PCB激光制版曝光误差分析及校正

刘清源 王英志 胡俊

摘 要 本文所研究的PCB激光制版系统采用了基于空间光调制器的数字光刻技术，文中首先阐述了数字光刻技术的原理，给出曝光强度函数并建立与扫描距离之间的数学模型。之后针对实际曝光过程中存在的曝光误差给出公式，并带入该数学模型中进行分析，给出在一定扫描速度下不同的偏移量对实际曝光位置的影响情况。该分析结果对提高PCB激光制版系统的精度指标具有一定的指导意义。

【关键词】PCB激光制版 数字光刻 曝光误差

数字光刻技术的原理是指将掩模图形逐幅传输给空间光调制器，并在紫外激光照射的条件下，借助光刻胶将掩模图形转移到PCB基板上。随着DMD制造工艺的不断提升，将DMD作为空间光调制器具有很大优势，主要表现在像素小、填充比高和响应速度快等方面。但DMD上微镜阵列的最大分辨率为1920×1080，单个微镜尺寸为10.8μm，无法满足大面积PCB的加工需求。为了实现大面积PCB的加工，目前常用的解决方法是采用扫描曝光技术，也就是让调制后的紫外激光匀速的扫描过光刻胶表面使之曝光。但是采用扫描曝光技术会引入曝光误差，曝光误差由紫外激光的扫描速度与光刻胶上像素点的曝光位置不匹配产生，本文就此问题详细分析了曝光误差产生的原因并校正。

1 光刻胶上单个像素点的曝光强度模型建立

对于PCB来说，线宽一般在6～20mil左右，对位精度±0.6～2mil。为了满足需求，选择1024×768分辨率的DMD作为空间光调制器件，单个微镜尺寸为13.68μm，微镜中心的通孔尺寸为1μm。DMD作为光学器件成像时要考虑到相干成像、非相干成像和部分相干成像。

本文基于相干成像理论对DMD上单个微镜成像进行分析，之后建立光刻胶上单个像素点的曝光函数模型。假设单个微镜的尺寸为a，单个微镜中心的通孔尺寸为b，对单个微镜建立坐标系oxy。根据相干成像理论，紫外激光通过DMD上单个微镜后的光波场分布函数公式如下：

其中rect表示矩阵函数，Φ表示微镜偏转时的相位差，±表示微鏡的偏转状态。

根据定理，紫外激光通过DMD上单个微镜后的光强函数I0正比于|h（x， y）|2，紫外激光通过DMD上单个微镜后，照射在光刻胶表面得到的光斑呈现高斯分布，所以用高斯一阶函数近似作为光刻胶表面单个像素点的曝光强度函数，即：

其中σ表示高斯半径，假设为6.825μm（单个微镜尺寸的1/2）。

接下来对扫描曝光过程进行分析。扫描曝光技术的原理是让调制后的紫外激光匀速的扫描过光刻胶使之曝光，这样就要求DMD上单个微镜的正向偏转时间（紫外激光打到光刻胶上的时间）与DMD模块相对于平台匀速移动一个微镜宽度所需时间相同，因此曝光强度函数可进一步写成：

其中m表示DMD模块沿x轴方向扫描的移动量，n表示DMD模块沿y轴方向扫描的移动量，该公式表示一个微镜宽度范围内曝光强度函数的积分。

2 曝光误差分析

实际扫描曝光过程中考虑到投影物镜的缩放误差，DMD上单个微镜的正向偏转时间（紫外激光打到光刻胶上的时间）与DMD模块相对于平台匀速移动一个微镜宽度所需时间不匹配误差，给出曝光误差公式如下：

△A表示投影物镜的缩放误差，k表示投影物镜的缩放倍率，c1表示x轴方向偏移量，c2表示y轴方向偏移量。

为了计算方便，将高斯误差函数erf （z）和公式（4）带入公式（3）得到公式（5）：

3 仿真结果及讨论

假设投影物镜的缩放倍率为4，缩放误差为10-3。通过改变偏移量对曝光误差进行对比，结果如表1所示。

由第2章节中的曝光误差模型得到的曝光仿真图如图1所示。由上文得到的曝光误差理论值，对曝光误差模型进行校正，得到曝光校正图如图2所示。

4 总结

通过对PCB激光制版系统的扫描曝光技术的研究，可以看出曝光误差对曝光结果有一定的影响。本文就此问题分析并仿真了系统缩放倍率及偏移量对曝光误差的影响，之后采用位移补偿的方式进行了校正。

参考文献

[1]蒋文波，胡松.无掩模光刻技术研究[J].微细加工技术，2008.

[2]Eric J-Hansotte，Edward C-Carignan， W-Dan Meisburger.High speed maskless lithography of printed circuit boards using digital[J].Emerging Digital Micrirror Device Based Systems and Applications III， 2011.

[3]熊峥.基于DMD的数字光刻技术研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2016.

作者简介

刘清源（1992-），男，满族，吉林省吉林市人。研究生。研究方向为电子科学与技术。

作者单位

长春理工大学电子信息工程学院 吉林省长春市 130022