CN1120763C

CN1120763C - 用能量束在工件表面熔蚀不规则凹陷形成复杂轮廓的方法

Info

Publication number: CN1120763C
Application number: CN98103059A
Authority: CN
Inventors: 朝日信行; 内田雄一; 久保雅男
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: US6120725A; DE19833265A1; US6511627B1; DE19833265C2; CN1219450A

Abstract

一种使用掩模和光学系统，在可熔蚀的工件表面激光熔蚀形成由不规则凹陷构成的复杂轮廓面的方法。这种方法包括根据预期的工件表面的特性来确定复杂轮廓面，把这种复杂轮廓面分解成一种以上简单的、具有不同特性的规则波的图形，然后将能量束照射到工件表面上，连续地熔蚀形成一个个单独的规则波的图形并叠加起来。这样，就不难实现以较高的效率和适当的成本得到所预期的复杂轮廓面。

Description

用能量束在工件表面熔蚀不规则凹陷形成复杂轮廓的方法

技术领域

本发明涉及一种在工件表面制作由大量规则凹陷构成的复杂轮廓面的成形方法，特别是使用能量束在可熔蚀的工件表面上形成显微结构的轮廓面的方法。

背景技术

如美国专利US 4,128,752和US 4,842,782所公开的那样，用能量束在工件表面上熔蚀制出一种预期的微观结构的轮廓面的方法。为了在一个很宽的工件表面上，做出一种由不规则凹陷构成的复杂轮廓面，必须要配合使用一个形状复杂的掩模来精确地控制能量束，但是这种掩模加工困难并且制作成本非常高。因此，需要一种高效低成本的方法在工件表面上形成复杂的轮廓面。

发明内容

本发明就是为满足上述需要，提出了一种简单的在可熔蚀的工件表面上形成由不规则凹陷构成的复杂轮廓面的方法。这种方法包括如下步骤，确定复杂轮廓面；将一个能量束照射到所述工件的表面上，以便通过熔蚀在所述工件的表面上再生出所述复杂轮廓面；把所述复杂轮廓面分解成一系列简单的规则的具有不同特性的波的图形；及照射所述能量束以便通过熔蚀以叠加的方式连续地形成一个个单独的规则的波的图形，从而再生出所述复杂轮廓面。这样，就不难实现以较高的效率和适当的成本得到所预期的复杂轮廓面。

最好用一个正交变换，如付里叶变换，把复杂轮廓近似分解成规则的正弦波形。

掩模由一组同心的遮光圆环构成，使能量束通过掩模和光学系统后衍射，在工件上成象为一个周期的规则波。相对于掩模和光学系统移动工件就可以连续地制出一个周期一个周期的波，从而形成规则的波形图案。另一种在工件表面上连续形成规则的波形图案的方法是使用同样的掩模但改变光学系统的放大倍数，或使用具有不同特性的单个的掩模。进一步讲，最好使用由一族遮光单元所构成的掩模，而每个遮光单元都由一组同心的遮光圆环构成。

进一步讲，为精确地形成正弦波图形，最好能调节能量束的强度，使指向凹陷侧壁的强度比指向其波峰和波谷的强度更大。

更进一步讲，也可以使用沉积在工件表面的掩模来成象工件上的其中一个规则波的图形。这种沉积的掩模包括一族遮光单元，每个遮光单元都由一组对能量束有不同透过率的相连的遮光环组成，围绕着一个中心孔同心地排列。将能够单独形成另一种规则波的图形的能量束照射到这种掩模上，就可以构成复杂轮廓。这样，只要将能量来扫描照射到工件表面上，就可以很容易地形成复杂的轮廓面。

除了使用掩模之外，还可以使用一种包括一个蝇眼透镜的光学系统，该蝇眼透镜把能量束分散成一簇落在所述工件表面上的光束点，每一个所述光束点都具有规则变化的光束强度，所述光束点均匀地排列成阵列以便通过所述光束点的阵列限定所述规则的波的图形中的任何一个。调节光学系统以改变放大率，使之在第一种放大率的条件下，在工件表面上形成一种规则波的图形，然后再在第二种放大率的条件下，在同一表面上形成另一种规则波的图形。这样，通过改变放大率，经过两次或更多次的在工件表面上成象波形图案，就可得到预期的复杂轮廓面。

能量束最好是一种具有适当脉冲频率的激光束。激光束与脉冲频率同步在工件表面上扫描，就可以在一个很宽的范围内得到一个复杂的轮廓面。另一种可供选择的方案是固定光学系统而移动工件，也可以在一个很宽的范围内得到一个复杂的轮廓面。为了获得精确的激光熔蚀，最好使用具有短波长和/或窄脉冲宽度的激光束来实现本发明。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明及其优点做进一步描述。

图1为实施例1所述的实现本发明方法的系统示意图；

图2A为复杂轮廓的曲线；

图2B和2C是由附图2A所示的轮廓线分解出来的规则波形的曲线；

图3示意了一种修复规则波形的凹陷的方法；

图4为用于上述系统的掩模的平面示意图；

图5为能量束通过附图4所示掩模衍射后的强度曲线；

图6为用于上述系统的另一种掩模的平面示意图；

图7为通过掩模在工件表面上成象的平面示意图；

图8A和8B为在工件表面形成的波形的剖面示意图；

图9A为用于上述系统的分别成象波形的两个不同的掩模的平面示意图；

图9B为使用附图9A所示的掩模在工件表面上分别成象的波形剖面图和最终构成的复杂轮廓线；

图10A为在上述系统中使用的分别成象波形的两个不同的掩模的平面示意图；

图10B为使用附图10A所示的掩模在工件表面上分别成象的波形剖面图和最终构成的复杂轮廓线；

图11A与11B分别表示了激光束在工件上沿着一个方向扫描与沿着相互垂直的两个方向扫描以形成复杂轮廓面的两种典型的模式；

图12A与12B分别表示了工件沿着一个方向移动与沿着相互垂直的两个方向移动以形成复杂轮廓面的两种典型的模式；

图13是沉积在工件表面上的掩模的平面示意图，透过此掩模可形成规则波的图形；

图14示意了一种使用附图13所示的沉积的掩模来形成复杂轮廓面的方法；

图15为根据本发明另一个实施例在工件表面内形成不平凹陷的复杂轮廓面的系统示意图；

附图16A，16B和16C表示了使用本发明在工件表面形成规则波形图案的不同的方法的示意图。

具体实施方式

附图1示意了实施本发明方法的系统。本实施例是应用所述技术制作一个光源的光散射板，这是一个具有显微构造的、摩擦表面的、或任何复杂三维外形结构的部件。更具体讲就是要制作出光散射板或微小的光学透镜，它们具有由间距为1～50μm，形状比为0.6～2.0的不规则凹陷所构成的复杂轮廓面，制作出显微构造的零件，它们具有由间距为0.01～50μm，形状比为0.1～0.5的不规则凹陷所构成的复杂轮廓面；制作出用于红外或可见光传感器的高效微衍射透镜，它们具有由间距约为0.5μm，深度为0.5μm的不规则凹陷所构成的复杂轮廓面。

本系统示意图的10为能量束的发生源，所产生的能量对工件1进行熔蚀加工。这种能量束发生源10最好能提供短波脉冲，特别是使用具有波长为248纳米，脉冲宽度为30纳秒的KrF脉冲激光器。其它的如高峰值CO₂气体激光器和YAG激光器的激光器也适用于工件1。

工件1由可熔蚀材料构成，如有机玻璃(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酯、聚苯乙烯、赛路路塑料、聚氯乙烯、液晶聚合物、氮化硅、氧化铝、氮化硼、金、铜合金、钨和铝。预期制成的复杂轮廓面可根据其特性通过计算机模拟确定，例如附图2A所示的复杂轮廓线P包括了许多连续分布的不规则凹陷，这一复杂轮廓线P可以通过付里叶变换分解成两个简单的正弦波形W1和W2，如附图2B和附图2C所示。这两个波形分别具有不同的间距或频率以及不同的高度或幅度。根据要求的复杂程度与精确度，轮廓线P也可以通过一系列付里叶变换被分解成三个或更多个正弦波形。在本实例中，第一和第二波形W1和W2分别由下列的函数f(x)和g(x)所描述：

f(x)＝-15+15 sin(2πx/30)

g(x)＝-8+8 sin(2πx/24)这样，复杂轮廓线就可以表示为函数h(x)＝f(x)+g(x)。

那么，通过光学系统，在工件1的表面上先后制作规则的正弦波图形W1和W2，使二者叠加起来就形成了工件表面上的复杂轮廓面。这里的光学系统包括一对固定的反光镜11和12，引导来自于发生源10的激光束B通过一对圆柱状的透镜13和14，从而把初始的矩形激光束(25mm×8mm)整形为正方形激光束(25mm×25mm)。整形后的激光束B通过衰减器15和掩模20，被扫描反光镜17反射，再通过聚焦透镜18到达被安装在工作台2上的工件1表面。掩模20也可以置于扫描反光镜17和聚焦透镜18之间。

附图4示意了一个使用掩模20在工件1表面上形成正弦波图形的典型实例。掩模20包含一个透明石英基片21，在其上沉积一组镀铬遮光环22，这些环同心地排列成一个直径为300μm的圆。圆外的剩余部分也被沉积铬使之遮光。遮光环的宽度为2μm，环间距也为2μm，从而使激光束从各遮光环之间透过，激光束透过掩模20之后衍射生成一个如附图5所示的强度衍射图形，它具有一个周期的规则正弦波形。这个衍射的正弦波形通过一个焦距为100μm的聚焦透镜18以1/10的放大率在工件表面上成象，此时扫描反光镜17以一个适当的频率振荡，从而把具有衍射图形的覆盖宽度约为1mm×1mm的激光束扫描在工件的表面上。这样，把在最外圈遮光环所限的区域内强度变化的激光束照射在工件表面上，形成了一个由附图7所示光束点S组成的矩阵，然后分别沿相互垂直的方向在工件表面上用激光熔蚀出W1和W2波形中的一种，如附图8A和8B。在此实例中，调节衰减器15得到能量密度为5.0mJ/mm²，共30个激光光束点，经过掩模以形成相应的波的图形。

除了使用附图4所述的掩模，也可以使用如附图6所示的复合型掩模30，它是一块基片，在其上有一族遮光单元20，每个遮光单元都由一组同心的遮光圆环构成，基片上遮光环以外的部分全都沉积铬以便遮光。

在工件的表面上形成了第一个波形图案W1后，调节光学系统以减小放大率，在第一个波形图案W1之上再叠加上第二个波形W2图案，这样就做出了不规则凹陷上的复杂轮廓面。对于更精确复杂的轮廓面，还需要以不同的放大系数连续地多次叠加相同或不同的波形。应注意的是在这种组合中，为了做出更精确复杂的轮廓，先形成的波形比后叠加的波形有更大的幅度。

除了变化放大率之外，也可以使用不同的掩模在同一个工件表面上形成单独的正弦波图形。例如，要在工件表面形成一个由三个波形图案组合构成的复杂轮廓面，这三个波形图案分别是间距为30μm且深度为9μm的波形W1，间距为12μm且深度为3μm的波形W2和间距为5μm且深度为1.3μm的波形W3。第一个掩模由一组圆形的遮光单元构成，每个单元的直径为240μm，相邻单元间的中心距为300μm，每一个遮光单元都具有如附图4所示的构造。第二个掩模由一组类似的遮光单元构成，单元的直径为96μm，中心距为120μm。第三个掩模也由一组类似的遮光单元构成，单元的直径为40μm，中心距为50μm。通过第一个掩模射向工件表面的是30个能量密度为5.0mJ/mm²的激光束脉冲，通过第二个掩遮罩的是10个脉冲，通过第三个掩遮罩的是4个脉冲，以上的放大系数均为1/10。

附图9A和9B示意了使用两个不同的掩模形成类似复杂轮廓面的另一个实例，掩模31和32分别由一组直径不同但排列的中心间距相同的圆形孔34构成，第一和第二掩模31和32分别形成了附图9B所示的不同的波的图形，其正好位于图9A中所示的各掩模下面，最终构成如附图9B右边所示的复杂轮廓。

附图10A和10B示意了使用两个单个的掩模31A和32A形成类似的复杂轮廓面的另一个实例。掩模31A和32A分别由一组直径相同但有180°相反相位的圆形孔34A构成，掩模31A和32A分别形成了附图10B所示的正位于图10A中的各掩模下的不同的波形，最终构成如附图10B右边所示的复杂的轮廓线。圆形孔34和34A的直径要比入射的激光束小很多，从而移动激光束可以在工件表面上形成圆形的凹陷。由于通过圆孔的激光束的量在中心处比边缘处更多，因此便熔蚀生成一个剖面为正规正弦波形的凹陷。在此也可以使用附图4所示的遮光单元20来代替单个的圆形孔34和34A。

为了在一个很宽的范围内形成波形并由此构成复杂的轮廓面，激光束可以沿着一个方向扫描，然后再沿着另一个垂直的方向扫描，如附图11A和11B所示。例如，在一个宽的区域形成了图形之后，工件1相对于光学系统移动大约为几个波形周期的距离。反之，当激光束通过固定的光学系统照射到工件1时，也可以水平移动工件1，如附图12A和12B所示。在此方式中，携带工件1的工作台2与激光束的脉冲同步移动。例如，台面的移动速度是13mm/min，入射的激光束的脉冲频率为150Hz。这种移动台面的方式由于避免了产生光学系统的畸变而更适合于精确复制出复杂的轮廓面。

附图13示意了一种用于本发明方法的沉积式掩模40。这种掩模40在被激光束辐射前沉积在工件1的表面上，以便成像其中的一个规则波形图。掩模40由一族遮光单元41组成，每个遮光单元都由两个具有不同透光度的紧密相连的遮光环43和44构成，这两个遮光环围绕着一个直径为30μm的中心孔同心排列。内环43的内外径分别为30μm和70μm，所沉积的是厚度为1000埃的Ag；外环44的内外径分别为70μm和100μm，所沉积的是厚度为1000埃的Cu；遮光环以外的区域45上沉积一层厚度为5000埃的Al。这样的遮光单元41排列成矩阵构成掩模40，遮光单元的圆心距为100μm。上述Ag的内环43，Cu的外环44和Al的剩余区域45对于KrF激光束的透过率分别是72％，59％和9％。如果把均匀强度的激光束照射到沉积掩模的区域内，就会在工件1的表面上形成一个间距为100μm，幅度为3μm的第一种正弦波图形，如附图14的左图所示。实际所使用的入射光是能够单独形成间距为50μm，幅度为1μm的第二种正弦波图形的光强变化的光束，将这种光束照射到沉积掩模40上后，就形成了包括第一种波形和第二种波形的复杂轮廓面，如附图14的右图所示。由此可见，使用这种技术，仅将光强变化的入射光照射到沉积掩模40上，就可一次形成复杂轮廓面。这种光强变化的入射激光束可以通过使用掩模，特殊的透镜或光学系统的其它机构得到。

附图15示意了应用本发明方法的另一个系统。该系统包括一个能产生短脉冲波的能量发生源100，一对固定的反光镜111和112，引导来自于发生源100的激光束B通过一对衰减器115和116到达扫描反光镜117。然后激光束再通过一对圆柱形的透镜113与114，从而把初始的矩形激光束(25mm×8mm)整形为正方形的激光束(25mm×25mm)。整形后的激光束B通过一个蝇眼透镜120照射到固定在台面上的工件1的表面上。这个蝇眼透镜120由一组25个微小的凹面透镜所组成，把正方形截面的入射激光束分成了相应的一簇光束点，与使用附图6的掩模30所得到的附图7所示的结果一样，每一个光束点的光束强度都有规则的变化，从而在工件表面上形成了一个正弦波形。这样通过改变光学系统的放大率就能够在工件表面上通过蝇眼透镜120成象出不同的正弦波形。实例为通过衰减器115和116调节激光束的能量密度为5.0mJ/mm²，在聚碳酸酯的工件表面上形成了包括以下三种波形的复杂轮廓面，其一是具有1000μm间距和50μm高度的波形，其二是具有500μm间距和30μm高度的波形，其三是具有250μm间距和5μm高度的波形。第一个波形是在1/5放大率的条件下，由通过蝇眼透镜120的170个激光束的脉冲照射形成的；第二个波形是在1/10放大率的条件下，由通过蝇眼透镜120的100个激光束的脉冲在第一个波形之上照射形成的；最后第三个波形是在1/20放大率的条件下，由通过蝇眼透镜120的17个激光束的脉冲在复杂的图案之上照射形成的，最终形成了所预期的复杂轮廓面。操作扫描反光镜117使激光束扫描，经过蝇眼透镜120后分别在25mm²，6.25mm²和1.5625mm²的正方形区域内形成第一、第二和第三种波形的图象。为了在一个很宽的区域内形成复杂轮廓面，也可以相对于光学系统水平地移动安装工件1的台面。

除了使用所述的掩模或蝇眼透镜，也可以使用边在工件表面上移动光束点边改变激光束的强度的方式，直接照射工件表面使之形成一个正弦波图形。附图16A示意了用激光束直接照射形成正弦波形的方法。一个指定的正弦波的全周期可以被分成从S1到S8的8段，根据每一段的平均振幅调节射在该段的激光束点的强度，就可以使该段熔蚀至不同的深度。这样，按照简单正弦波形改变光强度和移动工件，一小段一小段地熔蚀工件表面形成由两个或多个正弦波图形所构成的复杂轮廓面。尽管可以很容易地通过调节光束强度来变化光束点以形成正弦波图形，但使用附图4所示的掩模20如图16B所示一次就形成一个周期的正弦波，或使用如附图15所示的蝇眼透镜120或用图6的掩模30如图16所示一次形成两个以上周期的正弦波，这两种方法对于形成复杂轮廓面效率更高。

使用激光束熔蚀形成正弦波图形时，图形的凹陷的侧壁不会精确到与正弦波形完全相符，正象附图3所示的虚线那样。这是由于激光照射到侧壁的倾斜面上时强度会降低。为了避免这种不希望的效果，可以调节照射到侧壁的激光束的强度，使照射到通过熔蚀形成的上述凹陷的侧壁的能量束强度比照射到凹陷谷或凹陷峰的能量束强度大，从而形成更精确的正弦波形。为达到这个目的，可以采用将同样的波形重复形成两遍的方法。例如，如果所需的正弦波表示为函数g(x)，那么可以重复由函数f(x)表示的波形就可以近似得到函数g(x)的波形，函数g(x)和函数f(x)分别表示如下：

g(x)＝15sin(2πx/30)

f(x)＝7.5sin(2πx/30)多次重复制作同样的波形则可以更精确地近似得出正弦波的形状。正弦波f(x)可以通过使用掩模、蝇眼透镜或随光束点的变化控制光束强度的方法得到。另外，一个单个的正弦波图形可以通过使用两个或更多个掩模或蝇眼透镜来得到，这一方式作为补偿增加了直接照射在所形成的凹陷的侧壁上的强度。

请注意，上述特点可以适当的组合用于复制复杂轮廓。特别值得注意的是，使用本发明方法还可以制作用于复制具有显微结构的制品的母模。在此项应用中，首先用众所周知的工艺(通常指LIGA工艺)制作一个显微结构的工件，然后用电成型的方法制出母模。当复杂轮廓的凹陷点变得很微小时，以至于到了平均间距小于几个微米，形状比等于或大于1.0的程度时，使用母模来复制这种显微结构就十分困难。对于这样的场合，最好能在工件上给出某种波的图案的基础，然后在其上叠加其它的波的图案最终得到所述的复杂轮廓面。

Claims

1.一种在工件表面上形成由大量不规整凹陷所构成的复杂轮廓面的方法，该方法的步骤如下：

确定复杂轮廓面；

将一个能量束照射到所述工件的表面上，以便通过熔蚀在所述工件的表面上再生出所述复杂轮廓面；

其特征在于，该方法还利用以下步骤：

把所述复杂轮廓面分解成一系列简单的规则的具有不同特性的波的图形；及

照射所述能量束以便通过熔蚀以叠加的方式连续地形成一个个单独的规则的波的图形，从而再生出所述复杂轮廓面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过一个正交变换把所述的复杂轮廓面分解为具有正弦性质的所述的规则波的图形。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于使用一个由一族同心的遮光环所构成的掩模，使能量束通过此掩模后在工件表面上衍射生成一个周期的规则波的图形。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于使用单个能够在工件上形成一种所述的规则波的图形的、沉积在所述工件表面上的掩模，这种掩模包括一族遮光单元，每个遮光单元都由一组具有不同透光率的、围绕着中心孔同心地相连排列的遮光环构成，将能够单独形成另一种所述的规则波的图形的能量束照射到这种掩模上，就形成了所述的复杂轮廓面。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于通过调节，使照射到经熔蚀形成的凹陷的侧壁的能量束强度比照射到凹陷峰或凹陷谷的强度要大。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于使用多个不同的掩模，分步地将所述的能量束照射到工件表面上，每个所述的掩模可在工件表面上形成不同的规则波的图形。

7.如权利要求1所述方法，其特征在于使用一种包括一个蝇眼透镜的光学系统，该蝇眼透镜把能量束分散成一簇落在所述工件表面上的光束点，每一个所述光束点都具有规则变化的光束强度，所述光束点均匀地排列成阵列以便通过所述光束点的阵列限定所述规则的波的图形中的任何一个。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于调节所述的光学系统以改变其放大率，从而在第一个放大率的条件下在工件表面形成一个规则波的图形，然后在第二个放大率的条件下在同一表面上形成另一个规则波的图形。

9.如权利要求1所述方法，其特征在于使用一个光学系统和单个掩模在所述的工件表面上产生一种不同的规则波的图形，调节光学系统的放大率，使在第一个放大率的条件下在工件表面形成一个规则的波的图形，然后在第二个放大率的条件下在同一表面上形成另一个规则波的图形。

10.如权利要求1所述方法，其特征在于所述的能量束为一种以所需的脉冲频率照射到工件表面上的脉冲激光束，这种激光束与脉冲频率同步在所述工件表面上扫描，从而实现了在工件表面的一个很宽的区域内形成所述的复杂轮廓面。

11.如权利要求1所述方法，其特征还在于固定包含能在工件表面形成规则波的图形的装置的光学系统，相对于此光学系统运动所述的工件，从而实现了在工件表面上的一个很宽的区域内形成所述的复杂轮廓面。

12.如权利要求1所述方法，其特征还在于用这种方法制造一种具有由间距为0.01μm～50μm，形状比为0.1～2.0的不规则凹陷构成的复杂轮廓面的制品。