KR20240010086A - 작업물들을 레이저 가공하기 위한 레이저 가공 장치, 방법들 및 관련된 배열들 - Google Patents
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Abstract
작업물들을 레이저 가공하기 위한 장치 및 기법들이 개선될 수 있고, 새로운 기능이 제공될 수 있다. 논의된 일부 실시예들은 개선된 정밀도, 처리량 등을 초래하는 방식으로 작업물들을 가공하는 것에 관련된다. 다른 실시예들은 실시간 Z 높이 측정에, 그리고 적합할 때 특정 Z 높이 편차들에 대한 보상에 관련된다. 여전히 다른 실시예들은 피처 형성을 용이하게 하거나, 바람직하지 않은 열 누적을 회피하거나, 또는 다른 방식으로 가공 처리량을 개선하기 위한 스캔 패턴들, 빔 특징들 등의 변조에 관련된다. 상당히 많은 수의 다른 실시예들 및 배열들이 또한 열거된다.
Description
연관된 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 9월 9일에 출원된 미국 가출원 제62/216,102호, 2015년 10월 14일에 출원된 미국 가출원 제62/241,624호, 2015년 12월 28일에 출원된 미국 가출원 제62/271,446호, 2016년 2월 12일에 출원된 미국 가출원 제62/294,991호 및 2016년 7월 26일에 출원된 미국 가출원 제62/366,984호의 이익을 주장하고, 이들 각각은 그 전체가 참조로 통합된다.
기술분야
본원에 개시된 실시예들은 일반적으로 작업물들을 레이저 가공하기 위한 레이저 가공 장치 및 방법들에 관한 것이다.
레이저의 발명 이래로, 펄스화된(pulsed) 광원들에 의한 물질 삭마(material ablation)가 연구되었다. 1982년 자외선(UV) 엑시머(excimer) 레이저 방사에 의해 식각되는 폴리머들에 대한 보고들은 미세 기계가공을 위한 공정의 광범위한 조사들을 활발하게 하였다. 그 때부터, 이 분야의 과학적 및 상업적 연구는 레이저의 사용을 통해 드릴링되고(drilled), 밀링되고(milled), 마크되며(marked) 복제될 수 있는 현저히 작은 피처들(features)에 대해 급격히 확산되고 -- 주로 자극되었다(mostly spurred). 첨단 기술의 제조 산업 분야들에서 레이저들에 대해 상당히 광범위한 잠정적인 응용들이 계속적으로 개발되고 구현되고 있다. 예를 들어, 레이저들은 광범위한 물질들 내에 또는 그 상부에 홀들을 밀링 또는 드릴링하고, 트렌치들 등을 형성하며, 다른 피처들을 형성하는 것에 대해 유용한 도구이다. 높은 해상도(resolution), 정밀도, 속도 및 유연도의 조합은 레이저 가공이 집적 회로들, 하드 디스크들, 출력 디바이스들, 디스플레이들, 인터커넥터들(interconnects) 등과 같은 작업물들의 제조를 포함하는 많은 산업들에 수용되게 하였다. 하지만, 많은 산업들에서의 경향들은 피처들을 더 많이, 피처들을 더 작게, 피처들의 밀도를 더 높게 형성하는 것 등을 요구하여, 작업물을 수용 가능한 수준의 정밀도, 품질, 처리량 및 유연도를 갖도록 가공하기 위해 기존의 레이저 가공 기술들의 제약들을 확장(push)한다.
일 실시예에서, 작업물에 비아(via)를 형성하는 방법은 작업물에 대한 (레이저 펄스들이 작업물로 지향될 수 있는) 빔 축을 래스터링(rastering) 및 복수의 레이저 펄스들을 복수의 스폿 위치들에서 작업물로 전달을 수반한다.
다른 실시예에서, 작업물에 비아를 형성하는 방법은 AOD와 연관된 스캐닝 범위 이하인 직경을 갖는 비아를 형성하기 위해 빔 축을 형성하는 빔 경로를 따라 레이저 펄스들을 지향시키면서, AOD를 포함하는 위치 지정기를 이용하여 작업물에 대한 빔 축을 이동시키는 것을 수반한다.
다른 실시예에서, 작업물에 피처를 형성하는 방법은 레이저 펄스들의 그룹들이 다수의 스캔 라인들을 따라 작업물로 전달되고, 각 스캔 라인에 대해, 마지막 레이저 펄스가 제1 레이저 펄스가 전달되는 위치보다, 형성될 위치의 경계에 더 가까운 위치로 전달되도록 작업물에 대한 빔 축을 이동시키는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 작업물을 가공하는 방법은 작업물에 대하여 빔 축을 스캐닝 범위 내로 이동시키는 것을 포함하고, 제1 방향으로의 제1 스캐닝 범위의 크기(extent)는 제2 방향으로의 제1 스캐닝 범위의 크기보다 작다.
또 다른 실시예에서, 레이저 에너지의 다수의 빔들을 이용하여 작업물을 가공하는 장치는 제1 내지 제4 스캔 헤드들; 제1 및 제3 스캔 헤드에 제1 이동을 제공하도록 구성된 제1 스테이지(stage), 및 제1 및 제2 스캔 헤드에 제2 이동을 제공하도록 구성된 제2 스테이지를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 장치는 레이저 에너지의 빔을 다수의 빔 경로들 중에서 지향시키기 위한 다수의 분배기들을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 작업물을 레이저 가공하기 위한 장치에서 사용하기 위한 광학 조립체는, 광 입력 포트 및 광 전력 포트를 갖는 하우징을 포함할 수 있고, 하우징은 광 입력 및 출력 포트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나와 장치 내의 빔 경로의 광 정렬을 용이하게 하도록 구성된 적어도 하나의 등록 피처를 포함한다. 광학 조립체는 하우징 내에 장착되고 광 입력 및 출력 포트와 광 정렬되는 적어도 두 개의 광학 구성요소들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 음향 광학(AO) 디바이스는 AO 셀, 초음파 변환기(transducer), 흡수체(absorber) 및 초음파 변환기와 흡수체 사이에서 연장하는 AO 셀의 일 면과 열 접촉하는 냉각판을 포함할 수 있다. 냉각판의 열 전달 특징들은 a) 커넥터 단부 및 흡수체 단부로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로부터 상대적으로 멀게 위치된 AO 셀의 중앙 영역으로부터 적은 열을 제거하고, b) 커넥터 단부와 흡수체 단부로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나에 상대적으로 가까운 AO 셀의 주변 영역으로부터 상대적으로 더 많은 열을 제거하도록, 커넥터 단부 및 흡수체 단부로부터 연장하는 방향을 따라 변할 수 있다.
다른 실시예에서, 방법은 수신된 레이저 펄스를 변조하여, 변조된 레이저 펄스의 M2 인자 및/또는 공간적 강도 프로파일 타입이 수신된 레이저 펄스의 것과 상이하도록 AOD 시스템을 구동시키는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 방법은 펄스들은 9 ㎛ 내지 11 ㎛의 범위에 있는 파장을 갖는 레이저 펄스들을 발생시키고, 게르마늄을 포함하는 AO 셀을 포함하는 음향 광학 편향기(AOD)를 이용하여, 펄스들이 전파하는 빔 경로를 편향시키는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 유전체 구조와 열 접촉하게 배열된 전기적 컨덕터 구조를 포함하는 작업물에 피처를 형성하는 방법은 1 ㎛ 미만의 파장을 갖는 레이저 펄스들을 이용하여 전기적 컨덕터 구조를 간접 삭마시키는 것을 포함할 수 있다. 작업물에 피처를 형성하는 다른 방법은 또한 복수의 스폿 위치들에 방사하여 물질의 층을 간접 삭마하도록 레이저 펄스들의 빔을 편향시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 작업물의 가공 방법은 작업물을 삭마하기 위해 제1 및 제2 레이저 에너지의 빔들을 공통 빔 축을 따라 전달시키는 것을 포함할 수 있고, 제1 레이저 에너지의 빔은 작업물의 적어도 일 부분에 투명한 파장을 갖고, 작업물의 그 부분 내에서 광의 비선형 흡수를 야기하기 위해 충분히 짧은 제1 펄스 지속기간을 갖는 복수의 레이저 펄스들에 의해 특징지어 지며, 제1 레이저 에너지의 빔에서 레이저 펄스들이 발생되는 타이밍은 제2 레이저 에너지의 빔을 발생시키는 동작에 독립적이다.
명백해지는 바와 같이, 본 명세서는 (예를 들어, 정확도, 품질, 처리량 등에 관련되고, 종래의 레이저 가공 장치 또는 종래의 레이저 가공 기법들로는 극복하기 어려운) 상당히 많은 문제점들을 확인하고, 이러한 문제점을 극복하고, 새로운 또는 개선된 성능들을 제공하는 등인 상당히 많은 실시예들, 예시들, 구현들, 조합들 등을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른, 작업물을 가공하는 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 장치의 제2 위치 지정기를 개략적으로 도시한다.
도 3은 일부 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 제2 위치 지정기와 연관된 제2 스캐닝 범위들을 개략적으로 도시한다.
도 4 내지 도 6은 일부 실시예들에 따른, 감지 범위와 제2 스캐닝 범위 사이의 공간적 관계를 개략적으로 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른, 작업물을 가공하는 다중 헤드 장치들을 개략적으로 도시한다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른, 도 1 및 도 7에 도시된 것들과 같은 장치와 함께 사용하기 위한 작업물 처리 시스템의 평면도 및 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른, 도 7에 도시된 다중 헤드 장치와 연관된 가공 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 11 내지 도 24는 일부 실시예들에 따른 감지 범위 및 제2 스캐닝 범위를 스캔하기 위한 기법들을 개략적으로 도시한다.
도 25 내지 도 28은 일부 실시예들에 따른, 가공 스폿을 스캔하기 위한 기법들을 개략적으로 도시한다.
도 29, 도 29a 및 도 29b는 일 실시예에 따른 이방성 물질 제거를 용이하게 하는 스캐닝 기법을 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 도 29는 가공될 작업물의 평면도 상에 겹쳐 놓인 스캔 패턴을 도시한다. 도 29a 및 도 29b는 각각 XXIXA-XXIXA 및 XXIXB-XXIXB'라인들을 따라 취해진, 도 29에 도시된 스캔 패턴을 이용하여 형성된 피처의 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 30 내지 도 32는 일부 실시예들에 따른, 다중 소스 장치를 개략적으로 도시한다.
도 33은 일 실시예에 따른, 다중 소스 장치에서 레이저 에너지의 빔들을 결합하는 방식을 개략적으로 도시한다.
도 34 내지 도 37은 일부 실시예들에 따른, AO 셀 내의 열 부하들을 관리하기 위한 기법들을 개략적으로 도시한다.
도 38은 일 실시예에 따른, 부산물(byproduct) 제거 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 장치의 제2 위치 지정기를 개략적으로 도시한다.
도 3은 일부 실시예들에 따른, 도 2에 도시된 제2 위치 지정기와 연관된 제2 스캐닝 범위들을 개략적으로 도시한다.
도 4 내지 도 6은 일부 실시예들에 따른, 감지 범위와 제2 스캐닝 범위 사이의 공간적 관계를 개략적으로 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른, 작업물을 가공하는 다중 헤드 장치들을 개략적으로 도시한다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른, 도 1 및 도 7에 도시된 것들과 같은 장치와 함께 사용하기 위한 작업물 처리 시스템의 평면도 및 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른, 도 7에 도시된 다중 헤드 장치와 연관된 가공 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 11 내지 도 24는 일부 실시예들에 따른 감지 범위 및 제2 스캐닝 범위를 스캔하기 위한 기법들을 개략적으로 도시한다.
도 25 내지 도 28은 일부 실시예들에 따른, 가공 스폿을 스캔하기 위한 기법들을 개략적으로 도시한다.
도 29, 도 29a 및 도 29b는 일 실시예에 따른 이방성 물질 제거를 용이하게 하는 스캐닝 기법을 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 도 29는 가공될 작업물의 평면도 상에 겹쳐 놓인 스캔 패턴을 도시한다. 도 29a 및 도 29b는 각각 XXIXA-XXIXA 및 XXIXB-XXIXB'라인들을 따라 취해진, 도 29에 도시된 스캔 패턴을 이용하여 형성된 피처의 횡단면도를 개략적으로 도시한다.
도 30 내지 도 32는 일부 실시예들에 따른, 다중 소스 장치를 개략적으로 도시한다.
도 33은 일 실시예에 따른, 다중 소스 장치에서 레이저 에너지의 빔들을 결합하는 방식을 개략적으로 도시한다.
도 34 내지 도 37은 일부 실시예들에 따른, AO 셀 내의 열 부하들을 관리하기 위한 기법들을 개략적으로 도시한다.
도 38은 일 실시예에 따른, 부산물(byproduct) 제거 시스템을 개략적으로 도시한다.
첨부 도면들을 참조로 예시적인 실시예들을 여기에 설명한다. 달리 명시하지 않는 한, 도면들에서 구성요소, 피처들(features), 요소들 등과 이들 사이의 임의의 거리는 축적대로 도시된 것은 아니고, 명료화를 위해 과장된다. 도면들 전체에서, 유사한 부호들은 유사한 요소들을 지칭한다. 따라서, 동일하거나 유사한 부호들은, 대응하는 도면에서 언급되거나 서술되지 않더라도, 다른 도면을 참조로 서술될 수 있다. 또한, 참조 부호들로 표기되지 않은 요소들도 다른 도면들을 참조로 서술될 수 있다.
본원에 사용되는 용어는 예시적인 특정 실시예들만을 설명하기 위함이며, 제한하고자 함이 아니다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 용어들(기술 및 과학 용어들을 포함)은 이 분야의 기술자에 의해 보통 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 사용된 단수 형태인 "하나의(a, an)", 및 "그(the)"는 문맥상 달리 명확하게 지시하지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다" 및/또는 "포함하는"이란 용어는 서술된 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 인식되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 인용되는 값들의 범위는 그 범위의 상한치와 하한치 둘 다는 물론, 이들 사이의 임의의 하위 범위들을 포함한다. 달리 지시되지 않는 한, "제1", 제2" 등과 같은 용어는 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.
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 용어는 도면들에 도시된 것처럼, 하나의 요소 또는 피처와 다른 요소 또는 피처의 관계를 서술하는 설명의 용이함을 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들이 도면들에 도시된 배향에 부가하여 상이한 배향들도 포괄할 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 도면들에서 객체가 회전되면, 다른 요소들 또는 피처들 "아래의" 또는 "아래쪽"으로 서술된 요소들은 다른 요소들 또는 특징들의 "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 회전 또는 다른 배향들), 본원에서 사용되는 공간적 관련 서술자들은 그에 따라 해석될 수 있다.
본원에 사용된 섹션 제목들은 오직 구조적인 목적이고, 달리 명시하지 않는 한, 서술되는 주제를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 개시의 사상 및 교시들을 벗어나지 않고 다수의 상이한 형태들, 실시예들 및 조합들이 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.
I. 개요
본원에 서술된 실시예들은 일반적으로 작업물을 레이저 가공(또는 더 간단히 "가공")하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다. 일반적으로, 작업물이 형성되는 하나 이상의 물질들의 특성들 또는 특징들(예를 들어, 화학적 조성, 원자 구조, 이온 구조, 분자 구조, 전자 구조, 미세 구조, 나노 구조, 밀도, 점도, 굴절률, 투자율, 비 유전율(relative permittivity), 텍스처(texture), 색상, 경도, 전자기 방사에 대한 투과율 등 또는 이들의 임의의 조합의 형태)을 가열, 융해, 기화, 삭마, 균열(crack), 변색, 광택 처리(polish), 거칠어지게 처리(roughen), 탄화, 발포처리(foam) 또는 다른 방식으로 변형하기 위한 가공은 레이저 방사로 작업물에 방사함으로써 그 전체가 또는 부분적으로 달성된다. 가공될 물질들은 가공 이전에 또는 가공 동안 작업물의 외부에 있을 수 있거나, 가공 이전에 또는 가공 동안 작업물 내에(즉, 작업물의 외부에는 존재하지 않음) 완전히 위치될 수 있다.
개시된 레이저 가공을 위한 장치에 의해 수행될 수 있는 가공들의 특정 예시들은 비아 드릴링 또는 다른 홀 형성, 절단, 천공, 용접, 스크라이빙(scribing), 인그레이빙(engraving), 마킹(예를 들어, 표면 마킹, 하위 표면 마킹 등), 레이저 유도 순방향 전달(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)(예를 들어, 거칠게 함, 매끄럽게 함(smoothing) 등) 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 따라서, 가공의 결과로서 작업물 상에 또는 작업물 내에 형성될 수 있는 하나 이상의 피처들은 개구부들(openings), 슬롯들, 비아들 또는 다른 홀들, 홈들, 트렌치들, 스크라이브 라인들, 커프들(kerfs), 오목한 영역들, 전도성 트레이스들(conductive traces), 옴 접촉들, 저항 패턴들, 사람 또는 기계가 판독할 수 있는 표시(예를 들어, 하나 이상의 시각적으로 또는 구조상으로 구분하는 특징들을 갖는 작업물 내의 또는 작업물 상의 하나 이상의 영역들로 구성됨), 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 개구부들, 슬롯들, 비아들, 홀들 등과 같은 피처들은 평면도 시점에서 볼 때 임의의 적합한 또는 바람직한 형태(예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 환형 등 또는 이들의 임의의 조합)를 가질 수 있다. 게다가, 개구부들, 슬롯들, 비아들, 홀들 등과 같은 피처들은 작업물을 완전히 관통하여(예를 들어, 소위 "관통 비아들", "관통홀들" 등을 형성하기 위해), 또는 작업물을 부분적으로만 관통하여(예를 들어, 소위 "블라인드 비아들(blind vias)", "블라인드 비아들" 등을 형성하기 위해) 연장할 수 있다.
가공될 수 있는 작업물들은 일반적으로 하나 이상의 금속들, 폴리머들, 세라믹들, 조성물들 또는 이들의 임의의 조합으로(예를 들어, 합금, 화합물, 혼합물, 용액, 조성물 등으로) 형성되는 것으로 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, Si1-xGex (여기서, 0.0001 < x < 0.9999) 등 또는 이들의 임의의 조합 또는 합금으로 형성된 기판들), 리드 프레임들, 리드 프레임 블랭크들(blanks), 플라스틱, 비강화 유리(unstrengthened glass), 열 강화 유리, 화학 강화 유리(예를 들어, 이온 교환 공정을 통한), 석영, 사파이어, 플라스틱, 실리콘 등으로 형성된 물품들, 전자 디스플레이들의 구성요소들(예를 들어, 그 위에 형성된 기판들, TFT들, 컬러 필터들, 유기 LED(OLED) 어레이들, 양자점 LED 어레이들 등 또는 이들의 임의의 조합), 렌즈들, 미러들, 스크린 프로젝터들, 터빈 블레이드들(turbine blades), 파우더들, 필름들, 포일들, 플레이트들(plates), 금형들(예를 들어, 왁스 금형들(wax molds), 사출성형 공정들, 정밀 주조 공정들을 위한 금형들 등), 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.
따라서, 가공될 수 있는 물질들은 Al, Ag, Au, Cu, Fe, In, Mg, Pt, Sn, Ti 등과 같은 하나 이상의 금속들 또는 이들의 임의의 조합(예를 들어, 합금, 조성물 등), 전도성 금속 산화물들(예를 들어, ITO 등), 투명한 전도성 폴리머들, 세라믹들, 왁스들, 수지들, 유전체(dielectric) 무기 물질들(예를 들어, 산화규소, 질화규소, 산질화규소 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 층간 유전체 구조들), 로우-k(low-k) 유전체 물질들(예를 들어, 메틸 실세스퀴옥산(MSQ), 하이드로겐 실세스뷔옥산(HSQ), 플루오르화 테트라에틸 오소실리케이트(FTEOS) 등 또는 이들의 임의의 조합), 유전체 유기 물질들(예를 들어, (도우(Dow) 사에서 제조된) 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 에폭시 라미네이트(예를 들어, FR4), 프리프레그들(prepregs), 솔더 저항 등 또는 이들의 임의의 조성물, 라미네이트 또는 다른 조합을 포함한다.
II. 시스템 - 개요
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 작업물 가공 장치를 개략적으로 도시한다.
도 1에 도시된 실시예를 참조하면, 작업물 가공 장치(100)는 레이저 펄스들을 발생시키는 레이저원(104), 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110), 스캔 렌즈(112) 및 제어기(114)를 포함한다. 후속하는 설명으로부터, 장치(100)가 제2 위치 지정기(108) 또는 제3 위치 지정기(110)를 포함하는 경우, 제1 위치 지정기(106)는 선택적으로 포함됨(즉, 장치(100)는 제1 위치 지정기(106)를 포함할 필요가 없음)이 인식되어야 한다. 마찬가지로, 장치(100)가 제1 위치 지정기(106) 또는 제3 위치 지정기(110)를 포함하는 경우, 제2 위치 지정기(108)는 선택적으로 포함된다는 점(즉, 장치(100)는 제2 위치 지정기(108)를 포함할 필요가 없다는 점)이 인식되어야 한다. 마지막으로, 장치(100)가 제1 위치 지정기(106) 또는 제2 위치 지정기(108)를 포함하는 경우, 제3 위치 지정기(110)는 선택적으로 포함된다는 점(즉, 장치(100)는 제3 위치 지정기(110)를 포함할 필요가 없다는 점)이 인식되어야 한다.
도시되진 않았지만, 장치(100)는 레이저원(104)에 의해 발생된 레이저 펄스들을 하나 이상의 빔 경로들(예를 들어, 빔 경로(116)를 따라) 스캔 렌즈(112)로 집속, 확장, 시준(collimate), 성형(shape), 편광, 필터링, 분할, 결합, 크롭(crop), 또는 다른 방식으로 변형, 조절(condition), 지향, 모니터 또는 측정하기 위해, 하나 이상의 광학 구성요소들(예를 들어, 빔 익스팬더들(beam expanders), 빔 성형기들(shapers), 개구들, 필터들, 시준기들, 렌즈들, 미러들, 편광기들, 파장판들, 회절 광학 요소들, 굴절 광학 요소들 등 또는 이들의 임의의 조합)을 더 포함한다. 전술한 구성요소들 중 하나 이상이 제공될 수 있거나, 장치(100)가 미국특허 제4,912,487호, 제5,633,747호, 제5,638,267호, 제5,751,585호, 제5,847,960호, 제5,917,300호, 제6,314,473호, 제6,430,465호, 제6,700,600호, 제6,706,998호, 제6,706,999호, 제6,816,294호, 제6,947,454호, 제7,019,891호, 제7,027,199호, 제7,133,182호, 제7,133,186호, 제7,133,187호, 제7,133,188호, 제7,245,412호, 제7,259,354호, 제7,611,745호, 제7,834,293호, 제8,026,158호, 제8,076,605호, 제8,158,493호, 제8,288,679호, 제8,404,998호, 제8,497,450호, 제8,648,277호, 제8,680,430호, 제8,847,113호, 제8,896,909호, 제8,928,853호, 제9,259,802호, 또는 전술한 미국특허출원공개번호 제2014/0026351호, 제2014/0197140호, 제2014/0263201호, 제2014/0263212호, 제2014/0263223호, 제2014/0312013호 또는 독일특허 제DE102013201968B4호 또는 국제특허출원공보 제WO2009/087392호, 또는 이들의 임의의 조합에 개시된 하나 이상의 추가적인 구성요소들을 더 포함할 수 있음이 더 인식될 것이고, 이들 각 문헌은 본원에 그 전체가 참조로 통합된다.
스캔 렌즈(112)를 통해 투과되는 레이저 펄스들은 빔 축을 따라 전파되어, 작업물(102)로 전달된다. 작업물(102)로 전달된 레이저 펄스들은 가우시안 타입의 공간적 강도 프로파일 또는 비 가우시안 타입의(즉, "성형된") 공간적 강도 프로파일(예를 들어, "톱햇(top-hat)" 공간적 강도 프로파일)을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 공간적 강도 프로파일은 공간적 강도 프로파일의 타입에 관계없이, 빔 축(또는 빔 경로(116))를 따라 전파되는 레이저 펄스의 단면 형상으로 더 특징지어 질 수 있고, 이 형상은 원형, 타원형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 링형 등이거나 임의의 형태일 수 있다. 전달된 레이저 펄스들은 2 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위 내의 스폿 크기로 작업물(102)에 충돌하는 것으로 특징지어질 수 있다. 본원에서 사용되는 "스폿 크기"란 용어는 빔 축이 전달된 레이저 펄스에 의해 적어도 부분적으로 가공될 작업물(102)의 영역(또한, "가공 스폿", "스폿 위치" 또는 더 간단하게는 "스폿"으로 지칭됨)을 횡단하는 위치에서 전달된 레이저 펄스의 직경 또는 최대 공간적 폭을 지칭한다.
본원에서 논의를 위해, 스폿 크기는 빔 축으로부터 광 강도가 빔 축에서 광 강도의 적어도 1/e2까지 감소되는 지점까지의 방사 또는 횡단 거리로 측정된다. 일반적으로, 레이저 펄스의 스폿 크기는 빔 웨이스트에서 최소일 것이다. 하지만, 스폿 크기는 2 ㎛보다 작거나, 200 ㎛ 보다 크게 만들어 질 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 작업물(102)로 전달되는 적어도 하나의 레이저 펄스는 2 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 7 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 45 ㎛, 50 ㎛, 55 ㎛, 80 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛ 등 이상이거나, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 스폿 크기를 가질 수 있다. 마찬가지로, 적어도 하나의 전달된 레이저 펄스는 200 ㎛, 150 ㎛, 100 ㎛, 80 ㎛, 55 ㎛, 50 ㎛, 45 ㎛, 40 ㎛, 35 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛, 10 ㎛, 7 ㎛, 5 ㎛, 3 ㎛, 2 ㎛ 등보다 작거나, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 스폿 크기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들은 25 ㎛ 내지 60 ㎛ 범위의 스폿 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들은 35 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위의 스폿 크기를 가질 수 있다.
A. 레이저원
일반적으로, 레이저원(104)은 레이저 펄스들을 발생하도록 동작한다. 가령, 레이저원(104)은 펄스 레이저원, CW 레이저원, QCW 레이저원, 버스트 모드(burst mode) 레이저 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 레이저원(104)이 QCW 또는 CW 레이저원인 경우, 레이저원(104)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. 도시되진 않았지만, 장치(100)는 경우에 따라, 레이저원(104)에 의해 출력된 광의 파장을 변환하도록 구성된 하나 이상의 고조파 생성 결정들(harmonic generation crystals)(또한, "파장 변환 결정들"로 알려짐)을 포함할 수 있다. 따라서, 작업물(102)로 최종적으로 전달된 레이저 펄스들은 전자기 스펙트럼의 자외선(UV), 가시광선(예를 들어, 자색, 청색, 녹색, 적색 등) 또는 적외선(IR)(예를 들어, 750 nm 내지 1.4 ㎛의 파장 범위에 걸친 근적외선(NIR), 1.4 ㎛로부터 3 ㎛까지의 파장 범위에 걸친 단파장 IR(SWIR), 3 ㎛ 내지 8 ㎛의 파장 범위에 걸친 중간 파장 IR(MWIR), 또는 8 ㎛ 내지 15 ㎛의 파장 범위에 걸친 장파장 IR(LWIR)) 영역 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상에서 하나 이상의 파장들을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다.
다른 실시예에서, 레이저원(104)은 QCW 또는 CW 레이저원으로 제공되고, 펄스 게이팅 유닛을 포함하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 레이저원(104)은 빔 경로(116)를 따른 후속 전파를 위해 연속적인(비-펄스화된) 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 따라서, 레이저원(104)은 일련의 레이저 펄스들 또는 연속적인 레이저 빔으로 나타날 수 있고, 그 후 빔 경로(116)를 따라 전파될 수 있는 레이저 에너지의 빔을 발생시키도록 동작하는 것으로 폭넓게 특징지어질 수 있다. 본원에서 논의된 다수의 실시예들이 레이저 펄스들에 대해 언급하지만, 적절할 때마다 대안적으로 또는 추가적으로 연속적인 빔들이 채용될 수 있음이 인식되어야 한다.
레이저원(104)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 10 fs 내지 900 ms의 범위 내에 있는 펄스 폭 또는 펄스 지속기간(즉, 펄스 대 시간에서 광 전력의 반치전폭(full-width at half-maximum, FWHM)에 기반한)을 가질 수 있다. 하지만, 펄스 지속기간은 10 fs 미만이거나 900 ms를 초과할 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저원(104)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스들은 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, 50 ps, 75 ps, 100 ps, 200 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 ㎲, 5 ㎲, 10 ㎲, 50 ㎲, 100 μs, 300 ㎲, 500 ㎲, 900 ㎲, 1 ms, 2 ms, 5 ms, 10 ms, 20 ms, 50 ms, 100 ms, 300 ms, 500 ms, 900 ms, 1s 등 이상의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 지속기간을 가질 수 있다. 마찬가지로, 레이저원(104)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 ㎲, 500 ㎲, 300 ㎲, 100 ㎲, 50 ㎲, 10 ㎲, 5 ㎲, 1 ㎲, 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, 200 ps, 100 ps, 75 ps, 50 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 또는 이들 값 사이의 펄스 지속 기간을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 레이저원(104)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스들은 3 ps 내지 15 ps 범위 내에 있는 펄스 지속기간을 갖는다. 다른 실시예에서, 레이저원(104)에 의해 출력된 적어도 하나의 레이저 펄스들은 5 ps 내지 7ps 범위 내에 잇는 펄스 지속기간을 갖는다.
레이저원(104)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 100 mW 내지 50 kW 범위 내에 있는 평균 전력을 가질 수 있다. 하지만, 평균 전력은 100 mW 미만이거나, 50 kW를 초과할 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 레이저원(104)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, 10 W, 15 W, 18 W, 25 W, 30 W, 50 W, 60 W, 100 W, 150 W, 200 W, 250 W, 500 W, 2 kW, 3 kW, 20 kW, 50 kW 등 이상, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 평균 전력을 가질 수 있다. 마찬가지로, 레이저원(104)에 의해 출력된 레이저 펄스들은 50 kW, 20 kW, 3 kW, 2 kW, 500 W, 250 W, 200 W, 150 W, 100 W, 60 W, 50 W, 30 W, 25 W, 18 W, 15 W, 10 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 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 평균 전력을 가질 수 있다.
레이저 펄스들은 레이저원(104)에 의해, 5 kHz 내지 1 GHz 범위 내에 있는 펄스 반복률로 출력될 수 있다. 하지만, 펄스 반복률은 5 kHz미만이거나 또는 1 GHz를 초과할 수 있다. 따라서, 레이저 펄스들은 레이저원(104)에 의해, 5 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 175 kHz, 225 kHz, 250 kHz, 275 kHz, 500 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 1.5 MHz, 1.8 MHz, 1.9 MHz, 2 MHz, 2.5 MHz, 3 MHz, 4 MHz, 5 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 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 반복률로 출력될 수 있다. 마찬가지로, 레이저 펄스들은 레이저원(104)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, 5 MHz, 4 MHz, 3 MHz, 2.5 MHz, 2 MHz, 1.9 MHz, 1.8 MHz, 1.5 MHz, 1 MHz, 900 kHz, 800 kHz, 500 kHz, 275 kHz, 250 kHz, 225 kHz, 175 kHz, 100 kHz, 50 kHz, 5 kHz 등 미만의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 펄스 반복률로 출력될 수 있다.
파장, 펄스 지속기간, 평균 전력 및 펄스 반복률에 부가하여, 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들은 가공 스폿에서, 작업물(102)을 가공하기 위해(예를 들어, 하나 이상의 바람직한 특징들을 갖는 하나 이상의 피처들을 형성하기 위해, 작업물(102)이 피처(들)의 형성 동안 바람직하지 않게 손상되는 것을 방지하기 위해, 등 또는 이들의 임의의 조합을 위해) 충분한 (W/cm2로 측정되는) 광 강도와 (J/cm2로 측정되는) 플루엔스(fluence) 등으로 가공 스폿에서 작업물(102)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.
레이저원(104)이 기체 레이저들(예를 들어, 이산화탄소 레이저들, 일산화탄소 레이저들, 엑시머 레이저들 등), 고체 상태 레이저들(예를 들어, Nd:YAG 레이저들 등), 로드(rod) 레이저들, 파이버(fiber) 레이저들, 광결정 로드/파이버 레이저들(photonic crystal rod/fiber lasers), 수동형 모드 록 고체 상태 벌크 또는 파이버 레이저들(passively mode-locked solid-state bulk or fiber lasers, dye lasers), 다이(dye) 레이저들, 모드 록(mode-locked) 다이오드 레이저들, 펄스 레이저들(예를 들어, ms-, ns-, ps-, fs- 펄스 레이저들), CW 레이저들, QCW 레이저들 등 또는 이들의 임의의 조합으로 특징지어질 수 있는 레이저의 타입의 예시. 그들의 구성에 의존하여, 기체 레이저들(예를 들어, 이산화탄소 레이저들 등)은 하나 이상의 모드들로(예를 들어, CW 모드, QCW 모드, 펄스화된 모드, 또는 이들의 임의의 조합으로) 동작하도록 구성될 수 있다. 레이저원(104)으로 제공될 수 있는 레이저원들의 특정 예시들은: EOLITE사에서 제조된 BOREAS, HEGOA, SIROCCO 또는 CHINOOK 레이저들 시리즈; PYROPHOTONICS사에서 제조된 PYROFLEX 레이저들 시리즈; COHERENT사에서 제조된 PALADIN Advanced 355 또는 DIAMOND 시리즈(예를 들어, DIAMOND E-, G-, J-2, J-3, J-5 시리즈); SYNRAD 사에서 제조된 PULSTAR 또는 FIRESTAR 시리즈 레이저들; 모두 TRUMPF사에서 제조된 TRUFLOW- 레이저들 시리즈(예를 들어, TRUFLOW 2000, 2700, 3000, 3200, 3600, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 10000, 12000, 15000, 20000), TRUCOAX 레이저들 시리즈(예를 들어, TRUCOAX 1000) 또는 TRUDISK-, TRUPULSE-, TRUDIODE-, TRUFIBER-, 또는 TRUMICRO-레이저들 시리즈; IMRA AMERICA사에서 제조된 FCPA μJEWEL 또는 FEMTOLITE 레이저들 시리즈; AMPLITUDE SYSTEMES사에서 제조된 TANGERINE 및 SATSUMA 시리즈 레이저들(및 MIKAN 및 T-PULSE 시리즈 발진기들); IPG PHOTONICS사에서 제조된 CL-, CLPF-, CLPN-, CLPNT-, CLT-, ELM-, ELPF-, ELPN-, ELPP-, ELR-, ELS-, FLPN-, FLPNT-, FLT-, GLPF-, GLPN-, GLR-, HLPN-, HLPP-, RFL-, TLM-, TLPN-, TLR-, ULPN-, ULR-, VLM-, VLPN-, YLM-, YLPF-, YLPN-, YLPP-, YLR-, YLS-, FLPM-, FLPMT-, DLM-, BLM-, 또는 DLR-레이저들 시리즈(예를 들어, GPLN-100-M, GPLN-500-QCW, GPLN-500-M, GPLN-500-R, GPLN-2000-S 등을 포함) 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 레이저원들을 포함한다.
B. 제1 위치 지정기
제1 위치 지정기(106)는 빔 경로(116)에 배열되거나, 위치되거나 또는 다른 방식으로 배치되고, 레이저원(104)에 의해 발생된 레이저 펄스들을 회절, 반사, 굴절 등 또는 이들의 임의의 조합으로 처리하도록(즉, 레이저 펄스들을 "편향"시키도록) 동작하여, (예를 들어, 스캔 렌즈(112)에 대한) 빔 경로(116)의 이동을 제공하고, 따라서, 작업물(102)에 대한 빔 축의 이동을 제공한다. 일반적으로, 제1 위치 지정기(106)는 X축 및 Y축(또는 방향들)을 따른 작업물(102)에 대한 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.
제1 위치 지정기(106)에 의해 주어진 작업물(102)에 관련된 빔 축의 이동은 일반적으로, 가공 스폿이 X 및 Y 방향들로 0.01 mm 내지 4.0 mm 사이만큼 연장하는 제1 스캔 필드 또는 "제1 스캐닝 범위" 내에서 스캔되거나, 이동되거나, 또는 다른 방식으로 위치될 수 있도록 제한된다. 하지만, 제1 스캐닝 범위는 (예를 들어, 제1 위치 지정기(106)의 구성, 빔 경로(116)를 따른 제1 위치 지정기(106)의 위치, 제1 위치 지정기(106)에서 입사하는 레이저 펄스들의 빔 크기, 스폿 크기 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여) X 또는 Y 방향 중 임의의 방향으로 0,01 mm 미만으로 또는 4.0 mm를 초과하여 연장할 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 제1 스캐닝 범위는 X 및 Y 방향 중 임의의 방향으로, 0.04 mm, 0.1 mm, 0.5 mm, 1.0 mm, 1.4 mm, 1.5 mm, 1.8 mm, 2 mm, 2.5 mm, 3.0 mm, 3.5 mm, 4.0 mm, 4.2 mm 등 이상 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 거리만큼 연장할 수 있다. 마찬가지로, 제1 스캐닝 범위는 X 및 Y 방향 중 임의의 방향으로, 5 mm, 4.2 mm, 4.0 mm, 3.5 mm, 3.0 mm, 2.5 mm, 2.0 mm, 1.8 mm, 1.5 mm, 1.4 mm, 1.0 mm, 0.5 mm, 0.1 mm, 0.04 mm, 0.01 mm 등 미만의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 거리만큼 연장할 수 있다. 본원에서 사용되는 "빔 크기"란 용어는 레이저 펄스의 직경 또는 폭을 지칭하고, 빔 축으로부터 광 강도가 빔 경로(116)를 따른 전파 축에서 광 강도의 1/e2까지 감소되는 지점까지의 방사 또는 횡단 거리로 측정될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 제1 스캐닝 범위의 최대 직경(예를 들어, X 또는 Y 방향 또는 그 반대로의)은 작업물(102)에 형성될 피처(예를 들어, 개구부, 오목부, 비아, 트렌치 등)의 (X-Y 평면에서 측정된) 대응하는 최대 치수 이상일 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 제1 스캐닝 범위의 최대 치수는 형성될 피처의 최대 치수 미만일 수 있다.
일반적으로, 제1 위치 지정기(106)가 제1 스캐닝 범위 내의 임의의 위치에서 가공 스폿을 위치 지정할 수 있는(따라서 빔 축을 움직일 수 있는) 속도(또한, "위치 지정 속도"로 지칭됨)는 50 kHz(또는 그 즈음) 내지 10 MHz(또는 그 즈음)의 범위 내에 있다. 이 범위는 제1 위치 지정 대역폭으로도 지칭된다. 위치 지정 속도의 역은 본원에서 "위치 지정 주기"로 지칭되고, 가공 스폿의 위치를 제1 스캐닝 범위 내의 일 위치로부터 제1 스캐닝 범위 내의 임의의 다른 위치로 변경하는데 필요한 최소 시간량으로 지칭된다. 따라서, 제1 위치 지정기(106)는 20 ㎲(또는 그 즈음) 내지 0.1 ㎲(또는 그 즈음)의 범위 내에 있는 위치 지정 주기에 의해 특징지어질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 위치 지정 대역폭은 100 kHz(또는 그 즈음) 내지 2 MHz(또는 그 즈음) 범위 내에 있다. 예를 들어, 제1 위치 지정 대역폭은 1 MHz(또는 그 즈음) 이다.
제1 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, 압전 액추에이터 요소, 전왜 액추에이터(electrostrictive actuator), 음성 코일 액추에이터 등을 포함하는 고속 조향 미러(FSM) 요소 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 위치 지정기(106)는 적어도 하나의(예를 들어, 한 개의, 두 개의 등) 단일 요소(single-element) AOD 시스템, 적어도 하나의(예를 들어, 한 개의, 두 개의 등) 위상 어레이 AOD 시스템 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 AOD 시스템으로서 제공된다. AOD 시스템들 양자는 결정질 Ge, PbMoO4, 또는 TeO2, 유리질 SiO2, 석영, As2S3 등과 같은 물질로 형성된 AO 셀을 포함한다. 본원에서 사용되는 "단일 요소" AOD 시스템은 AO 셀에 음향적으로 연결된 단일 초음파 변환기(ultrasonic transducer) 요소만을 갖는 AOD 시스템을 지칭하는 한편, "위상 어레이" AOD 시스템은 공통 AO 셀에 음향적으로 연결된 적어도 두 개의 초음파 변환기 요소들의 위상 어레이를 포함한다.
통상의 기술자들이 인식하는 바와 같이, 음향 광학 기법(예를 들어, AOD들, AOM들 등)은 AO 셀을 통해 동시에 전파하는 광파의 하나 이상의 특징들(즉, 본 출원의 맥락에서 레이저 에너지의 빔)을 변조하기 위해, AO 셀을 통해 전파하는 음향파들에 의해 야기되는 회절 효과들을 활용한다. 통상적으로, AO 셀은 동일한 영역에서 음향파와 광파(optical wave) 양자를 지원할 수 있다. 음향파는 AO 셀에서 굴절률에 섭동(perturbation)을 제공한다. 음향파들은 통상적으로 하나 이상의 RF 주파수들에서 초음파 변환기 요소를 구동시킴으로써 AO 셀로 가해진다. 음향파의 특징들(예를 들어, 진폭, 주파수, 위상 등)을 제어함으로써, 전파하는 광파의 하나 이상의 특징들은 (예를 들어, 스캔 렌즈(112)에 관련된) 빔 경로(116)의 이동을 제공하도록 제어 가능하게 변조될 수 있다. 또한, AO 셀에 가해지는 음향파의 특징들은 AO 셀을 횡단할 때 레이저 에너지의 빔에서 에너지를 감쇠시키기 위해 잘 알려진 기법들을 이용하여 제어될 수 있다. 따라서, AOD 시스템은 또한 작업물(102)로 최종적으로 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지(그리고, 그에 대응하여 플루엔스, 피크 전력, 광 강도, 평균 전력 등)를 변조하도록 동작될 수 있다.
AO 셀이 형성되는 물질은 빔 경로(116)를 따라 전파하여 AO 셀에 입사하는 레이저 펄스들의 파장에 의존한다는 점이 인식될 것이다. 예를 들어, 편향될 레이저 펄스들의 파장이 2 ㎛(또는 그 즈음) 내지 12 ㎛(또는 그 즈음)의 범위 내에 있는 경우 결정질의 Ge와 같은 물질이 사용될 수 있고, 편향될 레이저 펄스들의 파장이 200 nm(또는 그 즈음) 내지 5 ㎛(또는 그 즈음)의 범위 내에 있는 경우, 석영 및 TeO2와 같은 물질들이 사용될 수 있다.
AOD 시스템들은 분산형(dispersive) 요소들이고, 그 결과 (예를 들어, 펄스에서 광학 전력 스펙트럼 밀도의 반치전폭(FWHM)에 기반하여) 적합하게 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저 펄스들을 바람직하게 편향시킨다는 점이 인식되어야 한다. 자외선, 가시광선 또는 NIR 범위 중 하나 이상 내의 하나 이상의 파장들을 갖는 레이저 펄스들을 발생시키도록 구성된 레이저원(104)은 통상적으로 적절히 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저 펄스들을 발생시킬 것이다. 고출력 CW 기체 레이저들(예를 들어, 약 300W를 초과하는 평균 전력을 갖는 이산화탄소 또는 일산화탄소 CW 레이저들) 및 다른 저전력 CW 또는 펄스화된 기체 레이저들(예를 들어, 약 300W 미만의 평균 전력을 갖는)과 같은 레이저원들(104)은 마찬가지로 SWIR, MWIR 또는 LWIR 범위에서 적절히 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저 펄스들을 발생시킬 수 있다. 보통, 레이저 펄스들을 발생시킬 수 있는 고출력 펄스 기체 레이저들(예를 들어, 약 300W를 초과하는 평균 전력을 갖는 이산화탄소 또는 일산화탄소 펄스 레이저들)은 마스터 오실레이터 전력 증폭기(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA) 레이저 시스템 아키텍처를 기반으로 한다.
AOD 시스템들 중 어느 것이라도 빔 경로(116)를 편향시킴으로써, (예를 들어, 단일 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 구성된) 단일 축 AOD 시스템으로서, 또는 (예를 들어, 다수의 방향들 예를 들어, X 방향 및 Y 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 구성된) 다중 축 AOD 시스템으로서 제공될 수 있다. 일반적으로, 다중 축 AOD 시스템은 다중 셀 시스템 또는 단일 셀 시스템으로서 제공될 수 있다. 다중 셀, 다중 축 시스템은 통상, 상이한 축을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 각각 구성된 다수의 AOD 시스템들을 포함한다. 예를 들어, 다중 셀, 다중 축 시스템은 X 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 구성된 (예를 들어, "X축 AOD 시스템") 제1 AOD 시스템(예를 들어, 단일 요소 또는 위상 어레이 AOD 시스템), 및 Y 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 구성된(예를 들어, "Y축 AOD 시스템") 제2 AOD 시스템(예를 들어, 단일 요소 또는 위상 어레이 AOD 시스템) 을 포함할 수 있다. 단일 셀, 다중 축 시스템(예를 들어, "X/Y 축 AOD 시스템")은 통상, X 및 Y 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 구성된 단일 AOD 시스템을 포함한다. 예를 들어, 단일 셀 시스템은 공통 AOD 셀의 상이한 평면들, 면들(facets), 측면들(sides) 등에 음향 연결된 적어도 두 개의 초음파 변환기 요소들을 포함할 수 있다.
C. 제2 위치 지정기
제1 위치 지정기(106)와 유사하게, 제2 위치 지정기(108)는 빔 경로(116)에 배치되고, 레이저원(104)에 의해 발생되고 제1 위치 지정기(106)에 의해 통과된 레이저 펄스들을 회절, 반사, 굴절 등 또는 이들의 임의의 조합으로 처리하도록 동작하여, 스캔 렌즈(112)에 관련된 빔 경로(116)의 이동을 통해 작업물(102)에 대한 (예를 들어, X 및 Y 방향을 따른) 빔 축의 이동을 제공한다. 제2 위치 지정기(108)에 의해 주어진, 작업물(102)에 대한 빔 축의 이동은 일반적으로, 가공 스폿이 제2 스캔 필드 내에 또는, 제1 스캐닝 범위보다 큰 구역에 걸쳐, X 및/또는 Y 방향으로 연장하는 "스캐닝 범위" 내에서 스캔, 이동 또는 다른 방식으로 위치될 수 있도록 제한된다. 본원에 서술된 구성을 고려하여, 제1 위치 지정기(106)에 의해 주어진 빔 축의 이동은 제2 위치 지정기(108)에 의해 주어진 빔 축의 이동에 겹쳐질 수 있다는 점이 인식되어야 한다. 따라서, 제2 위치 지정기(108)는 제2 스캐닝 범위 내의 제1 스캐닝 범위를 스캔하도록 동작한다.
일 실시예에서, 제2 스캐닝 범위는 X 및/또는 Y 방향으로 1 mm 내지 50 mm만큼 연장한다. 다른 실시예에서, 제2 스캐닝 범위는 X 및/또는 Y 방향으로 15 mm 내지 30 mm만큼 연장한다. 하지만, 제2 위치 지정기(108)는 제2 스캐닝 범위가 X 또는 Y 방향 중 어느 방향으로 1 mm 미만 또는 50 mm를 초과하여 연장하도록 구성될 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 제2 스캐닝 범위(예를 들어, X 또는 Y 방향 또는 그 반대로의)의 최대 치수는 작업물(102)에 형성될 피처(예를 들어, 비아, 트렌치, 스크라이브 라인, 오목한 영역, 전도성 트레이스 등)의 (X-Y 평면에서 측정된) 대응하는 최대 치수 이상일 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 제2 스캐닝 범위의 최대 치수는 형성될 피처의 최대 치수 미만일 수 있다.
일반적으로, 제2 위치 지정기(108)가 가공 스폿을 제2 스캐닝 범위 내의 임의의 위치에 위치시킬 수 있는(따라서, 빔 축을 제2 스캐닝 범위 내로 이동시키거나 및/또는 제2 스캐닝 범위 내에서 제1 스캐닝 범위를 스캔할 수 있는) 위치 지정 속도는 제1 위치 지정 대역폭 미만의 범위(또한, 본원에서 "제2 위치 지정 대역폭"으로 지칭됨)에 걸친다. 일 실시예에서, 제2 위치 지정 대역폭은 900 Hz 내지 5 kHz 범위 내에 있다. 다른 실시예에서, 제1 위치 지정 대역폭은 2 kHz 내지 3 kHz 범위(예를 들어, 약 2.5 kHz)에 있다.
제2 위치 지정기(108)는 두 개의 검류계 미러 구성요소들을 포함하는 검류계 미러 시스템으로 제공될 수 있고, 하나의 검류계 미러 구성요소는 작업물(102)에 관련된 X 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 배열되고, 다른 검류계 미러 구성요소는 작업물(102)에 관련된 Y 방향을 따른 빔 축의 이동을 제공하도록 배열된다. 하지만, 다른 실시예들에서, 제2 위치 지정기(108)는 회전하는 다각형 미러 시스템 등으로 제공될 수 있다. 따라서, 제2 위치 지정기(108) 및 제1 위치 지정기(106)의 특정 구성에 의존하여, 제2 위치 지정 대역폭은 제1 위치 지정 대역폭 이상일 수 있음이 인식될 것이다.
D. 제3 위치 지정기
제3 위치 지정기(110)는 스캔 렌즈(112)에 대한 작업물(102)의 이동, 따라서 빔 축에 대한 작업물(102)의 이동을 제공하도록 동작한다. 빔 축에 대한 작업물(102)의 이동은 일반적으로, 제3 스캔 필드 또는, 제2 스캐닝 범위를 초과하는 구역에 걸쳐 X 및/또는 Y 방향으로 연장하는 "스캐닝 범위" 내에서 스캔, 이동 또는 다른 방식으로 위치될 수 있도록 제한된다. 일 실시예에서, 제3 스캐닝 범위는 X 및/또는 Y 방향으로 25 mm 내지 2 m만큼 연장한다. 다른 실시예에서, 제3 스캐닝 범위는 X 및/또는 Y 방향으로 0.5 m 내지 1.5 m만큼 연장한다. 일반적으로, (예를 들어, X 또는 Y 방향 또는 그 반대로의) 제3 스캐닝 범위의 최대 치수는 작업물(102)에 형성될 임의의 피처의 (X-Y 평면에서 측정된) 대응하는 최대 치수 이상일 것이다. 경우에 따라, 제3 위치 지정기(110)는 빔 축에 대한 작업물(102)을 (예를 들어, 1 mm 내지 50 mm 사이의 범위에 걸쳐) Z 방향으로 연장하는 스캐닝 범위 내로 이동시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 제3 스캐닝 범위는 X, Y 및/또는 Z 방향을 따라 연장할 수 있다.
본원에 서술된 구성을 고려하여, 제1 위치 지정기(106) 및/또는 제2 위치 지정기(108)에 의해 주어진 빔 축의 이동이 제3 위치 지정기(110)에 의해 주어진 작업물(102)의 이동에 의해 겹칠 수 있음이 인식되어야 한다. 따라서, 제3 위치 지정기(110)는 제3 스캐닝 범위 내에서 제1 스캐닝 범위 및/또는 제2 스캐닝 범위를 스캔하도록 동작한다. 일반적으로, 제3 위치 지정기(110)가 가공 스폿을 제3 스캐닝 범위 내의 임의의 위치에 위치시킬 수 있는(따라서, 작업물(102)을 이동시키거나, 제3 스캐닝 범위 내에서 제1 스캐닝 범위를 스캔하거나, 및/또는 제3 스캐닝 범위 내에서 제2 스캐닝 범위를 스캔할 수 있는) 위치 지정 속도는 제2 위치 지정 대역폭 미만인 범위(또한, 본원에서 "제3 위치 지정 대역폭"으로 지칭됨)에 걸친다. 일 실시예에서, 제3 위치 지정 대역폭은 10 Hz(또는 그 즈음) 또는 그 미만의 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 (예를 들어, 각각 X, Y 및/또는 Z 방향을 따라 작업물(102)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(102)에 대한 회전 이동을 제공할 수 있는) 하나 이상의 회전형 스테이지들 등, 또는 이들의 임의의 조합으로 제공된다. 일 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 작업물(102)을 X 방향을 따라 이동시키는 X 스테이지, 및 X 스테이지에 의해 지지되고(따라서, X 스테이지에 의해 X 방향을 따라 이동 가능함) 작업물(102)을 Y 방향을 따라 이동시키는 Y 스테이지를 포함한다. 도시되진 않았지만, 장치(100)는 제3 위치 지정기(110)를 지지하는 선택적인 베이스(예를 들어, 화강암 블록)을 더 포함할 수 있다.
도시되진 않았지만, 장치(100)는 작업물(102)이 기계적으로 클램핑, 고정(fixed), 유지(held), 채움(secured) 또는 다른 방식으로 지지될 수 있는, 제3 위치 지정기(110)에 연결된 선택적인 척(chuck)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 작업물(102)은 척의 통상적으로 편평한 메인 지지 표면에 직접 접촉하도록 클램핑, 고정, 유지, 채움 또는 다른 방식으로 지지될 수 있다. 다른 실시예에서, 작업물(102)은 척의 지지 표면으로부터 이격되도록 클램핑, 고정, 유지, 채움 또는 다른 방식으로 지지될 수 있다. 다른 실시예에서, 작업물(102)은 척으로부터 작업물(102)에 인가되는, 또는 다른 방식으로 작업물(102)과 척 사이에 존재하는 힘(예를 들어, 정전기력, 진공력, 자기력)을 통해 고정, 유지 또는 채워질 수 있다.
따라서 앞서 서술된 바와 같이, 장치(100)는 소위 "스택형(stacked)" 위치 지정 시스템을 채용하고, 이 시스템에서 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(112) 등과 같은 구성요소들의 위치들은 제3 위치 지정기(110)를 통해 이동되는 작업물(102)에 관련된 장치(100) 내에서 (예를 들어, 이 기술분야에서 알려진 바와 같이 하나 이상의 지지부들, 프레임들 등을 통해) 정적으로 유지된다. 다른 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(112) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들을 이동시키도록 배열 및 구성될 수 있고, 작업물(102)은 정적으로 유지될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 장치(100)는 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(112) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들이 하나 이상의 선형 또는 회전형 스테이지들에 의해 운반되는 분할 축(split-axis) 위치 지정 시스템을 채용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(112) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들을 이동시키도록 배열 및 구성된 하나 이상의 선형 또는 회전형 스테이지들과, 작업물(102)을 이동시키도록 배열 및 구성된 하나 이상의 선형 또는 회전형 스테이지들을 포함한다. 따라서, 제3 위치 지정기(110)는 작업물(102)의, 스캔 렌즈(또는 아래에서 논의되는 스캔 렌즈(112)와 연관되는 스캔 헤드)의 이동을 제공한다. 장치(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 포함하고, 각 특허문헌은 본원에서 그 전체가 참조로 통합된다.
다른 실시예에서, 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 스캔 렌즈(112) 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, 제2 위치 지정기(108) 및/또는 스캔 렌즈(112)는 경우에 따라, 로봇 암의 엔드 이펙터(end effector)에 의해 운반될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작업물(102)은 관절이 있는 다중 축 로봇 암의 엔드 이펙터(end effector) 상에 직접(즉, 제3 위치 지정기(110) 없이) 운반될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 관절이 있는 다중 축 로봇 암의 엔드 이펙터 상에 운반될 수 있다.
D. 스캔 렌즈
스캔 렌즈(112)(예를 들어, 단순 렌즈(simple lens) 또는 복합 렌즈로 제공됨)는 일반적으로 빔 경로를 따라 지향된 레이저 펄스들을 집속시켜, 바람직한 가공 스폿에서 위치 지정될 수 있는 빔 웨이스트를 통상 생성하도록 구성된다. 스캔 렌즈(112)는 f-세타 렌즈(f-theta lens), 텔레센트릭 렌즈, 액시콘 렌즈(axicon lens)(이 경우, 일련의 빔 웨이스트들이 생성되어, 빔 축을 따라 서로 이격된 복수의 가공 스폿들을 산출함) 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 렌즈(112)는 고정된 초점 거리 렌즈로 제공되고, (예를 들어, 빔 축을 따라 빔 웨이스트의 위치를 변경하기 위해) 스캔 렌즈(112)를 이동시키도록 구성된 렌즈 액추에이터(미도시)에 연결된다. 예를 들어, 스캔 렌즈(112)를 Z 방향을 따라 선형으로 이동시키도록 구성된 렌즈 액추에이터는 음성 코일로 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 스캔 렌즈(112)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, VARIOPTIC에 의해 상용화된 기법들을 포함하는 소위 "유체 렌즈(liquid lens)")로 제공된다.
일 실시예에서, 스캔 렌즈(112)와 제2 위치 지정기(108)는 공통 하우징 또는 "스캔 헤드(118)"에 포함된다. 따라서, 장치(100)가 렌즈 액추에이터를 포함하는 일 실시예에서, 렌즈 액추에이터는 (예를 들어, 제2 위치 지정기(108)에 대한 스캔 헤드(118) 내에서 스캔 렌즈(112)의 이동이 가능하도록) 스캔 렌즈(112)에 연결될 수 있다. 대안적으로, 렌즈 액추에이터는 (예를 들어, 스캔 렌즈(118) 그 자체의 이동이 가능하도록--이 경우 스캔 렌즈(112)와 제2 위치 지정기(108)는 함께 이동할 것임--) 스캔 헤드(118)에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 스캔 렌즈(112) 및 제2 위치 지정기(108)는 (예를 들어, 스캔 렌즈(112)가 포함된 하우징이 제2 위치 지정기(108)가 포함된 하우징에 대해 이동 가능하도록) 상이한 하우징들에 포함된다. 스캔 헤드(118)의 구성요소들 또는 전체 스캔 헤드(118) 그 자체는, 스캔 헤드(118)의 구성요소가 간단히 제거되고 다른 구성요소와 교체되도록, 하나의 스캔 헤드(118)가 간단히 제거되고 다른 스캔 헤드로 교체되도록 등을 위해 모듈형 조립체로 이루어질 수 있다.
E. 제어기
일반적으로, 제어기(114)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(104), 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110), 렌즈 액추에이터 등과 같이 장치(100)의 하나 이상의 구성요소에 통신 가능하게 연결되며, 따라서, 이 구성요소는 제어기(114)에 의해 출력된 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여 동작한다.
예를 들어, 제어기(114)는 가공 스폿과 작업물 사이의 상대적 이동을 제공하여 작업물(102) 내의 경로 또는 궤적(또한, 본원에서 "가공 궤적"으로 지칭됨)을 따라 가공 스폿과 작업물(102) 사이의 상대적 이동을 야기하도록, 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108) 또는 제3 위치 지정기(110)의 동작을 제어할 수 있다. 이들 위치 지정기 중 임의의 두 개 또는 이들 위치 지정기 중 세 개 모두, 두 개의 위치 지정기(예를 들어, 제1 위치 지정기(106)와 제2 위치 지정기(108), 제1 위치 지정기(106)와 제3 위치 지정기(110) 또는 제2 위치 지정기(108)와 제3 위치 지정기(110)) 또는 세 개의 위치 지정기들 모두가 가공 스폿과 작업물(102) 사이의 상대적 이동을 동시에 제공하도록(이를 통해, 빔 축과 작업물 사이에 "복합 상대적 이동(compound relative movement)"을 제공하도록) 제어될 수 있다. 물론, 언제라도, 가공 스폿과 작업물(102) 사이의 상대적 이동을 제공하기 위해(이를 통해, 빔 축과 작업물 사이의 "비-복합 상대적 이동"을 제공하기 위해) 하나의 위치 지정기(예를 들어, 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108) 또는 제3 위치 지정기(110)) 만을 제어하는 것이 가능할 수 있다.
복합 또는 비복합 상대적 이동을 지시(command)할 제어 신호들은 사전 계산되거나, 그렇지 않은 경우 실시간으로 결정될 수 있다. 다른 예시에서, 제어기(114)는 가공 스폿으로 전달되는 레이저 펄스들의 스폿 형태 또는 스폿 크기를 변경하기 위해 (예를 들어, 제1 위치 지정기(106)에서 하나 이상의 AOD 시스템들의 하나 이상의 초음파 변환기 요소들에 인가된 RF 신호를 처핑(chirping)함으로써, 제1 위치 지정기(106)에서 하나 이상의 AOD 시스템들의 하나 이상의 초음파 변환기 요소들에 스펙트럼 형태의 RF 신호를 인가함으로써 등, 또는 이들의 조합을 통해) 제1 위치 지정기(106)의 동작을 제어할 수 있다.
임의의 동작들, 기능들, 가공들 및 방법들 등을 수행하기 위해 전술한 구성요소들 중 하나 이상이 제어될 수 있는 동작들 중 일부 예시들은 전술한 미국특허 제4,912,487호, 제5,633,747호, 제5,638,267호, 제5,751,585호, 제5,847,960호, 제5,917,300호, 제6,314,473호, 제6,430,465호, 제6,700,600호, 제6,706,998호, 제6,706,999호, 제6,816,294호, 제6,947,454호, 제7,019,891호, 제7,027,199호, 제7,133,182호, 제7,133,186호, 제7,133,187호, 제7,133,188호, 제7,245,412호, 제7,259,354호, 제7,611,745호, 제7,834,293호, 제8,026,158호, 제8,076,605호, 제8,288,679호, 제8,404,998호, 제8,497,450호, 제8,648,277호, 제8,680,430호, 제8,847,113호, 제8,896,909호, 제8,928,853호, 제9,259,802호, 또는 전술한 미국특허출원 공개번호 제2014/0026351호, 제2014/0197140호, 제2014/0263201호, 제2014/0263212호, 제2014/0263223호, 제2014/0312013호, 또는 독일특허 제DE102013201968B4호, 또는 국제특허출원 제WO2009/087392호, 또는 이들의 임의의 조합에 개시된 바와 같다.
일반적으로, 제어기(114)는 명령들을 실행할 때 전술한 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(114)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 서술들로부터 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 저장될 수 있다.
도시되진 않았지만, 하나 이상의 드라이버들(예를 들어, RF 드라이버들, 서보 드라이버들, 라인 드라이버들, 전원들 등)은 레이저원(104), 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110), 렌즈 액추에이터, Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘(아래 참조) 등과 같은 하나 이상의 구성요소들의 입력에 통신 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 각 드라이버는 통상적으로, 제어기(114)가 통신 연결되는 입력을 포함하고 따라서, 제어기(114)는 장치(100)의 하나 이상의 구성요소와 연관된 하나 이상의 드라이브들의 입력(들)로 송신될 수 있는 하나 이상의 제어 신호들(예를 들어, 트리거 신호들 등)을 생성하도록 동작한다. 따라서, 레이저원(104), 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110), 렌즈 액추에이터 등과 같은 구성요소들은 제어기(114)에 의해 생성된 제어 신호들에 응답한다.
다른 실시예에서, 도시되진 않았지만 하나 이상의 추가적인 제어기들(예를 들어, 구성요소 특정 제어기들)은 경우에 따라, 레이저원(104), 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110), 렌즈 액추에이터, Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘 등과 같은 구성요소들에 통신 가능하게 연결된 드라이버(따라서, 구성요소와 연관된)의 입력에 통신 가능하게 연결될 수 있다. 이 실시예에서, 각 구성요소 특정 제어기는 제어기(114)에 통신 가능하게 연결될 수 있고, 제어기(114)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(114)에 대해 서술된 것과 유사하게 구성될 수 있다.
하나 이상의 구성요소 특정 제어기들이 제공되는 다른 실시예에서, 하나의 구성요소(예를 들어, 레이저원(104))와 연관된 구성요소 특정 제어기는 하나의 구성요소(예를 들어, 제1 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.
III. 제2 위치 지정기에 대한 실시예들
제2 위치 지정기(108)에 대한 이 섹션에서의 특정 실시예들이 장치(100)와 연관되어 논의되지만, 이들 실시예 중 임의의 하나 또는 이들의 임의의 조합이 장치(100) 이외의 임의의 레이저 가공 장치와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다. 일부 실시예들에서, 제2 위치 지정기(108)는 빔 경로에 배치된 복수의 검류계 미러 구성요소들(예를 들어, 각각 미러를 포함함)을 포함하는 검류계 미러 시스템으로 제공된다.
예를 들어 도 2를 참조하면, 검류계 미러 시스템은 제1 검류계 미러 구성요소(202a) 및 제2 검류계 미러 구성요소(202b)를 포함하는 검류계 미러 시스템(200)으로 제공된다. 제1 검류계 미러 구성요소(202a)는 제1 마운트(206a)에 연결된 제1 미러(204a), 제1 마운트(206a)를 통해 제1 미러(204a)를 회전시키는 제1 모터(208a), 그리고 경우에 따라 제1 회전 축(210a)에 대해 제1 마운트(206a)의 회전에 대응하는 위치 신호를 생성하도록, 예를 들면 제1 모터(208a)의 폐루프 서보(closed-loop servo) 제어를 가능케 하도록 구성된 위치 검출기(미도시)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 검류계 미러 구성요소(202b)는 제2 미러(204b), 제2 마운트(206b) 및 제2 모터(208b)를 포함하고, 이들 각각은 제1 검류계 미러 구성요소(202a)에 대해 상술한 바와 같이 구성된다. 제2 검류계 미러 구성요소(202b)는 경우에 따라, 제2 회전 축(210b)에 대해 제2 마운트(206b)의 회전에 대응하는 위치 신호를 생성하도록, 예를 들면 제2 모터(208b)의 폐루프 서보 제어를 가능케 하도록 구성된 위치 검출기(미도시)를 포함할 수 있다.
예시적으로 도시된 바와 같이, 제1 미러(204a)는 빔 경로(116) 내의 제1 위치(예를 들어, 스캔 렌즈(112)로부터 상대적으로 위치됨)에 배치되고, 제2 미러(204b)는 빔 경로(116) 내의 제2 위치(예를 들어, 스캔 렌즈(112)에 상대적으로 더 가깝게 위치됨)에 배치된다. 제1 미러(204a)는 레이저 펄스들을 반사하고, 빔 경로(116)의 이동을 제공하기 위해제1 회전 축(210a)(예를 들어, Y축)에 대해 회전 가능하다(이를 통해, 제2 스캐닝 범위 내에서 X 방향을 따라 거리 d(x) 만큼 연장하는 빔 축의 이동을 제공함). 마찬가지로, 제2 미러(204b)는 레이저 펄스들을 반사하고, 빔 경로(116)의 이동을 제공하기 위해, 제2 회전 축(210b)(예를 들어, X축)에 대해 회전 가능하다(이를 통해, 제2 스캐닝 범위 내에서 Y 방향을 따라 거리 d(y) 만큼 연장하는 빔 축의 이동을 제공함). 일부 실시예들에서, 거리들 d(x) 및 d(y)은 상술한 바와 같이, 1 mm 내지 200 mm의 범위 내에 있을 수 있다. 하지만, 거리들 d(x) 및 d(y)은 1 mm 미만 또는 200 mm를 초과하는 범위 내에 있을 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 거리들 d(x) 및 d(y)은 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 25 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 160 mm, 170 mm, 200 mm 등 이상일 수 있다. 마찬가지로, 거리들 d(x) 및 d(y)은 200 mm, 170 mm, 160 mm, 150 mm, 100 mm, 50 mm, 25 mm, 10 mm, 5 mm, 2 mm, 1 mm를 초과하거나 미만일 수 있고, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다.
A. 텔레센트릭 오차
일 실시예에서, 검류계 미러 시스템(200)은 먼저 제1 미러(204a)에 의해, 그 다음 제2 미러(204b)에 의해 편향된 바와 같은 빔 경로가 빔 축이 제2 스캐닝 범위 내로 이동될 때 스캔 렌즈(112)의 동공(pupil)과 교차하도록(또는 동공의 부근 내의 스캔 렌즈(112)의 위치에서 교차하도록) 구성된다. 하지만, 검류계 미러 시스템(200)의 일부 구성들은 먼저 제1 미러(204a)에 의해, 그 다음 제2 미러(204b)에 의해 편향된 바와 같은 빔 경로가, 그의 동공으로부터 오프셋된(offset) 위치에서 스캔 렌즈(112)에 교차하는 것을 야기하여(또는 전술한 동공의 부근을 벗어난 스캔 렌즈(112)의 위치에 교차하여), 레이저 펄스들이 바람직한 가공 스폿들의 위치들로부터 위치적으로(positionally) 오프셋된 위치들로 전달되는 것을 초래하는 텔레센트릭(telecentric) 오차들을 생성한다는 점이 발견되었다. 예를 들어, 본 발명자들은 (X 및 Y 방향으로의) ± 0.8 ㎛의 위치 오프셋이 작업면 Z 높이에 의존하여, 제1 미러(204a)에서 각각 1°의 편향각에 대해 인지될 수 있음을 발견하였다. 더 작은 위치적 오프셋이 제2 미러(204b)에서 각 편향각에 대해 인지되었다. 임의의 특정 이론으로 한정하고자 함은 아니지만, (제2 미러(204b)와 스캔 렌즈(112) 사이의 거리보다 긴) 제1 미러(204a)로부터 스캔 렌즈(112)까지의 거리는 관측된 텔레센트릭 오차들과 위치적 오프셋들의 생성에 주로 기여하는 것으로 믿어진다. 이들 위치적 오프셋은 궁극적으로 비아들과 같은 피처들이 드릴링되는 위치적인 정확도 및 정밀도를 감소시킬 수 있다.
비아들과 같은 피처들이 드릴링되는 위치적 정확도 및 정밀도를 유지하는데 도움을 주기 위해, 제1 검류계 미러 구성요소(202a)가 (예를 들어, 제어기(114)에 의해 출력된 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여, 제1 검류계 미러 구성요소(202a)에 연결된 서보 드라이버에 의해 출력된 전류에 응답하여 등) 제1 회전 축(210a)에 대해 제1 미러(204a)를 회전시키고 빔 경로(116)의 이동을 제공하여, 예를 들어, 제2 스캐닝 범위 내에서 X 방향을 따라 d(x) 미만의 거리 d'(x) 만큼 연장하는 빔 축의 이동을 제공하도록 구성될 수 있다. X 방향 내에서의 제2 스캐닝 범위의 크기(extent)를 제한할 때, Y 방향내에서의 제2 스캐닝 범위의 크기는 예시적으로 위에서 서술된 거리 d(y)보다 길 수 있는 거리 d'(y)로 증가될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 두 개의 실시예들에 따른 제2 스캐닝 범위들을 도시하는 도 3을 참조한다. 제2 스캐닝 범위(302a)는 거리들 d(x) 및 d(y)이 서로 동일한 통상적인 스캐닝 범위를 나타낸다. 제2 스캐닝 범위(302b)는 거리들 d'(x) 및 d'(y)이 서로 동일하지 않은(즉, d'(x)가 d'(y)보다 짧은) 다른 스캐닝 범위를 나타낸다. 비아 드릴링 공정들과 같은 공정들에서, 거리 d'(x)는 0.04 mm 내지 200 mm 범위 내에 있을 수 있다. 하지만, 거리 d'(x)는 0.04 mm 미만이거나, 200 mm를 초과할 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, d'(x)는 여전히, 거리 d'(y) 보다는 짧지만, 0.04 mm, 0.1 mm, 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm, 40 mm, 70 mm, 100 mm, 150 mm 등을 초과하거나, 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다. 마찬가지로, 거리 d'(x)는 30 mm, 25 mm, 20 mm, 15 mm, 10 mm, 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0.5 mm 등 미만이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다.
제2 미러(204b)를 회전시킬 때 생성되는 텔레센트릭 오차에 기인한 임의의 바람직하지 않은 어느 위치적 오프셋이 검출된 경우, 제2 검류계 미러 구성요소(202b)는 제2 회전 축(210b)에 대해 제2 미러(204b)를 회전시키고, 빔 경로(116)의 이동을 제공하여, 예를 들어, Y 방향을 따라 d(y)보다 짧게 수정된 거리(여기서, 이러한 수정된 거리는 거리 d'(x) 보다 긺)만큼 연장하는 제2 스캐닝 범위 내에서의 빔 축의 이동을 제공하도록 유사하게 구동될 수 있다.
위의 내용에도 불구하고, 텔레센트릭 오차는 검류계 미러 시스템(200)을, 압전기 액추에이터, 전왜 액추에이터, 음성 코일 액추에이터 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 2축 FSM 요소(예를 들어, X 및 Y 방향을 따른 빔 경로를 편향시킬 수 있는)와 같은 위치 지정기로 교체함으로써 감소 또는 제거될 수 있다는 점이 인식될 것이다.
IV. Z 높이 측정 및 보상에 대한 실시예들
종종, 장치(100)의 출력(예를 들어, 도시된 실시예에서 스캔 렌즈(112))으로부터 원하는 가공 스폿 위치로 연장하는 빔 경로의 일 부분의 길이(즉, 장치(100)를 빠져나갈 때, 가공 스폿에서 작업물에 전달될 때까지 레이저 펄스가 이동하는 거리)는 "Z-높이"로 지칭된다. 다수의 레이저 기반 공정들에 대해, 레이저 펄스들은 통상적으로, 빔 웨이스트에서(즉, 가공 스폿에서 전달된 레이저 펄스의 스폿 크기가 빔 웨이스트에서 스폿 크기와 동일할 때(또는 적어도 실질적으로 동일할 때)) 최상의 가공 스폿 품질(예를 들어, 크기, 형태 및 균일성에 대해)과 최대 플루엔스를 산출한다. 하지만, 다른 레이저 기반 공정들은 가공 스폿에서 전달된 레이저 펄스의 스폿 크기가 빔 웨이스트에서의 스폿 크기와 동일할(또는 심지어 실질적으로 동일할) 것을 요구하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 바람직한 스폿 크기로부터 바람직한 가공 스폿에서 전달된 레이저 펄스의 스폿 크기의 편차는 바람직하지 않게 낮은 플루엔스 레벨들을 초래하고, 바람직한 가공 스폿에서 전달된 레이저 펄스의 치수 및 세기 분포를 변경할 수 있다. 이들 편차는 레이저 가공의 품질 및/또는 처리량에 영향을 미칠 수 있다.
바람직한 가공 스폿으로 전달된 레이저 펄스가 바람직한 스폿 크기를 갖도록 보장하기 위해, 장치(100)는 경우에 따라, 스캔 렌즈(112)와 작업면(102a)의 영역(또한, 작업면(102a)의 "감지 범위"로도 지칭됨) 사이의 거리(또는 이들 사이의 거리를 나타내는 특징)을 측정하도록 구성된 Z 높이 센서(124)를 구비할 수 있다. 본원에서 사용되는, 이 측정된 거리(또는 거리를 나타내는 측정된 특징)은 "측정된 작업면 Z-높이"로도 지칭된다. 덧붙여, Z 높이 센서(124)가 특정 스캔 렌즈(112)와 작업면(102a)의 영역 사이의 거리(또는 이들의 특징)를 측정하도록 구성될 때, Z 높이 센서(124)는 또한 특정 스캔 렌즈(112)와 (또는 스캔 렌즈를 포함하는 특정 스캔 헤드와) 연관된 Z 높이 센서로, 또는 더 간단하게 "연관된 Z 높이 센서"로 서술될 수 있다. Z 높이 센서(124)는 임의의 적합한 또는 이로운 변위 센서, 거리 센서, 위치 센서 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. Z 높이 센서(124)로 사용될 수 있는 센서들의 예시들은 레이저 삼각측량 센서, 레이저 프로파일 센서, 스캐닝 공초점(confocal) 레이저 센서, 공초점 간섭 변위센서, 에어 게이지(air gauge) 센서 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
일 실시예에서, Z 높이 센서(124)는 그 연관된 스캔 렌즈(112)에 대해 위치적으로 고정된다(예를 들어, Z 높이 센서(124)는 스캔 헤드(118), 스캔 렌즈 하우징 등에 연결되거나, 스캔 헤드(118)가 연결된 프레임에 연결된다). 이 경우, 제2 스캐닝 범위에 대한 감지 범위의 위치(예를 들어, X-Y 평면에서 측정된)는 고정된다. 다른 실시예에서, 장치(100)는 Z 높이 센서(124)와 스캔 렌즈(112)가 서로에 대해 이동하도록 구성된다. 예를 들어, Z 높이 센서는 스캔 렌즈(112)에 대해 (예를 들어, Z 높이 센서(124)는 스캔 헤드(118)에 또는 장치(100)와 연관된 일부 다른 프레임, 브래킷, 레일 등에 차례로 연결된 선형 또는 회전형 스테이지에 연결된다) 이동 가능할 수 있다(예를 들어, X, Y 또는 Z 방향 등 또는 이들의 임의의 조합의 내에서). 다른 실시예에서, Z 높이 센서(124)는 장치(100) 내에 위치적으로 고정될 수 있고, 스캔 렌즈(112)는 Z 높이 센서(124)에 대해 (예를 들어, X, Y 또는 Z 방향 등 또는 이들의 임의의 조합 내에서) 이동 가능할 수 있다.
Z 높이 센서(124)는 측정된 작업면 Z 높이로 나타나는 하나 이상의 신호들(예를 들어, "Z 높이 신호들"), 데이터(예를 들어, Z 높이 데이터) 등 또는 이들의 임의의 조합을 생성하고, 이들을 제어기(114)로 출력할 수 있다. 미처리 형태에서, Z 높이 센서(124)로부터 생성 또는 출력된 Z 높이 정보에는 잡음이 많이 있을 수 있다(noisy). 때때로, 잡음은 작업면 Z 높이가 기준 작업면 Z 높이에 대해 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어났는지 판단하기 위한 신뢰성 있는 기준(예를 들어, ±60 ㎛, ±70 ㎛, ±80 ㎛, ±90 ㎛, ±100 ㎛ 등)을 형성하기에는 너무 클 수 있다. "미처리" Z 높이 정보에 잡음이 너무 많은 경우, 이는 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어났는지 판단하기 위한 기준을 형성할 수 있는 "가공된" 작업면 Z 높이를 획득하도록, Z 높이 센서(124), 제어기(114) 등에서 또는 이들의 임의의 조합에서 가공(예를 들어, 필터링, 스무딩(smoothed) 등이 이루어지거나 또는 이들의 임의의 조합) 될 수 있다.
일 실시예에서, 미처리 또는 가공된 Z 높이 정보의 항목들이 (예를 들어, 제어기(114)의 버퍼 또는 캐시와 같은 컴퓨터 메모리에 의해 운반되는 데이터 구조로) 저장된다. Z 높이 정보의 각 항목은 항목 Z 높이 정보와 연관된 Z 높이 측정이 획득될 때 제3 스캐닝 범위에 대한 감지 범위의 위치(본원에서 "감지 위치"로도 지칭됨)를 나타내는 정보의 대응하는 항목에 연관되어 저장될 수 있다. 감지 위치를 나타내는 정보는 제3 위치 지정기(110)에 의해 생성되고 제어기(114)로 출력되는 하나 이상의 신호들(예를 들어, 인코더 신호들)로부터 (예를 들어, 제어기(114)에서)획득 또는 유도될 수 있고, X, Y 또는 Z 방향 또는 이들의 임의의 조합을 따른 위치에 대해 주어질 수 있다.
일반적으로, 감지 위치들 사이의 간격은 가공될 작업물(102), 수행될 가공 타입, 피처가 작업물(102) 상에 또는 그 내부에 형성될 위치, 피처가 작업물(102) 상에 또는 그 내부에 형성되는 것에 대해 바람직한 정밀도 또는 정확도 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존할 수 있다. 실시예에서, 감지 위치들 사이의 간격은 0.1 mm 내지 6 mm 범위(예를 들어, 0.2 mm 내지 5 mm의 범위)내에 있다. (예를 들어, 작업물(102)이 PCB이고 가공이 비아 드릴링을 수반하는) 다른 실시예에서, 감지 위치들 사이의 간격은 0.5 mm 내지 1.5 mm의 범위(예를 들어, 1 mm, 또는 그 즈음)내에 있다. 하지만, 감지 위치들 사이의 간격이 0.1 mm 미만이거나 또는 6 mm르 초과할 수 있음이 인식될 것이다. 인접한 감지 위치들의 두 쌍 사이의 간격은 일정하거나 가변적일 수 있다. 일 실시예에서, Z 높이 측정들은 (예를 들어, 제3 위치 지정기(110) 등에 의해 출력된 하나 이상의 인코더 신호들을 수신하면 차례로 생성 및 출력되는) 제어기(114)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여, 제3 위치 지정기(110)로부터 수신된 하나 이상의 인코더 신호들에 응답하여 등 또는 이들의 조합에 따라 트리거될 수 있다.
다른 실시예에서, Z 높이 정보(및 그의 연관된 위치 정보)의 항목은, 그것이 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어나는 것을 나타낼 때에만 저장된다. 이 실시예에서, 제어기(114)는 Z 높이 정보를 가공하여, 특정 위치에서 (예를 들어, 특정되거나 가공된) 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어났는지 판단하도록(그리고 판단이 긍정으로 응답될 때 Z 높이 정보 및 위치 정보를 저장하도록) 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, Z 높이 센서(124)는 Z 높이 정보를 가공하여, (예를 들어, 특정 또는 가공된) 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어났는지 판단하도록(그리고, 판단이 긍정으로 응답될 때 Z 높이 정보를 제어기(114)로 출력하도록) 구성될 수 있다.
(예를 들어, 측정 또는 가공된) 작업면 Z 높이가 (예를 들어, 제어기(114) 또는 Z 높이 센서(124)에 의해) 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어난 것으로 판단되면, 제어기(114)는 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어난 것으로 검출된 변화량 또는 편차를 보상하기 위해 (예를 들어, 전달된 레이저 펄스가 바람직한 가공 스폿에서 바람직한 스폿 크기를 갖도록) 하나 이상의 제어 신호들을 생성하고, 렌즈 액추에이터, 제3 위치 지정기(110) 등 또는 이들의 임의의 조합에 출력할 수 있다. Z 높이 보상은 전달된 레이저 펄스가 바람직한 가공 스폿에서 바람직한 스폿 크기를 갖도록 Z 높이 보상을 초래하는 하나 이상의 메커니즘들을 동작시키기 위한 하나 이상의 제어 신호들을 출력함으로써 초래될 수 있다. 본원에 제공된 실시예들에서 사용될 수 있는 Z 높이 보상을 초래하는 메카니즘들의 예시들은 아래에서 더 상세히 논의된다.
작업면 Z 높이가 이미 알려진 경우, 실시간 Z 높이 보상을 초래하는 것은 간단하다. 하지만, 작업면 Z 높이는 작업물(102)이 가공되기 전에 알려지지 않을 수 있다(또는 필요한 정밀도로 알려지지 않을 수 있다). 일 실시예에서, 작업물(102)이 가공될 모든 위치들에서 작업면 Z 높이는 작업물(102)의 레이저 가공이 시작하기 전 측정된다. 하지만, 작업면 Z 높이의 이러한 "오프라인" 측정은 작업물(102)이 클 때 너무 많은 시간 또는 비용을 필요로 할 수 있다. 이는 Z 높이 센서에 대해 감지된 범위가 작업물(102)의 크기 등에 대해 작은 경우, 레이저 가공을 완료하는데 요구되는 예상 시간이 상대적으로 짧은 경우 등, 특히 그러하다. 또한, 작업면 Z 높이에서의 변화량은 지정된 품질 요건들을 충족시킬 수 없는 의도된 레이저 가공을 렌더링(render) 하기에 충분히 클 수 있다. 그러므로, 작업물 가공 이전 대신에, 작업물 가공 동안 작업면 Z 높이를 실시간으로 측정하는 것이 바람직할 수 있다.
실시간 작업면 Z 높이 측정을 용이하게 하기 위해, Z 높이 센서(124)는 감지 범위가 제2 스캐닝 범위(302b) 내에(예를 들어, 감지 범위의 중심 또는 다른 중앙 영역이 제2 스캐닝 범위(320b)의 내부 또는 외부에 있도록 제2 스캐닝 범위(302b)의 부분적으로 내부에 또는 완전히 내부에) 배열되도록 배열 및 구성될 수 있다. 따라서, 작업면 Z 높이에서 검출된 변화량 또는 편차에 대한 보상은 일 실시예에서, 검출된 변화량 또는 편차가 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어난 것으로 판단될 때 즉시 야기될 수 있다. 하지만, Z 높이 보상을 야기하는 메커니즘과 연관된 응답 시간은 매우 길고, 그 결과 (예를 들어, 작업면 Z 높이에서 검출된 변화량 또는 편차가 보상될 때까지 레이저 가공 시퀀스를 지연시킴으로써) 보상되어야 할 가능성이 있다. Z 높이 보상을 야기하는 메커니즘들의 응답 시간으로 인한 지연들은 이하에서 "응답 시간 지연들"로 지칭된다. 또한, 미처리된 Z 높이 정보(예를 들어, "가공된" 작업면 Z 높이를 획득하기 위한)의 가공은 또한 유사하게 보상되어야 할 수 있는 지연원("가공 지연"으로도 지칭됨)일 수 있는 가능성이 있다. 하지만, 응답 시간과 가공 지연들이 제2 스캐닝 범위가 작업물에 대해 이동되는 속도에 비해 상대적으로 작은 경우(또는 그 반대인 경우), 이러한 지연들이 보상될 필요는 없다.
일부 경우들에서, 감지 범위가 위에서 서술된 바와 같이 제2 스캐닝 범위(302b) 내에 배열될 때 정확한 작업면 Z 높이 측정들을 얻기 어려울 수 있다. 그러므로, 다른 실시예들에서 Z 높이 센서(124)는 감지 범위가 제2 스캐닝 범위(302b)를 완전히 벗어나도록 배열 및 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 내지 도 6을 참조하면, Z 높이 센서(124)는 감지 범위(402)가 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 (예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이) Y 방향을 따라, (예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이) X 방향을 따라, 또는 (예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이) X 및 Y 방향을 따라 오프셋되도록 배열 및 구성된다. 도 4 내지 도 6이 감지 범위(402)가 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 X 방향, Y 방향 또는 X 및 Y 방향들을 따라 오프셋되는 것을 도시하더라도, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 -X, +X, -Y, 또는 +Y 방향 중 어느 한 방향 또는 이들의 임의의 조합으로 오프셋될 수 있음이 인식될 것이다. 도 4 및 도 6에 도시된 실시예들에서, Y 방향을 따른 제2 스캐닝 범위(302b)와 감지 범위(402) 사이의 거리 또는 피치 p(y)(즉, Y 방향을 따라 이들 영역의 각각의 중심들로부터 측정된)는 제2 스캐닝 범위(302b)의 거리 d'(y)와 동일하다. 마찬가지로, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예들에서, X 방향을 따른 제2 스캐닝 범위(302b)와 감지 범위(402) 사이의 거리 또는 피치 p(x)(즉, X 방향을 따라 이들 영역의 각각의 중심들로부터 측정된)는 제2 스캐닝 범위(302b)의 거리 d'(x)와 동일하다. 하지만, 다른 실시예들에서, 거리들 p(y) 및 p(x)은 각각 대응하는 거리들 d'(y) 및 d'(x)보다 길거나 짧을 수 있다.
도 4 내지 도 6에 대해 논의된 예시들에서, 감지 범위(402)는 일반적으로, 범위(dimension)가 원형이고 1 mm 내지 3 mm의 범위에 있는 직경을 갖는다. 일 실시예에서, 감지 범위(402)는 1.5 mm 내지 2 mm의 범위에 있는 직경을 갖는다. 하지만, 감지 범위(402)가 1 mm 미만 또는 3 mm를 초과하는 직경을 가질 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 감지 범위(402)는 전술한 거리들 d(x), d'(x), d(y) 또는 d'(y) 중 임의의 거리 이상인 직경을 가질 수 있다. 하지만, 다른 예시적인 실시예들에서, 감지 범위(402)의 형태는 원형 대신, 일반적으로 삼각형, 정사각형, 직사각형, 타원형 등일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 감지 범위(402)의 형태 및 크기는 일반적으로 제2 스캐닝 범위(302b)의 형태 및 크기와 동일할 수 있다. 일 실시예에서, Z 높이 센서(124)는 감지 범위(402) 내에서 측정된 평균 또는 평균의 작업면 Z 높이를 나타내는 Z 높이 정보를 생성하도록 구성된다. 다른 실시예에서, Z 높이 센서(124)는 감지 범위(402) 내의 복수의 지점들에서 측정된 실제(actual), 평균의 또는 평균 작업면 Z 높이를 나타내는 Z 높이 정보를 생성하도록 구성된다.
위의 내용 관점에서, (예를 들어, 감지 범위(402)가 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 오프셋된 방향에 의해, 감지 범위(402)와 제2 스캐닝 범위(302b) 사이의 피치에 의해 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 특징지어 질 수 있는) 제2 스캐닝 범위(302b)에 대한 감지 범위(402)의 배치는 유연할 수 있다. 예를 들어, 제2 스캐닝 범위(302b)에 대한 감지 범위(402)의 배치는 레이저 가공 동안 제2 스캐닝 범위(302b)와 작업물(102)의 상대적 이동에 대응할 수 있다. 이러한 상대적 이동은 X 또는 Y 방향, 또는 X 및 Y 방향 이외의 하나 이상의 방향 또는 이들의 임의의 방향 등을 따라 진행할 수 있는 이동 방향, 이동 속도와 같은 파라미터들에 의해 특징지어질 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)가 (예를 들어, 제3 위치 지정기(110)를 작동시킴으로써, 스캔 렌즈(112), 작업물(102) 또는 이들의 조합을 이동시킬 때) 작업물(102)에 대해 이동되게 하는 방향과 상이한 방향으로 제2 스캐닝 범위(302b)에 대해 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 의도된 레이저 가공 동안, 제2 스캐닝 범위(302b)가 작업물(102)에 대해 +Y 또는 -Y 방향으로 이동되는 경우, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 (예를 들어, 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이) X 방향으로 또는 +X 방향으로 오프셋될 수 있다. 이 방식으로 감지 범위(402)를 오프셋시키는 것은 실시간 작업면 Z 높이 측정을 제공할 수 있지만, 위에서 논의된 동일한 응답 시간 및 가공 지연들에 민감하다. 또한, 위에서 서술된 바와 같이 감지 범위(402)를 오프셋시키는 것은 레이저 가공이 작업물(102)의 엣지에서 수행되고 감지 범위(402)가 작업물(102) 상에 위치하지 않거나 또는 작업물(102) 상에 부분적으로만 위치된 경우 문제가 있을 수 있다. 하지만, 이들 문제(또는 문제들에 대한 민감성)는 작업물(102)을 가공할 때 아래에서 예시적으로 서술되는 하나 이상의 실시예들에 따른 스캐닝 기법들을 구현함으로써, 개선 또는 회피될 수 있다.
다른 실시예에서, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)가 (예를 들어, 제3 위치 지정기(110)를 작동시킴으로써, 스캔 렌즈(112), 작업물(102) 또는 이들의 조합을 이동시킬 때) 작업물(102)에 대해 이동되는 방향과 동일한 방향으로 제2 스캐닝 범위(302b)에 대해 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 감지 범위(402)는 의도된 레이저 가공 동안 제2 스캐닝 범위(302b)가 작업물(102)에 대해 Y 방향으로 이동하는 경우, (예를 들어, 도 4 또는 도 6에 도시된 바와 같이) 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 Y 방향으로 오프셋될 수 있다. 이 방식으로 감지 범위(402)를 오프셋시키는 것은 실시간 작업면 Z 높이 측정을 제공할 수 있지만, 위에서 논의된 동일한 지연들에도 민감하다. 또한, 작업물(102)이 가공됨에 의존하여, 위에서 설명한 바와 같이 감지 범위(402)를 오프셋시키는 것은 종종(하지만, 항상 그러한 것은 아님), 스캐닝 범위(402)가 제2 스캐닝 범위(302b)가 작업물(102)에 대해 이동되는 것과 동일한 방향으로 오프셋되는 경우에만 유효할 것이다. 하지만, 이 문제점은 (예를 들어, 각각 제2 스캐닝 범위(302b)의 반대측에 배치되는, 다수의 감지 범위들을 산출하기 위해 구성 및 배열되는) 다수의 Z 높이 센서들을 제공함으로써 완화될 수 있다. 이 문제점은 또한, 작업물(102)을 가공할 때, 이하에서 예시적으로 서술되는 하나 이상의 실시예들에 따른 스캐닝 기법을 구현함으로써 완화될 수 있다.
감지 범위(402)의 중심 또는 다른 중앙 영역이 제2 스캐닝 범위(302b)를 완전히 벗어나서 배열된 실시예들에서, 제어기(114)는 가공 위치가 Z 높이 정보의 항목과 연관된 감지 위치와 동일할 때 Z 높이 정보의 항목에 의해 나타난 검출된 변화량 또는 편차를 보상한다. 다른 실시예에서, 검출된 변화량 또는 편차에 대한 보상은 가공 위치가 감지 위치의 지정된 거리 이내에(예를 들어, 400 ㎛, 200 ㎛, 100 ㎛, 80 ㎛, 60 ㎛, 50 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛ 등 이내에) 있을 때 초래된다. 지정된 거리는 고정될 수 있거나, 제2 스캐닝 범위(302b)가 스캔되는 속도, Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘에 연관된 응답 시간 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 인자들에 의존하여 가변적일 수 있다. 이러한 보상은 마찬가지로, 감지 범위(402)의 중심 또는 다른 중앙 영역이 제2 스캐닝 범위(302b) 내에 있거나, 감지 범위(402)가 제2 감지 범위(302b) 내에 부분적으로 배치되지만 감지 범위(402)의 중심 또는 다른 중앙 영역이 제2 스캐닝 범위(302b)를 벗어난 실시예들에서 초래될 수 있다.
가공 위치는 현재 레이저 펄스가 작업물의 가공 동안 가공 스폿으로 전달될 위치(예를 들어, 제3 스캐닝 범위에 대해 결정됨), 일련의 레이저 펄스들이 작업물의 가공 동안 복수의 공간적으로 분배된 가공 스폿들로 연속적으로 전달되는 위치들에 대응하는 중심 위치, 제2 스캐닝 범위(302b)의 일 부분(예를 들어, 그의 엣지, 그의 중심 또는 다른 내부 영역), 제1 스캐닝 범위의 일 부분(예를 들어, 그의 엣지, 또는 그의 중심 또는 다른 내부 영역) 등 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 가공 위치를 나타내는 정보는 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110) 또는 이들의 임의의 조합에 의해 생성되고 제어기(114)로 출력되는 하나 이상의 신호들(예를 들어, 인코더 신호들)로부터, 가공 궤적 등 또는 이들의 조합을 서술하는 정보로부터 (예를 들어, 제어기(114)에서) 획득 또는 도출될 수 있다.
감지 범위(402)의 배치에 대한 이 섹션에서의 특정 실시예들이 제2 스캐닝 범위(302b)와 연관되어 논의되지만, Z 높이 센서(124)는 다른 실시예들에서, 감지 범위(402)가 제2 스캐닝 범위(302a)와 같은 다른 스캐닝 범위들로부터 유사하게 오프셋될 수 있도록 배열 및 구성될 수 있음이 인식될 것이다. 게다가, Z 높이에 대한 이 섹션에서 특정 실시예들이 장치(100)와 연관되어 논의되지만, 이들 실시예들 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합이 장치(100) 이외의 임의의 레이저 가공 장치와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다. 게다가, Z 높이 측정 및 Z 높이 보상 등에 대한 이 섹션에서 특정 실시예들이 레이저 가공 장치 및 레이저 기반 가공들과 연관되어 논의되지만, 이들 실시예 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합은 작업물을 가공하도록 구성되는 기계적 드릴, 워터 절단(water cutting) 또는 드릴링 장치, 전자 빔 절단 기계들, 연마 가공 기계들 등과 같은 임의의 다른 적합한 장치와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다.
A. Z-높이 보상에 영향을 미치는 메커니즘들의 예시적인 실시예들
i. 렌즈 액추에이터
일 실시예에서, Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘은 전술한 렌즈 액추에이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 액추에이터는 전달된 레이저 펄스가 바람직한 가공 스폿에서 바람직한 스폿 크기를 갖도록, (또한, 스캔 렌즈(112)의 사출 동공(exit pupil)으로부터 측정되고 본원에서 "집속 Z 높이"로 지칭되는) 빔 웨이스트의 위치를 빔 축을 따라 조정하도록 작동될 수 있다.
ii. 제1 위치 지정기
일 실시예에서, 제1 위치 지정기(106)는 위에서 예시적으로 서술된 바와 같이, 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들의 스폿 형태 또는 스폿 크기를 변경함으로써 작동될 수 있는 MEMS 미러 또는 미러 어레이를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 위치 지정기(106)는 위에서 예시적으로 서술된 바와 같이, (예를 들어, 하나 이상의 RF 신호들을, 각각이 하나 이상의 AO 셀들에 음향적으로 연결되는 하나 이상의 초음파 변환기 요소들로 인가할 때) Z 높이 보상을 초래하기 위해 구동될 수 있는 하나 이상의 AOD 시스템들을 포함할 수 있다. AOD 시스템을 구동하는 예시적인 실시예들은 이하에서 더 상세히 서술된다. 이들 예시적인 실시예가 장치(100 또는 700)와 같은 장치 내에 포함되는 AOD 시스템에 대해 논의되지만, 예시적인 실시예들은 레이저 기반 장치가 레이저 가공 장치인지의 여부에 관계 없이, AOD 시스템을 포함하는 임의의 레이저 기반 장치로 적합하게 구현될 수 있음이 인식될 것이다.
a. 처핑된(Chirped) RF 신호들
일 실시예에서, 제1 위치 지정기(106)가 AOD 시스템(예를 들어, 다중 축 AOD 시스템)을 포함할 때, AOD 시스템은 레이저 펄스들이 이에 음향적으로 연결되는 AO 셀을 통과할 때 AOD 시스템의 하나 이상의 초음파 변환기 요소들에 인가되는 RF 신호를 처핑함으로써 구동될 수 있다. 인가된 RF 신호를 처핑하는 것은 AOD 시스템을 빠져나가는 레이저 펄스들의 빔의 초점 거리의 변화 생성에 영향을 미친다. 초점 거리를 변경할 때, 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들의 유효한 스폿 크기는 대응하는 방식으로 변한다.
초점 거리가 변경되는 정도는 다음:
에 의해 특징지어질 수 있고, F는 처핑에 의해 생성된 유효 초점 거리이고, v는 AO 셀 내의 음향 속도이고, 는 레이저 펄스들의 파장이며, df/dt는 초음파 변환기 요소에 인가되는 RF 주파수의 변환율이다. 인식될 바와 같이, 초점 거리가 변경되는 방향(즉, 작업물(102) 쪽으로 또는 이로부터 떨어진)은 F의 부호에 의해 정해진다(즉, 주파수가 시간에 따라 증가 또는 감소하도록 변조되는지에 의존하여 양수 또는 음수일 수 있음).
일반적으로, 인가된 RF 신호를 처핑하는 것은 레이저 펄스들의 빔에 의해 조명되는 개구를 통해 음파의 통과 시간(transit time) 보다 짧은 레이저 펄스들에 대해 잘 이루어진다. QCW 레이저와 같은 레이저원(104)에 의해 발생된 레이저 펄스들의 빔의 초점 거리를 효율적으로 변경하는 것은 어려울 수 있는데, 이는 특히 QCW 레이저가 처프 주파수가 개시 값으로 리셋될 수 있는 펄스들 사이의 레이저 오프 시간(laser-off time)을 (효율적으로) 갖지 않기 때문이다. 따라서, (스폿 위치 지정에 필요한 중심 AOD 주파수들에 대한) 처프 스윕(chirp sweep)이 레이저 펄스가 AOD를 통과할 때 적절하게 설정될 수 있도록 이산적 펄스화된 레이저들을 통한 처핑 기법을 구현하는 것이 더 용이할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 처핑 기법들은 펄스 게이팅 유닛이 또한 제공되는 경우, CW 또는 QCW 레이저들을 통해 사용될 수 있다.
AOD 시스템이 빔 축에 대해 이동을 제공할 수 있는 범위는 인가된 RF 신호의 주파수에 비례한다. 인가된 RF 주파수가 처핑될 때, 음파 주파수는 AO 셀을 통과하는 레이저 펄스의 폭(즉, 빔 경로(116)를 횡단하여 측정된)에 따라 변할 것이고, 빔 경로(116)의 편향은 통과하는 레이저 펄스의 평균 주파수에 비례할 것이다. 평균 주파수는 빔 축의 바람직한 이동을 제공하기 위해 적절하게 설정 또는 교정될 수 있다. 하지만, 레이저 펄스 및/또는 AOD 제어 신호 타이밍의 변화는 이 평균 주파수의 시프트를 야기하여, 스폿 위치 오차를 생성할 수 있다(즉, 레이저 펄스가 바람직한 스폿 위치와 상이한 작업물(102)에서의 위치로 전달되는 것을 초래할 수 있다). 예를 들어, AOD 시스템은 (예를 들어, 30 MHz 대역폭에 대해) 150 ㎛의 제1 스캐닝 범위를 갖는다. 따라서, 빔 경로의 편향량/MHz는 150 ㎛/30 Mhz, 또는 5 ㎛/MHz일 것이다. 바람직한 처프 속도가 30 MHz/㎲인 경우, 10 ns의 타이밍 변화는 1.5 ㎛ (즉, (5 ㎛/MHz)*(30 MHz/㎲)*(10 ns))의 빔 경로 편향 오차를 생성할 것이다.
레이저 펄스 및/또는 AOD 제어 신호 타이밍에서의 변화는 통상적으로 제어기(114) 내의 전기회로 또는 동작들(다양하게 구현될 수 있을 때), 드라이버들에서의 변화들, 레이저원(104)으로부터 레이저 펄스들의 발생 등으로부터 발생한다. (다이오드 펄스화된 섬유 레이저들과 같은) 일부 레이저원들에서, 입력 레이저 트리거 신호와 최종적으로 생성된 대응하는 레이저 펄스 사이의 지터는 상대적으로 작을 수 있다(< 10 ns). 다른 레이저원들(예를 들어, Q 스위치 다이오드 펌프 레이저들)에서, 변화는 (예를 들어, 내부 Q 스위치 활동(internal Q switch activity)과 레이저 캐비티의 동역학(laser cavity dynamics)의 무작위 동기화로 인해) 더 클 수 있다. 예를 들어, 통상적인 UV Q 스위치 레이저는 입력 레이저 트리거 신호와 최종적으로 생성된 대응하는 레이저 펄스 사이에서 대략 ± 15 ns의 타이밍 불확실성을 나타낼 수 있다. 또한, 통상적인 FPGA는 20 ns 클록 주기로 동작하는 기본 클록을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 FPGA를 포함하는 제어기(114)는 추가적인 ± 10 ns의 타이밍 불확실성을 도입할 것이다. 이들 타이밍 불확실성들은 작업물(102)로 최종적으로 전달되는 레이저 펄스들의 위치 오차(즉, 레이저 펄스가 바람직한 가공 스폿으로부터 떨어져서 최종적으로 전달된 실제 위치의 변화 또는 편차)를 초래할 수 있다. 가공 동안 형성될 특정 피처들에 의존하여, 이 위치 지정 오차는 상당하거나 그렇지 않을 수 있다.
Z 높이 보상을 초래할 때, 상술한 위치 지정 오차는 상당할 수 있다. 이러한 상황들에서, (예를 들어, 레이저 펄스를 발생시키기 위한) 레이저원(104)으로의 트리거 신호의 출력과 (예를 들어, 하나 이상의 처핑된 RF 신호들을 인가하기 위한) AOD 시스템으로의 트리거 신호의 출력, 및 레이저원(104)에 의한 레이저 펄스들의 발생 사이의 동기화가 개선될 수 있다. 예를 들어, 레이저원(104)이 레이저 펄스들의 출력을 트리거 하기 위해 내부 클록에 의존하는 실시예에서, 내부 클록은 트리거 신호를 AOD 시스템으로 전하는 제어기(114)의 내부 클록에 (예를 들어, PLL, 게이팅 로직 등을 통해) 동기화될 수 있다. 또한, 처프 시퀀스 그 자체를 생성하는 데 수반되는 임의의 클록(예를 들어, 직접 디지털 합성기(direct digital synthesizer, DDS)에 의해 사용되는 클록)이 유사하게 동기화될 수 있다. 이 동기화는 타이밍 불확실성을 오로지 무작위 레이저 캐비티 효과들(random laser cavity effects)로 인한 타이밍 불확실성만으로 바꿀 수 있다.
b. 스펙트럼 형태의 RF 신호들
일 실시예에서, 제1 위치 지정기(106)가 AOD 시스템(예를 들어, 다중 축 AOD 시스템)을 포함할 때, AOD 시스템은 레이저 펄스들이 그에 음향적으로 연결된 AO 셀을 통과할 때, 스펙트럼 형태의 RF 신호를 하나 이상의 초음파 변환기 요소들에 인가함으로써 구동될 수 있다. 이 실시예에서, 인가된 RF 신호에서 스펙트럼의 형태는 AOD 시스템을 빠져나가는 레이저 펄스들의 빔의 M2 인자(또한, 이 기술 분야에서 "빔 품질 인자" 또는 "빔 전파 인자"로도 알려짐)를 변경하기 위해 선택된다. M2 인자를 변경할 시, 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들의 유효 스폿 크기는 대응하는 방식으로 변한다. M2 인자가 변경될 수 있는 정도는 인가된 RF 신호에서 스펙트럼의 너비에 대응한다(예를 들어, 상대적으로 넓은 스펙트럼은 상대적으로 좁은 스펙트럼보다 M2 인자에 더 큰 영향을 미칠 것이다). 일반적으로, 인가된 RF 신호의 스펙트럼 콘텐츠를 성형하는 것은 - 본원에서 서술되는 바와 같이 - 레이저 펄스들의 빔에 의해 조명된 개구를 통해 음파의 통과 시간에 비해 긴 레이저 펄스들에 대해 잘 이루어진다.
방사상 대칭적인 가우시안 공간적 강도 프로파일을 가지는 레이저 펄스들이 작업물(102)로 전달되는 실시예들에서, (그리고, 레이저원(104)에 의해 출력된 레이저 펄스들이 가우시안 공간적 강도 프로파일을 갖는 것으로 가정하면), 인가된 RF 신호의 스펙트럼은 또한, 가우시안 형태를 가질 수 있다. 그러므로, 일 실시예에서, 인가될 수 있는 제1 타입의 RF 신호는 시간 영역에서 가해지는(spiking) 상대적으로 좁은 신호(즉, 인가된 신호 스펙트럼에서 모든 주파수들 사이에서 일정하거나, 실질적으로 일정한 위상을 나타냄)로 특징지어질 수 있다. 이 타입의 신호는 잠재적으로 AOD 셀의 전반적인 회절 효율에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 다른 실시예에서, 인가될 수 있는 제2 타입의 RF 신호는 거의 단일 주파수 진동처럼 보이는, 상대적으로 평탄한 신호(예를 들어, 하나의 진동 피크(oscillatory peak)가 매 다른 진동 피크의 진폭과 거의 동일한 신호)로 특징지어질 수 있다. 이러한 RF 신호는 준주기적인 신호를 포함할 수 있다. 가해진(spiked) RF 신호들과는 달리, 이들 스펙트럼 형태의 RF 신호들은 AO 셀의 회절 효율에 두드러진 영향을 미치지 않도록 구성될 수 있다.
적합한 스펙트럼 형태의 RF 신호들은 임의의 적합한 기법들을 이용하여 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 스펙트럼 형태의 RF 신호는 변조된 빔의 중심 위치를 설정하기 위해 바람직한 중심 주파수(ωo)를 선택, 작업물(102)에서 유효 레이저 펄스 스폿 크기를 설정하기 위해 바람직한 스펙트럼 폭(σω)을 선택, 구동될 이산 주파수들의 간격을 설정하기 위해 바람직한 주파수 해상도(rω)를 선택, 및 각 주파수에 대해 필요한 위상들의 결정을 통해, 적용될 RF 신호에 대한 바람직한 스펙트럼 특성들에 근접하도록, 선택된 중심 주파수(ωo), 스펙트럼 폭(σω) 및 주파수 해상도(rω)를 Gerchberg-Saxton 알고리즘과 같은 알고리즘에 입력을 포함하는 공정에 의해 생성될 수 있다. 이 실시예에서, AOD 시스템은 AO 셀에 입사하는 레이저 펄스들의 빔이 상대적으로 많은 수의 AO 셀의 격자 주기들(grating periods) 을 조명하도록(예를 들어, 석영 AO 셀에 100MHz의 펄스 반복률로 입사하는 6 mm의 빔 크기는 100을 초과하는 주기들을 조명한다) 설계될 수 있어서, 대부분의 실제 경우들에 대해 가우시안 스펙트럼에 대해 적합한 근사를 달성한다. 그리고 나서, 근사는 AOD 시스템에 인가될 하나 이상의 적절한 스펙트럼 형태의 RF 신호들을 생성하도록 (예를 들어, 제어기(114)에서) 적용될 수 있다. 근사 알고리즘으로 입력되는 스펙트럼 폭(σω)을 변경함으로써, 인가된 RF 신호의 스펙트럼은 인가된 RF 신호에서 스펙트럼의 폭을 변경하도록 변경될 수 있다. 또한, 빔 경로(116)는 근사 알고리즘으로 입력되는 중심 주파수(ωo)를 변경함으로써 편향될 수 있다. 따라서, 스펙트럼 폭(σω), 중심 주파수(ωo), 및 주파수 해상도(rω) 또는 이들의 임의의 조합은 함께 또는 별도로 변경될 수 있음이 인식될 것이다.
iii. 제3 위치 지정기
다른 실시예에서, Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘은 제3 위치 지정기(110)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 위치 지정기(110)는 작업물(102)을 이동시켜 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우 내에 있도록 작동될 수 있다(이를 통해, 전달된 레이저 펄스의 빔 웨이스트는 바람직한 가공 스폿에 존재할 수 있다).
iv. Z-높이 보상에 영향을 미치는 메커니즘들의 다른 예시
일 실시예에서, Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘은 렌즈, MEMS 미러 또는 미러 어레이 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 구성요소를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 이러한 메커니즘은 (예를 들어, 제1 위치 지정기(106), 제3 위치 지정기(110), 스캔 렌즈(112) 또는 이들의 임의의 조합에 부가하여) 제공될 수 있고, 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108), 제3 위치 지정기(110), 스캔 렌즈(112) 또는 이들의 임의의 조합의 광학적으로 "업스트림(upstream)" 또는 "다운스트림(downstream)"의 임의의 위치에서 빔 경로(116) 내에 배치될 수 있다. 렌즈로서 제공될 때, 렌즈는 빔 경로(116)를 따라 렌즈를 이동시키도록 구성된 렌즈 액추에이터(예를 들어, 음성 코일 등)에 연결된 고정된 초점 거리 렌즈로서 제공될 수 있고, 그에 따라 빔 웨이스트의 위치를 빔 축에 따라 변경된다. 다른 실시예에서, 렌즈는 빔 축을 따라 빔 웨이스트의 위치를 변경하도록 작동될 수 있는 가변 초점 거리 렌즈(예를 들어, 줌 렌즈 또는 현재 COGNEX, VARIOPTIC 등에 의해 상용화된 기법들을 포함하는 소위 "유체 렌즈")로 제공될 수 있다.
V. 스캔 헤드 구성들에 대한 실시예들
도 1에 도시된 실시예에서, 장치(100)는 단일 스캔 헤드(118)를 포함한다. 하지만, 다른 실시예에서, 장치(100)는 각각이 스캔 헤드(118)에 대해 서술된 방식으로 제공되거나 제공되지 않을 수 있는 다수의(예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 8개 등) 스캔 헤드들로 제공될 수 있다. 장치(100)에 다수의 스캔 헤드들을 (즉, "다중 헤드 장치"로서) 제공하는 것은 장치(100)에 의해 적용되는 레이저 가공들의 처리량을 개선시킬 수 있다. 이러한 다중 헤드 장치의 상이한 스캔 헤드들은 동일하게 또는 상이하게 장착, 구성, 구동, 작동 등이 되거나, 또는 이들의 조합으로 동작될 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 상이한 스캔 헤드들의 스캔 렌즈들 중 하나 이상의 특징들은 동일하거나 상이할 수 있다. 스캔 렌즈의 예시적인 특징들은 타입(예를 들어, f-세타, 텔레센트릭, 액시콘 등), 초점 거리, 개구수, 물질 조성, 코팅의 존재 여부, 코팅 조성 등을 포함할 수 있다.
다른 예시에서, 위치 지정기(예를 들어, 전술한 제2 위치 지정기(108))는 스캔 헤드 내에 포함될 수 있는 한편, 다른 스캔 헤드는 그 안에 포함되거나 다른 방식으로 그와 연관된 위치 지정기를 갖거나 갖지 않을 수 있다. 게다가, 상이한 스캔 헤드들의 위치 지정기들의 하나 이상의 특징들은 동일하거나 상이할 수 있다. 위치 지정기들의 예시적인 특징들은 스캔 헤드(702)의 다수의(예를 들어, 1개, 2개, 3개 등) 위치 지정기들, 스캔 헤드의 각 위치 지정기의 타입(예를 들어, 검류계 미러, MEMS 미러 또는 미러 어레이, 압전 액추에이터, 전왜 액추에이터, 음성 코일 액추에이터 등과 같은 기계 타입 위치 지정기, AOD, EOD와 같은 솔리드 스테이트(solid-state)위치 지정기), 위치 지정 대역폭, 스캐닝 범위의 크기, 스캐닝 범위의 형태, 제조업체, 소프트웨어 제어 등을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 하나의 스캔 헤드(702)의 위치 지정기는 하나 이상의 다른 스캔 헤드(702)와 동일한 제어 신호(들)에 따라 구동될 수 있다. 그렇지 않으면, 하나의 스캔 헤드(702)의 위치 지정기는 하나 이상의 다른 스캔 헤드(702)의 위치 지정기와 상이한 제어 신호에 따라 구동될 수 있다.
일 실시예에서, 상이한 스캔 헤드들은 동일한 방식 또는 상이한 방식으로 장치 내에 장착될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 (또는 모든) 스캔 헤드들은 장치 내에 정적으로 유지되도록 (예를 들어, 장치 내에 포함된 프레임에) 고정될 수 있다. 다른 예시에서, 적어도 하나의 (또는 모든) 스캔 헤드는 장치 내에서 이동 가능할 수 있다. 이동 가능할 때, 적어도 두 개의(또는 모든) 스캔 헤드들은 동일한 방향으로 또는 그 방향을 따라, 상이한 방향으로 또는 그 방향을 따라 등 또는 이들의 임의의 조합으로 이동 가능할 수 있다(예를 들어, 선형 이동, 회전 등). 동일한 방향으로 이동 가능하도록 구성될 때, 적어도 두 개의(또는 모든) 스캔 헤드들은 동일한 속도로(예를 들어, 이들 스캔 헤드들 사이에서 상대적 이동이 발생하지 않도록) 또는 상이한 속도로(이들 스캔 헤드들 사이에서 상대적 이동이 발생하도록) 이동 가능할 수 있다. 이동을 용이하게 하기 위해, 장치는 스캔 헤드들 중 하나 이상에 이롭게 연결되는 하나 이상의 갠트리들(gantries), 선형 스테이지들, 회전형 스테이지들, 관절이 있는 로봇 암들 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 스테이지들은 전술한 제3 위치 지정기(110)의 일부일 수 있거나 (및 위에서 논의된 바와 같이 빔 축과 작업물(102) 사이의 상대적 이동을 제공하기 위한 하나 이상의 제어 신호들에 따라 구동될 수 있거나) 또는, 제3 위치 지정기(110)로부터 분리될 수 있다(따라서, 예를 들어, 각 스캔 헤드와 다중 헤드 장치에 의해 가공될 하나 이상의 작업물 사이의 정렬 조정을 보장하기 위해, 빔 축과 작업물(102) 사이의 상대적 이동을 제공하는 것이 아닌 다른 목적을 위한 하나 이상의 제어 신호들에 따라 구동될 수 있다).
일부 실시예들에서, 다중 헤드 장치는 전술한 Z 높이 센서(124)와 같은 단일 Z 높이 센서를 포함할 수 있거나, 이러한 다수의 Z 높이 센서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, Z 높이 센서는 단일 스캔 헤드와 연관될 수 있거나, 다수의 (예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 8개 등의) 스캔 헤드들과 연관될 수 있다. 일 실시예에서, 포함된 Z 높이 센서들의 개수는 다중 헤드 장치에서 스캔 헤드들의 개수와 동일하고, 각 Z 높이 센서는 단일 스캔 헤드와 연관된다.
위에서 다중 헤드 장치의 특정 피처들을 서술하였지만, 일부 실시예들에 따른 다중 헤드 장치와 연관된 구성들이 도 7을 참조로 더 상세히 예시적으로 서술될 것이다.
다중 헤드 장치로 제공될 때, 장치(100)(도 7에 대해 다중 헤드 장치(700)로 지칭됨)는 제1 스캔 헤드(702a), 제2 스캔 헤드(702b), 제3 스캔 헤드(702c) 및 제4 스캔 헤드(702d)(각각 총칭하여 스캔 헤드(702) 또는 집합적으로 스캔 헤드들(702)로 지칭됨)와 같이 네 개의 스캔 헤드들을 포함할 수 있다. 스캔 헤드들(702)의 그룹들은 공통 레일에 의해 지지될 수 있다. 예를 들어, 제1 스캔 헤드(702a) 및 제3 스캔 헤드(702c)는 주로 제1 레일(704a)에 의해 지지될 수 있고, 제2 스캔 헤드(702b) 및 제4 스캔 헤드(702d)는 주로 제2 레일(704b)에 의해 지지될 수 있다. 본원에서 사용되는 제1 레일(704a) 및 제2 레일(704b)은 또한 총칭하여 레일(704) 또는 집합적으로 레일들(704)로 지칭된다.
일반적으로, 각 레일(704)은 정적으로 또는 이동 가능하게(예를 들어, X 방향을 따라, Y 방향을 따라, 또는 일부 다른 방향을 따라, 또는 X 또는 Y 방향에 평행한 축에 대해 선형 이동되거나, 또는 일부 다른 방향에 평행한 축에 대해 회전되는 등 또는 이들의 임의의 조합) 장치(100) 내에 고정될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서 제1 레일(704a)은 제1 레일(704a)을 X 방향(화살표(706)로 표시됨)을 따라 이동시키도록 구성된 스테이지(미도시)에 연결될 수 있고, 정적으로 되기 위해 다중 헤드 장치(700) 내에 고정된 제2 레일(704b)에 결합될 수 있다.
일반적으로, 레일(704)에 의해 운반되는 스캔 헤드들(702)은 정적으로 또는 이동 가능하게(예를 들어, X 방향을 따라, Y 방향을 따라, 또는 일부 다른 방향을 따라 또는 X 또는 Y 방향에 평행한 축에 대해 선형 이동되거나, 또는 일부 다른 방향에 평행한 축에 대해 회전되는 등 또는 이들의 임의의 조합) 레일(704)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서 제3 스캔 헤드(702c) 및 제4 스캔 헤드(702d)는 정적으로 되기 위해 각각 제1 레일(704a) 및 제2 레일(704b)에 대해 고정되고, 반면 제1 스캔 헤드(702a)는 Y 방향을 따라(예를 들면, 화살표(710)로써 지시되는 것처럼) 이동 가능하도록 (제1 레일(704a)에 의해 운반될 수 있는) 제1 Y 스테이지(708a) 에 연결되고, 제2 스캔 헤드(702b)는 (제1 스캔 헤드(702a)와 독립적으로 또는 조화하여(in unison)) Y 방향을 따라 이동 가능하도록 (또한 제2 레일(704b)에 의해 운반될 수 있는) 제2 Y 스테이지(708b) 에 연결된다. 대안적으로, 제1 스캔 헤드(702a) 및 제2 스캔 헤드(702b)는 제1 레일(704a) 및/또는 제2 레일(704b)에 (예를 들어, 제1 레일(704a) 및 제2 레일(704b)에 걸친 임의의 적합한 또는 이로운 기계적 연동 장치(linkage)를 통해) 이동 가능하게 연결된 공통 Y 스테이지(미도시)에 연결될 수 있다. 따라서, 위에서 서술된 바와 같이 구성되는 제1 스캔 헤드(702a)는 X 및 Y 방향을 따라 이동 가능하고, 제2 스캔 헤드(702b)는 Y 방향을 따라 (예를 들어, 제1 스캔 헤드(702a)와 조화하여) 이동 가능하고, 제3 스캔 헤드(702c)는 X 방향을 따라 (예를 들어, 제1 스캔 헤드(702a)와 조화하여) 이동 가능하며, 제4 스캔 헤드(702d)는 정적으로 유지되도록 고정된다.
일반적으로, 각 스캔 헤드(702)는 전술한 레이저원(104)과 같은 하나 이상의 레이저원들로부터 전술한 빔 경로(116)와 같은 하나 이상의 빔 경로들을 따라 전파하는 레이저 펄스들을 수용하도록 조정된다. 예를 들어, 도시된 실시예에서 레이저 펄스들은 단일 레이저원(104)으로부터 발생되고, 선택적인 광학 시스템(712)에 의해 변경된다(예를 들어, 집속, 확장, 시준, 성형, 편광, 필터링, 분할 또는 다른 방식으로 변경, 조정 또는 지향 등이 이루어진다). 광학 시스템(712)은 빔 익스팬더, 빔 성형기, 개구, 고조파 생성 결정(harmonic generation crystal), 필터, 시준기, 렌즈, 미러, 편광기, 회절 광학 요소, 굴절 광학 요소 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 광학 구성요소들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 선택적인 광학 시스템(712)은 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제6,433,301호에서 모듈형 이미징 광학 레일들(modular imaging optical rails)의 배경으로 예시적으로 서술된 광학 구성요소들 중 임의의 구성을 포함할 수 있다.
도시된 실시예에서, 레이저원(104)에 의해 발생된 (그리고 경우에 따라 광학 시스템(712)에 의해 통과된) 레이저 펄스들은 제1 프라이머리 빔 경로(116a1) 및 제2 프라이머리 빔 경로(116a2)(각각 총칭하여 프라이머리 빔 경로(116a) 또는 집합적으로 프라이머리 빔 경로들(116a)로 지칭됨)를 따라 레이저 펄스들을 동시에 및/또는 번갈아 지향시키는 프라이머리 빔 분배기(714)를 통해 전파된다. 일 실시예에서, 프라이머리 빔 분배기(714)는 AOM으로서 제공되고, 프라이머리 빔 경로들(116a)은 (전술한 미국특허 제7,133,187호에서 예시적으로 논의된 바와 같이) AOM과 연관된 0차 및 1차 빔 경로들로서 제공된다. 일반적으로, AOM의 회절 효율은 100%가 아니다. 그러므로, 적어도 일부 에너지는 심지어 AOM이 1차 빔 경로를 선택하도록 구동될 때에도 프라이머리 빔 경로(116a)를 따라 항상 투과될 것이다. 따라서, 선택적인 실시예에서, 0차 빔 경로를 따라 투과된 에너지는 제1 위치 지정기(106), 제2 위치 지정기(108) 등 또는 이들의 임의의 조합을 적합하게 동작시킴으로써 차단되거나 다른 방식으로 작업물(102a)에 도달하지 못한다. 하지만 다른 실시예에서, 프라이머리 빔 경로들(116a) 중 하나는 AOM과 연관된 포지티브 1차 빔 경로로서 제공될 수 있고, 프라이머리 빔 경로들(116a) 중 다른 것은 AOM과 연관된 네거티브 1차 빔 경로로서 제공될 수 있다. 이 실시예에서, 빔 덤프(beam dump, 미도시)는 AOM의 0차 빔을 따라 투과되는 에너지를 수용하도록 제공될 수 있다.
AOM으로서 제공될 때, 프라이머리 빔 분배기(714)는 레이저원(104)에 의해 발생된 (그리고 경우에 따라 광학 시스템(712)에 의해 통과된) 레이저 펄스들을 시간적으로 촙(chop) 또는 슬라이스(slice)하기 위해, (그 전체가) 레이저원(104)에 의해 발생된 (그리고 경우에 따라 광학 시스템(712)에 의해 통과된) 하나 이상의 레이저 펄스들을 차단, 덤프(dump) 또는 다른 방식으로 감쇄시키기 위해 등 또는 이들의 조합을 위해 (예를 들어, 제어기(114), 다른 제어기 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 출력되는 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여) 경우에 따라, 동작될 수 있다. 예를 들어, AOM은 레이저원(104)에 의해 발생된 (또는 경우에 따라 광학 시스템(712)에 의해 통과된) 하나 이상의 (또는 모든) 레이저 펄스들 중 적어도 일 부분을 차단, 덤프 또는 다른 방식으로 감쇄시키기 위해 동작될 수 있다. 레이저 펄스들 중 하나 이상의 부분들은 상대적으로 감소된 펄스 지속기간, 짧아지거나 길어진 상승 시간, 짧아지거나 길어진 하강 시간 등 또는 이들의 임의의 조합을 갖는 하나 이상의 레이저 펄스들을 발생시키기 위해 차단되거나, 덤프되거나 다른 방식으로 감쇄될 수 있다.
일련의 순차적으로 발생된 레이저 펄스들에서 하나 이상의 레이저 펄스들을 차단하거나 덤핑하는 것은 또한 "펄스 피킹(pulse picking)"으로 알려진다. 펄스 피킹은 적합하거나 다른 방식으로 바람직할 때마다 구현될 수 있다. 예를 들어, 복수의 피처들(예를 들어, 비아들)을 형성하는데 필요한 가공 궤적이 가공 스폿에 의해 횡단될 피처 대 피처 이동들 중 적어도 일부가 동일한 시간량(Tm) 만큼 걸림을 나타내는 경우, 레이저 펄스들은 1/Tm의 펄스 반복률로 레이저원(104)에 의해 발생될 수 있다. 그 후, Tm의 정수배(k)인 시간량(예를 들어, k*Tm)에 걸쳐 가공 스폿에 의해 횡단될 임의의 피처 대 피처 이동들에 대해, 프라이머리 빔 분배기(714)는 (예를 들어, AOM으로서 제공될 때) k*Tm의 주기 동안 발생된 임의의 펄스들을 차단하도록 동작될 수 있다.
일부 경우들에서, 레이저 펄스들이 레이저원(104)에 의해 발생된 펄스 반복률의 변화는 측정 가능한 방식으로 발생된 레이저 펄스들의 시간적 강도 프로파일을 변화시킬 것이다. 이러한 변화들은 (예를 들어, 사전 가공 교정 단계 등 동안) 특징지어질 수 있고, 프라이머리 빔 분배기(714)는 (예를 들어, 레이저원(104)에 의해 발생된 하나 이상의 (또는 모든) 레이저 펄스들 중 적어도 일 부분을 차단, 덤핑 또는 다른 방식으로 감쇄시킴으로써) 이들 사전 특징 지어진 변화들을 보상하도록 (예를 들어, AOM으로서 제공될 때) 동작될 수 있다. 그 결과, 프라이머리 빔 경로들(116a)을 따라 전파하는 레이저 펄스들은 레이저 펄스들이 발생되는 펄스 반복률의 변화 없이, 균일하고 (또는 적어도 실질적으로 균일하고) 시간적인 강도 프로파일들을 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 프라이머리 빔 분배기(714)는 하나 이상의 편광기들, 빔 스플리터들, 스피닝 초퍼 미러들(spinning chopper mirrors), 회전하는 다각형 미러들, 공명 검류계 미러 시스템들(resonant galvanometer mirror systems), 전자 광학 변조기들(EOMs) 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 대안적인 빔 경로들을 제어하거나 및/또는 빔 경로들을 결합하기 위한 EOM들의 사용은 그 전체가 본원에 참조로 통합되는 미국특허 제8,374,206호에서 논의된다. 또한, 선택적인 광학 시스템(712)은 도시된 프라이머리 빔 분배기(714)의 업스트림 대신, 프라이머리 빔 분배기(714)의 다운스트림의 위치에서 프라이머리 빔 경로들(116a)을 따라 보통 배치되는 것으로 인식될 것 있다. 다른 실시예에서, 복수의 선택적인 광학 시스템들(712)은 프라이머리 빔 분배기(714)의 다운스트림에 제공될 수 있고, 각 선택적인 광학 시스템(712)은 상이한 프라이머리 빔 경로(116)를 따라 위치된다.
프라이머리 빔 경로(116a)를 따라 지향된 레이저 펄스들은 제1 세컨더리 빔 분배기(716a) 및 제2 세컨더리 빔 분배기(716b)(각각, 총칭하여 세컨더리 빔 분배기(716)로 지칭되거나, 집합적으로 세컨더리 빔 분배기들(716)로 지칭됨)에 의해 더 분배된다. 제1 세컨더리 빔 분배기(716a)는 제1 세컨더리 빔 경로(116a1)를 따라 전파하는 레이저 펄스들을 제1 세컨더리 빔 경로(116b1) 및 제2 세컨더리 빔 경로(116b2)로 동시에 및/또는 교대로 지향시키도록 구성된다. 마찬가지로, 제2 세컨더리 빔 분배기(716b)는 제2 세컨더리 빔 경로(116a2)를 따라 전파하는 레이저 펄스들을 제3 세컨더리 빔 경로(116b3) 및 제4 세컨더리 빔 경로(116b4)로 동시에 및/또는 교대로 지향시키도록 구성된다. 도시된 실시예에서, 각 세컨더리 빔 분배기(716)는 빔 스플리터 및 미러를 포함하는 시스템으로 제공된다. 예를 들어, 제1 세컨더리 빔 분배기(716a)는 빔 스플리터(718) 및 미러(720)를 포함한다. 하지만, 다른 실시예들에서, 임의의 세컨더리 빔 분배기(716)는 AOM, 하나 이상의 편광기들, 빔 스플리터들, 스피닝 초퍼 미러들, 회전하는 다각형 미러들, 전자 광학 변조기들(EOMs) 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있다.
제1 세컨더리 빔 경로(116b1), 제2 세컨더리 빔 경로(116b2), 제3 세컨더리 빔 경로(116b3) 및 제4 세컨더리 빔 경로(116b4)(각각 총칭하여 세컨더리 빔 경로들(116b)로 지칭됨), 각각은 상이한 스캔 헤드(702)로 전파한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 제1 프라이머리 광 경로(116a1)는 제1 세컨더리 빔 분배기(716a)의 빔 스플리터(718)에 의해 분할되어, 제1 세컨더리 빔 경로(116b1) 및 제3 세컨더리 빔 경로(116b3)를 형성하고, 제2 프라이머리 광 경로(116a2)는 제1 세컨더리 빔 분배기(716b)의 빔 스플리터(718)에 의해 분할되어, 제2 세컨더리 빔 경로(116b2) 및 제4 세컨더리 빔 경로(116b4)를 형성한다. 제1 세컨더리 빔 경로(116b1)는 제1 스캔 헤드(702a)로 지향되고, 제2 세컨더리 빔 경로(116b2)는 제2 스캔 헤드(702b)로 지향되고, 제3 세컨더리 빔 경로(116b3)는 제3 스캔 헤드(702c)로 지향되며, 제4 세컨더리 빔 경로(116b4)는 제4 스캔 헤드(702d)로 지향된다. 도시된 실시예에서, 각 세컨더리 빔 경로(116b)는 단일 레일(704) 상에서만 스캔 헤드들(702)의 세트에 공급된다(serve). 하지만, 임의의 프라이머리 빔 경로(116a)가 그 연관된 세컨더리 빔 경로들(116b)이 상이한 레일들(704) 상에서 스캔 헤드들(702)에 전달될 수 있도록 분할될 수 있음이 인식될 것이다.
도시된 실시예에서, 제1 광학 조립체(722a), 제2 광학 조립체(722b), 제3 광학 조립체(722c) 및 제4 광학 조립체(722d)(각각 총칭하여 광학 조립체(722) 또는, 집합적으로 광학 조립체들(722)로 지칭됨)와 같은 광학 조립체들은 광학 조립체(722)가 동일한 세컨더리 빔 경로(116b)에 배치된 스캔 헤드(702)의 업스트림 위치에서 세컨더리 빔 경로(116b)에 배치되도록, 세컨더리 빔 경로들(116b) 내에 배치된다. 따라서, 도시된 실시예에서, 제1 세컨더리 빔 경로(116b1)는 제1 광학 조립체(722a)를 통해 제1 스캔 헤드(702a)로 전파하고, 제2 세컨더리 빔 경로(116b2)는 제2 광학 조립체(722b)를 통해 제2 스캔 헤드(702b)로 전파하고, 제3 세컨더리 빔 경로(116b3)는 제3 광학 조립체(722c)를 통해 제3 스캔 헤드(702c)로 전파하며, 제4 세컨더리 빔 경로(116b4)는 제4 광학 조립체(722d)를 통해 제4 스캔 헤드(702d)로 전파한다. 하지만, 광학 조립체들(722)은 스캔 헤드들(702)보다 더 적을 수 있음이 인식될 것이다.
도시되진 않았지만, (예를 들어, 하나 이상의 미러들, AOM들, 위치 지정기들(예를 들어, 검류계 미러 시스템들, 고속 조향 미러들 등), 빔 스플리터들, 광 스위치들 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는) 광 우회 시스템(optical bypass system)은 대응하는 광학 조립체(722)를 우회시키도록 임의의 세컨더리 빔 경로(116b)에 배치될 수 있다. 따라서, 광 우회 시스템이 임의의 특정 세컨더리 빔 경로(116b)에 배치될 때, 광학 조립체(722)는 특정 세컨더리 빔 경로(116b)로부터 기능상 제거될 수 있다. 대안적으로, 광학 조립체들(722) 중 하나 이상(또는 모두)은 장치(700)로부터 그 전체가 생략될 수 있다.
각 광학 조립체(722)는 전술한 제1 위치 지정기(106)와 같은 하나 이상의 위치 지정기들과, 경우에 따라 하나 이상의 반파장판들, 개구들, 릴레이 렌즈들, 미러들 등 또는 이들의 임의의 조합(예를 들어, 모두 광 입력 및 출력 포트들을 갖는 공통 하우징 내에 배치되거나, 공통 프레임에 고정되거나 하는 등, 또는 이들의 임의의 조합)을 포함할 수 있다. 상이한 광학 조립체들(722)은 동일하거나 상이하게 구성, 구동, 작동 등 또는 이들의 임의의 조합으로 될 수 있다. 따라서, 하나의 광학 조립체(722)의 위치 지정기는 하나 이상의 다른 광학 조립체(722)의 위치 지정기와 동일하거나 상이한 타입으로 이루어질 수 있다(또는 이와 동일한 타입이나, 이와 상이한 특징을 가질 수 있다). 위치 지정기들의 예시적인 특징들은 광학 조립체(722)의 위치 지정기들의 개수(예를 들어, 1개, 2개, 3개 등), 광학 조립체(722)의 각 위치 지정기의 타입, 위치 지정 대역폭, 스캐닝 범위의 크기, 스캐닝 범위의 형태, 제조업체, 소프트웨어 제어 등을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 하나의 광학 조립체들(722)의 위치 지정기는 하나 이상의 다른 광학 조립체들(722)의 위치 지정기와 동일한 제어 신호(들)에 따라 구동될 수 있다. 대안적으로, 하나의 광학 조립체들(722)의 위치 지정기는 하나 이상의 다른 광학 조립체들(722)의 위치 지정기와 상이한 제어 신호에 따라 구동될 수 있다. 상이한 광학 조립체들(722)의 위치 지정기들은 동시에, 순차적으로, 무작위로 등 또는 이들의 임의의 조합으로 구동될 수 있다. 각 광학 조립체(722)는 모듈형 조립체로 개별적으로 제작될 수 있어서, 이는 다른 광학 조립체(722)에 대해 선택적으로 제거되거나 교체될 수 있다.
도시되진 않았지만, 광학 조립체들(722) 중 하나 이상의 하우징, 프레임 등은 다중 헤드 장치(700) 내의 대응하는 세컨더리 빔 경로(116b)와 광학 조립체(722)의 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 위치 지정기, 개구, 릴레이 렌즈, 미러, 광 입력 포트, 광 전력 포트 등 또는 이들의 임의의 조합)의 광 정렬을 용이하게 하도록 구성된 등록 피처를 포함할 수 있다. 따라서, 다중 헤드 장치(700)는 광학 조립체(722)의 등록 피처와 맞물리도록 구성된 프레임, 래치 등을 더 포함할 수 있다.
도 7에 예시적으로 도시된 바와 같이, 프라이머리 빔 분배기(714)는 프라이머리 빔 경로의 세트(116a)(예를 들어, 두 개의 프라이머리 빔 경로(116a))를 가로질러 유입되는 레이저 펄스들의 열을 분배하고, 세컨더리 빔 분배기들(716)은 세컨더리 빔 경로들의 세트(116b)(예를 들어, 네 개의 세컨더리 빔 경로들(116b))을 가로질러 유입되는 레이저 펄스들의 열(train)을 분배한다. 하지만, 다른 실시예에서, 선택된 프라이머리 빔 경로(116a)를 따라 배치된 세컨더리 빔 분배기들(716) 중 하나는 (예를 들어, 이로부터 세컨더리 빔 경로(116b) 다운스트림을 따라 배치된 대응하는 광학 조립체(722)와 함께) 생략될 수 있고, 선택된 프라이머리 빔 경로(116a)를 따라 전파하는 레이저 펄스들은 (예를 들어, 하나 이상의 미러들 등의 도움 없이) 스캔 헤드(702)로 지향될 수 있다.
일반적으로 상술한 바와 같이 구성되는, 다중 헤드 장치(700)의 하나 이상의 구성요소들(예를 들어, 제1 빔 분배기(714), 제2 빔 분배기들(716), 광학 조립체들(722) 내의 제1 위치 지정기들(106), 스캔 헤드들(702) 내의 제2 위치 지정기들(108) 등)은 (예를 들어, 제어기(114)(도 1 참조)에 의해 출력되는 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여), 레이저 펄스들(또는 레이저 펄스들의 버스트들)이 하나의 스캔 헤드(702)로부터 작업물(미도시)에 투과되고, 동시에 레이저 펄스들(또는 레이저 펄스들의 버스트들)이 적어도 하나의 다른 스캔 헤드(702)(또는 다른 모든 스캔 헤드들(702))로부터 작업물로 투과되도록 동작될 수 있다. 일 실시예에서, 다중 헤드 장치(700)의 동작은 레이저 펄스들(또는 레이저 펄스들의 버스트들)이 레일(704)에 의해 지지되는 하나의 스캔 헤드(702)로부터 전달되고, 동시에 레이저 펄스들(또는 레이저 펄스들의 버스트들)이 동일한 레일(704)에 의해 지지되는 다른 스캔 헤드(702)(또는 다른 모든 스캔 헤드들(702))로부터 전달되도록 제어된다. 다른 실시예에서, 레이저 펄스들(또는 레이저 펄스들의 버스트들)은 상이한 시간에 공통 레일(704)에 의해 지지되는(예를 들어, 제1 레일(704a) 또는 제2 레일(704b)에 의해 공통적으로 지지되는) 상이한 스캔 헤드들(702)로부터 전달된다.
구성요소들 사이의 광학적으로 바람직한 거리들을 포함하는 다중 헤드 장치(700)의 전반적인 설계는 선택적인 광학 시스템(712) 및/또는 그의 구성요소들, 프라이머리 빔 분배기(714), 세컨더리 빔 분배기들(716), 광학 조립체들(722) 및 그의 구성요소들, 그리고 스캔 헤드들(702) 및/또는 그의 구성요소들의 상대적 위치 지정에 영향을 미칠 수 있음이 인식될 것이다. 다수의 폴드(fold) 미러들(724)은 예를 들어, 장애물들을 회피하기 위해, 바람직한 세그먼트 길이들을 제공하기 위해, 정렬을 개선하기 위해 등 또는 이들의 임의의 조합을 위해, 레이저 펄스들이 전파하는 다양한 빔 경로들(예를 들어, 프라이머리 빔 경로(116a), 세컨더리 빔 경로들(116b), 등, 각각 총칭하여 빔 경로(116)로 또는 집합적으로 빔 경로들(116)로 지칭됨)의 폴딩을 용이하게 하도록 채용될 수 있다. 제1 폴드 미러(724a) 및 제2 폴드 미러(724b)와 같은 이 일부 폴드 미러들(724) 중 일부는 각각 제1 레일(704a) 및 제2 레일(704b)에 의해 지지될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 폴드 미러(724a) 및 제2 폴드 미러(724b) 중 하나 또는 양자는 레일(704)이 지지되는 하나 이상의 선형 또는 회전형 스테이지들에 의해 직접 또는 간접적으로 지지될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된, 다중 헤드 장치(700)의 다수의 스캔 헤드들(702)은 다수의 분리된 작업물들을 동시에 및/또는 순차적으로 가공하는데 사용될 수 있거나, 단일 작업물을 동시에 및/또는 순차적으로 가공하는데 사용될 수 있다. 다수의 스캔 헤드들(702)이 다수의 작업물들을 (예를 들어, 동시에) 가공하는데 사용될 때, 장치(100)는 각각이 스캔 헤드에 대해 개별적인 작업물을 이동시키도록 동작할 수 있는 다수의 제3 위치 지정기들(110)에 제공될 수 있다. 이 경우, 제3 위치 지정기들은 작업물들을 서로에 대해, 서로 조화되게(즉, 작업물들 사이의 상대적 이동이 발생하지 않음) 등 또는 이들의 임의의 조합으로 이동시키도록 동작될 수 있다.
VI. 작업물 처리(Handling) 시스템에 대한 실시예들
장치(100) 또는 다중 헤드 장치(700)(각각 총칭하여 장치로 지칭됨)와 같은 장치로 및 이로부터 작업물들을 적재하거나 내리는 것을 용이하게 하기 위해, (예를 들어, 제어기(114)에 의해, 다른 제어기에 의해 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 출력되는 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여) 작업물을 제3 위치 지정기(110)에 운반하거나 제3 위치 지정기(110)로부터 작업물을 운반하도록 동작하는 작업물 처리 시스템이 제공될 수 있다.
일 실시예에서 도 8 및 도 9를 참조로, 작업물 처리 시스템은 장치에 의해 가공되지 않거나, 장치에 의해 부분적으로 가공되거나, 장치에 의해 완전히 가공되거나 또는 이들의 조합이 이루어질 수 있는 하나 이상의 작업물들을 고정하도록 구성되는 스토리지 베이(storage bay)를 포함하는 작업물 처리 시스템(800)으로 제공될 수 있다. 작업물 처리 시스템(800)은 작업물들의 운반을 용이하게 하도록 장치 다음에 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 작업물 처리 시스템(800)은 제3 위치 지정기(110)를 지지하는(경우에 따라 차례로 척(902)을 지지할 수 있는) 전술한 베이스(예를 들어, 802) 다음에 배열될 수 있다. 작업물 처리 시스템(800)은 작업물(102)을 작업물 처리 시스템(800)의 제1 처리 구역(804)으로부터 장치로 운반하도록 동작되는 제1 운반 메커니즘(900)을 포함할 수 있다. 작업물 처리 시스템(800)은 또한, 작업물(102)을 장치로부터 작업물 처리 시스템(800)의 제2 처리 구역(806)으로 운반하도록 동작되는 제2 운반 메커니즘(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 운반 메커니즘(900) 및 제2 운반 메커니즘은 (예를 들어, 작업물 등에 맞물리도록 그 단부에서 엔드 이펙터를 갖는) 로봇 암, NORTHFIELD AUTOMATION SYSTEMS에 의해 제조되는 ROLL MASTER 시스템과 같은 롤투롤(roll-to-roll) 처리 시스템 등 또는 이들의 임의의 조합으로서 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 운반 메커니즘(900)에 의해 운반될 작업물들은 제1 처리 구역(804)에서 사전 정렬되어, 제1 운반 메커니즘(900)이 작업물을 제1 처리 구역(804)으로부터 장치로 운반할 때, 작업물은 제3 위치 지정기(110) 상의 또는 위의 미리 결정된 위치에 및/또는 배향으로 배치된다. 다른 실시예에서, 제1 운반 메커니즘(900)에 의해 운반될 작업물들은 제1 처리 구역(804)에서 사전 정렬되지 않고, 그 결과 제1 운반 메커니즘(900)은 작업물을 임의의 적합한 또는 이로운 기법들(예를 들어, 전술한 미국특허 제7,834,293호에 예시적으로 개시됨)에 따라 제3 위치 지정기(110) 상에 또는 그 위의 미리 결정된 위치에 및/또는 배향으로 정렬할 수 있다.
일 실시예에서, 장치는 작업물들을 작업물 처리 시스템(800)으로의 운반 및 이로부터의 운반을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참조하면, 다중 헤드 장치(700)는 작업물 이동 구역(1000) 내에서 (경우에 따라 척(902)에 의해 지지될 수 있는) 작업물(102)을 이동시키도록 구성된 제3 위치 지정기(미도시)를 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 작업물 이동 구역(1000)은 작업물 적재 구역(1002), 작업물 내림(unloading) 구역(1004) 및 작업물 가공 구역(1006)을 포함한다. 작업물 적재 구역(1002)은 작업물 처리 시스템(800)의 제1 운반 메커니즘(900)과 정렬되고, 작업물 내림 구역(1004)은 작업물 처리 시스템(800)의 제2 운반 메커니즘과 정렬되며, 작업물 가공 구역(1006)은 다중 헤드 장치(700)의 스캔 헤드들(702)와 정렬된다.
상술한 바와 같이 구성되는, 다중 헤드 장치(700)를 이용한 작업물들을 가공하기 위한 예시적인 시퀀스들은 다음과 같이 진행될 수 있다. 척(902)이 작업물 적재 구역(1002)에 미리 있지 않은 경우, 제3 위치 지정기는 처음에, 척(902)을 작업물 적재 구역(1002)으로 이동시키도록 동작되고, 제1 로봇은 작업물(102)을 제1 처리 구역(804)으로부터 척(902)으로 운반하도록 동작된다. 그 다음, 제3 위치 지정기는 전달된 작업물(102)이 현재 지지되는 척(902)을 (예를 들어, X 방향, Y 방향 또는 화살표(1008)를 따른 것과 같이 그들의 조합으로) 작업물 적재 구역(1002)으로부터 작업물 가공 구역(1006)로 (예를 들어, 스캔 헤드들(702) 중 하나 이상과 정렬하여) 이동시키도록 동작된다. 하나 이상의 레이저 펄스들은 작업물(102)을 가공하기 위해 스캔 헤드들(702) 중 하나 이상을 통해 작업물(102)로 전달된다. 가공이 완료된 후, 제3 위치 지정기는 척(902)을 (예를 들어, X 방향, Y 방향 또는 화살표(1010)를 따른 것 과 같이 그들의 조합으로) 작업물 가공 구역(1006)으로부터 작업물 내림 구역(1004)으로 이동시키도록 동작되고, 제2 운반 메커니즘은 가공된 작업물(102)을 척(902)으로부터 제2 처리 구역(806)으로 운반하도록 동작된다. 그 후, 제3 위치 지정기는 척(902)을 (예를 들어, 화살표(1012)를 따르는 것과 같이 Y 방향으로만) 작업물 내림 구역(1004)으로부터 작업물 적재 구역(1002)으로 이동시키도록 동작될 수 있고, 상술한 시퀀스들은 필요한 경우 반복될 수 있다.
일 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 척(902)을 일 방향을 따라 다른 것보다 빠르게 이동시키도록 동작될 수 있다. 예를 들어, 제3 위치 지정기(110)는 척(902)을 Y 방향을 따라 X 방향보다 빠르게 이동시키도록 동작될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 제3 위치 지정기(110)는 (예를 들어, 스택형 배열에서 제공되는) X 스테이지 및 Y 스테이지를 포함한다. X 스테이지는 X 방향을 따른 제1 속도의 척의 이동을 제공하도록 구성되고, Y 스테이지는 Y 방향을 따른 제1 속도보다 큰 제2 속도로의 척의 이동을 제공하도록 구성된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 작업물(102)은 다중 헤드 장치(700) 내에서 스캔 헤드들(702)의 위치들에 대응하는 네 개의 영역들(예를 들어, 제1 영역 I, 제2 영역 II, 제3 영역 III 및 제4 영역 IV)로 개념적으로 분할될 수 있다. 따라서, 작업물(102)이 작업물 가공 구역(1006) 내에 배치될 때, 다중 헤드 장치(700)는 작업물(102)과, 가공 동안 레이저 펄스들을 전달하는(즉, 작업물(102)에 충돌하도록) 스캔 헤드들(702) 사이의 상대적 이동을 제공하도록 동작될 수 있다. 결과적으로, 제1 영역 I은 제1 스캔 헤드(702a)로부터 전달된 레이저 펄스들에 의해 가공될 수 있고, 제2 영역 II은 제2 스캔 헤드(702b)로부터 전달된 레이저 펄스들에 의해 가공될 수 있고, 제3 영역 III은 제3 스캔 헤드(702c)로부터 전달된 레이저 펄스들에 의해 가공될 수 있으며, 제4 영역 IV은 제4 스캔 헤드(702d)로부터 전달된 레이저 펄스들에 의해 가공될 수 있다. 다중 헤드 장치(700)는 또한, 작업물(102)의 다수의 영역들이 공통 스캔 헤드(702)로부터 전달된 레이저 펄스들에 의해 (예를 들어, 순차적으로 또는 교대로) 가공될 수 있도록 전술한 상대적 이동을 제공하기 위해 동작될 수 있음이 인식될 것이다.
일 실시예에서, 다중 헤드 장치(700)에서 스캔 헤드들(702)의 상대적 위치들은 가공될 특정 작업물(102)의 크기에 대응하도록, 가공될 특정 작업물(102) 내의 영역들의 크기들에 대응하도록 등 또는 이들의 조합으로 위에서 예시적으로 서술된 바와 같이 조정될 수 있다.
작업물 처리 시스템(800)에 대한 이 섹션에서 특정 실시예들이 다중 헤드 장치(700)와 연관되어 논의되었지만, 이들 실시예 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합은 장치(100) 또는, 장치(100) 이외의 임의의 다른 레이저 가공 장치, 또는 작업물(102)을 가공하기 위해 이롭게 또는 적합하게 구성된 임의의 다른 장치(예를 들어, 기계적 드릴들, 워터 절단(water-cutting) 또는 드릴링 장치, 전자 빔 절단 기계들, 연마 분사 기계들(abrasive blasting machines) 등)와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다.
VII. 스캐닝 기법들에 대한 실시예들
본원에 사용되는, "스캐닝 기법"이란 용어는 (예를 들어, 제1 스캐닝 범위, 제2 스캐닝 범위, 제3 스캐닝 범위 등 또는 이들의 임의의 조합 내에서) 가공 스폿이 작업물(102)에 대해 스캔되는 방식, 제1 스캐닝 범위가 제2 스캐닝 범위 내에서 스캔되는 방식, 제1 또는 제2 스캐닝 범위가 제3 스캐닝 범위 내에서 스캔되는 방식 등 또는 이들의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 일반적으로 스캐닝 기법은 가공 스폿이 스캔될 가공 궤적, 방향(즉, 가공 스폿, 제1 스캐닝 범위, 제2 스캐닝 범위 등 또는 이들의 임의의 조합이 스캔될 방향), 스캔 속도(즉, 가공 스폿, 제1 스캐닝 범위, 제2 스캐닝 범위 등 또는 이들의 임의의 조합이 스캔될 속도) 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 파라미터들에 의해 특징지어질 수 있다.
A. Z 높이 측정 보상 등을 용이하게 함
이 섹션에서 논의되는 실시예들에서, 장치(100)는 스캔 렌즈(112)에 대해 위치가 고정되는 Z 높이 센서(124)와 같은 Z 높이 센서를 포함한다. 그 결과, 제2 스캐닝 범위(302b)과 작업물(102) 간 상대적 이동이 주어질 때마다(즉, 제2 스캐닝 범위가 "스캔될" 때마다 -- 이는 제3 위치 지정기(110)를 동작시킴으로써 달성될 수 있음), 감지 범위(402)는 또한, 제2 스캐닝 범위(302b)와 조화하여(예를 들어, 동일한 방향 및 동일한 속도로) 스캔된다. 제2 스캐닝 범위(302b)(및 따라서, 감지 범위(402))는 25 mm/sec 내지 200 mm/sec의 범위에 있는 스캔 속도로 스캔될 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 속도는 50 mm/sec 내지 100 mm/sec의 범위에 있다. 가공 속도, Z 높이 측정들이 이루어질 수 있는 속도 및/또는 정밀도, 작업물(102a)의 표면 토폴로지의 변형 등과 같은 인자들에 의존하여, 스캔 속도는 25 mm/sec 미만이거나, 200 mm/sec를 초과할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 4 내지 도 6에 대해 위에서 논의된 제2 스캐닝 범위(320b)에 대해 감지 범위(402)를 오프셋하는 것은 작업물(102)의 가공 동안 특정 문제들을 초래할 수 있다. 하지만, 이들 문제들(또는 문제들에 대한 민감성)은 제2 스캐닝 범위(302b)(및 따라서, 감지 범위(402))를 서로 평행하거나 평행하지 않은 복수의 스트립들 또는 세그먼트들(예를 들어, 직선형이거나, 굴곡지거나 이들의 조합일 수 있는)을 포함하는 스캔 패턴을 정의하는 가공 궤적을 따라 래스터 스캔(raster-scanning)함으로써 개선되거나 회피될 수 있다. 래스터 스캐닝은 단방향 스캐닝 기법, 양방향 래스터 스캐닝 기법 등 또는 이들의 임의의 조합에 따라 수행될 수 있으며, 이들 각각의 예시들은 아래에서 더 상세히 서술된다. 스캐닝 범위(302b)(및, 따라서 감지 범위(402))는 레스터 스캔에 부가하여(또는 이에 대한 대안으로), 벡터 스캔되거나, 단계별 반복(step-and-repeat) 기법들에 따라 배열되는 등 또는 이들의 임의의 조합이 이루어질 수 있음이 인식될 것이다.
본원에서 논의된 래스터 스캐닝 기법의 논의를 용이하게 하기 위한 목적으로, 래스터 스캔 패턴의 세그먼트와 부합하는 작업물의 각 부분은 또한 본원에서 작업물의 "세그먼트"로, 더 간단하게는 "작업물 세그먼트"로 지칭될 것이다. 일반적으로, 각 작업물 세그먼트는 장치(100)에 의해 (예를 들어, 하나 이상의 피처들 등을 형성하기 위해) 가공될 작업물의 일 부분을 포함한다. 하지만, 적어도 하나의 작업물 세그먼트는 장치(100)에 의해 가공될 작업물의 임의의 부분을 포함하지 않는다.
임의의 두 개의 작업물 세그먼트들은 서로 중첩될 수 있거나, 서로 접할 수 있거나, 서로로부터 이격될 수 있다. 본원에서 사용되는 두 개의 평행한 작업물 세그먼트들은 그들 사이에 낀 (평행하거나 평행하지 않은) 작업물 세그먼트가 존재하지 않는 경우, 서로에 대해 "인접한" 것으로 고려된다. 따라서, 두 개의 작업물 세그먼트들은 이들이 접하거나, 서로에 대해 이격된 경우 인접한 것으로 인접할 수 있다. 평행하고 이격된 작업물 세그먼트들의 다수의 쌍들이 존재하는 실시예에서, 작업물 세그먼트들 중 적어도 두 쌍의 작업물 세그먼트들 사이의 거리들은 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 인접한 작업물 세그먼트들 중 임의의 쌍 사이의 거리는 (예를 들어, 사용자에 의해) 수동으로 또는, (예를 들어, 제어기(114)에서) 자동으로 또는 이들의 조합으로 설정될 수 있다. 자동으로 설정될 때, 인접한 작업물 세그먼트들 중 임의의 쌍 사이의 거리는 (예를 들어, 스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 제2 스캐닝 범위(302b)의 길이(또는 폭)를 따라, 제2 스캐닝 범위(302b)에 대한 감지 범위(402)의 배치에 따라, 감지 범위(402)의 크기 및/또는 형태에 따라, 예를 들어, 작업물 세그먼트들 모두를 가공하는데 필요한 전체 시간량을 나타내는 비용 함수의 최적화에 따라 등 또는 이들의 임의의 조합에 따라 설정될 수 있다.
본원에서 사용되는, 레이저 펄스들이 작업물로 전달되는 동안(따라서 가공 스폿을 형성하는 동안) 제2 스캐닝 범위(302b)가 래스터 스캔되는 방향은 "스캔 방향"으로 지칭된다. 마찬가지로, 스캔 방향은 또한, Z 높이 측정들이 획득되는 동안 감지 범위(402)가 스캔되는 방향을 지칭한다. 아래에서 서술되는 실시예들에서, (예를 들어, 스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 작업물 세그먼트의 폭은 (예를 들어, 스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 제2 스캐닝 범위(302b)의 길이(또는 폭) 와 동일하다. 하지만, 다른 실시예에서, 작업물 세그먼트의 폭은 (예를 들어, 스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 제2 스캐닝 범위(302b)의 길이 미만 또는 이를 초과한다. 또한, 아래에서 서술되는 실시예들에서, 동일한 작업물의 모든 작업물 세그먼트들은 (예를 들어, 스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 동일한 폭을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 작업물 세그먼트들 중 적어도 두 개는 (스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 제2 스캐닝 범위(302b)의 길이(또는 폭) 미만, 이에 동일하거나, 또는 이를 초과한다. 또한, 임의의 작업물 세그먼트의 폭은 (예를 들어, 사용자에 의해) 수동으로 (예를 들어, 제어기(114)에서) 자동으로 등 또는 이들의 조합으로 설정될 수 있다. 자동으로 설정될 때, 작업물 세그먼트의 폭은 (스캔 방향에 직각을 이루는 방향을 따라 측정된) 제2 스캐닝 범위(302b)의 길이(또는 폭) 에 따라, 제2 스캐닝 범위(302b)에 대한 감지 범위(402)의 배치에 따라, 감지 범위(402)의 크기 및/또는 형태에 따라, 예를 들어, 작업물 세그먼트들 모두를 가공하는데 필요한 전체 시간량을 나타내는 비용 함수의 최적화에 따라 등 또는 이들의 임의의 조합에 따라 설정될 수 있다.
특정 스캐닝 기법들, Z 높이 측정들, Z 높이 보상 등 에 대한 특정 실시예들이 장치(100)와 연관되어 이 섹션에서 논의되지만, 이들 실시예 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합이 다중 헤드 장치(700)와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다. 이 섹션에서 논의되는 실시예들은 본원에서 논의되는 것들 이외의 임의의 적합하게 구비된 단일 또는 다중 헤드 레이저 가공 장치 또는, 작업물(102)을 가공하도록 이롭게 또는 적합하게 구성된 임의의 다른 장치(예를 들어, 기계적 드릴들, 워터 절단 또는 드릴링 장치, 전자 빔 절단 기계들, 연마 분사 기계들 등)와 연관되어 구현될 수 있음이 더 인식될 것이다.
i. 단방향 스캐닝
단방향 래스터 스캐닝 기법에 따라, 감지 범위(402) 및 제2 스캐닝 범위(302b)는 공통 작업물 세그먼트를 따라 단일 스캔 방향으로 순차적으로 스캔된다. 감지 범위(402) 및 제2 스캐닝 범위(302b)는 또한, 인접한 작업물 세그먼트들을 따라 단일 스캔 방향으로 스캔된다.
단방향 래스터 스캐닝을 용이하게 하기 위해, 장치(100)는 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 스캔 방향과 동일한 방향으로 오프셋된 감지 범위(402)를 투사(project)하도록 배열 및 구성된 Z 높이 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4 또는 도 6을 참조로, 스캔 방향이 Y 방향인 경우, 감지 범위(402)는 또한 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 Y 방향으로 오프셋 될 수 있다. 다른 예시에서, 도 5 또는 도 6을 참조로, 스캔 방향이 X 방향인 경우, 감지 범위(402)는 또한, 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 X 방향으로 오프셋될 수 있다.
가공 이전에, 작업물과 감지 범위(402) 사이의 상대적 위치는 감지 범위(402)가 가공될 작업물의 작업물 세그먼트의 단부에 또는 그 근처에 정렬되도록 초기에 설정된다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, (도 4를 참조로 논의된 제2 스캐닝 범위로부터 오프셋된) 감지 범위(402)는 가공될 현재 작업물 세그먼트(1102)의 단부에서 정렬된다. 마찬가지로, 도 15에 도시된 바와 같이, (도 5를 참조로 논의된 제2 스캐닝 범위로부터 오프셋된) 감지 범위(402)는 가공될 현재 작업물 세그먼트(1502)의 단부에서 정렬된다.
감지 범위(402)가 현재 작업물 세그먼트와 정렬된 후, 제2 스캐닝 범위(302b) 및 감지 범위(402)는 세그먼트를 따라 스캐닝 방향으로(예를 들어, 각각 도 12 및 도 16에 도시된 바와 같이, Y 방향 또는 X 방향으로) 조화하여 스캔된다. 따라서, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b) 전에, 가공될 현재 작업물 세그먼트를 따라 스캔된다. 감지 범위(402)의 스캐닝 동안, 다양한 감지 부분들에서 Z 높이 측정들이 획득되고, 경우에 따라 저장된다(그리고, 위에서 논의된 바와 같이 경우에 따라 더 가공된다).
제2 스캐닝 범위(302b)의 스캐닝 동안, 레이저 펄스들은 가공될 현재 작업물 세그먼트의 부분들로 전달될 수 있다. 특정 감지 위치에서 (예를 들어, 이전에 측정되거나 가공되고 저장된) 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어날 것으로 판단되는 경우, 가공 위치가 특정 감지 위치와 동일할 때(또는 그 위치의 특정 거리 내에 있을 때) Z 높이 보상이 (예를 들면, 위에서 논의한 바와 같이) 초래될 수 있다.
현재 작업물 세그먼트를 가공한 후(예를 들어, 제2 스캐닝 범위(302b)가 도 13 또는 도 17에 도시된 바와 같이, 현재 작업물 세그먼트의 단부에 또는 단부 근처에 있을 때) 작업물과 감지 범위(402) 사이의 상대적 위치는 감지 범위(402)가 가공될 다음 작업물 세그먼트(예를 들어, 도 14 및 도 18에 도시된 세그먼트(1104) 또는 세그먼트(1504))의 단부에 또는 그 근처에 정렬되고, 상술한 공정이 반복될 수 있도록 색인된다(indexed).
ii. 양방향 스캐닝
양방향 래스터 스캐닝 기법에 따라, 감지 범위(402) 및 제2 스캐닝 범위(302b)는 공통 작업물 세그먼트를 따라 반대의 스캔 방향들로 순차적으로 스캔된다. 감지 범위(402) 및 제2 스캐닝 범위(302b) 각각은 또한, 인접한 작업물 세그먼트들을 따라 반대의 스캔 방향들로 스캔된다.
양방향 래스터 스캐닝을 용이하게 하기 위해, 장치(100)는 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 스캔 방향과 상이한 방향으로 오프셋된 감지 범위(402)를 투사하도록 배열 및 구성된 Z 높이 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4 또는 도 6을 참조로, 스캔 방향이 +X 또는 -X 방향이면, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 +Y 또는 -Y 방향으로 오프셋될 수 있다. 다른 예시에서 도 5 또는 도 6을 참조하면, 스캔 방향이 +Y 또는 -Y 방향이면, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)로부터 +X 또는 -X 방향으로 오프셋될 수 있다.
가공 이전에, 작업물과 감지 범위(402) 사이의 상대적 위치는 감지 범위(402)가 가공될 작업물 세그먼트의 단부에 또는 그 근처에 정렬되도록 초기에 설정된다. 예를 들어, 도 19에 도시된 바와 같이, (도 5에 대해 논의된 바와 같이 제2 스캐닝 범위로부터 오프셋된) 감지 범위(402)는 전술한 작업물 세그먼트(1100a1)의 단부에 정렬된다. 마찬가지로, 도 22에 도시된 바와 같이, (도 4에 대해 논의된 바와 같이 제2 스캐닝 범위로부터 오프셋된) 감지 범위(402)는 전술한 작업물 세그먼트(1502)의 단부에 정렬된다.
감지 범위(402)가 가공될 작업물 세그먼트와 정렬된 후, 제2 스캐닝 범위(302b) 및 감지 범위(402)는 가공될 작업물 세그먼트(예를 들어, 각각 도 21 및 24에 도시된 세그먼트(1100a1) 또는 세그먼트(1502))를 따라 제1 스캐닝 방향으로(예를 들어, 각각 도 20 또는 도 23에서 화살표로 도시된 -Y 또는 -X 방향으로) 조화하여 스캔된다. 제1 스캐닝 방향으로의 감지 범위(402)의 스캐닝 동안, 작업물 세그먼트를 따른 다양한 감지 위치들에서 Z 높이 측정들이 획득되고 경우에 따라 저장된다(그리고, 경우에 따라 위에서 논의된 바와 같이 더 가공된다.
가공될 작업물 세그먼트를 Z 높이 센서(124)로 측정한 후(예를 들어, 도 20 또는 도 23에 도시된 바와 같이, 감지 범위(402)가 가공될 작업물 세그먼트(1100a1 또는 1502)의 단부에 또는 그 근처에 있을 때), 작업물과 감지 범위(402) 사이의 상대적 위치는 감지 범위(402)가 가공될 다른 작업물 세그먼트(예를 들어, 각각 도 21 및 도 24에 도시된 바와 같이 세그먼트(1104) 또는 세그먼트(1504))의 단부에 또는 그 근처에 정렬되도록 색인된다. 본원에서 논의되는 실시예들에서 Z 높이 센서(124)가 위치상 스캔 렌즈(112)에 대해 고정되기 때문에, 제2 스캐닝 범위(302b)는 또한, Z 높이 센서(124)에 의해 이전에 측정되었던 작업물 세그먼트(예를 들어, 각각 도 21 및 도 24에 도시된 바와 같이, 이전에 측정된 세그먼트(1100a1) 또는 세그먼트(1502)의 단부에 또는 그 근처에 정렬되게 된다.
위에서 논의된 바와 같이 감지 범위(402) 및 제2 스캐닝 범위(302b)를 색인한 후, 제2 스캐닝 범위(302b) 및 감지 범위(402)는 제1 스캐닝 방향과 반대인 제2 스캐닝 방향(예를 들어, 각각 도 21 또는 도 24에서 화살표들로 도시된 +Y 또는 +X 방향)으로 조화하여 스캔된다. 그 결과, 감지 범위(402)는 제2 스캐닝 범위(302b)가 이전에 측정된 작업물 세그먼트를 따라(즉, 각각 도 21 및 도 24에 도시된 바와 같이, 세그먼트(1100a1) 또는 세그먼트(1502)를 따라) 스캔되는 동안, 가공될 다른 작업물 세그먼트를 따라(예를 들어, 각각 도 21 및 도 24에 도시된 바와 같이, 세그먼트(1104) 또는 세그먼트(1504)를 따라) 스캔된다.
제2 스캐닝 방향으로의 감지 범위(402)의 스캐닝 동안, 다양한 감지 위치들에서 Z 높이 측정값들이 획득되고 경우에 따라 저장된다(그리고, 위에서 논의된 바와 같이 경우에 따라 더 가공된다). 제2 스캐닝 방향으로의 제2 스캐닝 범위(302b)의 스캐닝 동안, 레이저 펄스들은 이전에 측정된 작업물 세그먼트(즉, 각각 도 21 및 도 24에 도시된 바와 같이 세그먼트(1100a1) 또는 세그먼트(1502))의 부분들로 전달될 수 있다. 특정 감지 위치에서 (예를 들어, 측정되거나 가공된) 작업면 Z 높이가 미리 결정된 공칭 Z 높이 가공 윈도우를 벗어날 것으로 결정되는 경우, Z 높이 보상은 가공 위치가 특정 감지 위치와 동일할 때(또는 이의 특정 거리 내에 있을 때) (예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이) 초래될 수 있다.
이전에 측정된 작업물 세그먼트(예를 들어, 작업물 세그먼트(1100a1 또는 1502))가 가공되고 다른(예를 들어, 가공되지 않은) 작업물 세그먼트(예를 들어, 작업물 세그먼트(1104 또는 1504))가 측정된 후, 감지 범위(402)를 측정될 다른 작업물 세그먼트(미도시)의 단부에 또는 그 근처에 정렬하기 위해, 그리고 제2 스캐닝 범위(302b)를 이전에 측정된 작업물 세그먼트(예를 들어, 세그먼트(1104) 또는 세그먼트(1504))의 단부에 또는 그 근처에 정렬하도록 색인이 다시 수행될 수 있다. 정렬 이후, 감지 범위(402) 및 제2 스캐닝 범위(302b)는 제1 스캐닝 방향으로 조화하여 스캔되고, 측정, 가공, Z 높이 보상 등을 수반하는 상술한 공정들이 반복될 수 있다.
B. 피처 형성을 용이하게 함
위에서 논의된 바와 같이, 제1 위치 지정기(106)는 50 kHz 내지 10 MHz의 범위에 있는 제1 위치 지정 대역폭을 가지므로, 제1 스캐닝 범위 내의 가공 스폿을 빠르게 스캔하여, 작업물(102) 내의 하나 이상의 피처들(예를 들어, 하나 이상의 개구부들, 비아들, 트렌치들, 슬롯들, 스크라이브 라인들, 오목한 영역들 등)을 형성하는데 사용될 수 있다. 또한, 위에서 논의되는 바와 같이, 작업물(102)에 형성될 피처의 최대 치수(X-Y 평면에서 측정된)는 (예를 들어, X 또는 Y 방향으로의) 제1 스캐닝 범위의 최대 치수 이하일 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 피처의 최대 치수는 제1 스캐닝 범위의 최대 치수를 초과할 수 있다.
일반적으로, 제2 위치 지정기(108)가 X 방향을 따라(예를 들어, +X 또는 -X 방향을 따라) 제1 스캐닝 범위를 스캔하는 동안, 제2 위치 지정기(108)가 Y 방향을 따라(예를 들어, +Y 또는 -Y 방향을 따라) 제1 스캐닝 범위를 스캔하는 동안, 제3 위치 지정기(110)가 X 방향을 따라(예를 들어, +X 또는 -X 방향을 따라) 제1 및/또는 제2 스캐닝 범위를 스캔하는 동안, 제3 위치 지정기(110)가 Y 방향을 따라(예를 들어, +Y 또는 -Y 방향을 따라) 제1 및/또는 제2 스캐닝 범위를 스캔하는 동안, 또는 이들의 임의의 조합 동안 제1 위치 지정기(106)는 X 방향을 따라(예를 들어, +X 또는 -X 방향으로) 및/또는 Y 방향(예를 들어, +Y 또는 -Y 으로 가공 스폿을 스캔하도록 동작될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 제2 위치 지정기(108)가 제1 스캐닝 범위를 스캔하지 않을 때, 제3 위치 지정기(110)가 제1 또는 제2 스캐닝 범위를 스캔하지 않을 때 또는 이들의 임의의 조합일 때, 제1 위치 지정기(106)는 x 방향을 따라(예를 들어, +X 또는 -X 방향으로) 및/또는 Y 방향을 따라(예를 들어, +Y 또는 -Y 방향으로) 가공 스폿을 스캔하도록 동작될 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, 언제든지, 그 방향을 따라(또는 그 방향으로) 가공 스폿이 제1 위치 지정기(106)에 의해 스캔되는 방향은, 제1 스캐닝 범위가 제2 위치 지정기(108)에 의해 제2 스캐닝 범위 내에서 스캔되는 것에 따른 (또는 스캔되는) 방향, 제1 스캐닝 범위가 제3 위치 지정기(110)에 의해 제3 스캐닝 범위 내에서 스캔되는 것에 따른 (또는 스캔되는) 방향, 또는 이들의 임의의 조합과 동일하거나 또는 상이할 수 있음이 인식되어야 한다.
일부 실시예들에서, 작업물(102)은 PCB 패널, PCB, FPC, IC, ICP, 반도체 디바이스 등으로 제공된다. 따라서, 작업물(102)은 (예를 들어, 구리, 구리 합금, 티타늄, 티타늄 니트라이드, 탄탈룸 등 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 금속을 포함하는 상호 연결 또는 와이어링 구조 등 또는 이들의 임의의 조합으로 형성될 수 있는 필름, 포일 등과 같은) 하나 이상의 구성성분 구조들(constituent structures), 유전체 구조(예를 들어, 강화 필름, 유리 보강 에폭시 라미네이트(glass-reinforced epoxy laminate), 층간 유전체 물질(interlayer dielectric material), 로우 k(low-k) 유전체 물질, 솔더 레지스트 등 또는 이들의 임의의 조합)를 포함할 수 있다. PCB 패널 또는 PCB로서 제공될 때, 작업물(102)은 그의 제1 측에서 제1 컨덕터(예를 들어, 화학 반응 또는 레이저 암화(laser-darkening) 공정 등에 의해 암화되거나, 암화되지 않는 노출된 표면을 가질 수 있는 구리 또는 구리합금 포일)에, 그리고 경우에 따라 제1 측에 반대인 그의 제2 측에서 제2 컨덕터(예를 들어, 구리 또는 구리 합금으로 형성되는 패드, 트레이스, 포일 등)에 점착되는 유전체 구조(예를 들어, 유리 보강 에폭시 라미네이트)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 피처들(예를 들어, 하나 이상의 개구부들, 슬롯들, 홈들, 블라인드 비아들, 관통 비아들, 슬롯 비아들 등)은 물질의 삭마에 기인하여, (예를 들어, 절단 공정, 드릴링 공정, 조각 공정(engraving process), 라우팅 공정 등 또는 이들의 임의의 조합 동안) 이로부터 물질을 제거함으로써 작업물(102)의 하나 이상의 구성요소들 내에 또는 그 상에 형성될 수 있다. 본원에서 사용되는 "피처 영역"이란 용어는 피처를 형성하도록 가공될 작업물(102)의 영역을 지칭한다.
일반적으로, 달리 명시되지 않는 한, "삭마"란 용어는 "직접 삭마", "간접 삭마" 또는 이들의 임의의 조합을 지칭할 수 있다. 작업물(102)에서 물질의 직접 삭마는 물질에 의해 전달된 레이저 에너지의 빔 내에서 에너지의 흡수(예를 들어, 선형 흡수, 비선형 흡수 또는 이들의 임의의 조합)로 인한 물질의 분해일 때 발생한다. 작업물(102)에서 물질의 간접 삭마(또는 "리프트 오프(lift-off)"로 알려짐)는 삭마의 두드러진 원인이 전달된 레이저 에너지의 빔 내에서 에너지를 흡수하는 인접한 물질에서 생성되고, 이로부터 운반되는 열로 인한 융해 및 기화이다.
일 실시예에서, 피처는 작업물(102)의 하나 이상의 구성요소들(예를 들어, 하나 이상의 전기적 컨덕터 구조들, 하나 이상의 유전체 구조들 등 또는 이들의 임의의 조합)을 통해 완전히 또는 부분적으로 연장하도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 전기적 컨덕터 구조 또는 유전체 구조는 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 하지만, 전기적 컨덕터 구조 또는 유전체 구조는 5 ㎛ 미만의 또는 500 ㎛를 초과하는 두께를 가질 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 전기적 컨덕터 구조 또는 유전체 구조의 두께는 1 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 18 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 70 ㎛, 80 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 120 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛, 350 ㎛, 400 ㎛, 450 ㎛, 550 ㎛, 600 ㎛ 등 이상이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이의 값일 수 있다. 마찬가지로, 두께는 550 ㎛, 450 ㎛, 400 ㎛, 350 ㎛, 300 ㎛, 250 ㎛, 120 ㎛, 110 ㎛, 100 ㎛, 80 ㎛, 70 ㎛, 50 ㎛, 40 ㎛, 35 ㎛, 25 ㎛, 20 ㎛, 18 ㎛, 15 ㎛, 10 ㎛, 5 ㎛, 3 ㎛, 1 ㎛, 0.5 ㎛, 0.1 ㎛ 등 미만이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이의 두께일 수 있다.
일반적으로, 피처의 상부 부분은 5 ㎛ 내지 300 ㎛의 범위에 있는 직경(즉, "상부 직경")을 가질 수 있다. 하지만, 상부 직경은 5 ㎛ 미만이거나, 300 ㎛를 초과할 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 상부 직경은 5 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 80 ㎛, 100 ㎛, 120 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛, 320 ㎛ 등 이상이거나, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 직경일 수 있다. 마찬가지로, 상부 직경은 350 ㎛, 300 ㎛, 250 ㎛, 200 ㎛, 150 ㎛, 120 ㎛, 100 ㎛, 80 ㎛, 50 ㎛, 40 ㎛, 30 ㎛, 20 ㎛, 10 ㎛, 5 ㎛ 등 미만이거나, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 직경일 수 있다.
일반적으로, 피처의 하부 부분은 상부 직경 이하인 직경(즉, "하부 직경")을 가질 수 있다. 상부 직경과 하부 직경 사이의 차이는 본원에서 피처의 "테이퍼"로 또는 간단하게는 "피처 테이퍼"로 지칭된다. 피처 테이퍼는 작업물(102) 내의 피처의 측벽의 경사를 나타낸다. 종종, (예를 들어, 작업물(102)의 상대적으로 작은 영역 내에서 다수의 피처들의 형성을 용이하게 하기 위해) 상대적으로 작은 테이퍼를 갖는 피처들을 형성하는 것이 바람직하다. 피처가 비아인 경우, 상대적으로 작은 테이퍼는 그의 신뢰성 있는 도금 또는 채움(filling)을 용이하게 할 수 있다. 테이퍼에 영향을 미치는 하나의 인자는 형성될 피처의 깊이이고, 상대적으로 얕은 깊이들을 갖는 피처들은 0의 테이퍼 또는 상대적으로 깊은 깊이들을 갖는 피처들에 비해 작은 테이퍼들을 갖는 경향이 있다. 현재 예시에서, 작업물(102)에 형성될 피처의 테이퍼는 20 ㎛ 이하일 수 있다. 예를 들어, 테이퍼는 18 ㎛, 15 ㎛, 12 ㎛, 10 ㎛, 9 ㎛, 8 ㎛, 7.5 ㎛, 7 ㎛, 6 ㎛, 5 ㎛, 4 ㎛, 3 ㎛, 2 ㎛, 1 μm, 0.5 ㎛ 등 이하이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이의 값일 수 있다.
일반적으로, 피처의 깊이는 피처의 상부 및 하부 부분을 통해 연장하는 축(또한, 본원에서 "피처 축"으로 지칭됨)을 따라 측정된다. 일 실시예에서, 피처의 깊이는 형성될 하나 이상의 구조들의 두께에 대응한다(이 경우, 피처는 하나 이상의 구조들을 완전히 관통하여 연장함). 다른 실시예에서, 피처의 깊이는 형성되는 구조의 두께에 대응하지 않는다(이 경우, 피처는 구조를 부분적으로만 관통하여 연장함). 따라서, 피처는 5 ㎛ 내지 250 ㎛ 범위에 있는(또는 5 ㎛ 미만이거나 250 ㎛를 초과하는) 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 피처는 1 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 18 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 70 ㎛, 80 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 120 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛ 등 이상의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 깊이를 가질 수 있다. 마찬가지로, 깊이는 300 ㎛, 250 ㎛, 120 ㎛, 110 ㎛, 100 ㎛, 80 ㎛, 70 ㎛, 50 ㎛, 40 ㎛, 35 ㎛, 25 ㎛, 20 ㎛, 18 ㎛, 15 ㎛, 10 ㎛, 5 ㎛, 3 ㎛, 1 ㎛, 0.5 ㎛, 0.1 ㎛ 등 미만이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이의 깊이일 수 있다.
일반적으로, 피처 형성은 가공 스폿을 하나 이상의 스캔 패턴들을 정의하는 가공 궤적을 따라 스캔함으로써(예를 들어, 제1 스캐닝 범위 내의 하나 이상의 대응하는 스캔 패턴들에 따라 가공 스폿을 스캔하기 위해 제1 위치 지정기(106)를 제어함으로써) 수행될 수 있다. 형성될 피처의 바람직한 깊이, 피처 형성 동안 제거될 물질(들), 피처 형성 동안 전달될 레이저 펄스들의 빔의 하나 이상의 파라미터들 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 피처는 가공 스폿을 스캔 패턴("피처 형성" 스캔 패턴으로도 지칭됨)을 따라 한 번만 또는 수회 스캔함으로써 형성될 수 있다. 가공 스폿이 스캔 패턴을 따라 수회 스캔되거나 스캔 패턴을 따라 수회 스캔될 때, 가공 스폿은 동일한 스캔 패턴을 따라 반복적으로 스캔될 수 있다(즉, 동일한 스캔 패턴이 반복적으로 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 적어도 두 개의 상이한 스캔 패턴들이 피처 형성 동안 사용될 수 있다. 동일한 스캔 패턴이 반복적으로 사용되는 경우, 후속적으로 사용되는 스캔 패턴은 이전에 사용된 스캔 패턴의 배향과 동일한 배향(예를 들어, 피처 축에 대해 측정됨) 또는 이와 상이한 배향을 가질 수 있다.
특정 스캐닝 기법들에 대한 특정 실시예들이 장치(100)와 연관되어 이 섹션에서 논의되지만, 이들 실시예들 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합이 다중 헤드 장치(700)와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다. 이 섹션에서 논의된 실시예들이 본원에서 논의된 것을 이외의, 임의의 적합하게 구비된 단일 또는 다중 헤드 레이저 가공 장치 또는, 작업물(102)을 가공하도록 이롭게 또는 적합하게 구성된 임의의 다른 장치(예를 들어, 기계적 드릴, 워터 절단 또는 드릴링 장치, 전자 빔 절단 기계들, 연마 분사 기계들 등)와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다.
i. 스캔 패턴들의 예시적인 실시예들
비아들 또는 다른 홀들, 개구부들, 오목부들, 트렌치들 등과 같은 피처들을 형성하기 위한 스캔 패턴들의 예시들은 각각 도 25, 도 26, 도 27 및 도 28에 도시된 바와 같이 스캔 패턴들(2500, 2600, 2700 및 2800) 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일반적으로, 스캔 패턴은 (예를 들어, 도 25에 도시된) 래스터 패턴, (예를 들어, 도 26에 도시된) 별 형상의 다각형 또는 별 형태의 다각형, (동심으로 배열되거나 그렇지 않은 경우 예를 들어, 도 27에 도시된) 나선형 또는 호들 또는 원형들의 세트, (예를 들어, 도 28에 도시된) 원형, 원형 세트, 또는 하나 이상의 형태들(예를 들어, 타원형, 삼각형, 정사각형들, 직사각형들 또는 다른 규칙적 또는 비규칙적인 형태들 등) 등 또는 이들의 임의의 조합과 외형이 유사하거나, 그렇지 않은 경우 이의 윤곽을 그릴 수 있다(delineate). 일 실시예에서, 하나 이상의 스캔 패턴들(예를 들어, 하나 이상의 스캔 패턴들(2500, 2600, 2700 또는 2800), 또는 이들의 임의의 조합)은 원형 개구부, 비아 등과 같은 피처의 형성 동안 하나 이상의 전기적 컨덕터 구조들, 하나 이상의 유전체 구조들 등 또는 이들의 임의의 조합으로부터 (예를 들어, 직접 삭마, 간접 삭마 또는 이들의 임의의 조합에 의해) 물질을 제거하도록 사용될 수 있다.
도 25 내지 도 28에서, 점선(2502)은 작업물(102)의 전기적 컨덕터 구조 또는 유전체 구조에서 형성되는 피처(예를 들어, 본 예시에서 원형 개구부 또는 비아)에 대한 작업면(102a)에서의 바람직한 경계를 나타낸다. 본 예시를 통한 논의의 목적을 위해, 작업물(102)에 형성되면, 피처는 작업면(102a)에서 형성된 "상부 부분"을 포함하고 (예를 들어, 작업물(102) 내에서 한정되거나(terminate), 작업물(102)을 완전히 관통하여 연장하도록) 축을 따라 작업물(102)로 연장하는 것으로 특징지어질 수 있다. 따라서, 작업물(102) 내에서 한정되거나 또는 작업물(102)의 다른 측에 존재하는 피처의 부분은 본원에서 피처의 "하부 부분"으로 지칭될 수 있다.
도 25 내지 도 28은 피처의 경계(2502)(본원에서 "피처 경계"로도 지칭됨)가 원형으로 형성되는 것을 도시하였지만, 경계는 임의의 적합한 또는 바람직한 형태(예를 들어, 타원형, 정사각형, 직사각형, 정삼각형, 육각형, 불규칙 형태 등 또는 이들의 임의의 조합)를 가질 수 있다. 본원에 도시된 실시예들에서, 피처의 상부 및 하부 부분에서 경계(2502)의 형태는 동일하거나 유사하다(예를 들어, 원형). (예를 들어, 직접 삭마를 통해 물질의 제거가 발생하고, 다수의 스캔 패턴들이 물질의 가공 동안 스캔되는) 다른 실시예들에서, 피처의 상부 부분에서 경계(2502)는 피처의 하부 부분에서 경계의 형태와 상이할 수 있다. 예를 들어, 피처의 상부 부분은 원형인 경계(2502)를 가질 수 있는 한편, 피처의 하부 부분은 타원형, 직사각형 등인 경계를 가질 수 있다.
스캔 패턴 내에서 가공 스폿들의 위치들의 중심들(각각 총칭하여 "스폿 위치" 또는 집합적으로 "스폿 위치들"로 지칭됨)은 다이아몬드들(2504)로 표시된다. 스캔 패턴들(2500, 2600, 2700 및 2800)이 도시된 스폿 위치들(2504)의 특정 배열을 갖는 것으로 도시되었지만, 임의의 스캔 패턴은 임의의 적합한 또는 바람직한 배열로 더 많거나 적은 스폿 위치들을 포함할 수 있음이 인식될 것이다. 스캔 패턴 내의 또는 공통 스캔 라인을 따라 배치된 스폿 위치들(2504)의 배열(즉, 스폿 위치들의 개수, 스폿 위치들의 위치들, 인접한 위치들 사이의 피치(pitch) 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 특징지어질 수 있는)은 스폿 위치에서 또는 그 근처에서 물질의 열 전도율, 열 확산율, 특정 열 용량, 광 흡수율 등, 피처의 형성 동안 스폿 위치에서 또는 그 근처에서 물질의 점성, 스폿 위치에서 또는 그 근처에서 물질의 광 흡수율(전달된 레이저 에너지의 빔에 대한), 스폿 위치 근처에서 임의의 전기적 컨덕터 또는 유전체 구조들의 존재 또는 부재, 스폿 위치 근처의 임의의 전기적 컨덕터 또는 유전체 구조들의 기하학적 구성, 공간적 강도 프로파일의 스폿 크기, 타입 및 형태, 펄스 지속기간, 플루엔스, 펄스 반복률, 스캔 속도, 형성될 피처의 크기 및 형태 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 인자들에 의존하여 변할 수 있다. 일반적으로, 특정 스캔 패턴의 하나의 스캔 라인을 따라 공통적으로 배치되는 스폿 위치들의 배열은 특정 스캔 패턴의 다른 스캔 라인을 따라 공통적으로 배치된 스폿 위치들의 배치와 동일하거나 상이할 수 있다.
스폿 위치들(2504) 중, 스폿 위치(2504a)는 레이저 펄스로 방사될 스캔 패턴에서의 제1 스폿 위치를 나타내고, 스폿 위치(2504b)는 레이저 펄스로 방사될 스캔 패턴에서의 마지막 스폿을 나타낸다. 따라서, 스폿 위치들(2504)을 연결하는 실선은 스폿 위치들(2504)이 (예를 들어, 하나 이상의 전달된 레이저 펄스들에 의해) 다루어지는 시퀀스를 나타낸다. 하지만, 스캔 패턴 내의 스폿 위치들(2504)은 임의의 다른 바람직한 시퀀스로(따라서, 실선의 구성을 변경하는) 다루어질 수 있고 심지어 무작위로 다루어질 수 있음이 인식되어야 한다. 가공 중 언제라도, 스캔 패턴 내의 스폿 위치(2540)는 이전에 다루어진 스폿 위치(즉, 레이저 펄스들이 전달되는 스폿 위치), 현재 다루어지는 스폿 위치(즉, 레이저 펄스들이 전달되고 있는 스폿 위치) 및 다루어진 스폿 위치(즉, 레이저 펄스들이 전달될 스폿 위치)로 특징지어질 수 있다.
일 실시예에서, 스폿 위치들(2504)의 배열과 스폿 위치들(2504)이 다루어지는 시퀀스는 경우에 따라, 피처 형성 동안 작업물(102) 내의 바람직하지 않은 열 축적(예를 들어, 바람직하지 않은 금, 융해, 기화, 삭마, 결정화, 어닐링(annealing), 탄화, 산화 등)을 감소시키거나 회피하도록 선택된다. 다른 실시예에서(및 아래에서 더 상세히 서술되는), 스폿 위치들(2504)의 배열 및 스폿 위치들(2504)이 다루어지는 시퀀스는, 경우에 따라 최종적으로 형성되는 피처의 테이퍼에 영향을 미치도록(예를 들어, 감소시키도록) 선택된다. 다른 실시예에서, 스폿 위치들(2504)의 배열 및 스폿 위치들(2504)이 다루어지는 시퀀스는, 경우에 따라, 작업물(102) 상의 또는 내의 하나 이상의 피처들의 효율적인 형성을 용이하게 하는 방식으로 작업물(102)의 가열을 촉진시키도록 선택된다.
펄스 반복률, 제1 위치지정 대역폭, 스캔될 스캔 패턴 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 적어도 두 개의 시간적으로 순차적인 레이저 펄스들(예를 들어, 두 개의 레이저 펄스들, 세 개의 레이저 펄스들, 다섯 개의 레이저 펄스들, 여덟 개의 레이저 펄스들, 열 개의 레이저 펄스들, 스무 개의 레이저 펄스들 등)은 동일한 스폿 위치(2504)로, 또는 상이한 스폿 위치들(2504)로 전달될 수 있다. 이 경우, 펄스 반복률은 일반적으로, 제1 위치지정 대역폭을 초과하는 것으로 특징지어질 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 펄스 반복률은 제1 위치지정 대역폭 이하일 수 있다. 시간적으로 순차적인 레이저 펄스들이 동일한 스폿 위치(2504)로 전달되는(또는, 그렇지 않은 경우 공통 스폿 위치(2504)의 로컬 부근으로 전달되는) 주기는 본원에서 그 스폿 위치(2504)와 연관되는 "체류 시간(dwell time)"으로 지칭된다. 논의의 목적을 위해, 레이저 펄스는 스폿 위치(2504)의 1 ㎛ 내로 전달되는 경우, 스폿 위치(2504)의 로컬 부근으로 전달되는 것으로 간주된다. 일 실시예에서, 레이저 펄스는 스폿 위치(2504)의 10.0 ㎛, 8.0 ㎛, 7.0 ㎛, 6.0 ㎛, 5.0 ㎛, 4.0 ㎛, 3.5 ㎛, 3.0 ㎛, 2.5 ㎛, 2.0 ㎛, 1.5 ㎛, 1.0 ㎛, 0.9 ㎛, 0.8 ㎛, 0.75 ㎛, 0.7 ㎛, 0.65 ㎛, 0.6 ㎛, 0.5 ㎛, 0.4 ㎛, 0.3 ㎛, 0.25 ㎛, 0.2 ㎛, 0.15 ㎛, 0.1 ㎛, 0.08 ㎛, 0.05 ㎛, 0.01 ㎛, 또는 0.01 ㎛ 미만 내로 전달되는 경우, 스폿 위치(2504)의 로컬 부근으로 전달되는 것으로 간주된다.
도시된 실시예들에서, 스캔 패턴은 하나 이상의 일련의 순차적으로 다루어지는 스폿 위치들(2504)을 포함하는 것으로 특징지어질 수 있다. 이러한 각각의 일련의 스폿 위치들(2504)은 일반적으로 공통 스캔 라인을 따라 배치되는 것으로 특징지어질 수 있다. 일반적으로, 공통 스캔 라인 상에 배치되는 순차적으로 다루어지는 스폿 위치들은 상이한 스캔 라인들 상에 배치되는 순차적으로 다루어지는 스폿 위치들에 비해 서로에 대해 더 근접하다. 스캔 라인은 (예를 들어, 도 25 또는 도 26에 도시된 바와 같이) 직선이거나, (예를 들어, 도 27 또는 도 28에 도시된 바와 같이) 굴곡지거나, 등 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 스캔 패턴(2500)은 복수의 직선이고 평행한 스캔 라인들을 포함하는 반면, 도 26에 도시된 스캔 패턴(2600)은 서로에 대해 비스듬한 복수의 직선 스캔 라인들을 포함한다. 스캔 패턴(2600)에서 스캔 라인들은 차례로 피처 경계(2502)의 중심으로부터(또는 일반적으로 방사상으로)(또는 피처 경계(2502)의 중심을 둘러싸는 중앙 영역으로부터) 피처 경계(2502) 쪽으로 방사상으로 차례로 연장하는 축들을 따라 연장한다. 도 27에 도시된 스캔 패턴(2700)은 복수의 동심으로 배열된 아치형 스캔 라인들(바람직한 피처 경계(2502)를 따라 연장하는 방사상으로 가장 외측의 것)을 포함한다. 도 28에 도시된 스캔 패턴(2800)은 (예를 들어, 바람직한 피처 경계(2502)를 따라 연장하는) 단일의 아치형 스캔 라인을 포함한다.
적어도 하나의 레이저 펄스는 각 스폿 위치(2504)로 전달된다. 일 실시예에서, 다수의 레이저 펄스들은 하나 이상의 스폿 위치들(2504)로 전달된다(그렇지 않은 경우, 공통 스폿 위치(2504)의 로컬 부근 내에 전달된다). 일반적으로, 동일한 개수의 레이저 펄스들이 스캔 패턴의 적어도 두 개의 스폿 위치들(2504)로 전달되거나, 상이한 개수의 레이저 펄스들이 스캔 패턴의 적어도 두 개의 스폿 위치들(2504)로 전달될 수 있다.
일반적으로, 인접한 스폿 위치들(2504) 사이의 피치는 스폿 위치(2504)의 로컬 부근 내에 포함되는 거리를 초과하는 것으로 간주된다. 일 실시예에서, 스캔 패턴 내의 인접한 스폿 위치들 사이의 피치는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 내에 있을 수 있다. 마찬가지로, 공통 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 스폿 위치들(2504) 사이의 피치는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 내에 있을 수 있다. 따라서, (일반적으로 스캔 패턴 내의 또는 공통 스캔 라인을 따라 배치된) 인접한 스폿 위치들(2504) 사이의 피치는 0.1 ㎛, 0.2 ㎛, 0.3 ㎛, 0.4 ㎛, 0.5 ㎛, 1 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 3.5 ㎛, 4.5 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 55 ㎛, 60 ㎛, 80 ㎛ 등 이상이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이이거나, 50 ㎛, 40 ㎛, 30 ㎛, 20 ㎛, 15 ㎛, 10 ㎛, 5 ㎛, 4.5 ㎛, 3.5 ㎛, 3 ㎛, 2 ㎛, 1.5 μm, 1 ㎛, 0.5 ㎛, 0.4 ㎛, 0.3 ㎛, 0.2 ㎛, 0.1 ㎛, 0.08 ㎛, 0.05 ㎛, 0.01 ㎛ 등 미만이거나, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다. 본원에서 논의의 목적을 위해, 스폿 위치들 사이의 피치는 두 개의 인접한 스폿 위치들의 중심들 사이의 거리로 측정된다. 두 개의 스폿 위치들은 스폿 위치의 간섭이 그들 사이에 존재하지 않는 경우, 서로에 대해 인접한 것으로 간주된다.
(일반적으로 스캔 패턴 내의 또는 공통 스캔 라인을 따라 배치된) 인접한 스폿 위치들(2504)의 쌍들 중, 그들 사이의 피치는 일정하거나, 가변적이거나 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 공통 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 스폿 위치들 사이의 피치는 하나의 레이저 펄스가 전달되는 스폿 위치로부터, 그리고 레이저 펄스가 순차적으로 전달되는 다른 스폿 위치로부터 연장하는 방향으로 증가 또는 감소할 수 있다. 따라서, 공통 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 스폿 위치들 사이의 피치는 스캔 라인을 따라 이동하는 동안, 일정하거나, 증가하거나, 감소하거나 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일반적으로, 전달된 레이저 펄스들의 스폿 크기와 인접한 스폿 위치들(2504)의 쌍들 사이의 피치는 인접한 스폿 위치들(2504)의 쌍으로 전달되는 레이저 펄스들에 의해 방사되는 스폿 구역(area)들이 서로 중첩되도록 또는 서로 중첩되지 않도록 선택되거나, 다른 방식으로 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 스캔 패턴 내의 스캔 라인들의 배열(즉, 스캔 라인들의 수, 다른 스캔 라인에 대한 스캔 라인의 배향, 경계(2502)에 대한 스캔 라인의 배향, 스캔 라인의 길이, 인접한 스캔 라인들 사이의 피치 등)은 도 25 내지 도 28에 도시된 배열들로 제한되지 않고, 스폿 위치들(2504)의 배열에 대해 위에서 서술된 것과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여 변할 수 있다. 따라서, 스캔 패턴은 홀수의 스캔 라인들 또는 짝수의 스캔 라인들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 패턴에서 스캔 라인들의 개수는 1 내지 64의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 스캔 패턴에서 스캔 라인들의 개수는 2, 4, 8, 16, 32, 50, 60 등 이상이거나, 64, 32, 16, 8, 4, 2 미만일 수 있다. 또한, 스캔 패턴이 64개를 초과하는 스캔 라인들을 가질 수 있음이 인식되어야 한다. 스캔 패턴 내에서, 스캔 라인들 중 적어도 일부는 대칭적으로(또는 적어도 실질적으로 대칭적으로) 또는 비대칭적으로 배열될 수 있다. 대칭 배열들의 예시들은 회전 대칭 배열들(즉, n-폴드 회전 대칭, n은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 20, 50 등과 같이 1을 초과하는 임의의 정수임) 및 반사 대칭 배열들을 포함한다.
ii. 이방성 물질 제거에 대한 고려들
a. 이론
실험들 및 다수의 물리학적 모델링을 통해, 본 발명자들은 (예를 들어, 도 29에 도시된 바와 같이 +X 방향을 따라 연장하는) 스캔 라인을 따라 (작업면(102a)에서 빔 축의 입사각에 최소 변경으로 또는 어떠한 변경 없이) 스캔된 빔 축을 따라 레이저 펄스들을 지향시켰고, 이러한 레이저 펄스들을 전달하여, 작업물(102)(예를 들어, ABF, 솔더 레지스트, 유리 보강 에폭시 라미네이트 등과 같은 유전체 구조)을 직접 삭마함으로써 그 안에 도 29, 도 29a 및 도 29b에 개략적으로 도시된 트렌치(2900)와 같은 복수의 트렌치들을 형성하였다. 도 29에서, 레이저 펄스들의 빔이 스캔되는 스캔 라인은 복수의 스폿 위치들(즉, "n"개의 스폿 위치들, 여기서 n은 2, 3, 4, 5 등임)을 포함하고, 제1 스폿 위치로 전달되는 하나 이상의 레이저 펄스들에 의해 방사되는 스폿 구역은 2906a로 표시되고, 제2 스폿 위치로 전달되는 하나 이상의 레이저 펄스들에 의해 방사되는 스폿 구역은 2906b 으로 표시되는 등며, 최종 스폿 위치(또한, "종단(terminal) 스폿 위치"로도 지칭됨)로 전달되는 하나 이상의 레이저 펄스들에 의해 방사되는 스폿 구역은 2906n으로 표시된다. 실험들 동안, 수십 ㎛ 내지 수 밀리미터의 범위에 있는 길이를 갖는 트렌치들이 형성되었다. 도 29A 및 도 29B는 각각 도 29에 도시된 라인들(XXIXA-XXIXA 및 XXIXB-XXIXB')을 따라 취해진 도 29에 도시된 트렌치의 횡단면도이다. 본원에서 사용되는, 이들 스폿 위치가 배치되는 스캔 라인은 "이방성 물질 제거 스캔 라인"으로 지칭된다. 위에서 논의된 바와 같이 형성될 때, 트렌치(2900)의 종단부(2902)는 레이저 펄스들이 충분히 높은 펄스 반복률로 전달되고 작업물(102)을 직접 삭마하기에 충분한 스폿 크기, 평균 출력 등과 같은 다른 파라미터들에 의해 특징지어진 경우 트렌치(2900)의 시작부(2904)보다 좁은 테이퍼를 갖는다는 점이 발견되었다. 따라서, 상술한 트렌치 형성 공정은 이방성 물질 제거 특성들을 나타내는 것으로 나타난다. 임의의 특정 이론에 의해 경계가 지어지는 것으로 바랄 필요가 없는 한편, 시뮬레이션들은 이러한 이방성 물질 제거 현상이 두 개의 인자들 중 적어도 하나에 (적어도 부분적으로) 기인할 수 있음을 나타낸다.
전술한 인자들 중 하나는 레이저 펄스들을 통해 방사되기 전, 작업물(102)의 영역의 온도에 관련된다. 초기에, 작업물(102)은 스캔 라인을 따른 제1 스폿 위치가 레이저 펄스들로 방사될 때 상대적으로 차갑고, 그 결과 제1 스폿 위치에서의 물질 제거는 상대적으로 비효율적이다. 따라서, 다수의 레이저 펄스들이 전달된 후, 제1 스폿 위치에서 작업물(102)에 형성된 결과적인 측벽의 테이퍼는 상대적으로 크다. 하지만, 약간의 레이저 펄스들이 전달된 후, 방사된 스폿 위치 주위에서 열이 작업물(102) 내에 누적되어, 그 결과 작업물(102) 내에 열 확산이 발생한다. 따라서, 스캔 라인 상의 최종 스폿 위치가 하나 이상의 레이저 펄스들을 통해 방사될 때까지, 상당한 양의 열이 최종 스폿 위치에서 누적될 것이다. 이 열 에너지는 물질이 작업물(102)로부터 제거되는 효율을 증가시키는 것으로 믿어진다. 그 결과, 다수의 레이저 펄스들이 스캔 라인을 따라 전달된 이후, 스캔 라인상에서 최종 스폿 위치에서 작업물(102)에 형성되는 결과적인 측벽의 테이퍼는 상대적으로 작다.
인자들 중 다른 것은 물질이 작업물(102)로부터 직접 삭마될 때, 가공 스폿에서 발생되는 증기 플룸(vapor plume)과 연관된 온도 및 압력에 관련된다. 레이저 펄스들의 빔이 스캔 라인을 따라 스캔될 때, 증기 플룸 내의 높은 온도 및 압력은 방사된 가공 스팟 주위의 작업물에서 물질을 기화, 융해 또는 다른 방식으로 침식(erode)시키도록 작용할 수 있다. 침식은 방사된 가공 스폿 주위의 물질이 (예를 들어, 하나 이상의 이전에 전달된 레이저 펄스들에 의해) 열을 이미 누적한 경우 더 심할 것으로 의심되었다. 결과적인 증기 플룸에 의해 발생되는 높은 압력은 침식된 물질에 유체 역학적 운동을 야기하도록 작용하여, 침식된 물질을 방사된 가공 스폿 내에서 및 그 주위 구역으로부터 운반하여, 작업물(102) 내에서 상대적으로 작은 테이퍼를 갖는 측벽을 생성한다. 또한, 레이저 펄스들이 스캔 라인을 따라 하나 이상의 다른 후속하여 방사된 스폿 위치들로 전달될 때, 트렌치 내에 위치되는 침식된 물질은 이전에 방사된 스폿 위치 쪽으로 대류에 의해 옮겨지거나(advected) 다른 방식으로 운반될 수 있어서, 이전에 방사된 스폿 위치에서 작업물(102) 내에 형성된 측벽의 테이퍼를 가능한 증가시킨다. 도 29b에서, 상대적으로 작은 테이퍼를 갖는 측벽(2902)은 각도(Φ2)보다 작은 각도(Φ3)만큼 (트렌치(2900)의 하부에 대해) 경사지어지는 것으로 특징지어질 수 있고, 이는 측벽(2904)(상대적으로 큰 테이퍼를 갖는)이 트렌치(2900)의 하부에 대해 경사지어지는 것으로 특징지어질 수 있는 각도이다. 트렌치(2900)의 중간 측벽의 테이퍼(예를 들어, 도 29a에서 횡단면으로 도시됨)는 테이퍼 측정이 개시 단부로부터 종단부로 이동하는 위치로서 트렌치(2900)의 개시 단부로부터 종단부로 변할 수 있다. 따라서, 각도(Φ1)는 각도(Φ2) 이하일 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도(Φ1)는 각도(Φ2)를 초과할 수 있다.
b. 측벽 테이퍼
위에서 논의된 트렌치 형성 공정과 연관된 이방성 물질 제거 특성들은 피처(예를 들어, 상술한 바와 같이 개구부 또는 비아) 또는 트렌치, 스크라이브 라인, 오목한 영역 등의 측벽 테이퍼에 영향을 미치도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 피처 형성은 상술한 바와 같이, 하나 이상의 스캔 패턴들을 따라 가공 스폿을 스캔함으로써 수행될 수 있다. 하지만, 현재 실시예에서 스캔 패턴은 하나 이상의 이방성 물질 제거 스캔 라인들을 포함한다. 그 결과, 주어진 스폿 크기에 대해, 형성될 피처의 깊이, 피처가 형성되는 구조(들) 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 하나 이상의 이방성 물질 제거 스캔 라인들을 갖는 스캔 패턴에 따라 가공 스폿을 스캔함으로써(예를 들어, 스캔 패턴(2600)에 대해 서술된 방식으로) 형성된 피처(예를 들어, 비아, 트렌치, 스크라이브 라인, 오목한 영역 등)의 측벽 테이퍼는 단지 바람직한 피처 경계를 따라 연장하는 스캔 라인을 따라 레이저 펄스들의 빔을 스캔함으로써(예를 들어, 스캔 패턴들(2700 및 2800)에 대해 서술된 방식으로) 간단히 형성된 피처의 측벽 테이퍼에 관련되어 감소될 수 있다.
반대로, 형성될 피처의 깊이, 피처가 형성되는 구조(들) 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 바람직한 피처 경계를 따라 연장하는 스캔 라인을 따라 상대적으로 작은 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스들의 빔을 스캔함으로써(예를 들어, 스캔 패턴들(2700 및 2800)에 대해 서술된 방식으로) 획득된 동일한 측벽 테이퍼는 하나 이상의 이방성 물질 제거 스캔 라인들을 갖는 스캔 패턴을 따라 상대적으로 큰 스폿 크기를 갖는 레이저 펄스들의 빔을 스캔함으로써 획득될 수 있다. 가능한 경우, a) 상대적으로 작은 스폿 크기들에 비해 상대적으로 큰 크기들이 형성하는데 용이할 때; b) (예를 들어, 상대적으로 큰 레일리 범위(Rayleigh range)에 기인하여) 상대적으로 큰 스폿들이 공칭 Z 높이 가공 윈도우들을 벗어나는 작업면 Z 높이의 변화들 또는 편차들에 더 적합할 때(tolerant); 및 c) (주어진 갱신 속도 및 위치 지정 대역폭에 대한 AOD 편향이 작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들의 스폿 크기에 비례하기 때문에) AOD 시스템들과 같은 위치 지정기들의 편향 범위가 상대적으로 더 큰 스폿 크기들로 증가될 때, 상대적으로 큰 스폿 크기들을 이용하여 피처들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
본원에서 사용되는, 이방성 물질 제거 스캔 라인은 스캐닝 평면 내에서 측정될 때 60° 내지 120° 범위에 있는 각도로 바람직한 피처 경계에 교차하는 축을 갖는 스크라이브 라인이다(즉, 도 29에 도시된 실시예에서 X-Y 평면인 스캐닝 평면에서 연장함). 이방성 물질 제거 스캔 라인의 축이 바람직한 피처 경계에 교차하는 각도는 전달된 레이저 펄스들로 방사될 스폿 위치들에서 또는 그 근처에서 공간적 강도 프로파일의 스폿 크기, 타입 및 형태, 작업물 물질의 열 전도율, 열 확산율, 특정 열 용량 등, 전달된 레이저 펄스들로 방사될 스폿 위치들에서 또는 그 근처에서 작업물 물질의 점성, 펄스 지속기간, 플루엔스, 펄스 반복률, 가공 스폿이 스캔 패턴을 정의하는 가공 궤적을 따라 이동되는 속도 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 인자들에 의존할 수 있음이 인식 되어야 한다. 따라서, 이방성 물질 제거 스캔 라인의 축이 바람직한 피처 경계에 교차할 수 있는 각도는 60° 미만이거나 120°를 초과할 수 있다. 예를 들어, 스캔 라인의 축은 50°, 60°, 65°, 70°, 75°, 80°, 85°, 87°, 88.5°, 90°, 91.5°, 93°, 95°, 100°, 105°, 110°, 115°, 120° 등 이상이거나 이들 값 중 임의의 값 사이인 각도에서 바람직한 경계에 교차할 수 있다. 마찬가지로, 스캔 라인의 축은 130° 120°, 115°, 110°, 105°, 100°, 95°, 93°, 91.5°, 90°, 88.5°, 87°, 85°, 80°, 75°, 70°, 65°, 60° 등 미만이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이의 각도에서 바람직한 경계에 교차할 수 있다.
일 실시예에서, 스캔 패턴에서 스캔 라인들의 쌍 중 인접한 종단 스폿 위치들 사이의 피치는 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛의 범위에 있거나, 0.5 ㎛ 미만이거나, 50 ㎛를 초과할 수 있다. 따라서, 인접한 스폿 위치들(2504) 사이의 피치(일반적으로 스캔 패턴 내의, 또는 공통 스캔 라인을 따라 배치된)는 0.5 ㎛, 1 ㎛, 1.5 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 3.5 ㎛, 4.5 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 55 ㎛ 등 이상이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이이거나 또는, 60 ㎛, 55 ㎛, 40 ㎛, 30 ㎛, 20 ㎛, 15 ㎛, 10 ㎛, 5 ㎛, 4.5 ㎛, 3.5 ㎛, 3 ㎛, 2 ㎛, 1.5 ㎛, 1 ㎛, 0.5 ㎛, 0.1 ㎛ 등 미만이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다. 두 개의 스캔 라인들은 그들 사이에 간섭하는 스캔 라인이 존재하지 않는 경우 서로에 대해 인접한 것으로 간주된다.
도 26에 도시된 스캔 패턴(2600)은 복수의 이방성 물질 제거 스캔 라인들을 포함하는 스캔 패턴의 예시이다. 스캔 패턴(2600)에서, 영역(2602) 내의 스캔 라인은 이방성 물질 제거 스캔 라인의 예시이고, 스폿 위치(2504c)는 이방성 물질 제거 스캔 라인의 종단 스폿 위치이다. 도 26이 스캔 패턴(2600)이 27개의 이방성 물질 제거 스캔 라인들을 포함하는 것으로 도시하였으나, 스캔 패턴(2600)과 같은 스캔 패턴들은 (예를 들어, 바람직한 경계의 형태, 바람직한 경계와 스폿 크기 사이의 상대적인 크기 차이, 전달된 레이저 펄스들의 공간적 강도 프로파일의 타입 및 형태 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여) 27개보다 많거나 적은 이방성 물질 제거 스캔 라인들을 가질 수 있음이 인식되어야 한다.
도 26이 각 이상성 물질 제거 스캔 라인이 스폿 위치들의 동일한 배열을 포함하는 것으로 도시하였지만, 이방성 물질 제거 스캔 라인들 중 하나 이상(또는 그 전체)에 대한 스폿 위치들의 배열은 도시된 실시예와 상이할 수 있음이 인식되어야 한다. 스캔 패턴에서 하나 이상의 이방성 물질 제거 스캔 라인들에 대한 스폿 위치들의 배열은 스캔 패턴에서 적어도 하나의 다른 이방성 물질 제거 스캔 라인에 대한 스폿 위치들의 배열과 동일하거나 상이할 수 있다. 따라서, 도 26이 각 이방성 물질 제거 스캔 라인이 네 개의 스폿 위치들을 포함하는 것을 도시하더라도, 임의의 이방성 물질 제거 스캔라인이 네 개보다 많거나 작은 스폿 위치들을 갖는다는 점이 인식되어야 한다. 예를 들어, (영역(2602)으로 도시된 바와 같이 이방성 물질 제거 스캔 라인과 같은) 이방성 물질 제거 스캔 라인이 가질 수 있는 스폿 위치들의 개수는 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 이를 초과할 수 있다.
iii. 로컬화된 열 누적에 대한 고려들
작업물(102)로 전달되는 레이저 펄스들의 파장, 펄스 지속기간, 펄스 반복률, 평균 전력 등, (스폿 위치로 전달되는 레이저 펄스의 파장에 대한) 스폿 위치에서의 물질의 선 흡수, 스폿 위치에서 또는 그 근처에서 물질의 열 전도율, 열 확산율, 특정 열 용량 등, 가공 스폿이 스캔될 스캔 패턴 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 레이저 펄스들을 하나 이상의 스폿 위치들로 전달하는 결과로 발생된 열은 방사된 스폿 위치로부터 분산되고 가공 스폿 외부에서 작업물(102) 내에 누적되어, 가공 스폿 외부에 있는 영역들에서 작업물(102)의 온도를 증가시킨다.
누적된 열이 다루어질 가공 스폿에 또는 그 근처에 위치된 작업물(102)의 영역에서의 온도를 증가시키는 경우, 그리고 증가된 온도가 임계 온도(즉, "가공 임계 온도")를 초과하는 경우, 작업물(102)이 (예를 들어, 직접 삭마, 간접 삭마 또는 이들의 임의의 조합에 의해) 후속하여 가공될 수 있는 효율은 긍정적인 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 가공될 물질과 연관된 가공 임계 온도는 가공될 물질의 융해점 또는 유리 전이 온도 이상이다. 하지만, 다른 실시예에서, 가공 임계 온도는 가공될 물질의 융해점 또는 유리 전이 온도 미만(예를 들어, 이의 98%, 95%, 93%, 90%, 89%, 87%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 또는 50%)일 수 있다.
일부 경우들에서, 누적된 열은 가공될 것으로 의도되지 않은 작업물(102)의 영역(또한, 각각 본원에서 작업물(102)의 "비-피처 영역"으로 지칭됨) 내의 온도를 증가시킬 수 있다. 온도가 충분히 높은 경우, 작업물(102)의 비 피처 영역은 바람직하지 않게 손상될 수 있다(예를 들어, 바람직하지 않게 균열이 생기거나, 융해되거나, 갈라지거나(delaminated), 어닐링되는 등). 따라서, 작업물(102)의 비-피처 영역들 내에서 열의 바람직하지 않은 누적을 회피하는 방식으로 작업물(102)을 가공하는 것이 바람직할 수 있다. 본원에서 사용되는, 작업물(102)의 영역이 바람직하지 않게 손상되는 온도는 "손상 임계 온도"로 지칭된다. 작업물(102)의 임의의 비 피처(non-feature) 영역의 손상 임계 온도가 스폿 위치에서 또는 그 근처에서 또는 비 피처 영역에서 임의의 물질의 두께, 열 전도율, 열 확산율, 특정 열 용량 등, 광 흡수율(전달된 레이저 에너지의 빔에 대한) 등은 물론, 비 피처 영역의 부근 내에 위치한 구조들의 열 전도율, 열 확산율, 특정 열 용량, 크기 및 형태 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존할 수 있음이 인식되어야 한다.
a. 로컬화된 열 누적의 레버리징(Leveraging): 간접 삭마
열의 누적에 대한 고려들이 일반적으로 작업물(102)의 특징들, 작업물(102)이 가공되는 방식 등에 의존하여 일반적으로 관련될 수 있는 한편, 이러한 고려들은 작업물(102)이 간접 삭마에 의해 가공될 때 특히 관련될 수 있다. 예를 들어, 작업물(102)이 그의 제1 측에서 제1 컨덕터(예를 들어, 구리 또는 구리 합금 포일)에, 그리고 경우에 따라 제1 측에 반대편인 그의 제2 측에서 제2 컨덕터(예를 들어, 구리 또는 구리 합금으로 형성된 패드, 트레이스, 포일 등)에 점착되는 유전체 구조(예를 들어, 유리 보강 에폭시 라미네이트)를 포함하는 PCB로서 제공될 때, 작업물(102)은 (예를 들어, 레이저 펄스들의 빔을 레이저 펄스들을 작업물(102)로 전달하기 위한 빔 축을 따라 지향시킴으로써) 제1 컨덕터를 간접 삭마하도록 가공되고, 이를 통해 유전체 구조를 노출시키는 개구부를 형성할 수 있다.
이 예시적인 실시예에서, 제1 컨덕터는 약 5 ㎛(또는 그 즈음)로부터 약 50 ㎛(또는 그 즈음)까지의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 컨덕터는 7 ㎛, 8 ㎛, 9 ㎛, 10 ㎛, 12 ㎛, 15 ㎛, 17 ㎛, 18 ㎛, 20 ㎛, 25 μm, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛ 등과 동일한(또는 거의 동일한) 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 두께를 가질 수 있다. 유전체 구조는 30 ㎛(또는 그 즈음)로부터 200 ㎛(또는 그 즈음)까지의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 유전체 구조는 50 ㎛, 60 ㎛, 70 ㎛, 80 ㎛, 90 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 120 ㎛, 140 ㎛, 180 ㎛ 등과 동일한(또는 거의 동일한) 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 두께를 가질 수 있다. 간접 삭마에 의해 형성된 개구부는 30 ㎛(또는 그 즈음)로부터 350 ㎛(또는 그 즈음)까지의 범위에 있는 상부 또는 하부 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 개구부의 상부 또는 하부 직경은 30 ㎛, 40 ㎛, 50 ㎛, 60 ㎛, 70 μm, 80 ㎛, 90 ㎛, 100 ㎛, 110 ㎛, 120 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛ 등과 동일한(또는 거의 동일한) 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의 직경을 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 작업면(102a)(즉, 제1 컨덕터)에 전달되는 레이저 펄스들의 빔은 전자기 스펙트럼 중 가시광선의 녹색 범위에 있는 파장, 가우시안 타입 또는 비-가우시안 타입의 공간적 강도 프로파일, 1 ns 이상의 펄스 지속기간(예를 들어, 1 ns, 1.5 ns, 2 ns, 2.5 ns, 5 ns, 7 ns, 10 ns 등 이상이거나, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이), 형성될 개구부의 상부 또는 하부 직경보다 작은 스폿 크기(예를 들어, 30 ㎛, 25 ㎛, 20 ㎛, 15 ㎛, 12 ㎛, 10 ㎛, 9 ㎛, 8 ㎛, 5 ㎛ 등 이하이거나 또는 이들의 값 중 임의의 값 사이의 스폿 크기), 100 W 이상의 평균 전력(예를 들어, 120 W, 150 W, 180 W, 200 W, 225 W, 250 W, 275 W, 300 W, 350 W, 500 W 등 이상이거나 이들 값 중 임의의 값 사이)을 갖고, 100 MHz 이상의(예를 들어, 125 MHz, 150 MHz, 175 MHz, 200 MHz, 250 MHz, 300 MHz, 350 MHz, 500 MHz 등 이상, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이) 펄스 반복률에서 작업면(102a)에 전달된다. 상술한 특징들을 갖는 레이저 펄스들은 통상적으로 CW 레이저원들, QCW 레이저원들 등에 의해 발생되거나 이로부터 유도될 수 있다. 통상적으로 제1 컨덕터(즉, 구리 또는 구리합금)를 형성하는데 사용되는 물질들은 녹색 광을 상당히 효율적으로 흡수하는 경향이 있다. 따라서, 위에 주어진 예시에서, 제1 컨덕터의 노출된 표면(즉, 유전체 구조로부터 벗어난 제1 컨덕터의 노출된 표면)의 암화 -- 전자기 스펙트럼의 LWIR 범위에 있는 파장을 갖는 레이저 펄스들을 이용하여 제1 컨덕터를 간접적으로 삭마할 때 통상적으로 사용되는 공정 --는 바람직한 경우 생략될 수 있다.
빔 축은 (예를 들어, 제1 위치 지정기(106)의 동작 시) 가공 스폿을 스캔 패턴(2800)과 같은 스캔 패턴을 따라, 10 m/sec 이상의(예를 들어, 12 m/sec., 13 m/sec., 14 m/sec., 15 m/sec., 16 m/sec., 18 m/sec., 20 m/sec. 등 이상의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의) 스캔 속도로 스캔하도록 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 패턴(2800)은 제1 위치 지정기(106)의 제1 스캐닝 범위 내에 전체적으로 맞춰지지만, 스캔 패턴(2800)이 제1 스캐닝 범위보다 클 수 있다는 점이 인식될 것이다. 이 예시에서, 스캔 패턴에서 인접한 스폿 위치들(2504) 사이의 피치는 일정하고, 각 스폿 위치(2504)에 연관된 체류 시간은 임의의 다른 스폿 위치(2504)와 연관된 체류 시간(예를 들어, 1 ㎛ 이상이거나 그 즈음)과 동일하다.
상술한 예시들에서 파라미터들이 주어지면, 제1 컨덕터는 그에 개구부를 형성하기 위해 간접 삭마될 수 있다. 간접 삭마 동안, 스캔 패턴(2800)의 스폿 위치들(2504)은 제1 컨덕터 내에 열을 발생 및 누적시키기 위해 (즉, 그에 하나 이상의 레이저 펄스들을 전달함으로써) 순차적으로 다루어진다. 열은 이전에 및 현재 다루어진 스폿 위치들(2504)에서 제1 컨덕터(102)의 영역들로부터 흩어지거나(dissipates) 운반되며, 하나 이상의 다루어질 스폿 위치들(2504)에서 제1 컨덕터의 영역들 내에서 누적된다. 가공될 스폿에서 제1 컨덕터의 영역 내의 열 누적은 그 영역에서 제1 컨덕터의 온도를 증가시키도록 작용하고, 또한 그 아래에 유전체 구조의 영역으로 운반된다. 열은 또한, 이전에 다루어진 스폿 위치들(2504)과 같은 제1 컨덕터의 다른 영역 내에서 누적될 수 있다 (예를 들어, 이전에 다루어진 스폿 위치(2504)에서 제1 컨덕터의 영역이 이미 간접적으로 삭마되지 않은 경우). 가공 동안, 유전체 구조로 운반된 열은 누적되고, 제1 컨덕터의 영역 아래 및 그 영역에 접하는 유전체 구조의 영역을 기화시키도록 작용한다. 그 아래의 유전체 구조의 영역이 기화되기 전에, 제1 컨덕터의 영역이 그의 가공 임계 온도 이상인 온도에 도달하지 않은 경우, 유전체 구조의 영역의 기화는 제1 컨덕터 아래의 포켓(pocket) 또는 공간(예를 들어, 유전체 구조의 기화 시 발생되는 가압된 가열 기체, 입자 등을 포함하는 고압 영역)을 생성하도록 작용한다. 그리고 나서, 포켓 위의 제1 컨덕터의 영역이 그의 가공 임계 온도 이상인 온도에 도달할 때, 포켓 내에 구축된 압력은 작업물(102)로부터 제1 컨덕터의 영역을 밀거나 분출하도록 작용하여 밑에 있는 유전체 구조를 노출시킨다.
포켓 위의 제1 컨덕터의 영역은 다루어질 스폿 위치에 있을 수 있다. 이 경우, 이러한 영역이 하나 이상의 레이저 펄스들에 의해 최종적으로 방사될 때, 이는 제1 컨덕터의 가공 임계 온도 이상인 온도에 도달할 수 있다. 일부 경우들에서, 가공 동안, 다루어질 스폿 위치에서 포켓 위의 제1 컨덕터의 영역은 그 영역이 다른 이전에 또는 현재 다루어지는 스폿 위치들로부터 흩어진 열을 누적한 후, 제1 컨덕터의 가공 임계 온도 이상인 온도에 도달할 수 있다. 또한, 가공 동안 일부 경우들에서, 포켓 위의 제1 컨덕터의 영역은 이전에 다루어진 스폿 위치에 있을 수 있다. 이 경우, 이러한 영역은 임의의 다른 이전에 다루어진 스폿 위치로부터, 현재 다루어지는 스폿 위치로부터, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 흩어진 열을 누적할 때, 제1 컨덕터의 가공 임계 온도 이상인 온도에 도달할 수 있다. 예를 들어, 포켓은 스캔 패턴(2800)의 제1 스폿 위치(2504a)에서 제1 컨덕터의 영역 아래에 형성될 수 있지만, 제1 컨덕터의 이러한 영역은 스폿 위치들(2504e, 2504f 등)과 같은 하나 이상의 스폿 위치들이 후속하여 다루어질 때까지, 그의 가공 임계 온도 이상인 온도에 도달하지 않을 수 있다.
스캔 패턴(2800)을 따라 가공 스폿을 스캔함으로써 제1 컨덕터를 간접 삭마하기 위한 공정을 개발하면서, (제1 컨덕터의 상부 또는 하부에서) 개구부의 최소 및 달성 가능한 최대 직경은 전달된 레이저 펄스들의 스폿 크기, 펄스 지속기간, 펄스 반복률, 평균 전력 등, 스캔 속도, 제1 컨덕터의 두께, 제1 컨덕터 및 유전체 구조의 열 특징들 및 스캔 패턴(2800)에서 스폿 위치들의 배열 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존할 것이라는 점이 인식되어야 한다. 예를 들어, 특정 스폿 크기의 전달된 레이저 펄스들을 이용하여 형성된 개구부의 달성 가능한 최소 직경은 통상적으로 특정 스폿 크기의 1.5배(또는 그 즈음) 내지 2배(또는 그 즈음) 범위로 제한될 것이다. 특정 스폿 크기의 전달된 레이저 펄스들을 이용하여 형성된 개구부의 달성 가능한 최대 직경은 피처 경계(2502) 내의 임의의 영역(예를 들어, 그의 중앙 영역)이 간접 삭마를 가능케 하기 위한 가공 동안 충분한 열의 양을 누적할 수 없기 전에, 획득될 수 있는 최대 직경에 통상적으로 대응할 것이다. 따라서, 전술한 인자들 중 하나 이상에 의존하여, 15 ㎛(또는 그 즈음)의 스폿 크기를 갖는 전달된 레이저 펄스들의 빔을 스캔 패턴(2800)을 따라 스캔하는 것은 제1 컨덕터에서 25 ㎛(또는 그 즈음)으로부터 80 ㎛(또는 그 즈음)까지 범위에 있는 직경을 갖는 개구부를 생성할 수 있다. 마찬가지로, 30 ㎛(또는 그 즈음)의 스폿 크기가 사용되면, 개구부는 60 ㎛(또는 그 즈음)으로부터 200 ㎛(또는 그 즈음)까지의 범위에 있는 직경을 갖는다. 바람직한 피처 경계(2502)에 의해 포함된 모든 영역들이 간접 삭마를 가능케 하도록 가공 동안 충분한 열의 양을 누적시키는 것을 보장하도록 하나 이상의 추가적인 스폿 위치들을 스캔 패턴(2800)에 추가함으로써 (예를 들어, 그의 중앙 영역에서) 임의의 직경(예를 들면, 사용되는 스폿 크기에 관계 없이)을 갖도록, 형성될 수 있다는 점이 인식되어야 한다.
위에서 서술된 예시적인 실시예에서, 제1 컨덕터는 가공 스폿을 스캔 패턴(2800)을 따라 스캔함으로써 가공되어, 인접한 스폿 위치들(2504) 사이의 피치는 일정하고, 각 스폿 위치(2504)와 연관된 체류 시간은 임의의 다른 스폿 위치(2504)와 연관된 체류 시간과 동일하다. 하지만, 다른 실시예들에서, 체류 시간, 피치 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 파라미터들은 열이 제1 컨덕터 내에서 누적되는 방식을 제어하도록 조정될 수 있다. (스캔 패턴(2800)을 포함하나 이에 제한되지 않는) 임의의 스캔 패턴에서 (체류 시간 및 피치와 같은) 이러한 파라미터들의 선택은 바람직한 피처 경계(2502)의 직경, 제1 컨덕터의 두께, 유전체 구조의 두께, 제2 컨덕터의 기하학적 구성, 제1 컨덕터에서 개구부를 형성하기 위한 공정의 바람직한 처리량 등, 제1 컨덕터로 전달되는 레이저 펄스들의 펄스 지속기간, 스폿 크기, 평균 전력 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존할 수 있음이 인식되어야 한다. 일부 스캐닝 기법 파라미터들의 조정에 대한 예시적인 실시예들은 아래에서 더 상세히 논의된다. 이들 예시적인 실시예가 가공되는 작업물(102) 또는 가공 동안 형성될 피처(들)의 타입에 관계 없이, 열이 작업물(102) 내에 누적되는 방식을 제어하도록 구현될 수 있음이 인식되어야 한다.
b. 로컬화된 열 누적 제어: 체류 시간
일 실시예에서, 스캔 패턴(예를 들어, 스캔 패턴(2500, 2600, 2700, 2800 등)에서 각 스폿 위치와 연관된 체류 시간은 동일하다. 하지만, 다른 실시예에서, 스캔 패턴에서 적어도 하나의 스폿 위치에 연관된 체류 시간은 동일한 스캔 패턴에서 적어도 하나의 스폿 위치와 연관된 체류시간과 상이하다. 체류 시간은 (예를 들어, 제1 스캐닝 범위 내의 가공 스폿을 스캔하기 위해) 제1 위치 지정기(106)의 동작을, (예를 들어, 제2 스캐닝 범위 내의 가공 스폿 또는 제1 스캐닝 범위를 스캔하기 위해) 제2 위치 지정기(108)의 동작을 제어함으로써, (예를 들어, 펄스 게이팅(gating) 유닛(미도시)을 이용하여) 레이저 펄스들의 작업물(102)로의 전달을 정지시킴으로써 또는 이들의 임의의 조합으로 제어될 수 있다.
공통 스캔 패턴에서 또는 공통 스캔 라인을 따른 상이한 스폿 위치들 사이에서 체류 시간에서의 차이는 스캔 패턴의 하나 이상의(또는 모든) 가공 스폿들에서 작업물(102)의 온도가 가공 동안 가공 임계 온도이거나 또는 그를 초과함을 보장하기 위해 선택, 변조 또는 다른 방식으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 방사될 스캔 패턴의 제1 스폿 위치와 연관된 체류 시간은 동일한 스캔 패턴의 하나 이상의 (또는 모든) 다른 스폿 위치들과 연관된 체류 시간보다 길 수 있다. 다른 예시에서, 방사될 스캔 라인을 따른 제1 스폿 위치(이러한 스폿 위치는 방사될 스캔 패턴에서 제1 스폿 위치가 아님)와 연관된 체류 시간은 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 하나 이상의 (또는 모든) 다른 스폿 위치들과 연관된 체류 시간 이상일 수 있다. 또 다른 예시에서, 방사될 스캔 라인을 따른 임의의 스폿 위치(이러한 스폿 위치는 방사되는 스캔 패턴에서의 제1 스폿 위치가 아님)와 연관된 체류 시간은 후속하여 방사될 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 스폿 위치(또는 임의의 다른 스폿 위치)와 연관된 체류 시간 이상일 수 있다. 여전히 다른 예시에서, 방사될 특정 스캔 라인을 따른 제1 스폿 위치(이러한 스폿 위치는 방사될 스캔 패턴에서 제1 스폿 위치가 아님)와 연관된 체류 시간은 후속하여 방사될 다른 스캔 라인을 따른 제1 스폿 위치(특정 스캔 라인의 제1 스폿 위치와 인접하거나 그렇지 않을 수 있음)와 연관된 체류 시간 이상일 수 있다.
공통 스캔 패턴에서 또는 공통 스캔 라인을 따라 상이한 스폿 위치들 사이에서 체류 시간의 차이들은 또한, 작업물(102)의 비 피처 영역의 온도가 작업물(102)의 가공 동안 손상 임계 온도에 있거나, 그 미만일 것임을 보장하기 위해 선택, 변조 또는 다른 방식으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 방사될 스캔 패턴의 마지막 스폿 위치와 연관된 체류 시간은 동일한 스캔 패턴의 하나 이상의 (또는 모든) 다른 스폿 위치들과 연관된 체류 시간보다 짧을 수 있다. 다른 예시에서 방사될 스캔 라인을 따라 마지막 스폿 위치(이 스폿 위치는 방사될 스캔 패턴에서의 마지막 스폿 위치가 아님)와 연관된 체류 시간은 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 하나 이상의 (또는 모든) 다른 스폿 위치들과 연관된 체류 시간 이하일 수 있다. 또 다른 예시에서, 스캔 라인을 따라 임의의 다루어질 스폿 위치(이러한 스폿 위치는 스캔 패턴에서의 제1 스폿 위치가 아님)와 연관된 체류 시간은 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 임의의 다른 이전에 다루어진 스폿 위치와 연관된 체류 시간 이하일 수 있다. 또 다른 예시에서, 방사될 하나의 스캔 라인을 따른 제1 스폿 위치(이러한 스폿 위치는 방사될 스캔 패턴에서의 제1 스폿 위치가 아님)와 연관된 체류 시간은 후속하여 방사될 다른 스캔 라인을 따른 제1 스폿 위치와 연관된 체류 시간 이상일 수 있다.
스캔 패턴에서(또는 공통 스캔 라인을 따라 배치된) 하나 이상의 다른 스폿 위치들에 대한 하나의 스폿 위치와 연관된 체류 시간을 연장함으로써, (예를 들어, 이전에 다루어진, 현재 다루어지는, 다루어질 스폿 위치 등 또는 이들의 임의의 조합에서) 작업물의 영역이 (예를 들어, 레이저 펄스들을 하나 이상의 이전에 다루어진 스폿 위치로 전달한 결과, 레이저 펄스들을 현재 다루어지는 스폿 위치로 전달한 결과 또는 이들의 임의의 조합으로 발생된) 열을 누적하는 방식은, 작업물(102)의 비 피처 영역들에 바람직하지 않은 손상을 회피하면서, 효율적인 삭마 또는 다른 가공을 가능케 하도록 제어될 수 있다.
위의 내용을 고려하여 및 상술한 예시적인 실시예(즉, 개구부가 간접 삭마에 의해 PCB의 제1 컨덕터에 형성됨)에 계속하여, 스캔 패턴(2800)의 하나 이상의 스폿 위치들(2504)과 연관된 체류 시간이 스캔 패턴(2800)의 다른 스폿 위치(2504) 중 어느 하나와 상이할 수 있음이 인식되어야 한다. 예를 들어, 가공 스폿은 스캔 패턴(2800)의 제1 스폿 위치(2504a)와 연관된 체류 시간이 스캔 패턴(2800)의 다른 모든 스폿 위치들(2504)과 연관된 체류 시간보다 길도록, 스캔 패턴(2800)을 따라 스캔될 수 있다. 일반적으로, 제1 스폿 위치(2504a)와 연관된 체류 시간은 제1 스폿 위치(2504a) 이후(예를 들어, 스캔 패턴(2800)에서 제2 스폿 위치(2504e), 제3 스폿 위치(2504f) 등 중 하나 이상) 다루어질 하나 이상의 스폿 위치들(2504)에서 제1 컨덕터의 부분이 이러한 다루어질 스폿 위치들(2504) 중 하나 이상이 최종적으로 다루어질 때 간접 삭마될 수 있음을 보장하는데 충분한 지속기간에 대해 설정된다. 경우에 따라, 제1 스폿 위치(2504a)와 연관된 체류 시간은 제1 스폿 위치(2504a)에서 제1 컨덕터의 영역이 제1 스폿 위치(2504a)가 다루어질 때 간접적으로 삭마되도록 설정될 수 있다. 하지만, 일반적으로 스폿 위치들(2504)의 각각과 연관된 체류 시간은 작업물(102)의 비 피처 영역(예를 들어, 제2 컨덕터에 인접하거나 다른 방식으로 근처에 있는 유전체 구조 내의 임의의 영역)의 온도가 제1 컨덕터의 가공 동안 손상 임계 온도 아래로 유지되도록 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 패턴(2800) 내에서, 제1 스폿 위치(2504a) 또는 스캔 패턴(2800)의 임의의 다른 스폿 위치(2504)와 연관된 체류 시간 는 제1 위치 지정기(106)의 전술한 위치 지정 주기 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 스폿 위치(2504a)와 연관된 체류 시간은 2 ㎲(또는 그 즈음) 내지 9 ㎲(또는 그 즈음)의 범위에 있는 범위에 있을 수 있다(예를 들어, 제1 스폿 위치(2504a)와 연관된 체류 시간은 2 ㎲, 3 ㎲, 4 ㎲, 5 ㎲, 6 ㎲, 7 ㎲, 8 ㎲, 9 ㎲ 등과 동일(또는 그 즈음)하거나, 이들 값 중 임의의 값 사이에 있을 수 있다). 다른 실시예에서, 제1 스폿 위치(2504a) 이외의 스폿 위치들(2504)과 연관된 체류 시간은 1 ㎲(또는 그 즈음)과 동일할 수 있다.
c. 로컬화된 열 누적 제어: 피치
일 실시예에서, 스캔 패턴 내의 인접한 스폿 위치들 사이, 공통 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들 사이, 또는 이들의 임의의 조합 사이의 피치는 동일하다. 하지만, 다른 실시예에서, 인접한 스폿 위치들의 하나의 쌍과 인접한 스폿 위치들의 다른 쌍 사이의 피치(즉, 동일한 스캔 패턴에서, 공통 스캔 라인을 따른 또는 이들의 임의의 조합)는 상이할 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 인접한 스폿 위치들의 하나의 쌍과 인접한 스폿 위치들의 다른 쌍 사이의 피치(즉, 동일한 스캔 패턴에서, 공통 스캔 라인을 따라, 또는 이들의 임의의 조합)는 상이할 수 있다. 피치는 (예를 들어, 제1 스캐닝 범위 내의 가공 스폿을 스캔하기 위한) 제1 위치 지정기(106), (예를 들어, 제2 스캐닝 범위 내의 가공 스폿 또는 제1 스캐닝 범위를 스캔하기 위한) 제2 위치 지정기(108), (예를 들어, 제3 스캐닝 범위 내의 제1 스캐닝 범위 또는 제2 스캐닝 범위를 스캔하기 위한) 제3 위치 지정기(110) 등 또는 이들의 임의의 조합의 동작을 제어함으로써 제어될 수 있다.
공통 스캔 패턴에서 또는 공통 스캔 라인을 따른 상이한 스폿 위치들 사이에서 피치의 차이들은 스캔 패턴의 하나 이상의(또는 모든) 가공 스폿들에서 작업물(102)의 온도가 가공 동안 가공 임계 온도에 있거나 또는 그를 초과함을 보장하기 위해 선택, 변조 또는 다른 방식으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 방사될 스캔 패턴에서 인접한 스폿 위치들의 제1 쌍은 동일한 스캔 패턴의 인접한 스폿 위치들의 하나 이상의(또는 모든) 다른 쌍들 사이의 피치보다 짧을 수 있다. 다른 예시에서, 방사될 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 제1 쌍(인접한 스폿 위치들의 이러한 쌍은 방사될 스캔 패턴에서 인접한 스폿 위치의 제1 쌍이 아님) 사이의 피치는 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 스폿 위치들의 하나 이상의 (또는 모든) 다른 쌍들 사이의 피치와 동일하거나 더 짧을 수 있다. 또 다른 예시에서, 방사될 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 임의의 쌍(인접한 스폿 위치들의 이러한 쌍은 방사될 스캔 패턴에서 인접한 스폿 위치의 제1 쌍이 아님) 사이의 피치는 후속하여 방사될 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 스폿 위치들의 임의의 다른 쌍 사이의 피치와 동일하거나 더 작을 수 있다. 여전히 다른 예시에서, 방사될 특정 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 제1 쌍(인접한 스폿 위치들의 이러한 쌍은 방사될 스캔 패턴에서 인접한 스폿 위치의 제1 쌍이 아님) 사이의 피치는 후속하여 방사될 (특정 스캔 라인의 제1 스폿 위치에 인접하거나 그렇지 않을 수 있는) 다른 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 다른 제1 쌍 사이의 피치 이하일 수 있다.
공통 스캔 패턴에서 또는 공통 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 상이한 쌍들 사이에서 피치의 차이는 작업물(102)의 비 피처 영역의 온도가 작업물(102)의 가공 동안 손상 임계 온도에 또는 그 아래에 있음을 보장하도록 선택, 변조 또는 다른 방식으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 방사될 스캔 패턴의 인접한 스폿 위치들의 마지막 쌍 사이의 피치는 동일한 스캔 패턴의 인접한 스폿 위치들의 하나 이상의(또는 모든) 다른 쌍들보다 길 수 있다. 다른 예시에서, 방사될 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 마지막 쌍(인접한 스폿 위치들의 이러한 쌍은 방사될 스캔 패턴에서 스폿 위치의 마지막 쌍이 아님) 사이의 피치는 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 하나 이상의 (또는 모든) 다른 스폿 위치들과 연관된 체류 시간 이상일 수 있다. 또 다른 예시에서, 방사될 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 임의의 쌍(이러한 스폿 위치는 스캔 패턴에서 제1 스폿 위치가 아님)사이의 피치는 동일한 스캔 라인을 따라 배치된 인접한 이전에 다루어진 스폿 위치들의 임의의 쌍 사이의 피치와 동일하거나 더 길 수 있다. 여전히 다른 예시에서, 방사될 하나의 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 제1 쌍(인접한 스폿 위치의 이러한 쌍들은 스캔 패턴에서 인접한 스폿 위치들의 제1 쌍이 아님) 사이의 피치는 후속하여 방사될 스캔 패턴의 다른 스캔 라인을 따라 인접한 스폿 위치들의 제1 쌍 사이의 피치와 동일하거나 더 짧을 수 있다.
스캔 패턴에서(또는 공통 스캔 라인을 따라 배치된) 인접한 스폿 위치들의 하나 이상의 다른 쌍들에 대해 인접한 스폿 위치들의 하나의 쌍 사이의 피치를 감소시킴으로써, (예를 들어, 이전에 다루어진, 현재 다루어진, 또는 다루어질 스폿 위치 등 또는 이들의 임의의 조합에서) 작업물의 영역이 (예를 들어, 레이저 펄스들을 하나 이상의 이전에 다루어진 스폿 위치들로 전달한 결과로, 레이저 펄스들을 현재 다루어진 스폿 위치로 전달한 결과로 또는 이들의 임의의 조합으로 발생된) 열을 누적하는 방식은 작업물(102)의 비 피처 영역들에 바람직하지 않은 손상을 회피하면서, 효율적인 삭마 또는 다른 공정을 가능케 하도록 제어될 수 있다.
위의 사항을 고려하여, 상술한 예시적인 실시예(즉, 개구부가 간접 삭마에 의해 PCB의 제1 컨덕터에 형성됨)에 계속하여, 스캔 패턴(2800)의 인접한 스폿 위치들(2504)의 하나 이상의 쌍들 사이의 피치가 스캔 패턴(2800)의 인접한 스폿 위치(2504)의 다른 쌍들 중 임의의 쌍 사이의 피치와 상이하거나 동일할 수 있음이 인식되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 스캔 패턴(2800)에서 인접한 스폿 위치들의 쌍들 사이의 피치는 제1 스폿 위치(2504a)로부터 마지막 스폿 위치(2504b) 까지 (예를 들어, 선형 또는 비선형으로, 일정하게 또는 일정하지 않게, 연속적으로 또는 비 연속적으로 등) 증가할 수 있다. 다른 실시예에서, 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 하나의 그룹 내의 인접한 스폿 위치들의 쌍들 사이의 피치는 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 임의의 다른 그룹 내의 인접한 스폿 위치들의 쌍들 사이의 피치와 상이할 수 있다. 예를 들어, 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 제1 그룹 내의 인접한 스폿 위치들의 쌍들 각각 사이의 피치는 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹 내의 인접한 스폿 위치들의 쌍들의 각각 사이의 피치보다 짧을 수 있다. 일반적으로, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹 내의 스폿 위치들은 스폿 위치들의 제2 그룹 내의 스폿 위치들 이전에 다루어진다. 따라서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹은 적어도 스폿 위치들(2504a, 2504e 및 2504f)을 포함하고, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹은 적어도 스폿 위치들(2504b, 2504g 및 2504h)을 포함한다. 일 실시예에서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹 내의 스폿 위치들의 개수는 스캔 패턴(2800)의 스폿 위치들의 전체 개수의 1% 내지 95% 범위에 있고, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹에 포함되지 않은 임의의 스폿 위치들은 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹에 포함된다.
일 실시예에서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹에서 인접한 스폿 위치들의 쌍들의 각각 사이의 피치는 일정하고, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹 내의 스폿 위치들의 개수는 스캔 패턴(2800)의 전체 스폿 위치들의 개수의 1% 내지 95%의 범위에 있다. 이 실시예에서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹에서 스폿 위치들의 개수는 3%, 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 등과 동일(또는 대략 동일)하거나 이들 값 중 임의의 값 사이이다.
iv. 스캔 패턴들에 대한 다른 고려 사항들
a. 단일 스폿 위치 스캔 패턴
위에서 논의된 실시예들에서, 스캔 패턴은 복수의 순차적으로 다루어진 스폿 위치들을 포함하는 것으로 서술되었고, 작업물(102)은 가공 스폿을 다양한 스폿 위치들에 방사하기 위한 스캔 패턴을 따라 스캐닝함으로써 피처를 형성하도록 가공될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 스캔 패턴은 단일 스폿 위치만으로 구성될 수 있고, 작업물(102)은 하나 이상의 레이저 펄스들을 단일 스폿 위치로 지향시킴으로써(또는 다른 방식으로 단일 스폿 위치의 로컬 부근 내로 전달되어) 간단하게 가공될 수 있다(예를 들어, 삭마, 마킹, 융해 등이 될 수 있다). 이러한 스캔 패턴은 "단일 스폿 위치 스캔 패턴"으로 지칭된다. 예를 들어, 스캔 패턴의 단일 스폿 위치는 작업물(102)을 직접 삭마하기 위해(예를 들어, 작업물(102) 내에 블라인드 비아, 관통 비아 또는 다른 오목부, 홀 또는 개구부를 형성하기 위해) 복수의 레이저 펄스들을 통해 반복적으로 방사될 수 있다. 이러한 타입의 직접 삭마 공정은 종종 "펀치" 공정으로 지칭된다.
다른 예시에서, 작업물(102)이 "로컬화된 열 누적의 레버리징: 간접 삭마" 섹션에서 서술된 것과 같이 PCB로 제공될 때, 작업물(102)은 제1 컨덕터를 직접 또는 간접적으로 삭마하도록 가공되어, 유전체 구조의 영역을 노출시키는 개구부를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 단일 스폿 위치에 전달되는 레이저 펄스들은 전자기 스펙트럼의 UV 범위에서 파장을 가질 수 있고, 제1 컨덕터를 직접 삭마하는데 적합한 하나 이상의 특징들을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 스폿 위치에 전달되는 레이저 펄스들은 전자기 스펙트럼의 장파장(long-wavelength) IR (LWIR) 범위에 있는 파장을 가질 수 있고(즉, 이러한 레이저 펄스들은 통상적으로, 레이저원(104)과 같은 이산화탄소 레이저로부터 발생되고), 제1 컨덕터를 간접 삭마하는데 적합한 하나 이상의 다른 특징들을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 단일 스폿 위치에 전달된 레이저 펄스들은 전자기 스펙트럼 중 가시광선의 녹색 영역에 있는 파장을 갖고, 제1 컨덕터를 간접 삭마하는데 충분한 하나 이상의 다른 특징들을 가질 수 있다.
전자기 스펙트럼 중 가시광선의 녹색 범위에 있는 파장을 갖는 레이저 펄스들은 종종, 전자기 스펙트럼 중 UV 범위에 있는 파장을 갖는 대응하는 레이저 펄스들 보다 상당히 높은 평균 전력들에서 발생될 수 있어서, 작업물(102)이 더 높은 처리량으로 가공될 수 있게 한다. 또한, 전자기 스펙트럼 중 가시광선의 녹색 범위에 있는 파장을 갖는 레이저 펄스들은 전자기 스펙트럼 중 LWIR 범위에 있는 파장을 갖는 레이저 펄스들 보다 상당히 작은 스폿 크기로 집속될 수 있어서, 더 작은 피처들이 작업물(102) 내에 형성되게 할 수 있다. 또한, 위에서 주목된 바와 같이, 제1 컨덕터(즉, 구리 또는 구리합금)를 형성하는데 통상 사용되는 물질들은 녹색 광을 상당히 효율적으로 흡수하는 경향이 있다. 따라서, 제1 컨덕터의 노출된 표면(즉, 유전체 구조로부터 떨어진 제1 컨덕터의 표면)의 암화 -- 전자기 스펙트럼 중 LWIR 범위에 있는 파장을 갖는 레이저 펄스들을 이용하여 제1 컨덕터를 간접 삭마할 때 통상 사용되는 공정 --는 바람직한 경우 생략될 수 있다.
일반적으로, 작업면(102a)(즉, 제1 컨덕터)에 전달되는 레이저 펄스들의 빔은 전자기 스펙트럼 중 가시광선 녹색 범위에 있는 파장, 가우시안 타입 또는 비 가우시안 타입의 공간적 강도 프로파일, 1 ns 이상의(즉, 1 ns, 1.5 ns, 2 ns, 2.5 ns, 5 ns, 7 ns, 10 ns 이상이거나, 이들 값 중 임의의 값 사이) 펄스 지속기간, 형성될 개구부의 상부 또는 하부 직경보다 작은(예를 들어, 30 ㎛, 25 ㎛, 20 μm, 15 ㎛, 12 ㎛, 10 ㎛, 9 ㎛, 8 ㎛, 5 ㎛ 등의 이하, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의) 스폿 크기, 100 W 이상의(예를 들어, 120 W, 150 W, 180 W, 200 W, 225 W, 250 W, 275 W, 300 W, 350 W, 500 W 이상의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의) 평균 전력을 갖는다.
일 실시예에서, 상술한 녹색 파장 레이저 펄스들은 100 MHz 이상의(예를 들어, 125 MHz, 150 MHz, 175 MHz, 200 MHz, 250 MHz, 300 MHz, 350 MHz, 500 MHz 등 이상의 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의) 펄스 반복률로 작업면(102a)(즉, 제1 컨덕터)으로 전달된다. 상술한 특징들을 갖는 레이저 펄스들은 통상적으로, CW 레이저원들, QCW 레이저원들 등과 같은 레이저원들에 의해 발생되거나, 이로부터 유도될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 100 μJ(또는 그 즈음)로부터 50 mJ(또는 그 즈음)까지의 펄스 에너지들을 갖는 녹색 파장 레이저 펄스들을 1 이상의 마이크로초의 시간 스케일에 걸쳐(예를 들어, 수 마이크로초에 걸친 ns 또는 ps 펄스들의 버스트 모드, 또는 버스트 그 자체가 매 마이크로초 미만 마다 반복되는 버스트 모드 등) 발생시킬 수 있는 다른 레이저원들이 또한 제1 컨덕터 내에 개구부를 형성하는데 사용될 수 있다.
제1 컨덕터의 두께, 표면 흡수 특성들, 특정 레이저 파라미터들(예를 들어, 펄스 에너지, 펄스 지속기간, 펄스 반복률, 스폿 크기 및 스폿 형태 등) 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 단일 스폿 위치와 연관된 체류 시간이 1 ㎲(또는 그 즈음)로부터 30 ㎲(또는 그 즈음)까지의 범위에 있을 수 있음이 인식되어야 한다.
b. 순차적 대 병행(concurrent) 피처 형성
일 실시예에서, 전달된 레이저 펄스들의 빔은 순차적인 방식으로 작업물(102) 내에 또는 그 상에 다수의 피처들을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 복수의 레이저 펄스들이 작업물(102)로 전달되는 빔 축은 제1 피처가 형성될 때까지, 위에서 논의된 스캔 패턴들 중 어느 것 또는 임의의 다른 스캔 패턴(또는 이러한 스캔 패턴들의 제1 세트)과 같은 제1 스캔 패턴을 따라 결과적인 가공 스폿을 스캔하기 위해 이동된다. 제1 피처가 형성된 후, 빔 축은 제2 피처가 형성될 때까지, 위에서 논의된 스캔 패턴들 중 임의의 것 또는 임의의 다른 스캔 패턴(또는 이러한 스캔 패턴들의 제2 세트)과 같은 제2 스캔 패턴을 따라 결과적인 가공 스폿을 스캔하기 위해 작업물(102)의 다른 영역으로 이동된다. 그 후, 하나 이상의 추가적인 피처들은 유사한 방식으로 순차적으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 전달된 레이저 펄스들의 빔은 병행 방식으로 작업물(102) 내에 또는 그 상에 다수의 피처들을 형성하는데 사용될 수 있다. 즉, 복수의 레이저 펄스들이 작업물(102)로 전달되는 빔 축은 결과적인 가공 스폿을 다수의 스캔 패턴들을 따라 교대로 스캔하기 위해 이동된다. 예를 들어, 빔 축은 하나 이상의 레이저 펄스들이 제1 스캔 패턴의 하나 이상의(그러나 전체는 아닌) 스폿 위치들로 전달되도록 이동될 수 있고 그 후, 빔 축은 하나 이상의 레이저 펄스들이 제2 스캔 패턴의 하나 이상의(그러나 전체는 아닌) 스폿 위치들로 전달되도록 스캔된다. 그리고 나서, 빔 축은 하나 이상의 레이저 펄스들이 제1 스캔 패턴의(또는 스캔 패턴들의 제1 세트의) 하나 이상의 다루어질 스폿 위치들로 또는 제3 스캔 패턴 등의(또는 스캔 패턴들의 제3 세트의) 하나 이상의(그러나 전체는 아닌) 스폿 위치들로 등 전달되도록 이동될 수 있다. 빔 축을 이동시키고 레이저 펄스들을 다양한 스캔 패턴들의 하나 이상의 스폿 위치들로 교대로 전달하는 공정은 제1 스캔 패턴(또는 스캔 패턴들의 제1 세트)의 모든 스폿 위치들이 (즉, 제1 피처를 형성하도록) 다루어질 때까지, 제2 스캔 패턴(또는 스캔 패턴들의 제2 세트)의 모든 스폿 위치들이 (즉, 제2 피처를 형성하도록) 다루어질 때까지, 등 반복될 수 있다. 다수의 피처들을 병행 방식으로 형성하는 것은 단일 피처의 형성 동안 또는 다수의 피처들의 순차적 형성 동안 다른 방식으로 누적될 열에 기인하여, 작업물(102)의 비 피처 영역들이 바람직하지 않게 손상되는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
위의 실시예들에서 서술된 바와 같이 순차적으로 또는 병행하여 형성된 피처들은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 순차적으로 또는 병행하여 형성된 피처들 중 적어도 일부는 제1 스캐닝 범위 내에, 제2 스캐닝 범위 내에 또는 이들의 임의의 조합 내에 동시에 배열 가능하도록, 작업물(102) 내에 또는 위에 서로에 대해 대해 공간적으로 배열될 수 있다. 따라서, 최종적으로 형성되는 피처들의 크기와 이러한 피처들 사이의 거리에 의존하여, 제1 스캐닝 범위 또는 제2 스캐닝 범위는 적어도 두 개의 순차적으로 또는 병행하여 형성된 피처들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서(예를 들어, 작업물(102)이 섹션 "로컬화된 열 누적: 간접 삭마"에서 위에서 서술된 것과 같이 PCB로 제공될 때), 작업물(102)은 상이한 단일 스폿 위치 스캔 패턴들 중 (예를 들어, 섹션 "단일 스폿 위치 스캔 패턴"에서 서술된 특징들을 갖거나, 제1 컨덕터의 간접 삭마를 용이하게 하는데 적합한 하나 이상의 다른 특징들을 갖는) 전달된 레이저 펄스들을 스캔함으로써, 제1 컨덕터에서 개구부들과 같은 다수의 피처들을 순차적으로 또는 병행하여 형성하기 위해 가공될 수 있다. 다른 실시예(예를 들어, 작업물(102)이 강화 필름, 유리 보강 에폭시 라미네이트, 층간 유전체 물질, 로우 k 유전체 물질, 솔더 레지스트 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 유전체 구조로 제공될 때)에서, 작업물(102)은 상이한 단일 스폿 위치 스캔 패턴들 중 (예를 들어, 유전체 구조의 직접 삭마를 용이하게 하는데 적합한 하나 이상의 다른 특징들을 갖는) 전달된 레이저 펄스들의 빔을 스캔함으로써, 하나 이상의 비아들(예를 들어, 하나 이상의 블라인드 비아들 또는 관통 비아들), 오목부들, 홀들, 개구부들 등 또는 이들의 임의의 조합)과 같은 다수의 피처들을 순차적으로 또는 병행하여 형성하도록 가공될 수 있다. 일반적으로, 버스트 모드 레이저들(또는 버스트 모드로 동작하는 다른 레이저들)에 의해 발생된 레이저 펄스들은 통상적으로, 100 MHz 미만의(즉, 종종 10 kHz 이하의) 펄스 반복률에서 발생될 것이다. 따라서, 위에서 논의된 실시예들 중 어느 하나에서 레이저 펄스들이 100 MHz 이상의(또는 미만의) 펄스 반복률로 작업물(102a)에 전달되는 경우, 다수의 피처들은 제1 스캐닝 범위에 동시에 포함되는 상이한 단일 스폿 위치 스캔 패턴들로 전달되는 레이저 펄스들을 스캔하기 위해 제1 위치 지정기(106)를 동작시킴으로써, (즉, 제1 컨덕터 내에 또는 유전체 구조 내에) 형성될 수 있다. 레이저 펄스들이 10 kHz 미만의 펄스 반복률로 작업면(102a)에 전달되는 경우, 다수의 피처들은 제2 스캐닝 범위에 동시에 포함되는 상이한 단일 스폿 위치 스캔 패턴들로 전달되는 레이저 펄스들을 스캔하기 위해 제2 위치 지정기(108)를 동작시킴으로써 형성될 수 있다.
VIII. 빔 특징들의 변조에 대한 실시예들
상술한 바와 같이, 작업물(102)의 가공 동안 작업물(102)로 전달되는 레이저 에너지의 빔(연속적이거나 펄스화된)은 파장, 평균 전력, 공간적 강도 프로파일 타입, M2 인자, 공간적 강도 프로파일 형태, 스폿 크기, 광학 강도, 플루엔스 등과 같은 하나 이상의 특징들에 의해 특징지어질 수 있다. 레이저 에너지의 빔이 하나 이상의 레이저 펄스들을 포함할 때, 빔은 또한, 펄스 반복률, 펄스 지속기간, 펄스 에너지, 피크 전력 등과 같은 하나 이상의 특징들에 의해 특징지어질 수 있다. 레이저 에너지의 빔(연속적이거나 펄스화된)의 이들 모든 특징이 본원에서 총칭하여 집합적으로 레이저 에너지의 빔의 "특징들"로, 또는 간단하게는 "빔 특징들"로 지칭된다. 공통 스폿 위치로 전달되는(또는 공통 스폿 위치의 부근 내로 전달되는) 레이저 펄스들의 빔 특징들은 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 공통 스폿 위치로 전달되는(또는 공통 스폿 위치의 부근 내로 전달되는) 순차적으로 전달된 레이저 펄스들의 스폿 크기, 펄스 에너지, 펄스 반복률 등과 같은 하나 이상의 특징들은 일정하거나, 증가하거나, 감소하거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 마찬가지로, 공통 스캔 패턴의 상이한 스폿 위치들로 전달되는 레이저 펄스들의 빔 특징들을 동일하거나 상이할 수 있다.
스폿 크기와 같은 특징들은 상술한 Z 높이 보상을 초래하는 메커니즘들 중 하나 이상을 동작시킴으로써 조정될 수 있다. M2 인자 및 공간적 강도 프로파일 형태와 같은 특징들은 상술한 방식으로 하나 이상의 AOD 시스템들(예를 들어, 제1 위치 지정기(106) 또는 다른 방식으로 제공되는)을 동작시킴으로써 조정될 수 있다. 또한, M2 인자를 변경하기 위해 AOD 시스템을 동작시키는 것에 대해 상술한 기법들은 상술한 방식으로, 레이저 펄스들의 빔의 공간적 강도 프로파일 타입을 조정하기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, AOD 시스템(예를 들어, 제1 위치 지정기(106) 또는 다른 방식으로 제공되는)의 하나 이상의 변환기에 인가될 RF 신호의 스펙트럼은 (비 가우시안 공간적 프로파일(예를 들어, 직사각형 또는 "톱햇" 스펙트럼 프로파일)을 갖도록 성형될 수 있다. 이러한 RF 신호가 AOD 시스템(예를 들어, 제1 위치 지정기(106) 또는 다른 방식으로서 제공된)의 하나 이상의 변환기에 인가될 때, AOD 시스템을 빠져나가는 레이저 펄스들이 대응하는 비 가우시안 공간적 강도 프로파일 타입(예를 들어, 직사각형 또는 "톱햇" 공간적 강도 프로파일)을 갖는 레이저 펄스의 발생을 초래하는 방식으로 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 스펙트럼 형태의 RF 신호는 처핑되지 않는다. 다른 실시예에서, 스펙트럼 형태의 RF 신호는 처핑된다. 따라서, AOD 시스템이 (즉, 하나 이상의 인가된 RF 신호들에 응답하여) 구동되는 방식에 의존하여, AOD 시스템을 빠져나가는 레이저 펄스는 M2 인자, 공간적 강도 프로파일 타입, 공간적 강도 프로파일 형태 및 스폿 크기와 같은 하나 이상의 특징들에 대해 입사하는 레이저 펄스와 상이할 수 있다. 이들 및 다른 빔 특징들은 또한, 이 기술분야에 알려지거나, 다른 방식으로 본원에(섹션 내에 또는 다른 곳에서) 개시된 임의의 다른 적합한 또는 바람직한 방식으로 변경될 수 있다.
일반적으로, 하나 이상의 (또는 모든) 빔 특징들은 작업물(102)의 가공 동안 일정하게(또는 적어도 실질적으로 일정하게) 유지될 수 있거나, (예를 들어, 실질적으로 일정하지 않도록) 변조될 수 있거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 하나 이상의 빔 특징들이 피처의 가공 동안 변경될 수 있는 예시적인 실시예들이 아래에서 서술된다. 빔 특징들의 변조에 대한 특정 실시예들이 장치(100)와 연관되어 이 섹션에서 논의되지만, 이들 실시예 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합이 다중 헤드 장치(700)와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다. 이 섹션에서 논의된 실시예들이 본원에서 논의된 것을 이외에 임의의 적합하게 구비된 단일 또는 다중 헤드 레이저 가공 장치로 구현될 수 있음이 더 인식될 것이다.
i. 다층화된 작업물들에서의 피처 형성
다층화된 구조를 갖는 작업물들은 작업물의 다수의 층들을 관통하여 연장하는 하나 이상의 피처들을 형성하기 위해 가공될 수 있다. 일 실시예에서, 다층화된 작업물(102)은 개구부, 슬롯, 비아 또는 다른 홀, 홈, 트렌치, 스크라이브 라인, 커프, 오목한 영역 등과 같이, 다층화된 작업물(102)의 두 개의 상이한 층들을 적어도 부분적으로 관통하여 연장하는 피처를 형성하도록 가공될 수 있다. 다층화된 작업물(102)의 상이한 층들은 상이한 물질들로 형성될 수 있거나, 상이한 광 흡수 특징들(예를 들어, 전달된 레이저 에너지의 빔에 대한)을 가질 수 있는 등 또는 이들의 조합일 수 있다. 따라서, 피처는 빔 특징들의 제1 세트에 의해 특징지어지는 전달된 레이저 에너지의 빔을 이용하여 작업물(102)의 제1 층을 삭마함으로써 다층화된 작업물(102) 내에 형성되어, 예를 들어, 작업물(102)의 제2 층을 노출시킬 수 있다. 그 후, 작업물(102)의 제2 층은 빔 특징들(예를 들어, 파장, 평균 전력, 공간적 강도 프로파일 타입, M2 인자, 공간적 강도 프로파일 형태, 스폿 크기, 광학 강도, 플루엔스, 펄스 반복률, 펄스 지속기간, 피크 전력 등 또는 이들의 임의의 조합)의 제1 세트와 상이한 빔 특징들의 제2 세트에 의해 특징지어지는 전달된 레이저 에너지의 빔을 이용하여 삭마될 수 있다. 적어도 하나의 특징들이 빔 특징들의 제1 세트에서 대응하는 특징보다 크거나, 작거나 또는 이와 다른 한, 빔 특징들의 제2 세트에서 임의의 특징은 빔 특징들의 제1 세트내의 대응하는 특징과 동일할 수 있다.
예를 들어, 다층화된 작업물(102)은 그의 제1 측에서 제1 컨덕터(예를 들어, -- 예를 들어 화학 반응에 의해, 레이저 암화 공정에 의해 등 -- 암화되거나 암화되지 않은 노출된 표면을 가질 수 있는 구리 또는 구리합급)에, 그리고 경우에 따라 제1 측의 반대쪽에 있는 그의 제2 측에서 제2 컨덕터(예를 들어, 구리 또는 구리합금으로 형성된 패드, 트레이스, 포일 등)에 점착되는 유전체 구조(예를 들어, 유리 보강 에폭시 라미네이트)를 포함하는 PCB 패널 또는 PCB로 제공될 수 있다. 다층화된 작업물(102)은 제1 컨덕터를 완전히 관통하고, 유전체 구조를 적어도 부분적으로 관통하여 연장하는 비아를 형성하도록 가공될 수 있다. 비아는 제2 컨덕터에서 끝날 수 있거나(이 경우, 비아는 블라인드 비아임), 제2 컨덕터를 완전히 관통하여 연장할 수 있다(이 경우, 비아는 관통 비아임).
위에서 주어진 예시에서, 빔 특징들의 제1 세트에 의해 특징지어지는 레이저 에너지의 빔은 제1 가공 세트에서 제1 컨덕터로 전달되어(예를 들어, 그리고 경우에 따라 위에서 예시적으로 서술된 스캔 기법을 따라 스캔되어), 제1 컨덕터를 직접 또는 간접적으로 삭마함으로써, 유전체 구조를 노출시키는 개구부를 형성할 수 있다. 그 후, 제2 가공 단계에서, 빔 특징들의 제2 세트에 의해 특징지어지는 레이저 에너지의 빔은 개구부를 통해 유전체 구조로 전달되어(예를 들어, 그리고 경우에 따라 위에서 예시적으로 서술된 스캔 기법을 따라 스캔되어), 유전체 구조를 직접 삭마함으로써, 유전체 구조로 연장하는 홀을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 빔 특징들의 제1 및 제2 세트는 파장에 대해 동일할 수 있지만(예를 들어, 전달된 레이저 에너지의 빔은 전자기 스펙트럼의 UV, 가시광선 또는 IR 범위에 있는 파장을 가질 수 있음), 플루엔스, 광학 강도 등 또는 이들의 임의의 조합과 상이할 수 있다. 예를 들어, 플루엔스는 제2 가공 단계 동안 보다 제1 가공 단계 동안 더 높을 수 있다. 제1 및 제2 가공 단계 사이에, 플루엔스는 레이저 펄스들의 전달된 빔의 펄스 에너지를 감소시킴으로써, 레이저 펄스들의 전달된 빔의 스폿 크기를 증가시킴으로써 등 또는 이들의 임의의 조합을 통해 조정될 수 있다. 예를 들어, 제2 가공 단계 동안 전달되는 레이저 펄스들의 빔의 스폿 크기(즉, "제2 스폿 크기")는 평균 전력을 감소시키지 않고, 가공 스폿에서 플루엔스를 (예를 들어, 제1 및 제2 컨덕터가 형성되는 물질들이 직접 삭마될 수 있는 임계 플루엔스 아래로) 감소시키기 위해 제1 가공 단계 동안 전달된 레이저 펄스들의 빔의 스폿 크기에 관련되어 증가될 수 있다. 결과적으로, 홀을 유전체 구조 내에 형성하는데 필요한 펄스들의 개수는 상대적으로 적게 유지될 수 있고, 이웃하는 컨덕터 구조들에 대한 손상이 회피될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 스폿 크기는 2 ㎛(또는 그 즈음)으로부터 35 ㎛(또는 그 즈음)까지의 범위에 있을 수 있고, 제1 스폿 크기보다 큰 제2 스폿 크기는 40 ㎛(또는 그 즈음)으로부터 150 ㎛(또는 그 즈음)까지의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 스폿 크기는 2 ㎛, 3 ㎛, 5 μm, 7 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 25 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛ 등과 동일하거나(또는 거의 동일하거나) 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있고, 제2 스폿 크기는 40 ㎛, 50 ㎛, 60 ㎛, 80 ㎛, 100 ㎛, 125 ㎛, 140 ㎛, 155 ㎛ 등과 동일할 수 있다(또는 거의 동일할 수 있다.
ii. 로컬화된 열 누적에 대한 고려들
일 실시예에서, 하나 이상의 빔 특징들(예를 들어, 펄스 에너지, 펄스 반복률, 펄스 지속기간, 평균 전력 등 또는 이들의 임의의 조합)은 작업물(102)의 비 피처 영역의 온도가 작업물(102)의 가공 동안 (예를 들어, 하나 이상의 피처들이 작업물(102) 내에 형성되는 시간 주기에 걸쳐) 손상 임계 온도에 또는 그 아래에 있음을 보장하기 위해 선택되거나, 변조되거나 또는 다른 방식으로 설정될 수 있다. 하나 이상의 빔 특징들의 변조는 피처를 형성하는데 사용되는 임의의 스캐닝 기법과 연관된 파라미터들에 독립적으로 달성될 수 있거나, 하나 이상의 스캐닝 기법 파라미터들(예를 들어, 체류 시간, 피치 등 또는 이들의 임의의 조합)의 변조와 함께 구현될 수 있다.
예를 들어, 간접 삭마에 의해(예를 들어, 가공 스폿을 스캔 패턴(2800)에 따라 스캔함으로써) 개구부가 PCB의 제1 컨덕터에 형성되는 상술한 예시적인 실시예에 계속하여, 작업면(102a)에(즉, 제1 컨덕터의 노출된 표면에) 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지는 스캔 패턴(2800)의 마지막 스폿 위치(2504b)에 전달된 하나 이상의 레이저 펄스들의 펄스 에너지가, 스캔 패턴(2800)의 제1 스폿 위치(2504a)에 전달된 하나 이상의 레이저 펄스들의 펄스 에너지 미만이 되도록 변조될 수 있다. 예를 들어, 마지막 스폿 위치(2504b)에 전달된 하나 이상의 레이저 펄스들은 제1 스폿 위치(2504a)에 전달된 하나 이상의 펄스들의 펄스 에너지의 75%(또는 그 즈음)로부터 20%(또는 그 즈음)까지의 범위에 있는 펄스 에너지 (예를 들어, 제1 스폿 위치(2504a)에 전달된 하나 이상의 펄스들의 펄스 에너지의 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15% 등과 동일 또는 거의 동일하거나, 이들 값 중 임의의 값 사이의)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 패턴(2800)에서 스폿 위치들로 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지는 제1 스폿 위치(2504a)로부터 마지막 스폿 위치(2504b)로 (예를 들어, 선형 또는 비선형으로, 일정하게 또는 일정하지 않게, 연속적으로 또는 비 연속적으로 등) 감소할 수 있다.
다른 실시예에서, 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 일 그룹내의 스폿 위치들로 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지는 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 다른 그룹내의 스폿 위치들로 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지와 상이할 수 있다. 예를 들어, 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹내의 스폿 위치들로 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지는 스캔 패턴(2800)에서 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹내의 스폿 위치들로 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지보다 클 수 있다. 일반적으로, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹 내의 스폿 위치들은 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹에서의 스폿 위치들 이전에 다루어질 수 있다. 따라서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹은 적어도 스폿 위치들(2504a, 2504e 및 2504f)을 포함하고, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹은 적어도 스폿 위치들(2504b, 2504g 및 2504h)을 포함한다. 일 실시예에서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹에서 스폿 위치들의 개수는 스캔 패턴(2800)의 스폿 위치들의 전체 개수의 1% 내지 95% 범위에 있고, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹에 포함되지 않은 임의의 스폿 위치들은 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제2 그룹에 포함된다.
일 실시예에서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹내의 스폿 위치들에 전달된 레이저 펄스들의 펄스 에너지는 일정하고, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹 내의 스폿 위치들의 개수는 스캔 패턴(2800)의 스폿 위치들의 전체 개수에 1% 내지 95% 범위에 있다. 이 실시예에서, 순차적으로 다루어질 수 있는 스폿 위치들의 제1 그룹 내의 스폿 위치들의 개수는 3%, 5%, 10%, 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 등과 동일(또는 거의 동일하거나) 또는 이들 값 중 임의의 값 사이일 수 있다.
IX. 후 가공
때때로, 추가적인 가공은 (예를 들어, 가공 스폿을 상술한 것과 같은 하나 이상의 피처 형성 스캔 패턴들을 따라, 또는 하나 이상의 다른 스캔 패턴들을 따라 등 또는 이들의 임의의 조합으로 스캔함으로써) 피처가 형성된 후 수행될 수 있다. 피처의 측벽 영역의 하부 표면들로부터 물질(예를 들어, 피처의 형성 동안 생성된 잔여 물질, 또는 형성된 후 피처 상에 또는 그 내부에 남은 것)을 제거하기 위해, 피처 경계에서 작업물(102)의 하나 이상의 부분들을 더 제거하기 위해(예를 들어, 바람직한 피처 경계에 더 근접하게 맞춰진 피처 경계에 도달하도록), 피처가 한정되는 하나 이상의 물질들을 가열, 어닐링, 융해, 탄화, 산화, 감소, 화학적 에칭, 또는 다른 방식으로 변형 (예를 들어, 광-활성화 반응형 에이전트(light-activated reactive agent) 등을 이용하여), 또는 다른 방식으로 처리하기 위해 또는 이들의 임의의 조합을 위해 추가적인 공정이 (예를 들어, 주변 공기, 산화성 가스 또는 액체, 환원성 가스 또는 액체, 불활성 가스 또는 액체, 진공 등이 있는 데서) 수행될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 후 가공 기법들은 가공 스폿을 하나 이상의 후 가공 스캔 패턴들을 따라 스캔함으로써 수행될 수 있고, 이는 위에서 논의된 전술한 피처 형성 패턴들 중 어느 것과 동일하거나 상이할 수 있다.
일반적으로, 후 가공(post-processing) 스캔 패턴의 하나 이상의 특징들(예를 들어, 스폿 위치들의 배열, 피처 경계에 대한 스폿 위치들의 근접도 등을 포함), 후 가공 동안 선택되거나 다른 방식으로 사용되는 하나 이상의 빔 특징들 등 또는 이들의 임의의 조합은 피처 형성(feature-forming) 스캔 패턴의 대응하는 특징들과 동일하거나 상이할 수 있고, 피처의 형성 동안 선택되거나 다른 방식으로 사용되는 빔 특징들 중 대응하는 특징들과 동일하거나 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 후 가공 기법들은 다른 피처를 형성하기 전, 형성되는 피처 상에서 수행될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 하나 이상의 후 가공 기법들은 모든 복수의 피처들이 형성된 후 복수의 피처들 상에서 수행될 수 있다.
후 가공 기법들의 예시적인 실시예들이 이제 아래에서 더 상세히 논의될 것이다. 빔 특징들의 변조에 대한 특정 실시예들이 장치(100)와 연관되어 이 섹션에서 논의되지만, 이들 실시예 중 어느 하나 또는 이들의 임의의 조합은 다중 헤드 장치(700)와 연관되어 구현될 수 있음이 인식될 것이다. 이 섹션에서 논의된 실시예들은 본원에서 논의된 것을 이외에 임의의 적합하게 구비된 단일 또는 다중 헤드 레이저 가공 장치로 구현될 수 있음이 더 인식될 것이다.
i. 비아 세척
블라인드 비아와 같은 피처는 내부에 그의 하부 부분에서 컨덕터(예를 들어, 구리 또는 구리합금으로 형성된 패드, 트레이스, 포일 등)를 노출시키는 홀을 형성하기 위해, 유전체 구조(예를 들어, 유리 보강 에폭시 라미네이트)를 직접 삭마함으로써, 작업물 내에 형성될 수 있다. 일반적으로, 홀은 빔 특징들의 제1 세트에 의해 특징지어 지는 전달된 레이저 에너지의 빔을 이용하여 형성될 수 있다. (예를 들어, 수지 물질을 포함하는) 잔여 물질은 블라인드 비아 내에(예를 들어, 노출된 컨덕터 상에) 있을 수 있고, 이는 블라인드 비아 내에서 후속하여 형성된 금속화의 신뢰성 있는 점착을 방해할 수 있고, 노출된 구리층 등과 전기 접촉하기 위해 이용 가능한 블라인드 비아의 하부 부분에서 유효 구역을 감소시킬 수 있다. 따라서, 잔여 물질을 (부분적으로 또는 완전히) 제거하는 것이 이로울 수 있다. 일 실시예에서, 잔여 물질은 (예를 들어, 파장, 평균 전력, 공간적 강도 프로파일 타입, M2 인자, 공간적 강도 프로파일 형태, 스폿 크기, 광 강도, 플루엔스, 펄스 반복률, 펄스 지속기간, 피크 전력 등 또는 이들의 임의의 조합에 대한) 빔 특징들의 제1 세트와 상이한 빔 특징들의 제2 세트에 의해 특징지어 지는 전달된 레이저 에너지의 빔을 이용하여 제거될 수 있다. 빔 특징들의 제2 세트에서 임의의 특징은 적어도 하나의 특징들이 빔 특징들의 제1 세트에서 대응하는 특징보다 크거나, 작거나 또는 다른 방식으로 이와 상이하기만 하면, 빔 특징들의 제1 세트에서 대응하는 특징과 동일할 수 있다. 빔 특징들의 제2 세트에 의해 특징지어 지는 레이저 에너지의 빔은 노출된 컨덕터에 대한 유전체 구조에서 형성된 개구부와 그에 배열된 잔여 물질로 전달된다. 이러한 레이저 에너지의 빔은 경우에 따라, (예를 들어, 위에서 예시적으로 서술된 스캔 기법에 따라) 노출된 컨덕터를 삭마하지 않고, 노출된 컨덕터 상의 잔여 물질을 직접 또는 간접 삭마하도록 스캔될 수 있다.
일 실시예에서, 빔 특징들의 제1 및 제2 세트는 파장(예를 들어, 전달된 레이저 에너지의 빔은 전자기 스펙트럼의 UV, 가시광선 또는 IR 범위에 있는 파장을 가질 수 있음), 공간적 강도 프로파일 타입(예를 들어, 가우시안 타입 공간적 강도 프로파일)에 대해 동일할 수 있지만, 스폿 크기, M2 인자 등 또는 이들의 임의의 조합에 대해서는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제2 가공 단계 동안 전달된 레이저 에너지의 빔의 스폿 크기는 제1 가공 단계 동안 전달된 레이저 에너지의 빔의 스폿 크기보다 클 수 있다. 마찬가지로, 전달된 레이저 에너지의 빔의 M2 인자는 제1 가공 단계 동안 보다, 제2 가공 단계 동안 더 큰 유효 스폿 크기를 갖는 전달된 레이저 에너지의 빔을 산출하도록 조정될 수 있다. 스폿 크기 또는 M2 인자의 조정은 (예를 들어, "빔 특징들의 변조에 대한 실시예들" 섹션에서 위에서 서술된) 임의의 적합한 또는 바람직한 기법을 이용하여 초래될 수 있다. 제2 가공 단계 동안, 가공 스폿은 바람직하도록 (예를 들어, 스캔 패턴을 따라 다수의 스폿 위치들에 대해 다루도록) 스캔될 수 있다. 제2 가공 단계 동안 가공 스폿에서 스폿 크기(또는 유효 스폿 크기)가 충분히 큰 경우, 가공 스폿으로 다룰 스폿 위치들의 개수는 (예를 들어, 하나 또는 두 개의 스폿 위치들로) 감소될 수 있다.
다른 실시예에서, 빔 특징들의 제1 및 제2 세트는 파장(예를 들어, 전달된 레이저 에너지의 빔은 전자기 스펙트럼의 UV, 가시광선 또는 IR 범위의 파장을 가질 수 있음)에 대해 동일할 수 있지만, 공간적 강도 프로파일 타입, 공간적 강도 프로파일 형태, 스폿 크기 등 또는 이들의 임의의 조합에 대해서는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 가공 단계 동안, 전달된 레이저 에너지의 빔은 일반적으로 원형인 가우시안 타입의 공간적 강도 프로파일을 가질 수 있고, 상대적으로 작은 스폿 크기를 가질 수 있다. 하지만, 제2 가공 단계 동안, 전달된 레이저 에너지의 빔은 원형 또는 비원형(예를 들어, 정사각형 등)인 형태를 갖는 비 가우시안 타입의 공간적 강도 프로파일(예를 들어, "톱햇" 공간적 강도 프로파일 등)을 가질 수 있고, 상대적으로 큰 스폿 크기를 가질 수 있다. 공간적 강도 프로파일 타입, 공간적 강도 프로파일 형태 및 스폿 크기스폿 크기의 조정은 (예를 들어, "빔 특징들의 변조에 대한 실시예들" 섹션에서 위에서 서술된) 임의의 적합한 또는 바람직한 기법을 이용하여 초래될 수 있다. 제2 가공 단계 동안, 가공 스폿은 바람직하도록(예를 들어, 다수의 스폿 위치들을 스캔 패턴을 따라 다루도록) 스캔될 수 있다. 제2 가공 단계 동안 가공 스폿에서 스폿 크기(또는 유효 스폿 크기)가 충분히 큰 경우, 가공 스폿으로 다룰 스폿 위치들의 개수는 (예를 들어, 한 개 또는 두 개의 스폿 위치들로) 감소될 수 있다.
a. 블라인드 비아 세척 - 중앙 영역
블라인드 비아들과 같은 피처들을 (예를 들어, 그의 하부 부분에서 구리층을 노출시키기 위해 유전체 구조를 통해) 형성할 때, 잔여 물질(예를 들어, 유전체 물질)은 블라인드 비아의 하부 부분의 중앙 영역에(예를 들어, 블라인드 비아의 하부 부분에서 노출된 전기적 컨덕터 상에) 존재할 수 있다. 이는 (예를 들어, 도 26에 도시된 스캔 패턴(2600)과 같이) 바람직한 피처 경계의 중앙 영역 내에 위치된 상대적으로 적은 (또는 없는) 스폿 위치들에 의해 특징지어 지는 피처 형성 스캔 패턴들을 사용할 때의 경우일 수 있다.
이러한 잔여 물질을 (부분적으로 또는 완전히) 제거하기 위해, 후 가공 스캔 패턴(또한, 본원에서 "중앙 영역 세척 스캔 패턴"으로 지칭됨)이 스캔될 수 있다. 일반적으로, 중앙 영역 세척 스캔 패턴은 피처의 하부 부분에서 피처 경계의 중앙 영역에 배치된 하나 이상의 스폿 위치들을 포함한다. 도 26은 중앙 영역 세척 스캔 패턴의 예시적인 실시예를 도시한다. 중앙 영역 세척 스캔 패턴은 피처 경계의 중앙 영역 내에 위치한(예를 들어, 영역(2602) 내에 포함되고 경계(2502)의 중앙 영역 내에 있는) 하나 이상의 스폿 위치들을 포함한다(예를 들어, 도 26에 도시된 바와 같이, 중앙 영역 세척 스캔 패턴은 다수의 스폿 위치들(2504')을 포함한다). 스폿 위치들(2504') 중, 스폿 위치(2504a')는 중앙 영역 세척 동안 레이저 펄스로 방사될 제1 스폿 위치를 나타내고, 스폿 위치(2504b')는 중앙 영역 세척 동안 레이저 펄스로 방사될 마지막 스폿 위치를 나타낸다. 따라서, 스폿 위치들(2504')을 연결하는 실선은 스폿 위치들(2504)이 (예를 들어, 하나 이상의 전달된 레이저 펄스들에 의해) 다루어지는 시퀀스를 나타낸다. 하지만, 스폿 위치들(2504')은 임의의 다른 바람직한 시퀀스(따라서, 실선의 구성을 변경하는)로 다루어질 수 있고, 심지어 무작위로 다루어질 수 있다.
일반적으로, 스폿 위치들로 전달되는 레이저 펄스들은 중앙 영역 세척 스캔 패턴을 스캔하는 동안, 피처 경계에서 작업물(102)의 영역들에 방사하지 않는다. 하지만, 전달된 레이저 펄스들의 스폿 크기, 공간적 강도 분포 등, 피처의 상부 부분에서 피처 경계의 크기 및 형태, 피처의 하부 부분에서 피처 경계의 크기 및 형태, 피처의 깊이 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 피처 경계에서 (예를 들어, 피처의 상부 부분에서 또는 그 부근에서) 작업물(102)의 하나 이상의 영역들은 하나 이상의 전달된 레이저 펄스들의 적어도 하나의 부분에 의해 방사될 수 있다.
b. 블라인드 비아 세척 - 주변 영역
도 25 내지 도 28에 대해 위에서 서술된 것과 같은 스캔 패턴들을 이용하여 (예를 들어, 유전체 구조를 통해, 그의 하부 부분에서 구리층을 노출시키기 위해)블라인드 비아들과 같은 피처들을 형성할 때, 잔여 물질(예를 들어, 유전체 물질)은 블라인드 비아의 하부 부분의 주변 영역에서 (예를 들어, 블라인드 비아의 측벽이 그의 하부 부분에서 노출된 전기적 컨덕터에 만나는 영역에서 또는 그 근처에서) 존재할 수 있다.
이러한 잔여 물질을 (부분적으로 또는 완전히) 제거하기 위해, 후 가공 스캔 패턴(또한, 본원에서 "주변 영역 세척 스캔 패턴"으로 지칭됨)이 스캔될 수 있다. 주변 영역 세척 스캔 패턴은 피처의 하부 부분에서 피처 경계의 주변 영역에 배치된 하나 이상의 스폿 위치들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스캔 패턴(2500)의 스폿 위치들(2504a, 2504b 및 2504d), 스캔 패턴(2600)의 스폿 위치들(2504c), 스캔 패턴(2700)의 스폿 위치들(2504b 및 2504d) 및 스캔 패턴(2800)의 스폿 위치들(2504) 등과 같은 스폿 위치들은 (피처의 하부 부분이 형성되었을 때 이러한 스캔 패턴들(2500, 2600, 2700 또는 2800)이 실제로 스캔 되었으면) 피처의 하부 부분에서 피처 경계의 주변 영역에 위치되는 것으로 간주될 수 있다. 다른 실시예에서, 주변 영역 세척 스캔 패턴의 스폿 위치들은 전술한 스폿 위치들의 로컬 부근 내에 있을 수 있다. 논의의 목적을 위해, 주변 영역 세척 스캔 패턴의 스폿 위치는 전술한 스폿 위치들 중 하나의 1 ㎛ 이내에(예를 들어, 전술한 스폿 위치들 중 하나의 0.8 ㎛, 0.75 ㎛, 0.7 ㎛, 0.65 ㎛, 0.6 ㎛, 0.5 ㎛, 0.4 ㎛, 0.3 ㎛, 0.25 ㎛, 0.2 ㎛, 0.15 ㎛, 0.1 ㎛, 0.08 ㎛, 0.05 ㎛, 0.01 ㎛ 내에, 또는 0.01 ㎛ 미만으로)있는 경우, 전술한 스폿 위치들 중 하나의 로컬 부근 내에 있는 것으로 간주된다. 블라인드 비아의 중앙 및 주변 영역들 양자가 세척될 경우, 주변 영역은 중앙 영역이 세척되기 전 또는 그 이후 세척될 수 있다.
일반적으로, 스폿 위치들로 전달되는 레이저 펄스들은 주변 영역 세척 스캔 패턴을 스캔하는 동안, 피처 경계에서(예를 들어, 피처의 상부 부분에서 또는 그 근처에서) 작업물(102)의 하나 이상의 영역들에 방사한다. 하지만, 레이저 펄스들은 전달된 레이저 펄스들의 스폿 크기, 공간적 강도 분포 등, 피처의 상부 부분에서 피처 경계의 크기 및 형태, 피처의 하부 부분에서 피처 경계의 크기 및 형태, 피처의 깊이 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여, 피처 경계에서 작업물(102)의 영역들에 방사하지 않도록 중앙 영역 세척 스캔 패턴의 스폿 위치들로 전달될 수 있다.
ii. 피처 경계의 미세 조정
일 실시예에서, 바람직한 피처 경계(2502)에 인접한 전술한 스캔 패턴들의 스폿 위치들(예를 들어, 스캔 패턴(2500)의 스폿 위치들(2504a, 2504b 및 2504d), 스캔 패턴(2600)의 스폿 위치들(2504c), 스캔 패턴(2700)의 스폿 위치들(2504b 및 2504d) 및 스캔 패턴(2800)의 스폿 위치들(2504))은 바람직한 피처 경계에 상당히 가깝게 배열되어, 하나 이상의 레이저 펄스들이 그에 전달될 때, 바람직한 피처 경계(2502)의 적어도 일 부분을 형성하기 위해, 작업물(102)로부터 물질이 제거된다. 다른 실시예에서, 이러한 스폿 위치들에서 작업물(102)로부터 제거된 물질은 바람직한 피처 경계의 일 부분을 형성할 필요가 없다. 어느 한 실시예에서, 바람직한 피처 경계의 적어도 일 부분을 따라 연장하는 하나 이상의 스캔 라인들을 포함하는 후 가공 스캔 패턴(본원에서 "경계 개선 스캔 패턴"으로도 지칭됨)이 (예를 들어, 측벽의 평활도(smoothness)를 개선시키기 위해, 실제 획득된 피처 경계 대 바람직한 피처 경계의 형태의 적합도(fidelity)를 개선하기 위해, 등 또는 이들의 임의의 조합을 위해) 스캔될 수 있다.
iii. 후 가공에 대한 타이밍
일 실시예에서, 전술한 것과 같은 후 가공 기법들은 피처가 형성된 이후 바로 수행될 수 있다. 즉, 레이저 펄스는 마지막 레이저 펄스가 피처 형성 스캔 패턴으로 스폿 위치에 전달된 이후 바로 후 가공 스캔 패턴으로 제1 스폿 위치에 전달될 수 있다. 예를 들어, 경계 미세 조정 공정 또는 중앙 또는 주변 영역 세척 공정들은 블라인드 비아와 같은 피처가 형성된 이후 바로 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나의 후 공정 기법(예를 들어, 주변 영역 세척 공정)은 다른 후 공정 기법(예를 들어, 중앙 영역 세척 공정)이 완료된 이후 바로 수행될 수 있다. 이러한 문맥에서, "이후 바로"는 피처 형성 공정(또는 이전에 수행된 후 가공 공정) 및 후속하여 수행된 후 가공 공정의 완료 사이에 경과한 시간의 양이 (예를 들어, 피처 형성 공정 또는 이전에 수행된 후 가공 공정 동안 제1 위치 지정기(106)의) 가장 짧은, 가장 긴, 중간 또는 평균 위치 지정 주기와 동일함을(또는 이와 적어도 실질적으로 동일함을) 의미한다. 일 실시예에서, 제1 위치 지정기(106)의 위치 지정 주기는 20 ㎲(또는 그 즈음)보다 짧다. 예를 들어, 제1 위치 지정기(106)의 위치 지정 주기는 15 ㎲, 10 ㎲, 5 ㎲, 3 ㎲, 2 ㎲, 1 ㎲, 0.8 ㎲, 0.5 ㎲, 0.3 ㎲, 0.1 ㎲ 등 이하일 수 있다.
피처 형성 동안, (예를 들어, 작업물(102) 내의 하나 이상의 물질들에 의해 전달된 레이저 펄스들에서 에너지의 흡수로 인해, 작업물(102) 내의 하나 이상의 물질들들 통한 열의 운반으로 인해 등) 열은 피처가 형성되는 영역들에서 작업물(102) 내에 누적될 수 있다. 따라서, 피처가 형성되는 작업물(102)에서 영역들의 온도는 피처의 형성 동안 상당히 증가할 수 있다. 피처 경계에서 작업물(102) 내의 하나 이상의 영역들로부터 물질(예를 들어, 유전체 구조의 물질)을 제거하는 것이 바람직한 경우(예를 들어, 피처 경계를 미세 조정하도록 후 가공하는 경우) 이롭게 제거될 물질에 존재하는 이 누적된 열 에너지는 후 가공 효율을 증가시킨다.
하지만, 피처의 하부 부분에서 물질(예를 들어, 잔여 물질)을 제거하는 것이 바람직한 경우(예를 들어, 피처의 하부 부분에서 중앙 또는 주변 영역들을 세척하도록 후 가공하는 경우), 하나 이상의 작업물(102)의 영역들 내에(예를 들어, 피처의 상부 부분에 또는 그 근처에) 존재하는 누적된 열 에너지는 중앙 또는 주변 영역 세척 동안 스폿 위치들로 전달되는 레이저 펄스들이 작업물(102)의 이러한 부분들에 방사되는 경우, 피처의 상부 부분에서 또는 그 근처에서 작업물(102)의 제거를 더 용이하게 할 수 있다. 그 결과, 피처의 상부 부분에서 피처 경계는 중앙 영역 세척 스캔 패턴 또는 주변 영역 세척 스캔 패턴과 같은 후 가공 스캔 패턴을 스캔하는 동안, 바람직하지 않게 넓어질 수 있다.
상술한 문제점을 극복하기 위해, 피처 형성 공정(또는 이전에 수행된 후 가공 공정) 및 중앙 영역 세척 공정 또는 주변 영역 세척 공정과 같은 후속적으로 수행되는 후 가공 공정 사이에 지연 주기가 삽입될 수 있다. 지연 주기의 기간은 작업물(102) 내의 (예를 들어, 피처의 상부 부분에서 또는 그 근처에서) 열 에너지가 흩어지도록(즉, 피처의 상부 부분에서 또는 그 근처에서 작업물(102)의 영역들이 냉각되도록) 선택되거나 또는 다른 방식으로 설정되어, 피처의 상부 부분에서 또는 그 근처에서 작업물(102)의 부분들은 중앙 또는 주변 영역 세척 동안 전달되는 레이저 펄스들에 의해 방사될 때 제거되지 않는다. 일반적으로, 지연 주기는 (예를 들어, 피처 형성 공정 또는 이전에 수행된 후 가공 공정 동안 제1 위치 지정기(106)의) 가장 짧은, 가장 긴, 중간 또는 평균 위치 지정 주기보다 길다. 일 실시예에서, 위치 지정 주기가 20 ㎲(또는 그 즈음) 미만일 때, 지연 주기는 20 ㎲(또는 그 즈음)를 초과한다. 예를 들어, 지연 주기는 22 ㎲, 25 ㎲, 30 ㎲, 35 ㎲, 40 ㎲, 45 ㎲, 50 ㎲, 55 ㎲, 60 ㎲ 등의 이상일 수 있다. 지연 주기는 피처의 상부 부분에서 또는 그 근처에서 작업물(102)의 물질(들)의 열 전도율, 열 확산율, 특정 열 용량, 점성 등, 후 가공 동안 전달된 레이저 펄스들의 펄스 지속기간, 플루엔스, 펄스 반복률 등, (다수의 피처들 형성 및 후 가공 수행 등을 포함하는) 작업물(102)을 가공하기 위한 바람직한 처리량 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 인자들에 의존하여 선택되거나 다른 방식으로 설정될 수 있음이 인식되어야 한다.
X. 부산물의 제거에 대한 실시예들
개구부, 슬롯, 비아, 홀, 홈, 트렌치, 스크라이브 라인, 커프, 오목한 영역 등과 같은 하나 이상의 피처들이 후 가공의 결과로 작업물(102) 내에 형성될 때, (예를 들어, 최대 횡단 치수가 약 0.01 ㎛ 내지 약 4 ㎛ 범위에 있는 입자들을 함유하는) 증기, (예를 들어, 최대 횡단 치수가 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.7 mm 범위에 있는 입자들을 함유하는) 먼지, (예를 들어, 최대 횡단 치수가 약 0.7 ㎛를 초과하는) 작업물 파편들 또는 다른 조각(scrap)과 같은 부산물 물질들이 생성될 수 있다. 일부 경우들(예를 들어, 드릴링 또는 절단 공정 동안)에서, 이러한 부산물 물질들은 작업물(102)로부터 분출되고, 작업물(102)의 작업면(102a) 상에 재증착된다. 다른 경우들(예를 들어, 작업물(102)을 관통하여 연장하는 관통 홀 또는 다른 피처를 형성하기 위한 절단 공정 동안)에서, 하나 이상의 파편들 또는 다른 조각은 작업물(102)로부터 분출되지 않고, 오히려 (예를 들어, 절단 공정 동안 작업물(102)에 형성된 커프에서) 작업물(102)에 단순히 쌓인 상태로 있다. 작업물(102)을 관통하여 연장하는 관통홀 또는 다른 피처의 크기에 의존하여, 작업물(102)의 파편 또는 다른 조각은 가공 동안 전달되는 레이저 에너지의 스폿 크기보다 상당히 큰(예를 들어, 적어도 한자리 수만큼(by at least one order of magnitude)) 최대 치수를 가질 수 있다. 이러한 부산물들의 제거를 용이하게 하기 위해, 부산물 제거 시스템이 제공될 수 있다.
일 실시예에서 도 38을 참조로, 부산물 제거 시스템은 작업물(102)을 지지하기 위한 프레임(3802), 프레임(3802) 위에 배열된 에어 나이프(3804) 및 프레임(3802) 아래에 배열된 수집함(collection bin, 3806)을 포함하는 부산물 제거 시스템(3800)으로 제공될 수 있다.
프레임(3802)에 의해 지지될 때, 작업물(102)(예를 들어, PCB, FPC, 리드 프레임 브랭크(lead frame blank) 등)은 가공될 것이고, 작업면(102a) 상에 있는 증기 또는 먼지를 포함할 수 있다. 작업물(102)이 그를 통해 연장하는 관통홀 또는 다른 피처를 형상하도록 가공되는 경우, 하나 이상의 파편들 또는 다른 조각이 관통홀 내에 남아 있거나, 작업물(102)에(예를 들어, 절단 공정 동안 작업물(102)에 형성된 커프에서) 쌓일 수 있다. 작업물(102)은 로봇 암(예를 들어, 작업물과 맞물리도록 그의 단부에서 엔드 이펙터를 갖는), 롤투롤 처리 시스템 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 운반 메커니즘에 의해 레이저 가공 장치로부터 프레임(3802)으로 운반될 수 있다. 이 경우, 운반 메커니즘은 제어기(114)에 의해, 다른 제어기에 의해, 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 출력되는 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 작업물(102)이 정적으로 유지되는 동안 에어 나이프(3804)를 작업물(102) 위에서 (예를 들어, 화살표(3808)로 표시된 X 축을 따라, Y 축을 따라 또는 이들의 임의의 조합으로) 이동시키도록 동작되는 액추에이터(미도시) 및 하나 이상의 선형 스테이지들 또는 다른 기계적 연동 장치들(예를 들어, 가이드 레일들 등)에 에어 나이프(3804)가 연결된다. 다른 실시예에서, 프레임(3802)은 프레임(3802)을 에어 나이프(3804) 아래에서 (예를 들어, 화살표(3808)로 표시된 X 축을 따라, Y 축을 따라 또는 이들의 임의의 조합으로) 이동시키도록 동작되는 액추에이터(미도시) 및 하나 이상의 선형 스테이지들 또는 다른 기계적 연동 장치들(예를 들어, 가이드 레일들 등)에 연결된다. 양자의 실시예에서, 액추에이터는 제어기(114)에 의해, 다른 제어기에 의해 등 또는 이들의 임의의 조합으로 출력되는 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여 제어될 수 있다.
에어 나이프(3804)는 압축된 공압식(air-powered) 에어 나이프, 블로워 동력(blower-powered) 에어 나이프 등 또는 이들의 임의의 조합으로 제공될 수 있고, 작업면(102a)에서 임의의 가라앉은 먼지 또는 증기를 날리도록, 작업물(102)에 쌓인 임의의 파편들 또는 다른 조각들을 제거하는(dislodge) 등에 충분한 힘으로 작업면(102a)으로의 공기 또는 다른 기체의 고압 흐름을 생성하도록으로 구성된 노즐(3804a)을 포함한다. 제거된 파편들 또는 다른 조각들(일반적으로 3810으로 도시됨)은 (예를 들어, 중력, 에어 나이프(3804)에 의해 발생된 고압 흐름 등 또는 이들의 조합의 영향 하에) 수집함(3806)으로 떨어진다. 일 실시예에서, 자동화된 광학 검사(AOI) 시스템(미도시)은 또한, 바람직한 경우 부산물들이 제거되었음을 확인하기 위해 제공될 수 있다. 에어 나이프(3804) 및 선택적인 AOI 시스템은 제어기(114)에 의해, 다른 제어기에 의해 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 출력된 하나 이상의 제어 신호들에 응답하여 제어될 수 있다.
가공된 작업물(102)이 에어 나이프(3804)에 의해 발생된 고압 흐름을 받은 후, 작업물(102)은 (예를 들어, 물질 처리 장치(800)와 같은 물질 처리 장치의 저장 베이로 다시, 추가적인 가공을 위한 레이저 가공 장치로 등) 운반될 수 있다.
XI. 다수의 레이저원들의 사용에 대한 실시예들
특정 작업물들은 조성이 이종인 또는 조성물 물질(composite material)인 것으로 특징지어질 수 있다. 이러한 작업물들의 예시들은 PCB 패널들, PCB들, 유리 보강 에폭시 라미테이트들, 프리프레그들(prepregs), 강화 물질들, FPC들, IC들, ICP들, LED들, LED 패키지들 등을 포함한다. 때때로, 이러한 이종의 또는 조성 작업물들(composite workpieces)(본원에서 총칭하여, "화합물 작업물들(compound workpieces)"로 지칭됨)은 작업물(102)에 전달되는 레이저 펄스들의 파장에 투명한 하나 이상의 구성요소들(즉, 본원에서 "투명한 작업물 구성요소"로 지칭됨)과, 작업물(102)에 전달되는 레이저 펄스들의 파장에 투명하지 않은 구성요소들(즉, 본원에서 "비투명 작업물 구성요소"로 지칭됨)로 형성된다. 이 문맥에서, (예를 들어, 빔 축을 따라) 물질을 통해 투과되는 광의 퍼센트가 10%를 초과하거나, 25%를 초과하거나, 50%를 초과하거나, 75%를 초과하거나, 80%를 초과하거나, 85%를 초과하거나, 90%를 초과하거나, 95%를 초과하거나, 98%를 초과하거나, 또는 99%를 초과하도록, 전달된 레이저 펄스들의 특정 대역폭 내의 선 흡수 스펙트럼 및 두께를 갖는 물질로 형성되는 경우, 작업물(102)의 구성요소는 투명한 작업물 구성요소로 간주될 수 있다.
인식될 바와 같이, 특히 전달된 레이저 펄스들의 펄스 지속기간이 수십 피초초를 초과하는 경우, 전달된 레이저 펄스들의 파장에 투명한 물질로 이루어진 성분을 갖는 화합물 작업물을 효율적으로 가공하는 것이 어려울 수 있다. "초단파의(ultrashort)" 레이저 펄스들(즉, 수십 피초코 미만의 펄스 지속기간을 갖고, 종종 펨토초의 범위에 있는 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들)의 사용이 비선형 흡수를 통해 투명한 작업물 구성요소들을 효율적으로 가공할 수 있는 한편, 화합물 작업물들을 가공하기 위한 초단파 레이저 펄스들의 사용은 각 초단파 레이저 펄스에 의해 제거된 물질의 양이 상대적으로 작기 때문에, 충분하지 않다. 이들 문제를 고려하여, 본 발명의 일부 실시예들은 (투명 및 비투명 작업물 구성요소들 양자로 형성된) 화합물 작업물을 가공하기 위한 다수의 레이저원들을 갖는 장치(또한, 본원에서 "다중 소스(multi-source) 장치"로 지칭됨)를 제공한다.
예를 들어, 도 30을 참조로 장치(3000)와 같은 다중 소스 장치의 일 실시예는 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)의 각각은 양자 모두 화합물 작업물의 비투명 작업물 구성요소를 가공하는데 충분한 레이저 에너지를 발생시키도록 동작된다. 또한, 제1 레이저원(3002a)은 일반적으로 화합물 작업물의 투명한 작업물 구성요소를 가공하는데 충분한 레이저 에너지를 발생시키도록 동작된다.
일반적으로, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b) 각각은 레이저원(104)에 대해 위에서 예시적으로 서술한 바와 같이 제공될 수 있다. 따라서, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b) 각각은 펄스 레이저원, CW 레이저원, QCW 레이저원, 버스트 모드 레이저원 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제1 레이저원(3002a) 또는 제2 레이저원(3002b) 중 어느 하나가 QCW 또는 CW 레이저원을 포함하는 경우, 이러한 레이저원은 경우에 따라, QCW 또는 CW 레이저원으로부터 출력되는 레이저 방사 빔을 일시적으로 변조하기 위한 펄스 게이팅 유닛(예를 들어, 음향 광학(AO) 변조기(AOM), 빔 초퍼 등)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)의 각각은 펄스 레이저원으로 제공된다. 다른 실시예에서, 제1 레이저원(3002a)은 펄스 레이저원으로 제공되는 한편, 제2 레이저원(3002b)은 QCW 또는 CW 레이저원으로 제공되고, QCW 또는 CW 레이저원으로부터 출력되는 레이저 방사 빔을 일시적으로 변조하기 위한 펄스 게이팅 유닛을 포함한다.
화합물 작업물에서 다양한 성분들의 특질 또는 조성에 의존하여, 제2 레이저원(3002b)은 또한, 화합물 작엽물의 투명한 작업물 구성요소를 가공하는데 충분한 레이저 에너지를 발생시키도록 동작될 수 있다. 예를 들어, 비투명 작업물 구성요소(예를 들어, 수지 물질) 내에(또는 다른 방식으로 이와 접촉하여) 구비된 투명한 작업물 구성요소(예를 들어, 유리 보강 에폭시 라미네이트)을 갖는 화합물 작업물(예를 들어, 유리 보강 에폭시 라미네이트)의 가공 동안, 비투명 작업물 구성요소는 제1 레이저원(3002a) 또는 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 에너지의 노출 시, 직접 가공(예를 들어, 융해, 기화, 삭마, 탄화 등)될 수 있다. 비투명 작업물 구성요소의 직접 가공 동안 또는 그 결과로서, 투명한 작업물 구성요소는 간접적으로 가공될 수 있다. 예를 들어, 투명한 작업물 구성요소는 (예를 들어, 투명 및 비투명 작업물 구성요소들 사이의 광 또는 열 유도된 화학적 반응을 통해) 균열, 가열, 변색, (예를 들어, 비투명 작업물 구성요소로, 비투명 작업물 구성요소의 잔여물 등으로) 코팅 될 수 있다. 투명한 작업물 구성요소의 이러한 간접 가공은 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 에너지의 영향 하에 직접적으로 후속하는 가공을 용이하게 할 수 있다. 화합물 작업물에서 다양한 성분들의 특질 또는 조성에 의존하여, 이러한 후속 직접 가공은 실질적일 수 있다.
일반적으로, 제1 레이저원(3002a)은 제1 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 출력하도록 동작되고, 제2 레이저원(3002b)은 제1 펄스 지속기간보다 긴 제2 펄스 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 출력하도록 동작된다. 예를 들어, 제1 펄스 지속기간은 500 ps 미만(예를 들어, 450 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, 400 fs, 300 fs, 200 fs, 150 fs, 100 fs, 50 fs, 30 fs, 15 fs, 10 fs 등 미만, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 펄스 지속기간은 500 ps 이상(예를 들어, 600 ps, 700 ps, 800 ps, 900 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 ㎲, 5 ㎲, 10 ㎲, 50 ㎲, 100 ㎲, 200 ㎲, 300 ㎲, 500 ㎲, 900 ㎲, 1 ms, 2 ms, 5 ms, 10 ms, 20 ms, 50 ms, 100 ms, 300 ms, 500 ms, 900 ms, 1s 등 이상, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)일 수 있다. 다른 실시예에서, (예를 들어, 제2 레이저원(3002b)이 레이저 에너지의 QCW 또는 CW 빔을 발생시킬 수 있도록) 제2 레이저원(3002b)은 QCW 또는 CW 레이저원으로서 제공되고, 펄스 게이팅 유닛을 포함하지 않는다.
일반적으로, 제1 레이저원(3002a)은 레이저 펄스들을 제1 펄스 반복률로 출력하도록 동작되고, 제2 레이저원(3002b)은 레이저 펄스들을 제1 펄스 반복률보다 높은 제2 펄스 반복률로 출력하도록 동작된다. 예를 들어, 제2 펄스 반복률은 100 kHz 이상(예를 들어, 150 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 등 이상, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 펄스 반복률은 150 MHz(또는 그 즈음)와 같고 및 제1 펄스 반복률은 1 MHz(또는 그 즈음)와 같다. 대안적으로, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저(3002b)는 레이저 펄스들을 동일한(또는 적어도 실질적으로 동일한) 펄스 반복률로 출력하도록 동작될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)은 적어도 실질적으로 동일한 파장(들), 및 적어도 실질적으로 동일한 스펙트럼 대역폭(즉, FWHM로 측정된)을 갖는 레이저 에너지의 빔을 발생시키도록 동작된다. 예를 들어, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)은 전자기 스펙트럼의 가시광선(예를 들어, 녹색) 범위에 있는 하나 이상의 파장들을 갖는 레이저 에너지의 빔을 발생시키도록 동작된다. 다른 실시예에서, 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 레이저 에너지의 파장 및 스펙트럼 대역폭 중 적어도 하나는 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 에너지와 상이할 수 있다(예를 들어, 이를 초과하거나, 미만이거나 또는 이들의 임의의 조합).
도시되진 않았지만, 장치(3000)는 또한, 레이저원(3002a)에 의해 발생되고, 제1 예비 빔 경로(3004a)를 따라 전파하는 레이저 에너지를 집속, 확장, 시준, 성형, 편광, 필터링, 분할, 결합, 크롭, 또는 다른 방식으로 변형, 조건 설정 또는 지향시키기 위해 하나 이상의 광학 구성요소들(예를 들어, 빔 익스팬더들, 빔 성형기들, 개구들, 고조파 생성 결정들, 필터들, 시준기들, 렌즈들, 미러들, 편광기들, 파장판들, 회절 광학 요소들, 굴절 광학 요소들 등 또는 이들의 임의의 조합)을 포함한다. 마찬가지로, 장치(3000)는 제2 레이저원(3002b)에 의해 생성되고 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 에너지를 집속, 확장, 시준, 성형, 편광, 필터링, 분할, 결합, 크롭, 또는 다른 방식으로 변형, 조건 설정 또는 지향시키기 위해 하나 이상의 광학 구성요소들을 포함할 수 있다.
제1 예비 빔 경로(3004a) 및 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 에너지는 임의의 적합한 방식으로 공간적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 예비 빔 경로(3004a)에 배치되는 제2 예비 빔 경로(3004b)를 빔 결합기(3008)로 지향시키기 위하여, 폴드 미러(3006)가 제공될 수 있다. 빔 결합기(3008)를 빠져나갈 때, 레이저 에너지는 (예를 들어, 도 1에 도시된 빔 경로(116)에 대응하는 빔 경로(116c)를 따라, 제1 빔 전달 시스템(3010)과 같은 빔 전달 시스템으로 전파할 수 있다.
일반적으로, 제1 빔 전달 시스템(3010)은 위에서 예시적으로 서술된 것으로 제공되는 전술한 제1 위치 지정기(106), 전술한 제2 위치 지정기(108) 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 위치 지정기들을 포함할 수 있다. 하지만, 특정 구현들에서, 빔 결합기(3008)는 제1 예비 빔 경로(3004a) 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 에너지의 편광 상태를 변경할 수 있다. 결과적으로, 빔 경로(116c)를 따라 전파하는 레이저 에너지는 다수의 편광 상태들(예를 들어, p-편광 상태들, s-편광 상태들 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)에 의해 특징 지어질 수 있다. 이러한 구현들에서, 제1 빔 전달 시스템(3010)은 그에 입사하는 레이저 에너지의 편광 상태에 상대적으로 민감한 구성요소들(예를 들어, 특정 배향으로의 선형 배향을 갖는 레이저 에너지에 일반적으로 경우에 따라 민감한 AOD 시스템)을 포함하지 않는다. 오히려, 제1 빔 전달 시스템(3010)은 검류계 미러 시스템, MEMs 미러 또는 미러 어레이, FSM 등 또는 이들의 임의의 조합과 같이 상대적으로 편광에 민감하지 않은 하나 이상의 구성요소들을 포함한다.
도시되진 않았지만, 장치(3000)는 전술한 제3 위치 지정기(110), 스캔 렌즈(예를 들어, 전술한 스캔 렌즈(112)), 제어기(예를 들어, 전술한 제어기(114)), 또는 장치(100 또는 700)에 대해 이전에 논의된 임의의 다른 구성요소 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 구성요소들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어기(114)는 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 하나 이상의 레이저 펄스들과 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 하나 이상의 레이저 펄스들 사이의 시간적 오프셋(또는 이의 시간적 중첩)의 설정 또는 이에 대한 조정을 가능케 하기 위해 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)의 동작을 제어한다. 이러한 설정 또는 조정을 용이하게 하기 위해, 장치(3000)는 일 실시예에서, 그 전체가 본원에 참조로 통합되는, 국제특허출원 공개번호 제WO2015/108991호에 서술된 하나 이상의 동기화 장치(synchronizers), 발진기(oscillators)을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어기(114)는 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 임의의 레이저 펄스들과 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 임의의 레이저 펄스들 사이의 시간적 오프셋(또는 이의 시간적 중첩)의 설정 또는 이에 대한 조정을 가능케 하기 위해 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)의 동작을 제어하지 않는다. 이 경우, 장치(3000)는 전술한 국제특허출원 공개번호 제WO2015/108991호에 서술된 동기화 장치들, 발진기들 등을 포함하지 않는다. 오히려, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)의 상대적 동작 제어는 (펄스화되거나 연속적일 수 있는) 제2 레이저원(3002b)에 의한 레이저 에너지의 발생에 대한 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 레이저 펄스들의 시간적 관계에 상관 없이 이루어질 수 있다. 따라서, 제1 레이저원(3002a)은 제2 레이저원(3002b)이 레이저 에너지를 발생시키도록 동작되는 것에 독립적으로, 레이저 에너지를 발생시키도록 동작될 수 있다. 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)으로 송신되는 트리거 신호들은 임의의 적합하거나 바람직한 방식으로 서로에 대해 동기화될 수 있거나, 모두 동기화되지 않을 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 빔 경로(116c)를 따라 전파하는 레이저 에너지는 다수의 편광 상태들을 포함할 수 있다. 제1 빔 전달 시스템(3010) 내의 구성요소들을 상대적으로 편광에 민감하지 않은 것들로 제한하는 것 대신, 다중 소스 장치는 빔 결합기(3008)에 의해 송신된 레이저 에너지의 편광 상태를 변경하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 31을 참조하면, 장치(3100)와 같은 다중 소스 장치의 일 실시예는 장치(3000)에 대해 위에서 논의된 바와 같이 제공될 수 있지만, 빔 결합기(3008)에 의해 투과된 레이저 에너지의 편광 상태를 변경하기 위해 빔 경로(116c)에 배치된 파장판(wave plate)(3102)(예를 들어, 반파장파), 및 파장판(3102)에 의해 투과된 레이저 에너지의 일 부분을 필터링하기 위한 편광기(3104)를 더 포함할 수 있다. 편광기(3104)에 의해 투과된 레이저 에너지는 그 후, (예를 들어, 도 1에 도시된 빔 경로(116)에 대응하는) 빔 경로(116d)를 따라 제1 빔 전달 시스템(3010)으로 전파할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 레이저원(3002a)을 기원으로 하는 것으로서, 파장판(3102) 및 편광기(3104) 중 하나 또는 양자는 빔 경로(116d)를 따라 전파하는레이저 에너지의 빔 내의 전력량 대 제2 레이저원(3002b)을 기원으로 하는 전력량의 비를 조정하기 위해 조정될 수 있다(예를 들어, 빔 경로(116c)의 축에 대해 회전될 수 있다). 따라서, 빔 경로(116d)를 따라 전파하는 레이저 에너지는 각각 제1 및 제2 레이저원을 기원으로 하는 전력의 50:50 혼합비, 또는 임의의 다른 적합한 또는 바람직한 비율(예를 들어, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, 10:90, 20:80, 30:70, 40:60 등, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 제1 빔 전달 시스템(3010)은 장치(3000)에 대해 위에서 논의된 바와 같이 제공될 수 있거나, 또는 위에서 예시적으로 서술된 AOD 시스템과 같은 하나 이상의 편광 감응성 구성요소들을 포함하도록 제공될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 32를 참조하면, 장치(3200)와 같은 다중 소스 장치의 일 실시예는, 장치(3100)에 대해 위에서 논의된 것으로 제공될 수 있으나, (예를 들어, 빔 경로(116d2)를 통해) 편광기(3104)에 광학적으로 연결되는 제2 빔 전달 시스템(3202)을 더 포함할 수 있고, 반면에 제1 빔 전달 시스템(3010)은 빔 경로(116d1)를 통해 편광기(3104)에 광학적으로 연결된다. 제2 빔 전달 시스템(3202)은 제1 빔 전달 시스템(3010)과 동일한(또는 상이한) 방식으로 구성될 수 있다. 도 32에 도시된 실시예에서, 빔 경로들(116d1 및 116d2)의 각각은 도 1에 도시된 빔 경로(116)의 상이한 예시에 대응한다. 이 실시예에서, (여기서, 편광 빔 스플리터 큐브(polarizing beam splitter cube)로 도시된) 파장판(3102) 및 편광기(3104)는 빔 경로들(116d1 및 116d2)의 각각이 제1 레이저원(3002a)으로부터 기원으로 하는 광전력의 절반(또는 적어도 대략 절반) 및 제2 레이저원(3002b)으로부터 기원으로 하는 광전력의 절반(또는 적어도 대략 절반)을 포함하도록 구성된다. 추가적인 파장판(3204)(예를 들어, 반파장판)은 편광 빔 스플리터 큐브(3104)에 의해 투과된 레이저 에너지의 편광 상태를 변경하기 위해 빔 경로(116d1) 내에 배치된다.
다른 실시예에서, 장치(3200) 내에서, 반파장판(3102), 편광기(3104) 및 반파장판(3204)은 레이저 에너지를 빔 경로들(116d1 및 116d2)을 따라 분배시키기 위해, 스피닝 초퍼 미러(spinning chopper mirror), 회전하는 다각형 미러들, 공명 검류계 미러 시스템 등 또는 이들의 임의의 조합에 의해 생략 또는 교체될 수 있다. 이 경우, 제1 빔 전달 시스템(3010) 및 제2 빔 전달 시스템(3202)은 임의의 편광 감응성 구성요소들을 포함하지 않는다.
다른 실시예에서 도 33을 참조하면, 장치(3300)와 같은 다중 소스 장치의 일 실시예는 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)에 의해 출력된 레이저 펄스들을 제1 빔 전달 시스템(3010)으로, 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 또는 이들의 임의의 조합으로 다양하게 지향시키도록 구성된 빔 분배기(3302)를 포함할 수 있다. 이 경우, 빔 분배기(3302)는 AO 셀(3304), AO 셀(3304)의 일 측에 음향으로 연결된 초음파 변환기 요소(3306) 및 초음파 변환기 요소(3306)에 반대편에 있는 AO 셀(3304)의 다른 측에 음향으로 연결된 흡수체(3308)를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)은 제1 예비 빔 경로(3004a) 및 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 펄스들이 AO 셀(3304) 내의 영역에서 서로 완전히 (또는 적어도 실질적으로 완전히) 중첩(예를 들어, 검은 점으로 표시됨)될 수 있도록 정렬될 수 있다(또는 하나 이상의 광학 구성요소들이 제공될 수 있다). 또한, 제1 예비 빔 경로(3004a) 및 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 펄스들 내의 광은 AO 셀(3304) 내에서 적합하게 회절되기 위해, 제1 빔 전달 시스템(3010) 또는 제2 빔 전달 시스템(3202)에 의해 적합하게 편향되기 위해 필요한 편광 상태를 갖도록 임의의 적합한 방식으로 발생되거나 다른 방식으로 조절될 수 있다.
초음파 변환기 요소(3306)는 인가된 RF 신호에 의해 구동될 시, AO 셀(3304) 내에 음향파를 생성하고, 여기서, 인가된 RF 신호의 전력은 AO 셀(3304) 내에서 편향된 레이저 펄스들의 전력을 제어하기 위해 (일정한 RF 주파수를 유지하면서) 변조된다. 인가된 RF 신호가 없을 시, 음향파는 초음파 변환기 요소(3306)에 의해 AO 셀(3304) 내에 생성되지 않고, 제1 레이저원(3002a) 및 제1 레이저원(3002b)에 의해 생성되고 AO 셀(3304)로 입사하는 임의의 레이저 펄스들은 AO 셀(3304)을 통과하여 제1 빔 전달 시스템(3010) 및 제2 빔 전달 시스템(3202) 각각으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 초음파 변환기 요소(3306)에 인가되는 RF 신호 레이저가 없을 경우, 제1 예비 빔 경로(3004a)를 따라 전파하는 레이저 펄스들은 AO 셀(3304)을 통과하여, 빔 경로(116d1)를 따라 제1 빔 전달 시스템(3010)으로 전파하고, 유사하게 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 펄스들은 AO 셀(3304)을 통과하여, 빔 경로(116d2)를 따라 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전파한다. 따라서, 빔 경로(116d1)는 제1 레이저원(3002a)에 대한 0차 빔 경로를 구성하고, 빔 경로(116d2)는 제2 레이저원(3002b)에 대한 0차 빔 경로를 구성한다.
제1 전력 레벨(예를 들어, "최대 전력(full power) 레벨")을 갖는 RF 신호가 초음파 변환기 요소(3306)에 인가될 때, 제1 예비 빔 경로(3004a)를 따라 전파하는 레이저 펄스들 내의 대부분의 전력(예를 들어, 약 90%)은 빔 경로(116d2)를 따라 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전파하기 위해 AO 셀(3304)에 의해 편향되고, 마찬가지로, 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 펄스들 내의 대부분의 전력(예를 들어, 약 90%)은 빔 경로(116d1)를 따라 제1 빔 전달 시스템(3010)으로 전파하기 위해 AO 셀(3304)에 의해 편향된다. 이 경우, 제1 예비 빔 경로(3004a)를 따라 전파하는 레이저 펄스들 내의 잔여 전력량(예를 들어, 약 10%)은 AO 셀(3304)을 통과하여 빔 경로(116d1)를 따라 제1 빔 전달 시스템(3010)로 전파하고, 마찬가지로, 제2 예비 빔 경로(3004b)를 따라 전파하는 레이저 펄스들 내의 잔여 전력량(예를 들어, 약 10%)은 AO 셀(3304)을 통과하여 빔 경로(116d2)를 따라 제2 전달 시스템(3202)으로 전파한다.
위의 내용을 고려하여, 초음파 변환기 요소(3306)가 최대 전력으로 구동될 때, 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 레이저 펄스들 내의 전력 중 약 90%와 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 펄스들 내의 전력 중 약 10%가 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전달되는 한편, 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 펄스들 내의 전력 중 약 90%와 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 레이저 펄스들 내의 전력 중 약 10%가 제1 빔 전달 시스템(3210)으로 전달된다는 점이 인식될 것이다. 임의의 단일 레이저원에 의해 발생되고 최종적으로 제1 빔 전달 시스템(3010) 및 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전달된 레이저 펄스들의 전력량은 초음파 변환기 요소(3306)에 인가된 RF 신호의 전력을 변경함으로써 더 변조될 수 있다. 예를 들어, 제1 전력 레벨의 50%인 제2 전력 레벨을 갖는 RF 신호가 초음파 변환기 요소(3306)로 인가될 때, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 펄스들 내의 전력 중 약 50%는 제1 빔 전달 시스템(3010)으로, 그리고 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전달된다. 인가된 RF 신호의 전력 레벨은 작업물(102)이 피처를 형성하기 위해 가공되는 동안 일정하게 유지될 수 있거나, 각각의 피처의 형성 동안 변할 수 있다.
다중 소스 장치(3300)가 제1 빔 전달 시스템(3010) 및 제2 빔 전달 시스템(3202) 양자를 포함하는 것으로 서술되었으나, 다중 소스 장치(3300)는 제1 빔 전달 시스템(3010)만을 또는 제2 빔 전달 시스템(3202) 만을 포함할 수 있음이 인식될 것이다. 이 경우, 생략된 빔 전달 시스템은 빔 덤프로 대체될 수 있다.
일반적으로, 인가된 RF 신호의 전력이 변하고, 그에 따라 제1 레이저원(3002a) 또는 제2 레이저원(3002b)으로부터, 최종적으로 제1 빔 전달 시스템(3010) 또는 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전달되는 전력량을 변조할 수 있는 속도(또한, "변조 속도"로 지칭됨)는 50 kHz(또는 그 즈음) 내지 10 MHz(또는 그 즈음)의 범위에 있다. 일 실시예에서, 변조 속도는 100 kHz(또는 그 즈음) 내지 2 MHz(또는 그 즈음)의 범위에 있다. 다른 실시예에서, 변조 속도는 1 MHz(또는 그 즈음)이다. 따라서, 제1 레이저원(3002a) 및 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생되고, 최종적으로 제1 빔 전달 시스템(3010) 또는 제2 빔 전달 시스템(3202)으로 전달되는 레이저 펄스들의 관련 전력 레벨들은 작업물(102)의 가공 동안, 간단히 초음파 변환기 요소(3306)에 인가되는 RF 신호의 전력 레벨을 변조시킴으로써 빠르게 변경될 수 있다.
예를 들어, 제1 빔 전달 시스템(3010)이 유리 보강 에폭시 라미네이트 물질과 같은 화합물 작업물의 상부 표면 상에 제공된(예를 들어, 증착 또는 라미네이트 등이 된) 전기적 컨덕터 구조(예를 들어, 구리, 구리합금 등으로 형성될 수 있는 필름, 포일 등)를 포함하는 다층 작업물내의 비아(예를 들어, 블라인드 비아, 관통 비아 등)와 같은 피처를 형성하기 위해 사용될 경우, 인가된 RF 신호의 전력은 초기에, 제2 레이저원(3002b)에 의해 발생된 레이저 펄스들에서 50%를 초과(예를 들어, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85% 등, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이)하는 전력은 전기적 컨덕터에서 화합물 작업물을 노출시키는 개구부를 형성하기 위해 제1 빔 전달 시스템(3010)으로 전달된다. 그 후, 인가된 RF 신호의 전력은 제1 레이저원(3002a)에 의해 발생된 레이저 펄스들에서 50%를 초과 하는(예를 들어, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85% 등, 또는 이들 값 중 임의의 값 사이의) 전력이, 화합물 작업물 내에 비아를 형성하기 위해 제1 빔 전달 시스템(3010)에 전달되도록 빠르게 변조될 수 있다.
XII. 열 관리에 대한 실시예들
A. 작업물의 열 관리
때때로, 작업물의 가공 동안, 작업물(102)의 작업면(102a) 부근에서 주변 환경의 온도는 전달된 레이저 펄스들과 작업물 사이의 레이저 물질 상호작용들의 결과로 발생한 열로 인해 상승할 수 있다. 이는 PCB 패널들과 같은 작업물들에서 비아 드릴링과 같은 레이저 가공을 수행할 때의 경우일 수 있다. 온도 상승이 상당히 높아진 경우, 작업물은 바람직하지 않게 팽창할 수 있고, 이는 비아들이 드릴링되는 위치적 정확도와 정밀도를 감소시킬 수 있다. 비아들이 작업물(102) 내에 드릴링되는 위치적 정확도 및 정밀도를 유지하는데 도움을 주기 위해, 장치(100)는 경우에 따라, 온도 제어 시스템을 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 온도 제어 시스템은 제어기(114)의 입력에 연결된 온도 센서(120)와 온도 제어 유체 노즐(122)을 포함한다. 온도 센서(120)는 작업면(102a)의 부근에서 주변 환경(예를 들어, 주변 공기)의 온도(예를 들어, 이의 온도를 나타내는 특징)를 측정하도록 구성된다. 온도 제어 유체 노즐(122)은 온도 제어된 기체 흐름(예를 들어, 공기)을 작업면(102a)의 부근 내에서 주변 환경으로 유도하도록 구성된다. 통상적으로, 유체 노즐(122)에 의해 유도된 기체 흐름의 온도는 온도 센서(120)에 의해 측정된 온도에 비해 상대적으로 차갑다. 따라서, 기체 흐름은 열을 작업면(102a)의 부근에서 주변 환경으로부터 떨어지게 운반하도록(그리고, 결과적으로 작업물로부터 떨어지게 운반하도록) 작용될 수 있다. 일 실시예에서, 장치(100)는 미국특허출원 공개번호 제2014/0026351호에 개시된 수집 노즐을 포함할 수 있다(그리고, 그 안의 기동 노즐(motive nozzle)은 온도 제어된 유체를 제어할 것이고, 따라서, 본원에 서술된 온도 제어된 유체 노즐로 작용할 것이다).
동작 동안, 온도 센서(120)는 측정된 온도(또는 이의 특징)를 나타내는 하나 이상의 신호들(예를 들어, "온도 신호들")을 생성하고, 이를 제어기(114)로 출력할 수 있다. 제어기(114)는 측정된 온도가 미리 결정된 공칭 온도 가공 윈도우(예를 들어, ± 10 섭씨온도, ± 5 섭씨온도, ± 2 섭씨온도 등)를 벗어나는지를 판단하기 위해 온도 신호(들)를 처리할 수 있다. 측정된 온도가 공칭 온도 가공 윈도우를 벗어난 것으로(예를 들어, 공칭 온도 가공 윈도우보다 높은 것으로) 판단된 경우, 제어기(114)는 측정된 온도와 상이한(예를 들어, 이보다 낮은) 온도를 갖는 유체 흐름을 유도하여, 작업면(102a) 내의 주변 환경의 온도가 공칭 온도 가공 윈도우 내에 다시 들어가도록 하나 이상의 제어 신호들을 생성하고, 이를 온도 제어 유체 노즐(122)로 출력할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제어기(114)는 온도 센서(120) 및 유체 노즐(122)에 통신 가능하게 연결되는 한, 온도 제어 시스템의 일 부분으로 간주될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 온도 센서(120) 및 유체 노즐(122)은 온도 제어 시스템과 연관된 상이한 제어기(미도시, 하지만 제어기(114)의 것과 동일하거나 유사한 구성 및 동작을 가짐)에 연결될 수 있다. 온도 제어 시스템이 장치(100)의 선택적인 구성요소인 것으로 서술되었으나, 온도 제어 시스템은 장치(100) 이외의 다른 장치(레이저 가공 장치 또는 다른 것)로 통합될 수 있음이 인식될 것이다.
B. AO 셀의 열 관리
위에서 언급한 바와 같이, 음향파들은 하나 이상의 RF 주파수들에서 AO 셀의 일 단부에 음향으로 연결된 초음파 변환기 요소를 구동시킴으로써 보통 AO 셀로 송신된다(launched). 위에서 서술된 구성을 갖는 예시적인 AO 디바이스(즉, AOM, AOD 등일 수 있는)가 도 34 및 도 35에 도시된다. 도 34 및 도 35를 참조하면, 예시적인 AO 디바이스(3400)는 AO 셀(3402), AO 셀(3402)의 커넥터 단부에 음향으로 연결된 초음파 변환기 요소(3404), 및 커넥터 단부의 반대편에 있는 AO 셀(3402)의 흡수체 단부에 음향으로 연결된 흡수체(3406)를 포함한다. 도 34 및 도 35에서, 레이저 에너지의 빔(3408)은 그의 입력면을 통해 AO 셀(3402)로 들어가는 것으로 도시되었다.
AO 셀(3402)을 통해 전파하는 음향파들은 열을 발생시키고, 이는 AO 셀(3402)이 (예를 들어, 광학적으로, 물리적으로 등) 저하되는 것을 방지하기 위해 이롭게 추출된다. AO 셀(3402)을 냉각시키기 위한 일반적인 방법은 AO 셀의 입력면으로부터 출력면으로 음향 파들의 전파와 간섭하지 않을 위치들에서 냉각판들을 AO 셀(3402)에 부착하는 것이다. 예를 들어, 도 34 및 도 35를 참조하면, 제1 냉각판(3408)은 AO 셀(3402)의 제1 열 추출면에 열적으로 연결되고 및 제2 냉각판(3410)은 제1 열 추출면의 반대에 있는 AO 셀(3402)의 제2 열 추출면에 열적으로(thermally) 연결될 수 있다. 일반적으로, 제1 및 제2 열 추출면들은 AO 셀(3402)의 대향하게 놓인 면들(또는 면들(facets))로 특징지어질 수 있고, 이는 초음파 변환기 요소(3304) 또는 흡수체(3406)에 의해 덮이지 않는다. 또한, 레이저 에너지의 빔은 보통, 제1 및 제2 열 추출 면들을 통해 전파되지 않는다.
일반적으로, AO 셀(3402)은 (즉, 입력면으로부터 출력면까지 측정된) 15 mm(또는 그 즈음) 내지 35 mm(또는 그 즈음)의 범위에 있는 길이 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, AO 셀(3402)의 길이는 18 mm 내지 30 mm의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, AO 셀(3402)의 길이는 20 mm 내지 30 mm의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, AO 셀(3402)의 길이는 22 mm 내지 28 mm의 범위에 있다. 하지만, AO 셀(3402)은 15 mm 미만인, 또는 30 mm를 초과하는 길이를 가질수 있음이 인식되어야 한다.
일반적으로, AO 셀(3402)은 (즉, 제1 열 추출면으로부터 제2 추출면까지 측정된) 15 mm(또는 그 즈음) 내지 35 mm(또는 그 즈음)의 범위에 있는 두께 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, AO 셀(3402)의 두께는 18 mm 내지 30 mm의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, AO 셀(3402)의 두께는 20 mm 내지 30 mm의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, AO 셀(3402)의 두께는 22 mm 내지 28 mm의 범위에 있다. 하지만, AO 셀(3402)은 15 mm 미만의 또는 30 mm를 초과하는 두께를 가질 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, AO 셀(3402)의 두께는 AO 셀(3402)의 길이를 초과하거나, 이와 동일하거나, 이의 미만일 수 있음이 인식되어야 한다.
일반적으로, AO 셀(3402)은 (즉, 커넥터 단부로부터 흡수체 단부까지 측정된) 15 mm(또는 그 즈음) 내지 35 mm(또는 그 즈음)의 범위에 있는 폭 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, AO 셀(3402)의 폭은 18 mm 내지 30 mm의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, AO 셀(3402)의 폭은 20 mm 내지 30 mm의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, AO 셀(3402)의 폭은 22 mm 내지 28 mm의 범위에 있다. 하지만, AO 셀(3402)이 15 mm 미만이거나 30 mm를 초과하는 폭을 가질 수 있음이 인식되어야 한다. 또한, AO 셀(3402)이 AO 셀(3402)의 길이 또는 두께 중 어느 것을 초과하거나, 이에 동일하거나 또는 이의 미만일 수 있음이 인식되어야 한다.
제1 냉각판(3408) 및 제2 냉각판(3410)은 일반적으로, 이에 형성된 하나 이상의 채널들을 통해 물을 흐르게 함으로써 냉각된다. 예를 들어, 도 35를 참조하면, 제1 냉각판(3408) 및 제2 냉각판(3410) 각각은 그에 형성된 냉각 채널(예를 들어, U형 채널, 여기서, 채널들의 단부들 만이 도시됨)을 포함한다. 도 35에서, 단부들(3502a 및 3502b)은 제1 냉각판(3408)에 형성된 냉각 채널의 각각의 입력 단부 및 출력 단부이다. 마찬가지로, 단부들(3504a 및 3504b)은 제2 냉각판(3410)에 형성된 냉각 채널의 각각의 입력 단부 및 출력 단부이다. 각 냉각 채널을 통한 냉각수(예를 들어, 물)의 흐름을 생성하도록 (예를 들어, 냉각수가 입력 단부(3502a 또는 3504a)를 통해 냉각 채널에 들어가고, 출력 단부(3502b 또는 3504b)를 통해 냉각 채널을 각각 빠져 나감으로써, AO 셀(3402)로부터 열을 제거하도록) 펌프(미도시)가 제공될 수 있다.
상술한 것과 같은 냉각판들은 이들이 커넥터 및 흡수체 단부들로부터 작용할 때 AO 셀(3402)의 중앙과 거의 동일한 양의 열을 제거하도록 구성될 수 있다. 하지만, AO 셀(3402)의 커넥터 단부에서 발생된 열의 양은 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 비해 높을 수 있고, AO 셀(3402)의 심지어 흡수체 단부보다 더 높을 수 있다. 열 구배(thermal gradients)는 더 적은 범위(extent)로, 또한 AO 셀(3402)의 길이 및 두께를 가로질러 존재할 수 있다. AO 셀(3402) 내에서 충분히 큰 열 구배는 바람직하지 않은 열 렌즈 효과들(thermal lensing effects), 회절 효율의 악화, 편향 오차들 등을 야기할 수 있다.
종래의 경우, AO 셀(3402) 내에서 바람직하지 않게 큰 열 구배와 연관된 유해한 영향들은 AO 셀(3402)을 통해 전파하는 레이저 에너지의 빔을 AO 셀(3402)의 상대적으로 작은 체적(예를 들어, 폭 치수가 4 mm 내지 5 mm로 측정됨)(또한, 본원에서 "작업 체적(working volume)"으로 지칭됨)내로 국한시킴으로써 최소화되거나 회피된다. 하지만, AO 셀(3402)의 작업 체적을 적어도 폭 치수만큼 증가시키는 것이 바람직할 것이다. 따라서, 일부 실시예들에 따라, AO 디바이스는 균일하지 않은 열 제거를 위해 제공하도록 구성되고, AO 셀(3402)의 주변 영역들(즉, 커넥터 단부에서 또는 그 근처에서, 흡수체 단부에서 또는 그 근처에서 또는 이들의 임의의 조합에서의 AO 셀(3402)의 영역들)로부터 보다, AO 셀(3402)의 중앙 영역으로부터 더 적은 열이 제거된다.
일부 실시예들에서, 균일하지 않은 열 제거는 제1 냉각판(3408) 또는 제2 냉각판(3410)과 같은 냉각판 대신, AO 셀(3402)의 하나 이상의 주변 영역들로부터 보다, AO 셀(3402)의 중앙 영역으로부터 더 적은 열을 제거하도록 구성된 "균일하지 않은" 냉각판을 제공함으로써 달성된다.
예를 들어, 균일하지 않은 냉각판은 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 위치에서, 그의 열 추출 표면(예를 들어, AO 셀(3402)의 제1 또는 제2 열 추출면과 열 간섭을 형성하는 표면)에 형성된 하나 이상의 홈들, 피트들(pits) 등과 함께 제공될 수 있다. AO 셀(3402)의 열 추출면과 열 접촉하게 배치될 때, 하나 이상의 홈들, 피트들 등은 AO 셀(3402)의 중앙 영역 내에서 공동(void)을 정의하는 데 도움을 주고, 이는 열 전달에 대한 방해물들(impediments)(즉, AO 셀(3402)과 균일하지 않은 냉각판 사이의 열 간섭에 대한)로서 작용한다. 예를 들어, 도 36을 참조하시오.
다른 예시에서, 균일하지 않은 냉각판은 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 위치에서 그의 내부에 형성된(예를 들어, 열 추출 표면으로부터 이격된) 하나 이상의 공동들, 채널들 등과 함께 제공될 수 있다. AO 셀(3402)의 열 추출면에 열 접촉하게 배치될 때, 하나 이상의 공동들, 피트들 등은 AO 셀(3402)의 중앙 영역으로부터 열 전달에 대한 방해물들로서 작용한다. 예를 들어, 도 36을 참조하시오.
다른 예시에서, 균일하지 않은 냉각판은 그의 내부에 형성된(예를 들어, 열 추출 표면으로부터 이격된) 하나 이상의 공동들, 채널들 등 뿐만 아니라, AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 위치에서 그의 표면 내에 형성된 홈들과 함께 제공될 수 있고, 이는 AO 셀(3402)로부터 열을 전달하기 위해, AO 셀(3402)로부터 열 전달의 수행을 위해 감소된 용량을 갖는 소위 "열 초크(thermal choke)"구조를 초래한다. 냉각 경로 콘딧들(conduits)로 구성된 이러한 열 초크 구조의 예시는 도 37에 도시된다.
또 다른 예시에서, 균일하지 않은 냉각판은 상이한 열 전달 특징들을 갖는 다수의 물질들로 형성된다. 예를 들어, 균일하지 않은 냉각판은 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 위치에서 제1 열 전도도를 갖는 제1 물질과, AO 셀(3402)의 주변 영역에 대응하는 하나 이상의 위치들에서 (제1 전도도보다 높은) 제2 열 전도도를 갖는 제2 물질로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 균일하지 않은 냉각판은 위에서 논의된 바와 같이 형성된 하나 이상의 냉각 채널들을 포함할 수 있지만, 더 많은 냉각 채널들이 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 냉각판의 영역보다, AO 셀(3402)의 주변 영역에 대응하는 냉각판의 영역에 위치될 수 있다. 일 구현에서, 균일하지 않은 냉각 판은 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 냉각판의 영역에서 냉각 채널들을 포함하지 않을 수 있다.
또 다른 예시에서, 균일하지 않은 냉각판은 위에서 논의된 바와 같이 형성되는 하나 이상의 냉각 채널들을 포함할 수 있지만, AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 냉각판의 영역에 위치된 하나 이상의 냉각 채널들을 통한 냉각수의 흐름 속도는 AO 셀(3402)의 주변 영역에 대응하는 냉각판의 영역에 위치된 하나 이상의 냉각 채널들을 통한 냉각수의 흐름 속도보다 느릴 수 있다.
다른 예시에서, 균일하지 않은 냉각판은 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 위치에서가 아닌, AO 셀(3402)의 주변 영역에 대응하는 하나 이상의 위치들에서 열 추출면에 열 접촉하도록 간단히 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 균일하지 않은 열 제거는 AO 셀(3402)의 열 추출면과 열 접촉하는 냉각판을 AO 셀(3402)의 주변 영역에 대응하는 영역에만 제공함으로써, AO 셀(3402)과 열 접촉하는 가열 요소를 AO 셀(3402)의 중앙 영역에 대응하는 위치에 제공함으로써, 또는 이들의 임의의 조합으로 달성될 수 있다. 이 실시예에서, 가열 요소는 AO 셀(3402)의 중앙 영역을 가열하여, 그의 주변 영역들 중 하나 이상과 중앙 영역 사이의 AO 셀(3402)의 온도 차(들)를 감소시키도록 작용한다.
XIII. 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 서술되었지만, 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 (1)
- 빔 경로를 따라 전파되는 레이저 에너지로 작업물을 가공하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
제1 스캐닝 범위에서 상기 빔 경로를 편향시키도록 작동하는 제1 위치 지정기;
상기 빔 경로에 배열되고 상기 제1 위치 지정기에 의해 편향된 상기 빔 경로를 따라 전파되는 상기 레이저 에너지를 집속시키도록 구성되어, 상기 제1 스캐닝 범위를 상기 작업물 상에 투사하는 스캔 렌즈;
상기 스캔 렌즈와 상기 작업물 사이에서 제1 축을 따라 측정된 거리를 나타내는 높이 정보를 생성하도록 작동하는 높이 센서;
상기 작업물과 상기 스캔 렌즈 사이에서, 그리고 상기 작업물과 상기 높이 센서 사이에서, 상기 제1 축과 다른 제2 축을 따라 상대적 이동을 제공하도록 작동하는 제2 위치 지정기;
상기 스캔 렌즈에 의해 집속된 상기 레이저 에너지의 빔 웨이스트(beam waist)의 위치를 상기 제1 축을 따라 조정하도록 작동하는 높이-보상 메커니즘;
상기 제1 위치 지정기, 상기 제2 위치 지정기, 상기 높이 센서 및 상기 높이-보상 메커니즘과 통신 가능하게 연결된 제어기를 포함하고,
상기 제어기는 상기 작업물 상의 복수의 감지 위치에서 높이 정보를 얻기 위해 상기 제2 위치 지정기와 상기 높이 센서를 제어하도록 작동하고,
상기 제어기는 상기 제1 스캐닝 범위 내의 복수의 위치에서 상기 빔 경로가 편향되는 것을 야기하기 위해 상기 제1 위치 지정기를 제어하여 상기 레이저 에너지가 상기 작업물 상의 복수의 가공 위치에 전달될 수 있도록 작동하고,
상기 제어기는 상기 작업물 상의 상기 복수의 위치에 걸쳐 상기 제1 스캐닝 범위가 스캔되는 것을 야기하기 위해 상기 제2 위치 지정기를 제어하여 상기 레이저 에너지가 상기 작업물 상의 상기 복수의 가공 위치에 전달될 수 있도록 작동하고,
상기 복수의 가공 위치 중 적어도 하나는 상기 감지 위치 전부와 다르고,
상기 제어기는, 적어도 부분적으로 상기 복수의 가공 위치 중 적어도 하나의 근처의 상기 복수의 감지 위치 중 적어도 하나의 높이 정보에 기초하여, 상기 복수의 가공 위치 중 적어도 하나에 전달되는 상기 레이저 에너지의 상기 빔 웨이스트의 위치를 조정하기 위해 상기 높이-보상 메커니즘을 제어하도록 작동하는 장치.
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