CN101980816A - 借牺牲保护构件的激光微加工 - Google Patents

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Abstract

激光加工一工件(110)的一工作表面(108)上的一目标位置(106)处的一小特征。指引一沿着一射束路径传播的激光束(104)以入射于该工作表面(108)上的该目标位置(106)处以加工该小特征。在该射束路径中在距该工作表面(108)一短工作距离(x1)处设定一聚焦透镜(112)，该聚焦透镜(112)经设定大小以将该激光束(104)会聚于该工作表面(108)上，以激光加工该小特征且借此自该工件朝向该聚焦透镜往回喷射目标材料。一定位于该聚焦透镜(112)与该工作表面(108)之间的牺牲保护构件(114)在未有可感知的失真或吸收的情况下传递由该聚焦透镜(112)聚焦且入射于该工作表面(108)上的该激光束(104)。该牺牲保护构件(114)截断该喷出目标材料以防止一足够量的材料到达且借此可感知地污染该聚焦透镜(112)。

Description

借牺牲保护构件的激光微加工
技术领域
本揭示案描述一种激光微加工系统，其包括一透镜及一用以防止该透镜有可感知的污染的牺牲保护构件。
背景资讯
一习知激光微加工系统包括一将激光束聚焦于工件的工作表面上的目标位置处的透镜。经聚焦的激光束将材料自该工件移除且产生在朝向该透镜的方向上射出的喷出目标材料。一习知系统将透镜定位于足够远离工件的工作距离处(例如，50毫米(mm))，以使得无喷出目标材料的部分接触且污染透镜。
然而，在激光微加工的领域中，工件上的小加工特征是所要的。小加工特征需要具有高数值孔径(numerical aperture，NA)(例如，为1之NA)的透镜，以产生入射于工件的工作表面上的小的绕射受限的光点。因为该习知激光微加工系统的透镜定位于远的工作距离处以防止喷出目标材料到达透镜，所以习知系统使用具有大直径的聚焦透镜来达成高NA。举例而言，按照惯例，使用具有100毫米的直径、定位于50毫米的工作距离处的透镜来达成为1之NA。具有大直径的透镜引起高成本。
因此，存在对包括高NA透镜的激光微加工系统的需要，该高NA透镜比习知激光微加工系统的透镜小、低廉且定位于较近的工作距离处(该透镜不受喷出目标材料污染)。
揭露摘要
所揭示的较佳实施例执行对一工件的工作表面上的目标位置处的小特征的激光加工。指引沿着一射束路径传播的激光束以入射于该工件的工作表面上的目标位置处以加工该小特征。在该射束路径中且在距该工作表面一短工作距离处设定一聚焦透镜，该聚焦透镜经设定大小以将该激光束会聚于该工作表面上，以激光加工小特征且借此自工件朝向聚焦透镜往回喷射目标材料。定位于该聚焦透镜与该工件的工作表面之间的牺牲保护构件在未有可感知的失真或吸收的情况下传递由该聚焦透镜聚焦且入射于该工作表面上的激光束。该牺牲保护构件截断该喷出目标材料以防止一足够量的材料到达且借此可感知地污染该聚焦透镜。
此方法允许将一聚焦透镜设定于距一工件的工作表面一短工作距离处而未有可感知地受喷出目标材料污染。因为可将该聚焦透镜设定于一短工作距离处，所以该聚焦透镜可具有一小直径，且其特征可为一高NA及高效能(也即，小光点大小)。
额外态样及优点将自参看附随图式而进行的较佳实施例的以下详细描述而显而易见。
图式的简单说明
图1为较佳实施例的激光微加工系统的简化图。
图2a及图2b描绘根据第一实施例的激光微加工系统的可挠性片。
图3a及图3b描绘根据第二实施例的激光微加工系统的刚性片。
图4描绘根据第三实施例的激光微加工系统的保角涂层。
图5a及图5b分别展示较佳实施例的激光微加工系统与习知激光微加工系统之间的比较关系。
图6描绘用于较佳实施例的激光微加工系统中的多个激光束及多个相关联的透镜。
最佳实施例的详细描述
下文描述激光微加工系统的较佳实施例。在所描述的实施例中的每一者中，具有相同参考数字的系统组件执行相同功能。该激光微加工系统的较佳实施例包括一或多个透镜，其定位于距一工件的工作表面一足够短的工作距离处，该或该等透镜未有可感知地受该工件的喷出目标材料污染。
图1描绘包括一激光束源102的激光微加工系统100。激光束源102产生并发射沿着一射束路径(由射束轴线104′表示)传播以入射于一工件110的工作表面108上的目标位置106处的激光束104。激光束源102可为熟习此项技术者已知的任何类型的激光能产生装置。激光微加工系统100也可包括镜面(未图标)以改变该激光束104的射束路径(也即，激光束源102可处于不同于直接在目标位置106的上方的位置处)。激光微加工系统100包括一定位于该激光束104的射束路径中以将激光束104聚焦于目标位置106处的透镜112。透镜112将激光束104会聚于工作表面108上以激光加工小特征，该等小特征包括(例如)在约0.25微米(μm)与约50微米之间的范围内的特征尺寸。
透镜112可为能够将激光束104聚焦于目标位置106处的任何类型的会聚透镜。透镜112的直径可为任何大小，但较佳地，透镜112为具有小于100毫米的直径的小透镜。透镜112的直径由透镜112与工作表面108之间的工作距离x1及所要的NA判定。举例而言，若为1之NA为所要的且透镜112与工作表面108之间的工作距离x1为约25毫米，则透镜112的直径可为约50毫米。若透镜112与工作表面108之间的工作距离x1为约5毫米，则透镜112的直径可为约10毫米以达成为1之NA。对于一给定NA及一给定效能(也即，目标位置106处的光点大小)，透镜112的直径直接关于工作距离x1的改变而变化。透镜112的质量以直径的三次方且因此以工作距离x1的三次方来按比例调整。透镜112可为复合透镜系统中的多个透镜中的一者。透镜112可为经设计以连同一保护层一起操作的透镜。举例而言，透镜112可为用于光盘(compact disk，CD)及数字多功能光盘(digital versatile disk，DVD)技术类型的透镜，其经设计以通过于该CD或DVD上提供的一保护层而操作。
激光微加工系统100包括一定位于透镜112与工件110的工作表面108之间的牺牲保护构件114。在所展示的实施例中，牺牲保护构件114与工作表面108隔开。牺牲保护构件114传递由透镜112聚焦以在目标位置106处入射于工作表面108上的激光束104，而未有可感知地失真及吸收激光束104。牺牲保护构件114可对激光束104有光学影响，但当设计激光微加工系统100的透镜112及其它光学组件时，可补偿牺牲保护构件114的光学影响(也即，当与牺牲保护构件114一起使用时，透镜112可完全得到校正)。
在操作中，当激光束104在目标位置106处入射于工作表面108上时，激光束104将目标材料自目标位置106移除并产生在远离工作表面108且大体沿着射束路径的方向上射出的喷出目标材料。在沿着该射束路径的方向上射出的喷出目标材料意谓该喷出目标材料中的至少一些大体在朝向透镜112的方向上射出，使得无阻碍的喷出目标材料将接触并污染透镜112。牺牲保护构件114截断该喷出目标材料以防止该喷出目标材料到达并可感知地污染透镜112。牺牲保护构件114是牺牲性的，因为其对于每一工件仅使用一次，因为在激光束104产生该喷出目标材料之后，牺牲保护构件114的表面116包括嵌入的喷出目标材料，该嵌入的喷出目标材料可使得牺牲保护构件114在光学上不适合于与随后的工件一起使用(也即，牺牲保护构件114不可用于传递由透镜112聚焦于目标位置106处的激光束104)。现将根据以下实施例来更详细地描述牺牲保护构件114。
第一实施例
根据图2a及图2b中所描绘的第一实施例，牺牲保护构件114为可挠性片214。可挠性片214可为能够在未有可感知的失真或吸收的情况下传递激光束104的任何类型的透光材料。举例而言，视激光束104的波长及通量而定，诸如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚二氯亚乙烯(polyvinylidene chloride，PVDC)、光学等级聚氨酯(polyurethane，PU)、环烯烃聚合物/共聚物(cyclic olefinpolymer/copolymer，COP/COC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)及聚醚酰亚胺(polyetheramide，PEI)的聚合物将均为用于可挠性片214的优良候选者。举例而言，所有此等材料在可见及近红外级中为透光的，但仅某些等级的PMMA对350奈米透光，从而使得PMMA为用于355奈米激光的较佳选择。所有材料均相对便宜且以薄片形式即可用。PMMA、PS及烯烃具有高的内部透射率，使得其为用于高通量射束的较佳候选者，其中激光能的吸收可引起可挠性片214在其实现其目的之前被破坏。
参看图2a，可挠性片214通过一框架202而悬置于工作表面108的上方(也即，可挠性片214不接触工作表面108)。框架202亦将可挠性片214固持绷紧的。框架202可通过亦固持工件110的夹盘204而固持于适当位置中或连接至夹盘204。可挠性片214可具有大于工作表面108表面积的表面积。因为可挠性片214悬置于工作表面108的上方，所以可挠性片214可容纳大量喷出目标材料。可通过在可挠性片214与工作表面108之间具有一相对大的间隙距离D而将该喷出目标材料展布于表面116上的大面积上。或者，可使可挠性片214与工作表面108之间的间隙距离D相对小，以使得该喷出目标材料嵌入于表面116上对应于目标位置106的区域化位置206中，以防止嵌入的喷出目标材料干扰其它目标位置处的其它目标材料的移除。
或者，可挠性片214可接触工件110的工作表面108。参看图2b，可挠性片214铺设于工件110的工作表面108上且黏附至工件110的工作表面108。因为可挠性片214黏附至工作表面108，所以某些目标材料的喷射可受到实体阻碍且在接近目标位置106处保留于工作表面108上。因此，使可挠性片214黏附至工作表面108可最佳地适合于移除相对小量材料的情形。在悬置于上方或接触中的任一情形下，可容易地在处理工件110之后移除可挠性片214。
第二实施例
根据图3a及图3b中所描绘的第二实施例，牺牲保护构件114为刚性片314。刚性片314能够在未有可感知的失真或吸收的情况下传递激光束104的任何类型的透光材料。举例而言，视激光束104的波长及通量而定，玻璃或熔融硅石或诸如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚二氯亚乙烯、光学等级聚氨酯、环烯烃聚合物/共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚醚酰亚胺的聚合物均为用于刚性片314的优良候选者。举例而言，所有此等材料在可见及近红外级中为透光的，但仅熔融硅石及某些等级的PMMA对350奈米透光，使得熔融硅石或PMMA为用于355奈米激光的较佳选择。所有材料均相对便宜且以厚片形式即可用或可经射出成为所要的形状及厚度。熔融硅石、玻璃、PMMA、PS及烯烃具有高的内部透射率，使得其为用于高通量射束的较佳候选者，其中激光能的吸收可引起刚性片314在实现其目的之前被破坏。
参看图3a，刚性片314悬置于工作表面108的上方。刚性片314可通过一片支撑件302而悬置于工作表面108的上方。片支撑件302可连接至夹盘204或可为夹盘204的统一部分。又，刚性片314可悬置于工作表面108的上方，支撑于工作表面108外部的唇缘上，且通过真空压力或通过机械夹具而向下固持至夹盘204。通常，刚性片314具有大于工作表面108表面积的表面积。因为刚性片314悬置于工作表面108的上方，所以刚性片314可容纳大量喷出目标材料。可通过在刚性片314与工作表面108之间具有一相对大的间隙距离D而将该喷出目标材料展布于表面116上的大面积上。或者，可使刚性片314与工作表面108之间的间隙距离D相对小，以使得该喷出目标材料嵌入于表面116上对应于目标位置106的区域化位置306中，以防止嵌入的喷出目标材料干扰其它目标位置处的其它目标材料的移除。
或者，刚性片314可接触工件110的工作表面108。参看图3b，刚性片314铺设于工件110的工作表面108上。刚性片314通过真空压力或通过机械夹具而向下相抵于夹盘204而固持。因为刚性片314接触工作表面108，所以某一目标材料的喷射可受到实体阻碍且在接近目标位置106处保留于工作表面108上。因此，使刚性片314接触工作表面108可最佳地适合于移除相对小量材料的情形。在悬置于上方或接触中的任一情形下，可容易地在处理工件110之后移除刚性片314。
第三实施例
根据图4中所描绘的第三实施例，牺牲保护构件114为工件110的工作表面108上的保角涂层414。可通过蒸镀涂布制程(也即，聚对二甲苯涂布)或旋转涂布制程而将保角涂层414沉积于工作表面108上。保角涂层414可溶解于载剂中或应用于两部分制程(其中在工件110上发生聚合)中的类似于用于可挠性片214及刚性片314的材料的聚合物材料。在移除目标材料之后，可移除保角涂层414或将其留在工作表面108上。当移除小量材料时，保角涂层414可能为所要的，此因为：(i)保角涂层414可能不会使所有喷出目标材料隔离，(ii)保角涂层414可实体地阻碍目标材料的喷射，使某些目标材料留在目标位置106中，且(iii)保角涂层414的光学性质可在单一特征的移除处理期间降级，从而干扰稍后的移除阶段。
与习知激光微加工系统相比较，上文所描述的实施例呈现众多优点。图5a及图5b(未按比例绘制)分别展示较佳实施例的激光微加工系统100与习知激光微加工系统500的比较。举例而言，因为激光微加工系统100的牺牲保护构件114截断朝向透镜112射出的喷出目标材料，所以可将透镜112定位于比习知激光微加工系统500的工作距离x2短的工作距离x1处(例如，若工作距离x2等于x1，则喷出目标材料518将污染习知激光微加工系统500的透镜512)。换言之，工作距离x1可足够短，使得假如射出的喷出目标材料是无阻碍时其将到达透镜112。
又，因为透镜112可定位于近工作距离处，所以透镜112可比习知激光微加工系统500的透镜512小，同时仍达成高NA及高效能。作为较小透镜，透镜112可比透镜512便宜。透镜112亦可在重量上比透镜512轻，以使得可改良激光微加工系统100的透镜聚焦机构的动力学。又，因为透镜112比透镜512小，所以可提供在工件110上并行地操作的多个透镜112及激光束104，如图6中所描绘。
对于熟悉此项技术者而言，以下将为显然的：可在不偏离本发明的基本原理的情况下对上文所描述的实施例的细节进行许多改变。本发明的范畴因此应仅由以下申请专利范围来判定。

Claims (18)

1.一种建构一激光微加工系统(100)以激光加工一工件(110)的一工作表面(108)上的一目标位置(106)处的一小特征的方法，其包含：
指引一沿着一射束路径传播的激光束(104)以入射于一工件(110)的一工作表面(108)上的一目标位置(106)处，以加工该工件(110)的一小特征；
在该射束路径中且在距该工作表面(108)一短距离处设定一聚焦透镜(112)，该聚焦透镜(112)经设定大小以将该激光束(104)会聚于该工作表面(108)上以激光加工该小特征且借此自该工件(110)朝向该聚焦透镜(112)往回喷出目标材料；及
在该聚焦透镜(112)与该工件(110)的该工作表面(108)之间定位一牺牲保护构件(114)，该牺牲保护构件(114)在未有可感知的失真及吸收的情况下传递由该聚焦透镜(112)聚焦且入射于该工作表面(108)上的该激光束(104)，且该牺牲保护构件(114)截断该喷出目标材料以防止一足够量的材料到达并借此可感知地污染该聚焦透镜(112)。
2.如权利要求1的方法，进一步包含在距该工件(110)的该工作表面(108)一小于50毫米的距离处设定该聚焦透镜(112)。
3.如权利要求1的方法，进一步包含将该牺牲保护构件(114)悬置于该工件(110)的该工作表面(108)的上方，以使得该牺牲保护构件(114)不接触该工作表面(108)。
4.如权利要求1的方法，进一步包含将该牺牲保护构件(114)铺设于该工件(110)的该工作表面(108)的顶部上且与该工作表面(108)接触。
5.一种将目标材料自一工件(110)移除的激光微加工系统(100)，其包含：
一激光束源(102)，其发射一沿着一射束路径传播以入射于一工件(110)的一工作表面(108)上的一目标位置(106)处的激光束(104)，该激光束(104)在该目标位置(106)处将目标材料自该工件(110)移除且借此产生在一远离该工作表面(108)的方向上射出的喷出目标材料；
一透镜(112)，其定位于该射束路径中以将该激光束(104)聚焦于该工件(110)的该工作表面(108)上的该目标位置(106)处，该透镜(112)设定于距该工件(110)的该工作表面(108)一工作距离(x1)处，该工作距离(x1)足够短以准许无阻碍射出的喷出目标材料到达该透镜(112)；及
一牺牲保护构件(114)，其定位于该透镜(112)与该工件(110)的该工作表面(108)之间，该牺牲保护构件(114)在未有可感知的失真及吸收的情况下传递由该透镜(112)聚焦且入射于该工作表面(108)上的该激光束(104)，且该牺牲保护构件(114)截断该喷出目标材料以防止一足够量的材料到达并借此可感知地污染该透镜(112)。
6.如权利要求5的激光微加工系统(100)，其中该经截断的喷出目标材料嵌入于该牺牲保护构件(114)中且使该牺牲保护构件(114)不可用于传递由该透镜(112)聚焦于该目标位置(106)处的该激光束(104)。
7.如权利要求5的激光微加工系统(100)，其中该工作距离(x1)小于50毫米。
8.如权利要求5的激光微加工系统(100)，其中该牺牲保护构件(114)为一沉积于该工件(110)的该工作表面(108)上的保角涂层(414)。
9.如权利要求8的激光微加工系统(100)，其中该保角涂层(414)为一蒸镀涂布。
10.如权利要求8的激光微加工系统(100)，其中该保角涂层(414)为一旋转涂布。
11.如权利要求5的激光微加工系统(100)，其中该牺牲保护构件(114)为一刚性片(314)。
12.如权利要求11的激光微加工系统(100)，其中该工件(110)通过一夹盘(204)而固持于适当位置中，且该刚性片(314)接触该工作表面(108)且通过该夹盘(204)而向下相抵于该工作表面(108)而固持。
13.如权利要求11的激光微加工系统(100)，其中该工件(110)通过一夹盘(204)而固持于适当位置中，且该刚性片(314)通过一连接至该夹盘(204)的片支撑件(302)而悬置于该工作表面(108)的上方。
14.如权利要求5的激光微加工系统(100)，其中该牺牲保护构件(114)为一可挠性片(214)。
15.如权利要求14的激光微加工系统(100)，其中该可挠性片(214)接触且黏附至该工作表面(108)。
16.如权利要求14的激光微加工系统(100)，其中该工件(110)通过一夹盘(204)而固持于适当位置中，且该可挠性片(214)通过一连接至该夹盘(204)的框架(202)而悬置于该工作表面(108)的上方且固持绷紧的。
17.如权利要求5的激光微加工系统(100)，其中该透镜(112)为将多个激光束(104)中的一者聚焦于该工作表面(108)上的多个目标位置中的一者处的多个透镜中的一者，且该牺牲保护构件(114)传递该多个激光束(104)以入射于该多个目标位置处。
18.如权利要求5的激光微加工系统，其中牺牲保护构件(114)光学上影响该激光束(104)，且该透镜(112)经定位以考虑该牺牲保护构件(114)的该光学影响以使得该透镜(112)将该激光束(104)聚焦于该目标位置(106)处。
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