KR101962527B1 - 광학 빔 조향을 위한 다수의 트랜스듀서를 구비한 음향 광학 편향기 - Google Patents

광학 빔 조향을 위한 다수의 트랜스듀서를 구비한 음향 광학 편향기 Download PDF

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Abstract

다수의 음향 트랜스듀서를 갖는 음향 광학 편향기가 기술되는데 이는 기판 가공에서의 사용에 적합하다. 하나의 예에서 방법은 음향 광학 편향기를 통해 광학 빔을 송신하는 단계와, 음향 광학 편향기에 의해 제1 축을 따라 빔을 편향하기 위해 음향 광학 편향기의 다수의 트랜스듀서에 걸쳐 위상 지연을 갖는 음향 신호를 인가하는 단계와, 편향된 빔을 워크피스 상으로 지향시키는 단계를 포함한다.

Description

광학 빔 조향을 위한 다수의 트랜스듀서를 구비한 음향 광학 편향기{ACOUSTO-OPTIC DEFLECTOR WITH MULTIPLE TRANSDUCERS FOR OPTICAL BEAM STEERING}
개시는 광학 빔 스캐닝(optical beam scanning)을 위한 음향 광학 편향기(acousto-optic deflector)의 구성 및 동작을 위한 방법 및 시스템에 관련된다.
산업 레이저는 컴포넌트의 제조(manufacture) 및 가공(processing)에서 매우 다양한 상이한 목적을 위해 사용된다. 레이저의 유용성은 레이저에 의해 산출된(produced) 광선(light beam)을 조향하는 것(steering)에 의해 개선되어서 그 빔(beam)은 워크피스(workpiece) 상의 매우 특정적인 위치에 닿도록 조향될 수 있다. 반도체 가공에서, 레이저는 진단 스캐닝(diagnostic scanning)을 위해, 드릴링(drilling)을 위해, 패턴 이미징(pattern imaging)을 위해 그리고 다른 목적을 위해 사용된다.
집적 회로(integrated circuit) 설계에서, 예컨대, 비아(via)는 두 개의 상이한 층의 도전성(conductive) 부분 간의 도전성 연결(conductive connection)을 가능하게 하는 절연 유전체 층(insulating dielectric layer) 내의 작은 개구부(opening)이다. 보통 레이저 빔(laser beam)은 절연 유전체 층 또는 어떤 다른 소재 상의 특정 위치에서 비아를 드릴링하기 위해 검류계 기반 시스템(galvanometer based system) 내의 미러(mirror)의 기계적 움직임에 의해 조향된다. 광범위한 산업적, 과학적, 이미징(imaging) 및 레이저 응용들을 위해 레이저 또는 다른 유형의 광학 빔(optical beam)의 위치를 잡는(position) 데에 광학 스캐너(optical scanner)가 사용될 수 있다.
검류계 기반 레이저 빔 조향 시스템이 동작할 수 있는 속도는 미러 마운트(mirror mount)를 구동하는(drive) 검류계와 미러 마운트의 기계적 구성에 의해 제한된다. 기계적 미러 구동 시스템은 또한 레이저 빔이 워크피스 상에 위치될 수 있는 정확도를 제한한다.
발명의 실시예들은 첨부된 도면의 그림 내에 한정으로서가 아니고 예로서 보여지되, 여기서 비슷한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타내며,
도 1은 음파(acoustic wave)를 사용하여 편향(deflection)을 조절하는 원리를 도시하는 AOD의 블록도이고,
도 2는 일 실시예에 따라 위상 지연 음파(phase delayed acoustic wave)를 사용하여 편향을 조절하는 원리를 도시하는 AOD의 블록도이며,
도 3은 일 실시예에 따라 위상 지연 음파를 사용하여 편향을 조절하는 원리를 도시하는 AOD의 다른 블록도이고,
도 4는 일 실시예에 따라 전체 AOD 결정체(crystal) 폭을 차지하는 위상 지연 음파를 사용하여 편향을 조절하는 원리를 도시하는 AOD의 다른 블록도이며,
도 5a는 일 실시예에 따라 2차원에서 위상 지연 음파를 사용하여 편향을 조절하는 원리를 도시하는 AOD의 등측도법 부분 단면 블록도(isometric partially cut away block diagram)이고,
도 5b는 일 실시예에 따라 2차원에서 위상 지연 음파를 사용하여 편향을 조절하는 원리를 도시하는 AOD의 다른 등측도법 부분 단면 블록도이며,
도 5c는 두 개의 인접한 각진(angled) 면을 갖되, 그 두 면 각각은 음향 트랜스듀서 어레이(acoustic transducer array)를 가지는 AOD 결정체를 보여주고,
도 6은 일 실시예에 따라 레이저 소스(laser source) 및 AOD를 사용하는 워크피스 가공 시스템(workpiece processing system)의 도해이며,
도 7은 일 실시예에 따라 AOD를 사용하여 광학 빔을 조향하는 것의 프로세스 흐름도이다.
광학 빔, 예컨대 레이저 빔은 음파에 반응하는 소재를 통해 그것을 송신함으로써 조향될 수 있다. 소재의 굴절률(refractive index)은 음향 광학 상호작용(acousto-optic interaction)으로 인해 변화한다. 소재를 거치는 음파는 주기적인 기계적 응력(mechanical stress)을 산출한다. 응력은 소재의 원자 밀도(atomic density)에서의 교번하는(alternating) 압축 및 희박화를 생성한다. 밀도에서의 이 변화는 그것의 공칭 비응력 값(nominal unstressed value) 주위에서의 굴절률의 주기적인 변이를 야기하는데, 이는 소재 내의 송신 격자 영역(transmission grating region)을 형성한다. 소재를 거쳐 전파되는 입사 광선(incident light beam)은 송신 격자 영역 내의 브랙 회절(Bragg diffraction)에 의해 편향된다(deflected).
그러한 음향 광학 편향기는 레이저 빔을 조향하는 데에 사용될 수 있다. 음향 광학 편향기의 동작에서, 음향 광학 편향기를 구동하는 전력은 일정한 레벨로 유지될 수 있으나, 음향 주파수(acoustic frequency)는 레이저 빔을 상이한 각도 위치(angular position)들로 편향하기 위해 달라질 수 있다. 대안적으로, 음향 전력은 AOD의 회절 효율을 변경하고 이로써 출력 레이저 에너지를 상이한 편향하는 각도(deflecting angle)로 변조하기 위해 바뀔 수 있다. 음향 광학 편향기에서, 방향의 각도 및 레이저 빔의 각도 위치에서의 변화는 음향 주파수에 선형적으로 비례한다. 만약 음향 주파수가 더 크면, 회절된(diffracted) 각도는 더 크다.
많은 조향된 빔 응용에서, 빔은 두 방향으로 조향되어야 한다. 반도체 기판(semiconductor substrate) 상의 레이저 드릴링(laser drilling)을 위하여, 기판의 표면(surface) 상의 많은 상이한 위치에서 비아들이 요망될 수 있다. 모든 원하는 위치에 도달하기 위해서, 두 방향으로 기판의 표면에 걸쳐서 빔이 조향되어야 하거나 아니면 만약 빔이 단지 한 방향으로 조향될 수 있다면, 빔이 기판의 전체 표면에 도달할 수 있도록 기판은 다른 방향으로 이동되어야 한다.
빔을 위해 두 개의 움직임 정도(degree of motion)를 제공하기 위해서 두 개의 음향 광학 편향기가 사용될 수 있는데 각 방향에 한 개이다. 두 개의 음향 광학 편향기는, 비아 드릴링(via drilling) 대신에 레이저 스캐닝(laser scanning), 미세기계가공(micromachining), 이미징(imaging), 디바이스 검사(device inspection) 및 다른 애플리케이션을 위해 구성될 수 있다. 많은 응용에서 두 개의 편향기의 사용은 빔 조향 시스템의 복잡도 및 크기를 증가시킨다.
본 문서 내에 기술된 바와 같이 동시에 두 방향으로 빔 조향을 제공하는 데에 단일 음향 광학 편향기(Acousto-Optic Deflector: AOD)가 사용될 수 있다. 완벽한 빔 조향을 달성하기 위해 브랙 조건(Bragg condition)이 3차원적으로 생성될 수 있다. 다수의 마이크로 트랜스듀서(micro transducer)들에 의해 산출된 음파가 AOD 결정체 내의 어떤 각도에서의 음향 전파 벡터(acoustic propagation vector)로써 간섭 패턴(interfered pattern)을 생성한다. 직교(orthogonal), 인접(adjacent) 또는 양자 모두인 둘 이상의 트랜스듀서 간의 위상 지연(phase delay)을 변경함으로써, 음파 빔 조향이 실현될 수 있다. 음파 빔 조향은 결정체의 RF(무선 주파수(radio frequency))에 매칭되도록(match) 설정될 수 있어서, 어떤 RF 주파수(f)에서의 각각의 편향각(deflection angle)을 위한 브랙 조건이 충족될 수 있다. 피치(pitch) 및 트랜스듀서 어레이 패턴은 2D 레이저 빔 스캐닝을 위한 음향 간섭(acoustic interference)을 위해 정렬된다(aligned). 큰 편향 스캔 각도(deflection scan angle)(
Figure 112016101778241-pct00001
) 및 높은 효율(
Figure 112016101778241-pct00002
)이 그러한 최적화로써 달성될 수 있다.
2차원의 간섭된 AOD 빔 조향 시스템은 빠른 응답 시간, 높은 스캐닝 속도, 넓은 범위의 스캔 각도를 제공하고, 그것은 검류계 미러 시스템에 있어서 일어날 수 있는 정렬 및 위치 드리프트(positional drift)에 있어서의 어려움을 방지한다.
도 1은 음향 광학 편향기(102)를 통해 전파되는 레이저 빔의 광선 추적도(ray trace diagram)이다. 단순함을 위하여, 편향의 오직 한 방향이 도시되는데, 도면 상에 도시된 바와 같이 수직 방향이다. AOD는 조절가능한 회절된 빔을 생성한다.
레이저 빔(104)은 음향 광학 편향기(102) 상에 입사하는데, 여기서 레이저 빔(104)은 입사 레이저 빔으로 지칭된다. 전기 대 기계 트랜스듀서(electrical to mechanical transducer)(107)에 그리고 이후 음향 광학 편향기(102)에 인가되는(applied) 전기적 입력(106)에 기반하여, 입사 레이저 빔(104)은 음향 광학 편향기 내에서 회절을 겪고 회절된 레이저 빔(108)이 생성된다. 회절 각도(110), 즉 회절된 레이저 빔(108)과 입사 레이저 빔(104) 간의 각도는 트랜스듀서에 의해 인가된 음향 주파수 또는 전력에 의해 결정된다. 트랜스듀서는 전기적 입력 및 편향기 결정체(102) 사이에 놓인다.
제1차 회절된 레이저 빔의 효율은 레이저 빔이 브랙 조건 하에서 회절되는 경우 개선되는데, 브랙 조건은
Figure 112016101778241-pct00003
에 의해 주어지되,
Figure 112016101778241-pct00004
및
Figure 112016101778241-pct00005
는 각각 음향 광학 결정체(acousto-optic crystal) 내부의 레이저 빔 및 음파의 파장이고,
Figure 112016101778241-pct00006
는 음향 광학 결정체 내부의 입사 레이저 빔의 지표각(grazing angle), 즉 도 1에 도시된 바와 같은 음향 광학 결정체 내부의 위상 격자(phase grating)의 압축된(compressed) 층 및 희박화된(rarefied) 층의 접촉면(interface)에 있어서 입사 레이저 빔이 마주 대하는(subtend) 각도이다.
음향 광학 결정체 내부의 음파의 파장
Figure 112016101778241-pct00007
는 도 1에 도시된 위상 격자의 주기성을 나타낸다. (도 3에 도시된 바와 같은) 조향각(steering angle)
Figure 112016101778241-pct00008
, 즉 음향 로브(acoustic lobe)의 경사도(inclination)가, 입사 레이저 빔의 큰 편향을 달성하기 위해 바뀜에 따라 지표각
Figure 112016101778241-pct00009
가 바뀔 것이므로, 음향 로브 내의 위상 격자의 주기성은 브랙 조건 하에서 레이저 빔의 편향을 유도하도록 변조될 수 있다.
Figure 112016101778241-pct00010
및
Figure 112016101778241-pct00011
가 음향 광학 결정체 내부의 음파의 속도 및 주파수인 경우에
Figure 112016101778241-pct00012
이므로, 브랙 조건은
Figure 112016101778241-pct00013
로서 다시 쓰일(rewritten) 수 있는데, 이는
Figure 112016101778241-pct00014
가 달라지는 경우 브랙 조건 하에서 레이저 빔의 편향을 유도하기 위해 그 속도 또는 주파수 또는 이들의 조합이 변조될 수 있음을 나타낸다. 파속(wave speed)
Figure 112016101778241-pct00015
는 등방성(isotropic) 결정체 내에서 일정하지만,
Figure 112016101778241-pct00016
는 이방성(anisotropic) 결정체 내의 각도 방향에 따라 달라진다. 따라서, 이방성 결정체 기반 음향 광학 편향기가 각도, 예를 들어
Figure 112016101778241-pct00017
에 따른
Figure 112016101778241-pct00018
의 변이를 활용하기 위해 사용될 수 있으니
Figure 112016101778241-pct00019
가 달라지는 경우 브랙 조건 하에서 레이저 빔의 편향을 유도하기 위함이다. 또한 트랜스듀서는 적절한 전기적 신호를 트랜스듀서에 인가함으로써 상이한 주파수의 음파를 사출하도록(emit) 만들어질 수 있고, 이 메커니즘에 의해,
Figure 112016101778241-pct00020
는
Figure 112016101778241-pct00021
가 달라지는 경우 브랙 조건 하에서 레이저 빔의 편향을 유도하도록 바뀔 수 있다.
예시된 AOD(102)는 단일 차원을 따라 입사 레이저 빔(104)을 편향한다. 예컨대, 만약 기판의 2차원 표면이 서로 직교인 X축(수평 방향을 나타냄) 및 Y축(수직 방향을 나타냄)에 의해 표현되면, 예시적인 실시예에서, 음향 광학 편향기(102)는 어떤 위치 및 배향(orientation)으로 놓인 경우, 회절된 빔을 수직 방향으로든 또는 수평 방향으로든(그러나 양자 모두는 아님) 공간적으로 위치시킬 수 있다.
도 2는 하나의 방향으로 입사 광선을 광학적으로 조향하기 위해 개선된 성능을 갖는 AOD의 더욱 구체적인 도해이다. 예시된 예에서, 입사 레이저 빔(204)은 변화하는 RF 신호, 대역폭(bandwidth) 및 위상 천이(phase-shift)와 함께 회절된다. 빔 편향 시스템(200)은 AOD 결정체(202)에 본바탕을 둔다. 입력 광학 빔(204), 예를 들어 레이저는 선택된 입사각(incident angle)으로 결정체에 입력된다. 광학 빔은 결정체에 의해 결정된 각도로 편향되고 임의의 선택된 출력 각도(209)로 출력되는데 이로부터 그것은 광학 시스템(218) 상에 입사한다.
이 예에서, 광학 시스템은 싱글렛 텔레센트릭 렌즈(singlet telecentric lens)(218)이나, 특정한 시스템의 요구사항에 따라 더욱 복잡하거나 더욱 유연한 광학 시스템이 사용될 수 있다. 텔레센트릭 렌즈는 출력 빔을 굴절시켜 그것을 워크피스(212) 상으로 지향시킨다(direct). 출력 빔(209)은 렌즈에 의해 상이한 위치로 지향되어 워크피스 상의 입사 빔(229)이 된다.
AOD는 트랜스듀서들의 어레이(216)를 포함한다. 트랜스듀서들은 전기적 입력 모듈(206)로부터 전기적 파형을 수신하고 이 파형을 AOD 결정체에 그 결정체 소재 내의 탄성파(elastic wave) 또는 음파로서 인가한다. 트랜스듀서들의 어레이는 AOD의 표면에 걸쳐 분산된다. 예시된 예에서, 트랜스듀서들은 결정체의 수평 바닥에 부착되고 입력 레이저 빔(204)은 인접한 직교 수직 측벽 상에 입사한다.
결정체의 상부 표면의 설계에 따라 정상파(standing wave)이거나 진행파(propagating wave)일 수 있는 결정체 압축된 및 희박화된 파동을 통해 음파가 전파됨에 따라, 결정체 내에 수립된다. 음파는 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 조절함으로써 조향될 수 있다. 음향 로브(232)는 위상 지연을 사용하여 음향 조향 각도(acoustic steering angle)를 따라 수립된다. 음향 로브는 결정체에 인가된 제1 중심 주파수
Figure 112016101778241-pct00022
에 기반하여 생성되고 수직으로부터 제1 각도
Figure 112016101778241-pct00023
만큼 축 오프셋(axis offset)을 가진다.
음향 로브의 음향 조향 각도
Figure 112016101778241-pct00024
는 트랜스듀서로의 입력 음향 위상 지연 전기적 신호를 변화시킴으로써 예시된 각도 및 임의의 다른 각도 간에 신속히 전환될 수 있다. 그 변화는, 트랜스듀서에 의해 생성된 결정체 내의 음파 속도 및 결정체의 탄성 응답 시간(elastic response time)에 기반하여, 수 마이크로초(microseconds) 내에서 일어날 수 있다. 탄성 응답 시간은 압축된 및 희박화된 원자 평면들이 정상적인 격자 평면들로 되돌아가는 동안인 특성 시간(characteristic time)을 나타낸다.
이웃하는 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 조절함으로써 임의의 특정한 음향 빔 조향 각도
Figure 112016101778241-pct00025
가 달성될 수 있다. 게르마늄(germanium) 결정체 및 촘촘한 간격으로 된 음향 트랜스듀서(closely spaced acoustic transducer)와 같은 등방성 소재의 예를 들면, 이웃하는 요소들 간의 시간 지연
Figure 112016101778241-pct00026
은 원하는 편향각에 대해
Figure 112016101778241-pct00027
로서 정해질 수 있는데, 여기서
Figure 112016101778241-pct00028
는 인접한 트랜스듀서들 간의 거리이고
Figure 112016101778241-pct00029
는 음향 광학 편향기를 통한 파동의 종적 모드(longitudinal mode)의 음향 속도(acoustic velocity)이다. 이 속도는 결정체의 물리적 속성에 달려 있다. 인접한 트랜스듀서들 간의 위상 천이
Figure 112016101778241-pct00030
는 그러면
Figure 112016101778241-pct00031
로서 정해질 수 있는데, 여기서
Figure 112016101778241-pct00032
는 음향 중심 주파수(acoustic central frequency)이다. 만약 트랜스듀서들이 다른 유형의 소재를 위해 또는 더 멀리 떨어져 이격된 경우, 위상 지연은 상이한 식을 사용하여 여전히 직접 계산될 수 있다.
음향 로브는 결정체로부터의 레이저 빔(209)으로 하여금 음향 로브의 각도에 의해 결정된 각도(211)만큼 편향되게 한다. 중심 주파수 주위의 작은 변이
Figure 112016101778241-pct00033
은 그 빔으로 하여금 이 각도 주위에서 조향될 수 있게 하여, 최종적인 집속된 빔(final focused beam)(229)이 상이한 위치에서 워크피스에 부딪치게 한다. 도시된 바와 같이 트랜스듀서에 인가된 음향 주파수 전기적 신호를 바꿈으로써, 그 하나의 광학 빔은 어떤 범위의 상이한 위치들에서 워크피스에 부딪친다.
이 기법에서, 다수의 트랜스듀서(216)가 광학적 결정체의 표면에 걸쳐 사용된다. 각각의 트랜스듀서를 여기하는(excite) 데에 사용되는 음향 신호의 위상은 신호의 주파수가 그러하듯이 달라진다. 트랜스듀서를 위한 음파 위상 천이(
Figure 112016101778241-pct00034
)가 주어진다면, 트랜스듀서를 위한 중심 무선 주파수(
Figure 112016101778241-pct00035
) 및
Figure 112016101778241-pct00036
주위에서의
Figure 112016101778241-pct00037
라는 트랜스듀서를 위한 주파수 변조가 결정될 수 있다. 레이저 빔(204)은 마이크로 트랜스듀서에서 이들 세 개의 변수
Figure 112016101778241-pct00038
,
Figure 112016101778241-pct00039
및
Figure 112016101778241-pct00040
를 변화시킴으로써 편향된다.
특정한
Figure 112016101778241-pct00041
가 선택된 경우, 레이저 빔 스캔 각도
Figure 112016101778241-pct00042
는
Figure 112016101778241-pct00043
에 의해 주어지는데, 이는 브랙 회절 식
Figure 112016101778241-pct00044
로부터 도출된다.
Figure 112016101778241-pct00045
의 경사 (빔 조향) 각도에서의 주어진 음향 로브에 대하여, 압축된 및 희박화된 원자 평면들은 음파 전파(acoustic wave propagation)의 방향에 수직이다. 원자 평면들의 이 배열에서, 레이저 빔은 중심 음향 주파수
Figure 112016101778241-pct00046
에서 브랙 회절 조건 하에서 편향되는바, 최대 회절 효율로 이어진다.
Figure 112016101778241-pct00047
의 음향 주파수 및
Figure 112016101778241-pct00048
주위에서의
Figure 112016101778241-pct00049
의 대역폭에서 빔을 편향한 후, 음향 로브는 다른 경사각
Figure 112016101778241-pct00050
로 기울어진다. 음향 로브는 이제 이 음향 로브로써 편향의 세트를 행하기 위해
Figure 112016101778241-pct00051
의 중심 주파수 및
Figure 112016101778241-pct00052
의 대역폭에 대응하는 다른 브랙 회절 조건에서 동작한다.
도 3은 일 실시예에 따라 두 개의 상이한 편향각을 보여주는 레이저 빔 편향을 위한 AOD의 도해이다. 도 3은 음향 빔 조향 각도
Figure 112016101778241-pct00053
주위의
Figure 112016101778241-pct00054
를 달성하기 위해 결정체를 통한 음파 전파로 인해 어떻게 원자 평면들이 기울어지는지를 도시한다.
도 2에서와 같이, 도 3의 AOD 빔 편향 시스템(300)은 AOD 결정체(302)를 가지는데, 입력 레이저 빔(304)이 특정한 입사각으로 결정체에 진입한다. 전기적 입력(306)은 결정체 내의 음파를 생성하기 위해 트랜스듀서의 어레이(316)를 구동한다. 두 개의 음향 로브가 도시되는데, 제1의 음향 로브는 수직으로부터 각도
Figure 112016101778241-pct00055
으로 비스듬한바 레이저 빔으로 하여금 특정한 각도(311)에서 출구(exit)(309)로 편향되고 결정체(302)의 외부에서 렌즈(318)에 의해 집속되도록(focused) 한다. 집속된 빔(329)은 그 빔이 렌즈에 의해 지향된 워크피스(312)에 부딪친다. 제2의 음향 로브는 수직으로부터 다른 각도
Figure 112016101778241-pct00056
로 비스듬한바 레이저 빔으로 하여금 특정한 각도(310)에서 출구(803)로 편향되고 렌즈(318)에 의해 집속되도록 한다. 집속된 빔(328)은 결정체 내의 음향 로브들 간의 배향의 차이로 인해 상이한 위치에서 워크피스(312)에 부딪친다.
어떤 RF 주파수(
Figure 112016101778241-pct00057
)에서 각각의 회절 각도에 대해 브랙 조건을 충족시키면서 큰 편향 스캔 각도(
Figure 112016101778241-pct00058
) 및 높은 회절 효율(
Figure 112016101778241-pct00059
)이 획득된다. 이 제2 기법에서, RF 주파수(
Figure 112016101778241-pct00060
) 및 각각의 트랜스듀서에서의 음파의 위상 천이(
Figure 112016101778241-pct00061
)가 달라진다. 결과적으로, 레이저 빔은 마이크로 트랜스듀서에서 음파의
Figure 112016101778241-pct00062
및
Figure 112016101778241-pct00063
인 두 변수를 변화시킴으로써 편향된다.
음향 로브의 주어진 경사각
Figure 112016101778241-pct00064
에서, 압축된 원자 평면 및 희박화된 원자 평면은 음파 전파의 방향에 수직이다.
Figure 112016101778241-pct00065
의 이 경사각에서, 레이저 빔은 기판 상의 특정한 위치로 브랙 회절 조건 하에서 편향되는데, 이는 주파수
Figure 112016101778241-pct00066
및
Figure 112016101778241-pct00067
이 음향 로브 경사각
Figure 112016101778241-pct00068
에서 브랙 회절 조건을 달성하도록 적절히 선택됨을 의미한다. 다른 위치에 빔을 편향하기 위하여, 브랙 회절 조건 하에서 상이한 레이저 빔 편향을 달성하기 위해 다른 경사각
Figure 112016101778241-pct00069
에서의 음향 로브를 생성하도록 다른 값의 주파수
Figure 112016101778241-pct00070
및 위상 천이
Figure 112016101778241-pct00071
가 선택된다. 음향 로브 경사각
Figure 112016101778241-pct00072
및
Figure 112016101778241-pct00073
간의 최소 차이는 기판 표면 상의 편향 스캔 해상도(deflection scan resolution)에 관련된다.
도 4는 AOD 결정체 내의 다수의 위상 배열 음향 트랜스듀서(phased array of acoustic transducers)를 사용하여 빔을 편향하는 AOD 시스템(400)의 도해이다. 입사 레이저 빔(404)은 입사각
Figure 112016101778241-pct00074
으로 AOD 결정체(420)에 진입하고, 결정체 내에 존재하는 음향 로브에 따른 각도로, 편향된 빔(408, 409)으로서 빠져나온다(exit). 출사 빔(exiting beam)(428, 429)은 텔레센트릭 렌즈(418) 또는 다른 광학 이미징 시스템(optical imaging system)에 의해 워크피스(412) 상으로 집속된다. AOD 결정체(420)은 전기적 입력(406)에 의해 전력이 공급되는 대형 트랜스듀서들의 위상 배열(phased array)(416)을 가진다. 전기적 입력은 주파수
Figure 112016101778241-pct00075
의 시리즈(432) 및 위상
Figure 112016101778241-pct00076
의 시리즈(434)와의 파형이다.
AOD의 효율은 결정체의 체적(volume)을 더 많이 거쳐 음파를 구동함으로써 증가된다. 이것은 음향 트랜스듀서에 커플링된(coupled) 결정체 표면의 양을 증가시킴으로써 행해진다. 가령 트랜스듀서의 표면을 덮기 위해 그저 4개의 큰 트랜스듀서를 사용하는 것이 가능하지만, 이것은 편향의 효율을 감소시키고 빔 조향 정확도를 감소시킨다. 트랜스듀서 크기를 작게 유지하면서, 결정체의 표면을 더 많이 덮기 위해 더 많은 수의 트랜스듀서가 사용된다.
트랜스듀서의 크기는 특정한 응용에서의 최선의 효과를 위해 선택될 수 있다.
Figure 112016101778241-pct00077
,
Figure 112016101778241-pct00078
및
Figure 112016101778241-pct00079
가 각각 트랜스듀서의 길이, 폭 및 두께이도록 하자. 일반적으로
Figure 112016101778241-pct00080
는 결정체 내의 음향 간섭(acoustic interference)에 영향을 미치지 않으므로, 트랜스듀서의 작거나 큰 상대적인 크기를 수량화하는 데에 오직
Figure 112016101778241-pct00081
과
Figure 112016101778241-pct00082
가 사용될 필요가 있다. 만약
Figure 112016101778241-pct00083
, 즉
Figure 112016101778241-pct00084
인 경우, 트랜스듀서는 이론상 무한하게 긴 것으로 간주될 수 있고 길이 차원은 음향 로브의 형성에 영향을 미치지 않을 것이다. 만약
Figure 112016101778241-pct00085
인 경우, 길이 및 폭 차원 양자 모두 로브의 형성에 영향을 미칠 것이다. 트랜스듀서는 마이크로 트랜스듀서들에 대해 만약
Figure 112016101778241-pct00086
인 경우 큰 것으로 그리고 만약
Figure 112016101778241-pct00087
인 경우 작은 것으로 간주될 수 있는데, 여기서
Figure 112016101778241-pct00088
는 트랜스듀서 내의 음파의 파장이다.
제3의 대안 기법에서, 음향 트랜스듀서 어레이(416)는 AOD 결정체의 하부 측의 대다수를 덮어서, 간섭된 음파가 결정체의 큰 부분을 차지한다. 이것은 편향 효율을 증가시킨다. 종래의 AOD에서, 각각의 트랜스듀서에 의해 산출되는 위상은 고정되고 음향 주파수는 레이저 빔을 편향하기 위해 원자 평면들을 기울이도록 달라진다. 제3의 대안 기법에서, 각각의 트랜스듀서에서의 음파의 주파수 및 위상은 레이저 빔을 편향하기 위해 전체 결정체의 원자 평면들을 기울이도록 달라진다. 각각의 트랜스듀서에 의해 생성된 음파의 위상을 변경하는 데에서의 유연성(flexibility)은 도 4에 도시된 바와 같이 동적 AOD를 제공한다. 종래의 AOD에서, 위상
Figure 112016101778241-pct00089
은 고정되고 주파수
Figure 112016101778241-pct00090
는 달라진다. 그러나, 전기적 트랜스듀서 입력 신호(406)에 의해 나타내어진 바와 같이,
Figure 112016101778241-pct00091
로부터의 주파수(432) 및
Figure 112016101778241-pct00092
로부터의 위상(434) 양자 모두 달라질 수 있다.
도 5a는 AOD 결정체의 단일면 상의 트랜스듀서의 2차원 어레이를 사용하여 2차원에서의 빔의 편향을 제어하는 AOD의 도해이다. 이것은 트랜스듀서로 하여금 2 자유도를 갖는 위상 배열로서 사용될 수 있게 한다. 도 5a에서, 입사 레이저 빔(504)은 AOD 결정체(502)에 진입하는데 여기서 그것은 결정체 내에 존재하는 음향 로브에 의해 결정된 특정한 각도로 편향된다. 출사 빔(508)은 특정한 구현에 따라, 광학 시스템(518) 또는 워크피스에 인가된다. 여기된 음향 로브는 트랜스듀서의 2차원 어레이(516)를 사용하여 결정체 내에서 생성된다. 도시된 바와 같이 트랜스듀서는 각 행에서 5개의 트랜스듀서로 이루어진 2개의 행이 있는 그리드(grid)로 배열될 수 있다. 몇 개의 더 많은 행 및 각 행 내의 더 많은 트랜스듀서가 있을 수 있다. 다수의 트랜스듀서는 음향 로브의 방향 상에서 더 정밀한 제어를 제공한다. 트랜스듀서는 상이한 트랜스듀서로부터
Figure 112016101778241-pct00093
와 같은 상이한 위상을 갖는 음파를 산출하도록 트랜스듀서를 유도하는 특정한 파형을 가지는 외부의 전기적 신호에 의해 구동된다.
도 5b는 도 5에서와 동일한 컴포넌트(다만, 상이한 음향 파형이 트랜스듀서 어레이(516)에 인가됨)를 도시한다. 레이저 빔(510)은 상이한 각도로 결정체(502)를 빠져나와 상이한 위치에서 렌즈(518) 상에 입사한다.
이웃하는 트랜스듀서 요소들 간의 적절한 위상 천이와 함께 RF 신호들의 주파수들의 조합들의 세트를 적용함으로써, AOD 결정체 내부의 원자 평면들은 2차원에서 기울어진다. 이 메커니즘은 원자 평면들의 기울기 각도에 따라, 도 5a에서 위쪽으로 도시된 특정한 각도로 입사 레이저 빔을 편향하고, 따라서, 편향된 레이저 빔은 집속 광학부(focusing optics)의 표면의 특정한 영역 상에 입사한다.
이웃하는 트랜스듀서 요소들 간의 상이한 위상 천이와 함께 RF 신호들의 주파수들의 조합들의 상이한 세트를 적용함으로써, AOD 결정체 내부의 원자 평면들은 상이한 방향으로 기울어진다. 도 5b의 예에서, 입사 레이저 빔은 상이한 위치에서 집속 광학부의 표면 상에 입사하도록 아래쪽으로 편향된다.
기술된 바와 같이, 인접한 음향 트랜스듀서의 위상 지연은 AOD 결정체 내의 음파의 전파 방향(propagation direction)을 수정한다. 전파 방향에서의 이 변화는 브랙 조건에서 광학 빔을 조향하는 데에 활용된다. 몇몇 실시예에서, 음향 빔 조향을 위한 효율적인 간섭을 가지기 위해서, 트랜스듀서의 최대 피치는 원하는 최대 동작 조향 각도에 의해 결정되는바:
Figure 112016101778241-pct00094
이되, 여기서
Figure 112016101778241-pct00095
은 두 개의 연속적인 트랜스듀서의 중심 간의 거리인 트랜스듀서 피치를 나타낸다. 기술된 예에서, 트랜스듀서 피치는 모든 인접한 트랜스듀서들 간에 동일하나, 그 피치는 위상 지연의 적절한 수정에 따라 달라질 수 있다.
모든 광선 조향 각도에 대해, 이웃하는 트랜스듀서들 간의 특정 위상 천이를 갖는 특정 RF 주파수가 있다. 이것은 결정체의 원자 평면으로 하여금 브랙 조건을 충족하도록 기울어지게 한다. 그 기울어짐은 그 각도가 커서 전반사(total internal reflection)가 일어날 때까지 이웃 트랜스듀서들 간의 위상 천이를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 만약 레이저 빔이 임계각(critical angle)
Figure 112016101778241-pct00096
보다 더 큰 입사각으로 AOD 결정체의 출사 표면(exit surface) 상에 입사하면, 전반사가 일어난다.
트랜스듀서들은 다양한 상이한 구성 중 임의의 구성으로 음향 광학 결정체의 하부 표면에 놓일 수 있다. 도 5a에서, 트랜스듀서들의 평면 위상 배열(planar phased array)이 결정체의 단일 평면 상에 놓인다. 도 5c는 트랜스듀서들의 기울어진 위상 배열(tilted phased array)이 결정체의 두 개의 상이한 평면 상에 놓인 다른 예를 도시한다.
도 5c에서, AOD 결정체(542)는 두 개의 인접한 각진 면(550, 552)을 가진다. 필요하다면 두 개보다 많은 각진 면이 활용될 수 있다. 이들 두 면 각각은 상이한 방향에서 결정체 내로 음파(545, 547)를 구동하는 음향 트랜스듀서 어레이(544, 546)를 가진다. 기울어진 트랜스듀서 어레이들 간의 각도는, 더 넓은 주파수 대역폭 내에서 브랙 조건이 충족될 수 있도록, 각 트랜스듀서 어레이의 중심 주파수와 매치될(match) 필요가 있다. 이 구성은 더 큰 편향각, 음향 에너지의 더 나은 사용, 그리고 조향 로브의 폭(W)의 추가적인 제어를 제공한다.
2-D 위상 배열 트랜스듀서를 갖는 단일 AOD를 사용하는 빔 조향은 제조를 위해 레이저를 사용(예를 들어, 레이저 비아 드릴링(laser via drilling) 및 레이저 직접 이미징(laser direct imaging))을 하는 많은 시스템에 대해 시스템 복잡도를 감소시키고 생산 속도를 증가시킨다. AOD는 어떤 기계적인 움직이는 부분도 없기 때문에 더 나은 빔 포지셔닝(beam positioning)을 제공한다. 더 정확한 포지셔닝은 특징들이 더 높은 정확도로 형성될 수 있게 한다. 일례로서 다이(die)의 표면 상의 연결 범프(connection bump)들이 더 정확히 형성될 수 있는바 그것들이 서로 더 가까이 있을 수 있게 한다. 이것은 제조된 디바이스 내에서 더 높은 범프 피치 및 더 높은 입력-출력 밀도를 가능케 한다.
도 6은 음향 광학 편향기를 사용하는 반도체 기판 가공 시스템(600)의 도해이다. 레이저 빔(619)은 어떤 실시예에 따라 제작 및 가공 응용을 위해 워크피스(616) 상에 입사하도록 음향 광학 편향기(602)에 의해 편향된다. 워크피스는 회로 또는 머신이 생산되는 반도체, 광학적, 마이크로머신(micro-machine) 또는 혼성(hybrid) 기판일 수 있다. 기판은 실리콘(silicon), 비화 갈륨(gallium arsenide), 금속, 유리, 플라스틱, 수지(resin) 또는 다양한 다른 소재로 만들어질 수 있다. 본 발명은 유기 기판(organic substrate) 내의 레이저 드릴링의 맥락에서 기술되나, 발명은 그와 같이 한정되지 않는다.
레이저 빔(618)은 우선 레이저 공진기(laser resonator)(606)로부터 생성되고 이후 선택적으로 개구 마스크(aperture mask)(608)를 통해 미러(610)에 전달된다. 미러는 수신된 마스킹된(masked) 레이저 빔(619)을 음향 광학 편향기(602)로 지향시킨다. 미러는 빔을 상이한 입사 각도로 음향 광학 편향기에 지향시키도록 조향가능(steerable)하거나 고정될 수 있다. 음향 광학 편향기로부터, 레이저 빔은 그 빔을 워크피스(616) 상으로 집속 및 지향시킬 텔레센트릭 렌즈와 같은 스캐닝 렌즈(scanning lens)(612) 내에 상이한 각도로 나타난다. 워크피스는 받침대(pedestal), 척(chuck), 또는 스캐닝 X-Y 테이블(614)과 같은 지지부(support) 상에 놓인다. 그러면 레이저는 비아를 드릴링하거나, 광식각(photolithography)을 위해 포토레지스트(photoresist)를 노출하거나(expose), 카메라 또는 다른 이미징 시스템(도시되지 않음)의 추가와 함께 검출 및 시험 루틴을 수행하거나, 워크피스에 대한 다양한 다른 작업을 수행하는 데에 사용된다.
레이저 빔이 음향 광학 편향기로부터 나타나는 각도는 주파수 합성기(frequency synthesizer)(620)에 의해 생성된 전기적 입력 신호(626)에 의해 제어된다. 주파수 합성기는 각각의 트랜스듀서로의 전기적 구동 신호의 위상, 주파수 및 진폭이 하나의 일반적인 신호에 의해 제어되거나 독립적으로 제어될 수 있도록 음향 광학 편향기의 트랜스듀서 각각에 커플링된다. 주파수 합성기는 트랜스듀서를 작동시키는 데에 요구되는 주파수, 위상 지연 및 다른 파라미터를 산출하기 위해 적절한 신호를 생성하는 DSP(디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor))에 커플링된다. DPS는 워크피스에 대한 제작 프로세스를 인도하는(guide) 시스템 제어기(system controller)(628)로부터 입력을 수신하는 제어기(controller)(624)에 의해 제어된다. 시스템 제어기는 또한 스캐닝 테이블(614), 레이저 공진기(606), 개구 마스크(608) 및 다른 컴포넌트(도시되지 않음)를 제어한다.
시스템 제어기(628)는 그것으로 하여금 제작을 위해 사용되는 예시된 컴포넌트들 및 다른 것들 전부를 수반하는 제작 프로세스를 제어할 수 있게 하기 위한 전자 컴포넌트를 포함한다. 이들 다른 컴포넌트는 중앙 프로세서(central processor)(630), 메모리(632)(휘발성 메모리(volatile memory)(가령, DRAM), 비휘발성 메모리(non-volatile memory)(가령, ROM), 플래시 메모리(flash memory), 대용량 스토리지(mass storage), 또는 상이한 메모리 유형들의 어떤 조합일 수 있음) 및 입력/출력(input/output) 컴포넌트(633)(시스템 제어기로의 그리고 시스템 제어기로부터의 데이터 및 명령의 전송을 위한 무선 및/또는 유선 통신을 가능하게 함)를 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
그것의 다른 기능에 따라, 시스템 제어기는 시스템 보드(system board)에 물리적으로 그리고 전기적으로 커플링될 수 있거나 그렇지 않을 수 있는 다른 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이것들은 그래픽 프로세서(graphics processor), 디지털 신호 프로세서, 칩셋(chipset), 안테나 및 디스플레이를 포함할 수 있다.
레이저 공진기(606)는 레이저 빔(618)을 생성하는데 이는 이후에 개구 마스크(608)를 통해 전달되어 워크피스에 대해 수행되고 있는 작업의 요구사항에 따라 상이한 특정 크기 및 형상을 제공한다. 개구 마스크(608)는 수행될 작업(예컨대 상이한 형상으로 홀(hole)을 레이저 드릴링하는 것)에 따라 레이저 빔(618)를 사전정의된 형상으로 정형하는(shape) 상이한 정형된 개구를 내놓도록 회전한다. 광학 요소가 빔을 수정한다. 그 수정은 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 레이저 방사(laser irradiance), 방사 프로파일(irradiance profile)의 수정(빔 정형), 물리적 형상의 수정(빔의 원형 단면 대 직사각형 단면), 그리고 빔의 크기의 수정. 정형된 레이저 빔(620)은 미러로 지향된다. 미러(610)는 개구 마스크(608)에 의해 생성되는 정형된 레이저 빔(620)을 광학적으로 반사한다.
음향 광학 편향기 및 워크피스 간의 광학 시스템(616)은 워크피스 및 수행될 작업에 따라 다양한 상이한 형태를 취할 수 있다. 도 3은 단일 텔레센트릭 렌즈를 도시한다. 이 렌즈는 레이저 빔을 렌즈 상의 빔의 입사 각도에 기반하여 워크피스 상의 위치에 지향시킨다. 패키징(packaging) 필요성, 공간 제한, 주파수 제한 및 다른 설계 제약을 충족시키기 위해 더 많은 광학 요소 또는 상이한 유형의 광학 요소를 사용하여 동일한 광학적 효과가 수행될 수 있다. 빔을 그것이 워크피스에 도달하기 전에 수정하기 위해 확대 광학부(magnification optics)가 또한 사용될 수 있다. 확대기(magnifier)는 2차원 평면 상에서 레이저 빔이 투사되는(projected) 공간적 영역을 늘리기 위해 사용될 수 있다. 확대 광학부는 레이저 빔이 입사할 수 있도록 된 영역을 늘리는 광학 시스템일 수 있다.
여러 빔을 워크피스에 전하는 데에 단일 레이저 소스(laser source)가 사용될 수 있도록 시스템에는 상이한 위치에 빔 스플리터(beam splitter)(도시되지 않음)가 장착될 수 있다. 빔 스플리터는 여러 빔을 독립적으로 그리고 동시에 제어하기 위해 여러 음향 광학 편향기에 레이저를 전하는 데에 사용될 수 있다. 대안적으로, 빔 스플리터는 단일 음향 광학 편향기로써 동일한 워크피스의 여러 위치를 동시에 가공하기 위해 편향된 또는 조향된 빔을 여러 빔으로 나누는 데에 사용될 수 있다.
추가적으로, 전체 시스템의 각도 범위를 증가시키기 위해 또는 레이저 빔을 조향하는 데에서의 추가적인 자유도를 달성하기 위해 여러 음향 광학 편향기(도시되지 않음)가 시스템 내에 포함될 수 있다. 추가적인 음향 광학 편향기는 상이한 효과를 야기하도록 제1 음향 광학 편향기와는 상이하게 배향될(oriented) 수 있다.
진폭 변조, 시간적 차원에서의 빔 스위칭(beam switching), 확산(diffusion), 집속(focusing) 및 주파수 천이를 비롯하여, 유사한 효과를 산출하기 위해 도 6의 레이저 조향 시스템과 함께 임의의 현존하는 레이저 기법이 사용될 수 있다.
여러 트랜스듀서 각각 간의 위상 지연을 사용하여 동시에 2차원에서 레이저 빔을 편향하는 데에 본 문서 내에 기술된 음향 광학 편향기가 사용될 수 있기 때문에, 조향된 빔은 2차원에서 워크피스를 가로질러 이동될 수 있다. 결과적으로, 워크피스는 X-Y 테이블 또는 스캐닝 테이블과 동일한 방식으로 움직임을 제공하는 단순한 지지 시스템 상에 지지될 수 있다. 대안적으로, 워크피스의 크기 및 레이저 빔 조향 시스템의 전체 X-Y 범위에 따라, 그 테이블은 워크피스를 움직이지 않고서 워크피스의 하나의 부분을 지지하도록 구성될 수 있다. 이 부분이 가공된 후, 그 테이블은 워크피스의 다른 부분을 지지하도록 움직일 수 있다. 워크피스의 각각의 부분에 대해, 레이저 빔은 의도된 프로세스가 완료될 때까지 그 부분 상의 모든 원하는 지점에 도달하도록 조향될 수 있다.
도 7은 본 출원을 위해 사용될 수 있는 프로세스 흐름도이다. 702에서, 레이저 빛의 빔과 같은 광학 빔이 AOD로 송신된다. 위에서 언급된 바와 같이, 빔은 개구 마스크로써 정형되거나 미러 또는 다른 광학부(optics)에 의해 인도될 수 있다. 빔은 또한 다른 방식으로 좁게 되거나(narrowed), 넓게 되거나(broadened), 집속되거나, 분할되거나(split), 조작될(manipulated) 수 있다. 704에서, 음향 위상 지연 신호가 AOD에 인가된다. 위상 지연은 AOD 내에 음향 로브를 산출하기 위해 AOD에 부착된 트랜스듀서에 인가된다. 위상 지연은 하나 이상의 방향에서 음향 로브의 포지션을 제어하기 위해 트랜스듀서 어레이의 하나 이상의 방향에서 유도될 수 있다. 음향 광학 결정체를 위한 요구되는 음파를 산출하기 위해, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같은 주파수 합성기와 같은 신호 생성기 또는 여러 신호 생성기에 의해 전기적 신호가 트랜스듀서에 인가된다.
706에서, 회절된 빔의 의도된 방향 및 트랜스듀서로부터의 음향 신호에 따라, AOD는 빔을 수신하고 하나 이상의 축을 따라 그것을 회절시킨다. 708에서, 회절된 빔은 워크피스에 지향된다. 빔은 집속 광학부, 확대 광학부, 미러, 또는 다양한 다른 디바이스를 사용하여 지향될 수 있다. 빔은 단지 워크피스에 대한 AOD의 포지션 및 빔이 AOD를 떠나는 각도에 의해 지향될 수 있다.
빔은 기판 상의 비아 드릴링, 레이저 스캐닝, 레이저 직접 이미징 또는 다른 응용을 위해 워크피스에 지향될 수 있다. 어떤 실시예에서, 비아 드릴링을 위해 이용되는 레이저 빔의 개수를 증가시키기 위해 빔 스플리터 또는 빔 스위칭 디바이스가 이용된다. 어떤 실시예에서, AOD에 의해 제공되는 것을 넘어서서 비아 드릴링을 위한 레이저 빔의 공간적 스캐닝 범위를 늘리기 위해 확대 광학부가 이용된다. 어떤 실시예에서, 레이저 빔을 편향하기 위해 어떤 기계적 움직임, 즉 기계적으로 움직이는 컴포넌트도 이용하지 않고서 레이저 빔을 편향하기 위한 회절의 브랙 각도(Bragg angle of diffraction)를 제어하기 위해 트랜스듀서에 의해 사출된 음향 주파수와, 전력과, 위상 지연을 수정하기 위해 음향 광학 편향기의 트랜스듀서로의 전기적 입력이 조절된다.
설명에서, 레이저 빔은 AOD의 기술된 실시예들과 함께 사용될 수 있는 유형의 광학 빔의 일례로서 사용된다. 편향된 빔의 의도된 사용에 따라, e-빔(e-beam) 및 마이크로파 빔(microwave beam)을 비롯한 임의의 응집성(coherent) 또는 비응집성(incoherent) 광학 빔이 사용될 수 있다. AOD의 결정체 소재는 빔의 상이한 파장에 맞도록 수정될 수 있다. 전형적인 CO2 레이저를 위해, 게르마늄 결정체가 사용될 수 있지만 AOD 결정체 상에 입사하는 빛의 상이한 파장에 맞도록 다른 결정체가 또한 사용될 수 있다. 결정체는 게르마늄과 같이 등방성일 수 있거나 이산화 텔루륨(tellurium dioxide)과 같이 이방성일 수 있다. 편향된 빔의 상이한 응용에 맞도록 다양한 상이한 결정체 소재 및 레이저 유형이 사용될 수 있다.
예컨대 CO2 레이저를 표상하는, 2 내지 12㎛로부터의 빛에 대해 특히 효과적인 여기에 기술된 게르마늄 결정체에 대한 대안으로서, 다른 소재가 사용될 수 있다. 인화 갈륨(gallium phosphide)은 0.6 내지 10㎛로부터의 빛에 대해 특히 효과적이다. 이산화 텔루륨은 0.35 내지 5㎛로부터의 빛에 대해 특히 효과적이다. 인화 인듐(indium phosphide)은 1 내지 1.6㎛로부터의 빛에 대해 특히 효과적이다. 용융 석영(fused quartz)은 0.2 내지 4.5㎛로부터의 빛에 대해 특히 효과적이다. 빛에 대한 원하는 파장 및 원하는 음향 광학 효과에 따라 이것들 대신에 다른 소재가 사용될 수 있다.
"하나의 실시예", "일 실시예", "예시적 실시예", "다양한 실시예" 등등에 대한 언급은 그와 같이 기술된 발명의 실시예(들)가 특정한 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있음을 나타내지만, 모든 실시예가 반드시 특정한 특징, 구조 또는 특성을 포함하지는 않는다. 또한, 몇몇 실시예는 다른 실시예를 위해 기술된 특징 중 일부 또는 전부를 가질 수 있거나 그 중 어떤 것도 가지지 않을 수 있다.
설명 및 청구항에서, 용어 "커플링된"(coupled), 더불어 그것의 파생물이 사용될 수 있다. "커플링된"은 둘 이상의 구성요소들이 서로 협조하거나 상호작용함을 나타내는 데에 사용되나, 그것들은 개재하는(intervening) 물리적 또는 전기적 컴포넌트를 그것들 사이에 가질 수 있거나 가지지 않을 수 있다.
청구항에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 공통적인 구성요소를 기술하기 위한 서수 형용사 "제1", "제2", "제3" 등등의 사용은, 단지 비슷한 구성요소의 상이한 인스턴스가 언급되고 있음을 나타내며, 그와 같이 기술된 구성요소가 시간적으로든, 공간적으로든, 주어진 순차로, 순위로, 또는 임의의 다른 방식으로 되기를 암시하도록 의도되지 않는다.
도면 및 설명은 실시예의 예이다. 당업자는 기술된 구성요소 중 하나 이상이 단일의 기능적 구성요소로 잘 조합될 수 있음을 인식할 것이다. 대안적으로, 어떤 구성요소는 여러 기능적 구성요소로 분할될 수 있다. 하나의 실시예로부터의 구성요소가 다른 실시예에 추가될 수 있다. 예컨대, 본 문서 내에 기술된 프로세스의 순서는 변경될 수 있으며 본 문서 내에 기술된 방식에 한정되지 않는다. 더욱이, 임의의 흐름도의 행동들은 도시된 순서로 구현될 필요가 없고, 행위들 전부가 반드시 수행될 필요도 없다. 또한, 다른 행위에 의존적이지 않은 행위는 그 다른 행위와 병렬로 수행될 수 있다. 실시예의 범주는 이들 특정 예에 의해 결코 한정되지 않는다. 명세서 내에 명시적으로 주어지든 그렇지 않든, 다수의 변형, 예를 들어 구조와, 치수와, 소재의 사용에서의 차이가 가능하다. 실시예의 범주는 적어도, 이하의 청구항에 의해 주어지는 만큼 넓다.
이하의 예는 추가의 실시예에 관련된다. 다양한 상이한 응용에 맞게, 상이한 실시예의 다양한 특징은 포함된 몇몇 특징 및 배제된 다른 특징과 다양하게 조합될 수 있다. 몇몇 실시예는 음향 광학 편향기를 통해 광학 빔을 송신하는 단계와, 위 음향 광학 편향기에 의해 제1 축을 따라 위 빔을 편향하기 위해 위 음향 광학 편향기의 다수의 트랜스듀서들에 걸친 위상 지연과 함께 음향 신호를 인가하는 단계와, 위 편향된 빔을 워크피스 상으로 지향시키는 단계를 포함하는 방법에 관련된다.
추가의 실시예는 위 음향 광학 편향기에 의해 제2 축을 따라 동시에 위 빔을 편향하는 단계를 포함한다.
추가의 실시예에서, 위 트랜스듀서들은 2차원에서 배열되고 위 음향 신호를 인가하는 단계는 위 제1 축 및 위 제2 축을 따른 위 빔의 편향을 제어하기 위해 위 트랜스듀서들의 위 2차원에서의 위상 지연과 함께 위 음향 신호를 인가하는 단계를 포함한다. 위 워크피스는 기판이되, 위 방법은 위 기판 상에 비아를 드릴링하기 위해 위 기판 상으로 확대 광학부를 통해 위 편향된 광학 빔을 집속하는 단계를 더 포함한다.
추가의 실시예는 위 광학 빔의 편향 각도(angle of deflection)를 제어하기 위해 위 인가되는 음향 신호의 주파수를 조절하는 단계를 포함한다.
추가의 실시예에서 위 다수의 트랜스듀서들은 위 음향 광학 편향기의 단일의 제1 표면을 따라 있고, 위 방법은 위 음향 광학 편향기의 제2 표면 상에 배열된 제2 세트의 다수의 트랜스듀서에 제2 음향 신호를 인가하는 단계를 더 포함하되, 위 제1 표면 및 위 제2 표면은 위 제1 표면으로부터의 결정체 내의 음파가 위 제2 표면으로부터의 결정체 내의 음파와 조합되도록 인접한다.
추가의 실시예는 개구 마스크를 통해 위 광학 빔을 송신하는 단계와, 위 송신된 (마스킹된) 광학 빔을 미러에 의해 위 음향 광학 편향기에 반사하는 단계와, 위 편향된 광학 빔이 위 기판 상에 입사하도록 위 워크피스를 표면 상에 위치시키는 단계와, 위 음향 광학 편향기의 위 회절된 광학 빔에 의해 위 기판 상에 비아를 드릴링하는 단계를 포함한다.
추가의 실시예는, 송신된 광학 빔을 수신하도록 구성된 제1 표면과, 제2 표면을 가지는 음향 광학 편향기와, 위 음향 광학 편향기의 위 제2 표면 상의 복수의 음향 트랜스듀서들과, 각각의 트랜스듀서 간의 선택된 위상 지연과 함께 위 트랜스듀서들을 사용하여 음향 주파수 신호를 생성하도록, 그리고 제1 축을 따른 위 광학 빔의 편향 각도를 제어하기 위해 위 음향 광학 편향기에 위 음향 주파수 신호를 인가하도록 구성된 위 음향 트랜스듀서들을 위한 전기적 입력과, 위 편향된 광학 빔을 워크피스에 지향시키는 이미징 광학부(imaging optics)를 포함하는 시스템에 관련된다.
추가의 실시예에서 위 복수의 음향 트랜스듀서들은 2차원에서 배열되고 위 전기적 입력은 위 트랜스듀서들 간의 두 세트의 선택된 위상 지연과 함께 위 트랜스듀서들을 사용하여 음향 주파수 신호를 생성하도록 구성되되, 동시에 위 제1 축 및 제2 축을 따른 위 광학 빔의 편향을 제어하기 위해 제1 세트의 위상 지연은 위 트랜스듀서들의 위 2차원 중 제1 차원 내에 있고 제2 세트의 위상 지연은 위 트랜스듀서들의 위 2차원 중 제2 차원 내에 있다. 위 트랜스듀서들의 위 2차원은 직교이다. 위 트랜스듀서들은 그리드 어레이(grid array)로 배열되되 위 트랜스듀서들은 직교 행 내에 위치된다. 위 음향 광학 편향기의 위 제1 표면 및 위 제2 표면은 직교이다.
추가의 실시예는 위 음향 광학 편향기의 제3 표면 상의 제2 복수의 음향 트랜스듀서를 포함하고, 각각의 트랜스듀서 간의 선택된 위상 지연과 함께 제2 음향 주파수 신호를 생성하고 위 음향 광학 편향기에 위 음향 주파수 신호를 인가하여 또한 제2 축을 따른 위 광학 빔의 편향 각도를 제어하기 위해 위 전기적 입력이 위 제2 복수의 음향 트랜스듀서에 또한 인가된다.
추가의 실시예에서, 위 이미징 광학부는 텔레센트릭 렌즈를 포함한다. 위 광학 빔은 위 워크피스 상의 비아를 산출한다. 위 광학 빔은 위 워크피스 상의 회로를 제작하기 위해 레이저 직접 이미징을 위한 포토레지스트 소재를 노출한다. 위 전기적 입력은 위 광학 빔의 편향 각도를 제어하기 위해 위 트랜스듀서들에 걸쳐 음향 주파수를 변경하도록 조절된다. 위 전기적 입력은 인접한 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 변경함으로써 조절된다. 위 전기적 입력은 위 트랜스듀서들에 인가되는 전력을 변경함으로써 조절된다. 위 전기적 입력은 브랙 조건 하에서 위 광학 빔을 회절시키기 위해 브랙 조건을 달성하도록 위 트랜스듀서들에 걸쳐 음향 주파수를 변경하도록 조절된다. 위 음향 광학 편향기는 게르마늄 결정체를 포함한다. 위 음향 광학 편향기는 이산화 텔루륨 결정체를 포함한다.
추가의 실시예는 기판 상의 비아 드릴링을 위한 시스템에 관련되는데, 위 시스템은 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 공진기와, 위 레이저 빔을 정형하기 위해 위 레이저 공진기에 광학적으로 커플링된(optically coupled) 개구 마스크와, 위 레이저 빔을 수신하고 위 수신된 레이저 빔을 의도된 방향으로 조향하도록 구성된 음향 광학 편향기와, 위 조향된 레이저 빔을 지향시키는 광학 요소와, 지지된 워크피스 상에 작용하도록(work) 위 조향된 레이저 빔이 지향되는 워크피스 지지부(workpiece support)를 포함한다.
추가의 실시예에서 위 음향 광학 편향기는 위 음향 광학 편향기의 표면 상에 복수의 음향 트랜스듀서들을 가지고 위 트랜스듀서들은 위 조향된 레이저 빔의 방향을 제어하기 위해 위 트랜스듀서들 간의 위상 지연과 함께 음향 주파수 전기 신호(acoustic frequency electric signal)를 수신한다.
추가의 실시예에서 위 복수의 음향 트랜스듀서들은 2차원에서 배열되고 전기적 입력은 위 트랜스듀서들 간의 두 개의 세트의 선택된 위상 지연과 함께 위 트랜스듀서들을 사용하여 음향 주파수 신호를 생성하도록 구성되되, 제1 축 및 제2 축을 따른 위 레이저 빔의 편향을 동시에 제어하기 위해 제1 세트의 위상 지연은 위 트랜스듀서들의 위 2차원의 제1 차원 내에 있고 제2 세트의 위상 지연은 위 트랜스듀서들의 위 2차원의 제2 차원 내에 있다.
추가의 실시예에서 위 음향 광학 편향기는 위 음향 광학 편향기의 제2 표면 상에 제2 복수의 음향 트랜스듀서를 가지고 위 제2 복수의 음향 트랜스듀서는 제2 축을 따른 위 조향된 레이저 빔의 방향을 제어하기 위해 그 트랜스듀서들 간의 위상 지연과 함께 제2 음향 주파수 전기 신호를 수신한다.
추가의 실시예에서 위 지지되는 워크피스 상의 작용은 위 워크피스 상의 비아를 드릴링하는 것을 포함한다. 위 지지되는 워크피스 상의 작용은 레이저 직접 이미징을 위한 포토레지스트 소재를 노출하는 것을 포함한다. 위 트랜스듀서들로의 전기적 입력은 위 레이저 빔을 편향하는 회절 각도를 제어하기 위해 음향 주파수를 변경하도록 조절된다. 위 트랜스듀서들로의 전기적 입력은 브랙 조건 하에서 위 레이저 빔을 편향하기 위해 브랙 조건을 달성하도록 위 트랜스듀서들에 걸쳐 음향 주파수를 변경하도록 조절된다.
추가의 실시예에서 다수의 트랜스듀서가 위 음향 광학 편향기의 다수의 면 상에 면들 간의 어떤 각도와 함께 배열된다.

Claims (31)

  1. 방법으로서,
    음향 광학 편향기 결정체(acousto-optic deflector crystal)를 통해 광학 빔을 송신하는 단계 - 상기 음향 광학 편향기 결정체는 송신된 상기 광학 빔을 수신하도록 구성된 제1 표면 및 상기 제1 표면과 별개의 두 개의 인접한 각진 면을 가짐 - 와,
    상기 음향 광학 편향기 결정체의 상기 두 개의 인접한 각진 면 중 제1 면의 제1 세트의 복수의 트랜스듀서들에 걸쳐 위상 지연(phase delay)을 갖는 음향 신호를 인가하는 단계 - 상기 제1 세트의 복수의 트랜스듀서들은 어레이를 구성함 - 와,
    상기 두 개의 인접한 각진 면 중 제2 면 상에 어레이로서 배열된 제2 세트의 복수의 트랜스듀서들에 제2 음향 신호를 인가하는 단계 - 상기 제1 면 및 상기 제2 면은 상기 제1 면으로부터의 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 음파가 상기 제2 면으로부터의 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 음파와 조합되도록 서로에 대해 기울어짐 - 와,
    상기 음향 광학 편향기 결정체에 의하여 편향된 빔을 워크피스 상으로 지향시키는 단계를 포함하는
    방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 면의 트랜스듀서들 및 상기 제2 면의 트랜스듀서들 각각은 2차원에서 배열되고,
    상기 음향 신호를 인가하는 단계는 제1 축 및 제2 축을 따른 상기 빔의 편향을 제어하기 위해 상기 트랜스듀서들의 상기 2차원에서 위상 지연을 갖는 상기 음향 신호를 인가하는 단계를 포함하는
    방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방법은
    개구 마스크(aperture mask)를 통해 상기 광학 빔을 송신하는 단계와,
    상기 송신된 (마스킹된) 광학 빔을 미러(mirror)에 의해 상기 음향 광학 편향기 결정체에 반사하는 단계와,
    상기 편향된 광학 빔이 기판 상에 입사하도록 상기 워크피스를 표면 상에 위치시키는 단계와,
    상기 음향 광학 편향기 결정체의 회절된 상기 광학 빔에 의해 상기 기판 상에 비아를 드릴링하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  6. 시스템으로서,
    송신된 광학 빔을 수신하도록 구성된 제1 표면 및 상기 제1 표면과 별개의 두 개의 인접한 각진 면을 가지는 음향 광학 편향기 결정체와,
    상기 음향 광학 편향기 결정체의 상기 두 개의 인접한 각진 면 각각에 어레이로서 구성된 복수의 음향 트랜스듀서들 - 상기 복수의 음향 트랜스듀서들의 어레이는 서로에 대해 그리고 상기 제 1 표면에 대해 기울어지도록 구성되며, 상기 두 개의 인접한 각진 면의 제1 면 및 제2 면은 상기 제1 면으로부터의 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 음파가 상기 제2 면으로부터의 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 음파와 조합되도록 서로에 대해 기울어짐 - 과,
    각각의 트랜스듀서 간의 선택된 위상 지연을 갖는 2개의 자유도를 갖는 위상 어레이로서 상기 트랜스듀서들을 사용하여 음향 주파수 신호를 생성하도록 구성되고, 제1 축 및 제2 축에 따른 2개의 자유도를 갖는 상기 광학 빔의 편향 각도를 동시에 제어하기 위해 상기 음향 광학 편향기 결정체에 상기 음향 주파수 신호를 인가하도록 구성된 상기 음향 트랜스듀서들에 대한 전기적 입력(electrical input)과,
    상기 편향된 광학 빔을 워크피스에 지향시키는 이미징 광학부(imaging optics)를 포함하는
    시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기적 입력은 상기 트랜스듀서들 간의 두 세트의 선택된 위상 지연을 갖는 상기 트랜스듀서들을 사용하여 음향 주파수 신호를 생성하도록 구성되되, 상기 제1 축 및 제2 축을 따른 상기 광학 빔의 편향을 동시에 제어하기 위해 제1 세트의 위상 지연은 상기 트랜스듀서들의 2차원에서 제1 차원 내에 있고 제2 세트의 위상 지연은 상기 트랜스듀서들의 2차원에서 제2 차원 내에 있는
    시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 트랜스듀서들은 그리드 어레이(grid array)로 배열되되 상기 트랜스듀서들은 직교 행 내에 위치된
    시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    각각의 트랜스듀서 간의 선택된 위상 지연을 사용하여 상기 음향 광학 편향기 결정체 내로 두 개의 상이한 방향에서 음파를 구동하도록 음향 주파수 신호를 생성하고, 상기 두 개의 인접한 각진 면 사이의 각도는 상기 트랜스듀서들의 어레이의 중심 주파수와 매치(match)되는
    시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전기적 입력은 상기 광학 빔의 편향 각도를 제어하기 위해 상기 트랜스듀서들에 걸쳐 음향 주파수를 변경하도록 조절되는
    시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기적 입력은 인접한 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 변경함으로써 조절되는
    시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전기적 입력은 상기 트랜스듀서들에 인가되는 전력을 변경함으로써 조절되는
    시스템.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 전기적 입력은 브랙 조건(Bragg condition) 하에서 상기 광학 빔을 회절시키기 위해 상기 브랙 조건을 달성하도록 상기 트랜스듀서들에 걸쳐 음향 주파수를 변경하도록 조절되는
    시스템.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 음향 광학 편향기 결정체는 게르마늄(germanium) 결정체를 포함하는
    시스템.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 음향 광학 편향기 결정체는 이산화 텔루륨(tellurium dioxide) 결정체를 포함하는
    시스템.
  16. 시스템으로서,
    레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 공진기(laser resonator)와,
    상기 레이저 빔을 정형하기(shape) 위해 상기 레이저 공진기에 광학적으로 커플링된 개구 마스크(aperture mask)와,
    제1 표면 상에서 상기 레이저 빔을 수신하도록 구성된 음향 광학 편향기 결정체 - 상기 음향 광학 편향기 결정체는 상기 제1 표면과 별개의 두 개의 인접한 각진 면 각각에 어레이로서 구성된 복수의 음향 트랜스듀서들을 가지고, 상기 복수의 음향 트랜스듀서들의 어레이는 서로에 대해 그리고 상기 제1 표면에 대해 기울어지고, 상기 두 개의 인접한 각진 면의 제1 면 및 제2 면은 상기 제1 면으로부터의 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 음파가 상기 제2 면으로부터의 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 음파와 조합되도록 서로에 대해 기울어지며, 상기 복수의 음향 트랜스듀서들의 어레이 각각은 2개의 자유도를 갖는 위상 어레이로서 음향 주파수 신호를 생성하고 상기 수신된 레이저 빔을 제1 축 및 제2 축을 따라 동시에 의도된 방향으로 조향하도록 구성됨 - 와,
    상기 조향된 레이저 빔을 지향시키는 광학 요소와,
    상기 조향된 레이저 빔이 지지된 워크피스 상에 작용하도록 지향되는 워크피스 지지부(workpiece support)를 포함하는
    시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 트랜스듀서들은 상기 조향된 레이저 빔의 방향을 제어하기 위해 상기 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 갖는 음향 주파수 전기 신호를 수신하는
    시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 음향 주파수 전기 신호는 상기 트랜스듀서들 간의 두 개의 세트의 선택된 위상 지연을 갖는 상기 트랜스듀서들을 사용하여 음향 주파수 신호를 생성하도록 구성되되, 제1 축 및 제2 축을 따른 상기 레이저 빔의 편향을 동시에 제어하기 위해 제1 세트의 위상 지연은 상기 트랜스듀서들의 2차원의 제1 차원 내에 있고 제2 세트의 위상 지연은 상기 트랜스듀서들의 2차원의 제2 차원 내에 있는
    시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 음향 트랜스듀서들은 상기 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 갖는 음향 주파수 전기 신호를 수신하여 각각의 트랜스듀서들 간의 위상 지연을 사용하여 두 개의 상이한 방향으로 상기 음향 광학 편향기 결정체 내로 음파를 구동하고, 상기 제1 축 및 제2 축에 따른 상기 조향된 레이저 빔의 방향을 제어하도록 상기 두 개의 인접한 각진 면 사이의 각도는 상기 트랜스듀서들의 어레이의 중심 주파수와 매치되는
    시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 트랜스듀서들로 입력되는 전기적 입력은 브랙 조건 하에서 상기 레이저 빔을 편향하기 위해 상기 브랙 조건을 달성하도록 상기 트랜스듀서들에 걸쳐 음향 주파수를 변경하도록 조절되는
    시스템.
  21. 제6항에 있어서,
    상기 음향 주파수 신호는 이웃하는 트랜스듀서들 사이에서 위상 천이를 갖는 RF 신호의 주파수들의 조합을 포함하여 2차원에서 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 원자 평면들을 기울이며,
    상기 이웃하는 트랜스듀서들 사이에서의 위상 천이는 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 상기 원자 평면들의 방향을 변경하는
    시스템.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 음향 주파수 신호는 이웃하는 트랜스듀서들 사이에서 위상 천이를 갖는 RF 신호의 주파수들의 조합을 포함하여 2차원에서 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 원자 평면들을 기울이며,
    상기 이웃하는 트랜스듀서들 사이에서의 위상 천이는 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 상기 원자 평면들의 방향을 변경하는
    시스템.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 음향 신호는 이웃하는 트랜스듀서들 사이에서 위상 천이를 갖는 RF 신호의 주파수들의 조합을 포함하여 2차원에서 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 원자 평면들을 기울이며,
    상기 이웃하는 트랜스듀서들 사이에서의 위상 천이는 상기 음향 광학 편향기 결정체 내의 상기 원자 평면들의 방향을 변경하는
    방법.
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