TW201446373A - 用於雷射射束定位系統的相位陣列操縱 - Google Patents

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Abstract

一種以雷射為基礎樣本的處理系統(112)的雷射射束定位系統(110)自一全光纖耦接光學相位陣列雷射射束操縱系統(80)在射束定位器載台(124)處產生一操縱雷射輸入射束(106)。系統(110)透過一或更多其它射束定位器載台(130、131、134)來導引射束(106)以形成一處理雷射射束(116)，其處理安裝在一支撐件(122)上的工件(120)的目標特徵(118)。

Description

用於雷射射束定位系統的相位陣列操縱 相關申請案之交互參考
本申請案係2013年3月15日所提申，並命名為“第四射束操縱”之美國臨時專利申請案號61/789,580之利益，在此將其全體一併整合參考之。
著作權公告
2014電子科學工業有限公司著作權(©2014 Electro Scientific Industries,Inc)。本專利文件的一部分揭示包含受著作權保護的材料。在受著作權保護的材料出現於該專利和商標局的專利檔案或記錄文件中時，該著作權擁有者不抗議由該專利文件或該專利揭示的任何人產生複製品，但不管如何在其它方面則保留所有著作權權利。37 CFR § 1.71(d)條款。
本揭示關於雷射處理工件特徵，且特別地，關於用於高功率雷射微機器製造系統的相位陣列操縱。
某些雷射處理應用執行一工件上的規律間隔目標位置圖案的處理。例如，某些太陽電池處理應用涉及依一規律間隔網格圖案鑽取穿 透該矽晶圓的通孔。這些應用的客戶尋求每秒幾千通孔層級的非常高生產能力。
在這些應用中的通孔間隔係相當緊密，在0.25-1毫米層級上。該整體處理區域係顯著的，典型地為150x150毫米平方晶圓。因此，該雷射處理系統藉由快速鑽取該緊密間距通孔來處理本區域。這類系統精確度係在3-20微米層級。每一個通孔的鑽取時間視雷射特徵(波長、脈衝頻率、脈衝功率和脈衝寬度)、通孔直徑和基板材料與厚度而定。然而，該鑽取時間典型地係在0.1-0.5毫秒層級。通孔直徑典型地係在15-50微米層級。
典型的傳統處理系統方式依靠以電流計(galvo)為基礎定位的該雷射處理射束，不是單獨(使用一非常大的電流計領域)就是選擇性地結合著一第二可移動載台(並藉此允許一相當小的電流計領域)。更近地，一第三聲光偏轉器(AOD)載台已被配置。然而，注意到這些主要、第二和第三射束操縱方式具有某些限制。
一第一系統構造配置使用涵蓋該整個工件的單一大電流計領域的以電流計為基礎的處理雷射射束定位。本配置不是一非常大的掃描鏡片就是一後鏡片掃描系統。在任一案例中，該電流計典型地以一固定速度將該處理射束移動過該整個工件，且一控制器向每一個通孔位置發射一雷射脈衝卻不停止該電流計。一相當小脈衝量被使用於每一個通孔，因而一些處理操作被執行以徹底地鑽取每一個通孔。據此，一規律間隔目標通孔位置圖案改善處理時間。因為電流計轉向只發生在該工件邊緣處，故本方式避免該時序上射部分和慣常電流計加速度和減速度的熱效應。在該工件表面的雷射焦點(或簡稱為焦點)未因該自由間隔光學儀器而太失真並保 持成焦點的角度偏轉範圍測量值典型地係介於橫跨一掃描軸的1,000至10,000焦點寬度(或簡稱為焦點)之間。
若一非常大型掃描鏡片被使用以涵蓋該整個工件領域，則該大型鏡片係遭遇到起因於搭配高功率雷射射束進行工作的光學儀器熱量所引起的精確度下降。該大型鏡片也使用一大型射束直徑以得到該要求工件表面焦點尺寸。這類大型射束直徑使用大型電流計，其接著承受起因於移動具有大型(高慣性)電流計的大型(高慣性)反射鏡的較低熱效率的精確度效應損失。
若該後鏡片掃描系統被使用以涵蓋該整個工件領域，則該鏡片熱精確度效應被減少。然而，該處理系統承受該非遠心射束傳送效應損失，其降低該鑽孔品質。甚至，減少這類遠心錯誤可藉由維持一長焦距而得，其必須使用一大型射束直徑以得到該要求工件表面焦點尺寸。這個導致類似上述那些因為在這類系統中運用該些大型電流計所導致的熱精確度議題。若遠心錯誤不重要，則某人可使用較短焦距鏡片並避免因使用一動力聚焦構件所產生的不平聚焦領域問題。本方式缺點包含成本代價；複雜；該聚焦構件的不精確性貢獻；用於非常高速應用的聚焦構件成本；及殘留遠心錯誤。
一第二系統構造係一複合定位系統，其中，一小型電流計領域(典型地約為20毫米平方)係結合將一電流計頭部移動過該工件(不是透過一X-Y工件表格就是經由一交叉軸可移動光學儀器架構)上方的結構性機械裝置來配置之。如在該第一系統構造中地，該電流計可以一固定速度掃過該些通孔，在每一個通孔產生該處理雷射射束脈衝，以避免停在每一個通 孔位置的上射部分。在該電流計快速掃過它的領域時，該電流計用掉顯著時間於該掃描場邊緣進行加速並減速。本時間支出引起生產能力上的顯著減少，且若高加速度被使用於減少該轉向時間，則熱加熱該電流計降低精確度並對可得加速度放置一上限。然而，該第二系統構造確實具有較高精確度(起因於搭配該較小掃描鏡片的減少鏡片失真)、改善通孔品質(起因於該較小、較低失真掃描鏡片和該遠心掃描場)及潛在性高射束定位速度(起因於小電流計和反射鏡)的優勢。然而，本方式也許會因為上述視使用於處理每一個通孔的雷射脈衝數量而定的生產能力限制而無法實行。
在一第三射束位置載台中的聲光偏轉器具有較電流計(約.5千赫)大約三階大小的頻寬(約1兆赫)。因此，聲光偏轉器致能用於該些電流計錯誤校正以及在它們偏轉(大約10至50焦點)範圍內的非常快速射束操縱。但是，該些習知雷射(對於目前發展中的實驗性雷射更是如此)狀態以越來越快的重複速率(例如，自幾個兆赫至幾千個兆赫)提供越來越高的功率。同時，一些雷射可快速地進一步藉由增加重複速率徹底地超過1兆赫來縮放功率並藉此可到達1.6兆赫及以上的最大平均功率。這些頻寬超過用以完全地在空間上分開每一個脈衝與它相鄰脈衝的第三射束定位系統能力。完全地分開脈衝係由該雷射微機器製造領域的許多程序所使用，但若脈衝部分重疊，則發生下列二種負面效應：局部熱累積取消超快雷射所提供的熱消融有利效應並具有脈衝-羽狀物相互作用。
一種用於導引一雷射射束朝向一工件上的目標位置以回應一位置命令的設備，包含：一低頻寬定位器載台，導引相對於彼此的工件 和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的低頻部分；一中頻寬定位器載台，導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的中頻部分；及一高頻寬定位器載台，包含架構來對相對於該工件的雷射射束進行相位陣列操縱以回應該位置命令的高頻部分的一相位調變器陣列。
一種用於導引一雷射射束來處理一工件上的目標位置以回應一位置命令的方法，必須：導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的低頻部分；導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的中頻部分；及利用一相位調變器陣列對相對於該工件的雷射射束進行相位陣列操縱以回應該位置命令的高頻部分。
一種對安排成一緊密間隔圖案的工件特徵實現高生產能力雷射處理並極小化工件特徵處理不精確和品質下降的方法，該不精確和品質下降起因於工件特徵處理期間在導引該雷射射束的雷射射束定位和光學元件上的動力和熱負載，包含定位一支撐件上的工件，該工件具有定義一處理表面區域的處理表面；導引一雷射射束至一射束定位系統以提供一處理雷射射束入射在該工件的處理表面上的特徵位置處，該射束定位系統包含一可移動載台及第一和第二射束定位器，其搭配該可移動載台來處理該工件處理表面上的特徵位置處的一緊密間隔圖案中的工件特徵，該第一射束定位器具有一第一響應時間與可操作來定位該處理表面的掃描場區域內的處理雷射射束，且該第二射束定位器包含具有一第二響應時間與可操作來相位陣列操縱該處理射束行進至該掃描場區域內的位置，該第二響應時間係短於該第一響應時間；及協調該可移動載台、該第一射束定位器和該 第二射束定位器的操作以定位該掃描場區域內的處理雷射射束並移動該掃描場區域以涵蓋該處理表面。
額外觀點及優勢會顯而易見於參考該些附圖所進行的下列較佳實施例詳細說明中。
10‧‧‧系統
14‧‧‧主振盪器功率放大器結構
16‧‧‧雷射射束
18‧‧‧分束器
20‧‧‧子束
22‧‧‧相位調變器陣列
24‧‧‧操縱電子儀器
26‧‧‧子束
30‧‧‧板條耦合光學波導半導體放大器
32‧‧‧轉換鏡片
36‧‧‧回饋路徑
38‧‧‧輸出路徑
40‧‧‧放大器
42‧‧‧維修期開關
44‧‧‧隨機並行梯度下降控制器
46‧‧‧電流驅動器
50‧‧‧多核心光子晶體光纖
52‧‧‧空氣毛細管
58‧‧‧空氣毛細管
56‧‧‧鐿摻雜核心
60‧‧‧子束能量
62‧‧‧子束能量
80‧‧‧光纖耦合光學雷射射束操縱系統
84‧‧‧種子雷射
86‧‧‧低功率雷射脈衝
88‧‧‧分束器
90‧‧‧子束
92‧‧‧相位調節器陣列
94‧‧‧操縱電子儀器
96‧‧‧子束
100‧‧‧單模波導
102‧‧‧多核心光子晶體光纖
104‧‧‧泵驅動器
106‧‧‧操縱射束
110‧‧‧雷射射束定位系統
112‧‧‧以雷射為基礎樣本的處理系統
116‧‧‧處理雷射射束
118‧‧‧目標特徵
120‧‧‧工件
122‧‧‧支撐件
124‧‧‧射束操縱載台
130‧‧‧以反射鏡為基礎的射束定位器
131‧‧‧零慣性光學偏轉器載台
132‧‧‧零慣性光學偏轉器
134‧‧‧可移動載台
136‧‧‧目標特徵位置
138‧‧‧處理表面
140‧‧‧X軸方向
142‧‧‧Y軸方向
144‧‧‧中繼鏡片
146‧‧‧掃描鏡片
150‧‧‧掃描場區域
152‧‧‧動作線
160‧‧‧控制器
圖1係一維雷射射束操縱系統的方塊圖。
圖2係顯示一多核心光子晶體光纖剖面的掃描式電子顯微鏡的顯微照相描繪圖。
圖3、圖4、圖5和圖6係由圖2多核心光子晶體光纖所傳送的二射束輪廓對描繪圖，每一對包含一近場和遠場描繪。
圖7係該揭示光纖耦合光學雷射射束操縱系統實施例的硬體構造方塊圖。
圖8係該揭示雷射射束定位系統實施例的硬體構造方塊圖。
圖9、圖10、圖11和圖12係用於圖8雷射射束定位系統的偏轉效率與偏轉位置相對應圖，所示虛線指示用以使橫跨一相位陣列操縱掃描場的射束強度平坦的千兆赫振幅調變效應。
一聲光偏轉器的速度基本上受到聲波速度所限制。這個限制將目前聲光偏轉器限制至約1兆赫頻寬，許多像電流式反射鏡對者被限制至約2.5兆赫頻寬。該約1兆赫頻寬致能操作在低於1兆赫(典型地低於500千赫)重複速率的Q開關雷射的單焦點配置控制，但二極體種子調變和鎖模 雷射係可操作於幾十兆赫範圍並輕易地擴大至幾百兆赫範圍。
為了提供這些較高重複速率，在此所述某些實施例包含具有用以將雷射射束位置系統的操縱速度能力增加至超過1千兆赫速率的全光纖耦合光學技術的超快相位陣列操縱。因為本高許多的頻寬之故，本方式致能在該雷射脈衝它本身(也就是，脈衝內射束操縱)持續期間內的操縱超過約1奈秒的雷射脈衝持續期間。因此，小的二維特徵可經由超快操縱單一脈衝在該工作表面上進行處理，而非透過將多個分立脈衝序列地放置成該要求圖案。因為該非常高工作表面速度之故，該雷射材料相互作用-尤其關於它的流體動力學方面-可以不可輕易取得方式，利用較慢重複速率所傳送的序列脈衝配置或較長脈衝寬度來量身定做。
一運用相位陣列操縱及全光纖耦合光學儀器的這類系統範例係參考圖8來描述之。然而，最初，相位陣列操縱及全光纖耦合光學儀器實施例係參考圖1-7來介紹之。最後，參考至圖9-12，實施例被描述以使用具有全光纖耦合光學技術的相位陣列操縱來取得具有高達千兆赫頻寬的相對偏轉效率校正。
相位陣列操縱係以相對較長電磁波長建立的科技，因此，通常使用於例如雷達中。觀念上，相位陣列操縱原理也可被應用至相對較短光學波長-尤指紅外線、可見光和紫外線波長-通常使用於該高功率雷射微機械製造領域。
McManamon等人描述於IEEE會議記錄第97冊第6期第1078頁至第1096頁(2009)，命名為“用於窄頻帶電光系統的相位陣列操縱論述(A Review of Phased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems)”報告 中的在相位陣列操縱背後的物理學。大體上，相位陣列操縱係依據垂直於它的波前的雷射射束傳播。據此，一操縱波前可藉由使用延遲一些子束而非其餘者的相位調變器陣列自一些個別緊密包裝的鎖相發射器射束(所謂子束)中建立之，該些延遲子束接著被結合以發展出該塑造(操縱)波前。這個因為延遲該波前的一些部分而有效地傾斜該波前，並藉此操縱該所致結合射束。電流相位調變器具有大於1千兆赫的頻寬，其係快於聲光偏轉器幾層級大小，藉此提供複合射束定位系統在頻寬階層中的下一階級。
包含一雷射、一前置放大器和一相位調變器陣列以進行相位陣列操縱的電光相位陣列操縱系統的完全整合在晶片上版本已由Doylend等人描述於Optics Letters第37冊第20期第4257頁至第4259頁(2012)，命名為“具有整合一維自由間隔射束操縱的混合第三族/第四族矽光子源(Hybrid III/IV silicon photonic source with integrated 1D free-spaced beam steering)”報告中。然而，本系統操作於相當低的雷射功率。
微機械製造典型地依靠高於一相位調變器陣列可操控的平均和高峰功率。較高功率係藉由在該雷射放大載台之前提供相位調變而得。給予該相位調變實際上操縱該射束，若允許該操縱射束如同它子束的相干總和般地來傳播，則在相位調變後的放大係重要的。例如，不具有一大型板條放大器，該操縱射束可被操縱於該高增益放大區域之外。另一方面，具有包括該射束操縱偏轉範圍整個寬度的同質放大區域的大型板條放大器會因為該整個應用區域會需要被注入而變得無效率，即使在該射束正前進至那個區域中一相當小部分的任一時刻時亦然。
相位調變後的放大已說明於麻省理工學院的林肯實驗室。在 光學快遞期刊第20冊第16期第17311頁至第17318頁(2009)，命名為“來自一6構件光學相位陣列的高速高功率一維射束操縱”的報告中，Huang等人描述且圖1顯示包含一主振盪器功率放大器(MOPA)結構14來產生經由一分束器18所分割成為未操縱子束的一雷射射束16的系統10。該些子束20係個別地導引至可操作耦合至操縱電子儀器24的相位調變器陣列22。該些電子儀器24指示該陣列22中的一些調變器來延遲該些子束20中的相對應者，並藉此產生相位陣列操縱子束26。該些子束26進入一板條耦合光學波導半導體放大器(SCOWAs)30陣列，透過該放大載台來放大，被聚焦在一轉換鏡片32，以及朝向一回饋路徑36和一輸出路徑38來射出。
該些板條耦合光學波導半導體放大器30的波導天性抑制該些相位陣列操縱子束26傳送至該些板條耦合光學波導半導體放大器30的行動。然而，由於涉及的本體(板條耦合)光學儀器和在該些板條耦合光學波導半導體放大器30中的個別分立放大器40的獨一無二放大特徵之故，使該相位漂移產生規律性維修期，其間，一維修期開關42暫時使相位陣列操縱操作失能並啟動一隨機並行梯度下降(SPGD)控制器44演算法來對一電流驅動器46執行維修調整。
維修重新建立(例如，校準)在該些板條耦合光學波導半導體放大器30出口處的子束26之間的相位關係。在主動鎖相補償重新定相維修操作期間的時期放慢該微機械製造程序。在該公開報告中，該系統10的操作工作週期係66%。而本工作週期可被改善時，該些分立放大器40仍會隨時產生實質差動相位漂移。
為了得到減少的可貢獻至一本體放大器的差動相位漂移，一 多核心光子晶體光纖(MC-PCF)50(剖面示於圖2中)不是可提供一被動鎖相放大就是可提供一主動鎖相放大。該多核心光子晶體光纖50包含其捕抓在該多核心光子晶體光纖50中的泵源能量(未顯示)的周邊空氣毛細管52、七個鐿摻雜核心56及抑制傳送至該些核心56的低或高子束能量60、62(圖3至圖6)的繞射能量損失但仍允許泵源能量自由地移動並藉此放大該些傳送子束能量60、62的相當小的空氣毛細管58。
在光學通訊期刊第35冊第14期第2326頁至第2328頁(2010)，命名為“經由多核心光子晶體光纖內的鎖相放大產生150百萬瓦、110飛秒脈衝”報告中，Fang等人描述在縮放光子晶體光纖內的有效模區域背景中使用一多核心光子晶體光纖以致能較高峰值功率。該報告描述且圖3至圖6顯示使用已短暫性地耦合核心以致能核心之間的被動鎖相的多核心光子晶體光纖。例如，圖3和圖4係各自以一20瓦泵功率產生多核心光子晶體光纖輸出的近場和遠場射束輪廓圖，未顯示被動鎖相；而圖5和圖6顯示以一60瓦泵功率產生的被動鎖相。換言之，圖3顯示在核心之間的相位係隨機，藉此在圖4射束輪廓中產生雜訊；而圖5顯示該相位係穩定的，以產生圖6中的純高斯射束輪廓。
圖5和圖6所示的被動鎖相技術減少花費在主動相位穩定上的資源。進一步，一多核心光子晶體光纖具有一固有地高包裝密度，其意謂著在該有效光發射器之間具有相當小的距離(及執行效率差異)。較於該些側面波瓣的能量比值，該高包裝密度相維持該遠場中心波瓣內含高能量比值。
圖7根據本揭示一實施例顯示具有使用一全光纖耦合光學 波導和多核心光子晶體光纖放大器進行相位調變之後的放大的光纖耦合光學雷射射束操縱系統80。
一種子雷射84產生具有飛秒、微微秒或奈秒脈衝寬度持續期間和自1千赫至1千兆赫範圍內脈衝重複速率的可變(透過具有1千兆赫頻寬的馬赫瑞德(Mach Zehnder)干涉計)低功率雷射脈衝86。奈秒脈衝時序允許如參考至圖9至圖12所述地根據一奈米週期來改變該可變強度。該種子雷射84可為任何低功率雷射，但一實施例包含可由奧勒岡州波特蘭(Portland)市電子科學工業有限公司的本揭示受讓者取得的PyroPhotonics 2瓦雷射。
可由德國耶拿(Jena)市Jenoptik公司取得的分束器將雷射脈衝86分割成一些子束90。該些子束90被個別導引至可操作耦合至類似於該系統10那個的操縱電子儀器94的相位調變器陣列92。
該相位調變器陣列92可為具有多個輸入和輸出的單一陣列裝置或由珍諾第克公司取得的一些個別(分立)調變器所建構的陣列。另一實施例使用由法國貝桑松(Besancon)市Photline公司取得的NIR-MPX-LN-05調變器。一雷射可被相位陣列操縱的速度係以該些相位調變器速度為條件。前述調變器目前具有超過1千兆赫頻寬，其係較目前可取得的最快機械性、電流計或聲光偏轉器/電光偏轉器雷射處理射束操縱科技快幾層級大小。
在該些子束96透過該陣列92朝向一三維單模波導100移動時，該相位調變器陣列92產生該些子束96之間的相位差異。一合適波導係可由英國利文斯頓(Livingston)市OptoScribe公司取得。該波導100係光纖耦合於該陣列92和具有7至21核心(未顯示)範圍的多核心光子晶體光纖102之間。該多核心光子晶體光纖102包含如前述參考至圖2至圖6般地經由一 泵驅動器104注入的多核心光纖(或一多核心光子光纖棒)。用於該電信工業的多核心光纖係正由例如日本東京市電信電話株式會社(NTT Communications of Tokyo,Japan)發展中。同時具有下列能夠產生多核心光子晶體光纖棒的公司：丹麥比克勒(Birkerd)市NKT Photonics A/S公司；法國拉尼翁(Lannion)市Photonics Bretagne公司；加拿大魁北克市INO公司。
該系統80的全光纖接合射束路徑提供具有高增益和高平均與高峰功率相容性的操縱射束106。該多核心光子晶體光纖102的緊密包裝放大器核心減少該多核心光子晶體光纖102放大器的相對相位漂移。該全光纖耦合系統80不具有自由空間光學儀器並因此在相較於該系統10時更穩定。
相位陣列操作技術不需取代聲光偏轉器或任何其它第三射束操縱科技-雖然技術上而言，它的執行能力和特性基本上係可調整來取代或補充現存射束定位系統。然而，做為一現存雷射射束定位系統的一部分，相位陣列操縱可被整合成提供增強的下一射束操縱頻寬層的第四(第四)射束操縱元件載台。硬體構造
圖8根據一實施例顯示一以雷射為基礎樣本的處理系統112的雷射射束定位系統110硬體構造。該射束定位系統110自該系統80產生該相位陣列操縱雷射輸入射束106，並導引它以形成一處理雷射射束116，其處理安裝於支撐件122上的工件120的目標特徵118(例如，通孔)。
該射束定位系統110包含具有該系統80的一射束操縱載台124、一以反射鏡為基礎的射束定位器130、具有一零慣性光學偏轉器132(例如，一聲光偏轉器)的一零慣性光學偏轉器載台131、及一可移動載台134， 用以導引該處理射束116來處理在該工件120的工作表面138上的目標特徵位置處的目標特徵118。這四個載台具有下列特徵。
該主要可移動載台134具有約100赫頻寬及(理論上)無限焦點數量的一射束偏轉範圍。儘管一些載台特徵在偏轉方面，但可移動載台134例如移動一射束且嚴格來說並未偏轉射束。該可移動載台134支撐該電流計頭部130、該聲光偏轉器132和該系統80，且係給予該可移動載台134沿著一X軸方向140並沿著一Y軸方向142移位的套件的一部分。
該第二(電流計)以反射鏡為基礎的射束定位器載台130具有約2.5千赫頻寬。它的偏轉範圍在橫跨一掃描軸各處係約1,000焦點(或更大)層級。因此，它的偏轉區域就焦點平方而言係約1,000焦點(或更大)x 1,000焦點(或更大)。該以反射鏡為基礎的射束定位器130可為一二軸快速操縱反射鏡(FSM)或一二軸電流計射束定位器頭部，後者被使用於所述實施例中。一合適範例性快速操縱反射鏡係一PI S330壓力尖端/傾斜平臺，其可由德國卡爾斯魯/龐巴(Karlsruhe/Palmbach)市的Physik Instrument GmbH & Co.KG公司取得。一合適電流計係一6230 H電流計，其係可由麻州萊辛頓(Lexington)州的Cambridge Technology公司取得。
該第三零慣性光學偏轉器載台131具有100千赫至1兆赫範圍頻寬和一約10-100 x約10-100焦點的偏轉區域。一合適範例性聲光偏轉器係一Neos 45100-5-6.5 DEG-.51一維偏轉器，其係可由佛羅里達州墨爾本(Melbourne)市的Neos Technologies公司取得。
該第四相位陣列操縱載台124具有超過1千兆赫頻寬和一7-19焦點偏轉區域。這個焦點區域或掃描場係相依於該系統80中的有效相 位調變器/放大器核心數量。儘管目前相當地貴，然該相位調變器數量理論上係無限，其說明相位陣列操縱可取代較慢載台。
該系統110包含額外元件。例如，傳統中繼鏡片元件144被定位以在該聲光偏轉器132偏轉該操縱射束之後且它入射在該電流計頭部130之前，調節該操縱射束106。該中繼鏡片144將自該聲光偏轉器132傳送的操縱射束106的“樞軸點”轉發至該電流計頭部130的掃描反射鏡表面。該中繼鏡片144係選擇性的，視該聲光偏轉器132的角度偏轉範圍及該射束路徑長度而定。該中繼鏡片144的目的係減少撞擊在該電流計掃描反射鏡上的射束偏轉。該射束應撞擊在該電流計掃描反射鏡中心上，以在該射束未居中時，抑制焦點失真和掃描場失真。另一類似中繼鏡片系統可被放置於該相位陣列操縱系統80和該聲光偏轉器132之間。
一掃描鏡片146被定位以在該電流計頭部130偏轉該處理射束之後且它入射在該工件120的處理表面138之前，調節該處理射束116。
該電流計頭部130係由用以定義該處理射束116所涵蓋處理表面138的一掃描場區域150的X-Y移位限制所特徵化。該掃描場區域150沿著每一軸維大小係介於1毫米至50毫米範圍。回應至施用射頻功率，聲光偏轉器132偏轉該操縱射束106以沿著一軸(也就是，X軸)來移動該處理射束116，以處理沿著該掃描場區域150內的處理頻帶152座落的多個目標特徵118。該可移動載台134將它整體旋轉過該處理表面138上方的掃描場區域150以處理該工件120的全部目標特徵118。
一控制器160協調該系統80、該聲光偏轉器132、該電流計頭部130和該可移動載台134的操作。因此，操作該射束定位系統110以根 據該控制器160所協調的下列射束定位序列來移動該處理射束116而形成該些通孔118。
起初，該系統80操縱該射束106，且該聲光偏轉器132偏轉該操縱射束106，使得該處理射束116移動於該X軸方向140以沿著該處理頻帶152以一作用線(LOA)152形式來處理該些通孔位置136處的一通孔118線。該處理射束116停留在該些位置136中的每一者上，較佳地持續到足以利用小量(例如，1-5個)雷射脈衝來穿孔以鑽取該通孔118的時間。
在完成沿著該作用線152鑽取一通孔118線後，該電流計頭部130立即定位該處理射束116的作用線152以重複該系統80和該聲光偏轉器132的射束偏轉操作，以鑽取該掃描場區域150中的通孔位置136處的一相鄰通孔118線。定位該作用線152和鑽取一通孔118線被重複，直到完成該掃描場區域150所包括全部通孔118線的鑽取為止。該可移動載台134旋轉過該處理表面138上方的掃描場區域150以涵蓋該些未鑽取通孔位置136並由該處理雷射116致能它們的鑽孔以不是回應來自該系統80、該聲光偏轉器132就是兩者的射束偏轉。額外射束定位序列操作係描述於讓渡給電子科學工業有限公司，也是本揭示受讓人的美國專利號8,680,430中。
在一替代性配置中，控制器160可協調可移動載台134和電流計頭部130的動作以將作用線152維持在處理表面138上的一固定位置處，即使在可移動載台134正在移動中亦然。由複合射束定位器系統達成的這類操作描述於美國專利號5,798,927和5,751,585中，其兩者係讓渡給電子科學工業有限公司。
該系統80的相位陣列操縱操作快速地定位該處理射束116 至下一相鄰通孔位置1336且藉此有效地消除沿著該作用線152的通孔位置136之間的移動時間，並允許該處理雷射射束116停留在每一個通孔位置136來進行處理。本移動及停留能力允許該聲光偏轉器132和該電流計頭部130暫停或減慢處理該些通孔位置136時的掃描場區域150定位。
圖9至圖12針對一範例性相位陣列操縱系統設計顯示橫跨該示範性系統的掃描場的焦點尺寸效率對偏轉圖形。該些圖形顯示在一相位陣列操縱系統增加射束偏轉時，該操縱射束損失能量且在微機械製造上變得較無效率。為了將橫跨該相位陣列操縱系統的掃描場工作表面維持固定能量，一種子雷射輸出功率係根據偏轉範圍並同步(同時地)於該偏轉控制進行調變，以補償該偏轉效率變化。本脈衝間或脈衝內振幅調變係以與該相位調變器陣列92那個相同的1千兆赫頻寬來執行之。因此，脈衝間及脈衝內振幅調變可同步於相位陣列操縱，使得以高達1千兆赫傳送的脈衝係根據該偏轉量進行振幅調變，藉此補償貢獻至高偏轉的效率損失。虛線180指示傳送一改善振幅調變脈衝。
除了操縱外，相位陣列操縱還提供用以執行射束塑形的能力。例如，取代使用一線性相位延遲輪廓來控制陣列92的調變器，一拋物線相位顏遲輪廓可被使用於聚焦或散焦一焦點。但理論上，任何波前類型可產生於該些相位調變器和一多核心光子晶體光纖中核心包裝密度所給予的空間解析度內，其意謂著某一波前失真補償及某一射束塑形係落在本揭示範圍內。這些技術可被擴大至用於(目前)大於1奈秒的脈衝寬度持續時間的脈衝內射束塑形。在脈衝內射束塑形內，脈衝起始係聚焦於一區域且該脈衝結尾係聚焦於另一區域。
該射束定位系統100的優勢包含於下。該射束定位系統110提供高生產能力處理該規律間隔工件特徵118，同時將起因於該射束定位和光學元件上的動力和熱負載所產生的精確度和工件特徵品質下降極小化。該射束定位系統100可取得1千兆赫頻寬，以及射束操縱和塑形。射束操縱和塑形可提供脈衝間或脈衝內雷射聚焦，藉此排除額外系統元件。
熟知此項技術之人士會了解到對於上述實施例細節的許多 變化可被產生而不偏離本發明基本原理。因此，本發明範圍應只由下列申請專利範圍決定之。
80‧‧‧光纖耦合光學雷射射束操縱系統
84‧‧‧種子雷射
86‧‧‧低功率雷射脈衝
88‧‧‧分束器
90‧‧‧子束
92‧‧‧相位調節器陣列
94‧‧‧操縱電子儀器
100‧‧‧單模波導
102‧‧‧多核心光子晶體光纖
104‧‧‧泵驅動器
106‧‧‧操縱射束

Claims (30)

  1. 一種用於導引一雷射射束朝向一工件上的目標位置以回應一位置命令的設備，包括：一低頻寬定位器載台，導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的低頻部分；一中頻寬定位器載台，導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的中頻部分；及一高頻寬定位器載台，包含架構來相對於該工件之雷射射束的相位陣列操縱以回應該位置命令的高頻部分的一相位調變器陣列。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該中頻寬定位器載台包括一第一中頻寬定位器載台，且進一步包括一第二中頻寬定位器載台。
  3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中，該低頻寬定位器載台包括一可移動載台，該第一中頻寬定位器載台包括一以電流計為基礎的定位器，及該第二中頻寬定位器載台包括一零慣性光學偏轉器。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該中頻寬定位器載台包括由一以電流計為基礎的定位器、一聲光偏轉器、一電光偏轉器或其它零慣性光學偏轉器、一快速操縱反射鏡、或其任何結合所構成的族群中所選取的一構件。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該高頻寬定位器載台係一光纖耦合系統。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該高頻寬定位器載台包含一多核心光子晶體光纖或棒放大器。
  7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中，該多核心光子晶體光纖或棒放大器包含至少7核心。
  8. 如申請專利範圍第6項之設備，其中，該多核心光子晶體光纖或棒放大器包含暫時地耦合的放大器核心。
  9. 如申請專利範圍第6項之設備，其中，該多核心光子晶體光纖或棒放大器包含架構來被動地鎖相以回應放大該雷射射束的放大器核心。
  10. 如申請專利範圍第6項之設備，其中，該多核心光子晶體光纖或棒放大器包含架構來主動地鎖相以回應放大該雷射射束的放大器核心。
  11. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該高頻寬定位器載台包含一多核心光子晶體光纖或棒放大器，內含非暫時地耦合的放大器核心。
  12. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該高頻寬定位器載台係架構來產生該雷射射束的中心波瓣能量變化，該設備進一步包括：一種子雷射源，架構來補償該中心波瓣能量變化。
  13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中，該種子雷射源係架構來依據該目標位置以藉由接收該種子雷射源操作與該相位調變器陣列操作的同步資訊對該中心波瓣能量變化進行補償。
  14. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該雷射射束包含具有一脈衝寬度持續時間的一脈衝，且該相位調變器陣列係架構來相位陣列操縱在該脈衝寬度持續時間的週期內的該脈衝，用以將該脈衝的不同部分操縱至該目標位置內的不同位置上。
  15. 如申請專利範圍第14項之設備，其中，該脈衝寬度係一奈秒或更大。
  16. 如申請專利範圍第14項之設備，其中，該相位調變器陣列係架構來在相對於該工件一表面的二維平面中同時地相位陣列操縱該脈衝。
  17. 一種用於導引一雷射射束來處理一工件上的目標位置以回應一位置命令的方法，包括：導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的低頻部分；導引相對於彼此的工件和雷射射束中的至少一者以回應該位置命令的中頻部分；及利用一相位調變器陣列對相對於該工件的雷射射束進行相位陣列操縱以回應該位置命令的高頻部分。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該處理包含鑽孔、微機械製造、抖色、螺旋鑽孔、環鋸鑽孔和校正一洞孔粗糙度中的至少一者。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該工件包含一電子電路，且該處理包含調諧該電子電路上的一電路構件。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該工件包含一電子電路基板，且該處理包含在該電子電路基板內製造一洞孔。
  21. 一種對安排成一緊密間隔圖案的工件特徵實現高生產能力雷射處理並極小化工件特徵處理不精確和品質下降的方法，該不精確和品質下降起因於工件特徵處理期間在導引該雷射射束的雷射射束定位和光學元件上的動力和熱負載，包括：定位一支撐件上的工件，該工件具有定義一處理表面區域的處理表面；導引一雷射射束至一射束定位系統以提供一處理雷射射束入射在該工 件的處理表面上的特徵位置處，該射束定位系統包含一可移動載台及第一和第二射束定位器，其搭配該可移動載台來處理該工件處理表面上的特徵位置處的工件特徵，該第一射束定位器具有一第一響應時間與可操作來定位該處理表面的掃描場區域內的處理雷射射束，且該第二射束定位器包含相位調整器陣列，具有一第二響應時間與可操作來相位陣列操縱該處理射束行進至該掃描場區域內的位置，該第二響應時間係短於該第一響應時間；及協調該可移動載台、該第一射束定位器和該第二射束定位器的操作以定位該掃描場區域內的處理雷射射束並移動該掃描場區域以涵蓋該處理表面。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該工件係一矽晶圓。
  23. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該第一射束定位器包含一以鏡為基礎的射束定位器。
  24. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該射束定位系統包含一第三射束定位器，內含一零慣性光學偏轉器。
  25. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該第二射束定位器包含一多核心光子晶體光纖或棒放大器。
  26. 如申請專利範圍第25項之方法，其中，該多核心光子晶體光纖或棒放大器包含被動地鎖相放大器核心。
  27. 如申請專利範圍第25項之方法，其中，該多核心光子晶體光纖或棒放大器包含至少7個暫時地耦合核心。
  28. 如申請專利範圍第21項之方法，進一步包括利用該第二射束定位 器來產生傳送至該第一射束定位器的一操縱輸入雷射射束以相位陣列操縱該處理射束。
  29. 如申請專利範圍第28項之方法，其中，該第二射束定位器包含一種子雷射及控制該種子雷射以依據該相位調變器陣列的射束偏轉來放大該操縱輸入雷射射束的一脈衝振幅控制器。
  30. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該第二射束定位器係一光纖耦合光學系統，包含一三維波導以自該相位調變器陣列中接收子束並將它們傳送至一多核心光子晶體光纖或棒。
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