CN103831529A

CN103831529A - 激光加工设备

Info

Publication number: CN103831529A
Application number: CN201310586004.8A
Authority: CN
Inventors: 李道炯; 李忠浩; 尹盛湜; 朴东真
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Samsung Display Co Ltd
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Samsung Display Co Ltd
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: TW201427786A; TWI635923B; CN103831529B; KR102208818B1; US20140177055A1; KR20140064475A; US9643280B2

Abstract

本发明提供一种激光加工设备。所述激光加工设备包括：激光发生器，用于产生激光束；衍射光学元件，用于将由所述激光发生器产生的激光束分为多束子激光束；光束间距调节器，用于调节所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。因此，通过安装用于将由所述激光发生器产生的激光束分为多束子激光束的衍射光学元件和用于调节所述多束子激光束之间的间距的光束间距调节器，所述激光加工设备可在荫罩中形成各种分辨率的加工图案，同时提高所述荫罩的加工速率。

Description

激光加工设备

技术领域

所描述的技术主要涉及一种可调节多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距的激光加工设备。

背景技术

湿蚀刻法作为制造用于沉积有机发光二极管(OLED)显示器的有机材料的荫罩（shadow mask）的一种方法经常被使用。然而，在利用湿蚀刻法制造荫罩的方法中，由于湿蚀刻的不均匀性，导致难以制造精致图案的荫罩，并且由于图案的侧表面形状以特定的形式形成，所以荫罩不能具有宽的沉积角度。另外，当制造大尺寸的荫罩时，由于轧制技术的限制，导致钢板的厚度增加且湿蚀刻时间延长，因此所述图案具有不均匀的形式。

为了克服湿蚀刻的这一问题，利用激光加工设备的制造荫罩的方法被提出。然而，在利用激光加工设备的制造荫罩的方法中，当利用单束激光束进行加工时，需要大量的时间来制造荫罩。当利用衍射光学元件(DOE)将激光束分开并处理成多束激光束时，荫罩的生产时间会缩短，但是由于激光束之间的间距是固定的，所以难以制造各种分辨率的荫罩。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对描述的技术的背景的理解，因此上述信息可能包含不够成现有技术的信息。

发明内容

已经描述的技术是为了提供一种具有快速生产各种分辨率的荫罩的优点的激光加工设备。

根据本发明的一方面，提供一种激光加工设备，所述激光加工设备包括：激光发生器，用于产生激光束；衍射光学元件(DOE)，用于将由所述激光发生器产生的激光束分为多束子激光束；光束间距调节器，用于调节所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。

所述光束间距调节器可包括：像变光学系统，用于仅仅沿着垂直于所述子激光束的传播方向的一个方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距；变焦光学系统，用于沿着均垂直于子激光束的传播方向的两个不同的交叉的方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。所述像变光学系统可包括一对棱柱透镜。所述像变光学系统还可包括：旋转单元，用于通过旋转所述一对棱柱透镜而调节所述一对棱柱透镜的倾斜角；控制器，用于控制所述旋转单元的操作。

所述激光加工设备还可包括：像差校正光学系统，用于根据所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的相对位置来校正像差。所述像差校正光学系统可包括：第一像差校正光学系统，被布置在所述像变光学系统和所述变焦光学系统之间，并且位于子激光束的传播路径上；第二像差校正光学系统，被布置在所述变焦光学系统的后侧，并且位于子激光束的传播路径上。

所述光束间距调节器可包括：第一像变光学系统，沿着垂直于所述子激光束的传播方向的一个方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距；第二像变光学系统，沿着与所述一个方向交叉并垂直于所述子激光束的传播方向的第二方向改变已经穿过所述第一像变光学系统的多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。所述第一像变光学系统可包括一对第一棱柱透镜，第二像变光学系统可包括一对第二棱柱透镜，所述第一棱柱透镜和所述第二棱柱透镜可彼此正交。所述激光加工设备还可包括：像差校正光学系统，用于根据所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的相对位置来校正像差。

所述像差校正光学系统可包括：第一像差校正光学系统，被布置在所述第二像变光学系统的后侧，并且位于所述子激光束的传播路径上；第二像差校正光学系统，被布置在所述第一像差校正光学系统的后侧，并且位于所述子激光束的传播路径上。所述DOE可基于垂直于所述子激光束的传播方向的不同方向而产生多束子激光束中的相邻子激光束之间的不同大小的间距。所述光束间距调节器可包括：变焦光学系统，用于沿着垂直于所述子激光束的传播方向的所有方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。所述激光加工设备还可包括：像差校正光学系统，用于根据所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的相对位置校正像差。所述像差校正光学系统可包括：第一像差校正光学系统，被布置在所述变焦光学系统的前侧，并且位于所述子激光束的传播路径上；第二像差校正光学系统，被布置在所述变焦光学系统的后侧，并且位于所述子激光束的传播路径上。

所述激光加工设备还可包括：高阶光束遮罩，用于移除所述多束子激光束中的高阶子激光束。所述激光加工设备还可包括：扩束器，被布置在所述DOE的前侧，以使得均匀强度的激光束进入到所述DOE中。所述多束子激光束中的每束沿着彼此平行的方向传播。

附图说明

通过参照下面的结合附图考虑的详细描述，本发明的更全面的理解及其附带的优点将变得更易于明白，同样也将变得更好理解，在附图中相同的标号表示相同或相似的部件，附图中：

图1是示出根据第一示例性实施例的激光加工设备的示意图；

图2是示出根据第一示例性实施例的激光加工设备的结构的框图；

图3是示出图2中的像变光学系统的透视图；

图4是示出图2中的像变光学系统的说明示图；

图5是示出图2中的变焦光学系统的说明示图；

图6是示出图2中的像差校正光学系统的说明示图；

图7是示出图2中的光束间距调节器的特定使用示例的示图；

图8是示出根据第二示例性实施例的激光加工设备的结构的框图；

图9是示出图8中的光束间距调节器的特定使用示例的示图；

图10是示出根据第三示例性实施例的激光加工设备的结构的框图；

图11是示出图10中的DOE和光束间距调节器的特定使用示例的示图。

<标号的描述>

100：激光发生器 200：分束光学系统

210：DOE 220：光束间距调节

220a：像变光学系统 220b：变焦光学系统

221：光束间距调节器 221a：第一像变光学系统

221b：第二像变光学系统 230：扩束器

240：高阶光束遮罩 250：像差校正光学系统

251：第一像差校正光学系统

252：第二像差校正光学系统

260：扫描仪 270：物镜

300：工作台

具体实施方式

以下将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。本领域技术人员应该了解，所描述的实施例可以以所有不脱离本发明的精神或范围的各种不同的方式被实施。附图和描述实际上应该被认为是说明性的，而不是限制性的。贯穿说明书，相同的标号表示相同的元件。

以下将参照图1至图6对根据第一示例性实施例的激光加工设备进行详细地描述。图1是示出根据第一示例性实施例的激光加工设备的示意图，图2是示出根据第一示例性实施例的激光加工设备的结构的框图，图3是示出图2中的像变光学系统（anamorphic optical system）的透视图，图4是示出图2中的像变光学系统的说明示图，图5是示出图2中的变焦光学系统的说明示图，图6是示出图2中的像差校正光学系统的说明示图。

如图1和图2中所示，所述激光加工设备包括：激光发生器100，用于产生激光束1；分束光学系统200，用于将激光束1分为彼此平行地沿着Z轴传播的多束子激光束2，并调节多束子激光束2中的邻近的子激光束2的间距；工作台300；加工对象3，利用子激光束2对加工对象3进行加工，并且可调节加工对象3的位置。分束光学系统200包括：衍射光学元件（DOE）210，用于将激光束1分为多束子激光束2；光束间距调节器220，用于调节多束子激光束2中的相邻子激光束之间的间距。

加工对象3可以是用于沉积OLED显示器的有机材料的荫罩3。激光发生器100可以是皮秒(即10^-12)激光发生器或者飞秒(即10^-15)至微秒(即10^-6)激光发生器。皮秒激光发生器利用几皮秒的脉冲而使得从加工对象3到激光加工部分的外围的热传递和热变形达到最小化，并且将加工对象3加工成高精度的形状（即，具有2μm内的误差的形状）。

分束光学系统200包括：衍射光学元件（DOE）210，用于将由激光发生器100产生的激光束1分成多束子激光束2；光束间距调节器220，用于调节多束子激光束2中的相邻子激光束2之间的间距。另外，分束光学系统200包括：扩束器230，被设置在DOE210的前侧；高阶光束遮罩240，用于移除多束子激光束2中的高阶子激光束；像差校正光学系统250，根据多束子激光束2中的相邻子激光束之间的相对位置校正像差；扫描仪260，改变子激光束2的传播路径；物镜270，被设置在加工对象3的前侧，并使多束子激光束2的焦点位于加工对象3的表面上。

扩束器230扩展激光束1，以使均匀强度的激光束1进入DOE210的输入单元。DOE210包括衍射光栅，并利用衍射现象将激光束1分为多束子激光束2。因此，通过使用多束子激光束2对作为加工对象的荫罩3进行加工，可提高加工速率。

高阶光束遮罩240移除由DOE210不必要地产生的高阶子激光束2，并且高阶光束遮罩240可被设置在子激光束2的传播路径中的任何地方。也就是说，高阶光束遮罩240可被设置在DOE210后侧的任何地方。

光束间距调节器220包括：像变光学系统220a，用于仅仅沿着部分方向（即，仅仅沿着垂直于传播方向的一个方向）改变多束子激光束2之间的间距；变焦光学系统220b，用于沿着所有的方向（即，沿着垂直于光的传播方向的所有方向）同时改变多束子激光束2之间的间距。

如图3中所示，像变光学系统220a包括：一对棱柱透镜22；旋转单元21，用于支撑棱柱透镜22，并通过棱柱透镜22旋转而调节倾斜角α1和α2；控制器23，用于控制旋转单元21的操作。

一对棱柱透镜22具有有均匀截面的四边柱形，并以交替地形式设置，利用折射定律通过两次折射而发射出的子激光束2之间的间距不同于被施加到一对棱柱透镜的子激光束2之间的间距。旋转单元21可以使用压电旋转定位器，但不限于压电旋转定位器，并且可以使用各种旋转驱动装置来替代。

如图4中所示，通过调节棱柱透镜22a的倾斜角α1和另一棱柱透镜22b的倾斜角α2，可改变施加到像变光学系统220a的多束子激光束2之间的沿着一个轴方向的间距。在图4中，施加到像变光学系统220a的多束子激光束2中的相邻子激光束2之间的间距是d1，从像变光学系统220a出射的多束子激光束2中的相邻子激光束2之间的间距是d2并呈现为扩展状态。以这种方式，像变光学系统220a沿着一个轴方向(即，X轴方向或者Y轴方向)改变多束子激光束2之间的间距。

如图5中所示，变焦光学系统220b包括多个组成透镜L1、L2和L3。在保持多束子激光束2的传播方向的同时，通过改变组成透镜L1、L2和L3的位置，可以调节子激光束2之间的间距。图5中示出了这样的状态：入射的子激光束的每个间距d2是相同的间距，通过变焦光学系统220b的组成透镜L1和L2的位置的调节，出射的子激光束2之间的间距d3逐渐减小。当组成透镜L1、L2和L3中的每个的位置变化时，子激光束2到达组成透镜L1、L2、和L3的位置（距中心轴C的距离）被改变，因此，已经穿过变焦光学系统220b的子激光束2之间的间距d3沿着垂直于传播方向的所有方向变化。

以这种方式，通过利用仅仅沿着垂直于传播方向的部分方向（或一个方向）改变多束子激光束2中的相邻子激光束之间的间距的像变光学系统220a以及沿着垂直于传播方向的所有方向（即，沿着X轴和Y轴方向）同时改变多束子激光束2中的相邻子激光束之间的间距的变焦光学系统220b，可对多束子激光束2中的相邻子激光束之间的间距进行各种改变。

因此，各种分辨率的加工图案可以被快速地形成在作为加工对象的荫罩3上，并且因为荫罩3被安装在框架上并在框架上延伸，所以当荫罩3的开口应该沿着部分方向变形时，利用包括像变光学系统220a和变焦光学系统220b的光束间距调节器220，将子激光束2的间距调节为对应于荫罩的变形的开口图案。

如图2至图6所示，像差校正光学系统250包括：第一像差校正光学系统251，沿着子激光束2的传播路径被设置在像变光学系统220a和变焦光学系统220b之间；第二像差校正光学系统252，沿着子激光束2的传播路径被设置在变焦光学系统220b的后侧。通过根据多束子激光束2之间的相对位置而减小像差，像差校正光学系统250使得子激光束2更好地聚焦到加工对象3的表面上。

通过快速地改变子激光束2的传播路径，扫描仪260在容易地绘制加工对象3中的荫罩的开口的同时进行加工。

现在转到图7，图7是示出图2中的光束间距调节器的特定使用示例的示图。如图7中所示，已经穿过DOE210的多束子激光束2的光束间距d1x和d1y在X轴方向和Y轴方向上是相同的。随着多束子激光束2穿过像变光学系统220a，仅X轴方向上的光束间距d2x增大，Y轴方向上的光束间距d1y保持不变。随着多束子激光束2穿过变焦光学系统220b，X轴方向和Y轴方向上的光束间距d3x和d2y都增大。以这种方式，分别利用像变光学系统220a和变焦光学系统220b，多束子激光束2之间的间距首先沿着一个方向被调节，然后沿着所有方向被调节。

在第一示例性实施例中，利用像变光学系统和变焦光学系统来调节多束子激光束2之间的间距，但是第二示例性实施例可以这样被执行：利用可沿着不同方向调节光束间距的两个像变光学系统来调节多束子激光束之间的间距。

以下将参照图8和图9对根据第二示例性实施例的激光加工设备进行详细地描述。现在转到图8，图8是示出根据第二示例性实施例的激光加工设备的结构的框图。仅仅除了光束间距调节器的结构之外，第二示例性实施例与图1至图7中示出的第一示例性实施例基本相同，因此将省略对相同组件的重复描述。

如图8中所示，根据第二示例性实施例的激光加工设备的分束光学系统200包括：DOE210，将由激光发生器100产生的激光束1分成多束子激光束2；光束间距调节器221，用于调节多束子激光束2中的相邻子激光束2之间的间距。

光束间距调节器221包括：第一像变光学系统221a，沿着垂直于传播方向的一个方向改变多束子激光束2之间的间距；第二像变光学系统221b，沿着与所述一个方向交叉并垂直于传播方向的另一方向改变已经穿过第一像变光学系统221a的多束子激光束2之间的间距。

第一像变光学系统221a包括一对第一棱柱透镜，第二像变光学系统221b也包括一对第二棱柱透镜，第一棱柱透镜和第二棱柱透镜彼此正交。因此，随着光沿着Z轴方向传播，第一像变光学系统221a沿着X轴方向改变多束子激光束2之间的间距，第二像变光学系统221b沿着Y轴方向改变多束子激光束2之间的间距，从而可以对多束子激光束2之间的间距进行各种改变。

像差校正光学系统250包括：第一像差校正光学系统251，沿着子激光束2的传播路径被设置在第二像变光学系统221b的后侧；第二像差校正光学系统252，沿着子激光束2的传播路径被设置在第一像差校正光学系统251的后侧。通过根据多束子激光束2之间的相对位置而减小像差，像差校正光学系统250使得全部子激光束2的聚焦形成在加工对象3的表面上。

现在转到图9，图9是示出图8中的光束间距调节器的特定使用示例的示图。如图9中所示，已经穿过DOE210的多束子激光束2的光束间距d1x和d1y在X轴方向和Y轴方向上是相同的。随着多束子激光束2穿过第一像变光学系统221a，仅X轴方向上的光束间距d2x增大，Y轴方向上的光束间距d1y保持不变。随着多束子激光束2穿过第二像变光学系统221b，仅Y轴方向上的光束间距d2y增大，X轴方向上的光束间距d2x保持不变。以这种方式，利用可沿着垂直于光的传播方向的不同方向改变光束间距的第一像变光学系统221a和第二像变光学系统221b，多束子激光束2之间的间距可首先沿着第一方向被调节，然后沿着与第一方向交叉的第二方向被调节。

在第一示例性实施例中，利用像变光学系统和变焦光学系统来调节多束子激光束2之间的间距，但是形成子激光束的第三示例性实施例可被这样执行：利用DOE，子激光束2之间的间距沿着一个方向不同，然后利用变焦光学系统沿着垂直于光的传播方向的所有方向调节多束子激光束2之间的间距。

以下将参照图10和图11对根据第三示例性实施例的激光加工设备进行详细地描述。现在转到图10，图10是示出根据第三示例性实施例的激光加工设备的结构的框图。除了DOE和光束间距调节器的结构之外，第三示例性实施例与图1至图7中示出的第一示例性实施例基本相同，因此将省略对其相同组件的重复描述。

如图10中所示，根据第三示例性实施例的激光加工设备的分束光学系统200包括：DOE210，将由激光发生器100产生的激光束1分成多束子激光束2；光束间距调节器（即，变焦光学系统）222，用于调节多束子激光束2的间距。在图10和图11中的第三实施例中，DOE210沿着X轴方向而不是沿着Y轴方向产生多束子激光束2中的相邻子激光束2之间的不同间距。

具体地，因为荫罩3被安装在框架上并在框架上延伸，所以当荫罩3的开口应该沿着部分方向变形时，通过不同地形成DOE210的衍射图案的间距，可将子激光束2之间的间距调节为对应于所述荫罩的变形的开口图案。

光束间距调节器222包括用于沿着垂直于传播方向的所有方向同时改变多束子激光束2之间的间距的变焦光学系统222。像差校正光学系统250包括：第一像差校正光学系统251，被设置在变焦光学系统222的前侧并位于子激光束2的传播路径上；第二像差校正光学系统252，被设置在变焦光学系统222的后侧并位于子激光束2的传播路径上。通过根据多束子激光束2之间的相对位置而减小像差，像差校正光学系统250使得子激光束2到加工对象3的表面上的聚焦得到改善。

现在转到图11，图11是示出图10中的DOE和光束间距调节器的特定使用示例的示图。如图11中所示，已经穿过DOE210的多束子激光束2在X轴方向上的光束间距d2x不同于在Y轴方向上的光束间距d1y。这是因为DOE210不同地形成多束子激光束2之间的间距。

随着多束子激光束2穿过变焦光学系统222，X轴方向上的光束间距d3x和Y轴方向上的光束间距d2y都增大。以这种方式，利用DOE210和变焦光学系统222，可沿着垂直于光束的传播方向的一个方向或者每个方向调节多束子激光束2之间的间距。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是应该理解的是，本发明并不限于公开的实施例，然而，相反的是，本发明意在覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种修改及其等同布置。

Claims

1.一种激光加工设备，包括：

激光发生器，用于产生激光束；

衍射光学元件(DOE)，用于将由所述激光发生器产生的激光束分为多束子激光束；

光束间距调节器，用于调节所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。

2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述光束间距调节器包括：

像变光学系统，用于仅仅沿着垂直于所述子激光束的传播方向的一个方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距；

变焦光学系统，用于沿着均垂直于所述子激光束的传播方向的两个不同的交叉的方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。

3.根据权利要求2所述的激光加工设备，其中，所述像变光学系统包括一对棱柱透镜。

4.根据权利要求3所述的激光加工设备，其中，所述像变光学系统还包括：

旋转单元，用于通过旋转所述一对棱柱透镜而调节所述一对棱柱透镜的倾斜角；

控制器，用于控制所述旋转单元的操作。

5.根据权利要求2所述的激光加工设备，所述激光加工设备还包括：像差校正光学系统，用于根据所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的相对位置来校正像差。

6.根据权利要求5所述的激光加工设备，其中，所述像差校正光学系统包括：

第一像差校正光学系统，被布置在所述像变光学系统和所述变焦光学系统之间，并且位于所述子激光束的传播路径上；

第二像差校正光学系统，被布置在所述变焦光学系统的后侧，并且位于所述子激光束的传播路径上。

7.根据权利要求1所述的激光加工设备，其中，所述光束间距调节器包括：

第一像变光学系统，沿着垂直于所述子激光束的传播方向的一个方向改变所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距；

第二像变光学系统，沿着与所述一个方向交叉并垂直于所述子激光束的传播方向的第二方向改变已经穿过所述第一像变光学系统的多束子激光束中的相邻子激光束之间的间距。

8.根据权利要求7所述的激光加工设备，其中，所述第一像变光学系统包括一对第一棱柱透镜，第二像变光学系统包括一对第二棱柱透镜，所述第一棱柱透镜和所述第二棱柱透镜彼此正交。

9.根据权利要求7所述的激光加工设备，所述激光加工设备还包括：像差校正光学系统，用于根据所述多束子激光束中的相邻子激光束之间的相对位置来校正像差。

10.根据权利要求9所述的激光加工设备，其中，所述像差校正光学系统包括：

第一像差校正光学系统，被布置在所述第二像变光学系统的后侧，并且位于所述子激光束的传播路径上；

第二像差校正光学系统，被布置在所述第一像差校正光学系统的后侧，并且位于所述子激光束的传播路径上。