（机械制造及其自动化专业论文）激光调阻机光学系统扫描畸变及安装误差研究.pdf

摘要 摘要 研究生：李文娟 指导老师： 田兴志 激光调阻机是激光刻蚀技术在电子加工工业中的一种应用，是集光学、精密 机械、计算机控制和精密测量技术于一体的高技术的加工设备，主要用于厚薄膜 电阻的微调加工。 本文介绍了透镜前双振镜二维扫描方式的激光调阻系统，阐述了激光微调的 工作原理及特点；建立了激光调阻机双振镜二维扫描系统的数学模型，推导出扫 描场内任意点的坐标与振镜偏转角之间的函数关系式，并分析了用简化关系式代 替推导所得的函数关系式控制振镜扫描时所产生的畸变，最后提出了用理论关系 式的等效关系式来控制振镜扫描，用等效关系式控制振镜扫描时不仅t q 以得到高 精度，达到了微米量级，而且用等效关系式对振镜进行控制时，还能够实现激光 调阻机的高速度要求，从而达到校正的目的。 此外，本文通过建立数学模型分析了激光调阻机光学系统的装配误差，主要 包括入射光线与光学系统光轴倾斜和第二振镜与厂目透镜非正交，并提出了利用 两振镜绕转轴偏转一定的角度补偿上述安装误差的补偿方法，这对与激光调阻机 今后的性能提高工作具有非常高的应用价值。 关键词：激光调阻机双振镜扫描 畸变校正安装误差补偿 激光i j i ；j 脚j 机光学系统j _ i 描畸变及爱装漠蓐研究 r e s e a r c ho ns c a n n i n gd i s t o r t i o na n dm o u n t i n ge r r o r o fo p t i c a ls y s t e mo fl a s e rt r i m m i n gm a c h i n e l iw e n j u a n ( m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ) d i r e c tb yt i a nx i n g z h i a b s t r a c t ：l a s e rt r i n h n i n gm a c h i r ei sa na p p l i c a t i o no ft h el a s e rt r i m m i n g t e c h n i q u ei ne l e c t r o n i cp r o c e s s i n gi n d u s t r y i ti sah i g ht e c h n i q u e e q u i p m e n tt h a tu t i l i z e s in t e r d i s c i p l i n a r y t e c h n o l o g i e ss u c ha so p t i c s ， f in em e c h a n i c s ，c o m p u t e r c o n t r o la n df i n em e a s u r e m e n t i tl sm a i n l y a p p ie dt ot h em i c r o t r is m n i n go ft h i c k 一& t h i n f i l m i nt h i sp a p e r ，ap r e o b j e c t i v ed u a l g a l v a n o m e t e r b a s e dl a s e r t r i m m i n gs y s t e m ，a n di t st r i m m i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i ca r e d e s c r i b e d w i t he s t a b l i s h in gt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fd u a lg a v a n o m e t e r s c a n n i n gs y s t e mo f1 a s e rt r i m m i n gs y s t e m ，t h ef u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e n t h ea r b i t r a r yp o i n t sc o o r d i n a t ei ns c a n n i n gr e g i o na n dg a l v a n o m e t e r s d e f l e c t e da n g l ei sd e d u c e d t h e n ，t h ed i s t o r t i o n sc a u s e db yu s i n gs i m p l e f u n e t i o nt oc o n t r o lg a l v a n o m e t e r si n s t e a do ft h ei d e a lf u n c t i o l qa r e a n a l y s e d f i h a l l y ，am e t h o dt h a tu s et h ee q u i v a l e n tf u n c t i o nt oc o n t r o l g a l v a n o m e t e r si sp r o p o s e d t nt h i sm e t h o d ，c a nr e a li z et h eh i g ha c c u r a c y ， s p e e d ，e f f i c i e n c y b e s i d e s ，t h em o u n t i n ge r r o r so ft h eo p t i c a ls y s t e mo fl a s e rt r i m m i n g s y s t e ma r ea n a l y s i s e db ye s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c sm o d e l t h em o u n t i n g e r r o r sm a i n l yi n c l u d et w os i d e s o n ei st h ei n c l i n a t i o no fi n p u tl a s e r b e a ma n dt h ea x i so fo p t i cs y s t e m ，t h eo t h e ri st h ed i s o r t h o g o n a lit yo f t h es e c o n dg a l v a n o m e t e ra n df - t h e t a1 e n s ，a tl a s t ，am e t h o do fr e v o v l a t i o n g a lv n o m e t e r si nad e g r e eisp r o p o s e dt oc o m p e n s a t e dm o u n t i n ge r r o l s m o u tin ge r r o rc o m p e n s a tior lh a sv e r yh i g na p p ljc a tio n t oi m p r o v et h e p e l l f o r m a n c eo fl a s e rt r i m m i n gs y s t e m k e yw o r d s ：l a s e rr e s is t o rt r i m m i n gr o a c h i t i e ，d u a l g a l v a n o m e t e rs c a n ， d i s t o tl i o nc a l i b r a t i o n ，i n o ur l t in ge r r o rc o m p e n s a ，i o n i 主j 表索弓 图表索引 图2l 厚薄膜电阻常用微调方法示意图g 图22 激光调阻机机械系统组成图1 0 图3 1 激光调阻机光学系统组成图1 2 罔32 旋转多面棱镜偏转器原理1 7 圈3 f 3 声光偏转器原理示意图1 7 图4l 振镜偏转器结果示意图2 0 图42 振镜扫描常用扫描方式2 2 图4 1 3 步进扫描方式的特点2 2 图4 4 光栅扫描方式的扫描速度指标2 2 图4 5 光栅扫描方式的扫描精度参数2 3 图4 6 矢量扫描方式的特点2 4 图4 _ 7 物镜后扫描2 5 图48 物镜前扫描2 5 图4 9 物镜前双振镜扫描系统t 作原理图2 6 图5i 双振镜扫描系统示意图2 7 图52：维振镜控制方法流程图3 2 图53 用( 8 ) 式控制振镜时x ，y 方向的畸变量3 3 图5 4 用( 8 ) 式控制振镜的扫描图形3 3 图55h ( x ) 拟合图3 6 图5 6g ( y ) 拟合图3 6 罔5 7 用( 1 2 ) 式控制振镜的扫描陶形3 7 罔58 光斑重叠率对切口形状的影响3 8 图5 9 三种控制方法扫描时间对话框4 0 剧6 1 第二振镜与厂口透镜非正交示意图4 3 表1 厚薄膜电阻的微调方法7 表2 扫描点( x ，y ) 对应的理想振镜偏转角( 9 。9 ，) 3 4 表3 用( 6 ) 式控制振镜扫描时的扫描畸变量3 5 表4 x ，y 对应的h ( x ) ，颤y ) 骗 表5 扫描点( x ，y ) 的光束扫描误差a x ，a y 3 7 表6 三种控制方法精度及扫描速度一4 l 王l i 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律 责任。 长春光学精密机械与物理研究所 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月日 鹅一聋引言 第一章引言 1 1 本章主要内容 一、首先介绍了激光加工的基本概述，并阐述了激光产业的国内外发展现 状。 _ 、其次简要介绍了激光调阻机的国内外研究现状以及研制激光调阻机的 重要意义。 三、最后概要说明了论文研究工作的主要内容。 1 2 激光加工概述 激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。二 十一世纪被誉为“光加工时代”，其主角激光，因具有单色性、相干性、平行性、 高能量密度，以及空间控制性和时间控制性很好l l l 等特点，适用于材料加工， 而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，能够实现自 动化加工，污染小。另外，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效 自动化加工设备，己成为企业适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的 加工生产开辟了广阔的应用前景。 三十多年来，以激光器为基础的激光技术得到了迅速的发展，现己广泛应 用于加工、医疗、军事、通讯、检测、娱乐等各个领域，并形成了新的产业体 系。1 9 8 5 年到1 9 9 5 年间，国外激光产业以每年l o 的比例增长，1 9 9 8 年销售 额达到9 7 0 亿马克，预计到2 0 1 0 年世界光电子工业的产值将达到4 0 0 0 亿美元。 激光加工、激光通讯、激光医疗是激光技术应用最重要的三个方面。而激 光加： 又是激光应用最有发展前途的领域之一，国外已开发出2 0 多种激光加工 技术。目前己成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、 激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻 技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清沈技术、激光热 处理和表面处理技术等”。现在，激光加工主要用于电子工、l l 和机械制造两个 领域：在机械制造领域，激光加工用于切割、打孔、焊接、表面处理、切削加工 等：在电子工业中激光加工具有特别重要的地位和作用，已经广泛应用于存储 激光i j , t n 目【光学系统扫描畸受校r l 驶业装误茸1 | ) 究 器激光冗余修正、激光划片、激光修补、激光精密焊接、多层电路板激光精细 加工、激光精细切割和打孔、激光标记、激光辅助清沈和激光镊子等多个方血， 不仅在一般的打孔、调阻、划片、打标工艺中表现出高效率、高精度、高质量、 热影响区小、无污染等优点，而且在微加工方面显示了独特的优点，对微电了 “l ：业的发展做出了重大的贡献，在当前十分热门的亚微米和纳米技术中亦将大 显身手。 1 3 激光产业发展现状 1 3 1 国外激光产业发展现状 根据激光集锦报导，世界激光器市场可以划分为三大领域：美国占5 5 ， 欧洲占2 2 ，日本及太平洋地区占2 3 【3 1 。5 0 0 w 以下的中、小功率激光器是美国 的优势，5 0 0 w 以上用于材料加工的高功率激光器是德国的优势，而小功率的半 导体激光器是日本的优势，占世界市场的7 0 以上。美国、日本、德国三个罔 家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。日本在光电子技术方 面占首位，在激光医疗及激光检测方面，美国占首位，美国也是最早将商功率 激光器引入汽车工业的国家，而在激光材料加工设备方面则是德嗣占首位【4 1 。 面对光电子信息技术的迅猛发展，世界发达国家j 下在动员国家力量加速光电予 信息产业的发展，美国、德国、日本、英国、法国竞相将光电子技术引入国家 发展计划，美国还在亚利桑那州的亚利桑那大学建立了“美国光谷”。 1 3 2 我国激光产业发展现状 与其他高新技术相比，我国的激光技术研究是与国际水平差距相对较小的 一个领域，与世界发达国家几乎是同时起步。1 9 6 0 年，世界第一台红宝石激光 器在美国贝尔实验室问世，一年后，我国第一台红宝石激光器也在中国科学院长 春光学精密机械与物理研究所诞生，从此以后，我国在激光器和激光应用技术 研究方面有了许多的成果。但由于受我国工业基础相对薄弱的约束，激光设备 的光机电一体化程度差，更没有形成产业化，肖到改革开放发后，特别是在“发 展高技术，实现产业化”的政策导向下，我国的激光产业才得到了真正的发展。 同时幽家在“六血”至“九五”期间对激光技术基础研究进行了大力的投入， 武汉、上海、广东、长春等地也提出了“中国光谷”的概念，经实践证明，这 旃一章引言 些“光谷”不论从经济、科技还是社会利益方面，都取得了重大成就和巨人进 步，也使我国的激光产、j t 得到了艮足的发展。据中固光学光电子行业协会统计， 1 9 9 l 一1 9 9 5 我国激光产业的总销售额为1 2 5 亿元，1 9 9 5 年销售额是1 9 9 0 年的 6 9 倍，平均年增长率达2 3 倍。其中排在第一位的是光存储，第二位是测距、 准直，第三位是激光医疗，第四位是激光加工设备，但激光加工发展最快。按 照有关规划，我国激光产值2 0 0 5 年争取达到3 0 0 亿元，2 0 1 0 年将达到4 0 0 亿 元i “。 目前我国激光加工设备产业逐渐走向成熟。1 9 9 3 2 0 0 0 年销售以年均4 0 的速度递增，1 9 9 5 年我国激光加工设备销售额为7 3 2 6 , 万元，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年、 1 9 9 8 年增长率分别为6 6 5 9 6 、2 7 、2 1 ，2 0 0 0 年的激光加工设备额为3 4 亿7 ， 比1 9 9 8 年增长1 1 4 。“十五”期间，大功率激光切割、焊接设备在汽车业将会 成倍增长，激光熔敷将会在汽车、船舶、轨钢等行业有一定的应用，专业从事 激光切割切板、不锈钢板的加工站将会增加。目前，高档次的激光切割、焊接 设备主要出国外厂商垄断，竞争十分激烈。 1 , 4 激光调阻机的研究现状f 6 j | 7 j 激光刻蚀设备是用激光的精密定位控制和检测系统的高精度检测来修整不 同的材料，以达到不同的要求。激光调阻机是激光刻蚀技术在电予加工工业的 一种应用，激光调阻机是集光学、精密机械、计算机控制和精密测量技术于一 体的高度自动化的加工设备。目前，美国e s i 公司是世界上最大的激光微调机 生产厂商，e s l 公司有激光亥q 蚀薄膜电阻、厚膜电路和p c b 钻孔的设备；美国 的t e m e xc o m p o n e n t s 公司有激光刻蚀陶瓷电容器的设备；美国的m a x i m 公司主 要生产模拟芯片，它有专门针对激光刻蚀设备检测系统的器件产品。 1 5 激光调阻机研究的意义 以美国、日本、德国为首的工业发达国家非常重视激光技术的发展与应用， 把激光技术列入国家缴计划中，例如美国的“激光核聚变计划”、德国的“激光 2 0 0 0 ”、英国的“阿维尔计划”等，形成了如德国的通快公司( t r u m p f ) ，美国 的档千公司( c o h e r e n t ) 、s y n a r d 公司等世界知名激光公司纷纷抢占中国市场 希望从逐渐兴起的激光应用市场谋取高额利润，尚在成长中的中国激光产业面 临严峻的挑战。 激光碱川机光学系统扫描崎变校l r 发生杖误差研咒 激光调阻机是激光技术在电子加= 工业中的种应用，它是集光学、精密 机械、计算机控制和精密测量技术_ j 二一体的高技术产品。随着现代微电了技术 的蓬勃发展，厚膜电阻由于其设备投资少、t e 广效率高，在微电子领域中得到 了，“泛应用，如单片集成电路( m i c ) 、混合集成电路( h i e ) 、热敏打印义、多 芯片组件。厚膜电阻的加工是一个复杂的工艺过程，需要经过丝网印刷、烧结 等工艺，出于厚膜丝网印刷操作固有的不精确性，基板表面不均匀及烧结条件 的不重复性，不能保证厚膜电阻的精度要求，不能达到标称值，因此要对厚膜 电阻进行修整加工( 或微调) 。同时也是电子信息行业中生产新型电子元器件( 片 式薄膜电阻) 的关键设备，随着电子信息业的快速发展，我国行业市场对激光 调阻机的需求越来越大，园此对激光调阻机进行研制具有重大的社会应用价值 和广阔的发展的景，同时对我国片式薄膜电阻制造业在提高生产效率、降低生 产成本、增强产品竞争力等方面，将起到积极的促进作用。 2 0 0 0 年1 0 月，长春光华微电子设备工程中心有限公司股东之 ：= 眷 光机所研制出我国第一台激光调阻机。激光调阻机研制成功标志了我国在光学、 机械、控制中检测领域的综合水平达到了一定高度，为我国其它激光加工设备 的生产奠定了基础，缩小了我困与国外在这些领域的差距。它的诞生，填补了 国产激光调阻机的空白，结束了我国不能生产激光调阻机的历史，打破了荚、 同两国的技术垄断，结束了依靠从美国、日本进口激光调节的历史，取代了进 口设备，为国家节省了外汇。 1 6 本文主要研究的内容 目前长春光华微电子设备有限公司正在对激光调阻机进行性能提高工作， 需要提高各分系统的性能，包括光学扫描系统误差模型的建立及修正方法等研 究。本文结合公司项目的进展情况对激光调殂机光学系统的扫描误差和装调误 差进行了研究，主要研究内容包括以下几个方面： 1 介绍了激光调阻机光学系统工作原理及组成； 2 激光调阻机光学系统组成元件及其性能参数； 3 透镜前双振镜= 维扫描系统的工作原理及特性分析； 4 建立双振镜二维扫描系统的数学模型，推导了扫描场内任意点的坐标 ， 、几力 i x , y j 与振镜偏转角( 略9 ，) 之间的函数关系式，分析了用简化关系式控制 第一章引言 振镜扫描时产生的畸变，最后提出了一种精度高、速度快的校正方法。 5 通过建立数学模型，分析了激光调阻机光学系统的装调误差，包括入射 光线j 光学系统光轴倾斜，第二振镜, j r 口透镜非正交以及像面倾斜等。 1 7 本章小节 本章叙述的是论文研究的前期t 作，是对激光产业的国内外发展状况年1 1 对 所研究的激光调阻机的阉内外研究状况进行的初步了解，足为开始论文研究工 作所作的铺垫。在完成前期准备工作的前提下，提出了自己的研究目标、研究 方法以及研究的可行性。最后，对本文研究的主要内容进行概括说明。 激光训山机光学系统 i 描畸变校汇发安黻谈差 卅究 第二章激光调阻机原理及构成 2 1 本章主要内容 一、首先介绍了厚薄膜电阻微调的常用方法及其原理，着重叙述了激光微 调的原理及其主要特点。 二、 概要介绍了激光调阻机的主要组成部分及其各部分系统的主要功能。 2 2 厚薄膜电阻微调方法及其原理 随着微电子技术的蓬勃发展，厚薄膜电阻由于其设备投资少、生产效率高在 微电子行业中得到越来越广泛的应用。薄膜电阻的加工方法是在衬底材料的基体 上涂镀一层导电的薄膜材料，如金属膜或碳膜。但这种方法不能保证薄膜电阻的 精度要求，其电阻值略低于微调后期望的电阻值，且制造误差为4 0 1 0 ，囚 此需要对薄膜电阻进行修整加工。厚膜电阻的加工是一个更为复杂的工艺过程， 需要经过丝网印刷、烧结等工艺，由于厚膜丝网印剧操作固有的不精确性，基板 表面不均匀及烧结条件的不重复性，不能保证厚膜电阻的精度要求，不能达到标 称值，因此厚膜电阻也需要进行修整加工( 或微调) 。微调技术的应用可以增加 设计制造厚薄膜元件和厚薄膜电路的能力及灵活性。按电阻值变化的方向厚薄膜 电阻的微调方法可分为上升、f 降与双向三种，厚薄膜电阻的各种微调方法见表 l 所示1 8 】。其中广泛应用的微调技术有喷砂微调、脉冲电压微调以及激光微渊三 种方法n 2 2 1 喷砂微调 喷砂微调( 见图2 1 ( a ) ) 是早期使用的厚膜微调技术，其原理是利用喷嘴将 精确控制的砂流如氧化铝、氧化镁粉末直接喷射到电阻表面，去掉一定量的电阻 材料，从而达到对厚膜电阻进行微调的目的。喷砂调阻器上的喷嘴可以是任意的 尺寸和形状，根据不同的喷嘴形状可以得到不同的切口形状及调阻精度。在喷砂 微调过程中，工具与基片不接触，不会产生冲击或振动，也不会引进热量；容易 实现自动化的工艺过程；通过调节喷砂压力可以防止喷掉基片材料，从而基片彳i 会受到损伤。但喷砂微调精度低，难以达到0 1 咀上的精度；生产效率不高， 第二章激光调阻机原理及构成 表1 厚薄电阻的截调方法 分类微调方法调整技特点 现存问题 术 研磨机械简单最复性及稳定- 阼差 喷砂机械简单、精度低、效率粉末污染、稳定性羞、噪声 剿槽法 高稍大 形状激光刻槽激光精度商、可白动化设错昂贵、噪声人、稳定性 变化梢差 阻 割丌短路条直流火花放电工简单效率低、易损坏基片 值 法( 需专用电 图案，阻值超声切割超声简单、精度高、效率易损伤基片 f 呈阶梯状上高 升升) 激光切割激光精度高、可自动化设备昂贵 法 电子哀切割电子精度高、可n 动化设备昂贵、需真空 结构 脉冲电压脉冲精度高、效率高稳定忭差 变化 氧化法 高温氧化加热简单 特性变化大、难精密控制 导电浆涂覆 印烧简单 烧结后特性变化大，难精密 形状 部分短路法 控制 阻 变化金属丝焊接焊接简单 需专用图案，阻值呈阶梯状 值 下降 f 政变膜层 紧压手工 简单 仅适用于c r s 1 0 2 电阻，精 隆结构度低、稳定性差 法 变化脉冲电压脉冲精度高、效率高稳定性差 内部结构法 高频放电高频简单稳定性差 取 结构 电解氧化 电化学简单 稳定性差、实效小 向限电化学法 调法 变化 电解还原电化学简单稳定性差、史效小 每小时只能调整几千只电阻；微调时会在电阻的保护层中留下暴露的边缘，造成 对环境的敏感性；喷砂粉末四面散射，可能碰着附近已调好的电阻。而近年来巾 于厚膜混合电路的集成度愈来愈商，电阻愈来愈窄，精度要求也愈高，喷砂微调 切口宽，且有余砂效应的影响，调阻精度难以控制，因此将逐步被其他的微调技 术所取代。 激光调阴机光学系统扫描畸变校jj ：及安装误差研究 2 2 2 脉冲电压微调 脉冲电玉微调技术 9 j i 】叫是在电阻体两端的电极旖加高频电脉冲，利用高压击 穿电阻体中很薄的绝缘层，改变电阻体的导电结构，形成有别于原来的导电通蹄， 增加了导电路径从而导致电阻值改变，实现对电阻进行修正的。图2 1 ( b ) 示m 了脉冲电压微调系统的草图，其实验程序为，先施加脉冲电压，冉测试阻值，然 后加大次脉冲的电压，同时用示波器监视施加给厚膜电阻器的电压波形。在微调 时，1 j 施加给电阻器的脉冲波形有关的微调参数有：脉冲持续时间、脉冲问隔时 ( a ) 喷砂微嗍( b ) 脉冲电压微调( c ) 激光微涧 圈2 。1厚薄摸电匪常用徽调方法示意图 间、每个脉冲组或每次微调计数的脉冲次数以及每个脉冲组的脉冲时间。与喷砂 微调技术相比，脉冲电匿微调技术调阻精度高，采用粗调( 加大脉冲峰值电压) 和细调( 增加脉冲组数) 相结合的微调技术，可获得小于o 1 的阻值精度。彳i 会 产生烧伤基扳，裂纹，和电阻阻值漂移。脉冲电压微调技术不仅可以提高厚膜电 阻的阻值，而且可以降低其电阻值；微调后可采取返烧的方法恢复阻值。 2 2 3 激光微调 日前利用激光工艺方法对薄膜电阻进行修整加工是公认的一种行之有效的 方法，激光调阻机就是利用激光工艺对薄膜电阻进行精密修藤的加工设备，是一 种集光学、精密机械、计算机控制、精密测最等多种技术于一体的高技术加工设 备，是混合集成电路巾利用激光对厚薄膜电阻的进行精密修藤的关键设备。激光 第二章激光调阻机原理及构成 调阻机的工作原理是把激光器发出的脉冲激光束聚焦成为很小的光点，达到适最 的能精密度，对电阻的导电体进行切割，使电阻的膜层熔融、蒸发，以改变薄膜 电阻导电体的有效导电面积或有效导电长度，达到调整薄膜电阻单元阻值的只 的。激光可聚焦成很小的光斑、能量集中、不产生污染、易于计算机控制，因此 可以满足快速微调电阻使之达到精确的预定值的目的。微调时菏先对电阻进行测 景，把数据传送给计算机，计算机根据预先设计好的修调方法指令光柬定位器使 激光按照一定的轨迹和路径切割电阻，直至阻值达到预定值。它实现了激光加工 过程的自动化，并具有高精度、高效率、工艺简便等特点。 激光调阻采用受计算机控制的激光做加工手段，通过激光打点切割，改变电 阻体的导电截面积，从丽达到把低于目标阻值的电阻体阻值修调到要求阳值允许 的偏差范围内，适用于片状电阻器的快速大规模生产。在激光调阻过程中，通过 高精度的数字电桥实时监测阻值变化，控制调阻进程，辅之以系统复杂的机械手 操作，脉冲激光器高频输出，光束精确定位控制及其它机电操作控制，自动完成 调阻，是集光、机，电一体的现代化高科技生产设备。 2 2 4 激光徽调的特点 激光区别于普通光源的优点是方向性强、功率密度高、单色性和1 ：涉性好， 这些优点使得它被广泛应用于激光图文传递、激光加工( 切割、打孔、电阻微调 等) 、激光显示、激光医疗以及军事上。利用激光对薄膜电阻进行微调具有以下 特点： i ) 激光微调是通过激光照射到电阻的表商，并使它熔融、蒸发，属于非接 触式加丁，激光束能最密度高，加工速度快，因此对基板损伤小；且激光光束照 射的电阻表面是局部的，属于局部加工，对周围污染和热影响小，微调后阻值稳 定，漂移小。 2 ) 激光束可以聚焦成非常细的光斑，而且可以边测量边加，t ，加- 丁精度高， 重复精度好。 3 ) 光束的能量和光束的扫描速度都是可以调节的，故激光微调可以实现对 小同的电耻l 材料和不同的微调形状的加工。 4 ) 激光微调具有速度快，易于实现整个加工过程自动化。调阻过程可以完 全出计算机控制自动完成，因而具有高速、高精度等一系列优点。 9 激光、蜊阻机光学系统扫描畸变校正及安装误差研究 i ) 生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 2 3 激光调阻机的构成 激光调阻机由光学系统、机械系统、检测与控制系统等三大部分组成。其中 光学系统是本文研究的重点，其负责提供满足调阻加t 要求的激光束并将其聚焦 到片阻表面，将在卜- 一章中详细介绍。 2 3 1 机械系统 机械系统负责实现基片的自动输送及完成调阻过程的各种相对运动，主要由 供片机构、取片机构、输片机构、送进机构、探卡机构、卡体机架、辅助机构、 气路系统组成( 如图2 2 所示) 。 供片机构是待调阻基片和已调阻基片的储存机构，根据控制系统的要求，提 供待调阻的基片、收存已调阻的基片。取片机构与检平机构的主要功能是将供片 盒巾的基片取出，放到检平机构一卜检测基片，合格基片被送到载片台卜进行调阻， 不合格的基片则被送往废片盒。输片机构的主要功能是将基片在x 方向上进行 传输装卸，即将待调基片从检平台移到载片台上，再从载片台。卜抓取已调好的基 片，并送到收片盒中。送进机构的功能是在y 方向上实现对基片从装片位到调阻 丌始位的快速送进和从调阻结束位到装片位的快速退出，以及调阻过程中的分步 f 共片电机收片电机 检平机柯 y 轴电机 图2 2 激光谓阻机机械系统组成圈 箢二幸激光溺阻机原理及构成 进给运动。探 机构的主要功能是在调阻过程中带动探卡卜下运动，以确保激光 调阻时探针紧爪在幕片上，并进行实时检测，日在基片移动时及时地抬起。土体 构架系统是激光调阻机系统的基础，苴功能是支撑激光器及其光学系统、探 机 构、输片机构、片盒夹持机构、送进机构、基片检平机构、取片机构、供片机构、 气路系统并确保各系统问的有效藕合以满足调阻要求。 2 _ 3 2 检测与控制系统 激光调阻机的检测与控制系统主要包括激光扫描拄制部分、电阻检测j 控制 部分、机械运动面板控制部分、i p c ( 丁业p c 机) 总控部分和电源系统部分等五 部分。 激光扫描控制电路部分用于控制激光束的偏转及y a g 激光器的开关；电阻检 测与控制部分负责电阻刻蚀过程中的实时检测及控制，它要求检测精度高、速度 快：机械面板控制部分负责电阻基片载台的运动控制、机械手的运动控制、告 警信号及面板的键盘输入； p c ( 工业p c 机) 是激光调阻机的总控制部分，铷调 与控制整个系统，提供同步信号，负责各部分的同步，同时还负责各部分的初始 数据的设置和在t 作过程中监视各部分的工作状态：电源系统是提供给各部分一 次电源，包括线性电源和开关电源等。 2 4 本章小结 本章首先比较，厚薄膜电阻常用的三种微调方法，从而得出r 激光微调比其 它两种方法更具有精度高、效率高、热影响小等优点，且最终将代替另外两种微 调方浊。其次介绍r 激光调阻机的构成及其工作原理，目的是通过对这两方面的 了解，掌握系统各部分功能及各部分功能是如何实现的，属于对系统的深入认识 阶段。 激光调阻 【光学系统十l 描畸变校正驶安装误差”宄 第三章激光调阻机光学系统组成 3 1 本章主要内容 一、 介绍了激光调阻机光学系统的构成及其各分系统的组成。 二、介绍了激光调阻机光学系统的各组成元件的选择，其中重点介缁了激 光器利光束偏转器的分类与选择。 3 2 激光调阻机光学系统的构成 激光调阻机光学系统负责提供满足调阻加工要求的激光束并将其聚焦到片 阻表面，图3 1 为激光调阻机的光学系统示意图，由三部分组成： x 反射境 源曙：姒 第二三章激光润阻机光学系统及辨l 成 2 ) 光束扫描系统：包括y 向扫描振镜、x 向扫描振镜和，p 聚焦透镜。 3 ) 监视系统：包括分光镜、反射镜3 、变焦镜头、c c d 相机和照明光源。 3 3 光源系统 3 3 1 激光器 激光调阻机要求激光光源稳定，输出模式好。激光调整通常有t r i m m f n gm o d e 和c u tm o d e 两种模式，前者适合修调要求精度高、可靠性稳定的厚膜电阻，其 特点是系统每发射一个激光脉冲，开尔文系统就测景一次被修调的电阻值，迅速 重复此过程，直至达到程序中要求的目标值为止。检测被修调电阻值的方法，是 通过在电阻两端施加一固定的电流，测量其电阻两端的电压降来完成的。而c u t m o d e 只执行程序中规定的切割长度，并不通过开尔文测试系统进行测量比较， 适合割断、标志等用途。 激光作为激光调阻机的工作介质，激光器的特性参数直接影响激光调阻机的 调阻效率、精度，因此选择一个设计良好的激光器将决定调阻机的整体性能。激 光调阻机对激光器的要求主要有光束质量、脉冲重复频率和波长，其中光束质量 主要影响激光调阻机的调阻精度，脉冲重复频率影响激光调阻机的调阻速度，波 长则影响材料对激光的吸收，从而影响激光束的聚焦效果和激光调阻机的调阻精 度。 自从1 9 6 0 年梅曼( t h m a i m a n ) 等人研制出世界上第一台激光器以来，激 光光电子技术得到了长足的发展，采用各种工作物质和各种激励方式的激光光电 子器件层出不穷，如：按激光工作物质不同分类有：气体激光器、液体激光器、 固体激光器、化学激光器、准分子激光器和半导体激光器；按激励方式不同分类 有：气体放电、气动式、电子束、化学、光和核能激励等。此外，还可以按波长、 工作方式、输出功率等特性进行分类。 1 ) 固体激光器 固体激光器的工作物质由基质和激活离子两部分组成，即是在作为基质材料 的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，如红宝石和玻璃，以及在钇铝石榴石 ( y a g ) 晶体中掺入三价钕离子的激光器。固体激光器具有机械强度高、能量大、 峰值功率高、结构较紧凑、牢固耐用、使用方便等特点，且圆体激光器的尺寸一 般比气体激光器小，工作寿命比气体激光器长，广泛应用于工业、国防、医疗、 撇光侧阻机光学系统 l 描畸变校正驶宜装议差研究 科研等方面。但工作物质种类较少，而且单色性差。 2 ) 气体激光器 气体激光器的工作物质有惰性气体、金属蒸气、卤素气体、c o ! 、n ，等。气体 激光器具有单色性强；结构简单、造价低；操作方便r 亡作介质均匀，光束质量 好；以及能长时间较稳定地连续工作的优点。同时气体激光器也是目前品种最多、 应用最广泛的类激光器，占有市场达6 0 左右。其中，氦一氖激光器是最常 用的一种。但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小，主要应用于准直向 导、计量、材料加工、全息照相以及医疗等。气体激光器还可分为原子气体激光 器、分子气体激光器和离子气体激光器。 3 ) 半导体激光器 半导体激光器是以半导体晶体作为工作物质的激光器，如砷化镓、硫化铬、 硫化锌激光器。半导体激光器具有体积小、使用方便、质量轻、寿命长、结构简 单尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制， 相于性好等优点。在光纤通信、光盘存储、激光印刷等信息工业有特殊地位，在 卫星通信、激光雷达、光谱仪器方面也有重要应用。缺点是谱线宽，受温度影响 大以及激光束发散角大( 几度到几十度) 。 4 ) 液体激光器 液体激光器根据工作物质是无机物还是有机物可分为无机液体激光器和有 机物液体激光器。无机液体激光器的工作物质是掺稀土离子的无机液体，如掺钕 氧化磷和掺钕氯氧化硒等。有机液体激光器的工作物质主要是溶于醇类、水和其 它溶剂中的一些有机染料，这类激光器通常被称为染料激光器，也是液体激光器 中常用的一种激光器。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子 激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面广是它 主要优点，也使它得到，一泛应用。 根据激光调阻对激光光源的具体要求如波长、脉冲频率以及峰值功率等，用 于激光调阻机的激光器主要有c o 。和n d ：m g 激光器。c o 。激光器成本较钇铝石榴 石激光器低，使用简单。钇铝石榴石激光器的辐射波长比c 0 。激光器的短1 0 倍， 易于获得切槽的最小宽度，对调整小尺寸的电阻器比较适用。因此，本系统选择 y a g 声光调q 脉冲激光器，具体参数如下： 波长：1 0 6 4p i n 第三章激光调阻机光学系统及组成 平均q 开芙功率： 光束直径： 光束发散角： 脉冲重复率： 脉冲一脉冲稳定性： l o k i i z 时，1 0 w ，t e 1 0 0 模式 在l e ：功率点为中1 2 m m 在t e ：功率点小于2 m r a d 5 声光q 开关可调至3 0 k h z 4 ，2 k h z 5 ，l o k l | z 8 ，2 0 k h z 3 3 2 衰减器 激光调阻时，由于膜电阻材质不同，所需要的最佳激光功率也不同，故需要 按调阻对象的不同来适当调节到达调阻区的激光功率。实现这一目标的方法有两 种，第一种方法是直接调节激光输出功率，即通过调节泵浦灯电流的大小来实现 激光输出功率的调节，使激光器处于非额定功率输出状态，激光输出稳定性差。 第二种方法是维持激光器在额定功率状态输出激光，在其后面的光路中加入衰减 环节，通过衰减器来调节激光功率，结构上较第一种方法复杂，但可使激光输出 稳定，有利于保证调阻精度。 衰减器从其结构原理上可分为两类，一类是通过多片分立的不同衰减率的衰 减片按要求插入光路来达到要求的衰减率，此类衰减器对激光无特殊要求。另一 类足通过偏振片来衰减，要求激光输出为线偏振光。通过旋转光路中的衰减片， 使其线偏振光透过方向与激光偏振方向成各种角度，达到连续调节激光透过率的 目的。本调阻系统采用的衰减器可分为两档衰减，分别衰减光束能量的4 0 和 6 0 。 3 3 3 扩束嚣 从激光器出来的激光束直径为l m m 左右，发散角为1 2 m r a d ，不能满足激 光聚焦光点d o = 3 0um 的要求。因此。需先将激光光束扩束，再通过聚焦透镜进 行聚焦，从而得到光斑尺寸非常小的光点。常用的扩束系统有开普勒型望远扩束 系统和伽利略望远扩束系统，前者系统结构较长，有实焦点形成，若在焦点附近 有灰尘、水汽等物质，被聚焦后的激光作用，有可能汽化蒸发污染镜面，后者系 统结构较小，无实焦点，故选用伽利略望运扩束系统。扩束器倍数可根据聚焦光 点尺、jd o = 3 0 um ，激光束直径d = l m m ，发散角为1 8 m r a d 及其他参数设定。除 激光谰阻机光学系统扫描畸变捩芷及安装误差研究 r 为r 得到更好的聚焦效果，使用扩束器的另个作用是减少激光束对光学元件 的损害。因为激光器发出的激光束的能量密度较高，尤其对于调q 的y a g 激光脉 冲，其能量密度很高，如果直接照射到光学器件上就有可能将其镀膜层烧坏。所 以要对激光束进行扩束，以减少光束的能量密度。 3 4 光束扫描系统 3 4 1 光束扫描方式的选择 常用的扫描方式有机械扫描和光学扫描两种。机械扫描的特点是光路静卜不 动而被扫描物体在高精度微移动机构控制下在空削垂直光轴的平而中移动，进行 二维扫描，成像质最容易保证。高精度微位移机构通常是由步进电机或压电陶瓷 堆( p z t ) 来实现，使用步进电机时，位置精度较高，扫描范围大，对光路的要求 低。南十二维步进电机机械结构相对比较庞大，惯性很大所以系统扫描速度很低， 而且步进电机在成像的扫描过程中振动大，产生低频噪声，故不能实现高速扫描， 丑稳定性低，因此在应用上受很大限制。光学扫描则是在被扫描物体静止不动的 条件下，利用光束偏转运动实现扫描。光学扫描的速度快、范嗣大，可实现实时 扫描，故在本系统中采用了光学扫描方式。j j 于光学扫描的偏转器件种类很多， 按偏转光束的原理不同大体上可分为：机械偏转器( 如：旋转多面棱镜偏转器、 检流计和谐振镜低惯量偏转器) 、声光偏转器、电光偏转器以及全息光栅偏转器。 其中机械偏转器因具有结构和原理简单。制造成术低、偏转角度大和易于控制等 优点广泛应用于激光加工、图文传递和激光医疗等仪器设备上。 1 ) 旋转多西棱镜偏转器 旋转多面棱镜偏转器( 网3 2 ) 是一种具有较大转动惯量和较高扫描速度的机 械偏转器。这种偏转器由一个高速旋转的电机带动做高速转动，在棱镜转动过程 中投射到棱镜表面的激光束的入射角发生变化从而使反射光束通过成像物镜聚 焦到接收面的不同位置完成扫描过程。当扫描速度较高时其转轴的兑动会引起扫 描精度和稳定性的下降。另外，采用这种偏转器的扫描系统还存在扫描间歇和入 瞳漂移等问题，这些缺点严重制约了它的应用范围。 2 ) 声光和电光扫描器 声光偏转器的工作原理( 图3 3 所示) 为：利用晶体的声光效应，压电变换在 晶体中产牛频率为f 、传播速度为v 的平面超声波，此波在晶体中引起折射串随 第三章激光调阻机光学系统及组成 高频发生器 吸声体嘟 图3 2 旋转多面棱镜信转器原理圈3 3 声光偏转器原理示意圈 空问位置不同而周期性的变化，对激光束起偏转光栅的作用，从而实现对样本的 雒扫描成橡。 声光偏转器具有岛速、戈振动、扫描角可变的优点，但光能损失大，偏转效 率不稳定，且为了精确扫描，要求照明激光波长线性度极好，对激光器光谱线性 要求很高，成本偏高，不适用十小范围的扫描成像。电光器件在某些应用中也可 用来调制输出激光信号的强度，但由于其分辨能力不高，而在实际应用中很少被 用作偏转器。 3 ) 全息光栅扫描器 全息光栅扫描是光谱扫描的一种，是利用多块扇形全息图组成一个圆盘，每 块扇形都是一幅全息图，当圆盘转动时通过衍射的方法使光束偏转和聚焦以达剑 扫描的目的。全息扫描可廉价复制，是一种很有发展前途的扫描元件。 4 ) 振镜偏转器 在激光应用技术中常遇n 孑l 径较大的光路方向需作较大角度的偏转和扫描。 所谓“振镜”