TWI469461B - 用於產生對於材料處理之脈衝串列的方法及系統 - Google Patents

用於產生對於材料處理之脈衝串列的方法及系統 Download PDF

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Description

用於產生對於材料處理之脈衝串列的方法及系統
本揭示內容大體上係與雷射處理有關。明確地說，本揭示內容係關於在高脈衝重複頻率下產生一穩定的已塑形脈衝串列，並且將來自一單雷射源的雷射射束傳遞至多個處理頭。
可能會使用各種雷射在許多不同類型的工件上進行雷射處理，用以施行各種處理。舉例來說，可以使用雷射在一單層或多層工件之中形成一孔洞及/或盲孔。半導體晶圓處理可能包含各種類型的雷射微加工作業，舉例來說，其包含刻畫(scribing)、切晶(dicing)、鑽鑿、移除半導體連結線(熔絲)、熱退火、及/或修整被動式厚膜或薄膜組件。
舉例來說，習知的雷射鑽鑿技術或刻畫技術包含使用波長落在遠紅外線範圍之中的CO2 雷射。不過，此等雷射通常可能會需要高的能量來燒蝕特定的積體電路(IC)處理材料。
進一步言之，此等處理技術通常會使用冗長的脈衝，於該脈衝中會具有多達約50μs的慢速上升時間與下降時間。據此，該等冗長的脈衝可能會造成過度的熱擴散而產生受熱影響的區域、重鑄氧化物層、過多的碎片、剝落與破裂。進一步言之，脈衝式CO2 雷射通常傾向於具有極高的脈衝至脈衝的能量不穩定性，其可能會對處理品質的一致性造成負面的衝擊。
習知的CO2 鑽鑿系統或刻畫系統通常會使用射頻(RF)脈衝式CO2 雷射，其激發狀態的典型鬆弛時間(relaxation time)係介於約50μs與約100μs之間。為產生分離的雷射脈衝，大體上可接受的脈衝重複頻率(pulse repetition frequency，PRF)約為該鬆弛時間兩倍的倒數。因此，CO2 雷射通常可提供的最大PRF係介於約5kHz與約10kHz之間。當需要提高總處理量時，該些低PRF數值便可能會降低處理品質。舉例來說，當一刻畫系統提高其相對於一工件來移動一雷射射束的速度時，於低PRF下，沿著切口的結構便會因脈衝之間的分離的關係而變得明顯。該切口中的此等結構則會降低處理品質。
本文所揭示的實施例提供用以在高脈衝重複頻率下產生一穩定的已塑形脈衝串列並且將來自一單雷射源的雷射射束傳遞至多個處理頭的系統與方法。
於一實施例中，一種用以在高速度下產生穩定的雷射脈衝串列的雷射處理系統包含：一處理頭，其會配置成用以利用一雷射脈衝串列來照射一材料的一目標地點；一雷射源，其會配置成用以產生一連續波(CW)或是類CW雷射射束。該系統還包含一光學關閉器，其會配置成用以接收來自該雷射源的該CW或是類CW雷射射束、接收一控制信號、依據該控制信號從該CW或是類CW雷射射束來產生該雷射脈衝串列、以及將該雷射脈衝串列導向該處理頭。
於另一實施例中，一種雷射處理方法包含：產生一CW或是類CW雷射射束；對該CW或是類CW雷射射束的各部份進行時間切片，用以產生一雷射脈衝串列；以及將該雷射脈衝串列導向至一材料中的一目標地點。
於另一實施例中，一種系統包含：用以產生一CW或是類CW雷射射束的構件；用以從該CW或是類CW雷射射束中產生一雷射脈衝串列的構件；以及用以將該雷射脈衝串列導向至一材料中的一目標地點的構件。
於另一實施例中，一種使用多道雷射射束來處理一材料的雷射處理系統包含：一第一處理頭，其會配置成用以利用一第一雷射脈衝串列來照射一目標材料中的一第一地點；一第二處理頭，其會配置成用以利用一第二雷射脈衝串列來照射該目標材料中的一第二地點；一雷射源，其會配置成用以產生一雷射射束；以及一光學關閉器，其會配置成用以接收來自該雷射源的該雷射射束、將該第一雷射脈衝串列導向該第一處理頭、以及將該第二雷射脈衝串列導向該第二處理頭。
於另一實施例中，一種雷射處理方法包含：提供一雷射射束給一第一聲光調變器(AOM)，該第一AOM會配置成用以從該雷射射束中產生一第一雷射脈衝串列與一第二雷射脈衝串列；於第一頻率下驅動該第一AOM，其會配置成用以沿著一第一光學路徑來偏折該第一雷射脈衝串列，以便照射一目標材料中的一第一地點；以及於第二頻率下驅動該第一AOM，其會配置成用以沿著一第二光學路徑來 偏折該第二雷射脈衝串列，以便照射該目標材料中的一第二地點。
於另一實施例中，一種雷射處理系統包含：用以產生一雷射射束的構件；用以從該雷射射束處產生一第一雷射脈衝串列與一第二雷射脈衝串列的構件；以及偏折構件，用於在第一偏折角度下偏折該第一雷射脈衝串列，以便利用該第一雷射脈衝串列來照射一目標材料中的一第一地點，以及用於在第二偏折角度下偏折該第二雷射脈衝串列，以便利用該第二雷射脈衝串列來照射該目標材料中的一第二地點。
從下面較佳實施例的詳細說明中，參考附圖，便會明白本發明的額外觀點與優點。
本揭示內容提供用以在高脈衝重複速率下產生穩定的雷射脈衝串列並且用以塑形該雷射脈衝串列中的一或多個該等脈衝的系統與方法。特定的實施例還會從單一脈衝式、連續波(CW)、或是類CW雷射將多道雷射射束傳送至多個處理頭，用以改良總處理量。於一個此種實施例中，會有一光學偏折器，其會配置成用以將多道雷射射束分散至多個處理頭。
現在將參考圖式，其中，相似的元件符號代表相似的元件。為清楚起見，一元件符號的首位數字係表示該對應元件首次使用的圖號。在下面的說明中將會提供許多明確的細節，以便透徹地瞭解本發明的各實施例。不過，熟習 本技術的人士便會瞭解，即使沒有該等明確細節中一或多者，甚至係利用其它方法、組件、或是材料，仍可實行本發明。進一步言之，於某些情況中將不會詳細地顯示或說明眾所熟知的結構、材料、或是作業，以避免混淆本發明的觀點。再者，本文在一或多項實施例中所述之特點、結構、或是特徵亦可以任何合宜的方式來進行結合。
A.穩定的脈衝串列 如上面的討論，習知的RF泵注CO2 雷射並不會在特定的PRF以上產生分離的雷射脈衝，並且通常在脈衝之間會具有極高的能量不穩定性。因此，此等雷射可能並無法產生一致的處理品質。進一步言之，施加至一目標材料的能量並不會全部轉換成用在熱燒蝕製程之中。施加至該材料的能量以及用於燒蝕的能量的劑量之間的差異可能部份會以熱能的方式殘留在該材料之中。舉例來說，此過剩的熱能可能會導致過度的熔融、脫層、受到熱影響的區域、重鑄氧化物層、過多的碎片、剝落與破裂。
因此，根據本文所揭示的特定實施例，會產生於時間上為矩形的雷射脈衝所組成的穩定脈衝串列，用以在脈衝之間以及在單一脈衝內來控制雷射/材料相互作用。在一脈衝串列之中以及在單一脈衝內對脈衝能量與時間脈衝寬度進行微調，可以藉由最小化或降低其負面的副作用來最佳化熱燒蝕結果。因此，舉例來說，可以針對通孔鑽鑿或刻畫達成極佳的製程控制效果。
於一實施例中，一光學關閉器或快速切換裝置(例如一 聲光調變器(AOM)或是一電光調變器(EOM))會接收一CW或是類CW雷射射束，並且會在非常高的PRF下產生一穩定的脈衝串列。舉例來說，於一實施例中，會在高達約1MHz的PRF下產生一穩定的矩形雷射脈衝串列。該PRF可能會相依於許多因素，例如該快速切換裝置(舉例來說，AOM)的上升/下降時間及/或該雷射射束的尺寸。舉例來說，較大的雷射射束可能會需要比較長的上升/下降時間。由本文所揭示的系統與方法所產生的較高PRF會提供一穩定的矩形脈衝串列，其可用來在目標材料中創造一平滑的切口。
於一實施例中，該雷射射束的RF激發持續時間長度會經過選擇性地調整，用以調變脈衝能量及/或時間脈衝寬度，以達最佳或較高的處理品質。此實施例允許進行微調以在印刷電路板(PCB)產業中來處理材料、在平面顯示器產業中來處理偏光膜、及/或用以在其它產業(例如汽車產業)中來處理金屬以及金屬/塑膠。
如上面的討論，激發狀態的鬆弛時間介於約50μs與約100μs之間的習知RF脈衝式CO2 雷射可以在低於約10kHz的PRF下提供分離的雷射脈衝。舉例來說，圖1與2便概略地顯示用於驅動一雷射的個別RF信號110、210的時序圖，以便在比較低的脈衝重複速率下產生包含分離脈衝的個別雷射輸出112、212。圖1與2中所示的雷射輸出112、212具有約略相同的脈衝重複速率。不過，由於該雷射的激發狀態的鬆弛時間，以及由圖1中所示的RF信號110所提供的RF激發的持續時間長度(具有比較寬的 脈衝且負載循環約為50%)以及由圖2中所示的RF信號210所提供的RF激發的持續時間長度(具有比較窄的脈衝且負載循環約為25%)的差異的關係，雷射輸出112中的脈衝的形狀會異於雷射輸出212中的脈衝的形狀。
不過，當該雷射運轉在較高的脈衝重複速率下時，該雷射脈衝串列便會開始含有較高的CW分量。舉例來說，圖3、4、以及5便概略地顯示用於驅動一雷射的RF信號310、410、510的時序圖，以便在高脈衝重複速率下產生個別雷射輸出312、412、512。圖3中所示的RF信號310中的時間脈衝寬度和圖1中所示的RF信號110中的時間脈衝寬度實質上相同。不過，圖3中所示的RF信號310的負載循環(約為66.6%)高於圖1中所示的RF信號110的負載循環(約為50%)。因此，圖3中所示的雷射輸出312的脈衝重複速率便會高於圖1中所示的雷射輸出的脈衝重複速率。不過，由於該雷射的激發狀態的鬆弛時間的關係，圖3中所示的RF信號310的較高負載循環卻會在圖3中所示的雷射輸出312中的脈衝之間引入一偏移值或是CW分量。
類似地，圖4與5中所示的RF信號410、510中的時間脈衝寬度和圖2中所示的RF信號210中的時間脈衝寬度實質上相同。不過，圖4中所示的RF信號410的負載循環(約為50%)高於圖2中所示的RF信號的負載循環(約為25%)。因此，圖4中所示的雷射輸出412的脈衝重複速率便會高於圖2中所示的雷射輸出的脈衝重複速率。不過， 由於該雷射的激發狀態的鬆弛時間的關係，圖4中所示的RF信號410的較高負載循環卻會在圖4中所示的雷射輸出412中的脈衝之間引入一偏移值或是CW分量。因此，提高該雷射的脈衝重複速率會降低該雷射提供穩定、分離脈衝的能力。
當負載循環持續提高時(舉例來說，如圖5中所示，其中，RF信號510的負載循環約為83.3%)，雷射輸出512便會接近一CW雷射的雷射輸出。本文中將此雷射輸出512稱為類CW雷射輸出512。根據一實施例，為在高PRF下產生一穩定的脈衝串列，會將該類CW雷射輸出512(或是CW雷射輸出)提供給一AOM。由該AOM所提供的脈衝串列的穩定性則會隨著該雷射輸出接近一CW雷射之雷射輸出而獲得改良。
舉例來說，圖6便概略地顯示根據一實施例而由一RF觸發信號614來驅動的一AOM的個別輸出雷射脈衝串列610、612的時序圖。對應於該雷射脈衝串列610的範例中，該AOM會接收一雷射射束(圖中並未顯示)，其會包含在40%的負載循環下驅動一雷射所產生的CW分量。如圖6中所示，這會導致由該AOM所提供的雷射脈衝串列610在脈衝高度中會有顯著的脈衝至脈衝變化。此雷射脈衝串列610可能會造成極差的切口品質。
對應於該雷射脈衝串列612的範例中，該AOM會接收一類雷射射束(圖中並未顯示)，其係在99%的負載循環下驅動該雷射所產生的。該雷射脈衝串列612非常穩定並 且會在目標材料中產生一高品質的切口。熟習本技術的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，亦可以藉由在其它負載循環下驅動該雷射，來產生該穩定的雷射脈衝串列612，端視該雷射的激發狀態的鬆弛時間而定。舉例來說，於一實施例中，會使用介於約80%與約100%之間的負載循環來驅動該雷射。為達成一合宜的類CW雷射射束，一RF源會配置成用以實質上快過該雷射之激發狀態的鬆弛時間的速度來驅動該雷射。
於一實施例中，用來驅動該AOM的RF觸發信號614的頻率範圍係介於約100kHz與約250kHz之間。不過，RF觸發信號614的頻率實質上卻可能會高於250kHz。舉例來說，於另一實施例中，該RF觸發信號614的頻率便高達約1MHz。於特定的實施例中，該RF觸發信號的頻率會依據該AOM的上升/下降時間。
B.脈衝塑形 除了產生穩定的雷射脈衝串列之外，於其它的實施例中，該AOM(或是另外的快速切換裝置，例如EOM)還會對一雷射脈衝串列之中的一或多個脈衝進行塑形，用以改良雷射處理品質。當曝露在一雷射射束中的材料經過加熱或從固態變成液態產生相變時，該材料的吸收剖面便可能會改變。藉由調整該雷射射束的一或多項特性，便可以達成更有效的雷射/材料耦合效果。
舉例來說，圖7A與7B便概略地顯示根據特定實施例的一雷射脈衝串列700的時間變化輪廓，其包含至少一已 塑形脈衝以提供雷射/材料熱耦合。為達解釋的目的，圖中將雷射脈衝串列700顯示成一第一脈衝序列710以及一第二脈衝序列712。於該些範例性實施例中，該AOM會塑形每一個序列710、712之中的最末脈衝714，用以提高耦合效率。此外，或者於其它實施例中，該AOM亦可塑形每一個序列710、712之中的一或多個其它脈衝。每一個序列710、712之中的脈衝數量、每一個序列710、712之中已塑形脈衝714的數量、及/或該等已塑形脈衝714的特殊形狀可經過選擇，用以控制施加至一目標材料的雷射能量的劑量。
於一實施例中，該等已塑形雷射脈衝714的特殊形狀會依據施加至該AOM的RF觸發信號614的形狀(參見圖6)。舉例來說，可以使用一RF產生器(圖中並未顯示)來產生該RF觸發信號614，使其時間變化輪廓實質上雷同於該雷射脈衝串列700所希的時間變化輪廓。因此，舉例來說，該RF產生器可配置成用以從矩形脈衝變換至三角形脈衝，或者是結合矩形脈衝與三角形脈衝，用以產生圖7A與7B中所示之已塑形脈衝714。
於其中一範例性實施例中，第一脈衝序列710可能會施加至位於第一目標(舉例來說，第一通孔)處的材料，而第二脈衝序列712則可能會施加至位於第二目標(舉例來說，第二通孔)處的材料。當然，熟習本技術的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，雷射脈衝串列700並不受限於該第一脈衝序列710與該第二脈衝序列712。進一步言之， 熟習本技術的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，該第一脈衝序列710未必包含和該第二脈衝序列712相同數量的脈衝，且任一序列710、712均可能包含任何數量的脈衝。
除了塑形至少一雷射脈衝714之外，於另一實施例中，亦可能會選擇性地改變該脈衝串列700的CW分量。舉例來說，圖8便概略地顯示根據一實施例而在圖7A中所示之雷射脈衝串列700的時間變化輪廓，其包含不同的脈衝高度。在時間週期808期間，該雷射脈衝串列700仍維持在一偏移值上方(如圖中的虛線810所示)，該目標材料會恆定地受到一加入至該目標材料的整體熱狀態之中的雷射偏移能量的照射(舉例來說，該雷射能量不會在脈衝之間返回最小值)。因此，圖8中所示的雷射脈衝串列700傳送給該目標材料的熱能劑量會高於圖7A中所示的雷射脈衝串列700傳送給該目標材料的熱能劑量。如上面的討論，該RF產生器可配置成用以塑形提供該AOM的RF觸發信號614，以便選擇性地提供所希的偏移值。
此外，或者於另一實施例中，亦可以選擇性地調整該脈衝串列700中的該等脈衝的負載循環值。舉例來說，圖9便概略地顯示根據一實施例在圖7A中所示之雷射脈衝串列700的時間變化輪廓，其包含不同的時間脈衝寬度與脈衝重複速率。同樣地，藉由塑形提供該AOM的RF觸發信號614便可以達成此等調整。舉例來說，該RF產生器可選擇性地控制該RF觸發信號614的RF大小及/或時間脈衝寬度，用以在雷射脈衝串列610之中產生對應的改變。
熟習本技術的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，雷射脈衝串列700並不受限於圖7A、7B、8、以及9中所示的脈衝形狀以及其它脈衝串列修正。更確切地說，可以使用AOM來為該雷射脈衝串列700選擇性地提供各種不同的形狀與修正，以便控制提供給該目標材料的雷射能量的劑量。進一步言之，亦可在單一脈衝串列及/或單一脈衝序列之中結合一或多項該等修正(舉例來說，脈衝形狀、CW偏移值、時間脈衝寬度、脈衝高度、以及負載循環)。
C.使用高脈衝重複速率之穩定雷射脈衝串列的範例 下面的範例僅係作為解釋性用途，而不具有任何限制意義。圖10A與10B所示的係使用習知的CW CO2 雷射以及由一AOM所提供的穩定脈衝串列所達成的不同處理品質的示意圖。圖10A所示的係使用習知的CW CO2 雷射切入一塑膠材料之中而成溝槽1000的示意圖。圖10B所示的則係根據特定實施例而使用本文所揭示之由一RF觸發信號來驅動的AOM所提供的高重複速率、穩定的雷射脈衝串列切入一塑膠材料之中而成溝槽1001的示意圖。
如圖所示，相較於由穩定的雷射脈衝串列所製成的溝槽1001，由習知的CW CO2 雷射所製成的溝槽1000具有較寬的削切區以及較明顯的熱效應。舉例來說，就使用習知的CW CO2 雷射所製成的溝槽1000來說，角寬度1004經觀察約為314.02μm，頂寬度1002經觀察約為201.18μm，而側寬度1006經觀察約為207.23μm。使用該CO2 雷射所製成的溝槽1001上的對應測量值則為角寬度1014約 為245.61μm，頂寬度1012約為159.23μm，而側寬度1016約為172.48μm。除此之外，從圖中可以明顯地看出，相較於圖10A中所示的熔融與碎片1008，圖10B中所示的熔融與碎片1018比較少，所以，使用該AOM會降低熱效應。
以另一範例來說，圖11A與11B所示的係根據特定實施例而使用由RF觸發信號來驅動的AOM所提供的高重複速率、穩定的雷射脈衝串列鑽鑿至印刷電路板之中的通孔1102、1112的剖面圖。於此範例中，在圖11A中所削切的材料為GX-3，而在圖11B中所削切的材料為GX-13，它們均係可購自Ajinomoto公司的常用電子封裝材料。如圖中所示，相較於習知的RF脈衝式雷射，即使使用AOM會降低尖峰脈衝功率，本發明所揭示之用以在比較高的脈衝重複速率下產生穩定的雷射脈衝串列的系統與方法仍會產生極佳品質的通孔。
D.來自脈衝式雷射的多道射束生成 對一不具有足夠尖峰功率的雷射來說，分割該雷射射束以將該射束傳送至多條射束路徑並非較佳方法。因此，於一實施例中，會藉由將來自單一脈衝式或CW CO2 雷射的多道雷射射束傳送至多個處理頭來改良總處理量。傳統上，會將一脈衝串列中不同的脈衝或是不同脈衝的單一部份導向不同射束路徑中的不同處理頭。舉例來說，圖12便概略地顯示由一習知RF脈衝泵注式雷射所產生的一時間雷射射束1210相對於一導向第一處理頭(頭1)的第一脈 衝1212、一導向第二處理頭(頭2)的第二脈衝1214、以及一導向一射束收集器(dump)的最終雷射射束1216的時序圖。如圖所示，導向第一處理頭的第一脈衝1212係從該雷射射束1210的第一脈衝1218處進行時間「切片」而獲得的；而導向第二處理頭的第二脈衝1214則係從該雷射射束1210的第二脈衝1220處進行時間切片而獲得的。
於一實施例中，藉由從單一雷射脈衝進行時間切片而獲得的多道脈衝導向個別的處理頭，便會提高脈衝重複速率。舉例來說，圖13便概略地顯示根據一實施例，係由一RF脈衝泵注式雷射所產生的一時間雷射射束1310相對於導向第一頭(頭1)的波形、導向第二頭(頭2)的波形、導向第三頭(頭3)的波形、以及導向一射束收集器的波形的時序圖。該雷射射束1310包含一第一脈衝1312以及一第二脈衝1314。
本範例中的AOM會配置成用以對該雷射射束的第一脈衝1312進行時間切片而獲得第一複數個脈衝1316、1318、1320，並且用以將該等第一複數個脈衝1316、1318、1320中的每一者導向個別的處理頭。該AOM還會配置成用以對該雷射射束的第二脈衝1314進行時間切片而獲得第二複數個脈衝1322、1324、1326，並且用以將該等第二複數個脈衝1322、1324、1326中的每一者導向該等個別的處理頭。因此，會使用來自第一脈衝1312與第二脈衝1314中每一者的更多時間寬度。不過，提供給每一個處理頭的脈衝重複速率會受限於該雷射射束1310的脈衝重複速率。 如上面的討論，當脈衝重複速率提高時(舉例來說，5kHz以上)，脈衝式雷射射束通常會變為不穩定並且會開始包含CW分量。因此，從一脈衝式雷射來時間切片一雷射射束，如圖13中所示，可能並不適用於特定的應用，例如膜處理。
圖14所示的係根據一實施例用以從單一RF脈衝式雷射1410來進行多道射束生成的範例系統1400的方塊圖。舉例來說，圖14中所示的系統可用來產生圖13中所示的波形。該RF脈衝式雷射1410會產生一通過串聯排列AOM 1412、1414、1416的雷射射束。該系統1400會使用該等AOM 1412、1414、1416來產生複數個時間脈衝內的切片，以便傳送圖13中所示的該等多道射束。換言之，每一個AOM 1412、1414、1416均會將該第一脈衝1312與該第二脈衝1314中的一個別部份向下偏折朝向該等處理頭的個別路徑中。由每一個AOM 1412、1414、1416所提供的偏折角度係取決於用來驅動該等AOM 1412、1414、1416的RF信號(舉例來說，圖6中所示的RF觸發信號614)的頻率。於特定的實施例中，亦可使用EOM或是AOM與EOM之組合。
E.來自CW或是類CW雷射的多道射束生成 於另一實施例中，會配合射束分配/時間塑形裝置(舉例來說，AOM及/或EOM)來使用一CW或是類CW雷射，以將複數個脈衝分配在複數個處理頭之中。本文所揭示的系統與方法可讓多道射束的傳送速度快於藉由習知方法來 傳送多道射束。於特定的實施例中，還會減少一多重加工系統中的射束分配/時間塑形裝置的數量。因此，便會提高總處理量。
圖15概略地顯示根據一實施例而由一CW雷射所產生的一時間CW雷射射束1510相對於導向第一頭(頭1)的波形、導向第二頭(頭2)的波形、導向第三頭(頭3)的波形、導向第四頭(頭4)的波形、以及導向一射束收集器的波形的時序圖。該CW雷射射束1510會由不同的光學路徑來進行時間分享，並且會傳送至不同的光學路徑。於其它的實施例中，還可以使用一類CW雷射來產生該雷射射束1510(舉例來說，參見圖5)。
因為使用CW或是類CW雷射源的關係，所以，提供給每一條路徑的脈衝重複速率便會取決於用來產生該等個別波形的AOM及/或EOM的速度。如上面的討論，於一實施例中，可以在高達約1MHz的速率下來切換一AOM。倘若該雷射射束1510在四個處理頭中進行時間減樣(temporally decimated)時，舉例來說，如圖15中所示，那麼提供給每一個處理頭的波形的脈衝重複速率便可高達該AOM的切換速率的約四分之一。
圖16所示的係根據一實施例用以從單一CW或是類CW雷射1610來進行多道射束生成的範例系統1600的方塊圖。舉例來說，圖16中所示的系統1600可用來產生圖15中所示的波形。該CW或是類CW雷射1610會產生一通過串聯排列AOM 1612、1614、1616、1618的雷射射束。 每一個AOM 1612、1614、1616、1618均會將該雷射射束1610中的一個別時間部份向下偏折朝向該等處理頭的個別路徑中。如上面的討論，由該等AOM 1612、1614、1616、1618所提供的偏折角度係取決於用來驅動該等AOM 1612、1614、1616、1618的RF信號的頻率。
圖16中所示的範例系統1600會針對每一條射束路徑使用一AOM。於此一實施例中，該雷射射束會受到每一個AOM的繞射效率的影響。此外，所使用的AOM的數量還會增加該系統1600的成本。因此，於一實施例中，單一AOM會配置成用以將一雷射射束中的個別部份向下偏折至多條射束路徑中。因此，可以減少AOM的數量。
舉例來說，圖17所示的係根據一實施例用以使用少量的AOM 1710、1712來進行多道射束生成的範例系統1700的方塊圖。每一個AOM 1710、1712均係由兩個RF信號來驅動。如上面的討論，每一個AOM 1710、1712的偏折角度會與該等RF信號的頻率成正比。於此範例中，每一個AOM 1710、1712會在第一頻率(RF頻率1)與第二頻率(RF頻率2)下驅動。藉由切換施加至該等AOM 1710、1712的RF頻率，每一個AOM 1710、1712便能夠將該射束偏折至不同的射束路徑。總角度偏折可取決於RF頻率、波長、以及材料特性。相較於圖16中所示的系統1600，圖17中所示的系統1700僅使用一半數量的AOM來提供複數道雷射射束給相同數量的處理頭。此外，或者於其它實施例中，每一個AOM 1710、1712亦可配置成為每一道雷射射束提 供不同的時間脈衝寬度、脈衝重複速率、及/或脈衝塑形，其討論如上。
圖18所示的係根據一實施例而由兩個RF信號來驅動的一範例AOM 1810的方塊圖。於此範例中，該AOM 1810包括一可購自位於美國維吉尼亞州春田市的Isomet公司的高功率聲光調變器/偏折器。該AOM 1810係由一RF電源供應器1812來驅動。於此範例中，該RF電源供應器1812包括一同樣可購自Isomet公司的RF驅動器/放大器RFA4060-2。
該RF電源供應器1812包含一頻率選擇輸入與一調變輸入。該頻率選擇輸入係用來切換一RF輸出頻率。於一實施例中，該頻率選擇輸入會在內部被該RF電源供應器1812拉低。舉例來說，一於該頻率選擇輸入處斷定的低位準可能會選擇約60MHz，而一高位準則可能會選擇約40MHz。該調變輸入會控制兩個RF輸出(RF1與RF2)，用以同時提供數位或類比調變。於此範例性實施例中，該RF電源供應器1812之中的放大器的RF切換上升與下降時間約為200 nsec。每一個頻率的最大RF輸出則係由該RF電源供應器1812中的功率調整電位計來設定。
圖19所示的係根據一實施例的一具有圖18中所示之AOM 1810與RF電源供應器1812的CW雷射1910的方塊圖。如圖19中所示，藉由觸變送往該RF控制器的輸入，該雷射射束便會在相依於該等選定頻率RF1、RF2的不同角度下導向。
介於第零階與第一階之間的分離角度為： Θsep =λ(fc)/v
對一高斯輸入射束來說，光學上升時間約為： tr =0.65(d)/v
其中，λ=波長；fc=中間頻率(舉例來說，40MHz/60MHz)；v=互動材料的聲速(舉例來說，5.5mm/μ sec (Ge))；而d=1/e2 射束直徑。
熟習本技術的人士很容易明白可以在不脫離本發明的基本原則下對上面所述之實施例的細節進行許多改變。所以，本發明的範疇應該僅由下面的申請專利範圍來決定。
110‧‧‧射頻信號
112‧‧‧雷射輸出
210‧‧‧射頻信號
212‧‧‧雷射輸出
310‧‧‧射頻信號
312‧‧‧雷射輸出
410‧‧‧射頻信號
412‧‧‧雷射輸出
510‧‧‧射頻信號
512‧‧‧雷射輸出
610、612‧‧‧雷射脈衝串列
614‧‧‧射頻觸發信號
700‧‧‧雷射脈衝串列
710、172‧‧‧脈衝序列
714‧‧‧已塑形雷射脈衝
808‧‧‧時間週期
810‧‧‧偏移值
1000‧‧‧溝槽
1001‧‧‧溝槽
1002‧‧‧頂寬度
1004‧‧‧角寬度
1006‧‧‧側寬度
1008‧‧‧熔融與碎片
1012‧‧‧頂寬度
1014‧‧‧角寬度
1016‧‧‧側寬度
1018‧‧‧熔融與碎片
1102‧‧‧通孔
1112‧‧‧通孔
1210‧‧‧雷射射束
1212、1214、1216、1218、1220‧‧‧脈衝
1310‧‧‧雷射射束
1312、1314、1316、1318、1330、1322、1324、1326‧‧‧脈衝
1400‧‧‧系統
1410‧‧‧射頻脈衝式雷射
1412、1414、1416‧‧‧聲光調變器
1510‧‧‧雷射射束
1600‧‧‧系統
1610‧‧‧連續波或是類連續波雷射
1612、1614、1616、1618‧‧‧聲光調變器
1700‧‧‧系統
1710、1712、1810‧‧‧聲光調變器
1812‧‧‧射頻電源供應器
1910‧‧‧連續波雷射
圖1與2概略地顯示用於驅動一雷射的個別RF信號的時序圖，以便在比較低的脈衝重複速率下產生包含分離脈衝的個別雷射輸出。
圖3、4、以及5概略地顯示用於驅動一雷射的RF信號的時序圖，以便在高脈衝重複速率下產生個別雷射輸出。
圖6概略地顯示根據一實施例由一RF觸發信號來驅動的一聲光調變器(AOM)的輸出雷射脈衝串列的時序圖。
圖7A與7B概略地顯示根據特定實施例的一雷射脈衝串列的時間變化輪廓，其包含至少一已塑形脈衝用以最佳化雷射/材料熱耦合。
圖8概略地顯示根據一實施例在圖7A中所示之雷射脈衝串列的時間變化輪廓，其包含不同的脈衝高度。
圖9概略地顯示根據一實施例在圖7A中所示之雷射脈衝串列的時間變化輪廓，其包含不同的時間脈衝寬度與脈衝重複速率。
圖10A所示的係使用習知的連續波CO2 雷射切入一塑膠材料之中而成溝槽的示意圖。
圖10B所示的係根據一範例性實施例而使用由一RF觸發信號來驅動的AOM所提供的高重複速率、穩定的雷射脈衝串列切入一塑膠材料之中而成溝槽的示意圖。
圖11A與11B所示的係根據特定範例性實施例而使用由RF觸發信號來驅動的AOM所提供的高重複速率、穩定的雷射脈衝串列而鑽鑿至印刷電路板之中的通孔的剖面圖。
圖12概略地顯示由一習知RF脈衝泵注式雷射所產生的一時間雷射射束相對於一導向第一處理頭的第一脈衝、一導向第二處理頭的第二脈衝、以及一導向一射束收集器的最終雷射射束的時序圖。
圖13概略地顯示根據一實施例而由一RF脈衝泵注式雷射所產生的一時間雷射射束相對於導向第一處理頭的波形、導向第二處理頭的波形、導向第三處理頭的波形、以及導向一射束收集器的波形的時序圖。
圖14所示的係根據一實施例用以從單一RF脈衝式雷射來進行多道射束生成的範例系統的方塊圖。
圖15概略地顯示根據一實施例而由一CW雷射所產生的一時間CW雷射射束相對於導向第一處理頭的波形、導 向第二處理頭的波形、導向第三處理頭的波形、導向第四 處理頭的波形、以及導向一射束收集器的波形的時序圖。
圖16所示的係根據一實施例用以從單一CW或是類CW雷射來進行多道射束生成的範例系統的方塊圖。
圖17所示的係根據一實施例用以使用少量的AOM來進行多道射束生成的範例系統的方塊圖。
圖18所示的係根據一實施例而由兩個RF信號來驅動的一範例AOM的方塊圖。
圖19所示的係根據一實施例而具有圖18中所示之AOM與RF電源供應器的CW雷射的方塊圖。
1400‧‧‧系統
1410‧‧‧射頻脈衝式雷射
1412、1414、1416‧‧‧聲光調變器

Claims (38)

  1. 一種用以在高重複速率下產生穩定的雷射脈衝串列的雷射處理系統，其包括：一處理頭，其配置成用以利用一雷射脈衝串列來照射一材料的一目標地點；一雷射源，其配置成用以產生一連續波CW或是類CW雷射射束；以及一光學關閉器，其配置成用以：接收來自該雷射源的該CW或是類CW雷射射束；接收一控制信號；依據該控制信號，從該CW或是類CW雷射射束來產生該雷射脈衝串列，該產生之雷射脈衝串列包括一第一序列之雷射脈衝以及一第二序列之雷射脈衝；塑形該第一序列以及該第二序列之各者中之至少一雷射脈衝成為與該第一序列以及該第二序列中剩餘雷射脈衝不同的形狀，用以提高該第一序列與該材料之一第一目標地點以及該第二序列與該材料之一第二目標地點之耦合效率；以及將該雷射脈衝串列導向該處理頭，用以該第一序列之雷射脈衝處理該第一目標地點並且以該第二序列之雷射脈衝處理該第二目標地點。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該雷射源包括一射頻RF脈衝式雷射，該系統進一步包括一RF源，其配置成以實質上快過該RF脈衝式雷射之激發狀態的鬆弛時間的速度來驅動該RF脈衝式雷射，用以產生該CW或是類 CW雷射射束。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中，該RF源進一步配置成利用負載循環介於80%與約100%之間的RF信號來驅動該RF脈衝式雷射。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該光學關閉器包括一聲光調變器AOM，而該控制信號包括一RF觸發信號，該AOM配置成依據該RF觸發信號的時間脈衝寬度與脈衝重複速率，而藉由選擇該CW或是類CW雷射射束中的複數個時間部分來產生該雷射脈衝串列，用以導向該處理頭。
  5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該脈衝重複速率的範圍高達約1MHz。
  6. 如申請專利範圍第4項之系統，其中，該AOM進一步配置成依據該RF觸發信號的脈衝形狀來塑形該雷射脈衝串列之該第一序列以及該第二序列之各者中的該至少一個不同塑形之雷射脈衝。
  7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中，該塑形包括改變該雷射脈衝串列的該第一序列以及該第二序列之各者中之該至少一不同塑形之雷射脈衝的時間脈衝寬度，其係相較於該第一序列以及該第二序列之該等剩餘雷射脈衝的一時間脈衝寬度。
  8. 如申請專利範圍第6項之系統，其中，該塑形包括改變該雷射脈衝串列的該第一序列以及該第二序列之該等剩餘雷射脈衝的CW分量，使其在一預設時間中位於一臨界 值之上，並且降低該第一序列以及該第二序列之各者中之該至少一不同塑形之雷射脈衝的該CW分量至該臨界值之下。
  9. 如申請專利範圍第6項之系統，進一步包括選擇性地調整該雷射脈衝串列的該第一序列以及該第二序列中之負載循環。
  10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該光學關閉器包括一電光調變器。
  11. 一種雷射處理方法，其包括：產生一連續波CW或是類CW雷射射束；對該CW或是類CW雷射射束的第一部份進行時間切片，用以產生一雷射脈衝串列，其包括一第一序列之雷射脈衝以及一第二序列之雷射脈衝；塑形該第一序列以及該第二序列之各者中之至少一雷射脈衝成為與該第一序列以及該第二序列中剩餘雷射脈衝不同的形狀，用以提高該第一序列與該材料之一第一目標地點以及該第二序列與該材料之一第二目標地點之耦合效率；以及將該雷射脈衝串列之該第一序列之雷射脈衝導向至該材料中的該第一目標地點，並且將該雷射脈衝串列之該第二序列之雷射脈衝導向至該材料中的該第二目標地點。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，產生該CW或是類CW雷射射束包括以實質上快過一脈衝式雷射之激發狀態的鬆弛時間的速度來驅動該脈衝式雷射。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，驅動該脈衝式雷射包括利用負載循環介於80%與約100%之間的射頻信號來驅動該脈衝式雷射。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中，對該CW或是類CW雷射射束的部份進行時間切片包括：將該CW或是類CW雷射射束導向一聲光調變器AOM；以及利用一射頻RF觸發信號來驅動該AOM，該第一射頻(RF)觸發信號包括對應於該雷射脈衝串列的時間寬度與脈衝重複速率。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，該脈衝重複速率的範圍高達約1MHz。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，其進一步包括藉由塑形該RF觸發信號中的一或多個脈衝來塑形該雷射脈衝串列之該第一序列以及該第二序列之各者中的該至少一個不同塑形之雷射脈衝。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中，該塑形包括改變該雷射脈衝串列的該第一序列以及該第二序列之各者中之該至少一不同塑形之雷射脈衝的時間脈衝寬度，其係相較於該第一序列以及該第二序列之該等剩餘雷射脈衝的一時間脈衝寬度。
  18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中，該塑形包括改變該雷射脈衝串列的該第一序列以及該第二序列之該等剩餘雷射脈衝的CW分量，使其在一預設時間中位於一臨 界值之上，並且降低該第一序列以及該第二序列之各者中之該至少一不同塑形之雷射脈衝的該CW分量至該臨界值之下。
  19. 如申請專利範圍第16項之方法，進一步包括選擇性地調整該雷射脈衝串列的該第一序列以及該第二序列中之負載循環。
  20. 一種雷射處理系統，其包括：用以產生一CW或是類CW雷射射束的雷射源；用以藉由對該CW或是類CW雷射射束的部份進行時間切片以產生一雷射脈衝串列的分離且位於該雷射源外部的調變器，該調變器係選擇性地調整介於該雷射脈衝串列的脈衝之間的CW分量；以及用以將該雷射脈衝串列導向至一材料中的一第一目標地點的構件。
  21. 如申請專利範圍第20項之雷射處理系統，其進一步包括用以選擇性地塑形該雷射脈衝串列中的一或多個脈衝的構件。
  22. 一種使用多道雷射射束來處理一材料的雷射處理系統，其包括：一第一處理頭，其配置成用以利用一第一雷射脈衝串列來照射一目標材料中的一第一地點；一第二處理頭，其配置成用以利用一第二雷射脈衝串列來照射該目標材料中的一第二地點；一雷射源，其配置成用以產生一雷射射束；以及 一光學關閉器，其配置成用以：接收來自該雷射源的該雷射射束；移除該接收雷射射束之時間部分，該接收雷射射束係用以同時產生該第一雷射脈衝串列、該第二雷射脈衝串列以及該雷射射束之第一剩餘部分；將該第一雷射脈衝串列導向該第一處理頭；將該第二雷射脈衝串列導向該第二處理頭；以及輸出該雷射射束的該第一剩餘部分。
  23. 如申請專利範圍第22項之系統，其中，該雷射源包括一連續波CW或是類CW雷射源。
  24. 如申請專利範圍第22項之系統，其中，該光學關閉器包括一第一聲光調變器AOM，其係受控於一第一射頻RF信號以及一第二RF信號，該第一AOM配置成用以依據該第一RF信號的頻率而於第一角度下來偏折該第一雷射脈衝串列，並且依據該第二RF信號的頻率而於第二角度下來偏折該第二雷射脈衝串列。
  25. 如申請專利範圍第24項之系統，其進一步包括：一第三處理頭，其配置成用以利用一第三雷射脈衝串列來照射該目標材料中的一第三地點；一第四處理頭，其配置成用以利用一第四雷射脈衝串列來照射該目標材料中的一第四地點；以及一第二AOM，其配置成用以：接收來自該第一AOM的該雷射射束的該第一剩餘部分，該第一AOM具有從該雷射射束中所移除的時間部份， 用以產生該第一雷射脈衝串列與該第二雷射脈衝串列；移除該雷射射束之該接收第一剩餘部分的時間部分，該接收第一剩餘部分係用以同時產生該第三雷射脈衝串列、該第四雷射脈衝串列以及該雷射射束之第二剩餘部分；將該第三雷射脈衝串列導向該第三處理頭；將該第四雷射脈衝串列導向該第四處理頭；以及輸出該雷射射束的該第二剩餘部分。
  26. 一種雷射處理方法，其包括：提供一雷射射束給一第一聲光調變器AOM，該第一AOM配置成用以產生一第一雷射脈衝串列、一第二雷射脈衝串列以及該雷射射束之第一剩餘部分；於第一頻率下驅動該第一AOM，其配置成用以沿著一第一光學路徑來偏折該第一雷射脈衝串列，以便照射一目標材料中的一第一地點；於第二頻率下驅動該第一AOM，其配置成用以沿著一第二光學路徑來偏折該第二雷射脈衝串列，以便照射該目標材料中的一第二地點，其中該第一AOM係同時以該第一頻率及該第二頻率驅動；以及輸出該雷射射束的該第一剩餘部分。
  27. 如申請專利範圍第26項之方法，其中，該雷射源包括一連續波CW或是類CW雷射射束。
  28. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括從該第一AOM提供該雷射射束的該第一剩餘部分給一第二AOM，該第一AOM具有從該雷射射束中所移除的時間部 份，用以產生該第一雷射脈衝串列與該第二雷射脈衝串列。
  29. 如申請專利範圍第28項之方法，其中，該第二AOM配置成用以從接收自該第一AOM的該雷射射束的該第一剩餘部分中產生一第三雷射脈衝串列與一第四雷射脈衝串列。
  30. 如申請專利範圍第29項之方法，其進一步包括於第三頻率下驅動該第二AOM，其配置成用以沿著一第三光學路徑來偏折該第三雷射脈衝串列，以便照射一目標材料中的一第三地點。
  31. 如申請專利範圍第30項之方法，其進一步包括於第四頻率下驅動該第二AOM，其配置成用以沿著一第四光學路徑來偏折該第四雷射脈衝串列，以便照射該目標材料中的一第四地點。
  32. 如申請專利範圍第26項之方法，其中，該雷射射束包括複數個雷射脈衝。
  33. 如申請專利範圍第32項之方法，其進一步包括驅動該第一AOM，用以將該雷射射束中的一脈衝的至少一第一部份導向該第一光學路徑，以及將該脈衝的至少一第二部份導向該第二光學路徑。
  34. 一種雷射處理系統，其包括：用以產生一雷射射束的構件；用以產生一第一雷射脈衝串列、一第二雷射脈衝串列以及該雷射射束的第一剩餘部分的構件；用以塑形至少該第一雷射脈衝串列的構件，其中該第 一雷射脈衝串列的塑形包括：依據第一形狀塑形該第一雷射脈衝串列的複數個第一雷射脈衝；以及依據第二形狀塑形該第一雷射脈衝串列的第二雷射脈衝，其中該第一形狀係不同於該第二形狀以提高該第一雷射脈衝串列對於目標材料中的第一地點的耦合效率；以及偏折構件，用於在第一偏折角度下偏折該第一雷射脈衝串列，以便利用該第一雷射脈衝串列來照射該目標材料中的該第一地點，以及用於在第二偏折角度下偏折該第二雷射脈衝串列，以便利用該第二雷射脈衝串列來照射該目標材料中的一第二地點。
  35. 如申請專利範圍第34項之系統，其中，該雷射源包括一連續波CW或是類CW雷射射束。
  36. 如申請專利範圍第34項之系統，其中，該雷射射束包括複數個雷射脈衝。
  37. 如申請專利範圍第36項之系統，其進一步包括用以將該雷射射束中一脈衝的至少一第一部份導向該第一光學路徑且將該脈衝的一第二部份導向該第二光學路徑的構件。
  38. 如申請專利範圍第34項之系統，其進一步包括用以從該雷射射束的該剩餘部分提供一第三雷射脈衝串列與一第四雷射脈衝串列的構件。
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