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DE19829986C1 - Verfahren zur Direktbelichtung von Leiterplattensubstraten - Google Patents

Verfahren zur Direktbelichtung von Leiterplattensubstraten

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DE19829986C1
DE19829986C1 DE19829986A DE19829986A DE19829986C1 DE 19829986 C1 DE19829986 C1 DE 19829986C1 DE 19829986 A DE19829986 A DE 19829986A DE 19829986 A DE19829986 A DE 19829986A DE 19829986 C1 DE19829986 C1 DE 19829986C1
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DE
Germany
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circuit board
laser beam
control
exposure
board substrate
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Expired - Fee Related
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DE19829986A
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English (en)
Inventor
Wolfgang Retschke
Steffen Ruecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Laser Imaging Systems GmbH
Original Assignee
Lis Laser Imaging Systems & Co KG GmbH
LIS LASER IMAGING SYSTEMS GmbH
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Publication date
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Application filed by Lis Laser Imaging Systems & Co KG GmbH, LIS LASER IMAGING SYSTEMS GmbH filed Critical Lis Laser Imaging Systems & Co KG GmbH
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Priority to EP05002618A priority patent/EP1569037B1/de
Priority to TW088103945A priority patent/TW479444B/zh
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Direktbelichtung von Leiterplattensubstraten (2) durch Abtastung mit einem Laserstrahl (14), bei dem ein zumindest abschnittsweise mit fotoempfindlichen Schichten und mit Referenzmarken versehenes Leiterplattensubstrat (2) zunächst grob zu einer Belichtungseinheit ausgerichtet wird, dann die Positionen der Referenzmarken optisch erfaßt werden und danach die Abtastung der fotoempfindlichen Schichten mit dem entsprechend der gewünschten Leiterplattenstruktur modulierten Laserstrahl (14) vorgenommen wird. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das zunächst grob ausgerichtete Leiterplattensubstrat (2) einer Kontrollabtastung mit dem Laserstrahl (14) unterzogen. Während der Kontrollabtastung wird der Laserstrahl (14) so moduliert, daß keine wirksame Belichtung der fotoempfindlichen Schicht erfolgt. DOLLAR A Dabei werden die Ist-Positionen dieser Markierungen ermittelt, diese einem Vergleich mit Soll-Position unterzogen, Korrekturwerte für die Modulations-Daten errechnet und damit schließlich die Belichtung vorgenommen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Direktbelichtung von Leiterplatten­ substraten durch Abtastung mit einem Laserstrahl, bei dem ein zumindest abschnitt­ weise mit fotoempfindlichen Schichten und mit Referenzmarken versehenes Leiterplat­ tensubstrat zunächst grob zu einer Belichtungseinheit ausgerichtet wird, dann die Po­ sitionen der Referenzmarken optisch erfaßt werden und danach die Abtastung der fo­ toempfindlichen Schichten mit dem entsprechend der gewünschten Leiterplattenstruk­ tur modulierten Laserstrahl vorgenommen wird. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Herstellung von Leiterplatten ist die Übertragung des beispielsweise mit einem CAD-Programm entworfenen Leiterbild-Layouts auf ein resistbeschichtetes Leiterplat­ tensubstrat erforderlich. Das geschieht in herkömmlicher Weise nach dem sogenann­ ten Kontaktbelichtungs-Verfahren, bei dem das Leiterbild zunächst auf einer Maske, wie z. B. einer Filmschablone oder einem Glasmaster, abgebildet und von dort mit Hilfe einer UV-Lichtquelle auf das Leiterplattensubstrat übertragen wird. Bei dieser Techno­ logie liegt die erzielbare Strukturbreite im Bereich < 80 µm, lediglich unter Laborbedin­ gungen auch darunter. Der Übergang zu kleineren Strukturbreiten mit diesem Verfah­ ren wird durch Probleme erschwert, die ihren Ursprung u. a. im Streulicht, in der Wel­ ligkeit des Substrates und in Dimensionsinstabilitäten der Filmmaske haben.
Bei jüngeren Leiterplatten-Fertigungstechnologien, bei denen das Leiterbild auf dünne flexible Träger aufgebracht wird, entstehen weitere Probleme durch die Instabilität des Basismaterials selbst, die nur durch Verwendung gesondert angepaßter Masken kom­ pensiert werden können, wodurch der Aufwand für die Maskenherstellung unvertretbar hoch ansteigt.
Um der Forderung der Industrie nach Herstellungstechnologien gerecht zu werden, durch die auch Kleinserien von Leiterplatten wirtschaftlich gefertigt werden können, wurden Verfahren und Einrichtungen entwickelt, mit denen die Leiterbilder bzw. das Leiterplatten-Layout direkt auf das Substrat, wie beispielsweise mit Trockenfilmresist beschichtete, kupferkaschierte Platten, abgebildet werden können. Das wird erreicht, indem mit Hilfe eines in Abhängigkeit vom Leiterbild-Layout modulierten Laserstrahles der Resist Ort für Ort und Zeile für Zeile abgetastet und dabei je nach Vorgabe durch die Modulation an den Stellen belichtet oder nicht belichtet wird, die der jeweiligen Ablenkposition des Laserstrahles entsprechen.
Gegenüber der herkömmlichen Fertigungstechnologie entfällt die teuere Vorlagenpro­ duktion von Filmen bzw. Glasmastern, der Umfang der anfallenden Schadstoffe in Form von Schwermetallösungen und Ammoniak bei der Film- und Glasmasterproduktion geht zurück, die schnellere Durchlaufzeit bei Kleinserien ermöglicht eine wirtschaftli­ chere Produktion von Leiterplatten und größere Leiterplattenserien können mit höherer Wirtschaftlichkeit anlaufen, da entscheidende Prozeßparameter über das Direktbelich­ tungssystem ermittelt und beeinflußt werden können, wie beispielsweise Datentests, Speizfaktoren, Ätzzuschläge, Positiv- und Negativbelichtung usw.
Eine Qualitätssteigerung bei der Herstellung der Leiterplatten ergibt sich bereits aus dem Wegfall der Fehlerquellen von Filmen oder Glasmastern, die als Wiederholungs­ fehler auf das Leiterplattensubstrat übertragen werden. Ein feiner strukturiertes Leiter­ bild ist ebenfalls erzielbar, da die mit der Verfilmung von Druckvorlagen verbundenden negativen Auswirkungen, wie beispielsweise Ausdehnung oder Kontraktion aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, sowie durch Fremdkörper verursach­ te Schäden bei der Laserdirektbelichtung nicht möglich sind.
Allerdings werden mit der Möglichkeit, kleinere Strukturbreiten erzielen zu können, die Anforderungen an die Leiterbildgenauigkeit, an die Ablenkgenauigkeit des Laserstrah­ les und vor allem an die Ausrichtgenauigkeit des Leiterplattensubstrates relativ zur Belichtungseinrichtung höher.
Zum Zweck der Ausrichtung weisen gedruckte Leiterplatten typischerweise Justiermar­ ken auf, die in der Nähe der Ränder oder Ecken der Leiterplatte an festgelegten Be­ zugspunkten relativ zu der auf die Platte gedruckten Schaltkreisanordnung aufge­ bracht sind. Die Justiermarken werden als Orientierung für das Bohren von Löchern verwendet, die während des Herstellung- und Prüfprozesses immer wieder zur Ausrich­ tung dienen, indem die Platte auf Montierstifte aufgesteckt wird.
Nachteilig bei der Ausrichtung der Leiterplatten anhand dieser Stiftlöcher ist die Tatsa­ che, daß die Positionen der Stiftlöcher von Leiterplatte zu Leiterplatte mit Ferti­ gungstoleranzen behaftet sind, deren Ursache in den zur Herstellung verwendeten Bohrwerkzeugen, Bohrmaschinen usw. liegen. Dieses Problem wiegt um so schwerer, als die Stukurbreiten auf der Leiterplatte immer kleiner werden und eine genauere Deckung von Leitplatte zu Leiterplatte nur durch eine Erhöhung der Ausrichtgenauig­ keit erzielbar ist.
Zum Ausgleichen solcher Ungenauigkeiten dient ein in der Offenlegungsschrift DE 43 ­ 42 645 A1 beschriebenes Ausrichtsystem für Leiterplatten, bei dem eine Anordnung von Prüfsonden in Kontakt mit einer Anzahl von Prüfpunkten in einer auf die Platte gedruckten Schaltkreisanordnung gehalten wird. Die Schaltkreisanordnung ist auf der Platte positioniert in Bezug auf Justiermarken oder andere Bezugspunkte. Weiterhin ist in der Platte ein Stiftloch vorgesehen, das ebenfalls bezüglich der Schaltkreisanord­ nung positioniert ist und unter Verwendung der Justiermarken als Positionierhilfe für das Bohrwerkzeug dient. Die Aufnahmevorrichtung enthält einen Montierstift, auf den die Leiterplatte mit dem Stiftloch aufgesteckt wird, wodurch die gedruckte Schalt­ kreisanordnung in einer fixierten Position relativ zu den Prüfsonden gehalten wird. Nun werden die Justiermarken mit Hilfe einer Abtastvorrichtung abgetastet, welche ein Ausgangssignal erzeugt, das für die Ausrichtung oder Fehlausrichtung der Prüfsonden im Hinblick auf die Prüfpunkte in der Schaltkreisanordnung repräsentativ ist.
Die Position des Montierstiftes ist verstellbar, wobei mit der Verstellung des Montier­ stiftes die Leiterplatte relativ zu Vorrichtung verschiebbar und dadurch eine Fehlaus­ richtung der Prüfsonden relativ zur Schaltkreisanordnung korrigierbar ist. Das Aus­ gangssignal der Abtasteinrichtung zeigt die Größe und Richtung der erforderlichen Verschiebung des Montierstiftes und damit der Platte an. Nachteilig bei diesem Aus­ richtsystem ist der relativ hohe Zeitaufwand, der erforderlich ist, um die Platte genau auszurichten. Zur Verkürzung der Produktionsvorlaufzeiten bei der Leiterplattenher­ stellung ist dieses Ausrichtsystem deshalb nicht geeignet.
Im "Handbuch der Leiterplattentechnik" von Herrman/Egerer, Band 2, Eugen G. Leuze Verlag 1991, ist auf den Seiten 180 ff. das Prinzip der Laser-Direktbelichtung kurz er­ läutert. Hier ist auch ein Beispiel für ein optisches Positioniersystem im Zusammen­ hang mit der Direktbelichtung beschrieben, bei dem eine Halbleiterkamera, ein Bild­ prozessor, ein Datenprozessor und eine Rotationsausgleichsbühne Hauptbestandteile sind. Während des Betriebes dieses Ausrichtungssystems werden die Positionen der Ausrichtungsöffnungen in der Platte mit der Halbleiterkamera gemessen, um danach die Koordinatensysteme der Belichtungseinheit und der Leiterplatte in Übereinstim­ mung bringen zu können. Nachdem beide Koordinatensysteme in Übereinstimmung gebracht worden sind, kann mit der Abbildung des Leiterbildes an der jeweiligen Posi­ tion begonnen werden. Beim Aufbau der hier vorgeschlagenen Anordnung ist ein rela­ tiv hoher gerätetechnischer Aufwand zu betreiben, weil neben der Belichtungseinrich­ tung mit der Ablenkeinheit für den Laserstrahl in den Koordinaten X und Y eine kom­ plette Bildaufnahmeeinrichtung mit Halbleiterkamera, Bildprozessor, Datenprozessor usw. erforderlich ist. Außerdem verbleiben stets Fehler zwischen dem Koordinatensy­ stem der Belichtungseinheit und dem Koordinatensystem des Meßaufbaus, der ledig­ lich zur Ermittlung der Lage der Leiterplatte vorgesehen ist.
In der DE 30 19 869 A1 ist eine "Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes einer Ätz- bzw. Druckvorlage für eine gedruckte Schaltung" beschrieben, in der Maßnahmen zur Erhöhung der Genauigkeit von Ätzvorlagen, die der Leiterplattenherstellung dienen, vorgesehen sind. Hierbei wird der modulierte Laserstrahl auf ein Ausgabemedium, z. B. auf einen Film oder eine Glasplatte, gerichtet und dabei so abgelenkt, daß er das Aus­ gabemedium überstreicht, wobei ein Bild der Ätzvorlage erzeugt wird. Zugleich mit dem Laserstrahl wird ein Bezugsstrahl abgelenkt und auf eine Bezugsmaske gerichtet, wobei ein Bezugssignal erzeugt wird, das die jeweilige Lage des Laserstrahles be­ stimmt und dazu dient, die Synchronisation der Modulation des Laserstrahles und der Lage des Laserstrahles gegenüber dem Ausgabemedium herbeizuführen. Damit wer­ den gerätetechnisch bedingte Fehler kompensiert. Nachteilig ist hierbei allerdings im­ mer noch, daß Abweichungen der Lage, der Maßhaltigkeit und der Form des zu belich­ tenden Mediums nicht berücksichtigt werden und somit eine optimale Genauigkeit nicht erzielt werden kann.
Aus DE 31 30 422 C2 ist ein "Verfahren zum Aufzeichnen eines Bildmusters auf einem mit einem für Elektronen empfindlichen Material beschichteten Substrat" bekannt. Die­ ses Substrat verfügt über Referenzmarken, die beim Überstreichen mit dem Elektro­ nenstrahl erfaßt werden. Hierbei ist vorgesehen, die Intensität des Elektronenstrahles in Abhängigkeit davon zu ändern, ob dieser zum Zweck der Lageerfassung oder der Aufzeichnung des Musters auf das Substrat gerichtet ist, wobei davon ausgegangen wird, daß die Intensität des Elektronenstrahles bei Abtastung der Referenzmarken auf einen höheren Wert eingestellt ist, als bei der Bildmustererzeugung.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorge­ nannten Art zur Belichtung von Leiterplattensubstraten derart weiterzubilden, daß eine höhere Genauigkeit bei der Übertragung des Layouts auf das Leiterplattensubstrat er­ zielt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Positionserfassung der Refe­ renzmarken durch eine Kontrollabtastung mit dem Laserstrahl erfolgt, wobei dessen Intensität so ausgelegt ist, daß keine Belichtung der fotoempfindlichen Schichten ge­ geben ist und/oder die Kontrollabtastung nur in Kontrollarealen erfolgt, in denen sich die Referenzmarken bei Grobausrichtung zumindest teilweise befinden, die dabei ge­ wonnenen Positionswerte einem Vergleich mit gespeicherten Soll-Werten unterzogen und daraus Informationen über Lage-, Maß- und/oder Formabweichungen des Leiter­ plattensubstrates ermittelt werden, aus diesen Informationen Korrekturwerte für die Modulations-Daten des Laserstrahles errechnet werden und dann die Belichtung der fotoempfindlichen Schichten mit korrigierten Modulations-Daten und zur Belichtung geeigneter Intensität des Laserstrahles vorgenommen wird.
Als Soll-Positionen sind in diesem Zusammenhang die Positionen zu verstehen, die die Referenzmarken als Voraussetzung für eine exakte Belichtung einnehmen. Aus dem Vergleich werden Korrekturdaten gewonnen. Anhand der Korrekturdaten wird eine Än­ derung der Ablenk- bzw. Modulations-Daten des Laserstrahles veranlaßt, was dazu führt, daß ein die Lage-, Maß- und/oder Formabweichungen des Leiterplattensubstra­ tes kompensierendes Leiterbild entsteht.
In einer Ausgestaltungen der Erfindung kann alternativ vorgesehen sein, daß entweder die Kontrollabtastung mit einem Laserstrahl erfolgt, der im Hinblick auf seine Intensität und/oder seine spektralen Eigenschaften so moduliert ist, daß kein Belichtungsvorgang in der fotoempfindlichen Schicht ausgelöst wird oder die Kontrollabtastung lediglich auf Flächenabschnitte des Leiterplattensubstrates beschränkt ist, in denen sich die Referenzmarken befinden.
Wird die Kontrollabtastung des Leiterplattensubstrates mit einem Laserstrahl vorge­ nommen, dessen Intensität zu gering ist, um fotochemische Veränderungen der fo­ toempfindlichen Schicht zu veranlassen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, nach Ende der Kontrollabtastung die Intensität der Laserstrahlung zu erhöhen oder auf eine La­ serstrahlung anderer, den Fotoresist beeinflussende Wellenlänge umzuschalten.
Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß in der Belichtungseinrichtung Ein- oder Mehrlinienlaser vorgesehen sind, denen ein Strahlvereiniger sowie ein akusto-optisch durchstimmbarer Filter (AOTF) und/oder ein akusto-optischer Modulator (AOM) nach­ geschaltet sind. Auf diese Weise ist es leicht möglich, mit derselben Scan-Einrichtung das Leiterplattensubstrat sowohl bezüglich seiner Ist-Position mit einem Kontrollstrahl abzutasten als auch unmittelbar folgend die Belichtung des Fotoresistes vorzunehmen.
Bevor jedoch mit der Belichtung begonnen wird, erfolgt in den vorbeschriebenen erfin­ dungsgemäßen Verfahrensschritten die Korrektur der Ausrichtung des Leiterplatten­ substrates relativ zur Belichtungeinrichtung und/oder die Korrektur der Modulations- Daten in Abhängigkeit von der jeweiligen Ablenkposition des Laserstrahles.
Mit der Korrektur der Modulations-Daten in Abhängigkeit von der jeweiligen Ablenkpo­ sition des Laserstrahles erreicht man, daß nicht nur schlechthin Lageabweichungen des Leiterplattensubstrates zur Soll-Position korrigiert, sondern auch Maßabweichungen, die beispielsweise ihre Ursache in Fertigungstoleranzen oder geometrischen Verfor­ mungen des Substrates haben, ausgeglichen werden können, wie noch zu zeigen sein wird.
In verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die auf dem Lei­ terplattensubstrat vorhandenen optisch wahrnehmbaren Referenzmarken in Form von Übergängen zwischen geneigten und damit die Richtung des Laserstrahles unter­ schiedlich beeinflussenden Flächenabschnitten, von Übergängen zwischen transparen­ ten und nichttransparenten Flächenabschnitten oder von Übergängen zwischen Flä­ chenabschnitten unterschiedlicher Reflexionseigenschaften sind. So lassen sich auch auf Leiterplatten für die herkömmliche Fertigung vorhandene Kontrollbohrungen, die ursprüglich zur Positionierung des jeweiligen Substrates mit Hilfe von Montagestiften vorgesehen sind, vorteilhaft als "transparente" Flächen nutzen, während die übrige Substratfläche für den Laserstrahl nicht transparent ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zur Belichtung einer Serie von Leiterplattensubstraten, von denen jedes mindestens vier durch das Leiterplatten­ substrat hindurchgehende Kontrollbohrungen aufweist, deren Abstände zueinander und deren Lage charakteristisch sind für die Ausrichtung der Leiterplattensubstrate in Bezug auf das Belichtungssystem, ist vorgesehen, daß jeder Kontrollbohrung eines Leiterplattensubstrates ein Kontrollareal auf dem Auflagetisch zugeordnet wird.
Nun wird eine manuelle Grobausrichtung des Leiterplattensubstrates zunächst so vor­ genommen, daß von jeder Kontrollbohrung mindestens ein Abschnitt ihres Umfanges, bevorzugt jedoch der gesamte Umfang, innerhalb des zugeordneten Kontrollareales liegt.
Danach werden die Kontrollareale mit einem Laserstrahl Ort für Ort in X-Richtung und Zeile für Zeile in Y-Richtung abgetastet, wobei der Laserstrahl jeweils dann ein Positi­ onssignal an einer Detektoreinrichtung auslöst, wenn er in X-Richtung über den Um­ fang der Kontrollbohrung hinweg abgelenkt wird. Das geschieht dadurch, daß der ab­ gelenkte Laserstrahl dann auf die Detektionseinrichtung trifft und von dieser registriert wird, wenn die Ablenkung über das nicht transparente Leiterplattensubstrat hinweg zum Bohrungsumfang hin erfolgt und die Kante des Bohrungsumfanges passiert. So ermittelt beispielhaft in genau dieser Ablenkposition y1; x1E des Laserstrahles die Detek­ tionseinrichtung ein Signal "Licht ein" bzw. "Empfang". Trifft der Laserstrahl bei weite­ rer Ablenkung auf der gegenüberliegenden Seite des Bohrungsumfanges wieder auf das Leiterplattensubstrat, liegt für genau diese Ablenkposition y1; x1A am Ausgang der Detektionseinrichtung ein Signal "Licht aus" bzw. "kein Empfang" an.
Für jedes Kontrollareal werden nun die Positionssignale erfaßt, dabei jedem Positions­ signal die entsprechende Ablenkposition des Laserstrahles als Wertepaar von yn; xnE bzw. yn; xnA zugeordnet und als Koordinatenmatrizen gespeichert. In der Folge wird unter Anwendung bekannter mathematischer Beziehungen aus jeder Koordinatenma­ trix die aktuelle Lage des Mittelpunktes der zugehörigen Kontrollbohrung errechnet und als Ist-Position gespeichert.
Die Lage der Mittelpunkte aller vier Kontrollbohrungen ist damit ein Maß für die Ist- Position des Leiterplattensubstrates. Die Ist-Positionen werden nunmehr einem Ver­ gleich mit den Soll-Positionen unterzogen, aus dem Vergleich Korrekturdaten gewon­ nen und anhand der Korrekturdaten eine Positionsänderung des Leiterplattensubstra­ tes und/oder eine Änderung der den jeweiligen Ablenkpositionen für den Laserstrahles beim späteren Belichtungsdurchlauf zugeordneten Modulations-Daten vorgenommen.
Die Änderung bzw. Korrektur der Ablenkpositionen für den Laserstrahl nach der Be­ stimmung der Ist-Position des Leiterplattensubstrates und nach dem Vergleich mit des­ sen Soll-Position hat den Vorteil, daß eine unter Umständen zeitaufwendige Positi­ onsänderung des Leiterplattensubstrates entfallen kann. Die Umrechnung der Modula­ tionsdaten ist wesentlich schneller möglich. Hierdurch wird das Koordinatensystem der Ablenkeinrichtung rechnerisch dem Koordinatensystem des Leiterplattensubstrates angeglichen, was durch rechnerische Drehung und/oder durch rechnerische Verschie­ bung in X- bzw. Y-Richtung vorgenommen wird, so daß beim Belichtungsdurchlauf der Laserstrahl an genau der vorgesehenen Ablenkposition mit der dieser Ablenkposition zugeordneten Intensität moduliert ist, um an dieser Stelle des Leiterplattensubstrates eine Belichtung des Fotoresistes zu bewirken.
Nach erfolgter Korrektur wird anstelle der Abtastung mit dem unmodulierten Laser­ strahl die Belichtung mit dem modulierten Laserstrahl vorgenommen.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfah­ rens. Diese weist einen Aufnahmetisch für mit Kontrollbohrungen versehene Leiterplat­ tensubstrate, eine Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl in den Koordinaten X, Y und eine Ansteuereinheit für die Ablenkeinrichtung auf.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine Modulationseinrichtung zur Variation der Intensität der Laserstrahlung vorgesehen und mit der Ansteuereinheit gekoppelt ist, der Auflagetisch mindestens an den Flächenabschnitten transparent ausgebildet ist, die bei Grobausrichtung eines Leiterplattensubstrates von einer Kontrollbohrung über­ deckt werden, optoelektronische Empfänger vorhanden sind, die bei Durchgang eines über das Leiterplattensubstrat abgelenkten Laserstrahles durch eine Kontrollbohrung Positionssignale abgeben und die Ausgänge der Empfänger über eine Auswerteschal­ tung, die zum Vergleich der Positionssignale mit gespeicherten Soll-Werten sowie zur Berechnung von Modulations-Korrekturwerten dient, mit der Ansteuereinheit verbun­ den sind.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, daß der Auflagetisch vier Durchbrüche aufweist und jedem Durchbruch ein Empfänger zugeordnet ist, dem in Empfangsrichtung eine fokussierende Linsenanordnung vorgeschaltet sein kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein auf einem Auflagetisch grob ausgerichtetes Leiterplattensubstrat
Fig. 2 den Ausschnitt eines Querschnittes durch den Auflagetisch
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des Ver­ fahrens
In Fig. 1 ist ein Auflagetisch 1 für ein Leiterplattensubstrat 2 dargestellt. Das Leiterplat­ tensubstrat 2 ist an seiner Oberfläche mit einem Foto resist (zeichnerisch nicht darge­ stellt) beschichtet, der zur Belichtung auf der Grundlage der Layout-Daten für ein Lei­ terbild vorgesehen ist, wobei während der Belichtung dem Fotoresist das Leiterbild aufgeprägt wird und danach in an sich bekannter Weise die Leiterplatte hergestellt wird.
Die Belichtung erfolgt durch einen Laserstrahl, der Ort für Ort in Richtung X und Zeile für Zeile in Richtung Y relativ zum Leiterplattensubstrat 2 bewegt wird, was sowohl durch Ablenkung des Laserstrahles in den Koordinaten X, Y als auch durch Ablenkung des Laserstrahles nur in der Koordinate X bei gleichzeitiger Bewegung des Leiterplat­ tensubstrates 2 in Richtung Y erfolgen kann. Während der Abtastung wird der Laser­ strahl bezüglich seiner Intensität moduliert, wobei diese Modulation in Abhänigkeit von den Layout-Daten erfolgt und dabei der Fotoresist entsprechend den Layout-Daten beeinflußt wird.
In jeder Abtastposition x; y ist demzufolge der Laserstrahl mit einer vorgegebenen In­ tensität moduliert, die eine Veränderung im Fotoresist bewirkt oder nicht bewirkt, je nach vorgegebener Ablenkposition und in Übereinstimmung mit den Layout-Daten. Die Belichtungseinrichtung, von welcher der Laserstrahl ausgeht, ist in Fig. 1 zeichnerisch nicht dargestellt; ebenso nicht die Ablenkeinrichtung.
Eine wichtige Voraussetzung bei der Belichtung des Leiterplattensubstrates 2 bzw. des Fotoresistes ist die genaue Ausrichtung zum Koordinatensystem der Belichtungsein­ richtung. Nur damit ist gewährleistet, daß die aufeinander folgenden Belichtungen bei­ der Seiten des Leiterplattensubstrates 2 einen geometrisch definierten Bezug zueinan­ der erhalten (Überdeckung) und somit die Bohrbarkeit des Leiterplattensubstrates 2 gegeben ist.
Zum Zweck der genauen Ausrichtung verfügt das Leiterplattensubstrat 2 beispielhaft über vier Kontrollbohrungen 3, 4, 5 und 6, die jeweils nahe der Ecken des viereckigen Leiterplattensubstrates 2 eingebracht sind. Die Abstände der Kontrollbohrungen 3 bis 6 und ihre Lage sind Bezugsgrößen für das positionsgerechte Aufbringen des Leiterbil­ des. Nach dem bisherigen Stand der Technik werden Leiterplattensubstrate vor der Belichtung anhand der Kontrollbohrungen mit Hilfe von Montierstiften ausgerichtet, was jedoch (wie bereits dargelegt) nachteilig ist. Auch bei den Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen eine gleichzeitige Belichtung beider Leiterplattenseiten vorgesehen ist, erfolgt die Ausrichtung der beiden Leiterbilder, von denen jeweils eines einer Leiterplattenseite zugeordnet ist, durch Ausrichtung der entsprechenden Film­ schablonen zueinander vor Beginn der Belichtung z. B. wiederum mit Hilfe von Mon­ tierstiften.
Um nun eine genauere und auch weniger zeitaufwendige Positionierung als Vorausset­ zung einer präzisen Belichtung des Leiterplattensubstrates 2 vornehmen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Leiterplattensubstrat 2 zunächst manuell auf dem Auflagetisch 1 so zu positionieren, daß jede der Kontrollbohrungen 3 bis 6 innerhalb eines ihr zugeordneten Kontrollareales 7 bis 10 zu liegen kommt. Das heißt, beim ma­ nuellen Auflegen des Leiterplattensubstrates 2 auf den Auflagetisch 1 wird darauf ge­ achtet, daß beispielhaft die Kontrollbohrung 3 im Kontrollareal 7 liegt, die Kontrollboh­ rung 4 im Kontrollareal 8 usw.
Nunmehr wird die Belichtungseinrichtung in Betrieb genommen, wobei jedoch mit dem Belichtungsstrahlengang nicht das gesamte Leiterplattensubstrat, sondern lediglich die Kontrollareale 7 bis 10 abtastet werden. Jedes Kontrollareal wird dabei Ort für Ort in Richtung X und Zeile für Zeile in Richtung Y abgetastet. Während dieser Abtastung wird der Laserstrahl je nach Lage der innerhalb eines Kontrollareales 7 bis 10 liegenden Kontrollbohrungen 3 bis 6 über die Kanten dieser Bohrung geführt.
In Fig. 2 ist beispielhaft anhand des Kontrollareales 7, das die Ausdehnung A hat, zu erkennen, daß sich im Auflagetisch 1 unterhalb des Kontrollareales 7 ein optoelektro­ nischer Empfänger 11 befindet, auf den über eine Optik 12 der Kantenübergang 13, der dem Umfang der Kontrollbohrung 3 entspricht, projiziert wird, sobald der Laser­ strahl 14 diesen Kantenübergang 13 passiert. Die Optik 12 kann beispielhaft in einer Gehäuseöffnung des Empfängers 11 angeordnet sein. Tritt der Laserstrahl 14 über den Kantenübergang 13 in die Bohrung ein, registriert der Empfänger 11 ein Signal "Licht ein". Dieses Signal wird der Abtastposition x, y zugeordnet, die der Laserstrahl beim Kantenübergang 13 erreicht hat. Für diese Abtastposition wird ein Werte paar y1, x1E ge­ speichert.
Tritt der Laserstrahl 14 auf der gegenüberliegenden Seite über den Kantenübergang 13 wieder aus der Kontrollbohrung 3 aus, registriert der Empfänger 11 ein Signal "Licht aus". Entsprechend wird für diese Abtastposition ein Wertepaar y1, x1A gespeichert.
Für jede Abtastzeile, in welcher der Laserstrahl 14 die Kontrollbohrung 3 überstreicht, werden die Positionen der Kantenübergänge aufgenommen, so daß für jede Kontroll­ bohrung 3 bis 6 nach der Abtastung eine Koordinatenmatrix der Form gespeichert ist:
In einer Auswerteschaltung wird nach bekannten Rechenoperationen aus der jeweiligen Koordinatenmatrix der Mittelpunkt der zugehörigen Kontrollbohrung errechnet. Aus der Lage der Mittelpunkte wird die reale Lage des Leiterplattensubstrates 2 relativ zum Auflagetisch 1 bzw. zum Belichtungssystem bestimmt und in der Folge werden aus dem Vergleich der Ist-Position zur Soll-Position Korrekturwerte ermittelt. Anhand der Korrekturwerte werden in der beschriebenen Weise entweder die Ausrichtung des Lei­ terplattensubstrates 2 relativ zur Belichtungseinrichtung oder die Modulationsdaten geändert.
In Fig. 3 ist beispielhaft eine Anordnung zur Ausführung der erfindungsgemäßen Ver­ fahrensschritte dargestellt. Hier ist auf einem Auflagetisch (nicht dargestellt) ein Lei­ terplattensubstrat 2 mit mehreren Kontrollbohrungen abgelegt, von denen der folgen­ den Erläuterung aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Kontrollbohrung 3 zu­ grundegelegt werden soll. Unterhalb der Kontrollbohrungen sind im Auflagetisch (wie in Fig. 2 beschrieben) Durchbrüche 15 eingearbeitet, denen jeweils ein optoelektroni­ scher Empfänger 11 zugeordnet ist.
Über dem Auflagetisch ist die Belichtungseinrichtung angeordnet, in welcher eine Ab­ lenkeinrichtung 16 für den Laserstrahl 14 vorgesehen ist. Die Ablenkeinrichtung 16 verfügt über einen drehbaren Polygonspiegel, auf den der Laserstrahl 14 gerichtet ist und durch den er während der Rotation des Polygonspiegels eine Ablenkung in Rich­ tung der Koordinate X erfährt. Weiterhin ist ein Antrieb 17 zur Erzeugung einer Bewe­ gung des Auflagetisches mit dem aufgelegten Leiterplattensubstrat 2 relativ zur Belich­ tungseinrichtung in Richtung der Koordinate Y vorgesehen.
Weiterhin sind für jede Koordinate X, Y Positionsmelder 18 und 19 vorhanden, die mit Linearmaßstäben 20 und 21 ausgestattet sind. Vom Positionsmelder 18 wird die jewei­ lige Ablenkposition x des Laserstrahles 14, vom Positionsmelder 19 die jeweilige Ab­ lenkposition y des Laserstrahles 14 (bzw. die Tischposition) bei der Abtastung der Oberfläche des Leiterplattensubstrates 2 erfaßt und an eine Speicher- und Rechenschal­ tung 22 weitergegeben.
Tritt der Laserstrahl 14 während seiner Ablenkung in Richtung der Koordinate X bei­ spielsweise durch die Kontrollbohrung 3 hindurch, trifft er auf die Empfangsfläche des darunter angeordneten optoelektronischen Empfängers 11 und löst ein Empfangs­ signal aus, das ebenfalls an die Speicher- und Rechenschaltung 22 ausgegeben wird. Das im Augenblick eines Kantenüberganges 13 am Umfang der Kontrollbohrung 3 ausgegebene Empfangssignal "Licht ein" oder "Licht aus" wird in der Speicher- und Re­ chenschaltung 22 der jeweiligen Ablenkposition x, y des Laserstrahles 14 zugeordnet, und es erfolgt wie oben beschrieben die Speicherung von Koordinatenmatritzen für alle Kantenübergänge.
Außerdem wird in der Speicher- und Rechenschaltung 22 aus diesen Koordinatenmatri­ zen die Lage der Mittelpunkte der Kontrollbohrungen errechnet und an Kontrollschal­ tungen 23, 24 und 25 ausgegeben. In der Kontrollschaltung 23 wird ein Vergleich der Ist-Positionen der Mittelpunkte mit deren Soll-Positionen in Y-Richtung vorgenommen sowie gegebenenfalls eine Verdrehung des Leiterplattensubstrates 2 ermittelt; in der Kontrollschaltung 24 erfolgt derselbe Vergleich für die Koordinate X.
Die Kontrollschaltung 25 dient dem Vergleich der ermittelten realen Abstände zwi­ schen zwei oder mehreren Kontrollbohrungen in den Koordinaten X und Y mit den Soll- Abständen zwischen diesen Kontrollbohrungen. Auf diese Weise werden geometrische Verzerrungen und damit Formabweichungen von Leiterplattensubstrat zu Leiterplat­ tensubstrat ermittelt.
Zugleich werden in den Kontrollschaltungen 23, 24 und 25 Korrekturwerte ermittelt und ausgegeben. Dabei erfolgt die Ausgabe der Korrekturwerte für die Koordinate Y sowie die Ausgabe eines Verdrehwinkels an die Stelleinrichtung 17, die Ausgabe der Korrekturwerte für die Koordinate X jedoch an eine Modulationseinrichtung 26. Allein damit ist bereits eine Lagekorrektur des Leiterplattensubstrates 2 zum Koordinatensy­ stem der Belichtungseinrichtung möglich. Sollten außer den Lageabweichungen zu­ sätzlich Formabweichungen des Leiterplattensubstrates 2 vorhanden sein, so können über die Stelleinrichtung 17 zusätzliche Korrektursignale ausgegeben werden, die zu einer Veränderung der Ablenkgeschwindigkeit in Richtung Y und damit zu einer Kor­ rektur der geometrischen Verzerrung in dieser Richtung führen. Weiterhin steht der Ausgang der Kontrollschaltung 25 mit einer Taktsynchronisierschaltung 27 in Verbin­ dung, die einen zum Grundtakt der Ablenkung in Richtung X synchronisierten Belich­ tungstakt ausgibt, der in seiner Frequenz so korrigiert ist, daß ein erneutes Abtasten der Kontrollbohrungen die Ermittlung der exakten Soll-Positionen zum Ergebnis hätte.
Die genannte Anordnung erlaubt weiterhin durch Kontrollabtastung eines bekannten und vermessenen Normals 28, das mit Durchgangsbohrungen oder Marken in X- und/oder Y-Richtung versehen ist, eine selbständige Justierung des metrologischen Grundzustandes der Belichtungseinrichtung wie oben beschrieben.
Bei Anwendung dieser Anordnung lassen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Ver­ fahrensschritte im vollen Umfang erzielen.
Bezugszeichenliste
1
Auflagetisch
2
Leiterplattensubstrat
3
,
4
,
5
,
6
Kontrollbohrungen
7
,
8
,
9
,
10
Kontrollareale
11
Optoelektronischer Empfänger
12
Optik
13
Kantenübergang
14
Laserstrahl
15
Durchbruch
16
Ablenkeinrichtung
17
Antrieb
18
,
19
Positionsmelder
20
,
21
Linearmaßstäbe
22
Speicher- und Rechenschaltung
23
,
24
,
25
Kontrollschaltungen
26
Modulationseinrichtung
27
Taktsynchronisierschaltung
28
Normal

Claims (7)

1. Verfahren zur Direktbelichtung von Leiterplattensubstraten durch Abtastung mit einem Laserstrahl, bei dem ein zumindest abschnittweise mit fotoempfindlichen Schichten und mit Referenzmarken versehenes Leiterplattensubstrat (2) zunächst grob zu einer Belichtungseinheit ausgerichtet wird, dann die Positionen der Refe­ renzmarken optisch erfaßt werden und danach die Abtastung der fotoempfindli­ chen Schichten mit dem entsprechend der gewünschten Leiterplattenstruktur modulierten Laserstrahl vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Positionserfassung der Referenzmarken durch eine Kontrollabtastung mit dem Laserstrahl (14) erfolgt, wobei dessen Intensität so ausgelegt ist, daß keine Belichtung der fotoempfindlichen Schichten gegeben ist und/oder die Kontrollab­ tastung nur in Kontrollarealen (7, 8, 9, 10) erfolgt, in denen sich die Referenzmar­ ken bei Grobausrichtung zumindest teilweise befinden,
  • 2. die dabei gewonnenen Positionswerte einem Vergleich mit gespeicherten Soll- Werten unterzogen und daraus Informationen über Lage-, Maß- und/oder Formabweichungen des Leiterplattensubstrates (2) ermittelt werden,
  • 3. aus diesen Informationen Korrekturwerte für die Modulations-Daten des Laser­ strahles (14) errechnet werden und
  • 4. dann die Belichtung der fotoempfindlichen Schichten mit korrigierten Modula­ tions-Daten und zur Belichtung geeigneter Intensität des Laserstrahles (14) vor­ genommen wird, wobei ein im Hinblick auf die Lage-, Maß- und/oder Formabwei­ chungen des Leiterplattensubstrates (2) korrigiertes Leiterbild entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmarken in Form von mindestens vier Kontrollbohrungen (3, 4, 5, 6) ausgebildet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollbohrungen (3, 4, 5, 6) und Kontrollareale (7, 8, 9, 10) auf dem Leiterplattensubstrat (2) außer­ halb des Bereiches liegen, der dem Leiterbild vorbehalten ist.
4. Anordnung zur Direktbelichtung von Leiterplattensubstraten (2), mit einem Auf­ nahmetisch (1) für mit Kontrollbohrungen (3, 4, 5, 6) versehene Leiterplattensub­ strate (2), einer Ablenkeinrichtung (16) für einen Laserstrahl (14) in den Koordi­ naten X, Y und einer Ansteuereinheit für die Ablenkeinrichtung (16), dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • 1. eine Modulationseinrichtung (26) zur Variation der Intensität der Laserstrahlung vorgesehen und mit der Ansteuereinheit gekoppelt ist,
  • 2. der Auflagetisch (1) mindestens an den Flächenabschnitten transparent ausgebil­ det ist, die bei Grobausrichtung eines Leiterplattensubstrates (2) von einer Kon­ trollbohrung (3, 4, 5, 6) überdeckt werden,
  • 3. optoelektronische Empfänger (11) vorhanden sind, die bei Durchgang eines über das Leiterplattensubstrat (2) abgelenkten Laserstrahles (14) durch eine Kontroll­ bohrung (3, 4, 5, 6) Positionssignale abgeben,
  • 4. die Ausgänge der Empfänger (11) über eine Auswerteschaltung, die zum Ver­ gleich der Positionssignale mit gespeicherten Soll-Werten sowie zur Berechnung von Modulations-Korrekturwerten dient, mit der Ansteuereinheit verbunden sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagetisch (1) an den Flächenabschnitten, die bei Grobausrichtung des Leiterplattensubstrates (2) von einer Kontrollbohrung (3, 4, 5, 6) überdeckt oder mindestens teilweise überdeckt werden, Durchbrüche (15) aufweist und jedem dieser Durchbrüche (15) ein Empfänger (11) zugeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Empfängern (11) in Empfangsrichtung fokussierende Optiken (12) vorgeordnet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfänger (11) Flächensensoren vorgesehen sind, deren Empfangsflächen größer sind als die Kontrollbohrungen (3, 4, 5, 6).
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