(57)【要約】  様々な実施例を使用して、加工物のターゲット材料をレーザベースで変質させながら、加工の処理能力及び／又は品質の改善を有利に実現することができる。加工方法の実施例は、十分に短いパルス幅で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従って非線形光学吸収でこの領域から材料を効率的に除去し、またこの領域内、その近傍、又はその両方の材料上の熱影響域及び熱応力の量を、より長いパルスのレーザで得られる量に対して低減させるステップを含むことができる。少なくとも１つの実施例では、極短パルスレーザシステムは、ファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含むことができる。様々な実施例は、複合材料上又はその内でのフィーチャのダイシング、切削、スクライビング、及び形成の少なくとも１つに適している。
2013528492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して、異なる光学特性を有する少なくとも２つの非金属材料を含む複合材料を有する加工物のある領域から材料を除去する方法であって、
前記加工物の前記複合材料の方へレーザパルスを誘導するステップであって、前記レーザパルスが数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅、及び数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内のパルス繰返し率を有する、誘導するステップ、
数ミクロンから約１００μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）を有するレーザスポット内に前記レーザパルスを集束させるステップであって、少なくとも１つの前記レーザパルスが、前記少なくとも１つのレーザパルスの波長で、前記複合材料内の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を提供する、集束させるステップ、並びに
前記複合材料を除去するための隣接する集束スポット（１／ｅ2）間の空間的重複が、前記波長、パルス幅、繰返し率、及びパワー密度で前記加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するのに十分になるように、前記加工物に対して前記レーザスポットを位置決めするステップ
を備え、
前記加工物領域の１つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、前記領域の周りの望ましくない材料の蓄積を制限する、方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記加工物の前記複合材料が材料構造及びそのホスト材料を含む、方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、前記加工物が、前記複合材料と接触するように配置された非複合材料をさらに含み、前記方法が、前記非複合材料の少なくとも一部分を除去するステップをさらに備える方法。
【請求項４】
請求項３の方法において、前記非複合材料が金属を含む、方法。
【請求項５】
請求項３の方法において、前記非複合材料が高分子を含む、方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、前記非複合材料に当たるパルスのエネルギー密度が、この波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値を上回る、方法。
【請求項７】
請求項１の方法において、前記波長が約０．５μｍから約２μｍの範囲内である、方法。
【請求項８】
請求項１の方法において、前記波長が約１μｍから約１．５μｍの範囲内である、方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、前記波長が約０．９μｍから約１．１μｍの範囲内である、方法。
【請求項１０】
請求項１の方法において、前記加工物が少なくとも２つの非複合材料層をさらに含み、前記複合材料が前記少なくとも２つの非複合材料層間に配置され、前記方法が、前記非複合材料の少なくとも１つの層から前記非複合材料の少なくとも一部分を除去するステップをさらに備える方法。
【請求項１１】
請求項１の方法において、前記加工物の厚さが約１０００μｍより小さい、方法。
【請求項１２】
請求項１の方法において、少なくとも１つのパルスのフルエンスが、約０．０１Ｊ／ｃｍ2から約１０Ｊ／ｃｍ2の範囲内であり、前記位置決めするステップが、約１ｍｍ／秒から約０．５ｍ／秒の範囲内の速度で前記集束スポットに対して前記複合材料を移動させることを含む、方法。
【請求項１３】
請求項１の方法において、少なくとも１つのレーザパルスが、約０．１μＪから約５００μＪの範囲内のパルスエネルギーを有し、前記パルスエネルギーが、少なくとも部分的に前記スポット寸法及び前記繰返し率によって決定される、方法。
【請求項１４】
請求項１の方法において、前記レーザパルスが極短パルスレーザシステムによって出力される、方法。
【請求項１５】
請求項１の方法において、前記パワー密度が少なくとも約１０12Ｗ／ｃｍ2である、方法。
【請求項１６】
請求項１の方法において、前記パワー密度が約１０12Ｗ／ｃｍ2から約１０14Ｗ／ｃｍ2の範囲内である、方法。
【請求項１７】
請求項１の方法において、パルス幅が数十フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内である、方法。
【請求項１８】
請求項１の方法において、前記パルスが、パルスの列、及び少なくとも約５０％の空間的重複を有する少なくとも２つの対応するレーザスポットを含み、前記パルスの列が、前記加工物の前記複合材料の少なくとも一部分に当たるように位置決めされると、約３０〜３００μｍ深さ方向に除去し、前記スポット寸法が約１０〜１００μｍの範囲内である、方法。
【請求項１９】
請求項２の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料が前記加工物の機械的特性を向上させる、方法。
【請求項２０】
請求項１９の方法において、前記機械的特性が前記加工物の剛性を含む、方法。
【請求項２１】
請求項２の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料がガラス織物を含む、方法。
【請求項２２】
請求項２の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料が艶消しガラスを含む、方法。
【請求項２３】
請求項２の方法において、前記材料構造及びそのホスト材料がコットン紙を含む、方法。
【請求項２４】
請求項２の方法において、前記ホスト材料がエポキシを含む、方法。
【請求項２５】
請求項２の方法において、前記ホスト材料が高分子を含む、方法。
【請求項２６】
請求項１の方法において、前記加工物の前記複合材料が、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ＦＲ−６、Ｇ−１０、ＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、ＣＥＭ−３、ＣＥＭ−４、及びＣＥＭ−５からなる群から選択される、方法。
【請求項２７】
請求項１の方法において、前記加工物の前記複合材料が、（ａ）ガラス及びエポキシ織物、（ｂ）艶消しガラス及びポリエステル、（ｃ）コットン紙及びエポキシ、並びに（ｄ）ガラス及びポリエステル織物からなる群から選択される、方法。
【請求項２８】
請求項１の方法において、前記加工物がプリント回路基板を含む、方法。
【請求項２９】
請求項１の方法において、前記加工物上にパターン付きの金属層が堆積される、方法。
【請求項３０】
請求項１の方法において、前記加工物が、前記加工物の前記複合材料を保護するために、薄い高分子層を含む、方法。
【請求項３１】
請求項１の方法において、前記加工物が低誘電率材料層を含む、方法。
【請求項３２】
請求項１の方法において、前記加工物の前記複合材料に当たるレーザパルスの前記エネルギー密度が、このレーザ波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値より小さく、前記エネルギー密度が、前記複合材料内の蓄熱を低減又は回避する、方法。
【請求項３３】
請求項１の方法において、前記空間的重複が少なくとも約５０％である、方法。
【請求項３４】
請求項１の方法において、前記空間的重複が少なくとも約９０％である、方法。
【請求項３５】
請求項１の方法において、前記空間的重複が少なくとも約９５％である、方法。
【請求項３６】
請求項１の方法において、前記空間的重複が少なくとも約９８％である、方法。
【請求項３７】
請求項１の方法において、前記空間的重複が少なくとも約９９％である、方法。
【請求項３８】
請求項１の方法において、前記空間的重複が約９０％から約９９％の範囲内である、方法。
【請求項３９】
請求項１の方法において、前記繰返し率が約１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内である、方法。
【請求項４０】
請求項１の方法において、前記加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する前記方法が、前記複合材料に対してレーザ加工パルスの約１〜１０回のパスにおいて、前記レーザパルスで複合材料を少なくとも約２５μｍから約１５０μｍ深さ方向に除去するステップを備える方法。
【請求項４１】
請求項１の方法において、前記波長が、前記複合材料内の線形吸収に一致する吸収端より長く、前記複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する前記方法のフルエンスが、前記波長で少なくとも約１ナノ秒のパルス幅を有するパルスのフルエンスより実質上小さい、方法。
【請求項４２】
請求項４１の方法において、前記フルエンスが、前記波長で少なくとも約１ナノ秒のパルス幅を有する前記パルスの前記フルエンスより少なくとも約４分の１小さい、方法。
【請求項４３】
請求項１の方法において、前記波長が、前記複合材料内の線形吸収に一致する吸収端より長く、前記複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する前記方法のフルエンスが、前記複合材料内の線形吸収に対するアブレーション閾値を上回る、方法。
【請求項４４】
異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む少なくとも１つのターゲット複合材料を有する材料加工物をレーザ加工する方法であって、
あるパルス繰返し率で集束レーザパルスを前記加工物の少なくとも１つのターゲット複合材料に繰り返し照射するステップ
を備え、
前記複合材料に対する前記レーザパルスの相対運動中、前記繰返し率が少なくとも約数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内であり、前記相対運動が約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の速度を含み、
前記集束レーザパルスの少なくとも一部が、少なくとも１つの他のパルスとの少なくとも約５０％の空間重複係数、約１ナノ秒より小さいパルス幅、約１００ｎＪから約１０００μＪの範囲内のパルスエネルギー、約１０μｍから約１００μｍの範囲内の集束１／ｅ2スポット寸法、及び前記ターゲット複合材料で約０．０１Ｊ／ｃｍ2から約１０００Ｊ／ｃｍ2の範囲内のフルエンスを有する、方法。
【請求項４５】
異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物を加工する方法であって、前記異なる材料が誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含む、方法において、
レーザパルスの列を前記加工物の前記複合材料に照射するステップであって、前記列の少なくとも２つのパルスが異なる特性を有し、前記パルスが前記加工物の異なる材料に加えられ、前記レーザパルスの列の少なくとも１つのパルスが、前記少なくとも１つのレーザパルスの波長で非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を提供する、照射するステップ、並びに
前記誘電体材料及び前記金属材料のうちの少なくとも１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、前記加工物の前記複合材料の一部分の除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、熱影響域（ＨＡＺ）を制御するステップ
を備える方法。
【請求項４６】
異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムであって、
少なくとも１つのパルスが前記加工物の前記複合材料の線形吸収端より長い波長を有する光パルス光源、
前記光源からのパルスを少なくとも約１μＪのパルスエネルギーに増幅するように、そして約１０フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力光パルスを生成するように構成された光増幅システム、
数ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内になるように前記出力光パルスの繰返し率を調整するように構成された、少なくとも１つの光変調器を備える変調システム、
パルスレーザビームを前記加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、約１０μｍから約１００μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）内にパルスビームが集束され、前記集束ビームが、前記レーザパルスの波長で非線形吸収に対する閾値を上回るピークパワー密度を提供する、ビーム送達システム、
約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の速度で前記加工物に対して前記ビームを位置決めするように構成された位置決めシステム、及び
少なくとも前記位置決めシステムに結合されるように構成された制御装置であって、前記繰返し率で前記加工物の加工中に隣接する集束ビーム間の空間的重複を制御するように構成された制御装置
を備えるレーザベースのシステム。
【請求項４７】
請求項４６のシステムにおいて、前記光増幅システムがファイバベースのチャープパルス増幅システムを備える、システム。
【請求項４８】
請求項４６のシステムにおいて、前記光増幅システムが少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を含む、システム。
【請求項４９】
請求項４６のシステムにおいて、前記光増幅システムが、パルスエネルギーが最高約２０μＪの出力パルスを生成するように、そして最高約１０Ｗの平均パワーを生成するように動作可能である、システム。
【請求項５０】
請求項４６のシステムにおいて、前記光パルス光源がファイバ発振器を備え、前記増幅システムの１つ以上の増幅器がファイバ増幅器であり、前記発振器及び増幅システムがオールファイバ設計として構成されたシステム。
【請求項５１】
請求項４６のシステムにおいて、前記光パルス光源がファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも１つを備える、システム。
【請求項５２】
請求項４６のシステムにおいて、前記レーザベースのシステムが、送達されるパルスビームの集束スポット寸法内で少なくとも約０．２５Ｊ／ｃｍ2のフルエンスを提供するように動作可能である、システム。
【請求項５３】
請求項５２のシステムにおいて、前記フルエンスが少なくとも約０．０１Ｊ／ｃｍ2である、システム。
【請求項５４】
請求項４６のシステムにおいて、前記パルスエネルギーが約１μＪから約２０μＪの範囲内である、システム。
【請求項５５】
請求項４６のシステムにおいて、前記繰返し率が約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内である、システム。
【請求項５６】
異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムであって、
少なくとも１つのパルスが前記加工物の前記複合材料の線形吸収端より長い波長を有する光パルス光源、
前記光源からのパルスを増幅するように、そして数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成された光増幅システム、
少なくとも約１ＭＨｚから約１００ＭＨｚ未満の範囲内で前記出力光パルスの繰返し率を提供するように構成された、少なくとも１つの光変調器を含む変調システム、
パルスレーザビームを前記加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、少なくとも約５ミクロンのスポット寸法（１／ｅ2）内にパルスビームが集束され、前記集束ビームが、前記レーザパルスの波長で非線形吸収に対する閾値を上回るピークパワー密度を提供する、ビーム送達システム、並びに
前記繰返し率及び前記スポット寸法で前記加工物の前記１つ以上の材料上又はその内に少なくとも約５０％のスポット重複をもたらすように構成された位置決めシステム
を備える、レーザベースのシステム。
【請求項５７】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記出力パルスの少なくとも幾つかが少なくとも約１００ｎＪのパルスエネルギーを有する、レーザベースのシステム。
【請求項５８】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記スポット重複が約９９％を超える、レーザベースのシステム。
【請求項５９】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記光源及び増幅システムがオールファイバ設計として構成された、レーザベースのシステム。
【請求項６０】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記増幅システムがチャープパルスを増幅するように構成された、パルス・ストレッチャ及び圧縮器を含むファイバベースのチャープパルス増幅器を備えた、レーザベースのシステム。
【請求項６１】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記増幅システムが少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を含む、レーザベースのシステム。
【請求項６２】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記位置決めシステムがビーム偏向器を含む、レーザベースのシステム。
【請求項６３】
請求項５６のレーザベースのシステムにおいて、前記光増幅システムが、前記光源からのパルスを少なくとも約１μＪのエネルギーに増幅するように、そして約１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する極短出力パルスを生成するように構成され、前記光増幅システムが、少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を備え、前記少なくとも１つの大モードファイバ増幅器が、ドープされた大コア漏洩チャネルファイバ増幅器、フォトニック結晶ファイバ、及びフォトニック・バンドギャップ・ファイバのうちの少なくとも１つを備え、
少なくとも１つのファイバ増幅器が、前記レーザベースのシステムがほぼ回折限界のパルス出力ビームを放出するように構成され、
前記レーザベースのシステムが、約数ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内の繰返し率で前記パルス出力ビームを生成するように調整可能に構成される、レーザベースのシステム。
【請求項６４】
請求項１、４４、又は４５のいずれか１項のレーザベースの方法において、前記重複が、少なくとも部分的に、前記加工物の材料及び構造のうちの少なくとも１つに基づく、方法。
【請求項６５】
請求項４６又は５６のいずれか１項のレーザベースのシステムにおいて、前記重複が、少なくとも部分的に、前記加工物の材料及び構造のうちの少なくとも１つに基づく、システム。
【請求項６６】
請求項３又は１０のいずれか１項のレーザベースの方法において、前記非複合材料を除去するために、前記空間的重複を選択的に調整するステップをさらに備える方法。
【請求項６７】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法であって、
多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップであって、前記レーザパルスが、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有し、前記加工物が金属材料と複合材料の両方を含む、誘導するステップ、
数ミクロンから約５０μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）を有するレーザスポット内に前記レーザパルスを集束させるステップ、
前記少なくとも１つの材料の少なくとも一部分を除去するための前記レーザスポットの空間的重複を選択的に調整するステップ、並びに
約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の速度で、前記少なくとも１つの材料に対して前記レーザスポットを位置決めするステップ
を備え、
前記方法が、前記加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、前記領域の周りで再堆積材料の蓄積を制限し、
前記複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するために使用される前記レーザパルスが、前記複合材料内の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を有し、前記複合材料の少なくとも一部分を除去するための隣接する集束スポット間の前記空間的重複が約５０％より大きい、方法。
【請求項６８】
請求項６７の方法において、前記金属材料の少なくとも一部分を除去するための隣接する集束スポット間の前記空間的重複が、前記複合材料の少なくとも一部分を除去するための隣接する集束スポット間の前記空間的重複より実質上大きい、方法。
【請求項６９】
請求項６７の方法において、前記金属材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するために使用される前記レーザパルスが、前記金属材料内の非線形吸収に対する閾値を下回るパワー密度を有する、方法。
【請求項７０】
請求項４４、４５、又は６７のいずれか１項の方法において、前記パルスが約０．５μｍから約２μｍの範囲内の波長を有する、方法。
【請求項７１】
請求項４４、４５、又は６７のいずれか１項の方法において、前記パルスが約１μｍから約１．５μｍの範囲内の波長を有する、方法。
【請求項７２】
請求項４４、４５、又は６７のいずれか１項の方法において、前記パルスが約０．９μｍから約１．１μｍの範囲内の波長を有する、方法。
【請求項７３】
請求項４６又は５６のシステムにおいて、前記波長が約０．５μｍから約２μｍの範囲内である、システム。
【請求項７４】
請求項４６又は５６のシステムにおいて、前記波長が約１μｍから約１．５μｍの範囲内である、システム。
【請求項７５】
請求項４６又は５６のシステムにおいて、前記波長が約０．９μｍから約１．１μｍの範囲内である、システム。
【請求項７６】
請求項４６又は５６のシステムにおいて、前記波長が前記システムの基本出力波長である、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１０年３月３０日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／３１９，２２０号の利益を主張する。同願の内容全体を、参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【０００２】
本願は、米国特許法第１２０条及び米国特許法第３６５条（ｃ）に基づき、２００９年９月２４日に「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の国際公開第ＷＯ２００９／１１７４５１号として公開された、国際出願日２００９年３月１７日の同時係属の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０３７４４３号に対する優先権を主張する、２０１０年８月５日に米国特許出願公開第２０１０／０１９７１１６号として公開された、２００９年１２月１７日出願の米国特許出願第１２／６４１，２５６号（以下、「‘２５６出願」）に関する。‘２５６出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００８年３月２１日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／０３８，７２５号、２００８年１１月３日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／１１０，９１３号、及び２００９年２月１３日出願の「ＬＡＳＥＲ−ＢＡＳＥＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ」という名称の米国仮特許出願第６１／１５２，６２５号の利益を主張する。前述の出願、国際出願、仮出願、及び特許公開のそれぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込み、本明細書の一部とする。
【０００３】
本願はまた、２００７年１月２３日出願の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ  ＬＡＳＥＲ  ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ  ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の米国仮特許出願第６０／８８６，２８５号の利益を主張する、２００８年７月３１日に国際公開第ＷＯ２００８／０９１８９８号として公開された、２００８年１月２２日出願の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ  ＬＡＳＥＲ  ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ  ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／５１７１３号に関する。本願は、２００９年１０月２９日公開の「ＵＬＴＲＡＳＨＯＲＴ  ＬＡＳＥＲ  ＭＩＣＲＯ−ＴＥＸＴＵＲＥ  ＰＲＩＮＴＩＮＧ」という名称の米国特許出願公開第２００９／０２６８２６５号の開示全体を参照により本明細書に組み込む。本願はまた、２００４年３月３１日出願の「ＦＥＭＴＯＳＥＣＯＮＤ  ＬＡＳＥＲ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＩＴＨ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ，ＣＯＮＴＲＯＬＳ  ＡＮＤ  ＦＥＥＤＢＡＣＫ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，２６９号、現在の米国特許第７，４８６，７０５号に関する。上に特定した特許出願、公開、及び特許はそれぞれ、本願の譲受人によって所有される。上に特定した出願、公開、及び特許それぞれの開示全体を、参照により本明細書に組み込む。
【０００４】
本開示は一般に、パルスレーザ、及び高繰返し率パルスレーザを使用する材料の機械加工に関する。
【背景技術】
【０００５】
複合材料は、例えば、著しく異なる物理的及び／又は化学的特性をもつ少なくとも２つの異なる材料を有するように設計された材料である。異なる材料の物理的及び／又は化学的特性は、複合材料内で肉眼又は顕微鏡規模で実質上別個、異質、又は区別可能なまま存在することができる。例として、これらの材料は、マトリックス（例えば、高分子、金属、及び／又はセラミック）内に埋め込まれた強化材（例えば、ファイバ、粒子、薄片、及び／又は充填材）から構成することができる。マトリックスは、所望の形状を形成するように強化材を保持し、強化材は、マトリックスの全体的な機械的特性を改善する。複合材料は、とりわけ強度と軽量性、柔軟性と剛性、耐薬品性と耐火性など、異なる材料特性を兼ね備えるため、様々な適用分野で使用される。
【０００６】
プリント回路基板（ＰＣＢ）の一部分は、機械的強度を提供し、重量制限、柔軟性及び／又は剛性、並びに耐熱性及び耐薬品性を満たすように、複合材料で製作することができる。高速電子技術で使用されるＰＣＢは、低誘電率誘電体を含んで、複合材料の機能性を拡大させることがある。低誘電率材料は、二酸化シリコンの比誘電率より低い比誘電率を有する材料を含むことがある。例えば、低誘電率材料は、ドープされた二酸化シリコン、高分子誘電体などの誘電体材料を含むことがある。「グリーン・テクノロジー」、並びにそれに関連する無鉛及び無害の材料の使用が望ましいことも、考慮を要する。従って、様々なＰＣＢ設計の製作における難題は明らかである。
【０００７】
複合材料の機械的構造を強化するには、ガラスファイバマトリックス、カーボンファイバマトリックス、又は金属構造を使用することができ、この構造を高分子又は有機樹脂内に保持して、形状を機械的に安定させる。例えば、エポキシ樹脂で充填されたガラスファイバメッシュを組み合わせるガロライト（Ｇａｒｏｌｉｔｅ）は、電子技術のＰＣＢに一般に使用される基板である。
【０００８】
複合材料（例えば、ＰＣＢ基板内で使用できるもの）は、例えば、ＦＲ−１、ＦＲ−２、ＦＲ−３、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ＦＲ−６、Ｇ−１０という全米電機製造者協会（ＮＥＭＡ）の等級、及びＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、ＣＥＭ−３、ＣＥＭ−４、ＣＥＭ−５を含む複合エポキシ材料などを含むことができる。複合材料は、エポキシ樹脂バインダを有するガラスファイバ織布、樹脂積層紙、ガラス織布表面を有するセルロース紙、ガラス及びエポキシ織物、コットン紙及びエポキシ、艶消しガラス及びポリエステル、ガラス及びポリエステル織物、並びにガラス強化エポキシ積層板を含むことができる。幾つかのタイプのＰＣＢでは、ＰＣＢの導電層は、薄い導電箔又は層（例えば、銅）から作られ、誘電体材料の絶縁層が、エポキシ樹脂を予備含浸（プレプレッグ）させた複合ファイバとともに積層される。場合によっては、誘電体材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ若しくはＴｅｆｌｏｎ（登録商標））、ポリイミド、ＦＲ−１、ＦＲ−４、ＣＥＭ−１、及び／又はＣＥＭ−３を含むことができる。場合によっては、プレプレッグ材料は、ＦＲ−２、ＦＲ−３、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ＦＲ−６、Ｇ−１０、ＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、ＣＥＭ−３、ＣＥＭ−４、及び／又はＣＥＭ−５を含むことができる。例えば、特定のＰＣＢは絶縁性のＦＲ−４層を含み、その上（ＦＲ−４層の片側又は両側）に薄い銅箔層が積層される。導電層（例えば、銅箔）の厚さは、約１０μｍから約１００μｍの範囲内（例えば、約１８μｍ又は約３５μｍ）とすることができる。他の導電層の厚さを使用することもできる。ＰＣＢ基板の厚さは、約５００μｍから約１５００μｍの範囲内（例えば、約８００μｍ又は約１０００μｍ）とすることができる。他の基板の厚さ（例えば、約３０μｍから約２５０μｍ）を使用することもできる。
【０００９】
場合によっては、ＰＣＢは、絶縁（例えば、誘電体）層とともに積層された約１枚から２０枚の導電層（例えば、銅）を含むことができる。場合によっては、ＰＣＢは、多層のＰＣＢを含むことができ、その中に複数のＰＣＢ層がともに積層される。場合によっては、ＰＣＢは、腐食及び短絡を抑制するために、１つ以上の物質（例えば、ワックス、シリコーンゴム、ポリウレタン、アクリル、又はエポキシ）で被覆することができる。
【００１０】
そのような複合材料を含むＰＣＢの物理的な分離、例えばダイシングは、難なく行うことができない。従来の機械ダイシングは最も一般的な方法であるが、著しい欠点がある。材料の厚さが約１０００μｍより小さくなると、機械ソーによる切削は、欠け落ち、すり切れ、引き裂け、及び層間剥離などの様々な問題を引き起こすことがある。高速ＰＣＢは、厚さ約１２５μｍの基板を有することがあり、基板の厚さは、約３０μｍから約２５０μｍの範囲内になることがある。さらに、薄いＰＣＢの機械ダイシングには、特に不規則な形状が必要とされる場合、特殊な工具類を必要とすることがある。化学加工は高い環境コストを伴い、同時に多くの業界では環境に優しくない（ｎｏｎ−ｇｒｅｅｎ）と考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，０５７，１３３号
【特許文献２】米国特許第５，６５６，１８６号
【特許文献３】米国特許第５，４９９，１３４号
【特許文献４】米国特許第５，６９６，７８２号
【特許文献５】米国特許第７，１１３，３２７号
【特許文献６】米国特許出願第１０／４３７，０５７号
【特許文献７】米国特許第７，３３０，３０１号
【特許文献８】米国特許第５，８１８，６３０号
【特許文献９】米国特許出願第１１／１３４，８５６号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号
【特許文献１１】米国特許出願第１０／８１３，１７３号
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００５／０２２５８４６号
【特許文献１３】米国特許第７，５０５，１９６号
【特許文献１４】米国特許第６，１７２，３２５号
【特許文献１５】ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号
【特許文献１６】国際公開第ＷＯ２００９／０４２３４７号
【特許文献１７】米国特許出願公開第２０１０／０１５７４１８号
【特許文献１８】米国特許第６，２１０，４０１号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｋ．Ｃ．Ｙｕｎｇら、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１２２、２７８頁（２００２）
【非特許文献２】Ｙｕｎｇら、２８４頁
【非特許文献３】Ｘ．Ｃ．Ｗａｎｇら、Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒｓ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｖｏｌ．４６、４０４頁（２００８）
【非特許文献４】Ｗａｎｇ、４０６頁
【非特許文献５】Ｍ．Ｈｅｎｒｙら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ＩＣＡＬＥＯ、４１２頁（２００５）
【非特許文献６】Ｈｅｎｒｙ、４１４頁
【非特許文献７】Ｍ．Ｈｅｎｒｙらによる４１５頁の図５
【非特許文献８】Ｓｈａｈらによる「１２μＪ，１．２Ｗ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ３４６ｎｍ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ  Ｙｂ  Ｃｕｂｉｃｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、２００５年、ＣＬＥＯ  ２００５  Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ、ＣＰＤＢ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
少なくとも前述の難題及び制限のため、本発明者らは、材料を効率的に機械加工するだけでなく、材料を熱的又は機械的に脆弱にしないことが必要とされていることを認識した。そのような悪影響は、望ましくない熱作用に起因する。特定の実装形態では、費用のかかる加工ステップをなくすであろう解決策が大いに望ましい。従って、本明細書に開示のシステム及び方法の様々な実施例を使用して、加工物の複合ターゲット材料をレーザベースで変質させながら、加工の処理能力及び／又は品質の改善を同時に実現することができる。開示のシステム及び方法の実施例を使用するレーザ加工は、従来の機械ダイシング方法に対する魅力的な代替手段となることができ、適用分野によっては機械ダイシング（又は他の加工）と組み合わせて利用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
１つの概括的な態様では、複合材料を有する加工物をレーザ加工する方法が提供される。この方法は、十分に短いパルス幅で加工物の複合材料のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域からの迅速な材料除去材料を実現するように１つ若しくは複数の材料内の蓄熱を制御し、並びに熱影響域（ＨＡＺ）を低減若しくは最小化し、且つ／又はこの領域内若しくはその近傍の炭化材料の量を、より長いパルスで得られる量に対して低減させるステップを含むことができる。例えば、この方法の幾つかの実施例では、パルス幅は、約１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。
【００１５】
別の概括的な態様では、複合材料を有する複合加工物をレーザ加工する方法は、複合材料のある領域にレーザパルスを集束させて誘導するステップを含むことができる。
【００１６】
別の概括的な態様では、複合材料、例えば高速ＰＣＢの加工に極短（例えば、フェムト秒）パルスを使用することで、切り口の幅、切り口の品質、及びパルス間の空間的重複の少なくともある程度のトレードオフを低減させる。切り口寸法の制御は、ＰＣＢ構造がより小さくなるにつれて、ますます重要になるであろう。切り口寸法とＨＡＺ寸法の両方で低減が必要になることもある。本明細書に例で示すように、非線形の吸収状態で極短（例えば、フェムト秒）パルスを動作させることで、高品質の切削が得られる。
【００１７】
少なくとも１つの実施例は、スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して、複合材料を有する加工物のある領域から材料を除去する方法を含み、この複合材料は、異なる光学特性を有する少なくとも２つの非金属材料を含む。この方法は、複合材料加工物の方へレーザパルスを誘導するステップを含み、レーザパルスは、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅、及び数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内のパルス繰返し率を有する。この方法は、数ミクロンから約１００μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）を有するレーザスポット内にレーザパルスを集束させるステップを含み、少なくとも１つの集束レーザパルスは、この少なくとも１つのレーザパルスの波長で、複合材料内の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を提供する。この方法は、材料を除去するための隣接する集束スポット（１／ｅ2）間の空間的重複が、この波長、パルス幅、繰返し率、及びパワー密度で加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するのに十分になるように、加工物に対してレーザスポットを位置決めするステップを含む。この方法は、加工物領域の１つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、この領域の周りの望ましくない材料の蓄積を制限する。
【００１８】
様々な実施例では、加工物の複合材料は材料構造及びそのホスト材料を含む。
【００１９】
様々な実施例では、加工物は、複合材料と接触するように配置された非複合材料を含み、この方法は、非複合材料の少なくとも一部分を除去するステップを含む。
【００２０】
様々な実施例では、非複合材料に当たるパルスのエネルギー密度は、この波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値を上回る。
【００２１】
様々な実施例では、非複合材料は金属を含む。
【００２２】
様々な実施例では、非複合材料は高分子を含む。
【００２３】
様々な実施例では、加工物は少なくとも２つの非複合材料層を含み、複合材料は少なくとも２つの非複合材料層間に配置され、この方法は、非複合材料の少なくとも１つの層から非複合材料の少なくとも一部分を除去するステップを含む。
【００２４】
様々な実施例では、加工物の厚さは約１０００μｍより小さい。
【００２５】
様々な実施例では、少なくとも１つのパルスのフルエンスは、約０．０１Ｊ／ｃｍ2から約１０Ｊ／ｃｍ2の範囲内であり、位置決めするステップは、約１ｍｍ／秒から約０．５ｍ／秒の範囲内の速度で集束スポットに対して複合材料を移動させることを含む。
【００２６】
様々な実施例では、少なくとも１つのレーザパルスは、約０．１μＪから約５００μＪの範囲内のパルスエネルギーを有し、このパルスエネルギーは、少なくとも部分的にスポット寸法及び繰返し率によって事前に決定される。
【００２７】
様々な実施例では、レーザパルスは、極短パルスレーザシステムによって出力される。
【００２８】
様々な実施例では、パワー密度は少なくとも約１０12Ｗ／ｃｍ2である。
【００２９】
様々な実施例では、パワー密度は約１０12Ｗ／ｃｍ2から約１０14Ｗ／ｃｍ2の範囲内である。
【００３０】
様々な実施例では、パルス幅は数十フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内である。
【００３１】
様々な実施例では、パルスは、パルスの列、及び少なくとも約５０％の空間的重複を有する少なくとも２つの対応するレーザスポットを含み、このパルスの列は、加工物の複合材料の少なくとも一部分を約３０〜３００μｍ深さ方向に除去し、スポット寸法は、約１０〜１００μｍの範囲内である。
【００３２】
様々な実施例では、材料構造及びそのホスト材料は、加工物の機械的特性を向上させる。例えば、材料構造（例えば、ガラスファイバ）は、複合材料の剛性を向上又は強化させることができる。
【００３３】
様々な実施例では、材料構造及びそのホスト材料はガラス織物を含む。
【００３４】
様々な実施例では、材料構造及びそのホスト材料は艶消しガラスを含む。
【００３５】
様々な実施例では、材料構造及びそのホスト材料はコットン紙を含む。
【００３６】
様々な実施例では、ホスト材料はエポキシを含む。
【００３７】
様々な実施例では、ホスト材料は高分子を含む。
【００３８】
請求項１の方法において、加工物の複合材料は、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ＦＲ−６、Ｇ−１０、ＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、ＣＥＭ−３、ＣＥＭ−４、及びＣＥＭ−５からなる群から選択される。
【００３９】
請求項１の方法において、加工物の複合材料は、（ａ）ガラス及びエポキシ織物、（ｂ）艶消しガラス及びポリエステル、（ｃ）コットン紙及びエポキシ、並びに（ｄ）ガラス及びポリエステル織物からなる群から選択される。
【００４０】
様々な実施例では、加工物はプリント回路基板を含む。
【００４１】
様々な実施例では、加工物上にパターン付きの金属層が堆積される。
【００４２】
様々な実施例では、複合材料加工物は、複合材料加工物を保護するために、薄い高分子層を含む。
【００４３】
様々な実施例では、加工物は低誘電率材料層を含む。
【００４４】
様々な実施例では、複合材料に当たるレーザパルスのエネルギー密度は、このレーザ波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値より小さく、このエネルギー密度は、複合材料内の蓄熱を低減又は回避する。様々な他の実施例では、複合材料に当たるレーザパルスのエネルギー密度は、このレーザ波長での線形吸収に対応する単一ショットのアブレーション閾値より大きく、このエネルギー密度は、複合材料内の蓄熱を低減又は回避する。
【００４５】
様々な実施例では、空間的重複は少なくとも約５０％である。
【００４６】
様々な実施例では、空間的重複は少なくとも約９０％である。
【００４７】
請求項１の方法において、空間的重複は少なくとも約９５％である。
【００４８】
請求項１の方法において、空間的重複は少なくとも約９８％である。
【００４９】
請求項１の方法において、空間的重複は少なくとも約９９％である。
【００５０】
請求項１の方法において、空間的重複は約９０％から約９９％の範囲内である。
【００５１】
請求項１の方法において、空間的重複は約９５％から約９９％の範囲内である。
【００５２】
様々な実施例では、繰返し率は約１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内である。
【００５３】
様々な実施例では、加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する方法は、複合材料に対してレーザ加工パルスの約１〜１０回のパスにおいて、レーザパルスで複合材料を少なくとも約２５μｍから約１５０μｍ深さ方向に除去するステップを含む。
【００５４】
様々な実施例では、波長は、複合材料内の線形吸収に一致する吸収端より長く、複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する方法のフルエンスは、この波長で少なくとも約１ナノ秒のパルス幅を有するパルスのフルエンスより実質上小さい。
【００５５】
様々な実施例では、フルエンスは、ナノ秒パルスのフルエンスより少なくとも約４分の１小さい。
【００５６】
様々な実施例では、波長は、複合材料内の線形吸収に一致する吸収端より長く、複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工する方法のフルエンスは、複合材料内の線形吸収に対するアブレーション閾値を上回る。
【００５７】
少なくとも１つの実施例は、異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む少なくとも１つのターゲット複合材料を有する加工物をレーザ加工する方法を含む。この方法は、あるパルス繰返し率で集束レーザパルスを加工物の少なくとも１つのターゲット複合材料に繰り返し照射するステップを含み、複合材料に対するレーザパルスの相対運動中、繰返し率は少なくとも約数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内であり、相対運動は約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の速度を含む。集束レーザパルスの少なくとも一部は、少なくとも１つの他のパルスとの少なくとも約５０％の空間重複係数、約１ナノ秒より小さいパルス幅、約１００ｎＪから約１０００μＪの範囲内のパルスエネルギー、約１０μｍから約１００μｍの範囲内の集束１／ｅ2スポット寸法、及びターゲット複合材料で約０．０１Ｊ／ｃｍ2から約１０００Ｊ／ｃｍ2の範囲内のフルエンスを有する。
【００５８】
少なくとも１つの実施例は、異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物を加工する方法を含み、異なる材料は、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含む。この方法は、レーザパルスの列を複合材料に照射するステップを含み、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物の異なる材料に加えられ、このレーザパルスの列の少なくとも１つのパルスは、この少なくとも１つのレーザパルスの波長で非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を提供する。この方法は、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、加工物の複合材料の一部分の除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、熱影響域（ＨＡＺ）を制御するステップを含む。
【００５９】
少なくとも１つの実施例は、異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムを含む。レーザベースのシステムは、少なくとも１つのパルスが複合材料加工物の線形吸収端より長い波長を有する光パルス光源、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのパルスエネルギーに増幅するように、そして約１０フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力光パルスを生成するように構成された光増幅システム、数ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内になるように出力光パルスの繰返し率を調整するように構成された、少なくとも１つの光変調器を有する変調システム、パルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、約１０μｍから約１００μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）内にパルスビームが集束され、集束ビームが、そのレーザパルスの波長で非線形吸収に対する閾値を上回るピークパワー密度を提供する、ビーム送達システム、約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の速度で加工物に対してビームを位置決めするように構成された位置決めシステム、及び少なくとも位置決めシステムに結合されるように構成された制御装置であって、その繰返し率で加工物の加工中に隣接する集束ビーム間の空間的重複を制御するように構成された制御装置を含む。
【００６０】
様々な実施例では、光増幅システムは、ファイバベースのチャープパルス増幅システムを含む。
【００６１】
様々な実施例では、光増幅システムは、少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を含む。
【００６２】
様々な実施例では、光増幅システムは、最高約２０μＪのパルスエネルギーで出力パルスをもたらすように、そして最高約１０Ｗの平均パワーを生じさせるように動作可能である。
【００６３】
様々な実施例では、光パルスの光源はファイバ発振器を含み、増幅システムの１つ以上の増幅器はファイバ増幅器であり、発振器及び増幅システムは、オールファイバ（ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ）設計として構成される。
【００６４】
様々な実施例では、光パルスの光源は、ファイバレーザ、ファイバ増幅器、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザ、及びモードロック式発振器のうちの少なくとも１つを含む。
【００６５】
様々な実施例では、レーザベースのシステムは、送達されるパルスビームの集束スポット寸法内で少なくとも約０．２５Ｊ／ｃｍ2のフルエンスを提供するように動作可能である。
【００６６】
様々な実施例では、フルエンスは少なくとも約０．０１Ｊ／ｃｍ2である。
【００６７】
様々な実施例では、パルスエネルギーは約１μＪから約１０００μＪの範囲内である。
【００６８】
様々な実施例では、繰返し率は約１０ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内である。
【００６９】
少なくとも１つの実施例は、異なる特性及び機能性をもつ少なくとも２つの異なる材料を含む複合材料を有する加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムを含む。このシステムは、少なくとも１つのパルスが加工物の複合材料の線形吸収端より長い波長を有する光パルス光源、光源からのパルスを増幅するように、そして数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成された光増幅システム、少なくとも約１ＭＨｚから約１００ＭＨｚ未満の範囲内で出力光パルスの繰返し率を提供するように構成された、少なくとも１つの光変調器を含む変調システム、パルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、少なくとも約５ミクロンのスポット寸法（１／ｅ2）内にパルスビームが集束され、集束ビームが、そのレーザパルスの波長で複合材料の非線形吸収に対する閾値を上回るピークパワー密度を提供する、ビーム送達システム、並びにその繰返し率及びスポット寸法で加工物の１つ以上の材料上又はその内に少なくとも約５０％のスポット重複をもたらすように構成された位置決めシステムを含む。
【００７０】
様々な実施例では、出力パルスの少なくとも一部は、少なくとも約１００ｎＪのパルスエネルギーを有する。
【００７１】
様々な実施例では、スポット重複は、約５０％を超過し、約９０％を超過し、約９５％を超過し、又は約９９％を超過する。
【００７２】
様々な実施例では、光源及び増幅システムは、オールファイバ設計として構成される。
【００７３】
様々な実施例では、増幅システムは、チャープパルス増幅用に構成されたパルス・ストレッチャ及び圧縮器を備えるファイバベースのチャープパルス増幅器を含む。
【００７４】
様々な実施例では、増幅システムは、少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を含む。
【００７５】
様々な実施例では、位置決めシステムは、ビーム偏向器を含む。
【００７６】
様々な実施例では、光増幅システムは、光源からのパルスを少なくとも約１μＪのエネルギーに増幅するように、そして約１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する極短出力パルスを生成するように構成される。光増幅システムは、少なくとも１つの大モードファイバ増幅器を含み、この少なくとも１つの大モードファイバ増幅器は、ドープされた大コア漏洩チャネルファイバ増幅器、フォトニック結晶ファイバ、及びフォトニック・バンドギャップ・ファイバのうちの少なくとも１つを備え、少なくとも１つのファイバ増幅器は、レーザベースのシステムがほぼ回折限界のパルス出力ビームを放出するように構成され、レーザベースのシステムは、約数ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内の繰返し率でパルス出力ビームを生成するように調整可能に構成される。
【００７７】
様々な実施例では、重複は、少なくとも部分的に、加工物の材料及び構造のうちの少なくとも１つに基づく。
【００７８】
様々な実施例では、加工物は、複合材料と非複合材料の両方を含み、この方法は、材料を除去するために、空間的重複を選択的に調整するステップを含む。非複合材料は、金属及び／又は誘電体を含むことができる。複合材料に対して選択された空間的重複は、必ずしも必要ではないが、非複合材料に対して選択された空間的重複とは異なることができる。非複合材料（例えば、金属）に対して選択された空間的重複は、必ずしも必要ではないが、複合材料に対して選択された空間的重複より大きくすることができる。
【００７９】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法の１つの実施例が開示される。この方法は、多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップを含む。レーザパルスは、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数百ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有する。加工物は、金属材料と複合材料の両方を含むことができる。この方法は、数ミクロンから約５０μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）を有するレーザスポット内にレーザパルスを集束させるステップをさらに含む。この方法は、金属材料の少なくとも一部分から材料を除去するための隣接する集束スポット間の重複が、複合材料の少なくとも一部分から材料を除去するための隣接する集束スポット間の重複より実質上大きくなるような走査速度で、少なくとも１つの材料に対してレーザスポットを位置決めするステップをさらに含む。複合材料の少なくとも一部分から材料を除去するための隣接する集束スポット間の重複は、約５０％より大きくすることができる。この方法は、加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、その領域の周りで再堆積材料の蓄積を制限する。複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するために使用されるレーザパルスは、複合材料内の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を有することができる。金属材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するために使用されるレーザパルスは、金属材料内の非線形吸収に対する閾値を下回るパワー密度を有することができる。
【００８０】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して多材料加工物のある領域から材料を除去する方法の１つの実施例が開示される。この方法は、多材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップを含む。レーザパルスは、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有する。加工物は、金属材料と複合材料の両方を含む。この方法は、数ミクロンから約５０μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）を有するレーザスポット内にレーザパルスを集束させるステップ、及び少なくとも１つの材料の少なくとも一部分を除去するためのレーザスポットの空間的重複を選択的に調整するステップをさらに含む。この方法は、約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の速度で、少なくとも１つの材料に対してレーザスポットを位置決めするステップをさらに含む。この方法は、加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、その領域の周りで再堆積材料の蓄積を制限することが有利である。前記複合材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するために使用されるレーザパルスは、複合材料内の非線形吸収に対する閾値を上回るパワー密度を有することができる。複合材料の少なくとも一部分を除去するための隣接する集束スポット間の空間的重複は、約５０％より大きくすることができる。
【００８１】
この方法の幾つかの実施例では、金属材料の少なくとも一部分を除去するための隣接する集束スポット間の空間的重複は、複合材料の少なくとも一部分を除去するための隣接する集束スポット間の空間的重複より実質上大きい。
【００８２】
この方法の幾つかの実施例では、金属材料をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するために使用されるレーザパルスは、金属材料内の非線形吸収に対する閾値を下回るパワー密度を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
［図１Ａ〜１Ｃ］複数パスのレーザベースの材料除去方法の一実施例を表す概略上面図及び概略横断面図である。
［図１Ｄ〜１Ｅ］Ｎ回のパス後の機械加工の深さと望ましくない再堆積材料の形成との関係を表す概略横断面図である。図１Ｅは、パルスレーザシステムの少なくとも１つの実施例で得られる結果の概略図である。
［図１Ｆ］レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したレーザシステムの一実施例を示す概略図である。
［図１Ｇ］パターン付きウエハの一部分の例を示す概略図である。図１Ｇ−１は幾つかのダイを有するウエハを示し、図１Ｇ−２は図１Ｇ−１のウエハの一部分の拡大図を示し、図１Ｇ−３はウエハの一部分の断面側面図を示す。
［図２Ａ〜２Ｂ］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの実施例を示す概略図である。
［図３］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムの別の実施例を示す概略図である。
［図４Ａ］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムのさらに別の実施例を示す概略図である。
［図４Ｂ］ファイバ増幅器内又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの一実施例を示す概略図である。
［図５］レーザパルス列を用いて加工物を加工するシステムであって、プロセス及び／又はターゲット情報に基づくフィードバック及び制御を有するシステムのさらなる実施例を示す概略図である。
［図６Ａ及び６Ｂ］レーザパルス列を用いて加工物を加工する一実施例に対応する実験システムをそれぞれ示す概略図及び写真である。
［図７］アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する１つの例示的な技法を示す概略図である。
［図７Ａ及び７Ｂ］約１０μＪのパルスエネルギーを提供する極短パルス赤外（ＩＲ）レーザを使用する複合材料加工物の切削を示す例示的な実験結果を示す図である。複合材料加工物はＰＣＢ複合材料を含み、レーザ加工中に完全に切断された。図７Ａは、複合材料の部分的に剥離させた部分における切削線の上面図であり、図７Ｂは、切削線の側面図である。
［図７Ｃ］本明細書に記載の実験に利用される複合材料加工物の伝送スペクトルの例示的な測定を示すグラフである。測定は、約５００ｎｍ付近に吸収端を示す。吸収端より短い波長範囲は、線形吸収に対応すると考えられる（ただし必ずしも必須ではない）。この例の吸収端を上回る波長範囲内では、加工物は比較的透明であり、非線形吸収プロセスは、少なくとも比較的高強度のパルスの場合、この波長範囲内の線形吸収プロセスを左右する傾向があると考えられる（ただし必ずしも必須ではない）。
［図７Ｄ］複合材料加工物を切削する極短パルスレーザ加工例に対するレーザビームのピーク強度と半径の関係を示すグラフである。加工物は、ポリイミド上層によって被覆されたエポキシ−ガラスファイバ層を含む。ピーク強度（垂直軸上に示す）は、レーザスポット寸法（例えば、水平軸上に示すレーザビーム半径）を変化させることによって調整した。挿入図７１０及び７１５は、レーザ加工後の加工物の一部分を示す顕微鏡画像である。この例では、ガラスファイバ層のアブレーションは、約１ＴＷ／ｃｍ2のピーク強度（又はパワー密度）で開始された。
［図８Ａ及び８Ｂ］ＩＲナノ秒（ｎｓ）パルスレーザを使用して複合材料加工物を切削する一例を示す図である。図８Ａは、ナノ秒レーザパルスで加工された加工物の一部分の上面図であり、図８Ｂは側面図である。図８Ａ及び８Ｂは、延長した熱影響域（ＨＡＺ）及び溶融リキャスト材料の存在を示す。
［図８Ｃ］フェムト秒レーザパルスのアブレーション閾値より実質上高いフルエンスを提供するＩＲナノ秒パルスを照射した加工物の一部分の上面図である。この例では、ガラスファイバ層の損傷は見られず、ポリイミド上層だけがアブレーションされている。
【発明を実施するための形態】
【００８４】
上記その他の特徴について、上に要約した図面を参照して次に説明する。図面及び関連する記載は、実施例及び例示的な実験結果について説明するために提供されるものであり、本開示の範囲を制限するものではない。
【００８５】
レーザ加工方法の概要
ガラスファイバ強化ＰＣＢのダイシングには、ガラス材料を切削する能力のため、連続波（ＣＷ）ＣＯ２レーザが使用されてきた。エポキシ樹脂及び残留する破片の炭化は、さらなる加工要件なしに高品質の切削を得る上で問題となってきた。パルスＣＯ２レーザは、この問題に対処するために導入されたが、品質及び切削速度を制限する傾向がある。ビアドリルに対するパルス固体ＵＶレーザは、Ｋ．Ｃ．Ｙｕｎｇら、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１２２、２７８頁（２００２）によって調査された。パルスエネルギー及びパルス繰返し率に関しては、これらの筆者らによって、所与の繰返し率において、平均レーザパワーの増大とともに同等の幅の熱影響域（ＨＡＺ）も増大することが分かった（例えば、Ｙｕｎｇら、２８４頁）。パルスＵＶ波長の使用については、Ｘ．Ｃ．Ｗａｎｇら、Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒｓ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｖｏｌ．４６、４０４頁（２００８）によってさらに実証された。同文献は、低エネルギーパルスを使用できるだけでなく、スポット重複の小さい加工で良好な切削品質を実現できることを提案している。レーザ加工の技術分野では、熱作用を低減させるには、比較的小さいスポット重複（例えば、場合によっては実質上ゼロ）が有用になり得ると考えられてきた。本発明者らは、Ｗａｎｇ（例えば、Ｗａｎｇ、４０６頁）によって記載されたパラメータに基づいて、Ｘ．Ｃ．Ｗａｎｇらによって最適化された加工に対するスポット重複比は、約５０％より小さかったと推定する。
【００８６】
さらに、Ｍ．Ｈｅｎｒｙら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ＩＣＡＬＥＯ、４１２頁（２００５）は、所望の切り口（例えば、所望の切削幅）全体にわたるレーザのマルチパス切削による高速繰返しパスが、表面上の各パルスを空間的に分離することによって、基板への熱入力を最小化する可能性を提供できると提案している（例えば、Ｈｅｎｒｙ、４１４頁参照）。この教示は、横方向の熱膨張を回避し、望ましくない切り口寸法を制限するには、スポット重複をなくす（例えば、各パルスを空間的に分離する）ことが有用であるという考えを抱かせる傾向がある。Ｈｅｎｒｙらは、１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍ波長のＱスイッチレーザを用いて、銅−ポリイミド−銅の組成を有するＰＣＢ基板で得た結果を開示した。より高速のマルチパス切削（高い重複）とより低速の単一パス切削の間のトレードオフが分析された。高い繰返し率、例えば約２０ｋＨｚが有用と見なされ、切削品質に与える影響は、切削速度の関数として試験された。例えば、Ｍ．Ｈｅｎｒｙらによる４１５頁の図５は、スポット重複が重複のない（例えば、約０％）方へ低減するにつれて、切り口寸法が低減することを示す。少なくとも切り口の幅、空間的重複、及び加工速度の間のトレードオフは明らかである。
【００８７】
さらに、Ｈｅｎｒｙらは、加工物上へレーザビームを誘導するのに高速スキャナを推奨している。しかし、製造において大きな寸法のＰＣＢ基板を取り扱う可能性を考えると、従来のスキャナが覆うことができる面積が制限されるため、スキャナと並進運動段の組合せが望ましい場合がある。さらに、パルスエネルギーが増大された場合、ナノ秒レーザパルスを使用する加工方法は、熱作用によって制限される。
【００８８】
ＰＣＢ切削向けのＩＲ／ＵＶパルスレーザシステム、特にナノ秒以上の範囲内のパルス幅で動作するシステムの性能は、熱作用によって制限される。そのような作用は、それだけに限定されるものではないが、（ａ）熱影響域（ＨＡＺ）を延長し、構造を脆弱化及び変形させること、（ｂ）レーザビームの吸収によって生成される熱が、組成物材料内のターゲット、特に存在する場合は高分子を焼損及び炭化させること、（ｃ）リキャスト及び破片、並びに（ｄ）異なる組成物が異なる熱特性を有するため、そのようなプロセスでは異なる形で切削され得ることを含む。市販のシステムでは、線形吸収に基づいて加工物内で熱を発生させるために、ＵＶレーザが使用される。ＵＶレーザ波長は、周波数３倍化（例えば、３５５ｎｍ）波長、周波数４倍化（例えば、２４８ｎｍ）波長、又はさらに短い波長を含むことができる。しかし、ＵＶパルスの高い光子エネルギーは、材料を脆弱化することがある。
【００８９】
ビアドリルに関しては考慮されてきたが、多くの基板に対する最大基板伝送に一致する約１〜１．５μｍの波長範囲内の近赤外レーザの使用は、ＰＣＢ切削に関しては広く調査されてこなかった。Ｍ．Ｈｅｎｒｙら、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ＩＣＡＬＥＯ、４１２頁（２００５）の論文は、比較的低いピーク強度でナノ秒パルスを使用し、主に加工物内の線形吸収に依拠することを示している。同論文には、赤外（ＩＲ）ナノ秒パルスと緑色波長のナノ秒パルスの比較が提示されており、緑色波長パルスは、銅層によるＩＲエネルギーの吸収が低いため、優れた切削品質（ＩＲパルスと比較）を提供した。
【００９０】
従って、本発明者らは、前述の参考文献の教示が、ＰＣＢの高品質のビアドリル又は切削に対する幾つかの概括的な指針、すなわちｉ）加工物内で高度に線形の吸収に対応する波長、特にＵＶ波長を使用すること、ｉｉ）低減されたスポット重複比を使用すること、及びｉｉｉ）ＨＡＺが低減又は回避されるように加工することを提案していると認識した。
【００９１】
論じるように、本発明者らは、これらの概括的な指針の幾つか又は全てとは異なる加工パラメータを使用することで、驚くべき結果をもたらすことを見出した。例えば、場合によっては、加工物内でレーザビームの非線形吸収を引き起こすレーザビームパラメータを使用することで、加工物内で複合材料の驚くほど効果的な加工を提供することができる。さらに、場合によっては、比較的大きいスポット重複比（例えば、約９０％より大きい）を使用することで、複合材料の驚くほど効果的な加工を提供することができる。本発明者らが見出した驚くべき結果の例を、以下に記載する。
【００９２】
本願では、複合材料は全体として、異なる光学特性を有する少なくとも２つの実質上非金属の材料（例えば、誘電体材料）を含む材料を指す。複合材料はまた、金属性の材料を含むこともできる。複合材料は、最終的な構造において肉眼（又は顕微鏡）レベルで実質上別個、異質、又は区別可能なまま存在する、物理的又は化学的特性の著しく異なる２つ以上の構成材料を含むことができる。構成材料は、マトリックス（又はバインダ）及び強化材を含むことができる。多くの複合材料は、マトリックスの少なくとも一部分及び強化材の少なくとも一部分を含む。通常、マトリックスは、マトリックスと強化材の相対的な位置を維持することによって、強化材を取り囲んで支持し、強化材は、その機械的及び物理的特性を与えてマトリックス特性を向上させる。マトリックス及び強化材は、個々の構成材料からは比較的入手できないことがある所望の電気的、機械的、及び／又は化学的特性を複合材料に提供するように選択することができる。マトリックスは、例えば、ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリプロピレン、及び／又はＰＥＥＫなどの高分子（又は樹脂）を含むことができる。強化材は、ファイバ（例えば、ガラス織物）、粒子、及び／又は地下鉱物を含むことができる。複合材料は、マトリックス内に強化材層又は積層体を構成することができる。
【００９３】
幾つかのタイプの複合材料は、材料構造及びホスト材料を含む。場合によっては、材料構造及びそのホスト材料は、複合材料の機械的及び／又は電気的特性を向上させるように選択される。幾つかの複合材料では、材料構造及びそのホスト材料は、例えば、ガラス織物、艶消しガラス、コットン紙などを含む。幾つかの複合材料では、ホスト材料は、例えば、エポキシ及び／又は高分子を含む。複合材料は、例えば、ＦＲ−４（例えば、ガラス及びエポキシ織物）、ＦＲ−５（例えば、ガラス及びエポキシ織物）、ＦＲ−６（例えば、艶消しガラス及びポリエステル）、Ｇ−１０（例えば、ガラス及びエポキシ織物）、ＣＥＭ−１（例えば、コットン紙及びエポキシ）、ＣＥＭ−２（例えば、コットン紙及びエポキシ）、ＣＥＭ−３（例えば、ガラス及びエポキシ織物）、ＣＥＭ−４（例えば、ガラス及びエポキシ織物）、並びに／又はＣＥＭ−５（例えば、ガラス及びポリエステル織物）などのプリント回路基板材料を含むことができる。複合材料は、他の等級のＮＥＭＡ材料を含むこともできる。
【００９４】
本願では、ターゲット材料は全体として、１つ以上のレーザパルスによって変質させるべき加工物の少なくとも１つの領域内又はその上の材料を指す。ターゲット材料は、異なる物理的特性を有する複数の材料を含むことができる。ターゲット材料は、複合材料を含むことができる。幾つかの実装形態では、ターゲット材料はターゲット基板と呼ばれる。
【００９５】
本願では、別段の指定がない限り、繰返し率は全体として、材料のレーザ加工中にレーザパルスがターゲット材料に送達される数を指す。この率は、レーザ光源によってパルスが生成される率に対応させることができるが、例えば、パルス又はパルス群がゲート制御されてターゲット材料に送達される実施例では、この率はまた、光源の率に対して低減させることができる。
【００９６】
本願では、極短パルスを参照する。通常、極短パルスは、数十ピコ秒未満のパルス持続時間（又はパルス幅）を有する。例えば、極短パルスは、約１００ピコ秒未満、約１０ピコ秒未満、約１ピコ秒未満、約５００フェムト秒未満、約２５０フェムト秒未満、又は約１００フェムト秒未満のパルス持続時間を有することができる。極短パルスは、数フェムト秒から数十フェムト秒のパルス持続時間を有することができる。極短パルス幅は、例えば、材料に依存しており、それを下回ると損傷閾値がほぼ一定になるパルス幅によって特徴付けることができる。
【００９７】
本願では、ターゲット材料、ターゲット領域などの内又はその近傍の望ましくない材料の蓄積を制限することを参照する。別段に明記されていない限り、代替の言語は、２つ（又はそれ以上）の代替物の１つとして解釈されるべきではなく、両方（又はそれ以上）の代替物を含むことができる。
【００９８】
本明細書では、破片という用語は限定的なものではなく、全体として、局部的な領域内又はその近傍の材料の望ましくない蓄積を指す。破片は、レーザ材料の相互作用及び／又はＨＡＺに起因することがある。リキャスト、スラグ、再堆積、及び他の関連する用語もまた、当技術分野ではよく知られている。通常、熱影響域は、溶融材料を形成するのに十分なほど速く加熱及び冷却される材料を含み、また領域の範囲は、他の要因の中でも、パルス持続時間及び様々な材料パラメータに依存する。短パルス、特に極短パルスは、熱を局部化させて熱影響域の寸法を低減させることが知られている。
【００９９】
本明細書では、線形吸収という語句は全体として、材料内の光の吸収が材料特有であり、吸収される光（吸収材の単位厚さ当たり）が光強度に線形に依存する物理的機構を指す。線形吸収は通常、材料内の深さ範囲における光パワーの指数関数的低減に対応する。吸収長は、散乱及び／又は吸収されるパワーの量に基づいて指定することができる。材料は、線形吸収係数αで特徴付けることができ、所与の深さでのパワーＰは、Ｐ＝Ｐｉｎｃ  ｅｘｐ（−αＺ）によって与えられる。ここで、Ｐｉｎｃは材料上に入射するパワーであり、Ｚは材料内の深さである。多くの材料では、線形吸収は、単一の光子によって引き起こされる量子の機械的遷移を伴う。線形吸収では、吸収係数αは光強度に依存しない。
【０１００】
本明細書では、非線形吸収は全体として、光吸収が光強度Ｉに依存するプロセスを指す。２光子吸収は、２つの光子の（実質上同時の）吸収に起因して上位レベル状態への電子的遷移が生じる非線形吸収の一例である。例えば、２光子吸収の場合、吸収（吸収材の単位厚さ当たり）は、強度の２乗、例えばβＩ2に比例する。ここで、βは２光子吸収の横断面である。他の非線形吸収プロセスでは、吸収は、強度Ｉのより高いパワーに依存する可能性があり（例えば、より高次の多光子吸収プロセスの場合）、又は強度Ｉに対して異なる数学的な関数依存性を有する可能性がある。強度に対する非線形性の結果、非線形吸収の可能性は、強い光場が存在すると増大する（例えば、非線形吸収は、強度Ｉが増大するにつれて、線形吸収より速く増大する）。強度が十分に高い場合、非線形吸収は、線形吸収よりはるかに大きくなる可能性があり、従って、そのような強度では、光は主に、線形吸収プロセスではなく非線形吸収プロセスを通じて媒体（例えば、加工物）によって吸収される。
【０１０１】
本願では、走査（ｓｃａｎ）、スキャナ、走査（ｓｃａｎｎｉｎｇ）、走査速度などの使用は全体として、材料に対する放射ビームの相対的な移動を指し、別段指定のない限り、光学式スキャナ（例えば、Ｘ−Ｙガルバノメータ又は他のビーム偏向器）に対して要件を課すと解釈されるべきではない。様々な実施例では、レーザ加工の目的を満たすように任意の適した組合せで構成された、圧電若しくは他の位置決め機構、電気機械、固体、回折、屈折型の光学式スキャナ／偏向器、又は他の位置決め機器を含めて、Χ、Ｙ、Ζ式の角運動段を利用することができる。様々な実施例では、ビームを移動若しくは位置決めし、ターゲット材料を静止したまま保持することができ、ビームを静止したまま保持し、ターゲット材料を移動若しくは位置決めすることができ、又はビームとターゲット材料の両方の移動若しくは位置決めの組合せを利用することができる。１次元、２次元、及び／又は３次元の相対的な移動を利用することができる。
【０１０２】
例及び実施例の概要
上記で論じたように、本発明者らは、高い処理能力を維持しながら熱作用を低減させて、比較的狭い切り口及び比較的はっきりした切れ目をもたらすように、スクライビング、ダイシング、切削、又は他の加工を行って、複合材料加工物のある領域から材料を除去するレーザベースの加工が必要とされていると認識した。
【０１０３】
本明細書に開示のシステム及び方法の実施例は通常、加工物のレーザ加工、特に微細機械加工の適用分野に適用できる。加工物は、複合材料を含むことができる。加工物は、ＰＣＢを含むことができる。例えば、様々な実施例は、複合材料を切削、ダイシング、スクライビング、及び／又は食刻して、約１ミクロンから約１００ミクロンの範囲内の典型的な横方向の寸法及び約数ミクロンから数百ミクロンの深さを有するフィーチャを形成するのに適用できる。幾つかの実施例では、フィーチャ（例えば、切れ目）の深さは、ターゲット材料の厚さに等しくすることができる（例えば、フィーチャは、ターゲット材料を完全に貫通する）。幾つかの実施例では、フィーチャの深さは、ターゲット材料の厚さより小さい（例えば、フィーチャは、ターゲット材料の一部分をスクライビングするために使用される）。
【０１０４】
様々な実施例では、少なくとも約１０μｍ、最高約１００μｍ、又はそれよりいくぶん大きな深さ方向の除去は、材料に対するレーザ加工パルスの１回以上のパスで実現することができる。レーザパルスは、極短パルスを含むことができる。例として、本明細書に開示の実験結果は、近ＩＲ極短パルスレーザ（例えば、約５００フェムト秒の持続時間でレーザパルスを出力するフェムト秒レーザ）を用いて４回のパスで約１００μｍの複合材料を除去できることを示す。ほぼ同じ波長で得た極短パルスとナノ秒（ｎｓ）の実験結果を比較する画像は、ナノ秒構成と比較すると、極短パルス構成では、ＨＡＺ及び溶融リキャストが大いに低減したことを示す。
【０１０５】
多くの態様では、レーザ加工は、特に加工物がより薄くなり、機械的及び熱的特性がはるかに異なる材料を含むと、従来の機械ダイシングに勝る利点を有する。従来の機械的方法の場合、正確な輪郭の切削及び高密度の実装ＰＣＢの切削は難題を呈する。さらに、材料の光学的特性に応じたレーザ加工及び材料特性に応じたＨＡＺの制御にとっても、難題が残る。
【０１０６】
本明細書に開示の特定の実装形態では、ナノ秒レーザ又はＣＷレーザの熱加工とは異なり、ピコ秒（ｎｓ）又はフェムト秒パルスを用いた加工は主に、線形レーザ吸収ではなく、非線形吸収に依拠する。高出力のパルスレーザは、ターゲット材料内又はその上で、主に非線形吸収プロセスによってレーザパルスが吸収されるような十分な強度を提供することができる（例えば、線形吸収プロセスと比較）。
【０１０７】
本発明者らは、非線形の吸収状態における極短レーザ加工は、特定のターゲット材料に対して、例えば、ＨＡＺが低減されること、残留応力が低減されること、及び材料アブレーション閾値の変動の影響を受けにくいことを含む利点を提供できることを見出した。透明材料のアブレーションは、幾つかの実装形態では、極短レーザパルスの使用によって提供される有利な能力であり、高い強度の非線形吸収から得ることができる。幾つかの実施例では、それだけに限定されるものではないが、パルスエネルギー、光子エネルギー、ピーク又は平均強度、ピーク又は平均フルエンス、パルス波長（又は周波数）、ピーク又は平均パルス強度、パルス持続時間、パルス繰返し率、ピーク又は平均パワー密度、ピーク又は平均パワー、レーザスポット寸法、レーザスポットの空間的重複、及び加工パスの回数を含む１つ以上の光学パラメータは、材料が所望の材料加工結果を実現するように調整することができる。高い平均パワーを提供する極短パルスレーザが利用可能であり、極短レーザ加工は、材料加工にとって、機械加工又はＣＷ（若しくはナノ秒）レーザ加工に対する実行可能且つ実用的な代替手段である。
【０１０８】
以下の例及び実験結果で実証するように、複合材料の高品質の切削に極短レーザ技術を適用することで、プロセスの改善の可能性を提供する。特に驚くべき発見は、高い切削品質及び低いＨＡＺを得ながら単一のパス又は複数のパスで除去される材料の深さであった。
【０１０９】
一例として、複合加工物は、ガラスファイバメッシュ構造及びエポキシ樹脂を有するガロライト基板とすることができる。典型的なガラス材料の溶融温度は約１２００℃に到達し、典型的なエポキシ樹脂の溶融温度は約８５〜９５℃にすぎない。蒸発温度は、ガラス及びエポキシ樹脂材料に対して、それぞれ約２５００℃及び約６００℃である。ガラスと樹脂の溶融及び蒸発温度の温度差が比較的大きい結果、長いパルス（例えば、ナノ秒を超えるパルス）を用いたレーザ切削に付随する熱は、各材料に対するパラメータを事前に決定し、従って多数の加工パラメータを事前に決定することを必要とする可能性がある。従って、矛盾する選択肢が生じ、加工の予測可能性を低減させる可能性がある。例えば、１つの選択肢では、エポキシ向けに最適化された長いパルスのレーザパラメータは、ガラス材料を切削できないことがあり、別の選択肢では、ガラス向けに最適化された長いパルスのレーザパラメータは、エポキシを過度に加熱することがある。本発明者らは、極短パルスを使用することで、長いレーザパルスを使用する代替の加工パラメータのどちらと比較しても、改善された切削品質を提供できることを見出した。ＣＷレーザ又は長いレーザパルスシステムによる切削の条件、例えば、パルス幅＞１ナノ秒、＞１０ナノ秒、又は＞３０ナノ秒は、線形に吸収されたレーザパルスによって生じる熱に依存する。本発明者らはまた、非線形の吸収状態で極短パルスを使用する加工は、線形に吸収されたレーザパルスを使用する加工方式に勝る利点を得ることができることを見出した。
【０１１０】
特定の従来の方法及びシステムでは、ＰＣＢのビアドリルにおける熱作用を低減又は回避するために、相当な労力が払われた。破片、過熱した層間剥離、リキャスト、ファイバの突出、樹脂の後退は、そのような熱駆動による衝撃ドリルの望ましくない結果の幾つかの例である。レーザ加工において熱作用に対処するようにプロセス品質を改善するために、多くの労力が払われた。例えば、米国特許第７，０５７，１３３号は、貫通孔の所望の直径より小さい直径を有するパイロット孔をあけ、次いで所望の直径を有する貫通孔をあけることを開示している。パイロット孔はチャネルを形成し、このチャネルから、レーザドリル中に生じる熱エネルギーが環境内へ拡散でき、それによって周囲のターゲット材料マトリックス内へ拡散する熱エネルギーの量、及びターゲット材料マトリックスの熱影響域に対する熱損傷の程度を低減させる。
【０１１１】
均一性が単一のドリル孔に限られた状態で当てはまるのではなく、延長した領域にわたって切削表面品質の線又はさらには２次元分布に当てはまる場合、ＰＣＢレーザビアドリルの比較的うまく調査された領域からＰＣＢ切削への遷移は、切削表面の異なる要件によって制限されてきた。一例は、切削線の直線性及び切り口の寸法であろう。
【０１１２】
Ｘ．Ｃ．Ｗａｎｇら（Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒｓ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｖｏｌ．４６、４０４頁（２００８））は、ＰＣＢ切削のより良好な切削品質をもたらすための１つの可能な解決策として、高速スキャナが、ＵＶのＤＰＳＳ式Ｑスイッチレーザによって生成された重複の小さい（例えば、５０％未満）隣接するレーザスポットを使用して切削線を提供することを実証している。
【０１１３】
しかし、ＰＣＢ製造にとって高い処理能力が有利になる可能性があるため、本発明者らは、処理能力の高い材料加工を提供するシステム及び方法の実施例を開発した。幾つかの実施例では、処理能力の高いプロセスは、より高い平均レーザパワーを利用することができる。通常、制限された低いパルス繰返し率でパルスエネルギーを増大させても、満足のいく処理能力は得られない。従って、特定の実施例では、繰返し率の高いパルス列が望ましいことがある。さらに、正しく調整されたパルスを繰り返し加えることで、熱作用の効果的な制御を提供することによって、切削品質を向上させることができる。例えば、‘２５６出願では、比較的高い繰返し率の別の可能な利点は、より低い繰返し率が使用されるときより短い時間内で基板を加工する能力であることを開示している。従って、特定の実施例では、システムの処理能力を改善しながら、同時に改善された品質を提供する。
【０１１４】
以下の特定の例で実証するように、複合材料内で非線形吸収を引き起こすのに十分な強度を有する極短レーザパルスは、スポット重複条件下、例えば、約５０％超、約６０％超、約７０％超、約８０％超、約９０％超、約９５％超、約９８％超、又は約９９％超で改善された切削品質を提供する。例として、幾つかの結果は、ＰＣＢ材料の高品質の切削を実証しており、スポット重複が９０％を超えると、パスごとに約２００ｍｍ／秒の速度で約１〜１０回のパスにおいて約１００μｍの材料を除去し、それによって複合材料（複数可）から製作された高速ＰＣＢの極短パルスの切削の実用的な適用を実現する。
【０１１５】
幾つかの実施例は、プロセスの一部としてアスペクト比の高いフィーチャの形成を含むことができる。例えば、薄いＰＣＢのダイシングでは、近傍の回路又は構造を損傷することなくＰＣＢダイを分離するように、清浄で且つ高精度の切削を使用できると有利である。ＰＣＢは、集束レーザパルスを使用して基板全体を切削することによって、おそらく幾つかの実施例では、切削中にレーザパルスの焦点の深さ方向位置を変化させることによって、ダイシングすることができる。別法として、レーザパルスはアスペクト比の高いフィーチャを形成することができ、例えば、所定の深さの狭くて深い切削を行うことができる。幾つかの実装形態では、次いで、残りの材料の薄い深さ方向部分はレーザ以外の方法を使用して分離される。破片及び汚染を十分にうまく制御できると有利である。
【０１１６】
図１Ａ〜１Ｃは、レーザベースの材料変質のためのプロセスの一部分を示す概略図である。集束レーザスポット１０００−ａ、１００１−ａの例を示す。幾つかの実施例では、重複係数は、スポット直径のほんの一部分とすることができる。重複係数は、図１Ａに概略的に示すものとは異なることがある。例えば、重複係数は、スポット間でほぼ同じことがあり（例えば、図１Ａに概略的に示す）、又は重複係数は、スポット間で異なることもある。異なるレーザ・パスは、異なる重複係数（及び／又はスポット形状、スポット直径など）を利用することができる。様々な実装形態では、幾つかの隣接するスポットは、実質上重複することがあり（例えば、重複係数は、スポット直径のほんの一部分である）、又は幾つかの隣接するスポットは、隔置されることもある（例えば、重複係数は、スポット直径とほぼ同じ又はそれより大きい）。様々な実施例では、重複係数は、例えば縁部が平滑でまっすぐになるように機械加工されたフィーチャを提供するように選択することができ、又は領域内の蓄熱に影響を及ぼすように選択することができる。そのような実施例では、重複係数（若しくは他のパラメータ）は、機械加工前に事前に選択することができ、機械加工中に動的に選択若しくは調整することができ、又は事前選択と動的選択の組合せを使用することができる。図１Ａは集束レーザスポット１０００−ａ及び１００１−ａを、同じスポット直径を有する円として示すが、他の実施例では、集束レーザスポットは他の形状及び寸法を有することもできる。スポット形状、スポット寸法、重複係数などの多くの変形形態が可能である。
【０１１７】
スポットは、例えば走査機構（図示せず）を用いて、１回のパス又は複数回のパスで、加工物のターゲット材料に加えることができる。図１Ａ〜１Ｃでは、上の図はレーザパルスの第１のパス（パス１）を概略的に示し、下の図はレーザパルスの第Ｎのパス（パスＮ）を示す。様々な実施例では、加工パスの任意の適切な数Ｎ、例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、５０、１００、２５０、７００、１０００、又はそれ以上のパスを使用することができる。ターゲット領域の簡略化した上面概略図を図１Ｂに示し、材料が除去された領域を円形のスポット１０００−ａ、１００１−ａで示す。この領域はスポット直径程度の横方向の寸法を有するが、例えば、米国特許第５，６５６，１８６号に教示されているように、通常、極短パルスを用いると、スポット寸法より小さな領域にわたって材料を制御可能に除去することが可能であることが知られている。図１Ａ〜１Ｃに示す上面図では、材料が除去される領域を方形として概略的に示すが、少なくとも走査方向に直交する縁部には、特に楕円形又は円形の断面を有する集束レーザビームの使用により、通常いくぶん丸みがつけられる。
【０１１８】
様々な実施例を用いて、レーザスポットを用いてフィーチャを形成して、ターゲット材料のある深さ方向部分を、例えば幾つかの実施例では約０．５μｍ又は数ミクロン除去することができる。幾つかの実施例、特に複合材料を切削する実装形態では、１回のパスにつき約２５μｍ以上の材料を除去することができ、例えば、１２５μｍの基板を切削／ダイシングするには１０回未満のパスが使用される。単一のパスでは、比較的小さな深さ部分１０００−ｃが除去される（図１Ｃの上の図参照）。次いで、曲線１００１−ｃによって概略的に表すように、第２のパス、又はＮ回のパスで追加の深さ方向部分を除去する（図１Ｃの下の図参照）。Ｎ回のパス後、所望の深さ及び／又は空間プロファイルを有するフィーチャを形成することができる。別法として、十分に多くのパスを用いて、材料を清浄に切断することができる（例えば、「ブレークスルー（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）」と呼ばれることもあるように、材料を完全に切削する）。様々な実施例では、パスの数Ｎは、１、２、３、４、５、１０、２５、１００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、２０００、５０００、又はそれ以上とすることができる。パスの数は、例えば、ブレークスルーが望ましいかどうかにかかわらず、フィーチャの所望の深さ及び／又は空間プロファイル、加工物を形成する材料（複数可）などを含む要因に基づいて選択することができる。パスの数は加工中に動的に調整することができる。
【０１１９】
図１Ｂは、加工物を上から見たときの簡単な直線／方形の機械加工パターンを概略的に示す。しかし、機械加工されたフィーチャは、円形、楕円形、交互配置形、螺旋状、又は他の任意の形状とすることができ、これらの形状は、レーザパルス光源とターゲット材料の相対的な位置をプログラムすることによって（例えば、以下にさらに説明する走査機構を用いる）形成される。同様に、集束スポットの分布は、円形以外とすることができ、及び／又はガウス形若しくは非ガウス形のスポットプロファイルを有することができる。さらに、深さに応じて様々な形状、例えば先細り形、階段状、及び／又は湾曲形のフィーチャを形成することができ、フィーチャの幅は、所定のように、又はほぼ所定のように、深さとともに変動する。アスペクト比の高いフィーチャは、単独で、又は他のフィーチャと組み合わせて形成することができ、またアスペクトのより低いフィーチャ、例えば大きな直径の孔を有する領域に接続することができる。本明細書に開示のシステム及び方法では、多くの変形形態が可能である。
【０１２０】
「トレンチ掘り」又は他の適用分野の実施例に関係する幾つかのパラメータは、例えば、トレンチの形状、深さ、及び品質を含むことができる。しかし、多くの適用分野では、狭いトレンチの縁部で、又はその非常に近傍で、一般にリキャスト又はスラグと呼ばれる再堆積材料が形成されることがある。再堆積材料の量は通常、機械加工の深さが増大するとともに増大する。
【０１２１】
図１Ｄは、ある深さを有するが多くの再堆積材料１００５−ａを有する機械加工されたフィーチャ１００１−ｃ（図１Ａ〜１Ｃに示す）の横断面図を概略的に示す。再堆積材料１００５−ａは、加工物の表面より上及び／又は機械加工されたフィーチャ１００１−ｃ内に生じることがある。加工されていない基板の基底線を図１Ｄ及び１Ｅに破線として示す。再堆積材料はまた、フィーチャ又はターゲット領域内、例えば基底線より下数ミクロンの深さ内に蓄積することがある（図１Ｄ参照）。
【０１２２】
図１Ｅは本明細書に開示のパルスレーザの実施例で得られる例示的な結果を表し、パス数Ｎが固定される場合、再堆積材料１００５−ｂの蓄積は低減される（図１Ｄに概略的に示す結果と比較）。図１Ｅに示すように、再堆積材料の断面積は低減され（図１Ｄに対して）、及び／又は堆積した材料のタイプは、より大きな寸法の溶融材料ではなく微粒子の形である。例えば、幾つかの実施例では、そのような結果は、レーザ繰返し率を増大させることによって、そしてこの例では、他のレーザパラメータをほぼ一定に保持することによって得られる。様々な実施例では、再堆積材料の蓄積は、ターゲット領域内、ターゲット領域近傍、又はその両方で低減させることができる。様々な実施例では、再堆積材料の性質（例えば、粒子の寸法分布）は、ターゲット領域内、ターゲット領域近傍、又はその両方で変えることができる。図１Ｃ、１Ｄ、及び１Ｅは、機械加工されたフィーチャ１０００−ｃ及び１００１−ｃを、概ね台形として成形された断面図を有するものとして概略的に示す。台形の断面形状は概略的なものであり、本明細書に開示のレーザベースの加工システム及び方法の様々な実施例を用いて機械加工できるフィーチャの断面形状（又はあらゆる他の特性）を限定するものではない。他の実施例では、例えば三角形の形状、方形の形状、丸みをつけた形状、最大幅よりはるかに小さな最小幅に収束する先細りした形状、又は任意の他の適切な形状など、台形の断面形状をもたないフィーチャを機械加工することができる。フィーチャは、例えば、フィーチャの深さとフィーチャの幅との比較的高い比によって測定される比較的高いアスペクト比を有することができる。多くのフィーチャ形状、寸法、及びアスペクト比が可能である。また、再堆積材料１００５−ａ、１００５−ｂの断面寸法及び形状は概略的なものであり、可能な再堆積材料の寸法及び／又は形状を限定するものではない。
【０１２３】
幾つかの実装形態では、所望のフィーチャ形状と再堆積材料の低減との両方を得ることは、極短パルス、例えばパルス幅が約１０ピコ秒より小さいパルスで最もうまく実現された。しかし、例えば、より遅い繰返し率に対して再堆積材料の蓄積が低減されたため、場合によっては、約２００ピコ秒のより長いパルスで繰返し率を増大させることも有益であった。幾つかの適用分野では、例えば最高数ナノ秒又は約１０ナノ秒未満のより長いパルス幅で利益を見出すこともできる。
【０１２４】
従って、実施例は、フィーチャの所望の形状、深さ、及び／又は幅を実現しながら、スラグ及び／又は他の望ましくない材料の数量を低減させる（並びに／或いは再堆積材料の性質を変化させる）ことができる。例として、後述するように、パルス幅の短い加工は、再堆積された材料の性質及び量に影響を与えた。
【０１２５】
幾つかの適用分野、例えばダイシング及びスクライビングでは、異なる品質測度を提供することができる。例えば、再堆積材料の体積の定量化は有用な測度となることがあり、また切削品質と組み合わせて全体的な性能指数とすることができる。様々な実施例は、高い効率が望ましいが、再堆積材料の蓄積が有害であり、又はその他の形で望ましくない場合の加工動作に特に適用できる。
【０１２６】
幾つかの実施例では、微細機械加工は、複合材料基板のレーザスクライビング、ダイシング、又は類似の加工を含むことができる。複合材料基板は、裸のものでもパターン付きのものでもよい。スクライビング及びダイシングは、必要性が認識される２つの適用分野である。スクライビングは、複合材料基板上で支持された複数の材料の１つ以上の層を除去することができるが、複合材料を完全に切断することはできない。ダイシングは、材料を全て完全に切断することができる。
【０１２７】
潜在的な加工速度は、薄いＰＣＢダイシングにレーザ技術を使用するための１つの可能な理由であるため、薄い、例えば場合によっては３００μｍ未満のＰＣＢをダイシングする実用的なシステムは、単一のパスにおいて高速で、例えば少なくとも１０μｍ、２５μｍ、及び最高約５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、又はそれ以上で比較的大量の材料の除去を実現するはずである。
【０１２８】
いかなる特定の理論も利用することなく、電子励起モードと格子励起モードとの間のエネルギー伝達時間及び後の周辺領域への拡散は、材料及び時間尺度に依存する。熱拡散が始まる前の励起モード間のエネルギー伝達時間は、材料に応じて、ピコ秒又はさらには数十フェムト秒範囲の時間尺度内で超高速と見なされる。拡散前にレーザスポット（溶融又は非溶融）内の温度を極端に局部化することは、極短レーザによるレーザパルスを使用して材料をアブレーションするときの基礎的なプロセスとすることができる。様々な実施例では、拡散によって熱を分散させることなく材料をアブレーションするのに必要な点に温度が到達する時間は、材料加工を制御するために少なくとも部分的に使用されるパラメータとすることができる。
【０１２９】
ダイシング又はスクライビングプロセスにナノ秒（又はより長いパルス持続時間）のレーザが使用されるとき、照射される領域は通常、延長された時間枠にわたってその溶融温度を上回ったままである。「溶融プール」（例えば、溶融材料の領域）が形成されることがあり、冷却されると縮小することがある。「沸騰」及び「冷却」プロセスにより、ＨＡＺ内に亀裂、表面粗さ、及び空隙が生じる可能性がある。そのようなプロセスは不規則である可能性があり、また材料変質の品質を予測するのが困難であり、一貫しない加工結果をもたらす可能性がある。
【０１３０】
ナノ秒のＵＶパルスがそのＵＶ波長に対して不透明な材料に当たったとき、線形吸収は通常、レーザスポット内の温度上昇の主要な原因になる。ナノ秒パルス持続時間は同時に、その結果生じる熱をレーザスポットから分散させる。材料バルク内への熱浸入はより強く存在する可能性があり、延長した体積全体にわたって材料の溶融を招くことがある。このプロセスは、レーザスポット内の温度の局部化された上昇をアブレーション点に制限する傾向がある。例として、ナノ秒の加工とは対照的に、極短パルスは、局部化されたアブレーションにより適していることがある。さらに、非線形吸収は、材料によってはバンドギャップエネルギーへのある程度の依存性が存在することがあるが、それほど材料特有ではない傾向がある。
【０１３１】
幾つかの実装形態では、極短パルスの照射（例えば、フェムト秒のパルス）は、浅いＨＡＺを提供するが、極短パルス幅の結果、デバイスの下層との相互作用はほとんど発生しない。フェムト秒パルスの加熱プロセスはほとんど瞬時に行うことができ、ＨＡＺを制限された厚さに限定し、変質した材料の下に配置された層に実質上影響を及ぼさない。特定のそのような実装形態では、はるかに平滑で且つ予測可能な表面形態が実現可能である。
【０１３２】
幾つかの実施例では、極短パルスを使用して、加工物の第２の深さ方向部分を加工することができ、ＨＡＺの生成は無視できるほどである。様々な実施例では、少なくともＰＣＢ全体、ＰＣＢの一部分を切断し、特に非常に薄いＰＣＢ、例えば１００μｍ以下の厚さを有するＰＣＢを切削するには、フェムト秒パルスが利用される。
【０１３３】
様々な実施例では、極短レーザパルスで金属層を切削することが有利である。例えば、‘２５６出願は、多材料加工物を加工する様々な実施例を開示している。加工物は、半導体材料及びパターンを含むことができ、パターンは、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、方法は、レーザパルスの列を加工物に照射するステップを含み、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物の異なる材料に加えられる。この方法はまた、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、半導体材料の一部分の除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、ＨＡＺを制御するステップを含むことができる。様々な横方向及び深さ方向のパターンで構成された誘電体、金属、及び半導体材料の様々な組合せを有する多材料加工物から材料部分を除去する多数の例が述べられている。実験結果は、高品質のＣｕ切削に対する重複比が、高いスポット重複比に一致することを実証した。例えば、‘２５６出願は、それだけに限定されるものではないが、図７〜１７及び対応する文章を含めて、様々なレーザパラメータで多材料の超小型電子加工物を加工する例を示す。
【０１３４】
例として、‘２５６出願に開示のように、図１Ｇ−１〜１Ｇ−３（原寸に比例しない）は、パターン付き半導体ウエハ１２０の一例を概略的に示す。ウエハ１２０は、行と列で構成された幾つかのダイを有し、その間にストリート１２７が位置する。従来のシステムでは、ウエハは通常、レーザスクライビングされ、ダイシングソーを使用して切削される。厚さが約１００μｍ未満、例えば約５０μｍ又は約７５μｍに低減するにつれて、機械ダイシングはより困難になる。従って、レーザダイシングを使用して機械ダイシングを低減又は排除することが望ましい。
【０１３５】
図１Ｇ−２は、ウエハ１２０の例示的な一部分１２５を概略的に示す。例として、ダイシングは、ストリート１２７に沿って領域１２７−ｂ内で実施されるものとする。この領域は、幾つかの材料及び裸のウエハ部分を含むことができる。ダイシング前の電気的又は他の機能的試験のために、ストリート内に示す回路フィーチャ、例えば高密度グリッド層１２９を利用することができる。ストリート１２７に隣接する領域は、高密度の能動回路、はんだボールを含むことができる相互接続、又は他の組合せを含む。特定の有利な実装形態では、ダイシング又はスクライビングは、著しい破片又は熱影響域（ＨＡＺ）をもたらすことなく、回路を損傷しないでウエハを清浄に切削するように実施されるものであり、また十分なダイ強度を実現するべきである。
【０１３６】
図１Ｇ−３は、ウエハの一部分、図１Ｇ−２の微細グリッド領域１２９の断面側面図１２９−１を概略的に示す。このグリッドは誘電体及び金属材料のうちの１つ以上で覆うことができる。
【０１３７】
複合材料を有する加工物を加工する実施例によれば、類似の回路配置は、高速ＰＣＢ上で見ることができるが、尺度は半導体ウエハより粗く、基板材料（複数可）は実質上異なる熱特性及び光学特性を有する。例えば、回路は、局部化された領域内にボールグリッドアレイ及び高密度の相互接続を含むことができる。ウエハ加工の場合と同様に、高密度回路を有する複合材料基板を有する高速ＰＣＢを切削するとき、付随する損傷は回避されることが有利である。そのようなＰＣＢは、例えば、少なくとも２つの非複合材料層間に配置された複合材料を有することができ、及び／又は非複合材料層を複合材料に接触させることができる。非複合材料は、例えば、金属（例えば、銅層）又は高分子を含むことができる。
【０１３８】
少なくとも１つの実施例では、単一のレーザ光源を利用することができる（例えば、図１Ｆ参照）。レーザパラメータの調整により、加工領域内の熱の発生と領域から外側への熱の伝達を均衡させることができる。このとき、層間剥離及び／又は望ましくない熱応力が低減又は回避され得る。さらに、幾つかの実施例では、ＰＣＢ材料（金属層を除く）が赤外波長（例えば、約１ミクロンの波長）に対してほぼ透明である場合、周波数を２倍化した緑色波長が適している可能性がある。
【０１３９】
微細機械加工のためのパルスレーザシステムの例示的な実施例
図１Ｆは、レーザパルスを用いて加工物を加工するのに適したシステム１００の一実施例を概略的に示す。システム１００はレーザシステム１０４を含み、レーザシステム１０４は制御装置１１４及び走査システム１０６に動作可能に結合される。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、１つ以上の極短パルスを含むレーザパルスを出力するように構成される。例えば、少なくとも１つの実施例では、レーザシステム１０４は極短パルスレーザを含む。様々な実施例では、システム１００は相当な範囲にわたって特定のパルスパラメータの調整を実現する。そのようなパラメータは、パルスエネルギー、パルス繰返し率、パルス幅、パルスパワー、パルスフルエンス、パルスパワー密度、パルス強度、パルス波長（又は周波数）、スポット直径、隣接するスポットの重複、走査速度、及び走査パスの回数の１つ以上を含むことができる。例として、数十ｋＨｚから最高約１ＭＨｚ又は最高約１０ＭＨｚまでの調整可能な繰返し率で、パルスを生成することができる。出力パルスは約１μＪ以上、例えば最高約５〜２０μＪ又はそれ以上（５００μＪ）のエネルギーと、約１ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる。システム１００の様々な実施例のさらなる詳細について、以下に説明する。
【０１４０】
幾つかのタイプのパターン付き基板及びパターンなし基板の加工には、少なくとも数百ｋＨｚの繰返し率で動作する増幅レーザシステム、特に極短ファイバベースのチャープパルス増幅システム（ＦＣＰＡ）が適している。増幅された極短パルスの列を用いると、例えば数マイクロジュールの高いパルスエネルギーが得られる。少なくともマイクロジュールの範囲内の十分なパルスエネルギーが得られ、幾つかの実施例では、１５〜４０μｍの典型的なスポット直径で高い処理能力を実現する。
【０１４１】
幾つかの実装形態では、複数のパスを使用することができる。これらのパスで使用されるパルスエネルギーは、追加のパスで使用されるエネルギーと同じであっても異なってもよい。さらに、幾つかの実施例では、パルスエネルギーをパス間で変動させることができる（又はパス中に変動させることができる）。レーザビームの１つ以上の他のパラメータは、パス間又はパス中に変動させることができる（例えば、パルス持続時間、繰返し率、フルエンス、パワー密度、スポット寸法、スポット重複など）。
【０１４２】
幾つかの実施例では、他のレーザパルスパラメータをパス間で調整することができる。例えば、少なくとも導電材料及び／又は誘電体材料の除去には、比較的長いパルス幅を使用することができる。そのようなパルス幅は、最高数ナノ秒（ｎｓ）、１ナノ秒未満、又は約５００ピコ秒以下とすることができる。少なくとも下にある複合材料を切削するために、極短パルス、例えば１ピコ秒に満たないパルスを使用することもできる。
【０１４３】
幾つかの実装形態では、別々のパスにおいて、又は幾つかの実施例では、任意の単一のパス中にレーザ光のバーストを材料のターゲット面積に加えることによって、長パルス及び短パルスを加えることができる。場合によっては、バーストは所定の繰返し率で加えることができ、また時間的に変位又は重複させたレーザ光の少なくとも第１及び第２のパルスを含むことができ、また第１のパルス幅は第２のパルス幅より大きくし、幾つかの実施例では持続時間で１０ピコ秒より大きくすることができ、第２のパルス幅は極短パルス、例えば１ピコ秒に満たないパルスとすることができる。バースト内のパルスのパルス離隔距離は、約１μ秒から０．１μ秒とすることができ、幾つかの実施例では、より短い離隔距離を使用することができる。第２のパルス幅は、上記のとおり、１ピコ秒に満たないもの（例えば、場合によっては約１００フェムト秒を超える）から約１０ピコ秒、通常約５０ピコ秒未満とすることができる。さらに、第１及び第２は、時間的順序に制約されるものではなく、任意の順で加えることができる。例えば、それぞれ最初に上側から走査するか、それとも底側から走査するかによって、逆の順になる可能性がある。
【０１４４】
幾つかの微細機械加工の実装形態に対する１つの可能なレーザシステムは約数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの調整可能な繰返し率（表面に送達されるパルス）で少なくとも約５μＪのパルスエネルギーを提供し、最高約１０ｍ／秒の速度で走査するスキャナに結合される。このシステムは、高いパルスエネルギー及び十分に高い処理能力を実現するために、光パワー増幅器を含むことができる。幾つかの実施例では、システムの少なくとも一部分は、ファイバベースとすることができる。
【０１４５】
一実施例では、レーザ光源はＹｂドープ増幅ファイバレーザ（例えば、ＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ、ミシガン州アナーバーから入手可能なＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌ）を含む。そのようなレーザは市販の固体レーザシステムに勝る幾つかの主な利点を提供する。例えば、このレーザ光源は約１００ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲にわたって可変繰返し率を提供する。発振器だけのシステムより高いパルスエネルギーにより、焦点幾何形状をますます柔軟にする（例えば、所与のフルエンスに対してスポット寸法をより大きくする）ことができる。少なくとも１つの実施例では、約１ＭＨｚの繰返し率で最高約１０μＪのパルスエネルギーを加えることができ、５ＭＨｚの率では少なくとも約１μＪを加えることができる。様々な固体の再生式増幅システムより高い繰返し率により、処理速度をより速くすることができる。幾つかの発振器はマイクロジュールのパルスエネルギーをもたらすことが実証されているが、その複雑さはＣＰＡシステムと少なくとも同等である。
【０１４６】
そのようなエネルギーはまた、パワー増幅器、例えばほぼ回折限界の出力ビームを生成する少なくとも１つの大モード増幅器を利用するファイバベースのシステムの実施例で実現可能である。少なくとも１つの実施例では、大モード増幅器は、モードロック式ファイバ発振器からの低エネルギーのパルスを受け取って、これらのパルスをマイクロジュールレベルに増幅することができる。発振器及びパワー増幅器を組み込んで、オールファイバシステムを形成することが好ましい。多数の可能性が存在する。
【０１４７】
幾つかの実施例では、特により低いパルスエネルギー及び／又はより高い繰返し率を用いて加工するために、オールファイバ極短パルスレーザシステムを利用することができる。このシステムは、１ピコ秒未満のパルス幅を生成するファイバベースのパルス増幅システムを含むことができる。光スイッチを用いてファイバ発振器からの低エネルギーのパルスを選択し、ファイバ増幅器を用いて少なくとも約１００ｎＪに増幅することができる。エネルギーが比較的低い場合、ファイバ増幅器を用いて１ピコ秒に満たないパルスを増幅することができる。他の実施例では、オールファイバ・チャープパルス増幅システムは、パルス・ストレッチャ及びパルス圧縮器を含むことができる。圧縮器は、少なくとも部分的なパルス圧縮を実行するファイバ圧縮器、バルク圧縮器、又はその組合せを含むことができる。さらなる増幅、高調波変換などを含む多くの変形形態が可能である。
【０１４８】
様々な実施例は、多数の微細機械加工の適用分野に適したファイバベースのチャープパルス増幅システムを含む。このシステムは、最高数十マイクロジュール、及び最大約１００μＪまでのパルスエネルギーを使用して材料を加工するのに特に適している。スポット直径は約１ミクロンから約１００μｍの範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、スポット寸法は約１０μｍから１００μｍ、又は１０μｍから約６０μｍ、又は２５μｍから５０μｍの範囲内とすることができる。パルス幅は数十フェムト秒（例えば、５０フェムト秒）から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。これらのパラメータは通常、加工している加工物材料（複数可）に対するアブレーション閾値付近又はそれを上回るエネルギー密度を実現し、また必要な全体的なエネルギーは、例えば、スポット直径に依存することがある。加工物材料は、それだけに限定されるものではないが、複合材料、金属、無機誘電体、有機誘電体、半導体材料、低誘電率誘電体材料、又はこれらの組合せを含むことができる。
【０１４９】
図１Ｆは、加工物、例えば複合材料基板を加工するのに使用することが可能なシステム１００の第１の実施例を概略的に示す。システム１００はレーザシステム１０４及び走査システム１０６を含む。この実施例では、走査システム１０６は、２次元走査が可能な２つのビーム偏向器１０８、例えばガルバノメータ走査ミラーを含む。他の実施例では、異なる数及び／又はタイプの走査ミラーを使用することもできる。幾つかの実施例では、走査は１次元で行うことができる。走査システム１０６はまた、例えば、ターゲット基板１１２に実質上平坦な視野をもたらすことが可能な組み込まれたｆθレンズなどの集束光学系１１０を含むことができる。
【０１５０】
他の実施例では、走査システム１０６内で追加の光学素子（例えば、ミラー、レンズ、格子、空間光変調器など）を利用することができる。基板内に形成すべきパターンは、有線及び／又は無線の技法を含む多くの方法を介してシステム１００に通信できることが、当業者には認識されるであろう。特定の実施例では、パターンは曲線及び／又は多角形を含むベクトル・グラフィックスによって表され、３次元の機械加工命令を含むことができる。多くの変形形態が可能である。
【０１５１】
幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、１つ以上の極短パルスを出力するように構成された極短パルスレーザを含むことができる。極短パルスは、例えば、約１０ピコ秒未満などの持続時間を有することができる。図１Ｆに示す例示的なシステム１００では、レーザシステム１０４は、超高速パルス列を生成することが可能なファイバベースのレーザを含むことができる。例えば、このレーザは、ＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（ミシガン州アナーバー）から入手可能なＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌレーザを含むことができる。レーザパルスの波長は約１μｍとすることができる。幾つかの実施例では、例えば波長約５２０ｎｍの緑色光パルスなど、より短い波長のレーザパルスが使用される。幾つかの実装形態では、１μｍの光の周波数を２倍化することによって、緑色光パルスが提供される。他の実施例では、任意の他の適切なレーザシステムを実施することができる。特定の実施例では、レーザシステム１０４はパルス幅が約１０ピコ秒未満のレーザパルスを生成することができる。例えば、パルス幅は約１００フェムト秒から約１ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、パルス幅は約１０フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内である。レーザシステム１０４の他の実施例では、例えば、１０ナノ秒以下、１ナノ秒以下、１００ピコ秒以下、１ピコ秒以下、及び／又は１００フェムト秒以下などの他のパルス幅が使用される。
【０１５２】
幾つかの実施例では、比較的高いレーザ繰返し率を使用して、比較的迅速なレーザ加工を可能にする。例えば、繰返し率は、５００ｋＨｚより大きくすることができる。特定の実施例では、約１ＭＨｚから１０ＭＨｚの繰返し率を使用することができる。他の繰返し率も可能である。本明細書に開示の結果に基づいて、幾つかの実施例では、比較的高い繰返し率を利用して、図１Ｄに概略的に示す再堆積材料１００５−ａの量を低減させることができる。幾つかの実装形態では、各焦点スポットの直径内で、数十又は数百のレーザパルスが重複することがあり、幾つかの実施例では、各焦点スポットは直径約２０μｍ、又は１０〜５０μｍとすることができる。他の実施例では、異なる数のパルスが重複することがある。例えば、幾つかの実施例では、少数のパルス、例えば３つのパルスが重複することがある。比較的高い繰返し率の別の可能な利点は、より低い繰返し率が使用されるときより短い時間内に基板を加工できることである。従って、特定の実施例では、改善された品質を同時に提供しながら、システム１００の処理能力が改善される。
【０１５３】
図２Ａは、超高速パルス列を用いて複合材料ターゲット基板１１２を加工するのに使用できるシステム２００の一実施例を概略的に示す。このシステム２００は、図１Ｆに概略的に示す実施例に全体として類似のものとすることができる。図２Ａに示す実施例内のレーザシステム１０４は、図１Ｆに示す実施例には図示していない任意選択の内部パルス変調器２０２を含む。光変調器２０２はレーザパルス列の繰返し率の変調に使用することができる。幾つかの実施例では、レーザパルス列は、例えば極短パルスの１つ以上の列など、１つ以上の極短パルスを含む。幾つかの実施例では、変調器２０２は、レーザパルス繰返し率を、発振器繰返し率（幾つかのファイバレーザ実施例では、通常約５０ＭＨｚ）から機械加工繰返し率（通常約１ＭＨｚ以下）に変化させるように適合される。例えば、変調器２０２は、Ｎ個おきのパルスだけを発振器パルス列から最終パワー増幅器へ伝送すること、又はパルス群を伝送することを可能にするように構成することができる。特定の実施例では、発振器の安定性を改善するために５０ＭＨｚ程度の発振器繰返し率が利用される場合、高エネルギーのパルス列を生成するためにそのような発振器増幅器構成を実施できると好都合である。そのような発振器増幅器システムは、当業者にはよく知られている。
【０１５４】
特定の実装形態では、内部変調器２０２により、パルスエネルギー及びパルスピークパワーを実質上瞬時に変化させながら、増幅器内の平均パワー及び熱条件を実質上同じままにすることができる。内部変調器２０２は、音響光学変調器又は任意の他の適切な光変調器を含むことができる。特定の実施例では、レーザシステム１０４は、パルスエネルギーが約１μＪを上回り、パルス持続時間が約１０ピコ秒より短く、パルス繰返し率が約１００ｋＨｚより大きなパルスを出力する。
【０１５５】
図２Ａに示す実施例はまた、例えば第２高調波発生（ＳＨＧ）変換器などの周波数変換器２０４を含む。この実施例では、高調波変換効率はレーザパルスエネルギーに比例するので、ＳＨＧ変換器と内部変調器２０２を組み合わせると、「高速シャッタ」を提供する。従って、発振器からのレーザ繰返し率を変調することによって、機械加工ビーム（例えば、伝送されるＳＨＧビーム）を実質上瞬時にオン及びオフにすることが可能である。そのような迅速なシャッタリングは機械的には可能ではなく、また光学的には、ビーム品質、パルス持続時間などの劣化を引き起こすことなく高いレーザパワーのために実施するのは困難である。幾つかの実施例は、第３高調波発生変換器及び／若しくは第４高調波発生変換器又は任意の他の適切な高調波発生変換器を含むことができる。
【０１５６】
図２Ａに示す実施例はまた、レーザシステム１０４、走査システム１０６、周波数変換器２０４、及び／又は他のシステム構成要素を制御するために使用できる制御装置１１４を含む。例えば、特定の実施例では、変調器２０２並びに走査システム１０６（例えば、走査ミラー１０８及び／又は集束光学系１１０）の制御は、レーザ照射条件をはるかに大幅に制御できるようにし、それによって機械加工の深さ及び横方向の範囲をより大幅に制御するように関連付けることができる。例えば、幾つかの実施例では、制御装置１１４は、あるパルス繰返し率でのターゲット材料の加工中に、隣接する集束パルス（又はパルス群）間の空間的重複を制御するように構成される。
【０１５７】
図２Ｂは、超高速パルス列を用いてターゲット基板を加工するのに使用することが可能なシステム２３０の一実施例を概略的に示す。この実施例では、レーザシステム１０４は、例えばファイバベースのチャープパルス増幅（ＦＣＰＡ）システムなどのチャープパルス増幅システムを含む。ＦＣＰＡシステムを使用する利点には、効率及び信頼性の改善が含まれる。また、平均出力パワーが実質上一定であり、又は励起パワーが固定されている場合、ファイバ増幅器の出力エネルギー及びピークパワーは通常、発振器の繰返し率が増大するにつれて低減するので、繰返し率に応じてファイバ増幅器の出力エネルギー及びパワーが変動することを利用して、改善されたＦＣＰＡ性能を提供することができる。
【０１５８】
本願の譲受人に譲渡されている様々な米国特許は、小型のファイバ構成を使用するチャープパルス増幅システムを開示している。１９９６年３月１２日出願のＧａｌｖａｎａｕｓｋａｓらの「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の米国特許第５，４９９，１３４号、１９９７年１２月９日出願のＨａｒｔｅｒらの「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，６９６，７８２号、及び２００６年９月２６日出願のＧｕらの「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  Ｔｅｌｅｃｏｍ−Ｔｙｐｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」という名称の米国特許第７，１１３，３２７号（以下、「‘３２７特許」と呼ぶ）という米国特許のそれぞれの開示を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。これらの特許に開示のレーザシステムのいずれか、並びに他の市販の「オールファイバ」レーザシステムを、図２Ｂに示すシステム２３０とともに使用することができる。
【０１５９】
特定の実施例では、レーザシステム１０４は、ＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌレーザ（本願の譲受人であるＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能）を含む。ＦＣＰＡ  μＪｅｗｅｌレーザは圧縮器２５２の出力でレーザパルスを提供する。出力パルスは最高約１ＭＨｚの調整可能な繰返し率で生成することができる。出力パルスは約１μＪ以上のエネルギーと約１ピコ秒以下のパルス幅とを有することができる。幾つかの実施例では、ピークパワー及びパルスエネルギーが、非直線効果を回避するのに十分なほど低い場合、バルク出力圧縮器ではなくファイバ圧縮器をパルス圧縮に使用することができる。特定の実施例では、出力エネルギー及びピークパワーの増大を実現するために、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ又はフォトニック結晶ファイバを単独で、又はバルク圧縮器若しくは大面積ファイバと組み合わせて使用することができる。
【０１６０】
図２Ｂに概略的に示すシステム２３０の実施例では、レーザシステム１０４は単一パスのファイバベースのチャープパルス増幅システムを含む。レーザシステム１０４は、高繰返し率光源２３２、ファイバ・ストレッチャ２３６、ファイバ前置増幅器２４０、パルス選択器／変調器２４４、ファイバパワー増幅器２４８、及び圧縮器２５２を含む。圧縮器２５２の出力は極短パルス列とすることができる。幾つかの実施例では、圧縮器２５２は、より長いパルス幅（例えば、約２００ピコ秒）を提供するように離調させることができる。他の実施例では、圧縮器２５２は使用されず、レーザシステム１０４は最高約１ナノ秒、数ナノ秒、及び／又は最高約１０ナノ秒の幅を有するパルスを出力する。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４は、単一パス及び２重パスの前置増幅器、単一又は２重パスのストレッチャ、並びにパワー増幅器構成（図示せず）のうちの１つ以上を含むことができる。これにより、同等のパッケージ寸法内で、より長い引き延ばしたパルス幅及びより高いパルスエネルギーを提供することができる。幾つかの実施例は、偏光維持（ＰＭ）ファイバ増幅器、発振器、及びストレッチャ・ファイバを含むことができる。前述のように、制御装置１１４は、走査システム１０６を介してターゲット基板１１２へのパルスの送達を調和させるように構成することができる。様々な実施例では、制御装置１１４を使用して、レーザシステム１０４の構成要素、走査システム１０６、及び／又は他のシステム構成要素のうちの幾つか又は全てを制御することができる。一実施例では、制御装置１１４は、パルス選択器／変調器２４４を制御することによってレーザシステム１０４を制御するように構成される。前述のように、走査システム１０６は、例えば、例えばガルバノメータ走査ミラーなどの走査ミラー１０８を含むことができる。走査システム１０６はまた、集束光学系１１０を含むことができる。
【０１６１】
高繰返し率光源２３２は、１ＭＨｚをはるかに上回る、例えば約２０ＭＨｚから約１００ＭＨｚの範囲内の繰返し率で動作する自走パルス列を提供することができる。オールファイバベースの受動モードロック式又は他のデバイスを含むモードロック式レーザを使用して、そのような繰返し率をもたらすことができる。対応するパルス幅は、例えば、約数百フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内とすることができる。他の実施例では、非モードロック式レーザ光源を使用することもできる。例えば、準ｃｗ半導体レーザの出力を変調し、また任意選択で圧縮して、ピコ秒又はフェムト秒のパルスを生成することができる。適したレーザ光源には、本願の譲受人に譲渡されたＨａｒｔｅｒの「Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｒｅｐ−Ｒａｔｅ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇｙ，Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  Ｌａｓｅｒｓ」という名称の米国特許出願第１０／４３７，０５７号、現在の米国特許第７，３３０，３０１号に記載の光源が含まれる。同特許を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。
【０１６２】
ファイバ・ストレッチャ２３６は、ファイバ前置増幅器２４０及び／又はファイバパワー増幅器２４８に対する非直線効果及び／又は損傷を回避するように高繰返し率光源２３２からのパルスを引き延ばすために、ある長さの光ファイバ（例えば、ファイバの分散に応じて約１００ｍから１ｋｍ）を含むことができる。ストレッチャ２３６は、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）、チャープＦＢＧ、又はその組合せを含むことができる。ストレッチャ２３６は、システム内に蓄積し得る残留ＴＯＤ（存在する場合）を部分的に補償するように、異常な３次分散（ＴＯＤ）を有するファイバを含むことができる。幾つかの実施例では、残留ＴＯＤの大部分は、整合しないストレッチャ（ファイバベース）と圧縮器の分散（バルク格子ベース）の使用に起因する。様々な例示的な実施例では、引き延ばしたパルスの幅は約５０ピコ秒、約１００ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内、又は最高約１ナノ秒の範囲内とすることができる。パルスの引き延ばしは２重パスの構成で行うこともできる。
【０１６３】
ファイバ前置増幅器２４０は高繰返し率光源２３２から放出されるパルスのエネルギーを増幅する。ファイバ前置増幅器２４０は幾つかのレーザシステム１０４内で任意選択である。光源２３２は、エネルギーが約数百ｐＪから約１ｎＪ、最高約５ｎＪのパルスを放出することができる。幾つかの実施例では、前置増幅器２４０の出力でのパルスエネルギーは、約１ｎＪを上回ることがあり、例えば約１ｎＪから約２０ｎＪの範囲内、幾つかの実施例では最高約１００ｎＪとすることができる。幾つかの実施例では、マイクロジュールの種パルスを生成するために、前置増幅器として大モード増幅器を使用することができる。例えば、高品質の出力ビームを提供する本願の譲受人によって開発された様々な増幅器の選択肢（例えば、マルチモードファイバ、大コア漏洩チャネルファイバ、フォトニック結晶ファイバ、及び／又はフォトニック・バンドギャップ・ファイバを利用する増幅器）について、以下にさらに説明する。これらの増幅器は、前置増幅器、パワー増幅器、又は通常、多段式増幅器の少なくとも一部分として使用可能である。
【０１６４】
パルス選択器／変調器２４４は、パルスをパワー増幅器２４８に選択的に伝送するように構成することができる。パルス選択器／変調器２４４は、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、高速マッハツェンダ・デバイス（ＭＺ）、及び／又は電子吸収変調器（ＥＡＭ）を含むことができる。ＡＯＭは高圧の電子機器を必要とせず、市販のデジタルドライバ電子機器により使いやすさを提供する。マッハツェンダ変調器（ＭＺ）は、ＧＨｚの帯域幅及び低い駆動電圧を有する組み込まれた光デバイスであり、多くの場合、偏光させた入力ビームを必要とする。幾つかの実施例では、組み込まれたＭＺデバイスの面積が比較的小さいので、使用可能なピークパワーを制限することができる。‘３２７特許に記載のように、幾つかの実施例では、パルス・ストレッチャ２３６は、変調器２４４に入射するピークパワーを低減させる。ＭＺデバイスは１．５５μｍの電気通信の波長で使用されてきたが、ＭＺデバイスは現在、１μｍの波長で利用可能である。‘３２７特許は、ＭＺ変調器を使用するチャープパルス増幅システムを開示している。特定の実施例では、パルス選択器／変調器２４４は約２０ｄＢから約３０ｄＢの強度制御を実現することができ、また入力に応じたパワー増幅器２４８の伝達特性に基づいて、出力強度を少なくとも部分的に制御するために使用可能とすることができる。
【０１６５】
特定の実施例では、ファイバパワー増幅器２４８は実質上基本モードで出力を提供するように構成されたマルチモードファイバ増幅器を含む。例えば、システムは、本願の譲受人に譲渡されたＦｅｒｍａｎｎらの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，８１８，６３０号に記載のファイバパワー増幅器を利用することができる。同特許を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。マルチモードファイバ増幅器は、望ましくない非直線性及び利得飽和が始まる前に、シングルモード（ＳＭ）ファイバで実現可能なものより高いピークパワー及びパルスエネルギーをもたらす。他の実施例では、大面積の増幅器、例えばフォトニック・バンドギャップ又はフォトニック結晶の設計を利用することができる。高品質の出力ビームは、例えば、本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号として公開された「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｆｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｒｏｄｓ  ｗｉｔｈ  Ｌａｒｇｅ  Ｌｅａｋａｇｅ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願第１１／１３４，８５６号に記載の漏洩モード設計で実証された。同願を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。
【０１６６】
前述のように、幾つかの実施例では、圧縮器２５２はオールファイバ圧縮器である。しかし、幾つかの実装形態では、ピークパワーが高すぎる、例えば約１００ｋＷ以上である場合、非直線効果がオールファイバ圧縮器の性能を制限することがある。このとき、ファイバ設計の小型さとバルク圧縮器に関連する柔軟性との間にはトレードオフが存在することがある。幾つかの実施例では、レーザシステム１０４内でファイバとバルク構成要素の両方を使用することができる。
【０１６７】
高繰返し率光源２３２は約１μｍの出力波長を有するパルスを生成することができる。幾つかの実施例では、システム２３０は任意選択の周波数変換器２５６を含む。例えば、周波数変換器２５６は、それぞれの可視（例えば、緑色）又は紫外の出力波長（１μｍの入力波長の場合）を生成する周波数２倍器、周波数３倍器、及び／又は周波数４倍器を含むことができる。幾つかの実施例では、周波数変換器２５６は、パラメトリック増幅器を含むことができる。変換効率は通常、ピーク強度がより高くなるとともに改善される。従って、周波数変換器２５６は圧縮器２５２の出力を受け取るように位置決めできると有利である。１つの例示的な実施例では、周波数変換器２５６は第２、第３、及び第４高調波発生を提供するように構成された。第２高調波発生は第１種非臨界位相整合の硼酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を使用して実現された。第３高調波は基本波と第２高調波を第２種臨界位相整合のＬＢＯ結晶で和周波混合することによって生成された。第３高調波発生のための実施例では、第１種ＬＢＯ及び第１種ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶を使用して、近ＵＶ出力波長を生成することもできる。第１種臨界位相整合ベータ硼酸バリウム（ＢＢＯ）結晶では、第２高調波光の周波数を２倍にすることによって第４高調波を生成した。
【０１６８】
この例示的な実施例では、１０４０ｎｍの基本波長で５０μＪの５００フェムト秒のパルスを有する光が周波数変換器２５６に入力され、これにより、第２、第３、及び第４高調波周波数に対して、それぞれ５３％、２５％、及び１０％の変換効率を提供した。１００ｋＨｚのレーザ繰返し率では、この例示的な実施例は、１０４０ｎｍで約５．００Ｗの平均パワー、並びに５２０ｎｍで約２．６２Ｗ、３４６ｎｍで約１．２０Ｗ、及び２６０ｎｍで約５０４ｍＷの平均変換パワーをもたらした。変換されたパルスエネルギーは、５２０ｎｍで約２６μＪ、３４６ｎｍで約１２μＪ、及び２６０ｎｍで約５μＪであった。周波数変換した極短パルスを提供するために使用できるレーザシステム１０４のさらなる詳細は、Ｓｈａｈらによる「１２μＪ，１．２Ｗ  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  Ｐｕｌｓｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｔ  ３４６ｎｍ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ  Ｙｂ  Ｃｕｂｉｃｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、２００５年、ＣＬＥＯ  ２００５  Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ、ＣＰＤＢ１に記載されている。同文献を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。
【０１６９】
制御装置１１４を使用して、走査ビームの位置決めとレーザパルスの選択を調和させることができる。特定の実施例では、高繰返し率光源２３２が自走するとき、高速光検出器（図示せず）に結合されたある長さの光ファイバを使用して、ビームの一部分が検出される。この光検出器出力は制御装置１１４に同期信号を提供する。この同期信号をデジタル信号とすることができると有利である。走査システム１０６は、例えばＳＣＡＮＬＡＢ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（イリノイ州ネーパービル）から入手可能なｈｕｒｒｙＳＣＡＮ（登録商標）ＩＩ  １４走査ヘッドなどの２次元ガルバノメータミラー１０８を含むことができる。そのような走査ヘッドを使用する利点には、これらの走査ヘッドが低慣性デバイスであり、ユーザフレンドリな市販の制御装置を備え、従ってミラー位置及び／又は速度信号が容易にプログラム可能であることが含まれる。走査システム１０６及び制御装置１１４を並進運動段、回転段、及びロボットアーム（図示せず）の任意の適切な組合せとともに使用して、ターゲット基板１１２を位置決めすることもできる。幾つかの実施例では、走査ミラー１０８を省略することができ、またレーザビーム及びターゲット基板１１２を相対的に移動させるのに適した任意の他のシステムを利用することができる。例えばｆθレンズ及び／又は高分解能の対物レンズなどの適切な集束光学系１１０を使用して、ターゲット材料の表面上又はターゲット材料内に各レーザパルスを集束させることができる。幾つかの屈折光学素子は、材料分散の結果、スポット配置及び集束の誤差、又は他の時間的若しくは空間的な歪みをもたらすことがある。特定の実施例では、極短レーザパルスビーム向けに設計された市販の光学素子が使用される。特定の実施例では、制御装置１１４は、ターゲット材料の加工中に隣接する集束レーザパルス（又はレーザパルス群）間の空間的重複を制御するように構成される。
【０１７０】
特定の実施例では、増幅器（複数可）を実質上連続的に動作させて損傷の可能性を低減させ、これらの増幅器からの最大エネルギー抽出を実現できると望ましい。ファイバ増幅器は、高速パルス列を増幅するのによく適している。しかし、幾つかの実施例では、材料加工が行われない期間（「休止期間」）が延長される間に、増幅器損傷のリスクが増大し、望ましくない増幅自然放出光（ＡＳＥ）が生成される。例えば、幾つかの増幅器では、休止期間は、数十マイクロ秒から数百ミリ秒以上の範囲内となることがある。特定のファイバ増幅器では、高利得（強い励起）条件下で自由にレーザ発振するのに十分なレベルまで利得を増大させるには、約１００μ秒という休止時間で十分なことがある。約２５〜４０μ秒の休止時間後、種パルスが射出された場合、増幅器内で増大した利得は、出力ファイバのファセットの損傷を引き起こし得る高エネルギーのパルスをもたらすのに十分な利得を有することがある。従って、特定の実施例では、レーザ構成要素の安定化及び保護は、例えば、本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２００５／０２２５８４６号として公開されたＮａｔｉらの「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ａｎｄ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ  Ｐｕｌｓｅｄ  Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，１７３号、現在の米国特許第７，５０５，１９６号に記載のように、入力パルスエネルギーの動的調整及び／又はポンプダイオード電流の制御によって提供される。同特許を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。
【０１７１】
システム２３０の様々な実施例では、制御装置１１４は、休止期間中にパルス選択器／変調器２４４を高繰返し率（例えば、約５０ＭＨｚから約１００ＭＨｚ）で動作させるように構成することができる。休止期間中、増幅器２４８は通常、不飽和状態で動作している。パワー増幅器の平均出力は基本波長でわずかに増大することがある。休止期間と「活動」期間（システム２３０がターゲットを加工している）の間のパルスエネルギーの変調は、ビームの迅速なシャッタリング（例えば、「オフ」及び「オン」機能）を提供するのに十分なものとすることができる。幾つかの実装形態では、幾つかの「休止」期間中のターゲット基板１１２上のレーザのフルエンスは、アブレーション及び／又は表面変質閾値を上回ることがあるが、「休止」期間と「活動」期間の間のフルエンスの変調は、プロセス制御に十分なものとすることができる。幾つかの実施例では、任意選択のシャッタ２６０を使用して、ターゲット基板１１２に入射するエネルギーを制御することができる。任意選択のシャッタ２６０は、音響光デバイス、光学機械シャッタ、及び／又は電気光学シャッタを含むことができる。
【０１７２】
システム２３０の特定の実施例は、例えば周波数の２倍化及び／又は３倍化を提供できる周波数変換器２５６を含む。特定のそのような実施例では、周波数変換器２５６の出力で、パルスエネルギー及び／又はピークパワーを比較的低くすることができる。そのような場合、変換器２５６の出力を比較的低いエネルギーのパルスとし、大部分のエネルギー成分を基本波長のものとすることができ、ターゲット上の焦点では、エネルギーがターゲット材料のアブレーション及び／又は表面変質閾値を下回るようにすることができる。幾つかのシステム実施例では、ターゲット材料特性を変えないように、約２０ｄＢから約３０ｄＢへの変調器調整で、広い動作範囲にわたって強度の制御を提供することができる。
【０１７３】
特定の実施例では、望ましくないビームエネルギーを減衰させる技法を使用することができる。例えば、望ましくないエネルギーは、スペクトルフィルタ（図示せず）を用いて除去することができる。幾つかの実装形態では、第１種位相整合の場合の基本周波数と高調波周波数の偏光状態の違いのため、偏光フィルタリングが可能になることがある。パルス選択器／変調器２４４を制御して、増幅器２４８へのエネルギーを制限することもできる。機械加工波長に対して、走査システム１０６内の集束光学系（又はスキャナが使用されない場合、他の集束光学系）を最適化することができる（機械加工波長は、任意選択の周波数変換器２５６が使用される場合、周波数変換された波長であることがある）。幾つかの実装形態では、集束光学系は、基本波長のスポット寸法を増大させてターゲット基板１１２の表面のエネルギー密度を低減させるように構成することができる。
【０１７４】
実際の加工期間中、制御装置１１４を使用して、パルスを「ダウンカウント」し、又はその他の方法で選択するように、パルス選択器／変調器２４４に信号を提供することができる。幾つかの実施例では、加工繰返し率は約１００ｋＨｚから約１０ＭＨｚとすることができる。実際の加工中、ファイバ増幅器から最大エネルギーを抽出するために、飽和状態又はほぼ飽和した状態でレーザを動作できると有利である。
【０１７５】
図３は、超高速パルス列を介して加工物（又はターゲット基板）１１２を機械加工するために使用することが可能なシステム３００の一実施例を概略的に示す。このシステム３００は、図１Ｆ及び２Ａ、２Ｂに示す実施例に全体として類似のものとすることができる。システム３００は、ターゲット基板１１２に結合されて走査ビームに対するターゲット位置（及び／又は向き）を操作するように構成されたロボットアームシステム３０４をさらに含むことができる。ロボットアームシステム３０４は、単軸又は多軸システムとすることができる。幾つかの実施例では、走査システム１０６は、ターゲット基板１１２に対して移動される走査ヘッドを含む。走査ビームとターゲット基板１１２の間の相対的移動を提供する実施例の可能な利点は、このシステムで平坦でない表面を加工できることである。
【０１７６】
図１−Ｆ、２Ａ、２Ｂ、及び３にそれぞれ概略的に示すシステム１００、２００、２３０、及び３００の幾つかの実施例では、レーザスポット寸法は主に、走査システム１０６内のｆθレンズによって決定される。幾つかの実装形態では、画像に対して妥当な加工面積を有するように、約１０μｍより大きなスポット寸法が使用される。レーザシステム１０４の特定の実施例は、はるかに小さなスポット寸法（例えば、１μｍ以下）を機械加工することが可能である。幾つかの実施例では、そのような小さな焦点寸法の場合、著しく低いパルスエネルギーが使用される。十分に大きな作業面積にわたって十分に高い分解能を実現するには、ターゲット及びビームを互いに対して移動させることができる。例えば、ターゲットを、実質上固定のレーザビームに対して移動させることができる（又は逆も同様である）。幾つかの実装形態では、ターゲットとレーザビームの両方が移動される。
【０１７７】
システム１００、２００、２３０、及び３００の特定の実施例では、レーザシステム１０４と走査システム１０６の間の光路に沿って可変望遠鏡を位置決めすることができる。特定のそのような実施例では、ｆθレンズを走査システム１０６から省略することができる。可変望遠鏡を使用して、システムの焦点距離を動的に変動させることができ、またターゲット基板１１２上の焦点スポット寸法の連続的な変動を提供することができる。市販の可変望遠鏡システムは、例えば、ＳＣＡＮＬＡＢ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（イリノイ州ネーパービル）から入手可能なｖａｒｉｏＳＣＡＮ動的集束ユニットを含むことができる。動的集束を用いるそのようなシステムは、ビーム焦点位置を３次元で調整する能力、及び基板の反り又は他の平坦からの変形によって生じ得るターゲット表面位置の変動に追従して補償する有用な能力を提供する。
【０１７８】
図４Ａは、超高速パルス列を用いて複合材料基板を加工するために使用することが可能なシステム４００の一実施例を概略的に示す。この実施例は、レーザシステム１０４と、レーザビームに対してターゲット基板１１２を移動させるように構成された並進運動段４０８とを含む。特定の実施例では、並進運動段４０８は、十分に高い加工速度を可能にするために、並進運動速度が比較的高い実質上一定の運動状態のままである。幾つかの実施例では、並進運動段４０８は、Ｘ−Ｙ又はＸ−Ｙ−Ｚの並進運動段を含むことができる。例えば、並進運動段４０８は、Ａｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州ピッツバーグ）から入手可能なＮａｎｏ−Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ（ＡＮＴＴＭ）段を含むことができる。例えば、Ｂａｉｒｄらの「Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｐｏｗｅｒ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という名称の米国特許第６，１７２，３２５号に記載のような、パルスレーザビーム及びターゲット基板の位置決めを相対的に制御する多くの技法が知られている。幾つかの実施例では、制御装置１１４は、例えばＡｅｒｏｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．（ペンシルベニア州ピッツバーグ）から入手可能なＮｍａｒｋ（商標）制御ソフトウェアなど、走査システム１０６と並進運動段４０８を調和させる制御命令を実行することができる。
【０１７９】
図４Ａに概略的に示すシステム４００の幾つかの実施例では、変調器４０２を使用して、レーザと材料の相互作用の改善された制御のために実質上瞬時のレーザ変調を提供することができる。変調器４０２は、図２を参照して記載の変調器２０２に全体として類似のものとすることができ、又は変調器４０２は、図４Ａに概略的に示す外部変調器とすることもできる。特定の実施例では、制御装置１１４は、変調器４０２と並進運動段４０８の関連付けられた制御を提供する。
【０１８０】
特定の実施例では、本明細書に記載のシステム（例えば、システム１００、２００、２３０、３００、４００、並びに図５及び６Ａに概略的に示すシステム）は、ターゲット基板に対してレーザビームの複数のパスを使用して、ターゲット基板を加工することができる。例えば、様々な実施例では、アスペクト比の非常に高いフィーチャを形成するために、１０回以上、またおそらく数百回のパスを使用することができる。フルエンス（並びに／又は他のシステム及び／若しくはビームパラメータ）を調整して、所与のパス中に材料除去を制御することができる。
【０１８１】
様々な実施例では、システムは、例えば、本願の譲受人に譲渡された２００４年３月３１日出願の「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｌａｓｅｒ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｓ  ａｎｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ」という名称の米国特許出願第１０／８１３，２６９号、現在の米国特許第７，４８６，７０５号（以下、‘７０５特許）に記載のように、ターゲットのレーザシステムの状態に関する情報を利用し、フィードバック信号に基づいて、レーザパラメータを制御することができる。同特許を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。
【０１８２】
幾つかの実施例では、各レーザパルスが個別の特性を有することができるシステムを提供することができる。これらのレーザパルスの少なくとも１つを極短パルスとすることができる。システムは、実施例１００、２００、２３０、３００、４００、並びに図５及び６Ａに概略的に示すシステムの１つ以上で提供されるように、パルス又は高繰返し率のパルスバーストを生成するレーザ手段を備えることができる。さらに、レーザ手段を制御する制御手段と、パルスバーストを含むパルスのパルス幅、波長、繰返し率、偏光、及び／又は時間遅延特性を監視するビーム操作手段とを含むことができる。幾つかの実施例では、このシステムは、測定したパルス幅、波長、繰返し率、偏光、及び／又は時間遅延特性に基づいて、制御手段に対してフィードバックデータを生成することができる。
【０１８３】
一実施例では、レーザ手段はストレッチャ格子及び圧縮器格子を使用するファイバ増幅器を含むことができる。ビーム操作手段は、例えば、レーザパルスのパルス持続時間を測定する光ゲートデバイス、レーザ手段から出力されるレーザパルスのパワーを測定するパワーメータ、及び／又はレーザパルスの繰返し率を測定するフォトダイオードを含む様々なデバイスを含むことができる。周波数変換器、例えば２倍器又は３倍器が利用される幾つかの実施例では、ビーム操作手段は、生成されたレーザパルスの百分率の基本周波数を１つ以上の他の光周波数に光学的に変換し、また、レーザパルスの基本波の一部分を少なくとも１つのより高次の高調波信号に変換する少なくとも１つの光学部材を含む。光学部材は非直線結晶デバイスを含むことができ、制御装置がこの結晶の向きを制御する。
【０１８４】
特定の実施例では、光周波数を変換する手段は、非直線結晶デバイスから出力されるパルスの１つ以上の所定のパラメータを測定し、また制御手段に対してフィードバックを生成する分析計を含むと有利である。ビーム操作手段の別の実施例は、入力されるレーザパルスの寸法、形状、広がり、及び／又は偏光を制御するための望遠鏡光デバイスと、ターゲット基板上のレーザパルスの衝突位置を制御するためのステアリング光学系とを含む。このシステムは、レーザパルスの特性を監視し、また制御手段に対してフィードバックを生成するビーム・プロファイラをさらに含むことができる。前述のシステムには、それだけに限定されるものではないが、ターゲット基板の屈折率の変更、ターゲット基板の表面マーキング、表面下のマーキング、及び／若しくは表面テキスチャリング、ターゲット基板内の孔、チャネル、トレンチ、溝、バイア、及び／若しくは他のフィーチャの製作、並びにターゲット基板上の薄い材料層の堆積及び／若しくは除去を含む幾つかの用途がある。
【０１８５】
図５に示すレーザ加工システムの実施例に示すように、レーザ手段５１００に制御手段５３００が結合される。このレーザシステムは、‘７０５特許の図５に概略的に示すレーザシステムの一実施例に全体として類似のものとすることができる。制御手段５３００は、例えば平均出力パワー、パルス列（繰返し率及び／若しくはバーストモード構造）、パルス持続時間（及び／若しくは時間位相、例えばＦＲＯＧ、周波数分解光ゲート）、並びに／又は空間位相（波面センサ）などの幾つかの出力レーザパラメータを監視する。監視されたパラメータは、フィードバックループを通ってレーザ性能（パルスエネルギー、繰返し率、及びパルス持続時間）を変動させるように、制御手段５３００に関連付けられる。さらに、フィードバックループは、レーザパルスを事前にチャーピングするように圧縮器の位置合わせ（例えば、格子の離隔距離）に関連付けることができ、それによって後のレーザシステムモジュール内の構成要素によってもたらされる光分散を補償することができる。制御手段５３００は、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、手持ち式コンピュータ、ワークステーションコンピュータ、又は任意の他の汎用及び／若しくは特殊目的の演算若しくは通信デバイスを含むことができる。制御手段５３００は、コンピュータ（図示せず）上のよく知られているＭＡＣ−ＯＳ、ＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、ＬＩＮＵＸ、又は他の適切なオペレーティングシステムのいずれかを実行することができる。制御手段５３００は、物理的リンク及び／又は無線リンクによって他の演算手段にネットワーク接続することができる。制御手段５３００は、入力デバイス、出力デバイス、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び／又は読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤデバイス、ハードドライブ、及び／又は他の磁気若しくは光記憶媒体、或いは他の適切な記憶及び検索デバイスを含むことができる。制御手段５３００はまた、システムクロックを有する処理装置、又は他の適切なタイミングデバイス若しくはソフトウェアを含むことができる。入力デバイスは、キーボード、マウス、タッチスクリーン、感圧パッド、又は他の適切な入力デバイスを含むことができ、また出力デバイスは、ビデオ表示装置、プリンタ、ディスクドライブ、又は他の適切な出力デバイスを含むことができる。
【０１８６】
幾つかの実施例では、ターゲット基板の状態を監視するため、及び／又はターゲット基板の表面に対する焦点位置を確認／制御するために、追加のツールを含むことができる。例えば、照明及び光学顕微鏡観察システム（図示せず）を使用して、位置合わせマーカを位置決めし、レーザ損傷を確認／否定し、並びにレーザの影響を受けたフィーチャ体積及び／又は形態を測定することができる。追加のデータは、レーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）及び／又はレーザ誘起蛍光法などの分光診断を含むことによって得ることができる。ターゲット表面から焦点までの距離を精密に決定する距離測定ツールを使用することもできる。幾つかの適用分野では、ある適用分野がミクロンレベルの材料加工を含むことがあるので、距離を決定できると有利である。同様に、ターゲット基板の表面を撮像するカメラシステムも使用することができる。これらの寸法では、小さな誤差／不確実性により、レーザ／材料の相互作用を精密に制御するユーザの能力が低減することがある。これは、幾つかのそのような適用分野では潜在的に、表面が平面でない材料の表面下の加工を伴うので、複雑になることがある。レーザ／材料の相互作用の程度及び性質に精密に影響を及ぼすように、観察／分光ツールからの信号を他のシステム構成要素（例えば、制御手段、光周波数を変換する手段など）にフィードバックすることができる。さらに、距離測定ツール及び／又は観察／分光ツールからの信号を、制御部の加工物の位置にフィードバックすることもできる。走査機構ステアリング光学系及び制御手段５３００により、ビームはターゲット基板に精密に送達される。走査機構ステアリング光学系は、ガルバノメータベースのミラースキャナ及び場合によっては１つ以上の追加の高精度ポジショナを含むことができる。
【０１８７】
幾つかの実施例では、ピコ秒のパルス列が材料除去に十分な全体的なエネルギーを有する場合、加工を実施することができる。例えば、パルス幅は約１０ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、パルス圧縮器が利用されないことがある。そのような実施例では、１つ以上のレーザ光源からのパルスを増幅して、加工パルスを生成することができる。そのような構成は、システム１００、２００、２３０、３００、及び４００の実施例に全体として類似のものとすることができるが、パルス圧縮器が省略される。
【０１８８】
実施例は、多くの微細機械加工の適用分野に適用でき、また、例えば切削、ダイシング、スクライビング、及び類似の適用分野を含むマイクロエレクトロニクスの適用分野によく合っている。幾つかの適用分野では、システム実施例１００、２００、２３０、３００、及び４００、並びに図５及び６Ａに概略的に示すシステムに示す要素の適した修正は、そのような適用分野に適合された方法及びデバイスを使用して行うことができる。例えば、一実施例では、基板位置決め機構は、Ｘ−Ｙ−Ｚ段４０８と、６軸機能を提供するため、並びに／又はターゲット基板（例えば、ＰＣＢ）の平坦さ及び共平面性を維持するための追加の回転機構（複数可）とを含むことができる。
【０１８９】
システム１００、２００、２３０、３００、及び４００、並びに図５及び６Ａに概略的に示すシステムの特定の実施例は、レーザと増幅器（複数可）の様々な組合せを含む。幾つかの実施例では、ファイバベースの技術が好ましいが、様々な実施例では、導波路レーザ及び／又は増幅器、再生増幅器などを利用することができる。幾つかの実施例では、これらの技術を、ファイバ増幅器、レーザ、及び／又はある長さのドープされていない伝送ファイバと組み合わせて使用することができる。例えば、一実施例では、受動Ｑスイッチ・マイクロチップレーザが、１ＭＨｚをいくぶん下回る、例えば最高約１００〜５００ｋＨｚ及びそれよりいくぶん大きな繰返し率で、数マイクロジュールのパルスエネルギーを生成することができる。パルス幅は、約１ピコ秒から約１００ピコ秒の範囲内とすることができる。幾つかの実施例では、マイクロチップレーザは、例えば上記で組み込んだＨａｒｔｅｒの米国特許出願第１０／４３７，０５７号（現在の米国特許第７，３３０，３０１号）に開示のファイバ増幅器の種となることができる。
【０１９０】
例えば、上記で組み込んだ米国特許出願第１０／４３７，０５７号は、極短パルス幅を生成するように様々なファイバ素子及びファイバ以外の素子を用いて増幅及び圧縮された種及びマイクロチップレーザ光源を利用する様々な実施例を開示する。一実施例では、半導体レーザダイオードを使用して数ナノ秒の種パルスが生成され、その一部分はＧＨｚの電気光学変調を使用して選択され、次いで増幅及び圧縮パルスを得るようにさらに加工される。標準的な繰返し率は約１０ＭＨｚ未満である。開示される構成は、所定の公差内で幾何学的フィーチャを作るために比較的高繰返し率（例えば、５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）の短パルス（１ピコ秒に満たないものから約数ナノ秒）を構築するように、当業者には使用可能な素子及びサブシステムを提供する。より高い繰返し率で動作すると、加工位置上又はその非常に近傍では再堆積材料の蓄積が低減される。
【０１９１】
様々な実施例は約二三百ピコ秒から数百ピコ秒の範囲内のパルス幅を提供することができる。このレーザシステムはＦＣＰＡシステムを含むことができる。ピコ秒以上のパルスを利用する幾つかの実施例では、あらゆるパルス圧縮器を排除することができる。別法として、システムはチャープパルス増幅を用いることなく、例えば好適にはファイバ増幅器システムを用いて、増幅したピコ秒パルスを生成するように構成することができる。
【０１９２】
再び図４Ａを参照すると、レーザシステム１０４は、モードロック式ファイバ発振器又は他の種光源と、ファイバパワー増幅器を有するファイバ増幅器システムとを含むことができる。様々な実施例では、ファイバパワー増幅器は、実質上基本モードで出力を提供するように構成されたマルチモードファイバ増幅器を含む。例えば、システムは、本願の譲受人に譲渡されたＦｅｒｍａｎｎらの「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称の米国特許第５，８１８，６３０号に記載のファイバパワー増幅器を利用することができる。同特許を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。マルチモードファイバ増幅器は、望ましくない非直線性及び利得飽和が生じる前に、シングルモード（ＳＭ）ファイバで実現可能なものより高いピークパワー及びパルスエネルギーをもたらす。他の実施例では、大面積の増幅器、例えばフォトニック・バンドギャップ又はフォトニック結晶ファイバの設計を利用することができる。高品質の出力ビームは、例えば、本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第２００６／０２６３０２４号として公開された「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｏｄｅ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｆｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｒｏｄｓ  ｗｉｔｈ  Ｌａｒｇｅ  Ｌｅａｋａｇｅ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ」という名称の米国特許出願第１１／１３４，８５６号に記載の漏洩モード設計で実証された。同願を、本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。
【０１９３】
少なくとも１つの実施例では、この増幅器をレーザシステム１０４内に含むことができる。図４Ｂは、ファイバ増幅器内、又はマルチモード励起光源によって励起されたレーザ内で使用できる、希土類イオンでドープされたコアを含む大モード面積ファイバの例示的な実施例４７０を概略的に示す。例えば、実施例４７０は、図４Ａ内に概略的に示すレーザシステム１０４（又は本明細書に記載の他のシステム）内に含むことができる。モードロック式発振器、半導体ダイオード、ダイオード及び電気光学変調器、並びに／又は他の適切な光源を用いて、入力ビーム４５６を生成することができる。大モード増幅器を用いて増幅する前に、前置増幅器でパルスエネルギーレベルを高めることができる。レーザシステム１０４はまた、増幅前及び／又は後にパルスを調整するために、パルス選択器、偏光制御装置、及び／又はビーム成形光学系を含むことができる。図４Ｂに示す実施例４７０では、ファイバ４５０は、まっすぐな入力端部４５１及び出力端部４５２と、これらの端部間のコイル状の部分とを有する。結合レンズ４５４を使用して増幅器又はレーザを励起させるために、マルチモードポンプ４５５が使用される。入力ビーム４５６は、レンズ４５３を通ってファイバ４５０内に入射する。出力４５７は、ダイクロイックミラー４５８によって分離される。他の実施例では、ファイバ４５０及び／又は他の構成要素は、図４Ｂに概略的に示すものとは異なる形で構成することができる。また、図４Ｂに示す例示的な実施例４７０に示すものとは異なる形で、様々な構成要素を除去、追加、及び／又は構成することができる。
【０１９４】
非直線効果が低減され又は無視できる状態でフェムト秒、ピコ秒、及び／又はナノ秒の範囲内でピークパワーの高いパルスを生成するために、オールファイバ設計において様々なレーザ又は増幅器の実施例を利用することができる。レーザ又は増幅器はまた、利用可能なパルスエネルギーをさらに増大させるためにＦＣＰＡシステム内で利用することもできる。１つの例示的な実施例では、約７０μｍ〜１００μｍ以上のコア直径を使用して、数ｍＪから約１０ｍＪのエネルギーを有するナノ秒のパルスを生成することができる。別の実施例では、例示的なパルス幅が約１〜１０ピコ秒である極短パルスを生成することができ、出力エネルギーは約１０μＪから数百μＪの範囲内である。様々な実施例では、約１００ｋＨｚより大きく、最高少なくとも数ＭＨｚのパルス繰返し率を利用することができる。平均パワー定格及びシステム要件に応じて、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲内の繰返し率もまた可能である。例として、国際公開第ＷＯ２００９／０４２３４７号として公開された「Ｇｌａｓｓ  Ｌａｒｇｅ−Ｃｏｒｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒｓ」という名称のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７４６６８号に開示のように、また米国特許出願公開第２０１０／０１５７４１８号に開示のように、マイクロチップレーザから放出された繰返し率２５ｋＨｚ、パルスエネルギー５μＪ、及びパルス幅６００ピコ秒の入力パルスは、大コア漏洩チャネルファイバ内で約４００μＪに増幅され、非線形作用によって歪みを引き起こすことなく、ほぼ回折限界の出力ビームをもたらした。同出願は、それぞれ本願の譲受人に所有されており、それぞれ本明細書で具体的に参照する資料として、及び本明細書が開示する他の全ての資料として、参照により本明細書に組み込む。この実験では、パルスの引き延ばし又は圧縮は利用されなかった。より高いパルスエネルギー及び繰返し率も実現可能である。従って、ファイバベースの増幅レーザ構成に対して、多くの可能性が存在する。
【０１９５】
ＰＣＢダイシングの様々な実施例は、基板及び／又はビーム位置決め機器の任意の適した組合せとともに、上記の極短パルスシステム、例えばＦＣＰＡを含むことができる。１つの実装形態では、図４Ａに示すように、並進運動段（複数可）４０８を使用して、基板を位置決めすることができる。極短レーザパルスに対して基板を位置決めするために、ポジショナ（複数可）を単独で、又は光学式スキャナと組み合わせて使用することができる。幾つかの実施例では、走査ミラー１０８を省略することができ、レーザビーム及びターゲット基板１１２を相対的に移動させる任意の他の適したシステムを利用することができる。レーザ加工機器及び／又はターゲット基板は、互いに対して位置決めすることができる。ＰＣＢドリル及び他のレーザ加工の適用分野に対して、多数の位置決め構成が知られており、複数のビームポジショナを含む複合材料を加工するシステム内で、機構の任意の適した組合せを利用して処理能力を改善することができる。例えば、図２Ａ〜４Ａ及び６Ａに示すビーム及び／又は基板位置決め機構の適した組合せを利用することができる。また、上述したように、ターゲット基板の状態を監視するために、及び／又はターゲット基板の表面に対する焦点位置を確認／制御するために、追加の工具を含むこともできる。
【０１９６】
様々な実施例及び例
別の概括的な態様では、複合材料加工物をレーザ加工する方法は、複合材料加工物の少なくとも１つの材料に、あるパルス幅を有するレーザパルスを照射するステップを含む。レーザパルスは、少なくとも１つの材料内のスポット上に集束させることができる。この方法は、相対的な速度で複合材料に対して集束スポットを移動させるステップを含む。幾つかの実装形態では、加工物はパターン付き領域及び複合材料領域を含む。パターン付き領域は、誘電体材料及び／又は金属材料を含む電子回路を含むことができる。幾つかの実施例では、パターン付き領域の少なくとも一部分の除去に使用されるレーザスポットの相対的な速度は、複合材料の少なくとも一部分の除去に使用される相対的な速度より実質上遅い。
【０１９７】
幾つかの実施例では、隣接する集束スポット間の重複は、複合材料の特定の部分に照射する場合よりパターン付き領域に照射する場合の方が実質上大きい。例えば、場合によっては、パターン付き領域に照射する場合の重複は約９５％より大きいことがある。
【０１９８】
幾つかの実施例では、複合材料領域内の材料の少なくとも一部分は約１００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を使用して変質される。
【０１９９】
少なくとも１つの実装形態は、上記のレーザ加工方法の実施例を実施するのに適した極短パルスレーザシステムを含む。少なくとも１つの実施例は、ファイバ増幅器又はファイバレーザのうちの少なくとも１つを含む極短パルスレーザシステムを含む。少なくとも１つの実施例は、「オールファイバ」設計として構成される極短パルスレーザシステムを含む。
【０２００】
様々な実施例では、パルスレーザシステムは、約１０ピコ秒より短い少なくとも１つのパルスのパルス幅を提供する。幾つかの実施例では、少なくとも１つのパルスのパルス幅は、約数ナノ秒より短く、例えば１ナノ秒に満たないパルスである。
【０２０１】
スクライビング、ダイシング、切削、又は加工して複合材料加工物のある領域から材料を除去する方法の実施例が提供される。幾つかの実施例では、この方法は、複合材料加工物の少なくとも１つの材料の方へレーザパルスを誘導するステップを含む。レーザパルスは、数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚのパルス繰返し率を有することができる。幾つかの実施例では、複合材料加工物は、パターンと複合材料基板の両方を含むことができ、パターンは、誘電体材料及び／又は金属材料を含む電気回路を含むことができる。幾つかの実施例では、複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができ、また誘電体、金属、半導体、又は複合材料（複数可）の任意の適した組合せを含むことができる。この方法はまた、数ミクロンから約５０μｍ（１／ｅ2）の範囲内のスポット寸法を有するレーザスポット内にレーザパルスを集束させるステップ、及びパターンの少なくとも一部分から材料を除去するための隣接する集束スポット間の重複が、複合材料基板の少なくとも一部分から材料を除去するための隣接する集束スポット間の重複より実質上大きくなるような速度で、少なくとも１つの材料に対してレーザスポットを位置決めするステップを含むことができる。特定の有利な実装形態では、この方法は、加工物の１つ以上の材料内の蓄熱を制御しながら、この領域の周りで再堆積材料の蓄積を制限する。
【０２０２】
パターン及び複合材料基板を含む加工物を加工する方法の実施例が提供される。パターンは、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つを含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は、約１０ピコ秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含むレーザパルスを用いてパターンの少なくとも一部分を変質させるステップ、及び約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内のパルス幅を含むレーザパルスを用いて複合材料の少なくとも一部分を変質させるステップを含む。
【０２０３】
複合材料を有する多材料加工物をレーザ加工する方法の実施例が提供される。幾つかの実施例では、この方法は、約数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内のパルス繰返し率で、また十分に高い繰返し率で加工物のある領域にレーザパルスを集束させて誘導し、従ってこの領域から材料を効率的に除去し、またこの領域内又はその近傍の望ましくない材料の量を、約１００ｋＨｚ未満のより低い繰返し率で得られる量に対して制限するステップを含む。
【０２０４】
他の実施例では、複合材料を有する多材料加工物をレーザ加工する方法が提供される。複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができる。幾つかのそのような実施例では、この方法は、相対的な速度率で、加工物の少なくとも１つのターゲット材料に対する集束レーザパルスの相対運動中に、加工物の少なくとも１つのターゲット材料に集束レーザパルスを繰り返し照射するステップを含む。レーザパルスは、少なくとも約数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内とすることができるパルス繰返し率を有し、相対的な速度率は、約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内とすることができる。この方法の様々な実施例では、集束レーザパルスの少なくとも幾つかは、少なくとも１つの他のパルスとのゼロ以外の空間重複係数、約１ナノ秒より短いパルス幅、約１００ｎＪから約２５μＪの範囲内のパルスエネルギー、約５μｍから約５０μｍの範囲内の集束（１／ｅ2）スポット寸法、及びターゲット材料で約０．２５Ｊ／ｃｍ2から約３０Ｊ／ｃｍ2の範囲内のフルエンスを有する。
【０２０５】
多材料加工物を加工する方法の実施例が開示される。加工物は、複合材料基板及びパターンを含むことができ、パターンは、誘電体材料及び／又は金属材料を含む電子回路を含むことができる。複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は、レーザパルスの列を加工物に照射するステップを含み、この列の少なくとも２つのパルスは異なる特性を有し、これらのパルスは加工物の異なる材料に加えられる。この方法はまた、誘電体材料及び金属材料のうちの少なくとも１つの除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺが、複合材料の一部分の除去中に生成される少なくとも１つのＨＡＺに対して深さ方向に増大するように、ＨＡＺを制御するステップを含む。
【０２０６】
パターンと複合材料基板領域の両方を含む加工物を加工する方法の実施例が開示される。複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができる。パターンは、誘電体材料及び金属材料を含むことができる。幾つかの実施例では、この方法は、集束レーザパルスを用いてパターンの少なくとも一部分を変質させるステップを含み、少なくとも１つの集束パルスは、約１００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅を含む。この方法はまた、パターンのこの部分内に、金属材料からの誘電体材料の層間剥離を低減又は回避するのに十分な熱を蓄積するステップを含む。
【０２０７】
複合材料を有する多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムの実施例が提供される。複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができる。幾つかの実施例では、レーザベースのシステムは、光パルス光源、及び光源からのパルスを少なくとも約１μＪのパルスエネルギーに増幅するように、そして約５００フェムト秒から数百ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力光パルスを生成するように構成された光増幅システムを備える。システムはまた、約数十ｋＨｚから約１０ＭＨｚの範囲内になるように出力光パルスの繰返し率を調整するように構成された、少なくとも１つの光変調器を備える変調システム、及びパルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、約１５μｍから約５０μｍの範囲内のスポット寸法（１／ｅ2）内にパルスビームが集束される、ビーム送達システムを含むことができる。このシステムはまた、約１ｍｍ／秒から約２０ｍ／秒の範囲内の相対的な速度で加工物の１つ以上の材料に対してビームを位置決めするように構成された位置決めシステム、及び少なくとも位置決めシステムに結合されるように構成された制御装置を含むことができる。制御装置は、この繰返し率で加工物の加工中に隣接する集束ビーム間の空間的重複を制御するように構成することができる。
【０２０８】
複合材料を有する多材料加工物をスクライビング、ダイシング、切削、又は加工するレーザベースのシステムの実施例が、本明細書に記載される。複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができる。このシステムの実施例は、光パルス光源、及び光源からのパルスを増幅するように、そして数十フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内の少なくとも１つのパルス幅を有する出力パルスを生成するように構成された光増幅システムを備える。このシステムはまた、少なくとも約１ＭＨｚから約１００ＭＨｚ未満の範囲内で出力光パルスの繰返し率を提供するように構成された、少なくとも１つの光変調器を含む変調システムを含むことができる。このシステムはまた、パルスレーザビームを加工物に集束させて送達するように構成されたビーム送達システムであって、少なくとも約５ミクロンのスポット寸法（１／ｅ2）内にパルスビームが集束される、ビーム送達システム、及び加工物の１つ以上の材料上又はその内にスポット重複をもたらすように、多材料加工物に対してパルスレーザビームを位置決めするように構成された位置決めシステムを含むことができる。様々な実装形態では、スポット重複は、この繰返し率及びこのスポット寸法で少なくとも約９５％とすることができる。
【０２０９】
複合材料を有する加工物上又はその内でフィーチャをダイシング、切削、スクライビング、又は形成するシステムの実施例が提供される。複合材料は、構造化された特性向上材料及び構造固定材料を含むことができる。幾つかの実施例では、このシステムは、加工物に対する集束レーザパルスの運動中に材料の少なくとも一部分に集束レーザパルスを繰り返し照射するように構成されたパルスレーザシステムを備える。レーザパルスは、パルス繰返し率を有する。繰返し率は、約１００ｋＨｚから約５ＭＨｚの範囲内とすることができ、またターゲット位置から材料の相当な深さ方向部分を効率的に除去し、そしてターゲット位置の周りの望ましくない材料の蓄積を制限するのに十分なほど高くすることができる。このシステムはまた、レーザパルスを集束させて送達するように構成されたビーム送達システム、及び運動中に複合材料基板に対してレーザパルスを位置決めするように構成された位置決めシステムを含むことができる。位置決めシステムは、光学式スキャナ、基板ポジショナのうちの少なくとも１つ、又は両方を備えることができる。幾つかの実施例では、パルスレーザシステム、ビーム送達システム、及び位置決めシステムに結合されるように、制御装置が構成される。制御装置は、この繰返し率で加工物の加工中に隣接する集束レーザパルス間の空間的重複を制御するように構成することができる。
【０２１０】
例示的な実験結果
ナノ秒パルスと比較した極短パルスによる切削例
実験を実施して、極短パルスとナノ秒パルスによって得られた切削結果を比較した。使用したシステム構成は、図６Ａに概略的に示すシステムに類似していた。これらの実験では、レーザシステム１０４は、極短パルスを提供するためのＤ−１０Ｋレーザを備え、またナノ秒パルスを提供するためのファイバベースのナノ秒レーザユニットを備えた。どちらのレーザも、ＩＭＲＡ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｉｎｃ．（ミシガン州アナーバー）製である。
【０２１１】
この実験構成は、図６Ａに概略的に示される。極短パルスの実験の場合、レーザシステム１０４は、１０μＪを超える利用可能なパルスエネルギー、約５００フェムト秒から約５００ピコ秒の範囲内のパルス幅、及び１００ｋＨｚを超過する繰返し率を提供した。この実験システムのレーザパラメータは変動されたが、必ずしも全てのパラメータが互いから独立していたわけではない。例えば、パルスエネルギーは、最小の実現可能なパルス幅に影響を及ぼす。幾つかの実験では、基板表面の集束スポット寸法は約１５μｍであり、約１０μＪのエネルギーで、約５〜６Ｊ／ｃｍ2の平均フルエンス及び約１０１３Ｗ／ｃｍ2のパワー密度を提供する。幾つかの実験では、繰返し率が５００ｋＨｚである場合、システムによって生成される平均パワーは約５Ｗである。
【０２１２】
システムの写真を図６Ｂに示す。実験設備は、機械加工中に生成される粒子状のヒュームを除去するように動作可能なヒューム抽出器６１４を含む。ヒューム抽出器６１４は、約３５０立方フィート／分の抽出率で動作された。この実験設備はＸＹＺ運動システム６１０を含んだ。
【０２１３】
測定ツール、方法、及び仕様
図７は、アブレーションされた体積と加工位置近傍の再堆積した体積との近似を得るように加工品質を定量化する１つの例示的な技法を概略的に示す。幾つかの加工の適用分野では、レーザパラメータが機械加工品質に及ぼす影響を定量化するには、リキャスト・ピーク又は平均高さに対するトレンチ深さの大まかな測定で十分であることがある。しかし、他の加工の適用分野では、除去される材料の量とリキャストされる材料の量の関係を特徴付けた方がより精密であろう。
【０２１４】
一例として、図７は、加工物のレーザベースの材料加工を定量化する１つの可能な方法を概略的に示す。例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて得られるトレンチの断面画像から、アブレーションされた面積は、トレンチの垂直二等分線の形状（図７内の陰影を付けた三角形）に三角形を適合させることによって近似される。また、三角形の近似を使用して、リキャストされた材料の量（図７内の網目状の陰影を付けた三角形）も近似する。従って、トレンチ（又は他のフィーチャ）の品質は、三角形のアブレーションされた面積と三角形のリキャスト面積の比によって定量化される。以下の例示的な結果では、ＪＥＯＬ  ＵＳＡ，Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州ピーボディー）から入手可能なＪＥＯＬ  ＪＳＭ  ６０６０  ＳＥＭが使用された。自動又は半自動ツール、例えば全自動ＳＥＭシステム、白色光干渉計、表面形状測定装置（複数可）、及び／又は原子間力顕微鏡を使用すると、追加の測定が得られる。
【０２１５】
場合によっては、アブレーションされた面積は、その面積を囲む多角形を用いてトレンチ及びリキャストを近似すること、そしてその多角形の面積から面積を推定することによって推定することができる。様々な実施例では、多角形は、３、４、５、６、７、８、又はより多くの辺を有することができる。他の実施例では、異なる形状を使用して、トレンチ及び／又はリキャスト面積を推定することができる。例えば、スプライン、最良適合曲線などによって、フィーチャの断面プロファイルを近似することができる。さらに他の実施例では、フィーチャ内に「適合」する複数の幾何形状（例えば、長方形、台形など）の面積を合計すること（例えば、台形法又はシンプソン公式を使用して曲線下の面積を近似することに全体として類似）によって、トレンチ及び／又はリキャスト面積を推定することができる。多種多様な数値的技法を使用して、面積を推定することができる。
【０２１６】
例示的な実験結果に基づく観察
Ｄ−１０Ｋレーザは、１ＭＨｚの繰返し率及び１０Ｗの平均パワーで極短パルス列を生成する。これは、約１０μＪのパルスエネルギーに対応する。パルス持続時間は約０．５ピコ秒（５００フェムト秒）であり、中心波長は約１０４５ｎｍであった。ＨＡＺに対する測定を提供できる非線形吸収の作用を実証するために、これらの実験では、ナノ秒ファイバレーザも使用して複合材料を加工した。ナノ秒ファイバレーザは、約１０６６ｎｍの中心波長、及び約２０ナノ秒のパルス持続時間を有し、これはＤ−１０Ｋレーザの５００フェムト秒のパルスより著しく長い。ナノ秒レーザのパルス繰返し率は、４４０ｍＷの平均パワーで１４ｋＨｚに設定されており、これは約３１μＪのパルスエネルギーに対応する。Ｄ−１０Ｋ極短パルスレーザを使用した例示的な実験結果を図７Ａ〜７Ｄに示し、ナノ秒レーザを使用した例示的な実験結果を図８Ａ〜８Ｃに示した。
【０２１７】
これらの実験では、加工物は、Ｇ１０／ＦＲ４複合材料を含む厚さ５ミル（１２５μｍ）のＰＣＢシート７００であった。加工物上へ垂直にレーザが集束され、焦点スポットの直径は約３０μｍであった。ターゲットの位置は、３Ｄ運動の並進運動段によって制御された。これらの実験では、最大パワー密度を実現するように焦点の周りでサンプル位置を変動させることによって、最適化された焦点条件が得られた。パワー密度は、異なるサンプル高さで試験パターンをアブレーションすることによって特徴付けた。
【０２１８】
図７Ａ及び７Ｂは、切削線７０２に沿って極短パルスレーザによって切削されたＧ１０／ＦＲ４サンプル７００の光学顕微鏡画像を示す。この実験では、ガルバノメータ走査ミラー１０８によって約２００ｍｍ／秒の走査速度が提供され、走査は４回繰り返された。この複合材料加工では、ミラー１０８に加えて、及び／又はミラー１０８の代わりに、並進運動段（複数可）を使用できることを理解されたい。図７Ａは、複合材料７００の完全な切断に対応する切削線７０２の上面図を提供する。切り口７０２は、幅約４０μｍの切断領域７０１を含む。切削線７０２はまた、切断領域７０１の縁部に沿って配置された狭い断面７０５を含む。狭い断面７０５は、強度のガウス分布においてレーザスポットの中心から離れるとビーム強度がより低くなるために複合材料７００のポリイミド上層が除去されることに少なくとも部分的に起因し、また切断断面７０１からエポキシ−ガラス材料がリキャストされることに部分的に起因すると考えられる（ただし必ずしも必須ではない）。
【０２１９】
図７Ｂは、加工物の部分的に剥離させた部分の切削線７０２の側面図を示す。図８Ａ及び８Ｂに示すナノ秒レーザの切削例と比較すると、極短パルスレーザは、はるかにはっきりした切削縁部を提供し、切削表面上にリキャスト又は残留物はほとんど又は全くない。Ｋ．Ｃ．Ｙｕｎｇら、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１２２、２７８頁（２００２））に開示のように、エポキシ樹脂（実験で使用した例示的なＧ−１０／ＦＲ−４加工物など）を含む複合材料上でナノ秒レーザが使用されるとき、過熱されたエポキシ樹脂の蒸発のため、熱作用が切削表面上に空隙をもたらす可能性がある。対照的に、図７Ａ及び７Ｂの例示的な結果は、高繰返し率の極短パルスレーザによって加工したとき、切削表面上に空隙がわずかしかない（もしあれば）ことを示す。この利益は、切削縁部を機械的に強化すると予期される。
【０２２０】
Ｇ−１０／ＦＲ−４を含む複合材料加工物の吸収率の伝送測定を図７Ｃに示す。約５００ｎｍのところに吸収端が見られ、この波長範囲内で比較的透明の範囲は、この吸収端より大きく、約２７００ｎｍに達する。この例示的な加工物は、約１０００ｎｍ付近のＩＲ波長で比較的透明である。図７Ｃで約１０４５ｎｍのところにある垂直の線は、幾つかの極短パルス実験に使用したＩＲ波長を示す。伝送測定実験で使用したターゲット材料は、光学的に平坦及び均質ではなく、これによって、図７Ｃのグラフ上で観察されるリンギング（ｒｉｎｇｉｎｇ）を少なくとも部分的に説明することができる。図７Ｃに示すグラフは、５００ｎｍの吸収端を実質上下回る波長範囲の場合、この加工物内で線形吸収が役割を担うという妥当な仮定を支持する（ただし必ずしも必須ではない）。約２００ｎｍから約３６０ｎｍのＵＶ波長範囲は、レーザ光源の基本ＩＲ波長（約１０００ｎｍ）の高調波発生から実現することができ、線形吸収範囲と十分に整合する。吸収端より長い波長の場合、この加工物は比較的透明であり、線形吸収は、レーザ光を吸収する際に非線形吸収プロセスほど役割を担わない傾向がある。従って、この例示的な加工物に高出力のレーザパルスが照射されたとき、非線形吸収プロセスは、少なくとも約５００ｎｍの吸収端より大きい波長では、線形吸収プロセスより優勢になる傾向がある。従って、約１μｍの基本ＩＲ波長及び高いパワー密度の使用は、この加工物の複合材料のレーザ加工にとって有利になることがある。
【０２２１】
図７Ｄは、複合材料加工物を切削する極短パルスレーザ加工の例に対するレーザビームのピーク強度と半径の関係を示すグラフである。加工物は、ポリイミド上層によって被覆されたエポキシ−ガラスファイバ層を含む。ピーク強度（垂直軸上に示す）は、レーザスポット寸法（例えば、水平軸上に示すレーザビーム半径）を変化させることによって調整した。これらの例示的な結果から、例示的な加工物のアブレーション閾値を推定することができる。図７Ｄに示す例示的な実験結果は、パルスエネルギーを一定の値で維持しながら、加工物上のレーザスポットの寸法を変動させることによって得られた。挿入図７１０及び７１５は、レーザ加工後の加工物の領域の顕微鏡写真である。挿入図７１０、７１５内に見える各円は、アブレーションされたポリイミドの縁部に対応し、アブレーションされたポリイミド材料の寸法を示す。挿入図７１０及び７１５は、この例では、ガラスファイバ層のアブレーションが約１ＴＷ／ｃｍ2のピーク強度で始まったことを示す。このピーク強度は、これらの例示的な実験では、非線形吸収に対する閾値に対応することがある。例えば、挿入図７１５は、例えばスポット分布のピークがガラスファイバ層の閾値付近であり、又はそれをわずかに上回ることによって示すように、ポリイミド上層７２５の下にあるガラスファイバ層７２１が閾値を上回り、約３〜４ＴＷ／ｃｍ2のピーク強度でアブレーションされたことを示す。ガラスファイバ領域７２３は閾値を下回っており、挿入図７１５では、ガラスファイバ領域７２３の実質的な材料変質は見られない。対照的に、ポリイミド上層７２５に対する閾値強度は、ガラスファイバ層のものより実質上低く、これらの実験（例えば、挿入図７１０、７１５に示す円の範囲内）でアブレーションされた。挿入図７１０は、約１ＴＷ／ｃｍ2付近のより低いピーク強度で、ガラスファイバ層７２７がスポット分布の中心付近の小さい領域内でアブレーション閾値に非常に近接したことを示す。従って、ガラスファイバ層７２７は、挿入図７１０の中心付近に示す変質された材料の小さい領域を除いて、実質上損傷を受けなかった。
【０２２２】
図８Ａ及び８Ｂは、上述のナノ秒レーザによってＧ１０／ＦＲ４サンプルが切削された実験の光学顕微鏡画像を示す。サンプル、具体的にはエポキシ樹脂は、約１０６０ｎｍでは完全に透明ではなく、特定の不透明さを見せており、これによりＩＲナノ秒パルス内のエネルギーの一部の線形吸収が弱くなることに留意されたい。加工パラメータは、約１ｍｍ／秒の並進運動速度、２回の加工パス、約９９％より大きいスポット重複、及び１４ｋＨｚの繰返し率を含んだ。この弱い線形吸収は材料の変化を引き起こし、それによって線形の吸収状態と非線形の吸収状態の両方でカスケード接続されたさらなる吸収を招くと考えられる（ただし必ずしも必須ではない）。上述したように、線形吸収は、ナノ秒パルスのアブレーションに対してより決定的な衝撃を与えると考えられる（ただし必ずしも必須ではない）。アブレーションに対するエネルギーは、極短パルスを用いることで低減させることができ、これらの例では、本発明者らは、極短パルスと比較すると、ナノ秒パルスで加工物を完全に切削するには実質上４倍高い蓄積されたパルスエネルギーが使用されたと推定する。この推定は、少なくとも部分的に、これらの実験で使用した繰返し率、パルスエネルギー、走査速度、及びパスの数におけるナノ秒パルスの結果と極短パルスの結果の差に基づく。
【０２２３】
図８Ａは、この例示的な実験における切削線８０２の上面図を示す。切り口８０３の観察された幅は約９０μｍであり、これは、図７Ａに示す切断領域７０１の幅の２倍を超える。切削線８０２は、切り口８０３の両縁部に沿って幅約４００μｍのＨＡＺ８０７を示す。図８Ａはまた、ＨＡＺ内に溶融リキャスト８０４の存在が見られることを示す。図８Ａには、延長されたＨＡＺ８０５も示されている。ターゲット材料のアブレーションを用いることなくナノ秒パルスによって生じる熱の膨張はまた、切り口８０３及び／又はＨＡＺ８０５、８０７の幅に寄与することがある。
【０２２４】
図８Ｂは、部分的に剥離させたサンプルの切削線８０２の側面図８１１を示し、リキャスト及び残留物を示す。ナノ秒パルスによる過熱の結果、エポキシ樹脂は、焼損及び収縮して炭になり、その結果リキャストを生じる可能性がある。またこの過熱により、ファイバが切削表面から突出し、切削線が不均一になる。図７Ａ及び８Ａを比較することによって、極短パルスレーザの切削（例えば、図７Ａ参照）では、例えば炭化又は黒化した面積で決まる切り口及び／又はＨＡＺがより狭くなることが明らかである。低減された切り口の幅、低減された炭化、及び／又は低減されたＨＡＺは、高密度回路のＰＣＢパッケージのレーザ加工にとって有利になる可能性がある。
【０２２５】
図７Ａ及び７Ｂに示すＰＣＢ層の完全な切削に対するアブレーション機構を実証することは、線形吸収より非線形吸収に依存する。図８Ｃは、図７Ｄに示す極短パルスの加工に使用したのと同じ加工物上でのＩＲナノ秒パルスの加工の結果を示す。ナノ秒パルスで生じたフルエンスは、５００フェムト秒のパルスによるガラスファイバ層のアブレーション閾値に対応するフルエンスの４倍を超える高さに設定された。図８Ｃでは、ガラス−ファイバ層８１２の実質的な材料変質は観察されず、ポリイミド上層８１３のみがアブレーションされた。アブレーションされた領域の境界８１５は溶融ポリイミドを含有しており、この領域内には液滴８１７が見られる。これらの結果は、ナノ秒パルスの過度のＨＡＺに起因し、完全な切削のためにフルエンスが増大するとはっきりした切り口を劣化させると考えられる（ただし必ずしも必須ではない）。
【０２２６】
ナノ秒レーザは、Ｄ−１０Ｋ極短パルスレーザより高いパルスエネルギーを提供するが、ナノ秒レーザパルスは、パルス幅がより長いため、はるかに低いピーク強度を有する。その結果、これらの実験では、ナノ秒パルスによるアブレーションを得るのはより困難であり、極短パルスを用いた場合ほど効率的ではなかった。さらに、ナノ秒レーザは、極短パルスレーザより多くの熱をサンプル上で生成するため、ナノ秒レーザによる最初の切削は、切削線の周りに炭化をもたらす。この炭化領域は、レーザビームの吸収を増大させ、レーザスポットの周辺領域への炭化及び溶融リキャストの形成をさらに加速させる可能性がある。従って、ナノ秒パルスで複合材料が加工されるとき、切削線が不均質になる可能性がある。
【０２２７】
Ｋ．Ｃ．Ｙｕｎｇら、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．１２２、２７８頁（２００２）は、蓄熱を低減させ、ＨＡＺを低減させるにはＵＶレーザが好ましいことがあると提案している。図７Ａ〜７Ｄに示す例示的な実験結果は、例えば約１μｍから約１．１μｍの範囲内の近ＩＲ波長を使用する極短パルスレーザは、ほぼＨＡＺのない切削表面及び低減された炭化を提供できることが有利であることを示す。Ｋ．Ｃ．Ｙｕｎｇらに開示の切り口と比較すると（また図８Ａ及び８Ｂに示す切り口の品質と比較すると）、図７Ａ及び７Ｂに示す切り口７０２の品質は改善されている。
【０２２８】
本システム及び方法の実施例は、さらなる利点を提供することができる。例えば、基本ＩＲビームを使用する実施例では、短いＵＶ波長を生じさせるために高調波発生を使用するシステムと比較すると、システムの複雑さを低減させるだけでなく、繰返し率の高いレーザ光源に対する作用パワーを実質上増大させる。幾つかの材料加工の実装形態では、作用パワーを増大させることで高い処理能力を実現する。さらに、ＵＶパルス生成の維持は、特により短い波長での高調波結晶の劣化のため、ＵＶレーザ光源のコスト及び信頼性を制限する可能性がある。さらに、幾つかの実装形態にとっては、ＵＶ以外のレーザビーム（例えば、可視又はＩＲビーム）を使用することで、材料によっては有機樹脂を重合させないという利点を提供することがより重要である。
【０２２９】
Ｘ．Ｃ．Ｗａｎｇら、Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｌａｓｅｒｓ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、４６、４０４（２００８）による結果に示されている幾つかの実験的切削は、２５〜３０個のナノ秒パルスを用いて、レーザスポットの高い重複比で得られた。本発明者らの実験では、高いスポット重複比（例えば２５μｍのスポット直径及び１０００ｍｍ／秒の単一走査速度で、例えば約５０％より大きい）を有する極短パルスは、２５〜３０個のナノ秒パルスによるＷａｎｇの結果と比較すると、改善された切削品質を提供できるという驚くべき結果を示す。従って、本発明者らは、幾つかの実施例では、繰返し率の高い極短パルス列に対する処理能力の高い加工には高いスポット重複比が望ましいことがあると考える。例えば、（幾つかの例示的な実験で）約９９％より大きいスポット重複が使用され、レーザビームパワー密度が、複合材料内の非線形吸収プロセスによってパルスが吸収されるのに十分な密度であるとき、極短レーザパルス加工の実施例の結果、高品質のＨＡＺのない（炭化の面から）直線的な切削を得ることができる。従って、幾つかの実施例では、エポキシ及びガラスファイバ強化ＰＣＢの高速で高品質のレーザ切削を実行することができ、これは、高速ＰＣＢ設計にとって特に有益になることがある。
【０２３０】
極短パルス及びナノ秒レーザパルスによってＧ１０／ＦＲ−４材料を切削するこれらの例示的な実験結果に基づいて、本発明者らは、極短パルスレーザの切削が、特定の材料加工の実装形態における複合材料のレーザ切削にとって優れた特性を有することができると考える。これらの優れた特性は、それだけに限定されるものではないが、ＦＲ−１、ＦＲ−２、ＦＲ−３、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ＦＲ−６、Ｇ−１０、ＣＥＭ−１、ＣＥＭ−２、ＣＥＭ−３、及びＣＥＭ−４を含む複合材料の場合に見られると予期される。
【０２３１】
本明細書に記載の例は、特定の複合材料のレーザ加工に対する実験結果を示す。極短レーザパルスを加工するシステム及び方法の実施例は、低減された欠け落ち、炭化、層間剥離、並びに／又はより均質な切削断面及び線の点から測定される高い切削品質を提供する。特定のそのような実施例は、より長いパルス（例えば、ナノ秒を超える）の実施例と比較すると、過度の切り口寸法、レーザスポット面積の外側の過度の熱、及び／又は誘電体材料に関連する溶融破片のリキャストを低減させることが有利である。本明細書に論じた例示的な技法及び例示的なシステムの幾つかは、線形吸収度が高くスポット重複がほとんど又は全くないＵＶ波長でより長いパルス（例えば、ナノ秒パルスを超える）を使用する従来の知識から逸脱することによって、極短レーザの加工に対する驚くべき結果を提供する。本明細書に記載の様々な実施例は、少なくともｉ）向上された加工処理能力に対する約９０％より大きい高スポット重複比、並びに高平均パワー及び高繰返し率のレーザ光源、並びに／又はｉｉ）非線形吸収を利用したＨＡＺの制御を実現する可能性を提供する。様々な実施例では、極短レーザパルスは、材料内の線形吸収端より長い波長で利用される。幾つかの実施例では、線形吸収係数が比較的低いＩＲ及び／又はＩＲ波長の第２の高調波は、複合材料のレーザ加工に利用することができる。複合材料を加工する実施例では、場合によっては（幾つかの実装形態で）金属材料を加工すること（場合によっては、線形吸収プロセスを活用できる）を除き、光を吸収する主なプロセスとして非線形吸収を活用できること（線形吸収プロセスと比較）が有利になることがある。また、様々な実装形態では、金属材料のレーザ加工は、複合材料を加工するために使用される加工パラメータの幾つか又は全てと実質上同じ、又は実質上異なる加工パラメータ、例えばパワー密度、空間的重複、走査速度、パルスエネルギー、パルス繰返し率などを使用して提供することができる。少なくとも１つの実施例では、エポキシ樹脂と混合されたガラスファイバ強化材を含む薄いプリント回路基板の切削が実行された。
【０２３２】
［追加の実施例］
幾つかの実施例では、レーザベースの加工システムの光学パラメータは、次のうちの１つ以上を含むことができる。
【０２３３】
約０．５μｍから約２μｍの範囲内の波長、約０．９μｍから約１．１μｍの範囲内の波長、約１μｍから約１．５μｍの範囲内の波長、約１０４５ｎｍの波長、電磁スペクトルの赤外又は可視部分内の波長、レーザベースの加工システムの基本出力波長に対応する波長。
【０２３４】
複合材料がレーザパルスに対して比較的透明である範囲内の波長。
【０２３５】
複合材料内の吸収端より大きい範囲内の波長。
【０２３６】
非線形吸収プロセスがレーザパルスに対する線形吸収プロセスより実質上大きい範囲内の波長。
【０２３７】
約１０12Ｗ／ｃｍ2より大きく、また様々な実施例では約１０12Ｗ／ｃｍ2から約１０14Ｗ／ｃｍ2の範囲内である加工物のピーク強度。
【０２３８】
少なくとも約１０9Ｗ／ｃｍ2、又は約１０10Ｗ／ｃｍ2から約１０12Ｗ／ｃｍ2の範囲内である加工物のピーク強度。
【０２３９】
高い繰返し率、例えば約１ＭＨｚから約１ＧＨｚの範囲内の率による加工を実現できるピーク強度。
【０２４０】
様々な複合材料に対して、加工物のパワー密度は、複合材料内の材料のアブレーション閾値より大きくすることができ、アブレーション閾値は、約１０9Ｗ／ｃｍ2、例えば約１ＴＷ／ｃｍ2より大きくすることができる。
【０２４１】
パルス持続時間は、約１００フェムト秒から約１０ピコ秒の範囲内とすることができる。
【０２４２】
パルス持続時間は、約１００フェムト秒、約５００フェムト秒、約１ピコ秒、又は約１０ピコ秒とすることができる。
【０２４３】
隣接するスポット間の空間的重複（１／ｅ2）は、少なくとも約５０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９８％、又は少なくとも約９９％とすることができる。
【０２４４】
複合材料加工物の厚さは、約１０００μｍ未満、約５００μｍ未満、約４００μｍ未満、約３００μｍ未満、約２００μｍ未満、又は約１００μｍ未満とすることができる。複合材料は、ガラス及びエポキシ樹脂を含むことができる。
【０２４５】
実施例が開示され、約１μｍから約１．５μｍの範囲内の近ＩＲ波長が、上述した優れた結果を実現し（例えば、より長いパルスによる加工と比較）、現在市販のファイバレーザベースのシステムによって実施することができる。
【０２４６】
多材料加工の幾つかの実施例では、適用分野が要求する場合、ナノ秒ＵＶレーザを含む他のレーザと組み合わせて、極短パルスレーザ（例えば、フェムト秒レーザ）を利用することができる。
【０２４７】
幾つかの実施例では、高調波で生成された可視又は近ＵＶレーザパルスをもたらす極短パルスレーザベースのシステムを利用することができる。例えば、Ｌａｉの米国特許第６，２１０，４０１号は、有機材料のアブレーションのためのピコ秒ＵＶパルスの生成を開示しているだけでなく、開示の構成が、回路修理、マスク製作及び修理、並びに回路の直書きの分野で超小型電子技術に適用するのに有用になる可能性もあることも提案している。本明細書の教示によれば、極短ファイバベースのレーザシステムは、様々な適用要件を満たすように短い波長に高調波で変換される基本波長に適した光源を提供することができる。
【０２４８】
本明細書に記載の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、図表、写真、図、並びに加工及び／又は動作パラメータ（例えば、値及び／若しくは範囲）は、開示のシステム及び方法の動作条件を例示するものであり、本明細書に開示の方法及びシステムの様々な実施例に対する動作条件の範囲を限定するものではない。さらに、本明細書に開示の実験、実験データ、計算データ、表、グラフ、図表、写真、図、及び他のデータは、開示のシステム及び方法の実施例が１つ以上の所望の結果をもたらすように効果的に動作できる様々な体系を実証する。そのような動作体系及び所望の結果は、例えば表、グラフ、図表、図、又は写真に示した動作パラメータ、条件、又は結果の特有の値だけに限定されるものではなく、これらの特有の値を含み又はこれらの特有の値に及ぶ適切な範囲を含む。従って、本明細書に開示の値は、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の値のいずれかの間の値の範囲を含む。さらに、本明細書に開示の値は、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の他の値によって実証できるとき、表、グラフ、図表、図、写真などに記載又は図示の値のいずれかを上回る又は下回る値の範囲を含む。また、本明細書に開示のデータは、特定の実施例に対する１つ若しくは複数の有効動作範囲、及び／又は１つ若しくは複数の所望の結果を確立できるが、全ての実施例がそのようなそれぞれの動作範囲内で動作可能である必要はなく、又はそのようなそれぞれの所望の結果をもたらす必要もないことを理解されたい。さらに、開示のシステム及び方法の他の実施例は、他の動作体系で動作することができ、及び／又は本明細書の例示的な実験、実験データ、表、グラフ、図表、写真、図、及び他のデータを参照して図示及び記載したもの以外の結果をもたらすことができる。
【０２４９】
他の実装形態では、他のシステム、設備、及びパラメータを使用することもでき、それにより同じ又は異なる結果を提供することができる。多くの変形形態が可能であり、これらは本開示の範囲内であることが企図される。膜、層、構成要素、フィーチャ、構造、及び／又は素子を追加、除去、組合せ、又は再構成することができる。さらに、プロセス又は方法ステップを追加、除去、又は並べ替えることもできる。いかなる単一のフィーチャ若しくはステップ、又はフィーチャ群若しくはステップ群も、各実施例にとって不可欠又は必須というわけではない。
【０２５０】
本明細書に開示の方法の特定の加工ステップ又は行為は、ハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェア内で実施することができ、これらは、１つ以上の浮動小数点ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び／又は任意の他の適切な処理デバイスを含む１つ以上の汎用及び／又は特殊目的のコンピュータ、処理装置、又は制御装置によって実行することができる。特定の実施例では、制御装置又は制御手段によって提供される１つ以上の機能は、１つ以上の処理デバイスによって実行可能なソフトウェア、命令、論理回路、及び／又はモジュールとして実施することができる。幾つかの実施例では、ソフトウェア、命令、論理回路、及び／又はモジュールは、物理的記憶デバイス上で実施される記憶媒体及び／又は情報の転送を容易にする通信媒体を含むコンピュータ可読媒体上に記憶することができる。様々な実施例では、開示の方法のステップ又は行為の幾つか又は全ては、１つ以上の処理デバイスによって自動的に実行することができる。多くの変形形態が可能である。
【０２５１】
本開示の目的で、特定の態様、利点、及び新規な特徴について、本明細書に説明する。そのような利点の必ずしも全てを、あらゆる特定の実施例で実現できるわけではないことを理解されたい。従って、例えば、本明細書に教示又は示唆される他の利点を必ずしも実現する必要なく、本明細書に教示の１つの利点又は１群の利点を実現するようにシステム及び方法を実現又は実施できることが、当業者には理解されるであろう。さらに、実施例は幾つかの新規な特徴を含むことができるが、そのいずれも、実施例の所望の属性に対する責任を単独で負うものではなく、又は本明細書に記載のシステム及び方法を実施するのに不可欠というわけではない。さらに、本明細書に開示のどの方法又はプロセスでも、方法又はプロセスの行為又は動作は、任意の適切な順序で実行することができ、どの特定の開示の順序にも必ずしも限定されるものではない。
【０２５２】
とりわけ「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「できる（ｍｉｇｈｔ）」、「できる（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」などの本明細書で使用される条件言語は通常、別段の指定がない限り、又は使用される文脈内でその他の形で理解されない限り、特定の実施例が特定の特徴、要素、及び／又はステップを含むが、他の実施例は含まないことを伝えるものである。従って、そのような条件言語は通常、特徴、要素、及び／若しくはステップが１つ若しくは複数の実施例に必ず必要とされることを示唆するものではなく、又は１つ若しくは複数の実施例が、著者入力の有無にかかわらず、これらの特徴、要素、及び／若しくはステップが何らかの特定の実施例に含まれるかどうか若しくは実行すべきかどうかを決定する論理回路を必ず含むことを示唆するものでもない。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などの用語は同義であり、包括的に非制限に使用され、追加の要素、特徴、行為、動作などを除外しない。また、「又は（ｏｒ）」という用語は、包括的に（且つ非排他的に）使用され、従って、例えば要素のリストをつなぐために使用されるとき、「又は」という用語は、リスト内の要素の１つ、幾つか、又は全てを意味する。
【０２５３】
本明細書に開示の本発明の特定の実施例について説明したが、これらの実施例は、例示のみを目的として提示され、本明細書に開示の本発明の範囲を限定するものではない。本開示全体にわたって、「幾つかの実施例」、「一実施例」等への参照は、その実施例に関連して記載の特定の特徴、構造、ステップ、プロセス、又は特性が少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。従って、本開示全体にわたって、「幾つかの実施例では」、「一実施例では」などの語句の記載は、必ずしも全て同じ実施例を参照しているわけではなく、同じ又は異なる実施例のうちの１つ以上を参照していることがある。実際には、本明細書に記載の新規な方法及びシステムは様々な他の形式で実施することができ、さらに、本明細書に開示の本発明の精神から逸脱することなく、本明細書に記載の方法及びシステムの形式に様々な省略、置換え、等価物、及び変更を加えることができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【国際調査報告】
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