JP5555250B2

JP5555250B2 - 被加工物の高スループットレーザ加工を実現するためにレーザビーム位置決めシステムに対する動的熱負荷を制御する方法

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Publication number: JP5555250B2
Application number: JP2011539610A
Authority: JP
Inventors: ウンラート，マーク，エイ．
Original assignee: エレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2009-11-30
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著作権表示
（ｃ）２０１１年，Electro Scientific Industries, Inc
この特許文献の開示の一部は、著作権によって保護されるものを含む。本著作権者は、特許商標庁のファイルまたは記録における限り、特許文献またはその開示をファクシミリで複製することに意義はない。ただし、いかなる場合でも全ての著作権を留保する。３７ＣＦＲ１．７１（ｄ）参照。

本開示は、被加工物をレーザ加工する方法に関する。特に、レーザビーム位置決めシステムと光学系部品に対する動的熱負荷によって生じる、精度と被加工物品質の劣化を最小化しながら、密集間隔で配置された被加工物の高スループットレーザ加工を実施する方法に関する。

レーザ加工アプリケーションのなかには、被加工物上の目標位置の規則的間隔で配置されたパターンを非常に高スループットに加工する必要があるものがある。例えば、太陽電池加工アプリケーションのなかには、シリコンウエハを規則的間隔で配置されたグリッドパターンでビア穴開けする必要があるものがある。これらアプリケーションの顧客は、毎秒数千ビアオーダの非常に高い加工スループットを要求する。

これらアプリケーションにおけるビア間隔は、０．５ｍｍ〜１ｍｍであり、かなり密集している。全加工領域は、通常は１５０ｍｍ×１５０ｍｍのウエハであり、広大である。したがってレーザ加工システムは、密集したビアを高速穴開けしつつ、この全領域をカバーしなければならない。上記システムにおける精度要件は、１０μｍ〜２０μｍのオーダである。各ビアの穴開け時間は、レーザ特性（波長、パルス周波数、パルスパワー、パルス幅）、ビア直径、基板材質および厚さに強く依拠する。しかし穴開け時間は、通常は０．１ｍｓｅｃ〜０．５ｍｓｅｃのオーダである。ビア直径は、通常は２０μｍ〜５０μｍのオーダである。

通常の従来アプローチは、ガルバノメータ（ｇａｌｖｏ）ベースのレーザ加工ビームの位置決めに依存している。これは、単独（非常に広範なガルバノメータ領域）で用いられる場合もあるし、移動ステージ（比較的小さいガルバノメータ領域）と組み合わせる場合もある。これらいずれのアプローチも、制約がある。

ガルバノメータベースの加工レーザビーム位置決めを実装した第１のシステムアーキテクチャは、単一の大きなガルバノメータ領域を用いて、被加工物全体をカバーする。この実装は、非常に大きなスキャンレンズまたはポストレンズスキャンシステムを必要とする。いずれの場合においても、ガルバノメータは通常、加工ビームを一定速度で被加工物全体にわたって移動させ、コントローラは各ビア位置においてガルバノメータを停止させずにレーザパルスを出力する。いくつかの経路は、各ビアを完全に穴あけする必要がある。これは、各ビアに必要となるパルスの数が比較的少なく、目標ビア位置が規則的間隔のパターンであるので、可能である。このアプローチは、ガルバノメータの転回が被加工物のエッジ部分においてのみ生じるので、ガルバノメータを頻繁に加速および減速するタイミングオーバヘッドと熱効果を回避できる。

非常に大きなスキャンレンズを用いて被加工物全領域をカバーする場合、大きなレンズには、高パワーレーザビームを用いて加工することにより光学素子が加熱されて生じる、精度劣化がともなう。また、所望の被加工面スポットサイズを得るため、大ビーム直径が必要となる。上記のような大ビーム直径を得るためは、大きなガルバノメータを必要とする。そのため、大ガルバノメータ（慣性大）を有する移動大ミラー（慣性大）の低い熱効率による精度劣化の影響を受ける。

ポストレンズスキャンシステムを用いて被加工物全領域をカバーする場合、レンズ熱精度効果は減少する。しかし加工システムは、テレセントリックでないビーム出力の効果に影響を受け、これにより穴開けビアの品質が劣化する。さらに、上記のようなテレセントリックエラーを最小化するためには、焦点距離を大きく保つことが必要となり、所望の被加工面スポットサイズを得るためには、やはり大レーザビーム直径が必要となる。このため、上記システムにおいて必要となる大ガルバノメータにより、上記と同様の熱精度問題が生じる。テレセントリックエラーが重要でなければ、より短いＦＬレンズを用いることができ、動的フォーカス素子を用いることにより非平坦フォーカス領域問題を避けることができる。このアプローチの不都合な点は、コスト、複雑さ、フォーカス素子による精度劣化、超高速アプリケーションのためのフォーカス素子のコスト、残存するテレセントリックエラーである。

第２のシステムアーキテクチャは、複合位置決めシステムである。同システムにおいて、ガルバノメータヘッドを被加工物全体にわたって移動させる機構（ＸＹ被加工物テーブル、または交差軸移動光学系）とともに、小さいガルバノメータ領域（通常は約２０ｍｍ平方）が実装される。第１のシステムアーキテクチャと同様に、ガルバノメータは一定速度でビアをスキャンし、各ビアにレーザビームパルスを出力して、各ビア位置で停止するオーバヘッドを避ける。ガルバノメータが領域を高速にスキャンするのにともない、ガルバノメータは、スキャン領域のエッジ部分において加速および減速する多大な時間を消費しなければならない。なぜなら、被加工物よりもずっと小さいからである。この時間消費は、スループットを大幅に減少させる。転回時間を短縮するため加速度を高めた場合、ガルバノメータの加熱が精度を劣化させ、実現可能な加速に上限が生じる。しかし、第２のシステムアーキテクチャは、高精度（スキャンレンズが小さく、レンズ歪が小さいことによる）、改善したビア品質（小さく歪が少ないスキャンレンズとテレセントリックスキャン領域による）、高速なビーム位置決め速度（小さいガルバノメータとミラーによる）の利点を有する。このアプローチもまた、各ビアを加工するため必要になるレーザパルス数によっては、上述のスループット制約のため、実用的でない。

必要なのは、許容できるビーム品質と精度をもって、高スループット要件を満たす速度で、規則的間隔のパターンで配置された目標位置間で加工レーザビームを高速に位置決めすることができるレーザ加工システムである。

密集間隔で配置された被加工形状を高スループットレーザ加工する方法は、被加工形状の加工中にレーザビームを方向付けるレーザビーム位置決め器および光学素子に対する動的熱負荷によって生じる、被加工形状の加工精度劣化と品質劣化を最小化する。望ましい実施形態は、加工領域を規定する加工面を有する被加工物を支持部上で位置決めするステップ、レーザビームをビーム位置決めシステムへ向けさせて加工レーザビームを加工面上の加工バンドに沿って整列された加工形状位置に入射させるステップ、を有する。ビーム位置決めシステムは、移動ステージ、移動ステージと協調動作して加工面上の加工形状位置において被加工形状を加工する第１および第２ビーム位置決め器、を備える。第１ビーム位置決め器は、第１応答時間を有し、加工レーザビームを加工面のスキャン領域内で位置決めするように動作することができる。第２ビーム位置決め器は、第２応答時間を有し、加工ビームをスキャン領域内の位置へ移動させるように動作することができる、音響光学タイプのゼロ慣性光学偏向器を備える。第２応答時間は、第１応答時間よりも短く、望ましくは加工レーザのパルス間期間よりも短い。

望ましい方法は、ビーム位置決めシステムが複数の機能を実施するように制御するステップをさらに有する。第１機能は、移動ステージと第１ビーム位置決め器の動作を調整して加工レーザビームをスキャン領域内に位置決めし、スキャン領域を移動させて加工面をカバーすることである。スキャン領域は、実質的に被加工物の加工面領域よりも小さく、それぞれ複数の加工形状位置を包含する複数の加工バンドを含む。第２機能は、第１ビーム位置決め器が加工レーザビームをスキャン領域内の複数の加工バンドへ連続的に位置決めするように動作させることである。第３機能は、第２位置決め器が各加工バンド内の複数の加工形状位置において被加工形状を加工するように動作させることである。これは、加工レーザビームを各加工形状位置に移動および停留させ、加工バンド内の被加工形状を加工することによって実現される。スキャン領域内の被加工形状の加工中に第１ビーム位置決め器の加速および減速が無視できる点で、効果的である。もう１つの利点は、加工レーザビームがパルス間期間内に新たな加工形状位置へ移動することにより、移動時間（加工バンドに沿った加工中）を削減してスループットを向上させる点である。

その他の側面および利点は、添付する図面とともに説明する、以下の実施形態の詳細説明から明らかになるであろう。

開示するレーザビーム位置決めシステムの望ましい実施形態のハードウェアアーキテクチャの図である。加工レーザが図１のビーム位置決めシステムによる動作線に沿って入射してビアを穴開けする、被加工物の加工面上の位置を表す加工形状位置アレイの平面図を示す図である。図１のビーム位置決めシステムの音響光学偏向器のスキャン領域サイズを最適化する例を表す曲線セットのグラフである。図２に示す加工レーザ移動線の移動方向に整列されていない加工形状位置アレイの平面図を示す図である。

図１は、レーザベース試料加工システム１２のレーザビーム位置決めシステム１０の望ましい実施形態のハードウェアアーキテクチャを示す。ビーム位置決めシステム１０は、入力レーザビーム１４を受け取り、支持部２２上に配置された被加工物２０の目標形状１８を加工する加工レーザビーム１６を形成する。ビーム位置決めシステム１０は、第１ビーム位置決め器としてのミラーベースビーム位置決め器３０と、第２ビーム位置決め器としてのゼロ慣性光学偏向器３２と、を備える。これらは移動ステージ３４と協調動作して加工ビーム１６を方向付け、被加工物２０の加工面３８上の目標形状位置３６において目標形状１８を加工する。望ましいゼロ慣性光学偏向器３２は、例えばフロリダ州メルボルンのＮｅｏｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手できるＮｅｏｓ４５１００−５−６．５ＤＥＧ−．５１１次元偏向器のような音響光学偏向器（ＡＯＤ）である。ミラーベースビーム位置決め器３０は、例えば２軸高速ステアリングミラー（ＦＳＭ）または２軸ガルバノメータビーム位置決めヘッドである。後者は本実施形態で用いられる。望ましいＦＳＭは、ドイツ国カールスルーエ／パルムバッハのＰｈｙｓｉｋＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧから入手できる、ＰＩＳ３３０ピエゾｔｉｐ／ｔｉｌｔプラットフォームである。望ましいガルバノメータは、マサチューセッツ州レキシントンのＣａｍｂｒｉｄｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．から入手できる、６２３０Ｈガルバノメータである。ここに示す望ましい装置は、５３２ｎｍの入力レーザビーム１４とともに用いるのに適している。移動ステージ３４は、ガルバノメータヘッド３０とＡＯＤ３２を支持するものであり、移動ステージ３４をＸ軸に沿った方向４０とＹ軸に沿った方向４２に配置する機構の一部である。

従来技術で用いられているリレーレンズ部品４４は、入力レーザビーム１４がＡＯＤ３２によって偏向した後、ガルバノメータヘッド３０に入射する前に、入力レーザビーム１４を調整するために配置されている。リレーレンズ４４は、ＡＯＤ３２から伝搬する偏向した入力ビーム１４の「回転軸」を、ガルバノメータヘッド３０のスキャンミラー面に変換する。リレーレンズ４４は、ＡＯＤ３２の角偏向範囲とビーム経路長に依拠するオプションである。リレーレンズ４０の目的は、ガルバノメータスキャンミラーに衝突するビームの偏向を最小化することである。理想的には、ビームはガルバノメータスキャンミラーの中心に衝突すべきである。中心がずれると、スポット歪みとスキャン領域歪みを生じる可能性があるからである。通常、衝突するビームをガルバノメータスキャンミラーの中心の０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ以内に維持することが望ましい。例えば、３０μｍスポット、５スポット（１５０μｍ）のＡＯＤ偏向、１００ｍｍスキャンレンズの場合は、ＡＯＤ３２による偏向角は０．１５／１００＝１．５ｍｒａｄ（全角）である。ビーム経路長が２ｍである場合、３ｍｍ（±１．５ｍｍ）の偏向が生じる。この場合、リレーレンズ４４は、全てのＡＯＤ偏向角において、ミラーに衝突するビームを位置決めするのに望ましい。

スキャンレンズ４６は、加工ビーム１６がガルバノメータヘッド３０によって偏向した後、および被加工物２０の加工面３８に入射する前に加工ビーム１６を調整するために配置されている。

ガルバノメータヘッド３０は、加工ビーム１６によってカバーされる加工面３８のスキャン領域５０を規定するＸＹ配置制約を有する。スキャン領域５０は、各軸次元ともに１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲のサイズである。ＡＯＤ３２は、入力されたＲＦパワーに応じて入力ビーム１４を偏向させ、加工ビーム１６を軸（すなわちＸ軸）に沿って移動させて、スキャン領域５０内の加工バンド５２に沿って配置された複数の目標形状１８を加工する。移動ステージ３４は、スキャン領域５０を加工面３８全体にわたって回転させ、被加工物２０の全ての目標形状１８を加工する。

移動ステージ３４の代替実施形態は、直交する方向に移動する２つのリニアステージ部品を有する分離軸機構である。同実施形態において、１つのリニアステージはガルバノメータヘッド３０とＡＯＤ３２を支持し、これらをＸ軸方向４０に移動させる。支持部２２は、もう一方のリニアステージとして機能し、被加工物２０を支持し、Ｙ軸方向４２に移動させる。

コントローラ６０は、ガルバノメータヘッド３０、ＡＯＤ３２、および各実施形態の移動ステージ３４の動作を、図２で説明するように調整する。

図２は、密集間隔で配置された加工形状位置３６のアレイ６２を示す図である。加工形状位置３６は、互いに距離６４を隔てて配置され、加工面３８上で規則的なグリッドパターンを形成している。密集配置された加工形状位置３６のうち複数（３個超）は、対応する目標形状１８の直径の約２〜２０倍の範囲内にある。同実施形態について、加工形状位置３６は、加工ビーム１６がシリコンウエハ被加工物２０を穴開けし、目標形状１８としてビアを形成する位置を表す。距離６４は、約０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、ビア位置３６を密集配置し、これにより加工ビーム１６を用いたビア穴開けの間隔が狭くなる。スキャン領域５０は、ビア位置３６のアレイ６２に部分的に重なって示されている。ビーム位置決めシステム１０は、コントローラ６０が実施する以下のビーム位置決め手順にしたがって加工ビーム１６を移動させることにより、アレイ６２を横断してビア１８を形成するように動作する。

ＡＯＤ３２は、加工ビーム１６がＸ軸方向４０に移動し、ビア位置３６におけるビア１８のラインである動作線（ＬＯＡ）５２の形状で加工バンド５２に沿って加工するように、入力ビーム１４を偏向する。（図２は、黒丸で穴開けされたビア１８を示し、白丸で穴開けされていないビア１８を穴開けするビア位置を示す。）加工ビーム１６は、各ビア位置３６に、望ましくは少数（例えば、１〜１５）のレーザパルスを出射することによってビア１８を穴開けするのに十分な時間停留する。ＬＯＡ５２に沿ってビア１８のラインを穴開け完了すると、ガルバノメータヘッド３０は、加工ビーム１６のＬＯＡ５２を位置決めし、ＡＯＤ３２のビーム偏向動作を繰り返して、スキャン領域５０内のビア位置３６においてビア１８の隣接ラインを穴開けする。ＬＯＡ５２の位置決めとビア１８のラインの穴開けは、スキャン領域５０に含まれるビア１８の全ラインの穴開けが完了するまで繰り返される。移動ステージ３４は、スキャン領域５０を加工面３８にわたって回転させ、穴開けされていないビア位置３６をカバーし、ＡＯＤ３２によるビーム偏向に応じて加工レーザ１６によって穴開けできるようにする。移動ステージ３４は、アレイ６２の下方境界における曲線矢印６６で示す転回動作を実施することによって方向を反転し、ＡＯＤ３２によるビーム偏向に応じた加工ビーム１６について、穴開けしていないビア位置３６にわたってスキャン領域５０の移動を継続する。

スキャン領域５０は、移動ステージ３４の転回動作６６の間にＡＯＤ３２のＬＯＡ５２をスキャン領域５０内で移動させることによって、ＡＯＤ３２のビーム偏向動作による加工を中断せずに継続できるようなサイズにすることができる。当業者は、ＬＯＡ５２に沿ったＡＯＤ３２によるビーム偏向に応じてスキャンされ加工レーザ１６が加工するビア位置３６の数を増やすと、必要とされる移動ステージ３４の速度と加速度が減少することを理解するであろう。当業者は、この１つのＡＯＤ３２を用いて実装されたビーム位置決めシステム１０の実施形態が、ビア位置が不規則間隔でＬＯＡ５２に沿って整列されている場合に、適切に機能することを理解するであろう。ＡＯＤ３２の動作は、隣接するビア位置３６の間の不規則間隔に対処することができる。

代替実装において、コントローラ６０は、移動ステージ３４とガルバノメータヘッド３０の移動を調整し、移動ステージ３４が動いていても、ＬＯＡ５２を加工面３８上の一定位置に維持することができる。この動作は、本出願人に特許された、米国特許第５，７９８，９２７号および第５，７５１，５８５号に記載されている、複合ビーム位置決めシステムによって実現することができる。

ＡＯＤ３２の動作は、加工ビーム１６を次の隣接するビア位置３６に高速に位置決め（０．１μ秒〜１０μ秒の応答時間で）し、これにより、加工レーザビーム１６が各ビア位置３６で加工のために停留できるようにしつつ、ＬＯＡ５２に沿ったビア位置３６間の移動時間を効果的に削減する。この移動−停留能力は、ガルバノメータヘッド３０が高速かつ繰り返しで（０．１ｍｓｅｃ〜１．０ｍｓｅｃの応答時間で）、各ビア位置３６において停止することなく、スキャン領域５０を位置決めするための要件を緩和する。これに代えて、ＬＯＡ５２に沿った各ビア位置３６において、複数のビア１８を数ミリ秒で完全に加工し、その後ガルバノメータヘッド３０はＬＯＡ５２を次のビア位置３６の利用可能ラインに位置決めし、加工を繰り返してもよい。各ＬＯＡ５２においてＮ個のビア１８を加工する場合、ガルバノメータヘッド３０のライン間の移動時間は、各Ｎ個のビア１８においてのみ生じ、そのためガルバノメータヘッド３０の加速と減速が頻繁に実施されることによってスループットへ与える影響が希釈化される。ＡＯＤ３２によってＬＯＡ５２に沿ってスキャンされるビア１８の数Ｎは、ＡＯＤスキャン領域を定める。

単一のＡＯＤを用いるアーキテクチャの場合は、達成可能なスループットは、各ビア１８の穴開け時間とガルバノメータヘッド３０の移動時間に依拠する。穴開け時間は、利用可能なレーザパワーと入力ビーム１４の繰り返し周波数に依拠する。全移動時間は、各ＬＯＡ５２内のビア１８の個数Ｎとガルバノメータヘッド３０の移動時間の関数である。穴開け時間をＴ_ｄ、ガルバノメータヘッド３０のＬＯＡ５２間の移動時間をＴ_ｇとすると、毎秒ビア数の総スループットＶＰＳは、下記のようになる。
ＶＰＳ＝Ｎ／（Ｎ×Ｔ_ｄ＋Ｔ_ｇ）

Ｔ_ｄとＴ_ｇの影響は競合しており、したがってシステム設計においてバランスが取られる。ビア１８の個数Ｎは、より大きいＡＯＤスキャン領域を用いる場合は増やすことができるが、ＡＯＤスキャン領域が大きくなるとＡＯＤ３２の最小伝搬効率が低下し、これによりレーザパワーが低下して穴開け時間が長くなる。図３は、Ｔ_ｄとＴ_ｇのトレードオフ効果を示すことにより、ＡＯＤスキャン領域サイズの最適化の例を示す。本例において、ＡＯＤ３２の効率は、ＡＯＤスキャン領域内のビア１８の数が１ビアから１０ビアとなるにともない、１００％から７０％へ線形変化すると簡易仮定している。この簡易例において、最適なＡＯＤスキャン領域サイズは、ビア１８の個数が４〜６である場合である。当業者は、実際にはＡＯＤ効率はスキャン領域サイズの単純線形関数ではないことを理解するであろう。最適なスキャン領域サイズを正確に判定するには、ＡＯＤ効率対ビーム偏向の正確なモデルを提供することを必要とするが、そのようなモデルは所与のＡＯＤ効率曲線について実施した計算から容易に導き出すことができる。

ＡＯＤ３２の通常の設計において、レーザパワーはＡＯＤ３２の極端な移動において最も減少する。したがって、加工パルス数と加工ビーム１６パワーの一方または双方を、ＡＯＤスキャン位置の関数として変化させることができる。このようにして、ＡＯＤスキャン領域全体にわたって一定ではないものの、穴開け時間をより完全に最適化することができる。

ガルバノメータヘッド３０がＬＯＡ５２の加工中にＬＯＡ５２をＸ軸方向４０に沿って回転させることができるようにし、これによって効率的にＬＯＡ５２の長さを拡張し、被加工物２０の加工面３８をカバーするために消費される時間に影響を与えるガルバノメータヘッド３０移動時間の効果をさらに希釈化することにより、さらなる拡張が可能である。これは、ガルバノメータヘッド３０とＡＯＤ３２の間の別レベルの調整処理を実装したコントローラ６０を必要とする。この拡張の結果、ＬＯＡ５２の各シーケンスにおいてガルバノメータヘッド３０の別の加速および減速が導入され、これによりガルバノメータヘッド３０に対する熱負荷が増加して精度劣化のリスクが生じる。しかしこの拡張により、総ビア加工時間をビア１８の原穴開け時間に近づけることができる。

単一のＡＯＤ３２を用いると、ビーム位置決めシステム１０のあまり複雑でないシステムアーキテクチャを得ることができる。２次元ＡＯＤスキャンアーキテクチャを用いることは実用的であるが、通常は１次元ＡＯＤスキャンアーキテクチャのコストと複雑度に比べてコストと複雑度が増加する。（２次元ＡＯＤスキャンアーキテクチャは、加工ビーム１６をＸおよびＹ軸に沿って方向付けるように構成された２つのＡＯＤによってゼロ慣性光学偏向器３２が構成されているものである。）これは、２つのＡＯＤ装置を用いるとき、ビームを適切に調整するため別の光学素子が追加されるからである。しかし、単一のＡＯＤ３２システムアーキテクチャは、被加工形状１８が非常に一貫的に整列されているとき、十分なパフォーマンスを発揮する（少なくとも要求される形状配置精度の一部の範囲内において）。被加工形状１８が名目上は整列されているがＡＯＤ３２の偏向軸（すなわち、Ｘ軸）に対して回転している場合は、被加工物および光学回転のいずれかまたは双方を導入してＡＯＤ３２を加工形状１８に整列することができる。例えば、回転「シータ」ステージ７０（図１）は、被加工物２０を回転させることができ、あるいはＬＯＡ５２に沿ったＡＯＤ３２の偏向軸はドーブプリズム（Ｄｏｖｅｐｒｉｓｍ）を用いて回転させることができる。もちろん、ビーム位置決めシステム１０が被加工物２０を十分な精度で整列することができる場合は、回転ステージまたはドーブプリズムは用いない。

２次元ＡＯＤスキャンアーキテクチャを用いる実用的なアプリケーションには、不規則間隔で配置された被加工形状を加工すること、加工バンドの幅が十分に小さい状況の下で加工すること（すなわち、形状位置がおよそ加工形状の幅分だけ動作直線からオフセットしている）、被加工形状の数があまり多くない（すなわち、５〜１０）ＡＯＤスキャン領域を加工すること、が含まれる。図４は、アレイ６２’内の密集間隔で配置された形状位置３６がＬＯＡ５２方向に整列されておらず、加工バンド５２’が形状位置３６の直径の約２倍の幅を有する、２番目の状況を示す。複雑度が増して光学効率が減少しても、不規則間隔で配置され、線形加工バンド（すなわち、ＬＯＡ）に沿っていない被加工形状を加工する場合は、やむをえない。そして、光学効率の減少は、あまり多くない被加工形状を加工する際には、大きなマイナスとなる。

アプリケーションによっては、単一の２次元ＡＯＤスキャンアーキテクチャを用いることができる。この場合、ＬＯＡ移動時間も効果的に削減することができる。さらに、２次元ＡＯＤスキャンアーキテクチャは、上述のアプローチを規則的間隔で配置された被加工形状１８に適用する要件を緩和することができる。これは、第２ＡＯＤ偏向軸を用いて加工形状１８間の交差軸位置を調整することができるからである。当業者は、２次元ＡＯＤによる偏向に応じた加工ビーム１６が、停留時間の間に、被加工物２０を穿孔または螺旋加工して各ビア位置３６にビア１８を形成できることを理解するであろう。

ビーム位置決めシステム１０の利点は、以下の点を含む。ビーム位置決めシステム１０は、ビーム位置決め器および光学素子に対する動的熱負荷によって生じる精度と被加工形状品質の劣化を最小化しつつ、規則的間隔で配置された被加工形状１８を非常に高スループットに加工する。ビーム位置決めシステム１０は、大スキャンレンズによる高コストを削減することにより、上記アプリケーションのシステムコストを下げることができる。ビーム位置決めに用いるＡＯＤ３２に加えられたＲＦパワーを変調することにより、レーザパワー制御を提供することができる。これにより、システム部品を追加せずにすむ。

本発明の原理から逸脱することなく上述の実施形態の詳細部分に多くの変更をなすことができることは、当業者にとって明らかである。音響光学偏向器（ＥＯＤ）タイプのゼロ慣性光学偏向器を、ＡＯＤに代えて用いることができる。しかし、ＥＯＤの配置範囲はＡＯＤよりも制限されているので、ＥＯＤは約３〜５レーザスポット直径の偏向範囲を得ることができる。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められる。

Claims

被加工形状を加工する間にレーザビームを方向付けるレーザビーム位置決め器と光学素子に対する動的熱負荷によって生じる被加工形状の加工精度劣化および品質劣化を最小化しつつ、密集間隔パターンで配置された被加工形状の高スループットレーザ加工を実現する方法であって、
支持部上の、加工面領域を規定する加工面を有する被加工物を位置決めするステップ、
レーザビームをビーム位置決めシステムに向けて方向付け、加工レーザビームを前記被加工物の前記加工面上の加工形状位置に入射させるステップであって、
前記ビーム位置決めシステムは、移動ステージと、前記移動ステージと協調動作して密集間隔パターン内の被加工形状を前記被加工物の前記加工面上の前記加工形状位置において加工する第１および第２ビーム位置決め器とを備え、
前記第１ビーム位置決め器は、光ビーム偏向面機構を備え、第１応答時間を有し、前記光ビーム偏向面機構は、前記加工レーザビームを前記加工面のスキャン領域内において位置決めするように動作することができるように構成されており、
前記第２ビーム位置決め器は、第２応答時間を有するゼロ慣性光学偏向器であって、前記加工レーザビームを前記スキャン領域内の位置に移動させるように動作することができるように構成されており、前記第２応答時間は前記第１応答時間よりも短い、ゼロ慣性光学偏向器を備えている、
ステップ、
前記ビーム位置決めシステムを制御して前記移動ステージと前記第１ビーム位置決め器の動作を調整し、前記加工レーザビームを前記スキャン領域内で位置決めし、前記スキャン領域を移動させて前記加工面をカバーするステップであって、
前記スキャン領域は、実質的に前記被加工物の前記加工面領域よりも小さく、それぞれ複数の加工形状位置を包含する複数の加工バンドを含み、
前記第１ビーム位置決め器が前記加工レーザビームを前記スキャン領域内の複数の前記加工バンドへ連続的に位置決めするように前記第１ビーム位置決め器の前記光ビーム偏向面機構を動作させ、
前記加工レーザビームを各加工形状位置に移動させ停留させて前記加工バンド内の前記被加工形状を加工することにより、前記第２ビーム位置決め器が各前記加工バンド内の複数の前記加工形状位置において前記被加工形状を加工するように前記第２ビーム位置決め器を動作させ、これにより、前記第１ビーム位置決め器が前記スキャン領域内の被加工形状の加工中に移動するのにともなう前記第１ビーム位置決め器の加速および減速がスループットへ与える影響を希釈化する、
ステップ、
を有することを特徴とする方法。
前記被加工物は、太陽電池のアレイでパターン化されたシリコンウエハであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１ビーム位置決め器は、ミラーベースビーム位置決め器を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ミラーベースビーム位置決め器は、２軸ガルバノメータビーム位置決め器を備えることを特徴とする請求項３記載の方法。
前記ミラーベースビーム位置決め器は、２軸高速ステアリングミラーを備えることを特徴とする請求項３記載の方法。
前記移動ステージは、前記第１ビーム位置決め器と前記ゼロ慣性光学偏向器を支持することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記移動ステージは、直交する方向に移動する第１および第２リニアステージ部品を備え、
前記第１リニアステージ部品は、前記第１ビーム位置決め器および前記ゼロ慣性光学偏向器を支持し、
前記第２リニアステージ部品は、前記被加工物が配置される前記支持部を備える
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ゼロ慣性光学偏向器は、前記加工バンドとして動作直線を描くように動作する音響光学偏向器を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ゼロ慣性光学偏向器は、前記加工バンドとして動作直線を描くように動作する電気光学偏向器を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ゼロ慣性光学偏向器は、１次元スキャンアーキテクチャの部品であり、前記加工バンドとして動作直線を描くように動作する音響光学偏向器または電気光学偏向器を備え、
前記加工レーザビームは、各加工形状位置において停留し、複数のレーザパルスを出力することによって前記動作直線内の前記被加工形状を加工する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記スキャン領域の歪みを制御するため、リレーレンズが前記第１および第２ビーム位置決め器の間の光学経路に沿って配置されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記加工レーザビームは、前記被加工形状のうち１つを加工する複数のレーザパルスを含み、
前記スキャン領域内の前記加工バンドに沿って加工される１つの前記被加工形状の位置を決定し、前記１つの被加工形状の位置を参照して前記１つの被加工形状を加工するレーザパルスの数を決定し、これにより、前記スキャン領域内の被加工形状を加工する前記加工レーザビームによって消費される時間をさらに最適化するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記加工レーザビームは、前記被加工形状のうち１つを加工するレーザパワーを有し、
前記スキャン領域内の前記加工バンドに沿って加工される１つの前記被加工形状の位置を決定し、前記１つの被加工形状の位置を参照して前記１つの被加工形状を加工するレーザパワーを決定し、これにより、前記スキャン領域内の被加工形状を加工する前記加工レーザビームによって消費される時間をさらに最適化するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記加工バンドは長さを有し、
前記ビーム位置決めシステムを制御して、前記第２ビーム位置決め器が前記加工レーザビームを移動させ停留させて前記加工バンド内の前記被加工形状を加工して、前記第２ビーム位置決め器が前記被加工形状を加工する前記加工バンドの長さを延伸するのとあわせて、前記第１ビーム位置決め器が前記加工バンドを回転させるように前記第１ビーム位置決め器を動作させ、これにより、前記被加工物の前記加工面をカバーするために消費される総時間への寄与分としての、前記第１ビーム位置決め器が前記スキャン領域を移動させる時間を削減するステップをさらに有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ゼロ慣性光学偏向器は、２次元スキャンアーキテクチャの部品であり、２つの音響光学偏向器または２つの電気光学偏向器を備え、
前記加工レーザビームは、各加工形状位置において停留し、複数のレーザパルスを出力することによって前記加工バンド内の前記被加工形状を加工する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ゼロ慣性光学偏向器は、２次元スキャンアーキテクチャの部品であり、２つの音響光学偏向器または２つの電気光学偏向器を備え、
前記加工レーザビームは、各加工形状位置において停留し、前記被加工形状を穿孔加工することによって前記加工バンド内の前記被加工形状を加工する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ゼロ慣性光学偏向器は、２次元スキャンアーキテクチャの部品であり、２つの音響光学偏向器または２つの電気光学偏向器を備え、
前記加工レーザビームは、各加工形状位置において停留し、前記被加工形状を螺旋加工することによって前記加工バンド内の前記被加工形状を加工する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。