KR20050111745A

KR20050111745A - 레이저 빔 제 3 위치 결정기 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20050111745A
Application number: KR1020057015668A
Authority: KR
Inventors: 스펜서 비. 바렛; 마크 에이. 언래쓰; 도널드 알. 커틀러
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-11-28
Also published as: TW200417094A; TWI291794B; EP1597013A1; CN100595017C; JP4711393B2; WO2004076117A1; DE60336083D1; US6706999B1; CN1758984A; JP2006514334A; AU2003287161A1; EP1597013B1; KR101129347B1; EP1597013A4; CA2517214A1

Abstract

본 발명의 제 3 위치 결정기 시스템(80)은, 레이저 빔(90)을 소재(92) 상의 타깃 위치(121)로 향하게 하기 위해 X- 및 Y-축 병진 스테이지(86, 88), 검류계 구동 미러(64, 66), 및 고속 조종 미러(FSM)(120)를 이용한다. 위치 결정 신호는 X- 및 Y-축 병진 스테이지를 구동하기 위해 필터링된 위치 데이터를 생성하는 저역 통과 필터(103)에 의해 수신된다. X- 및 Y-축 병진 스테이지의 실제 위치는 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러를 구동하기 위해 X-Y 위치 에러 신호를 생성하도록 필터링되지 않은 위치 결정 데이터로부터 감산된다. 실제 미러 위치는 레이저 빔의 명령받은 위치와 실제 위치 사이의 차이를 나타내는 위치 결정 에러 신호를 생성하기 위해 X- 및 Y-축 병진 스테이지의 실제 위치로부터 감산된다. 위치 결정 에러 신호는 FSM을 구동시켜, 임의의 위치 결정 에러를 빠르게 보정한다.

Description

레이저 빔 제 3 위치 결정기 장치 및 방법{LASER BEAM TERTIARY POSITIONER APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 전자 회로의 레이저 빔 처리에 관한 것으로, 더 구체적으로, 소재(workpiece) 및 레이저 빔을 서로에 대해 위치 결정(positioning)하기 위해 대강의(coarse), 중간 정도의, 및 세밀한 위치 결정 스테이지를 갖는 레이저 빔 및 기판 위치 결정 시스템을 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

레이저는, 에칭-회로 보드(ECB) 비아 드릴링(via drilling), 집적 회로(IC) 가용성 링크 연마, 회로 요소 트리밍(trimming), 및 실리콘, 압전-전기 및 세라믹 회로 소자의 미세-가공과 같은 다양한 연마(ablating), 드릴링, 및 미세-가공 응용에 오랫동안 사용되어 왔다. 이들 전자 회로 처리 응용 각각에서, 위치 결정기(positioner) 시스템은 소재 및 레이저 빔을 서로에 대해 위치 결정하는데 사용된다. 예를 들어, 일반적으로 ECB 비아 드릴링은 중간 정밀도의 긴 위치 결정 이동을 필요로 하는 반면, IC 가용성 링크 연마는 높은 정밀도의 짧은 위치 결정 이동을 필요로 한다. 따라서, 일반적으로 상이한 위치 결정기 구조는 각 응용에 사용된다.

기존의 위치 결정 시스템은, 소재가 제 1 축을 따라 이동하는 상부 스테이지에 고정되고, 제 1 축에 수직인 제 2 축을 따라 이동하는 하부 스테이지에 의해 지지되는 X-Y 병진 테이블을 특징으로 한다. 그러한 시스템은 일반적으로 고정된 레이저 빔 위치 또는 레이저 스폿과 같은 도구에 대해 소재를 이동시키고, 적층형 스테이지 위치 결정 시스템으로 공통적으로 지칭되는데, 이는 하부 스테이지가 소재를 지지하는 상부 스테이지의 관성 질량을 지지하기 때문이다. 그러나, 적층형 스테이지 위치 결정 시스템은 비교적 속도가 느린데, 이는 스테이지들의 관성 질량의 시작, 정지, 및 방향 변화가, 레이저 도구가 소재 상의 모든 타깃 위치를 처리하는데 필요한 시간을 증가시키기 때문이다.

분할-축 위치 결정 시스템에서, 상부 스테이지는 하부 스테이지에 의해 지지되지 않고, 하부 스테이지와 독립적으로 이동한다. 소재는 제 1 축 또는 스테이지 상에 놓이는 한편, 반사 미러 및 이와 연관된 레이저 빔 집속 렌즈와 같은 도구는 제 2 축 또는 스테이지 상에 놓인다. 분할-축 위치 결정 시스템은 소재의 전체 크기 및 중량이 증가함에 따라 유리하여, 더 길고 이에 따라 더 크고 무거운 스테이지를 이용한다. 분할 축 시스템은 미세-가공 및 ECB 비아 드릴링 응용에 종종 사용된다.

요즈음, 도구가 실질적으로 고정된 위치에 남아있는 동안 소재가 2개 이상의 엑추에이터(actuator)에 의해 이동가능한 단일 스테이지 상에 놓이는 평평한 위치 결정 시스템이 이용된다. 이러한 시스템은 엑추에이터의 작용력을 조정함으로써 소재를 2차원으로 병진시킨다. 몇몇 평평한 위치 결정 시스템은 또한 소재를 회전시킬 수도 있다.

도 1은, 한 쌍의 검류계 구동 미러(64 및 66)와 같은 고속의 짧은 이동 위치 결정기("고속 위치 결정기")(60)를 이용함으로써 레이저 빔의 2-축 편향을 제공하는 종래의 방법을 도시한다. 도 1은 고정된 미러(72)와 집속 광학 기재(optics)(78) 사이의 광축(70)을 따라 위치한 검류계-구동 X-축 미러(64) 및 검류계-구동 Y-축 미러(66)의 개략적인 도면이다. 각 검류계-구동 미러는 단일 축을 따라 레이저 빔을 편향시켜, 상기 빔을 소재(79) 위의 타깃 위치로 향하게 한다. Overbeck의 미국 특허 번호 4,532,402는 그러한 고속 위치 결정기를 이용하는 적층형 스테이지 빔 위치 결정 시스템을 개시하며, Cutler 등의 미국 특허 번호 5,751,585 및 5,847,960은, 상부 스테이지(들)가 적어도 하나의 고속 위치 결정기를 수용하는 분할-축 빔 위치 결정 시스템을 개시한다. 그러한 고속 위치 결정기들을 이용하는 시스템은 비아 드릴링과 같은 링크되지 않은 블로잉(blowing) 공정에 사용되는데, 이는 그러한 시스템이 일반적으로 "고정된" 레이저 헤드 위치 결정기만큼이나 정밀하게 빔을 전달할 수 없기 때문이다.

그러한 위치 결정기들의 분할-축 특성은 회전성 아뻬(Abbe) 에러를 야기할 수 있고, 검류계는 추가 위치 결정 에러를 야기할 수 있다. 더욱이, 2개의 검류계 제어 미러 사이에 분리가 있어야 하기 때문에, 미러 모두는 집속 광학 기재로의 입구 동공(entrance pupil) 근처에 위치될 수 없다. 이러한 분리로 인해 빔의 오프셋이 초래되며, 이러한 빔의 오프셋은 집속된 스폿의 품질을 저하시킬 수 있다. 더욱이, 2-미러 구조는 입구 동공이 집속 광학 기재로부터 더 멀리 변위되도록 하여, 집속 광학 기재의 복잡성을 증가시키고 개구수를 제한시키므로, 가장 작게 달성가능한 스폿 크기를 제한시킨다.

그러므로, 특정한 처리 응용에 부합하는 집속된 스폿 품질과 함께 위치 결정 속도, 거리 및 정밀도를 유지하면서, 더 높은 전자 회로 처리의 처리량을 달성하는 시스템 및 방법이 필요하다.

도 1은 상이한 각 단일 축을 따라 레이저 빔을 편향시키는 한 쌍의 검류계-구동 미러를 이용하는 종래 기술의 고속 위치 결정기를 개략적으로 도시한 측면도.

도 2는 본 발명의 제 3 레이저 빔 위치 결정 시스템의 전기 블록도와 조합된 도면.

도 3은 도 2의 제 3 레이저 빔 위치 결정 시스템에 사용된 레이저 빔 편향 스테이지의 전기 블록도와 조합된 도면.

도 4a는 선형 및 검류계 스테이지를 이용하는 종래 기술의 위치 결정기에 대한 작업 윤곽(working envelope)을 개략적으로 도시한 도면.

도 4b는 도 4a의 종래 기술의 위치 결정기에 의해 요구된 이동, 고정, 구멍 드릴링, 및 전체 구멍 처리 시간을 도시한 바 그래프.

도 5a는 선형, 검류계, 및 FSM 스테이지를 이용하는 본 발명의 제 3 위치 결정기에 대한 작업 윤곽을 개략적으로 도시한 도면.

도 5b는 도 5a의 제 3 위치 결정기에 의해 요구된 검류계 이동, FSM 이동, 고정, 구멍 드릴링, 및 전체 구멍 처리 시간을 도시한 바 그래프.

도 6은 본 발명의 2-축 FSM 응용을 개략적으로 도시한 횡단면도.

그러므로, 본 발명의 목적은 더 높은 전자 회로 레이저 처리의 처리량을 달성하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 다양한 전자 소재 처리 응용을 위해 위치 결정 정밀도, 속도 및 레이저 스폿 크기를 최적화하도록 협력하는 선형의 검류계 및 2-축 조종 미러 스테이지를 이용하는 위치 결정기 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 전자 회로 레이저-기반의 처리 응용을 위해 조정된 운동을 이용하는 위치 결정기 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 위치 결정기 시스템의 바람직한 실시예는, 레이저 빔 편향 스테이지, X-축 병진 스테이지, 및 Y-축 병진 스테이지를 제어하여 레이저 빔을 IC 또는 ECB와 같은 소재 상의 타깃 위치로 향하게 하기 위해, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(이후에 단독으로 또는 집합적으로 "DSP"로 지칭됨)와 같은 프로세실 소자의 조합을 이용한다. 제 3 위치 결정 시스템이 X-축 병진 스테이지 상에 장착된 단일 레이저 빔 편향 스테이지 및 Y-축 병진 스테이지 상에 장착된 단일 소재로 구성되지만, 다중 레이저 빔 편향 스테이지가 적층형, 분할형, 또는 평평한 위치 결정기와의 조합으로 사용되는 위치 결정 시스템과 같은 위치 결정 시스템의 다른 구성도 가능하다.

시스템 제어 컴퓨터는 데이터베이스 저장 서브시스템에 저장된 도구 경로 데이터베이스를 처리한다. 데이터베이스는 소재에서 레이저 빔을 이용하여 구멍 또는 프로파일(profile)을 절단하기 위한 원하는 처리 파라미터를 포함한다. 시스템 제어 컴퓨터는 저장된 데이터베이스의 레이저 제어부를 레이저 제어기로 전달하고, 위치 제어부를 데이터 스트림으로서 프로파일링(profiling) 프로세스로 전달하는데, 상기 프로파일링 프로세스는 데이터 스트림을 소재에 걸쳐 레이저 빔의 경로에서의 각각 의도된 변화에 대한 위치, 속도, 및 시간 성분으로 분해한다.

레이저 제어기는 프로파일링 프로세스에 의해 생성된 타이밍 데이터에 의해 제어되고, 레이저의 발사를 레이저 빔 편향 스테이지 및 X- 및 Y-축 병진 스테이지의 운동에 동기화하는 트리거링 프로세스에 의해 추가로 조정된다.

위치 결정 명령은 일정한 신호 전파 지연 L을 갖는 저역 통과 필터, 및 전파 지연을 보상하는 지연 L 소자에 의해 수신된다. 저역 통과 필터는 저역 통과 필터링된 위치 명령 데이터를 가산기를 통해 저주파수 제어기로 전달하고, 상기 저주파수 제어기는 X- 및 Y-축 병진 스테이지를 구동한다. 지연 L 소자는 레이저 빔 편향 스테이지를 구동시키기 위해 필터링되지 않은 위치 결정 명령을 위치 프로파일러로부터 신호 처리 소자로 전달한다.

X- 및 Y-축 병진 스테이지는 위치 센서를 포함하는데, 상기 위치 센서는, 제어 루프를 폐쇄하고 병진 스테이지를 명령받은 위치로 향하게 하기 위해 병진 스테이지의 실제 위치를 저역 통과 필터링된 명령 데이터로부터 실제 위치를 감산하는 가산기로 전달한다.

다른 가산기는 지연된 위치 결정 명령으로부터 실제 위치를 감산하고, 중간-통과 필터 및 지연 M 소자로 전달되는 저주파수 스테이지 위치 에러 신호를 생성한다. 중간-통과 필터링 위치 에러 데이터는 가산기를 통해 중간-주파수 제어기로 전달되고, 상기 중간-주파수 제어기는 레이저 빔 편향 스테이지에서 검류계-편향 미러를 구동한다. 중간-통과 필터(109)가 일정한 시간 지연 M을 갖는 필터링된 위치 에러 데이터를 생성시키기 때문에, 일정한 시간 지연 M은 지연 M 소자에 의해 보상되고, 상기 지연 M 소자는, 레이저 빔 편향 스테이지를 구동시키기 위해 저주파수 에러 데이터를 신호 처리 소자로 전달하는 것을 지연시킨다.

검류계-편향 미러는 위치 센서를 포함하고, 상기 위치 센서는, 제어 루프를 폐쇄하고 검류계 구동 미러를 명령받은 위치로 향하게 하기 위해 검류계 미러의 실제 위치를 중간-통과 필터링된 에러 데이터로부터 실제 위치를 감산하는 가산기로 전달한다.

또 다른 가산기는 생성되는 지연된 에러 신호로부터 실제 검류계 위치 신호를 감산하고, 고주파수 제어기로 전달되는 고주파수 스테이지 위치 에러 신호를 생성하고, 상기 고주파수 제어기는 레이저 빔 편향 스테이지에서 고주파수 스테이지를 구동시킨다.

본 발명은 레이저 빔 편향 스테이지 내에 FSM을 추가함으로써 저주파수 및 중간 주파수 스테이지 고정 시간의 작용력을 실질적으로 감소시킨다.

FSM을 이용하는 제 3 위치 결정기 시스템은, 타깃 위치 사이에 레이저 빔을 이동시키는데 필요한 시간을 감소시키고 각 위치에서의 처리 시간을 감소시킴으로써 전자 회로 처리의 처리량을 증가시킨다. 제 3 위치 결정 스테이지로서 FSM을 추가하는 것은 더 정밀한 위치 결정을 제공하는데, 이는 제 1의 2개 스테이지에 의해 야기된 위치 및 고정 시간 에러가 FSM에 의해 보정될 수 있기 때문이다.

대안적인 실시예에서, FSM은 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러로부터 레이저 빔을 수신하도록 위치 결정될 수 있고, 상기 레이저 빔을 집속 광학 기재를 통해 소재쪽으로 편향시킨다.

본 발명의 추가 목적 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 전개되는 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

빔 위치 결정 시스템은 레이저 제어기를 이용하는 것이 바람직한데, 상기 레이저 제어기는 적층형, 분할-축, 또는 평평한 위치 결정기 시스템을 제어하고, 조종가능 반사기로 조정하여, 레이저 빔을 전자 회로 소재 상의 원하는 타깃 위치를 타깃으로서 집속시킨다. 빔 위치 결정 시스템은, 본 명세서에 참고용으로 병합되고 본 출원의 양수인에 양도된 Cutler 등의 미국 특허 출원 번호 5,751,585, 5,798,927, 및 5,847,960에 기재된 개선점, 빔 위치 결정기, 및 조정된 운동 기법 중 임의의 것을 대안적으로 또는 추가적으로 이용할 수 있다. 본 출원의 양수인인, 오리곤주, 포틀랜드의 ESI에 의해 제조된 9800 모델 시리즈에서 사용된 시스템 뿐 아니라, 종래의 다른 고정된 헤드 또는 선형 모터 구동 위치 결정 시스템이 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제 3 위치 결정기 시스템(80)의 분할 스테이지 실시예를 도시하며, 이 실시예는, 레이저 빔 편향 스테이지(84), X-축 병진 스테이지(86), 및 Y-축 병진 스테이지(88)를 제어하여 레이저 빔(90)을 IC 또는 바람직하게 ECB와 같은 소재(92) 상의 타깃 위치로 향하게 하기 위해 디지털 신호 프로세서("DSP")(82)와 같은 컴퓨터를 이용하는 레이저-기반의 구멍 절단 시스템을 참조하여 예로서 설명된다. 위치 결정 시스템(80)이 X-축 병진 스테이지(86) 상에 장착된 단일 레이저 빔 편향 스테이지(84), 및 Y-축 병진 스테이지(88) 상에 장착된 단일 소재(92)로 구성되지만, 다중 스테이지(84)가 적층형, 분할, 또는 평평한 위치 결정기와 조합하여 사용되는 위치 결정 시스템과 같은 위치 결정 시스템의 다른 구성도 가능하다. 단지 X-축 부분만이 본 명세서에 도시되고 설명되지만, DSP(82)가 실질적으로 동일한 X- 및 Y-축 부분을 포함한다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

시스템 제어 컴퓨터(93)는 데이터베이스 저장 서브시스템에 저장된 도구 경로 데이터베이스(94)를 처리한다. 도구 경로 데이터베이스(94)는 소재(92)에서 레이저 빔(90)으로 구멍, 프로파일, 또는 링크를 절단하기 위한 원하는 처리 파라미터를 포함한다. 시스템 제어 컴퓨터(93)는 저장된 데이터베이스의 레이저 제어 부분을 레이저 제어기(96)로 전달하고, 위치 제어 부분을 데이터 스트림으로서 프로파일링 프로세스(98)로 전달한다. 프로파일링 프로세스(98)는 소재(92)에 걸친 레이저 빔(90)의 경로에서의 각 의도된 변화를 위해 데이터 스트림을 프로파일링 위치(dP)("dx" 및 "dy"), 프로파일링 속도(dV)("dvx" 및 "dvy"), 및 프로파일링 시간(dT)("dtx" 및 "dty")으로 분해한다. 따라서, 레이저 빔(90)의 각 이동은 위치 프로파일러(100)에 의해 추가로 처리되는 dx, dy, dvx, dvy, dtx, 및 dty 성분에 한정된다.

레이저 제어기(96)는 프로파일링 프로세스(98)에 의해 생성된 타이밍 데이터에 의해 제어되고, 레이저(102)의 발사를 레이저 빔 편향 스테이지(84) 및 X- 및 Y-축 병진 스테이지(86 및 88)의 운동에 동기화하는 지연 L+M(101)에 의해 추가로 조정된다. 지연 L+M(101)은 도 2를 참조하여 더 구체적으로 설명된다.

프로파일링 프로세스(98)에 의해 생성된 dx, dy, dvx, dvy, dtx, 및 dty 성분은 데이터베이스에 의해 명령받은 바와 같이 X- 및 Y-축 병진 스테이지(86 및 88)를 이동하는데 필요한 위치 결정 신호로 위치 프로파일러(100)에 의해 추가로 처리된다. 위치 결정 신호의 순간 값은 초당 적어도 10,000 포인트의 비율로 DSP(82)에 의해 생성된다.

결과적인 위치 결정 신호는, 일정한 신호 전파 지연 L을 갖는 저역 통과 필터(103), 및 저역 통과 필터(103)의 일정한 신호 전파 지연 L을 보상하는 지연 L 소자(104)에 의해 수신되는 가속 및 위치 성분을 갖는다. 저역 통과 필터(103) 및 지연 L 소자(104)는 또한 아래에 설명되는 바와 같이 협력하여, 규정된 한계 내에서 그 가속을 유지시키면서 위치 프로파일에 걸쳐 위치 결정기 스테이지(86 및 88) 및 레이저 빔 편향 스테이지(84)를 이동시킨다.

저역 통과 필터(103)에 의해 수신된 위치 명령은 저역 통과 필터링된 위치 명령 데이터를 가산기(105)를 통해 저주파수 제어기(106)로 전달하고, 상기 저주파수 제어기(106)는 다시 X-축 병진 스테이지(86)를 구동시킨다(모두 도면 및 블록도로 도시됨). 저역 통과 필터링된 위치 명령 데이터는 X- 및 Y-축 병진 스테이지(86 및 88)의 응답 대역폭에 매칭되고, 상기 병진 스테이지들은 레이저 빔 편향 스테이지(84)에서의 더 높은 응답 대역폭 위치 결정기보다 더 느리게 이동하여 놓인다. 저역 통과 필터(103)는 임계 댐핑율(damping ratio)을 갖는 2개 이상의 2차 필터를 캐스케이드(cascading)함으로써 DSP(82)에서 구현되는 4차 저역 통과 필터인 것이 바람직하다. 저역 통과 필터(103)가 위치 명령에 대해 일정한 시간 지연 L을 갖는 필터링된 위치 명령 데이터를 생성하기 때문에, 일정한 시간 지연 L은 지연 L 소자(104)에 의해 보상된다. 지연 L 소자(104)는 레이저 빔 편향 스테이지(84)를 구동하기 위해 필터링되지 않은 위치 결정 명령을 위치 프로파일러(100)로부터 신호 처리 소자로 전달할 때 프로그래밍된 지연으로서 DSP(82)에서 구현되는 것이 바람직하다.

X- 및 Y-축 병진 스테이지(86 및 88)는, 그 중 하나가 X-축 병진 스테이지(86)의 실제 위치 신호를 가산기(105)로 전달하는 위치 센서(107)를 포함한다. 가산기(105)는, 제어 루프를 폐쇄하고 X-축 병진 스테이지(86)를 명령받은 위치로 향하게 하기 위해 저역 통과 필터링된 명령 데이터로부터 실제 위치 데이터를 감산한다.

다른 가산기(108)는, 지연 L 소자(104)에 의해 생성된 지연된 위치 결정 명령으로부터 위치 센서(107)로부터 나오는 실제 위치 신호를 감산하고, 중간 통과 필터(109) 및 지연 M 소자(110)로 전달되는 저주파수 스테이지 위치 에러 신호를 생성한다. 중간 통과 필터(109)에 의해 수신된 저주파수 스테이지 에러 신호는 중간 통과 필터링된 위치 에러 데이터를 가산기(111)를 통해 중간 주파수 제어기(112)로 전달하고, 상기 중간 주파수 제어기(112)는 다시 레이저 빔 편향 스테이지(84)에서 검류계-편향 미러(66)를 구동한다(모두 도면 및 블록 형태로 도시됨). 중간 통과 필터링된 위치 에러 데이터는 검류계 편향된 미러(66)의 응답 대역폭에 매칭된다. 중간 통과 필터(109)는 임계 댐핑율을 갖는 2개 이상의 2차 필터를 케스케이드함으로써 DSP(82)에서 구현되는 4차 저역 통과 필터인 것이 바람직하다. 중간 통과 필터(109)가 에러 신호에 대해 일정한 시간 지연 M을 갖는 필터링된 위치 에러 데이터를 생성하기 때문에, 일정한 시간 지연 M은 지연 M 소자(110)에 의해 보상된다. 지연 M 소자(110)는 레이저 빔 편향 스테이지(84)를 구동하기 위해 가산기(108)로부터의 에러 데이터를 신호 처리 소자로 전달할 때 프로그래밍된 지연으로서 DSP(82)에서 구현되는 것이 바람직하다.

검류계-편향 미러(64 및 66)는, 그 중 하나가 검류계 구동 미러(66)의 실제 위치 신호를 가산기(111)로 전달하는 위치 센서(113)를 포함한다. 가산기(111)는, 제어 루프를 폐쇄하고 검류계 구동 미러(66)를 명령받은 위치로 향하게 하기 위해 중간 통과 필터링된 에러 데이터로부터 실제 위치 신호를 감산한다.

또 다른 가산기(114)는 지연 M 소자(110)에 의해 생성된 지연된 에러 신호로부터 위치 센서(113)로부터의 실제 위치 신호를 감산하고, 선택적인 가산기(115)(점선으로 도시됨)를 통해 고주파수 제어기(116)로 전달되는 중간 주파수 스테이지 위치 에러 신호를 생성하고, 상기 고주파수 제어기(116)는 다시 레이저 빔 편향 스테이지(84)에서 고주파수 스테이지(117)를 구동한다(모두 도면 및 블록 형태로 도시됨). 중간 주파수 스테이지 위치 에러 신호는 고주파수 스테이지(117)의 응답 대역폭에 매칭된다. 고주파수 스테이지(117)는, 그 중 하나가 고주파수 스테이지(117)의 실제 위치 신호를 선택적인 가산기(115)로 전달하는 선택적인 위치 센서(118)를 포함할 수 있다. 가산기(115)는, 제어 루프를 폐쇄하고 고주파수 스테이지(117)를 명령받은 위치로 향하게 하기 위해 중간 주파수 스테이지 에러 신호로부터 실제 위치 신호를 감산한다.

지연 L+M(101)을 다시 참조하면, 레리저 빔(90)이 소재(92) 상의 명령받은 위치로 적절히 향할 때까지 레이저(102)가 발사되지 않아야 한다는 것을 당업자는 이제 이해할 것이다. 이것이 발생하기 위해, 위치 프로파일러(100)로부터의 위치 결정 명령은 지연 L 소자(104) 및 지연 M 소자(110)를 통해 전파되어야 한다. 따라서, 지연 L+M(101)은 지연 L 소자(104) 및 지연 M 소자(110)의 지연의 합을 포함하는 것이 바람직하다.

도 3은 레이저 빔 편향 스테이지(84)의 바람직한 실시예를 도시한다. 또한 도 1 및 도 2를 참조하면, 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러(64 및 66)는 중간 주파수 제어기(112)로부터 구동 신호를 수신한다. 본 발명은, 레이저 빔 편향 스테이지(84) 내에 고주파수 스테이지(117)를 추가함으로써 저주파수 및 중간 주파수 스테이지 고정 시간의 작용력을 실질적으로 감소시킨다. ECB 비아 드릴링, 회로 소자 트리밍, 및 미세-가공 응용에 관한 것인 바람직한 실시예에서, 고주파수 스테이지(117)는, 레이저 빔(90)을 수신하고 이 레이저 빔을 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러(64 및 66) 및 대물 렌지(78)를 통해 소재(92) 상의 타깃 위치(121)로 편향시키도록 위치되는 FSM(120)을 포함한다.

FSM(120)은 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러(64 및 66)보다 더 높은 주파수 응답을 갖는 전기 왜곡 엑추에이터(electrostrictive actuator)에 의해 편향된다. FSM(120)은 전압을 변위로 변환하는 리드 마그네슘 니오베이트(PMN) 엑추에이터(122)에 의해 편향되는 것이 바람직하다. PMN 물질은 더 공통적인 압전 엑추에이터 물질과 유사하지만, 1퍼센트의 히스테리시스보다 적다. 바람직한 PMN 엑추에이터(122)는 PMN 물질의 10mm 길이의 중공 원통에 대해 약 5미크론의 제한된 변위를 갖지만, 5mm 직경의 원통에 대해 미크론당 약 210N의 매우 높은 강성(stiffness)을 갖는다. 바람직한 실시예는 3개의 활성 영역으로 전기적으로 분리되는 PMN 물질의 단일의 중공 원통이다. 영역을 활성화하는 것은 연관된 측면이 확장하도록 하고, 이를 통해 약 ±1 mRad의 각도 범위까지 FSM(120)을 기울이거나 경사지게 한다.

대안적으로, FSM(120)은 FSM(120)의 중심(124)과 정렬된 중심을 갖는 정삼각형으로서 배치된 제 1 단부를 갖는 3개의 개별적인 PMN 엑추에이터(122)에 만곡부를 통해 결합될 수 있다. PMN 엑추에이터(122)의 제 2 단부는 X-축 병진 스테이지(86)에 부착하는 장착부(126)에 기계적으로 결합된다. 3개의 PMN 엑추에이터(122)는 FSM(120)을 기울이고 경사지게 하기 위해 2-자유도 모드로 사용되는 3-자유도 구성에서 구현되는 것이 바람직하다. 특히, 엑추에이터 삼각형은 5mm 측면을 가져서, FSM(120)은 약 ±4 mRad 각도로 편향될 수 있고, 이것은 80mm 대물 렌즈(78)로 소재(92) 상에 투사될 때 레이저 빔(90)의 ±640 미크론 편향으로 병진한다.

고주파수 스테이지(117)는 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러(64 및 66)보다 더 높은 고주파수 및 가속도로 동작한다. 특히, PMN 엑추에이터(122)는 약 2.0 ㎌ 특성 커패시턴스, 1.0Ω DC 임피던스, 5kHz에서의 17Ω임피던스를 갖고, 75 V의 구동 전압에서 3A 이상의 전류가 흐른다. PMN 엑추에이터 구동 FSM(120)은 약 5kHz보다 큰 넓은-신호 대역폭, 약 8kHz보다 큰 작은-신호 대역폭, 및 약 ±0.5 미크론 위치 결정 정밀도로 레이저 빔(90)을 편향시키기 위한 적어도 약 ±1 mRad의 편향 각도를 갖는다.

전술한 고주파수 스테이지 성능을 참조하여, 가산기(114)에 의해 전개된 위치 결정 에러 신호는 선택적인 가산기(115)로 전달되고, 상기 선택적인 가산기의 출력은 PMN 엑추에이터(122)를 구동하기 위해 고주파수 제어기(116)로 전달된다. 선택적인 FSM 위치 센서(132)는 임의의 잔류 FSM(120) 위치 결정 에러를 보정하기 위해 FSM 실제 위치 신호를 선택적인 가산기(115)에 제공한다. 선택적인 FSM 위치 센서(132)는, FSM(120)로부터 쿼드-감지(quad-sensing) 다이오드 어레이와 같은 위치-감지 검출기(138) 상으로 반사하는 레이저 빔(136)을 생성하는 위치 레이저(134)를 포함한다. FSM(120)이 편향될 때, 레이저 빔(136)은 편향각의 함수로서 위치-감지 검출기(138)의 중심으로부터 멀리 편향된다. 위치-감지 검출기(138)는 FSM(120) 편향각을 나타내는 신호 또는 신호들을 제공함으로써 응답한다. 용량성- 및 스트레인(strain) 게이지-기반의 위치 센서를 포함하는 대안적인 FSM 위치 센서 실시예가 가능하다.

고주파수 스테이지(117)를 이용하는 제 3 위치 결정기 시스템(80)은, 타깃 위치(118) 사이에서 이동하는데 필요한 시간을 감소시키고 각 위치에서 처리 시간을 감소시킴으로써 전자 회로 처리의 처리량을 증가시킨다. 이것은 또한 이전에 가능하지 않은 새로운 프로세스를 가능하게 한다. 제 3 위치 결정 스테이지로서 고주파수 스테이지(117)를 추가함으로써 더 정밀한 위치 결정을 제공하는데, 이는 저주파수 및 중간 주파수 스테이지에 의해 야기된 위치 결정 및 고정 시간 에러가 보정될 수 있기 때문이다.

제 3 위치 결정기 시스템(80)에 대한 몇몇 추가적인 유리한 응용의 예는 아래에 설명한다.

인공 스폿 확장(artificial Spot Enlarging): 위치 프로파일러(100)는 제 3 위치 결정기 시스템(80)에게, 작은 원 또는 진동으로 레이저 빔(90)의 위치를 또한 이동시키는 동안 미리 결정된 도구 경로에 따르도록 명령한다. 이러한 빔 이동은 더 큰 영역에 걸쳐 레이저 빔(90)의 에너지를 분배하고, 도구 경로를 따라 효과적으로 더 넓게 절단한다. 이러한 빔 운동은 더 큰 영역에 걸쳐 레이저 에너지를 또한 확장하고, 이것은 프로세스 윈도우(process window)를 제어하는데 도움을 줄 수 있고, 이를 통해 이미징된(imaged) 스폿에 대한 필요성을 감소시킨다.

빔 고정(Beam Settling): FSM(120)은 검류계 에러를 포함하는 잔류 위치 결정 에러를 보정하고, 이것은 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러(64 및 66)가 더 적극적으로 튜닝되도록 하고, 이것은 타깃간(target-to-target) 이동 시간을 감소시킨다. 이것은 또한 위치 결정 정밀도를 개선시키는데, 이는 시스템이 검류계 부정확성, "크립(creep)" 및 허용 오차 변화를 보정하기 때문이다. ±5-10 미크론 고속의 정밀도로 검류계-구동 X- 및 Y-축 미러(64 및 66)는 FSM(120)에 의해 실질적으로 보정될 수 있다.

ECB 비아 드릴링: 레이저(102)의 전력이 증가되기 때문에, 대응하는 속도 증가는 트레패닝(trepaning) 및 나선형 드릴링에 필요하다. 검류계는 일반적으로 약 1 내지 1.5kHz인 동작 대역폭에 의해 한정된다. FSM(120)이 적어도 5kHz 동작 대역폭, 및 적어도 드릴링되는 구멍 직경만큼 큰 운동 범위를 갖기 때문에, 빠른 트레패닝 및 나선형 드릴링 위치 결정 명령은, 명령받은 빔 위치가 일정하게 유지되는 동안 위치 프로파일(100)을 통해 향하게 될 수 있다.

작은 각도 위치 결정: 위치 결정기 스테이지의 이동 범위는 종종 "작업 윤곽"이라 언급된다. FSM(120)이 검류계 스테이지(64 및 66)의 현재 위치 앞에 새로운 타깃 위치에서 위치 레이저 빔(90)에 대한 충분히 큰 작업 윤곽을 갖는다면, 다음 타깃 위치의 처리는 검류계 스테이지(64 및 66)가 완전히 재위치 결정되기 전에 시작할 수 있다. 검류계 스테이지(64 및 66)는 새로운 타깃 위치가 처리될 때 최종 위치로 이동한다. 검류계 스테이지(64 및 66)가 최종 위치로 이동할 때, FSM(120)는 중심 위치로 다시 이동한다.

제 3 위치 결정기 시스템(80)의 처리량 장점을 이해하기 위해, 도 4a는, 선형 스테이지 작업 윤곽(150) 및 검류계 스테이지 작업 윤곽(152)을 갖는 종래 기술의 위치 결정기의 성능을 나타낸다. 도 4b는, 현재 타깃 위치(156)로부터 새로운 타깃 위치(158)로 500미크론 이동하고 새로운 타깃 위치(158)에서 구멍을 드릴링하는데 필요한 총 처리 시간(154)을 도시한다. 이러한 종래 기술의 예는, 검류계 스테이지가 1.0ms 동안 500미크론 이동을 수행하고, 0 내지 1ms 고정 시간, 및 1.0ms의 구멍 드릴링 시간을 갖는다고 가정된다. 그러므로, 총 이동 및 구멍 처리 시간(154)은 2.0ms 내지 3.0ms이다.

이와 대조적으로, 도 5a는, 선형 스테이지 작업 윤곽(150), 검류계 스테이지 작업 윤곽(152), 및 FSM 작업 윤곽(160)을 갖는 본 발명의 제 3 위치 결정기의 성능을 나타낸다. 도 5b는, 현재 타깃 위치(156)로부터 새로운 타깃 위치(158)로 500미크론 이동하고 새로운 타깃 위치(158)에서 구멍을 드릴링하는데 필요한 총 처리 시간(162)을 도시한다. 이러한 예는, 검류계 스테이지가 1.0ms 동안 500미크론 이동을 수행하고, 0.0ms 내지 1.0ms 고정 시간, 및 1.0ms의 구멍 드릴링 시간을 갖는다고 또한 가정된다. 이러한 예에서, FSM은 ±125 미크론 작업 윤곽을 갖고, 총 처리 시간(162)은 도 5b에 도시된 바와 같이 다음 성분을 포함한다. 125미크론 FSM 이동(164)은 500미크론 검류계 이동(166)에서 동시에 시작한다. FSM 이동(164)은 0.2ms 동안 FSM 작업 윈도우(160)의 한계에 도달하는 한편, 검류계 이동(166)은 계속된다. FSM 이동(164)에 검류계 이동(166)을 더함으로써, 새로운 타깃 위치(158)에 0.6ms 동안에 도달되고, 이 시간에 1.0ms 드릴링 시간(168)은 시작되는 한편, 검류계 이동(166)은 완료되고 고정되고, FSM은 검류계 이동(166)의 완료 및 고정에 의해 생성된 위치 결정 에러를 보정한다. 그러므로, 총 이동 및 구멍 처리 시간(162)은 1.6ms인데, 이것은 종래 기술의 위치 결정 시스템에 걸쳐 16% 처리량 개선을 나타낸다. 이 개선률은 고정 시간이 1.0ms인 경우 47%이다.

큰 각도 위치 결정: 전술한 예에서의 FSM이 ±500미크론 작업 윤곽을 갖는 경우, 500미크론 이격된 구멍 사이의 총 이동 시간은 5의 인자만큼 감소되고, 그 처리량은 40%만큼 증가한다.

도 6은 일반적인 2-축 조종 미러 시스템(200)을 도시한다. 선회점(204) 주위의 2개 축에서 미러(202)를 기울이기 위한 다양한 기술이 사용될 수 있다. 이러한 기술은, 미러 표면을 변형시키기 위해 만곡 메커니즘 및 음성 코일 엑추에이터, 압전기, 압전기 물질, 또는 PMN 엑추에이터 물질의 변형에 의존하는 압전기 엑추에이터, 및 압전기 또는 압전기 엑추에이터를 이용하는 FSM을 포함한다. 적합한 음성 코일 작동형 FSM은 콜로라도, 브룸필드(Broomfield)에 위치한 Ball Aerospace Corporation, 및 캘리포니아, 어빈(Irvine)에 위치한 Newport Corporation으로부터 이용가능하다. 적합한 압전기 엑추에이터는 독일, Karlsruhe에 위치한 Physik Instrumente("PI") GmbH & Co.에 의해 제조된 모델 S-330 Ultra-Fast Piezo Tip/Tilt 플랫폼이다.

일반적으로, 검류계 편향 미러는 반도체 웨이퍼 처리와 같은 응용에서 사용되지 않는데, 이는 상기 미러 각각이 단지 하나의 축에 대해 미러를 기울이기 때문이다. 더욱이, 한 쌍의 물리적으로 분리된 검류계 미러는 2개의 작동축에 필요하다. 이러한 분리는, 반도체 웨이퍼의 표면에서 고품질의 레이저 스폿을 유지시키기 위해 집속 렌즈(208)의 입구 동공(206) 근처에 위치한 하나의 선회점 주위에서 작동이 발생하는 요구와 호환되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 특히 정밀도 및 잘 집속된 레이저 스폿을 유지시키기 위해 미러(202) 앞에 그리고 단일-축 및 작은 편향 구성을 사용하는 경우 그러한 응용에서 검류계 편향 미러를 사용하는 것이 가능하다. 작은 편향이 사용되면, 2개의 작은 검류계-편향 미러는 기존의 대역폭보다 더 높은 대역폭으로 동작하도록 이용될 수 있다.

물론, 다른 판매자 또는 다른 유형의 미러 또는 엑추에이터 설계는 본 발명과 함께 사용하는데 적합하다.

모든 다른 전술한 장점 이외에, 본 발명은 에러를 보정하기 위해 2차 또는 제 3 시스템을 이용하여 선형 모터 및 검류계-구동 미러에 대한 요구조건{저크(jerk) 시간, 고정 시간}에 대한 완화를 허용한다. 이것은 선형 및 검류계 위치 결정기의 비용을 실질적으로 감소시키고, 또한 선형 및 검류계 스테이지의 가속 한계에 대한 시스템 처리량의 의존성을 감소시킨다.

본 발명의 FSM 시스템이 ECB 비아 드릴링, 미세-가공, 및 레이저 트리밍 응용에 사용하기 위해 적응될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다.

본 발명의 부분이 바람직한 실시예에 대해 전술한 구현과 상이하게 구현될 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 저주파수, 중간 주파수, 및 고주파수 스테이지 실시예에 한정되지 않지만, 위치 명령의 매우 높은 주파수의 주파수 부분에 응답하는 매우 높은 주파수 위치 결정기 스테이지와 같은 추가 스테이지를 포함할 수 있다. 또한, DSP는 별도의 성분의 전체 또는 일부분과 구현될 수 있는데, 이들 성분 몇몇은 아날로그 성분이다. 예를 들어, 가산기는 아날로그 가산 접합으로서 구현될 수 있지만, 코딩된 프로그램으로서 구현되는 것이 바람직하다.

본 발명의 기본 원리에서 벗어나지 않고도 본 발명의 전술한 실시예에 대한 세부사항에 많은 변화가 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명이 전자 성분 처리에서 발견된 것 외의 레이저 빔 조준 응용에도 적용가능하다는 것이 인식될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 다음 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 소재 및 레이저 빔을 서로에 대해 위치 결정)하기 위해 대강의(coarse), 중간 정도의, 및 세밀한 위치 결정 스테이지를 갖는 레이저 빔 및 기판 위치 결정 시스템을 이용하는 시스템 및 방법 등에 이용된다.

Claims

위치 명령에 응답하여 레이저 빔을 소재(workpiece) 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치로서,

상기 위치 명령의 저주파수 부분에 응답하여 상기 소재 및 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 낮은 대역폭 위치 결정기(positioner) 스테이지와;

상기 위치 명령의 중간 주파수 부분에 응답하여 상기 소재 및 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 중간 대역폭 위치 결정기 스테이지와;

상기 위치 명령의 고주파수 부분에 응답하여 상기 소재 및 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 높은 대역폭 위치 결정기 스테이지를

포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 높은 대역폭 위치 결정기 스테이지는 고속 조종 미러 (steering mirror)를 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 고속 조종 미러는 상기 위치 명령에 의해 한정된 타깃 위치와, 적어도 상기 낮은 대역폭 및 중간 대역폭 위치 결정기 스테이지의 실제 위치 사이의 차이에 응답하여 위치 결정되는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 낮은 대역폭 위치 결정기 스테이지의 실제 위치를 측정하기 위한 센서를 더 포함하고, 여기서 상기 고속 조종 미러는 상기 낮은 대역폭 위치 결정기 스테이지의 실제 위치와 상기 위치 명령에 의해 한정된 상기 타깃 위치 사이의 차이에 응답하여 위치되는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 중간 대역폭 위치 결정기 스테이지는 적어도 하나의 검류계-구동 미러와, 상기 중간 대역폭 위치 결정기 스테이지의 실제 위치를 측정하기 위한 센서를 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 5항에 있어서, 상기 고속 조종 미러는 상기 중간 대역폭 위치 결정기 스테이지의 실제 위치와 상기 위치 명령에 의해 한정된 타깃 위치 사이의 차이에 응답하여 위치되는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 위치 명령의 매우 높은 주파수(very-high-frequency) 주파수 부분에 응답하여 상기 소재 및 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 매우 높은 주파수 위치 결정기 스테이지를 더 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 낮은 대역폭 위치 결정기 스테이지는 적층형 구성, 분할-축 구성, 또는 평평한 구성으로 배치되는 선형 스테이지를 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 높은 대역폭 위치 결정기 스테이지는 2축을 따라 상기 레이저 빔을 편향시키는 고속 조종 미러를 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 9항에 있어서, 상기 고속 조종 미러는 음성 코일 엑추에이터, 압전기 엑추에이터, 전기 왜곡(electrostrictive) 엑추에이터, 또는 리드 마그네슘 니오베이트(lead magnesium niobate) 엑추에이터 중 적어도 하나에 의해 위치되는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 9항에 있어서, 상기 고속 조종 미러는 상기 고속 조종 미러의 실제 위치를 결정하기 위한 위치 센서를 더 포함하고, 여기서 상기 고속 조종 미러는 상기 고속 조종 미러의 실제 위치와 상기 위치 명령에 의해 한정된 타깃 위치 사이의 차이에 응답하여 위치되는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 위치 명령을 수신하고, 상기 위치 명령의 저주파수 및 중간 주파수 부분을 각각 전달하는 저역 통과 필터 및 중간 통과 필터를 더 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
제 12항에 있어서, 상기 저역 통과 필터 및 중간 통과 필터는 연관된 제 1 및 제 2 필터 지연을 갖고, 상기 장치는 상기 제 1 및 제 2 필터 지연을 보상하는 제 1 및 제 2 지연 소자를 더 포함하는, 레이저 빔을 소재 상의 타깃 위치쪽으로 향하게 하는 장치.
위치 명령에 응답하여 소재 상의 타깃 위치를 처리하기 위해 레이저 빔을 향하게 하는 방법으로서,

상기 위치 명령의 저주파수 부분에 응답하여 상기 소재와 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 단계와;

상기 위치 명령의 중간 주파수 부분에 응답하여 상기 소재와 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 단계와;

상기 위치 명령의 고주파수 부분에 응답하여 상기 소재와 상기 레이저 빔 중 적어도 하나를 서로에 대해 향하게 하는 단계를

포함하는, 레이저 빔을 향하게 하는 방법.
제 14항에 있어서, 상기 처리는 드릴링, 미세 가공, 디더링(dithering), 나선형 드릴링(spiral drilling), 트레판 드릴링(trepan drilling), 및 구멍의 조도(roundness)의 정정 중 적어도 하나를 포함하는, 레이저 빔을 향하게 하는 방법.
제 14항에 있어서, 상기 소재는 전자 회로를 포함하고, 상기 처리는 상기 전자 회로 상의 회로 소자를 튜닝하는 것을 포함하는, 레이저 빔을 향하게 하는 방법.
제 14항에 있어서, 상기 소재는 전자 회로 기판을 포함하고, 상기 처리는 상기 전자 회로 기판에 구멍을 만드는 것을 포함하는, 레이저 빔을 향하게 하는 방법.