JP2006508352A

JP2006508352A - レーザビームの焦点位置検出方法

Info

Publication number: JP2006508352A
Application number: JP2004555979A
Authority: JP
Inventors: ヒレブラントディルク; ユルゲンマイアーハンス; オーヴァーマンクリスティアン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2006-03-09
Also published as: DE50304789D1; KR20050072495A; EP1565288B1; WO2004050290A1; CN1703298A; EP1565288A1; DE10255628A1; US20060138111A1

Abstract

レーザビームの焦点位置を検出するために、まずレーザビーム（４）により複数のラインパターン（Ｌ１〜Ｌ９）をパターン基板（５）の表面に形成し、このときレーザと基板表面との間隔（Ｚ）をステップごとに変化する。その後、個々のライン（Ｌ）の幅（ｂ）を測定し、幅（ｂ５）が最小のライン（Ｌ５）を検出する。最小のライン幅に所属する高さ調整を機械の焦点調整として評価し、記憶する。

Description

本発明は、基板、とりわけ電気回路基板を加工するための機械でのレーザビームの焦点位置検出方法に関する。

基板、とりわけ配線基板または他の回路基板を加工するためには、加工台ないしは加工面に対するレーザビームの焦点位置が非常に正確に既知であることが重要であり、かつ必要である。従って焦点位置の検出は、レーザ加工機械でセットアップする際の重要なステップである。しかしこの焦点位置の検査ないし新たな検出も動作中に反復して行う必要がある。従って焦点位置検出は簡単で、客観的でありかつ再現性を以て実行できなければならない。

これまでは焦点位置検出を手動で顕微鏡によって実行し、評価するのが一般的である。従ってこの過程は実行する人物と使用される測定機器、すなわち顕微鏡の品質に依存する。従ってこの方法は時間が掛かるだけでなく、それぞれの人物に依存して変化するエラー源を伴う。

本発明の課題は、人物に依存せず、すなわち客観的であり、焦点位置を高速かつ高精度に検出することのできる、レーザ加工機械での焦点位置検出方法を提供することである。

本発明によれば焦点位置検出は次のステップにより実行される：
・レーザビームにより複数のラインパターンをパターン基板の表面に形成し、このときレーザビームの結像ユニットと平坦な基板表面との間の間隔をステップごとに変化し、
・すべてのパターンのライン幅を測定し、それぞれの間隔値に配属し、
・最小のライン幅を備えるパターンを検出し、所属の間隔値をレーザビームの焦点調整として同定する。

従って本発明では、並置されたラインが一定の間隔の種々異なる高さで構造化される。このとき最も細いライン幅が焦点位置に等しく、この焦点位置は評価の際にパラメータとして使用することができる。並置されたラインパターンは例えば直線の形状、または並置された円形の形状で形成することができる。この並置されたラインパターンは、レーザビームの結像ユニットと平坦な基板表面との間隔がステップごとに変化されているため相互に異なるから、視覚評価を直接的に行うことができる。これにより顕微鏡なしでの手動検出が多くの場合で可能である。それでもなおライン幅の比較を客観的に行うことができる。

有利な実施形態では、個々のパターンのライン幅がカメラによって測定され、検出される。このとき人物に依存しないで焦点位置を１００μｍの精度で検出することができる。従って本発明の方法を完全に実施すれば、高速で焦点探索を実行する完全自動化が可能であり、個人の判断によるエラー影響要因は最小となる。ここで有利には、機械にマーキングおよび支承部を識別するためにいずれにしろ備わっているカメラを使用する。このカメラは、基準マーク識別ないし較正のために使用されるのと類似のアルゴリズムと検査プログラムにより動作することができる。もちろん付加的な外部カメラをこの目的のために使用することもできる。さらに構造化されたライン幅が所定の適用またはレーザ波長に対して過度に小さければ、ズーム対物レンズを備えるカメラを使用することもできる。

既に述べたように本発明の方法では、ラインパターンが種々異なる高さ位置で、すなわちｘ−ｙ−ｚ座標系での種々異なるｚ値により実現される。種々異なるｚ値間の差を設定することにより、粗探査と微探査が可能である。粗探査の際には、個々の構造化ステップ間の高さの差が微探査の場合よりも大きい。さらに探査ステップを選択することにより、種々異なる波長の種々異なる被写界深度（焦点距離が同じ場合）に対応することができる。例えばＣＯ_２レーザの場合（波長は９．２５μｍ）の被写界深度は波長が３５５ｎｍのＵＶレーザの場合よりも格段に大きい。このことは、ｚ値の変化に依存する構造化ライン幅の変化が、ＣＯ_２レーザの場合はＵＶレーザの場合よりも小さいことを意味する。

本発明を以下、図面に示された実施例について説明する。
図１は、本発明の焦点検出を行うレーザ加工装置の概略図である。
図２は、本発明による自動化焦点探査のフローチャートである。
図３は、焦点検出のために形成された直線ラインパターンの概略図である。
図４は、焦点検出のために形成された円形ラインパターンの概略図である。

図１は、導体路基板または類似の基板を加工するためのレーザ装置の基本構造を示す。ここでは概略的に示したレーザ１が、例えば図示しないメッキミラーを備える偏向ユニット２と結像ユニットないしレンズ３を介してレーザビーム４を形成する。レンズ３の焦点距離によって焦点Ｆが調整される。加工すべき基板５は台６に配置されており、台はｘ−ｙ−ｚ座標系で相応のｘ駆動部７，ｙ駆動部８，およびｚ駆動部９を介して調整することができる。駆動部７，８，９は概略的に二重矢印によって示されている。ｘ駆動部７およびｙ駆動部８によって、基板が平坦である限りこの基板を、設定した加工面で調整することができ、それぞれ設けられた加工点がレーザビーム４により検出される。ｚ駆動部を介して台６ないし基板５の高さが調整され、これによりレーザまでの間隔が変化される。このようにして基板を必要に応じて、レーザビームを基準にして所期のように焦点位置にもたらし、また焦点位置から外すことができる。基板５の表面が焦点から離れれば離れるほど、照射するレーザビームの焦点直径は大きくなり、また有効エネルギー密度は小さくなる。従って基板５を所期のように加工するためには、台６のｚレベルを基準にしてレーザの焦点位置を精確に検出することが必要である。

焦点位置を検出するために本発明では、パターン基板５が第６に配置され、レーザビームによりパターンラインが形成される。このパターンラインは図１にはそれぞれＬ１〜Ｌ９の直線により示されている。ここで台６の高さはステップごとに調整され、各ラインＬ１〜Ｌ９にはそれぞれ異なるｚレベル（ｚ１からｚ９）が配属される。

基準マーク識別および位置識別のために機械にいずれにしろ設けられているカメラ１０が、個々のパターンラインに所期のように走行され、基板上のそれぞれのライン幅ｂが検出される。従って各ライン幅ｂ（ｂ１〜ｂ９）には台の所定のｚレベル位置が配属される。最小ライン幅ｂminを検出することにより焦点位置が検出され、台６の所属のｚレベル位置が焦点位置として記録される。

従って次の表による配属が行われる。

図１の例ではラインＬ５が最小幅ｂ５（＝ｂmin）を有する。従って所属のレベルｚ５が焦点位置として同定され、システムに記憶される。

実際には種々異なる高さは、所定のｚ値を備える種々異なる高さ位置での構造化によって実現される。ここでは種々異なるｚレベル間の差を設定することにより粗探査と微探査を行うことができる。図２のフローチャートには、このような方法が例として示されている。第１の探査ステップＳ１でまず粗位置決めが実行される。すなわち値ｚ１〜ｚ９により種々異なる高さ位置に走行され、それぞれラインＬ１〜Ｌ９が形成される。次のステップＭ１でライン幅ｂ１〜ｂ９が測定され、レベル値ｚ１〜ｚ９に配属される。最小値がライン幅の測定中に識別可能ならば、測定値ｂ１〜ｂ９から最小ライン幅ｂmin1が検出される。しかしライン幅の測定時に最小幅を通過しなければ、これは測定された最小のライン幅が測定シーケンスの端部にある場合であり、従って粗探査をステップＳ１で新たなｚ値により実行しなければならない。従ってステップＳＫ１を介し、これまでのｚ値に続いて別のｚ値（例えばｚ９〜ｚ１５）が設定される。次にステップＳ１とＭ１により新たな測定シーケンスが実行される。

粗探査で第１の最小幅値ｂmin1が検出されると、次に微探査で焦点間隔をさらに精確に検出することができる。第２の探査ステップＳ２でさらなるｚ値が、これまでに検出された最小値ｂmin1または所属のｚ値の両側の領域に設定される。例えばレベル値ｚ３とｚ５の間に微ｚ位置値ｚ３１，ｚ３２等が設定される。この微レベル差に相応して再び所属のパターンラインＬ３，Ｌ３１，Ｌ３２．．からＬ４９，Ｌ５が測定される。測定されたライン幅から再び最小値ｂmin2が検出され、所属のｚレベル値ｚFが台ないし基板の焦点位置として検出され、ステップＳＰで記憶される。

微探査に対しては次の表が当てはまる。

幅比較によってｂ４２に対して最小値が得られると、所属のレベル値ｚ４２が焦点位置に相当し、これがｚFとしてステップＳＰで記憶される。

ここでカメラは、機械の基準マーク識別ないし較正に対するのと同じようなアルゴリズムおよび検査プログラムにより動作することができる。しかしそのために設けられたカメラの代わりに、第２の外部カメラを付加的に設けることもできる。さらに、所定の適用またはレーザ波長に対して構造化ライン幅が過度に小さい場合は、カメラをズーム対物レンズにより動作させることも可能である。

個々のパターンラインを高さステップが小さい場合でも良好に区別できるようにするため、パターン基板に所定の表面を設けることができる。例えば図３には、アルマイト被覆されたアルミニウム板にＣＯ_２レーザにより形成されたパターンが示されている。ここではアルマイトの熱的変化によりライン構造が形成される。ライン構造の品質と大きさは焦点の大きさ、およびそれに結び付いたエネルギー密度に依存する。レーザビームの中央領域では、エネルギー密度が高いのでアルマイトが蒸発し、アルミニウムが窒化される。このことはゴールド色のラインとして現れる。周縁領域ではアルマイトが熱印加により酸化アルミニウムに変化し、これは白色により見分けが付く。２つの色領域は黒または暗色のアルマイト被覆アルミニウムに対してはっきりと識別される。

ここで評価は次のように行うことができる。すなわち、デフォーカスすることにより焦点寸法およびそれに結び付いたエネルギー密度を変化させるである。このことにより窒化アルミニウムと酸化アルミニウムのライン幅が焦点高さに応じて種々異なるようになる。すなわちフォーカシングがシャープになれば窒化トラックの幅が増大し、酸化アルミニウムトラックの幅が縮小する。図３には周縁領域における窒化層ＬＮ１の幅ｂｎ１が示されており、この幅は基板のほぼ中央にある窒化層ＬＮ４の幅ｂｎ４よりも小さい。従って後者がより良好なフォーカシングを指示する。反対に周縁部における酸化アルミニウム層ＬＯ１の幅ｂｏ１は中央領域にある良好のフォーカシングされた酸化アルミニウム層ＬＯ４の相応の幅ｂｏ４より大きい。この形式のライン形成ではそれぞれ異なるラインが発生し、これらのラインはフォーカシングにより反対の特性を示すから、２つの異なる評価方法または２つの測定方法の組み合わせも考えられる。酸化トラック幅に基づく焦点検出は白黒カメラ評価の場合に適する。なぜなら明るい窒化領域は明るい酸化領域から簡単には区別できないからである。影を回避するために、照明はできるだけ上方からターゲットを照射すべきである。画像識別機能を備えるカメラは所定の焦点高さごとに関連するライン幅を検出し、値を出力するか、または内部処理のために記憶する。ここで焦点位置検出は、検出されたすべての値の２次数を多項適合して最小値を検出することにより行われる。多項適合は測定誤差を抑圧するために実行される。このようにして検出された最小値はシステムの焦点位置と相関する。

図４には別の実施例で、焦点位置検出のためのパターンが示されている。このパターンは円形パターンからなる。ここではそれぞれの円形パターンが次のように構造化される。すなわちまずレーザパルスが円形の中央にセットされ、ホールＺＬが焦点直径ｄにより形成される。そして所定の半径ｒの円がこの中央を中心に構造化される。フォーカシングに応じて、中央ホールＺＬの直径ｄと、画像には白く現れる外側リングＲＬの幅ｄは比較的に大きくまたは小さくなる。両者はレーザビームのフォーカシングに相応するそれぞれの焦点直径に依存する。中央ホールＺＬと外側リングＲＬとの間には暗いリングＲが残る。このリングＲの幅は中央ホールＺＬと外側リングホールＲＬの両方の大きさ変化により影響を受ける。従ってこの大きさ変化が特に重要であり、また容易に測定することができる。

図４ａは、最も強くフォーカスが外れたレーザビームに対する場合を示す。この場合では焦点直径ｄ１が特に大きく、残るリングＲ１は特に細い。次の図４ｂ、４ｃ、４ｄでは焦点直径ｄ２，ｄ３，ｄ４が次第に小さくなる。相応してホールＺＬ２，ＲＬ２，ＺＬ３，ＲＬ３，ＺＬ４，ＲＬ４も次第に小さくなり、その間に残る暗いリングＲ２，Ｒ３およびＲ４の幅は次第に大きくなる。図４ｄはレーザビームの最適のフォーカシングを示す。レーザとパターン基板との間のさらなる変化は再びデフォーカスを引き起こし、焦点直径を拡大することとなる。従って図４ｄには図４ｃに相応するパターンが続く。

例として示した直線および円形のパターンの他に、任意の他のパターンを本発明の焦点識別のために形成することもできる。

図１は、本発明の焦点検出を行うレーザ加工装置の概略図である。図２は、本発明による自動化焦点探査のフローチャートである。図３は、焦点検出のために形成された直線ラインパターンの概略図である。図４は、焦点検出のために形成された円形ラインパターンの概略図である。

Claims

基板（５）、とりわけ電気回路基板を加工するための機械でレーザビーム（４）の焦点位置を検出する方法において、
・レーザビーム（４）により複数のラインパターン（Ｌ１〜Ｌ９；Ｌ０１〜Ｌ０７；ＬＮ１〜ＬＮ７；ＺＬ１〜ＺＬ４；ＲＬ１〜ＲＬ４）をパターン基板（５）の表面に形成し、このときレーザビーム（４）の結像ユニット（３）と平坦な基板表面との間隔をステップごとに変化し、
・各形成されたパターン（Ｌ１〜Ｌ９；Ｌ０１〜Ｌ０７；ＬＮ１〜ＬＮ７；ＺＬ１〜ＺＬ４；ＲＬ１〜ＲＬ４）ごとに所属の間隔値（ｚ１〜ｚ９）を記憶し、
・すべてのパターン（Ｌ１〜Ｌ９；Ｌ０１〜Ｌ０７；ＬＮ１〜ＬＮ７；ＺＬ１〜ＺＬ４；ＲＬ１〜ＲＬ４）のライン幅（ｂ１〜ｂ９；ｂｏ１〜ｂｏ７；ｂｎ１〜ｂｎ７；ｄ１〜ｄ４）を測定し、それぞれの間隔値に配属し（Ｍ１，Ｍ２）、
・最小のライン幅（ｂmin）のパターンを検出し、所属の間隔値（ｚF）をレーザビームの焦点調整として同定する、ことを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
第１の測定ステップ（Ｓ１，Ｍ１）で、レーザビーム（４）の結像ユニット（３）とパターン基板（５）との間隔を粗いステップ（ｚ１〜ｚ９）で変化し、これにより粗い焦点領域（ｂmin1）を検出し、
第２の測定ステップ（Ｓ２，Ｍ２）で、レーザビーム（４）の結像ユニット（３）とパターン基板（５）との間隔を比較的に小さなステップ（ｚ３，ｚ３１〜ｚ４９，ｚ５）で、前記検出された粗い焦点領域内で変化し、これにより精確な焦点位置（ｚF）を同定する。
請求項１または２記載の方法において、
基板の大きさをレーザビーム（４）の波長に依存して選択し、探査ステップを波長が大きければ大きいほど大きくする。
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法において、
パターン基板（５）としてアルマイト被覆されたアルミニウム板を使用し、
レーザビームにより形成されたライン構造体（ＬＯ１〜ＬＯ４、ＬＮ１〜ＬＮ４）によってアルマイト層をレーザビームの中央領域で蒸発させ、その下にあるアルミニウムを窒化し、
一方、周縁領域ではアルマイトを酸化アルミニウムに変化させ、
ここでフォーカシングがシャープになると窒化トラック（ＬＮ）の幅が増大し、かつ酸化トラック（ＬＯ）が減少し、
評価のために選択的に窒化トラック（ＬＮ）および／または酸化トラック（ＬＯ）の幅の変化を利用する。
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法において、パターンは円形ライン構造（ＺＬ１〜ＺＬ４，ＲＬ１〜ＲＬ４）の形態で形成される。
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法において、パターンのライン幅ないし構造幅をカメラ（１０）によって測定し、測定データを公知の画像処理アルゴリズムによって評価する。