JP2009545454A

JP2009545454A - デュアルビームレーザ加工システムにおけるコヒーレントクロストークの低減技術

Info

Publication number: JP2009545454A
Application number: JP2009522960A
Authority: JP
Inventors: ホルムグレン，ダグラス，アール; ロー，ホー，ワイ; コンクリン，フィリップ，ミッチェル
Original assignee: エレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: JP5200019B2; CN101495903A; WO2008016832A1; TW200814476A; US20110134525A1; CN101495903B; KR101392341B1; TWI450460B; US20080023447A1; KR20090034367A; US7888620B2

Abstract

ターゲット試料の加工表面において、制御的安定性を有する２つのレーザ加工ビームを生成する方法及びシステムでは、相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビーム（１３０，１４０）が個別の第1及び第2ビーム経路に沿って伝搬し、これらのレーザビームを合成して（１７０）光学特性調整を実行する。合成されたレーザビームを、個別のビーム経路に沿って伝搬し、かつそれぞれの第3及び第4主ビーム成分（１９２I）を含む第3及び第4レーザビーム（１９２，１９４）に分離し、そして第3及び第4レーザビームの内の一方のレーザビームは、他方のレーザビームの主ビーム成分（１９２ｍ）と相互に、かつ時間的にコヒーレントに同時に伝搬する漏れ成分を提供する。漏れ成分と、漏れ成分が同時に一緒に伝搬する方のビーム成分である他方の主ビーム成分との相互の時間的なコヒーレンスの影響を、音響光学変調器（１５０，１６０）による周波数シフトによって、または光路長差（４０４，５０４）を２つのビームに持ち込むことにより小さくする。
【選択図】図１

Description

本開示は概して、デュアルビームレーザ加工システムのコヒーレントクロストークを低減させるシステム及び方法に関し、特にこのようなシステムに発生するコヒーレントクロストークの低減に関する。

単一のレーザから生成される偏光ビームを使用して２つのターゲット試料加工ビーム(target specimen processing beams)を生成するデュアルビームレーザ加工システムには、一方のビームの大部分が他方のビームの伝搬経路に漏れ込むことにより生じるコヒーレントクロストークが発生し得る。コヒーレントクロストークは、単一のレーザから生成される２つのビームが光学トレイン(train)の一部分を通る共通ビーム経路において意図的に合成され、そして次に再度分離される場合に発生する。２つのビームのコヒーレント性が高いために、一方のビームが他方のビームの伝搬経路に再分離過程で漏れ込むと、コヒーレントクロストークが発生し、このコヒーレントクロストークは、これらのビームが互いに非干渉な場合に発生するクロストークよりもずっと深刻になる。コヒーレントクロストークによって、ターゲット試料の加工表面におけるこれらのレーザビームの一方のビーム、または両方のビームのパルスエネルギーが低下し、そしてビームのパワーの安定化制御が困難になる。

デュアルビームレーザ加工システムの実施形態では、２つのレーザ加工ビームの間のクロストークを低減して、これらのビームに対して、ターゲット試料の加工表面において制御的安定性をもたらす方法を実施する。このようなシステムはそれぞれ、個別の第1及び第2ビーム経路に沿って伝搬する相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームに分割される光ビームを放射するレーザを含む。相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームを、光学部品トレインの共通ビーム経路部分で意図的に合成して、第1及び第2レーザビームに共通する光学特性調整を実行する。前に合成された第1及び第2レーザビームを、それぞれの第3及び第4ビーム経路に沿って伝搬する第3及び第4レーザビームに分離する。第3及び第4レーザビームはそれぞれの第3及び第4主ビーム成分を含み、そして第3及び第4レーザビームの内の一方のレーザビームは、他方のレーザビームの主ビーム成分と相互に、かつ時間的にコヒーレントに同時に伝搬する漏れ成分を提供する。幾つかの実施形態では、漏れ成分と、第3及び第4主ビーム成分の内、漏れ成分が同時に一緒に伝搬するビーム成分である他方の主ビーム成分との相互の時間的なコヒーレンスの影響を低減することにより被加工部材に、第3及び第4ビームに対応する安定化された第1及び第2加工ビームを照射する方法を実施する。

２つの実施形態では、相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームの内の一方のレーザビームを、光路長調整器を通過させ、第1レーザビームと第2レーザビームとの間に光路長差を生じさせることにより、第1及び第2レーザビームの相互コヒーレンスを低減させる。光路長差は、空気経路または光学ガラス素子を第1及び第2レーザビームの内の一方のレーザビームのビーム経路に、これらのビームが再合成される前に挿入することにより生じさせる。経路長差はレーザのコヒーレンス長よりも長くなるように、かつビーム伝搬に許容できない差が生じるほど長くならないように設定される。

第3の実施形態では、第1及び第2レーザビームを、それぞれの第1及び第2音響光学変調器を通過させる。第1及び第2音響光学変調器の内の少なくとも一つの音響光学変調器を調整して、第1及び第2レーザビームに、従って漏れ成分に、差周波数Δωの変化を付与し、変化によって、漏れ成分と、第3及び第4主ビーム成分の内の他方の主ビーム成分との相互コヒーレンスが第1及び第2加工ビームの安定性に与える影響を低減する。

更に別の態様、及び利点は、添付の図面を参照しながら進める種々の好適な実施形態についての以下の詳細な記述から明らかになる。

デュアルビームレーザ加工システムの一の実施形態の概略図である。一方の主ビームから他方の主ビームにビーム漏れする様子を示す図１のデュアルビームレーザ加工システムを示している。音響光学変調器に生じる周波数シフトの一の実施形態の概略図である。図１のシステムと同様であるが、偏光ビームスプリッタキューブによって第2ビームと合成される前の第1ビームの所定長さの空気経路を含むデュアルビームレーザ加工システムを示している。図１のシステムと同様であるが、偏光ビームスプリッタキューブによって第2ビームと合成される前の第1ビームにガラス素子によって付加される所定長さの光路を含むデュアルビームレーザ加工システムを示している。マイケルソン干渉計を使用して測定される1343nmのパルスレーザのコヒーレンス長対干渉縞（または、コヒーレンスクロストーク）強度の関係を示すグラフであり、マイケルソン干渉計によってレーザを２つの光路に分離し、そして分離したこれらのレーザを再合成して一つの共通光路を伝搬させる。経路長差をデュアルビームレーザシステムに導入することにより可能になるクロストークの低減を示すチャートである。経路長差をデュアルビームレーザシステムに導入することにより可能になるクロストークの低減を示すチャートである。

本開示の実施形態は図面を参照することにより最も深く理解され、これらの図面では、同様の構成要素は図面全体を通じて、同様の参照番号で指示される。本明細書において概要が記載され、かつ図に示される本開示における構成要素は、種々の異なる構成で配置し、そして設計することができることが容易に理解できるであろう。従って、本開示における装置、システム、及び方法の実施形態についての以下の更に詳細な記述は、本開示の範囲を制限されるために行なわれるのではなく、単に本開示における種々の実施形態を表現するために行なわれる。

図１は、デュアルビーム加工システム１００の一の実施形態の概略図であり、デュアルビーム加工システム１００はターゲット試料または被加工部材１０２（半導体ウェハ、マイクロチップなどのような）を加工表面１０４で加工する２つのレーザビームを生成する。単一のレーザ１１０から放射されるレーザビーム（好ましくは、パルスレーザビーム）１０６が第1偏光ビームスプリッタキューブ（polarizing beam splitter cube:PBSC）１２０に入射し、このビームスプリッタキューブ１２０から、第1レーザビーム１３０及び第2レーザビーム１４０が伝搬する。普通、ビーム１３０及び１４０の内の一方のビームを、当該ビームの電界ベクトルが図１の平面内に位置するように直線偏光させ（P偏光）、そしてビーム１３０及び１４０の内の他方のビームを、当該ビームの電界ベクトルが図１の平面に垂直になるように直線偏光させる（S偏光）。従って、ビーム１３０及び１４０は公称上、互いに直交偏光している。

第1ビーム１３０及び第2ビーム１４０は、それぞれの音響光学変調器（acousto-optic modulators: AOMs）１５０及び１６０が変調器を通過する光の強度を制御する調整可能な光シャッターとして作用することにより変調される。レーザビーム１３０及び１４０はそれぞれの反射鏡１６２及び１６４で反射され、そして第2PBSC（偏光ビームスプリッタキューブ）１７０に当る。偏光ビームスプリッタキューブ１７０は、レーザビーム１３０及び１４０を内部ビーム重なり位置１７４で再合成し、そしてこれらのビームをビーム経路に沿って伝搬する合成ビームとして振り向けて可変ビームエキスパンダー（variable beam expander: VBE）１８０に入射させる。可変ビームエキスパンダー１８０は、ビーム１３０及び１４０の両方に共通するビームサイズ調整を行ない、その後、これらのビームを第3偏光ビームスプリッタキューブ１９０に振り向けて分離する。分離されたビームは第3偏光ビームスプリッタキューブ１９０から第3ビーム１９２及び第4ビーム１９４として個別のビーム経路に沿って伝搬する。

第3ビーム１９２及び第4ビーム１９４は、周波数通過帯域によって特徴付けられ、かつ試料加工に有用な被測定ビーム強度情報を提供するそれぞれのパワー測定／校正サブシステム１９６及び１９８を通って伝搬する。被測定ビーム１９２及び１９４はそれぞれのミラー２００及び２０２によって反射されて、第4偏光ビームスプリッタキューブ２１０に入射し、そして第4偏光ビームスプリッタキューブ２１０によって合成される。第4偏光ビームスプリッタキューブ２１０からの合成出力ビームは、第1加工ビーム２２０及び第2加工ビーム２２２を形成する対物レンズ２１８を通って伝搬して、ターゲット試料１０２の加工表面１０４に入射する。各ビーム１９２及び１９４の最終位置、焦点高さ、及びサイズを調整して、これらビームに対応する加工ビーム２２０及び２２２に、ターゲット試料１０２の加工表面１０４で所望の特性を与える。普通、ビーム１３０及び１４０の光路長を等しくして、ビームが伝搬することによる、加工表面における各加工ビームのスポットサイズ及び焦点高さに対する影響を極めて正確に一致させることが望ましい。しかしながら、以下に示すように、光路長をほぼ等しくすることにより、相互クロストーク干渉（mutual crosstalk interference）が大きくなる。

図２は、ビーム漏れが第3偏光ビームスプリッタキューブ１９０を通過した後に発生する場合の図１のデュアルビーム加工システム１００を示している。ビームクロストークは、第3ビーム１９２の一部が第4ビーム１９４の経路に漏れ込むときに、第4ビーム１９４の一部が第3ビーム１９２の経路に漏れ込むときに、または両方が起こるときに、偏光ビームスプリッタキューブ１９０で発生する。図２は、第3ビーム１９２が主ビーム成分１９２m、及び第4ビーム１９４から漏れ込む漏れビーム成分１９４Iにより構成され、そして第4ビーム１９４が主ビーム成分１９４m、及び第3ビーム１９２から漏れ込む漏れビーム成分１９２Iにより構成される様子を示している。この漏れは、ビーム１３０及び１４０の直線偏光が不完全であり、かつビームスプリッタの偏光軸及びビームコンバイナの偏光軸の一致が不完全であることに起因して偏光ビームスプリッタ性能が実用上の限界に達することにより発生する。偏光ビームスプリッタキューブ１９０の下流では、漏れビーム成分（１９４Iまたは１９２I）は、主ビーム成分（１９２または１９４）から所定のビーム経路において区別することができない。漏れビーム成分は主ビーム成分と、偏光ビームスプリッタキューブ１９０の下流の各ビーム経路において時間的にコヒーレントであるので、主ビーム成分と漏れビーム成分との間でコヒーレント加算が行なわれる。主ビーム成分及び漏れビーム成分のこのようなコヒーレント加算によって、合計ビーム強度Ｉに大きな変化が生じる。主ビーム成分及び漏れビーム成分の相互の、かつ時間的なコヒーレンス（mutual temporal coherence）は、第1ビーム１３０及び第2ビーム１４０の経路長が等しい場合に最大になる。

図３は、音響光学変調器１５０及び１６０のいずれにも生じる周波数シフトの概略図である。音響光学変調器１５０及び１６０の周波数シフト及び位相シフト特性を使用することにより、コヒーレントクロストーク（ビーム漏れ）により生じるビーム強度変化の周波数が、パワー測定／校正サブシステム１９６及び１９８の通過帯域の一方または両方の通過帯域の外側の周波数にシフトするようなシステム１００の構成が可能になり、そしてレーザ加工効果が得られる。

このような周波数シフト及び位相シフトの一方または両方を生じさせる幾つかの音響光学変調器構造の内の一つのAOM構造では：（１）準静的動作を行ない、準静的動作では、コヒーレントクロストークレベル（coherent crosstalk level）が任意の位相調整によって緩やかに変化し、任意の位相調整では、コヒーレントクロストークレベルが、ビーム１３０及び１４０の相対位相を調整することにより最小になり；（２）周波数変調を、各ビームに関して、異なるAOM（音響光学変調器）RF駆動周波数を使用することにより行ない、周波数変調では、コヒーレントクロストーク（または、漏れ）周波数を２つの音響光学変調器RF駆動周波数の差に等しくし；そして（３）周波数変調を、ビーム１３０及び１４０に関して異なるAOM（音響光学変調器）回折次数を使用することにより、行なう。各事例について以下に詳細に議論する。

強度がI_１及びI_２の２つのビームが重なると、結果として生じる合計強度Iは、単純和（I_１＋I_２）の他に、次式により表わされるコヒーレント加算項またはコヒーレント干渉項を含む。

上の式では、E₁及びE₂は、ビームの電界振幅ベクトルであり、Δωはビーム１３０と１４０の周波数の差であり、そしてφは位相項であり、この位相項は、２つのビーム１３０と１４０との間に静的位相差があれば必ず生じ、更に経路長差によって、そしてこれらのビームが持つことができるコヒーレンス特性によって生じる。項Δωはコヒーレントクロストークの周波数でもある。電界E₁とE₂の間のベクトル内積が含まれているので、両方のビーム１３０及び１４０に共通する偏光成分のみがクロストーク項I_acに寄与する。クロストーク項I_acを直交偏光を使用して除去することができない範囲で、コヒーレントクロストークに与えるクロストーク項I_acの影響を、光の音響光学的時間変調特性を意図的に使用して差周波数Δω及び位相φを有利な値に設定することにより小さくすることができる。コヒーレント項I_acは全体ビーム強度Iの内の大きな漏れ項を表わすことができる。例えば、I₁が所望の主信号強度であり、かつI₂が同じ偏光状態の不所望の漏れ信号である場合、合計強度は次式のように表わすことができる。

例えば、I₂がI₁の１％である場合、コヒーレント加算項I_acはI₁の２０％もの大きさになり得る。

AOM（音響光学変調器）に生じる音場により回折される周波数ω_ｉの光ビームは、次式により表わされる新規の周波数ω_nにシフトすることが知られている。

上の式では、ω_ｓ１はAOM（音響光学変調器）の音場周波数であり、そしてnは使用する音響光学変調器の回折次数を表わす整数である（nは通常、図３に示すように＋１または−１であるが、＋２，−２、及びこれらよりも更に高い次数が可能である）。回折次数は、ビームの向きが音響光学変調器の音場の速度ベクトルω_ｓに一致することにより決定される。これらのコンセプトを図３に示す。通常、ω_ｓ１は約２π＊（１０^７〜１０^８）ラジアン／秒である。回折次数及び音響周波数は音響光学変調器１５０及び１６０の各音響光学変調器に関して個別に制御することができるので、上に説明した周波数差分項Δωは次式のように表わされる。

上の式では、ω_ｓ１及びω_ｓ２は個々の音響光学変調器の音響周波数であり、そしてn及びmはそれぞれ、ビーム１３０及び１４０の回折次数である。

n，m，ω_ｓ１，及びω_ｓ２の値に関して採り得る選択は次のように要約することができる。第1の事例では、n＝mかつω_ｓ１＝ω_ｓ２とする。この事例では、Δω＝０であり、そしてコヒーレント項Ｉ_ａｃの振幅は、次式に簡略化され、相対位相φの時間挙動に応じて静的または準静的となる。

ビーム１３０及び１４０の経路長が等しく、かつ大きく変化することがない場合、φは音響光学変調器の音場の相対位相によって決まり、相対位相はAOM（音響光学変調器）１５０及び１６０を駆動するＲＦ位相によって設定される。音響光学変調器１５０及び１６０に印加されるＲＦの相対位相を制御することにより、コヒーレントクロストークのレベルを制御することができ、そして理想的にはゼロにすることができる。例えば、校正手順を使用することができ、この校正手順では、PBSC（偏光ビームスプリッタキューブ）１９０を通過した後のビーム１９２の経路上の強度が、ビーム１４０オンの状態で測定され、ビーム１４０オフの状態での偏光ビームスプリッタキューブ１９０通過後のビーム１９２の強度と、比較される。音響光学変調器のＲＦ信号達の相対位相は、これらの比較測定を行なっている間に、ビーム１９４がオン状態になっている場合とビーム１９４がオフ状態になっている場合の位相差が最小になるまで同時に調整することができる（効果的にφ＝±π／２を設定する）。相対位相は、これらのビーム経路の内の他方のビーム経路、例えば１９４に対する、一方のビーム経路、例えば１９２の光路長差をビーム交差位置１７４の手前で大きくすることにより調整することもでき、これについては図４〜図７を参照しながら議論することとする。

第2の事例では、n＝mかつω_ｓ１≠ω_ｓ２とする。AOM（音響光学変調器）の音場を異なる周波数で駆動することにより、クロストーク項が、Δω＝ω_ｓ１−ω_ｓ２で与えられる差周波数に現われる。従って、Δωは容易に制御することができ、かつ０Hz〜１０^６Hz超の範囲のいずれの値にも設定することができる。この操作は、校正手順によってビームエネルギーを特定の時間窓Ｔで平均する場合に特に有用となる。Δω≫1/Tの場合、コヒーレントクロストークに起因する変化は効果的に平均化される。

第3の事例では、n≠mかつω_ｓ１＝ω_ｓ２とする。音響光学変調器１５０及び１６０が異なる回折次数で動作するようにこれらの音響光学変調器を調整することにより、クロストーク項が、Δω＝（n−m）ω_ｓ１で与えられる差周波数に現われる。例えば、n＝＋１かつm＝−１の場合、Δω＝２ω_ｓ１となる。これにより、一つのＲＦ発振器を利用して音響光学変調器１５０及び１６０の両方を駆動しながら、非常に高いクロストーク周波数が得られるので有利であり、このクロストーク周波数は２つのレーザ加工ビームの公称通過帯域の外側に位置する。例えば、ω_ｓ１＝ω_ｓ２＝１０^８ラジアン／秒で、更にn＝＋１かつm＝−１である場合、Δω＝２×１０^８ラジアン／秒が得られる。従って、Δωは、上の第2の事例を使用することにより利用可能な、他のΔωの値よりもずっと大きくなるので、クロストーク周波数を２つのレーザ加工ビームの通過帯域周波数の外側に更に遠く離れるように移動させることが一層容易になる。

図４は、図１のシステム１００と同様であるが、第2偏光ビームスプリッタキューブ１７０によって第2ビーム１４０と合成される前の第1ビーム１３０のために所定長の空気経路４０４を配置するように構成されるデュアルビーム加工システム４００を示している。図５は、図１のシステム１００と同様であるが、第2偏光ビームスプリッタキューブ１７０によって第2ビーム１４０と合成される前の第1ビーム１３０にガラス部品（または光学屈折器）５０４によって付加される所定長の光路を含むデュアルビーム加工システム５００を示している。

図４または図５では、空気経路４０４またはガラス部品５０４を挿入する効果によって、経路長差が、ビーム１３０のビーム経路とビーム１４０のビーム経路との間に、第2偏光ビームスプリッタキューブ１７０でのビーム再合成の前に付加される。経路長差はレーザ１１０のコヒーレンス長（Lc）よりも長いが、許容できない差をビーム伝搬に生じさせるほどに長くはない。従って、経路長差を付加することができるとともに、当該経路長差によって所望の効果が得られる。この経路長差によって、ビーム１９２m及び１９４Iのペアと、ビーム１９４m及びビーム１９２Iのペアの一方のペアまたは両方のペアの間の相互の時間的コヒーレンスを小さくすることができるので、各ビームペアの２つの成分がコヒーレントに加算されることにより生じるクロストークを低減することができるという更に別の効果が得られる。コヒーレンス長（Lｃ）は、自己混合レーザビーム（self-interfering laser beam）の光路長差であり、この光路長差は５０％の干渉縞鮮明度（fringe visibility）に対応し、この場合、干渉縞鮮明度はV＝（I_max-I_min）/（I_max+I_min）として定義され、そしてI_max及びI_minはそれぞれ最大干渉縞強度及び最小干渉縞強度である。

光路長差は図４に示すように、空気経路４０４として、ビーム１３０及び１４０のビーム経路の内の一方のビーム経路に生じさせることができる、または厚さｄ及び屈折率nの光学ガラス部材５０４のような屈折光学素子をビーム１３０及び１４０のビーム経路の内の一方のビーム経路に配置することにより生じさせることができる。光学ガラス５０４によって、図５に示すように、光路長に変化（n−1）dを生じさせる。

同じ時間周波数（Δω＝０）及び強度I_１及びI_２を有する２つのビームが重なり合う場合、結果として得られる合計強度Iは、単純和（I_１＋I_２）の他に、次式により表わされるコヒーレント加算項または干渉項を含む。

上の式では、E₁及びE₂は、ビームの電界振幅ベクトルであり、そしてφ(t)は、ビーム１３０及び１４０の経路長差及びコヒーレンス特性から生じる位相項である。最大クロストークの一条件は、両方のビーム１３０及び１４０が、レーザからビーム重なり位置１７４まで等しい経路長を伝搬することである。この条件の下では、位相項φ(t)は、小さい経路長差変化（ほぼレーザ１１０の波長）が、機械的振動及び熱の影響によって結果として生じるときの比較的ゆっくり変化する時間関数である。ビーム１３０及び１４０が、ビーム重なり位置１７４まで等しい経路長を伝搬する状態は、スポットサイズ、ビーム広がり、及びウェスト位置のようなビーム伝搬特性を極めて類似する特性とするために望ましい。従って、経路長差をビーム１３０と１４０との間に付加する場合、スポットサイズ、ビーム広がり、及びウェスト位置に関して生じる大きな差異を防止するためにこの差を制限する必要がある。

電界E₁及びE₂のベクトル内積が含まれるので、両方のビーム１３０及び１４０に共通する偏光成分のみがクロストーク項I_acに寄与する。クロストーク項I_acを直交偏光を使用して除去することができない範囲で、クロストーク項I_acがコヒーレントクロストークに与える影響を、光路長差をビーム重なり位置１７４の上流のビーム１３０及び１４０の内の一方のビームに意図的に生じさせることにより小さくすることができる。この空気経路によって時間遅延がビーム１３０と１４０との間に生じ、この時間遅延は、レーザ光源のコヒーレンス時間よりも長い場合には、コヒーレントクロストークを低減するように作用する（物理的には、コヒーレント加算項の位相要素φ(t)には０〜２πの間で非常に速い、ランダムな変動が、経路長がレーザのコヒーレンス長よりも長くなると生じ、その結果、cos(φ(t))項は、パワー測定／校正サブシステム１９６及び１９８の通過帯域によって決まる注目期間に亘って平均されてゼロになる）。光路長は、空気経路４０４を追加する、または削除することにより、或いはn>1の屈折率を有するガラスのような透過性光学材料５０４をビーム１３０及び１４０のビーム経路の内の一方のビーム経路に挿入することにより長くすることができる。必要な遅延時間は約1/Δνの大きさであり、Δνはレーザの帯域幅である。遅延時間tは光路長差IにI=ctによって関連付けられ、c=光速である。

図６は、マイケルソン干渉計を使用して測定される1343nmのパルスレーザのコヒーレンス長の一例を示すグラフであり、マイケルソン干渉計によってレーザを２つの光路に分離し、そして次に、分離したレーザを再合成して一つの共通光路を伝搬させ、この場合、合計ビーム強度Iは検出器を使用して測定することができる。水平軸は空気経路長をミリメートルで表わし、そして垂直軸は、信号包絡線６０４によって指示される干渉縞（または、コヒーレントクロストーク）強度I_acを表わし、信号包絡線６０４は、所定の経路長差に対応するレーザ１１０の時間コヒーレンスの直接指標である。図６は、コヒーレントクロストークが、ビーム１３０及び１４０、従って加工ビーム１９２及び１９４がほぼ正確にコヒーレントになる（すなわち、経路長が等しい）場合に最も大きくなり、そして信号包絡線６０４は、空気経路長差が+3.5mmの場合に約１０分の１の大きさに低下することを示している。この適度な経路長差を生じさせることにより、システム４００はコヒーレントクロストークを著しく低減することができる。

図７Ａ及び図７Ｂは、経路長差をデュアルビームレーザシステムに生じさせることにより可能になるコヒーレントクロストークの低減を示すチャートである。水平軸は、１ポイント当たり１０，０００サンプルの規模で表わされるサンプルの番号を昇順に示し、これらのサンプルは、レーザ加工ビームに現われるコヒーレントクロストークを検査している間に採取される。垂直軸は、各サンプルポイントで測定されるパルス不安定性を表わす。図７Ａのチャートは、等しい経路長に関して測定されるパルス安定性を示し、この場合、両方のビーム１３０及び１４０がビームのオン状態になっている（コヒーレントクロストークが現われる）ときに相対的に不安定になる加工レーザビーム１９２及び１９４を表わす上側のデータポイントペアが、ビーム１３０及び１４０の内の一方のビームのみが、ビームのオン状態になっている（コヒーレントクロストークが生じる可能性がない）ときの加工ビーム１９２及び１９４の安定性が相対的に高くなる様子を示す下側のデータポイントペアと比較することができるように表示されている。

図７Ｂのチャートは、10mmの溶融シリカガラス（n=1.46）が、4.6mmの経路長差があるビーム１３０及び１４０のビーム経路の内の一方のビーム経路に挿入されるシステム構成に対応する同じデータを示し、コヒーレントクロストークが大幅に低減する様子を示している。

本開示の特定の実施形態及び用途について示し、そして記載してきたが、本開示は、本明細書に開示されるその通りの構成及び要素に制限されることがないことを理解されたい。この技術分野の当業者にとっては明らかな種々の変形、変更、及び修正は、本明細書に開示される本開示における方法及びシステムの構成、動作、及び詳細に、本開示の思想及び範囲から逸脱しない限り加えることができる。

Claims

ターゲット試料の加工表面において、制御的安定性を有する２つのレーザ加工ビームを生成する方法であって：
個別の第1及び第2ビーム経路に沿って伝搬する相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームを供給し、
相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームを、光学部品トレインの共通ビーム経路部分で意図的に合成して、第1及び第2レーザビームに共通する光学特性調整を実行し、
前に合成された第1及び第2レーザビームを、それぞれ第3及び第4ビーム経路に沿って伝搬する第3及び第4レーザビームに分離し、第3及び第4レーザビームはそれぞれ第3及び第4主ビーム成分を含み、そして第3及び第4レーザビームの内の一方のレーザビームは、他方のレーザビームの主ビーム成分と相互に、かつ時間的にコヒーレントに同時に伝搬する漏れ成分を提供し、そして
漏れ成分と、第3及び第4主ビーム成分の内、漏れ成分が同時に一緒に伝搬する方のビーム成分である他方の主ビーム成分との相互の時間的なコヒーレンスの影響を低減することにより被加工部材に、第3及び第4ビームに対応する安定化された第1及び第2加工ビームを照射する、
方法。
相互の時間的なコヒーレンスの影響を低減するステップでは、相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームの個別のビーム経路に、光路長差を、これらのレーザビームを共通ビーム経路部分で意図的に合成する前に、設定し、光路長差は、漏れ成分と、第3及び第4ビーム成分の内、漏れ成分が同時に一緒に伝搬する方のビーム成分との相互の時間的なコヒーレンスを低減する、従って第1及び第2加工ビームの安定性に与える相互の時間的なコヒーレンスの影響を低減する長さである、請求項１記載の方法。
相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームはコヒーレンス長を有し、そして前記光路長差はコヒーレンス長よりも長い、請求項２記載の方法。
前記光路長差は、個別の第1及び第2ビーム経路の内の一方のビーム経路における空気経路長を段階的に長くなるように変化させることにより設定することができる、請求項２記載の方法。
前記光路長差は、厚みd、及び屈折率nを有する屈折光学素子を、個別の第1及び第2ビーム経路の内の一方のビーム経路に配置して、(n-1)dに等しい光路長変化を生じさせることにより設定することができる、請求項２記載の方法。
光学特性調整ではビーム幅を広げる、請求項１記載の方法。
漏れ成分は周波数によって特徴付けられ、そして前記方法では更に：
相互にコヒーレントな第1及び第2ビームの内の一方のビームを周波数シフトさせることにより、第3及び第4レーザビームの内の一方のレーザビームの漏れ成分を、漏れ成分と、第3及び第4主ビーム成分の内の他方の主ビーム成分との相互の時間的なコヒーレンスが第1及び第2加工ビームの安定性に与える影響を低減する周波数に周波数シフトさせる、請求項１記載の方法。
漏れ成分はコヒーレントクロストーク周波数Δωに対応し、第1及び第2加工ビームはそれぞれの第1及び第2公称通過帯域で作用し、そして相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームの内の一方のレーザビームのビーム経路に配置される変調素子によって周波数シフトを行ない、前記変調素子は、漏れ成分に、コヒーレントクロストーク周波数Δωが第1及び第2公称通過帯域の内の該当する方の一つの公称通過帯域の外側に位置するような周波数の値を付与する信号特性によって特徴付けられる、請求項７記載の方法。
変調素子は音響光学変調器を含む、請求項８記載の方法。
音響光学変調器は周波数の値を、相互にコヒーレントな第1レーザビームと第2レーザビームとの位相差を調整することにより付与する、請求項９記載の方法。
相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームはパルスレーザビームである、請求項１記載の方法。
漏れ成分は周波数によって特徴付けられ、そして前記方法では更に：
相互にコヒーレントな第1及び第2ビームをそれぞれの第1及び第2周波数に周波数シフトさせることにより、第3及び第4レーザビームの内の一方のレーザビームの漏れ成分を周波数シフトさせ、この周波数シフトによって、漏れ成分と、第3及び第4主ビーム成分の内の他方の主ビーム成分との相互の時間的なコヒーレンスが第1及び第2加工ビームの安定性に与える影響を低減する、請求項１記載の方法。
漏れ成分はコヒーレントクロストーク周波数Δωに対応し、第1及び第2加工ビームはそれぞれ第1及び第2公称通過帯域で作用し、そしてそれぞれ第1及び第2ビーム経路に配置される第1及び第2変調素子によって周波数シフトを行ない、第1及び第2変調素子は、漏れ成分に、コヒーレントクロストーク周波数Δωが第1及び第2公称通過帯域の外側に位置するような周波数の値を付与する信号特性によって特徴付けられる、請求項１２記載の方法。
これらの変調素子は第1及び第2音響光学変調器を含む、請求項１３記載の方法。
第1及び第2音響光学変調器は、それぞれの、相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームを異なる周波数で駆動することにより、周波数の値を付与する、請求項１４記載の方法。
第1及び第2音響光学変調器は、それぞれの第1及び第2音響光学変調器の異なる回折次数を利用して、周波数の値を付与する、請求項１４記載の方法。
第1及び第2音響光学変調器は、相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームを同じ周波数で駆動する、請求項１６記載の方法。
レーザビームを放射出するレーザ光源と、
レーザビームを相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームに分離する第1偏光ビームスプリッタキューブ（PBSC）と、
それぞれの相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームが通過する第1及び第2光変調器と、
相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームの内の一方のレーザビームが通過し、かつ第1及び第2レーザビームの相互コヒーレンスを、光路長差を第1レーザビームと第2レーザビームとの間に生じさせることにより低減する光路長調整器と、
第1及び第2レーザビームを再合成する第2PBSC（偏光ビームスプリッタキューブ）と、
再合成レーザビームが通過する光学特性調整装置と、そして
再合成レーザビームを、被加工部材を加工するために使用される第3及び第4レーザビームに分離する第3PBSC（偏光ビームスプリッタキューブ）と、
を備える、デュアルビームレーザ加工システム。
光学特性調整装置は可変ビームエキスパンダを含む、請求項１８記載のシステム。
光路長調整器は、光路長差を生じさせる空気経路を含む、請求項１８記載のシステム。
光路長調整器は屈折光学素子を含む、請求項１８記載のシステム。
屈折光学素子は溶融シリカガラスを含む、請求項２１記載のシステム。
相互にコヒーレントな第1及び第2レーザビームはコヒーレンス長を有し、そして前記光路長差はコヒーレンス長よりも長い、請求項１８記載のシステム。
レーザビームを放射するレーザ光源と；
レーザビームを第1及び第2レーザビームに分離する第1偏光ビームスプリッタキューブ（PBSC）と、
それぞれの第1及び第2レーザビームが通過する第1及び第2音響光学変調器と、
第1及び第2レーザビームを再合成する第2PBSC（偏光ビームスプリッタキューブ）と、
再合成レーザビームが通過する光学特性調整装置と、
再合成レーザビームを、被加工部材を加工するために使用される第3及び第4レーザビームに分離する第3PBSC（偏光ビームスプリッタキューブ）と、を備え、第3及び第4レーザビームは第3及び第4主ビーム成分を含み、そして第3及び第4レーザビームの内の一方のレーザビームは、他方のレーザビームの主ビーム成分と相互に、かつ時間的にコヒーレントに同時に伝搬する漏れ成分を提供し、そして
第1及び第2音響光学変調器の内の少なくとも一つの音響光学変調器は、第1及び第2レーザビームに、従って漏れ成分にクロストーク周波数Δωの変化を付与し、この変化によって、漏れ成分と、第3及び第4主ビーム成分の内の他方の主ビーム成分との相互コヒーレンスが第3及び第4加工ビームの安定性に与える影響が小さくなるように調整される、デュアルビームレーザ加工システム。
前記光学特性調整装置は可変ビームエキスパンダを含む、請求項２４記載のシステム。
第1及び第2音響光学変調器の内の少なくとも一つの音響光学変調器を調整して、クロストーク周波数Δωを、第1及び第2レーザビームのそれぞれを、Δω＝ω_ｓ１−ω_ｓ２を満たすそれぞれの、異なる周波数ω_ｓ１及びω_ｓ２で駆動することにより、設定する、請求項２４記載のシステム。
第1及び第2音響光学変調器の内の少なくとも一つの音響光学変調器を調整して、第1音響光学変調器の回折次数n、及び第2音響光学変調器の異なる回折次数mについて、クロストーク周波数Δωを設定する、請求項２４記載のシステム。