如果我們細看半導體製程,就會知道這個製程中有一個關鍵步驟,就是畫線,對大家來講畫線有什麼稀奇?小孩子也會在紙上兩條直線,可是如果線與縣中間的間隔是奈米(10億分之1米)級的,畫線就相當不容易了。所以我們通常要用光學技術才能達到這個目的。
我在這裡介紹的曝光機不能用在半導體工業上,但是可以用在印刷電路板上。印刷電路板上當然也要畫很多的線,過去的作法如圖一:
圖一
我們要有一個光罩,銅板上有感光的材料,如果在光罩上畫了一個十字,在銅板上就會有一個十字是沒有感光的,事後我們將已經感光的部分洗掉,十字就留在銅板上了。如果我們要在銅板上畫三條平行的直線,曝光機所造成的結果如圖二:
圖二
當然我們也可以反過來做,那就是光照到的地方是直線。現在我要介紹的是一種新的技術,這種技術叫做直接成像,請看圖三:
圖三
這種技術需要一個光組,這個光組上面有非常多的反射鏡,假設我們要在銅板上畫兩個黑點,這時候我們要有一個電腦來控制那些反射鏡,使得反射鏡所反射的光很正確地投到銅板上的位置,在圖三中可以看得到大多數的光都反射到銅板以外的地方去了,那就與銅板上面成像無關了。
我們這樣想就對了,我們可以想見這個鏡頭上所射出的光線完全是我們所要的光線,所以我們就不需要光罩了。也許有一個想法可以幫助你們,假設你有一盞檯燈,檯燈裡面有很多的小燈泡,可是中間有一行是沒有燈泡的,這樣的燈罩在你的書上永遠中間有一到黑影,當然這種燈飾不可能有的,因為對一般生活上沒有什麼用。
這個鏡頭很小,可是印刷電路板是很大的,所以我們的作法是要將鏡頭上下地移動,如圖四:
圖四
在圖四,我們的鏡頭先往下移動,然後再往上移動,如此就可以使得整個銅板曝光了。有趣的是,在鏡頭裡面的光是用電腦控制的,請看圖五:
圖五
在第一個位置,鏡頭一片空白;在第二個位置,鏡頭可以在銅板上畫一條從左上角到右下角的直線;在第三個位置,鏡頭上的直線從右上角到左下角;在第四個位置,又是一片空白。所以能夠有不同的像,乃是因為有電腦的程式事先寫好來控制那些反射鏡的。整個過程如圖六:
圖六
最後的結果如圖七,這僅僅是一個示意圖,作為例子用的,真正的印刷電路板上面的線路當然不會是這個樣子的。
圖七
這個曝光機是一個相當精密的儀器,當鏡頭上下移動的時候,必須要有一個線性馬達的驅動,而且所有零件的移動都不可以和任何其他東西相接觸,底座也不可以有晃動,請看圖八:
圖八
各位可以看到我們的曝光機用的軸承是所謂的空氣軸承,底座是用花崗石做的,因此我們的滑軌和底座是沒有任何接觸的。
還有一點,曝光機的鏡頭移動的時候必須要是直線,當然絕對的直線是不容易做到的,總會有一種誤差,請看圖九:
圖九
圖九所示的誤差是相當誇張的,我們所用的滑軌已經非常精密,可是我們要求的是在鏡頭直線移動的時候只能偏差10萬分之1米。因此我們又用了一個很特別的控制器,叫做偏擺(yaw)補償控制器,偏擺最常用在飛機的機翼上。至於偏擺補償是這樣子的,我們使鏡頭在滑軌上移動,偏擺會記錄下任何稀微的誤差,假如行動偏左,偏擺補償控制器就會使得這個直線行動稍微往右一點,這樣最後的結果誤差就會更小了。
我們國家有這種曝光機也不是一件容易的事,各位可以看得到這家機器絕對一個精密的設備,其中很多重要的零組件都可以在國內採購得到,當然很遺憾的是也有一些零組件仍然要向國外購買。
如果我們也要有可以在半導體製程中使用的曝光機,就必須要投入更多的人力和時間,我所知道的這家公司非常希望政府有這種雄心壯志,使我們國家也有這種高級的曝光機。令他們感到擔憂的是,中國大陸已經投下相當多的人力在做半導體製程中使用的曝光機,在大陸這種公司都幾乎是國營的。我們國家雖然有很多的工程師對這些事情有熱情,可是有志難伸。
最後,希望大家仍然給我們這些努力工作的工程師一些掌聲和鼓勵,沒有他們的努力,我們更加談不上所謂的精密工業。