文/Holger Schlüter，Stephan Eifel

圖1：SCANLAB和ACS Motion Control已經(jīng)證明，通過引入XL SCAN概念，集成掃描頭和同步機(jī)械平臺(tái)，可為大掃描場(chǎng)加工提供全新的精度。

小型化推動(dòng)著行業(yè)發(fā)展。隨著電子和顯示器制造所需的結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，使得產(chǎn)品中的特征密度也隨之增加，這要求激光掃描速度也必須提高，以達(dá)到鉆孔和其他制造工藝每秒鐘內(nèi)要實(shí)現(xiàn)的吞吐量目標(biāo)。

另一方面，得益于技術(shù)的不斷發(fā)展，超短脈沖激光器的平均功率和脈沖能量越來越高。在工業(yè)加工中，充分利用這些高功率的主要障礙通常是掃描技術(shù)，因?yàn)槊}沖間隔需要足夠高，以避免在工件上產(chǎn)生熱堆積效應(yīng)。

提高可用功率水平的兩種有前景的方法是：多邊形掃描和并行化加工。

三種多光束掃描概念

德國SCANLAB公司和多光束掃描專家Pulsar Photonics公司進(jìn)行了一個(gè)聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目致力于通過在一個(gè)主掃描頭上使用多光束實(shí)現(xiàn)并行化加工。這種所謂的“多光束激光掃描”配置，能夠提高加工速度，尤其是在那些需要以高結(jié)構(gòu)密度處理大量相同結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，例如，用于高密度印刷電路板（PCB）或microLED顯示器的制造。

提高工業(yè)激光加工的吞吐量有不同的方法。首先，當(dāng)一臺(tái)激光器和一個(gè)掃描頭不足以達(dá)到所需的吞吐量時(shí)，可以通過增加機(jī)器（增加激光器和掃描頭）來提升加工吞吐量。然而，這種方法不但成本較高，而且通常效率也不高。此外，它也沒有考慮到高能超短脈沖激光器的最新發(fā)展，因此可能無法有效利用可用的全部激光功率。

第二種方法是使用一臺(tái)激光器和一個(gè)分束器，將激光器的輸出輸送給多個(gè)掃描頭。在這種方案中，由于每個(gè)掃描頭都必須在工件的單獨(dú)區(qū)域上工作，因此往往會(huì)遇到工件可及性方面的問題。如果工件很小，則需要額外的加工成本，因?yàn)槊總�(gè)掃描頭必須加工不同的工件。

第三種方法實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，該方法使用一個(gè)主掃描頭來實(shí)現(xiàn)多光束掃描。為了獲得最大的靈活性，每路單獨(dú)的光束都可以打開和關(guān)閉，并且能在有限的區(qū)域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行操控（見圖2）。

圖2：多光束工具的多光束參數(shù)和示例配置。四路單獨(dú)的光束以大約1mm的標(biāo)稱間隔距離定位在工件上。單路光束可以在0.3mm的半徑內(nèi)對(duì)其進(jìn)行操控。每路光束都可以單獨(dú)打開和關(guān)閉。焦距為100mm。

Variable multibeam tool：可變的多光束工具

Scan area of each sub-beam：每路光束的掃描區(qū)域

Each beam can be switched on and off：每路光束都可以打開和關(guān)閉

Examples for multi beam tools：多路光束工具示例

多光束引擎參數(shù)

為了使這種動(dòng)態(tài)多光束掃描系統(tǒng)開發(fā)在電子行業(yè)應(yīng)用中取得成功，必須滿足以下要求，在基于掃描頭的多光束加工中實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率：

• 激光束數(shù)量的靈活性

• 多光束的靈活光斑配置

• 不同光斑配置之間的快速切換

• 每路激光子束能單獨(dú)掃描/定位

圖2顯示了多光束光學(xué)引擎概念的主要參數(shù)。演示器使用了以色列Holo/Or公司（該公司是SCANLAB的姊妹公司）的一個(gè)衍射光學(xué)元件（DOE），其將激光的主光束分成四路相同的子光束。因此，多光束掃描頭發(fā)射四路子光束，垂直光斑間距在0.4~1.6mm之間可變。

不僅每個(gè)子光束可以單獨(dú)打開和關(guān)閉，而且所有子光束都可以獨(dú)立且動(dòng)態(tài)地定位在半徑為0.3mm的圓內(nèi)。這些范圍的示例如圖1所示。為了到達(dá)工件上的每個(gè)點(diǎn)，可以對(duì)主掃描頭和單路光束進(jìn)行組合運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)目的下一階段是增加單路光束的數(shù)量。

多光束的挑戰(zhàn)

在經(jīng)典的多光束方法中，由兩個(gè)掃描反射鏡分離引起的失真和f-theta透鏡引入的失真（見圖3a），導(dǎo)致掃描頭視場(chǎng)邊緣的多光斑圖樣失真。該可變多光束設(shè)置允許主動(dòng)補(bǔ)償光斑場(chǎng)失真，因此即使在大掃描角度下也能進(jìn)行多光斑操作（見圖3b）�；蛘�，通過集成同步機(jī)械平臺(tái)（見圖3c），可以減少掃描頭的視場(chǎng)，以最大限度地減少多光束圖樣的失真。

圖3：經(jīng)典掃描頭設(shè)置（a）、具有單獨(dú)子光束操控的可變多光束設(shè)置（b），以及將掃描頭與同步機(jī)械平臺(tái)（XL SCAN）相結(jié)合的設(shè)置（c）中的多光束位置誤差。在經(jīng)典設(shè)置（a）中，多光束圖樣在掃描場(chǎng)的邊角扭曲和畸變，導(dǎo)致大的位置誤差。這種畸變可以通過子光束的單獨(dú)轉(zhuǎn)向來補(bǔ)償，如（b）所示，從而導(dǎo)致低位置誤差。如果機(jī)械平臺(tái)與掃描頭同步，則可以通過減小掃描頭的偏轉(zhuǎn)角，來最小化子光束的失真和扭曲（c）。由此產(chǎn)生的位置誤差很小。在設(shè)置（a）和（b）中，可以使用f-theta透鏡掃描視場(chǎng)的80%到100%，而在（c）中，使用的比例為10%到20%。

Scan field：掃描視場(chǎng)

Workpiece：工件

Scanner origin axes：掃描頭初始軸

同步機(jī)械平臺(tái)集成

SCANLAB和ACS Motion Control公司已經(jīng)證明，通過引入XL SCAN概念，集成掃描頭和同步機(jī)械平臺(tái)，可以為大視場(chǎng)加工提供新的精度等級(jí)。創(chuàng)新的控制技術(shù)，允許加工與掃描頭鏡頭視場(chǎng)接近的大掃描場(chǎng)區(qū)域。光束的運(yùn)動(dòng)被分成傳遞到掃描頭的高頻分量，以及傳遞到機(jī)械平臺(tái)的低頻分量。

當(dāng)與可變多光束概念相結(jié)合時(shí)，這種方法可以進(jìn)一步提高大型工件的定位精度和加工吞吐量。具體來說，多光束激光掃描消除了在小掃描場(chǎng)尺寸下的高位置精度與以較低精度加工大工件區(qū)域的大視野之間的權(quán)衡。這種新方法使多光束激光加工在高速應(yīng)用領(lǐng)域，如激光鉆孔或激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移（LIFT），特別具有吸引力。

圖4比較了單個(gè)掃描頭加工靜止工件的位置精度，與結(jié)合XL SCAN加工移動(dòng)工件的掃描頭的位置精度。圖4a顯示了使用坐標(biāo)測(cè)量?jī)x評(píng)估的、沒有同步機(jī)械平臺(tái)的掃描頭的絕對(duì)位置誤差結(jié)果。對(duì)于更大的掃描角度，位置誤差隨著加工樣品的每個(gè)點(diǎn)而增加，從而為振鏡掃描頭提供足夠的時(shí)間來穩(wěn)定到其最終位置。通過這種準(zhǔn)靜態(tài)方法，可以實(shí)現(xiàn)與設(shè)定位置的最大偏差為4.0µm。

圖4：沒有同步平臺(tái)，焦距為100mm的標(biāo)準(zhǔn)掃描頭的絕對(duì)徑向位置誤差與設(shè)定徑向位置的關(guān)系（a）。在兩次發(fā)射之間有足夠的時(shí)間進(jìn)行光斑定位，以便振鏡反射鏡就位。這是一種準(zhǔn)靜態(tài)方法。位置誤差是使用坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量的，并隨著徑向位置的變化從約2µm增加至約4µm。圖中還給出了使用焦距為100mm的掃描頭和同步機(jī)械平臺(tái)（XL SCAN）組合加工時(shí)，絕對(duì)位置誤差的密度圖。定位以2600Hz的加工速率實(shí)現(xiàn)，因此是高度動(dòng)態(tài)的。發(fā)射到工件上的一萬發(fā)次中，99.99%（4σ）的位置誤差低于3µm。這說明了與同步機(jī)械平臺(tái)的組合，不僅可以增加加工面積，還能提高位置精度。

Nominal r-coordinate：標(biāo)稱徑向坐標(biāo)

position error：位置誤差

結(jié)合掃描頭和同步機(jī)械平臺(tái)，通過將掃描頭保持在視場(chǎng)的中心區(qū)域，可以加工相同甚至更大的區(qū)域，并且偏差小于在邊緣的情況。對(duì)于加工時(shí)間（在本例中為150µs），加工速率與跳轉(zhuǎn)時(shí)間和可變跳轉(zhuǎn)延遲相關(guān)，具體如下式：

processing rate：加工速率

jump time：跳轉(zhuǎn)時(shí)間

variable jump delay：可變跳轉(zhuǎn)延遲

processing time：加工時(shí)間

從圖4b中可以看出，在40µs的跳轉(zhuǎn)延遲、2600Hz的加工速率和100µm的跳轉(zhuǎn)距離（間距）下，可以輕松實(shí)現(xiàn)3µm的4σ位置誤差。這甚至低于圖4a所示的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)中報(bào)告的誤差。

與單光束加工相比，多掃描引擎與同步平臺(tái)和智能控制相結(jié)合，能以高定位精度實(shí)現(xiàn)高得多的加工速率。因此，經(jīng)過測(cè)試的多光束光學(xué)引擎概念，為高密度鉆孔應(yīng)用提供了強(qiáng)大的解決方案，能夠滿足在高密度PCB鉆孔、microLED顯示制造和其他電子應(yīng)用中，對(duì)高效能掃描頭的未來需求。

圖5顯示了可變多光束設(shè)置的模擬結(jié)果。在這種方法中，對(duì)于光斑間距為100µm或以下的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于每秒一萬發(fā)次的加工速率�？蓪�(shí)現(xiàn)的精度類似于圖4b中所實(shí)現(xiàn)的精度。

圖5：四光束系統(tǒng)的加工速率。加工速率考慮了40µs 的跳轉(zhuǎn)延遲和150µs的加工時(shí)間。在此設(shè)置中可實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)定位誤差優(yōu)于3µm（4σ）。

Processing rate：加工速率

spot spacing：光斑間距

展望

高能超短脈沖激光器，以及微電子和顯示制造中特征尺寸的減小，需要新的光束掃描技術(shù)。本文介紹的新概念，允許在多光束陣列中單獨(dú)控制光束，為多光束加工提供了更大的靈活性和更高的精度。結(jié)合智能控制技術(shù)，XL SCAN隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)需要最大精度、更大吞吐量和更大工件尺寸的新應(yīng)用。