（物理电子学专业论文）印刷电路板的激光投影光刻的照明系统研究.pdf

摘要 摘要 随着印制电路板向大面积、高密度的方向发展，我们需要更高品质 的p c b 激光投影光刻的照明系统以适应高分辨率和高品质p c b 板的制造。 传统照明系统如柯拉照明、棱镜法、反射镜法的输出均匀性已经不能满 足需要；另外一些照明系统如复眼式和万花筒式的结果也不能适用更小 波长的准分子激光器因此本文就可用于大面积、高密度p c b 的激光投影 光刻的照明系统进行了研究。 针对目前我们研究的适用于大面积、高精度、高产量的p c b 激光投 影曝光机，在充分考虑了基板面积、扫描速度、六边形边长以及底板的 承受能力的情况下，选用了适合常规抗蚀剂的曝光的2 4 8 n m 波长的k r f 准分子激光器作为光源，其平均功率大小约为8 6 w ，重复频率3 0 0 h z ， 脉冲能量为2 8 7 m j ，对于面积为2 0 0 m m 2 5 0 m m 的板理论上曝光时间可 以达到16 8 s ，曝光速度可以达到3 0c m 2 s ，并选用1 ：1 的放大倍率、 分辨率为5 5 3 u m 和数值孔径为0 0 3 折叠式的投影系统作为匹配，可以 实现高效率、高产量的p c b 曝光。 照明系统是投影光刻机的关键部件，要求具有很好的照明均匀性， 且能量利用率高，其性能直接影响到光刻机的蚀刻图形的质量。如果照 明不均匀，将导致光刻出来的线条粗细不均匀，整块板上的分辨力不一 致，或有断线等，这在生产过程中是不允许的。因此在新波长、新的均 匀性要求下，本文基于照明系统的原理分别设计了复眼式和万花筒式的 照明系统，模拟出的均匀性、能量利用率和数值孔径均满足要求，并对 影响其照明均匀性的因素进行了分析。 本文还研究了准分子激光的空间部分相干参数卢对照明系统的影响 进行了理论分析和计算机模拟，得出相应的衍射图像并进行了分析。并 介绍在考虑空间部分相干参数卢下的新型的整形系统并进行了相应的理 论分析。 关键词：印制电路板；照明系统；光学整形；复眼；万花筒；准分子激 光；光学设计；空间相干参数卢；高斯光束；柯林斯公式；衍 射光学；z e m a x ；m a t l a b a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tp c bi sd e v e l o p i n gt ol a r g ea r e a ，i l l u m i n a t i o ns y s t e m o fh i g hq u a l i t yf o rl a s e rp r o je c t i o ni m a g i n gl i t h o g r a p h yo fp r i n t e dc i r c u i t b o a r di sn e e d e dt oa d j u s tt om a n u f a c t u r et h eh i g hr e s o l u t i o na n dq u a l i t y p c b t h eh o m o g e n e i t yo ft h eo u t p u t l i g h to ft h et r a d i t i o n a li l l u m i n a t i o n s y s t e ms u c ha sk o h l e ri l l u m i n a t i o n 、s q u a r em i r r o ra n dr e f l e c t i n gm i r r o rc a n t m e e tt h en e e d ；o t h e ri l l u m i n a t i o ns y s t e ms u c ha s f l y se y ea n dl i g h tg u i d e c a n tm a t c hal o w e rw a v e l e n g t he x c i m e r ，s ot h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ho nt h e i l l u m i n a t i o ns y s t e mf o rt h el a r g ea r e a ，h i g hd e n s i t yl a s e rp r o je c t i o ni m a g i n g l i t h o g r a p h yo fp r i n t e dc i r c u i tb o a r d t ot h el a r g ea r e a ，h i g hd e n s i t y ，h i g ho u t p u tp c bl a s e rp r o je c t i o n l i t h o g r a p h ym a c h i n et h a tw es t u d ya tp r e s e n t ，u n d e rt h ec o n d i t i o nh a v i n g c o n s i d e r e ds u b s t r a t ea r e a ，s c a n n i n gs p e e d ，t h eh e x a g o nl e n g t ho fas i d ea n d t h em a s kb e a r i n gc a p a b i l i t y s u f f i c i e n t l y ，c h o s eak i n d o fe x c i m e rl a s e r w h o s ew a v e l e n g t hi s2 4 8 n ma si t ss o u r c e i t sa v e r a g ep o w e ri s 8 6 w ， r e p e t i t i o nf r e q u e n c yi s3 0 0 h z ，p u l s ee n e r g yi s2 8 7 m j e x p o s u r et i m er e a c h 1 6 8 sa n de x p o s u r e s p e e dr e a c h3 0 c m 2 s f o ra2 0 0 m m x 2 5 0 m mb o a r d a l s o ，c h o s et h el a s e rp r o j e c t i o nl i t h o g r a p h ys y s t e mw h o s em a g n i f i c a t i o n 、 r e s o l u t i o na n dn u m e r i c a la p e r t u r ea r e1 ：1 、 5 5 3 u ma n do 0 3a st h em a t c h s y s t e m s oh i g hs p e e d 、h i g ht h r o u g h p u tp c be x p o s u r ec a nb er e a l i z e d t h ei l l u m i n a t i o ns y s t e mi sak e ye q u i p m e n t ，a n dd e m a n dt oh a v et h e v e r yg o o di l l u m i n a t i o nh o m o g e n e i t ya n de n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oh i g h l y ， w h o s ef u n c t i o nh a sd i r e c t i m p a c t t ot h eq u a l i t yo fp h o t o l i t h o g r a p h i c m a c h i n ee t c h i n ga r t w o r k i fu n i f o r mi sw o r s e ，w i l ll e a dt ol i n ei su n e v e n ， r e s o l u t i o nd i s a c c o r d i n g ，o rh a v i n gad i s c o n n e c t i o na n ds oo n t h i si s a i n a d m i s s i b i l i t y i n p r o c e d u r eo fp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，u n d e rt h en e w w a v e l e n g t ha n dd e m a n do ft h eh o m o g e n e i t y ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g nt h e i i i 广东t 业大学工学硕士学位论文 f l y se y ea n dt h el i g h tg u i d ei l l u m i n a t i o ns y s t e mo nt h eg r o u n d o ft h e r a d i c a lp r i n c i p l eo ft h ei l l u m i n a t i o ns y s t e m ，s i m u l a t et h eh o m o g e n e i t y 、t h e e n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oa n dt h en u m e r i c a la p e r t u r eo ft h eo u t p u tl i g h tr e a c h t h er e q u i r e m e n t a l s o ，t h ee l e m e n tw h i c ha f f e c tt h eu n i f o r mi sa n a l y z e d f i n a l l y ，t h e d i s s e r t a t i o n t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d i n f l u e n c et ot h e h o m o g e n e i t yo ft h es p a c i a l c o h e r e n tp a r a m e t e r 卢a n ds i m u l a t e db yt h e c o m p u t e ra sw e l l a st h ed i f f r a c t i o nd i a g r a m a l s o ，t h en e wl i g h tb e a m h o m o g e n i z a t i o nm e t h o dw a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e di nt h ec o n s i d e r a t i o no f t h es p a c i a lc o h e r e n tp a r a m e t e r 卢 k e yw o r d s ：p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ；i l l u m i n a t i o ns y s t e m ；l i g h tb e a m h o m o g e n i z a t i o n ；f l y se y e ；l i g h tg u i d e ；e x c i m e r ：o p t i c a l d e s i g n ；s p a c i a lc o h e r e n tp a r a m e t e rp ；g a u s s i a nb e a m ；c o l l i n s e q u a t i o n ；d i f f r a c t i o no p t i c s ；z e m a x ；m a t l a b i v 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 9 指导教师签字： 论文作者签字： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 目前，电子工业是全世界最大的工业，到2 0 3 0 年，电子产品的全球 销售预计将超过10 0 0 0 0 亿美元。半导体器件、微电子技术是电子工业的 核心，其发展之快，是其他任何技术都比不上的。最新的报道，集成电 路的最小特征尺寸已经达到了9 0 n m ，进入了纳米时代。迄今为止，集 成电路的发展一直遵循in t e l 公司创始人之一g o r d o nem o o r e 预言的规 律：集成电路的集成度每三年增长2 倍，器件的特征线宽每三年缩小到 原值的1 ，2 ，也称摩尔定律。其中，硅片制造阶段是将一整套集成电路永 久刻蚀在裸露的硅片上的过程，集成电路等电子元件，它们之间的互连 都要用到印制电路板( p c b ) 。而光刻被认为是大规模集成电路制造的核 心步骤，把每个晶体管元件越做越小的关键则是先进的光刻技术，新一 代集成电路的出现总是代表当时最先进的光刻技术水平。目前光学投影 曝光光刻已成为大规模集成电路制造的主要光刻手段。而光学投影曝光 光刻包括照明系统和投影系统，照明系统是光学投影曝光光刻的首要条 件，对印制板的设计和制造质量有直接的影响，甚至影响到商业竞争的 成败。 1 1 印制电路的现状与发展展望 目前，我国( 台湾、香港除外) p c b 生产企业约有6 0 0 家，加上设 备和材料厂商共约有10 0 0 家，9 0 以上为中小企业。企业的总体规模是 三资企业占优势，无论是投资规模、生产技术、产量产值都是三资企业 强于一般国有企业和集体企业。我国的印制电路工业主要分布于东南沿 海地区、长江三角洲和珠江三角洲地区，三者相加超过全国总量的9 0 ， 目前长江三角洲与珠江三角洲比值约1 ：2 ，长江三角洲的比重近几年还 会扩大。 我国p c b 产值产量已占世界第三位，确已有了相当的生产计划水平， 广东工业大学硕j ：学位论文 然而与日本和美国相比，尤其是设计和开发研制方面差距很大，我们仍 处于来料加工水平，其主要特点如下： 1 、产品：普通的单面板、双面板和低层数的多层板已达到国际水 平，这些产品在国际市场有优势，生产技术已经成熟，并已实现规模化、 量产化。而9 0 年代中期兴起的高密度互连( h d i b u m ) 板和i c 封装基板， 近两年国内已兴建或扩建数十家企业，产量提升很快，发展势头迅猛。 材料：印制板主要材料覆铜箔层压板国内大量生产，品质上也基本达到 要求。但高性能、高品质的基板，以及环保型绿色基材还仅在试制阶段。 还有生产基材的纸、玻璃布、树脂和铜箔很大部分依靠进口。另外，p c b 制造中许多化学药品与涂料等虽然国内有生产，但在品质性能上与同类 进口产品相比差距很大，只能进口，突出表现在干膜上。 2 、设备：国产的一般专用生产设备基本齐全，只是技术档次较低， 仅能提供普通印制板加工用。对生产规模大、自动化程度高、精密可靠 的设备还是依赖进口。尤其是数控钻床、激光钻机、印刷机、大吨位液 压冲床、压机和检测设备。 3 、环保：对于废液，各地已经开始重视并回收处理，但确保在处 理过程中不产生二次污染，有不少地区还待改进，边角料的固体废料处 理，目前并没有被大多数企业真正重视，对水资源的综合利用还只是起 步。 2 0 0 0 年，是世界印制电路( 电子电路) 发展最为迅速的一年，也是我 国p c b 发展最兴旺的一年。受美国2 0 0 0 年底的泡沫经济影响以及“9 1 1 ” 事件的冲击，2 0 0 1 年，世界p c b 受到很大影响，尤其是美国市场下滑 严重，相比之下我国p c b 行业受影响最小。2 0 0 1 年上半年，尤其是第 二季度，我国p c b 总体下滑近3 0 ，但分布不均。单面板国内订单及欧 洲订单影响不大，最严重的是来自美国的订单或间接销往美国的配套产 品，以多层板、h d i 、大型企业居首。第三季度开始已有回转，第四季 度开始逐渐回升。2 0 0 1 年p c b 成品进出口仍然增长，而且进口增长2 2 ， 说明国内p c b 市场需求量特别是高密度多层板增加幅度很大。行业发展 呈现新特点如下： l 、印制电路产品用途和市场继续扩展。p c b 是电子设备的关键互 2 第一章绪论 连件，任何电子设备均需配备。特别在当前电子信息化中数据处理与通 信设备对p c b 提出了更高标准和更多要求。 2 、印制电路行业领域扩大。印制电路行业从单纯围绕一块电路板 加工向电子电路部件发展，包括电子电路部件组装以及为电子制造服务 ( e m s ) 发展。印制板制造企业会根据客户要求进行电子组装服务等。 3 、印制板产品档次不断提高。目前，普通p c b 对一般电子设备还 是适用的，而新一代的电子设备需要更高密度电路板，适宜整机多功能、 小型化、轻量化要求。主要是要发展多层板、挠性板和高密度互连 ( h d i b u m ) 基板与i c 封装( b g a 、c s p ) 基板。 4 、生产技术进一步提高，为加工高密度电路板，在图形制作、孔 加工和表面涂覆、检测等多方面需采用新的工艺技术，盲埋孔和积层法 会普遍应用。开发新材料适用h d i b u m 板和i c 封装基板，在电气、机 械等方面性能更佳，会大量推出激光和光电自动化新设备。 5 、国家的改革开放政策吸引外资进入中国，外资企业越来越多， 规模越来越大。外资印制板企业普遍在我国各地取得成功，并取得丰厚 回报。因此，有的外资印制板企业在进行二期、三期甚至四期的增资扩 产，并且又有许多新外资公司在中国设立p c b 工厂。印制板制造的骨干 企业将形成以外资企业和合资企业为主，国营企业、集体企业为辅的格 局。 6 、产品市场全球化。通信和效能的发达使地球“变小”，方便了物 资交流。外资企业较熟悉国际市场，规模大的p c b 企业都以国际市场为 主，选择著名电子设备公司为自己的客户确立供应链。再加上中国加入 w t o ，更有利于进入全球市场和参与竞争1 。 我国p c b 电子电路行业在迅速发展壮大，新工艺、新设备、新材 料、新技术不断大量涌入，现在不少企业在扩大生产、提高档次、创建 名牌的过程中，迫切需要大量熟悉本行业的管理技术人才和熟练工人队 伍。( 网站资料) 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 广东工业人学硕十学位论文 技于一体，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3 。 1 2 印制电路工艺 p c b 是英文p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( 印制线路板) 的简称。通常我们 把在绝缘基材上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而 成的导电图形称为印制电路；而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接 的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称 为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。它提供集成电路等各种电 子元器件固定装配的机械支撑，实现集成电路等各种电子元器件之间的 布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性，如特性阻抗等；同 时为自动锡焊提供阻焊图形；为元器件插装、检查、维修提供识别字符 和图形。那么，p c b 是如何制造出来的呢? 我们打开电脑的键盘就能看 到一张软性薄膜( 挠性的绝缘基材) ，上面印有银白色( 银浆) 的导电图 形与键位图形，这种印制线路板称为挠性银浆印制线路板。而在电脑城 看到的各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声卡及家用电器上 的印制电路板就不同了。 它们所用的基材是由纸基( 常用于单面) 或玻璃布基( 常用于双面 及多层) ，预浸酚醛或环氧树脂后，表层粘上一面或两面覆铜簿再层压固 化而成。这种线路板覆铜簿板材，我们就称它为刚性板，如果再制成印 制线路板，我们就称它为刚性印制线路板。单面有印制线路图形的称单 面印制线路板；双面有印制线路图形，再通过孔的金属化进行双面互连 形成的印制线路板，我们就称其为双面板。如果用一块双面作内层、两 块单面作外层或两块双面作内层、两块单面作外层的印制线路板，通过 定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的 印制线路板就成为4 层、6 层印制电路板了，也称为多层印制线路板。 4 第一章绪论 现在已有超过10 0 层的实用印制线路板了h 1 。 p c b 的生产过程较为复杂，涉及的工艺范围较广，从简单到复杂的 机械加工，既有普通的化学反应也有光化学、电化学、热化学等、计算 机辅助设计c a m 等多方面的知识，而且在生产过程中工艺问题很多， 并且会时常遇见新的问题。由于p c b 的生产过程是一种非连续的流水 线形式，因而任何一个环节出问题都会造成全线停产或大量报废，如果 印刷线路板报废就无法回收再利用了。为进一步认识p c b ，我们有必要 了解一下通常单面、双面印制线路板及普通多层板的制作工艺。 单面刚性印制板阳1 ：单面覆铜板一下料一( 刷洗、干燥) 一钻孔或 冲孔一网印线路抗蚀刻图形或使用干膜一固化检查修板一蚀刻铜一去抗 蚀印料、干燥一刷洗、干燥一网印阻焊图形( 常用绿油) 、u v 固化一网 印字符标记图形、u v 固化一预热、冲孔及外形一电气开、短路测试一 刷洗、干燥一预涂助焊防氧化剂( 干燥) 或喷锡热风整平一检验包装一 成品出厂。 双面刚性印制板3 ：双面覆铜板一下料一叠板一数控钻导通孔一检 验、去毛刺刷洗一化学镀( 导通孔金属化) 一( 全板电镀薄铜) 一检验 刷洗一网印负性电路图形、固化( 干膜或湿膜、曝光、显影) 一检验、 修板一线路图形电镀一电镀锡( 抗蚀镍金) 一去印料( 感光膜) 一蚀 刻铜一( 退锡) 一清洁刷洗一网印阻焊图形常用热固化绿油( 贴感光干 膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感光热固化绿油) 一清洗、干燥 一网印标记字符图形、固化一( 喷锡或有机保焊膜) 一外形加工一清洗、 干燥一电气通断检测一检验包装一成品出厂。 贯通孔金属化法制造多层板工艺流程口 ：内层覆铜板双面开料一刷 洗一钻定位孔一贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂一曝光一显影一蚀刻 与去膜一内层粗化、去氧化一内层检查一( 外层单面覆铜板线路制作、 b 阶粘结片、板材粘结片检查、钻定位孔) 一层压一数控制钻孔一孔检 查一孔前处理与化学镀铜一全板镀薄铜一镀层检查一贴光致耐电镀干膜 或涂覆光致耐电镀剂一面层底板曝光一显影、修板一线路图形电镀一电 镀锡铅合金或镍金镀一去膜与蚀刻一检查一网印阻焊图形或光致阻焊 图形一印制字符图形一( 热风整平或有机保焊膜) 一数控洗外形一清洗、 广东t 业大学硕士学位论文 干燥一电气通断检测一成品检查一包装出厂。 多层板工艺是从双面孔金属化工艺基础上发展起来的，它除继承了 双面工艺以外，还有几个独特的内容即：金属化孔内层互连、钻孔与去 环氧钻污、定位系统、层压、专用材料。我们常见的电脑板卡基本上是 环氧树脂玻璃布基双面印制线路板，其中有一面是插装元件，另一面为 元件脚焊接面，而且焊点很有规则，这些焊点的元件脚分立焊接面称为 焊盘。为什么其他铜导线图形不上锡呢? 因为除了需要锡焊的焊盘等部 分外，其余部分的表面有一层耐波峰焊的阻焊膜。阻焊膜多数为绿色， 有少数采用黄色、黑色、蓝色等，在p c b 行业常把阻焊油称为绿油， 其作用是防止波焊时产生桥接现象，提高焊接质量和节约焊料等。它也 是印制板的永久性保护层，起到防潮、防腐蚀、防霉和机械擦伤等作用。 从外观看，表面光滑明亮的绿色阻焊膜，它不但外形美观，更重要的是 其焊盘精确度较高，能提高焊点的可靠性。 我们从电脑板卡可以看出，元件的安装有三种方式哺1 ：一种为传动 的插入式安装工艺，将电子元件插入印制线路板的导通孔里。双面印制 线路板的导通孔有如下几种：单纯的元件插装孔；元件插装与双面 互连导通孔；单纯的双面导通孔；基板安装与定位孔。另两种安装 方式就是表面安装与芯片直接安装。其实芯片直接安装技术可以认为是 表面安装技术的分支，它是将芯片直接粘在印制板上，再用线焊法或载 带法、倒装法、梁式引线法等封装技术互联到印制板上，其焊接面就在 元件面上。从以上的表面安装技术就可以看出，线路板技术的提高是随 芯片的封装技术与表面安装技术的提高而提高的。现在我们看到的电脑 板卡表面的粘装率在不断地上升，实际上，利用传统的网印线路图形已 经无法满足这种线路板的技术要求了，所以普通高精确度线路板，其线 路图形及阻焊图形基本上采用感光线路与感光绿油制作工艺。随着线路 板高密度的发展趋势阳1 们，线路板的生产要求越来越高，越来越多的新 技术应用于线路板的生产，如激光光刻技术，感光树脂等。 从上面的出工艺流程可以看出，制造印制电路板必不可少而且是最 重要的一道工序是曝光，即所谓的光刻技术，下面简单介绍一下常用的 几种光刻技术。 6 第一章绪论 1 3 典型光学曝光光刻技术 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底板和 印制板间的图像转移。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n 。 1 3 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n 纠，曝光时间根据光致抗蚀剂的要求而定，一般为10 - 3 0 秒。而阻焊剂曝光需要较大的曝光强度，通常要求在2 o o 一5 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 3 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正增加了重复时间，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， 7 广东t 业大学硕j i ：学位论文 但不能得到较高的产率n 3 1 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 3 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9 3 副，这与我们通常使用底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。 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 1o m j c m 2 ) 光也需要高强度的激光，阻焊剂通常就对 光强度有较高的要求，因此不能用l d i 成像。 8 第一章绪论 1 4 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，底板和印制板放 置在同一平台的两 侧，以便可以从两个 1 侣p r o j e c t i o nl e n s 除 卜 1sub。ra。e f m a s k lill l il l l l u m i n a t i o ns y s t e ml y 亡习 从全球p c b 生产的年产值来看，l9 9 9 年的年产值约3 0 0 亿美元，到2 0 0 5 9 广东工业大学硕十学位论文 年增长为约6 0 0 亿美元，而其中高密度印制电路板却从19 9 9 年的年产值约 3 0 亿美元到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 年就比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，其中最决定性的技术还是光学技术h 8 4 9 1 ， 通过深入地研究其激光照明系统以及各关键参数的选择问题，寻找 相应技术问题的解决办法，为将来研制激光投影曝光机系统作铺垫，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 增长的支柱产业之一。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。当前美国和日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， 1 0 第一章绪论 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 投影成像技术势在必行。若能以此为契机，再进一步成功地研制l p i 曝光 装置，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。 1 6 国内外研究现状 照明系统也是投影光刻机的核心部分之一，如图1 1 所示，光源发 出的光束经照明系统后照明掩模版上的电路图形复制到硅片表面：对线 宽只有几十至一百多纳米的线条图形进行精确复制，必须要求照明系统 与投影系统协调工作才能实现。照明系统的质量直接影响到投影光刻的 质量，根据投影光刻要求的分辨率确定所需的曝光波段，选取合适的光 源。投影光刻系统的光源，最早采用的是弧光灯，曝光波长经历了由g 线( 4 3 6 n m ) 或是g 线与h 线一起使用到后来的i 线( 3 6 5 n m ) 。目前，一些 对分辨率要求不高的光刻系统中仍然使用弧光灯的i 线作为曝光波长。 随着光刻分辨力的提高，要求更短的波长，如深紫外波段。准分子 激光器在这个波段范围内的发光效率高，光功率大，带宽窄，所以准分 子激光器成为光刻投影系统光源的理想选择。首先选用了x e f 准分子激 光器其输出波长3 51n m ；接着采用k r f 准分子激光器输出2 4 8 n m 的波长 作为曝光光源。由于目前f 2 准分子15 7 n m 激光器的技术还不成熟，现 在多以2 4 8 n m 作为曝光波长，投影物镜采用的曝光波长可能是14 n m 左 右的极紫外光源引。 照明均匀性是投影光刻机的一个重要指标，其性能直接影响到光刻 机的蚀刻图形的质量。如果照明不均匀，将导致光刻出来的线条粗细不 均匀，整块板上的分辨力不一致，或有断线等，这在生产过程中是不允 许的。因此出现了一些提高照明均匀性的方法，主要有： ( 1 ) 采用柯拉照明方式：柯拉照明是保证照明均匀性最基本的 广东工业人学硕f ：学位论文 条件，它是将光源成像在投影物镜的入瞳位置，孔径光阑成像在物面上， 由于照明系统的孔径光阑面具有均匀的照明，将其成像在物面上，物体 也能获得均匀的照明。但是普通的柯拉照明并不是十分完善，特别是在 光刻条件下，其实际所能达到的照明均匀指标远不能满足其使用要求。 ( 2 ) 反射镜法哺2 1 ：当一光强分布近似高斯函数的准平行激光束经过 透镜聚焦到反射镜上，经过一次反射后，其能量分布将发生光束方向的 改变和能量叠加现象，同样经过透镜的反射镜后，光束将再一次叠加。 这样经过多次的光束叠加后，其初始的高斯光束能量分布将被均匀化。 ( 3 ) 安置补偿滤光片哺引：为了提高照明均匀性，可以采用在照明 曝光系统中安置补偿滤光片的方法。一般照明曝光系统中的照明光总是 中心比边缘强，可测量出照明场中心的照度与边缘之差镀制一个中心透 过率比边缘低相应比值的补偿滤光片，安置于接近掩模板的聚光镜片附 近。或在靠近掩模板的聚光镜的面上直接镀制补偿滤光膜。在照明曝光 系统中，若照明均匀性指标要求不是特别高的时候，这种方式是最简单 可行的，尤其对于接触接近式曝光机，甚至可省掉蝇眼透镜。 ( 4 ) 均匀器阳们又叫万花筒：所谓“均匀器实际上就是一个俗称 万花筒的正多边形玻璃棱柱，一边取正六边形的均匀性最好，利用光线 在侧面的多次全反射使具有不同能量的光线最终都能迭加在被照明物面 的同一点，且物面上每一点得到的能量迭加状态基本相同，从而实现了 整个物面光照度的高均匀化。对于需要极高要求的光强时候，往往通过 万花筒堆砌成整列来增加光束的叠加从而令输出光强更加均匀。 ( 5 ) 复眼透镜阵列哺引：利用复眼透镜组能获得很好的照明均匀性， 其主要原因是：复眼透镜组的第一面组合把能量分布不均匀的光通道进 行了分割，从而得到了许多个能量分布相对均匀了的小面积块，将这些 小面积块都成像于掩模板上就得到了能量分布较为均匀的照明。这些小 面积块的像在掩模板上互相重迭，对提高照明均匀性也是非常有利的， 使各个小面积的不均匀情况在掩模板上进行了互相补偿。理论上讲，光 通道上的复眼透镜面越多，也就是光通道被分割得越细，则每个小复眼 透镜光源本身越均匀。但是，如果分割得太细，则每个小复眼透镜的直 径太小，这样每个复眼透镜的长度与直径之比太大，给光学加工带来困 1 2 第一章绪论 难。小复眼透镜的第二个面起场镜的作用，它使所有视场的小复眼透镜 第一面的像都能够重迭在出瞳上，这样不仅提高了照明场的均匀性，而 且缩小了照明场边缘不均匀带的宽度，使能量的利用率得到提高。 根据以上对各种照明形式工作原理的分析可以概括出这样一条规 律：所谓高均匀度照明的实现无非是将能量分布不均匀的宽光束分解成 若干细光束，各细光束全都严格按柯拉原理照明掩模板，由于在细光束 范围内能量分布基本上是均匀的，因而掩模板上能得到均匀的照明，另 外由于各细光束均迭加在掩模板上的相同区域，这就同时实现了照明的 高能量化。 激光投影光刻机是一种对曝光均匀性要求很高的机器，其照明曝光 系统大多采用复眼透镜组和万花筒式方案，这种技术方案也相对比较成 熟。 1 7 研究内容 基于l p i 系统的优越性，我们对其光学系统( 包括照明系统和投影物 镜) 主要是照明系统进行了设计和研究以及对各光学参数进行了分析与 计算 1 、光学参数的选择 ( 1 ) 研究激光投影曝光机的曝光时间与基板面积、扫描速度、六边形边 长、激光器各参数之间的关系。 ( 2 ) 研究激光器的脉冲能量、平均输出功率以及重复频率对均匀曝光的 最佳参数。 ( 3 ) 研究分辨率与数值孔径、曝光波长的关系，以及最佳相干度的选择 问题。 ( 4 ) 研究了万花筒法的照明系统中的光源角跟波导管长的关系，并利用 计算机模拟出相应的光强效果。 广东工业大学硕二l 二学位论文 ( 5 ) 研究激光器的部分相干性对衍射效应的影响，并模拟出l p i 的照明 系统的输出光强图像。 2 、光路系统的优化设计 ( 1 ) 通过分析、计算机模拟，最优化设计由激光光源、聚光镜、扩束准 直镜、复眼透镜等组成的照明系统，使成像照明系统与物镜光路匹 配，出入瞳对应，相干度可调，掩模和印制板表面光强分布均匀。 ( 2 ) 针对准分子复眼式的照明系统的能量利用率低的特点，在柯拉照明 系统的基础上对万花筒法进行研究，计算出光源角跟波长的关系， 并用专业光学软件z e m a x 进行了模拟，得出表面光强均匀分布，并且 除了形状可调之外，均匀性符合光刻要求。 ( 3 ) 通过建立理论模型以及计算机模拟，分析了准分子激光的部分相干 因子对着照明系统的影响，并提出了一定的解决办法。 ( 4 ) 对于新的光学整形方法一光栅法进行了一定的研究，虽然还没有得 到均匀化的光强分布，但已经得出相应的平坦化，相信未来将成为 照明系统的主流。 1 4 第一二章关键技术参数的选择 第二章关键技术参数的选择 2 1 关键技术参数的选择 2 1 1光刻机的分辨率r 和像素p 对于无像差的圆形光瞳的光学传递函数隋胡 m t f ( v ) = 詈( 焉“肌刚) ( 1 ) 而分辨率 r ：兰一 ( 2 ) 4 n a c o s e 一般的光学设计结果是以调制传递函数m t f 来评价像质的，投影物 镜的设计结果是以m t f o 4 为准，考虑到实际的光学系统有一定的波 差，我们取m t f 0 5 5 ，则础工业c o s 0 0 3 6 ，则有 r ：0 6 8 x ( 3 ) n a 对于我们目前研制的准分子激光照明系统，采用波长为2 4 8 n m 的准分子 激光器，其光刻分辨力要达到10 u m 。根据( 3 ) 式可知只须数值孔径n a o 0 16 9 的投影物镜即可满足要求。 每一像素点即能分辨的最小面积为r 2 ，因此对于一块面积为s 的基 板，其总的像素点为尸= 万s ，故象素与分辨力r 、板的大小s 有关。对 于一块面积为6 0 0 m m 5 0 0 m m ，分辨力为2 0 u m 的印制电路板，其像素为 7 5 10 8 ，对于我们目前研制的高分辨率的激光投影曝光机，其板的尺寸 达到2 0 0 m m 2 5 0 m m ，分辨力要达到10 u m ，其像素为5 0 1 0 9 ，则象素 密度为1 0 4 m m 2 。 2 1 2 光刻机的部分相干因子 通常成像光学系统的相对孔径与照明系统的相对孔径是匹配的，即 广东工业火学硕十：学位论文 要求照明光充满成像物镜的光瞳。理论研究表明，若照明光没有充满成 像物镜的光瞳，则在一定程度上能够改进光学系统的成像对比度，所谓 照明相干度，就是通过聚光系统所成的光源像在投影物镜入瞳上成像的 大小与入瞳直径的比值，即o = h 聚d 物也可以表示为照明系统的数值 孔径与投影物镜的数值孔径的比值， 仃：挚 ( 4 ) 帆影 当o = o 时是相干照明，当o 1 时是非相干照明，当0 o l 时， 是部分相干照明。随着相干系数值的减小，m t f 的值反而会提高，说明 中低频率部分有较大的调制度，但是选择太低的相干系数值也会给线条 的成像质量带来一定的影响，通过实验证明相干系数值取0 6 o 8 为 好，此时照明系统光能利用率高，而且投影物镜成像的线条对比度质量 也比较好。此外部分相干系数能够进一步提高分辨率，若考虑相干系数 o ，分辨率公式( 3 ) 将改写为： r ： q ：鱼璺垒 人o l 投影( 1 + 占) ( 5 ) 由式( 4 ) 和( 5 ) 可知，提高照明系统的数值孔径可以提高光刻机 的分辨率。所以对与确定的投影系统，提高分辨率要么就缩短波长，要 么就增大照明系统的数值