(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのスキャナが相対的に大きな速度で走査する間に、目標位置において相対的に小さな速度のレーザー・ビームを提供するためのレーザー処理システムであって、
ビーム寸法を持つ少なくとも１つのビームを有するパルス・レーザー出力を提供するためのレーザー源と、
前記目標位置を含む基板表面で第１の方向及びそれとは逆の第２の方向に前記レーザー出力を走査するための第１の走査ユニットと、
前記レーザー出力を受け取り、前記レーザー出力のビーム径を修正して、修正されたレーザー出力を提供するためのビーム拡大器と、
前記目標位置において第１の軸に沿って第２の方向に、前記ビーム拡大器からの前記修正されたレーザー出力を走査するための第２の走査ユニットと、
を具備し、
前記第１の走査ユニットが前記第２の走査ユニットの動作周波数よりも高い動作周波数を有し、
前記第２の方向における前記レーザー出力の正味移動速度が、前記第２の方向に関する正の速度及び負の速度から前記第１の走査ユニットの各周期の期間に変動し、且つ、前記正味移動速度がゼロ交叉を含み、
前記目標位置における前記修正されたレーザー出力の正味速度が、レーザー・パルス期間に相対的に小さい速度へ有効に低減されるようになされ、
更に、
前記目標位置を含む前記基板表面で第３の方向に、前記ビーム拡大器からの前記修正されたレーザー出力を走査するための第３の走査ユニットであって、前記第３の方向が前記第２の方向に対して垂直である第３の走査ユニットと、
前記第１の走査ユニットからフィードバック信号を受け取るための制御器であって、前記第１の走査ユニットの各周期の期間に前記第２の方向に関する正の速度及び負の速度から変動する前記第２の方向における前記レーザー出力の前記正味移動速度が、前記第１の走査ユニットからの前記フィードバック信号に応答するようにする制御器と、
前記修正されたレーザー出力を前記目標位置へ向かって収束させるための収束光学系と、
を具備するレーザー処理システム。
【請求項２】
ゼロ交叉期間での前記修正されたレーザー出力の前記正味速度がゼロｍｍ／秒である、請求項１に記載のレーザー処理システム。
【請求項３】
前記修正されたレーザー出力が前記目標位置での穴あけのために採用される、請求項１に記載のレーザー処理システム。
【請求項４】
前記第１の走査ユニットが共振スキャナを備える、請求項１に記載のレーザー処理システム。
【請求項５】
前記第１の走査ユニットが、音響光学変調器と電気光学変調器と線形制御型限定回転スキャナとのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のレーザー処理システム。
【請求項６】
第２の軸に沿う前記第３の方向に対して逆方向の第４の方向に前記レーザー出力を走査するための第４の走査ユニットを更に備える、請求項１に記載のレーザー処理システム。
【請求項７】
少なくとも１つのスキャナが相対的に大きな速度で走査する間に、目標位置において相対的に小さな速度のレーザー・ビームを提供するためのレーザー処理システムであって、
第１のビーム寸法を持つ少なくとも１つのビームを有するパルス・レーザー出力を提供するためのレーザー源と、
前記目標位置において第１の軸に沿って第１の方向に前記レーザー出力を走査するための第１の走査ユニットと、
前記第１の走査ユニットから前記レーザー出力を受け取り、第２のビーム寸法を持つように前記レーザー出力を修正するためのビーム拡大器と、
前記第１の軸に沿う前記第１の方向に対して逆方向であり且つ前記第１の軸に沿う第２の方向に前記レーザー出力を走査するための第２の走査ユニットと、
を具備し、
前記第１の走査ユニットが、前記第２の走査ユニットの動作周波数よりも高い動作周波数を有し、
前記目標位置における前記第１の軸に沿う前記の修正されたレーザー出力の正味移動速度が、前記第１の走査ユニットの各走査周期の期間に、前記目標位置におけるゼロ速度と非ゼロ速度との間で変動し、
更に、
前記第１の軸に垂直である、前記目標位置において第２の軸に沿う第３の方向に前記レーザー出力を走査するための第３の走査ユニットと、
前記第１の走査ユニットの周波数を表すフィードバック信号を制御器に提供する回転検出器と、
を具備し、
前記基板表面のレーザー処理が、前記フィードバック信号に応答して、前記修正されたレーザー出力の正味移動速度が前記第１の走査ユニットの周波数で非線形に変動するように行われ、且つ、前記第２の方向における前記修正されたレーザー出力の正味移動速度がゼロではないときにはレーザー処理が行われない
ようにするレーザー処理システム。
【請求項８】
前記目標位置において前記第２の軸に沿う第４の方向に前記レーザー出力を走査するための第４の走査ユニットを更に備え、
前記第２の軸に沿う前記レーザー出力の正味速度が、レーザー・パルス期間に、実効的にゼロになるように、前記第４の方向が前記第２の軸に沿う前記第３の方向に対して逆方向である、
請求項７に記載のレーザー処理システム。
【請求項９】
前記正味速度がゼロｍｍ／秒である、請求項７に記載のレーザー処理システム。
【請求項１０】
前記レーザー・ビームが前記目標位置における穴あけに採用される、請求項７に記載のレーザー処理システム。
【請求項１１】
前記第１の走査ユニットが共振スキャナを備える、請求項７に記載のレーザー処理システム。
【請求項１２】
レーザーによって対象物を処理する方法であって、
ビーム寸法を持つ少なくとも１つのビームを有するレーザー出力を提供するステップと、
目標位置を含む基板表面で第１の方向及びそれとは逆の第２の方向に前記レーザー出力を第１の走査ユニットにより走査するステップと、
前記レーザー出力を修正して、修正されたビーム寸法を持つ修正されたレーザー・ビームを提供するステップと、
前記目標位置において第１の軸に沿う第２の方向に前記レーザー出力を第２の走査ユニットにより走査するステップであって、前記第１の走査ユニットが前記第２の走査ユニットの動作周波数よりの高い動作周波数を有し、前記第２の方向における前記レーザー出力の正味移動速度が、前記第２の方向に関する正の速度及び負の速度から前記第２の走査ユニットの各周期の期間に変動し、且つ、前記正味移動速度が前記目標位置において実効的にゼロであるステップと、
前記目標位置において前記第１の軸に垂直な第２の軸に沿う第３の方向において前記レーザー出力を第３の走査ユニットにより走査するステップと、
前記第１の走査ユニットの周波数を表すフィードバック信号を提供するステップであって、前記第２の走査ユニットの制御が前記フィードバック信号に応答するステップと、
前記第１の軸に沿う前記レーザー出力の正味移動速度がレーザー・パルス期間に実効的にゼロになって、レーザー処理が、前記第２の方向における前記正味移動速度がゼロでないときに行われないことを保証するように、前記第１の走査ユニットと前記第２の走査ユニットとによる前記レーザー出力の走査の期間に前記レーザー出力をパルス化するステップと、
を備える方法。
【請求項１３】
前記目標位置において前記第２の軸に沿う第４の方向において前記レーザー出力を第４の走査ユニットにより走査するステップを更に備え、
前記目標位置における前記第２の軸に沿う前記レーザー出力の正味移動速度がレーザー・パルス期間に実効的にゼロであるように選択的になされるよう、前記第４の方向が、前記基板表面において前記第３の方向と整列し、且つ前記第３の方向に対して選択的に逆方向になる、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
製品を処理するためのレーザー処理システムであって、少なくとも１つのスキャナが相対的に大きな速度で走査する期間に、目標位置において相対的に小さな速度のレーザー・ビームを提供するためのレーザー処理システムにおいて、
ビーム寸法を持つ少なくとも１つのビームを有するパルス・レーザー出力を提供するためのレーザー源と、
目標位置において第１の軸に沿って第１の周波数で前記レーザー出力を往復走査するための振動型スキャナを有する第１の走査ユニットと、
前記第１の走査ユニットの出力を受け取り、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で目標位置において前記第１の軸に沿って第２の方向に前記レーザー出力を走査する第２の走査ユニットと、
前記第１の走査ユニットから共振クロックとして用いられる制御信号を受け取る制御器であって、前記目標位置における前記レーザー出力の正味速度が、前記第２の走査ユニットの動きを前記制御信号に応答させることによって実効的にゼロになるように、前記製品に対して前記第１の走査ユニットと前記第２の走査ユニットとが移動する期間に、前記制御信号に基づいて、目標位置に対する前記レーザー出力の少なくとも一部の供給を制御するよう動作する制御器と、
前記レーザー出力を前記目標位置へ向かって収束させるための収束光学系と、
を具備するレーザー処理システム。
【請求項１５】
前記第１の走査ユニットが共振スキャナであり、
前記第２の走査ユニットが、限定回転ミラーに結合されたミラーを有する低慣性ガルバノメータ型スキャナであり、
前記制御信号が前記共振スキャナの速度のゼロ交叉に対応する、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
第１の走査角範囲において前記レーザー出力を受け取り、修正されたビーム寸法及び角度範囲を提供するビーム拡大器を更に備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記制御器が、前記第１の走査ユニットの位相と前記第１の走査ユニットの振幅と前記第２の走査ユニットの位置と前記第２の走査ユニットの速度とのうちの少なくとも１つを調整するための調整手段を備え、
前記調整手段が、不均一な間隔で位置する製品目標位置においてレーザー処理を提供する、
請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記処理がレーザー穴あけであって、前記製品が印刷回路基板であり、
前記印刷回路基板をレーザー穴あけする際の中断を回避するように、及び、前記印刷回路基板の所定の全目標位置での穴あけに要する全時間の実質的な対応する短縮を回避するよう、前記調整手段が、前記第１の走査ユニットの位相と前記第１の走査ユニットの振幅とのうちの少なくとも１つを約６ミリ秒よりも短い時間において調整する、
請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記共振スキャナの周波数が、穴あけに用いられるレーザー繰り返し周波数に等しい、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
レーザーによって対象物を処理する方法であって、
外部トリガー入力を受け取り、ビーム寸法を持つ少なくとも１つのビームを光伝搬軸に沿って生成するよう構成されたパルス・レーザーを提供するステップと、
第１の光学スキャナにより、第１の周波数で第１の走査角範囲にわたって、周期的な第１の走査速度プロフィールで前記光伝搬軸を走査するステップと、
第２の光学スキャナにより、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数で、第２の走査角範囲にわたって第２の走査速度で前記伝搬軸を走査するステップと、
前記周期的な第１の走査速度プロフィールの周期の少なくとも１つの所定の位相に対応する周期的なトリガー信号を生成するステップと、
前記周期的なトリガー信号によって前記パルス・レーザーをトリガーして、パルス・レーザー出力を生成するステップと、
前記対象物が所定の組み合わせ走査速度で走査されている間に、前記パルス・レーザー出力で前記対象物を処理するステップと、
を備え、
前記組み合わせ走査速度が、前記周期的な第１の走査速度プロフィールと前記第２の走査速度との組み合わせであり、
前記第２の方向における前記レーザー出力の正味移動速度が、前記第１の光学スキャナの各周期の期間に前記第２の方向に関する正の速度及び負の速度から変動し、且つ、前記正味移動速度がゼロ交叉を含み、
前記目標位置における前記修正されたレーザー出力の正味速度が、レーザー・パルス期間に相対的に小さい速度へ有効に低減されるようになされる
方法。
【請求項２１】
前記周期的な走査速度プロフィールが正弦波状である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記周期が前記第１の光学スキャナの共振周期である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記周期の位相が第１の走査速度に対応する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記組み合わせ走査速度が前記第２の走査速度よりも小さい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記組み合わせ走査速度が実質的にゼロである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
第１の光学スキャナにより、第１の走査角範囲にわたって、周期的な第１の走査速度プロフィールで前記伝搬軸を走査する前記ステップが、ビーム拡大器を用いて、前記ビーム寸法を拡大するとともに、前記第１の走査角範囲の大きさを比例的に低減するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００６年８月２２日に出願された米国仮特許出願第６０／８３９２１１号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
一般に、本発明は、印刷回路基板に穴をあけるためのレーザー処理システムに関するもので、特に、印刷回路基板の処理における速度と精度とを改善したレーザー処理システムに関する。穴は回路基板を通る経路（ビア）を提供するために用いられる。
【背景技術】
【０００３】
例えばガルバノメータ型光学スキャナのような光学スキャナによって位置決めされるレーザー・ビームを用いて穴のレーザー・ドリルが行われることが多いことは公知である。一般に、ガルバノメータ型光学スキャナは、限定回転ミラーと結合された走査ミラーを備える。通常、こうしたスキャナは「ガルボ」又は「ガルボ・スキャナ」と呼ばれ、そうしたスキャナの例は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６４２４６３２号に開示されている。
【０００４】
丸い穴をあけるためには、レーザー・パルスの持続時間にわたって、所望の穴の位置に関してレーザー・スポットが相対的に静止していることが重要である。それぞれの穴に対して、限定回転モータが回転してミラーを正しい座標に位置決めし、レーザーは限定回転モータが安定すると発光される。一般に、レーザー・パルスの持続時間は、限定回転モータ上にミラーを位置決めするために必要とされる時間よりもずっと短い。こうした理由で、複数の穴をあける速度は、レーザー出力ではなく、位置決めシステムの応答速度によって制限される。一般に、限定回転モータの安定性能は共振周波数によって制限され、ステップ速度（ステップ及び安定）はモータの効率によって制限される。しかし、モータの帯域幅の増加は、限定回転モータで（例えば熱の形で）消費される電力が速度の５乗に比例するという事実によって制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、処理システムの効率を改善する、一層効率的で安価なレーザー処理システムに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも１つのスキャナが相対的に大きな速度で走査しながら、目標位置において相対的に小さいレーザー・ビーム速度を提供するレーザー処理システムを提供する。実施の形態によると、システムは、レーザー源と第１の走査ユニットとビーム拡大器と第２の走査ユニットと収束光学系とを備える。レーザー源は、ビーム寸法を有する少なくとも１つのビームを有するパルス・レーザー出力を提供するためのものである。第１の走査ユニットは、目標位置において第１の軸に沿ってレーザー出力を第１の方向に走査するためのものである。ビーム拡大器は、レーザー出力を受け取り、レーザー出力のビーム径を修正し、修正されたレーザー出力を提供するためのものである。第２の走査ユニットは、ビーム拡大器からの修正されたレーザー出力を目標位置において第２の軸に沿って第２の方向に走査するためのものである。第２の方向は第１の軸に沿う第１の方向と実質的に逆であり、修正されたレーザー出力の目標位置における第１の軸に沿う正味の速度は、レーザー・パルス期間に有効にゼロにされる。
【０００７】
以下の記述は添付の図面を参照して一層よく理解され得る。図は、例示の目的でのみ示される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザー処理システムの例示的な線図を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るシステムにおける異なる要素の時間と位置との例示的なグラフ表示を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るシステムの要素の例示的な機能図を示す図である。
【図４】本発明の別の実施の形態に係るレーザー処理システムの例示的な線図を示す図である。
【図５】本発明の別の実施の形態に係るレーザー処理システムの例示的な線図を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るＸ−Ｙ高速穴あけシステムの例示的な線図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
多くの応用分野において、穴として穴あけされるべき対象基板上の領域は、近接した穴の群がフィールド・サイズよりもずっと小さい間隔で行に沿って存在するように配列される。こうした場合、一層高速の穴あけ速度を生むために、限定回転モータを高速スキャナと組み合わせて定速モードで用いることが可能である。このスキャナは音響光学偏光器、電気光学偏光器、回転多面ミラー、追加のガルバノメータ型光学スキャナ又は共振スキャナであり得る。
【００１０】
追加のスキャナは高速を必要とするが、角度的な移動は必要とされないので、小さな開口が必要とされるビーム拡大器の前の配置は或る応用分野においては最適である。一般に、ミラーが移動する時間は開口のサイズに対応する。ビーム拡大器の前に高速走査要素を配置することにより、開口が小さくて高速のシステムが提供される。そうしたシステムの他の利点は、電力消費が小さいこと、製造費用が低いこと、精度要求が緩いこと、校正が容易なこと、荷造りが容易なことを含む。
【００１１】
したがって、本発明は、実施の形態にしたがって、少なくとも１つの方向（Ｘ軸又はＹ軸）における別の低速スキャナに加えて、それと同じ軸において高速スキャナを用いることを提供する。例えば、高速スキャナはここで検討する共振スキャナであってよく、又は、任意の形式の振動型又は線形高速スキャナであってもよい。
【００１２】
図１は、こうした共振スキャナを採用した、本発明の実施の形態に係るシステムを示す。図１のシステムは、レーザー源１０、ビーム整形ユニット１２、共振スキャナ・ミラー１４（高速スキャナ）、ビーム拡大器１６、Ｘ軸ミラー１８、Ｙ軸ミラー２０、及び、ビームを基板２４へ向けるためのｆθレンズ２２を備える。共振スキャナ１４は、一定周波数で振幅調整可能な正弦波位置を生成する。Ｘ軸位置は、共振スキャナ１４と限定回転モータ（低速スキャナ）に結合されたミラー１８とによって制御される。Ｙ軸位置は、別の限定回転モータ（低速Ｙ軸スキャナ）に結合されたミラー２０によって制御される。
【００１３】
ビーム整形ユニット１２は、レーザー出力のサイズ、幾何学的形状又は強度分布に作用するビーム変換器を含み得る。例えば、ユニット１２は、強度分布を変更するために、円形又は矩形のレーザー出力ビームを共振スキャナ又は他の光学要素の開口と一致させる球形ビーム拡大器又はアナモルフィック・ビーム拡大器を備え得る。例えば、ビーム整形ユニット１２は、ガウス型又は他の非線形なビームをほぼ均一なビーム（例えばシルクハット型ビーム）へ変換する。また、実施の形態によっては、空間フィルタ処理を採用して、レーザー出力のビーム品質を改善してもよい。
【００１４】
共振スキャナ１４は、例えば、４０００Ｈｚより下から８０００Ｈｚより上で動作する高周波スキャナであり、互いに消去し合って振動を最小にするトルクを生成するように逆相で共振するよう機械的に同調を取られた捻れ要素を含み得る。
【００１５】
Ｘ軸に沿って等間隔の穴の行を含む処理対象の基板において、Ｙ軸限定回転モータを行の場所に位置決めし、Ｘ軸限定回転モータを移動させ、次いで、レーザーの位置が穴の場所にあるときに相対的に小さな運動周期が存在するように、共振スキャナによってＸ軸に沿ってレーザー・ビームの位置を変調することが可能である。ほぼゼロ速度のこの条件は、それぞれの方向において保持されるので、穴あけパターンに柔軟性を与える。共振周波数は最小ピッチに対応し、穴の間隔はピッチの整数倍である。
【００１６】
ビーム拡大器１６はレーザー出力のレーザー・ビームのサイズを変更する拡大比を有する。１よりも大きい比は、拡大器入力での寸法よりも大きい寸法（例えば、直径又は主軸長さ）を拡大器の出力において有するレーザー出力のビームを表す。１よりも小さい拡大比はビーム寸法が低減される結果を生じる。一般に、ビーム拡大比は、面において或るスポット・サイズを提供するように選択される。スポット・サイズは、走査のためにｆθ補正レンズを備える出力収束光学系でのビームの焦点距離及び直径に関係する。
【００１７】
市販されている既製品のビーム拡大器は、一般に、軸上での動作のために設計される。ビーム拡大器１６の設計は、ビーム・サイズに関連する収差と入射レーザー・ビームの最大角との考慮を含む。実施の形態によっては、共振スキャナは、ビームが軸上又は軸の近くにあるときにのみアクセスされ、それにより、ビーム拡大器の広視野要件は従来のシステムに比べて低減される。少なくとも１つの実施の形態において、画角は十分に小さいので、既製品のビーム拡大器を使用することができる。いずれの場合にも、種々の走査機構を用いる光学的走査システムにおける１つ又は複数のビーム拡大器の使用は、例えば米国特許第４２５１１２５号、５１０９１４９号及び６３０７７９９号で開示されているように公知である。
【００１８】
しかし、拡大比による拡大は、出力角を反比例で及び正比例で拡大縮小する。したがって、高速要素は、そうした角度低減を補償するに足る大きさの最高速度においてフルスケールの振幅を持たなければならない。マサチュセッツ州ビレリカのＧＳＩグループ社によって販売されているＣＲＳシリーズのような共振スキャナは、２０度に近い電気的に調整可能な振幅を持ち、一般に高周波数における広い角度走査の組み合わせを提供する。それぞれのミラーに対する走査速度、走査角及びビーム・サイズの計算は、ミラーの密度（ρ）、ミラーの径（Ｒ）及びミラーの厚さ（Ｌ）を知って行われる。特に、ミラーの質量（Ｍ）及びミラーの慣性（Ｊ）が決定され、ミラーのための所望の速度に到達するのに要するエネルギも決定される。
【００１９】
図２は、共振スキャナと組み合わされた定速の限定回転モータのための距離と時間との関係のグラフを示しており、レーザーのデューティーサイクルが例えば２０％よりも小さい限り、レーザーの位置は穴の場所で比較的一定であることを示している。特に、穴あけされるべき穴は３０で示され、Ｘ軸限定回転モータの動きは３２で示され、共振スキャナの動きは３４で示される。レーザー位置は３６で示され、誤差は３８で示される。穴の位置において、パルス・レーザー、ゲーテッドＣＷレーザー又は他の適宜のレーザー出力からの１つ又は複数のレーザー・パルスの印加により、基板２４（図１）に穴をあけるのに必要な時間にわたってレーザー・ビームを有効に停止させるように、Ｘ軸限定回転モータ及び共振スキャナは逆方向に移動している。
【００２０】
上の例において共振スキャナによって示される正弦波走査は、（円筒レンズ効果に対して適宜の補正を行った）音響光学偏光器のような他の形式のスキャナや限定回転モータによって達成され得る。こうした他の場合には、走査は、一定の又は可変の走査周波数及び／又は振幅を持つ三角波又はラスター・パターンである。穴あけはいずれの方向においても行われ得る。音響光学偏光器、電気光学偏光器又は線形コントローラ付き限定回転モータに対しては、穴は周期的である必要はない。また、これらの応用分野は、レーザー位置のドリフトに敏感であり、これは（発散角の低減の結果として）ビーム拡大器によって最小化される。共振スキャナ又は限定回転モータの場合、高速軸の校正は、高速要素の位置的ドリフトを補償するようミラーの背面上でレーザーによる分割セルを用いることにより、連続的に行い得る。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態に係るシステムのブロック図を示している。システムは、レーザー４２を制御するヘッド制御器４０と、共振スキャナ制御器４４と、Ｘ軸線形スキャナ制御器４６と、Ｙ軸線形スキャナ制御器４８とを備える。共振スキャナ制御器４４は共振スキャナ５０を駆動し、共振スキャナ５０は、任意に光源５２と光検出器５４とを用いて制御器４４に対して速度フィードバック信号を与える。こうした検出器を用いるとき、エミッタは光ビームを走査ミラー（又は背面ミラー）へ向け、走査ミラーは、交叉する検出器を異なる走査角において横切って走査する。それぞれの検出器はバイセル型（bi-cell）検出器から形成され、各セルは、細い線で区分され且つ近接した検出器面を含む。バイセルの各側での電力が等しい場合、交叉の正確な測定がなされ得る。一連のバイセル照射を感知することにより、スキャナの方向が決定され、レーザーの検出器１への入射と検出器２への入射間の時間間隔と周波数情報とを用いて走査振幅が計算される。このセンサ・システムは、共振位置予測器に対する速度及びゼロ交叉信号で置き換えられ得る。Ｘ軸線形制御器４６はＸ軸スキャナ５６を駆動するが、制御器４４はＸ軸スキャナ５６から位置フィードバック信号を受け取る。Ｙ軸線形制御器４８はＹ軸スキャナ５８を制御するが、制御器４４はＹ軸スキャナ５８から位置フィードバック信号を受け取る。
【００２２】
線形ガルバノメータに基づく第２のスキャナと組み合わされた第１の高速スキャナとして共振スキャナを利用する実施の形態は、整数でない又は均等でない間隔での穴あけのための調整を提供する。例えば、回路基板は、例えば、基板の異なる領域内で、又は、ビアの少なくとも１つの行又は列が形成されるべき目標位置で、中心間距離が異なる目標位置を有する。第２のスキャナのミラー１７、１８のうちの少なくとも１つのミラーの位置と速度は、図３のヘッド制御器４０内で生成される軌跡計画に基づいて走査を生成するよう制御される。制御器４０は、Ｘ、Ｙスキャナ４６、４８に駆動信号を提供するラスター生成器６２を備える。位置コマンド又は速度コマンドに対するガルバノメータ型スキャナの典型的な応答時間は数百マイクロ秒であり、例えばＰＣＢ穴あけに利用される典型的なＣＯ２レーザーの連続パルス間の時間間隔と比較できる。
【００２３】
また、共振スキャナの振幅は、少なくとも低周波数では動的に調整され得る。例えば、添付文書で言及したＣＲＳスキャナは、０〜５Ｖ入力電圧且つ６ミリ秒設定時間で位相調整及び振幅（走査角）制御を提供するドライバ・ボードを備える。調整は、一定の共振周波数での走査速度の制御のための他のオプションを提供する。このオプションは単独で、又は、出力ミラーの調整や、ビーム・サイズ及び製品の面上での対応スポット・サイズへの考慮と組み合わせて用いられる。
【００２４】
また、或る条件の下では、所与の振幅での共振スキャナの可変の角速度（０ラジアン／秒〜最大ラジアン／秒）は、走査速度の或る調整を提供する。共振スキャナの周期の間に単一の短いパルス又は短いパルスの群が印加されるレーザー処理の応用分野では、或る瞬間での予め決定された共振スキャナ速度に基づいて、パルス生成のタイミングが調整される。次いで、第２のスキャナの速度も図３の制御器を用いて調整される。
【００２５】
ヘッド制御器４０は、所望の速度補正とラスター・パターンと穴の位置と共振時間スケジュールとに基づいて、共振スキャナの走査振幅を計算し設定するホスト及び設定ユニット６０を備える。ユニット６０は振幅信号を制御器４０に与え、ジョブ・パターンとスケジュール情報とをラスター生成ユニット６２に与える。
【００２６】
共振スキャナは、正弦波振幅変動を持つ自走動作において所定の周波数で振動する。マスタとしての共振スキャナによりシステムを動作させることは便利であり、スキャナから導出されるタイミングは走査システムのマスタ・クロックとなる。共振スキャナ制御器４４は位置情報及び速度情報を共振位置予測器６６に提供し、予測器６６は予測ビーム位置情報をビーム位置予測器６８に提供する。クロック信号は走査速度のゼロ交叉に基づいており、又は別個の光学交叉検出器に基づいている。クロック信号はラスター生成器６２のペースを設定する。また、ビーム位置予測器はホスト及び設定ユニット６０とカウンタ６４とラスター生成器６２とに、アップサンプリングされたクロック信号を提供する。
【００２７】
ラスター生成器は、共振スキャナが正しい速度にあるときに所定の時間（次回の穴あけ時間）に対象を通過しているようにスキャナを駆動する。ラスター生成器６２はこの情報を次回穴あけ時間ユニット７０に与え、ユニット７０は位相誤差情報を加算器ユニット７２に提供する。加算器ユニット７２はビーム位置予測器６８から位置位相誤差情報をも受け取る。位相誤差は次回穴あけ時間に加算され、ビームが次の穴の位置の上にある正確な時間を設定する。また、ラスター生成器は、レーザー設定を出力すると共に、加算器ユニット７２及びカウンタ６４から出力を受け取る比較器７４を介して電気光学システムの誤差に対する校正関数を出力する。
【００２８】
実施の形態にしたがって、レーザーのパルス速度は５０００Ｈｚであり、パルス幅は３０×１０−６秒であり、ビーム拡大整形前のビーム径は１０ｍｍである。例えば、基板は１ｍｍ間隔で誤差０．００１ｍｍの穴を必要とする。高速軸スキャナ振幅（単位はラジアン）は穴の間隔（メートルを単位とする穴間の距離）×望遠鏡倍率（Ｍ）（π×ｆθ）に等しいように設定される。ただし、ｆθはレンズの焦点距離（単位はメートル）である。ガルバノメータの速度（単位はラジアン／秒）は穴の間隔×共振スキャナの周波数に等しいように設定される。
【００２９】
特に、或る実施の形態においてはシステムに対するクロックを提供する共振スキャナ５０は、それ自身の機械的設計に基づいて自己共振する。ゼロ交叉で共振するとき、クロックはスキャナの正確な周波数を測定するのに用いられ、測定された周波数はホスト制御器ユニット６０に報告される。ついで、ホスト制御器ユニット６０は、共振スキャナ５０を駆動するための正確な共振振幅を計算し、その振幅情報を共振位置予測器６６に提供する。光学走査角は、穴の分離距離÷π×倍率÷レンズの焦点距離により、ラジアンを単位として提供される。或る実施の形態によると、光学走査角は０．０１１ラジアンである。ホスト制御器ユニットは、ゼロ交叉検出器から導出された周波数と共振走査制御器からの速度とを用いて、ラスター生成器へ送られるジョブに含まれるべきｘラスター速度を計算する。
【００３０】
光学走査角速度は、最小穴分離距離（微細ピッチ）÷レンズの焦点距離×共振周波数である。共振位置予測器６６は速度とゼロ交叉クロック（周波数）とを用いて共振スキャナの角度的位置を計算し、それをビーム位置予測器６８に与える。ビーム位置予測器６８は当該情報をｘスキャナの位置と共に用いて、位置誤差及び位相誤差（スケジュールからの時間差）を計算する。位置誤差及び位相誤差は加算器に与えられ、加算器は、レーザーが発光する計数を、フィールドでのスポット位置を補正する量だけずらす。また、加算器は、共振スキャナの拍子に基づいて、アップサンプリングされた高解像度時間クロック信号を生成する。共振サイクル当たり多くの時間クロックを持つアップサンプリングされたクロックは精度を向上させる。
【００３１】
予測位置は、光学走査角×ｓｉｎ（２π×アップサンプリングされたクロック）で与えられる。ホストはラスター生成器に、処理されるべき穴をスキャナが通過する実時間で穴の間隔と位置を含むジョブを提供する。こうした実時間は、共振位置予測器のアップサンプリングされたクロックからの高解像度での共振スキャナ周波数に基づく。また、ホストは、ジョブ・セットアップ・ファイルに基づいて、パルス・エネルギのようなレーザー制御パラメータを提供する。
【００３２】
ラスター生成器は次回穴あけ時間レジスタに次回実時間穴あけ時間を送り、次のレーザー・パルスを予定させる。ラスター生成器はこのラスター・パターンを生成して、共振スキャナ周波数に基づいてスケジュールを実行する。また、アップサンプリングされたクロックは、共振実時間を保持するカウンタへ送られる。接続された比較器は、正しい位相で補正された位置を加算器において調べ、穴が整列される時間をレーザーに知らせる。
【００３３】
図４は、本発明の更なる実施の形態に係るシステムを示しており、例えばＸガルバノメータ型スキャナとＹガルバノメータ型スキャナのような２つの高速軸スキャナを備えている。特に、システムはレーザー８０、ビーム整形器８２、Ｘ軸共振スキャナ・ミラー８４、Ｙ軸共振スキャナ・ミラー８６、ビーム拡大器８８、線形限定回転モータ制御のＸ軸ミラー９０、線形限定回転モータ制御のＹ軸ミラー９２、及び、処理されるべき基板９６にレーザー・ビームを向かわせるｆθレンズ・ユニット９４を備える。このシステムにおいて、Ｘ軸線形制御ミラー９０とＹ軸線形制御ミラー９２との運動は、速度を穴あけ期間に有効にゼロにさせるよう、高速Ｘ軸ミラー８４と高速Ｙ軸ミラー８６との運動と共同するよう調整される。典型的には、こうしたシステムは、迅速な穴あけを単一の方向に近接した間隔で行えるばかりでなく、比較的小さな２次元領域にわたっても行うことができる。代わりに、Ｘ軸スキャナ８４とＹ軸スキャナ８６とが慎重に同期されるならば、システムは対角線上（即ち、ゼロでないＸとゼロでないＹとを持つ方向）で動作し得る。
【００３４】
ＣＯ２レーザーを用いてＰＣＢのレーザー穴あけを行う応用分野においては、共振スキャナには、多くのＣＯ２レーザーの繰り返し周波数に近い５ｋＨｚの周波数が与えられる。したがって、第２のスキャナの連続的な運動により、スループットを犠牲にすることなく、穴あけが行われる。
【００３５】
実施の形態によっては、ビーム拡大器は光学中継器又は他の画像形成系で置換され得る。場合によっては、第２の線形スキャナのひとみを、共振スキャナの開口とほぼ一致させ、こうした光学系の必要を除去してもよい。
【００３６】
更なる実施の形態においては、第１の共振スキャナ及び光学的な第２の共振スキャナは、図５に示すように、ビーム拡大器の後に位置される。図５のシステムはレーザー１００、ビーム整形器１０２、及び上記のビーム拡大器１０４を備える。また、システムはＸ軸共振スキャナ・ミラー１０６、Ｘ軸ミラー１０８、Ｙ軸共振スキャナ・ミラー１１０、Ｙ軸ミラー１１２、及び、基板１１６を処理するためのｆθレンズ１１４を備えている。こうしたシステムは、ビーム拡大器によって出力されるビームの形状が共振スキャナ１０６、１０８に不当な距離制限を課さない応用分野に好適である。
【００３７】
上記の実施の形態及び例は、カリフォルニア州サンタクララのコヒーレント社が販売するダイアモンド・レーザー・シリーズのようなＣＯ２レーザーを用いての穴あけに特に適している。ＣＯ２レーザーによって作られる穴の典型的な大きさは５０μｍである。
【００３８】
実施の形態によっては、他の高速スキャナを単独で、又は共振スキャナと組み合わせて用いることができる。スキャナは音響光学装置、電気光学装置、ポリゴン又はホログラフィック・スキャナを含む。適合性は幾つかのパラメータに依存する。例えば、ホログラフィック・スキャナは単一のスキャナにおいて複数の機能を提供し、回折効率が十分に高いＩＲ近くで又は短い可視波長で用いられる。
【００３９】
したがって、本発明に係るレーザー穴あけシステムは、レーザー１２２とヘッド制御器１２４とを備える光学系ボックス１２０を有する。光学系及び走査ヘッド・ユニット１２８は光学系ボックス１２０に取り付けられる。レーザー１２２から走査ヘッド１２８へレーザー照明１２６が提供され、ユニット１２８は、上で検討したとおりの、ビーム拡大器、Ｘ及び／又はＹ共振スキャナ、Ｘ及びＹミラー、ｆθレンズを提供する。ユニット１２８からのレーザー収束領域は、タイル型のステージ１３４の一部として提供される印刷配線基板のタイル領域１３０へ与えられる。タイル型のステージ１３４及び光学系ボックス１２０はフレーム１３６の上に設けられ、システム制御及び電力調整電子装置１３８、１４０はフレーム１３６内に設けられる。
【００４０】
図５のレーザー穴あけシステムは、光学系及び走査ヘッド・ユニット１２８におけるＸ及びＹスキャナに加えて１つ又は２つの共振スキャナを採用することにより、一層高いスループットを達成する。
【００４１】
本発明の原理は顕微鏡のスケールまで拡張できる。例えば、性能の改善は半導体基板、ウェーファ、光回路等々における穴あけに見出される。複数のパルスが例えばグリーン・ウルトラショート・レーザーのような短波長レーザーから生成される。場合によっては、高速走査機構及びビーム拡大器は高速走査顕微鏡の開口に合致するようスケーリングされることができる。
【００４２】
当業者は理解するように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上で開示された実施の形態に対して多くの修正及び変形を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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