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Technisches
Gebiet
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Diese Erfindung betrifft eine Bearbeitung
von Schaltungsverbindungen mit einem Laser und insbesondere ein
Lasersystem und ein Verfahren, bei welchem ein Laserstrahl und ein
Substratpositionierungssystem verwendet werden, in das ein Steuerungsspiegel
integriert ist, um Tischpositionierungsfehler zu kompensieren und
um den Durchsatz von Verbindungstrennungen zu erhöhen.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Herstellungsprozessen von integrierten Schaltungs-("IC")-Bausteinen müssen häufig Fehler hingenommen
werden, die aus Abweichungen bei der Ausrichtung von Unteroberflächenschichten (subsurface
layers) oder von Mustern oder aus Partikelverunreinigungen resultieren. 1, 2A und 2B zeigen
sich wiederholende elektronische Schaltungen 10 eines IC-Bausteins oder Werkstücks 12,
die typischerweise in Reihen oder Spalten hergestellt werden, so
daß sie
mehrfache Wiederholungen redundanter Schaltungselemente 14 beinhalten,
wie beispielsweise Reservereihen 16 und -spalten 18 von Speicherzellen 20.
Mit Bezugnahme auf 1, 2A und 2B werden Schaltungen 10 auch
so entworfen, daß sie
spezielle mit dem Laser trennbare Schaltungsverbindungen 22 zwischen
elektrischen Kontakten 24 aufweisen, die entfernt werden
können,
um beispielsweise eine defekte Speicherzelle 20 abzutrennen
und um sie durch eine redundante Ersatzzelle 26 in einer
Speichervorrichtung wie beispielsweise in einem DRAM, in einem SRAM
oder in einem eingebetteten Speicher zu ersetzen. Ähnliche
Techniken werden auch verwendet, um Verbindungen zu trennen, um
ein Logikprodukt, Gate Arrays oder ASICs zu programmieren.
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Die Verbindungen 22 werden
mit herkömmlichen
Verbindungsbreiten 28 von ungefähr 2,5 μm, Verbindungslängen 30 und
Element-zu-Element-Schrittweiten (Mitte-zu-Mitte-Abstände) 32 von ungefähr 8 μm zu benachbarten
Schaltungsstrukturen oder Elementen 34 wie beispielsweise
Verbindungsstrukturen 36 entworfen. Obwohl die am meisten
verbreiteten Verbindungsmaterialien Polysilizium und ähnliche
Verbindungen waren, haben die Speicherhersteller in jüngerer Zeit
eine Vielzahl von leitfähigeren
metallischen Verbindungsmaterialien eingesetzt, die Aluminium, Kupfer,
Gold, Nickel, Titan, Wolfram, Platin sowie andere Metalle, Metallegierungen,
wie beispielsweise Nickelchromid, Metallnitride, wie beispielsweise
Titan- oder Tantalumnitrid, Metallsilizide, wie beispielsweise Wolframsilizide
oder andere metallähnliche
Materialien umfassen können, jedoch
nicht darauf beschränkt
sind.
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Schaltungen 10, Schaltungselemente 14 oder
Zellen 20 werden auf Fehler überprüft. Die abzutrennenden Verbindungen
zum Korrigieren der Fehler werden aus Bausteintestdaten bestimmt
und die Orte dieser Verbindungen werden in einer Datenbank oder
in einem Programm karthographiert. Seit mehr als 20 Jahren werden
Laserpulse verwendet, um Schaltungsverbindungen 22 zu trennen. 2A und 2B zeigen einen Laserspot 38 mit
einem Spotdurchmesser 40, der auf eine Verbindungsstruktur 36 auftrifft,
die aus einer Verbindung 22 gebildet ist, die über einem
Siliziumsubstrat 42 und zwischen Verbundschichten eines
Passivierungsschichtstapels angeordnet ist, der eine überlagernde
Passivierungsschicht 44 (gezeigt in 2A, jedoch nicht in 2B) und eine darunter liegende Passivierungsschicht 46 aufweist
(gezeigt in 2B, jedoch
nicht in 2A). 2C ist eine ausschnittartige
Querschnittseitenansicht der Verbindungsstruktur von 2B, nachdem die Verbindung 22 durch
den Laserpuls entfernt wurde.
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3B ist
eine Draufsicht auf eine Bewegungsbahn 50 eines Strahlpositionierers,
die durch ein herkömmliches
Positionierungssystem für
eine Verbindungsbearbeitung ausgeführt wird. Da Verbindungen 22 typischerweise
in Reihen 16 und Spalten 18 angeordnet sind (Beispielhafte
sind mit gestrichelten Linien gezeigt), werden die Strahlposition
und somit die Laserspots 38 längs einer Achse in einer ersten
Bewegungsrichtung 52 über
Verbindungspositionen gescannt, zu einer anderen Reihe 16 oder
Spalte 18 bewegt und dann über Verbindungspositionen längs einer
Achse in einer zweiten Bewegungsrichtung 54 gescannt. Für Fachleute
ist verständlich,
daß ein
Scannen ein Bewegen des Werkstücks 12,
ein Bewegen des Laserspots 38 oder ein Bewegen des Werkstücks 12 und
des Laserspots 38 umfassen kann.
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Für
herkömmliche
Positionierungssysteme sind X-Y-Translationstische charakteristisch,
bei welchen das Werkstück 12 an
einem oberen Tisch befestigt ist, der sich längs einer ersten Achse bewegt und
durch einen unteren Tisch getragen wird, der sich längs einer
zweiten Achse bewegt, die senkrecht zur ersten Achse ist. Derartige
Systeme bewegen das Werkstück
typischerweise relativ zu einer festen Strahlposition oder Laserspot 38 und
es wird im allgemeinen darauf als Positionierungssysteme mit gestapelten
Tischen (stacked stage positioning systems) Bezug genommen, da der
untere Tisch die träge
Masse des oberen Tisches trägt,
welcher das Werkstück 12 trägt. Diese
Positionierungssysteme weisen eine hervorragende Positionierungsgenauigkeit
auf, da typischerweise Interferometer längs jeder Achse verwendet werden,
um die absolute Position jedes Tisches zu bestimmen. Dieses Genauigkeitsniveau
wird für
eine Verbindungsbearbeitung flink processing) bevorzugt, da die
Laserspotgröße 40 typischerweise
nur etwas größer als
die Verbindungsbreite 28 ist, so daß selbst eine kleine Abweichung zwischen
der Position des Laserspots 38 und der Verbindung 22 zu
einer unvoll-ständigen Trennung der
Verbindung führen
kann. Zusätzlich
resultiert aus der hohen Dichte von Merkmalen auf Halbleiterwafern,
daß durch
kleine Positionierungsfehler potentiell eine Beschädigung von
nahegelegenen Strukturen mit dem Laser verursacht wird. Positionierungssysteme
mit gestapelten Tischen sind jedoch relativ langsam, da das Anfahren,
Stoppen und eine Richtungsänderung
der trägen
Masse der Tische die Zeit verlängern,
welche das Laserwerkzeug benötigt,
um alle auf dem Werkstück 12 bezeichneten
Verbindungen 22 zu bearbeiten.
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Bei Positionierungssystemen mit getrennten Achsen
(split-axis positioning systems) wird der obere Tisch nicht durch
den unteren Tisch getragen und bewegt sich unabhängig davon und das Werkstück wird
auf einer ersten Achse oder einem Tisch getragen, während das
Werkzeug, wie beispielsweise ein fester reflektierender Spiegel
und eine Fokussierungslinse auf der zweiten Achse oder Tisch getragen
werden. Positionierungssysteme mit getrennten Achsen sind vorteilhaft,
wenn die Gesamtgröße und das
Gesamtgewicht der Werkstücke 12 ansteigt,
wobei längere
und daher massivere Tische verwendet werden.
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In jüngerer Zeit wurden planare
Positionierungssysteme (planar positioning systems) verwendet, bei
welchen das Werkstück
auf einem einzigen Tisch getragen wird, der durch zwei oder mehr
Stehantriebe bewegbar ist, wogegen das Werkzeug an einer im wesentlichen
festen Position bleibt. Diese Systeme verschieben das Werkstück in zwei
Dimensionen durch Koordi nieren der Wirkungen der Stellglieder. Einige
planare Positionierungssysteme sind auch dazu geeignet das Werkstück zu drehen.
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Halbleiterverbindungsbearbeitungs-("SLP")-Systeme, die von
Electro Scientific Industries, Inc. ("ESI")
aus Portland, Oregon, hergestellt werden, verwenden die fliegende
(on-the-fly) ("OTF") Verbindungsbearbeitung,
um sowohl eine hohe Genauigkeit als auch einen hohen Durchsatz zu erreichen.
Während
der OTF-Bearbeitung wird der Laserstrahl gepulst, während ein
Lineartischstrahlpositionierer bestimmte Verbindungen 12 an
der Strahlposition vorbeiführt.
Der Tisch bewegt sich typischerweise zu einem Zeitpunkt längs einer
einzigen Achse und wird nicht an jeder Verbindungsposition angehalten.
Die Auf-Achsenposition des Strahlspots 38 in der Bewegungsrichtung 52 muß nicht
genau gesteuert werden; vielmehr wird seine Position genau gescannt,
um den Laserspot 38 zu triggern, um damit die Verbindung 22 genau
zu treffen.
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Im Gegensatz dazu und wiederum mit
Bezugnahme auf 3 wird
der Strahlspot 38 mit einer festgelegten Genauigkeit längs der
Querachsen 56 oder 58 gesteuert, wenn der Strahlpositionierer
an allen Verbindungen 22 vorbeigeht. Auf Grund der trägen Masse
des Tischs oder der Tische erzeugt eine Einstellbewegung, um einen
OTF-Lauf zu starten, ein Überschwingen
in der Querachsenposition bzw. in der Position quer zur Achse und
die erste Verbindung 22 in einem OTF-Lauf kann nicht bearbeitet
werden, bis die Querachsenposition ausreichend ausgeschwungen ist.
Die Ausschwingungsverzögerung oder
Ausschwingungsdistanz 60 reduziert den Verarbeitungsdurchsatz.
Ohne eine Ausschwingungsverzögerung
(oder gleichermaßen
einer Pufferzone der Ausschwingungdistanz 60), die vor
dem ersten Laserpuls eingelegt wird, würden zahlreiche Verbindungen 22 mit
beträchtlichen
Querachsenfehlern bearbeitet.
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Obwohl die OTF-Geschwindigkeit bei
den Verbindungsläufen
durch ein Beschleunigen über
die Lücken
verbessert wurde, ist ein begrenzender Faktor für die Effektivität dieses "Lückenprofilierens" immer noch das Erfordernis,
daß quer
zur Achse ein Ausschwingen innerhalb einer festgelegten Genauigkeit
stattfindet. Gleichzeitig nehmen die Größen der Merkmale, wie beispielsweise
die Verbindungslänge 30 und
die Verbindungsschrittweite 32 weiter ab, was einen Anstieg
der Maßgenauigkeit
notwendig macht. Anstrengungen, um die Leistungsfähigkeit
des Tischs oder der Tische zu erhöhen, erhöhen die Kosten für die Positionierungs-systeme wesentlich.
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Der herkömmliche Weg, um eine Zweiachsenablenkung
eines Laserstrahls bereitzustellen, ist das Verwenden eines Hochgeschwindigkeitskurzbewegungspositionierers
("Schnellpositionierer") 62 (high-speed
short-movement positioner), sowie ein Paar von galvanometrisch angetriebenen
Spiegeln 64 und 66, die in 4 gezeigt sind. 4 ist eine vereinfachte Abbildung eines
Galvanometer-angetriebenen X-Achsenspiegels 64 und eines
Galvanometerangetriebenen Y-Achsenspiegels 66, die längs eines
optischen Pfades 70 zwischen einem festen Spiegel 72 und
einer Fokussierungsoptik 78 angeordnet sind. Jeder Galvanometerangetriebene
Spiegel lenkt den Laserstrahl längs
einer einzelnen Achse ab. Das U.S. Patent Nr. 4,532,402 von Overbeck
offenbart ein Strahlpositionierungssystem mit gestapelten Tischen,
bei dem ein derartiger Schnellpositionierer verwendet wird und die
U.S. Patente Nr. 5,751,585 und Nr. 5,847,960 von Cutler et al. offenbaren
Strahlpositionierungssysteme mit getrennten Achsen, bei welchen
der (die) obere Tische) zumindest einen Schnellpositionierer trägt (tragen).
Systeme, bei welchen derartige Schnellpositionierer verwendet werden,
werden für
Schlagbohrprozesse ohne Verbindung, wie beispielsweise beim Durchgangslochbohren
verwendet, da sie gegenwärtig
den Strahl nicht mit so hoher Genauigkeit wie "feste" Laserkopfpositionierer liefern können.
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Die Eigenschaft getrennter Achsen
bei derartigen Positionierern kann Abbe'sche Drehfehler einführen und die Galvanometer können zusätzliche Positionierungsfehler
einführen.
Zusätzlich
können nicht
beide Spiegel neben der Eintrittspupille zur Fokussierungsoptik
angeordnet sein, da zwischen Galvanometer-gesteuerten Spiegeln eine
Trennung bestehen muß.
Diese Trennung resultiert in einem Offset des Strahls, was die Qualität des fokussierten Spots
verschlechtern kann. Darüber
hinaus führen Konfigurationen
mit zwei Spiegeln zur Beschränkung,
daß die
Eintrittspupille weiter von der Fokussierungsoptik verlagert ist,
was zu einer erhöhten
Komplexität
und einer beschränkten
numerischen Apertur der Fokussierungsoptik führt, wodurch somit die kleinste
erreichbare Spotgröße beschränkt wird. Selbst
unter der Annahme, daß derartige
Positionierer für
ein Trennen von Verbindungen verwendet werden könnten, würde die oben beschriebene Qualitätsverschlechterung
des Spots ein Trennen von Verbindungen mit einer geringen Qualität bewirken
oder ein unvollständiges
Trennen von Verbindungen und würde
in niedrig geöffneten
(low open)-Widerständen über getrennte
Verbindungen 22 resultieren.
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Somit wird ein System und ein Verfahren zum
Erzielen eines höheren
Durchsatzes beim Bearbeiten von Verbindungen benötigt, bei dem die Qualität des fokussierten
Spots bzw. Brennpunkts beibehalten wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein System und/oder ein Verfahren bereitzustellen, um einen höheren Durchsatz
bei der Verbindungsbearbeitung zu erzielen, wobei gleichzeitig die
Brennpunktqualität erhalten
bleibt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, einen Spiegel mit Zweiachsensteuerung zu verwenden, um Ausschwingungsfehler
bei einem Lineartisch zu korrigieren.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Positionierungssystem bereitzustellen, das eine koordinierte
Bewegung für
Anwendungen bei einer Bearbeitung von Halbleiterverbindungen verwendet.
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Bei dieser Erfindung wird vorzugsweise
ein Spiegel mit einer Zweiachsensteuerung, der schwenkbar an der
Eintrittspupille der Fokussierungslinse montiert ist, um Bewegungen
mit kleinem Winkel hindurchzuführen,
welche den Laserstrahl ausreichend ablenken, um Querachsenausschwingungsfehler
in der Größenordnung
von einigen Zehntel Mikrometern zu kompensieren, verwendet. Obwohl
die Ausschwingungsfehler in beiden Achsen auftreten, betrifft eine
Ausführungsform
dieser Erfindung primär
das Korrigieren von Ausschwingungsfehlern in einer Querachsenrichtung
zur OTF-Richtung der Bewegung des Lineartisches. Für diese
Korrekturen wird ein Spiegel mit Zweiachsensteuerung verwendet,
da jede Achse des Lineartisches als die OTF-Achse verwendet werden
kann. Der Strahlsteuerungsspiegel wird vorzugsweise nur zur Fehlerkorrektur
verwendet und benötigt
keine Koordinierung mit oder Modifizierung der Positionierungsbefehle des
Lineartisches, obwohl eine derartige Koordination möglich ist.
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Zumindest drei Technologien können verwendet
werden, um einen Spiegel um zwei Achsen um einen einzigen Schwenkpunkt
zu neigen. Diese Technologien beinhalten Schnellsteuerungsspiegel ("FSMs"), welche einen Biegemechanismus
und Schwingspulenstellglieder einsetzen, um den Spiegel zu neigen,
piezoelektrische Stellglieder, die von der Deformation pie zoelektrischer
Materialien abhängen,
um einen Spiegel zu neigen, und deformierbare Spiegel, die piezoelektrische
oder elektrostriktive Stellglieder verwenden, um die Oberfläche des
Spiegels zu deformieren. Piezoelektrische Stellglieder werden bevorzugt.
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Vorteile der Erfindung beinhalten
die Eliminierung der Querachsenausschwingungszeit, woraus ein erhöhter Durchsatz,
insbesondere für SLP-Systeme
resultiert. Die Erfindung erleichtert ebenso eine verbesserte Herstellbarkeit
des Hauptpositionierungstisches (der Hauptpositionierungstische)
auf Grund erniedrigter Anforderungen an die Servoleistungsfähigkeit,
da der Steuerungsspiegel Fehler des Lineartisches korrigieren kann.
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Zusätzliche Gesichtspunkte und
Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
derselben ersichtlich, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
zu sehen sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Ausschnitts eines DRAM, welcher
das redundante Layout allgemeiner Schaltungszellen und programmierbare
Verbindungen in einer Ersatzreihe allgemeiner Schaltungszellen zeigt.
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2A ist
eine Querschnittsseitenansicht eines Ausschnitts einer herkömmlichen
großen
Halbleiterverbindungsstruktur, die einen Laserpuls aufnimmt, der
durch Parameter eines Pulses des Stands der Technik charakterisiert
ist.
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2B ist
eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Verbindungsstruktur und
des Laserpulses von 2A zusammen
mit einer benachbarten Schaltungsstruktur.
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2C ist
eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausschnitts der Verbindungsstruktur
von 2B, nachdem die
Verbindung mit einem Laserpuls des Standes der Technik entfernt
wurde.
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3 ist
eine Draufsicht auf einen Strahlpfad gemäß dem Stand der Technik.
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4 ist
eine vereinfache Seitenansicht eines Schnellpositionieres gemäß dem Stand
der Technik, bei welchem ein Paar Galvanometer-angetriebener Spiegel
verwendet wird, das den Laserstrahl längs jeweiliger verschiedener
einzelner Achsen ablenkt.
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5 veranschaulicht
schematisch eine Seitenquerschnittsansicht eines bevorzugten Zweiachsenspiegels,
der bei der Praktizierung der Erfindung verwendet wird.
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6 veranschaulicht
schematisch eine Teilvorderansicht eines bevorzugten Zweiachsenspiegels,
der bei der Praktizierung der Erfindung verwendet wird.
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7 veranschaulicht
den Effekt des Steuerungsspiegels während des OTF-Laufs.
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8 veranschaulicht
einen beispielhaften Mehrreihen-Querachsensprung-("MRCAD")-Arbeitspfad (multi-row, cross-axis dithering
work path).
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9 ist
eine Querschnittsseitenansicht auf einen charakteristischen Spiegel
mit Zweiachsensteuerung.
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10 ist
eine vereinfachte Draufsicht auf einen charakteristischen Spiegel
mit Zweiachsensteuerung.
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11 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften
Positionierersteuerungssystems zur Koordinierung der Tischpositionierung
und des Steuerungsspiegels zur Fehlerkorrektur.
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12 ist
ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften
Positionierersteuerungssystems zur Koordinierung der Tischpositionierung
und des Steuerungsspiegels für Strahl-zur-Bearbeitung-Scans
(beam-to-work scans) und zur Fehlerkorrektur.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform eines charakteristischen
Strahlpositionierungssystems wird in Einzelheiten in dem U.S. Patent
Nr. 4,532,402 von Overbeck beschrieben, das an den Abtretungs empfänger dieser
Anmeldung abgetreten wurde. Ein bevorzugter X-Y-Tisch bzw. Kreuztisch
ist das von Newport Corporation in Irvine, California, erhältliche "Dynamix"-Modell.
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Das Strahlpositionierungssystem verwendet vorzugsweise
einen Laserkontroller, der ein gestapeltes, mit getrennten Achsen
versehenes oder planares Positionierersystem steuert und mit Reflektoren
koordiniert, um den Output des Lasersystems auf eine gewünschte Laserverbindung 22 auf
einem IC-Baustein oder einem Werkstück 12 zu richten und zu
fokussieren. Das Strahlpositionierungssystem ermöglicht eine rasche Bewegung
zwischen Verbindungen 22 auf demselben oder auf verschiedenen Werkstücken 12,
um einheitliche Verbindungstrennarbeitsschritte, basierend auf zur
Verfügung
gestellten Test- oder Entwurfsdaten, auszuführen. Das Strahlpositionierungssystem
kann alternativ oder zusätzlich
die Verbesserungen oder Strahlpositionierer oder Schemas für eine koordinierte
Bewegung verwenden, wie sie in den U.S. Patenten Nr. 5,751,585, 5,798,927
und 5,847,960 von Cutler et al. beschrieben sind, die an den Abtretungsempfänger dieser
Anmeldung abgetreten wurden. Andere herkömmliche Positionierungssysteme
mit festem Kopf, oder welche linear motorbetrieben werden, könnten ebenso verwendet
werden, wie auch die Systeme, die in den Modellreihen 9000, 9800 und 1225 hergestellt
von ESI in Portland, Oregon, dem Abtretungsempfänger dieser Anmeldung verwendet
werden.
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Mit Bezugnahme auf die 5 und 6 und mit Bezugnahme auf diese Erfindung
wird der letzte Drehspiegel eines Systems mit festem Kopf oder alternativ
mit Schnellpositionierer 66 (4),
vorzugsweise durch ein einziges hochgenaues Hochgeschwindigkeits-Spiegelsystem 100 mit
Zweiachsensteuerung ersetzt, das einen Spiegel 102 beinhaltet, der
für eine
Betätigung
mit zumindest zwei Freiheitsgraden geeignet ist. Der Spiegel 102 weist
einen zentral positionierten Schwenkpunkt 104 auf, der
vorzugsweise mit einer Eintrittspupille 106 einer Fokussierungslinse 108 übereinstimmt.
Das Spiegelsystem 100 mit Zweiachsensteuerung wird vorzugsweise
für eine
Fehlerkorrektur verwendet, obwohl es für eine Strahlsteuerung verwendet
werden kann, da jede Achse des Lineartisches als die OTF-Achse verwendet
werden kann.
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Da der Strahl für SLP-Anwendungen auf eine sehr
geringe Spotgröße fokussiert
wird, schwenkt das Spiegelsystem 100 mit Ausrichtmechanismus den
Spiegel 102 vorzugsweise längs zumindest zweier Achsen
um den Schwenkpunkt 104, der sich an oder in der Nähe der Eintrittspupille
einer Fokussierungsoptik oder Linse 108 befindet. Störungen mit kleinem Winkel
der Position des Spiegels 102 lenken den Strahl ausreichend
ab, um Ausschwingungsfehler des Lineartisches an der Arbeitsoberfläche zu korrigieren,
und da der Spiegel 102 sich an oder in der Nähe der Eintrittspupille
der Fokussierungsline 108 befindet, wird der Strahl verschoben,
ohne den fokussierten Spot zu verzerren, womit das Bereitstellen
eines kleinen Spots hoher Qualität
ermöglicht
wird.
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Bei einer Ausführungsform werden Ausschwingungsfehler
in einer Querachsenrichtung 110 durch den Spiegel 102 korrigiert,
während
die Bewegung in einer Auf-Achsen-Richtung 112 nicht korrigiert
wird. Diese Einzelachsenkorrektur ermöglicht es, daß die Rückkopplung
des Interferometers des Lineartisches die einzige Quelle für ein Triggern
des Laserpulses ist. Jedoch ist bei genauer Koordinierung eine Bewegung
des Steuerungsspiegels 102 in Auf-Achsen-Richtung 112 möglich, obwohl
sie die Konstruktion verkompliziert und zusätzliche Fehlerquellen einführt, die
die Genauigkeit in der Auf-Achsen-Richtung 112 verschlechtern
können,
falls derartige Fehler nicht berücksichtigt
werden.
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Eine Bewegung in jeder Achse des
Spiegels 102 bringt Skalierungsfaktor und Offsetfehler,
Rauschen und eine Quer-Achsenkopplung mit sich. Diese Fehlerquelle
kann beim System gut gesteuert und auskalibriert werden, wobei Rauschen-
und Temperaturstabilitätseffekte
durch herkömmliche
Konstruktionstechniken kontrolliert werden.
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Mit einer Kalibrierung des Spiegelsystems 100 durch
Strahl-zur-Bearbeitung-("BTW")-Ausrichtungen (beam-to-work) können jede
Art von Nichtlinearitäts-
und Ausrichtungsfehlern beim Steuerungsspiegel 102 korrigiert
werden. Herkömmlicherweise wird
der Ausdruck "Strahl-zur-Bearbeitung" als Bezeichnung
für den
Prozeß eines
rückwärts und
vorwärts
Scannens des Lineartisches verwendet, während der Laserstrahlspot bei
niedriger Leistung auf ein Ausrichtungsziel auf dem Wafer oder Werkstück 112 (1) gerichtet wird. Optische
Messungen der Reflexion vom Ziel werden verwendet, um den Ziel- und
somit den Waferort präzise
zu bestimmen. Durch Scannen verschiedener Ziele mit BTW-Scans können der
Offset und die Drehung des Wafers im Verhältnis zum Strahlspot festgestellt
werden. Es ist ebenso möglich,
andere Effekte, wie die Achsenorthogonalität und Positionsabweichungen
aufzuzeichnen.
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Nachdem ein Spiegelsystem 100 zum
Lasersystem hinzugefügt
wurde, können
herkömmliche Scans
des BTW-Typs verwendet werden, um jede Art von Ungenauigkeiten/Nichtlinearitäten in der
Reaktion des Steuerungsspiegels 102 aufzuzeichnen. Dies wird
erreicht, indem ein BTW-Scan mit dem Spiegel 102 bezüglich der
Nominalnulloffsetposition (für
jede Achse) ausgeführt
wird. Dann wird der Spiegel 102 geneigt und ein weiterer
BTW-Scan wird ausgeführt, um
zu bestimmen, wie viel seitlicher Offset dem Laserstrahlspot durch
das Neigen verliehen wird. Durch Messen des Offsets durch zahlreiche
Spiegelneigungen um die U- und V-Achsen
kann das Spiegelsystem 100 vollkommen charakterisiert werden.
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Sobald die Reaktion des Spiegelsystems 100 mit
ausreichender Präzision
bestimmt ist, ist es möglich,
das Spiegelsystem 100 für
nachfolgende Ausrichtungsscans des BTW-Typs zu verwenden, anstatt
den Lineartisch rückwärts und
vorwärts
zu bewegen.
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7 veranschaulicht
die korrigierende Wirkung des Spiegelsystems 100 mit Zweiachsensteuerung
während
eines OTF-Laufs. Ein lineares Überschwingen
des Tisches wird durch eine Überschwingkurve 120 dargestellt.
Der Spiegel 102 lenkt den Laserstrahl in eine Querachsenrichtung 110 ab, wie
durch eine Korrekturkurve 122 dargestellt ist, die zur Überschwingkurve 120 invers
ist. Die resultierende Strahlposition ist die Summe der Bewegung
des Lineartisches und der Position des abgelenkten Strahls und wird
durch eine resultierende Strahlpfadkurve 124 dargestellt,
die von einem Querachsenfehler frei ist.
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8 veranschaulicht
eine Verwendung des Spiegelsteuerungssystems 100 für eine MRCAD
Bearbeitung während
eines Boustrophedon- oder Rasterscans im Kontext eines Verbindungstrennens,
um die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen, mit welcher Verbindungen
beseitigt werden. Bei einer bevorzugten Betriebsweise wird ein MRCAD
Scannen in der Richtung 110 quer zur Achse ausgeführt, während eine
Bewegung längs
einer Reihe 130 von Verbindungen 132 erfolgt.
Das MRCAD Scannen verwendet einen Steuerungsspiegel 102 (5 und 6), um den Laserstrahl längs einer
Bahn 134 auf Verbindungen 132 und benachbarte
Verbindungen 136 in benachbarten Reihen 138 zu
richten, ohne daß der Tisch
mit der langsamen linearen Bewegung in eine Richtung 110 quer
zur Achse bewegt werden muß. Dies
ist möglich,
da nicht alle Verbindungen in jeder Reihe beseitigt werden müssen. Eine
Bearbeitung von Verbindungen wird mit MRCAD weitaus effizienter,
da die Lineartische oder Tische nicht in jeder Reihe gescannt werden
müssen,
oder über
jede Reihe bewegt werden müssen,
so daß die
Gesamtzahl von Scans von Verbindungsreihen wesentlich reduziert werden
kann. Mit Ansteigen der Integration und bei Abnahme der Verbindungsgrößen, Spotgrößen und Schrittweitenentfernungen
wird das MRCAD-Scannen eine noch nützlichere Technik.
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Bei einem anderen Modus, einem zusätzlichen
Springen auf der Achse (on-axis dithering) ("SOAD")
wird ein Spiegel 102 verwendet, um den Strahl in einer
Richtung 112 auf der Achse abzulenken (5–7).
Bei diesem Betriebsmodus kann der Strahl rasch nach vorn in Richtung 112 auf
der Achse gerichtet werden, wobei Verbindungen getrennt werden,
während
der Linearbewegungstisch aufholt. Der SOAD-Scan vor oder hinter
dem Tischmerkmal ermöglicht,
die Tischgeschwindigkeitsänderungen
des Positionierungssystems zu reduzieren oder mehrere Verbindungen
während
eines einzelnen verlangsamten Bewegungsabschnitts zu trennen.
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Zumindest drei Technologien können verwendet
werden, um einen Spiegel 102 um zwei Achsen um einen Schwenkpunkt 104 zu
neigen. Diese Technologien beinhalten FSMs, die einen Biegemechanismus
und Schwingspulenstellglieder, piezoelektrische Stellglieder, die
eine Deformation piezoelektrischer Materialien einsetzen, und piezoelektrische
oder elektrostriktive Stellglieder beinhalten, um die Oberfläche eines
Spiegels zu deformieren. Geeignete Schwingspulen-betätigte FSMs
sind von Ball Aerospace Corporation in Broomfield, Colorado und von
Newport Corporation in Irvine, California erhältlich. Jedoch ist das bevorzugte
Stellglied eine Ultra-Fast Piezo Tip/Tilt Platform Modell S-330
hergestellt von Physik Instrumente ("PI")
GmbH & Co. in Karlsruhe,
Deutschland.
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Herkömmliche Galvanometer werden
typischerweise nicht für
diese Anwendung verwendet, da sie jeweils nur einen Spiegel um eine
Achse drehen und gewöhnlich
eine unzureichende Positionierungsgenauigkeit aufweisen. Darüber hinaus
ist ein Paar von physikalisch getrennten Galvanometerspiegeln für zwei Stellbewegungsachsen
erforderlich. Diese Trennung ist nicht mit dem Wunsch vereinbar,
daß eine
Stellbewegung um einen Schwenkpunkt stattfindet, der sich in der
Nähe der
Eintrittspupille der Fokussierungslinse 108 befindet (5 und 6), um einen Laserspot hoher Qualität an der
Oberfläche
des Werkstücks 12 beizubehalten.
Trotzdem ist es bei dieser Erfindung möglich, mit einem Galvanometer abgelenkte
Spiegel zu verwenden, insbesondere falls dieses bei Einzelachsenanwendungen
und Anwendungen mit geringer Ablenkung angewendet wird, wobei die
Genauigkeit und gut fokussierte Laserspots beibehalten werden.
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9 und 10 zeigen lediglich beispielhaft
ein FSM-Zweiachsenspiegelsystem 200, bei dem vier Vibrationsgeneratoren
für eine
elektrisch-mechanische Umwandlung oder Transducer von einer Transducerträgerplattform 220 in
einer Querbeziehung zueinander getragen werden, wobei ein Satz von
Transducern 222, 224, 226 und 228 bei
0, 90, 180 und 270 Grad im Verhältnis
zu einer Mittelachse 230 positioniert wird und diese sich
daher im rechten Winkel zueinander befinden. Ein Stützelement 232 für einen bewegbaren
Spiegel weist einen zentralen Abschnitt oder Nabe 234 auf,
die einen Spiegel oder eine reflektierende Oberfläche 236 trägt, die
im Verhältnis zur
Achse 230 zentriert ist. Der Spiegel 236 weist
einen Durchmesser von ungefähr
30 mm oder weniger auf, um sein Gewicht zu reduzieren und um eine Hochfrequenzreaktion
für eine
gewünschte
Strahlkorrektur zu erleichtern. Der Spiegel 236 ist mit
herkömmlichen
laseroptischen Beschichtungen beschichtet, um der Laserwellenlänge oder
den Konstruktionsparametern Rechnung zu tragen.
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Vier steife Streben oder längliche
Elemente 242, 244, 246 und 248 mit
geringem Gewicht erstrecken sich radial von der Nabe des Spiegeltragelementes 232 und
weisen jeweilige periphere Anschlußabschnitte 252, 254, 256 und 258 auf,
die an den jeweiligen Transducern 222, 224, 226 und 228 befestigt
sind, welche elektrisch bewegbare Schwingspulen sind. Für eine weitere
Beschreibung einer geeigneten herkömmlichen Schwingspulen/Lautsprecher-Anordnung, siehe
Scientific Encyclopedia von Van Nostrand, sechste Ausgabe, Seite 1786.
Die Verwendung derartiger herkömmlicher Lautsprecherspulen
für die
Transducer, um eine mechanische Einstellbewegung auszuführen, senkt
die Herstellungskosten des Gerätes.
Der schwebende Spiegelträger 232 kann
vorteilhafterweise aus einem Material mit geringem Gewicht hergestellt
sein, wie beispielsweise Metall (z.B. Aluminium oder Beryllium)
oder aus Kunststoff, was eine rasche Reaktion auf die elektrischen
Eingangssignale in die Schwingspulen ermöglicht, wie dies nachfolgend
beschrieben wird.
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Ein Kippsteuerungsgenerator 260 ist
mit Transducern 222 bis 228 verbunden, um sie
in einer komplementären "Schub-Zug" (push-pull) Beziehung zueinander
zu bewegen. Ähnlich
ist ein Neigungssteuerungsgenerator 262 mit Transducern 222 und 226 verbunden,
um diese Spulen ebenfalls in einer komplementären Schub-Zug-Beziehung zueinander zu
bewegen. Ein Laserstrahl 270 wird von einer reflektierenden
Oberfläche 236 reflektiert
und ein reflektierter Strahl 272 wird durch die Generatoren,
welche die Querachse steuern, die senkrecht zur OTF-Bewegungsrichtung
ist, positioniert, um Querachsenfehler zu kompensieren. Die Signalpaare,
die durch jeden Generator erzeugt werden, bilden ein Schub-Zug-Verhältnis, so
daß, wenn
der Transducer 222 den oberen Anschlußabschnitt 252 des
Stützelementes 232 in 10 nach rechts zieht, der
untere Transducer 226 den Anschlußabschnitt 256 nach links
schiebt, um die reflektierende Oberfläche 236 zu neigen,
wodurch der reflektierte Strahl 272 abgelenkt wird.
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Die Einstellbewegung kann am Anfang
eines OTF-Laufs alterniert werden, um beispielsweise die reflektierende
Oberfläche 236 mit
einer geeigneten Frequenz und einer gedämpften Amplitude zu bewegen,
um ein lineares Überschwingen
des Tisches in der Richtung 110 quer zur Achse zu kompensieren, wodurch
Negativeffekte der Ausschwingungszeit des Lineartisches eliminiert
werden und ein relativ gerader Strahlpfad erzeugt wird. Somit können Verbindungen,
die sich ansonsten in der herkömmlichen Pufferzone
befänden,
genau verarbeitet werden.
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Spiegelsysteme, die für eine Verwendung mit
dieser Erfindung geeignet sind, können mit einem ausreichend
großen
Bereich, um MRCAD-Scans durchzuführen,
ausgeführt
sein, indem eine Strahlablenkung in einem Bereich von ungefähr 50 bis
100 μm vorgesehen
wird; jedoch können
derartige Spiegelsysteme auch nur für eine Korrektur quer zur Achse
ausgeführt
sein, indem nur eine Strahlablenkung in einem Bereich von etwa 10
bis 50 μm
oder nur von etwa 10 bis 20 μm
vorgesehen wird. Der Spiegel ist vorzugsweise innerhalb von plus
oder minus 1 mm von der Eintrittspupille der Fokussierungslinse
angeordnet. Diese Bereiche sind nur beispielhaft und können modifiziert
werden, damit sie sich für
einen Systementwurf und spezielle Verbindungsbearbeitungsanwendungen
eignen. Die bevorzugte Tip/Tilt-Plattform
Modell S-330, hergestellt von PI, verwendet piezoelektrische Stellglieder
für zweidimensionale Hochgeschwindigkeitsneigungen
des Spiegels. Dehnungsmeßstreifensensoren
bestimmten die Spiegelposition genau und liefern Rückkopplungssignale
zur Steuerungselektronik und zu den Antriebsschaltkreisen. Eine
vollständigere
Beschreibung der Tip/Tilt-Plattform
Modell S-330 ist auf der PI Website, www.physikinstrumente.com erhältlich.
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Die hauptsächlichen Vorteile der PI Piezo Tip/Tilt-Plattform
sind, daß die
Vorrichtung kommerziell erhältlich
ist und eine sehr kompakte Größe aufweist,
die sich leicht in einem Positioniersystem Modell 9820 von
ESI montieren läßt.
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Nachteile der Piezo Tip/Tilt-Plattform
von PI sind, daß sie
für eine
Verwendung bei BTW-Scananwendungen
einen unzureichenden Strahlablenkungsbereich aufweist, obwohl ihr
Bereich für
Fehlerkorrekturanwendungen ausreichend ist; und wobei die nicht
lineare Bewegung, thermische Drift, Hysterese und Hochspannungsantrieb
insgesamt inhärente
Probleme bei einer piezoelektrischen Einstellbewegung sind, denen
Rechnung getragen werden muß.
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Selbstverständlich sind andere Hersteller oder
andere Typen von Spiegel- oder Stellgliedkonstruktionen für eine Verwendung
bei dieser Erfindung geeignet.
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Zusätzlich zu allen anderen oben
beschriebenen Vorteilen ermöglicht
diese Erfindung bei Verwendung des sekundären Systems für eine Korrektur von
Fehlern eine Erleichterung der an die linearen Motoren gestellten
Anforderungen (Überbeschleunigungszeit,
Ausschwingungszeit). Dies reduziert die Kosten für die linearen Motoren wesentlich
und reduziert auch die Abhängigkeit
des Systemdurchsatzes von der Beschleunigungsgrenze des Lineartisches oder
der Lineartische.
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11 zeigt
eine Ausführungsform
eines Positionierersteuerungssystems 300 dieser Erfindung
zum Koordinieren der Positionierung von X- und Y-Achsenbewegungstischen 302 und 304,
und auch der Positionierung eines Spiegels 306 mit Zweiachsensteuerung
zur Positionierungsfehlerkorrektur. Selbstverständlich können die Bewegungstische 302 und 304 in
einem einzigen Planarbewegungstisch kombiniert sein, der eine Positionierungssteuerung
in der X- und der Y-Achsenrichtung aufweist. In einem Standardbetriebsmodus
wird ein Spiegel 306 mit Zweiachsensteuerung verwendet,
um Positionierungsfehler, die durch X- und Y-Achsenbewegungstische 302 und 304 verursacht
werden, zu korrigieren.
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Ein Positionsbefehlsgenerator 308 erzeugt X-
und Y-Achsenpositionsbefehlssignale für ein Zuführen durch Summierverbindungen 310 und 312 zu X-
und Y-Achsenbewegungskontrollern 314 und 316 zu
jeweiligen X- und Y-Achsenbewegungstischen 302 und 304.
Die tatsächlichen
Positionen der X- und Y-Achsenbewegungstische 203 und 204 werden durch
jeweilige X- und Y-Achsenpositionssensoren 318 und 320 abgetastet
und Signale, welche die tatsächlichen
Positionen darstellen, werden zu Addierern oder Summierverbindungen 310 und 312 zugeführt, um
X- und Y-Achsenpositionsfehlersignale zu erzeugen. Die X- und Y-Achsenbewegungskontroller 314 und 316 empfangen
die Fehlersignale und haben die Wirkung, jegliche Fehler zwischen
den angewiesenen und den tatsächlichen
Positionen zu minimieren. Für
Anwendungen mit hoher Genauigkeit sind die X- und Y-Achsenpositionssensoren 318 und 320 vorzugsweise
Interferometer.
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Residuelle Fehlersignale, wie etwa
solche, die durch Überschwingen
erzeugt werden, werden durch Freigabegates 322 und 324 zu
einem Koordinatentransformationsgenerator 326 zuge führt, der abhängig davon
optional sein kann, ob die Bewegungstische 302 und 304 ein
gemeinsames Koordinatensystem mit einem Spiegel 306 mit
Zweiachsensteuerung teilen. In jedem Fall werden die residuellen Fehlersignale
durch Addierer oder Summierverbindungen 328 und 330 zu
Spiegelkontrollern mit U- und V-Achsensteuerung 332 und 334 weitergegeben,
deren Wirkung es ist, den Steuerungsspiegel mit kontrollierten Werten
zu kippen und/oder zu neigen, um den Laserstrahl 270 abzulenken
(9), um beispielsweise
Positionierungsfehler der X- und Y-Achsenbewegungstische zu korrigieren.
Die tatsächlichen
Kipp- und/oder Neigepositionen des Spiegels 306 mit Zweiachsensteuerung
werden durch jeweilige Kipp- und Neigesensoren zu Addierern und/oder Summierverbindungen 328 und 330 zugeführt, um Kipp-
und Neigepositionsfehlersignale zu erzeugen. U- und V-Achsen-Steuerungs-Spiegelkontroller 332 und 334 empfangen
die Fehlersignale und haben die Wirkung jegliche Fehler zwischen
den angewiesenen und tatsächlichen
Positionen zu korrigieren. Für
Anwendungen mit hoher Genauigkeit ist der Spiegel 306 mit
Zweiachsensteuerung vorzugsweise eine piezoelektrische Neige/Kippplattform
und die Positionssensoren 318 und 320 sind vorzugsweise
Dehnungsmeßstreifen.
Geeignete alternative Sensoren können
optische, kapazitive und induktive Abtasttechniken beinhalten. Bei
dieser Ausführungsform
ist es für
Fachleute verständlich,
daß Spiegelkontroller 332 und 334 für eine U-
und V-Achsensteuerung dazu geeignet sein sollten, Antriebssignale
mit Null bis 100 Volt zu den piezoelektrischen Stellgliedern zuzuführen, welche
den Spiegel 306 mit Zweiachsensteuerung ablenken.
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Freigabegates 322 und 324 setzen
eine Vorkehrung um, bei der ein Positionsbefehlsgenerator 308 selektiv
eine Positionsfehlerkorrektur für
entweder die X- oder die Y-Achse sperren kann, wodurch eine Fehlerkorrektur
für die
Querachse freigegeben wird, während
die Auf-Achse unbeeinflußt bleibt, oder
umgekehrt.
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12 zeigt
eine Ausführungsform
eines Positionierersteuerungssystems 340 zum Koordinieren
der Positionierung der Tische 302 und 304 für X- und
Y-Achsenbewegungen und bei dieser Ausführungsform einen FSM 236 (9 und 10) für MRCAD-Scans
und eine Positionierungsfehlerkorrektur. In einem erweiterten Betriebsmodus
wird der Steuerungsspiegel für
eine Fehlerkorrektur und MRCAD-Scannen verwendet. In diesem Betriebsmodus
erzeugt ein Positionsbefehlsgenerator 342 X- und Y-Achsenpositionierungsbefehle
für die
Tische 302 und 304 für eine X- und Y-Achsenbewegung
und ebenso U- und V-Achsenkipp- und Neigebefehle zum Ablenken des
FSM 236. Die Summierverbindungen 328 und 330 erzeugen
den Positionierungsbefehl für den
FSM 236 als die Summe der Fehlersignale von den Tischen 302 und 304 für eine X-
und Y-Achsenbewegung, und bei dieser Ausführungsform auch die Kipp- und
Neigebefehle der U- und V-Achsen.
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Die Fehlersignale werden in derselben
Weise wie im Standardfehlerkorrekturmodus erzeugt. Die zusätzlichen
U- und V-Achsenkipp- und Neigebefehle werden durch einen Positionsbefehlsgenerator 342 produziert,
um das gewünschte
BTW-Scannen zu erreichen. Da BTW- und MRCAD-Anwendungen typischerweise
größere Spiegelablenkungsbereiche benötigen, wird
bei dieser Ausführungsform
der Erfindung vorzugsweise ein Schwingspulen-betätigtes FSM Zweiachsenspiegelsystem 200 verwendet.
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Bei einem typischen Betrieb werden
die Positionsbefehle für
ein MRCAD-Scannen verwendet, um eine Querachsenbewegung des Laserstrahls
zu bewirken, ohne die Querachsenbewegung der Bewegungstische zu
steuern. Jedoch sind andere Anwendungen vorstellbar, die von einem
zusätzlichen Springen
in der Achse für
das Boustrophedon-Scannen profitieren würden.
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Die Steuerungsschemas, die in diesen
Figuren abgebildet sind, sind dazu gedacht, die grundlegende Implementierung
und die Betriebsweise dieser Erfindung zu veranschaulichen. Weiter
fortgeschrittene Steuerungskonfigurationen, wie solche, bei welchen
Feedforward-Befehle (Vorwärts-Befehle)
zu den Bewegungstischen und Steuerungsspiegeln verwendet werden,
sind für
Fachleute offensichtlich.
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Fachleute werden zu würdigen wissen,
daß die
Spiegelsysteme mit Zweiachsensteuerung der Erfindung für eine Verwendung
zum Durchbohren geätzter
Schaltungsplatten, bei Mikro-Maschinenbearbeitungen
und bei Laserkorrigierungsanwendungen, wie auch für ein Trennen
von Verbindungen angepaßt
sein können.
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Für
Fachleute wird es offensichtlich sein, daß bei vielen Details der oben
genannten Ausführungsform
dieser Erfindung Änderungen
vorgenommen werden können
ohne von den grundlegenden Prinzipien derselben abzuweichen. Der
Umfang dieser Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt
werden.
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Zusammenfassung
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Laserstrahlpositionierer (12, 340, 236, 260, 262, 302, 304, 310, 312, 316, 318, 320, 322, 324, 326, 328, 330, 336, 342)
verwenden einen Steuerungsspiegel, der Kleinwinkelablenkungen eines Laserstrahls
ausführt,
um Querachseneinstellfehler eines Positionierertisches zu kompensieren.
Ein Zweiachsenspiegel wird bevorzugt, da jede Achse der Positionierertische
für das
Ausführen
einer Bearbeitung verwendet werden kann. Bei einer Ausführungsform
wird der Steuerungsspiegel für
eine Fehlerkorrektur verwendet, ohne daß notwendigerweise eine Koordinierung
mit den Positionierertischpositionsbefehlen erforderlich ist. Ein
Schnellsteuerungsspiegel, welcher einen Biegemechanismus und piezoelektrische
Stellglieder verwendet, um den Spiegel zu kippen und zu neigen,
wird bei Halbleiterverbindungsbearbeitungs-("SLP")-Anwendungen
bevorzugt. Diese Erfindung kompensiert die Querachsenausschwingungsdauer,
woraus ein erhöhter SLP-Systemdurchsatz
hoher Genauigkeit resultiert, wobei gleichzeitig die Komplexität der Positionierertische
vereinfacht wird, da die Steuerungsspiegelkorrekturen die Anforderungen
an den Servoantrieb des Positionierertisches erleichtern.