ES2558533T3 - Método de y aparato para generar un pulso de láser al controlar un modulador - Google Patents

Abstract

Un método para generar un pulso de láser de una energía deseada, el método que comprende las etapas de: (a) proporcionar un rayo de luz de una fuente (1) de láser; en donde la fuente (1) de láser es un láser de dióxido de carbono caracterizado porque el método comprende adicionalmente: (b) dirigir el rayo de luz por medio de un modulador (3), el modulador modula operablemente el rayo para producir un pulso de láser de salida; (c) dirigir una parte del pulso de láser de salida a un detector (21) y por lo tanto determinar la energía del pulso de láser de salida; y (d) controlar el modulador (3) con el propósito de apagar el pulso de láser de salida cuando la energía determinada del pulso de láser de salida alcanza un valor umbral;

Description

DESCRIPCIÓN

Método de y aparato para generar un pulso de láser al controlar un modulador

La presente invención se relaciona con un método de y un aparato para generar un rayo láser pulsado. En particular 5 un método de, y un aparato para, generar pulsos de láser de energía deseada de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 7 respectivamente (véase, por ejemplo, documento US 353 296 A) y establecer opcionalmente el espectro de longitud de onda, y dirigir el rayo de cada pulso de láser.

Antecedentes de la Invención 10

Los láseres se utilizan ampliamente para propósitos de fabricación de precisión, tal como el micromecanizado de metales, cerámicas, cristales y vidrios. En muchas aplicaciones de micromecanizado láser, se utilizan láseres pulsados para retirar la cantidad controlada de material con cada pulso. En particular, al variar la ubicación y energía de cada pulso suministrado, se puede generar una forma neta. 15

La precisión de la generación de la forma neta mediante micromecanizado de precisión de láser pulsado, por ejemplo la fabricación de microópticos en sílice fusionado, depende de la precisión y estabilidad de la energía de los pulsos suministrados. En dichas aplicaciones, el control de profundidad del retiro del material normalmente necesita que sea ~0.5% o mejor, imponiendo un requerimiento similar en la precisión y estabilidad de energía de pulso. La 20 precisión y estabilidad de la dirección del rayo también son críticas, cuando la dirección del rayo determina normalmente la ubicación en la que el punto de láser es incidente en la pieza de trabajo, que a su vez afecta la distribución espacial del material retirado y por lo tanto la forma neta generada. La estabilidad espectral también es importante debido a que la longitud de onda de la fuente puede afectar directamente la cantidad de material retirado, y también puede afectar las propiedades de los componentes ópticos en el sistema. En particular, cuando se utiliza 25 un modulador acustoóptico (AOM) para modular energía de pulso de un rayo de difracción de primer orden, un cambio en el espectro de fuente conducirá a un cambio en el ángulo de difracción y por lo tanto modificará la posición de aterrizaje del punto. Esto puede conducir a un punto láser alargado o fuera de lugar en la pieza de trabajo, afectando por lo tanto la forma neta generada. Este efecto, en principio, se puede evitar al tomar el rayo de orden 0 como la salida, pero tiene la desventaja que se debe al contraste limitado del rayo de salida AOM que nunca 30 se puede apagar completamente.

Una consecuencia adicional de utilizar un AOM es que se presenta un componente indeseado, adicional de deflexión de rayos que varía con potencia de accionamiento RF. Esto resulta en un acoplamiento cruzado indeseable entre la transmisión AOM, que se utiliza para controlar la energía de pulso, y la dirección del rayo, que 35 afecta en donde el punto de láser aterriza en la pieza de trabajo.

Muchos láseres de onda continua (CW) exhiben fluctuaciones de potencia temporales mayores de 2%. Los láseres pulsados normalmente exhiben fluctuaciones de energía pulso a pulso de una magnitud similar.

40

Se han hecho intentos para abordar estos problemas. Por ejemplo, el control de circuito cerrado de la dirección del láser puede reducir la variabilidad pulso a pulso en energía de pulso, pero en muchos casos esta técnica no proporciona suficiente estabilidad de energía de pulso para lograr micromecanizado de precisión, y es difícil implementarse en la práctica, debido a que requiere frecuentemente un suministro de potencia más complejo. Este método tampoco aborda fluctuaciones en el espectro de láser y dirección del rayo láser. 45

La publicación de solicitud de patente Estadounidense US2005/0270631 A1 propone el uso de control de circuito cerrado para generar pulsos de salida de energía fija de una fuente de láser con fluctuación de energía de pulso. Este método calcula una señal de control de modulador para atenuación de un pulso dado utilizando mediciones de energía de pulso de salida previas. Este método de control de circuito cerrado requiere un alto grado de correlación 50 de energía de pulso de pulso a pulso, que no se puede corregir para fluctuaciones de energía de pulso que no se correlacionan temporalmente.

La patente Estadounidense 4277146 propone medios para limitar la potencia instantánea pico de un pulso de láser individual, utilizando una celda Pockels. Este método solo empieza a atenuar el rayo cuando excede un nivel umbral 55 preestablecido, y no afecta la potencia transmitida mientras que permanece por debajo de este nivel umbral. Aunque este método controla la potencia pico máxima del rayo para cada pulso individual, no determina la energía de pulso de salida. Este método requiere el control de circuito cerrado de la potencia de láser dentro del pulso individual, y de esta forma requiere un modulador cuyo tiempo de respuesta sea mucho más corto que el ancho del pulso de láser. La estabilidad de los sistemas de control de circuito cerrado es muy sensible a retardo en el filtro del circuito, y de 60 esta forma aunque este método es bien adecuado para uso con moduladores rápidos, tales como la celda Pockels, es menos adecuado utilizarlo con moduladores tales como AOM, en donde el retardo de tiempo se debe a propagación acústica que es frecuentemente significativa en la escala de tiempo del pulso de láser.

La publicación de solicitud de patente Estadounidense US2005/0270631 A1 también propone medios para 65 estabilizar la dirección del rayo láser utilizando dos o más AOM, o un compuesto AOM que incorpora dos campos

acústicos de difracción ortogonales. Este método tiene la desventaja que el uso de múltiples difracciones Bragg es costoso, complejo, y reduce la eficiencia del sistema. Este método también requiere electrónica compleja para modular la frecuencia de dirección AOM como parte del sistema de control, que aumenta el coste del sistema.

Se describe un sistema de exposición en el documento US4947047 que utiliza un láser pulsado, tal como un 5 excímero, como la fuente de láser para exposición. Para control de exposición, se utiliza un elemento acustoóptico. Más específicamente, el elemento acustoóptico se utiliza para modular la intensidad de un rayo láser pulsado emitido del láser excímero, para permitir por lo tanto control preciso de la exposición agregada sobre múltiples pulsos con respecto a una placa que tiene un recubrimiento resistente.

10

El documento JP 6142953 describe una máquina de rayos láser con fotodiodos del tipo “quadrisplit” para detectar una posición de irradiación con luz láser de un oscilador láser de detección de posición a través de escáneres ópticos. Para una posición de ajuste de estos fotodiodos una salida del fotodiodo mediante una luz láser de detección de posición al momento cuando los escáneres ópticos se fijan en una posición original preestablecida se hace una cantidad de desviación desde la posición original. También, una salida del fotodiodo mediante luz láser al 15 momento cuando los escáneres ópticos se fijan en una posición de detección de ganancia preestablecida se hace una cantidad de desviación desde la ganancia normal. De acuerdo con estas cantidades de desviación, se corrige un movimiento del escáner.

El documento US2002/153362 describe un sistema para crear un patrón en una pieza de trabajo sensible a 20 radiación de luz, tal como una fotomáscara, un panel de visualización o un dispositivo microóptico, que comprende una fuente para emitir pulsos de luz en el rango de longitud de onda de EUV a IR, un modulador de luz espacial (SLM) que tiene por lo menos un elemento de modulación (pixel), adaptado para ser iluminado mediante por lo menos un pulso de luz emitida y un sistema de proyección que crea una imagen del modulador en la pieza de trabajo. Adicionalmente, el sistema comprende un detector de pulso rápido para detectar una energía de pulso de 25 salida de cada pulso individual y producir cada dicho pulso individual, una señal que corresponde a la energía de pulso de salida de dicho pulso individual, un interruptor que tiene tiempos de respuesta en el rango de nanosegundos o sub-nanosegundos para bloquear partes de cada pulso, dicho interruptor se configura para ser controlado mediante dichas señales de dicho detector de pulso final, con el propósito de controlar la salida de energía de cada pulso individual en aproximadamente una salida de energía deseada con base en la medición de 30 energía de pulso de salida de dicho pulso individual.

El documento US4949345 describe un sistema en el que los efectos de polarización aleatoria de un rayo láser se reducen al separar el rayo láser polarizado en el primer y segundo componentes polarizados que son ortogonales entre sí, y miden la energía en cada uno del primer y segundo componentes. La energía total en ambos del primer y 35 segundo componentes se comparan con un nivel de energía predeterminado. La salida de energía del rayo láser se controla en respuesta a la comparación medida.

En un ejemplo específico, de acuerdo con la presente invención, se utilizan láseres de dióxido de carbono pulsados (CO2) para fabricar microópticos de sílice fusionado al retirar el material a partir de un blanco de sílice fusionado 40 inicialmente plano, para generar una forma de superficie neta con una función óptica específica, por ejemplo un lente. En otro ejemplo, de acuerdo con la presente invención, los láseres CO2 de onda continua (CW) también se han utilizado para fabricar microópticos.

Un láser de CO2 CW estabilizado en longitud de onda se puede modular en amplitud para generar pulsos. Sin 45 embargo, aunque dicho láser exhibe un espectro estable, con bastante bajo ruido y bastante dirección estable, la potencia media alta a través de componentes ópticos posteriores puede provocar efecto térmico del lente y los pulsos pueden tener potencia de bajo pico inconveniente.

Alternativamente, los láseres de CO2 pulsados excitados por RF tienen coste menor, son más robustos y 50 ampliamente disponibles, y se pueden configurar para exhibir alta potencia pico y baja potencia media. Sin embargo, para aplicaciones tales como micromecanizado de precisión láser, dichos láseres exhiben un espectro inestable, repetición de pobre energía pulso a pulso y variación de dirección de rayo pulso a pulso significativa.

En ambos casos, el mejor modulador externo es normalmente un AOM. Sin embargo, se sabe que variar la potencia 55 de dirección RF a un rayo que se dirige normalmente a AOM, puede provocar errores de aterrizaje de punto en la pieza de trabajo. Por lo tanto estos métodos tienen un requerimiento para estabilización de energía de pulso, control de dirección del rayo, estabilización espectral.

Por lo tanto es un objeto de por lo menos una realización de la presente invención proporcionar un método para 60 generar un pulso de láser que obvia y mitiga una o más de las desventajas y limitaciones de la técnica anterior.

Más aún, por lo tanto es un objeto de por lo menos una realización de la presente invención proporcionar un aparato para generar un pulso de láser que obvia y mitiga una o más de las desventajas y limitaciones de la técnica anterior.

65

Resumen de la Invención

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para generar un pulso de láser de energía deseada de acuerdo con la reivindicación 1.

5

De esta forma, se puede controlar la generación de y la energía deseada de un pulso suministrado, único. Adicionalmente, se puede controlar la energía de pulso con alta precisión en una base pulso a pulso, independiente de cualesquiera fluctuaciones en potencia desde la fuente de láser. Cuando se utiliza con una fuente de láser de onda continua (CW), el método produce pulsos de salida de energía deseados (es decir en el umbral) y elimina el ruido de la intensidad del láser. 10

Cuando se utiliza con una fuente de láser pulsada, el método permite la modificación de un pulso existente (por ejemplo al truncar el pulso) para modificar la energía total del mismo.

Preferiblemente, la etapa de determinar la energía del pulso de láser de salida comprende redirigir una parte del 15 pulso de láser a un detector y medir la energía de la parte del pulso de láser.

Dicha parte se puede redirigir utilizando un reflector parcial y dicho detector puede ser un detector integrado (por ejemplo un detector piroeléctrico) o detectar instantáneamente la potencia para integración posterior (por ejemplo en electrónica). 20

Opcionalmente, el método comprende la etapa adicional de controlar el modulador con el propósito de iniciar el pulso de láser en un periodo predeterminado.

Controlar el tiempo de inicio del pulso de láser tiene ventajas particulares cuando se utilizan con una fuente de láser 25 pulsada. Dichos pulsos de láser de fuente (es decir de la fuente de láser pulsada) tienden a exhibir inestabilidad espectral en encendido. El tiempo de inicio se puede establecer con el propósito de cortar efectivamente una parte de inicio inestable de un pulso de láser.

Preferiblemente, el método comprende la etapa adicional de controlar la fuente de láser. 30

Controlar la fuente de láser permite un nivel adicional de control sobre la generación de un pulso de láser de energía deseada.

Opcionalmente, controlar la fuente de láser comprende proporcionar una señal de control de láser que provoca que 35 la fuente de láser emita un pulso de láser de fuente predeterminada.

Cuando la fuente de láser se controla con el propósito de emitir un pulso de láser de fuente predeterminada y el modulador se controla con el propósito de iniciar el pulso de láser en un periodo predeterminado, se puede lograr un gran control durante el tiempo y estabilidad espectral del pulso de láser, especialmente debido a que el método 40 puede permitir la truncación del pulso de láser de fuente para cortar la parte de extremo inestable del pulso de láser de fuente.

Preferiblemente, la etapa de proporcionar el rayo de luz de la fuente de láser comprende proporcionar la fuente de láser con una señal de control de láser de una duración predeterminada D1 para proporcionar un pulso de láser de 45 fuente de duración correspondiente, como se ilustra en la Figura 2.

Preferiblemente, la etapa de modular el rayo comprende proporcionar el modulador con una señal de control de modulador de una duración predeterminada D3 que corresponde con una duración deseada del pulso de láser de salida, D3 es menor de D1. 50

Preferiblemente, se presenta un retardo predeterminado D2 entre la señal de control de láser y la señal de control de modulador. Preferiblemente D2 + D3 < D1. Preferiblemente, D2 se selecciona de tal manera que la señal de control de modulador corresponde a una región espectralmente estable del pulso de láser de fuente.

55

Preferiblemente, la etapa de controlar el modulador comprende controlar la duración D3 de la señal de control de modulador con el propósito de apagar el pulso de láser de salida cuando la energía de pulso de láser de salida determinada alcanza el valor umbral.

Opcionalmente, el método comprende adicionalmente la etapa de redirigir una parte del pulso de láser de salida a un 60 detector que detecta la posición.

Preferiblemente, el método comprende adicionalmente la etapa de controlar un espejo de orientación del rayo que responde a una señal de salida del detector de detección de posición.

65

Por lo tanto se puede implementar un sistema de control de circuito cerrado que asegura que se mantenga continuamente una dirección de rayo deseada.

Opcionalmente, el método comprende adicionalmente la etapa de controlar la longitud de la cavidad de la fuente de láser. 5

Preferiblemente, la longitud de la cavidad se controla al controlar una temperatura promedio de la fuente de láser.

Controlar la longitud de la cavidad, por ejemplo al controlar la temperatura promedio de la fuente de láser, se puede utilizar para mantener el láser en una longitud de onda de operación requerida. Por supuesto se pueden emplear 10 otros métodos para controlar la longitud de la cavidad.

Preferiblemente, la etapa de controlar la temperatura promedio de la fuente de láser comprende enfriar la fuente de láser para fijar una temperatura nominal y posteriormente calentar la fuente de láser.

15

Preferiblemente, la temperatura promedio de la fuente de láser se supervisa utilizando uno o más sensores de temperatura.

Preferiblemente, se controla la temperatura promedio de la fuente de láser que responde a la desviación de una potencia de fuente de láser medida o energía de pulso de una potencia de fuente de láser predeterminada deseada 20 o energía de pulso.

Una gráfica de potencia versus temperatura promedio de la fuente de láser proporciona un patrón o perfil que demuestra la variación como una función de temperatura que es casi cíclica (véase Figura 6 por ejemplo). De acuerdo con lo anterior, se puede lograr aumento en la estabilidad espectral al supervisar la relación de ancho a 25 potencia del pulso de láser, con el propósito de bloquear el láser en un punto específico en dicho patrón o perfil al controlar la temperatura en respuesta a fluctuaciones en la potencia de salida medida.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método de micromecanizado para sustrato que comprende generar un pulso de láser de una energía deseada utilizando el método del primer aspecto, 30 y direccionar dicho pulso de láser al sustrato para que sea micromecanizado.

La presente invención encuentra utilidad particular en aplicaciones micromecanizadas de láser en donde la energía de control de pulso de láser sobre una base pulso a pulso es altamente deseable. Las realizaciones particulares de acuerdo con el método del primer aspecto también tienen ventajas en términos de estabilidad espectral, control 35 espectral y estabilidad de dirección de rayo, cada uno de los cuales también son altamente deseables en aplicaciones micromecanizadas de láser.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para generar un pulso de láser de energía deseada de acuerdo con la reivindicación 7. 40

El aparato genera un pulso de láser de energía deseada al apagar el pulso cuando se alcanza el umbral de nivel de energía. Por lo tanto se puede controlar la energía de pulso sobre una base pulso a pulso, independiente de (o de hecho que responde a) cualesquiera fluctuaciones en la potencia de la fuente de láser.

45

El láser puede ser pulsado o CW. Cuando se utiliza con un láser CW, el método produce pulsos de salida de energía deseada (es decir en el umbral) y elimina el ruido de la intensidad del láser. Cuando se utiliza con una fuente de láser pulsada, el método permite adicionalmente la modificación de un pulso existente (por ejemplo al truncar el pulso) para modificar la energía total del mismo.

50

Preferiblemente, el modulador comprende un modulador acustoóptico. Alternativamente, el modulador comprende un modulador electroóptico. Adicionalmente alternativamente el modulador comprende una celda Pockels y un polarizador.

Cualquier modulador efectivo para producir una modulación de amplitud en un rayo de salida será adecuado para 55 implementar la presente invención. Un modulador acustoóptico o un espejo que se puede inclinar lo hace al desviar en forma controlable el rayo de entrada; el modulador electroóptico al, por ejemplo, modular directamente la amplitud; y la celda Pockels al hacer girar la polarización para conmutar entre transmisión y extinción en el polarizador.

60

Preferiblemente, el aparato comprende uno o más componentes ópticos dispuestos para redirigir una parte del pulso de láser de salida al detector.

Opcionalmente uno o más componentes ópticos comprenden un reflector parcial. Opcionalmente, el detector es un detector integrado. Alternativamente, el detector detecta la potencia instantánea y el controlador se configura para 65 integrar la potencia instantánea para determinar la energía de pulso.

Preferiblemente, el controlador se configura para la salida de una señal de control de modulador al modulador con el propósito de iniciar el pulso de láser de salida en un periodo predeterminado.

Preferiblemente, el controlador se configura adicionalmente para la salida de una señal de control de láser al laser con el propósito de emitir un pulso de láser de fuente predeterminada. 5

Preferiblemente, la señal de control de láser tiene una duración predeterminada D1 para proporcionar un pulso de láser de fuente de duración correspondiente.

Preferiblemente, el controlador se configura para la salida de una señal de control de modulador de una duración 10 predeterminada D3 que corresponde con una duración deseada de pulso de láser de salida, D3 es menor de D1.

Preferiblemente, se presenta un D2 de retardo predeterminado entre la señal de control de láser y la señal de control del modulador. Preferiblemente D2 + D3 < D1. Preferiblemente, D2 se selecciona de tal manera que la señal de control de modulador corresponde a una región espectralmente estable del pulso de láser de fuente. 15

Preferiblemente, el controlador se configura para controlar la duración D3 de la señal de control del modulador con el propósito de apagar el pulso de láser de salida cuando la energía de pulso de láser de salida determinada alcanza el valor umbral.

20

Opcionalmente, el aparato comprende adicionalmente un detector que detecta la posición y uno o más componentes ópticos para redirigir una parte del pulso de láser de salida al detector que detecta la posición.

Preferiblemente, el aparato comprende adicionalmente un espejo que orienta el rayo controlado en respuesta a una señal de salida del detector que detecta la posición. 25

Opcionalmente, el aparato comprende adicionalmente un sistema de control de temperatura configurado para controlar una temperatura promedio de la fuente de láser.

Preferiblemente, el sistema de control de temperatura comprende un enfriador para fijar una temperatura nominal y 30 un calentador para calentar posteriormente la fuente de láser.

Opcionalmente, el calentador comprende la cinta calefactora. Preferiblemente, el sistema de control de temperatura comprende adicionalmente uno o más sensores de temperatura.

35

Preferiblemente, el sistema de control de temperatura se configura para controlar la temperatura promedio de la fuente de láser que responde a la desviación de una potencia de pulso de láser de salida medida de una potencia del pulso de láser de salida predeterminada deseada.

De acuerdo con un cuarto aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para micromecanizado de un 40 sustrato que comprende un aparato del tercer aspecto que genera un pulso de láser de una energía deseada, y uno o más componentes ópticos dispuestos para dirigir el pulso de láser al sustrato para que sea micromecanizado.

Preferiblemente, el aparato comprende adicionalmente una etapa de traslación X-Y para recibir y trasladar el sustrato con relación al aparato. 45

Opcionalmente, la etapa de traslación X-Y proporciona una señal que corresponde a una posición del sustrato al controlador y el controlador se configura para generar uno o más pulsos de láser de salida que responden a la señal dependiente de la posición.

50

Preferiblemente, el aparato comprende adicionalmente lentes de enfoque y una etapa de traslación Z para trasladar los lentes de enfoque para permitir enfocar el pulso de láser en el sustrato.

Breve descripción de las figuras

55

La presente invención ahora se describirá solo por vía de ejemplo y con referencia a las figuras que acompañan en las que:

La Figura 1 ilustra en forma esquemática una vista general de un aparato de micromecanizado de precisión de acuerdo con un aspecto de la presente invención; 60

La Figura 2 es un diagrama de señal que muestra las señales que corresponden a la generación de un único pulso de láser;

La Figura 3 ilustra en forma esquemática un controlador para controlar la generación de un pulso de láser de energía 65 deseada de acuerdo con un aspecto de la presente invención;

La Figura 4 ilustra un patrón de corte de trama tal como se puede emplear en un proceso de micromecanizado;

La Figura 5 ilustra en forma esquemática un sistema de control de temperatura de láser para uso en uno o más aspectos de la presente invención; y

5

La Figura 6 ilustra la relación casi cíclica entre temperatura y potencia de un láser que tiene ventaja en una o más realizaciones de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

10

Con referencia a la Figura 1, se presenta una visión general de un aparato de micromecanizado de precisión que funciona para micromecanizar un sustrato (o pieza de trabajo) como se describe en detalle adelante. El aparato comprende un láser 1 de acuerdo con la presente invención, un láser CO2 excitado por RF) el rayo de luz de salida que se dirige a través de un modulador acustoóptico (AOM) 3. El AOM 3 dirige nominalmente el rayo (del orden cero) a un depósito de rayos 5. 15

El AOM 3 se controla mediante un controlador (o "dispensador de energía de pulso") 7 que dirige selectivamente el AOM 3 con el propósito de dirigir en forma controlable el rayo hacia el sustrato 9. Mediante conmutación rápida del AOM 3, los pulsos de luz láser se pueden enviar al sustrato 9. Observe que (en esta realización) el rayo de primer orden (transmitido) se pasa a través de un telescopio 11 que expande los rayos en un espejo 13 de orientación de 20 rayos que controla la dirección del rayo que incide sobre el sustrato 9. Los lentes 15 de enfoque, trasladados por la etapa 17 de traslación, permiten que el rayo se enfoque en el sustrato 9.

Normalmente el punto en el sustrato 9 corresponde a una parte central del rayo Gausiano de tal manera que el perfil de punto en la superficie que se va a mecanizar es Gausiana circular. El radio del rayo puede estar en el orden de 25 aproximadamente 25 µm. (Por supuesto se pueden emplear diferentes radios de rayo y perfiles, por ejemplo puntos elípticos, dependiendo de la aplicación).

El nivel de la etapa Z 17 se controla y establece para asegurar el foco correcto (o deseado) o el rayo en el sustrato 9. Normalmente esto se hace para fijar la parte central del rayo en, por debajo de, la superficie del sustrato 9 que se 30 va a mecanizar, pero se puede utilizar para fijar la parte central del rayo a cualquier nivel requerido.

El sustrato 9 (normalmente una pieza de sílice fusionado con tamaño paralelo plano de 1 mm de grueso) se ubica en una etapa 23 de precisión XY y se mecaniza de acuerdo con un patrón predeterminado al trasladar el sustrato 9 en un patrón de trama (véase Figura 4 por ejemplo) y dirigir los pulsos de láser apropiados en el sustrato 9 en diversas 35 ubicaciones durante exploración de trama. Los siguientes párrafos describen cómo los pulsos de láser se controlan con el propósito de proporcionar la cantidad correcta de energía en cada pulso, un efecto en cadena que es aquel que puede utilizar una trama fija.

Un reflector 19 parcial se ubica entre el telescopio 11 que expande los rayos y el espejo 13 de dirección de rayos. El 40 reflector 19 parcial (por ejemplo divisor de rayos o similares) desvía una parte del rayo en un detector 21. En una realización preferida el detector es un detector piroeléctrico pero por supuesto puede ser cualquier detector integrado. Alternativamente, el detector puede medir la potencia instantánea para integración posterior (por ejemplo por el controlador 7). De esta forma, se puede determinar la energía total de un pulso producido mediante la conmutación del AOM 3. 45

En el periodo T1 (véase Figura 2) el borde delantero de pulso de salida de posición sincronizada (PSO) activa 33 "permitir RF", lo que acciona el láser con un pulso de radiofrecuencia de periodo D1 fijo. Normalmente esta duración de pulso estará en el orden de 100-200 µs.

50

Después de un retardo corto (D2) el controlador acciona el AOM 3 con una señal como se ilustra por la traza 37 que provoca que se abra una "ventana” en el periodo T1 +D2. Esto resulta en un pulso de láser transmitido que empieza en un periodo predeterminado. Por supuesto el retardo puede ser en teoría cero, en cuyo caso el AOM 3 se sincroniza con el láser y simplemente transmite el pulso de láser. Sin embargo, si el retardo se fija apropiadamente la rampa de potencia inicial se puede cortar, lo que resulta en un borde delantero cuadrado (intensidad/potencia) en 55 el pulso transmitido.

Observe que el nivel análogo de AOM (véase traza 41) se fija antes que se abra la ventana AOM (véase traza 37). Cuando se abre la ventana AOM, el AOM permite que se fije la señal 39, y la potencia 42 de accionamiento RF se aplica al AOM con el nivel de señal determinado por el nivel 41 de AOM y tiempo de pulso RF determinado por AOM 60 permite 39. Esto permite que el AOM 3, luego pase luz en el rayo de primer orden (el "rayo transmitido") con nivel de transmisión determinado por el nivel AOM. La potencia láser transmitida en el rayo de primer orden (y luego en las ópticas de dirección y finalmente el sustrato) es el producto de la fracción de transmisión y la potencia de láser incidente en el AOM.

65

Como se indicó anteriormente, una parte del rayo transmitido se dirige al detector 21. La señal de detector se muestra en la traza 45, para el caso de un detector integrado, auto reajustado, por ejemplo un detector piroeléctrico con una carga resistiva. La señal de un detector de auto reajustado en el momento T1 +D2 puede contener un remanente pequeño de la señal del pulso previo. En este caso, una referencia inicial se toma en el momento T1 +D4 y se resta de la traza 45 de señal de detector, que resulta en la señal de detector restada inicial mostrada en la traza 5 47, que indica la energía total del pulso como una función del tiempo transcurrido, y es la integral de la potencia de láser indicada en la traza 43. Una vez la energía total alcanza un valor umbral ("objetivo de energía de pulso”) el AOM permite que la señal (véase traza 39) se reestablezca lo que resulta en la salida de láser que se detiene (véase traza 43). De esta forma, el controlador 7 (Figura 3 ilustra un controlador de ejemplo o "dispensador de energía de pulso") asegura que cada pulso tenga la energía correcta. No solo la energía de pulso se puede establecer sobre 10 una base pulso a pulso, sino al supervisar la energía total de cada pulso puede tener la energía correcta independientemente de cualesquiera fluctuaciones etc. en la salida del láser propiamente dicho (es decir si la potencia del láser cae luego que se extienda la duración del pulso y si la potencia de láser aumenta luego que se acorte la duración del pulso, y cualesquiera fluctuaciones durante el tiempo del pulso propiamente dicho no afectará la energía de salida total). 15

Cuando se utiliza un detector integrado con un restablecimiento activo, luego este detector se puede restablecer en el momento T1+D4. Este es equivalente a la resta inicial, y la traza 47 luego es la señal de salida de dicho detector integrado. De forma similar cuando se utiliza un detector de medición de potencia con circuito integrado de restablecimiento activamente separado, este subsistema es efectivamente un detector integrado con un 20 restablecimiento activo y por lo tanto se trata de la misma forma.

Como se ilustra por la traza 35, durante la generación de un pulso de láser la potencia de salida de láser aumenta rápidamente (por ejemplo en el orden de ~10 µs), luego se fija a un nivel casi constante. Se observa, experimentalmente, que incluso después que se ha fijado la potencia (dicho 20 µS después que el RF se enciende), 25 el espectro no se fijará necesariamente. El espectro en este ejemplo se ha fijado suficientemente después de retardo D2.

Adicionalmente, cuando la señal RF acciona el láser se apaga en el momento T1+D1, la potencia del láser luego cae rápidamente y el espectro de nuevo cambia rápidamente. Por lo tanto al final del pulso de láser de fuente (de nuevo 30 véase traza 35) también exhibe inestabilidad espectral.

Por lo tanto la presente invención ha agregado utilidad porque al seleccionar el retardo y la duración del pulso de láser apropiadamente, se pueden retirar las partes espectralmente inestables del pulso de láser. Por ejemplo, el retardo D2 en el ejemplo ilustrado se ha seleccionado de tal manera que se retira la parte espectralmente inestable 35 en el inicio del pulso 35 de láser de fuente. Lo que constituye un retardo apropiado se determina preferiblemente experimentalmente antes de operación, sin embargo se prevé que un analizador espectral se puede emplear para asegurar los pulsos espectralmente estables sobre una base pulso a pulso.

La “ventana” AOM permanece abierta para el momento D3, en donde D2+D3<~D1, de tal manera que la señal que 40 acciona el láser se enciende todavía cuando se cierra la “ventana” AOM (o la ventana AOM se cierre poco después del pulso RF, pero antes que cambie rápidamente el inicio del espectro).

Observe que si se utiliza un detector auto restablecido, se desea el tiempo constante del detector de baja caída durante la duración de un pulso pero suficiente decaimiento entre pulsos consecutivos debido al decaimiento 45 residual durante la duración del siguiente pulso resultará mayor que las energías de pulso deseadas. En este caso, se prefiere que se utilice resta de valor inicial. Sin embargo, se pueden tolerar cantidades pequeñas de remante y el experto será capaz de compensar fácilmente dicho remanente mediante la modificación apropiada de los umbrales (u "objetivos de energía de pulso"). Se puede minimizar el remanente al establecer el valor de retardo D4 cerca a D2. Cualquier experto también sería capaz de compensar la caída en la señal de detector durante la duración de un 50 pulso al ajustar el objetivo de energía de pulso mediante una cantidad que se puede calcular de la longitud de pulso y las propiedades de caída del detector.

Siempre habrá un retardo finito entre detectar que la energía de pulso ha alcanzado su valor objetivo y apagar completamente el pulso de láser. Cuando este retardo es significativo, se puede compensar en primer orden al 55 ajustar el objetivo de energía de pulso mediante una cantidad relacionada con la potencia de láser (normalmente conocido a ~2%) y el retardo. Frecuentemente será aceptable un error de 2% en una señal de corrección pequeña. Cuando se requiere mayor precisión, se puede utilizar un análogo o filtro digital para corregir este efecto en la señal 47 de detector de resta inicial, por ejemplo al agregar un componente relacionado con el índice de cambio de esta señal, de tal manera que el valor umbral se detecta ligeramente más temprano con el resultado de que la energía de 60 pulso medida final está en el valor requerido.

Observe que (véase Figura 1 pero también con referencia a la Figura 2), la etapa XY 23 (o un controlador asociado, no mostrado) puede generar un activador PSO (véase traza 31 por ejemplo) cuando la etapa alcanza una ubicación predeterminada. Esta es una característica estándar en muchas etapas XY comerciales y controladores. Estas 65 señales activadoras por lo tanto se utilizan para iniciar la generación de los pulsos de láser, aunque se prevé que

existen diversas formas de decidir cuándo se deben generar los pulsos de láser. Una de tales alternativas sería activar sobre una base de tiempo en donde se conoce o se determina la posición de la etapa como una función de tiempo.

La técnica anterior significa que el aparato descrito puede mitigar lo que de otra forma puede ser un error 5 significativo en términos de control pulso a pulso. En el ejemplo de micromecanizado de láser, dichos errores se manifestarán por sí mismos en términos de desviaciones de un perfil de superficie mecanizado deseado (más potencia retira más material, menos potencia retira menos material). Para aplicaciones de precisión, dichas desviaciones pueden ser catastróficas, por lo menos problemáticas.

10

Otros errores ocurren debido a errores de puntería; es decir que el rayo no apunta realmente en la dirección esperada. Esto produce errores en términos de las posiciones en donde se producen huecos y por lo tanto en la forma neta resultante. El problema principal es provocado por errores de puntería correlacionados con baja frecuencia. Los errores no correlacionados de alta frecuencia no son un gran problema, pero aún son indeseables.

15

Las mediciones reales de puntería de rayo en un láser pulsado CO2 de acuerdo con la presente invención, demuestran que los errores dominantes tienen un espectro 1/f es decir las bajas frecuencias son dominantes y se correlaciona bien la puntería punto a punto. Esto puede conducir a errores de corte grandes si no se corrige.

El solicitante ha descubierto que este tipo de error se manipula bien por un sistema de control de circuito cerrado. 20

Parte del rayo transmitido después del espejo 13 de dirección de rayo se intercepta por otro reflector 53 parcial y se dirige a través de un sistema óptico 55 de relé a un detector 51 de detección de posición (PSD). El PSD 51, por ejemplo, puede ser una celda cuadrada piroeléctrica, fotodiodo u otro sensor de posición óptica.

25

Las ópticas 55 de relé se configuran para poner un punto en el PSD 51 que es equivalente al punto sobre el sustrato 9, en esa posición el punto sobre el PSD 51 se determina mediante posición de punto en el sustrato 9.

La señal PSD se carga en una unidad 57 de control, por ejemplo un servo de tiempo discreto, que controla la dirección del rayo por medio del espejo 13 de dirección de rayo. Se puede utilizar un controlador integral. El 30 solicitante encuentra que el mejor desempeño se logra utilizando un controlador de transformación z para implementar un circuito de control con un doble componente integral.

Se puede lograr operación mejorada adicional al controlar la longitud de la cavidad del láser, que se puede lograr mediante el control apropiado de la temperatura de los componentes relevantes (por ejemplo que incluyen el tubo de 35 láser) dentro del resonador de láser. El espectro de láser y la potencia de láser varían casi cíclicamente con la longitud del resonador de láser cuando todos los otros parámetros se mantienen constantes.

Con referencia a la Figura 5, el tubo 101 de láser se mantiene en aproximadamente la temperatura requerida para permitir la longitud de onda requerida al utilizar un enfriador 103 recirculante para fijar una temperatura nominal de 40 láser. Están disponibles enfriadores que se ofrecen comercialmente que pueden lograr estabilidad de temperatura de enfriamiento de +/-0.1 C, lo que es suficiente para una configuración de temperatura "áspera". El tubo 101 de láser luego se puede calentar selectivamente en esta temperatura nominal mediante un calentador, en este caso la cinta 105 calefactora alrededor del tubo 101 de láser. Un sistema 107 de control, en este ejemplo un estabilizador de temperatura integral proporcional de alta precisión (PI), ajusta con precisión la temperatura promedio del tubo láser 45 (medida utilizando un sensor 109 de temperatura promedio que en este ejemplo se enrolla alrededor del tubo 101 de láser). Este control de circuito cerrado permite que se fije la temperatura promedio en cualquier valor requerido sobre el rango de operación. Esta combinación de control de temperatura fina y áspera permite el ajuste preciso de la longitud de cavidad del láser sobre diversos ciclos del patrón de fuente de láser.

50

En y por sí misma, la estabilización de la temperatura y/o control no puede garantizar el aseguramiento en una línea espectral particular en el patrón espectral del láser. Se puede lograr aumento de estabilidad de la longitud de onda en algunos casos al utilizar la relación de potencia de láser al ancho de pulso con el propósito de asegurar el láser a un punto específico en el patrón. Véase Figura 6. Esto se puede lograr al hacer funcionar el láser en ancho de pulso constante y utilizar la desviación de potencia medida de potencia de punto establecido para controlar la temperatura 55 del tubo de láser, por medio de un PI u otro controlador, como una capa extra de control en el método de control de temperatura de tubo de láser mencionado anteriormente. Alternativamente se puede utilizar para accionar los calentadores de tubo directamente, reemplazando el circuito de control de temperatura fina con un circuito de control que controla directamente la posición en el patrón de láser.

60

Un método alternativo puede utilizar un sistema de control de circuito cerrado para mantener la potencia del láser constante al variar el ancho del pulso, y luego utilizar la señal de control de ancho de pulso para determinar la posición en el patrón. La desviación de ancho de pulso del valor de punto establecido es la señal de error utilizada para accionar el sistema de control.

65

A través de esta especificación, a menos que el contexto demande otra cosa, los términos “comprende” o “incluye”, o variaciones tales como “que comprende” o “que comprenden”, “que incluye” o “que incluyen” se entenderá que implican la inclusión de un entero indicado o grupo de enteros, pero no la exclusión de cualquier otro entero o grupo de enteros.

5

Se pueden agregar modificaciones y mejoras adicionales sin apartarse del alcance de la invención descrita aquí. Por ejemplo, aunque se han descrito algunas realizaciones de la invención en términos de una fuente de láser pulsada, la invención se puede aplicar igualmente a fuentes de láser CW en donde, aunque la fuente no se pulsa, la operación del modulador claramente aún proporciona una salida pulsada. Adicionalmente, en donde se han descrito un modulador acustoóptico el modulador puede ser un modulador electro óptico, espejo que se puede inclinar, celda 10 Pockels y disposición de polarizador, o similares. También, aunque algunas realizaciones de la invención utilizan etapas de traslación para mover una pieza de trabajo con relación al rayo, se puede utilizar alternativamente un escáner de galvanómetro para mover el rayo con relación a la pieza de trabajo, o alguna combinación de escáner de galvanómetro y se pueden utilizar etapas de traslación. Adicionalmente, aunque la presente invención encuentra utilidad en el mecanizado y particularmente aplicaciones de micromecanizado, se debe aplicar igualmente a 15 aplicaciones en las que es deseable controlar la energía u otras propiedades de pulsos de láser.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un método para generar un pulso de láser de una energía deseada, el método que comprende las etapas de:

   (a) proporcionar un rayo de luz de una fuente (1) de láser; en donde la fuente (1) de láser es un láser de dióxido de 5 carbono caracterizado porque el método comprende adicionalmente:

   (b) dirigir el rayo de luz por medio de un modulador (3), el modulador modula operablemente el rayo para producir un pulso de láser de salida;

   10

   (c) dirigir una parte del pulso de láser de salida a un detector (21) y por lo tanto determinar la energía del pulso de láser de salida; y

   (d) controlar el modulador (3) con el propósito de apagar el pulso de láser de salida cuando la energía determinada del pulso de láser de salida alcanza un valor umbral; 15
2. 2. El método de la reivindicación 1, que comprende la etapa adicional de controlar el modulador (3) con el propósito de iniciar el pulso de láser de salida en un periodo predeterminado.
3. 3. El método de la reivindicación 1 o reivindicación 2, que comprende adicionalmente las etapas de 20

   (a) proporcionar el rayo de luz desde la fuente (1) de láser al proporcionar la fuente de láser con una señal de control de láser de una duración D1 predeterminada que provoca que la fuente (1) de láser proporcione un pulso de láser de fuente de duración correspondiente,

   25

   (b) modular el rayo al proporcionar el modulador (3) con una señal de control de modulador de una duración D3 predeterminada que corresponde a una duración deseada de pulso de láser de salida, en donde D3 es menor que D1, y

   (c) proporcionar un D2 de retardo predeterminado entre la señal láser de control y la señal de control de modulador, 30 en donde D2 + D3 < D1 y D2 se seleccionan de tal manera que la señal de control de modulador corresponde a una región espectralmente estable del pulso de láser de fuente.
4. 4. El método de cualquier reivindicación precedente, en donde el método comprende adicionalmente la etapa de redirigir una parte del pulso de láser de salida en un detector (51) que detecta la posición y controla un espejo (13) 35 de orientación de rayos que responde a una señal de salida del detector (51) que detecta la posición.
5. 5. El método de cualquier reivindicación precedente, en donde el método comprende adicionalmente la etapa de controlar la longitud de la cavidad de la fuente de láser que responde a desviación de una potencia del pulso de láser de salida medida de una potencia del pulso de láser de salida predeterminada deseada. 40
6. 6. Un método de micromecanizado de un sustrato (9) que comprende generar un pulso de láser de energía deseada utilizando el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, y direccionar dicho pulso de láser al sustrato (9) que se va a micromecanizar.

   45
7. 7. Un aparato para generar un pulso de láser de una energía deseada, el aparato comprende:

   un láser (1) para proporcionar un rayo de luz; en donde la fuente (1) de láser es un láser de dióxido de carbono;

   un modulador (3) para modular el rayo de luz y producir un pulso de láser de salida; y caracterizado por: 50

   un controlador (7) configurado para controlar el modulador (3);

   un elemento (19) óptico para dirigir una parte del rayo a un detector (21); y

   55

   un detector (21) para determinar la energía del pulso de láser de salida y proporcionar una señal correspondiente al controlador (7);

   en donde el controlador (7) se configura para provocar que el modulador (3) apague el pulso de láser de salida cuando la señal indica que la energía determinada del pulso de láser de salida ha alcanzado un valor umbral. 60
8. 8. El aparato de la reivindicación 7, en donde el controlador se configura para la salida de:

   una señal de control de modulador al modulador con el propósito de iniciar el pulso de láser de salida en un tiempo predeterminado, D1; 65

   una señal de control de láser al laser con el propósito de emitir un pulso de láser de fuente predeterminada;

   una señal de control de modulador de una duración predeterminada D3 que corresponde a una duración deseada de pulso de láser de salida, D3 es menor que D1;

   5

   en donde se presenta un D2 de retardo predeterminado entre la señal de control de láser y la señal de control de modulador, D2 + D3 < D1, y D2 se selecciona de tal manera que la señal de control de modulador corresponde a una región espectralmente estable del pulso de láser de fuente.
9. 9. El aparato de la reivindicación 7 o reivindicación 8, en donde el aparato comprende adicionalmente un detector 10 (51) que detecta la posición y uno o más componentes (53, 55) ópticos para redirigir una parte del pulso de láser de salida al detector que detecta la posición (51).
10. 10. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde el aparato comprende adicionalmente un sistema (107) de control de temperatura configurado para controlar una longitud de cavidad de la fuente de láser. 15
11. 11. El aparato de la reivindicación 10, en donde el sistema (107) de control de temperatura se configura para controlar la longitud de la cavidad de la fuente de láser que responde a desviación de una potencia del pulso de láser de salida medida de una potencia de pulso de láser de salida deseada predeterminada.

    20
12. 12. Un aparato para micromecanizado de un sustrato (9) que comprende un aparato de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 que genera un pulso de láser de energía deseada, y uno o más componentes (13) ópticos dispuestos para dirigir el pulso de láser al sustrato que se va a micromecanizar.
13. 13. El aparato de la reivindicación 12, en donde el aparato comprende adicionalmente una etapa (23) de traslación 25 X-Y para recibir y trasladar el sustrato (9) con relación al aparato.
14. 14. El aparato de la reivindicación 13, en donde la etapa (9) de traslación X-Y proporciona una señal que corresponde a una posición del sustrato (9) al controlador (7) y el controlador (7) se configura para generar uno o más pulsos de láser de salida que responden a la señal dependiente de posición. 30
15. 15. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en donde el aparato comprende adicionalmente lentes (15) de enfoque y una etapa (17) de traslación Z para trasladar los lentes (15) de enfoque para permitir enfocar el pulso de láser sobre el sustrato (9).

    35