KR102166134B1 - 빔 포지셔너의 레이저 방출-기반 제어 - Google Patents

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Abstract

레이저 가공 시스템(20)은 작업물(26)에 관하여 빔축(24)의 상대적 위치에 무관하게 지속되는 일정한 레이저 펄스 반복률로 레이저(28)로부터 방출되는 다수의 레이저 펄스들 중 하나와 일치하여 커팅 경로(92)의 시작 위치에 특정된 속력의 빔축(24)을 지향시키는 한쌍의 갈바노미터 미러들(70)과 같은 고속 포지셔너(68)를 채용한다.

Description

빔 포지셔너의 레이저 방출-기반 제어{LASER EMISSION-BASED CONTROL OF BEAM POSITIONER}
관련출원
이 출원은 모든 목적을 위해 내용 전체가 참조로 본원에 포함되는 2013년 3월 15일에 출원된 미국가 출원 번호 61/800,903의 정규 출원이다.
저작권 공고
Figure 112015085040557-pct00001
2014 Electro Scientific Industries, Inc. 이 특허 문서의 개시의 부분은 저작권 보호 대상인 자료를 내포한다. 저작권자는 혹자에 의해 미국특허청 특허 파일 혹은 기록에 나타나 있는 특허 문서 혹은 특허 개시물의 원본 복사에 이의가 없으나, 이외 모든 저작권은 어떤 것이든 유보된다. 37 CFR §　1.71(d).
이 출원은 빔 위치를 레이저 발사(laser firing)와 동기화하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 작업물 및 빔축 위치들을 레이저 펄스 방출의 타이밍과 동기화하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
레이저 처리 시스템은 일반적으로, 빔-포지셔닝 시스템(beam positioning system)에 의해 발생되고 외부 입력으로서 레이저 제어 전자장치에 전달되는 트리거 신호에 의해 작업물 상의 위치에 레이저 펄스의 발사를 공조한다. 이러한 방법에서, 레이저를 언제 발사할지에 관한 타이밍 판단이 빔-포지셔닝 시스템에 의해 전적으로 계산 및 결정되기 때문에 빔-포지셔닝 시스템은 "마스터(master)"인 것으로 간주될 수 있고 레이저는 "슬레이브(slave)"인 것으로 간주된다. 빔-포지셔닝 시스템으로부터 트리거 신호는 레이저 펄스가 방출되게 하기 위해서, 레이저 제어 전자장치가 Q-스위치와 같은 펄스 개시 장치를 활성화하게 한다.
이들 포지셔닝-기반 가공 시스템(positioning-based machining)의 일부는 "디폴트에 의한 오프(off by default)" 접근법으로 펄스 에너지 변동성을 최소화하려고 노력하며, 레이저 펄스는 빔 포지셔너가 타겟 위치에 도달하였을 때만 발사된다. 저 레이저 파워, 이 프로세스의 특성, 및 시스템 아키텍처는 이러한 시스템에서 레이저 펄스의 비교적 낮은 듀티 사이클을 초래한다. 일부 웨이퍼-다이싱 레이저-가공 시스템에서, 갈바노미터 제어기는 갈바노미터 미러에 의해 지향된 빔축이 기지의 속력으로 바람직한 위치에 도달하였을 때 레이저 펄스 방출을 개시하기 위해 트리거 신호를 Q-스위치에 임의로 보낸다.
위에 기술된 "레이저가 빔 포지셔너를 추종하는(follows)" 시나리오에서 문제는 레이저가 정상 상태(steady state)에서 동작될 때 레이저가 최상으로 수행하고, 이들의 펄스 파라미터가 더 일관된다는 것이다. 또한, Q-스위치에 보내진 트리거 신호 펄스열의 타이밍에서 임의의 일정하지 않은 시작, 정지, 혹은 주파수 변화는 초기 핫 펄스, 저-주파수 평균 파워 드리프트, 및 증가된 펄스간 펄스폭 변동성 및 피크 파워 변동성과 같은, 레이저 출력 빔 내에 원하지 않는 트랜션트(transient)를 초래할 것이다. 이들 변동은 작업 표면에 적용되는 레이저 파라미터의 제어를 줄이며, 그럼으로써 처리 윈도우를 줄이고, 레이저-처리 질을 저하시킬 수 있다. Brian Baird 등의 미국특허 6,172,325 및 Keith Grant 등의 미국특허 7.61,669는 빔-포지셔닝 시스템이 마스터인 빔 위치-기반의 레이저-동기화 방법에서의 개선을 기술한다. 이들 특허 둘 다는 이 출원의 양수인에 양도되어 있고 둘 다 참조로 본원에 포함된다.
이 요약은 발명의 상세한 설명에서 더욱 설명되는 간이화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 핵심적인 혹은 필수적인 발명적 개념을 확인하려는 것도 아니고, 청구된 주제의 범위를 결정하려고 하는 것도 아니다.
일부 실시예에서, 빔축 위치 및 빔축 속력을 일정한 레이저 펄스 반복률(repetition rate)로 레이저 방출과 공조하는 방법은, 레이저로부터 광학 경로를 따른 전파를 위해 일정한 레이저 펄스 반복률로 레이저 펄스들의 빔을 발생시키는 것; 광학 경로를 따라 위치되고 작업물에 이동 패턴으로 광학 경로의 빔축을 지향시키게 동작하는 고속 포지셔너(fast positioner)를 채용하는 것으로서 - 이동 패턴은 작업물 상의 비-커팅 영역들에 빔축을 지향시키는 것과, 커팅 경로를 따라 작업물의 물리적 특징을 변경하기 위한 조도(irradiance) 및 레이저 펄스 반복률로 레이저 펄스들을 전달하기 위해 작업물에 관한 시작 위치와 끝 위치 사이의 커팅 경로에 빔축 속력으로 빔축을 지향시키는 것을 포함함 -; 레이저 펄스들 중 선택된 것들이 광학 경로를 따라 작업물에 전파하는 것을 허용 혹은 방지하는 펄스-피킹 장치를 채용하는 것 - 작업물에 전파되게 허용되는 레이저 펄스들은 작업 레이저 펄스들이고, 작업물에 전파가 방지된 레이저 펄스들은 비-작업 레이저 펄스들임 -; 작업물의 물리적 특징을 변경하기 위한 레이저 처리 파라미터들을 수신하고 레이저, 빔-포지셔닝 시스템, 및 펄스-피킹 장치에 직접 혹은 간접적으로 제어 신호들을 제공하게 동작하는 제어기를 채용하는 것으로서 - 레이저 처리 파라미터들은 레이저 펄스 반복률, 커팅 경로, 빔축 속력, 및 조도를 포함하거나 결정함 -; 제어기에 연관된 타이밍 장치를 채용하는 것으로서 - 타이밍 장치는 레이저의 레이저 펄스 반복률이 일정하게 되도록 하여, 그럼으로써 레이저 펄스들의 방출이 일정해지게 하여 이들이 안정되고 예측가능한 펄스 특징들을 나타내도록 일정한 반복률로 레이저 트리거링 신호들이 레이저 트리거링 장치에 보내지게 동작함 -; 및 제어기에 연관되고, 작업물 상의 커팅 경로를 따라 이동하도록 빔축을 지향시키기 위해서 고속 포지셔너 제어 신호들을 고속 포지셔너에 제공하게 동작하는 처리 회로를 채용하는 것으로서 - 레이저 펄스 반복률에 기초하여, 처리 회로는 빔축이 작업물에 관하여 시작 위치에 지향되게 하고 작업 레이저 펄스들 중 최초의 펄스가 작업물에 인가될 때 빔축 속력으로 이동되게 동작하며; 타이밍 장치를 통해 게이트되는 하나 이상의 펄스-픽커 신호들(pulse-picker signals)은 펄스-피킹 장치가 작업물의 비-커팅 영역들에 비-작업 레이저 펄스들 전파가 방지되고 작업물에 관하여 시작 위치와 끝 위치를 포함하고 이들 사이에 커팅 경로로 작업물에 인가하게 작업 레이저 펄스들의 전파를 허용하게 동작함 -을 포함한다.
일부 실시예에서, 표면을 갖는 작업물을 처리하기 위한 레이저 가공 시스템은, 레이저로부터 광학 경로를 따른 전파를 위해 일정한 레이저 펄스 반복률로 레이저 펄스들의 방출을 야기하게 동작하는 레이저 트리거링 장치를 포함하는 레이저; 광학 경로를 따라 위치되고 작업물에 이동 패턴으로 광학 경로의 빔축을 지향시키게 동작하는 고속 포지셔너를 포함하는 빔-포지셔닝 시스템 - 이동 패턴은 작업물 상에 비-커팅 영역들에 빔축을 지향시키는 것, 및 커팅 경로를 따라 작업물의 물리적 특징을 변경하기 위한 조도 및 레이저 펄스 반복률로 상기 레이저 펄스들을 전달하기 위해 작업물에 관한 시작 위치와 끝 위치 사이의 커팅 경로에 빔축 속력으로 빔축을 지향시키는 것을 포함함 -; 광학 경로를 따라 위치되고, 레이저 펄스들 중 선택된 것들을 광학 경로를 따라 작업물에 전파하는 것을 허용 혹은 방지하게 동작하는 펄스-피킹 장치 - 작업물에 전파되게 허용되는 레이저 펄스들은 작업 레이저 펄스들이고, 작업물에 전파가 방지된 레이저 펄스들은 비-작업 레이저 펄스들임; 작업물의 물리적 특징을 변경하기 위한 레이저 처리 파라미터들을 수신하고 레이저, 빔-포지셔닝 시스템, 및 펄스-피킹 장치에 직접 혹은 간접적으로 제어 신호들을 제공하게 동작하는 제어기 - 레이저 처리 파라미터들은 레이저 펄스 반복률, 커팅 경로, 빔축 속력, 및 조도를 포함하거나 결정함 -; 제어기와 통신하는 타이밍 장치 - 타이밍 장치는 레이저의 레이저 펄스 반복률이 일정하게 되도록 하고, 그럼으로써 레이저 펄스들의 방출이 일정해지게 하여 이들이 안정되고 예측가능한 펄스 특징들을 나타내도록 일정한 반복률로 레이저 트리거링 신호들이 레이저 트리거링 장치에 보내지게 동작함 -; 및 제어기에 연관되고 작업물 상의 커팅 경로를 따라 이동하도록 빔축을 지향시키기 위해서 고속 포지셔너 제어 신호들을 고속 포지셔너에 제공하게 동작하는 처리 회로 - 레이저 펄스 반복률에 기초하여, 처리 회로는 빔축이 작업물에 관하여 시작 위치에 지향되게 하고 작업 레이저 펄스들 중 최초의 펄스가 작업물에 인가될 때 빔축 속력으로 이동되게 동작하며; 타이밍 장치를 통해 게이트되는 하나 이상의 펄스-픽커 신호들은 펄스-피킹 장치가 작업물의 비-커팅 영역들에 비-작업 레이저 펄스들의 전파를 방지하고 작업물에 관하여 시작 위치와 끝 위치를 포함하고 이들 사이의 커팅 경로로 작업물에 인가하게 작업 레이저 펄스들의 전파를 허용하게 동작함 -를 포함한다.
일부 대안적 혹은 추가의 실시예에서, 처리 회로는 펄스-픽커 신호의 전송과 작업물의 표면에서 최초의 작업 레이저 펄스의 도착 사이에 레이저 펄스 전파 지연을 감안하여 동작가능하다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 처리 회로는 상기 펄스-픽커 신호의 전송과 비-작업 레이저 펄스들의 전파 방지로부터 작업물에 작업 레이저 펄스들의 전파 허용으로 전환하는 상기 펄스 픽커의 동작 능력 간의 펄스-픽커 전파 지연을 감안하여 동작가능하다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 처리 회로는 고속 포지셔너 제어 신호들의 전송과 빔축 속력으로 작업물에 관한 시작 위치로의 빔축의 방향 간에 고속 포지셔너 지연을 감안하여 동작가능하다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 처리 회로는 비-작업 레이저 펄스들의 전파 방지로부터 작업물에 작업 레이저 펄스들의 전파 및 펄스 피킹 장치를 통해 최초의 작업 레이저 펄스의 통과의 허용으로 펄스 픽커의 유효한 변경 간의 펄스-픽커 리드 시간(pulse-picker lead time)을 감안하여 동작가능하다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 처리 회로는 작업 레이저 펄스들의 전파 허용에서 작업물에 비-작업 레이저 펄스들의 전파 및 작업물에 커팅 경로의 끝 위치에 인가되는 작업 레이저 펄스의 펄스 픽커를 통한 통과의 방지로의 펄스 픽커의 유효한 변경 간의 펄스-픽커 래그 시간(pulse-picker lag time)을 감안하여 동작가능하다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 고속 포지셔너는 이동 패턴을 내포하기에 충분히 큰 이용가능 스캔 필드를 가지며, 고속 포지셔너는 이용가능 스캔 필드 내에 다수 패스들에 걸쳐 이동 패턴을 반복하게 동작한다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 작업물은 고속 포지셔너의 제1 및 제2 인접한 이용가능 스캔 필드들을 포함하기에 충분히 크며, 제1 스캔 필드에서 제1 커팅 경로의 끝 위치는 제2 커팅 경로 내의 제2 커팅 경로의 시작 위치에 인접하고, 레이저 인가에 의해 변경되는 물리적 특징은 제1 커팅 경로, 제2 커팅 경로를 따라, 그리고 이들의 연결점에서 동일하다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 레이저 트리거링 장치는 Q-스위치를 포함하고, 및/또는 고속 포지셔너는 한쌍의 갈바노미터 미러들을 포함하고, 및/또는 펄스-피킹 장치는 AOM을 포함하고, 및/또는 타이밍 장치는 필드 프로그램가능 게이트 어레이를 포함하고, 및/또는 처리 회로는 디지털 신호 프로세서를 포함하고, 및/또는 작업물은 1 mm 미만의 두께를 갖는다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 레이저는 모드 로킹 레이저를 포함하고, 및/또는 레이저 트리거링 장치는 레이저 내에 내부 클럭을 포함하고, 및/또는 고속 포지셔너는 한쌍의 갈바노미터 미러들을 포함하고, 및/또는 펄스-피킹 장치는 AOM을 포함하고, 및/또는 타이밍 장치는 필드 프로그램가능 게이트 어레이를 포함하고, 및/또는 처리 회로는 디지털 신호 프로세서를 포함하고, 및/또는 작업물은 1 mm 미만의 두께를 갖는다.
일부 대안적 혹은 추가, 혹은 점증적 실시예에서, 고속 포지셔너는 레이저 가공 시스템 내에 고정된 위치를 가지며, 작업물은 고속 포지셔너의 고정된 위치에 관하여 이동하는 스테이지에 의해 지지된다.
이들 실시예의 많은 이점 중 하나는 레이저 펄스들이 일관되고, 안정되고, 예측가능한 파라미터들을 갖는다는 것이다.
추가의 측면들 및 이점들은 동반된 도면을 참조하여 진행하는 바람직한 실시예의 다음 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 빔-포지셔닝 시스템을 채용하는 간이화한 레이저-가공 시스템의 개요도이다.
도 2는 작업물 상에 레이저 패스를 달성하기 위한 레이저 펄스와 여러 빔 전파 및 포지셔닝-시스템 성분의 예시적 타이밍 그래프이다.
도 3은 갈바노미터 미러의 스캔 필드에 걸쳐 갈바노미터 미러 루트의 예시적 레이저 패스의 시뮬레이션에서 레이저 펄스와 여러 빔 전파 및 포지셔닝-시스템 성분의 타이밍도이다.
도 4는 갈바노미터 미러의 2-축 스캔 필드에 걸쳐 레이저 빔축의 대표적 이동 패턴의 평면도이다.
도 5는 도 4의 이동 패턴의 확대된 부분의 평면도로서, 레이저 패스의 시작에서 레이저 펄스의 상대적 위치들을 나타낸다.
도 6a는 일부 개시된 방법을 구현하기 위한 디지털 신호 프로세서에서 예시적 실시간 상태 로직의 타이밍도이다.
도 6b는 이용가능 스캔 필드에 걸쳐 도 6a의 타이밍도에 의해 나타낸 바와 같이 빔축 이동과 펄스 픽커 동작과의 공조를 도시한 것이다.
도 6c는 도 6a의 예에 관하여 펄스-피킹 장치에 예시적 명령을 나타낸 전반적인 흐름도이다.
예시적 실시예가 동반된 도면을 참조하여 이하 설명된다. 이 개시의 사상 및 교시된 바 내에서 많은 서로 다른 형태 및 실시예가 가능하며, 따라서 이 개시는 본원에 개시되는 예시적 실시예로 제한되는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 그보다는, 이들 예시적 실시예는 이 개시가 철저하고 완전하게 되고 통상의 기술자에게 본 개시의 범위를 전달하도록 제공된다. 도면에서, 성분들의 크기 및 상대적 크기는 명확성을 위해 과장되어 있을 수 있다. 본원에서 사용되는 용어는 특정한 예시적 실시예만을 기술할 목적을 위한 것이며 제한하려는 것이 아니다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태인 "하나의(a, an)" 및 "그(the)"는 문맥이 명백히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 형태도 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 이 명세서에서 사용될 때 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 성분의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분, 및/또는 이들의 그룹의 존재 혹은 추가를 배제하는 것은 아님이 더욱 이해될 것이다. 달리 특정되지 않는 한, 값들의 범위는 열거될 때 이들 사이에 임의의 부-범위 뿐만 아니라, 범위의 상한 및 하한 둘 다를 포함한다.
도 1은 작업물(26) 상에 빔축(24)의 위치를 정하는 레이저-기반 제어를 구현할 수 있는 빔-포지셔닝 시스템(22)을 채용하는 간이화한 레이저 마이크로가공 시스템(20)의 개요도이다. 본원에서 기술되는 실시예는 "빔-포지셔닝 시스템(22)이 레이저(28)를 추종"하게 빔-포지셔닝 시스템과 레이저(28) 간에 마스터/슬레이브 관계를 반대로 한다. 빔-포지셔닝 시스템(22)이 빔축(24)을 작업물(26)의 표면(36) 상에 바람직한 스폿 위치(30)에 그리고 작업물(26)에 관하여 바람직한 속력으로 지향할 때 레이저(28)로부터 레이저 펄스를 발사하기보다는, 제어기(40)에 의해, Q-스위치 신호 경로(38)를 따라 레이저(28)의 레이저 공동(laser cavity) 내의 Q-스위치(42)로 보내지는 펄스열은 레이저 시스템이 개시된 후에 일정한 주파수로 유지될 수 있다. Q-스위치 코맨드 트리거 신호(Q-switch command trigger signals)의 펄스열은, 작업물(26) 상에 주어진 동작을 위해 레이저-처리 윈도우 내에 속하고 일관된 레이저 출력을 유지하기에 적합한 레이저(28)의 동작 파라미터 내에 속하는 레이저 반복률을 제공하게 선택될 수 있다. 트리거 신호는 레이저 공동 불안정이 최소화되도록 개시 후에 정지되거나, 시작되거나, 혹은 아니면 주파수 이동되지 않는다.
레이저 펄스가 Q-스위치 코맨드 트리거 신호에 응하여 발생될 때, 빔 포지셔닝 시스템(22)의 빔축(24)의 궤적은 레이저(28)의 출력과 정렬하기 위해 시간 및 공간에서 약간 조절되며, 따라서 빔축(24)은 바람직한 레이저 펄스가 작업물(26)의 표면(36)에 도달할 때 바람직한 스폿 위치(30)에 및 속력으로 도달한다. 또한, 레이저(28)로부터 레이저 펄스 방출의 타이밍은 작업물(26)에 관하여 빔축(24)의 위치를 감지하지 못한다. 이 능력은 제어기(40)에 의해 구현되었을 때 조합된 빔 포지셔닝 및 레이저 파워 제어 아키텍처에 제약을 가지며, 디지털 레이저 제어기와 빔-포지셔닝 제어기 간에 정밀하게 교정된 타이밍 뿐만 아니라, 고속 디지털 처리를 이용한다.
일정하고 중단되지 않은 속도(uninterrupted rate)로 레이저 펄스의 발사를 유지하는 한 이점은 레이저(28)가 레이저 공동 내에서 트랜션트가 일어나지 않으며, 따라서 생성할 수 있는 가장 일관된 레이저 펄스를 생성한다는 것이다.
예시적 레이저 펄스 파라미터는 레이저 유형, 파장, 펄스폭, 펄스 반복률, 펄스 수, 펄스 에너지, 펄스 시간적 형상, 펄스 공간적 형상, 및 초점 크기와 형상을 포함한다. 추가의 레이저 펄스 파라미터는 작업물(26)의 표면(36)에 관한 초점의 위치를 특정하고 작업물(26)에 관하여 레이저 펄스들의 상대적 이동을 지향시키는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 일부 실시예를 위해 이롭게 채용될 수 있는 레이저 파라미터는 IR 내지 UV, 혹은 더 특히 약 10.6 미크론 이하 내지 약 266nm의 범위인 파장을 가진 레이저(28)를 사용하는 것을 포함한다. 레이저(28)는 1W 내지 100W, 혹은 더 바람직하게 1W 내지 12W의 범위 내인 2W에서 동작할 수 있다. 펄스폭은 1 피코초 내지 1000ns, 혹은 더 바람직하게 약 1 피코초 내지 200ns의 범위이다. 레이저 반복률은 1KHz 내지 100MHz, 혹은 더 바람직하게 10KHz 내지 1MHz의 범위 내 일 수 있다. 레이저 플루언스는 약 0.1 X 10-6 J/cm2 내지 100J/cm2 혹은 더 특히 1.0 X 10-2 J/cm2 내지 10J/cm2의 범위일 수 있다. 빔축(24)이 작업물(26)에 관하여 이동하는 속도는 1mm/s 내지 10m/s, 혹은 더 바람직하게 100mm/s 내지 1m/s의 범위이다. 작업물(26)의 표면(36)에서 측정된 정적 레이저 스폿(32)(도 5)의 주 공간 축은 10 미크론 내지 1000 미크론 혹은 50 미크론 내지 500 미크론의 범위일 수 있다. 빔축(24)의 속력은 작업물(26)의 레이저 스폿(32)의 유효 크기를 증가시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 스폿 크기는 1/e2, FWHM에 레이저 펄스의 빔 웨이스트를 나타내는 것으로 간주될 수 있다.
거의 임의의 유형의 레이저(28)가 채용될 수 있다. 일부 실시예는 5 MHz까지의 펄스 반복률로 약 366nm(UV) 내지 약 1320nm(IR)의 파장을 방출하게 구성될 수 있는 고체상태 다이오드-펌핑(solid-state diode-pumped) 레이저(28)를 채용한다. 그러나, 이들 시스템은 앞서 기술된 바와 같이 작업물(26) 상에 선택된 레이저 스폿(32)을 신뢰성있게 그리고 반복적으로 생성하기 위해 적합한 레이저, 레이저 광학계, 부품 취급 장비, 및 제어 소프트웨어의 치환 혹은 추가에 의해 개조될 수 있다. 이들 수정예는 레이저 처리 시스템이 적합한 레이저 파라미터를 가진 레이저 펄스를 레이저 스폿들(32) 간에 바람직한 속도 및 바이트 크기로 적합하게 위치되고 유지된 작업물(26) 상에 바람직한 위치들에 지향할 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 모드 로킹-레이저(mode locked-laser)가 채용될 수 있고, 이 경우에 내부 클럭은 특정된 주파수의 레이저 펄스를 트리거하기 위해 사용된다.
일부 실시예에서, 레이저-가공 시스템(20)은 532nm, 355nm 혹은 266nm의 방출과, 532 nm에서 45W만큼 큰 출력 파워를 가진 코히런트 아비아(Coherent Avia) 다이오드-펌핑, 고체상태, Q-스위치 레이저를 채용한다.
일부 실시예에서, 레이저-가공 시스템(20)은 Lumera Laser GmbH, Kaiserslautern, Germany에 의해 제조된 모델 Rapid와 같은, 1064 nm 파장으로 동작하는 다이오드-펌핑 Nd:YVO4 고체상태 레이저(28)를 채용한다. 이 레이저는 선택적으로, 파장을 532nm까지 감소시키고 그럼으로써 가시광 (녹색) 레이저 펄스를 생성하기 위해 고체상태 고조파 주파수 발생기를 사용하여 선택적으로 주파수가 2배가 되거나, 약 355 nm으로 3배가 되거나 266nm까지 4배가 되어 자외선(UV) 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 이 레이저(28)는 6 와트의 연속 파워를 생성하게 규격이 정해지고 1000 KHz의 최대 펄스 반복률을 갖는다. 이 레이저(28)는 제어기(40)와 공조하여 1 피코초 내지 1,000 나노초의 폭을 가진 레이저 펄스를 생성한다.
이들 레이저 펄스는 가우시안일 수 있고 혹은 레이저 스폿(32)의 바람직한 특징들을 허용하기 위해 광학 경로(50)를 따라 위치된 하나 이상의 광학 성분을 전형적으로 포함하는, 레이저 광학계에 의해 특별하게 형상화 혹은 재단될 수도 있다. 특별하게 형상화된 공간 프로파일은 회절 광학 요소 혹은 이외 다른 빔-형상화 성분을 사용하여 생성될 수 있다. 레이저 스폿(32)의 공간적 조도(spatial irradiance) 프로파일을 수정하는 상세한 설명은 이 출원의 양수인에게 양도되고 참조로 본원에 포함되는 Corey Dunsky 등의 미국특허 6,433,301에서 찾아볼 수 있다.
다시 도 1에 관련하여, 예시적 레이저 마이크로가공 시스템(20)의 레이저(28)는, 다양한 광학 성분(52), 펄스-피킹(pulse-picking) 장치(54), 하나 이상의 폴드 미러(56)를 통해, 그리고 종국에는 광학 경로(50)의 빔축(24)을 작업물(26)의 표면(36) 상의 스폿 위치(30) 상에 지향하는 빔-포지셔닝 시스템(22)의 고속-포지셔너(68)로 전파하는 광학 경로(50)를 따라 레이저 펄스들의 빔을 방출한다. 광학 성분(52)은 다양한 공지된 광학계, 이를테면 광학 경로(50)를 따라 여러 위치들에 위치된, 빔 익스팬더 렌즈 성분, 선택적 감쇠기로서 예를 들면 음향-광학 혹은 전자-광학장치, 및/또는 예로서 에너지, 타이밍, 혹은 위치를 위한 피드백 센서를 포함할 수 있다.
펄스-피킹 장치(54)는 레이저 펄스가 광학 경로를 따라 더욱 전파하는 것을 방지하거나 허용하며 어느 레이저 펄스가 작업물(26)에 인가되는 것이 허용될지를 결정하는 고속 셔터로서 작동한다. 펄스-픽업 장치(54)는 전자-광학장치 혹은 음향-광학 변조기(AOM)(60)를 포함할 수 있다. 편의상, 본원에서는 펄스 픽커(54)가 AOM(60)에 대한 예로서 논의될 것이다. AOM(60)은 제어기(40)로부터 AOM 신호 경로(58)를 따라 전달되는 AOM 코맨드 신호에 응한다. AOM 코맨드 신호는 AOM(60) 상에 트랜스듀서가 AOM 내 음파를 개시하게 하는데 이는 AOM(60)을 통해 전파하는 빔이 광학 경로(50)를 고속 포지셔너(68)에 정렬시키거나 정렬시키지 않는 소정의 출구각을 따라 방향전환되게 한다.
고속 포지셔너(68)는 비교적 큰 스캐닝 필드(72)(도 4)를 갖는 임의의 고속 빔-포지셔닝 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고속 포지셔너(68)는 작업물(26)에 대해 비교적 큰 시야(72)에 걸쳐 빔축(24)의 방향을 신속하게 변경할 수 있는 한쌍의 갈바노미터-구동 X-축 및 Y-축 미러(70)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이용가능 시야(72)는 10mm 내지 100mm의 직경(혹은 주 축)을 갖는다. 일부 실시예에서, 이용가능 시야(72)는 15mm보다 큰 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 이용가능 시야(72)는 25mm 내지 50mm의 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 이용가능 시야(72)는 75mm보다 작은 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 이용가능 시야(72)는 스캐닝 렌즈의 에지 효과에 기인하여 레이저 처리에 사용할 수 없는 갈바노미터 이동 영역을 포함할 수 있고, 따라서 이용가능 처리 필드는 이용가능 시야(72)보다 작을 수 있다.
바람직한 스캔 필드(72)의 크기에 따라, 고속 포지셔너(68)는 대안적으로, 음향-광학 장치 혹은 변형가능 미러(혹은 이외 다른 고속 스티어링 미러)와 같은 고속 포지셔너가 갈바노미터 미러(70)보다 작은 빔 편향 범위를 갖는 경향이 있을 지라도, 이들을 채용할 수도 있다. 대안적으로, 고속 포지셔너는 갈바노미터 미러(70)에 더하여 채용될 수 있고 갈바노미터 미러(70)에 의해 제공되는 빔축(24)의 제어 및 이동이 통합될 수 있고 혹은, 이를테면 오차 정정을 위해, 갈바노미터 미러(70)에 의해 제공되는 빔축(24)의 이동에 포개질 수 있다. 일부 실시예에서, 고속 포지셔너(68)는 작업물(26)에 대해 고정된 위치에서 지지된다. 다른 실시예에서, 고속 포지셔너(68)는 이를테면 분할-축 시스템에서, 작업물(26)에 관하여 이동할 수 있는 스테이지에 의해 지지된다. 예시적 고속 포지셔너(68)는 수백 킬로헤르츠의 대역폭을 가지며 약 2 혹은 3m/s 내지 약 10m/s의 선속력 및 약 1000 내지 2000G의 가속도가 가능할 수 있다. 당연히, 선속력은 이들 범위 미만에서도 동작할 수 있다.
일부 실시예에서, 빔-포지셔닝 시스템(22)은 작업물(26)을 지지하는 상측 스테이지(82), 및 상측 스테이지(82)를 지지하는 하측 스테이지(84)와 같은, 적어도 두 플랫폼을 바람직하게 제어하는 작업물-포지셔닝 스테이지(80)를 채용한다. 이들 상측 및 하측 스테이지(82 및 84)는 전형적으로 선형 모터에 의해 이동되고 공통적으로 X-Y 스테이지라고 하며, 상측 스테이지(82)는 한 축에서 이동될 수 있고 하측 스테이지는 다른 축에서 이동할 수 있다. 전형적인 작업물-포지셔닝 스테이지(80)는 수십 킬로헤르츠의 대역폭을 가지며, 2 혹은 3m/sec의 속력 및 1.5G 이상의 가속도가 가능할 수 있다. 현재 비용효율적 이송 스테이지(translation stage)는 약 400 mm/s 내지 약 1m/s의 범위에서 수행한다. 당연히, 이들은 훨씬 더 느리게도 이동할 수 있다. 작업물-포지셔닝 스테이지(80)의 작업 엔벨로프(working envelope)는 전형적으로 갈바노미터 미러(70)의 시야(72)보다 훨씬 더 크다.
일부 실시예에서, 레이저 가공 시스템(20)은 단계적 반복적으로, 레이저 다이싱를 수행하며, 작업물-포지셔닝 스테이지(80)는 고속 포지셔너(68)에 의해 수행되는 다이싱 동작 동안 작업물 위치가 유지되게 고속 포지셔너(68) 및 빔축(24)에 관하여 작업물(26)을 위치에 이동한다. 특히, 작업물-포지셔닝 스테이지(80)는 작업물(26)의 특정 영역을 갈바노미터 미러(70)의 이용가능 시야(72) 내에 위치할 수 있다. 갈바노미터 미러(70)는 작업물-포지셔닝 스테이지(80)가 스캔 필드(72)에 상에서 완전히 정지될 수 있는 동안 작업물(26) 상에 스캔 필드(72) 내에 하나 이상의 커팅 경로(92)를 포함하는 하나 이상의 이동 패턴(90)을 수행하게 빔축(24)을 지향할 수 있다. 일부 실시예에서, 바람직한 처리량을 위해서, 빔축(24)은 주어진 스캔 필드(72) 상에서 이동 패턴(90)의 모든 패스가 완료될 때까지 멈추지 않는다.
이동 패턴(90)에서 빔축(24)의 하나 이상의 패스 후에, 작업물-포지셔닝 스테이지(80)는 이웃 영역과 같은 작업물(26)의 상이한 영역에 걸쳐 갈바노미터 미러(70)의 스캔 필드(72)를 위치하게 이동할 수 있다. 이에 따라 일부 실시예에 있어서, 빔축이 가속하고 있는 동안 어떠한 레이저 처리도 일어나지 않는다. 일정 속력 이동 및 일정 반복률의 펄스를 가진 빔축을 사용하는 이점은 안정되고 예측가능한 레이저 펄스 특징들을 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 다이싱은 작업물(26) 상에 커팅 경로(92)를 따라 빔축(24)의 기지의 속력으로 바람직한 조도를 달성하기 위해 기지의 간격만큼 분리된 레이저 펄스들의 스트림을 발생함으로써 수행된다. 이 프로세스는 패스간에, 커팅 경로(92)를 따라 최초의 레이저 펄스의 시작 위치 내 가변하는 오프셋을 사용하여 반복되어, 작업물(26)이 바람직한 파라미터들로 가공될 때까지 임의의 한 스폿 위치에 누적적 조도를 균등하게 분포시킬 수 있다. 그러나, 펄스 분리도 패스 분리도 요구되지 않는다. 따라서, 패스는 스폿 크기보다 작은 펄스 분리를 갖는 중첩하는 펄스들을 내포할 수 있고, 펄스들의 순차적 패스들은 공간적으로 오프셋할 필요가 없다.
일부 혹은 모든 전술한 성분들을 포함하고 작업물(26) 상에 혹은 이 내에 커팅 경로(92)(도 4)을 따라 커프를 만들게 동작할 수 있는 일부 예시적 레이저 처리 시스템은 ESI 5320, MM5330, ML5900, 및 5955 마이크로가공 시스템, 및 ESI 9900 및 9970 웨이퍼 다이싱 시스템이고, 모두는 Electro Scientific Industries, Inc., Portland, OR 97229에 의해 제조된다.
일부 실시예에서, 고속 포지셔너(68) 및 작업물-포지셔닝 스테이지(80)는 제어기(40)로부터 코맨드를 수신한다. 갈바노미터 미러(70)는 하나 이상의 갈바노미터 신호 경로(104)를 따라 제어기(40)로부터 직접 혹은 간접적으로 갈바노미터 코맨드 신호를 수신할 수 있다. 상측 및 하측 스테이지(82 및 84)는 단일 스테이지 경로를 따라 제어기로부터 직접 혹은 간접적으로 혹은 개별적 스테이지 신호 경로(106a 및 106b)를 따라 독립적으로 작업물-포지셔닝 스테이지(80) 코맨드 신호를 수신할 수 있다. 부-제어기는 코맨드 신호의 특성을 변경하거나 이들의 타이밍에 영향을 미치기 위해 바람직한 신호 경로 중 어느 것을 따라 위치될 수 있다. 예를 들면, 갈바노미터 미러는 JANUS 아날로그 인터페이스/드라이버 모듈을 채용할 수도 있다.
일부 실시예에서, 본원에 개시되는 레이저-기반 포지셔닝 기술을 구현하기 위해서, 제어기(40)는 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA)와 같은 마스터 클럭 혹은 타이밍 장치를 채용한다. 일부 실시예에서, FPGA는 전형적으로 이것이 이의 레지스터를 업데이트할 수 있는 가장 빠른 속도가 되도록 선택되는 기본 클록 속도인 ffgpa [Hz]를 가지고 있다. 또한 인터럽트 속도(rate) 및 레이저 반복률과 같은 어떤 다른 파라미터들은 선험적으로 선택되는 제어기(40)에 외인성 입력일 수도 있다.
예를 들면, DSP 인터럽트 속도 fs [Hz]는 제어기(40) 내 디지털 신호 프로세서(DSP)가 실시간 실행 루프를 실행하는 서보 인터럽트 속도이다. FPGA는 인터럽트 요청(IRQ) 출력을 통해 DSP에 대한 인터럽트를 발생시킨다. 인터럽트는 인터럽트가 정수배의 ffgpa [Hz]가 아니라면 FPGA 내 양자화 효과에 기인하여 약간 상이할 수 있다. 이 조건은 이 예를 위해 가정된다.
레이저 반복률 f laser[Hz]은 레이저(28)의 레이저 공동으로부터 방출되는 레이저 펄스들의 반복률과 같다. 실제 반복률은 실제 반복률이 정수배의 ffgpa [Hz]가 아니라면 FPGA에서 양자화 효과에 기인하여 약간 다를 수 있다. 이 조건은 이 예를 위해 가정되지 않는다.
레이저 전파 지연, AOM 전파 지연, 서보 래그 시간, AOM-레이저 리드 시간, 및 AOM-레이저 래그 시간과 같은 어떤 파라미터들은 특정 레이저 시스템 성분 및 스캔 필드(72)에 걸친 갈바노미터 미러(70)의 상대적 이동 속력들을 위해 교정될 수 있다.
레이저 전파 지연 T laser_prop [s]은 FPGA로부터의 Q-스위치 코맨드 펄스의 출력부터 작업물(26)의 표면에서 레이저 펄스의 도달까지 추정된 시간이다.
AOM 전파 지연 Taom_prop [s]는 FPGA로부터 AOM 코맨드 레지스터의 상승/하강 에지의 출력으로부터 레이저 펄스가 바람직한 감쇠 레벨로 AOM(60)에서 나가는 바람직한 광학 경로를 따라 전파될 수 있는 완전히 여기된 AOM 결정 상태까지의 추정된 시간인데, 즉, Taom_prop [s]은 AOM 코맨드 신호에 응하여 AOM(60)이 "개방" 혹은 "폐쇄"하는데 걸리는 시간이다. 일부 실시예에서, AOM(60)에서 나가는 바람직한 광학 경로는 1차 광학 경로이다.
서보 래그 K lag [s2/m]는 작업물(26)과 갈바노미터 미러(70)에 의해 이동되는 빔축(24) 간에 상대적 이동의 일정한 속력에서 작업물(26) 상에 위치와 갈바노미터 미러 코맨드 신호 간에 시간 지연을 추정하는 스케일 팩터이다.
AOM-레이저 리드 시간 Taom_lead [s]은 AOM 개방과 AOM(60)을 통해 커팅 경로(92)를 따라 작업물(26)의 표면(36)으로 패스할 최초의 레이저 펄스 사이의 특정된 시간이다. AOM-레이저 리드 시간은 레이저 반복률, f laser에 연관된 레이저 주기 미만이 되게 선택된다.
AOM-레이저 래그 시간 Taom_lag [s]은 AOM(60)을 통해 작업물(26)의 표면(36)으로 패스하는 마지막 레이저 펄스와 AOM 폐쇄 사이의 특정된 시간이다. 이 시간은 AOM 전파 지연 Taom_prop 과 레이저 반복률, f laser에 연관된 레이저 주기와의 합 미만이 되게 선택된다.
다이스 레인(dice lane) 출발 위치, 다이스 레인 종료 위치, 명목 펄스 분리, 명목 패스 속력 및 프로파일된 이동 시간과 같은 레시피 파라미터들(recipe parameters)은 사용자에 의해 선택될 수 있거나, 혹은 사용자 입력, 위치 데이터, 룩업 테이블, 및/또는 프로파일링 소프트웨어에 기초하여 제어기(40)에 의해 결정될 수 있다.
다이스 레인 출발 위치 p1 [㎛]은 X-Y 작업물 스테이지(82 및 84)의 현재 위치에 관한, 갈바노미터 미러의 좌표들에서 레이저 커팅 경로(92)의 바람직한 출발점이다.
다이스 레인 종료 위치 p2 [㎛]는 레시피 파라미터들에 기초하여 X-Y 작업물 스테이지(82 및 84)의 현재 위치에 관한, 갈바노미터 미러 좌표들에서 레이저 커팅 경로(92)의 바람직한 종료점이다.
명목 펄스 분리 Δppulse [㎛]는 작업물(26)의 표면(36)에 인가되는 레이저 펄스들 사이의 바람직한 거리이다. 이 값은 실시간 제어 시스템에서 양자화 효과에 기인하여 약간 조절될 수 있다.
명목 패스 속력 Vpass [㎛/s]은 레시피 파라미터들에 기초하여 작업물(26)의 표면(36)에 빔축(24)의 바람직한 속력이다. 이 값은 또한 실시간 제어 시스템에서 양자화 효과에 기인하여 약간 조절될 수 있다.
프로파일된 이동 시간 t prof [s]은 이동의 프로파일된 (속박된 가속도) 부분을 작업물(26) 상에서 이동의 일정 속력 커팅 경로 섹션에 이르게 하기 위해 요구되는 시간이다. 이 값은 제어기(40) 혹은 이외 다른 시스템 컴퓨터에서 프로파일링 소프트웨어로 계산될 수 있고 이동 시간 계산기라 지칭될 수 있다.
실시간 측정은 커팅 경로(92)를 따라 커팅이 시작하는 DSP 인터럽트 사이클이 시작할 때까지 Q-스위치 펄스부터 경과된 시간량인 레이저 펄스 위상 오프셋 tφ[s]을 포함한다. 이 값은 FPGA에 의해 공급된다.
도 2는 작업물(26) 상에 커팅 경로(92)를 따라 레이저 패스를 달성하기 위해 레이저 펄스와 여러 빔 전파 및 포지셔닝 시스템 성분의 예시적 타이밍 그래프이다. 도 2에 관련하여, 일부 실시예에서, 목적은 종점 레이저 펄스가 p1 및 p2에 의해 특정된 커팅 경로(92)의 시작 위치와 끝 위치 상에 정확히 착지하게 두 지점 사이에 레이저로 커팅 경로(92)를 따라 라인을 커팅하는 것이다. 고정된 반복률 flaser 을 가진 레이저(28)를 사용할 때, 명목 펄스 분리 Δppulse 및 패스 속력 Vpass 은 이들이 서로에 의존하기 때문에 독립적으로 특정된다. 위치-기반 레시피에 대해서, 명목 패스 속력은 다음과 같다:
V pass = Δp pulse f laser (1)
대안적으로, 속력-기반 레시피에 대해서, 명목 펄스 분리는 다음과 같다:
Δp pulse = V pass / f laser (2)
어느 경우에서든, 커팅 경로(92)를 따라 정해질 펄스 수는 다음과 같다:
N pulse = (round(p 2 -p 1 )/ Δp pulse )) + 1 (3)
round() 함수는 분수를 0.5 이상에서 반올림함으로써 정수값을 발생하고 커팅 경로(92)의 끝에 가외의 펄스를 두기 위해 +1이 더해진다.
FPGA에서 양자화 효과는 외부적으로 트리거된 Q-스위치되는 레이저가 FPGA에 의해 제어된다면, 레이저의 실제 반복 주기는 다음과 같게 될 것임을 지시한다:
T laser = (round(T laser /T fpga ))T fpga (4)
여기에서 T laser = 1/f laser 이다.
레이저 반복률의 양자화 효과 후에 실제 패스 속력은 다음으로부터 계산된다:
V pass= (p 2 -p 1 )/ ((N pulse -1)T laser ) (5)
이동의 프로파일 세그먼트 동안 경과할 레이저 펄스들의 수는 다음과 같다:
n start = floor(t prof /T laser ) (6)
여기에서, floor() 함수는 수의 분수값을 버림으로써 정수값을 발생한다.
일부 실시예에서, 패턴(90)의 일정 속력 세그먼트는 마지막 레이저 펄스가 커팅 경로(92)의 끝에 도달한 후에 단일 DSP 인터럽트 내에서 끝날 것임이 바람직할 수 있다, 즉:
n irq T s ≤ n pulse T laser ≤ (n irq +1)T s (7)
여기에서, nirq는 패턴(90)에서 이동의 일정 속력 세그먼트 동안 경과할 DSP 인터럽트들의 수이다. 이 관계는 nirq이 다음처럼 선택된다면 유지될 수 있다:
n irq = floor((n pulse ) (T laser /T s ) +1)) (8)
이동 패턴(90)이 시작하는 DSP 인터럽트 사이클의 시작에서, 프로파일된 세그먼트의 끝 바로 후에 최초의 레이저 펄스가 작업물(26)의 표면(36)에 도달할 때까지 시간은 다음과 같다:
T start = ((n start + 1)T laser ) + (T laser_prop - t φ ) (9)
여기에서 레이저 펄스 위상 오프셋 t φ 는 FPGA 레지스터 내에 유지되고 DSP에 의해 읽혀진다.
갈바노미터 서보 루프에 위치 코맨드와 갈바노미터 미러(70)에 의해 지향된 빔축(24)의 실제 위치 간에 래그 시간은 다음에 의해 근사화될 수 있다:
T lag = K lag V pass (10)
레이저 스케일링 K lag 는 한 범위의 패스 속력들에 대해 독립적으로 특징지워질 수 있다.
갈바노미터 미러(70)에 의해 지향되는 바와 같이, 시간을 앞당겨 작업물(26) 상에 빔축(24)의 위치를 투사하고 추정된 갈바노미터 래그를 감안하였을 때, 코맨드가 p1 에 도달할 시간에 대한 조절은 다음과 같다:
δ t = t start - t prof + t lag (11)
식(11)에서 갈바노미터 래그 시간 tlag은 시간 래그의 방향을 감안하기 위해 식의 우변으로부터 감하지 않고 더해짐에 유의한다.
이러한 최초의 펄스가 p1 에 도달하는 것이 적용되는 프로파일된 이동 세그먼트 δp 의 최종 위치에 대한 조절은 최초의 레이저 펄스에 대해 시간을 거슬러 투사함으로써 계산된다:
δ p = - V pass δ t (12)
마지막으로, 프로파일된 이동 세그먼트의 시작에 관한 AOM 비블록 시간 및 블록 시간은 다음에 의해 계산된다:
T unblock = t start - t aom _lead - T aom _ prop (13)
및
T block = t start + (( n pulse - 1)T laser ) + T aom _ lag (14)
AOM 비블록 시간 및 블록 시간은 부동점 연산으로서 계산되고 다음이 되게, 정수개의 FPGA 클럭 사이클들에 배정될 수 있다:
n unblock = round(T unblock /T laser ) (15)
및
n block = round(T block /T laser ) (16)
결과적인 수는 t φ 가 읽혀졌던 사이클에 관하여 AOM 코맨드를 게이트하기 위해 FPGA 타이머에서 사용될 것이다.
이들 실시예 중 일부를 유효화하기 위해서, 시뮬레이션이 FPGA 및 DSP 인터럽트 로직의 행동을 에뮬레이트하기 위해 수행되었다. 실시간 제어기/갈바노미터 내장 소프트웨어(TaskProcessor, ServoThread, 등)을 밀접히 모방하여, 시뮬레이션은 QSW, IRQ, AOM 펄스열, 및 FPGA 클럭 주파수 레벨에서 시간에 대한 빔축 위치를 캡처하기 위해 사용되었다.
도 3은 작업물(26) 상에 스캔 필드(72)를 통한 선택된(갈바노미터 미러-지향) 빔축 루트 내에 커팅 경로(92)의 서로 다른 세그먼트들을 따라 단일 패스에 대한 시뮬레이션의 타이밍도이다. 위에 3개의 플롯은 100 MHz에서 FPGA에 의해 발생된 펄스열 및 140kHz 레이저 펄스를 도시하게 의도되고; 아래에 2개의 플롯은 빔축(24)이 20 kHz로 업데이트되어 처리 필드에 걸쳐 왕복 스캔할 때 갈바노미터-지향 빔축 위치들을 도시한다. 그러나, 명확성을 위해서, 맨 위에 레이저 플롯에 도시된 레이저 펄스들 간 간격은 과장되어져 있다. 또한, Q-스위치 트리거링 신호들은 도시되지 않았지만 레이저 펄스들 각각 사이의 백색 영역에서 발생한다. 그러나, 일부 실시예에서, Q-스위치 트리거링 및 레이저 펄싱은 일관되고 예측가능한 레이저 펄스 파라미터를 재확립하기 위해 Q-스위치 트리거링 및 레이저 펄싱이 커팅 세그먼트에 앞서 충분히 재활성화되는 한, 커팅 수행들 사이에서 저지될 수 있다.
유사하게, IRQ 신호들 사이의 간격은 과장되어 있다. 레이저 펄스들은 일정한 속도로 독자적으로 계속되는 한편, IRQ 신호들은 이들 자신의 주파수를 가지며 불연속을 갖는다.
도 4는 갈바노미터 미러(70)의 2-축 스캔 필드(72)에 걸쳐 레이저 빔축(24)의 대표적 이동 패턴(90)의 평면도이고, 도 5는 도 4의 이동 패턴(90)의 확대된 부분의 평면도로서, 레이저 패스의 시작에서 레이저 펄스들의 상대적 위치들을 나타낸다. 도 4에 관련하여, 커팅 경로(92)는 서로 다른 방향들에서 처리되는 4개의 스트리트 세그먼트들을 형성한다. 본원에서 개시되는 기술에 의해 제공되는 펄스 일관성 및 포지셔닝 능력과 함께 펄스-피킹 장치는 스트리트 세그먼트의 교차점들의 과잉 처리를 방지하게 이점이 있게 배치될 수 있다.
도 4 및 도 5에 관련하여, SSC 상에 레시피로부터 특정된 명목 패스 속력 vpass 및 레이저 펄스 분리는 각각 2850mm/s 및 20.36㎛이었다. DSP 및 레이저 반복률들의 제약을 충족시키기 위한 실시간 소프트웨어에 의한 조절 후에, 이들 값들은 2852mm/s 및 20.00㎛이 되었고, 이 특정한 패스에 있어서 프로파일된 이동 δP 에 대한 결과적인 위치 조절은 14.89㎛이었다.
도 6a는 일부 개시된 방법을 구현하기 위해 디지털 신호 프로세서에서 예시적 실시간 상태 로직의 타이밍도이다. 단계들의 더 간결한 프로세스 흐름은 1) 일정한 파라미터들에서 레이저를 트리거 2) 동기화를 위한 타이밍 오프셋을 계산, 3) δ p 및 δ t 을 실시간으로 계산, 4) 위치 및 시간에 관하여 프로파일 코맨드를 조절, 5) 실행을 포함한다.
도 6b는 이용가능 스캔 필드(72) 상에서 도 6a의 타이밍도로 나타낸 바와 같은 빔축 이동 및 펄스-픽커 동작의 공조를 도시한다. 도 6c는 도 6a의 예에 관하여 펄스-피킹 장치(54)에 예시적 명령을 보인 전반적인 흐름도이다.
본원에 개시된 기술은 임의의 레이저 커팅 동작 뿐만 아니라, 레이저 마킹, 레이저 스크라이빙, 혹은 레이저 비아 드릴링에 유용할 수 있음을 알 것이다. 또한, 본원에 기술된 기술은 참조로 본원에 포함되는 James N. O'Brien 등의 미국특허 번호 RE 43,440에 기술된 세그먼트된 커팅 기술과 같은, 다양한 커팅 기술과 함께 채용할 수 있다.
전술한 바는 발명의 실시예를 예시하고 이를 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 몇몇 구체적인 예시적 실시예가 기술되었지만, 당업자는 다른 실시예 뿐만 아니라, 개시된 예시적 실시예에 대한 많은 수정이 발명의 신규한 교시된 바 및 이점에서 실질적으로 벗어남이 없이 가능함을 쉽게 알 것이다.
따라서, 모든 이러한 수정예는 청구항에 정의된 바와 같은 발명의 범위 내에 포함되게 의도된다. 예를 들면, 당업자는 임의의 문장 혹은 단락의 주제가 다른 문장 혹은 단락의 일부 혹은 전부의 주제와 조합이 상호 배타적인 경우를 제외하고, 조합될 수 있음을 알 것이다.
발명의 근본 원리 내에서 위에 기술된 실시예의 상세에 많은 변경이 행해질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 다음 청구항에 의해 결정될 것이며 청구항의 등가물들은 이에 포함된다.

Claims (20)

  1. 빔축 위치 및 빔축 속력을 일정한 레이저 펄스 반복률로 레이저 방출과 공조하는(coordinating) 방법에 있어서,
    레이저로부터 광학 경로를 따른 전파를 위해 일정한 레이저 펄스 반복률로 레이저 펄스들의 빔을 발생시키는 것;
    상기 광학 경로를 따라 위치되고 작업물에 이동 패턴으로 상기 광학 경로의 빔축을 지향시키게 동작하는 고속 포지셔너(fast positioner)를 채용하는 것으로서- 상기 이동 패턴은 상기 작업물 상의 비-커팅 영역들에 상기 빔축을 지향시키는 것, 및 커팅 경로를 따라 상기 작업물의 물리적 특징을 변경하기 위한 조도(irradiance)와 상기 레이저 펄스 반복률로 상기 레이저 펄스들을 전달하기 위해, 상기 작업물에 관한 시작 위치와 끝 위치 사이의 상기 커팅 경로에 빔축 속력으로 상기 빔축을 지향시키는 것을 포함함 -;
    상기 레이저 펄스들 중 선택된 레이저 펄스들이 상기 광학 경로를 따라 상기 작업물에 전파하는 것을 허용 혹은 방지하는 펄스 피킹 장치(pulse-picking device)를 채용하는 것으로서 - 상기 작업물에 전파되게 허용되는 상기 레이저 펄스들은 작업 레이저 펄스들이고, 상기 작업물에 전파가 방지된 상기 레이저 펄스들은 비-작업 레이저 펄스들임 -;
    상기 작업물의 상기 물리적 특징을 변경하기 위한 레이저 처리 파라미터들을 수신하고 상기 레이저, 빔-포지셔닝 시스템, 및 상기 펄스 피킹 장치에 직접 혹은 간접적으로 제어 신호들을 제공하게 동작하는 제어기를 채용하는 것으로서 - 상기 레이저 처리 파라미터들은 상기 레이저 펄스 반복률, 상기 커팅 경로, 상기 빔축 속력, 및 상기 조도를 포함하거나 결정함 -;
    상기 제어기에 연관된 타이밍 장치를 채용하는 것 - 상기 타이밍 장치는 상기 레이저의 상기 레이저 펄스 반복률이 일정하게 되도록 하고, 그렇게 함으로써 상기 레이저 펄스들의 방출이 일정해지게 하여 이들이 안정되고 예측가능한 펄스 특징들을 나타내도록 일정한 반복률로 레이저 트리거링 신호들이 레이저 트리거링 장치에 보내지게 동작함 -; 및
    상기 제어기에 연관되고, 상기 작업물 상의 상기 커팅 경로를 따라 이동하도록 상기 빔축을 지향시키기 위해서, 고속 포지셔너 제어 신호들을 상기 고속 포지셔너에 제공하게 동작하는 처리 회로를 채용하는 것 - 상기 레이저 펄스 반복률에 기초하여, 상기 처리 회로는 상기 빔축이 상기 작업물에 관하여 상기 시작 위치에 지향되게 하고 상기 작업 레이저 펄스들 중 최초의 펄스가 상기 작업물에 인가될 때 상기 빔축 속력로 이동되게 동작하며; 상기 타이밍 장치를 통해 게이트되는 하나 이상의 펄스-픽커 신호들(pulse-picker signals)은 상기 펄스 피킹 장치가 상기 작업물의 비-커팅 영역들로의 비-작업 레이저 펄스들의 전파를 방지하고, 상기 작업물에 관하여 상기 시작 위치와 끝 위치를 포함하고 이들 사이의 상기 커팅 경로에 대해 상기 작업물에 인가하게 작업 레이저 펄스들의 전파를 허용하게 동작하는, 상기 처리 회로를 채용하는 것을 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 펄스-픽커 신호의 전송과 상기 작업물의 표면에서의 상기 최초의 작업 레이저 펄스의 도착 간에 레이저 펄스 전파 지연을 감안하여 동작가능한, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 펄스-픽커 신호의 전송과, 비-작업 레이저 펄스들의 전파 방지로부터 상기 작업물 상에 작업 레이저 펄스들의 전파 허용으로 전환하는 상기 펄스 픽커의 동작 능력 간의 펄스-픽커 전파 지연을 감안하여 동작가능한, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 고속 포지셔너 제어 신호들의 전송과 상기 빔축 속력으로 상기 작업물에 관한 상기 시작 위치로의 상기 빔축의 방향 간에 고속 포지셔너 지연을 감안하여 동작가능한, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 회로는 비-작업 레이저 펄스들의 전파 방지로부터 상기 작업물 상에 작업 레이저 펄스들의 전파 및 상기 펄스 피킹 장치를 통해 상기 최초의 작업 레이저 펄스의 통과의 허용으로의 상기 펄스 픽커의 유효한 변경 간의 펄스-픽커 리드 시간(pulse-picker lead time)을 감안하여 동작가능한, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 처리 회로는 작업 레이저 펄스들의 전파 허용으로부터 상기 작업물 상에 비-작업 레이저 펄스들의 전파 및 상기 작업물 상에 상기 커팅 경로의 상기 끝 위치에 인가되는 상기 작업 레이저 펄스의 상기 펄스 픽커를 통한 통과의 차단으로의 상기 펄스 픽커의 유효한 변경 간의 펄스-픽커 래그 시간(pulse-picker lag time)을 감안하여 동작가능한, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 고속 포지셔너는 상기 이동 패턴을 내포하기에 충분히 큰 이용가능 스캔 필드를 가지며, 상기 고속 포지셔너는 상기 이용가능 스캔 필드 내에 다수 패스들에 걸쳐 상기 이동 패턴을 반복하게 동작하는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 작업물은 상기 고속 포지셔너의 제1 및 제2 인접한 이용가능 스캔 필드들을 포함하기에 충분히 크며, 상기 제1 스캔 필드에서 제1 커팅 경로의 상기 끝 위치는 제2 커팅 경로 내의 상기 제2 커팅 경로의 상기 시작 위치에 인접하고, 레이저 인가에 의해 변경되는 상기 물리적 특징은 상기 제1 커팅 경로, 상기 제2 커팅 경로를 따라, 그리고 이들의 연결점에서 동일한, 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은,
    Q-스위치를 포함하는 상기 레이저 트리거링 장치, 한쌍의 갈바노미터 미러들을 포함하는 상기 고속 포지셔너, AOM을 포함하는 상기 펄스 피킹 장치, 필드 프로그램가능 게이트 어레이를 포함하는 상기 타이밍 장치, 및 디지털 신호 프로세서를 포함하는 상기 처리 회로 중 적어도 하나를 이용하여 구현되는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 고속 포지셔너는 레이저 가공 시스템 내에 고정된 위치를 가지며, 상기 작업물은 상기 고속 포지셔너의 상기 고정된 위치에 관하여 이동하는 스테이지에 의해 지지되는, 방법.
  11. 표면을 갖는 작업물을 처리하기 위한 레이저 가공 시스템에 있어서,
    레이저로부터 광학 경로를 따른 전파를 위해 레이저 펄스 반복률로 레이저 펄스들의 방출을 야기하게 동작하는 레이저 트리거링 장치를 포함하는 레이저;
    상기 광학 경로를 따라 위치되고 작업물에 이동 패턴으로 상기 광학 경로의 빔축을 지향시키게 동작하는 고속 포지셔너를 포함하는 빔-포지셔닝 시스템 - 상기 이동 패턴은 상기 작업물 상에 비-커팅 영역들에 상기 빔축을 지향시키는 것, 및 커팅 경로를 따라 상기 작업물의 물리적 특징을 변경하기 위한 조도 및 상기 레이저 펄스 반복률로 상기 레이저 펄스들을 전달하기 위해, 상기 작업물에 관한 시작 위치와 끝 위치 사이의 상기 커팅 경로에 빔축 속력으로 상기 빔축을 지향시키는 것을 포함함 -;
    상기 광학 경로를 따라 위치되고, 상기 레이저 펄스들 중 선택된 레이저 펄스들을 상기 광학 경로를 따라 상기 작업물에 전파하는 것을 허용 혹은 방지하게 동작하는 펄스 피킹 장치 - 상기 작업물에 전파되게 허용되는 상기 레이저 펄스들은 작업 레이저 펄스들이고, 상기 작업물에 전파가 방지된 상기 레이저 펄스들은 비-작업 레이저 펄스들임 -;
    상기 작업물의 상기 물리적 특징을 변경하기 위한 레이저 처리 파라미터들을 수신하고 상기 레이저, 상기 빔-포지셔닝 시스템, 및 상기 펄스 피킹 장치에 직접 혹은 간접적으로 제어 신호들을 제공하게 동작하는 제어기 - 상기 레이저 처리 파라미터들은 상기 레이저 펄스 반복률, 상기 커팅 경로, 상기 빔축 속력, 및 상기 조도를 포함하거나 결정함 -;
    상기 제어기와 통신하는 타이밍 장치 - 상기 타이밍 장치는 상기 레이저의 상기 레이저 펄스 반복률이 일정하게 되도록 하고, 그렇게 함으로써 상기 레이저 펄스들의 방출이 일정해지게 하여 이들이 안정되고 예측가능한 펄스 특징들을 나타내도록 일정한 반복률로 레이저 트리거링 신호들이 상기 레이저 트리거링 장치에 보내지게 동작함 -; 및
    상기 제어기에 연관되고, 상기 작업물 상의 상기 커팅 경로를 따라 이동하도록 상기 빔축을 지향시키기 위해서, 고속 포지셔너 제어 신호들을 상기 고속 포지셔너에 제공하게 동작하는 처리 회로 - 상기 레이저 펄스 반복률에 기초하여, 상기 처리 회로는 상기 빔축이 상기 작업물에 관하여 상기 시작 위치에 지향되게 하고 상기 작업 레이저 펄스들 중 최초의 펄스가 상기 작업물에 인가될 때 상기 빔축 속력으로 이동되게 동작하며; 상기 타이밍 장치를 통해 게이트되는 하나 이상의 펄스-픽커 신호들은 상기 펄스 피킹 장치가 상기 작업물의 비-커팅 영역들로의 비-작업 레이저 펄스들의 전파를 방지하고, 상기 작업물에 관하여 상기 시작 위치와 끝 위치를 포함하고 이들 사이의 상기 커팅 경로에 대해 상기 작업물에 인가하게 작업 레이저 펄스들의 전파를 허용하게 동작함 - 를 포함하는, 레이저 가공 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 펄스-픽커 신호의 전송과 상기 작업물의 상기 표면에서의 상기 최초의 작업 레이저 펄스의 도착 간에 레이저 펄스 전파 지연을 감안하여 동작가능한, 레이저 가공 시스템.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 펄스-픽커 신호의 전송과, 비-작업 레이저 펄스들의 전파 방지로부터 상기 작업물 상에 작업 레이저 펄스들의 전파 허용으로 전환하는 상기 펄스 픽커의 동작 능력 간의 펄스-픽커 전파 지연을 감안하여 동작가능한, 레이저 가공 시스템.
  14. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 고속 포지셔너 제어 신호들의 전송과 상기 빔축 속력으로 상기 작업물에 관한 상기 시작 위치로의 상기 빔축의 방향 간에 고속 포지셔너 지연을 감안하여 동작가능한, 레이저 가공 시스템.
  15. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 처리 회로는 비-작업 레이저 펄스들의 전파 방지로부터 상기 작업물 상에 작업 레이저 펄스들의 전파, 및 상기 펄스 피킹 장치를 통해 상기 최초의 작업 레이저 펄스의 통과의 허용으로의 상기 펄스 픽커의 유효한 변경 간의 펄스-픽커 리드 시간을 감안하여 동작가능한, 레이저 가공 시스템.
  16. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 처리 회로는 작업 레이저 펄스들의 전파 허용으로부터 상기 작업물 상에 비-작업 레이저 펄스들의 전파 및 상기 작업물 상의 상기 커팅 경로의 상기 끝 위치에 인가되는 상기 작업 레이저 펄스의 상기 펄스 픽커를 통한 통과의 방지로의 상기 펄스 픽커의 유효한 변경 간의 펄스-픽커 래그 시간을 감안하여 동작가능한, 레이저 가공 시스템.
  17. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 고속 포지셔너는 상기 이동 패턴을 내포하기에 충분히 큰 이용가능 스캔 필드를 가지며, 상기 고속 포지셔너는 상기 이용가능 스캔 필드 내에 다수 패스들에 걸쳐 상기 이동 패턴을 반복하게 동작하는, 레이저 가공 시스템.
  18. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 작업물은 상기 고속 포지셔너의 제1 및 제2 인접한 이용가능 스캔 필드들을 포함하기에 충분히 크며, 상기 제1 스캔 필드에서 제1 커팅 경로의 상기 끝 위치는 제2 커팅 경로 내의 상기 제2 커팅 경로의 상기 시작 위치에 인접하고, 레이저 인가에 의해 변경되는 상기 물리적 특징은 상기 제1 커팅 경로, 상기 제2 커팅 경로를 따라, 그리고 이들의 연결점에서 동일한, 레이저 가공 시스템.
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