姜 旭，楊 絮，劉 紅，胡 俊，王英志

基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄MD無(wú)掩模光刻拼接誤差校正

姜 旭*，楊 絮*，劉 紅，胡 俊，王英志

長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000

在DMD光刻設(shè)備中，由于機(jī)械裝調(diào)產(chǎn)生的機(jī)械誤差導(dǎo)致曝光圖像間產(chǎn)生拼接誤差，進(jìn)而造成曝光圖像出現(xiàn)錯(cuò)位、交疊等問(wèn)題。為了消除DMD在大面積曝光過(guò)程中的曝光誤差，對(duì)誤差校正方法進(jìn)行研究。首先，利用顯微鏡對(duì)曝光后的基板進(jìn)行測(cè)量得到曝光誤差。然后，在曝光誤差的基礎(chǔ)上建立誤差模型。最后，根據(jù)誤差模型提出了基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄MD光刻系統(tǒng)誤差校正的方法，該方法有別于目前已有的誤差校正方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在微米級(jí)圖像曝光過(guò)程中，曝光誤差減少了80%以上，DMD曝光中心偏移距離由175 μm減少為21 μm。有效提高曝光圖像的拼接精度，滿(mǎn)足對(duì)大面積曝光圖像的高質(zhì)量、高精度等要求。

DMD光刻；DMD大面積曝光；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；傾角誤差

1 引 言

數(shù)字光刻技術(shù)是PCB制板的核心技術(shù)，隨著布線密度增加、蝕刻線寬減小，高精度PCB板對(duì)光刻技術(shù)和光刻系統(tǒng)提出了更高的要求，所以提升數(shù)字光刻系統(tǒng)的精確度具有一定意義[1-3]。

數(shù)字微鏡器件(Digital micromirror device，DMD)為數(shù)字光刻技術(shù)中的關(guān)鍵器件，本文使用的DMD單元像素尺寸為13.68mm′13.68mm，并且具有填充比高、響應(yīng)速度快和對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)，所以基于DMD的無(wú)掩模光刻技術(shù)可以曝光出微米級(jí)甚至納米級(jí)的圖案[4-6]。但在電路板大面積曝光過(guò)程中，由于光刻機(jī)本身存在著機(jī)械誤差，尤其是傾角誤差，導(dǎo)致大面積曝光的PCB存在圖像錯(cuò)位問(wèn)題[7]。所以減小傾角誤差的影響將有效提高曝光精度。

根據(jù)目前可查文獻(xiàn)，傾角誤差校正方法還鮮有研究。減小傾角誤差通常采用打表工藝，即使用千分表調(diào)整曝光平臺(tái)和DMD的位置關(guān)系，但使用千分表僅可以對(duì)DMD的位置進(jìn)行粗調(diào)，調(diào)整精度受限于千分表精度和操作人員的操作精度，調(diào)整微米級(jí)的誤差難度較大，因此大面積曝光后的效果并不好；2017年，熊崢提出了圖像預(yù)處理的方法補(bǔ)償誤差[8]，即在曝光前對(duì)輸入至DMD的圖像采用反向位移的方法進(jìn)行預(yù)處理。該方法在曝光一次之后測(cè)出誤差與理想誤差的距離，再根據(jù)誤差距離，向誤差偏移的相反方向調(diào)整原始圖像，使調(diào)整距離等于誤差距離，從而完成對(duì)偏移圖像的校正。該方法在曝光之前需要對(duì)每一幅圖像進(jìn)行預(yù)處理，在大面積曝光時(shí)，預(yù)處理的工作量會(huì)大大增加，因此該方法存在曝光效率低的問(wèn)題。

針對(duì)以上方法存在的問(wèn)題，本文從全新的角度提出一種利用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)校正傾角誤差的方法，無(wú)需對(duì)曝光圖像進(jìn)行處理，可以節(jié)約圖像預(yù)處理的時(shí)間，提高曝光精確度和曝光效率。

2 數(shù)字光刻系統(tǒng)

數(shù)字光刻技術(shù)，即基于空間光調(diào)制器的光刻技術(shù)，是由傳統(tǒng)的光刻技術(shù)衍生而來(lái)，其曝光原理與傳統(tǒng)的投影光刻技術(shù)較為相似。將所需曝光的圖案逐幅輸入空間光調(diào)制器中，空間光調(diào)制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)掩模，再結(jié)合投影曝光系統(tǒng)，把最終圖案轉(zhuǎn)移到基板上完成曝光[9]。

根據(jù)DMD數(shù)字光刻技術(shù)構(gòu)建出一套完整的DMD數(shù)字光刻系統(tǒng)，圖1是數(shù)字光刻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，首先由激光器發(fā)出功率為3 W、波長(zhǎng)為405 nm的曝光光束，光束穿過(guò)透鏡組，其中包括準(zhǔn)直透鏡和勻光管等，目的是得到均勻、尺寸合適的矩形光斑。光斑在反射鏡反射后投影在DMD上，DMD控制微鏡偏轉(zhuǎn)得到曝光圖像。為了將曝光圖像縮小并在曝光平面上成像，通常在曝光基板和DMD間加入會(huì)聚透鏡。經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡后，完成圖像在基板上曝光。在完成一次曝光后，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)一定距離，DMD所顯示的圖像刷新一次，再次進(jìn)行曝光，重復(fù)以上步驟即可完成大面積曝光。

圖1 數(shù)字光刻系統(tǒng)示意圖

為了將曝光圖形縮小并在曝光平面上成像，通常在DMD曝光系統(tǒng)中需要一級(jí)或者多級(jí)微縮[10]。利用會(huì)聚透鏡可以實(shí)現(xiàn)圖形微縮，其縮微倍率決定每個(gè)像素尺寸和DMD上圖形的成像。本文使用的曝光器件是基于DLP架構(gòu)的DMD，其每個(gè)像素單元的尺寸為13.68mm′13.68mm。因此，在不考慮光學(xué)像差和衍射等條件的情況下，像方分辨率為

其中：表示會(huì)聚透鏡的縮放倍率，表示縮放前每個(gè)像素單元尺寸，*表示縮放后每個(gè)像素單元的尺寸。

3 傾角誤差校正方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

在光刻系統(tǒng)的裝調(diào)過(guò)程中，難以保證DMD的行方向與平臺(tái)的掃描方向裝調(diào)一致，二者存在一定的夾角，即傾角誤差，這種誤差使圖像在大面積曝光時(shí)產(chǎn)生位置錯(cuò)動(dòng)，造成曝光圖像間出現(xiàn)錯(cuò)位問(wèn)題，嚴(yán)重影響圖像曝光效果，需要進(jìn)行修正。

圖2(a)為不平行性誤差示意圖。以運(yùn)動(dòng)平臺(tái)掃描方向建立全局坐標(biāo)，以DMD像素中心建立局部坐標(biāo)系￠￠￠，方向?yàn)槠脚_(tái)掃描方向，DMD與平臺(tái)掃描方向存在夾角，為一個(gè)DMD像素單元的尺寸。

圖2 (a) 不平行性誤差的示意圖；(b) 曝光過(guò)程中傾角誤差的示意圖

圖2(a)是系統(tǒng)在曝光之前的示意圖，在曝光過(guò)程中，平臺(tái)每次運(yùn)動(dòng)距離后，DMD曝光一次。將圖2(a)方框中內(nèi)容放大，平臺(tái)移動(dòng)距離，得到圖2(b)曝光過(guò)程中的傾角誤差示意圖。圖2(b)中實(shí)線方格表示DMD的某像素位置，該像素曝光后，平臺(tái)將移動(dòng)距離再曝光一次。理想情況下該像素應(yīng)該從位置1移動(dòng)到位置3進(jìn)行曝光，但因傾角誤差的影響，實(shí)際測(cè)試中DMD沿平臺(tái)掃描方向，即軸正方向移動(dòng)距離，則該像素被移動(dòng)到位置2，導(dǎo)致出現(xiàn)曝光圖像錯(cuò)位的問(wèn)題。

圖2(b)中點(diǎn)是位置1的中心，點(diǎn)是位置3的中心，也就是點(diǎn)移動(dòng)后的理想位置。點(diǎn)是位置2的中心，即點(diǎn)移動(dòng)后的實(shí)際位置，、兩點(diǎn)分別是點(diǎn)在平臺(tái)坐標(biāo)系和DMD坐標(biāo)系￠￠￠上縱軸的投影，由圖2(b)可以清晰看出每次移動(dòng)DMD，像素中心都會(huì)沿的方向偏移。偏移距離為

在假設(shè)已知誤差?yuàn)A角的情況下，根據(jù)圖2(b)像素間的邊角關(guān)系，通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：和表示在平臺(tái)坐標(biāo)系上當(dāng)前曝光位置到下一次曝光理想位置需移動(dòng)橫軸和縱軸的距離，*表示單個(gè)像素的大小。

得到和后，在平臺(tái)每次運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制橫軸移動(dòng)，縱軸移動(dòng)，這樣可以將像素從位置1移動(dòng)到位置3，有效避免因傾角誤差造成的問(wèn)題，提高曝光精確度。

3.2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ｕ椒?/h3>

根據(jù)上述DMD光刻技術(shù)原理及傾角誤差產(chǎn)生原理，本文針對(duì)曝光圖像錯(cuò)位的問(wèn)題，提出基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬A角誤差校正方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖3為實(shí)驗(yàn)步驟示意圖。

由于每個(gè)像素單元的尺寸較小，會(huì)增加測(cè)量難度，所以本實(shí)驗(yàn)采用步進(jìn)式曝光方式，即每次移動(dòng)一個(gè)DMD的尺寸再曝光，可以提高測(cè)量精度[11]。

首次曝光實(shí)驗(yàn)為了得到存在傾角誤差的圖像，在DMD上使用井字型圖案進(jìn)行曝光可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)得到方向和方向上的誤差?yuàn)A角。圖4以方向?yàn)槔郎y(cè)量誤差?yuàn)A角，圖形中線段是DMD的行方向，曝光兩次圖形后同一點(diǎn)的連線是平臺(tái)的掃描方向。這兩條線的夾角是誤差?yuàn)A角，如圖4中兩條紅線的夾角所示。

首先根據(jù)像方分辨率的公式計(jì)算每個(gè)像素單元的尺寸：

圖3 曝光實(shí)驗(yàn)步驟示意圖

圖4 角度測(cè)量示意圖

DMD的分辨率是1024′768，在得到誤差?yuàn)A角后可以利用傾角誤差校正方法求出D和D的數(shù)值：

得到誤差校正參數(shù)后，另取一塊基板，對(duì)圖像進(jìn)行第二次曝光實(shí)驗(yàn)，除誤差校正參數(shù)外，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)與首次曝光實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致，可達(dá)到誤差校正的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)使用分辨率為1024′768的DMD、精度為3mm的大理石平臺(tái)以及型號(hào)為BL-SC1600的顯微鏡。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，DMD表面光束功率為200 mW，曝光時(shí)間為7 s，顯影時(shí)間為5 min。

第一次曝光實(shí)驗(yàn)的曝光圖案如圖5所示，對(duì)該圖案進(jìn)行3′3的大面積曝光，曝光結(jié)果如圖6所示，曝光圖形的整體線路較清晰，但圖案連接處的誤差較明顯，需要對(duì)誤差?yuàn)A角做進(jìn)一步測(cè)量并校正。使用BL-SC1600顯微鏡放大誤差位置，并在軟件上手動(dòng)標(biāo)定誤差位置，可以測(cè)出誤差?yuàn)A角。圖7為測(cè)量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)使用縮放倍數(shù)為2.2的會(huì)聚透鏡，根據(jù)像方分辨率的公式進(jìn)行計(jì)算：

在得到誤差?yuàn)A角后，可以利用傾角誤差校正方法求出D和D的數(shù)值：

其中：DMD投影在基板上的每個(gè)像素大小為6.218mm，所以平臺(tái)每次運(yùn)動(dòng)橫軸移動(dòng)長(zhǎng)度為6.364 mm，縱軸移動(dòng)長(zhǎng)度為0.148 mm，即可以完成對(duì)傾角誤差的校正。

得到誤差校正參數(shù)后，另取一塊基板，對(duì)圖像進(jìn)行第二次曝光實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。對(duì)首次曝光實(shí)驗(yàn)和二次曝光實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量位置為圖9中標(biāo)號(hào)的位置，其中③～⑧位置測(cè)量軸方向的誤差?yuàn)A角，其余位置測(cè)量軸方向的誤差?yuàn)A角，測(cè)量結(jié)果如表1所示。首次曝光誤差傾角均值是1.860°、方差是0.045，經(jīng)過(guò)傾角誤差校正后，誤差均值為0.235°，方差為0.007，平均縮減率是89%。首次曝光的中心偏移距離均值為0.175 mm，經(jīng)過(guò)校正后中心偏移距離均值為0.021 mm。對(duì)校正后的誤差進(jìn)行分析，該誤差主要與光刻膠性能、曝光時(shí)間、顯影時(shí)間等多方面工藝因素有關(guān)，為進(jìn)一步提高精度可以提高工藝水平。

圖5 曝光圖案示意圖

圖6 大面積曝光結(jié)果

圖7 誤差測(cè)量結(jié)果

圖8 校正后曝光實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 校正后大面積曝光結(jié)果

表1 多次曝光校正前后對(duì)比

5 結(jié) 論

本文提出了基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄MD光刻系統(tǒng)傾角誤差校正的方法，論證了傾角誤差校正方法的可行性，并通過(guò)實(shí)際曝光實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)表明：傾角誤差在進(jìn)行校正之后總體減少了89%，該方法相比于千分表校正的方法提高了曝光精確度，相比于圖像預(yù)處理方法改善了實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度和實(shí)驗(yàn)效率。

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DMD maskless lithography stitching error correction based on motion compensation

Jiang Xu*, Yang Xu*, Liu Hong, Hu Jun, Wang Yingzhi

Electronic Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Jilin, Changchun 130000, China

Schematic diagram of the inclination error during exposure

Overview:Digital lithography is the core technology of PCB board. As the wiring density increases and the etch line width decreases, high-precision PCB boards place higher demands on lithography systems. Digital micromirror device (DMD) is a key component in digital lithography. The DMD unit used in this paper has a pixel size of 13.68 μm×13.68 μm and has the advantages of high filling ratio, fast response and high contrast. Mask lithography can expose micron or even nanoscale patterns. In the large-area exposure process, since the size of the PCB board is much larger than the size of the DMD, in order to obtain a high-precision PCB board, it is necessary to improve the stitching precision of the exposed image. But for the DMD lithography equipment, due to the exposed images joint errors which caused by mechanical loading errors, problems such as misalignment and overlap of the exposed images may arise. After the pixel is exposed, the platform will re-exposure the moving distance. Ideally, the pixel should be moved from position 1 to position 3 for exposure due to tilt error. The effect, in the actual test, the DMD moves along the platform scanning direction, that is, the-axis positive direction moves a certain distance, then the pixel is moved to the position 2, resulting in the problem of misalignment of the exposed image. In order to eliminate the exposure error of DMD during large-area exposure, the error correction method was studied. Firstly, the exposure error was got by measuring the exposed substrate with a microscope. Then, an error model was established based on the known exposure error. Finally, an error correction based on motion compensation for DMD lithography system was proposed based on the error model. After measuring the tilt error, the method calculates the-axis offset of the image by using the triangular relationship, and then realizes the error compensation through the platform motion. The experimental results show that during the micron image exposure process, the exposure error is reduced by more than 80%, and the DMD exposure center offset distance is reduced from 175 μm to 21 μm. The stitching accuracy of the exposed image is improved effectively, which meets the requirements for high quality and high precision of large-area exposure images.

Citation: Jiang X, Yang X, Liu H,DMD maskless lithography stitching error correction based on motion compensation[J]., 2020, 47(6): 190387

DMD maskless lithography stitching error correction based on motion compensation

Jiang Xu*, Yang Xu*, Liu Hong, Hu Jun, Wang Yingzhi

Electronic Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Jilin, Changchun 130000, China

For the digital micromirror device (DMD) lithography equipment, due to the exposed images joint errors which caused by mechanical loading errors, problems such as misalignment and overlap of the exposed images may arise. In order to eliminate the exposure error of DMD during large-area exposure, the error correction method was studied. Firstly, the exposure error was got by measuring the exposed substrate with a microscope. Then, an error model was established based on the known exposure error. Finally, an error correction based on motion compensation for DMD lithography system was proposed based on the error model. This method is different from the existing error correction method. The experimental results show that during the micron image exposure process, the exposure error is reduced by more than 80%, and the DMD exposure center offset distance is reduced from 175 μm to 21 μm. The stitching accuracy of the exposed image is improved effectively, which meets the requirements for high quality and high precision of large-area exposure images.

DMD lithography; DMD large area exposure; motion compensation; inclination error

TN29

A

10.12086/oee.2020.190387

: Jiang X, Yang X, Liu H,. DMD maskless lithography stitching error correction based on motion compensation[J]., 2020,47(6): 190387

姜旭，楊絮，劉紅，等. 基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄MD無(wú)掩模光刻拼接誤差校正[J]. 光電工程，2020，47(6): 190387

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* E-mail: 273944219@qq.com; Ibaomi@cust.edu.cn

2019-07-05；

2019-08-15

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20170204053GX)

姜旭(1996-)，男，碩士研究生，主要從事激光印刷技術(shù)的研究。E-mail：273944219@qq.com

楊絮(1980-)，女，博士，副教授，主要從事數(shù)字圖像處理方面的研究。E-mail：Ibaomi@cust.edu.cn