控制激光束焦斑尺寸的方法和设备的制作方法

专利名称：控制激光束焦斑尺寸的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及对形成于衬底上的激光束焦斑的尺寸的控制，例如用于利用直写法对 材料烧蚀或激光固化。本发明尤其适合用于对薄玻璃、聚合物、金属或者其他厚度有变化或 不平坦的衬底上的薄膜或材料层进行高分辨率的、精细线条的图案化。
背景技术：
利用激光在平坦衬底表面中或表面上烧蚀或固化精细线条结构的技术是公知的， 并且许多不同的装置被用于完成这些操作。所使用的设备的共同特征是一个发射脉冲光 束或连续光束的激光系统，使激光束在衬底表面聚集成一个斑点的聚焦透镜，以及使激光 焦斑在衬底表面移动的方法。在位于衬底上的材料的表面中被烧蚀或固化的线条结构的宽度，取决于形成于其 表面上的激光光斑的直径。在激光处理过程中，经常需要改变被烧蚀或固化的线条的宽度， 因此在激光处理过程期间，必须改变表面上的光斑的直径。在某些情况下，甚至需要在光束 于衬底表面移动的同时改变光斑大小。改变衬底表面上的光斑大小的最简单的方式是改变衬底表面相对于光束焦点的 位置。因为随着激光束从透镜向光束焦点的传播，激光束的直径减小，且越过该焦点后，激 光束的直径增大，因此使衬底表面沿着光束在朝向或远离透镜这两个方向移动，在焦点的 每一侧都能够使光斑尺寸变大。因此，通过衬底相对于光束焦点的相对移动能够容易地改 变所烧蚀或固化的线条的宽度。已经有一些方法可用于使光束焦点相对于衬底表面移动。最简单的方法是基于改 变聚焦透镜相对于衬底的距离，该距离的改变可通过在平行于光束轴的方向上利用伺服电 动机驱动台移动聚焦透镜或移动衬底来实现。一种更复杂但是更快速的方法是保持衬底相 对于透镜的距离固定，并利用伺服电动机驱动的双部件可变光束望远镜使透镜前的激光束 会聚或分散，从而改变焦斑平面。当这种使光束焦点轴向移动的后一方法与前置或后置的 用于平坦衬底激光处理的扫描透镜系统一起使用时，该方法通常与单轴或双轴光束扫描器 一起使用，以校正与扫描场交叉的焦平面的曲率。以上所讨论的对于线宽控制的方法(其中，焦点相对于衬底表面移动)简单且有 效，但是有下述问题在激光处理时，通常需要使衬底保持在光束的正好是焦点处。在此平 面中，光束的形状和功率或能量密度分布被很好地限定，并且激光光斑尺寸在其上发生变 化的距离(即聚焦深度)为最大。在焦平面之前或之后的各点处，光束形状通常不再是圆 形，并且功率和能量密度的分布不再符合高斯分布。另外，光束尺寸的变化以及由此引发的 峰值和平均功率以及能量密度的变化受到沿光束方向的距离的影响很大，因此衬底处理区 域的不平坦就显得非常重要。改变在透镜焦点处形成的斑点尺寸的另一方法是改变透镜前的光束的直径。焦斑 的直径取决于透镜焦距和激光束发散度的乘积，因为发散度与光束直径成反比，因此输入 光束尺寸的增大将导致焦斑直径的相应减小。相反地，输入光束直径的减小会导致焦斑直径的相应增大。对进入透镜的光束的直径的改变相对较为简单，这种改变通常可利用一个被紧接 着放置于激光输出之后的简单的双部件光束望远镜来实现。但是，除非从该望远镜到透镜 的距离非常大，否则该方法存在一些问题。随着光束准直的改变、透镜处光束尺寸的改变以 及由此的焦斑直径的改变，焦斑沿光束方向移动(如上在使焦斑轴向移动的方法的上下文 中所讨论的)。因此，就需要在激光处理时改变激光焦斑的直径，而同时使焦斑精确地定位在平 坦或非平坦的衬底表面上，从而能够保留可能的最大的聚焦深度。本发明旨在满足上述需 求。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供用于控制形成于衬底上的激光束焦斑的尺寸的装 置，该装置包括a.激光单元；b.用于独立地改变从激光单元接收的激光束的直径和准直的可变光学望远镜单 元，其至少包括第一、第二和第三光学组件，第一和第二光学组件可相对于第三光学组件移 动，从而能够独立地改变第三光学组件与第一、第二光学组件之间的距离；c.聚焦透镜，用于使从可变光学望远镜单元接收的激光束聚焦于衬底表面；d.距离传感器，用于测量聚焦透镜和衬底表面之间的距离；和e.控制系统，用于根据距离传感器的输出控制所述第一和第二光学组件的运动， 以独立地改变聚焦透镜接收的激光束的直径和准直，借此可控制聚焦透镜形成的焦点的直 径，并且可控制焦点的轴向位置(沿光轴方向)，由此可使焦斑保持在衬底表面。根据本发明的第二方面，提供了一种控制形成于衬底上的激光束焦斑尺寸的方 法，该方法包括a.使激光束穿过至少包括第一、第二和第三光学组件的可变光学望远镜，使第一 和第二光学组件相对于第三光学组件移动，以独立地改变第三光学组件与第一和第二光学 组件之间的距离，并由此独立地改变激光束的直径和准直；使从可变光学望远镜传来的激光束穿过聚焦透镜，以使激光束聚焦到衬底表面 上；b.测量聚焦透镜和衬底表面之间的距离；和c.根据所述距离控制所述第一和第二光学组件的运动，以独立地改变聚焦透镜接 收的激光束的直径和准直，借此可控制聚焦透镜形成的焦点的直径，并且还可控制该焦点 的轴向位置(沿光轴方向)，从而可使焦斑保持在衬底表面。为了能够改变激光焦斑的直径并且同时保持焦斑精确地定位在一个表面，必须能 够独立地改变聚焦透镜处的光束直径和光束准直这两者。这可以通过使激光束穿过位于聚 焦透镜前的至少具有第一、第二和第三光学组件的透射型光学望远镜来实现。通过独立地 移动该望远镜中的至少两个光学组件，可独立地控制输出光束的直径和准直。这样的系统 可以被用于改变焦斑的直径，同时可控制焦斑到透镜之间的距离，从而可使焦斑保持在不 平坦或厚度变化的衬底的表面上。
这样的双功能扩束望远镜是已知的，并且商业上可获得，但是这些扩束望远镜通 常是手动调节的。在一些情况下，可以使用电动机驱动单元进行远程操作。为了使光束直径和准直能够快速地改变，在衬底处理期间以连续或步进的方式可 以对直写激光处理所需的焦斑直径和焦斑轴向位置进行相应改变，望远镜中所有可移动的 光学组件最好用伺服电动机驱动，且能够在独立控制下非常迅速且精确地移动。能够对输出光束的扩束和准直进行必要控制的至少包括第一、第二和第三光学组 件的望远镜可以有多种设计，但是对于能够既扩展光束又能够改变输出光束的准直度的光 学望远镜而言，最简单且最紧凑(例如最短)的设计为含有三个组件。其中两个光学组件 可以是可使输入光束发散的具有负光焦度的透镜，第三组件是可使输入光束会聚的具有正 光焦度的透镜。输入光束遇到的第一个组件是负透镜中的一个。其余两个透镜可根据特定 设计而可以任一顺序放置。对于这样的可变3-组件望远镜而言，一个重要的要求是三个组件之间的间距可 以被改变。这可以通过移动三个透镜中的任意两个来实现。可以固定中间的组件并使第一 和第三组件相对于中间的组件移动，或者固定第一或第三组件，并使其余两个组件相对于 其移动。一种机械上方便的布置是固定第一组件，并用伺服电动机驱动系统改变第二和第 三透镜之间的间距，并且使这两个透镜同时靠近或远离第一透镜移动。优选地，伺服电动机被合适的控制器驱动，该控制器从主控制器接收关于激光处 理所需的激光斑点直径的信息，并且该主控制器还驱动该电动机，其中该电动机可使光束 相对于衬底在两个轴上运动。所述望远镜中的可移动光学组件以这种方式被自动地驱动至 正确的位置，从而对于平坦的二维衬底上的任一点，可使激光束聚焦到表面且限定激光斑 点的直径。因为衬底很少为绝对平坦的，并且经常有厚度上的变化，因此最好提供一个传感 器系统，以收集并记录需要进行激光处理的区域内与参考距离相比的、透镜和衬底表面之 间的相对距离的信息。一种非接触式光学距离传感器适合用于该应用，该传感器接附于聚 焦透镜，可探测接近透镜区域的中心的衬底表面。关于衬底表面高度的信息可通过在激光 处理前对处理区域绘图(mapping)而得到，然后在激光处理期间利用该信息调整望远镜中 光学组件的位置。可替代地，根据光束掠过表面的速度，高度信息可在激光束移动期间被收 集，以连续地更新控制器，该控制器可操作望远镜组件伺服电动机，以使焦点保持在衬底表有多种方法可以实现光束相对于衬底的直写动作，所有的这些方法均可被使用。 在最简单的情况下，聚焦透镜不动，且衬底在一对正交伺服电动机驱动台上在两个轴上移 动。在更复杂的情况下，衬底被固定，伺服电动机驱动台安装在衬底上方的架子上，聚焦透 镜在伺服电动机驱动台上在两个轴上移动。一个经常使用的中间的情况是，使衬底在一个 轴上移动，使聚焦透镜在衬底上方的架子上在另一个轴上移动。对于较高速度的直写光束，使用单轴或双轴光束扫描器单元。这些扫描器单元可 与位于扫描器之前或之后的合适的聚焦透镜一起使用，也可以与线性台一起使用以实现步 进和扫描模式下的操作。因此所述方法可使衬底表面上移动的激光束焦斑的尺寸被动态地改变，从而控制 烧蚀或固化的线条图案的宽度，并且同时保持较大的聚焦深度。


通过参考附图，仅以示例性的方式进一步描述本发明，其中图1是典型的激光直写光学系统的示意图；图2示出在所述系统中对于大直径输入光束的透镜焦平面的细节；图3示出所述系统中对于较小直径输入光束的透镜焦平面的细节；图4是用于所述系统中的一种类型的3-组件望远镜的示意图；图5是用于所述系统中的第二种类型的3-组件望远镜的示意图；图6是用于所述系统中的第三种类型的3-组件望远镜的示意图；图7示出了对于三种不同的光束扩展比率，所述3-组件望远镜中的可移动组件的 位置；图8是为了实现本发明的装置的第一实施例的示意图；和图9是为了实现本发明的装置的第二实施例的示意图。
具体实施例方式图 1图1示出了一种调节激光束以进行直写激光处理的标准方法。一束通常具有较小 直径的输入激光束11穿过透射型扩束望远镜12，变成大直径光束13输出。然后透镜14使 光束13聚焦成小的焦斑15，焦斑的直径和焦斑与透镜14的距离取决于激光束13的直径和准直。图 2图2示出了焦斑附近的激光束的细节。光束21被透镜22聚焦，从而使光束扩展 前以半角23会聚至束腰或焦点M。对于进入聚焦透镜22的光束被准直的情况而言，光束 在腰部区域M的最小的直径(d)是下列参数的函数激光波长(λ )；激光束相对于完全衍 射受限光束的品质(Μ2)；激光束21的直径⑶；以及透镜的焦距(f)。焦斑直径(d)随焦 距(f)而线性变化，并且随光束直径(D)成反比，因此对于任意透镜和激光束直径的焦斑直 径(d)的一个方便的度量是所谓的数值孔径(NA)，其被定义为光束会聚半角(Θ)的正弦， 因此NA = sin θ = sin(tan_1 (D/2f))在大部分实际情况中可近似如下NA = D/2f最小的焦斑直径(d)可通过如下公式(为本领域公知)计算d = 0. 6XM2X λ/NA作为一个例子，对于Μ2为1.2、直径为IOmm的接近衍射受限激光束，被焦距为 IOOmm的透镜聚焦，其NA大约为0. 05，对应于0. 355 μ m和1. 064 μ m的激光波长，最小焦斑 直径分别为接近5 μ m和15 μ m。束腰或焦点在平面25、25'之间有限的轴向距离沈上延伸。在激光处理方面，束 腰区域的长度沈或聚焦深度很关键，因为在该距离上，焦斑直径的变化很小，并且功率或 能量分布被很好地限定。聚焦深度(DoF)可通过如下公式(为本领域公知)计算
DoF= λ /Μ2ΧΝΑ2因此，对于上面给出的例子，对于0. 355μπι和1. 064 μ m的波长，实现的聚焦深度 分别接近120 μ m禾口 360 μ m。图2还示出了光束直径如何在束腰区域M之后和之前的平面27和27'快速增 大。在这种情况下，光束尺寸的增大依赖于光束的NA，且由沿光路的轴向位移(Δχ)引起的 直径变化(Δ )由下式近似给出AD = 2ΧΝΑΧ Δχ对于上述例子，其中NA为0. 05，Δ D = 0. 1 X Δ χ，因此对于0. 355 μ m的波长，在 聚焦深度之前或之后，沿光路仅50 μ m的移动可使直径增大5 μ m，这意味着光束直径被增 大到接近二倍，且功率或能量密度约被减小到原来的四分之一。在波长为1. 064 μ m的情况 下，在聚焦深度前或聚焦深度之后，沿光路仅150 μ m的移动可使直径增大15 μ m，这意味着 光束直径又被增大到接近二倍，且功率或能量密度被减小到四分之一。因此，在这两种情况 中，少于聚焦深度一半的移动可导致斑点尺寸的加倍。等于聚焦深度的移动可使斑点尺寸 几乎增加到三倍。这些效应与斑点尺寸在聚焦深度上的恒定性形成对比，显示了将光束焦 点定位于衬底表面的操作的重要性(从处理控制的角度而言)。图 3图3示出了相对于图2输入光束的直径减小的情况下，焦斑附近的激光束的细节。 光束31被透镜32聚焦，从而在扩展前以半角33被会聚至束腰或焦点34。因为该光束的较 小的数值孔径，在焦点处实现的最小的斑点尺寸比图2所示的情况大。另外，由于该光束具 有较低的光束会聚度或数值孔径，距离36(平面35和35'之间，直径在该距离上大致为恒 定的)，或聚焦深度，比图2所示的情况要长很多。如上面讨论的例子，M2为1. 2的接近衍射受限激光束被焦距为IOOmm的透镜聚焦， 但是直径被减小到一半即5mm，其NA大约为0. 025，对应于0. 355 μ m和1. 064 μ m的激光波 长，最小焦斑直径增大到二倍，即分别增大到10 μ m和30 μ m。在这些情况下，对于0. 355 μ m 和1.064 μ m波长，聚焦深度增大到四倍，即分别几乎增大到0. 5mm和1.5mm。比较图2和图3可看出通过使焦点总是位于衬底平面上的操作以及通过调整聚焦 透镜输入光束直径改变焦斑尺寸，实现了就聚焦深度的增大以及处理宽容度而言的优点。 例如，如果需要烧蚀或曝光出10 μ m宽的形状，使用上面讨论过的355nm、WZ = 1.2的激光 和焦距为IOOmm的透镜曝光，那么所需的斑点尺寸可由NA为0. 025的5mm输入光束形成。 在这种情况下，由于聚焦深度接近0. 5mm,因此对于不平坦的衬底，该工艺具有很好的宽容 性。另一方面，如果输入光束更大，例如直径为10mm，为了使激光斑点的直径达到ΙΟμπι，必 须使衬底相对于焦平面移动，并定位于光束的发散或会聚的区域。在这些位置，可达到所需 的斑点尺寸，但是要使该值保持在小于+/-10%的变化范围内，需要使透镜和衬底表面之间 的距离保持恒定在+/-IOym内。在实践中，这很难实现。该例子清楚地示出激光焦斑位于 衬底表面的操作的重要性。图 4图4示出了一种类型的3-透镜扩束望远镜，其中正透镜(会聚)固定就位并定位 在两个负透镜(发散)之间，每个负透镜可沿着光束轴移动。一束小直径输入光束41被负 透镜42发散。扩展的光束与正透镜43相交，正透镜43使该光束会聚。输出负透镜44使该光束发散，以给出输出光束，该输出光束大于输入光束，且根据第一和第三透镜42，44相对 于第二透镜43的位置，该输出光束被准直(如图所示)、会聚或发散。为了简单起见，图中 所示的3个透镜以简单的单线条表示，实际上，为了提供满意的光学性能，这些透镜中的一 个或多个很可能包括不止一个元件。第一和第三透镜42，44需要能够快速地沿光轴移动。 这可以通过使它们两个安装在位于平行于光轴(运动)的台上的支撑架上来很好地实现。 所述支撑架被线性伺服电动机驱动，或通过导螺杆被旋转伺服电动机驱动。安装编码器以 为伺服控制系统给出位置信息。图中示出第一和第三透镜42，44是可移动的且第二透镜43 是固定的，但是实际上，三个透镜中的任意两个可以移动，以实现对光束的扩展和准直的必 要控制。图 5图5示出图4中所示的3透镜扩束望远镜的一个变型，其中第一负透镜被一个正 透镜所代替。这种类型的光学望远镜没有使用具有负光焦度(negative power)的第一组 件的光学望远镜那么紧凑(例如这种类型的光学望远镜更长)，但是同样可提供对光束的 扩展和准直的必要控制。一束小直径输入光束51被正透镜52会聚。在通过焦点后，扩展 的光束被第二正透镜53拦截，第二正透镜53使扩展的光束会聚。输出负透镜M使该光束 发散，以给出输出光束，该输出光束大于输入光束，且根据各透镜之间的间距，该输出光束 被准直(如图所示)、会聚或发散。如同图4那样，三个透镜以简单的单线条表示，但是实际 上可能更复杂。图中示出第一和第三透镜52巧4可移动，但是实际上，三个透镜中的任意两 个可以移动，以实现对光束的扩展和准直的必要控制。将两个可移动透镜安装在位于平行 于光轴运动的独立的伺服电动机驱动支撑架上，通过这种方式可实现所需的移动。图 6图6示出3透镜扩束望远镜的另一个变型，其中最后的组件是正透镜，正透镜前方 有两个负透镜。第一透镜的位置固定，且第二和第三透镜能够沿光束轴移动。一束小直径输 入光束61被负透镜62发散。扩展的光束被第二负透镜63拦截，第二负透镜63使光束进一 步发散。输出正透镜64使该光束会聚，以给出输出光束，该输出光束大于输入光束，且根据 第二和第三透镜63，64相对于第一透镜62的位置，该输出光束被准直(如图所示)、会聚或 发散。如同前面的图中那样，三个透镜以简单的单线条表示，但是实际上可能更复杂。图中 示出第二和第三透镜63，64是可移动的，但是实际上，三个透镜中的任意两个可以移动，以 实现对光束的扩展和准直的必要控制。将两个可移动透镜安装在位于平行于光轴(运动) 的台上的独立的伺服电动机驱动的支撑架上，通过这种方式可实现所需的透镜移动。可替 代地，第二透镜63可被安装到第一伺服电动机驱动台，以相对于第一透镜62移动，第三透 镜64可被安装到安装于第一台上的第二伺服驱动台上，以相对于第二透镜63移动。图 7图7示出了对于图6所示类型的紧凑的望远镜，用于不同光束扩展情况的各透 镜位置的一个例子，其中两个负透镜在输出正透镜前，且第一负透镜固定，第二和第三透 镜可移动。在该所示例子中，使用了如下的焦距；第一透镜(fl) =-20mm，第二透镜(f2) =-36mm以及第三透镜( ) = 40mm。上述例子示出所需的第二和第三透镜F2，F3相对于 第一透镜的不同位置，来实现光束扩展比率从4至12。这种输出光束直径三倍的变化可导 致在下一激光聚焦透镜的焦点处的焦斑直径三倍的变化，这可以导致斑点处的功率或能量密度的几乎一个数量级的变化，因此足以满足大部分的直写激光应用。该例子还示出了，对 于这种类型的望远镜布置，在所示的光束扩展比率范围内，第二和第三透镜F2，F3间的间 距的变化远小于第一和第三透镜Fl，F3间的间距的变化。如图所示的情况中，第二和第三 透镜F2，F3之间间距的变化为12mm(从22mm变到IOmm)，而第一和第二透镜F1，F2之间的 变化为144mm (从16mm变到160mm)。从图中还可以看出，第一和第二透镜F1，F2之间的相 对移动是设定光束扩展度的主要因素，而第二和第三透镜F2，F3之间的相对移动是控制输 出光束准直的主要因素。望远镜的这种几何结构可以使其容易地结合到运动控制系统，该 控制系统中，利用高速、短行程台改变最后两个组件之间的距离，并且将这个完整的组合安 装在具有更长行程的第二台上，以改变前两个组件之间的间距。这样的布置可允许输出光 束的准直的非常快速的变化，从而可使焦斑轴向移动以跟随不规则的衬底表面；并且，这样 的布置可允许光束直径的较低速变化，从而允许焦斑直径的改变。图 8图8示出了适合实现上述布置的设备的第一实施例。激光单元81发射一小直径 光束82，该光束穿过由伺服电动机控制的3-组件望远镜83，例如图4，5或6中所示的类 型，该望远镜使光束的直径增大并控制其准直。然后该光束通过转向镜84传播到聚焦透镜 85。透镜85使光束聚焦到衬底86的表面上，该衬底86安装在一对正交的伺服电动机驱动 线性台87上。台87使衬底86在与激光束垂直的平面内二维移动，从而使激光焦斑可在衬 底86的整个区域上移动。主控计算机88将合适的信号发送给激光单元81以控制功率、能 量或重复率，发送给台控制器89以在两个轴上移动衬底，发送给望远镜控制单元810以控 制进入聚焦透镜85的光束的直径和准直。以这种方式，该系统可在平坦衬底86的表面上 执行各种直写激光处理，并且在处理期间，可以根据需要连续或间歇地改变激光斑点的尺 寸和激光功率(或其他激光参数)。对于衬底非平坦的情况，将一个衬底表面高度传感器接 附到透镜装置上，以记录从衬底表面86到透镜85的距离的变化。许多不同类型的衬底高 度传感器是可用的，如利用光学的、机械的、超声的或电气的距离测量手段。图中示出了一 种光学高度传感器。激光二极管单元811使一束光射到临近光束焦点位置的衬底表面86 上。从衬底表面86被反射或散射的激光二极管的辐射被传感器单元812接收。该单元使 衬底表面86上的激光二极管斑点在线性位置探测器或2D光学传感器(例如CCD照相机) 中成像。随着从衬底表面86到透镜85的距离的改变，在传感器812中成像的斑点的位置 随之移动，并产生一个与衬底和透镜之间的距离相关的信号。该数据被传送到主控计算机 88，并在主控计算机88中被处理然后被传送到望远镜控制单元810，以使望远镜83中的可 移动组件变化。以这种方式，该系统可在非平坦的衬底86的表面上执行直写激光处理，并 且在处理期间，可以使激光焦斑一直精确地保持在表面上。在处理期间，焦斑尺寸和激光功 率(或其他激光参数)可根据需要而被连续地或间歇地改变。图 9图9示出了适合实现上述布置的设备的第二实施例。激光单元91发射一小直径光 束92，该光束穿过由伺服电动机控制的3-组件望远镜93，例如图4，5或6中所示的类型， 该望远镜使光束的直径增大并控制其准直。该光束射向一个双轴光束扫描单元94，然后穿 过扫描聚焦透镜95。透镜95使该光束聚焦到衬底96的表面。双轴光束扫描单元94使焦 斑在衬底96的全部或部分区域上二维移动。主控计算机97将合适的信号发送给激光单元91以控制功率、能量或重复率，发送给扫描控制器98以在两个轴上移动光束，发送给望远 镜控制单元99以控制进入聚焦透镜95的光束的直径和准直。以这种方式，该系统可在平 坦衬底95的表面上执行各种直写激光处理，并且在处理期间，可以根据需要连续或间歇地 改变激光斑点的尺寸和激光功率或其他激光参数。对于大于透镜95的扫描场的衬底，衬底 96可被安装在线性台(如图8所示)上，整个衬底区域以步进模式和扫描模式被处理。对 于衬底非平坦的情况，将一个衬底表面高度传感器接附到透镜装置上，以记录从衬底表面 96到透镜95的距离的变化，并将该信息馈送给系统控制器97，以允许对望远镜和光束校准 进行改变(该高度传感器在图9中未示出)。通过该传感器，该系统可在非平坦衬底的表面 上执行直写、步进和扫描激光处理，并且激光焦斑轴向移动，以使激光焦斑精确地聚焦到每 一个扫描区域的表面上。因此上述布置提供了一种以宽度变化，或以多个限定的不同宽度直写线条结构 的方法，该方法执行的方式是通过动态改变激光束的直径和准直，激光烧蚀或固化衬底上 的材料，在单个的连续或步进方式处理操作中通过使聚焦激光束在不连续衬底的表面上移 动，从而使焦斑尺寸改变且总是保持定位在衬底表面，以使聚焦深度最大化，并且在衬底表 面与聚焦透镜之间的距离发生变化的情况下，该方法包括a.沿光轴引导激光束；b.将透射型光学望远镜系统放置于该光轴上，该望远镜包括至少3个光学元件， 其中至少两个元件可在伺服电动机的作用下独立地沿光轴移动；c.将激光束聚焦透镜放置于光轴上光学望远镜之后；d.将衬底尽可能与光轴垂直地放置，并尽可能靠近聚焦透镜的标称(nominal)焦 平面；e.调整望远镜中可移动组件的位置，以设置使激光焦斑具有第一直径并精确地定 位于衬底表面上；f.在衬底表面上的材料中，通过使焦斑相对于与光轴垂直的平面内的衬底作相对 运动，以第一宽度值烧蚀或固化线条结构；g.在光束相对于衬底运动期间，或在运动一段时间之后的间歇，改变望远镜中可 移动组件的位置，以改变穿过透镜的激光束的直径和准直，从而将焦斑的直径改变到不同 的尺寸，从而将在衬底中烧蚀或固化的线条结构的宽度改变到另一不同的限定值，并且还 使焦斑的位置保持在衬底表面上；h.定期地测量从衬底表面到聚焦透镜之间的距离，并利用该数据改变望远镜中可 移动组件的位置，从而使焦斑的位置保持在衬底表面上，同时保持焦斑直径和相应的在衬 底中被烧蚀或固化的线条结构的宽度恒定；所述布置提供了一种可实现该方法的装置，包括a.激光单元；b.由伺服电动机控制的可变光学望远镜单元；C.激光束聚焦透镜；d.用于测量从聚焦透镜到衬底表面的距离的装置；和e.快速控制系统，将望远镜中可调整组件的运动与激光焦斑在衬底表面的位置和 从聚焦透镜到在上述位置衬底表面的距离相联系起来。
权利要求
1.用于控制形成于衬底上的激光束焦斑的尺寸的装置包括a.激光单元；b.用于独立地改变从所述激光单元接收的激光束的直径和准直的可变光学望远镜单 元，其至少包括第一、第二和第三光学组件，第一和第二光学组件可相对于第三光学组件移 动，从而能够独立地改变第三光学组件与第一、第二光学组件之间的距离；c.聚焦透镜，用于使从可变光学望远镜单元接收的激光束聚焦于衬底表面；d.距离传感器，用于测量聚焦透镜和衬底表面之间的距离；和e.控制系统，用于根据距离传感器的输出控制所述第一和第二光学组件的运动，以独 立地改变聚焦透镜接收的激光束的直径和准直，借此可控制聚焦透镜形成的焦点的直径， 并且可控制焦点的轴向位置(沿光轴方向)，由此可使焦斑保持在衬底表面。
2.根据权利要求1所述的装置，包括伺服电动机，用于使第一和第二光学组件相对于 第三光学组件移动。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中第三光学组件位于第一和第二光学组件之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其中第三光学组件包括一个会聚透镜(或多个透镜元 件一起提供一个会聚组件)，第一和第二光学组件中的每一个包括发散透镜(或多个透镜 元件一起提供一个发散组件)。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中第三光学组件被安置于接收来自激光单元的 激光束的位置，然后第三光学组件将该激光束先后传送到第二、第一光学组件，第三和第二 光学组件中的每一个包括一个发散透镜(或多个透镜元件一起提供一个发散光学组件)， 第一光学组件包括一个会聚透镜(或多个透镜元件一起提供一个会聚光学组件)。
6.根据权利要求3、4或5所述的装置，其中第三光学组件被固定，第一和第二光学组件 中的每一个可朝向或远离第三光学元件移动。
7.根据前述任意一个权利要求所述的装置，包括一个扫描器，用于在衬底表面上扫描 激光束焦斑(或者反过来)。
8.根据前述任意一个权利要求所述的装置，其中所述距离传感器被设置为感应聚焦透 镜和衬底表面之间距离的改变，并将该信息提供给控制系统，以对可变光学望远镜进行合 适的调整，借此使激光束焦斑能够精确地保持在衬底表面上。
9.根据前述任意一个权利要求所述的装置，其中控制系统被设置为控制激光单元的功 率、能量和/或重复率，并控制第一和第二光学组件的移动，以连续或间歇地改变激光束焦 斑的尺寸和/或激光功率，同时使激光束焦斑精确地保持在衬底表面上。
10.一种控制形成于衬底上的激光束焦斑尺寸的方法，该方法包括a.使激光束穿过至少包括第一、第二和第三光学组件的可变光学望远镜，使第一和第 二光学组件相对于第三光学组件移动，以独立地改变第三光学组件与第一和第二光学组件 之间的距离，并由此独立地改变激光束的直径和准直；b.使从可变光学望远镜传来的激光束穿过聚焦透镜，以使激光束聚焦到衬底表面上；c.测量聚焦透镜和衬底表面之间的距离；和d.根据所述距离控制所述第一和第二光学组件的运动，以独立地改变聚焦透镜接收的 激光束的直径和准直，借此可控制聚焦透镜形成的焦点的直径，并且还可控制该焦点的轴 向位置(沿光轴方向)，从而使焦斑保持在衬底表面。
11.根据权利要求10所述的方法，其中激光束焦斑尺寸的控制主要通过改变由可变光 学望远镜单元输出的激光束的直径来实现。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中聚焦透镜形成的焦点的轴向位置(沿光 轴)的控制主要通过改变由可变光学望远镜单元输出的激光束的准直来实现。
13.根据权利要求10、11或12所述的方法，其中在衬底表面上激光束焦斑被扫描，并且 第一和第二光学组件的位置被动态调整，以连续地或间歇地改变激光束焦斑的尺寸。
14.根据权利要求13所述的方法，其中具有第一宽度的线条结构被烧蚀或固化于衬底 表面，第一和第二光学组件的位置被调整且具有第二宽度的线条结构被烧蚀或固化于衬底 表面，同时使激光束焦斑相应地保持在衬底表面。
15.根据权利要求10至14中任意一个所述的方法，其中感测聚焦透镜和衬底表面之间 距离的改变，且根据这些改变来控制第一和第二光学组件的移动，从而使激光束焦斑能够 精确地保持在衬底表面上。
全文摘要
本发明公开了一种方法和装置，其允许当光束在衬底表面上移动的同时，在平坦衬底表面上被聚焦激光束烧蚀或固化的精细线条结构的宽度动态变化，并且同时使光束焦点精确地保持在该表面上。使用一个3-组件可变光学望远镜，其通过相对于第三光学组件移动第一和第二光学组件，来独立地控制光束直径和准直。该方法可快速地选择不同的焦斑直径和不同的烧蚀或固化线条宽度，并确保光束在焦斑处的形状恒定，以及确保聚焦深度总是最大化。
文档编号G02B27/09GK102084282SQ200980120728
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月29日 优先权日2008年6月3日
发明者D·C·米尔恩 申请人:万佳雷射有限公司