January 10th, 2019

Фотолитография

Этой записью я открываю цикл постов о построении самодельной установки для засветки фоторезиста. Где-то год назад я начал неспешные изыскания, в ходе которых накопилось много материала, который жаль потерять, и который неплохо будет систематизировать в одном месте.

Также я буду стараться давать ссылки на источники информации и номенклатуру купленных деталей. Специальный учёт я не вёл, поэтому заранее прошу прощения, если кого-то забуду упомянуть.

Разделы находятся в стадии написания.
Пока висит эта надпись содержимое будет дополняться и, наверняка, изменяться.


Для начала хочу озвучить отброшенные варианты изготовления.

Прямое снятие меди режущим инструментом

  • механическое разрушение не даёт высокой точности. Тонкие дорожки будут рваться.
  • стеклотекстолит невероятно быстро затупляет режущие поверхности. Спозиционироваться так, чтобы не трогать текстолит - невозможно. (кривизна плат, неровная толщина).

  • Прямое снятие меди другими способами

  • лазером. Медь металл, да ещё и "зеркало". Слишком большая мощность потребуется. Дома недостижимо.
  • электроискровым. Нет износа, но точность во много раз хуже, чем у фрезы.

  • Защитный слой на меди и его обработка

    Например нанесение тонкого слоя чёрной краски. Или плёнки. И выжигание на нём. Принципиально (по количеству действий) ничем не лучше технологии с фоторезистом. Но точность наверняка намного хуже. Затрат энергии больше (сжечь труднее чем засветить). Плюс сопутствующие вредные испарения. Которые, к тому же, будут вредить оптике.

    Прямая печать на меди

    Краской/тонером.
    Наверное, это самый реалистичный вариант самоделки. Надо только переделать бумагопротяжной тракт и (для лазерников) способ запекания тонера. Ну и сам тонер/краску подбирать. Чтобы наносился(лась) плотно, и при травлении не сходил(ла), и смывать легко было.
    Мне этот вариант показался неинтересным. Поэтому рассматриваться он тоже не будет.


    Collapse )

    Развёртка лазерного луча.

    Оглавление

    Главная проблема и вычёркиваем galvo.



    Сразу расскажу о самой главной проблеме засветки лазерным лучом. Это фокусное расстояние (и угол падения на плату в том числе).
    Решается эта проблема использованием F-Theta линз, рассчитанных на нужную длину волны. Которые в домашних условиях изготовить нереально, а промышленные стоят тысячи и десятки тысяч долларов.

    Это одна из главных причин, почему сразу же отпадает вариант с galvo-зеркалами (электромагнитный привод навроде головки у HDD) - фокус будет "гулять" по всей плате.
    Вторая причина, по которой galvo не годятся - проблемы с точным позиционированием. Оно неизбежно будет "уплывать" c каждым движением. В том же HDD точно понять где находится головка можно по служебным данным, записанным на диске.




    XY-развёртка перемещением только лазера.
    Collapse )

    Засветка через маску.

    Оглавление

    Собственно это самый каноничныйЪ способ фотолитографиии.
    Преимущества для серийного производства понятны: сделал один раз маску фотошаблон. И засвечивай через него сколько угодно раз.

    Дома фоторезист тоже используют исключительно с фотошаблонами. Печатая их принтером на плёнке, или даже на бумаге, и пропитывая эту бумагу маслом, для прозрачности.
    Т.к. серийное производство не предполагается, я захотел исключить из процесса шаг изготовления шаблона. Т.к. помимо затрат времени и расходников, дополнительно получаем ухудшение точности, привнося искажения принтера, печатавшего этот шаблон.

    Самым очевидным, и самым дешёвым вариантом выглядит LCD матрица от обычного сломанного офисного монитора. Тем более в них что чаще ломается подсветка или БП, а не матрица.
    Collapse )

    Маска: цветные TFT LCD

    Оглавление

    Суть проста: формируем картинку маски, прижимаем стекло к резисту, просвечиваем UV лампой - готово.

    Поначалу я не раccматривал этот вариант, и вот почему:
  • крупный размер точки
  • деградация жидких кристаллов и плёнок поляризаторов под воздействием UV
  • наличие RGB компонент и их светофильтров. По-факту только B будет немного пропускать UV, остальные только поглощать, разогревая дисплей. Неясно какой при этом будет отпечаток на резисте.

    Collapse )

    Маска: ч/б LCD панели

    Оглавление

    Как я уже писал, разобрав свой первый 3LCD проектор Sharp PG-C20XE я обнаружил там высокотемпературные ЧБ дисплеи LCX029 фирмы Sony.
    Разрешение XGA (1024*768), размер точки 0,018мм, размер активной зоны 18,4мм x 13,8мм.
    Даташит доступен.

    Сразу придумался вариант использования: берём качественный фотоувеличитель с хорошей оптикой. Например Дон-110 или Крокус.
    Вместо плёнки ставим туда этот ЧБ дисплей. Лампу заменяем на UV LED.

    Получаем плавное и почти неограниченное масштабирование. Например можно сразу засветить плату размером A4. Конечно же, ценой пропорционального укрупнения минимальной точки.

    Для проводников в 0,1мм рассчётный размер платы получается 102мм x 77мм, что приблизительно совпадает с размером области засветки через 5.5" TFT LCD Sharp. Правда, TFT при этом даёт в 4 раза (2*2) меньший размер точки.

    Либо же наоборот, получаем прекрасную точность в 0,018мм. А плату засвечиваем "частями". Перемещаяя её на XY-координатном столике.

    Collapse )
    SONY LCX029
    Суда по-даташиту управление несложное, никаких I2C/SPI, никаких секретных команд.
    Выставляешь пиксель-инкрементируешь столбец. Заполнил линию - инкрементируешь строку и заполняешь следующую линию.
    Логические "1"-цы имеют величину 5V, видеосигналы 2.5 ... 12.5V.
    Всё ещё упрощается при использовании драйвера SONY CXA3512R, на который так же есть datasheet: логическая "1"-ца от 2.5V, питание 15V, при подаче видеосигналов драйвер сам заботится о задержке для сдвигового регистра матрицы.

    EPSON P09XG210
    Воодушевлённый я купил и разобрал ещё один 3LCD - NEC VT540K.
    С ним повезло меньше.
    Матрица оказалась EPSON P09XG210, на которую нет документации. Управляется контроллёром EPSON ET1021F0A, на который тоже нет документации.
    Кроме NEC такие матрицы используются в проекторах Toshiba TLP45xx, TLP65xx, TLP541e.

    Благо кропотливым поиском удалось найти схемы всех проекторов.
    Насколько я понял из схем - у матрицы EPSON логические сигналы имеют такой же разброс, как и видеосигналы. А драйвер не особо облегчает работу, беря на себя только конверсию логики. Видеосигналы же получают на спец. драйверах AD8380.

    Развёртка: HDD и его предки.

    Оглавление

    Спиральная развёртка растра.
    Представим равномерное вращение платы, и медленное перемещение лазера вдоль неё. Тогда развёртку рисунка можно представить как туго сжатую спираль, и работать через полярные координаты.

    В качестве "вращателя" можно взять двигатель и блин от "мёртвого" HDD. Идеальная плоскость вращения и отсутствие всяких биений.
    Либо же "тяжёлую артиллерию" - проигрыватель граммпластинок. Советские, 0-го класса, имеют прямой привод диска на валу мотора. Тяжёлый диск (инерция нам поможет) и готовые метки для стробоскопического индикатора.

    Чуть позже я наткнулся на видео на ютубе, где человек реализовал нечто подобное. Правда он немного не довёл идею "до ума": у него прямолинейно перемещалась плата, а вращёлся лазер. ИМХО это сложнее в изготовлении.

    ... to be contunued ...

    Драйвер лазера Intersil ISL58303

    Оглавление
    Драйверы

    Приступим к реверсу секретного протокола управления.
    Для этого надо подключить купленный Kinect One к ПК, и снять цифровым анализатором сигналы с лазерных драйверов.
    Стоимость кабеля для подключения к ПК меня обескуражила ещё при покупке самого кинекта: мужик за Kinect Adapter хотел тоже 2 тысячи рублей, как и за весь кинект. Адаптер этот по-сути кабель + блок питания на 12V.

    Решил что за такие деньги я уж как-нибудь сумею переделать штатный комплектный кабель, для подключения к приставке (у которой разъём вовсе не стандартый USB).

    Collapse )

    Лазеры

    Оглавление

    Самым привлекательным источником недорогих, мощных, хорошо фокусируемых UV лазеров являются BlueRay приводы.
    Можно оценить предельные параметры этой технологии:
  • BD диски делаются с помощью фоторезиста. Размер пита (точки) 60нм.
  • Размер лазерного "пятна" (beam), с длинной волны 405nm, из-за дифракции и диска Эйри составляет 580нм. Или ~= 0,0006 мм. Т.е. даже если ухудшить фокусировку в 100 раз (а чем мощнее луч - тем хуже он фокусируется) её всё равно будет вполне достаточно.

    Конечно, laser head (sled, pickup) это жемчужина инженерной мысли. Там и voice coil, для коррекции фокуса сотни тысяч раз в секунду, и сложная оптическая система определения положения пятна на диске, и всё это в микроскопических размерах. Но нам и не нужны характеристики, к которым стремились инженеры. И документации всё равно нет.

    Интересная статья о попытке применить Blue Ray head от XBox целиком, для изготовления плат

    Collapse )

    Лазеры: драйверы

    Оглавление

    Лазерный диод питается током. При этом ток нельзя сильно превышать даже на микросекундном интервале - сгорят зеркала резонатора, и лазер превратится в тусклый светодиод. К таким же последствиям может привести статическое электричество: наведённая микровпышка и сгоревший лазер.

    Помимо ESD защиты, управления током и его стабилизации, от драйвера требуется модуляция на высоких частотах.
    Collapse )