DE102011101638B4

DE102011101638B4 - Kalibrierung der Laserabtastgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE102011101638B4
Application number: DE102011101638.8A
Authority: DE
Inventors: Gordon Green
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: GB201107452D0; GB2480525A; GB201008334D0; DE102011101638A1; GB2480525B; DE102011101638A8

Abstract

Verfahren zum Überprüfen einer Abtastgeschwindigkeit in einem Laserabtastsystem einer Vorrichtung zum Einwirken auf die Oberfläche eines Gegenstands, wobei das Verfahren das Modulieren des Lasers umfasst, so dass ein periodisch moduliertes Muster gebildet wird, von dem die tatsächliche Abtastgeschwindigkeit abgelesen oder abgeleitet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft jede Laserbearbeitungstechnik, durch die ein Laserstrahl über die Oberfläche eines Substrats bewegt wird, um die Oberfläche des Substrats oder einen Dünnfilm auf dieser zu modifizieren. Bei vielen Techniken dieser Art werden die Prozesseigenschaften, wie etwa Oberflächentemperatur, Eindringtiefe usw. durch eine Kombination der verschiedenen Maschineneinstellungen bestimmt, die von dem Benutzer optimiert und während der Bearbeitung in geeigneter Weise gesteuert werden müssen. Derartige Einstellungen umfassen üblicherweise die Laserleistung, die Strahlform, die Abtastgeometrie und die Abtastgeschwindigkeit, wie sie an der bearbeiteten Oberfläche gemessen werden.
Hintergrund
Bei vielen Anwendungen geben Qualitätssicherungsanforderungen vor, dass Maschineneinstellungen periodisch zu überprüfen sind und eine derartige Überprüfung auf entsprechende nationale Normale rückführbar ist. Die Laserleistung kann beispielsweise unter Verwendung eines handelsüblichen Laserleistungsmessers überprüft werden, der auf Grundlage eines rückführbaren Normals von einem entsprechend anerkannten Kalibrierlabor kalibriert wurde. Ebenso kann bei vielen Anwendungen, bei denen eine physikalische Modifizierung der Oberfläche stattfindet, wie etwa bei der Lasermarkierung und der Additivschicht-Herstellung (engl. Additive Layer Manufacturing, ALM), die Abtastgeometrie auf Grundlage rückführbarer linearer Messvorrichtungen verschiedener Typen geprüft werden. Dies kann entweder als Offline-Prüfung, durch Messen eines speziellen Testmusters, oder online, durch Messen des tatsächlichen Produkts, oder durch eine Kombination von beiden erfolgen. Die Überprüfung der Abtastgeschwindigkeit stellt jedoch im Allgemeinen ein Problem dar. Sie kann nicht direkt durch Messungen am Produkt geprüft werden, obwohl sie die Prozesseigenschaften beeinflusst. Bei ALM ist beispielsweise bekannt, dass die Abtastgeschwindigkeit die Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften des resultierenden Produkts beeinträchtigt. Darüber hinaus stellen Laserverarbeitungssysteme nicht allgemein ein rückführbares Mittel zur Überprüfung der Abtastgeschwindigkeit bereit. Aus der Druckschrift DE 694 24 852 T2 ist ein Laserabtastmarkiergerät bekannt. des resultierenden Produkts beeinträchtigt. Darüber hinaus stellen Laserverarbeitungssysteme nicht allgemein ein rückführbares Mittel zur Überprüfung der Abtastgeschwindigkeit bereit.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zur rückführbaren Überprüfung der Abtastgeschwindigkeit von Laserabtastsystemen bereit, die einen physikalisch messbaren Nachweis auf dem Substrat hinterlassen.
In diesem Fall gibt es sechs Linien mit einer nominalen Länge von 10 mm, die in 0,2 mm-Abständen eingeteilt sind und mit einer Abtastgeschwindigkeit von 1000 mm/s geschrieben werden. Da bei ALM-Systemen üblicherweise Abtastgeschwindigkeiten im Bereich von 1000 mm/s verwendet werden, hat es sich als geeignet herausgestellt, den Pulsgenerator mit einer Periode von 1 ms zu betreiben, was bei einem Abstand von 1 mm zu nominal 10 Pulsen pro Linie führt, wie bei dem Beispiel von 7 gezeigt ist.
Aus einem anderen Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Überprüfen einer Abtastgeschwindigkeit in einem Laserabtastsystem einer Vorrichtung zum Einwirken auf die Oberfläche eines Artikels, wobei das Verfahren das Modulieren des Lasers umfasst, um ein periodisch moduliertes Muster zu bilden, von dem die tatsächliche Abtastgeschwindigkeit abgelesen oder abgeleitet werden kann.
Das Muster kann geeigneterweise allgemein linear sein und aus einer Folge von beabstandeten Strichen bestehen, die entsprechend der Modulation bemessen sind. Das Muster kann zweidimensional oder erhaben sein. Letzteres tritt insbesondere auf, wenn der lasergesteuerte Prozess eine Vorrichtung zur Additivschicht-Herstellung ist. Alternativ kann der Laser ein zu druckendes Muster oder lokale Oberflächenfarbänderungen erzeugen.
Die tatsächliche Abtastgeschwindigkeit kann durch Messen des Abstands (dx) und Berechnen von S = dx.f abgeleitet werden, wobei S die Abtastgeschwindigkeit und f die Modulationsfrequenz ist.
Alternativ kann das Verfahren das Bilden eines weiteren Musters oder weiterer Muster umfassen, die eine bekannte Länge (x) entlang dem erstgenannten Muster definieren, um die Anzahl (n) von innerhalb der Länge (x) enthaltenen Strichen zu bestimmen, sowie das Berechnen der Abtastgeschwindigkeit (S) mit der Formel $S = x \cdot \frac{ƒ}{n},$
wobei f die Modulationsfrequenz ist. Bei der weiteren Anordnung kann der Laser von einem gategesteuerten Oszillator mit zwei Gatesteuerungszuständen frequenzmoduliert werden, bei denen der Laser im ersten Zustand für breite Perioden und im zweiten Zustand für y + dy Perioden moduliert wird, wobei für jeden Zustand ein Muster gebildet wird, ein weiteres charakteristisches Muster gebildet wird, das eine vorbestimmte Länge definiert, die zwischen dem linearen Effekt von y und y + dy liegen soll, und die beiden Zustandsmuster mit dem weiteren Muster verglichen werden.
Wie oben erwähnt, kann das Laserabtastsystem Teil einer Vorrichtung zur Additivschicht-Herstellung sein und das oder jedes Muster bilden. Alternativ kann das Laserabtastsystem das oder jedes Muster drucken.
Die Erfindung ist im Vorhergehenden zwar beschrieben worden, es ist jedoch zu verstehen, dass sie jede erfinderische Kombination der oben oder in der nachfolgenden Beschreibung dargestellten Merkmale umfasst.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden, wobei besondere Ausführungsformen nun beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines Laserabtastsystems ist,
2 eine schematische Ansicht einer Lasermodulation mit einem Pulsgenerator ist,
3 Signalausgaben an Stellen in der Darstellung von 3 veranschaulicht,
4 die gebildeten Muster veranschaulicht,
5 die Ausgabe eines gategesteuerten Oszillators für zwei Gatesteuerungszustände zeigt,
6 Muster zeigt, die die Anwendung einer der erfindungsgemäßen Techniken veranschaulichen, und
7 ein Mikrofoto eines Testmusters ist.

Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung eines Laserabtastsystems. Die Ausgabe von Laser 1 wird zur Abtastoptik 2 geleitet, die wiederum einen fokussierten Strahl zu jeder Stelle auf dem Substrat 3 leiten kann. Es können viele Laser- und Abtastsystemtypen verwendet werden, wie sie von der Anwendung vorgegeben werden. Ein Steuersystem 4, das allgemein einen Computer und geeignete Schnittstellensysteme aufweist, stellt zwei synchronisierte Steuersignale bereit: das Lasermodulationssignal 5 schaltet den Laser ein und aus, während das/die Abtaststeuersignal(e) 6 die Stelle auf dem Substrat bestimmt, zu der der Strahl gerichtet wird.
Die in Betracht gezogene Klasse von Abtastsystemen beinhaltet diejenigen, die einen physikalisch messbaren Nachweis auf dem Substrat hinterlassen. In solchen Fällen kann die Abtastgeometrie mit einer physikalischen Längenmessung überprüft werden. Da die Geschwindigkeit dem Abstand geteilt durch Zeit entspricht, kann die Überprüfung der Geschwindigkeit in zwei Schritte unterteilt werden, in denen wie für die Abtastgeometrie eine Länge rückführbar gemessen und eine Dauer rückführbar gemessen werden. Die Zeitmessung kann dadurch erfolgen, dass wie in 2 gezeigt ein zusätzliches Modulationssignal mittels eines Pulsgenerators zum Laser hinzugefügt wird. Ein derartiger Pulsgenerator kann in einem anerkannten Labor rückführbar kalibriert werden.
Das Lasermodulationssignal 5 von dem Controller 4 wird in den „Gate“-Eingang des Pulsgenerators 7 eingespeist. Das Ausgangssignal 8 des Pulsgenerators wird wiederum zum Laser gespeist. Die Signalverläufe sind in 3 gezeigt. Wenn das Steuersystem eine Linie auf dem Substrat zeichnen möchte, wird der Laser eingeschaltet, indem für die Dauer, die zum Bilden der Linie erforderlich ist, eine „logische 1“ zum Signal 5 gesendet wird, wie in der oberen Kurve von 3 gezeigt. Zeitgleiche Signale zum Scanner bestimmen die Ausrichtung der Linie. Wenn der Pulsgenerator angeordnet ist, wird das Signal zum Laser 8 in eine hochfrequente Pulsfolge, die genauso lange andauert, umgewandelt, wie in der unteren Kurve gezeigt ist. Der Pulsgenerator weist normalerweise für die Genauigkeit vorzugsweise einen Quarzkristalloszillator auf.
Die Wirkung auf das Substrat besteht darin, eine gestrichelte Linie statt einer durchgezogenen Linie, wie in 4 gezeigt, zu bilden. Die obere Linie ist das Ergebnis, wenn eine Linie ohne Pulsgenerator gezeichnet wird. Es ist möglich, ihre Länge zu messen, die angewandte Abtastgeschwindigkeit ist jedoch nicht bekannt. Die untere Linie wird mit dem angeordneten Pulsgenerator gebildet. Es ist nun möglich, eins von zwei Dingen zu tun, um die Abtastgeschwindigkeit zu messen:

Es ist möglich, den Abstand zwischen den Strichen zu messen und mit der Frequenz des Pulsgenerators zu multiplizieren, um die Abtastgeschwindigkeit zu erhalten.

S = d x \cdot f

4

Alternativ kann die Anzahl der Pulse innerhalb einer Linie mit einer gemessenen Länge gezählt werden. In diesem Fall entspricht die Abtastgeschwindigkeit der Gesamtlänge der Linie multipliziert mit der Pulsgeneratorfrequenz geteilt durch die Anzahl der Pulse in der Linie. $S = x \cdot \frac{ƒ}{n}$
wobei x die gemessene Gesamtlänge der Linie und n die Anzahl der darin gezählten Pulse ist.
Mit Methode 1 muss der Abstand der Linienpulse auf dem Substrat mit der erforderlichen Genauigkeit rückführbar gemessen werden. Unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit müssen die Pulse eine ausreichende Länge haben, oder es muss eine ausreichende Pulsanzahl innerhalb der Messung vorliegen, um dies zu erreichen. Mit Methode 2 kann die Gesamtlänge (x) der Line als korrekt angenommen werden, unter der Voraussetzung, dass die Abtastgeometrie zuvor rückführbar kalibriert wurde. Dafür ist lediglich ein einfaches Zählen der Pulsanzahl innerhalb der Linie (n) erforderlich. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Pulsanzahl weiterhin die erforderliche Kalibriergenauigkeit berücksichtigen muss. Wenn beispielsweise eine Kalibrierung auf +/- 2 % gefordert ist, müssen mindestens 50 Pulse sicher gezählt werden.
Es kann sein, dass die Überprüfung der Abtastgeschwindigkeit häufig durchgeführt werden muss. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, die Notwendigkeit von Mess- und Zählvorgängen vollständigen zu vermeiden, die zeitaufwendig sein und Benutzerfehlern unterliegen können. Eine geeignete alternative Methode ist die folgende.
Zunächst wird der Pulsgenerator 7 betrachtet. In seiner einfachsten Form ist dies ein „gategesteuerter Oszillator“, wie von Fachleuten zu verstehen ist. 5 zeigt die Ausgabe eines gategesteuerten Oszillators für zwei Gatesteuerungszustände. Die oberen Kurven zeigen die Signale für eine Linie mit einer Gesamtlänge, die 4,9 Oszillatorzyklen entspricht. Es sind fünf positive Pulse zu sehen, wie dies der Fall für eine beliebige Länge zwischen 4,5 und 5,0 Oszillatorzyklen ist. Die unteren Kurven zeigen die Signale für eine Linie mit einer Gesamtlänge, die 5,1 Oszillatorzyklen entspricht. In diesem Fall ist ein zusätzlicher partieller positiver Puls an der Ausgabe zu sehen. Es ist jedoch zu verstehen, dass ein Teilpuls zu einer erkennbaren Wirkung auf das Substrat führen kann oder nicht. Wenn der Teilpuls zu kurz ist, gibt es keinen sichtbaren Nachweis, dass die Linie tatsächlich länger ist als 5,0 Zyklen.
Ein Merkmal einiger Pulsgeneratoren besteht darin, dass der Endpuls einer gategesteuerten Folge die vollständige positive Pulsdauer vollendet, sobald sie ausgelöst wurde. Den Fachleuten ist bekannt, dass dies erreicht werden kann, indem ein flankengetriggerter monostabiler Multivibrator zum Ausgang des gategesteuerten Oszillators hinzugefügt wird. Das Ergebnis daraus ist in 6 gezeigt. In den unteren Kurven, in denen das Gatesignal für 5,1 Perioden aufruft, werden tatsächlich 6 vollständige Pulse erhalten. Dies ist der Fall für jede Länge von mehr als 5,0 Perioden, ganz gleich, wie schwach sie ist. Somit stellt diese Anordnung eine sehr feine Unterscheidung zwischen Linien von weniger als 5,0 Perioden und Linien von mehr als 5,0 Perioden bereit.
Ein geeignetes Testmuster, das diese Empfindlichkeit nutzt, ist in 6 gezeigt. Das obere Muster 11 zeigt ein nicht moduliertes Muster aus vier Linien, die der Länge nach geordnet sind und 4,85, 4,95, 5,05 und 5,15 Perioden des Pulsgenerators entsprechen. Das untere Muster 12 zeigt die gleichen Merkmale, die mit freigegebenem Pulsgenerator gezeichnet wurden. Es ist zu sehen, dass die ersten beiden Linien fünf Pulse und die zweiten sechs Pulse haben. Somit liegt die Zeit, die benötigt wird, um eine Linie mit nominal 5,0 Perioden zu schreiben, zwischen 4,95 und 5,05 Perioden. Mit anderen Worten ist die Dauer überprüft worden, die nötig ist, um die Linien auf Grundlage eines rückführbaren Zeitnormals mit einer Genauigkeit von +/- 1 % zu schreiben. Da die Länge der Linien auf einer vorhergehenden rückführbaren Überprüfung der Abtastgeometrie beruht, kann die rückführbare Überprüfung der Abtastgeschwindigkeit aus $S = x \cdot \frac{ƒ}{n}$
geschlossen werden.
Der Vorteil dieses Musters liegt darin, dass die Abtastgeschwindigkeit rasch durch eine Untersuchung des Substrats überprüft werden kann, ohne dass genaue Messungen gemacht oder die Pulse genau gezählt werden müssen. Es ist lediglich eine visuelle Beurteilung notwendig, dass der Schritt von fünf auf sechs Pulse zwischen der zweiten und der dritten Linie des Testmusters erfolgt. Das Muster kann in geeigneten Abständen um die Abtastebene des Systems wiederholt werden, um die räumliche Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit auf der Abtastebene zu prüfen. Es kann auch in verschiedene Richtungen ausgerichtet sein, um die Richtungsbeständigkeit der Abtastgeschwindigkeit zu prüfen. Eine übliche Anwendung kann beispielsweise fünf X-Y-Musterpaare aufweisen, die in der Mitte und an den vier Ecken eines quadratischen oder kreisförmigen Abtastbereichs angeordnet sind.
Es ist klar, dass die Linienanzahl und weitere einzelne Merkmale des Musters verändert werden können, um sich für die spezifische Anwendung zu eignen.
Die Auswahl des Substratmediums für das Testmuster erfordert lediglich, dass eine visuelle Angabe des Testmusters erhalten und ohne weiteres untersucht werden kann. Es ist nicht notwendig, ein übliches Produktionswerkstück zu verwenden, und da keine dimensionalen Messungen erforderlich sind, ist die dimensionale Stabilität kein kritischer Punkt. Es hat sich als geeignet herausgestellt, ein kohlenstoffbeschichtetes Papiersubstrat, das auf einfache Weise unter Verwendung eines Fotokopiergeräts erhalten werden kann, zu verwenden. 7 ist ein Fotomikrograph, der einen Teil eines X-Y-Testmusters zeigt, das unter Verwendung eines Ytterbiumfaserlasers in einem ALM-System auf einem Papiersubstrat geschrieben wurde. In diesem Fall gibt es sechs Linien mit einer nominalen Länge von 10 mm, die in 0,2 mm-Abständen eingeteilt sind und mit einer Abtastgeschwindigkeit von 1000 mm/s geschrieben wurden. Da ALM-Systeme üblicherweise Abtastgeschwindigkeiten im Bereich von 1000 mm/s anwenden, hat es sich als geeignet herausgestellt, den Pulsgenerator mit einer Periode von 1 ms zu betreiben, was zu nominal 10 Pulsen pro Linie bei einem Abstand von 1 mm führt, wie in dem Beispiel von 7 gezeigt.
Es ist zu sehen, dass der Übergang zu 11 Pulsen zwischen der vierten und der fünften Linien auftritt. Die Genauigkeit dieses Musters liegt erneut bei +/- 1 %. Der elfte Puls ist etwas gekürzt, da der Scanner begonnen hat, sich mit hoher Geschwindigkeit zum Beginn der nächsten Linie zu bewegen. Es ist nichtsdestotrotz zu sehen, dass das Prinzip in einem praktischen System funktioniert. Durch Skalieren des Testmusters kann der gleiche 1 ms-Pulsgenerator bei verschiedenen Abtastgeschwindigkeiten angewendet werden. Daher kann eine Abtastgeschwindigkeit von 2000 mm/s unter Verwendung einer nomimalen Linienlänge von 20 mm und von 500 mm/s mit einer Linienlänge von 5 mm geprüft werden. Testmuster dieser allgemeinen Größe und Periodizität sind für ALM-Systeme besonders geeignet, da sie mit bloßem Auge visuell beurteilt werden können.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es auf einfache Weise zu bestehenden Laserabtastsystemen hinzugefügt werden kann, die kein alternatives Mittel zum Prüfen der Abtastgeschwindigkeit bereitstellen. Es ist lediglich erforderlich, einen geeigneten Pulsgenerator zwischen dem Steuersystem und dem Lasermodulationseingang einzusetzen.

Claims

Verfahren zum Überprüfen einer Abtastgeschwindigkeit in einem Laserabtastsystem einer Vorrichtung zum Einwirken auf die Oberfläche eines Gegenstands, wobei das Verfahren das Modulieren des Lasers umfasst, so dass ein periodisch moduliertes Muster gebildet wird, von dem die tatsächliche Abtastgeschwindigkeit abgelesen oder abgeleitet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Muster allgemein linear ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Muster eine Folge von beabstandeten Strichen umfasst, die entsprechend der Modulation bemessen sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die tatsächliche Abtastgeschwindigkeit durch Messen des Abstands (dx) und Berechnen von S = dx f abgeleitet wird, wobei S die Abtastgeschwindigkeit und f die Modulationsfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 3, das das Bilden eines weiteren Musters oder weiterer Muster umfasst, die eine bekannte Länge (x) entlang dem erstgenannten Muster definieren, um die innerhalb der Länge (x) enthaltene Anzahl (n) an Strichen zu bestimmen und die Abtastgeschwindigkeit (S) mit der Formel S = x · f n zu berechnen, wobei f die Modulationsfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Laser von einem gategesteuerten Oszillator mit zwei Gatesteuerungszuständen frequenzmoduliert wird, in denen der Laser im ersten Zustand für y Perioden und im zweiten Zustand für y + dy Perioden moduliert wird, wobei für jeden Zustand ein Muster gebildet wird, ein weiteres Muster oder weitere Muster gebildet werden, die eine vorbestimmte Länge definieren, die zwischen dem linearen Effekt von y und y + dy liegen soll, und die beiden Zustandsmerkmale mit dem weiteren Muster verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laserabtastsystem Teil einer Vorrichtung zur Additivschicht-Herstellung ist und das oder jedes Muster bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laserabtastsystem das oder jedes Muster druckt.
Verfahren zum Überprüfen der Abtastgeschwindigkeit in einem Laserabtastsystem, wobei der Laser von einem gategesteuerten Oszillator oder dergleichen moduliert wird, um eine periodische Modulation eines geschriebenen Musters aufzuerlegen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Anzahl der Modulationsperioden entlang einer Linie mit einer bekannten Länge gezählt werden, um die Abtastgeschwindigkeit zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Abstand der Modulation gemessen wird, um die Abtastgeschwindigkeit zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der gategesteuerte Oszillator einen monostabilen Multivibrator oder dergleichen aufweist, um partielle Modulationspulse zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Periode des gategesteuerten Oszillators in der Größenordnung von 1 ms und der Modulationsabstand in der Größenordnung von 1 mm liegt.