KR20180118143A

KR20180118143A - 레이저 가공 시스템에서 이미지 평면의 위치

Info

Publication number: KR20180118143A
Application number: KR1020187025789A
Authority: KR
Inventors: 유안 리우; 홍후아 휴; 짐 브룩카이저; 광유 리; 브랜든 빌리엔; 커트 이튼
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2018-10-30
Also published as: JP2019512397A; US20190001434A1; WO2017161284A1; US10864599B2; CN108700661A; TW201733728A

Abstract

제1 공간적 강도 분포에 의해 특징지어 지는 제1 레이저 에너지 빔 발생을 포함하는 작업물 가공 방법 및 장치가 개시된다. 제1 작업물은 스캔 렌즈와 제1 작업물 사이의 제1 거리로 복수의 피처들을 형성하고, 제2 거리로 제2 피처들을 형성하기 위해 제1 레이저 에너지 빔을 사용하여 제1 작업물이 가공된다. 방법은 복수의 피처들 중 어느 피처가 제1 공간적 강도 분포의 형태에 가장 근접하게 닯은 형태를 갖는지 판단, 및 가공 거리를 그 피처를 생성한 거리로 설정을 포함한다. 이러한 가공 거리를 사용하여, 제2 작업물의 표면은 제2 공간적 강도 분포를 갖는 제2 레이저 에너지 빔을 사용하여 가공된다.

Description

레이저 가공 시스템에서 이미지 평면의 위치

본원에 기술된 실시예들은 일반적으로 이미지 평면의 위치에 관한 것이고, 더 구체적으로 레이저 가공 시스템에서 이미지 평면을 위치시키는 방법들 및 장치에 관한 것이다.

알려진 "충격식(percussion)" 드릴링 기법들을 이용하여 작업물들(예를 들어, 인쇄 회로 기판들)에 비아들을 드릴링하는 것과 같은 레이저 가공 시스템들에서, 레이저 빔은 원형 개구(aperture)를 이용하여 통상적으로 공간적으로 클리핑(clipped)되거나, 성형되거나 또는 다른 방식으로 이미징(imaged)되며, 이후에 스캔 렌즈에 의해 집속되고 작업물의 표면으로 지향된다. 통상적으로, 이미징된 레이저 빔의 공간적 강도 특징들은 개구와 연관된 이미지 평면에서 레이저 삭마에 최적이다. 따라서, 작업물 표면이 이미지 평면과 미리 결정된 공간적 관계를 가질 때(예를 들어, 작업물 표면 및 이미지 평면이 동일 평면 상에 있거나, 적어도 실질적으로 스캔 렌즈 및 작업물이 서로에 대해 관련되어 위치되는 정밀도 및 정확도를 가질 때), 개구는 작업물 표면에서 "이미징된" 것으로 여겨지고, 작업물에 형성된 피처들(features)은 바람직한 기하학적 특징들(예를 들어, 크기, 형태, 깊이 등)을 갖는다.

이미지 평면을 찾는 하나의 방법은, 사용자에게 레이저 시스템으로, (즉, 원형 개구를 사용하여 클리핑 된) 레이저 빔을 사용하여 작업물에 시험 패턴을 삭마한 후, 시험 패턴의 특정 기하학적 특징들(예를 들어, 크기, 형태, 깊이 등)이 수용 가능한지 시각적으로 판단하는 실험을 요구한다. 종종, 실험은 다수 회 수행되고, 사용자는 각 실험을 위해 작업물의 표면과 스캔 렌즈 사이의 거리를 변화시킨다. 다양한 거리들 하에 수행된 실험들로부터 획득된 시험 패턴들은 시험 패턴이 최선의 기하학적 특징들을 갖는지 결정하기 위해 시각적으로 비교된다. 최선의 기하학적 특징들을 갖도록 판단된 시험 패턴을 생성하는 실험 동안, 작업물 표면이 존재하는 평면은 그 후, 이미지 평면으로 간주된다.

다른 방식으로 수행될 수 있는 실험들의 횟수를 줄이기 위해, 레이저 시스템의 레이저 빔, 개구 및 스캔 렌즈의 광학 특성들은 처음에, 이미징된 레이저 빔이 최소 스폿 크기(즉, 최대 중앙 복사 휘도(radiance))를 갖는 (빔이 전파하는 축에 직교하는) 평면 및 이미지 평면 사이의 거리(또한 본원에서 "△z"로 지칭됨)를 추정하기 위해 모의실험 될 수 있다. △z가 추정되면, 시스템 사용자는 최소 스폿 크기의 평면에 작업물의 표면을 위치시키기 위해 (예를 들어, 스캔 렌즈 또는 작업물을 지지하는 스테이지를 작동함으로써) 스캔 렌즈와 작업물의 표면 사이의 거리를 조정한 후, 작업물 표면을 (공칭의) 이미지 평면으로 이동시키기 위해 △z와 동일한 오프셋을 추가한다. 레이저 빔 전력은 또한, 스캔 렌즈에 대해 작업물 표면의 변경된 위치를 보상하기 위해 조정될 수 있다. 시험 패턴들은 그 후, 작업물 표면의 최적의 위치를 확인하기 위해 작업물 표면이 공칭의 이미지 평면에 위치되는 실험과, 작업물 표면이 공칭 이미지 평면의 약간 위 및/또는 약간 아래로 위치되는 수 개의 실험들 동안 삭마될 수 있다.

앞서 논의된 시뮬레이션 기법은 유용하지만, 단점들이 없지는 않다. 예를 들어, 레이저 시스템을 모의 실험하고 △z를 추정하는데 필요한 소프트웨어는 비용이 많이 들고, 통상적인 레이저 가공 시스템에 쉽게 통합될 수 없다. 또한, 시뮬레이션을 수행하는 것은 시스템 사용자가 보유하지 못할 수 있는 광학계(optics)의 깊은 지식을 요구한다. 또한, 작업물에 삭마된 시험 패턴들은 일반적으로 형태가 둥글고, 심지어 스캔 렌즈와 작업물 표면 사이의 거리가 변할 때, 레이저 빔 전력을 조정하는 것은 삭마된 시험 패턴에서 피처들의 크기 및 깊이를 변화시킬 수 있다. 그러므로, 작업물 표면이 이미지 평면 내에 있을 때 형성된 시험 패턴을 정밀하게 식별하는 것은 어렵고, 시간 소모적인 공정일 수 있다.

스캔 렌즈를 갖는 레이저 가공 시스템을 사용하여 작업물을 가공하는 방법과 방법을 수행하도록 적응된 장치가 본원에 개시된다. 방법은 레이저 에너지 빔이 전파하는 경로에 직교하는 평면에서 볼 때 빔의 초점에서 비-구형 주변 형태(perimeter shape)를 갖는 제1 공간적 강도 분포에 의해 특징 지어지는 제1 레이저 에너지 빔 발생을 포함한다.

제1 작업물은 제1 레이저 에너지 빔을 사용하여 가공된다. 이 가공은 제1 가공에서 복수의 피처들 형성을 포함하고, 복수의 피처들 중 하나의 형성 동안 스캔 렌즈와 제1 작업물 사이의 제1 거리는 복수의 피처들 중 적어도 다른 하나의 형성 동안 스캔 렌즈와 제1 작업물 사이의 제2 거리와 상이하다.

방법은 복수의 피처들 중 어느 피처가 제1 공간적 강도 분포의 형태에 가장 근접하게 닮은 형태를 갖는지 판단, 및 제1 공간적 강도 분포의 형태에 가장 근접하게 닮은 형태를 갖는 피처의 형성 동안, 가공 거리를 스캔 렌즈와 제1 작업물 사이의 거리로 설정을 더 포함한다. 이미징 평면은 스캔 렌즈로부터 레이저 에너지 빔이 전파하는 경로에 직교하는 평면까지의 가공 거리에서의 평면으로 판단된다.

제2 작업물의 표면은 실질적으로 이미지 평면에 배치된다. 제1 공간적 강도 분포와 상이한 제2 공간적 강도 분포에 의해 특징지어 지는 변조된 레이저 에너지 빔을 형성하기 위해 제2 레이저 에너지 빔이 발생된다. 제2 공간적 강도 분포에 의해 특징지어 지는 변조된 레이저 에너지 빔을 사용하여, 이미지 평면에 배치된 제2 작업물의 표면이 가공된다.

도 1은 레이저 가공 시스템에서 이미지 평면을 위치시키는 일 실시예의 물리적인 요소들을 도시하는 개략도이다.

I. 도입

첨부 도면들을 참조로 예시적인 실시예들이 여기에서 기술된다. 달리 명시되지 않는 한, 도면들에서 구성요소들, 피처들, 요소들 등의 크기들, 위치들 등은 물론 이들 사이의 임의의 거리들은 축척대로 도시된 것은 아니고 명료함을 위해 과장된다.

본원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 예시적인 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에 사용된 단수형들인 "하나의(a, an)" 및 "그(the)"는 문맥상 분명히 달리 지시하지 않는 한 복수형도 포함하는 것으로 의도된다. "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어들은, 본 명세서에서 사용될 때, 명시된 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 값들의 범위는, 언급될 때 범위의 상한 및 하한은 물론, 그 사이의 임의의 하위 범위를 모두 포함한다. 달리 지시되지 않는 한, "제1", "제2" 등과 같은 용어들은 하나의 요소를 다른 요소와 구분하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 하나의 노드는 "제1 노드"로 칭할 수 있고, 마찬가지로 다른 노드는 "제2 노드"로 칭할 수 있으며 그 역으로도 가능하다. 본원에 사용된 섹션 제목들은 오직 구조적인 목적이고, 기술되는 주제를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

달리 지시되지 않는 한, "약", "대략" 등이란 용어는 양들, 크기들, 제형들(formulations), 파라미터들 및 다른 수량들과 특성들이 정확하지 않고 정확할 필요도 없으나, 바람직한 경우, 반영 공차들(reflecting tolerances), 변환 인자들, 반올림, 측정 오차 등, 그리고 이 분야의 기술자에게 알려진 다른 인자들에 대한 근사치이거나 및/또는 이보다 크거나 작을 수 있음을 의미한다.

"아래의(below)", "아래쪽의(beneath)", "낮은(lower)", "위의(above)", 그리고 "높은(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 것처럼, 하나의 요소 또는 피처와 다른 요소 또는 피처의 관계를 기술하는 설명의 용이함을 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들이 도면들에 도시된 배향에 부가하여 상이한 배향들도 포괄하는 것으로 의도됨을 인식해야 한다. 예를 들어, 도면들에서 객체가 회전되면, 다른 요소들 또는 피처들 "아래의" 또는 "아래쪽"으로 기술된 요소들은 다른 요소들 또는 피처들의 "위"로 배향될 것이다. 따라서, "아래의"란 예시적인 용어는 위 및 아래의 배향 양자를 포괄할 수 있다. 객체는 다르게 배향될 수 있고(예를 들어, 90도 또는 다른 배향들로 회전됨), 본원에서 사용되는 공간적으로 상대적인 기술자들은 그에 따라 해석될 수 있다.

도면들 전체에 걸쳐 유사한 부호들은 유사한 요소들을 지칭한다. 따라서, 동일하거나 유사한 부호들은, 대응하는 도면에서 언급되거나 기술되지 않더라도, 다른 도면을 참조로 기술될 수 있다. 또한, 참조 부호들로 표기되지 않은 요소들도 다른 도면들을 참조로 기술될 수 있다.

본 개시의 사상 및 교시들을 벗어나지 않고 다수의 상이한 형태들 및 실시예들이 가능할 수 있음이 인식될 것이고, 따라서 본 개시는 본원에 제시된 예시적인 실시예들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 예시 및 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하며, 이 기술분야의 기술자에게 본 개시의 범주를 전달하도록 제공된다.

II. 시스템 개요

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 이미징된 레이저 에너지 빔을 사용하여 작업물을 가공하도록 구성된 레이저 가공 시스템을 개략적으로 도시한다. 아래에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 이미징된 레이저 에너지 빔은 개구, 마스크 등의 이미지를 가공될 작업물로 투영하기 위해, 개구, 마스크 등을, 레이저 에너지 빔으로 조명함으로써 생성된다.

일반적으로, 가공은 작업물이 형성되는 하나 이상의 재료들의 하나 이상의 특성들 또는 특징들(예를 들어, 화학적 조성, 결정 구조, 전자 구조, 미세 구조, 나노 구조, 밀도, 점도, 인덱스(index))을 가열, 융해, 기화, 삭마, 균열(crack), 변색, 광택 처리(polish), 거칠어지게 처리(roughen), 탄화, 발포처리(foam) 또는 다른 방식으로 변형하기 위해, 그 전체가 또는 부분적으로, 레이저 광선으로 작업물을 조사함으로써 달성된다. 이러한 재료들은 가공 이전 또는 그 동안 작업물의 외부 표면에 있거나, 또는 가공 이전 또는 그 동안 작업물 내에(즉, 작업물의 외부 표면에는 존재하지 않음) 위치될 수 있다. 도시된 장치에 의해 수행될 수 있는 가공들의 특정 예시들은, 비아 드릴링, 천공, 용접, 스크라이빙(scribing), 인그레이빙(engraving), 마킹(예를 들어, 표면 마킹, 하위 표면 마킹 등), 절단, 레이저 유도 순방향 이송(laser-induced forward transfer), 세척, 표백, 밝은 픽셀 교정(bright pixel repair)(예를 들어, 컬러 필터 암화(darkening), OLED 물질의 변경 등), 코팅 제거, 표면 텍스처링(texturing) 등을 포함한다. 따라서, 가공의 결과로서 작업물 상에 또는 그 내부에 형성될 수 있는 피처들은 개구부들(openings), 슬롯들, 비아들(예를 들어, 블라인드 비아들, 관통 비아들, 슬롯 비아들), 홈들, 트렌치들, 스크라이브 라인들, 커프들(kerfs), 오목한 영역들, 전도성 트레이스들(conductive traces), 옴 접촉들, 저항 패턴들, 표시(예를 들어, 하나 이상의 시각적으로, 문자로, 구조상으로 등, 구분하는 특징들을 갖는 작업물 내의 또는 작업물 상의 하나 이상의 영역들로 구성됨), 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 개구부들, 비아들 등으로 형성될 때, 이러한 피처들은 임의의 적합한 또는 바람직한 형태(예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 환형 등 또는 이들의 임의의 조합)를 가질 수 있다.

장치에 의해 가공될 수 있는 작업물들은 일반적으로 금속들, 폴리머들, 세라믹들 또는 조성물들(composites)로 특징지어질 수 있다. 가공될 수 있는 작업물들의 특정 예시들은 인쇄 회로 기판들(PCBs)의 패널들(또한, 본원에서 "PCB 패널들"로 지칭됨), PCB들, 연성 인쇄 회로들(FPCs), 집적 회로들(ICs), IC 패키지들(ICPs), 발광 다이오드들(LEDs), LED 패키지들, 반도체 웨이퍼들, 전자 또는 광학 디바이스 기판들(예를 들어, Al₂O₃, AlN, BeO, Cu, GaAS, GaN, Ge, InP, Si, SiO₂, SiC, Si_1-xGe_x (여기서, 0.0001 < x < 0.9999) 등 또는 이들의 임의의 조합 또는 합금으로 형성된 기판들), 미소유체(microfluidic) 디바이스들을 위한 플라스틱, (예를 들어, 열, 화학 또는 다른 방식으로 비강화된(unstrengthened) 또는 강화된) 유리, 석영, 사파이어, 플라스틱, 실리콘 등으로 형성된 물품들, 터치 센서들, 전자 디스플레이들의 구성요소들(예를 들어, 그 위에 형성된 기판들, TFT들, 컬러 필터들, 유기 LED(OLED) 어레이들, 양자점 LED 어레이들 등 또는 이들의 임의의 조합), 커버 슬립들(coverslips), 렌즈들, 미러들, 스크린 프로젝터들 등, 터빈 블레이드들(turbine blades), 파우더들, 필름들, 포일들, 플레이트들(plates), 금형들, 섬유들(직물, 펠트(felted) 등), 외과용 기구들, 의료용 삽입물들(implants), 소비재 제품들, 신발들, 자전거들, 차량들, 차랑용 또는 항공 우주 산업용 부품들(예를 들어, 프레임들, 몸체 패널들 등), 전기 기구들(예를 들어, 전자레인지들, 오븐들, 냉장고들 등), 디바이스 하우징들(예를 들어, 시계들용, 컴퓨터들용, 스마트폰들용, 태블릿 컴퓨터들용, 웨어러블 전자 디바이스들 용 등 또는 이들의 임의의 조합)을 포함한다. 스마트폰들은 일반적으로 (애플(APPLE), 삼성(SAMSUNG) 등에서 제조된) 아이폰(IPHONE), 갤럭시(GALAXY) 등과 같은 휴대용 전자 디바이스들을 포함하는 것으로 이해된다. 태블릿 컴퓨터들은 일반적으로, (애플, 삼성, 구글(GOOGLE), 소니(SONY) 등에서 제조된) 아이패드(IPAD), 갤럭시 노트(GALAXY NOTE), 넥서스(NEXUS), 엑스페리아(XPERIA)와 같은 휴대용 전자 디바이스들을 포함하는 것으로 이해된다. 웨어러블 전자 디바이스들은 일반적으로, 보통 사용자의 손목에 착용되는, (페블사(PEBBLE), 애플, 모토로라(MOTOROLA), 소니 등에서 제조된), 페블, 애플 워치(APPLE WATCH), 모토 360(MOTO 360), 스마트워치(SMARTWATCH), 기어(GEAR) 등과 같은 전자 디바이스들을 포함하는 것으로 이해되며, 보통 사용자의 발, 다리, 몸, 팔, 손가락, 머리, 귀 등에 착용되는 전자 디바이스들도 포함할 수 있다.

따라서, 가공될 수 있는 물질들은 하나 이상의 금속들(예를 들어, Al, Ag, Au, Cu, Fe, In, Mg, Pt, Sn, Ti 등 또는 조합들 또는 이의 합금), 전도성 금속 산화물들(예를 들어, ITO 등), 투명한 전도성 폴리머들, 세라믹들, 왁스들, 수지들, (예를 들어, 예를 들어, 산화규소, 질화규소, 산질화규소 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 층간 유전 구조들로 사용되는) 무기 유전 물질들, 로우-k(low-k) 유전 물질들(예를 들어, 메틸 실세스퀴옥산(MSQ), 하이드로겐 실세스퀴옥산(HSQ), 플루오르화 테트라에틸 오소실리케이트(FTEOS) 등 또는 이들의 임의의 조합), 유기 유전 물질들(예를 들어, (도우(Dow) 사에서 제조된) 실크(SILK), 벤조시클로부텐, 노틸러스(Nautilus), (듀퐁(DuPont) 사에서 제조된) 폴리플루오로테트라에틸렌, (얼라이드 케미컬(Allied Chemical) 사에서 제조된) FLARE 등 또는 이들의 임의의 조합), 유리 섬유들, 폴리머 물질들(폴리아미드들, 폴리이미드들, 폴리에스테르들, 폴리아세탈들, 폴리카보네이트들, 변성 폴리페닐렌 에테르들, 폴리부틸렌 테레프탈레이트들, 폴리페닐렌 설파이드들, 폴리에테르 술폰들, 폴리에테르 이미드들, 폴리에테르 에테르 케톤들, 액정 폴리머들, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 및 이들의 임의의 화합물, 조성물 또는 합금), 가죽, 종이, 강화(build-up) 물질들(예를 들어, "ABF" 등으로 알려진 안지노모토(ANJINOMOTO) 강화 필름 등), 유리 보강된(glass fiber-reinforced) 에폭시 수지 라미네이트(예를 들어, FR4), 프리프레그들(prepregs) 등 또는 이들의 임의의 조성물, 라미네이트 또는 다른 조합을 포함한다.

도 1을 참조하면, 레이저 가공 시스템(100)은 레이저 펄스들을 발생시키는 레이저원(102), 빔 이미징 시스템(104), 빔 위치 지정기(106), 작업물 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(110), 제어기(112) 및 경우에 따라 카메라(114)를 포함한다. 도시되진 않았지만, 레이저 가공 시스템(100)은 레이저원(102)에 의해 발생된 레이저 펄스들을 레이저원(102)과 스캔 렌즈(110) 사이로 연장하는 하나 이상의 빔 경로들(예를 들어, 빔 경로(116))을 따라 집속, 확장, 시준(collimate), 성형(shape), 편광, 필터링, 분할, 결합, 또는 다른 방식으로 변형, 조절(condition) 또는 지향하기 위해, 하나 이상의 광학 구성요소들(예를 들어, 빔 익스팬더들(beam expanders), 빔 성형기들(shapers), 개구들, 고조파 발생 결정들(crystals), 필터들, 시준기들(collimators), 렌즈들, 미러들, 편광기들, 파장판들, 회절 광학 요소들 등 또는 이들의 임의의 조합)을 더 포함한다. 스캔 렌즈(110)를 통해 운반된 레이저 펄스들은 빔 축을 따라 전파하여, 작업물(101)로 전달된다. 레이저 펄스들은, 통상적으로 가공될 작업물 표면(101a)의 영역으로 입사되도록 전달된다. 전달된 레이저 펄스에 의해 방사되는 영역은 본원에서 "가공 스폿", "스폿 위치" 또는 더 간단하게 "스폿"으로 지칭되고, 이는 빔 축이 작업물(101)을 횡단하는 영역을 포괄한다.

A. 레이저원

일 실시예에서, 레이저원(102)은 레이저 펄스들을 발생시키기 위해 동작된다. 가령, 레이저원(102)은 펄스 레이저원, QCW 레이저원 또는 CW 레이저원을 포함할 수 있다. 레이저원(102)이 QCW 또는 CW 레이저원을 포함하는 경우, 레이저원(102)은 QCW 또는 CW 레이저원으로부터 출력된 레이저 방사의 빔을 시간적으로 변조하기 위한 펄스 게이팅(pulse gating) 유닛(예를 들어, 음향 광학(AO) 변조기(AOM), 빔 초퍼(beam chopper) 등)을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저원(102)에 의해 발생된 레이저 펄스들은 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시광선(예를 들어, 녹색), 적외선(IR), 근적외선(NIR), 단파장 IR(SWIR), 중간 파장 IR(MWIR), 또는 장파장 IR(LWIR) 영역 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다.

레이저원(102)에 의해 출력되는 레이저 펄스들은 30 fs 내지 900 ms의 범위 내에 있는 (즉, 광 전력 대 시간의 반치 전폭(full-width at half-maximum, FWHM)을 기초로 하는) 펄스 폭 또는 기간을 가질 수 있다. 하지만, 펄스 지속기간은 30 fs 보다 짧거나, 또는 900 ms보다 길게 생성될 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저원(102)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스는 10 fs, 15 fs, 30 fs, 50 fs, 100 fs, 150 fs, 200 fs, 300 fs, 500 fs, 700 fs, 750 fs, 850 fs, 900 fs, 1 ps, 2 ps, 3 ps, 4 ps, 5 ps, 7 ps, 10 ps, 15 ps, 25 ps, 500 ps, 1 ns, 1.5 ns, 2 ns, 5 ns, 10 ns, 20 ns, 50 ns, 100 ns, 200 ns, 400 ns, 800 ns, 1000 ns, 2 μs, 5 μs, 10 μs, 50 μs, 100 μs, 300 μs, 500 μs, 900 μs, 1 ms, 2 ms, 5 ms, 10 ms, 20 ms, 50 ms, 100 ms, 300 ms, 500 ms, 900 ms, 1s 등 이상인 펄스 지속기간을 가질 수 있다. 마찬가지로, 레이저원(102)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스들은 1s, 900 ms, 500 ms, 300 ms, 100 ms, 50 ms, 20 ms, 10 ms, 5 ms, 2 ms, 1 ms, 300 ms, 900 μs, 500 μs, 300 μs, 100 μs, 50 μs, 10 μs, 5 μs, 1000 ns, 800 ns, 400 ns, 200 ns, 100 ns, 50 ns, 20 ns, 10 ns, 5 ns, 2 ns, 1.5 ns, 1 ns, 500 ps, 25 ps, 15 ps, 10 ps, 7 ps, 5 ps, 4 ps, 3 ps, 2 ps, 1 ps, 900 fs, 850 fs, 750 fs, 700 fs, 500 fs, 300 fs, 200 fs, 150 fs, 100 fs, 50 fs, 30 fs, 15 fs, 10 fs 등 미만의 펄스 지속기간을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 레이저원(102)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 3 ps 내지 15 ps의 범위에 있는 펄스 지속기간을 갖는다. 다른 실시예에서, 레이저원(102)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 5 ps 내지 7 ps의 범위에 있는 펄스 지속기간을 갖는다.

레이저원(102)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 100 mW 내지 50 kW의 범위 내에 있는 평균 전력을 가질 수 있다. 하지만, 평균 전력은 100 mW 미만이거나, 50 kW를 초과할 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저원(102)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 100 mW, 300 mW, 500 mW, 800 mW, 1 W, 2 W, 3 W, 4 W, 5 W, 6 W, 7 W, 500 W, 2 kW, 3 kW, 20 kW, 50 kW 등 이상의 평균 전력을 가질 수 있다. 마찬가지로, 레이저원(102)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 50 kW, 20 kW, 3 kW, 2 kW, 500 W, 7 W, 6 W, 5 W, 4 W, 3 W, 2 W, 1 W, 800 mW, 500 mW, 300 mW, 100 mW 등 미만의 평균 전력을 가질 수 있다.

레이저 펄스들은 레이저원(102)에 의해, 5 kHz 내지 1 GHz 범위 내에 있는 펄스 반복률로 출력될 수 있다. 하지만, 펄스 반복률은 5 kHz 미만이거나 또는 1 GHz를 초과할 수 있다. 따라서, 레이저 펄스들은 레이저원(102)에 의해, 5 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 250 kHz, 500 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 2 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 50 MHz, 70 MHz, 100 MHz, 150 MHz, 200 MHz, 250 MHz, 300 MHz, 350 MHz, 500 MHz, 550 MHz, 700 MHz, 900 MHz, 2 GHz, 10 GHz 등 이상의 펄스 반복률로 출력될 수 있다. 마찬가지로, 레이저 펄스들은 레이저원(102)에 의해, 10 GHz, 2 GHz, 1 GHz, 900 MHz, 700 MHz, 550 MHz, 500 MHz, 350 MHz, 300 MHz, 250 MHz, 200 MHz, 150 MHz, 100 MHz, 90 MHz, 70 MHz, 50 MHz, 20 MHz, 10 MHz, 2 MHz, 1 MHz, 900 kHz, 800 kHz, 500 kHz, 250 kHz, 100 kHz, 50 kHz, 5 kHz 등 미만의 펄스 반복률로 출력될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저원(102)은 임의의 특정 펄스 반복률이 아닌, 요구에 따라(on-demand basis) 하나 이상의 레이저 펄스들을 발생하도록 동작될 수 있다.

파장, 펄스 지속기간, 평균 전력 및 펄스 반복률에 부가하여, 작업물(101)로 전달된 레이저 펄스들은 가공 스폿에서, 작업물(101) 또는 그의 구성요소를 가공하는데 충분한 (W/cm²로 측정되는) 광 강도와 (J/cm²로 측정되는) 플루엔스(fluence) 등으로 작업물(101)에 방사하도록 (예를 들어, 경우에 따라, 파장, 펄스 지속기간, 평균 전력 및 펄스 반복률 등과 같은 하나 이상의 다른 특징들을 기초로) 선택될 수 있는 펄스 에너지, 피크 전력 등과 같은 하나 이상의 다른 특징들에 의해 특징지어질 수 있다.

다른 실시예에서, 레이저원(102)은 QCW 또는 CW 레이저원으로 제공되고, 펄스 게이팅 유닛을 포함하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 레이저원(102)은 빔 경로(116)를 따른 후속 전파를 위해 연속적인 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 따라서, 레이저원(102)은 일련의 레이저 펄스들 또는 연속적인 레이저 빔으로 나타날 수 있고, 그 후 빔 경로(116)를 따라 전파될 수 있는 레이저 에너지 빔을 발생시키도록 동작하는 것으로 폭넓게 특징지어질 수 있다. 본원에서 논의된 다수의 실시예들에서 기준이 레이저 펄스들로 이루어지는 것으로 논의되었지만, 연속적인 빔들이 대신 채용될 수 있음이 인식되어야 한다.

레이저원(102)이 기체 레이저(예를 들어, 이산화탄소 층들, 일산화탄소 레이저, 엑시머 레이저 등), 고체 상태 레이저(예를 들어, Nd:YAG 레이저 등), 로드(rod) 레이저, 파이버(fiber) 레이저, 광결정 로드/파이버 레이저(photonic crystal rod/fiber lasers), 수동형 모드 록 고체 상태 벌크 또는 파이버 레이저(passively mode-locked solid-state bulk or fiber lasers), 다이(dye) 레이저, 모드-록(mode-locked) 다이오드 레이저 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것으로 제공될 수 있다. 레이저원(102)으로 제공될 수 있는 레이저원들의 예시들은 EOLITE 사에서 제조된 BOREAS, HEGOA, SIROCCO 또는 CHINOOK 레이저들 시리즈; PYROPHOTONICS사에서 제조된 PYROFLEX 레이저들 시리즈; COHERENT사에서 제조된 PALADIN Advanced 355 또는 DIAMOND 시리즈, IPG PHOTONICS 사에서 제조된 GLPN-500-R 레이저를 포함한다.

B. 빔 이미징 시스템

빔 이미징 시스템(104)으로 입력되는 레이저 에너지 빔의 공간적 강도 분포(즉, 본원에서 "입력 공간적 강도 분포"로 지칭됨)는 가우시안 프로파일, sech² 프로파일, 로렌치안 프로파일(Lorentzian profile) 등으로 특징지어질 수 있고, 빔 이미징 시스템(104)은 입력되는 레이저 에너지의 빔의 공간적 강도 프로파일을 공간적으로 클립, 크롭(crop), 트런케이트(truncate) 또는 다른 방식으로 변조하도록 구성된다. 따라서, 빔 이미징 시스템(104)에 의해 출력되는 레이저 에너지 빔은 입력된 공간적 강도 분포와 상이한 변조된 공간적 강도 프로파일을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다.

일부 실시예들에서, 빔 이미징 시스템(104)은 개구 휠, 홍채 조리개(iris diaphragm), 광학 슬릿, 공간적 광 변조기, 마스크 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 이미징 구성요소로 제공될 수 있다. 경우에 따라, 빔 이미징 시스템(104)은 회절 광학 요소(DOE)를 포함할 수 있다. 하지만, 일 실시예에서, 레이저 가공 시스템(100)은 DOE를 포함하지 않는다. 일반적으로, 개구 휠은 그 내부에 형성된 복수의 개구들을 갖는 불투명 디스크로 제공될 수 있고, 복수의 개구들의 중심들은 디스크의 중심과 방사상으로 등거리이다. 하지만, 개구 휠은 임의의 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있음이 인식될 것이다. 빔 이미징 시스템(104)에서 사용될 수 있는 홍채 조리개들은 원형(또는 적어도 일반적으로 원형인) 개구, 정사각형 또는 직사각형 개구, 삼각형 개구 등 또는 이들의 임의의 조합을 한정하도록 구성된 조리개들일 수 있다.

빔 이미징 시스템의 이미징 구성요소들은 이에 입사하는 레이저 에너지 빔의 공간적 강도 프로파일을 변조하여 공간적으로 변조된 레이저 에너지 빔을 출력하도록, (예를 들어, 개구 휠, 조리개 또는 다른 마스크의 경우 모터를 통해) 기계적으로 또는 (예를 들어, 공간적 광 변조기의 경우) 전자적으로 구동될 수 있다. 예를 들어, 개구 휠은 주축 상에 (예를 들어 그 중심에) 장착되고, 선택적으로 개구를 빔 경로(116)로(또는 이로부터) 위치시키는 방식으로 회전될 수 있다. 조리개는 빔 경로(116) 상에 중심이 맞춰진 홍채로 장착되고, 홍채에 의해 정의된 개구부를 열거나, 닫거나, 이의 크기를 조정하도록 구동될 수 있다. 경우에 따라, 빔 이미징 시스템(104)은 입사된 레이저 에너지 빔을 통과시켜, 입사된 레이저 에너지 빔의 공간적 강도 프로파일이 변조되지 않도록(또는 적어도 실질적으로 변조되지 않도록) 구성될 수 있다.

일반적으로, 빔 이미징 시스템(104)은 (빔 경로(116)에 직교하는 평면으로 평가될 때) 원형 또는 비원형(예를 들어, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 성상(star-shaped), 다수의 부분 원들 또는 ?지들과 같은 울퉁불퉁한(broken) 또는 다른 방식으로 단절된(interrupted) 원형, 또는 임의의 형태), 또는 이들의 임의의 조합인 공간적 강도 프로파일을 갖는 레이저 에너지 빔을 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 빔 이미징 시스템(104)은 적어도 하나의 원형 개구 및 적어도 하나의 비-원형 개구를 갖는 개구 휠을 포함할 수 있다.

다른 예시에서, 빔 이미징 시스템(104)은 빔 경로(116)를 따라 직렬로 배치된 두 개의 이미징 구성요소들을 포함한다. 이 예시에서, 이미징 구성요소 중 하나는 원형 개구를 포함할 수 있고(또는 원형 개구를 정의하도록 구성될 수 있고), 이미징 구성요소 중 다른 하나는 비-원형 개구를 포함할 수 있다(또는 비-원형 개구를 정의하도록 구성될 수 있다). 대안적으로, 이미징 구성요소들 양자는 원형 개구들을 포함할 수 있지만, (아래에서 참조되는) 교정 명령에 응답하여 작동될 때, 이미징 구성요소들에 의해 정의된 원형 개구들의 중심들이 동축이 아니도록 구성될 수 있다. 이 상태에서, 원형 개구들은 비-원형, 양면 볼록한(bi-convex) 공간적 강도 분포 프로파일을 갖는 레이저 에너지 빔을 출력하도록, 입사된 레이저 에너지 빔의 공간적 강도 분포 프로파일을 변조한다.

다른 예시에서, 빔 이미징 시스템(104)은 빔 경로(116)를 따라 연속하여 배치된 두 개의 이미징 구성요소들을 포함한다. 이 예시에서, 이미징 구성요소들 중 하나는 원형 개구를 포함할 수 있고(또는 원형 개구를 정의하도록 구성될 수 있고), 이미징 구성요소들 중 다른 하나는 비-원형 개구를 포함할 수 있다(또는 비-원형 개구를 정의하도록 구성될 수 있다).

C. 빔 위치 지정기

빔 위치 지정기(106)는 빔 이미징 시스템(104)의 출력으로부터 빔 경로(116)를 따라 전파하는 레이저 에너지 빔을 회절, 반사, 굴절 등 또는 이들의 임의의 조합을 위해 동작하여, 스캔 렌즈(110)에 대해 빔 경로(116)의 이동을 제공한다. 일반적으로, 빔 위치 지정기(106)는 (예를 들어, 스캔 렌즈(110)로부터) 작업물(101)로 투영되는 스캔 필드 내에서 스캔, 이동 또는 다른 방식으로 위치 지정될 수 있도록, X 축 및 Y 축(또는 방향들)을 따라 작업물(101)에 대해 빔 축의 이동을 제공하도록 구성된다. 도시되진 않았지만, X축(또는 X 방향)은 도시된 Y축 및 Z축(또는 방향들)에 직교하는 축(또는 방향)을 지칭하는 것으로 이해될 것이다.

빔 위치 지정기(106)는 초소형 정밀 기계 시스템(micro-electro-mechanical-system, MEMS) 미러 또는 미러 어레이, AO 편향기(AOD) 시스템, 전자 광학 편향기(EOD) 시스템, (예를 들어, 압전 액추에이터 요소, 전왜 액추에이터(electrostrictive actuator), 음성 코일 액추에이터 등을 포함하는) 고속 조향 미러(FSM) 요소, (예를 들어, 두 개의 검류계 미러 구성요소들을 포함하며, 하나의 검류계 미러 구성요소는 작업물(101)에 대해 빔 축을 X 방향을 따라 이동시키도록 배열되고, 다른 검류계 미러 구성요소는 작업물(101)에 대해 빔 축을 Y 방향을 따라 이동시키도록 배열되는) 검류계 미러 시스템 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다.

D. 작업물 위치 지정기

작업물 위치 지정기(108)는 스캔 렌즈(110)에 대해 작업물(101)을 X 방향, Y 방향 및/또는 Z 방향으로 이동시키도록 동작된다. 따라서, 작업물 위치 지정기(108)가 작업물(101)을 X 방향 및/또는 Y 방향으로 이동시키는 범위까지, 작업물 위치 지정기(108)는 스캔 렌즈(110)에 의해 투영된 스캔 필드 내로 및 스캔 필드 밖으로 작업물(101)의 상이한 영역들을 이동시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 작업물 위치 지정기(108)는 (예를 들어, 각각 X, Y 및/또는 Z 방향을 따라 작업물(101)에 대한 선형 이동(translational) 이동을 제공할 수 있는) 하나 이상의 선형 스테이지들, (예를 들어, 각각 X, Y 및/또는 Z 방향에 평행한 축에 대해 작업물(101)에 대한 회전 이동을 제공할 수 있는) 하나 이상의 회전형 스테이지들 등, 또는 이들의 임의의 조합으로 제공된다. 일 실시예에서, 작업물 위치 지정기(108)는 작업물(101)을 X 방향을 따라 이동시키는 X 스테이지, 및 X 스테이지에 의해 지지되고(따라서, X 스테이지에 의해 X 방향을 따라 이동 가능함) 작업물(101)을 Y 방향을 따라 이동시키는 Y 스테이지를 포함한다. 레이저 가공 시스템(100)은 작업물(101)이 클램핑, 고정(fixed), 유지(held), 채움(secured) 또는 다른 방식으로 지지될 수 있는, 작업물 위치 지정기(108)에 연결된 척(chuck)(미도시)을 경우에 따라 포함할 수 있다. 도시되진 않았지만, 레이저 가공 시스템(100)은 작업물 위치 지정기(108)를 지지하는 선택적인 베이스를 더 포함할 수 있다.

따라서 앞서 기술된 바와 같이, 레이저 가공 시스템(100)은 소위 "스택형(stacked)" 위치 지정 시스템을 채용하고, 이 시스템에서 빔 위치 지정기(106), 스캔 렌즈(110) 등과 같은 구성요소들의 위치들은 작업물 위치 지정기(108)를 통해 이동되는 작업물(101)에 대해 레이저 가공 시스템(100) 내에서 (예를 들어, 이 기술분야에서 알려진 하나 이상의 지지부들, 프레임들 등을 통해) 정적으로 유지된다. 다른 실시예에서, 도시되진 않았지만, 하나 이상의 추가적인(supplemental) 위치 지정기들(예를 들어, 하나 이상의 선형, 회전형 스테이지들 등 또는 이들의 임의의 조합)은 빔 위치 지정기(106), 스캔 렌즈(110) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들을 이동시키도록 제공될 수 있고, 작업물(101)은 정적으로 유지될 수 있다(이 경우, 작업물 위치 지정기(108)가 생략될 수 있다).

또 다른 실시예에서, 레이저 가공 시스템(100)은 빔 위치 지정기(106), 스캔 렌즈(110) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들이 하나 이상의 추가적인 위치 지정기들(미도시)에 의해 위치 지정되는 분할 축(split-axis) 위치 지정 시스템을 채용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 선형 또는 회전형 스테이지들은 빔 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(110) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들을 이동시키도록 배열 및 구성되며, 작업물 위치 지정기(108)는 작업물(101)을 이동시키도록 배열 및 구성된다. 레이저 가공 시스템(100)에 유익하게 또는 이롭게 채용될 수 있는 분할 축 위치 지정 시스템들의 일부 예시들은 미국특허 제5,751,585호, 제5,798,927호, 제5,847,960호, 제6,706,999호, 제7,605,343호, 제8,680,430호, 제8,847,113호 또는 미국특허출원 공개번호 제2014/0083983호 또는 이들의 임의의 조합에 개시된 어느 것이라도 포함하며, 이들 각각은 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.

다른 실시예에서, 빔 위치 지정기(106), 스캔 렌즈(110) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들은 관절이 있는 다중 축 로봇암(예를 들어, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-축 암)에 의해 운반될 수 있다. 이러한 실시예에서, 빔 위치 지정기(106) 및/또는 스캔 렌즈(110)는 경우에 따라, 로봇 암의 엔드 이펙터(end effector)에 의해 운반될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작업물(101)은 관절이 있는 다중 축 로봇 암의 엔드 이펙터(end effector) 상에 직접(즉, 작업물 위치 지정기(108) 없이) 운반될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작업물 위치 지정기(108)는 관절이 있는 다중 축 로봇 암의 엔드 이펙터 상에 운반될 수 있다.

D. 스캔 렌즈

(예를 들어, 단순 렌즈(simple lens) 또는 복합 렌즈로 제공되는) 스캔 렌즈(110)는 빔 웨이스트(beam waist)를 생성하기 위해, 일반적으로 빔 경로(116)를 따라 지향된 레이저 에너지를 집속하도록 구성된다. 스캔 렌즈(110)는 f-세타 렌즈(f-theta lens), 텔레센트릭 렌즈, 액시콘 렌즈(axicon lens) 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 렌즈(110)는 고정된 초점 거리 렌즈로 제공되고, (예를 들어, 빔 축을 따라 빔 웨이스트의 위치를 변경하기 위해) 스캔 렌즈(110)를 이동시키도록 구성된 렌즈 액추에이터(미도시)에 연결된다. 예를 들어, 스캔 렌즈(110)를 Z 방향을 따라 선형으로 이동시키도록 구성된 렌즈 액추에이터는 음성 코일로 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 스캔 렌즈(110)는 빔 웨이스트의 위치를 빔 축을 따라 변경하도록 (예를 들어, 렌즈 액추에이터를 통해) 작동될 수 있는 가변 초점 거리 렌즈(예를 들어, 줌 렌즈 또는 현재 COGNEX, VARIOPTIC 등에 의해 상용화된 기법들을 포함하는 소위 "유체 렌즈(liquid lens)")로 제공된다.

E. 제어기

일반적으로, 제어기(112)는 (예를 들어, USB, 이더넷, 파이어와이어(Firewire), Wi-Fi, RFID, NFC, 블루투스, Li-Fi 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크들을 통해) 레이저원(102), 빔 위치 지정기(106), 작업물 위치 지정기(108), 렌즈 액추에이터 등과 같이 레이저 가공 시스템(100)의 하나 이상의 구성요소에 통신 가능하게 연결되며, 따라서, 이는 제어기(112)에 의해 출력된 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여 동작한다.

일반적으로, 제어기(112)는 명령들을 실행할 때 제어 신호들을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 프로세서는 명령들을 실행하도록 구성된 (예를 들어, 하나 이상의 범용 컴퓨터 프로세서들, 마이크로프로세서들, 디지털 신호 프로세서들 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는) 프로그램 가능 프로세서로 제공될 수 있다. 프로세서(들)에 의해 실행 가능한 명령들은 소프트웨어, 펌웨어 등, 또는 PLD들(programmable logic devices), FPGA들(field-programmable gate arrays), FPOA들(field-programmable object arrays), ASIC들(application-specific integrated circuits) - 디지털, 아날로그 및 혼합된 아날로그/디지털 회로를 포함함 - 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 회로의 형태로 구현될 수 있다. 명령들의 실행은 디바이스 내에서 또는 디바이스의 네트워크를 통해, 하나의 프로세서 상에서 수행되거나, 프로세서들 사이에 분산되거나, 디바이스 내의 프로세서들을 통해 병렬로 이루어지는 등, 또는 이들의 조합으로 될 수 있다.

일 실시예에서, 제어기(112)는 (예를 들어, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크를 통해) 프로세서에 의해 액세스 가능한 컴퓨터 메모리와 같은 유형 매체를 포함한다. 본원에 사용된 "컴퓨터 메모리"는 자기 매체(예를 들어, 자기 테이프, 하드 디스크 드라이브 등), 광디스크, 휘발성 또는 비휘발성 반도체 메모리(예를 들어, RAM, ROM, NAND형 플래쉬 메모리, NOR형 플래쉬 메모리, SONOS 메모리 등) 등을 포함하고, 로컬로, 원격으로(예를 들어, 네트워크를 통해), 또는 이들의 조합으로 액세스될 수 있다. 일반적으로, 명령들은 본원에 제공된 기술들로부터 기술자들에게 쉽게 창시될(authored) 수 있는 예를 들어, C, C++, Visual Basic, Java, Python, Tel, Perl, Scheme, Ruby 등으로 기록될 수 있는 컴퓨터 소프트웨어(예를 들어, 실행 가능한 코드, 파일들, 명령어들 등, 라이브러리 파일들 등)으로 저장될 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는 주로 컴퓨터 메모리에 의해 전달되는 하나 이상의 데이터 구조들로 저장된다.

도시되진 않았지만, 하나 이상의 드라이버들(예를 들어, RF 드라이버들, 서보 드라이버들, 라인 드라이버들, 전원들 등)은 레이저원(102), 빔 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 작업물 위치 지정기(108), 렌즈 액추에이터 등과 같은 하나 이상의 구성요소들의 입력에 통신 가능하게 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 각 드라이버는 통상적으로, 제어기(112)가 통신 가능하게 연결되는 입력을 포함하고 따라서, 제어기(112)는 레이저 가공 시스템(100)의 하나 이상의 구성요소와 연관된 하나 이상의 드라이버들의 입력(들)로 송신될 수 있는 하나 이상의 제어 신호들(예를 들어, 트리거 신호들 등)을 생성하도록 동작한다. 따라서, 레이저원(102), 빔 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기, 렌즈 액추에이터 등과 같은 구성요소들은 제어기(112)에 의해 생성된 제어 신호들에 응답한다.

다른 실시예에서, 도시되진 않았지만 하나 이상의 추가적인 제어기들(예를 들어, 구성요소 특정 제어기들)은 경우에 따라, 레이저원(102), 빔 위치 지정기(106), 작업물 위치 지정기(108), 렌즈 액추에이터, 등과 같은 구성요소들에 통신 가능하게 연결된 드라이버(따라서, 구성요소와 연관된)의 입력에 통신 가능하게 연결될 수 있다. 이 실시예에서, 각 구성요소 특정 제어기는 제어기(112)에 통신 가능하게 연결될 수 있고, 제어기(112)로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여, 이 후에 통신 가능하게 연결된 드라이버(들)의 입력(들)으로 송신될 수 있는 하나 이상의 제어 신호들(예를 들어, 트리거 신호들 등)을 생성하도록 동작할 수 있다. 이 실시예에서, 구성요소 특정 제어기는 제어기(112)에 대해 기술된 것과 유사하게 구성될 수 있다.

하나 이상의 구성요소 특정 제어기들이 제공되는 다른 실시예에서, 하나의 구성요소(예를 들어, 레이저원(102))와 연관된 구성요소 특정 제어기는 하나의 구성요소(예를 들어, 빔 위치 지정기(106) 등)와 연관된 구성요소 특정 제어기에 통신 가능하게 연결될 수 있다. 이 실시예에서, 구성요소 특정 제어기들 중 하나 이상은 하나 이상의 다른 구성요소 특정 제어기들로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여 하나 이상의 제어 신호들(예를 들어, 트리거 신호들 등)을 생성하도록 동작할 수 있다.

E. 카메라

레이저 가공 시스템(100)에 포함될 때, 카메라(114)는 일반적으로, 작업물(101)의 이미저리를 캡처하고, 캡처된 이미저리를 나타내는 이미지 데이터를 제어기(112)로 송신하도록 구성된다. 카메라(114)는 디지털 카메라(예를 들어, CCD 카메라, CMOS 카메라 등 또는 이들의 임의의 조합)로 제공될 수 있고, 카메라(114)의 시야가 스캔 필드의 외부에 완전히 위치하도록 구성 및 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 카메라(114)는 카메라(114)의 시야가 스캔 필드의 내부에 완전히 위치하도록 구성 및 배열된다. 또 다른 실시예에서, 카메라(114)는 카메라(114)의 시야가 스캔 필드의 내부에 부분적으로만 위치하도록 구성 및 배열된다. 카메라(114)의 시야가 스캔 필드의 외부에 완전히 위치할 때(또는, 스캔 필드 내에 부분적으로만 위치할 때), 작업물 위치 지정기(108)는 스캔 필드 내에 위치 지정될 수 있는 작업물(101)의 임의의 영역을 카메라(114)의 시야 내로 위치 지정하도록 구성될 수 있다.

III. 이미지 평면 위치에 대한 실시예들

작업물 표면(101a)이 빔 이미징 시스템(104)의 하나 이상의 이미징 구성요소들(예를 들어, 하나 이상의 개구들, 마스크들 등)과 연관된 이미지 평면에 위치될 때, 작업물 표면(101a)에 조명된 가공 스폿의 형태는 빔 이미징 시스템(104)에 의해 출력되는 레이저 에너지 빔의 형태와 동일할(또는 적어도 유사할) 것이다. 일반적으로, 이미지 평면은 사전 가공 또는 교정 단계 동안 위치된다. 이미지 평면이 위치 된 후, 레이저 가공 시스템(100)은 이미지 평면에서 작업물 표면(101a)을 고정하도록 조정되고, 작업물(101)은 바람직하게 가공된다.

이미지 평면을 위치시키기 위해, 사용자는 그 안에 다수의 시험 패턴들을 형성하기 위해 작업물(101)을 가공함으로써(예를 들어, 이미징된 레이저 에너지 빔을 작업물(101)의 하나 이상의 가공 스폿들로 전달함으로써) 실험을 수행한다. 일반적으로, 전달된 레이저 에너지 빔의 특징들은 가공 스폿에서 또는 그 주변에서 작업물(101)을 삭마, 융해, 변색 등을 시키도록 선택 또는 다른 방식으로 설정된다. 이미지 평면-위치 가공 동안, 빔 이미징 시스템(104)의 동작은 (예를 들어, 빔 경로(116)에 직교하는 평면에서 볼 때) 형태가 비-원형인 변조된 공간적 강도 프로파일(또는 본원에서 "시험 공간적 강도 프로파일"로 지칭됨)을 갖는 레이저 에너지 빔을 통과시키도록 (예를 들어, 수동으로 또는 제어기(112)를 통해) 제어된다. 시험 공간적 강도 프로파일은 임의의 적합한 비-원형 형태(예를 들어, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 초승달형, 반원, 아벨로스(arbelos) 형, 성상(star-shaped) 등 또는 임의의 임의적인 형태)를 가질 수 있다. 그 후, 레이저원(102)과, 빔 위치 지정기(106) 및 작업물 위치 지정기(108) 중 하나 이상의 동작들은 작업물(101) 내에 시험 패턴을 형성하기 위해 (예를 들어, 제어기(112)에 의해) 제어된다.

이미지 평면-위치 가공 동안, 다수의 시험 패턴들은 각각 작업물 표면(101a)과 스캔 렌즈(110) 사이의 상이한 거리(또한, 본원에서 "가공 거리"로 지칭됨)로 형성된다. 가공 거리는 작업물 위치 지정기(108), 추가적인 위치 지정기 또는 이들의 임의의 조합을 (예를 들어, 수동으로 또는 제어기(112)를 통해) 작동 또는 제어함으로써 (증가 또는 다른 방식으로) 조정되어, 각 시험 패턴이 형성되기 전, 작업물(101), 스캔 렌즈(110) 또는 이들의 조합을 Z 축을 따라 다시 위치 지정(re-position)할 수 있다. 일 실시예에서, 가공 거리는 2 mm의 거리에 걸쳐, 1.5 mm의 거리에 걸쳐, 1.2 mm의 거리에 걸쳐, 1 mm의 거리에 걸쳐, 0.5 mm 등의 거리에 걸쳐 조정될 수 있다. 따라서, 시험 패턴들은 기준 거리를 포함하거나, 이로부터 다른 방식으로 오프셋된 가공 거리의 세트에 걸쳐, 작업물(101) 내에 형성되는 것으로 특징지어질 수 있다. 본원에서 사용되는, "기준 거리"는 스캔 렌즈(110)의 작업 거리(즉, 작업물 표면(101a)이 스캔 렌즈(110)의 초점면에 있을 때, 스캔 렌즈(110)의 전방 엣지와 작업물 표면(101a) 사이의 거리), 카메라(114)의 초점 거리, 스캔 렌즈(110)와 작업물 표면(101a) 사이의 거리(예를 들어, 거리 센서, 터치-다운 센서(touch-down sensor) 등에 의해 기록됨) 등을 지칭할 수 있거나, 이로부터 유도될 수 있다.

일반적으로, 각 시험 패턴은 그 후속하는 시각적 분석 및 비교를 용이하게 하기 위해 작업물(101)의 상이한 영역에 형성된다. 일 실시예에서, 각 시험 패턴이 형성되는 영역은 이미지 평면-위치 가공 동안 시험 패턴이 형성되는 시퀀스에 대응한다. 예를 들어, 이미지 평면-위치 가공 동안 형성된 시험 패턴들은 작업물 영역들의 m x n 어레이 내에 배열될 수 있고(여기서, m 및 n은 정수이고, m ≥ 1 및 n > 1, 각 영역은 순서쌍 (m, n)에 의해 식별됨), 제1 시험 패턴은 어레이의 영역 (1, 1)에서 형성되고, 제2 시험 패턴은 어레이의 영역(1, 2)에서 형성될 수 있는 등이다. 따라서, 어레이 내의 특정 시험 패턴의 위치는 특정 가공 거리를 나타낸다.

일 실시예에서, 사용자는 (예를 들어, 이를 위한 명령을 제어기(112)에 통신 가능하게 연결되는 사용자 입력 디바이스-미도시-를 통해 제공함으로써) 이미지 평면-위치 가공을 실행할 수 있다. 사용자 입력 디바이스는 키보드, 컴퓨터 마우스, 터치스크린 등일 수 있다. 사용자로부터 명령을 수신할 때, 제어기(112)는 레이저원(102), 빔 이미징 시스템(104), 빔 위치지정 시스템(106), 작업물 위치지정 시스템(108), 하나 이상의 추가적인 위치 지정기들 등 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상의 동작을 제어하여, 작업물(101) 내의 시험 패턴들을 형성할 수 있다. 종종, 이들 기준 거리들은 이미지 평면으로부터 (최대) 수 밀리미터만큼 떨어져 있을 것이다.

복수의 시험 패턴들을 형성한 후, 사용자는 시험 패턴이 빔 이미징 시스템(104)에서 선택된 개구의 비-원형 형태에 가장 가깝게 닮은 형태를 갖는 피처를 포함하는지를 결정하기 위해 시험 패턴들을 (예를 들어, 시각적으로) 검사할 수 있다. 일반적으로, 작업물 표면(101a) 상에 조명되는 가공 스폿의 형태(따라서, 작업물(101)에 형성된 피처의 형태)는, 작업물 표면(101a)이 개구의 이미지 평면 내에 포함될 때 피처가 형성된 경우, 시험 공간적 강도 프로파일의 형태에 가깝게 닮을 것이다. 작업물 표면(101a)이 이미지 평면으로부터 멀리 떨어져 위치된 경우, 가공 스폿의 형태(따라서, 작업물(101)에 형성된 피처의 형태)는 시험 공간적 강도 프로파일의 형태에 가깝게 닮지 않을 것이다. 일부 경우들에서, 이미지 평면으로부터 충분히 멀리 떨어져 위치된 작업물 표면(101a) 상에서 조명되는 가공 스폿의 형태(따라서, 작업물(101)에 형성된 피처의 형태)는 시험 공간적 강도 프로파일의 형태와 관계 없이, 원형이다. 가공 스폿의 형태 또는 가공 스폿에서 형성된 피처의 형태를 평가함으로써, 개구의 이미지 평면은 빔 프로파일을 모의 실험하거나, 상술한 △z를 추정할 필요 없이 쉽고 빠르게 위치될 수 있다.

선택된 개구의 비-원형 형태와 가장 가깝게 닮은 형태를 갖는 피처를 포함하는 시험 패턴이 식별되면, 사용자는 작업물(101), 스캔 렌즈(110) 또는 이들의 임의의 조합을 Z 축을 따라 위치를 재지정하여, 작업물 표면(101a)을 빔 이미징 시스템(104)의 이미지 평면 내에 배치하기 위해, 작업물 위치 지정기(108), 추가적인 위치 지정기, 또는 이들의 임의의 조합의 동작을 (예를 들어, 수동으로 또는 제어기(112)를 통해) 작동 또는 다른 방식으로 제어함으로써, 가공 거리를 설정할 수 있다. 그 후, 빔 이미징 시스템(104)의 동작은 변조되지 않은 공간적 강도 프로파일 또는 시험 변조된 공간적 강도 프로파일과 상이한 변조된 공간적 강도 프로파일(또한, 본원에서 "가공 공간적 강도 프로파일"로 지칭됨)을 갖는 레이저 에너지 빔을 통과시키도록 (예를 들어, 제어기(112)를 통해) 제어될 수 있다. 일반적으로, 가공 공간적 강도 프로파일은 원형이나, 가공 공간적 강도 프로파일이 시험 공간적 강도 프로파일과 상이한 이상, 대안적으로 비-원형(예를 들어, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 초승달형, 반원, 아벨로스 형태, 성상 등 또는 임의의 임의적인 형태 등)일 수 있다. 다른 실시예에서, 하지만, 가공 공간적 강도 프로파일은 시험 공간적 강도 프로파일과 동일할 수 있다. 그 후, 레이저원(102)과, 하나 이상의 빔 위치 지정기(106) 및 작업물 위치 지정기(108)의 동작들은 이미지 평면에 배치된 작업물 표면(101a)을 갖는 작업물(101)을 가공하도록 (예를 들어, 제어기(112)에 의해) 제어된다. 수행될 수 있는 예시적인 가공들은 (예를 들어, PCB와 같은 작업물에 비아를 드릴링하기 위해 단일 레이저 펄스 또는 다수의 레이저 펄스들을 채용하는) 충격식 드릴링 기법들을 포함한다.

위에서 논의된 바와 같이, 사용자는 이미지 평면-위치 가공 동안 형성된 시험 패턴들을 시각적으로 검사할 책임이 있다. 다른 실시예에서, 시각적 검사는 알고리즘적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 카메라(114)는 시험 패턴들의 화상(imagery)을 캡처하고, 캡처된 화상을 나타내는 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이미지 데이터는 제어기(112)로 송신되고, 이미지 평면-위치 가공 동안 빔 이미징 시스템(104)에서 설정된 개구의 것과 가장 가깝게 닮은 형태를 갖는 피처를 시험 패턴이 포함하는지를 결정하도록 가공될 수 있다. 이미지 데이터는 이를 위해 임의의 적합한 방식으로 가공될 수 있다. 채용될 수 있는 예시적인 가공 기법들은 SIFT(Scale-Invariant Feature Transform), SURF(Speeded-Up Robust Features), GLOH(Gradient Location and Orientation Histogram), HOG(Histogram of Oriented Gradients) 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. (예를 들어, 위에서 논의된 m x n 어레이와 같은 어레이 내에서) 빔 이미징 시스템(104)에서 설정된 개구와 가장 가깝게 닮은 형태를 갖는 피처를 갖는 시험 패턴의 위치가 식별되고, 식별된 위치와 연관된 가공 거리는 이미지 평면이 위치된 스캔 렌즈(110)로부터의 거리로 (예를 들어, 제어기(112)에 의해) 설정된다. 제어기(112)는 그 후, 작업물(101), 스캔 렌즈(110) 또는 이들의 조합을 위치 재지정하여, 작업물 표면(101a)을 빔 이미징 시스템(104)의 이미지 평면 내로 배치하도록, 작업물 위치 지정기(108), 추가적인 위치 지정기 또는 이들의 임의의 조합의 동작을 제어할 수 있다.

위의 실시예에서, 교정(calibration) 단계 동안 초기에 가공되는 작업물(101)은 (예를 들어, 그 안에 비아의 드릴링 등을 위해) 교정 단계 이후 가공되는 동일한 작업물(101)이다. 하지만, 다른 실시예에서, 교정 단계 동안 초기에 가공된 작업물(101)(또한, "교정 작업물"로 지칭됨)은 작업물 위치 지정기(108)로부터 제거될 수 있고, 새로운 작업물(101)(또한, 본원에서 "가공 작업물"로 지칭됨)은 (예를 들어, 그 안에 비아를 드릴링 하기 위한) 가공 동안 작업물 위치 지정기(108)에 장착될 수 있다. 이 실시예에서, 교정 작업물은 가공 작업물과 동일한 (또는 적어도 실질적으로 동일한) 두께이거나, 교정 및 가공 작업물들의 두께는 상이하다. 가공 작업물의 두께가 교정 작업물의 두께와 상이한 경우, 작업물 위치 지정기(108), 추가적인 위치 지정기 또는 이들의 임의의 조합은 가공 작업물(101), 스캔 렌즈(110) 또는 이들의 조합을 Z 축을 따라 위치 재지정하여, 두께 차이를 보상하고, 가공 작업물의 작업물 표면(101a)을 빔 이미징 시스템(104)의 이미지 평면 내로 배치하도록 (예를 들어, 수동으로 또는 제어기(112)를 통해) 작동되거나 다른 방식으로 제어될 수 있다.

위의 관점에서, 위에서 논의된 레이저 가공 시스템, 및 이미지 평면을 위치시키는 공정은 다수의 장점들을 제공하는 것으로 인식되어야 한다. 예를 들어, 이미지 평면-위치 가공은 최소 스폿 크기의 평면을 찾을 필요없이 이미지 평면을 직접 찾는다. 원형 스폿에 대한 최소 스폿 크기의 평면을 찾는 것은 단지 중간 단계이고, 이러한 최소 스폿 크기를 찾는 가공은 삭마 구멍(crater)에 형성된 피처의 형태가 크게 변하지 않을 뿐 아니라, 피처(예를 들어, 크기, 깊이 등)의 기하학적 특징들이 레이저 에너지에도 의존하기 때문에, 다소 주관적이다. 이는 시간을 절약하고, 이미지 평면을 직접적으로 간단히 찾아서 오차를 줄인다. 이미지 평면이 직접 위치되기 때문에, △z를 추정하기 위해 복잡하고 시간 소모적인 시뮬레이션들을 수행할 필요가 없다.

IV. 결론

전술한 것은 본 발명의 실시예들 및 예시들을 예시하는 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 수개의 특정한 실시예들 및 예시들이 도면들을 참조로 기술되었지만, 이 분야의 기술자들은 본 발명의 새로운 교시들과 장점들을 실질적으로 벗어나지 않으면서, 개시된 실시예들 및 예시들은 물론 다른 실시예들에 대한 다수의 변형들이 가능함을 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 이러한 모든 변형들은 청구항으로 한정된 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 기술자들은 임의의 문장, 단락, 예시 또는 실시예의 주제가 그 조합이 상호 배타적인 경우를 제외하고, 다른 문장들, 단락들, 예시들 또는 실시예들 중 일부 또는 전체의 주제와 조합될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위들에 의해 결정되어야 하고, 청구범위의 균등물들도 그 안에 포함된다.

Claims

스캔 렌즈를 갖는 레이저 가공 시스템을 사용하여 작업물을 가공하는 방법으로서, 상기 방법은:
레이저 에너지 빔이 전파하는 경로에 직교하는 평면에서 볼 때 빔의 초점에서 비-원형의 주변 형태(perimeter shape)를 갖는 제1 공간적 강도 분포에 의해 특징 지어지는 제1 레이저 에너지 빔 발생;
상기 제1 레이저 에너지 빔을 사용하여 제1 작업물 가공 - 상기 가공은 제1 작업물에서 복수의 피처들(features) 형성을 포함하고, 상기 복수의 피처들 중 하나의 형성 동안 상기 스캔 렌즈와 상기 제1 작업물 사이의 제1 거리는 상기 복수의 피처들 중 적어도 다른 하나의 형성 동안 상기 스캔 렌즈와 상기 제1 작업물 사이의 제2 거리와 상이함 -;
상기 복수의 피처들 중 어느 피처가 상기 제1 공간적 강도 분포의 형태에 가장 근접하게 닮은 형태를 갖는지 판단;
상기 제1 공간적 강도 분포의 형태에 가장 근접하게 닮은 형태를 갖는 피처의 형성 동안, 가공 거리를 상기 스캔 렌즈와 상기 제1 작업물 사이의 거리로 설정;
이미지 평면을 상기 스캔 렌즈로부터 상기 레이저 에너지 빔이 전파하는 상기 경로에 직교하는 평면까지의 가공 거리에서의 평면으로 판단;
제2 작업물의 표면을 실질적으로 상기 이미지 평면에 배치;
상기 제1 공간적 강도 분포와 상이한 제2 공간적 강도 분포에 의해 특징지어 지는 변조된 레이저 에너지 빔을 형성하기 위해, 제2 레이저 에너지 빔 발생; 및
상기 제2 공간적 강도 분포에 의해 특징지어 지는 상기 변조된 레이저 에너지 빔을 사용하여, 상기 이미지 평면에 배치된 제2 작업물의 상기 표면 가공을 포함하는 작업물 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 빔의 초점에서 상기 제2 공간적 강도 분포의 주변 형태는 원형 형태인 작업물 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 빔의 초점에서 상기 제1 공간적 강도 분포의 주변 형태는 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 초승달형, 반원형, 아벨로스(arbelos) 형, 성상(star-shaped)으로부터 선택되는 작업물 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 복수의 피처들 중 어느 피처가 상기 제1 공간적 강도 분포의 형태에 가장 근접하게 닮은 형태를 갖는지 판단은:
상기 복수의 피처들의 화상(imagery)을 캡처 및 상기 캡처된 화상를 나타내는 이미지 데이터 생성;
상기 이미지 데이터를 제어기로 송신; 및
상기 제어기에 의해 상기 이미지 데이터 가공을 더 포함하는 작업물 가공 방법.
제4항에 있어서, 카메라에 의해 상기 화상의 캡처를 더 포함하는 작업물 가공 방법.
제1항에 있어서, 상기 제2 작업물은 상기 제1 작업물인 작업물 가공 방법.
기판을 레이저 가공하는 장치로서,
레이저원;
레이저 에너지 빔이 전파하는 경로에 직교하는 평면에서 볼 때 빔의 초점에서 비-원형의 주변 형태를 갖는 제1 공간적 강도 분포에 의해 특징 지어지는 제1 레이저 에너지 빔을 발생시키도록 적용되고, 상기 제1 공간적 강도 분포와 상이한 제2 공간적 강도 분포에 의해 특징지어지는 변조된 레이저 에너지 빔을 형성하기 위해, 제2 레이저 에너지 빔을 발생시키도록 적용되는 빔 이미징 시스템;
빔 위치 지정기;
스캔 렌즈;
작업물 위치 지정기 - 상기 작업물 위치 지정기로부터 상기 스캔 렌즈까지의 직교하는 거리는 가변적임 -; 및
복수의 피처들 각각을 형성하는 동안, 상기 제1 공간적 강도 분포로부터 및 상기 작업물로부터 상기 스캔 렌즈까지 직교하는 거리의 함수에 따라 각각 서로로부터 발산하는 형태들을 갖는 상기 복수의 피처들을 갖는 작업물을 포함하는 레이저 가공 장치.