CN106271089B - 一种激光薄膜刻蚀装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光薄膜刻蚀装置及方法，装置包括：用于发射超快激光的激光器；对激光进行扩束的扩束装置；用于控制光束透过的光阑；驱动激光扫描的振镜，场镜以及工控机；其中，在所述工控机的控制下，所述激光器发射激光，激光依次经过所述扩束装置，振镜以及场镜作用位于加工平台上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀。本发明的激光薄膜刻蚀装置及方法，采用真空装置将工件在真空下加工，防止沉渣对后续性能的影响，同时将激光输出为脉冲串模式，防止普通激光高斯分布导致边缘质量差的问题，并且选择合适波长的激光，在实现快速刻蚀的要求下，保护基底不受损伤。

Description

一种激光薄膜刻蚀装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工设备技术领域，尤其涉及一种激光薄膜刻蚀装置及方法。
背景技术
纳米级的功能性薄膜已广泛应用于日常的消费电子之中，根据应用需求具有导电、增透、防腐等功能，如手机显示屏表面的ITO导电膜，以及各种光学镜头表面的增透和增反膜，通常采用溅射的方式沉积于硅或玻璃等基底，在实际应用中很多情况下都需要对薄膜进行刻蚀，同时要求对基底材料的损伤越低越好，常用的机械加工难以完成厚度数百纳秒的薄膜的刻蚀，而化学腐蚀所采用的溶液会对环境造成污染。而常规的激光加工采用激光直接对薄膜进行烧蚀，存在以下问题：(1)工业生产中，对于大幅面加工，要求激光高速单次扫描便可完成加工，这就需要较高的激光能量密度，而较高的激光能量密度会产生较强的熔融物飞溅，这些熔渣堆积在刻槽两侧和底部，会严重影响薄膜器件后续的性能；(2)激光束高斯分布的特征难以获得陡峭的刻蚀边缘；(3)加工过程中伴随的热效应容易对基底材料产生损伤，同时激光刻蚀区域两侧的薄膜容易出现裂纹。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光薄膜刻蚀装置及方法，用于解决现有激光加工装置对薄膜刻蚀边缘质量差且易损伤工件基底的技术问题。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：
本发明的一种激光薄膜刻蚀装置，其包括：用于发射超快激光的激光器；对激光进行扩束的扩束装置；用于控制光束透过的光阑；驱动激光扫描的振镜，场镜以及工控机；其中，在所述工控机的控制下，所述激光器发射激光，激光依次经过所述扩束装置、光阑、振镜以及场镜作用位于加工平台上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀。
其中，所述的加工平台上还设有一真空装置，待加工的工件位于所述真空装置内以使工件形成真空刻蚀环境。
其中，所述激光器根据待加工的工件基底与表面薄膜的特性，波长为：对表面薄膜吸收率小于20％，对基底的吸收率大于50％。
其中，所述的激光器发射激光的模式为脉冲串。
其中，所述的脉冲串模式为：将单个高能量激光脉冲分解为三个及以上的连续脉冲串。
其中，所述的振镜为3D振镜。
一种激光薄膜刻蚀方法，其包括以下步骤：
第一步，将待加工的工件放置位于加工平台上的真空装置内；
第二步，开启真空装置，使工件处于真空环境中；
第三步，开启激光器，并将激光器调整至脉冲串模式，对工件进行扫描刻蚀。
其中，所述激光器发射的激光为超快激光，激光波长根据工件的基底及表面薄膜特性选择为：对表面薄膜吸收率低于20％，对基底的吸收率大于50％。
其中，所述激光器发射的激光经过一光路系统调节后作用于工件，所述光路系统包括：对激光进行扩束的扩束装置；用于控制光束透过的光阑；驱动激光扫描的振镜，场镜以及工控机；其中，在所述工控机的控制下，所述激光器发射激光，激光依次经过所述扩束装置、光阑、振镜以及场镜作用位于加工平台上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀。
其中，所述的脉冲串模式为：将单个高能量激光脉冲分解为三个及以上的连续脉冲串。
本发明公开的激光薄膜刻蚀装置及方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，采用真空装置将工件在真空下加工，防止沉渣对后续性能的影响，同时将激光输出为脉冲串模式，防止普通激光高斯分布导致边缘质量差的问题，并且选择合适波长的激光，在实现快速刻蚀的要求下，保护基底不受损伤。
附图说明
图1为本发明激光薄膜刻蚀装置的功能模块框图。
图2为本发明激光薄膜刻蚀装置的普通激光脉冲示意图。
图3为本发明激光薄膜刻蚀装置的脉冲串模式脉冲示意图。
图4为本发明激光薄膜刻蚀方法的流程图。
具体实施方式
以下参考附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
请参阅附图1至图3，在本实施例中，该激光薄膜刻蚀装置，其包括：用于发射超快激光的激光器1；对激光进行扩束的扩束装置2；用于控制光束透过的光阑3；驱动激光扫描的振镜4，场镜5以及工控机8；其中，在所述工控机8的控制下，所述激光器1发射激光，激光依次经过所述扩束装置2，振镜4以及场镜5作用位于加工平台7上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀。
其中，对于大幅面加工，要求激光高速单次扫描便可完成加工需要较高的激光能量密度，而较高的激光能量密度会产生较强的熔融物飞溅，这些熔渣堆积在刻槽两侧和底部，会严重影响薄膜器件后续的性能，因此，所述的加工平台7上还设有一真空装置6，待加工的工件位于所述真空装置6内以使工件形成真空刻蚀环境。
加工过程中伴随的热效应容易对基底材料产生损伤，同时激光刻蚀区域两侧的薄膜容易出现裂纹。因此，所述激光器1根据待加工的工件基底与表面薄膜的特性，波长为：对表面薄膜吸收率小于20％，对基底的吸收率大于50％。通常情况下数百纳米厚的功能性薄膜对于特定波长的激光具有较强的透过性，因此，在采用激光进行加工时，通过选择薄膜吸收率较低而基板具有较高吸收率的激光波长，可使激光透过薄膜聚焦于薄膜与基板的交界处，当超快激光直接作用于基板时，瞬间使微量基板材料气化，在狭小的空间内气体迅速膨胀，可使功能性薄膜脱离材料表面，达到加工去除的目的。
由于激光束高斯分布的特征难以获得陡峭的刻蚀边缘，所述的激光器1发射激光的模式为脉冲串。
其中，请再次参阅附图2和附图3，所述的脉冲串模式为：将单个高能量激光脉冲分解为三个及以上的连续脉冲串。更具体的，所谓脉冲串即Burst mode，当激光以普通方式输出时其脉冲分布如图2所示，相邻脉冲间的时间间隔由脉冲频率来决定。而采用脉冲串模式输出时，如图3，激光器总的功率输出不变，单个高能量脉冲分解为连续的多个低能量脉冲，低能量脉冲的脉宽与高能量脉冲相同，能量总和也与高能量脉冲相同，在脉冲串内，相邻脉冲间的间隔为10-100ns。
在实际生产中，当激光在普通模式下对薄膜进行刻蚀时，存在以下问题：工业生产中要求单个脉冲便可完成薄膜的完全除去，但由于激光脉冲高斯光束的特性，光斑边缘处仍然存在薄膜的残留；而光斑中心处由于激光能量较高，不仅使薄膜完全除去，基板也受到一定程度地损伤；由于激光单个脉冲能量较高，多个光斑耦合刻蚀直线时容易产生热积累，导致热效应边缘的产生；能量密度较高时产生的等离子也较强，加工过程中会对激光能量产生屏蔽，降低刻蚀效率。
而采用脉冲串的方式输出时，当保持激光输出功率、频率和其他参数不变的情况下，随着脉冲串中脉冲个数的增加，可解决以上问题：随着脉冲能量的减小，单个光斑内能量密度的梯度差减小，能量分布的均匀性增强，可减小高斯分布刻蚀不均匀的缺陷，因此，随着脉冲串中脉冲个数的增加，刻蚀均匀性不断增加，当脉冲数大于4时，多个低能量的脉冲在数百纳秒的时间内对同一位置处的材料进行去除，激光作用区域内的薄膜被完全去除；当采用脉冲串的方式输出时，光斑中心处的激光能量密度减小，减小了基底的损伤程度，同时减小了加工过程中的热效应，避免热效应边缘的产生；但采用脉冲串模式输出时，减小了激光等离子体的强度，提高了激光能量的利用效率。
在本实施例中，所述的振镜4为3D振镜。
请参阅附图4，本实施例还公开了一种激光薄膜刻蚀方法，其包括以下步骤：
第一步S1，将待加工的工件放置位于加工平台上的真空装置内；
第二步S2，开启真空装置，使工件处于真空环境中；
第三步S3，开启激光器，并将激光器调整至脉冲串模式，对工件进行扫描刻蚀。
其中，所述激光器发射的激光为超快激光，激光波长根据工件的基底及表面薄膜特性选择为：对表面薄膜吸收率低于20％，对基底的吸收率大于50％。
其中，所述激光器发射的激光经过一光路系统调节后作用于工件，所述光路系统包括：对激光进行扩束的扩束装置；用于控制光束透过的光阑；驱动激光扫描的振镜，场镜以及工控机；其中，在所述工控机的控制下，所述激光器发射激光，激光依次经过所述扩束装置，振镜以及场镜作用位于加工平台上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀。
其中，所述的脉冲串模式为：将单个高能量激光脉冲分解为三个及以上的连续脉冲串。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种激光薄膜刻蚀装置，其特征在于，包括：用于发射超快激光的激光器；对激光进行扩束的扩束装置；用于控制光束透过的光阑；驱动激光扫描的振镜，场镜以及工控机；其中，在所述工控机的控制下，所述激光器发射激光，激光依次经过所述扩束装置、光阑、振镜以及场镜作用在位于加工平台上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀，其中，所述的加工平台上还设有一真空装置，待加工的工件位于所述真空装置内以使工件形成真空刻蚀环境，所述激光器根据待加工的工件基底与表面薄膜的特性，波长为：对表面薄膜吸收率小于20％，对基底的吸收率大于50％，所述的激光器发射激光的模式为脉冲串，所述的脉冲串模式为：将单个高能量激光脉冲分解为三个及以上的连续脉冲串，所述的振镜为3D振镜。
2.一种激光薄膜刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将待加工的工件放置位于加工平台上的真空装置内；
第二步，开启真空装置，使工件处于真空环境中；
第三步，开启激光器，并将激光器调整至脉冲串模式，对工件进行扫描刻蚀；其中，所述激光器发射的激光为超快激光，激光波长根据工件的基底及表面薄膜特性选择为：对表面薄膜吸收率低于20％，对基底的吸收率大于50％，所述激光器发射的激光经过一光路系统调节后作用于工件，所述光路系统包括：对激光进行扩束的扩束装置；用于控制光束透过的光阑；驱动激光扫描的振镜，场镜以及工控机；其中，在所述工控机的控制下，所述激光器发射激光，激光依次经过所述扩束装置、光阑、振镜以及场镜作用位于加工平台上的表面设有薄膜的工件上，进行薄膜刻蚀，所述的脉冲串模式为：将单个高能量激光脉冲分解为三个及以上的连续脉冲串。
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