WO1988001396A1 - Laser scanner - Google Patents

Description

明 細 書 レ ーザスキ ャ ナ裝置 技 術 分 野

本発明 は レ ーザス キ ャ ナ裝置に係 り 、 特に環境温度 お よ び使用 に よ る本体の温度の変化に伴 う 加工位置の 位置ず れの防止機能 に 関 す る 。 背 景 技 術

導体技術の進歩に伴い 、， 素子の微細化は進む一方 であ り 、 微細加工技術への要求が高 く な つ て いる 。

なかでも 、 レ ーザ加工 は 、 従来用 い ら れて きた機械 的加工 、 電子的加 工 、. 化学的加工等に比べて 、

( 1 ) 極め て 高い出力 パワ ー密度を得る こ と ができ る _c

( 2 ) 非接触加工であるた め 、 加工前後の ひずみ、 変形等を最小限に抑える こ と がで きる 。

( 3 ) 局所的加工が可能で ある 。

( 4 ) 任意の雰囲気中で加工を行な う こ と ができる 。 ( 被加 工物を真空中 に置かな く て ¾ よ い た め 、 電子 ビ ー ム加工 に比べ て 安価 ）

等の 缰れた特長を有 し て お り 、 微細部分のマ ー キ ン グ、. 厚膜、 ある い は薄膜抵抗の 卜 リ ミ ン グ、. 半導钵の ァ ニ ー リ ン グ等に広 く 利用 さ れ始め て いる 。

こ の よ う な レ ーザ加工 工程 に おい て は 、. レ ーザ ピ ー ムの位置制御が重要な ポイ ン ト であ り 、 通常、 ミ ラ ー を駆動するこ とによ り 、 位置制御を行なう よう に した レーザ用のスキャ ナ （ K下レーザスキ ャ ナ ） が用い ら れている。

この レーザスキャ ナは、 例えば第 4 図に示す如 く 、 位置センサ 2 を具備してお り 、 この位置センサによ つ て検出された位置デー タ に基づき、 ミ ラ ー 1 0 をマグ ネチッ ク ドラ イ パー 9 によ っ て駆勁 し、 レーザビ一ム の照射位置を制御する装 gである。

ここでは、 スキ ャ ナ軸の正確な位置制御を得るため に 、 厳 しい条件が必要とされる。 特に 、 工場レベルで の実際の レーザ照射には特に温度特性の安定化が要求 される。 これは、. 実験室レベルでは到底想像もっかな いよう な環境条件下での動作が要求されるためである。

そこで温度特性の安定化のために 、 倒えば、 ゼネラ ルスキ ヤ ニ ン グ社 （ 米 ） 製の レーザスキ ャ ナでは第 5 図に示す如 く スキ ャ ナ本体 1 の位置センサ 2 の周 り に ヒ ータ H を設け、. この ヒ ータ に接続された電源系での 温度コ ン 卜 ロ ールによ つ て常に 4 0 °G程度に位置セン サ部を加熟保温する という 方法が甩いられている。 第 6 図は、 この ヒ ータを設けた加熱保温タ イ プの レーザ スキ ャ ナ b. と ヒ ータ を設けない標準タイ プの レーザス キ ヤ ナ a との湿度 と時間の関係を示す。 この図からも わかるよう に ， この加熟俣 ^タイ プの レーザスキャ ナ は、 標準タ イ プの レーザスキ ャ ナに比べて温度の安定 化をはかるこ とができるが、

Φ ラ ンニングタ イ ムが長い （ 3 0分 ） 。

② 使 ¾環境温度が 1 Q〜 2 8 に限 られる。 ③ ①②に よ り 一般工業用 と し て は環境、 設備等に 問題が ある 。

④ ヒ ー タ の発熱量制御を行な う ちのであ るか ら 、 環境温度変化 に対する応答性が鈍 く 完全 に ド リ フ 卜 を押える こ と がでぎない 。

等の問題を有 し て い た 。

本発明 は 、 前記実情に鑑みて な さ れた ス キ ャ ナ温度 の変化に 対 し て も温度 ド リ フ 卜 を生 じ る こ と な く 、 ス キ ヤ ナ軸の位置制御を高精度化する こ と ので き る レ ー ザス キ ャ ナ裝 を提供する こ と を 目 的 と する 。 発 明 の 開 示

そ こ で本発明で は 、 位置セ ンサの検出信号に基づい て 作動せ し め ら れる駆動手段 に よ っ て ミ ラ ー を回動せ し め レ ー ザ ビ ー ム照射位置 （ 走査方向 〉 を制御する レ 一ザス キ ャ ナ装置 に おい て 、 前記位置セ ンサの近傍に 配設さ れた ス キ ャ ナ湿度セ ンサ と 、. 該温度セ ンサの出 力 に 基づいて 温度補償を行な う 制御手段 と を配設 し 、 こ の制御手段 に よ っ て前記駆動手段の勁作を制御する よ う に し て いる

こ の詞御手段 と は 、. 倒え ば , ス キ ャ ナ雰 13気すなわ ち 環境温度を検出 する環境温度検出手段を設け 、 環境 温度 と位置セ ンサ部の温度 と を常に比鲛 し 、 こ の比鲛 結果に応 じ て加熱冷 手段を駆動する こ と に よ り 位置 セ ンサ部を加熱又 は冷即 し 、. 位置セ ンサ部の ^度を常 に一定 に俣つ よ う に し た も のである _c

ま た 、 他の例 と し て は 、 あ ら か じ め温度変化 に よ る 位置ずれを検出 し、 データ 補正テーブルを設定する設 定手段と 、 このデータ铺正テーブルと前記スキャ ナ温 度センサの検出値と に基づいて、 スキャ ナの駆動を制 卸する手段とを具備した制御手段を構成するよう に し ている。 - 例えば、 上記 した例の う ち各隳境温度検出手段を設 けた制御手段を用いる例については、 雰囲気温度およ ぴ使用頻度によ つ て変化するスキ ャナの温度変化を如 熟冷 SI手段によ つ て補償 し常に一定に保つ よう に して いるため、 使用温度範囲も広がり 、 急激な温度変化に 対 しても対応できる高精度の位置制御が可能となる。

ま た 、 上記 した例の う ちのもう 一方の倒によれぱ、 例えば、 棲度の要求度に応じて、 あ らかじめ実験によ り 第 3 .図 （b ) および下表に示すよう な G 1 G n の π 段階の補正值 Δ X !a Δ Y m を設定 してお く 。 ここで第 3 図 ） 巾、 たて軸はずれ量 （ r a d , ) 、 横軸は初 期値か らのスキャ ナ温度上昇直である _c そ してスキ ヤ ナ i セ ンサの檢出値に ¾づき初期 ^ 摩か ら のずれ

( A t ) を算出 し、 これが祖当する段階 G m を決める。 このよう に して決定された段階 の中央値に対応 するよ う に下表か ら選択される式 （ 1 ) , ( 2 ) に基づき 補正位 g

X = X 0 + Δ X m - ( 1 )

Y = Y c - Δ Υ ι ·» ( 2 )

( X ο ， Υ ο は位置センサの検出座標を示す 〉 を得、 こ れに従 っ て ミ ラ ーが駆動 さ れるわ けで あ るが、 こ の方法では ス キ ャ ナ温度の変化 に基づいた補正がな さ れて いるた め位置精度の高い レ ーザ照射が可能 と な る 。

G ra X o Δ X ,τι Υ 十 Δ Υ πι

G η X c ； 厶 X π Υ c ^ 厶 Υ η

図面の簡単な説明

第 Ί 図 は 、 本発明の第 の実施例の レ ーザス キ ャ ナ 装置を示す図 、 第 2 図 は 、 同 レ ーザス キ ャ ナ装置に お け る制御部の動作を示す フ ロ ー チ ャ ー 卜 図 、 第 3 ( a ) は 、. 本発明 の第 2 の実施例の レ ーザス キ ャ ナ ¾置を示 _ Q _ す図、 第 3 図 （t> ) は、 温度差とずれ量との関係を示す 図、 第 4 図 、 第 5 図は従来倒の レーザスキ ャ ナ装置を 示す図、 第 6 図は、 第 4 図および第 5 図で示した レー ザスキ ャ ナの時 と温度との関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施例について図 を参照 しつつ詳 細に説明する。

第 1 図は、 本発明実施例の レーザスキ ャ ナ装置を示 す図である u

この レーザスキ ャ ナ装置の特徴は、 ス キ ャ ナ本体 1 のス ャ ナ位置センサ 2 の近傍にスキ ャ ナ温度検岀器 3 を配設する と共に 、 環境渥度を検出する環境温度検 岀器 4 を配設し 、 これ ら 2 つの温度検出器 3 , 4 の検 出値を比較する第 1 の比 K器 5 と、 該第 Ί の比较器 5 の出力 と指令モニ タ信号と して入力せ しめ られる位置 指令電流 と に基づいてスキ ャ ナ位 Eセンサ 2 の温度制 ϋを行なう 御部 6 と、. 該割御部 6 の指令に基づきス キ ヤ ナ位置センサ 2 を加熟冷卸するペルチ I 素子から なる加熱冷却装 Ε 7 とを具備 したこ とにある。

他は、. 第 4 図に示し た 来例の レーザスキ ャ ナ裝置 と同様であ り 、. 周一部に は同一番号を付 した。 8 はス キヤ ナ位置センサからのフ ィ ー ドパ ッ ク信号 i _f と位 置指令信号 i ₀ とを比較 し 、 ドライプ電流をマグネチ ッ ク ドラィ パー 9 に出力する第 2 の比較器であ り 0 はマグネチッ ク ドライ ゾ S— 9 によ っ て回動せ しめ ら れるミ ラ ーである。 次に こ の レ ーザスキ ャ ナ装置の動作に つ い て説明 す る 。

ま ず 、 位置を指示する位置指令信号 i 。 が入力 さ れ る と 、 第 2 の比較器 8 に おいて位置セ ンサ 2 か ら の フ イ ー ドパ ッ ク 信号 i _f と が比較さ れ 、 こ の比較結果に 基づき 、 マ グネ チ ッ ク ド ラ イ パ ー 9 に 対 し て ドラ イ ブ 電流 Δ i が供給さ れ、 所定 の量だけスキ ャ ナ本体 Ί が 回動せ し め ら れる こ と に よ り ミ ラ ー 1 0 が回動せ し め ら れる 。

—方 、 前記位置指令信号 i _Q は指令モニ タ 信号 と し て 制御部 6 に入力 さ れる 。

そ し て 、 前記スキ ャ ナ温度検出器 3 の出力 と環境温 度検出器 4 の出力 と を第 1 の比較器 5 に よ っ て比較 し て得 ら れた結果 と前記指令モニ タ 信号 と に よ っ て 、 制 御部 6 か ら加熱冷 S3装匿- 7 へ指令信号が発せ ら れ 、. ス キ ヤ ナ位置セ ンサ部の温度が常に一 定 と なる よ う に制 御 さ れる 。

こ の制御部の動作の一例 を第 2 図 に フ ロ ー チ ヤ一 卜 で示す 。 こ こで 丁 , 丁 2 は夫々 ス キ ャ ナ遄度検出器 と 環境温度検 出 器 の 検 岀 温度 、 Δ t は T '； 一 丁 2 , i „ は Δ ΐ 条件下で Δ ΐ = 0 と なる よ う な指令電流を 示す も の と する =

こ の よ う な レ ーザス キ ャ ナ装置に よ れば 、 位置セ ン サ部の湿度 と雰囲気の渥度 と を常 に検出 し こ れ ら の値 に応 じ て 位 Sセ ンサ部の湿度が常 に一定 と なる よ う に m m し て いる め , 急激な遄度変化 if 生 じ f 場合 にも , 常 に 高精度に レ ーザの照射位置を制卻する こ と が可能 ^ _ となる。

なお、 実施倒では、 加熱冷 SP装置と してペルチ ェ素 子を甩いたが、 ペルチ ェ 素子に限定されるこ とな く 、 電熱ヒ ータ と冷 ai用フ ァ ンを組み合わせたもの、 ある いは純水ゃ電気的絶緣度の高い液体を伝熟媒体と して , いたもの等、 適宜変更可能である _α

次に 、 本発明の第 2 の実 si例について説明する。 第 3 図 （a ) は、 本発明の第 2 の実施例の レーザスキ ャ ナ裝置を示す！！である。

この レ ーザスキ ナ装置は、 あ らかじめ温度差を第 3 図 （ b ) に示す如 く 段階 G 1 … G π に分け、 この温度 羑とそれに対応するずれ量とを前記表に示 レ f よう に G 1 … G π と段階的に箅 しておき、. 常時位置センサ の温度を検出 しこの温度差が G … G n のう ちいかな る段階にあるかをみるこ とによ つ て位置センサの指示 データ に補正を加えよう とするもので、 スキ ャ ナ本体 のスキ ヤ ナ位 Eセンサ 2 の近傍にスキ ャ ナ湿度検出器 3 を配設 し 、 この検出温度とあ らか じめ決め られた基 準 ^度との差厶 t を算出 し、 この値があ らか じめ設定 された G 1 … G n のう ちのいずれに該当するかを決定 する補正温度範囲設定器 Ί 4 と、 該襦正 ^度範囲設定 器 Ί 4 の出力から補正 -星を演算する補正量演算部 1 5 と、. 該補正 S演算部 5 の岀力 に基づいて、. 泣 指令 信号 i 。 を補正制御するスキャ ナ制御手段 Ί 6 とを具 備 したこ とを特徴と している。

他は、 sr記第 Ί の実施例 と周様であ り 、 同一璣能を 有するものについては面一の番 ¾を符寸もの とする 上述 し た よ う な手段を用 い て 、 常 に位置セ ンサの温 度 変 化 に 応 じ て 、 印 字 デ ー タ に 基 づ く 位置 指 令信号 i 。 の補正がなさ れ、 こ の補正後の 印字デー タ i _Q ' と ス キ ャ ナ位置セ ンサか ら の フ ィ ー ドパ ッ ク 信号 i _f と の比較結果 に基づい て マ グネチ ッ ク ド ラ イ ) 一 9 に ド ラ イ プ電流が供給 さ れ 、 ス キ ャ ナ本侔 1 の回動 に よ つ て ミ ラ ー Ί 0 が回勁 せ し め ら れる よ う に な つ て いる u こ こでスキ ャ ナ制御手段で は 、 その段階 G ¾ に お け る温度範囲の中央値 に おけ るず れ aを初期デー タ に加 えるあ の と する 。

こ のよ う な レ ーザス キ ャ ナ装置 に よ れば、. ス キ ャ ナ の温度上昇に よ る X , γ ス キ ャ ナの初期デー タ に 関す る ド リ フ 卜 量を算出 し 、 指令信号の値がその設定温度 範囲内で一定 と なる よ う に ド リ フ 卜 が補正さ れ、 極め て容易 に 、. 高精度の微細加工 を行な う こ と がで きる 。

ま た 、 段階を小刻みに する よ う に すれば 、 精度 は更 に 向上 し 、. ド リ フ 卜 の影響を小さ く す る こ と ができ る 。 從 つ て 、 要求精度に 合わせ て S , を適宜選沢すれぱょ く 、 要求度に 合 わせて容易 に適正 な位匿合わせ を行な '：) こ と が可能 と なる

Claims

請 求 の |g 囲 ( ) 位置センサの検出信号に基づいて作動せ しめ られる駆勁手段によ っ てミ ラーを回動せ しめ レーザビ ームの照射位置 （ 走査方向 ） を制御する レーザスキ ヤ ナ裝 gにおいて、

前記位置センサの温度を検出するスキ ャ ナ温度検出 手段 と、 - 該スキ ャ ナ温度検出手段の出力に基づいて温度補 を行なう制御手段 とを具備し、

この制御手段によ り 前記駆勁手段の動作を制御する よう に したこ とを特徴とする レーザスキ ャ ナ裝置。

( 2 } 前記制御手段は

環境 ϋ度を渙出する環境湿度検岀手段と ,

該環境温度横出手段の出力 と前記スキ ヤ ナ温度換岀 手設の岀力 とに基づき位置センサの温度 常に一定 と なるよ う に制御する温度制御手段 と

を具備 したこ とを特徴とする特許請求の範國第（υ 記載の レーザスキヤナ装 Β。

( 3 ) 前記制御手段は、

あ らかじめ温度変化に よる位置ずれを検出 し、 デー タ 禧正テープルを設定するテープル設定手段と 、

前記スキャ ナ湿度検出手段の検岀値を前記データ 裰 正テーブルに照合 して得 られる襦正膣に基づき、 スキ ャ ナの駆動を制御する駆動制御手段と

を具備 したこ とを特徴 とする特許請求の範囲第（1 ) 項記载の レーザスキ ャ ナ装 g _c