Brevet FR2625816A1 — publié le 19890713

La présente invention concerne les systèmes de contrôle des traceurs optiques, et plus particulièrement les systèmes d'asservissement de position des traceurs optiques qui compensent optiquement l'erreur de position du faisceau optique. Les systèmes de phototraçage de grande précision sont bien connus dans la technique. Ces systèmes donnent des outils photographiques de précision qui sont utilisés pour les masques de semiconducteurs, pour les grilles de télévision et pour les circuits imprimés afin d'inscrire les motifs du circuit imprimé sur l'émulsion d'un film. Un phototraceur typique, comme celui qui est commercialisé par la Gerber Scientific Instrument Company, comporte un lecteur de bande magnétique, un disque dur, un calculateur, un terminal graphique interactif, un processeur d'image, une table optique pourvue d'une platine mobile d'écriture permettant de positionner le substrat, ainis qu'un appareil d'exposition optique de précision. Ce système phototraceur comporte également un chariot porte-matériau à mouvements croisés, un interféromètre d'asservissement à mouvements croisés, ainsi que l'électronique nécessaire pour convertir les données de CAO (conception assistée par ordinateur) en motifs de circuits imprimés. Le système de balayage et d'exposition optique comporte une tête d'exposition optique. La table optique possède un contrôleur qui utilise un analyseur d'asservissement de position, tel qu'un interféromètre laser, qui suit de façon continue la position de la platine d'écriture par rapport à la tête d'exposition. La précision de l'analyseur d'asservissement de position est généralement très supérieure à la précision de positionnement de la platine ou de celle de la tête d'exposition. Par exemple, le système d'imagerie directe Gerber 1434 possède une précision d'environ 0,75 à 1 gm, et le système d'imagerie directe Gerber 3235 possède une précision d'environ 5 gm. En revanche, l'analyseur d'asservissement de position souvent utilisé avec ces systèmes (par exemple, un interféromètre Hewlett-Packard) peut avoir une précision inférieure & 0,0025.m. Ainsi, les performances des mécanismes de positionnement de la table sont limités par les imprécisions des éléments mécaniques et du système d'asservissement. Ce sont ces tolérances qui limitent les performances globales du système phototraceur. Il serait avantageux de disposer d'un procédé et d'un dispositif permettant d'améliorer la précision des systèmes phototraceurs en compensant optiquement les limitations de précision mécanique. La présente invention concerne un tel procédé et un tel dispositif. L'un des buts de la présente invention est donc de proposer un procédé et un dispositif qui compensent automatiquement les limitations de précision des éléments mécaniques d'un phototraceur optique. Selon la présente invention, le dispositif permettant de compenser l'erreur de déplacement par rapport à la position ordonnée à un faisceau optique frappant la surface d'une table optique déplaçable et formant une image, comporte des moyens pour donner un signal de rétroaction du faisceau optique indiquant la position de l'image sur la surface de la table. Un contrôleur compare les positions d'image mesurées et ordonnées pour déterminer l'erreur de déplacement. Un compensateur optique reçoit du contrôleur des signaux pour déplacer optiquement l'image sur la surface de la table afin de supprimer l'erreur de déplacement. Selon un autre aspect de la présente invention, le système du phototraceur optique permettant le position- nement d'une image formée par un faisceau optique frappant la surface d'une table optique comporte une tête d'exposition optique adressable qui délivre sélectivement le faisceau optique. Le dispositif de rétroaction produit des signaux représentatifs de la position de l'image sur la surface de la table. On prévoit un mécanisme pour déplacer la table optique en réponse à des signaux d'ordre de position. Un compensateur adressable déplace optiquement l'image sur la surface de la table en réponse aux signaux de contrôle reçus. Un contrôleur détermine la position du faisceau optique sur la surface de la table d'après les signaux de rétroaction du faisceau optique, compare les positions. mesurées et ordonnées du faisceau optique et en dérive les signaux de contrôle du compensateur optique. On va maintenant donner une description détaillée de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un dessin schématique simplifié d'une partie d'un phototraceur optique pourvu d'un dispositif de compensation selon la présente invention, - la figure 2 est une illustration schématique simplifiée d'une partie des éléments optiques se trouvant dans le phototraceur de la figure 1, - la figure 3 est un dessin simplifié illustrant le déplacement d'un faisceau optique au moyen du dispositif de compensation de la figure 1, et - la figure 4 est un diagramme par blocs simplifié illustrant partiellement le fonctionnement-d'un contrôleur utilisé avec le phototraceur de la figure 1. Si l'on se réfère à la figure 1, on y a illustré sous forme schématique simplifiée une partie d'un phototraceur optique 10. Le phototraceur comporte une platine d'écriture 12 qui reçoit un substrat en plaque de verre ou en film 14 positionné avec précision sur la platine d'écriture de telle sorte qu'un matériau photosensible (l'émulsion) reçoive un faisceau optique 16 formant à sa surface une image 17. La table optique peut être déplacée dans deux directions essentiellement perpendiculaires X et Y au moyen de moteurs respectifs 18 et 20 qui agissent sur des entraînements à billes classiques (non représentés) de manière à déplacer la platine d'écriture dans chacune des directions X et Y. Le phototraceur compcte également un interféromètre 22 qui délivre au contrôleur 24 des signaux représentatifs de la position de l'image par rapport à chaque axe. De façon classique, une tête d'exposition 26, qui peut inclure les moyens pour produire le faisceau optique, est placée en une position fixe par rapport à une lentille d'objectif 28 qui focalise le faisceau à la surface du substrat. La tête d'exposition optique est classique, de même que la lentille d'objectif. L'interféromètre de rétroaction comporte un laser 30 qui produit un faisceau 31 en direction d'un diviseur de faisceau 32 qui divise le faisceau 31. Chaque faisceau possède une pluralité de miroirs, tels que les miroirs 34, 36 et 38, qui renvoient finalement le faisceau jusqu'à la surface de la table optique, o les faisceaux sont reçus par des miroirs tournants X et Y, référencés respectivement 40 et 41. Chaque faisceau de mesure frappe des miroirs 42 et 43 de très grande planéité alignés sur un axe de déplacement respectif. Les miroirs plans réfléchissent les faisceaux suivant le trajet optique o l'on peut déterminer par des moyens interférométriques le déplacement axial relatif. Le contrôleur 24 calcule, de façon classique, la position du faisceau optique à la surface de la table optique et délivre des signaux à un mécanisme obturateur incorporé à la tête d'exposition optique, de manière à exposer sélectivement le substrat. Le contrôleur fournit des signaux d'ordre de position aux moteurs 18 et 20 qui, en combinaison avec les signaux de contrôle du mécanisme obturateur, permettront de produire le motif désiré sur le substrat. En outre, le phototraceur de la figure 1 comporte également un dispositif de compensation optique 44 qui produit optiquement, à la fois dans la direction X et dans la direction Y, un léger déplacement permettant de compenser les erreurs sur la position ordonnée du faisceau optique. en effet, il est bien connu que, même si les interféromètres de rétroaction peuvent analyser la position de la platine d'écriture avec une très grande précision (par exemple, inférieure à 0,025 gm sur chaque axe), la précision du phototraceur est généralement très inférieure. La différence de précision peut même atteindre un facteur dix (environ 0,25 pm dans l'exemple ci-dessus). Ce sont généralement les systèmes mécaniques et de contrôle d'asservissement qui sont responsables de la perte de précision. Pour améliorer la précision finale du phototraceur, on place le dispositif de compensation optique 44 dans le trajet du faisceau optique 16 afin de permettre un déplacement de l'image tracée. Comme on le décrira plus en 2625816' détail ci-dessous, un système de contrôle du phototraceur détermine la position exacte de la table optique et compare cette position à la position ordonnée. Si l'on trouve une erreur entre la position ordonnée et la position mesurée du faisceau 16 sur le substrat, le contrôleur produit des signaux qui déplacent l'image et suppriment l'erreur de positionnement. La figure 2 est une illustration schématique simplifiée d'une partie de l'optique utilisée par le phototraceur de la figure 1. La tête d'exposition optique 26 de la figure 1 comporte une source optique 46 qui, dans le mode de réalisation préféré, produit le faisceau optique 16 en direction d'une lentille de condenseur 48. Le faisceau optique traverse alors un mécanisme obturateur 50 classique, qui est adressable- et laisse le faisceau sélectivement sortir de la tête d'exposition optique. Le faisceau 16 est reçu par le dispositif de compensation optique 44, qui comporte de préférence une plaque oscillante 52 pouvant tourner autour de l'axe 54 au moyen d'un moteur adressable 56. Dans le mode de réalisation préféré, la plaque oscillante est en verre ou en un matériau équivalent, optiquement transparent. Comme on le décrira plus en détail ci-dessous, l'importance de la rotation de la plaque oscillante 52 autour de l'axe 54 détermine l'importance du déplacement du faisceau optique. La plaque oscillante de la figure 2 va déplacer le faisceau 16 dans une direction perpendiculaire à la fois au faisceau optique et à l'axe 54. Bien que l'on n'ait représenté sur la figure 2 qu'une seule plaque oscillante et un seul moteur, une seconde plaque oscillante orientée à environ 90 par rapport à la plaque oscillante 52 est nécessaire pour permettre un déplacement dans la direction orthogonale. Parmi les autres moyens permettant de déplacer l'image, on peut utiliser des plans à ouverture mobile ou des lentilles d'objectif mobiles. Après avoir traversé la plaque oscillante, le faisceau optique traverse alors la lentille d'objectif 28 et un faisceau focalisé frappe alors la surface du substrat. La figure 3 est une illustration simplifiée, en coupe, montrant schématiquement une partie de la plaque oscillante 52 de la figure 3. Le faisceau optique 16 frappant la surface de la plaque oscillante sous un angle 56 est diffracté lorsqu'il-traverse celle-ci, conformément à la loi de Snell. Si l'on suppose que les surfaces 58 et 60 de la plaque oscillante sont des surfaces nominalement parallèles, le faisceau optique sera déplacé d'une valeur D donnée par: D = t.sin I [ 1 - {(1-sin2I)/(N2sin2I)}1/2] Ppour des petits angles, on peut simplifier le déplacement en: D = [t.I/N].(N-1) Dans le mode de réalisation préféré, la plaque oscillante est située du côté du système d'imagerie o se trouve l'entrée de la lentille de formation de l'image (conjuguée de l'objet). En conséquence, le trajet du faisceau sera déplacé latéralement de la distance D par rapport au trajet 62 le long duquel il passerait si les surfaces 58 et 60 de la plaque présentaient une inclinaison de 0 (c'està-dire si elles étaient normales au faisceau incident). Sur le substrat, le faisceau sera déplacé de D.M, M étant le facteur d'agrandissement du système. Dans le phototraceur de la figure 1, la lentille d'objectif produit une réduction de l'agrandissement (M = 0,10), de sorte que l'effet de la plaque oscillante sera réduit. Si l'on maintient une faible étendue d'oscillation de la plaque et que l'épaisseur est suffisamment faible, on minimisera l'effet des aberrations optiques. Comme indiqué plus haut, le dispositif de compensation optique de la figure 1 comporte deux plaques oscillantes et des moteurs correspondants disposés à 90 , afin de permettre une compensation indépendante de chacun des déplacements X et Y. Dans le mode de réalisation préféré, les moteurs comprennent un galvanomètre classique et la lentille d'objectif peut être l'une des nombreuses lentilles d'objectif à haute résolution classiques. On a illustré sur la figure 4 une partie du contrôleur 24. Le contrôleur 24 comporte un certain nombre d'éléments bien connus utilisés dans les phototraceurs optiques pour exécuter des fonctions de phototraçage bien connues expliquées plus haut, et qui pour cette raison n'ont pas été représentés pour ne pas obscurcir le dessin. De préférence, le contrôleur est responsable du contrôle en temps réel de toutes les fonctions du phototraceur. De préférence, le contrôleur est configuré symétriquement, de telle sorte que l'on exécute les mêmes fonctions à la fois pour l'axe de déplacement X et l'axe de déplacement Y. On a représenté sur la figure 4 les éléments utilisés à la fois pour les axes X et Y, mais on ne décrira ci-dessous que les éléments associés à la compensation sur l'axe X. Si l'on se réfère maintenant à la figure 4, les signaux de rétroaction provenant de l'interféromètre laser 34 sont reçus sur les lignes 64, appliquées à un compteur/décompteur 66 puis au registre tampon 68. Une horloge 70, classique, échantillonne périodiquement le contenu du registre tampon (bloc 72) et produit des signaux représentatifs de la position de la platine d'écriture pour un comparateur 74. La position mesurée de la table optique est comparée aux signaux d'ordre de position numérique 76. Le signal différentiel est délivré en sortie vers un convertisseur numérique/analogique 78 classique. Les signaux analogiques d'ordre de position sont appliqués sur les lignes 80 aux autres éléments du contrôleur afin de donner un signal vectoriel d'ordre de position 82. Ces signaux d'ordre de position sont filtrés (bloc 84) et amplifiés (bloc 86) et contrôlent le moteur à courant continu 88. Un générateur tachymétrique classique 90 produit des signaux de rétroaction de rotation qui sont sommés par le filtre 84. On a également représenté sur la figure 4 l'alimentation de puissance 92, classique. Si l'on sélectionne une position hors limite, le contacteur de fin de course 94 désactive l'alimentation de l'amplificateur du moteur via le contacteur 96. Les signaux d'ordre de position sont ensuite reçus par l'étage de pilotage de galvanomètre 98 qui produit des signaux destines au galvanomètre associé qui fera tourner la plaque et déplacera le faisceau en conséquence, en éliminant l'erreur de position. Comme décrit plus haut, chaque interféromètre laser analyse de façon continue, en temps réel, la position réelle du faisceau optique sur la surface de la platine d'écriture. La différence constatée entre les positions X et Y mesurées et ordonnées est convertie, avec un gain approprié, en une tension analogique permettant d'entraîner le galvanomètre correspondant. De préférence, le galvanomètre est un moteur-couple à débattement angulaire limité et à réponse rapide. La masse mécanique importante de la platine d'écriture limite la bande de fréquences de l'erreur de déplacement bien en-deçà de la limite de réponse en fréquence du galvanomètre. RVENDICATIONS 1. Un dispositif de compensation pour phototraceur optique (10), compensant l'erreur de déplacement par rapport à la position ordonnée d'un faisceau optique (16) frappant une table optique déplaçable (12) pour y former une image (17), ce dispositif (44) comportant des moyens de rétroaction optique (22) pour délivrer des signaux représentatifs de la position de l'image (17). sur une surface (14) de la table optique (12), des moyens de contrôle (24) recevant ces signaux de rétroaction optique et des signaux de position de manière à comparer la position mesurée de l'image à la position ordonnée de l'image afin d'en déterminer l'erreur de déplacement, caractérisé par des moyens de compensation optique (44) permettant de déplacer optiquement l'image (17) sur la surface de la table (14) en réponse à des signaux de contrôle du faisceau optique provenant des moyens de contrôle (24). 2. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel les moyens de compensation optique (44) comportent une ouverture plane mobile, une lentille d'objectif déplaçable ou un miroir oscillant. 3. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel les moyens de rétroaction optique comportent un interféromètre laser (22). 4. Le dispositif de le revendication 1, dans lequel les moyens de compensation optique (44) comportent un premier et un second miroir oscillant (52) tournant autour d'axes respectifs perpendiculaires et adjacents (54). 5. Un système de positionnement d'une image (17) formée par un faisceau optique (16) sur une surface de table optique (14) d'un phototraceur optique (10), ce système comportant une tête d'exposition optique (26) pourvue d'un obturateur adressable (50) permettant de délivrer sélectivement le faisceau optique (16), des moyens de rétroaction optique (22) délivrant des signaux représentatifs de la position de l'image (17) sur la surface de la table (14), des moyens (18,20) pour déplacer la table optique (12) en réponse à des signaux d'ordre de position, des moyens de contrôle (24) recevant les signaux de rétroaction optique de manière à produire les signaux d'ordre de position permettant de déplacer la table optique (12), mesurant la position de l'image optique sur la surface de la table, comparant la position ordonnée de l'image à la position mesurée de l'image afin de déterminer une erreur de déplacement et délivrant des signaux de contrôle permettant d'éliminer cette erreur de déplacement, caractérisé par des moyens de compensation (44) recevant des signaux de contrôle pour déplacer optiquement l'image (17) sur la surface de la table (14}. 6. Le système de la revendication 5, dans lequel les moyens de compensation optique (44) comportent une ouverture plane mobile, une lentille d'objectif déplaçable ou un miroir oscillant. 7. Le système de la revendication 5, dans lequel les moyens de rétroaction optique comportent un interféromètre laser (22). 8. Le système de la revendication 5, dans lequel les moyens de compensation optique (44) comportent un premier et un second miroir oscillant (52) tournant autour d'axes respectifs perpendiculaires et adjacents (54). 9. Un procédé pour compenser, dans un phototraceur optique, l'erreur de déplacement par rapport à la position ordonnée d'une image formée par un faisceau optique frappant une table optique déplaçable, caractérisé par les étapes consistant à: - produire des signaux de rétroaction représentatifs de ll la position mesurée de l'image sur une surface de la table optique, - comparer la position mesurée de l'image à la position ordonnée afin de déterminer l'erreur de déplacement, et - déplacer optiquement l'image sur la surface de la table de manière à éliminer l'erreur de déplacement.