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L'invention concerne une machine ~ microfaisceau laser d'intervention
sur des objets à couches minces de matériau, par exemple pour leur découpe.
On conna~t déjà des machines de ce type, qui utilisent en général un laser
à impulsions. Ces machines sont difficilement utilisables pour des interven-
tions sur des circuits intégrés et sur des couches minc~s, par exemple des
couches magnétiques formées sur les têtes magnétiques des magnétoscopes
ou des lecteurs de disques ou de disquettes informatique~, les intervalles de
temps entre les impulsions du laser se tracluisant par un refroidissement de
la couche de matériau sur laquelle on opère et ne permettant pas une
~ rapidité d'exécution et une finesse de découpe intéressantes.
On a déjà proposé d'utiliser dans ces machines un laser continu, du type à
Argon, qui est couplé à un circuit optique comprenant un microscope pour
permettre de focaliser le ~aisceau laser avec un diamètre de l'ordre du
micromètre sur la surface de l'objet 3 traîter. Il s'agit cependant d'un
appareil de laboratoire, qui nécessite des réglages extrêmement fins et
délicats, et qui n'est pas utilisable industriellement.
L'invention a pour objet une machine à microFaisceau laser pour inter-
vention sur des objets à couches minces de matériau, qui puisse être utilisée
de fa~con industrielle, qui soit automatisable et qui permette une observation
précise de l'action du microfaisceau laser sur l'objet à traîter.
L'invention a encore pour objet une machine de ce type, qui puisse être
utilisée non seulement pour des interYentions précises sur des circuits
intégrés, par exemple pour la correction de microdéfauts, mais également
pour une micro-analyse, une réparation et une reconfiguration de circuits
intégrés et d'objet divers comprenant des couches mince~ de matériaux
utilisés en micro-électronique par exemple.
La présente invention vise une machine à microfaisceau laser d'in-
tervention sur un objet à couches minces de matériau, ccrnprenant un
laser continu couplé à un microscope qui permet de focaliser un fais-
ceau laser en un point particulier de 1'objet et d'observer le point
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128~l97'
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d'impact du faisceau laser sur l'objet, caractérisée en ce
qu'elle comprend une platine rigide, indéformable et
insensible à des vibrations, placée entre une sortie du laser
et l'objet, et sur laquelle sont fixés amovi~lement au moins
un objectif de microscope et des composants optiques
définissant trois voies optiques qui sont indépendantes
l'une de l'autre et qui comportent de~ moyens indépendants
de reglage, ces trois voies comprenant une voie de
transmission du faisceau laser jusqu'à l'objectif de
microscope orienté vers l'objet, une voie d'éclairage
transmettant un faisceau lumineux vers l'objectif de
microscope et une voie de visualisation reliant l'objectif
de microscope à des moyens électroniques de visualisation
d'une zone à traiter de l'objet et du point d'impact du
faisceau laser sur cette zone, ces trois voies opti~ues
étant reliées les unes aux autres de façon permanente par
une lame dichroique à une entrée du microscope, pour
permettre une observation continue de l'action du faisceau
laser sur l'obiet.
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Il est ainsi possible, grâce à ces trois voies op~lques lnoepenu~n~
leurs moyens de réglage, de traîter une couche mince de matériau sur un
objet avec un faisceau laser dont le diambtre sur la surface de l'ob3et est de
l'ordre du micromètre, et simultanément d'observer de façon continue, sans
risques, l'action du faisceau laser sur la surface de l'objet à traîter pour
guider le déplacement de ce faisceau sur toute la zone d"ntervention.
De préférence, selon 1'invention, la platine précitee com-
prend des moyens mécaniques de positionnement précis des composants
optiques, permettant de les démonter et de les remplacer sans modification
des réglages optiques.
On peut ainsi, très facilement et sans perte de temps, adapter la
machine à une intervention d'un type déterminé.
De preférence, selon 1'invention, ~a voie d'observa~
tion sur la platine précitée comprend une caméra matricielle du type
C.C.D., dont la sortie est reliée a un écran de visualisation indépendant de
la platine et dont l'entrée est reliée à l'objectif de microscope par des filtres
d'atténuation de l'image du point d'impact du faisceau laser, et par des
moyens optiques d'agrandissement d'image.
Le personnel peut ainsi observer de façon continue l'objet traîté et
l'impact réel du faisceau laser. Par ailleurs, le positionnement du faisceau
laser sur l'objet à trafter peut être assuré avec une précision de i'ordre de
0,2 micromètre.
De préference, selon 1'invention, la voie de trans~
mission du faisceau laser sur la platine comprend un premier miroir de
renvoi suivi d'un bloc optique afocal de grandissement du faisceau laser, une
lame dichrolque traversée par le faisceau laser, et un autre miroir de renvoi
vers l'objectif de microscope.
Le premier miroir de renvoi est conjugué optiquement de la pupille
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3L~85~
d'entrée de l'objectif de microscope. Son réglage n'influence donc pas la
position du faisceau laser par rapport au centre de la pupille mais unique
ment la position du point d'impact du faisceau Iaser focalisé sur l'objet à
tra~ ter.
De préférence, ce premier miroir est motorisé, pour assurer par
exemple un balayage du point d'impact du faisceau laser sur la surface de
l'objet.
De préférence, selon l'invention, cette voie de transmission
du faisceau laser sur la platine est reliée à la sortie du laser par un autre
miroir de renvoi et un isolateur optique, empêchant une réinjection du
faisceau laser par la sortie du laser.
Il se peut en effet que la surface de l'objet à traîter comprenne une
couche très réfléchissiante, par exemple en aluminium. L'isolateur optique,
qui empêche la réinjectlon du faisceau laser ré fléchi, évite ainsi une
déstablisation du laser.
De préférence, le miroir de renvoi associé à l'isolateur optique est
conjugué optiquement de la zone visée de l'objet, pour permettre le réglage
de l'impact du faisceau laser au centre de la pupille d'entrée du microscope.
Les réglages du point d'impact du faisceau laser sur la surface de l'objet
2û à traîter et du point d'impact du faisceau laser sur la pupille d'entrée de
l'objectif du microscope sont donc indépendants l'un de l'autre.
De préfererlcel selon l'invention, la voie d'eclairage portée
par la platine comprend un faisceau de fibres optiques dont une extrémité
est raccordée à une source lumineuse extérieure à la platine et dont l'autre
extrérnité est conjuguée optiquement de la pupille d'entrée de l'objectif de
microscope7 ainsi qu'une lame semi-transparente réfléchissant, en direction
de la lame dichrolque traversée par le faisceau laser, le faisceau lumineux
sortant des fibres optiques.
La lame dichrolque de la voie de transmission du faisceau laser, qui est
traversée par le faisceau laser et qui réfléchit le faisceau lumineux
d'éclairage, sert donc d'interface entre les voies de transmission du faisceau
laser et d'éclairage.
De préféren~e, la lame semi-transparente précitée est placée à
l'entrée de la voie d'obssrvation et est traversée par le faisceau lumineux
réfléchi par l'objet et dirigé vers la caméra matricielle C.C.D. dP la voie
d'observation,
De préférence, l'objet à traîter est monté sur un
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~2~ L9~
support associé 3 des moyens de déplacement dans trois directions ~erpendi-
culaires, dont deux sont parallèles a la platine, et que le support de l'objet
est mobile en rota~ion autour de son axe de déplacement perpendiculaire à
la platine.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, des moteurs électri-
ques pas à pas assurent le déplacement du support du l'objet dans les deux
directions parallèles à la platine tandis que les moyens de déplacement du
support dans la troisième direction comprennent des moyens de réglage
manuel, ainsi que des moteurs pié~oélectriques assurant un réglage fin de la
position de l'objet à traîter.
Ces di-Fférents moyens moteur peuvent être commandés automatique-
ment par un microprocesseur, dans le cas d'interventions répétitives sur des
objets identiques.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et
avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description qui va suivre,
faite à titre d'exemple en référénce aux dessins anexés et dans lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique d'une machine selon l'invention;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de cette
machine;
- la figure 3 est une vue en plan de la platine optique de la machine;
- la figure 4 est une vue schématique en coupe partielle, selon la ligne
IV-IV de la figure 3.
Comme on le voit schématiquement en figure 1, la machine selon
l'invention comprend un support 10 d'un objet à traîter, par exemple un
circuit intégré, vers lequel est orienté l'objectif 12 d'un microscope porté
par une platine 14 rigide, indéformable et insensible aux vibrations, qui est
par exemple horizontale et est supportée par un bâti métallique 16, un écran
de visualisation 18 relié à la sortie de la voie d'observation portée par la
platine 14, un tableau de commande 20 pour le réglage de la focalisation du
faisceau laser sur l'obJet 3 traîter et des déplacements du support de l'objet,
et un tableau de commande 22 comprenant divers moyens de commande et
de réglage du laser.
Le laser 24, dont seule une partie est représentée dans les figures 2 et 3
est un laser continu à Argon, ayant une puissance optique multiraies de
l'ordre de plusieurs Watts et une bande spectrale de 450 à 525 nm environ.
Le faisceau laser émis rencontre un premier miroir de renvoi 26 qui
réfléchit le faisceau laser à angle droit vers un isolateur optique 28
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comprenant un cube polarisant 30 et une lame quart cl'onde 32 qui empêche
la réinjection de l'énergie laser dans la cavité de sortie du laser 24 lors du
passage du point d'impact du faisceau laser sur une partie très réfléchissan-
te, telle que de l'aluminium, de la surface de l'objet à trafter. On évite ainsiune déstablisation du laser 24.
A la sortie de l'isolateur optique 28, le faisceau laser rencontre un autre
miroir de renvoi 34 fixe, qui réfléchit le faisceau laser à angle droit vers un
miroir de renvoi 36 refléchissant le faisceau laser à angle droit vers un
dispositif afocal de grandissement 38 comprenant un lentille d'entrée 40
mobile en translation pour la focalisation du faisceau laser et une lentille de
sortie 42. Ce dispositif 38 assure une expansion du faisceau laser avec un
rapport de grandissement linéaire de l'ordre de trois par exemple, qui est
compatible avec le diamètre de la pupille d'entrée de l'objectif 12 de
microscope. Ainsi, le faisceau laser a un diamètre, à la sortie du dispositif
- 15 3a, qui correspond sensiblementà celui de la pupille d'entrée de l'objectif 12,
de facon à ce que le faisceau laser ne soit pas diaphragmé par l'objectif 12,
ce qui se traduirait par une perte d'énergie, et ne soit pas concentré sur une
zone étroite de la pupille d'entrée du microscope, ce qui se traduirait par
des risques de destruction des lentilles.
Par ailleurs, ce dispositif afocal de grandissement 38 permet également
de compenser la divergence du faisceau laser pour travailler en lumière
parallèle.
Le faisceau laser parallèle sortant du dispositif 38 traverse une lame
dichrolque 44 orientée à 45 ~ et portée par un bloc 46 sur lequel est monté
un miroir de renvoi 48 réfléchissant le faisceau laser à angle droit sur la
pupille d'entrée de llobjectif 12 de microscope, qui est orienté vers le
support 10 de l'objet à trafter. L'objectif 12 de microscope est porté par une
tourelle rotative 50 comprenant plusieurs objectifs ayant des grandissements
différents.
Comme indiqué dans ce qui précède, le miroir de renvoi 26 est conjugué
optiquement de la surface de l'objet à traîter et permet, par deux rotations
angulaires, le renvoi du faisceau laser et le réglage de son impact au centre
de la pupille d'entrée de l'objectif 12 de microscope tandis que le miroir de
renvoi 36 est conjugué optiquement, par l'intermédiaire du dispositif 38, de
la pupille d'entrée de l'objectif de microscope 12, de sorte que son réglage
n'influence pas la position de l'impact du faisceau laser par rapport au
centre de la pupille d'entrée de l'objectif 12, mais uniquement la position du
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point d'impact du faisceau laser focalisé sur l'objet à traîter. Ces deux
réglages sont donc rendus indépendants. En outre, le miroir 36 peut être
associé à des moyens de motorisation, lorsqu'il est nécessaire de réaliser un
balayage du point d'impact du faisceau laser sur la surface de l'objet à
tra~ter.
De préférence, le premier miroir de renvoi 26 et l'isolateur optique 28
sont portés par une plaque 52 qui n'est pas solidaire de la platine 14 portant
les rniroirs de renvoi ~4 et 36, le dispositif aFocal ~8 et le bloc 46 sur lequel
est montée la tourelle 50 portant les objectifs du microscope. Le microscope
peut ainsi être rendu mobile par rapport au laser. La platine 14 est associée
à des dispositifs amortisseurs filtrant les vibrations susceptibles d'être
transmises à la platine, par exemple les vibrations provoquées par le circuit
d'eau de refroidissement du laser 24.
Les différents moyens optiques précités constituent la voie de transmis-
sion du faisceau laser sur la platine 14.
Celle-ci porte également une voie d'éclairage comprenant un faisceau 54
de fibres optiques dont une extrémité est raccordée à une source d'éclairage
d'un type quelconque, par exemple une lampe à incandescence, extérieure à
la platine 14 et à la plaque 52, et dont l'autre extrémité est raccordée à un
dispositif 56 monté sur la platine 14 et comportant une plaque 58 présentant
un orifice central de passage du faisceau lumineux sortant des fibres
optiques 56, pour limiter la lumière parasite, et un diaphragme de champ 60
qui est conjugué optiquement avec la surface de l'objet à traîter.
Le faisceau lumineux diaphragmé sortant du dispositif 56 traverse tout
d'abord un doublet optique 62 porté par le bloc 46 précité, puis est réfléchi à
angle droit sur une lame semi-transparente 64 en direction de la lame
dichrolque 44, et est finalement réfléchi par cette lame 44 sur le miroir de
renvoi 48 précité.
L'extrémité du faisceau de fibres optiques 54, le dispositif 56, le doublet
62, la lame semi-transparente 64, la lame dichrolque 44 et le miroir de
renvoi 48 associé à l'objectif 12 de microscope constituent la voie d'éclaira-
ge, portée par la platine 14, de l'objet à tra~ter.
Une voie d'observation, indépendante des deux voies précédentes, est
prévue sur la platine 14 et comprend, outre l'objectif 12 de microscope, le
miroir 48 et la lame dichrolque 44, la lame semi-transparente 64 qui est
traversée par le faisceau lumineux, un téléobjectif compact comprenant des
lentilles 66 convergentes et un miroir de renvoi 6a porté par un bloc 70 et
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~2l3~1~7
des lentilles 72 divergentes portées par un autre bloc 74 orienté vers
I'objectif d'entrée d'une caméra matricielle C.C.D. 76 (à transfert de
charge) fixée sur la platine 14 et dont la sortie 78 est reliée à l'écran de
visualisation 18.
Des filtres optiques 80 et 82 sont interposés entre l'entrée de la caméra
76 et la sortie du téléobjectif, pour atténuer l'image de l'impact du faisceau
laser sur l'obiet à traîter et permettre de visualiser par la caméra 76 et
l'écran 18 aussi bien la surface de l'objet à tralter que l'impact du faisceau
laser sur cette surface.
Un prisme peut également être placé sur la voie de visualisation de la
platine 14 entre le filtre optique 80 et la sortie du téléobjectif, pour
modifier sur l'écran de visualisation 18 le sens de déplacement de l'image.
Les différents composants optiques portés par la platine 14 sont montés
de fa~con amovible sur celle-ci par des vis et sont associés à des moyens de
positionnement mécanique très précis, par exernple des pions portés par la
platine 14 et reçus dans des cavités des supports des composants, pour
permettre le démontage de ces composants et leur remplacement sans qu'il
soit nécessaire de procéder à des nouveaux réglages optiques. La voie
d'éclairage portée par la platine 14 présente l'avantage d'un encombrement
réduit. La source de lumière d'éclairage est extérieure à la platine 14,
n'influence pas thermiquement les composants optiques montés sur cette
platine, et peut être changée sans qu'il soit nécessaire de procéder à des
nouveaux réglages. On obtient également ainsi un éclairage uniforme de tout
le champ d'observation sur la surface de l'objet à traîter.
Le support 10 de l'objet 3 traîter comprend (figures 2 et 4) une plaque
supérieure 84 sur laquelle l'objet à tra~ter est fixé par dépression.
Cette plaque supérieure 84 est reliee par des montants verticaux 86 à
une plaque inférieure 88 associée à des moteurs piézoélectriques permettant
un réglage fin de focalisation par déplacement vertical des plaques 88 et 84,
30 par exemple sur une course de 100 microns avec une précision de 0,1 micron.
L'ensemble des plaques 84 et 88 est porté par une couronne 90 rotative
autour de l'axe vertical, par commande manuelle ou motorisée, pour
permettre d'orienter la surface de l'objet à traîter par rapport à deux axes
de déplacement horizontaux perpendiculaires. La couronne 90 est elle-même
35 portée par une première table 92, déplacable le long d'un axe horizontal par
un moteur électrique pas à pas, et cette table 92 est elle-même portée par
une table 94 déplacable en translation le long d'un axe horizontal perpendi-
. . .
.. . .
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2~39~L~t7
a
culaire au premier par un autre moteur ~lectrique pas à pas. Ces deux
moteurs ont par exemple une course de 100 ou 150 mm, avec un déplace-
ment minimal de 0,1 micromètre.
L'ensemble des tables 92 et 94 est porté par une colonne 96 déplacable
verticalement par commande manuelle, pour un réglage grossier de focalixa-
tion, avec une précision de 1 micromètre sur une course de 12 à 15 mm
en viron.
Les moteurs électriques pas à pas de cléplacernent des tables 92 et 94
peuvent atre commandées à partir du tableau 20 (figure 1) par exemple au
moyen d'un levier à rotule 98, déplacable dans deux directions perpendicu-
laires correspondant aux deux directions de déplacement des tables 92 et 94.
Le tableau 20 comprend également des moyens 100 d'affichage des coordon-
nées sur ces deux axes d'un point de la surface de l'objet à trafter, et un
bouton rotatif 102 de commande des moteurs piézoélectriques de réglage fin
de focalisation.
La machine selon l'invention fonctionne de la façon suivante.
L'objet à traîter est placé sur la plaque supérieure 84 du support 10 et
est maintenu en position par dépression, ce qui permet entre autres de
corriger au moins partiellement les défauts de planéité des supports de
couches minces. Par rotation de la tourelle 50, on sélectionne un objectif 12
ayant un grossissement approprié à l'intervention envisagée.
Le fonctionnement de la voie d'éclairage et de la voie d'observation
permet de rechercher, sur l'écran de visualisation 18, la zone particulière à
trafter sur la surface de l'objet. Lorsque l'objectif 12 de microscope a un
grossissement de 50, la diagonale du champ d'observation sur la surface de
l'objet à traîter est de 135 micromètres, tandis que le rapport de grandisse-
ment de l'image sur l'écran de visualisation 18 est de 2 000.
Un réticule 20 peut être prévu sur la voie d'éclairage, en étant
légèrement défocalisé, de fa~con à rnatérialiser l'axe optique sur l'image tout
en permettant de visualiser ce qui se trouver derrière le réticule. Lorsque
l'axe optique est correctement positionné sur la surface de l'objet à traîter,
par exemple au bord d'une couche mince à découper, le laser 24 est mis en
route et produit un ~aisceau laser à un niveau de puissance relativement
élevée (de l'ordre de 1 à 2 Watts) pendant une durée limitée de l'ordre d'unP
seconde par exemple, pour amorcer une réaction thermochimique entre la
couche mince à découper et la couche sous-jacente. On réduit ensuite la
puissance du faisceau laser et, par commande du moteur électrique de
~l21~
déplacement d'une table 92 ou 94, on déplace le point d'impact du faisceau
laser pour réaliser la découpe voulue.
Le diamètre du point d'impact du faisceau laser sur la surface de l'objet
à traîter est, avec un objectif de grossissement 50, de l'ordre de 1
5 micromètre au rnaximum. La profondeur de champ est de l'ordre de plus ou
moins 0,5 micromètre, la distance libre de travail entre l'extrémité de
l'objectif 12 et la surface de l'objet à traîter étant de l'ordre de ~ mm.
On peut également utiliser un objectiF de microscope ayant un grossisse-
ment supérieur, par exemple de 100. Dans ce cas, le diamètre du faisceau
10 laser focalisé est inférieur à 1 micromètre, la profondeur de cha~p est de
plus ou moins û,2 micromètre et la distance libre de travail entre l'extr~7mi-
té de l'objectif et la surface de l'objet à traîter de l'ordre de 0,3 mm. Le
rapport d'agrandisssment de l'image sur l'écran de visualisation la est de
l'ordre de 4 ûû0.
La machine selon l'invention peut donc réaliser une découpe fine des
connections de liaison sur un circuit intégré, par exemple pour la correction
de microdéfauts ou de court-circuits. Elle peut également réaliser la
découpe d'une couche de métallisation autour d'un trou de contact et elle
permet également une détection et une localisation des points sensibles d'un
20 circuit alimenté au voisinage de sa tension marginale, par balayage par un
faisceau laser. L'excitation des points critiques du circuit peut provoquer
des erreurs logiques détectables, ce qui permet de localiser ces points
sensibles.
Cette machine permet également des interventions en microchimie, au
25 moyen de réactions locales induites par le faisceau laser.
Dans l'exemple de réalisation qui a été décrit, la platine 14 portant
l'essentiel des composants optiques de la machine est fixe, tandis que le
support de l'objet b traîter est mobile. On peut cependant rendre cette
platine mobile si nécessaire.
Pour les tâches répétitives, un microprocesseur peut être couplé à la
machine pour commander automatiquement, selon des séquences prédéter-
minées, les déplacements de l'objet à traîter par rapport à l'objectif de
microscope sélectionné et régler le niveau de puissance du laser. Un
dispositif de focalisation automatique, d'un type classique, peut aussi être
35 utilisé pour régler en continu la focalisation du faisceau laser sur la surface
de l'objet à traîter et corriger ainsi des défauts de focalisation causés par
exemple par les déplacements de l'objet à tralter, des défauts de planéité de
sa surface, etc
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