曝光：把圖形“印”到碼盤上

曝光是微影的核心一步：紫外光透過光罩，把碼盤圖形“印”到光阻上。本文講接觸式和接近式曝光的區別，曝光量為什麼要剛剛好，間隙和波長怎樣限制能印出的最細線，以及對準要對什麼。

老式照相館洗照片，是把底片壓在相紙上，開燈照一下，底片上的影象就“印”到了相紙上。碼盤的曝光原理幾乎一樣：底片換成光罩，相紙換成塗了光阻的鉻膜玻璃，燈換成紫外光。不同的是，這裡要印的線可能只有幾微米寬。

曝光需要三樣東西

• 光罩：透明玻璃上用鉻做出碼盤圖形，相當於“底片”。碼盤這類 1:1 複製的圖形，光罩和碼盤一樣大。
• 紫外光：常用汞燈的紫外譜線，例如 365 nm 的 i 線，也有用紫外 LED 的。光要儘量準直、照度均勻。
• 光阻：只對紫外和短波長的光敏感，所以微影間用黃光照明。

常用的正性膠被照過的地方會溶於顯影液。光罩上不透光的鉻擋住的地方，膠留下來，下面的鉻也就保留成為刻線。所以用正性膠時，光罩上的黑白和碼盤上的黑白是一致的。

接觸式和接近式

見圖1。接觸式是把光罩直接壓在膠面上，光從開口直下，幾乎不擴散，邊緣清楚。代價是光罩反覆和膠接觸，容易磨損、沾膠、粘顆粒，一個顆粒就可能在後面每一片上都印出缺陷。

接近式是在光罩和膠之間留一個很小的間隙 g，光罩不碰膠，壽命長、缺陷少。但光穿過開口後會衍射，邊緣變得模糊，一部分光還會“漏”到鉻線下面，圖1 右側的劑量曲線就不再是陡峭的方形。

曝光量：劑量要剛剛好

曝光劑量 = 照度 × 時間。膠面某一點累計的劑量超過一個閾值，那一點的膠顯影時才會溶開。

• 劑量不足：開口沒完全開啟，或者底部留一層殘膠，蝕刻後留下殘鉻，透光縫變窄。
• 劑量過量：邊緣漏過去的光也累積到閾值以上，開口變寬，鉻線變細。

圖1 右側按一個簡化的衍射模型示意了這件事：同樣的光罩開口，劑量不足時膠上開口只有光罩開口的約 79%，合適時兩者基本一樣寬，過量時達到約 119%。接觸式的邊緣陡，同樣的劑量變化引起的線寬變化小得多。

燈的照度會隨使用時間下降，所以要定期用照度計測量，再調整時間。照度降低 10%，曝光時間要延長約 11%（1 ÷ 0.9 ≈ 1.11），劑量才不變。

解析度受什麼限制

接近式曝光能印清的最細線，可以粗略估算為 √(λ × g)。取 λ = 0.365 μm：

對照佔空比 1:1 的碼盤：半徑 20 mm、2500 線時線寬約 25 μm，間隙寬鬆得多；半徑 5 mm、10000 線時線寬只有約 1.6 μm，間隙要小到幾微米，基本只能貼著曝光（見圖2）。

此外，光不夠準直也會讓邊緣發虛：光線偏 1°，穿過 30 μm 的間隙後橫向偏出約 0.5 μm。接觸式雖然沒有間隙，也會受膠厚、光罩和基板是否貼得均勻的影響。

對準：圖形要放在哪裡

碼盤圖形通常只有一層，對準主要是讓圖形落在基板上正確的位置，並且和光罩上的對心圈、標記一起，為後面的切割和裝配提供基準。雙面或多層圖形則要用顯微鏡把光罩標記和基板標記對齊。光罩和基板還要平行，間隙各處一致，否則一片之內線寬就會不一樣。

小結

曝光把光罩上的圖形複製到膠上。接觸式清楚但傷光罩，接近式護光罩但會模糊；劑量決定開口寬窄，間隙和波長決定能印多細。線越細的碼盤，對曝光的要求越苛刻。

延伸閱讀：ENC7 編碼器碼盤生產廠家（中文首頁） · 碼盤技術文庫

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