專利名稱：激光束三級定位器裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路的激光束處理，且尤其涉及一種運用激光束與襯底定位系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法，該定位系統(tǒng)具有粗、中間、與精細(xì)的定位臺座(stage)，以供工件與激光束相對于彼此而定位。
背景技術(shù)：
激光已經(jīng)長期被用于種種的燒蝕、鉆孔、及微加工應(yīng)用，諸如蝕刻電路板(etched-circuit board，ECB)的通孔(via)鉆孔、集成電路(IC)的可熔式連線燒蝕、電路元件的修整，以及硅、壓電、與陶瓷電路元件的微加工。在這些電子電路處理各自的應(yīng)用中，定位器系統(tǒng)被用來使工件與一激光束相對于彼此而定位。舉例而言，ECB的通孔鉆孔典型地要求適度精密的長定位移動，然而IC的可熔式連線燒蝕卻要求高度精密的短定位移動。因此，各種應(yīng)用通常運用不同的定位器架構(gòu)。
傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)特征為X-Y平移臺座，其中工件固定至上部臺座，上部臺座沿第一軸移動且由下部臺座所支撐，下部臺座沿著垂直于第一軸的第二軸移動。該系統(tǒng)典型地相對于工具，例如固定的激光束位置或激光光斑，來移動工件，且一般被稱為堆疊式臺座定位系統(tǒng)，這是因為下部臺座支撐上部臺座(其支撐工件)的慣性質(zhì)量。然而，堆疊式臺座定位系統(tǒng)相對緩慢，因為臺座的慣性質(zhì)量的起動、停止、及方向上的改變增加了激光工具處理工件上的所有目標(biāo)位置所需的時間。
在分軸式(split-axis)定位系統(tǒng)中，上部臺座不是由下部臺座所支撐的，而是與之獨立地移動。工件由第一軸或臺座載運，而工具(例如反射鏡以及與之相關(guān)的激光束聚焦透鏡)則由第二軸或臺座載運。分軸式定位系統(tǒng)隨著工件的整體尺寸與重量增加而成為有利的，其利用較長以及因此而較重的臺座。分軸式系統(tǒng)經(jīng)常用于微加工及ECB通孔鉆孔應(yīng)用中。
最近，已在運用平面式定位系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，工件是由單一臺座載運的，該臺座可由2個或更多個致動器所移動，而工具則保持在一基本固定的位置。這些系統(tǒng)借著協(xié)調(diào)致動器的有效力而在二維方向上平移工件。某些平面式的定位系統(tǒng)可能還能夠旋轉(zhuǎn)工件。
圖1顯示一種借著運用高速短移動的定位器(快速定位器)60，例如一對檢流計(galvanometer)驅(qū)動鏡64與66，來提供激光束的二軸偏轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)方式。圖1是檢流計驅(qū)動X軸鏡64與檢流計驅(qū)動Y軸鏡66的簡化視圖，鏡64與66被設(shè)置于固定鏡72與聚焦光學(xué)器件78之間的光路70上。各個檢流計驅(qū)動鏡沿著單一軸使激光束偏轉(zhuǎn)，以引導(dǎo)光束至工件79上的目標(biāo)位置。Overbeck的美國專利第4,532,102號揭示了一種運用這樣的快速定位器的堆疊式臺座光束定位系統(tǒng)，而Cutler等人的美國專利第5,751,585與5,847,960號揭示了一種分軸式光束定位系統(tǒng)，其中上部臺座承載至少一個快速定位器。運用這類快速定位器的系統(tǒng)被用于諸如通孔的鉆孔之類無連線燒斷(nonlink blowing)工藝中，因為它們目前無法傳送光束如同“固定式”的激光頭定位器那樣準(zhǔn)確。
這類定位器的分軸式特性可能引入旋轉(zhuǎn)阿貝誤差(rotational Abbeerror)，且檢流計可能引入額外的定位誤差。此外，因為在二個檢流計控制鏡之間必須要有間隔，此二鏡不能同時被定位成靠近聚焦光學(xué)器件的入瞳。此種間隔造成光束的偏移，這將降級所聚焦的光斑的質(zhì)量。而且，二鏡式結(jié)構(gòu)限制入瞳而使之更移位得遠(yuǎn)離聚焦光學(xué)器件，造成聚焦光學(xué)器件的復(fù)雜度提高而與數(shù)值孔徑受限，因而限制了最小可達(dá)成的光斑尺寸。
因此，仍需要一種用以取得較高的電子電路處理生產(chǎn)量而同時維持定位速度、距離、與準(zhǔn)確度，并且適合特定處理應(yīng)用的聚焦光斑品質(zhì)的系統(tǒng)與方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提出一種用于取得較高的電子電路激光處理生產(chǎn)量的系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明的另一個目的提出一種定位器系統(tǒng)，其利用線性、檢流計、及二軸操縱鏡臺座的共同作用，來使得針對各種電子工件處理應(yīng)用的定位精度、速度、與激光光斑尺寸達(dá)到最佳化。
本發(fā)明的又一個目的是提出一種定位器系統(tǒng)，其使用針對電子電路激光基礎(chǔ)處理應(yīng)用的協(xié)調(diào)運動。
本發(fā)明的三級定位器系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例使用了組合的處理元件，例如計算機、微處理器、與數(shù)字信號處理器(下文單獨或統(tǒng)稱為“DSP”)，以控制激光束偏轉(zhuǎn)臺座、X軸平移臺座、與Y軸平移臺座，從而引導(dǎo)激光束至工件(例如IC或ECB)的目標(biāo)位置。雖然這種三級定位器系統(tǒng)被構(gòu)造成具有安裝于X軸平移臺座上的單一激光束偏轉(zhuǎn)臺座與安裝于Y軸平移臺座上的單一工件，也使用了與堆疊式、分立式、或平面式定位器相結(jié)合的其它結(jié)構(gòu)的定位系統(tǒng)，如其中有多個激光束偏轉(zhuǎn)臺座的的定位系統(tǒng)。
由一系統(tǒng)控制計算機處理儲存于數(shù)據(jù)庫儲存子系統(tǒng)中的工具路徑數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫含有所需處理參數(shù)，以便用激光束在工件上切削出孔或外形輪廓。系統(tǒng)控制計算機將所儲存數(shù)據(jù)庫的激光控制部分傳送至一激光控制器，而將位置控制部分作為數(shù)據(jù)流傳送至一仿形切削(profiling)處理裝置，該仿形切削處理裝置將上述數(shù)據(jù)流分解成對應(yīng)于工件上的激光束的路徑中的各種預(yù)定變化的位置、速度、與時間分量。
激光控制器是由仿形處理裝置所產(chǎn)生的定時數(shù)據(jù)控制的，且由一觸發(fā)處理裝置來進一步協(xié)調(diào)，該觸發(fā)處理裝置使得激光的觸發(fā)與激光束偏轉(zhuǎn)臺座以及X軸與Y軸平移臺座的動作同步。
定位命令由具有恒定信號傳播延遲L的低通濾波器所接收，并由補償此傳播延遲的延遲L元件所接收。低通濾波器透過一加法器而將經(jīng)過低通濾波的位置命令傳送至一低頻控制器，該控制器驅(qū)動X軸與Y軸平移臺座。延遲L元件將來自位置仿形器(profiler)的未濾波的定位命令傳送至信號處理元件，以供驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座。
X軸與Y軸平移臺座包括位置傳感器，其將這些平移臺座的實際位置傳送至一加法器，加法器根據(jù)經(jīng)過低通濾波的命令數(shù)據(jù)來減去實際位置，以閉合控制回路且引導(dǎo)這些平移臺座至所命令的位置。
另一個加法器根據(jù)被延遲的定位命令來減去實際位置，且產(chǎn)生低頻臺座位置誤差信號，該信號被傳送至一中通濾波器與一延遲M元件。經(jīng)過中通濾波的位置誤差數(shù)據(jù)被通過一加法器而轉(zhuǎn)送至一中頻控制器，中頻控制器驅(qū)動在激光束偏轉(zhuǎn)臺座中的檢流計偏轉(zhuǎn)鏡。因為中通濾波器109產(chǎn)生具有恒定時間延遲M的被濾波位置誤差數(shù)據(jù)，此恒定時間延遲M被延遲M元件所補償，此延遲M元件延遲將低頻誤差數(shù)據(jù)傳送至信號處理元件以供驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座。
檢流計偏轉(zhuǎn)鏡包括位置傳感器，這些位置傳感器將檢流計偏轉(zhuǎn)鏡的實際位置傳送至一加法器，此加法器根據(jù)經(jīng)過中通濾波的誤差數(shù)據(jù)來減去實際位置，以閉合控制回路且引導(dǎo)這些檢流計驅(qū)動鏡至被命令位置。
再有一加法器根據(jù)所產(chǎn)生的被延遲的誤差信號來減去實際檢流計位置，且產(chǎn)生高頻臺座位置誤差信號，高頻臺座位置誤差信號被傳送至一高頻控制器，以驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座中的高頻臺座。
本發(fā)明通過在激光束偏轉(zhuǎn)臺座添加快速操縱鏡(FSM)，實質(zhì)降低了低頻與中頻臺座穩(wěn)定時間的影響。
運用FSM的三級定位器系統(tǒng)借助于減少在各目標(biāo)位置之間移動激光束所需的時間，且借助于減少在每個位置上的處理時間，而提高了電子電路處理生產(chǎn)量。添加FSM作為第三定位臺座，提供了更為準(zhǔn)確的定位，這是因為由前二個臺座所引起的定位與穩(wěn)定時間誤差能夠被FSM所校正。
在另一可選擇的實施例中，F(xiàn)SM可被定位以接收來自檢流計驅(qū)動X軸與Y軸鏡的激光束，且通過聚焦光學(xué)器件而將該激光束偏轉(zhuǎn)以朝向工件。
借助于以下參照附圖所作的優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它目的與優(yōu)點將是顯而易見的。


圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的快速定位器的簡化側(cè)視圖，該定位器使用一對檢流計驅(qū)動鏡，它們沿著不同相應(yīng)的單個軸偏轉(zhuǎn)激光束。
圖2是本發(fā)明的一種三級激光束定位系統(tǒng)的組合圖與電氣方框圖。
圖3是一種激光束偏轉(zhuǎn)臺座的組合圖與電氣方框圖，此激光束偏轉(zhuǎn)臺座用于圖2所示的三級激光束定位系統(tǒng)中。
圖4A是一種現(xiàn)有技術(shù)的定位器的工作包絡(luò)線(working envelope)的簡化示意圖，此定位器使用線性臺座及檢流計臺座。
圖4B是條線圖，顯示圖4A所示的現(xiàn)有技術(shù)的定位器所需要的移動、穩(wěn)定、鉆孔、及總的孔洞處理時間。
圖5A是本發(fā)明的一種三級定位器的工作包絡(luò)線的簡化示意圖，此定位器使用線性臺座、檢流計臺座及FSM臺座。
圖5B是條線圖，顯示圖5A所示的三級定位器所需要的檢流計移動、FSM移動、穩(wěn)定、鉆孔、及總的孔洞處理時間。
圖6示意性地展示本發(fā)明的一種二軸式FSM應(yīng)用的側(cè)視圖。
具體實施例方式
所述光束定位系統(tǒng)優(yōu)選使用激光控制器，其控制堆疊式、分軸式、或平面式的定位器系統(tǒng)且與可操縱的反射器相協(xié)調(diào)，以將激光束瞄準(zhǔn)及聚焦至一電子電路工件上的所需目標(biāo)位置。光束定位系統(tǒng)可替換性地或是額外地使用Cutler等人的美國專利第5,751,585號、第5,798,927號與第5,847,960號中所描述的任何一種改良、光束定位器、與協(xié)調(diào)動作技術(shù)，上述專利被轉(zhuǎn)讓給本申請案的讓受人，且以參照方式納入本說明書。也可使用其它固定頭或線性動作驅(qū)動的傳統(tǒng)定位系統(tǒng)，以及在美國俄勒岡州波特蘭市電子科學(xué)工業(yè)公司(ESI)亦即本申請的讓受人所制造的9800型系列產(chǎn)品中使用的那些系統(tǒng)。
圖2顯示本發(fā)明的一種三級定位器系統(tǒng)80的分立式臺座實施例，該系統(tǒng)是用舉例方式、參照一種基于激光的孔切削系統(tǒng)來描述的，其使用計算機如數(shù)字信號處理器(DSP)82，來控制激光束偏轉(zhuǎn)臺座84、X軸平移臺座86、與Y軸平移臺座88，從而將激光束90引導(dǎo)至工件92上的目標(biāo)位置，工件92例如為IC或優(yōu)選為ECB。雖然定位器系統(tǒng)80被構(gòu)造成具有安裝于X軸平移臺座86上的單一激光束偏轉(zhuǎn)臺座84，以及安裝于Y軸平移臺座88上的單一的工件92，其它結(jié)構(gòu)的定位系統(tǒng)也是可能的，例如其中有多個臺座84與堆疊式、分立式、或平面式定位器結(jié)合使用的那些系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，DSP82包括實質(zhì)相同的X與Y軸部分，雖然圖中僅顯示且本文僅描述了X軸部分。
由系統(tǒng)控制計算機93來處理工具路徑數(shù)據(jù)庫94，該數(shù)據(jù)庫儲存于一數(shù)據(jù)庫儲存子系統(tǒng)中。工具路徑數(shù)據(jù)庫94含有所需處理參數(shù)，以便用激光束90在工件92上切削出孔、外形輪廓或連線。系統(tǒng)控制計算機93將所儲存數(shù)據(jù)庫的激光控制部分傳送至激光控制器96，而將位置控制部分作為數(shù)據(jù)流而傳送至仿形處理裝置98。仿形處理裝置98將該數(shù)據(jù)流分解成對應(yīng)于工件92上的激光束90的路徑中的各種預(yù)定變化的仿形位置dP(“dx”與“dy”)、仿形速度dV(“dvx”與“dvy”)、與時間分量dT(“dtx”與“dty”)。所以，激光束90的每個移動是以dx、dy、dvx、dvy、dtx、與dty分量來定義的，而這些分量是由位置仿形器100來進一步處理的。
激光控制器96是由仿形處理裝置98所產(chǎn)生的定時數(shù)據(jù)控制的，且為由延遲L+M101來進一步協(xié)調(diào)，延遲L+M101使得激光器102的觸發(fā)與激光束偏轉(zhuǎn)臺座84和X軸平移臺座86及Y軸平移臺座88的動作同步。延遲L+M101的更為詳細(xì)的描述是參照圖2進行的。
仿形處理裝置98所產(chǎn)生的dx、dy、dvx、dvy、dtx、與dty分量由位置仿形器100所進一步處理，而成為按照數(shù)據(jù)庫命令、移動X軸平移臺座86與Y軸平移臺座88的所需定位信號。定位信號的瞬間值由DSP82以每秒鐘至少10000點的速率產(chǎn)生。
所得的定位信號具有加速度分量與位置分量，它們由低通濾波器103與延遲L元件104所接收，其中低通濾波器103具有恒定信號傳播延遲L，延遲L元件104補償?shù)屯V波器103的該恒定信號傳播延遲L。如下所述，低通濾波器103與延遲L元件104也協(xié)調(diào)動作，以使定位器臺座86與88及激光束偏轉(zhuǎn)臺座84在其位置輪廓(position profiles)上移動，同時將它們的加速度保持在指定極限值以內(nèi)。
低通濾波器103所接收到的位置命令使得，經(jīng)過低通濾波的位置命令通過加法器105傳送至低頻控制器106，低頻控制器接著驅(qū)動X軸平移臺座86(以立體圖和方框圖兩種形式顯示)。經(jīng)過低通濾波的位置命令數(shù)據(jù)被與X軸平移臺座86和Y軸平移臺座88的響應(yīng)頻寬相匹配，與激光束偏轉(zhuǎn)臺座84的較高響應(yīng)頻寬定位器相比，X軸平移臺座86和Y軸平移臺座88的移動及穩(wěn)定較慢。在DSP82中，低通濾波器103優(yōu)選是通過級聯(lián)具有臨界阻尼比的兩個或更多個二階濾波器，而實現(xiàn)的四階低通濾波器。因為低通濾波器103產(chǎn)生濾波后的位置命令數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)具有相對于位置命令的恒定時間延遲L，恒定時間延遲L便借助延遲L元件104而得到了補償。在DSP 82中，延遲L元件104優(yōu)選實施為在從位置仿形器100傳送未濾波定位命令至信號處理元件以驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座84期間的一種被編程延遲。
X軸平移臺座86與Y軸平移臺座88包括位置傳感器107，其中一個位置傳感器傳送X軸平移臺座86的實際位置信號至加法器105。加法器105根據(jù)經(jīng)過低通濾波的命令數(shù)據(jù)減去該實際位置信號，以閉合控制回路，且引導(dǎo)X軸平移臺座86至被命令位置。
另一個加法器108則根據(jù)延遲L元件104所產(chǎn)生的被延遲定位命令減去來自位置傳感器107的實際位置信號，且產(chǎn)生低頻臺座位置誤差信號，該低頻臺座位置誤差信號被傳送至中通濾波器109與延遲M元件110。中通濾波器109所接收到的低頻臺座位置誤差信號使得，經(jīng)過中通濾波的位置誤差數(shù)據(jù)通過加法器111而傳送至中頻控制器112，中頻控制器112接著驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座84中的檢流計偏轉(zhuǎn)鏡66(以立體圖及方框圖兩種形式顯示)。經(jīng)過中通濾波的位置誤差數(shù)據(jù)被與檢流計偏轉(zhuǎn)鏡66的響應(yīng)頻寬相匹配。中通濾波器109優(yōu)選為在DSP82中，通過級聯(lián)具有臨界阻尼比的兩個或更多個二階濾波器來實現(xiàn)的四階中通濾波器。因為中通濾波器109產(chǎn)生已被濾波位置誤差數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)具有相對于誤差信號的恒定時間延遲M，恒定時間延遲M便通過延遲M元件110而得到了補償。在DSP82中，延遲M元件110優(yōu)選實施為在從加法器108傳送誤差數(shù)據(jù)至信號處理元件以驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座84時的一種被編程延遲。
檢流計偏轉(zhuǎn)鏡64與66包括位置傳感器113，其中一個位置傳感器傳送檢流計驅(qū)動鏡66的實際位置信號至加法器111。加法器111根據(jù)經(jīng)過中通濾波的誤差數(shù)據(jù)來減去該實際位置信號，以閉合該控制回路且引導(dǎo)檢流計驅(qū)動鏡66至被命令位置。
又一個加法器114根據(jù)延遲M元件110所產(chǎn)生的被延遲誤差信號而減去來自位置傳感器113的實際位置信號，且產(chǎn)生中頻臺座位置誤差信號，此信號通過可選擇的加法器115(以虛線顯示)被傳送至高頻控制器116，高頻控制器116接著驅(qū)動激光束偏轉(zhuǎn)臺座84中的高頻臺座117(以立體圖及方框圖兩種形式顯示)。中頻臺座位置誤差信號被與高頻臺座117的響應(yīng)頻寬相匹配。高頻臺座117可包括可選擇的位置傳感器118，其中一個傳感器傳送高頻臺座117的實際位置信號至可選擇的加法器115。加法器115根據(jù)中頻臺座誤差信號來減去該實際位置信號，以閉合控制回路且引導(dǎo)高頻臺座117至被命令位置。
回到延遲L+M101，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，在激光束90被適當(dāng)引導(dǎo)至工件92上的被命令位置之前，不應(yīng)觸發(fā)激光器102。為此，來自位置仿形器100的定位命令必須通過延遲L元件104與延遲M元件110傳送。因此，延遲L+M101優(yōu)選包括延遲L元件104與延遲M元件110的延遲總和。
圖3顯示激光束偏轉(zhuǎn)臺座84的一個優(yōu)選實施例。同時參考圖1與圖2，檢流計驅(qū)動X軸鏡64與Y軸鏡66接收來自中頻控制器112的驅(qū)動信號。本發(fā)明通過在激光束偏轉(zhuǎn)臺座84中添加高頻臺座117，實質(zhì)減小了低頻與中頻臺座穩(wěn)定時間的影響。在針對ECB通孔鉆孔、電路元件修整、及微加工應(yīng)用的優(yōu)選實施例中，高頻臺座117包括FSM120，F(xiàn)SM120被定位以接收激光束90，通過檢流計驅(qū)動X軸鏡64與Y軸鏡66而使之偏轉(zhuǎn)，通過物鏡78而到達(dá)工件92上的目標(biāo)位置121。
FSM120由電致伸縮致動器所偏轉(zhuǎn)，與檢流計驅(qū)動X軸軸鏡64和Y軸鏡66相比，電致伸縮致動器具有較高的頻率響應(yīng)。FSM120優(yōu)選是由鈮酸鎂鉛(PMN)致動器122所偏轉(zhuǎn)的，該致動器122將電壓轉(zhuǎn)換成為位移。PMN材料類似于更為普通的壓電致動器材料，但其具有小于1％的磁滯。優(yōu)選的PMN致動器122對于10毫米(mm)長的中空圓柱PMN材料而言具有約為5微米的受限位移，但是對于5mm直徑的圓柱而言具有每微米約為210牛頓的極高硬度。優(yōu)選實施例為單一一個PMN材料制成的中空圓柱，其從電氣分割成為三個活性(active)區(qū)域。激活一個區(qū)域就引起一相關(guān)側(cè)邊膨脹，因而使FSM 120在大約±1毫弧度(“mRad”)的角度范圍中傾倒或傾斜。
此外，F(xiàn)SM120可借助于一彎曲部分而連接至三個獨立的PMN致動器122，其具有構(gòu)造成等邊三角形的第一端，其中心對準(zhǔn)FSM120的中心124。PMN致動器122的第二端機械連接至安裝座126，安裝座126固定至X軸平移臺座86。這三個PMN致動器122優(yōu)選以三個自由度的結(jié)構(gòu)來實施，其在二個自由度的模式下使用以傾斜和傾倒FSM120。具體地說，該致動器三角形具有5mm側(cè)邊，從而使FSM120可偏轉(zhuǎn)到約±4mRad角度，此角度轉(zhuǎn)換為當(dāng)以80mm物鏡78將激光束90投射于工件92上時，使激光束90偏轉(zhuǎn)±640微米。
與檢流計驅(qū)動X軸鏡64與Y軸鏡66相比，高頻臺座117操作于較高頻率與加速度。具體地說，PMN致動器122具有約2.0微法的特征電容、1.0歐姆的直流阻抗、在5千赫(kHz)頻率下17歐姆的阻抗，并在75伏驅(qū)動電壓下引出3安培以上電流。驅(qū)動FSM120的PMN致動器具有大于約5kHz的一大信號頻寬、大于約8kHz的一小信號頻寬、及至少約為±1mRad的偏轉(zhuǎn)角度，以在約±0.5微米的定位精度下偏轉(zhuǎn)激光束90。
參照上述的高頻臺座性能，由加法器114所發(fā)展的位置誤差信號被傳送至可選的加法器115，加法器115的輸出則被傳送至高頻控制器116以驅(qū)動PMN致動器122。一可選的FSM位置傳感器132提供FSM實際位置信號至可選的加法器115，以供校正任何殘余的FSM120定位誤差?？蛇x的FSM位置傳感器132包括位置激光器134，該激光器產(chǎn)生激光束136，其自FSM120反射至位置感測檢測器138，該位置感測檢測器例如為四重感測二極管陣列。隨著FSM120偏轉(zhuǎn)，激光束136作為偏轉(zhuǎn)角度的函數(shù)，而被偏轉(zhuǎn)至偏離位置感測檢測器138的中心。位置感測檢測器138通過一種或多種代表FSM120的偏轉(zhuǎn)角度的信號來作為響應(yīng)。替代的FSM位置傳感器實施例是可能的，包括電容式與基于應(yīng)變計的位置傳感器。
使用高頻臺座117的三級定位器系統(tǒng)80通過減少需用于在目標(biāo)位置118之間移動的時間，且通過減少在各個位置上的處理時間，而提高了電子電路處理生產(chǎn)量。其也能夠執(zhí)行先前所不可能執(zhí)行的新工藝。附加高頻臺座117作為第三定位臺座提供了較為準(zhǔn)確的定位，這是因為由低頻與中頻臺座所引起的定位與穩(wěn)定時間誤差可得到校正。
下文所述是針對三級定位器系統(tǒng)80的某些額外有利應(yīng)用的實例。
人造(artificial)光斑放大位置仿形器100命令三級定位器系統(tǒng)80遵循一預(yù)定的工具路徑，而同時也在小圓圈中或以振蕩形式移動激光束90的位置。這種光束的移動使激光束90的能量分布于較大面積上，且有效地沿工具路徑進行較寬的切削。這種光束的移動也使激光能量散布于較大面積上，這能夠幫助控制處理窗且因而降低對于成像光斑的需求。
光束設(shè)定FSM120校正定位誤差，包括檢流計誤差，這讓檢流計驅(qū)動X軸鏡64與Y軸鏡66能夠更為有效地調(diào)諧，進一步減少目標(biāo)至目標(biāo)的移動次數(shù)。這也改善了定位精度，因為系統(tǒng)校正了檢流計的不準(zhǔn)確度、“蠕動(creep)”與容差的變化。具有±5-10微米高速準(zhǔn)確度的檢流計驅(qū)動X軸鏡64與Y軸鏡66可實質(zhì)由FSM120所校正。
ECB通孔鉆孔隨著激光器102的功率增加，需要相應(yīng)地增加速度用于環(huán)鋸(trepaning)與螺旋(spiral)鉆孔。檢流計受到操作頻寬的限制，其典型約為1-1.5kHz。因為FSM120具有至少5kHz的操作頻寬，以及至少如同所鉆的孔的直徑的動作范圍，所以可透過位置仿形器100發(fā)出快速的環(huán)鋸與螺旋鉆孔定位命令，同時保持所命令的光束位置固定。
小角度定位定位器臺座的移動范圍經(jīng)常被稱為“工作包絡(luò)線(working envelope)”。若FSM120具有充分大的工作包絡(luò)線，以在檢流計臺座64與66的目前位置之前的一新目標(biāo)位置處定位激光束90，則可在檢流計臺座64與66被完全重新定位之前，便開始下一個目標(biāo)位置的處理。檢流計臺座64與66隨著新目標(biāo)位置受到處理而移動至其最終位置。隨著檢流計臺座64與66移動至其最終位置，F(xiàn)SM120移動回到其中心位置。
為了解三級定位器系統(tǒng)80的生產(chǎn)量優(yōu)點，圖4A代表一種現(xiàn)有技術(shù)的定位器，此定位器具有線性臺座工作包絡(luò)線150與檢流計臺座工作包絡(luò)線152。圖4B顯示出總處理時間154，需要以此總處理時間來由目前目標(biāo)位置156移動500微米(micron)而到達(dá)新目標(biāo)位置158，且在新目標(biāo)位置158鉆孔。此現(xiàn)有技術(shù)實例假設(shè)的是，檢流計臺座在1.0ms(毫秒)內(nèi)執(zhí)行500微米移動，且具有0.0-1.0ms的穩(wěn)定時間、及1.0ms的鉆孔時間。因此，移動及進行孔處理的總計時間154為2.0ms至3.0ms。
反之，圖5A代表本發(fā)明的一種三級定位器的性能，此定位器具有線性臺座工作包絡(luò)線150、檢流計臺座工作包絡(luò)線152、與FSM工作包絡(luò)線160。圖5B顯示出，由目前目標(biāo)位置156移動500微米而到達(dá)新目標(biāo)位置158、且在新目標(biāo)位置158處鉆孔所需要的總處理時間162。此實例也假設(shè)，檢流計臺座在1.0ms內(nèi)執(zhí)行500微米移動，且具有0.0-1.0ms的穩(wěn)定時間、及1.0ms的鉆孔時間。在此實例中，F(xiàn)SM具有±125微米的工作包絡(luò)線，且總處理時間162包括如圖5B所示的下列成分。125微米的FSM移動164與500微米的檢流計移動166同時開始。FSM移動164在0.2ms內(nèi)到達(dá)FSM工作窗160的范圍，而檢流計移動166則繼續(xù)。FSM移動164加上檢流計移動166致使在0.6ms內(nèi)到達(dá)新目標(biāo)位置158，在此時刻，1.0ms的鉆孔時間168開始，而檢流計移動166完成且穩(wěn)定，而且FSM校正因檢流計移動166的完成及穩(wěn)定所產(chǎn)生的定位誤差。因此，總計的移動及孔處理時間162為1.6ms，這表示比現(xiàn)有技術(shù)的定位器系統(tǒng)的有16％的生產(chǎn)量改善。若穩(wěn)定時間為1.0ms，則改善為47％。
大角度定位若在上述實例中的FSM有±500微米的工作包絡(luò)線，則在間隔500微米的孔之間的總移動時間將以因子5減少，且生產(chǎn)量將提高40％。
圖6顯示一種典型的二軸操縱鏡系統(tǒng)200?？墒褂酶鞣N技術(shù)在兩個軸上圍繞樞軸點204而傾斜鏡202。這些技術(shù)包括使用彎曲機構(gòu)與音圈致動器的FSM；依賴于壓電變形、電致伸縮變形、或是PMN致動器材料變形的壓電致動器；以及使鏡的表面變形的壓電或電致伸縮致動器。適合的音圈驅(qū)動FSM可得自美國科羅拉多州Broomfield的BallAerospace公司與美國加州Irvine的Newport公司。適合的壓電致動器是由德國卡爾斯魯厄(Karlsruhe)的Physik Instrumente(“PI”)GmbH&Co.所制造的型號為S-330的超快速壓電傾倒/傾斜平臺座。
在諸如半導(dǎo)體晶圓處理之類應(yīng)用中，典型地并不使用檢流計偏轉(zhuǎn)鏡，因為它們各自僅圍繞一軸傾斜一鏡。況且，需要一對實際獨立的檢流計鏡用于兩個軸的致動。這種獨立與下列期望是不兼容的致動發(fā)生在位于一靠近聚焦透鏡208的入瞳206的樞軸點，以維持在半導(dǎo)體晶圓表面的高品質(zhì)激光光斑。然而，可能在這樣一些應(yīng)用中使用檢流計偏轉(zhuǎn)鏡具體地說，是在鏡202的前面且在單軸上使用檢流計偏轉(zhuǎn)鏡以及小偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以維持準(zhǔn)確度與聚焦良好的激光光斑。若使用小偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，可使用操作于比典型頻寬更高的頻寬上的兩個小檢流計偏轉(zhuǎn)鏡。
當(dāng)然，其它銷售商的或其它型式的鏡或致動器設(shè)計適用于本發(fā)明。
除了所有其它上述優(yōu)點，本發(fā)明借著使用二級或三級系統(tǒng)以校正誤差，允許放松對于線性馬達(dá)與檢流計驅(qū)動鏡的要求(加速度時間、穩(wěn)定時間)。這能夠?qū)嵸|(zhì)降低線性與檢流計定位器的成本，并且也降低了系統(tǒng)生產(chǎn)量與線性臺座和檢流計臺座的加速度限制值的依賴性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的FSM系統(tǒng)可適用于蝕刻電路板的通孔鉆孔、微加工、及激光修整應(yīng)用。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可用不同于上述優(yōu)選實施例的實施的方式，來實施本發(fā)明的各部分。例如，本發(fā)明不限于低、中、與高頻臺座的實施例，而可包括另外的臺座，諸如極高頻的定位器臺座，其響應(yīng)于位置命令的極高頻頻率部分。此外，所述DSP可實施為整體或部分離散的部件，其中某些為模擬部件。例如，加法器可實施為模擬式求和接點，但是優(yōu)選實施為編碼程序。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可對本發(fā)明的上述實施例的細(xì)節(jié)進行諸多修改而不偏離其基礎(chǔ)原理。因此，可理解的是，本發(fā)明也可應(yīng)用于其它與電子部件的處理中所遇到的不同的激光束瞄準(zhǔn)應(yīng)用。因此，本發(fā)明的范圍僅應(yīng)由所附權(quán)利要求所決定。
權(quán)利要求
1.一種用于響應(yīng)位置命令以將激光束導(dǎo)向工件上的目標(biāo)位置的裝置，包括一低頻寬定位器臺座，其響應(yīng)所述位置命令的低頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一；一中頻寬定位器臺座，其響應(yīng)所述位置命令的中頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一；及一高頻寬定位器臺座，其響應(yīng)所述位置命令的高頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述高頻寬定位器臺座包括一快速操縱鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述快速操縱鏡是根據(jù)所述位置命令所規(guī)定的目標(biāo)位置、與所述低頻寬定位器臺座與中頻寬定位器臺座至少其中之一的實際位置之間的差異，來定位的。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，進一步包括一傳感器，其用于測量所述低頻寬定位器臺座的實際位置；且其中所述快速操縱鏡是根據(jù)該低頻寬定位器臺座的實際位置與所述位置命令所規(guī)定的目標(biāo)位置之間的差異來定位的。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中頻寬定位器臺座進一步包括至少一個檢流計驅(qū)動鏡及一傳感器，用于測量所述中頻寬定位器臺座的實際位置。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述快速操縱鏡是根據(jù)所述中頻寬定位器臺座的實際位置與所述位置命令所規(guī)定的目標(biāo)位置之間的差異來定位的。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一極高頻定位器臺座，其響應(yīng)所述位置命令的極高頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述低頻寬定位器臺座包括線性臺座，它們被置于堆疊式結(jié)構(gòu)、分軸式結(jié)構(gòu)、或平面式結(jié)構(gòu)中。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述高頻寬定位器臺座包括一快速操縱鏡，其沿兩個軸反射所述激光束。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述快速操縱鏡是由音圈致動器、壓電致動器、電致伸縮致動器、或鈮酸鎂鉛致動器至少其中之一來定位的。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述快速操縱鏡進一步包括一位置傳感器，用于確定該快速操縱鏡的實際位置；且其中所述快速操縱鏡是根據(jù)該快速操縱鏡的實際位置與所述位置命令所規(guī)定的目標(biāo)位置之間的差異來定位的。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一低通濾波器與一中通濾波器，它們接收所述位置命令且分別通過該位置命令的低頻與中頻部分。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述低通與中通濾波器具有相關(guān)聯(lián)的第一與第二濾波器延遲，且所述裝置進一步包括第一與第二延遲元件，其補償所述第一與第二濾波器延遲。
14.一種用于響應(yīng)位置命令以將激光束導(dǎo)向工件上的目標(biāo)位置的方法，包括響應(yīng)所述位置命令的低頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一；響應(yīng)所述位置命令的中頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一；及響應(yīng)所述位置命令的高頻部分，相對于彼此地引導(dǎo)所述工件與所述激光束至少其中之一。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理包括以下至少其中之一鉆孔；微加工；顫動調(diào)諧；螺旋鉆孔、環(huán)鋸鉆孔；以及校正孔的粗糙度。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述工件包括一電子電路，且所述處理包括調(diào)諧在所述電子電路上的電路元件。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述工件包括一電子電路襯底，且所述處理包括在所述電子電路襯底上形成孔。
全文摘要
本發(fā)明的三級定位器系統(tǒng)(80)運用X與Y軸平移臺座(86，88)、檢流計驅(qū)動鏡(64，66)、與快速操縱鏡(FSM)(120)，以引導(dǎo)激光束(90)至工件(92)上的目標(biāo)位置(121)。定位信號由低通濾波器(103)接收，低通濾波器(103)產(chǎn)生濾波后的位置數(shù)據(jù)以驅(qū)動X與Y軸平移臺座。從未濾波的定位數(shù)據(jù)減去X與Y軸平移臺座的實際位置，以產(chǎn)生驅(qū)動該檢流計驅(qū)動的X與Y軸鏡的X－Y位置誤差信號。從該X與Y軸平移臺座的實際位置減去實際的鏡位置，以產(chǎn)生代表激光束的被命令位置與實際位置之間差異的位置誤差信號。位置誤差信號驅(qū)動FSM以快速校正任何位置誤差。
文檔編號G02B26/08GK1758984SQ200380110210
公開日2006年4月12日 申請日期2003年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月24日
發(fā)明者S·B·巴雷特, M·A·安瑞斯, D·R·卡特勒 申請人:電子科學(xué)工業(yè)公司