(57)【要約】【課題】高繰り返し周波数のパルスレーザから要求に応じてレーザパルスを捕獲する装置及び方法を提供する。【解決手段】レーザビームスイッチングシステム（５０）は、第１のビーム位置決めヘッド（６０）が、工作物のターゲット位置を加工するためにレーザビームを指向しつつ、第２のビーム位置決めヘッド（５２）が別のターゲット位置に移動する、又はその逆を行うようにレーザビームを第１及び第２のビーム位置決めヘッド間で切り替えを行うレーザビームスイッチングングデバイス（５８）に結合されたレーザ（５２）を使用する。好ましいレーザビームスイッチングングデバイスは第１及び第２のＡＯＭを含む。【選択図】図５
2008521615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連のレーザパルスを含むレーザビームを放射するレーザ源と、
前記一連のレーザパルスを受け取るビームスイッチングデバイスであってビームスイッチング信号に応答して、第１及び第２のグループの前記レーザビームパルスを第１及び第２のビーム軸線の各々に沿って伝播させるために方向付けるビームスイッチングデバイスと、
前記ターゲット標本の第１のターゲット領域で前記第１のビーム軸線を選択的に位置決めするために、また前記ターゲット標本の前記第１のターゲット領域で材料を加工するために前記第１のビーム軸線及び前記ターゲット標本の相対運動を提供するための、第１の制御信号に応答する第１の位置決め機構と、
前記ターゲット標本の第２のターゲット領域で前記第２のビーム軸線を選択的に位置決めするために、また前記ターゲット標本の前記第２のターゲット領域で材料を加工するために前記第２のビーム軸線及び前記ターゲット標本の相対運動を提供するための、第２の制御信号に応答する第２の位置決め機構と、
第１及び第２の動作シーケンスで調整システム動作を行うために前記ビームスイッチング信号及び前記第１及び第２の制御信号を生成するコントローラとを含み、
前記第１の動作シーケンスは前記第１のターゲット領域から選択したターゲット領域に入射させる前記第１のグループのレーザビームパルスを方向付ける前記ビームスイッチングデバイスを含み、前記第１の位置決め機構は前記第１のグループのレーザパルスが前記選択した第１のターゲット領域で材料を加工できるようにするための前記相対運動を提供しており、前記第１のグループのレーザパルスによって前記材料が加工される間に、前記第２の位置決め機構は前記第２のビーム軸線を前記第２のターゲット領域から選択したターゲット領域に位置付けるための前記相対運動を提供し、
前記第２の動作シーケンスは前記選択した第２のターゲット領域に入射させる前記第２のグループのレーザビームパルスを方向付ける前記ビームスイッチングデバイスを含み、前記第２の位置決め機構は前記第２のグループのレーザパルスが前記選択した第２のターゲット領域で材料を加工できるようにするための前記相対運動を提供し、前記第２のグループのレーザパルスによって前記材料が加工される間に、前記第１の位置決め機構は前記第１のビーム軸線を前記選択した第１のターゲット領域から前記第１のターゲット領域の次に選択したターゲット領域に位置付けるための前記相対運動を提供する、ターゲット標本の異なる領域における材料の高速加工を行うためにレーザビームを多重ビーム伝播方向に選択的に方向付けるためのシステム。
【請求項２】
第１及び第２の状態において制御駆動信号を生成するコントローラと、
光学的に関連した第１及び第２の音響光学変調器とを含み、
前記第１の音響光学変調器は入来レーザビームを受け取り、また前記第１及び第２の音響光学変調器は前記制御駆動信号の前記第１及び第２の状態に応答して前記第２の音響光学変調器から伝搬する第１及び第２のレーザビーム出力の各々を生成するために協働し、
前記第１のレーザビーム出力は第１のビーム軸線に沿って伝搬する主要成分及び第１の副次的成分軸線に沿って伝搬する副次的成分を含み、前記第２のレーザビーム出力は前記第１のビーム軸線から角度的にずれている第２のビーム軸線に沿って伝搬する主要成分及び前記第１の副次的成分軸線に実質的に一致する第２の副次的成分軸線に沿って伝搬する副次的成分を含む、レーザビームを受け取りかつ異なるビーム軸線に沿って選択的に伝搬するビーム出力を提供するビームスイッチングデバイス。
【請求項３】
前記第１及び第２の副次的成分軸線に沿って伝搬する前記副次的成分を終了させるために配置されるビーム遮断器を含む、請求項２に記載のビームスイッチングデバイス。
【請求項４】
前記コントローラは、前記第１及び第２の音響光学変調器の各々に光学的に関連した第１及び第２のＲＦドライバを含み、
前記制御信号の前記第１の状態において、前記第１のＲＦドライバは前記第１の音響光学変調器が前記入来レーザビームを不偏向ビームとして前記第２の音響光学変調器に入射するようにしており、前記第２のＲＦドライバは前記第２の音響光学変調器が前記第１のビーム軸線に沿って伝搬する前記主要成分及び前記第１の副次的成分軸線に沿って伝搬する前記副次的成分を形成するために入射する前記不偏向ビームを回折するようにする、請求項２に記載のビームスイッチングデバイス。
【請求項５】
前記コントローラは、前記第１及び第２の音響光学変調器の各々に光学的に関連した第１及び第２のＲＦドライバを含み、
前記制御信号の前記第２の状態において、前記第２のＲＦドライバは前記第２の音響光学変調器が入射光を不偏向ビームとして送るようにしており、前記第１のＲＦドライバは前記第１の音響光学変調器が前記第２のビーム軸線に沿って伝搬する前記主要成分及び前記第２の副次的成分軸線に沿って伝搬する前記副次的成分を形成するために前記入来レーザビームを回折するようにする、請求項２に記載のビームスイッチングデバイス。
【請求項６】
前記第１及び第２の音響光学変調器は光学的に直列に配置される、請求項２に記載のビームスイッチングデバイス。
【請求項７】
第１及び第２の伝搬路部分の各々を伝搬する、光学特性によって特徴付けされる第１及び第２のレーザビーム成分と、
前記第１及び第２のレーザビーム成分の前記光学特性の状態に相対変化を与えるために、また前記第１及び第２のレーザビーム成分が伝搬する共通の伝搬路部分に前記第１及び第２の伝搬路部分を結合するために協働する１セットの光学要素と、
ビーム成形された第１及び第２のレーザビーム成分を形成するために前記共通の伝搬路部分に沿って配置される画像光学機器組立体であって前記第１及び第２のレーザビーム成分の光エネルギーの空間分布を成形する画像光学機器組立体と、
前記共通の伝搬路部分に沿って伝搬する前記ビーム成形された第１及び第２のレーザビーム成分を受け取るビームスプリッタであって第１及び第２の出力路部分に沿う伝搬に対する前記光学特性の各状態にしたがって前記第１及び第２のレーザビーム成分を方向付けるために配置されるビームスプリッタとを含む、低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項８】
前記光学特性は位相であり、前記光学特性の前記状態における前記相対変化は前記第１及び第２のビーム成分間の位相変位における変化である、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム
【請求項９】
前記１セットの光学要素は、前記第１及び第２の伝搬路部分の１つに配置される位相変化デバイスと、前記第１及び第２の伝搬路部分を前記共通の伝搬路部分に結合するために配置される偏光ビーム結合器とを含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１０】
前記位相変化デバイスは半波板を含む、請求項９に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１１】
前記第１及び第２の伝搬路部分の各々に沿って順次伝搬する前記第１及び第２のレーザビーム成分を前記制御信号に応答して提供する２つの光学的に関連した音響光学変調器を含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１２】
前記２つの光学的に関連した音響光学変調器は光学的に直列に配置される、請求項１１に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１３】
前記ビームスプリッタは前記ビーム成形された第１及び第２のレーザビーム成分を偏光状態にしたがって方向付ける偏光ビームスプリッタを含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１４】
前記画像光学機器組立体によって光エネルギーの空間的分布を成形することは一様な空間分布を生じる、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１５】
前記第１及び第２の出力路部分に沿って伝搬する前記ビーム成形された第１及び第２のレーザビーム成分のビーム径を設定するために前記共通の伝搬路部分に沿って前記画像光学機器組立体及び前記偏光ビームスプリッタ間に配置されたビーム拡大器を含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１６】
前記ビーム拡大器は可変ビーム拡大型である、請求項１５に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１７】
前記ビーム成形された第１及び第２のレーザビーム成分に光学的に関連した第１及び第２のビーム位置決め機構を含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１８】
所望の光エネルギー空間分布及び直径を有する光ビームを前記画像光学機器組立体の入射用に設定するために前記第１及び第２のレーザビーム成分に光学的に関連したビーム拡大器を含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項１９】
前記所望の光エネルギー空間分布はガウス分布形状を有する、請求項１８に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項２０】
前記第１及び第２のレーザビーム成分の各々は異なるビーム拡大器に光学的に関連した別個のレーザ源から伝搬する、請求項１８に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項２１】
前記第１及び第２のレーザビーム成分は１つのレーザ源によって放射されかつ前記１つのビーム拡大器を伝搬する出力ビームから得られる、請求項１８に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項２２】
入射レーザビームを受け取るビームスイッチングデバイスであって前記第１及び第２の伝搬路部分に沿って伝搬する前記第１及び第２のレーザ成分を順次形成するために前記レーザビームを制御信号に応答して選択的に方向付けるビームスイッチングデバイスを含む、請求項７に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項２３】
所望の光エネルギー空間分布及び直径を有する前記第１及び第２のビーム成分を前記画像光学機器組立体の入射用に設定するための前記ビームスイッチングデバイスに前記レーザビームを入射する前に前記レーザビームを受け取るために配置されるビーム拡大器を含む、請求項２２に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項２４】
前記所望の光エネルギー空間分布はガウス分布形状を有する、請求項２３に記載の低価小型レーザスイッチングシステム。
【請求項２５】
多重出力ビームを発生させるための多重出力カプラで構成されるレーザであって、
Ｑ値によって特徴付けられるレーザ共鳴器内に存在するレーザ媒体に光学的に関連した励起源であって前記レーザ媒体のレーザゲインを刺激するために励起光を提供する励起源と、
前記レーザ共鳴器内に配置されたＱスイッチであって前記レーザ共鳴器の高Ｑ状態及び低Ｑ状態を選択的に生成するＱスイッチ駆動信号に応答して前記レーザ共鳴器の前記Ｑ値を変化させるために動作するＱスイッチと、
前記レーザ共鳴器内に配置される可変光学位相差板であって光学位相差板駆動信号に応答して光放射パルスのビームに選択した光学遅延量を与える可変光学位相差板と、
偏光状態で変調された前記光放射パルスを受け取る偏光感応ビームスプリッタ及び第１及び第２の空洞内受光面であって前記可変光学位相差板によって前記光放射パルスに与えられる前記選択した遅延量にしたがって、第１及び第２の出力カプラを通して前記偏光状態で変調された前記光放射パルスを方向付けるために協働する、偏光感応ビームスプリッタ及び第１及び第２の空洞内受光面とを含み、
前記高Ｑ状態及び低Ｑ状態は光偏光状態によって特徴付けされる多重時間変位光放射パルスを生成しており、前記可変光学位相差板によって与えられる前記選択した光学遅延量は前記偏光状態で変調された光放射パルスを生成するために前記ビームの前記光放射パルスを選択的に変化させる、レーザ。
【請求項２６】
前記光学位相差板駆動信号は前記可変光学位相差板が前記選択した光学遅延量の代わりに半波長差を与えるようにする、請求項２５に記載のレーザ。
【請求項２７】
前記選択した光学遅延量の１つは１／４波長の倍数を示し、前記偏光状態で変調された光放射パルスは前記第１及び第２の出力カプラを通して同時に伝搬する、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項２８】
前記選択した光学遅延量の１つは１／２波長の倍数を示し、前記偏光状態で変調された光放射パルスは前記第１及び第２の出力カプラのいずれかを通して所定時間で伝搬する、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項２９】
前記多重時間変位光放射パルスの前記ビームは第１のビームを構成し、前記第１及び第２の高調波長発生器と、前記第１のビームと光偏光状態によって特徴付けられる多重時間変位光放射パルスを有する第２のビームとを生成するために前記レーザ媒体に光学的に関連した、前記レーザ共鳴器内に配置された光遅延デバイスとを含み、前記第１及び第２のビームは高調波的に関連した波長を有し、
前記第１及び第２の出力カプラは各々、前記第１及び第２の光ビームの一方を反射し、その他方を伝送する第１及び第２のダイクロイックミラーを含み、
前記光学遅延デバイスは遅延量に設定され、
前記選択した光学遅延量及び前記設定された遅延量は各々、第１及び第２の正味の光偏光状態における前記第１及び第２のビームの１つを前記第１及び第２の出力カプラの１つから反射させ、前記第１及び第２の正味の光偏光状態における前記第１及び第２のビームの他方を前記第１及び第２の出力カプラの前記他方を通過させるために協働する、請求項２５に記載のレーザ。
【請求項３０】
前記レーザ空洞内に配置される第３及び第４のダイクロイックミラーであって前記レーザ媒体によって増幅用に前記第１及び第２の光ビームの前記反射された光ビームの前記波長の光を反射するために形成される第３及び第４のダイクロイックミラーを含む、請求項２９に記載のレーザ。
【請求項３１】
前記多重時間変位光放射パルスの前記ビームは第１のビームを構成しており、
前記第１及び第２の高調波長発生器と、前記第１のビームと光偏光状態によって特徴付けられる多重時間変位光放射パルスを有する第２のビームを生成するために前記レーザ媒体に光学的に関連した、前記レーザ共鳴器内に配置された光位相差デバイスとを含み、前記第１及び第２のビームは高調波的に関連した波長を有し、
前記第１及び第２の出力カプラは各々、前記第１及び第２の光ビームの一方を反射し、その他方を伝送する第１及び第２のダイクロイックミラーを含み、
前記光学位相差デバイスは遅延量に設定され、
前記選択した光学遅延量及び前記設定された遅延量は各々、第１及び第２の正味の光偏光状態における前記第１及び第２のビームの１つを前記第１及び第２の出力カプラの１つから反射させ、前記第１及び第２の正味の光偏光状態における前記第１及び第２のビームの他方を前記第１及び第２の出力カプラの前記１つを通過させるために協働する、請求項２５に記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は２００４年１１月２９日付け提出の米国出願第１１／０００，３３０号の一部継続出願であり、かつ２００３年６月３０日付け提出の米国出願第１０／６１１，７９８号の一部継続出願である２００４年１１月２９日付け提出の米国出願第１１／０００，３３３号の一部継続出願である。
【０００２】
技術分野
本発明はレーザに関し、詳細には、ビーム路の１つが使用されると共に、別のビーム路が別の工作物を加工するために位置付けられるように、２以上のビーム路間で単一のレーザビームを交互にスイッチングを行う（切り替える）ことによって、工作物加工処理量を増大させるための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザは、種々の電子材料及び基板を検査、処理及び微細加工することを含む、研究、開発及び産業上の活動において広く使用される。例えば、動的ランダムアクセスメモリ（「ＤＲＡＭ」）を修正するために、レーザパルスは、ＤＲＡＭデバイスから不良メモリセルを切り離するために電気伝導性のリンクを切断し、そしてその不良メモリセルを取り替えるための予備のメモリセルを動作させるために使用される。リンクからの除去を必要とする不良メモリセルは無秩序に配置されているので、切断される必要があるリンクは無秩序に配置されている。したがって、レーザリンクの修復工程の間に、レーザパルスは任意パルス間隔で出力される。換言すると、レーザパルスは一定ＰＲＦでなく広い可変範囲のパルス繰り返し周波数（「ＰＲＦ」）で稼働している。産業上の工程がより大きい生産処理量を達成するためには、レーザパルスはレーザビーム走査機構を停止することなく、ターゲットリンクで出力される。この生産技術は「オンザフライ」（「ＯＴＦ」）リンク加工と産業上、称される。他の共通レーザ適用例は、レーザパルスが任意の時間に必要とされるときにのみ出力されるレーザパルスを使用する。
【０００４】
しかし、１パルス当たりのレーザエネルギーはＰＲＦを増大させることにより一般的に減少し、一方、レーザパルス幅は、Ｑスイッチ固体レーザに特に当てはまるＰＲＦ１特性を増大させることにより増加する。多くのレーザ適用例は要求に応じて不規則に時間変位されたレーザパルスを要求するが、これらの適用例もまた、１パルス当たりのレーザエネルギー及びパルス幅は実質的に一定に維持される。メモリ又は他のＩＣチップのリンク加工処理に対して、不十分なエネルギーは不完全なリンク切断になり、一方、多すぎるレーザエネルギーはパッシベーション構造又はシリコン基板に許容できないダメージを引き起こす。レーザエネルギーの許容範囲はしばしば、「プロセスウインドウ」と称される。多くの実用ＩＣデバイスでは、プロセスウインドウはレーザエネルギーが選択パルスエネルギー値から５％未満で変動することを要求する。
【０００５】
プロセスウインドウ内での作業を確実にするために、又はプロセスウインドウを拡大するために様々なアプローチが採られている。例えば、本特許出願の譲受人に譲渡される、「レーザ生成物質（ｌａｓａｎｔｓ）内で高密度の励起イオンを発生させて使用する方法及び装置」に関する米国特許第５，５９０，１４１号はＰＲＦの関数として軽減したパルスエネルギー降下を発揮し、ゆえにより高い使用可能なＰＲＦを発揮するレーザ生成物質を有する固体レーザを記載する。したがって、かかるレーザは、最大値未満で動作させると、より安定したパルスエネルギーレベルを発生させることができる。
【０００６】
また、本特許出願の譲受人に譲渡される、「多材料多層デバイスの１又はそれ以上の材料からなるターゲット構造を選択的にレーザ加工するためのシステム及び方法」に関する米国特許第５，２６５，１１４号は、プロセス中にレーザパルスエネルギーのより広い変動を許容するためにリンクプロセスウインドウを拡大するためにより長いレーザ波長、例えば１３２０ナノメートル（「ｎｍ」）を使用することを記載する。
【０００７】
「出力パワー安定用レーザ励起制御」に関する米国特許第５，２２６，０５１号は、励起ダイオードの電流を制御することによってレーザパルスエネルギーを等化する技術を記載する。この技術は約２５ＫＨｚ又は３０ＫＨｚ以下のレーザＰＲＦを使用する実用化例において功を奏する。
【０００８】
上記レーザ加工適用例は一般的に、約２５ＫＨｚ又は３０ＫＨｚを越えないＰＲＦで稼働する、１０４７ｎｍから１３４２ｎｍの波長を有する赤外線（「ＩＲ」）レーザを使用する。しかし、生産ニーズはより高い処理量を要求し、レーザは約２５ＫＨｚよりもっと高い、例えば５０〜６０ＫＨｚ以上のＰＲＦで動作させることができなければならない。また、多くのレーザ加工適用例は、一般的に約４００ｎｍ未満の紫外（「ＵＶ」）エネルギー波長を使用することによって改良される。かかるＵＶ波長はＩＲレーザをそのＩＲレーザの第２、第３又は第４高調波を活性化する高調波発生プロセスに付することによって発生できる。残念ながら、高調波発生の性質により、かかるＵＶレーザのパルス対パルスエネルギーレベルは、ＰＲＦの時間変動及びレーザパルス間隔に特に敏感である。
【０００９】
また、本特許出願の譲受人に譲渡される、「レーザ加工パワー出力安定装置及び加工位置のフィードバックを行う方法」に関する米国特許第６，１７２，３２５号は、レーザパルス間隔の倍数である不規則時間間隔で、要求に応じて、レーザパルス捕獲を行うための位置フィードバック制御レーザパルス捕獲又は開閉制御デバイスに関連して一定の高繰り返し周波数でレーザを動作させる技術を記載する。この技術は良好なパルスエネルギー安定性及び高処理量を提供する。
【００１０】
典型的なレーザパルス捕獲又は開閉制御デバイスは、ポッケルセルと呼ばれる、音響光学変調器(「ＡＯＭ」)及び電子光学変調器(「ＥＯＭ」)を含む。典型的なＥＯＭ材料、例えばＫＤ*ＰまたはＫＤＰは、ＵＶ波長の比較的強い吸収の被害を受け、使用周波数での材料のより低い閾値及び開閉制御デバイス内のレーザビーム路に沿って位置決めされた光学デバイスの局所加熱を生じ、それによって半波長遅延を行うための変調器によって要求される電圧変化を生じさせる。ＥＯＭの別の不利な点は、５０ＫＨｚを超える繰り返し周波数で十分機能する能力が疑わしいことである。
【００１１】
ＡＯＭ材料は、他方では、２５０ｎｍのＵＶから２０００ｎｍのＩＲまで、非常に高い透過性を有し、それによって、ＡＯＭはその範囲内で典型的なレーザ波長全体を通して十分機能できる。ＡＯＭも、数百ＫＨｚまでの繰り返し周波数でパルスの望ましい開閉制御を容易に調節できる。ＡＯＭの１つの利点は約７５〜９０％の制限回折効率を有することにある。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５，５９０，１４１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２６５，１１４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２２６，０５１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１７２，３２５号明細書
【００１３】
図1は、無線周波数(「ＲＦ」)ドライバ１２によって駆動され、レーザパルス捕獲又は開閉制御適用に使用される典型的な先行技術に係るＡＯＭ１０を示し、また図２Ａ〜図２Ｄ（総称して図２）は、入来レーザパルス１４、ＡＯＭのＲＦパルス１５及びＡＯＭ出力パルス１６、２０に対して対応する先行技術のタイミンググラフを示す。図２Ａはレーザ（図示せず）によって放射されかつＡＯＭ１０に伝搬される一定の繰り返し周波数レーザパルス１４ａ〜１４ｋを示す。図２Ｂは、対応する期間２２ａ〜２２ｋに生起するレーザパルス２２ａ〜２２ｋのうちのいずれをターゲットに対して伝搬するかを選択するためにＡＯＭ１０にＲＦパルスを印加するための２個の模範的なスキームを示す。第１のスキームにおいて、単一のＲＦパルス１５ｃｄｅ（点線で示される）はレーザパルス１４ｃ、１４ｄ及び１４ｅに対応する期間２２ｃ〜２２ｅを包含するために延長され、第２のスキームにおいて、分離ＲＦパルス１５ｃ、１５ｄ及び１５ｅはレーザパルス１４ｃ、１４ｄ及び１４ｅの各期間２２ｃ、２２ｄ及び２２ｅを個別に包含するために発生される。図２Ｃ及び図２Ｄは各々、ＡＯＭ１０に印加されるＲＦパルス１５の有無によって決定されるように、ＡＯＭ１０から伝搬される１次ビーム２０及び０次ビーム１６を示す。
【００１４】
図１、２を参照して、ＡＯＭ１０はＲＦドライバ１２によって駆動される。ＲＦパルス１５がＡＯＭ１０に印加されない場合、入来レーザパルス１４はそれらの元のビーム路に実質的に沿ってＡＯＭ１０を通過し、０次ビーム１６として一般的に呼ばれるビーム１６として出て行く。ＲＦパルス１５はＡＯＭ１０に印加される場合、入来レーザパルス１４のエネルギーの一部分は０次ビーム１６の経路から１次ビーム２０の経路に偏向される。ＡＯＭ１０は１次ビーム２０の入来レーザパルス１４に対する入来レーザパルス１４のレーザエネルギーの比として定義される回折効率を有する。異なる適用条件次第で、１次ビーム２０又は０次ビーム１６のいずれかは加工ビームとして使用できる。簡易化のために、ＡＯＭ１０に入力するレーザパルス１４は、以降、「レーザパルス」又は「レーザ出力」として参照され、ターゲットに供給されるパルスは「加工レーザパルス」又は「加工レーザ出力」として参照される。なぜなら、それらはＡＯＭ１０によって捕獲されるからである。
【００１５】
１次ビームが加工ビームとして使用される場合、ＲＦパワーがその最大パワーから実質的にゼロに変化するにつれて、加工レーザパルスのエネルギーはその最大値である１００％パワーから実質的にゼロに動的に制御できる。許容最大ＲＦパワー下でのＡＯＭ１０の実用的な回折効率は約７５％〜９０％であるので、加工レーザパルスの最大エネルギー値はレーザからのレーザパルスエネルギーの約７５〜９０％である。しかし、０次ビーム１６が加工ビームとして使用される場合、ＲＦパワーが実質的にゼロからその最大パワーに変化するにつれて、加工レーザパルスのエネルギーは、レーザからのレーザパルスエネルギーの最大値の１００％からその最大値の１５〜２０％まで動的に制御できる。例えば、メモリリンク加工に対して、加工レーザパルスが要求に応じていない場合、システムレーザパルスエネルギーの漏れは許容されない。すなわち、加工レーザパルスエネルギーは、１次レーザビーム２０が加工ビームとして使用されるようにゼロになる。
【００１６】
再度、図２に関して、ＲＦパルス１５は不規則な時間間隔でＡＯＭ１０に印加され、加工レーザパルスが要求されるときのみ、不規則な整数倍のレーザパルス間隔でＡＯＭ１０に印加される。加工レーザパルスの不規則な出力はＡＯＭ１０に対する不規則に変動する熱的負荷を生じる。変動する熱的負荷によって、ＡＯＭ１０内に幾何的な歪み及び温度勾配を生じ、その屈折率に勾配を生じさせる。熱的負荷を与えることの結果によって、ＡＯＭ１０を通過するレーザビームは歪められ、レーザビームの品質劣化及びレーザビーム路における不安定性又はビーム位置決め精度の不良を生じる。これらの歪みは、それらが一定に維持されるのであれば、ある程度補正され得る。しかし、システムレーザパルスが例えばレーザリンク加工において不規則に要求される場合、これらの歪みは同じ不規則性を持ち、実際には補正され得ない。
【００１７】
ＡＯＭデバイス、例えばフロリダ州メルボルンのネオステクノロジー社によって製造されるモデルＮ２３０８０−２−１．０６−ＬＴＤに対する試験結果は、わずか２ＷのＲＦパワーの場合、レーザビーム位置決め精度はＡＯＭ１０へのＲＦパワーが不規則で断続的に適用されるとき、１ミリラジアンも逸脱し得ることを示した。この逸脱は典型的なメモリリンク加工システムに許容される最大値より数百倍大きい。ＡＯＭ１０への不規則な熱的負荷によるレーザビーム品質の歪みも、レーザビームの焦点可能性を低下させ、その結果より大きいビームスポットサイズを焦点に生じる。レーザビームスポットサイズをできるだけ小さくなるように要求する適用例、例えばメモリリンク加工には、この歪みは極めて望ましくない。
【００１８】
したがって、必要なものは、ＡＯＭに対する不規則な熱的負荷変動による、レーザビーム品質及び位置決め精度に対して歪みを引き起こすことなく、高繰り返し周波数レーザパルス列から不規則に加工レーザパルスを捕獲する装置及び方法である。さらに必要なものは、要求に応じて、及び／又はオンザフライで、メモリチップのレーザリンク加工を含む、幅広いレーザ適用例、例えば分光器適用、バイオテクノロジー適用、又は微細加工適用に対して広範な異なるパルス時間間隔で高ＰＲＦかつ高精度でパルス毎に一定のレーザエネルギー及び一定のパルス幅を有する加工レーザパルスを発生させる装置及び方法である。また、必要なものは、加工レーザパルスを利用する、効率的な高い処理量の装置及び方法である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、本発明の目的は、高繰り返し周波数のパルスレーザから要求に応じてレーザパルスを捕獲する装置及び方法を提供することである。
【００２０】
以下に、本発明のいくつかの利点を示す。本発明の実施例は、レーザビーム及び位置決め精度の歪みを最小限にするためにかかるパルス捕獲をＡＯＭに掛かる最小限の熱的負荷変動で行う。その実施例は、ＵＶから近ＩＲの選択波長で高精度のレーザ加工適用例、例えばメモリリンク切断用の高ＰＲＦで安定的なパルスエネルギー及び安定的なパルス幅を有する、システム要求レーザパルスを発生させる装置及び方法を含む。本発明の実施例は、効率的な、高処理量の、加工レーザパルスを利用する装置及び方法を提供する。
【００２１】
本発明の工作物加工システムは、第１のビーム位置決めヘッドが第１の工作物を加工するためにレーザビームを方向付けるとき、第２のビーム位置決めヘッドが第２の工作物の次のターゲット位置又は第１の工作物上の第２のセットの位置に移動するようにレーザビーム又はレーザパルスに第１及び第２のビーム位置決めヘッド間で切替えさせるビームスイッチングデバイスに結合されたレーザを使用する。第１のビーム位置決めヘッドは第１の工作物加工を完了し、第２のビーム位置決めヘッドがそのターゲット位置に到達するとき、ビームスイッチングデバイスはビームを第２のレーザ位置決めヘッドに切り替えさせ、次に、第２のビーム位置決めヘッドはレーザビームを第２の工作物上のターゲット位置に方向付けると共に、第１のビーム位置決めヘッドはその次のターゲット位置に移動する。
【００２２】
本発明のレーザビームスイッチングシステムの利点は第１及び第２の工作物が加工用のレーザビームの全パワーのほとんどを受け取る。レーザビームの総時間利用は加工対移動時間比によって、ほぼ２倍に増大する。これは、システムコストを大きく増大させることなく、システム処理量を増大させる。
【００２３】
好ましいビームスイッチングデバイスは、レーザビーム（又はレーザパルス）が通常、偏向されずにＡＯＭを通過し、ビーム遮断器で終了するように互いに近接して配置される第１及び第２のＡＯＭを含む。ＲＦエネルギーが第１のＡＯＭに印加されるとき、レーザビームの約９０％は第１のレーザビームとして回折され、１０％はビーム遮断器で終了する残留レーザビームとして残る。同様に、ＲＦエネルギーが第２のＡＯＭに印加されるとき、レーザビームの約９０％は第２のレーザビームとして回折され、１０％はビーム遮断器で終了する残留レーザビームとして残る。この実施例において、レーザビームを発生するレーザはその望ましいパルス繰り返し周波数で絶えず稼働する。
【００２４】
ビームスイッチングデバイスを使用することは、レーザの一定の動作がレーザ出力の熱的ドリフトを排除する。また、第１及び第２のＡＯＭを本発明のパルス捕獲方法で動作させることによって、ＡＯＭ内の熱的負荷変動は最小限にされ、それによって、レーザビーム位置決め精度を増大させる。
【００２５】
第１及び第２のＡＯＭをビームスイッチングデバイスとして使用する別の利点はそれらがレーザパワー制御デバイスとして動作でき、典型的なレーザに基づく工作物加工システムにおいて別個のレーザパワーコントローラに対するニーズを排除するということである。パワー制御は、ＡＯＭの応答時間が工作物上の個々のターゲット位置の加工中に切り替えられたレーザビームのレーザパルス振幅をプログラムするために十分高速であるので可能である。典型的なレーザ加工適用例は、レーザビームが形成されているビアの底部に到達するとき、レーザビームパルスエネルギーを軽減することがしばしば必要とされる、エッチング回路基盤に不完全ビア（blind via）を形成することである。
【００２６】
レーザシステムの好ましい実施例はレーザ加工適用例に使用される偏光状態で変調された光放射の２つの出力ビームを提供する空洞内ビーム多重方式を実行する。
【００２７】
本発明の追加の特徴及び利点は、添付図面に関連して記載する以下の好ましい実施例の詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ＡＯＭ、例えば先行技術のＡＯＭ１０における熱的負荷変動は図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃの各々に関連して示されるパルス捕獲及びレーザパワー制御方法を使用することによって軽減できる。図３Ａ〜３Ｃ（総称して、図３）はレーザ出力２４ａ〜２４ｋ（総称して、レーザ出力２４）、先行技術のＡＯＭ１０に印加されるＲＦパルス３８ａ〜３８ｋ（総称して、ＲＦパルス３８）及び加工レーザ出力４０ａ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｉ（総称して、加工レーザ出力４０）の対応タイミンググラフを示す。特に、図３Ａは一定の繰り返し周波数でレーザ（図示せず）によって放射され、実質的に同一のレーザ出力間隔４１によって分離されるレーザ出力２４ａ〜２４ｋを示す。典型的な実施例において、レーザ出力繰り返し周波数は約１ＫＨｚから約５００ＫＨｚまでの範囲にすることができる。模範的なレーザ出力繰り返し周波数は約２５ＫＨｚから約１００ＫＨｚより大きい範囲にある。リンク加工実施例の場合、各加工レーザ出力４０は、多数のナノ秒パルス幅を有する単一のレーザパルスを望ましくは含む。しかし、当業者は、各加工レーザ出力４０は１又はそれ以上のレーザパルスのバーストを含むことができ、その各々は、超短パルス幅、例えば本特許出願の譲受人に譲渡される、「超短パルス幅を有するレーザパルスのバーストでメモリリンクを加工するレーザシステム及び方法」に関する米国特許第６，５７４，２５０号に開示されるような超短パルス幅を有するか、又は約１０ピコ秒から約１，０００ピコ秒の範囲のパルス幅を有する１又はそれ以上のパルスのバーストを有することを認識する。
【００２９】
図３Ｂは、ＡＯＭ１０に対する熱的負荷の変動を所定の動作上の許容範囲に維持させるために実質的に規則的又は均一であるＲＦパルス間隔４３ａ〜４３ｊ（総称して、ＲＦパルス間隔４３）によって分離されるパルス持続期間、例えば４２ａ，４２ｂ（総称して、ＲＦパルス持続期間４２）を有するＲＦパルスを使用するＲＦパルス捕獲スキーム３０の好ましい実施例を示す。かかる許容範囲は特有の熱的負荷ウインドウにすることができるが、所定の許容範囲も又は代替的にスポットサイズ又はビーム位置精度を有するウインドウにすることができる。ある実施例において、熱的負荷変動は、５％以内に維持される及び／又はビームポインティング精度が０．００５ミリラジアン以内に維持される。好ましい実施例では、少なくとも１つのＲＦパルス３８は各レーザ出力２４に一致させるために発生される。
【００３０】
加工レーザ出力４０の１つが、ターゲット、例えば導電性リンク６０に衝突させるために要求されるときは、ＲＦパルス３８の１つは、レーザ出力２４がＡＯＭ１０を通して伝送され、加工レーザ出力４０の要求された１つになるようにレーザ出力２４の１つと同時にＡＯＭ１０に印加される。
【００３１】
図３Ｂにおいて、一致ＲＦパルス３８はＲＦパルス３８ａ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅ，３８ｉである。図３Ｃは結果として生じる対応加工レーザ出力４０ａ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｉである。加工レーザ出力がレーザ出力２４に一致するように要求されないときは、ＲＦパルス３８はレーザ出力２４の対応するものと異なる時間にＡＯＭ１０に印加される。図３Ｂにおいて、不一致ＲＦパルス３８はＲＦパルス３８ｂ，３８ｆ，３８ｇ，３８ｈ，３８ｊ，３８ｋである。図３Ｃは不一致ＲＦパルス３８に一致する加工レーザ出力４０がないことを示す。
【００３２】
不一致ＲＦパルス３８は、約０．５マイクロ秒より長い時間オフセット４４によって、各レーザ出力２４の開始から、好ましくはずれている。当業者は、時間オフセット４４がレーザ出力２４に付随するように示されるが、時間オフセット４４は、レーザ加工出力４０をターゲットにすることを防ぐ十分な時間だけ、レーザ出力２４に交互に先行できることを理解する。したがって、１つの不一致ＲＦパルス３８を囲むＲＦパルス間隔４３（例えば、ＲＦパルス間隔４３ｂ，４３ｈ）は、平均ＲＦパルス間隔４３の全体（例えば、３２ｃ，３２ｄ，３２ｆ，３２ｇ，３２ｊ）より短くすることができ、又は１つの不一致ＲＦパルス３８を囲むＲＦパルス間隔４３（例えば、ＲＦパルス間隔４３ａ，４３ｅ，４３ｉ）は、平均ＲＦパルス間隔４３の全体より長くすることができる。
再び、図３Ｃに関して、加工レーザ出力４０ｃ，４０ｄ間の非衝突間隔４６ｂ及び加工レーザ出力４０ｄ，４０ｅ間の非衝突間隔４６ｃは各々、レーザ出力間隔４１とほぼ同じである。加工レーザ出力４０ａ，４０ｃ間の非衝突間隔４６ａ及び加工レーザ出力４０ｅ，４０ｉ間の非衝突間隔４６ｄは各々、レーザ出力間隔４１のほぼ整数倍である。
【００３３】
当業者は、たとえ、加工レーザ出力４０がほとんどの適用例、例えばリンク加工に対して、望ましくは１次ビーム２０であるとしても、加工レーザ出力４０は、漏れが許容範囲であり、より高い加工レーザ出力パワーが望ましい場合には０次ビーム１６にすることができることを理解する。
【００３４】
好ましい実施例において、一致及び不一致ＲＦパルス３８は、ＲＦパワー値及びＲＦ持続時間の積であるほぼ同じＲＦエネルギーを使用するだけでなく、ほぼ同じＲＦパワー値及びほぼ同じＲＦ持続時間を使用する。
【００３５】
図４Ａ〜図４Ｃ（総称して、図４）は、どのようにＡＯＭ１０が加工レーザ出力４０の出力パワーを制御するために追加的に使用されるかを示す、レーザ出力２４、ＡＯＭ１０に印加されるＲＦパルス３８及び加工レーザ出力４０の対応タイミンググラフを示す。図４Ａは、図３Ａと同じであり、便宜上のためにのみ示される。図４Ｂ及び図４ＣはＲＦパルス３８’及び加工レーザパルス出力４０’を示し、対応ＲＦパルス３８及び加工レーザパルス４０は便宜上点線でそれらに重ねて示される。加工レーザ出力４０’のエネルギー値は、ＲＦパルス３８に対してよりもＲＦパルス３８’に対してＡＯＭ１０へのＲＦパワーを少なく適用することによって減衰される。しかし、ＲＦパルス持続時間４２’は、ＡＯＭ１０に対する熱的負荷を実質的に一定に維持するために、ＲＦパワー値及びＲＦ持続時間の積を実質的に一定に維持するためのＲＦパルス３８に対して使用されるＲＦ持続時間４２を超えるＲＦパルス３８’のために増加される。この技術によって、ＡＯＭ１０の熱的負荷における実質的な変化はなく、加工レーザ出力４０、４０’間の出力パワーの連続に対するオンデマンド選択を可能にする。当業者は、不一致（ｉｎｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ）ＲＦパルス３８のＲＦパワー値及びＲＦ持続時間４２が元の値に維持できる、又は一致（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ）ＲＦパルス３８’のＲＦ負荷変化の特定許容範囲内で変更できることを理解する。
【００３６】
ＲＦパルス持続時間４２’は約１マイクロ秒からレーザ出力間隔４１のおよそ半分、より好ましくはレーザ出力間隔４１の３０％未満から好ましくは選択される。例えば、レーザ繰り返し周波数が５０ＫＨｚであり、レーザ出力間隔４１が２０マイクロ秒であるならば、ＲＦパルス持続時間４２’は１マイクロ秒から１０マイクロ秒までのいずれかにすることができる。最小ＲＦパルス持続時間４２又は４２’はレーザパルスジッタ及びＡＯＭ１０の応答時間によって決定される。レーザ出力２４の中点を囲むＲＦパルス３８、３８’の対応するものから開始することが望ましい。同様に、ＲＦパルス３８、３８’は対応レーザ出力２４の開始から最小ＲＦパルス持続時間の約半分ぐらい遅延すなわちずれることが望ましい。
【００３７】
ＡＯＭ１０に印加されるＲＦパルス３８のＲＦパワーはターゲット加工ニーズを満たすための、加工レーザ出力４０、４０’のエネルギーを制御するために調節でき、一方、ＲＦパルス３８、３８’のＲＦパルス持続時間４２、４２’は実質的に一定のＲＦエネルギーすなわちＲＦパルス３８、３８’のＲＦパワー及び持続時間の算術積を維持するために制御できることを理解される。
【００３８】
工作物加工適用例においてＡＯＭを使用する上述の技術はビーム操作精度及びプロセスウインドウ要件に対処するが、工作物加工処理量及び効率問題を対処していない。工作物加工用に単一のレーザを使用することは、レーザ出力及び工作物ターゲット位置を互いに対して移動する間に、多くの時間及びレーザパワーが消耗されるので、時間的に非効率である。適用のために、例えばエッチングされた回路基盤のビア形成にレーザビームを使用することは、ターゲット位置間でビームを移動させるために必要な時間によって、一般的に５０％だけのレーザビーム利用時間を生じる。ビーム分割することはこの低い時間利用問題を是正しない。従前の作業員は、加工処理量を改善するために多重レーザビームを使用したが、追加のコスト及び浪費レーザパワーは依然として懸案事項である。 
【００３９】
本発明は単一のレーザ工作物加工システムの処理量及び効率を改善する装置及び方法を提供する。本発明において、パルス捕獲技術を使用するＡＯＭは、工作物加工及び効率を改善するためにレーザビームスイッチング又は多重化技術に組み合わせて使用される。
【００４０】
図５及び図６は、レーザビームスイッチングシステム５０と、レーザがオプションの折り畳みミラー５６によってビームスイッチングデバイス５８に反射されるレーザパルス５４を放射する本発明の関連タイミング面とを示す。ビームスイッチングデバイス５８によって、レーザパルス５４は、第１のビーム位置決めヘッド６０がレーザパルス５４に第１の工作物６４のターゲット位置を加工させるとき、第２のビーム位置決めヘッド６２が第２の工作物６６のターゲット位置に移動するように第１のビーム位置決めヘッド６０及び第２のビーム位置決めヘッド６２間で切り替えを行う。レーザパルス５４はビームスイッチングデバイス５８からビーム位置決めヘッド６２にオプションの折畳みミラー６８によって方向付けされる。第１のビーム位置決めヘッド６０が工作物６４の加工を完了するとき、オプションのシャッタ（図示せず）、例えばＱスイッチは図６に示されるように、レーザ５２を停止するか、レーザパルス５４がビーム遮断器（図示せず）に廃棄されるかのいずれかである。第２のビーム位置決めヘッド６２がそのターゲット位置に到達するとき、レーザパルス５４はシャッタによってスイッチングオンにされ、第２のビーム位置決めヘッド６２は、第１のビーム位置決めヘッド６０がその次のターゲット位置に移動する間に、工作物６６のターゲット位置にレーザパルス５４を方向付ける。図６は、間隔Ｐとして工作物加工時間及び間隔Ｍとしてターゲット間の位置決め器移動時間を示す。
【００４１】
レーザビームスイッチングシステム５０の利点は、第１及び第２の工作物６４，６６が交互に加工用レーザパルス５４のほとんど全パワーを受け取ることである。レーザパルス５４の全時間利用は加工対移動時間比によってほぼ２倍に増加する。これはシステムコストを大きく増加させることなくシステムの処理量を大きく増大させる。 
【００４２】
図７及び図８は好ましいビームスイッチングデバイス７０及び関連タイミング関係を示す。ビームスイッチングデバイス７０は、レーザビーム又はレーザパルス７６が通常、ＡＯＭ７２，７４を偏向せずに通過し、ビーム遮断器７８でレーザビーム７６Ａとして終了するように光学直列関係に位置付けされる第１及び第２のＡＯＭ７２，７４を含む。しかし、第１のＲＦドライバ信号８０が約６ワットの８５ＭＨｚＲＦ信号を第１のＡＯＭ７２に印加するとき、レーザビーム７６の約９０％はレーザビーム７６Ｂとして回折され、１０％はレーザビーム７６Ａとして残る。同様に、第２のＲＦドライバ信号８２が約６ワットの８５ＭＨｚＲＦ信号を第２のＡＯＭ７４に印加するとき、レーザビーム７６の約９０％はレーザビーム７６Ｃとして回折され、１０％はレーザビーム７６Ａとして維持する。この実施例において、レーザビーム７６を発生するレーザはその望ましいパルス繰り返し周波数で絶えず稼働する。
【００４３】
ビームスイッチングデバイス７０を使用するとき、シャッタ又はＱスイッチは、レーザビーム７６Ｂ，７６Ｃ間で切り替えるとき、時間間隔が要求されるならば、必要とされない。なぜなら、第１及び第２のＡＯＭ７２，７４の両方に印加されるＲＦ信号を停止し、それによって、ビーム遮断器７８ですべてのレーザビーム７６を廃棄することのみが必要だからである。
【００４４】
ビームスイッチングデバイス７０は、レーザの一定の動作がレーザ出力の熱的ドリフトを排除するので利点がある。また、ＡＯＭ７２、７４を図３、４に記載されるパルス捕獲方法で動作させることによって、熱的負荷変動が最小限にされ、それによってレーザビーム位置決め精度を増大させる。第１及び第２のＡＯＭの各々は、好ましくは、フロリダ州メルボルンのＮＥＯＳテクノロジー社製造のモデルＮ３００８５である。モデルＮ３００８５は、８５ＭＨｚのＲＦパワーの２ワットで駆動されると、特定９０％の回折効率を有する。
【００４５】
ビームスイッチングデバイス７０の別の利点はそれがレーザ制御デバイスとして動作でき、典型的な、レーザに基づく工作物加工システムにおいて別個のレーザパワーコントローラのニーズを排除することである。パワー制御は、ＡＯＭ７２、７４の応答時間が工作物上の１つのターゲット位置を加工中にレーザビーム７６Ｂ、７６Ｃのレーザパルス振幅をプログラムするために十分高速であるので可能である。典型的なレーザ加工適用例は、レーザビームが、形成されているビアの底部に到達するとき、レーザビームパルスエネルギーを軽減することがしばしば必要とされる、エッチングされた回路基盤に不完全ビア（blind via）を形成することである。
【００４６】
図９及び図１０は各々、ビームスイッチングデバイス７０を使用する典型的な工作物加工システム９０及び関連動作タイミング関係を示す。レーザ９２及び可変ビーム拡大器９４はビームスイッチングデバイス７０を伝搬するレーザビーム７６を生成するために協働する。ビームスイッチングデバイス７０はレーザビーム７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを生成するために図７及び図８に関連して記載されるように動作する。レーザビーム７６Ａはビーム遮断器７８で終了する。レーザビーム７６Ｂはオプションの折り畳みミラー９６によって反射され、第１のＸＹスキャナ９８によって第１の工作物１００上のターゲット位置１、２、３、４に方向付けされる。同様に、レーザビーム７６Ｃは折り畳みミラー１０２によって反射され、第２のＸＹスキャナ１０４によって第２の工作物１０６上のターゲット位置１、２、３、４に方向付けされる。第１及び第２のＸＹスキャナ９８、１０４は各々、第１及び第２のＸ位置決め段１０８、１１０に搭載され、第１及び第２の工作物１００、１０６はＹ位置決め段１１２に搭載される。当業者は、スキャナ及び工作物は分割軸線形成位置決めシステムに搭載されるが、平面的な積層形態が代替的に使用できることを理解する。当業者はまた、第１及び第２の工作物上のターゲット位置は共通の基板上に設けることができ、及び／又は対応するターゲット位置を共有できないことを理解する。
【００４７】
図１０は、第２のＸＹスキャナ１０４がレーザビーム７６Ｃの位置を工作物１０６上のターゲット位置２に移動させる間に工作物１００にターゲット位置１を加工（穿孔）するレーザビーム７６Ｂを示す。レーザビーム７６Ｃが工作物１０６のターゲット位置１を加工しているとき、第１のＸＹスキャナ９８はレーザビーム７６Ｂの位置を工作物１０６のターゲット位置２に移動する。このプロセスは、ターゲット位置４の加工が完了するまで、ターゲット位置２、３、４に対して継続する。そのとき、第１及び第２のＸ位置決め段１０８、１１０及びＹ位置決め段１１２が第１及び第２のＸＹスキャナ９８、１０４を各工作物１００、１０６のターゲット位置５、６、７上方に位置決めするために長距離移動を実行する。Ｘ及びＹ線形位置決め段はＸＹスキャナに協働して一定の運動で動作する。本発明で使用に適切な位置決めシステムは、本特許出願の譲受人に譲渡される「高速高精度多段ツール位置決めシステム」に関する米国特許第５，７５１，５８５号に記載される。
【００４８】
図１１Ａは、一般のモジュラー画像光学機器組立体及びレーザビーム７６Ｂ、７６Ｃの両方を光学的に加工する可変ビーム拡大器９４を使用する本発明の工作物加工システム１２０を示す。この実施例において、レーザ９２及びオプションの固定ビーム拡大器１２４は、レーザビーム７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを生成するために図７、８に関して記載されるように、動作するビームスイッチングデバイス７０を伝播するレーザビーム７６を生成するために協働する。レーザビーム７６Ｂ、７６Ｃは別個の伝播路部分に沿って伝播する。第１の回転ミラー１２６は、レーザビーム７６Ｃの偏光状態に対して９０度だけレーザビーム７６Ｂの偏光状態を変更する半波板１２８を通してレーザビーム７６Ｂを方向付ける。９０度位相変位レーザビーム７６Ｂは第２の回転ミラー１３０によって偏光ビーム結合器１３２に方向付けされる。レーザビーム７６Ｃは第３の回転ミラー１３４によって、レーザビーム７６Ｂ、７６Ｃが伝播する別個の伝搬路部分を共通の伝播路部分に結合する偏光ビーム結合器１３２に方向付ける。レーザビーム７６Ｂ、７６Ｃは共通のレーザビーム７６Ｄに併合し、レーザビーム７６Ｄは共通の伝搬路部分に沿って画像光学機器組立体１２２及びオプションの可変拡大器９４を伝搬し、偏光ビームスプリッタ１３６内に伝播する。第２の偏光ビームスプリッタ１３６は共通のレーザビーム７６Ｄをレーザビーム７６Ｂ、７６Ｃに分割する。レーザビーム７６Ｂは第４の回転ミラー１３８によって例えば、第１のＸＹスキャナ９８に方向付けされ、レーザビーム７６Ｃは例えば、第２のＸＹスキャナ１０４に方向付けされる。
【００４９】
ビーム拡大器１２４は光エネルギーのガウス空間分布形状にレーザビーム７６Ｂ、７６Ｃの形状を設定する。画像光学機器組立体１２２はＸＹスキャナ９８、１０４に供給する一様な空間分布を有する出力ビームを形成するためにレーザ７６Ｂ、７６Ｃのガウス空間分布を成形する。好ましい画像光学機器組立体は回折ビーム成形器、例えば米国特許第５，８６４，４３０号に記載されるものを有する。
【００５０】
図１１Ｂは、ビームスイッチングデバイス７０が除去されかつレーザビーム７６Ｂ、７６Ｃが各々、別個のレーザ源９２ｂ、９２ｃから伝搬する代替工作物加工システム１２０’を示す。レーザビーム７６Ｂのサイズはビーム拡大器１２４ｂによって設定され、レーザビーム７６Ｃはビーム拡大器１２４ｃによって設定される。別個のレーザ源９２ｂ、９２ｃの使用によって、１又はそれ以上の回転ミラー１２６、１３０、１３４が図１１Ｂに示されるように除去できる光学部品形態を容易にする。
【００５１】
各工作物加工システム１２０、１２０’は、わずか１セットの高価なビーム画像光学機器が要求されるだけなので、利点がある。また、工作物加工システム１２０に対して、ビームスイッチングデバイス７０を使用することは、スイッチングが、下流のスイッチング部品に見られるビーム幅より小さいビーム幅で遂行されるので、より小さい光学部品での実施を可能にする。
【００５２】
図１２は、第１及び第２のＸＹビーム走査ヘッド９８、１０４間のレーザビーム１４６のスイッチングを実行するために高速ＥＯＭ１４２及び偏光ビームスプリッタ１４４を使用する本発明の別の代替工作物加工システム１４０を示す。工作物加工システム１４０において、光学モジュール１４６及びレーザパワーコントローラ１５０を通して伝播しかつ光学的に加工されるレーザ９２はレーザビーム１４６を放射する。レーザビーム１４６はレーザパワーコントローラ１５０から出力し、高速ＥＯＭ１４２に入力し、高速ＥＯＭ１４２は、レーザビーム１４６を非回転偏光レーザビーム１４６Ｕ及び回転偏光レーザビーム１４６Ｒに各々、交互に偏光させる。偏光ビームスプリッタ１４４は非回転偏光レーザビーム１４６Ｕを受け取り、それを第１のＸＹ走査ヘッド９８に対する回転ミラー１５２に方向付ける。偏光ビームスプリッタ１４４は回転偏光レーザビーム１４６Ｒを受け取り、それを第２のＸＹ走査ヘッド１０４に方向付ける。
【００５３】
工作物加工システム１４０の不利な点は現在の実用的ＥＯＭがレーザパルス繰り返し周波数に制限され、多量の超紫外線レーザビームパワーに耐えることができないことである。別の制限は、ダンピングを必要としないレーザビームエネルギーはレーザを例えば、レーザ９２の空洞内側に配置されたＱスイッチによって閉鎖すること又は停止することを要求する。
【００５４】
他方、工作物加工システム１４０は、図７に関して記載される２重ＡＯＭビームスイッチングデバイス７０より簡易であり、ターゲット位置にレーザビーム１４６Ｕ、１４６Ｒとして衝突するためにレーザビーム１４６の実質的に全パワーを許容する高消去比を有するので、利点がある。
【００５５】
図１３はレーザ２１２が高速操作ミラー（「ＦＳＭ」）によって偏向されるレーザビーム２１４を放射するレーザビームスイッチングシステム２１０の代替実施例を示す。ＦＳＭ２１６は、電圧を角変位に変換する材料によって制御される偏向角を有するミラーを好ましくは使用する。ＦＳＭ２１６は、ガルバノメータより１０倍までの高速な角速度で、約５ミリラジアンまでの角偏向範囲２２２以上であること以外、ガルバノメータ駆動回転ミラーに類似して動作する。典型的なレーザビーム径をかかる制限角偏向範囲で偏向することは、第１及び第２の回転ミラー２３０、２３２の各々によって関連レーザビーム走査ヘッド（図示せず）に反射させるために第１及び第２のビーム路２１８、２２０をさらに分離させかつ方向付けるＨＲ被覆直角プリズム２２８を第１及び第２のビーム経路２１８、２２０間に挿入するための十分な距離２２６、好ましくは約１０ミリメートルだけ第１及び第２のビーム経路２１８、２２０を分離させるために十分に長い、好ましくは約１メートルの経路長２２４を要求する。スイッチングレーザビーム２１４は、そのビーム径が最小である位置において、例えば、任意のビーム拡大器の前で、ＨＲ被覆直角プリズム２２８によって偏向される第１及び第２のビーム経路２１８、２２０を十分に分離させるために要求される経路長２２４を最小限に抑える。
【００５６】
ＦＳＭ２１６は、２以上の位置にレーザビーム２１４のスイッチングを提供することができる２軸デバイスである。例えば、レーザビーム２１４は、レーザ２１２の一定の熱的状態を維持しかつデューティサイクル関連のレーザビームパワーの安定性問題を最小限にするために図９、１０に関して記載されるように長距離移動の間にビーム遮断器に方向付けできる。
【００５７】
レーザビームスイッチングシステム２１０よって、２つのレーザシステムと同じ工作物加工処理量を有する単一のレーザ工作物加工システムを実施することは、移動時間が３ミリ秒以上で、工作物加工時間及びレーザビームスイッチング時間が１．０ミリ秒未満であるならば可能になる。
【００５８】
レーザビームスイッチングシステム２１０は、単一のレーザ及び関連光学機器を使用することによって、２つのレーザシステムに比較して、要求されるレーザタイプ次第で２０％から４０％のコストは軽減されるので利点がある。
【００５９】
図１４は、偏光状態で変調された光放射パルスの２つの出力ビームを交互又は同時のいずれか選択的に提供する空洞内光ビーム多重方式を実行するために構成されるレーザシステム３００を示す。レーザシステム３００は、ゲイン又はレーザ媒体３０４がＱスイッチ３０８及び可変光学位相差板３１０間のビーム路３０６に沿って配置されるレーザ共鳴器３０２を含む。レーザ媒体３０４に光学的に関連した励起源３１２はレーザ媒体３０４のレーザゲインを刺激する励起光を提供する。ダイオードレーザは好ましい励起源３１２である。ビーム操作ミラー３２２、３２４は、レーザ共鳴器３０２及び可変光学位相差板３１０間のビーム路３０６の一部に沿ってレーザ共鳴器３０２に形成されるレーザビームの伝搬方向を指示する。光偏光ビームスプリッタ３２６は可変光学位相差板３１０の出力部３２８に位置決めされる。レーザ３０２は２つのレーザ空洞を効率良く設定し、第１のレーザ空洞は後部ミラー３３０と第１の出力ビームを伝搬する第１の出力カプラ３３４の空洞内ダイクロイックミラー面３３２とによって画定され、第２のレーザ空洞は後部ミラー３３０と第２の出力ビームを伝搬する第２の出力カプラ３３８の空洞内ダイクロイックミラー面３３６とによって画定される。ダイクロイックミラー面３３２、３３６は各々、光偏光ビームスプリッタ３２６の出力部３４０、３４２から伝搬する入射光を受け取る。両出力ビーム３４０、３４２はレーザ媒体によって設定される基本波長を有する。 
【００６０】
Ｑスイッチ３０８は、レーザ共鳴器３０２の高低Ｑ状態を選択的に生成することによって、印加Ｑスイッチ駆動信号３４４に応答してレーザ共鳴器３０２のＱ値を変更する。高Ｑ状態によって、多重時間変位光パルスが生成され、低Ｑ状態によって、強度がない又は低い残留光パルスが生成される。
【００６１】
レーザシステム３００は、出力ビームがレーザ空洞から引き出されるときでも、レーザ共鳴器３０２で発振を維持するように構成される。もし、レーザ媒体３０４が等方性タイプ、例えばＮｄ：ＹＡＧであれば、レーザ共鳴器３０２の発振は、可変光学位相差板３１０が９０度の偏光状態変化を生じさせるときでさえ維持される。もし、レーザ媒体３０４が異方性タイプ、例えばＹＬＦ又はＹＶＯ４（バナジウム）であれば、２つの直交偏光状態のゲインは異なり、それによって、安定的な発振の支えを危険に曝す。異方性レーザ媒体で動作させるために、同じタイプの第２のレーザ媒体３０４ａ（仮想線で示される）は、２つの直交偏光状態が空洞ゲインをもたらさないように、レーザ媒体３０４に対して直交方向にレーザ共鳴器３０２に導入される。
【００６２】
可変光学位相差板３１０の動作は、出力カプラ３３４、３３８から伝搬する第１および第２の出力ビームの生成を決定する。可変光学位相差板３１０に印加される駆動信号３４６によって、可変光学位相差板３１０が１／４波長遅延を入射光に与えるときは、円形偏光は出力３２８から伝搬し、偏光ビームスプリッタ３２６によってダイクロイックミラー面３３２、３３６に方向付けされ、出力カプラ３３４、３３８から基本波長の別個のビーム成分として同時に出力する。可変光学位相差板３１０に印加される駆動信号３４６によって、可変光学位相差板３１０が０又は１／２波長遅延（又は同様な１／２波長遅延の倍数）を交互に入射光に与えるときは、線形偏光ビームは出力３２８から伝搬し、ダイクロイックミラー面３３２、３３６に偏光ビームスプリッタ３２６によって方向付けされ、出力カプラ３３４、３３８から基本波長の別個のビーム成分として交互に出力する。上述の駆動信号３４６の種々の状態はそれが等方性のレーザ媒体３０４又は異方性のレーザ媒体３０４、３０４ａを含むかどうかにかかわらず、レーザ共鳴器３０２に適用可能である。駆動信号３４６は、加工システム内に存在するツールパスファイルから得られる情報を示し、パルス発生器（図示せず）によって可変光学位相差板３１０にパルス波形として供給される。
【００６３】
基本波が出力カプラ３３４、３３８の１つ又は両方から出力するかどうかによって、レーザ共鳴器３０２に異なる結合損失を生じる。結合値が大きすぎ、基本波が出力カプラ３３４、３３８の両方から同時に出力するならば、レーザ共鳴器３０２は発振を生成しない。したがって、結合値の適切な選択は持続発振に貢献する重要な要因である。
【００６４】
当業者は、第２の高調波発生器、第３の高調波発生器又はその両方として機能する非線形水晶を出力カプラ３３４、３３８の出力部に配置することは交互の又は同時のスイッチング性能において紫外光ビームを（赤外基本波用に）生成することを理解する。
【００６５】
図１５は、偏光状態で変調される光放射パルスの２つの第３高調波光出力ビームを同時に提供する空洞内光多重方式を実行するために構成されるレーザシステム４００を示す。レーザシステム４００は、レーザシステム４００のレーザ共鳴器が追加第３高調波周波数発生用の固定光学遅延デバイス、操作ミラー３２２、３２４の代用としてビームダンプダイクロイックミラー及び出力カプラ３３４、３３８の異なる特徴を有するダイクロイック面を含むという点でレーザシステム３００とは異なる。レーザシステム３００の構成に対応するレーザシステム４００の構成は、ダッシュを付けた同一参照番号によって識別される。
【００６６】
レーザ共鳴器３０２’は２つのレーザ空洞を効率的に設定し、第１のレーザ空洞は第１の出力カプラ３３４’の後部ミラー３３０’及びダイクロイックミラー面３３２’によって画定され、第２のレーザ空洞は第２の出力カプラ３３８’の後部ミラー３３０’及びダイクロイックミラー面３３６’によって画定される。ミラー面３３２’、３３６’は基本周波数に対応する波長を反射し、レーザ媒体３０４’によって設定される基本周波数の第３高調波に対応する波長を伝送する。レーザ共鳴器３０２’は光学遅延デバイスすなわち波長板４０２、第３高調波発生器４０２として機能する非線形水晶及び第２高調波発生器４０６として機能する非線形水晶を含み、それらの全ては可変光学位相差板３１０’及びビームダンプダイクロイックミラー対４０８間に配置される。ビームダンプダイクロイックミラー対４０８の各部材は第２及び第３の高調波周波数の光を伝送し、Ｑスイッチ３０８’及びレーザ媒体３０４が動作する、基本周波数に対応する約１μｍ（ＩＲ）波長でレーザ共鳴器３０２’のゲイン値を維持するために基本周波数の光を反射する。 
【００６７】
波長板４０２及び高調波発生器４０４、４０６に協働する可変光学位相差板３１０’の動作は、出力カプラ３３４’、３３８’からの２つの別個のビーム成分として伝搬する第３（ＵＶ）高調波ビームを生成することとレーザ共鳴器３０２’で発振する基本ビームを維持するためにレーザ媒体３０４’に基本（ＩＲ）ビームを帰還することとを決定する。図１５の実施例において、第３高調波発生器４０４及び第２高調波発生器４０６は、第２及び第３高調波発生プロセスの各々に対して異なるように切断されているＬＢＯ水晶からなる。第２高調波発生器４０６に対するタイプ-Ｉプロセスの場合、第２高調波発生器４０６から出力するレーザビームは直交偏光状態を持つ基本波及び第２高調波である。第２高調波発生器４０６から出力し、第３高調波発生器４０４に入射されるレーザビームは一様に整合した偏光状態を持つ基本波及び第３高調波として第３高調波発生器４０４から出力する。
【００６８】
基本波をレーザ媒体３０４’に帰還し、それによってレーザ共鳴器３０２’内で基本波発振を維持することを完了するために、波長板４０２は、その光学軸線が適切に設定される場合、１／４波長だけ基本波を遅延させ、各路ごとに１波長だけ第３高調波を遅延させる形式である。したがって、波長板４０２は円形偏光を波長板４０２からビームスプリッタ３２６’の方向に伝播する基本波に与え、第３高調波の偏光状態に影響はない。可変光学位相差板３１０’の動作は出力カプラ３３４’、３３８’から伝播する第１及び第２の出力ビームの生成を決定する。公称３／４波長遅延を第３高調波に、また１／４波長遅延を基本波に与える駆動信号３４６’を可変光学位相差板３１０’に印加することは、波長板４０２に円形偏光基本波を入射する前に設定される元の線形偏光状態に対して９０度だけ回転された線形偏光波に円形偏光基本波を変換する。可変光学位相差板３１０’から伝播する線形偏光基本波は、偏光ビームスプリッタ３２６’の方向によってダイクロイック面３３２’又は３３６’のいずれかに入射し、可変光学位相差板３１０’に戻るように伝播する。可変光学位相差板３１０’を通過する帰還路は線形偏光基本波を円形偏光基本波に変換し、その後、波長板４０２を通過する帰還路は、その円形偏光基本波を元の基本波のそれと同じ方向に方向付けされた線形偏光基本波に変換する。次に、線形偏光基本波はさらに発振するためにレーザ媒体３０４’に帰還する。偏光ビームスプリッタ３２６’ と各出力カプラ３３４’、３３８’間の距離は、帰還ビームの偏光状態が本質的に完全な円形偏光ビームを形成するために結合するように設定される。
【００６９】
出力カプラ３３４’、３３８’を通して２つの別個の第３高調波ビーム成分の伝播を完了するために、可変光学位相差板３１０’に最初に入射される第３高調波は、線形偏光基本波が１／４波長遅延を受ける間に円形偏光状態に変換される。円形偏光第３高調波は、円形偏光第３高調波を２つの円形偏光ビーム成分に分割する偏光ビームスプリッタ３２６’に入射し、各円形偏光ビーム成分はダイクロイック面３３２’、３３６’の異なるものを伝播し、その出力カプラ３３４’、３３８’の各々から出力する。したがって、この偏光状態関係によって、偏光ビームスプリッタ３２６’はダイクロイック面３３２’、３３６’の１つに線形偏光基本ビームを方向付けし、円形偏光第３高調波ビーム成分をダイクロイック面３３２’、３３６’に方向付ける。ダイクロイック面３３２’は基本ビームをさらに増幅するためにレーザ媒体３０４’に戻るように反射し、ダイクロイック面３３２’、３３６’は、出力カプラ３３４’、３３８’の各々を通して円形偏光第３高調波ビーム成分を伝送する。
【００７０】
当業者は、波長板４０２を除去すること及びゼロ及び半波長遅延を基本波に交互に与える駆動信号３４６’を可変光学位相差板３１０’に印加することが、出力カプラ３３４’、３３８’を通して交互に第３高調波の伝播を提供することを理解する。
【００７１】
レーザシステム３００、４００において、レーザ媒体３０４、３０４’は好ましくはＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４又はＹｂ（イットビウム）ファイバーレーザの１つである。ファイバーレーザはマスター発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）型及び／又はＱスイッチ型である。Ｑスイッチ３０８、３０８’は好ましくは音響光学変調器である。２つの直交配列レーザ媒体を支持できるＱスイッチは商業的に入手可能である。可変光学位相差板３１０、３１０’はＢＢＯ又はＫＤＰ水晶にすることができ、ＫＤＰの実例はエレクトロオプティクスイッチングモジュールＲＶＤによって駆動されるリノスＲＴＰ−ポッケルセル（３５５ｎｍ）であり、ＢＢＯ及びＫＤＰ水晶はドイツ国プラネックのリノスフォトニクス社によって製造される。
【００７２】
当業者は、レーザシステム４００において３５５ｎｍで第３高調波ビームを生成する第３及び第４高調波発生器４０４、４０６がレーザ共鳴器３０２’内で高調波ビーム発生を完了するための１つの実施例にすぎないことを理解する。
【００７３】
当業者は、本発明の部分は好ましい実施例に対して上述の実施形態から異なって実行できることを認識する。例えば、ガルバノメータ及び回転ミラーデバイスもレーザビームスイッチングデバイスとして使用でき、ＩＲ、可視及びＵＶレーザは使用でき、ターゲット位置は単一の又は多数の工作物上に設けることができ、レーザビームスイッチングが２又は３のビーム路に実行でき、多重レーザは使用でき、それらの各レーザ出力は多重路間で切り替えされる。ＡＯＭは単一又は多重ＲＦ源によって切り替えることができ、使用される走査ヘッドはさらにガルバノメータ、ＦＳＭ及びＸＹ座標以外の位置決め技法を含むことができる。
【００７４】
多くの変形が本発明の基礎原理から逸脱することなく、上述の実施例の細部に対して行うことができることを当該技術分野の当業者には自明である。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ決定される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】ゼロ次ビーム、１次ビーム又はそれらの両方を伝送する、先行技術のＡＯＭ及びＲＦドライバの簡易概略図である。
【図２Ａ】レーザパルスの先行技術のタイミンググラフである。
【図２Ｂ】ＲＦパルスの先行技術のタイミンググラフである。
【図２Ｃ】１次ＡＯＭ出力レーザパルスの先行技術のタイミンググラフである。
【図２Ｄ】ゼロ次ＡＯＭ出力レーザパルスの先行技術のタイミンググラフである。
【図３Ａ】好ましい実施例において使用されるレーザ出力の模範的なタイミンググラフである。
【図３Ｂ】好ましい実施例において使用されるＲＦパルスの模範的なタイミンググラフである。
【図３Ｃ】好ましい実施例において使用される加工レーザ出力の模範的なタイミンググラフである。
【図４Ａ】加工レーザ出力のエネルギー制御用にＡＯＭを使用することを示すレーザ出力の代替の模範タイミンググラフである。
【図４Ｂ】加工レーザ出力のエネルギー制御用にＡＯＭを使用することを示すＲＦパルスの代替の模範タイミンググラフである。
【図４Ｃ】加工レーザ出力のエネルギー制御用にＡＯＭを使用することを示す加工レーザ出力の代替の模範タイミンググラフである。
【図５】本発明のレーザビームスイッチングシステムの簡易概略ブロック図である。
【図６】図５のレーザビームスイッチングシステムの種々の構成要素間の動作上のタイミング関係を示す波形タイミング図である。
【図７】本発明に使用される好ましい２重ＡＯＭレーザビームスイッチングデバイスを示す簡易概略ブロック図である。
【図８】図７の２重ＡＯＭレーザビームスイッチングデバイスを使用するレーザビームスイッチングシステムの種々の構成要素間の動作上のタイミング関係を示す波形タイミング図である。
【図９】図７のレーザビームスイッチングデバイスを使用する典型的な工作物加工システムの簡易概略ブロック図である。
【図１０】図９の工作物加工システムの種々の構成要素間の動作上のタイミング関係を示す波形タイミング図である。
【図１１Ａ】１個のレーザ源から伝搬する多重レーザビーム用の共通光学加工路を使用する本発明の工作物処理システムを示す簡易ブロック図である。
【図１１Ｂ】２個のレーザ源から伝搬する多重レーザビーム用の共通光学加工路を使用する本発明の工作物処理システムを示す簡易ブロック図である。
【図１２】本発明のレーザビームスイッチングデバイスを実施するために高速ＥＯＭ及び偏光ビームスプリッタを使用する本発明の代替工作物処理システムを示す簡易ブロック図である。
【図１３】第１及び第２経路を交互に沿ってレーザビームのスイッチングを行う高速操作ミラーを使用する代替レーザビームスイッチングシステムを示す簡易透視ブロック図である。
【図１４】偏光状態で変調された光放射パルスの２つの基本波出力ビームを交互又は同時のいずれかで選択的に提供する空洞内光ビーム多重化方式を実施するために構成されるレーザシステムである。
【図１５】偏光状態で変調された光放射パルスの２つの第３高調波出力ビームを同時に提供する空洞内光ビーム多重化方式を実施するために構成されるレーザシステムである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
2008521615.tif 000020
【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2008521615.tif 000024
【図１５】
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【国際調査報告】
2008521615.tif 000026