专利名称：加工工件的激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过直写激光刻蚀加工工件，该工件包括在其第一面和第二面形成有 第一膜和第二膜的基片，其中该基片允许激光辐射透射。
背景技术：
多年来，激光已被用于直接加工包括沉积在薄玻璃或薄塑料基片的表面上的薄膜 的工件如平板显示器、太阳能板或医用传感器。大多数情况下，要求加工只在基片一面上的 涂层，因此不需要考虑穿透基片的激光辐射。美国专利US4650525公开一种太阳能平板电池互连应用，其中，可见光波长脉冲 的激光被引导透过玻璃基片，以通过激光刻蚀将背面的薄涂层除去。由于没有活性涂层且 原玻璃的激光刻蚀阈值的能量密远超出背面薄膜涂层的能量密度，所以激光束对基片的光 束进入侧没有造成损坏。某些情况下，要求同时对薄基片相对两面上的薄膜材料激光加工出不同图案，以 提高生产速率并简化相对图案之间的配准。美国专利US6759625公开一种使用两个相对的 激光束扫描仪单元来同时在装于两个扫描仪之间台架上的印刷电路板(PCB)的相对两面 上直写不同的激光结构的设备。该基片强烈吸收激光辐射，从而穿过基片一面上的薄涂层 的激光辐射没有穿透到达相反一面的涂层。
发明内容
本发明总体涉及当前在现有技术中尚未解决的这种情况，此时，在基片相对两面 上施加薄膜且这些薄膜需要通过激光刻蚀被加工出不同图案，并且基片允许用于加工薄膜 的激光辐射透射。基片不透明度的缺乏发生在以下情况，例如当使用激光刻蚀来施加图案到用于显 示器和触摸屏制造的薄玻璃片的相对两面上的透明导电薄膜如铟锡氧化物。在此情况下， 基片通常由薄的玻璃或聚合物制成。在玻璃基片情况下，其厚度通常小于1毫米，而在聚合 物基片情况下，厚度通常小于0. 1毫米。在两种情况下都需要使用仅很少被基片吸收的激 光束在相对两面直写入不同图案。基片上的薄膜可以是这样的材料，其完全吸收、部分吸收 或部分反射入射激光波长中的低能辐射。薄膜在它们粘附到基片的粘附程度方面通常有很 大的不同。这些在薄膜性能中的不同意味着通常存在关于波长、脉冲长度和能量密度的某 组特定激光加工参数，以使每个特定的薄膜和基片获得最佳刻蚀。一旦超过用于刻蚀的临 界能量密度，则整个薄膜可从基片表面上被除去，或者作为替代，需要多个激光脉冲来去除 全部薄膜。因此，取决于在一定数量的激光脉冲之后的膜透射比和刻蚀特性，激光束将部分 或完全透射进基片并且将继续前进到基片的相对一面，与该面上的膜相互作用。本发明还涉及如何同时在不平坦的薄透明基片的相对两侧上的涂层中产生不同 的激光加工图案的问题。为了应对透射激光束与在基片的背面/远侧上的膜相互作用的问题，根据第一方
4案，本发明可提供一种通过直写激光刻蚀加工工件的方法，该工件包括具有在其第一面和 第二面上形成的第一膜和第二膜的基片，其中该基片允许激光辐射透射，该方法包括提供 包括激光束扫描仪和透镜单元的第一激光束传送设备；将第一激光束传送设备的透镜单元 相对基片第一面定位，以直写第一膜；用来自透镜单元的激光束直写第一膜，该透镜单元在 距第一膜不远的光斑处聚焦，由此激光束在照中第一膜时是发散的。当激光束透过基片后，其继续发散并因此在激光束照中第二膜时，其光斑尺寸更 大。由于在第二膜上的激光光斑面积比在第一膜上的大，而且由于在该处的脉冲中的能量 不比在第一膜上的大，因此在第二膜上的光斑中的能量密度小于在第一膜上的能量密度。 这意味着，如果第一膜和第二膜有相似的激光脉冲刻蚀阈值能量密度，则可如此设定脉冲 中的能量，即当其照中第一面时，第一膜所承受的能量密度超过其刻蚀阈值能量密度并且 该膜被去除，而当前进到第二膜时，第二膜所承受的能量密度降低到小于用于第二膜刻蚀 的阈值，因此第二膜未被损坏。透镜焦点处的激光光斑的尺寸取决于激光束的横模结构以及在光束中的衍射效 应。衍射效应取决于光束直径和波长。对于具有单个横模的激光束，最小焦点直径由下式 给出D = 4X A XFi^ /n其中，\是激光波长，F数(焦距比数)是透镜焦距和在透镜处的光束直径的比 例。对于具有多于一个横模的光束，最小焦点直径随描述横模数量的所谓的M2因子而增加。上文给出的最小焦点直径沿着被称为焦深的一定距离的光束路径基本保持恒定。 对于具有单个横模的激光束而言，焦深由下式给出焦深=8X入 XF 数 2/n对于具有多于一个横模的光束，焦深相对于M2因子而减小。等于焦深一半的距离 通常被称为瑞利范围。为了就成功刻蚀第一膜(在基片正面)且同时尽量降低损坏第二膜(在背面)风 险而言获得最宽的激光加工窗，优选使背面的激光光斑尺寸与正面的激光光斑尺寸之比尽 可能大。由于激光束仅在焦深之后距焦点等于瑞利范围的距离处开始显著发散，所以如果 激光束焦点定位在距基片表面约一个瑞利范围处，则背面光斑尺寸与正面光光斑尺寸之比 最大化。将焦点安置在表面上方高于或低于一个瑞利范围的位置导致背面光斑尺寸与正 面光斑尺寸之比减小。如果焦点布置成在正面上方大于一个瑞利范围，则正面光斑尺寸将 超过可能的最小值。如果焦点恰好布置在该基片表面上，则光束在基片内发散的距离减小 了与瑞利范围和基片材料折射率相关的一定距离。在此情况下，基片正面的光斑尺寸为可 能的最小值，但基片背面的光斑尺寸小于焦点被升高到正面上方时可获得的光斑尺寸。实践中，在空气到基片的界面处的折射效应改变实际的激光束路径，并使实际情 况比上述的简化模型更复杂，但无论如何，布置激光焦点在第一面上方一段接近一个瑞利 范围的距离处，这将使产生正面光斑尺寸和背面光斑尺寸出现最大不同，以及正面和背面 的能量密度和可能的最宽激光加工窗方面出现最大不同。为了在仅一面有涂层的基片上产生稳定的激光刻蚀，通常需要将透镜和基片表面 之间距离保持在等于焦深的距离之内。对于两面都有涂层的基片，要求则更严格，因为在透镜和基片正面之间的距离需要保持在小于瑞利范围并且因此是焦深的一小部分的距离之 内。上述方法最好可同时在第一膜和第二膜上实施。对此，该方法可进一步包括提供 第二激光束传送设备，其包括激光束扫描仪和透镜单元；将第二激光束传送设备的透镜单 元相对基片第二面定位，以直写第二膜，并且用来自透镜单元的激光束直写第二膜，该透镜 单元在离第二膜不远的光斑处聚焦，由此该激光束在照中第二膜时是发散的。为了允许同时加工第一膜和第二膜，必须如此安装工件，允许从工件两侧的激光 束传送设备发出的激光束顺利接近。这防止使用传统的平夹盘，使得不会阻止工件下凹或 弯曲的承载件的使用成为必须的。该方法优选还包括，在直写过程中调整透镜单元的焦点， 以补偿工件的不平坦度，并且将焦点维持在距相应基片表面所需的距离处。根据第二方案，本发明可提供在权利要求8至14中限定的用于实施在本发明第一 个方案中限定的方法的系统。本发明的优选实施方式使用一对相对的激光聚焦单元。激光聚焦单元可由两维光 学光束扫描仪和聚焦透镜单元构成，该扫描仪和聚焦透镜单元如此配置，一个扫描仪和透 镜单元位于基片的一侧，另一个扫描仪和透镜单元位于基片的相对侧。该基片接近这两个 扫描仪和透镜单元之间的中间位置，并且基片表面被配置成与相对的扫描仪单元上的透镜 的中心连线近似垂直。一个脉冲化激光系统可被用于产生光束，光束经过在基片一侧的扫 描仪和透镜单元，同时使用相似或不同类型的第二脉冲激光器产生光束，该光束经过在基 片相对侧的扫描仪和透镜单元。聚焦透镜是通常被称为θ型透镜。它们连接到每个扫 描仪单元上，以将光束聚焦到相邻的基片表面附近。激光波长、重复率、功率和脉冲长度优 选设置为在每个激光脉冲中有充足能量，从而在光束聚焦区域内，可获得的能量密度能容 易地超过需要刻蚀并除去基片表面上的所有或部分薄膜的能量密度。由于基片材料的激光 刻蚀阈值能量密度通常超过用于任意薄膜涂层的阈值能量密度，所以一般不会发生对下面 的基片的损坏。由于所述扫描仪和透镜单元的可用视场通常比基片的整个面积小，所以可以用多 于一个的扫描仪和透镜单元平行布置在给定的膜上。本发明的优选实施例可包括控制系统，其能够同时驱动所有扫描仪单元对，从而 在基片两面可以同时加工出不同的图案。在本发明的上下文中，术语“透明(射)的”不仅涵盖不吸收激光束的基片，也涵 盖仅微弱吸收激光束的基片。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1示出了用于加工透明平板的两面的激光和光学系统；图2示出了相对的激光束如何关于板表面聚焦；图3示出了激光刻蚀光斑的尺寸如何取决于激光束直径和能量密度；图4示出了当单激光束通过透明基片的细节视图；图5示出了与图4相似的情形，其中焦点移动到更接近于基片表面；图6示出了与图4相似的情形，其中焦点从基片表面移动远离；
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图7示出了用于加工透明的基片的两面的实际设置；并且图8表示确保相对的激光束相对于板表面甚至是不平坦的板表面保持在正确的 位置上聚焦的方法。
具体实施例方式图1示出了实施所公开的双面激光构图方法所需腰的设备的基本配置。两面均有 薄膜涂层的透明的玻璃或塑料基片11被安装在两个相对的激光扫描仪单元12、12’之间。 脉冲激光器13发出光束14，该光束经过上方的扫描仪单元和f_ θ型透镜15被聚焦在上表 面附近。相似的配置采用另一个激光器13’及第二 f-θ型透镜15’，用于将光束14’聚焦 到基片下表面附近。连接各f-θ型透镜的中心的连线接近垂直于基片。基片安装在载物 台上的框架上，从而其能沿两个正交轴X、Y移动，以允许基片两面的全部面积是可接近的。图2总体示出了通过激光束在基片相对两面上产生的焦点如何相对基片表面定 位。两面均有涂层的透明基片21定位在两个对置的扫描仪和透镜单元22、22’之间。来 自每个扫描仪和透镜单元的激光束23、23’被聚焦到在基片表面之前一小段距离处的焦点 24、24’。在基片表面上产生的激光光斑26、26’的尺寸取决于激光束特性及焦点距该表面 的距离。由于焦点接近表面但在表面之前，故激光束在进入透明基片时已开始发散。当激 光束经过透明基片而在相对面离开时继续发散，其中光斑27、27’比输入侧的光斑大。由于 在基片背面的光斑尺寸比正面光斑尺寸大，所以其能量密度低得多。图3表示在两个具有相同能量但尺寸不同的激光光斑之间的能量密度分布。曲线 31表示在基片上表面上的圆形激光光斑内的能量密度分布，其中在半峰值32处的半径是 小的。在此情况下，在能量密度分布的波峰附近的光斑的中心部分超过用于在上表面上的 膜的激光刻蚀的阀值33，从而在具有直径34圆形区域之上的膜的刻蚀发生。曲线35表示 激光束在经过基片时已扩散后在基片下表面上的激光光斑内的能量密度分布，其中在半波 峰36处的直径因此较大。在此情况下，即使脉冲中的能量相近，但增大的尺寸引起峰值能 密度降低至小于背面的膜的刻蚀阈值，从而不会发生膜的刻蚀。图4详细表示基片附近的激光束轨迹。仅示出一段具有厚度42的透明基片41。 由光束43、43’表示的激光束从未示出的f-θ型透镜朝基片上表面会聚。调整聚焦透镜和 基片表面之间距离，因此激光束聚焦44发生在表面之前的某点。在聚焦处的激光束45的 直径由下式给出D = 4ΧΜ2Χ λ XF 数/n其中，M2是表示在激光束中的模数的因子，λ是激光波长，F数是透镜焦距与透镜 处的激光束的直径之比。对于M2 = 1. 3、λ = 0. 355微米、透镜焦距为150毫米且激光束直 径为10毫米的实际情况，F数是15，并且最小焦点直径D为8微米。对于具有3倍的1. 064 微米波长的激光、但有相同透镜焦距和相同的M2值和相同的激光束直径，最小焦点直径增 加到26微米。因为由于衍射和发散的扩散效应的光束扩散效应，所以激光束在焦点附近的 最小尺寸沿光束路径在名义焦点的每侧的一段距离上保持基本恒定，该距离被称为瑞利范 围46，其由下式给出瑞利范围=4Xλ X (F 数)2/Μ2 Xη等于瑞利范围两倍的距离被称为焦深47。对于M2 = 1. 3、λ = 0. 355微米、透镜焦距为150毫米且激光束直径为10毫米的实际情况，F数是15，并且焦深为0. 156毫米。 对于具有3倍的1. 064微米波长的激光、但有相同透镜焦距、相同的M2值和相同的激光束 直径，焦深增加到0.47毫米。在超出焦点一个瑞利范围后，激光束开始发散并扩展。当激 光束进入基片时，由于在空气和基片中的反射率不同，所以发生激光束偏转衍射效应，但无 论如何，其继续发散并最终如在图中用光束48和48’示出地离开背面。如果基片具有平坦 平行的侧面，则激光束离开基片后的发散角度与其入射基片的角度一样。当激光束离开背 面49时，其光斑直径比正面的光斑直径大很多。图5示出了与图4相似的情形，但其中激光束焦点被定位成离基片表面非常近或 在基片上。在此情况下，在出射面51处的激光束直径相比于图4所示的情况减小了，这是 因为在基片内的扩展距离少一个量52，该量取决于基片材料反射率，但占瑞利范围的可观 部分。当入射面53处的激光束尺寸仍然接近激光束聚焦直径时，可以清楚看到在基片背面 的光斑尺寸与在基片正面的光斑尺寸之比与图4所示的情形相比减小了。图6示出了与图4相似的另一种情况，但此时激光束焦点定位成距基片62这样一 段距离，该距离大于瑞利范围。在此情况下，在激光束到达基片表面之前，其具有一定扩展 距离，从而在表面63处的直径大于最小焦点直径。当激光束在空气和基片之间界面处进入 基片时，由于反射率的不同，所以发生曲光效应。当基片材料具有比空气高的反射率时，该 效应引起激光束在基片材料中较小发散，因此具有减小背面的光斑尺寸的效果。在基片背 面的激光光斑尺寸随基片材料的反射指数的增加而减小。当在入射面处的激光束尺寸大于 最小激光束聚焦尺寸时，可清楚看到基片背面的光斑尺寸与基片正面的光斑尺寸之比相比 于图4所示情形减小了。从图4、图5和图6所示情形中可以清楚看出，当焦点定位在距基片表面接近瑞利 范围的距离时，得到出射光斑直径与入射光斑直径的最大比例。在此情况下，在基片入射面 处的激光束中的脉冲激光能量密度与背面的激光能量密度之比达到最大，用于刻蚀基片入 射侧上的涂层而不损坏基片背面上的涂层的加工窗是最宽的。图7表示适合采用两对扫描仪和透镜单元在透明基片的相对两面进行图案激光 加工的设备的关键零部件。薄透明基片71安装在两对对置的双轴扫描仪和透镜单元72、 72’和73、73’之间。脉冲化激光器74产生经过反射镜75、75’、50%的分束器76和上方的 两个扫描仪单元的光束。一个单独的激光器77通过相似的光学配置给下方的两个扫描仪 和透镜组件提供激光。因此，下方的激光束能够接近安装在计算机数控(CNC)台架上的开 口框式支承78上的基片下表面，该台架使基片在扫描仪和透镜单元之间在两个正交的方 向X和Y上运动。附图示出了仅使用两对扫描仪和透镜单元来加工板的情况，但实践中，如 果需要提高生产率，也可使用更多对的装置。该单元可根据实际情况线性地配置或以二维 阵列配置。图8示出了这种设备的可行配置形式，其允许当从基片到扫描仪和透镜单元的Z 向距离因基片厚度和平坦度的变化而变化时，一对扫描仪和透镜单元将焦点维持在基片表 面上方的正确距离。在所示情况下，板81由于Z向的下垂而不是平的，并且从上方的扫描仪 和透镜单元到上表面的距离增大，而从下表面到下方的扫描仪和透镜单元的距离减小。激 光二极管82、82’连接到扫描仪和透镜单元上并配置成倾斜导引激光束到板面。由于来自二 极管的激光辐射的入射倾斜角度，所以在基片表面上产生的光斑因基片表面位置在Z向上的变化而横移。两个表面上的激光光斑通过连接到扫描仪和透镜单元上的摄像装置83、83 ’ 被成像，摄像输出信号被处理以给出与从扫描仪和透镜单元到相邻基片表面的距离相关的 信息。在所示情况下，由于基片下垂，所以被引导至基片上表面的激光光斑已在图中的X方 向上横向右移，在基片下表面上产生的激光光斑在X方向上横向左移。在板两面上的激光 光斑运动由摄像装置探测到，随后产生信号，该信号通过伺服控制装置84、84’来处理且被 用于校正焦点位置。校正通过在Z向移动CNC台架上的扫描仪和透镜单元来实现，或通过 移动在光束扩展望远镜装置中的光学元件，以在Z向上变焦。附图示出后一种配置，其中伺 服电动机控制器的输出用于改变连接到每个扫描仪单元86、86’的光束扩展望远镜85、85’ 中的光学元件之间的间距。通过这种配置，来自激光器88、88’的激光束87、87’通过透镜 89、89 ’聚焦，从而焦点关于基片表面保持在正确的位置。 上文描述的直写是矢量类型的。在其它实施例中，直写可以是扫描光栅类型的。
权利要求
一种通过直写激光刻蚀加工工件的方法，该工件包括具有形成在其第一面和第二面上的第一膜和第二膜的基片，其中该基片允许激光辐射允许透射，该方法包括提供包括激光束扫描仪和透镜单元的第一激光束传送设备；将第一激光束传送设备的透镜单元相对于该基片的第一面侧定位，以直写第一膜；使用来自透镜单元的激光束直写第一膜，该透镜单元在距第一膜短距离的光斑处聚焦，由此该激光束在照中第一膜时是发散的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，从所述第一面到该激光束的焦点的距离约 等于所述激光束的瑞利范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，还包括提供包括激光束扫描仪和透镜单元的第二激光传送设备；将第二激光束传送设备的透镜单元相对该基片的第二面侧定位，以直写第二膜，并且使用来自该透镜单元的激光束直写第二膜，该透镜在距第二膜短距离的光斑处聚焦， 由此所述激光束在照中第二膜时是发散的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，从所述第二面到来自第二激光 传送设备的激光束的焦点的距离约等于该激光束的瑞利范围。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征是，所述第一膜的直写和所述第二 膜的直写同时进行。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征是，该方法还包括在直写所述膜的 过程中调整相应透镜单元的焦点，以补偿工件的不平坦度并将焦点维持在距相应基片表面 所需的距离处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征是，在所述膜上平行使用多个所述 激光束传送设备。
8.—种通过直写激光刻蚀加工工件的系统，该工件包括具有形成在其第一面和第二面 上的第一膜和第二膜的基片，其中该基片允许激光辐射透射，该系统包括第一激光束传送设备，包括激光束扫描仪和透镜单元；用于工件的承载件；用于可相对运动地安装第一激光束传送设备和承载件的安装装置，以允许第一膜的直 写，其中该系统可被操作以便使用第一激光束传送设备的透镜单元直写第一膜，此时第一 激光束传送设备的透镜单元被聚焦到距第一膜短距离的光斑处，由此激光束在照中第一膜 时是发散的。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，从所述第一面到该激光束的焦点的距离约 等于所述激光束的瑞利范围。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征是，该系统还包括具有激光束扫描仪和透 镜单元的第二激光束传送设备；所述安装装置进一步构造成可相对运动地安装所述第二激 光束传送设备和所述承载件，以允许所述第二膜的直写，其中该系统可被操作来使用第二 激光传送设备的透镜单元直写第二膜，该第二激光传送设备的透镜单元被聚焦到距所述第 二膜短距离的光斑处，由此该激光束在照中第二膜时是发散的。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述第一膜的直写和所述第二膜的直写 同时进行行。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的系统，其特征是，该系统还包括用于确定从所 述基片的相邻表面到所述透镜单元的距离的成像装置、和可响应于该距离的确定结果地被 操作来调整所述透镜单元的聚焦而将相应激光束的焦点维持在距相应基片表面的需要距 离处的控制器。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其特征是，该系统还包括可在所述膜上 平行使用的多个所述激光束传送设备。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的系统，其特征是，所述安装装置包括一对线性 载物台单元，以允许所述基片与该扫描仪和透镜单元之间的沿两个轴向的相对运动。
全文摘要
本发明描述一种通过直写激光刻蚀而在涂覆于薄玻璃或塑料基片的相对两面上的材料薄膜中同时写入图案的方法。该基片允许所用的激光辐射全部或部分透射，并且该基片的表面不是平的。可在基片的相对两面上同时施加不同的对准图案。
文档编号B23K26/06GK101977722SQ200980106036
公开日2011年2月16日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月23日
发明者P·T·拉姆斯拜 申请人:万佳雷射有限公司