（物理电子学专业论文）大面积激光投影曝光机的机电系统研究.pdf

摘要摘要随着印制电路板向大面积、高密度的方向发展，大面积成像、高产量、普通抗蚀剂曝光的激光投影曝光机发挥了重要的促进作用。而精密工作台是激光投影曝光机的核心单元之一，其运动精度直接影响印制电路板的分辨率、速度和加速度，直接影h 向印制电路板的生产效率。本文就大面积激光投影曝光机的机电系统做出了设计研究。其中包括对激光投影成像技术中六边形无接缝扫描技术的计算研究、x - y 移动工作台设计研究及伺服控制系统设计研究。所设计的大面积激光投影成像曝光机应用于面积最大为5 5 0 m m x 6 5 0 m m 的印制电路板生产。其利用普通抗蚀剂对印制板进行曝光，分辨力为1 0 聊，不要求达到亚微米量级，即可满足今后十年内印制板制造的需求。本文通过对曝光剂量与六边形无接缝扫描等技术要求的计算研究，确定工作台扫描速度为7 5 m m s ；经过对工作台的负荷计算，采用精密滚动导轨作为移动工作台的导向系统；经过对滚珠丝杠的轴向负荷与轴向刚性的计算研究，选用导程为5 m m ，轴径为2 0 m m 的精密滚珠丝杠来构建工作台的传动系统；通过对工作台负载惯量，滚珠丝杠在加速、匀速与减速中所需要的旋转扭矩进行计算，选择额定转速为2 0 0 0 r m i n 、额定转矩为7 1 6 n m 的伺服电机作为工作台的驱动电机；对单级隔振系统与两层隔振系统中阻尼比、隔振器刚度系数、频率比与传递率之问的关系进行了计算研究，选用了具有两级隔振系统与空气弹簧的可移动四脚隔振系统为移动工作台进行隔振处理；对移动工作台的控制顺序进行研究设计后，利用可编程控制器p l c 对控制系统进行程序编译，使工作台具有自动归位初始位置、自动按步进控制顺序进行移动、限位保护与自动停止的特点。关键词：印制电路板；激光投影光刻；x - y 移动工作台a b s t r a c ta b s t r a c tw i t ht h ef a c tt h a tp c bi sd e v e l o p i n gt ot h ed i r e c t i o no fl a r g ea r e aa n dh i g h - d e n s i t y ，t h el a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ym a c h i n ew i t hl a r g ee x p o s u r ea r e a s ，h i g ho m p m ，i m a g i n gc o n v e n t i o n a lp h o t o r e s i s th a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ef o rp r o m o t i n gi t sp r o g r e s s t h ep r e c i s em o v a b l et a b l ep l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h i ss y s t e m t h ep r e c i s i o no ft h et a b l ea f f e c t st h er e s o l u t i o n a n di t ss p e e da n da c c e l e r a t i o na f f e c t st h ep r o d u c t i v i t yo fp c bm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho nt h ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e mo fl a s e rp r o j e c t i o ni m a g i n gm a c h i n ea n ds t u d i e so nt h eh e x a g o n a ls e a m l e s ss c a n n i n gt e c h n i q u e ，x - ym o v a b l et a b l ea n dt h es e r v o m e c h a n i s m f o rt h el a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ym a c h i n ew h i c hu s e df o rp c bw i t hl a r g ee x p o s u r ea r e a su pt o5 5 0 m m x 6 5 0 m m , i t sr e s o l u t i o nh a sn o tt od e m a n dt or e a c hs u b m i ，c r o n 1 e v e l 10 , u ma c c u r a c yi sa b l et om e e tt h en e x td e c a d en e e d a f t e rs t u d y i n go nt h eh e x a g o n a ls e a m l e s ss c a n n i n gt e c h n i q u e ，t h ee x p o s u r es p e e di s7 5 m m s a f t e rs t u d y i n go nt h el o a df a c t o r sa n dt h er i g i d i t yo fs c r e w s ，t h et a b l ei sm a d eu po fr o l l i n gg u i d e sa n db a l ls c r e w t h ep i t c ha n dt h ea x l ed i a m e t e ro ft h es c r e w sa r e5 m ma n d2 0 m mr e s p e c t i v e l y a f t e rs t u d i e so nt h et o r s i o n ，a na cs e r v om o t o ri sc h o s e n i t ss p e e di s2 0 0 0 r m i n ，r a t e dt o r q u ei s7 1 6 n m b yc o m p a r a t i v e l ys t u d y i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e ns i m p l i f i e dm o d e lo fa n t i v i b r a t i o ns y s t e ma n dd o u b l et a b l em o d e lo fa n t i v i b r a t i o ns y s t e m , a4 - p o s tv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mi sc h o s e nt oi s o l a t et h ev i b r a t i o n t h es e r v os y s t e mo ft h et a b l ei sc o n t r o l l e db yp r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o e r ( p l c ) w i t ht h ec o n t r o lo ft h es e r v os y s t e m ，t h et a b l ep o s s e s s e sf u n c t i o n ss u c ha sm o v i n gt oi n i t i a l i z e dp o s i t i o na u t o m a t i c a l l y , a u t o m a t i cm o v eu n d e rl o g i c a lc o n t r o l ，m o t i o nl i m i t a t i o n ，s h u t t i n gd o w na u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s ：p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ；l a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h y ；x ym o v a b l et a b l e独创性声明独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。5 3指导教师签字：，搋敝作者酶馅写罨州年牛其叶日第一章绪论1 1 机电一体化第一章绪论日本企业界在1 9 7 0 年左右最早提出“机电一体化技术 这一概念，当时他们取名为“m e c h a t r o n i c s ”，即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术( o p t o m e c h a t r o n i c s ) 方向发展，应用范围愈来愈广。机电一体化技术具体包括以下内容：( 1 ) 机械技术。机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。( 2 ) 计算机与信息技术。其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。( 3 ) 系统技术。系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。( 4 )自动控制技术。其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。( 5 ) 传感检测技术。传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。( 6 ) 伺服传动技术。包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量广东j i ：业大学t 学硕十学位论文和功能有决定性的影h 向。1 2 机电一体化系统组成( 1 ) 机械本体。机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。( 2 ) 检测传感部分。检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。( 3 ) 电子控制单元。电子控制单元又称e c u ( e 1e c t r i c a l c o n t r o lu n i t ) ，是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。( 4 ) 执行器。执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。( 5 ) 动力源。动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。1 3 印制电路的发展与展望我国e p $ 4 电路工业生产起步于六十年代，从八十年代中期得到迅速发展。回顾几年来的发展，主要反映在以下几个方面：1 、行业队伍壮大，企业规模扩大。在八十年代术，印制电路生产企业主要是生产规模和能力较小的国有和民营企业，台资企业刚起步。而现在全国印制电路2第章绪论生产企业数量和规模均成倍增长，有几家p c b 成为上市股份公司，并开始组建包括单、双、多层电路板、原辅材料、设备制造为一体的集团公司。2 、印制电路板的总产量和总产值成倍增长。在八十年代术，全国印制电路总产量约为5 0 万平方米，总销售额不n s o 亿元，至! l j 2 0 0 5 年底，全国印制电路总产量超过7 0 0 ，0 平方米，销售额超过6 0 0 亿元，近十五年中产量增长1 4 倍，产值增1 2倍。目前，中国印制电路工业年产量和产值已列世界第四位，仅次于美国，日本和中国台湾地区。3 、生产技术提高，产品结构优化。从1 9 9 7 年起多层板产量己超过双面板产量，多层板增艮速度逐渐加快，p c b 生产己由插装技术走向表面贴装技术为主阶段，另外，挠性印制扳已开始批量生产，产品档次向高密度高精度方向发展。4 、行业的设备，原辅助材料生产企业增多，配套逐步齐全。近几年来，印：制电路专用设备生产厂增多，并且设备种类也增多。5 、产品市场扩大，出口增多。在十年前，印制板产品市场主要是国内家电产品及自动化控制设备等。现在，印制电路板市场进入了通信，计算机领域。另外，原来我国印制电路产品的9 0 是国内市场，现在国际市场的比重也越来越大。l印制电路工业面临的是国际大环境、大市场。印制电路依附于整个电子工业，随着电子设备增量和多样化，印制电路市场势必增大。我国印制电路工业在国际上已有一定地位，国际上许多著名的印制电路大公司在中国投资，这种趋势仍将继续下去。我国大陆p c b 生产技术、管理水平和产品档次与先进国家相比，还处于中下水平。较高级别的产品主要集中在独资和台资的p c b 企业中，开发的高级p c b 产品只集中在个别研究、生产机构。目前，国内一些大企业无论是生产规模还是技术水平都在逐步完善并将赶上世界先进水平，成为世界级的印制板制造公司。这些大公司的市场定位面向世界，为国际上的跨国大电子公司配套，势必会成为我国印制板工业的龙头企业。因此，整个世界电子工业的发展也为中国印制电路发展提供了良机。无论是国内市场还是国际市场都为印制电路的发展创造了机遇。p c b 将随着电子产品向多功能、高密度、高可靠性与低成本方向发展。由于电子元气件的多脚化、细微化、多品化，近年来p c b 技术发展有了与之相适应的明显变化。今后p c b 必定会进一步缩小孔径、线宽和线距，从而缩小体积，以适应电子产品小型化及多功能的需要，并在实现高性能、高密度的前提下，进一步3广东丁业大学下学硕十学位沦文实现价格下降。伴随着印制电路产品发展，要求有新的材料，新的工艺技术和新的设备。我国的印制电路材料工业在扩大产量，同时要注重提高性能和质量；印制电路专用设备工业不再是低水平的仿造，而是向生产自动化、高密度、多功能、现代化设备发展，p c b 生产集世界新科技于体，印制电路生产技术会采用液态感光成像、直接电镀、积层式多层板等新工艺。在生产中还必须更加重视可持续发展，减少三废产生。在未来，由于新材料，新设备和新工艺的应用，将实现印制电路板生产的低成本、高效率、少污染、高品质的目的。2 1 世纪中国的印制电路行业将显示出生机活力和希望。1 4 传统光刻技术p c b 生产过程中的一个关键步骤是利用光学曝光的方法进行掩模板和印制板问的图像转移。工业上生产p c b 所采用的成像技术通常分为四类：接触成像、步进重复成像、激光直接成像和激光投影成像。1 4 1 接触成像技术接触成像技术在工业生产p c b 中有着多年的历史，接触成像技术需要照相原版，并且曝光生产底版与印制板必须充分接触。在成像过程中，紫外光直接照射生产底版，光线穿过底版透明部分在印制板上形成阴影部分乜1 ，曝光时间根据光致抗蚀剂的要求而定，一般为1 0 3 0 秒。而阻焊剂曝光需要较大的曝光强度，通常要求在2 0 0 5 0 0 m j c m 2 的范围内。然而印制板工艺的发展使得接触成像的局限性越来越明显，首先，随着大面积印制电路板导线或间距的不断变细以及定位精度、分辨率的提高而产生了一系列问题，并且都难以解决，先前的工艺要求很少发生引起印制板开路和短路的情况，而现在这种情况直接导致印制板报废。其次，大面积不均匀的接触容易引起线条宽度和边缘清晰度的变化，这在生产中是不允许的，而且精细图形印制板要求的严格定位也不可能用接触成像技术简单完成。利用曝光成像只能在印制板与生产底版之间充分接触后才能很好的完成，而实际生产中由于定位不是非常精确而不能满足两者间有完全的接触，因此往往不能达到预定的要求。最后，生产过程中多次的曝光就是生产底版与印制板重复接触，这样又引4第一章绪论入了一些其他问题：如杂质污染，底版寿命缩短以及使用液态光致抗蚀剂沾到底版上等。1 4 2 步进重复成像技术在步进重复成像系统中，一块整板被分成若干小块，然后通过投射镜一块一块分别成像，由于每次步进设定和校f 增加了重复时间，因此其产量较低。使用步进器可用缩小比例的图像，也可有1 ：1 的图像，一般情况下，投影系统通过缩小比例的成像方法可以得到较高的分辨率，但不能得到较高的产率口 8 1 。除产率较低外，在曝光相邻两块板时步进器可能会发生成像距离错误使局部位置没有成像。当使用步进器在半导体芯片上成像时，就可能发生某一芯片图形与已曝光的芯片图形被未成像区域隔开的情形。由于这些未成像的区域没有图像，也就不要求相邻两部分图形之间有精确的成像距离。但是对于一块大的p c b ，整块板常常是一个图形，不允许存在小块印制板之间的未成像区域，因此，在多块小板的情况下，必须具有良好的对位精度，否则由于相邻板成像距离的错位将直接影响到连接、导通和连接盘位置的错误，大而影响到p c b 的产量。1 4 3 激光直接成像技术激光直接成像( l d i ) 是通过一束聚焦激光以光栅扫描方式一次一个像素点来曝光形成图形。为了与普通光致抗蚀剂的曝光敏感性在相同的光谱区域，l d i一般使用氩离子激光的蓝光或紫外光区。l d i 先将所要成的像形成数字化图形数据，然后通过这些数据工作站来控制激光成像，这样不需要任何底片便可以在涂有光致抗蚀剂的印制板上形成图形阻 2 引，这与我们通常使用掩模板进行图像转移是不同的。严格地讲，l d i 是一种误称，抗蚀剂并不是直接被曝光就形成图像，而是通过数字化图形数据控制激光使抗蚀剂曝光形成图形，因此，“激光直接刻像”或许是更准确的说法。l d i 的工作原理是借助一束聚焦激光通过一个运动扫描镜在印制板上形成一定的扫描区域，同时放有印制板的平台以高精度在垂直区域内断运动，激光束也一直在调整，也就是说，激光既可以预定期望的位置在板上直接扫描，也可以偏离扫描，因此，利用合适的c a d 操作数据通过调节控制器和两个动力装置便可以使印制板直接成像。5广东：l ：业大学t 学硕：仁学位论文就上述而言，l d i 系统在使光致抗蚀剂曝光时是以一次一个像素点曝光，因而其效率非常低，为了解决这个问题，有的系统将激光分成许多束，这样可以同时进行大量的光栅扫描，即使这样，特殊的敏感性光致抗蚀剂( 要求5 1 0 m j c m 2 )也需要高强度的激光，阻焊剂也通常对光强度有较高的要求，因此不能用l d i成像。1 5 激光投影光刻技术激光投影成像技术集各类图像转移的优点为一体，利用紫外区激光的高输出能量进行的光学投影成像，因此具有高的分辨率和产率，图1 1 是l p i 系统的结构图，掩模板和印制板放置在同一平台的两侧，以便可以从两个方向同时扫描，激光经折射从平台下方一个六边形的区域内照射掩模板，这样通过一个全折射投影镜头，图像便可以在e p $ , i 板上形成。保持掩模板与印制板彼此固定，平台做类似“弓 型轨迹运动，保证整个掩模板上的图像都能投影在印制板上，其中印制板上预先涂好了光致抗蚀剂。激光以补偿方式进行连续扫描，最终在印制板上形成一个完全重合且均匀的曝光图形。这样用一个预期分辨率的小面积投射镜，仅需要可以自由移动的平台以及正确的操作软件，在低成本的条件下便可以完成一次完美的图形转移，并且产率很高乜3 3 7 1 。气仁习透射体系辟爽搁 it ，：，二 了描平。厶谁钵军渐* 奇晤i口批刀 拟儿协卜_ 图1 1 光刻机系统图f i g 1 - 1d i a g r a ms y s t e mo fl i t h o g r a p h ym a c h i n el p i 系统是使用较大面积的激光束，所以曝光一次产生上万个平行的像素点。6第一章绪论由于激光是由高功率输出提供的纯紫外光，在扫描过程中平台必须高速扫描运动，有了高能的激光源，高效的激光透过率及高速的扫描平台，集上述三点为一体，不仅对于传统印制板的图像转移，且对于阻焊图形也可以通过此系统来完成。1 6 研究意义从全球p c b 生产的年产值来看，1 9 9 9 年的年产值约3 0 0 亿美元，n 2 0 0 5 年增长为约2 0 0 0 亿美元，而其中高密度印制电路板却从1 9 9 9 年的年产值约3 0 亿美元至1 j 2 0 0 5 年增长为约3 0 0 亿美元，即现在市场上对高密度p c b 的需求已占整个p c b 的半数以上，仅2 0 0 5 年就i ：l 2 0 0 4 年增长了二倍多，这种增长的势头在今后也可能不会减弱。由于激光投影曝光机在生产高密度p c b 板方面具有无与伦比的优势，因此可以预见它在生产精细印制线路板方面有着广泛的应用前景和巨大的潜力，必将给电子产业带来巨大的影响和引发电子产品制作技术的革命。然而，激光投影曝光机在国外已研制成功，而国内在这方面还远远落后，我们希望从激光投影曝光机中的关键技术着手，通过深入地研究其激光投影系统、移动工作台以及伺服控制系统，寻找相应技术问题的解决办法，为使真正属于我们自己自主知识产权的激光投影曝光机早日走向产业化做充分的技术准备。全球p c b 市场规模目前每年呈现约7 以上的增长速度，随着全球电子制造业重心进一步向我国转移，p c b 在我国的年销售额从“九五”期间的9 0 亿元达2 0 0 4 年的6 6 0 亿元，年均增长率约2 0 以上，成为拉动国内经济增氏的支柱产业之一。由此可以预见，与p c b 产品相配套的p c b 成像技术的发展前景一定是看好的，尤其是国内市场近乎空白的激光投影成像技术，它以良好的方向性和单色性以及高分辨率的激光光源为优势，必将引领未来大批量生产精细印制线路板的时代潮流。在当今竞争日益激烈的高度信息化时代，谁掌握了领先技术，谁就会在未来的竞争领域中夺魁。当前美国和r 本以及欧洲的一些国家已成功地研制了以激光为光源的曝光机，而我国还处于比较落后的位置。国内的曝光设备已经很明显地不能满足生产精细电路板的要求，独立引进国外的先进设备和技术，费用太高且丧失自主知识产权。基于l p i 优越的特性，独立自主研制激光投影曝光机，将会大大推动我国电子产品行业的发展，提高我国在电子技术领域的竞争实力，为我国的经济建设做出贡献。7广东下业大学t 学硕十学位论文1 7 论文的内容体系本文的主要工作集中在激光投影曝光机的机电系统设计研究，包括激光投影成像系统的扫描技术研究、x y 移动工作台的设计研究及伺服控制系统的设计研究。第一章介绍了机电一体化技术、印制电路板的发展及展望、论文的选题背景、研究的目的和意义。第二章提出投影光刻机整体结构方案与主要技术指标，并对激光投影成像系统中的关键技术六边形无接缝扫描技术进行计算研究。第三章对激光投影曝光机的x y 移动工作台进行了机械系统的设计研究，包括机械结构设计、移动工作台的移动参数选择、链接系统设计、导向系统设计、传动系统设计、驱动电机的选择和隔振系统的简要研究与选择。第四章对伺服控制系统进行了讨论研究并选用可编程控制器p l c 构建x y移动工作台的控制系统。通过移动原理设计相关程序，实现投影曝光机的半闭环伺服控制。全文总结。8第二章撒光投影威像系统第二章激光投影成像系统2 1 大面积激光投影曝光机简要介绍激光投影成像曝光机( 以下简称投影光刻机) 由以下部分组成：激光投影成像系统、x - y 移动工作台、投影光刻机伺服控制系统。利用机械自动化软件p r o e绘出整机的简化模型如图2 1 所示：6 矗塞嬲絮铲产霹黧图2 - 1 光刻机立体模型图f i 9 2 - 1f r e e - s p a c e d i a g r a m o f l i t h o g r a p h y m a c h i n e1 透镜组；2 一激光光路；3 一y 方向移动平台；4l o 一滚珠丝杠5 6 驱动电机；78 滚动导轨；9 x 方向移动平台；1 l 一准分子激光器；1 2 一定位机构髓着微型器件制造和表面安装技术的发展，促使p c b 印制板的制造技术的革新和改进的速度更快，各种新原理器件、新工艺的不断开发，对于光刻机的系统设计提出了许多新功能、新指标，不但要求功能全面，还要有很高的可靠性和可扩展性，因此，本课题设计研究的大面积激光投影曝光帆的主要技术指标如下：蝴广东- i - , j l , 大学t 学硕十学位论文表2 1 主要技术指标t a b l e 2 - 1t a r g e to fd e s i g n性能名称技术指标适用硅片尺寸最大5 7 0 m m 6 7 0 r a m适用掩模尺寸最大5 7 0 m m 6 7 0 m m最大曝光范围最大5 5 0 m m 6 5 0 r a m光刻分辨率l oumy 方向步进距离3 7 5 m my 方向步进精度5 | imy 方向行程6 5 0 m m移动工作台x 方向行程5 5 0 m mx 方向扫描速度7 5 m m s离地高度l m平均功率8 0 0 m j准分子激光器3 5 l n m光源波长脉冲能量1 0 0 m j重复频率8 0 h z六边形扫描光斑边长2 5 m m常规抗蚀剂曝光剂量10 0 m j c m z2 2 扫描技术对比研究扫描系统是投影成像系统中的主要组成部分之一。扫描技术的优越性与否影响到印制板表面曝光的均匀性和速度，从而影响到整个产品的质量和产量，因此一种好的扫描技术至关重要。目前国内外曝光机所用的扫描技术可分为四类：步进重复扫描、同步扫描、蝴蝶领结扫描以及六边形无接缝扫描，前面三种扫描技术容易产生接缝误差，而六边形无接缝扫描技术则可以实现整块板上的均匀曝光。六边形无接缝扫描技术结合准分子激光投影曝光可以实现大面积、高分辨率的精美图案，而且产量很高，被广泛用于印制电路板( p c b ) 、集成电路( i c ) 、显示器( l c d ) 等制造业，尤其对面积相对较大且向着高密度方向发展的p c b ，1 0第二章激光投影成像系统这种技术更显示出具大的潜力，研究这一技术将对我国的电子行业产生重大的影响。以步进重复扫描技术为例与六边形扫描技术作出对比研究如下。2 2 1 步进重复扫描技术在步进重复扫描中，一块整板被分成若干小块，然后通过投影透镜一块一块分别成像，故其生产率较低。除此之外，在两次步进曝光时可能会产生成像距离错误使局部位置没有曝光或者过曝光，如图2 2 汹1 所示。曝光不够或曝光过度均会影响复制图形的再现性。当使用步进技术在印制板上成像时，就可能发生某一掩模板上图形与已曝光的印制板上图形被未成像区域隔开的情形。由于这些未成像的区域没有图形，也就不要求相邻两部分图形之间有精确的成像距离。但是对于一块大的p c b ，整块板常常是一个图形，不允许存在小块印制板之间的未成像区域，因此，在多块小板成像的情况下，必须具有良好的对位精确度，否则由于相邻板成像距离错误将直接影响到连接、导通和连接盘的错误，从而影响到p c b 的质量。_一s c 武一叫沁一、s c a n 2k二；j )v一 、 疋f i g 2 - 3s c h e m a t i co ft h eh e x a g o n a ls c a n - a n d r e p e a te x p o s u r em e c h a n i s m2 3 六边形无接缝扫描技术及其实现原理六边形无接缝扫描技术详细原理及实现过程阐述如下，以供参考。参照图2 3 ，图中i k 六边形边长，i d 为矩形的宽度。印制板沿x 方向扫描，到达板的另一端后，沿y 方向移动w 的距离，其中w = 1 5 1 k ，然后沿x 的反方向扫描，到达板的末端后，沿y 方向继续移动w 的距离，再沿x 方向扫描，如此反复，直到整块板被完全扫描。gbe图2 - 4 无接缝原理图f i g 2 4t h e o r e t i c a ld i a g r a mo fs e a m l e s ss c a n n i n g1 2第二章激光投影成像系统首先考虑非重叠区域的扫描情况。第一次扫描( s c a n1 ) 通过的六边形矩形区域( 如图2 4 中b - g h - c ) 在第二次扫描( s c a n2 ) 时没有被重复扫描，同样第二次扫描通过的六边形矩形区域没有被第三次扫描( s c a n3 ) 重复扫描，即相邻的两次扫描之间，其六边形矩形区域都没有重复扫描。未被扫描的矩形区域就称为非重叠区域。设在这些非重迭区域上任何一像素点收到的曝光剂量为：d s i = 缸= 等寺其中p s 为印制板上的平均曝光功率，a 为六角形面积，t d 为矩形区域内任一像素点的扫描时间，v 。为沿x 方向的扫描速度。可知，非重叠区域内任一点收到的曝光剂量相同。对于重叠区域，图2 4 中的三角形区域( 如a - k c 和d e f ) 被重复扫描，为了更好的说明重叠区域的扫描情况，我们参照图2 4 ，对于三角形区域内任何一点( 例如图2 - 4 中虚线l 上的点) ，当印制板沿x 方向移动时，被扫过的位移为l 3 + l 4 ，扫描的时间为：，一燃lv 。返回沿x 负方向扫描时，扫过的位移为l 2 + l 3 + l 4 + l 5 ，扫描的时间为：f ：= 墨d 学，因此总的扫描时间：1 ，t，e | p u 。u hoj o j0 1 r = + ，2 =墨! 量牟垒刍生生：刍刍垒刍刍刍鬈鬈鬈在图2 4 中由几何关系不难证明l s = l ! ，l 4 = l 6 ，上式就可化为f ：刍刍垒刍生刍= 刍刍垒刍刍生：鬈匕因此在重叠区域任一点收到的曝光剂量为：i d匕厶一qe 一么i i嘭：只百佻=比鹏广东i 丁业大学一r 学硕十学位论文所以重叠区域与非重叠区域任一点收到的曝光剂量完全相同，由此可以得出整块板上任一点收到曝光剂量完全相同的结论。即使控制系统稍有误差：相邻两次扫描之间有问隔或者重叠时，如图2 5 h 所示，其影响也是微乎其微的，不会影响整块板上的曝光均匀性。图2 5 接缝误差对均匀性影响f i g 2 5t h ee f f e c to fu n i f o r mi ns t i t c h i n ge r r o r s1 4第= 章移动t 作台的设“研究第三章移动工作台的设计研究3 1x - y 移动工作台x y 移动工作台的结构示意罔如图3 - 1 所示图3 _ l 工作台示意图f i g 31d i a g r a mo fx - yt a b l e移动工作台是实现平面x ，y 坐标运动的典型部件。能分别沿x 向和y 向移动的工作台称为x y 移动工作台。其工作原理是x 、y 轴均采用伺服电机驱动，通过滚珠丝杠传动后，带动工作台做x _ y 向的运动。x _ y 移动工作台是光刻机的核心部件之一，其运动精度直接影响光刻机的分辨力，速度和加速度直接影响光刻机的工作效率。如图3 1 所示，工作台由两个互相独立的、互为垂直的导向导轨、传动系统及工作台面等组成。其中x 向工作台安装于y 向工作台的工作台面上，由y 向工作台带动其作y 向作步进运动；x向工作台通过电机驱动在y 向工作台上做匀速往返运动。根据六边形无接缝扫描技术要求，x 向工作台在x 向扫描距离5 5 0 m 要求匀速运动，而y 向工作台要求步进3 7 5 m 实现5 朋l 定位精度。为保持高刚度和无闻隙连接，一个台适的预载荷施加在滚珠丝杠和滚动导轨上。伺服电机与滚珠丝杠之间采用刚性联轴器直接连接。定位机构由定位销与对准机构组成，用于固定掩模板和印制板。广东i 业大学i 学硬学位论文3 2 移动工作台的机械结构设计本课题设计研究的p c b 激光投影成像曝光机，采用1 ：1 的投影系统，故掩模板与印制板面积相等，且x 向移动平台靠近激光器照射位置一边的镂空面积为5 5 0 m m x 6 5 0 m m ，用于激光透射掩模板。平台对称位置用于放置相等面积的印制板。由于激光投影成像系统的入射透镜与出射透镜距离设计为5 5 5 1 r a m ，故掩模板与印制板距离应为51 m m 。y 向移动平台为减轻伺服电机负担提高定位精度，在保持刚度的同时尽量镂空以减轻重量。具体规格如图3 - 2所示。一5 0n_ s 。mr h 厂譬雾蠹。簿j8一熬“_i i謦。i 参童? 曩| ?5 0 m m磐薯蠢j ，矧i 鏊攀隧i 鬻蘩辇萋。豢? 警蠢薹一li麓?j。? 童- tl =j |一t0图3 - 2 工作台规格示意图f i g 3 - 2 b l o c kd i a g r a m o f x - y t a b l e精密工作台要求工作台具有小质量、高刚度和低热变形。因此工作台的材料选择应遵循如下原则：低热传导率、低线膨胀系数、弹性模量大，还有防锈性能好。目前传统工作台的材料仍然为普通钢材，但是其热导率与线膨胀系数大，使得工作台的性能受到影响。为了降低热变形的影响，我们在材质上采用低热膨胀的殷钢。殷钢不仅线膨胀系数很低( 比铸铁低一个数量级) ，而且防锈性能、刚度、强度也非常好。3 3 移动工作台关键参数的计算研究本课题研究的激光投影成像系统，采用六边形无接缝扫描技术眦“。在掩模板与印制板上六边形区域，它们大小相等且掩模板与印制扳固定在同一平台上，因此掩模板与印制板的扫描速率也相等。其扫描原理与路径示意图如图2 - 3 所示，假设掩模扳以速度h 沿水平向左的方向作扫描运动，相当于六边形的照明区域第三章移动t 作台的设计研究以v x 沿相反方向作扫描运动，扫到末端再向下移动1 5 i k 的位移，到达图示所示的位置，然后再沿相反的方向扫描运动，到达末端再往下移动1 5 i k 的位移，再扫描，如此反复，直到整块板被完全扫描完为止，其扫描路径为一倒“s 型。采用六边形无接缝扫描技术，即使垂直方向移动位移稍有误差，对像面曝光均匀性的影响也是微乎其微，完全可以互略不计。扫描系统参数的关系推导如下：六边形的宽度l = 3 厶( 1 )其中，i k 为六边形的边长。六边形的面积a = 1 5 3 厶2( 2 )六边形宽度被扫过的时间乞：生：亟3 其中，1 ，为扫描速度。在这段扫描的时间内，激光发出的脉冲数：儿：垃4 吃其中，厂为激光重复频率。激光发出的脉冲数与印制板上激光脉冲能量密度e s 和印制板上总的曝光剂量热的关系由n e s = d s 来确定，则g s 等= 。又= 圪叩= 气砌= 巳= a e s f( 6 )其中，乞为激光的平均功率，只为到达印制板时激光的平均功率，气为激光脉冲能量，巳为到达印制板时激光脉冲能量，r 为激光传送到印制板上的效率。把( 2 ) 、( 5 ) 式代入( 6 ) 式得p s = 1 5 厶珐匕( 7 )则v 。：墨：j 址：上盟( 8 )1 s i k d s、5 ik d s1 5 lk d s1 7广东工业大学工学硕十学位论文当印制板上的曝光剂量达到抗蚀剂的曝光剂量要求时，抗蚀剂才发生化学反应。因此上式中的d 。可看成是抗蚀剂的曝光剂量，为1 0 0 r n j c m 2 。对于准分子激光投影成像，在掩模板投影技术中，由激光输出至掩模板平面上的传动效率约为5 0 ，掩模板传送效率约为9 0 ，投影物镜至印制板的传送效率约为8 0 ，可以得知由激光输出至印制板上的传送效率约为r = 3 6 。根据所采购的准分子激光器技术指标，其输出的脉冲能量e ：= 1 0 0 m , ，重复频率f = 8 0 h z 。故n ：上盟：j 业坐型垫塑乓：7 6 舰所几v=二一=一=，n，玎，t，譬41 5 ，。n1 5 2 5 m m x l o o m j c m 2从( 8 ) 式可以看出，在效率一定的情况下，扫描速度与六边形边长、抗蚀剂的曝光剂量成反比关系，与激光输出功率成正比关系。对于印制板上任何一点，在六边形扫过的时问内应至少有一个激光脉冲，因此n 1 ，即：九：垃l( 9 )匕于是v x 必须满足以下关系：匕也厂：历2 5 m m 8 0 h z ：3 4 6 4 m m s( 1 0 )即计算所得的移动平台x 向扫描速度v ，满足抗蚀剂曝光要求，且其必须小于等于7 6 8 m m s 。为提高投影光刻机生产效率，我们把移动平台x 向扫描速度定为7 5 m m s 。准分子激光器出射激光束经过扩束准直系统、复眼透镜组、聚光镜组后，激光束被整形成具有照明均匀性的六边形光斑，且其边长为2 5 m m 。根据六边形无接缝扫描技术要求，计算出y 向工作台步进距离为w = 1 5 五= 1 5 x 2 5 m m = 3 7 5 m m因激光投影成像技术要求达到的光刻分辨率为1 0 t m ，综合考虑传动系统、导向系统等误差，y 向移动工作台步进误差须控制在5 所。3 4 链接系统设计移动工作台采用交流伺服电机驱动，电机轴直接与滚珠丝杠轴颈相联。这种联接方式的优点是非常明显的，不仅可以省去复杂的减速机，简化机械设计和加工，而且还可以避免由减速系统引起的空程、弹性回程等非线性环节，简化控制1 8第三章移动1 = 作台的设计研究系统设计，保证运动信号的变换精度。但直接联接的方式，大大地增加了机构对同轴度的要求，而且在z 轴方向上，电机的径向高度也大于丝杠中心线的高度。因此，在联接系统中，额外设计了一个带定位圈的圆形联接板。定位圈与电机定位环采用h 7 h 7 过渡配合，首先进行一次定位；再设计一个以铝合金为材料、在径向和轴向上都带有一个开槽的联轴器，进行二次定位( 如图3 3 所示) 。通过调整电机轴、联轴器、丝杠轴颈的相对位置，保证安装同轴度，降低对零件加工精度的要求。电机直接联接丝杠的驱动方式如图3 - 4 所示。图3 3 联接系统示意图f i g 3 3d i a g r a mo fl i n k w o r k1 一电机；2 一联接板；3 一联轴器；4 一固定板；卜丝杠轴颈工作台图3 4 驱动方式f i g 3 4 t a b l ed r i v e1 9广东j r 业大学工学硕十学位论文3 5 导向系统设计直线运动单元的导轨是用来支撑工作台的重量以及工作载荷，减少运动的摩擦阻力，并对工作的运动起导向作用。直线运动单元的精度和使用寿命很大程度上取决于导轨的质量。直线运动单元的导轨应满足刚度高、抗震性好、灵敏度高、耐磨性好、精度保持性好等基本要求。直线运动单元常用的导轨，按其接触面间的摩擦性质的不同，可分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨三大类。各类导轨的特点及应用如下：一、滑动导轨滑动导轨是基本导轨，其他类型的导轨都是以它为基础而发展起来的，主要具有以下特点：( i ) 结构简单，制造容易，维护简便，成本低；( 2 ) 刚度高、减振性和阻尼性；( 3 ) 摩擦系数大、磨损快、使用寿命短、低速易产生爬行。滑动导轨广泛应用于对低速均匀性及定位精度要求不高的机床中。二、静压导轨在导轨的油腔中通入具有一定压强的润滑油，就能使导轨微微抬起，在导轨面间充满润滑油所形成的油膜，使导轨处于纯液体摩擦状态，这种导轨就是静压导轨。主要具有以下特点：( 1 ) 没有磨损，精度保持性好；( 2 ) 油膜较厚，有均化误差的作用，可以提高精度；( 3 ) 摩擦系数很小，大大降低传动功率，减少摩擦发热；( 4 ) 低速移动准确、均匀，运动平稳性好；( 5 ) 静压油膜具有吸振作用；( 6 ) 制造复杂、需要一套可靠的供油系统和回油系统、调试麻烦，经常维修，但工作量小。静压导轨多用于大、重型机床、数控机床、精密机床、仿形机床导轨。三、滚动导轨在导轨面之问放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦具有滚动摩擦性质，这种导轨称为滚动导轨。滚动导轨具有以下特点：第三章咎动工作台的设计研究( 1 ) 摩擦系数小( o 0 0 3 一o 0 0 5 ) ，运动灵敏度高；( 2 ) 动静摩擦系数很接近，低速运动平稳性好，不易发生爬行；( 3 ) 精度高，定位精度可达o t 一0 2 恤n ，重复精度可达o i p m ：1 4 ) 牵引力小，移动轻便：( 5 ) 磨损小，精度保持性好，寿命长：( 6 ) 润滑系统简单，维修方便：( 7 ) 结构比较复杂，制造比较困难，成本比较高；( 8 ) 抗振和抗冲击能力差，对灰尘屑末比较敏感，必须有鬼好的防护装置。滚动导轨以滑块和导轨间的滚动体的滚动来代替滑动接触，滚动体可以借助反向器在滚道和滑块内实现无限循环。基于结构上的特点，与滑动导轨和静压导轨相比，它具有卓越的特点和优良的使用性能。滚动导轨按滚动体形式不同分为；滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等。按结构形式，滚动导轨又可分为滚动直线导轨副和滚动导轨块。其中滚动直线导轨副承载能力大，刚度高，本身制造精度很高，而对安装基面要求不高，安装、调整都很方便。滚动直线导轨副由专业厂生产，已经系列化，模块化，有各种规格形式供用户选用。近年来，数控机床，特别是高速机床的直线运动单元越来越多的采用专业生产制造的滚动直线导轨副。轨道图3 - 5 滚动直线导轨副结构f i g 3 5c o n s t r u t i o no fh a l ll i n e a rg u i d e w a y滚动直线导轨副一般由导轨、滑块、滚动体和保持架等组成。滚动直线导轨副的结构和工作原理