專利名稱：激光加工中使功率輸出穩(wěn)定的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光器，特別是涉及一種在動態(tài)(on-the-fly)樣本加工場合中以高脈沖重復頻率(“PRF”)提供均勻能量激光脈沖的方法和裝置。
背景技術：
激光通常應用于各種工業(yè)操作中，包括檢查、加工、以及對基片如電子材料進行微加工。比如，為了修復動態(tài)隨機存取器(“DRAM”)，用第一束激光脈沖去掉DRAM設備中已壞存儲單元的導電連接，然后用第二束激光脈沖去掉冗余存儲單元的阻抗連接從而取代損壞的存儲單元。由于已壞的、需將連接去掉的存儲單元是隨機分布的，所以工件定位的延遲時間通常要求這種激光修復過程能夠在很寬的PRF范圍內(nèi)進行，而不是在一恒定PRF下進行。這種加工技術在工業(yè)中被稱為動態(tài)(“OTF”)連接加工技術，其允許在速率上以更高的效率修復所給晶片的連接，從而提高整個DRAM生產(chǎn)工藝的效率。
然而，眾所周知，每個脈沖的激光能量通常隨著PRF的增加而減少，這種特性特別存在于Q一轉(zhuǎn)換固態(tài)激光器。這種每個脈沖能量的下降限制了許多激光存儲器修復工藝所能使用的PRF上限。此外，存儲器以及其它電子元件可由各種方法加工出來而每種方法都要求用特定范圍的脈沖能量進行，這通常被稱為“加工窗口”(process window)。對于許多存儲設備來說，該“加工窗口”要求激光脈沖能量相對于選定的脈沖能量值的變化要小于5％。
現(xiàn)在，技術人員一直在采取各種措施來保證操作是在加工窗口中進行，或者采取各種措施來拓展這個加工窗口。比如，專利號為N0.5,590,141的美國專利文獻“METHOD AND APPARATUS FOR GENERATINGAND EMPLOYING A HIGH DENSITY OF EXCITED IONS IN A LASANT”，該專利轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人，這其中就描述了采用激射工作物質(zhì)的固態(tài)激光器，該激光器的特性表現(xiàn)為脈沖能量作為PRF的函數(shù)其下降規(guī)律減緩的特性，因此其具有更高的可用PRF。這樣該激光器在其最大PRF之下操作時，能夠生成更穩(wěn)定的脈沖能級。
大家還知道，在激光加工的場合中通常采用定位器使工件上的目標位快速移過一序列編程的加工位置。定位器的運動與激光脈沖定時是異步的，這就要求激光器在這種場合下，以具有內(nèi)在寬范圍PRF的OTF模式操作。這種很寬范圍的脈沖周期相應地會引起脈沖與脈沖之間能量的變化以及不確定的脈沖啟動時間，這就會導致激光脈沖在工件上的定位不準確。
因此，專利號為No.5,453,594的美國專利文獻“RADIATION BEAMPOSITION AND EMISSION COORDINATION SYSTEM”，其轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人，該文獻描述了一種控制定位器的時鐘與控制OTF激光脈沖發(fā)射的可變時鐘同步的技術。這種同步了的時鐘允許激光器在定位器移過工件目標位的同時發(fā)射脈沖，從而提高激光脈沖定位的精度。
上述激光加工的應用通常采用基波波長為1,047納米(“nm”)或1,064納米的紅外線(“IR”)激光器，申請人發(fā)現(xiàn)許多激光加工的應用已更新為紫外線(“UV”)能量的波長，其通常小于500nm。這種UV波長的波可通過使IR激光器經(jīng)歷諧波生成過程而激勵出IR激光器的二次、三次、四次諧波來形成。不幸的是，這種UV激光器的脈沖到脈沖的能級對PRF以及脈沖周期的變化特別敏感。
因此，這里所需要的是在高精度OTF的激光加工應用中以高PRF生成穩(wěn)定的UV激光加工脈沖能的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是在一種基于激光的工件加工系統(tǒng)中，其中加工控制系統(tǒng)使固態(tài)激光器發(fā)射出光脈沖并使定位系統(tǒng)控制光脈沖射束相對于工件進行移動，從而使射束射到工件上的目標位進行加工，該系統(tǒng)采用一種提供光脈沖的方法，該光脈沖具有均勻的、連續(xù)打擊工件上多個準備被加工目標位的脈沖能量，該方法包括啟動工件非加工模式從而響應于加工控制系統(tǒng)按自動脈沖的脈沖重復速率生成一串激光脈沖射束；阻擋按自動脈沖的脈沖重復速率發(fā)射的光脈沖射束，從而使其不能射到工件上；從工件非加工模式切換到工件加工模式，其中加工控制系統(tǒng)將脈沖定位控制信號送到定位機構從而使定位機構以定位速率移動，該脈沖定位控制信號表示對應于工件目標位和位于兩個連續(xù)工件目標位之間的工件中間位置將激光脈沖射束的指令坐標分開，并且其中加工控制系統(tǒng)使激光脈沖以目標位脈沖重復速率發(fā)射，該重復速率是定位機構以定位速率移動時激光脈沖發(fā)射指令坐標與工件目標位和工件中間位置一致時確定的速率；以及在激光脈沖發(fā)射指令坐標與工件目標位一致時發(fā)射激光脈沖射束，否則阻止激光脈沖射束的發(fā)射，這樣由于光脈沖射束是以自動脈沖和目標位脈沖重復速率連續(xù)地生成，從而可將具有均勻脈沖能的光脈沖提供到工件目標位。
Q-轉(zhuǎn)換固態(tài)激光器與脈沖加工控制系統(tǒng)協(xié)同操作。其中該脈沖加工控制系統(tǒng)采用自動脈沖模式和定位脈沖模式使發(fā)送到定位器所移動的工件目標位的脈沖到脈沖的激光能量保持穩(wěn)定。在自動脈沖模式下，激光脈沖以最大PRF或接近最大PRF的頻率發(fā)射出來，但是該脈沖經(jīng)一個外部調(diào)制器如聲-光調(diào)制器(“AOM”)或光-電調(diào)制器(也被稱作Pockels單元)阻擋后不能到達工件。在定位脈沖模式下，激光器每發(fā)送一次脈沖，定位器就將工件位置移過與指令激光束坐標一致的坐標。加工控制系統(tǒng)以近乎恒定的速度移動定位器，這就使得激光器在接近最大PRF點附近對應于工件穿過按規(guī)律分開的一組指令激光束坐標而觸發(fā)。任何時候只要指令位置是被加工的位置，該脈沖加工控制系統(tǒng)就將AOM設定到發(fā)射狀態(tài)，只要指令位置不是被加工的位置，該脈沖加工控制系統(tǒng)就將AOM設定到阻止狀態(tài)。這種脈沖定時技術為激光器提供了一個近乎恒定的脈沖周期，因此在接近最大PRF處，能使其脈沖到脈沖的能級穩(wěn)定。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于它能在高精度OTF激光加工應用中，在很高的PRF處生成穩(wěn)定的激光加工脈沖能量。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于它滿足了上述OTF樣本加工場合中采用UV波長的目的。
還有，本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于在加工工件需要近乎隨機的脈沖周期時，它能提供穩(wěn)定的脈沖到脈沖的激光脈沖能。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是它能使Q-轉(zhuǎn)換固態(tài)激光器的脈沖到脈沖的能量很穩(wěn)定，其中該Q-轉(zhuǎn)換固態(tài)激光器采用非線性諧波發(fā)生工藝可產(chǎn)生二倍、三倍、或四倍頻率的激光脈沖。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點通過以下參考附圖所進行的對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細說明將會更加清楚。


圖1所示為本發(fā)明中的工件定位器以及與之相連的激光加工控制系統(tǒng)的示意性方塊圖；圖2所示為本發(fā)明在自動脈沖模式和定位脈沖加工模式中為了提供穩(wěn)定的脈沖到脈沖的UV激光能所進行的功能步驟的流程圖。
具體實施例方式
圖1中展示了本發(fā)明的一個激光脈沖加工控制系統(tǒng)10，其中系統(tǒng)控制計算機12和嵌入式控制計算機14共同作用以控制光束位置控制器16接收來自X-Y軸定位器18的位置信息，該X-Y軸定位器18用來相對于UV激光束22對工件20進行定位。UV激光束22除了所示的反射鏡外可穿過各個光學元件(圖中沒有示出)。X-Y軸定位器18也可包括一個Z向定位器23，其可與X或Y級相連。X-Y軸定位器18優(yōu)選是基于專利號為No.5,751,585的美國專利文獻“HIGH SPEED，HIGH ACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONING STSTEM”所描述的定位系統(tǒng)，其被轉(zhuǎn)讓給了本申請的受讓人。商業(yè)上一個適用于本發(fā)明的激光脈沖加工控制系統(tǒng)的例子是由俄勒岡州(Oregon)波特蘭市(Portland)的Electro Scientific Industries公司——本申請的受讓人生產(chǎn)的Model9300 Memory Yield Improvement System。
UV激光器系統(tǒng)24優(yōu)選包括一個Q-轉(zhuǎn)換固態(tài)IR激光器26如二極管泵浦式的聲光Q-轉(zhuǎn)換NdYVO4激光器；一個AOM28，其用來調(diào)節(jié)IR激光器26的脈沖幅值；以及一個倍頻器30，其采用公知的二次、三次、或四次諧波變換法將IR激光器26發(fā)射的紅外波長的波轉(zhuǎn)換成綠和/或UV波長的波。AOM28也可如虛線所示的AOM32的位置一樣被放在倍頻器30的后面。在任何一個實施例中，激光控制器34都控制著AOM28或32的透射系數(shù)從而發(fā)射或阻止UV激光束22射向工件20。
系統(tǒng)控制計算機12通過總線36將工件20需要進行激光加工的位置坐標傳送到嵌入式控制計算機14中。在一典型的樣本加工場合中，工件20包括規(guī)則的分開設備的結構如熔線，其中僅有一些需要加工。需要加工的位置被稱作目標位，不需要加工的位置被稱作中間位。嵌入式控制計算機14在目標位坐標上加入分開的中間位坐標從而以幾乎相同的時間間隔觸發(fā)IR激光器26。嵌入式控制計算機14將目標位坐標和中間位坐標一次一個以預定的速率通過總線38傳送到光束定位控制器16中的寄存器40，同時將控制數(shù)據(jù)通過總線42加載到激光控制器34中的寄存器44。該預定速率控制著X-Y軸定位器18的運動速度，并且控制數(shù)據(jù)指示出坐標位是否是準備加工的目標位，此外，控制數(shù)據(jù)中還包含模式信息及計時信息。
激光控制器34以自動脈沖模式或定位脈沖模式操作定時器46。在自動脈沖模式下，定時器46響應于寄存器44中的控制數(shù)據(jù)而啟動；而在定位脈沖模式下，定時器46則響應于從光束位置控制器16的比較器50中接收的位置相合信號48啟動。光束位置控制器16中的位置編碼器52向比較器50指示出X-Y軸定位器18的當前位置，并且在當前位置與保存在寄存器40中的位置坐標相配時，生成位置相合信號48以指示出工件20正好位于目標位或中間位置。因此，如果工件20已處于目標位上，定時器46將同時操作IR激光器26中的Q-開關并將AOM28設定到發(fā)射狀態(tài)，直到循環(huán)完成中斷信號54從定時器46傳送到嵌入式控制計算機14中。AOM28的發(fā)射系數(shù)優(yōu)選如激光脈沖門控設備或脈沖振幅調(diào)制器一樣可控。
UV激光器系統(tǒng)24的脈沖到脈沖能級穩(wěn)定性直接依賴于IR激光器26的脈沖到脈沖的能級穩(wěn)定性。為了滿足這一要求，所發(fā)射的兩個激光脈沖間的脈沖周期設定成一樣。這可減少以變化的脈沖周期啟動IR激光器26時產(chǎn)生的激光工作循環(huán)變化所引起的熱效應或輻射效應。這種熱效應和輻射效應可包括非線性晶體折射率的變化，從而改變諧波生成的相位匹配條件，所述條件引起諧波輸出能量發(fā)生巨大的變化。該熱效應和輻射效應還可引起IR激光器26單位脈沖能量的變化從而引起UV激光器系統(tǒng)24的輸出產(chǎn)生波動。
本發(fā)明為IR激光器26在自動脈沖模式或定位脈沖模式下提供幾乎相同的脈沖間的定時周期。在自動脈沖模式中，AOM28可防止UV激光束22加工工件20。在定位脈沖模式中，位置相合信號48以及寄存器44中的目標位數(shù)據(jù)可確定出AOM28的發(fā)射狀態(tài)，并且由此確定出哪一個UV激光束22脈沖加工工件20。
再來參見圖2，本發(fā)明所執(zhí)行的工件處理程序56可將UV激光器系統(tǒng)24穩(wěn)定的、脈沖到脈沖的加工能量提供到工件20的目標位上。
啟動方框58表示工件處理程序56的啟動。
自動脈沖方框60表示嵌入式控制計算機14將控制系統(tǒng)10設定成缺省的自動脈沖模式，在該模式下，定時器46以用戶編程的PRF觸發(fā)IR激光器26。
在自動脈沖模式下，定時器46中的邏輯塊將脈沖阻止信號線62設定成能確保AOM28門關閉，以此來防止UV激光器系統(tǒng)24發(fā)射的可用能量到達工件20。
當控制系統(tǒng)10準備啟動定位脈沖加工進程時，坐標接收方框64表示嵌入式控制計算機14從系統(tǒng)控制計算機12接收工件20上所要進行激光加工的目標位坐標。
中間坐標計算方框66表示嵌入式控制計算機14將不需要激光加工的中間位置坐標加到目標位坐標上。該中間位置坐標被分開從而使IR激光器26以一致的PRF觸發(fā)。嵌入式控制計算機14將控制系統(tǒng)10從自動脈沖模式切換到定位脈沖模式。
坐標加載方框68表示嵌入式控制計算機14通過總線38將一個位置坐標傳送到寄存器40，并且通過總線42將脈沖定位模式的許可數(shù)據(jù)傳送到激光控制器34。脈沖阻止信號線62繼續(xù)使AOM28阻止UV激光器系統(tǒng)24的脈沖能發(fā)射到工件20。
最后坐標判定方框70表示進行核對以確定出該位置坐標是否是當前OTF加工進程的進程終止位置坐標。如果是，程序返回到自動脈沖方框60。
否則，程序繼續(xù)進行到定位器移動方框72，該方框表示對應于位置坐標來移動光束定位器18。
位置比較判定方框74表示將位置編碼器52中的數(shù)據(jù)與存貯于寄存器40中的位置坐標進行比較，并且當數(shù)據(jù)和坐標匹配時，比較器50發(fā)出位置相合信號48。
定時器啟動方框76表示響應于接收到的位置相合信號48啟動定時器46。經(jīng)過一預定的時間周期后，定時器46會驅(qū)動Q-轉(zhuǎn)換門控線78以一預定的時間周期(可由用戶編程以滿足加工窗口需要)觸發(fā)IR激光器26的激光脈沖。
在定時器46到時之前，脈沖發(fā)射判定方框80表示對應于位置相合信號48以及脈沖阻止信號線62的狀態(tài)將AOM28設定到激光脈沖阻止狀態(tài)81或激光脈沖發(fā)射狀態(tài)82。
激光觸發(fā)方框84表示根據(jù)響應于定時器啟動方框76生成的Q-轉(zhuǎn)換門控線信號，觸發(fā)IR激光器26。該定時序列允許AOM28在Q-轉(zhuǎn)換門控線78使IR激光器26發(fā)射脈沖之前，設定到預先編好的透射率水平。
脈沖發(fā)出后，脈沖阻止方框85表示將AOM28設定到阻止激光脈沖的透射率水平。
循環(huán)結束方框86表示響應于返回到脈沖禁止狀態(tài)的Q-轉(zhuǎn)換門控線78生成循環(huán)完成中斷信號54。循環(huán)完成中斷信號54使工件處理程序56返回到坐標加載方框68，其表示嵌入式控制計算機14將下一個坐標位置載入到寄存器40中。
如上所示，最后坐標判定方框70表示進行核對以確定該位置坐標是否是當前OTF加工進程的最后一個位置坐標。如果是，OTF加工進程完結并且工件處理程序56返回到自動脈沖方框60。嵌入式控制計算機14使激光控制器34返回到自動脈沖模式，其它任何位置相合信號48都被忽略，脈沖模塊信號線60被設定到禁止UV激光器系統(tǒng)24的脈沖到達工件20狀態(tài)。
在一典型的OTF加工進程中，可選擇在定位脈沖模式下加工一排工件位置，之后，控制系統(tǒng)10切換到自動脈沖模式，載入下一排工件位置，再返回到定位脈沖模式，重復上述操作直到工件完全被加工完畢。
定時器46是根據(jù)下面的激光操作原則設定的。周期τp表示目標脈沖周期，以及最大PRF，在該PRF下激光脈沖可由UV激光器系統(tǒng)24發(fā)出以傳遞到工件20。PRF的值可由用戶選擇，最大值通常受X-Y軸定位器18在兩個目標位之間移動所需時間限制。周期τ表示相鄰兩個指令脈沖之間的實際脈沖周期。定時器46產(chǎn)生的τ值在自動脈沖模式等于τp，在定位脈沖反饋模式下則近似等于τp。τl表示轉(zhuǎn)換脈沖周期，即控制系統(tǒng)10處在轉(zhuǎn)換模式下兩個脈沖之間的周期。轉(zhuǎn)換脈沖周期τl可以是0到τp之間的任意值，其使IR激光器26發(fā)射的脈沖具有不確定的脈沖能量。因此在轉(zhuǎn)換脈沖周期τl期間，將脈沖阻止信號線62確實設定成使之能阻止任何發(fā)射的脈沖通過AOM28到達工件20。
在自動脈沖模式下，由于寄存器44將定時器46設定到超時，因此IR激光器26能以預定的PRF重復啟動，啟動IR激光器26，重新設定，啟動結束。反之，在定位脈沖模式期間，任何時候一旦IR激光器26啟動，都要重新設定定時器46。
本領域普通技術人員都知道本發(fā)明的各個部分能以不同于上述優(yōu)選實施例的形式來完成。比如，系統(tǒng)控制計算機12和嵌入式控制計算機14可組合成一個處理器，并且射束定位控制器16和激光控制器34也可以是數(shù)字邏輯模塊、運行在信號處理器中的程序、微處理器、狀態(tài)機、以及模擬電路以硬線相連的某種組合來實現(xiàn)。作為選擇，IR激光器26可以是基波波長為1,047nm的NdYLF激光器，或者是基波波長為1,064nm的NdYAG激光器，并且倍頻器30可據(jù)此生成NdYLF激光器二次、三次、和四次諧波(524nm、349nm、262nm)或者生成NdYAG激光器二次、三次、和四次諧波(532nm、355nm、266nm)。當然工件可虛擬為任何需要激光加工的材料或部件。同樣，本領域普通技術人員還知道工件20用紅外波加工可能最為有效，在這種情況下，IR激光器26的輸出將直接射向工件20，而其頻率不用轉(zhuǎn)換成上述任何一種諧波波長。
顯然，本領域普通技術人員都知道在不脫離本發(fā)明的內(nèi)在原則的條件下，可對本發(fā)明上述實施例的細節(jié)做出許多改動。因此本發(fā)明還可應用于其它激光的應用場合，而不僅僅應用于已知的那些電子元件加工的場合。本發(fā)明的保護范圍由權利要求書來確定。
權利要求
1.在一種基于激光的工件加工系統(tǒng)中，其中加工控制系統(tǒng)使固態(tài)激光器發(fā)射出光脈沖并使定位系統(tǒng)控制光脈沖射束相對于工件進行移動，從而使射束射到工件上的目標位進行加工，該系統(tǒng)采用一種提供光脈沖的方法，該光脈沖具有均勻的、連續(xù)打擊工件上多個準備被加工目標位的脈沖能量，該方法包括啟動工件非加工模式從而響應于加工控制系統(tǒng)按自動脈沖的脈沖重復速率生成一串激光脈沖射束；阻擋按自動脈沖的脈沖重復速率發(fā)射的光脈沖射束，從而使其不能射到工件上；從工件非加工模式切換到工件加工模式，其中加工控制系統(tǒng)將脈沖定位控制信號送到定位機構從而使定位機構以定位速率移動，該脈沖定位控制信號表示對應于工件目標位和位于兩個連續(xù)工件目標位之間的工件中間位置將激光脈沖射束的指令坐標分開，并且其中加工控制系統(tǒng)使激光脈沖以目標位脈沖重復速率發(fā)射，該重復速率是定位機構以定位速率移動時激光脈沖發(fā)射指令坐標與工件目標位和工件中間位置一致時確定的速率；以及在激光脈沖發(fā)射指令坐標與工件目標位一致時發(fā)射激光脈沖射束，否則阻止激光脈沖射束的發(fā)射，這樣由于光脈沖射束是以自動脈沖和目標位脈沖重復速率連續(xù)地生成，從而可將具有均勻脈沖能的光脈沖提供到工件目標位。
2.如權利要求1的方法，其中該固態(tài)激光器包括一個紅外激光器。
3.如權利要求1的方法，其中該固態(tài)激光器包括一個紅外激光器，該紅外激光器在非線性諧波生成模式下操作從而生成波長小于500nm的激光脈沖。
4.如權利要求1的方法，其中自動脈沖重復速率以及目標位脈沖重復速率基本相同。
5.如權利要求1的方法，其中自動脈沖的脈沖重復速率和目標位脈沖重復速率中至少有一個能夠由用戶設定到預定的脈沖重復速率。
6.如權利要求4的方法，其中自動脈沖的脈沖重復速率和目標位脈沖重復速率基本上與固態(tài)激光器的最大脈沖重復速率相同。
7.如權利要求1的方法，其中從工件非加工模式轉(zhuǎn)換到工件加工模式會產(chǎn)生一個中間過度期，該期間內(nèi)生成一個光脈沖射束，該方法還進一步包括阻止中間過度期內(nèi)生成的光脈沖射束射到工件上。
8.如權利要求1的方法，其中的工件支撐在定位系統(tǒng)上。
9.如權利要求1的方法，其中工件為固定的，定位系統(tǒng)移動激光脈沖射束。
10.如權利要求1的方法，其中工件在固定的第一軸向上移動而激光脈沖射束在第二軸向上移動。
全文摘要
Q—轉(zhuǎn)換固態(tài)激光器系統(tǒng)(24)運行在脈沖加工控制系統(tǒng)(10)中,其采用自動脈沖模式和定位脈沖模式從而使發(fā)送到由X—Y軸定位器(18)移動的工件(20)上的、脈沖到脈沖的激光能量非常穩(wěn)定。在自動脈沖模式下,激光脈沖在接近最大PRF處發(fā)出,但是該脈沖經(jīng)一個外部調(diào)制器(28,32)如聲—光調(diào)制器(“AOM”)或光—電調(diào)制器(也被稱作Pockels單元)阻擋后不能到達工件。在定位脈沖模式下,激光器對應于定位器移到工件上一個與指令坐標位置一致的位置發(fā)出一個脈沖。加工控制系統(tǒng)以定位器移動的速率傳送一組坐標位置流,其中一些位置是需要加工的,并且在接近最大PRF處觸發(fā)激光器。該脈沖加工控制系統(tǒng)在需要加工的坐標位置為指令位置時將AOM設定到發(fā)射狀態(tài),否則將AOM設定到阻止狀態(tài)。這種脈沖定時技術為激光器提供了一個近乎恒定的脈沖周期,因此在接近最大PRF處提高了脈沖到脈沖能量的穩(wěn)定性。
文檔編號B23K26/00GK1339995SQ00803638
公開日2002年3月13日 申請日期2000年2月10日 優(yōu)先權日1999年2月10日
發(fā)明者B·W·貝爾德, W·J·喬登斯, S·N·斯瓦林貞 申請人:電子科學工業(yè)公司