JP2013063469A - 材料加工のためのパルス列を生成する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】パルスの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングの遅い長パルスを用いるため、過剰な熱拡散が生じやすい。
【解決手段】システム及び方法は、材料加工のためのレーザパルス列を生成する。一実施の形態においては、連続波（ＣＷ）又は準ＣＷレーザビームから、高い繰返し速度の安定したレーザパルス列が生成される。レーザパルス列の１つ以上のレーザパルスを整形して、ターゲット材料に供給されるエネルギーを制御してもよい。他の実施の形態においては、単一のレーザパルス、ＣＷレーザビーム又は準ＣＷレーザビームから、複数のレーザビームが複数の加工ヘッドに分配される。このような実施の形態の１つでは、単一の光偏向器が、各加工ヘッドに亘って複数のレーザビームを分配する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、レーザ加工に関する。詳しくは、本発明は、高いパルス繰り返し周波数で安定した整形パルス（shaped pulse）の列を生成し、単一のレーザ光源から複数の加工ヘッドにレーザビームを供給する技術に関する。

レーザ加工は、様々な加工に作用する様々なレーザを用いて多くの異なる種類の被加工物に対して行うことができる。レーザは、例えば、単層又は多層の被加工物内に穴及び／又はブラインドビアを形成するために用いることができる。半導体ウエハ加工には、例えば、スクライビング、ダイシング、穴あけ、半導体リンク（ヒューズ）の除去、熱アニール、及び／又は受動厚膜又は薄膜部品のトリミングを含む様々な種類のレーザマイクロ機械加工等が含まれる。

従来のレーザ穴あけ又はスクライビング技術は、例えば、遠赤外領域の波長を有するＣＯ_２レーザの使用を含む。但し、このようなレーザは、一般的に、ある集積回路（ＩＣ）加工材料をアブレート（ablate）するために高いエネルギーを必要とすることがある。

更に、このような加工技術は、約５０μｓ程度の、パルスの立ち上がり及び立ち下がりのタイミングが遅い長パルスを用いる。このため、長パルスでは、過剰な熱拡散が生じやすく、熱影響部、リキャスト酸化層（recast oxide layer）、過度のデブリ（debris）、チッピング及びクラッキングが発生することがある。更に、パルスＣＯ_２レーザは、通常、パルス間のエネルギーの不安定性の度合いが高い傾向があり、これにより、加工品質の一貫性に負の影響が生じることがある。

従来のＣＯ_２穴あけ又はスクライビングシステムは、通常、励起状態の典型的な緩和時間が約５０μｓ〜約１００μｓである無線周波数（ＲＦ）パルスＣＯ_２レーザを用いる。離散的なレーザパルスを生成するためには、一般的に許容できるパルス繰り返し周波数（pulse repetition frequency：ＰＲＦ）は、概ね緩和時間の２倍の逆数である。したがって、ＣＯ_２レーザが提供する最大ＰＲＦは、通常、約５ｋＨｚ〜約１０ｋＨｚである。スループットを高めることが望まれる場合、これらの低いＰＲＦ値によって加工品質が低下することがある。例えば、スクライビングシステムが、被加工物に対してレーザビームを動かす速度を高めると、パルス間の分離に起因するカーフ（kerf）に沿った構造が、低いＰＲＦで際立つようになる。このようなカーフの構造は、加工品質を低下させる。

ここに開示する実施の形態は、高いパルス繰り返し周波数で安定した整形パルスの列を生成し、単一のレーザ光源から複数の加工ヘッドにレーザビームを供給するシステム及び方法を提供する。

一実施の形態においては、高速で安定したレーザパルス列を生成するためのレーザ加工システムは、レーザパルス列によって材料のターゲット位置を照射するように構成された加工ヘッドと、連続波（continuous wave：ＣＷ）又は準ＣＷレーザビームを生成するように構成されたレーザ光源とを備える。また、システムは、光学シャッタを備え、光学シャッタは、レーザ光源からＣＷ又は準ＣＷレーザビームを受光し、制御信号を受信し、制御信号に基づいてＣＷ又は準ＣＷレーザビームからレーザパルス列を生成し、加工ヘッドにレーザパルス列を振り分けるように構成されている。

他の実施の形態においては、レーザ加工方法は、ＣＷ又は準ＣＷレーザビームを生成する工程と、ＣＷ又は準ＣＷレーザビームの一部を時間的にスライスし、レーザパルス列を生成する工程と、レーザパルス列を材料のターゲット位置に振り分ける工程とを有する。

他の実施の形態においては、システムは、ＣＷ又は準ＣＷレーザビームを生成する手段と、ＣＷ又は準ＣＷレーザビームからレーザパルス列を生成する手段と、レーザパルス列を材料のターゲット位置に振り分ける手段とを備える。

他の実施の形態においては、複数のレーザビームを用いて材料を加工するレーザ加工システムは、第１のレーザパルス列によってターゲット材料の第１の位置を照射するように構成された第１の加工ヘッドと、第２のレーザパルス列によってターゲット材料の第２の位置を照射するように構成された第２の加工ヘッドと、レーザビームを生成するように構成されたレーザ光源と、レーザ光源からレーザビームを受光し、第１の加工ヘッドに第１のレーザパルス列を振り分け、第２の加工ヘッドに第２のレーザパルス列を振り分けるように構成された光学シャッタとを備える。

他の実施の形態においては、レーザ加工方法は、レーザビームを、レーザビームから第１のレーザパルス列及び第２のレーザパルス列を生成するように構成された第１の音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）に供給する工程と、第１のレーザパルス列を第１の光路に沿って偏向して、ターゲット材料の第１の位置を照射するように構成された第１の周波数で第１のＡＯＭを駆動する工程と、第２のレーザパルス列を第２の光路に沿って偏向して、ターゲット材料の第２の位置を照射するように構成された第２の周波数で第１のＡＯＭを駆動する工程とを有する。

他の実施の形態においては、レーザ加工システムは、レーザビームを生成する手段と、レーザビームから第１のレーザパルス列及び第２のレーザパルス列を生成する手段と、第１のレーザパルス列を第１の偏向角で偏向して、第１のレーザパルス列によってターゲット材料上の第１の位置を照射し、第２のレーザパルス列を第２の偏向角で偏向して、第２のレーザパルス列によってターゲット材料上の第２の位置を照射する手段とを備える。

更なる側面及び利点は、添付の図面を参照して説明される好ましい実施の形態の以下の詳細な記述から明らかになる。

レーザを駆動するために用いられ、比較的低いパルス繰り返し速度で、離散的なパルスを含むレーザ出力を生成するＲＦ信号のタイミングチャートである。 レーザを駆動するために用いられ、比較的低いパルス繰り返し速度で、離散的なパルスを含むレーザ出力を生成するＲＦ信号のタイミングチャートである。 レーザを駆動するために用いられ、高められたパルス繰り返し速度で、レーザ出力を生成するＲＦ信号のタイミングチャートである。 レーザを駆動するために用いられ、高められたパルス繰り返し速度で、レーザ出力を生成するＲＦ信号のタイミングチャートである。 レーザを駆動するために用いられ、高められたパルス繰り返し速度で、レーザ出力を生成するＲＦ信号のタイミングチャートである。 一実施の形態に基づき、ＲＦトリガによって駆動される音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）の出力レーザパルス列のタイミングチャートである。 ある実施の形態に基づく、レーザ／材料の熱的結合を最適化する少なくとも１つの整形パルスを含むレーザパルス列の時間的プロファイルを図式的に示す図である。 ある実施の形態に基づく、レーザ／材料の熱的結合を最適化する少なくとも１つの整形パルスを含むレーザパルス列の時間的プロファイルを図式的に示す図である。 一実施の形態に基づく、パルス波高の変動を含む図７Ａに示すレーザパルス列の時間的プロファイルを図式的に示す図である。 一実施の形態に基づく、時間的パルス幅及びパルス繰り返し速度の変動を含む図７Ａに示すレーザパルス列の時間的プロファイルを図式的に示す図である。 従来のＣＷ ＣＯ_２レーザを用いてプラスチック材料に掘られた溝を図式的に示す図である。 例示的な実施の形態に基づき、ＲＦトリガによって駆動されるＡＯＭが提供する高い繰返し速度の安定したレーザパルス列を用いてプラスチック材料に削設された溝を図式的に示す図である。 ある実施の形態に基づき、ＲＦトリガによって駆動されるＡＯＭが提供する高い繰返し速度の安定したレーザパルス列を用いてプリント基板に開けられたビアの断面図である。 ある実施の形態に基づき、ＲＦトリガによって駆動されるＡＯＭが提供する高い繰返し速度の安定したレーザパルス列を用いてプリント基板に開けられたビアの断面図である。 従来のＲＦパルス励起レーザによって生成された時間的レーザビームについて、第１の加工ヘッドに振り分けられた第１のパルスと、第２の加工ヘッドに振り分けられた第２のパルスと、ビームダンプに振り分けられた結果的なレーザビームとに関するタイミングチャートである。 一実施の形態に基づくＲＦパルス励起レーザによって生成された時間的レーザビームについて、第１のヘッド、第２のヘッド、第３のヘッド及びビームダンプに振り分けられた波形に関するタイミングチャートである。 一実施の形態に基づく、単一のＲＦパルスレーザから複数のビームを生成するための例示的システムのブロック図である。 一実施の形態に基づくＣＷレーザによって生成された時間的ＣＷレーザビームについて、第１のヘッド、第２のヘッド、第３のヘッド、第４のヘッド及びビームダンプに振り分けられた波形に関するタイミングチャートである。 一実施の形態に基づく、単一のＣＷ又は準ＣＷレーザから複数のビームを生成するための例示的システムのブロック図である。 一実施の形態に基づく、より少ないＡＯＭを用いて複数のビームを生成する例示的システムのブロック図である。 一実施の形態に基づく、２つのＲＦ信号によって駆動される例示的なＡＯＭのブロック図である。 一実施の形態に基づく、図１８に示すＡＯＭ及びＲＦ電源と共にＣＷレーザを示すブロック図である。

この開示は、高い繰返し速度で安定したレーザパルス列を生成し、及びレーザパルス列内の１つ以上のパルスを整形するシステム及び方法を説明する。また、ある実施の形態では、単一のパルスの連続波（continuous wave：ＣＷ）又は準ＣＷレーザから複数の加工ヘッドに複数のレーザビームを供給し、スループットを向上させる。このような実施の形態の１つでは、単一の光偏向器は、複数の加工ヘッドに複数のレーザビームを分配するように構成される。

以下で参照する図面では、同様の要素には同様の参照符号を付している。説明を明瞭にするために、参照符号の第１の桁は、対応する要素が最初に示される図面番号を表す。以下の記述では、本発明の実施の形態の完全な理解のために多くの具体的な詳細事項を提示する。但し、具体的な詳細事項の１つ以上がなくても、又は他の方法、部品又は材料によっても本発明を実施できることは当業者にとって明らかである。更に、幾つかの場合、本発明の側面が不明瞭になることを回避するために、よく知られている構造、材料又は操作については詳細に図示又は説明していない。更に、ここに説明する特徴、構造又は特性は、適切な如何なる手法で、１つ以上の実施の形態において組み合わせてもよい。

Ａ．安定したパルス列
上述のように、従来のＲＦ励起ＣＯ_２レーザは、あるＰＲＦより高い離散的なレーザパルスを生成せず、一般的に、パルス間のエネルギーの不安定性の度合いが高い。したがって、このようなレーザでは、一貫した加工品質を達成できないことがある。更に、ターゲット材料に印加されるエネルギーの全てが熱剥離（thermal ablation）加工における使用のために変換されるわけではない。材料に印加されるエネルギーの供給量と、アブレーションのために用いられるエネルギーとの間の差分は、熱エネルギーとして材料内に部分的に残ることがある。この余分な熱エネルギーは、例えば、過度の溶解、剥離、熱影響部、リキャスト酸化層、過度のデブリ、チッピング及びクラッキングを引き起こすことがある。

そこで、ここに開示するある実施の形態では、時間的に矩形のレーザパルスの安定したパルス列を生成し、パルス間及び単一のパルス内のレーザ／材料の相互作用を制御する。パルスの列間及び単一のパルス内でのパルスエネルギー及び時間的パルス幅の微調整により、好ましくない副作用を最小化又は低減することによって、熱剥離を最適化できる。これにより、例えば、ビア穴あけ又はスクライビングのための精密な加工制御が達成される。

一実施の形態においては、光学シャッタ又は高速スイッチングデバイス、例えば、音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）又は電気光学変調器（electro-optic modulator：ＥＯＭ）が、ＣＷ又は準ＣＷレーザビームを受光し、非常に高いＰＲＦで安定したパルスの列を生成する。例えば、一実施の形態では、最大約１ＭＨｚのＰＲＦで安定した矩形レーザパルスの列が生成される。ＰＲＦは、例えば、高速スイッチングデバイス（例えば、ＡＯＭ）の立ち上がり／立ち下がり時間及び／又はレーザビームのサイズ等の因子に依存する場合がある。例えば、より大きいレーザビームは、比較的長い立ち上がり／立ち下がり時間を必要とすることがある。ここに開示するシステム及び方法によって生成されるより高いＰＲＦは、安定した矩形パルスの列を提供し、これを用いて、ターゲット材料内に滑らかなカーフを形成することができる。

一実施の形態においては、加工品質を最適化し、又は向上させるために、レーザビームのＲＦ励起の期間を選択的に調整して、パルスエネルギー及び／又は時間的パルス幅を調節する。このような実施の形態により、プリント基板（printed circuit board：ＰＣＢ）産業における材料の加工、フラットパネルディスプレイ産業における偏光フィルムの加工、及び／又は自動車産業等の他の産業における金属及び金属／プラスチックの加工のための微調整が実現する。

上述のように、励起状態の緩和時間が約５０μｓ〜約１００μｓの従来のＲＦパルスＣＯ_２レーザでは、約１０ｋＨｚ以下のＰＲＦで、離散的なレーザパルスが提供される。例えば、図１及び図２は、レーザを駆動するために用いられ、比較的低いパルス繰り返し速度で、離散的なパルスを含む各レーザ出力１１２、２１２を生成する各ＲＦ信号１１０、２１０のタイミングチャートを図式的に示している。図１及び図２に示すレーザ出力１１２、２１２は、略同じパルス繰り返し速度を有する。しかしながら、レーザの励起状態の緩和時間、並びに図１に示すＲＦ信号１１０（比較的広いパルス及び約５０％のデューティサイクルを有する）及び図２に示すＲＦ信号２１０（比較的狭いパルス及び約２５％のデューティサイクルを有する）が提供するＲＦ励起の期間の差分のために、レーザ出力１１２のパルスは、レーザ出力２１２のパルスとは異なる形状を有する。

ここで、レーザがより高いパルス繰り返し速度で駆動されると、レーザパルス列に含まれるＣＷ成分が増加し始める。例えば、図３、図４及び図５は、レーザを駆動するために用いられ、高められたパルス繰り返し速度で、各レーザ出力３１２、４１２、５１２を生成するＲＦ信号３１０、４１０、５１０のタイミングチャートを図式的に示している。図３に示すＲＦ信号３１０のパルスの時間的幅は、図１に示すＲＦ信号１１０のパルスの時間的幅と実質的に同じである。但し、図３に示すＲＦ信号３１０は、図１に示すＲＦ信号１１０のデューティサイクル（約５０％）より高いデューティサイクル（約６６．６％）を有する。したがって、図３に示すレーザ出力３１２は、図１に示すものより高いパルス繰り返し速度を有する。但し、レーザの励起状態の緩和時間のため、図３に示すＲＦ信号３１０のより高いデューティサイクルは、図３に示すレーザ出力３１２のパルスの間にオフセット又はＣＷ成分を導入する。

同様に、図４及び図５に示すＲＦ信号４１０、５１０のパルスの時間的幅は、図２に示すＲＦ信号２１０のパルスの時間的幅と実質的に同じである。但し、図４に示すＲＦ信号４１０は、図２に示すＲＦ信号のデューティサイクル（約２５％）より高いデューティサイクル（約５０％）を有する。したがって、図４に示すレーザ出力４１２は、これに対応して、図２に示すものより高いパルス繰り返し速度を有する。但し、レーザの励起状態の緩和時間のため、図４に示すＲＦ信号４１０のより高いデューティサイクルは、図４に示すレーザ出力４１２のパルスの間にオフセット又はＣＷ成分を導入する。このように、レーザのパルス繰り返し速度を高めると、安定した離散的なパルスを提供するためのレーザの能力が低下する。

（例えば、ＲＦ信号５１０のデューティサイクルが約８３．３％になっている図５に示すように）デューティサイクルを高め続けると、レーザ出力５１２は、ＣＷレーザの出力に近付いていく。ここでは、このようなレーザ出力５１２を準ＣＷ（準連続波）レーザ出力５１２と呼ぶ。一実施の形態では、高いＰＲＦで安定したパルス列を生成するために、準ＣＷレーザ出力５１２（又はＣＷレーザ出力）をＡＯＭに供給する。ＡＯＭによって提供されるパルス列の安定性は、レーザ出力がＣＷレーザの出力に近付くほど向上する。

例えば、図６は、一実施の形態に基づき、ＲＦトリガ６１４によって駆動されるＡＯＭの各出力レーザパルス列６１０、６１２のタイミングチャートを図式的に示している。レーザパルス列６１０に対応する具体例では、ＡＯＭは、４０％のデューティサイクルでレーザを駆動することによって得られるＣＷ成分を含むレーザビーム（図示せず）を受光する。この場合、図６に示すように、ＡＯＭによって提供されるレーザパルス列６１０には、パルス間のパルス波高の顕著な変動が含まれることになる。このようなレーザパルス列６１０では、カーフ品質が劣化するおそれがある。

レーザパルス列６１２に対応する具体例では、ＡＯＭは、９９％のデューティサイクルでレーザを駆動することによって得られる準ＣＷレーザビーム（図示せず）を受光する。レーザパルス列６１４は、非常に安定しており、ターゲット材料に高品質のカーフを形成する。この開示から、安定したレーザパルス列６１４は、レーザの励起状態の緩和時間に応じて、他のデューティサイクルでレーザを駆動することによって生成できることは当業者には明らかである。例えば、一実施の形態では、レーザは、約８０％〜約１００％のデューティサイクルを用いて駆動される。適切な準ＣＷレーザビームを実現するために、ＲＦ源は、レーザの励起状態の緩和時間より実質的に速くレーザを駆動するように構成される。

一実施の形態においては、ＡＯＭを駆動するために用いられるＲＦトリガ６１４は、約１００ｋＨｚ〜約２５０ｋＨｚの範囲の周波数を有する。但し、ＲＦトリガ６１４の周波数は、２５０ｋＨｚより実質的に高くてもよい。例えば、他の実施の形態では、ＲＦトリガ６１４は、最大約１ＭＨｚの周波数を有する。ある実施の形態では、ＲＦトリガの周波数は、ＡＯＭの立ち上がり／立ち下がり時間に基づいている。

Ｂ．パルス整形
安定したレーザパルス列を生成することに加えて、又は他の実施の形態において、ＡＯＭ（又はＥＯＭ等の他の高速スイッチングデバイス）は、レーザ加工品質を向上させるためにレーザパルス列内の１つ以上のパルスを整形する。レーザビームに曝された材料が加熱され、又は材料に固相から液相への相転移が生じると、材料の吸収断面積が変化することがある。レーザビームの１つ以上の特性を調整することによって、より効率的なレーザ／材料の結合（coupling）が実現される。

例えば、図７Ａ及び図７Ｂは、ある実施の形態に基づく、レーザ／材料の熱的結合を提供する少なくとも１つの整形パルスを含むレーザパルス列７００の時間的プロファイルを図式的に示している。説明の目的のために、ここでは、レーザパルス列７００を、第１のパルスのシリーズ７１０及び第２のパルスのシリーズ７１２として示している。これらの例示的な実施の形態では、ＡＯＭは、結合効率を高めるために、各シリーズ７１０、７１２内の最後のパルス７１４を整形する。これに加えて、又は他の実施の形態において、ＡＯＭは、各シリーズ７１０、７１２内の他の１つ以上のパルスを整形してもよい。各シリーズ７１０、７１２内のパルスの数、各シリーズ７１０、７１２の整形パルス７１４の数及び／又は整形パルス７１４の特定の形状を選択して、ターゲット材料に印加されるレーザエネルギーの供給量を制御することができる。

一実施の形態においては、整形レーザパルス７１４の特定の形状は、ＡＯＭに適用されるＲＦトリガ６１４の形状（図６参照）に基づいている。例えば、ＲＦ生成器（図示せず）を用いて、レーザパルス列７００の所望の時間的プロファイルと実質的に同様な時間的プロファイルを有するＲＦトリガ６１４を生成してもよい。すなわち、例えば、ＲＦ生成器は、矩形パルスから三角パルスへの切換を行い、又は矩形パルス及び三角パルスを結合して、図７Ａ及び図７Ｂに示す整形パルス７１４を生成するように構成してもよい。

例示的な実施の形態では、第１のターゲット位置（例えば、第１のビア位置）において第１のパルスのシリーズ７１０を材料に印加し、第２のターゲット位置（例えば、第２のビア位置）において第２のパルスのシリーズ７１２を材料に印加してもよい。もちろん、この開示から、レーザパルス列７００は、第１のパルスのシリーズ７１０及び第２のパルスのシリーズ７１２に制限されないことは当業者にとって明らかである。更に、この開示から、第１のパルスのシリーズ７１０は、第２のパルスのシリーズ７１２と同じ数のパルスを含む必要はなく、シリーズ７１０、７１２は、幾つのパルスを含んでもよいことは当業者にとって明らかである。

少なくとも１つのレーザパルス７１４を整形することに加えて、又は他の実施の形態において、パルス列７００のＣＷ成分を選択的に変更してもよい。例えば、図８は、一実施の形態に基づく、パルス波高の変動を含む図７Ａに示すレーザパルス列７００の時間的プロファイルを図式的に示している。期間８０８の間、（破線８１０によって示すように、）レーザパルス列７００がオフセット値の上に留まっている場合、ターゲット材料は、オフセットレーザエネルギーによって継続的に照射され、このエネルギーは、ターゲット材料の総合的な熱的状態に加えられる（例えば、レーザエネルギーは、パルス間に最小値に戻らない）。このように、図８に示すレーザパルス列７００は、図７Ａに示すレーザパルス列７００によって供給される供給量より高い量の熱エネルギーをターゲット材料に供給する。上述のように、ＲＦ生成器は、ＡＯＭに供給されるＲＦトリガ６１４を整形して、所望のオフセットを選択的に提供してもよい。

これに加えて、又は他の実施の形態において、パルス列７００のパルスのデューティサイクル値を選択的に調整してもよい。例えば、図９は、一実施の形態に基づく、時間的パルス幅及びパルス繰り返し速度の変動を含む図７Ａに示すレーザパルス列７００の時間的プロファイルを図式的に示している。ここでも、このような調整は、ＡＯＭに供給されるＲＦトリガ６１４を整形することによって行ってもよい。例えば、ＲＦ生成器は、ＲＦトリガ６１０のＲＦ振幅及び／又は時間的パルス幅を選択的に制御して、レーザパルス列６１０内に対応する変化を生成してもよい。

この開示から、レーザパルス列７００は、図７Ａ、図７Ｂ、図８及び図９に示すパルス波形及び他のパルス列の変更に制限されないことは当業者にとって明らかである。実際に、ＡＯＭを用いて、ターゲット材料に印加されるレーザエネルギーの供給量を制御するために、レーザパルス列７００に様々な異なる形状及び変更を選択的に提供してもよい。更に、単一のパルス列及び／又はパルスの単一のシリーズにおいて、１つ以上の変更（例えば、パルス波形、ＣＷオフセット、時間的パルス幅、パルス波高及びデューティサイクル）を組み合わせてもよい。

Ｃ．高い繰返し速度で安定したレーザパルス列を用いる具体例
以下の具体例は、説明の目的だけのために示し、本発明を限定するものではない。図１０Ａ及び図１０Ｂは、従来のＣＷ ＣＯ_２レーザを用いた場合と、ＡＯＭによって提供される安定したパルス列を用いた場合とに達成される加工品質の相異を図式的に示している。図１０Ａは、従来のＣＷ ＣＯ_２レーザを用いてプラスチック材料に掘られた溝１０００を図式的に示している。図１０Ｂは、ある実施の形態に基づき、ここに開示するように、ＲＦトリガによって駆動されるＡＯＭが提供する高い繰返し速度の安定したレーザパルス列を用いてプラスチック材料に掘られた溝１００１を図式的に示している。

これらの図に示すように、従来のＣＷ ＣＯ_２レーザによって形成される溝１０００は、安定したレーザパルス列によって形成される溝１００１に比べて、より広い掘削領域及びより顕著な熱の影響を有する。例えば、従来のＣＷ ＣＯ_２レーザを用いて整形された溝１０００のコーナ幅１００４は、約３１４．０２μｍであることが観測され、上幅１００２は、約２０１．１８μｍであることが観測され、側幅１００６は、約２０７．２３μｍであることが観測された。ＣＯ_２レーザを用いて形成された溝１００１の対応する測定値は、コーナ幅１０１４が約２４５．６１μｍであり、上幅１０１２が約１５９．２３μｍであり、側幅１０１６が約１７２．４８μｍであった。更に、図１０Ｂに示す溶解及びデブリ１００８に比べて、図１０Ｂに示す溶解及びデブリ１０１８が少ないことによって証明されるように、ＡＯＭを用いることによって、熱の影響が低減されている。

他の具体例として、図１１Ａ及び図１１Ｂは、ある実施の形態に基づき、ＲＦトリガによって駆動されるＡＯＭが提供する高い繰返し速度の安定したレーザパルス列を用いてプリント基板に開けられたビア１１０２、１１１２の断面を図式的に示している。この具体例では、図１１Ａにおいて穿孔された材料は、ＧＸ−３であり、図１１Ｂにおいて穿孔された材料は、ＧＸ−１３であり、これらは、味の素株式会社から入手可能な電子部品実装材料として一般的に使用されている。これらの図に示すように、ＡＯＭを用いることによって、従来のＲＦパルスレーザに比べてピークパルスパワーが下がっても、比較的高い繰返し率で安定したレーザパルス列を生成するここに開示するシステム及び方法によって、高品質なビアを形成することができる。

Ｄ．パルスレーザからの複数のビームの生成
十分なピークパワーを有さないレーザでは、レーザビームを分割することは、複数のビームパスにビームを供給するための好ましい手法ではない。したがって、一実施の形態では、単一のパルス又はＣＷ ＣＯ_２レーザから複数の加工ヘッドにレーザビームを供給することによって加工スループットを向上させる。従来の手法では、パルス列内の異なるパルス又は異なるパルスの単一の部分は、異なるビームパスに沿って異なる加工ヘッドに振り分けられる。例えば、図１２は、従来のＲＦパルス励起レーザによって生成された時間的レーザビーム１２１０について、第１の加工ヘッド（ヘッド１）に振り分けられた第１のパルス１２１２と、第２の加工ヘッド（ヘッド２）に振り分けられた第２のパルス１２１４と、ビームダンプに振り分けられた結果的なレーザビーム１２１６とに関するタイミングチャートを図式的に示している。この図に示すように、第１の加工ヘッドに振り分けられた第１のパルス１２１２は、レーザビーム１２１０の第１のパルス１２１８から時間的に「スライスされ」、第２の加工ヘッドに振り分けられた第２のパルス１２１４は、レーザビーム１２１０の第２のパルス１２２０から時間的にスライスされている。

一実施の形態においては、単一のレーザパルスから時間的にスライスされた複数のパルスを各加工ヘッドに振り分けることによってパルス繰り返し速度を高める。例えば、図１３は、一実施の形態に基づくＲＦパルス励起レーザによって生成された時間的レーザビーム１３１０について、第１のヘッド（ヘッド１）、第２のヘッド（ヘッド２）、第３のヘッド（ヘッド３）及びビームダンプに振り分けられた波形に関するタイミングチャートを図式的に示している。レーザビーム１３１０は、第１のパルス１３１２及び第２のパルス１３１４を含む。

この具体例におけるＡＯＭは、レーザビームの第１のパルス１３１２から第１の複数のパルス１３１６、１３１８、１３２０を時間的にスライスし、第１の複数のパルス１３１６、１３１８、１３２０のそれぞれを各加工ヘッドに振り分けるように構成されている。また、このＡＯＭは、レーザビームの第２のパルス１３１４から第２の複数のパルス１３２２、１３２４、１３２６を時間的にスライスし、第２の複数のパルス１３２２、１３２４、１３２６のそれぞれを各加工ヘッドに振り分けるように構成されている。このようにして、第１のパルス１３１２及び第２のパルス１３１４のそれぞれから、より多くの時間的幅が使用されている。但し、各加工ヘッドに提供されるパルス繰り返し速度は、レーザビーム１３１０のパルス繰り返し速度によって制限される。上述のように、パルスレーザビームは、一般的に、パルス繰り返し速度が高まると（例えば、５ｋＨｚ以上）、不安定になり、ＣＷ成分を含み始める。したがって、図１３に示すようにパルスレーザからレーザビームを時間的にスライスすることは、ある用途、例えば、フィルム加工等には適さない場合がある。

図１４は、一実施の形態に基づく、単一のＲＦパルスレーザ１４１０から複数のビームを生成するための例示的システム１４００のブロック図である。図１４に示すシステムは、例えば、図１３に示す波形を生成するために使用することができる。ＲＦパルスレーザ１４１０は、レーザビームを生成し、このレーザビームは、直列に構成されたＡＯＭ１４１２、１４１４、１４１６を通過する。システム１４００は、図１３に示すような複数のビームを提供するために、ＡＯＭ１４１２、１４１４、１４１６を用いて、時間的なパルス内スライス（intra-pulse slices）を生成する。換言すれば、各ＡＯＭ１４１２、１４１４、１４１６は、第１のパルス１３１２及び第２のパルス１３１４の各部分を偏向して、加工ヘッドに向かう各パスに落とし込む。各ＡＯＭ１４１２、１４１４、１４１６が提供する偏向角は、ＡＯＭ１４１２、１４１４、１４１６を駆動するために用いられるＲＦ信号（例えば、図６に示すＲＦトリガ６１４）の周波数によって決まる。ある実施の形態では、ＥＯＭ又はＡＯＭとＥＯＭの組合せを用いてもよい。

Ｅ．ＣＷ又は準ＣＷレーザからの複数のビーム生成
他の実施の形態においては、ビーム分配／時間整形デバイス（例えば、ＡＯＭ及び／又はＥＯＭ）と共にＣＷ又は準ＣＷレーザを用いて、複数の加工ヘッドに亘ってパルスを分配する。ここに示すシステム及び方法では、従来の手法による複数のビームの供給より速い複数のビームの供給が可能になる。ある実施の形態では、マルチ加工システム（multiple machining system）内のビーム分配／時間整形デバイスの数も低減される。したがって、加工スループットが向上する。

図１５は、一実施の形態に基づくＣＷレーザによって生成された時間的ＣＷレーザビーム１５１０について、第１のヘッド（ヘッド１）、第２のヘッド（ヘッド２）、第３のヘッド（ヘッド３）、第４のヘッド（ヘッド４）及びビームダンプに振り分けられた波形に関するタイミングチャートを図式的に示している。ＣＷレーザビーム１５１０は、時分割され、異なる光路に供給される。他の実施の形態では、準ＣＷレーザを用いて、レーザビーム１５１０を生成してもよい（例えば、図５参照）。

ＣＷ又は準ＣＷレーザ光源を使用しているので、各パスに提供されるパルス繰り返し速度は、各波形を生成するために用いられるＡＯＭ及び／又はＥＯＭの速度によって決まる。上述のように、一実施の形態では、ＡＯＭは、最大約１ＭＨｚの速度で切換えることができる。図１５に例示的に示すように、レーザビーム１５１０が４つの加工ヘッド間で時間的に切り取られる場合、各加工ヘッドに提供される波形のパルス繰り返し速度は、ＡＯＭの切換速度の約１／４と同程度の高さになる。

図１６は、一実施の形態に基づく、単一のＣＷ又は準ＣＷレーザ１６１０から複数のビームを生成するための例示的システム１６００のブロック図である。図１６に示すシステム１６００は、例えば、図１５に示す波形を生成するために使用することができる。ＣＷ又は準ＣＷパルスレーザ１６１０は、レーザビームを生成し、このレーザビームは、直列に構成されたＡＯＭ１６１２、１６１４、１６１６、１６１８を通過する。各ＡＯＭ１６１２、１６１４、１６１６、１６１８は、レーザビーム１５１０の時間的な各部分を偏向して、加工ヘッドに向かう各パスに落とし込む。上述のように、ＡＯＭ１６１２、１６１４、１６１６、１６１８が提供する偏向角は、ＡＯＭ１６１２、１６１４、１６１６、１６１８を駆動するために用いられるＲＦ信号の周波数によって決まる。

図１６に示す例示的システム１６００は、各ビームパスあたり１つのＡＯＭを用いる。このような実施の形態では、最後のビームは、各ＡＯＭの回折効率による影響を受ける。更に、使用するＡＯＭの数を増やすと、システム１６００のコストが高くなる。したがって、一実施の形態では、単一のＡＯＭが、レーザビームの各部分を偏向して、複数のビームパスに落とし込むように構成する。これによって、ＡＯＭの数を削減できる。

例えば、図１７は、一実施の形態に基づく、より少ないＡＯＭ１７１０、１７１２を用いて複数のビームを生成する例示的システム１７００のブロック図である。各ＡＯＭ１７１０、１７１２は、２つのＲＦ信号によって駆動される。上述のように、各ＡＯＭ１７１０、１７１２の偏向角は、ＲＦ信号の周波数に比例する。この具体例では、各ＡＯＭ１７１０、１７１２は、第１の周波数（ＲＦ周波数１）及び第２の周波数（ＲＦ周波数２）で駆動される。ＡＯＭ１７１０、１７１２に適用されるＲＦ周波数を切換えることによって、各ＡＯＭ１７１０、１７１２は、ビームを異なる光路に偏向することができる。総合的な角度偏差は、ＲＦ周波数、波長及び材料特性によって決まる。図１６に示すシステム１６００に比べて、図１７に示すシステム１７００は、半数のＡＯＭを使用して、同数のヘッドにレーザビームを提供する。加えて、または他の実施の形態では、各ＡＯＭ１７１０、１７１２は、上述したように、各レーザビーム毎に異なる時間的パルス幅、パルス繰り返し速度及び／又はパルス整形を提供するように構成してもよい。

図１８は、一実施の形態に基づく、２つのＲＦ信号によって駆動される例示的なＡＯＭ１８１０のブロック図である。この具体例では、ＡＯＭ１８１０は、米国ヴァージニア州スプリングフィールドのアイソメット社（Isomet Corp.）から入手可能な高パワー音響光学変調器／偏向器（high power acousto-optic modulator/deflector）を備える。ＡＯＭ１８１０は、ＲＦ電源１８１２によって駆動される。この具体例では、ＲＦ電源１８１２は、同様にアイソメット社から入手可能なＲＦドライバ／増幅器ＲＦＡ４０６０−２を備える。

ＲＦ電源１８１２は、周波数選択入力及び変調入力を有する。周波数選択入力は、ＲＦ出力周波数を切換えるためのものである。一実施の形態においては、周波数選択入力は、ＲＦ電源１８１２によって内部的にローに引かれている。一例として周波数選択入力においてローレベルがアサートされると、約６０ＭＨｚが選択され、ハイレベルがアサートされると、約４０ＭＨｚが選択される。変調入力は、両方のＲＦ出力（ＲＦ１及びＲＦ２）を制御して、デジタル又はアナログ変調を同時に提供する。この例示的な実施の形態では、ＲＦ電源１８１２内の増幅器のＲＦ切換の立ち上がり及び立ち下がり時間は、約２００ナノ秒である。各周波数における最大のＲＦ出力は、ＲＦ電源１８１２内の電力調整ポテンショメータによって設定される。

図１９は、一実施の形態に基づく、図１８に示すＡＯＭ１８１０及びＲＦ電源１８１２と共にＣＷレーザ１９１０を示すブロック図である。図１９に示すように、ＲＦコントローラへの入力を切り換えることによって、レーザビームは、選択された周波数ＲＦ１、ＲＦ２に応じて、異なる角度に振り分けられる。

０次と１次の間の分離角度は、以下の式によって表される。

入射ガウスビームの光立ち上がり時間は、以下のように概算される。

ここで、λ＝波長であり、ｆｃ＝中心周波数（例えば、４０ＭＨｚ／６０ＭＨｚ）であり、ｖ＝相互作用する材料の音響速度（例えば、５．５ｍｍ／μ秒（Ｇｅ））であり、ｄ＝１／ｅ^２ビーム直径である。

本発明の基底にある原理から逸脱することなく、上述の実施の形態の詳細に多くの変更を加えることができることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって定義される。

Claims (19)

1. 高い繰返し速度で安定したレーザパルス列を生成するレーザ加工システムであって、
   レーザパルス列によって材料のターゲット位置を照射するように構成された加工ヘッドと、
   連続波（continuous wave：ＣＷ）又は準ＣＷレーザビームを生成するように構成されたレーザ光源と、
   前記レーザ光源の外部に配置され前記レーザ光源から分離された光学シャッタと、
   を備え、
   前記光学シャッタは、
   前記レーザ光源からＣＷ又は準ＣＷレーザビームを受光し、
   制御信号を受信し、
   前記制御信号に基づいて前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームからレーザパルス列を生成し、
   前記レーザパルス列のなかの１以上のレーザパルスを選択的に整形して前記材料に加えられるレーザエネルギー量を制御し、
   前記加工ヘッドに前記レーザパルス列を振り分けるように構成されており、
   前記選択的に整形する前記レーザパルスの形状は、高速立ち上がり時間を有するとともに前記レーザエネルギーと前記材料の結合効率を増加させるように構成されている、
   レーザ加工システム。
2. 前記レーザ光源は、無線周波数（radio frequency：ＲＦ）パルスレーザを含み、当該システムは、前記ＲＦパルスレーザの励起状態の緩和時間より実質的に速く前記ＲＦパルスレーザを駆動して、前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームを生成するＲＦ源を更に備える請求項１記載のシステム。
3. 前記ＲＦ源は、約８０％から約１００％の間のデューティサイクルを有するＲＦ信号によってＲＦパルスレーザを駆動するように更に構成されている請求項２記載のシステム。
4. 前記光学シャッタは、音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）を含み、前記制御信号は、ＲＦトリガを含み、前記ＡＯＭは、前記ＲＦトリガの時間的パルス幅及びパルス繰り返し速度に基づいて、前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームの複数の時間的な部分を選択して前記加工ヘッドに振り分けることによって、レーザパルス列を生成するように構成されている請求項１記載のシステム。
5. 前記パルス繰り返し速度は、約１ＭＨｚまでの範囲内にある請求項４記載のシステム。
6. 前記ＡＯＭは、前記ＲＦトリガのパルス波形に基づいて前記レーザパルス列の１つ以上のパルスを整形するように更に構成されている請求項４記載のシステム。
7. 前記整形は、前記レーザパルス列の特定のパルスの時間的パルス幅を変更することを含む請求項６記載のシステム。
8. 前記整形は、所定の期間、閾値を上回る前記レーザパルス列のＣＷ成分を変更することを含む請求項６記載のシステム。
9. 前記整形は、前記レーザパルス列のデューティサイクルを選択的に調整することを含む請求項６記載のシステム。
10. 前記光学シャッタは、電気光学変調器である請求項１記載のシステム。
11. レーザ光源を用いて、連続波（continuous wave：ＣＷ）又は準ＣＷレーザビームを生成する工程と、
    前記レーザ光源の外部において前記レーザ光源から分離して前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームの部分を時間的にスライスし、レーザパルス列を生成する工程と、
    前記レーザパルス列のなかの１以上のレーザパルスを選択的に整形して前記材料に加えられるレーザエネルギー量を制御する工程と、
    前記レーザパルス列を材料のターゲット位置に振り分ける工程と、
    を有し、
    前記選択的に整形する前記レーザパルスの形状は、高速立ち上がり時間を有するとともに前記レーザエネルギーと前記材料の結合効率を増加させるように構成されている、
    レーザ加工方法。
12. 前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームを生成する工程は、前記レーザの励起状態の緩和時間より実質的に速くパルスレーザを駆動する工程を含む請求項１１記載の方法。
13. 前記パルスレーザを駆動する工程は、約８０％から約１００％の間のデューティサイクルを有する無線周波数信号によって前記パルスレーザを駆動する工程を含む請求項１２記載の方法。
14. 前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームの部分を時間的にスライスする工程は、
    前記ＣＷ又は準ＣＷレーザビームを音響光学変調器（acousto-optic modulator：ＡＯＭ）に振り分ける工程と、
    前記レーザパルス列に対応する時間的幅及びパルス繰り返し速度を有するパルスを含む無線周波数（radio frequency：ＲＦ）トリガによって前記ＡＯＭを駆動する工程とを含む請求項１１記載の方法。
15. 前記パルス繰り返し速度は、約１ＭＨｚまでの範囲内にある請求項１４記載の方法。
16. 前記ＲＦトリガ内の１つ以上のパルスを整形することによって、前記レーザパルス列内の１つ以上のパルスを整形する工程を更に有する請求項１４記載の方法。
17. 前記整形は、前記レーザパルス列の特定のパルスの時間的パルス幅を変更することを含む請求項１６記載の方法。
18. 前記整形は、所定の期間、閾値を上回るように前記レーザパルス列のＣＷ成分を変更することを含む請求項１６記載の方法。
19. 前記整形は、前記レーザパルス列のデューティサイクルを選択的に調整することを含む請求項１６記載の方法。

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