KR20240023512A - 빔 분석 시스템을 포함하는 레이저 가공 장치 및 빔 특성의 측정 및 제어 방법 - Google Patents

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조 해스티
제이 데이비스
앤드류 콜
데이비드 로드
마크 언라쓰
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일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
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Abstract

레이저 가공 장치의 다수의 실시형태가 개시된다. 일 실시형태에서, 레이저 가공 장치는 레이저 에너지 빔을 생성하도록 작동하는 레이저원, 빔 경로 내에 배열되는 음향-광학 편향기(AOD), AOD에 커플링되는 제어기, 및 빔의 특성을 측정하고, 측정된 빔 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하고, 측정 데이터를, 그 측정 데이터에 기초하여 AOD의 작동을 제어하도록 작동하는 제어기에 송신하도록 작동하는 빔 분석 시스템을 포함한다. 다른 실시형태에서, 레이저 가공 장치는 검류계 미러의 교차축 워블의 특성화를 위한 시스템을 포함하고, 시스템은 기준 레이저 빔을 방출하도록 구성되는 기준 레이저원, 검류계 미러 상에 형성되고, 기준 빔의 포지션을 표현하는 신호를 제어기에 출력하도록 구성되는 센서에 기준 레이저 빔을 반사하도록 구성되는 반사 표면을 포함한다.

Description

빔 분석 시스템을 포함하는 레이저 가공 장치 및 빔 특성의 측정 및 제어 방법
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2021년 6월 21일에 출원된 미국 가출원 제63/213,075호의 이익을 주장하며, 상기 출원의 내용은 그 전체가 참조로 통합된다.
기술분야
본원에서 설명되는 실시형태는 일반적으로 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 작업물을 가공하기 위한 음향-광학 편향기(acousto-optic deflector, AOD), 그의 구성요소 및 이를 작동시키기 위한 기법에 관한 것이다.
레이저 가공 시스템 또는 장치는 인쇄 회로 기판(PCB) 기계 가공(machining), 적층 제조 등을 포함하는 매우 다양한 응용에서 사용된다. PCB를 가공하기 위해, 예를 들어, 그 내부에 홀 또는 비아를 형성하기 위해 레이저 가공이 사용될 때, PCB 재료(예컨대, 비아를 형성하는 데 사용되는 금속, 절연체 등)의 절제(ablation)의 정밀한 제어가 요구된다. 일부 응용에서는, 작업물을 가공하는 동안 레이저 가공 빔을 회절시키기 위해 사용되는 AOD의 작동 제어가 곤란할 수 있다. 구체적으로, AOD를 처핑(chirping)함으로써 레이저 스폿 사이즈에 대한 변경이 제어하기 곤란할 수 있고, 가공 빔의 특성화는 시간 소모적일 수 있으며, 요구되는 정밀한 제어를 제공하지 않을 수 있다. 적절한/정확한 AOD 처프를 보장하려면 레이저 펄스가 AOD를 관통(pass through)할 때 레이저 펄스와 음향 파면의 정밀한 타이밍이 요구된다. AOD 및 레이저원에 대한 제어 명령 간의 부정확한 타이밍은 불량한 스폿 포지션 변위 및 불량한 스폿 품질의 결과를 가져와서, 전반적인 시스템 정확도 및 특징(feature) 품질을 감소시킬 수 있다. 이러한 타이밍의 폐쇄 루프 제어는 처리량 및 수율을 포함하는 전반적인 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 본원에서 논의되는 실시형태는 본 발명자에 의해 발견된 이러한 문제 및 기타 문제를 인식하여 전개되었다.
본 개시의 일 실시형태는: 빔 경로를 따라 전파 가능한 레이저 에너지 빔을 생성하도록 작동하는 레이저원, 빔 경로 내에 배열되고 레이저 에너지 빔을 회절시키도록 작동하는 음향-광학 편향기(AOD), AOD에 커플링되는(coupled) 제어기, 및 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하고, 측정된 빔 특성 중 하나 이상을 표현하는 측정 데이터를 생성하고, 측정 데이터를 제어기에 송신하도록 작동하는 빔 분석 시스템 - 제어기는 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 AOD의 작동을 제어하도록 작동함 - 을 포함하는, 레이저 가공 장치로서 특성지어질 수 있다.
본 개시의 다른 실시형태는: 레이저 에너지 빔을 생성하는 단계, (AOD를 사용하여) 빔 경로를 따라 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계, (빔 분석 시스템을 사용하여) 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하는 단계, 측정된 빔 특성 중 하나 이상을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계, 빔 분석 시스템으로부터 제어기로 측정 데이터를 송신하는 단계, 및 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 제어기로부터 AOD로 제어 명령을 출력하는 단계를 포함하는, 레이저 빔 특성을 제어하는 방법이다.
다른 실시형태에서, 레이저 빔 특성을 제어하는 방법은: 레이저 에너지 빔을 생성하는 단계, 제1 AOD 및 제2 AOD로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 사용하여, 빔 경로를 따라 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계, (빔 분석 시스템을 사용하여) 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하는 단계, 측정된 빔 특성 중 하나 이상을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계, 빔 분석 시스템으로부터 제어기로 측정 데이터를 송신하는 단계, 및 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 제어기로부터 제1 AOD 및 제2 AOD 중 적어도 하나로 제어 명령을 출력하는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서, 레이저 빔 특성을 제어하는 방법은: 레이저 에너지 빔을 생성하는 단계, (AOD를 사용하여) 빔 경로를 따라 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계 - AOD는 레이저 에너지 빔의 제1 특성을 변경시키도록 작동하며, 이에 의해 레이저 에너지 빔의 제2 특성을 변경시킴 -, 그 후 빔 분석 시스템을 사용하여, 제2 빔 특성을 측정하는 단계, 그 후 측정된 제2 빔 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계, 및 빔 분석 시스템으로부터 제어기로 측정 데이터를 송신하는 단계에 뒤이어, 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기로부터 AOD로 제어 명령을 출력하는 단계 - AOD는 제2 빔 특성에서의 변경의 크기를 감소시키도록 작동함 - 를 포함한다.
본 개시의 다른 실시형태는: 측정 단계 동안: 제어기로부터 레이저원으로 전송된 제어 명령에 기초하여 복수의 레이저 펄스를 생성하는 단계, 제어기로부터 AOD로 전송된 AOD 제어 명령에 기초하여, AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 음향 신호는 복수의 레이저 펄스 중 적어도 하나의 레이저 펄스를 회절시키도록 구성됨 -, 복수의 회절된 레이저 펄스의 적어도 하나의 특성을 측정하는 단계 - 측정하는 단계 동안, 제어 명령과 AOD 제어 명령 사이의 타이밍 오프셋을 조정함 -, 각 회절된 레이저 펄스에 대한 적어도 하나의 측정된 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계, 및 측정 데이터의 적어도 하나의 측정 데이텀(datum)을 각 회절된 레이저 펄스와 연관된 타이밍 오프셋과 상관시키는 단계에 뒤이어, 작업물 가공 단계 동안: 레이저 펄스를 생성하는 단계, AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 음향 신호는 복수의 레이저 펄스 중 적어도 하나의 레이저 펄스를 회절시키도록 구성됨 -, 적어도 하나의 회절된 레이저 펄스를 작업물로 지향시키는 단계 - 레이저 제어 명령과 AOD 제어 명령 사이의 타이밍 오프셋은 기준 특성과 미리 결정된 관계를 갖는 측정 단계에서의 측정 데이터와 상관되었던 타이밍 오프셋에 대응함 - 를 포함하는 방법이다.
본 개시의 다른 실시형태는: 측정 단계 동안: 레이저 에너지 빔을 생성하는 단계, AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 음향 신호는 레이저 에너지 빔을 회절시키도록 구성됨 -, 회절된 레이저 에너지 빔의 적어도 하나의 특성을 측정하는 단계, 회절된 레이저 에너지 빔에 대한 적어도 하나의 측정된 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계, 및 측정 데이터의 적어도 하나의 측정 데이텀을 회절된 레이저 에너지 빔과 연관된 하나 이상의 시스템 작동 매개변수의 기준 값과 상관시키는 단계에 뒤이어, 작업물 가공 단계 동안: AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 음향 신호는 레이저 에너지 빔을 회절시키도록 구성됨 -, 및 레이저 에너지 빔을 작업물로 지향시키는 단계 - 레이저 에너지 빔의 특성은, 레이저 에너지 빔의 특성과 미리 결정된 관계를 갖는 측정 단계에서의 측정 데이터와 상관되었던 시스템 작동 매개변수 중 적어도 하나의 기준 값에 대응함 - 를 포함하는 방법이다.
본 개시의 다른 실시형태는: 레이저 에너지 빔을 생성하는 단계, 제1 AOD를 사용하여, 빔 경로를 따라 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계, 빔 분석 시스템을 사용하여, 레이저 에너지 빔의 빔 비점수차(beam astigmatism)를 측정하는 단계, 빔 분석 시스템을 사용하여, 레이저 에너지 빔의 측정된 빔 비점수차를 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계, 측정 데이터를 제어기로 송신하는 단계, 제어기로부터 제2 AOD로 제어 명령을 출력하는 단계 - 제어 명령은 측정된 빔 비점수차를 보정하기 위해 제2 AOD를 작동시키도록 작동함 - 를 포함하는, 레이저 빔 비점수차를 보정하기 위한 방법이다.
본 개시의 다른 실시형태는: 기준 레이저 빔을 방출하도록 구성되는 기준 레이저원, 검류계 미러 상에 형성되고, 기준 레이저 빔을 반사된 빔으로 반사시키도록 구성되는 반사 표면, 및 기준 스폿에서 반사된 빔을 수신하고 기준 스폿의 포지션을 표현하는 신호를 제어기에 출력하도록 구성되는 보조 센서를 포함하는, 검류계 미러의 교차축 워블(cross-axis wobble)의 특성화를 위한 시스템이다.
본 개시의 다른 실시형태는: 기준 레이저원으로부터 기준 레이저 빔을 방출하는 단계 - 기준 레이저 빔은 검류계 미러 상에 형성된 반사 표면 상에 입사함 -; 기준 스폿에서 반사된 레이저 빔을 수신하고 기준 스폿의 포지션을 표현하는 신호를 제어기에 출력하도록 구성되는 보조 센서를 사용하여 반사된 레이저 빔을 감지하는 단계 - 제어기는 기준 스폿의 포지션을 표현하는 신호를 수신하고, 교차축 워블에 대한 보상을 계산하고 교차축 워블을 보정하기 위해 AOD 시스템을 작동시키기 위한 명령을 AOD 시스템에 출력함 - 를 포함하는, 검류계 미러의 교차축 워블을 보정하기 위한 방법이다.
본 개시의 다른 실시형태는: 반사 표면이 그 위에 형성되는 토큰 - 반사 표면은 빔 경로를 따라 전파되는 입사 1차 빔의 적어도 일부를 반사하도록 구성됨 -, 반사 표면에 형성되는 복수의 개구 - 토큰은 반사 표면보다 레이저 에너지 빔에 더 투과성인 재료로 형성됨 -, 및 토큰의 광학적으로 다운스트림에 배열되는 광 검출기 어셈블리를 포함하는, 빔 분석 시스템이다.
본 개시의 다른 실시형태는: 레이저 에너지 빔을 생성하도록 작동하는 레이저원 - 레이저 에너지 빔은 빔 경로를 따라 전파 가능함 -, 빔 경로 내에 배열되는 음향-광학 편향기(AOD) - AOD는 제1 방향을 따라 빔 경로를 편향시키도록 작동함 -, 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 빔 경로를 편향시키도록 작동하는 검류계 미러, 및 AOD 및 검류계 미러에 커플링되는 제어기 - 제어기는 검류계 미러에서 교차축 워블을 유도하기 위해 검류계 미러의 작동을 제어하고 교차축 워블을 보정하기 위해 AOD의 작동을 제어하도록 작동함 - 를 포함하는, 레이저 가공 장치이다.
도 1은 일 실시형태에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 예시한다.
도 2는 일 실시형태에 따른 음향-광학 편향기 제어 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 3 및 도 4는 일 실시형태에 따른 빔 분석 시스템을 사용하는 레이저 에너지 빔의 예시적인 특성화를 개략적으로 예시한다.
도 5는 일 실시형태에 따른 예시적인 빔 특성화 툴을 개략적으로 예시한다.
도 6은 도 5에 도시되는 빔 특성화 툴의 실시형태와 함께 사용되는 토큰의 평면도를 도시한다.
도 7은 일 실시형태에 따른 검류계 샤프트(galvanometer shaft)의 진동 모드를 측정하기 위한 예시적인 장치를 개략적으로 예시한다.
도 8은 일 실시형태에 따른 반사된 레이저 에너지 빔을 측정하도록 구성되는 광 다이오드의 도면을 도시한다.
본원에서 예시적인 실시형태가 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 도면에서 구성요소, 특징, 요소 등의 사이즈, 포지션 등과 함께 이들 사이의 임의의 거리가 반드시 축척에 맞는 것은 아니며, 그러나 명확성을 위해 과장되어 있다. 도면에서, 유사한 번호는 전반에 걸쳐 유사한 요소를 지칭한다. 따라서, 동일하거나 유사한 번호는 대응하는 도면에 언급되거나 설명되어 있지 않더라도 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 번호에 의해 표시되지 않은 요소도 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어는, 오직 특정한 예시적인 실시형태를 설명하기 위한 목적이며 한정하려는 의도가 아니다. 달리 규정되지 않는 한, 본원에서 사용되는 (기술적 및 과학적 용어를 포함하는) 모든 용어는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 보편적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "하나의(a, an)" 및 "그(the)"는, 문맥이 명확히 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본 명세서에서 사용될 때, 진술된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소 및/또는 그의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음을 인식해야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 어떤 범위의 값은, 인용될 때, 그 범위의 상한과 하한 양쪽 모두뿐만 아니라 그 사이의 임의의 하위-범위 또한 포함한다. 달리 나타내지 않는 한, "제1", "제2" 등과 같은 용어는 오직 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 예를 들어, 한 노드가 "제1 노드"로 명명될 수 있고, 유사하게, 다른 노드가 "제2 노드"로 명명될 수 있으며, 그 반대 또한 성립한다.
달리 나타내지 않는 한, "약", "대략" 등의 용어는, 양, 사이즈, 제형(formulation), 매개변수, 및 다른 수량 및 특성이 정확하지 않으며 정확할 필요가 없지만, 원하는 대로, 대략적인 및/또는 더 크거나 더 작은 반영 공차, 변환 인자, 반올림, 측정 오차 등 및 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 다른 인자일 수 있다는 것을 의미한다. "아래", "밑”, "하측", "위", 및 "상측" 등과 같이 공간적으로 상대적인 용어는, 본원에서, 도면에서 예시되는 바와 같이, 하나의 요소 또는 특징의 다른 요소 또는 특징과의 관계를 설명하기 위한 설명의 용이함을 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에서 묘사되는 배향에 더하여 상이한 배향을 포괄하도록 의도되는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 도면에서 어떤 객체가 뒤집히면, 다른 요소 또는 특징의 "아래" 또는 "밑"으로 설명된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"로 배향될 것이다. 따라서, "아래"라는 예시적인 용어는 위 및 아래의 배향 양쪽 모두를 포괄할 수 있다. 객체는 다른 방식으로 배향될 수 있고(예컨대, 90도 회전되거나 다른 배향으로 있을 수 있음), 본원에서 사용되는 공간적으로 상대적인 설명어(descriptor)가 그에 상응하여 해석될 수 있다.
본원에서 사용되는 섹션의 제목은 단지 구조적인 목적을 위한 것이며, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 설명되는 주제를 한정하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 본 개시의 사상 및 교시로부터 벗어나지 않고서 다수의 상이한 형태, 실시형태 및 조합이 가능함을 이해할 것이며, 따라서 본 개시는 본원에 제시된 예시적인 실시형태에 한정되는 것으로 고려되어서는 안 된다. 오히려, 이들 예 및 실시형태는, 본 개시가 철저하고 완전하게 되도록, 그리고 본 개시의 범주가 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 전달되도록 제공된다.
I. 시스템 개요
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 예시한다.
도 1에 도시된 실시형태를 참조하면, 작업물(102)을 가공하기 위한 레이저 가공 장치(100)(본원에서 간단히 "장치"로도 지칭됨)는 레이저 에너지 빔을 생성하기 위한 레이저원(104), 하나 이상의 포지셔너(예컨대, 제1 포지셔너(106), 제2 포지셔너(108), 제3 포지셔너(110), 또는 그의 임의의 조합) 및 스캔 렌즈(112)를 포함하는 것으로 특성지어질 수 있다. 스캔 렌즈(112) 및 제2 포지셔너(108)는 아래에서 더 상세히 설명되는 스캔 헤드(120)에 통합될 수 있다.
스캔 렌즈(112)를 통해, 빔 경로(114)를 따라 송신된 레이저 에너지는 작업물(102)로 전달되도록 빔 축(118)을 따라 전파된다. 빔 축(118)을 따라 전파되는 레이저 에너지는 가우시안 유형 공간 강도 프로파일(Gaussian-type spatial intensity profile) 또는 비-가우시안 유형(즉, "형상화된") 공간 강도 프로파일(예컨대, "탑-햇(top-hat)" 공간 강도 프로파일)을 갖는 것으로 특성지어질 수 있다. 공간 강도 프로파일의 유형에 관계없이, 공간 강도 프로파일은 또한 빔 축(118)(또는 빔 경로(114))을 따라 전파되는 레이저 에너지 빔의 형상(즉, 본원에서 "스폿 형상"으로도 지칭되는 단면 형상)으로서 특성지어질 수 있으며, 상기 형상은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 링 형상 등 또는 임의의 형상일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "스폿 사이즈"는, 빔 축(118)이 전달된 레이저 에너지 빔에 의해 적어도 부분적으로 가공될 작업물(102)의 영역과 교차하는 위치("가공 스폿", "스폿 위치" 또는 더 간단히 "스폿"으로도 지칭됨)에 전달되는 레이저 에너지 빔의 직경 또는 최대 공간 너비를 지칭한다. 본원에서 논의의 목적을 위해, 스폿 사이즈는 빔 축(118)으로부터, 광학 강도가 빔 축(118)에서의 광학 강도의 적어도 1/e2까지 강하하는 방사상(radial) 또는 횡방향 거리로서 측정된다. 일반적으로, 레이저 에너지 빔의 스폿 사이즈는 빔 웨이스트(beam waist)에서 최소가 될 것이다.
일반적으로, 전술한 포지셔너(예컨대, 제1 포지셔너(106), 제2 포지셔너(108) 및 제3 포지셔너(110))는 스폿과 작업물(102) 사이의 상대적인 포지션을 변경하도록 구성된다. 다음의 설명을 고려하여, 장치(100)가 제1 포지셔너(106), 및 선택적으로 제3 포지셔너(110)를 포함한다면, 제2 포지셔너(108)의 포함은 선택적이라는 것이 인식되어야 한다. 마찬가지로, 장치(100)가 제1 포지셔너(106), 및 선택적으로 제2 포지셔너(108)를 포함한다면, 제3 포지셔너(110)의 포함은 선택적이라는 것이 인식되어야 한다.
A. 레이저원
일 실시형태에서, 레이저원(104)은 레이저 펄스를 생성하도록 작동한다. 따라서, 레이저원(104)은 펄스형(pulsed) 레이저원, CW 레이저원, QCW 레이저원, 버스트 모드 레이저 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 레이저원(104)이 QCW 또는 CW 레이저원을 포함하는 경우, 레이저원(104)은 펄스형 모드에서 작동되거나, 비-펄스형 모드에서 작동할 수 있지만, QCW 또는 CW 레이저원으로부터 출력된 레이저 방사를 시간적으로 변조하기 위해 펄스 게이팅 유닛(pulse gating unit)(예컨대, 음향-광학(AO) 변조기(AOM), 빔 초퍼(beam chopper) 등)을 더 포함할 수 있다. 레이저원(104)은 다수의 개별 펄스가 버스트 포락선(burst envelope) 내에 그룹화될 수 있는 "버스트 모드"로 작동될 수 있다. 버스트 포락선 내에서, 각 펄스의 전력(power) 및 각 펄스 사이의 시간은 특정 레이저 가공 요건에 맞춤화될(tailored) 수 있다. 따라서, 레이저원(104)은 일련의 레이저 펄스로서, 또는 연속 또는 준-연속 레이저 빔으로서 나타날 수 있는 레이저 에너지 빔을 생성하도록 작동하는 것으로 광범위하게 특성지어질 수 있고, 그 후, 레이저 에너지 빔은 빔 경로(114)를 따라 전파될 수 있다. 본원에서 논의되는 일부 실시형태는 레이저 펄스를 지칭하지만, 연속 또는 준-연속 빔이 대안적으로 또는 추가적으로, 적절하거나 원하는 때마다 채용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
파장, 평균 전력, 그리고 레이저 에너지 빔이 일련의 레이저 펄스로 나타날 때, 펄스 지속기간 및 펄스 반복률에 더하여, 작업물(102)에 전달되는 레이저 에너지 빔은 펄스 에너지, 피크 전력 등과 같은 하나 이상의 다른 특성에 의해 특성지어질 수 있고, 상기 특성은 (예컨대, 하나 이상의 특징을 형성하기 위해) 작업물(102)을 가공하기에 충분한 광학 강도(W/cm2로 측정됨), 플루언스(J/cm2로 측정됨) 등으로 가공 스폿에서 작업물(102)을 조사하기 위해 (예컨대, 선택적으로 파장, 펄스 지속기간, 평균 전력 및 펄스 반복률 등과 같은 하나 이상의 다른 특성에 기초하여) 선택될 수 있다.
B. 제1 포지셔너
제1 포지셔너(106)는 빔 경로(114)에 배열되거나, 위치되거나, 다른 방식으로 배치되고, (예컨대, 스캔 렌즈(112)에 대한) 빔 경로(114)의 이동을 편향시키거나 부여하고, 결과적으로 작업물(102)에 대한 빔 축(118)의 이동을 편향시키거나 부여하기 위해 레이저원(104)에 의해 생성되는 레이저 펄스를 회절시키거나, 반사하거나, 굴절시키는 등 또는 이들의 임의의 조합을 위해 작동된다. 일반적으로, 제1 포지셔너(106)는 X축(또는 방향), Y축(또는 방향), 또는 이들의 조합을 따라 작업물(102)에 대한 빔 축(118)의 이동을 부여하도록 작동된다. 예시되지 않았지만, X축(또는 X-방향)은 예시된 Y축 및 Z축(또는 방향)에 직교하는 축(또는 방향)을 지칭하는 것으로 이해될 것이다.
본원에 개시되는 실시형태에서, 제1 포지셔너(106)는 입사 레이저 빔을 회절시킴으로써 빔 경로(114)를 편향시키도록 작동하는 하나 이상의 AO 편향기(AOD) 시스템으로서 제공된다. 입사 레이저 빔을 회절시키면, 통상적으로 0차 및 1차 회절 피크를 포함하고 고차 회절 피크(예컨대, 2차, 3차 등)를 포함할 수도 있는 회절 패턴을 만든다. 당해 기술 분야 내에서, 0차 회절 피크에서 회절된 레이저 빔의 일부를 "0차" 빔으로 지칭하는 것, 1차 회절 피크에서 회절된 레이저 빔의 일부를 "1차" 빔으로 지칭하는 것 등이 보편적이다. 일반적으로, 0차 빔 및 다른 회절 차수 빔(예컨대, 1차 빔 등)은 AOD 시스템을 빠져나갈 때 상이한 빔 경로를 따라 전파한다. 0차 빔(및 1차 빔 외에 임의의 다른 고차 빔)에서의 레이저 에너지는 임의의 적합한 또는 원하는 방식으로 하나 이상의 빔 덤프(도시되지 않음)에서 흡수될 수 있는 한편, 1차 빔에서의 레이저 에너지는 빔 경로(114)를 따라 전파되도록 허용된다. AOD 시스템의 AOD는 일반적으로 결정질 게르마늄(Ge), 갈륨 비소(GaAs), 울페나이트(PbMoO4), 텔루륨 이산화물(TeO2), 결정질 석영, 유리질 SiO2, 삼황화비소(As2S3), 리튬 니오베이트(LiNbO3) 등 또는 이들의 임의의 조합과 같은 재료로 형성되는 AOD 결정을 포함한다.
C. 제2 포지셔너
제2 포지셔너(108)는 빔 경로(114)에 배치되고, (예컨대, 스캔 렌즈(112)에 대한) 빔 경로(114)에 이동을 부여하거나 편향시키고, 결과적으로 작업물(102)에 대한 빔 축(118)의 이동을 부여하거나 편향시키기 위해, 레이저원(104)에 의해 생성되고 제1 포지셔너(106)에 의해 패스된(passed) 레이저 펄스를 회절시키거나, 반사하거나, 굴절시키는 등 또는 이들의 임의의 조합을 위해 작동된다. 일반적으로, 제2 포지셔너(108)는 X축(또는 방향), Y축(또는 방향), 또는 이들의 조합을 따라 작업물(102)에 대한 빔 축(118)의 이동을 부여하도록 작동된다. 위의 내용을 고려하여, 제2 포지셔너(108)는 AOD 시스템, 검류계 미러 스캐닝 시스템, 회전 다각형 미러 시스템, 변형 가능한 미러, 미세 전자 기계 시스템(micro electro-mechanical system, MEMS) 반사기 등 또는 이들의 임의의 조합으로서 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
D. 제3 포지셔너
예시된 실시형태에서, 제3 포지셔너(110)는 하나 이상의 선형 스테이지(예컨대, 각각이 X-, Y- 및/또는 Z-방향을 따라 작업물(102)에 병진 이동을 부여할 수 있음), 하나 이상의 회전 스테이지(예컨대, 각각이 X-, Y- 및/또는 Z-방향에 평행한 축을 중심으로 한 작업물(102)에 회전 이동을 부여할 수 있음) 등, 또는 작업물(102)과 스캔 렌즈(112) 사이에 상대 이동을 부여하고, 결과적으로 작업물(102)과 빔 축(118) 사이에 상대 이동을 부여하도록 배열되고 구성되는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 본원에서 설명되는 실시형태에 따르면, 예시되지 않았지만, 제3 포지셔너(110)는 스캔 렌즈(112)와 제1 포지셔너(106) 사이에 상대 이동을 부여하도록 구성되고 적응되는 하나 이상의 스테이지를 포함한다.
본원에서 설명되는 구성을 고려하여, (예컨대, 제1 포지셔너(106) 및/또는 제2 포지셔너(108)에 의해 부여되는 바와 같은) 작업물(102)에 대한 가공 스폿의 이동이 제3 포지셔너(110)에 의해 부여되는 바와 같은 작업물(102) 또는 스캔 렌즈(112)의 임의의 이동에 의해 중복될(superimposed) 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
예시된 실시형태에서, 제3 포지셔너(110)는 작업물(102)을 이동시키도록 작동된다. 그러나, 다른 실시형태에서, 제3 포지셔너(110)는 스캔 헤드(120)를 이동시키도록 배열되고 작동되며, 선택적으로, 제1 포지셔너(106) 및 작업물(102)과 같은 하나 이상의 구성요소가 정적으로 유지될 수 있다.
제3 포지셔너(110)가 Z-스테이지를 포함하는 일 실시형태에서, Z-스테이지는 Z-방향을 따라 작업물(102)을 이동시키도록 배열되고 구성될 수 있으며; 이 경우, Z-스테이지는 작업물(102)을 이동 또는 포지셔닝하기 위해 다른 전술한 스테이지 중 하나 이상에 의해 운반될 수 있거나, 작업물(102)을 이동 또는 포지셔닝하기 위해 다른 전술한 스테이지 중 하나 이상을 운반할 수 있거나, 또는 이들의 임의의 조합이 이루어질 수 있다. 제3 포지셔너(110)가 Z-스테이지를 포함하는 다른 실시형태에서, Z-스테이지는 Z-방향을 따라 스캔 헤드를 이동시키도록 배열되고 구성될 수 있다. Z-방향을 따라 작업물(102) 또는 스캔 헤드를 이동시키는 것은 작업물(102)에서 스폿 사이즈의 변경을 가져올 수 있다.
E. 스캔 렌즈
스캔 렌즈(112)(예컨대, 단순 렌즈 또는 복합 렌즈 중 어느 하나로서 제공됨)는, 통상적으로 원하는 가공 스폿에 또는 그 근처에 포지셔닝될 수 있는 빔 웨이스트를 만들기 위해, 일반적으로, 빔 경로를 따라 지향되는 레이저 에너지 빔을 포커싱(focus)하도록 구성된다. 스캔 렌즈(112)는 비-텔레센트릭 f-쎄타 렌즈(non-telecentric f-theta lens)(도시되는 바와 같음), 텔레센트릭 f-쎄타 렌즈, 액시콘 렌즈(axicon lens)(이 경우, 빔 축(118)을 따라 서로 변위되는 복수의 가공 스폿을 산출하는 일련의 빔 웨이스트가 만들어짐) 등 또는 이들의 임의의 조합으로서 제공될 수 있다.
일 실시형태에서, 스캔 렌즈(112)는 고정-초점 거리 렌즈로서 제공되고, (예컨대, 빔 축(118)을 따라 빔 웨이스트의 포지션을 변경하기 위해) 스캔 렌즈(112)를 이동시키도록 작동하는 스캔 렌즈 포지셔너(예컨대, 렌즈 액추에이터, 도시되지 않음)에 커플링된다. 예를 들어, 렌즈 액추에이터는 스캔 렌즈(112)를 Z-방향을 따라 선형 병진시키도록 작동하는 보이스 코일(voice coil)로서 제공될 수 있다. 이 경우, 렌즈 액추에이터는, 여기서, 전술한 제3 포지셔너(110)의 구성요소로서 간주될 수 있다. 빔 축(118)을 따라 빔 웨이스트의 포지션을 변경시키는 것은 작업물(102)에서 스폿 사이즈의 변경을 가져올 수 있다.
위에서 설명되는 바와 같이, 일 실시형태에서, 스캔 렌즈(112) 및 제2 포지셔너(108)가 공통 스캔 헤드(120)에 통합된다. 따라서, 장치(100)가 렌즈 액추에이터를 포함하는 일 실시형태에서, 렌즈 액추에이터는 (예컨대, 제2 포지셔너(108)에 대해, 스캔 헤드(120) 내에서 스캔 렌즈(112)의 이동을 가능하게 하기 위해) 스캔 렌즈(112)에 커플링될 수 있다. 대안적으로, 렌즈 액추에이터는 스캔 헤드(120)에 커플링될 수 있고, 스캔 헤드 자체의 이동을 가능하게 하도록 작동할 수 있으며, 이 경우, 스캔 렌즈(112) 및 제2 포지셔너(108)는 함께 이동할 것이다. 어느 경우든, 렌즈 액추에이터는, 여기서, 전술한 제3 포지셔너(110)의 구성요소로서 간주될 수 있다. 다른 실시형태에서, 스캔 렌즈(112) 및 제2 포지셔너(108)는 (예컨대, 스캔 렌즈(112)가 통합된 하우징이 제2 포지셔너(108)가 통합된 하우징에 대해 이동 가능하도록) 상이한 하우징에 통합된다.
F. 제어기
일반적으로, 장치(100)는, 장치(100)의 작동을 제어하거나 이의 제어를 용이하게 하기 위해 제어기(122)와 같은 하나 이상의 제어기를 포함한다. 일 실시형태에서, 제어기(122)는, 레이저원(104), 제1 포지셔너(106), 제2 포지셔너(108), 제3 포지셔너(110), 렌즈 액추에이터, 스캔 렌즈(112)(가변-초점 길이 렌즈로서 제공될 때), 고정구(fixture) 등과 같은 장치(100)의 하나 이상의 구성요소에 (예컨대, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 링크를 통해) 통신 가능하게 커플링되고, 따라서 이들은 제어기(122)에 의해 출력된 하나 이상의 제어 신호에 응답하여 작동한다.
예를 들어, 제어기(122)는 작업물(102) 내의 경로 또는 궤적(본원에서 "프로세스 궤적"으로도 지칭됨)을 따라 가공 스폿과 작업물(102) 사이에 상대 이동을 야기하기 위해, 제1 포지셔너(106), 제2 포지셔너(108) 또는 제3 포지셔너(110), 또는 이들의 임의의 조합의 작동을 제어하여 빔 축(118)과 작업물(102) 사이에 상대 이동을 부여할 수 있다. 이들 포지셔너 중 임의의 2개, 또는 이들 포지셔너 중 3개 모두는, 2개의 포지셔너(예컨대, 제1 포지셔너(106) 및 제2 포지셔너(108), 제1 포지셔너(106) 및 제3 포지셔너(110), 또는 제2 포지셔너(108) 및 제3 포지셔너(110)) 또는 3개의 모든 포지셔너가 동시에 가공 스폿과 작업물(102) 사이에 상대 이동을 부여하도록(이에 의해, 빔 축과 작업물 사이에 "복합 상대 이동"을 부여하도록) 제어될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
G. 빔 분석 시스템
장치(100)는 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하도록 작동하는 빔 분석 시스템(130)을 포함할 수 있다. 빔 직경, 스폿 사이즈, 스폿 포지션, 빔 원형도(circularity), 빔 비점수차, 포커스 높이, 빔 웨이스트 사이즈, 빔 웨이스트 포지션(예컨대, X, Y, 또는 Z 방향에 따름), 빔 축 포지션, 공간 에너지 분포, 펄스 반복률, 평균 전력, 피크 전력 등 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다양한 빔 특성이, 빔 분석 시스템(130)을 사용하여 측정될 수 있다. 위에서 나열된 빔 특성의 측정은 빔 비점수차 및 포커스 높이(예컨대, 공지된 데이텀에 대한 빔 웨이스트의 높이)와 같은 레이저 빔 매개변수를 계산하기 위해 제어기(122)에 의해 사용될 수 있다. 빔 분석 시스템(130)은 이러한 측정된 빔 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성할 수 있고, (예컨대, 하나 이상의 측정 신호로서의) 측정 데이터를 제어기(122)에 송신할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(122)에 송신되는 측정 데이터는 레이저원(104)에 의해 방출되는 펄스의 수 또는 펄스의 타이밍을 표현한다. 그 후, 제어기(122)는 하나 이상의 포지셔너(예컨대, 제1 포지셔너(106), 제2 포지셔너(108), 제3 포지셔너(110) 또는 이들의 임의의 조합)의 작동을 제어하기 위해 측정 데이터를 해석, 적용 또는 다른 방식으로 가공할 수 있다.
빔 분석 시스템(130)은 (도 1에 도시되는 바와 같이) 제3 포지셔너(110)에, 또는 요구되거나 이로운 바에 따라 다양한 다른 구조 또는 스테이지 중 임의의 것에 장착될 수 있다. 예를 들어, 제3 포지셔너(110)는 (예컨대, 위에서 설명되는 바와 같은) 하나 이상의 선형 스테이지를 포함할 수 있고, 빔 분석 시스템(130)은 (예컨대, 제3 포지셔너(110)의 측부 표면(side surface)에서) 동일한 선형 스테이지에, 또는 제3 포지셔너(110)에 커플링되는 임의의 고정구에 장착될 수 있다. 일 실시형태에서, 빔 분석 시스템(130)은 레이저 에너지 빔으로부터 광 검출기 상으로 레일리-산란된(Rayleigh-scattered) 광을 측정하도록 구성된 카메라-기반 빔 프로파일러(camera-based beam profiler)로서 제공된다. 다른 실시형태에서, 나이프-에지(knife-edge)를 패스하고 광 검출기 상에 입사하는 광학 전력량이 측정되고 하나 이상의 축 또는 방향에서 나이프-에지의 공지된 포지션과 상관될 수 있도록, 빔 분석 시스템(130)은 광 검출기로부터 광학적으로 업스트림에 장착되는 나이프-에지 특징으로서 제공된다. 다른 실시형태에서, 빔 분석 시스템(130)은 직접적으로, 또는 감쇠 필터를 통한 것 중 어느 하나로 빔 축(118)을 따라 직접적으로 포지셔닝된 광 검출기 상에 빔을 포커싱하도록 구성되는 카메라-기반 빔 프로파일러로서 제공된다. 다른 실시형태에서, 빔 분석 시스템(130)은 회전-슬릿 빔 프로파일러로서 제공된다. 빔 분석 시스템(130)의 이들 구성 각각에서, 빔은 광 검출기의 평면(즉, 도 2에 도시되는 바와 같은 검출기 평면(132))에서 측정된다.
II. 일반적으로, AOD를 처핑하는 것
일반적으로, 제어기(122)는, 처핑된 RF 신호를 AOD의 하나 이상의 초음파 트랜스듀서(transducer) 요소에 적용함으로써, 빔 축(118)을 따라 전파되는 레이저 에너지에 의해 작업물(102) 상에 조명되는 스폿의 형상(즉, "스폿 형상")을 변경하거나, 스폿의 사이즈(즉, "스폿 사이즈")를 변경하는 등을 위해, 제1 포지셔너(106)의 하나 이상의 AOD의 작동을 제어할 수 있다. AOD에 적용될 때, 처핑된 RF 신호는 AOD 결정을 통해 전파되는 처핑된 음향 파형(즉, 시간에 걸쳐 변동하는 순간 주파수를 갖는 음향 파형, "처핑된 음향 신호"로도 지칭됨)을 생성하는 효과를 갖는다. 대조적으로, "비-처핑된(non-chirped)" 음향 파형, 또는 "비-처핑된 음향 신호"는 실질적으로 불변의 순간 주파수를 갖는 음향 파형을 지칭한다. 처핑된 음향 신호에 의해 회절된 1차 빔은 "처핑된 빔", "처핑된 1차 빔" 등으로 지칭될 수 있다. RF 신호의 주파수가 변하는 레이트(rate)는 "처프 레이트(chirp rate)"(예컨대, MHz/㎲로 측정됨)로서 지칭된다. 적용된 RF 신호는 선형으로, 또는 비선형으로, 또는 임의의 다른 원하는 또는 적합한 방식으로 처핑될 수 있다. AOD 결정 내에서, 처핑된 음향 파형의 순간 주파수에서의 변동은 1차 빔에 단일-축 (비점수차) 포커싱 텀(term)(또는 원통형-렌징 효과(cylindrical-lensing effect))을 적용하고, AOD를 빠져나가는 1차 빔의 시준(collimation)을 변경하는(즉, 입사 빔에 대해, 처프 레이트의 부호에 의존하여, 분기(diverge)하거나 수렴(converge)하도록) 효과를 갖는다.
III. 빔 분석 시스템을 갖는 레이저 가공 장치에 관한 실시형태
위에서 설명된 바와 같이, 빔 분석 시스템(130)은 다양한 빔 특성의 측정을 가능하게 하기 위해 레이저 가공 장치(100)에 통합될 수 있다. 빔 분석 시스템(130)에 의해 생성된 측정 데이터는 시스템 제어기(122)에 피드백으로서 제공될 수 있다. 제어기(122)는 레이저원(104) 및/또는 제1 포지셔너(106)의 하나 이상의 AOD에 전송된 제어 명령을 수정하기 위해 피드백을 가공할 수 있다. 예를 들어, 처핑된 1차 빔을 만들기 위해 AOD(예컨대, 제1 AOD)가 구동되고, 이에 의해 입사 빔의 하나의 빔 특성이 변경할 때(예컨대, 입사 빔에 대한 1차 빔의 스폿 사이즈를 증가시킬 때), 입사 빔의 다른 빔 특성(예컨대, 스폿 포지셔닝, 빔 비점수차 등)이 결과로서 바람직하지 않게 변경될 수 있다. 빔 분석 시스템(130)은 제어기(122)가 빔 특성에 대한 이러한 변경을 보정, 보상, 또는 다른 방식으로 최소화하기 위해 제1 AOD 또는 제2 AOD를 구동할 수 있도록, 이러한 빔 특성 중 하나 이상을 측정하고 측정 데이터를 제어기(122)에 제공하는 데 사용된다. 또한, 빔 분석 시스템(130)으로부터 제어기(122)로 전송된 측정 데이터는 다양한 작업물 가공 기능을 가능하게 하기 위해 1차 빔의 특정 빔 특성을 최적화하거나 맞춤화하는데 사용될 수 있다. 아래에 뒤따르는 것은 제1 포지셔너(106)의 이러한 폐쇄 루프를 실행하기 위해 빔 분석 시스템(130)을 사용하기 위한 시스템 및 방법의 예시적인 실시형태의 논의이다.
A. AOD 시스템 제어를 위해 구성되는 빔 분석 시스템의 실시형태
도 2는 도 1과 관련하여 위에서 설명된 제어기(122), 레이저원(104), 제1 포지셔너(106)의 AOD 시스템(140) 및 빔 분석 시스템(130) 사이의 기능적 관계의 일 실시형태를 도시하는 제어 개략도를 예시한다. 이 실시형태에서, AOD 시스템(140)은 초음파 트랜스듀서(142), AOD 결정(144) 및 RF원(RF source)(146)을 포함한다.
RF원(146)은 (예컨대, 제어기(122)로부터 출력된 하나 이상의 제어 명령(164)에 응답하여) RF 신호(170)를 생성 및 송신하도록 구성된다. RF 신호(170)는, 적용된 RF 신호(170)에 응답하여 AOD 결정(144)을 통해 전파 가능한 하나 이상의 음향파 또는 파형(148)(즉, 음향 신호(148))을 생성하도록 구성되는, 초음파 트랜스듀서(142)로 송신된다. 음향 신호(148)는 빔 분석 시스템(130)의 검출기 평면(132)으로 (예컨대, 각도 θ만큼) 회절되는 1차 빔(152)을 만들도록 (예컨대, 통신 링크(166)를 통해 제어기(122)로부터 출력된 제어 또는 트리거링(triggering) 명령(168)에 응답하여 레이저원(104)으로부터 출력되는) 입사 빔(150)을 회절시킨다. 빔 분석 시스템(130)은 1차 빔(152)의 적어도 하나의 빔 특성을 측정하고, 대응하는 측정 데이터(160)를 생성하고 통신 링크(162)를 통해 이를 제어기(122)에 송신하도록 작동된다. 그 후, 제어기(122)는 이 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 포지셔너(예컨대, (도 1에 도시되는) 제1 포지셔너(106), 제2 포지셔너(108) 및 제3 포지셔너(110) 또는 이들의 임의의 조합)의 작동을 제어할 수 있다.
예시된 실시형태에서, 제1 포지셔너(106)는 처핑된 1차 빔(152)을 만들기 위해 단일 축을 따라 비점수차 또는 원통형-렌징 효과를 유도할 수 있는 하나의 AOD 시스템(140)만을 포함한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 제1 포지셔너(106)는 상이한(예컨대, 상호 직교하는) 축을 따라 입사 빔(150)을 회절시키도록 배열되는 다수의 AOD 시스템(140)을 포함하고, 따라서 처핑된 1차 빔(152)을 만들기 위해 다수의 축을 따라 비점수차 또는 원통형-렌징 효과를 유도할 수 있을 것이다.
제1 포지셔너(106)의 구성과 관계없이, 빔 분석 시스템(130)은 만들어진 처핑된 1차 빔(152)의 임의의 비점수차를 특성화하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 스캔 렌즈(112)를 통해 빔 축(118)을 따라 전파되고 빔 분석 시스템(130)의 검출기 평면(132) 상에 입사하는 처핑된 1차 빔(152)의 X-방향 및 Y-방향의 단면도를 각각 도시하는 도 3 및 도 4와 관련된 아래의 논의를 참조한다. 도 3 및 도 4에 도시된 예에서, 1차 빔(152)은 X-방향으로 처핑되었지만 Y-방향으로는 처핑되지 않았다. 그러나, 1차 빔(152)은 Y-방향으로 처핑될 수 있지만 X-방향으로는 처핑되지 않을 수 있거나, 임의의 방식으로 X-방향 및 Y-방향으로 처핑될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
그 결과, 처핑된 1차 빔(152)의 빔 웨이스트(250)는 Z-방향을 따라 (예컨대, 거리 ΔZ만큼) 검출기 평면(132)으로부터 멀어지게 (예컨대, 검출기 평면(132) 위, 또는 아래로) 시프트된다(shifted). 빔 분석 시스템(130)은 검출기 평면(132)에서 X-방향 및 Y-방향으로 스폿 사이즈를 측정하도록 작동될 수 있고, 그 후, 빔 분석 시스템(130)에 의해 생성된 측정 데이터는 거리(ΔZ)를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 일 예시적인 실시형태에서, 빔 웨이스트(250)의 ΔZ를 측정하기 위해, 빔 분석 시스템(130)은, 스폿 사이즈 측정이 빔 분석 시스템(130)에 의해 취해지는 동안 빔 분석 시스템(130)(및 검출기 평면(132))이 ±Z 방향으로 이동될 수 있도록 (예컨대, 제3 포지셔너(110)의) Z축 스테이지 상에 장착될 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 스폿 사이즈 판독이 빔 분석 시스템(130)에 의해 취해지는 동안 빔 웨이스트가 ±Z-방향으로 이동될 수 있도록, 스캔 헤드(120)(도 1에 도시됨)가 (예컨대, 제3 포지셔너(110)의) Z축 스테이지 상에 장착된다. 스폿 사이즈를 표현하는 데이터는, 빔 웨이스트(250)의 ΔZ가 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 기법에 의해 계산되는 제어기(122)로 빔 분석 시스템(130)에 의해 전송된다. X-방향 및 Y-방향뿐만 아니라 빔 웨이스트(250 및 260)의 거리(ΔZ)를 따라 스폿 사이즈를 측정함으로써, 빔 분석 시스템(130)은 (도 2에 도시되는 바와 같이) 빔 비점수차를 표현하는 측정 데이터(160)를 제어기(122)에 생성할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, AOD 시스템(140)은 AOD 결정(144)을 통해 전파되는 음향 신호(148)의 주파수에 기초하여 입사 빔(150)을 회절시킨다. 음향 신호(148)가 위에서 설명된 바와 같이 처핑된 파형을 가질 때, AOD 시스템(140)은 빔 분석 시스템(130)의 검출기 평면(132) 상에 입사하는 처핑된 1차 빔(152)을 만들기 위해 입사 빔(150)을 회절시킬 수 있다. AOD 시스템(140)에 전송되는 제어 명령(164)의 출력과 레이저원(104)에 전송되는 제어 명령(168)의 출력 사이의 시간적 관계(이하에서 "타이밍 오프셋"으로 지칭됨)가 AOD 결정(144) 내의 음향 신호와 레이저 펄스(또는 펄스들) 사이의 정밀한 동기화가 요구되는 다양한 레이저 가공 응용에 중요할 수 있다.
제1 포지셔너(106)가 위에서 설명된 바와 같은 다축 AOD 시스템으로서 제공되는 실시형태에서, 제어기(122)는 AOD 쌍의 각 AOD에 대한 RF 신호의 처프를 독립적으로 제어할 수 있다. 이 경우, 제1 방향(예컨대, X-방향)에서의 스폿 사이즈 또는 형상은 제2 방향(예컨대, Y-방향)에서의 스폿 사이즈 또는 형상과 상이할 수 있다. 빔 분석 시스템(130)으로부터의 스폿 사이즈의 측정 데이터(160) 특성에 기초하여, 제어기(122)는 레이저 가공 장치(100)에 의해 수행되는 프로세스에 의해 요구되는 바와 같이, X-방향 및 Y-방향 중 하나 또는 양쪽 모두에서 작업물(102)에서의 비점수차의 정도, 및 그에 의한 빔 원형도 및 스폿 사이즈를 변경하기 위해 제1 AOD 및 제2 AOD 시스템(140)의 작동을 제어할 수 있다.
ⅰ. 시스템 조작자 또는 자동화 제어에 의한 빔 특성에 대한 변경에 관한 실시형태
위에서 설명되는 바와 같이, 레이저 가공 장치(100)로의 빔 분석 시스템(130)의 통합은 빔 특성을 제어하기 위한 다양한 방법을 가능하게 할 수 있다. 일 실시형태에서, 레이저 가공 장치(100)의 조작자가 (예컨대, 인쇄 회로 기판(printed circuit board substrate)에 비아를 형성하기 위해) 특정 빔 직경 또는 스폿 사이즈를 갖는 레이저 에너지 빔으로 작업물(102)을 조사하기를 원한다면, 빔 분석 시스템(130)은 빔 직경을 측정하고 빔 직경을 표현하는 측정 데이터를 제어기(122)에 송신하는 데 사용된다. 시스템 조작자는 (예컨대, 소프트웨어 그래픽-사용자-인터페이스 상에서) 제어기(122)에 의해 수신된 측정 데이터(160)를 검토하고, 변경이 이루어져야 하는지를 결정할 수 있다. 시스템 조작자가 측정 데이터(160)에 기초하여 스폿 사이즈를 변경하기를 원한다면, 이들은 처핑된 RF 신호(170)를 초음파 트랜스듀서(142)에 적용시키기 위해 RF원(146)에 대한 업데이트된 제어 명령(164)을 출력하도록 제어기(122)를 프로그래밍하여, 작업물(102) 상에 입사하는 특정 스폿 사이즈를 갖는 1차 빔(152)을 만들기 위해 AOD 결정(144) 내에 처핑된 음향 신호(148)를 생성한다.
다른 실시형태에서, 레이저 가공 장치(100)가 (예컨대, 시스템 조작자에 의해 프로그래밍된 자동화 루틴 또는 하위-루틴에 기초하여) 자동화 모드에서 작동할 때, 제어기(122)는 빔 분석 시스템(130)으로부터 측정 데이터(160)를 수신할 수 있고, 이러한 프로그래밍에 기초하여, 처핑된 RF 신호(170)를 초음파 트랜스듀서(142)에 적용시키기 위해 RF원(146)에 대한 업데이트된 제어 명령(164)을 출력하고, 그에 의해 작업물(102) 상에 입사하는 특정 스폿 사이즈를 갖는 1차 빔(152)을 만들기 위해 AOD 결정(144) 내에 처핑된 음향 신호(148)를 생성한다.
ⅱ. 빔 특성에서의 변경 보상 방법에 관한 실시형태
일 실시형태에서, 빔 분석 시스템(130)은 다양한 빔 특성에서의 변경을 보상하거나, 또는 하나의 빔 특성(예컨대, "제1" 빔 특성)에서의 변경이 다른 빔 특성(예컨대, "제2" 빔 특성)에 미치는 영향을 최소화하기 위해 레이저 가공 장치(100)의 일부로서 사용된다. 예를 들어, AOD 시스템(140)이 1차 빔에 대해 입사 빔의 제1 빔 특성(예컨대, 스폿 사이즈)을 변경하도록 작동될 때, 이러한 변경은 1차 빔의 제2 빔 특성(예컨대, 스폿 포지셔닝, 빔 비점수차 등)에서의 변경을 야기할 수 있다. 제2 빔 특성에서의 변경의 영향을 보정하거나 감소시키기 위해, 빔 분석 시스템(130)은 제2 빔 특성을 측정하고 제2 빔 특성을 표현하는 측정 데이터(160)를 생성할 수 있다. 이어서, 빔 분석 시스템(130)은 그 측정 데이터(160)를 제어기(122)에 송신할 수 있고, 제어기(122)는 측정 데이터(160)에 적어도 부분적으로 기초하여 업데이트된 제어 명령(164)을 컴퓨팅하고 AOD 시스템(140)에 출력할 수 있으며, 따라서 AOD 시스템(140)은 제2 빔 특성에서의 변경의 크기(magnitude)를 감소시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 작업물에서의 원하는 스폿 사이즈를 달성하기 위해, AOD 시스템(140)은 제1 처핑된 음향 신호(148)에 기초하여 처핑된 1차 빔(152)을 만들도록 작동된다. 제1 처핑된 음향 신호(148)의 중심 주파수는 스폿 포지션 오차(원하는 스폿 포지션과 실제 스폿 포지션 사이의 차이)를 가져올 수 있다. 빔 분석 시스템(130)은 처핑된 1차 빔(152)의 스폿 포지션을 측정하고 측정된 스폿 포지션을 표현하는 측정 데이터(160)를 제어기(122)에 송신할 수 있다. 측정 데이터(160)를 수신하면, 제어기(122)는 스폿 포지션 오차를 컴퓨팅할 수 있고, 스폿 포지션 오차를 보정하기 위해, 제1 음향 신호와 동일한 처프 레이트를 갖지만 상이한 중심 주파수를 갖는 제2 처핑된 음향 신호(148)를 생성하기 위해 업데이트된 제어 명령(164)을 AOD 시스템(140)에 송신할 수 있고, 이에 의해 스폿 포지션 오차를 감소시키거나 제거할 수 있다.
다른 실시형태에서, 제어 명령(164)은 1차 빔(152)의 빔 비점수차를 보정하도록 작동될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 처핑된 음향 신호는 1차 빔(152)에 단일-축 포커싱 텀을 적용하는 효과를 갖는다. 이는 빔 비점수차(직교 축에서 상이한 초점을 갖는 빔으로서 규정됨)를 가져올 수 있다. 빔 분석 시스템(130)은 (위에서 설명한 바와 같이) X-방향에서의 초점(또는 빔 웨이스트)과 검출기 평면(132) 사이 및 Y-방향에서의 초점(또는 빔 웨이스트)과 검출기 평면(132) 사이의 높이 차이(ΔZ)를 측정함으로써 빔 비점수차를 측정한다. AOD 시스템(140)이 다축 AOD 시스템으로서 제공될 때, 제어기(122)는 제1 AOD를 처핑함으로써 야기된 비점수차를 보정하기 위해 단일 축 디포커싱 텀을 빔에 적용시키는 처핑된 음향 신호를 생성하도록 하나의 AOD(예컨대, 제2 AOD)를 작동시킬 수 있다.
ⅲ. 레이저원과 AOD 시스템 사이의 타이밍 오차 보정에 관한 실시형태
도 2를 참조하면, (예컨대, 작업물(102) 상에 하나 이상의 특징을 형성하기 위한) 일부 레이저 가공 응용에서, 입사 빔(150)(예컨대, 레이저 펄스 또는 레이저 펄스의 그룹)은 AOD 결정(144) 내의 (예컨대, 작업물(102)에서 특정 스폿 사이즈를 달성하기 위해 특정 처프 레이트를 갖고, 및/또는 특정 스폿 포지션을 달성하기 위해 특정 중심 주파수를 갖는) 특정 처핑된 음향 신호(148)와 일치하는 AOD 시스템(140)을 통과하도록 의도될 수 있다. AOD 시스템(140)에 의해 부여되는 회절 각도(θ)는 AOD 결정(144) 내의 레이저 펄스의 횡방향 치수에 걸친 처핑된 음향 신호의 중심 주파수에 대응하기 때문에, 레이저 펄스가 예상되거나 원하는 처핑된 음향 신호(148)와 중첩하는 AOD 결정(144)을 통과하지 않으면, 레이저 펄스는 원하는 스폿 포지션과 상이한 작업물(102) 상의 스폿 포지션으로 전달될 것이다. 타이밍 오차를 보정하여 타이밍 충실도(fidelity)를 보장하고 이러한 스폿 포지션 오차를 방지하기 위해, 제어 루프가 레이저원(104)에 전송되는 제어 명령(168)과 RF원(146)에 전송되는 제어 명령(164) 사이의 타이밍 오프셋을 조정하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 타이밍 오차는 (제1 처프 레이트를 갖는) 제1 처핑된 신호와 일치하는 AOD 결정(144)을 통과하는 대신에, (제2 처프 레이트를 갖는) 제2 처핑된 신호와 일치하는 AOD 결정(144)을 통과하는 레이저 펄스를 가져오고, 제1 처핑된 신호 및 제2 처핑된 신호는 별개의 시간적으로 분리되는 처핑된 신호이다. 다른 실시형태에서, 타이밍 오차는 상대적으로 긴(예컨대, AOD 결정(144)을 통한 펄스의 통과 시간보다 긴) 연속 처핑된 신호(즉, 일정한 처프 레이트를 가짐)의 (의도된 것과) 상이한 주파수 대역과 일치하는 AOD 결정(144)을 통과하는 레이저 펄스를 가져오고, 각 주파수 대역은 상이한 중심 주파수를 갖는다. 또 다른 실시형태에서, 타이밍 오차는 어떠한 음향 파형도 없는 영역에서 AOD 시스템(140)을 통과하는 레이저 펄스를 가져온다.
일 실시형태에서, 타이밍 오차는 (제1 처프 레이트를 갖는) 제1 처핑된 신호와 일치하는 AOD 결정(144)을 통과하는 대신에, (제2 처프 레이트를 갖는) 제2 처핑된 신호와 일치하는 AOD 결정(144)을 통과하는 레이저 펄스를 가져오고, 제1 처핑된 신호 및 제2 처핑된 신호는 시간적으로 분리된다. 이 실시형태에서, 이러한 타이밍 오차로 인한 스폿 포지션 오차를 보정하기 위한 예시적인 방법은 먼저 기준 빔 특성(예컨대, 스폿 포지션)과 타이밍 오프셋 사이의 상관성을 전개하도록 작동하는 측정 단계를 수반한다. 이 상관성은, 상관성을 적용하는 후속 작업물 가공 단계에서 사용되고, 타이밍 오프셋은 그 기준 빔 특성(스폿 포지션)에 대해 미리 결정된 관계를 가지며, 이에 의해 레이저 가공 장치(100)가 스폿 포지션 오차를 회피, 보정 또는 감소시킬 수 있게 한다. 측정 단계 동안, 빔 분석 시스템(130)은 레이저 스폿 포지션을 측정하고, 각 레이저 펄스에 대해 측정된 스폿 포지션을 표현하는 측정 데이터(160)를 생성한다. 이 측정 데이터(160)가 제어기(122)로 전송될 때, 제어기(122)는 (예컨대, 자동으로, 또는 시스템 조작자에 의해 프로그래밍되는 바와 같이) 측정된 스폿 포지션과 타이밍 오프셋 사이의 상관성을 전개한다. 예를 들어, 제어기(122)는 AOD 시스템(140)에 제어 명령(164)을 전송하며, 따라서 RF원(146)은 AOD 결정(144) 내에 (예컨대, 5 MHz/㎲의 처프 레이트 및 30 MHz의 중심 주파수를 갖는) 제1 처핑된 음향 신호를 가져오는 제1 처핑된 RF 신호를 생성한다. 제어기(122)는 또한 AOD 시스템(140)이 빔 분석 시스템(130)으로의 펄스를 원하는 스폿 포지션으로 회절시킬 것을 예상하여, 제1 처핑된 음향 신호와 중첩되도록 의도되는 제1 레이저 펄스를 방출하도록 제어 명령(168)을 레이저원(104)에 전송한다. 일반적으로, 제어 명령(164 및 168)은 처핑된 레이저 펄스가 원하는 스폿 포지션으로 회절되는 것을 보장하기 위해 (예컨대, 타이밍 오프셋(T0)에 의해) 서로에 대해 시간적으로 오프셋된다. 그러나, 예를 들어, 제1 레이저 펄스는 제1 처핑된 음향 신호를 놓칠 수 있고, 대신에 제1 처핑된 신호로부터 시간적으로 분리된 제2 처핑된 음향 신호(예컨대, 5 MHz/㎲의 동일한 처프 레이트를 갖지만, 26 MHz의 중심 주파수를 가짐)와 중첩할 수 있으며, 이는 스폿 포지션 오차(예컨대, 1 ㎛)를 가져온다. 빔 분석 시스템(130)은 스폿 포지션을 측정하고, 그 제1 레이저 펄스의 측정된 스폿 포지션을 표현하는 측정 데이터(160)를 제어기(122)에 송신한다. 그 후, 제어기(122)는 그 제1 레이저 펄스에 대한 타이밍 오프셋(T0)과 상관되는 스폿 포지션 오차(예컨대, E0)를 컴퓨팅한다. 타이밍 오프셋(예컨대, T1, T2, T3, T4 등)을 조정하고 결과적인 스폿 포지션 오차(예컨대, E1, E2, E3, E4 등)를 계산하면서 스폿 포지션 측정을 반복함으로써, 제어기(122)는 타이밍 오프셋과 스폿 포지션 오차 사이의 관계를 특성짓는 타이밍 오프셋과 스폿 포지션 오차 사이의 상관성을 전개한다. 그 후, 제어기(122)는 스폿 포지션 오차를 감소시키거나 제거하기 위해 후속 작업물 가공 단계 동안 타이밍 오프셋에 보정을 적용한다. 이 작업물 가공 단계 동안, 제어기(122)는 AOD 결정(144) 내에 처핑된 음향 신호(148)를 생성하기 위해 제어 명령(164)을 AOD(140)에 전송할 것이고, 의도된 처핑된 신호에 의해 작업물(102)로 회절될 레이저 펄스를 방출하기 위해 제어 명령(168)을 레이저원(104)에 전송할 것이다. 타이밍 오프셋이 측정 단계 동안 측정된 빔 특성(스폿 포지션)과 상관되었기 때문에, 타이밍 오프셋은 기준 특성(스폿 포지션)과 미리 결정된 관계를 갖는다. 제어기(122)는 이러한 미리 결정된 관계를 사용하여 AOD 제어 명령(164)과 제어 명령(168) 사이의 타이밍 충실도를 개선함으로써 스폿 포지션 오차를 감소시키거나 제거한다.
다른 실시형태에서, 예시적인 방법이 타이밍 오차로 인해 동시에 발생하는 2개의 오차(예컨대, 하나 이상의 방향에서의 스폿 사이즈 오차 및 스폿 포지션 오차)를 보정할 수 있다. 위에서 설명된 예시적인 작업물 가공 시나리오에서, 1차 빔(152)의 플루언스의 변경이 (비-처핑된 빔을 사용하는) 인쇄 회로 기판의 금속층의 절제와 (처핑된 빔을 사용하는) 하부 라미네이트 재료의 절제 사이에서 요구될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 입사 빔(150)을 포커싱된 1차 빔(152)으로서 회절시키는 AOD 결정(144) 내의 비-처핑된 음향 신호에는 입사 빔(150)을 동일한 가공 스폿에 디포커싱된 1차 빔(152)(즉, 더 낮은 레이저 플루언스를 가짐)으로서 회절시키는 처핑된 음향 신호가 뒤따를 것이다. (예컨대, 비-처핑된 음향 신호를 요구하는) 금속층을 절제하도록 의도되는 레이저 펄스가 처핑된 음향 신호와 중첩하는 AOD 결정(144)을 통과하는 경우, 2개의 문제가 생성될 수 있다. 먼저, 레이저 펄스는 금속층을 절제하기 위해 요구되는 플루언스를 갖지 않는 지점까지 처핑된 음향 신호에 의해 디포커싱될 수 있다. 두번째로, 레이저 펄스에 걸친 처핑된 음향 신호의 중심 주파수가 레이저 펄스에 걸친 비-처핑된 음향 신호의 주파수와 동일하지 않으면, 스폿 포지션 오차를 가져올 것이다. 타이밍 오프셋을 기준 빔 특성(예컨대, 스폿 사이즈 및 스폿 포지션)과 상관시키기 위해 사용되는 측정 단계, 뒤이어 타이밍 오프셋과 빔 특성의 미리 결정된 관계에 기초하여 업데이트된 타이밍 오프셋을 사용하는 작업물 가공 단계를 수반하는 위에서 설명된 방법과 유사한 방법을 적용함으로써, 스폿 포지션 및 스폿 사이즈에서의 오차가 최소화, 보정 또는 회피된다.
이 예에서, 측정 단계 동안, 빔 분석 시스템(130)은 스폿 포지션 및 스폿 사이즈를 측정하고, 각 레이저 펄스에 대해 측정된 특성 양쪽 모두를 표현하는 측정 데이터(160)를 생성하고, 측정 데이터(160)를 제어기(122)에 송신할 수 있다. 그 후, 제어기(122)는 측정된 스폿 포지션, 측정된 스폿 사이즈 및 타이밍 오프셋 사이의 상관성을 전개한다. 예를 들어, 제어기(122)는 AOD 시스템(140)에 제어 명령(164)을 전송할 수 있으며, 따라서 RF원(146)은 AOD 결정(144) 내에 (예컨대, 5 MHz/㎲의 처프 레이트 및 32 MHz의 중심 주파수를 갖는) 처핑된 음향 신호가 뒤따르는 (예컨대, 30 MHz의 주파수를 갖는) 비-처핑된 음향 신호를 생성한다. 그 후, 제어기(122)는 AOD 시스템(140)이 빔 분석 시스템(130)으로의 펄스를 원하는 스폿 사이즈를 갖는 원하는 스폿 포지션으로 회절시킬 것을 예상하여, 비-처핑된 음향 신호와 중첩되도록 의도되는 제1 레이저 펄스를 방출하도록 (예컨대, AOD 시스템(140)으로 전송된 제어 명령(164)에 대한 타이밍 오프셋(T0)을 갖는) 제어 명령(168)을 레이저원(104)에 전송할 수 있다. 그러나, 예를 들어, 펄스는 비-처핑된 음향 신호를 놓칠 수 있고, 대신에 32 MHz의 중심 주파수를 갖는 처핑된 음향 신호의 일부와 중첩하여, 원하지 않는 스폿 포지션 및 원하지 않는 스폿 사이즈를 가져올 수 있다. 빔 분석 시스템(130)은 스폿 포지션 및 스폿 사이즈를 측정하고, 그 레이저 펄스의 측정된 스폿 포지션 및 측정된 스폿 사이즈를 표현하는 측정 데이터(160)를 제어기(122)에 송신하여, 제어기(122)가 스폿 포지션 오차(예상 스폿 포지션에 대해 측정된 스폿 포지션, 예컨대, ESP0) 및 스폿 사이즈 오차(예상 스폿 사이즈에 대해 측정된 스폿 사이즈, 예컨대, ESS0)를 컴퓨팅하는 것을 허용하고, 오차 양쪽 모두는 그 레이저 펄스에 대한 타이밍 오프셋(T0)과 상관된다. 타이밍 오프셋(예컨대, T1, T2, T3, T4 등)을 조정하고 결과적인 스폿 포지션 및 스폿 사이즈 오차(예컨대, ESP1, ESS1, ESP2, ESS2, ESP3, ESS3 등)를 계산하면서 스폿 포지션 및 스폿 사이즈 측정을 반복함으로써, 제어기(122)는 타이밍 오프셋, 스폿 포지션 오차 및 스폿 사이즈 오차 사이의 관계를 특성짓는 타이밍 오프셋(TX), 스폿 포지션 오차(ESPX) 및 스폿 사이즈 오차(ESSX) 사이의 상관성을 전개한다. 레이저 펄스, 비-처핑된 음향 신호 및 처핑된 음향 신호 사이의 타이밍 오프셋이 측정 단계 동안 측정된 빔 특성(스폿 포지션 및 스폿 사이즈)과 상관되었기 때문에, 타이밍 오프셋은 기준 특성(스폿 포지션 및 스폿 사이즈) 양쪽 모두와 미리 결정된 관계를 갖는다. 제어기(122)는 이러한 관계를 사용하여 AOD 제어 명령(164)과 레이저 제어 명령(168) 사이의 타이밍 충실도를 개선함으로써 작업물 가공 단계 동안 스폿 포지션 및 스폿 사이즈 오차를 감소시키거나 제거한다.
iv. 시스템 작동 매개변수의 제어에 관한 실시형태
빔 분석 시스템(130)으로부터의 측정 데이터를 사용하는 시스템 성능의 다른 폐쇄 루프 제어에 대해 위에서 설명된 방법은, 레이저 가공 장치(100)의 다양한 구성요소의 성능에서의 변경을 보상하기 위해 제어될 수 있는 다양한 시스템 작동 매개변수(예컨대, RF 신호 주파수, RF 신호 처프 레이트, 음향 신호 처프 레이트, AOD 온도, 레이저 펄스 버스트 포락선, 펄스 반복률, 펄스 에너지 등 또는 이들의 임의의 조합)에 보다 광범위하게 적용될 수 있다. 레이저 가공 장치(100)가 노후화됨에 따라, 다양한 광학 요소(예컨대, 이득 결정(gain crystal), 이득 섬유(gain fiber), 고조파 생성 결정(harmonic generation crystal), 광학 격자(optical grating), 프리즘, 릴레이 광학 기기(relay optics), 회절 요소, 빔 전달 광학 기기, AOD, 렌즈 등 또는 이들의 임의의 조합)가 저하되고 명목상의(nominal) 스폿 사이즈를 변경시킬 것이다. 아래에 뒤따르는 것은 이러한 저하가 명목상의 스폿 사이즈에 미치는 영향을 보상하기 위해 빔 분석 시스템(130)을 사용하기 위한 일 실시형태의 논의이다.
일 실시형태에서, 예를 들어, 시스템 작동 매개변수는 (예컨대, 제어기(122)로부터의 제어 명령(164)에 응답하여) RF원(146)에 의해 초음파 트랜스듀서(142)에 적용되는 RF 신호(170)의 처프 레이트(C)일 수 있다. 이 실시형태에서, 스캔 렌즈(112)가 노후화됨에 따라, 레이저 가공 동안 잔해(debris)의 축적(accretion)이 레이저 에너지 빔의 증가된 흡수를 가져올 수 있으며, 스캔 렌즈(112)의 보다 높은 작동 온도, 및 제어기(122) 및 시스템 조작자에게 아마도 공지되지 않은 명목상의 스폿 사이즈를 변경시키는 열 렌징(thermal lensing)을 가져올 수 있다. 빔 분석 시스템(130)에 의한 빔 특성의 측정은 이러한 오차를 검출하고 이를 보상하는 데 사용될 수 있다. 이 실시형태에서, 이를 구현하기 위한 예시적인 방법은 시스템 작동 전반에 걸쳐 다양한 시간에서 실행되는 측정 단계를 포함하며, 여기서 빔 특성(예컨대, 스폿 사이즈)이 기준 특성으로서 선택된다. 관련 시스템 작동 매개변수에 응답하여 기준 빔 특성의 특정 측정(예컨대, 빔 분석 시스템(130)에 의한)이 예상 값으로부터 (예컨대, 예상 공차 또는 제어 한계를 넘어) 벗어나면, 제어기(122)는 시스템 작동 매개변수를 조정하기 위해 (예컨대, 도 2와 관련하여 위에서 설명되는 바와 같이) 빔 분석 시스템(130)으로부터의 측정 데이터(160)를 사용할 것이다. 이 실시형태에서, 측정될 기준 빔 특성은 RF원(146)에 의해 초음파 트랜스듀서(142)에 적용되는, 시스템 작동 매개변수인, RF 신호(170)의 처프 레이트(C)에 대응하는 스폿 사이즈(S)이다. (예컨대, 스폿 사이즈 S1이 100 ㎛일 때) 시스템 시기(age) A1에서 사용되는 RF 신호 처프 레이트 C1(예컨대, 5 MHz/㎲)은 RF 신호 처프 레이트의 기준 값이다. 그 후, 빔 분석 시스템(130)은 스폿 사이즈(S)에 대한 측정 데이터를 시스템 시기(A)(시간)의 함수로서 생성하고, S를 제어기(122)의 시기(A) 및 처프 레이트(C)과 상관시킨다. 시스템이 예를 들어, 시기 A2로 노후화됨에 따라, RF 신호 처프 레이트 C1의 기준 값(예컨대, 시기 A1에서 적용되는 5 MHz/㎲)으로부터 결과로서 얻어지는 스폿 사이즈 S2가 S2 = 120 ㎛로 변경될 수 있다. 스폿 사이즈(S2)를 빔 분석 시스템(130)으로부터의 측정 데이터를 사용하여 RF 신호 처프 레이트 C1의 기준 값 및 시스템 시기(A2)와 비교함으로써, 제어기(122)는 시스템 작동 매개변수와 기준 특성 사이의 관계를 사용하여, AOD 시스템(140)을 구동하는 업데이트된 RF 신호 처프 레이트 C2(예컨대, 6 MHz/㎲)를 계산함으로써 원하는 스폿 사이즈, S1 = 100 ㎛를 달성한다. 이 방법은 작업 표면에서의 스폿 사이즈가 시스템의 수명에 걸쳐 유지되는 것을 보장하기 위해 처핑된 스폿 사이즈를 측정하고 처프 레이트를 수정하는 데 활용될 수 있다. 이는 장기간에 걸쳐 일관된 레이저 가공 품질을 보장한다.
B. 빔 분석 시스템의 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio)에 관한 실시형태
일부 실시형태에서, 고전력 빔 전달 시스템과 함께 빔 분석 시스템(130)을 사용할 때, 빔 경로 내의 광학 요소에 의해 생성되는 산란의 강도는, 특히 빔 분석 시스템(130)의 구성요소에 대한 손상을 회피하기 위해 1차 빔(152)의 임의의 감쇠가 요구되는 경우(예컨대, 매우 높은 레이저 플루언스를 갖는 10-20 ㎛의 스폿 사이즈를 측정할 때), 광 검출기에 의해 검출되는 프로세스 빔의 강도의 크기와 유사한 크기일 수 있다. 이는 산란에 의해 생성되는 잡음으로부터 1차 빔(152)의 신호를 분별하는 것에 곤란함을 가져와, 빔 분석 데이터의 충실도를 저하시키는 낮은 신호 대 잡음 비를 가져올 수 있다. 이 범위에서 스폿 사이즈를 정확하게 측정하기 위해, 광 검출기에 도달하는 산란량을 감소시켜 신호 대 잡음 비를 개선하는 것이 중요하다. 아래에 뒤따르는 것은 개선된 신호 대 잡음 비 성능을 가져오는 빔 분석 시스템(130)의 예시적인 실시형태의 논의이다.
도 5 및 도 6은 도 1에 도시된 빔 분석 시스템(130)의 예시적인 실시형태의 다양한 도면을 도시한다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 빔 분석 시스템(130)은 광 검출기 어셈블리에 장착되거나 포지셔닝되는 토큰(310)을 포함한다. 토큰(310)은 입사 1차 빔(152)의 적어도 일부가 광 검출기 어셈블리에 도달하는 것을 방지하도록 구성되는 재료 층(312)(예컨대, 금속, 세라믹, 광학 코팅 등으로 형성됨)을 갖는 기판(311)(예컨대, 유리, 석영, 또는 다른 광학적 투과성 재료로 형성됨)을 포함한다. 이 실시형태에서, 재료 층(312)은 그에 입사하는 1차 빔(152)의 일부를 반사하도록 구성되는 고반사 크롬(highly reflective chrome)(본원에서 "HR 크롬"으로도 지칭됨)으로서 제공된다. 다른 실시형태에서, 재료 층(312)은 반사 방지 크롬(anti-reflective chrome)(본원에서 "AR 크롬"으로도 지칭됨)으로서 제공된다. AR 크롬의 재료 층(312)은, 입사광의 그의 반사에 의한 HR 크롬의 높은 레이저-유도 손상 임계치(laser-induced damage threshold, LIDT)와 대조적으로, 입사광의 그의 흡수로 인해 HR 크롬보다 낮은 LIDT를 가질 수 있다. HR 크롬의 보다 높은 LIDT로 인해, 1차 빔(152)의 보다 적은 감쇠가 요구되고, 그에 의해 신호 대 잡음 비를 개선한다. 하나 이상의 개구(예컨대, 하나 이상의 개구(314 및/또는 316))가 재료 층(312)에 형성될 수 있다. 개구(314, 316)는 1차 빔(152)의 일부(즉, 투과된 일부(154))가 기판(311)을 관통하는 것을 허용하도록 구성된다. 빔 분석 시스템(130)은 개구(314 및 316) 또는 재료 층(312) 상의 잔해 또는 다른 오염물의 축적을 방지하기 위해 (예컨대, 빔 분석 시스템(130)이 사용되지 않을 때) 토큰(310) 위에 선택적으로 포지셔닝되도록 구성되는 커버(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 광 검출기 어셈블리는 적분구(integrating sphere)(320) 및 광 검출기(326)를 포함한다. 광 검출기 어셈블리는, 빔 축(118)을 갖고 빔 축이 (예컨대, X축 또는 Y축을 따라) 토큰 위로 스캐닝될 때 빔 경로(114)를 따라 스캔 렌즈(112)를 통해 전파되는 입사 1차 빔(152)의 일부의 광 전력 또는 에너지를 측정하도록 구성된다.
당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 적분구(320)는 중공 구형(또는 적어도 실질적으로 구형) 공동을 포함하는 광학 구성요소이며, 그의 내부 표면은 확산 반사 코팅으로 코팅된다. 적분구(320)는 수집 포트(322) 및 검출 포트(324)를 포함하고, 빔 경로(114)를 따라 전파되는 광이 수집 포트(322)를 통해 적분구(320)의 공동으로 진입할 수 있도록 배열된다. 공동의 내부 표면 상의 임의의 지점 상에 입사하는 광은 산란되고, 궁극적으로, 광 검출기(326)에 입사하도록 검출 포트(324)에서 적분구(320)를 빠져나간다. 토큰(310)은 적분구(320)의 수집 포트(322) 상에 또는 그에 인접하여 포지셔닝된다. 1차 빔(152)의 투과된 일부(154)의 전력 또는 에너지가 검출기 포트(324)에 장착된 광 검출기(326)에 의해 측정된다. 광 검출기(326)는 검출기 포트(324)에 진입하는 광을 흡수하고 (예컨대, 위에서 논의된 바와 같이) 대응하는 측정 데이터를 제어기(122)에 송신하도록 구성된다.
도 6은 도 5에 도시되는 토큰(310)의 일 실시형태의 평면도를 도시한다. 도 6을 참조하면, 개구(314 및 316)(각각 일반적으로 "개구"로 지칭됨)의 사이즈, 형상, 배향, 또는 다른 구성이 원하는 또는 이로운 바에 따라 임의의 방식으로 제공될 수 있다. 이 실시형태에서, X축 및 Y축으로(예컨대, X축으로부터 측정된 바와 같은, 0도 및 90도로) 배향되는 측부를 갖는 하나 이상의 정사각 형상의 개구(예컨대, 314에서 식별되는 바와 같음)가 제공된다. X축 및 Y축으로부터 오프셋되는(예컨대, X축으로부터 측정된 바와 같은, 45도 및 135도로) 측부를 갖는 하나 이상의 다이아몬드 형상의 개구(예컨대, 316에서 식별되는 바와 같음)가 또한 재료 층(312)에 형성된다. 인접한 개구의 에지 사이의 최소 거리(즉, 개구 어레이의 "피치(pitch)")는, 광학 트레인(optical train)에서(예컨대, 터닝 미러(turning mirror), 렌즈 및 다른 광학 기기에서) 업스트림에 생성된 산란의, 인접한 개구(즉, 1차 빔(152)이 지향되지 않는 개구)를 통한, 적분구(320)로의, 그리고 광 검출기(326)에 도달하는 투과를 최소화하도록 선택된다. 또한, 개구 어레이의 피치는 재료 층(312)의 HR 크롬에 의해 다른 시스템 구성요소를 향해 반사되고 이들 시스템 구성요소에 의해 반사되어 인접한 개구에 진입하는 광으로부터의 산란을 회피하거나 최소화하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 개구 어레이의 피치는, 인접한 개구가 그들 사이즈(예컨대, 약 1-2mm 사이의 개구 사이의 공간을 갖는 250㎛의 개구 사이즈)에 비해 서로 충분히 멀리 떨어져 위치되어 재료 층(312)(예컨대, HR 크롬으로 만들어짐)이 토큰(310)의 영역의 95% 이상을 커버하도록 선택된다. 이와 같이 구성되면, 광 검출기(326) 상에 입사하는 산란된 광의 양이 최소화되거나 다른 방식으로 감소된다. 적분구(320) 사용의 다른 이점은 광 검출기 측정에 대한 개구 포지션의 영향의 감소이다. 광 검출기가 토큰(310) 바로 밑에 배치되면, 그 광 검출기에 도달하는 1차 빔(152)으로부터의 광의 양은 (예컨대, 1차 빔(152)이 토큰의 평면에 대해 임의의 각도(an angle)로 개구의 에지 상에 입사하기 때문에) 토큰(310) 상의 상이한 포지션에 위치되는 개구에 대해 상이할 수 있다. 적분구(320)의 사용은 이러한 포지션 감도(positional sensitivity)를 감소시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 작동 동안, 1차 빔(152)의 특성을 측정하기 위해, 1차 빔(152)의 투과된 일부(154)의 광 전력이 광 검출기(326)에 의해 감지되는 동안 빔 축(118)은 적어도 하나의 개구의 하나 이상의 에지에 걸쳐 스캔된다. 개구의 에지는 다양한 빔 프로파일러(예컨대, 스캐닝 슬릿 프로파일러 등)에서 사용되는 나이프-에지와 유사하게 작용한다. 하나의 예에서, 빔 특성화 툴(130)은 1차 빔(152)의 하나 이상의 특성을 측정하고 광 검출기(326)에 도달하는 빔 전력을 표현하는 대응하는 측정 데이터를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 측정 데이터는 (예컨대, 위에서 논의된 바와 같이 임의의 목적을 위해) 제어기(122)에 송신되고 그에 의해 가공될 수 있다.
IV. 빔 안정성에 관한 실시형태
일부 경우에, 레이저 가공 장치(100)의 작동 동안, 검류계 미러가 그들 각각의 성능 한계에서 또는 그 근처에서 구동될 때, (예컨대, 검류계 모터에 의해) 적용된 토크에 대한 기생력(parasitic force)이 검류계 미러 또는 샤프트의 미미한 불균형(minor imbalance)에 의해 야기될 수 있다. 이들 영향의 조합은 (본원에서 "교차축 워블"로도 지칭되는) 미러의 교차축 각도 움직임(예컨대, 주(primary) 회전축에 직교하는 움직임)을 여기(excite)시켜, 검류계 미러의 각도 포지션에 오차를 야기할 수 있다. 이러한 교차축 워블은 통상적으로 검류계 포지셔닝 시스템에 의해 감지되지 않으며, 검류계 미러의 각도 포지션에서의 오차는 (예컨대, 스캔 렌즈를 통해 회절된 1차 빔을 포커싱한 이후) 작업물(102)의 표면에서 레이저 스폿 포지션 오차를 만들 수 있다. 교차축 워블의 정도가 측정될 수 있다면, 검류계로부터 광학적으로 업스트림에 위치되는 AOD 시스템의 작동의 조정이 교차축 워블을 사전 보상할 수 있고, 이에 의해 포지셔닝 오차를 감소시키거나 회피할 수 있다. 아래에 뒤따르는 것은 교차축 워블의 검출 및 사전 보상을 가능하게 하는 실시형태의 논의이다.
A. 빔 분석 시스템을 사용한 교차축 워블의 측정
제1 포지셔너(106)(예컨대, AOD 시스템) 및 제2 포지셔너(108)(예컨대, 하나 이상의 검류계)를 포함하는 레이저 가공 장치(100)에서, 빔 축(118)은 (예컨대, 도 5에 도시되는 바와 같이) 스폿의 절반(또는, 스폿의 약 절반)이 광 검출기(326)로 송신되도록 포지셔닝된다. 그 후, 검류계 중 하나는 나이프 에지(예컨대, 개구(314 또는 316) 중 하나의 에지)에 평행한 방향으로 빔 축(118)을 스캔하기 위해 그의 성능 한계에 근접하지 않게 구동된다. 이 스캔으로부터의 측정 데이터가 제어기(122)에 전송되고, 제어기(122)는 그의 성능 한계에서 또는 그 근처에서 검류계의 작동과 비교되도록 이 데이터를 (예컨대, 기준치(baseline) 측정으로서) 저장한다.
그의 성능 한계에서 또는 그 근처에서의 검류계의 작동 결과로서, 검류계가 어떠한 교차축 워블도 나타내지 않으면, 빔 분석 시스템(130) 측정은 (예컨대, 위에서 설명된 기준치 측정과 비교될 때) 변경되지 않을 것이다. 검류계가 교차축 워블을 나타내는 경우, 빔 분석 시스템(130) 측정은 기준치 측정과 비교될 때 변경될 것이다. 측정 데이터는 제어기(122)에 의해, 교차축 워블을 보정하기 위해 AOD 시스템(140)에 공급되는 오차 보정 신호로 가공된다. 제어기(122)는 다양한 주파수를 필터링하고, (예컨대, 센서 인터페이스 전자기기로 인한) 감지 지연을 보상하고, (예컨대, 데이터 송신, 스케일링, 필터링 및 AOD 명령 데이터 송신으로 인한) 가공 지연 및 AOD 지연(예컨대, AOD 드라이버 및 AOD 결정에서의 전파 지연)을 보상함으로써 측정 데이터를 가공할 수 있다. 제어기(122)는 검류계 미러 및 스캔 렌즈의 기하학적 구조로 인해 워블 각도를 작업 표면 변위로 병진시키기 위해 측정 데이터를 기하학적으로 매핑할 수 있다. 다른 예에서, 빔 분석 시스템(130)에 의한 교차축 워블의 측정은 검류계 시스템의 하나 이상의 파트에 대한 손상을 나타낼 수 있는 교차축 워블의 크기의 증가를 감지하는 데 사용될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이 구성되면, 빔 분석 시스템(130)은 또한 작동 매개변수(예컨대, 스폿 사이즈, 스폿 포지션 등 또는 이들의 임의의 조합)에 영향을 미치거나 빔 분석 시스템(130) 자체가 정확한 측정을 제공하는 것을 방지하는, 레이저 가공 장치(100)에 대한 교란(disturbance)의 영향을 측정하는 데 사용될 수 있다. 1차 빔(152)의 빔 축(118)을 하나 이상의 개구(314)의 에지 상에 직접 포지셔닝하고 광 검출기(326)에 의해 측정된 광학 전력의 요동(fluctuation)을 관찰함으로써, 빔 분석 시스템(130)은 이러한 교란을 검출 및 수량화(quantify)할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 잔해 배출 시스템이 관여되는(engaged) 동안 빔 분석 시스템(130)에 의해 취해진 측정 데이터는 허용될 수 없는 신호 대 잡음 비를 나타낼 수 있다. 잔해 배출이 관여될 때 빔 분석 시스템(130)에 의해 취해진 측정이, 잔해 배출이 관여되지 않을 때 취해진 측정과 비교된다면, 불안정성의 원인이 결정될 수 있다.
B. 교차축 워블 보정 시스템을 사용한 사전 보상
도 7은 레이저 가공 장치(100)의 작동 동안 검류계 미러의 교차축 워블을 측정하도록 작동하는 장치(예컨대, 교차축 워블 보정 시스템(520))의 일 실시형태의 도면을 도시한다. 1차 빔(152)은 스캔 렌즈(112)를 통해 작업물(102)로 1차 빔(152)을 지향시키는 제1 검류계 미러(예컨대, 검류계 모터(500)에 의해 구동되는 X축 검류계 미러(502)) 및 제2 검류계 미러(예컨대, 검류계 모터(506)에 의해 구동되는 Y축 검류계 미러(508)) 상에 입사된다. 워블 보정 시스템(520)은 X축 검류계 미러(502)의 후방 측부 상에 형성된 반사 표면(504)에 입사 기준 레이저 빔(524)을 지향시키도록 작동하는 기준 레이저원(522)을 포함한다. 입사 기준 레이저 빔(524)은 보조 센서(auxiliary sensor)(600) 상의 기준 스폿(528)에 입사하는 반사된 빔(526)으로서 표면(504)으로부터 반사된다. 다른 실시형태에서, 반사 표면(504)에 입사 기준 빔을 방출하기 위해 LED 광원(도시되지 않음)이 사용될 수 있다.
도 8은 보조 센서(600)의 일 실시형태의 도면을 도시한다. 이 실시형태에서, 보조 센서(600)는 기판(602) 상에 형성되는 4개의 세그먼트(604, 606, 608 및 610)를 갖는 쿼드-셀 세그먼트 광 다이오드(quad-cell segmented photodiode)로서 제공된다. 기준 스폿(528)이 광 다이오드 상에 입사할 때, 조명되는 각 세그먼트는 그 세그먼트 상에 입사하는 광학 전력에 비례하는 광 전류를 만든다. 세그먼트 광 전류 사이의 차이가 기준 스폿(528)의 포지션을 나타낸다. 따라서, 보조 센서(600)는 기준 스폿(528)의 포지션을 감지하고 기준 스폿(528)의 포지션을 표현하는 측정 데이터를 제어기(122)에 송신하도록 구성된다. 그 후, 제어기(122)는 이 측정 데이터를 사용하여 보정 또는 보상 인자를 컴퓨팅하고 제어 명령을 제1 포지셔너(106)(즉, X 및 Y AOD)에 전송하여, 이들이 교차축 워블(510)을 보정 또는 보상할 수 있고, 이에 인해 교차축 워블(510)이 작업물(102)에 가공 스폿의 포지셔닝 오차를 가져오지 않는 것을 보장한다.
이 실시형태에서, 교차축 워블 보정 시스템(520)의 작동 동안, X축 검류계 미러가 ±X 방향으로 1차 빔(152)을 스캐닝할 때, 기준 스폿(528)은 보조 센서(600) 상에서 ±X-방향으로 이동한다. 예를 들어, 교차축 워블(510)이 (예컨대, Y-방향으로) 발생하면, 기준 스폿(528)은 ±X-방향에 더하여 ±Y-방향으로 이동할 수 있고, 이는 하측 세그먼트(608 및 610)에 의해 흡수된 광에 대해 상측 세그먼트(604 및 606)에 의해 흡수된 광의 양에서의 변경을 가져온다. 기준 스폿(528)의 이러한 차등(differential) 흡수를 표현하는 측정 데이터가 보조 센서(600)로부터 제어기(122)로 전송된다. 그 후, 제어기(122)는 보상 인자를 컴퓨팅하고, Y-방향 워블을 보상(및 이에 의해 보정)하기 위해 (예컨대, 제1 포지셔너(106)의 Y축 AOD로) 제어 명령을 출력하고, 이에 의해 작업물(102)에서 가공 스폿의 포지셔닝 오차를 방지한다.
다른 실시형태에서, 보조 센서(600)는 (예컨대, X-방향으로 배향된) 갭의 대향하는 측부에 (예컨대, Y-방향으로) 배열되는 2개의 세그먼트를 갖는 듀얼-셀 세그먼트 광 다이오드(도시되지 않음)로서 제공된다. 이러한 듀얼-셀 배열은 (예컨대, 기준 스폿(528)이 세그먼트(606, 608)와 세그먼트(604, 610) 사이에서 Y-방향으로 배향된 갭을 교차할 때 쿼드-셀 보조 센서(600)로부터의) 광 다이오드 신호의 비-선형성에 의해 야기되는 오차를 회피할 수 있다. 다른 실시형태에서, 보조 센서(600)는 연속 포지션 감지 광 다이오드(position-sensing photodiode, PSD)로서 제공된다. 다른 실시형태에서, 보조 센서(600)는 정전용량형 변위 센서(capacitive displacement sensor), 와전류(eddy-current) 센서 또는 유도형(inductive) 센서로서 제공될 수 있다.
다른 실시형태에서, 빔 분석 시스템(130)(도 5 및 도 6과 관련하여 위에서 설명된 바와 같음)은 보조 센서(600)로서 사용된다. 예를 들어, 반사된 빔(526)은 토큰(310)으로 지향될 수 있고, 반사된 빔(526)의 축은 개구(314) 중 하나 이상의 에지를 따라 X-방향을 따라 스캔된다. (예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, Y-방향으로) 교차축 워블(510)이 발생하면, 반사된 빔(526)의 축은 개구(314)의 에지에 걸쳐 전후로 이동할 수 있고, 이는 적분구(320)에 진입하는 레이저 에너지의 양의 변경을 가져온다. 광 검출기(326)에 의해 측정되는 레이저 에너지의 양에서의 변동을 표현하는 측정 데이터가 제어기(122)로 전송되고, 제어기(122)는 보정 또는 보상 인자를 컴퓨팅하고, Y-방향 워블을 보정 또는 사전 보상(및 그에 의해 보정)하기 위해 (예컨대, 제1 포지셔너(106)의 Y축 AOD로) 제어 명령을 출력한다.
다른 실시형태에서, 빔 분석 시스템(130)은, 빔 분석 시스템(130)에 의해 취해진 측정에 기초하여, (갈보(galvo) 샤프트 회전으로 인한) 축상(on-axis) 포지션과 (축상 움직임에 수직인) 교차축 워블 움직임 사이의 이득 및 위상으로서 규정되는 워블 주파수 응답을 생성함으로써, 교차축 워블의 사전 보상을 전개하는 데 사용될 수 있다. 워블 주파수 응답의 동적 모델이 이 측정 데이터로부터 도출될 수 있으며, 이 모델은 작업물(102)의 가공 동안 실시간으로 (모델링된 워블 데이터를 사용하여) 워블을 예측하고 사전 보상하는 데 사용될 수 있다.
위에서 설명된 실시형태는 X축 검류계 미러(502)의 교차축 워블(510)을 보정하기 위해 사용되는 교차축 워블 보정 시스템(520)에 관한 것이지만, Y축 검류계 미러(508)의 (예컨대, X-방향에 따른) 교차축 워블을 측정하고 보정하기 위해 유사하거나 동일한 워블 보정 시스템(도시되지 않음)이 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 교차축 워블의 보상이 고속 조향 미러(fast steering mirror, FSM)와 같은 독립적인 빔 조향 디바이스를 사용하여 가능할 수도 있다.
V. 결론
전술한 바는 본 발명의 실시형태와 예에 대한 예시를 든 것으로, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 수개의 특정 실시형태와 예가 도면을 참조하여 설명되었지만, 당해 기술 분야의 통상의 기술자는, 개시된 실시형태와 예에 대한 다수의 수정뿐만 아니라 다른 실시형태가 본 발명의 신규한 교시 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고 가능하다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 모든 그러한 수정은 청구범위에 규정되는 바와 같은 본 발명의 범주 내에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 통상의 기술자는, 임의의 문장, 단락, 예 또는 실시형태의 주제가, 그러한 조합이 상호 배타적인 경우를 제외하고, 다른 문장, 단락, 예 또는 실시형태의 일부 또는 전부의 주제와 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 다음의 청구범위에 의해 결정되어야 하며, 청구범위의 균등물이 이에 포함된다.

Claims (40)

  1. 레이저 가공 장치로서,
    레이저 에너지 빔을 생성하도록 작동하는 레이저원 - 상기 레이저 에너지 빔은 빔 경로를 따라 전파 가능함 -;
    상기 빔 경로 내에 배열되는 음향-광학 편향기(acousto-optic deflector, AOD) - 상기 AOD는 상기 레이저 에너지 빔을 회절시키도록 작동함 -;
    상기 AOD에 커플링되는(coupled) 제어기; 및
    상기 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하고, 상기 측정된 빔 특성 중 하나 이상을 표현하는 측정 데이터를 생성하고, 상기 측정 데이터를 상기 제어기에 송신하도록 작동하는 빔 분석 시스템을 포함하고,
    상기 제어기는 상기 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 AOD의 작동을 제어하도록 작동하는, 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 특성은 펄스 반복률, 빔 직경, 스폿 사이즈, 원형도(circularity), 빔 비점수차(beam astigmatism), 포커스 높이, 빔 웨이스트(beam waist) 또는 빔 축 포지션 중 적어도 하나인, 레이저 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 AOD는 상기 빔 경로를 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 회절시키도록 작동하는 한 쌍의 AOD를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 빔 분석 시스템은 카메라 기반 빔 프로파일러(camera-based beam profiler)를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 빔 분석 시스템은 레일리-산란 빔 프로파일러(Rayleigh-scattering beam profiler)를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 빔 분석 시스템은 회전-슬릿 빔 프로파일러(rotating-slit beam profiler)를 포함하는, 레이저 가공 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 빔 직경, 상기 스폿 사이즈, 상기 원형도, 상기 비점수차, 상기 포커스 높이, 상기 빔 웨이스트 또는 상기 빔 축 포지션 중 적어도 하나를 변경하기 위해 상기 AOD의 작동을 제어하도록 작동하는, 레이저 가공 장치.
  8. 레이저 빔 특성을 제어하는 방법으로서,
    레이저 에너지 빔을 생성하는 단계;
    AOD를 사용하여, 빔 경로를 따라 상기 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계;
    상기 빔 분석 시스템을 사용하여, 상기 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하는 단계;
    상기 측정된 빔 특성 중 하나 이상을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계;
    상기 빔 분석 시스템으로부터 제어기로 상기 측정 데이터를 송신하는 단계; 및
    상기 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 제어기로부터 상기 AOD로 제어 명령을 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 빔 특성은 펄스 반복률, 빔 직경, 스폿 사이즈, 원형도, 비점수차, 포커스 높이, 빔 웨이스트 또는 빔 축 포지션 중 적어도 하나인, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 빔 직경을 변경하도록 작동하는, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 스폿 사이즈를 변경하도록 작동하는, 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 스폿 포지션을 변경하도록 작동하는, 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 원형도를 변경하도록 작동하는, 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 비점수차를 변경하도록 작동하는, 방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 포커스 높이를 변경하도록 작동하는, 방법.
  16. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 빔 웨이스트를 변경하도록 작동하는, 방법.
  17. 제8항에 있어서, 상기 AOD는, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 빔 축 포지션을 변경하도록 작동하는, 방법.
  18. 레이저 빔 특성을 제어하는 방법으로서,
    레이저 에너지 빔을 생성하는 단계;
    제1 AOD 및 제2 AOD로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 사용하여, 빔 경로를 따라 상기 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계;
    상기 빔 분석 시스템을 사용하여, 상기 레이저 에너지 빔의 하나 이상의 특성을 측정하는 단계;
    상기 측정된 빔 특성 중 하나 이상을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계;
    상기 빔 분석 시스템으로부터 제어기로 상기 측정 데이터를 송신하는 단계; 및
    상기 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 제어기로부터 상기 제1 AOD 및 상기 제2 AOD 중 적어도 하나로 제어 명령을 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 빔 특성은 펄스 반복률, 빔 직경, 스폿 사이즈, 원형도, 비점수차, 포커스 높이, 빔 웨이스트 및 빔 축 포지션 중 적어도 하나인, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 측정 데이터에 기초하여, 상기 제어기로부터 상기 제2 AOD로 출력된 상기 제어 명령은 상기 제1 AOD에 의해 야기된 빔 비점수차를 보정하도록 작동하는, 방법.
  21. 레이저 빔 특성을 제어하는 방법으로서,
    레이저 에너지 빔을 생성하는 단계;
    AOD를 사용하여, 빔 경로를 따라 상기 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계 - 상기 AOD는 상기 레이저 에너지 빔의 제1 특성을 변경시키도록 작동하며, 이에 의해 상기 레이저 에너지 빔의 제2 특성을 변경함 -;
    상기 빔 분석 시스템을 사용하여, 상기 제2 빔 특성을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제2 빔 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계;
    상기 빔 분석 시스템으로부터 제어기로 상기 측정 데이터를 송신하는 단계; 및
    상기 측정 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제어기로부터 상기 AOD로 제어 명령을 출력하는 단계를 포함하고, 상기 AOD는 상기 제2 빔 특성에서의 상기 변경의 크기(magnitude)를 감소시키도록 작동하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 AOD는 한 쌍의 AOD를 포함하는, 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 제1 빔 특성 및 상기 제2 빔 특성은 빔 직경, 스폿 사이즈, 원형도, 비점수차, 포커스 높이, 빔 웨이스트 또는 빔 축 포지션 중 적어도 하나인, 방법.
  24. 방법으로서,
    측정 단계 동안:
    제어기로부터 레이저원으로 전송된 제어 명령에 기초하여 복수의 레이저 펄스를 생성하는 단계;
    상기 제어기로부터 AOD로 전송된 AOD 제어 명령에 기초하여, 상기 AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 상기 음향 신호는 상기 복수의 레이저 펄스 중 적어도 하나의 레이저 펄스를 회절시키도록 구성됨 -;
    상기 복수의 회절된 레이저 펄스의 적어도 하나의 특성을 측정하는 단계 - 상기 측정하는 단계 동안, 상기 제어 명령과 상기 AOD 제어 명령 사이의 타이밍 오프셋을 조정함 -;
    각 회절된 레이저 펄스에 대한 상기 적어도 하나의 측정된 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 측정 데이터의 적어도 하나의 측정 데이텀(datum)을 각 회절된 레이저 펄스와 연관된 상기 타이밍 오프셋과 상관시키는 단계;
    작업물 가공 단계 동안:
    레이저 펄스를 생성하는 단계;
    AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 상기 음향 신호는 상기 복수의 레이저 펄스 중 적어도 하나의 레이저 펄스를 회절시키도록 구성됨 -; 및
    상기 적어도 하나의 회절된 레이저 펄스를 작업물로 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 제어 명령과 상기 AOD 제어 명령 사이의 상기 타이밍 오프셋은 기준 특성과 미리 결정된 관계를 갖는 상기 측정 단계에서의 상기 측정 데이터와 상관되었던 타이밍 오프셋에 대응하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 음향 신호는 처핑된(chirped) 음향 신호인, 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 음향 신호는 비-처핑된 음향 신호인, 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 복수의 회절된 레이저 펄스의 상기 특성은 펄스 반복률, 빔 직경, 스폿 사이즈, 원형도, 비점수차, 포커스 높이, 빔 웨이스트 또는 빔 축 포지션 중 적어도 하나인, 방법.
  28. 방법으로서,
    측정 단계 동안:
    레이저 에너지 빔을 생성하는 단계;
    AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 상기 음향 신호는 상기 레이저 에너지 빔을 회절시키도록 구성됨 -;
    상기 회절된 레이저 에너지 빔의 적어도 하나의 특성을 측정하는 단계;
    상기 회절된 레이저 에너지 빔에 대한 상기 적어도 하나의 측정된 특성을 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계;
    상기 측정 데이터의 적어도 하나의 측정 데이텀을 상기 회절된 레이저 에너지 빔과 연관된 하나 이상의 시스템 작동 매개변수의 기준 값과 상관시키는 단계;
    작업물 가공 단계 동안:
    상기 AOD 내에서 음향 신호를 생성하는 단계 - 상기 음향 신호는 상기 레이저 에너지 빔을 회절시키도록 구성됨 -; 및
    상기 레이저 에너지 빔을 작업물로 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 레이저 에너지 빔의 상기 특성은, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 특성과 미리 결정된 관계를 갖는 상기 측정 단계에서의 상기 측정 데이터와 상관되었던 상기 시스템 작동 매개변수 중 적어도 하나의 기준 값에 대응하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 특성은 펄스 반복률, 빔 직경, 스폿 사이즈, 원형도, 비점수차, 포커스 높이, 빔 웨이스트 또는 빔 축 포지션 중 적어도 하나인, 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 시스템 작동 매개변수는 RF 신호 처프 레이트(chirp rate), 음향 신호 처프 레이트 및 펄스 반복률 중 적어도 하나인, 방법.
  31. 레이저 빔 비점수차를 보정하기 위한 방법으로서,
    레이저 에너지 빔을 생성하는 단계;
    제1 AOD를 사용하여, 빔 경로를 따라 상기 레이저 에너지 빔을 빔 분석 시스템으로 지향시키는 단계;
    상기 빔 분석 시스템을 사용하여, 상기 레이저 에너지 빔의 빔 비점수차를 측정하는 단계;
    상기 빔 분석 시스템을 사용하여, 상기 레이저 에너지 빔의 상기 측정된 빔 비점수차를 표현하는 측정 데이터를 생성하는 단계;
    상기 측정 데이터를 제어기로 송신하는 단계; 및
    상기 제어기로부터 제2 AOD로 제어 명령을 출력하는 단계를 포함하고, 상기 제어 명령은 상기 측정된 빔 비점수차를 보정하기 위해 상기 제2 AOD를 작동시키도록 작동하는, 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제2 AOD는 상기 측정된 빔 비점수차를 보정하기 위해 상기 레이저 에너지 빔에 단일 축 포커싱 텀(single axis focusing term)을 적용하는, 방법.
  33. 검류계 미러(galvanometer mirror)의 교차축 워블(cross-axis wobble)의 특성화를 위한 시스템으로서,
    기준 레이저 빔을 방출하도록 구성되는 기준 레이저원;
    상기 검류계 미러 상에 형성되고, 상기 기준 레이저 빔을 반사된 빔으로 반사시키도록 구성되는 반사 표면; 및
    기준 스폿에서 상기 반사된 빔을 수신하고 상기 기준 스폿의 포지션을 표현하는 신호를 제어기에 출력하도록 구성되는 보조 센서(auxiliary sensor)를 포함하는, 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 보조 센서는 쿼드-셀 광 검출기, 듀얼-셀 광 검출기 및 연속 포지션 감지 검출기 및 빔 분석 시스템으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
  35. 검류계 미러의 교차축 워블을 보정하는 방법으로서,
    기준 레이저원으로부터 기준 레이저 빔을 방출하는 단계,
    - 상기 기준 레이저 빔은 상기 검류계 미러 상에 형성된 반사 표면 상에 입사함 -; 및
    기준 스폿에서 반사된 레이저 빔을 수신하고 상기 기준 스폿의 포지션을 표현하는 신호를 제어기에 출력하도록 구성되는 보조 센서로 상기 반사된 레이저 빔을 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 기준 스폿의 상기 포지션을 표현하는 상기 신호를 수신하고, 상기 교차축 워블에 대한 보상을 계산하고, 상기 교차축 워블을 보정하기 위해 AOD 시스템을 작동시키기 위한 명령을 상기 AOD 시스템에 출력하는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 보조 센서는 쿼드-셀 광 검출기, 듀얼-셀 광 검출기 및 연속 포지션 감지 검출기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  37. 제35항에 있어서, 상기 보조 센서는:
    반사 표면이 형성되는 토큰 - 상기 반사 표면은 빔 경로를 따라 전파되는 입사 1차 빔의 적어도 일부를 반사하도록 구성됨 -;
    상기 반사 표면에 형성되는 복수의 개구,
    - 상기 토큰은 상기 반사 표면보다 레이저 에너지 빔에 더 투과성인 재료로 형성됨 -; 및
    상기 토큰의 광학적으로 다운스트림에 배열되는 광 검출기 어셈블리를 포함하는 빔 분석 시스템인, 방법.
  38. 빔 분석 시스템으로서,
    반사 표면이 형성되는 토큰 - 상기 반사 표면은 빔 경로를 따라 전파되는 입사 1차 빔의 적어도 일부를 반사하도록 구성됨 -;
    상기 반사 표면에 형성되는 복수의 개구,
    - 상기 토큰은 상기 반사 표면보다 레이저 에너지 빔에 더 투과성인 재료로 형성됨 -; 및
    상기 토큰의 광학적으로 다운스트림에 배열되는 광 검출기 어셈블리를 포함하는, 빔 분석 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 상기 개구는 상기 광 검출기 어셈블리로 전파될 수 있는 시스템 산란(system scatter)의 수집을 최소화하기 위해 서로 충분한 거리만큼 떨어져 상기 반사 표면에 배열되는, 빔 분석 시스템.
  40. 레이저 가공 장치로서,
    레이저 에너지 빔을 생성하도록 작동하는 레이저원 - 상기 레이저 에너지 빔은 빔 경로를 따라 전파 가능함 -;
    상기 빔 경로 내에 배열되는 음향-광학 편향기(AOD) - 상기 AOD는 제1 방향을 따라 상기 빔 경로를 편향시키도록 작동함 -;
    상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 상기 빔 경로를 편향시키도록 작동하는 검류계 미러;
    상기 AOD 및 상기 검류계 미러에 커플링되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 검류계 미러에서 교차축 워블을 유도하기 위해 상기 검류계 미러의 작동을 제어하고 상기 교차축 워블을 보정하기 위해 상기 AOD의 작동을 제어하도록 작동하는, 레이저 가공 장치.
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