Лазерное прямое экспонирование

Лазерное прямое экспонирование (ЛПЭ, Laser Direct Imaging, LDI) — это технология формирования изображения на поверхности, покрытой светочувствительным материалом (фоторезистом), путём сканирования сфокусированным лазерным лучом без использования фотошаблона (фотомаски). Относится к классу безмасочных (maskless) литографических процессов и применяется преимущественно в производстве печатных плат (ПП), а также в микроэлектронике, производстве фотошаблонов и некоторых видах аддитивных технологий.

История развития

Технология прямого лазерного экспонирования начала развиваться в 1980-х годах как альтернатива традиционному контактному и проекционному фотолитографическому оборудованию. Первые промышленные образцы LDI-систем появились в начале 1990-х годов и использовали газовые лазеры (аргоновые, гелий-кадмиевые) с длиной волны в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне (351—364 нм). Основным стимулом для внедрения ЛПЭ стало повышение требований к точности совмещения слоёв в многослойных печатных платах и необходимость оперативной смены рисунка без изготовления дорогостоящих фотошаблонов.

В 2000-х годах произошёл переход к твёрдотельным лазерам с диодной накачкой, что позволило увеличить мощность и стабильность излучения, а также уменьшить габариты оборудования. Развитие технологий пространственного модулятора света (цифровые микрозеркальные устройства DLP, Texas Instruments) и акустооптических дефлекторов позволило реализовать многолучевое сканирование, существенно повысив производительность.

С 2010-х годов ЛПЭ стало стандартом для производства многослойных печатных плат высокого класса точности (класс 3 и выше по ГОСТ Р 53429-2009, IPC-6012). В микроэлектронике ЛПЭ используется для изготовления прототипов и мелкосерийного производства интегральных схем с проектными нормами от 5 мкм. В России разработкой и производством оборудования для лазерного прямого экспонирования занимаются, в частности, компании «Лазерный центр» (Санкт-Петербург) и НПП «Лазерные системы» (Зеленоград).

Принцип действия

Основой ЛПЭ является управляемое сканирование лазерного луча по поверхности подложки, покрытой фоторезистом. Процесс включает следующие этапы:

Формирование луча. Лазерное излучение (обычно в УФ-диапазоне, 355—405 нм) фокусируется в пятно диаметром от 5 до 50 мкм в зависимости от требуемого разрешения.
Модуляция. Интенсивность луча модулируется в соответствии с растровым изображением рисунка. Используются акустооптические или электрооптические модуляторы, либо цифровые микрозеркальные устройства.
Сканирование. Сфокусированный луч перемещается по поверхности подложки с помощью гальванометрических сканеров, линейных приводов или комбинации этих систем. В многолучевых системах (например, с 32, 64 или 256 каналами) одновременно экспонируется несколько участков.
Экспонирование. Светочувствительный слой фоторезиста под действием лазерного излучения изменяет свою растворимость (позитивные или негативные фоторезисты). После проявления формируется рельеф, соответствующий заданному рисунку.

В отличие от традиционной фотолитографии, ЛПЭ не требует изготовления фотошаблона — цифровой файл (формат Gerber, ODB++, DXF) напрямую преобразуется в управляющие сигналы для лазерной системы.

Классификация

Лазерное прямое экспонирование классифицируется по нескольким признакам.

По типу сканирования

Растровое (точка-за-точкой) — лазерный луч последовательно обходит все точки изображения. Обеспечивает максимальную гибкость, но низкую производительность. Используется для прототипирования.
Векторное — луч движется по контурам элементов. Применяется для экспонирования тонких линий и проводников.
Многолучевое (параллельное) — одновременно экспонируется несколько точек или полос. Наиболее распространённый тип в промышленных установках.

По типу лазера

Газовые (He-Cd, Ar-ion) — длина волны 325—364 нм. Устаревшие, но всё ещё применяются в некоторых лабораторных установках.
Твёрдотельные с диодной накачкой (DPSS) — длина волны 355 нм (третья гармоника Nd:YAG) или 405 нм (синий диодный лазер). Наиболее распространены.
Эксимерные (KrF, ArF) — длина волны 248 нм и 193 нм. Используются в микроэлектронике для субмикронных проектных норм, но требуют вакуумной или газовой среды.

По области применения

Для печатных плат — разрешение 25—50 мкм, производительность до 1 м²/мин.
Для фотошаблонов — разрешение 0,5—2 мкм, высокая точность позиционирования.
Для микроэлектроники — разрешение 0,5—5 мкм, используется в литографии с прямым переносом.
Для аддитивных технологий — селективное лазерное спекание (SLS) и стереолитография (SLA) иногда также относят к ЛПЭ, но это отдельные классы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Отсутствие фотошаблонов. Снижение затрат на оснастку, особенно при мелкосерийном производстве и прототипировании. Экономия может составлять до 80 % по сравнению с традиционной фотолитографией.
Высокая точность совмещения. Лазерная система может корректировать положение рисунка в реальном времени, компенсируя деформации подложки (усадку, коробление). Точность совмещения достигает ±5 мкм.
Гибкость. Возможность быстрой смены рисунка (достаточно загрузить новый файл). Идеально для прототипов и малых серий.
Улучшенное качество изображения. Отсутствие дефектов, связанных с фотошаблоном (царапины, загрязнения, износ). Лазерный луч имеет равномерное распределение интенсивности.
Возможность работы с большими форматами. Некоторые установки обрабатывают подложки размером до 1,5×2,5 м.

Недостатки

Низкая производительность по сравнению с контактной или проекционной литографией при массовом производстве. Время экспонирования одной платы может составлять от 30 секунд до нескольких минут.
Высокая стоимость оборудования. Промышленные LDI-системы стоят от 50 000 до 500 000 долларов США в зависимости от производительности и разрешения.
Ограничения по разрешению. Для субмикронных проектных норм (менее 0,5 мкм) ЛПЭ уступает проекционной литографии с использованием фотошаблонов.
Требования к чистоте. Лазерная оптика чувствительна к загрязнениям, что требует поддержания чистоты класса ISO 5-7 (по ГОСТ Р ИСО 14644-1).
Ограниченный выбор фоторезистов. Не все фоторезисты имеют достаточную чувствительность в УФ-диапазоне лазеров.

Применение

Основные области применения лазерного прямого экспонирования:

Производство печатных плат. ЛПЭ используется для формирования проводящего рисунка на внутренних и внешних слоях многослойных ПП. Особенно востребовано для плат высокой плотности монтажа (HDI), с микропереходами и тонкими проводниками (ширина дорожек до 50 мкм).
Изготовление фотошаблонов. Лазерные плоттеры (Laser Pattern Generators) создают фотошаблоны для последующей контактной или проекционной литографии.
Микроэлектроника. Прототипирование интегральных схем, изготовление микроэлектромеханических систем (МЭМС), датчиков, микрофлюидных устройств.
Оптоэлектроника. Формирование волноводов, дифракционных решёток, фотонных кристаллов.
Аддитивные технологии. В некоторых видах 3D-печати (например, стереолитография) используется лазерное сканирование для отверждения фотополимера.
Нанотехнологии. Лазерная литография с использованием ближнего поля (near-field) позволяет получать структуры с разрешением менее 100 нм.

Производители оборудования

На мировом рынке лазерных систем прямого экспонирования доминируют несколько компаний:

Orbotech (Израиль, с 2018 года — подразделение KLA Corporation) — лидер в производстве LDI-систем для печатных плат. Модели: Paragon, Diamond, Sprint.
SCREEN Holdings (Япония) — производит системы серии Ledia для ПП и фотошаблонов.
Laser Imaging Systems (США) — специализируется на системах для производства фотошаблонов.
Heidelberg Instruments (Германия) — производит лазерные плоттеры для микроэлектроники и фотошаблонов (серия DWL).
NanoSystem Solutions (Япония) — системы для микроэлектроники с разрешением до 0,5 мкм.

В России разработкой и производством LDI-оборудования занимаются:

ООО «Лазерный центр» (Санкт-Петербург) — производит установки серии «Лазер-Плата» для печатных плат.
НПП «Лазерные системы» (Зеленоград) — системы для микроэлектроники и фотошаблонов.
ООО «НТО ИРЭ-Полюс» (Фрязино) — разработка лазерных модулей для LDI.

Перспективы развития

Основные направления совершенствования технологии ЛПЭ:

Повышение производительности за счёт увеличения числа параллельных лучей (до 1024 и более) и использования более мощных лазеров.
Уменьшение длины волны до глубокого УФ (193 нм, 157 нм) для улучшения разрешения.
Интеграция с системами автоматического оптического контроля (AOI) для коррекции дефектов в реальном времени.
Разработка новых фоторезистов с высокой чувствительностью в УФ-диапазоне и низким уровнем шума.
Применение искусственного интеллекта для оптимизации траекторий сканирования и компенсации аберраций.

Ожидается, что ЛПЭ будет постепенно вытеснять традиционную фотолитографию в сегменте мелко- и среднесерийного производства, а также в тех областях, где требуется высокая гибкость и оперативность смены рисунка. В массовом производстве интегральных схем с субмикронными нормами доминирующей останется проекционная литография с использованием фотошаблонов.

Источники

ГОСТ Р 53429-2009 «Платы печатные. Основные параметры конструкции».
IPC-6012 «Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards».
J. R. Sheats, B. W. Smith. «Microlithography: Science and Technology». — CRC Press, 1998.
H. J. Levinson. «Principles of Lithography». — SPIE Press, 2010.
Материалы конференций «Лазерные технологии в микроэлектронике» (Санкт-Петербург, 2015—2023).
Техническая документация компаний Orbotech, SCREEN, Heidelberg Instruments.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →