Brevet FR2628199A1 — publié le 19890908

Q3 RÉPUBLIQUE FRAN AISE) N de publication: 2 628 199 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL.commandes de reproduction) ÀDE LA PROPRIÉSTE INDUSTRIELLE.0 DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national 89 02780 PARIS ( Int CI4: G 01 B 11/00; G 03 F 1/00; H 05 K 3/00, Q DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 3 mars 1989. Q Demandeur(s): THE GERBER SCIENTIFIC INSTRUMENT COMPANY - US. ) Priorité: US, 7 mars 1988, n 164.519. Inventeur(s): Ronald J. Straayer; Raymond Elmore Tim- mons Jr. Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: Q Titulaire(s) ( Mandataire(s): Cabinet Regimbeau, Martin, Schrimpf. Warcoin et Ahner. Procédé et dispositif de détermination de la précision dimensionnelle de créations graphiques formées sur un substrat par un système d'imagerie optique directe. ( Ce dispositif permet de déterminer la précision dimen- sionnelle de créations graphiques, notamment des motifs de circuits imprimés, formées sur un substrat sensible à la lumière par un système d'imagerie optique directe. Il comprend une pluralité de règles transparentes 38, 40 X i... + positionnables sur des bords adjacents perpendiculaires d'un. substrat de calibration plan, ces règles s'étendant à partir d'une même origine 46, et des moyens pour exposer le substrat de calibration à un rayonnement électromagnétique de manière à former sur ce substrat de calibration une image des règles transparentes ainsi que d'une pluralité de repères de....... I position. Selon l'invention, il est prévu des moyens de calcul permet-...,-.. tant d'obtenir une valeur corrigée de mesure de règle à partir des images des règles transparentes, d'obtenir une valeur.. - corrigée de mesure de trace à partir des repères de position, et de déterminer une valeur calculée de précision du système à, partir de la différence entre cette valeur corrigée de mesure de... règle et cette valeur corrigée de mesure de trace. _ 1 2 6 2628199 La présente invention concerne les systèmes de calibration de la précision dimensionnelle de créations graphiques réalisées optiquement, en particulier un procédé et un dispositif utilisable pour la calibration de créations graphiques pour circuits imprimés réalisées avec un système d'imagerie optique directe. L'art antérieur connait bien les systèmes de balayage optique à grande vitesse, tels que traceurs, imprimantes, etc. de précision. Ces dispositifs sont souvent utilisés pour réaliser des créations graphiques pour circuits imprimés par balayage de trame sur un film. Un système imageur typique, tel que celui commercialisé par Gerber Scientific Instrument Company, comprend un lecteur de bande magnétique, un disque dur, un terminal graphique interactif d'ordinateur, un processeur d'images, une table optique comportant une platine d'exposition mobile permettant de positionner le substrat, ainsi qu'un scanneur laser de précision. Le système comporte également les autres éléments optiques, moyens supports et l'électronique nécessaires pour transformer directement des données de CAO en créations graphiques pour circuits imprimés. En cours de fonctionnement, le système d'imagerie directe est configuré de manière à recevoir sur la platine d'exposition un film ou une plaque de verre formant substrat et portant sur l'une de ses faces une émulsion sensible à la lumière. L'ordinateur module l'intensité d'un faisceau. optique, généralement produit par laser, de manière à exposer des parties sélectionnées du substrat. Généralement, il est prévu un second faisceau de référence presque colinéaire avec le faisceau d'exposition, et qui permet de contrôler avec précision la position du faisceau d'exposition ou d'"écriture" sur le substrat. Un système scanneur à champ plan est utilisé pour focaliser les faisceaux en un spot de petite taille et pour faire balayer simultanément par le faisceau le substrat et un masque de référence. On utilise souvent des paliers à air de précision pour guider la platine d'exposition pendant la formation de l'image. 2 '2628199 La précision de ces machines est typiquement de 25 gm ou moins sur-la totalité du champ et 5 pm ou moins pour les détails fins. Les traces des images ont souvent une dimension pouvant atteindre une finesse de 50. m. Avec de telles tolérances extrêmes, l'obtention de la précision dimensionnelle voulue pour la machine devient un problème majeur. Cependant, la seule calibration du système imageur ne garantit pas que la création graphique qui servira au processus de fabrication du circuit imprimé possédera cette précision dimensionnelle. Chaque image du film substrat doit être traitée et développée pour donner l'image de la création graphique. Au cours de ce traitement, qui comprend l'immersion dans un certain nombre d'agents chimiques, le film substrat va s'allonger et. rétrécir. Les techniques actuelles permettant de déterminer la précision dimensionnelle de la création graphique pour circuit imprimé réalisée sur un substrat nécessitent l'estimation de l'importance de l'allongement ou de la rétraction intervenus au cours du traitement et l'extrapolation, à partir de cette estimation, de la précision de la création graphique. Il serait intéressant de disposer d'un procédé et d'un dispositif de calibration des créatiohs graphiques produites par un système d'imagerie directe qui déterminerait les caractéristiques métrologiques - à la fois la précision du système imageur et la perte de précision due au film - de l'image produite. La présente invention a pour objet un tel procédé et un tel dispositif. 0 L'un des buts de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif pour calibrer les créations graphiques réalisées sur un substrat par un système d'imagerie directe,.qui déterminent l'imprécision dimensionnelle globale du système et qui permettent de distinguer les imprécisions mécaniques de celles introduites par le traitement du substrat. 3 2628199 Selon la présente invention, le procédé de détermination de la précision dimensionnelle d'une création graphique formée sur un substrat sensible à la lumière en sortie d'un système d'imagerie optique directe comporte l'étape d'obtention d'un substat de calibration par positionnement de règles transparentes sur des bords adjacents perpendiculaires, s'étendant à partir d'une même origine, d'un substrat plan. Le substrat.de calibration est ensuite exposé à un balayage d'une lumière laser de manière à former une image des règles transparentes ainsi que d'une pluralité de repères de position. Le substrat de calibration est traité de manière à développer les images des règles et des repères de position formées sur le substrat. Le procédé comporte également les étapes d'élaboration, à partir des images de la règle transparente, d'une valeur corrigée de mesure de règle et, à partir des repères de position, d'une valeur corrigée de mesure de trace. On détermine une valeur calculée de précision du système à partir de la différence entre la valeur corrigée de mesure de règle et la valeur corrigée de mesure de trace. On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 est un schéma simplifié par blocs d'un système de balayage direct à laser mettant en oeuvre la présente invention. La figure 2 est une illustration schématique d'un substrat de calibration réalisé conformément aux enseignements de la présente invention. Sur la figure 1, on a illustré sous forme schématique simplifiée une partie d'un système d'imagerie directe à laser 10 comportant une platine d'exposition 12 qui reçoit un film substrat 14. Le substrat est positionné de manière 4 2628199 que son émulsion sensible à la lumière reçoive le faisceau, et il est maintenu sur la platine d'exposition par effet électrostatique, par aspiration ou par toute autre technique classique. Le système d'imagerie directe à laser comporte un laser 16 qui produit un faisceau 18 reçu par une optique 20 qui collimate le faisceau 18 ou le conforme de toute autre manière classique pour donner en sortie un faisceau 20 d'exposition ou "d'inscription", permettant d'exposer le substrat. Un mécanisme de balayage 24 dirige le faisceau, focalisé en un spot, suivant une première direction 26 sur l'étendue de la surface de l'émulsion. Un obturateur 28 expose sélectivement le substrat pendant que l'on soumet le faisceau à un balayage de trame sur l'étendue du substrat, un chariot 30 faisant avancer la platine d'exposition suivant une seconde direction 32, perpendiculaire à la première, en réponse à des signaux produits par un contrôleur 34. Le contrôleur 34 délivre des signaux aux système de balayage et d'obturation et au chariot de manière à exposer le motif voulu sur le substrat. Auparavant, on déterminait la précision des systèmes de traçage vectoriel classiques par une série de mesures directes des positions du chariot, en abscisse et en ordonnée, au moyen d'un interféromètre laser. Comme les traceurs laser, par nature, ne se prêtent pas physiquement à -une telle mesure directe, il est nécessaire de prévoir d'autres techniques de calibration des créations graphiques. La simple mesure d'un tracé sur un substrat ne donne qu'un unique paramètre de "précision" qui confond de manière indissociable les imprécisions de la machine et les erreurs introduites par les allongements ou rétrécissements du substrat au cours du traitement et de l'étape de séchage ultérieure, ainsi que la tolérance propre de l'appareil de mesure. Au contraire, le procédé et le dispositif selon la présente invention permettent de distinguer dans l'erreur de traçage totale les différents facteurs qui constituent celle-ci, ce qui permet d'isoler et de déterminer de manière indiscutable la précision propre du système imageur. Sur la figure 2, on a illustré une trace de calibration 2628199 36 utilisée pour calibrer le système de la figure 1. Le substrat est formé d'un film classique pour arts graphiques, tel qu'un film Kodak Estar. La stabilité dimensionnelle d'un substrat est fonction de l'importance de la variation de taille introduite par les variations d'humidité et de température ambiantes ainsi que par le traitement du substrat. Ces variations dimensionnelles peuvent être soit réversibles soit irréversibles. Lorsque l'humidité relative de l'air environnant le film photographique augmente, le film s'allonge et, inversement, lorsque l'humidité diminue, le film rétrécit. Les variations dimensionnelles provoquées par les variations d'humidité relative sont des variations réversibles. Au moment de l'inspection, le film doit se trouver dans une ambiance présentant la même humidité relative qu'au moment de l'exposition, et doit être -resté suffisamment longtemps dans cette ambiance pour pouvoir s'être stabilisé. La dimension du film substrat ne varie pas seulement en fonction de l'humidité, mais également en fonction de la température. Comme dans le cas de l'humidité, des températures de film élevées donnent des films légèrement plus grands. Le film doit donc. se trouver à la même température lors de son exposition et lors de son inspection. Par exemple, un film Kodak ayant un coefficient de dilatation thermique de 5,5.10-6 C-1 présentera, pour une variation de 5 C, une variation dimensionnelle de 18 Lm sur une dimension de 660,4 mm (26 pouces). Comme exemples de variations dimensionnelles irréversibles, on peut citer celles qui apparaissent au cours du traitement chimique. Certains films substrats, tels que les films à base cellulose-acétate, présentent au cours du traitement un rétrécissement dû. au retrait du solvant résiduel. Ces films, tout comme les films à base résine, présentent également des variations dimensionnelles irréversibles dûes aux contraintes induites mécaniquement par les appareils de traitement automatique du film, en raison des différences de caractéristiques entre le matériau de la base du film et le gel -émulsion soumis à ces - 6 2 62628199 contraintes. En outre, le traitement classique d'un film va exposer le film à une ambiance humide (100 % d'humidité relative), produisant un allongement dû à l'humidité. Si l'on sèche le film à une température trop élevée, celui-ci va, temporairement, présenter une dimension excessive en fin de traitement. L'homme de l'art sait qu'un film substrat nécessite, lorsque l'on change les conditions de température et d'humidité, un temps minimal pour pouvoir se stabiliser. Le temps nécessaire pour qu'un film substrat atteigne l'équilibre d'humidité est fonction de l'épaisseur du film. Un film Kodak LPF de 0,10 mm (4 mils) d'épaisseur aura besoin d'environ quatre heures pour atteindre son équilibre à 95 %, tandis qu'un film LPF de 0,18 mm (7 mils) d'épaisseur aura besoin d'environ huit heures pour atteindre le même taux d'équilibre. Après traitement et avant inspection, on doit laisser le film se stabiliser. Le temps nécessaire à la stabilisation du film est fonction de la quantité d'humidité absorbée au cours du traitement, qui est elle-même fonction de la durée d'exposition du film à une humidité élevée. En conséquence de quoi, les films lavés lors du traitement pendant une -durée très longue vont corrélativement nécessiter un temps plus long pour se stabiliser aux conditions du local après séchage du film. Bien que l'on n'ait indiqué en détail que les variations dimensionnelles produites par le traitement des films substrats, l'homme de l'art sait que des variations dimensionnelles semblables seront produites lors du traitement d'autres substrats, par exemple ceux dans lesquels un film d'émulsion est déposé sur une plaque de verre. Après conditionnement du substrat, celui-ci est placé émulsion vers le haut sur'la platine d'exposition. Deux règles de verre calibrées 38 et 40 (figure 2) sont placées face gravée vers le bas le long de bords adjacents perpendiculaires du substrat. Le système est programmé pour exposer le substrat par une série de repères de position, tels que les repères 42 et 44 qui sont formés de croix dont 7 2628199 Les centres correspondent chacun à un pas d'un demi-pouce (12,7 mm). Les repères couvrent la totalité de la surface du substrat, à l'exception des régions se trouvant juste sous les règles. Le système est réglé de manière à illuminer à saturation la zone des règles, produisant ainsi une image par contact de chaque règle sur le film. Après que le film ait été traité de la manière décrite plus haut, on fait en sorte que l'humidité et la température de l'ambiance lors de la calibration soient les mêmes qu'au moment o le substrat a été exposé, afin de conserver leur cohérence dimensionnelle aux étapes de mesure. Avec un substrat de calibration exposé de la manière décrite plus haut, il est possible de déterminer non seulement l'erreur totale, mais également la composante d'erreur mécanique introduite par le système et celle introduite par le traitement. Après traitement, le substrat exposé est placé sur un instrument de validation classique, tel que le Validator commercialisé par Brown & Sharp Co., o l'on mesure la longueur de chaque image des règles transparentes. Pour corriger l'erreur maximale introduite par le Validator et par la règle, on soustrait, de la valeur mesurée suivant chaque axe, la valeur d'erreur maximale introduite par le Validator et par la règle. TABLEAU I Règle d'abscisse Règle d'ordonnée (Axe A du Validator) (Axe B du Validator) 622,3254 mm Longueur mesurée par le Validator 444,5356 imm 0, 0127 mm Valeur de calibration axe du Validator 0,0051 mm 0,0076 mm Valeur de calibration règle transparente 0,0051 mm' 622,3051 mm Valeur corrigée de mesure de règle 444,5254 mm 8 2628199 La différence entre la valeur corrigée de mesure de règle et les graduations, enregistrées sur le substrat, des règles elle-mêmes sont alors dues aux conditions de l'ambiance et du traitement, car on a formé sur le film une image par contact des règles. Dans l'exemple ci-dessus, la différence de 0,0051 mm entre la longueur de la règle d'abscisse (622, 3000 mm) et la valeur corrigée de mesure de règle (622,3051 mm, c'est-àdire la mesure de l'image de la règle sur le film) résulte de l'allongement du film dû au traitement. On mesure ensuite la distance séparant les repères de position placés aux extrémités les plus éloignées des règles (repères 42 et 44) de l'origine 46. Ces valeurs sont corrigées par le facteur de. correction de l'axe. du validateur correspondant. TABLEAU II Abscisse Ordonnée (Axe A du Validator) (Axe B du Validator) ______________________________________________________________________ 622,3381 mm Distance par rapport aux repères 444,5178 mm 0,0127 mm Valeur de calibration axe du Validator 0,0051 mm ______________________________________________________________________ 622,3254 mm Valeur corrigée de mesure de trace 444,5127 mm La valeur corrigée de mesure de tracé n'est corrigée que des erreurs introduites par le validateur; elle donne la mesure de la distance réelle séparant deux repères visés particuliers du film à un instant donné. Ceci est dû au fait que les dimensions du film, et donc les dimensions des images sur le film, varient en fonction du temps et varient en fonction de l'humidité relative et de la température. L'erreur mécanique par axe du traceur est ainsi donnée par la différence la plus élevée rencontrée entre la valeur corrigée de mesure de règle et la mesure corrigée de trace pour tous les points le long de chaque axe. 9 2628199 TABLEAU III Abscisse. Ordonnée Règle n l Règle n 2 622,3051 mm Valeur corrigée de mesure de règle 444,5254 mm 622,3254 mm Valeur corrigée de mesure de trace 444,5127 mm 0,0203 mm Précision calculée du système 0,0127 mm Cette "précision calculée" est la précision résultante déterminée à partir des mesures du film corrigées de l'effet des conditions de l'ambiance et du traitement, et correspond donc à la précision propre du système imageur 10, indépendamment de la précision de l'équipement métrologique et des conditions d'ambiance et de traitement. 2628199 REVENDICATIONS 1. Un procédé pour détetminer la précision dimensionnelle de créations graphiques formées sur un substrat sensible à la lumière en sortie d'un système d'imagerie optique directe (10), ce procédé comportant les étapes suivantes: - constitution d'un substrat de calibration, avec positionnement de règles transparentes (38, 40) sur des bords perpendiculaires adjacents d'un substrat plan (14) s'étendant à partir d'une même origine (46), - exposition du substrat de calibration à un rayonnement électromagnétique de manière à former l'image des règles transparentes ainsi que d'une pluralité de repères de position, et développement du substrat de calibration de manière à fixer les images des règles et des repères de position qui y ont été formés, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - obtention à partir des images des règles transparentes, d'une valeur corrigée de mesure de règle, - obtention, à partir des repères de position, d'une valeur corrigée de mesure de trace, et - détermination, à partir de la différence entre cette valeur corrigée de mesure de règle et cette valeur corrigée de mesure de trace, d'une valeur calculée de précision du système. 2. Le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'obtention de la valeur corrigée de mesure de règle comporte les étapes suivantes: - mesure de la longueur de chacune des images des règles sur un instrument de validation présentant une valeur de calibration pour chacun des bords perpendiculaires, et - soustraction, de chacune de ces longueurs d'image de règle, de la valeur de validation et de la valeur de calibration de règle transparente qui leur correspondent. 11 2628199 3. Le procédé de la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape d'obtention de la valeur corrigée de mesure de trace comporte les étapes suivantes: - détermination de valeurs d'écart entre l'origine (46) et les repères de position, correspondant à la distance par rapport aux images des règles, et - soustraction, de ces valeurs d'écart, de la valeur de calibration. - 4. Un dispositif pour déterminer la précision dimensionnelle de créations graphiques formées sur un substrat sensible à la lumière (14) par un système d'imagerie optique directe (10), comprenant: - une pluralité de règles transparentes (38, 40) positionnables sur des bords adjacents perpendiculaires d'un substrat de calibration plan (14), ces règles s'étendant à partir d'une même origine (46), - des moyens (24) pour exposer le substrat de calibration (14) à un rayonnement electromagnétique de manière à former sur ce substrat de calibration une image des règles transparentes ainsi que d'une pluralité de repères de position, dispositif caractérisé par des moyens de calcul (34) permettant d'obtenir une valeur corrigée de mesure de règle à partir des images des règles transparentes, d'obtenir une valeur corrigée de mesure de trace à partir des repères de position, et de déterminer une valeur calculée de précision du système à partir de la différence entre cette valeur corrigée de mesure de règle et cette valeur corrigée de mesure de trace. 1t24 FIG. I FIG. I 2/2 42 FIG. 2236 ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ + + + + + t + + + + + + + -t +++ +4++4 4 ++++ + + + + ++++++++++. t+ + +t + + + + + + + + ++ + + + + ++++4 + ! ±+ 4++4+4++f+ + 4+ +++±-+fi++4++ + + + + + + + +/+ + + 44 t. + + + + + -+ i + + + + + + + ++++ +++4+++ + + +++ + + ++++++ ++ ++ i+ + ++++++ + + + + + + + + + t +t + + + + + + + + t + + + + ++ ++4+++ + + + + +±++ ++ 4 + ±+ + + ++++++++ ++ + + + + -++ + ++++ + + + + + ++++ +++++++ ++ ++ +4 + ++++++ t+t+++4++++/+++++ ++ ++++±++ ++X.+++. + + ++,++ + + t+ 4 ++ ++++++++t- + + + + ±++±4-++/+4+++++ ++++ f+++4 i+1*l++±1+++ ++++++ + + ++++ + 4-+ + +++++4 t+++ t+++ +...........4+ ++++ + 4+ ±f++ + +/+ + 4+ À +++ +++++++4+4 + +.+ + + t+ + +++/ + f++++++/++ +++ +++ +++++++t+tt++++++f++ + ±+++ 4. ++++ + ++ + ++ +++ ++++++ + 4++++ + + + ++ + + + + ++++ ++t+++++ +++t++++++++++++++ + + + + -+t+ \+ ++ + + + + + +±+ ++++ + + + + ++ +++ + t ++ + +± ±+ ++++ + +++++++ + +++ +++ + + ++4 ++ + Àt++ ++ + ++ + +++ ±+ 4+ + + ++ ++++++++++++++++ ++± + ++ ++++++4 + + + + + ++ ++++++ 1-+++t+++++++4+++4++++ ±..i++++t+\++++ 1 +t+4+±+++++++++ + +++++ ++ ++.+ + + + + 4 + + +++t + t++ + + + t++ t/+++++ +++t±-4-t+ +++ t++++++ ++ -l++ t + t++. ++++++++++++ +++++++ ++ t+t++++t+++ + +++ +++++ +.++ + + +++ + ++ + ++ + +++ + ++++++++++++t++++4+4+++++++t+++4+t+\+ ++ + + + +++ + + + + + 4 + + +++ ++ ++ + ++ 4 ++++ + ++ + +*+ +++ ++ +++++++ + + + -+++++++4. -4.++4++tl++++++++t+++.-++±+++4 +t+++++++++++++ ++++ ++ +f+ ++ + + 4++++ + ++ ++ ±-f- t+.4++ ++ ++++ + 4+ + +.++4.++++++ +.+++.+++++++++++/++ + + -++ + + ++ -1 14-1- + 4- -4+ + t + -+ +t + t --t- t 4-t 4 -t - + \ +++++ ++++++±±-i- ++ + ++ + - ±t+ + +++ ±t+++++ + ++ 4 +4±-±+ ++++t+I--I±4- + +++++++ +++++t++4+++++ t++++/+++++ +++\+ + +++++++++t±-+t + + +t-+ +1-j-+++t-t+ +++ ±+ + + + t ++++4++ + ++t +4+++i-±++ + +1++++±±t-+++1+t-+++++++++/+++++++t +++++\+++1-.. ++...+++ -t++.++++. ++ -+t++ +++t-t+++ \+++±-+*+++++ +t +t+++++++±I1i41+ i-i-+±t-++±f-++1- +++ +±i+++++++/++ j-i--t-t++ t±++++++\++++t±t--±+ +++±i++++/t+++ -+t+++ + ++4+ + + '+ + + + ++ + + + ++ + ++ t+tt++++ + ±+++ + ±++ +++ +++++++1+++t++++±+ +++i+t+++++++±t+tf++44-tf4±t++f+f-j-t++ 46 _4 \40