你可能不了解的：直接成像技術(shù)發(fā)展史

數(shù)字成像技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)

該技術(shù)研發(fā)進(jìn)展緩慢、孵化期較長，但最終可加速提高批量生產(chǎn)，改善其驗(yàn)收。

有人還認(rèn)為，除了微通孔技術(shù)的發(fā)展之外，數(shù)字成像技術(shù)可能是在可接受的良率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度互連的最具創(chuàng)新性的技術(shù)。

值得一提的是，“直接成像”可能比“激光直接成像（laser direct imaging，簡(jiǎn)稱LDI）”更適合指代這一技術(shù)，因?yàn)長DI雖然開創(chuàng)了成像技術(shù)，但它只是數(shù)字成像的方法之一。

設(shè)備和光致抗蝕劑供應(yīng)商已詳細(xì)介紹了形成電路的數(shù)字化方法所具備的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槭∪チ酥圃旌驼{(diào)節(jié)底片的過程，所以數(shù)字化方法具有交付時(shí)間更短的優(yōu)勢(shì)。因此，不需要額外成本就能定制小批量生產(chǎn)，如在產(chǎn)品上添加日期和批號(hào)等信息。激光光束的焦點(diǎn)在成像時(shí)會(huì)達(dá)到不同的深度，所以可以在共面性較差的表面上成像精細(xì)走線?？赡茏畲蟮膬?yōu)勢(shì)是縮放成像的能力，也就是可以調(diào)節(jié)每次曝光范圍的尺寸，以最適合多層結(jié)構(gòu)底層圖形上的參考點(diǎn)。但早期的數(shù)字成像系統(tǒng)存在大量缺陷，例如Orbotech的DP100只能使用有限輻射功率的氬離子激光器，不僅功耗大，對(duì)冷卻操作的要求也很高。

多年來，LDI都被作為數(shù)字成像技術(shù)的同義詞。初期取得商業(yè)化成功的數(shù)字工藝會(huì)用到激光技術(shù)，而近期的工藝會(huì)用到發(fā)光二極管（light emitting diode，簡(jiǎn)稱LED）等非激光光源，這類光源功耗低、持久性強(qiáng)且光源輸出功率更高（圖1）。

圖1：新一代數(shù)字直接成像技術(shù)（digital direct imaging，簡(jiǎn)稱DDI）使用不同光源和常見的TI DMD微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electrical-mechanical system，簡(jiǎn)稱MEMS）微鏡來引導(dǎo)強(qiáng)烈的紫外線

各種各樣的水銀燈也利用了不只一種波長。有些公司還使用噴墨技術(shù)構(gòu)建成像圖形，例如標(biāo)識(shí)打印文字、阻焊油墨或抗蝕油墨。這些技術(shù)都是逐像素地形成圖形，而且是用數(shù)字“開/關(guān)鍵”來生成圖形。開關(guān)可以充當(dāng)光調(diào)制器（與激光直接成像技術(shù)中的一樣）或液晶聚合物電池（liquid crystal polymer，簡(jiǎn)稱LCP）陣列，可以用電脈沖將其變?yōu)榘胪该骰虿煌该?。開關(guān)可以是芯片上的微鏡，例如 Texas Instruments生產(chǎn)的Digital Micromirror Device （DMD），利用電脈沖對(duì)微鏡進(jìn)行尋址，使微鏡傾斜，將光導(dǎo)向基板或遠(yuǎn)離基板（圖2）。

圖2：使用同樣的方式將UV光通過DLP/DMD直接射向面板表面

下文總結(jié)了數(shù)字成像系統(tǒng)的研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程。

在2013年的productronica展會(huì)上，法國成像系統(tǒng)供應(yīng)商Altix-Automata-Tech首次推出了ADIX系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于先進(jìn)的大功率LED輻射源（advanced high-power LED radiation source，簡(jiǎn)稱ALDS）、兩個(gè)多波長UV-LED和DMD，適用于剛性和撓性基板，并且有自動(dòng)處理功能選項(xiàng)。早期使用DMD的系統(tǒng)包括：

ORC的DI-Impact（之前由Pentax生產(chǎn)）

Hitachi的DE成像設(shè)備DE-H、DE-S和DE-F系列

德國MIVA Technologies公司生產(chǎn)的Miva 2600X直接成像設(shè)備

Maskless Lithography公司研發(fā)的基于DMD的系統(tǒng)（美國），其中用到了水銀電弧光源或LED

Aiscent Technologies（加拿大）

韓國公司Ajuhitek憑借EP數(shù)字成像系列設(shè)備打入市場(chǎng)，設(shè)備使用了波長為405 nm的激光二極管輻射源。

據(jù)我所知， HAN’s Laser Technology Group是中國知名的供應(yīng)直接成像設(shè)備的制造商。

日本的直接成像設(shè)備供應(yīng)商ADTEC、DNS、ORC和Via Mechanics還在不斷推出改進(jìn)系統(tǒng)。

瑞士供應(yīng)商PrintProcess公司推出了Apollon DI-F10（前置式手動(dòng)單面操作）和Apollon-DI-A11 （內(nèi)部翻轉(zhuǎn)自動(dòng)化雙面操作）。根據(jù)光致抗蝕劑類型的不同，線寬分辨率為30~20μm。上面有1~7個(gè)成像頭（也可以選擇8個(gè)）。光源選用UV-LED，多波長的長度范圍在360~420 nm之間。這些設(shè)備可自動(dòng)完成裝載卸載，不僅能自動(dòng)完成成像縮放，還能成功分辨1mil[25.4μm]的特征。

德國的KLEO Halbleitertechnik GmbH公司從2009年開始供應(yīng)直接成像設(shè)備，生產(chǎn)廠分別在德國和瑞士。KLEO-LDI-System CB20HV-Twinstage使用了波長為405nm的激光二極管。亞洲地區(qū)的工廠主要使用405nm的輻射源。Hitachi、DuPont、Atotech、Eternal、Kolon和Elga Europe均可以提供適合在405 nm波長的光源下進(jìn)行曝光的光致抗蝕劑（干膜和液態(tài)）。2015年，Manz公司收購了KELO。

德國Limata公司生產(chǎn)的UV-P100 UV-LED直接成像設(shè)備主要針對(duì)樣品和快捷生產(chǎn)。該設(shè)備可使用傳統(tǒng)干膜和阻焊油墨。光源使用壽命大于10000小時(shí)。能夠加工的最大面板尺寸是650 mm × 540 mm，形成特征的分辨率可達(dá)50微米。該設(shè)備具備自動(dòng)裝載卸載功能，并通過攝像頭和校準(zhǔn)目標(biāo)孔完成邊與邊校準(zhǔn)。

Orbotech已經(jīng)安裝了1000多臺(tái)直接成像設(shè)備。他們生產(chǎn)的Nuvogo DI System專門用于高階HDI/撓性和剛撓結(jié)合應(yīng)用的批量生產(chǎn)。Nuvogo 800幾乎與早期所有抗蝕劑類型都兼容，可生成18μm的線寬和線距。Nuvogo利用了Orbotech久負(fù)盛名的大鏡面掃描技術(shù)（large-scan-optics-technology，簡(jiǎn)稱LSO）。

MultiWave Laser Technology使用了多波長高強(qiáng)度激光光束，因此，可以使用具有標(biāo)準(zhǔn)光敏水平但成本更低的抗蝕劑提高產(chǎn)量（每條生產(chǎn)線每天最多可以生產(chǎn)7000塊面板），且具有最佳走線結(jié)構(gòu)。

Manz是一家生產(chǎn)濕制程工藝化學(xué)設(shè)備供應(yīng)商，該公司已經(jīng)憑借其SpeedLight 2D系統(tǒng)打入了數(shù)字成像技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)有2個(gè)操作臺(tái)，在成像第1塊面板的同時(shí)可以校準(zhǔn)第2塊面板。成像設(shè)備含有288個(gè)激光二極管光束，由9個(gè)多邊形鏡像模塊調(diào)節(jié)形成。

德國激光直接成像系統(tǒng)供應(yīng)商Limata GmbH公司在先進(jìn)的UV-R 系列中應(yīng)用了成熟的UV-P模型，應(yīng)用于小批量PCB生產(chǎn)和光化學(xué)加工流程。該系統(tǒng)可以使用最新的多波長UV二極管激光器，具有很長的運(yùn)行壽命。這兩個(gè)模型都包含1~8個(gè)激光頭，線寬線距分辨率可達(dá)25μm。預(yù)校準(zhǔn)模塊最多可以處理64個(gè)校準(zhǔn)目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)近乎完美的校準(zhǔn)。使用3種波長用最大的光源強(qiáng)度完成阻焊層成像，以適應(yīng)敏感度較低的光致抗蝕劑。該設(shè)備可以添加機(jī)器人裝卸臺(tái)來提高產(chǎn)量并優(yōu)化與其他加工設(shè)備的接口。

加拿大供應(yīng)商Aiscent Technology研發(fā)數(shù)字成像技術(shù)已經(jīng)15年之久。他們生產(chǎn)的系統(tǒng)使用了基于DMDR的光刻技術(shù)和專有的大功率激光器?，F(xiàn)有的雙面模型可用于生產(chǎn)PCB、高分辨率光掩模和數(shù)字屏幕成像，以及其他定制工業(yè)用途。

知名的機(jī)械與激光鉆孔設(shè)備供應(yīng)商Schmoll Maschinen推出了數(shù)字直接成像（digital direct imaging，簡(jiǎn)稱DDI）系統(tǒng)，可用于內(nèi)層、外層和阻焊層成像的樣品加工。該系統(tǒng)以半導(dǎo)體激光二極管和大型（寬）光學(xué)部件為基礎(chǔ)，設(shè)備包含2~8個(gè)二極管激光器。Schmoll公司還推出了微鏡數(shù)字成像（micromirror digital imaging，簡(jiǎn)稱MDI）系統(tǒng)?；◢弾r工作平臺(tái)上安裝了獨(dú)特的“輕型發(fā)動(dòng)機(jī)”成像頭，形成了可精密定位的系統(tǒng)。這項(xiàng)新技術(shù)可以用200多萬個(gè)高分辨率微鏡片將紫外線光形成的圖像轉(zhuǎn)移到電路基板上。這些系統(tǒng)有單工作臺(tái)單元或串聯(lián)式工作臺(tái)單元，最大加工尺寸為1371 x 914 mm單塊面板的XXL模型。這些單元使用了大功率LED，以及365~405 nm多波長的DMDR。

瑞士公司First EIE SA生產(chǎn)光電繪圖設(shè)備和噴墨打印機(jī)，其生產(chǎn)的直接成像設(shè)備EDI500非常適合小批量快板生產(chǎn)。其光源技術(shù)基于TI的DMDR設(shè)備，配備有高階UV鏡頭和超高壓水銀弧光燈。通過外置的CCD攝像頭或手動(dòng)銷釘對(duì)準(zhǔn)完成面板的校準(zhǔn)。最大面板尺寸是620 x 690 mm，但新款EDI700可以加工更大的面板。

Visitech是一家專為直接成像設(shè)備提供光調(diào)制器（光學(xué)子系統(tǒng)）的挪威公司。Luxbeam Rapid System（LRS）是以TI的DLPR（微鏡）和多波長LED光源為基礎(chǔ)，射出的波長范圍在350~440 nm之間。該系統(tǒng)可以提供能夠達(dá)到不同分辨率的5個(gè)模塊，包括LLS2500 （2.5μm t/s）、 LLS04 （4μmt/s）、 LLS06 （6μmt/s）以及2個(gè)達(dá)30μmt/s的模塊。光多路傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的分辨率。

前后對(duì)準(zhǔn)

理想的是能達(dá)到前后對(duì)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)方法有很多，有些方法不需要在曝光前在面板上鉆取靶位孔（“無孔對(duì)準(zhǔn)”）。圖3展示了4種使用機(jī)械鉆孔和激光鉆孔進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的方法?！盁o孔對(duì)準(zhǔn)”利用了光致抗蝕劑可以“打印出圖像”的特性，在曝光過程中，抗蝕劑的顏色會(huì)發(fā)生改變，使尚未顯現(xiàn)的聚合結(jié)構(gòu)顯示了出來。不論使用哪種對(duì)準(zhǔn)方法，都需要將面板放置在位于曝光頂部的操作臺(tái)上。在真空環(huán)境下，操作臺(tái)內(nèi)放置的標(biāo)識(shí)物開始在面板底部成像靶點(diǎn)或孔的位置。CCD攝像頭隨后將送入的面板和操作臺(tái)對(duì)準(zhǔn)，反轉(zhuǎn)面板后，在面板頂部再重復(fù)一次同樣的操作。將面板翻轉(zhuǎn)后，CCD攝像頭在底部定位靶點(diǎn)或孔標(biāo)記，然后進(jìn)行校準(zhǔn)和成像。

圖3：可以應(yīng)用多種對(duì)準(zhǔn)方法，圖中展示了其中4種方法

另一種方法如圖4所示。首先，校準(zhǔn)DLP塔的記錄頭（步驟a），使用對(duì)準(zhǔn)相機(jī)和對(duì)準(zhǔn)類型（步驟b）檢測(cè)是否需要校正位置，然后在快速運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)上針對(duì)縮放、旋轉(zhuǎn)、定位和放大操作進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證成像可靠精確。自動(dòng)聚焦功能會(huì)一直跟蹤PCB并針對(duì)翹曲和線路板厚度做出補(bǔ)償。

圖4：在PCB上設(shè)置校準(zhǔn)目標(biāo)的方式有很大差異，本圖展示了其中一種方式（來源：Dainippon Screen Mfg.Co.Ltd.）

總結(jié)

在應(yīng)用DI技術(shù)生產(chǎn)新一代UHDI時(shí)，圖5所示是在較大的面板（510 mm x 515 mm）上形成3 μm線寬/線距。本圖展示的CCL/ABF基板使用了厚度為10 μm的干膜抗蝕劑，形成的走線縱橫比剛剛超過1∶3。使用焦點(diǎn)曝光矩陣（focus exposure matrix，簡(jiǎn)稱FEM）可以確定材料最佳用量和最佳焦距。最佳用量用于證實(shí)分辨率。

由圖可知，當(dāng)DOF是60μm時(shí)，CD值從-10 ~ -70 μm的偏離小于10%。使用FEM數(shù)據(jù)繪制出泊松分布圖（圖5a），其中X軸是焦距（μm），Y軸是CD（μm）。該圖顯示了60 μm的DOF。圖5b展示了在放大倍數(shù)較低的情況下，3 μm、3.5 μm和4 μm密集線寬/線距陣列。3 μm走線的高分辨率橫截面圖（圖5c）展示出了中線的寬高比為3.181∶9.873（高度為抗蝕劑厚度）。

圖5：a）FEM數(shù)據(jù)生成的泊松分布顯示60 μm DOF的偏離范圍小于10%；b）3 μm、3.5 μm和4 μm的密集線寬/線距陣列的低分辨率圖像；c）銅基板上10 μm厚干膜抗蝕劑上3 μm走線的橫截面圖像；在橫截面圖像中，走線的臨界尺寸是3.181 μm，抗蝕劑厚度為9.873 μm。

審核編輯：湯梓紅