DE19619137A1

DE19619137A1 - Method for diagnosing a surface and then selectively removing layers

Info

Publication number: DE19619137A1
Application number: DE19619137A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schweizer; Linus Werner; Ralf Wirtz
Original assignee: Urenco Deutschland GmbH
Current assignee: Urenco Deutschland GmbH
Priority date: 1996-05-11
Filing date: 1996-05-11
Publication date: 1997-11-13
Also published as: GB9707841D0; FR2748411A1; CA2204802A1; GB2312865A

Abstract

In an apparatus for the diagnosis of a surface and the subsequent selective removal of layers from the surface by a pulsed laser beam 1, areas of the surface to be diagnosed being repeatedly illuminated and the light reflected from the il-luminated surfaces being diffracted into spectral ranges whose intensities are measured and compared with standards and de-pending on this comparison layers are removed by the pulsed laser beams 1 from the surface areas diagnosed, the spaces in which the diagnosis of the surface areas and the laser irradiation procedures are performed, are spatially separated and sealed from one another so as to prevent dust and light contamination of the diagnosis space.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren einer Oberfläche und anschließendem selektiven Abtragen von Schich ten von dieser Oberfläche durch die Strahlung eines gepulsten Lasers gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a method for diagnosing a Surface and then selective removal of Schich th from this surface by the radiation of a pulsed Lasers according to the preamble of claim 1.

Aus der US-PS 4,588,885 und der US-PS 4,737,628 sind Verfahren bekannt, die das Diagnostizieren einer Oberfläche vor dem se lektiven Abtrag durch die Strahlung eines gepulsten Lasers be schreiben. Dabei wird die zu diagnostizierende Oberfläche mit Licht bekannter spektraler Zusammensetzung beleuchtet. Das von dieser Oberfläche reflektierte Licht wird spektral mit Hilfe eines Beugungsgitters zerlegt. Aus der spektralen Zusammenset zung des reflektierten Lichtes kann dann durch Vergleich mit vorher gewonnenen Vergleichsspektren auf die Reflexionseigen schaften der Oberfläche und damit deren Farbe geschlossen wer den. Dadurch ist es möglich, zu entscheiden, ob bereits hin reichend weit durch die Strahlung entschichtet wurde, oder ob die Entschichtung hier noch fortgesetzt werden muß.Methods are known from US Pat. No. 4,588,885 and US Pat. No. 4,737,628 known to diagnose a surface before se selective ablation by the radiation of a pulsed laser write. The surface to be diagnosed is included Light of known spectral composition illuminates. That from Light reflected from this surface becomes spectral with the help of a diffraction grating disassembled. From the spectral composition The reflection of the reflected light can then be compared with previously obtained comparison spectra on the reflection properties the surface and thus its color the. This makes it possible to decide whether to go already was stripped far enough by the radiation, or whether the stripping here still has to be continued.

Von entscheidender Bedeutung bei diesem Verfahren ist die re produzierbare Ausleuchtung der Oberfläche, weil nur so das von der Oberfläche reflektierte Licht hinreichend genau mit Stand ards verglichen werden kann. Diese Bedingung ist nicht unbe dingt erfüllt, wenn eine Anordnung gewählt wird, wie sie in der US-PS 4,588,885 gezeigt wird. Nachteilig ist hier vor al lem, daß das Diagnostizieren durch den Abtrag selbst stark ge stört werden kann.Crucial in this process is the right producible illumination of the surface, because that's the only way light reflected from the surface with sufficient accuracy ards can be compared. This condition is not uncommon is fulfilled if an arrangement is chosen, as in U.S. Patent 4,588,885. The disadvantage here is above all lem that the diagnosis by the abrasion itself ge can be disturbed.

Beim Abtrag von Schichten durch gepulste Laserstrahlung ent steht bei jedem Puls ein starker Lichtblitz, dessen spektrale Zusammensetzung und Helligkeit stark von der jeweiligen Schicht abhängen und der wie eine unerwünschte gepulste Zu satzbeleuchtung wirkt. Weiterhin gibt es durch das plötzliche Verdampfen der Schichten eine starke Rauchentwicklung, die sowohl das beleuchtende Licht als auch das von der Oberfläche reflektierte Licht in seiner spektralen Zusammensetzung und Intensität unvorhersehbar verändern können. Das ist besonders dann der Fall, wenn der Laser mit höherer Wiederholfrequenz betrieben wird, und die Zeit zwischen den Pulsen nicht mehr ausreicht, den Rauch vollständig abzusaugen. Außerdem ver schmutzt durch Ablagerung von Staub trotz Absaugung der Bear beitungsbereich sehr schnell, wodurch sich die Beleuchtungs verhältnisse in nicht vorhersehbarer Weise verändern können. Wenn Absaugung und Diagnostik sich in einem Raum befinden, ist eine Optimierung dieses Bereichs für beide Anforderungen fast unmöglich.When removing layers using pulsed laser radiation with every pulse there is a strong flash of light, its spectral Composition and brightness greatly from each Depend layer and which is like an unwanted pulsed to set lighting works. There is also the sudden Evaporation of the layers produces a strong smoke both the illuminating light and that from the surface reflected light in its spectral composition and Can change intensity unpredictably. It is special then the case when the laser has a higher repetition frequency is operated, and the time between the pulses no longer is sufficient to completely exhaust the smoke. In addition ver dirty due to dust build-up in spite of suction of the bear processing area very quickly, which changes the lighting can change circumstances in an unpredictable way. If suction and diagnostics are in one room, is an optimization of this area for both requirements almost impossible.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren der gattungsge mäßen Art so zu verbessern, daß die hohen Anforderungen an die Gleichförmigkeit und Konstanz der Beleuchtung gewährleistet werden können.The invention has for its object a method of the genus moderate way to improve so that the high demands on the Uniformity and constancy of the lighting guaranteed can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen von An spruch 1 genannten Maßnahmen vorgeschlagen. Die Ansprüche 2, 3 und 4 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Maß nahme.To solve this task, those in the indicator of To Proposition 1 proposed measures. Claims 2, 3 and 4 describe advantageous configurations of this measure took.

Um eine Beeinträchtigung der Diagnostik durch die Bearbeitung mit Laserpulsen auszuschließen, werden Diagnostikbereich und BearbeitungsbereichIn order to impair the diagnostics due to the processing with laser pulses, diagnostic areas and Machining area

a) spatially strictly separated from each other, namely light-tight and dustproof, so that the flashes of light and smoke develop lung, caused by the processing, the diagnostics do not bother.
b) The diagnostics are carried out in advance of the processing leads so that it is known where and in before processing what measure still has to be removed.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert:The invention is explained below with reference to the drawings tert:

Fig. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung eine Apparatur, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; Fig. 1 shows schematically in perspective an apparatus which is suitable for performing the method according to the invention;

Fig. 2 zeigt einen zentralen Längsschnitt durch die Appa ratur gemäß Fig. 1; Fig. 2 shows a central longitudinal section through the apparatus according to Fig. 1;

Fig. 3 zeigt ein typisches Muster von zu diagnostizieren den und anschließend zu bestrahlenden Oberflächenbereichen, auch "Footprints" genannt; Fig. 3 shows a typical pattern of diagnosing and subsequently, also called the surface to be irradiated areas "footprints";

Fig. 4 zeigt das Muster gemäß Fig. 3 innerhalb der Dia gnostikzone der Vorrichtung gemäß Fig. 1; FIG. 4 shows the pattern according to FIG. 3 within the diagnostic zone of the device according to FIG. 1;

Fig. 5 veranschaulicht die mit Standards zu vergleichen den Punkthaufen in einem Blau-Grün-Farbintensitätswertdiagramm in Korrelation zu zwei verschieden farbigen Schichten. Fig. 5 illustrates the compare with standards the point cluster in a blue-green color intensity value diagram in correlation to two different colored layers.

Die Apparatur gemäß den Fig. 1 und 2 besteht aus einem Be arbeitungskopf 3 und einem Diagnostikgehäuse 12, die gemeinsam über die Oberfläche 5 eines beschichteten Substrats 10 geführt werden in der Weise, daß die Laserbestrahlungszone 8 zunächst räumlich und zeitlich getrennt von der anschließenden Laserbe handlung diagnostiziert wird. Der Laserstrahl 1 eines gepul sten TEA-CO₂-Lasers (nicht dargestellt) wird über ein Spiegel system 2 in den Bearbeitungskopf 3 geführt. Im Bearbeitungs kopf 3 befindet sich ein Schwenkspiegel 4, der den Laserstrahl 1 auf die zu entschichtende Oberfläche 5 lenkt. Die Größe des Oberflächenbereichs 7, der pro Puls bestrahlt werden kann, ist durch die Strahlführung und -geometrie festgelegt und muß ört lich mit einem von einem Rechner ermittelten, zuvor diagnosti zierten Oberflächenbereich ("footprint") übereinstimmen. Die Lage des Oberflächenbereichs 7 hängt von der Stellung des Schwenkspiegels 4 und der Position des Bearbeitungskopfes 3 ab. Wenn der Schwenkspiegel 4 um die Achse 6 bewegt wird, kann eine Zone 8 innerhalb des Schwenkbereiches bestrahlt werden. Wird zusätzlich der Bearbeitungskopf 3 in der Richtung T senk recht zur Ebene der Schwenkbewegung S in einer Translati onsbewegung über die Oberfläche 5 bewegt, kann auf der Ober fläche 5 eine Bahn 11 mit der Breite des Schwenkbereichs der Bestrahlungszone 8 bestrahlt werden.The apparatus according to FIGS. 1 and 2 consists of a loading processing head 3 and a diagnostic housing 12 which are guided together over the surface 5 of a coated substrate 10 in such a manner that the laser irradiation zone 8 at first spatially and temporally separated from the subsequent Laserbe treatment is diagnosed. The laser beam 1 of a pulsed TEA-CO₂ laser (not shown) is guided into the processing head 3 via a mirror system 2 . In the machining head 3 there is a swivel mirror 4 , which directs the laser beam 1 onto the surface 5 to be decoated. The size of the surface area 7 , which can be irradiated per pulse, is determined by the beam guidance and geometry and must coincide with a surface area ("footprint") determined by a computer and diagnosed beforehand. The position of the surface area 7 depends on the position of the swivel mirror 4 and the position of the machining head 3 . If the swivel mirror 4 is moved about the axis 6 , a zone 8 can be irradiated within the swivel range. In addition, the processing head 3 in the direction T perpendicular to the level of the pivoting movement S in a translational movement on the surface 5 , a surface 11 can be irradiated on the upper surface 5 with the width of the pivoting range of the radiation zone 8 .

Die Einrichtung zur Diagnostik befindet sich in dem Gehäuse 12, das am Bearbeitungskopf 3 befestigt ist. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch Bearbeitungskopf 3 und Diagnostikge häuse 12. Um den Diagnostikraum 13 vom Bearbeitungsraum 14 und der Umgebung licht- und staubdicht zu trennen, sind Begren zungswände 15 mit auf der Oberfläche 5 aufliegenden Dichtlip pen 16 vorgesehen. Am Diagnostikgehäuse 12 befindet sich eine Farbkamera 18, die die Diagnostikzone 19 innerhalb der Dicht lippen 16 beobachten kann. Innerhalb des Diagnostikgehäuses (12) befindet sich eine Beleuchtungseinrichtung 20, die die Diagnostikzone 19 homogen ausleuchtet.The diagnostic device is located in the housing 12 , which is attached to the processing head 3 . Fig. 2 shows a cross section through processing head 3 and Diagnostikge housing 12th In order to separate the diagnostic room 13 from the processing room 14 and the environment in a light-tight and dust-tight manner, limitation walls 15 with sealing lips 16 resting on the surface 5 are provided. On the diagnostic housing 12 there is a color camera 18 which can observe the diagnostic zone 19 within the sealing lips 16 . There is an illumination device 20 within the diagnostic housing ( 12 ), which illuminates the diagnostic zone 19 homogeneously.

Fig. 3 zeigt exemplarisch, wie ein mögliches Muster 21 der vom Laserstrahl 1 nacheinander bestrahlten Oberflächenbereiche 7 aussehen kann, nachdem der Schwenkspiegel 4 eine vollständige Schwenkbewegung S ausgeführt und gleichzeitig der Bearbei tungskopf 3 eine Translationsbewegung in Richtung T durchge führt hat. In diesem Beispiel ist die Schwenkbewegung S schneller als die Translationsbewegung des Bearbeitungskopfes 3 in der Richtung T. Fig. 3 shows an example of how a possible pattern 21 of the surface areas 7 irradiated by the laser beam 1 in succession can look after the pivoting mirror 4 has carried out a complete pivoting movement S and at the same time the machining head 3 has carried out a translation movement in the direction T. In this example, the pivoting movement S is faster than the translational movement of the machining head 3 in the direction T.

Fig. 4 zeigt die Projektion des Diagnostikgehäuses 12 auf das Muster 21. Wenn nun die Farbkamera 18 eine Momentaufnahme macht, kann sie das aus einer Vielzahl von Oberflächenberei chen 7 bestehende Muster 21 aufnehmen, soweit es in die Dia gnostikzone 19 fällt. Bei bekannter Schwenkbewegung 5 des Schwenkspiegels 4 und Translationsbewegung des Bearbeitungs kopfes 3 in Richtung T ist der Zeitraum bekannt, der zwischen der Momentaufnahme und den Zeitpunkten verstreicht, zu denen die Laserstrahlführung, bestimmt durch die Schwenkbewegung des Schwenkspiegels 4 und die Translationsbewegung des Bearbeitungskopfes 3, die entsprechenden Oberflächenbereiche 7 des Musters 21 anfährt. Wenn es nun gelingt, die Momentauf nahme schnell genug für alle Oberflächenbereiche innerhalb der Diagnostikzone 19 auszuwerten, kann der Laserpuls für jeden Oberflächenbereich 7 des Musters 21 entweder gesperrt oder ausgelöst werden. Dazu ist es zweckmäßig, zunächst die gesamte Momentaufnahme der Kamera in den Speicher des Rechners (nicht dargestellt) zu übertragen, sodann im Speicher in die einzel nen Oberflächenbereiche 7 gemäß dem Muster 21 zu unterteilen und dann die Farbinformation jedes Oberflächenbereichs 7 mit Standards zu vergleichen. Das Sperren oder Auslösen des Laser pulses erfolgt durch den Rechner nach Maßgabe des jeweiligen Vergleichs, sobald die Laserstrahlführung den betreffenden Oberflächenbereich angefahren hat. Fig. 4 shows the projection of the housing 12 to the diagnostic pattern 21. If the color camera 18 now takes a snapshot, it can record the pattern 21 consisting of a plurality of surface areas 7 , insofar as it falls into the diagnostic zone 19 . With known pivoting movement 5 of the pivoting mirror 4 and translational movement of the machining head 3 in the direction T, the time period is known which passes between the snapshot and the times at which the laser beam guidance, determined by the pivoting movement of the pivoting mirror 4 and the translational movement of the machining head 3 , the Appropriate surface areas 7 of the pattern 21 approaches. If it is now possible to evaluate the snapshot quickly enough for all surface areas within the diagnostic zone 19 , the laser pulse can either be blocked or triggered for each surface area 7 of the pattern 21 . For this purpose, it is useful first to transfer the entire snapshot of the camera into the memory of the computer (not shown), then to divide it into the individual surface areas 7 according to the pattern 21 and then to compare the color information of each surface area 7 with standards. The laser pulse is blocked or triggered by the computer in accordance with the respective comparison as soon as the laser beam guidance has hit the surface area in question.

Farbkameras geben üblicherweise pro Bildpunkt (Pixel) eines Farbbildes die drei Farbwerte R (rot), G (grün) und B (blau) heraus. Diese können nach bekannten Transformationsformeln in andere Farbsysteme umgerechnet werden. Ein Beispiel ist das Farbsystem HSI mit den Werten H (hue), S (saturation) und I (intensity).Color cameras usually give one per pixel The three color values R (red), G (green) and B (blue) out. These can be converted into known transformation formulas in other color systems can be converted. This is an example Color system HSI with the values H (hue), S (saturation) and I (intensity).

Wenn von diesen drei möglichen Farbwerten nur zwei zum Ver gleich mit den Standards benutzt werden, ist die zur Auswer tung benötigte Rechenzeit erheblich kürzer. Die Wiederholrate des Lasers kann dann höher sein und der Entschichtungsprozeß kann schneller ablaufen.If only two of these three possible color values are available for ver used with the standards is the one for evaluation computing time significantly shorter. The repetition rate of the laser can then be higher and the stripping process can run faster.

Standards zu setzen und den Oberflächenzustand eines Oberflä chenbereichs 7 mit Standards zu vergleichen ist besonders schwierig, wenn die Oberfläche mit mehreren (verschiedenfarbi gen) Schichten überzogen ist, die durch vorhergehende Laser pulse auf dem Oberflächenbereich 7 teilweise entfernt worden sind. Die Aufgabe ist aber zu lösen, wenn die beiden ausge wählten Farbauszüge für jeden Bildpunkt (Pixel) des Oberflä chenbereichs 7 in ein zweidimensionales Diagramm eingetragen werden. Hat die Oberfläche nur eine Farbe, ist in diesem Dia gramm nur ein Punkthaufen zu erkennen. Wenn mehrere Schichten der Oberfläche freigelegt sind, gibt es mehrere Punkthaufen. Fig. 5 zeigt solche Punkthaufenwolken exemplarisch für einen Oberflächenbereich, auf dem zwei Schichten (Schicht 1 und Schicht 2) zu erkennen sind. Hier sind nur die Farbwerte "blau" und "grün" berücksichtigt. Die relative Anzahl der Punkte, die zu den verschiedenen Punkthaufenwolken gehören, kann zum Beispiel verglichen werden mit Standards dieser rela tiven Anzahlen, die vorher bestimmt wurden. Damit ist sowohl eine qualitative Analyse (d. h. der Oberflächenbereich enthält verschiedene Schichten) als auch eine quantitative Analyse (d. h. wieviel Prozent der Oberfläche den verschiedenen Schichten zuzuordnen sind) möglich.Setting standards and comparing the surface condition of a surface area 7 with standards is particularly difficult if the surface is coated with several (differently colored) layers which have been partially removed by previous laser pulses on the surface area 7 . The task is to be solved, however, if the two selected color separations for each pixel of the surface area 7 are entered in a two-dimensional diagram. If the surface has only one color, only one cluster of points can be seen in this diagram. If several layers of the surface are exposed, there are several point clusters. Fig. 5 shows an example of such a point cumuli for a surface area on the two layers (layer 1 and layer 2) can be seen. Only the color values "blue" and "green" are taken into account here. For example, the relative number of points belonging to the various point cluster clouds can be compared to standards of these relative numbers that were previously determined. This enables both a qualitative analysis (ie the surface area contains different layers) and a quantitative analysis (ie what percentage of the surface can be assigned to the different layers).

BezugszeichenlisteReference list

1 Laserstrahl
2 Spiegelsystem
3 Bearbeitungskopf
4 Schwenkspiegel
5 Oberfläche des Substrats 10
6 Schwenkachse des Schwenkspiegels 4
7 Oberflächenbereich
8 Bestrahlungszone
10 Substrat
11 Bahn
12 Diagnostikgehäuse
13 Diagnostikraum
14 Bearbeitungsraum
15 Begrenzungswände
16 Dichtlippen
18 Farbkamera
19 Diagnostikzone
20 Beleuchtungseinrichtung
21 Muster
S Schwenkbewegung des Schwenkspiegels 4
T Translationsbewegung des Bearbeitungskopfes 3 1 laser beam
2 mirror system
3 machining head
4 swivel mirrors
5 surface of the substrate 10
6 swivel axis of the swivel mirror 4
7 surface area
8 radiation zone
10 substrate
11 lane
12 diagnostic housing
13 diagnostic room
14 processing room
15 boundary walls
16 sealing lips
18 color camera
19 diagnostic zone
20 lighting device
21 patterns
S Swivel movement of the swivel mirror 4
T translational movement of the machining head 3

Claims

1. A method for diagnosing a surface and then selective removal of layers from this surface by the radiation of a pulsed laser by means of an apparatus which summarizes the optical elements for diagnosis and for processing with the laser beam, whereby

a) the surface to be diagnosed is irradiated in regions with light of a predetermined spectral composition,
b) the reflected light is broken down into spectral ranges, the intensities of which are measured,
c) the measured values determined according to b) are compared with standards,
d) in accordance with this comparison, one or more laser pulses are triggered, which cause the removal of a layer on the surface area thus diagnosed,
e) then the processes a) to d) are repeated for further surface areas according to a predetermined pattern until the entire surface to be cleared of layers is treated,

characterized in that

f) the diagnosis of the surface areas ( 7 ) and the loading of these surface areas ( 7 ) with laser radiation ( 1 ) spatially and temporally separately from each other in such a way that
g) the apparatus ( 12 ), which contains the optical elements ( 18 , 20 ) for diagnosis, at a distance and dust-tight, as well as shielded against extraneous light, is guided in front of the device ( 3 , 4 ) for the laser radiation.

2. The method according to claim 1, characterized in that a plurality of surface areas ( 7 ) is recorded simultaneously with egg ner color camera ( 18 ), the recorded in formation values in the memory of a computer and then in the memory as a pattern ( 21 ) in the Individual surface areas ( 7 ) are subdivided, whereupon the color information of each surface area ( 7 ) is compared with standards and - depending on the result of this comparison - one or more laser pulses are triggered or not triggered as soon as the laser beam guidance has approached the surface area concerned.

3. The method according to claim 2, characterized in that for comparison with the standards only two of the three of the Color camera provided or derived from it color values can be used.

4. The method according to claim 3, characterized in that the two color values in a two-dimensional diagram as Point cluster entered and with a point cluster diagram of standards are compared.