姜 旭，楊 絮，劉 紅，胡 俊，王英志

基于運動補償?shù)腄MD無掩模光刻拼接誤差校正

姜 旭*，楊 絮*，劉 紅，胡 俊，王英志

長春理工大學電子信息工程學院，吉林 長春 130000

在DMD光刻設備中，由于機械裝調(diào)產(chǎn)生的機械誤差導致曝光圖像間產(chǎn)生拼接誤差，進而造成曝光圖像出現(xiàn)錯位、交疊等問題。為了消除DMD在大面積曝光過程中的曝光誤差，對誤差校正方法進行研究。首先，利用顯微鏡對曝光后的基板進行測量得到曝光誤差。然后，在曝光誤差的基礎上建立誤差模型。最后，根據(jù)誤差模型提出了基于運動補償?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。實驗結果表明，在微米級圖像曝光過程中，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，滿足對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；運動補償；傾角誤差

1 引 言

數(shù)字光刻技術是PCB制板的核心技術，隨著布線密度增加、蝕刻線寬減小，高精度PCB板對光刻技術和光刻系統(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)字光刻技術中的關鍵器件，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、響應速度快和對比度高等優(yōu)點，所以基于DMD的無掩模光刻技術可以曝光出微米級甚至納米級的圖案[4-6]。但在電路板大面積曝光過程中，由于光刻機本身存在著機械誤差，尤其是傾角誤差，導致大面積曝光的PCB存在圖像錯位問題[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，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)整曝光平臺和DMD的位置關系，但使用千分表僅可以對DMD的位置進行粗調(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，熊崢提出了圖像預處理的方法補償誤差[8]，即在曝光前對輸入至DMD的圖像采用反向位移的方法進行預處理。該方法在曝光一次之后測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，從而完成對偏移圖像的校正。該方法在曝光之前需要對每一幅圖像進行預處理，在大面積曝光時，預處理的工作量會大大增加，因此該方法存在曝光效率低的問題。

針對以上方法存在的問題，本文從全新的角度提出一種利用運動補償來校正傾角誤差的方法，無需對曝光圖像進行處理，可以節(jié)約圖像預處理的時間，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，即基于空間光調(diào)制器的光刻技術，是由傳統(tǒng)的光刻技術衍生而來，其曝光原理與傳統(tǒng)的投影光刻技術較為相似。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)的光學掩模，再結合投影曝光系統(tǒng)，把最終圖案轉(zhuǎn)移到基板上完成曝光[9]。

根據(jù)DMD數(shù)字光刻技術構建出一套完整的DMD數(shù)字光刻系統(tǒng)，圖1是數(shù)字光刻系統(tǒng)的結構組成，首先由激光器發(fā)出功率為3 W、波長為405 nm的曝光光束，光束穿過透鏡組，其中包括準直透鏡和勻光管等，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間加入會聚透鏡。經(jīng)過會聚透鏡后，完成圖像在基板上曝光。在完成一次曝光后，平臺運動一定距離，DMD所顯示的圖像刷新一次，再次進行曝光，重復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)中需要一級或者多級微縮[10]。利用會聚透鏡可以實現(xiàn)圖形微縮，其縮微倍率決定每個像素尺寸和DMD上圖形的成像。本文使用的曝光器件是基于DLP架構的DMD，其每個像素單元的尺寸為13.68mm′13.68mm。因此，在不考慮光學像差和衍射等條件的情況下，像方分辨率為

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

3 傾角誤差校正方法

3.1 數(shù)學模型

在光刻系統(tǒng)的裝調(diào)過程中，難以保證DMD的行方向與平臺的掃描方向裝調(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產(chǎn)生位置錯動，造成曝光圖像間出現(xiàn)錯位問題，嚴重影響圖像曝光效果，需要進行修正。

圖2(a)為不平行性誤差示意圖。以運動平臺掃描方向建立全局坐標，以DMD像素中心建立局部坐標系￠￠￠，方向為平臺掃描方向，DMD與平臺掃描方向存在夾角，為一個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，在曝光過程中，平臺每次運動距離后，DMD曝光一次。將圖2(a)方框中內(nèi)容放大，平臺移動距離，得到圖2(b)曝光過程中的傾角誤差示意圖。圖2(b)中實線方格表示DMD的某像素位置，該像素曝光后，平臺將移動距離再曝光一次。理想情況下該像素應該從位置1移動到位置3進行曝光，但因傾角誤差的影響，實際測試中DMD沿平臺掃描方向，即軸正方向移動距離，則該像素被移動到位置2，導致出現(xiàn)曝光圖像錯位的問題。

圖2(b)中點是位置1的中心，點是位置3的中心，也就是點移動后的理想位置。點是位置2的中心，即點移動后的實際位置，、兩點分別是點在平臺坐標系和DMD坐標系￠￠￠上縱軸的投影，由圖2(b)可以清晰看出每次移動DMD，像素中心都會沿的方向偏移。偏移距離為

在假設已知誤差夾角的情況下，根據(jù)圖2(b)像素間的邊角關系，通過以下公式進行計算：

其中：和表示在平臺坐標系上當前曝光位置到下一次曝光理想位置需移動橫軸和縱軸的距離，*表示單個像素的大小。

得到和后，在平臺每次運動時，控制橫軸移動，縱軸移動，這樣可以將像素從位置1移動到位置3，有效避免因傾角誤差造成的問題，提高曝光精確度。

3.2 運動補償?shù)男Ｕ椒?/h3>

根據(jù)上述DMD光刻技術原理及傾角誤差產(chǎn)生原理，本文針對曝光圖像錯位的問題，提出基于運動補償?shù)膬A角誤差校正方法，并進行實驗驗證。圖3為實驗步驟示意圖。

由于每個像素單元的尺寸較小，會增加測量難度，所以本實驗采用步進式曝光方式，即每次移動一個DMD的尺寸再曝光，可以提高測量精度[11]。

首次曝光實驗為了得到存在傾角誤差的圖像，在DMD上使用井字型圖案進行曝光可以在一次實驗中同時得到方向和方向上的誤差夾角。圖4以方向為例測量誤差夾角，圖形中線段是DMD的行方向，曝光兩次圖形后同一點的連線是平臺的掃描方向。這兩條線的夾角是誤差夾角，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算每個像素單元的尺寸：

圖3 曝光實驗步驟示意圖

圖4 角度測量示意圖

DMD的分辨率是1024′768，在得到誤差夾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，對圖像進行第二次曝光實驗，除誤差校正參數(shù)外，其余實驗參數(shù)與首次曝光實驗參數(shù)一致，可達到誤差校正的目的。

4 實驗結果

本次實驗使用分辨率為1024′768的DMD、精度為3mm的大理石平臺以及型號為BL-SC1600的顯微鏡。實驗過程中，DMD表面光束功率為200 mW，曝光時間為7 s，顯影時間為5 min。

第一次曝光實驗的曝光圖案如圖5所示，對該圖案進行3′3的大面積曝光，曝光結果如圖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，需要對誤差夾角做進一步測量并校正。使用BL-SC1600顯微鏡放大誤差位置，并在軟件上手動標定誤差位置，可以測出誤差夾角。圖7為測量結果。

實驗使用縮放倍數(shù)為2.2的會聚透鏡，根據(jù)像方分辨率的公式進行計算：

在得到誤差夾角后，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像素大小為6.218mm，所以平臺每次運動橫軸移動長度為6.364 mm，縱軸移動長度為0.148 mm，即可以完成對傾角誤差的校正。

得到誤差校正參數(shù)后，另取一塊基板，對圖像進行第二次曝光實驗，實驗結果如圖8。對首次曝光實驗和二次曝光實驗結果進行對比，測量位置為圖9中標號的位置，其中③～⑧位置測量軸方向的誤差夾角，其余位置測量軸方向的誤差夾角，測量結果如表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)過校正后中心偏移距離均值為0.021 mm。對校正后的誤差進行分析，該誤差主要與光刻膠性能、曝光時間、顯影時間等多方面工藝因素有關，為進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 大面積曝光結果

圖7 誤差測量結果

圖8 校正后曝光實驗結果

圖9 校正后大面積曝光結果

表1 多次曝光校正前后對比

5 結 論

本文提出了基于運動補償?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，并通過實際曝光實驗進行了驗證，試驗表明：傾角誤差在進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，相比于圖像預處理方法改善了實驗復雜度和實驗效率。

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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. 基于運動補償?shù)腄MD無掩模光刻拼接誤差校正[J]. 光電工程，2020，47(6): 190387

Supported by Jilin Province Science and Technology Development Plan Project (20170204053GX)

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

2019-07-05；

2019-08-15

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20170204053GX)

姜旭(1996-)，男，碩士研究生，主要從事激光印刷技術的研究。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