控制激光束焦斑尺寸的方法和设备技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术旨在满足上述需 求。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，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。根据本专利技术的第二方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·C·米尔恩，
申请(专利权)人：万佳雷射有限公司，
类型：发明
国别省市：GB