CN1644297A - 多米束显微机械加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于把能量输送给基板的系统及方法包括提供多个辐射光束且可动态导向的辐射能量源，每个辐射光束沿可动态选择的方向传播。多个光束导向元件内的多个可独立定位的光束导向元件接收光束并把它们引导至基板上的可选择位置。多个激光束聚焦模块与多个光束导向元件联合，以把每个光束聚焦到该基板上。

Description

多光束显微机械加工系统及方法
技术领域
本发明总的来说涉及多激光束定位及能量输送系统，更具体的，涉及用于在电路基板内形成孔的激光显微机械加工系统。
背景技术
多种激光系统用于对基板进行显微机械加工或热处理。传统激光系统采用设置在一光束控制系统与一基板之间的聚焦光学器件来把光束聚焦到该基板上。
一种采用多束可独立定位激光束的激光显微机械加工设备描述在名称为“Multiple Beam Micro-Machining System and Method”(“多光束显微机械加工系统及方法”)、2002年6月13日提交且序列号为10/170,212的美国专利申请中，整体引入该申请的公开内容作为参考。
一种采用多束可独立定位激光束且用于对薄膜材料例如平板显示器基板上的薄膜进行热处理的激光设备描述在名称为“Method for ManufacturingFlat Panel Display Substrate”(“平板显示器基板的制造方法”)且于2003年2月24日提交的PCT申请PCT/IL03/00142中，整体引入该申请的公开内容作为参考。
发明概述
本发明设法提供一种改进的多激光束能量输送系统，该系统用于把多束经聚焦的激光能同时输送至一基板而避免采用f-θ扫描镜。
本发明还设法提供这样一种改进的多激光束能量输送系统，该系统用于把多束经聚焦的激光能同时输送至一基板而避免聚焦光学器件位于一光束控制系统与该基板之间。
本发明还设法提供这样一种改进的多激光束能量输送系统，该系统用于把多束激光能输送至一基板且独立地聚焦该多激光束中的每束。依照本发明的一种实施例，多激光束中的每束在一光束控制组件的上游被独立地聚焦。
本发明还设法提供一种集成的多激光束能量输送系统，该系统用于把多束激光能输送至一基板，且能够独立地控制每束激光束以及与光束控制相配合地独立聚焦每束激光束。
本发明还设法提供这样一种多激光束的激光能输送系统，该系统能够把激光能输送至一工件上的可独立选择位置，且该系统具有一列位于光束聚焦光学器件下游的光束控制模块。依照本发明的一种实施例，光束聚焦光学器件能够把多束激光束的每束独立地聚焦到一可选择位置上。
本发明还设法提供这样一种多激光束能量输送系统，该系统用于把多束激光能输送至一工件且相对于激光束的数量具有冗余的独立聚焦模块。该系统能够利用一些聚焦模块把经聚焦的激光束输送至基板上的第一组位置，同时移动其它聚焦模块至焦点以随后把经聚集的激光束输送至基板上的第二组位置。依照本发明的一种实施例，把一聚焦模块移至焦点所需的时间比选择一聚焦模块所需的时间长。在聚焦模块之间转换所需的时间比相邻脉冲之间的时间间隔短。
本发明还设法提供这样一种改进的多激光束能量输送系统，该系统用于把多束激光能输送至一工件，且该系统包括比激光束数量多的一些激光束聚焦模块以及一种用于把每束光束引导至一可选择聚焦模块的光束导向器。在利用第一组激光束聚焦模块把经聚焦的激光能输送至基板上的第一组可选择位置的同时，其它激光束聚焦模块被移至焦点以随后把经聚集的激光能输送至下一不同的可选择位置。
因此依照本发明的一种实施例，提供了用于把激光能输送给工件的装置和方法，包括：提供至少一个激光束的至少一个激光能源；以及多个激光束模块，设置用以可选择地引导至少一个激光束至工件上的多个目标子区域，多个激光束模块还能够把至少一个激光束聚焦到所述工件上，而不需要居间的f-θ透镜。
因此依照本发明的另一种实施例，提供了用于把激光能输送给工件的装置和方法，包括：以一定脉冲重复频率工作且提供至少一个脉冲激光束的至少一个脉冲激光能源；多个激光束聚焦光学模块，设置用于可选择地把所述至少一个激光束中的每个聚焦到工件上的可选择位置，多个激光束聚焦光学模块的数量大于所述至少一个激光束，从而限定至少一个冗余激光束聚焦光学模块。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于把激光能输送给工件的装置和方法，包括：提供至少一个激光束的至少一个激光能源；多个激光束导向模块，设置用以可选择地引导至少一个激光束至一标的物上的可选择位置；以及多个激光束聚焦光学模块，与所述激光束导向模块联合以把一激光束聚焦到所述工件上。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于把激光能输送给工件的装置和方法，包括：提供至少两个激光束的激光能量，以把激光能输送给工件的至少两个不同位置；接收所述至少两个激光束的至少两个光学元件，所述至少两个光学元件能够同时地独立控制所述至少两个激光束中每个的光束参数；以及接收所述至少两个激光束且能够独立引导所述至少两个激光束至一制造中电路上的可独立选择位置的激光束导向组件。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于把激光能输送给电路基板的装置和方法，包括：同时输出多个激光束的至少一个激光束源；多个可独立导向的激光束偏转器，设置在所述至少一个激光束源与所述电路基板之间以把所述多个激光束引导投射到所述电路基板上的可独立选择位置；以及聚焦光学器件，能够把所述多个激光束聚焦至不同的可独立选择位置，而不需要f-θ光学元件。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于把激光能输送给基板的装置和方法，包括：提供至少一个脉冲激光束的至少一个脉冲激光能源；多个激光束导向模块，设置用以不同的焦距可选择地引导至少一个激光束至一标的物上的可选择位置，多个激光束导向模块的数量大于所述至少一个激光束，从而限定至少一个冗余光束导向模块；多个激光束自动聚焦光学模块，位于多个激光束导向模块的上游且用于自动地把经过的激光束聚焦到对应激光束导向模块上，以补偿不同焦距，多个激光束自动聚焦光学器件的数量大于所述至少一个激光束，从而限定至少一个冗余激光束自动聚焦光学模块，多个激光束导向模块及多个激光束自动聚焦光学模块的冗余补偿至少一个脉冲激光能源的脉冲重复频率与自动聚焦光学模块的周期之间的差异。
本发明的各种实施例包括一个或多个以下特点和特征。但应注意的是，以下部件、特点和特征中的一些可单独存在或者与其它特点及特征相结合地存在；以下部件、特点和特征中的一些改进了其它部件、特点和特征；以及采用以下部件、特点和特征中的一些排除了采用其它部件、特点和特征。
激光能源包括激光器和能够把激光器输出转换为多个激光束的激光束分束器。
激光能源包括激光器和能够接收激光器输出并提供多个可单独导向的激光束的激光束导向器。
光束分束器能够接收激光束，以及朝向可独立选择的方向输出至少两个激光束中的每个。
激光能量包括激光器以及能够把激光器输出分开为可选择数量的激光束并把每个激光束单独引导至可选择位置的AOD(声光装置)。
激光束模块包括能够把至少一个激光束引导至工件上的可选择位置的至少一个激光束导向模块和在至少一个激光束导向模块的上游且能够把至少一个激光束聚焦到工件上的至少一个激光束聚焦光学模块。
选择性的，激光束模块包括能够把至少一个激光束引导至工件上的可选择位置且选择性地伸展或回缩以补偿至该可选择位置的实际距离从而把至少一个激光束焦点对准地输送到工件上的至少一个激光束导向模块。
激光束模块包括阵列排列的多个激光束导向模块，每个激光束导向模块能够把激光束引导至对应目标子区域内的可选择位置。
每个激光束导向模块能够独立于其它激光束导向模块地把激光束引导至一可选择位置。
激光束聚焦光学模块与对应激光束导向模块相协调地工作，聚焦光学模块能够把激光束聚焦到工件上的可选择位置。
激光束模块包括多个激光束导向模块和对应的多个激光束聚焦光学模块。每个激光束聚焦光学模块能够把激光束聚焦到目标子区域内的任意可选择位置。
激光束模块包括至少一个冗余激光束模块。
激光束是脉冲激光束。在最初脉冲过程中，第一激光束导向模块能够把激光束焦点对准地引导至第一可选择位置。在后继脉冲过程中，第二激光束导向模块能够把至少一个激光束焦点对准地引导至不同于第一可选择位置的第二可选择位置。
激光束导向模块设置用于可选择地把激光束引导至目标子区域内的可选择位置。目标子区域内的至少一些可选择位置位于离对应聚焦光学模块不同焦距处。通过动态改变聚焦光学模块的聚焦参数实现聚焦。
激光束可选择性地引导至一可选择激光束聚焦光学模块。激光束聚焦光学模块相对于激光束的冗余补偿了脉冲重复频率与每个激光束聚焦光学模块的周期之间的差异。
在脉冲激光能源的第一脉冲过程中，第一激光束聚焦光学模块能够把第一脉冲激光束聚焦到工件上。
在脉冲激光能源的第一脉冲过程中，冗余激光束聚焦光学模块被重新定位至把后继脉冲激光束聚焦到所述工件上的后继可选择位置所需要的位置，所述后继脉冲激光束在脉冲激光能源的后继脉冲过程中输出。
脉冲激光能量能够在每个脉冲过程中提供多个脉冲激光束。
脉冲激光能源能够为每个脉冲提供多个脉冲激光束，多个激光束聚焦光学模块相对于每个激光束包括至少一个冗余激光束聚焦光学模块。
用于构造一激光束聚焦光学模块以把一激光束聚焦到所述工件上的时间超过分隔所述至少一个脉冲激光源的脉冲的时间间隔。
脉冲激光能源包括偏转器，有选择地偏转所述至少一个脉冲激光束。偏转器的周期小于脉冲激光源的脉冲时间间隔。
在所述脉冲激光能源的最初脉冲过程中，所述偏转器能够把最初激光束偏转至第一激光束聚焦光学模块，以及在下一脉冲过程中，所述偏转器能够把下一脉冲输出偏转至一冗余激光束聚焦光学模块。
多个激光束导向模块提供在多个激光束聚焦光学模块的下游，以引导激光束至工件上的可选择位置。
激光束聚焦模块包括一选择性枢转镜，该枢转镜能够被伸展或回缩以补偿由枢转工作所导致的至一平面的距离变化。
激光束聚焦模块包括至少一个激励器，所述激励器能够移动所述激光束导向模块的一部分以补偿随着引导所述至少一个激光束而变的光路长度的变化。
脉冲激光器包括Q开关脉冲激光器。
脉冲激光器输出紫外光谱内的激光束。
激光束导向组件包括多个激光束导向模块。激光束导向模块设置成两维激光束导向模块阵列。
聚焦组件包括设置成透镜模块阵列的至少两个可动态移动的光学元件。
可改变的光束参数是聚焦参数。聚焦模块能够同时地独立聚焦至少两个激光束至各自的可独立选择位置。至少两个激光束来自同一激光束源。
聚焦模块阵列设置在激光束源与激光束导向组件之间。
聚焦模块包括至少一个透镜元件，该至少一个透镜元件可相对于另一聚焦模块内的可移动透镜元件独立移动。
一控制器能够独立移动可移动透镜元件，以独立聚焦至少两个激光束至各自的可独立选择位置。
一变焦透镜元件能够接收至少两个激光束以及改变该激光束的光束直径属性。
激光束可焦点对准地输送至目标子区域内多个可选择位置中的一可独立选择位置。至少一些可独立选择位置具有不同聚焦参数。通过独立地动态聚焦每个光束来实现聚焦。
聚焦模块能够随着对应焦距而变地聚焦每个激光束至一可独立选择位置。
光束导向模块包括至少两个激励器，每个激励器与一反射器连接以独立枢转每个反射器。激励器还能够伸展或回缩每个反射器，以独立调节至少两个激光束的光束聚焦参数。
激光束能够输送激光能，以在制造中电路内生成通孔。
激光束能够输送激光能，以修整制造中电路内的无源电组件。
制造中电路是制造中的印刷电路板、制造中的集成电路、制造中的平板显示器。
激光束能够输送激光能，以对制造中电路例如制造中的平板显示器内的硅进行退火。
激光束能够输送激光能，以便于对制造中电路例如制造中的集成电路或制造中的平板显示器进行离子注入。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于动态分开激光束的装置和方法，包括：具有多个工作区域的光束偏转器，所述光束偏转器能够在所述多个工作区域的第一个接收一激光束以及响应于一控制输入信号提供可选择数量的输出光束部分。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于动态偏转激光束的装置和方法，包括：具有多个工作区域的光束偏转器，所述光束偏转器能够在所述多个工作区域的第一个接收输入激光束以及自一个其它工作区域提供多个输出光束部分，响应于第一控制输入信号独立偏转至少一个输出光束。
因此依照本发明的又另一种实施例，提供了用于动态分开激光束的装置和方法，包括：具有多个工作区域且能够在所述工作区域的第一个接收一激光束的光束偏转器；以及还响应于一控制输入信号生成可选择数量的输出光束部分，自第二工作区域输出至少一个输出光束。
本发明这些方面的多种实施例包括一个或多个以下特点和特征。但应注意的是，以下部件、特点和特征中的一些可单独存在或者与其它特点及特征相结合地存在；以下部件、特点和特征中的一些改进了其它部件、特点和特征；以及采用以下部件、特点和特征中的一些排除了采用其它部件、特点和特征。
控制光束分束器/偏转器的控制输入信号包括一序列脉冲，每个所述脉冲控制对应的输出光束部分。
每个所述输出光束具有能量参数，利用控制输入信号的特性控制所述能量参数。
每个所述输出光束部分偏转一对应偏转角度，利用控制输入信号内脉冲的特性控制所述偏转角度。
每个输出光束部分具有基本相同的截面构造，而与输出光束部分的可选择数量无关。
可选择数量的输出光束部分具有可控制的能量参数。所述能量参数是能量密度或积分通量。
输出光束部分之间的能量密度可选择为基本一致。选择性的，其可选择为基本不一致。
光束偏转器能够响应于所述控制输出信号沿着各自可选择方向引导所述输出光束部分。
光束偏转器包括声光偏转器，以及包括一换能器，所述换能器耦合成能够响应于所述控制输入信号在所述声光偏转器内生成声波。该偏转器随着由控制输入信号所形成的声波而变地把所述激光束衍射到若干工作区域的每个处。
一光束重定向器能够接收自多个工作区域的第一个沿第二方向引导的输出光束部分，并把该输出光束部分引导到多个工作区域的第二个。
一光束重定向器包括具有多个区域的第一镜，每个区域使重定向光束的一部分通过光束分束器/偏转器的工作区域，并使重定向光束的剩余部分反射至一平行镜。
利用光束反射器/偏转器输出的光束部分是相互不平行的。
输入激光束具有位于多个工作区域中第一个内的空间截面。光束重定向器包括校正光学器件，该校正光学器件对重定向的输出光束部分起作用，使得重定向输出光束部分的空间截面基本类似于输入光束的空间截面。
控制输入信号具有控制光束方向的频率特征以及控制输出光束的能量参数的振幅特征。
以上每种装置及方法可用作电路制造过程的一部分，在该过程中，激光能输送给电路基板以例如烧蚀选定位置的材料，或者用作退火或离子注入过程的一部分。其他的电路制造工作例如但不限于通常在电路基板上执行的其他光刻、腐蚀或金属沉积过程。
附图说明
下面详细说明并结合附图将更充分地认识并理解本发明，其中：
图1A是一简化的局部示意、局部方块示图，表示依照本发明一种优选实施例构造并工作的用于制造电路的装置；
图1B是用在图1A所示系统和机能中的激光的激光脉冲输出的时序图；
图2A-2C是简化侧视图，表示在三种不同工作取向下，图1A所示装置的一部分的工作；
图3A-3C是依照本发明一种实施例的适于用在图1所示系统中的一种AOD的简化侧视图；
图4是依照本发明一种实施例的电路制造方法的流程图。
具体实施方式
现在参照图1A和1B，图1A是一简化的局部示意、局部方块示图，表示依照本发明一种优选实施例构造并工作的一种用于制造电路的系统和机能，以及图1B是用在图1A所示系统和机能中的激光的激光脉冲输出的时序图。图1A所示系统包括激光显微机械加工装置10，一般地说，该装置10能够把多束能量同时输送至诸如电路基板一类的工件。
在印刷电路板的制造过程中，装置10尤其是用于在印刷电路板基板14内的位置13处显微机械加工出孔例如通路12。装置10还适用于对基板进行显微机械加工或热处理的其它适当制造过程，而不脱离当前所述发明。这些工艺包括但不限于对平板显示器内的非晶硅进行选择性的退火、对平板显示器上的半导体晶体管例如薄膜晶体管进行选择性的激光辅助掺杂、从电路上去掉焊接掩膜、以及修整无源电子部件例如印刷电路板内的嵌入电阻器及球栅阵列基板和“倒装”式半导体电路上的凸起。因此，尽管本发明被描述为用于显微机械加工印刷电路板，但本发明的范围并不只限于这种应用。
适于利用以下所述系统和方法进行显微机械加工的印刷电路板基板例如基板14通常包括具有一层或多层电路层的介电基板例如环氧玻璃。通常，导电体图案16选择性地形成在每层电路层上。该基板可以由单层构成，或者选择性地可以由包括若干粘接在一起的基板层的层压板构成。另外，基板14的最外层可包括如图1A所示形成于其上的导电体图案16。选择性地，基板14的最外层可包括例如基本覆盖该基板14外表面的连续部分的金属箔，例如由参考数字17所指示的区域。在其它相关应用中，基板14可以是例如制造中的平板显示器。
依照本发明的一种实施例，如图1A所示，激光显微机械加工装置10包括输出脉冲激光束22的脉冲激光器20。脉冲激光束22由光脉冲流限定，该光脉冲流示意性地由激光脉冲曲线图26(图1B)中的波峰24和25表示。依照本发明的一种实施例，脉冲激光器20是一种三倍率Q开关YAG激光器，该激光器提供脉冲重复频率在大约10-100KHz之间、优选在大约10-30KHz之间的脉冲UV激光束22。合适的Q开关激光器当前可自例如均在美国加利福尼亚州的Spectra Physics、Lightwave Electronics和Coherent公司获得。也可采用其它市场上可获得且适合与用于制造印刷电路板的典型材料相互作用的脉冲激光器。
本申请人的美国专利申请No.10/167,472中描述了用作脉冲激光器20的另一适当激光器，该脉冲激光器能够输出特别适合用于对含玻璃基板进行显微机械加工的脉冲UV激光束，整体引入该申请的公开内容作为参考。
在图1A所示实施例中，脉冲激光束22投射到第一透镜28例如一种柱面透镜上，该第一透镜28能够把光束22压平成为具有收敛部分的窄光束23，该窄光束23将输送给第一可变偏转器组件例如声光偏转器(AOD)30内的象平面(未表示)。优选的，AOD30包括换能器部件32和由石英或其它适当晶体材料形成的半透明晶体部件34。
应注意的是，为了努力维持本发明的清楚性并避免模糊本发明的关键教义，省略了完全在本领域光学设计师的能力范围内的图1A所示显微机械加工装置10的各种设计细节。例如，各种透镜和光束路径没有按比例描绘。此外，一些透镜例如(但不限于)透镜28包括若干未表示的单个透镜元件。类似地，图中省略了在本领域光学设计师的能力范围内的光束稳定装置，因为在复杂激光能量输送系统中通常都需要该装置，以维持本发明的清楚性并避免模糊本发明的关键教义。
现在回来参照图1A，换能器32接收控制信号36并产生声波38，该声波38经由AOD30的晶体部件34传播。控制信号36优选是由射频调制器40提供的射频信号，该射频调制器40优选由直接数字合成器(DDS)42或者其它适当信号发生器例如电压控制振荡器(VCO)驱动。与DDS42及激光激励器(未表示)工作性连接的系统控制器44被提供用以在控制信号36的生成与限定脉冲激光束22的激光脉冲24的生成之间进行协调，从而依照所要制造电路的预期设计图案来通过例如烧蚀去掉部分基板14。此设计图案利用例如CAD或CAM(计算机辅助设计或计算机辅助制造)数据文件46或代表所要制造电路的其它适当计算机文件提供。
在某些应用中，脉冲激光束24输送给基板14以加热而不烧蚀部分基板，例如用于对非晶硅进行激光辅助退火或者在薄膜半导体内进行激光辅助离子注入，如在本申请人于2002年6月13日提交、名称为“Multiple BeamMicro-Machining System and Method”(“多光束显微机械加工系统及方法”)的美国专利申请10/170,212以及2003年2月24日提交、名称为“Method forManufacturing Flat Panel Display”(“平板显示器基板的制造方法”)的PCT中请PCT/IL03/00142中所描述的，整体引入这些申请的公开内容作为参考。
如现有技术中已知的，当光束23投射到晶体部件34上时，该晶体部件34内存在的声波38使该光束23相对于伴随输入光束轴的一轴偏转一角度θn，该角度θn是声波38的频率fn的函数，如下面的公式：
θ n = Δ f n × λ υ s
这里：
Δfn＝fn-f0；
λ＝光束22的波长；
υs＝AOD30的晶体34内的声速，以及
n是一整数，代表子激光束的索引号，如下所述。
依照本发明的一种实施例，AOD30能够作为一种动态光束分束器及光束偏转器，其控制至少以下之一：光束23被分开部分的数量和每个部分的偏转角。信号36可选择提供为使声波38以一致频率经由晶体部件34的有效部分传播。选择性的，信号36可选择提供为使声波38以不同频率在晶体部件34的有效部分内传播。
依照本发明的一种实施例，信号36使得在AOD30内生成不同频率的声波38，这样在该声波38与激光束23内的激光脉冲24相互作用时，声波38包括至少两个不同频率分量。这些分量可构成例如至少两个不同的重叠频率，或者两个空间分离区域且每个具有相同频率。通过使声波38生成为具有多于一个频率分量，就能够控制光束23的部分和从AOD所输出的每个部分的对应方向。通常，信号36包括一序列脉冲37，安排该一序列脉冲37的时间，使得当光束23内的激光脉冲24或25投射于其上时，声波38内所得到的不同频率分量在AOD30中空间分离。选择性的，不同频率在具有空间重叠频率分量的复合波形(未表示)内重叠。
依照本发明的一种实施例，声波38以非均匀波形在晶体部件34内传播，并与激光束23相互作用，这样就将该光束23分割为至少两个光束部分50或子光束。
光束部分50在图1A中用实线表示。如以下将要更详细描述的，光束部分50可沿着由光束路径51所指定的若干不同光束路径中的任何一条传播。未被光束部分50占据的路径在图1A中用虚线表示。优选的，每个光束部分50都独立地偏转角度θn，该角度θn是当激光束23投射到晶体部件34上时，该晶体部件34内声波38的一种或多种声波频率的函数。
无论是由例如仅具有一种频率的声波提供的单独一个部分还是由例如沿其长度具有若干不同频率的声波提供的如图1A所示若干部分，每个光束部分50都被引导投射到可变偏转器组件52上。该可变偏转器组件52包括光束导向模块54阵列。每个模块都包括可独立倾转的反射元件56和能够独立倾转每个反射元件56至预期空间方位以把投射于其上的光束引导至基板14上的可选择位置的激励器58。
依照本发明的一种实施例，可变偏转器组件52包括光学MEM装置、或者由可利用适当压电电动机倾转的反射镜阵列组成、或者由电流计阵列组成、或者包括任何其它适当的可独立倾转的偏转装置阵列。在图1A所示可变偏转器组件52的示例性构造中，提供了一种4×5的压电驱动光束导向模块54阵列。可采用包括适当数量的可独立倾转导向模块54的任何其它阵列。
如图1A所示，利用例如与系统控制器44工作性连接的伺服控制器60独立控制每个光束导向模块54的工作。每个光束导向模块54依据所要制造电路的预期设计图案相适应地把对应光束部分50引导投射到基板14的指定位置13处。此设计图案可利用例如CAM(计算机辅助制造)数据文件46或代表所要制造电路的其它适当计算机文件提供。
现在沿着AOD30下游的光束路径前进，自图1A可见，光束部分50自AOD30输出，使它们位于相对于输入光束23的光轴所确定的平面内。光束部分50经AOD30偏转的角度θn相对于输入光束23的光轴通常非常小，为10-2弧度的量级。为提供更小型的系统，在AOD30的下游设有由透镜60示意性表示的光束角度放大器，例如一个或多个伸缩式光学元件，该透镜60能够增大光束部分50之间的间隔。
线性至二维映射组件62接收如上所述位于第一平面内的光束部分50，且把它们引导至包括光束反射器66阵列的第一平行光束反射器组件64。映射组件62由多个映射部分63组成，每个映射部分63被设置为朝向一适当的空间取向，这样经AOD30输出且投射到给定映射部分63上的每个光束部分50就被引导并映射至对应光束反射器66。
每个光束反射器66都装在可适当调节的夹持器内，该夹持器可相对于其它光束反射器66独立地调节该光束反射器66的空间取向。依照本发明的一种实施例，反射器66阵列被设置成沿着光束路径51引导从映射组件62接收的光束部分50。应注意的是，光束路径51的至少一些，在图1A所示实施例中为光束路径51的全部，相对于光束32传播的平面垂直移动。但是，所有光束路径51在反射器组件64与偏转器组件52之间通常维持平行取向。因此，光束部分50沿着平行光束路径51传播，以到达位于光束23传播的平面外部的一个平面内的位置。
因此，在图1A所示本发明实施例中，在投射到可变偏转器组件52上前，在反射器组件64的下游，每条光束路径51都经过提供变焦功能以控制光束部分50的截面直径的变焦透镜阵列68、提供光束成形功能的光束成形透镜阵列70、以及为任何光束路径51内的光束部分50提供独立聚焦功能且可独立控制的聚焦透镜阵列72。每条光束路径51到达可变偏转器组件52内的对应光束导向模块54。利用反射元件56独立引导到达导向模块54的光束50，以将它们独立地投射至基板14上的可选择位置13。
在图1A所示实施例中，利用一种定位装置独立地控制每个反射元件56的空间取向，该定位装置包括例如至少三个设置成星状布置且可沿箭头59所示方向进行工作的压电定位器58。适当的压电定位器描述在名称为“MultipleBeam Micro-Machining System and Method”(“多光束显微机械加工系统及方法”)、2002年6月13日提交且序列号为10/170,212的美国专利申请中，整体引入该申请的公开内容作为参考。
通过例如移动变焦透镜阵列68来提供变焦功能，在变焦透镜阵列68中，为每条光束路径51都提供了变焦透镜。尽管因为各个变焦透镜可以较小且不那么昂贵，所以这种布置是优选的，但也可采用接收所传播的全部或若干光束部分50的一个或多个变焦透镜。通常，同时移动变焦透镜阵列68中的透镜，以确保全部光束部分50一般具有相同直径。但在本发明的一种实施例中，可采用差动变焦，使得对某些光束进行变焦的变焦系数大于或小于其它光束。
光束成形透镜阵列70提供光束成形功能，例如能量轮廓成形(energyprofile shaping)。此成形功能利用例如现有技术中已知的反射式或衍射式光学元件提供。依照本发明的一种实施例，利用透镜的横向移动重叠子阵列或光束成形元件提供不同的光束成形特性。因此，如图1A所示，每个光束部分50经过四个并排光学元件中的一个。对于每条光束路径51，利用第一光学元件给光束50提供给定的第一光束成形功能，利用第二光学元件给光束50提供第二光束成形功能，利用第三光学元件给光束50提供第三光束成形功能，利用第四光学元件给光束50提供第四光束成形功能。通过适当地移动用于夹持阵列70内所有元件的夹持器，相对于每条光束路径51适当地定位给定类型的光学元件，从而为沿着路径51经过的每个光束部分50提供预期的光束成形功能。例如，在所示例子中可见，光束部分50经过四个光束成形部件中的第二个。
作为本发明的一个特征，可独立控制的光束聚焦透镜阵列72包括多个聚焦模块74，每个聚焦模块74都使经过其的光束部分50聚焦。每个聚焦模块74包括至少一个可移动透镜76，该可移动透镜76可独立于与其它聚焦模块74相关的可移动透镜76工作。每个光束部分50都独立于其它光束部分50地经光束导向模块54引导至可选择位置13，并聚焦在基板14上的该可选择位置13处。此独立聚焦功能，例如能够补偿聚焦模块74与光束部分50投射到基板14上的可选择位置之间的不同焦点。此不同焦点可能是由于光束引导至处于不同距离的位置13所导致。结果，每个光束部分50能够独立于其它光束部分50地最佳聚焦在基板14上的可选择位置13，且若干光束部分50中的每个能够同时地最佳聚焦在对应可选择位置13。
应注意的是，尽管变焦透镜、光束成形透镜及光束引导模块在图1A中表示成被分组为独立功能组件，但进行这种分组仅仅是为了简化对本发明关键教义点的描述。实际上，如对光学设计领域的技术人员来说显而易见的，相应的变焦、光束成形、光束聚焦及光束导向功能可通过光学组件的任何适当分组或排列来提供。因此，出于简化目的，为每个光束50提供至少独立的光束聚焦及光束导向功能的光学组件的任何适当组合或排列可被称为激光束模块。
依照本发明的一种实施例，如图1A所示，聚焦模块74的数量对应于光束路径51的数量，且超过响应于给定激光脉冲24自AOD30输出的光束部分50的数量。与光束部分50的数量相比，聚焦模块74增加的数量提供了聚焦模块74数量的冗余度。在第一组聚焦模块74能够独立聚焦由AOD30输出且引导至第一组可选择位置13的每个光束部分50的同时，至少一个其它冗余聚焦模块74内的可移动透镜76移入一新聚焦位置。同样的，至少一些对应导向模块54移入一对应新位置。
新聚焦位置适于聚焦来自随后激光脉冲25的对应光束部分50，引导至第二组可选择位置78。由此，在随后脉冲25的过程中，AOD30内的声波38把光束23分开为不同光束部分，并偏转所得到的不同光束部分50，使它们经过其它聚焦模块74。其它聚焦模块74现在适于被构造为把所得到的焦点对准的不同光束部分50输送至基板14上的第二组可选择位置78。
应注意的是，AOD30的周期比激光束22的相继脉冲24与25之间的时间间隔短。换句话说，重新调整AOD30内的声波38以当激光脉冲25投射于其上时包括不同频率组成从而改变光束部分50的数量与自AOD30输出时各自方向中至少一个所需要的时间，比光束22中相继脉冲24与25之间的时间间隔短。结果，可以改变光束部分50的数量和每个光束部分50的方向θn，从而在比分隔脉冲24与25的时间间隔要短的时间内选择相应对的光束聚焦模块74和导向模块54。以下将参照图3A-3C更详细地描述输出选定数量的光束部分50并控制每个光束部分方向的一种AOD30的优选实施例。
与AOD30的周期比光束22内脉冲24与25间的时间间隔小相反，光束导向模块54和光束聚焦模块74的各自周期通常比光束22内脉冲24与25间的时间间隔要大。这意味着重新定位光束导向模块54内的反射元件56或者移动聚焦模块74内可移动透镜76所需要的时间大于相继脉冲24与25之间的时间间隔。但是，因为可在比脉冲24与25之间时间间隔更短的时间内重新调整AOD30中的声波，且因为聚焦模块74和光束导向模块54的冗余，可利用AOD30来选择适于在一个或多个先前脉冲间隔的过程中被重新定位的聚焦模块74和光束导向模块54对(即激光束模块)。
聚焦模块74和光束导向模块54冗余的一个优点是其能够最佳地利用光束22中的脉冲24和25。在某些聚焦模块74和光束导向模块54有效引导与第一脉冲24(或者第一组脉冲)相关的光束部分50的同时，其它未使用的即冗余的聚焦透镜76和相应反射元件56可被重新定位，这样经过其对应聚焦模块74和导向模块54的随后光束部分50将被焦点对准地输送至不同可选择位置78。通过在脉冲24之间的时间间隔内重新调整声波38，于是可利用AOD30来选择经适当定位的聚焦模块74和光束导向模块54，以把经聚焦光束输送至独立可选择位置，而不会漏脉冲。依照本发明的一种优选实施例，此重新定位和选择过程同时对若干光束执行。
应注意的是，上述布置的一个特征是在可变偏转器组件52中的光束导向模块54与基板14之间不存在居间的f-θ光学器件或者其它扫描光学器件。经过聚焦模块74和导向模块54集合的光束部分50共同覆盖了基板14上的目标区域，该区域大于与任何一对聚焦模块74和导向模块54相关的子目标区域。
由于可变偏转器组件52的下游未提供居间的f-θ透镜，在图1A所示系统中，通过在光束导向模块54的上游独立地聚焦光束部分50来维持每个光束部分50在基板14上的焦点。若在光束导向模块54之前未进行上游聚焦，那么当光束部分50被输送至基板14上的至少一些可选择位置13时就不能焦点对准。焦点错失是由于例如光束部分50通常具有一种有限且较小的可接受聚焦范围的结果。因此，导向模块54中反射元件56的枢转就导致未补偿焦点对准场(uncompensated in-focus field)的弯曲，如下所述。由此，在基板14的大致平面17上的一些可选择位置处，距离可能会增大至导致焦点错失。
选择性的，依照本发明的一种实施例，焦点补偿功能提供在适当的光束导向模块54处，取消了上游聚焦模块。在这种构造中，光束聚焦模块54被构造成提供能够通过枢转反射元件56来同时引导光束部分50以及伸长或收缩、缩短或增长光路的复合空间定位，以补偿由于枢转导致的焦点变化。
以下是系统10的工作与功能的简化概述：在晶体部件34内与光束22的脉冲24和25相同步地生成声波38。声波38被传播，使得在第一激光束脉冲24投射到晶体部件34上时该晶体部件34中存在预期声波结构，以将光束23分开为光束部分50。作为声波38内频率的函数，独立控制所输出的光束部分50的各自方向。
通常，声波38在晶体34内沿其长度的多个空间段将具有若干不同频率。通过改变声波38内的频率，来控制光束部分50的数量及它们各自的偏转方向。依照本发明的一种实施例，AOD30的周期足够快，使得可在脉冲24与25之间动态地重新构造声波38，以可在脉冲24与25之间选择性地改变光束部分50的偏转方向，而不会遗漏脉冲或丢失能量。应注意的是，需要为每个脉冲24与25生成具有这样一种波结构的声波，该波结构适于分开光束23且可选择每个所得到光束部分的方向。
每个光束部分50偏转一可选择的角度θn，该角度θn是声波38的一种或多种频率的函数。因为该偏转角度较小，光束部分50优选经过一个或多个角度放大透镜60。光束部分50投射到映射组件62的可选择映射部分63上。利用适当映射部分63把每个光束部分50引导至平行光束反射器组件64内的一对应反射元件66。每个反射元件66可适当地倾转，以沿着大体平行的光束路径51反射一光束部分50。在反射器组件64的下游，每个光束部分50优选经过变焦透镜阵列68中的变焦透镜、光束成形透镜阵列70中的光束成形透镜、以及可独立控制的聚焦透镜阵列74中的聚焦模块74，投射到相应的光束导向模块54上。接着，利用对应的光束导向模块独立地引导每个光束部分50，以投射到基板14上的可选择位置13处。此可选择位置13可任意选择。
依照本发明的一种实施例，AOD30以一种通常比激光束22的脉冲重复频率要快的工作周期进行工作。但是，由AOD30提供的偏转相对限于以较小的偏转角度偏转光束部分50以及所有光束部分50输出至同一平面内。
相反，适当定位聚焦模块74内可移动透镜76以及光束导向模块54内反射元件56所需要的时间，通常大于限定激光束22的相邻脉冲24与25之间的时间间隔。由于每个反射元件56可优选二维地倾转一较大角度范围，因此投射到反射元件56上的激光部分50可被输送至覆盖一较大空间区域。但应注意的是，依照本发明的一种实施例，利用光束部分50指引的空间区域较大，通常为100×100mm左右。依照本发明的一种实施例，可变偏转器组件52与基板14之间的距离大到足以维持一可接收低远心(telecentricity)度，通常小于大约3°的数量级。
依照本发明的一种实施例，每个反射元件56可充分倾转，这样相邻光束导向模块54内的反射元件56能够把光束部分50输送至基板14表面上的相互、至少部分重叠区域内的可选择位置。选择性的，该区域仅相互邻接，但不重叠。当反射元件56倾转至新空间方位时，对应聚焦模块74内的可移动透镜76相应地移动以把经过其的光束部分50聚焦到基板14上。协调光束导向模块54与聚焦模块74的各自运动，以确保投射到基板14上的多个光束部分50全部被聚焦，而不考虑各自光路的对应长度的任何差异。
在完成被光束导向模块54所覆盖的第一区域内的显微机械加工工作之后，人工移动基板14和装置10，使光束导向模块54覆盖基板14上的第二区域。一旦完成全部预期的显微机械加工工作，基板14就被输送至电路制造过程的下一加工阶段，例如蚀刻工序。
依照本发明的一种实施例，组件52内导向模块54的数量以及聚焦模块74的数量超过激光束23经AOD30分开的光束部分50的数量。在最初时间间隔内，光束部分50投射到光束导向模块54的第一部分以及聚焦模块74的第一部分上，但未投射到其它冗余的导向模块54和聚焦模块74上。最初时间间隔还用于重新定位剩下冗余的且在最初时间间隔内未接收光束部分50的光束导向模块54和聚焦模块74。
在后继的下一相邻脉冲24与25之间的时间间隔内，光束部分50经AOD30偏转以投射到至少一些在前一时间间隔内未接受光束部分50的光束导向模块54和聚焦模块74上。在后继时间间隔内采用的且已经在前一时间间隔内重新定位的光束导向模块54和聚焦模块74现在适于被重新定位，以把对应光束部分50偏转到基板14上。在后继时间间隔内，光束部分50未投射于其上、可能包括在前一时间间隔内使用的光束导向模块54和聚焦模块74的至少一些光束导向模块54和聚焦模块74被重新定位，以在下一时间间隔内使用。重复此在给定时间间隔内重新定位未使用的光束导向模块54和聚焦模块74的过程。应理解的是，依照本发明的一种实施例，光束部分50在若干脉冲过程中通常被引导至相同位置，直到完成该位置的显微机械加工工作。仅当显微机械加工工作完成之后，才利用AOD30重新定向光束部分50至不同对的聚焦模块74和光束导向模块54，以对新可选择位置78执行显微机械加工工作。
一般而言，可认为在来自第一激光脉冲的光束部分50投射到可选择聚焦模块74和光束导向模块54上的同时，其它聚焦模块和光束导向模块被同时地重新定位以接收来自后继光束脉冲的光束部分50。
通常，与20KHz的Q开关激光器的大约40-400脉冲相对应的，重新定位光束导向模块54内反射元件56所需要的时间、或者移动聚焦模块74内可移动透镜76所需要的时间在大约2-20毫秒之间。采用此超过激光脉冲24与25之间时间间隔的较长调节时间以确保稳定的光束指向和光束聚焦精确度。另外，采用多个光束导向模块54和多个聚焦模块74来确保冗余，此冗余使得移动可移动透镜76以聚焦光束部分或者重新定位反射元件56以引导光束的脉冲损失减至最少。应理解的是，为增加装置10的速度以及给每个光束部分50内提供一受控制的能量，有必要或者希望多于一个光束部分50同时投射到基板14表面上的相同位置。在这种布置中，多个光束部分50中的每个都被单独偏转，以投射到各自的聚焦模块74和光束导向模块54上，且各个光束导向模块中的每个被定位成把光束部分50引导投射到基板14上的相同位置。
现在参照图2A-2C，这些图是表示对应于图1A所示装置中可独立控制的光束聚焦透镜阵列72的一部分的可独立控制的光束聚焦透镜阵列720、以及对应于图1A所示装置中可变偏转器组件52的一部分的可独立控制的光束导向模块阵列540在三种不同工作取向下的工作的简化侧示图。阵列720分别包括三个可独立控制的聚焦模块742、744和746。每个聚焦模块都包括分别用参考数字762-766标识的可独立移动的聚焦透镜。阵列540分别包括三个独立的光束导向模块542、544和546。每个光束导向模块都包括可独立移动的反射元件。包括光束聚焦模块与协调工作的相应光束导向模块的组件被认为是激光束模块，用参考数字800标识。
所示总体上标识为510的光束路径经过相应的聚焦透镜742、744和746投射到相应光束导向模块542、544和546的反射元件上。在图2A-2C中，分别用参考数字502、504和506标识的仅一个光束部分在各自的图2A、2B和2C中表示为占据光束路径510。这种聚焦模块和光束导向模块相对于光束部分502、504和506的盈余对应于如上相对于图1A所示聚变模块和光束导向模块的冗余。用参考数字512-522标识的未用光束路径用虚线表示，同时光束部分502-506在各自的图2A-2C中用实线表示。每个光束部分502、504和506投射到与图1A中基板14相应的基板140上的任意可选择位置。
在图2A-2C中，第一标度580表示在聚焦模块742-746的下方。此标度包括4个分级，指示用于把光束部分502、504和506聚焦到基板140上的聚焦模块742-746中可独立移动透镜762-766的相对位置。
每个都包括7个分级(0±3)的第二组标度590指示在可能可选择位置的范围内光束部分502-506在基板140上的位置。在图2A-2C中，标度580和590内所示的分级数量是任意的。为明确及简化本发明的教义，才选择了标度580和590内的分级数量。实际上，光束502-506可以定位在基板140上的任意数量的更多或更少数量的可能可选择位置处，且如有必要，透镜762、764和766可具有相应的更多或更少数量的可能位置，以把光束聚焦到可能可选择位置。此外，由于图2A-2C是正视图的缘故，注意到可选择位置通常位于基板140上的两维区域内，相应的，导向模块542-546能够把光束部分502-506引导至该两维区域内的任意对应可选择位置。
标度590上的最中央位置0对应于经由光束导向模块542-546通行的聚焦模块742-746与基板140之间的最短光路。当光束朝任意方向偏离该最中央位置0时，至基板140表面的光路长度就增大。未补偿焦点对准场的弯曲用曲线780示意性表示，该曲线780通常对应于透镜模块742-746的等距光路，采用最中央位置0作为参考点。
图2A对应于激光束22的第一脉冲24(图1A)过程中的工作取向。在图2A中，光束部分502经导向模块544的适当倾转反射元件的反射，指引到最中央位置0。因为至该最中央位置的光路是光束部分502可以指引的任意可选择位置中的最短光程，所以透镜764位于聚焦模块744内的位置0(如标度580所指示的)以把光束502聚焦到基板140上。
在图2A所示的时刻，导向模块542被定向为把光束路径512引至基板140上的位置-2。透镜762位于聚焦模块742内的位置2处，这样沿着光束路径512经过聚焦模块742的光束部分将被聚焦到基板140上的位置-2。导向模块546被定向为把光束路径514引至基板140上的位置1。透镜766位于聚焦模块746内的位置1处，这样沿着光束路径514经过聚焦模块746的光束部分将被聚焦到基板140上的位置1。应注意的是，聚焦模块742-746内聚焦透镜762、764和766的相应位置对应于光束路径在基板140上沿任意平面方向偏离最中央位置0的绝对值。尽管如标度580内分级所指示的各个透镜位置被表示为具有线性分布，但还应注意的是，实际上，透镜位置的分布可以是均匀线性的或者非线性的。
图2B对应于激光束22的第二脉冲25(图1A)过程中的工作取向。在该图中，光束部分504经导向模块546的适当倾转反射元件的反射，指引到可选择位置1。透镜766位于聚焦模块746内的相应位置1，以经由聚焦模块546把光束504聚焦到基板140上的可选择位置1。应注意的是，相对于图2A所示光束导向模块546和聚焦模块746的位置，光束导向模块546和聚焦模块746未移动。
在图2B所示的时刻，导向模块542已经独立于导向模块544和546地移动，且现在被定向为把光束路径516引导至基板140上的最中央位置0。已经独立于透镜764和766移动的透镜762位于聚焦模块742内的位置0，使得沿着光束路径516经过聚焦模块742的光束部分将聚焦在基板140上的位置0。
导向模块544也已经相对于图2A所示取向移动，现在被定向为把光束路径518引导至基板140上的位置-1。已经独立于透镜762和766移动的透镜764位于聚焦模块744内的位置1，使得经过聚焦模块744的光束部分将聚焦在基板140上的位置1。
图2C对应于激光束22的第三脉冲(图1A)过程中的工作取向。在该图中，光束部分506经导向模块542的适当倾转反射元件的反射，指引到可选择位置3。透镜762位于聚焦模块742内的相应位置3，以把光束506聚焦到基板140上的可选择位置3。这里应注意的是，光束导向模块542及聚焦模块742内的聚焦透镜762已经相对于图2A和2B所示的位置被移动。
在图2C所示的时刻，导向模块544已经独立于导向模块542和546移动，且现在被定向为把光束路径520引导至基板140上的位置-2。已经独立于透镜762和766移动的透镜764位于聚焦模块744内的位置2，使得沿着光束路径520经过聚焦模块744的光束部分将聚焦在基板140上的位置-2。
导向模块546也已经相对于图2B中所示取向移动，现在被定向为把光束路径522引导至基板140上的最中央位置0。已经独立于透镜762和764移动的透镜766位于聚焦模块746内的位置0，使得经过聚焦模块746的光束部分将聚焦在基板140上的位置0。
由此可以理解，聚焦模块742-746内的聚焦透镜762、764和766相互独立但与光束导向模块的变化取向相协调地移动，以根据需要把光束部分引导至预期位置。这确保光束部分保持在基板140上焦点对准，而与例如光束导向使得未补偿焦点对准场弯曲从而导致光路长度增大或减少无关。焦点补偿值，即为指引到基板140上的可选择位置而针对相应光束导向模块的给定空间取向的聚焦模块内聚焦透镜的对应位置可储存在例如查找表内。
此外，由于基板上给定位置的加工过程可以持续若干脉冲的时间，例如在印刷电路板基板内钻孔的过程中，因此光程可以增大，需要进一步的焦点调节。这种光程变化可以通过在钻孔过程中移动对应聚焦透镜762-768来补偿，以使聚焦最优化。选择性的，可提供一种有效的自动聚焦装置，以测量光束路径的实际长度并相应调节聚焦透镜的位置。这还有利于例如补偿基板表面内的高度偏差，该基板不一定是均匀平面。
选择性的，除了通过移动可移动透镜762-766来提供焦点补偿功能以外，可通过适当地伸展或回缩光束导向模块542、544和546来提供焦点补偿功能。这种伸展或回缩补偿光束路径的长度变化，该光束路径的长度变化是例如枢转反射元件56(图1A)或者钻孔深度变化导致的。一种实现这种焦点补偿的方式是提供压电激励器(未表示)，该压电激励器能够把光束导向模块542-546作为一个整体地适当伸展或回缩。光束导向模块542、544和546的这种伸展或回缩对光路几何形状的影响，使得有必要对反射器76的角取向作微小调节，以寻址到预期位置。
现在参照图3A-3C，它们是依照本发明一种实施例适于用在图1A所示系统中的AOD300的简化示意图。AOD300大体对应于图1A所示AOD30。AOD300包括换能器部件320和由石英或其它适当晶体材料例如熔融石英形成的半透明晶体部件340。控制信号例如射频信号360驱动换能器部件320以使得总体上由参考数字380标识的声波经由晶体部件340传播。控制信号360例如由射频调制器400提供，如在图1A中可见，该射频调制器400与DDS42和系统控制器44工作性连接。
AOD300的一个特征是：通过响应控制信号改变经由晶体部件340传播的声波380的一个或多个特征，可动态地将输入激光束220分开为n个光束，这里n≥1，且所得到的每个输出光束部分500的输出方向可独立控制为声波频率的函数。应注意的是，在图3A-3C中，n对应于5光束。输出光束的此数量n是任意的，AOD300可根据给定应用的要求容易地修改为输出不同数量的光束。
依照本发明的一种实施例，激光束220投射到晶体部件340上的给定预选位置342。在声光偏转装置中，利用波的声振幅控制偏转器300内光束被声波380偏转的效率。由此，如图3A所示，当适当的高功率声波部382位于预选位置342时，基本上全部输入光束220都被偏转为输出光束部分502。
如图3B所示，生成声波，使得当光束220投射到晶体部分340上的预选位置342时，该预选位置342处没有声波存在。这通过适当地安排控制信号360的时间来实现。结果，光束220经过晶体部件340而基本上无偏转。经过光束222被一组反射器224、226和228反射，该一组反射器224、226和228被定向为使经过的光束222被往回照射到光束分束器阵列230，该光束分束器阵列230能够输出给定数量的光束部分，每个光束部分传递到AOD300的其它预选位置232。依照本发明的一种实施例，经过光束222通过光学器件234，该光学器件234能够例如再成形经过光束222，从而在该光束222被分开并经过AOD300内的其它预选位置232之前，再对准该光束222。
能够看出，光束分束器阵列230包括第一反射面235，该第一反射面235包括位于全反射面236附近的若干局部反射区域。经过光束222进入光束分束器阵列230，并投射到构造成使输出光束222的第1/(n-1)部分通过的第一局部反射区域238上，这里n是可被AOD300输出的光束总量(例如，在图3B所示实施例中，n＝5)。输出光束222的剩余部分被反射至全反射面236，然后再反射至构造用以使投射到其上的光束的第1/(n-2)部分通过的第二局部反射区域240上。由此，逐级地分开输出光束以形成n-1个光束部分，该n-1个光束部分被提供给AOD300以进行偏转。
在图3B所示本发明实施例中，n＝5。光束分束器230能够给晶体部件340的其它预选位置232提供四个光束部分246，每个光束部分246大致具有相同剖面且具有大致相等的功率电平。于是，第一局部反射区域238通过输出光束222的25％并朝向面236反射75％。第二局部反射区域240通过输出光束222的剩余部分的33.33％并朝向面236反射66.67％。第三局部反射区域242接收经过光束222的剩余部分，通过50％并朝向面236反射50％。最后位置244通过输出光束222的剩余部分的100％。
每个光束部分246供应给晶体部件340的其它位置232中的对应一个。具有适于朝预期方向独立偏转每个输出光束部分247的频率的声波380以定时方式注入晶体部件340内，以当光束部分246投射到晶体部件340上时，每个其它位置232处都存在声波380。应注意的是，经过光束222的再对准以及光束分束器230的分开与反射设计用以使每个光束500具有基本一致的截面构造和能量密度。
由此，声波380能够输出经偏转的光束部分247，每个部分在光束部分246与声波380相互作用时以可选择角度输出，该角度作为声波380的频率的函数，如参照图1A所示。应注意的是，声波380的定时是关键性的，且需要考虑晶体部件340的长度和声波380在晶体内的速率，使得晶体内对于每个光束脉冲220来说适当的其它相应位置232处，存在具有适于朝预期可选择方向独立偏转每个光束部分246的频率的声波380。
现在参照图3C，可见光束220被分开为五个输出光束部分500。光束220与预选区域342处的较低功率声波(具有低振幅)相互作用，该预选区域342能够偏转光束220的20％并通过80％，通过的80％作为功率降低的经过光束223。该功率降低的经过光束223被反射器224、226和228反射，该反射器224、226和228被定向为使功率降低的经过光束223再循环至部分光束分束器阵列230，该部分光束分束器阵列230能够输出给定数量的光束部分，每个光束部分传递到AOD300的其它预选位置232。依照本发明的一种实施例，功率降低的经过光束223通过光学器件234，该光学器件234能够例如再成形该功率降低的经过光束223，从而在功率降低的经过光束223被分开并经过AOD300之前，再对准光束。
部分光束分束器阵列230包括第一反射面235，该第一反射面235包括位于全反射面236附近的若干局部反射区域。功率降低的经过光束223进入部分光束分束器阵列230，并投射到构造成使功率降低的经过光束223的第1/(n-1)部分通过的第一局部反射区域238上，这里n是可被AOD300输出的光束总量。功率降低的经过光束223的剩余部分被反射至全反射面236，然后再反射至构造成使投射到其上的光束的第1/(n-2)部分通过的第二局部反射区域240上。由此，逐级地分开输出光束以形成n-1个光束部分，该n-1个光束部分被提供给AOD300以进行偏转。
在图3C所示本发明实施例中，n＝5，且光束分束器230能够给晶体部件340的其它预选位置232提供四个光束部分246，每个光束部分246具有大致相等的功率电平。于是，第一局部反射区域238通过功率降低的经过光束223的25％并反射75％。第二局部反射区域240通过功率降低的经过光束223的剩余部分的33.33％并朝向面236反射66.67％。第三局部反射区域242接收功率降低的经过光束223的剩余部分，通过50％并朝向面236反射50％。最后位置244通过功率降低的经过光束223的剩余部分的100％。
应注意的是，依照本发明的一种优选实施例，所有输出光束部分500大致具有相同形状、剖面、能量密度及它们之间的积分通量。可通过改变输出光束部分500的数量来改变输出光束部分500的积分通量性质，以及可通过改变预选位置342处控制信号即声波380的振幅来改变输出光束部分的数量。如自图3B和3C中可见，四或五个光束中的每个都具有相同形状、剖面及积分通量。但是，如果一个、四个或五个光束被输出，那么输出光束的积分通量性质将改变。
依照本发明的一种实施例，AOD300一般能够使它们之间的全部光束输出为具有大致一致的积分通量性质。在一种输出五个光束部分500的工作模式中，声波380被构造为使20％的光束223在预选位置342偏转，80％作为功率降低的经过光束223输出。但选择性的，声波380可被构造为在预选位置342偏转大于或小于20％的部分光束223。
例如，与底层玻璃环氧树脂基板相比，在激光显微机械加工包铜PCB基板一类的一些应用中，需要具有较大积分通量性质的光束对包覆铜进行显微机械加工。通常，对铜进行显微机械加工所需要的功率是对玻璃环氧树脂基板进行显微机械加工所需要功率的大约6倍。对铜及环氧树脂基板进行显微机械加工的不同功率要求通过生成一个或多个第一光束部分例如一个光束来提供，该第一光束部分具有适于对铜进行显微机械加工的能量性质且利用该光束在若干位置对铜进行显微机械加工。随后，利用AOD300根据能量需求把激光束220分开为更多数量的光束部分，例如四个或五个光束部分，每个光束部分都适于对玻璃环氧树脂基板进行显微机械加工。接着，利用该更多数量的光束部分对铜已经预先露出的玻璃环氧树脂基板进行显微机械加工。
依照本发明的一种选择性实施例，希望在预选位置342偏转显著小于20％的光束223，例如仅4％，然后在自AOD300输出的其它四个光束部分之间分配剩余的96％。这使得光束之间具有不均匀的积分通量。在此例中，4％的光束部分将用于烧蚀玻璃环氧树脂基板，可较迅速地执行该烧蚀。然后，把光束223的剩余96％分开为多个光束部分，例如四个光束部分，每个光束部分具有剩余总能量的24％。假定激光束220具有足够高的功率，那么所得到的这些光束部分将适于例如对包覆铜进行显微机械加工。
应理解的是，这种工作模式要求激光源具有适当高的功率输出，以同时生成多个光束且每个光束的能量都高到足以对铜进行显微机械加工。此外，其假定对玻璃环氧树脂的显微机械加工以足够快的速率进行，这样一个光束就能跟上同时对包覆铜进行显微机械加工工作的更多数量的光束部分。
选择性的，希望通过在预选位置342偏转显著多于20％的光束223例如大约60％，以输出具有不均匀积分通量或能量密度性质的光束。剩余40％的未偏转光束自AOD300在其它四个光束部分之间输出，以生成每个都具有初始能量的10％的光束部分。在此例中，光束223的60％部分用于对包覆铜进行显微机械加工，剩余4×10％的光束部分用于烧蚀玻璃环氧树脂基板。应注意的是，可改变产生光束220的激光源的功率、自AOD300输出的光束部分的数量以及它们各自的相对能量，以最佳地同时对铜和基板进行显微机械加工。
由此，通过改变预选区域342处声波380的功率特性，可相对于其它光束部分的积分通量改变或均衡第一光束部分500的相对能量密度或积分通量。通过以激光束220的相对功率为因素，然后改变由AOD300输出的光束部分的数量及输出光束部分之间的各自能量分布，可优化显微机械加工系统以同时对包覆铜和基板进行显微机械加工。
现在参照图4，该图是依照本发明实施例的一种电路制造方法的流程图600。所述方法是用于在多层印刷电路基板内形成微孔的方法，该多层印刷电路基板具有覆盖介电基板的金属箔层。
当前所述用于制造电路的方法采用多光束显微机械加工装置，该装置能够引导多个经独立聚焦且经独立导向的光束，该光束能够把激光能输送至表面上可独立选择的位置。
依照本发明的一种实施例，动态偏转装置例如AOD能够选择性地提供至少一个金属机械加工光束部分。在本发明的一种实施例中，还利用该动态偏转器提供光束分开功能。该金属机械加工光束部分具有适于通过例如烧蚀去掉一部分金属箔层的能量密度。
每个金属机械加工光束部分动态地偏转至一个激光束模块，在该激光束模块处独立地聚焦并独立地导向该光束部分。每个激光束模块包括例如独立聚焦透镜74，该透镜74把光束传递至一可单独倾转的反射元件56，如自图1A中可见。该反射元件适于被设置成把金属机械加工光束部分引导至PCB基板上的可选择位置，在那里，一部分金属箔被去掉以暴露底下的介电基板。
在金属机械加工光束去掉第一位置的一部分金属箔的同时，至少一个当前未使用的其它光束导向模块可以被适当地重新定位以在后继显微机械加工工作中去掉其它可选择位置的一部分金属箔。后继脉冲将被动态光束偏转器偏转以投射到一个预先定位的光束导向模块上，该光束导向模块能够把去金属机械加工光束引导至下一位置，在该下一位置将去掉部分金属箔。
继续去掉可选择位置的部分金属箔，直到根据电路设计的要求，预期多个位置处的金属箔都被去掉。这些预期位置包括基板将要进行显微机械加工的全部位置，或者全部预期位置的子集。
在随后工作中，动态偏转装置能够输出至少一束能量性质例如积分通量不同于金属机械加工光束部分的介电机械加工光束部分。可通过把适当声波注入声光偏转器内来提供光束分开功能，如参照图3A-3C所描述的。依照本发明的一种实施例，介电机械加工光束部分具有比金属机械加工光束部分低的积分通量。积分通量指每单元面积的光束能量(焦耳/cm2)。介电机械加工光束部分的能量性质适于例如通过烧蚀去掉一部分介电层，但不适于去掉一部分金属箔。此能量降低的电平可通过例如把激光束分开为更多数量的光束部分来实现，例如以上参照图3A-3C所描述的。
依照本发明的一种实施例，通过把激光束22分开为适当数量的光束部分50以及通过例如使用变焦光学器件例如变焦透镜阵列68维持所得到光束部分50的直径来控制光束部分50(图1A中)的各自积分通量性质。
每个介电机械加工光束部分传递至一个具有焦点补偿及光束导向功能的激光模块。独立焦点补偿光学器件将至少随位置而变的光束聚焦引导至将要进行显微机械加工的PCB基板上。利用与激光束模块相关的光束导向模块把光束引导至那个位置。光束导向模块适于被定位成将每个介电机械加工光束部分引导至部分金属箔已经被去掉以暴露底下的介电层的可选择位置。然后，去掉预期部分的电介质。
在一个或多个介电机械加工光束部分去掉第一组位置的部分电介质的同时，当前未使用的光束聚焦模块和光束导向模块可以被适当地重新定位，以在后继工作过程中去掉其它可选择位置的电介质。由此，后继脉冲可被动态光束偏转器偏转，以投射到已经定位的光束聚焦模块及相应光束导向装置上。因为需要降低的能量密度来去掉电介质，可把光束22分开为比金属机械加工光束部分的数量更多的介电机械加工光束部分，由此为去掉电介质得到比去掉金属箔更大的系统输出。选择性的，通过如参照图3A-3C所述调整AOD内控制信号的振幅，AOD可同时输出一个或多个低积分通量光束以及一个或多个高密度光束，并利用一个或多个相应高积分通量光束对铜进行显微机械加工以及同时地利用一个或多个相应低积分通量光束对铜基板材料进行显微机械加工。
继续去掉可选择位置的电介质，直至为已预先去掉金属箔的基本上全部位置去掉了电介质。一旦完成此工作，就可重新定位基板，以对其下一后继部分进行显微机械加工。
本领域技术人员可以理解，本发明并不限于以上部分表示并描述的内容。相反，本发明包括本领域技术人员在阅读前述说明书后能够想到且不在现有技术内的改变和变形。

Claims (63)

1.用于把激光能输送给工件的装置，包括：
提供至少一个激光束的至少一个激光能源；
多个激光束导向模块，设置成可选择地引导所述至少一个激光束至一标的物上的可选择位置；以及
多个激光束聚焦光学模块，与所述激光束导向模块联合以把激光束聚焦到所述工件上。
2.如权利要求1所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述多个激光束导向模块包括比所述至少一个激光束数量多的激光束导向模块，从而限定至少一个冗余激光束导向模块。
3.如权利要求1所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述多个激光束聚焦光学模块包括比所述至少一个激光束数量多的激光束聚焦光学模块，从而限定至少一个冗余激光束聚焦光学模块。
4.如权利要求2所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述至少一个激光束可被选择性地引向一可选择激光束导向模块，以及所述多个激光束导向模块中的所述冗余补偿所述脉冲重复频率与每个所述激光束导向模块的周期之间的差异。
5.如权利要求1所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述多个激光束聚焦光学模块包括比所述至少一个激光束多的激光束聚焦光学模块，从而限定至少一个冗余激光束聚焦光学模块。
6.如权利要求5所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述至少一个激光束可被选择性地引向一可选择激光束聚焦光学模块，以及所述多个激光束聚焦光学模块的所述冗余补偿所述至少一个激光束的脉冲重复频率与每个所述激光束聚焦光学模块的周期之间的差异。
7.如权利要求1所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述激光能源是一种脉冲激光能源，以及在所述至少一个脉冲激光能源的第一脉冲过程中，第一激光束聚焦光学模块工作，以把第一脉冲激光束聚焦到所述工件上。
8.如权利要求7所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，在所述第一脉冲过程中，一冗余激光束聚焦光学模块工作，以被重新定位至把后继脉冲激光束聚焦到所述工件上所需要的位置，所述后继脉冲激光束在所述至少一个脉冲激光能源的后继脉冲过程中输出。
9.如权利要求8所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述激光束聚焦模块位于所述光束导向模块的上游，所述激光束聚焦模块包括至少一个可移动透镜以把所述脉冲激光聚焦到所述工件上。
10.如权利要求8所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述激光束聚焦模块包括位于所述至少一个激光束导向模块内的至少一个激励器，所述激励器能够沿着一轴移动所述激光束导向模块的一部分以补偿随着引导所述至少一个激光束而变的光路长度的变化。
11.如权利要求1所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述至少一个激光能源能够提供多个激光束。
12.如权利要求1所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述至少一个激光能源能够提供多个激光束，且所述多个激光束聚焦光学模块包括与每个激光束相对应的至少一个冗余激光束聚焦光学模块。
13.如权利要求7所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，用于构造所述激光束聚焦光学模块以把一激光束聚焦到所述工件上的周期超过分隔所述至少一个脉冲激光源的脉冲的时间间隔。
14.如权利要求4所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述至少一个脉冲激光能源包括一偏转器，所述偏转器可选择地偏转所述至少一个脉冲激光束。
15.如权利要求7所述用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，所述至少一个激光能源包括一声光偏转器，所述声光偏转器的周期小于所述脉冲激光源的脉冲之间的时间间隔。
16.如权利要求15所述的用于把激光能输送给工件的装置，其特征在于，在所述脉冲激光能源的最初脉冲过程中，所述偏转器能够把最初激光束偏转至第一激光束聚焦光学模块，以及在下一脉冲过程中，所述偏转器能够把下一脉冲输出偏转至一冗余激光束聚焦光学模块。
17.一种用于把激光能输送给工件的方法，包括：
提供至少两个激光束；
把所述至少两个激光束中的每个选择性导向至一标的物上的可独立选择位置；以及
把所述至少两个激光束中的每个独立聚焦到所述标的物上。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，利用多个激光束导向模块执行所述选择性导向，所述多个激光束导向模块包括比所述至少两个激光束多的激光束导向模块，从而限定至少一个冗余激光束导向模块。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，利用多个激光束聚焦光学模块执行所述独立聚焦，所述多个激光束聚焦光学模块包括比所述至少两个激光束多的激光束聚焦光学模块，从而限定至少一个冗余激光束聚焦光学模块。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述提供至少两个激光束包括选择性地把所述至少两个激光束引导至可选择激光束导向模块，以及所述至少两个冗余激光束导向模块补偿所述至少两个激光束的脉冲重复频率与每个所述激光束导向模块的周期之间的差异。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述提供至少两个激光束包括选择性地把所述至少两个激光束引导至可选择激光束聚焦光学模块，以及所述多个激光束聚焦光学模块的所述冗余补偿所述至少两个激光束的脉冲重复频率与每个所述激光束聚焦光学模块的周期之间的差异。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少两个激光束是脉冲激光束，以及包括在第一脉冲过程中把第一激光束聚焦到所述工件上。
23.如权利要求22所述的方法，包括在第一脉冲过程中把一冗余激光束聚焦光学模块重新定位至把后继脉冲激光束聚焦到所述工件上的后继可选择位置所需要的位置，所述后继脉冲激光束在后继脉冲过程中输出。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，在所述导向的上游，利用至少一个可移动透镜执行所述聚焦。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，通过沿着一轴移动一枢转导向镜以补偿由所述导向导致的光路长度的变化来执行所述聚焦。
26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述提供至少两个激光束包括提供至少三个激光束。
27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，用于构造一激光束聚焦光学模块以把一激光束聚焦到所述工件上的时间超过分隔所述至少两个脉冲光束的脉冲的时间间隔。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述提供至少两个激光束包括把第一激光束供应给一种激光分束器并把所述第一激光束分开为至少两个输出激光束。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述分开包括使所述第一激光束经过一声光偏转器(AOD)并在所述AOD内生成声波，所述声波能够把所述第一激光束分开为至少两个激光束。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，在比所述脉冲激光源的脉冲之间的时间间隔更短的时间内执行声波的生成。
31.如权利要求29所述的方法，包括响应于第一声波把与所述第一激光束脉冲相关的至少两个激光束偏转至第一和第二激光束聚焦光学模块，接着响应于第二声波把与后继激光束脉冲相关的至少两个激光束偏转至第三和第四激光束聚焦光学模块。
32.用于把激光能输送给电路基板的装置，包括：
同时输出多个激光束的至少一个激光束源；
多个可独立导向的激光束偏转器，设置在所述至少一个激光束源与所述电路基板之间以把所述多个激光束引导投射到所述电路基板上的可独立选择位置；以及
聚焦光学器件，能够把所述多个激光束聚焦至不同的可独立选择位置，而不需要f-θ光学元件。
33.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述至少一个激光束源包括输出第一激光束的激光器以及把所述第一激光束分开为所述多个激光束的至少一个光束分束器。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述光束分束器包括声光偏转器。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述声光偏转器能够把所述第一激光束分开为所述多个激光束以及把每个激光束引导至多个可独立选择位置之中的一可独立选择方向。
36.如权利要求32所述的装置，其特征在于，所述聚焦光学器件包括至少一个可移动光学元件。
37.一种用于把激光能输送给电路基板的方法，包括：
自一激光束源同时输出多个激光束；
独立导向所述多个激光束，以投射到所述电路基板的可独立选择位置处；以及
把所述多个激光束聚焦到不同的可独立选择位置处，而不需要f-θ光学元件。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述同时输出包括输出第一激光束以及把所述第一激光束分开为所述多个激光束。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述分开包括利用声光偏转器分开所述第一激光束。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述分开包括沿着可独立选择方向引导所述多个激光束之一。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述聚焦包括移动至少一个光学元件。
42.一种光束分束器，包括：
光束偏转器，具有多个工作区域，所述光束偏转器能够在所述多个工作区域的第一个接收一激光束以及响应于一控制输入信号提供可选择数量的输出光束部分。
43.根据权利要求42所述的光束分束器，其特征在于，所述控制输入信号包括一序列脉冲，每个所述脉冲控制所述输出光束部分的对应一个。
44.根据权利要求43所述的光束分束器，其特征在于，每个所述输出光束具有一能量参数，利用对应一个所述脉冲的特性控制所述能量参数。
45.根据权利要求43所述的光束分束器，其特征在于，每个所述输出光束部分偏转一对应偏转角度，利用对应一个所述脉冲的特性控制所述偏转角度。
46.根据权利要求42所述的光束分束器，其特征在于，所述可选择数量的输出光束部分的每个具有基本相同的截面构造。
47.根据权利要求42所述的光束分束器，其特征在于，所述可选择数量的输出光束部分中的至少一些具有可控制的能量参数。
48.根据权利要求47所述的光束分束器，其特征在于，所述能量参数是能量密度。
49.根据权利要求48所述的光束分束器，其特征在于，所述输出光束部分的所述能量密度基本一致。
50.根据权利要求48所述的光束分束器，其特征在于，所述输出光束部分的所述能量密度基本不一致。
51.根据权利要求42所述的光束分束器，其特征在于，所述光束偏转器能够响应于所述控制输出信号沿着各自方向引导所述输出光束部分。
52.根据权利要求42所述的光束分束器，其特征在于，所述光束偏转器包括声光偏转器，以及包括一换能器，所述换能器耦合成响应所述控制输入信号在所述声光偏转器内生成声波，以使所述激光束衍射到每个工作区域。
53.一种用于动态分开光束的方法，包括：
在一光束偏转器内的多个工作区域的第一个处接收激光束；以及
响应于一控制输入信号，自至少另一工作区域输出可选择数量的输出光束部分。
54.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述输出包括生成具有一序列脉冲的控制输入信号，每个所述脉冲控制一对应输出光束部分。
55.根据权利要求54所述的方法，其特征在于，所述输出光束部分具有一能量参数，利用至少一个所述脉冲的特性控制所述能量参数。
56.根据权利要求54所述的方法，其特征在于，每个所述输出光束部分偏转一对应偏转角度，利用一对应脉冲的特性控制所述偏转角度。
57.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述输出包括输出可选择数量的输出光束部分，每个光束部分具有基本相同的截面构造。
58.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述输出包括输出可选择数量的输出光束部分，至少一些输出光束部分具有可控制的能量参数。
59.根据权利要求58所述的方法，其特征在于，所述能量参数是能量密度。
60.根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述输出光束部分的所述能量密度基本一致。
61.根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述输出光束部分的所述能量密度基本不一致。
62.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述输出包括响应于所述控制输出信号沿着可选择方向引导所述输出光束部分。
63.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述输出包括响应于所述控制输入信号在所述声光偏转器内生成声波，以使所述激光束衍射到每个工作区域。
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