一种自动调焦曝光方法与流程

1.本发明涉及直写式曝光技术领域，尤其是涉及一种自动调焦曝光方法。

背景技术：

2.直写式曝光是利用数字光处理技术在工件表面曝光形成电路图形的一种直接成像技术，相较于掩模式曝光效率显著提高、适应性更强，且成本优势明显，能够满足集成电路、半导体器件以及印刷电路板等多种产品的加工需求。
3.现有的直写式曝光系统制作的电路图形的线宽最高只能做到12um左右，已经不能满足更高精度的应用需求。为了能够得到更精确的图形、更精细的线条，需要曝光系统在高速扫描过程中，保证待曝光的工件表面总是处于曝光镜头的焦点上，但实际中，由于运动平台安装时不可能是完全水平状态，而是存在一定的倾角，会导致工件产生整体的倾斜，并且由于工件表面不可能是理想平面，即便通过运动平台进行吸平以及压板进行压边，还是会存在部分不平的区域，这些情况最终都会导致工件表面存在部分区域会偏离焦点较大距离，在该区域上曝光产生的线条就不会是理论线宽值，而是大于理论线宽，进一步导致此区域的图形和相邻区域拼接时发生拼接不良现象，影响整体的曝光精度。为了解决这一问题，当前采用的方案是如专利cn104216241b、cn106325007b所公开的方式，首先对图形区域进行划分，分为m
×
n个子区域，对各子区域的四个顶点进行最佳焦面距离的确定，然后通过真空运动平台进行实时的z轴调整，由于需要对各子区域确定四个顶点距离甚至对二级子区域再次测量，测量的数据量大时间成本高，影响直写曝光的产能，且通过运动平台进行高频率的z轴调整，由于真空运动平台惯性大，对真空运动平台的硬件要求极高，而针对每个区域的焦距是独立的值，真空运动平台处在阶梯式的“跳跃”过程，稳定性很差。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自动调焦曝光方法，以解决现有技术存在的不足。为此，本发明采用如下的技术方案：一种自动调焦曝光方法，包括如下步骤：s10、曝光前，高度检测单元根据曝光条带的分布扫描获得多组采样点的高度数据，每组采样点对应一个条带区域的高度数据；s20、依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线；s30、根据调焦参考线实时调节调焦棱镜组件以实现曝光镜头组件的自动调焦曝光。
5.优选地，步骤s10中，每组采样点沿扫描方向等距分布，每组采样点的首尾两点之间的距离大于一个条带长度。
6.优选地，步骤s10中，每组采样点沿扫描方向等距分布，每组采样点全部位于条带中，每组采样点的首尾两点分别位于条带的起始端和终端附近。
7.优选地，步骤s20中，依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线具体为：首先，根据高度数据和标准焦距值确定各采样点的离焦数据，以初始n个采样点的扫描方向坐标和离焦数据通过线性拟合得到第一段线性高度线，再以第一段线
性高度线的终点为第二段线性高度线的起点，第二线性高度线的起点和其后的n-1个采样点通过线性拟合得到第二段线性高度线，以此类推直至拟合出所有线性高度线，所有线性高度线依次连接形成调焦参考线，其中n取大于2的整数。
8.优选地，所述调焦棱镜组件包括斜面相对设置的楔形棱镜组，每段线性高度线的倾斜方向决定调焦时楔形棱镜组的相对移动方向，每段线性高度线的倾斜程度决定调焦时楔形棱镜组的相对移动速度。
9.优选地，线性高度线上具有对应于采样点的拟合点，采样点与对应的拟合点在扫描方向上的坐标相同，将采样点与对应拟合点的高度差的绝对值与设定的阈值进行比较，若所述绝对值均小于所述阈值，则保留已拟合出的线性高度线，若所述绝对值大于所述阈值，则删除该采样点，以组内剩下的n-1个采样点重新拟合出优化的线性高度线。
10.可替换地，步骤s20中，依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线具体为：直接根据采样点的高度数据进行分组后线性拟合得到连续的线性高度线，再根据标准焦距值将连续的线性高度线进行整体平移得到调焦参考线。
11.优选地，所述阈值根据所述曝光镜头组件的焦深值确定。
12.优选地，所述阈值根据曝光工艺的精度要求通过测试确定，取值范围在80-200微米。
13.与现有技术相比，本发明根据条带分布对工件表面的高度数据进行采样，然后对每组采样进行线性拟合得到线性高度线，由线性高度线相连形成调焦参考线，线性拟合保证调焦过程的匀速移动，而调焦参考线的连续性使得焦距不存在突变，即不会出现跳跃现象，调焦过程更平稳；而通过采样点与对应拟合点的比较能够判定异常点，从而删除异常点后后再拟合出优化的线性高度线，能够有效避免工件表面异常因素的影响，使调焦更加精准。
附图说明
14.图1为示例性直写式曝光机模块简图。
15.图2为示例性扫描条带及采样点分布示意图。
16.图3为示例性投影镜头调焦状态示意图。
17.图4为示例性采样点及线性拟合线示意图。
18.图5为示例性存在异常点的线性拟合线示意图。
具体实施方式
19.为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
20.如图1示出，本发明实施例的直写式曝光机至少包括：光源模块、投图曝光模块、对位模块、运动平台模块以及主控制模块。其中，光源模块包括激光器和激光控制单元，激光控制单元控制激光器产生可控的光束以进入投图曝光模块；投图曝光模块包括曝光镜头组
件和投图控制单元，曝光镜头组件对激光束进行整形匀光处理，并由投图控制单元控制对激光束调制以形成图形光，调制产生的图形光投射到工件表面形成曝光图形，图形光的投射与运动平台的运动具有同步性。对位模块包括对位相机和对位处理单元，对位相机以固定和/或移动的方式拍摄工件表面特征产生对位图像，对位处理单元根据对位图像确定工件的位置信息。运动平台模块包括运动平台、平台控制单元和位置检测单元，运动平台用于承载待曝光的工件，且至少能够实现x-y-z三个方向的运动，平台控制单元控制运动平台的运动方向和运动速度，位置检测单元用于实时检测反馈运动平台的位置信息。主控制模块用于根据曝光图形的工艺要求协调控制各模块进行曝光，具体而言，主控制模块接收外部图形信息并确定曝光参数，图形信息传输至投图控制单元进行分图和栅格化处理，主控制模块根据对位处理单元确定的工件位置信息确定曝光位置信息，从而通过平台控制单元、位置检测单元、投图控制单元实现平台移动与图形光投射的同步。应当理解的是，以上仅是示例性的说明了本领域常规的直写式曝光机的组成配置形式，在实际应用中，其配置可以存在多种形式的，例如前述各模块的控制单元可以是部分或全部的集成于主控制模块，对位相机通常包括固定相机和移动相机，当然也可以是全部为固定相机或全部为移动相机，运动平台可以仅设置有一个，也可设置有两个，其它常规变形不再一一列举。
21.为了实现自动调焦曝光，直写式曝光机还包括自动调焦模块，自动调焦模块具体包括调焦棱镜组件、高度检测单元、调焦处理单元。具体地，如图3中a示出，调焦棱镜组件包括楔形棱镜组4和至少一个驱动机构（未示出），楔形棱镜组4由两个斜面相对的楔形棱镜组成，通过至少一个驱动机构调整楔形棱镜组4沿光轴方向的厚度从而改变光束的焦距。高度检测单元用于获取工件表面的高度数据，调焦处理单元对高度数据进去处理后确定实际需要的焦距值，进而通过至少一个驱动机构移动楔形棱镜组来改变焦距。其中，调焦棱镜组件设置于曝光镜头组件下方，使得图形光能够透射楔形棱镜组。高度检测单元可以设置于曝光镜头组件上，也可以设置于对位相机上，其数量可根据实际需要确定。高度检测单元设置于对位相机时可通过对位相机的移动配合运动平台的移动提高扫描获取高度数据的效率。调焦处理单元可以独立于主控制模块，也可以是集成于主控模块。
22.本发明进一步提供直写式曝光机的自动调焦曝光方法，具体包括如下步骤：s10、曝光前，高度检测单元根据曝光条带的分布扫描获得多组采样点的高度数据，每组采样点对应一个条带区域的高度数据；s20、依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线；s30、根据调焦参考线实时调节调焦棱镜组件以实现曝光镜头组件的自动调焦曝光。
23.以下对自动调焦的曝光方法中高度数据的获得及处理进行详细说明：在一个实施方式中，曝光镜头组件包括多个投影镜头1，多个投影镜头1沿第一方向排列，可以是单排形式，也可以是多排交错形式，图2中示出两排投影镜头沿第一方向交错分布。在曝光时，运动平台带动工件2沿第二方向进行扫描曝光，每个投影镜头在工件上产生沿第二方向的条带3，一组条带完成后运动平台沿第一方向步进一定距离，进行下一组条带的曝光，多组条带最终拼接成完整的曝光图形，图中示例为每个投影镜头仅产生一个条带即组成曝光图形（点划线框内）。其中，第一方向为步进方向，第二方向为扫描方向，第一方向和第二方向相互垂直，以图2为例，步进方向为x方向，扫描方向为y方向。为了在曝光
时实现自动调焦，在曝光开始前，高度检测单元对每个条带所对应的工件区域进行高度数据采集，具体是运动平台带动工件2移动，高度检测单元沿y方向在工件2上选取并测量多组采样点的高度数据。优选地，每组采样点在y方向等距分布，每组采样点的首尾两点之间的距离大于一个条带长度，即如图2中左侧两个条带处的两组采样点，每组采样点存在延伸至条带首尾两侧的采样点。当然，出于效率考虑，每组采样点也可以全部位于条带中，首尾两点分别位于条带的起始端和终端附近，即如图2中右侧两个条带处的两组采样点。
24.在获得工件表面的高度数据后，调焦处理单元将对高度数据进行处理和线性拟合，其具体方式为：首先，根据高度数据和楔形棱镜组处于初始位置时投影镜头的标准焦距值确定各采样点的离焦数据，然后按序选取初始n个采样点为第一拟合组，根据n个采样点的y坐标和z坐标(z坐标为采样点的离焦数据)，利用最小二乘法拟合出以第一个点为起点的第一段线性高度线；接下来以第一段线性高度线的终点作为下一拟合组采样点的第一个点，继续选取n-1个采样点组成第二拟合组，根据第二拟合组n个点的y坐标和z坐标再次通过最小二乘法拟合出以第一段线性高度线的终点为起点的第二段线性高度线；再次以第二段线性高度线的终点作为第三拟合组的第一个点，以此方式重复进行直至将所有采样点进行拟合。容易理解的，n选取大于2的整数，具体数值可根据实际确定，可以是3、4、5、6等等。所有拟合出的线性高度线依次连接形成最终的调焦参考线。进一步地，调焦处理单元根据调焦参考线控制楔形棱镜组相对移动，楔形棱镜组的相对移动方向由对应的线性高度线的倾斜方向（即斜率的正负性）确定，楔形棱镜组的相对移动速度则由对应的线性高度线的倾斜程度（即斜率的绝对值大小）确定。参考图4，以采样点总数为13，每组包括5个数据作为示例，通过采样点1、2、3、4、5拟合出以点1为起点的第一段线性高度线s1，s1的终点m1和点6、7、8、9拟合出第二段线性高度线s2，s2的终点m2和点10、11、12、13拟合出第三段线性高度线s3，s1、 s2、 s3相连接形成调焦参考线，在根据s1-s2-s3确定的调焦参考线进行焦距调节时，s1和s3的倾斜方向相同（即s1和s3斜率同为正），故而在曝光时，对应于s1段和s3段楔形棱镜组的相对移动方向相同，而s2段倾斜方向与另外两段则相反（s2斜率为负），对应s2段楔形棱镜组的相对移动方向则与s1和s3相反。图3示出了楔形棱镜组在调焦过程中的位置状态，从a到b到c示出了楔形棱镜组从初始位置向一个方向移动的三个位置状态，从c到b到a到d则是沿相反方向移动。由于调焦参考线是多条线性直线相连形成，所以楔形棱镜组在每段线性高度线之间的相对移动是匀速进行的，移动方向的切换与否根据相邻两段线性高度线的倾斜方向而定，整个调焦的过程是连续进行的，不存在跳跃现象。
25.在一个可替换的方式中，也可以先直接根据采样点的高度数据分别得到每组采样点的线性高度线，其拟合的具体方式与前述相似，再将连续的线性高度线根据楔形棱镜组处于初始位置时投影镜头的标准焦距值进行整体平移得到调焦参考线。
26.在一个优选的方式中，由于工件表面特征是不可预估的，可能存在表面沾有灰尘或是光刻胶有气泡等异常情况，这会导致相应采样点的高度数据产生极大偏差，若极大偏差的数据计入拟合，则会导致整体精度降低。为此，在每组采样点拟合出对应的线性高度线后，确定线性高度线上与各采样点对应的拟合点，采样点与对应的拟合点y坐标相同，图5中采样点1同为拟合点1-，采样点2对应拟合点2-，采样点3对应拟合点3
‑…
以此类推。然后，计算各采样点与对应拟合点的z坐标差值（即高度差）的绝对值，将采样点与对应拟合点的z坐标差值的绝对值与设定的阈值比较，若绝对值均小于阈值，则判定该组采样点的高度数据
均正常，保留该线性高度线，若存在绝对值大于阈值，则判定绝对值大于阈值的采样点为异常点，该线性高度线不可用。进一步的，将异常点删除，以该组剩下的n-1个采样点重新拟合出优化后的线性高度线，之后可以再用同样的方式判定，直至不存在异常点。继续参考图5，根据采样点1、2、3、4、5初步拟合出线性高度线l1，经过求差比较后确定采样点2与拟合点2-之间的高度差的绝对值d大于设定阈值，故而采样点2被判定为异常点，需要舍弃采样点2，以采样点1、3、4、5再次进行拟合，得到优化后的线性高度线l1’，然后根据l1’的终点和采样点6、7、8、9组成第二拟合组进行拟合。较佳地，设定的阈值根据投影镜头的焦深值确定，例如阈值等于投影镜头的焦深值，也可以基于工艺因素与焦深值成一定的比例关系。或者，可以是根据曝光工艺的精度要求通过测试确定其具体值，优选地，所述阈值的取值范围在80-200微米。
27.最后需要指出，由于文字表达的有限性，上述实施例仅是示例性的，并非穷尽性的，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于限制本发明的具体实施范围，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述实施例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰在没有做出创造性劳动的前提下也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

技术特征：

1.一种自动调焦曝光方法，其特征在于：包括如下步骤：s10、曝光前，高度检测单元根据曝光条带的分布扫描获得多组采样点的高度数据，每组采样点对应一个条带区域的高度数据；s20、依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线；s30、根据调焦参考线实时调节调焦棱镜组件以实现曝光镜头组件的自动调焦曝光。2.如权利要求1所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：步骤s10中，每组采样点沿扫描方向等距分布，每组采样点的首尾两点之间的距离大于一个条带长度。3.如权利要求1所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：步骤s10中，每组采样点沿扫描方向等距分布，每组采样点全部位于条带中，每组采样点的首尾两点分别位于条带的起始端和终端附近。4.如权利要求1所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：步骤s20中，依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线具体为：首先，根据高度数据和标准焦距值确定各采样点的离焦数据，以初始n个采样点的扫描方向坐标和离焦数据通过线性拟合得到第一段线性高度线，再以第一段线性高度线的终点为第二段线性高度线的起点，第二线段性高度线的起点和其后的n-1个采样点通过线性拟合得到第二段线性高度线，以此类推直至拟合出所有线性高度线，所有线性高度线依次连接形成调焦参考线，其中n取大于2的整数。5.如权利要求4所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：所述调焦棱镜组件包括斜面相对设置的楔形棱镜组，每段线性高度线的倾斜方向决定调焦时楔形棱镜组的相对移动方向，每段线性高度线的倾斜程度决定调焦时楔形棱镜组的相对移动速度。6.如权利要求4所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：线性高度线上具有对应于采样点的拟合点，采样点与对应的拟合点在扫描方向上的坐标相同，将采样点与对应拟合点的高度差的绝对值与设定的阈值进行比较，若所述绝对值均小于所述阈值，则保留已拟合出的线性高度线，若所述绝对值大于所述阈值，则删除该采样点，以组内剩下的n-1个采样点重新拟合出优化的线性高度线。7.如权利要求1所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：步骤s20中，依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线具体为：直接根据采样点的高度数据进行分组后线性拟合得到连续的线性高度线，再根据标准焦距值将连续的线性高度线进行整体平移得到调焦参考线。8.如权利要求6所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：所述阈值根据所述曝光镜头组件的焦深值确定。9.如权利要求6所述的自动调焦曝光方法，其特征在于：所述阈值根据曝光工艺的精度要求通过测试确定，取值范围在80-200微米。

技术总结

本发明提出一种自动调焦曝光方法，先在曝光前通过高度检测单元根据曝光条带的分布扫描获得多组采样点的高度数据，然后依据每组采样点的高度数据，通过线性拟合获得对应条带的调焦参考线，最后根据调焦参考线实时调节调焦棱镜组件以实现曝光镜头组件的自动调焦曝光，通过线性拟合使得调焦更稳定更精准。通过线性拟合使得调焦更稳定更精准。通过线性拟合使得调焦更稳定更精准。