JP4711393B2 - レーザビーム３次元位置決め装置及び方法 - Google Patents

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適用なし。

本発明は、電子回路のレーザビームの位置決めに関し、特に、レーザビームと、ワークピースとレーザビームとを相対移動する粗い位置決め段、中間の位置決め段及び細かい位置決め段を有する基板位置決め装置とを用いるシステム及び方法に関する。

レーザは、穿孔を通じたエッチング回路基板（ＥＣＢ）や、集積回路（ＩＣ）溶融性のリンクアブレーティングや、シリコン回路素子、圧電回路素子及びセラミック回路素子のマイクロ加工のような種々のアブレーティングアプリケーション、穿孔アプリケーション及びマイクロ加工アプリケーションに対して長い間用いられてきた。これら電子回路処理アプリケーションの各々において、ワークピースとレーザビームとを相対移動する位置決め装置が用いられている。例えば、穿孔を通じたＥＣＢは、典型的には、適度な精度での長い位置決め移動を要求し、それに対して、ＩＣ溶融性のリンクアブレーティングは、高精度の短い位置決め移動を要求する。したがって、典型的には、各アプリケーションに対して互いに相違する位置決め装置アーキテクチャが用いられる。

従来の位置決め装置は、Ｘ−Ｙ移動テーブルによって特徴付けられ、この場合、ワークピースが、第１軸に沿って移動する上側段に固定され、第１軸に直交する第２軸に沿って移動する下側段によって支持される。そのような装置は、典型的には、固定されたレーザビーム位置又はレーザスポットのようなツールに対してワークピースを相対移動し、通常多層段位置決め装置(stacked stage positioning system)と称される。その理由は、ワークピースを支持する慣性質量の上側段を下側段が支持するからである。しかしながら、多層段位置決め装置は比較的低速である。その理由は、慣性質量の段の始動、停止及び方向の変化が、ワークピース上の全てのターゲット位置を処理するためにレーザツールに要求される時間を増大するからである。

スプリット軸位置決め装置(split-axis positioning system)において、上側段は、下側段によって支持されず、下側段から独立して移動する。ワークピースは、第１軸すなわち第１段によって支持され、それに対して、反射ミラーや関連のレーザビーム集束レンズのようなツールは、第２軸すなわち第２段によって支持される。スプリット軸位置決め装置は、更に長くかつ更に重い段を利用するためにワークピースの全体のサイズ及び重量が増大するので有利である。

最近では、プレーナ位置決め装置(planer positioning system)が開発され、この場合、ワークピースが、二つ以上のアクチュエータによって移動自在の単一の段によって支持され、その間、ツールは固定位置のままである。これらの装置は、アクチュエータの作動力を調整することによってワークピースを２次元的に移動する。一部のプレーナ位置決め装置は、ワークピースを回転することもできる。

図１は、１対のガルバノメータ駆動ミラー６４及び６６のような高速短移動位置決め器（高速位置決め器）６０を用いることによってレーザビームの２軸偏向を行う従来の方法を示す。図１は、固定ミラー７２と収束光学系７８との間の光軸７０の沿って配置したガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー７８を簡単化した図である。各ガルバノメータ駆動ミラーは、単一軸に沿ってレーザビームを偏向して、ビームをワークピース７９上のターゲット位置に導く。Overbeckの米国特許第４，５２１，４０２号は、そのような高速位置決め器を用いる多層段ビーム位置決め装置を開示し、Cutlerなどの米国特許第５，７５１，５８５号及び米国特許第５，８４７，９６０号は、一つ以上の上側段が少なくとも一つの高速位置決め器を支持するスプリット軸ビーム位置決め装置を開示する。そのような高速位置決め器を用いる装置は、穿孔を通じたような非リンクブロー処理(nonlink blowing process)に用いられる。その理由は、現在のところ高速位置決め器が「固定」レーザヘッド位置決め器と同様な精度でビームを発生することができないからである。

そのような位置決め器のスプリット軸の性質は、回転アッベ誤差(rotational Abbe error)を導入することがあり、ガルバノメータは、他の位置決め誤差を導入することがある。さらに、二つのガルバノメータ制御ミラー間を分離する必要があるので、ミラーを、収束光学系に対する入射瞳孔に近接して両方配置できない。このような分離の結果、収束スポットの品質を劣化することがあるビームのオフセットが生じる。さらに、２ミラー形態は、入射瞳孔を収束光学系から更に離間するという制約を課し、その結果、複雑さが増大し、収束光学系の開口数が制限され、したがって、到達しうる最小のスポットサイズを制限する。

したがって、特定の処理アプリケーションに調和した収束スポット品質に従った処理速度、距離及び精度を維持しながら、更に高い電子回路処理スループットを達成するシステム及び装置が必要である。

したがって、本発明の目的は、更に高い電子回路レーザ処理スループットを達成する装置及び方法を提供することである。

本発明の他の目的は、リニアなガルバノメータと、種々の電子ワークピース処理アプリケーションに対する位置精度、速度及びレーザスポットサイズを最適にするように共同する２軸ステアリングミラー段とを用いる位置決め装置を提供することである。

本発明の他の目的は、レーザに基づく電子回路処理アプリケーションに対する調整された動作を用いる位置決め装置を提供することである。

本発明の３次元位置決め装置の好適例は、ＩＣやＥＣＢのようなワークピース上のターゲット位置にレーザビームを導くためにレーザビーム偏向段、Ｘ軸移動段及びＹ軸移動段を制御するために、コンピュータや、マイクロプロセッサや、デジタル信号プロセッサ（以後、単一で又は集合的にＤＳＰと称する。）のような処理素子の組合せを用いる。３次元位置決め装置を、Ｘ軸移動段の上に載せ置いた単一のレーザビーム偏向段と、Ｙ軸移動段の上に載せ置いた単一のワークピースとによって構成するが、複数のレーザビーム偏向段を多層、スプリット又はプレーナ位置決め器と組み合わせて用いた位置決め装置のような他の形態の位置決め装置を用いることができる。

システム制御コンピュータは、データベース格納サブシステムに格納されたツール経路データベースを処理する。データベースは、レーザビームによってワークピースに孔又はプロファイルを形成する所望の処理パラメータを有する。システム制御コンピュータは、格納されたデータベースのレーザ制御部をレーザコントローラに供給し、データストリームのような位置制御部をプロファイリングプロセスに供給し、このプロセスは、データストリームを、ワークピースを横切るレーザビームの経路の意図した変更の各々に対する位置成分、速度成分及び時間成分に分解する。

レーザコントローラは、プロファイリングプロセスによって発生したタイミングデータによって制御され、レーザビーム偏向段、Ｘ軸移動段及びＹ軸移動段の移動に対してレーザの出射の同期をとるトリガプロセスによって更に調整される。

位置決めコマンドは、一定の信号伝播遅延Ｌを有する低域通過フィルタ及び伝播遅延を補償する遅延Ｌ素子によって受信される。低域通過フィルタは、低域通過フィルタ処理された位置コマンドデータを、加算器を通じて低周波コントローラに供給し、低周波コントローラは、Ｘ軸移動段及びＹ軸移動段を駆動する。遅延Ｌ素子は、レーザビーム偏向段を駆動するために、フィルタ処理されていない位置決めコマンドを位置プロファイラから信号処理素子に供給する。

他の加算器は、遅延された位置決めコマンドから実位置を減算し、中間通過フィルタ及び遅延Ｍ素子に供給される低周波段位置誤差信号を生成する。中間通過フィルタ処理された位置誤差データは、加算器を通じて中間周波コントローラに供給され、中間周波コントローラは、レーザビーム偏向段のガルバノメータ偏向ミラーを駆動する。中間通過フィルタ１０９は、一定の時間遅延Ｍを有するフィルタ処理された位置誤差データを生成するので、一定時間遅延Ｍは、レーザビーム偏向段を駆動するための低周波誤差データの信号処理素子への搬送を遅延する遅延Ｍ素子によって補正される。

ガルバノメータ偏向ミラーは、位置センサを有し、位置センサは、ガルバノメータミラーの実際の位置を加算器に搬送し、加算器は、中間通過フィルタ処理された誤差データから実際の位置を減算して、制御ループを閉じ、ガルバノメータ駆動ミラーを、コマンドされた位置に向ける。

他の加算器は、生成された遅延誤差信号から実際のガルバノメータ位置信号を減算し、高周波コントローラに伝送される高周波段位置誤差信号を生成し、高周波コントローラは、レーザビーム偏向段の高周波段を駆動する。

本発明は、レーザビーム偏向段内にＦＳＭを追加することによって低周波段設定時間及び中間周波段設定時間の影響を大幅に減少する。

ＦＳＭを用いる３次元位置決め装置は、ターゲット位置間のレーザビームの移動に要求される時間を減少するとともに各ロケーションの処理時間を増大することによって電子回路処理スループットを増大する。第３の位置決め段としてＦＳＭを追加することによって、更に正確な位置決めが行われる。その理由は、二つの段によって生じる位置誤差及び設定時間誤差をＦＳＭによって補正できるからである。

他の例において、ＦＳＭを、ガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラーからレーザビームを受信するとともに収束光学系を通じてワークピースに向かうようレーザビームを偏向するように配置できる。

本発明の他の目的及び利点を、添付図面を参照しながら以下の実施の形態から明らかにする。

ビーム位置決め装置は、好適にはレーザコントローラを使用し、レーザコントローラは、多層位置決め装置、スプリット軸位置決め装置又は平坦な位置決め装置を制御するとともに、レーザビームを電子回路ワークピース上の所望のターゲット位置に照準を合わせて収束するために反射器を調整する。ビーム位置決め装置は、Cutlerなどの米国特許第５，７５１，５８５号及び米国特許第５，８４７，９６０号に記載されたような改善、ビーム位置決め器及び調整された移動技術のうちの任意のものを代わりに又は付加的に用いることができる。これら特許は、この出願の譲受人によって譲り受けられ、参照することによってここに組み込む。他の固定されたヘッド又は線形モータ駆動の従来の位置決め装置を、この出願の譲受人であるオレゴン州ポートランドのＥＳＩによって製造された９８００モデルシリーズで用いられる装置とともに用いることができる。

図２は、本発明の３次元位置決め装置８０のスプリット段の実施の形態を示し、これは、レーザに基づく孔形成装置を参照した例によって記載され、レーザビーム偏向段８４を制御するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のようなコンピュータと、Ｘ軸移動段８６と、ＩＣ好適にはＥＣＢのようなワークピース９２上のターゲット位置にレーザビーム９０を導くＹ軸移動段８８とを用いる。Ｘ軸移動段８６上に載せ置かれた単一のレーザビーム偏向段８４及びＹ軸移動段８８上に載せ置かれた単一のワークピース９２によって位置決め装置８０を構成したが、多層位置決め器、スプリット位置決め器又は平坦位置決め器と組み合わせた複数の段８４を用いた位置決め装置のような、位置決め装置の他の形態も可能である。ここではＸ軸部分のみを示すが、熟練した作業者は、ＤＳＰ８２がほぼ同一のＸ軸部及びＹ軸部を有することを理解する。

システム制御コンピュータ９３は、データベース格納サブシステムに格納されたツール経路データベース９４を処理する。ツール経路データベース９４は、孔の形成、プロファイル又はワークピース９２におけるレーザビーム９０とのリンクに対する所望の処理パラメータを有する。システム制御コンピュータ９３は、格納されたデータベースのレーザ制御部をレーザコントローラ９６に伝送するとともに、データストリームとしての位置制御部をプロファイリングプロセス９８に伝送する。プロファイリングプロセス９８は、ワークピース９２を横切るレーザビーム９０の経路の意図した変更の各々に対して、データストリームを、プロファイリングポジションｄＰ（ｄｘ及びｄｙ）、プロファイリング速度ｄＶ（ｄｖｘ及びｄｖｙ）及びプロファイリング時間ｄＴ（ｄｔｘ及びｄｔｙ）に分解する。その結果、レーザビーム９０の移動はそれぞれ、位置プロファイラ１００によって更に処理されるｄｘ成分、ｄｙ成分、ｄｖｘ成分、ｄｖｙ成分、ｄｔｘ成分及びｄｔｙ成分で規定される。

レーザコントローラ９６は、プロファイリングプロセス９８によって発生したタイミングデータによって制御され、レーザ１０２の出射がレーザビーム偏向段８４、Ｘ軸移動段８６及びＹ軸移動段８８の移動に同調する遅延Ｌ＋Ｍによって更に調整される。遅延Ｌ＋Ｍを、図２を参照して更に詳しく説明する。

プロファイリングプロセス９３によって発生したｄｘ成分、ｄｙ成分、ｄｖｘ成分、ｄｖｙ成分、ｄｔｘ成分及びｄｔｙ成分は、位置プロファイラ１００によって更に処理されて、データベースによって命令されるようにＸ軸移動段８６及びＹ軸移動段８８を移動するのに要求される位置決め信号になる。位置決め信号の瞬時の値を、少なくとも１００００ポイント／秒の速度でＤＳＰ８２によって発生する。

結果的に得られる位置決め信号は、加速成分及び位置成分を有し、これらの成分は、一定の信号伝播遅延Ｌを有する低域通過フィルタ１０３及び低域通過フィルタ１０３の一定の信号伝播遅延Ｌを補償する遅延Ｌ素子１０４によって受信される。低域通過フィルタ１０３及び遅延Ｌ素子１０４は、後に説明するように、共同して位置決め段８６，８８及びレーザビーム偏向段８４を位置プロファイルに沿って移動し、その間、加速を特定の範囲内に維持する。

低域通過フィルタ１０３によって受信された位置決めコマンドは、低域通過フィルタ処理された位置決めコマンドデータを、加算器１０５を通じて低周波コントローラ１０６に伝送され、低周波コントローラ１０６は、（線形的なブロック形態で示した）Ｘ軸移動段８６を駆動する。低域通過フィルタ処理された位置コマンドデータは、Ｘ軸移動段８６及びＹ軸移動段８８の応答帯域幅に整合され、これらＸ軸移動段８６及びＹ軸移動段８８は、レーザビーム偏向段８４の更に高い応答帯域幅の位置決め器より低速で移動し及び固定する。低域通過フィルタ１０３を、好適には、臨界減衰係数を有する二つ以上の２次のフィルタを縦続接続することによってＤＳＰ８２によって実現される４次の低域通過フィルタとする。低域通過フィルタ１０３が、位置コマンドに対して一定の時間遅延Ｌを有するフィルタ処理された位置コマンドデータを生成するので、一定の時間遅延Ｌが遅延Ｌ素子１０４によって補償される。遅延Ｌ素子を、好適には、レーザビーム偏向段８４を駆動するために位置プロファイラ１００から信号処理素子までフィルタ処理されていない位置決めコマンドを伝送する際にプログラムされた遅延としてＤＳＰ８２で実現される。

Ｘ軸移動段８６及びＹ軸移動段８８は、位置センサ１０７を有し、そのうちの一つは、Ｘ軸移動段８６の実際の位置信号を加算器１０５に伝送する。加算器１０５は、低域通過フィルタ処理されたコマンドデータから実際の位置信号を減算して、制御ループを閉じるとともに、コマンドされた位置にＸ軸移動段８６を導く。

他の加算器１０８は、位置センサ１０７からの実際の位置信号を、遅延Ｌ素子１０４から生成した遅延された位置決めコマンドから減算し、低周波段位置誤差信号を生成し、この信号は、中間周波フィルタ１０９及び遅延Ｍ素子１１０に伝送される。中間周波フィルタ１０９によって受信された低周波段誤差信号は、中間帯域フィルタ処理された位置誤差データを、加算器１１１を通じて中間周波コントローラ１１２に伝送し、（線形的なブロック形態で示した）中間周波コントローラ１１２は、レーザビーム偏向段８４のガルバノメータ偏向ミラー６６を駆動する。中間通過フィルタ処理された位置誤差データは、ガルバノメータ偏向ミラー６６の応答帯域幅に整合される。中間通過フィルタ１０９を、好適には、臨界減衰係数を有する二つ以上の２次のフィルタを縦続接続することによってＤＳＰ８２によって実現される４次の低域通過フィルタとする。中間通過フィルタ１０９が、誤差信号に対して一定の時間遅延Ｍを有するフィルタ処理された位置誤差データを生成するので、一定の時間遅延Ｍは、遅延Ｍ素子１１０によって補償される。遅延Ｍ素子１１０は、好適には、レーザビーム偏向段８４を駆動するために誤差データを加算器１０８から信号処理素子に伝送する際にプログラムさえた遅延としてＤＳＰ８２で実現される。

ガルバノメータ偏向ミラー６４及び６６は、位置センサ１１３を有し、そのうちの一つは、ガルバノメータ駆動ミラー６６の実際の位置信号を加算器１１１に伝送する。加算器１１１は、実際の位置信号を中間通過フィルタ処理された誤差データから減算して、制御ループを閉じるとともに、ガルバノメータ駆動ミラー６６を、命令された位置に導く。

更に別の加算器１１４は、位置センサ１１３からの実際の位置信号を、遅延Ｍ素子１１０によって生成した遅延された信号から減算し、（象徴的に示した）他の加算器１１５を通じて伝送される中間周波段位置誤差信号を生成し、高周波コントローラ１１６は、レーザビーム偏向段８４の（線形ブロック形態で示した）高周波段１１７を駆動する。中間周波段位置誤差信号は、高周波段１１７の応答帯域幅に整合される。高周波段１１７は、他の位置センサ１１８を有することができ、そのうちの一つは、高周波段１１７の実際の位置信号を他の加算器１１５に伝送する。加算器１１５は、実際の位置信号を中間周波段誤差信号から減算して、制御ループを閉じるとともに、高周波段１１７を、コマンドされた位置に導く。

遅延Ｌ＋Ｍに戻ると、熟練した作業者は、レーザビーム９０がワークピース９２上のコマンドされた位置に適切に導かれるまでレーザ１０２が出射すべきでないことを理解する。このために、位置プロファイラ１００からの位置決めコマンドは、遅延Ｌ素子１０４及び遅延Ｍ素子１１０を伝播する必要がある。したがって、遅延Ｌ＋Ｍは、好適には、遅延Ｌ素子１０４及び遅延Ｍ素子１１０の遅延の和を有する。

図３は、レーザビーム偏向段８４の好適例を示す。図１及び２も参照すると、ガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー６６は、駆動信号を中間周波コントローラ１１２から受信する。本発明は、高周波段１１７をレーザビーム偏向段８４内に追加することによって低周波段及び中間周波段の設定時間の影響を大幅に減少する。穿孔アプリケーション、回路素子トリミングアプリケーション及びマイクロ加工アプリケーションを通じたＥＣＢに向けられた好適な実施の形態において、高周波段１１７は、レーザビーム９０を受光するように配置されたＦＳＭ１２０を有し、ＦＳＭ１２０は、レーザビーム９０をガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー６６によって偏向し、レーザビーム９０は、対物レンズ７８を通じてワークピース９２上のターゲット位置１２１に到達する。

ＦＳＭ１２０は、ガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー６６より高い周波数応答を有する電歪アクチュエータによって偏向される。ＦＭＳ１２０は、好適には、電圧を変位に変えるニオブ酸鉛マグネシウム(lead magnesium niobate :PMN)によって偏向される。ＰＮＭ材料は、更に一般的な圧電アクチュエータ材料と類似するが、１％未満のヒステリシスを有する。好適なＰＭＮアクチュエータ１２２は、ＰＭＮ材料の１０ｍｍの長さの円筒中空に対して約５μｍの制約された変位を有するが、５ｍｍ径の円筒に対して約２１０Ｎ／μｍの非常に高い硬度(stiffness)を有する。好適例は、三つのアクティブ領域に電気的に分割されたＰＭＮ材料の単一円筒中空である。領域をアクティブにすることによって、関連の辺が拡張し、これによって、約±１ミリラジアン（ｍＲａｄ）の角度範囲に亘ってＦＳＭ１２０を傾斜する。

ＦＳＭ１２０を、ＦＭＳ１２０の中央部１２４に整列した中央を有する直角三角形として配置された第１端部を有する三つの個別のＰＭＳアクチュエータ１２２に湾曲部を通じて結合することもできる。ＰＭＮアクチュエータ１２２の第２端部を、Ｘ軸移動段８６に取り付ける装着部１２６に機械的に結合する。三つのＰＭＮアクチュエータ１２２を、好適には、ＦＭＳ１２０を傾けるために２の自由度で用いられる３の自由度で実現する。特に、アクチュエータ三角形は、ＦＳＭ１２０を約±４ｍＲａｄの角度で偏向できるように５ｍｍの辺を有し、これは、レーザビーム９０を８０ｍｍの対物レンズ７８によってワークピース９２上に投影するときに±６４０μｍのレーザビーム９０の偏向となる。

高周波段１１７は、ガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー６６より高い周波数及び加速度で動作する。特に、ＰＭＮアクチュエータ１２２は、２．０マイクロＦａｒａｄ特性キャパシタンス、１０Ω直流インピーダンス及び５キロヘルツ（ｋＨｚ）での１７Ωインピーダンスを有し、７５Ｖの駆動で３Ａを超える電流を抽出する。ＰＭＮアクチュエータ駆動ＦＳＭ１２０は、約±０．５μｍの位置決め精度でレーザビーム９０を偏向する際に、約５ｋＨｚより大きい大信号帯域幅(large-signal bandwidth)、約８ｋＨｚより大きい小信号帯域幅(small-signal bandwidth)及び少なくとも約±１ｍＲａｄの偏向角を有する。

上記高周波段のパフォーマンスを参照すると、加算器１１４によって展開された位置的な誤差信号は、付加的な加算器１１５に伝送され、その出力は、ＰＭＮアクチュエータ１２２を駆動するために高周波コントローラ１１６に伝送される。付加的なＦＳＭ位置センサ１３２は、任意の残りのＦＳＭ１２０位置決め誤差を補正するためのＦＳＭ実位置信号を、付加的な加算器１１５に供給する。付加的なＦＳＭ位置センサ１３２は、レーザビーム１３６を発生する位置レーザ１３４を有し、レーザビーム１３６は、ＦＳＭ１２０を反射してクアドセンシング(quad-sensing)ダイオードアレイのような位置検出器１３８に向かう。ＦＳＭ１２０が偏向されると、レーザビーム１３６は、偏向角の関数として位置検出器１３８の中心から離れるように偏向される。位置検出器１３８は、ＦＳＭ１２０偏向角を表す一つ以上の信号を発生することによって応答する。容量及び歪みに基づく位置センサを含むＦＳＭ位置センサの例も可能である。

高周波段１１７を用いる３次元位置決め装置８０は、ターゲット位置１１８間の移動に要求される時間を減少するとともに各位置の処理時間を減少することによって、電子回路処理のスループットを増大する。これによって、従来不可能であった新たな処理を可能にする。高周波段１１７を第３の位置決め段として追加することによって、位置決めが更に正確になる。その理由は、低周波段及び中間周波段によって生じる位置決め誤差及び設定時間誤差を補正できるからである。

３次元位置決め装置８０に対する更に別の有利なアプリケーションの例を、以下説明する。

人工的なスポット拡大：位置プロファイラ１００は、小さい円すなわち小さい振動でレーザビーム９０の位置を移動しながら予め得設定されたツール経路に従うよう３次元位置決め装置８０に命令する。このようなビームの移動は、更に広い領域に亘ってレーザビーム９０のエネルギーが分布し、ツール経路に渡る幅広い切断が有効に行われる。また、このようなビームの移動は、更に広い領域に亘ってレーザエネルギーが広がり、このことは、処理ウィンドウの制御を助長することができ、これによって、イメージされたスポットの必要を減少する。

ビーム設定：ＦＳＭ１２０は、ガルバノメータ誤差を含む残りの位置決め誤差を補正し、これによって、ガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー６６を更に積極的に調整することができ、ターゲット間の移動時間を更に減少する。これは、位置決め精度を更に向上する。その理由は、装置がガルバノメータの不正確さ、「クリープ」(creep)及びトレランス変化を補正するからである。±５〜１０μｍの高速精度を有するガルバノメータ駆動Ｘ軸ミラー６４及びガルバノメータ駆動Ｙ軸ミラー６６を、ＦＳＭ１２０によって十分に補正することができる。

穿孔を通じたＥＣＢ：レーザ１０２のパワーが増大すると、くりぬき及びらせん状の穿孔に要する速度がそれに応じて増大する。ガルバノメータは、典型的には１〜１．５ｋＨｚのその動作帯域幅によって制限される。ＦＭＳ１２０が、少なくとも５ｋＨｚの動作帯域幅及び少なくとも穿孔される孔の径程度の大きさの移動範囲を有するので、高速のくりぬき及びらせん状の穿孔の位置決めコマンドが、位置決めプロファイラ１００に向けられ、その間、コマンドされたビーム位置が一定に保持される。

小さい角度位置決め：位置決め段の移動範囲は、しばしば「ワーキングエンベロープ」(working envelope)と称される。ＦＭＳ２１０が、ガルバノ段６４，６６の現在の位置の前の新たなターゲット位置にレーザビーム９０を配置するのに十分大きなワーキングエンベロープを有する場合、次のターゲット位置の処理を、ガルバノ段６４，６６を十分に再配置する前に開始することができる。ガルバノ段６４，６６は、新たなターゲット位置が処理されると最終位置に移動する。ガルバノ段６４，６６が最終位置に移動すると、ＦＭＳ１２０は、その中央位置に戻る。

３次元位置決め装置８０のスループットの利点を理解するために、図４Ａは、リニア段ワーキングエンベロープ１５０及びガルバノメータ段ワーキングエンベロープ１５２を有する従来の位置決め装置のパフォーマンスを表す。図４Ｂは、現在のターゲット位置１５６から新たなターゲット位置１５８まで５００μｍ移動して新たなターゲット位置１５８を穿孔するのに要する合計の処理時間１５４を示す。この従来技術の例は、ガルバノメータ段が５００μｍの移動を１ミリ秒（ｍｓ）で実行し、０〜１ｍｓの設定時間を有し、かつ、１．０ｍｓの穿孔時間を有すると仮定する。したがって、全体の移動及び孔処理時間１５４は２．０ｍｓ〜３．０ｍｓとなる。

それに対して、図５Ａは、リニア段ワーキングエンベロープ１５０、ガルバノメータ段ワーキングエンベロープ１５２及びＦＭＳワーキングエンベロープ１６０を有する本発明の３次元位置決め装置のパフォーマンスを表す。図５Ｂは、現在のターゲット位置１５６から新たなターゲット位置１５８まで５００μｍ移動して新たなターゲット位置１５８を穿孔するのに要する合計の処理時間１５８を示す。本例も、ガルバノメータ段が５００μｍの移動を１ミリ秒（ｍｓ）で実行し、０〜１ｍｓの設定時間を有し、かつ、１．０ｍｓの穿孔時間を有すると仮定する。本例でも、ＦＳＭは、±１２５μｍのワーキングエンベロープを有し、全体の処理時間１６２は、図５Ｂに示すような構成要素を有する。１２５μｍのＦＳＭの移動１６４は、５００μｍのガルバノメータの移動１６６と同時に開始する。ＦＳＭの移動１６４は、ガルバノメータの移動１６６を継続しながら０．２ｍｓのＦＳＭワーキングウィンドウ１６０の範囲に到達する。ＦＳＭの移動１６４にガルバノメータの移動１６６を追加することによって、新たなターゲット位置１５８が０．６ｍｓで到達し、この際、１．０ｍｓの穿孔時間１６８が、ガルバノメータの移動１６６が完了する開始し及び設定され、ＦＳＭは、ガルバノメータの移動１６６の完了及び設定によって発生した位置決め誤差を補正する。したがって、全体の移動及び孔処理時間１６２は１．６ｍｓとなり、これは、従来の位置決め装置より１６％スループットが向上したことを表す。設定時間を１．０ｍｓとする場合には４７％向上する。

大きな角度位置決め：上記例のＦＭＳが±５００μｍのワーキングエンベロープを有する場合、５００μｍ離間した孔間の移動時間の合計は、１／５に減少し、スループットが５０％壮大する。

図６は、典型的な２軸ステアリングミラー系２００を示す。ミラー２０２を中心点の回りで２軸で傾斜するのに種々の技術を用いることができる。これらの技術はＦＳＭを含み、ＦＳＭは、湾曲機構(flexure mechanism)及びボイスコイルアクチュエータと、圧電、電歪又は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と、ミラーの表面を変形する圧電又は電歪アクチュエータとを用いる。適切なボイスコイルで起動するＦＭＳは、コロラド州のBall Aerospace Corporation及びカリフォルニア州アービンのNewport Corporationから市販されている。適切な圧電アクチュエータは、ドイツ国カールスルーのPysik Instrumente(PI) GMbH & Co.によって製造された型番号S-330 Ultra-Fast Piezo Tip/Tilt Platformである。

ガルバノメータ偏向ミラーは、典型的には、半導体ウェファのようなアプリケーションに用いられていない。その理由は、ガルバノメータ偏向ミラーが各ミラーを１軸の回りでしか傾斜しないからである。さらに、物理的に分離した１対のガルバノメータミラーは、２軸の動作が要求される。このような分離は、半導体ウェファの表面に高品質のレーザスポットを維持するために集束レンズ２０８の入射瞳孔２０８の付近に配置された一つの中心点の回りで動作を行う要求に適合しない。それにもかかわらず、正確かつ良好に収束されたレーザスポットを維持するためにミラー２０２の前で単一軸かつ小さい偏向の形態を用いる場合には特に、そのようなアプリケーションにガルバノメータ偏向ミラーを用いることができる。小さい偏向が用いられる場合、典型的な帯域幅より高い帯域幅で動作する二つの小さいガルバノメータ偏向ミラーを用いることができる。

当然、他の販売者又は他のタイプのミラー又はアクチュエータ設計も、本発明での使用に適している。

既に説明した他の全ての利点に加えて、本発明は、誤差を補正するために２次元装置を用いるリニアモータ及びガルバノメータ駆動ミラーの要求（ジャーク時間(jerk time)、設定時間(settling time)）の緩和を許容する。これは、リニア位置決め装置及びガルバノメータ位置決め装置のコストを大幅に減少し、リニア段及びガルバノメータ段の加速制限に対するシステムスループットの依存性も減少する。

熟練した作業者は、本発明のＦＳＭシステムを穿孔アプリケーション、マイクロ加工アプリケーション及びレーザトリミングアプリケーションによるエッチング回路基板での使用に適合できることを理解する。

熟練した作業者は、本発明の一部を上記実施の形態の実現とは異なるように実現できることを理解する。例えば、本発明は、低周波段、中間周波段及び高周波段の実施の形態に限定されるものではなく、位置決めコマンドの超高周波部分に応答する超高周波位置決め段のような他の段を有することができる。また、ＤＳＰを、全体的又は部分的に個別の素子で実現することができ、その一部をアナログ素子とすることができる。例えば、加算器を、アナログ的な合計の結合部として実現することができるが、好適には、符号化されたプログラムとして実現する。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

種々の単一軸にそってレーザビームを偏向する１対のガルバノメータ駆動ミラーを用いる従来の高速位置決め装置の簡単化した側面図である。 本発明の３次元レーザビーム位置決め装置の線形的な電気ブロック図である。 図２の３次元レーザビーム位置決め装置で用いられるレーザビーム偏向段の線形的な電気ブロック図である。 リニア段及びガルバノメータ段を用いる従来の位置決め装置ワーキングエンベロープの簡単化した線形表示である。 図４Ａの従来の位置決め装置によって要求される移動時間、設定時間、穿孔時間、全体的な孔処理時間を示す棒グラフである。 リニア段、ガルバノメータ段及びＦＳＭ段を用いる本発明の３次元位置決め装置のワーキングエンベロープの簡単化した線形表示である。 図５Ａの３次元位置決め装置によって要求される、ガルバノメータ移動時間、ＦＳＭ移動時間、設定時間、穿孔時間及び全体的な孔処理時間を示す棒グラフである。 本発明の２軸ＦＳＭアプリケーションの側面を線形的に示す。

Claims (27)

1. 位置決めコマンドに応答してワークピース上のターゲット位置に向かってレーザビームを導く装置であって、
   前記位置決めコマンドの低周波部分に応答して、前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導く低帯域幅位置決め段と、
   前記位置決めコマンドの中間周波部分に応答して、前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導く中間帯域幅位置決め段と、
   前記位置決めコマンドの高周波部分に応答して、前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導く高帯域幅位置決め段と、
   前記位置決めコマンドを受信するとともに、該位置決めコマンドの低周波部分を前記低帯域幅位置決め段に通過させる低域通過フィルタと、
   前記位置決めコマンドを受信するとともに、該位置決めコマンドの中間周波部分を前記中間域幅位置決め段に通過させる中間通過フィルタと、
   を具えることを特徴とする装置。
2. 前記高周波位置決め段が高速ステアリングミラーを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記高速ステアリングミラーを、前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置と少なくとも前記低帯域幅位置決め段及び前記中間帯域幅段の実際の位置との間の差に応答して配置することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記低帯域幅位置決め段の実際の位置を測定するセンサを更に有し、前記高速ステアリングミラーを、前記低帯域幅位置決め段の実際の位置と前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置との間の差に応答して配置することを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 前記中間帯域幅位置決め段が、ガルバノメータ駆動ミラーと、前記中間帯域幅位置決め段の実際の位置を測定するセンサのうちの少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記高帯域幅位置決め段を、前記中間帯域幅位置決め段の実際の位置と前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置との間の差に応答して配置することを特徴とする請求項２又は５記載の装置。
7. 前記位置決めコマンドの超高周波部分に応答して前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導く超高周波位置決め段を更に有することを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記低帯域幅位置決め段が、多層形態、スプリット軸形態又はプレーナ形態で配置されたリニア段を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記高帯域幅位置決め段が、前記レーザビームを２軸に沿って偏向する高速ステアリングミラーを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 前記高速ステアリングミラーが、ボイスコイルアクチュエータ、圧電アクチュエータ、電歪アクチュエータ、又はニオブ酸鉛マグネシウムアクチュエータによって位置決めされることを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 前記高速ステアリングミラーが、前記高速ステアリングミラーの実際の位置を決定する位置決めセンサを有し、前記高速ステアリングミラーを、前記高速ステアリングミラーの実際の位置と前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置との間の差に応答して配置することを特徴とする請求項９記載の装置。
12. 前記低域通過フィルタ及び前記中間通過フィルタが、関連の第１及び第２フィルタ遅延を有し、前記装置が、前記第１及び第２フィルタ遅延を補償する第１及び第２遅延素子を更に有することを特徴とする請求項１記載の装置。
13. 遅延誤差信号から実際のガルバノメータ位置を伝える信号を減算し、高周波コントローラに伝送される高周波段位置誤差信号を生成する加算器と、
    前記高帯域幅位置決め段が前記中間帯域幅位置決め段の実際の位置と前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置との間の差に応答して配置するように、前記高周波段位置誤差信号を受信する高周波コントローラと、
    を更に有することを特徴とする請求項２又は５記載の装置。
14. 前記高帯域幅位置決め段が、該高帯域幅位置決め段の実際の位置を決定する位置センサを更に有し、該高帯域幅位置決め段が、該高帯域幅位置決め段の実際の位置と前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置との間の差に応答して配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
15. 前記低帯域幅位置決め段の実際の位置を測定する位置センサと、前記中間帯域幅位置決め段の実際の位置を測定する位置センサとを更に有し、
    前記高帯域幅位置決め段が前記低帯域幅位置決め段及び前記中間帯域幅位置決め段の実際の位置と前記位置決めコマンドによって規定されたターゲット位置との間の差に応答して配置されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記高帯域幅位置決め段が、電歪アクチュエータを用いることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項記載の装置。
17. 前記高帯域幅位置決め段が、５ｋＨｚよりも高い信号帯域幅を有することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項記載の装置。
18. 前記高帯域幅位置決め段が、前記ワークピースで最大±５００μｍのワーキングエンベロープを有することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項記載の装置。
19. 位置決めコマンドに応答してワークピース上のターゲットの処理のためにレーザビームを導く方法であって、
    前記位置決めコマンドを低域通過フィルタ及び中間通過フィルタに通し、
    前記位置決めコマンドの低周波部分に応答して前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導き、
    前記位置決めコマンドの中間周波部分に応答して前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導き、
    前記位置決めコマンドの高周波部分に応答して前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導くことを特徴とする方法。
20. 前記ターゲットの処理が、穿孔と、マイクロ加工と、ディザリングと、スパイラル穿孔と、トリパン穿孔と、孔の丸みの修正のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記ワークピースが電子回路を含み、前記ターゲットの処理が、前記電子回路上の回路素子の調整を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
22. 前記ワークピースが電子回路基板を含み、前記ターゲットの処理が、前記電子回路基板への孔の形成を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
23. 前記位置決めコマンドの中間周波部分が、少なくとも１つのガルバノメータ駆動ミラーを有する中間帯域幅位置決め段を導き、
    前記位置決めコマンドの高周波部分が、前記ガルバノメータ駆動ミラーよりも高い周波数及び加速度で動作する高帯域幅位置決め段を導く
    ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
24. 超高周波位置決め段を導く前記位置決めコマンドの超高周波部分に応答して、前記ワークピースと前記レーザビームのうちの少なくとも一方を導くことを更に含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
25. 前記位置決めコマンドの高周波部分が、電歪アクチュエータを導くことを特徴とする請求項１９から２４のいずれか一項記載の方法。
26. 前記位置決めコマンドの高周波部分は、５ｋＨｚよりも高い信号帯域幅を有する高帯域幅位置決め段を導くことを特徴とする請求項１９から２５のいずれか一項記載の方法。
27. 前記位置決めコマンドの高周波部分は、前記ワークピースで最大±５００μｍのワーキングエンベロープを有する高帯域幅位置決め段を導くことを特徴とする請求項１９から２６のいずれか一項記載の方法。

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