DE3839583A1 - Optischer fotoplotter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Steuersysteme für optische Plotter und insbesondere Rückkopplungssysteme für Fotoplotter, die Positionsabweichungen des Lichtstrahls optisch korrigieren.

Hochpräzise Fotoplottersysteme sind in ihrer Art bereits bekannt. Diese Systeme arbeiten mit Präzisionsfotosystemen, die für Halbleitermasken, Fernsehdatenfelder (television arrays) und für Leiterplatten (PCB) zum Aufbringen von Leiterplattenvorlagen auf einer Filmemulsion bzw. einen Filmschichtträger verwendet werden. Ein typisches Fotoplottersystem wird von der Firma Gerber Scientific Instrument Company vertrieben und besteht aus einem Magnetbandlaufwerk, einer Festplatte, einem Rechner, einem dialogfähigen Graphikterminal, einem Bildverarbeiter, einem optischen Tisch mit einer beweglichen Schreibplatte zur Einrichtung des Substrats und einer optischen Präzisionsbelichtungsvorrichtung. Das Fotoplottersystem umfaßt auch einen Zweikoordinaten-Medienschlitten, ein Zweikoordinaten-Rückkopplungsinterferometer und die Elektronik, die erforderlich ist, um Daten der rechnergestutzten Konstruktion (CAD) in Leiterplattenvorlagen umzuwandeln.

Das optische Abtast- und Belichtungssystem umfaßt einen optischen Belichtungskopf (OEH). Der optische Tisch ist mit einer Steuerung ausgestattet, die einen Rückkopplungs- Positionsmonitor, z.B. ein Laser-Interferometer verwendet, das die Schreibplattenposition gegenüber dem Belichtungskopf ständig abtastet. Die Genauigkeit des Rückkopplungs- Positionsmonitors ist in der Regel erheblich größer als die der Plattenpositionierung oder die des Belichtungskopfes. Die Genauigkeit eines Direktbildsystems (Gerber 1434) liegt zum Beispiel bei etwa 30 bis 40 Mikrozoll und bei einem anderen Direktbildsystem (Gerber 3235) bei etwa 200 Mikrozoll. Ein häufig mit diesen Systemen verwendeter Rückkopplungs- Positionsmonitor (z.B. ein Hewlett Packard Interferometer) kann dagegen mit einer Genauigkeit von weniger als 1 Mikrozoll arbeiten. Die Leistungen einer Vorrichtungen zur Einrichtung des Tisches sind daher durch Ungenauigkeiten der mechanischen Elemente und der Servoregelsysteme begrenzt. Diese Ungenauigkeiten reduzieren letztlich auch die Gesamtleistung des Fotoplottersystems.

Es wäre von Vorteil, zur Erhöhung der Genauigkeit von Fotoplottersystem über ein Verfahren und eine Vorrichtung zu verfügen, durch die mechanisch bedingte Ungenauigkeiten optisch korrigiert werden. Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Durchführung einer optischen Korrektur von Ungenauigkeiten durch mechanische Elemente eines optischen Fotoplotters.

Nach der hier vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum Ausgleich einer Abweichung von der Sollposition eines auf einen beweglichen optischen Tisch einfallenden und ein Bild schaffenden Lichtstrahls eine Einrichtung zur Schaffung einer optischen Lichtstrahlrückkopplung, die die Bildposition auf der Tischfläche anzeigt. Eine Steuerung vergleicht die Ist- und die Sollpositionen des Bildes, um die Abweichung festzustellen. Eine optische Ausgleichsvorrichtung erhält Signale von der Steuerung, um das Bild entlang der Tischfläche optisch zu verschieben und die Abweichung zu korrigieren.

Nach einem weiteren Gegenstand der hier vorliegenden Erfindung umfaßt ein System in einem optischen Fotoplotter zur Einrichtung eines durch einen auf eine optische Tischfläche einfallenden Lichtstrahl geschaffenen Bildes einen adressierbaren optischen Belichtungskopf, der den Lichtstrahl einzeln abgibt. Die Rückkopplungseinrichtung gibt Signale ab, die die Bildposition auf der Tischfläche angeben. Zur Verschiebung des optischen Tisches entsprechend der Positionssteuersignalen ist ein Mechanismus vorgesehen. Eine adressierbare Ausgleichsvorrichtung verschiebt das Bild optisch entlang der Tischfläche entsprechend den eingegangenen Steuersignalen. Eine Steuerung stellt die Position des Lichtstrahls auf der Tischfläche durch die Rückkopplungssignale des Lichtstrahls fest, vergleicht die Ist- und die Sollposition des Lichtstrahls und erzeugt daraufhin die Steuersignale für die optische Ausgleichsvorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die vereinfachte schematische Darstellung eines Teils eines optischen Fotoplotters mit einer dieser Erfindung zugrundeliegenden Ausgleichsvorrichtung,

Fig. 2 die vereinfachte schematische Darstellung eines Teils der optischen Elemente eines Fotoplotters nach Fig. 1,

Fig. 3 die vereinfachte Darstellung der Verschiebung eines Lichtstrahls durch die Ausgleichsvorrichtung der Fig. 1 und

Fig. 4 das vereinfachte Blockdiagramm zur Darstellung eines Teils der Arbeitsweise einer in dem Fotoplotter der Fig. 1 verwendeten Steuerung.

Fig. 1 ist die Darstellung eines Teils eines optischen Fotoplotters 10 in vereinfachter schematischer Form. Der Fotoplotter umfaßt eine Schreibplatte 12, die ein Glas- oder Filmsubstrat 14 aufnimmt, das genau auf der Schreibplatte eingerichtet wird, so daß ein lichtempfindliches Medium (Emulsion) einen Lichtstrahl 16 aufnimmt, der ein Bild 17 darauf erstellt. Der optische Tisch ist im wesentlichen in senkrechten Richtungen (X, Y) durch entsprechende Motoren 18 und 20 verfahrbar, die herkömmliche Kugelschrauben (ball screw) (nicht dargestellt) zur Verschiebung der Schreibplatte jeweils entlang der Koordinaten X und Y antreiben.

Der Fotoplotter umfaßt auch ein Interferometer 22, das Signale an die Steuerung 24 abgibt, die die Position des Bildes bezogen auf jede Koordinatenachse anzeigen. In der Regel ist ein Belichtungskopf 26, der mit einer Vorrichtung zur Erzeugung des Lichtstrahls versehen sein kann, fest gegenüber einer Objektivlinse 28 angeordnet, die den Strahl auf die Substratfläche richtet. Der optische Belichtungskopf (OEH) ist von herkömmlicher Art wie auch die Objektivlinse. Das Rückkopplungs-Interferometer umfaßt einen Laser 30, der einen Strahl 31 zum Strahlauftrenner 32 abgibt, der den Strahl 31 auftrennt. Jeder Strahl wird auf eine Anzahl Spiegel gerichtet, wie die Spiegel 34, 36 und 38, die den Strahl weiter nach unten auf die Fläche des optischen Tisches richten, wo die Strahlen jeweils von den nach X- und Y-Drehspiegeln 40, 41 aufgenommen werden. Jeder Meßstrahl trifft auf absolut flache Spiegel 42, 43 auf, die nach einer entsprechenden Verschiebungsachse ausgerichtet sind. Die Flachspiegel reflektieren die Strahlen entlang dem Lichtweg, wo die relative axiale Verschiebung durch das Interferometer ermittelt werden kann.

Die Steuerung 24 berechnet auf herkömmliche Weise die Stellung des Lichtstrahls auf der Fläche des optischen Tisches und gibt Signale an die Blende in dem optischen Belichtungskopf ab, um das Substrat punktweise zu belichten.

Die Steuerung gibt Positionssteuersignale an die Motoren 18 und 20 zusammen mit den Steuersignalen an die Blende ab, um das gewünschte Substratmodell zu erstellen.

Der Fotoplotter nach Fig. 1 umfaßt darüber hinaus eine optische Ausgleichsvorrichtung 44, die auf optischem Wege eine leichte Verschiebung sowohl in X- als auch in Y-Richtung bewirkt, um Abweichungen des Lichtstrahls von der Sollposition auszugleichen. Trotz der Fähigkeit des Rückkopplungsinterferometers, die Position der Schreibplatte mit hoher Genauigkeit (z.B. weniger als ein Mikrozoll auf jeder Achse) zu überwachen, weiß man, daß die Genauigkeit des Fotoplotters in der Regel wesentlich darunter liegt. Der Unterschied in der Genauigkeit kann sogar den Faktor 10 betragen (etwa 10 Mikrozoll in dem oben gegebenen Beispiel) . Mechanische Bauteile und Hilfssteuerungen sind in der Regel für diesen Genauigkeitsverlust verantwortlich.

Zur Verbesserung der Gesamtgenauigkeit des Fotoplotters, befindet sich die optische Ausgleichsvorrichtung 44 in den Weg des Lichtstrahls 16, um eine Verschiebung des graphisch dargestellten Bildes durchzuführen. Wie im folgenden detaillierter beschrieben, stellt die Steuerung eines Fotoplotters die genaue Position des optischen Tisches fest und vergleicht diese Position mit der Sollposition. Wird zwischen der Soll- und der Istposition des Strahls 16 auf dem Substrat eine Abweichung festgestellt, erzeugt die Steuerung Signale, die das Bild verschieben und die Positionsabweichung korrigieren.

Fig. 2 ist die vereinfachte schematische Darstellung eines Teils der in einem Fotoplotter der Fig. 1 verwendeten Optik. Der optische Belichtungskopf 26 der Fig. 1 umfaßt eine Lichtquelle 46 in der bevorzugten Ausgestaltungsform, die einen Strahl 16 auf die Sammellinse 48 richtet. Der Lichtstrahl durchläuft dann eine herkömmliche Blende 50, die adressierbar ist und den Strahl einzeln aus dem optischen Belichtungskopf (OEH) abgibt. Der Strahl 16 wird von der optischen Ausgleichsvorrichtung 44 aufgenommen, der vorzugsweise mit einer Kippplatte 52 versehen ist, die mit Hilfe eines adressierbaren Motors 56 um die Achse 54 drehbar ist. Die Kippplatte in der bevorzugten Ausgestaltung besteht aus Glas oder einem anderen entsprechenden lichtdurchlässigen Material. Wie im folgenden detailliert beschrieben, bestimmt der Grad der Drehung der Kippplatte 52 um die Achse 54 den Grad der Verschiebung des Lichtstrahls. Die Kippplatte in der Fig. 2 verschiebt den Strahl 16 senkrecht zum Lichtstrahl und zur Achse 54. Obwohl nur eine Kippplatte und ein Motor in der Fig. 2 dargestellt sind, ist eine zweite etwa um 90 Grad zur Kippplatte 52 gedrehte Kippplatte erforderlich, um eine senkrechte Verschiebung zu bewirken. Weitere Vorrichtungen zur Verschiebung des Bildes umfassen bewegliche Blendenflächen und verschiebbare Objektivlinsen. Nach Ansprechen der Kippplatte durchläuft der Lichtstrahl die Objektivlinse 28, und ein gebündelter Strahl trifft auf die Substratfläche.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Teilansicht zur schematischen Darstellung eines Teils der Kippplatte 52 der Fig. 2. Der Lichtstrahl 16 trifft in einem Winkel 56 auf die Fläche der Kippplatte und wird beim Hindurchlaufen nach dem Snelliusschen Gesetz gebrochen. Unter der Annahme, daß die Flächen 58 und 60 der Kippplatte nahezu parallel sind, wird der Lichtstrahl um D verschoben, wobei

ist.

Hierbei steht N für den Brechungsindex für das Glas und I für den von der senkrechten FLäche gemessenen Einfallswinkel auf die Glasfläche.

Bei kleinen Winkeln läßt sich die Verschiebung vereinfachen auf

In der vorzugsweisen Ausgestaltung befindet sich die Kippplatte in einem Bildsystem auf der Eingangsseite der Bildlinse (object conjugate). Folglich verschiebt sich der Weg des Strahls seitlich um den Abstand D von dem Weg 62, den er durchlaufen hätte, wenn die Neigung der Plattenflächen 58, 60 0 Grad betragen hätte (d.h. die Flächen senkrecht zum einfallenden Strahl gestanden hätten). Auf dem Substrat wird der Strahl um D×M verschoben, wobei M die Systemvergrößerung ist. In dem Fotoplotter der Fig. 1 bewirkt die Objektivlinse eine Verkleinerung der Vergrößerung (M=0,10), so daß die Auswirkung der Kippplatte verringert wird. Bei geringfügiger Kippung der Platte und entsprechend geringer Dicke läßt sich die Auswirkung der optischen Ablenkung niedrig halten. Wie bereits beschrieben, weist die optische Ausgleichsvorrichtung der Fig. 1 zwei Kippplatten und entsprechende Motoren auf, die in einem Winkel von 90 Grad zueinander ausgerichtet sind, um einen unabhängigen Ausgleich der X- und Y-Verschiebung zu erreichen. In einer bevorzugten Form der Ausgestaltung umfassen die Motoren einen herkömmlichen Galvanometer und die Objektivlinse kann eine von einer Anzahl herkömmlicher, hochauflösender Objektivlinsen sein.

Ein Teil der Steuerung 24 ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Steuerung 24 umfaßt eine Anzahl bekannter Bauteile, die in optischen Fotoplottern zur Durchführung bekannter Funktionen eines Fotoplotters verwendet werden, die oben bereits beschrieben sind und daher aus Gründen der Klarheit nicht mehr dargestellt werden. Vorzugsweise übernimmt die Steuerung die Echtzeitsteuerung aller Fotoplotter-Funktionen. Die Steuerung ist vorzugsweise symmetrisch konfiguriert, so daß die gleiche Funktionen sowohl auf der X- als auch auf der Y- Verschiebungsachse ausgeführt werden. Die Bauteile der X- und Y-Achsen sind in der Fig. 4 dargestellt. Im folgenden werden nur die Bauteile für den optischen Ausgleich auf der X- Achse beschrieben.

Fig. 4 zeigt die Aufnahme von Rückkopplungssignalen des Laser-Interferometers 34 auf den Linien 64, die zum Auf /Abzähler 66 und dann zum Pufferregister 68 gegeben werden. Eine herkömmliche Uhr 70 nimmt den Inhalt des Pufferregisters in Abständen auf (Block 72) und gibt Signale an einen Komparator 74 ab, die die Position der Schreibplatte anzeigen. Die Istposition des optischen Tisches wird mit den digitalen Positionssteuersignalen 76 verglichen. Das Abweichungssignal wird an einen herkömmlichen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 78 gegeben. Analoge Positionssteuersignale werden auf den Linien 80 an andere Bauteile der Steuerung zur Schaffung eines Vektor- Positionssteuersignals 82 gegeben.

Diese Positionsteuersignale werden gefiltert (Block 84) und verstärkt (Block 86) und an den Gleichstrommotor 88 gerichtet. Ein herkömmlicher Tacho-Generator 90 erzeugt Drehrückkopplungs-Signale, die bei 84 mit den Positionssteuersignalen aufsummiert werden. Ebenfalls in der Fig. 4 dargestellt ist eine herkömmliche Netzversorgung 92. Bei Feststellung einer nicht mehr tolerierbaren Positionsverschiebung unterbricht der Endschalter 94 den Strom zum Motorverstärker über den Schalter 96.

Positionssteuersignale werden darüber hinaus vom Galvano­ meterantrieb 98 empfangen, der die Signale für den entspre­ chenden Galvanometer 100 erzeugt, der die Platte dreht, den Strahl entsprechend verschiebt und die Positionsabweichung korrigiert. Wie oben beschrieben, überwacht jedes Laser-In­ terferometer fortlaufend die Ist-Position des Lichtstrahls auf der Schreibplattenfläche in Echtzeit. Der Differenz zwischen Ist- und Soll-X- und Y-Positionen wird in eine Ana­ logspannung umgewandelt und ausreichend verstärkt, daß der entsprechende Galvanometer angetrieben werden kann. Der Gal­ vanometer ist vorzugsweise ein winkelbegrenzter Motor ohne Anlaufverzögerung. Die Masse der großen mechanischen Schreibplatte grenzt die Frequenzbreite der Abweichung auf einen Bereich innerhalb des Frequenzbereichs des Galvano­ meters ein.

Obwohl die Erfindung hier in einer bevorzugten Ausgestal­ tungsform beschrieben wurde, werden Fachleute feststellen, daß bestimmte Ergänzungen, Weglassungen und Umstellungen vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Rahmen der Erfindung zu verändern.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zur Verbesserung der Gesamtgenauigkeit und Wiederholbarkeit eines optischen Fotoplotters, gekennzeichnet durch eine Steuerung, die eine abweichende Bildposition von interferometrischen Rückkopp­ lungssignalen und Positionssteuersignalen feststellt, und dann das Bild entsprechend verschiebt.

Claims (9)

1. Optischer Fotoplotter (10) mit einer Vorrichtung zum Ausgleich von Abweichungen von einer Sollposition eines Lichtstrahls (16), der auf einen beweglichen optischen Tisch (12) einfällt und ein Bild (17) erzeugt, wobei die genannte Vorrichtung (44) mit einer Rückkopplungseinrichtung (22) zur Erzeugung von Signalen, die die Position des Bildes (17) auf einer Fläche (14) des optischen Tisches (12) anzeigen und einer Steuerung (24), die die Rückkopplungssignale des Lichtstrahls und die Positionssignale zum Vergleich der Istposition des Bildes mit der Sollposition des Bildes empfängt, um eine Verschiebung festzustellen, versehen ist, gekennzeichnet durch eine Ausgleichsvorrichtung (44) zur optischen Verschiebung des Bildes (17) entlang den genannten Tischsignalen (14) entsprechend den Steuersignalen des Lichtstrahls von der Steuervorrichtung (24).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die optische Ausgleichsvorrichtung (44) darüber hinaus durch eine bewegliche Öffnungsebene oder eine verschiebbare Objektivlinse oder einen kippbaren Spiegel gekennzeichnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte optische Bildrückkopplungsvorrichtung darüber hinaus durch ein Laser- Interferometer (22) gekennzeichnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die genannte optische Ausgleichsvorrichtung (44) darüber hinaus durch erste und zweite kippbare Spiegel (52) gekennzeichnet ist, die um die jeweiligen nebenliegenden senkrechten Achsen (54) drehbar sind.

5. Optischer Fotoplotter (10) mit einem System zur Positionierung eines Bildes (17), das durch einen Lichtstrahl (16) auf der Fläche eines optischen Tisches (14) erzeugt wird, wobei das genannte System einen optischen Belichtungskopf (26) zur einzelnen Erzeugung des Lichtstrahls (16), eine optische Rückkopplungsvorrichtung (22) zur Erzeugung von Signalen, die die Position des Bildes (17) auf der Tischfläche (14) anzeigen, eine Vorrichtung (18, 20) zur Verschiebung des optischen Tisches (12) entsprechend den Positionssteuersignalen enthält; eine Steuerung (24) zur Aufnahme der optischen Bildrückkopplungssignale zur Erzeugung der Positionssteuersignale zur Verschiebung des optischen Tisches (12) und zur Messung der Position des optischen Bildes auf der Tischfläche, zum Vergleichen der Sollbildposition mit der Istbildposition zur Feststellung einer Positionsabweichung und zur Erzeugung von Steuersignalen zur Korrektur der Abweichung gekennzeichnet durch eine Ausgleichsvorrichtung (44), die Steuersignale zur optischen Verschiebung des Bildes (17) entlang der Tischfläche (14) empfängt.

6. System nach Anspruch 5, in dem die optische Ausgleichsvorrichtung (44) darüber hinaus durch eine bewegliche Öffnungsebene oder verschiebbare Objektivlinse oder einen kippbaren Spiegel gekennzeichnet ist.

7. System nach Anspruch 5, in dem die optische Rückkopplungseinrichtung darüber hinaus durch ein Laser- Interferometer (22) gekennzeichnet ist.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, indem die optische Ausgleichsvorrichtung (44) darüber hinaus durch erste und zweite kippbare Spiegel (52) gekennzeichnet ist, die um die jeweiligen nebenliegenden senkrechten Achsen (54) drehbar sind.

9. Verfahren in einem optischen Fotoplotter zum Ausgleich einer Abweichung von der Sollposition eines Bildes, das durch einen auf einen verschiebbaren Tisch einfallenden Lichtstrahl gebildet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Erzeugung von Rückkopplungssignalen, die die Istposition eines Bildes auf der Fläche eines optischen Tisches anzeigt, Vergleich der Istbildposition mit der Sollbildposition, um eine Abweichung festzustellen und optische Verschiebung des Bildes optisch entlang der Tischfläche zur Korrektur der Abweichung.