DE10296512T5

DE10296512T5 - Quasi-kontinuierliches diodengepumptes Festkörper-Uv-Lasersystem und Verfahren zu seiner Anwendung

Info

Publication number: DE10296512T5
Application number: DE10296512T
Authority: DE
Inventors: Yunlong Baeverton Sun; Richard Portland Harris
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2004-04-29
Also published as: GB2390994B; CN1714318A; WO2002073322B1; CA2440694A1; JP4583711B2; GB0323441D0; WO2002073322A1; KR20030087017A; GB2390994A; JP2004528984A; TW523435B; KR100853254B1; CN100351719C

Abstract

Verfahren zum maschinellen Abtragen mindestens einer Schicht eines Zielmaterials an mehreren Zielbereichen eines Werkstückes mit einem Lasersystem, wobei das Lasersystem ein Festkörper-Lasermaterial und eine Pumpquelle verwendet, wobei die Pumpleistung des Festkörper-Lasermaterials auf ein Niveau begrenzt ist, den das Festkörper-Lasermaterial während einer längeren Zeitdauer einer thermisch induzierten Verformung standhalten kann, mit folgenden Schritten:
Verfahren eines Strahlpositionierers zu einem ersten Zielbereich des Werkstückes;
Versorgen der Laserpumpquelle mit einem Strom eines ersten höheren Stromniveaus, um das Festkörper-Lasermaterial während eines ersten Zeitintervalls zu pumpen;
Betreiben eines akusto-optischen Güteschalters innerhalb des Resonators, um einen ersten Laserstrahl mit mindestens zwei Laserimpulsen bei einer Wiederholungsrate von mindestens 2 kHz während des ersten Zeitintervalls zu erzeugen;
Richten des ersten Laserstrahls auf den ersten Zielbereich, um Zielmaterial von dem ersten Zielbereich abzutragen;
Reduzieren des Stromes, mit dem die Laserpumpquelle versorgt wird, um die thermische Belastung innerhalb des Festkörper-Lasermaterials während eines zweiten Zeitintervalls zu reduzieren,...

Description

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Die vorliegende Patentanmeldung stammt von der am 12. März 2001 eingereichten U.S. Provisional Patent Application Nr. 60/275,246.
Urheberrechtshinweis
© 2001 Electro Scientific Industries, Inc. Ein Teil der Offenbarung dieses Patentdokumentes enthält Material, das unter den Schutz des Urheberrechts fällt. Der Inhaber des Urheberrechts erhebt keine Einwände gegen den Abdruck des Patentdokumentes oder der Patentoffenbarung durch Dritte, wie sie in den Akten oder Unterlagen des Patent- und Markenamtes erscheinen, behält sich jedoch ansonsten alle Urheberrechte gleich welcher Art vor. 37 CFR § 1.71 (d).
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft diodengepumpte Festkörperlaser und insbesondere quasi-kontinuierliche diodengepumpte UV-Lasersysteme und Bearbeitungsverfahren, die sie verwenden, wie z. B. um Bohrungen in Leiterplatten zu bilden.
Hintergrund der Erfindung
Verschiedene Typen von Lasersystemen werden verwendet, um Bohrungen bei punktweise anzufahrenden Zielbereichen in elektronischen Bauelementen oder Werkstücken wie Leiterplatten (PCBs) zu bohren. Die folgende Diskussion ist hierin nur beispielhaft bezüglich diodengepumpter Festkörperultraviolettlasersysteme und Arbeitsstücke dargestellt und soll nicht so verstanden werden, dass sie den Bereich der Erfindung einschränken.
Wenn ein akusto-optisches (A-O) güte-geschaltetes, kontinuierliches (CW)-diodengepumptes Festkörper (SS)-Lasersystem, wie beispielsweise das Modell 5200 von Electro Scientific Industries, Inc. (ESI), das einen Laser vom Typ Light Wave Electronics' (LWE) Model 210 beinhaltet, verwendet wird, um Bohrungen zu erzeugen, bleiben die Pumpdiode oder Dioden dauerhaft aktiv. Die Laserstrahlung wird blockiert, indem der Güteschalter geschlossen wird, wenn das Positioniersystem zu einem neuen Zielbereich auf dem Werkstück gefahren wird. Nachdem das Positioniersystem auf den neuen Zielbereich ausgerichtet ist, gibt das Lasersystem einen Laserstrahl ab, der ein oder mehrere Laserimpulse aufweist, indem der Güteschalter mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate geöffnet wird.
Das LWE Model 210 verwendet zwei kontinuierliche 20 Watt (W) Dioden zum Pumpen und generiert UV-Strahlleistung von 3 W bei einer Wiederholungsrate von 10 kHz. Der kontinuierliche Pumpstrom durch die Dioden ist durch die thermische Belastung der Dioden begrenzt. Wenn eine Anwendung größere UV-Strahlleistung garantiert, dann müssen entweder mehr Dioden oder Dioden mit hohem Strom/hoher Leistung verwendet werden, wie zwei Diodenlaserstäbe zu je 30 W oder vier Diodenlaserstäbe zu je 20 W. Von solchen Anordnungen kann ungefähr eine UV-Strahlungsleistung von 8 W erwartet werden. Wenn eine hohe Pumpleistung verwendet wird, erhöht sich jedoch die thermische Belastung des Festkörper- Lasermaterials. Thermische Überlastung des Lasermaterials kann ihn dauerhaft schädigen oder eine erhebliche Degradation der Laserstrahlqualität hervorrufen und die verfügbare Leistung begrenzen. Diese Begrenzung stellt eine kritische Konstruktionsherausforderung für die Gestaltung des Lasersystems und dessen Herstellung dar.
Andere Pumpverfahren sind jedoch für ein Laserdesign verfügbar wie z. B. Impulspumpen und quasi-kontinuierliches Pumpen. Ein elektrooptischer (E-O) gütegeschalteter gepulster DPSS LTV-Laser, wie beispielsweise frühe Versionen des Lambda Physics UV „Gator" Model, stellen eine hohe Laserimpulsleistung jedoch bei geringeren Pulswiederholungsraten zur Verfügung. Bei jedem Pumpimpuls wird nur ein UV-Laserimpuls erzeugt. Die Pumpdauer ist auf ein paar hundert Mikrosekunden (μs) begrenzt, so dass die Pulswiederholungsrate des Laserstrahls typischerweise auf unter 2 kHz begrenzt ist. Dieses Pumpverfahren wird nicht für das Bohren von Bohrungen bevorzugt, weil es den Bohrdurchsatz nachteilig beeinflusst.
Herkömmliche quasi-kontinuierliches Pumpen ähnelt dem Pulspumpen, ermöglicht aber längere Pumpzeiten bei einer niedrigen Spitzenpumpleistung. Das Pumpverfahren kann eine Pumpwiederholungsrate von ungefähr 1 bis 2 kHz ermöglichen und die Pumpzeit kann von ein paar hundert μs bis ein paar Millisekunden (ms) betragen, abhängig von der Wiederholungsrate und dem Tastverhältnis der verwendeten Dioden. Dieses Pumpverfahren erlaubt das Pumpen auf ein höheres Niveau als das kontinuierliche Pumpen, weil die Diode sich erholen kann (und sich die thermische Belastung reduziert oder aufhört), wenn das Pumpen ausgeschaltet ist. Daher kann die Laserstrahlleistung während der Pumpzeit höher sein im Vergleich zu der eines vergleichbaren kontinuierlich gepumpten Lasers. Der Laserstrahl wird gesteuert, indem der Strom durch die Diode(n) reguliert wird. Die Pumpwiederholungsrate dieses Pumpverfahrens ist jedoch ein erheblicher Nachteil. Typische Anwendungen für das quasi-kontinuierliche Pumpen umfassen jene, die eine lange Laserimpulsbreite bei einer moderaten Spitzenleistung verwenden, wie das Laserbonding und das Schweißen.
Ein Lasersystem, das ein Pumpverfahren umfasst, das sowohl eine hohe Leistung als auch eine schnellere Wiederholungsrate ermöglicht, um den Bohrdurchsatz zu erhöhen, ist daher wünschenswert.
Kurzdarstellung der Erfindung
Herkömmliche UV-Laserbohrsysteme verwenden ein herkömmliches Frequenzumwandlungsverfahren, um die dem Laser zugrundeliegende Wellenlänge in der IR-Region in die UV-Region zu konvertieren. Solche Systeme verwenden vorzugsweise eine hohe UV-Leistung und eine hohe Pulswiederholungsrate, um einen hohen Durchsatz bei der Herstellung von Bohrungen zu erreichen, so dass daher A-O güte-geschaltete DPSS Lasersysteme bis heute für das Bohren von Bohrungen bevorzugt wurden.
Bei einem kommerziell wünschenswerten System wäre eine hohe UV-Leistung bevorzugt, um die Bohrzeit zu reduzieren oder um annehmbare Bohrungen in einigen schwer bohrbaren Materialien herzustellen, wie beispielsweise in Kupfer und in FR4. Somit wäre eine hohe UV- Strahlleistung (5 bis 15W) bei einer hohen Pulswiederholungsrate (einige wenige kHz bis einige wenige zehn kHz) bevorzugt.
Um auch kommerziell sinnvoll einsetzbar zu sein, erfordert das Herstellen von Bohrungen z. B. in PCBs ein Lasersystem, das in der Lage ist, 300 bis 400 Bohrungen pro Sekunde herzustellen. Somit muss das Laserpositioniersystem jede Sekunde 300 bis 400 neue Positionen anfahren. Normalerweise benötigt das Lasersystem weniger als eine Millisekunde, um einen Durchgang zu bohren, aber in einigen Fällen länger als eine Millisekunde, um zu einer neuen Position für die nächste Bohrung zu verfahren. Daher ist die Zeit, während der der Laser eingeschaltet ist, tatsächlich geringer als die Zeit, die der Laser ausgeschaltet ist, was die Verwendung des Lasers ziemlich ineffizient macht.
Die vorliegende Erfindung stellt einen quasi-kontinuierlichen dioden- oder lampengepumpten A-O güte-geschalteten Festkörper-UV-Laser zur Verfügung, der das Timing des quasi-kontinuierlichen Pumpens synchronisiert, um das Pumpen zu vermeiden oder zu reduzieren, während das Positioniersystem von einem Zielbereich zu dem nächsten Zielbereich verfährt und um das Pumpniveau über das Niveau bei kontinuierlichem Pumpen zu erhöhen, während Bohrungen gebohrt werden. Die verfügbare UV-Leistung für das Herstellen von Bohrungen ist somit höher, obwohl die durchschnittliche Pumpleistung für das Lasermaterial und die thermische Belastung der Pumpdioden dieselbe bleibt wie für das herkömmliche kontinuierliche Pumpen mit herkömmlich verfügbaren Laserdioden. Das quasi-kontinuierliche Pumpstromprofil kann weiterhin modifiziert werden, um ein bevorzugtes UV-Impuls-Amplituden-Profil zu realisieren.
Ein solcher quasi-kontinuierlicher dioden- oder lampengepumpter A-O güte-geschalteter Festkörper-UV-Laser ist neu; die Synchronisation des quasi-kontinuierlichen Pumpens mit dem Verfahren des Strahles ist neu und die Verwendung eines solchen Lasersystems für die Herstellung von Bohrungen ist neu.
Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines quasi-kontinuierlichen diodengepumpten, A-O-, güte-geschalteten Lasers mit einer Frequenzverdreifachung innerhalb des Resonators.
2A ist eine vereinfachte graphische Darstellung eines beispielhaften Wellenverlaufes des quasi-kontinuierlichen Pumpdiodenstromes.
2B ist eine vereinfachte graphische Darstellung eines beispielhaften A-O, güte-geschalteten Laserimpulses, der mit dem quasi-kontinuierlichen Pumpdiodenstrom, der in 2A dargestellt ist, überlagert ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines quasi-kontinuierlichen diodengepumpten A-O güte-geschalteten Festkörper-UV-Lasersystems 10 mit synchronisiertem Ausrichten, Pumpen und Schießen, um Bohrungen mit einer hohen Durchsatzrate herzustellen. Mit Bezug auf 1 ist ein Laserresonator 12 des Lasersystems 10 dargestellt, der Dioden 14 umfasst, die das Lasermaterial 16 von der Seite pumpen. Es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, dass der Resonator 12 gefaltet sein kann und dass das Pumpverfahren ein Endpumpverfahren sein kann, oder dass das Lasersystem 10 andere mögliche wohl bekannte Ausführungen verwenden kann. Beispiele für Dioden 14 umfassen die Modellreihe SDL-3200 quasi-kontinuierliche Feldanordnung zu 100 W und Hochleistungs- mehrfach-gestapelte Feldanordnungen zu 960 W, die von SDL, Inc. in San Jose, Kalifornien verkauft werden, oder andere. Beispiele für Festkörperlasermaterialien (16) umfassen Lasermaterialien mit YAG-, YLF- und YVO₄-Zusammensetzungen. Zwischen einem IR-reflektierenden Spiegel 18 und einem (für die dritte harmonische) UV-durchlässigen Ausgangskoppler 20, umfasst der Resonator 12 weiterhin entlang seiner optischen Achse 22 einen akusto-optischen (A-O) Güteschalter 24, einen Frequenzverdoppler 26 und einen Frequenzverdreifacher 28 für eine Frequenzumwandlung innerhalb des Resonators. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass die Frequenzumwandlung auch außerhalb des Resonators 12 erfolgen kann.
Die 2A und 2B (zusammen 2 genannt) sind jeweils vereinfachte graphische Darstellungen einer beispielhaften, Wellenform von quasi-kontinuierlichen Pumpdiodenstromimpulsen oder -Intervallen 50a, 50b und 50c (allgemein als Stromintervalle 50 bezeichnet) und von beispielhaften A-O gütegeschalteten Laserimpulsen 60a, 60b und 60c (allgemein als Laserimpulse 60 bezeichnet), die der Wellenform des quasi-kontinuierlichen Pumpdiodenstroms, die in 2 dargestellt ist, überlagert ist. Mit Bezug auf die 1 und 2 ist der Betrieb des Lasersystems so synchronisiert, dass wenn das Lasersystem 10 das Herstellen einer Bohrung an einem ersten Zielbereich 31 auf dem Werkstück 30 beendet, die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 32 das Diodenpumpen stoppt (den Diodenstrom auf 0 setzt) oder das Diodenpumpen auf ein vorbestimmtes geringes Stromniveau reduziert, indem die Versorgungsquelle 34 gesteuert wird. Beispiele für Versorgungsquellen 34 umfassen das Modell SDL-820 für 10-15Amp-Treiber für kontinuierliche Laserdioden mit einer Stromanstiegszeit von typischerweise 10 μs; Modell SLD-830 für ungefähr 50-Amp-Treiber für kontinuierliche Laser oder Model SDL-928 für ungefähr 150Amp-Spitzenstrom-Treiber für Feldanordnungen von quasi-kontinuierlichen Laserdioden und andere. Alle vertrieben durch SDL, Inc. in San Jose, Kalifornien.
Dann verfährt das Positioniersystem 36 die Strahlposition zu einem neuen Zielbereich 31. Das Strahlpositioniersystem 36 umfasst vorzugsweise einen Übersetzungsstufen-Positionierer, der mindestens zwei Querstufen verwendet, die eine schnelle Bewegung zwischen den Zielbereichen 31 auf demselben oder verschiedenen Werkstücken 30 erlaubt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Übersetzungsstufen-Positionierer ein System mit geteilten Achsen, wobei eine Y-Stufe das Werkstück 30 bewegt und eine X-Stufe einen Hochgeschwindigkeits-Strahlpositionierer und eine oder mehrere zugeordnete Fokussierlinsen bewegt. Die Z-Dimension zwischen der X-Stufe und der Y-Stufe kann ebenfalls einstellbar sein. Die Positionierspiegel richten den optischen Pfad 22 durch Drehung zwischen dem Laserresonator 12 und dem Hochgeschwindigkeits-Positionierer aus. Der Hochgeschwindigkeits-Positionierer kann beispielsweise Linearmotoren mit hoher Auflösung und/oder ein Paar Galvanometerspiegel verwenden, die einmalige oder sich wiederholende Prozessschritte abhängig von den zur Verfügung gestellten Test- oder Designdaten durchführen können. Die Stufen und Positionierer können unabhängig kontrolliert und bewegt werden oder so koordiniert werden, dass sie sich zusammen bewegen.
Das Strahlpositioniersystem 36 kann ein herkömmliches Abbildungssystem oder Strahlensystem verwenden, um ein Ausrichtungssystem zu betreiben, das durch eine Objektivlinse oder achsverschoben mit einer getrennten Kamera arbeitet und die dem Fachmann wohl bekannt sind. In einer Ausführungsform wird eine HRVX-Abbildungseinrichtung verwendet, die mit einer Freedom Library Software in einem Positioniersystem 36, das von Electro Scientific Industries, Inc. verkauft wird, betrieben wird, um das Ausrichten zwischen dem Laserresonator 12 und den Zielbereichen 31 auf dem Werkstück 30 durchzuführen. Andere geeignete Ausrichtungssysteme sind kommerziell erhältlich.
Zusätzlich verwenden Strahlpositioniersysteme 36 ebenfalls berührungslos Sensoren zur Detektion von geringen Abweichungen, um Abbe-Fehler aufgrund von Verschiebungen, Gieren oder Rollen der Stufen zu bestimmen, die nicht durch den auf den Achsen angebrachten Positionssensoren, wie beispielsweise einen Linearkodierer oder ein Laserinterferometer, angezeigt werden. Das Abbe-Fehler-Korrektursystem kann bezüglich eines genauen Referenzstandards kalibriert werden, so dass die Korrekturen nur von dem Detektieren von kleinen Änderungen der Sensormesswerte und nicht auf der absoluten Genauigkeit der Sensormesswerte abhängen. Ein solches Abbe-Fehler-Korrektursystem wird ausführlich in der internationalen Veröffentlichung. WO 01/52004 A1, die am 19. Juli 2001 veröffentlicht wurde, und in der US-Offenlegungsschrift Nr. 2001-0029674 A1, die am 18. Oktober 2001 veröffentlicht wurde, beschrieben. Die relevanten Abschnitte der Druckschrift der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 09/755,950 von Cutler sind hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Dem Fachmann sind viele Varianten von Positioniersystemen 36 wohl bekannt und einige Ausführungsformen von Positioniersystemen 36 sind ausführlich in dem US-Patent Nr. 5,751,584 von Cutler et al. beschrieben. Das ESI-Model 5320 Microvia-Bohrsystem, erhältlich bei Electro Scientific Industries, Inc. in Portland, Oregon stellt eine bevorzugte Implementation des Positioniersystems 36 dar und wurde für das Laserbohren von harzbeschichteten Kupfergehäusen für die Elektronikindustrie verwendet. Andere bevorzugte Positioniersysteme, wie die Modellseriennummern 27xx, 43xx, 44xx oder 53xx, die durch Electro Scientific Industries, Inc. in Portland, Oregon hergestellt werden, können ebenfalls verwendet werden. Für den Fachmann ist auch selbstverständlich, dass ein System mit einer einfachen X-Y-Stufe für die Werkstückpositionierung bei einer feststehenden Strahlposition und/oder bei einem stationären Galvanometer für die Strahlpositionierung alternativ verwendet werden kann. Der Fachmann erkennt, dass ein solches System so programmiert werden kann, um Werkzeugbahndateien zu verwenden, die dynamisch mit hohen Geschwindigkeiten die fokussierten Strahlimpulse 40 des UV-Lasersystems positionieren, um eine große Vielfalt von brauchbaren Mustern zu erzeugen, die entweder periodisch oder nichtperiodisch sind.
Die CPU 32 bewirkt, dass der Strom an die Dioden 14 angelegt wird oder dass sich der Strom durch die Dioden 14 erhöht, wenn entweder das Positioniersystem 36 einen neuen oder einen zweiten Zielbereich 31 erreicht oder kurz davor ist, ihn zu erreichen, oder nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach einem Aussschalten oder einer Reduktion des Diodenpumpens. Die CPU 32 steuert die Steuerung 38 des Güteschalters so an, dass der Güteschalter 24 geöffnet wird, um die Laserimpulse 60 mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate zu liefern, bis die zweite Bohrung hergestellt ist.
Das Profil der Pumpstromintervalle 50 kann moduliert werden, um die Form des Spitzenleistungsprofils der Laserimpulse 60 während des quasi-kontinuierlichen Pumpens zu steuern, so dass es während der Periode beispielsweise flach verläuft, von einem Tief zu einem Hoch ansteigt (wie in 2A gezeigt) oder von einem Hoch zu einem Tief abfällt. Weiterhin können die Stromprofile in ihren Amplituden moduliert werden, wobei beispielsweise eine hohe Spitzenleistung für das Bohren von Metallschichten und eine geringere Spitzenleistung für das Bohren von dielektrischen Schichten, wenn gewünscht, angelegt wird. Auf ähnliche Weise können die Zeitperioden für die Strompumpintervalle 50 angepasst werden, um die Größe, Tiefe und das Material der Bohrung, die gebohrt werden soll, einzustellen, wie z. B. längere Stromintervalle 50 für Bohrungen mit größerem Durchmesser. Die 2A und 2B zeigen, dass das Lasersystem 10 variable Perioden von Strompumpintervallen 50 und variable Perioden zwischen den Strompumpintervallen 50 erlaubt, jedoch nicht erfordert, während das Tastverhältnis unverändert bleiben kann. Das Tastverhältnis könnte jedoch ebenfalls variiert werden, wenn dies für die Form des Laserstrahls wünschenswert ist.
Die Wiederholungsrate des quasi-kontinuierlichen Pumpens kann auf einfache Weise bis auf 2 kHz eingestellt werden. Die Intervallzeit des quasi-kontinuierlichen Pumpen muss nicht konstant sein, solange die durchschnittliche thermische Belastung der Laserpumpdiode 14 und/oder des Lasermaterials 16 relativ konstant bleibt oder unterhalb des Niveaus für eine Hitzeschädigung bleibt.
In einer Ausführungsform werden die Dioden 14 und die Versorgungsquelle 34 eines kontinuierlich gepumpten UV-Lasersystems 10 mit 5 W geändert, so dass es für ein variables Strompumpen geeignet ist. Das resultierende Lasersystem 10 kann bei einem Tastverhältnis von 2:1 bei 500 Hz arbeiten. Die Dioden 14 pumpen das Lasermaterial 16 für 1 ms, bevor sie für eine weitere 1 ms anhalten. Somit kann während der Pumpperiode ungefähr zweimal soviel Strom in die Dioden 14 eingeprägt werden (ohne die durchschnittliche thermische Belastung der Dioden 14 oder des Lasermaterials 16 nachteilig zu beeinflussen). Somit kann die Laserleistung während dieser Pumpperiode von 1 ms mehr als zweimal so groß sein wie von einem vergleichbaren kontinuierlich-gepumpten Laser (insbesondere nach einer nichtlinearen Frequenzumwandlung). Der A-O Güteschalter 24, der in dem Laserresonator 12 verwendet wird, schaltet wiederholt, um die Laserimpulse 60 mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate von z. B. 10 kHz oder bis zu 50 kHz zu liefern.
Das Werkstück 30 kann beispielsweise ein IC-Chipgehäuse, ein MCM, ein Kondensator, eine Leiterplatte, ein Widerstand oder ein Hybrid- oder Halbleiterschaltkreis sein. Der Klarheit halber wird das Werkstück 30 nachfolgend lediglich mit vier Schichten beschrieben. Die obere und untere leitfähigen Schichten können z. B. herkömmliche Metalle wie z. B. Aluminium, Kupfer, Gold, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Wolfram, Metallnitride oder Kombinationen davon enthalten. Herkömmliche Metallschichten variieren in ihrer Dicke typischerweise zwischen 9–36 μm, können jedoch auch dünner oder dicker sein. Die leitfähigen Schichten sind typischerweise aus dem gleichen Material hergestellt.
Eine dielektrische Matrix oder Schicht ist zwischen den leitfähigen Schichten eingebettet und kann z. B. ein herkömmliches organisches dielektrisches Material wie z. B. Benzocyclobutan (BCB), Bismaleimidtriazin (BT), Pappe, Cyanatester, Epoxide, Phenole, Polyimide, Polytetrafluorethylen (PTFE), verschiedene Polymerlegierungen oder Kombinationen davon enthalten. Herkömmliche organische dielektrische Schichten schwanken bemerkenswert in ihrer Dicke, sind aber üblicherweise viel dicker als die Metallschichten. Beispielsweise liegt der Bereich für die Dicke von organischen dielektrischen Schichten bei ungefähr 30 bis 400 μm.
Die dielektrische Schicht kann auch einen üblichen Bestandteil zur Verstärkung aufweisen, der eine Fasermatte oder verteilte Partikel von beispielsweise Aramidfasern, Keramiken oder Glas aufweist, das im gesamten organischen Dielektrikum verwebt oder verteilt ist. Herkömmliche Bestandteile zur Verstärkung sind typischerweise einzelne Filamente oder Partikel von ungefähr 1-10 μm Größe und/oder verwebte Bündel von 10 μm bis mehreren Hundert μm. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass die Bestandteile zur Verstärkung als Pulver in das organische Dielektrikum hinzugefügt werden können und nicht zusammenhängend und uneinheitlich sein können. Solche zusammengesetzten oder verstärkten dielektrischen Schichten erfordern üblicherweise eine Laserbearbeitung mit einer höheren Fluenz, als die, die benötigt wird, um nichtverstärkte dielektrische Schichten abzutragen. Für den Fachmann ist es ebenfalls selbstverständlich, dass diese verschiedenen Schichten auch intern nicht-zusammenhängend, uneinheitlich und ungleichförmig sein können. Aufbauten mit mehreren Schichten von Metall, Dielektrikum und Verstärkungsmaterial können dicker als 2 mm sein.
Die Bohrungsdurchmesser liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 25-300 μm, wobei das Lasersystem 10 jedoch Bohrungen herstellen kann, die Durchmesser der Größe von ungefähr 5-25 μm oder mehr als 1 mm aufweisen. Weil die bevorzugte abgetragene Punktgröße der Laserimpulse 60 bei einem Durchmesser von ungefähr 25-75 μm liegt, können Bohrungen, die größer als 25 μm sind, durch Kernbohren, Bearbeitung in konzentrischen Kreisen oder mit Spiralbohrern erzeugt werden. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Bohrungen auch nicht-kreisförmig, wie beispielsweise quadratisch, rechtwinklig, oval, schlitzförmig oder in anderen Oberflächengeometrien gestaltet sein können.
Durchgangsbohrungen durchdringen sauber und gleichmäßig alle Schichten und Materialien des Werkstückes 30 und weisen vorzugsweise eine vernachlässigbare Verjüngung von der oberen Bohrungsöffnung zu der unteren Bohrungsöffnung auf. Sackbohrungen durchdringen nicht alle Schichten und/oder Materialien und enden typischerweise an einer unteren leitenden Schicht. Die genaue Auswahl der Laserparameter erlaubt es, dass die untere leitfähige Schicht nicht berührt wird, sogar wenn es denselben Metallbestandteil bzw. Bestandteile umfasst wie die obere Metallschicht.
Die Parameter des Laserstrahles 40 werden so ausgewählt, um ein im wesentlichen sauberes und aufeinanderfolgendes Bohren zu ermöglichen, d. h. die Gestaltung der Bohrung in einer großen Vielfalt von metallischen, dielektrischen und anderen Materialien, die verschiedene optische Absorptionen, Abtragungsschwellen oder andere von UV- oder sichtbarem Licht abhängige Eigenschaften aufweisen. Die Parameter des Laserstrahles 40 umfassen eine durchschnittliche Energie pro Puls, die größer ist als ungefähr 120 μJ, die an der Auftrefffläche gemessen wird, vorzugsweise mehr als 200 μJ; den Durchmesser der Strahlgröße auf den räumliche Hauptachsen von weniger als 50 μm und vorzugsweise von ungefähr 1-50 μm; eine Wiederholungsrate von mehr als ungefähr 1 kHz, vorzugsweise mehr als ungefähr 5 kHz und besonders bevorzugt sogar höher als 20 kHz; und eine Wellenlänge, die vorzugsweise zwischen ungefähr 190-532 nm liegt und besonders bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm liegt. Besonders bevorzugte Wellenlängen umfassen 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 349 nm oder 266 nm, sind aber darauf nicht beschränkt.
Die bevorzugten Parameter des Laserstrahls 40 sind so ausgewählt, um zu versuchen, bestimmte thermische Beschädigungen zu vermeiden, indem thermische Impulse mit Breiten von weniger als ungefähr 150 ns und vorzugsweise von ungefähr 40-90 ns oder geringer verwendet werden. Für den Fachmann ist es auch selbstverständlich, dass die Fleckgröße des Laserimpulses 60 im wesentlichen kreisförmig ist, kann jedoch auch leicht elliptisch sein. Bevorzugte Parameter für das UV-Laserbohren sind in den US-Patentschriften 5,593,606 und 5,841,099 offenbart.
Sackbohrungen, insbesondere Sackbohrungen mit großen Durchmessern, werden vorzugsweise durch einen Zweischrittprozess hergestellt, bei dem die leitfähige Schicht für alle Zielbereiche in dem ersten Schritt entfernt wird und dann während des zweiten Schrittes die dielektrische Schicht für alle Zielbereiche entfernt wird, wobei die Fluenz des Laserstrahls unter der Abtragungsschwelle der leitfähigen Schicht liegt. Nachdem die obere leitfähige Schicht bei allen Zielbereichen entfernt worden ist, kann die Fluenz für den Laserstrahl während des zweiten Schrittes reduziert werden, indem der Laserfleck defokussiert wird und/oder indem die Wiederholungsrate erhöht wird, oder indem der Strom durch die Laserpumpdiode 14 vermindert wird.
Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass Sackbohrungen auch in einem einzigen Schritt hergestellt werden können, wobei an jedem Zielbereich sowohl die leitfähigen als auch die dielektrische Schichten entfernt werden, bevor das Positioniersystem 36 zu einem weiteren Zielbereich 31 verfährt. Die Ein-Schritt-Bearbeitung wird bevorzugt, um Bohrungen mit geringerem Durchmesser herzustellen. In einem Ein-Schritt-Betrieb wäre es effizienter, eine durchschnittlich hohe Fluenz beizubehalten, wenn die Laserimpulse 60 beginnen, die dielektrische Schicht abzutragen. Wenn jedoch die Laserimpulse 60 die dielektrische Schicht entfernt haben und die untere leitfähige Schicht freilegen, so dass diese beginnt, Wärme von dem Laserstrahl 40 zu absorbieren, könnte die Schädigung der unteren leitfähigen Schicht reduziert werden, indem eine geringere Fluenz verwendet wird. Somit würde ein graduelles Defokussieren des Laserfleckes oder ein Vermindern des Pumpstroms während des Abtragens des Dielektrikums schneller und effizienter sein und die untere Metallschicht besser schützen als bei der Verwendung einer einzigen Fluenz für das Abtragen des Dielektrikums. Diese und andere Techniken für das Anpassen eines Laserstrahlenprofils für Bohrverfahren sind ausführlich in der US Patentanmeldung Nr. 09/823,922 und in der US Offenlegungsschrift US2001-0045419, die am 29. November 2001 veröffentlicht wurde, beschrieben. Auf die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen der US Patentanmeldung Nr. 09/823,922 wird hiermit Bezug genommen.
Es ist offensichtlich für den Fachmann, dass viele Änderungen an der oben beschriebenen Ausführungsform dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne von den zugrundeliegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Bereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt sein.
Ein quasi-kontinuierliches, Dioden- oder Lampen gepumptes, A-O, gütegeschaltetes Festkörper-UV-Lasersystem (10) synchronisiert das Timing des quasi-kontinuierlichen Pumpens mit der Bewegung des Positioniersystems (36), um das Pumpen zu reduzieren, während das Positioniersystem von einem Zielbereich (31) zu dem nächsten Zielbereich (31) verfährt, um mehrere Bohrungen in einem Substrat bei hohem Durchsatz herzustellen. Somit ist die verfügbare UV-Leistung für das Herstellen von Bohrungen größer, obwohl die durchschnittliche Pumpleistung für das Lasermaterial (16) und die thermische Belastung der Laserpumpdioden (14) dieselbe bleibt wie heutzutage bei dem herkömmliche kontinuierliche Pumpen mit üblicherweise verfügbaren Laserpumpdioden (14). Das quasi-kontinuierliche Pumpstromprofil kann weiterhin modifiziert werden, um ein bevorzugtes UV-Impuls-Amplituden- Profil zu realisieren.

Claims

Verfahren zum maschinellen Abtragen mindestens einer Schicht eines Zielmaterials an mehreren Zielbereichen eines Werkstückes mit einem Lasersystem, wobei das Lasersystem ein Festkörper-Lasermaterial und eine Pumpquelle verwendet, wobei die Pumpleistung des Festkörper-Lasermaterials auf ein Niveau begrenzt ist, den das Festkörper-Lasermaterial während einer längeren Zeitdauer einer thermisch induzierten Verformung standhalten kann, mit folgenden Schritten: Verfahren eines Strahlpositionierers zu einem ersten Zielbereich des Werkstückes; Versorgen der Laserpumpquelle mit einem Strom eines ersten höheren Stromniveaus, um das Festkörper-Lasermaterial während eines ersten Zeitintervalls zu pumpen; Betreiben eines akusto-optischen Güteschalters innerhalb des Resonators, um einen ersten Laserstrahl mit mindestens zwei Laserimpulsen bei einer Wiederholungsrate von mindestens 2 kHz während des ersten Zeitintervalls zu erzeugen; Richten des ersten Laserstrahls auf den ersten Zielbereich, um Zielmaterial von dem ersten Zielbereich abzutragen; Reduzieren des Stromes, mit dem die Laserpumpquelle versorgt wird, um die thermische Belastung innerhalb des Festkörper-Lasermaterials während eines zweiten Zeitintervalls zu reduzieren, auf ein niedrigeres Stromniveau; Verfahren des Strahlpositionierers während des zweiten Zeitintervalls auf einen zweiten Zielbereich auf dem Werkstück, der von dem ersten Zielbereich verschieden ist; Erhöhen des Niveaus des Stromes, mit dem die Laserpumpquelle versorgt wird, um das Festkörper-Lasermaterial während eines dritten Zeitintervalls zu pumpen, auf ein zweites höheres Stromniveau; Ansteuern des Güteschalters, um einen zweiten Laserstrahl mit mindestens zwei Laserimpulsen bei einer Wiederholungsrate von mindestens 2 kHz während des dritten Zeitintervalls zu erzeugen; und Richten des zweiten Laserstrahls auf den zweiten Zielbereich, um Zielmaterial von dem zweiten Zielbereich abzutragen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserpumpquelle eine Laserpumpdiode umfasst und wobei der erste und zweite Laserstrahl Strahlleistungsniveaus aufweisen, die gemäß einer Funktion des Stromniveaus, mit dem die Laserpumpdiode versorgt wird, variieren, und wobei die Laserpumpdiode eine Strom-induzierte, kumulative, Temperaturabhängige Pumpkapazität aufweist, die die Höhe der Pumpleistung begrenzt, die von der Laserpumpdiode an das Lasermaterial während des ersten bis dritten Zeitintervalls geliefert werden kann, so dass es das niedrigere Stromniveau, das während des zweiten Zeitintervalls geliefert wird, ermöglicht, dass das höhere Stromniveau, das während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert wird, ein maximales kontinuierliches Stromniveau der Laserpumpdiode über ein kontinuierliches Zeitintervall, das dem ersten bis dritten Zeitintervall entspricht, übersteigt, und so dass das Strahlleistungsniveau des ersten und zweiten Laserstrahls bei einer gegebenen Pulswiederholungsrate ein maximales Leistungsniveau des kontinuierlich gepumpten Laserstrahles bei der gegebenen Pulswiederholungsrate übersteigt, wenn das Lasermaterial durch die Laserpumpdiode mit dem maximalen kontinuierlichen Stromniveau gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Strahlleistungsniveau des ersten und zweiten Laserstrahls das maximale Leistungsniveau des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls übersteigt und der erste und der zweite Laserstrahl eine erste Schicht des Zielmaterials von dem ersten Zielbereich und dem zweiten Zielbereich abträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste oder zweite höhere Stromniveau niedriger sein kann als das maximale kontinuierliche Stromniveau.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Lasersystem einen Bohrdurchsatz aufweist, der als eine Funktion der Leistungsniveaus der Laserstrahlen variiert, und wobei der Bohrdurchsatz einen maximalen Bohrdurchsatz eines kontinuierlich gepumpten Lasers für das Lasersystem übersteigt, wenn das Lasersystem bei der maximalen Leistung des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das dritte Zeitintervall gleichen Zeiten entsprechen und wobei gleiche Strommengen während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das dritte Zeitintervall verschiedenen Zeiten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Strommenge während des ersten Zeitintervalls und eine dritte Strommenge während des dritten Zeitintervalls geliefert werden, wobei die erste und die dritte Strommenge verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das niedrigere Stromniveau im wesentlichen keinen Stromfluß umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und/oder zweite höhere Stromniveau so moduliert sind, dass sie mindestens einen ersten und einen zweiten, verschiedenen Stromniveauwert während des ersten und dritten Zeitintervalls aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste Stromniveauwert höher ist als der zweite Stromniveauwert, wobei der erste Stromniveauwert während des Abtragens einer Metallschicht innerhalb des Zielbereichs angelegt wird und der Wert des zweiten Stromniveaus während des Abtragens einer dielektrischen Schicht innerhalb der Zielbereiche angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Laserstrahl Leistungsniveaus aufweisen, die als Funktion des Stromniveaus, mit dem die Laserpumpdiode versorgt wird, variieren, und wobei das Lasermaterial eine thermisch-induzierte, kumulative Verformung aufweist, die die Höhe der Pumpleistung begrenzt, die an das Lasermaterial während des ersten bis dritten Zeitintervall angelegt werden kann, so dass ein niedrigeres Niveau der Pumpleistung, die an das Lasermaterial während des zweiten Zeitintervalls geliefert wird, ein höheres Niveau der Pumpleistung, die während dem ersten und dritten Zeitintervall an das Lasermaterial geliefert wird, ermöglicht, um eine maximale kontinuierliche Pumpleistung für das Lasermaterial während eines kontinuierlichen Zeitintervalls, das dem ersten bis dritten Zeitintervall entspricht, zu übersteigen, und so dass die Leistungsniveaus des ersten und zweiten Laserstrahls ein maximales Leistungsniveau des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls übersteigen, wenn das Lasermaterial mit der maximalen kontinuierlichen Pumpleistung gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Lasersystem einen Bohrdurchsatz aufweist, der als Funktion der Leistungsniveaus der Laserstrahlen variiert und wobei der Bohrdurchsatz einen maximalen Bohrdurchsatz eines kontinuierlich gepumpten Lasers für das Lasersystem übersteigt, wenn das Lasersystem bei der maximalen Leistung des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Güteschalter Laserimpulse mit einer Wiederholungsrate von mehr als 2 kHz erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Laserstrahl eine Wellenlänge aufweist, die kürzer ist als ungefähr 400 nm.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und zweite Laserstrahl eine Wellenlänge umfassen, die von einem YAG- oder YLF- Laser emittiert wird, oder eine der Harmonischen dieser Wellenlängen, einschließlich aber nicht beschränkt auf 1064 nm, 532 nm, 355 nm oder 266 nm.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strahlpositionierer die Strahlposition von dem zweiten Zielbereich zu einem dritten diskreten Zielbereich während eines vierten Zeitintervalls ändert, das einer von dem zweiten Zeitintervall verschiedenen Zeitdauer entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrungen in einer einzigen Schicht in einem Einschritt-Betrieb hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrungen durch mehr als eine Zielschicht in einem Zweitschritt-Betrieb hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrungen durch mehr als eine Zielschicht in einem Einschritt-Betrieb hergestellt werden.
Lasersystem zum Bearbeiten von wenigstens einer Schicht eines Zielmaterials eines Werkstückes an mehreren diskreten Zielbereichen, umfassend: ein Festkörper-Lasermaterial, dass innerhalb eines Laserresonators angeordnet ist, um mindestens einen ersten und einen zweiten Laserstrahl in Richtung einer Strahlposition entlang eines optischen Pfades zu generieren; eine Laserpumpdiode zum Pumpen des Festkörper-Lasermaterials während zumindest eines ersten und eines dritten Zeitintervalls, die sich nicht überlappen; eine variabel steuerbare Stromversorgung, um ein höheres Stromniveau an die Laserpumpdiode während des ersten und dritten Zeitintervalls zu liefern und um ein niedrigeres Stromniveau während eines zweiten Zeitintervalls zwischen dem ersten und dritten Zeitintervalls zu liefern; ein akusto-optischer Güteschalter, der innerhalb des Resonators angeordnet ist, um zumindest zwei Laserimpulse jeweils für den ersten und zweiten Laserstrahl während des ersten und dritten Zeitintervalls zur Verfügung zu stellen; ein Strahlpositionierer, um die Strahlposition des ersten Laserstrahls auf einen ersten Zielbereich während des ersten Zeitintervalls zu richten, und um die Strahlposition des zweiten Laserstrahls auf einen zweiten Zielbereich während des dritten Zeitintervalls zu richten, und um die Strahlposition von dem ersten Zielbereich zu dem zweiten Zielbereich während des zweiten Zeitintervalls zu ändern; und eine Schnittstellensteuerung, um direkt oder indirekt die Aktivität des Strahlpositioniersystems, der Stromversorgung und des Güteschalters zu koordinieren, so dass die Stromversorgung das höhere Stromniveau an die Laserpumpdiode während des ersten und dritten Zeitintervalls liefert, wenn der erste und zweite Laserstrahl generiert wird, und das niedrigere Stromniveau während des zweiten Zeitintervalls liefert, wenn die Strahlposition geändert wird.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der erste und zweite Laserstrahl Leistungsniveaus aufweisen, die als Funktion des Stromniveaus, mit dem die Laserpumpdiode versorgt wird, variieren, und wobei die Laserpumpdiode eine Strom-induzierte, kumulative Temperatur-abhängige Pumpkapazität aufweist, die die Höhe der Pumpleistung, die von der Laserdiode an das Lasermaterial während des ersten bis dritten Zeitintervalls geliefert werden kann, begrenzt, so dass es das niedrigere Stromniveau, das während des zweiten Zeitintervalls geliefert werden kann, ermöglicht, dass das höhere Stromniveau, das während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert wird, ein maximales kontinuierliches Stromniveau für die Laserdiode während eines kontinuierlichen Zeitintervalls, das den ersten bis dritten Zeitintervallen entspricht, übersteigt, und dass die Leistungsniveaus des ersten und zweiten Laserstrahls bei einer gegebenen Pulswiederholungsrate eine für den kontinuierlich gepumpten Laser maximale Leistung für das Lasermaterial bei der gegebenen Pulswiederholungsrate übersteigen, wenn dieses durch die Laserpumpdiode mit dem maximalen kontinuierlichen Stromniveau gepumpt wird.
Lasersystem nach Anspruch 22, wobei das Lasersystem einen Bohrdurchsatz aufweist, der als Funktion der Leistungsniveaus der Laserstrahlen variiert, und wobei der Bohrdurchsatz einen maximalen Bohrdurchsatz eines kontinuierlich gepumpten Lasers für das Lasersystem in einem Lasersystem übersteigt, wenn das Lasersystem bei der maximalen Leistung des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls betrieben wird.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das erste und das dritte Zeitintervall gleichen Zeitdauern entsprechen.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das erste und dritte Zeitintervall verschiedenen Zeitdauern entsprechen.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das höhere Stromniveau, das während des ersten und des dritten Zeitintervalls geliefert wird, gleichen Strömen entsprechen.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das höhere Stromniveau, das während des ersten Zeitintervalls geliefert wird, von dem höheren Stromniveau, das während des dritten Zeitintervalls geliefert wird, verschieden ist.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das niedrigere Stromniveau im wesentlichen keinen Stromfluss aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das höhere Stromniveau zumindest einen ersten und zweiten, verschiedenen Stromniveauwert jeweils während des ersten und des dritten Zeitintervalls aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 29, wobei der erste und zweite Stromniveauwert während des Abtragens einer einzelnen Materialschicht in den Zielbereichen angelegt werden.
Lasersystem nach Anspruch 29, wobei der erste Stromniveauwert höher ist als der zweite Stromniveauwert, wobei der erste Stromniveauwert während des Abtragens einer Metallschicht innerhalb der Zielbereiche angelegt wird und der zweite Stromniveauwert während des Abtragens einer dielektrischen Schicht innerhalb der Zielbereiche angelegt wird.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der erste und der zweite Laserstrahl Leistungsniveaus aufweisen, die als Funktion des Stromniveaus, das an die Laserpumpdiode geliefert wird, variieren, und wobei das Lasermaterial eine thermisch-induzierte, kumulative Verformung aufweist, die die Höhe der Pumpleistung begrenzt, der das Lasermaterial während des ersten bis dritten Zeitintervalls standhalten kann, so dass es ein niedriges Pumpleistungsniveau, das an das Lasermaterial während des zweiten Zeitintervalls geliefert wird, ermöglicht, dass ein höheres Pumpleistungsniveau, das an das Lasermaterial während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert wird, eine maximale kontinuierliche Pumpleistung des Lasermaterials während eines kontinuierlichen Zeitintervalls, das dem ersten bis dritten Zeitintervall entspricht, übersteigt, und so dass die Leistungsniveaus des ersten und zweiten Laserstrahls das maximale Leistungsniveau eines kontinuierlich gepumpten Laserstrahls übersteigt, wenn das Lasermaterial mit der maximalen kontinuierlichen Pumpleistung gepumpt wird.
Lasersystem nach Anspruch 32, wobei das Lasersystem einen Bohrdurchsatz aufweist, der als Funktion der Leistungsniveaus der Laserstrahlen variiert, und wobei der Bohrdurchsatz einen maximalen Bohrdurchsatz eines kontinuierlich gepumpten Lasers für das Lasersystem übersteigt, wenn das Lasersystem bei der maximalen Leistung des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls betrieben wird.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der Güteschalter Laserimpulse mit einer Wiederholungsrate von mehr als 2 kHz erzeugt.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der erste und zweite Laserstrahl eine Wellenlänge aufweisen, die kleiner ist als ungefähr 400 nm.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der erste und zweite Laserstrahl eine Wellenlänge aufweisen, die von einem YAG- oder YLF-Laser emittiert wird, oder die einer der Harmonischen dieser Wellenlängen, einschließlich aber nicht beschränkt auf 1064 nm, 532 nm, 355 nm, oder 266 nm.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der Strahlpositionierer die Strahlposition von dem zweiten Zielbereich zu einem dritten diskreten Zielbereich während eines vierten Zeitintervalls, das eine unterschiedliche Zeitdauer hat als das zweite Zeitintervall, ändert.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei Bohrungen durch mehr als eine Schicht in einem Einschritt-Betrieb hergestellt sind.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei Bohrungen durch mehr als eine Zielschicht in einem Zweischritt-Betrieb hergestellt sind.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei der Strahlpositionierer die Strahlposition von dem zweiten Zielbereich zu dem dritten diskreten Zielbereich während eines vierten Zeitintervalls ändert, das eine unterschiedliche Zeitdauer als das zweite Zeitintervall aufweisen kann, wobei das erste und dritte Zeitintervall verschiedenen Zeitdauern entsprechen können, und wobei das höhere Stromniveau, das während des ersten Zeitintervalls geliefert wird, von dem höheren Stromniveau, das während des dritten Zeitintervalls geliefert wird, verschieden sein kann.
Verfahren zum maschinellen Abtragen mindestens einer Schicht eines Zielmaterials an mehreren Zielbereichen eines Werkstückes mit einem Lasersystem, wobei das Lasersystem eine Laserpumpdiode und einen Festkörperlaser verwendet, wobei die Laserpumpdiode eine Strom-induzierte, kumulative, temperaturabhängige Pumpkapazität aufweist, die die Höhe der Pumpleistung, die die Laserpumpdiode an das Festkörpermaterial während einer längeren Zeitdauer liefern kann, begrenzt, mit folgenden Schritten: Richten eines Strahlpositionierers auf einen ersten Zielbereich eines Werkstückes; Liefern eines Stromes mit einem ersten höheren Stromniveau an die Laserpumpdiode, um das Festkörper-Lasermaterial zu pumpen; Betreiben eines akusto-optischen Güteschalters innerhalb des Resonators, um einen ersten Laserstrahl zu erzeugen, der mindestens zwei Laserimpulse mit einer Wiederholungsrate von mindestens 2 kHz aufweist; Richten des ersten Laserstrahls auf den ersten Zielbereich, um Zielmaterial von dem ersten Zielbereich abzutragen; Reduzieren des Stroms, mit dem die Laserpumpdiode versorgt wird, auf ein niedrigeres Stromniveau, um die thermische Belastung der Laserpumpdiode zu reduzieren; Richten des Strahlpositionierers auf einen zweiten Zielbereich des Werkstücks, das von dem ersten Zielbereich verschieden ist; Erhöhen des Stromes, der an die Laserpumpdiode geliefert wird, auf ein zweites höheres Stromniveau, um das Festkörper-Lasermaterial zu pumpen; Betreiben des Güteschalters, um einen zweiten Laserstrahl mit mindestens zwei Laserimpulsen bei einer Wiederholungsrate von mindestens 2 kHz zu erzeugen; und Richten des zweiten Laserstrahls auf den zweiten Zielbereich, um Zielmaterial von dem zweiten Zielbereich abzutragen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höheren Pumpniveau in einem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem niedrigeren Stromniveau in dem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei der erste und zweite Laserstrahl Strahlleistungsniveaus aufweisen, die als Funktion des Stromniveaus, das an die Laserpumpdiode geliefert wird, variieren, und wobei die Laserpumpdiode eine Strom-induzierte, kumulative, temperaturabhängige Pumpkapazität aufweist, die die Höhe der Pumpleistung begrenzt, die von der Laserdiode an das Lasermaterial während des ersten bis dritten Zeitintervalls geliefert werden kann, so dass es das niedrigere Stromniveau, das während des zweiten Zeitintervalls geliefert wird, ermöglicht, dass das erste und zweite höhere Stromniveau, das während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert werden, ein maximales kontinuierliches Stromniveau der Laserdiode während eines kontinuierlichen Zeitintervalls, das dem ersten bis dritten Zeitintervall entspricht, übersteigt, und dass die Strahlleistungsniveaus des ersten und zweiten Laserstrahls bei einer gegebenen Pulswiederholungsrate das maximale kontinuierliche Leistungsniveau eines gepumpten Laserstrahls, wenn das Lasermaterial bei der gegebenen Pulswiederholungsrate durch die Laserpumpdiode mit einem maximalen kontinuierlichen Stromniveau gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das Lasersystem einen Bohrdurchsatz aufweist, der als Funktion der Strahlleistungsniveaus der Laserstrahlen variiert, und wobei der Bohrdurchsatz einen maximalen Bohrdurchsatz eines kontinuierlich gepumpten Lasers für das Lasersystem übersteigt, wenn das Lasersystem bei der maximalen Leistung des kontinuierlich gepumpten Lasers betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höheren Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem niedrigeren Stromniveau in dem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei das erste und dritte Zeitintervall gleichen Zeitdauern entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höheren Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem geringeren Stromniveau in dem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei das erste und dritte Zeitintervall unterschiedlichen Zeitdauern entspricht.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höheren Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes mit dem niedrigeren Stromniveau an die Laserpumpdiode in einem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei gleiche Strommengen während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert werden.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höheren Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes mit dem niedrigeren Stromniveau an die Laserpumpdiode in dem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei verschiedene Strommengen während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert werden.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das niedrigere Stromniveau im Wesentlichen keinen Stromfluss aufweist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höhere Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem niedrigeren Stromniveau in dem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei das erste und zweite hohe Stromniveau jeweils mindestens einen ersten und zweiten, verschiedenen Stromniveauwert während des ersten bzw. dritten Zeitintervalls aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei der erste und zweite Stromniveauwert während des Abtragens einer einzelnen Materialschicht innerhalb des Zielbereiches angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei der erste Stromniveauwert höher ist als der zweite Stromniveauwert, wobei der erste Stromniveauwert während des Abtragens einer Metallschicht innerhalb des Zielbereiches angelegt wird und der zweite Stromniveauwert während des Abtragens einer dielektrischen Schicht innerhalb des Zielbereiches angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten höhere Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem geringeren Stromniveau in dem zweiten Zeitintervall erfolgt, wobei der erste und der zweite Laserstrahl Strahlleistungsniveaus aufweisen, die als Funktion des Stromniveaus, das an die Laserpumpdiode geliefert wird, variieren, und wobei das Lasermaterial einer begrenzten Menge einer Pumpleistung, die zur thermisch-induzierten Verformung führt, während des ersten bis dritten Zeitintervalls standhalten kann, so dass es ein niedrigeres Pumpleistungsniveau, das an das Lasermaterial während des zweiten Zeitintervalls geliefert wird, ermöglicht, dass ein hohes Pumpleistungsniveau, das an das Lasermaterial während des ersten und dritten Zeitintervalls geliefert wird, eine maximale kontinuierliche Pumpleistung eines Lasermaterials während eines kontinuierlichen Zeitintervalls, das den ersten bis dritten Zeitintervallen entspricht, übersteigt, und dass die Strahlleistungsniveaus des ersten und zweiten Laserstrahls ein maximales Strahlleistungsniveau eines kontinuierlich gepumpten Lasers übersteigen, wenn das Lasermaterial mit der maximalen kontinuierlichen Pumpleistung gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Lasersystem einen Bohrdurchsatz aufweist, der als Funktion der Strahlleistungsniveaus der Laserstrahlen variiert, und wobei der Bohrdurchsatz den maximalen Bohrdurchsatz eines kontinuierlich gepumpten Lasers für das Lasersystem übersteigt, wenn das Lasersystem, bei der maximalen Leistung des kontinuierlich gepumpten Laserstrahls betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Güteschalter Laserimpulse mit einer Wiederholungsrate von mehr als 2 kHz erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der erste und zweite Laserstrahl eine Wellenlänge kleiner als ungefähr 400 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der erste und zweite Laserstrahl eine Wellenlänge aufweisen, die von einem YAG- oder YLF-Laser emittiert wird, oder eine Harmonische der Wellenlängen, einschließlich aber nicht beschränkt auf 1064 nm, 532 nm, 355 nm, oder 266 nm.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Liefern des Stromes an die Laserpumpdiode mit dem ersten und zweiten hohen Stromniveau in dem ersten bzw. dritten Zeitintervall erfolgt, wobei das Liefern des Stromes mit dem niedrigen Stromniveau an die Laserpumpdiode in einem zweiten Zeitintervall erfolgt, und wobei der Strahlpositionierer die Strahlposition von dem zweiten Zielbereich zu einem dritten diskreten Zielbereich während eines vierten Zeitintervalls, dessen Zeitdauer von der des zweiten Zeitintervalls verschieden ist, ändert.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei Bohrungen in einer einzelnen Schicht in einem Einschritt-Betrieb hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei Bohrungen durch mehr als eine Zielschicht in einem Zweischritt-Betrieb hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bohrungen durch mehr als eine Zielschicht in einem Einschritt-Betrieb hergestellt werden.