用於確定雷射束的焦點位置的方法
2023-06-10 23:25:11 2
專利名稱：用於確定雷射束的焦點位置的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定加工襯底的機器、尤其是加工電路襯底的機器中的雷射束的焦點位置的方法。
針對襯底的加工、例如印刷電路板或其它電路襯底的加工，極其精確地知道相對臺面或加工面的雷射束的焦點位置是重要而必需的。因此，在運行雷射加工機器時確定焦點位置是一個重要的步驟，但是檢查該焦點位置或在運行期間重新確定焦點位置始終仍然是必要的。因此，確定焦點位置必須是簡單的、客觀的和可重複執行的。
迄今為止，通常藉助於顯微鏡手動執行和分析焦點的確定。因此，該過程與執行的人和所應用的測量儀器、即顯微鏡的質量有關。所以該方法不僅耗時，而且依賴於各自的執行者帶有可變的誤差源。
本發明的目標是給出一種針對確定雷射加工機器中的焦點位置的方法，該方法與人無關、也即是客觀的並且快速、帶有高精確度實現焦點位置的確定。
因此，根據本發明利用以下步驟確定焦點位置—利用雷射束在樣品襯底上產生許多線形圖案，其中逐步改變雷射束的成像單元和平的襯底表面之間的距離，—測量所有圖案的線寬並且分配給各自的距離值，和—確定具有最小線寬的圖案，並且所屬的距離值被識別為雷射束的焦距調整。
因此，在本發明處以預定的不同距離高度構成並排安置的線。在此，最窄的線寬是與在分析時可作為參數採用的焦點位置一致。因為例如能以直線或並排安置的圓的形式產生的並排布置的線形圖案基於逐步改變的距離彼此區分，所以直接可視的分析是可能的，以致在許多情況下沒有顯微鏡手動確定也是可能的。儘管如此，比較線寬在客觀上仍然是可能的。
在優選的改進方案中，藉助於照像機測量和確定單個圖案的線寬。在此，與人無關地，焦點位置準確確定在100μm上。因此，在完全更換方法的情況下，可能制定以高速全自動執行焦點搜索的自動控制的機制，其中通過個別判斷使誤差影響因子最小化。優選地同時使用在用於識別標誌和位置的機器中本來存在的照像機。該照像機可以類似的算法和測試程序工作，正如也用於基準識別或校準那樣。為此目的，自然也可以使用附加的外部照像機。此外，如果對於一定的應用或雷射波長而言，結構化的線寬太小，則存在具有變焦距物鏡的照像機工作的可能性。
如所提及的那樣，根據本發明的方法中，以不同高度位置、即以具有不同z值的x-y-z坐標系統實現線形圖案。確定不同的z高度之差允許進行粗略和精細搜索。在粗略搜索時，單個結構化步驟之間的高度差大於精細搜索時的高度差。此外，利用搜索步驟的選擇也可以對不同波長(在同一焦距的情況下)的不同景深作出反應。這樣，(波長為9.25μm的)CO2雷射器的情況下的景深比波長為355nm的UV雷射器的情況下的景深大很多。這意味著，CO2雷射器的情況下結構化線寬的改變與z高度變化的依賴關係比UV雷射器情況下的該依賴關係小。
以下，依靠附圖在實施例上對本發明詳細地加以說明。其中
圖1示出在根據本發明確定焦點的情況下雷射加工裝置的示意圖，圖2示出根據本發明用於自動焦點搜索的流程圖，圖3示出針對焦點確定而產生的具有線形的圖案的示意圖，和圖4示出針對焦點確定而產生的圓形圖案的示意圖。
圖1示出用於對印刷電路板或類似的襯底加工的雷射機器的基本裝置。在此，一臺示意性示出的雷射器1經偏轉單元2、例如利用未示出的鏡式電流計和成像單元或透鏡3產生雷射束4。通過透鏡3的焦距調節焦點F。待加工的襯底5被布置在工作檯6上，該工作檯經相應的x-驅動7、y-驅動8和z-驅動9可以在x-y-z坐標系統內移置。通過雙箭頭示意性地圖示驅動7、8和9。通過X驅動7和y驅動8，只要涉及平的襯底，襯底5就在確定的加工面上移置，以致分別規定的加工點由雷射束4採集。經z驅動9移置工作檯6或襯底5的高度，由此改變到雷射器的距離。因此，視需要而定，有目的地將襯底引到關於雷射束的焦點位置或者有目的地引到焦點之外。襯底5的表面處於焦點之外越遠，則擊中的雷射束的光點直徑越大，有效的能量密度也越小。因此，針對有目的的加工襯底5，相對工作檯6的z高度準確確定焦點位置是必要的。
根據本發明，針對確定焦點位置，在工作檯6上放置一樣品襯底5，並且利用雷射束產生圖案線，在圖1的所示的例子中分別產生直線L1到L9。同時，逐步調整工作檯6的高度，以致另一z高度(z1到z9)被分配給每條線L1到L9。
利用照像機10，例如利用本來安裝在機器中的用於基準識別和位置識別的照像機，可以有目的地移近單條圖案線，並且可以確定在襯底上各自的線寬b。工作檯的一定的z高度位置被分配給每條線寬b(b1到b9)。通過確定最小線寬bmin確定焦點位置，並且所屬的工作檯6的z高度位置被表徵為焦點位置。
因此得出按照下表的分配。
在圖1的例子中，線L5具有最小寬度b5(＝bmin)。據此該所屬的高度z5被識別為焦點位置並且儲存在系統內。
實際上，不同的高度通過在具有預定z值的不同高度位置的結構化實現。同時粗略搜索和精細搜索允許確定不同z高度的差。在圖2的流程圖內可示例性地示出這樣一種方法。在第一搜索步驟S1中首先執行粗略定位。也就是說，以值z1到z9移近不同高度位置，其中分別產生線L1到L9。在下一步M1中測量線寬b1到b9，並且分配給高度值z1到z9。如果在所測量的線寬的過程中最小值是可識別的，則從測量值b1到b9中確定最小線寬bmin1。如果在測量線寬時仍然沒有經過最小值，則這是在最小的所測量的線寬處於測試系列末端的情況，所以在步驟S1的粗略搜索中必須利用新的z值執行。因此經過步驟SK1，在迄今為止具有最小線寬的z值之後預先規定另外的z值(例如z9到z15)。隨後可以執行具有步驟S1和M1的新的測量系列。
如果在粗略搜索中第一最小寬度值bmin1被確定，則在精細搜索時仍然可以更加精確地確定焦點距離。在第二搜索步驟S2中，在迄今為止確定的最小值bmin1或所屬的z值雙方的範圍內預先規定另外的z值，例如在高度值z3和z5之間預定精細的z位置值z31、z32等等。按照該較精細的高度差再度測量所屬的圖案線L3、L31、L32...直到L49、L5為止。從所測量的線寬中再度確定最小值bmin2，並且確定所屬的z高度值ZF作為工作檯或襯底的焦點位置，並且儲存在步驟SP中。
例如下表適用於精細搜索
如果寬度比較得出了b42的最小值，則所屬高度值z42相當於焦點位置，並且它作為zF被儲存。
自然地視情況而定，第二搜索步驟也可以取消；隨後如圖2所示，值bmin1直接地在步驟SP內被儲存。
同時照像機利用類似的算法和測試程序工作，正如它也用於機器的基準識別或校準那樣。取代為此裝設的照像機，也可以附加地裝設第二個外部照像機。此外，如果對於一定應用或雷射波長而言結構化的線寬太小，則存在具有變焦距物鏡的照像機工作的可能性。
為了即使在小的高度步長的情況下也能很好地區分單條圖案線，樣品襯底配備一定的表面。這樣，在圖3中例如示出在陽極氧化處理過的鋁板上藉助於CO2雷射輻射產生的圖案。在此，通過電氧化鋁的熱變換形成線結構。線結構的品質和尺寸與焦點大小以及與此聯繫的能量密度有關。在雷射束的中央區域受高能量密度制約，導致電氧化鋁的蒸發和鋁的氮化，這表現為金色線。在邊緣區電氧化鋁通過熱衝擊轉變為通過白色著色可識別的氧化鋁。兩種顏色區域與黑色或暗色的陽極氧化處理過的鋁相反而可被明顯地識別出。
在這種情況下，通過隨著散焦焦點大小以及與其相聯繫的能量密度變化來進行分析是可能的，這視焦點高度而定一方面表現為氮化鋁的不同線寬另一方面表現為氧化鋁的不同線寬。所以隨著更好的聚焦，氮化的痕跡的寬度增加，而氧化鋁痕跡的寬度下降。在圖3中示出在邊緣區氮化層LN1的寬度bn1，該寬度bn1大約在襯底中央小於氮化層LN4的寬度bn4，因此這表明更佳的聚焦。相反，在邊緣上氧化鋁層L01的寬度bo1大於在中央區域或者在更佳的聚焦情況下氧化鋁層L04的相應寬度bo4。因為在這種類型線產生的情況下分別形成與聚焦狀況相反的不同的線，所以二種不同的分析方法或兩種測量方法的組合也是可以考慮的。在黑白照像機分析情況下，依靠氧化物痕跡寬度的焦點確定更加合適，因為明亮的氮化的寬度不可能立即與明亮的氧化物區分離。為了避免陰影，應當這樣選擇照明，以致使它儘可能從上面照射到目標上。對於一定數量的焦點高度，帶有圖像識別的照像機檢測相關的線寬，並且輸出值或者將該值儲存用於內部進一步處理。同時從確定所有被確定的值的二階多項式擬合的最小值中確定焦點位置。為了抑制測量誤差，展開多項式擬合。這樣確定的最小值與系統的焦點位置相關。
在圖4中在另一實施例中示出用於確定焦點位置的由圓形圖案構成的圖案。在此，圓形圖案分別這樣構成，使得首先使雷射器脈衝置於圓形中心點，其中產生光點直徑為d的孔ZL；並使得預定半徑為r的圓在該中心點周圍被結構化。視聚焦狀況而定，中央孔ZL的直徑d和外環RL的寬度d(在圖中用白色表示)或大或小；兩者根據雷射束的聚焦分別對應於光點直徑。在中央孔ZL和外環RL之間留下較暗的環R，其寬度既受中央孔ZL又受外環孔RL的大小變化的同時影響，以致大小改變是特別明顯的，並且可以容易地測量。
圖4a示出調節在最強的外焦點的雷射束的情況。在這種情況下，光點直徑d1特別大，而其餘的環R1特別窄。在隨後的圖4b、4c和4d中，光點直徑d2、d3和d4越來越小。相應地，孔ZL2、RL2、ZL3、RL3和ZL4、RL4越來越小，而其間剩下的圓環R2、R3和最後的R4越來越寬。因此圖4d示出雷射束的最佳聚焦狀況。在雷射器和樣品襯底之間的距離的另一改變將可能又導致散焦，也即導致光點直徑變大。這就是說，在圖4d之後，將可能又是對應4c的圖案。
除了可示例性示出的具有直線或圓環的圖案之外，自然也可以產生任意其它的圖案，用於本發明的焦點識別。
權利要求
1.用於確定加工襯底(5)、尤其是電路襯底的機器中的雷射束(4)的焦點位置的方法，其具有以下步驟—利用雷射束(4)在樣品襯底(5)的表面上產生許多線形圖案(L1到L9；LO1，LN1到LO7，LN7；ZL1，RL1到ZL4，RL4)，其中逐步地改變在雷射束(4)的成像單元(3)和平的襯底表面之間的距離，—針對每個所產生的圖案(L1到L9；LO1，LN1到LO7，LN7；ZL1，RL1到ZL4，RL4)儲存所屬的距離值(z1到z9)，—測量所有圖案(L1到L9；LO1，LN1到LO7，LN7；ZL1，RL1到ZL4，RL4)的線寬(b1到b9；bo1，bn1到bo7，bn7；d1到d4)，並且分配給各自的距離值(M1，M2)和—確定具有最小線寬(bmin)的圖案，並將所屬的距離值(ZF)識別為雷射束(4)的焦距調整。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，為了確定粗略的焦點範圍(bmin1)，在第一測量行程(S1，M1)中以大步長(z1到z9)改變雷射束(4)的成像單元(3)和樣品襯底(5)之間的距離；並且為了識別準確的焦距調整(zF)，在第二測量行程(S2，M2)中在所確定的焦點範圍內以小步長(z3，z31...z49，z5)改變雷射束(4)的成像單元(3)和樣品襯底(5)之間的距離。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，依賴於雷射束(4)的波長選擇搜索步長的大小，其中波長越長，則搜索步長越大。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其特徵在於，使用陽極氧化處理過的鋁板作為樣品襯底(5)，其中通過由雷射束產生的線結構(LO1，LN1到LO4，LN4)，在雷射束的中央區域內蒸發電氧化鋁層，並且其下的鋁被氮化，而在邊緣區域內電氧化鋁被轉變為氧化鋁，並且其中隨著聚焦變大，氮化的痕跡(LN)的寬度(bn)這樣變大而氧化物痕跡(LO)的寬度(bo)這樣減小，使得針對分析有選擇地考慮氮化物痕跡(LN)和/或氧化物痕跡(LO)的寬度展開。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特徵在於，所述圖案以圓線結構(ZL1，RL1到ZL4，RL4)的形式被產生。
6.根據權利要求1至5之一所述的方法，其特徵在於，藉助於照像機(10)測量所述圖案的線寬(bn)或結構寬度，以及藉助已知的圖像處理算法分析測量數據。
全文摘要
為了確定雷射束的焦點位置，首先利用雷射束(4)在樣品襯底(5)的表面上產生許多線形圖案(L1到L9)，其中逐步改變雷射器和襯底表面之間的距離(Z)。之後測量單條線(L)的寬度(b)，並確定具有最小寬度(b5)的線(L5)。屬於最小線寬的高度調節(Z5)作為機器的焦距調整被分析和儲存。
文檔編號B23K26/04GK1703298SQ03825453
公開日2005年11月30日 申請日期2003年5月30日 優先權日2002年11月28日
發明者D·希勒布蘭德, H·J·邁爾, C·奧弗曼 申請人:西門子公司