych metod i urzadzen do wykonywania fotomasek lub wzor¬ ców kreskowych posiada szereg zalet, czyniacych je atrakcyjnym i wygodnym w uzytkowaniu. Do jego istotnych zalet nalezy zaliczyc nieporówny¬ walnie niski koszt wytwarzania fotomasek w sto¬ sunku do innych metod. Urzadzenie to nie wy¬ maga wykonywania bardzo pracochlonnych rysun¬ ków, których dokladnosc decyduje o jakosci fo¬ tomaski. Eliminuje tym samym potrzebe stosowa¬ nia drogich aparatów fotograficznych do zmniej¬ szen, zapewniajac równoczesnie mozliwosc pow¬ tarzalnosci wykonania fotomasek o identycznych wymiarach. Dzieki temu urzadzeniu wplyw na dokladnosc wykonania fotomaski ograniczono w zasadzie tylko do rozwiazania dokladnosci posu¬ wów stolu oraz do czasu przebiegu impulsów, który jak wiadomo jest niezmiernie maly i nie ma istotnego wplywu na dokladnosc.Opisane urzadzenie umozliwia praktycznie wprowadzenie pelnej automatyzacji, eliminujac do minimum udzial obslugujacego w procesie powstawania fotomaski. Do niewatpliwych zalet zaliczyc równiez nalezy takie elementy, jak lat¬ wosc przechowywania wzorca bez obawy o jego zniszczenie, mozliwosc wprowadzania zmian w rysunku ograniczajaca sie do wymiany calego programu lub jego czesci oraz latwosc powtarza¬ nia programu w róznym czasie, jak równiez mo¬ zliwosc jego powielania. Ta ostatnia zaleta ma szczególne znaczenie przy produkcji seryjnej mi¬ niaturowych wzorców kreskowych lub fotomasek.Ponadto dokladnosc wykonania kilku identycz¬ nych fotomasek jest cecha szczególnie cenna w procesie produkcji elementów mikromodulowych.Urzadzenie wedlug wynalazku pozwala poza tym na nanoszenie rysunków, bezposrednio na plytki technologiczne, na których ma powstac zadany obwód elektryczny.Wynalazek zostanie blizej wyjasniony na przy¬ kladzie wykonania przedstawionym na rysunku.Urzadzenie sklada sie ze sztywnego korpusu lfc na którym umieszczony jest stól krzyzowy 2 po¬ siadajacy mozliwosc ruchu w dwóch prostopad¬ lych kierunkach x i y. Na stole krzyzowym 2 umieszczona jest nieruchomo kaseta 3, wewnatrz której znajduje sie plytka podstawowa 4 pokryta emulsja swiatloczula, na która to emulsje nano¬ szony jest rysunek. Nad stolem krzyzowym 2, na odpowiedniej kolumnie umieszczony jest uk¬ lad oswietlajaco-optyczny 5 z migawka fotogra¬ ficzna i szczelina wzorcowa formujaca wiazke promieni swietlnych, która dokonuje naswietla¬ nia emulsji swiatloczulej na plytce 4.Caly uklad fotooptyczny 5 wraz ze stolem krzy¬ zowym 2 i kaseta 3 osloniety jest od zewnatrz swiatloszczelnym miechem elastycznym 6. Stól krzyzowy 2 wyposazony jest w fotoelektryczne uklady 7, 8 odczytu polozenia stolu, przy czym uklad 7 wspólpracuje z linialem 9 i jest ukladem liniowym, natomiast uklad 8 wspólpracuje kato¬ wo z tarcza 10 osadzona na srubie pociagowej 11 stolu krzyzowego 2. Za sruba pociagowa 11 sprze-56021 zony jest czytnik 12 sluzacy do odczytu progra¬ mu z tasmy perforowanej lub innej oraz silnik napedowy 14 napedzajacy srube pociagowa 11 poprzez przekladnie 13. Zarówno czytnik 12 jak i silnik 14 z przekladnia 13 umieszczone sa na 5 stole 2, identycznie jak w przypadku ukladów 7 i 8 odczytu polozenia stolu. Uklady fotoelektrycz- ne (7), (8), migawka fotograficzna ukladu oswiet¬ lajaco-optycznego 5, czytnik tasmy 12 oraz silnik 14 polaczone sa z elektronicznym zespolem steru- 10 jacym „EZS" 15, który spelnia role ukladu koor¬ dynujacego dzialania poszczególnych zespolów w funkcji programu zapisanego na tasmie i anali¬ zowanego w czytniku 12.Zasada dzialania urzadzenia oraz sposób wyko- 15 nywania fotomasek przedstawia sie nastepujaco.W plaszczyznie przedmiotowej ukladu oswietla- jaco-optycznego 5 umieszczone sa: maskownica formujaca strumien swietlny w zadany ksztalt oraz przeslona migawki fotograficznej sterowana 2Q elektrycznie, której polozenie wyznaczone jest przez sygnaly przechodzace z elektronicznego ze¬ spolu sterujacego 15. Obraz otworu maskujacego rzutowany jest przez obiektyw na emulsje swiat¬ loczula plytki 4 umieszczonej w kasecie 3. Nano¬ szenie rysunku na plytke 4 odbywa sie w ten sposób, ze nad przesuwajacym sie stolem 2 na¬ stepuje otwarcie przeslony migawki i padajacy przez maskownice, odpowiednio uformowany stru¬ mien swietlny naswietla emulsje, przy czym ksztalt i wielkosc szczeliny formujacej strumien swietlny, moga byc nastawione recznie lub uzys¬ kiwane przez wymiane odpowiednich szablonów.Nalezy dodatkowo podkreslic, ze dzialanie prze¬ slony migawki moze byc dwojakiego rodzaju: pierwszy, przy którym pierwszy impuls przy¬ chodzacy z elektronicznego zespolu sterujacego 15 powoduje otwarcie przeslony migawki, a drugi zamkniecie, drugi, przy którym na impuls przychodzacy z elektronicznego zespolu sterujacego 15 nastepuje otwarcie przeslony migawki i trwa ono przez ok¬ res czasu nastawiony recznie.Stosowanie pierwszego rodzaju pracy migawki powoduje ekspozycje emulsji w czasie okresla- 45 nym bezposrednio z programu zapisanego na tas¬ mie, a przy jednoczesnym wlaczeniu posuwów stolu 2 otrzymuje sie naswietlenie emulsji w for¬ mie zadanego rysunku fotomaski, okreslonego wymiarami szczeliny formujacej oraz wielkoscia posuwów stolu 2. Wykonany w ten sposób rysu¬ nek moze miec dowolny ksztalt odwzorowujacy scisle zapisany na tasmie program, przy czym ksztalt powierzchni eksponowanej moze byc cia¬ gly lub przerywany. Ten rodzaj pracy migawki ma szczególne zastosowanie przy wykonywaniu fotomasek typu miniaturowych obwodów druko¬ wanych.Stosowanie drugiego rodzaju pracy migawki daje ekspozycje emulsji w czasie nastawionym, z tym, ze rozpoczecie ekspozycji nastepuje zgod¬ nie z programem zapisanym na tasmie na impuls przychodzacy z elektronicznego zespolu sterujace¬ go 15. Ten rodzaj pracy migawki ma szczególne zastosowanie przy wykonywaniu wzorców kres- 65 30 35 40 kowych. Nie oznacza to jednak ograniczenia mozliwosci zastosowania poszczególnych rodzajów pracy migawki do wykonywania okreslonych ro¬ dzajów fotomasek.Elektroniczny zespól sterujacy 15 wysyla sygna¬ ly sterujace do migawki na podstawie informacji uzyskanych z czytnika 12 i ukladów 7, 8 odczytu polozenia stolu. Podczas ruchu stolu 2, z elektro¬ nicznym zespolem sterujacym 15 wspólpracuje je¬ den lub drugi komplet ukladów odczytu poloze¬ nia stolu oraz czytnik 12, odpowiednio dla prze¬ suwu x lub y, poprzez odbieranie impulsów otrzymywanych z tarczy kodowej ukladu 8 lub linialu 9 i porównywanie ich z impulsami z czyt¬ nika 12, odczytujacego program zapisany na tas¬ mie. Czytnik 12 oraz uklady 7 lub 8 odczytu po¬ lozenia stolu sa tak zsynchronizowane, aby im¬ puls z ukladu 7 lub 8 odczytu polozenia stolu nadchodzil w czasie, gdy nad elementami odczy¬ tujacymi znajduje sie tasma w pozycji gotowej do odczytu. . .Odczytywanie tasmy w czytniku 12 nastepuje w momencie nadejscia impulsu z ukladów 7 lub 8 odczytu polozenia stolu i wtedy zaleznie od za¬ pisu na tasmie odczytany zostaje sygnal otwarcia migawki albo jej zamkniecia lub tez sygnal ot¬ warcia migawki z samoczynnym zamknieciem.Mozliwy jest równiez taki wariant rozwiazania urzadzenia, w którym czytnik 12 sprzezony ze sruba pociagowa 11 zastapiony jest czytnikiem skokowym tasmy perforowanej. Praca takiego ukladu przebiega w ten sposób, ze tasma w czyt¬ niku 12 stoi nieruchomo, a odczyt zostaje dokona¬ ny w momencie nadejscia impulsu z ukladu 7 lub 8 odczytu polozenia stolu i wówczas elektronicz¬ ny zespól sterujacy 15 ustawia odpowiednie po¬ lozenie migawki, zas tasma perforowana z pew¬ nym niezbednym opóznieniem przesuwa sie sko¬ kowo w nastepne polozenie odczytowe. Czytnik 12 o ruchu tasmy ciaglym lub skokowym, z tasma perforowana lub inna, zsynchronizowany jest zawsze z posuwem stolu 2. PL