CN111451629A - 一种准分子激光后端光路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准分子激光后端光路系统，准分子激光器输出光束发射至光束整形模块中；光束整形模块将准分子激光器输出光束的矩形光斑整形为点状光斑，经光束整形模块整形后得到的点状光斑最终成像在样品台上；利用经光束整形模块整形后得到的点状光斑对样品台上的样品进行微加工；实时在线监测模块对样品的微加工形貌进行实时监测，并将实时监测结果发送给整机控制模块；整机控制模块根据样品微加工形貌的实时监测结果，控制准分子激光器输出光束的激光脉冲参数，以及控制光束整形模块的相关调节参数。本发明可以实现材料的光刻、打标、微剥蚀等多种微加工过程，是一种通用型后端光路系统。

Description

一种准分子激光后端光路系统
技术领域
本发明涉及激光微加工技术领域，尤其是一种准分子激光后端光路系统。
背景技术
准分子激光具有深紫外波长输出和高脉冲能量的独特优势，在材料加工领域，准分子激光的深紫外波长能够以极高分辨率实现极微小特征的加工，而高脉冲能量结合高重复频率，可以保证高产能，缩短生产时间，这两大独特优势使准分子激光具在材料微加工领域具有不可替代的地位。
但是，准分子激光输出的原始光束通常为近平顶分布的矩形光束，光斑面积较大，无法直接应用于微加工过程中。因此，利用准分子激光对材料进行微加工时，需要通过后端光路系统即外部光路系统来对准分子激光输出的原始光束进行整形处理，从而达到微加工的需求。比如，在非晶硅的准分子激光扫描系统中，需要将光束整形成极窄的线性光束进行扫描；在准分子激光眼科治疗系统中，需要极其均匀的光斑辐照的角膜基质上，因此准分子激光眼科治疗的后端光路系统中必须包含有精密的匀光系统；而在材料微加工过程中，通常需要保证到达材料的光斑为微米级别的点状光斑，通过对点状光斑的扫描或者样品的移动实现对材料的图形化微加工。
现有技术中的利用准分子激光进行微加工的后端光路系统通常只是针对某一应用领域单独开发设计，无法在其他领域应用。因此，设计一种通用型可用于材料的光刻、打标、微剥蚀等多种微加工过程的准分子激光后端光路系统，对于促进微加工领域的发展具有不可忽视的作用。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种准分子激光后端光路系统，可以实现材料的光刻、打标、微剥蚀等多种微加工过程，是一种通用型的后端光路系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种准分子激光后端光路系统，包括：准分子激光器、光束整形模块、样品台、实时在线监测模块、整机控制模块；
所述准分子激光器的输出光束发射至所述光束整形模块中；
所述光束整形模块用于将准分子激光器输出光束的光斑整形为点状光斑，经光束整形模块整形后得到的点状光斑最终成像在所述样品台上；
所述样品台用于放置样品，并利用经光束整形模块整形后得到的点状光斑对样品进行微加工；
所述实时在线监测模块用于对样品的微加工形貌进行实时监测，并将实时监测结果发送给所述整机控制模块；
所述整机控制模块根据样品微加工形貌的实时监测结果，控制所述准分子激光器输出光束的激光脉冲参数，以及控制所述光束整形模块的相关调节参数。
所述光束整形模块包括：沿光束的传播方向依次设置的可调光阑单元、衰减单元、匀光单元、高精度成像单元、高速扫描振镜单元；
所述可调光阑单元用于调节光束的光斑大小；
所述衰减单元用于降低光束的激光能量；
所述匀光单元用于将光束的光斑能量分布均匀化；
所述高精度成像单元用于对光束的光斑进行聚焦，将经光束整形模块整形后得到的点状光斑最终成像在所述样品台上；
所述高速扫描振镜单元位于所述高精度成像单元和所述样品台之间，用于控制光束对样品台上的样品进行扫描。
所述可调光阑单元包括步进电机和若干个形状、尺寸大小不同的通光光阑；通过步进电机的旋转选择形状、尺寸大小不同的通光光阑，对准分子激光器的输出光束进行限制，改变准分子激光器输出光束的光斑大小，从而调节最终成像在样品台上的点状光斑的大小。
最终成像在样品台上的点状光斑为圆形、方形或多方形。
所述衰减单元包括若干个不同透过率的透反镜片。
所述匀光单元采用蝇眼匀光器或棱镜组合匀光器或光波导匀光器。
所述高精度成像单元包括成像透镜；所述高速扫描振镜单元包括XY两轴振镜镜片。
所述整机控制模块包括光源控制模块、振镜控制模块、监测控制模块；
所述光源控制模块用于根据样品微加工形貌的实时监测结果，控制所述准分子激光器输出光束的激光脉冲参数；
所述振镜控制模块用于根据样品微加工形貌的实时监测结果，控制所述光束整形模块的相关调节参数，所述相关调节参数是指高速扫描振镜单元的摆动角度；
所述监测控制模块用于控制所述实时在线监测模块对样品的微加工形貌进行实时监测，并获取样品微加工形貌的实时监测结果，根据样品微加工形貌的实时监测结果实时判断加工参数设置的合理性，若不合理，则及时调节加工参数即准分子激光器输出光束的激光脉冲参数和高速扫描振镜单元的摆动角度。
所述实时在线监测模块包括显微镜或CCD相机。
根据权利要求1或9所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述实时在线监测模块采用同轴设计，即所述实时在线监测模块的轴向与成像在样品台上的光束为同轴。
本发明的优点在于：
(1)本发明的准分子激光后端光路系统，可以实现材料的光刻、打标、微剥蚀等多种微加工过程，是一种通用型后端光路系统。
(2)本发明的准分子激光后端光路系统，将各部件的控制系统集成于一体，操作简便、结构紧凑、成本低廉。
附图说明
图1为本发明的一种准分子激光后端光路系统的示意图。
图2为实施例一中在聚酯镜片样品上的十字叉性微加工图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由图1所示，一种准分子激光后端光路系统，包括：准分子激光器1、光束整形模块2、样品台3、实时在线监测模块4、整机控制模块5。
所述准分子激光器1输出光束的光斑为近平顶分布的矩形光斑，典型输出波长为157nm、193nm、248nm；所述准分子激光器1的输出光束发射至所述光束整形模块2中；
所述光束整形模块2用于对准分子激光器1的输出光束进行整形，将准分子激光器1输出光束的矩形光斑整形为点状光斑，该点状光斑的尺寸可低至微米量级，并将经光束整形模块2整形后得到的点状光斑最终成像在所述样品台3上。
所述光束整形模块2包括：沿光束的传播方向依次设置的可调光阑单元21、衰减单元22、匀光单元23、高精度成像单元24、高速扫描振镜单元25。
所述可调光阑单元21用于调节光束的光斑大小；所述可调光阑单元21包括：步进电机211、若干个形状、尺寸大小均不同的通光光阑；通光光阑的形状可为圆形，方形，多边形，以圆形通光光阑的尺寸大小为例，圆形通光光阑的直径为在0～10mm之间可选；通过步进电机211的旋转选择形状、尺寸大小不同的通光光阑，对光束进行限制，改变光束的光斑形状大小，从而调节最终成像的点状光斑的大小；所述可调光阑单元21通过调节光束的光斑大小，从而获取所需的加工尺寸和能量密度，以适应不同的加工需求；通过选择形状、尺寸大小不同的通光光阑，可实现最终成像在样品台3上的点状光斑为圆形、方形或多方形。
所述衰减单元22用于降低光束的激光能量；所述衰减单元22包括若干个不同透过率的透反镜片，且透反镜片的透过率为在5％～95％之间可选。
所述匀光单元23用于将光束的光斑能量分布均匀化；所述匀光单元23采用蝇眼匀光器或棱镜组合匀光器或光波导匀光器。
所述高精度成像单元24用于对光束的光斑进行聚焦，将经光束整形模块2整形后得到的点状光斑最终成像在所述样品台3上；所述高精度成像单元24包括成像透镜，本实施例中，成像透镜为可以聚焦的成像双凸或平凸透镜。
所述高速扫描振镜单元25位于所述高精度成像单元24和所述样品台3之间，用于控制光束的运动实现对样品台3上的样品31的扫描；所述高速扫描振镜单元25包括XY两轴振镜镜片。
所述样品台3用于放置样品31，并利用经光束整形模块2整形后得到的点状光斑对样品31进行微加工。
所述实时在线监测模块4用于对样品31的微加工形貌进行实时监测，并将实时监测结果发送给所述整机控制模块5；所述实时在线监测模块4包括显微镜或CCD相机；所述实时在线监测模块4采用专用于深紫外激光的同轴设计，即所述实时在线监测模块的轴向与成像在样品台3上的光束为同轴，不同于常规的旁轴成像，不会额外产生像差，适用于对高精度的微加工形貌进行实时在线监测。
所述整机控制模块5根据样品31微加工形貌的实时监测结果，控制所述准分子激光器1输出光束的激光脉冲参数，以及控制所述光束整形模块2的相关调节参数。
所述整机控制模块5包括光源控制模块51、振镜控制模块52、监测控制模块53；
所述光源控制模块51用于根据样品31微加工形貌的实时监测结果，控制所述准分子激光器1输出光束的激光脉冲参数；
所述振镜控制模块52用于根据样品31微加工形貌的实时监测结果，控制所述光束整形模块2的相关调节参数，所述相关调节参数是指高速扫描振镜单元25的摆动角度；
所述监测控制模块53用于控制所述实时在线监测模块4对样品31的微加工形貌进行实时监测，并获取样品31微加工形貌的实时监测结果，根据样品31微加工形貌的实时监测结果实时判断加工参数设置的合理性，从而能够及时调节加工参数即准分子激光器1输出光束的激光脉冲参数和高速扫描振镜单元25的摆动角度。
实施例一：
选用波长为193nm、型号为ArF的准分子激光器1，其输出光束的光斑为近平顶分布的矩形光斑，该输出光束依次经过光束整形模块2的可调光阑单元21、衰减单元22、匀光单元23、高精度成像单元24、高速扫描振镜单元25，最终成像在样品台3上。该过程中：
通过步进电机211旋转选择可调光阑为圆形光阑，并调节其尺寸大小即圆形光阑的直径为1mm。选择焦距为180mm平凸透镜作为高精度成像单元24的成像透镜，使得成像在样品台3上的光斑直径为50um。通过光源控制模块51调节准分子激光器1的激光脉冲参数，调节至样品31微加工所需激光脉冲参数。通过振镜控制模块52控制高速扫描振镜单元25的摆动角度，实现光束对样品台3上样品31的扫描。通过监测控制模块53控制实时在线监测模块4对样品31的微加工形貌进行实时监测，并获取样品31微加工形貌的实时监测结果，根据样品31微加工形貌的实时监测结果实时判断加工参数设置的合理性，从而能够及时调节加工参数即准分子激光器1输出光束的激光脉冲参数和高速扫描振镜单元25的摆动角度。
本实施例一中，在线监测模块为CCD相机，采用专用于193nm深紫外激光的同轴设计，实现高精度的样品31微加工形貌的实时图像检测。图2为利用该实施例一的系统在聚酯镜片样品31上的十字叉性微加工图像。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，包括：准分子激光器(1)、光束整形模块(2)、样品台(3)、实时在线监测模块(4)、整机控制模块(5)；
所述准分子激光器(1)的输出光束发射至所述光束整形模块(2)中；
所述光束整形模块(2)用于将准分子激光器(1)输出光束的光斑整形为点状光斑，经光束整形模块(2)整形后得到的点状光斑最终成像在所述样品台(3)上；
所述样品台(3)用于放置样品(31)，并利用经光束整形模块(2)整形后得到的点状光斑对样品(31)进行微加工；
所述实时在线监测模块(4)用于对样品(31)的微加工形貌进行实时监测，并将实时监测结果发送给所述整机控制模块(5)；
所述整机控制模块(5)根据样品(31)微加工形貌的实时监测结果，控制所述准分子激光器(1)输出光束的激光脉冲参数，以及控制所述光束整形模块(2)的相关调节参数。
2.根据权利要求1所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述光束整形模块(2)包括：沿光束的传播方向依次设置的可调光阑单元(21)、衰减单元(22)、匀光单元(23)、高精度成像单元(24)、高速扫描振镜单元(25)；
所述可调光阑单元(21)用于调节光束的光斑大小；
所述衰减单元(22)用于降低光束的激光能量；
所述匀光单元(23)用于将光束的光斑能量分布均匀化；
所述高精度成像单元(24)用于对光束的光斑进行聚焦，将经光束整形模块(2)整形后得到的点状光斑最终成像在所述样品台(3)上；
所述高速扫描振镜单元(25)位于所述高精度成像单元(24)和所述样品台(3)之间，用于控制光束对样品台(3)上的样品(31)进行扫描。
3.根据权利要求2所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述可调光阑单元(21)包括步进电机(211)和若干个形状、尺寸大小不同的通光光阑；通过步进电机(211)的旋转选择形状、尺寸大小不同的通光光阑，对准分子激光器(1)的输出光束进行限制，改变准分子激光器(1)输出光束的光斑大小，从而调节最终成像在样品台(3)上的点状光斑的大小。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，最终成像在样品台(3)上的点状光斑为圆形、方形或多方形。
5.根据权利要求2所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述衰减单元(22)包括若干个不同透过率的透反镜片。
6.根据权利要求2所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述匀光单元(23)采用蝇眼匀光器或棱镜组合匀光器或光波导匀光器。
7.根据权利要求2所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述高精度成像单元(24)包括成像透镜；所述高速扫描振镜单元(25)包括XY两轴振镜镜片。
8.根据权利要求2所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述整机控制模块(5)包括光源控制模块(51)、振镜控制模块(52)、监测控制模块(53)；
所述光源控制模块(51)用于根据样品(31)微加工形貌的实时监测结果，控制所述准分子激光器(1)输出光束的激光脉冲参数；
所述振镜控制模块(52)用于根据样品(31)微加工形貌的实时监测结果，控制所述光束整形模块(2)的相关调节参数，所述相关调节参数是指高速扫描振镜单元(25)的摆动角度；
所述监测控制模块(53)用于控制所述实时在线监测模块(4)对样品(31)的微加工形貌进行实时监测，并获取样品(31)微加工形貌的实时监测结果，根据样品(31)微加工形貌的实时监测结果实时判断加工参数设置的合理性，若不合理，则及时调节加工参数即准分子激光器(1)输出光束的激光脉冲参数和高速扫描振镜单元(25)的摆动角度。
9.根据权利要求1所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述实时在线监测模块(4)包括显微镜或CCD相机。
10.根据权利要求1或9所述的一种准分子激光后端光路系统，其特征在于，所述实时在线监测模块(4)采用同轴设计，即所述实时在线监测模块的轴向与成像在样品台(3)上的光束为同轴。
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