RU2567013C1

RU2567013C1 - Apparatus for direct laser exposure

Info

Publication number: RU2567013C1
Application number: RU2014120073/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Шелавин; Николай Михайлович Сафьянников
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2015-10-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: apparatus includes a laser radiation source, a flat and a polygonal mirror, a fθ lens, a pointing mirror, a motor, an origin sensor, a panel for mounting optical elements, a base having a horizontally mounted support. The apparatus also includes a worm, eight worm gears, two frames with recesses, eight axles fitted with rollers made of elastic material, mounted in parallel rows of four each in the frame so that a uniform gap is maintained between rollers. The gap between second and third rollers in each frame is located opposite the recess in the frame, and the frames themselves are rigidly attached to the support one opposite the other, such that the rollers are arranged vertically and form touching pair surfaces for moving the workpiece to be exposed.

EFFECT: simple apparatus.

4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, специально приспособленным для фотомеханического изготовления поверхностей с рисунком, и может найти применение в фотолитографии при производстве печатных плат.The present invention relates to devices specially adapted for the photomechanical manufacture of surfaces with a pattern, and may find application in photolithography in the manufacture of printed circuit boards.

Известно устройство лазерного рисования с точной коррекцией масштабирования [Laser drawing apparatus with precision scaling-correction, US 5980088 А, опубл. 09.11.1999], реализующее с помощью сканирующей системы прямое лазерное экспонирование пучком лазерного излучения, который промодулирован сигналом, основанным на растровых данных наносимого изображения.A device for laser drawing with accurate scaling correction [Laser drawing apparatus with precision scaling-correction, US 5980088 A, publ. 11/09/1999], which implements using a scanning system a direct laser exposure by a laser beam, which is modulated by a signal based on raster data of the applied image.

Устройство лазерного рисования с точной коррекцией масштабирования содержит направляющие с линейным двигателем, подвижный столик, θ-столик, рамку для размещения заготовки, четыре подстроенных механизма, зажимы, источник лазерного излучения, пятнадцать плоских зеркал, разветвитель пучка, два делителя пучка, два электронных затвора, поляризационный оптический компоновщик, полигональное зеркало, fθ-линзу, направляющее зеркало, линзу-конденсор, две CCD-камеры, панель для размещения оптических элементов, основание, на котором закреплены направляющие, CCD-камеры, направляющее зеркало, линзу-конденсор, источник лазерного излучения и панель для размещения оптических элементов, к которой прикреплены пятнадцать плоских зеркал, разветвитель пучка, два электронных затвора, два делителя пучка, поляризационный оптический компоновщик, полигональное зеркало и fθ-линза, причем источник лазерного излучения, семь плоских зеркал, разветвитель пучка и два делителя пучка расположены так, чтобы излучаемый источником лазерный пучок, последовательно отразившись от двух зеркал, попадал на разветвитель и разделялся на два перпендикулярных пучка, каждый из которых, отразившись от отдельной группы - один из двух, другой из трех зеркал, попадал в предназначенный для него расщепитель, где разделялся на восемь параллельных пучков лазерного излучения, пять других плоских зеркал, два электронных затвора и поляризационный оптический компоновщик размещены относительно друг друга таким образом, что упомянутые две группы из восьми параллельных пучков излучения, последовательно отразившись каждая от своей пары плоских зеркал, проходят через отдельные электронные затворы и попадают в поляризационный оптический компоновщик, одна попадает непосредственно из электронного затвора, в то время как другая, отразившись от плоского зеркала, а поляризационный оптический компоновщик, три иных плоских зеркала, полигональное зеркало, fθ-линза, направляющее зеркало, линза-конденсор и рамка для размещения заготовки взаимно расположены в конфигурации, при которой во время вращения полигонального зеркала выходящая из поляризационного оптического компоновщика группа из шестнадцати параллельных пучков лазерного излучения, последовательно отразившись от каждого из трех упомянутых плоских зеркал, отражалась от движущихся граней полигонального зеркала, проходила через fθ-линзу, отражалась от направляющего зеркала, проходила через линзу-конденсор и производила сканирование поверхности рамки для размещения заготовки, при этом подвижный столик установлен на направляющих и соединен с подвижной частью линейного двигателя так, что может перемещаться вдоль них, θ-столик закреплен на подвижном столике способом, позволяющим ему вращаться вокруг оси, перпендикулярной его верхней поверхности и проходящей через ее центр, рамка для размещения заготовки зафиксирована на θ-столике с помощью четырех подстроечных механизмов, расположенных по ее краям с двух противоположных сторон по два, а зажимы прикреплены к поверхности рамки.The laser drawing device with precise scaling correction contains linear motor guides, a movable table, an θ-table, a frame for placing the workpiece, four tuned mechanisms, clamps, a laser source, fifteen flat mirrors, a beam splitter, two beam dividers, two electronic shutters, polarizing optical linker, polygon mirror, fθ lens, directing mirror, condenser lens, two CCD cameras, a panel for placing optical elements, a base on which are fixed power, CCD cameras, a directing mirror, a condenser lens, a laser source and a panel for placing optical elements, to which fifteen flat mirrors are attached, a beam splitter, two electronic shutters, two beam dividers, a polarizing optical linker, a polygon mirror and fθ- a lens, the laser radiation source, seven flat mirrors, the beam splitter and two beam dividers being located so that the laser beam emitted by the source, reflected successively from two mirrors, the creator was divided into two perpendicular beams, each of which, reflected from a separate group - one of two, the other of three mirrors, fell into the splitter intended for it, where it was divided into eight parallel beams of laser radiation, five other plane mirrors, two electronic shutters and the polarizing optical linker are arranged relative to each other so that the two groups of eight parallel beams of radiation, each reflected in succession from its own pair of plane mirrors, pass through cut individual electronic shutters and fall into the polarizing optical linker, one directly from the electronic shutter, while the other, reflected from the flat mirror, and the polarizing optical linker, three other flat mirrors, a polygonal mirror, fθ lens, a directing mirror, a lens - the capacitor and the frame for placing the workpiece are mutually arranged in a configuration in which, during rotation of the polygonal mirror, a group of sixteen points emerging from the polarizing optical linker parallel laser beams, reflected successively from each of the three mentioned flat mirrors, reflected from the moving faces of the polygonal mirror, passed through the fθ lens, reflected from the directing mirror, passed through the condenser lens and scanned the surface of the frame to accommodate the workpiece, while moving the table is mounted on rails and connected to the movable part of the linear motor so that it can move along them, the θ-table is mounted on the movable table in a way that allows it to rotate about an axis perpendicular to its upper surface and passing through its center, the frame for placing the workpiece is fixed to θ-table with four trimming mechanism disposed at the edges on two opposite sides by two, and clamps attached to the frame surface.

Устройство позволяет наносить рисунок на поверхность заготовки с помощью источника лазерного излучения и сканирующей системы следующим образом. Экспонируемый материал, закрепленный на специальном столике в рамке, перемещается с постоянной скоростью в направлении субсканирования с помощью линейного двигателя. В это время лазерный пучок от источника лазерного излучения расщепляется на шестнадцать параллельных пучков, которые модулируются с помощью электронных затворов сигналами, основанными на растровых данных наносимого изображения. Из электронных затворов эти пучки попадают на вращающееся полигональное зеркало, отражаются от его граней, фокусируются fθ-линзой, отклоняются направляющим зеркалом и, пройдя через линзу-конденсор, совершают сканирование заготовки. Компьютерная система управления формирует упомянутые сигналы модуляции таким образом, чтобы лазерное излучение, попадающее на подложку в процессе сканирования, облучало только определенные ее области, совершая прямое лазерное экспонирование. Из этих областей в процессе работы устройства формируется рисунок создаваемого изображения.The device allows you to apply a picture to the surface of the workpiece using a laser source and a scanning system as follows. The material on display, mounted on a special table in the frame, moves at a constant speed in the direction of sub-scanning using a linear motor. At this time, the laser beam from the laser source is split into sixteen parallel beams, which are modulated by electronic gates with signals based on the raster data of the applied image. From the electronic shutters, these beams fall on a rotating polygonal mirror, are reflected from its faces, are focused by an fθ-lens, are deflected by a directing mirror, and, passing through the condenser lens, scan the workpiece. The computer control system generates the mentioned modulation signals so that the laser radiation incident on the substrate during the scanning process irradiates only certain areas of it, making direct laser exposure. From these areas during the operation of the device, a pattern of the created image is formed.

Недостатком этого устройства является сложность, связанная с распараллеливанием пучка лазерного излучения при построении оптико-механической системы.The disadvantage of this device is the complexity associated with the parallelization of the laser beam during the construction of the optical-mechanical system.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для прямого лазерного экспонирования [Laser direct imaging apparatus, JP 2007094122 A, опубл. 12.04.2007], которое и принято в качестве прототипа.Of the analogues, the closest in technical essence to the claimed device is a device for direct laser exposure [Laser direct imaging apparatus, JP 2007094122 A, publ. April 12, 2007], which was adopted as a prototype.

Прототип осуществляет прямое экспонирование фоторезиста лучом лазера и является более простым устройством, в котором исключена система распараллеливания пучка лазерного излучения, а дефекты оптико-механической системы корректируются с помощью однолучевого блока отклонения оптической оси.The prototype performs direct exposure of the photoresist by a laser beam and is a simpler device, in which the parallelization system of the laser beam is excluded, and defects in the optomechanical system are corrected using a single-beam optical axis deflection unit.

В состав прототипа входят источник лазерного излучения, плоское зеркало, полигональное зеркало, fθ-линза, направляющее зеркало, двигатель, сенсор начала, панель для размещения оптических элементов, основание с установленной на нем горизонтально подставкой, с которой жестко соединена панель для размещения оптических элементов, где закреплены источник лазерного излучения, плоское зеркало, полигональное зеркало, fθ-линза и направляющее зеркало, причем источник лазерного излучения и плоское зеркало установлены таким образом, что лазерный пучок попадает в центр этого зеркала, а полигональное зеркало, fθ-линза и направляющее зеркало размещены так, чтобы при вращении полигонального зеркала отраженный от его граней пучок излучения проходил через fθ-линзу, отражался от направляющего зеркала в сторону плоскости размещения заготовки и производил ее сканирование, при этом сенсор начала прикреплен к подставке в таком положении, чтобы пучок лазерного излучения при каждом сканирующем движении мог кратковременно попадать на светочувствительную зону сенсора, а двигатель имел механическую связь с заготовкой для ее перемещения в направлении субсканирования.The prototype includes a laser radiation source, a flat mirror, a polygonal mirror, an fθ lens, a directing mirror, an engine, a start sensor, a panel for placing optical elements, a base with a stand mounted horizontally on it, with which a panel for placing optical elements is rigidly connected, where the laser source, the flat mirror, the polygonal mirror, the fθ lens and the directing mirror are fixed, the laser source and the flat mirror being mounted so that the laser the notch falls into the center of this mirror, and the polygonal mirror, the fθ lens and the directing mirror are placed so that when the polygonal mirror is rotated, the radiation beam reflected from its faces passes through the fθ lens, is reflected from the directing mirror towards the plane of the workpiece and scans it , while the sensor began to be attached to the stand in such a position that the laser beam with each scanning movement could briefly fall on the photosensitive zone of the sensor, and the engine had a mechanical eskuyu connection with the workpiece for moving it in the subscanning direction.

Кроме того, прототип содержит расширитель пучка, акустико-оптический модулятор, цилиндрическую линзу, зеркало сенсора начала, дополнительное плоское зеркало, средство отклонения оптической оси, четырехсекционные фотосенсоры, направляющие столика, подвижный столик, установленный на направляющих столика, закрепленных на основании, причем двигатель в линейном исполнении смонтирован на основании и соединен подвижной частью с подвижным столиком, а плоское зеркало, расширитель пучка, дополнительное плоское зеркало, акустико-оптический модулятор и средство отклонения оптической оси расположены на панели для размещения оптических элементов так, чтобы отраженный плоским зеркалом пучок лазерного излучения проходил через расширитель пучка, отражался от дополнительного плоского зеркала, попадал в акустико-оптический модулятор, затем отражался от средства отклонения оптической оси в сторону полигонального зеркала, при этом четырехсекционные фотосенсоры размещены на подвижном столике вдоль его наиболее удаленного от подставки края с равномерным интервалом вдоль прямой линии, параллельной направлению сканирования, цилиндрическая линза прикреплена к подставке таким образом, что совершающий сканирование лазерный пучок, отраженный от направляющего зеркала, проходит через цилиндрическую ось цилиндрической линзы и фокусируется на поверхности экспонируемой заготовки, а зеркало сенсора начала установлено рядом с одним из краев цилиндрической линзы под ней в положении, позволяющем направлять кратковременно попадающий на это зеркало пучок лазерного излучения на светочувствительную поверхность сенсора начала.In addition, the prototype contains a beam expander, an acoustic-optical modulator, a cylindrical lens, a start sensor mirror, an additional flat mirror, an optical axis deflection means, four-section photosensors, table guides, a movable table mounted on table guides mounted on the base, the engine being linear execution mounted on the base and connected by the movable part to the movable table, and a flat mirror, a beam expander, an additional flat mirror, acoustic-optical mod the emitter and the deflector of the optical axis are located on the panel to accommodate the optical elements so that the laser beam reflected by a flat mirror passes through the beam expander, is reflected from an additional flat mirror, falls into the acoustic-optical modulator, and then is reflected from the deflector of the optical axis towards the polygonal mirrors, while four-section photosensors are placed on a movable table along its edge most distant from the stand with a uniform interval along a straight line parallel to the scanning direction, the cylindrical lens is attached to the stand so that the scanning laser beam reflected from the directing mirror passes through the cylindrical axis of the cylindrical lens and focuses on the surface of the exposed workpiece, and the sensor mirror is installed next to one of the edges of the cylindrical lens beneath it in a position that allows you to direct a laser beam incident on this mirror to the light-sensitive surface of the sensor la.

Прототип работает следующим образом.The prototype works as follows.

Пусть в начальный момент времени плоская заготовка зафиксирована на подвижном столике, который выдвинут на максимальное расстояние от подставки, источник лазерного излучения выключен, двигатель находится в остановленном состоянии, а полигональное зеркало неподвижно.Suppose that at the initial moment of time the flat workpiece is fixed on a movable table, which is extended to the maximum distance from the stand, the laser source is turned off, the engine is in a stopped state, and the polygonal mirror is stationary.

После поступления сигнала "Пуск" от компьютерной системы управления полигональное зеркало начинает вращаться с некоторой постоянной скоростью, а двигатель начинает перемещать подвижный столик с размещенной на нем плоской заготовкой в направлении субсканирования. После этого источник лазерного излучения начинает излучать лазерный пучок, промодулированный с помощью акустико-оптического модулятора специально сформированным электрическим сигналом. Это излучение попадает на вращающееся полигональные зеркало. Отразившийся от его движущихся граней пучок лазерного излучения, пройдя через fθ-линзу и отразившись от направляющего зеркала, фокусируется цилиндрической линзой, попадает на поверхность заготовки и совершает ее сканирование. При этом во время каждого сканирующего движения этот лазерный пучок через зеркало сенсора начала кратковременно попадает на светочувствительную зону сенсора начала, который генерирует электрические импульсы. По этим импульсам компьютерная система управления синхронизирует во времени сигналы модуляции лазерного излучения. Оптическая конструкция, представляющая собой совокупность fθ-линзы и цилиндрической линзы, обеспечивает фокусирование упомянутого пучка на сканируемую поверхность в каждый момент времени. При каждом сканирующем движении средство отклонения оптической оси корректирует ее таким образом, чтобы линия сканирования представляла собой прямую.After the “Start” signal arrives from the computer control system, the polygon mirror starts to rotate at a certain constant speed, and the engine starts moving the movable table with the flat blank placed on it in the sub-scanning direction. After that, the laser source begins to emit a laser beam modulated with an acousto-optical modulator by a specially formed electrical signal. This radiation hits a rotating polygonal mirror. The laser beam reflected from its moving faces, passing through the fθ lens and reflected from the directing mirror, is focused by a cylindrical lens, hits the surface of the workpiece and scans it. At the same time, during each scanning movement, this laser beam through the mirror of the beginning sensor briefly hits the photosensitive zone of the beginning sensor, which generates electrical impulses. Based on these pulses, the computer control system synchronizes in time the laser modulation signals. The optical design, which is a combination of an fθ lens and a cylindrical lens, ensures that the beam is focused on the scanned surface at any time. With each scanning movement, the deflection means of the optical axis corrects it so that the scanning line is a straight line.

Таким образом, сканирующая система экспонирует прямую линию на покрытой фоторезистом плоской заготовке точно направляемым лазерным пучком. При этом механическое устройство перемещения, представляющее собой подвижный столик с линейным приводом, обеспечивает равномерное движение заготовки относительно других элементов в перпендикулярном этой линии направлении, а компьютерная система управления с помощью акустико-оптического модулятора обеспечивает прохождение и блокирование лазерного излучения в строго определенные моменты времени так, чтобы оно попадало только на те участки поверхности, которые соответствуют засвечиваемым пикселам наносимого изображения. В итоге в слое фоторезиста линия за линией из облученных и необлученных участков формируется рисунок.Thus, the scanning system exhibits a straight line on a photoresist coated blank with a precisely guided laser beam. At the same time, a mechanical moving device, which is a movable table with linear drive, ensures uniform movement of the workpiece relative to other elements in the direction perpendicular to this line, and a computer control system with the help of an acoustic-optical modulator ensures the passage and blocking of laser radiation at strictly defined times so so that it falls only on those parts of the surface that correspond to the illuminated pixels of the applied image. As a result, a pattern is formed in the layer of the photoresist line after line from the irradiated and unirradiated sections.

Недостатком прототипа является конструкционная сложность средств перемещения в оптико-механической системе, обусловленная наличием подвижного столика с элементами позиционирования заготовки.The disadvantage of the prototype is the structural complexity of the means of movement in the optical-mechanical system, due to the presence of a movable table with positioning elements of the workpiece.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение устройства за счет применения простого средства перемещения экспонируемой подложки, позволяющего исключить из оптико-механической системы подвижный столик с элементами позиционирования.The task to which the claimed invention is directed is to simplify the device by using a simple means of moving the exposed substrate, which eliminates the moving table with positioning elements from the optical-mechanical system.

Техническим результатом является упрощение конструкции за счет применения простой валковой подачи с направляющей поверхностью для перемещения расположенной вертикально плоской заготовки в направлении субсканирования, что позволяет осуществлять движение экспонируемой подложки непосредственно без применения подвижного столика при сохранении функциональных возможностей устройства.The technical result is to simplify the design through the use of a simple roll feed with a guide surface for moving a vertically flat blank in the direction of sub-scanning, which allows the movement of the exposed substrate directly without using a movable table while maintaining the functionality of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее источник лазерного излучения, плоское зеркало, полигональное зеркало, fθ-линзу, направляющее зеркало, двигатель, сенсор начала, панель для размещения оптических элементов, основание с установленной на нем горизонтально подставкой, с которой жестко соединена панель для размещения оптических элементов, где закреплены источник лазерного излучения, плоское зеркало, полигональное зеркало, fθ-линза и направляющее зеркало, причем источник лазерного излучения и плоское зеркало установлены таким образом, что лазерный пучок попадает в центр этого зеркала, а полигональное зеркало, fθ-линза и направляющее зеркало размещены так, чтобы при вращении полигонального зеркала отраженный от его граней пучок излучения проходил через fθ-линзу, отражался от направляющего зеркала в сторону плоскости размещения заготовки и производил ее сканирование, при этом сенсор начала прикреплен к подставке в таком положении, чтобы пучок лазерного излучения при каждом сканирующем движении мог кратковременно попадать на светочувствительную зону сенсора, а двигатель имел механическую связь с заготовкой для ее перемещения в направлении субсканирования, введены червяк, восемь червячных колес, две рамки с вырезами, восемь осей с закрепленными на них валками из эластичного материала, установленные параллельно рядами по четыре штуки в рамки таким образом, чтобы между валками сохранялся равномерный зазор, при этом зазор между вторым и третьим валками в каждой рамке находится напротив выреза в ней, а сами рамки жестко прикреплены к подставке одна напротив другой так, что все валки располагаются вертикально, а те из них, что находятся в разных рамках напротив друг друга, образуют соприкасающиеся поверхностями пары для передвижения экспонируемой заготовки в направлении субсканирования, причем оси валков проходят насквозь через подставку и выходят под ней концами, на которых в два ряда закреплены червячные колеса, двигатель выполнен шаговым и закреплен на подставке с нижней стороны, его вал соединен с червяком, который закреплен на подставке снизу способом, позволяющим ему свободно вращаться вокруг продольной оси, и расположен между двумя рядами червячных колес так, что соприкасается с зубьями каждого из них и образует с ними червячную передачу, плоское зеркало сориентировано так, чтобы направляемый на него пучок из источника лазерного излучения отражался непосредственно на полигональное зеркало, а положение направляющего зеркала позволяет ему направлять пучок прошедшего через fθ-линзу лазерного излучения через вырез в одной из рамок и зазор между двумя валками сразу на поверхность экспонируемой заготовки.The specified technical result is achieved by the fact that in a device containing a laser radiation source, a flat mirror, a polygonal mirror, an fθ lens, a directing mirror, an engine, a start sensor, a panel for placing optical elements, a base with a horizontal stand mounted on it, which is rigidly a panel for accommodating optical elements is connected, where a laser source, a flat mirror, a polygonal mirror, an fθ lens and a directing mirror are fixed, the laser source and plane The mounted mirror is mounted in such a way that the laser beam hits the center of this mirror, and the polygonal mirror, fθ lens, and the directing mirror are placed so that when the polygonal mirror rotates, the radiation beam reflected from its faces passes through the fθ lens and is reflected from the directing mirror in side of the plane of placement of the workpiece and scanned it, while the sensor began to be attached to the stand in such a position that the laser beam with each scanning movement could be briefly exposed to light sensitive zone of the sensor, and the engine was mechanically connected with the workpiece to move it in the sub-scanning direction, a worm, eight worm wheels, two frames with cutouts, eight axes with rolls of elastic material fixed to them, mounted in parallel in rows of four in such frames so that a uniform gap is maintained between the rolls, while the gap between the second and third rolls in each frame is opposite the cutout in it, and the frames themselves are rigidly attached to the stand one opposite the other, that all the rolls are arranged vertically, and those that are in different frames opposite each other form pairs of surfaces in contact to move the exposed workpiece in the direction of sub-scanning, with the axis of the rolls passing through the stand and going out under it in two rows the worm wheels are fixed, the engine is stepped and mounted on the stand from the bottom side, its shaft is connected to the worm, which is mounted on the stand from below in a way that allows it to rotate freely around a single axis, and is located between two rows of worm wheels so that it contacts the teeth of each of them and forms a worm gear with them, the flat mirror is oriented so that the beam directed to it from the laser radiation source is reflected directly onto the polygonal mirror, and the position of the guide mirror allows him to direct the beam of laser radiation transmitted through the fθ lens through a cutout in one of the frames and the gap between the two rolls immediately onto the surface of the exposed workpiece.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в использовании вертикальной валковой подачи с протягиванием вдоль направляющей поверхности для перемещения покрытой фоторезистом плоской заготовки в направлении субсканирования при сканировании ее поверхности пучком лазерного излучения, промодулированным сигналом, основанным на растровых данных наносимого изображения.The essence of the invention consists in the use of a vertical roll feed with a pull along the guide surface to move the flat blank coated with a photoresist in the direction of sub-scanning when scanning its surface with a laser beam modulated by a signal based on raster data of the applied image.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена аксонометрия устройства прямого лазерного экспонирования, на фиг. 2 отображены его фронтальный вид и сечение горизонтальной плоскостью, на фиг. 3 изображен пример растрового рисунка, а на фиг. 4 приведена схема работы сканирующего устройства.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a perspective view of a direct laser exposure device; FIG. 2 shows its front view and section by a horizontal plane, in FIG. 3 shows an example of a bitmap, and FIG. 4 shows a diagram of the operation of the scanning device.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит источник 1 лазерного излучения, плоское зеркало 2, полигональное зеркало 3, fθ-линзу 4, направляющее зеркало 5, двигатель 6, сенсор начала 7, панель для размещения оптических элементов 8, основание 9 с установленной на нем горизонтально подставкой 10, с которой жестко соединена панель 8 для размещения оптических элементов, где закреплены источник 1 лазерного излучения, плоское зеркало 2, полигональное зеркало 3, fθ-линза 4 и направляющее зеркало 5, причем источник 1 лазерного излучения и плоское зеркало 2 установлены таким образом, что лазерный пучок попадает в центр этого зеркала, а полигональное зеркало 3, fθ-линза 4 и направляющее зеркало 5 размещены так, чтобы при вращении полигонального зеркала 3 отраженный от его граней пучок излучения проходил через fθ-линзу 4, отражался от направляющего зеркала 5 в сторону плоскости размещения заготовки и производил ее сканирование, при этом сенсор начала 7 прикреплен к подставке 10 в таком положении, чтобы пучок лазерного излучения при каждом сканирующем движении мог кратковременно попадать на светочувствительную зону сенсора 7, а двигатель 6 имел механическую связь с заготовкой для ее перемещения в направлении субсканирования. Кроме того, оно содержит червяк 11, восемь червячных колес 12, две рамки 13 с вырезами, восемь осей 14 с закрепленными на них валками 15 из эластичного материала, установленные параллельно рядами по четыре штуки в рамки 13 таким образом, чтобы между валками 15 сохранялся равномерный зазор, при этом зазор между вторым и третьим валками 15 в каждой рамке 13 находится напротив выреза в ней, а сами рамки 13 жестко прикреплены к подставке 10 одна напротив другой так, что все валки 15 располагаются вертикально, а те из них, что находятся в разных рамках 13 напротив друг друга, образуют соприкасающиеся поверхностями пары для передвижения экспонируемой заготовки в направлении субсканирования, причем оси 14 валков 15 проходят насквозь через подставку 10 и выходят под ней концами, на которых в два ряда закреплены червячные колеса 12, двигатель 6 выполнен шаговым и закреплен на подставке 10 с нижней стороны, его вал соединен с червяком 11, который закреплен на подставке 10 снизу способом, позволяющим ему свободно вращаться вокруг продольной оси, и расположен между двумя рядами червячных колес 12 так, что соприкасается с зубьями каждого из них и образует с ними червячную передачу, плоское зеркало 2 сориентировано так, чтобы направляемый на него пучок из источника 1 лазерного излучения отражался непосредственно на полигональное зеркало 3, а положение направляющего зеркала 5 позволяет ему направлять пучок прошедшего через fθ-линзу 4 лазерного излучения через вырез в одной из рамок 13 и зазор между двумя валками 15 сразу на поверхность экспонируемой заготовки.The proposed device (Fig. 1) contains a laser radiation source 1, a flat mirror 2, a polygonal mirror 3, an fθ lens 4, a directing mirror 5, an engine 6, a sensor of the beginning 7, a panel for accommodating optical elements 8, a base 9 with it installed horizontally with a stand 10, with which a panel 8 is rigidly connected for accommodating optical elements, where a laser radiation source 1, a flat mirror 2, a polygonal mirror 3, an fθ lens 4 and a directing mirror 5 are fixed, and the laser radiation source 1 and the flat mirror 2 are fixed so that the laser beam hits the center of this mirror, and the polygonal mirror 3, the fθ lens 4 and the guide mirror 5 are placed so that when the polygonal mirror 3 rotates, the radiation beam reflected from its faces passes through the fθ lens 4, is reflected from guide mirror 5 in the direction of the plane of placement of the workpiece and scanned it, while the sensor of the beginning 7 is attached to the stand 10 in such a position that the laser beam with each scanning movement could briefly get on the photosensitive battening sensor zone 7, and the engine 6 had the mechanical connection with the workpiece for moving it in the subscanning direction. In addition, it contains a worm 11, eight worm wheels 12, two frames 13 with cutouts, eight axles 14 with rolls 15 of elastic material fixed to them, mounted in parallel in rows of four pieces in frame 13 so that between rolls 15 is kept uniform a gap, while the gap between the second and third rolls 15 in each frame 13 is opposite the cutout in it, and the frames 13 are rigidly attached to the stand 10 one opposite the other so that all the rolls 15 are located vertically, and those of them that are in different frames 13 on the contrary each other, form pairs in contact with the surfaces to move the exposed workpiece in the direction of sub-scanning, and the axis 14 of the rollers 15 pass through the stand 10 and exit under it with ends on which the worm wheels 12 are fixed in two rows, the engine 6 is made stepwise and mounted on the stand 10 on the bottom side, its shaft is connected to the worm 11, which is mounted on the stand 10 from below in a manner that allows it to rotate freely around the longitudinal axis, and is located between two rows of worm wheels 12 so that communicates with the teeth of each of them and forms a worm gear with them, the flat mirror 2 is oriented so that the beam directed to it from the laser radiation source 1 is reflected directly onto the polygonal mirror 3, and the position of the guide mirror 5 allows it to direct the beam transmitted through the fθ lens 4 of laser radiation through a cutout in one of the frames 13 and the gap between the two rollers 15 immediately onto the surface of the exposed workpiece.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Пусть в начальный момент времени плоская заготовка зажата между валками 15, источник 1 лазерного излучения выключен, двигатель 6 находится в остановленном состоянии, а полигональное зеркало 3 неподвижно.Suppose that at the initial moment of time the flat billet is sandwiched between the rollers 15, the laser radiation source 1 is turned off, the engine 6 is in a stopped state, and the polygonal mirror 3 is stationary.

После поступления сигнала "Пуск" от компьютерной системы управления полигональное зеркало 3 начинает вращаться с некоторой постоянной скоростью, двигатель 6 начинает поворачивать червяк 11, вращательное движение которого передается на червячные колеса 12, оси валков 14 и валки 15, двигающие зажатую между ними покрытую фоторезистом заготовку в направлении субсканирования. После этого источник 1 лазерного излучения начинает излучать лазерный пучок, промодулированный специально сформированным электрическим сигналом. Это излучение отражается от плоского зеркала 2 и попадает на вращающееся полигональное зеркало 3. Отразившийся от его движущихся граней, пучок лазерного излучения, пройдя через fθ-линзу 5 и отразившись от направляющего зеркала 5, попадает на поверхность заготовки и совершает ее сканирование. При этом во время каждого сканирующего движения этот лазерный пучок кратковременно попадает на светочувствительную зону сенсора начала 7, генерирующего при этом электрические импульсы, по которым компьютерная система управления синхронизирует во времени сигналы модуляции лазерного излучения. Оптическая конструкция, представляющая собой fθ-линзу 4, обеспечивает фокусировку упомянутого пучка на сканируемую поверхность в каждый момент времени.After the start signal from the computer control system, the polygon mirror 3 starts to rotate at a certain constant speed, the engine 6 starts to turn the worm 11, the rotational movement of which is transmitted to the worm wheels 12, the axis of the rolls 14 and the rolls 15, moving the workpiece sandwiched between them covered by a photoresist in the direction of sub-scanning. After that, the laser radiation source 1 begins to emit a laser beam modulated by a specially formed electrical signal. This radiation is reflected from the planar mirror 2 and hits the rotating polygonal mirror 3. The laser beam reflected from its moving faces, passing through the fθ-lens 5 and reflected from the directing mirror 5, hits the surface of the workpiece and scans it. At the same time, during each scanning movement, this laser beam briefly hits the photosensitive zone of the beginning sensor 7, which generates electrical impulses by which the computer control system synchronizes the laser radiation modulation signals in time. The optical design, which is an fθ lens 4, ensures that said beam is focused on the scanned surface at any time.

Таким образом, сканирующая система экспонирует прямую линию на покрытой фоторезистом плоской заготовке точно направленным лазерным пучком. При этом механическое устройство перемещения, представляющее собой валковую подачу, обеспечивает равномерное движение этой заготовки относительно других элементов в перпендикулярном данной линии направлении, а компьютерная система управления включает и выключает источник 1 лазерного излучения в строго определенные моменты времени так, чтобы его излучение попадало только на те участки, которые соответствуют засвечиваемым пикселам наносимого изображения. В итоге в слое фоторезиста линия за линией из облученных и необлученных участков формируется рисунок.Thus, the scanning system exhibits a straight line on the coated photoresist flat workpiece with a precisely directed laser beam. In this case, the mechanical displacement device, which is a roll feed, ensures uniform movement of this workpiece relative to other elements in a direction perpendicular to this line, and the computer control system turns the laser radiation source 1 on and off at strictly defined points in time so that its radiation reaches only those areas that correspond to the illuminated pixels of the applied image. As a result, a pattern is formed in the layer of the photoresist line after line from the irradiated and unirradiated sections.

В основу работы устройства положен принцип модуляции лазерного излучения основанным на растровых данных изображения сигналом при сканировании лазерным пучком движущейся в направлении субсканирования поверхности, равномерно перемещаемой с помощью валковой подачи, вращение валков которой обеспечено двигателем вращения, соединенным с каждым из них посредством червячной передачи.The device is based on the principle of modulating laser radiation based on raster image data when a laser beam scans a surface moving in the direction of subscanning that is uniformly moved by a roll feed, the rolls are rotated by a rotation motor connected to each of them by means of a worm gear.

В качестве источника 1 лазерного излучения данное устройство использует полупроводниковый лазерный диод, излучение которого регулируется проходящим через него током. Модуляция лазерного пучка растровыми данными наносимого изображения производится следующим образом.As a source of laser radiation 1, this device uses a semiconductor laser diode, the radiation of which is regulated by the current passing through it. Modulation of the laser beam by raster data of the applied image is as follows.

На фиг. 3 схематически изображен пример растрового рисунка, помещенного в прямоугольную координатную сетку. Видно, что он состоит из пикселов двух типов, каждый из которых связан с участком поверхности, который необходимо облучить пучком излучения или, наоборот, оставить необлученным. Каждый из этих пикселов имеет свои координаты, обозначающие, в каком столбце (координата по оси X) и в какой строке (координата по оси Y) он находится. Компьютерная система управления сопоставляет имеющуюся в ее памяти информацию с точками на поверхности заготовки и включает либо выключает источник 1 лазерного излучения, когда сканирующая система направляет излучение в каждую из этих точек. Определение координат места, на которое в данный момент направлена система сканирования, и переключение источника 1 излучения производится с постоянной частотой ν, при этом устройство скомпоновано таким образом, чтобы ось Х была параллельна линии сканирования, а ось Y совпадала с направлением перемещения заготовки. Это позволяет связывать координату по оси Х экспонируемой в данный момент точки поверхности только с состоянием сканирующей системы, а координату по оси Y получать из информации о работе валковой подачи.In FIG. 3 schematically shows an example of a bitmap placed in a rectangular coordinate grid. It can be seen that it consists of two types of pixels, each of which is associated with a portion of the surface that must be irradiated with a radiation beam or, conversely, left unirradiated. Each of these pixels has its own coordinates, indicating which column (coordinate along the X axis) and in which row (coordinate along the Y axis) it is located. The computer control system compares the information in its memory with the points on the surface of the workpiece and turns on or off the laser radiation source 1 when the scanning system directs the radiation to each of these points. The coordinates of the place at which the scanning system is currently directed are determined and the radiation source 1 is switched at a constant frequency ν, while the device is arranged so that the X axis is parallel to the scan line and the Y axis coincides with the direction of movement of the workpiece. This allows you to associate the coordinate along the X axis of the currently exposed surface point only with the state of the scanning system, and obtain the coordinate along the Y axis from information about the work of the roll feed.

Сканирующая система данного устройства оснащена сенсором начала 7, который генерирует электрический сигнал при каждом сканирующем движении во время попадания на его светочувствительную зону лазерного излучения. Компьютерная система управления считает количество n интервалов времени, равных периоду дискретизации $τ = \frac{1}{ν}$

, прошедших с момента получения последнего сигнала от сенсора начала 7, а также вычисляет и хранит период Т повторения этих сигналов, измеренный в количестве таких интервалов τ.The scanning system of this device is equipped with a start sensor 7, which generates an electrical signal with each scanning movement while it is exposed to its photosensitive zone of laser radiation. The computer control system considers the number n time intervals equal to the sampling period

τ = \frac{one}{ν}

that have passed since the last signal was received from the beginning sensor 7, and also calculates and stores the repetition period T of these signals, measured in the number of such intervals τ.

Принцип работы используемой сканирующей системы поясняется на фиг. 4, где изображены источник 1 лазерного излучения, вращающееся зеркало 3, fθ-линза 4, сенсор начала 7 и поверхность заготовки. Кроме того, на фиг. 4 отображены смещение c_x системы отсчета координат, координатная ось Х и траектории движущегося к экспонируемой поверхности вертикально (h), попадающего на сенсор начала 7 (а) и падающего на произвольную точку линии сканирования (b) пучков лазерного излучения, а также отмечено расстояние L₀ между предлагаемой точкой падения луча на поверхность заготовки в момент поступления сигнала от сенсора начала 7 и траекторией h. В такой системе в каждый момент времени можно определить координату Х (номер в строке на фиг. 3) пиксела, соответствующего точке, на которую направляется пучок лазерного излучения, по формуле:The principle of operation of the scanning system used is illustrated in FIG. 4, which shows a laser radiation source 1, a rotating mirror 3, an fθ lens 4, a start sensor 7, and a workpiece surface. In addition, in FIG. Figure 4 shows the displacement c _x of the coordinate system, the coordinate axis X, and the trajectory of a vertical (h) moving toward the exposed surface, incident on the sensor of the beginning 7 (a) and incident on an arbitrary point of the scanning line (b) of the laser beams, and the distance L ₀ between the proposed point of incidence of the beam on the surface of the workpiece at the time of receipt of the signal from the sensor beginning 7 and the path h. In such a system, at each moment of time, you can determine the X coordinate (line number in Fig. 3) of the pixel corresponding to the point at which the laser beam is directed, according to the formula:

,

гдеWhere

X_n - координата отображаемого пиксела по оси X;X _n is the coordinate of the displayed pixel along the X axis;

λ - размер пиксела;λ is the pixel size;

α₀ - угол между нормалью к поверхности и лазерным лучом, отраженным зеркалом 3 и направленным на сенсор начала 7;α ₀ is the angle between the normal to the surface and the laser beam reflected by the mirror 3 and directed to the sensor of the beginning 7;

n - количество интервалов времени τ, прошедших с момента получения сигнала от сенсора начала 7;n is the number of time intervals τ elapsed since the signal was received from the sensor beginning 7;

m - количество граней полигонального зеркала 3;m is the number of faces of the polygonal mirror 3;

Т - период повторения сигнала от сенсора начала 7;T is the repetition period of the signal from the sensor beginning 7;

L₀ - расстояние между предполагаемой точкой падения луча на поверхность заготовки в момент поступления сигнала от сенсора начала 7 и траекторией h;L ₀ is the distance between the estimated point of incidence of the beam on the surface of the workpiece at the time of receipt of the signal from the sensor beginning 7 and the path h;

c_x - подстроечное смещение координат по оси X.c _x - adjustment offset of coordinates along the X axis.

Передвижение заготовки вдоль оси Y обеспечивает валковая подача. Она состоит из восьми валков 15 из эластичного материала, оси которых соединены червячной передачей с единым червяком 11, к которому подведен вращательный момент от шагового двигателя 6. Компьютерная система управления в каждый момент времени экспонирования хранит информацию о количестве k шагов, сделанных двигателем 6 с момента начала нанесения изображения. Используя эту информацию, возможно получить координату по оси Y, исходя из состояния валковой подачи, по формуле:The movement of the workpiece along the Y axis provides a roll feed. It consists of eight rolls 15 of elastic material, the axes of which are connected by a worm gear to a single worm 11, to which the torque from the stepper motor 6 is connected. A computer control system stores information about the number of k steps made by the motor 6 from the moment start applying the image. Using this information, it is possible to obtain the coordinate along the Y axis, based on the state of the roll feed, according to the formula:

,

гдеWhere

Y_k - номер отображаемой строки;Y _k is the number of the displayed line;

α_s - угол поворота червяка 11 за один шаг шагового двигателя 6;α _s - the angle of rotation of the worm 11 in one step of the stepper motor 6;

k - номер шага шагового двигателя б;k is the step number of the stepper motor b;

N - количество зубьев в червячном колесе 12;N is the number of teeth in the worm wheel 12;

λ - размер пиксела;λ is the pixel size;

R - радиус валка 15;R is the radius of the roll 15;

d - толщина заготовки;d is the thickness of the workpiece;

c_y - подстроечное смещение координат по оси Y.c _y - adjustment offset of coordinates along the Y axis.

Наносимый рисунок позиционируется с высокой точностью благодаря подбору подстроечных констант c_x и c_y во время юстировки аппарата. Эти константы позволяют смещать изображение относительно заготовки вдоль осей Х и Y соответственно.The applied pattern is positioned with high accuracy due to the selection of the tuning constants c _x and c _y during the alignment of the device. These constants allow you to shift the image relative to the workpiece along the X and Y axes, respectively.

Посредством изменения скорости вращения двигателя 6 данное устройство позволяет управлять интенсивностью облучения заготовки. Если энергии однократного сканирующего прохода пучком лазерного излучения недостаточно для нанесения изображения на данный тип фоторезиста, то можно добиться многократного экспонирования каждой растровой строки, замедлив движение заготовки или останавливая его на некоторое время после каждого шага двигателя 6.By changing the speed of rotation of the engine 6, this device allows you to control the irradiation intensity of the workpiece. If the energy of a single scanning pass by a laser beam is not enough to apply an image to a given type of photoresist, it is possible to achieve multiple exposure of each raster line by slowing down the movement of the workpiece or stopping it for a while after each step of the engine 6.

Конструкция устройства предполагает продвижение плоской заготовки валками 15 таким образом, чтобы она все время касалась одним из краев гладкой горизонтальной поверхности подставки 10 и направлялась ею. Это гарантирует прямолинейность движения заготовки, а также позволяет позиционировать изображение на ней по оси X. Благодаря тому что в конструкции ряды валков 15 размещены в отдельных рамках 13, ширина заготовки может быть больше размера валков 15 и может выходить за границы рамок 13. В этом случае для достижения более полного использования поверхности, например, прямоугольной заготовки после экспонирования одного края ее можно перевернуть экспонированной частью вверх, чтобы затем нанести изображение на другой край.The design of the device involves the advancement of the flat workpiece rolls 15 so that it always touches one of the edges of the smooth horizontal surface of the stand 10 and is guided by it. This ensures the linearity of the movement of the workpiece, and also allows you to position the image on it along the X axis. Due to the fact that in the design the rows of rolls 15 are placed in separate frames 13, the width of the workpiece can be larger than the size of the rolls 15 and can go beyond the borders of the frames 13. In this case in order to achieve a more complete use of a surface, for example, a rectangular workpiece, after exposing one edge, it can be turned upside down with the exposed part, so that the image is then applied to the other edge.

Работа с устройством производится в следующем порядке. В компьютер, соединенный с устройством прямого лазерного экспонирования линией цифровой связи, с помощью специальной программы загружается наносимое изображение. После этого заготовка, покрытая слоем фоторезиста, помещается в начальное положение между валками 15. По сигналу "Пуск" от компьютера в устройстве приводятся в действие сканирующая система и валковая подача, а упомянутая компьютерная программа начинает передавать по линии связи данные, с помощью которых модулируется лазерное излучение. Когда нанесение изображения оканчивается, валки 15 подачи выгружают заготовку из установки.Work with the device is performed in the following order. A digital image is loaded into a computer connected to a direct laser exposure device via a digital communication line using a special program. After that, the blank coated with a layer of photoresist is placed in the initial position between the rolls 15. By the “Start” signal from the computer, the scanning system and the roll feed are activated in the device, and the said computer program starts transmitting data via the communication line with which the laser is modulated radiation. When the application of the image ends, the feed rolls 15 unload the workpiece from the installation.

Таким образом, оптико-механическая система использует простую валковую подачу заготовки, находящейся в вертикальном положении, что позволяет исключить из этой системы подвижный столик с элементами позиционирования подложки, благодаря чему упрощается устройство прямого лазерного экспонирования.Thus, the optical-mechanical system uses a simple roll feed of the workpiece in a vertical position, which eliminates the need for a moving table with substrate positioning elements from this system, which simplifies direct laser exposure.

Claims

A device for direct laser exposure, containing a laser source, a flat mirror, a polygonal mirror, an fθ lens, a directing mirror, an engine, a start sensor, a panel for placing optical elements, a base with a stand mounted horizontally on it, to which the panel is rigidly connected optical elements where a laser source, a flat mirror, a polygonal mirror, an fθ lens and a directing mirror are fixed, the laser source and a flat mirror being mounted Thus, the laser beam enters the center of this mirror, and the polygonal mirror, fθ lens, and the directing mirror are placed so that when the polygonal mirror rotates, the radiation beam reflected from its faces passes through the fθ lens and is reflected from the directing mirror toward the plane placed the workpiece and scanned it, while the sensor began to be attached to the stand in such a position that the laser beam with each scanning movement could briefly fall on the photosensitive well, the sensor, and the engine is mechanically connected with the workpiece to move it in the sub-scanning direction, characterized in that a worm, eight worm wheels, two frames with cutouts, eight axes with rolls of elastic material fixed to them, mounted parallel to the rows along four pieces in a frame so that a uniform gap is maintained between the rolls, while the gap between the second and third rolls in each frame is opposite the cutout in it, and the frames themselves are rigidly attached to the stand one n against the other so that all the rolls are arranged vertically, and those that are in different frames opposite each other form pairs of surfaces in contact to move the exposed workpiece in the direction of sub-scanning, with the axis of the rolls passing through the stand and going out under it, of which the worm wheels are fixed in two rows, the engine is stepped and mounted on the stand on the bottom side, its shaft is connected to the worm, which is mounted on the stand from below in a way that allows it to freely rotate around the longitudinal axis, and is located between two rows of worm wheels so that it is in contact with the teeth of each of them and forms a worm gear with them, the flat mirror is oriented so that the beam directed to it from the laser source is reflected directly on the polygonal mirror, and the position The directing mirror allows it to direct the beam of laser radiation transmitted through the fθ lens through a cutout in one of the frames and the gap between the two rollers directly onto the surface of the exposed workpiece.