专利名称：用于确定激光束的焦点位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定加工衬底的机器、尤其是加工电路衬底的机器中的激光束的焦点位置的方法。
针对衬底的加工、例如印刷电路板或其它电路衬底的加工，极其精确地知道相对台面或加工面的激光束的焦点位置是重要而必需的。因此，在运行激光加工机器时确定焦点位置是一个重要的步骤，但是检查该焦点位置或在运行期间重新确定焦点位置始终仍然是必要的。因此，确定焦点位置必须是简单的、客观的和可重复执行的。
迄今为止，通常借助于显微镜手动执行和分析焦点的确定。因此，该过程与执行的人和所应用的测量仪器、即显微镜的质量有关。所以该方法不仅耗时，而且依赖于各自的执行者带有可变的误差源。
本发明的目标是给出一种针对确定激光加工机器中的焦点位置的方法，该方法与人无关、也即是客观的并且快速、带有高精确度实现焦点位置的确定。
因此，根据本发明利用以下步骤确定焦点位置—利用激光束在样品衬底上产生许多线形图案，其中逐步改变激光束的成像单元和平的衬底表面之间的距离，—测量所有图案的线宽并且分配给各自的距离值，和—确定具有最小线宽的图案，并且所属的距离值被识别为激光束的焦距调整。
因此，在本发明处以预定的不同距离高度构成并排安置的线。在此，最窄的线宽是与在分析时可作为参数采用的焦点位置一致。因为例如能以直线或并排安置的圆的形式产生的并排布置的线形图案基于逐步改变的距离彼此区分，所以直接可视的分析是可能的，以致在许多情况下没有显微镜手动确定也是可能的。尽管如此，比较线宽在客观上仍然是可能的。
在优选的改进方案中，借助于照像机测量和确定单个图案的线宽。在此，与人无关地，焦点位置准确确定在100μm上。因此，在完全更换方法的情况下，可能制定以高速全自动执行焦点搜索的自动控制的机制，其中通过个别判断使误差影响因子最小化。优选地同时使用在用于识别标志和位置的机器中本来存在的照像机。该照像机可以类似的算法和测试程序工作，正如也用于基准识别或校准那样。为此目的，自然也可以使用附加的外部照像机。此外，如果对于一定的应用或激光波长而言，结构化的线宽太小，则存在具有变焦距物镜的照像机工作的可能性。
如所提及的那样，根据本发明的方法中，以不同高度位置、即以具有不同z值的x-y-z坐标系统实现线形图案。确定不同的z高度之差允许进行粗略和精细搜索。在粗略搜索时，单个结构化步骤之间的高度差大于精细搜索时的高度差。此外，利用搜索步骤的选择也可以对不同波长(在同一焦距的情况下)的不同景深作出反应。这样，(波长为9.25μm的)CO2激光器的情况下的景深比波长为355nm的UV激光器的情况下的景深大很多。这意味着，CO2激光器的情况下结构化线宽的改变与z高度变化的依赖关系比UV激光器情况下的该依赖关系小。
以下，依靠附图在实施例上对本发明详细地加以说明。其中
图1示出在根据本发明确定焦点的情况下激光加工装置的示意图，图2示出根据本发明用于自动焦点搜索的流程图，图3示出针对焦点确定而产生的具有线形的图案的示意图，和图4示出针对焦点确定而产生的圆形图案的示意图。
图1示出用于对印刷电路板或类似的衬底加工的激光机器的基本装置。在此，一台示意性示出的激光器1经偏转单元2、例如利用未示出的镜式电流计和成像单元或透镜3产生激光束4。通过透镜3的焦距调节焦点F。待加工的衬底5被布置在工作台6上，该工作台经相应的x-驱动7、y-驱动8和z-驱动9可以在x-y-z坐标系统内移置。通过双箭头示意性地图示驱动7、8和9。通过X驱动7和y驱动8，只要涉及平的衬底，衬底5就在确定的加工面上移置，以致分别规定的加工点由激光束4采集。经z驱动9移置工作台6或衬底5的高度，由此改变到激光器的距离。因此，视需要而定，有目的地将衬底引到关于激光束的焦点位置或者有目的地引到焦点之外。衬底5的表面处于焦点之外越远，则击中的激光束的光点直径越大，有效的能量密度也越小。因此，针对有目的的加工衬底5，相对工作台6的z高度准确确定焦点位置是必要的。
根据本发明，针对确定焦点位置，在工作台6上放置一样品衬底5，并且利用激光束产生图案线，在图1的所示的例子中分别产生直线L1到L9。同时，逐步调整工作台6的高度，以致另一z高度(z1到z9)被分配给每条线L1到L9。
利用照像机10，例如利用本来安装在机器中的用于基准识别和位置识别的照像机，可以有目的地移近单条图案线，并且可以确定在衬底上各自的线宽b。工作台的一定的z高度位置被分配给每条线宽b(b1到b9)。通过确定最小线宽bmin确定焦点位置，并且所属的工作台6的z高度位置被表征为焦点位置。
因此得出按照下表的分配。
在图1的例子中，线L5具有最小宽度b5(＝bmin)。据此该所属的高度z5被识别为焦点位置并且储存在系统内。
实际上，不同的高度通过在具有预定z值的不同高度位置的结构化实现。同时粗略搜索和精细搜索允许确定不同z高度的差。在图2的流程图内可示例性地示出这样一种方法。在第一搜索步骤S1中首先执行粗略定位。也就是说，以值z1到z9移近不同高度位置，其中分别产生线L1到L9。在下一步M1中测量线宽b1到b9，并且分配给高度值z1到z9。如果在所测量的线宽的过程中最小值是可识别的，则从测量值b1到b9中确定最小线宽bmin1。如果在测量线宽时仍然没有经过最小值，则这是在最小的所测量的线宽处于测试系列末端的情况，所以在步骤S1的粗略搜索中必须利用新的z值执行。因此经过步骤SK1，在迄今为止具有最小线宽的z值之后预先规定另外的z值(例如z9到z15)。随后可以执行具有步骤S1和M1的新的测量系列。
如果在粗略搜索中第一最小宽度值bmin1被确定，则在精细搜索时仍然可以更加精确地确定焦点距离。在第二搜索步骤S2中，在迄今为止确定的最小值bmin1或所属的z值双方的范围内预先规定另外的z值，例如在高度值z3和z5之间预定精细的z位置值z31、z32等等。按照该较精细的高度差再度测量所属的图案线L3、L31、L32...直到L49、L5为止。从所测量的线宽中再度确定最小值bmin2，并且确定所属的z高度值ZF作为工作台或衬底的焦点位置，并且储存在步骤SP中。
例如下表适用于精细搜索
如果宽度比较得出了b42的最小值，则所属高度值z42相当于焦点位置，并且它作为zF被储存。
自然地视情况而定，第二搜索步骤也可以取消；随后如图2所示，值bmin1直接地在步骤SP内被储存。
同时照像机利用类似的算法和测试程序工作，正如它也用于机器的基准识别或校准那样。取代为此装设的照像机，也可以附加地装设第二个外部照像机。此外，如果对于一定应用或激光波长而言结构化的线宽太小，则存在具有变焦距物镜的照像机工作的可能性。
为了即使在小的高度步长的情况下也能很好地区分单条图案线，样品衬底配备一定的表面。这样，在图3中例如示出在阳极氧化处理过的铝板上借助于CO2激光辐射产生的图案。在此，通过电氧化铝的热变换形成线结构。线结构的品质和尺寸与焦点大小以及与此联系的能量密度有关。在激光束的中央区域受高能量密度制约，导致电氧化铝的蒸发和铝的氮化，这表现为金色线。在边缘区电氧化铝通过热冲击转变为通过白色着色可识别的氧化铝。两种颜色区域与黑色或暗色的阳极氧化处理过的铝相反而可被明显地识别出。
在这种情况下，通过随着散焦焦点大小以及与其相联系的能量密度变化来进行分析是可能的，这视焦点高度而定一方面表现为氮化铝的不同线宽另一方面表现为氧化铝的不同线宽。所以随着更好的聚焦，氮化的痕迹的宽度增加，而氧化铝痕迹的宽度下降。在图3中示出在边缘区氮化层LN1的宽度bn1，该宽度bn1大约在衬底中央小于氮化层LN4的宽度bn4，因此这表明更佳的聚焦。相反，在边缘上氧化铝层L01的宽度bo1大于在中央区域或者在更佳的聚焦情况下氧化铝层L04的相应宽度bo4。因为在这种类型线产生的情况下分别形成与聚焦状况相反的不同的线，所以二种不同的分析方法或两种测量方法的组合也是可以考虑的。在黑白照像机分析情况下，依靠氧化物痕迹宽度的焦点确定更加合适，因为明亮的氮化的宽度不可能立即与明亮的氧化物区分离。为了避免阴影，应当这样选择照明，以致使它尽可能从上面照射到目标上。对于一定数量的焦点高度，带有图像识别的照像机检测相关的线宽，并且输出值或者将该值储存用于内部进一步处理。同时从确定所有被确定的值的二阶多项式拟合的最小值中确定焦点位置。为了抑制测量误差，展开多项式拟合。这样确定的最小值与系统的焦点位置相关。
在图4中在另一实施例中示出用于确定焦点位置的由圆形图案构成的图案。在此，圆形图案分别这样构成，使得首先使激光器脉冲置于圆形中心点，其中产生光点直径为d的孔ZL；并使得预定半径为r的圆在该中心点周围被结构化。视聚焦状况而定，中央孔ZL的直径d和外环RL的宽度d(在图中用白色表示)或大或小；两者根据激光束的聚焦分别对应于光点直径。在中央孔ZL和外环RL之间留下较暗的环R，其宽度既受中央孔ZL又受外环孔RL的大小变化的同时影响，以致大小改变是特别明显的，并且可以容易地测量。
图4a示出调节在最强的外焦点的激光束的情况。在这种情况下，光点直径d1特别大，而其余的环R1特别窄。在随后的图4b、4c和4d中，光点直径d2、d3和d4越来越小。相应地，孔ZL2、RL2、ZL3、RL3和ZL4、RL4越来越小，而其间剩下的圆环R2、R3和最后的R4越来越宽。因此图4d示出激光束的最佳聚焦状况。在激光器和样品衬底之间的距离的另一改变将可能又导致散焦，也即导致光点直径变大。这就是说，在图4d之后，将可能又是对应4c的图案。
除了可示例性示出的具有直线或圆环的图案之外，自然也可以产生任意其它的图案，用于本发明的焦点识别。
权利要求
1.用于确定加工衬底(5)、尤其是电路衬底的机器中的激光束(4)的焦点位置的方法，其具有以下步骤—利用激光束(4)在样品衬底(5)的表面上产生许多线形图案(L1到L9；LO1，LN1到LO7，LN7；ZL1，RL1到ZL4，RL4)，其中逐步地改变在激光束(4)的成像单元(3)和平的衬底表面之间的距离，—针对每个所产生的图案(L1到L9；LO1，LN1到LO7，LN7；ZL1，RL1到ZL4，RL4)储存所属的距离值(z1到z9)，—测量所有图案(L1到L9；LO1，LN1到LO7，LN7；ZL1，RL1到ZL4，RL4)的线宽(b1到b9；bo1，bn1到bo7，bn7；d1到d4)，并且分配给各自的距离值(M1，M2)和—确定具有最小线宽(bmin)的图案，并将所属的距离值(ZF)识别为激光束(4)的焦距调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定粗略的焦点范围(bmin1)，在第一测量行程(S1，M1)中以大步长(z1到z9)改变激光束(4)的成像单元(3)和样品衬底(5)之间的距离；并且为了识别准确的焦距调整(zF)，在第二测量行程(S2，M2)中在所确定的焦点范围内以小步长(z3，z31...z49，z5)改变激光束(4)的成像单元(3)和样品衬底(5)之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依赖于激光束(4)的波长选择搜索步长的大小，其中波长越长，则搜索步长越大。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，使用阳极氧化处理过的铝板作为样品衬底(5)，其中通过由激光束产生的线结构(LO1，LN1到LO4，LN4)，在激光束的中央区域内蒸发电氧化铝层，并且其下的铝被氮化，而在边缘区域内电氧化铝被转变为氧化铝，并且其中随着聚焦变大，氮化的痕迹(LN)的宽度(bn)这样变大而氧化物痕迹(LO)的宽度(bo)这样减小，使得针对分析有选择地考虑氮化物痕迹(LN)和/或氧化物痕迹(LO)的宽度展开。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述图案以圆线结构(ZL1，RL1到ZL4，RL4)的形式被产生。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，借助于照像机(10)测量所述图案的线宽(bn)或结构宽度，以及借助已知的图像处理算法分析测量数据。
全文摘要
为了确定激光束的焦点位置，首先利用激光束(4)在样品衬底(5)的表面上产生许多线形图案(L1到L9)，其中逐步改变激光器和衬底表面之间的距离(Z)。之后测量单条线(L)的宽度(b)，并确定具有最小宽度(b5)的线(L5)。属于最小线宽的高度调节(Z5)作为机器的焦距调整被分析和储存。
文档编号B23K26/04GK1703298SQ03825453
公开日2005年11月30日 申请日期2003年5月30日 优先权日2002年11月28日
发明者D·希勒布兰德, H·J·迈尔, C·奥弗曼 申请人:西门子公司