JP2005532908A5

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Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2008-04-17
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Description

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

この発明はレーザー微小加工、特に基板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板上の所望のパターン内に集束したスポット寸法を有する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した方法と装置に関するものである。

ここで背景技術のほんの一例として、電子回路パッケージ産業で最もよく使用されつつある部品である、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ような多層の電子ワークピースを示す。

ボールグリッドアレイ、ピングリッドアレイ、回路板、及びハイブリッド微小回路のような単一チップをパッケージするデバイスは、典型的には、金属や有機誘電性材料、補強材料、さらには他の新規な材料の別々の構成層を含んでいる。ごく最近では、この種の電子材料にバイア（vias）を形成するため又は他の処理を施すためにレーザーを基にした微小加工技術に開発の目が向けられてきている。ここで、バイアは、ほんの一例として微小加工につき説明しているが、バイアは、完全な貫通孔でも盲（ブラインド）バイアと称される不完全な孔の形態であっても良い。あいにく、レーザー微小加工は、レーザーの種類、作業コスト並びに、ビーム波長、ビーム出力及びスポット寸法のようなレーザー及びターゲット材料の特定の操作パラメータを含む多くの変数を包括しており、それゆえ加工処理量及び孔の品質に大きなばらつきが生じる結果となる。

現在、微小加工作業に使用されているパルス化された紫外線（ＵＶ）レーザーは、多くの用途で所望される切り口（kerf）幅及び孔直径に比べて比較的小さいスポット寸法をもたらす。以下で「輪郭加工」と称される、レーザースポット寸法より大きいこのような幾何学的特徴を形成するレーザー加工の処理量は、高い出力密度と低い出力密度のレーザービームを用いることによって増大させることができる。何れもOwen等のものである米国特許第５，５９３，６０６号及び米国特許第５，８４１，０９９号には、多層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ＵＶレーザーシステムを用いることの有用性が記載されている。これらの特許は、集束したスポット寸法の直径よりも大きい直径を有するバイアをトレパニング、同心円加工又は螺旋加工によって作ることができる周知の技術について言及している。これらの技術を、以下、包括的に「輪郭穿孔（contoured drilling）」と称する。

あいにく、焦点外れの状態でレーザーを操作することは、しばしば予測不可能かつ望ましくないエネルギー分配及びスポット形状をもたらし、バイア壁の傾斜、バイア底にある胴層の溶融度、穿孔中の溶融銅のはねかけによって生じるバイア周辺の「リム」の高さを含むバイアの品質に悪影響を及ぼす。さらに、通常の視準光学系及び集光光学系に進入するスポット寸法は、ターゲットに衝突するスポット寸法に反比例するので、光学系に適用される出力密度は、光学系の損傷閾値（damage threshold）を急激に越える。

Wardの米国特許第４，４６１，９４７号には、入射レーザービームに対して垂直な平面内でレンズを回転させることにより、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させる輪郭穿孔方法が開示されている。かかるレンズの回転は、支持取付アームの位置から独立したものである。また、Wardは、平面内における取付アームの動作に依存してレンズを回転させる先行技術に従う輪郭穿孔方法を開示している。背景技術の中で、Wardは、ビームを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号には、第１軸線周りに旋回するとともにベアリング上の回転支持部材によって支持された凹面集光ミラーであり、第１軸線に対して垂直な第２軸線周りに回転可能な凹面集光ミラーを用いたレーザー溶接システムが開示されている。かかるミラーは、第１軸線周りに揺動して除去されるターゲットの「幅」を増大させ、第２軸線周りに回転して環状のパターンを形成する。

従ってこの発明の目的は、集束したレーザースポットを迅速に空間的に広げる方法及び装置を提供すること、及び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。

この発明の他の目的は、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迅速に作ることである。

この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向上することにある。

Cutler等の米国特許第５，７５１，５８５号及び第５，８４７，９６０号並びにCutlerの米国特許第６，４３０，４６５号には、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、下部ステージから独立して移動し、そしてワークピースが１つの軸又はステージ上に搭載されている一方で、工具が他の軸又はステージ上に搭載されている分割軸式の位置決めシステムの記載が含まれている。このような位置決めシステムは、それぞれが高速位置決め器を支持する１つ以上の上部ステージを有し、そして１つ又は複数のワークピースを高い処理量で同時に処理することができる。というのも、積重式のステージシステムに比べて、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持ち、加速、減速及び方向転換をより速く行い得るからである。かくして、１つのステージの質量が、他方のステージ上に載荷されることがないので、所定荷重の共振周波数が増大する。さらに、低速位置決め器及び高速位置決め器は、連続的な位置決めコマンドデータに応答して停止する必要なしに動くよう用いられる一方で、データベースによって定められたターゲット位置上に一時的に静止した工具位置を作るためにそれらの個々の移動位置を協調させる。このような分割軸式のマルチレート位置決めシステムは、従来のシステムの高速位置決め器における移動制限範囲を減少させる一方で、工具の処理量を著しく増大させるとともにパネル化された又はパネル化されていないデータベースから稼働することができる。

このような分割軸式の位置決めシステムは、ワークピースの全寸法及び重量が増大し、より長く、より重量のあるステージを利用するようになるにつれてさらに有利となるが、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間隔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。

それゆえ、この発明は、ビーム経路内に、レーザービームを、公称ターゲット位置周りの所定パターン内で高速で連続的に動かし、高い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することにより、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創出する、圧電制御ミラーのような高速ステアリングミラーを用いる。この発明により、焦点外れでの稼働に関連するビーム品質の問題を伴うことなく、所定の繰り返し速度における一連のレーザーパルスを、より低いパルス速度にてより直径の大きい一連のパルスとして出現させることができる。

この発明の追加の目的と利点は、添付図面を参照して行われる好適な実施形態についての詳細な説明から明らかになるであろう。

図１を参照すると、この発明に従う例示的な実施形態のレーザーシステム１０は、Ｑスイッチ付きのダイオード励起（ＤＰ）固体（ＳＳ）レーザー装置１２を含み、このレーザー装置は、好適には固体レーザント（lasant）を含む。しかし、当業者には、クリプトンアークランプのようなダイオード以外の励起源も利用できることは理解されよう。励起ダイオード、アークランプ、又は他の従来の励起手段は、電力供給源（別に示さず）から電力を受け、電力供給源は、レーザー装置１２の一部に形成しても良く、あるいは別々に配置しても良い。

例示的なレーザー装置１２は、主としてTEM₀₀空間モードのプロフィルを有する１つ以上のレーザーパルスの、高調波発生したレーザー出力１４をもたらす。約１５０ナノメータ（ｎｍ）〜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、又は第五高調波を含むが、これらに限定はされない。このような高調波波長は、約５３２ｎｍ（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）のよう波長を含むことができるが、これらに限定はされない。レーザー装置１２及び高調波発生の技術は当業者には周知である。一具体例としてのレーザー装置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。好適なレーザー装置１２の一例には、米国カリフォルニア州、マウンテンビューのLightwave Electronics社によって販売されているModel 210 UV-3500のレーザー装置が含まれる。当業者には、他の適当な波長で発生するレーザー装置は市販されており、それらにはファイバーレーザー装置、又はＱスイッチ付きＣＯ_２レーザーが含まれ、そして利用可能であることは理解されるであろう。一具体例としてのＱスイッチ付きＣＯ_２レーザーは２００２年１２月１２日発行の、Dunsky等の米国特許出願公開２００２／０１８５４７４号に開示されている。

図１を参照すると、レーザー出力１４は、一連の（ステージ軸位置決めミラーのような）ビーム指向部品２０、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（ガルバノメータ駆動の一対のＸ及びＹ軸ミラーのようなもの）によって指向される前に、ビーム経路１８の途中に配置されたビームエキスパンダレンズ部品１６を含む種々の周知の光学系によって操作することができる。最終的に、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のレーザースポット４８に適用される前に、集束又はテレセントリック（telecentric）走査レンズのような対物レンズ４２を通過する。

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号に記載されているアッベ（ABBE）エラー補正手段を含んでいても良い。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ものであり、この並進ステージ位置決め器は、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を制御するとともに位置決め部品２０を支持し、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。好適な実施形態では、並進ステージ位置決め器は、分割軸式のシステムとし、この場合、典型的にはリニアモータ駆動の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とをレール５８に沿って支持して動かし、Ｘ及び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、レーザー装置１２とＦＳＭ３０との間で任意に回転しビーム経路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１．５×９．８m/sec²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との組み合わせは、一次的な又は統合型の位置決めシステムとして称する。

ビーム位置決めシステム４０は、提供されたテスト若しくはデザインデータに基づく唯一の若しくは繰り返しの処理作業を行うために同一の若しく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。一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５００×９．８m/sec²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統合位置決めシステムとなる典型的な可能性をもつ。上述した位置決めシステムの要素の多くを含む好適なレーザーシステム１０の一例は、米国オレゴン州、ポートランド在のElectro Scientific Industries社（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及びＹステージと、ビーム位置決め用の固定ビーム位置決め器及び／又は固定ガルバノメータ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及び５４と高速位置決め器３２と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が、これらのレーザー部品の何れかへの又は全てへの電力を制御及び／又は提供するための統合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によって直接的に又は間接的にＦＳＭ３０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、ＦＳＭ３０とミラー制御器６２との組み合わせは二次的な又は非統合型の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、異なった光吸収性、アブレーション闘値、又はUV若しくは可視光線に応答する他の特性を示すさまざまな金属性、誘電性及び他の材料のターゲットに、実質的に清浄で、連続的な穿孔、即ちバイヤの形成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例示的なパラメータは、ビームスポット区域上で測定した平均エネルギー密度が、約１２０マイクロジュール(μJ)より大きく、好適には２００μJより大きく、スポット寸法直径又は空間的主軸が、約５０μmより小さく、好適には約1〜50μm、典型的には約２０〜３０μmであり、繰り返し速度が、約１キロヘルツ(kHz)、好適には約５kHzより大きく、最も好適には２０kHzより高く、波長が、約１５０〜２０００nmの間、更に好適には約１９０〜１３２５nmの間、最も好適には約２６６〜５３２nmの間にある。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)〜１００nsの、更に好適には約１９０ns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更可能であり、処理される材料にとって最適化することができ、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２５〜５０μm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及び直径は一般的に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で、そのウイング部(wings)又はテイル部(tails)をイメージング又はクリッピングすることができることは明らかであろう。

図２はＦＳＭ３０の好適な実施形態を示しており、このＦＳＭ３０は、レーザー出力１４を受けるように配置され、ＥＣＢ（エッチング回路基板）バイア穿孔、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及び対物レンズ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。ＦＳＭ３０は好適には、高速位置決め器３２より高い周波数応答性を有する電歪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のような強誘電性のセラミックアクチュエータ材料によって湾曲する。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。

例示的な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有するが、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有する。ＦＳＭ３０は、正三角形として配置された第１端部を有する３つのＰＭＮアクチュエータ２２へ歪み可能に連結されており、その正三角形の中心点とＦＳＭ３０の中心点２４とは一致している。ＰＭＮアクチュエータ２２の第２端部は、Ｘ軸並進ステージ５４に取り付けられた据え付け台２６に機械的に連結されている。３つのＰＭＮアクチュエータ２２は好適には、ＦＳＭ３０の倒れ込み及び傾斜は、３自由度の構造を２自由度モードで使用することで実現される。３つのＰＭＮアクチュエータ２２は好適には、円周に沿って３つの活性領域に電気的に分割された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によりそれは膨張又は収縮し、それによってＦＳＭ３０は倒れ傾斜する。

好適にはアクチュエータの三角形は、５mmの側辺を有し、約±４ミリラジアン（mRad）の角度に偏向さることができ、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±６４０ミクロンの偏向に変換される。例示的なＦＳＭ３０では、パターン寸法を、レーザースポット寸法の約２５ないし５０倍までに制限する典型的な移動範囲の制限を設けても良く、その一方でＦＳＭ３０の最大の周波数応答性は、パターン寸法をレーザースポット寸法の約１５倍まで、典型的にはレーザースポット寸法の５〜１０倍に制限するようより抑制的に制限しても良い。ＦＳＭ３０は、高速位置決め器３２の例示的なガルバノメータ駆動のＸ及びＹ軸ミラーより高い周波数及び加速度で作動する。非統合型の位置決めシステムの例示的なＦＳＭ３０は１，０００mm/secより速い速度をもたらし、４，０００mm/sec又はそれよりも速い速度とすることも可能であり、これらは典型的な統合型の位置決めシステムの速度の５〜１０倍の速度である。非統合型の位置決めシステムの例示的なＦＳＭ３０は、１，０００×９．８m/sec^２より大きい加速度をもたらし、３０，０００×９．８m/sec^２又はそれより大きい加速度とすることも可能であり、これらは典型的な統合型の位置決めシステムの加速度の５０〜１００倍である。

特に、例示的なＰＭＮアクチュエータ２２は、約２０μＦ(microFarad)の容量特性、１．０ΩのＤＣインピーダンス、５kHzにおける１７Ωインピーダンスを有し、７５ボルトの電圧駆動において３アンペア以上の電流を引き出す(draws)。ＦＳＭ３０を駆動する例示的なＰＭＮアクチュエータ２２は、約５kHzよりも大きい広信号帯域幅と、約８kHよりも大きい狭信号帯域幅と、約±０．５ミクロンの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４mRadの偏向角度を有する。

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に利用できることは理解されよう。図３は、代替のＦＳＭ３０を、ミラーアクチュエータ７２Ａ及び７２Ｂ（包括的には、ミラーアクチュエータ７２）用の例示的なミラー制御器６４の例示的な制御回路と共に一部を断面図とし一部を概略図として示したものであり、ミラーアクチュエータ７２は、好適には圧電（ＰＺＴ）デバイスであり、圧電デバイスは、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、ミラーの歪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を参照すると、ＰＺＴミラーアクチュエータ７２を用いた例示的な実施形態が示されており、略方形の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性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とによって駆動されてビーム進路１８に小角度をもたらし、これはビーム位置決めシステム４０の他の要素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じさせる。

好適な実施形態では、sin(a)の信号７４は、１方向に角度変化を生じさせるために、圧電ミラーアクチュエータ７２Ａと７２Ｂとを反対方向に駆動させ、sin(a＋90度)の信号７６は、最初の角度変化に対して90度の角度変化を生じさせるために、正弦（sine）によって同一方向に圧電ミラーアクチュエータ７２Ａと７２Ｂとを駆動させる。レーザー出力１４は、ＦＳＭ３０のおおよそ中心点で反射される。この結果、ミラー移動によってもたら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、ワーク表面に円形運動が生じる。

レーザー穿孔作業では、好適な対物レンズの焦点長さは約５０〜１００mm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、好適には、Ｚステージ（図示せず）がその正規の焦点高さにあるときに約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、そして従来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ものである。好適な実施形態では、ＦＳＭ３０は、オレゴン州ポートランド在のElecrto Scientific Industries社製のモデル５２００又は５３２０に利用されているような既存のレーザー装置及び位置決めシステム４０を容易にアップグレードして用いられており、また、従来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代えることができる。当業者には、ＦＳＭ３０は、ビーム進路１８内に配置できる他、Ｘステージ５４上以外の何れかの場所に取り付けできることは理解されよう。

当業者には、センター２４のような旋回点の周りで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、ミラーの表面を変形させるために、歪み機構及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に依存する圧電アクチュエータ、及び圧電又は電わいアクチュエータを利用するＦＳＭ３０を含む。ボイスコイルで作動するＦＳＭ３０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により作動するＦＳＭ３０は、コロラド州のブルームフィールド在のBall Aerospace社及びカリフォルニア州のアーウ゛イン在のNewport社から入手可能である。適当な圧電アクチュエータは、ドイツ国カールスルーエ在のPhysik Instrumente(「PI」))社製のモデル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)又は盲バイア穿孔プロフィールのような予定の工具進路に従うように統合型の位置決めシステムの高速位置決め器３２及びステージ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運動又は振動のような所望のパターンで動かすようになす。この重複して自由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、工具進路に沿って幅広の切り口を有効に作る。有効な切り口幅は、前記パターンのパターン寸法とスポット直径との和に略等しい。ビーム移動はまた、広範囲に亘ってレーザーエネルギーを分散させ、或る時間内に所定の平均エネルギー密度で処理される区域を増大させる。

ＦＳＭ３０に送られたミラー制御器６４の命令は、統合型の位置決めシステムのステージ５２、５４及び高速位置決め器３２にアドレスされた位置決め命令と統合されてはいないが、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、機能性及び処理量の著しい向上が達成される。また一方で、ミラー制御器６４は、レーザー制御器６２と協働し、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を所望のパターンで移動させ、あるいは統合型の位置決めシステムの特定の工具進路をもたらす。ＦＳＭの有効スポットパターンは、例えばトリミング加工を目的として、特定幅の切り口を得るためにパターン寸法を選択することができ及び／又は例えばバイア穿孔加工を目的として、特定の孔縁品質を得るために選択することができる。なお、当業者には、ミラー制御器６４は、ユーザーが直接的にプログラミングすることができるが、レーザー制御器６２と協働させる必要させる必要はなく、レーザー制御器６２を介して制御する必要もないことは理解されよう。

コンピュータグラフィックスモデルは、上述したようなＰＺＴアクチュエータによる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の移動によって向上した、図５Ａの例示的な直線的な切り口を形成するための工具進路８０のコンピュータモデルを示している。図５Ａ及び５Ｂ（総称して図５）を参照すると、パラメータは、約１８kHz のＰＲＦ、約２５μm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る移動速度）、約２kHzの回転速度（円形パターンが回転している速度）、約３０μmの回転適性(aptitude)（（ビーム中心までの）円形パターンの直径）、約１０μmの内径（（円形パターンの中心までの）螺旋パターンの出発（starting）直径）、約１５０μmの外径（（円形パターンの中心までの）螺旋パターンの端（end）直径）、及び約２回の繰り返し数（螺旋パターンが回転する回数）を含む。このモデルは、レーザーパルス速度を１５〜２０kHzの範囲内に支持するために、１kHz〜２．５kHzの回転速度（１回転当たり５〜１５パルス）が実際的なパルスの重なりに望まれることを示している。

再び図５を参照すると、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より大きい幅の切り口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、高い繰り返し速度の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においてサブパターンを明確にす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、例示的な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（総称して図６）を参照すれば、パラメータは、約１５kHzのＰＲＦ、約１５μmのスポット寸法、約３０mm/secの線速度（小回転円形パターンがワーク表面を横切る移動速度）、約１５kHzの回転速度（円形パターンが回転している速度）、約２０μmの回転適性（（ビーム中心までの）円形パターンの直径）、約１０μm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１５０μm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）、及び約２回の繰り返し数（螺旋パターンが回転する回数）を含む。このモデルは、レーザーパルス速度を１５〜２０kHzの範囲内に支持するために１〜２．５kHzの回転速度（１回転当たり５〜１５パルス）が実際的なパルスの重なりに望まれることを示している。

Ｑスイッチ付きCO₂レーザーシステム１０とＰＭＮ材料のＦＳＭ３０を利用する例示的な実施形態では、CO₂レーザーシステムはバイア孔当たり２０〜３０パルスをもつ３０〜４０kHzのＰＲＦを利用する。ＦＳＭ３０は、１．０〜１．５kHz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０．６〜１msより小さい時間となる。

図６を参照すれば、盲バイアは、螺旋状の工具進路９０に沿って隣接して重複する場所にスポット区域８６を有するレーザーシステムの出力ビーム４６を外周側に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が螺旋状の工具進路９０に沿って進むにつれて、ターゲット材料は、少しずつ削り取られ、ビーム４６が新しい切削場所に動かされる度に孔の寸法は増大する。孔の最終形状は典型的には、ビーム４６が外周の円形進路に沿って移動したときに得られる。

ミラー増強されたバイア穿孔プロフィール９２が出力ビーム４６のスポット直径８６より大きい切り口幅８４をもたらし、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かなり大きくなることに留意されたい。この発明は、焦点はずれの状態で加工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２５〜３００μm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又は処理出力ビーム４６の何れかを、他方の位置に対して固定又は移動することができることは理解されよう。好適な実施形態では、ワークピース５０と処理出力ビーム４６の両者は同時に移動する。多数の異なる基体上に、貫通孔バイア、種々の深さ及び直径を有する盲バイアを形成する例は、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もまた、Dunsky等の米国特許第６，４０７，３６３号に記載されており、これは参考として明細書に含まれるものとする。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することができることは理解されよう。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、統合型の位置決めシステムを、小区域バイアを処理するために単一場所に差し向けることができ、また、非統合型のＦＳＭ３０が、著しく滞留時間を長くすることなしに、及び工具進路９０のような工具進路を実行するために統合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、理解されるであろう。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の強度が比較的ガウス分布に従うときには大幅に改良することができる。

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。ミラーの歪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直線的な切り口を形成するための工具進路のコンピュータモデルを例示的に示す図である。（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直線的な切り口を形成するためのプロフィールのコンピュータモデルを例示的に示す他の図である。（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バイアを形成するための螺旋状の工具進路のコンピュータモデルを例示的に示す図である。（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バイア穿孔プロフィールのコンピュータモデルを例示的に示す他の図である。

Claims

レーザー出力パルスでワークピース上に有効切り口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て有効切り口幅よりも小さいレーザースポット直径を有す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、ワークピースに対するレーザースポット位置の一次的相対移動を、制限された第１の速度及び加速度で与え、前記一次的ビーム位置決めシステムは、レーザー装置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、前記一次的相対移動は、一次的加工進路を定め、更に該加工方法は、
ビーム位置決め経路内に配置された二次的ビーム位置決めシステムから、ワークピースに対するレーザースポット位置の二次的相対移動を、第１の速度及び加速度よりも大きい第２の速度及び加速度で与え、前記二次的相対移動は、一次的相対移動に重ねられるとともに、一次的加工進路に対して直角方向に規定されるパターン寸法がレーザースポット直径の１５倍以下であるパターンを含み、一次的及び二次的相対移動は協働して、パターン寸法とスポット直径との和に相当する、一次的加工進路に沿った有効切り口幅をもたらすことを特徴とする加工方法。
前記第２の速度及び加速度は、速度が１，０００mm/secより大きく、加速度が１，０００×９．８m/sec²より大きい、請求項１に記載の方法。
前記第２の速度及び加速度は、速度が１，０００〜４，０００mm/secの範囲にあり、加速度が１，０００〜３０，０００×９．８m/sec²の範囲にある、請求項２に記載の方法。
前記第１の速度及び加速度は、速度が５００mm/secより小さく、加速度が５００×９．８m/sec²より小さい、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
前記パターン寸法は、レーザースポット直径の1０倍以下である、請求項１に記載の方法。
前記二次的ビーム位置決めシステムは、５kHzより大きい広信号帯域と、８kHzより大きい狭信号帯域幅を有する、請求項１に記載の方法。
前記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有する、請求項１に記載の方法。
前記高速ステアリングミラーは、鉛マグネシウムニオベイト作動ミラー又は圧電作動ミラーを含む、請求項７に記載の方法。
前記一次的ビーム位置決めシステムは、高速位置決め器と少なくとも１つの並進ステージとを含む、請求項１に記載の方法。
前記高速位置決め器は、少なくとも１つのガルバノメータ駆動ミラーを含む、請求項９に記載の方法。
前記高速位置決め器は、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。
前記一次的位置決めシステムは、分割軸式の位置決めシステムを含む、請求項１１に記載の方法。
前記レーザー出力パルスでバイア穿孔加工を行う、請求項１に記載の方法。
前記レーザー出力パルスでレーザートリミング加工を行う、請求項１に記載の方法。
前記有効切り口幅は、前記スポット直径と前記パターン寸法との和に等しい、請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法。
請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法を用いたシステムであって、
レーザー出力パルスをもたらすレーザー装置と、
ワークピースを移動させる並進ステージ位置決めシステムと、
レーザー出力パルスを受けるとともにビーム位置決め経路をワークピースに対して移動させる高速位置決めシステムと、
ビーム位置決め経路内であって、高速位置決めシステムの上流側に配置された二次的ビーム位置決めシステムと、を具えることを特徴とするシステム。
レーザー出力パルスでワークピース上に有効切り口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て有効切り口幅より小さいレーザースポット直径を有す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、ワークピースに対するレーザースポット位置の、ステージ関連の相対的移動を、制限された並進ステージの速度及び加速度で与え、
高速位置決めシステムから、ワークピースに対するレーザースポット位置の高速相対的移動を、制限された高速の速度及び加速度で与え、前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性能を有し、更に該加工方法は、
制限された第１の速度及び加速度でワークピースに対する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とを統合することを含み、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装置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定め、そして更に該加工方法は、
ビーム位置決め経路内に配置された高速ステアリングミラーから、ワークピースに対するレーザースポット位置の二次的相対的移動を、第１の速度及び加速度より大きい第２の速度及び加速度で与え、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、一次的相対的移動とは統合されておらず、かつ一次的加工進路に対して直角方向に規定されるパターン寸法がレーザースポット直径の１５倍以下であるパターンを含み、一次的及び二次的相対移動は協働して、パターン寸法とスポット直径との和に相当する、一次的加工進路に沿った有効切り口幅をもたらすことを特徴とする加工方法。
前記第２の速度及び加速度は、速度が１，０００mm/secより大きく、加速度が１，０００×９．８m/sec²より大きい、請求項１７に記載の方法。
前記第２の速度及び加速度は、速度が１，０００〜４，０００mm/secの範囲にあり、加速度が１，０００〜３０，０００×９．８m/sec²の範囲にある、請求項１８に記載の方法。
制限された高速の速度及び加速度は、速度が５００mm/secより小さく、加速度が５００×９．８m/sec²より小さい、請求項１７〜１９の何れか一項に記載の方法。
高速ステアリングミラーは、鉛マグネシウムニオベイト作動ミラー又は圧電作動ミラーを含む、請求項１７に記載の方法。
前記高速位置決め器は、少なくとも１つのガルバノメータ駆動ミラーを含む、請求項１７に記載の方法。
前記一次的位置決めシステムは、分割軸式の位置決めシステムを含む、請求項１７に記載の方法。
前記レーザー出力パルスでバイア穿孔加工を行う、請求項１７に記載の方法。
前記有効切り口幅は、前記スポット直径と前記パターン寸法との和に等しい、請求項１７〜２４の何れか一項に記載の方法。
請求項１７〜２５の何れか一項に記載の方法を用いたシステムであって、
レーザー出力パルスをもたらすレーザー装置と、
ワークピースを移動させる並進ステージ位置決めシステムと、
レーザー出力パルスを受けるとともにビーム位置決め経路をワークピースに対して移動させる高速位置決めシステムと、
ビーム位置決め経路内であって、高速位置決めシステムの上流側に配置された高速ステアリングミラーと、を具えることを特徴とするシステム。