DE10150129C1 - Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine, Kalibriereinrichtung für Laserbearbeitungsmaschinen sowie Substrathalter für eine Laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine, eine Kalibriereinrichtung für eine Laserbearbeitungsmaschine sowie einen Substrathalter für Laserbearbeitungsmaschinen, bei welchen mittels eines Sensors (140) die tatsächliche Auftreffposition des zum Strukturieren oder Belichten eines Substrats (400) verwendeten Laserstrahls auf der Oberfläche des Substrats (400) erfassbar ist und aus möglichen Abweichungen der tatsächlichen Auftreffposition des Laserstrahls von einer gewünschten Auftreffposition ein Korrekturfaktor für das Ansteuern einer Ablenkeinheit (210, 220), mittels welcher der Laserstrahl über die Oberfläche des Substrats (400) abgelenkt wird, ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine sowie eine Kalibriereinrichtung für Laserbearbeitungsmaschinen, welche eine Laserquelle, eine Ablenkeinheit zum Ablenken des Laserstrahls der Laserquelle und eine Arbeitsebene aufweist, in welcher zu bearbeitende Substrate mittels des Laserstrahls bearbeitet werden können, indem der Laserstrahl mittels der Ablenkeinheit innerhalb eines Ablenkbereichs der Arbeitsebene abgelenkt wird.

Laserbearbeitungsmaschinen werden beispielsweise zum direkten Strukturieren von elektrischen Schaltungsmustern auf gedruck­ ten Schaltungen oder anderen Substraten verwendet, auf wel­ chen später elektrische Bauelemente befestigt werden können. Typischerweise ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserquelle versehen, von welcher durch Belichten fotoemp­ findliche Schichten auf einen späteren Ätzschritt vorbereitet werden können oder direkt durch beispielsweise Verdampfen Maskierungsmaterialien entfernt werden können, welche zuvor auf dem Substrat abgeschieden wurden. Anstatt vorbestimmte Muster von einer Maske auf das Substrat zu kopieren, kann das Muster direkt mittels des Laserstrahls durch Beschreiben des Substrats auf dem Substrat ausgebildet werden. Hierbei ist das Laserlicht stark fokussiert, so daß ein hochgenaues Beschreiben möglich ist. Um das Beschreiben mittels des Laserstrahls schnell zu machen, wird der Laserstrahl inner­ halb eines Ablenkbereichs auf dem Substrat, beispielsweise mittels zwei Ablenkspiegeln, welche an erforderliche Positio­ nen schwenk- oder drehbar sind, über den Ablenkbereich abge­ lenkt. Dabei ist jeweils einem Paar von Drehwinkeln der beiden Ablenkspiegel eine Trefferlage des Laserstrahls in dem Ablenkbereich eindeutig zugeordnet. Der Laserstrahl ist dabei auf die Oberfläche des Substrats fokussiert. Hierzu wird beispielsweise eine Fokussier-Optik verwendet, welche im op­ tischen Pfad stromabwärts angeordnet ist.

Weil der Ablenkbereich in seiner Größe stark eingeschränkt ist, ein typischer Ablenkbereich weist Kantenlängen von 20 mm × 20 mm auf, ist das Substrat auf einem Substrathalter ange­ ordnet, welcher beispielsweise eine Vakuum-Haltevorrichtung ist. Der Substrathalter kann in der Substratebene positio­ niert werden, so daß die gesamte Oberfläche des Substrats un­ ter dem Ablenkbereich des Laserstrahls positioniert werden kann. Um die genaue Position des Substrats bestimmten zu kön­ nen, kann ein Bildverarbeitungssystem vorgesehen sein, wel­ ches im optischen Pfad koaxial zu der Fokussierungsoptik an­ geordnet ist, und durch welches jeder Teil des Substrats er­ faßt werden kann, welcher innerhalb des Ablenkbereichs des Laserstrahls liegt. Die Wellenlängen, welche von dem Bildver­ arbeitungssystem und der Laserquelle verwendet werden, sind nicht notwendigerweise identisch. Daher treten Abweichungen aufgrund chromatischer Aberration der Fokussierungsoptik auf, welche in der Regel für die Wellenlänge der Laserquelle opti­ miert ist.

Beispielsweise ist aus der DE 199 16 081 A1 ein Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine bekannt, bei wel­ chem auf ein Testobjekt, das in einer besonderen Ausführungs­ form mit einem positionsempfindlichen Sensor versehen ist, Markierungen eingebracht werden. Aus der Differenz zwischen Soll- und Ist-Werten der Markierungen wird ein Korrekturfak­ tor berechnet, der bei der Berechnung von Ansteuerdaten für den Bearbeitungsprozess berücksichtigt wird.

Aus der DE 44 37 284 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung ei­ ner Steuerung zur Ablenkung eines Laserstrahls bekannt, bei welchem ein lichtempfindliches Medium mit einem Laserstrahl an vorgegebenen Positionen zum Erzeugen eines Testbildes be­ strahlt wird. Anschließend werden digitalisierte Einzelbilder von Bildausschnitten des Testbildes erzeugt und die digitali­ sierten Einzelbilder zu einem digitalisierten Gesamtbild des Testbildes zusammengesetzt. Die Berechnung von Korrekturdaten für die Steuerung zur Ablenkung des Laserstrahls erfolgt auf der Grundlage eines Vergleichs von Ist-Positionen des Laser­ strahls auf dem digitalen Gesamtbild mit vorgegebenen Soll- Koordinaten.

Eines der Hauptprobleme, welches die Genauigkeit der Laserbe­ arbeitungsmaschine beeinflußt, ist die mittel- bis langfris­ tige Stabilität der Positionen der drei Systeme der Laserbe­ arbeitungsmaschine relativ zueinander, nämlich des Laserab­ tastsystems, welches aus der Laserquelle, den Ablenkspiegeln und der Fokussierungs-Optik besteht, des Bildverarbeitungs­ systems, welches beispielsweise aus einer CCD-Kamera, mindes­ tens einem Halbdurchlässigen Spiegel sowie der Fokussierungs- Optik besteht, sowie des Substratpositionierungssystems, zum Beispiel dem Substrattisch, welcher in zwei Richtungen in der Substratebene verfahrbar ist, relativ zueinander.

Die Stabilität dieser Positionen der drei Systeme der Laser­ bearbeitungsmaschine relativ zueinander wird beispielsweise beeinflußt durch physische Verformungen von Teilen der Laser­ bearbeitungsmaschine oder deren Komponenten aufgrund von thermischen Verschiebungen, Bewegung des Fundaments, usw. Ferner können sich das Substrat und/oder der Substrathalter aufgrund von Wärmeentwicklung durch die Bearbeitung mittels des Laserstrahls verformen. Darüber hinaus unterliegt auch die Punktgenauigkeit des Laserstrahls gewissen Schwankungen. Weitere Fehlerquellen sind die Aberration der Fokussierungs- Optik, chromatische Aberration zwischen der Laserquelle und dem Bildverarbeitungssystem, sowie die Positionierungsgenau­ igkeit des Substrathalters.

Viele der vorgenannten Fehler können im wesentlichen durch Kalibriermittel korrigiert werden, wobei derartige Kalibrie­ rungen herkömmlicherweise zu lange dauern, um häufig wieder­ holt ausgeführt zu werden, ohne dabei die Produktivität der Laserbearbeitungsmaschine einzuschränken. Beispielsweise wird die Genauigkeit des Gesamtsystems herkömmlicherweise durch Belichten von Mustern in bekannten Abständen in X- sowie auch in Y-Richtung auf dem gesamten Substrat ermittelt. Hierbei wird die tatsächliche Position mittels eines dritten Refe­ renzmittels, wie beispielsweise einer Kalibriervorrichtung für das Koordinatensystem, ermittelt. Eine derartige Kalib­ rierung dauert mehrere Stunden und weist dennoch Ungenauig­ keiten aufgrund der begrenzten Genauigkeit der Kalibriervor­ richtung und deren Bildverarbeitungssystem auf.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine sowie eine Kalib­ riereinrichtung für Laserbearbeitungsmaschinen anzugeben, bei welchen ein hochgenaues Kalibrieren von Laserbearbeitungsma­ schinen schnell und einfach durchführbar ist. Die verfahrens­ bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kalibriereinrichtung für Laserbe­ arbeitungsmaschinen mit den Merkmalen nach Anspruch 5 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi­ gen Ansprüchen beansprucht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine der Laserstrahl mittels der Ablenkeinheit entsprechend einem vorbestimmten Muster oder an eine vorbestimmte Position abgelenkt, wobei von einem Sensor, welcher bevorzugt in der Arbeitsebene angeordnet ist, in welcher sich auch das zu bearbeitende Substrat befindet, das von dem Laserstrahl beschriebene Muster bzw. die Position des Laserstrahls erfaßt wird. Das erfaßte Muster wird mit dem vorbestimmten Muster bzw. die erfaßte Position mit der vorbe­ stimmten Position verglichen. Hierdurch können sämtliche Abweichungen der Ist-Position des Musters bzw. der Position von der entsprechenden Soll-Position ermittelt werden, unab­ hängig davon, auf welche Fehlerquelle sie zurückgehen, da die Messung der Ist-Position direkt in der Arbeitsebene der Laserbearbeitungsmaschine erfolgt. Aus einer eventuell vor­ handenen Abweichung zwischen der Ist- und der Soll-Position des Musters bzw. der vorbestimmten Position wird ein Korrek­ turfaktor ermittelt, welcher bei der Ansteuerung der Ablenk­ einheit berücksichtigt wird, so daß das vorbestimmte Muster bzw. die vorbestimmte Position exakt dem erfaßten Muster bzw. der erfaßten Position entspricht. Hierdurch wird eine eventu­ ell an der Laserquelle oder an den Ablenkspiegeln aufgetrete­ ne Abweichung korrigiert.

Hierdurch ist ein schnelles Kalibrieren einer Laserbearbei­ tungsmaschine möglich, da für das Ablenken des Laserstrahls entsprechend dem vorbestimmten Muster bzw. das Richten des Laserstrahls an eine vorbestimmte Position nur Sekundenbruch­ teile aufgewendet werden müssen.

Die Wiederholfrequenz für derartige Kalibrierschritte kann beispielsweise daran angepaßt werden, innerhalb welcher Zeit Ungenauigkeiten der Laserbearbeitungsmaschine im Bereich der vorbestimmten Genauigkeitsanforderungen erwartet werden. Da die erfindungsgemäße Kalibrierung sehr schnell durchgeführt werden kann, treten keine negativen Effekte auf die Leistung der Laserbearbeitungsmaschine auf.

Um die hohe Genauigkeit der Laserbearbeitungsmaschine zu er­ reichen, wird die Position des Sensors relativ zu der Ar­ beitsebene erfasst und die erfasste Position des Sensors beim Ermitteln des Korrekturfaktors berücksichtigt, um Abweichun­ gen, welche von dem Substrattisch, dem Substrathalter und/oder dem zugehörigen Antriebssystem herrühren zu korri­ gieren.

Hierbei wird die Position des Sensors mittels eines Bildver­ arbeitungssystems der Laserbearbeitungsmaschine erfasst. Hierzu sind in der Nähe des Sensors Markierungen angebracht, welche relativ zu dem Sensor eine hochgenaue und von äußeren Einflüssen weitgehend unabhängige Position aufweisen. Bei­ spielsweise ist es möglich, mittels aktiver Temperatursteue­ rung die Position des Sensors relativ zu den Markierungen stabil zu halten. Alternativ hierzu kann der Sensor in einem Rahmen angeordnet werden, welcher ein Material mit einem sehr geringen Temperaturkoeffizienten aufweist. Zusätzlich kann mit dem Sensor eine interne Fehlererfassung durchgeführt wer­ den, mittels derer interne Fehler oder Abweichungen ausgegli­ chen oder korrigiert werden können.

Als Sensor kann beispielsweise eine optischer, ein elektri­ scher oder ein thermischer Flächensensor verwendet werden. Insbesondere geeignet ist ein CCD-Sensor. Ein CCD-Sensor bie­ tet den Vorteil, daß er über im wesentlichen linear ausge­ richtete Messzellen verfügt, so daß ein Nachkalibrieren des Sensors meist nicht erforderlich ist. Es ist jedoch auch mög­ lich, nichtlineare Sensoren zu verwenden. Für diese wird ent­ sprechend eine Nachkalibrierung durchgeführt, bei welcher ein Kennfeld ermittelt wird. Unter Verwendung dieses Kenn­ felds kann auch der nichtlineare Sensor wie ein linearer Sensor verwendet werden.

Die erreichbare Genauigkeit, insbesondere die Wiederholgenau­ igkeit, der Laserbearbeitungsmaschine hängt von der Erfas­ sungsgenauigkeit des verwendeten Sensors ab. Bei Verwenden eines CCD-Sensors liegt die Genauigkeit im Bereich einiger µm, beispielsweise 8 µm.

Es ist auch möglich, als Sensor ein Photodiodenarray oder eine Photodiode sowie einen nach dem bolometrischen Prinzip arbeitenden Sensor zu verwenden.

Für den Fall, daß die Wellenlänge der Laserquelle von jener des Sensors abweicht, ist es möglich, eine fluoreszierende Platte vor dem Sensor anzuordnen und durch die fluoreszieren­ de Platte die Laserstrahlung in Strahlung einer Wellenlänge zu konvertieren, welche von dem Sensor erfaßt werden kann. Ferner ist es auch möglich, als Sensor lediglich eine fluo­ reszierende Platte zu verwenden und das auf der fluoreszie­ renden Platte abgebildete Muster oder die von dem Laserstrahl erleuchtete vorbestimmte Position mittels des Bildverarbei­ tungssystems der Laserbearbeitungsmaschine zu erfassen. Die Platte kann dabei direkt auf dem Sensor, z. B. auf dem CCD- Chip angeordnet oder ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine fluoreszierende Schicht auf eine transparente Platte, z. B. eine Glasplatte, aufgetragen werden, welche auf dem Sensor angeordnet wird. Hierbei ist die fluoreszierende Schicht geeignet an der dem Sensor zugewandten Seite der transparenten Platte aufgebracht, um Streuungseffekte zu minimieren.

Als geeignete Arbeitswellenlängen für die fluoreszierende Schicht oder Platte bzw. den Sensor sind sämtliche möglichen Laserwellenlängen geeignet, insbesondere zwischen 126 nm und 1200 nm.

Da die Kalibrierung zwischen der Ablenkeinheit der Laserquel­ le und dem Sensor mit jeweils deren Arbeits-Wellenlängen durchgeführt, wird eine chromatische Aberration der Fokussie­ rungsoptik ebenfalls durch die Kalibrierung ausgeglichen.

Das Meßfeld des Sensors sollte so groß bemessen sein, daß der gesamte Ablenkbereich des Laserstrahls mittels des Sensors erfaßt werden kann. Ferner sollte das Meßfeld eines eventuell vorhandenen Bildverarbeitungssystems der Laserbearbeitungsma­ schine so groß bemessen sein, daß sowohl der Ablenkbereich des Laserstrahls, als auch der Sensor einschließlich der eventuell vorgesehenen zusätzlichen Markierungen mittels des Bildverarbeitungssystems einschließlich möglicher Positionie­ rungsfehler oder Ungenauigkeiten bedingende Verschiebungen der Laserbearbeitungsmaschine erfaßbar ist.

Bei Verwendung eines CCD-Sensors als Sensor der Laserbearbei­ tungsmaschine kann es vorkommen, dass der Ablenkbereich des Laserstrahls größer ist als die Sensorfläche des CCD-Sensors. Typische Sensorflächen von CCD-Sensoren haben Abmessungen von ungefähr 15 mm × 15 mm. Für die meisten kritischen Anwendun­ gen, wie beispielsweise Flip-Chip-Anwendungen, ist dies ausreichend. Trotzdem können in manchen Fällen größere Sen­ sorflächen, beispielsweise bis zu 100 mm × 100 mm, gewünscht sein, um kundenspezifische Anwendungen zu ermöglichen. Hierzu kann der Sensor eine Mehrzahl von zu einer Matrix angeordne­ ten Sensorzellen aufweisen, welche in einem Rahmen zueinander ortsfest angeordnet sind. Beispielsweise sind die Sensorzel­ len als 4-Quadranten-Detektoren ausgebildet. Der Abstand der Sensorzellen zueinander kann beispielsweise im Bereich eini­ ger Millimeter liegen. Hierdurch ist es möglich, den Rahmen an die gewünschte Größe des Ablenkbereichs des Laserstrahls anzupassen. Als Rahmen wird beispielsweise ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von annähernd Null verwendet oder ein Material hoher thermischer Leitfähigkeit in Verbindung mit aktiver Temperatursteuerung oder Beides verwendet. Bei diesem Sensor ist es nicht erforderlich, dass die Sensorzellen zueinander linear ausgerichtet sind. Mittels eines Kalibrierschrittes für den Sensor ist es möglich, die Position der einzelnen Sensorzellen zu ermitteln und in einem Kennfeld die entsprechenden Positionen der Sensorzellen zu hinterlegen, so dass unter Berücksichtigung des Kennfeldes exakte Messungen der Auftreffstellen des Laserstrahls auf dem Sensor möglich sind. Die vier Einzelsignale der 4-Quadranten- Detektoren werden einer Signalverarbeitung zugeführt, um Positionsabweichungen des Laserstrahls unabhängig von dessen Intensität ermitteln zu können. Jeder Satz von 4-Quadranten- Detektoren kann nacheinander einzeln mittels eines Multiple­ xer-Schaltkreises auf ähnliche Art und Weise adressiert werden, wie ein CCD-Array oder Ähnliches.

Als weiteres Problem mit der Größe der Sensorfläche können Schwierigkeiten hinsichtlich der Leistung und der Wellenlänge des Lasers auftreten, welcher für das normale Belichten bzw. Strukturieren verwendet wird. Die Betriebsleistung des Lasers ist meist zu hoch, um eine geeignete Lebensdauer der Sensor­ zellen bzw. des Sensors zu gewährleisten. Bei einer Reduktion der Laserleistung kann die optische Qualität des ausgehenden Lichtstrahls vermindert werden, so dass ein exaktes Positio­ nieren des fokussierten Lichtpunkts gegenüber jenem mittels voller Laser-Leistung örtliche Abweichungen aufweist. Hierge­ gen können Beschichtungen auf der Sensor-Oberfläche verwendet werden. Beispielsweise kann eine halbdurchlässige Spiegel- Beschichtung mit geeigneter Durchlässigkeit als Dämpfer zum Reduzieren der eingehenden Laserleistung und zum Verbessern der Lebensdauer des Sensor verwendet werden. Noch besser geeignet ist die Verwendung eines Leistungsdämpfers für den Laserstrahl, welcher im optischen Pfad zwischen der Laser­ quelle und den Ablenkspiegeln angeordnet wird.

Als Muster ist jede Kombination von Linien und Krümmungen oder Radien denkbar, wie sie auch bei der Strukturierung oder beim Belichten von Substraten mittels Laserbearbeitungsma­ schinen Verwendung finden. Bevorzugt wird als Muster eine Mehrzahl von Punkten verwendet, welche gerastert oder zu einer Matrix angeordnet sind.

Der Sensor ist an dem in der Arbeitsebene der Laserbearbei­ tungsmaschine befindlichen Substrattisch in derselben Höhe wie das Substrat angeordnet, d. h. in der Fokusebene der Fokussierungs-Optik. Daher kann der Sensor an die eigentliche Position des Substrats unter dem Ablenkbereich positioniert werden. Wird eine Ablenkung des Laserstrahls über den gesam­ ten Ablenkbereich durchgeführt und der tatsächliche Verlauf des Laserstrahls über der Oberfläche des Sensors relativ zu den Koordinaten des Substrattisches an jedem Punkt des Ab­ lenkbereichs vermessen, können eventuelle Abweichungen von den vorbestimmten Positionen, aufgrund derer die Ablenkein­ heit des Laserstrahls angesteuert wurde, festgestellt werden.

Ein derartiges Ablenken kann innerhalb von Sekundenbruchtei­ len durchgeführt werden, da die erforderliche Lichtintensität sehr gering ist. Die Positionsinformationen der mindestens zwei Ablenkspiegel der Laserbearbeitungsmaschine kann Positi­ onen innerhalb des Ablenkbereichs eindeutig zugeordnet wer­ den. Daher können Abweichungen des Strahlengangs der Laser­ quelle, der Positionierung der Ablenkspiegel, Bildverzerrun­ gen aufgrund von Erwärmungen der Linsen sowie Aberration der Fokussierungs-Optik, usw. kalibriert und in einem einzigen Schritt korrigiert werden.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Substrattisch der bevorzug­ ten Ausführungsform,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf einen mit dem Sub­ strattisch der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Sen­ sor, und

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Sensor nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Aus Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Kalibriereinrichtung ersichtlich. Diese wird zusammen mit einer Laserbearbeitungsmaschine verwendet, welche ein Maschinenbett 100, eine Laserquelle 200, eine Mehrzahl von Ablenkspiegeln 210, 220, ein Bildverarbeitungs­ system 300, eine Fokussierungs-Optik 240, einen halbdurchläs­ sigen Spiegel 230, einen Substrathalter 120 und einen Sub­ strattisch 110 aufweisen. Auf dem Substrathalter 120 ist ein Substrat 400 angeordnet, welches mittels des Laserstrahls der Laserquelle 200 strukturiert bzw. belichtet werden soll. Hierzu ist der Laserstrahl der Laserquelle 200 mittels der Fokussierungs-Optik 240 auf die Bearbeitungsebene E fokus­ siert. Mittels der Ablenkspiegel 210 und 220 ist es möglich, den Laserstrahl der Laserquelle 200 derart abzulenken, daß dieser innerhalb eines Ablenkbereichs der Bearbeitungsebene E jede gewünschte Position bestrahlen kann.

Hierzu ist zur Erfassung des Substrats 400 ein Bildverarbei­ tungssystem 300 vorgesehen, dessen optische Achse über einen halbdurchlässigen Spiegel 230, welcher im optischen Pfad zwischen den Ablenkspiegeln und der Fokussierungsoptik ange­ ordnet ist, die Bearbeitungsebene E auf das Bildverarbei­ tungssystem 300 abbildet. Da der Ablenkbereich nicht die Gesamtfläche des Substrats bedeckt, ist es erforderlich, das Substrat, welches auf dem Substrathalter 120 angeordnet ist, mittels eines Substrattisches 110 in der Arbeitsebene zu bewegen. Hierbei werden zum Strukturieren bzw. Belichten des Substrats 400 nacheinander eine Mehrzahl von in der Größe im wesentlichen dem Ablenkbereich entsprechenden Flächensegmente der Oberfläche des Substrats 400 mittels des Laserstrahls strukturiert bzw. belichtet.

Um nun eine Kalibrierung der Trefferlage des Laserstrahls auf dem Substrat 400 relativ zu den Substrat-Koordinaten in Abhängigkeit von einer gewünschten Trefferlage herzustellen, ist ein Sensor 140 erforderlich, welcher ebenfalls in der Arbeitsebene E auf dem Substrathalter 120, bevorzugt an einem Randbereich des Substrathalters 120, angeordnet ist. Mittels des Substrattischs 110 wird der Substrathalter derart verfah­ ren, daß der Sensor 140 in dem Ablenkbereich des Laserstrahls angeordnet wird. Nun wird mittels der Ablenkeinheit, welche die beiden Ablenkspiegel 210 und 220 sowie eine Steuervor­ richtung aufweist, ein vorbestimmtes Muster auf den Sensor 140 belichtet.

Daher können Abweichungen zwischen gewünschten Auftreffstel­ len des Laserstrahls auf dem Sensor 140 und den tatsächlichen Auftreffstellen des Laserstrahls leicht festgestellt werden, indem die gewünschten Auftreffstellen mit den tatsächlichen Auftreffstellen verglichen werden. Dies ist möglich, weil einerseits die Position des Sensors innerhalb des Gesichts­ felds des Bildverarbeitungssystems bekannt ist und anderer­ seits die Position der tatsächlichen Auftreffstellen direkt von dem Sensor ermittelbar ist. Aus diesen beiden Positions­ informationen können Abweichungen in der Zuordnung von Paaren von Drehwinkeln der beiden Ablenkspiegel zu Positionen inner­ halb des Ablenkbereichs ermittelt und in ein entsprechendes Kennfeld umgesetzt werden. Aus eventuell vorhandenen Abwei­ chungen zwischen den gewünschten und den tatsächlichen Auf­ treffstellen des Laserstrahls auf dem Sensor 140 wird ein oder eine Mehrzahl von Korrekturfaktoren als das Kennfeld ermittelt, welche bei der Ansteuerung der Ablenkspiegel berücksichtigt werden, um die Abweichungen zwischen den gewünschten und den tatsächlichen Auftreffstellen des Laser­ strahls auf dem Sensor 140 zu korrigieren. Hierdurch ist es sowohl möglich, thermisch bedingte Fehler, welche beispiels­ weise durch Ausdehnungen der Laserbearbeitungsmaschine bzw. der Komponenten der Laserbearbeitungsmaschine entstehen, als auch durch optische Aberration bedingte Fehler, beispielswei­ se der Fokussierungs-Optik 240 völlig auszuschließen. Somit ist erfindungsgemäß ein hochgenaues Strukturieren bzw. Be­ lichten von Substraten möglich, das lediglich durch die Genauigkeit des Sensors 140 selbst bedingt ist.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Sensor 140 bevorzugt in einem Randbereich des Substrathalters 120 angeordnet ist. Bei Verwendung von rechteckigen Substraten ist dabei jeweils die nutzbare Fläche 130 des Substrathalters 120 mindestens um die Kantenlänge des Sensors 140 verringert. Dies muß bei der Gestaltung des Substrathalters 120 entsprechend berücksich­ tigt werden.

Aus Fig. 3 ist eine schematische Ansicht des Sensors 140 zu entnehmen, wie er mit der erfindungsgemäßen Kalibriereinrich­ tung verwendet wird. Der Sensor 140 weist eine Sensorfläche 142, insbesondere einen CCD-Sensor auf. Die aktive Sensorflä­ che 142 ist in einem Rahmen 146 angeordnet. Ebenfalls in dem Rahmen ist mindestens eine Markierung 144 vorgesehen, welche beispielsweise in einem Eckbereich des Rahmens 146 ausgebil­ det ist. Die Markierung 144 ist dabei von dem Bildverarbei­ tungssystem 300 der Laserbearbeitungsmaschine erfaßbar, um die Position des Sensors 140 relativ zu dem Gesichtsfeld des Bildverarbeitungssystems exakt bestimmen zu können. Bei Verwenden von zwei Markierungen 144 ist es möglich, Abwei­ chungen in X-, Y- und Θ-Richtung zu erfassen.

Hierbei ist aufgrund einer weiteren Markierung, welche eben­ falls im Gesichtsfeld des Bildverarbeitungssystems liegt eine absolute Positionsbestimmung des Sensors 140 problemlos möglich. Die weitere Markierung kann beispielsweise auf dem Substrathalter 120 und/oder auf dem Substrat 400 angebracht sein.

Um die Position des Sensors 140 relativ zu den Markierungen 144 auch über lange Zeiträume stabil halten zu können, ist es beispielsweise möglich, den Substrathalter mit einer aktiven Temperatursteuerung zu versehen, so daß Abweichungen aufgrund thermischer Ausdehnungen des Materials des Substrathalters 120 ausgeschlossen sind. Es ist auch möglich, lediglich den Rahmen 146 des Sensors 140 mit einer derartigen aktiven Temperatursteuerung zu versehen. Es kann auch für den Sub­ strathalter 120 und/oder den Rahmen 146 ein Material mit sehr geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.

Je geringer die Abweichungen der Laserbearbeitungsmaschine aufgrund thermischer Ausdehnung sind, um so länger kann der Zeitraum zwischen aufeinander folgenden Kalibrierungen sein.

Aus Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht auf einen ande­ ren Sensor 140 nach einer anderen Ausführungsform der Erfin­ dung ersichtlich. Der Sensor 140 ist in einem Rahmen 146 angeordnet. An einem Randbereich des Rahmens 146 ist mindes­ tens eine Markierung 144 vorgesehen, welche von einem Bild­ verarbeitungssystem 300 erfassbar ist, um die Position des Sensors 140 relativ zu einem weiteren Bezugspunkt oder einer weiteren Markierung innerhalb des Gesichtsfelds des Bildver­ arbeitungssystems 300 ermitteln zu können, wie bei dem Sensor 140 nach Fig. 3 auch.

In der Sensorfläche des Sensors 140 ist eine Mehrzahl von Sensorzellen 148 angeordnet, Beispielsweise sind die Sensor­ zellen zueinander rasterförmig bzw. zu einer Matrix angeord­ net. Es ist jedoch auch jede andere Anordnung innerhalb der Sensorfläche des Sensors 140 möglich. Beispielsweise sind die Sensorzellen 148 als 4-Quadranten-Detektoren ausgebildet. Diese weisen jeweils vier einzelne fotoempfindliche Zellen auf. Die fotoempfindlichen Zellen sind unmittelbar benachbart aneinander angeordnet, so dass die örtliche Abweichung eines auf dem 4-Quadranten-Detektor auftreffenden Lichtstrahls von dem Symmetriepunkt der vier fotoempfindlichen Zellen durch Auswertung der an den einzelnen fotoempfindlichen Zellen gemessenen Licht-Intensitäten ermittelt werden kann. Die Abstände zwischen den einzelnen Sensorzellen 148 können je nach Anwendungsfall angepasst werden. Beispielsweise liegen sie im Bereich einiger Millimeter. Durch den aus Fig. 4 ersichtlichen Sensor 140 ist es möglich, eine beliebig große Sensorfläche zu schaffen, so dass auch im Falle von großen Ablenkbereichen des Laserstrahls der gesamte Ablenkbereich von der Sensorfläche des Sensors 140 erfasst werden kann.

Claims (15)

1. Verfahren zum Kalibrieren einer Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken (400), welche eine Laserquelle (200), eine Ablenkeinheit (210, 220) zum Ablenken des Laserstrahls der Laserquelle (200) und eine Arbeitsebene (E) aufweist, in welcher zu bearbeitende Substrate (400) mittels des Laserstrahls bearbeitet werden können, indem der Laserstrahl mittels der Ablenkeinheit (210, 220) innerhalb eines Ablenkbereichs der Arbeitsebene (E) abgelenkt wird, wobei in der Arbeitsebene (E) ein Sensor (140) vorgesehen ist, von welchem der Laserstrahl erfassbar ist, wobei bei dem Verfahren:
mittels der Ablenkeinheit (210, 220) der Laserstrahl entsprechend einem vorbestimmten Muster oder an eine vorbestimmte Position oder eine Mehrzahl vorbestimmter Positionen abgelenkt wird, wobei von dem Sensor (140) das von dem Laserstrahl beschriebene Muster, die Position bzw. die Positionen des Laserstrahls erfasst wird,
mittels einer Steuervorrichtung das erfasste Muster mit dem vorbestimmten Muster bzw. die erfasste Position mit der vorbestimmten Position verglichen wird,
aus dem Vergleich mindestens ein Korrekturfaktor für das Ansteuern der Ablenkeinheit (210, 220) ermittelt wird,
die Position des Sensors (140) relativ zu der Arbeitsebene (E) mittels eines Bildverarbeitungssystems (300) erfasst wird, und
die erfasste Position des Sensors (140) beim Ermitteln des Korrekturfaktors berücksichtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Sensor (140) ein optischer, elektrischer oder thermischer Flächensensor verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei als Sensor (140) ein fluoreszierendes Material mit vorbestimmter Nachleuchtdauer verwendet wird, dessen Bild auf ein Bildverarbeitungssystem (300) abgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei als Muster ein polygonales oder aus einer Mehrzahl von Geraden und Krümmungen gebildetes Muster oder eine Mehrzahl von zu einer Matrix angeordneten Punkten verwendet wird.

5. Kalibriereinrichtung für Laserbearbeitungsmaschinen, welche eine Laserquelle (200), eine Ablenkeinheit (210, 220) zum Ablenken des Laserstrahls der Laserquelle (200) und eine Arbeitsebene (E) aufweisen, in welcher zu bearbeitende Substrate (400) mittels des Laserstrahls bearbeitet werden können, indem der Laserstrahl mittels der Ablenkeinheit (210, 220) innerhalb eines Ablenkbereichs der Arbeitsebene (E) abgelenkt wird, wobei
in der Arbeitsebene (E) ein Sensor (140) vorgesehen ist, von welchem der Laserstrahl erfassbar ist,
eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, von welcher das Signal des Sensors (140) auswertbar ist, und
in der Nähe des Sensors (140) mindestens eine Markierung (144) vorgesehen ist, welche von einem Bildverarbeitungssystem (300) erfassbar ist.

6. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 5, wobei der Sensor (140) in einem Randbereich der Arbeitsebene (E) angeordnet ist.

7. Kalibriereinrichtung nach einem Ansprüche 5 oder 6, wobei der Sensor (140) ein optischer, elektrischer und/oder thermischer Sensor ist.

8. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 7, wobei der Sensor (140) eine Mehrzahl von zu einer Matrix angeordneten Sensorzellen (148) aufweist, welche in einem Rahmen (146) zueinander ortsfest angeordnet sind.

9. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Sensorzellen (148) Vier-Quadranten-Detektoren sind.

10. Kalibriereinrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Sensor (140) ein fluoreszierendes Material mit vorbestimmter Nachleuchtdauer aufweist, dessen Bild von einem Bildverarbeitungssystem (300) erfassbar ist.

11. Substrathalter (120) für Laserbearbeitungsmaschinen bei welchem
in der Substrate (400) aufnehmenden Oberfläche ein Sensor (140) angeordnet ist, von welchem die Auftreffposition eines zum Bestrahlen des Substrats (140) geeigneten Laserstrahls erfassbar ist und
in der Nähe des Sensors (140) mindestens eine Markierung (144) vorgesehen ist, welche von einem Bildverarbeitungssystem (300) erfassbar ist.

12. Substrathalter (120) nach Anspruch 11, wobei der Sensor (140) in einem Randbereich des Substrathalters (120) angeordnet ist.

13. Substrathalter nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Sensor (140) ein optischer, elektrischer und/oder thermischer Sensor ist.

14. Substrathalter nach Anspruch 13, wobei der Sensor (140) eine Mehrzahl von zu einer Matrix angeordneten Sensorzellen (148) aufweist, welche in einem Rahmen (146) zueinander ortsfest angeordnet sind.

15. Substrathalter nach Anspruch 14, wobei die Sensorzellen (148) Vier-Quadranten-Detektoren sind.