激光脉冲能量控制系统及方法
激光脉冲能量控制系统及方法
【专利说明】激光脉冲能量控制系统及方法
[0001]相关交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)主张2013年I月11日提交的美国临时申请案第61/751，810号，其通过引用而将其整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明的揭露内容一般涉及激光加工设备以及使用其的加工工件的方法。
【背景技术】
[0004]在工件的一个或多个材料内的特征(例如，通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口和其他特征)的激光加工可以是对激光功率是敏感的。在许多应用中(例如，在这些特征通过递送激光脉冲在工件上而被激光加工中)，形成特征的速度或效率且最终地形成的所述特征的质量可以对递送到工件上的个别的脉冲的脉冲能量是非常敏感的。例如，当激光加工例如印刷电路板、可挠性印刷电路或类似物的一工件时，当激光处理(例如，烧蚀)诸如铜的导电材料，相对高的脉冲能量可能是令人满意的，然而，当激光加工(如烧蚀)介电材料而不在所述介电材料中引起热效应(例如，由于炭化及/或熔化)且并不会损坏相邻材料(如铜)，相对低的脉冲能量可能是令人满意的。
[0005]控制或调整激光功率或脉冲能量的常规方法包括衰减光学组件(例如，偏振光学组件或声光调整器)，或者通过改变至激光介质的泵功率而激光光学输出功率的直接控制。这些传统的方法具有缺点，包括缓慢的速度(例如，用于机械调整偏振光学组件)、在激光传送中的变化(例如，在激光介质泵或Q-开关时间的控制中)或者缺乏与激光加工设备的其他操作的协调。
【发明内容】
[0006]本发明公开内容的实施例，如本文所述的范例，解决上述讨论的限制以及与控制或调整激光功率或脉冲能量的常规方法相关联的其它限制。
[0007]在某些实施例中，系统和方法提供激光脉冲能量控制及/或监测。一种示例性激光加工设备包括:激光系统，产生激光脉冲束；以及脉冲能量控制系统，逐个脉冲地(pulse-by-pulse basis)调整在束中的每个激光脉冲的脉冲能量。所述脉冲能量控制系统包括:开环前馈控制路径，其基于绘制激光脉冲能量随激光脉冲重复频率的变化的校准传输曲线对于每个激光脉冲选择脉冲能量传输值。激光能量监视器测量在激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量。功率控制回路可以基于从激光能量监视器的反馈来进一步调整在激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。
[0008]从以下参照附图进行的较佳实施例的详细描述中，其它的方面和优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0009]图1示意性地说明了根据本发明的一个实施例的激光加工设备。
[0010]图2示意性说明了与图1所示的装置的各个组件或系统相关联的扫描场。
[0011]图3和图4以图形方式说明了根据本发明的某些实施例通过扫描对于工件的束位置所产生的斑点的图案。
[0012]图5是示意性说明了形成图4所示的斑点的图案的工艺的实施例。
[0013]图6示意性说明了根据一个实施例的激光功率控制系统的一些组件。
[0014]图7示意性说明了根据一个实施例的激光功率控制算法。
[0015]图8示意性说明了从典型的激光功率曲线发展至归一化1/PE (脉冲能量)值随脉冲周期的变化。
[0016]图9说明了根据本发明揭示内容的实施例可以产生的夹头功率计(CPM)读数瞬
??τ O
[0017]图10示意性说明了穿过与不同的脉冲周期或脉冲重复频率相关联的相继的工艺区段的脉冲同步。
[0018]图11是根据一个实施例的示例性LET校准工艺的流程图。
[0019]图12是在图1所示的工件的激光加工期间根据用于功率控制的一个实施例而可以实现的示例操作顺序的流程图。
【具体实施方式】
[0020]示例性实施例参照附图而描述如下。许多不同的形式和实施例是可能的而不脱离本发明的精神和教导，因此本发明不应该被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反地，提供这些示例性实施例是为了使本公开将是彻底和完整的，并且对熟知本领域的技术人士将传达本发明的范畴。在附图中，组件的尺寸和相对尺寸可以被夸大以为了清晰度。本文中使用的术语仅是用于描述具体示例实施例的目的并且不意图限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”意图包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解的是，术语“包括”及/或“包含”当使用于本说明书中指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、组件及/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、组件、组件及/或它们的群组。除非另有规定，如引用时，一个值的范围既包括该范围的最高和最低的限制，也包括任何于其间的子范围。
[0021]如本文所使用的，“功率控制”是用于描述激光输出功率的控制的通用术语。但是，本文描述的示例性实施例测量和控制一激光脉冲的脉冲能量(pulse energy，PE)。对于一给定的脉冲重复频率(pulse repetit1n frequency，PRF)，激光功率脉冲功率等于PEXPRF。对于给定的PRF，PE控制等效于功率控制，并且这两个术语有时可互换使用。此夕卜，“PRF”可以由它的反转、脉冲周期(pulse per1d，PP)或脉冲间周期(inter-pulseper1d, IPP)来指定。通常情况下，机器的用户参考PRF，但功率控制执行指定脉冲周期。因此，这两个术语可互换使用在适当情况下的此讨论中。
[0022]参考图1所示，例如激光加工设备100的一种激光加工设备被配置为通过沿着路径P引导激光脉冲束105以撞击到工件102上以形成特征(例如通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口以及其他特征)在工件102的一个或多个材料内。特征可以通过控制激光加工设备100以执行一个或多个工具制造的动作(例如，冲击钻孔动作、环锯钻孔动作、刮削动作、路由动作、切断动作、其他动作)来形成，其中每个工具制造的动作可以包括一个或多个步骤。如图所示，激光加工设备100可包括激光系统104、夹头106、工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112。虽然未示出，激光加工设备100进一步可以包括一个或多个补充系统(例如，光学、反射镜、分束器、扩束器及/或束准直器)，其被配置来塑造、展开、聚焦、反射及/或准直沿路径P的任何一点处的激光脉冲105束。在一个实施例中，一组的一个或多个补充系统可以被称为“光学组件串”。
[0023]在一个实施例中，并且如将在本文更详细地讨论的，工件定位系统108c、束定位系统110以及束调整系统112的一个或多个或全部的操作可以被控制来改变激光脉冲束105投射到工件102的位置(即，在相对于工件102束位置)。在另一个实施例中，正如也将在此更详细地讨论的，工件定位系统108、束定位系统110以及束调整系统112的一个或多个或全部的操作可被控制以改变束位置相对于该工件102变化的速度及/或加速度。
[0024]所述激光系统104可以被配置为产生激光脉冲束105。束105内的激光脉冲可以是例如具有在红外、可见光或紫外光谱的波长。例如，束105内的激光脉冲可以具有例如1064奈米、532奈米、355奈米、266奈米和类似的波长。束105内的激光脉冲可以通常在从大约20kHz到大约2000kHz的范围中的PRF处产生。然而，应当理解的是，所述脉冲重复频率可小于20kHz或大于2000kHz。
[0025]所述夹头106可以作为能够适当地和有利地支撑工件102的任何夹头来提供。在一个实施例中，夹头106可以作为真空夹头、静电夹头、机械夹头或类似物或其组合来提供。
[0026]所述工件定位系统108被配置为沿着平行于X轴、Y轴及/或Z轴(其中，Z轴至少基本垂直于所述夹头106的表面，并且其中所述X轴、Y轴和Z轴相互正交)的一个或多个方向转移支撑工件102的夹头106，以转动夹头106绕着X轴、Y轴及/或Z轴的一个或多个或类似物或它们的组合。在一个实施例中，工件定位系统108可以包括被配置来移动如上文所讨论的夹头的一个或多个载台。当工件102由夹头106所支撑时，工件定位系统108可被操作以在相对于路径P的第一扫描场(例如，第一扫描场200，如图2所不)内(例如，沿X轴和Y轴)移动或扫描工件102。在一个实施例中，工件定位系统108可以被操作以从约400毫米至约700毫米(例如，约635毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、从约400毫米至约700毫米(例如，大约533毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或者它们的组合扫描工件102。
[0027]所述束定位系统110被配置成偏转、反射、折射、衍射或类似、或它们的组合激光脉冲束105，以在相对于工件102的第二扫描场(例如，第二扫描场202，如图2所示)内扫描束的位置。在一个实施例中，束定位系统110可以被操作来从约I毫米至约50毫米(例如，约30毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、从约I毫米至约50毫米(例如，大约30毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或者它们的组合扫描束的位置。通常，束定位系统110的操作可以被控制以大于由工件定位系统108可以在第一扫描场200内扫描工件102的速度及/或加速度相对于工件102扫描束的位置。在图示的实施例中，束定位系统110包括一对检流计(电流计)为基础的反射镜IlOa和110b，其设置在所述路径P内。每个反射镜IlOa和IlOb被配置成可旋转(例如，绕着X轴或Y轴)，从而偏转路径P和扫描在第二扫描场202内束的位置。然而，应当理解的是，所述束定位系统110可以任何其它合适的或有利的方式来配置。
[0028]所述束调整系统112被配置成偏转、反射、折射、衍射或类似、或它们的组合激光脉冲束，以在相对于工件102的第三扫描场(例如，第三扫描场204，如图2所示)内扫描束的位置。在一个实施例中，束调整系统110可以被操作来从约0.05毫米至约0.2毫米(例如，约0.1毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、约0.05毫米至约0.2毫米(例如，约0.1毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或它们的组合扫描束位置。本领域的技术人士将会体认到这些范围以举例的方式提供以及束的位置可以在更小或更大的范围内扫描。通常，束调整系统112的操作可以控制而以大于束定位系统110可以在第二扫描场内扫描束的位置的速度及/或加速度相对于工件102扫描束的位置。在一个实施例中，束调整系统112包括单一声光偏转器(AOD)，其配置成偏转激光脉冲束105以在第三扫描场204内沿着X轴和Y轴扫描束的位置。在另一个实施例中，束调整系统112包括两个A0D，其中第一 AOD被配置为偏转激光脉冲束105和在第三扫描场204内沿着X轴扫描束的位置以及第二 AOD被配置为偏转激光脉冲束105和在第三扫描场204沿着Y轴扫描束的位置。然而，应当理解的是，所述束调整系统112可以任何其它合适的或有利的方式进行配置。例如，束调整系统112可以包括一个或多个声光调整器(AOMs)、电光偏转器(EODs)、电光调整器(EOMs)或类似物或它们的组合以及(或者作为代替)A0D。
[0029]所述激光加工设备100进一步可以包括通信地耦合到所述工件定位系统108、束定位系统110、束调整系统112和激光系统104的系统控制器114。所述系统控制器被配置来控制这些系统(工件定位系统108、束定位系统110、束调整系统112及/或激光系统104)的一个或多个或所有的上述操作，以在工件102内形成特征(例如，通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口和其他特征)。在一个实施例中，系统控制器114可以控制激光系统104的操作(例如，从约 20kHz至约2000kHz的范围内)以改变由激光系统104所产生的脉冲的PRF。
[0030]在一个实施例中，系统控制器114可以控制束调整系统112的操作以相对于工件102扫描束的位置并且在工件102内形成“高特征密度区域”(例如，包含小于或等于500微米或左右的间距所隔开的特征的区域)。系统控制器114进一步可以控制束定位系统110及/或工件定位系统108的操作，同时形成高特征密度区域。
[0031]在另一个实施例中，系统控制器114可以控制束定位系统110的操作以相对于工件102扫描束位置以及在工件102内的工件102内形成“中特征密度区域”(例如，包含大于500微米或左右(诸如约1000微米)的间距所隔开的特征的区域)。系统控制器114进一步可以控制束调整系统112及/或工件定位系统108的操作，同时形成中特征密度区域。
[0032]在又另一实施例中，系统控制器114可以控制束定位系统110的操作，并且进一步以协调的方式控制束调整系统112的操作来克服高速速度限制、小面积定位误差和束定位系统110的带宽限制。例如，如果激光加工设备100没有包含束调整系统112，束定位系统110可被控制以相对于工件102扫描束位置，致使束内的激光脉冲相继地撞击工件102，以形成如图3所示的光斑的圆形图案(如图所示，光斑的圆圈形图案具有约600微米的最大宽度)。但是，通过束调整系统112和束定位系统110的协调操作，激光加工设备100可以被配置以形成如图4所示的光斑的方形图案(如图所示，光斑的方形图案具有约600微米X约600微米的尺寸)。
[0033]在一个实施例中，并且参考图5，在图4所示的光斑的图案可以通过控制束定位系统110以在第二扫描场202内沿着诸如线500的一条线扫描束位置，并且束调整系统112可被控制以进一步在第三扫描场204 (其中心位于线500的端部)内沿着一个方向(例如，由线502所指示，其中心在第三扫描场204内)扫描束位置，使得激光脉冲相继地撞击到工件102，以形成光斑504的方形图案(例如，如图4所示)。通过应用相对于图5的上述讨论的示例性制程，束位置可以每秒约5公尺(公尺/秒)的速率在工件上方被扫描。然而，应当理解的是，束调整系统112的操作和束定位系统110的操作可以任何方式进行协调，从而在工件102上形成光斑的任何合适的或有益的图案。
[0034]一般而言，系统控制器114可以包括操作逻辑(未显示)，其定义各种控制功能，并且可以为专用硬件的形式，诸如硬联机状态机、处理器执行编程指令及/或为本领域技术人士熟知会发生的不同的形式。操作逻辑可以包括数字电路、模拟电路、软件或任何这些类型的混合组合。在一个实施例中，系统控制器114可包括处理器，例如可编程微控制器、微处理器或其它处理器，其可以包括根据操作逻辑安排成执行存储在内存中的指令的一个或多个处理单元。记忆器(例如，计算器可读介质)可包括一种或多种类型，例如半导体、磁性及/或光学的种类、及/或可为挥发性及/或非挥发性种类。在一个实施例中，内存存储可以通过操作逻辑所执行的指令。可替代地或另外地，内存可以存储通过操作逻辑所操纵的数据。在一个配置中，操作逻辑和内存被包含在操作逻辑的控制器/处理器的形式中并且控制工件定位系统108、束定位系统110及/或束调整系统112的操作，尽管在其它配置中它们可能是分开的。
[0035]如本文所述，激光加工设备100被配置为能使束定位系统110和束调整系统112的协调操作，以高速形成具有高精确位置的特征。在其它实施例中，并且如后所述，激光加工设备100进一步可以包括激光功率控制(LPC)系统，其具有例如束调整系统112和系统控制器114以及其它系统，诸如激光能量监测器(LEM)116以及如将在下面更详细地描述的其他组件、系统和子系统。一般地，LPC系统可以被配置为测量个别激光脉冲的脉冲能量(例如，用于质量和控制的目的)、控制个别激光脉冲的脉冲能量、促进对脉冲能量和PRF的快速变化、协调个别激光脉冲的脉冲能量控制和束位置、协调激光脉冲的生成和调整、或类似或它们的组合。
[0036]A.脉冲能量计量
[0037]为了测量个别激光脉冲的脉冲能量，激光加工设备100进一步可以包括上述的LEM 116和分束组件118 (例如，部分透射镜、衍射束分离器或类似物或它们的组合)。分束组件118被配置在束定位系统110和束调整系统112之间的路径P内，并且被定向或以其它方式被配置为传送束105内的每个脉冲的一部分(例如，从能量的约1%至约2%的范围内)并且沿着朝向工件102的路径P反射在束105内的每个脉冲的剩余部分。传送通过分束组件118束105的部分可以被称为采样束119。
[0038]在一个实施例中，LEM 116被配置成借由整合采样束119内的每个个别激光脉冲的功率来测量采样束119内的每个激光脉冲的脉冲能量。为了整合每个个别激光脉冲的功率，LEM 116可以包括光电检测器(如光电二极管，图中未显示，其配置成借由所述采样束119内的脉冲而入射)以及一个或多个高速放大器、积分器和模拟-数字转换器(ADC)。光电二极管可以被配置为将入射的激光脉冲转换成电流。电流然后可以由高速放大器而被放大及/或过滤。积分器(例如，可重置的积分器)然后整合经放大及/或滤波的电流以建立信号，该信号正比于入射的激光脉冲的总脉冲能量。积分器可以被重置(例如，在系统控制器114的控制之下)，只要在激光脉冲撞击到光电二极管之前保持积分器在有效电压范围内。
[0039]在某些实施例中，ADC然后读取所述积分器的输出两次:第一 ADC读数可被执行在积分器被重置之后，但在激光脉冲撞击到光电二极管上之前；以及然后第二 ADC读数可以执行在激光脉冲撞击到光电二极管之后。在一个实施例中，两个ADC读数之间的延迟可以是固定的(例如，基于激光的脉冲宽度、任意调节放大器的带宽、或类似或它们的组合)。在另一个实施例中，两个ADC读数之间的延迟可以是可变的以计算脉冲宽度随PRF的变化的变化量。对于采样束119内的任何特定的脉冲，两个ADC读数之间的差异可以根据光电二极管和电放大增益来缩放，并且可以解释为表示(例如，作为“PE数据”)最终将撞击到工件102上的相应的激光脉冲的剩余部分的脉冲的脉冲能量(例如，给定的yj)。在一个实施例中，ADC可以读取积分器输出三次(例如，第二 ADC读数之后)来估计到积分器的光或电子偏压输入。这个估计的偏压可以从测得的脉冲能量中减去，以提高耐用性，防止电偏压中的热变化或者光检测器上的环境光的作用。
[0040]应当理解的是，在ADC之前的放大器的设计会影响LEM 116的性能，并且这种设计的权衡可以进行在带宽(稳定时间)、噪声和增益之间。为了转换在从约20kHz至约200kHz的范围内的脉冲重复率的脉冲能量读数，在ADC之前的放大器可以被设计成使得积分器的输出稳定到在脉冲周期时间内(即，1/PRF内)的所需的脉冲能量转换容限内。通过如上所述使用LEM 116测量脉冲能量，采样束119内的每个个别激光脉冲的脉冲能量可以被测量，而不是相继撞击至光电二极管上的一个系列的激光脉冲的平均功率。测量每个个别脉冲的脉冲能量，个别激光脉冲的脉冲能量也可以被逐个脉冲地控制，并且在最终传递到工件102的激光脉冲的脉冲能量中的误差可以被逐个脉冲地修正。
[0041]B.脉冲能量控制
[0042]针对个别脉冲的脉冲能量的控制可以使用束调整系统112来实现。在束调整系统112包括声光(AO)装置(例如，A0D, Α0Μ)的一个实施例中，通过AO装置发送的制程激光束功率的小部分可以借由改变施加到AO装置的射频(RF)功率的水平来控制。在激光加工制程中，个别的激光脉冲的脉冲能量可以借由逐个脉冲地适当地或有益地控制施加到AO装置的RF功率来进行控制。诸如AOD和AOM的AO装置具有非线性传输特性(相对于施加的RF功率)。因此，可能期望将这样的AO装置的非线性传输特性绘制成线性传输响应。在另一个实施例中，束调整系统112包括电光(EO)装置(例如，E0D、E0M)。例如，EOM可以用来改变传输到工件102的处理激光束功率的小部分。
[0043]无论用于控制束105内的激光脉冲的脉冲能量的特定装置，所使用的装置应该足够快以在逐个脉冲地进行操作，这可能需要约20kHz至约2000kHZ的更新速率。借由逐个脉冲地控制个别激光脉冲的脉冲能量，激光系统104可以恒定的PRF “自由运行”并且由激光系统104产生的任何激光脉冲的脉冲能量可以借由束调整系统112而被控制(例如，部分地衰减或完全衰减，从而被“消隐”至零功率)。如果激光系统104的操作进行控制以启动和停止产生激光脉冲，消隐的脉冲激光可提高了可受激光系统104内的温度变化所影响的激光系统104的稳定性(例如，标示、功率及/或束质量的术语)。
[0044]C.脉冲能量刻度
[0045]如上所述，在激光加工设备100可以被配置为逐个脉冲地改变借由激光系统104所产生的个别激光脉冲的脉冲能量，并且可以改变生成激光脉冲的PRF。在一个实施例中，激光加工设备100可以被配置为非常迅速地改变脉冲能量及/或PRF(例如，一个脉冲间周期(IPP)内或在几个脉冲间周期内，其中脉冲间周期对应于1/PRF)。在另一个实施例中，脉冲能量和PRF可以同时改变。当改变PRF及/或脉冲能量时，脉冲能量随PRF的变化的校准可能是有用的。例如，特定的工具制造的动作可以在一个步骤中借由以相对高的脉冲能量以及相对低的PRF发送激光脉冲至工件102以及然后在随后的步骤中以相对较低的脉冲能量以及相对高的PRF发送激光脉冲至工件102来被执行。依赖于脉冲能量输出的反馈控制可能太慢，因为许多脉冲需要允许控制器来适当地调整传输以达到所期望的脉冲能量设定点。借由实施开环前馈控制路径(借由脉冲能量相对于PRF绘制所支持)，脉冲能量的变化可以迅速地实现而无需依赖较慢的反馈控制路径。这可以在加工开始之前借由绘制脉冲能量相对于PRF之间的关系来完成。由于激光的特性可以随时间而改变，这种绘制可以被周期性地重新更新，例如，在加工每个工件之前。
[0046]D.脉冲能量控制与束位置的协调
[0047]根据本文公开的实施例，脉冲能量测量和脉冲能量控制可以被用于协调传递到工件102的特定激光脉冲的脉冲能量与相对于工件102的特定激光脉冲束位置。在一个实施例中，这种协调可以通过将激光加工指令(例如，从系统控制器114发出至激光系统104、工件定位系统108、束定位系统110及/或束调整系统112中的一个或多个)划分成一系列分离的“制程区段”，其各自包括描述束位置、激光脉冲的脉冲能量设定值、或类似的信息或者它们的组合。因此，系统控制器114可以包括区段加工子系统，其配置成过滤、划分、加工或以其他方式转换包含在每个“处理区段”中的信息成束位置指令和激光脉冲能量指令。束位置指令可以通过系统控制器114束位置控制子系统而执行，并且该激光脉冲能量指令可能借由激光功率控制子系统来执行。
[0048]在一个实施例中，区段加工子系统和激光功率控制系统可以每个包括实时控制器。当束位置指令从系统控制器束位置控制子系统114传输到工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112中的一个或多个时，这些组件的一个或多个的操作可被控制，从而控制相对于工件102束位置的定位。当激光脉冲能量指令从系统控制器114的激光功率控制系统传递到激光功率控制系统、激光系统104、工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112中的一个或多个时，这些组件的一个或多个的操作可以被控制，从而控制相对于工件102束位置的定位。适当的同步时间延迟被包括在某些实施例中，以正确地将激光 脉冲的产生与束位置同步。
[0049]在一个实施例中，同步制程用于将束内105的一系列的连续的激光脉冲(例如，“激光脉冲串”)以相对于工件102束位置同步输送至工件102。常见的激光脉冲串内的激光脉冲可以具有(至少基本上)相同的脉冲能量以及借由脉冲间周期(这里也称为简单地作为“脉冲周期”)而(至少基本上)在时间上彼此间隔开的，使得激光脉冲串可以通过(至少基本上)均匀PRF为特征。制程区段可能开始在任意时刻，并且可能不一定被同步到由激光系统104产生的现有的脉冲串(例如，基于激光系统104本身的特征或者基于由系统控制器114的外部控制)。制程区段通常与期望的激光脉冲PRF和束速度相关联，以保持在工件102束位置的所期望的间隔(“咬口尺寸(bite size)”)。激光脉冲串可以在激光系统104内而内部地产生，或者从激光系统104的外部产生。制程区段的持续时间可以被设计成使得发射整数个激光脉冲，其具有发射到所希望的工件位置(在一些可接受的容差内，例如，〈光斑直径的5%-25% )的第一和最后一个激光脉冲。因此，在某些实施例中，第一激光脉冲(在时间上)相对于制程区段的开始同步。
[0050]在一个实施例中，第一激光脉冲是借由修改激光脉冲指令串而相对于制程区段的开始来同步，使得有效的激光脉冲以相对于制程区段的开始的正确时间被发出。将会理解的是，许多激光器产生最小值的PRF的激光脉冲，以避免由于过大的脉冲能量(通常是正比于脉冲间周期)而损坏激光系统104。为了避免不希望有的大的脉冲周期，用于新的制程区段(在用于所述制程区段所期望的PRF)的激光脉冲串的开始可以相对于先前产生的脉冲串的结束来延迟，使得一个脉冲间周期被插入在两个相继地产生的激光脉冲串之间，其中，所述插入的脉冲间周期比与过大的能量脉冲相关联的不期望地大的脉冲间周期还小。延迟一新的制程区段的上述制程可以在本文中被称为“激光脉冲串再同步”。激光脉冲串再同步可以发生在当激光脉冲的脉冲能量如上述被消隐的期间(例如，可能当束位置从经加工后的特征移动到工件上的新的特征将被形成的另一个区域上时典型地发生，本文中被称为“特征间移动”)。在此再同步期间，激光脉冲能量被衰减至零或接近零。在另一个实施例中，例如，激光脉冲串是外部地生成的，制程区段之间的时间周期可以被调整以同步激光脉冲和制程区段时序。
[0051]E.束调整协调与脉冲生成
[0052]根据本文公开的实施例，AO装置RF指令(振幅和频率)可与入射到束调整系统112的激光脉冲串同步。AO装置RF波形的指令更新时序可以相对于由激光系统104所产生的激光脉冲为任意的。在一些实施例中，当激光脉冲穿过AO晶体时，针对AO晶体内的声波(由所施加的RF指令而生成)不含有瞬变为理想的。这样的瞬变可能扭曲激光脉冲的振幅或波前，并且有害地影响在工件102处的激光加工的质量。为了避免这样的瞬变，借由激光系统104的激光脉冲的生成和束调整系统112的AO装置内所产生的激光脉冲的调整可以被同步。在一个实现中，AO装置RF指令可以针对围绕每一个激光脉冲的时间封包内的可配置的时间周期而保持恒定。这允许AO装置RF指令变为独立地生成，而不考虑激光脉冲生成的时序的细节。在一个实施例中，激光脉冲的生成和调整的同步可能直接发生在与激光系统104和束调整系统112相关联的控制器(未示出)之间。
[0053]F.示例性激光功率控制系统
[0054]已经描述了与测量个别激光脉冲的脉冲能量(例如，用于质量和控制的目的)、控制个别激光脉冲的脉冲能量以促进对脉冲能量和PRF的快速变化、协调个别激光脉冲的脉冲能量控制与束位置以及协调激光脉冲的生成和调整之相关联的示例性实施例，激光功率控制系统600以及其操作的示例性实施例现在将参考图6和7来讨论。在有关图6和7所讨论的示例性实施例中，上述束调整系统112将提供以作为AOD装置(例如，被建构成偏转激光脉冲束105以沿着X轴和Y轴中的一者或两者在第三扫描场204内扫描束位置)，并且将在下文中被简称为“ AOD ”。
[0055]参考图6和7，图6所示的示例性激光功率控制系统600包括AOD功率和控制线性模块614和系统光学组件615。系统光学组件615可以包括例如图1中所示的激光系统104和图7中所示的AOD光学组件711。激光脉冲能量表或者简化的激光能量表(LET)710描述了在工件102处的脉冲能量相对于PRF的可用值。LET 710可以在加工工件102之间进行校准以建立激光系统104和任何补充系统的性能的模型。AOD衰减器610借由改变AOD光学组件711的传输而执行校准的光学功率衰减。也包含在激光功率控制系统600内的上述LEM 116和夹头功率计(CPM) 612可以提供反馈以通过通用输入/输出(1)控制器(G1)(例如，实时的通用1控制器)校准和控制传输到工件102的个别激光脉冲的功率。G1可以被实现以作为图1中所示的系统控制器114的一部分，或者可以是分开的。在这个例子中，G1包括其他组件之间的AOD控制和线性模块614(在图6和图7所示)和可选的功率控制回路(PCL) 712 (在图7中示出)。如图6所示，AOD控制和线性模块614包括实时功率控制器616和AOD线性表622。
[0056]在激光加工以在工件102内形成特征期间，诸如LET 710、AOD衰减器610、LEM116,CPM 612以及功率控制器616的功率控制组件可以协调实时功率控制和监测。LET 710是用来计算适合用于给定的脉冲能量(PE)和PRF设定点的标称AOD传输。LEM 116及/或CPM 612验证从所施加的AOD传输得出且传递到工件102的激光脉冲的功率。当充分校准时，LET 710和AOD衰减器610允许功率控制器616以逐个脉冲地实现激光脉冲能量的开环控制，假如由激光系统104所产生的激光脉冲的激光功率(也在本文称为“激光头输出功率”)在周期的LET校准和AOD校准更新之间保持(至少基本上)稳定。在某些实施例中，PCL 712借由不断地调整AOD传输指令来调整来自激光系统104的短期激光功率波动，以维持所指令的PE，不管在原始激光脉冲能量输出的任何变化。上述功率控制组件的操作和校准如下所述。
[0057]1.激光脉冲能量表(LET)
[0058]在激光加工设备100中，激光头输出脉冲能量是PRF的函数，并且这个函数随激光老化而在时间上变化。LET 710表示对于任意的PRF在最大AOD传输的工件102处可用的激光脉冲能量(在此也称为“工作PE”或“工件PE”)。LET 710是用来计算所需的AOD传输的最佳估计以提供所期望的PRF的所要求的激光工件102PE。LET 710描述可用在工件102处的实际激光PE 613( g卩，由如图1所示的镭射系统104所产生的激光PE) (PElaser)。这不同于(并且可能高于)所指定的系统激光功率，其用于引导激光加工的安装。所指定的系统激光功率限制可以通过分离的功率限制表来进行说明，这个表是针对给定的系统设计(激光和光学串配置)预先定义的并且既不进行校准也不更新。
[0059]所期望的AOD传输等于PEcmd/PElaser，其中PEcmd是经选择或指令的PE以及PElaser是在工件上的实际的激光PE (或真实的激光PE)。如果LET 710提供1/PE激光随PRF的变化，所期望的传输可以借由简单的乘法而计算，如图7所示。LET 710表的缩放和实现可以借由分离出固定的缩放因子(Kpwr) 714而进一步简化，使得LET 710查询表包含衰减系数I)随脉冲周期(1/PRF)的变化。Kpwr 714和LET 710表值的乘积然后导致所需要的传输以产生所要求的PE/PRF结合。
[0060]LET条目是从激光功率数据所生成。图8示出由示例性激光功率曲线的进展(例如，在激光功率和PE相对于PRF的方面来说)，对着PE随脉冲周期的变化，对着归一化的I/PE值随脉冲周期的变化。缩放因子Kpwr 714被计算以在包含最低激光PE (S卩，最大传输情况)的PRF处提供正确的传输。在激光PE较高的所有其他的脉冲周期，LET条目是〈1.0，并且传输可以适当地按比例缩小。
[0061]在一个实施例中，LET 710可以被用于实现适应速度加工，其中当借由激光系统104所产生的激光脉冲的激光功率随时间降低，束位置相对于工件102进行扫描的速度和激光PRF可以(例如，自动地)调整，以维持期望的咬口尺寸和脉冲能量。适应速度加工也可以允许相对新的激光系统104的较大功率，以最大限度地利用以在整个激光器的使用寿命中提尚广量。
[0062]2.AOD 衰减器
[0063]通过被偏转束105的光学传输的衰减，AOD提供用于束偏转和功率控制两者。如上面所讨论，传输可以借由改变施加至AOD单元的RF功率层级而进行调整。AOD的传输的变化(即，传输618的衍射效率或AOD效率)是所施加的RF功率和频率的非线性函数。这种非线性关系被校准以线性化实际传输相对于指令传输。
[0064]3.LEM 和 CPM
[0065]如上面所讨论，LEM 116可以针对每个个别的激光脉冲读取激光脉冲能量(PE)值，并从中产生PE数据。PE数据被同步到激光系统104的激光Q开关指令，其在指定的PRF处运行，且异步至数字信号处理器(DSP)采样周期。LEM读数针对偏移和缩放因子进行修正，以将它们转换成PE数据。根据某些实施例，LEM 116提供与激光脉冲能量相关的数据-而不是激光功率。如果需要的话，LEM PE数据可以借由瞬时激光PRF乘以PE被转换成激光功率。DSP(以及通过非实时指令的系统控制计算器(SCC)620)可以(通过数据记录器)提供对单一采样功率读数或一连串的功率读数的使用。
[0066]CPM 612是系统中用于功率测量的参考传感器。LEM读数可以相对于CPM 612来校正，以确保实时功率设置和监控的准确性。
[0067]G.功率校准
[0068]为了测量激光能量和控制激光功率，激光加工设备的某些组件可能需要校准。在一般情况下，然而，校准和功率设置方法可以概括如下=(I)CPM 612相对于外部参考来校准；(2) LEM 116使用CPM 612来校准；(3) LET 710使用LEM 116来校准；(4) AOD衰减线性使用LEM 116来校准；(5)对于给定的PE/PRF设定点，标称AOD传输(NomTrans)根据LET710来计算；(6)在应用加工期间，LEM反馈被用来监测功率错误情况，并且可以选择性地用于微调实时的AOD传输指令；以及(7) LEM校准716可以随着光学传输变化定期来更新，以保持LEM校准。校准步骤的详细情况如下所述。
[0069]1.CPM 校准
[0070]在CPM校准期间，或者在后续操作中的CPM 612的任何使用期间，在允许功率变化之间的稳定周期(如3秒)之后，CPM读数(功率和偏移两者)在时间周期(例如，2秒)上且在一个数量的读数(例如，100个读数)上被平均。图9显示了可以根据本发明的实施例来产生的CPM读数瞬态。CPM读数可以用于CPM偏移而进行调整，其可以对功率计温度为敏感的。偏移可以在每次使用CPM 612期间进行测量。为了最大限度地提高精确度，CPM偏移(具有所施加的零激光功率)可以在经提供功率的读数之后来读取，减少由于CPM加热的热误差。如上述的相同平均化制程可以使用。
[0071]2.激光能量监控器(LEM)校准
[0072]脉冲能量的LEM读数针对偏移和缩放进行修正，从而导致LEM PE读数PElem (例如，以μ J为单位)，根据以下内容:
[0073]PEle m= (LemCount-LemOfTset) *LemSF，
[0074]其中LemCount是来自LEM 116的原始ADC读数，其中LemSF和LemOffset是借由以LEM 116和CPM 612两者测量一系列的功率层级而从零到最大功率来计算。
[0075]LEM校准716可以是作为用户互动程序和自动程序两者为可利用的(例如，在激光加工设备100的运行期间)。在一个实施例中，用户互动程序包括所收集的数据和最佳拟合线的显示，并且测量统计数值。自动化的程序可以是以相应的错误检测和报告而自动运行。每个LEM校准716后，更新的SF和偏移值可以被记录在用于诊断和光学降级的追踪的日志中。在某些实施例中，LEM验证例程系设置，其重复LEM校准716，但是使用现有的校准数据来产生用于显示和统计数值报告的曲线拟合线。在一个实施例中，为了进行校准LEM 716所需要的时间小于I秒。
[0076]3.AOD线性校准
[0077]AOD线性校准建立用于AOD衰减的线性表622。但应当理解的是，AOD线性校准程序简单地线性化AOD传输618 ( S卩，AOD线性表622是用于线性化AOD的非线性传输响应，如示意性地借由AOD效率传输618相对于RF指令来表示)，并且不取决于(即，为不敏感)激光系统104或光学组件串的特性。如果这个测试是运行在固定的PRF，偕同PRF的传输损耗或激光功率变化都是无关紧要的。虽然这个校准采用针对反馈的LEM 116，反馈只需要是线性的。校准算法可以忽略LEM缩放和偏移。因为针对固定的激光PRF的LEM 116的线性误差相对较小(例如，〈1% )，LEM校准716不是用于AOD线性校准的先决条件。
[0078]AOD线性校准可以在运行期间中作为用户互动程序和自动程序两者为可利用的。在一个实施例中，用户互动程序包含相关数据和进度更新的显示。在一个实施例中，自动化程序是以合适的错误检测和报告而自动运行的。在进行自动重新校准之前，有利于验证AOD线性性能(例如，在重新校准之前使用现有的线性数据)以及记录在用于诊断追踪的日志中的最大误差。此外，在某些实施例中，每一个新的线性表存储在时间标记的文件，以支持AOD性能追踪。
[0079]4.激光脉冲能量表(LET)校准
[0080]在LEM 116相对于CPM 612校准之后，LET 710采用LEM读数校准。这允许LET校准只在面板加工之前快速运行，提供能够支持开环实时功率控制的有效校准。使用LEM读数的LET校准提供了快速校准(例如，〈I秒)，因为LEM 116没有响应滞后时间。使用LEM116作为参考传感器适当地解释激光降级效果。LEM的116和工件102之间的传输损耗计算在LEM校准716的误差范围内。由于在LEM 116和工件102 (或CPM 612)之间的光学传输损耗的变化，LEM 116定期重新校准。
[0081 ] 在某些实施例中，LET校准可作为用户互动程序、全自动程序或它们的组合为可利用的。(在系统校准期间典型地进行的)互动程序允许用户检视数据结果并且指定用于自动程序的校准参数。自动程序可以在每一个激光加工工件102之前运行，不一定需要任何用户互动，除非是在错误的情况下。
[0082]在LET校准期间，AOD传输指令在整个AOD偏转范围的最大线性传输处保持恒定。图11是根据一个实施例的LET校准制程1100的流程图。LET校准制程1100包括移动1110到CPM 612以转储功率。用于自动LET校准，根据某些实施例，自动LET校准是在先前的激光加工序列的结束处执行以最小化附加费用。LET校准制程1100进一步包括在整个全部校准AOD范围上指挥1112A0D传输至最大传输。用于遮住激光的操作PRF范围的预定数目的PRF设置(例如，至少20 PRF设置)，LET校准制程1100重复:设置1114 PRF到下一个校准值；打开1116激光系统104 ;以及收集1118 LEM数据在当前PRF值的样本的所选数目(例如，至少1000个样本)。收集1118 LEM数据样本进一步可以包括施加LEM校准716以将数据转换到μ J，并且存储(针对校准数据的)平均值和(针对诊断的)标准偏差。LET校准制程1100进一步包括查询1120是否存在覆盖激光的操作PRF范围的PRF设置的预定数目中的额外PRF设置。如果有额外PRF设置，LET校准制程1100返回到设置1114 PRF至下一个校准值，打开1116激光系统以及收集1118 LEM数据在当前(下一个)PRF值的样本。
[0083]一旦LEM数据被收集以用于每个PRF设置，LET校准制程1100进一步包括拟合1122所得的PE相对于PRF数据的曲线来过滤在每个PRF设置处的短期激光波动，以及查询1124错误是否是在LEM测量被检测出。如果在任何PRF设置的LEM测量的标准偏差超过第一预定阈值(例如，5% )，或者如果任何PRF设置的曲线拟合和平均PE读数之间的差异超过第二预定阈值(例如，1% )，LET校准制程1100包括报告1126错误。LET校准制程1100包括基于曲线拟合多项式建立1128归一化(例如，最大为1.0，如图8所示)的1/PE相对于IPP的查询表。IPP是借由例如40奈秒的整数倍所指定。在某些实施例中，查询表包括整个激光器的操作范围内用于IPP的所有的有效条目。例如，一个激光系统可以操作在从40kHz至90kHz的PRF范围内，导致25微秒至11.1微秒的IPP，或者278至625计数(348个条目)的40奈秒IPP。LET校准制程1100进一步包括下载1130 LET校准表至G10。
[0084]在某些实施例中，包括上文所讨论的互动校准制程，LET校准制程1100进一步包括图形地显示1132所产生的数据。在这种实施例中，数据标绘图呈现以用于综述，其可以包括下面的例子:用于所得的多项式拟合曲线覆盖的每个测试PRF数据点处的最小、最大和平均LEM读数的数据点；在每个PRF数据点处的LEM读取的标准偏差(以平均值的％ )；及/或用于每个PRF数据点的曲线拟合和平均读数之间的差异(例如，以平均值的％ )。
[0085]此外，或在其它实施例中，LET校准制程1100包括执行1133 LET验证程序来验证性能。示例性LET验证程序包括:单点测试，其中用户指定了工件102功率和PRF，并且在CPM 612处读取所产生的功率；及/或自动验证程序，类似于AOD线性验证，其扫过在特定的脉冲能量设置处的所有脉冲周期。反馈是从LEM 116取得。误差以随PRF的变化而图形地报告。
[0086]H.实时功率控制
[0087]在一个实施例中，因为G1具有Q-开关(QSW)时序、LEM读数、IPP指令和PE指令的使用，G1实现实时功率控制。如上所述，功率控制指令可以与至激光系统104内激光脉冲产生的QSW时序的指令同步。在某些实施例中，有效LEM读数只能在QSW指令使激光系统104产生激光脉冲之后为可用的。由于DSP和G1之间的激光指令的排列，DSP限制了相对于激光指令的LEM反馈数据的时序的知识。封包G1内的功率控制功能简化了数据处理和错误报告。
[0088]在一个实施例中，根据只是在面板加工之前下载到G1的新地校准LET710，实时功率控制是开环的。来自LEM传感器的PE反馈(PEfb)被修正以用于缩放因子和偏移。PEfb从对应的PE指令(PEcmd)减去而提供用于错误检查的PE错误。注意的是，PEcmd可以实时地改变，并且因此G1从相应的PEcmd信号中减去PEfb。
[0089]G1功率控制器616流动PEfb、PE误差(PEerr)以及传输指令(TransCmd)至DSP以用于错误检查和诊断记录，这将在下面更详细地描述。注意的是，PEcmd = PEfb+PEerr，并且如果有必要的话可以由DSP衍生出，或者如果更方便的话加入到G1数据流。G1功率控制器616在数据流中从DSP接收PEcmd和IPP。
[0090]1.功率控制回路
[0091]可选的功率控制回路(PCL) 712可以被包含以监测实时的PE错误，并且调整AOD传输指令(例如，减少PE错误)。图6的概述放至PCL 712在系统功率控制子系统的范围内，而图7详细地描述PCL 712中的信号流动。PCL 712是可选的，因为开环控制可以整个合理的时间周期(例如，几分钟)为精确的。如果开环性能被发现有不足之处，PCL 712可以实施。
[0092]PCL 712可以被配置成在加工期间调整指令AOD传输，以维持所需要的PE设定值。为了避免噪声敏感度和发送指令的过度抖动，错误在施加被选择为响应时间和噪声敏感度之间(即，噪声和稳定时间之间)的折衷的修正增益阿尔法U)后整合。积分器输出(DeltaTrans)修改标称传输(NomTrans，从LET 710计算出以用于所指令的IPP和PE)，以根据下面的公式建立最终的AOD传输指令。请注意，在某些实施例中的这些方程式一旦QSW循环就被评估(即，具有PEfb的每个更新)。
[0093]DeltaTrans (k) = DeltaTrans(k_l)-alpha*(PEfb-PEcmd)/PEcmd
[0094]TransCmd(k) = NomTrans*[1+DeltaTrans(k)]
[0095]DeltaTrans是在传输指令的相对变化。当开环传输估计NomTrans是最准确的(名义上完全相同)时，DeItaTrans可以经LET 710的重新校准而设置为零。在某些实施例中，这发生在工件每次进行激光加工。注意的是，算法包括借由PEcmd而除，其可能在G1韧体中为困难的。第二查询表可以被用来传输PEcmd到1/PEcmd以借由乘法来代替除法。
[0096]1.示例性运行时间操作
[0097]图12是可以根据用于图1示出的工件102的激光加工期间的功率控制的一个实施例而可以实现的示例性操作序列1200的流程图。操作序列1200包括设置和加载1210应用程序。在应用程序安装期间，操作序列1200相对于功率限制表验证功率设置，其在每个系统库存(inventory)为硬编码的(hardcoded)。操作序列1200还警告用户容忍或功率层级违规，如果检测到的话。操作序列1200进一步包括开启1212镭射快门以及查询1214LEM/A0D校准超时周期是否已过期。如果LEM/A0D校准超时周期已过期，则操作序列1200包括在CPM612上移动1216，相对于CPM 612重新校准1218 LEM 116 (例如，使用自动制程)，并且重新校准1220 AOD线性(例如，使用自动制程)。
[0098]操作序列1200进一步包括查询1222应用程序配方设置中的镭射功率控制是否启用。如果启用了镭射功率控制，操作序列1200包括借由运行自动校准程序更新1224 LET710、存储1226校准文件中的LET 71、下载1228更新的LET710到G1以及重置1230在G1功率控制器616中的DeltaTrans为零。
[0099]操作序列1200进一步包括查询1232任何PE/PRF组合是否超过借由LET710所描述的系统功能。假如PE/PRF组合超过了系统功能，操作序列1200包括发出1234错误的信号以及中止加工。因此，操作序列1200执行关闭1236镭射快门。然而，如果PE/PRF组合没有超过借由LET 710所描述的系统功能，操作序列1200包括运行1238观看对齐和应用(面板/图案)对齐、处理1240所述应用程序以及监测1242用于功率控制统计数值和错误的实时功率控制反馈。在加工完成后，操作序列1 200可以进一步包括记录1244PE控制统计数值(例如，最小值、最大值、平均值和RMS误差作为经指令的PE的百分比)及/或加载任何功率控制错误，并且报告任何错误条件给用户。操作序列1200借由关闭1236镭射快门而结束。在某些实施例中，AOD作为镭射快门来行动。在这种实施例中，关闭1236镭射快门包括发送传输指令给AOD以用于零传输。
[0100]示于图12的示例性操作序列1200的某些细节将在下面进一步讨论。
[0101]1.应用程序安装
[0102]在某些实施例中，应用程序根据特定的系统功率来设置，系统功率借由功率限制表所描述。基于特定的镭射性能(PE相对于PRF)以及光学组件串配置(效率)，根据相应于库存的选择，这个表可以预先计算。在一个实施例中，估计的光学效率根据AOD操作偏转范围而增大。
[0103]2.PE容限检查和错误记录
[0104]镭射加工期间的PE的适当控制有利于理想的过程控制。在某些实施例中，PE误差是实时监测的，并且PEfb和PEerr被记录以用于制程控制和诊断数据。监控可以决定PE读数是否在一些预先定义或用户定义的加工容限内。为了避免由于固有的激光脉冲不稳定所致的虚假错误，PE误差在容限检查之前被过滤。由于偕同整合过滤器在PCL 712中，因为PE数据到达可变时间间隔，错误过滤器随着每个PE样本而更新，而不是恒定的采样率。用以设置功率容限阈值的实时指令被传递到DSP以设置功率容限检查。
[0105]在一个实施例中，功率控制数据(例如，TransCmd、PECMD> PEfb和PEerr)被记录以用于故障诊断。这个数据可被存储在循环缓冲器，并且当容限错误时可以被检索。在检测到PE容限错误时，记录被触发来捕获错误事件周围的一定数量的PE数据的样本(例如，至少100个样品)。
[0106]在一个实施例中，如果检测到功率容限错误，暂停工件102的激光加工。在一个实施例中，用户可以在加工错误发生的特征的附近恢复面板加工。一些加工冗余或间隙是可以接受的(因为在错误的附近将进行激光加工的工件102的区域很可能会废弃)。在一个实施例中，加工错误的背景被呈现给用户(例如，具有标明故障位置的工件的图形也可以经由显示而呈现给用户)。
[0107]3.功率容限政策
[0108]在SCC层级，当运行应用程序时，容限检查可以为可选的。如果容限检查被禁用，实时功率控制仍然可以如上所述来应用，但是LET 710可能无法重新校准，并且运行时间容限检查可能被禁用。
[0109]在一个实施例中，并且参考图10，脉冲周期(PP)(即，1/PRF)可以在制程区段之间(例如，制程区段“η”和随后的制程区段“η+l”之间)改变而无同步盲区(deadzone)，以允许在脉冲周期或PRF中的“无缝”变化。在从一个脉冲周期到另一个的期间，只有两个脉冲周期存在，也就是说，两者之间没有中间或异常高或低的脉冲周期。这允许激光系统104在可预见的脉冲能量以任何的脉冲周期产生激光脉冲1000。通常地，上述AOD传输在这两个脉冲周期设定之间变化，以控制在每个制程区段中传递到工件102的激光脉冲1000的PE 目.0
[0110]为了使在脉冲周期之间(例如，PPn和PPn+1之间切换)的传输至少基本上“无缝”，G1在最后PPn期间(例如，在1002处指定)指定新的脉冲周期。G1识别这种新的脉冲周期(例如，PPn+1)，并且根据这个新的值来设定随后的激光脉冲。DSP安排这个指令的时机，使得PPn和PPn+1之间的切换发生在正确的时间(例如，在I μ s内)。
[0111]在一个实施例中，相对于区段边界1004的激光脉冲的时序被说明。在一个实施例中，束位置的速度可以在制程区段之间改变，导致在咬口尺寸中的变化以用于与新的脉冲周期PPn+1相关联的一个传输脉冲1006。在另一个实施例中，用于在新的制程区段n+1期间所产生的激光脉冲的AOD传输被建立，因为新的脉冲周期PPn+1可能会改变用于新的制程区段n+1的由激光系统生成的激光脉冲的PE。因此，传输脉冲1006是通过适当的制程区段内以适当的PE指令(A0D传输)由激光系统104所生成。
[0112]根据图10所示的实施例的脉冲同步制程，在制程区段开始之后，在特定制程区段期间所产生的第一激光脉冲在初始周期1008内产生(例如，等于与所述特定制程区段相关联的脉冲周期的二分之一)(例如，如果PPn为I μ s，然后初始周期可能是0.5 μ s)。在另一个实施例中，在制程区段开始之后，在特定制程区段期间所产生的最后激光脉冲于终结周期1010内产生(例如，等于与所述特定制程区段相关联的脉冲周期的二分之一)(例如，如果PPn是I ys，然后终结周期可能是0.5 μ S)。
[0113]对于那些本领域技术人士可以理解许多变化可以对上述实施例的细节执行而不偏离本发明的基本原则。因此，本发明的范围应该仅由权利要求所决定。
【主权项】
1.一种激光加工设备，其用于形成或处理在工件的一个或多个材料中的特征，所述激光加工设备包括: 激光系统，产生激光脉冲束； 脉冲能量控制系统，逐个脉冲地调整所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的脉冲能量，所述脉冲能量控制系统包括开环前馈控制路径，所述开环前馈控制路径基于绘制激光脉冲能量随脉冲重复频率(PRF)的变化的校准传输曲线而对于每个激光脉冲选择脉冲能量传输值；以及 定位系统，协调所述激光脉冲束相对于所述工件的一个或多个位置。2.根据权利要求1所述的激光加工设备，进一步包括: 激光能量监视器，测量在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量；以及 功率控制回路，基于从所述激光能量监视器的反馈来进一步调整在所述激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。3.根据权利要求2所述的激光加工设备，其中所述开环前馈控制路径基于所述校准传输曲线使用第一传输指令信号以对于每个激光脉冲选择所述脉冲能量传输值，以及 其中，所述功率控制回路被配置为: 接收包括所选择的激光脉冲能量和由所述激光能量监测器提供的所测量的激光脉冲能量之间的差异的脉冲能量误差信号； 基于所述脉冲能量误差信号计算传输校正信号； 利用所述传输校正信号修改所述第一传输指令信号，以针对每个激光脉冲产生用于选择所述脉冲能量传输值的第二传输指令信号。4.根据权利要求3所述的激光加工设备，其中，所述功率控制回路被配置为通过在施加了基于响应时间和噪声敏感性所选择的校正增益后整合所述脉冲能量误差信号来计算所述传输校正信号。5.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述开环前馈控制路径包括激光脉冲能量表(LET)，其包括在所述工件与PRF相对之处的激光脉冲能量的可用值。6.根据权利要求5所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统包括衰减器，通过针对在目前PRF处的所选择的脉冲能量改变基于所述LET的所述衰减器的传输，以执行在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的所述脉冲能量的校准光功率衰减。7.根据权利要求6所述的激光加工设备，其中，所述衰减器是由以下群组中所选择，该群组包含声光偏转器(AOD)、声光调整器(AOM)以及电光调整器(EOM)。8.根据权利要求6所述的激光加工设备，其中，所述衰减器包括:绘制所述衰减器相对于施加的射频(RF)功率及/或频率的非线性传输特性的传输线性表。9.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统包括: 激光能量监视器(LEM)，测量所述激光脉冲束的激光脉冲能量，以及 夹头功率计(CPM)，提供参考传感器，用于所述激光加工设备中的功率测量，其中，由所述LEM提供的所测量的激光脉冲能量相对于由所述CPM提供的测量而校准。10.根据权利要求9所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统被配置成使用由所述LEM提供的所测量的激光脉冲能量以校准在所述LET中激光脉冲能量的所述可用值。11.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统被配置以响应于PRF中的变化来调整在所述激光脉冲束中的一个或多个激光脉冲的所述脉冲能量。12.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统被配置以基于相对于所述工件的所述激光脉冲束的选定位置，与所述定位系统协调来调整在所述激光脉冲束中的一个或多个激光脉冲的所述脉冲能量。13.根据权利要求12所述的激光加工设备，其中，所述定位系统包括: 工件定位系统，其被配置为在一个或多个方向中转移所述工件以在第一扫描场内用所述激光脉冲束扫描所述工件，以及 束定位系统，引导所述激光脉冲束以便在第二扫描场内扫描所述工件，所述第二扫描场比所述第一扫描场小且在所述第一扫描场内。14.根据权利要求13所述的激光加工设备，其中所述脉冲能量控制系统包括偏转器，以进一步引导所述激光脉冲束以便在第三扫描场内扫描所述工件，所述第三扫描场比所述第二扫描场小且在所述第二扫描场内。15.—种控制激光脉冲束内的激光脉冲功率的方法，激光脉冲束由激光加工设备所产生，其配置成通过在所述激光脉冲束内引起激光脉冲以撞击工件而激光处理所述工件，所述方法包括: 在所述激光脉冲束中基于绘制脉冲能量对脉冲重复频率(PRF)中的变化的校准传输曲线而针对每个激光脉冲选择脉冲能量传输值； 根据所选择的脉冲能量传输值，逐个脉冲地调整在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的脉冲能量，以及 协调所述激光脉冲束相对于所述工件的的运动。16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括: 测量在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量，以及 基于所测量的激光脉冲能量而在所述激光脉冲束中进一步调整一个或多个激光脉冲的脉冲能量。17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括: 基于所述校准传输曲线使用第一传输指令信号而选择针对每个激光脉冲的所述脉冲能量传输值； 接收包括所选择的激光脉冲能量和所测量的激光脉冲能量之间的差异的脉冲能量误差?目号; 基于所述脉冲能量误差信号而计算传输校正信号； 利用所述传输校正信号修改所述第一传输指令信号，以产生用于针对每个激光脉冲而选择所述脉冲能量传输值的第二传输指令信号。18.根据权利要求17所述的方法，其中，计算所述传输校正信号包括施加了基于响应时间和噪声敏感性所选择的校正增益后整合所述脉冲能量误差信号。19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括响应于PRF的变化而调整在所述激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括基于所述激光脉冲束相对于所述工件的协调运动而调整在所述激光脉冲束中的一个或多个激光脉冲的脉冲能量，使得所选择的激光脉冲能量设置于在所述工件上或中的对应位置。
【专利摘要】系统和方法提供了激光脉冲能量的控制和/或监测。一个示例的激光加工设备包括：激光系统，以产生激光脉冲束；以及脉冲能量控制系统，逐个脉冲地调整束中的每个激光脉冲的脉冲能量。脉冲能量控制系统包括：开环前馈控制路径，其基于绘制激光脉冲能量随脉冲重复频率的变化的校准传输曲线而选择脉冲能量传输值。激光能量监视器测量在激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量。功率控制回路可以基于从激光能量监视器的反馈来进一步调整在激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。
【IPC分类】B23K26/062, B23K26/03, B23K26/10
【公开号】CN104903044
【申请号】CN201480004050
【发明人】马克·A·昂瑞斯
【申请人】伊雷克托科学工业股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年1月9日
【公告号】EP2943311A1, US20140197140, WO2014110276A1
【专利说明】激光脉冲能量控制系统及方法
[0001]相关交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)主张2013年I月11日提交的美国临时申请案第61/751，810号，其通过引用而将其整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明的揭露内容一般涉及激光加工设备以及使用其的加工工件的方法。
【背景技术】
[0004]在工件的一个或多个材料内的特征(例如，通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口和其他特征)的激光加工可以是对激光功率是敏感的。在许多应用中(例如，在这些特征通过递送激光脉冲在工件上而被激光加工中)，形成特征的速度或效率且最终地形成的所述特征的质量可以对递送到工件上的个别的脉冲的脉冲能量是非常敏感的。例如，当激光加工例如印刷电路板、可挠性印刷电路或类似物的一工件时，当激光处理(例如，烧蚀)诸如铜的导电材料，相对高的脉冲能量可能是令人满意的，然而，当激光加工(如烧蚀)介电材料而不在所述介电材料中引起热效应(例如，由于炭化及/或熔化)且并不会损坏相邻材料(如铜)，相对低的脉冲能量可能是令人满意的。
[0005]控制或调整激光功率或脉冲能量的常规方法包括衰减光学组件(例如，偏振光学组件或声光调整器)，或者通过改变至激光介质的泵功率而激光光学输出功率的直接控制。这些传统的方法具有缺点，包括缓慢的速度(例如，用于机械调整偏振光学组件)、在激光传送中的变化(例如，在激光介质泵或Q-开关时间的控制中)或者缺乏与激光加工设备的其他操作的协调。
【发明内容】
[0006]本发明公开内容的实施例，如本文所述的范例，解决上述讨论的限制以及与控制或调整激光功率或脉冲能量的常规方法相关联的其它限制。
[0007]在某些实施例中，系统和方法提供激光脉冲能量控制及/或监测。一种示例性激光加工设备包括:激光系统，产生激光脉冲束；以及脉冲能量控制系统，逐个脉冲地(pulse-by-pulse basis)调整在束中的每个激光脉冲的脉冲能量。所述脉冲能量控制系统包括:开环前馈控制路径，其基于绘制激光脉冲能量随激光脉冲重复频率的变化的校准传输曲线对于每个激光脉冲选择脉冲能量传输值。激光能量监视器测量在激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量。功率控制回路可以基于从激光能量监视器的反馈来进一步调整在激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。
[0008]从以下参照附图进行的较佳实施例的详细描述中，其它的方面和优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0009]图1示意性地说明了根据本发明的一个实施例的激光加工设备。
[0010]图2示意性说明了与图1所示的装置的各个组件或系统相关联的扫描场。
[0011]图3和图4以图形方式说明了根据本发明的某些实施例通过扫描对于工件的束位置所产生的斑点的图案。
[0012]图5是示意性说明了形成图4所示的斑点的图案的工艺的实施例。
[0013]图6示意性说明了根据一个实施例的激光功率控制系统的一些组件。
[0014]图7示意性说明了根据一个实施例的激光功率控制算法。
[0015]图8示意性说明了从典型的激光功率曲线发展至归一化1/PE (脉冲能量)值随脉冲周期的变化。
[0016]图9说明了根据本发明揭示内容的实施例可以产生的夹头功率计(CPM)读数瞬
??τ O
[0017]图10示意性说明了穿过与不同的脉冲周期或脉冲重复频率相关联的相继的工艺区段的脉冲同步。
[0018]图11是根据一个实施例的示例性LET校准工艺的流程图。
[0019]图12是在图1所示的工件的激光加工期间根据用于功率控制的一个实施例而可以实现的示例操作顺序的流程图。
【具体实施方式】
[0020]示例性实施例参照附图而描述如下。许多不同的形式和实施例是可能的而不脱离本发明的精神和教导，因此本发明不应该被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反地，提供这些示例性实施例是为了使本公开将是彻底和完整的，并且对熟知本领域的技术人士将传达本发明的范畴。在附图中，组件的尺寸和相对尺寸可以被夸大以为了清晰度。本文中使用的术语仅是用于描述具体示例实施例的目的并且不意图限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”意图包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解的是，术语“包括”及/或“包含”当使用于本说明书中指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、组件及/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、组件、组件及/或它们的群组。除非另有规定，如引用时，一个值的范围既包括该范围的最高和最低的限制，也包括任何于其间的子范围。
[0021]如本文所使用的，“功率控制”是用于描述激光输出功率的控制的通用术语。但是，本文描述的示例性实施例测量和控制一激光脉冲的脉冲能量(pulse energy，PE)。对于一给定的脉冲重复频率(pulse repetit1n frequency，PRF)，激光功率脉冲功率等于PEXPRF。对于给定的PRF，PE控制等效于功率控制，并且这两个术语有时可互换使用。此夕卜，“PRF”可以由它的反转、脉冲周期(pulse per1d，PP)或脉冲间周期(inter-pulseper1d, IPP)来指定。通常情况下，机器的用户参考PRF，但功率控制执行指定脉冲周期。因此，这两个术语可互换使用在适当情况下的此讨论中。
[0022]参考图1所示，例如激光加工设备100的一种激光加工设备被配置为通过沿着路径P引导激光脉冲束105以撞击到工件102上以形成特征(例如通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口以及其他特征)在工件102的一个或多个材料内。特征可以通过控制激光加工设备100以执行一个或多个工具制造的动作(例如，冲击钻孔动作、环锯钻孔动作、刮削动作、路由动作、切断动作、其他动作)来形成，其中每个工具制造的动作可以包括一个或多个步骤。如图所示，激光加工设备100可包括激光系统104、夹头106、工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112。虽然未示出，激光加工设备100进一步可以包括一个或多个补充系统(例如，光学、反射镜、分束器、扩束器及/或束准直器)，其被配置来塑造、展开、聚焦、反射及/或准直沿路径P的任何一点处的激光脉冲105束。在一个实施例中，一组的一个或多个补充系统可以被称为“光学组件串”。
[0023]在一个实施例中，并且如将在本文更详细地讨论的，工件定位系统108c、束定位系统110以及束调整系统112的一个或多个或全部的操作可以被控制来改变激光脉冲束105投射到工件102的位置(即，在相对于工件102束位置)。在另一个实施例中，正如也将在此更详细地讨论的，工件定位系统108、束定位系统110以及束调整系统112的一个或多个或全部的操作可被控制以改变束位置相对于该工件102变化的速度及/或加速度。
[0024]所述激光系统104可以被配置为产生激光脉冲束105。束105内的激光脉冲可以是例如具有在红外、可见光或紫外光谱的波长。例如，束105内的激光脉冲可以具有例如1064奈米、532奈米、355奈米、266奈米和类似的波长。束105内的激光脉冲可以通常在从大约20kHz到大约2000kHz的范围中的PRF处产生。然而，应当理解的是，所述脉冲重复频率可小于20kHz或大于2000kHz。
[0025]所述夹头106可以作为能够适当地和有利地支撑工件102的任何夹头来提供。在一个实施例中，夹头106可以作为真空夹头、静电夹头、机械夹头或类似物或其组合来提供。
[0026]所述工件定位系统108被配置为沿着平行于X轴、Y轴及/或Z轴(其中，Z轴至少基本垂直于所述夹头106的表面，并且其中所述X轴、Y轴和Z轴相互正交)的一个或多个方向转移支撑工件102的夹头106，以转动夹头106绕着X轴、Y轴及/或Z轴的一个或多个或类似物或它们的组合。在一个实施例中，工件定位系统108可以包括被配置来移动如上文所讨论的夹头的一个或多个载台。当工件102由夹头106所支撑时，工件定位系统108可被操作以在相对于路径P的第一扫描场(例如，第一扫描场200，如图2所不)内(例如，沿X轴和Y轴)移动或扫描工件102。在一个实施例中，工件定位系统108可以被操作以从约400毫米至约700毫米(例如，约635毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、从约400毫米至约700毫米(例如，大约533毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或者它们的组合扫描工件102。
[0027]所述束定位系统110被配置成偏转、反射、折射、衍射或类似、或它们的组合激光脉冲束105，以在相对于工件102的第二扫描场(例如，第二扫描场202，如图2所示)内扫描束的位置。在一个实施例中，束定位系统110可以被操作来从约I毫米至约50毫米(例如，约30毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、从约I毫米至约50毫米(例如，大约30毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或者它们的组合扫描束的位置。通常，束定位系统110的操作可以被控制以大于由工件定位系统108可以在第一扫描场200内扫描工件102的速度及/或加速度相对于工件102扫描束的位置。在图示的实施例中，束定位系统110包括一对检流计(电流计)为基础的反射镜IlOa和110b，其设置在所述路径P内。每个反射镜IlOa和IlOb被配置成可旋转(例如，绕着X轴或Y轴)，从而偏转路径P和扫描在第二扫描场202内束的位置。然而，应当理解的是，所述束定位系统110可以任何其它合适的或有利的方式来配置。
[0028]所述束调整系统112被配置成偏转、反射、折射、衍射或类似、或它们的组合激光脉冲束，以在相对于工件102的第三扫描场(例如，第三扫描场204，如图2所示)内扫描束的位置。在一个实施例中，束调整系统110可以被操作来从约0.05毫米至约0.2毫米(例如，约0.1毫米)的范围内的距离沿着X轴的任何方向、约0.05毫米至约0.2毫米(例如，约0.1毫米)的范围内的距离沿着Y轴的任何方向或它们的组合扫描束位置。本领域的技术人士将会体认到这些范围以举例的方式提供以及束的位置可以在更小或更大的范围内扫描。通常，束调整系统112的操作可以控制而以大于束定位系统110可以在第二扫描场内扫描束的位置的速度及/或加速度相对于工件102扫描束的位置。在一个实施例中，束调整系统112包括单一声光偏转器(AOD)，其配置成偏转激光脉冲束105以在第三扫描场204内沿着X轴和Y轴扫描束的位置。在另一个实施例中，束调整系统112包括两个A0D，其中第一 AOD被配置为偏转激光脉冲束105和在第三扫描场204内沿着X轴扫描束的位置以及第二 AOD被配置为偏转激光脉冲束105和在第三扫描场204沿着Y轴扫描束的位置。然而，应当理解的是，所述束调整系统112可以任何其它合适的或有利的方式进行配置。例如，束调整系统112可以包括一个或多个声光调整器(AOMs)、电光偏转器(EODs)、电光调整器(EOMs)或类似物或它们的组合以及(或者作为代替)A0D。
[0029]所述激光加工设备100进一步可以包括通信地耦合到所述工件定位系统108、束定位系统110、束调整系统112和激光系统104的系统控制器114。所述系统控制器被配置来控制这些系统(工件定位系统108、束定位系统110、束调整系统112及/或激光系统104)的一个或多个或所有的上述操作，以在工件102内形成特征(例如，通孔、盲孔、沟槽、击溃、切口和其他特征)。在一个实施例中，系统控制器114可以控制激光系统104的操作(例如，从约 20kHz至约2000kHz的范围内)以改变由激光系统104所产生的脉冲的PRF。
[0030]在一个实施例中，系统控制器114可以控制束调整系统112的操作以相对于工件102扫描束的位置并且在工件102内形成“高特征密度区域”(例如，包含小于或等于500微米或左右的间距所隔开的特征的区域)。系统控制器114进一步可以控制束定位系统110及/或工件定位系统108的操作，同时形成高特征密度区域。
[0031]在另一个实施例中，系统控制器114可以控制束定位系统110的操作以相对于工件102扫描束位置以及在工件102内的工件102内形成“中特征密度区域”(例如，包含大于500微米或左右(诸如约1000微米)的间距所隔开的特征的区域)。系统控制器114进一步可以控制束调整系统112及/或工件定位系统108的操作，同时形成中特征密度区域。
[0032]在又另一实施例中，系统控制器114可以控制束定位系统110的操作，并且进一步以协调的方式控制束调整系统112的操作来克服高速速度限制、小面积定位误差和束定位系统110的带宽限制。例如，如果激光加工设备100没有包含束调整系统112，束定位系统110可被控制以相对于工件102扫描束位置，致使束内的激光脉冲相继地撞击工件102，以形成如图3所示的光斑的圆形图案(如图所示，光斑的圆圈形图案具有约600微米的最大宽度)。但是，通过束调整系统112和束定位系统110的协调操作，激光加工设备100可以被配置以形成如图4所示的光斑的方形图案(如图所示，光斑的方形图案具有约600微米X约600微米的尺寸)。
[0033]在一个实施例中，并且参考图5，在图4所示的光斑的图案可以通过控制束定位系统110以在第二扫描场202内沿着诸如线500的一条线扫描束位置，并且束调整系统112可被控制以进一步在第三扫描场204 (其中心位于线500的端部)内沿着一个方向(例如，由线502所指示，其中心在第三扫描场204内)扫描束位置，使得激光脉冲相继地撞击到工件102，以形成光斑504的方形图案(例如，如图4所示)。通过应用相对于图5的上述讨论的示例性制程，束位置可以每秒约5公尺(公尺/秒)的速率在工件上方被扫描。然而，应当理解的是，束调整系统112的操作和束定位系统110的操作可以任何方式进行协调，从而在工件102上形成光斑的任何合适的或有益的图案。
[0034]一般而言，系统控制器114可以包括操作逻辑(未显示)，其定义各种控制功能，并且可以为专用硬件的形式，诸如硬联机状态机、处理器执行编程指令及/或为本领域技术人士熟知会发生的不同的形式。操作逻辑可以包括数字电路、模拟电路、软件或任何这些类型的混合组合。在一个实施例中，系统控制器114可包括处理器，例如可编程微控制器、微处理器或其它处理器，其可以包括根据操作逻辑安排成执行存储在内存中的指令的一个或多个处理单元。记忆器(例如，计算器可读介质)可包括一种或多种类型，例如半导体、磁性及/或光学的种类、及/或可为挥发性及/或非挥发性种类。在一个实施例中，内存存储可以通过操作逻辑所执行的指令。可替代地或另外地，内存可以存储通过操作逻辑所操纵的数据。在一个配置中，操作逻辑和内存被包含在操作逻辑的控制器/处理器的形式中并且控制工件定位系统108、束定位系统110及/或束调整系统112的操作，尽管在其它配置中它们可能是分开的。
[0035]如本文所述，激光加工设备100被配置为能使束定位系统110和束调整系统112的协调操作，以高速形成具有高精确位置的特征。在其它实施例中，并且如后所述，激光加工设备100进一步可以包括激光功率控制(LPC)系统，其具有例如束调整系统112和系统控制器114以及其它系统，诸如激光能量监测器(LEM)116以及如将在下面更详细地描述的其他组件、系统和子系统。一般地，LPC系统可以被配置为测量个别激光脉冲的脉冲能量(例如，用于质量和控制的目的)、控制个别激光脉冲的脉冲能量、促进对脉冲能量和PRF的快速变化、协调个别激光脉冲的脉冲能量控制和束位置、协调激光脉冲的生成和调整、或类似或它们的组合。
[0036]A.脉冲能量计量
[0037]为了测量个别激光脉冲的脉冲能量，激光加工设备100进一步可以包括上述的LEM 116和分束组件118 (例如，部分透射镜、衍射束分离器或类似物或它们的组合)。分束组件118被配置在束定位系统110和束调整系统112之间的路径P内，并且被定向或以其它方式被配置为传送束105内的每个脉冲的一部分(例如，从能量的约1%至约2%的范围内)并且沿着朝向工件102的路径P反射在束105内的每个脉冲的剩余部分。传送通过分束组件118束105的部分可以被称为采样束119。
[0038]在一个实施例中，LEM 116被配置成借由整合采样束119内的每个个别激光脉冲的功率来测量采样束119内的每个激光脉冲的脉冲能量。为了整合每个个别激光脉冲的功率，LEM 116可以包括光电检测器(如光电二极管，图中未显示，其配置成借由所述采样束119内的脉冲而入射)以及一个或多个高速放大器、积分器和模拟-数字转换器(ADC)。光电二极管可以被配置为将入射的激光脉冲转换成电流。电流然后可以由高速放大器而被放大及/或过滤。积分器(例如，可重置的积分器)然后整合经放大及/或滤波的电流以建立信号，该信号正比于入射的激光脉冲的总脉冲能量。积分器可以被重置(例如，在系统控制器114的控制之下)，只要在激光脉冲撞击到光电二极管之前保持积分器在有效电压范围内。
[0039]在某些实施例中，ADC然后读取所述积分器的输出两次:第一 ADC读数可被执行在积分器被重置之后，但在激光脉冲撞击到光电二极管上之前；以及然后第二 ADC读数可以执行在激光脉冲撞击到光电二极管之后。在一个实施例中，两个ADC读数之间的延迟可以是固定的(例如，基于激光的脉冲宽度、任意调节放大器的带宽、或类似或它们的组合)。在另一个实施例中，两个ADC读数之间的延迟可以是可变的以计算脉冲宽度随PRF的变化的变化量。对于采样束119内的任何特定的脉冲，两个ADC读数之间的差异可以根据光电二极管和电放大增益来缩放，并且可以解释为表示(例如，作为“PE数据”)最终将撞击到工件102上的相应的激光脉冲的剩余部分的脉冲的脉冲能量(例如，给定的yj)。在一个实施例中，ADC可以读取积分器输出三次(例如，第二 ADC读数之后)来估计到积分器的光或电子偏压输入。这个估计的偏压可以从测得的脉冲能量中减去，以提高耐用性，防止电偏压中的热变化或者光检测器上的环境光的作用。
[0040]应当理解的是，在ADC之前的放大器的设计会影响LEM 116的性能，并且这种设计的权衡可以进行在带宽(稳定时间)、噪声和增益之间。为了转换在从约20kHz至约200kHz的范围内的脉冲重复率的脉冲能量读数，在ADC之前的放大器可以被设计成使得积分器的输出稳定到在脉冲周期时间内(即，1/PRF内)的所需的脉冲能量转换容限内。通过如上所述使用LEM 116测量脉冲能量，采样束119内的每个个别激光脉冲的脉冲能量可以被测量，而不是相继撞击至光电二极管上的一个系列的激光脉冲的平均功率。测量每个个别脉冲的脉冲能量，个别激光脉冲的脉冲能量也可以被逐个脉冲地控制，并且在最终传递到工件102的激光脉冲的脉冲能量中的误差可以被逐个脉冲地修正。
[0041]B.脉冲能量控制
[0042]针对个别脉冲的脉冲能量的控制可以使用束调整系统112来实现。在束调整系统112包括声光(AO)装置(例如，A0D, Α0Μ)的一个实施例中，通过AO装置发送的制程激光束功率的小部分可以借由改变施加到AO装置的射频(RF)功率的水平来控制。在激光加工制程中，个别的激光脉冲的脉冲能量可以借由逐个脉冲地适当地或有益地控制施加到AO装置的RF功率来进行控制。诸如AOD和AOM的AO装置具有非线性传输特性(相对于施加的RF功率)。因此，可能期望将这样的AO装置的非线性传输特性绘制成线性传输响应。在另一个实施例中，束调整系统112包括电光(EO)装置(例如，E0D、E0M)。例如，EOM可以用来改变传输到工件102的处理激光束功率的小部分。
[0043]无论用于控制束105内的激光脉冲的脉冲能量的特定装置，所使用的装置应该足够快以在逐个脉冲地进行操作，这可能需要约20kHz至约2000kHZ的更新速率。借由逐个脉冲地控制个别激光脉冲的脉冲能量，激光系统104可以恒定的PRF “自由运行”并且由激光系统104产生的任何激光脉冲的脉冲能量可以借由束调整系统112而被控制(例如，部分地衰减或完全衰减，从而被“消隐”至零功率)。如果激光系统104的操作进行控制以启动和停止产生激光脉冲，消隐的脉冲激光可提高了可受激光系统104内的温度变化所影响的激光系统104的稳定性(例如，标示、功率及/或束质量的术语)。
[0044]C.脉冲能量刻度
[0045]如上所述，在激光加工设备100可以被配置为逐个脉冲地改变借由激光系统104所产生的个别激光脉冲的脉冲能量，并且可以改变生成激光脉冲的PRF。在一个实施例中，激光加工设备100可以被配置为非常迅速地改变脉冲能量及/或PRF(例如，一个脉冲间周期(IPP)内或在几个脉冲间周期内，其中脉冲间周期对应于1/PRF)。在另一个实施例中，脉冲能量和PRF可以同时改变。当改变PRF及/或脉冲能量时，脉冲能量随PRF的变化的校准可能是有用的。例如，特定的工具制造的动作可以在一个步骤中借由以相对高的脉冲能量以及相对低的PRF发送激光脉冲至工件102以及然后在随后的步骤中以相对较低的脉冲能量以及相对高的PRF发送激光脉冲至工件102来被执行。依赖于脉冲能量输出的反馈控制可能太慢，因为许多脉冲需要允许控制器来适当地调整传输以达到所期望的脉冲能量设定点。借由实施开环前馈控制路径(借由脉冲能量相对于PRF绘制所支持)，脉冲能量的变化可以迅速地实现而无需依赖较慢的反馈控制路径。这可以在加工开始之前借由绘制脉冲能量相对于PRF之间的关系来完成。由于激光的特性可以随时间而改变，这种绘制可以被周期性地重新更新，例如，在加工每个工件之前。
[0046]D.脉冲能量控制与束位置的协调
[0047]根据本文公开的实施例，脉冲能量测量和脉冲能量控制可以被用于协调传递到工件102的特定激光脉冲的脉冲能量与相对于工件102的特定激光脉冲束位置。在一个实施例中，这种协调可以通过将激光加工指令(例如，从系统控制器114发出至激光系统104、工件定位系统108、束定位系统110及/或束调整系统112中的一个或多个)划分成一系列分离的“制程区段”，其各自包括描述束位置、激光脉冲的脉冲能量设定值、或类似的信息或者它们的组合。因此，系统控制器114可以包括区段加工子系统，其配置成过滤、划分、加工或以其他方式转换包含在每个“处理区段”中的信息成束位置指令和激光脉冲能量指令。束位置指令可以通过系统控制器114束位置控制子系统而执行，并且该激光脉冲能量指令可能借由激光功率控制子系统来执行。
[0048]在一个实施例中，区段加工子系统和激光功率控制系统可以每个包括实时控制器。当束位置指令从系统控制器束位置控制子系统114传输到工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112中的一个或多个时，这些组件的一个或多个的操作可被控制，从而控制相对于工件102束位置的定位。当激光脉冲能量指令从系统控制器114的激光功率控制系统传递到激光功率控制系统、激光系统104、工件定位系统108、束定位系统110和束调整系统112中的一个或多个时，这些组件的一个或多个的操作可以被控制，从而控制相对于工件102束位置的定位。适当的同步时间延迟被包括在某些实施例中，以正确地将激光 脉冲的产生与束位置同步。
[0049]在一个实施例中，同步制程用于将束内105的一系列的连续的激光脉冲(例如，“激光脉冲串”)以相对于工件102束位置同步输送至工件102。常见的激光脉冲串内的激光脉冲可以具有(至少基本上)相同的脉冲能量以及借由脉冲间周期(这里也称为简单地作为“脉冲周期”)而(至少基本上)在时间上彼此间隔开的，使得激光脉冲串可以通过(至少基本上)均匀PRF为特征。制程区段可能开始在任意时刻，并且可能不一定被同步到由激光系统104产生的现有的脉冲串(例如，基于激光系统104本身的特征或者基于由系统控制器114的外部控制)。制程区段通常与期望的激光脉冲PRF和束速度相关联，以保持在工件102束位置的所期望的间隔(“咬口尺寸(bite size)”)。激光脉冲串可以在激光系统104内而内部地产生，或者从激光系统104的外部产生。制程区段的持续时间可以被设计成使得发射整数个激光脉冲，其具有发射到所希望的工件位置(在一些可接受的容差内，例如，〈光斑直径的5%-25% )的第一和最后一个激光脉冲。因此，在某些实施例中，第一激光脉冲(在时间上)相对于制程区段的开始同步。
[0050]在一个实施例中，第一激光脉冲是借由修改激光脉冲指令串而相对于制程区段的开始来同步，使得有效的激光脉冲以相对于制程区段的开始的正确时间被发出。将会理解的是，许多激光器产生最小值的PRF的激光脉冲，以避免由于过大的脉冲能量(通常是正比于脉冲间周期)而损坏激光系统104。为了避免不希望有的大的脉冲周期，用于新的制程区段(在用于所述制程区段所期望的PRF)的激光脉冲串的开始可以相对于先前产生的脉冲串的结束来延迟，使得一个脉冲间周期被插入在两个相继地产生的激光脉冲串之间，其中，所述插入的脉冲间周期比与过大的能量脉冲相关联的不期望地大的脉冲间周期还小。延迟一新的制程区段的上述制程可以在本文中被称为“激光脉冲串再同步”。激光脉冲串再同步可以发生在当激光脉冲的脉冲能量如上述被消隐的期间(例如，可能当束位置从经加工后的特征移动到工件上的新的特征将被形成的另一个区域上时典型地发生，本文中被称为“特征间移动”)。在此再同步期间，激光脉冲能量被衰减至零或接近零。在另一个实施例中，例如，激光脉冲串是外部地生成的，制程区段之间的时间周期可以被调整以同步激光脉冲和制程区段时序。
[0051]E.束调整协调与脉冲生成
[0052]根据本文公开的实施例，AO装置RF指令(振幅和频率)可与入射到束调整系统112的激光脉冲串同步。AO装置RF波形的指令更新时序可以相对于由激光系统104所产生的激光脉冲为任意的。在一些实施例中，当激光脉冲穿过AO晶体时，针对AO晶体内的声波(由所施加的RF指令而生成)不含有瞬变为理想的。这样的瞬变可能扭曲激光脉冲的振幅或波前，并且有害地影响在工件102处的激光加工的质量。为了避免这样的瞬变，借由激光系统104的激光脉冲的生成和束调整系统112的AO装置内所产生的激光脉冲的调整可以被同步。在一个实现中，AO装置RF指令可以针对围绕每一个激光脉冲的时间封包内的可配置的时间周期而保持恒定。这允许AO装置RF指令变为独立地生成，而不考虑激光脉冲生成的时序的细节。在一个实施例中，激光脉冲的生成和调整的同步可能直接发生在与激光系统104和束调整系统112相关联的控制器(未示出)之间。
[0053]F.示例性激光功率控制系统
[0054]已经描述了与测量个别激光脉冲的脉冲能量(例如，用于质量和控制的目的)、控制个别激光脉冲的脉冲能量以促进对脉冲能量和PRF的快速变化、协调个别激光脉冲的脉冲能量控制与束位置以及协调激光脉冲的生成和调整之相关联的示例性实施例，激光功率控制系统600以及其操作的示例性实施例现在将参考图6和7来讨论。在有关图6和7所讨论的示例性实施例中，上述束调整系统112将提供以作为AOD装置(例如，被建构成偏转激光脉冲束105以沿着X轴和Y轴中的一者或两者在第三扫描场204内扫描束位置)，并且将在下文中被简称为“ AOD ”。
[0055]参考图6和7，图6所示的示例性激光功率控制系统600包括AOD功率和控制线性模块614和系统光学组件615。系统光学组件615可以包括例如图1中所示的激光系统104和图7中所示的AOD光学组件711。激光脉冲能量表或者简化的激光能量表(LET)710描述了在工件102处的脉冲能量相对于PRF的可用值。LET 710可以在加工工件102之间进行校准以建立激光系统104和任何补充系统的性能的模型。AOD衰减器610借由改变AOD光学组件711的传输而执行校准的光学功率衰减。也包含在激光功率控制系统600内的上述LEM 116和夹头功率计(CPM) 612可以提供反馈以通过通用输入/输出(1)控制器(G1)(例如，实时的通用1控制器)校准和控制传输到工件102的个别激光脉冲的功率。G1可以被实现以作为图1中所示的系统控制器114的一部分，或者可以是分开的。在这个例子中，G1包括其他组件之间的AOD控制和线性模块614(在图6和图7所示)和可选的功率控制回路(PCL) 712 (在图7中示出)。如图6所示，AOD控制和线性模块614包括实时功率控制器616和AOD线性表622。
[0056]在激光加工以在工件102内形成特征期间，诸如LET 710、AOD衰减器610、LEM116,CPM 612以及功率控制器616的功率控制组件可以协调实时功率控制和监测。LET 710是用来计算适合用于给定的脉冲能量(PE)和PRF设定点的标称AOD传输。LEM 116及/或CPM 612验证从所施加的AOD传输得出且传递到工件102的激光脉冲的功率。当充分校准时，LET 710和AOD衰减器610允许功率控制器616以逐个脉冲地实现激光脉冲能量的开环控制，假如由激光系统104所产生的激光脉冲的激光功率(也在本文称为“激光头输出功率”)在周期的LET校准和AOD校准更新之间保持(至少基本上)稳定。在某些实施例中，PCL 712借由不断地调整AOD传输指令来调整来自激光系统104的短期激光功率波动，以维持所指令的PE，不管在原始激光脉冲能量输出的任何变化。上述功率控制组件的操作和校准如下所述。
[0057]1.激光脉冲能量表(LET)
[0058]在激光加工设备100中，激光头输出脉冲能量是PRF的函数，并且这个函数随激光老化而在时间上变化。LET 710表示对于任意的PRF在最大AOD传输的工件102处可用的激光脉冲能量(在此也称为“工作PE”或“工件PE”)。LET 710是用来计算所需的AOD传输的最佳估计以提供所期望的PRF的所要求的激光工件102PE。LET 710描述可用在工件102处的实际激光PE 613( g卩，由如图1所示的镭射系统104所产生的激光PE) (PElaser)。这不同于(并且可能高于)所指定的系统激光功率，其用于引导激光加工的安装。所指定的系统激光功率限制可以通过分离的功率限制表来进行说明，这个表是针对给定的系统设计(激光和光学串配置)预先定义的并且既不进行校准也不更新。
[0059]所期望的AOD传输等于PEcmd/PElaser，其中PEcmd是经选择或指令的PE以及PElaser是在工件上的实际的激光PE (或真实的激光PE)。如果LET 710提供1/PE激光随PRF的变化，所期望的传输可以借由简单的乘法而计算，如图7所示。LET 710表的缩放和实现可以借由分离出固定的缩放因子(Kpwr) 714而进一步简化，使得LET 710查询表包含衰减系数I)随脉冲周期(1/PRF)的变化。Kpwr 714和LET 710表值的乘积然后导致所需要的传输以产生所要求的PE/PRF结合。
[0060]LET条目是从激光功率数据所生成。图8示出由示例性激光功率曲线的进展(例如，在激光功率和PE相对于PRF的方面来说)，对着PE随脉冲周期的变化，对着归一化的I/PE值随脉冲周期的变化。缩放因子Kpwr 714被计算以在包含最低激光PE (S卩，最大传输情况)的PRF处提供正确的传输。在激光PE较高的所有其他的脉冲周期，LET条目是〈1.0，并且传输可以适当地按比例缩小。
[0061]在一个实施例中，LET 710可以被用于实现适应速度加工，其中当借由激光系统104所产生的激光脉冲的激光功率随时间降低，束位置相对于工件102进行扫描的速度和激光PRF可以(例如，自动地)调整，以维持期望的咬口尺寸和脉冲能量。适应速度加工也可以允许相对新的激光系统104的较大功率，以最大限度地利用以在整个激光器的使用寿命中提尚广量。
[0062]2.AOD 衰减器
[0063]通过被偏转束105的光学传输的衰减，AOD提供用于束偏转和功率控制两者。如上面所讨论，传输可以借由改变施加至AOD单元的RF功率层级而进行调整。AOD的传输的变化(即，传输618的衍射效率或AOD效率)是所施加的RF功率和频率的非线性函数。这种非线性关系被校准以线性化实际传输相对于指令传输。
[0064]3.LEM 和 CPM
[0065]如上面所讨论，LEM 116可以针对每个个别的激光脉冲读取激光脉冲能量(PE)值，并从中产生PE数据。PE数据被同步到激光系统104的激光Q开关指令，其在指定的PRF处运行，且异步至数字信号处理器(DSP)采样周期。LEM读数针对偏移和缩放因子进行修正，以将它们转换成PE数据。根据某些实施例，LEM 116提供与激光脉冲能量相关的数据-而不是激光功率。如果需要的话，LEM PE数据可以借由瞬时激光PRF乘以PE被转换成激光功率。DSP(以及通过非实时指令的系统控制计算器(SCC)620)可以(通过数据记录器)提供对单一采样功率读数或一连串的功率读数的使用。
[0066]CPM 612是系统中用于功率测量的参考传感器。LEM读数可以相对于CPM 612来校正，以确保实时功率设置和监控的准确性。
[0067]G.功率校准
[0068]为了测量激光能量和控制激光功率，激光加工设备的某些组件可能需要校准。在一般情况下，然而，校准和功率设置方法可以概括如下=(I)CPM 612相对于外部参考来校准；(2) LEM 116使用CPM 612来校准；(3) LET 710使用LEM 116来校准；(4) AOD衰减线性使用LEM 116来校准；(5)对于给定的PE/PRF设定点，标称AOD传输(NomTrans)根据LET710来计算；(6)在应用加工期间，LEM反馈被用来监测功率错误情况，并且可以选择性地用于微调实时的AOD传输指令；以及(7) LEM校准716可以随着光学传输变化定期来更新，以保持LEM校准。校准步骤的详细情况如下所述。
[0069]1.CPM 校准
[0070]在CPM校准期间，或者在后续操作中的CPM 612的任何使用期间，在允许功率变化之间的稳定周期(如3秒)之后，CPM读数(功率和偏移两者)在时间周期(例如，2秒)上且在一个数量的读数(例如，100个读数)上被平均。图9显示了可以根据本发明的实施例来产生的CPM读数瞬态。CPM读数可以用于CPM偏移而进行调整，其可以对功率计温度为敏感的。偏移可以在每次使用CPM 612期间进行测量。为了最大限度地提高精确度，CPM偏移(具有所施加的零激光功率)可以在经提供功率的读数之后来读取，减少由于CPM加热的热误差。如上述的相同平均化制程可以使用。
[0071]2.激光能量监控器(LEM)校准
[0072]脉冲能量的LEM读数针对偏移和缩放进行修正，从而导致LEM PE读数PElem (例如，以μ J为单位)，根据以下内容:
[0073]PEle m= (LemCount-LemOfTset) *LemSF，
[0074]其中LemCount是来自LEM 116的原始ADC读数，其中LemSF和LemOffset是借由以LEM 116和CPM 612两者测量一系列的功率层级而从零到最大功率来计算。
[0075]LEM校准716可以是作为用户互动程序和自动程序两者为可利用的(例如，在激光加工设备100的运行期间)。在一个实施例中，用户互动程序包括所收集的数据和最佳拟合线的显示，并且测量统计数值。自动化的程序可以是以相应的错误检测和报告而自动运行。每个LEM校准716后，更新的SF和偏移值可以被记录在用于诊断和光学降级的追踪的日志中。在某些实施例中，LEM验证例程系设置，其重复LEM校准716，但是使用现有的校准数据来产生用于显示和统计数值报告的曲线拟合线。在一个实施例中，为了进行校准LEM 716所需要的时间小于I秒。
[0076]3.AOD线性校准
[0077]AOD线性校准建立用于AOD衰减的线性表622。但应当理解的是，AOD线性校准程序简单地线性化AOD传输618 ( S卩，AOD线性表622是用于线性化AOD的非线性传输响应，如示意性地借由AOD效率传输618相对于RF指令来表示)，并且不取决于(即，为不敏感)激光系统104或光学组件串的特性。如果这个测试是运行在固定的PRF，偕同PRF的传输损耗或激光功率变化都是无关紧要的。虽然这个校准采用针对反馈的LEM 116，反馈只需要是线性的。校准算法可以忽略LEM缩放和偏移。因为针对固定的激光PRF的LEM 116的线性误差相对较小(例如，〈1% )，LEM校准716不是用于AOD线性校准的先决条件。
[0078]AOD线性校准可以在运行期间中作为用户互动程序和自动程序两者为可利用的。在一个实施例中，用户互动程序包含相关数据和进度更新的显示。在一个实施例中，自动化程序是以合适的错误检测和报告而自动运行的。在进行自动重新校准之前，有利于验证AOD线性性能(例如，在重新校准之前使用现有的线性数据)以及记录在用于诊断追踪的日志中的最大误差。此外，在某些实施例中，每一个新的线性表存储在时间标记的文件，以支持AOD性能追踪。
[0079]4.激光脉冲能量表(LET)校准
[0080]在LEM 116相对于CPM 612校准之后，LET 710采用LEM读数校准。这允许LET校准只在面板加工之前快速运行，提供能够支持开环实时功率控制的有效校准。使用LEM读数的LET校准提供了快速校准(例如，〈I秒)，因为LEM 116没有响应滞后时间。使用LEM116作为参考传感器适当地解释激光降级效果。LEM的116和工件102之间的传输损耗计算在LEM校准716的误差范围内。由于在LEM 116和工件102 (或CPM 612)之间的光学传输损耗的变化，LEM 116定期重新校准。
[0081 ] 在某些实施例中，LET校准可作为用户互动程序、全自动程序或它们的组合为可利用的。(在系统校准期间典型地进行的)互动程序允许用户检视数据结果并且指定用于自动程序的校准参数。自动程序可以在每一个激光加工工件102之前运行，不一定需要任何用户互动，除非是在错误的情况下。
[0082]在LET校准期间，AOD传输指令在整个AOD偏转范围的最大线性传输处保持恒定。图11是根据一个实施例的LET校准制程1100的流程图。LET校准制程1100包括移动1110到CPM 612以转储功率。用于自动LET校准，根据某些实施例，自动LET校准是在先前的激光加工序列的结束处执行以最小化附加费用。LET校准制程1100进一步包括在整个全部校准AOD范围上指挥1112A0D传输至最大传输。用于遮住激光的操作PRF范围的预定数目的PRF设置(例如，至少20 PRF设置)，LET校准制程1100重复:设置1114 PRF到下一个校准值；打开1116激光系统104 ;以及收集1118 LEM数据在当前PRF值的样本的所选数目(例如，至少1000个样本)。收集1118 LEM数据样本进一步可以包括施加LEM校准716以将数据转换到μ J，并且存储(针对校准数据的)平均值和(针对诊断的)标准偏差。LET校准制程1100进一步包括查询1120是否存在覆盖激光的操作PRF范围的PRF设置的预定数目中的额外PRF设置。如果有额外PRF设置，LET校准制程1100返回到设置1114 PRF至下一个校准值，打开1116激光系统以及收集1118 LEM数据在当前(下一个)PRF值的样本。
[0083]一旦LEM数据被收集以用于每个PRF设置，LET校准制程1100进一步包括拟合1122所得的PE相对于PRF数据的曲线来过滤在每个PRF设置处的短期激光波动，以及查询1124错误是否是在LEM测量被检测出。如果在任何PRF设置的LEM测量的标准偏差超过第一预定阈值(例如，5% )，或者如果任何PRF设置的曲线拟合和平均PE读数之间的差异超过第二预定阈值(例如，1% )，LET校准制程1100包括报告1126错误。LET校准制程1100包括基于曲线拟合多项式建立1128归一化(例如，最大为1.0，如图8所示)的1/PE相对于IPP的查询表。IPP是借由例如40奈秒的整数倍所指定。在某些实施例中，查询表包括整个激光器的操作范围内用于IPP的所有的有效条目。例如，一个激光系统可以操作在从40kHz至90kHz的PRF范围内，导致25微秒至11.1微秒的IPP，或者278至625计数(348个条目)的40奈秒IPP。LET校准制程1100进一步包括下载1130 LET校准表至G10。
[0084]在某些实施例中，包括上文所讨论的互动校准制程，LET校准制程1100进一步包括图形地显示1132所产生的数据。在这种实施例中，数据标绘图呈现以用于综述，其可以包括下面的例子:用于所得的多项式拟合曲线覆盖的每个测试PRF数据点处的最小、最大和平均LEM读数的数据点；在每个PRF数据点处的LEM读取的标准偏差(以平均值的％ )；及/或用于每个PRF数据点的曲线拟合和平均读数之间的差异(例如，以平均值的％ )。
[0085]此外，或在其它实施例中，LET校准制程1100包括执行1133 LET验证程序来验证性能。示例性LET验证程序包括:单点测试，其中用户指定了工件102功率和PRF，并且在CPM 612处读取所产生的功率；及/或自动验证程序，类似于AOD线性验证，其扫过在特定的脉冲能量设置处的所有脉冲周期。反馈是从LEM 116取得。误差以随PRF的变化而图形地报告。
[0086]H.实时功率控制
[0087]在一个实施例中，因为G1具有Q-开关(QSW)时序、LEM读数、IPP指令和PE指令的使用，G1实现实时功率控制。如上所述，功率控制指令可以与至激光系统104内激光脉冲产生的QSW时序的指令同步。在某些实施例中，有效LEM读数只能在QSW指令使激光系统104产生激光脉冲之后为可用的。由于DSP和G1之间的激光指令的排列，DSP限制了相对于激光指令的LEM反馈数据的时序的知识。封包G1内的功率控制功能简化了数据处理和错误报告。
[0088]在一个实施例中，根据只是在面板加工之前下载到G1的新地校准LET710，实时功率控制是开环的。来自LEM传感器的PE反馈(PEfb)被修正以用于缩放因子和偏移。PEfb从对应的PE指令(PEcmd)减去而提供用于错误检查的PE错误。注意的是，PEcmd可以实时地改变，并且因此G1从相应的PEcmd信号中减去PEfb。
[0089]G1功率控制器616流动PEfb、PE误差(PEerr)以及传输指令(TransCmd)至DSP以用于错误检查和诊断记录，这将在下面更详细地描述。注意的是，PEcmd = PEfb+PEerr，并且如果有必要的话可以由DSP衍生出，或者如果更方便的话加入到G1数据流。G1功率控制器616在数据流中从DSP接收PEcmd和IPP。
[0090]1.功率控制回路
[0091]可选的功率控制回路(PCL) 712可以被包含以监测实时的PE错误，并且调整AOD传输指令(例如，减少PE错误)。图6的概述放至PCL 712在系统功率控制子系统的范围内，而图7详细地描述PCL 712中的信号流动。PCL 712是可选的，因为开环控制可以整个合理的时间周期(例如，几分钟)为精确的。如果开环性能被发现有不足之处，PCL 712可以实施。
[0092]PCL 712可以被配置成在加工期间调整指令AOD传输，以维持所需要的PE设定值。为了避免噪声敏感度和发送指令的过度抖动，错误在施加被选择为响应时间和噪声敏感度之间(即，噪声和稳定时间之间)的折衷的修正增益阿尔法U)后整合。积分器输出(DeltaTrans)修改标称传输(NomTrans，从LET 710计算出以用于所指令的IPP和PE)，以根据下面的公式建立最终的AOD传输指令。请注意，在某些实施例中的这些方程式一旦QSW循环就被评估(即，具有PEfb的每个更新)。
[0093]DeltaTrans (k) = DeltaTrans(k_l)-alpha*(PEfb-PEcmd)/PEcmd
[0094]TransCmd(k) = NomTrans*[1+DeltaTrans(k)]
[0095]DeltaTrans是在传输指令的相对变化。当开环传输估计NomTrans是最准确的(名义上完全相同)时，DeItaTrans可以经LET 710的重新校准而设置为零。在某些实施例中，这发生在工件每次进行激光加工。注意的是，算法包括借由PEcmd而除，其可能在G1韧体中为困难的。第二查询表可以被用来传输PEcmd到1/PEcmd以借由乘法来代替除法。
[0096]1.示例性运行时间操作
[0097]图12是可以根据用于图1示出的工件102的激光加工期间的功率控制的一个实施例而可以实现的示例性操作序列1200的流程图。操作序列1200包括设置和加载1210应用程序。在应用程序安装期间，操作序列1200相对于功率限制表验证功率设置，其在每个系统库存(inventory)为硬编码的(hardcoded)。操作序列1200还警告用户容忍或功率层级违规，如果检测到的话。操作序列1200进一步包括开启1212镭射快门以及查询1214LEM/A0D校准超时周期是否已过期。如果LEM/A0D校准超时周期已过期，则操作序列1200包括在CPM612上移动1216，相对于CPM 612重新校准1218 LEM 116 (例如，使用自动制程)，并且重新校准1220 AOD线性(例如，使用自动制程)。
[0098]操作序列1200进一步包括查询1222应用程序配方设置中的镭射功率控制是否启用。如果启用了镭射功率控制，操作序列1200包括借由运行自动校准程序更新1224 LET710、存储1226校准文件中的LET 71、下载1228更新的LET710到G1以及重置1230在G1功率控制器616中的DeltaTrans为零。
[0099]操作序列1200进一步包括查询1232任何PE/PRF组合是否超过借由LET710所描述的系统功能。假如PE/PRF组合超过了系统功能，操作序列1200包括发出1234错误的信号以及中止加工。因此，操作序列1200执行关闭1236镭射快门。然而，如果PE/PRF组合没有超过借由LET 710所描述的系统功能，操作序列1200包括运行1238观看对齐和应用(面板/图案)对齐、处理1240所述应用程序以及监测1242用于功率控制统计数值和错误的实时功率控制反馈。在加工完成后，操作序列1 200可以进一步包括记录1244PE控制统计数值(例如，最小值、最大值、平均值和RMS误差作为经指令的PE的百分比)及/或加载任何功率控制错误，并且报告任何错误条件给用户。操作序列1200借由关闭1236镭射快门而结束。在某些实施例中，AOD作为镭射快门来行动。在这种实施例中，关闭1236镭射快门包括发送传输指令给AOD以用于零传输。
[0100]示于图12的示例性操作序列1200的某些细节将在下面进一步讨论。
[0101]1.应用程序安装
[0102]在某些实施例中，应用程序根据特定的系统功率来设置，系统功率借由功率限制表所描述。基于特定的镭射性能(PE相对于PRF)以及光学组件串配置(效率)，根据相应于库存的选择，这个表可以预先计算。在一个实施例中，估计的光学效率根据AOD操作偏转范围而增大。
[0103]2.PE容限检查和错误记录
[0104]镭射加工期间的PE的适当控制有利于理想的过程控制。在某些实施例中，PE误差是实时监测的，并且PEfb和PEerr被记录以用于制程控制和诊断数据。监控可以决定PE读数是否在一些预先定义或用户定义的加工容限内。为了避免由于固有的激光脉冲不稳定所致的虚假错误，PE误差在容限检查之前被过滤。由于偕同整合过滤器在PCL 712中，因为PE数据到达可变时间间隔，错误过滤器随着每个PE样本而更新，而不是恒定的采样率。用以设置功率容限阈值的实时指令被传递到DSP以设置功率容限检查。
[0105]在一个实施例中，功率控制数据(例如，TransCmd、PECMD> PEfb和PEerr)被记录以用于故障诊断。这个数据可被存储在循环缓冲器，并且当容限错误时可以被检索。在检测到PE容限错误时，记录被触发来捕获错误事件周围的一定数量的PE数据的样本(例如，至少100个样品)。
[0106]在一个实施例中，如果检测到功率容限错误，暂停工件102的激光加工。在一个实施例中，用户可以在加工错误发生的特征的附近恢复面板加工。一些加工冗余或间隙是可以接受的(因为在错误的附近将进行激光加工的工件102的区域很可能会废弃)。在一个实施例中，加工错误的背景被呈现给用户(例如，具有标明故障位置的工件的图形也可以经由显示而呈现给用户)。
[0107]3.功率容限政策
[0108]在SCC层级，当运行应用程序时，容限检查可以为可选的。如果容限检查被禁用，实时功率控制仍然可以如上所述来应用，但是LET 710可能无法重新校准，并且运行时间容限检查可能被禁用。
[0109]在一个实施例中，并且参考图10，脉冲周期(PP)(即，1/PRF)可以在制程区段之间(例如，制程区段“η”和随后的制程区段“η+l”之间)改变而无同步盲区(deadzone)，以允许在脉冲周期或PRF中的“无缝”变化。在从一个脉冲周期到另一个的期间，只有两个脉冲周期存在，也就是说，两者之间没有中间或异常高或低的脉冲周期。这允许激光系统104在可预见的脉冲能量以任何的脉冲周期产生激光脉冲1000。通常地，上述AOD传输在这两个脉冲周期设定之间变化，以控制在每个制程区段中传递到工件102的激光脉冲1000的PE 目.0
[0110]为了使在脉冲周期之间(例如，PPn和PPn+1之间切换)的传输至少基本上“无缝”，G1在最后PPn期间(例如，在1002处指定)指定新的脉冲周期。G1识别这种新的脉冲周期(例如，PPn+1)，并且根据这个新的值来设定随后的激光脉冲。DSP安排这个指令的时机，使得PPn和PPn+1之间的切换发生在正确的时间(例如，在I μ s内)。
[0111]在一个实施例中，相对于区段边界1004的激光脉冲的时序被说明。在一个实施例中，束位置的速度可以在制程区段之间改变，导致在咬口尺寸中的变化以用于与新的脉冲周期PPn+1相关联的一个传输脉冲1006。在另一个实施例中，用于在新的制程区段n+1期间所产生的激光脉冲的AOD传输被建立，因为新的脉冲周期PPn+1可能会改变用于新的制程区段n+1的由激光系统生成的激光脉冲的PE。因此，传输脉冲1006是通过适当的制程区段内以适当的PE指令(A0D传输)由激光系统104所生成。
[0112]根据图10所示的实施例的脉冲同步制程，在制程区段开始之后，在特定制程区段期间所产生的第一激光脉冲在初始周期1008内产生(例如，等于与所述特定制程区段相关联的脉冲周期的二分之一)(例如，如果PPn为I μ s，然后初始周期可能是0.5 μ s)。在另一个实施例中，在制程区段开始之后，在特定制程区段期间所产生的最后激光脉冲于终结周期1010内产生(例如，等于与所述特定制程区段相关联的脉冲周期的二分之一)(例如，如果PPn是I ys，然后终结周期可能是0.5 μ S)。
[0113]对于那些本领域技术人士可以理解许多变化可以对上述实施例的细节执行而不偏离本发明的基本原则。因此，本发明的范围应该仅由权利要求所决定。
【主权项】
1.一种激光加工设备，其用于形成或处理在工件的一个或多个材料中的特征，所述激光加工设备包括: 激光系统，产生激光脉冲束； 脉冲能量控制系统，逐个脉冲地调整所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的脉冲能量，所述脉冲能量控制系统包括开环前馈控制路径，所述开环前馈控制路径基于绘制激光脉冲能量随脉冲重复频率(PRF)的变化的校准传输曲线而对于每个激光脉冲选择脉冲能量传输值；以及 定位系统，协调所述激光脉冲束相对于所述工件的一个或多个位置。2.根据权利要求1所述的激光加工设备，进一步包括: 激光能量监视器，测量在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量；以及 功率控制回路，基于从所述激光能量监视器的反馈来进一步调整在所述激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。3.根据权利要求2所述的激光加工设备，其中所述开环前馈控制路径基于所述校准传输曲线使用第一传输指令信号以对于每个激光脉冲选择所述脉冲能量传输值，以及 其中，所述功率控制回路被配置为: 接收包括所选择的激光脉冲能量和由所述激光能量监测器提供的所测量的激光脉冲能量之间的差异的脉冲能量误差信号； 基于所述脉冲能量误差信号计算传输校正信号； 利用所述传输校正信号修改所述第一传输指令信号，以针对每个激光脉冲产生用于选择所述脉冲能量传输值的第二传输指令信号。4.根据权利要求3所述的激光加工设备，其中，所述功率控制回路被配置为通过在施加了基于响应时间和噪声敏感性所选择的校正增益后整合所述脉冲能量误差信号来计算所述传输校正信号。5.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述开环前馈控制路径包括激光脉冲能量表(LET)，其包括在所述工件与PRF相对之处的激光脉冲能量的可用值。6.根据权利要求5所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统包括衰减器，通过针对在目前PRF处的所选择的脉冲能量改变基于所述LET的所述衰减器的传输，以执行在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的所述脉冲能量的校准光功率衰减。7.根据权利要求6所述的激光加工设备，其中，所述衰减器是由以下群组中所选择，该群组包含声光偏转器(AOD)、声光调整器(AOM)以及电光调整器(EOM)。8.根据权利要求6所述的激光加工设备，其中，所述衰减器包括:绘制所述衰减器相对于施加的射频(RF)功率及/或频率的非线性传输特性的传输线性表。9.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统包括: 激光能量监视器(LEM)，测量所述激光脉冲束的激光脉冲能量，以及 夹头功率计(CPM)，提供参考传感器，用于所述激光加工设备中的功率测量，其中，由所述LEM提供的所测量的激光脉冲能量相对于由所述CPM提供的测量而校准。10.根据权利要求9所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统被配置成使用由所述LEM提供的所测量的激光脉冲能量以校准在所述LET中激光脉冲能量的所述可用值。11.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统被配置以响应于PRF中的变化来调整在所述激光脉冲束中的一个或多个激光脉冲的所述脉冲能量。12.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述脉冲能量控制系统被配置以基于相对于所述工件的所述激光脉冲束的选定位置，与所述定位系统协调来调整在所述激光脉冲束中的一个或多个激光脉冲的所述脉冲能量。13.根据权利要求12所述的激光加工设备，其中，所述定位系统包括: 工件定位系统，其被配置为在一个或多个方向中转移所述工件以在第一扫描场内用所述激光脉冲束扫描所述工件，以及 束定位系统，引导所述激光脉冲束以便在第二扫描场内扫描所述工件，所述第二扫描场比所述第一扫描场小且在所述第一扫描场内。14.根据权利要求13所述的激光加工设备，其中所述脉冲能量控制系统包括偏转器，以进一步引导所述激光脉冲束以便在第三扫描场内扫描所述工件，所述第三扫描场比所述第二扫描场小且在所述第二扫描场内。15.—种控制激光脉冲束内的激光脉冲功率的方法，激光脉冲束由激光加工设备所产生，其配置成通过在所述激光脉冲束内引起激光脉冲以撞击工件而激光处理所述工件，所述方法包括: 在所述激光脉冲束中基于绘制脉冲能量对脉冲重复频率(PRF)中的变化的校准传输曲线而针对每个激光脉冲选择脉冲能量传输值； 根据所选择的脉冲能量传输值，逐个脉冲地调整在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的脉冲能量，以及 协调所述激光脉冲束相对于所述工件的的运动。16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括: 测量在所述激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量，以及 基于所测量的激光脉冲能量而在所述激光脉冲束中进一步调整一个或多个激光脉冲的脉冲能量。17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括: 基于所述校准传输曲线使用第一传输指令信号而选择针对每个激光脉冲的所述脉冲能量传输值； 接收包括所选择的激光脉冲能量和所测量的激光脉冲能量之间的差异的脉冲能量误差?目号; 基于所述脉冲能量误差信号而计算传输校正信号； 利用所述传输校正信号修改所述第一传输指令信号，以产生用于针对每个激光脉冲而选择所述脉冲能量传输值的第二传输指令信号。18.根据权利要求17所述的方法，其中，计算所述传输校正信号包括施加了基于响应时间和噪声敏感性所选择的校正增益后整合所述脉冲能量误差信号。19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括响应于PRF的变化而调整在所述激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括基于所述激光脉冲束相对于所述工件的协调运动而调整在所述激光脉冲束中的一个或多个激光脉冲的脉冲能量，使得所选择的激光脉冲能量设置于在所述工件上或中的对应位置。
【专利摘要】系统和方法提供了激光脉冲能量的控制和/或监测。一个示例的激光加工设备包括：激光系统，以产生激光脉冲束；以及脉冲能量控制系统，逐个脉冲地调整束中的每个激光脉冲的脉冲能量。脉冲能量控制系统包括：开环前馈控制路径，其基于绘制激光脉冲能量随脉冲重复频率的变化的校准传输曲线而选择脉冲能量传输值。激光能量监视器测量在激光脉冲束中的每个激光脉冲的激光脉冲能量。功率控制回路可以基于从激光能量监视器的反馈来进一步调整在激光脉冲束中一个或多个激光脉冲的脉冲能量。
【IPC分类】B23K26/062, B23K26/03, B23K26/10
【公开号】CN104903044
【申请号】CN201480004050
【发明人】马克·A·昂瑞斯
【申请人】伊雷克托科学工业股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年1月9日
【公告号】EP2943311A1, US20140197140, WO2014110276A1
最新回复(0)