DD225238A1

DD225238A1 - Vorrichtung zum bewegen des brennflecks einer elektromagnetischen strahlung

Info

Publication number: DD225238A1
Application number: DD26472284A
Authority: DD
Inventors: Detlef Krabe
Original assignee: Fz Elektronik Teltow Veb
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-07-24

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINE VORRICHTUNG ZUM BEWEGEN DES BRENNFLECKS EINER ELEKTROMAGNETISCHEN STRAHLUNG, INSBESONDERE LASERSTRAHLUNG, UEBER EBENE ZU STRUKTURIERENDE ODER/UND ZU BEARBEITENDE OBJEKTOBERFLAECHEN. DIE VORRICHTUNG FINDET VORZUGSWEISE ANWENDUNG BEI DER BEARBEITUNG ELEKTRONISCHER BAUELEMENTE. DAS ZIEL DER ERFINDUNG IST ES, EINE VORRICHTUNG ANZUGEBEN, MIT DER DIE BEWEGUNG DES BRENNFLECKS EINER ELEKTROMAGNETISCHEN STRAHLUNG AUF DER OBJEKTOBERFLAECHE MIT EINER HOHEN POSITIONIERGENAUIGKEIT REALISIERT WERDEN KANN. DIE AUFGABE WIRD ERFINDUNGSGEMAESS DADURCH GELOEST, DASS DIE VON EINER STRAHLUNGSQUELLE AUSGEHENDEN GEPULSTEN ODER KONTINUIERLICHEN ELEKTROMAGNETISCHEN STRAHLEN, INSBESONDERE LASERSTRAHLEN, DURCH EIN FOKUSSIERSYSTEM LAUFEN UND AUF EINE VOR DER BRENNFLECKEBENE BEFINDLICHE, UM ZWEI ACHSEN SCHWENKBARE, FUER DIE ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG TRANSPARENTE PLANPARALLELE PLATTE TREFFEN, SO DASS DIE STRAHLEN ENTSPRECHEND DER STELLUNG DER PLATTE ABGELENKT WERDEN. DIE ERFINDERISCHE LOESUNG WIRD DURCHDIE FIGUR 1 DER BEIGEFUEGTEN ZEICHNUNGEN VERANSCHAULICHT.

Description

Titel der Erfindung

Vorrichtung zum Bewegen des Brennflecks einer elektromagnetischen Strahlung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen des Brennflecks einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, über eine Ebene, insbesondere eine zu strukturierende oder/und zu bearbeitende ebene Oberfläche. Der ebene Bereich, in dem der Brennfleck bewegt wird, hat dabei vorzugsweise Abmessungen in der Größenordnung elektronischer Mikrobauelemente und -hybridbaugruppen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Vorrichtungen, mit denen Bewegungen eines Brennflecks auf der ebenen Oberfläche eines Objektes realisiert werden können, sind bekannt. Sie beruhen auf einem Mechanismus, der das zu bearbeitende Objekt mit seiner ebenen Oberfläche in der Brennfleckebene oder das den Brennfleck erzeugende System parallel zu dem zu bearbeitenden Objekt oder beides gegeneinander verschiebt. Dazu nüssen im allgemeinen vergleichsweise große Massen bewegt werden.

Derartige Vorrichtungen ohne Meßsystem erreichen die bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen nicht selten notwendigen Positioniergenauigkeiten von weniger als 1 um fertigungstechnisch bedingt nicht.

Weitere bereits bekannte Vorrichtungen arbeiten mit der Reflexion der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, an Metalloberflächen oder dielektrischen Schichtsystemen und vorheriger bzw. nachträglicher Fokussierung. Hier tritt bei der Reflexion an Metalloberflächen eine merkliche · Strahlungsabsorption und dadurch bei leistungsstarker Strahlung, insbesondere

Laserstrahlung, eine beträchtliche Erwärmung der reflektierenden Körper

Bei der Reflexion der elektromagnetischen Strahlung an dielektrischen Schichtsystemen ist eine starke Abhängigkeit des Reflexionsvermögens vom Einfallwinkel der Strahlung zu verzeichnen. Die Bewegung des Brennflecks der elektromagnetischen Strahlung erfolgt bei Anwendung des Prinzips durch translatorische oder / und rotatorische Bewegung eines oder mehrerer Spiegel.

Eine Strahlfokussierung vor dem Spiegelablenksystem führt zu einer merklichen Variation des Brennfleckdurchmessers und damit der Leistungsflußdichte der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, auf einer ebenen Objektoberfläche bei der Bewegung des Brennflecks. Erfolgt die Strahlungsfokussierung hinter dem Spiegelablenksystem, so'muß das Pokussiersystem bei Brennfleckbewegungen im allgemeinen mitbewegt werden.

Andere bereits bekannte Vorrichtungen arbeiten mit für die abzulenkende elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, transparenten Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, in denen durch örtliche Dichte- und folglich auch BrechzahlSchwankungen eine Bragg-Reflexion erzeugt wird, die die Strahlungsablenkung bewirkt.

Beispiel hierfür ist ein Quarzblock, der mit einem piezoelektrischen Wandler ausgestattet ist. Entsprechend der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers durch einen aufwendigen HF-Leistungsgenerator und einer Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung ist in der Arbeitsebene eine eindimensionale Bewegung des Brennflecks möglich.

Gekreuztes Betreiben zweier solcher Bragg-Ablenker erlaubt auch eine zweidimensionale Bewegung in der Bearbeitungsebene.

Weiterhin bereits bekannte Vorrichtungen stellen Kombinationen der genannten Vorrichtungen dar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sir.e Bewegung des Brennflecks einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, auf einer ebenen Fläche mit einer sehr hohen Positioniergenauigkeit ermöglicht werden kann. Es sollen Positionen des Brennflecks mit weniger als 1 um Abweichung erreicht werden.

Unter dieser Voraussetzung können bestimmte Aufgaben, wie sie bei der Fertigung von elektronischen Bauelementen anstehen, gelöst werden. Die Vorrichtung soll eine sichere Brennfleckerzeugung und -bewegung in der Arbeitsebene bei einem maximalen Fehler von 2,5 % der Plattendicke für den bei + 45° Kippwinkel der Platte auftretenden Schnittweitenversatz ermöglichen.

Die Vorrichtung besteht aus bekannten optischen, elektronischen und elektrotechnisch-mechanischen Bauteilen (s. Fig. 1). Die relativ großen Massen dieser Bauteile haben erfindungsgemäß keine nachteilige Auswirkung auf die Bewegung des Brennflecks bei hoher Positioniergenauigkeit. Desweiteren waren die Strahlungsverluste, wie sie unvermeidlich sind, wenn das Prinzip der Reflexion der elektromagnetischen Strahlung zur Anwendung kommt, zu verringern.

Damit erweitern sich die technologischen Einsatzmöglichkeiten fokussierter elektromagnetischer Strahlen durch die angegebene Vorrichtung. Die Anordnung der Bauteile der Vorrichtung ist so gestaltet, daß die Bewegung des Brennflecks über rechnergesteuerte Motore vorgenommen werden kann. Damit wird der Einsatz der Vorrichtung in der Produktion mikroelektronischer Bauelemente oder ähnlich gestalteter Objekte gewährleistet.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Brennfleck einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, auf der ebenen Oberfläche eines Objektes so zu positionieren und zu bewegen, daß vermittels des Brennflecks eine exakte Strukturierung oder anderweitige Bearbeitung der Oberfläche des Objektes möglich ist.

Dazu ist von der Vorrichtung eine sehr hohe Genauigkeit der Positionierung des Brennflecks, eine sichere Brennfleckerzeugung und -bewegung, eine geringe Strahlungsabsorption, eine sehr geringe Defokussierung des Brennflecks bei seiner Bewegung in der Arbeitsebene, keine Abhängigkeit der Ausgangsleistung vom Strahlversatz, eine optimale Anpassung der Fläche der Arbeitsebene an das zu bearbeitende Objekt sowie durch eine rechnergesteuerte Bewegung des Brennflecks der Einsatz in der Produktion mikroelektronischer oder ähnlicher Bauelemente zu gewährleisten.

Vorrichtungen, welche derartige Anforderungen in ihrer Gesamtheit erfüllen, sind nicht bekannt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlungsquelle gerichtete, überwiegend parallele, Strahlen 1 aussendet, welche nach Durchgang durch ein optisches System in einem Brennfleck auf einer ebenen Oberfläche eines Objektes 2 zusammentreffen, wobei die Strahlungsquelle, das optische System und das Objekt zeitweise unverrückbar genau fixiert werden können.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann zum Schutz vor Umgebungseinflüssen und zur Vermeidung von Arbeitsunfällen mit einer für die Strahlung undurchlässigen, stabilen Haube abgedeckt werden, die aber das ungehinderte Wechseln der zu bearbeitenden Objekte und den Eintritt der von der Strahlungsquelle kommenden Strahlen in die Vorrichtung gestattet (Haube in Fig. 1 nicht dargestellt).

Die Vorrichtung besitzt erfindungsgemäß ein auf einer Halterung 3 befindliches Fokussiersystem 4 in der optischen Achse 5, entlang der die Strahlung einfällt, und eine dahinterbefindliche, über die Motore 6 und 7 sowie die Schneckentriebe 8 und 9 um zwei senkrecht aufeinanderstellende Achsen 10 und 11 drehbare planparallele Platte 12.

Die Objektoberfläche 2 wird durch eine Aufnahme 13 in der Arbeitsebene, in der der Brennfleck bewegt wird, gehalten. Über Kabel 14 werden die Motore 6 und 7 durch eine von einem Prozeßrechner 15 angesteuerte Motorverstelleinheit 16 definiert bewegt. Der Abstand zwischen Fokussiersystem 4 und Objektoberfläche 2 beträgt ca. 100 mm.

Das Gebiet auf der Objektoberfläche 2, in dem der Brennfleck bewegt werden kann, beträgt bei einem Brechungsindex der planparallelen Platte 12 von η = 1,5 und einer Plattendicke von d = 20 mm wenigstens 11 mm χ 11 mm. Durch die Wahl der Plattendicke läßt sich die Größe der Fläche, in der der Brennfleck der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, in der Arbeitsebene bewegt werden kann, optimal an das zu bearbeitende Objekt anpassen, wodurch die Positioniergenauigkeit steigt und die Rate für die Bewegung des Brennflecks auf einen Wert von ca. 0,005 Plattendicke /1° gehalten wird.

Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung wird anhand der vereinfachten Darstellung in Fig. 2 beschrieben.

Die von einer fest zur Objektoberfläche 2 stehende Strahlungsquelle ausgehende gerichtete, überwiegend parallele, Strahlen 1, insbesondere Laserstrahlen, treffen nach Passieren des Fokussiersystems 3 als konvergentes Strahlenbündel 17 eine planparallele Platte 12 der Dicke d, die im Falle der Platten-

grundstellung 18 (senkrechte Inzidenz) lediglich eine Verschiebung des Brennpunktes 19 ohne Platte entlang der optischen Achse 5 in den Brennpunkt 20 mit Platte bewirkt.

Die Drehung der planparallelen Platte 12 mit der Dicke d und dem Brechungsindex η um eine Achse mit dem Winkel ψ bewirkt eine Bewegung des Brennfleckes in der Arbeitsebene entsprechend der Gleichung

χ = d .

1 -

cos f

-/n² - sin² ψ

. sin f ,

deren Graph für einen Brechungsindex von η = 1,5 in Fig. 3 dargestellt ist.

Ist, wie in Fig. 1 dargestellt, eine -Drehung der planparallelen Platte 12 um zwei senkrecht aufeinanderstellende Achsen 10 und 11 vermittels einer ' kardanischen Aufhängung möglich, so ist die Bewegung des Brennflecks 21 (Fig. 2) über eine Fläche möglich.

Bei einem Kippwinkelbereich von /Ψ/, /ψ/ i + 45 ' tritt ein Schnittweitenversatz von weniger als 2,5 % der Plattendicke und bei /Ψ/, /Ψ/ § + 40 ° ein Schnittweitenversatz von weniger als 1,4 % der Plattendicke auf.

Erfindungsgemäß wird durch einen Prozeßrechner über Motore die Plattenbewegung gesteuert. Weiterhin ist es auch möglich, die Intensität der Strahlungsquelle mit dem Prozeßrechner so zu steuern, daß auch Abschwächungen oder Abschaltungen der elektromagnetischen Strahlung möglich werden.

Ausführungsbeismel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Als Strahlungsquelle dient ein Argon-Ionen-Laser, der gepulste elektrcraagnetische Strahlung der Wellenlänge 514,5 nm aussendet. Der durch das Fokussiersystem erzeugte Brennfleck soll auf einer Objektoberfläche mit den Abmaßen 10 mm χ 10 mm verfahren werden können, um dort z.B. gezielt thermische Effekte in begrenzten Bereichen auszulösen.

Die erfindungsgemäße Anordnung muß in diesem Falle mit einer 20 mm dicken planparallelen Platte, die einen Brechungsindex von η = 1,5 besitzt, ausgestattet sein.

Der während des Abfahrens des Gebietes mit dem Brennfleck bei Kippwinkeln von /?/, /Y/ £ + 40 ^β auftretende Schnittweitenversatz beträgt maximal ca. 280 μπι bei einer Brennweite des Fokussiersystems (im einfachsten Falle einer Linse) von f = 100 mm.

Eine weitere Anwendimg bietet die Vorrichtung in der Belichtung fotochemischer Schichten.

Um auf der Objektoberfläche mit dem Brennfleck eine diagonale Bahn, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, von ?_q (-1; -1) bis P₁ (1; 1) abzufahren, werden die Motore vom Prozeßrechner und der Motorverstelleinheit so angesteuert, daß sie von den maximalen Kippwinkeln - f und -Ψ ausgehend

max max

stetig oder schrittweise bis zu den Kippwinkeln + f und + Ψ bewegt werden, wobei ständig die Bedingung f = Ψ erfült sein muß.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Vorrichtung zum Bewegen eines Brennflecks einer elektromagnetischen

. Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, über eine ebene Fläche, insbesondere eine zu strukturierende oder / und zu bearbeitende Objektoberfläche, gekennzeichnet dadurch, daß eine Strahlungsquelle gerichtete, überwiegend parallele, gepulste oder kontinuierliche Strahlen aussendet und stabil fixiert zu der Oberfläche des zu strukturierenden oder / und zu bearbeitenden Objekts angeordnet ist, die Strahlung durch ein optisches System fokussiert und die konvergenten Strahlen vor der Brennfleckebene durch eine, um zwei Achsen schwenkbare, für die elektromagnetische Strahlung transparente planparallele Platte so abgelenkt werden können, daß sich ihr Brennfleck auf Strecken von weniger als 1 um bewegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Fokussiersystem für die einfallende elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, zentrisch zur optischen Achse angeordnet ist und der Brennfleckdurchmesser in der Arbeitsebene mittels des Fokussiersystems beeinflußt werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die nach Passieren des Fokussiersystems konvergent weiterlaufenden Strahlen auf eine für die elektromagnetische Strahlung transparente, um zwei Achsen schwenkbare planparallele Platte mit einer exakt definierten Dicke d treffen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die für die elektromagnetische Strahlung transparente planparallele Platte um zwei senkrecht aufeinanderstellende und parallel zu den die Strahlen brechen—

. den Flächen der planparallelen Platte liegende Achsen schwenkbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die für die elektromagnetische Strahlung transparente planparallele Platte durch zwei Motore über Getriebe, insbesondere Schneckentriebe, um die beiden Achsen gedreht werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, Haß die Drehrich- • tung und -geschwindigkeit der Motore über eine Motorverstelleinheit durch einen Prozeßrechner entsprechend eines Programms gesteuert wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß durch den Prozeßrechner gleichzeitig die Beeinflussung der durch die Strahlungsquelle ausgesandten elektromagnetischen Strahlung entsprechend eines Programms möglich ist.