KR20150104563A - 레이저 펄스 에너지 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저 펄스 에너지 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

시스템 및 방법이 레이저 펄스 에너지 제어 및/또는 모니터링을 제공한다. 예시적 레이저 가공 장치는 레이저 펄스의 빔을 발생시키기 위한 레이저 시스템과 빔 내 각각의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 펄스 단위로 조정하기 위한 펄스 에너지 제어 시스템을 포함한다. 펄스 에너지 제어 시스템은 펄스 반복 주파수의 함수로서 레이저 펄스 에너지를 사상하는 교정된 투과율 곡선을 기초로 각각의 레이저 펄스에 대한 펄스 에너지 투과율 값을 선택하는 개방 루프 피드포워드 제어 경로를 포함한다. 레이저 에너지 모니터가 레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 레이저 펄스 에너지를 측정한다. 파워 제어 루프가 레이저 에너지 모니터로부터의 피드백을 기초로 하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 더 조정할 수 있다.

Description

레이저 펄스 에너지 제어 시스템 및 방법{LASER PULSE ENERGY CONTROL SYSTEMS AND METHODS}
관련 출원
이 출원은 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된 2013년 01월 11일에 출원된 미국 가특허출원 번호 61/751,810의 35 U.S.C. §119(e)에 따르는 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 레이저 가공 장치 및 이를 이용하여 작업부재를 가공하는 방법과 관련된다.
배경기술 정보
작업부재의 하나 이상의 물질 내 특징부의 레이저 가공(가령, 관통 비아(through-via), 블라인드 비아(blind via), 트렌치(trench), 라우트(rout), 커프(kerf) 및 그 밖의 다른 특징부)이 레이저 파워(laser power)에 민감할 수 있다. 많은 경우(가령, 레이저 펄스를 작업부재로 전달함으로써 특징부가 레이저 가공되는 경우)에서, 특징부가 형성되는 속력 또는 효율, 그리고 궁극적으로 형성되는 특징부의 품질이 작업부재에 전달되는 개별 펄스의 펄스 에너지에 매우 민감할 수 있다. 예를 들어, 작업부재, 가령, 인쇄 회로 기판, 연성 인쇄 회로 등을 레이저 가공할 때, 전기 전도성 물질, 가령, 구리를 레이저 가공(가령, 절삭(ablating))할 때 비교적 높은 펄스 에너지가 바람직할 수 있으며, 반면에 유전 물질 내에 (가령, 탄화 및/또는 융해로 인한) 열적 효과를 유도하지 않고 인접 물질(가령, 구리)을 손상하지 않으면서 유전체 물질을 레이저 가공(가령, 절삭)할 때 비교적 낮은 펄스 에너지가 바람직할 수 있다.
레이저 파워 또는 펄스 에너지를 제어 또는 조절하는 종래의 방법은 감쇠 광소자(attenuation optics)(가령, 편광 광소자, 또는 음향-광소자 변조기), 또는 레이징 매질(lasing medium)에 따라 펌프 파워를 변화시킴으로써 레이저 광학 출력 파워의 직접 제어를 포함한다. 이들 종래의 방식은 (가령, 기계-조정된 편광 광소자의 경우) 느린 속도, (가령, 레이징 매질 펌핑 또는 Q-스위치 타이밍의 제어 시) 레이저 전달의 변동, 또는 레이저 가공 장치의 그 밖의 다른 동작과의 조화 결여를 포함하는 단점을 가진다.
본 명세서에서 기재된 예시로서의 본 발명의 실시예는 레이저 파워 또는 펄스 에너지를 제어하거나 조절하는 종래의 방법과 연관된 앞서 언급된 한계 및 그 밖의 다른 한계를 해결한다.
특정 실시예에서, 시스템 및 방법이 레이저 펄스 에너지 제어 및/또는 모니터링을 제공한다. 예시적 레이저 가공 장치는 레이저 펄스의 빔을 생성하기 위한 레이저 시스템과 빔 내 각각의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 펄스 단위로 조정하기 위한 펄스 에너지 제어 시스템을 포함한다. 상기 펄스 에너지 제어 시스템은 레이저 펄스 반복 주파수의 함수로서 레이저 펄스 에너지를 사상하는 교정된 투과율 곡선을 기초로 하여 각각의 레이저 펄스에 대한 펄스 에너지 투과율 값을 선택하는 개방 루프 피드포워드 제어 경로를 포함한다. 레이저 에너지 모니터가 레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 레이저 펄스 에너지를 측정한다. 파워 제어 루프가 레이저 에너지 모니터로부터의 피드백을 기초로 하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 더 조정할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 진행하는 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 추가 양태 및 이점이 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 레이저 프로세싱 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 다양한 구성요소 또는 시스템과 연관된 스캔 필드를 개략적으로 도시한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 특정 실시예에 따라, 작업부재에 대한 빔 위치를 스캔함으로써 생성되는 스팟의 패턴을 그래픽으로 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 스팟의 패턴을 형성하는 프로세스의 하나의 실시예를 개략적으로 도시하는 차트이다.
도 6은 하나의 실시예에 따르는 레이저 파워 제어 시스템의 일부 구성요소를 개략적으로 도시한다.
도 7은 하나의 실시예에 따르는 레이저 파워 제어 시스템의 일부 구성요소를 개략적으로 도시한다.
도 8은 펄스 주기의 함수로서의 통상의 레이저 파워 곡선에서 정규화된 1/PE(펄스 에너지) 값으로의 진행을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 생성될 수 있는 과도부분을 판독하는 척 파워 계측기(CPM)를 도시한다.
도 10은 서로 다른 펄스 주기 또는 펄스 반복 주파수와 연관된 순차적 프로세스 세그먼트들 간 펄스 동기화를 개략적으로 도시한다.
도 11은 하나의 실시예에 따르는 예시적 LET 교정 프로세스의 흐름도이다.
도 12는 도 1에 도시된 작업부재의 레이저 가공 동안의 파워 제어의 하나의 실시예에 따라 구현될 수 있는 예시적 동작 시퀀스의 흐름도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 예시적 실시예가 기재된다. 본 발명의 사상 및 설명 내에서 여러 다른 형태 및 실시예가 가능하고, 따라서 본 발명은 본 명세서에서 제공되는 예시적 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려 이들 예시적 실시예는 본 발명이 철저하고 완전하며 본 발명의 사상을 해당 분야의 통상의 기술자에게 전달하도록 제공된다. 도면에서, 구성요소의 크기 및 상태 크기가 명확성을 위해 과장될 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어는 특정 예시를 기술하기 위한 목적만 가지며 한정하기 위한 의도를 갖지 않는다. 본 명세서에서 사용될 때, 문맥 상 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 단수 형태("a," "an" 및 "the")는 복수 형태까지 포함하는 의도를 가진다. 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때 서술된 특징부, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 특정하지만 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 달리 특정되지 않는 한, 값의 범위는, 언급될 때, 상기 범위의 상한과 하한을 모두 포함할 뿐 아니라 범위 내의 임의의 부분범위까지 포함한다.
본 명세서에서 사용될 때, "파워 제어"는 레이저 출력 파워의 제어를 기술하도록 사용되는 일반적인 용어이다. 그러나 본 명세서에 기재되는 예시적 실시예는 레이저 펄스의 펄스 에너지(PE)를 측정 및 제어한다. 특정 펄스 반복 주파수(PRF)에 대해, 레이저 파워 펄스 파워는 PE×PRF와 동일하다. 특정 PRF에 대해, PE 제어는 파워 제어에 상응하며 두 용어는 때때로 서로 교환 가능하게 사용된다. 덧붙여, "PRF"는 이의 역수, 즉, 펄스 주기(pulse period)(PP) 또는 펄스간 주기(inter-pulse period)(IPP)에 의해 특정될 수 있다. 일반적으로 기계 사용자는 PRF를 참조하지만 파워 제어 실시예는 펄스 주기를 특정한다. 따라서 두 용어는 본 명세서에서 경우에 따라 서로 교환 가능하게 사용된다.
도 1을 참조하면, 레이저 가공 장치, 가령, 레이저 가공 장치(100)가 레이저 펄스의 빔(105)을 경로(P)를 따르도록 지향시켜 작업부재(102)에 충돌하도록 함으로써, 작업부재(102)의 하나 이상의 물질 내에 특징부(가령, 관통-비아, 블라인드 비아, 트렌치, 라우트, 커프 및 그 밖의 다른 특징부)를 형성하도록 구성된다. 특징부는 하나 이상의 공구 동작(가령, 충격 드릴링 동작(percussion drilling action), 추 드릴링 동작(trepan drilling action), 스카이빙 동작(skiving action), 라우팅 동작(routing action), 절단 동작(cutting action), 및 그 밖의 다른 동작)을 수행하기 위해 레이저 가공 장치(100)를 제어함으로써 형성될 수 있으며, 각각의 공구 동작은 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)는 레이저 시스템(104), 척(chuck)(106), 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110), 및 빔 변조 시스템(112)을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 레이저 가공 장치(100)는 레이저 펄스의 빔(105)을 성형, 확장, 포커스, 반사 및/또는 경로(P)를 따르는 임의의 점에 시준하도록 구성된 하나 이상의 보충 시스템(가령, 광소자, 거울, 빔 스플리터(beam splitter), 빔 익스팬더(beam expander), 및/또는 빔 시준기(beam collimator))을 더 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 하나 이상의 보충 시스템의 세트가 "광소자 트레인(optics train)"을 지칭될 수 있다.
하나의 실시예에서 그리고 본 명세서에서 더 상세히 언급될 바와 같이, 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110) 및 빔 변조 시스템(112) 중 하나 이상 또는 모두의 동작이 제어되어 레이저 펄스의 빔(105)이 작업부재(102)에 충돌하는 곳의 위치(즉, 작업부재(102)에 대한 빔의 위치)를 변경할 수 있다. 또 다른 실시예에서 그리고 본 명세서에서 더 상세히 언급될 바와 같이, 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110), 및 빔 변조 시스템(112) 중 하나 이상의 또는 모두는 제어되어, 작업부재(102)에 대해 빔 위치가 변하는 속도 및/또는 가속도를 변경할 수 있다.
레이저 시스템(104)은 레이저 펄스의 빔(105)을 생성하도록 구성될 수 있다. 빔(105) 내 레이저 펄스가 예를 들어 적외선, 가시광선 또는 자외선 스펙트럼 내 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 빔(105) 내 레이저 펄스는 파장, 가령, 1064㎚, 532㎚, 355㎚, 266㎚ 등을 가질 수 있다. 일반적으로 빔(105) 내 레이저 펄스는 약 20㎑ 내지 약 2000㎑의 PRF에서 생성될 수 있다. 그러나 PRF는 20㎑ 미만 또는 2000㎑ 초과일 수 있음을 알 것이다.
척(106)은 상기 작업부재(102)를 적절하고 유익하게 지원할 수 있는 임의의 척으로서 제공될 수 있다. 하나의 실시예에서, 척(106)은 진공 척, 정전 척, 기계식 척 등 또는 이들의 조합으로서 제공될 수 있다.
상기 작업부재 포지셔닝 시스템(108)은 작업부재(102)를 지지하는 척(106)을 X-축, Y-축, 및/또는 Z-축(이때, Z-축은 척(106)의 표면에 적어도 실질적으로 수직이고, X-축, Y-축, 및 Z-축은 서로 상호 직교함)에 평행한 하나 이상의 방향을 따라 병진운동시키거나, 척(106)을 X-축, Y-축, 및/또는 Z-축 등 중 하나 이상을 중심으로 회전운동시키거나, 또는 이들의 조합하도록 구성된다. 하나의 실시예에서, 작업부재 포지셔닝 시스템(108)은 앞서 언급된 척을 이동시키도록 구성된 하나 이상의 스테이지를 포함할 수 있다. 작업부재(102)가 척(106)에 의해 지지될 때, 작업부재 포지셔닝 시스템(108)은 경로(P)에 대해 제 1 스캔 필드(가령, 도 2에 도시된 제 1 스캔 필드(200)) 내에서 작업부재(102)를 (가령, X-축 및 Y-축을 따라) 이동시키거나 스캔하도록 동작할 수 있다. 하나의 실시예에서, 작업부재 포지셔닝 시스템(108)은 X-축을 따르는 임의의 방향으로 약 400 내지 약 700㎜(가령, 약 635㎜)의 거리만큼, 또는 Y-축을 따르는 임의의 방향으로 약 400㎜ 내지 약 700㎜(가령, 약 533㎜)의 거리만큼, 또는 이들의 조합으로 작업부재(102)를 스캔하도록 동작할 수 있다.
빔 포지셔닝 시스템(110)이 레이저 펄스의 빔(105)의 편향, 반사, 굴절, 회절 등을 수행하거나 이들을 조합하여 수행하도록 구성되어, 작업부재(102)에 대해 제 2 스캔 필드(가령, 도 2에 도시된 바와 같은 제 2 스캔 필드(202)) 내에서 빔 위치를 스캔할 수 있다. 하나의 실시예에서, 빔 포지셔닝 시스템(110)은 X-축을 따르는 임의의 방향으로 약 1㎜ 내지 약 50㎜(가령, 약 30㎜)의 거리만큼, Y-축을 따르는 임의의 방향으로 약 1㎜ 내지 약 50㎜(가령, 약 30㎜)의 거리만큼, 또는 이들의 조합으로 빔 위치를 스캔하도록 동작될 수 있다. 일반적으로, 빔 포지셔닝 시스템(110)의 동작이 제어되어 작업부재 포지셔닝 시스템(108)이 제 1 스캔 필드(200) 내 작업부재(102)를 스캔할 수 있는 속도 및/또는 가속도보다 큰 속도 및/또는 가속도에서 작업부재(102)에 대해 빔 위치를 스캔할 수 있다. 도시된 실시예에서, 상기 빔 포지셔닝 시스템(110)은 경로(P) 내에 배치된 한 쌍의 검류계 (갈바노(galvo)) 기반 거울(110a 및 110b)을 포함한다. 각각의 거울(110a 및 110b)이 (X-축 또는 Y-축을 중심으로) 회전하도록 구성됨으로써, 경로(P)를 편향시키고 제 2 스캔 필드(202) 내에서 빔 위치를 스캔한다. 그러나 빔 포지셔닝 시스템(110)은 그 밖의 다른 임의의 적절하거나 유익한 방식으로 구성될 수 있음이 자명할 것이다.
빔 변조 시스템(112)은 레이저 펄스의 빔의 편향, 반사, 굴절, 회절 등을 수행하거나 이들을 조합하여 수행하도록 구성되어 작업부재(102)에 대해 제 3 스캔 필드(가령, 도 2에 도시된 제 3 스캔 필드(204)) 내에서 빔 위치를 스캔할 수 있다. 하나의 실시예에서, 빔 변조 시스템(110)은 X-축을 따르는 임의의 방향으로 0.05㎜ 내지 약 0.2㎜(가령, 약 0.1㎜)의 거리만큼, Y-축을 따르는 임의의 방향으로 약 0.05㎜ 내지 약 0.2㎜(가령, 약 0.1㎜)의 거리만큼, 또는 이들의 조합으로 빔 위치를 스캔하도록 동작할 수 있다. 해당 분야의 통상의 기술자라면 이들 범위는 예시로서 제공되며 빔 위치는 더 작거나 더 큰 범위 내에서 스캔될 수 있음을 알 것이다. 일반적으로, 빔 변조 시스템(112)의 동작은 제어되어 빔 포지셔닝 시스템(110)이 제 2 스캔 필드 내에서 빔 위치를 스캔할 수 있는 속도 및/또는 가속도보다 큰 속도 및/또는 가속도로 작업부재(102)에 대해 빔 위치를 스캔할 수 있다. 하나의 실시예에서, 빔 변조 시스템(112)은 레이저 펄스의 빔(105)을 편향시켜 제 3 스캔 필드(204) 내에서 X-축 및 Y-축을 따라 빔 위치를 스캔하도록 구성된 단일 음향-광 편향기(AOD)를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 빔 변조 시스템(112)은 2개의 AOD를 포함하고, 여기서 제 1 AOD는 레이저 펄스의 빔(105)을 편향시키고 제 3 스캔 필드(204) 내에서 X-축을 따라 빔 위치를 스캔하도록 구성되며 제 2 AOD는 레이저 펄스의 빔(105)을 편향시키고 제 3 스캔 필드(204) 내에서 Y-축을 따라 빔 위치를 스캔하도록 구성된다. 그러나 빔 변조 시스템(112)은 그 밖의 다른 임의의 적절하거나 유익한 방식으로 구성될 수 있음이 자명할 것이다. 예를 들어, 빔 변조 시스템(112)은 AOD에 추가로 또는 이를 대체하여, 하나 이상의 음향-광 변조기(AOM), 전자-광 편향기(EOD), 전자-광 변조기(EOM) 등 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공 장치(100)는 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110), 빔 변조 시스템(112), 및 레이저 시스템(104)으로 통신 가능하게 연결된 시스템 제어기(114)를 더 포함할 수 있다. 시스템 제어기는 이들 시스템(작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110), 빔 변조 시스템(112), 및/또는 레이저 시스템(104)) 중 하나 이상 또는 모두의 앞서 언급된 동작을 제어하여, 작업부재(102) 내에 특징부(가령, 관통-비아, 블라인드 비아, 트렌치, 라우트, 커프 및 그 밖의 다른 특징부)를 형성하도록 구성된다. 하나의 실시예에서, 시스템 제어기(114)는 레이저 시스템(104)의 동작을 제어하여 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 펄스의 PRF를 (가령, 약 20㎑ 내지 약 2000㎑ 내에서) 변경할 수 있다.
하나의 실시예에서, 시스템 제어기(114)는 빔 변조 시스템(112)의 동작을 제어하여 작업부재(102)에 대해 빔 위치를 스캔하고 상기 작업부재(102) 내에 "높은 특징부 밀도 영역(high feature-density region)"(가령, 약 500㎛ 이하의 피치(pitch)만큼 이격된 특징부들을 포함하는 영역)을 형성할 수 있다. 상기 시스템 제어기(114)는 높은 특징부 밀도 영역을 형성하면서 빔 포지셔닝 시스템(110) 및/또는 작업부재 포지셔닝 시스템(108)의 동작을 추가로 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 시스템 제어기(114)는 빔 포지셔닝 시스템(110)의 동작을 제어하여 작업부재(102)에 대해 빔 위치를 스캔하고 작업부재(102) 내에 작업부재(102) 내에 "중간 특징부-밀도 영역(medium feature-density region)"(가령, 약 500㎛ 초과, 가령 약 1000㎛의 피치만큼 이격된 특징부들을 포함하는 영역)을 형성할 수 있다. 상기 시스템 제어기(114)는 중간 특징부-밀도 영역을 형성하면서 빔 변조 시스템(112) 및/또는 작업부재 포지셔닝 시스템(108)의 동작을 추가로 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 시스템 제어기(114)는 빔 포지셔닝 시스템(110)의 동작을 제어하고 빔 포지셔닝 시스템(110)의 고속 한계, 소면적 포지셔닝 오차, 및 대역폭 한계를 극복하기 위한 조화된 방식으로 빔 변조 시스템(112)의 동작을 더 제어할 수 있다. 예를 들어, 레이저 가공 장치(100)가 빔 변조 시스템(112)을 포함하지 않았다면, 상기 빔 포지셔닝 시스템(110)은 작업부재(102)에 대해 빔 위치를 스캔하도록 제어되어, 빔 내 레이저 펄스가 상기 작업부재(102)에 순차적으로 충돌하여 도 3에 도시된 바와 같이 스팟(spot)들의 둥근 패턴이 형성됐을 수 있다(도시된 바와 같이, 스팟의 원형 패턴이 약 600㎛의 최대 폭을 가진다). 그러나 빔 변조 시스템(112)의 동작을 빔 포지셔닝 시스템(110)과 조화시킴으로써, 레이저 가공 장치(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 스팟의 사각 형태의 패턴을 형성하도록 구성된다(도시된 바와 같이, 스팟의 사각 형태의 패턴은 약 600㎛ × 약 600㎛의 치수를 가진다).
하나의 실시예에서 그리고 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 스팟의 패턴은 빔 포지셔닝 시스템(110)을 제어하여 제 2 스캔 필드(202) 내에 라인 가령, 라인(500)을 따라 빔 위치를 스캔함으로써 형성될 수 있고, 상기 빔 변조 시스템(112)은 (라인(500)의 끝부분에 센터링되는) 제 3 스캔 필드(204) 내에서 한 방향(가령, 제 3 스캔 필드(204) 내에 센터링된 라인(502)에 의해 지시되는 방향)을 따라 빔 위치를 더 스캔하도록 제어되어 레이저 펄스가 작업부재(102) 상에 순차적으로 충돌하여 스팟의 사각형태 패턴(504)(가령, 도 4에 도시된 것)을 형성할 수 있게 한다. 도 5와 관련하여 앞서 언급된 바와 같은 예시적 가공을 적용함으로써, 초당 약 5미터(m/s)의 속도로 작업부재에 걸쳐 빔 위치가 스캔될 수 있다. 그러나 빔 변조 시스템(112)의 동작과 빔 포지셔닝 시스템(110)의 동작이 작업부재(102) 상에 임의의 적절하고 유익한 스팟 패턴을 형성하는 임의의 방식으로 조화될 수 있음이 자명할 것이다.
일반적으로 시스템 제어기(114)는 다양한 제어 기능을 정의하는 동작 로직(도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 전용 하드웨어, 가령, 유선연결된 상태 머신, 프로세서 실행 프로그래밍 명령, 및/또는 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 여러 다른 형태를 가질 수 있다. 동작 로직이 디지털 회로, 아날로그 회로, 소프트웨어, 또는 이들 유형 중 임의의 것의 하이브리드 조합을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 시스템 제어기(114)는 동작 로직에 따라 메모리에 저장된 명령을 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세싱 유닛을 포함할 수 있는 프로세서, 가령, 프로그램 가능한 마이크로제어기, 마이크로프로세서, 또는 그 밖의 다른 프로세서를 포함할 수 있다. 메모리(가령, 컴퓨터 판독형 매체)는 반도체, 자기 및/또는 광학 유형을 포함하는 하나 이상의 유형을 포함하거나, 및/또는 휘발성 및/또는 비휘발성 유형을 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 메모리는 동작 로직에 의해 실행될 수 있는 명령을 저장한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 메모리는 동작 로직에 의해 조작되는 데이터를 저장할 수 있다. 하나의 구성에서, 동작 로직 및 메모리가 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110) 및/또는 빔 변조 시스템(112)의 동작 양태를 관리 및 제어하는 동작 로직의 제어기/프로세서 형태로 포함되지만 그 밖의 다른 구성에서 이들은 개별적일 수 있다.
본 명세서에 기재될 때, 레이저 가공 장치(100)는 빔 포지셔닝 시스템(110) 및 빔 변조 시스템(112)의 조화된 동작(coordinated operation)이 높은 속력으로 그리고 높은 위치 정확도를 갖고 특징부를 형성할 수 있게 하도록 구성된다. 그 밖의 다른 실시예에서, 그리고 이하에서 기재된 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)는 예를 들어 빔 변조 시스템(112) 및 시스템 제어기(114)를 갖는 레이저 파워 제어(LPC) 시스템뿐 아니라 그 밖의 다른 시스템, 가령, 레이저 에너지 모니터(LEM)(116), 및 이하에서 더 상세히 기재될 그 밖의 다른 구성요소, 시스템 및 서브시스템까지 더 포함할 수 있다. 일반적으로, LPC 시스템은 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 측정, 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 제어, 펄스 에너지 및 PRF로의 고속 변경을 촉진, 개별 레이저 펄스들의 펄스 에너지 제어를 빔 위치와 조화, 레이저 펄스의 발생 및 변조를 조화하는 등을 수행, 또는 이들을 조합하여 수행하도록 구성될 수 있다.
A. 펄스 에너지 측정
개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 측정하기 위해, 상기 레이저 가공 장치(100)는 앞서 언급된 LEM(116) 및 빔 스플리팅 요소(118)(가령, 부분 투과성 거울, 회절 빔 스플리터 등 또는 이들의 조합)를 더 포함할 수 있다. 상기 빔 스플리팅 요소(118)는 빔 포지셔닝 시스템(110)과 빔 변조 시스템(112) 사이의 경로(P) 내에 배치되고, 빔(105) 내 각각의 펄스의 일부분(가령, 에너지의 약 1% 내지 약 2%)을 투과시키고 빔(105) 내 각각의 펄스의 나머지 부분을 작업부재(102)를 향해 경로(P)를 따라 반사시키도록 배향 또는 그 밖의 다른 방식으로 구성된다. 빔 스플리팅 요소(118)를 통해 투과되는 빔(105)의 일부분은 샘플링 빔(sampling beam)(119)이라고 지칭될 수 있다.
하나의 실시예에서, LEM(116)은 샘플링 빔(119) 내 각각의 개별 레이저 펄스의 파워를 적분함으로써 샘플링 빔(119) 내 각각의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 측정하도록 구성된다. 각각의 개별 레이저 펄스의 파워를 통합시키기 위해, LEM(116)은 광검출기(가령, 도시되지는 않았지만 샘플링 빔(119) 내 펄스에 의해 충돌되도록 구성된 광다이오드(photodiode))뿐 아니라 하나 이상의 고속 증폭기, 적분기(integrator), 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)까지 포함할 수 있다. 상기 광다이오드는 충돌하는 레이저 펄스를 전기 전류로 변환하도록 구성될 수 있다. 그 후 상기 전기 전류는 고속 증폭기에 의해 증폭 및/또는 필터링될 수 있다. 그 후 적분기(가령, 재설정 가능한 적분기)가 증폭 및/또는 필터링된 전기 전류를 적분하여 충돌된 레이저 펄스의 총 펄스 에너지에 비례하는 신호를 생성할 수 있다. 상기 적분기는 (가령, 시스템 제어기(114)의 제어 하에서) 레이저 펄스가 광다이오드에 충돌하기 직전에 재설정되어 적분기를 유효 전압 범위 내로 유지할 수 있다.
특정 실시예에서, 그 후 상기 ADC는 적분기의 출력을 두 번 판독한다: 적분기가 재설정된 후 그러나 레이저 펄스가 광다이오드에 충돌하기 전에 제 1 ADC 판독이 수행될 수 있고, 그 후 레이저 펄스가 광다이오드에 충돌한 후 제 2 ADC 판독이 수행될 수 있다. 하나의 실시예에서, 두 개의 ADC 판독 간 딜레이가 (가령, 레이저 펄스 폭, 임의의 컨디셔닝 증폭기의 대역폭 등 또는 이들의 조합을 기초로 하여) 고정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, PRF의 함수로서 펄스 폭의 변화를 고려하기 위해, 2개의 ADC 판독 간 딜레이가 가변적일 수 있다. 샘플링 빔(119) 내 임의의 특정 펄스의 경우, 2개의 ADC 판독 간 차이가 광다이오드 및 전기 증폭 이득에 따라 비율조정(scale)될 수 있고, 결국 작업부재(102)에 충돌할 대응하는 레이저 펄스의 나머지 부분의 (가령, μJ로 주어진) 펄스 에너지 펄스 에너지를 (가령, "PE 데이터"로서) 나타내도록 해석될 수 있다. 하나의 실시예에서, 상기 ADC는 적분기 출력을 세 번째로(가령, 제 2 ADC 판독 후에) 판독하여, 적분기로의 광학 또는 전자적 바이어스 입력을 추정할 수 있다. 이 추정된 바이어스는 측정된 펄스 에너지로부터 빼져서, 전기적 바이어스에서의 열적 변동 또는 광검출기에 미치는 주변광의 영향에 대한 강건성(robustness)을 개선할 수 있다.
ADC에 선행하는 증폭기의 설계가 LEM(116)의 성능에 영향을 미칠 수 있고, 설계 트레이드오프(design tradeoff)가 대역폭(정착 시간(settling time)), 잡음 및 이득 간에 이뤄질 수 있음이 자명할 것이다. 약 20㎑ 내지 약 200㎑의 펄스 반복율에서의 펄스 에너지 판독을 변환하기 위해, ADC에 선행하는 증폭기는, 적분기의 출력이 펄스 주기 시간 내에서(즉, 1/PRF 내에서) 원하는 펄스 에너지 변환 공차 내로 정착되도록 설계될 수 있다. 앞서 기재된 LEM(116)을 이용해 펄스 에너지를 측정함으로써, 광다이오드에 순차적으로 충돌하는 일련의 레이저 펄스의 평균 파워 대신, 샘플링 빔(119) 내 각각의 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지가 측정될 수 있다. 각각의 개별 펄스의 펄스 에너지를 측정하여, 또한 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지가 펄스 단위로 제어될 수 있고, 궁극적으로 작업부재(102)로 전달되는 레이저 펄스의 펄스 에너지에서의 오차가 펄스 단위로 교정될 수 있다.
B. 펄스 에너지 제어
개별 펄스에 대한 펄스 에너지의 제어가 빔 변조 시스템(112)을 이용해 구현될 수 있다. 빔 변조 시스템(112)은 음향-광(AO) 장치(가령, AOD, AOM)를 포함하는 하나의 실시예에서, AD 장치를 통해 전달되는 가공 레이저 빔 파워의 부분(fraction)이 AO 장치에 인가되는 무선(RF) 전력의 레벨을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 레이저 가공 공정 동안 AO 장치에 인가되는 RF 전력을 펄스 단위로 적절하거나 유익하게 제어함으로써 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지가 제어될 수 있다. AO 장치, 가령, AOD 및 AOM은 (인가된 RF 파워에 비해) 비선형 투과 특성을 가진다. 따라서 이러한 AO 장치의 비선형 투과 특성을 밝혀서 이들의 투과 응답(transmission response)을 선형화할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 빔 변조 시스템(112)은 전기-광(EO) 장치(가령, EOD, EOM)를 포함한다. 예를 들어, EOM은 작업부재(102)로 전달되는 가공 레이저 빔 파워의 부분(fraction)을 변화시키도록 만들어질 수 있다.
빔(105) 내 레이저 펄스의 펄스 에너지를 제어하도록 사용되는 특정 장치와 무관하게, 사용되는 장치는 펄스 단위로 동작하기 충분히 빨라야 하며, 이는 20㎑ 내지 약 2000㎑의 갱신율을 필요로 할 수 있다. 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 펄스 단위로 제어함으로써, 레이저 시스템(104)은 일정한 PRF에서 "프리-런(free-run)"일 수 있고 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 임의의 레이저 펄스의 펄스 에너지가 빔 변조 시스템(112)에 의해 제어될 수 있다(가령, 0 파워로 "소거(blank)"될 수 있도록 부분적으로 감쇠 또는 완전히 감쇠될 수 있다). 레이저 펄스를 소거하는 것은 레이저 시스템(104)의 동작이 레이저 펄스를 발생시키도록 시작 및 종료하도록 제어되는 경우 레이저 시스템(104) 내 열 변동에 의해 영향 받을 수 있는 레이저 시스템(104)의 (가령, 포인팅, 파워 및/또는 빔 품질 측면에서의) 안정성을 개선할 수 있다.
C. 펄스 에너지 교정
앞서 언급된 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)는 펄스 단위로 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 변경하도록 구성될 수 있고, 레이저 펄스가 발생될 때의 PRF를 변경할 수 있다. 하나의 실시예에서, 레이저 가공 장치(100)는 펄스 에너지 및/또는 PRF를 (가령, 하나의 펄스간 주기, IPP 내에서, 또는 몇 개의 펄스간 주기 내에서, 이때 펄스간 주기는 1/PRF에 대응함) 매우 빠르게 변경하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 펄스 에너지 및 PRF는 동시에 변경될 수 있다. PRF 및/또는 펄스 에너지를 변할 때 PRF의 함수로서의 펄스 에너지의 교정은 유용할 수 있다. 예를 들어, 한 단계에서 비교적 높은 펄스 에너지로 그리고 비교적 낮은 PRF로 레이저 펄스를 작업부재(102)에 전달하고, 그 후 다음 단계에서 비교적 낮은 펄스 에너지에서 그리고 비교적 높은 PRF로 레이저 펄스를 작업부재(102)로 전달함으로써 특정 공구 동작이 수행될 수 있다. 펄스 에너지 출력의 피드백 제어에 따르는 것은, 제어기가 원하는 펄스 에너지 설정값을 얻기 위해 투과율을 적절하게 조절할 수 있도록 하기 위한 많은 펄스가 요구되기 때문에, 너무 느릴 수 있다. (펄스 에너지 대 PRF 사상(mapping)에 의해 지원되는) 개방 루프 피드포워드 제어 경로를 구현함으로써, 더 느린 피드백 제어 경로에 의존하지 않으면서 펄스 에너지 변경이 반복적으로 이뤄질 수 있다. 이는 가공이 시작되기 전에 펄스 에너지 대 PRF 간 관계를 사상함으로써 이뤄질 수 있다. 레이저의 특성이 시간에 따라 변할 수 있기 때문에, 이 사상은 주기적으로, 가령, 각각의 작업부재를 가공하기 전에, 재생(refresh)될 수 있다.
D. 빔 위치와 펄스 에너지 제어의 조화
본 명세서에 개시된 실시예에 따르면, 펄스 에너지 측정 및 펄스 에너지 제어가 사용되어, 작업부재(102)에 전달되는 특정 레이저 펄스의 펄스 에너지를 작업부재(102)에 대한 특정 레이저 펄스의 빔 위치와 조화시킬 수 있다. 하나의 실시예에서, 이 조화는 (가령, 시스템 제어기(114)에서 레이저 시스템(104), 작업부재 포지션 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110), 및/또는 빔 변조 시스템(112) 중 하나 이상으로 발생된) 레이저 가공 명령어를, 빔 위치, 레이저 펄스에 대한 펄스 에너지 설정값 등 또는 이들의 조합을 기술하는 정보를 각각 포함하는 일련의 개별 "프로세스 세그먼트(process segment)"로 분할함으로써, 이뤄질 수 있다. 따라서 시스템 제어기(114)는 각각의 "프로세스 세그먼트"에 포함된 정보를 필터링, 분할, 프로세싱 또는 그 밖의 다른 방식으로 빔 위치 명령어 및 레이저 펄스 에너지 명령어로 변환하도록 구성된 세그먼트 프로세싱 서브시스템을 포함할 수 있다. 빔 위치 명령어는 시스템 제어기(114)의 빔 위치 제어 서브시스템을 통해 실행될 수 있으며, 레이저 펄스 에너지 명령어는 레이저 파워 제어 서브시스템에 의해 실행될 수 있다.
하나의 실시예에서, 세그먼트 프로세싱 서브시스템 및 레이저 파워 제어 시스템은 각각 실시간 제어기를 포함할 수 있다. 빔 위치 명령어가 시스템 제어기(114)의 빔 위치 제어 서브시스템에서 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110) 및 빔 변조 시스템(112) 중 하나 이상으로 전달될 때, 이들 구성요소 중 하나 이상의 동작이 제어되어, 상기 작업부재(102)에 대한 빔 위치(beam position)의 위치(location)가 제어될 수 있다. 레이저 펄스 에너지 명령어가 시스템 제어기(114)의 레이저 파워 제어 시스템에서 레이저 파워 제어 시스템의 레이저 시스템(104), 작업부재 포지셔닝 시스템(108), 빔 포지셔닝 시스템(110) 및 빔 변조 시스템(112) 중 하나 이상으로 전달될 때, 이들 구성요소 중 하나 이상의 동작이 제어되어 작업부재(102)에 대한 빔 위치의 위치를 제어할 수 있다. 특정 실시예에서 적절한 동기화 시간 딜레이가 포함되어 레이저 펄스의 발생을 빔 위치와 적절하게 동기화할 수 있다.
하나의 실시예에서, 작업부재(102)에 대한 빔 위치와 작업부재(102)로의 빔(105) 내의 일련의 연속하는 레이저 펄스(즉, "레이저 펄스 트레인")를 동기화하기 위해 동기화 프로세스가 사용된다. 공통 레이저 펄스 트레인 내 레이저 펄스들은 동일한 펄스 에너지를 (적어도 실질적으로) 가질 수 있고 펄스간 주기(본 명세서에서 간략히 "펄스 주기"라고도 지칭됨)에 의해 (적어도 실질적으로) 서로 시간적으로 이격되어 있을 수 있어서, 레이저 펄스 트레인이 (적어도 실질적으로) 균일한 PRF에 의해 특징지어질 수 있다. 프로세스 세그먼트가 임의의 시점에서 시작할 수 있으며, 반드시 (가령, 레이저 시스템(104) 자체의 특성을 기초로 또는 시스템 제어기(114)에 의한 외부 제어를 기초로) 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 기존 펄스 트레인에 동기화될 필요는 없다. 일반적으로 프로세스 세그먼트가 원하는 레이저 PRF 및 빔 속도와 연관되어 작업부재(102)에서의 빔 위치들의 원하는 공간("바이트 크기(bite size)")을 유지할 수 있다. 레이저 펄스 트레인이 레이저 시스템(104) 내에 내부적으로 또는 레이저 시스템(104)의 외부에 생성될 수 있다. 원하는 작업부재 위치에(일부 허용 가능 오차, 가령, 스팟 지름의 < 5%-25% 내) 발산되는 첫 번째 레이저 펄스와 마지막 레이저 펄스가 있도록 정수 개수의 레이저 펄스가 발산되기 위해 프로세스 세그먼트의 지속시간이 설계될 수 있다. 따라서 특정 실시예에서, 상기 (시간상) 첫 번째 레이저 펄스가 프로세스 세그먼트의 시작에 대해 동기화된다.
하나의 실시예에서, 프로세스 세그먼트의 시작부분에 대해 올바른 시점에서 유효한 레이저 펄스가 발행되도록 레이저 펄스 명령어 트레인을 수정함으로써 첫 번째 레이저 펄스가 프로세스 세그먼트의 시작부분에 대해 동기화된다. (일반적으로 펄스간 주기에 비례하는) 과도하게 큰 펄스 에너지 때문에 레이저 시스템(104)을 손상시키는 것을 피하기 위해, 최소한의 PRF로 여러 레이저가 레이저 펄스를 발생시키는 것이 자명할 것이다. 바람직하지 않게 큰 펄스 주기를 피하기 위해, 새 프로세스 세그먼트에 대해 (상기 프로세스 세그먼트에 대해 원하는 PRF에서) 레이저 펄스 트레인의 시작부분이 이전에 발생된 펄스 트레인의 끝부분에 대해 딜레이될 수 있어서, 하나의 펄스간 주기가 2개의 순차적으로 발생된 레이저 펄스 트레인 사이에 삽입될 수 있으며, 여기서 삽입된 펄스간 주기는 과도하게 큰 펄스 에너지와 연관된 바람직하지 않게 큰 펄스간 주기보다 작다. 새 프로세스 세그먼트를 딜레이시키는 앞서 기재된 공정이 "레이저 펄스 트레인 재동기화(laser pulse train resynchronization)"라고 지칭될 수 있다. 앞서 기재된 바와 같이 레이저 펄스의 펄스 에너지가 소거된 주기 동안 레이저 펄스 트레인 재동기화가 발생할 수 있다(가령, 이는 빔 위치가 가공된 특징부에서 새 특징부가 형성될 작업부재 상의 또 다른 영역으로 이동할 때 일반적으로 발생할 수 있으며, 이는 본 명세서에서 "특징부간 이동"이라고 지칭됨). 이 재동기화 주기 동안, 레이저 펄스 에너지가 0 또는 0에 가깝도록 감쇠된다. 예를 들어 레이저 펄스 트레인이 외부에 발생되는 또 다른 실시예에서, 프로세스 세그먼트들 간 시간 주기가 레이저 펄스와 프로세스 세그먼트 타이밍을 동기화시키도록 조정될 수 있다.
E. 펄스 발생과 빔 변조의 조화
본 명세서에서 개시된 실시예에 따라, AO 장치 RF 명령어(진폭 및 주파수)가 빔 변조 시스템(112)에 입사되는 레이저 펄스 트레인과 동기화될 수 있다. AO 장치 RF 파형의 명령어 업데이트 타이밍이 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 레이저 펄스에 대해 임의적일 수 있다. 일부 실시예에서, (적용되는 RF 명령어에 의해 발생되는) AO 크리스털 내 음향 파가, 레이저 펄스가 AO 크리스털을 통과할 때 어떠한 과도부분(transient)도 포함하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 과도부분은 레이저 펄스의 진폭 또는 파형을 왜곡하고, 작업부재(102)에서 레이저-가공의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 과도부분을 피하기 위해, 레이저 시스템(104)에 의한 레이저 펄스의 발생 및 빔 변조 시스템(112)의 AO 장치 내 발생된 레이저 펄스의 변조가 동기화될 수 있다. 하나의 구현예에서, AO 장치 RF 명령어는 각각의 레이저 펄스 주변의 시간 포락선(temporal envelope) 내 구성 가능한 시간 주기에 대해 일정하게 유지될 수 있다. 이로 인하여 레이저 펄스 발생의 타이밍의 세부사항과 무관하게 AO 장치 RF 명령어가 독립적으로 발생될 수 있다. 하나의 실시예에서, 레이저 펄스의 생성과 변조의 동기화가 레이저 시스템(104) 및 빔 변조 시스템(112)과 연관된 제어기들(도시되지 않음) 사이에서 직접 발생할 수 있다.
F. 예시적 레이저 파워 제어 시스템
개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 (가령, 품질 및 제어 목적으로) 측정하는 것, 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지를 제어하여 펄스 에너지 및 PRF의 빠른 변화를 촉진시키는 것, 개별 레이저 펄스의 펄스 에너지 제어를 빔 위치와 조화시키는 것, 및 레이저 펄스의 발생과 변조를 조화시키는 것과 연관된 예시적 실시예가 기재됐으며, 레이저 파워 제어 시스템(600) 및 이의 동작의 예시적 실시예가 이하에서 도 6 및 7과 관련하여 기재될 것이다. 도 6 및 7과 관련하여 기재된 예시적 실시예에서, 앞서 언급된 빔 변조 시스템(112)은 (가령, 제 3 스캔 필드(204) 내에서 X-축 및 Y-축 중 하나 또는 둘 모두를 따라 빔 위치를 스캔하기 위해 레이저 펄스의 빔(105)을 편향시키도록 구성된) AOD 장치로서 제공될 것이며, 본 명세서에서 단순하게 "AOD"라고 지칭될 것이다.
도 6 및 7을 참조할 때, 도 6에 도시된 예시적 레이저 파워 제어 시스템(600)은 AOD 전력 및 제어 선형화 모듈(614) 및 시스템 광소자(615)를 포함한다. 상기 시스템 광소자(615)는 예를 들어, 도 1에 도시된 레이저 시스템(104), 및 도 7에 도시된 AOD 광소자(711)를 포함할 수 있다. 레이저 펄스 에너지 테이블, 또는 간단히 레이저 에너지 테이블(LET)(710)이 작업부재(102) 대 PRF에서의 펄스 에너지의 가용 값을 기재한다. 상기 LET(710)는 작업부재(102)를 가공하기 전에 교정되어 레이저 시스템(104)의 성능과 보충 시스템 중 임의의 것의 성능을 모델링할 수 있다. AOD 감쇠기(attenuator)(610)가 AOD 광소자(711)의 투과율을 변화시킴으로써 교정된 광학 파워 감쇠를 구현한다. 앞서 언급된 LEM(116) 및 또한 레이저 파워 제어 시스템(600) 내에 포함된 척 파워 계측기(chuck power meter)(CPM)(612)가 범용 입/출력(IO) 제어기(GIO)(가령, 실시간 범용 IO 제어기)를 통해 작업부재(102)로 전달되는 개별 레이저 펄스의 파워를 교정 및 제어할 수 있다. 상기 GIO는 도 1에 도시된 시스템 제어기(114)의 일부분으로서 구현되거나, 별개의 것일 수 있다. 이 예시에서, 상기 GIO는 (도 6 및 7에 도시된) AOD 제어 및 선형화 모듈(614) 및 (도 7에 도시된) 선택적 파워 제어 루프(PCL)(712) 등을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 AOD 제어 및 선형화 모듈(614)은 실시간 파워 제어기(616) 및 AOD 선형화 테이블(622)을 포함한다.
작업부재(102) 내에 특징부를 형성하기 위한 레이저 가공 동안, 파워 제어 구성요소, 가령, LET(710), AOD 감쇠기(610), LEM(116), CPM(612) 및 파워 제어기(616)가 실시간 파워 제어 및 모니터링을 조화시킬 수 있다. 상기 LET(710)는 특정 펄스 에너지(PE) 및 PRF 설정값에 대해 적절한 명목 AOD 투과율을 계산하기 위해 사용된다. LEM(116) 및/또는 CPM(612)이 적용된 AOD 투과율로부터 도출된, 작업부재(102)로 전달되는 레이저 펄스의 파워를 검증한다. 적절하게 교정될 때, 레이저 시스템(104)에 의해 발생된 레이저 펄스의 레이저 파워(또한 본 명세서에서 "레이저 헤드 출력 파워"라고도 지칭됨)가 주기적 LET 교정과 AOD 교정 업데이트 사이에 (적어도 실질적으로) 안정하게 유지되는 경우, LET(710) 및 AOD 감쇠기(610)에 의해 파워 제어기(616)는 펄스 단위로 레이저 펄스 에너지의 개방 루프 제어를 구현할 수 있다. 특정 실시예에서, 원시 레이저 펄스 에너지 출력에서의 임의의 변동에도 불구하고 명령된 PE를 유지하기 위해 AOD 투과율 명령어를 계속 조절함으로써, 레이저 시스템(104)으로부터의 단기 레이저 파워 변동(fluctuation)에 대해 PCL(712)이 조절된다. 앞서 언급된 파워 제어 구성요소의 동작 및 교정이 이하에서 기재된다.
1. 레이저 펄스 에너지 테이블(LET)
레이저 가공 장치(100)에서, 레이저 헤드 출력 펄스 에너지는 PRF의 함수이며, 이 함수는 레이저가 에이징되는 시간에 따라 변한다. LET(710)는 임의의 PRF에 대한 최대 AOD 투과율에서의, 작업부재(102)에서의 가용 레이저 펄스 에너지(본 명세서에서 "작업 PE" 또는 "작업부재 PE"라고도 지칭됨)를 나타낸다. LET(710)는 원하는 PRF에서 요청된 레이저 작업부재(102) PE를 제공하기 위해 필요한 AOD 투과율의 최상의 추정치를 계산하도록 사용된다. 상기 LET(710)는 작업부재(102)에서 가용한 실제 레이저 PE(613)(즉, 도 1에 도시된 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 레이저 PE)(PElaser)를 기술한다. 이는 레이저 가공의 셋업을 안내하기 위해 사용되는 특정된 시스템 레이저 파워와 상이하다(더 클 수 있다). 특정된 시스템 레이저 파워 한계가 개별 파워 한계 테이블에 의해 기술될 수 있고, 이 테이블은 특정 시스템 설계(레이저 및 광학 트레인 구성)에 대해 지정되며 교정되지도 않고 업데이트되지도 않는다.
원하는 AOD 투과율은 PEcmd/PElaser와 동일하고, 여기서 PEcmd는 선택된 또는 명령된 PE이며 PElaser는 작업부재에서의 실제 레이저 PE(또는 진정한 레이저 PE)이다. LET(710)가 1/PE 레이저를 PRF의 함수로서 제공하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 원하는 투과율이 단순 곱셈에 의해 계산될 수 있다. LET(710) 테이블의 비율조정 및 구현이, LET(710) 룩업 테이블이 감쇠 배율(≤1)을 펄스 주기(1/PRF)의 함수로서 포함하도록 고정 비율조정 배율(Kpwr)(714)을 분리함으로써 더 단순해질 수 있다. 그 후 Kpwr(714)과 LET(710) 테이블 값의 곱이 요청된 PE/PRF 조합을 생성하도록 필요한 투과율을 도출한다.
레이저 파워 데이터로부터 LET 엔트리가 생성된다. 도 8은 (가령, 레이저 파워 및 PE 대 PRF 측면에서) 예시적 레이저 파워 곡선에서, 펄스 주기의 함수로서의 PE로의, 그리고 펄스 주기의 함수로서의 정규화된 1/PE 값으로 진행을 도시한다. 비율조정 배율(Kpwr)(714)은 최저 레이저 PE를 포함하는 PRF에서의(즉, 최대 투과율 경우의) 올바른 투과율을 제공하도록 계산된다. 그 밖의 다른 모든 펄스 주기에서 레이저 PE가 더 높고, LET 엔트리가 < 1.0이며, 투과율은 적절하게 축소(scale down)될 수 있다.
하나의 실시예에서, LET(710)는 적응적 속도 프로세싱을 구현하도록 사용될 수 있고, 여기서 작업부재(102)에 대해 빔 위치가 스캐닝되는 속도 및 레이저 PRF가 조정되어, 레이저 시스템(104)에 의해 발생되는 레이저 펄스의 레이저 파워가 시간에 따라 강하됨에 따라 원하는 바이트 크기 및 펄스 에너지를 유지할 수 있다. 또한 적응적 속도 프로세싱이 비교적 신선한 레이저 시스템(104)의 더 높은 파워가 레이저의 수명 동안 처리율을 향상시키도록 최대로 사용될 수 있다.
2. AOD 감쇠기
상기 AOD는 편향된 빔(105)의 광학 투과율의 감쇠를 통해 빔 편향과 파워 제어를 모두 제공한다. 앞서 언급된 바와 같이, AOD 셀에 인가되는 RF 파워 레벨을 변화시킴으로써 투과율이 조정될 수 있다. AOD의 투과율의 변동(즉, 회절 효율 또는 AOD 투과율(618) 효율)이 인가된 RF 파워 및 주파수의 비선형 함수이다. 이 비선형 관계는 실제 투과율 대(vs.) 명령된 투과율을 선형화하도록 교정된다.
3. LEM 및 CPM
앞서 언급된 바와 같이, LEM(116)은 개별 레이저 펄스 각각에 대해 레이저 펄스 에너지(PE) 값을 판독하고 이로부터 PE 데이터를 생성할 수 있다. 상기 PE 데이터가 특정된 PRF에서 운영되는 레이저 시스템(104)의 레이저 Q-스위치 명령어로 동기화되고, 디지털 신호 프로세서(DSP) 샘플링 사이클에는 비동기화된다. LEM 판독값이 오프셋 및 비율조정 배율에 대해 교정되어 이들을 PE 데이터로 변환할 수 있다. 특정 실시예에 따라, LEM(116)은 레이저 파워가 아니라 레이저 펄스 에너지와 관련된 데이터를 제공한다. 필요한 경우, PE에 순간 레이저 PRF를 곱함으로써 LEM PE 데이터가 레이저 파워로 변환될 수 있다. DSP(그리고 비실시간 명령어, 시스템 제어 컴퓨터(SCC)(620)를 통해)는 단일 샘플링된 파워 판독값 또는 (데이터 리코더를 통한) 파워 판독값들의 시퀀스로의 액세스를 제공할 수 있다.
CPM(612)은 시스템에서 파워 측정을 위한 기준 센서이다. LEM 판독값이 CPM(612)에 대해 교정되어, 실시간 파워 설정 및 모니터링의 정확도를 보장할 수 있다.
G. 파워 교정
레이저 에너지를 측정하고 레이저 파워를 제어하기 위해, 레이저 가공 장치의 특정 구성요소가 교정을 필요로 할 수 있다. 그러나 일반적으로, 교정 및 파워 설정 방식은 다음과 같이 요약될 수 있다: (1) CPM(612)이 외부 기준에 대해 교정되고, (2) LEM(116)이 CPM(612)을 이용해 교정되며, (3) LET(710)가 LEM(116)을 이용해 교정되고, (4) LEM(116)을 이용해 AOD 감쇠기 선형화가 교정되며, (5) 특정 PE/PRF 설정값에 대해 명목 AOD 투과율(NomTrans)이 LET(710)를 기초로 계산되고, (6) 애플리케이션 프로세싱 동안, LEM 피드백이 파워 오차 상태의 모니터링을 위해 사용되며, 선택사항으로서 AOD 투과율 명령어를 실시간으로 미세-튜닝(fine-tune)하도록 사용될 수 있고, (7) 주기적으로 LEM 교정(716)이 업데이트되어 광소자 투과율이 변경될 때 LEM 교정을 유지할 수 있다. 교정 단계들의 상세사항이 이하에서 제공된다.
1. CPM 교정
CPM 교정 동안, 또는 추후 동작에서의 CPM(612)의 임의의 사용 동안, CPM 판독값(파워와 오프셋 모두)이 파워 변경들 사이에 정착 주기(가령, 3초)를 허용한 후, 시간 주기(가령, 2초) 동안, 복수의 판독값(가령, 100개의 판독값)에 대해 평균내어진다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 생성될 수 있는 CPM 판독값 과도부분을 도시한다. CPM 판독값이 파워 계측기 온도에 민감할 수 있는 CPM 오프셋에 대해 조정될 수 있다. 상기 오프셋은 각각의 CPM(612) 사용 동안 측정될 수 있다. 정확도를 최대화하기 위해, 파워 인가된 판독 후 (어떠한 레이저 파워도 인가되지 않은) CPM 오프셋이 판독되어, CPM 가열로 인한 열적 오류를 감소시킬 수 있다. 앞서 기재된 동일한 평균 내기 프로세스가 사용될 수 있다.
2. 레이저 에너지 모니터(LEM) 교정
펄스 에너지의 상기 LEM 판독이 다음에 따라 오프셋 및 비율조정에 대해 교정되어, LEM PE 판독값 PElem(가령, μJ 단위로)을 도출한다:
PElem = (LemCount - LemOffset)*LemSF
여기서, LemCount는 LEM(116)으로부터의 원시 ADC 판독값이며, LEM(116) 및 CPM(612) 모두에 의해 일련의 파워 레벨, 0에서 최대 파워까지 측정함으로써 LemSF 및 LemOffset이 계산된다.
LEM 교정(716)은 (가령, 레이저 가공 장치(100)의 런타임 동안) 사용자 대화형 절차(user-interactive procedure)와 자동화된 절차(automated procedure) 모두로서 이용 가능할 수 있다. 하나의 실시예에서, 사용자 대화형 절차는 수집된 데이터 및 최적 근사 선(best-fit line)의 디스플레이와 측정 통계치를 포함한다. 자동화된 절차는 적절한 오차 검출 및 보고와 함께 자동으로 실행될 수 있다. 각각의 LEM 교정(716) 후, 광소자 성능저하의 진단 및 추적을 위해 업데이트된 SF 및 오프셋 값이 로그에 기록될 수 있다. 특정 실시예에서 LEM 교정(716)을 반복하지만 기존 교정 데이터를 이용하여 디스플레이 및 통계 보고를 위해 곡선 근사 선(curve-fit line)을 생성하는 LEM 검증 루틴이 제공된다. 하나의 실시예에서, LEM 교정(716)을 수행하기 위해 요구되는 시간이 1초 미만이다.
3. AOD 선형화 교정
상기 AOD 선형화 교정은 AOD 감쇠를 위한 선형화 테이블(622)을 생성한다. AOD 선형화 교정 절차는 AOD 투과율(618)을 단순히 선형화하고(즉, AOD 효율 투과율(618) 대 RF 명령어에 의해 개략적으로 나타나는 바와 같이, AOD 선형화 테이블(622)이 AOD의 비선형 투과율 응답을 선형화하도록 사용된다), 레이저 시스템(104) 또는 광소자 트레인의 특성에 종속적이지 않음(즉, 민감하지 않음)이 자명할 것이다. 이 시험이 고정 PRF로 실행되고 있는 경우 투과율 손실, 또는 레이저 파워 변동이 PRF와 무관하다. 이 교정은 피드백을 위해 LEM(116)을 이용하지만 상기 피드백은 단지 선형일 필요만 있다. 교정 알고리즘이 LEM 비율조정 및 오프셋을 무시할 수 있다. LEM(116)의 선형성 오차(linearity error)가 고정된 레이저 PRF에 대해 비교적 작기 때문에(가령, <1%), 상기 LEM 교정(716)은 AOD 선형화 교정에 대한 전제조건이 아니다.
AOD 선형화 교정이 런타임 동안 사용자 대화형 절차와 자동화된 절차 모두로서 이용 가능할 수 있다. 하나의 실시예에서, 사용자 대화형 절차는 관련 데이터 및 진행 업데이트(progress update)의 디스플레이를 포함한다. 하나의 실시예에서, 자동화된 절차는 적절한 오차 검출 및 보고와 함께 자동으로 실행된다. 자동화된 재교정이 수행되기 전에, (가령, 재교정 전 기존 선형화 데이터를 이용해) AOD 선형화 성능과, 진단적 추적을 위해 로그에 기록된 최대 오차를 검증하는 것이 유익하다. 덧붙여, 새 선형화 테이블 각각이, 특정 실시예에서, AOD 성능의 추적을 지원하기 위해 타임-스탬프(time-stamp)된 파일에 저장된다.
4. 레이저 펄스 에너지 테이블(LET) 교정
LEM(116)이 CPM(612)에 대해 교정된 후 상기 LET(710)는 LEM 판독값을 이용해 교정된다. 이는 LET 교정이 패널 프로세싱 바로 전에 빠르게 실행되게 하여, 개방-루프 실시간 파워 제어를 지원할 수 있는 유효 교정을 제공할 수 있다. LEM(116)이 어떠한 응답 지연 시간을 갖지 않기 때문에, LEM 판독값을 이용한 LET 교정이 고속 교정(가령, <1초)을 제공한다. LEM(116)을 기준 센서로서 이용하는 것이 레이저 성능저하 효과를 적절하게 설명한다. LEM(116)과 작업부재(102) 간 투과율 손실이 LEM 교정(716)의 불확실성 내에서 고려된다. LEM(116) 및 작업부재(102)(또는 CPM(612)) 간 광 투과율 손실의 변동 때문에, LEM(116)은 주기적으로 재교정된다.
특정 실시예에서, LET 교정이 사용자 대화형 절차, 완전 자동화된 절차, 또는 이들의 조합으로서 이용 가능하다. 대화형 절차(일반적으로 시스템 교정 동안 수행됨)에 의해 사용자는 데이터 결과를 검토하고 자동화된 절차에 대해 교정 파라미터를 특정할 수 있다. 상기 자동화된 절차는 작업부재(102)의 각각의 레이저 가공 전에 실행될 수 있으며, 오차의 경우를 제외하고, 임의의 사용자 대화를 반드시 필요로 하는 것은 아니다.
LET 교정 동안, AOD 투과율 명령어가 전체 AOD 편향 범위에 걸쳐 최대 선형화된 투과율로 일정하게 유지된다. 도 11은 하나의 실시예에 따르는 예시적 LET 교정 프로세스(1100)의 흐름도이다. LET 교정 프로세스(1100)는 파워를 끊기 위해CPM(612)으로 이동하는 것(1110)을 포함한다. 자동화된 LET 교정에 대해, 특정 실시예에 따라, 이는 이전 레이저-가공 시퀀스의 종료부분에서 이뤄져서 오버헤드를 최소화할 수 있다. LET 교정 프로세스(1100)는 전체 교정된 AOD 범위에 걸쳐 AOD 투과율을 최대 투과율로 명령하는 것(1112)을 더 포함한다. 지정 개수의 PRF 설정의 경우(가령, 적어도 20개의 PRF 설정의 경우) 레이저의 동작 PRF 범위를 포함하며, LET 교정 프로세스(1100): PRF를 다음 교정 값으로 설정하는 것(1114), 레이저 시스템(104)을 켜는 것(1116), 및 현재의 PRF 값에서 LEM 데이터의 선택된 개수의 샘플(가령, 적어도 1000개의 샘플)을 수집하는 것(1118)이 반복된다. LEM 데이터의 샘플을 수집하는 것(1118)은 데이터를 μJ로 변환하기 위해 LEM 교정(716)을 적용하는 것, 및 (교정 데이터에 대한) 평균 및 (진단을 위한) 표준 편차를 저장하는 것을 더 포함할 수 있다. LET 교정 프로세스(1100)는 레이저의 동작 PRF 범위를 커버하는 지정 개수의 PRF 설정에서 추가 PRF 설정이 존재하는지 여부를 질의하는 것(1120)을 더 포함한다. 추가 PRF 설정이 존재하는 경우, LET 교정 프로세스(1100)가 PRF를 다음 교정 값으로 설정하는 것(1114), 레이저 시스템을 켜는 것(1116), 및 현재(다음) PRF 값에서 LEM 데이터의 샘플을 수집하는 것(1118)으로 복귀한다.
각각의 PRF 설정에 대해 LEM 데이터가 수집되면, LET 교정 프로세스(1100)는, 각각의 PRF 설정에서 단기 레이저 변동을 필터링제거하기 위해 곡선을 최종 PE 대 PRF 데이터로 근사하는 것(1122)과, LEM 측정치에서 오차가 검출되는지 여부를 질의하는 것(1124)을 더 포함한다. 상기 LET 교정 프로세스(1100)는 임의의 PRF 설정에서의 LEM 측정의 표준 편차가 제 1 지정 임계값(가령, 5%)을 초과하는 경우, 또는 곡선 근사와 임의의 PRF 설정에서의 평균 PE 판독값 간 차이가 제 2 지정 임계값(가령, 1%)을 초과하는 경우 오차를 보고하는 것(1126)을 포함한다. 상기 LET 교정 프로세스(1100)는 곡선 근사 다항식을 기초로 하여 정규화된(가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 1.0의 최댓값까지) 1/PE 대 IPP의 룩업 테이블을 생성하는 것(1128)을 포함한다. 예를 들어, 40ns의 정수 배수에 의해 IPP가 특정된다. 특정 실시예에서, 룩업 테이블은 모두 레이저의 동작 범위에 걸쳐 IPP에 대해 유효한 엔트리를 포함한다. 예를 들어, 하나의 레이저 시스템은 40㎑ 내지 90㎑의 PRF 범위 내에서 동작하여, 25㎲ 내지 11.1㎲의 IPP 또는 278 내지 625개의 40ns IPP 카운트(348개의 엔트리)를 도출한다. LET 교정 프로세스(1100)는 LET 교정 테이블을 GIO로 다운로드하는 것(1130)을 더 포함한다.
앞서 언급된 대화형 교정 절차를 포함하는 특정 실시예에서, 상기 LET 교정 프로세스(1100)는 최종 데이터를 그래픽으로 디스플레이하는 것(1132)을 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 데이터 플롯(data plot)이 리뷰를 위해 제공되며, 이는 다음의 예시를 포함할 수 있다: 최종 다항식 근사 곡선으로 덮어써지는, 각각의 시험되는 PRF 데이터 포인트에서의 최소, 최대 및 평균 LEM 판독값에 대한 데이터 포인트, 각각의 PRF 데이터 포인트에 대한 LEM 판독의 (평균의 %로서의) 표준 편차, 및/또는 각각의 PRF 데이터 포인트에 대한 (가령, 평균의 %로서의) 곡선 근사와 평균 판독 간의 차이.
덧붙여 또는 그 밖의 다른 실시예에서, LET 교정 프로세스(1100)는 성능을 검증하기 위해 LET 검증 루틴을 수행하는 것(1133)을 포함한다. 예시적 LET 검증 루틴은, 사용자가 작업부재(102) 파워 및 PRF를 특정하고 CPM(612)에서 최종 파워를 판독하는 단일-포인트 시험 및/또는 특정된 펄스 에너지 설정에서의 모든 펄스 주기를 통과하는 AOD 선형화 검증과 유사한 자동화된 검증 절차를 포함한다. 피드백이 LEM(116)으로부터 취해진다. 오차가 PRF의 함수로서 그래픽으로 보고된다.
H. 실시간 파워 제어
하나의 실시예에서, GIO가 Q-스위치(QSW) 타이밍, LEM 판독값, IPP 명령어, 및 PE 명령어를 액세스하기 때문에, GIO는 실시간 파워 제어를 구현한다. 앞서 기재된 바와 같이, 파워 제어 명령어는 레이저 시스템(104) 내 레이저 펄스 발생의 QSW 타이밍으로의 명령어와 동기화될 수 있다. 특정 실시예에서, QSW 명령어에 의해 레이저 시스템(104)이 레이저 펄스를 발생시킬 수 있는 후에야 유효한 LEM 판독값이 이용 가능하다. DSP와 GIO 간의 레이저 명령어의 큐잉(queuing) 때문에, DSP는 레이저 명령어에 대한 LEM 피드백 데이터의 타이밍에 대한 제한된 지식을 가진다. GIO 내에 파워 제어 기능을 캡슐화함으로써 데이터 핸들링 및 오차 보고가 단순해 진다.
하나의 실시예에서, 실시간 파워 제어는 패널 프로세싱 직전에 GIO로 다운로드된 최근 교정된 LET(710)를 기초로 하는 개방 루프이다. LEM 센서로부터의 PE 피드백(PEfb)이 비율조정 배율 및 오프셋에 대해 교정된다. 상기 PEfb는 대응하는 PE 명령어(PEcmd)로부터 빼져서 오차 체크를 위한 PE 오차를 제공할 수 있다. PEcmd는 실시간으로 변경될 수 있고, 따라서 GIO는 대응하는 PEcmd 신호로부터 PEfb를 뺀다.
GIO 파워 제어기(616)는 PEfb, PE 오차(PEerr), 및 투과율 명령어(TransCmd)를 오차 체크 및 진단 기록을 위해 DSP로 스트리밍하며, 이는 이하에서 더 상세히 기재될 것이다. PEcmd = PEfb + PEerr이며, 필요에 따라 DSP에 의해 얻어지거나 편의에 따라 GIO 데이터 스트림에 추가될 수 있다. GIO 파워 제어기(616)는 DSP로부터의 데이터 스트림으로 PEcmd 및 IPP를 수신한다.
1. 파워 제어 루프
선택적 파워 제어 루프(PCL)(712)가 실시간으로 PE 오차를 모니터링하고 AOD 투과율 명령어를 조정하도록(가령, PE 오차를 초기화하도록) 포함될 수 있다. 도 6의 오버뷰가 PCL(712)을 시스템 파워 제어 서브시스템의 맥락으로 배치하며, 도 7은 PCL(712)에서의 신호 흐름을 상세히 나타낸다. 개방 루프 제어가 합리적인 시간 주기(가령, 몇 분) 동안 정확할 수 있기 때문에 상기 PCL(712)은 선택사항이다. 개방 루프 성능이 불충분한 것으로 발견되는 경우, 상기 PCL(712)이 구현될 수 있다.
상기 PCL(712)은 원하는 PE 설정값을 유지하기 위한 프로세싱 동안 명령된 AOD 투과율을 조정하도록 구성될 수 있다. 투과율 명령어의 잡음 감도(noise sensitivity) 및 과도한 디터링(dithering)을 피하기 위해, 응답 시간과 잡음 감도 간(즉, 잡음과 정착 시간 간) 타협(compromise)으로 선택된 교정 이득 alpha(알파)(α)를 적용한 후 오차가 적분된다. 다음의 수학식에 따라, 적분기 출력(DeltaTrans)이 명목 투과율(명령된 IPP 및 PE에 대해 LET(710)로부터 계산된 NomTrans)을 수정하여 최종 AOD 투과율 명령어를 생성할 수 있다. 특정 실시예에서, 이들 수학식이 QSW 사이클마다 한 번씩 평가된다(즉, 각각 PEfb가 업데이트됨).
DeltaTrans(k) = DeltaTrans(k-1) - alpha*(PEfb-PEcmd)/PEcmd
TransCmd(k) = NomTrans*[1 + DeltaTrans(k)]
DeltaTrans는 투과율 명령어의 상대적 변화율이다. 개방 루프 투과율 추정값이 가장 정확할 때(명목상 정확할 때), LET(710)의 재교정이 있으면 DeltaTrans가 0으로 설정될 수 있다. 특정 실시예에서, 이는 작업부재가 레이저 가공될 때마다 발생한다. 이 알고리즘은 GIO 펌웨어에서 어려울 수 있는 PEcmd에 의한 나눗셈을 포함한다. PEcmd를 1/PEcmd로 변환하여 상기 나눗셈을 곱셈으로 대체하기 위해 제 2 룩업 테이블이 사용될 수 있다.
I. 예시적 런타임 동작
도 12는 도 1에 도시된 작업부재(102)의 레이저 가공 동안 파워 제어를 위한 하나의 실시예에 따라 구현될 수 있는 예시적 동작 시퀀스(1200)의 흐름도이다. 동작 시퀀스(1200)는 애플리케이션을 셋업하고 로딩하는 것(1210)을 포함한다. 애플리케이션 셋업 동안, 동작 시퀀스(1200)는 시스템 인벤토리마다 하드코딩된 파워 한계 테이블(power limit table)에 대해 파워 설정을 검증한다. 또한 동작 시퀀스(1200)는 공차 또는 파워 레벨 위반이 검출되면 이를 사용자에게 경고한다. 동작 시퀀스(1200)는 레이저 셔터(laser shutter)를 개방하는 것(1212) 및 LEM/AOD 교정 타임아웃 주기가 만료됐는지 여부를 질의하는 것(1214)을 더 포함한다. LEM/AOD 교정 타임아웃 주기가 만료된 경우, 동작 시퀀스(1200)는 CPM(612)에 걸쳐 이동하는 것(1216), (가령, 자동화된 프로세스를 이용해) CPM(612)에 대해 LEM(116)을 재교정하는 것(1218), 및 (자동화된 프로세스를 이용해) AOD 선형화를 재교정하는 것(1220)을 포함한다.
동작 시퀀스(1200)는 애플리케이션 레시피 설정에서 레이저 파워 제어가 활성화되는지 여부를 질의하는 것(1222)을 더 포함한다. 레이저 파워 제어가 활성화된 경우, 동작 시퀀스(1200)가 자동화된 교정 루틴을 실행시킴으로써 LET(710)를 업데이트하는 것(1224), LET(710)를 교정 파일에 저장하는 것(1226), 업데이트된 LET(710)를 GIO에 다운로드하는 것(1228), 및 GIO 파워 제어기(616)에서 DeltaTrans를 0으로 재설정하는 것(1230)을 포함한다.
동작 시퀀스(1200)는 임의의 PE/PRF 조합이 LET(710)에 의해 기술되는 바와 같은 시스템 능력을 초과하는지 여부를 질의하는 것(1232)을 더 포함한다. PE/PRF 조합이 시스템 능력을 초과하는 경우, 동작 시퀀스(1200)는 오차를 플래깅(flagging)하고 프로세싱을 중단하는 것(1234)을 포함한다. 따라서 동작 시퀀스(1200)는 레이저 셔터를 폐쇄하는 것(1236)으로 진행한다. 그러나 어떠한 PE/PRF 조합도 LET(710)에 의해 기술되는 바의 시스템 능력을 초과하지 않는 경우, 상기 동작 시퀀스(1200)는 뷰잉 정렬(viewing alignment) 및 애플리케이션(패널/패턴) 정렬을 실행하는 것(1238), 상기 애플리케이션을 프로세싱하는 것(1240), 및 파워 제어 통계치 및 오차에 대해 실시간 파워 제어 피드백을 모니터링하는 것(1242)을 포함한다. 프로세싱의 완료 후, 동작 시퀀스(1200)는 PE 제어 통계치(가령, 명령된 PE의 퍼센트로서 최소, 최대, 평균 및 RMS 오차)를 로그기록하고, 임의의 파워 제어 오차를 로그기록하며 임의의 오차 상태를 사용자에게 보고하는 것(1244)을 더 포함할 수 있다. 상기 동작 시퀀스(1200)는 레이저 셔터(laser shutter)를 폐쇄함으로써(1236) 종료된다. 특정 실시예에서, AOD는 레이저 셔터로서 동작한다. 이러한 실시예에서, 레이저 셔터를 폐쇄하는 것(1236)은 0 투과율에 대한 투과율 명령어를 AOD로 전송하는 것을 포함한다.
도 12에 도시된 예시적 동작 시퀀스(1200)의 특정 상세사항이 아래와 같이 더 설명된다.
1. 애플리케이션 셋업
특정 실시예에서, 파워 한계 테이블에 의해 기술되는 특정 시스템 파워에 따라 애플리케이션이 셋업된다. 이 테이블은 대응하는 인벤토리 선택을 기초로 하는 특정된 레이저 성능(PE 대 PRF) 및 광소자 트레인 구성(효율)을 기초로 사전계산될 수 있다. 하나의 실시예에서, AOD 동작 편향 범위에 따라 추정 광 효율이 증가한다.
2. PE 공차 체크 및 오차 기록
레이저 가공 동안 PE의 적절한 제어가 바람직한 프로세스 제어를 촉진시킨다. 특정 실시예에서, PE 오차가 실시간으로 모니터링되고, 프로세서 제어 및 진단 데이터에 대해 PEfb 및 PEerr가 기록된다. 모니터링이 PE 판독이 일부 지정된 또는 사용자-정의된 가공 공차 내에 있는지 여부를 결정할 수 있다. 내재적 레이저 펄스 불안정성으로 인한 의사 오차(spurious error)를 피하기 위해, 공차 체크 전에 PE 오차가 필터링된다. PCL(712) 내 적분 필터의 경우처럼, PE 데이터가 가변 시간 간격을 두고 도착하기 때문에, 오차 필터가, 일정한 샘플링율보다는 모든 PE 샘플로 업데이트된다. 파워 공차 임계값을 설정하기 위한 실시간 명령어가 DSP로 전달되어 파워 공차 체크를 셋업할 수 있다.
하나의 실시예에서, 파워 제어 데이터(가령, TransCmd, PEcmd, PEfb 및 PEerr)가 장애 진단을 위해 기록된다. 이 데이터는 순환 버퍼에 저장될 수 있고, 공차가 발생할 때 불러와질 수 있다. PE 공차의 검출이 있으면, 오차 이벤트 주변에서 PE 데이터의 특정 개수의 샘플(가령, 적어도 100개의 샘플)을 캡처하기 위해 기록이 트리거된다.
하나의 실시예에서, 파워 공차가 검출되는 경우 작업부재(102)의 레이저 가공이 중단된다. 하나의 실시예에서, 사용자가 프로세싱 오차가 발생한 특징부의 근방에서 패널 프로세싱을 재개할 수 있다. (레이저 가공 중이던 작업부재(102) 영역이 오차의 근방에서 폐기될 가능성이 높기 때문에) 약간의 프로세싱 중복 또는 갭이 허용가능할 수 있다. 하나의 실시예에서, 프로세싱의 맥락에서 오차가 사용자에게 표시된다(가령, 장애 위치가 강조된 작업부재의 그래픽이 디스플레이를 통해 사용자에게 표시될 수 있다).
3. 파워 공차 정책
SCC 레벨에서, 애플리케이션을 실행시킬 때 공차 체크는 선택사항일 수 있다. 공차 체크가 비활성화된 경우, 앞서 기재된 바와 같이 실시간 파워 제어가 여전히 적용될 수 있지만, LET(710)가 재교정되지 않을 수 있고, 런-타임 공차 체킹이 비활성화될 수 있다.
하나의 실시예에서, 그리고 도 10을 참조하면, 펄스 주기(PP)(즉, 1/PRF)가 동기화 데드존(synchronization deadzone) 없이 프로세스 세그먼트들 간에(가령, 프로세스 세그먼트 "n"과 후속 프로세스 세그먼트 "n+1" 간에) 변경되어, 펄스 주기 또는 PRF의 "매끄러운(seamless)" 변경이 가능할 수 있다. 하나의 펄스 주기에서 또 다른 펄스 주기로의 변이 동안, 단 2개의 펄스 주기만 존재하는데, 즉, 둘 사이에 어떠한 중간 또는 특이적으로 높거나 낮은 펄스 주기가 존재하지 않는다. 이는 레이저 시스템(104)이 임의의 펄스 주기에서 예측 가능한 펄스 에너지의 레이저 펄스(1000)를 발생시킬 수 있게 한다. 일반적으로, 각각의 프로세스 세그먼트에서 작업부재(102)에 전달되는 레이저 펄스(1000)의 PE를 제어하기 위해 앞서 언급된 AOD 투과율이 2개의 펄스 주기 설정 간에 변경된다.
펄스 주기들 간 변이(가령, PPn과 PPn+1 간 스위칭)가 적어도 실질적으로 "매끄럽도록" 하기 위해, GIO는 최종 PPn(가령, 1002로 지정됨) 동안 새 펄스 주기를 특정한다. 상기 GIO가 이 새 펄스 주기(가령, PPn+1)를 인식하고 이 새 값에 따라 후속하는 레이저 펄스를 셋업한다. PPn과 PPn+1 간 스위치가 올바른 시점에서(가령, 1㎲ 내에) 발생하도록 상기 DSP가 이 명령어의 타이밍을 정한다.
하나의 실시예에서, 세그먼트 경계부(1004)에 대한 레이저 펄스의 타이밍이 설명된다. 하나의 실시예에서, 빔 위치의 속도가 프로세스 세그먼트들 간에 변경되어서, 새 펄스 주기(PPn+1)와 연관된 하나의 변이 펄스(1006)에 대한 바이트 크기(bite size)의 변경을 야기한다. 또 다른 실시예에서, 새 프로세스 세그먼트(n+1)에 대해 새 펄스 주기(PPn+1)가 레이저 시스템에 의해 발생된 레이저 펄스의 PE를 변경시킬 가능성이 높기 때문에 새 프로세스 세그먼트(n+1) 동안 발생된 레이저 펄스에 대한 AOD 투과율이 구축된다. 따라서 적절한 PE 명령어(AOD 투과율)에서 적절한 프로세스 세그먼트 내에서 레이저 시스템(104)에 의해 투과율 펄스(1006)가 생성된다.
도 10에 도시된 실시예의 펄스 동기화 프로세스에 따라, 특정 프로세스 세그먼트 동안 발생된 제 1 레이저 펄스가 프로세스 세그먼트의 시작 이후에 초기화 주기(initialization period)(1008)(가령, 특정 프로세스 세그먼트와 연관된 펄스 주기의 절반과 동일함) 내에 발생된다(가령, PPn이 1㎲인 경우, 초기화 주기는 0.5㎲일 수 있다). 또 다른 실시예에서, 특정 프로세스 세그먼트 동안 발생되는 마지막 레이저 펄스가 프로세스 세그먼트의 시작 이후 종결화 주기(finalization period)(1010)(가령, 특정 프로세스 세그먼트와 연관된 펄스 주기의 절반과 동일함)내에 발생된다(가령, PPn이 1㎲인 경우, 종결화 주기는 0.5㎲일 수 있다).
해당 분야의 통상의 기술자라면 본 발명의 기본 원리 내에서 앞서 기재된 실시예의 상세사항에 많은 변경이 이뤄질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 작업부재의 하나 이상의 물질 내에 특징부를 형성 또는 가공하기 위한 레이저 가공 장치로서, 상기 레이저 가공 장치는
    레이저 펄스의 빔을 발생하기 위한 레이저 시스템,
    레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 펄스 단위로 조정하기 위한 펄스 에너지 제어 시스템 - 상기 펄스 에너지 제어 시스템은 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency)(PRF)의 함수로서 레이저 펄스 에너지를 사상하는 교정된 투과율 곡선을 기초로 각각의 레이저 펄스에 대해 펄스 에너지 투과율 값을 선택하는 개방 루프 피드포워드 제어 경로를 포함함 - , 및
    상기 작업부재에 대해 레이저 펄스의 빔의 하나 이상의 위치를 조화시키기 위한 포지셔닝 시스템
    을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 레이저 펄스 에너지를 측정하기 위한 레이저 에너지 모니터, 및
    레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 상기 레이저 에너지 모니터로부터의 피드백을 기초로 더 조정하기 위한 파워 제어 루프
    를 더 포함하는, 레이저 가공 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 개방 루프 피드포워드 제어 경로는 교정된 투과율 곡선을 기초로 제 1 투과율 명령어 신호를 이용해 각각의 레이저 펄스에 대한 펄스 에너지 투과율 값을 선택하며,
    상기 파워 제어 루프는
    선택된 레이저 펄스 에너지와 레이저 에너지 모니터에 의해 제공되는 측정된 레이저 펄스 에너지 간 차이를 포함하는 펄스 에너지 오차 신호를 수신하며,
    펄스 에너지 오차 신호를 기초로 투과율 교정 신호를 계산하고,
    각각의 레이저 펄스에 대한 펄스 에너지 투과율 값을 선택하기 위한 제 2 투과율 명령어 신호를 생성하기 위해 투과율 교정 신호에 의해 제 1 투과율 명령어 신호를 수정하도록
    구성되는, 레이저 가공 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 파워 제어 루프는 응답 시간과 잡음 감도를 기초로 선택된 교정 이득(correction gain)을 적용한 후 펄스 에너지 오차 신호를 적분함으로써 투과율 교정 신호를 계산하도록 구성되는, 레이저 가공 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 개방 루프 피드포워드 제어 경로는 작업부재에서의 레이저 펄스 에너지의 가용 값 대(versus) PRF를 포함하는 레이저 펄스 에너지 테이블(LET)을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  6. 제5항에 있어서, 펄스 에너지 제어 시스템은 현재의 PRF에서 선택된 펄스 에너지에 대한 LET를 기초로 감쇠기의 투과율을 변화시킴으로써 레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 펄스 에너지의 교정된 광 파워 감쇠를 구현하기 위한 감쇠기를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 감쇠기는 음향-광 편향기(AOD), 음향-광 변조기(AOM), 및 전기-광 변조기(EOM)를 포함하는 군 중에서 선택되는, 레이저 가공 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 감쇠기는 감쇠기의 비선형 투과율 특성 대 인가된 무선 주파수(RF) 파워 및/또는 주파수를 사상하는 투과율 선형화 테이블(transmission linearization table)을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 펄스 에너지 제어 시스템은
    레이저 펄스의 빔의 레이저 펄스 에너지들을 측정하기 위한 레이저 에너지 모니터(LEM), 및
    레이저 가공 장치에서의 파워 측정을 위한 기준 센서를 제공하기 위한 척 파워 계측기(CPM) - LEM에 의해 제공되는 측정된 레이저 펄스 에너지가 CPM에 의해 제공되는 측정에 대해 교정됨 -
    를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 펄스 에너지 제어 시스템은 LEM에 의해 제공되는 측정된 레이저 펄스 에너지를 이용해 LET에서의 레이저 펄스 에너지의 가용 값을 교정하도록 구성되는, 레이저 가공 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 펄스 에너지 제어 시스템은 PRF의 변경에 응답하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 조정하도록 구성되는, 레이저 가공 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 펄스 에너지 제어 시스템은 작업부재에 대한 레이저 펄스의 빔의 선택된 위치를 기초로 하여 포지셔닝 시스템과 조화하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 조정하도록 구성되는, 레이저 가공 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 포지셔닝 시스템은
    제 1 스캔 필드(scan field) 내에서 레이저 펄스의 빔으로 작업부재를 스캔하기 위해 작업부재를 하나 이상의 방향으로 병진운동시키도록 구성된 작업부재 포지션 시스템, 및
    제 2 스캔 필드 내에서 상기 작업부재를 스캔하도록 레이저 펄스의 빔을 지향시키기 위한 빔 포지셔닝 시스템 - 상기 제 2 스캔 필드는 제 1 스캔 필드 내에 있으며 상기 제 1 스캔 필드보다 작음 -
    을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 펄스 에너지 제어 시스템은 레이저 펄스의 빔을 더 지향시켜 제 3 스캔 필드 내에서 작업부재를 스캔하기 위한 편향기를 포함하며, 상기 제 3 스캔 필드는 상기 제 2 스캔 필드 내에 있으며 상기 제 2 스캔 필드보다 작은, 레이저 가공 장치.
  15. 레이저 펄스의 빔 내 레이저 펄스가 작업부재에 충돌하게 함으로써 상기 작업부재를 레이저 가공하도록 구성된 레이저 가공 장치에 의해 발생되는 레이저 펄스의 빔 내 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    펄스 에너지를 펄스 반복 주파수(PRF)의 변화에 사상하는 교정된 투과율 곡선을 기초로 하여 레이저 펄스의 빔 내 레이저 펄스 각각에 대한 펄스 에너지 투과율 값을 선택하는 단계,
    선택된 펄스 에너지 투과율 값을 기초로 하여, 레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 펄스 단위로 조정하는 단계, 및
    레이저 펄스의 빔의 움직임을 작업부재에 대해 조화(coordinate)시키는 단계
    를 포함하는, 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    레이저 펄스의 빔 내 각각의 레이저 펄스의 레이저 펄스 에너지를 측정하는 단계, 및
    측정된 레이저 펄스 에너지를 기초로 하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 더 조정하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    교정된 투과율 곡선을 기초로 하여 제 1 투과율 명령어 신호를 이용해 각각의 레이저 펄스에 대한 펄스 에너지 투과율 값을 선택하는 단계,
    선택된 레이저 펄스 에너지와 측정된 레이저 펄스 에너지 간 차이를 포함하는 펄스 에너지 오차 신호를 수신하는 단계,
    펄스 에너지 오차 신호를 기초로 하여 투과율 교정 신호를 계산하는 단계, 및
    각각의 레이저 펄스에 대해 펄스 에너지 투과율 값을 선택하기 위한 제 2 투과율 명령어 신호를 생성하도록 상기 투과율 교정 신호에 의해 상기 제 1 투과율 명령어 신호를 수정하는 단계
    를 더 포함하는, 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 투과율 교정 신호를 계산하는 단계는 응답 시간과 잡음 감도를 기초로 하여 선택된 교정 이득을 적용한 후 펄스 에너지 오차 신호를 적분하는 단계를 포함하는, 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법.
  19. 제15항에 있어서, PRF의 변화에 응답하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 조정하는 단계를 더 포함하는, 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법.
  20. 제15항에 있어서, 선택된 레이저 펄스 에너지가 작업부재 상 또는 작업부재 내 대응하는 위치에 제공되도록, 작업부재에 대한 레이저 펄스의 빔의 조화 움직임(coordinating movement)을 기초로 하여 레이저 펄스의 빔 내 하나 이상의 레이저 펄스의 펄스 에너지를 조정하는 단계를 더 포함하는, 레이저 펄스 파워를 제어하기 위한 방법.
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