(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザツールの動作によりワークピースを加工する方法であって、前記レーザツールは、レーザパルスが伝搬可能なビーム軸を規定しており、
前記ビーム軸と前記ワークピースの表面との間で第１の速度で相対移動を生じさせて前記ビーム軸を前記ワークピースの第１のターゲット位置に向けて案内し、
前記第１のターゲット位置又はその近傍に到達したときに、前記相対移動の速度を前記第１の速度から第２の速度に変更し、
前記第２の速度への変更に応答して、レーザパルスの出射を遅らせるための第１の整定期間を開始して、前記第１の整定期間の終了後に前記レーザパルスの始点が前記第１のターゲット位置に入射するようにし、
前記第１のターゲット位置に入射した前記レーザパルスの前記出射が完了したときに、レーザパルスが出射されない第２の整定期間を開始し、
前記第２の整定期間の完了後に、前記第２の速度から第３の速度に変更して、前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間で前記第３の速度で相対運動を生じさせて前記ビーム軸を前記第１のターゲット位置から前記ワークピースの第２のターゲット位置に向けて案内し、
前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間で前記相対運動を生じさせる際に、
（ａ）第１の位置決めシステムを用いて、前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間の前記相対運動の第１の部分を与え、
（ｂ）与えられた位置コマンドに応答して第２の位置決めシステムを用いて、前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間の前記相対運動の第２の部分を与え、
さらに、前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの過渡応答のピーク値を、前記第１の整定期間及び前記第２の整定期間の少なくとも一方に時間的に合わせる
方法。
【請求項２】
前記相対運動の前記第２の部分は、前記相対運動の前記第１の部分上に重ね合わされる、
請求項１の方法。
【請求項３】
さらに、
前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの前記過渡応答に基づいて前記第１の整定期間及び前記第２の整定期間を選択する、
請求項１の方法。
【請求項４】
前記第２の位置決めシステムは、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学偏向器（ＥＯＤ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、及びファーストステアリングミラー（ＦＳＭ）を含む群から選択される１以上の偏向装置を備え、
さらに、前記位置コマンドを生成するように構成されたフィルタに基づいて前記過渡応答を決定する、
請求項１の方法。
【請求項５】
さらに、前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの前記過渡応答の第１のピーク値を前記第１の整定期間に時間的に合わせ、前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの前記過渡応答の第２のピーク値を前記第２の整定期間に時間的に合わせることによって、前記与えられた位置コマンドに応答するために必要とされる偏向範囲を縮小する、請求項４の方法。
【請求項６】
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きい、請求項１の方法。
【請求項７】
前記第３の速度は前記第１の速度と異なっている、請求項１の方法。
【請求項８】
前記レーザパルスの少なくとも一部が前記第１のターゲット位置に入射しつつ、前記ビーム軸が前記第１のターゲット位置に留まるように前記第２の速度がゼロである、請求項１の方法。
【請求項９】
レーザツールの動作によりワークピースを加工する方法であって、前記レーザツールは、レーザパルスが伝搬可能なビーム軸を規定しており、
前記ビーム軸と前記ワークピースの表面との間で第１の速度で相対移動を生じさせて前記ビーム軸を前記ワークピースの第１のターゲット位置に向けて案内し、
前記第１のターゲット位置又はその近傍に到達したときに、前記相対移動の速度を前記第１の速度から第２の速度に変更し、
前記第２の速度への変更に応答して、レーザパルスの出射を遅らせるための第１の整定期間を開始して、前記第１の整定期間の終了後に前記レーザパルスの始点が前記第１のターゲット位置に入射するようにし、
前記第１のターゲット位置に入射した前記レーザパルスの前記出射が完了したときに、レーザパルスが出射されない第２の整定期間を開始し、
前記第２の整定期間の完了後に、前記第２の速度から第３の速度に変更して、前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間で前記第３の速度で相対運動を生じさせて前記ビーム軸を前記第１のターゲット位置から前記ワークピースの第２のターゲット位置に向けて案内し、
前記第１のターゲット位置での加工速度に基づいて前記第２の速度を選択し、前記加工速度は、前記第１のターゲット位置での円形加工軌跡に対応しており、
前記第１の整定期間中、前記レーザパルスの前記始点が前記第１のターゲット位置に入射する前に、前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間で前記第１のターゲット位置での前記円形加工軌跡に沿って相対運動を生じさせ、
前記第２の整定期間中、前記第１のターゲット位置に入射した前記レーザパルスの終点に至った後、前記第１のターゲット位置での前記円形加工軌跡に沿った前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間の前記相対運動を継続する
方法。
【請求項１０】
前記第１の速度から前記第２の速度への変更又は前記第２の速度から前記第３の速度への変更は、速度の段階的変化である、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記第３の速度は前記第１の速度に略等しい、請求項１の方法。
【請求項１２】
前記第３の速度は前記第２の速度よりも高い、請求項１の方法。
【請求項１３】
前記第１の速度から前記第２の速度への変更又は前記第２の速度から前記第３の速度への変更は、傾斜的変化及び正弦波プロファイルの変化を含む群から選択される速度変化である、請求項１の方法。
【請求項１４】
ワークピースの１以上の材料内に特徴部を形成又は加工するレーザ加工装置であって、
レーザパルスからなるビームを生成するレーザシステムと、
前記レーザパルスからなるビームが伝搬可能なビーム軸と前記ワークピースの表面との間の相対運動を与える第１の位置決めシステムと、
与えられた位置コマンドに応答して前記ビーム軸と前記ワークピースの前記表面との間の相対運動を与える第２の位置決めシステムと、
前記第１の位置決めシステム及び前記第２の位置決めシステムにより与えられた前記相対運動に前記レーザシステムを協働させるコントローラであって、
（ａ）第１の整定期間中、前記ビーム軸が前記ワークピースの前記表面に対してターゲット位置に到達した後、前記レーザシステムが前記レーザパルスからなるビームを出射するのを遅延させ、
（ｂ）第２の整定期間中、前記レーザパルスからなるビームにより前記ターゲット位置が加工された後、前記第１の位置決めシステム及び前記第２の位置決めシステムが前記ターゲット位置から離れるように前記ビーム軸を移動するのを遅延させる
ように構成されたコントローラと、
を備え、
前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの過渡応答のピーク値は、前記第１の整定期間及び前記第２の整定期間の少なくとも一方に時間的に合わされる、
レーザ加工装置。
【請求項１５】
前記第２の位置決めシステムは、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学偏向器（ＥＯＤ）、及び電気光学変調器（ＥＯＭ）を含む群から選択される１以上の偏向装置を備え、
前記コントローラは、さらに、前記位置コマンドを生成するように構成されたフィルタに基づいて前記過渡応答を決定するように構成されている、請求項14のレーザ加工装置。
【請求項１６】
前記コントローラは、さらに、前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの前記過渡応答の第１のピーク値を前記第１の整定期間に時間的に合わせ、前記与えられた位置コマンドに対する前記第２の位置決めシステムの前記過渡応答の第２のピーク値を前記第２の整定期間に時間的に合わせることによって、前記与えられた位置コマンドに応答するために前記第２の位置決めシステムに必要とされる偏向範囲を縮小するように構成されている、請求項15のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、合衆国法典第35巻第119条(e)により2013年３月15日に提出された米国仮出願第61/791,656号及び2013年３月15日に提出された米国仮出願第61/791,160号の利益を主張するものであり、これらの仮出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、概して、レーザ加工装置及びこれを用いてワークピースを加工する方法に関するものである。
【背景】
【０００３】
ワークピースを微細加工するためのレーザ加工システムは、ワークピース内に特徴部を加工するためのレーザパルスを生成するレーザ源と、加工軌跡に沿ってワークピースの表面に対するレーザビームのスポット位置の第１の相対移動を行うガルバノメータ駆動の（ガルボ）サブシステムとを含み得る。また、レーザ加工システムは、例えば、ガルボエラー位置補正、ラスタリング、パワー変調、及び／又はディザリングを行う音響光学偏向器（ＡＯＤ）サブシステムを含み得る。このＡＯＤサブシステムは、ＡＯＤと電気光学偏向器との組み合わせを含み得る。
【０００４】
３次フィルタリングにより、所望のＡＯＤ偏向範囲又は可能なＡＯＤ偏向範囲を超えてＡＯＤにレーザビームを偏向させるＡＯＤエクスカーション（excursion）とも呼ばれるＡＯＤコマンドが生成されることがある。これは、例えば、プロセス特徴部間の移動が非常に速い（特徴部間速度が大きい）ときに起こり得る。一般的に、スループットを向上するために特徴部間ビーム速度を維持することが好ましいが、上記所望のＡＯＤ偏向範囲又は可能なＡＯＤ偏向範囲の制限によって通常これらの速度は制限され得る。
【開示の概要】
【０００５】
本明細書において述べられる例としての本開示の実施形態は、上述した制限及びワークピース内で凹部及び他の特徴部をレーザ加工する従来の方法に関連する他の制限を解決するものである。ある実施形態は、レーザシステムの力学的限界を超えてしまうことを避けるために、凹部や他の特徴部の加工速度を最適化又は向上する。以下に述べるように、ある実施形態は、レーザシステムの力学的限界を超えてしまうことを避けるために、凹部や他の特徴部の加工速度を最適化又は向上する。
【０００６】
ある実施形態においては、レーザシステム及び方法は、それぞれの加工動作の前と後に整定時間を挿入する。一般的に、（３次フィルタ構成における）ＡＯＤコマンドのピークは、特徴部間の移動と加工の移動との間で速度が遷移する際に生じる。この遷移は、加工の前（加工位置に近づいているとき）と加工の後（完了した加工位置から出発して次の位置に向かうとき）の双方で生じる。加工期間のそれぞれの終端に整定遅延を加えることで、ＡＯＤコマンドをより低い値に整定することが可能となる。そして、これにより、ＡＯＤコマンドをシステムのＡＯＤ構成の範囲内に維持しつつ、（スループットを高くするために）加工間速度をより高くすることが可能となる。
【０００７】
追加の態様及び利点は、図面を参照して述べられる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の一実施形態におけるレーザ加工装置を模式的に示すものである。
【図２】図２は、図１に示される装置の様々な構成要素又は系に関連付けられたスキャン領域を模式的に示すものである。
【図３】図３及び図４は、本開示のある実施形態において、ワークピースに対してビーム位置をスキャンすることにより生成されるスポットのパターンを図で示すものである。
【図４】図３及び図４は、本開示のある実施形態において、ワークピースに対してビーム位置をスキャンすることにより生成されるスポットのパターンを図で示すものである。
【図５】図５は、図４に示されるスポットのパターンを形成するプロセスの一実施形態を模式的に示す図である。
【図６】図６は、一実施形態における３次プロファイリングサブシステムを模式的に示すものである。
【図７】図７は、一実施形態における速度変化に対する３次フィルタ応答をグラフで示すものである。
【図８】図８は、一実施形態において、ビーム速度における段階的変化に応答する過渡ＡＯＤコマンド例をグラフで示すものである。
【図１０】図10は、一実施形態における円形ツールパターンビーム経路を模式的に示すものである。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【０００９】
以下、添付図面を参照しつつ実施形態の例を説明する。本開示の精神及び教示を逸脱することのない多くの異なる形態及び実施形態が考えられ、本開示を本明細書で述べた実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態の例は、本開示が完全かつすべてを含むものであって、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されるものである。図面においては、理解しやすいように、構成要素のサイズや相対的なサイズが誇張されている場合がある。本明細書において使用される用語は、特定の例示的な実施形態を説明するためだけのものであり、限定を意図しているものではない。本明細書で使用される場合には、内容が明確にそうではないことを示している場合を除き、単数形は複数形を含むことを意図している。さらに、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、本明細書で使用されている場合には、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するものであるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそのグループの存在又は追加を排除するものではないことも理解されよう。特に示している場合を除き、値の範囲が記載されているときは、その範囲は、その範囲の上限と下限の間にあるサブレンジだけではなく、その上限及び下限を含むものである。
【００１０】
上述したように、３次フィルタリングにより、所望のＡＯＤ偏向範囲又は可能なＡＯＤ偏向範囲を超えてＡＯＤにレーザビームを偏向させるＡＯＤコマンドが生成されることがある。これは、例えば、プロセス特徴部間の移動が非常に速い（特徴部間速度が大きい）ときに起こり得る。一般的に、スループットを向上するために特徴部間ビーム速度を維持することが好ましいが、上記所望のＡＯＤ偏向範囲又は可能なＡＯＤ偏向範囲の制限によって通常これらの速度は制限され得る。
【００１１】
３次フィルタリングにより生じるプロセス速度に対する制限を回避又は低減するために、本明細書において開示される実施形態は、それぞれの加工動作の前と後に整定時間を挿入する。以下に述べるように、ＡＯＤコマンドのピークは、特徴部間の移動（典型的には高速である）と加工の移動（典型的にはより低速である）との間で速度が遷移する際に生じる。この遷移は、加工の前（加工位置に近づいているとき）と加工の後（完了した加工位置から出発して次の位置に向かっているとき）の双方で生じる。加工期間のそれぞれの終端に整定遅延を加えることで、ＡＯＤコマンドがより低い値に整定することが可能となる。そして、これにより、ＡＯＤコマンドをシステムのＡＯＤ構成の範囲内に維持しつつ、（スループットを高くするために）加工間速度をより高くすることが可能となる。
【００１２】
後述する実施形態では、加工速度及び軌跡で「整定」を行う方法が、ＡＯＤ移動の低減化整定に対して非常に適している。これは、例えば、大きな直径又は速度で加工軌跡を加工しているときに有用であることがある。この大きな直径又は速度は、特徴部の位置に速度ゼロで留まっていた後であってもそれ自身の大きなＡＯＤ過渡状態を生じ得る。
【００１３】
ＡＯＤツールの整定の実施形態の例及び加工速度及び軌跡を整定する実施形態の例について説明する前に、レーザ加工装置の例及び３次プロファイリングの実施形態の例を説明する。
【００１４】
Ｉ．システム例の概要
図１を参照すると、レーザ加工装置100は、ワークピース102に当たるように経路Ｐに沿ってレーザパルスビーム105を照射することにより、ワークピース102の１以上の材料の内部に凹部や他の特徴部（例えば、貫通ビア、非貫通ビア、トレンチ、及び切溝）を形成するように構成されている。凹部形成動作及び／又は他の加工動作（例えば、パーカッションドリル動作、トレパンドリル動作、スカイブ動作、及び切断動作）を行うようにレーザ加工装置100を制御することにより特徴部を形成してもよく、それぞれの加工動作は、１以上の工程を含んでいてもよい。図示されているように、レーザ加工装置100は、レーザシステム104、チャック106、ワークピース位置決めシステム108、ビーム位置決めシステム110、及びビーム変調システム112を含んでいてもよい。図示はされないが、レーザ加工装置100は、経路Ｐに沿った任意の点でレーザパルスビーム105を整形、拡大、集束、反射、及び／又はコリメートするように構成された１以上の補助システム（例えば、光学系、ミラー、ビームスプリッタ、ビームエキスパンダ、及び／又はビームコリメータ）をさらに含んでいてもよい。一実施形態においては、１以上の補助システムのセットを「光学部品列」ということがある。
【００１５】
一実施形態においては、レーザパルスビーム105がワークピース102に当たる位置（すなわち、ワークピース102に対するビーム位置）を変えるように、ワークピース位置決めシステム108、ビーム位置決めシステム110、及びビーム変調システム112のうちの１つ以上のシステム又はすべてのシステムの動作を制御してもよい。加えて、あるいは他の実施形態においては、ワークピース102に対してビーム位置が変化する速度及び／又は加速度を変えるように、ワークピース位置決めシステム108、ビーム位置決めシステム110、及びビーム変調システム112のうちの１つ以上のシステム又はすべてのシステムの動作を制御してもよい。
【００１６】
レーザパルスビーム105を生成するようにレーザシステム104を構成し得る。ビーム105内のレーザパルスは、例えば、赤外スペクトル、可視スペクトル、又は紫外スペクトルの波長を有し得る。例えば、ビーム105内のレーザパルスは、1064nm、532nm、355nm、266nmなどの波長を有し得る。一般的に、ビーム105内のレーザパルスは、約20kHzから約2000kHzの範囲のＰＲＦで生成され得る。しかしながら、ＰＲＦが、20kHzより低くてもよく、あるいは2000kHzより高くてもよいことは理解されよう。例えば、モードロックレーザは200MHzまで稼働し得る。
【００１７】
チャック106は、ワークピース102を好適に又は有利に支持可能な任意のチャックであってもよい。一実施形態においては、チャック106は、真空チャック、静電チャック、機械的チャックなど、又はこれらの組み合わせであり得る。
【００１８】
ワークピース位置決めシステム108は、Ｘ軸、Ｙ軸、及び／又はＺ軸（Ｚ軸は、チャック106の表面に対して少なくとも実質的に垂直であり、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は互いに直交している）に平行な１以上の方向に沿ってワークピース102を支持するチャック106を平行移動したり、Ｘ軸、Ｙ軸、及び／又はＺ軸のうち１つ以上の軸を中心としてチャック106を回転させたり、これと類似のことをしたり、又はこれらの組み合わせを行ったりするように構成される。一実施形態においては、ワークピース位置決めシステム108は、上述したチャックを移動するように構成された１以上のステージを含み得る。ワークピース102がチャック106によって支持されているときに、経路Ｐに対して第１のスキャン領域（例えば、図２に示されるような第１のスキャン領域200）内でワークピース102を（例えば、Ｘ軸及びＹ軸に沿って）移動又はスキャンするようにワークピース位置決めシステム108を動作させてもよい。一実施形態においては、約400から約700mmの範囲（例えば約635mm）の距離だけＸ軸に沿って任意の方向に、あるいは約400mmから約700mmの範囲（例えば約533mm）の距離だけＹ軸に沿って任意の方向に、あるいはこれらを組み合わせてワークピース102をスキャンするようにワークピース位置決めシステム108を動作させることができる。
【００１９】
ビーム位置決めシステム110は、ワークピース102に対して第２のスキャン領域（例えば、図２に示されるような第２のスキャン領域202）内でビーム位置をスキャンするために、レーザパルスビーム105を偏向、反射、屈折、又は回折させるなど、あるいはこれらを組み合わせるように構成される。一実施形態においては、約１mmから約50mmの範囲（例えば約30mm）の距離だけＸ軸に沿って任意の方向に、あるいは約１mmから約50mmの範囲（例えば約30mm）の距離だけＹ軸に沿って任意の方向に、あるいはこれらを組み合わせてビーム位置をスキャンするようにビーム位置決めシステム110を動作させることができる。一般的に、ワークピース位置決めシステム108が第１のスキャン領域200内でワークピース102をスキャンできる速度及び／又は加速度よりも大きな速度及び／又は加速度でワークピース102に対してビーム位置をスキャンするようにビーム位置決めシステム110の動作を制御することができる。図示された実施形態においては、ビーム位置決めシステム110は、経路Ｐ内に配置されたガルバノメータをベースとした１対のミラー（ガルボ）110a及び110bを含んでいる。ガルボ110a及び110bは、（例えば、Ｘ軸又はＹ軸を中心として）回転するように構成されており、これにより経路Ｐを偏向して第２のスキャン領域202内でビーム位置をスキャンする。しかしながら、他の好適な態様又は有利な態様でビーム位置決めシステム110を構成してもよいことは理解されよう。
【００２０】
ビーム変調システム112は、ワークピース102に対して第３のスキャン領域（例えば、図２に示されるような第３のスキャン領域204）内でビーム位置をスキャンするために、レーザパルスビームを偏向、反射、屈折、又は回折させるなど、あるいはこれらを組み合わせるように構成される。一実施形態においては、約0.05mmから約0.2mmの範囲（例えば約0.1mm）の距離だけＸ軸に沿って任意の方向に、あるいは約0.05mmから約0.2mmの範囲（例えば約0.1mm）の距離だけＹ軸に沿って任意の方向に、あるいはこれらを組み合わせてビーム位置をスキャンするようにビーム変調システム110を動作させることができる。当業者であれば、これらの範囲が例示として挙げられるものであり、より小さな範囲又はより大きな範囲内でビーム位置をスキャンしてもよいことを理解するであろう。一般的に、ビーム位置決めシステム110が第２のスキャン領域内でビーム位置をスキャンできる速度及び／又は加速度よりも大きな速度及び／又は加速度でワークピース102に対してビーム位置をスキャンするようにビーム変調システム112の動作を制御することができる。
【００２１】
一実施形態においては、ビーム変調システム112は、レーザパルスビーム105を偏向して第３のスキャン領域204内で単一の軸に沿ってビーム位置をスキャンするように構成された単一の音響光学偏向器（ＡＯＤ）を含んでいる。他の実施形態においては、ビーム変調システム112が２つのＡＯＤを含んでおり、第１のＡＯＤは、レーザパルスビーム105を偏向し、第３のスキャン領域204内でＸ軸に沿ってビーム位置をスキャンするように構成されており、第２のＡＯＤは、レーザパルスビーム105を偏向し、第３のスキャン領域204内でＹ軸に沿ってビーム位置をスキャンするように構成されている。しかしながら、他の好適な態様又は有利な態様でビーム変調システム112を構成してもよいことは理解されよう。例えば、ビーム変調システム112は、ＡＯＤに加えて、あるいはＡＯＤに代わるものとして、１以上の音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学偏向器（ＥＯＤ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、ファーストステアリングミラー（ＦＳＭ）（例えば、（10kHzよりも高い）高帯域ＦＳＭ）など、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。
【００２２】
レーザ加工装置100は、ワークピース位置決めシステム108、ビーム位置決めシステム110、ビーム変調システム112、及びレーザシステム104に通信可能に連結されたシステムコントローラ114をさらに含んでいてもよい。このシステムコントローラ114は、これらのシステム（ワークピース位置決めシステム108、ビーム位置決めシステム110、ビーム変調システム112、及び／又はレーザシステム104）のうちの１以上のシステム又はすべてのシステムの上述した動作を制御してワークピース102内に特徴部（例えば、凹部、貫通ビア、非貫通ビア、トレンチ、切溝、及びその他の特徴部）を形成するように構成されている。一実施形態においては、システムコントローラ114は、レーザシステム104の動作を制御して、レーザシステム104により生成されるパルスのＰＲＦを（例えば、約20kHzから約2000kHzの範囲内で）変更し得る。
【００２３】
一実施形態においては、システムコントローラ114は、ビーム変調システム112の動作を制御して、ワークピース102に対してビーム位置をスキャンしてワークピース102内（例えば、500μm又はその近傍以下のピッチで離間した特徴部を含む領域）に「高密度特徴部領域」を形成してもよい。システムコントローラ114は、高密度特徴部領域を形成している間にビーム位置決めシステム110及び／又はワークピース位置決めシステム108の動作をさらに制御してもよい。
【００２４】
他の実施形態においては、システムコントローラ114は、ビーム位置決めシステム110の動作をさらに制御して、ワークピース102に対してビーム位置をスキャンして、ワークピース102内（例えば、500μm又はその近傍よりも大きい約1000μmなどのピッチで離間した特徴部を含む領域）に「中密度特徴部領域」を形成してもよい。システムコントローラ114は、中密度特徴部領域を形成している間にビーム変調システム112及び／又はワークピース位置決めシステム108の動作をさらに制御してもよい。
【００２５】
さらに他の実施形態においては、システムコントローラ114は、ビーム位置決めシステム110の動作を制御し、ビーム変調システム112の動作を協調的にさらに制御して、ビーム位置決めシステム110の高速度制限、小さい領域での位置決め誤差、及び帯域制限を克服してもよい。例えば、レーザ加工装置100がビーム変調システム112を含んでいない場合は、ビーム内のレーザパルスが順次ワークピース102に当たって図３に示されるようなスポットの丸いパターンを形成するように（図示されているように、スポットの円形パターンは約600μmの最大幅を有している）、ビーム位置決めシステム110を制御してワークピース102に対してビーム位置をスキャンしてもよい。しかしながら、ビーム変調システム112の動作をビーム位置決めシステム110に協調させることにより、図４に示されるようなスポットの方形状のパターンを形成するようにレーザ加工装置100を構成してもよい（図示されているように、スポットの方形状のパターンは約600μm×約600μmの寸法を有している）。
【００２６】
一実施形態においては、図５を参照すると、図４に示されるスポットのパターンは、ビーム位置決めシステム110を制御して第２のスキャン領域202内で線500のような線に沿ってビーム位置をスキャンすることにより形成することができ、（線500の端部が中央に位置している）第３のスキャン領域204内で（例えば、第３のスキャン領域204内の中央に位置する線502によって示される）ある方向に沿ってビーム位置をさらにスキャンしてレーザパルスが順次ワークピース102に当たって（例えば、図４に示されているような）スポット504の方形状のパターンを形成するようにビーム変調システム112を制御することができる。図５に関して先に述べた例示プロセスを適用することにより、およそ毎秒５メートル（m/s）の速さで、あるいはガルボの能力によってはそれよりも速く、ビーム位置をワークピース上でスキャンすることができる。しかしながら、ワークピース102上にスポットの好適な又は有利なパターンを形成するためにビーム変調システム112の動作をビーム位置決めシステム110と任意の態様により連係させてもよいことは理解できよう。
【００２７】
一般的に、システムコントローラ114は、様々な制御機能を規定する演算ロジック（図示せず）を含み得る。システムコントローラ114は、ハードワイヤード状態機械（hardwired state machine）のような専用ハードウェアやプログラム命令を実行するプロセッサの形態及び／又は当業者が思いつくであろう異なる形態を有していてもよい。演算ロジックは、デジタル回路、アナログ回路、ソフトウェア、又はこれらの種類のハイブリッド結合を含み得る。一実施形態においては、システムコントローラ114は、演算ロジックに従ってメモリに格納された命令を実行するように構成された１以上の演算処理装置を含み得るプログラマブルマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又は他のプロセッサを含んでいる。メモリ（例えば、コンピュータ読取可能な媒体）は、半導体、磁気、及び／又は光学の種類のうち１以上のタイプを含んでいてもよく、加えて／あるいは、揮発性及び／又は不揮発性のものであってもよい。一実施形態においては、メモリは、演算ロジックにより実行可能な命令を格納する。これに代えて、あるいはこれに加えて、メモリは、演算ロジックにより操作されるデータを格納し得る。ある構成においては、演算ロジック及びメモリは、ワークピース位置決めシステム108、ビーム位置決めシステム110、及び／又はビーム変調システム112の構成要素の動作的な側面を管理及び制御するロジックを行うコントローラ／プロセッサの形態に含まれている。他の構成においては、これらは分離され得る。
【００２８】
本明細書で述べるように、レーザ加工装置100は、高速で非常に正確な位置に特徴部を形成するために、ビーム位置決めシステム110及びビーム変調システム112の協調的な動作を可能にするように構成されている。ある実施形態においては、レーザ加工装置100は、例えば、レーザエネルギーモニタ（ＬＥＭ）116のような他のシステムに加えて、ビーム変調システム112及び114を有するレーザパワー制御（ＬＰＣ）システムをさらに含み得る。一般的に、ＬＰＣシステムは、（例えば、品質管理や制御のために）個々のレーザパルスのパルスエネルギーを測定したり、個々のレーザパルスのパルスエネルギーを制御したり、パルスエネルギー及びＰＲＦの高速変更を促進したり、個々のレーザパルスのパルスエネルギー制御をビーム位置に連係したり、レーザパルスの生成及び変調をビーム位置に連係したりなど、あるいはこれらを組み合わせたりするように構成され得る。
【００２９】
II．３次プロファイリングの実施形態の例
図６は、一実施形態における３次プロファイリングサブシステム600を模式的に示すものである。３次プロファイリングにおいては、ビームの位置決めが（ガルボ110a及び110bを有する）ビーム位置決めシステム110と（１以上のＡＯＤを有する）ビーム変調システム112との間で分けられる。３次プロファイリングとは、（例えば、ＸＹステージとガルボ110a，110bに加えて）ＡＯＤを３次ポジショナとして用いることをいう。ＡＯＤを用いた３次プロファイリングにより、分離したタイミング境界でＡＯＤコマンドを発しつつ、（例えば、タイミングの分解能を得るために約１μsでの更新を用いて）高速でビーム経路をプロファイリングすることが可能となる。３次プロファイリングサブシステム600は、プロファイリングフィルタ604、遅延要素606、及び減算器608を含んでいる。
【００３０】
図６は、ワークピースに切り込もうとしているトレンチに対応するビームプロファイル例610（本明細書において「ビームコマンド」例ということもある）を示すものである。しかしながら、この基本的な原理を、複数のビアを加工するときのように、ある加工特徴部から他の加工特徴部へ移動する実施形態に適用してもよい。
【００３１】
図６に示されるビームプロファイル例610は、ガルボ110a，110bを用いて高速でトラッキングをすることが難しい場合がある急峻な変化を含んでいる。スキャン領域較正変換603を通過した後、ビームプロファイル例610は３次フィルタ605に供給される。この３次フィルタ605は、プロファイリングフィルタ604及び遅延要素606を含んでいる。プロファイリングフィルタ604は、ガルボ110a，110bによりトラッキングすることが難しい場合がある高周波数成分をフィルタするローパスフィルタを備えている。位置プロファイル612により示されているように、プロファイリングフィルタ604の出力をガルボコマンド（ガルボ制御信号）として用いてもよい。図６は、位置プロファイル612の拡大部613を示しており、この拡大部613は、ガルボ110a，110bにより得られる実際の位置618に対するコマンド位置616を示している。コマンド位置616と実際の位置618との間の差を補正するためにＡＯＤが使用される。
【００３２】
一実施形態において、プロファイリングフィルタ604は、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを備えている。他の実施形態においては、プロファイリングフィルタ604は、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを備えている。ＦＩＲフィルタは、本来的に、任意の周波数範囲における信号に対して一定の遅延を有している。しかしながら、当業者であれば、他の種類のフィルタを用いることもできることは本明細書における開示から理解できるであろう。遅延要素606は、プロファイリングフィルタ604により導入された遅延とほぼ同じ量だけビームプロファイル例610を遅らせる。減算器608は、遅延要素606の出力からプロファイリングフィルタ604の出力を減算してガルボコマンドから除去された高周波数成分を得る。減算器608により出力された高周波数成分を、ＡＯＤを制御するためのＡＯＤコマンド信号として用いてもよい。図６は、ＡＯＤ位置コマンドプロファイル例614を示している。図示はされていないが、対応する速度及び加速度コマンドプロファイルを計算するために位置コマンドプロファイル614上で微分を用いてもよい。
【００３３】
ビームコマンド例610は、「所望の」座標においてパネル整列変換後のワーク表面上で目標とされるビームの軌跡である。上述したように、ビームプロファイル例610は、スキャン領域較正変換603に（コマンドビーム位置信号として）供給される。この軌跡を低周波数成分と高周波数成分とに分けるためにデータがフィルタされ、これによりＡＯＤが高周波数・低振幅のコマンドをトラッキングすることができ、帯域が制限された大きな振幅のコマンドをガルボ110a，110bに渡すことができる。スキャン領域較正変換603を適用することにより、「そのままのガルボ」座標が得られる。これは、３次フィルタ605によりコマンドが分けられる前に起きるので、３次フィルタ605の出力はガルボ成分とＡＯＤ成分であり、これらのそれぞれは、同一のそのままのガルボ座標におけるものである。
【００３４】
そのままのガルボ座標フレームにおいてビームを偏向するようにＡＯＤが較正される場合には、ＡＯＤ３次変位に対してスキャン領域較正変換がさらに必要とされることはない。これは、ローカルＡＯＤ領域歪み補正が必要とされないことを示唆しているので有用である。換言すれば、スキャン領域較正補正603が適用された際に、スキャン領域歪み効果はすでに得られている。
【００３５】
このアプローチの他の解釈は、３次プロファイリングフィルタは、そのままのガルボ座標において所望のコマンドからガルボコマンドを変位させることである。ＡＯＤは、このガルボビーム角変位を補うために補償変位を単に供給する。
【００３６】
「そのままのガルボ」座標におけるＡＯＤコマンド出力は、その後変換されて（伸縮及び回転）「そのままのＡＯＤ」偏向コマンドが生成される。「そのままのガルボ」座標にこの変換を適用することにより、３次ＡＯＤデータにＡＯＤエラー補正項を追加する機会が得られる。これは、（ＡＯＤエラー補正データを生成するためにフィルタされる）ガルボコントローラエラーがそのままのガルボ座標となるので、便利である。
【００３７】
III．プロセス速度に関する３次フィルタ限界
較正ＡＯＤ領域のサイズに制限があると、３次フィルタリングのプロセスはプロセス速度に制限を課すものとなる。３次フィルタリング中に、プロセスセグメント間の速度の段階的な変化は、ＡＯＤコマンドにおける過渡応答を生み出す。例えば、図７は、一実施形態における速度変化に対する３次フィルタ応答をグラフで示すものである。この応答の大きさは、速度の段階的変化に比例し、減衰時間は、３次フィルタ帯域幅及び減衰比の関数となる。
【００３８】
図７は、ＡＯＤエクスカーションを最大化する最悪の場合の速度プロファイル710を示している。これは、（２*Vmaxに等しい）１つの速度変化710の後、３次フィルタのオーバーシュート716のピークのときに（３kHzの３次フィルタに対して速度変化後約0.12msec）、大きさは等しいが符号が反対の２つ目の速度変化714が続くときに起きる。
【００３９】
ＡＯＤ過渡スケールファクターが「Ktrans」として定義される場合には、プロセスセグメントの速度変化deltaVに対して、
deltaAOD＝Ktrans*deltaV
である。
【００４０】
Ktransの値の例としては、４次の３KHz３次フィルタについて26.6μm/(m/sec)である。例えば、＋２から−２m/secの速度変化を生じ得る２m/secのプロセス速度のセグメントに対して、deltaAODに関する限界はdeltaAOD＝２*（２m/s）*（26.6μm/(m/s)）＝106.4μmである。
【００４１】
IV．ＡＯＤツール整定の実施形態の例
３次フィルタリングにより生じるプロセス速度に対する制限を回避又は低減するために、本明細書において開示される実施形態は、それぞれの加工動作の前と後に整定時間を挿入する。ＡＯＤコマンドのピークは、特徴部間の移動（典型的には高速である）と加工の移動（典型的にはより低速である）との間で速度が遷移する際に生じる。この遷移は、加工の前（加工位置に近づいているとき）と加工の後（完了した加工位置から出発して次の位置に向かうとき）の双方で生じる。加工期間のそれぞれの終端に整定遅延を加えることで、ＡＯＤコマンドをより低い値に整定することが可能となる。そして、これにより、ＡＯＤコマンドをシステムのＡＯＤ構成の範囲内に維持しつつ、（スループットを高くするために）加工間速度をより高くすることが可能となる。
【００４２】
図８は、一実施形態において、ビーム速度における段階的変化に応答する過渡ＡＯＤコマンド例810をグラフで示すものである。この例では、速度変化時（図８におけるｔ＝０）のあたりで急峻なＡＯＤ偏向過渡状態が起きる。例えば、加工を開始するためにビーム軌跡が止まったとき、あるいは加工が終了した後にビーム軌跡が次の特徴部に高速移動を始めるときに、速度の段階的変化が生じることがある。
【００４３】
速度変化に対応するＡＯＤ偏向過渡状態のピーク値での整定時間812（例えば、この例では70μs）は、ＡＯＤ偏向の範囲を縮小する。例えば、図８は、整定時間812により縮小された偏向範囲816に対して、整定時間のない偏向範囲814を示している。図８における過渡状態は、速度の段階的変化に対する反応を示しているが、同様の整定アプローチを段階的変化以外の速度プロファイルに適用することもできる。例えば、そのような整定は、速度が傾斜的に変化する（加速度一定）実施形態や速度が急激なプロファイルで変化する（例えば、高帯域での正弦波プロファイル）実施形態、あるいは他の速度変化の実施形態において用いられる。
【００４４】
加工の前と後の両方に（およそｔ＝０の時点）小さな整定期間を挿入することにより、特徴部間の段階的な速度変化に応答してＡＯＤ偏向の範囲が著しく縮小する。これにより、与えられたＡＯＤ偏向範囲に対して特徴部間速度を速くすることができ、このため、全体のスループットを増加させることができる。
【００４５】
図９は、一実施形態における特徴部加工中のレーザ出射に関する整定プロセスをグラフで示すものである。特に、図９は、与えられた特徴部間ビーム速度に対して要求されるＡＯＤ偏向範囲を縮小するレーザ発振前整定期間910とレーザ発振後整定期間912の両方を示している。レーザパルス914、ビーム軌跡位置916、ビーム軌跡速度918、及びＡＯＤコマンドの過渡状態920に対してそれぞれの整定期間910，912のタイミングが示されている。図示されているように、位置916がターゲット位置に到達し、速度918が０m/secに下がったときにレーザ発振前整定期間910が始まる。レーザ発振前整定期間910が終了する後までレーザパルス914は出射されない。レーザパルス914が終了したときにレーザ発振後整定期間912が始まる。レーザ発振後期間912の終了後、速度918が０m/secから２m/secまで上がり（例えば）ビーム軌跡位置916の次のターゲットへの移動を開始する。レーザパルス前後の整定期間910，912により、ＡＯＤ偏向範囲を縮小することができ、これにより、連続するターゲット位置の間の速度を速くすることができ、スループットを改善することができる。
【００４６】
Ｖ．加工速度及び軌跡でのＡＯＤツール整定の例
上述したように、ビームポジショナのエラーをゼロに向けて整定させるためにワークピース特徴部に対して加工整定時間を含めることが望ましい場合がある。上述した実施形態は、所望の整定時間の間、ビーム速度ゼロでターゲット又は特徴部の位置に留まる。このアプローチは、定常加工動作（例えばパンチ）に対してよく適合するが、円形軌跡（例えば、螺旋、トレパン、円形）を伴う加工動作に対しては、加工動作の開始がビームポジショナの動的な過渡状態を生じ、整定時間が避けなければならないビーム位置決めエラーを生じる場合がある。
【００４７】
円形軌跡を伴う加工動作に対しては、他の実施形態は、特定の整定時間の間、最初の加工軌跡を実行することによって加工位置で「整定」する。例えば、任意の数の全周回転又は部分的回転の間、円形ツール軌跡をコマンドすることができる。そのような実施形態においては、可変軌跡ツールがその初期運動から始まる。例えば、内径から開始する螺旋ツールについては、整定時間は、内径軌跡の部分的な繰り返し又は内径軌跡の全体の繰り返しを含んでいる。
【００４８】
図10は、一実施形態における円形ツールパターンビーム経路1014を模式的に示すものである。ビーム経路1014は、（点で示される）開始位置1016から始まり、入口セグメント1018と、（破線で示される）360度円形セグメント1020と、出口セグメント1022と、（点で示される）終了位置1024とを含んでいる。終了位置1024は、円形セグメント1020の中心1025でもある。円形セグメント1020は、直径Ｄを有しており、加工される孔の外周又は周縁に対応しており、360度以外の範囲にわたるものであってもよい。この例では、入口セグメント1018の加速度はゼロ（速度一定）であるが、出口セグメント1022の加速度は円形セグメント1020の加速度の２倍である。一実施形態においては、ビーム経路は、レーザをオンにする前第１の整定期間の間に１回以上円形セグメント1020を辿り、レーザ加工後第２の整定期間の間に１回以上円形セグメント1020を辿る。
【００４９】
円形軌跡整定法の利点は、特徴部間の移動軌跡から加工軌跡動作への遷移中に生じる非正弦波形の過渡状態を減衰させることができ、加工動作中のトラッキングエラーを低減し、これにより加工済みの特徴部の品質を改善できることにある。一般的に、ビーム位置決め要素（ガルボ及びステージ）は、反復的な正弦波形ビームコマンドを初期過渡ビームコマンドよりもずっと良好にトラッキングすることができる。
【００５０】
これに加えて、あるいは他の実施形態においては、所望の整定時間の間、初期加工速度（大きさ及び方向）を単に維持するのではなく、初期正弦波形運動が繰り返される。加工の速度が非常に速く（例えば、約１m/secから２m/sec）、整定時間が長い（例えば約100msec）場合には、これによりアプローチの距離を非常に長くしなければならず、ビームポジショナを動かしにくくなることがある。その場合には、セットアップの移動を長くする必要があり、単一のガルボ領域内で好ましい状態で加工されるアプリケーションにおけるガルボ領域のサイズを超えてしまう。
【００５１】
当業者は、本発明の根底にある原理を逸脱することなく上述の実施形態の詳細に対して多くの変更をなすことが可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲のみによって決定されるべきである。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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