JP2005532908A - レーザースポットを拡大するワークピースのレーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

ＰＭＮ作動ミラーの如き高速ステアリングミラー（３０）が公称ターゲット位置（６０）の回りの高速規定のパターン内でレーザービーム（４６）を連続的に動かすためにステージベースの位置決めシステム（４０）のビーム進路（１８）内に置かれて、高速レーザー反復速度で発生した集束されたレーザースポット（４８）を空間的に分離しそれによって集束されたレーザースポット（４８）の寸法より大きい寸法をもつ幾何学的特徴を作るようになす。所定の反復速度の一連のレーザースポット（４８）は、焦点外で動作することと関連するビーム品質の問題なしに、より低いパルス速度で一連のより大きい直径のレーザースポットとして現れる。

Description

本発明はレーザー微小加工、特に基体上の集束したスポットの寸法より大きいターゲット区域を除去するために基体上の所望のパターン内に集束したスポット寸法をもつレーザースポットを動かすために高速ステアリングミラーを利用する方法と装置に関するものである。

発明の背景はここでは実施例として、電子工学のパッケジング業の最も好適な部品になっている集積回路-チップパッケージ、マルチチップモジュール (MCMs) 、及び高密度の相互接続回路板の如き、多層の電子ワークピースのみについて記載されている。

ボールグリッド配列、ピングリッド配列、回路板、及びハイブリッド微小回路の如き単一のチップをパッケジングする装置は典型的には、金属及び有機質の誘電性及び／又は補強材料及び他の新しい材料の別々の部品層を含んでいる。ごく最近のワークは、この型式の電子材料に又は他のプロセスでバイア(vias)を形成するために開発しているレーザーベースの微小加工技術に向けられてきている。バイアは本文中では、実施例として微小加工につき説明しているが、完全な貫通孔又はいわゆる盲(blind)バイアと称される不完全な孔の形をとることもできる。残念ながら、レーザー微小加工はレーザーの型式、作業コスト、及びビーム波長、電力、及びスポット寸法の如きレーザー及びターゲット材料に特定の作業パラメータを含む多くの変数を含み、その結果として得られる加工の処理量と孔の品質は大幅に変化する。

微小加工作業に最近使用されるパルス型の紫外線(UV)レーザーは、多くの用途に望まれる切り口幅と孔直径に比して比較的小さいスポット寸法を作る。以下で“輪郭加工”と称されるレーザースポット寸法に比して大きい特徴の幾何学的形態を作るためのレーザー加工の処理量は高および低の電力密度のレーザービームを利用することによって増すことができる。米国特許第5,841,099号に記載される如く、焦点外れの状態でレーザーを操作することによって、Owen 等は、レーザースポット寸法を有効に拡大しそしてそのエネルギー密度を減らすことができる。両者ともOwen 等のものである米国特許第5,593,606号と米国特許第5,841,099号は多層型デバイス内にバイア又は盲バイアを形成するために、レーザー出力パルスを有利なパラメータ内で発生させるためのＵＶレーザーシステムを利用することの利点を記載している。これらの特許は、集束したスポット寸法の直径より大きい直径をもつバイアが穿孔、同心円形プロセッシング、又は螺旋プロセッシングによって作ることができる周知の技術を述べている。これらの技術は以下で、包括的に“輪郭付き(contoured drilling)ドリリング”と称される。

残念ながら、焦点外れの状態でレーザーを操作することはしばしば予測できないかつ望まないエネルギー分配と、スポット形状をもたらし、バイア壁のテーパー、バイア底にある銅層の溶融度、及びドリリング中の溶融銅のはねかけによって生じるバイア周囲の“リム”の高さを含むバイア品質に悪い影響を与えることになる。更に、通常の視準および集束用の光学装置を入れるスポット寸法はターゲットを打つスポット寸法に逆比例するので、光学装置に適用される電力密度は高速に光学装置の損傷限界を越える。

Ward の米国特許第4,461,947号は、レンズが集束したレーザースポットの寸法より大きい寸法のターゲット区域に作用するために入射レーザービームに直角をなす平面内で回転させられるようになっている輪郭付きドリリング方法を開示している。このレンズ回転は支持取り付けアームの位置とは無関係である。また、Ward はレンズ回転を起こすために１平面内で取り付けアームを動かすことに頼っている輪郭付きドリリングの先行技術の方法を開示している。背景において、Ward はビームは回転ミラーによって回転させることができることを開示している。

Kawasaki 等の米国特許第5,571,430号は、第１軸の周りに旋回しそして回転支持部材によって軸受上に支持されていて、ミラーが第１軸に直角をなす第２軸の周りに回転するようになっている凹面の集光ミラーを利用するレーザー溶接システムを開示している。このミラーは、除去されるターゲットの“幅”を増すために第１軸の周りに揺動させられ、そして環状パターンを作るために第２軸の周りに回される。

（発明の要約）
従って本発明の目的は、集束したレーザースポットを高速に空間的に広げる方法と装置を提供すること、それ故高い繰り返し速度のレーザーパルスのエネルギー密度を提供することにある。

本発明の他の目的は、集束したレーザースポットの寸法より大きい寸法をもつ幾何学的特徴を高速に作ることである。

本発明の更に他の目的は、かかるレーザー加工作業において処理量及び／又はワークピースの品質を改良することにある。

Cutler 等の米国特許第5,751,585号と第5,847,960号、及びCutlerの米国特許第6,430,465 B2 号は上部ステージが下部ステージによって支持されておらず、そして下部ステージから独立して動き、そしてワークピースが１つの軸又はステージ上に担持されている一方、工具が他方の軸又はステージ上に担持されているようになっているスプリット−軸位置決めシステムの記載を含んでいる。これらの位置決めシステムは、１つ以上の上部ステージをもち、そのステージの各々は高速位置決め器を支持し、そして高い処理量速度で１つ又は複数のワークピースを同時に処理することができる。というのは、独立して支持されたステージの各々はより小さい慣性質量を担持し、そして加速、減速することができ、又は積み重ねステージシステムができるよりずっと速く方向を変えることができるからである。かくして、１つのステージの質量は他方のステージ上に担持されることができないので、所定ロードの共振周波数が増す。更に、遅い位置決め器と急速位置決め器は、必ずしも停止することなしに、位置決めコマンドデータの流れに応答して動くよう適合させられる一方、データベースによって限定されたターゲット場所上に一時的に静止した工具位置を作るために、個々に動くそれらの位置を整合させる。これらのスプリット−軸のマルチレート(multirate)位置決めシステムはかなり増大した工具処理量を提供すると同時に従来のシステムの高速位置決め器の移動範囲の限界を減らしそしてパネル化された(panelized)又はパネル化されていないデータベースから仕事をすることができる。

かかるスプリット−軸位置決めシステムは、ワークピースの全寸法と重量が増して、より長い、それ故よりどっしりしたステージを利用するようになるにつれてますます有利になってくるけれども、それらは高いパルス繰り返し周波数(PRFs)でのレーザーパルス間の大きな幾何学的スペースによってエネルギーを有効に広げるのに十分な帯域幅を提供することができない。

それ故本発明は、高レーザー繰り返し速度で発生した集束したレーザースポットを空間的に分離し、それによって集束したレーザースポットの寸法より大きい寸法をもつ幾何学的特徴を作るために、公称ターゲット位置の周りの高速の指定パターン内でレーザービームを連続的に動かすために、ビーム進路内に圧電制御ミラーの如き高速ステアリングミラーを利用する。本発明は、所定の繰り返し速度の一連のレーザーパルスが、焦点外れの状態で仕事をすることに関連するビーム品質の問題なしに、より低いパルス速度で一連のより大きい直径のパルスとして現れることを可能にする。

本発明の追加の目的と利益は添付図面を参照して行われる好適実施例についれの詳細な説明から明らかになるであろう。

（好適実施例の詳細な説明）
図１を参照すれば、本発明の１実施例のレーザーシステム１０はＱスイッチ付きの(Ｑ-switched)、ダイオード−ポンピングされる(pumped)(DP)の、個体(solid-state)(SS)のレーザー１２を含み、このレーザーは好適には個体のレーザント(lasant)を含む。しかし、当業者には、クリプトンアークランプの如きダイオード以外のポンピング源も利用できることは認められるだろう。ポンピングダイオード、アークランプ、又は他の通常のポンピング手段はレーザー１２の一部を形成することができるか又は別々に置かれることができる電力供給源（別に示さず）から電力を受ける。

実施例としてのレーザー１２は、主として TEM₀₀空間モードのプロフィルをもつ１つ以上のレーザーパルスの同調発生されたレーザー出力１４を提供する。約150 ナノメータ(nm)乃至約 2000nm の好適なレーザー波長は、1.3, 1.064, 又は1.047, 1.03 - 1.05, 0.75 - 0.85 ミクロン(μｍ）又は Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO₄, Nd:YAP, Yb:YAG, 又はTi:Sapphire レーザー６４からのそれらの第二、第三、第四、又は第五調波を含むが、これらに限定はされない。かかる調波波長(harmonic wavelengths)は約 532 nm（二倍周波数Nd:YAG),355nm（三倍周波数Nd:YAG),266nm(四倍周波数Nd:YAG),又は 213nm（五倍周波数Nd:YAG)の如き波長を含むことができるが、これらに限定はされない。レーザー１２と調波発生の技術は当業者には周知である。１具体例としてのレーザー１２の詳細は Owen等の米国特許第5,593,606号に詳細に記載されている。好適レーザー１２の１例には米国カリフォルニア州、マウンテンビューの Lightwave Electronics によって販売されている Model 210 UV-3500 レーザーが含まれる。当業者には、他の適当な周波数で発生するレーザーは市場で入手でき、それらにはファイバーレーザー、又はＱ−スイッチ付きCO₂レーザーが含まれ、そして利用可能でることは認められるだろう。１具体例としてのＱ−スイッチ付きCO₂レーザーは2002年12月12日発行の、Dunsky 等の米国特許公報第US 2002/0185474 A1号に開示されている。

図１を参照すれば、レーザー出力１４は、一連のビーム指向部品２０（ステージ軸位置決めミラーの如き）、高速ステアリングミラーＦＳＭ（３０）、及びビーム位置決めシステム４０の高速位置決め器３２（一対の検流計−被動のX−及びY−軸ミラーの如き）によって差し向けられる前に、ビーム進路１８に沿って置かれるビームエキスパンダーレンズ部品１６を含む種々の周知の光学装置によって操作されることができる。最後に、レーザー出力１４は、レーザーシステム出力ビーム４６としてワークピース５０にレーザースポット４８を適用される前に、集束又はテレセントリック(telecentric)走査レンズの如き対物レンズ４２を通過させられる。

好適なビーム位置決めシステム４０はCutler等の米国特許第5,751.585号に詳細に記載されており、Culterの米国特許第6,430,465 B2号に記載されたABBEエラー補正手段を含むことができる。ビーム位置決めシステム４０は好適には、並進(translation)ステージ位置決め器を利用する。これは好適には少なくとも２つのプラットフォーム又はステージ５２、５４を制御しそしてレーザーシステム出力ビーム４６を所望のレーザーターゲット位置６０に向けて集束させるように、位置決め部品２０を支持する。好適実施例では、並進ステージ位置決め器はスプリット−軸システムとし、この場合典型的にはリニアモータで動かされるＹステージ５２はワークピース５０をレール５６に沿って支持して動かし、Ｘステージ５４は高速位置決め器３２と対物レンズ４２をレール５８に沿って支持して動かし、ＸとＹステージ間のＺの寸法は調節可能であり、ビーム指向部品２０はレーザー１２とＦＳＭ３０間の任意の回転によってビーム進路１８を整列させる。典型的な並進ステージ位置決め器は 500mm/secの速度と1.5 Ｇの加速度が可能である。便宜上、高速位置決め器３２と１つ以上の並進ステージ５２及び／又は５４の組み合わせは一次的又は集積された位置決めシステムとして好適なものとなり得る。

ビーム位置決めシステム４０は提供されたテスト又はデザインデータに基づく唯一の又は二重の処理作業を行うために同じ又は異なった回路板又はチップパッケージ上のターゲット位置６０間を迅速に移動可能とする。１実施例としての高速位置決め器は 400 又は 500mm/sec の速度と 300 又は 500Ｇの加速度が可能であり、それ故またこれらは実施例としての集積位置決めシステムとなる典型的な可能性をもつ。多くの上記位置決めシステムの部品を含む好適なレーザーシステム１０の１例は、米国オレゴン州、ポートランド在の Electro Scientific Industries,Inc.(ESI)で製造されたModel 5320 レーザーシステム又はそのシリーズ中の他のものである。しかしワークピース位置決め用の単一の X-Y ステージと、ビーム位置決め用の固定ビーム位置及び／又は静止検流計をもつシステムを代案として利用することができることは当業者には明らかであろう。

レーザーシステム制御器６２は好適には、当業者には周知の手法でレーザー１２の点火をステージ５２と５４と高速位置決め器３２の動きに同期させる。レーザーシステム制御器６２は、高速位置決め器３２、ステージ５２、５４、レーザー１２、及び ＦＳＭ 制御器６４を制御するものとして包括的に示されている。当業者には、レーザーシステム制御器６２はこれらのレーザー部品の何れか又は全てに電力を制御及び／又は提供するための集積された又は独立した制御サブシステムを含むことができ、またかかるサブシステムはレーザーシステム制御器６２に関して遠隔の場所に置くことができることは明らかであろう。レーザーシステム制御器６２はまた好適には、ミラー制御器６４によって直接又は間接的にＦＳＭ ３０の方向、傾斜角度又は回転、及び速度又は周波数を含む動きを制御するのは勿論、レーザー１２又は位置決めシステム４０の部品との同期を制御する。便宜上、ＦＳＭ ３０とミラー制御器６２の組み合わせは二次的又は集積されていない位置決めシステムと称することができる。

レーザーシステムの出力ビーム４６のパラメータは、実質的に清浄な、連続的なドリリング、即ち異なった光吸収、融除の限界(threshold)、又はUV 又は可視光線に応答する他の特性を示す広範囲な金属性、誘電性及び他の材料のターゲットにバイアを形成することを容易にするために選択される。レーザーシステム出力の実施例としてのパラメータは、ビームスポット区域上で測定して約 120 マイクロジュール(μJ）より大きい、好適には 200μJより大きい平均エネルギー密度、約 50μm より小さい、好適には約 1 乃至 50μm の、典型的には約 20 乃至 30μmのスポット寸法直径又は空間的主軸；約 1 キロヘルツ(kHz)、好適には約 5 kHzより大きい、最も好適には 20 kHzより高い繰り返し速度；及び約 150 乃至 2000 nm 間の、更に好適には約 190 乃至 1325 nm 間の、最も好適には約 266 乃至 532 nm 間の波長を含む。レーザーシステム出力ビーム４６の好適パラメータは、約 100 ナノセカンド(ns)より短い、好適には約 0.1 ピコセカンド(ps)乃至 100ns の、更に好適には約 1 乃至 90 ns の又はそれより短い時間的パルス幅を利用することによって一定の熱的損傷効果を回避しようとするように選択される。当業者には、これらのパラメータは変わり、処理される材料にとって最適とすることができ、そして異なったパラメータを異なったターゲット層を処理するために使用できることは明らかであろう。

レーザーシステム出力ビーム４６は好適には、ワークピース５０上のビーム位置６０に約 25 乃至 50 μmより小さい直径のスポット区域４８を作る。スポット区域４８と直径は一般的に 1/e² ディメンションと称されるが、特にレーザーシステム１０の説明に関しては、これらの用語は、単一パルスによって作られた孔のスポット区域又は直径と称するために時折使用される。また当業者には,出力ビーム４６のスポット区域４８は一般に円形であるが、実質上方形となるように形作ることができることは、明らかであろう。また当業者には、出力ビーム４６は、もし特定の作業に望まれるならば、特に最初のステップ処理のために、そのウイング(wings)又はテイル(tails)からイメージされるか又は切り抜かれるclipped)ことができることは明らかであろう。

図２はＦＳＭ３０の好適実施例を示す。これはレーザー出力１４を受けるように置かれており、ＥＣＢバイアドリリング 、回路素子トリミング又は他の微小加工適用の目的でそれを高速位置決め器３２を通して、対物レンズ４２を通してワークピース５０上のターゲット位置６０へ偏向させる。ＦＳＭ ３０は好適には、高速位置決め器３２より高い周波数応答をもつ電気ひずみアクチュエータを利用する制限された偏向ビーム位置決めステージの一部として実現される。ＦＳＭ３０は鉛マグネシウムニオベイト(ＰＭＮ)、電圧を変位に変換させるアクチュエータ２２の如き強誘電性のセラミックアクチュエータ材料によって偏向させられる。ＰＭＮ材料はより一般的な圧電アクチュエータ材料に似ているが、 1 パーセントより小さいヒステリシスと、高い電気機械変換効率をもち、幅広い作業および製造温度範囲を示し、永久偏光(polarization)を要求せず、そして小さい電気駆動電圧をもつ有用な機械的活性を提供する。

実施例としてのＰＭＮアクチュエータ２２は、ＰＭＮ材料の40mm 長さのシリンダについて約 20 ミクロンの制限された変位をもつが、5mm 直径のシリンダについて、ミクロン当たり約 210 ニュートンの極めて高い剛性をもつ。ＦＳＭ３０はＦＳＭ 120 の中心と整列した中心をもつ正三角形として配置された第１端部をもつ３つのＰＭＮアクチュエータ２２へ撓みを介して連結される。ＰＭＮアクチュエータ２２の第２端部はＸ−軸並進ステージ５４に取り付ける据え付け台２６機械的に連結される。３つのＰＭＮアクチュエータ２２は好適には、ＦＳＭ３０を傾けて倒すために２自由度モードで使用される３自由度の形態で実現される。３つのＰＭＮアクチュエータ２２は好適には、電気的に円周に沿って３つの活性領域に分割されるＰＭＮ材料の中空のシリンダとして形成される。１領域を作動させることはそれを膨張又は収縮させ、それによってＦＳＭ ３０を倒し(tipping)又は傾ける。

好適にはアクチュエータの三角形は約 a ± 4 ミリラジアン（“mRad”)角度に偏向さることができるような、５mm の側辺をもち、これは80mm 対物レンズ４２でワークピース５０上に投影されたとき、レーザー出力１４の a ± 640 ミクロンの偏向に変換する。実施例としてのＦＳＭ ３０は典型的範囲の移動限界を提供し、この限界はパターン寸法を、レーザースポット寸法の約 ２５ 又は５０倍までに制限する；しかしＦＳＭ３０の最大の周波数応答はより拘束する限界とすることができ、この限界はレーザースポット寸法の約 15 倍までに、典型的にはレーザースポット寸法の 5 乃至 10 倍までにパターン寸法を制限する。ＦＳＭ３０は高速位置決め器３２の実施例としての検流計−被動のＸ−およびＹ−軸ミラーより高い周波数と加速度で作動する。非集積型の位置決めシステムの実施例としてのＦＳＭ３０は 1,000mm/sec より大きい速度を提供し、 4,000mm/sec 又はそれより大きい速度を可能とすることができ、それらの速度は典型的な集積型の位置決めシステムの速度の 5 乃至 10 倍の速度である。非集積型の位置決めシステムの実施例としてのＦＳＭ３０は1,000 Ｇより大きい加速度提供し、そして 30,000Ｇ又はそれより大きい加速度を可能とすることができ、それらの加速度は典型的な集積型の位置決めシステムの加速度の 50 乃至 100 倍である。

特に、実施例としてのＰＭＮアクチュエータ２２は約 2.0 マイクロファラッド(microFarad)特性のキャパシタンス、 1.0 オームＤＣインピーダンス、5kHz での１７オームインピーダンスをもち、そして 75 ボルトのドライブにおいて３以上のアンペア数の電流を引く(draws)。ＦＳＭ３０を駆動する実施例としてのＰＭＮアクチュエータ２２は、約 5 kHz より大きい大−信号帯域幅と、約 8 kHより大きい小−信号帯域幅と、約±0.5 ミクロン位置決め分解能をもつレーザー出力１４を偏向させるための少なくとも約 4 mRad の偏向角度をもつ。

当業者には、任意の他の精密な高−帯域幅のアクチュエータをミラーアクチュエータ２２用に利用できることは認められるだろう。図３は好適には圧電型（ＰＺＴ）デバイスとするミラーアクチュエータ７２a と７２b （包括的にはミラーアクチュエータ７２）用の実施例としてのミラー制御器６４の若干の実施例としての制御回路７０と共に、一部を断面図とし一部を概略図として示した代案としてのＦＳＭ３０の図である。上記圧電型デバイスはＦＳＭ３０の角度を小さく変化させるために利用されて、レーザーシステム出力ビーム４６の角度を小さく変化させ、その角度の小変化はワークピース５０の表面のレーザースポット４８の位置６０を小さく変化させる。図４はＦＳＭ３０の正面図であり、ミラーの撓みがレーザースポット４８の位置６０にどのように影響するかということを示すものである。

図３、４を参照すれば、ＰＺＴミラーアクチュエータ７２を利用する具体例では、ほヾ方形のＦＳＭ３０の１つのかど部は撓むことはできるが圧縮又は延伸することはできない撓みを有する基準構造体に固定されている。ＦＳＭ３０の２つの他のかど部は正弦波に応答して圧電ミラーアクチュエータ７２a と７２b によって駆動されてビーム進路１８に小角度を導入し、これはビーム位置決めシステム４０の他の部品によって設定されたターゲット位置６０上に重ねられたレーザースポット４８のビーム位置に小変化を生ぜしめる。

好適実施例では、sin(a) 信号７４は、１方向に角度変化を生ぜしめるために、圧電ミラーアクチュエータ７２aと７２b を反対方向に駆動し、そしてsin( a ＋ 90度）信号７６は、最初の角度変化に対して 90 度の角度変化を生ぜしめるために、sine によって(by sine)同じ方向に圧電ミラーアクチュエータ７２a と７２bを駆動する。レーザー出力１４はほヾ中心の１点でＦＳＭ３０から反射させられる。この結果、ミラー移動によって導入された小角度が走査レンズ４２によって位置の変化に変換された後に、ワーク表面で円形運動が生じる。

レーザードリリング作業では、好適な対物レンズの焦点長さは約 50 乃至 100mm であり、ＦＳＭ３０から走査レンズ４２までの好適な距離はデザインの制約以内にあって実際上小さく、Ｚステージ（（図示せず）がその正規の焦点高さにあるとき、好適には、約 300mm より小さく、更に好適には、 100mm より小さい。好適なレーザーシステム１０では、ＦＳＭ３０はＸステージ５４上の高速位置決め器３２の上流側に取り付けられ、そして何れかの通常のビーム位置決めシステムの最終回転(final turn)ミラーに取って代わる。好適実施例では、ＦＳＭ３０は、オレゴン州ポートランド在の Elecrto Scientific Industries, Inc. 製のモデル５２００又は５３２０に利用されている如き現存するレーザーおよび位置決めシステム４０を簡単にアップグレードするために適合させられ,そして通常のレーザーシステムのＸステージ５４上の最終回転ミラーと簡単に交換されることができる。当業者には、ＦＳＭ３０はビーム進路１８内に置かれるが、Ｘステージ５４上以外のどこかに取り付けることができることは認められるだろう。

当業者には、センター２４の如き旋回点の周りで２軸内においてＦＳＭ３０の運動を制御するために種々の技術を代案として利用できることは認められるだろう。これらの技術は、撓み機構およびボイスコイルアクチュエータ、圧電、電わい又はＰＭＮアクチュエータ材料の変形を頼みにする圧電アクチュエータ、およびミラーの表面を変形させるために圧電又は電わいアクチュエータを利用するＦＳＭs ３０を含む。実施例としてのボイスコイルで作動されるＦＳＭs３０はBaker の米国特許第5,946,152号に記載されており、高周波数で動作するように適合させることができる。適当なボイスコイルで作動されるＦＳＭs３０はコロラド州のブルームフィールド在の Ball Aerospace Corporation およびカリフォルニア州のアーウ゛イン在の Newport Corporationから入手可能である。適当な圧電アクチュエータはドイツ国 Karlsruhe 在の Physik Instrumente (“PI”）GmbH & Co. 製のモデル S-330 Ultra-Fast Piezo Tip/Tilt Platformである。

シミュレーションされたレーザースポット拡大(enlargement)の適用においては、レーザー制御器６４はトリミングプロフィール(profile)又は盲バイアドリリングプロフィールの如き予定の工具進路に従うように集積型位置決めシステムの高速位置決め器３２とステージ５２、５４に命令する一方で、ミラー制御器６４は独立して、ＦＳＭ３０がレーザーシステム出力ビーム４６のレーザースポット位置を小さな円又は振動の如き所望のパターンで動かすようになす。この重ねられた自由に進行するビーム移動又は振動はレーザーシステム出力ビーム４６のエネルギーを大区域上に分配し、そして工具進路に沿ってより幅の広いカットを有効に作る。有効な切り口幅はパターン寸法プラススポット直径にほヾ等しい。ビーム移動はまた、或る期間内に所定の平均エネルギー密度で処理することができる面積を有効に増すためにレーザーエネルギーを大区域上に分散させる。

ＦＳＭ３０に送られたミラー制御器６４の命令は集積型位置決めシステムのステージ５２、５４と高速位置決め器３２にアドレスされた位置決め命令と集積されて(integrated)いないが、その位置決め命令に重ねられるので、多くの複雑さと出費が回避される一方、多くの増大した機能性と処理量が得られる。しかしミラー制御器６４は、特定のレーザー適用中にレーザーシステム出力ビーム４６の所望の移動パターンをもたらすために又は集積型位置決めシステムの特定の工具進路をもたらすためにレーザー制御器６２と協働することができる。ＦＳＭ−有効スポットパターンは例えばトリミング作業用に特定の切り口幅を得るためのパターン寸法をもつように選択されることができ及び／又は例えばバイアドリリング作業中に特定の孔縁品質を与えるように選択されることができる。しかし当業者には、ミラー制御器６４はユーザーによって直接プログラミングされることができるが、レーザー制御器６２と協働する必要はなく、またその制御器によって制御される必要もないことは認められるだろう。

コンピュータグラフィックスモデルは、上述の如くＰＺＴアクチュエータによってＦＳＭ３０の連続移動からもたらされるワーク表面におけるレーザースポット４８の個々の配置を示すために開発された。図５ＢはＦＳＭ３０の移動によって増強された、図５Ａの実施例としての直線切り口形成用工具進路８０のコンピュータモデルである。図５Ａと５Ｂ（集合的には図５）を参照すれば、パラメータは、約１８kHz のＰＲＦ；約 25 μmのスポット寸法；約 50 mm/sec の線速度（小さい回転円形パターンがワーク表面を横切って移動している速度）；約 2 kHz の回転速度（円形パターンが回転している速度）；約 30 μmの回転適性(aptitude)（（ビーム中心までの）円形パターンの直径）；約 10 μmの内径（（円形パターンの中心までの）螺旋パターンの出発直径）；約 150 μmの外径（（円形パターンの中心までの）螺旋パターンの端直径）；および約２つのサイクルの数（螺旋パターンの回転数）を含む。このモデルは、レーザーパルス速度を15 乃至 20 kHzの 範囲内に支持するために 1 kHz乃至 2.5 kHzの回転速度（回転当たり 5 乃至 15 パルス）が実際的なパルスの重なり(plse overlap)に望まれることを示す。

再び図５を参照すれば、ミラー増強された(mirror-enhanced)直線プロフィール８２は出力ビーム４６のスポット直径８６より大きい切り口幅８４を作る。この技術により、スポット直径８６より幅の広い切り口がより少ないパスで形成されると同時に、加工の品質と集束された出力ビーム４６を使用すること（即ちより幅の広いスポットを得るためにビーム焦点をぼかすことなしに）の他の利点を維持することができる。更に、ミラー増強された直線プロフィール８２は、高繰り返し速度適用のために最も速い位置決め器３２の帯域幅の能力を越えることができ、そして高速位置決め器３２が、別法ではミラー増強された直線プロフィール８２において明らかなサブパターンをそれらになし遂げさせることが要求されるサブパターニング(sub patterning)とは対照的に、簡単な位置決め運動命令を保持することを可能となす。

図６ＢはＦＳＭ３０の運動によって増強された実施例としてのバイア形成用の螺旋工具進路９０（図６Ａ）のコンピュータモデルである。図６Ａ、６Ｂ（集合的に図６）を参照すればパラメータは、約 15 kHzのＰＲＦ；約 15 μmのスポット寸法；約 30 mm/sec の線速度（小回転円形パターンがワーク表面を横切って動く速度）；約 1.5 kHzの回転速度（円形パターンが回転している速度）；約 20 μmの回転適性（（ビーム中心までの）円形パターンの直径）；約 10 μmの内径（（円形パターンの中心までの）螺旋パターンの出発直径）；約 150 μmの外径（（円形パターンの中心までの）螺旋パターンの端直径）；および約２つのサイクルの数（螺旋パターンの回転数）を含む。このモデルは、レーザーパルス速度を15 乃至 20 kHzの 範囲内に支持するために 1 kHz乃至 2.5 kHzの回転速度（回転当たり 5 乃至 15 パルス）が実際的なパルスの重なりに望まれることを示す。

Ｑ−スイッチ付きCO₂レーザーシステム１０とＰＭＮ ＦＳＭ３０を利用する実施例では、CO₂レーザーシステムはバイア孔当たり 20 乃至 30 パルスをもつ30 乃至 40 kHzのＰＲＦを利用する。ＦＳＭ３０は 1.0 乃至 1.5 kHzでレーザーシステム出力ビーム４６を振動させるので、それは、孔が穿孔されるとき、完全な１回転をなし、穿孔時間は 0.6 乃至 1 ms より小さい時間となる。

図６を参照すれば、盲バイアは周囲に至る螺旋工具進路９０に沿って重なって隣接する場所にスポット区域８６をもつレーザーシステムの出力ビーム４６を連続的に差し向けることによって形成される。ビーム４６は好適には、該システム１０が該場所にカット深さを得るのに必要なビームパルスの数を放出するのに十分な速度で、各場所を通して連続的に動かされる。ビーム４６が螺旋工具進路９０に沿って進むにつれて、ターゲット材料は、ビーム４６が新しい切削場所に動かされる度に増大する寸法の孔を形成するために“かじり取られる(nibbled)”。孔の最終形状は典型的には、ビーム４６が周囲で円形進路に沿って動くときに、得られる。

当業者は、ミラー増強されたバイア−ドリリングプロフィール９２は出力ビーム４６のスポット直径８６より大きい切り口幅８４を作り、結果として出来るバイアの直径９４は、スポット寸法と同じ寸法の切り口幅から作られた螺旋の直径よりずっと大きくなることに注目するだろう。本発明は、焦点はずれの状態で仕事をすることに関連するビーム品質の問題なしに、所定の繰り返し速度での一連のレーザーパルススポット４８が、より低いパルス速度での一連のより大直径のレーザーパルススポットとして現れることを可能にする。バイア直径又は切り口幅は典型的には25 乃至 300 μmの範囲にわたるが、1 ミリメートル(mm) と同じか、又はそれより大きい直径又は幅をもつバイア又は切り口もまた望ましい。

盲バイアを形成するための別の工具進路は中心で出発しそして切り口幅８４によって限定される漸増する半径の同心円を切断することになる。バイアの全直径はバイアを形成する同心円が領域の中心からより大きい距離をおいた個所で円形進路を進むにつれて増していく。代案として、このプロセスは所望の円周を限定しそして縁を中心にむけて処理していくことによって始めることができる。外側の螺旋処理は僅かに連続的となり、同心円の処理より速くなる傾向がある。しかし盲バイアは内方へ渦巻形に進めることによっても作ることができる。

当業者には、ワークピース５０か又は処理出力ビーム４６の何れかは他方のものの位置に関して固定される又は動かされることができることは認められるだろう。好適実施例では、ワークピース５０と処理出力ビーム４６の両者は同時に動かされる。幾つかの異なる基体上に作られた種々の深さと直径の貫通孔バイアと盲バイアの幾つかの実施例は、米国特許第5,593,606号に記載されている。他の工具進路のプロフィールを含む種々のバイア処理技術はもまた、 Dunsky 等の米国特許第6,407,363 B2号に記載されている。これは参考として本文に編入されるものとする。当業者には、非円形バイアもまた同様のプロセスによって融除されることができることは認められるだろう。かかるバイアは例えば、正方形、方形、楕円形、スロット状又は他の表面幾何学的形態をもつことができる。

当業者にはまた、集積型(integrated)位置決めシステムは小区域バイアを処理するために単一場所に差し向けられることができ、そして非集積型(nonintegrated)のＦＳＭ３０が、かなり大きい滞留時間なしにまた、工具進路９０の如き工具進路を作動するために集積型位置決めシステムを動かす複雑さなしに、出力ビーム４６のスポット直径４８より大きいバイア直径を作るために使用されることは、認められるだろう。更に、縁の品質と底の均一性を含むバイア品質は、特に、レーザーシステム出力ビーム４６が比較的ガウスの方式(Gaussian)に従うときには何時でも大幅に改良されることができるだろう。

当業者には、本発明の上述の実施例の細部には、特許請求の範囲に記載した原理から逸脱することなく多くの変更を成し得ることは明らかであろう。従って本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ決定されるべきものである。

本発明の高速ステアリングミラーを合体した簡単なレーザーシステムの一部を斜視図とし、一部を概略図として示した図である。 図１のレーザーシステムに利用された高速ステアリングミラー機構の一部を絵画的に、一部を概略図として示した図である。 図１のレーザーシステムに利用された高速ステアリングミラー機構の一部を断面図で、一部を概略図として示した図である。 ミラーの撓みがレーザースポットの位置にどのように影響するかを示した高速ステアリングミラーの正面図である。 （Ａ）本発明の高速ステアリングミラーの移動によって増強される実施例としての直線切り口−形成用の工具進路のコンピュータモデルを示す１つの図である。（Ｂ）本発明の高速ステアリングミラーの移動によって増強される実施例としての直線切り口−形成用のプロフィールのコンピュータモデルを示す他の図である。 （Ａ）本発明の高速ステアリングミラーの移動によって増強される実施例としてのバイア形成用の螺旋工具進路のコンピュータモデルを示す１つの図である。（Ｂ）本発明の高速ステアリングミラーの移動によって増強される実施例としてのバイアドリリングプロフィールのコンピュータモデルを示す他の図である。

Claims (22)

1. レーザー出力パルスでワークピース上に有効切り口幅をレーザー加工する方法であって、各レーザーパルスがワークピース上に有効切り口幅より小さいレーザースポット直径をもって成るレーザー加工方法において、該加工方法は、
   一次的ビーム位置決めシステムから、レーザースポット位置の一次的相対的移動を第１セットの制限された速度と加速度でワークピースに与えることを含み、上記一次的ビーム位置決めシステムはレーザーからワークピース上のレーザースポット位置にビーム位置決め経路を提供し、上記一次的相対的移動は一次的加工進路を限定し、更に該加工方法は、
   ビーム位置決め経路に沿って置かれた二次的ビーム位置決めシステムから、レーザースポット位置の二次的相対的移動を第１セットの速度と加速度より実質上高い第２セットの速度と加速度でワークピースに与えることを含み、上記二次的相対的移動は一次的相対的移動に重ねられそして、レーザースポット直径の約１５倍より小さいか又はそれに等しい一次的加工進路に対して直角をなす或るパターン寸法をもつパターンを含み、上記一次的と二次的の相対的移動はパターン寸法プラススポット直径にほヾ等しい一次的加工進路に沿った有効切り口幅を提供するために協働すること含むことを特徴とする加工方法。
2. 上記第２セットは 1,000 mm/sec より大きい速度と、1,000 G より大きい加速度を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記第２セットは 1,000 乃至 4,000 mm/secの速度と、1,000乃至 30,000 G の加速度を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 第１セットは 500 mm/secより小さい速度と 500 G より小さい加速度を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. パターン寸法はレーザースポット直径の約 10 倍より小さいか又はそれに等しいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 二次的ビーム位置決めシステムは、約 5 kHz より大きい大信号帯域と、約 8 kHzより大きい小信号帯域幅をもつことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 二次的ビーム位置決めシステムは高速ステアリングミラーを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 上記高速ステアリングミラーはＰＭＮ又はＰＺＴ作動ミラーを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 一次的ビーム位置決めシステムは少なくとも１つの並進と高速位置決め器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 高速位置決め器は少なくとも１つの検流計−被動のミラーを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 高速位置決め器は並進ステージ上に取り付けられていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 一次的位置決めシステムはスプリット−軸位置決めシステムを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. レーザー出力パルスでのバイアドリリングの適用をなすことを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. レーザー出力パルスでのレーザートリミングの適用をなすことを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. レーザー出力パルスでワークピース上に有効切り口幅をレーザー加工する方法であって、各レーザーパルスがワークピース上に有効切り口幅より小さいレーザースポット直径をもって成るレーザー加工方法において、該加工方法は、
    並進ステージ位置決めシステムから、レーザースポット位置のステージ−関連の相対的移動を並進ステージ−制限された速度と加速度でワークピースに与え、
    高速位置決めシステムから、レーザースポット位置の高速相対的移動を高速−制限された速度と加速度でワークピースに与えることを含み、上記高速位置決めシステムは並進ステージ位置決めシステムより高い加速度能力をもち、更に該加工方法は、
    第１セットの制限された速度と加速度でワークピースにレーザースポット位置の一次的相対的移動を与えるために、並進ステージ位置決めシステムと高速位置決めシステムを集積することを含み、一次的ビーム位置決めシステムはビーム位置決め経路をレーザーからワークピース上のレーザースポット位置へ提供し、一次的相対的移動は一次的加工進路を限定し、そして更に該加工方法は、
    ビーム位置決め経路に沿って置かれた高速ステアリングミラーから、レーザースポット位置の二次的相対的移動を第１セットの速度と加速度より実質的に高い第２セットの速度と加速度でワークピースに与えることを含み、二次的相対的移動は一次的相対的移動上に重ねられているが、その一次的相対的移動とは集積されておらず、かつレーザースポット直径の約１５倍より小さいか又はそれに等しい一次的加工進路に対して直角をなす或るパターン寸法をもつパターンを含み、上記一次的と二次的の相対的移動はパターン寸法プラススポット直径にほヾ等しい一次的加工進路に沿って有効切り口幅を提供するために協働すること含むことを特徴とする加工方法。
16. 上記第２セットは 1,000 mm/sec より大きい速度と、1,000 G より大きい加速度を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 上記第２セットは 1,000 乃至 4,000 mm/secの速度と、1,000乃至 30,000 G の加速度を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 高速−制限された速度と加速度は 500 mm/sec より小さい速度と、 500 G より小さい加速度を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 高速ステアリングミラーはＰＭＮ又はＰＺＴ作動ミラーを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
20. 高速位置決め器は少なくとも１つの検流計−被動のミラーを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
21. 一次的位置決めシステムはスプリット−軸位置決めシステムを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
22. レーザー出力パルスでのバイアドリリングの適用をなすことを特徴とする更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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