(57)【要約】  本発明は、熱的に安定化された音響光学ビーム偏向器を用いてレーザ加工する方法を提供する。この方法は、レーザパルス繰り返し率を有するレーザパルスのシーケンスに対応するＲＦパルスのシーケンスを発生させるステップであって、ＲＦパルスが、各送信方向および非送信方向へとレーザパルスのシーケンスを偏向させるために送信ＲＦ周波数の送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦ周波数の非送信ＲＦパルスを含み、各ＲＦパルスが、ＲＦ周波数、ＲＦ振幅、および期間を有する、ステップと、ＲＦパルスのシーケンスが音響光学偏向器に対する均衡化された熱負荷を与えるように変調された変調済みＲＦ駆動信号を生成するように、各ＲＦパルスを制御するステップと、音響光学偏向器に対して変調されたＲＦ駆動信号を印加するステップと、変調されたＲＦ駆動信号を利用して音響光学偏向器を用いて少なくとも１つのレーザパルスを偏向させて、所定のパルスエネルギーで選択された標的位置を照射するステップとを含む。
2014524047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱的に安定化された音響光学ビーム偏向器を用いてレーザ加工する方法であって、
レーザパルス繰り返し率を有するレーザパルスのシーケンスに対応するＲＦパルスのシーケンスを発生させるステップであって、前記ＲＦパルスは、各送信方向および非送信方向へとレーザパルスの前記シーケンスを偏向させるために送信ＲＦ周波数の送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦ周波数の非送信ＲＦパルスを含み、各ＲＦパルスは、ＲＦ周波数、ＲＦ振幅、および期間を有する、ステップと、
ＲＦパルスの前記シーケンスが、前記音響光学ビーム偏向器に対する均衡化された熱負荷を与えるように変調された、変調されたＲＦ駆動信号を生成するように、各ＲＦパルスを制御するステップと、
前記音響光学ビーム偏向器に対して前記変調されたＲＦ駆動信号を印加するステップと、
前記変調されたＲＦ駆動信号を利用して前記音響光学ビーム偏向器を用いて少なくとも１つのレーザパルスを偏向させて、所定のパルスエネルギーで選択された標的位置を照射するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、各ＲＦパルスを制御する前記ステップは、各ＲＦパルスの前記振幅および前記期間を制御することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、各ＲＦパルスの前記期間は、前記レーザパルス繰り返し率にて少なくとも５０％のデューティサイクルを有することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記レーザパルス繰り返し率は、１００ＫＨｚ超であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、各送信ＲＦパルスの前記期間は、実質的に１００％のデューティサイクルを有する効率的なレーザパルス送信に対応する最小期間であり、このことによって前記レーザパルス繰り返し率が最大化されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記レーザパルス繰り返し率は、約３００ＫＨｚであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項２に記載の方法であって、各ＲＦパルスの前記期間を制御する前記ステップは、前記レーザパルス繰り返し率で５０％〜１００％の範囲の各デューティサイクルを有するＲＦパルスを発生させることと、前記音響光学ビーム偏向器に対して均衡化された熱負荷を与えるように、非送信ＲＦパルスの前記期間を制御することとを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記変調された駆動信号は、前記音響光学ビーム偏向器を熱的に安定化させるために実質的に一定の平均化されたＲＦパワーを供給することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、制御する前記ステップは、前記音響光学ビーム偏向器における伝搬遅延に対処するために、対応するレーザパルス発射に先立ち一連のＲＦパルス発生をタイミング調節することと、前記偏向器において複数の振幅変調された音響パルスを同時に伝搬するようにＲＦパルス振幅を変調することとをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、ＲＦパルス振幅を変調する前記ステップは、前記音響光学ビーム偏向器を熱的に安定化させるために異なるＲＦパルスエネルギーを有する少なくとも２つの非送信ＲＦパルスを供給することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、ＲＦ振幅を変調する前記ステップは、異なるＲＦパルスエネルギーを有する少なくとも２つの送信ＲＦパルスを供給することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、前記方法は、ＲＦパワー基準値を記憶するステップと、前記音響光学ビーム偏向器に対して印加される平均ＲＦパワーを予測するステップと、前記基準値と前記予測を比較するステップと、前記比較に基づき少なくとも１つの各非送信ＲＦパルスのＲＦパルスエネルギーを判定するステップとをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、前記方法は、偏向器ＲＦ周波数の送信範囲にわたる前記偏向器の光学送信対偏向ＲＦ周波数に対する補正テーブル値を記憶するステップをさらに含み、制御する前記ステップは、偏向周波数および対応する記憶された補正テーブル値に基づき送信ＲＦパルス振幅を変調することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、前記方法は、偏向されたレーザビームに対して基板を移動させるためにレーザ加工システムを操作することと、所定のレーザパルスエネルギー許容範囲内において前記基板上の選択された標的位置へと補償されたレーザパルスエネルギーを送達することとをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法であって、前記方法は、計算された音響光学ビーム偏向器のＲＦパワーが所定のエラー許容範囲を超える場合に、レーザ加工を終了することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
音響光学ビーム偏向器において熱安定性を与える方法であって、
前記音響光学ビーム偏向器が標的基板にて終端する光学経路に沿って加工レーザパルスを送るのを実現するために、前記音響光学ビーム偏向器に対して送信ＲＦパルスを供給するステップと、
前記音響光学ビーム偏向器が前記標的基板に到達することなく終端する光学経路に沿って非送信レーザパルスを送るのを実現するために、前記音響光学ビーム偏向器に対して非送信ＲＦパルスを供給するステップであって、各非送信ＲＦパルスは、前記音響光学ビーム偏向器の熱安定性を実現するように選択されたパルス特徴を有する、ステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記パルス特徴は、前記非送信ＲＦパルスの振幅であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、前記パルス特徴は、前記非送信ＲＦパルスの周波数であることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、前記パルス特徴は、前記非送信ＲＦパルスのパルス幅であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって、前記方法は、前記非送信ＲＦパルスの前記パルス特徴を実現するために前記音響光学ビーム偏向器におけるＲＦパワーをモニタリングするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法であって、前記方法は、前記非送信ＲＦパルスの前記パルス特徴を実現するために前記音響光学ビーム偏向器における熱負荷をモニタリングするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１６に記載の方法であって、前記方法は、前記非送信ＲＦパルスの前記パルス特徴を実現するために前記音響光学ビーム偏向器の温度をモニタリングするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
レーザ加工シーケンスに応じてレーザ加工フィールド内の選択された標的に対してレーザパルスを偏向するための熱的に安定化された高速レーザ加工システムであって、
レーザ加工コマンドのシーケンスを実行し、システム構成要素を熱的に安定化させるためのコントローラであって、前記コマンドは、送達されるレーザパルスのエネルギーコマンドおよび前記レーザ加工フィールド内のレーザパルス位置に関する送達されるレーザパルスの位置コマンドを含み、前記コントローラは、少なくとも１つのシステム構成要素を熱的に安定化させるために前記レーザ加工コマンドに応答して１つ以上の偏向器制御信号を発生させる、コントローラと、
偏向器制御信号を受領し各ＲＦ駆動信号を発生させるように構成された少なくとも１つのＲＦ信号発生器であって、各ＲＦ駆動信号は、送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦパルスのシーケンスを含み、各送信ＲＦパルスは、前記レーザ加工フィールド内の選択された標的座標に対応する所定の送信周波数により特徴づけられ、各所定の熱負荷により特徴づけられ、各非送信ＲＦパルスは、各非送信周波数および各補償熱負荷により特徴づけられ、各ＲＦ駆動信号は、少なくとも１つの音響光学ビーム偏向器において送信ＲＦパルスおよび補償非送信ＲＦパルスの安定化された熱負荷をもたらす、ＲＦ信号発生器と
を備え、
前記少なくとも１つの音響光学ビーム偏向器は、各ＲＦ駆動信号を受領するように、および前記レーザ加工シーケンスに応じてレーザパルスを偏向して所定のレーザパルスエネルギーで所定の標的座標を照射するように、構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のシステムであって、各ＲＦパルスは、前記偏向器制御信号に応答するＲＦ振幅を有することによりさらに特徴づけられることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
請求項２３に記載のシステムであって、前記コントローラは、ＲＦパルスごとに熱負荷推定値を事前に判定するための手段をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２３に記載のシステムであって、前記コントローラは、選択された標的座標および関連する所定のＲＦ振幅補正係数に基づき、指令されたパルスエネルギーを対応する補正されたＲＦ振幅に変換するための手段をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項２３に記載のシステムであって、前記コントローラは、所定の値に対する計算されたＲＦパワーの比較に基づき熱的に均衡化された偏向器制御信号を発生させるための手段をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項２３に記載のシステムであって、前記ＲＦ信号発生器は、ＲＦパワー増幅器をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２３に記載のシステムであって、前記システムは、ＲＦパワー増幅器から前記音響光学ビーム偏向器にＲＦパワーを送達するためのＲＦケーブルおよびインピーダンス整合構成要素をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２３に記載のシステムであって、音響光学温度が、安定化された高温であることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項２３に記載のシステムであって、前記安定化された熱負荷は、実質的に一定のＲＦパワーを含むことを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項２３に記載のシステムであって、前記コントローラは、熱負荷を変更するためのＲＦパルス幅変調手段を含むことを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項２３に記載のシステムであって、前記コントローラは、熱負荷を変更するためのＲＦパルス振幅変調手段を含むことを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項２３に記載のシステムであって、前記コントローラは、構成されたＦＰＧＡを含むことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には音響光学ビーム偏向器（ＡＯＢＤ）デバイスおよび音響光学変調器（ＡＯＭ）デバイスに関し、詳細にはかかるデバイス用の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１１年７月５日に出願された米国仮特許出願第６１／５０４，５６３号に基づき優先権を主張するものである。この仮特許出願の開示は、その全体を本願に引用して援用する。
【０００３】
音響光学ビーム偏向器デバイスおよび音響光学変調器デバイスは、レーザ処理システムの分野においては周知のものであり、高速ビーム位置決めにとって有用である。米国特許出願公開第２００８／０１６４２４０号は、レーザパルスをそれぞれ送信または遮断する衝突間隔および非衝突間隔をもたらすように振幅変調される高周波（ＲＦ）駆動信号により駆動されるＡＯＭデバイスを備える、マルチパルスレーザ加工用のシステムおよび方法を開示している。米国特許出願公開第２００９／００９５７２２号は、１つ以上のＡＯＢＤが加工レーザビームを偏向させるように構成された、メモリリペア用途におけるメモリデバイスのリンクをレーザ加工（切断）するためのシステムおよび方法を開示している。
【０００４】
しかし、音響光学ビームデバイスは、温度の影響を受けやすい可能性がある。受動冷却の場合には、一定の割合で印加されるＲＦパワーが、一定のデバイス温度を維持し得るが、あるレーザ加工用途においてビームを偏向させるために使用されるＲＦパワーは、断続的である。
【０００５】
米国特許第５，７１２，７２２号および米国特許第５，７４２，４２５号は、複数のＲＦキャリア信号を受領し、ＡＯＭに対して一定のＲＦパワー信号を生成する、変調器の使用を開示している。これらの特許は、補償パワーレベルを選択することにより、ＡＯＭ内部の空間熱エネルギー分布が、実質的に一定に留まり得ることを開示している。
【０００６】
米国特許第６，２９５，１５７号は、ＡＯＭを同時に駆動するための２つの異なるＲＦ信号の使用を開示している。それぞれ１つのＲＦ信号のパワーレベルが、パターン書き込みに対して調節され、両ＲＦ信号の負荷パワーの和が、実質的に一定に維持されるように開示される。
【０００７】
米国特許第６，７６５，７０９号は、光学変調器システムのバルク材料における一時的な温度効果に対する熱補償を実現するために開示された電熱ストリップの使用を開示している。しかし、電熱ストリップは、一定の温度条件を維持するためにバルク材料に対して所望の熱エネルギーを導入するように開示されている。
【０００８】
米国特許第７，６１６，６６９号は、一定の繰り返し率にてＡＯＭに対してＲＦパルスを供給することによりＡＯＭの熱負荷を制御することを開示している。しかし、ＲＦパルスは、レーザ出力と同時になるようにタイミング調節されたＲＦパルスと、レーザ出力と同時ではない非同時パルスとを含む。非同時パルスは、それぞれがレーザ出力パルスの直後に生じるように遅延される（例えば０．５マイクロ秒だけ）ように開示されている。また、非同時パルスは、同時パルスと同一または異なるＲＦパワー値およびＲＦ期間を有するように開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１６４２４０号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／００９５７２２号
【特許文献３】米国特許第５，７１２，７２２号
【特許文献４】米国特許第５，７４２，４２５号
【特許文献５】米国特許第６，２９５，１５７号
【特許文献６】米国特許第６，７６５，７０９号
【特許文献７】米国特許第７，６１６，６６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、一定または実質的に一定のＡＯＭおよびＡＯＢＤのデバイス温度を維持するための改良された熱負荷方法および熱負荷システムに対する必要性が、依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態によれば、本発明は、熱的に安定化された音響光学ビーム偏向器を用いてレーザ加工する方法を提供する。この方法は、レーザパルス繰り返し率を有するレーザパルスのシーケンスに対応するＲＦパルスのシーケンスを発生させるステップであって、ＲＦパルスが、各送信方向および非送信方向へとレーザパルスのシーケンスを偏向させるために送信ＲＦ周波数の送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦ周波数の非送信ＲＦパルスを含み、各ＲＦパルスが、ＲＦ周波数、ＲＦ振幅、および期間を有する、ステップと、ＲＦパルスのシーケンスが音響光学偏向器に対する均衡化された熱負荷を与えるように変調された変調済みＲＦ駆動信号を生成するように、各ＲＦパルスを制御するステップと、音響光学偏向器に対して変調されたＲＦ駆動信号を印加するステップと、変調されたＲＦ駆動信号を利用して音響光学偏向器を用いて少なくとも１つのレーザパルスを偏向させて、所定のパルスエネルギーで選択された標的位置を照射するステップとを含む。
【００１２】
別の実施形態によれば、本発明は、音響光学ビーム偏向器において熱安定性を与える方法であって、音響光学ビーム偏向器が標的基板にて終端する光学経路に沿って加工レーザパルスを送るのを実現するために、音響光学ビーム偏向器に対して送信ＲＦパルスを供給するステップと、音響光学ビーム偏向器が標的基板に到達することなく終端する光学経路に沿って非加工レーザパルスを送るのを実現するために、音響光学ビーム偏向器に対して非送信ＲＦパルスを供給するステップであって、各非送信ＲＦパルスが、音響光学ビーム偏向器の熱安定性を実現するように選択されたパルス特徴を有する、ステップとを含む、方法を提供する。
【００１３】
さらなる一実施形態によれば、本発明は、レーザ加工シーケンスに応じてレーザ加工フィールド内の選択された標的に対してレーザパルスを偏向するための熱的に安定化された高速レーザ加工システムを提供する。このシステムは、レーザ加工コマンドのシーケンスを実行し、システム構成要素を熱的に安定化させるためのコントローラであって、コマンドが、送達されるレーザパルスのエネルギーコマンドおよびレーザ加工フィールド内のレーザパルス位置に関する送達されるレーザパルスの位置コマンドを含み、コントローラが、少なくとも１つのシステム構成要素を熱的に安定化させるために前記レーザ加工コマンドに応答して１つ以上の偏向器制御信号を発生させる、コントローラと、偏向器制御信号を受領し各ＲＦ駆動信号を発生させるように構成された少なくとも１つのＲＦ信号発生器であって、各ＲＦ駆動信号が、送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦパルスのシーケンスを含み、各送信ＲＦパルスが、レーザ加工フィールド内の選択された標的座標に対応する所定の送信周波数により特徴づけられ、各所定の熱負荷により特徴づけられ、各非送信ＲＦパルスが、各非送信周波数および各補償熱負荷により特徴づけられ、各ＲＦ駆動信号が、少なくとも１つの音響光学ビーム偏向器において送信ＲＦパルスおよび補償非送信ＲＦパルスの安定化された熱負荷をもたらす、ＲＦ信号発生器とを備え、少なくとも１つの音響光学偏向器は、各ＲＦ駆動信号を受領するように、およびレーザ加工シーケンスに応じてレーザパルスを偏向して所定のレーザパルスエネルギーで所定の標的座標を照射するように、構成される。
【００１４】
添付の図面を参照することにより、以下の説明がさらに理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の熱制御システムおよび熱制御方法を利用し得るレーザ加工システムを示す概略図である。
【図２】リンクに対するレーザパルスの印加を説明するリンク列の一部分を示す概略平面図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態によるレーザ加工システムのシステム要素を示す概略図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態によるレーザ加工システム制御アーキテクチャを示す概略図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態によるレーザ加工システムの要素を示す概略図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による音響光学ビーム偏向器の動作を示す概略図である。
【図７Ａ】本発明のいくつかの実施形態による工作物に関する加工フィールドサイズを示す概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａの加工フィールドにおける２次元偏向を示す概略図である。
【図７Ｃ】本発明のいくつかの実施形態による可変フィールドサイズ特性を示す概略図である。
【図８Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるシステムにおける入力信号を示す概略図である。
【図８Ｂ】本発明のいくつかの実施形態によるシステムにおける入力信号に対するＲＦ応答を示す概略図である。
【図８Ｃ】本発明のいくつかの実施形態によるシステムにおける入力信号に対する音響応答を示す概略図である。
【図９Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるＡＯＢＤ効率を示すグラフである。
【図９Ｂ】本発明のいくつかの実施形態によるＡＯＢＤ効率を示すグラフである。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態において利用される予測加工方法のタイミングを示す概略図である。
【図１１】本発明のいくつかの実施形態によるシステムの予測加工方法を示す概略的な流れ図である。
【図１２Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるＡＯＢＤ内のパルス伝搬を示す概略図である。
【図１２Ｂ】本発明のいくつかの実施形態によるＡＯＢＤ内のパルス伝搬を示す概略図である。
【図１３】本発明のいくつかの実施形態によるＡＯＢＤにおけるパルススタッキングプロセスを示す概略図である。
【図１４】ＲＦパワー安定化を利用しないシステムにおけるＲＦパワーを示すグラフである。
【図１５】本発明のいくつかの実施形態による送信パルスおよび非送信パルスを使用するＲＦパワーを示すグラフである。
【図１６】本発明のいくつかの実施形態によるパワー安定化を利用するシステムにおけるＲＦパワーを示すグラフである。
【図１７】本発明のいくつかの実施形態によるＡＯＢＤにおける動的パルススタッキングプロセスを示す概略図である。
【図１８】本発明のいくつかの実施形態によるシステムにおけるパルス加工を示す概略的な流れ図である。
【図１９】本発明のいくつかの実施形態によるシステムにおけるＲＦ振幅加工を示す概略的な流れ図である。
【図２０】本発明のいくつかの実施形態によるＲＦ加工システムを示す概略図である。
【図２１】本発明のいくつかの実施形態によるＲＦ加工システムを示す概略図である。
【図２２】本発明のいくつかの実施形態によるＲＦ加工システムを示す概略図である。
【図２３】本発明のいくつかの実施形態によるマルチチャネルデジタル入力構成を利用するＡＯＢＤパワー安定化制御システムを示す概略図である。
【図２４Ａ】本発明のいくつかの実施形態による加工フィールド形状を示す概略図である。
【図２４Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による加工フィールド形状を示す概略図である。
【図２５】本発明のいくつかの実施形態による偏向されたビーム軸を示す概略図である。
【図２６】本発明のいくつかの実施形態による複数パルスレーザ加工システムを示す概略図である。
【図２７】本発明のいくつかの実施形態によるリンク加工中に相対運動を補正するように構成されたレーザ加工システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
これらの図は、専ら例示的な目的で示されるに過ぎない。
【００１７】
音響光学ビーム偏向器デバイスおよび音響光学変調器デバイスは、本発明の様々な実施形態によれば、例えばリンク加工のためなどのパルスを選択するためにレーザ加工システムにおいて使用され得る。例えば、図１は、例えばＱスイッチレーザなどのパルスレーザ１０からのレーザパルスの繰り返しシーケンスが、所定の繰り返し率でパルスバーストのシーケンスまたは成形パルスのシーケンスからのパルスを提供する、レーザ加工システムを示す。特徴的な間隔ｄを有する一群のリンク２０（図２に示すような）が、制御コンピュータまたは論理デバイス１４の制御下でステージ１２を移動することにより、所定の速度Ｖで加工ヘッドに対して動かされる。パルスは、エネルギー制御／エネルギーパルス選択システム１６により選択的に遮断される。
【００１８】
一般的には、変調器は、単一のＲＦ周波数または小さな範囲のＲＦ周波数にて高効率で動作し、偏向器は、より大きな範囲の周波数にわたる最適化された効率で動作するが、これらのタイプの音響光学デバイスはいずれも、偏向および変調を行う。便宜上の理由により、偏向器およびＡＯＢＤという用語は、大きな偏向範囲が好ましい場合に使用されるが、以下に論じる一般的な態様は、ＡＯＭまたはＡＯＢＤにより実現されるビーム偏向およびビーム変調に該当する。本発明の実施形態は、米国特許出願公開第２００８／０１６４２４０号、米国特許出願公開第２００９／００９５７２２号、米国特許出願公開第２０１１／０２９７８５１号、米国特許出願公開第２０１１／０２１０１０５号、米国仮特許出願第６１／３５２，３１６号、および米国仮特許出願第６１／４４６，９４３号に開示されているレーザ加工システムを含むがそれらに限定されない、多様なレーザ加工用途において利用され得る。これらの出願公開および仮特許出願の開示は、その全体を本願に引用して援用する。
【００１９】
例えば、図３は、加工用のレーザパルスを供給するレーザ３０を備えるシステムを概略的に示す。これらのパルスは、オプションのＡＯＭ３８によりゲート制御され、次いで第１のＡＯＢＤデバイス４２の像平面４０へと伝搬する。ＡＯＢＤ４２のゼロ次ビームにおけるパルスエネルギーが、図示するようにビームストップ４６へと送られ、第１の軸において偏向されたパルスが、第２のＡＯＢＤデバイス５０の像平面４８へと伝搬する。ＡＯＢＤデバイス５０のゼロ次ビームにおけるパルスエネルギーは、ビームストップ５２へ送られ、第２の軸（図示せず）において偏向されたパルスは、加工用に選択されて、工作物基板７２の方向に伝搬する。
【００２０】
図３のシステムは、リンク切断用の多軸無慣性偏向器ベースのレーザ加工システムを提供する。したがって、このシステムは、とりわけ、レーザ源、多軸無慣性偏向器および付随する駆動装置、リレー光学部品、ビーム拡大光学部品、スポット形成光学部品、ならびに機械的位置決めシステムを備える。特に、レーザ３０は、第１のリレーレンズ３２を通してレーザパルスを出力する。これらのレーザパルスは、加工期間３４の間に生じ得る。音響光学変調器３８（ＡＯＭ）は、出力されたパルスの一部を選択的に遮断するために加工出力３６にてレーザパルスを受領し得る。少なくともいくつかの実施形態においては、このＡＯＭ３８は、システム内のオプションの構成要素である。第１のビーム偏向器４２（ＡＯＢＤ１）は、以下においてさらに説明するように、第１の軸に沿って受領したレーザパルスを偏向および／または分割し得る。リレー光学部品には、リレーレンズ４４と、システムの光学経路に沿ってレーザを反射させるためのミラーとが含まれ得る。ストップ４６は、第１の偏向器４２の不要なエネルギーが、第２の偏向器５０（ＡＯＢＤ２）に伝搬するのを防止し、第２の偏向器５０は、以下においてさらに説明するように、別の軸に沿ってレーザビームを偏向および／または分割し得る。
【００２１】
第２のストップ５２は、第２の偏向器５０からの不要なエネルギーが、このビーム経路に沿って進むのを防止し得る。これらのビームは、図示するようにリレー光学部品を通り進み得る。これらのリレー光学部品には、リレーレンズ５４と、偏向軸を配向するためのビーム回転用のオプションのＫミラー５６と、リレーレンズ６０とが含まれてもよく、中間像平面５８が、概略的に図示されるように形成され得る。リレーレンズ６０は、前エキスパンダレンズとして形成されてもよい。液晶可変リターダ（ＬＣＶＲ）デバイス６２が、これらのパルスの偏光を制御する。これらのビームは、対物レンズ（レンズシステム）６８により焦点を合わせられる標的におけるレーザスポットサイズを設定するために使用される、ズームエキスパンダ６６の像平面６４まで進み得る。対物レンズ６８は、機械的位置決めシステム７４上に取り付けられた基板７２にこれらのビームの焦点を合わせ得る。
【００２２】
基板７２にビームの焦点を合わせ、収差および非点収差を低減し、光学システムをよりコンパクトにするために、他のリレー光学部品およびリレーレンズを使用し得ることが、当業者には認識されよう。対物レンズは、加工標的に対するレーザスポットを位置決めするために対物レンズの軸に対してほぼ垂直な面内において機械的位置決めシステム７４上を移動される基板７２に対する焦点高さを設定するために、調節可能な空気軸受７０を使用して位置決めされてもよい。図３は、単一のシステムの実施形態を示すが、レーザビーム生成、ＡＯＢＤデバイスへのおよびＡＯＢＤデバイスからのレーザビームの伝搬、ならびにレーザビーム送達システムの他のルーチン態様における、周知のバリエーションが、熱的に安定化されたＡＯＢＤデバイスと共に利用されてもよい。
【００２３】
ＡＯＢＤデバイス４２および５０は、ＲＦ変換器から光透過性バルク音響材料に印加される音響周波数を変更することにより可変的な回折格子を発生させるブラッグセルである。例えば、この材料は、ガラスまたはＴｅＯ２であってもよく、この材料に対して装着される圧電変換器を備えてもよい。この圧電変換器は２５〜４００ＭＨｚの周波数範囲で音波を発生させる。適切な市販のデバイスは、種々の性能特性を有する多様なモデルにおいて容易に入手可能である。各モデルは、通常は、中心周波数および周波数帯域幅範囲により特徴づけられる。音響材料の音響速度および印加されるＲＦ周波数の結果が、その音響材料における音波を形成する。ＲＦ周波数が変化すると、音波が変更されて、可変的な回折格子周期および可変的な回折角をもたらす。
【００２４】
ＲＦドライバから変換器に印加されるＲＦ信号周波数を制御することにより、制御可能なビーム偏向角は、デバイスの帯域幅内となることが可能となる。デバイス帯域幅外においては、印加される周波数は、デバイスの動作許容範囲内において効率的には偏向しなくなり得る。図４は、パルストリガ信号８４を介してレーザシステム３０からパルスをトリガするためにシステム制御装置８２と通信する制御プログラム８０を備える制御システムを示す。システム制御装置８２は、１つ以上のチャネルを介して第１のＲＦドライバ８６を制御し、このＲＦドライバ８６は、第１のＲＦ信号８８を介してＡＯＢＤデバイス４２を駆動する。また、システム制御装置８２は、１つ以上のさらなるチャネルを介して第２のＲＦドライバ９０を制御し、ＲＦドライバ９０は、第２のＲＦ信号９２を介してＡＯＢＤデバイス５０を駆動する。また、システム制御装置８２は、機械的位置決めシステム７４のｘ位置およびｙ位置を制御するために機械的位置決めシステム２３と通信し、機械的位置決めシステム７４から位置フィードバック情報を受領する。図３および図４は、複数のＡＯＢＤデバイスを示すが、単一軸偏向または複数軸偏向のいずれかを利用する場合には、単一のＡＯＢＤシステムにおいて様々な実施形態を実施することができる。
【００２５】
典型的には、ＡＯＢＤ送信は、ＲＦ振幅が固定の場合でも、ＲＦ周波数と共に変化する。例えば、中心フィールド偏向周波数は、最外フィールド角への偏向を引き起こす周波数よりも比較的高い送信度を有し得る。この効果は、偏向角と共に変化するＡＯＢＤの回折効率が変化することにより引き起こされ得るものであり、回折効率は、最大偏向角にて低下する。ＲＦドライバから変換器に印加されるＲＦ信号振幅を制御することにより、ＡＯＢＤの回折効率は、およびその結果として加工のためにＡＯＢＤにより送信されるレーザパワーは、所望の偏向されたレーザパルスエネルギーを維持するように制御可能に変調され得る。
【００２６】
所望のレベルにおける正確なレーザ出力エネルギーの不変的な目標とされる送達を行うために、効率低下を補正するためのレーザパルスエネルギー変調の補償は、種々の周波数でＲＦ振幅を制御することにより適用され得る。例えば、ＲＦ振幅は、測定される光透過曲線に逆比例して変化することにより、加工フィールド中のレーザエネルギーを偏向させる周波数範囲にわたる送信応答の平坦化をもたらし得る。
【００２７】
例えば図５に示すように、光透過度は、光学経路に沿った様々な点において光学検出器を用いることで測定され得る。特に、第１の検出器１００は、レーザ３０からのビームスプリッタ１０２を経由したレーザ出力の一部分を受領するように位置決めされ得る。第２の検出器１０４は、第１のＡＯＢＤデバイス４２からのビームスプリッタ１０６を経由した出力の一部分を受領するように位置決めされ、第３の検出器１０８は、第２のＡＯＢＤデバイス５０からのビームスプリッタ１１０を経由した出力の一部分を受領するように位置決めされ得る。また、透過度検出器１１２が、機械的位置決めシステム７４と組み合わせて使用されてもよい。
【００２８】
各検出器は、レーザパルスエネルギーおよび／または平均レーザパワーを検出する。単一の検出器、または複数の検出器が使用される場合には検出器の組合せは、第２のＡＯＢＤ５０の前にエネルギーを測定することにより、第１のＡＯＢＤ４２における非線形送信を個別に較正し得る。このシステムは、検出器対の間のパルスエネルギーまたは平均パワーの差を推定するための手段を備えてもよい。第１のＡＯＢＤ４２の前の検出器との組合せにおいて、第１のＡＯＢＤ４２および第２のＡＯＢＤ５０は、レーザパワーのドリフトまたは他の上流の要因から個別に較正され得る。第２のＡＯＢＤ５０および第１のＡＯＢＤ４２を出るパワーの差は、複数の検出器を使用して判定され得る。これは、第１のＡＯＢＤ４２とは別個に第２のＡＯＢＤ５０の非線形送信を推定および較正するための手段を形成する。
【００２９】
ＡＯＢＤデバイス帯域幅の少なくとも一部分が、偏向周波数の送信範囲に一致し、レーザビームは、加工視野内の基板の標的へと偏向される。送信範囲外の他の周波数では、または他の回折次数では、ビームは、ビームストップ、ダンプ、ブロッカ、または他の非送信要素へと偏向され得る。送信範囲外の周波数は、例えば中心周波数と帯域幅の半分との和よりも大きな高周波数など、デバイス帯域幅の一部分を含むと共に、デバイス帯域幅外の周波数を含んでもよい。他の回折次数は、デバイスが１次の回折次数で動作するように設計される場合には、例えば２次以上の次数であってもよい。典型的には、ビームは、１次の回折次数で偏向され、残りのゼロ次ビームエネルギーは、ビームピックオフまたはビームダンプで遮断される。
【００３０】
例えば、図６は、ＡＯＢＤデバイス１２０を概略的に示す。ＲＦ信号が印加されない場合には、ビーム偏向はなく、ビーム１２２はゼロ次方向１２４に沿って出力される。例えば７２．５０ＭＨｚ〜１０７．５ＭＨｚなどの送信周波数範囲内のＲＦ信号が、デバイス１２０に印加される場合には、ビーム１２２は、例えば１１６．８ミリラジアン（１２６で図示）、１４５ミリラジアン（１２８で図示）、および１７３．２ミリラジアン（１３０で図示）などに対応する送信角度で偏向される。ＲＦ信号が、例えば１４０ＭＨｚなどの非送信周波数である場合には、ビーム１２２は、例えば２２５．５ミリラジアン（１３２で図示）などに対応する非送信角度で偏向される。例えば１２６、１２８、および１３０で示されるビーム偏向は、標的を加工するために利用でき、ゼロ次方向ビーム（１２４で図示）および１３２で示されるビーム偏向は、遮断され得る。
【００３１】
図７Ａにおいて１４０で示すようなフィールドサイズは、ｘおよびｙの関数として表し得るような、幅ｘおよび長さｙを有するものとして特徴づけられ得る。ビームは、図７Ｂにおいて１４２で示されるようなフィールド内に２次元偏向を有してもよく、ビームは、第１の位置１４４から第２の位置１４６へと偏向される。図７Ｃにおいて１４８で示すように、ビームが拡大され、スポットサイズが縮小される場合には、偏向角は縮小され、フィールドサイズは縮小される。フィールドにわたり偏向器の範囲内で対処され得る焦点を合わせられるスポット数は、ビームエキスパンダの設定にかかわらず一定となる。そのため、小フィールドに対する小スポットと、より大きなフィールドに対するより大きなスポットとでは、スポットサイズとフィールドサイズとの間で直接的なトレードオフが存在する。加工レンズとの組合せで、米国特許第７，４０２，７７４号（その開示を本願に引用して援用する）による方法を利用することにより、フィールドに対するスポットの減損を伴うことなく、多様なフィールドサイズおよびスポットサイズを実現することが可能となる。
【００３２】
ＡＯＢＤ最適化の一側面は、ＡＯ結晶に対して印加されるＲＦ周波数に応じて種々の位置コマンドが偏向器にて実現され得る速度である。図８Ａ〜図８Ｃは、印加されるコマンド信号（１６０で図示）、ＲＦ応答（１６２で図示）、および音響応答（１６４で図示）の、信号エンベロープ形状を示す。ＡＯ結晶の設計、変換器の外形、および生成される有効音響窓の面積は、効率、偏向範囲、および相互変調などの多数の因子を考慮対象とする。任意のタイプの適切な結晶／変換器の外形が、選択され、ＡＯＢＤデバイスにおいて使用されてもよい。好ましくは、ＴｅＯ２結晶が使用されるが、他のタイプの音響光学材料、特に音響光学ビーム偏向器における使用向けに開発されたものなどが、使用され得る。各デバイスタイプは、材料および構造外形ならびに音響窓を埋めるビームの外形に応じて、音波がセルを横断する際に偏向を設定するのに要する特徴的な時間を有することとなる。最適化は、偏向効率対指令された偏向角後の時間の測定と、この偏向角での所望の効率を達成するのに必要な最低リードタイムの判定と、所望の効率を達成するために必要な時間に基づく、レーザ加工シーケンスを最適化するように最低リードタイムでレーザパルスを発射するためのレーザ発射シーケンスのタイミング調節とを含み得る。この最適化は、例えば新たな偏向角の設定の直前のＡＯＢＤの偏向状態など、異なる初期条件セットを考慮対象とし得る。同様に、他のＡＯＢＤ性能特徴が、最低設定時間での所望の性能レベルを確保するために、解析および最適化され得る。
【００３３】
ランダムアクセス位置決めにおけるＡＯＢＤ最適化の別の関連する側面は、印加されるＲＦ偏向信号の期間である。印加されるＲＦの期間は、最適化されたリードタイムを利用して変更されてもよく、その一方で、偏向効率または他のパラメータが、測定される。このようにすることで、最低ＲＦ偏向期間が、あらゆる特定のＡＯＢＤデバイスに対して判定され得る。最低リード時間と組み合わせて最低ＲＦ期間を利用することにより、レーザ加工シーケンスをさらに最適化することができる。
【００３４】
フィールド位置を用いてＲＦ入力パワーレベルを調節することにより、ＡＯＢＤ効率（ＡＯＢＤ効率はＡＯＢＤに進入するパルスエネルギーに対するＡＯＢＤを出るパルスエネルギーの比率である）の変化に対する補償を行うことは、周知の技術である。理論モデルが、効率性能対角度を予測し、補正値を生成するために使用され得る。しかし、各ＡＯＢＤは、様々な効率特徴を有することが可能である。その結果、絶対効率に関して図９Ａにおいて１６６で示すような、および相対効率に関して図９Ｂにおいて１６８で示すような、効率特徴は、好ましくは、偏向される光学パワーを直接的に測定することにより判定される。次いで、補正のために、ＲＦパワーが、偏向範囲にわたり均一な光学出力を維持するように、測定された効率対角度に応じて変調され得る。
【００３５】
しかし、ＡＯＢＤ効率対角度は、ＲＦパワーレベルによっても決定されるため、静的ＲＦパワーレベルでの単純な効率測定は、この非線形効率特徴に対応するには不十分なものとなり得る。したがって、より洗練された補正方式が必要となる。動的測定は、ＲＦレベルを調節して、選択された偏向角範囲にわたり効率目標値へと測定される値を合致させることにより、この効率目標値に対するＲＦパワー対偏向角補正関数を生成することによって、行われ得る。代替的には、反復測定が、公称効率目標値に対して偏向範囲にわたり行われて、初期ＲＦ補正関数から開始され、その後のステップにおける効率測定値に基づき残余効率誤差対角度を判定し、この残余誤差値を利用して改良されたＲＦ補正関数を生成することが可能である。所望の偏向および効率の範囲に対する効率ルックアップテーブルを生成するなど、他の手順を利用して、効率対フィールド角度を正確に較正してもよい。しかし、特徴的な曲線セットを判定するなどの、データ管理オーバーヘッドを最小限に抑える技術が、特に以下において説明する２軸偏向の複雑性を考慮する場合には好ましい。
【００３６】
ＡＯＢＤにおけるＲＦパワーの変調は、光減衰を制御するために利用することが可能である。しかし、効率曲線は、図９Ａおよび図９Ｂに示すように異なる減衰ごとに変化するため、設定された補正曲線が、所望の光減衰にそれぞれが対応する個々の効率目標値ごとに必要となる。これらの補正曲線は、論じるように直接的な測定から判定されてもよく、特徴的なデータセットまたはデータテーブルから構築されてもよく、あるいは２つ以上の補正曲線から値を補間することにより少なくとも部分的に生成されてもよい。これらの曲線セットは、事実上、偏向角の次元および減衰レベルに対するＡＯＢＤを較正するために必要とされるＲＦパワー値の表面を表す。
【００３７】
図１０は、予測レーザ加工システムのタイミング図を示す。図１０に示すように、レーザは、レーザタイムラインＬＴにより表されるように３．５μｓ毎に発射され得る。このタイミングは、３００ＫＨｚレーザにほぼ一致する。レーザパルスは、波形ＬＴＲにより表されるようにトリガ波形によりトリガされる。レーザトリガは、矢印１７０により表されるように方形波の立ち下りがりエッジにおいて引き起こされ得る。遅延が、レーザパルスを発射するためのレーザトリガ信号の加工に存在し得る。レーザパルスの発生は、図１０において１７２ａ〜１７２ｆとして表される。図示するように、遅延は、方形波トリガパルス１７０と１７２ａのレーザパルスの発射との間の１．０μｓの遅延として表され得るが、これに限定されない。図１０は、レーザパルス１７２ｅを用いてリンクを予測ブラスティングするためのプロセスを示す。また、図１０に示すように、このパルスに関する偏向パラメータが、計算され、偏向開始のプロセスが、レーザパルス１７２ｅの前の約３つのレーザパルス周期前に開始される（１７４）。
【００３８】
したがって、いくつかの実施形態によれば、図１１を参照とする予測加工の方法が利用され得る。先に本願に引用して援用した米国特許出願公開第２０１１／０２１０１０５を、特に図２０と、段落０１７６、段落０１７７、段落０１７８、および段落０１７９を含むその図面に伴うパラグラフとを参照されたい。
【００３９】
ビーム送信の効率は、選択された周波数でＡＯＢＤに対して印加するのに適切なＲＦエネルギーを判定するために、ＴＲｘおよびＴＲｙで表されるものとして判定され得る。ルックアップテーブルまたは公式を利用して、所望の偏向量およびリンクをブラスティングするための所望のパルスエネルギーに対応する、ＲＦ周波数値および振幅を判定してもよい。
【００４０】
１７６で表すように、予測加工シーケンスは、偏向フィールドとのオフセット位置（ｄＸ：ｄＹ）の比較を含んでもよい。１７８で表すように、システムは、偏向フィールドとの（ｄＸ：ｄＹ）の比較に基づき、リンクブラスティングがこのパルスで実行されるべきか否かを判定してもよい。オフセット位置が、ブラスティングを検討中のリンクに関する偏向フィールドの外部に位置する場合には、このシステムは、そのレーザパルスがリンクブラスティングに使用されるべきではないと判定し得る。例えば、レーザパルスは、偏向されずピックオフされないままに残されるか、減衰されるか、またはリンクの加工が行われないダンプ位置に偏向され得る。位置が、偏向フィールド内である場合には、シーケンスは、１８０で表すように、継続して、レーザパルス１７２ｅに関するＡＯＢＤ制御を開始し得る。図１０に示すように、ＡＯＢＤ遅延（ＡＯＢＤ＿ＤＬＹ）が、電源からの必要な電気ＲＦ出力を生成するために存在してもよい。この遅延は、部分的には、電気駆動信号の所望の周波数および振幅を計算し、変換器を駆動するために電源からＲＦ駆動信号を生成するために必要な時間によるものであり得る。この遅延は、例えば、約２μｓの遅延となり得る。この遅延時間の後に、ＡＯＢＤ音波が、１８２で生成される。
【００４１】
ＡＯＢＤ音波は、ＡＯＢＤ偏向窓に進入するための所定の時間量を必要とし得る。例えば、この時間は、ＡＯＢＤ偏向窓に進入し始めるための５μｓの伝搬時間として表される。音波が、音響窓に十分に存在するようになると、リンクは、１８４で、レーザパルス１７２ｅにより切断される。
【００４２】
各ＡＯＢＤ内において、ビーム偏向に使用される音響開口を埋めるために音響結晶を通過して伝搬するようにＲＦ生成された音波の特徴的な音響遅延時間が存在する。そのため、遮断ポイントからオフセットされたレーザスポットと、関連するＲＦ周波数およびＲＦ振幅とは、レーザパルスに先立ち（これは約１０マイクロ秒となり得る）判定されなければならない。この遅延は、音響結晶材料の特性（音響速度）とＡＯＢＤ結晶の外形とにより決定される。１００ＫＨｚ超でパルス化されるレーザなどの、高繰り返しレーザが使用される場合には、パルス繰り返し周期は、音響遅延時間未満となり得る。本発明の一実装形態においては、高速連続パルス送信は、ＡＯ結晶におけるＲＦパルスのスタッキングにより対応され得る。例えば、約３００ＫＨｚでは、３つのＲＦパルスが、ＡＯ結晶において同時に伝搬し、ＲＦ生成が、レーザパルスに先立つ複数のパルスとなり得る。音波がＡＯＢＤ窓に進入するために必要な時間量は、例えば、５μｓの伝搬時間として表すことができる。音波が、音響窓に十分に存在するようになると、リンクは、レーザパルスにより切断され得る。
【００４３】
したがって、各ＲＦパルスは、パルス周期期間がパルス開始時間からパルス終了時間までに及ぶ場合の、開始時間および終了時間により特徴づけられる。例えば、図１２Ａは、デバイスの一方の側に対して変換器１９２が結合されたＡＯＢＤデバイス１９０を示す。また、デバイス１９０は、ビームが通過する音響窓１９４を有する。音波１９６は、ＲＦ変換器から伝搬するのが図示され、ＲＦ開始時間およびＲＦ終了時間により規定される空間幅を有する。図１２Ｂに示すように、音波１９６は、デバイス１９０を通過し、窓１９４内のレーザ経路を横断する。図示するように、音波が窓を埋めるのに必要な時間は、例えば約５μｓ〜１０μｓなどであってもよい。
【００４４】
デバイスのこの特徴的な伝搬遅延により、音波は、複数の音波が同時にデバイスを通過して伝搬している状態になり得るように、スタッキングされ得る。例えば、図１３は、デバイス１９０を通過している複数の音波２００、２０２、２０４、２０６を示す。音波２０４が、窓１９４を埋めているのが図示される一方で、音波２０６は、窓１９４を通過済みである。
【００４５】
ＲＦパルスは、通常は、例えば１００ＫＨｚ〜３００ＫＨｚなどの、レーザ加工出力繰り返し率に対応する繰り返し率で生成される。各ＲＦパルスは、音波伝搬遅延を補償するために対応するレーザパルスに先立ち生成される。このようにすることで、ＲＦパルスタイミングは、音響窓が、レーザパルスまたはレーザパルス群が送信されることとなる時に埋められるように、レーザ加工出力繰り返し率と同期される。
【００４６】
ＡＯＢＤ変換器に対するＲＦパワーの印加および音響媒体における音響エネルギーの透過により、バルク材料の加熱が結果的に生じ得る。加熱は、バルク材料の温度を上昇させ、バルク材料内に温度勾配を発生させることとなる。この加熱は、印加されるＲＦパワーと共に変化し、偏向角の変化（ビームのぶれ）および偏向されたビームの送信率の変化（効率のぶれ）を結果的にもたらし得る。また、他のエネルギー源が、ＡＯＢＤを加熱する場合もあり、例えば、レーザエネルギーの高光吸収により、局所加熱が引き起こされ得る。動作許容範囲を超える加熱および高ピークパワー光照射は、材料の損傷、コーティングの損傷、およびグレートラックダメージなどの材料の劣化など、追加的な望ましくない効果を有し得る。
【００４７】
熱的に安定した音響光学デバイスが、ビーム照準の不安定性を軽減し、光収差を低減させるために、本発明の少なくとも１つの実施形態において使用され得る。熱的に安定した音響光学デバイスは、連続パルスシーケンスからのパルスピッキングを行うため、またはビーム位置決めを行うために、使用され得る。安定化された音響光学デバイスは、ＲＦパワーを用いて１つ以上の周波数にて１つ以上の変換器により駆動される。１次回折ビームは、当技術において周知であるように、レーザ加工経路へと偏向される。ＲＦの周波数は、正確な工作物の位置に対して偏向されたレーザスポットを位置決めするために、動的に変更され得る。ＲＦの振幅は、音響光学デバイスの回折効率を変化させ、ビームエネルギーを変調させるために、変更され得る。パルス状加工の最中に、および加工パルス同士の間に、音響光学セルは、ＲＦパワーおよびほぼ一定の熱負荷を受ける。ＲＦ周波数は、単一の非加工パルスが別次ビームへと変化してビームダンプにまたは偏向されたビームダンプに進み得るように、非加工パルスと同時に遮断される。したがって、ＲＦのデューティサイクルは、典型的には高く、断続的なＲＦ負荷による熱安定性は、低下する。ＲＦパワーは、例えば一定の平均熱負荷を維持するためになど、音響光学セルに対する熱負荷を制御するために、レーザパルス同士の間で変調されてもよい。
【００４８】
いくつかの従来的な正確なパルス状レーザ加工システムにおいては、ＲＦは、約１０ミリ秒以下の比較的短いパルスで印加される。これは、レーザがパルス化される場合にのみ、高回折効率のために音響窓内の音波を設定し、これにより、ＲＦデューティサイクルが最低限に抑えられ、したがってＡＯＢＤにおける加熱が制限される。所定の設定されたＲＦ振幅レベルについては、レーザ繰り返し率が上昇すると、より多数のＲＦパルスがＡＯＢＤに対して印加される。その結果、加熱は、ＲＦパルスが最大ＲＦパルス繰り返し率にて最大ＡＯＢＤデューティサイクルを有する場合には、最大限まで上昇される。
【００４９】
この最大ＡＯＢＤ繰り返し率は、所定のレーザがより高い繰り返し率にて独立的に動作することが可能であり得る場合であっても、これに従い最大レーザ加工速度を制限する。フィールド位置および加工パルスエネルギーを考慮に入れて、最大全体加熱は、例えば効率が最低となる（例えばフィールドエッジにて）ＲＦ周波数での最大送信でなど、最大繰り返し率および最高ＲＦパワーにて生じることとなる。
【００５０】
連続的で反復的な加工シーケンスは、例えば連続ラスタ走査などにより、ＡＯＢＤデバイスの規則的かつ均一に時間平均化された加熱を効果的に実現し得る。図１４は、実証例のＲＦパルスの送信を、２１０で示す。レーザ加工パルスの送信２１０の断続的な性質により、平均ＲＦパワーは、２１２で示すように不安定化される。ＡＯＢＤ変調により制御される標的に対するレーザ加工パルスの断続的な印加により、断続的な熱負荷が結果として得られ得る。さらに、加工標的の配置が不規則であることにより、これに対応して偏向角が可変的となり、ＲＦ振幅（レーザ変調用の）が変化し得ることが、不規則な熱負荷のさらなる一因となり得る。この不均衡な熱負荷は、不安定なＡＯＢＤデバイス温度を結果的にもたらすことがある。図示するように、種々の振幅が、断続的な時間に印加され、平均負荷は、ＲＦパルシング中に上昇し、次いで低下して、ＡＯＢＤ温度の上昇および低下を示す。他の効果の中でもとりわけ、不安定なデバイス温度により、指令されたエネルギー値に対する送達される光エネルギーの不安定性がもたらされ得ることが、確認されている。
【００５１】
ＡＯＢＤデバイスの従来的な冷却は、主に受動的な伝導冷却である。高光パワー用に設計された、または高ＲＦパワーを必要とする、いくつかのデバイスタイプの場合には、能動的な液体冷却が利用され得る。例えば、ゲルマニウムデバイスは、熱暴走を防止するために液体冷却され得る。しかし、多数の微細機械加工用途においては、受動冷却が、動作許容範囲内にＡＯＢＤデバイスを維持するために十分なものとなる。冷却要件および熱安定性は、例えばレーザビーム経路エンクロージャボックスなどのサブシステムエンクロージャ内などにおいて、局所的温度管理により影響を受け得る。次のレベルでは、システムエンクロージャおよびシステム温度管理が、ＡＯＢＤ動作に影響を及ぼし得ると共に、最終的には、部屋または工場の雰囲気条件が、例えば動作設定点などに影響を及ぼし得る。
【００５２】
例えばレーザベースメモリリペアシステムなどの、幅狭のレーザパルスエネルギー加工窓を有するいくつかのレーザ加工用途については、送達されるレーザパルスエネルギーは、正確に制御され得る。図１５は、非送信パルス２１４と共に、図１２の断続送信ＲＦパルス２１０を示す。したがって、本発明の一実施形態によれば、非送信パルス２１４は、レーザ加工用に使用されるように意図されないレーザパルスのために使用される。非送信パルス２１４は、ＡＯＢＤデバイスまたはＡＯＭデバイスに、レーザ加工光学経路以外の経路に沿って（例えばビームストップの方向に）ビームを送らせる振幅および／または周波数を有する。図１６に示すように、この効果は、音響光学デバイスにおけるＲＦパワーを安定化することである。特に、図１６は、断続パルス２１０と、安定化された平均ＲＦパワー（２１６で図示）とを示す。
【００５３】
図１７は、上記で論じた音響光学デバイス１９０および装着される変換器１９２を再度概略的に示す。変換器１９２は、音波のシーケンスを伝搬するための変調されたＲＦ駆動信号を供給するために、制御システム（２２０で全体的に図示）により駆動される。特に、第１の音波２２２は、第１の周波数および第１の振幅を有し、第２の音波２２４は、第２の異なる周波数および第２の異なる振幅を有し得る。第３の音波２２６は、第３の周波数および第３の振幅を有し、第４の音波２２８は、さらに他の異なる周波数および振幅を有し得る。一般的には、音波の振幅および／または周波数は、所定のレーザパルスエネルギーで所定の標的位置に対してレーザパルスを送信するように設定されてもよく、レーザパルスエネルギーがデバイスにおいて非常に安定的な平均音響パワーをもたらすようには送信されない場合には、動的に調節され得ることにより、温度の安定化を実現する。音波２２４は、音響窓１９４内に位置するものとして図示される一方で、音波２２２は、音響窓１９４を既に通過済みである。
【００５４】
図１８は、非送信ゼロ次経路（２３６で図示）、１つ以上のビーム加工経路（２３８で全体的に図示）、または１つ以上の非送信補償経路（２４０で図示）の中のいずれかに沿ってレーザ２３４からパルスを選択的に送るＡＯＢＤデバイス３２２を駆動するＲＦドライバ２３０の動作を制御するためのシステムの概略的な流れ図を示す。非加工非送信経路は、図示するようにストップダンプ２４２／ビームダンプ２４４の方向にビームを送る。この制御システムは、音響光学デバイスの温度を安定化させ、正確なエネルギー送達を維持する。
【００５５】
一般的には、本発明のいくつかの実施形態によれば、特に断続レーザパルスが加工用の安定的な絶えずパルス化されるレーザ源から選択される場合に、ＡＯＢＤデバイスにおける熱的に誘起されるエネルギーのぶれおよびビームのぶれを最小限に抑えるための技術が、利用される。これらの技術は、印加されるＲＦエネルギーの制御による様々な形態の均衡化された熱負荷を利用する。これらの技術は、実質的に一定の率でＲＦパルスを印加することにより、一定の平均パワーで音響光学セルに均一に負荷を与えると共に、パルス選択および熱負荷均衡化を実現するためにＲＦパルスパラメータを変化させることを含む。ＲＦパルスは、偏向フィールドにおいては実質的にゼロ効率を有するか、または偏向フィールド外にビームを偏向する、非送信周波数でのレーザパルスと同時の偏向のために生成され得る。これらの場合には、ＲＦパルスエネルギーは、一定の熱負荷に寄与するが、音響光学送信には寄与しない。これにより、パルスごとの熱安定化が可能となり、また同時にレーザ加工用のＡＯ送信の個別の制御が可能となる。
【００５６】
特に、この制御システムは、以下のように機能し得る。レーザパルス（２５０で図示）ごとに、システムは、初めに、パルスがレーザ加工用に使用されるべきかまたはストップへとダンピングされるべきかを判定する（２５２で図示）。レーザパルスが、レーザ加工用に使用されるべきではない（非ブラスティング判定）場合には、次いで、パルスは、ビームダンプへと偏向されることになる（２５４で図示）。ダンプ位置の対応する非送信ＲＦ周波数（２５６で図示）は、ＲＦドライバ２３０と通信するＲＦ周波数マルチプレクサ（２５８で図示）への入力として生成される。ＲＦ周波数マルチプレクサは、非ブラスティング判定に基づき、出力用の非送信周波数を選択する。
【００５７】
レーザパルスが、レーザ加工用に使用されるべき場合には（ブラスティング判定、２５２で図示される）、レーザパルスは、標的の方向に偏向されることとなる（２６０で図示）。レーザスポットの指令された標的位置（２６２で図示）は、較正テーブル（２６４で図示）を用いて較正済み送信ＲＦ周波数へと変換されて、ＲＦドライバ（２３０で図示）と通信状態にあるＲＦ周波数マルチプレクサ（２５８で図示）へのさらなるデータ入力を供給する。ＲＦ周波数マルチプレクサは、（はい）ブラスティング判定に基づき出力用の送信周波数を選択する。指令されたパルス送信（２６６で図示）は、補正テーブル（２６８に図示）を参照して対応する加工ＲＦ振幅（２７０で図示）を判定することにより、補正される。この送信加工ＲＦ振幅は、ＲＦドライバ（２３０で図示）とやはり通信状態にあるＲＦ振幅マルチプレクサ（２７２で図示）への入力として生成される。ＲＦ振幅マルチプレクサは、（はい）ブラスティング判定に基づき出力用の送信ＲＦ振幅を選択する。また、フィードバックループが設けられ、ＲＦ振幅マルチプレクサ（２７２で図示）の出力は、平均ＲＦパワー（２７４で図示）を判定するためのルーチンへと供給される。
【００５８】
公称ＲＦパワー（２７６で図示）が、平均ＲＦパワー（２７８で図示）から減算される。次いで、この差が、ＲＦパワーエラー信号（２８０で図示）として、補償ＲＦ振幅ルーチン（２８２で図示）へと供給される。補償ＲＦ振幅ルーチンは、ＲＦ振幅マルチプレクサ（２７２で図示）への入力として補償ＲＦ振幅信号を生成する。ＲＦ振幅マルチプレクサは、非ブラスティング判定に基づき出力用の非送信補償振幅を選択する。コントローラは、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）回路または集積回路チップなどであってもよい。
【００５９】
したがって、補償ＲＦパルスエネルギーは、ＡＯデバイスの熱時定数未満である所定の時間間隔にわたり指令されたＲＦパルス振幅のセットから導出される、予測される平均熱負荷に基づく。各偏向器における平均ＲＦパワーは、測定に基づき判定され得るが、好ましくは、各ＡＯＢＤについてのデジタル処理された指令されるパルスエネルギーおよび関連する送信値に基づき、正確に推定され得る。正確なエネルギー制御が、メモリリペアのために必要とされるため、少なくともこのレーザ加工用途においては、パルスごとに予測される印加されるＲＦパワーは、フィールド位置に対する補正テーブルか、またはリアルタイム測定を伴わない精度改良用の他のパラメータに基づいてもよい。したがって、印加される平均ＲＦパワーは、所定の公称送信角および偏向角での所望の送信を実現するのに必要な指令された送信およびＲＦ補正から予測され得る。
【００６０】
したがって、ＲＦ周波数は、ビーム偏向角を制御し、ＲＦ振幅は、光透過度を制御するために使用される。ＲＦ周波数較正テーブルは、工作物における正確な位置に対応する周波数でビームを偏向させるために使用され得る。ＲＦ振幅補正テーブルは、適用される周波数および送信レベルでの送信の変化を補償して、正確な指令されたパルスエネルギーを生成するために使用され得る。これらの補正は、偏向角で周知の回折効率の変化を補償し、特にＡＯＢＤがエネルギー制御に使用される場合には、補正は、ＲＦパワーレベルで非線形送信を補償する。
【００６１】
ＲＦ周波数範囲にわたり補正されたＲＦ振幅により、デバイスに対して印加されるＲＦパワーは、種々のＲＦ周波数に対して指令されるパルスエネルギーを実現するために変化する。その結果、ＲＦ熱負荷は、偏向フィールド中にわたり多様となる。例えば、偏向フィールド中にわたり指令された一定のパルスエネルギーの場合には、所望の送信を実現するために印加されるＲＦパワーは、偏向角でのＡＯ回折効率により逆比例的に変化する。典型的な偏向器については、効率は、フィールドのエッジにて低くなるため、より多量のＲＦパワーが使用されて、フィールドのエッジでの加工の際の熱負荷を上昇させる。偏向フィールド範囲にわたり一定となるように補正された送信の場合には、最大送信度は、偏向フィールド内の最低送信度により限定されることとなる。一般的には、より幅広の偏向フィールドは、より低い送信度およびより高い熱負荷に相当する。
【００６２】
レーザパルスエネルギー設定が、感熱性ＡＯＢＤデバイスを使用して制御される場合には、ＲＦパルス振幅は、送信されるレーザパルスエネルギーを変調させるように変化することとなるため、熱負荷均衡化方式が複雑になる。可変ＲＦ振幅を均衡化するためのいくつかのオプションには、送信ＲＦパルスにおける一定のＲＦパルスエネルギーを維持するために振幅が縮小する際に送信パルス幅を増大させることによるＲＦパルス幅変調が含まれる。
【００６３】
補償ＲＦパルスは、非送信パルスであるため、より短いＲＦパルスが使用されてもよい。このより短いＲＦパルスは、付随する非送信音波が音響窓を完全に埋めることを必要とされないため、送信ＲＦパルスには過度に短すぎるものとなる。この場合には、非送信レーザパルスの一部分が、ゼロ次で伝搬し、別の部分が、非送信周波数により偏向され得る。ＲＦパルス幅変調により、補償ＲＦパルス幅は、平均ＲＦパワーを維持するために平均ＲＦパワー設定レベルに比例して設定される。推定される平均ＲＦパワーが設定点未満に低下すると、ＲＦパルス幅は変更され、全ＲＦパルス幅が使用される。対照的に、平均ＲＦパワーが設定点超に低下すると、ＲＦパルス幅は変更され、ゼロＲＦパルス幅が使用される。このようにすることで、平均ＲＦパワーへの高速収束が実現される。任意には、公称ＲＦパルス幅と全ＲＦパルス幅との間のおよびゼロと公称ＲＦパルス幅との間の中間ＲＦパルス幅が、使用されてもよい。
【００６４】
しかし、付随する高レーザパルス繰り返し率での高加工スループットのためには、ＲＦ信号は、ほぼ１００％のデューティサイクルにてＡＯセルに対して印加され得る。これは、遅延（すなわち非衝突間隔）ＲＦパルシング方式を非実用的なものにしてしまう。なぜならば、遅延（または進行）ＲＦパルスは、隣接するレーザパルスの時点に音響窓にて生じ得るからである。同様に、ＲＦパルス幅変調は、ＲＦ送信周波数にとって実用的ではない。なぜならば、ＲＦパルス幅を短縮することにより部分的に埋められた音響窓が結果的に得られるからである。したがって、これらの熱安定化技術は、いくつかの用途においては、高率単一チャネル加工システムにおける十分な熱均衡化能力を実現しない場合がある。
【００６５】
送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦパルスの組み合わされたＲＦ負荷により、安定的な補償された熱負荷が実現される。非送信周波数は、ビームバンプにビームの一部分を偏向し、好ましくは、非送信周波数は、例えば最低送信周波数の２倍超など、ＡＯＢＤ内の超音波高調波の残存効果を最小限に抑えるために偏向周波数範囲よりも高い。非送信周波数における補償ＲＦパルスパワーおよび回折効率に応じて、偏向されないこととなるレーザパルスエネルギーが、ゼロ次ビームストップによりピックオフされることになる。
【００６６】
本発明のさらなる実施形態によれば、制御ループが、図１９に示すようなフィードバックシステムを利用して熱負荷設定点を参照することにより音響光学デバイスに関する熱負荷をモニタリングしてもよい。図１９のシステムは、第１のＲＦ振幅マルチプレクサ２９４（フィードバックデータも受領する）に対する、およびＲＦドライバ（３０８で図示）を直接的に制御する第２のＲＦ振幅マルチプレクサ（３０６で図示）に対する入力として、加工ＲＦ振幅（２９２で図示）を印加する。パルスが、セレクタ信号（２９０で図示）に基づき非標的加工パルスとなる場合には、第１のＲＦ振幅マルチプレクサ２９４は、熱負荷設定点（３０２で図示）に関する負の入力も受領するコンバイナ（２９６で図示）に対して出力を供給する。サーボ制御論理（例えば比例的および積分器）（２９８で図示）が、非送信ＲＦパルスを調節し、出力は、熱負荷設定点（やはり３０２で図示）に関する正の入力も受領するコンバイナ３００にて結合される。リミッタが、例えばゼロとＡＯＢＤ動作限界との間などの指定範囲内に非送信ＲＦパワーを維持するために、適用され（３０４で図示）、調節された非送信ＲＦパルス振幅データは、両ＲＦ振幅マルチプレクサ（２９４および３０６で図示）に対して供給される。ＲＦ振幅マルチプレクサ３０６は、非送信ＲＦパルス調節データと送信ＲＦパルスデータとを組み合わせて、ＲＦドライバ３０８に制御信号を供給する。
【００６７】
本発明の別の実施形態によれば、実質的にＡＯＢＤの熱時定数未満である時間間隔にわたり組み合わされた送信ＲＦパルスおよび補償非送信ＲＦパルスの安定的な予測される平均熱負荷を維持する制御ループが、利用されてもよい。図２０は、例えば上記で論じるようにブラスト信号（３１６で図示）も受領するＲＦ振幅マルチプレクサ（３１４で図示）への入力として加工ＲＦ振幅データ（３１０で図示）および補償ＲＦ振幅データ（３１２で図示）を供給する、制御ループフィードバックシステムを図示する。ＲＦ振幅マルチプレクサの出力は、ＲＦドライバ（３１８で図示）に対して供給され、推定された熱負荷ルーチン（３２０で図示）に対して供給され、この推定された熱負荷ルーチンが、コンバイナ（３２４で図示）を利用して熱負荷設定点（３２２で図示）に対してこの出力を比較する。コンバイナの出力は、熱負荷エラールーチン（３２６で図示）に対して供給され、この熱負荷エラールーチンは、ＲＦ振幅マルチプレクサに補償ＲＦ振幅データ（３１２で図示）を供給するために、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ（３２８で図示）との間で通信を行う。
【００６８】
安定的な予測された平均熱負荷は、ＡＯデバイス温度を安定させるほぼ一定の熱負荷を実現する。制御ループは、平均ＲＦパワーに対して事前選択された目標値に対する推定された平均ＲＦパワーから判定され得る、ＲＦパワーエラー信号を備える。例えば経時的にエラーを積分することにより、規定のエネルギー、平均パワー、振幅、または間隔を有する補償ＲＦパルスが、生成され、目標ＲＦパワーが、基板の加工工程にわたり維持される。
【００６９】
この制御は、設定点サーモスタットとして動作し得るか、あるいは、安定性の向上を実現するための比例項、積分項、および微分項の中の１つ以上を含んでもよい。図２１は、上記で論じたように出力を選択するためにブラスト信号（３３６で図示）も受領するＲＦ振幅マルチプレクサ（３３４で図示）に対する入力として加工ＲＦ振幅データ（３３０で図示）および補償ＲＦ振幅データ（３３２で図示）を供給する、本発明の別の実施形態による制御ループフィードバックシステムを示す。ＲＦ振幅マルチプレクサの出力は、ＲＦドライバ（３３８で図示）に対して供給され、予測される温度解析ルーチン（３４０で図示）に対して供給され、この温度解析ルーチンは、コンバイナ（３４４で図示）を利用して温度設定点（３４２で図示）に対してこの出力を比較する。コンバイナの出力は、温度エラールーチン（３４６で図示）に対して供給され、この温度エラールーチンは、ＲＦ振幅マルチプレクサに補償ＲＦ振幅データ（３３２で図示）を供給するために、温度コントローラ（３４８で図示）との間で通信を行う。この制御は、デバイスの熱時定数よりも大きく桁違いに高速で動作し得る。
【００７０】
図２２は、上記で論じたように出力を選択するためにブラスト信号（３５６で図示）も受領するＲＦ振幅マルチプレクサ（３５４で図示）への入力として加工ＲＦ振幅データ（３５０で図示）および補償ＲＦ振幅データ（３５２で図示）を供給する、本発明のさらなる実施形態による制御ループフィードバックシステムを図示する。ＲＦ振幅マルチプレクサの出力は、ＲＦドライバ（３５８で図示）に対して供給され、平均ＲＦパワー解析ルーチン（３６０で図示）に対して供給され、この平均ＲＦパワー解析ルーチンが、第１のコンバイナ（３６４で図示）を利用して公称ＲＦパワー（３６２で図示）に対してこの出力を比較する。第１のコンバイナの出力は、−ＲＦパワーエラールーチン（３６６で図示）に対して供給され、この−ＲＦパワーエラールーチンは、第２のコンバイナ（３６８で図示）に対してその出力を供給する。この第２のコンバイナは、ＲＦ振幅マルチプレクサに補償ＲＦ振幅データ（３５２で図示）を供給するために、公称ＲＦパワーも受領する。
【００７１】
比例項および積分項は、適切な安定性を実現することが予想される。この制御は、デジタル電子機器により実装することができ、熱安定化に加えて、デジタル電子機器の使用により、ＲＦ振幅対角度、ＲＦ振幅対レーザパルスパワー、またはレーザビーム位置対周波数のデジタル較正が可能となり得る。
【００７２】
また、ＲＦ補償パルスエネルギーは、一定の平均ＲＦパワーを維持することに基づき得る。例えば１０，０００超のパルスなどの多数のＲＦパルスが、ＡＯＢＤの熱緩和時間内に発生する場合には、このアプローチは、パルスの大量のサンプル計数に対して有効な平均化を実現する。補償パルスエネルギーは、ＡＯＢＤの熱モデルを利用して、所定の値に推定温度を維持するように判定され得る。この場合には、平均負荷は、平均温度を維持するために利用することが可能であり、高負荷は、加温のために利用され、低負荷は、冷却のために利用され得る。平均熱負荷は、典型的な加工デューティサイクルについては約２００ミリワットとなり得る。ピークＲＦパワーは、ＴｅＯ２デバイスにおいては４ワットの高さとなり、石英、ゲルマニウム、または他の音響材料においては１０ワット以上となり得る。
【００７３】
図２３は、ＡＯＢＤパワー安定化システムにおいてマルチチャネルデジタル入力構成３７０を利用する、本発明の一実施形態によるシステムの一例を示す。特に、デジタル入力構成は、一対の正規化された入力信号と、２つのマルチプレクサ３７２、３７４とを使用して、有効な２ビットの４つの状態の入力を供給する。特に、レーザ発射チャネル入力３７６が、マルチプレクサ３７２に対しておよび論理ＯＲユニット３７８に対して供給され、別のレーザ発射チャネル入力３８０が、マルチプレクサ３７４および論理ＯＲユニット３７８に対して供給される。マルチプレクサ３７２、３７４の出力は、ＲＦ振幅デバイス３８４に対して結合された出力を供給するコンバイナ３８２に対して供給される。また、ＲＦ振幅デバイスは、補償パワー入力３８６および論理ＯＲデバイス３７８からの制御信号を受領し、出力パワー信号３８８を供給する。
【００７４】
したがって、図２３のシステムは、レーザ発射サイクル入力信号と共に多重送信される入力の２つのチャネルを提供する。レーザ発射信号が、いずれのチャネルに対しても供給されない場合には、入力は、パワー安定化システム用の出力に対して直接的に接続される。マルチチャネル入力は、適切な入力構成を有する３つ以上のチャネル（例えば３つまたはそれ以上）を備えてもよく、複数のチャネル入力が、多重送信される加工ＲＦ振幅および補償ＲＦ振幅を供給する任意の実施形態において、加工ＲＦ振幅入力として印加され得る。
【００７５】
レーザパルスエネルギー変調のために光学ＡＯＭを利用することにより、安定化されるＡＯＢＤの動作温度が上昇し得る。これは、偏向器のＲＦ振幅が、レーザパルスエネルギーがＡＯＭにより減衰される場合に、低下しないことによる。さらに、ＡＯＭが、加工フィールドにわたるエネルギーを平坦化するためにエネルギー補正も行う場合には、偏向器のＲＦ振幅は、高効率偏向角では低減されないことになる。高ＲＦパワーが、十分な加工デューティサイクルにわたり印加されることにより、ＡＯＢＤデバイスの温度は、上昇することになる。
【００７６】
以下の表１は、中心、中間、およびエッジの偏向角での変調の際のこれらのＡＯＢＤ  ＲＦパワーパラメータの実証的な例における、相対的な指令されるレーザパルスエネルギーと、ＡＯＢＤ効率と、光透過度とを示す。
【表１】
2014524047.tif 000003
【００７７】
指令されたレーザパルスエネルギーは、１６％として示され、効率は、２０％〜８０％で変化する。対応するＲＦ振幅値は、効率により分割される指令されたエネルギーがＲＦ振幅に等しくなるように、決定される。このようにすることで、決定された振幅が印加され、透過度が指令された値に等しくなり、この例においては、印加される平均ＲＦパワーは４４％となる。
【００７８】
以下の表２は、外部変調器が指令された値にレーザパルスエネルギーを設定するために使用される場合のさらなる実証的な例における同一の偏向を示す。
【表２】
2014524047.tif 000004
【００７９】
この場合には、ＡＯＢＤのＲＦ振幅は、フィールドエッジにおいて１６％の透過度をもたらすために、一定の８０％に設定される。ＡＯＭは、２５％〜１００％まで変化することにより、フィールドにわたり指令された１６％の透過度を生じさせる。これらの表による結果的に得られる平均印加ＲＦを比較することにより、この例におけるＡＯＭの利用が、ＡＯＢＤの平均負荷を４４％から８０％へと上昇させたことが明らかである。したがって、ＡＯＢＤベースのレーザパルスエネルギー変調により、加工中の偏向フィールド中の平均デバイス透過度と平均ＲＦデューティサイクルとの両方に対応するより低い平均ＲＦパワーが与えられる。表１および表２に示すパラメータは、上記の比較の便宜を目的として含まれる。外部変調を用いるまたは用いる加工に使用される実際のパラメータ値工は、変更することができる。
【００８０】
また、推定される平均パワーは、最大許容帯域の外部のレベルなどの過失条件に関してモニタリングされてもよい。エラーが検出されると、システム動作は、平均パワーが安定化され許容状態になるまで、終了または中断され得るか、あるいは、加工軌道が、安定的な平均パワーに対応するように変形され得る。一実施形態においては、リミッタ３０４（図１９の）が、例えばゼロ未満または所定の最大ＲＦ振幅超などの、許容し得る振幅範囲外のＲＦ振幅入力を検出し、入力が許容し得る範囲内になるまで、限定された振幅出力を供給する。
【００８１】
一定にパルス化されたレーザから加工パルスを選択する場合に、選択される作用レーザパルスの平均化されたデューティサイクルは、実質的に１００％未満となり、補償ＲＦパルスは、加工レーザパルスまたは位置合わせレーザパルスが要求されない場合には常に、印加され得ることが、予想される。ＡＯセルの熱時定数は、かなりの秒数規模であり、レーザが３００ＫＨｚなど１００台のＫＨｚで動作する状態で、多数の異なる加工システム動作が、ＡＯデバイスの時定数未満の時間周期内で異なるレーザパルスエネルギー要件と共に実施され得ることが、認識されよう。
【００８２】
したがって、レーザ加工デューティサイクルの未使用部分の間に断続的に送達される補償ＲＦエネルギーは、デバイスの時定数未満の平均時間周期にわたり熱安定化を効果的に実現することが可能である。例えば、２００ｍｍ／秒の加工速度では、５０ｍｍの場所が、約０．２５秒で横断され得る。同様に、大幅に低下したレーザパルスエネルギーで典型的には行われるアラインメントルーチンは、数十ミリ秒の規模で実施され得る。加工軌道セグメント中の未使用ＲＦパルス周期が、熱負荷の平衡化のために使用され得るばかりではなく、かなりの加工オーバーヘッドを含む非加工軌道セグメントおよび非位置合わせ軌道セグメントもまた、熱負荷の平衡化のために使用され得る。加工デューティサイクルが増大すると、不十分な補償ＲＦパルスが熱負荷の平衡化のために利用可能な場合に制約が存在し得る。
【００８３】
平均ＲＦパワーおよび結果的に得られるＡＯ温度に対する最適化された設定点の選択は、軌道プランおよびこの軌道に沿った予想される送信設定に基づくものであってもよい。種々の設定点が、高密度加工用途、標的の傾斜分布、異なる加工エネルギーレベル、または同様の加工特徴などの、他の加工特徴に基づき決定されてもよい。例えば、種々のタイプのメモリデバイスが、種々の設定点を利用してもよく、または、設定点が、所定の軌道に対するＡＯデバイス温度を最高にもしくは最低にするように設定されてもよく、または、設定点が、熱安定性を最大化するように選択されてもよい。一般的には、非送信ＲＦ周波数が使用される場合には、より低い設定点が、上記で論じたようなパルスエネルギー補正のために一定の高パルス繰り返し率のＲＦ負荷および追加のレーザパルスエネルギー変調器（例えば固定の偏向ＡＯＭ）を利用してシステムと比較される場合に、使用され得る。
【００８４】
好ましくは、レーザ加工システム較正は、熱安定化された偏向器を用いて実施される。効率対偏向角および出力パルスエネルギーの補正は、例えば最大ＲＦパワーの５０％でなど、単一の事前設定平均パワーで大幅に改善された動作となり得る。平均パワーが安定化された状態では、偏向器温度は、送達されるレーザパルスエネルギーとは無関係となる。異なる（非補償）平均ＲＦパワーでの異なるレーザパルスエネルギーについてのＡＯＢＤ透明度対偏向角曲線の差は、約１０％となり得るが、これらの差は、一定の平均パワーがレーザパルスエネルギーの範囲にわたり偏向器温度を安定化するために使用される場合には、約１％まで低下することが、確認されている。いくつかの場合においては、単一の透明度補正曲線が、レーザパルスエネルギーの範囲にわたり十分なものとなり得ることで、エネルギー較正が単純化される。正確な補正は、変数として偏向ＲＦ周波数およびＲＦ振幅の両方を利用し得る。
【００８５】
有効なＡＯＢＤ温度管理をさらに複雑にする要因には、複数軸ＡＯＢＤビーム送達および異なる標的タイプを含む２次元標的フィールドに対する動作が含まれる。一連の偏向器を用いた２軸ビーム偏向については、送信全体が、それぞれ個別のデバイスの送信の結果となる。各デバイスにおける指令される送信で同時に複数のビーム偏向軸の安定が維持されてもよい。さらに、２次元効果は、加工に影響を及ぼすことがあり、種々のエネルギー設定を必要とし得る。例えば、加工すべき要素の配向に対する加工ビームの偏光の変化により、異なるエネルギー設定が必要となる場合がある。
【００８６】
種々の基板軸に沿った加工は、複数の偏向器間における異なる送信分割を示唆し得る。例えば、低送信フィールドの隅部が回避された、十字形状フィールド（図２４Ａにおいて３９０で図示）またはコンパスローズ形状フィールド（図２４Ｂにおいて３９２で図示）では、幅狭フィールドが、高送信度を有し得ると共に、直交状態に位置する幅広フィールドが、低送信度を有し得る。その結果として、これらは共に、指令されたパルスエネルギーを生じさせる送信全体をもたらす。十字形状については、一連の行のそれぞれに沿ったラスタまたは各行に沿ったランダムシーケンスが、利用されてもよい。一般的には、行ごとの加工が、幅狭フィールド内においては有利であるが、複数の行が、フィールド形状と合致する場合には、リンクは、行の並びにおける順序を無視して種々の行において加工されてもよい。
【００８７】
十字フィールドは、ビームが高偏向精度を有するエリア内のみにおいて偏向されることになるため、ブラスティング精度を向上させ得る。ビームは、正方形フィールドの隅部へは偏向されないため、ブラスティング精度が、改善され得る。複数列のラインシーケンスが、十字形状フィールドまたはコンパスローズ形状フィールドにより加工されてもよい。コンパスローズ形状では、より大きな組み合わされたｘ−ｙオフセットが、中心付近で使用され、より小さな組み合わされたｘ−ｙオフセットが、各軸の端方向へと漸進的に使用され得る。
【００８８】
成形されたフィールドでは、加工方向が変化すると、高送信効率および低送信効率の任務が、加工方向に対する幅狭フィールド軸および幅広フィールド軸の配向と共に反転され得る。さらに、これは、結果として、２つの一連のデバイス間におけるビーム送信の結果全体の一定性を維持しつつ、指令される送信分割の反転をもたらし得る。例えば、ｘ軸に対して平行に配向された列に沿った加工時には、ｘ軸偏向器は、幅狭高効率偏向範囲を有し、ｙ軸偏向器は、幅広低効率範囲を有し得る。ｙ軸に対する平行な加工時には、反転される任務は、ｘ軸偏向器に対する幅広低効率範囲と、ｙ軸に対する幅狭高効率範囲とになる。したがって、一定で送達されるパルスエネルギーを維持しながらの単一の加工動作の最中であっても、単一のＡＯＢＤにおける指令される送信は、変化し得るし、ＡＯＢＤデバイスに対する熱負荷は、大幅に変化し得る。
【００８９】
いくつかの実施形態の態様は、全ての偏光されたビームが同一セットの光学構成要素に対して入射する、単一経路光学システムにおいて実施され得る。単一経路システムにおいては、偏向されたビームは、光学経路軸からオフセットされて、非共線ビーム軸と共に伝搬し得るが、一般的には、各ビームは、共通の光学素子を貫通する光学経路軸付近で同一シーケンスにおいて同一方向に伝搬する。非共線ビームは、一般的には、レーザ加工レンズの入射瞳に対して集められることにより、視野内の各標的位置に位置するビームは、テレセントリックとなる。図２５に図示するように、入射瞳４３０では、各偏向されたビームは、レンズ軸に対して方位角および仰角を有するベクトル方向に沿って伝搬することとなる。アレイのレンズの焦点面に形成される、一般的には回折が制限されたレーザビームのくびれ部であるレーザスポット４３２、４３４は、方位角に対応する配向と、レンズ焦点距離×仰角に対応するラジアル方向距離とを有しつつ、レンズ軸からオフセットされる。ビーム位置決めシステムは、ビーム位置合わせ用の様々な調節装置を備え得る。この調節装置は、とりわけ、加工レンズ４３６の入射瞳の中心にビームを位置合わせし得る。
【００９０】
上記の実施形態は、単一パルスリンク加工に関連して説明されたが、本発明のシステムは、リンクを切断するために各リンクに対して複数のパルスを印加するリンクブローイングシステムにおいても利用され得る。図２６は、各リンクに対して２つのパルスのバーストすなわち２つのパルスのシーケンス４４０を印加するシステムを図示する。この実施形態においては、コントローラ４４４が、パルスセレクタ４４２に、リンク加工用の個々のパルスではなくパルス群４４４、４４６を選択させるために、使用される。いくつかの実施形態においては、レーザ自体は、分離されたパルスバーストをもたらし、この場合に、バースト内のパルスまたはパルス分割は、バースト間での分割よりもはるかに低くなる。これらの実施形態においては、パルスピッカ４４２が、パルスバーストを選択的に通過させるまたは遮断する。他の公知の実施形態は、複数のレーザを使用し、またはパルスを分割および再結合して、加工用にリンクに対して印加されるレーザエネルギーの様々な強度プロファイルを生成する。したがって、加工用に標的構造体に対してパルスを印加することに関する本文献全体にわたる議論は全て、パルスのシーケンス、パルス群、結合されたパルス、もしくはパルスバースト、あるいは完全なもしくは部分的な標的加工機能を実施するための任意の他の照射強度プロファイルの印加を含むことが、認識されよう。多数の実施形態において、パルスピッカ４４２は、音響光学変調デバイスであるが、電子工学スイッチ、高速ステアリングミラー、または十分な速度および精度を有する任意の他のタイプの光学スイッチであってもよい。
【００９１】
高速偏向器の使用に関して、および図２７を参照として、先に本願に引用して援用した米国特許出願公開第２００９／００９５７２２号を、特に図１９および段落０１３０〜段落０１４６を含むその図面に伴う段落を参照されたい。
【００９２】
各送信ＲＦパルスの最小期間は、ＡＯＢＤ音響窓を越える音響通過時間により決定される。このＲＦパルス期間は、最短レーザパルス繰り返し周期および最高レーザパルス繰り返し周波数に対応する。レーザパルス繰り返し周波数が低下すると、ＲＦデューティサイクルは、最小ＲＦパルス期間を維持しつつ縮小され得る。最大でレーザパルス繰り返し周期までのＲＦパルス期間の拡大が可能であるが、結果的に得られるパルス間間隔により、所定のＲＦパルスに対するＲＦパワーが増大する。このＲＦパルス期間の拡大は、非送信ＲＦパルスに加えて、ＡＯＢＤをさらに安定化させるために利用され得る。いくつかの場合においては、非送信の時間変位されたＲＦパルスも可能であるが、一連のＲＦパルスのＲＦデューティサイクルが５０％を超える場合には常に、これは困難になる。ある程度は、非送信ＲＦパルスのＲＦ振幅を増大させ、非送信ＲＦ期間を短縮することにより、時間変位されたＲＦパルスは、デューティサイクルの５０％未満を利用することができる。
【００９３】
例えば、ＲＦパルス期間が、レーザ繰り返し周期の２／３である場合には、追加のＲＦパルスまたは１００％ＲＦ振幅でのＲＦパルスの拡大は、デューティサイクルの未使用の１／３にわたり適用されることが可能となり、追加されるＲＦパルスエネルギーは、通常の２／３周期にわたる５０％ＲＦ振幅に対応する。レーザパルス繰り返し率の低下は、軌道速度の低下に対応し得ると共に、加工は、例えば平均熱負荷が最大レーザＰＲＦでの安定化を可能にするのに十分な均一性を有さない場合などに、温度安定化に対応するために減速され得る。
【００９４】
したがって、様々な実施形態によれば、本発明は、熱的に安定化された音響光学ビーム偏向器を用いたレーザ加工方法を提供する。この方法は、レーザパルス繰り返し率を有するレーザパルスのシーケンスに対応するＲＦパルスのシーケンスを発生させるステップであって、ＲＦパルスが、各送信方向および非送信方向へとレーザパルスのシーケンスを偏向させるために送信ＲＦ周波数の送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦ周波数の非送信ＲＦパルスを有し、各ＲＦパルスが、ＲＦ周波数、ＲＦ振幅、および期間を有する、ステップと、ＲＦパルスのシーケンスが音響光学偏向器に対する均衡化された熱負荷を与えるように変調された変調済みＲＦ駆動信号を生成するように、各ＲＦパルスを制御するステップと、音響光学偏向器に対して変調されたＲＦ駆動信号を印加するステップと、変調されたＲＦ駆動信号を利用して音響光学偏向器を用いて少なくとも１つのレーザパルスを偏向させて、所定のパルスエネルギーで選択された標的位置を照射するステップとを含む。
【００９５】
さらなる実施形態においては、各ＲＦパルスを制御するステップは、各ＲＦパルスの振幅および期間を制御することをさらに含む。さらなる一実施形態においては、各ＲＦパルスの期間は、そのレーザ繰り返し率にて少なくとも５０％のデューティサイクルを有する。さらなる一実施形態においては、レーザパルス繰り返し率は、１００ＫＨｚ超である。さらなる一実施形態においては、各送信ＲＦパルスの期間は、実質的に１００％のデューティサイクルを有する効率的なレーザパルス送信に対応する最小期間であり、レーザパルス繰り返し率は、最大化される。
【００９６】
さらなる一実施形態においては、レーザパルス繰り返し率は、約３００ＫＨｚである。さらなる一実施形態においては、各ＲＦパルスの期間を制御するステップは、そのレーザ繰り返し率で５０％〜１００％の範囲の各デューティサイクルを有するＲＦパルスを発生させることと、音響光学偏向器に対して均衡化された熱負荷を与えるように、非送信ＲＦパルスの期間を制御することとを含む。さらなる一実施形態においては、変調された駆動信号は、音響光学ビーム偏向器を熱的に安定化させるために実質的に一定の平均化されたＲＦパワーを供給する。
【００９７】
さらなる一実施形態においては、制御するステップは、音響光学偏向器における伝搬遅延に対処するために、対応するレーザパルス発射に先立ち一連のＲＦパルス発生をタイミング調節することと、偏向器において複数の振幅変調された音響パルスを同時に伝搬するようにＲＦパルス振幅を変調することとをさらに含む。さらなる一実施形態においては、ＲＦパルス振幅を変調するステップは、音響光学ビーム偏向器を熱的に安定化させるために異なるＲＦパルスエネルギーを有する少なくとも２つの非送信ＲＦパルスを供給する。さらなる一実施形態においては、ＲＦ振幅を変調するステップは、異なるＲＦパルスエネルギーを有する少なくとも２つの送信ＲＦパルスを供給する。
【００９８】
さらなる一実施形態においては、この方法は、ＲＦパワー基準値を記憶するステップと、音響光学ビーム偏向器に対して印加される平均ＲＦパワーを予測するステップと、基準値と予測を比較するステップと、この比較に基づき少なくとも１つの非送信ＲＦパルスのＲＦパルスエネルギーを判定するステップとをさらに含む。
【００９９】
さらなる一実施形態においては、この方法は、偏向器ＲＦ周波数の送信範囲にわたる偏向器の光学送信対偏向ＲＦ周波数に対する補正テーブル値を記憶するステップをさらに含み、制御するステップは、偏向周波数および対応する記憶された補正テーブル値に基づき送信ＲＦパルス振幅を変調することを含む。
【０１００】
さらなる一実施形態においては、この方法は、偏向されたレーザビームに対して基板を移動させるためにレーザ加工システムを操作することと、所定のレーザパルスエネルギー許容範囲内において基板上の選択された標的位置へと補償されたレーザパルスエネルギーを送達することとをさらに含む。さらなる一実施形態においては、この方法は、計算された音響光学ビーム偏向器のＲＦパワーが所定のエラー許容範囲を超える場合に、レーザ加工を終了することさらに含む。
【０１０１】
さらなる一実施形態によれば、本発明は、音響光学ビーム偏向器において熱安定性を与える方法を提供する。この方法は、音響光学ビーム偏向器が標的基板にて終端する光学経路に沿って加工レーザパルスを送るのを実現するために、音響光学ビーム偏向器に対して送信ＲＦパルスを供給するステップと、音響光学ビーム偏向器が標的基板に到達することなく終端する光学経路に沿って非送信レーザパルスを送るのを実現するために、音響光学ビーム偏向器に対して非送信ＲＦパルスを供給するステップとを含み、各非送信ＲＦパルスは、音響光学ビーム偏向器の熱安定性を実現するように選択されたパルス特徴を有する。
【０１０２】
さらなる一実施形態においては、このパルス特徴は、非送信ＲＦパルスの振幅である。さらなる一実施形態においては、このパルス特徴は、非送信ＲＦパルスの周波数である。さらなる一実施形態においては、このパルス特徴は、非送信ＲＦパルスのパルス幅である。
【０１０３】
さらなる一実施形態においては、この方法は、非送信ＲＦパルスのパルス特徴を実現するために音響光学ビーム偏向器におけるＲＦパワーをモニタリングするステップをさらに含む。さらなる一実施形態においては、この方法は、非送信ＲＦパルスのパルス特徴を実現するために音響光学ビーム偏向器における熱負荷をモニタリングするステップをさらに含む。さらなる一実施形態においては、この方法は、非送信ＲＦパルスのパルス特徴を実現するために音響光学ビーム偏向器の温度をモニタリングするステップをさらに含む。
【０１０４】
さらなる一実施形態においては、本発明は、レーザ加工シーケンスに応じてレーザ加工フィールド内の選択された標的に対してレーザパルスを偏向するための熱的に安定化された高速レーザ加工システムを提供する。このシステムは、レーザ加工コマンドのシーケンスを実行し、システム構成要素を熱的に安定化させるためのコントローラであって、これらのコマンドが、送達されるレーザパルスのエネルギーコマンドおよびレーザ加工フィールド内のレーザパルス位置に関する送達されるレーザパルスの位置コマンドを含み、コントローラが、少なくとも１つのシステム構成要素を熱的に安定化させるために前記レーザ加工コマンドに応答して１つ以上の偏向器制御信号を発生させる、コントローラと、偏向器制御信号を受領し各ＲＦ駆動信号を発生させるように構成された少なくとも１つのＲＦ信号発生器であって、各ＲＦ駆動信号が送信ＲＦパルスおよび非送信ＲＦパルスのシーケンスを含み、各送信ＲＦパルスがレーザ加工フィールド内の選択された標的座標に対応する所定の送信周波数により特徴づけられ、各所定の熱負荷により特徴づけられ、各非送信ＲＦパルスが、各非送信周波数および各補償熱負荷により特徴づけられ、各ＲＦ駆動信号が、少なくとも１つの音響光学ビーム偏向器において送信ＲＦパルスおよび補償非送信ＲＦパルスの安定化された熱負荷をもたらす、ＲＦ信号発生器とを備え、少なくとも１つの音響光学偏向器は、各ＲＦ駆動信号を受領するように、およびレーザ加工シーケンスに応じてレーザパルスを偏向して所定のレーザパルスエネルギーで所定の標的座標を照射するように、構成される。
【０１０５】
さらなる一実施形態においては、各ＲＦパルスは、偏向器制御信号に応答するＲＦ振幅を有することによりさらに特徴づけられる。さらなる一実施形態においては、コントローラは、各ＲＦパルスごとに熱負荷推定値を事前に判定するための手段をさらに備える。さらなる一実施形態においては、コントローラは、選択された標的座標と関連する所定のＲＦ振幅補正係数とに基づき、指令されたパルスエネルギーを対応する補正されたＲＦ振幅に変換するための手段をさらに備える。
【０１０６】
さらなる一実施形態においては、コントローラは、所定の値に対する計算されたＲＦパワーの比較に基づき熱的に均衡化された偏向器制御信号を発生させるための手段をさらに備える。さらなる一実施形態においては、ＲＦ信号発生器は、ＲＦパワー増幅器をさらに備える。さらなる一実施形態においては、このシステムは、ＲＦパワー増幅器から音響光学偏向器までＲＦパワーを送達するためのＲＦケーブルおよびインピーダンス整合構成要素をさらに備える。
【０１０７】
さらなる一実施形態においては、音響光学温度が、安定化された高温である。さらなる一実施形態においては、安定化された熱負荷は、実質的に一定のＲＦパワーを含む。さらなる一実施形態においては、コントローラは、熱負荷を変更するためのパルス幅変調手段を備える。さらなる一実施形態においては、コントローラは、熱負荷を変更するためのＲＦパルス振幅変調手段を備える。さらなる一実施形態においては、コントローラは、構成されたＦＰＧＡを備える。
【０１０８】
本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、上記に開示した実施形態に対して多数の変形および変更を行い得ることが、当業者には認識されよう。
【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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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