CN101317311B - 激光微加工应用的光学构件清洁及碎片管理 - Google Patents

Abstract

一清泄气体注入埠口(74)、激光束衰减输入窗口(24)及激光快门(20)的较佳具体实施例组成一UV激光光学系统(10)的子系统，其中一激光束被完全地包封，以减少该等光学系统构件(44、60、72)的污染。清泄气体是透过一光束管组(18)内多个位置所注入，以确保对于污染敏感的光学构件表面(78)位在该清泄气体的流动路径内。该输入窗口运作如一固定程度的衰减器，借以限制气载分子与粒子的光聚合作用。周期性地旋转夹持器(142)内按非对称方式安置的光学组件，可降低对于光学构件的烧灼损伤。

Description

激光微加工应用的光学构件清洁及碎片管理

技术领域

本揭示是有关于激光式工件处理系统，并且特别是有关于在该等系统中所执行的激光微加工应用里的光学构件清洁及碎片管理。

背景技术

在半导体制程设备内用于密封激光束路径的最新技术伴随着以一种箱式风格包封作业来包封整个光学仪器体积。有些设计并有一利用某种洁净干燥空气或惰性气体的清泄系统。而在微加工处理之外，其它像是集成电路错误修正的激光应用项目里也使用到光束管。最新近的UV光学轨线及光束路径设计是利用覆盖来保护这些光学构件。而在包封体积内的清泄气体或是具清泄气体的光束管均尚未运用在激光微加工应用里。

在激光业界中，众知UV波长激光可对系统光学构件造成极大伤害。由UV光线的E＝hv(其中h＝普朗克常数，而v＝光学频率)所给定的光子能量足以打断在许多常见气载分子污染物(AMC)内的键结并予重构。在此称为光聚合作用的程序里，会在与该激光束相交的光学表面上构成出聚合物。这些聚合物会将透镜及反射镜模糊化，降低该系统的光学透光度，并因此造成产生效能劣化的光束扭曲。而在出现粒子污染物的情况也可能发生类似问题。粒子会被汽化而又在光学表面上聚合。此外，当出现瞬时高能量脉冲光束时，或会在一粒子遭烧蚀时而构成一音响「冲击」波。而当此音响冲击波传播进入一光学构件之内时，可能会对光学镀层、基板或两者造成损坏。

目前具有nano(奈)秒、pico秒或femto秒脉冲宽度的可获用的脉冲激光遭遇到因入射于其光学构件上的高尖峰功率而致生的光学劣化问题。通常，基于应用项目而定，该激光可能会递送过度的输出能量而必须予以衰减。目前可用的衰减器通常是由一半波长平板及极化器组合(或此法则的变化方式)所组成，将此插入在该激光束的路径之内，通过操控其极化状态来衰减该激光束。利用一半波长平板及极化器的技术虽可提供调整该衰减程度的能力，然该衰减器组件经常是必须放置位于该激光输出「下游」处的数个光学构件的后方。原因在于该半波长平板及该极化器在当准直或近似准直的光线入射于该等之上时可最佳地运作。此外，在一密封激光轨线的情况下，该半波长平板并不会产生进入该密封部分的非常良好窗口，因为波长平板易于污染、易碎裂并且对温度敏感。

一激光轨线，其构成一激光光学系统的一部分并封离于外部环境，是利用该光学系统的输入及输出窗口以让光束能够进入与离出该激光轨线的密封部分。此外，会希望减少入射于所有光学构件的激光光量，因为激光的强度(按W/cm²、尖峰W/cm²、或J/cm²)是与该等光学构件的老化程度成比例关系。因此，在一产生过度激光功率的理想激光系统里，该光学系统的第一个构件应为某种类型的衰减器。总结而言，会希望提供运作如一输入窗口及一衰减器的相同(复数个)光学组件。

激光光学系统含有可划成两种不同类别的激光快门。这些包含调变、曝光及脉冲闸控快门，以及安全互锁与处理控制快门。该安全互锁快门为本文所关注，此者可通过一种对于激光波长为不透明的材料，并令其选择性地移入及移出该激光束传播线，以间歇性地阻挡该激光束。而阻挡的激光束则被反射到一激光束「阻障器」或「弃置器」之内或之上，此等用以吸收并衰减阻挡的光束。快门致动装置包含然不限于电子机械式(螺线管)、电子式及磁性装置。

一运作如一安全(而非一调变)装置的快门是按一低频率(＜＜1Hz)的重复操作以开启并关闭。该开启及关闭位置被感测且馈送返回该操作系统。一适当设计的激光快门可阻挡激光发射，而不会使得其反射回到该激光腔内。快门建构材料应该不用可能污染到光学系统的构件。

发明内容

清泄气体埠口、激光束衰减输入窗口及激光快门的较佳具体实施例组成一UV激光光学系统的子系统，其中光束路径被完全地包封，以减少这些光学系统构件的污染。清泄气体是透过一光束管组件内多个(例如九个)位置所注入，以确保对于污染敏感的光学构件表面位在该清泄气体的流动路径内。由于在半导体装置制程设备内易于获得压缩气体，并且在较佳355nm操作波长处不会构成臭氧的原因，因而偏好清洁、干燥空气而胜于惰性清泄气体。所有的光束管组件的构件最好是由镀镍的铝、不锈钢、黄铜及特弗龙

材料所构成，这是基于其出气性质。该清泄气体的流动程度是由两项关键因素所决定：(1)将气流最大化，而不会在该工件表面上的光束点内产生扰流，以及(2)提供每小时最低的空气体积交换量。对于所描述的具体实施例来说，选择每小时五倍空气体积交换作为一最小值。在清泄气体注入点使用多孔扩散器，以降低因扰流引入的光束移动。相较于一光束管组件并未配备有清泄气体流，在一含有该激光束路径的受控环境内的清泄气体流可让该激光轨线能够维持较久。

一运作如一固定程度衰减器的输入窗口是由一透明光学材料所构成，例如包含但不限于具有对于S极化入射激光束为45度指向的平形-平形(plano-plano)表面的热熔氧化硅。由于该光学构件是作为伸入一密封光学组件的输入窗口组件，因此希望具有一种架置系统，可抗防因密封该光学系统(在本例中为该覆盖)的机械构件所造成而可能会造成潜在的激光束偏歪的扰流。从而较佳的架置硬件可抗防于任何由覆盖所造成的应力，因为此者可将光束衰减并防止损害。最后，由于可以看到最高的W/cm²，并且受曝出于外部环境，因此该输入窗口具有因外部污染物聚合或是烧灼于外部表面上而导致的最高损坏机率。因此，该输入窗口会略为位移离于该激光束的中心线，并且具有足够大小，从而若是出现烧灼，可将该输入窗口旋转至该光学表面的一个新「干净」部分。当响应于对该外部光学表面的损坏而旋转该输入窗口时，无须进行额外的光束导向。当安装覆盖以密封该光学组件时，不会因将该覆盖配入该光学-机械组件上的应力而需要额外的光束导向。

一激光快门含有一气动式圆柱物，可从该激光束路径向外及向内而回缩及延展以定位一金属快门片。一磁簧切换器可感测该圆柱物的位置，并且将一位置信号馈送回到一系统控制计算机。在阻挡状态下，该快门片将该激光束反射至一结构性角板的特区内，借以安全地衰减该光束。该快门机制是部分地被该激光光学组件的隔板所覆盖，并与其共享一洁净空气清泄来源。三项激光快门设计特性包含：(1)该机制受曝于一激光的部分是由非出气性材料所构成，以限制光学污染；(2)该气动式圆柱物将一移动力度传授至该快门片，此者并不含有可能会污染光学构件的材料，并且不会产生热，借以确保能够将因热产生作用而导致的光束导向保持在最低度；以及(3)将含有并衰减所反射/阻挡光束的特性整合于该组件内，而无须外部构件。

该快门在该激光辐射自该激光头的输出窗口散发后即直接地予以阻挡。这会在当该激光安全互锁电路中断时，或是透过该系统控制计算机的人工命令，而自动地进行。可通过使用本装置以消除由该快门致动器所产生的废热，并且不会出现已知造成光学构件污染问题的材料。

可自后文中的本揭示较佳具体实施例详细说明而显知与其相关之额外目的及优点，此说明系参照于随附图式所进行。

附图说明

图1为一激光光学系统的平面图，而其机壳覆盖是已移除。

图2A及2B为图1激光光学系统的相对侧的等角透视图，分别显示其中设置有一激光头及一空间过滤器。

图3A、3B、3C及3D分别为一用于图1激光光学系统内的反射镜架置组件的侧视图、俯视图、侧视截面图及俯视截面图。

图4为一简略图式，其中显示穿越一并入于图1激光光学系统内的光束衰减输入窗口而传播的光线路径。

图5、6及7分别为一光束衰减输入窗口的较佳具体实施例的截面图、后视图及爆炸图，而此窗口是装设于图1激光光学系统的窗口隔板内。

图8为一激光快门组件的等角透视图，是安装在一并入于图1激光光学系统内的激光头的离出窗口邻近处。

图9A及9B为一激光快门组件的等角透视图，此组件是架置在一结构性角板内，并绘示有一快门片，这些构件分别位于延展(光线阻挡)及缩回(光线传透)位置处。

10激光光学系统            12激光头

16离出窗口                18光束管组(光束路径导引组件)

20激光快门组件            24光束衰减输入窗口

24a第二光束衰减窗口       26窗口隔板

30预扩大组件              34第一回转反射镜组件

38第二回转反射镜组件      44第一人工衰减器

46声光调变器(AOM)         50第三回转反射镜组件

54第四回转反射镜组件      58空间过滤器

60第二人工衰减器          64可变光束扩大器组件

68气体清泄埠口            72反射镜架置组件

74清泄气体注入埠口        76清泄连管

78外部光束接收表面        80气体扩散器

82衬垫                    100输入光束

102进入表面               104低强度反射光束

106低强度反射光束         108离出表面

110输出光束               122光束弃置器

124输出光束               126离出表面

128低强度反射光束         130低强度反射光束

132光束弃置器             140窗口架置组件

142环形夹持器             144环形置肩

146步阶开口               148浅凹陷

150平坦环形凸缘表面       152弹簧夹

154螺栓                   156旋扭孔洞

160快门片                 162气动式圆柱物

164结构性角板             166斜角表面

168孔洞                   170磁簧切换器

具体实施方式

图1、2A及2B里显示一其中含有前文概述的三项子系统的较佳具体实施例的激光光学系统。图1是一激光光学系统10的平面图，而其覆盖是已移除。图2A及2B为图1激光光学系统10的相对侧的等角透视图，分别显示其中设置有一激光头及一空间过滤器。图1、2A及2B里显示出该激光轨线组件，而无密封整个激光光学系统10的外部覆盖。所有的光束管组18均可在此三张图式中看到，并且在图1中特定地加以识别。

参照于图1、2A及2B，一激光头12(装载于一个别覆盖内)的输出光束是沿一概为「S」形状的光束路径，并穿过该激光光学系统10的一离出窗口16而传播。该输出光束经过多个光束管组18的内部范围，而往返传播于沿该激光束路径所放置的包封光学构件。该光束管组件将该激光束限制在该激光光学系统10内的气氛受控环境里。

该激光头12的输出光束穿过一激光快门组件20而传播至一光束衰减输入窗口24及其相关支撑组件或窗口隔板26。底下将进一步详细描述该激光快门组件20及该光束衰减输入窗口24为两个子系统。该衰减激光束经过一预扩大组件30而传播至一第一回转反射镜组件34及一第二回转反射镜组件38。这些回转反射镜组件34及38可合作以反转该激光束路径的方向。该激光束反射离开该第二回转反射镜组件38的回转反射镜，并且经过一第一人工衰减器44及一声光调变器(AOM)46而传播至一第三回转反射镜组件50及一第四回转反射镜组件54。这些回转反射镜组件50及54可合作以将该激光束路径反转至其原始的传播方向。该激光束反射离开该回转反射镜组件54的回转反射镜，并且传播经过一空间过滤器58(承装于一分离覆盖内)、一第二人工衰减器60以及一可变光束扩大器组件64而离开该离出窗口16。

这些回转反射镜组件34、38、50及54；这些人工衰减器44及60；以及该光束衰减输入窗口24的输入与输出分别配备以一气体清泄埠口68，以供经由该光束管组件将清泄气体流注入。(该激光头12也含有一气体清泄埠口，而图中未示出。)一整合于该包封激光束管组件的结构内的清泄气体注入是一子系统，而底下将对此进一步详细说明。

图3A、3B、3C及3D分别为对于一第一回转反射镜组件34的一光学构件或反射镜架置组件72的侧视图、俯视图、侧视截面图及俯视截面图。(该回转反射镜组件34是借范例方式所使用；可将该反射镜架置组件72运用在任何其它的回转反射镜组件38、50及54。)图3C显示该反射镜架置组件72的整合式清泄特性，其中放置一清泄气体注入埠口74，可将一清泄连管76偏斜该反射镜架置的能力降至最低。传播经过该光束路径导引组件18的内部的激光束进入该反射镜架置组件72，并且入射于外部光束接收或光学表面78上。经过该注入埠口74进入的清泄气体产生一90度弯折，并流动经过一气体扩散器80且朝上跨过该光学表面78，以防止于其上出现污染物累积。一较佳气体扩散器80为一型号4450K系列的青铜/钢废气消音/过滤器，此装置是由美国加州洛杉矶市的McMaster-Carr公司所制造，并按300psi最大压力运作且展现40μm的渗透度。

用于该激光轨线的清泄速率的决定方式最好是通过针对于一特定注入埠口74提高该流率，直到该激光束变成不稳定为止，即如由位在该光束点的光二极管位置侦测器所测量。当该气流将该激光束偏折时，将该流率注记且降低百分之20。将气流降低可消除掉造成该光束不稳定的任何气体乱流。

这些衰减器44及60的机壳以及该光束衰减输入窗口24的架置也按对于该反射镜架置组件72所描述且显示的整合式清泄特性所设定。进入该衰减器的气流是由激光功率降低的变化程度所决定。该清泄气体流可移除其中容纳有这些光学构件的腔洞内的湿度，并且借此改变其衰减性质。

前文中所描述的硬件具有控制该清泄气体流的益处，因此能够将新鲜清泄气体持续地引入到光束路径及光学表面的所需之处。在一密封而无清泄的组件里，残余污染物最终导致光学表面的劣化问题，即使是按极低的浓度。通过以一清泄气体流来持续地稀释及移除已存在污染物，即可大幅地降低这些污染物接触到光学表面的机会。然而若是将该清泄气体引入一大型密封组件内，没有这些位于光学表面处的细管、清泄埠口或两者的优点，则将不可能控制对于个别光学构件的气流。滞流区域将会出现，让污染物有机会累积。

配适于一衬垫82(图2A及2B)的密封外部覆盖(图中未示出)可提供另一优点，即一具有对于清泄流体的预设出气出口的第二阻障。该密封的外部覆盖有助于降低或消除在该光学轨线外的污染物游移进入该组件而至光学表面上的可能性。

图4是一简略理论图，其中显示一穿越一光束衰减输入窗口24而传播的光线的路径。参照图4，S极化的输入光束100按45°角入射于一热熔硅窗口24的进入表面102上。一S极化的低强度光束104反射离开该进入表面102，而该光束100的剩余部分进入并经过该窗口24的内部而传播。一S极化的低强度光束106反射离开一离出表面108，经过该光束衰减输入窗口24的内部而传播回返，并且离开该进入表面102。一经该窗口24折射且衰减的S极化输出光束110则是穿过该离出表面108，沿一与该输入光束100的光束路径相异的光束路径所传播。

可利用下列的Fresnel反射表示式，以按如角度的函数来计算出光线反射：

P-极化： $R_P=\frac{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)}{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}$

S-极化： $R_S=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_t)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_t)}$

其中θ_i为入射角而θ_t为在玻璃内的穿透角。可按如Snell定律来找出这些角度：n_isinθ_i＝n_tsinθ_t，其中n_i为空气的折射率，而n_t为玻璃内的折射率。一项对于n＝1.45而在1024奈米的热熔硅反射损失的计算范例可如图4所示。因此，通过所欲设计，该光束衰减输入窗口24即可引入按照一依据上述表示式所建立的固定值的光线损失。

图5、6及7分别为一光束衰减输入窗口24的实际制物的截面图、后视图及爆炸图，而此窗口是装设于该激光光学系统10的窗口隔板26内。

参照于图5，该输入光束100中经处理，并且构成参照图4所述的输出光束110。低强度反射光束104及106则传播至一光束弃置器122，这样可吸收掉光束。一第二光束衰减窗口24a是放置在窗口隔板26处，借以接收经由一密封光束管组18而传播的输出光束110。该光束衰减窗口24a最好是由与该光束衰减输入窗口24相同的光学透明材料所制成，并设定于某一角度以提供另增的衰减效果，而一输出光束124则是经一离出表面126且沿与该输入光束100相同的路径所传播。类似于个别低强度反射光束104及106的低强度反射光束128及130则传播至该光束弃置器132。熟知本项技艺的人士将可了解在这些衰减窗口24及24a内的低强度内部反射会经过这些离出表面108及126而传播，并且可由一设置以让该输出光束124通过的孔洞(图中未示出)所阻挡。

参照图6及7，是设入该光束衰减输入窗口24，并且通过一窗口架置组件140而可释放地耦接于该窗口隔板26。该窗口架置组件140可供人工方式旋转该衰减输入窗口24以将一受损光学表面移离于该激光束路径。该窗口架置组件140含有一环形夹持器142，其大小是经过调整以在该窗口隔板26内，按一步阶开口146的环形置肩144的形式放置于一支撑表面上。

该环形夹持器142含有一浅凹陷148，终结于一平坦环形凸缘表面150，而将该衰减输入窗口24放置于此表面上。三个在该窗口隔板26内由螺栓154所固定的弹簧夹152压制于该衰减输入窗口24，借以将其固定在该环形夹持器142内。该环形夹持器142绕于其周边上含有多个角度相隔的旋扭孔洞156。将该螺栓154释放，并将一工具放置在这些曝出的旋扭孔洞156的其中之一内，可让一使用者能够达到以人工方式沿该环形置肩144旋转该环形夹持器142，借以对该入射激光束提供不同的光学表面。

如此，可通过一单一光学组件，一放置在该光学系统的密封部分内的输入窗口，以及一设定于该光学系统内的固定衰减程度，来完成此光学-机械设计。该架置系统提供一种若出现烧灼问题，则可通过绕于该激光束旋转该窗口的快速解决方式，以缩短终端使用者的停机时间。

图8是一激光快门组件20的等角透视图，此者是安装在该激光光学系统10内，而邻近于该激光头12的离出窗口处(图1)。该激光快门组件20含有一由一无电镀镍的铝圆柱物所构成的快门片160，架置于一正常延展、非旋转气动式圆柱物162的自由端处。图9A及9B为该激光快门组件20的等角透视图，此组件是架置在一结构性角板164内，并绘示快门片160分别位于延展(光线阻挡)及缩回(光线传透)位置。该结构性角板164是架置于该激光快门组件20，以供连接至密封于该激光头12的离出窗口(图1)的光束管组18。

在一未受压状态下，该延展的气动式圆柱物162可定位该快门片160以使阻挡住该激光束。该受阻挡光束反射离于该快门片160的斜角表面166，并向下导入一钻凿于该角板164的孔洞168内，后者运作如一光束弃置器。被反射的光束后续反射离于该光束弃置器168的内部表面的曲形粗糙表面。这些结构性构件是作为适当的热物质以吸收所反射的能量，并且众多的内部扩散反射可确保受阻挡的光束不会准直回溯反射返回到该激光头12。在一受压状态下，该气动式圆柱物162收缩并借此将该快门片160移离于该激光束路径。这些伸展及收缩位置是由一磁簧切换器170所感测，并馈送至该系统控制计算机(图中未标出)。

使用一气动式致动器可将废热的产生最小化，并且并入一整合式光束弃置器可提供一种精简设计。该激光快门机制并未并入正常使用过程中受曝于该激光辐射时会出气放出对于该激光光学系统10内光学构件造成损害的污染物的材料。在激光轨线组件及校准过程中，该激光快门是完全地以人工方式操作。可通过本激光快门设计以获致组件过程中的简易人工操作的优点。

熟知本项技艺的人士确可显知可对上述具体实施例的细节进行众多变化，而不致悖离本发明的基础原理。因此，本发明范围应仅由权利要求范围所决定。

Claims (6)

1.一种光束路径导引组件，该组件包含：

一光学构件架置器，其具有一内部范围，在其中一光束可沿一光束路径而传送；

一光学构件，其具有一光束接收表面，而放置在该内部范围之内以与该光束路径相交，因此在该内部范围之内传播的光束会入射于该光束接收表面上；以及

一气体扩散器，其与该光学构件架置器流体相通，借此在该内部范围内递送一扩散气体流而流经该光束接收表面，其中该扩散器是经组态设定以按一足够速率散布该气体流，以防止污染物累积于该光束接收表面上，而同时不会显著地扰动在该内部范围内传播的光束的稳定性。

2.根据权利要求1所述的组件，其中该气体扩散器是放置在该光学构件架置器之内，并且与该内部范围直接地流体相通。

3.根据权利要求1所述的组件，进一步包含一气体注入埠口，其与一构成于该光学构件架置器内的气流通道以及该内部范围内的开口流体相通，该气体注入埠口是隔离于该光学构件，借以防止出现因应于操控一向该气体注入埠口提供气体供应的外部气体递送导管而致生的光束接收表面位移。

4.根据权利要求1所述的组件，其中该光学构件具有一种改变入射于该光束接收表面上的光束的传播方向的型态。

5.根据权利要求4所述的组件，其中该光学构件含有一反射镜。

6.根据权利要求4所述的组件，其中该光学构件含有一光束衰减器。

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