CN107004780B - 利用激光的三维图案化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用于利用激光使得由三维结构物构成的图案形成于被加工对象物，其利用激光对被加工对象物进行三维图案化，所述三维图案化方法包括：第一步骤，在上述被加工对象物上设置单位加工区域；第二步骤，激光束从上述单位加工区域的一个边界开始沿着第1扫描路径移动，直至到达上述单位加工区域的另一侧边界为止对包括在上述单位加工区域内的三维结构物进行加工；第三步骤，向下一步转换上述激光束的方向并移动步距大小的距离，从而移动至第2扫描路径；以及第四步骤，反复执行上述第二步骤和第三步骤，并沿着第n扫描路径完成激光束的移动，从而实现对整个单位加工区域的加工。
Description
技术领域
本发明用于利用激光使得由三维结构物(3D structure)构成的图案形成于被加工对象物，其涉及一种利用激光的三维图案化方法(three-dimensional patterningmethod)，该方法在被加工对象物上设置单位加工区域(unit processing area)，且在该单位加工区域上以特定步距(step pitch)间隔设置用于激光束移动的扫描路径(scanpath)，从而防止热能累积到被加工对象物。
背景技术
激光广泛用于直接制造半导体元件时的薄膜沉积或退火工艺(annealingprocess)，或者广泛用于半导体元件制造工艺中所需的工具或装置的加工等。
本发明旨在利用激光制造金属荫罩(metal shadow mask)，其中，所述金属荫罩在制造有机电激发光装置(Organic Electro-Luminescence，有机EL)或有机半导体元件等时用于真空沉积工艺。
这种金属荫罩具有多个圆形孔或具有锥形形状的三维孔结构，将上述掩膜(mask)排列于基板，并将想要的图案的发光层沉积在基板上的特定区域而制造有机EL之类的半导体元件。
关于现有的利用激光的掩膜加工方法的技术，有韩国专利局授权号10-1267220“利用激光的掩膜制造方法”。
在上述现有技术利用激光制造掩膜，其由如下两个步骤构成：第一照射步骤，沿着以对应于掩膜孔的形状设置的第一闭合曲线移送激光束，从而将激光束照射到基板；第二照射步骤，沿着配置于上述第一闭合曲线的内部、且内部面积小于上述第一闭合曲线的第二闭合曲线移送激光束，从而将激光束照射到基板。
具体地，由如下的两个步骤构成：第一照射步骤，将具有第一能量的激光束照射到基板上形成有掩膜孔的位置；第二照射步骤，将具有第二能量(小于上述第一能量)的激光束照射到与上述第一照射步骤中照射了激光束的位置相同的位置。
然而，上述现有技术中，需要根据各个掩膜孔来反复执行上述第一闭合曲线和第二闭合曲线，并且对于加工深度的调节，仅能单纯地通过激光的输出能量的强度来进行调节，因而难以加工精密的图案。
参考图1来详细说明上述现有技术。为了加工一个三维结构物(掩膜孔)，当闭合曲线的数量为3，激光束相对于每个闭合曲线的相对移动方向总共需要4次的方向转换，包括(+)X方向移动(方向转换1)->(-)Y方向移动(方向转换2)->(-)X方向移动(方向转换4)->(+)Y方向移动(方向转换3)，并且上述方向转换与闭合曲线的数量成比例地增加。
通常，当制造超高清(Ultra High Definition，UHD)级分辨率的有源矩阵有机发光二极管(Active-matrix organic light emitting diode，AMOLED)的精细金属荫罩(FMM)时，三维结构物的数量约为800万个，与此成比例地，激光束需要转换数千万至数亿万次移动方向，由此导致的总移动距离非常大正是降低生产率的原因。
另外，完成对一个单位三维结构物的加工后，要对相邻排列的下一个单位三维结构物进行加工，因而需要在没有休息时间的情况下连续地对精细局部区域(单位三维结构物)进行激光加工。这会使得在精细局部区域累积激光束导致的热能，从而在加工表面和底面产生毛刺(burr)，因而存在很难实现对精密图案的加工的缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明用于解决上述问题，其目的在于提供利用激光的三维图案化方法，该方法在被加工对象物上设置单位加工区域，且在该单位加工区域上以特定步距(step pitch)间隔设置用于激光束移动的扫描路径，从而防止热能累积到被加工对象物。
技术方案
为了达到上述目的的本发明技术主旨为利用激光的三维图案化方法，其利用激光对被加工对象物进行三维图案化，上述三维图案化方法的特征在于，包括：第一步骤，在上述被加工对象物上设置单位加工区域；第二步骤，激光束从上述单位加工区域的一个边界开始沿着第1扫描路径(scan path)移动，直至到达上述单位加工区域的另一侧边界为止对包括在上述单位加工区域内的三维结构物进行加工；第三步骤，向下一步(step)方向转换上述激光束的方向并移动步距(step pitch)大小的距离，从而移动至第2扫描路径；以及第四步骤，反复执行上述第二步骤和第三步骤，并沿着第n扫描路径完成激光束的移动，从而实现对整个单位加工区域的加工。
并且，优选地，上述利用激光的三维图案化方法对应于各扫描路径来设置加工深度。
其中，优选地，通过选自以下中的两个以上的组合来确定所述加工深度设置：移动于上述扫描路径的激光束的重叠率，其中，上述重叠率＝(激光束的大小-扫描间距)/激光束的大小×100，而所述扫描间距＝v/f，其中，v为根据驱动部的动作的被加工对象物和激光束的相对速度，f为施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率；所述扫描路径的重叠次数；以及根据各扫描路径设置能量强度或在一个扫描路径内也根据各激光束的脉冲而设置能量强度。
另一方面，优选地，通过设置第1扫描路径…第n扫描路径、以及垂直于上述扫描路径的第1扫描路径…第m扫描路径来形成三维结构物。
并且，优选地，根据扫描路径以顺序性地强度设置能量累积分布(energycumulative distribution)来形成锥形形状的三维结构物。
并且，优选地，在上述单位加工区域所包含的三维结构物区域设置多个能量区域，并以顺序性地强度(sequential intensity)根据各能量区域设置能量累积分布来设置加工深度
具体而言，优选地，根据所述各能量区域的能量累积分布的设置，通过上述扫描路径的重叠次数、或通过根据移动于上述扫描路径的激光源的各脉冲的能量强度变化来实现；或者根据所述各能量区域的能量累积分布的设置为：顺序性地设置所述扫描路径的重叠次数、或根据在所述扫描路径移动的激光源的各脉冲而顺序性地设置能量强度来形成锥形形状的三维结构物。
并且，优选地，当从第n-1扫描路径向第n扫描路径转换方向时，步距小于等于第n-1扫描路径的激光束的大小。
并且，优选地，激光束在第n-1扫描路径和第n扫描路径以同向或反向进行移动。
并且，优选地，第n-1扫描间距和第n扫描间距根据三维结构物的形状设置为不同，扫描间距＝v/f，其中，v为根据驱动部的动作的被加工对象物和激光束的相对速度，f为施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率。
有益效果
本发明用于利用激光使得由三维结构物构成的图案形成于被加工对象物，其中，在被加工对象物上设置单位加工区域，且在该单位加工区域上以特定步距间隔设置用于激光束移动的扫描路径，从而根据每个扫描路径进行加工，进而对各个单位加工区域整体进行加工，其具有如下效果。
1)防止热能累积的效果
在本发明中，一个三维结构物包括多个扫描路径，为了完全完成对三维结构物的加工，需要对包括在三维结构物的所有扫描路径进行加工，从而以有休息时间的方式间歇地对一个三维结构物进行加工来防止热能累积到被加工对象物，因而具有保护被加工对象物且能够形成精细的三维结构物的效果。
2)拼接(Removal of Stitching)去除效果
在设置单位加工区域时，以使得三维结构物(三维结构物图案)的全部区域包括在上述单位加工区域内的方式进行设置，从而能够在不经过多次划分加工区域的情况下完成全部加工。因而，能够防止在利用现有的扫描装置将全部加工物划分为多个分区而进行加工时产生的拼接问题。
3)大面积生产效果
本发明将单位加工区域设置为与大面积的被加工对象物的大小相同，因此能够实现无拼接现象的大面积加工。
4)提高生产率的效果
本发明可以显著降低加工中出现的方向转换的次数(在扫描路径移动的同时进行加工->向下一步转换方向及移动)，并且通过反复执行比较单纯的加工程序来提高生产率。
5)抑制毛刺(burr)的效果
对于本发明中使用的激光而言，可以使用数十飞秒到数百飞秒之间的超短脉冲激光来抑制被加工对象物的表面的毛刺(burr)，从而具有能够对精细三维结构物进行图案化的效果。
6)轻易实现锥形形状的效果
尤其是，通过对上述扫描路径设置加工深度而轻易实现三维结构物的形成，且根据特定扫描路径或能量区域来控制总能量累积分布，从而可以轻易形成锥形形状的三维结构物。
附图说明
图1为根据现有技术的利用激光的加工方法的模式图。
图2为本发明的利用激光对被加工对象物进行三维图案化的方法的模式图。
图3为本发明的根据激光束的重叠率(overlapping rate)来控制加工深度的方法的模式图。
图4为本发明的根据扫描路径的重叠次数来控制加工深度的模式图。
图5为本发明的根据沿着各扫描路径进行相对位置移动的激光源的各脉冲而设置不同的能量来控制加工深度的模式图。
图6为本发明的通过控制加工深度来实现锥形形状的三维结构物的方法的模式图(根据扫描路径设置能量累积分布)。
图7为本发明的通过控制加工深度来实现锥形形状的三维结构物的方法的模式图(根据扫描路径的重叠次数来控制对能量区域的能量累积分布的情况)。
图8为本发明的通过控制加工深度来实现锥形形状的三维结构物的方法的模式图(根据每个扫描路径而改变脉冲能量的强度来控制能量累积分布的情况)。
图9为本发明的利用激光的三维图案化装置的模式图。
图10和图11示出关于本发明中利用激光的三维图案化装置的光学部的、分束单元的实施例。
图12为示出本发明的利用激光的三维图案化装置中，通过根据分束单元的光学部和驱动部的组合使用而加工到被加工对象物的区域的模式图。
具体实施方式
本发明用于利用激光使得由三维结构物构成的图案形成于被加工对象物，其中，在被加工对象物上设置单位加工区域，且在该单位加工区域上以特定步距间隔设置用于激光束移动的扫描路径，从而对各个单位加工区域进行加工来防止热能累积到被加工对象物。
并且，对于本发明中使用的激光而言，可以使用数十飞秒到数百飞秒之间的超短脉冲激光来抑制被加工对象物的表面的毛刺(burr)，从而能够对精细三维结构物进行图案化。
尤其是，对上述扫描路径设置加工深度来轻易实现三维结构物的形成，且根据特定扫描路径或能量区域来控制总能量累积分布，从而可以轻易形成锥形形状的三维结构物。
以下，参考所附的附图详细说明本发明。图2为本发明的利用激光对被加工对象物进行三维图案化的方法的模式图；图3为本发明的根据激光束的重叠率控制加工深度的方法的模式图；图4为本发明的根据扫描路径的重叠次数来控制加工深度的模式图；图5为本发明的根据沿着各扫描路径进行相对位置移动的激光源的各脉冲而设置不同的能量来控制加工深度的模式图；图6为本发明的通过控制加工深度来实现锥形形状的三维结构物的方法的模式图(根据扫描路径设置能量累积分布)；图7为本发明的通过控制加工深度来实现锥形形状的三维结构物的方法的模式图(根据扫描路径的重叠次数来控制对能量区域的能量累积分布的情况)；图8为本发明的通过控制加工深度来实现锥形形状的三维结构物的方法的模式图(根据扫描路径而改变脉冲能量的强度来控制能量累积分布的情况)。
如图所示，本发明的利用激光对被加工对象物进行三维图案化的方法，其大体由如下的步骤构成：第一步骤，在上述被加工对象物上设置单位加工区域；第二步骤，激光束从上述单位加工区域的一个边界开始沿着第1扫描路径(scan path)移动，直至到达上述单位加工区域的另一侧边界为止，对包括在上述单位加工区域内的三维结构物进行加工；第三步骤，在上述第二步骤的加工之后，为了将上述激光束移动至第2扫描路径，向下一步(step)转换上述激光束的方向，并移动步距(step pitch)大小的距离；第四步骤，反复执行上述第二步骤和第三步骤，并沿着第n扫描路径完成激光束的移动，从而实现对整个(entire)单位加工区域的加工。
对于本发明的被加工对象物而言，可以是通常在制造有机EL或有机半导体元件等时在真空沉积工艺中使用的金属荫罩，或者也可以是能够用激光加工的任何对象物。尤其是，关于半导体元件的封装(packaging)，想要在形成于印制电路板(PCB)的通孔(viahole)或半导体基板上的特定区域形成三维图案等的情况下，可以多样地使用上述对象物。
并且，本发明的三维结构物意味着在被加工对象物的表面以印刻形状(intaglioshape)进行加工，在被加工对象物上可以形成单一的三维结构物，也可以形成多个相同种类或不同种类的三维结构物。这种三维结构物可以形成为构成特定图案，在本发明中，将这样的图案称之为三维结构物图案，为了方便起见，有时还记载为三维结构物。
另外，本发明的单位加工区域意味着利用本发明图案化装置的一次设置就能够在被加工对象物上形成的三维结构物或三维结构物图案的区域，或者实验人员可以任意指定被加工对象物上的特定区域而将其设置为单位加工区域。这样的单位加工区域可以包括一个或一个以上的三维结构物，考虑到加工速度，优选将上述单位加工区域设置得大一些。
这样的单位加工区域构成为单个或多个，当完成对单位加工区域的加工时，即完成被加工对象物上的三维结构物图案的形成。
如图2所示，本发明的利用激光对被加工对象物进行三维图案化的方法中，首先，在上述被加工对象物上设置单位加工区域(第一步骤)。
上述单位加工区域可以包括单个或多个三维结构物，并且被设置为上述被加工对象物上的虚拟的区域。
具体而言，单位加工区域的长度是指激光束在沿着一个扫描路径不转换方向的情况下能够移动的长度，且通常，其宽度形成为下面描述的、转换方向的步距的大小。
在设置这样的上述单位加工区域时，以使得三维结构物(三维结构物图案)的全部区域包括在上述单位加工区域内的方式进行设置，从而能够在不经过多次划分加工区域的情况下完成全部加工，因而，能够防止在利用现有的扫描装置将全部加工物划分为多个分区而进行加工时产生的拼接(stitching)问题。
并且，将上述单位加工区域设置为与大面积的被加工对象物的大小相同，从而可以实现无拼接现象的大面积加工。
接着，激光束从上述单位加工区域的一个边界开始沿着第1扫描路径(scan path)移动，直至到达上述单位加工区域的另一侧边界为止对包括在上述单位加工区域内的三维结构物进行加工(第二步骤)。
即从被加工对象物上设置的单位加工区域的一个边界到另一侧边界设置第1扫描路径，且激光束沿着该第1扫描路径移动的同时对包括在单位加工区域内的三维结构物(或三维结构物图案)的部分或整体进行加工。
并且，当激光束沿着第1扫描路径移动的同时激光束到达单位加工区域的另一侧边界时，将上述激光束向下一步(step)的方向转换方向，并移动步距(step pitch)大小的距离，从而移动至第2扫描路径(第三步骤)。
即当激光束到达单位加工区域的另一侧边界时，关闭(off)激光并转换激光束的方向，且使其移动设定好的步距(step pitch)大小的距离后，设置第2扫描路径。此时，激光再次被打开。
上述步距意味着相邻的扫描路径间的距离，例如，其作为第1扫描路径和第2扫描路径之间的距离，意味着在第1扫描路径移动的激光束的中心到在第2扫描路径移动的激光束的中心的距离。
其中，第1扫描路径和第2扫描路径可设置为同向，也可以如图2所示，设置为反向。即激光束的移动方向可以设置为相反。即第n-1扫描路径和第n扫描路径可以设置为使激光束以同向或反向移动，且不限定于此，多个扫描路径也可以设置为向特定方向或其相反方向，或者可以设置为它们的组合。
并且，从第1扫描路径向第2扫描路径转换方向时，步距形成为小于等于第1扫描路径的激光束的大小，从而能够实现均匀地加工图案。即从第n-1扫描路径向第n扫描路径转换方向时，其特征在于，步距形成为小于等于第n-1扫描路径的激光束的大小。
并且，第n-1扫描间距(scan pitch)和第n扫描间距可以根据三维结构物的形状设置为不同。其中，上述扫描间距＝v/f(v：根据驱动部的动作的被加工对象物和激光束的相对速度，f：施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率)，考虑到被加工对象物和脉冲激光束的相对速度以及脉冲频率，上述扫描间距意味着连续的脉冲激光束之间的间距。
这样的扫描间距构成为设定下面叙述的激光束的重叠率(overlapping rate)的基准，随着上述扫描间距的间距变窄，激光束的重叠率会增加，这会影响对三维结构物的加工深度的加工。
接着，反复执行上述第二步骤和第三步骤，当沿着第n扫描路径完成激光束的移动，即实现了对整个单位加工区域的加工(第四步骤)。
如图2所示，激光束沿着设置的第1扫描路径移动的同时对形成于第1扫描路径的三维结构物进行加工。并且，当激光束到达单位加工区域上的另一侧边界时，向下一步转换方向后移动步距大小的距离，接着激光束沿着第2扫描路径移动而到达初始单位加工区域上的边界。当通过反复上述动作来设置第n扫描路径，且由此激光束沿着该扫描路径移动而到达单位加工区域的任一边界时，完成对包括在单位加工区域的三维结构物或三维结构物图案的加工。
由此，能够显著降低加工中出现的激光束的转换方向的次数(在扫描路径移动的同时进行加工->向下一步转换方向及移动)，并且由于反复执行比较单纯的加工程序，因此能够提高生产率。
如上所述，本发明用于利用激光使得由三维结构物构成的图案形成于被加工对象物，在上述被加工对象物上设置单位加工区域，且在该单位加工区域上以特定步距间隔设置用于激光束移动的扫描路径来执行对单位加工区域的加工，由此防止热能累积在被加工对象物，从而保护被加工对象物，且能够形成精细图案。
并且，由于包括在加工区域的一个三维结构物包括多个扫描路径，为了全部完成对一个三维结构物的加工，需要对包括在该三维结构物的所有扫描路径进行加工，从而以有休息时间的方式间歇地对三维结构物进行加工来防止热能累积到被加工对象物，因而能够保护被加工对象物，并形成精细的三维结构物。
另一方面，当激光束沿着上述扫描路径移动时，能够以对应于各扫描路径的方式设置加工深度。即可以将第1扫描路径的加工深度设置为一定值，将第2扫描路径的加工深度设置为其他值，可将n个扫描路径的加工深度设置为各自不同，或者以最中央的扫描路径对称的方式设置。可以根据三维结构物的形状多样地设置加工深度，且可以通过控制激光束的能量累积分布来实现这种加工深度的设置。
首先，设置加工深度的方法受沿着上述扫描路径移动的激光束的重叠率(overlaprate)[重叠率＝(激光束的大小-扫描间距)/激光束的大小×100，扫描间距＝v/f，v：根据驱动部的动作的被加工对象物和激光束的相对速度，f：施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率]的控制。
根据上述激光束的重叠率来设置加工深度的方法有：固定激光源部的脉冲频率(pulse frequency)值的状态下，根据各扫描路径不同地设置束的相对速度的方法；以及固定束的相对速度值的状态下，根据各扫描路径不同地设置脉冲频率值的方法。
即上述激光束的重叠率可通过根据激光束的大小的扫描间距的控制来设置，即基于扫描间距＝v/f，可通过调整束的相对速度及脉冲频率值，控制根据各扫描路径的激光束重叠的程度来设置加工深度，从而三维结构物的加工深度越深，激光束的重叠率被设置为越大。
图3为根据这样的激光束的重叠程度来控制加工深度的模式图，其中根据各个扫描路径控制激光束的重叠率来形成具有深度的三维结构物。
其次，可以通过上述扫描路径的重叠次数控制上述加工深度的设置。即可基于在相同的扫描路径上移动数次激光束来控制能量累积分布，从而可以设置三维结构物的加工深度。
具体而言，对于各扫描路径，将激光束的相对速度和脉冲频率值均固定的状态下(即扫描间距是恒定的)，选择性地对单位加工区域内的扫描路径设置扫描路径的重叠次数。
图4为根据扫描路径的重叠次数来控制加工深度的模式图，其中根据各个扫描路径控制激光束的重叠次数来形成具有深度的三维结构物。
再次，上述加工深度的设置可根据各个扫描路径设置能量强度、或在一个扫描路径内根据各激光束的脉冲设置能量强度、或者也可通过它们的组合而确定。即可通过在相同的扫描路径上调节激光束的能量的强度来控制能量累积分布，从而设置三维结构物的加工深度。
具体而言，对于各扫描路径，将激光束的相对速度和脉冲频率值均固定的状态下(即扫描间距是恒定的)，在沿着各个扫描路径进行相对位置移动的途中根据激光源的脉冲而不同地设置能量强度、或根据各个扫描路径不同地设置能量强度来进行设置。
图5为根据沿着各扫描路径进行相对位置移动的激光源的脉冲而不同地设置能量来控制加工深度的模式图，其中根据各扫描路径控制激光束的能量的强度来形成具有深度的三维结构物。
可通过移动于上述扫描路径移动的激光束的重叠率、上述扫描路径的重叠次数以及移动于上述扫描路径的激光束的能量强度中的任意一个、或它们中的两个以上的组合来确定上述设置加工深度的方法。
另一方面，可通过设置上述第1扫描路径….第n扫描路径(第一方向)和垂直于上述扫描路径的第1扫描路径….第m扫描路径(第二方向)来形成三维结构物。
对于形成这样的三维结构物的方法，可根据上述扫描路径以顺序性地强度设置能量累积分布来形成锥形形状的三维结构物。即向两个方向垂直地设置扫描路径的状态下，根据扫描路径以顺序性地强度设置能量累积分布来实现加工深度，从而形成锥形形状的三维结构物。
具体而言，如图6所示，将第一方向的第1扫描路径、第一方向的第n扫描路径、以及第二方向的第1扫描路径、第二方向的第m扫描路径的加工深度设置为相同，并且以与之相同的方式设置其余所有扫描路径的加工深度。
例如，将第一方向的第2扫描路径(＝第一方向的第n-1扫描路径＝第二方向的第2扫描路径＝第二方向的第m-1扫描路径)的加工深度设置为等于或大于第一方向的第1扫描路径(＝第一方向的第n扫描路径＝第二方向的第1扫描路径＝第二方向的第m扫描路径)的加工深度。以相同的方式对其余的扫描路径设置加工深度。
另外，对于形成锥形形状的三维结构物的另一方法，也可以在上述单位加工区域所包含的三维结构物区域上设置多个能量区域，并以顺序性地强度根据各能量区域设置能量累积分布来设置锥形形状的三维加工深度。
具体而言，将分配给第二能量区域的能量累积分布设置为比分配给第一能量区域的能量累积分布大或等同的值，并且，以与之相同的方式，将剩余能量区域的能量累积的分配以顺序性地值进行设置。
根据上述扫描路径的重叠次数或移动于上述扫描路径的激光束的能量强度的变化来实现根据各能量区域设置能量累积分布。
图7示出根据扫描路径的重叠次数控制对能量区域的能量累积分布的情况，其中在设置好了固定值的激光束的相对速度、脉冲频率以及脉冲能量值的状态下，对第一能量区域和第二能量区域的差集区域(relative complement area)的扫描路径的特定重叠次数进行设置。
并且，对于第二能量区域和第三能量区域的差集区域，设置成比上述重叠次数大或等同的重叠次数，并且，对于其余所有的能量区域，以如上方式控制能量累积分布来形成锥形形状的三维结构物。
图8示出根据在上述扫描路径移动的激光源的各脉冲的能量强度来对各能量区域控制能量累积分布的情况，其中对各个能量区域以相同的值设置脉冲能量的强度水平。即对第1扫描路径和第n扫描路径设置相同波形的脉冲能量强度。
如图8所示，第2扫描路径(＝第n-1扫描路径)的脉冲能量的波形与第1扫描路径(＝第n扫描路径)的脉冲能量的波形相比，以对应于各能量区域的方式确定各脉冲能量的强度。
其中，通过依次设置上述扫描路径的重叠次数、或根据在上述扫描路径移动的激光源的各脉冲顺序性地设置能量强度，可对各个能量区域以顺序性地强度设置能量累积分布。
如上所述，本发明对上述扫描路径设置加工深度而轻易形成三维结构物，并对各特定扫描路径或能量区域控制能量的总累积分布而轻易形成锥形形状的三维结构物。
以下，为了实现上述利用激光的三维图案化的方法，对利用激光的三维图案化装置进行说明。图9为本发明的利用激光的三维图案化装置的模式图，图10和图11示出关于本发明中利用激光的三维图案化装置的光学部的、分束单元的实施例，图12为示出本发明的利用激光的三维图案化装置中，通过根据分束单元的光学部和驱动部的组合使用而加工到被加工对象物的区域的模式图。
如图所示，根据本发明的利用激光的三维图案化装置，该装置利用激光在被加工对象物上进行三维图案化，其大体由以下结构构成：激光源部(source part)，其供应脉冲激光束；光学部，使上述激光束的能量在上述被加工对象物的表面上形成特定分布；驱动部，为了形成三维结构物图案，从上述被加工对象物的表面使激光束的位置相对移动至三维结构物的特定位置；以及能量控制部，其控制上述激光束和上述三维结构物的相对位置，并在特定加工区域控制激光束的脉冲能量的强度、脉冲的开/关与否、激光束的重叠来确定总能量累积分布。
上述激光源部供应作为用于加工的工具的激光束，优选供应具有数十飞秒(femtosecond)至数百飞秒之间的脉冲宽度的脉冲激光束，从而能够抑制被加工对象物表面的毛刺(burr)，进而能够对精细的三维结构物进行图案化。
上述光学部用于使上述激光束的能量在上述被加工对象物的表面上形成特定分布，其包括用于均匀化激光束斑点(spot)的能量分布的均匀器光学系统(homogenizeroptical system)。
其中，上述均匀器光学系统可包括光束均匀器(beam homogenizer)光学系统，上述光束均匀器光学系统包括衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)或折射光学元件(refractive optical element，ROE)，上述均匀器光学系统还可以包括由铬或电介质材料制成的图像掩膜(imaging mask)，且还可以包括聚光镜头(projection lens)和f-sin镜头(f-sinθlens)。
并且，上述光学部还可以具有分束单元(beam splitting element)，其使得通过分裂的多个激光束来执行同步加工处理，可以使用衍射光学元件(diffractive opticalelement，DOE)或光束分裂(beam split)光学系统作为上述分束单元。
图10作为分束单元的一实施例使用了衍射光学元件(diffractive opticalelement，DOE)，其中，使用均匀器光学系统和掩膜、f-sin镜头等来使均化的激光束分裂，使得能够进行同步加工处理。即能够同时在多个扫描路径上进行加工处理来提高生产率。
图11作为分束单元的另一实施例图示了光束分裂(beam split)光学系统，其用于将通过激光束的透过率(transmittance)和反射率(reflectance)分裂的多个光束照射到被加工对象物。
并且，为了形成三维结构物(或三维结构物图案)，上述驱动部从上述被加工对象物的表面将激光束的位置相对移动至三维结构物的特定位置，从而可以移动被加工对象物或激光束的位置。
其中，上述驱动部可包括扫描器，该扫描器包括一个以上的加尔瓦诺镜(Galvanomirror)，从而可以在静置的被加工对象物上改变激光束的绝对位置。
并且，上述驱动部由进行一轴以上的直线运动的被加工对象物工作台移送装置(stage transferring device)或辊对辊(roll-to-roll)移送装置形成，因此其能够使得被加工对象物的绝对位置相对于静止的光束改变，或者也能够使得激光束的绝对位置变更和基板的位置变更联动地实现动作。即可根据需要彼此组合上述加尔瓦诺镜和被加工对象物工作台移动装置及辊对辊移动装置而使用。
其中，对于上述光学部而言，可组合使用分束单元(用于根据分裂的多个光束执行同步加工处理)和上述驱动部。
图12显示通过根据分束单元的光学部和驱动部的组合使用而加工到被加工对象物的区域，作为一实施例，通过三个分裂的光束(beams)(分裂的第一束、分裂的第二束、分裂的第三束)来同时进行加工处理。
这种分束单元和驱动部的结构使得能够将单位加工区域大面积地设置成与被加工对象物的大小相同的程度，且还能够通过简单的方法实现大面积的加工来提高其生产率，从而能够形成无拼接现象的大面积的精细三维结构物。
并且，上述能量控制部控制上述激光束和上述三维结构物的相对位置，并且控制在特定加工区域中的激光束的脉冲能量的强度、脉冲的开/关与否、激光束的重叠来确定总能量累积分布。
如上所述，利用超短脉冲激光和适当的光学系统，针对任意配置在被加工对象物的表面的三维结构物(可包括锥形形状)，通过工作台(Stage)或扫描器的运动(motion)在既定的位置准确地进行加工。
将这种图案化装置的部分结构要素设置为多个而构成多个头部(multi header)的结构，从而能够提高生产率。
具体而言，对于相同的激光源部设置两个以上的光学部而使得照射到被加工对象物的激光束成为两个以上，或者设置多个驱动部来控制激光束或被加工对象物的运动，从而使激光束照射到互不相同的单位加工区域，进而同时进行激光加工。
即对于多头系统(multi header system)而言，上述单位加工区域被分割成相应头部的数量，同时实现对多个单位加工区域的加工，从而进一步提高生产率。
Claims (14)
1.一种利用激光的三维图案化方法，其利用激光对被加工对象物进行三维图案化，所述三维图案化方法的特征在于，包括：
第一步骤，在所述被加工对象物上设置单位加工区域；
第二步骤，激光束从所述单位加工区域的一个边界开始沿着呈直线的第1扫描路径以不转换方向的方式移动，直至到达所述单位加工区域的另一侧边界为止对包括在所述第1扫描路径上的所述单位加工区域内的三维结构物进行加工；
第三步骤，向下一步转换所述激光束的方向并移动步距大小的距离，从而沿着呈直线的第2扫描路径以不转换方向的方式移动，且对包括在所述第2扫描路径上的所述单位加工区域内的三维结构物进行加工；以及
第四步骤，反复执行所述第二步骤和第三步骤，当沿着第n扫描路径完成激光束的移动时，实现对整个单位加工区域的加工。
2.根据权利要求1所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
对应于各扫描路径设置加工深度。
3.根据权利要求2所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
通过在所述各扫描路径移动的激光束的重叠率来确定所述加工深度设置，
所述重叠率＝(激光束的大小-扫描间距)/激光束的大小×100，
并且，所述扫描间距＝v/f，其中，v为被加工对象物和激光束的相对速度，其中通过驱动部控制所述被加工对象物或所述激光束的运动，f为施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率。
4.根据权利要求2所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
通过扫描路径的重叠次数来确定所述加工深度设置。
5.根据权利要求2所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
根据所述各扫描路径设置能量强度、或在一个扫描路径内根据各激光束的脉冲而设置能量强度、或者通过它们的组合来确定所述加工深度设置。
6.根据权利要求2所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
通过选自以下中的两个以上的组合来确定所述加工深度设置：
在所述各扫描路径移动的激光束的重叠率，其中，所述重叠率＝(激光束的大小-扫描间距)/激光束的大小×100，而所述扫描间距＝v/f，其中，v为被加工对象物和激光束的相对速度，其中通过驱动部控制所述被加工对象物或所述激光束的运动，f为施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率；
扫描路径的重叠次数；以及
根据所述各扫描路径设置能量强度或在一个扫描路径内根据各激光束的脉冲而设置能量强度。
7.根据权利要求1所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
通过沿第一方向设置的第1扫描路径至第n扫描路径、以及沿垂直于所述第一方向的第二方向设置的第1扫描路径至第m扫描路径来形成三维结构物。
8.根据权利要求7所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
根据各扫描路径以顺序性地强度设置能量累积分布来形成锥形形状的三维结构物。
9.根据权利要求1所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
在所述单位加工区域所包含的三维结构物区域设置多个能量区域，并以顺序性地强度根据各个能量区域设置能量累积分布，从而设置加工深度。
10.根据权利要求9所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
通过扫描路径的重叠次数、或通过根据在所述各扫描路径移动的激光源的各个脉冲的能量强度的变化，来实现根据所述各个能量区域的能量累积分布的设置。
11.根据权利要求9所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
根据所述各个能量区域的能量累积分布的设置为：顺序性地设置扫描路径的重叠次数、或根据在所述各扫描路径移动的激光源的各脉冲而顺序性地设置能量强度来形成锥形形状的三维结构物。
12.根据权利要求1所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
当从第n-1扫描路径向第n扫描路径转换方向时，步距小于等于第n-1扫描路径的激光束的大小。
13.根据权利要求1所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
激光束在第n-1扫描路径和第n扫描路径以同向或反向进行移动。
14.根据权利要求1所述的利用激光的三维图案化方法，其特征在于，
第n-1扫描间距和第n扫描间距根据三维结构物的形状设置为不同，
所述扫描间距＝v/f，其中，v为被加工对象物和激光束的相对速度，其中通过驱动部控制所述被加工对象物或所述激光束的运动，f为施加到被加工对象物上的激光源的脉冲频率。
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