CN1085157A - 蚀刻圆筒形模板的方法和装置 - Google Patents

Abstract

应用激光束(4)将敷在空心圆筒形旋转金属屏 (8)表面上的漆层按照预定的图形小区蚀刻。漆层 (8a)的蚀刻是在图形小区内进行的，其时激光束(4) 被不断激发；在本例中，激光束(4)是在到达各该图形 小区的终端时迅即在12微秒到30微秒的时间间隔 中被去激的。在金属屏(8)上往回反射的辐射在进入 光束通路时被耦合后输出到激光束通路之外，为的是 不致延误激光束(4)的去激。结果，具有特别清晰的 边缘构造的图形可以产生出来。

Description

本发明涉及一种蚀刻圆筒形模板的方法，以及一种实现该方法所用的装置。

制造圆筒形模板常用的原始材料为一金属空心圆筒，在其外表面上薄薄地敷上一层有机漆，形成极小的壁厚。该金属空心圆筒上开有许多微小的紧密地相邻排列着的通孔，为有机漆密封地盖住。为了生成图象，作为金属屏使用的金属空心圆筒的两端被夹紧在一类似车床的装置上，并被驱动使它能准确地旋转。有与空心圆筒长轴平行导向的激光束，该激光束被一个可沿该轴平行方向移动的偏转镜偏转后最后垂直射向空心圆筒的包覆面。该激光束在用透镜装置聚焦后能使直径很小的焦点准确地落在圆筒的包覆面上。当激光束被激发时，在空心圆筒包覆面上与预定图象相应的那些部分的有机漆通过汽化被蚀刻掉;其时一方面激光束沿着空心圆筒的轴向移动，另一方面空心圆筒自身则可旋转。在有机漆被蚀刻去的小区（也可称为图形小区）内，空心圆筒上的通孔于是就开通了，因此在下一阶段，就可用稠性的色剂例如印刷油墨，加压使它通过这些通孔。

为了产生激光束，常用气体功率激光器，一般以二氧化碳作为激光介质。当这样一个气体激光器被消除激励时，根据去激时间的长短，可以得到不同的激光辐射能量进程。在这种情况下，去激时间的长短主要与激光气体的成份有关。当去激时间选择得不适当时，由此常会给图象带来不能满足现行对清晰度要求的蚀刻边缘构造。

在另一方面，用来蚀刻漆层的激光辐射能量通常总是选用得比漆层汽化所需能量要稍大一点。多余的辐射能量总是要被漆层下面的金属屏面反射回来。这将导致该气体激光器不再能可靠地接通或关断。

在大多数情况下，具有适当功率的二氧化碳激光器是用直流电场或交流电场来激发的。采用直流电激发时，电极被放在气流中，用一几千伏的直流电压激发或消除激励迫使激光束发射出来。采用交流电激发时，电极被放在包围着气流的玻璃管的外面并与气流平行，所产生的电场透过玻璃管壁、与玻璃管的轴线垂直，所采用的频率从几百千赫兹到50兆赫兹。

这种激光蚀刻法的前提是激光气体能将能量储存在亚稳水平上;但在另一方面带来的缺点是即使在用电激发法去激后，在激光气体内的潜能仍会留下来储存着，因此，特别是在目前这种情况下，即使在用电激发法去激后，从金属圆筒表面反射回来的残余辐射能仍会使能量从亚稳水平上释放，以致激光束去激极不均匀，结果只能得到很不精密的蚀刻边缘。

另外，即使在激光的电激发期间，即在电激发的时间间隔内，上面提到的往回反射也会导致激光辐射产生过分高而极其短的脉冲功率，这在某些情况下能使金属屏面受到损坏。更有甚者，由聚焦激光束生成的蚀刻线的宽度还会产生脉动性的变化。这些现象不仅有损于蚀刻的质量，并且还有损于基片的强度，因此希能加以防止。

本发明的目的就是要进一步发展上述那种蚀刻圆筒形模板的方法，以便就质量言，能够得到更好的图象，特别是具有更清晰的蚀刻边缘。本发明还有一个目的是要提供一种能实现该方法的合适的装置。

本发明创造的一种蚀刻圆筒形模板的方法是用激光束分别按照预定的图形小区蚀刻敷设在一空心圆筒形的旋转的金属屏上的漆层，其特出之点在于：

-漆层的蚀刻是在各个图形小区内进行的，其时激光束被不断激发，

-激光束在到达各个图形小区的终端时迅即在12微秒到30微秒的时间间隔内被消除激励，

-在金属屏上往回反射进入激光束通路的辐射被耦合后输出到激光束通路之外。

事实已经表明，综合采用上面这些措施，形成的图象就可具有非常清晰的边缘构造或非常精密的蚀刻边缘，但也要旋转的金属屏的表面速度选用得恰当，该值当大于或等于2米/秒，最大为12到13米/秒。这样，由于激光束在图形小区内不断被激发，能量完全可以做到稳定，因此当激光束在图形构造的周边上消除激励时，能量总能从其峰值下落，这将导致更为急剧的能量转移和由此而产生的更为清晰的边缘构造。短暂到12微秒到30微秒范围内的去激时间间隔在另一方面也可保证激光束的能量极快地降落，而适当地选用空心圆筒形金属屏的转速可使具有不良影响的构造上的模糊不再发生。由于金属圆筒上往回反射的辐射被耦合后输出，使激光束有可能可靠地消除激励，这一点同样也可使蚀刻边缘改善。

激光束的去激时间间隔可以用适当的方式预先设定，具体点说就是采用改变激光气体成分的办法。就二氧化碳激光器而言，牵涉到的气体成分有CO₂，N₂和He。如果选用14%CO₂，18%N₂和68%He的组成，那么可以得到一个较慢的气体混合物，其去激时间间隔在100%的激光功率时是在25微秒到30微秒的范围内。在另一方面，一个较快的气体混合物可由16%CO₂，4%N₂和80%He组成，在65%的激光功率时其去激时间间隔是在12微秒到15微秒的范围内。

按照本发明的一个极有效的实施例，激光束可在到达各个图形小区终端之前就进行去激，提高的时间取决于其去激时间间隔。采用这种方法，蚀刻边缘可能要缩回少许，但这是有利的，特别是当去激时间间隔较长时更是如此，为的是要用这种方式使按照预定图象连贯蚀刻的各图形小区之间保持一定的间距，因为在一般情况下，激发时间间隔只占去激时间间隔的一小部分，否则的话，各连贯的图形小区相互之间将排列得过于紧密。采用这种方法也可使图象的质量显著改善。

按照本发明的另一个有效的实施例，功率最好约为1千瓦的激光束首先被线极化以便将往回反射的辐射耦合输出，然后经过另一个极化滤波器，再分解成为例如两个同等大小、互相垂直的光束分量，该两分量的相位偏移到彼此相差90度角，然后再照射到漆层上。在按照本发明进行的蚀刻方法中最好采用一种激光装置使激光束在离开激光器时就已被线极化并在此状态下进入另一个波束制导器。在所说波束制导器内，增设一个极化器可使朝向加工部位、已被线极化的辐射直接送到该部位上或偏转到该部位上，这要看该极化器的构造型式而定。由于在加工部位上往回反射的辐射要被这个极化器（分析器）阻拦使它不能重新进入激光器谐振腔内，因而在激光束随后的过程中设有移相系统，每次通过时该系统将已被线极化的激光辐射中两个差不多同等大小、互相垂直的光束分量的相位相互间移动四分之一波长。另外，极化器的设立涉及从激光器发出指向加工部位的辐射的光束方向和极化平面位置，极化器在空间内的位置应选择得使该辐射在驰向加工部位时尽可能不会发生衰减。上面最后这个条件并且适用于该器件的所有跟在后面的组件，也适用于那些参与向前传递或输送激光辐射的移相器的组件。当采用由介电薄层堆积成的组件时上面这些要求可以特别好地得到满足。这些组件不管是用于极化的还是用于传送和反射的都可专门制造。它们的优点是当它们参照辐射投入的方向和极化方向，被设立在正确的空间位置时，传送和反射都可完成得很好。

在极化器后面存在的移相系统包括多个具有不同层次构造的偏转镜。该系统第一个偏转镜是这样设置的，使由光束方向和反射面的法线方向组成的投入平面与激光束极化平面之间形成一个一定的最好为45度的方位角。这样，极化方向上的激光束就可分解为一个与投入平面平行的光波（P波）和一个垂直于投入平面的光波（S波）。由于各个薄层的厚度不同，因此在偏转镜上反射时P波和S波的相移也就不同。在一实施例中，采用一个四分之一郎姆达（λ）镜（或称四分之一波镜）与三个零度镜组合。当从四分之一波镜上反射时，P波对S波的相移就时间言为一90度的相位角，即四分之一的波长。而当从零度镜上反射时，在P波与S波之间绝对不会发生相移。至于零度镜和四分之一波镜设置时在几乎上的或构造上的顺序则是无关紧要的。四分之一波镜也可用两个八分之一波镜来代替，该两镜于是在每一镜上将上面所说的两个波列作出八分之一波长的相对相移，这样，就能得到总的相移仍为四分之一波长。

移相器可以从线极化激光束生成圆的或可能是椭圆的极化激光束。后者通过另外的、数目可任意选下的零度反射镜，导向要蚀刻的模板面并在那里用一光学系统聚焦。一个可能从金属表面上垂直地往回反射的光束将再一次进入到移相器内，在那里在向后的方向上通过移相器时，P波对S波会再一次发生90度相位角或四分之一波长的相移。结果产生180度的相移，使往回走的光束再一次被线极化，同时其极化平面与走向加工部位的光束的极化平面比较，被旋转了90度。具有这种极化方向的光束现在不再能从极化器返回到激光器，而是被极化器偏转了，因此可以防止它进入激光器的谐振腔。

按照本发明的另一个实施例，移相器或使振动平面旋转的器件还可以在光束通路上设置一块按布鲁斯特角（Brewster    angle）安排并具有高折射指数的平面介电板，以及一块双折射小晶片。

下面将结合附图对本发明详加说明。在附图中：

图1为激光蚀刻装置的总的透视图，

图2为与图1相似的装置的平面图，

图3示出按照第一实施例的装置带有的移相器，

图4示出按照第二实施例的装置带有的移相器。

图1所示按照本发明的装置具有一个功率激光器1，在本例中为二氧化碳激光器，该器通过出口2发射出一支激光束4，照射在第一偏转镜3上，并在垂直方向上被线极化。由于第一偏转镜3，激光束4被偏转90度，并且在通过一个移相器之后，照射在第二偏转镜5上，为的是再一次被偏转90度，因此它现在行走的方向恰好与它原来的方向相反。由于采用第三偏转镜6，激光束4又被偏转90度，并且特定地指向功率激光器1的方向。在本例中，激光束4在经过第三偏转镜6后被一光学聚焦系统聚焦，在本例中是用透镜7，聚焦后使其焦点落在空心圆筒8的外包覆面上，在该圆筒上薄薄地包覆着一层有机漆。空心圆筒8上具有一层极薄并均匀穿孔的金属筛网，圆筒本身被夹持在两个可以旋转地安装着的锥形短柱9和10上。锥形短柱9被图上未画出的驱动机构驱动，在头座11内旋转。锥形短柱10也是可以旋转地安装着的，在这里是装在尾座12内。尾座12可以在导轨13上沿空心圆筒轴线14的方向抵压空心圆筒8;在本例中，是将空心圆筒8抵压在锥形短柱9上。由于这样造成的摩擦接触，使空心圆筒8和锥形短柱10可以被锥形短柱9的旋转运动带动。由于锥形短柱10是在尾座12的滚珠轴承上旋转，只有极低的摩擦阻力需要克服，并且由于锥形短柱9驱动旋转的速率非常稳定，所以在空心圆筒8与锥形短柱9和10之间只须很低的轴向力就足够驱动空心圆筒8以锥形短柱9的旋转速度旋转而不打滑。

第三偏转镜6和透镜7装在一个可沿空心圆筒14的轴线方向移动的加工台15（拖板）上。更精确地说，在加工台15上载有横滑座16，在其上装有第三偏转镜6和透镜7。利用横滑座16有可能对透镜7生成的焦点作精密的径向调准使它落在空心圆筒8的表面上。采用心轴17使加工台15在空心圆筒14的轴线方向上沿导杆18移动同时如本例空心圆筒又进行旋转时，那么聚焦的激光束将在空心圆筒8的表面上走出一条螺旋线的轨迹。心轴17的驱动是用步进电机19来实现的。为了对功率激光器1发出的激光束4进行激发和消除激励，并为了对步进电机19进行步进控制，需要在任何时候都能知道空心圆筒8的精确的旋转位置。为此设有一个与锥形短柱9的轴连接的旋转位置译码器20，该译码器20在空心圆筒8旋转一周内能发出几千个脉冲以便确定其旋转位置。借助于所确定的空心圆筒8的旋转位置和加工台15的位置，就可编址送入电子存储器，在那里早已存储好要求制出的图象。编址送入的值可以指出在该相应位置上空心圆筒8上的漆层要不要进行蚀刻，亦即激光器1要不要激发。电子存储器位在控制装置21之内，该装置通过三条线22，23和24分别与激光器1、步进电机19和旋转位置译码器连接。

如同上面已经提过的，在第一偏转镜3与第二偏转镜5之间设有标号为25的移相器。该移相器25装在将两个立柱26，27互相连接起来的横梁28上;在本例中，立柱26，27分别装上偏转镜3和5。在立柱27上还装有两个光束收集器29，30，该收集器将在下面作较详细的说明。另外，移相器25外貌为一壳体31，在其内设有四个另外的偏转镜32，33，其细节同样将在下面给出。在壳体31的两个对边上设有通孔34以便通过光束。

图2示出一种类似图1、用来蚀刻圆筒形模板的装置，但在本例中加工台15是在空心圆筒8面向激光器1的那一边被导行。在本例中与图1相同的元件用同一标号标出，不再另外说明。

按照图2，前面提到过的控制装置21上可以看到设定用的设施40，例如数个适用的按钮41，以便在合理操作时预先设定在功率激光器1内所要充填的气体组成，该组成与激光束4所需的去激时间间隔有关。合适的计量阀42，43，44在本例中可作为按钮动作的函数而被直接控制，以便在各该情况下从容器45，46，47通过管路系统48将CO₂，N₂和He供应给激光器1。为了这个目的，控制装置21通过电线49，50，51分别与计量阀42，43，44连接。

图3示出在金属圆筒8上往回反射的激光辐射被耦合输出的原理。在本例中，如同已经提到过的，激光器1所产生的激光束已被在垂直方向上线极化;在图3所示的本例中，垂直方向用标号35标出。利用一套偏转镜系统36，激光束4的极化在激光器1的谐振腔内被保存下来。为了这个目的，作为例子来说，这些偏转镜的表面是由金子构成;在本例中，有两个这样的镜子被设置得与光束方向成45度角。金子对S波的反射率要比对P波的略高。由于这个原故，S波在激光器的谐振腔内受到偏爱。这一点足够使2处发出的激光束4基本上处于在垂直方向极化的状态。激光束4于是照射在偏转镜3上，该镜被设计为薄层极化器。正如刚才说过的，激光束4有一基本上是垂直的极化方向，因此对薄层极化器3的投射平面来说只有S分量照射在其上，而该S分量绝大部分为该极化器反射出去，极少能透过去。考虑到由于功率激光器仍然有可能发出虽然是很小的P辐射分量，为了安全起见所以设置了光束收信器30。

薄层极化器3具有七到九个介电层，交替地由具有低折射指数（例如n＝1.5）的材料和具有高折射指数（例如n＝2.4）的材料构成。各该单层的厚度是在使斜向经过这些薄层的光波的有效光学路径长度等于四分之一波长的条件下选定的。当激光波长为10.6微米、激光束以45度的投射方向投到该极化器3的表面上时，对于折射指数为2.4的材料，这相当于1.06微米的厚度;对于折射指数为1.5的材料，相当于1.56微米的厚度。采用这种层次构造，极化辐射的S分量几乎可以有99.8%被反射出来，而该辐射的P分量则有差不多同样的比例可以透过去。在该极化装置的所在位置上，应该注意到由于极化器3在空间中的安排，由激光器发出的投到极化器3投射平面上的激光辐射几乎全是S分量。就是这个辐射几乎全部地被反射出来，并以同样大的比例引向移相器25。在这里，激光辐射照射在第一偏转镜32上，该镜在空间内的布置可使激光束4投射在这新存在的投射平面上时具有相等大小的P分量和S分量，但该第一偏转镜32具有另外一种性质可使P波与S波之间不会发生相对的时间上的迟延。这一点同样适用于装在移相器25内的其他两个偏转镜32。正像涉及极化器3时已经说明过的，这些偏转镜32具有很高的反射率。在这里同样如此，由于采用介电薄层的多层组合、每一层又各具有精密确定的厚度，可以得到很高的反射率及在激光辐射P分量和S分量之间的零相移。

就介电多层的厚度而言，偏转镜33的设计就是另外一个样子，它可使激光束4中的P分量与S分量之间产生相对的相位偏移，其量为90度，相当四分之一波长。薄层的数目总是要如此选定，使每一单层反射和透过的波综合起来结果能产生很高的反射率。对偏转镜32和33两者而言，可能选用一个金属层，特别是作为最后一个反射面。如果偏转镜的基体也是由金属构成的，还有一个好处就是能够散去大量的热。

从移相器25出来的激光束4成为一个圆形的极化光束然后通过光学聚焦系统7照射在要蚀刻的模板上。如业已说明的，该模板具有一层薄的漆层8a，其下则为薄壁金属圆筒8。漆层8a被激光束4汽化，在其间消耗了辐射能。但因为要对漆层8a进行可靠的蚀刻，总是应该比蚀刻绝对所需能量准备好更多的辐射能，一部分多余的辐射能就会冲击在金属表面上，其中绝大部分会被金属表面反射回来，因为该表面具有很高的反射率。由于表面上微小的不平，使辐射被散射开来，以致反射回来的辐射不再能与原来的光束方向吻合在一条线上，这对完善地完成蚀刻是无关紧要的。但那部分与光束原来方向精确吻合的光束分量会重新通过移相器25。首先需要说明：从一金属表面精确地以垂直方向反射回来的辐射在原来的P分量和S分量之间是不会发生什么相位偏移的，这就是说，即使当多余的辐射返回到移相器25内的偏转镜32时，原来存在的90度相移仍还维持不变。在这种情况下，一个具有同样瞬时方向和大小的90度的相移再一次被偏转镜33促成了。现在继续返回的激光辐射在其P分量与S分量之间将有一个总额为180度的相移。这就是说该辐射又一次被线极化并将极化平面相对于其原来位置转过一个90度角。返回光束在离开移相器25时变为垂直于激光器原来发出辐射的极化平面。因此对薄层极化器3的投射平面来说返回辐射是一P波;在本例中，该P波不是被薄层极化器3反射出来而是透过该极化器照射到一个被冷却的光束收集器29上，由它吸收辐射能并转化为废热。合适的做法是在该光束收集器29上按上尽可能不会反射的或黑色的表面并将该收集器例如用水来进行冷却。

图4示出另一个将散射返回的辐射耦合输出装置的实施例。在图3中相同的部件在本例中用同样标号标出。激光辐射4的极化在本例中是用两个放在激光器1谐振腔内的布鲁斯特窗（Brewster    window）37来进行的。在激光辐射从激光器1通过耦合输出窗发出后，激光束4就被引经第一偏转镜3，该镜并不使已被线极化的辐射分量之间产生相位偏移，激光束4继续通过一块设置成布鲁斯特角并具有很高折射指数的平面介电板38，然后通过一块二次折射小晶片39，该晶片能使两个大小相等、相互成直角的分量之间产生90度即四分之一波长的相位偏移。这两个分量一个是寻常波束的分量另一个是非寻常波束的分量。如果晶体的旋转位置对激光束4的极化方向来说是正确的，那么上这两个分量就可被选择成具有同等大小。这样这两个光束分量的相对相移就只是取决于通过晶体39的光学路径的长度和晶体的性质，因此可以选用晶体的长度，以便使所需的相位偏移得以产生。在第一次通过晶体39后，激光束4被圆极化，但在第二次通过晶体39后，或者较好的情况是在返回后，由于经受第二次具有相同大小和类似方向的相位偏移，激光束4又被线极化。极化的方向于是变为垂直于第一次通过时的极化方向。

当激光束4行进时，它将再一次照射在平面介电板38上，该板按布鲁斯特角设置，可以充分地把具有不同极化方向的返回辐射反射到光束收集器29内，因此只有辐射的小分量进入到激光器的谐振腔内，在那里由于有另外两个布鲁斯特窗设置着并且由于该小分量的极化方向，使该小分量不能触发起激光器的活力。为了增加平面板38的反射率，可用一个薄层或一个含有多个薄层的系统涂覆在该板上。

另外还应该指出，可以用分色极化器，或对具有较长波长的激光辐射，用线栅极化器来代替所示的薄膜极化器3或用于极化的布鲁斯特窗38。还可以用菲涅耳菱形（Fresnel    rhombus）（或称为菲涅耳平行六面体[Fresnel    parallelepiped]）作为移相器25。

Claims (11)

1、一种蚀刻圆筒形模板的方法，敷在空心圆筒形金属屏(8)表面的漆层(8a)被激光束(4)按照预定的图形小区蚀刻，其特征在于，

漆层(8a)的蚀刻是在各个图形小区内进行的，其时激光束(4)被不断激发，

激光束(4)在到达各个图形小区的终端时迅即在12微秒到30微秒的时间间隔内被消除激励，

在金属屏(8)上往回反射的辐射被耦合后输出到激光束通路之外。

2、按照权利要求1的方法，其特征是，激光束（4）消除激励用的时间间隔可以用改变激光气体成分的方法预先加以设定。

3、按照权利要求1或2的方法，其特征是，激光束（4）可在各个图形小区终端到达之前就进行去激，提前的时间取决于其去激时间间隔。

4、按照权利要求1，2或3的方法，其特征是，漆层（8a）的蚀刻是在激光器功率约为1千瓦时进行的。

5、按照权利要求1，2，3或4的方法，其特征是，激光束（4）首先被线极化以便将往回反射的辐射耦合后输出，接着通过另一个极化滤波器（3，38），然后分解成例如两个大小相同、方向互相垂直的光束分量，这两个光束分量的相位被偏移到相互间相差90度角，然后再照射到漆层（8a）上。

6、为实现按照权利要求1到5的方法而使用的装置，该装置具有一个已知的加工站，包括有至少一个的轴承机构（9，10）以便作为金属屏（8）端部的轴承，一个使金属屏（8）环绕其圆筒轴线（14）旋转的驱动机构，一个带有偏转镜（6）、可沿平行于圆筒轴线（14）的方向移动的加工台（15），一个能生成激光束（4）而该激光束（4）又能被偏转镜（6）偏转的气体激光器（1）以及一个用来控制驱动机构、加工台（15）的移动和气体激光器（1）的控制机构（21），其特征在于，

气体激光器（1）发出一个已被线极化的激光束（4），

在极化器（3，38）和偏转镜（6）之间的光束通路上设有一个装置（25）可将在金属屏（8）上往回返射的辐射的振荡平面，相对于气体激光器（1）发出的激光束（4）的振荡平面旋转过90度。

7、按照权利要求6的装置，其特征是，气体激光器（1）平行于圆筒轴线（14），设有两个偏转镜（3，5）以便将激光束（4）偏转到偏转镜（6），使振荡平面旋转的装置（25）设在两个偏转镜（3，5）之间。

8、按照权利要求6的装置，其特征是，首先受到激光束（4）作用的偏转镜（3）被设计为薄层极化器，使振荡平面旋转的装置（25）具有四个另外的在光束通路上连贯设置的偏转镜（32，32，33，32），其中一个（33）被设计为λ/4即四分之一波移相器。

9、按照权利要求6的装置，其特征是，使振荡平面旋转的装置（25）是在光束通路上连贯设置一块按布鲁斯特角安排并具有高折射指数的平面介电板（38），以及一块双折射小晶片（39）。

10、按照权利要求6到8中任一项的装置，其特征是，使振荡平面旋转的装置（25）装在一个将偏转镜（3，5）相互连接起来的横梁（28）上。

11、按照权利要求5到9中任一项的装置，其特征是，控制装置（21）包括有设定设施（40）以便设定气体激光器（1）所用气体的成分。

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