用于激光加工工件的自动参数管理的制作方法

专利名称：用于激光加工工件的自动参数管理的制作方法
技术领域：
本发明是有关于以激光加工工件，特别是关于量测工件的特性以及决定用于加工 工件的较佳预定加工参数配置(recipe)。
背景技术：
诸如微加工(micromachining)的激光加工可以在多种不同工件上进行，该等工 件运用各种不同的激光达成各种加工处理。举例而言，激光被使用于在电子材料产品上钻 出开孔并消融其中的物质，该等电子材料产品包括诸如均质薄膜(homogenous film)、微粒 填充合成树脂(particulate filled resin)、聚亚酰胺(polyimides)、以及纤维强化聚合 物(fiber reinforced polymer)，其可以具有或不具有金属的镀覆。激光微加工操作的目的之一在于在不同工件间以及在一整个工件上提供激光微 加工形态(feature)的一致性质量。基本上，激光加工材料的质量是指激光加工设备的客 户具体指定的优越性的标准。不同激光加工操作的质量衡量标准也有所不同。界定形态质 量的一些权衡标准包含该形态的位置、尺寸、以及形状。其它权衡标准包含侧壁角度、底部 纹路、接近形态边缘的裂痕总数、以及微加工处理之后残留在形态中的碎片总量和纹路。本文所描述的激光微加工操作的问题之一是，由于工件的不均勻度，使用相同激 光参数在二不同工件上或同一工件上的二不同位置上进行加工处理可能导致形态质量上 的差异。影响结果的工件差异的实例包含厚度上的差异、工件平整度上的差异、以及使得工 件反射较多或较少激光功率的表面制备上的差异。此等差异在工件之间或是在同一工件上 均非固定不变的，且可能随着其在个别形态下的位置而异。然而，在某些情况下，由于大量 生产的容忍限度的常态变异，此等差异在预定的一批工件中的不同工件间是可以具重现性 的。为了解决部分问题，其量测一工件的厚度而操作员手动式地判定应该使用何种激 光加工参数配置。使用者从而将该等参数配置传送至激光加工系统。

发明内容
为了更适当地解决该等问题，其自一工件量测一或多个特性。此量测信息被用以 自一对照表选择一较佳的预定激光加工参数配置。此激光加工参数配置从而被用以加工该 工件。上述的激光加工参数配置对照表的建立可以是基于理论上的计算、操作员的错误 尝试、具有后处理测试的自动化系统参数变异流程、或是基于前述或其它方法的组合。自动化流程也可以降低操作员的错误，且可以储存量测数值以便于工件特性的追S示ο经由以下较佳实施例的详细说明，配合所附的图式，本发明的更多目的及优点将 趋于明显。


图1是一整合式激光微加工系统的部分示意图，其包含一激光系统、一自动装载 系统、以及一量测系统。图2A是一基本参数配置选择表。图2B是一示范性参数配置选择表，其使用于一 5330激光钻孔系统。图3是可以关联至量测数值的示范性参数配置。图4是一示范性装载、量测、激光微加工、以及卸载流程的流程图。图5是一侧面视图，其展示一示范性量测系统组件如何取得一零基准聚焦(zero reference focus)数值。图6是一侧面视图，其展示一示范性量测系统组件如何通过决定聚焦相对于零基 准聚焦数值的变化而取得一厚度值。
具体实施例方式图1是一整合式激光微加工系统10的部分示意图，其包含一激光系统12、一自动 装载系统14、以及一量测系统16。此处所述的激光加工系统12仅是一钻孔系统的举例，用 于诸如半导体晶圆或印刷电路板(PCB)面板上的单层或多层工件的激光加工，以形成穿孔 及/或盲孔。习于斯艺者应能理解，本文所述的激光加工方法也可以适用于任何种类的激 光微加工，包含但不限于微结构(microstructure)的消融图案化、裁修被动式厚膜或薄膜 组件、晶圆切割或钻孔、或者半导体连结(熔线)的移除，以及热退火(thermal annealing) 处理。在某些实施例之中，激光加工系统12包含一或多个激光18以及一光束及工件定 位系统20，在图中表示为光束偏转镜(beam deflecting mirror) 22以及工件垫块Μ。示 范性激光加工系统，特别是钻孔系统，详细揭示于Owen等人的美国专利第5，593，606和 5，841，099号、Dunsky等人的美国专利第6，407，363和6，784，399号、Baird等人的美国专 利第7，157，038号、Jordens等人的美国专利第7，244，906号、Lei等人的美国专利申请公 开号2005-(^6M08、Lei等人的美国专利申请号11/756，507、以及Peng等人的美国专利申 请号12/057,264。此等专利、公开案、及申请案以参照的方式并入而包含于此临时专利申 请案之内。上述专利、公开案、及申请案中的一些复本以附录的方式附于实施方式一节以便 于参阅。在某些实施例之中，一较佳激光加工系统12包含一型号5330激光系统或由位于 Oregon州Portland市的Electro-Scientific Industries有限公司生产制造的该系列产 品中的其它系统，该公司是本专利申请案的受让人。示范性激光18包含揭示于前述专利、公开案、及申请案中之一或多个激光18。示 范性光束及工件定位系统20也揭示于前述专利、公开案、及申请案之中。更多示范性光 束及工件定位系统20包含Cutler等人的美国专利第5，751，585和6，430，465号，以及 Johnson的美国专利第7，027，199号中所描述者，均以参照的方式并入于此。在某些实施例之中，激光18可以是一 UV激光、一顶激光、一绿光激光、或一 CO2 激光。一示范性加工激光输出具有一介于大约0. 01微焦耳和大约1. 0焦耳间的脉冲能量。 在某些实施例之中，一较佳UV加工激光是一 Q型开关UV DPSS激光，其包含一固态激光介 质,诸如而:￥六6、而11^、而:￥六？、或而1￥04，或者是掺杂镱(ytterbium)、钬(holmium)、或铒(erbium)的YAG晶体。该UV激光在较佳实施例中提供谐振式产生的UV激光输出于诸 如355奈米(三倍频Nd: YAG)、266奈米(四倍频Nd: YAG)、或213奈米(五倍频Nd: YAG)的 波长。在某些实施例之中，一较佳(X)2加工激光是一运作于波长介于大约9微米和大约 11微米间的脉冲式CO2激光。市面上可取得的一示范性脉冲式(X)2激光是美国康乃迪克州 的Bloomfield的Coherent-DEOS所制造的型号Q3000的Q型开关激光(9. 3微米)。激光18和光束及工件定位系统20在信号上直接或间接地与彼此及激光系统控制 器沈连接，以使得工件观在垫块M上的位置与激光束轴30的位置一致，激光束轴30相 关于沿激光束路径32传递的激光脉冲时序。信息及/或指令信号可以沿连接此等次系统 的通信路线34的某一方向或任一方向流动。某些用于制造诸如用于印刷电路板(PCB)和电子封装组件等多层结构的示范性 工件观，而于其中形成开孔的常用材质基本上包含金属(例如，铜)和介电材质(例如，聚 合物聚亚酰胺、合成树脂、或FR-4)。其它常用的工件观详细描述于前述的专利、公开案、以 及申请案。较佳的单层工件包含铜质薄片；使用于电气应用的聚亚酰胺薄片；以及其它金属 片(诸如铝、钢)以及使用于一般工业和医学应用的热塑性塑料(thermoplastic)，或是 做为于其上建构电子电路的基板的硅或其它半导体材料。较佳的多层工件包含多芯片模 块(multi-chip module ;MCM)、电路板、或半导体微电路封装。在某些实施例之中，金属层 可以包含但不限于铝、铜、金、钼(molybdenum)、镍、钯(palladium)、钼(platinum)、银、钛 (titanium)、钨(tungsten)、金属氮化物、或其组合。在某些实施例之中，金属层的厚度最好 是介于大约9微米和大约36微米之间，但其也可以薄于9微米或者厚达72微米。在某些实施例之中，有机介电材质层可以包含苯并环丁烷(benzocyclobutane ； BCB)、三氮杂苯双马来酰胺树脂(bismaleimide triazine ;BT)、卡纸板 (cardboard)、氰酸酯(cyanate ester)、环氧树脂(印oxy)、聚亚酰胺、聚四氟乙烯 (polytetrafluorethylene ；PTFE)、聚合物合金、或其组合。每一有机介电层基本上均较金 属层厚。在某些实施例之中，一有机介电层的较佳厚度是介于大约20微米和大约400微米 之间，但一有机介电层可以被置放于一厚度厚达例如1. 6毫米的堆栈中。一有机介电层可以包含一薄形强化组件层。该强化组件层可以包含，举例而言，被 织入或散入该有机介电层内的聚酰胺纤维(aramid fiber)、陶瓷、或玻璃的纤维团或散布 微粒。该强化组件层基本上可以远薄于该有机介电层且可以具有一介于大约1微米和大约 10微米间的厚度。习于斯艺者应能理解，上述的强化材质也可以以粉末的形式加入该有机 介电层。此含有此粉末式强化材质的强化组件层可以是非连续及不均勻的。习于斯艺者应能理解，该等迭层可以是内部非连续、不均勻、及不平整的。具有许 多金属层、有机介电层、和强化组件材质的堆栈可以具有一大于2毫米的总厚度。工件的成 分和尺寸不断地演化，故前述的举例不应被视为发明范畴的限定。激光加工系统12经由通信路线36直接或间接在信号上连接自动装载系统14，通 信路线36连接此等次系统且可以沿路线36的某一方向或任一方向传送信息及/或指令信 号。在某些实施例之中，激光系统控制器沈提供介于自动装载系统14和激光加工系统12 间的接口。
一示范性自动装载系统14包含一或多个装载手臂38及一或多个卸载手臂40。然 而，习于斯艺者应能理解，其可以使用单一手臂执行二者中的任一功能。在某些实施例之 中，自动装载系统14的形式可以是一晶圆操控系统或一卡匣或中介垫块操控系统、或是一 前端装载器。适当自动装载系统的一实例是位于香港九龙的Lexus Automation股份有限 公司为Electro Scientific hdustries有限公司所设计及制造的型号PL-5330的系统。 市面上可取得各种自动化PCB及晶圆装载系统且为习于此领域的业者所熟知。激光加工系统12及/或自动装载系统14分别经由通信路线42和44直接或间接 在信号上连接量测系统16，通信路线42和44连接此等次系统且可以沿路线42和44的某 一方向或任一方向传送信息及/或指令信号。在某些实施例之中，激光系统控制器沈提供介于激光加工系统12和量测系统16间及/或介于自动装载系统14和量测系统16间的接□。量测系统16可以包含一或多个摄影机46或用以量测工件28 一或多个特性的其 它装置。举例而言，其可以置放一或多个摄影机46，以在自动装载系统14移动工件观至 垫块或平台对之上时，自工件观之一或多个侧边48、区域、或预期的形态位置取得厚度的 量测。量测系统16同时也可以包含更多安置以取得工件观的表面M影像的摄影机50及 52，诸如粗略及精密摄影机，以获得诸如光亮度或反射性等表面特性的量测。习于斯艺者应能理解，量测系统沈及其摄影机46、50、52或其它传感器或侦测器 可以是独立的系统或次系统，或者其可以被整合入自动装载系统14和激光加工系统12之 一或二者之中。若欲得到在工件观由垫块或平台M所支撑时所不可能得到的视角，与自 动装载系统14整合可能较为适当。若摄影机46、50、52或其它传感器或侦测器也可用于诸 如工件或形态对齐的定位，或者加工期间诸如形态特性的实时回授，则与激光加工系统12 整合可能较为适当。其也可以结合一操作员接口 56，直接或间接连接于一或多个前述的系 统或次系统。图5及图6示范如何以摄影机50及/或52或其它传感器取得厚度量测的另一实 例。参照图5及图6，摄影机50及/或52 (或其它传感器)可以聚焦于垫块M或某一其 它支持平台的表面上以取得一零基准聚焦数值。自动装载系统14接着将工件观装载至垫 块M或某一其它支持平台之上。摄影机50及/或52 (或其它传感器)接着重新聚焦于工 件观的表面上。焦距数值的变化被转换成厚度值。厚度的量测可以在任何位置、预定位置 (诸如用以于不同区域以取得平均厚度数值的位置)、或者于一预期形态的每一位置上进 行。该等厚度值被储存于内存中以用于决定如下所述的加工参数配置，且此等数值同时也 可以用于后续形态质量的评估以及判定是否需要被修改或进一步的加工程序。一些示范性 独立量测系统包含KLA-tencor所生产的Wafersight2或VisEdge CV300。具有诸如厚度等不同特性的工件观或工件观的区域应以不同方式加工以获得具 有同一所希质量的形态。在最单纯的实例中，较厚的区域或较厚的工件观可以运用一或多 个额外脉冲以建立一所希质量的形态，而较薄的区域或较薄的工件观可以运用较少的脉 冲以建立一所希质量的形态。工件观的光亮度也可以提供可兹用以修改建立形态的基本 加工参数配置的信息。习于斯艺者应能理解，工件观的许多影响加工参数配置的其它特性 也可以被量测。图2A和图2B显示基于一厚度量测数值的示范性参数配置对照表。举例而言，对于平均量测厚度值等于1. 05的工件观，参数配置2将被用以加工整个工件观，如图2A所 示。另一方面，若其量测关于工件区域或个别目标位置之一或多个特性，则工件观的每一 区域或目标位置均将以相关于该预定量测数值的适当参数配置进行加工。因此，量测数值 将被储存并连结至工件观上的特定位置。图2B显示以型号5330的激光系统实施钻孔的 一示范性参数配置选择表。图3是可用以依据一量测数值对一工件观实施加工的一示范性参数配置。在某 些实施例之中，每一量测数值和参数配置间具有一对一的对应关系。然而，习于斯艺者应能 理解，对照表中的一个量测数值通常包含某个范围内的量测数值。在某些实施例之中，上述 的量测数值是工件观的一平均厚度值、工件观中一区域的一平均厚度值、或是工件观上 一预期目标或形态的位置的一厚度值。在某些实施例之中，上述的参数配置指定用以在工 件观上钻出具有特定特性的开孔的参数，诸如直径及深度。参数配置基本上包含，但不限于，关于光点尺寸、侵蚀尺寸(bite size)、重复率 (repetition rate)、定位系统的速度、激光功率、操作的次数、脉冲数目、以及移动模式等 激光参数。习于斯艺者应能理解，列于图3参数配置表中的示范性参数并未尽举，其中的许 多参数或其变易形式可以表示成变量的不同组合。同样地，参数配置中的参数将随着诸如 开孔直径或工件材质等不同形态属性以及不同激光种类和光束及基板定位系统的而改变。举例而言，只要定位系统许可，其可以运用Dimsky等人的美国专利案第 6，407，363和6，784，399号中所揭示的任何钻孔技术或模式。此等技术和模式包含，但不限 于，螺方 式(spiraling)、同心圆式(concentric circle)、以及环锯式(trepanning)力口工。 习于斯艺者应能理解，运用于美国专利案第6，407，363号中的变形反射镜可以置换成其它 高速操控装置，诸如揭示于Johnson的美国专利案第7，027，199号中之一或多个声光式装 置，以实施各种模式。习于斯艺者应能理解，参数配置对照表可以是基于超过一种的量测数值，诸如使 用一矩阵中的厚度数值及光亮度数值，以决定用以加工一预定工件观、区域、或位置的最佳 参数配置。同样地，三个或更多量测数值(或数值的范围)可以被组合于多维矩阵中，其依 据某些或所有的量测特性指定"最佳"的参数配置。上述的激光加工参数配置对照表的建立可以是基于理论上的计算、操作员的错误 尝试、具有后处理测试的自动化系统参数配置变异流程、或是基于前述或其它方法的组合。 当搜集愈多信息，对照表可以变得愈复杂且愈精确以反映出加工的历程。此等历程可以包 含激光操作的变异以及参数配置中的变异。图4是一示范性装载、量测、激光微加工、以及卸载流程的流程图。在某些实施例 的简化示范性实施方式中，一用以钻出开孔的激光加工系统12运用指令步骤60请求自动 装载系统14加载一工件观。在装载步骤62，自动装载系统14自一储存架或输送装置(未 显示于图中)选择一工件观。在移动或定位步骤64，自动装载系统14移动工件观以促成 其一或多个特性的量测，并于一指令步骤66中传送量测指令至量测系统16。在量测步骤68，量测系统16取得工件观一或多个特性的量测结果。该等特性可 以得自于一或多个工件侧边、表面、区域、或特定的预期目标或形态位置。该等量测可以是 当工件观被输送至激光加工系统12或是当被装载手臂38暂停于一或多个预定位置之时 由一或多个摄影机46取得。其也可以在工件观被装载至激光加工系统12的垫块对上之后通过摄影机50及52取得量测。量测系统16可以分析或处理未经处理的数据，诸如提供 平均量测数值，并将处理后或未经处理的数据直接或间接地转送至激光加工系统12，诸如 经由自动装载系统14和数据传送步骤70进行。在装载步骤72，自动装载系统14完成将工件观装载于激光加工系统12的垫块 24之上(若在量测阶段未完成的话)并经由指令步骤74通知激光加工系统12工件观已 装载完成。在参数配置决定步骤76，激光加工系统12利用量测信息在诸如图2A和图2B所例 举的表中寻找加工工件观的较佳参数或是对其内的区域或预期目标或形态位置进行加工 的较佳参数。在加工步骤78，激光加工系统12利用依据得自于对照表的参数配置对工件 观、其内的区域、或预期目标或形态位置进行加工。在指令步骤80，激光加工系统12通知自动装载系统14工件观已加工完成。自动 装载系统14在卸载步骤82将工件自垫块M卸载下来并于通知步骤84通知激光加工系统 12工件观已卸载完成。激光加工系统12接着进入就绪状态，准备请求新工件观的装载。习于斯艺者应能理解，取决于各种不同系统组件的功能，通信路线可以有所变化。 特别是，习于斯艺者应能理解，用以实施上述流程步骤的各种软件基本上均可以配合诸如 激光控制器沈的单一系统或次系统运作。或者，该等软件可以全部或部分地配置于各种系 统、次系统、或次系统组件之中。举例而言，摄影机46、50、和52可以包含量测处理软件以及 影像处理软件，或者所有或多数的数据处理均可以由激光控制器沈完成或掌控。激光控制 器沈同时也可以直接要求量测系统16进行量测，而非经由诸如来自自动装载系统14的指 令。许多变异方式均是可能的。习于斯艺者也应理解，对照表所提供的参数配置仅系参数的范例，举例而言，该等 参数配置于实际操作时可以依据程序监控实时予以改变。举例而言，此等程序监控可以追 踪激光加工系统12内一或多个光学模块的性能下降、激光18的效能变异、或者是关于光束 及工件定位系统20的失常或其它定位错误。Jordens等人的美国专利案第7，244, 906号即 详细描述如何实施此类实时调整。前述实施例的细节可以在未脱离本发明的基本原理下进行许多修改，此对于习于 斯艺者应是显而易见的。本发明的范畴因此应由以下的申请专利范围所界定。
权利要求
1.一种利用激光微加工系统加工工件的方法，包含 取得关于该工件一或多个特性的信息；依据该特性的质量指派一量测数值予该每一特性；自一对照表选择关于该量测数值或包含该量测数值的一量测数值范围的一加工参数 配置，该加工参数配置包含一或多个参数，用以加工该工件以于该工件中建立具有预定属 性的一形态；以及运用包含一光束定位系统及/或一基板定位系统的一激光系统，以于该工件中建立一 或多个具有预定规格的形态。
2.如权利要求1所述的方法，其中该激光微加工系统是一钻孔系统而该形态是一开孔。
3.如前述任一项权利要求所述的方法，其中该工件是一印刷电路板或一半导体晶圆。
4.如权利要求1所述的方法，其中该特性之一是厚度。
5.如权利要求1所述的方法，其中该特性之一是光亮度。
6.如权利要求1所述的方法，其中该特性的每一量测数值或量测数值范围均关联至一 加工参数配置。
7.如权利要求1所述的方法，其中不同的第一及第二特性的量测数值被组合入一矩阵 且该加工参数配置是关联至该二特性的一交迭。
8.如权利要求1所述的方法，其中一自动装载系统被用以装载该工件至一工件加工支 持结构之上。
9.如权利要求1所述的方法，其中一自动装载系统定位该工件，以使得该信息可以被 取得。
10.如权利要求1所述的方法，其中该信息是以一或多个摄影机而取得。
11.如权利要求1所述的方法，其中当取得关于单一特性的该信息时，该工件是位于一 个以上的位置。
12.如权利要求1所述的方法，其中当取得关于多个特性的该信息时，该工件是位于一 个以上的位置。
13.如权利要求1所述的方法，其中当取得该信息时，该工件是处于移动状态。
14.如权利要求1所述的方法，其中使用不同的装置来取得关于不同特性的信息。
15.如权利要求1所述的方法，其中得自该工件一个以上位置的信息被用以决定该量 测数值。
16.如权利要求1所述的方法，其中一量测数值被关联至所取得信息的该工件上的每一位置。
17.如权利要求1所述的方法，其中该加工参数配置在建立该形态之前被调整。
18.如权利要求1所述的方法，其中在建立该形态之前，该加工参数配置被实时性地调 整，以响应关于该激光系统的数据。
19.如权利要求1所述的方法，其中该参数包含以下之一或多个项目式样、尺寸、脉冲 重复率、脉冲的数目、脉冲形状、脉冲宽度、脉冲能量、峰值脉冲功率、脉冲能量容忍度、稳定 时间、光点尺寸、光束形状、或波长，其中该形态的规格包含以下之一或多个项目式样、位 置、深度、形状、尺寸、直径、或是微加工后所允许的碎片残留；且其中该参数包含以下之一或多个项目该光束定位系统的移动模式、侵蚀尺寸、该光束定位系统的速度、或是操作的 次数。
20. 一种系统，包含一激光系统，用以提供激光输出；一光束传送系统，用以沿一光轴传送该激光输出；一量测系统，用以量测一工件的一特性；一工件定位系统，用以将该工件相对于该量测系统及/或该光轴进行定位； 激光加工软件，用以提供有关该工件的该特性的数值的激光加工参数配置；以及 一激光控制器，用以经由该激光系统、该光束传送系统、或该工件定位系统中一或多个 系统的直接或间接控制，直接或间接实施有关一特性的一量测数值的加工参数配置。
全文摘要
为了更适当地解决相关问题，自一工件(28)量测一或多个特性。此量测信息被用以自一对照表选择一较佳的预定激光加工参数配置。该激光加工参数配置从而被用以加工该工件(28)。激光加工参数配置对照表的建立可以是基于理论上的计算、操作员的错误尝试、具有后处理测试的自动化系统参数配置变异流程、或是基于前述或其它方法的组合。自动化流程也可以降低操作员的错误，且可以储存量测数值以便于工件特性的追踪。
文档编号B23K26/40GK102056705SQ200980121875
公开日2011年5月11日 申请日期2009年5月7日 优先权日2008年6月13日
发明者文陵, 杰夫·哈华顿, 玛密特·伊茗·艾尔帕 申请人:伊雷克托科学工业股份有限公司