DE3222490A1 - Elektronenstrahl-bohrvorrichtung - Google Patents

Description

HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochgeschwindigkeits- und -g enauigkeits-Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung zum Bohren von Löchern in einem Substrat, insbesondere einem Substrat für eine elektronische Einrichtung, die eine Anzahl von in hoher Dichte gebohrten Löchern benötigt, ■

In den letzten Jahren wurde hart bearbeitbares Material, wie z. B. eine feuerfeste Legierung oder feuerfeste keramische Stoffe, in weitem Umfang verwendet. Ein solches Material läßt sich nach einem herkömmlichen Verfahren kaum maschinell bearbeiten. Beispielsweise besteht ein Substrat zur Montage eines Großbereichintegrations-Plättchens, das in einem elektronischen Computer verwendet wird, aus einer Aluminiumoxidplatte von angenähert 100 mm Quadratseitenlänge, in der nahezu 4O 000 kleine Löcher mit einem Durchmesser von 0,1 - 0,15 mm angeordnet sind. Solche kleinen Löcher werden meistens ohne Regelmäßigkeit und Richtwirkung

angeordnet. Ein solches Aluminiumoxidsubstrat wird bearbeitet, indem man Löcher mit einem Bohrer oder einen Elektronenstrahl bohrt und es hierzu in die zugehörigen Lochlagen bringt, oder indem man gleichmäßig verteilte Löcher mittels einer Preßform bohrt und unerwünschte Löcher verstopft. Beim ersteren Verfahren sind die Geschwindigkeit und die Beschleunigung/Verzögerung einer Antriebseinrichtung, auf der das Substrat montiert wird, beschränkt, und damit ist auch die Arbeitsgeschwindigkeit begrenzt. Deshalb wird, wenn die Zahl der zu bohrenden Löcher hoch ist, eine lange Zeit zur Bearbeitung jedes Substrats benötigt. Beim letzteren Verfahren ist die Herstellung der Form aufwendig, und das Verstopfen der unerwünschtenjLöcher erfordert eine Menge von Arbeitsschritten.

Allgemein wird, um Löcher mit hoher Geschwindigkeit und in verschiedenen Mustern zu bohren, ein System benötigt, das sich mit hoher Geschwindigkeit positionieren läßt und Löcher ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit zu bohren vermag. Für diesen Zweck ist es möglich, das Substrat festzulegen und die Ablenkung eines Hochenergie-Elektronenstrahls zum Bohren der Löcher zu steuern. Jedoch ist es schwierig, die Ablenkung des Hochenergie-Elektronenstrahls über einen weiten Bereich genau zu steuern, und dieses System ist zum Bohren des Substrats der elektronischen Einrichtung, bei der sich der Bereich der Bohrstellen verhältnismäßig weit ausdehnt, nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung zu entwickeln, die sich zum Bohren einer Zahl von Löchern mit hoher Geschwindigkeit unter Bewegung eines Substrats mit hoher Geschwindigkeit nach einem mechanischen Verfahren und"durch Ablenkung eines Elektronenstrahls senkrecht zur Richtung der Bewegung des Substrats innerhalb eines Bereichs eignet, der die Aufrechterhaltung einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Elektronenstrahl-Bohrsrorrichtung mit einer Transporteinrichtung zum Tragen und Bewegen eines Werkstücks und einem Elektronenstrahlerzeuger zum Erzeugen ,eines Elektronenstrahls zum Bohren des Werkstücks, mit dem Kennzeichen ,/daß eine Elektronenstrahl-Ablenkeinheit zwischen dem Werkstück und dem Elektronenstrahlerzeuger zum Ablenken des Elektronenstrahls längs einer Bewegungsrichtung des Werkstücks und einer zu dieser Bewegungsrichtung senkrechten Richtung angeordnet ist und eine Steuereinheit zum Steuern der Elektronenstrahl-Ablenkeinheit und des Elektronenstrahlerzeuger^ zwecks Vermeidung eines Bohrstellenfehlers infolge des Bohrens während der Bewegung des Werkstücks vorgesehen ist, wodurch der Elektronenstrahl in der zur Bewegungsrichtung des Werkstücks senkrechten Richtung während dessen Bewegung abtastend geführt wird und das Elektronenstrahlbohren bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit über einen weiten Bereich erfolgt, während der Bohrstellenfehler infolge der Bewegung des Werkstücks korrigiert wird.

Vorzugsweise ist die Transporteinrichtung zur Bewegung des Werkstücks mit einer im wesentlichen konstanten

hohen Geschwindigkeit wenigstens längs einer gewählten Richtung geeignet, und vorteilhaft sind Organe zum Erfassen der jeweiligen Lage der Transporteinrichtung und zum Liefern von Steuersignalen für die Elektronenstrahl-Ablenkeinheit zwecks Kompensation der Verschiebung einer Auftreffstelle infolge der Bewegung der Transporteinrichtung vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird also das Substrat mit hoher Geschwindigkeit durch einen Antriebsmechanismus bewegt, und der Elektronenstrahl wird abtastend senkrecht zur Richtung der Bewegung des Substrats innerhalb eines Bereichs geführt, der die Aufrechterhaltung einer hohen Genauigkeit ermöglicht, so daß die Löcher über einen weiten Bereich gebohrt werden. Somit braucht der Antriebsmechanismus zur Positionierung weder beschleunigt noch verzögert zu werden, und man erreicht zusammen mit einer hohen Geschwindigkeit der Elektronenstrahlablenkung die gewünschten Bohrvorgänge mit sehr hoher Geschwindigkeit.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 einen zum Teil schematischen Überblick eines Ausführungsbeispiels einer Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Antriebsverfahrens eines X-Y-Tisches, auf dem ein Substrat montiert ist, in der in Fig. 1 gezeigten Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung;

Fig. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Abtastverfahrens mit einem Elektronenstrahl in der in Fig. 1 gezeigten Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung in vergrößertem Maßstab; und

Fig. 4 ein Schaltschema zur Veranschaulichung eines Ablenksteuerverfahrens eines Elektronenstrahls.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die gezeigte Vorrichtung weist hauptsächlich einen X-Y-Tisch 4, auf dem ein Werkstück oder Substrat 5 montiert ist und der in zueinander senkrechten Richtungen X und Y mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird, Servomotoren 6 und 7 zum Antrieb des X-Y-Tisches 4 in der X- bzw. der Y-Richtung, Codierer 8 und 9 zum-Erfassen der X- und Y-Achsenlagen des X-Y-Tisches 4, einen Elektronenstrahlerzeuger 1, der dem Substrat 5 gegenüber zwecks Erzeugung eines Elektronenstrahls zum Bohren angeordnet ist, und Ablenkspulen 2 und 3 auf, die zwischen dem Substrat und dem Elektronenstrahlerzeuger 1 zum Ablenken des vom Elektronenstrahlerzeuger 1 emittierten Elektronenstrahls angeordnet sind. Die Ablenkspule 2 ist eine X-Achsen-Ablenkspule zur Abtastführung des Elektronenstrahls in der X-Richtung, während der X-Y-Tisch 4 in der Y-Richtung bewegt wird, und die Ablenkspule 3 ist eine Y-Achsen-Ablenkspule zur Korrektur eines Lagefehlers des X-Y-Tisches 4 aufgrund dessen Bewegung längs der Y-Richtung.

Die Gesamtsteuerung dieser Vorrichtung wird von einem Steuercomputer 13 bewirkt, der Lochstellendaten für das Substrat 5 in der Bohrreihenfolge speichert und

das Bohren mit dieser Vorrichtung durch ein Elektronenstrahler zeuger-Verbindungsglied 10 zwecks Steuerung der Impulsbreite des Bohrelektronenstrahls, ein Elektronenstrahlablenk-Verbindungsglied 11 zwecks Steuerung der Abtastführung des Elektronenstrahls und der Korrektur des Lagefehlers und ein Servosystem- und C odierer-Verbindungsglied 12 zwecks Steuerung desjAntriebs der Servomotoren 6 und 7 und der Signale von den Codierern 8 und 9 steuert.

Die codierer 8 und 9 sind vorgesehen, um die Lage des X-Y-Tisches 4 zu erfassen und die Lageverschiebung aufgrund dessen Bewegung zu kompensieren. Der Steuercomputer 13 bewirkt die Strahlpositionierung durch die Ablenkung der Ablenkspulen 2 und 3 und bestimmt den Zeitpunkt des Bohrens. Nach der Positionierung liefert der Steuercomputer 13 ein Elektronenstrahlerzeugungssignal durch das Verbindungsglied 10 an den Elektronenstrahlerzeuger 1, um die Löcher im Substrat 5 zu bohren.

Es soll, nun der Bohrvorgang der vorliegenden Vorrichtung erläutert werden. Die Vorrichtung kennzeichnet sich durch die Positionierung beim Bohrvorgang, bei der nicht nur der X-Y-Tisch 4 die Positionierung ausführt, sondern die Positionierung auch durch Ablenkung des vom Elektronenstrahlerzeuger 1 emittierten Elektronenstrahls bewirkt wird, wenn die Ablenkung des Elektronenstrahls die Form des zu bohrenden Loches nicht merklich beeinflußt. Bei dieser Vorrichtung ist der zulässige Ablenkungsbereich + 3 mm sowohl in X- als auch in Y-Richtung« Die Maximalantriebsgeschwindigkeit des X-Y-Tisches 4 ist

100 mm/s, und die Ablenkgeschwindigkeit des Elektronenstrahls ist 1 m/s. Bei dieser Vorrichtung ist die Positionierungsgenauigkeit des X-Y-Tisches 4 1 ,um in einem Steuerwert, und diejenige der Elektronenstrahlablenkung ist nicht größer als einige .um bei Änderungen, und die Gesamtgenauigkeit ist nicht größer als 10 ,um.

Beim Bohren mit dieser Vorrichtung werden Koordinatendaten der Löcher im Steuercomputer 13 gespeichert, und die Positionierung wird in der eingegebenen Reihenfolge durch den X-Y-Tisch 4 und die Elektronenstrahlablenkfunktion bewirkt, und der Elektronenstrahl wird in Impulsform erzeugt, um die Löcher zu bohren. Ein Fehler gegenüber einer Auftreffstelle wird durch die als Lagefühler wirkenden Codierer 8, 9 erfaßt, und der Fehler wird durch Ablenken des Elektronenstrahls korrigiert. So kann das Bohren erfolgen, während der X-Y-Tisch 4 angetrieben wird.

Im einzelnen wird der X-Y-Tisch 4 gemäß Fig. 2 gesteuert, um in einem Breitenbereich hin und her zu gehen, über den der Elektronenstrahl abtastend so geführt werden kann, daß der Elektronenstrahl die Gesamtr oberfläche des auf dem X-Y-Tisch 4 montierten Substrats abtasten kann. (Nach Fig. 2 ist eine Mehrzahl von Substraten 5 montiert.) Man erkennt in Fig. 2 außerdem eine Bewegungsbahn 23 des X-Y-Tisches 4. Während der Bewegung des X-Y-Tisches 4 wird der Elektronenstrahl durch das Ablenksystem abtastend in einer in Fig. 3 mit 34 angedeuteten Reihenfolge innerhalb eines Abtastbereichs 33 geführt. So läßt sich der Elektronenstrahl innerhalb eines Hochgenauigkeits-Positionierungsbereichs

abtastend führen und positionieren. Wenn das Bohren in einem Abtastbereich 33 abgeschlossen ist, wird der Elektronenstrahl im nächsten Abtastbereich 35 zum Bohren von Löchern abtastend geführt. Da sich der X-Y-Tisch 4 in der Richtung des Pfeils 32 mit hoher Geschwindigkeit bewegt, kann eine Zahl.von Löchern mit hoher Geschwindigkeit gebohrt werden. Der X-Y-rTisch braucht nur an den Ecken.der in Fig. 2 gezeigten Bewegungsbahn 23 verzögert und beschleunigt zu werden, er kann jedoch in den meisten Teilen desfBohrbereichs mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden.

Da indessen bei dem vorstehend beschriebenen Bohrvorgang die Positionierung durch die Ablenkung des Elektronenstrahls während der Bewegung des X-Y-Tisches vorgenommen wird, können die folgenden Probleme angetroffen werden, wenn der Strahlablenkungsausgang vom Steuercomputer 13 unabhängig vom X-Y-Tisch 4 erzeugt wird.

(1) Eine Verschiebung einer Lochstelle aufgrund eines Zeitunterschiedes zwischen der Einstellung der X- und Y-Ablenkungswerte und der Abgabe des Elektronenstrahlimpulses nach der Vollendung der Ablenkung.

(2) Deformation eines Lochprofils aufgrund der Bewegung des X-Y-Tisches 4 während der Abgabe des Elektronenstrahlimpulses.

Wenn der Elektronenstrahl unter der Bedingung der Elektronenstrahlablenkungsgeschwindigkeit von 1 m/s und der maximalen Ablenkungsbreite von 6 mm abgelenkt wird,

ist der Zeitunterschied zwischen der Ablenkung und der Abgabe des Impulses 6 ms. Daher ist, wenn die Tischbewegungsgeschwindigkeit 100 mm/s ist, die maximale Verschiebung der Lochstelle aufgrund des Zeitunterschiedes 0,6 mm. Tatsächlich ist die Verschiebung wegen Begrenzungen des Loch-Loch-Abstandsmaßes und der Tischbewegungsgeschwindigkeit geringer als der vorstehend gezeigte Wert, doch beträgt die Verschiebung noch einige 10 .um. Dieser Fehler ist für ein Aluminiumoxidsubstrat bedeutend, in dem Löcher mit 100 ,um Durchmesser bei einem Loch-Loch-Abs tandsmaß von 250 ,um zu bohren sind.

Da die Impulsdauer angenähert 500 ,us beträgt, wird der X-Y-Tisch 4 während der Abgabe des Elektronenstrahls angenähert 50 ,um bewegt, wenn der X-Y-Tisch 4 mit 100 mm/s bewegt wird. Als Ergebnis wird das Profil des Lochs ;deformiert.

Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, wird, wenn die jeweilige Lage des X-Y-Tisches 4 durch den Steuercomputer 13 erfaßt wird und die X- und Y-Ablenkwerte auf der Basis der erfaßten Lage berechnet werden, um den Elektronenstrahlimpuls zu erzeugen, die gewünschte Genauigkeitsanforderung nicht erfüllt. Es ist daher erforderlich, den Ablenkungswert des Elektronenstrahls von Zeit zu Zeit zu korrigieren, während sich der

4
X-Y-Tisch bewegt.

Hierzu ist der X-Y-Tisch 4 mit dem Lageerfassungssystem in der Form der Codierer 8 und 9 versehen. Da die Codierer 8 und 9 je einen Ausgangsimpuls in einer Folge von 1 Impuls/,um erzeugen, ist das ImpulsIntervall

10 ,us/Impuls, wenn sich der X-Y-Tisch 4 mit 100 mm/s bewegt. Diese Geschwindigkeit ist zu hoch zum Folgen durch Programmierung des Steuercomputers 13, und daher wird ein Elektronenstrahlablenkungs-Korrektursystem mit Bausteinen benötigt, wie sie unten beschrieben werden,

Fig. 4 zeigt ein Schema des Elektronenstrahlablenkungs-Steuersystems. Während zwei Kanäle, deren jeder ein Ablenkungssystem (2, 11a - 11e) und ein Servomotorsystem (6, 8, 12a, 12b) enthält, für die X-Achse und die Y-Achse verwendet werden, ist nur ein Kanal in Fig. 4 gezeigt, um die Veranschaulichung zu vereinfachen.

Der X-Y-Tisch 4 wird grundsätzlich in der gleichen Weise wie eine herkömmliche numerische Steuerung angetrieben. Der Steuercomputer 13 setzt für den Bewegungssteuerkreis 12b eine Bewegungsgröße fest und gibt einen Bewegungsbefehl ab. Der Bewegungssteuerkreis 12b erzeugt ein Steuersignal für das Servosystem zusammen mit einem Beschleunigungs/Verzögerungs-Signal, so daß der Servosteuerkreis 12a den X-Y-Tisch 4 durch den Servomotor 6 und einen am Servomotor 6 angebrachten Tachogenerator antreibt.

Der Bewegungsbefehl vom Steuercomputer 13 wird nicht für jede der Lochstellen, sondern für die lange Bahn abgegeben, die sich über das Substrat 5 erstreckt, wie durch die in Fig. 2 dargestellte Bewegungsbahn 23 gezeigt ist. Dementsprechend bewegt sich der X-Y-Tisch während dieser Periode mit der hohen Geschwindigkeit.

Ein Merkmal des vorliegenden Steuersystems beruht darauf, daß der X-Y-Tisch 4 mit der hohen Geschwindigkeit bewegt wird und die Lage des X-Y-Tisches 4 durch den Codierer 8 erfaßt wird, der vom Servosystem getrennt ist, und daß der Elektronenstrahl erzeugt wird, während die Lage des X-Y-Tisches 4 erfaßt wird, um die Löcher zu bohren. Der Steuercomputer 13 speichert darin vorab die Lochstellen längs der in Fig. 2 gezeigten Bewegungsbahn des X-Y-Tisches 4 und bestimmt den Zeitpunkt des nächsten Bohrens durch den Ausgang des Lageerfassungskreises 11c, der die jeweilige Lage des X-Y-Tisches 4 auf Basis des Ausgangs des Codierers anzeigt. Wenn sich der X-Y-Tisch 4 zur nächsten Bohrstelle bewegt, bestimmt der Steuercomputer 13 die Bohrstelle für den Auftreffstellen-Einstellkreis 11e.

Die Einstellung des Auftreffstellen-Einstellkreises 11e stimmt nicht immer mit der durch den Ausgang des Lageerfassungskreises 11c angezeigten jeweiligen Lage überein, da die Verarbeitung im Steuercomputer eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und sich der X-Y-Tisch 4 mit der hohen Geschwindigkeit bewegt, so daß sich der Ausgang des Lageerfassungskreises 11c rasch ändert. Dementsprechend wird für die Ablenkspule 2 für die Bewegungsrichtung des X-Y-Tisches 4 ein Unterschied zwischen der jeweiligen Lage und der Auftreffstelle durch den Vergleichskreis 11d berechnet, und es erfolgt eine Korrektur entsprechend dem erhaltenen Fehler, um den Elektronenstrahl genau auf die Auftreffstelle zu richten. Da der vorliegende Kreis dynamisch durch die Impulse vom Codierer 8 auch nach Abschluß der Positionierung arbeitet, wird der Positionierungsfehler

während der Erzeugung des Elektronenstrahls vermieden und ein völlig kreisförmiges Loch gebohrt.

Nachdem der Steuercomputer 13 das Signal an den Auftreffstellen-Einstellkreis 11e geliefert hat, wartet der Steuercomputer 13 für eine Strahlenstabilisierungszeitdauer und befiehlt dann dem Strahlerzeugungskreis 10a, den Strahl zu erzeugen.

Nach der Positionierung sind Bohrimpulse zum Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von 1QO .um im Aluminiumoxidsubstrat vorzugsweise fünf Impulse mit einer Beschleunigungsspannung von 120 kV und einer Impulsbreite von 50 ,us, um das Lochprofil zu verbessern.

Der erfindungsgemäße Positionierungsfehler-Korrekturkreis korrigiert dynamisch den Fehler in der Bewegungsrichtung des X-Y-Tisches 4, doch ist die dynamische Korrektur in der zur Bewegungsrichtung senkrechten Richtung nicht erforderlich. Jedoch haben, um eine genaue Positionierung ohne Abhängigkeit vom X-Y-Tiscn-Antriebssystem zu erreichen, die X- und Y-Achsen den gleichen Schaltungsaufbau, und der Lageerfassun gskreis in der Bewegungsrichtung wird nur zur Erfassung des Strahlerzeugungszeitpunktes verwendet. Man erkennt außerdem einen Ablenkspulen-Antriebskreis 11a und einen Digital/Analog-Wandler 11b.

Wie vorstehend erläutert, wird erfindungsgemäß die Bohrgeschwindigkeit für das Substrat der elektronischen Einrichtung erheblich gesteigert.

Die Packungsdichte des Substrats mit der elektronischen Einrichtung ist in neuerer Zeit gewachsen/ und ein besonderes Substrat, worauf die Erfindung angewandt wird, benötigt das Bohren mehrerer 10 000 Löcher.

Für ein gegebenes Muster, das das Bohren Sehntausender Löcher erfordert, wurden die Bohrzeit nach dem bekannten Verfahren, bei dem die Positionierung für jede Lochstelle erfolgt, und die Bohrzeit beim erfindungsgemäßen Elektronenstrahl-Bohrverfahren verglichen. Beim bekannten System war die Bohrzeit 2000 s/Substrat, während die Bohrzeit beim erfindunsgemäßen Ausführungsbeispiel nur 12 s/Substrat betrug. Somit war die Arbeitsweise nach dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung angenähert 170 mal so schnell wie die beim bekannten System.

Leerseite

Claims (2)

1. Patentansprüche

   My Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung mit einer Transporteinrichtung zum Transport und Bewegen eines Werkstücks und

   einem Elektronenstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Elektronenstrahls zum Bohren des Werkstücks,

   dadurch

   gekennzeichnet,

   daß eine Elektronenstrahl-Ablenkeinheit (2, 3) zwischen dem Werkstück (5) und dem Elektronenstrahlerzeuger (1) zum Ablenken des Elektronenstrahls längs einer Bewegungsrichtung des Werkstücks (5) und einer zu dieser Bewegungsrichtung senkrechten Richtung angeordnet ist unü

   eine Steuereinheit (13, 11, 10) zum Steuern der Elektronenstrahl-Ablenkeinheit (2, 3) und des Elektronenstrahlerzeuger (1) zwecks Vermeidung eines Bohrstellenfehlers infolge des Bohrens während der Bewegung des Werkstücks (5) vorgesehen ist,

   wodurch der Elektronenstrahl in der zur Bewegungsrichtung des Werkstücks (5) senkrechten Richtung während dessen Bewegung abtastend geführt wird und das Elektronenstrahlbohren bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit

   81-(A 6880-02)-TF

   über einen weiten Bereich erfolgt, während der Bohrstellenfehler infolge der Bewegung des Werkstücks (5) korrigiert wird.
2. 2. Elektronenstrahl-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Transporteinrichtung (4, 6, 7) zur Bewegung des Werkstücks (5) mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit wenigstens längs einer gewählten Richtung geeignet ist und

   daß Organe (8, 9) zum Erfassen der jeweiligen Lage der Transporteinrichtung (4, 6, 7) und zum Liefern von Steuersignalen für die Elektronenstrahl-Ablenkeinheit (2, 3) zwecks Kompensation der Verschiebung einer Auftreffstelle infolge der Bewegung der Transporteinrichtung (4, 6, 7) vorgesehen sind.