JP2012502805A - 動的ビームアレイを用いるフォトニックミリング - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図6
Description
典型的なレーザ処理システムでは、タイミング信号を用いて、レーザ光源をトリガして、適切なタイミングで(例えば、ステージ速度、システム遅延及び他のパラメータに基づいて)レーザパルスを出射させ、被加工物上の標的をレーザパルスで照射する。例えば、図1は、被加工物(X−Y)位置決め器110を含む従来のレーザパルス処理制御システム100のブロック図である。同様のシステムは、本出願の譲受人に譲受されているBaird他による米国特許第6,172,325号に開示されている。システム100は、システム制御コンピュータ112及び埋め込まれた制御コンピュータ114を含み、これらは、連携してビーム位置コントローラ116を制御する。ビーム位置コントローラ116は、X−Y位置決め器110から位置情報を受け取り、X−Y位置決め器110は、紫外線(UV)レーザビーム120に対して被加工物118を位置決めする。UVレーザビーム120は、図示している折り返しミラー122に加えて、様々な光学素子(図示せず)を介して伝播させてもよい。また、X−Y位置決め器110は、Z位置決め器124を含んでいてもよく、Z位置決め器124は、Xステージ及びYステージの何れかに連結してもよい。
超高速レーザシステム内で光発振器を用いて、公称的に固定された周波数コムでパルスを出射してもよい。但し、上述したシステム100とは異なり、光発振器は、直接的にトリガして、「オンデマンド」でパルスを生成することはできない。すなわち、光発振器は、既知の光発振器周波数foscにおいて、離散的時間間隔でパルスを提供する。したがって、ここに開示するある実施の形態では、レーザ制御システムは、光発振器が第1のPRFであるfoscで出射する光パルス出力から派生するクロックを使用する。レーザ制御システムは、被加工物位置データと、光発振器クロックからのタイミング情報とを用いて、周波数コムから増幅するパルスを選択し、第2のPRFで処理周波数fpを生成し、更に、処理周波数fpで出射されたパルスを選択し、選択された被加工物標的に向けて透過させ、ビーム位置決めシステム及び/又は協働するビーム位置補償要素を制御して、選択されたパルスを被加工物標的に方向付ける。
図3は、一実施の形態に基づき、図2に示すシステム200を用いて被加工物118を処理する方法300を示すフローチャートである。開始(310)の後、方法300は、レーザサブシステムコントローラ214内のプロセスモードのタイマ148を、光発振器216のクロック222によって決定されたPRFで設定(312)することを含む。タイマ148は、パルス遮蔽信号224、228を設定し、第1の光変調器218及び第2の光変調器226のゲートをオフにし、これによって、光発振器216が出射した使用可能なエネルギ量が被加工物118に到達することを防ぐ。
上述のように、図3に示す方法300は、X−Y位置決め器110の現在位置が期待される位置窓を逸脱している場合に、位置エラーを補償(328)することを含む。これは、多くの異なる手法によって達成できる。図4A、図4B、図4C及び図4Dは、ある実施の形態に基づき、補正トリガ信号を検出(410)した後に、位置エラーを補償(328)するための幾つかの例示的な方法を示すフローチャートである。
一実施の形態においては、ここに説明したシステム及び方法は、半導体リンク構造を含む被加工物標的のアレイミリング(array milling)のために用いられる。後述するように、図2に示すレーザパルス処理システム200は、パルスレーザ光源212によって生成されたレーザビーム210からビームレットのアレイを生成するように構成されたフォトニックミリングサブシステム(photonic milling subsystem)を含んでいてもよい。フォトニックミリングサブシステムは、各ビームレットを変調し、被加工物118上の標的にビームレットの変調されたアレイを供給する。システム制御コンピュータ112及び/又は埋め込まれた制御コンピュータ114は、特定の被加工物構造を処理するために、ビームレットの変調されたアレイから使用することができるパルスの数を判定するように構成されている。これに加えて、又は他の実施の形態では、主発振器に挿入されるスペクトルバンドパス要素(spectral bandpass element)を変更することによって、ピコ秒MOPAレーザ光源のパルス幅をプログラミングする。ある実施の形態では、上述したように、ビーム位置決めシステムのための基準タイミング要素として主発振器を使用する。
一実施の形態においては、レーザ光源610は、図2に示し、先に詳細に説明したパルスレーザ光源212を含む。
図8A、図8B及び図8Cは、一実施の形態に基づく、離散的にバンド化された反射板(discretely banded reflectivity plate)810を含むビームレット生成モジュール614を様々な視点から示す図である。図8Aは、第1の表面S1及び第2の表面S2を有する離散的にバンド化された反射板810の側面図である。図8Bは、第1の表面S1の正面図である。図8Cは、第2の表面S2の正面図である。図8A及び図8Bに示すように、第1の表面S1及び第2の表面S2は、それぞれがそれぞれの反射率R1、R2…Rnを有する離散的な部分又はバンド(band)を含む。
一実施の形態においては、システム制御コンピュータ112は、図2に示すX−Y位置決め器110を制御して、ビームレット送達光学素子620によって被加工物118上の特定の標的に集光される変調されたq×rビームレットアレイ626の送達を調整する。一実施の形態においては、アドレス指定可能なビームレット(addressable beamlet)のそれぞれについて現在位置信号を生成する。上述したように、レーザコムインデクス付与と組み合わせて、離散的又はマルチチャネルビーム位置補償要素を採用して、所定の正確度限界内の現在位置性能を達成してもよい。
ここで、c及びdは、整数であり、被加工物ターゲットピッチ=ステージ速度/PRFであり、整数c及びdは、好ましくは、c/d=整数値となるように選択される。
一実施の形態においては、変調され、集光されたビームレットアレイ626は、振幅を指定することができる。アレイ626の各ビームレット1212の振幅は、bj:pi:Aと表され、ここで、Aは、0と1の間の実数であり、0は、最小のパルス振幅を表し、1は、最大のパルス振幅を表し、中間の値は、これらの最小値及び最大値の間でスケーリングされた振幅値を表す。実例として再び3つのビームレット(i=3)のケースについて検討すると、第1の標的1214及び第3の標的1214が最大のパルス数及び1パルスあたりの最大振幅で切削され、第2の標的1214が切削されない場合、フォトニックミリングパターンは、以下のようにプログラミングされる。
第2の被加工物標的:(b3:p2:0);(b2:p2:0);(b1:p2:0)
第3の被加工物標的:(b3:p3:1);(b2:p3:1);(b1:p3:1)
一実施の形態においては、図6に示す光検出モジュール618は、ビームレット1212毎に特定の被加工物標的1214に印加される総エネルギをリアルタイムで算出するように構成されている。光検出モジュール618は、ビームレット変調器616にエラー補正補償信号を供給して、連続するビームレット振幅bj:pi:Ai,j,hを調整する。これによって、被加工物標的1214に送達される1パルスあたりの総エネルギを非常に精密に制御できる。また、これによって、特定の標的1214に印加される総エネルギを精密に制御できる。例えば、光検出モジュール618は、特定の標的1214に印加される一連のビームレット1212の総エネルギが所定の閾値に達するかこれを超えることを判定できる。閾値に達すると、光検出モジュール618は、ビームレット変調器616を制御して、更なるビームレット1212を遮蔽して、その特定の標的1214に伝達されないようにする。この開示から、他の要素を用いて、1パルスあたりのエネルギ又は特定の標的1214に印加される総エネルギを制御してもよいことは当業者にとって明らかである。例えば、光検出モジュール618が図7A及び図7Bに示すプログラミング可能なパルス幅要素にフィードバックを行うことによって、レーザ光源610’が提供するパルスのエネルギを調整してもよい。
ここに説明したシステム及び方法は、帯状の領域の処理の実施の形態で使用することができ、ここで、パルスは、オンザフライで、被加工物上の標的構造の行に沿って、又は隣接する行間で偏向される。上述のように、図2に示す光発振器216は、高いPRF(例えば、数十kHz〜数MHz)でパルスを提供し、このパルスは、ビーム位置変更要素(例えば、AOD230、FSM232及び/又はレーザコムインデクス付与モジュール234)によって、移動加工窓内で方向付けられる。
Claims (22)
- 被加工物に対してビーム送達座標を整列させ、前記整列に対応する位置データを生成するビーム位置決めシステムと、
パルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光源からレーザパルスを受け取り、前記レーザパルスから、複数のビームレットパルスを含むビームレットアレイを生成するビームレット生成モジュールと、
前記ビームレットアレイ内の各ビームレットパルスの振幅を変調するビームレット変調器と、
前記変調されたビームレットアレイを、前記位置データに対応する被加工物上の箇所の1つ以上の標的に集光するビームレット送達光学素子とを備えるレーザ処理システム。 - 前記ビームレットアレイ内のビームレットパルスを抽出し、
前記ビームレットアレイ内の各ビームレットパルスの総エネルギを判定する光検出モジュールを更に備える請求項1記載のシステム。 - 前記光検出モジュールは、更に、前記ビームレット変調器にエラー補正補償信号を提供して、前記被加工物上の特定の標的に供給される連続するビームレット振幅を調整するように構成されている請求項2記載のシステム。
- 前記光検出モジュールは、更に、
前記被加工物上の特定の標的に送達された一連のビームレットパルスが提供するパルスエネルギの合計が所定の閾値に達し又はこれを超えていることを判定し、
前記ビームレット変調器を制御して、更なるビームレットパルスが前記特定の標的に到達することを防ぐように構成されている請求項2記載のシステム。 - 前記ビーム位置決めシステムと協働して、
被加工物標的ピッチを、
前記パルスレーザ光源のパルス繰返し周波数(PRF)、
ビームレットアレイピッチ、及び
前記ビーム位置決めシステムと前記被加工物との間の相対速度(ステージ速度)に調和させることにより、
前記整列を提供するシステム制御コンピュータを更に備える請求項1記載のシステム。 - 前記ビームレットピッチは、被加工物標的ピッチ及びパルスレーザ光源のPRFに対して、
c×(ビームレットピッチ)=d×(被加工物標的ピッチ)の関係を有し、
前記c及びdは、整数であり、
前記被加工物ピッチ=ステージ速度/PRFであり、
前記整数c及びdは、
c/d=整数値となるように選択される請求項5記載のシステム。 - 前記ビームレット生成モジュールは、離散的にバンド化された反射板を含み、前記離散的にバンド化された反射板は、
第1の複数の個別の反射バンドを含む第1の表面と、
第2の複数の個別の反射バンドを含む第2の表面とを備え、
前記第1の表面は、
前記離散的にバンド化された反射板に前記レーザパルスを受け取り、
前記第2の表面から受け取ったレーザパルスの減少した一部を前記第2の表面に向けて前記離散的にバンド化された反射板に継続的に反射するように構成され、
前記第2の表面は、
前記第1の表面から受け取った前記レーザパルスの減少した一部の第1の部分を継続的に透過し、第2の部分を反射するように構成されており、前記透過される第1の部分は、前記ビームレットアレイ内の各ビームレットパルスに対応する請求項1記載のシステム。 - 前記ビームレット生成モジュールは、
前記レーザパルスを受け取り、前記レーザパルスを、直線偏光から円偏光に変換する第1の1/4波長板と、
第1のチャネル、第2のチャネル及び出力表面を有し、前記円偏光されたレーザビームの第1の部分を、前記出力表面を介して、前記ビームレットアレイの第1のビームレットパルスとして透過し、前記円偏光されたレーザビームの第2の部分を、前記第1のチャネルに透過するように構成された偏光ビームスプリッタキューブと、
前記円偏光されたレーザビームの第2の部分を第1のミラーに透過し、前記第1のミラーから反射を受け取り、前記第1のミラーからの反射をp偏光ビームに変換して前記偏光ビームスプリッタキューブに戻し、前記偏光ビームスプリッタキューブが前記第2のチャネルを介して前記p偏光ビームを透過する第2の1/4波長板と、
前記p偏光ビームを第2のミラーに透過し、前記第2のミラーから反射を受け取り、前記第2のミラーからの反射を前記偏光ビームスプリッタキューブに透過する第3の1/4波長板とを備え、前記偏光ビームスプリッタキューブは、前記第3の1/4波長板から受け取ったビームを、前記出力表面を介して、前記ビームレットアレイの第2のビームレットパルスとして透過する請求項1記載のシステム。 - 前記ビームレット生成モジュールは、少なくとも1つの回折光学要素を含む請求項1記載のシステム。
- 前記パルスレーザ光源は、
前記被加工物に対するビーム送達座標の整列のための前記ビーム位置決めシステムの座標決めのための基準タイミング信号を提供する第1のパルス繰返し周波数でレーザパルスを出射する光発振器と、
前記第1のパルス繰返し周波数より低い第2のパルス繰返し周波数で、増幅のためのレーザパルスのサブセットを選択する第1の光変調器とを備え、前記サブセットに含まれる前記レーザパルスの選択は、前記第1のパルス繰返し周波数及び前記位置データに基づいている請求項1記載のシステム。 - 前記位置データに基づいて、前記ビーム送達座標の整列を調整するレーザコムインデクス付与モジュールを更に備え、前記レーザコムインデクス付与モジュールが、
前記第1のパルス繰返し周波数が前記第2のパルス繰返し周波数の整数倍数nとなるように前記第2のパルス繰返し周波数を選択し、
前記ビーム送達座標の調整の量に基づいて、前記サブセット内の第1の増幅されたパルスと、前記サブセット内の第2の増幅されたパルスとの間のパルス間時間を、光発振器パルス間時間の整数倍数kによってオフセットさせるように構成された請求項10記載のシステム。 - 前記パルスレーザ光源は、ファイバ主発振器を含むタンデム光増幅器を備える請求項1記載のシステム。
- 前記ファイバ主発振器は、約100フェムト秒から約500ピコ秒の範囲のパルス幅でレーザパルスを出力するように構成されている請求項12記載のシステム。
- 前記パルスレーザ光源は、Qスイッチダイオード励起固体レーザを備える請求項1記載のシステム。
- 前記パルスレーザ光源は、主発振器パワー増幅器(MOPA)を備える請求項1記載のシステム。
- 前記MOPAの主発振器に統合されたプログラミング可能なパルス幅要素を更に備える請求項15記載のシステム。
- 前記プログラミング可能なパルス幅要素は、プログラミング可能なバンドパスフィルタを備える請求項16記載のシステム。
- 前記パルスレーザ光源は、主発振器再生増幅器を備える請求項1記載のシステム。
- 被加工物をレーザで処理するための方法において、
レーザパルスを生成するステップと、
前記レーザパルスから、複数のビームレットパルスを含むビームレットアレイを生成するステップと、
前記ビームレットアレイ内の各ビームレットパルスの振幅を変調するステップと、
前記変調されたビームレットアレイを、前記被加工物上の1つ以上の標的箇所に集光するステップとを有する方法。 - 前記ビームレットアレイ内の前記ビームレットパルスを抽出するステップと、
前記ビームレットアレイ内の各ビームレットパルスの総エネルギを判定するステップと、
前記被加工物上の特定の標的に供給される連続するビームレット振幅を調整するエラー補償信号を生成するステップとを更に有する請求項19記載の方法。 - 前記被加工物上の特定の標的に送達された一連のビームレットパルスが提供するパルスエネルギの合計が所定の閾値に達し又はこれを超えていることを判定するステップと、
前記判定に基づいて、更なるビームレットパルスが前記特定の標的に到達することを防ぐステップとを更に有する請求項19記載の方法。 - 被加工物標的ピッチを、
前記パルスレーザ光源のパルス繰返し周波数(PRF)、
ビームレットアレイピッチ、及び
ビーム位置決めシステムと被加工物との間の相対速度に調和させる請求項19記載の方法。
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