（机械制造及其自动化专业论文）激光微调技术在激光调阻机中的应用研究.pdf

摘要 研究生：宋云夺 指导教师：田兴志 本文综述了厚薄膜电阻微调的常用方法及其原理，重点介绍了 激光微调技术在厚薄膜电阻微调中的应用，引入了薄膜电阻激光微 调的理论模型，依据此模型，分析了在进行电阻微调过程中，激光 参数的选择原则：为保证调阻质量，应使激光能量传递到衬底：同 时，为不使衬底产生龟裂，应控制到达衬底的激光能量。并全面地 阐述了激光调阻机的构成及工作原理，对有关主要单元进行了细致 的设计分析，给出了设计参数。 介绍了微调电阻常用的形状以及调阻路径，总结了影响激光 调阻质量和精度的各种原因，并对各种因素进行了分析，提出了改 进措施，通过实验，得出了调阻质量和一些参数的关系，理论分析 和实验结果可以为调阻机的调试和应用提供指导作用。 关键词：激光微调片式电阻精度 摘要 a b s t r a c t m e t h o d sa n de l e m e n t si nt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o - - a d j u s t i n gr e s i s t o rb yf i l m w a ss u m m a r i z e di nt h i sa r t i c l e t h ea p p l i c a t i o no f l a s e r m i c r o a d j u s i n gt e c h n o l o g yi n i th a db e e ni n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y , o fw h i c ht h et h e o r ym o d e lh a db e e ne s t a b l i s h e d ， b a s eo nt h i sm o d e l 1 a s e rp a r a m e t e r sa n dt h ep r o c e s s i n go fr e s i s t o rm i c r o a d j u s t i n g h a db e e na n a l i z e d ：i no r d e rt om a k es u r et h eq u a l i t yo fr e s i s t o ra d j u s t i n g ，t h el a s e r e n e r g ys h o u l dt r a n s f e r r e dt ot h eu n d e r l a y ；a tt h es a m et i m e ，w es h o u l dc o n t r o lt h e l a s e re n e g yt oa v o i db r i n gc h a po ni t t h es t r u c t u r ea n de l e m e n t so fl a s e rr e s i s t o r t r i m m i n gm a c h i n ea l s oh a db e e ni n t r o d u c e dr o u n d l y , m a j o ru n i t si ni tw e r ed e s i g n e d a n da n a l y z e dp a r t i c u l a r l y , a f t e rt h a tt h ed e s i g ne l e m e n t sw e r eb r o u g h tf o r w a r d t h ec o m l n o nu s e ds h a p ea n dp a t c ho fm i c r o a d j u s t i n gr e s i s t o rw e r e i n t r o d u c e d ，a n dv a r i o u sr e a s o n sw h i c ha f f e c tt h el a s e rr e s i s t o r - - a d j u s t i n g sq u a l i t y a n dp r e c i s i o nh a db e e ns u m m a r i z e d a f t e ra n a l y z e da l lk i n d so ff a c t o r s ，p u tf o r w a r d t h em e a s u r e m e n tt oa m e l i o r a t et h e m a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a t i o n ，t h eq u a l i t yo f r e s i s t o r - a d j u s t i n g a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o m ee l e m e n t sh a dg o t ，t h e o r y a n a l y z i n ga n dr e s u l t so fe x p e r i m e n tm a yp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ed e b u g g i n ga n d a p p l i c a t i o no f r e s i s t o r a d j u s t i n g k e yw o r d s ：l a s e rt r i m m i n g v a l u eo fr e s i s t o r p r e c i s i o n i i 激光微调技术在激光调阻机中的应用 图表索弓 表2 1 厚薄膜电阻的微调方法 6 图2 1 喷砂微调、脉冲电压微调、激光微调 8 图2 2 薄膜加工示意图1 0 图2 3 光学系统光路图11 图2 - 4 扩束器1 3 图2 5 扩束器的应用 1 3 图2 - 6 扫描器示意图 1 3 表2 - 2 扫描器的种类1 4 图2 7 光学扫描系统1 4 图2 8 振镜结构示意图 1 5 图2 - 9 调阻机机械结构示意图 2 l 图2 ，l o 测试系统电路原理图2 2 表2 - 3 电流选择表2 3 图3 1 电阻的几何形状2 4 图3 2 切缝几何图形 2 5 图3 - 3 薄膜电阻示意图2 5 图3 - 4 扩束器与激光束的同轴公差一1 8 图3 5 扩束器与激光束倾斜公差 1 8 图3 - 6 , c o 物镜与工作基面装配公差 1 9 图3 7f e 物镜光轴与片阻基面垂直性公差2 0 图3 8 横模光强分布 3 0 图3 - 9 示意图 3 1 图3 1 0 峰值功率、平均功率、脉宽与q 开关频率的关系3 2 图3 1l 光斑重叠率示意图3 2 图3 一1 2 重叠率变化示意图3 3 图3 1 3l 型路径刻蚀3 4 图3 1 4x 、y 向刻蚀长度对阻值的影响示意图3 4 图3 一1 5 光束的空间分布3 5 表4 1 光斑重叠率与刻痕质量的关系 3 8 图4 1 光斑重叠率与阻值变化率的关系3 8 表4 2 调阻速度、调q 频率、激光功率的计算值3 9 v 、 目录 图4 - 2 调阻速度与调q 频率之间的关系3 9 图4 3 调阻速度与激光功率之间的关系4 0 表4 3 调阻速度、调q 频率、激光功率的匹配取值范围以及对调阻精度的影响 v l 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，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。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月目 、 激光微调技术在激光调阻机中的应用 1 1 本章主要内容 第一章引言 一、激光加工的基本概述，以及激光产业的国内外发展现状。 二、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、论文研究工作的主要内容。 1 2 激光加工技术概述 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，已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， 现已广泛应用于加工、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1 0 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。而激光加工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 光快速成型技术、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、激光清洗技术、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业和机械制造两 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、激光辅助清洗和激光镊子等多个方面，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， 对微电子工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 ”。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、德国三个国家激光产业的发 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 高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 是德国占首位。“面对光电子信息技术的迅猛发展，世界发达国家 正在动员国家力量加速光电子信息产业的发展，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 那大学建立了“美国光谷”。 1 3 2 我国激光产业发展现状 与其它高新技术相比，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，直到改革开放后，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。同时国家在“六五”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大进步，也使我国 的激光产业得到了长足的发展。据中国光学光电子行业协会统计， 1 9 9 卜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 激光微调技术在激光调阻机中的应用 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。 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 、2 7 、2 l ，2 0 0 0 年的激光加工设备额为3 4 亿元，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、钢轨等行业有一定的应用，专业从事 激光切割切板、不锈钢的加工站将会增加。目前，高档次的激光切 割、焊接设备主要由国外厂商垄断，竞争十分激烈。 1 4 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级计划中，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 ) ，美国的相干公司( c o h e r e n t ) 、s y n a r d 公司等世晃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。 激光调阻机是激光技术在电子加工工业中的一种应用，它是集 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产品。 随着现代微电子技术的蓬勃发展，厚膜电阻由于其设备投资少、生 产效率高，在微电子领域中得到了广泛应用，如单片集成电路( m i c ) 、 混合集成电路( h i c ) 、热敏打印头、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，由于厚 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) 。激光调阻机也是电子信息行业 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，因 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前 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。 国外对激光调阻技术及激光调阻机的研究起始于上世纪七十年 代，并有一些产品用于片式电阻的批量生产线中。代表性的公司有： 引言 美国的e s i 公司、g s i 公司、日本的n e c 公司。国内有单位在上世 纪八十年代开始激光调阻技术方面的研究，也有过一些研究成果， 由于激光调阻机涉及技术领域多、构成复杂、设计难度大，到2 0 0 0 年为止，一直没有能用于片阻生产线的激光调阻机问世。 2 0 0 0 年1 0 月，长春光机所光华微电子设备工程中心有限公司 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，缩小了我国与国外在这些领 域的差距。经过近6 年的努力，目前国产激光调阻机的技术水平已 经有了很大提高，很多技术指标已经与国外几家公司产品相当。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，打破了美、日两国的技术垄断，结束了依靠从美国、 日本进口激光调阻机的历史，取代了进口设备，为国家节省了外汇。 1 5 论文的研究工作内容 利用公司现有的实验条件，通过实验验证和数学归纳总结， 1 研究出提高激光精细加工系统加工质量的方法，进而提高激光调阻机调阻 的精度和速度： 2 分析影响激光调阻机调阻质量的各种因素。 3 研究出调阻机调阻质量与激光加工参数( 如加工速度、激光功率、调q 频 率等) 之间的关系 4 上述研究结果应对实际应用有指导价值 4 激光微调技术在激光调阻机中的应用 第二章激光调阻机原理及设计 2 1 本章主要内容 一、厚薄膜电阻微调的常用方法及其原理，着重阐述激光微调的原 理及其主要特点。 二、激光调阻机的主要组成部分及其各部分系统的主要功能及设计 概要。 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 6 0 ，因此需要对薄膜 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、下降与双向三种，厚薄膜电阻的各种微调方法见表 2 一l 所示。其中广泛应用的微调技术有喷砂微调、脉冲电压微调以 及激光微调三种方法。见图2 - 1 。 激光调阻机原理及设计 表2 1 厚薄膜电阻的微调方法 分类 微调方法 调整特点 现存问题 技术 阻 形刻槽法研磨机械简单重复性及稳定性差 值 状 上 变 喷砂机械简单、精度低、粉末污染、稳定性 升 化 效率高差、噪声稍大 法 激光刻激光精度高、可自动 设备昂贵、噪声大、 槽化稳定性稍差 割开短直流火电工简单效率低、易损坏基 路条法花放电 片 ( 需专用 超声切超声简单、精度高、易损伤基片 图案，阻 割 效率高 值呈阶梯 激光切激光精度高、可自动设备昂贵 状上升) 割 化 电子束电子精度高、可自动设备昂贵、需真空 切割 化 结氧化法脉冲电脉冲精度高、效率高稳定性差 构变 压 化高温氧简单特性变化大、难精 化加热密控制 阻 形部分短导电浆印烧简单烧结后特性变化 值状变 路法 涂覆 大，难精密控制 下 化 金属丝焊接简单需专用图案，阻值 隆 焊接呈阶梯状下降 法 结 改变膜 紧压手工简单仅适用于c r s i o z 构变电阻，精度低、稳定 化 性差 内部结脉冲电脉冲精度高、效率高稳定性差 构法压 高频放高频简单稳定性差 电 6 激光微调技术在激光调阻机中的应用 双结 电化学电解氧电化简单稳定性差、实效小 向构变法化学 调化 阻 法 电解还 电化简单稳定性差、实效小 原学 2 _ 2 1 喷砂微调 喷砂微调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，从而基片不 会受到损伤。但喷砂微调精度低，难以达到0 1 以上的精度；生 产效率不高，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。而近年来由于厚膜混合电路的集成度 愈来愈高，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，因此将逐步被其它的微调 技术所取代。 2 2 2 脉冲电压微调 脉冲电压微调技术”是在电阻体两端的电极施加高频电脉 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路，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 一l ( b ) 为脉冲电压微调系统的草图， 其实验程序为：先施加脉冲电压，再测试阻值，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， 与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 冲间隔时间、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，脉冲电压微调技术调阻精度 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，不会产生烧伤基板， 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 擞光谓阻机原理及设计 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。 搽谢电阻体 c b ) 脉冲电压破饵 图2 - 1 喷砂微调、脉冲电压微调、激光微调 2 2 3 激光微调 目前利用激光工艺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 整的加工设备，是一种集光学、精密机械、计算机控制、精密测量 等多种技术于一体的高技术加工设备，是混合集成电路中利用激光 对厚薄膜电阻的进行精密修整的关键设备。激光调阻机的工作原理 是把激光器发出的脉冲激光束聚焦成为很小的光点，达到适量的能 量密度，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 膜电阻单元阻值的目的。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。微调时首先对电阻进行测量，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束定位器使激光 按照一定的轨迹和路径切割电阻，真至阻值达到预定值。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，从而达到把低于目标阻值的电阻 体阻值修调到要求阻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 薄膜电阻激光微调的理论模型 薄膜的激光加工一般包括以下几个过程：激光束经聚焦后照射至 薄膜表面；薄膜吸收激光能量；薄膜被加热、熔化或汽化；在表面 8 激光微调技术在激光调阻机中的应用 张力或喷射作用下，材料去除；通过热传导，热量散失。( 见图2 2 ) 若激光脉冲宽度不太窄，即f 1 0 一1 0 1 0 j ，薄膜加工理论分析 可按经典热传导理论进行。为简化数学处理，引入以下两个假设： 第一、在薄膜中无显著热梯度，即膜温足够均匀，以公式表示为 _ a q l t 1 式中，k 为薄膜热传导率：t 为激光脉冲宽度；d 为膜厚。 略去薄膜及基体的径向热传导，因此可按一维模型处理加热过程。 在以上两个简化条件下，薄膜在激光作用下温度变化为 卜专 z 厚一掣+ 繁e x p 7 p p铬p 十毋c 羔p 厣d ，k 2l v 2 c 2 2 c 2 l、l c l 。j “l c iv 2 7 j 、 式中，t 表示薄膜温度：d 为薄膜厚度；r ，。为薄膜表层吸收的激 光功率；k ：表示基体热传导率；p 、c 分别表示薄膜及衬底的密度 与比热；t 为加热时间。 下面分析两种有代表性的情况： ( a ) “热薄性薄膜”。它代表十分薄的膜层，激光脉冲宽度相对膜 厚而言较长，即 2 坐 旦! l d ，对于所用的半导体材料，p ，c 近似相等。由此可见， 薄膜厚度d 小于热扩散长度撕可。热薄性薄膜温升由衬底的热传导 率决定。薄膜仅起吸收热能的作用。式( 2 1 ) 可简化为 r = 鲁侔 k ，v7 r ( 2 - 2 ) 为使薄膜加热至黼其阈值光强帆= 挚怎由此弧阈 值光强度知正比于t “”，阈值光能量为= ，它正比于，。 ( b ) “热厚性薄膜”。它代表激光加工脉冲宽度很短的情况，即 d 丝警譬加热至熔点的阈值光强度i m ：鱼型阈值能量 plc-v石t e m = p 。c 。d 可见，对于热厚性薄膜，激光脉冲能量全部用于加热薄 塑垄塑里! ! 堕里墨堡盐 膜，传递到衬底的能量可略去不计。 理论计算为使用激光微调系统选取激光参数提供了理论依据。 为避免衬底破坏，不希望激光能量传递到衬底，应尽量选取激光输 出参数接近于“热厚性薄膜”。这点对于单片电路尤为重要。然而， 在实际应用中情况要复杂得多。若无能量传递至衬底，激光脉冲峰 值功率低，容易在切口边缘形成熔融物堆积，影响微调精度。因此， 在有些应用中，如厚膜电阻微调，则希望部分能量传递至衬底。 入射激光柬矗 il 材料嗳曲 fi 7 珥胰洲，。，局) 珥胰材辑，l a ，局 ，f 图2 - 2 薄膜加工示意图 2 2 5 激光微调的特点 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 和干涉性好，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： a ) 激光微调是通过激光照射到电阻的表面，并使它熔融、蒸发， 属于非接触式加工，激光束能量密度高，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。 b ) 激光束可以聚焦成非常细的光斑，而且可以边测量边加工，加 工精度高，重复精度好。 c ) 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 以实现对不同的电阻材料和不同的微调形状的加工。 d ) 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 程可以完全由计算机控制自动完成，因而具有高速、高精度等一系 列优点。 e ) 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 激光调阻机的构成及设计 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 1 0 激光微调技术在激光调阻机中的应用 分组成。 图2 - 3 光学系统光路图 光学系统是整个设备核心系统之一，它的作用是满足调阻加工 要求的激光束并将其聚焦到调阻基片表面。( 见图2 - 3 ) 它由三部分 组成： a ) 光源系统：包括激光器、反射镜1 、反射镜2 、衰减器和扩束 器。本部分调整激光束达到合适的功率和光束直径。 b ) 光学扫描系统：包括y 向扫描振镜、x 向扫描振镜和fe 聚焦 透镜。本部分使激光束在要求区域内扫描并聚焦。 c ) 监视系统：包括反射镜3 、反射镜4 、变焦镜头、c c d 相机和照 明光源。本部分用于聚焦点与被调电阻的对准和调阻过程的监 视。 2 3 1 光源系统 a ) 激光器 调阻机采用的是n d ：y a g 型调q 脉冲激光器。采用这种激光器， 可以使调阻机整机尺寸小巧、结构紧凑。薄膜电阻材料对y a g 的1 0 6 um 辐射光有较好的吸收，可以有效地利用光能。利用n d ：y a g 可通 过q 开关方式，获得高功率的脉冲输出，保证加工质量。 塑些塑里垫堕里垄堡生 实际工作采用的是l e el a s e r 公司的8 1 2 t q 型y a g 、q 开关激光 器，主要性能指标如下： 波长：1 0 6 4um 模式：t e m 。 光束直径：1 o m m 光束发散角：2 o m r a d b ) 衰减器 激光调阻时，薄膜电阻材质的不同，所需要的最佳激光功率也 不同。这就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。有两种方法可以实现这一目标，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大小来实现激光输出功率的调节。另 一种方法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。两种方法中，前者使 激光器处于非额定功率输出状态，激光输出稳定性差，后者虽然结 构上复杂一些，但可使激光输出稳定，有利于保证调阻精度。 实际工作采用后一种方法，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。本系统衰减器分4 档，衰减 率分别为：1 0 、2 0 、4 0 、6 0 。配合电源调节，精确调整激 光功率。 c ) 扩束器 扩束器的原理实质是倒装望远系统，如图2 4 及2 5 所示。它 将原从激光输出镜输出光斑直径为d 的平行光变为直径为d 的平行 光。其放大率 m ：上：上 m 。厶 ( 2 - 3 ) 式中，m 为线放大率：肘。为角放大率。光束经扩束后，光束发散 角相应地减少了与线放大率同样的倍数。 从激光器发出的激光束直径为1m 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 = 2 5 3 0um 的要求。因此，必须进行扩 束。常用的扩束系统有开普勒型望远扩束系统和伽利略型望远扩束 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 者系统机构较小，无实焦点，故选用伽利略望远扩束系统。扩束器 倍数的选择是根据其输入直径和期望得到的输出直径确定的。现激 光束到达扩束器入口直径3 咖，期望输出直径为1 5 m m ，则扩柬倍数 为5 倍。 激光微调技术在激光调阻机中的应用 图2 4 扩束器 图2 - 5 扩束器的应用 2 3 2 光学扫描系统 在激光加工系统中，扫描器的作用是将光束连续、完整、均匀、 快速地加到某一较大的范围。如图2 6 所示。 图2 - 6 扫描器示意图 用于激光加工扫描器种类很多，以控制能力为依据可分为高惯性 和低惯性扫描器两类。高惯性扫描器指各种机械旋转的反射镜和棱 镜；低惯性扫描器则包括机械振动反射镜和利用电一光、声一光效 应制成的各种偏转器。各种扫描器及其特点见表2 2 。 激光调阻机原理及设计 表2 - 2 扫描器的种类 餐掇 性能、 振动反射镱旋转反射镜 考誓蛆j 寺器 分辨率 t 口o o 1 0d o ol0 d o 1 0o o o j0 1o o o 扫描速度 l 2 0 m j 几十徽秒 o 5 3 0 u s 光学掼耗 l o 讳l o 码 5 0 霸 扫描角 3 0 。 一l 。 成本低 高 由 特点经济、实用高分辨率、高速度能同时完废调 l f 和儡转功毖 激光调阻机采用的是高惯性旋转反射镜，扫描的速度和范围影 响整个调阻的速度，扫描的精度影响调阻的精度。所以光学扫描系 统是光学系统的核心。它由x 、y 两维振镜和fo 聚焦镜头组成。如 图2 7 所示。 y 振镜 图2 7 光学扫描系统 a ) 振镜 振镜是二维光学扫描系统的核心部件，扫描系统的很多特性 都由它决定，如扫描速度，扫描光束的偏转角度等。如图2 8 所示， 激光微调技术在激光调阻机中的应用 图2 - 8 振镜结构示意图 振镜偏转器主要由平面反射镜、磁驱动器、位置传感器、伺服 控制电路所组成。平面反射镜被固定在一根可转动的轴上，通过平 面镜绕轴的转动，可以控制反射光束进行扫描。振镜偏转器的磁驱 动器是一个带有轴承的铁磁材料制成的转轴，其四周是二个永磁体 的磁极，在转轴与磁体之间的狭窄气隙内存在磁通。由于径向布局 的磁偶极产生对称的磁通分布，因而对转轴的总力矩为零，所以在 围绕转轴周围的线圈没有电流的情况下，振镜不会发生转动。当外 界提供的模拟控制信号使振镜转轴周围的线圈产生的电流会导致转 轴与磁体周围的磁通分布不再对称，转轴的总力矩也将不为零，这 时振镜就会发生转动。 一般振镜的额定机械扫描角度有1 5 。、2 0 。等多种规格， 调阻机所要求的扫描角度不大，本系统扫描角度约为3 。( 机械 角) ，可见振镜额定扫描角度远大于要求扫描角度，能够满足设计要 求。振镜的扫描角度是靠数字电压源驱动的，显然，对应于一个固 定分辨率的电压源而言，在满足扫描角度要求的条件下，选择额定 扫描角度小的扫描头，有利于提高扫描分辨率。若数字电压源的分 辨率为2 ”，额定机械扫描角度为1 5 。，则可实现4 u r a d 的扫描分 辨率。由上面分析可知，应选择额定扫描角度尽可能小的振镜系统。 本系统采用的是上海通用公司s g s 6 0 0 6 s 扫描器，其部分参数如 下： 最大扫描区域范围：1 0 0m i l l x1 0 0 衄 最大扫描角：1 5 。 最大光束直径：1 5 衄 重复性：4 u r a d b ) f 一0 聚焦透镜 该镜头由多片透镜组成，见图2 9 。 f 一0 聚焦透镜的作用主要以下两点：1 、提高激光束在电阻基 塑垄塑堕! ! 堡墨墨堡生 片上的能量密度，压缩光斑尺寸，从而有效的在瞬间利用激光的高 能量密度对电阻进行微调。2 、提供线性扫描关系，从而提高扫描精 度。 f 一0 聚焦透镜的参数对激光的聚焦光斑有直接影响，其焦距f 是影响光斑直径的重要参数之一。对于不同型号的片式电阻，其调 阻刻槽宽度有着不同的宽度要求，对于尺寸较大的片式电阻，如 0 8 0 5 、0 6 0 3 等型号，一般要求刻槽宽度为3 0 5 0um ，随着片阻尺 寸小型化的发展趋势，刻槽宽度也逐渐缩小，如0 4 0 2 、0 2 0 l 片阻， 其刻槽宽度最好在2 0 4 0um ，f 一0 聚焦透镜的设计必须满足片阻 刻槽逐步缩小的趋势。 聚焦光斑尺寸可由式( 2 4 ) 计算： 图2 9f o 聚焦透镜 d 。= 1 8 3 x a f d 式中：d 。一聚焦光斑直径 a 一激光波长 一焦距 l6 ( 2 4 ) 激光微调技术在激光调阻机中的应用 d 一入射光束直径 对角线扫描长度y 。可由( 2 5 ) 计算 y = 厂曰石1 8 0 式中：y 。一对角线扫描长度 ( 2 5 ) 厂一焦距 口一扫描角 实际工作中应用的f o 聚焦透镜参数如下： 焦距：1 9 2 8 2 7m i l l 通光孔径：1 2 5 m m 聚焦光点直径由3 0 “i l l 2 3 3 监视系统 监视系统的作用是用于调阻前光束与基片对准，另一用途是调 阻时观察调阻区的状况。由反射镜3 、反射镜4 、变焦镜头、c c d 像 机、高分辨监视器组成。 a ) 监视照明光源 监视照明光源有高亮度发光二极管构成，波长6 5 0 h m 。 b ) 反射镜4 。 反射镜4 位于加工光路的扩束器及y 向扫描振镜之间，要求其 对波长1 0 6i jm 的激光有良好的透过性，同时要对加工区域的照明 光有良好的反射性。反射镜4 经过特殊镀膜处理，以实现上述对不 同波长光的透过及反射要求。 c ) 变焦镜头 调阻区的散射光经fo 透镜、x 向扫描振镜、y 向扫描振镜以 及分光镜传到变焦镜头，变焦镜头将其成像在c c d 像面上，通过监 视器就可观察调阻区的情况，调整变焦镜头的焦距，可以用不同倍 率观察调阻区的情况。实际工作中，采用变焦倍数为4 倍， 焦距为7 5 3 0 0 m m 的标准镜头。 2 3 4 光学系统装调技术要求 在实际工作中，刻痕质量的评价标准一般为：在要求的刻痕宽度范围内，刻 痕要平直，宽度变化小，刻痕干净( 基底无残留材料) ，刻槽侧面与基板所成的 夹角尽可能大。 光学系统的装调误差对刻痕质量有直接的影响。影响刻痕质量的光学系统装 调误差主要有扩束器和fo 镜头。扩束器轴线对激光光轴的横移和偏斜 1 7 塑垄塑里垫堕墨墨堡生 会使激光光斑能量分布不均匀，导致刻槽两侧对基板平面的角度不 一致，甚至在严重情况下，导致切割不净。 f0 镜头相对于基片的高低误差以及f0 镜头轴线对基片垂直 度误差直接导致被调阻基片离焦，光斑直径变大，导致切槽宽度超 标。使光斑能量密度降低，致使切割不净，影响切割质量。 有关这方面的影响很难定量分析，在实际工作中是根据切割质 量逐步调整扩束器和f0 镜头位置，向最优切割质量方向逐步调节。 所以，了解扩束器和f0 镜头的装配公差，是十分必要的，现分析 如下： a ) 扩束器装配公差 扩束器装配公差有二： 1 ) 扩束器与激光束的同轴公差 扩束器 激光束 厂 一l ：二：二：二卜 。1 一 ，啊f 图2 1 0 扩束器与激光束的同轴公差 如图2 一1 0 所示，这一公差影响激光光能利用率和光点形 状“圆对称性”。对于入射光束直径巾3 ，同轴公差可定为 p ：三：0 3 。 l o 2 ) 扩柬器与激光束倾斜公差 扩束器 激光束 图2 - 11 扩束器与激光束倾斜公差 如图2 一1 1 所示，对于r 倍扩束器，当扩束器与入射光束倾 斜a 角，其出射光与光轴将倾斜aa 角，且有 口= a a f ， ( 2 6 ) 激光微调技术在激光调阻机中的应用 这一倾角就是扩束器的视场角。对于扩束器，视场角都很 小。本系统光学设计是按衍射极限设计的，其衍射极限允许的 视场约为4 0 ，即 a a = 4 0 1 0 = 4 b ) f 一0 物镜与工作基面装配公差 f e 物镜 图2 - 1 2 声物镜与工作基面装配公差 1 ) fe 物镜像距公差 如图2 一1 2 所示，调阻面应在fe 物镜焦面，其公差就是焦深 z ：三：攀：0 3 5 m 。 ( 2 7 ) 2 “2 2 o 0 4 2 2 ) f e 物镜光轴与片阻基面垂直性公差 激光调阻机原理及设计 f 0 物镜 基片 图2 1 3f o 物镜光轴与片阻基面垂直性公差 如图2 1 3 所示，这一误差使轴外点离焦，由焦深可导出这一公差 ：些：堕。30aa 3 0 = = y 4 0 ( 2 - 8 ) 激光微调技术在激光调阻机中的应用 2 4 机械系统 图2 一1 4 调阻机机械结构不意图 机械系统负责实现基片的自动装卸、自动输送及完成调阻过程 的各种相对运动，如图2 1 4 所示。主要由供片机构、取片机构、输 片机构、送进机构、探卡机构、主体机架、辅助机构、气路系统组 成。 。 供片机构是待调阻基片和已调基片的存储机构，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中的基片取出，放 到检平机构上检测基片，合格基片被送到载片台上进行调阻，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，再从载片台上抓取已调好的基片， 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开始 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 中的分步进给运动。 探卡机构的主要功能是在调阻过程中带动探卡上下运动，以确 保激光调阻时探针紧压在基片上，并进行实时检测，且在基片移动 时及时地抬起。 主体构架系统是激光调阻机的基础，其功能是支撑激光器及其 光学系统、探卡机构、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间的有效 激光调阻机原理及设计 耦合以满足调阻要求。 2 5 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控制部分、电 阻检测与控制部分、机械运动面板控制部分、i p c ( 工业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、报警信号及面板的键盘输入：i p c ( 工业p c 机) 是激光调阻机的总控部分，协调与控制整个系统，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 设置和在工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，包括线性电源和开光电源等。 激光微调的测试系统，多采用四探针法测量薄层电阻。四探针测 试系统原理如图2 一1 5 所示。电路中，电流由稳定度高、并能提供 1 0 一a 1 0 0 m a 电流、连续可调的恒流源供给，电压表采用电位差计或 高精度数字电压表。测量时，两探针注入电流，两探针测量电压， 获得实