激光微熔覆集成电路制造设备控制系统

河北工业大学硕士学位论文激光微熔覆集成电路制造设备控制系统姓名：李福增申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：王涛20081101河北工业大学硕士学位论文i激光微熔覆集成电路制造设备控制系统摘要目前商用的计算机、电子及通信设备中的核心芯片及高端集成电路芯片几乎全部被美欧厂商垄断，制造高端集成电路的“工业型数控激光微熔覆技术与设备”被严格封锁，研发我国具有自主知识产权的高端集成电路的“工业型数控激光微熔覆技术与设备”，已经迫在眉睫。本文研究对电子产业的“中国创造”具有重大意义。主要研究内容有：微熔覆扫描系统的研制，在高速扫描振镜与激光标刻卡正确连接基础上，用VC完成激光标刻软件的二次开发，结合Windows消息机制实现了激光微熔覆制造设备控制系统主控程序，完成整个控制系统的任务的分配和资源的调度。激光输出控制的研制，连接PC并口与激光电源和Q开关驱动电源外控接口，在VC开发环境中，利用hwinterface.ocx并口控件开发PC并口资源，完成激光输出参数控制。激光功率数据反馈的研制，使用光电二极管完成光功率信号检测，用C51语言完成串口反馈激光功率数据，VC开发上位机软件，配合激光电源外控程序完成激光输出的闭环控制。自动对焦控制的研制，VC调用VFW视频开发包，利用图像处理技术，对USB摄像头反馈的图像数据进行清晰度评价，通过串口控制数控工作台升降，完成激光焦点的聚焦。高精度数控工作台的研制，VC完成光栅尺的数据采集，实现坐标数据的反馈，通过串口控制数控工作台XY轴步进电机，完成微米级坐标位置的精确定位。激光器智能计时器的开发，VC开发串口资源，完成时间数据的显示和调整；使用C51语言实现时间数据的智能累加存储和串口输出，完成防掉电数据错写技术的开发应用。关键词：微熔覆扫描，激光控制，激光功率计，自动对焦，数控工作台，智能计时器激光微熔覆集成电路制造设备控制系统iiLASERMICRO-CLADDINGINTEGRATEDCIRCUITMANUFACTURINGEQUIPMENTCONTROLSYSTEMABSTRACTAtpresent,thecorechipandhigh-techintegratedcircuitchipincommercialcomputer,electronicandcommunicationsequipmenthavebeenalmostentirelymonopolizedbymanufacturersoftheUnitedStatesandEurope,industrialCNClasermicro-claddingtechnologyandequipmentusedtomanufacturehigh-techintegratedcircuitisstrictlyblocked,itisextremelyurgenttodevelopitwithindependentintellectualpropertyrightsinChina.ReaserchinthearticlebringstheelectronicindustrythecreationofChinaofgreatsignificance.Themainworkisasfollows:1.Micro-claddingscanningsystemCombiningwithWindowsmessagemechanism,thecontrolsystemiscompletedonthebaseofrightconnectionbetweenhigh-speedscanninggalvanometerandlasermarkingcardinthedevelopmentoftheVCenvironment.2.LaseroutputcontrolConnectPCparallelportwithoutsidecontrolinterfacetheoflaserpowerandQ-drivenpowerswitch,andusehwinterface.ocxtocompletelaseroutputparameterscontrolinthedevelopmentoftheVCenvironment.3.LaserpowerfeedbackdataPhotodiodecompletestheopticalpowersignaldetection,feedbackdataoflaserpoweristransmittedthroughserialportwiththecompletionofC51language,VCdevelopmentofPCsoftwarewhichcompleteclosed-loopcontrolofthelaseroutput.4.AFcontrolUsingimageprocessingtechnology,wegetevaluation-definitionvalueoftheimagefeedbackdatafromUSBcamera,andbringNCplatformintothelaserfocus.5.Developmentofhigh-precisionNCplatform.ThesoftwarewhichisdevelopedinVCenvironmentgetthecoordinatesfeedbackdataandcontrolXY-axissteppermotorsofNCplatformtorealizemicron-levelprecisionpositioning.6.DevelopmentofsmartlasertimerDevelopmentofPCserialresourcescompletestimedatadisplayandmodification,usageofC51languagerealizesintelligentstorageofcumulatedtimedataandserialoutput,andpreventitfromwrongstorage.KEYWORDS:micro-claddingscanning,lasercontrol,opticalpowermeter,autofocus,NCplatform,smarttimer河北工业大学硕士论文1第一章绪论§1-1激光柔性布线技术概述电子产品的超大规模集成化、数字化、轻量化和小批量、多样化的发展，迫切需要能在无掩膜（或模板）条件下，高精度、高速度连接高密度芯片和修复导电线路的柔性布线技术，以大幅度降低生产成本[1]。早在70年代末期众多国际著名大学如麻省理工学院、哥伦比亚大学和著名企业如IBM、AT&T、西屋、惠普、摩托罗拉、日本NEC、松下、三菱、日立等纷纷投入大量人力物力进行柔性布线技术的研究。已开发出包括注射式涂覆、喷墨式方法、数控机床控制金刚石刀具雕刻法、热压印(HeatEmbossing)和静电转印技术、聚焦离子束技术和激光加工技术等柔性制备线路技术[2]。其中，前四种方法所能达到的昀小线宽有限。静电转印技术的柔性化程度不高，昀小线宽也受到很大限制，因此迄今为止上述技术只在有限的工况下获得应用[3]。聚焦离子束技术的昀小线宽和导线分辨率虽然可以达到很高水平，但因布线速率太低、设备成本过高而无法得到更广泛的应用。因为激光束具有能量密度高、光斑直径、方向和位置容易精确控制等特点，激光布线技术一直被认为昀具工业化应用前景的柔性布线技术而持续成为研究热点。1-1-1激光柔性布线技术的分类激光布线技术可以根据具体工艺特点的不同大致分为激光化学气相沉积、激光诱导液相反应沉积和激光熔覆（其部分工艺内容也被称为固态膜法激光诱导金属沉积）三种方式[4～6]。也有人将上述三种方式与激光刻蚀光刻胶技术一起归类为激光直写技术（Laserdirectwriting）。(1)激光化学气相沉积激光化学气相沉积（LaserChemicalVaporDeposition，LCVD）是利用激光束的高温或者高能效应诱导化学反应沉积薄膜的过程[7]。当激光束按一定路径在基板上扫描，即可沉积出所需要的导电图形，完成布线任务。八十年代初期以来，采用LCVD法在SiOxNy、TiN、GaAs、多晶硅/二氧化硅/单晶硅复合基板等材料表面沉积了Au、Al、Ag、Cu等多种金属线，德国Stuke等人甚至利用该技术在氧化铝基材上制备微型马达和三维结构。LCVD法的优点是导线纯度高、组织致密、线宽窄（昀小可达2mm），但其主要缺点为成套设备昂贵、布线速度过低(典型速度为1001−⋅smm)和导线厚度难以控制[8]。因此，现在主要局限于超大规模集成电路芯片中线路的修复和微机械系统的制造。(2)激光诱导液相反应沉积激光诱导液相反应沉积，又称激光诱导化学镀（LaserInducedElectrolessPlating，LIEP），是由激光束直接辐照浸在液态化学介质中的基板，产生选择性反应沉积[9]。LIEP工艺昀早出现于1979年，目前已在原有直接诱导化学镀的基础上，发展了激光预置晶种—化学镀复合法和激光直接照射选区活化基板—化学镀复合法（也称为两步法）两种工艺，先后在Al2O3、ZrO2、金刚石、SiC、PPQ高分子表面制备出Al、Cu、Pt、Pd、Ni-P合金等金属线，昀小线宽可也达到2mμ[10]。LIEP法的优点是不需真空、设备投资比LCVD少、布线速度比LCVD快近一个数量级。但是，由于基片必须浸入镀液中，众多的影响因素（如溶液温度、浓度等参数）使导线的尺寸精度、重复性及质量稳定性欠佳，加上布线速度仍激光微熔覆集成电路制造设备控制系统2然偏低、化学镀液对环境的严重污染等原因，应用前景并不如早期预期的乐观[11]。(3)激光熔覆布线与激光化学气相沉积和激光诱导液相沉积主要依赖于原子沉积过程不同，激光熔覆布线技术直接采用导电金属或其（有机）化合物的固体粒子与有机粘结相混合预置于基板表面，激光加热后将固态粒子沉积在基板上，因而可以较快速度地沉积导线[12]。1979年，美国麻省理工学院的Suh等人将CuO、NiO等金属氧化物与环氧树脂等有机物混合后预置于绝缘基材表面，利用CO2激光辐照使金属氧化物还原，形成金属导线，开启了绝缘材料表面激光熔覆金属导线的先河[13]。但该工艺需要较高的温度或较长反应时间才能使金属氧化物还原成金属微粒，因此易导致基片表面严重损伤。1987年，Soszek等人首先在基板表面整体涂覆一层热激活粘性薄膜（Filmofheatactuableadhesive），再使用辊压、刷涂等方法在薄膜表面均匀铺一层金属粉末，然后采用激光加热激活粘性薄膜，使金属粉末和基板粘结起来，用刷子或者清洗液将未辐照区的粉末去掉，形成所需要的导电图形，昀后把粘有粉末的基板放入约900℃的炉子内烧结，形成表面光滑的导线[14]。该工艺的特点是避免了激光过度损伤基材表面。但其工序偏多，导线尺寸与精度难以保证，且昀后工序需900℃烧结，因此只能用于高熔点的陶瓷基板[15]。1988年，K.E.Beeson在硅片上激光沉积金，布线速度达2.51−⋅smm。1991年，美国AT&T公司Kestenbaum等人采用甩胶法在基片表面先预置一定厚度的金属有机化合物导电胶，激光辐照后使化合物分解出纯金属粒子[16]。昀小线宽可以达到1mm左右。但由于必须梯度增加激光功率才能控制金属有机化合物分解速度，因此获得涂层的昀大速度不超过51−⋅smm。此外，由于激光诱导金属有机化合物分解反应速度较慢，容易在覆层中产生“毛刺”与“爆炸”现象，使覆层均匀性变差，因此人们在后续的研究中逐渐采用其它材料体系来代替金属有机化合物[17]。1995年，美国Castro等人将金属盐和氨基化合物混合后预置于基片表面，激光辐照后获得了线宽为1～20mm、线间距为3～50mm的导线，但昀大布线速度也只有1001−⋅smm。1996年，Weigel等人利用激光选区照射过冷有