(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（６２）上の目標位置に対してレーザ出力を位置決めする方法において、
位置決め信号プロセッサからの遅速移動制御信号及び迅速移動制御信号を供給し、
前記遅速移動制御信号に応答して遅速位置決め機構ドライバ（９６）を制御し、遅速位置決め機構としての並進ステージ（５６，５８）であって、前記ワークピース（６２）を支持する、該並進ステージ（５６，５８）を、軸線に沿って、また前記並進ステージ（５６，５８）の近傍で前記軸線に平行に配置した基準面（１２６，１３４，１３６）を有する部材に沿って大きな範囲の相対移動させ、
前記迅速移動制御信号に応答して迅速位置決め機構ドライバ（８８）により、ビーム偏向を行う迅速位置決め機構（５４）の小さい範囲における相対移動を制御し、
前記レーザ出力と前記並進ステージ（５６，５８）上の前記ワークピース（６２）との間に大きな範囲の相対移動を生ぜしめ、
前記軸線に沿う前記並進ステージ（５６，５８）の移動に結合した１対の互いに離れた移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）により前記基準面（１２６，１３４，１３６）からの相対距離に関する情報を取得し、
前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）からのアッベ誤差情報を含む情報を迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送し、
前記ビーム偏向を行う迅速位置決め機構（５４）により、前記レーザ出力と前記並進ステージ（５６，５８）により支持した前記ワークピース（６２）との間の小さい範囲の相対移動を生じさせ、前記小さい範囲の相対移動は、前記移動センサから転送された情報に応答して生じ、これにより、前記小さい範囲の相対移動が、並進ステージ（５６，５８）の軸線から逸脱する移動又は回転移動に関するアッベ誤差を補正するものとし、また
前記ワークピース（６２）における目標位置に指向するレーザ出力を発生する
ことよりなることを特徴とする位置決め方法。
【請求項２】
前記回転移動をヨーとした請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記遅速位置決め機構における前記並進ステージ（５６，５８）は、ワークピース（６２）を支持する第１並進ステージ（５８または５６）とし、前記軸線は第１軸線とし、前記遅速位置決め機構は、さらに、前記第１軸線に直交する第２軸線に沿って移動可能な第２並進ステージ（５６または５８）を有する構成とし、前記迅速位置決め機構（５４）を前記第２並進ステージ（５６または５８）に取り付けた請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第１並進ステージ（５８または５６）及び第２の並進ステージ（５６または５８）は、それぞれ互いに個別の第１及び第２の慣性質量を担持するものとした請求項３記載の方法。
【請求項５】
迅速位置決め機構（５４）を第１迅速位置決め機構（１５４）とし、前記第２並進ステージ（５６または５８）は、前記第１迅速位置決め機構（１５４）の他に第２迅速位置決め機構（１５４）をも支持し、前記第１迅速位置決め機構（１５４）および第２迅速位置決め機構（１５４）は、前記レーザ出力を２個の軸線の周りに協調して偏向させるよう位置決めした請求項３記載の方法。
【請求項６】
複数個のワークピース（１５２）を第１並進ステージ（５８または５６）に取り付けた請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記第２並進ステージ（５６または５８）に、前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）に通信しかつ第２軸線に沿う第２並進ステージ（５６または５８）とともに移動するよう結合した互いに離れた第２の対の移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）を設け、第２基準面（１２６，１３４，１３６）を前記第２並進ステージ（５６または５８）の近傍で前記第２軸線に平行となるよう配置し、第２並進ステージ（５６または５８）を前記第２基準面（１２６，１３４，１３６）に沿って移動できるようにし、また前記第２移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）により前記第２基準面（１２６，１３４，１３６）からの相対距離に関する第２情報を取得することができかつ前記第２情報を迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送し、前記転送される第２情報は、第２並進ステージ（５６または５８）の軸線から逸脱する第２移動又は第２回転移動に関連する第２アッベ誤差を含み、前記小さい範囲の相対移動は、前記第２移動センサから転送された第２情報に応答して生じ、これにより、前記小さい範囲の相対移動が、前記第２並進ステージ（５６または５８）の前記軸線から逸脱する第２移動又は第２回転移動に関するアッベ誤差を補正するものとした請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記第２回転移動をピッチ又はヨーとした請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第２並進ステージ（５６または５８）に、前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）に通信しかつ前記第２軸線に沿う前記第２並進ステージ（５６または５８）とともに移動するよう結合した互いに離れた第３の対の移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）を設け、第３基準面（１２６，１３４，１３６）を前記第２並進ステージ（５６または５８）の近傍で第２軸線と平行になるよう配置し、前記第２並進ステージ（５６または５８）を前記第３基準面（１２６，１３４，１３６）に沿って移動可能にし、前記第３移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）により前記第３基準面（１２６，１３４，１３６）からの相対距離に関する第３情報を取得することができかつ前記第３情報を前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送し、前記転送される第３情報は、第２並進ステージ（５６または５８）の第３の軸線から逸脱する第３移動又は第３回転移動に関連する第３アッベ誤差を含み、前記小さい範囲の相対移動は、前記第３移動センサから転送された第３情報に応答して生じ、これにより、前記小さい範囲の相対移動が、前記第２並進ステージ（５６または５８）の軸線から逸脱する第３移動又は第３回転移動に関するアッベ誤差を補正するものとした請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記第３回転移動をピッチ又はヨーとした請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記第２並進ステージ（５６または５８）に、前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）に通信しかつ前記第２軸線を含む平面上で前記第２並進ステージ（５６または５８）とともに移動するよう結合した第４の移動センサを設け、第４の基準面（１２６，１３４，１３６）を前記第２並進ステージ（５６または５８）の近傍に前記第２軸線に平行となるように配置し、前記第２基準面（１２６，１３４，１３６）を含む第２平面上で前記第２並進ステージ（５６または５８）を前記第４基準面（１２６，１３４，１３６）に沿って移動可能とし、前記第４移動センサは前記第２移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）のうちの一方と連携して前記第４及び第２の基準面（１２６，１３４，１３６）からの相対距離に関する第４情報を取得することができるとともに、前記第４情報を前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送し、前記転送される第４情報は、前記第２並進ステージ（５６または５８）の軸線から逸脱する移動又は第４回転移動に関連する第４アッベ誤差を含み、前記小さい範囲の相対移動は、前記第４移動センサから転送された第４情報に応答して生じ、これにより、前記小さい範囲の相対移動が、前記第２並進ステージ（５６または５８）の軸線から逸脱する第４移動又は第４回転移動に関するアッベ誤差を補正するものとした請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記第４の回転移動をロールとした請求項９記載の方法。
【請求項１３】
迅速位置決め機構（５４）は、複数個のツール（１５６）に対して動作可能に関連して設け、これらツール（１５６）を前記第１並進ステージ（５６，５８）に支持した１個またはそれ以上のワークピースに対して相対運動させる複数個の迅速位置決め機構（１５４）を有するものとした請求項６記載の方法。
【請求項１４】
前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）を容量センサとした請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）を１０ｎｍの小さい相対距離を識別できるものとした請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）を５０μｍの大きさの相対距離を測定できるものとした請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）からの情報を迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送するのは、前記位置決め信号プロセッサで情報を受け取り、また受け取った情報に基づく迅速移動制御信号により位置決め信号プロセッサで調整し、これによって、アッベ誤差をリアルタイムで補償することを含むものとした請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７記載の方法に使用する位置決め装置であって、位置決めコマンドに応答してワークピース（６２）上の目標位置に対してツール（７６）を位置決めする該位置決め装置において、
軸線（Ｘ，Ｙ）に沿って移動することができる並進ステージ（５６，５８）を有してする前記ツール（７６）と前記ワークピース（６２）との間の大きな範囲の相対移動を生じさせる遅速位置決め機構（５６，５８）と、
前記ツール（７６）と前記ワークピース（６２）との間の小さい範囲の相対移動を生じさせる迅速位置決め機構（５４）と、
位置決めコマンドから遅速移動制御信号及び迅速移動制御信号を導き出す位置決め信号プロセッサ（５２）と、
前記遅速移動制御信号に応答して前記並進ステージ（５６，５８）の大きな範囲の相対移動を制御する遅速位置決め機構ドライバ（９６）と、
迅速移動制御信号に応答して迅速位置決め機構（５４）の小さい範囲の相対移動を制御する迅速位置決め機構ドライバ（８８）と、
前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）と通信し、前記軸線（Ｘ，Ｙ）に沿う前記並進ステージ（５６，５８）とともに移動するよう結合した１対の互いに離れた移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）と、
前記並進ステージ（５６，５８）の近傍に位置し、かつ前記軸線に平行な基準面（１２６，１３４，１３６）を有する部材と
を具え、前記並進ステージ（５６，５８）は前記基準面に沿って移動可能とし、また前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）が前記基準面（１２６，１３４，１３６）からの相対距離に関する情報を取得することができ、かつこの情報を迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送して前記並進ステージ（５６，５８）の軸線からそれる移動又は回転移動に関連する第１のアッベ誤差を補正させることができるようにした
ことを特徴とする位置決め装置。
【請求項１９】
位置決めコマンド（５０）に応答してワークピース（６２）に対するツール（７６）の位置決めを行う位置決め装置において、
軸線（Ｘ，Ｙ）に沿って移動でき、前記ワークピース（６２）を支持するよう構成した並進ステージ（５６，５８）を含み、前記ツール（７６）と前記ワークピース（６２）との間の大きな範囲の相対移動を生じさせる遅速位置決め機構（５６，５８）と、
前記ツール（７６）と前記ワークピース（６２）との間の小さい範囲の相対移動を生じさせる、ビーム偏向を行う迅速位置決め機構（５４）と、
前記位置決めコマンドから遅速移動制御信号及び迅速移動制御信号を導き出す位置決め信号プロセッサ（５２）と、
前記遅速移動制御信号に応答して前記並進ステージ（５６，５８）の大きな範囲の相対移動を制御する遅速位置決め機構ドライバ（９６）と、
迅速移動制御信号に応答して前記迅速位置決め機構（５４）の小さい範囲の相対移動を制御する迅速位置決め機構ドライバ（８８）と、
前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）と通信し、前記軸線（Ｘ，Ｙ）に沿う前記並進ステージ（５６，５８）とともに移動するよう結合した１対の互いに離れた移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）と、
前記並進ステージ（５６，５８）の近傍に位置し、かつ前記軸線に平行な基準面（１２６，１３４，１３６）を有する部材と
を具え、前記並進ステージ（５６，５８）は前記基準面に沿って移動可能とし、また前記移動センサ（１２４，１２８，１３０，１３１，１３２）は、前記基準面（１２６，１３４，１３６）からの相対距離に関する、またアッベ誤差情報を含む情報を取得することができ、かつこの情報を迅速位置決め機構ドライバ（８８）に転送し、前記迅速位置決め機構ドライバ（８８）は、前記移動センサから転送された前記情報に応答して小さい範囲の相対移動を生じさせ、前記小さい範囲の相対移動が、前記並進ステージ（５６，５８）の軸線から逸脱する移動又は回転移動に関連するアッベ誤差を補償するものとした
ことを特徴とする位置決め装置。
【請求項２０】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法において、前記ビーム偏向を行う迅速位置決め機構（５４）は、検流計型駆動ミラー位置決め装置、圧電素子、またはボイスコイルアクチュエータを有する構成とした方法。
【請求項２１】
請求項１〜１７のいずれか一項または２０に記載の方法において、前記レーザ出力は、第１レーザが目標位置に指向するよう発生する第１レーザ出力、および第２レーザが目標位置に指向するよう発生する第２レーザ出力とした、方法。
【請求項２２】
請求項１８または１９に記載の装置において、前記ビーム偏向を行う迅速位置決め機構（５４）は、検流計型駆動ミラー位置決め装置、圧電素子、またはボイスコイルアクチュエータを有する構成とした装置。
【請求項２３】
請求項１８または１９または２２に記載の装置において、前記レーザ出力は、第１レーザが目標位置に指向するよう発生する第１レーザ出力、および第２レーザが目標位置に指向するよう発生する第２レーザ出力とした、装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連出願］
この出願は、２０００年１月１１日出願の米国特許出願第６０／１７５，９９３号の優先権を主張するものである。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、１個又は複数個の「ツール」、例えば、レーザビーム、又は他の放射ビームを１個又は複数個のワークピース上の目標位置に対して位置決めする装置及び方法に関し、また、特に、このようなビーム位置決め装置の１個又はそれ以上の数のステージの移動に関するアッベ誤差を正確に補償する装置に関するものである。
【０００３】
［発明の背景］
多種多様な技術は、微細加工する（マイクロマシニング）ツールを使用し、又はワークピース上の目標位置上の材料にパターンを堆積させる。例えば、微小寸法のパンチを使用して薄い金属プレートに孔をパンチ加工したり、レーザを使用して精密に加工、選択的な金属浸食、結晶化、又は試料のアモルファス化を行なったり、イオンビームを使用して帯電粒子を集積回路に選択的に移植したりしている。上述のプロセスのすべては、ワークピース上の目標位置に関連するツールを正確かつ迅速に位置決めする共通の必要条件を共有している。
【０００４】
以下の背景は、レーザビーム位置決め装置によってのみ説明してあるが、当業者であれば、全般的なツール位置決めシステムにもこの説明が適用できることは理解されるであろう。従来のツール位置決め装置、特にビーム位置決め装置は、一般的には三次元座標系内で移動させ、幾つかの方向の特徴がある。
【０００５】
従来の位置決め装置は、下側ステージによって支持した上側ステージにワークピースを固定するＸ‐Ｙ並進テーブルに特徴があった。このような装置は、ワークピースを固定ビーム位置に対して移動させるのが一般的であり、また下側ステージが上側ステージ及びワークピースの慣性質量を支持するため、共通してスタックドステージ位置決め装置と称されていた。これら位置決め装置は比較的良好な位置決め精度を示すものであり、これは一般的に各軸線に沿って干渉計を使用して各ステージの絶対位置を決定するからである。
【０００６】
Overbeck氏の米国特許第４，５３２，４０２号においては、検流計のような高速短移動位置決め機構（「迅速位置決め機構」）を、Ｘ‐Ｙ並進テーブルの上側ステージ（「遅速位置決め機構）に支持し、上側ステージ及びワークピースを下側ステージによって支持する。２個の位置決め機構の組合せの運動とともに、先ず遅速位置決め機構をワークピース上の目標位置の近傍の既知の位置移動し、遅速位置決め機構を停止させ、迅速位置決め機構を正確な目標位置に移動させ、迅速位置決め機構を停止させ、ツールを目標位置に対して動作させ、次に、次の目標位置に関してこのプロセスを繰り返す。
【０００７】
しかし、Overbeck特許の組合せシステムは、やはりスタックドステージ位置決め装置であり、上述の固定ビームシステムと同様の深刻な欠点の多くを有する。即ち、ステージ及び迅速位置決め機構の慣性質量に関連する始動、停止、方法転換の遅延がツールのワークピース加工時間を不当に増大させる。Overbeck特許の装置は、更に、コンピュータ支援工作機械の制御ファイル即ち、ワークピースに対する一連の所定目標位置にツールを移動させる典型的なコマンドの「データベース」に関して深刻な欠点がある。ワークピースにわたりツールを位置決めするデータベースは、つなぎ合わせるセグメントを「パネライズ（予構築）」しておき、大形の回路パターンが迅速位置決め機構の限界移動範囲を越えたとき、各セグメントがこの迅速位置決め機構の限界移動範囲内に納まるようつなぎ合わせセグメントをパネライズ（予構築）しなければならない。
【０００８】
Cutler氏らの米国特許第５，７５１，５８５号及び同第５，８４７，９６０号には、軸分割位置決め装置が記載されており、この場合、上側ステージは下側ステージによって支持されずに下側ステージとは独立して移動するものであり、またワークピースは一方の軸線上又は一方のステージ上に担持し、ツールを他方の軸線上又は他方のステージ上に担持する。これら位置決め装置は、１個又はそれ以上の数の上側ステージを有し、各上側ステージには迅速位置決め機構を支持するものであり、１個又は複数個のワークピースを同時に高い処理量で加工することができるものであり、これは、即ち、独立的に支持したステージは少ない慣性質量を担持するだけであり、スタックドステージ装置におけるよりも一層迅速に加速、減速、又は方向転換を行なうことができるからである。１個のステージの質量は他方のステージに担持されることはないので、所定荷重の共鳴周波数が増大する。更に、遅速位置決め機構及び迅速位置決め機構は、位置決めコマンドデータ列に応答して必ずしも停止させることなく移動させて個別に移動する位置に調和させ、データベースによって規定される目標位置上で一時的な静止ツール位置をもたらすことができる。これら軸分割多重位置決め装置は、従来の装置の迅速位置決め機構の移動範囲における制限を減らすとともに、ツールの処理スループットを大幅に増大させ、また予構築データベースから非構築データベースに転換することができる。
【０００９】
このような軸分割位置決め装置は、ワークピースの全体寸法及び重量が増大して、より長い、従って、より大きな質量のあるステージを利用するようになるにつれて、一層有利になってきている。同時に、造作の寸法が減少するにつれて、寸法精度に対する要求が増大し、軸分割システムはアッベ誤差を誘発する回転誤差をより生じ易く、アッベ誤差とは、ステージの有効位置とステージの実際の位置との間の物理的乖離を示す誤差である。アッベ誤差は、一般的には、ステージが摺動及び／又は整列する軸受における不完全さ若しくは熱変動、又はステージを移動させる駆動機構の加速の不完全さによって生ずる。
【００１０】
図１には、３個の互いに直交する並進運動軸線、即ち、Ｘ軸１０、Ｙ軸１２、Ｚ軸１４を示し、これら軸線は三次元座標系１６及び３個の互いに直交する回転運動軸線（以下ロール軸線１８、ピッチ軸線２０及びヨー軸線２２と称する）。当業者は、一般的には、Ｘ軸１０の周りの角度回転をロール、Ｙ軸１２の周りの角度回転をピッチ、Ｚ軸１４の周りの角度回転をヨーと称する。
【００１１】
レーザ干渉計システムを使用して何らかのアッベ誤差を示しかつ補償することができるが、このようなシステムはコストがかかり、重量が重い。即ち、これはこれらシステムは基準ミラーを必要とし、これら基準ミラーはステージ長と行程長を足し合わせたものに近い長さを有し、例えば、行程距離の２倍もの長さになるからである。このようなミラーは、不可能でなくとも、大形ステージの長い行程寸法に対してより大きいワークピースに対処するに必要な７６〜９２ｃｍ（３０〜３６インチの波長をもたらすことは困難である。更に、軸分割システムは、各ステージ用に少なくとも２個の干渉計及び／又は角度及び位置を示す極めて複雑な光学系を必要とし、また、干渉計の付加重量がステージにおける慣性荷重を増大してモーメント変化に応答する応答時間がかかるようになる。
【００１２】
Ｔrumper氏らの米国特許第５，６９９，６２１号は、ピッチ、ヨー、及びロールの角度誤差を示す小さい移動範囲の変換器を使用することを記載している。このＴrumper氏らの特許は、電磁石を有するベアリングギャップの制御で角度誤差を補正するもので、極めて追従性のよい磁石又は空気軸受システムを使用することを必要とする。Ｔrumper氏らの特許のシステムの補正スピードは、リニアステージ装置の帯域幅に制限され、従って、スタックドステージ位置決め装置と同様の質量対帯域幅制限がある。
【００１３】
従って、より安価及び／又はより小さい質量のかつ極めて正確のアッベ誤差補正装置及び方法が望まれる。
【００１４】
［発明の開示］
本発明の目的は、容量センサのような非接触小移動量センサを使用し、軸上位置インジケータ、例えば、リニアスケールエンコーダ又はレーザ干渉計によっては示されない機械的ステージのピッチ、ヨー、ロールに基づくアッベ誤差を決定することができる方法又は装置を提供し、このようなアッベ誤差を補償する手段を得るにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、このようなセンサを使用し、加速又は温度変化に関連するリニア軸受の変動又は歪みに基因するアッベ誤差の測定及び補正を行なうにある。
【００１６】
本発明は、リニアステージがピッチ、ヨー、ロールにより、有効位置と表示位置との間に物理的な距離を生ずることにより、金属又はガラス製のスケールエンコーダ又はレーザ干渉計等の位置インジケータによっては示されないシステムの有効位置における誤差であるリニアステージ位置決め装置のアッベ誤差を測定及び補償するコスト効率がよい手段を提供する。コストを低減するため、この装置は精密なＸ位置基準及びＹ位置基準に較正し、補正がセンサ読み取りにおける僅かな変動を感知することのみに左右され、センサ読み取りの絶対精度には左右されないようにする。本発明は軸分離型の位置決め装置に使用するのに好適であるが、スタックドステージ装置にも使用して製造コストを低減することができる。コストを一層低減するためリニアなスケールエンコーダを使用して公称の軸線上ステージ位置を表示することができるが、より高いレベルの精度及び／又は解像度が要求される場合にはレーザ干渉計を使用することができる。
【００１７】
本発明の他の目的及び利点を、添付図面を参照して好適な実施例を以下に詳細に説明する。
【００１８】
［好適な実施例の詳細な説明］
図２Ａ及び図２Ｂ（総括的に図２）は、本発明による位置決め指令実行能力を有するマルチステージのツール位置決め装置５０を示す。位置決め装置５０は、以下に例としてのみ、単一ヘッドのレーザ穴あけ切断システムにつき説明し、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）５２を使用して、迅速検流計型位置決めステージ５４（スキャナ又は「迅速ステージ５４」）、遅速Ｘ軸並進ステージ５６（「遅速ステージ５６」）、及び、遅速Ｙ軸並進ステージ５８（「遅速ステージ５８」）を制御し、例えば、エッチングした回路基盤のような単一のワークピース６２上の目標位置に指向させる。
【００１９】
図２の好適な軸分離軸型装置の実施例においては、Ｘ軸並進ステージ５６は、レール４６に軸支してほぼＸ‐Ｚ平面に沿って移動するようにし、またＹ軸並進ステージ５８はレール４８に軸支してほぼＸＹ平面に沿って移動するようにする。当業者にはステージ５６，５８の双方が互いに平行な平面上で移動しかつ慣性的に分離するか又は慣性的に依存するようにすることもできることは明らかであろう。好適な実施例においては、位置決め装置５０は、ステージ５６，５８の移動を支持しまた案内するための剛性の高い再循環型又はクロスローラ型の軸受装置を使用する。
【００２０】
システム制御コンピュータ６３は、データベース補助記憶装置６４に記憶されたツール経路データベースを処理する。このデータベースは、ワークピース６２にレーザビーム６０で孔及び／又はプロファイル（輪郭）を切削するための所要の加工パラメータを格納する。このデータベースは、通常はツール経路生成プログラム、例えば、オハイオ州ミルフォードにあるストラクチャル・ダイナミクス・リサーチ社(Structural Dynamics Research Corporation)によって供給されているＩ‐ＤＥＡＳジェネレイティブ・マシニング(Generative Machining)というプログラムを使用してコンパイルされる。システム制御コンピュータ６３は、レーザ制御装置６８用に格納されているデータベースの構文解析された部分及びデータベースの位置制御部分をデータストリームとしてデルタ処理部７０に伝送する。このデルタ処理部７０はデータストリームをデルタ位置（「ΔＰ」）、デルタ速度（「ΔＶ」）及びデルタ時間（「ΔＴ」）のためのＸ成分及びＹ成分に分解し、各成分はワークピース６２に対してレーザビーム６０を意図した経路変更を生じさせるものである。この結果、レーザビーム６０の各運動はΔＰ，ΔＶ，ΔＴ成分で規定され、これら成分は位置プロファイラ７２によって処理されて、加速度信号及び／又は定速セグメント位置信号を含むムーブプロファイル値に変換される。
【００２１】
デルタ処理部７０は、本願人に譲渡されたＣｕｔｌｅｒ氏らの米国特許第５，７５１，５８５号及び同第５，８４７，９６０号に記載されている、好適には、ＢＡＳＩＣ言語信号処理手順に従ってΔＰ，ΔＶ，ΔＴ成分を生成する。
【００２２】
再び図２を参照して説明すると、デルタ処理部７０によって生成されたΔＰ，ΔＶ，ΔＴ成分を位置プロファイラ７２によって処理され、データベースによって指令を受けて迅速ステージ５４及び遅速ステージ５６，５８を移動するのに必要なムーブプロファイル位置決め信号に変換される。理想的には、位置決め装置の加速は動力に比例し、この動力は位置決め装置のドライバに供給される電流に比例するようにし、このドライバは例えば、リニア式又はロータリ式のサーボモータか又は検流計型コイルとすることができる。従って、位置プロファイラ７２によって生じた位置決め信号は、正弦波の半波輪郭で加速度誘発位置決めステップ及び定速度誘発位置決めステップよりなる一連の「フルスペクトル」となり、これによって系の移動を生ずる。フルスペクトル帯域幅は、約２５０ヘルツのみを必要とし、この帯域幅は、典型的な検流計型駆動ミラー位置決め装置を最大周波数で駆動するのに十分である。
【００２３】
フルスペクトル位置決め信号の時刻毎の値は、ＤＳＰ５２内で動作する正弦波値発生プログラムの変数としてデルタ処理部７０により生ずるΔＰ，ΔＶ，ΔＴ成分を使用して１秒あたり約１０，０００ポイントの割合でＤＳＰ５２によって発生される。代案として、ΔＰ，ΔＶ，ΔＴ成分を使用して、ＤＳＰ５２内に組み込まれている正弦波値ルックアップテーブルに記憶されている関連の正弦波形値をアドレス指定してフェッチするようにする。
【００２４】
この結果得られるフルスペクトル位置決め信号は加速度成分と位置成分を有しており、これらの成分は、一定信号伝播遅延を有するプロファイリングフィルタ７８、及びＤＳＰ５２内でプロファイリングフィルタ７８の一定信号伝播遅延を補償する遅延素子７９に供給される。例えば、遅延素子７９は、位置プロファイラ７２によって発生するレーザトリガパルスを遅延させ、迅速ステージ５４及び遅速ステージ５６，５８の遅延移動に一致させる。プロファイリングフィルタ７８及び遅延素子７９は、以下に説明するように、互いに連携して遅速ステージ５６，５８を平均位置プロファイルにわたりスムーズに移動させるとともに、加速度を±１ｇに制限し、またこれに協調して迅速ステージ５４を±１０ミリメートルの範囲の位置決め運動に制限する。
【００２５】
位置成分をプロファイリングフィルタ７８に供給し、遅速ステージ５６，５８を駆動するためのフィルタ処理済み位置コマンドデータを生ずる。プロファイリングフィルタ７８は四次のローパスフィルタとすると好適である。
【００２６】
プロファイリングフィルタ７８は正弦波の半波位置決め信号位置成分に対して一定時間の遅延を有するフィルタ処理済み位置コマンドデータを生ずるため、この一定時間遅延を遅延素子７９によって補償する。遅延素子７９はプログラムした遅延としてＤＳＰ５２内で実行すると好適であり、正弦半波位置決め信号の加速度成分及び位置成分を位置プロファイラ７２から迅速ステージ５４の信号処理素子に伝送し、この信号処理素子のうちの最初のものとして加算器８０，８２がある。従って、迅速ステージ５４に導入される正弦半波信号は、遅速ステージ５６，５８に導入されるフィルタ処理済み位置コマンドに同期する。
【００２７】
位置プロファイラ７２からの加速度成分はプロファイリングフィルタ７８によってもフィルタ処理され、フィルタ処理済み加速度コマンドを加算器８０及びフィードフォワード処理部９４に供給する。加算器８０はハイパスフィルタとして機能し、フルスペクトル位置決め信号の加速度信号からフィルタ処理済み加速度コマンドを減算し、検流計（GALVO)加速度フィードフォワード信号を形成してフィードフォワード処理部８６に伝送する。同様に、プロファイリングフィルタ７８からのフィルタ処理済み位置コマンド及び正弦半波位置決め信号の遅延位置成分をそれぞれ加算器９０及び加算器８２に伝送し、それぞれ処理を行なって遅速ステージ５６，５８及び迅速ステージ５４にそれぞれ分配する。検流計フィルタ９７及びサーボフィルタ９８は通常のループ補償フィルタであり、迅速ステージ５７及び遅速ステージ５６，５８を安定化させる。
【００２８】
プロファイリングフィルタ７８は、臨界減衰レシオを有する２個又はそれ以上の二次フィルタを直列接続することによって実施する。直列接続するフィルタの数が２以上に増加すればするほど、カットオフ周波数が約フィルタの数の平方根だけ増大する（例えば、２個のフィルタは単独フィルタのカットオフの１．４１４倍のカットオフを有する）。好適には、２個のフィルタを直列接続し、これによりスムーズでしかもフィルタ全体の実行を簡素化することができる。
【００２９】
プロファイリングフィルタ７８にとっては、１秒間あたり好ましくは３８ラジアンのカットオフ周波数（約６ヘルツ(Hz)）は、ＤＳＰ５２が遅速ステージ５６，５８の位置決めデータを更新する割合である１０ｋＨｚに比べて極めて低い周波数である。プロファイリングフィルタ７８は１０ｋＨｚの遅速ステージ更新周波数で動作する場合、離散フィルタ係数は誤差を丸めるための感度がよくなり、これは離散フィルタの極が単位円に近似するためである。プロファイリングフィルタ７８は位置プロファイラ７２から加速度コマンドを受け取り、フィルタ処理済み加速度コマンドを発生し、これをサーボフィードフォワード処理部９０及び加算器８０に伝送する。
【００３０】
所要のムーブプロファイルコマンドは、１０ｋＨｚの更新割合で計算し、遅速ステージの加速度及び実際の（指令ではない）位置を、加算器８０，８２で減算し、それぞれ迅速ステージの加速度コマンド信号及び位置コマンド信号を発生する。
【００３１】
迅速ステージ加速度コマンド信号は、加算器８０及びフィードフォワード処理部８６処理するとともに、迅速ステージ位置コマンド信号は加算器８２及び検流計フィルタ９７で処理する。処理した迅速ステージ信号を加算器８４で組合せて検流計型ドライバ８８に伝送する。
【００３２】
同様に、遅速ステージのフィルタ処理済み加速度コマンドをフィードフォワード処理部９４で処理するとともに、遅速ステージフィルタ済み位置コマンドを加算器９０及びサーボフィルタ９８で処理する。処理した遅速ステージ信号を加算器９２で組合せてリニアサーボモータドライバ９６に伝送する。
【００３３】
検流計型ドライバ８８は、迅速ステージ５４における１対のミラー偏向検流計に偏向制御電流を供給し、サーボモータドライバ９６は遅速ステージ５６，５８の位置決めを制御するリニアサーボモータに制御電流を供給する。
【００３４】
図３は、迅速ステージ５４として使用するに好適なタイプの従来の検流計型駆動のミラー位置決め装置１００を示す。検流計型ドライバ８８（図２参照）は、軸受１０８でシャフト１０７を回転させるＸ軸用高速レスポンスＤＣモータ１０４及びＹ軸用高速レスポンスＤＣモータ１０６に対応する導体１０２に回転制御電流を供給して１対のミラー１１０，１１２を選択的に回動させ、これによって、光学レンズ１１４を経てワークピース６２上の所定の目標位置にレーザビーム６０を偏向させる。
【００３５】
代案として、非軸受動作の位置決め装置、例えば、圧電素子、ボイスコイルアクチュエータ、又は他の角度制限高速位置決め装置を検流計型駆動のミラー位置決め装置１００の代わりに位置決め装置５０に使用することができる。
【００３６】
同様に、図２につき説明すると、他の精密ロータリー式又はリニア式の位置決め機構を遅速ステージ５６，５８を駆動するリニアサーボモータの代わりに使用することができる。しかし、位置決め装置５０においては、遅速ステージ位置決めコマンドに優先的に応答するリニアモータのほうが好ましい。
【００３７】
２個の信号を遅速ステージ位置コマンド及び迅速ステージ位置コマンドに組合せることによりワークピース６２上におけるレーザビーム６０の指示される位置と実際の位置との間の位置的誤差を減少する。加算器８２における遅延した迅速ステージ位置コマンド、及び加算器９０におけるフィルタ処理した遅速ステージ位置コマンドは、ステージ５４，５６，５８の適正な位置決めを生ずるに必要な理想的な信号値を表わす。しかし、重力、摩擦、質量、及び位置プロファイラ７２によって生ずるフルスペクトル位置決め信号における不正確さなどの実際上の要因は、変更されない位置コマンドには考慮されていない。
【００３８】
実際上の要因は、位置センサ１２０，１２２でステージ５４，５６，５８の実際の位置を感知することにより考慮し、ＤＳＰ５２における加算器８２，９０に対する予測される位置フィードバックデータを生ずるようにする。迅速ステージ位置決め経路における加算器８２は位置センサ１２０，１２２の双方からの位置フィードバックデータを受け取る。位置センサ１２０，１２２はよく知られているタイプのものであり、回転コンデンサプレート、リニア及びロータリエンコーダスケール、又は干渉計動作検出器を、適当なアナログ‐デジタル変換技術及び／又はデジタル‐アナログ変換技術と組合せて使用する。
【００３９】
レーザビーム６０はワークピース６２にわたり移動するとき、感知したビーム位置を連続的に指令したビーム位置と比較し、位置的誤差はある程度位置決め誤差を生ずる実際の要因を表わす。特に、迅速ステージ５４及び遅速ステージ５６，５８の感知した位置データは、位置センサ１２０，１２２によって生じ、このデータを加算器８２で指令した位置から減算し、加算器８４でフィードフォワード処理部８６からの加速度データと組合せる位置誤差データを生成する。同様に、遅速ステージ５６，５８の感知した位置データは、センサ１２２によって生じ、加算器９０で指令した位置から減算し、加算器９２でフィードフォワード処理部９４からの加速度データと組合せる位置誤差データを生成する。
【００４０】
協調位置決めは、ツール経路に沿って目標位置間の迅速移動と各目標位置での停止との組合せでレーザを発射させて孔を切削することを必要とするレーザビーム孔切削用途にとって特に有益であるが、この用途に限定されるものではない。従来のレーザ削孔システムの他の特徴及び好適な加工パラメータはＯｗｅｎ氏らの米国特許第５，８４１，０９９号に記載されている。
【００４１】
図４及び図５は、本発明に基づいてヨー基準面１２６に対するＹ軸並進ステージ５８に取り付けたＹステージアッベセンサ１２４の好適な状態を示す平面図及び端面図であり、図６〜図８は、本発明に基づいてＸ軸並進ステージ５６に取り付けたＸステージアッベセンサ１２８，１３０，１３１，１３２の、ヨー及びロール基準面１３４及びピッチ基準面１３６に対する好ましい状態を示す側面図、端面図、及び平面図である。
【００４２】
図２Ｂ及び図４〜図８につき説明すると、アッベセンサ１２４，１２８，１３０，１３１及び１３２は、非接触型の小型軽量の移動センサとするとよい。最も好適なセンサは所定基準面からの距離の関数として容量を測定するものである。好適な実施例においては、アッベセンサは、５０μｍプラス又はマイナス２５μｍのギャップ範囲（センサと基準面との間の距離）を有し、また５０ｎｍ以下、好適には、１０ｎｍ又は１０ｎｍ以下の解像度とする。当業者であれば、技術がコスト的に有利なとき、より広い又はより狭いギャップ範囲及びより高い解像度とすることができることは理解されるであろう。非接触型センサが好ましい理由は、不正確さにつながる摩耗を排除するからである。好適なアッベセンサとしては、ミネソタ州セントポールのライオンプレシジョン社から入手できるモデルＰＸ４０５Ｈシリーズのプローブがある。他の適当な容量型プローブ又はセンサとしては、マサチューセッツ州ウエストウッドのＡＤＥテクノロジー社及びドイツ国オルテンブルクのマイクロイプシロン社から入手可能である。
【００４３】
基準面１２６，１３４，１３６は、図２Ｂに示す支持レール４６，４８の適当な側面に形成するか、又は図４〜図８に示す並進ステージ５６，５８の近傍ではあるが分離した位置にとることができる。（図４〜図８には、レール４６，４８の代わりに４個のＹステージ支持部１３８及び３個のＸステージ支持部１４０を示す。）基準面は、ステージのベースと同一長さ又は少なくとも支持レール４６，４８に沿う移動範囲と同じ長さとすると好適である。基準面は安定的であるのが好ましいが、完全に直線的である必要はない。即ち、これは、センサを表面の全体長さに対して較正して、補正がセンサ読み取りにおける僅かな感知誤差にのみ左右され、センサ読み取り又はステージ位置の絶対精度には左右されないからである。
【００４４】
ステージ５６，５８は平行平面における移動に適用し、互いに慣性的に分離した又は慣性的に依存したものとすることができるが、以下の説明では、単に例として、軸分離型位置決め装置５０におけるＸ軸位置誤差及びＹ軸位置誤差対策に関して説明し、ほぼ平坦な（Ｘ軸寸法及びＹ軸寸法がＺ軸寸法よりも１００〜１０，０００倍大きい）ワークピース６２をＹステージ５８に担持し、またツール（レーザ７６）をＸステージ５６によって導入する。
【００４５】
再び図２Ａ、図２Ｂ、図４及び図５を参照して説明すると、Ｙステージ５８の軸線上の（オン・アクシス:on-axix）公称位置をセンサ１２２ａで示し、このセンサ１２２ａは例えば、所要の位置決め精度の仕様を満足するガラス又は金属スケール式エンコーダ又はレーザ干渉計とすると好適である。軸分離型形態では、典型的には、Ｙステージのヨーが最も大きなＸアッベ誤差及びＹアッベ誤差を生ずる。ヨー誤差は、好適には、１対のＹステージアッベセンサ（以下「センサ１２４」と称する）１２４ａ，１２４ｂによって生じ、これらセンサ１２４ａ，１２４ｂはＹ軸線１２に沿って互いにできるだけ離してＹステージ５８の側面の頂部の近傍、又はＹステージ５８を支持するチャックに取り付けるとよい。基準面１２６をレール４６又はＹステージ組立体のベースに一体にし、支持反復性能（bearing repeatability)、温度、ステージの加速を含む他の作用と同様にステージのヨーの表示ができるだけ安定するようにする。
【００４６】
ヨーに基因してセンサ１２４によって検出されるアッベ誤差の基準面からの距離のＸ成分を示す容量（キャパシタンス）は、Ｙステージのヨープローブドライバ１４５によって、アッベ誤差補正信号として処理するのに好適なＤＣ電圧に変換すると好適である。これら信号を個別のＸアッベ誤差加算器１４２及びＹアッベ誤差加算器１４４に導入してから加算器８２に入力し、スキャナ位置コマンドに組み込むようにする。
【００４７】
再び図２Ａ、図２Ｂ、図６〜図８を参照して説明すると、Ｘステージ５６のピッチ（縦揺れ）、ヨー（首振り）、ロール（横揺れ）も、大きなＸ位置誤差及びＹ位置誤差を生ずる。図示の好適な軸分離形態は、Ｘステージ５６の端縁が、ステージ５６，５８で規定される平面を横切るようにし、またステージ５６，５８が慣性的に分離するようＸステージ５６を設ける。最も好適な実施例においては、Ｘステージ５６は、Ｘステージ５６を垂直に指向させ、一方Ｙステージ５８を水平に指向させる。この場合のピッチ、ヨー及びロールは、Ｘステージ５６の移動の実際の平面に関連して規定されるのであって、より典型的な水平指向の平面に関連して規定されるものではない。
【００４８】
Ｘステージ５６の軸線上公称位置はセンサ１２２ｂで示され、このセンサ１２２ｂは例えば、所要の位置決め精度の仕様を満足するガラス又は金属スケール式エンコーダ又はレーザ干渉計とすると好適である。Ｘステージアッベセンサ１２８，１３０，１３１，１３２は、すべてＹステージセンサ１２４と同一タイプとするか、又は異なるタイプとする。センサ１２８ａ，１２８ｂ（以下「センサ１２８」と称する）を、Ｘ軸線１０に沿って互いにできるだけ離して取り付けると好適である。同様に、センサ１３０，１３１をＸ軸線１０に沿って互いにできるだけ離して取り付けると好適である。センサ１３２はセンサ１３１と同一平面上でＺ軸線１４に沿ってできるだけセンサ１３１から離して取り付けると好適である。
【００４９】
Ｘステージ５６は好適には、図６〜図８に示すように３個の軸受１４０上に運動学的に取り付けるため、Ｘステージアッベセンサ１２８，１３０，１３１，１３２によって検出される基準面１３４，１３６からの距離の変化は、Ｘステージ５６に関連する平面の移動となって現われ、Ｘステージ５６の歪みとなって現われることはない。Ｘステージアッベセンサ１３０，１３１はＸステージヨー基準面１３４ａからの距離を検出し、またＸステージ５６の平面のヨー角度の変化を示す。Ｘステージアッベセンサ１３１，１３２は、それぞれＸステージロール基準面１３４ａ、１３４ｂからの距離を検出し、Ｘステージ５６の平面のロール角度の変化を示す。Ｘステージアッベセンサ１２８は、ピッチ基準面１３６からの距離を検出し、またＸステージ５６のピッチ角度の変化を示す。
【００５０】
センサ１３０，１３１によって検出され、ヨーに基因するアッベ誤差の基準面１３４ａからの距離のセンサＸ成分及びＹ成分を示す容量は、Ｘステージヨープローブドライバ１４６によってアッベ誤差補正信号に処理するのが好適なＤＣ電圧に変換すると好適である。同様に、センサ１３１，１３２により検出され、ロールに基因するアッベ誤差の基準面１３４ａ，１３４ｂからの距離のＸ成分及びＹ成分を示す容量は、Ｘステージピッチプローブドライバ１４８によって誤差補正信号に処理するのが好適なＤＣ電圧に変換すると好適である。当業者であれば、センサ１３１はヨープローブドライバ１４６及びロールプローブドライバ１４７の双方に信号を供給する。好適なプローブドライバは当業者にはよく知られているが、ライオン・プレシジョンが製造しているコンパクトプローブドライバが好適である。これらヨー、ロール、及びピッチのアッベ誤差補正信号は、個別のＸアッベ加算器１４２及びＹアッベ加算器１４４に導入してから加算器８２に転送し、スキャナ位置コマンドに組み込む。
【００５１】
これらアッベ誤差に対応するＸ位置成分及びＹ位置成分は、位置決め装置５０が移動しかつワークピース６２を加工するときリアルタイムで計算し、またアッベ位置誤差を補償するためスキャナ位置コマンドに重ね合わせるよう加算する。これら角度変化は、光学系のジオメトリ（ステージに対するビーム経路の位置及びステージからのワークピースの距離）に組合せ、ワークピースにおける有効ビーム位置に関連する変化（誤差）を示すようにする。加算器８２でアッベ誤差補正をスキャナ位置に加えることによって迅速な応答が得られ、これは即ち、迅速ステージ５４の帯域幅がリニアステージ５６，５８の帯域幅よりも相当高いためである。
【００５２】
しかし、センサ系から生ずるアッベ誤差補正は、加算器９０で直接リニアステージ位置サーボループに加算することもできる。この実施例は迅速ステージ５４の代わりに固定ビーム位置決め装置を使用するとき有効である。固定ビーム位置決め装置は、迅速ステージ５４で得られるよりもより精度の高いビーム位置決めを生ずるのが一般的であり、例えば、ミクロン又はサブミクロンの寸法のリンク（連鎖）を切断するような、より高い精度が要求される用途に使用される。当業者には、Ｘ軸ステージ５６を適用して迅速ステージ５４を固定ビーム位置決め装置と交換可能にするか、又はＸ軸ステージ５６により迅速ステージ５４及び固定ビーム位置決め装置を同時に支持するようにできることは当業者にとっては明らかであろう。後者の場合、アッベ誤差補正は、迅速ステージ５４を使用するときは加算器８２に供給し、また固定ビーム位置決め装置を使用するときは加算器９０に供給する。
【００５３】
図９はマルチヘッド位置決め装置１５０である本発明の実施例を示し、マルチワークピース１５２Ａ，１５２Ｂ，１５２Ｃ，…１５２Ｎを同時に処理する。（以下、マルチの素子は、正確な文字サフィックスなしに示し、例えば、「ワークピース１５２」と称する。）マルチヘッド位置決め装置１５０は、各個の遅速ステージ５６，５８を使用し、Ｙ軸遅速ステージ５８上にワークピース１５２を担持固定し、またＸ軸遅速ステージ５６上にマルチ迅速ステージ１５４Ａ，１５４Ｂ，１５４Ｃ，…１５４Ｎを担持する。勿論、遅速ステージ５６，５８の役割を逆にしたり、又は２個又はそれ以上の迅速ステージ１５４を１個又はそれ以上のＸ軸遅速ステージ５６に担持するとともに、Ｙ軸遅速ステージ５８により単独のワークピース６２を担持するようにすることもできる。
【００５４】
遅速ステージ５６に担持する迅速ステージ１５４の数が増えるにつれて、累積した質量を加速するのが困難になる。従って、遅速ステージ５６に担持する迅速ステージ１５４の数Ｎは４個に制限するのが好ましいが、Ｎは位置決め装置のタイプ及び用途によって変化する。
【００５５】
各ワークピース１５２には１個又はそれ以上のツール、好適には、レーザ１５６Ａ，１５６Ｂ，１５６Ｃ，…１５６Ｎに関連させ、これらレーザは処理エネルギを関連の迅速ステージ１５４Ａ，１５４Ｂ，１５４Ｃ，…１５４Ｎに対して関連のミラー１５８Ａ，１５８Ｂ，１５８Ｃ，…１５８Ｎによって指向させる。迅速ステージ１５４は処理エネルギを関連のワークピース１５２に配置したほぼ方形の例えば、２０×２０ミリメートルの処理フィールド１６２Ａにおける目標位置に偏向させる。
【００５６】
ビデオカメラ１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ，…１６０Ｎを遅速ステージ５６上に配置し、関連の処理フィールド１６２を観察し、ワークピース１５２の整列、オフセット、回転、及び寸法変動を感知し、レーザ１５６の照準及び合焦を調整できるようにする。
【００５７】
好適な実施例においては、同一の処理パターンを各レーザ156及び迅速ステージ１５４によってワークピース１５２上で２回繰り返す。しかし、場合によっては、処理パターンの変化を必要とし、ワークピースジオメトリ、スケール誤差、オフセット、回転、歪みにおける変動に適合させるようにする。代案として、１個又はそれ以上のレーザ１５６を同時に異なる処理を行なわせるのが好ましい場合があるが、（単独のＹステージに従属して）みかけ上は同一又は反復パターンを同一のワークピース１５２上で展開する。更に、遅速ステージ５８上に取り付けたワークピース１５２における取付位置変動により生ずる迅速ステージの非線形性及び取付の不揃いを補正する必要がある。従来のマルチスピンドルドリル装置とは異なり、マルチヘッド位置決め装置１５０は、各迅速ステージ１５４を駆動するとき、図１０及び図１１につき説明するプログラム可能な補正要因によって上述の変動の補償をすることができる。同様に、指令したツール位置が感知した目標位置に整合しない度合を示すアッベ誤差は、図２Ａ，図２Ｂ、及び図４〜図８につき説明したと同様の方法で補償することができる。
【００５８】
図１０は、マルチレート位置決め装置ＤＳＰ５２（図２参照）をどのように適用してマルチの迅速ステージ１５４及び遅速ステージ５６，５８の位置決めを調和させ、マルチヘッドＤＳＰ１７０とするかを示す。ＤＳＰ５２と同様に、マルチヘッドＤＳＰ１７０はシステム制御コンピュータ６３からΔＰ、ΔＶ、ΔＴの成分を受け取り、これら成分を位置決めプロファイラ７２によって半波輪郭の位置決め信号となるように処理する。ＤＳＰ１７０は、更に、ＤＳＰ５２と同一の信号処理素子のいくつか、例えば、プロファイリングフィルタ７８、遅延素子７９、フィードフォワード処理部９４、サーボドライバ９６、遅速ステージ５６、位置決めセンサ１２２がある。図１０は簡素化して示してあるため、Ｘ軸遅速ステージ５６の処理素子のみを示す。当業者であれば、対応のＹ軸素子も同様であることが理解できるであろう。
【００５９】
単独のシステム制御コンピュータ６３のみが遅速ステージ５６，５８及びＮ個の迅速ステージ１５４を駆動するのに必要である。多重迅速ステージ信号プロセッサ１７２Ａ，１７２Ｂ，１７２Ｃ，…１７２Ｎの各々は、システム制御コンピュータ６３から迅速ステージ補正データを受け取る。このようにして、迅速ステージ位置コマンド及びそのときの遅速ステージ位置データを迅速ステージ信号プロセッサ１７２の各々に入力し、各迅速ステージ１５４をユニークな誤差補正データによって更に位置決めできる目標位置の共通セットに指向させる。単独のＸ軸ステージ５６を使用して多重の迅速ステージ１５４を担持し、また、単独のＹ軸ステージ５８を使用して１個又は多重のワークピース１５２を担持する場合、図２Ａ，図２Ｂ，及び図４〜図８につき説明したアッベ誤差検出システムを変更することなく使用することができ、アッベ誤差補正データ１９０を図１０の加算器８０又は図１１に示す迅速ステージ補正プロセッサ１８０に供給することができる。
【００６０】
図１１は、迅速ステージ信号プロセッサ１７２のうちの１個を示し、この迅速ステージ信号プロセッサ１７２には、ＤＳＰ１７０からの迅速ステージ位置決めデータ及び遅速ステージ位置決めデータ、及びシステム制御コンピュータ６３からの補正データを入力する。補正データは、ジオメトリ補正プロセッサ１８０に転送される遅速ステージ及びワークピースに関連する補正データと、迅速ステージ補正プロセッサ１８２に転送される迅速ステージの線形性及びスケール要因に関連する補正データがある。当業者には、迅速ステージ１５４を個別のＸ軸ステージ５６に取り付ける場合（この場合、移動を同期させると好ましいが非同期であってもよい）、このようなＸ軸ステージ５６の各々には、それぞれのプロセッサ１７０又はサブプロセッサによってコマンド（指令）を与える。更に、このようなステージ５６の各々には、それぞれの位置センサ１２２及び個別のステージに関連するアッベ誤差を補償するための５個のＸステージアッベセンサを装備すると好適である。
【００６１】
補正データは、方程式に準拠したもの又はルックアップテーブル準拠のものとすることができる。しかし、ジオメトリ補正プロセッサ１８０及び迅速ステージ補正プロセッサによって使用される補正データは、本願人に譲渡され、本明細書に参考として掲げるPailthorp 氏らの米国特許第４，９４１，０８２号（以下に「’０８２号特許」と称する）に記載のように方程式準拠のものとすると好適である。
【００６２】
迅速ステージの線形性及びスケール要因の誤差は比較的一定であり、迅速ステージ１５４の個別の特性に大きく左右される。従って、迅速ステージ補正プロセッサ１８２では、補正データは比較的小さくまた頻繁な変更を要しない。この補正データを発生すると、例えば、迅速ステージ１５４の各々を、’０８２号特許に記載の関連較正目標上の少なくとも１３個の較正ポイントに指向させる。反射したエネルギの検出器は、検出した位置と実際の目標ポイント位置との間の差を感知し、誤差データをシステム制御コンピュータ６３に供給して処理する。この結果得られる補正データを各迅速ステージ補正プロセッサ１８２に転送し、記憶する。更に、関連するビデオカメラ１６０によって感知した指向位置と実際の目標ポイント位置との間のいかなる誤差も較正し、補償する。遅速ステージの線形性及びスケール要因の誤差も比較的一定であり、従って、補正データの変更も頻繁には必要としない。
【００６３】
他方、ワークピースに関連する誤差は比較的変動があり、ワークピース１５２毎に配置、オフセット、回転及び寸法上の変動に大きく左右される。従って、ジオメトリ補正プロセッサ１８０はワークピース１５２が代わる毎に比較的大きな補正データ変動がある。この補正データを発生すると、例えば、各ワークピース１５２に関連する少なくとも２個の、好適には、４個の所定較正目標に遅速ステージ５６，５８を指向させることになる。代案として、観測系が迅速位置決め装置により動作する実施例においては、遅速ステージ５６，５８及び迅速ステージ５４の双方を較正目標に指向させる。これら較正目標は、例えば、コーナー、細工した孔、又はＥＣＢの光エッチングした目標とすることができる。各ビデオカメラ１６０は、指向した位置と実際の較正目標位置との間の誤差を感知し、誤差データをシステム制御コンピュータ６３に供給して処理する。この結果得られる各ワークピース１５２のための補正データを関連のジオメトリ補正プロセッサ１８０に転送し記憶する。
【００６４】
各迅速ステージ信号プロセッサ１７２に関して、Ｙ軸のための補正位置決めデータを補正プロセッサ１８０，１８２からフィードフォワードプロセッサプロセッサ８６、検流計ドライバ８８、及び迅速ステージ１５４に転送する。位置フィードバックデータを位置センサ１２０によって発生し（図２Ａにおけるものと同様）、加算器１８４，８４において組合せて補正する。当業者であれば、同一の手順をＸ軸の迅速位置決めに適用できることは明らかであろう。
【００６５】
補正データを迅速ステージ１５４に適用するにあたり、各迅速ステージは２０×２０ミリメートルの最大線形位置決め範囲内の１８×１８ミリメートルの位置決め範囲に制限すると好適である。残りの２ミリメートルの位置決め範囲は上述の補正のために使用する。
【００６６】
以上は、迅速位置決めステージ及び遅速位置決めステージの各々の単独の軸方向運動のための信号処理について説明した。当業者であれば、どのようにして双方の軸、双方のステージ及び単独又は複数個の迅速位置決め装置を協調動作させるのに信号処理を再現するかは容易に理解できるであろう。
【００６７】
［実施例］
位置決め装置５０を使用し、またアッベ誤差補正を含む典型的なツール用途としては、多層ＥＣＢにおける又は他のワークピース６２における非貫通孔のようなレーザ削孔がある。多層ＥＣＢは、典型的には複数個の０．０５〜０．０８ミリメートルの厚さの回路基盤層を整合、積層、ラミネート及び圧着することによって製造する。各層は異なる相互接続パッド及び導体パターンを含み、処理後に複雑な電気コンポーネントを取り付けたり、相互接続した組立体を構成する。ＥＣＢのコンポーネント及び導体の密度は集積回路の密度とともに増大する傾向にある。従って、ＥＣＢにおける孔の位置決め精度及び寸法公差はこれに比例して厳しくなる。
【００６８】
不幸にして、圧着ステップによれば、膨張及び寸法変動を生じ、ひいてはＥＣＢにおけるスケール要因及び直交性変動を生ずる。更に、多層ＥＣＢ（ワークピース１５２）を遅速ステージ５８に取り付けるとき、固定変動はＥＣＢに対して位置回転及びオフセットを生ずる。このことに加えて、ＥＣＢの厚さ変動は、精密な所定深さの孔を機械的にドリル加工するのを困難にする。
【００６９】
位置決め装置５０又は１５０は、上述の問題を以下のようにして解決する。即ち、各ＥＣＢにおける所定位置に２〜４個の較正目標を、好適には、各コーナーに一つずつエッチングで形成する。ビデオカメラ１６０はコマンド指令した位置と実際の較正目標位置との間の差を感知し、この差データをシステム制御コンピュータ６３に供給して処理する。この結果の補正データをジオメトリ補正プロセッサ１８０に転送し、記憶する。
【００７０】
２個の較正目標は、ＥＣＢにおける位置回転及びオフセット変動を補正するのに十分な差データをシステム制御コンピュータ６３に与える。３個の較正目標はＥＣＢにおける回転、オフセット、スケール要因、及び直交性変動を補正するに十分な差データをシステム制御コンピュータ６３に与える。４個の較正目標は、更に、各ＥＣＢにおける台形的歪みの補正を行なうことができる。
【００７１】
ＥＣＢの厚さ変動は、±０．１３ミリメートル（±０．００５インチ）のレーザ深さで容易に吸収する。
【００７２】
非貫通孔を加工することは、いかなる削孔ツールにとっても困難な課題である。即ち、厳密な深さ、直径及び位置決め公差が課せられるからである。このことは、非貫通孔を、第１導体層（例えば、銅、アルミニウム、金、ニッケル、銀、パラジウム、すず、及び鉛）を通過し、１個又はそれ以上の数の誘電層（例えば、ポリイミド、ＦＲ‐４樹脂、ベンゾシクロブチレン、ビスマレイミド・トリアジン、シアネート・エステル基樹脂、セラミック）を経て、第２導体層に達するが、貫通しないようにする。この結果得られる孔を導電材料でメッキし、第１及び第２の導体層を電気的に接続する。非貫通窓を処理することに関しては、オーエン(Owen)氏らの米国特許第５，８４１，０９９号に詳細に記載されている。
【００７３】
再び図９につき説明すると、マルチヘッド位置決め装置１５０は、Ｎが偶数例えば、２，４，又は６である、好適には、４である切削装置でＥＣＢに非貫通孔を形成する形態にする。レーザ１５６Ａ，１５６ＣをＵＶレーザ（波長はおよそ４００ナノメートル、好適には、３５５又は２６６ｎｍ）であり、レーザ１５６Ｂ，１５６ＮはＩＲレーザ（波長は約１，０００〜約１０，０００ナノメートルの範囲）とする。ＵＶレーザ及びＩＲレーザは、波長に大きな差があるため、迅速ステージ１５４のためのミラー１５８及び光学系は、各レーザの波長に関する適合性を有する形態とする。
【００７４】
ＵＶレーザ１５６Ａ、１５６Ｃは、第１導体層及び誘電層に適当な方法で切削を行うことができる。しかし、レーザ出力レベル及びパルス反復レートは十分制御して第２導体層に容認できないほどのダメージを与えないようにする。この結果、狭い「プロセス窓」を生ずる。従って、ＵＶレーザ１５６Ａ、１５６Ｃは主に、第１導体層、及び誘電層の一部のみを切削し、広いプロセス窓を加工するのに使用する。第１導体層をＵＶレーザ１５６Ａ，１５６Ｃによって切削した後、第２導体層を貫通せずかつダメージを与えることなく残りの誘電層を貫通切削する広いプロセス窓を有するＩＲレーザ１５６Ｂ，１５６Ｎを使用して誘電層の残りの部分を除去するのに使用する。このようにして、ＥＣＢ非貫通孔切削装置は、ＵＶレーザ１５６Ａ，１５６Ｃを使用してワークピース１５２Ａ，１５２Ｃの第１導体層に切削貫通し、ＩＲレーザ１５６Ｂ，１５６Ｎを使用してワークピース１５２，１５２Ｎの誘電層を切削貫通する。
【００７５】
ＵＶレーザ１５６Ａ，１５６Ｃが導体層を切削貫通するのに必要な時間は、ＩＲレーザ１５６Ｂ，１５６Ｎが誘電層を切削貫通するのに要する時間よりも長いのが一般的である。従って、長い処理時間は処理スループットを決定する。目標位置はマルチツール位置決め装置１５０におけるすべてのツールに対して同一であるため、ＵＶレーザ及びＩＲレーザのレーザ出力レベル及びパルス反復レートを適正に異ならせることにより異なる処理時間を考慮することができる。
【００７６】
用途によっては、直径が約２００マイクロメートル又はそれ以下の比較的大きい孔を切削することが必要な場合がある。ＵＶレーザ１５６Ａ，１５６Ｃは、フグ２０マイクロメートルのみのビーム直径を有するため、マルチツール位置決め装置１５０は、ＵＶビームを螺旋経路又は円形経路に追随させ、導体層にこのような孔を切削する。従って、これら比較的大きい孔の切削はこれに比例して時間が長くかかる。しかし、ＩＲレーザ１５６Ｂ，１５６Ｎは、ＵＶレーザ直径の約２０倍である約４００マイクロメートルのビーム直径を有する。従って、誘電層にこれら比較的大きい直径の孔を切削するとき、ＩＲレーザの少なくとも若干の部分は、ＵＶビームが螺旋経路又は円形経路に追随して導体層に孔を切削している間に孔全体をカバーする。これらの状況の下に、ＩＲレーザビームは比較的長い時間にわたり目標位置にあり、ＵＶレーザ及びＩＲレーザのパワー出力レベル及びパルス反復レートを適切に異ならせることによって異なる有効処理時間を考慮することができる。
【００７７】
適当なレーザ出力が得られる場合には、単一のレーザを、適当な出力分割装置を使用して複数個のワークピースに共有する。更に、波長が切り換え可能なレーザを本発明に使用することもできる。
【００７８】
本発明は、位置決め精度、位置決め速度、停止時間の最小化又は排除、ツール経路データベースの非構築、迅速ステージ移動範囲の最小化を改善し、これにより寸法変動及び向き変動により生ずるワークピースの拒絶を減少して処理スループットを劇的に改善する。
【００７９】
当業者であれば、本発明の一部は、上述のレーザビームによるマイクロマシニング実施例とは異なる形態で実施することができることは理解されるであろう。例えば、広範囲のツールを単一又はマルチのヘッド形態にして迅速位置決めステージにより移動させ、ツールは、例えば、微細寸法のドリル、パンチ、レーザ、レーザビーム、放射ビーム、粒子ビーム、ビーム発生装置、顕微鏡、レンズ、光学機器、及びカメラとすることができる。更に、多くの異なる位置決め装置を異なる組合せで使用することができ、例えば、検流計駆動装置、ボイスコイル、圧電変換器、ステップモータ、及びリードねじ位置決め装置を使用することができる。ＤＳＰは、完全にデジタルである必要はなく、例えば、アナログ及びデジタルサブ回路の任意の適当な組合せとすることができる。本明細書中で説明した位置決め信号プロファイル、スペクトルの帯域及び振幅、フィルタ特性は、他の位置決め用途の条件に適合するよう変更することができることは勿論である。
【００８０】
本発明の原理から逸脱することなく上述の本発明の実施例の詳細に対して多くの他の変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。従って、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ものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】    互いに直交する３個の並進移動軸線Ｘ，Ｙ，Ｚ、及び互いに直交するロール（横揺れ）、ピッチ（縦揺れ）及びヨー（首振り）の３個の回転運動軸線を含む６軸線を示す説明図である。
【図２Ａ】  本発明のマルチステージ式レーザビーム位置決め装置の線図的ブロック図である。
【図２Ｂ】  本発明のマルチステージ式レーザビーム位置決め装置の線図的ブロック図である。
【図３】    本発明に使用するに適当なタイプの従来技術のガルバノメータ駆動ミラー位置決め装置の線図的部分側面図である。
【図４】    基準平面に対するＹ軸ステージ（ワークピースステージ）に取り付けたＹステージアッベ誤差センサの好適な位置を示す平面図である。
【図５】    図４のＹ軸ステージに取り付けたセンサの好適な位置を示す端面図である。
【図６】    基準平面に対するＸ軸ステージに取り付けたＸステージアッベ誤差センサの好適な位置を示す側面図である。
【図７】    図６のＸ軸ステージに取り付けたセンサの好適な位置を示す端面図である。
【図８】    図６のＸ軸ステージに取り付けたセンサの好適な位置を示す平面図である。
【図９】    本発明を使用するマルチヘッドレーザ機械加工装置を示す斜視図である。
【図１０】  図９のマルチヘッドレーザ機械加工装置に使用するマルチ迅速ステージ信号プロセッサを有するデジタル信号処理システムの簡素化した電気ブロック図である。
【図１１】  図１０のデジタル信号処理システムに使用するマルチ迅速ステージ信号プロセッサのうちの１個の簡素化した電気ブロック図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図１１】
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