KR20050072495A

KR20050072495A - 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20050072495A
Application number: KR1020057009641A
Authority: KR
Inventors: 디르크 힐레브란트; 한스 위르겐 마이어; 크리스티안 오페르만
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2005-07-11
Also published as: CN1703298A; EP1565288B1; DE10255628A1; EP1565288A1; DE50304789D1; JP2006508352A; US20060138111A1; WO2004050290A1

Abstract

본 발명은, 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법을 개시하며, 상기 방법에서 먼저 선형 패턴(L1 내지 L9)이 견본 기판(5)에 레이저 빔(4)에 의해 생성되며, 레이저와 견본 기판 사이의 거리가 점차적으로 수정된다. 그 다음, 각각의 선(L)의 너비가 측정되고 가장 작은 너비(b5)를 갖는 선(L5)이 결정된다. 가장 작은 선 너비에 관련된 수직 세팅(Z5)이 계산되고 기계의 초점 세팅으로 저장된다.

Description

레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE FOCAL POSITION OF A LASER BEAM}

본 발명은, 기판, 특히 전자 회로 기판을 처리하기 위한 기계에서 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

기계 가공 단계와 관련하여, 레이저 빔 초점 위치의 정확한 지식은, 예를 들어 인쇄 회로 기판 또는 기타 회로 기판에서의 기판 처리에 있어서 중요하고 필요하다. 그러므로 초점 위치를 결정하는 것은 레이저 기계 장치의 작동에 있어서 중요한 단계이지만, 작동 동안에 이러한 초점 위치의 조사 및/또는 갱신된 결정 또한 반복적으로 필요하다. 따라서 초점 위치 결정은 반드시 간단하고, 객관적이고, 그리고 재연 가능한 방법으로 수행될 수 있어야 한다.

이전의 일반적인 방법은, 현미경을 사용하여 수동으로 초점의 결정을 착수하고 계산하는 것이었다. 따라서, 이러한 과정은 상기 과정을 수행하는 사람 및 사용되는 측정 기기 즉 현미경의 품질에 의존한다. 그러므로 이러한 방법은 시간 낭비일 뿐만 아니라, 특정 사람에 의존하므로 교대 실수원이기 쉽다.

본 발명의 목적은, 레이저 기계 장치에서 초점 위치를 결정하기 위한 방법을 특정하는 것이며, 본 방법은 사람과 무관하고 따라서 객관적이며, 빠르고 높은 정확도를 갖는 초점 위치의 결정을 가능하게 한다.

그러므로 본 발명과 관련해서, 이하의 단계를 사용하여 초점 위치가 결정된다.

- 다수의 선형 패턴이 레이저 빔에 의해 견본 기판의 표면에 생성되며, 상기 레이저와 기판 표면 사이의 거리가 점차적으로 수정되는 단계,

- 상기 모든 패턴들의 선 너비가 측정되고 관련된 거리 값으로 할당되는 단계, 그리고

- 가장 작은 선 너비를 구비한 패턴이 결정되고, 관련된 거리 값이 레이저 빔의 초점 세팅으로서 확인되는 단계.

따라서, 본 발명에서는 평행하게 배열된 선들이 서로 다른 미리 결정된 거리 높이에서 구성된다. 이러한 방법에서, 가장 좁은 선 너비는 초점 위치와 일치하며, 그 다음 계산 동안에는 파라미터로서 수용될 수 있다. 예를 들면 평행하게 배열된 곧은 직선형 또는 원형으로 제조될 수 있는 선의 패턴은, 점차적으로 변하는 거리의 결과로 인해 서로 다르기 때문에, 직접적인 시각적 계산이 가능하고, 그 결과 많은 경우 현미경 없이 수동 결정 또한 가능하다. 그럼에도, 선 너비들의 객관적인 비교가 가능하다.

바람직한 실시예로서, 각각의 패턴의 선 너비는 카메라의 도움으로 결정되고 계산된다. 이는, 임의의 사람들과 무관하게 초점 위치가 100㎛까지 정확히 결정되도록 하고, 본 발명의 완전한 실시 동안 완전히 자동화된 시스템이 설정 가능하도록 하며, 이러한 자동화 시스템은 빠른 속도로 초점 조사를 자동으로 수행하고, 개별적 판단으로 결함 영향 인자들을 최소화한다. 이미 마킹(marking) 및 위치를 탐지하기 위한 기계에 존재하는 카메라가 여기에서 사용되는 것이 바람직하다. 상기 카메라는 신뢰도 탐지 및/또는 교정을 위해 사용되는 것과 같은 유사한 알고리즘 및 테스트 프로그램들을 사용하여 작동할 수 있다. 또한, 추가적인 외부 카메라가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서 또는 특정 레이저 파장에서, 구성된 선 너비가 너무 작다면, 줌 렌즈를 구비한 카메라를 작동하는 것이 가능하다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서, 서로 다른 수직 위치에서 즉 x-y-z 좌표 시스템에서 서로 다른 z-값을 갖는 선형 패턴들이 수행된다. 서로 다른 z-높이의 차이를 조사하는 것은 개략적 조사 또는 정밀한 조사를 허용한다. 개략적 조사에서는, 각각의 조사 폭(search step) 사이의 수직 차이가 정밀한 조사에서보다 크다. 게다가, 조사 폭의 선택은 (동일 초점 길이에서) 서로 다른 파장의 서로 다른 선명도(sharpness)에 대한 반응에 영향을 줄 수 있다. 선명도는, 355nm의 파장을 구비한 UV 레이저에 의하는 것보다 (9.25㎛의 파장을 갖는) CO₂ 레이저에 의하는 것이 매우 크다. 이는, z-높이에서의 변화의 상관관계로서, 구성된 선 너비에서의 변화가 UV 레이저에 의하는 것보다 CO₂ 레이저에 의할 때 훨씬 적음을 의미한다.

본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여, 이하 상세히 개시된다.

도 1은, 본 발명에 따라 초점을 결정하는 레이저 처리 배열체를 개략적으로 나타내며,

도 2는, 본 발명에 따른 자동 초점 조사를 위한 흐름도이며,

도 3은, 초점 결정을 위해 생성된 직선을 갖는 패턴을 개략적으로 나타내며, 그리고

도 4는, 초점 결정을 위해 생성된 원형의 형태인 패턴을 개략적으로 나타낸다.

도 1은, 인쇄 회로 기판 또는 유사 기판의 처리를 위한 레이저 기계의 기본 배열을 도시한다. 본 도면에서, 개략적으로 나타난 레이저(1)는 예를 들어 (도시되지 않은) 갈보 거울(galvo mirror)을 구비한 편향 유닛(2)과 이미지 유닛 및/또는 렌즈(3)를 통해 레이저 빔(4)을 생성한다. 초점 F는 렌즈(3)의 초점 길이에 의해 설정된다. 처리된 기판(5)은 테이블(6) 위에 배열되며, 상기 테이블(6)은, x축 구동기(drive)(7), y축 구동기(8), 및 z축 구동기(9)를 통한 x-y-z 좌표 시스템 내에서 설정될 수 있다. 구동기(7, 8, 및 9)들은 복선 화살표에 의해 개략적으로 지시된다. 편평한 기판을 제공하여, 결정된 처리 수준에서 x축 구동기(7) 및 y축 구동기(8)가 기판을 설정하며, 그 결과 각각 제공된 처리 위치가 레이저 빔(4)에 의해 탐지된다. 테이블(6) 및/또는 기판(5)의 높이는 z축 구동기(9)에 의해 설정되며, 이로써 레이저까지의 거리가 수정된다. 요구 조건에 따라, 기판이 레이저 빔에 상대적인 초점 위치로 또는 초점 밖으로 계획적으로 유도된다. 기판(5)의 표면이 보다 초점 바깥에 놓일수록, 분사되는 레이저 빔의 스폿(spot) 지름은 보다 커지고 효율적 에너지 밀도는 보다 낮아진다. 테이블(6)의 z-수직 면에서의 레이저 초점 위치의 정확한 결정은 기판(5)의 목표된 처리를 위해 필요하다.

본 발명에 관련하여, 초점 위치의 결정을 위해 견본 기판(5)이 테이블(6) 위에 위치하고, 레이저 빔을 사용하여 견본 선들이 생성되며, 그 선은 도 1에서 예시적으로 도시된 직선들(L1 내지 L9)이다. 테이블(6)은 이러한 과정 중 점차적으로 수정되며, 그 결과 다른 z-높이(z1 내지 z9)가 각각의 선들(L1 내지 L9)에 할당된다.

예를 들어 이미 기계에 포함된 카메라(10)는 신뢰도 및 위치 탐지용으로 사용되는 카메라이며, 상기 카메라가 각각의 견본 선들에 포커싱(focusing)될 수 있도록 하여, 기판 위에서 각각의 선 너비(b)들이 결정될 수 있다. 테이블의 특정 z-수직 위치는 각각의 선 너비(b; b1 내지 b9)에 할당된다. 최소 선 너비(b_min)의 결정에 의해 초점 위치가 결정되며, 이와 관련된 테이블(6)의 z-높이 위치가 초점 위치로서 특정된다.

이하 표는 상기 할당으로 인한 결과이다:

선	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	L9
z-위치	Z1	Z2	Z3	Z4	Z5	Z6	Z7	Z8	Z9
선 너비	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8	B9

도 1의 실시예에서, 선(L5)은 가작 작은 너비(b5)(=b_min)를 갖는다. 이에 상응하여, 관련된 수직 위치(z5)는 초점 위치로서 확인되어 시스템 내에 저장된다.

실제로, 서로 다른 높이는 미리 결정된 z-값들을 갖춘 서로 다른 수직 위치에서의 구성에 의해 달성된다. 이러한 경우, 서로 다른 z-수직 위치의 차이의 결정은 개략적 조사 및 정밀한 조사를 허용한다. 이러한 형식의 방법은 도 2의 흐름도에서 예시적으로 도시된다. 개략적 위치는 제 1 조사 단계(S1)에서 최초 수행된다. 이는, 값들(z1 내지 z9)을 갖춘 수직 위치로의 이동과 관계되며, 각각 선들(L1 내지 L9)을 생성한다. 그 다음 단계(M1)에서, 선 너비들(b1 내지 b9)이 측정되고, 높이 값들(z1 내지 z9)에 할당된다. 일련의 측정된 선 너비들로부터 최소값이 인식될 수 있다면, 최소 선 너비(b_min1)는 측정값들(b1 내지 b9)로부터 결정된다. 그러나 선 너비의 측정 동안 최소값이 통과하지 않는다면, 즉 가장 작은 측정된 선 너비가 일련의 측정열의 가장 끝에 놓이는 경우, (S1) 단계의 개략적 조사는 새로운 z-값으로 수행되어야 한다. 그러므로 (SK1) 단계는 가장 작은 선 너비를 갖춘 현재의 z-값(예를 들어, z9 내지 z15)으로부터 이어지는 다른 z-값을 더 제공한다. 그 다음, 새로운 일련의 측정치들은 (S1) 및 (M1) 단계로서 취하여질 수 있다.

최초의 최소 너비 값(b_min1)이 개략적 조사에서 결정된다면, 초점 거리는 정밀한 조사에서 보다 정확히 결정될 수 있다. 제 2 조사 단계(S2)에서는, 이전에 결정된 최소값(b_min1) 및/또는 예를 들어 수직 값들(z3 및 z5) 사이의 정밀한 z-위치값들(z31, z32) 등, 관련된 z-값의 양쪽 범위에서 추가 z-값들이 결정된다. 차례로, 관련된 견본 선들(L3, L31, L32 ... 내지 L49, L5)이 이러한 정밀한 수직 위치 차이들에 따라서 측정된다. 그 다음 최소값(b_min2)이 측정된 선 너비들로부터 결정되고, 관련된 z-높이값(z _F )이 테이블 및/또는 기판의 초점 위치로서 결정되고, (SP) 단계에서 저장된다.

예를 들어, 이하 표는 정밀한 조사에 적용한다.

선	L3 L31 L32 ...... L42 ... L49 L5
z-위치	Z3 z31 z32 ...... z42 ... z49 z5
선 너비	B3 b31 b32 ...... b42 ... b49 b5

너비 비교가 (b42)에서 최소라는 결과를 야기한다면, 관련된 수직값 (z42)는 초점 위치에 상응하고 (z _F )로서 저장된다.

자연적으로, 조건들에 따라 제 2 조사 단계도 불필요할 수 있고, 그 결과 도 2에서 도시된 바와 같이 값(b_min1)은 직접 (SP) 단계에서 저장된다.

이로 인하여, 카메라는 기계의 신뢰도 탐지 및/또는 교정을 위해 사용되는 것과 유사한 알고리즘 및 테스트 프로그램을 사용하여 작동될 수 있다. 여기에서 제공되는 카메라 대신, 제 2의 외부 카메라가 또한 제공될 수 있다. 특정 실시예 또는 레이저 파장에 대하여, 구성된 선 너비가 너무 작은 경우, 줌 렌즈를 구비한 카메라를 작동하는 것 또한 가능하다.

작은 수직 폭(step)에서 조차 개개의 견본 선들이 구별될 수 있도록, 견본 기판에 특정 표면이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서는 CO₂ 레이저 빔에 의해 양극처리된 알루미늄 디스크(anodized aluminum disk) 위에 생성된 패턴이 도시된다. 엘록살(eloxal)의 열 변환은 선 구조가 발달하도록 한다. 선 구조의 성능 및 치수는 초점 크기 및 여기에 연결된 에너지 밀도에 의한다. 금색선의 사용으로 도시되는 엘록살의 기화 및 알루미늄의 질화는 높은 에너지 밀도로 인해 레이저 빔의 중앙 영역에서 발생한다. 열에 노출된 결과, 경계 영역에서 엘록살이 산화 알루미늄으로 변하며, 이는 백색으로 인식된다. 두 가지 색의 범위는 검은색 또는 어두운 색의 양극처리된 알루미늄에 대조되어 명확히 인식될 수 있다.

이로 인하여, 이에 연결된 초점 치수 및 에너지 밀도는 디포커싱(defocusing)에 의해 변하게 되고, 이는 초점 높이에 따라 한편으로는 질화 알루미늄의 서로 다른 선 너비로, 다른 한편으로는 산화 알루미늄의 서로 다른 선 너비로 도시되어 계산이 가능해진다. 따라서, 개선된 포커싱은 질화 트랙의 너비가 증가되도록 하고 산화 알루미늄 트랙의 너비는 감소되도록 한다. 도 3은 경계 영역에서 질화층(LN1)의 너비(bn1)를 도시하며, 상기 너비는 이에 상응하는 기판 중앙에서 개선된 초점을 받은 질화층(LN4)의 너비(bn4) 보다 작다. 반대로, 경계에서, 산화 알루미늄층(LO1)의 너비(bo1)가 중앙 범위에서의 및/또는 개선된 포커싱이 있는 알루미늄층(LO4)의 상응하는 너비(bo4)보다 크다. 각각의 경우, 선을 생성하는 이러한 형식은 포커싱이 있는 동안 반대 방향으로 행동하는 서로 다른 선들을 제공하기 때문에, 2개의 서로 다른 계산 방법들 또는 2개의 측정 방법의 조합조차 고려될 수 있다. 색깔이 있는 질화 범위가 색깔이 있는 산화 범위로부터 보다 용이하게 구분될 수 없기 때문에, 산화 트랙 너비에 기초한 초점 결정은 흑백 카메라 계산을 사용하여 보다 적합하게 된다. 하드 쉐도우(hard shadow)를 피하도록, 조명은 가능한 위쪽으로부터 목표물로 가능한 많이 떨어지도록 선택되어야 한다. 이미지 탐지부를 구비한 카메라는 초점 높이의 특정 개수를 위한 관련 선 너비를 탐지하고, 값을 출력하거나 또는 다른 내부적인 처리를 위해 그것을 저장한다. 모든 결정된 값의 제 2 차수의 다항 핏(polynomial fit)의 최소값의 결정으로부터 초점 위치 결정이 이루어진다. 다항 핏은 측정상의 결함을 막기 위해 수행된다. 이러한 방식으로 결정된 최소값은 시스템의 초점 위치에 상응한다.

도 4의 다른 예시적인 실시예에서, 초점 위치 결정을 위한 패턴이 원형으로 형성된 것이 도시된다. 이러한 방법에서, 원형 견본은 레이저 임펄스(impulse)가 최초 원형 중심점에 위치하도록 구성되며, 홀(hole)(ZL)이 스폿(spot) 지름(d)을 구비하도록 생성되고, 미리 결정된 반지름(r)을 구비한 원이 상기 중심점 둘레로 구성된다. 중앙 홀(ZL)의 지름(d) 및 외부 고리(RL)의 너비는, 이미지에서 백색으로 보이며 포커싱에 따라 작거나 크며, 각각의 경우 모두 레이저 빔의 포커싱에 상응하는 스폿 지름에 상응한다. 어두운 색의 고리(R)는 중앙 홀(ZL)과 외부 고리(R) 사이에서 남아 있으며, 그 너비는 중앙 홀(ZL) 및 외부 고리 홀(RL) 양쪽의 크기 변화에 의해 동시에 영향을 받아서, 그 결과 이러한 크기 변화가 특히 명백하고 용이하게 측정될 수 있다.

도 4 a는 초점 밖으로 가장 크게 설정된 레이저 빔의 경우를 도시한다. 이러한 경우에서, 스폿 지름(d1)은 특히 크며, 남아 있는 고리(R1)는 특히 작다. 후속되는 도 4 b, c, 및 d에서 스폿 지름(d2, d3, 및 d4)은 연속적으로 작아진다. 이에 상응하게, 홀들(ZL2, RL2, ZL3, RL3, 및 ZL4, RL4)은 점차 작아지며, 그동안 그 사이에 남아 있는 어두운 고리(R2, R3 및 최종적으로 R4)는 점차 넓어진다. 도 4 d는 레이저 빔의 최적 포커싱을 도시한다. 레이저와 견본 기판 사이의 거리에 있어서 또 다른 수정은, 디포커싱을 야기하며, 이로 인하여 스폿 지름의 증가를 야기한다. 따라서, 도 4 c에 상응하는 패턴이 도 4 d로부터 다시 이어진다.

설명을 위해 도시한 직선형 패턴 및 원형 고리 패턴에 추가하여, 본 발명에 따른 초점 결정을 위해서 임의의 다른 패턴들이 또한 생성될 수 있다.

Claims

기판(5), 특히 전기 기판을 처리하기 위한 기계에서, 레이저 빔(4)의 초점 위치를 결정하기 위한 방법으로서,

다수의 선형 패턴들(L1 내지 L9; LO1, LN1 내지 LO7, LN7; ZL1, RL1 내지 ZL4, RL4)이 상기 레이저 빔(4)에 의해 견본 기판(5)의 표면 위에 생성되며, 상기 레이저 빔(4)의 이미지 유닛(3)과 상기 편평한 기판 표면 사이의 거리가 점차적으로 수정되는 단계;

관련된 거리 값(z1 내지 z9)이 상기 생성된 각각의 패턴(L1 내지 L9; LO1, LN1 내지 LO7, LN7; ZL1, RL1 내지 ZL4, RL4)에 대하여 저장되는 단계;

상기 모든 패턴(L1 내지 L9; LO1, LN1 내지 LO7, LN7; ZL1, RL1 내지 ZL4, RL4)의 선 너비(b1 내지 b9, bo1, bn1 내지 bo7, bn7; d1 내지 d4)가 측정되고 상기 각각의 거리 값에 할당되는 단계(M1, M2); 그리고

가장 작은 선 너비(b_min)를 구비한 패턴이 결정되고, 상기 관련된 거리 값(z _F )이 상기 레이저 빔(4)의 초점 세팅으로서 확인되는 단계로 이루어지는,

레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,

제 1 측정 경로(S1, M1)에서는, 개략적 초점 영역(b_min1)를 결정하도록, 상기 레이저 빔(4)의 상기 이미지 유닛(3)과 상기 견본 기판(5) 사이의 거리가 넓은 폭들(z1 내지 z9)에서 변화되고,

제 2 측정 경로(S2, M2)에서는, 정확한 초점 세팅(z _F )을 확인하도록, 상기 레이저 빔(4)의 상기 이미지 유닛(3)과 상기 견본 기판(5) 사이의 거리가 결정된 상기 초점 영역 내에서 작은 폭(z3, z31 ... z49, z5)으로 수정되는 것을 특징으로 하는, 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 조사 폭(search step)들의 크기는 상기 레이저 빔(4)의 파장의 상관 관계로서 선택되고, 상기 조사 폭들이 점점 커질수록, 상기 파장이 보다 커지는 것을 특징으로 하는, 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 견본 기판(5)으로서 양극처리된 알루미늄 플레이트가 사용되고, 상기 레이저 빔의 중앙 범위에 상기 레이저 빔에 의해 생성된 선 구조체(LO1, LN1 내지 LO4, LN4)에 의해 기화되는 엘록살(eloxal)층과 그 아래에 배치된 질화되는 알루미늄층을 구비하며, 그동안 경계 영역에서 상기 엘록살이 산화 알루미늄으로 전환되고, 증가된 포커싱으로 질화 트랙(LN)의 너비(bn)가 증가되고 산화 트랙(LO)의 너비(bo)가 감소되어, 그 결과 선택적으로 질화 트랙(LN) 및 산화 트랙(LO) 또는 그 둘 중 어느 하나의 너비의 개선이 계산 내에 포함되는 것을 특징으로 하는, 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 패턴은 원형 선 구조(ZL1, RL1 내지 ZL4, RL4)의 형태로 생성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 패턴의 선 너비(bn) 및 구조 너비 또는 그 둘 중 어느 하나가 카메라(10)의 도움으로 측정되고, 그 측정 데이타는 공지된 이미지 처리 알고리즘에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는, 레이저 빔의 초점 위치를 결정하기 위한 방법.