CN1339995A - 激光加工中使功率输出稳定的方法 - Google Patents

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Abstract

Q—转换固态激光器系统(24)运行在脉冲加工控制系统(10)中,其采用自动脉冲模式和定位脉冲模式从而使发送到由X—Y轴定位器(18)移动的工件(20)上的、脉冲到脉冲的激光能量非常稳定。在自动脉冲模式下,激光脉冲在接近最大PRF处发出,但是该脉冲经一个外部调制器(28,32)如声—光调制器(“AOM”)或光—电调制器(也被称作Pockels单元)阻挡后不能到达工件。在定位脉冲模式下,激光器对应于定位器移到工件上一个与指令坐标位置一致的位置发出一个脉冲。加工控制系统以定位器移动的速率传送一组坐标位置流,其中一些位置是需要加工的,并且在接近最大PRF处触发激光器。该脉冲加工控制系统在需要加工的坐标位置为指令位置时将AOM设定到发射状态,否则将AOM设定到阻止状态。这种脉冲定时技术为激光器提供了一个近乎恒定的脉冲周期,因此在接近最大PRF处提高了脉冲到脉冲能量的稳定性。

Description

激光加工中使功率输出稳定的方法
技术领域
本发明涉及激光器，特别是涉及一种在动态(on-the-fly)样本加工场合中以高脉冲重复频率(“PRF”)提供均匀能量激光脉冲的方法和装置。
背景技术
激光通常应用于各种工业操作中，包括检查、加工、以及对基片如电子材料进行微加工。比如，为了修复动态随机存取器(“DRAM”)，用第一束激光脉冲去掉DRAM设备中已坏存储单元的导电连接，然后用第二束激光脉冲去掉冗余存储单元的阻抗连接从而取代损坏的存储单元。由于已坏的、需将连接去掉的存储单元是随机分布的，所以工件定位的延迟时间通常要求这种激光修复过程能够在很宽的PRF范围内进行，而不是在一恒定PRF下进行。这种加工技术在工业中被称为动态(“OTF”)连接加工技术，其允许在速率上以更高的效率修复所给晶片的连接，从而提高整个DRAM生产工艺的效率。
然而，众所周知，每个脉冲的激光能量通常随着PRF的增加而减少，这种特性特别存在于Q一转换固态激光器。这种每个脉冲能量的下降限制了许多激光存储器修复工艺所能使用的PRF上限。此外，存储器以及其它电子元件可由各种方法加工出来而每种方法都要求用特定范围的脉冲能量进行，这通常被称为“加工窗口”(process window)。对于许多存储设备来说，该“加工窗口”要求激光脉冲能量相对于选定的脉冲能量值的变化要小于5％。
现在，技术人员一直在采取各种措施来保证操作是在加工窗口中进行，或者采取各种措施来拓展这个加工窗口。比如，专利号为N0.5,590,141的美国专利文献“METHOD AND APPARATUS FOR GENERATINGAND EMPLOYING A HIGH DENSITY OF EXCITED IONS IN A LASANT”，该专利转让给了本申请的受让人，这其中就描述了采用激射工作物质的固态激光器，该激光器的特性表现为：脉冲能量作为PRF的函数其下降规律减缓的特性，因此其具有更高的可用PRF。这样该激光器在其最大PRF之下操作时，能够生成更稳定的脉冲能级。
大家还知道，在激光加工的场合中通常采用定位器使工件上的目标位快速移过一序列编程的加工位置。定位器的运动与激光脉冲定时是异步的，这就要求激光器在这种场合下，以具有内在宽范围PRF的OTF模式操作。这种很宽范围的脉冲周期相应地会引起脉冲与脉冲之间能量的变化以及不确定的脉冲启动时间，这就会导致激光脉冲在工件上的定位不准确。
因此，专利号为No.5,453,594的美国专利文献“RADIATION BEAMPOSITION AND EMISSION COORDINATION SYSTEM”，其转让给了本申请的受让人，该文献描述了一种控制定位器的时钟与控制OTF激光脉冲发射的可变时钟同步的技术。这种同步了的时钟允许激光器在定位器移过工件目标位的同时发射脉冲，从而提高激光脉冲定位的精度。
上述激光加工的应用通常采用基波波长为1,047纳米(“nm”)或1,064纳米的红外线(“IR”)激光器，申请人发现许多激光加工的应用已更新为紫外线(“UV”)能量的波长，其通常小于500nm。这种UV波长的波可通过使IR激光器经历谐波生成过程而激励出IR激光器的二次、三次、四次谐波来形成。不幸的是，这种UV激光器的脉冲到脉冲的能级对PRF以及脉冲周期的变化特别敏感。
因此，这里所需要的是在高精度OTF的激光加工应用中以高PRF生成稳定的UV激光加工脉冲能的方法和装置。
发明内容
本发明的一个目的是在一种基于激光的工件加工系统中，其中加工控制系统使固态激光器发射出光脉冲并使定位系统控制光脉冲射束相对于工件进行移动，从而使射束射到工件上的目标位进行加工，该系统采用一种提供光脉冲的方法，该光脉冲具有均匀的、连续打击工件上多个准备被加工目标位的脉冲能量，该方法包括：启动工件非加工模式从而响应于加工控制系统按自动脉冲的脉冲重复速率生成一串激光脉冲射束；阻挡按自动脉冲的脉冲重复速率发射的光脉冲射束，从而使其不能射到工件上；从工件非加工模式切换到工件加工模式，其中加工控制系统将脉冲定位控制信号送到定位机构从而使定位机构以定位速率移动，该脉冲定位控制信号表示对应于工件目标位和位于两个连续工件目标位之间的工件中间位置将激光脉冲射束的指令坐标分开，并且其中加工控制系统使激光脉冲以目标位脉冲重复速率发射，该重复速率是定位机构以定位速率移动时激光脉冲发射指令坐标与工件目标位和工件中间位置一致时确定的速率；以及在激光脉冲发射指令坐标与工件目标位一致时发射激光脉冲射束，否则阻止激光脉冲射束的发射，这样由于光脉冲射束是以自动脉冲和目标位脉冲重复速率连续地生成，从而可将具有均匀脉冲能的光脉冲提供到工件目标位。
Q-转换固态激光器与脉冲加工控制系统协同操作。其中该脉冲加工控制系统采用自动脉冲模式和定位脉冲模式使发送到定位器所移动的工件目标位的脉冲到脉冲的激光能量保持稳定。在自动脉冲模式下，激光脉冲以最大PRF或接近最大PRF的频率发射出来，但是该脉冲经一个外部调制器如声-光调制器(“AOM”)或光-电调制器(也被称作Pockels单元)阻挡后不能到达工件。在定位脉冲模式下，激光器每发送一次脉冲，定位器就将工件位置移过与指令激光束坐标一致的坐标。加工控制系统以近乎恒定的速度移动定位器，这就使得激光器在接近最大PRF点附近对应于工件穿过按规律分开的一组指令激光束坐标而触发。任何时候只要指令位置是被加工的位置，该脉冲加工控制系统就将AOM设定到发射状态，只要指令位置不是被加工的位置，该脉冲加工控制系统就将AOM设定到阻止状态。这种脉冲定时技术为激光器提供了一个近乎恒定的脉冲周期，因此在接近最大PRF处，能使其脉冲到脉冲的能级稳定。
本发明的一个优点在于：它能在高精度OTF激光加工应用中，在很高的PRF处生成稳定的激光加工脉冲能量。
本发明的另一个优点在于：它满足了上述OTF样本加工场合中采用UV波长的目的。
还有，本发明的另一个优点在于：在加工工件需要近乎随机的脉冲周期时，它能提供稳定的脉冲到脉冲的激光脉冲能。
本发明还有一个优点是：它能使Q-转换固态激光器的脉冲到脉冲的能量很稳定，其中该Q-转换固态激光器采用非线性谐波发生工艺可产生二倍、三倍、或四倍频率的激光脉冲。
本发明的其它目的和优点通过以下参考附图所进行的对本发明优选实施例的详细说明将会更加清楚。
附图说明
图1所示为本发明中的工件定位器以及与之相连的激光加工控制系统的示意性方块图；
图2所示为本发明在自动脉冲模式和定位脉冲加工模式中为了提供稳定的脉冲到脉冲的UV激光能所进行的功能步骤的流程图。
具体实施方式
图1中展示了本发明的一个激光脉冲加工控制系统10，其中系统控制计算机12和嵌入式控制计算机14共同作用以控制光束位置控制器16接收来自X-Y轴定位器18的位置信息，该X-Y轴定位器18用来相对于UV激光束22对工件20进行定位。UV激光束22除了所示的反射镜外可穿过各个光学元件(图中没有示出)。X-Y轴定位器18也可包括一个Z向定位器23，其可与X或Y级相连。X-Y轴定位器18优选是基于专利号为No.5,751,585的美国专利文献“HIGH SPEED，HIGH ACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONING STSTEM”所描述的定位系统，其被转让给了本申请的受让人。商业上一个适用于本发明的激光脉冲加工控制系统的例子是由俄勒冈州(Oregon)波特兰市(Portland)的Electro Scientific Industries公司——本申请的受让人生产的Model9300 Memory Yield Improvement System。
UV激光器系统24优选包括：一个Q-转换固态IR激光器26如二极管泵浦式的声光Q-转换Nd：YVO4激光器；一个AOM28，其用来调节IR激光器26的脉冲幅值；以及一个倍频器30，其采用公知的二次、三次、或四次谐波变换法将IR激光器26发射的红外波长的波转换成绿和/或UV波长的波。AOM28也可如虚线所示的AOM32的位置一样被放在倍频器30的后面。在任何一个实施例中，激光控制器34都控制着AOM28或32的透射系数从而发射或阻止UV激光束22射向工件20。
系统控制计算机12通过总线36将工件20需要进行激光加工的位置坐标传送到嵌入式控制计算机14中。在一典型的样本加工场合中，工件20包括规则的分开设备的结构如熔线，其中仅有一些需要加工。需要加工的位置被称作目标位，不需要加工的位置被称作中间位。嵌入式控制计算机14在目标位坐标上加入分开的中间位坐标从而以几乎相同的时间间隔触发IR激光器26。嵌入式控制计算机14将目标位坐标和中间位坐标一次一个以预定的速率通过总线38传送到光束定位控制器16中的寄存器40，同时将控制数据通过总线42加载到激光控制器34中的寄存器44。该预定速率控制着X-Y轴定位器18的运动速度，并且控制数据指示出坐标位是否是准备加工的目标位，此外，控制数据中还包含模式信息及计时信息。
激光控制器34以自动脉冲模式或定位脉冲模式操作定时器46。在自动脉冲模式下，定时器46响应于寄存器44中的控制数据而启动；而在定位脉冲模式下，定时器46则响应于从光束位置控制器16的比较器50中接收的位置相合信号48启动。光束位置控制器16中的位置编码器52向比较器50指示出X-Y轴定位器18的当前位置，并且在当前位置与保存在寄存器40中的位置坐标相配时，生成位置相合信号48以指示出工件20正好位于目标位或中间位置。因此，如果工件20已处于目标位上，定时器46将同时操作IR激光器26中的Q-开关并将AOM28设定到发射状态，直到循环完成中断信号54从定时器46传送到嵌入式控制计算机14中。AOM28的发射系数优选如激光脉冲门控设备或脉冲振幅调制器一样可控。
UV激光器系统24的脉冲到脉冲能级稳定性直接依赖于IR激光器26的脉冲到脉冲的能级稳定性。为了满足这一要求，所发射的两个激光脉冲间的脉冲周期设定成一样。这可减少以变化的脉冲周期启动IR激光器26时产生的激光工作循环变化所引起的热效应或辐射效应。这种热效应和辐射效应可包括非线性晶体折射率的变化，从而改变谐波生成的相位匹配条件，所述条件引起谐波输出能量发生巨大的变化。该热效应和辐射效应还可引起IR激光器26单位脉冲能量的变化从而引起UV激光器系统24的输出产生波动。
本发明为IR激光器26在自动脉冲模式或定位脉冲模式下提供几乎相同的脉冲间的定时周期。在自动脉冲模式中，AOM28可防止UV激光束22加工工件20。在定位脉冲模式中，位置相合信号48以及寄存器44中的目标位数据可确定出AOM28的发射状态，并且由此确定出哪一个UV激光束22脉冲加工工件20。
再来参见图2，本发明所执行的工件处理程序56可将UV激光器系统24稳定的、脉冲到脉冲的加工能量提供到工件20的目标位上。
启动方框58表示工件处理程序56的启动。
自动脉冲方框60表示嵌入式控制计算机14将控制系统10设定成缺省的自动脉冲模式，在该模式下，定时器46以用户编程的PRF触发IR激光器26。
在自动脉冲模式下，定时器46中的逻辑块将脉冲阻止信号线62设定成能确保AOM28门关闭，以此来防止UV激光器系统24发射的可用能量到达工件20。
当控制系统10准备启动定位脉冲加工进程时，坐标接收方框64表示嵌入式控制计算机14从系统控制计算机12接收工件20上所要进行激光加工的目标位坐标。
中间坐标计算方框66表示嵌入式控制计算机14将不需要激光加工的中间位置坐标加到目标位坐标上。该中间位置坐标被分开从而使IR激光器26以一致的PRF触发。嵌入式控制计算机14将控制系统10从自动脉冲模式切换到定位脉冲模式。
坐标加载方框68表示嵌入式控制计算机14通过总线38将一个位置坐标传送到寄存器40，并且通过总线42将脉冲定位模式的许可数据传送到激光控制器34。脉冲阻止信号线62继续使AOM28阻止UV激光器系统24的脉冲能发射到工件20。
最后坐标判定方框70表示进行核对以确定出该位置坐标是否是当前OTF加工进程的进程终止位置坐标。如果是，程序返回到自动脉冲方框60。
否则，程序继续进行到定位器移动方框72，该方框表示对应于位置坐标来移动光束定位器18。
位置比较判定方框74表示将位置编码器52中的数据与存贮于寄存器40中的位置坐标进行比较，并且当数据和坐标匹配时，比较器50发出位置相合信号48。
定时器启动方框76表示响应于接收到的位置相合信号48启动定时器46。经过一预定的时间周期后，定时器46会驱动Q-转换门控线78以一预定的时间周期(可由用户编程以满足加工窗口需要)触发IR激光器26的激光脉冲。
在定时器46到时之前，脉冲发射判定方框80表示对应于位置相合信号48以及脉冲阻止信号线62的状态将AOM28设定到激光脉冲阻止状态81或激光脉冲发射状态82。
激光触发方框84表示根据响应于定时器启动方框76生成的Q-转换门控线信号，触发IR激光器26。该定时序列允许AOM28在Q-转换门控线78使IR激光器26发射脉冲之前，设定到预先编好的透射率水平。
脉冲发出后，脉冲阻止方框85表示将AOM28设定到阻止激光脉冲的透射率水平。
循环结束方框86表示响应于返回到脉冲禁止状态的Q-转换门控线78生成循环完成中断信号54。循环完成中断信号54使工件处理程序56返回到坐标加载方框68，其表示嵌入式控制计算机14将下一个坐标位置载入到寄存器40中。
如上所示，最后坐标判定方框70表示进行核对以确定该位置坐标是否是当前OTF加工进程的最后一个位置坐标。如果是，OTF加工进程完结并且工件处理程序56返回到自动脉冲方框60。嵌入式控制计算机14使激光控制器34返回到自动脉冲模式，其它任何位置相合信号48都被忽略，脉冲模块信号线60被设定到禁止UV激光器系统24的脉冲到达工件20状态。
在一典型的OTF加工进程中，可选择在定位脉冲模式下加工一排工件位置，之后，控制系统10切换到自动脉冲模式，载入下一排工件位置，再返回到定位脉冲模式，重复上述操作直到工件完全被加工完毕。
定时器46是根据下面的激光操作原则设定的。周期τp表示目标脉冲周期，以及最大PRF，在该PRF下激光脉冲可由UV激光器系统24发出以传递到工件20。PRF的值可由用户选择，最大值通常受X-Y轴定位器18在两个目标位之间移动所需时间限制。周期τ表示相邻两个指令脉冲之间的实际脉冲周期。定时器46产生的τ值在自动脉冲模式等于τp，在定位脉冲反馈模式下则近似等于τp。τl表示转换脉冲周期，即控制系统10处在转换模式下两个脉冲之间的周期。转换脉冲周期τl可以是0到τp之间的任意值，其使IR激光器26发射的脉冲具有不确定的脉冲能量。因此在转换脉冲周期τl期间，将脉冲阻止信号线62确实设定成使之能阻止任何发射的脉冲通过AOM28到达工件20。
在自动脉冲模式下，由于寄存器44将定时器46设定到超时，因此IR激光器26能以预定的PRF重复启动，启动IR激光器26，重新设定，启动结束。反之，在定位脉冲模式期间，任何时候一旦IR激光器26启动，都要重新设定定时器46。
本领域普通技术人员都知道本发明的各个部分能以不同于上述优选实施例的形式来完成。比如，系统控制计算机12和嵌入式控制计算机14可组合成一个处理器，并且射束定位控制器16和激光控制器34也可以是数字逻辑模块、运行在信号处理器中的程序、微处理器、状态机、以及模拟电路以硬线相连的某种组合来实现。作为选择，IR激光器26可以是基波波长为1,047nm的Nd：YLF激光器，或者是基波波长为1,064nm的Nd：YAG激光器，并且倍频器30可据此生成Nd：YLF激光器二次、三次、和四次谐波(524nm、349nm、262nm)或者生成Nd：YAG激光器二次、三次、和四次谐波(532nm、355nm、266nm)。当然工件可虚拟为任何需要激光加工的材料或部件。同样，本领域普通技术人员还知道工件20用红外波加工可能最为有效，在这种情况下，IR激光器26的输出将直接射向工件20，而其频率不用转换成上述任何一种谐波波长。
显然，本领域普通技术人员都知道在不脱离本发明的内在原则的条件下，可对本发明上述实施例的细节做出许多改动。因此本发明还可应用于其它激光的应用场合，而不仅仅应用于已知的那些电子元件加工的场合。本发明的保护范围由权利要求书来确定。

Claims (10)

1、在一种基于激光的工件加工系统中，其中加工控制系统使固态激光器发射出光脉冲并使定位系统控制光脉冲射束相对于工件进行移动，从而使射束射到工件上的目标位进行加工，该系统采用一种提供光脉冲的方法，该光脉冲具有均匀的、连续打击工件上多个准备被加工目标位的脉冲能量，该方法包括：
启动工件非加工模式从而响应于加工控制系统按自动脉冲的脉冲重复速率生成一串激光脉冲射束；
阻挡按自动脉冲的脉冲重复速率发射的光脉冲射束，从而使其不能射到工件上；
从工件非加工模式切换到工件加工模式，其中加工控制系统将脉冲定位控制信号送到定位机构从而使定位机构以定位速率移动，该脉冲定位控制信号表示对应于工件目标位和位于两个连续工件目标位之间的工件中间位置将激光脉冲射束的指令坐标分开，并且其中加工控制系统使激光脉冲以目标位脉冲重复速率发射，该重复速率是定位机构以定位速率移动时激光脉冲发射指令坐标与工件目标位和工件中间位置一致时确定的速率；以及
在激光脉冲发射指令坐标与工件目标位一致时发射激光脉冲射束，否则阻止激光脉冲射束的发射，这样由于光脉冲射束是以自动脉冲和目标位脉冲重复速率连续地生成，从而可将具有均匀脉冲能的光脉冲提供到工件目标位。
2、如权利要求1的方法，其中该固态激光器包括一个红外激光器。
3、如权利要求1的方法，其中该固态激光器包括一个红外激光器，该红外激光器在非线性谐波生成模式下操作从而生成波长小于500nm的激光脉冲。
4、如权利要求1的方法，其中自动脉冲重复速率以及目标位脉冲重复速率基本相同。
5、如权利要求1的方法，其中自动脉冲的脉冲重复速率和目标位脉冲重复速率中至少有一个能够由用户设定到预定的脉冲重复速率。
6、如权利要求4的方法，其中自动脉冲的脉冲重复速率和目标位脉冲重复速率基本上与固态激光器的最大脉冲重复速率相同。
7、如权利要求1的方法，其中从工件非加工模式转换到工件加工模式会产生一个中间过度期，该期间内生成一个光脉冲射束，该方法还进一步包括：阻止中间过度期内生成的光脉冲射束射到工件上。
8、如权利要求1的方法，其中的工件支撑在定位系统上。
9、如权利要求1的方法，其中工件为固定的，定位系统移动激光脉冲射束。
10、如权利要求1的方法，其中工件在固定的第一轴向上移动而激光脉冲射束在第二轴向上移动。
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