Brevet FR2638244A1 — publié le 19900427

La présente invention concerne des dispositifs de balayage trame laser, et plus particulièrement un appareil utilisé avec des dispositifs de balayage detrame laser qui fournit une poursuite passive de facette en vue d'un rendement optique élevé. Des systèmes de balayage optique à vitesse élevée comme des traceurs de précision, des imprimantes et similaires sont bien connus dans la technique. Ces dispositifs sont des systèmes d'imagerie directe et sont utilisés pour fabriquer des cartes de circuitsimprimés (CCI) et des plaques d'impression en balayant en trame un faisceau d'exposition à travers soit une plaque de circuit imprimée revêtue de résine qui est traitée plus tard pour former une couche de circuit imprimé soit une plaque d'impression, respectivement. Un système typique tel que celui qui est commercialisé par la Deman- deresse, consiste en un entraînement de bande magnétique, un disque dur, un terminal graphique interactif d'ordinateur, un processeur d'images et une table optique possédant un dispositif de balayage mobile. Le système peut également comprendre les optiques, moyens de transport de milieu, et élec- treniques qui sont nécessaires pour transférer des données de conception assistée par ordinateur (C.A.0.) vers une couche de circuit imprimé ou pour transférer des polices de caractères, des graphiques et des images en demi-teirtte sur une plaque d'impression. En fonctionnement, le système d'imagerie direct e,.t configuré pour recevoir sur la platine d'écriture un substrat plat en aluminium faisceau d'écriture> sur le substrat. Un système de bala- yage de champ plat est parfois employé pour focaliser les faisceaux et pour réaliser le balayage simultané des faisceaux sur un masque de référence et des substrats, respectivement. On utilise souvent des paliers à air de précision pour guider la platine d'écriture lorsque l'imagerie est en cours sur le substrat. Dans des systèmes connus de balayage de trame à laser o le déflecteur optique est un miroir de balayage à facettes multiples, il existe typiquement trois modes de balayage. Le premier mode est celui o la facette éclairée est incomplètement remplie. En d'autres termes, le faisceau d'exposition ne remplit pas totalement la facette. Dans le deuxième mode, le faisceau d'exposition remplit plus que la facette en s'étendant au-delà des limites de la facette éclairée. Le troisième des modes de balayage et le plus souhaitable est celui o la facette est exactement éclairée par le faisceau d'exposition. De plus, des appareils de balayage fonctionnant dans ce troisième mode comprennent aussi un moyen pour déplacer les faisceaux d'éclairages (à la fois les faisceaux d'exposition et de référence) par rapport à la pyramide ou au polygone tournant pour poursuivre la facette et améliorer le rendement de balayage. Des systèmes connus de balayage qui sont caractérisés par la poursuite de facette le font de manière active. Ces systèmes comprennent un dispositif électromécanique ou acousto-optique destiné à déplacer physiquement le faisceau par rapport à la facette polygonale. Le dispositif actif est commandé au moyen d'un dispositif de commande qui doit être mis en oeuvre en boucle fermée. A son tour, le fonctionnement en boucle fermée exige des composants additionnels, tel qu'un détecteur pour fournir une contre-réaction optique au dispositif de commande en vue d'une calibration et d'un fonctionnement précis. Il serait souhaitable de réaliser un système de balayage à laser caractérisé par un appareil de poursuite de facette qui soit passif,en n'exigeant pas d'électronique pour son fonctionnement et qui pourrait fonctionner en boucle ouverte. La présente invention concerne un tel dispositif de balayage. Un but de la présente invention est de réaliser un appareil à utiliser avec un système de balayage par laser qui réalise une poursuite passive de facette. Un autre but de la présente invention est de réaliser un appareil à utiliser avec un système de balayage laser qui compense optiquement l'erreur angulaire entre la facette et l'axe de rotation de miroir. Selon la présente invention, un dispositif de balayage de trame qui balaie, en réponse à des signaux de commande provenant d'un dispositif de commande, un faisceau laser d'exposition sur un substrat au moyen d'un miroir polygonal tournant possédant plusieurs facettes réfléchissantes comprend un appareil qui comporte plusieurs fenêtres en verre configurées avec le miroir polygonal pour coopérer avec; des facettes correspondantes parmi les facettes réfléchissantes. Un premier mécanisme d'orientation de faisceau amène le faisceau laser le long d'un axe vers la fenêtre sur une première surface de celle-ci. Un deuxième moyen d!orien- tation de faisceau reçoit le faisceau laser depuis une deuxième surface opposée de fenêtre et envoie des faisceaux lumineux vers la facette correspondante parmi les facettes réfléchissantes. Chacune des fenêtres en verre est positionnée pour déplacer le faisceau laser depuis l'axe incident de faisceau de façon & produire un déplacement correspondant des faisceaux lumineux dans le sens de rotation du miroir et en synchronisme avec le mouvement du miroir de façon que la facette contienne toute la section transversale de faisceau d'éclairage pendant le balayage selon un cycle opératoire élevé de balayage. Selon un autre but de la présente invention, un dispositif de balayage de trame & laser destiné à balayer un faisceau d'exposition sur un substrat comprend un laser destiné & engendrer un faisceau laser, un modulateur de faisceau adressable pour réaliser une modulation du faisceau laser, et un miroir polygonal tournant possédant plusieurs facettes réfléchissantes. Le dispositif comprend aussi un mécanisme de déplacement optique qui comporte plusieurs fenêtres en verre configurées avec le miroir polygonal pour coopérer avec des facettes correspondantes parmi les facettes. Un premier mécanisme d'orientation de faisceau amène le faisceau laser le long d'un axe sur une première surface de celles-ci. Un deuxième mécanisme d'orientation defaisceau reçoit le faisceau laser depuis la deuxième surface opposée de fenêtre et envoie le faisceau lumineux vers la facette correspondante parmi les facettes réfléchissantes. Chacune des fenêtres en verre est positionnée pour déplacer ledit faisceau lumineux depuis ledit axe incident de faisceau de façon & produire un déplacement correspondant des faisceaux lumineux sur la facette dans le sens de la rotation du miroir. Le dispositif comprend de plus un mécanisme destiné à commander le modulateur de faisceau et le miroir tournant. On va maintenant décrite l'invention en référence aux dessins, sur lesquels: La Fig. 1 est une représentation schématique une poursuite passive de facette réalisée selon la présente invention. La Fig. 2 est une vue de dessus d'un ensemble optique fournissant une poursuite passive de facette dans le système de la Fig. 1. La Fig. 3 est une vue de côté de l'ensemble optique de la Fig. 2. La Fig. 4a est une représentation d'une partie de l'ensemble optique de la Fig. 2 représentant une première position des faisceaux optiques. La Fig. 4b est une représentation simplifiée d'une première position des faisceaux incidents sur des miroirs tournants dans l'ensemble optique de la Fig. 1. La Fig. 5a est une représentation de la partie d'ensemble optique de la Fig. 4a tournée dans une deuxième position. La Fig. 5b est une représentation simplifiée d'une deuxième position des faisceaux incidents sur des miroirs tournants dans l'ensemble optique de la Fig. 1. La Fig. 6a est une représentation de la partie d'ensemble optique de la Fig. 4a tournée dans une troisième position. La Fig. 6b est une représentation simplifiée d'ule troisième position des faisceaux incidents sur des miroirs tournants dans l'ensemble optique de la Fig. 1. La Fig. 7 est une représentation schématique d'une partie d'une variante d'appareil qui réalise une poursuite passive de facette selon la présente invention. La Fig. 8 est une représentation schématique d'une partie d'une fenêtre utilisée dans l'ensemble optique de la Fig. 2 qui réalise la compensation de l'erreur e'ntre une facette et l'axe de miroir. En se référant maintenant à la Fig. 1, celle-ci représente schématiquement une vue de dessus d'un dispositif 10 de balayage de trame & laser réali.é '.-lon la présente invention. Une source optique 12, de préférence un laser Cohérent 4W à ions d'argon, engendre un faisceau 14 qui est reçu par un modulateur électro- optique 16 et qui est ensuite présenté & l'optique 18 de formation de faisceau.L'optique de formation de faisceau est classique et peut comprendre les photocétecteurs qui pourraient être nécessaires pour l'application spécifique. La Fig. 1 représente également un dispositif de commande 20 qui reçoit des signaux depuis un détecteur associé à l'optique 18 et fournit des signaux de commande de modulation au modulateur électro-optique 16 d'une manière connue. Un faisceau de référence 22 colinéaire au faisceau 14 est engendré par un laser 24. Typiquement, le laser 24 consiste en un laser HeNe comme celui qui est commercialisé par la Société Melles Griot. Le faisceau lumineux combiné est reçu par un ensemble optique 26 caractérisé par une poursuite passive de facette et détaillé ci-après. L'ensemble 26 comprend un miroir polygonal tournant 28 possédant plusieurs facettes de miroir quitournent autour d'un axe en réponse à des signaux reçus depuis le dispositif de commande. Le faisceau de référence et un faisceau d'exposition sont reçus par une lentille 30 classique F à balayage théta. Le faisceau d'exposition est reçu par le miroirpliant final et il est présenté à une platine d'écriture hors du plan du dispositif de balayage, non représenté et qui ne fait pas partie de la présente invention. Le faisceau de référence est simultanément présenté au masque de référence et au réseau 36 de photodétecteurs d'un type connu dans la technique,et il fournit des signaux indicateurs du faisceau de référence reçu au dispositif de commande pour commander le cadencement, et donc la modulation des faisceaux balayés. Le dispositif de commande,dans le mode de réalisation préféré comprend le processeur et les moyens de mémorisation qui sont nécessaires pour réaliser les fonctions détaillées ici. Comme noté plus haut, il existe typiquement trois types de dispositifs de balayage de trame à laser: (1) des dispositifs de balayage qui sont caractérisés par une illumination incomplète de la facette, (2) ceux o l'illu- mination déborde de la facette et (3) ceux dans lesquels la facette est Juste remplie et qui comportent une poursuite de facette. Les dispositifs de balayage carac- térisés par une illumination incomplète de facette présentent un pourcentage minimal de temps mort qui est défini par la partie du balayage nécessaire pour déplacer la pointe de facette à travers le faisceau par rapport au temps pendant lequel le faisceau est sur la facette. Pour les dispositifs de balayage o l'illumination déborde de la facette, le pourcentage de temps mort est extrêmement faible puisque la facette est touJours à l'intérieur du faisceau. Pour les dispositifs de balayage qui disposent de la poursuite de facette, le faisceau d'entrée vers le miroir est déplacé latéralement en conjonction avec la facette tournante. Chaque mode est caractérisé selon le tableau suivant: Modes de balayage Incomplet Débordant A poursuite de facette Rendement 1- WOjOF 1I00 % 100 % de balayage (Angle de (Angle de que les deux rendements,temporel et optique,sont élevés. Dans des systèmes connus qui disposent de la poursuite de facette, l'inconvénient majeur est la complexité du système due au nombre de composants additionnels exigés. En se référant maintenant aux Fig. 2 et 3, on a représenté, en vue de dessus et en élévation, respectivement, l'ensemble optique 26 de la Fig. 1. L'ensemble 26 comprend le miroir polygonal 28 qui est de préférence monté sur une bride de palier: à air 38. Le miroir peut tourner autour d'un axe 40 en réponse à des signaux provenant du dispositif de commande 20 de la Fig. 1. L'ensemble 26 de la Fig. 3 est caractérisé par un premier mécanisme 42 d'orientation de faisceau qui est configuré pour recevoir les faisceaux incidents et présenter ces faisceaux le long d'un axe de rotation vers le centre du miroir polygonal tournant. Le mécanisme 42 d'orientation de faisceau comprend une lentille 44 et un miroir tournant 46. Les faisceaux sortent du premier mécanisme d'orientation de faisceau et sont présentés & une fenêtre optiquement transparente 48. La fenêtre est l'une des multiples fenêtres configurées sur la surface supérieure du miroir 28. Comme détaillé plus loin, chaque fenêtre est configurée pour réaliser un déplacement des faisceaux en conjonction avec la rotation de facette. Les faisceaux sortent de la fenêtre et sont reçus par un deuxième mécanisme 50 d'orientation de faisceau qui comprend de préférence un télescope 52 comprenant plusieurs miroirs 54 et 56 et lentilles 58 et 61. Les faisceaux sont ensuite renvoyés vers la facette de miroir au moyen de miroirs 60 et 62 avant de traverser la lentille de collimation 64 et d'atteindre la facette de miroir. Selon la présente invention, la fenêtre en verre déplace le faisceau dans le sens de rotation de la facette de sorte que le faisceau lumineux se déplace en synchronisme avec la facette. A la Fig. 4, on a représenté une section d'une fenêtre en verre 66 qui reçoit un faisceau incident représenté schématiquement commeun rayon optique 64 selon un angle (I) 70 par rapport à la normale 72 à la surface de fenêtre. La fenêtre est caractérisée par une épaisseur (t) 74 et un indice de réfraction (N). Le rayon est déplacé de sa direction d'origine d'une amplitude (D) 76 donné% par la formule: 1i-sinm I D =t sin I [ 1- N2 - sin2 I La Fig. 4b représente schématiquement la position correspondante 78 du faisceau 79 par rapport aux miroirs tournants 60 et 62 à la position de fenêtre de la Fig. 4a. La Fig. 4, considérée conjointement avec les Fig. 5 et 6, représente schématiquement l'effet de la fenêtre en verre configurée avec le miroir tournant. Lorsque le miroir tourne, il en est de même de la fenêtre en verre Chaque fenêtre en verre 66 reçoit les faisceaux initialement selon un angle par rapport & la normale 72 à la surface. Le faisceau est déplacé vers le centre de la fenêtre en verre. Lorsque la fenêtre en verre et le miroir tournent, le faisceau illumine maintenant les fenêtres en verre selon des angles droits par rapport à la fenêtre en verre de sorte qu'il n'existe pas de déplacement par rapport à l'axe du faisceau incident (Fig. 5a). Cependant, comme le représente la Fig. 5b, le faisceau est effectivement déplacé d'une quantité 80 par rapport à sa position initiale, ce qui permet aux faisceaux de continuer à illuminer la facette correspondante. La Fig. 6a représente le faisceau sur la fenêtre tournante en verre dans une troisième position. Le déplacement 82 du faisceau se poursuit, en permettant encore au faisceau d'illuminer lafacette tournante. L'homme de l'art notera que, dans ce mode de réalisation préféré,le faisceau est décalé vers le centre de la fenêtre,qui est la direction qui permet la plus grande augmentation du rendement optique. Celui-ci se traduit par un coefficient de travail on rendement temporel le plus élevé qui puisse être obtenu puisque la réfraction produite par les fenêtres en verre dirige le faisceau vers le milieu de la fenêtre à sa sortie et maintient le faisceau sur la face de facette pendant la plus longue période. Le rendement optique est amélioré jusqu'à plus de 90 pour cent à partir d'une valeur typique de.60 pour cent qui est caractéristique des systèmes de balayage à illu- mination intégrale de facette sans poursuite de facette. Une variante d'appareil 84 de.poursuite passive de facette est représentée schématiquement dans la vtu de dessus de la Fig. 7. L'appareil 84 est semblable au mode 1i de réalisation de la Fig. 1, sauf que les fenêtres sont utilisées par paires, et il est caractérisé par un dispositif 86 d'orientation de faisceau qui présente un faisceau 88 à une première fenêtre 90 positionnée sur la périphérie du miroir polygonal 92 et ensuite à une fenêtre en verre diamètrale 94. Le faisceau est décalé lorsqu'il traverse les deux fenêtres avant d'être présenté à un deuxième appareil 96 d'orientation de faisceau qui est similaire à l'appareil décrit ci-dessus en référenee àla Fig. 1. Il faut noter que le décalage de faisceau réalisé par la variante de l'appareil ne se fait pas vers le centre de la fenêtre pour la première fenêtre rencontrée et donc, on n'atteint pas le même rendement optique que dans le mode de réalisation préféré. Un deuxième principe de variante implique l'utilisation d'un polygone réfringent massif comme autre amélioration de l'appareil de la Fig. 7. Cepen- dant, cette technique souffre des mêmes limitations que le mode de réalisation de la Fig. 7. La poursuite de facette réalisée par la présente invention est totalement passive et elle est exclusivement optique. Par conséquent, la présente invention est en fort contraste par rapport aux systèmes de balayage connus qui disposent d'une poursuite de facette mais qui le font de façon active en employant une variété de détecteurs, de modulateurs acousto- optiques ou électro-optiques et autres dispositifs électroniques. Puisque la technique est passive, il n'est pas nécessaire de corriger d'avantage les effets liés à l'intensité comme ce peut être le cas pour des techniques actives. Cette technique se prête aussi & des systèmes polychromatiques, ce qui n'est pas possible avec certaines techniques actives. Finalement, puisqu'elle est passive, il n'y a pas de dépendance vis- à-vis de la vitesse dans la poursuite de facette. Il faut noter que l'angle horizontal des faces opposées de la fenêtre dans la dimension de fenêtre à fenêtre n'est pas critique puisque cette erreur se trouve dans la direction de balayage. Comme l'indique la Fig. 8 cependant, l'angle aigu (ou angle de prisme) 98 formé entre les deux faces opposées , 102 d'une fenêtre en verre 104 peut être significatif dans la dimension de balayage transversal. En fait, avec la présente invention, la fenêtre en verre peut être utilisée pour fournir une compensation de l'erreur de pyramide entre la facette etl'axedumiroir qui existe dans des miroirs polygonaux tournants. Cette erreur est engendrée de façon générale par suite des imperfections d'alignement entre la facette de miroir et l'angle de rotation de sorte que la facette est légèrement basculée en direction de l'axe ou en s'en écartant, ce qui produit une absence de superposition des lignes de balayage provenant de facettes multiples. Il est difficile de réaliser une compensation de cette erreur avec des systèmes connus,mais ceci est réalisé facilement avec la présente invention puisque chaque facette comporte une fenêtre associée. Selon les détails de la Fig. 8, la fenêtre est configurée avec un prisme égal (par le rapport d'amplification de faisceau) en amplitude et opposé en signe, de sorte que l'erreur angulaire entre facette et axe est annulée. De cette façon, l'erreur angulaire de chaque facette du miroir peut être compensée individuellement par un choix de fenêtre en verre correspondante comportant une erreur appariée. De même, alors que 1' invention a été décrite en se référant & un mode de réalisation préféré de celle-ci, l'homme de l'art doit comprendre que diverses autres variantes, suppressions et additions peuvent y être faites sans s'écarter de 1' esprit et du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Appareil (26) pour un dispositif (10) de bala- yage de trame à laser qui balaye, en réponse à des signaux de commande provenant d'un dispositif de commande (20), un faisceau (14) laser d'exposition sur un substrat au moyen d'un miroir polygonal tournant (28) possédant plusieurs facettes réfléchissantes, l'appareil étant destiné à réaliser une poursuite passive de facettes et caractérisé par: un moyen de déplacement de faisceau optique compre- nant une pluralité de fenêtres en verre (48), les fenêtres étant configurées avec le miroir polygonal pour coopérer avec des facettes correspondantes parmi les facettes réfléchissantes; un premier moyen (42) d'orientation de faisceau destiné à amener le faisceau laser (14) le long d'un axe incident (68) vers lesdites fenêtres (48) sur une première surface de celles-ci; un deuxième moyen (50) d'orientation de faisceau pour recevoir ledit faisceau laser (14) depuis une deuxième surface opposée de fenêtre et pour fournir un faisceau lumineux à ladite facette correspondante parmi lesdites facettes réfléchissantes; chacune desdites fenêtres en verre (48) étant positionnée pour déplacer ledit faisceau laser (14) à partir dudit axe incident (68) de fenêtre de façon à produire un dé- placement correspondant (76) dudit faisceau lumineux inci- dent sur la facette dans le sens de rotation du miroir. 2 - Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en outre en ce chacune desdites facettes présente une erreur angulaire entre la facette et l'axe de rotation du miroir et en ce que chaque fenêtre correspondante est caractérisée par un angle de prisme entre lesdites pre- mière et deuxième surfaces, dont l'amplitude corrige les erreurs induites par la facette réfléchissante dans le sens du balayage. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce queledit moyen de déplacement de faisceau optique comprend une seule fenêtre en verre (48) par facette. 4 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que ledit moyen de déplacement de faisceau optique comprend une paire de fenêtres en verre (90, 94) positionnées diamétralement en association avec chacune des facettes de miroir (28). - Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en outre en ce que ledit moyen de déplacement de faisceau optique comprend un polygone transparent massif présentant le même nombre de faces réfringentes que de facettes réfléchissantes de miroir. 6 - Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en outre en ce que ledit deuxième moyen (50) d'orien- tation de faisceau comprend un moyen à télescope optique en vue d'une expansion dudit faisceau lumineux. 7 - Un dispositif de balayage (10) de trame à laser destiné à balayer un faisceau d'exposition sur un substrat, qui comprend: un laser (12) destiné à engendrer un faisceau laser (14); un modulateur de faisceau adressable (16) pour réaliser une modulation du faisceau laser (14); un miroir polygonal tournant (28) possédant une pluralité de facettes réfléchissantes; un moyen (20) pour commander ledit modulateur de faisceau (16) et ledit miroir tournant (28); caractérisé par un moyen de déplacement de faisceau optique comprenant plu- sieurs fenêtres en verre (48) configurées avec le miroir polygonal (28) pour coopérer avec des facettes correspon- dantes parmi lesdites facettes; un premier moyen d'orien- tation de faisceau (42) pour amener le faisceau laser le long d'un axe incident (68) vers lesdites fenêtres (48) sur une première surface de celles-ci; un deuxième moyen (50) d'orientation de faisceau pour recevoir ledit faisceau laser (14) depuis une deuxième surface opposée de fenêtre et fournir un faisceau lumineux à ladite facette correspondante parmi lesdites facettes réfléchissantes; chacune desdites fenêtres en verre (48) étant position- née pour déplacer ledit faisceau lumineux à partir dudit axe incident (68) de fenêtre de façon à produire un déplacement correspondant (76) dudit faisceau lumineux sur la facette dans le sens de la rotation du miroir. 8 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en outre en ce que chacune des facettes présente une erreur angulaire entre la facette et l'axe de rotation du miroir et en ce que chacune desdites fenêtres correspon- dantes est caractérisée par un angle de prisme entre lesdites première et deuxième surfaces, dont l'amplitude corrige l'erreur induite par la facette respective. 9 - Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en outre en ce que ledit moyen de déplacement de faisceau optique comprend une seule fenêtre en verre par facette. - Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en outre en ce que ledit moyen de déplacement de faisceau optique comprend, par facette, une paire de fe- nêtres en verre (90, 94) positionnées diamétralement avec le miroir. 11 - Appareil selon la revendication 7, caractéri- sé en outre en ce que ledit moyen de déplacement de faisceau optique comprend un polygone transparent massif présentant un nombre de faces réfringentes égal à deux fois le nombre de facettes réfléchissantes du miroir. 12 - Appareil pour un dispositif (10) de balayage de trame à laser qui balaie, en réponse à des signaux de commande provenant d'un dispositif de commande (20), un faisceau d'exposition laser sur un substrat au moyen d'un miroir polygonal tournant (28) possédant plusieurs fa- cettes réfléchissantes caractérisées par une erreur entre facette et axe du miroir, l'appareil étant destiné à réali- ser une compensation d'erreurs de facettes du miroir, caractérisé par: un moyen de déplacement optique comprenant une pluralité de fenêtres en verre (104) configurées avec le miroir polygonal (28) pour coopérer avec des facettes correspondantes parmi les facettes réfléchissan- tes, chaque fenêtre (104) possédant des premières (100) et deuxièmes (102) faces opposées configurées avec entre elles un angle de prisme (98) dont le signe et l'amplitede respectifs annulent' ladite erreur entre l'axe du miroir à facettes réfléchissantes et chaque facette correspondante; un premier moyen (42) d'orientation de faisceau destiné à amener le faisceau laser le long d'un axe (68) vers lesdites fenêtres sur une première surface de celles-ci; et un deuxième moyen (50) d'orientation de faisceau pour recevoir ledit faisceau laser depuis une surface opposée de deuxième fenêtre et pour fournir un faisceau lumineux à ladite facette correspondante parmi lesdites facettes réfléchissantes. 13 - Appareil selon la revendication 12, caractérisé en outre en ce que ledit deuxième moyen d'orientation de faisceau comprend un moyen à télescope optique en vue de l'expansion dudit faisceau lumineux.