TWI505895B - 標誌或銘刻工件之方法及設備 - Google Patents

Description

標誌或銘刻工件之方法及設備

本發明係有關一種標誌或銘刻工件之方法，其係以高能輻射，特別是以雷射束標誌或銘刻工件，該工件具有光散射表面，且該工件之材料對輻射波長透明，且聚合物基質配設在該工件上，使輻射在撞擊到該聚合物基質之前，通過該工件及其光散射表面。

咸知使用雷射輻射加工工件材料基本上根據輻射之吸收及後續程序之能量轉換，其等有諸如蒸發、離子化、粒子移除及光化學處理。此等程序可在工件本身上發生，結果，標誌或銘刻以例如鑴刻之形式形成，或者另種材料例如作為以雷射束蒸發(脈波雷射沉積PLD)之部分局部沉積於工件上。特別是在工件材料對使用之雷射輻射之波長透明情況下，會發生種種脈波雷射沉積。

材料之光學性質可以藉由被視為波長之函數之傳輸率T、反射率R及吸收率A來敍述。雷射束通常通過空氣介質到達加工處，在此，其撞擊於工件之表面上。咸知雷射能量僅以某一特定程度耦合進入工件。此等損失主要因在待加工工件表面之反射及雷射輻射之散射而發生。因此，僅一部分雷射束被供給所欲之操作，或者分別地透過散射再度耦合輸出或轉入工件之不想要之適區域。

特別是，具有金屬性質之材料具有涵蓋大波長範圍之高反射率，這使得加工更為困難，且意指諸如功率、波長、脈波長度及曝光期間須以專屬精確度設定，以容許具有金屬性質之材料之加工。

考慮到光學性質，要區別二介質間介面之行為與介質內之行為不同。於二介質間之平面介面雷射光可能被傳輸及/或反射。若工件為例如不吸收光波長之玻璃基板，於介質本身將有吸收或完全之傳輸。

然而，若於微型結構中介面行為似會聚透鏡或擴散透鏡，雷射光即可能於其路徑上改變。具有微米範圍之粗糙度之表面同樣發生不得小覤之擴散反射。

整體言之，此等光學現象干擾進入材料之光線之耦合並可能因此大幅破壞加工結果。特別是具有高加工臨限之高反射材料僅可使用極高功率之雷射加工。然而，此外，雷射所通過之材料，例如光學透鏡，將改變雷射束之性質，接著在進一步使用之過程中導致不佳結果。

於玻璃製工件情況下，平常使用抗反射塗層，以減少可見波長在玻璃片上，亦在眼鏡上之反射；此等塗層用於建築。

咸知粗糙表面朝所有方向反射光線。若粗糙度遠小於入射光之波長λ，即稱此表面為光學上平滑。惟若粗糙度大於入射光之波長λ，即稱此表面為光學上粗糙。例如，儘管玻璃在其他光學性質上為透明，具有光學上粗糙之表面之玻璃卻似乎不透明。

由於就藉雷射輻射加工玻璃而論，玻璃應盡可能少傳輸雷射輻射，因此，玻璃經常以CO₂ 雷射予以加工，此乃因為玻璃對約10.6μm之紅外線波長並非半透明。因此，雷射輻射被吸收入玻璃中，並導致輻射能量之耦合輸入，從而導致工件之加熱。這意指在諸如切割及鑽孔之加工中，使用10.6μm之波長於玻璃。

在使用具有1064nm波長之固態雷射情況下，實際上玻璃具有極低吸收率，因此，該雷射輻射原則上通過玻璃而對玻璃無結構上之作用。惟若使用具有光學上粗糙之表面之玻璃，雷射束之不可輕忽部分即於粗糙介面上被折射，僅某一比例貫穿而通過玻璃基板。甚而，可使用具有微型構造之玻璃以陷捕高能光線或使其轉向。

在特別是太陽電池情況下，使用玻璃結構作為太陽電池蓋，其容許在光線之耦合輸入方面改進。該技術稱為“光陷捕”，此乃因為入射光子藉由經該結構之反射退回高達八次，並因此可被“陷捕”。更詳細觀察該結構，根據幾何光學，其為如擴散或會聚透鏡般作用之凹凸透鏡系統。然而，除此之外，施加微米級粒子或奈米級粒子於擴散地反射入射光之表面。

在光線撞擊於此種粗糙光學表面之各點，反射定律適用。這對1064nm之雷射光波長亦然，並因此平行雷射束以未控制之方式折射。若具有此種光學粗糙表面之工件擬使用具有1064nm之雷射束銘刻，即須使用比具有光學平滑表面之工件高的雷射功率；這首先造成該方法效率更低，其次則因熱之耦合輸入而對工件起有害作用。

因此，本發明之目的在於提供一種標誌或銘刻工件之方法及設備，其係以高能輻射，特別是以雷射束標誌或銘刻工件，其中經由光散射、粗糙表面所進行之雷射光之耦合輸入更有效率。

此目的分別藉如申請專利範圍第1及9項之本發明方法及本發明設備達成。有利的實施例係附屬項申請專利範圍之內容。

首先，本發明提供一種標誌或銘刻工件之方法，其以高能輻射，特別是以雷射束標誌或銘刻工件。於此情況下，工件具有光散射表面，且該工件之材料對輻射波長透明。甚而，一聚合物基質配設在該工件上，使輻射在撞擊到該聚合物基質之前，通過該工件及其光散射表面。該方法之特徵在於，該工件之光散射表面以液體或黏質彈性介質濕潤。

符合本目的之聚合物基質係以聚合物成分為基礎之任何基質。除了聚合物成分外，基質亦可包括任何所欲非聚合物成分；僅主要成份在性質上應為聚合物。特別是，“聚合物基質”一辭亦指聚合物系混合物。於一尤佳實施例中，聚合物基質特別係熱固性聚合物基質。已有各種熱固性聚合物特別適用於標誌或銘刻工件。

由於以液體或黏質彈性介質濕潤光散射表面，因此，光散射表面之結構被填滿，並因此粗糙之光散射表面變得在光學上平滑。由於表面之反射及散射特徵改變成雷射束能在無分裂之總反射及大輻減少反射程度下，通過工件。黏質彈性介質可例如為具有彈性膜載體之黏著劑，彈性膜載體可構成聚合物基質。

為了將在工件與介質間之介面之反射減至最小，假如液體或黏質彈性介質具有與工件之材料者相似之折射率則是有利的。

所用輻射源較佳地為一種適用於工件之標誌、銘刻或鑴刻之雷射。其例如為像是具有1064nm波長及平均功率12至15W之FAYb光纖雷射(光纖放大釔)之光纖耦合固態二極體雷射。由於使用600nm-1500nm波長範圍之輻射，因此，假如在600nm-1500nm波長範圍之液體或黏質彈性介質呈現無吸收或具有小於10%之吸收率則是有利的。其適用於較佳為玻璃基板之工件之材料。

有利地，光散射表面應以極薄液體或黏質彈性介質層濕潤，此層適足以提供粗糙光散射表面之光學平滑化。惟由於可能有介質之氣化或蒸發，因此，須確保光散射表面於輻射之過程中充分濕潤。依該表面之應用及粗糙度而定，對於為250nm-10mm波長範圍之液體或黏質彈性介質之層厚情況亦可。有利地，亦可對光散射表面濕潤兩次或更多次或進行連續濕潤。

於本發明方法之一較佳實施例中，聚合物基質配設成與工件之表面接觸，該工件之表面與該光散射表面對置。通過濕潤表面及工件之輻射可能導致材料自相鄰聚合物基質移除，藉此，容許聚合物基質之成分或生成物以標誌或銘刻之形式沉積在工件上。就標誌或銘刻而論，較佳係沉積由聚合物基質所提供之反應物之化學反應的產物，且其可藉由移除輻射所誘發之材料，用於反應。然後，亦可使用進一步之輻射以便隨時提升或調整化學反應。

聚合物基質可具有例如鈦施體，亦可具有碳施體。一有用鈦施體係純鈦或鈦化合物，其易於在暴露於能量的短時間內提供自由鈦作為反應物。如適當的話，亦可經由含鈦中間物之路徑提供自由鈦。特別是在以能量輻射下碳施體提供自由碳。碳施體可為碳化合物及/或自由、未鍵結碳。碳施體可由聚合物基質本身提供，或者，可為以例如碳黑形式存在之額外碳化合物。甚而，聚合物基質亦可進一步包括例如聚合物、吸收物之成分。由於輻射，鈦及碳反應物例如藉由鈦化合物及碳化合物之分裂，以及在進一步的暴露於輻射時，形成所欲鈦化合物產物。於1700℃至2200℃之局部溫度下，較佳地，二氧化鈦藉碳黑或超純石墨還原成鈦碳化合物及一氧化碳。輻射造成反應所需溫度。

聚合物基質形成為使得其主要藉由粉碎以回應雷射輻射，藉此釋出個別反應物，更具體而言為鈦及碳，並使其等可用於反應成鈦碳化合物。沉積於工件上之鈦碳化合物，其在可見波長範圍內為不透明，接著用來作為工件上之標誌或銘刻。

在標誌或銘刻之後，較佳地再度自光散射表面移除液體或黏質彈性介質，此乃因為粗糙光散射表面之光學平滑化可能對後續之工件之使用不理想。例如，太陽能電池蓋之玻璃表面可能為了改進光耦合而審慎地構成或粗糙化。

其次，本發明提供一種標誌或銘刻工件之設備，其以雷射束標誌或銘刻工件，該設備具有一雷射束源及一用於工件之夾持具，該夾持具設計來夾持一工件，該工件具有光散射表面，其材料對該雷射束之波長透明，且在該雷射束之路徑上與聚合物基質接觸，使輻射在撞擊到該聚合物基質之前，通過工件及其光散射表面，其特徵在於，該設備另具有一施配單元，其設計成以液體或黏質彈性介質濕潤該工件之該光散射表面。

因此，設計來以液體或黏質彈性介質濕潤材料之光散射表面之施配單元可確保在標誌或銘刻的過程中，光散射表面充份濕潤。

該設備較佳地亦具有諸如刷具、烘乾機或抽吸手段之移除單元，以再度自材料之光散射表面移除液體或黏質彈性介質。

於下文中參考附圖更詳細闡明本發明方法之有利實施例。

第1圖顯示雷射束1如何被導至將於表面5上作標誌或銘刻之工件3。與表面5接觸之聚合物基質7被配設在工件3之表面5上。工件3對雷射束1之波長透明，而聚合物基質7則主要吸收雷射束1。雷射束1經由與待標誌之表面5相對之工件3的粗糙光散射表面9進入工件3，並通過工件3撞擊於吸收雷射束1之聚合物基質7上。然而，不得輕忽之一部分雷射束1並未被工件3之粗糙光散射表面9所傳輸，反而如第1圖之徑向箭頭所示，以漫射反射返回。結果，僅一部分雷射束1到達聚合物基質7。如此，雷射束1之輸出密度在工件3內可能減少至聚合物基質7無法獲得足夠的能量轉移作標誌或銘刻的程度。於此情況下，無法於聚合物基質7中發生粉碎或解聚合，並因此無聚合物基質之成分或生成物可沉積於工件3之表面5上成為標誌或銘刻。於此惰況下，須增加雷射之功率，而這會造成該方法效率較低，並導致不必要的或者甚至於可能有害之工件的更大加熱。

第2圖顯示例如水等液體11濕潤工件3之粗糙光散射表面9的效用。在標誌或銘刻之前或過程中，藉形式為嘴管、吸量管或其他液體通口之施配單元13，對粗糙光散射表面9施加液體11。因此，表面9被光學地平滑化，此乃因為液體11之折射率與工件3，亦即玻璃基板之材料者相似。於此情況下，在工件3與液體11之間之交界層無擴散反射。

因此，雷射束1之更大部分被耦合入工件3，從而，該方法更有效率，甚至在不增加雷射功率下聚合物基質7可獲得足夠的能量轉移作充分標誌或銘刻。於此情況下，實際上，對雷射束1之曝光造成聚合物基質7中的局部粉碎及解聚合，聚合物基質之成分或其所形成之生成物以標誌或銘刻之形式沉積在工件3之表面5上。

1．．．雷射束

3．．．工件

5．．．表面

7．．．聚合物基質

9．．．光散射表面

11．．．黏質彈性介質

13．．．施配單元

第1圖顯示雷射束於工件之光散射、粗糙表面上之漫射反射。

第2圖顯示藉由濕潤工件之光散射、粗糙表面減少漫射反射之情形。

1．．．雷射束

3．．．工件

5．．．表面

9．．．光散射表面

11．．．黏質彈性介質

13．．．施配單元

Claims (11)

1. 一種標誌或銘刻工件(3)之方法，其係以高能輻射，特別是以雷射束(1)標誌或銘刻工件，該工件(3)具有光散射表面(9)，且該工件(3)之材料對輻射波長係透明的，及一聚合物基質(7)配設在該工件(3)上，使得在輻射撞擊到該聚合物基質(7)之前，通過該工件(3)及其光散射表面(9)，其特徵在於，該工件(3)之該光散射表面(9)以液體或黏質彈性介質(11)濕潤。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體或黏質彈性介質(11)具有與該工件(3)之材料者相似之折射率。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體或黏質彈性介質(11)在600nm-1500nm波長範圍呈現無吸收或具有小於10%之吸收率，並使用在600nm-1500nm波長範圍之輻射。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該光散射表面(9)以250nm-10mm層厚之該液體或黏質彈性介質(11)濕潤。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該工件(3)之材料係玻璃基板，其在600nm-1500nm波長範圍之該液體或黏質彈性介質(11)呈現無吸收或具有小於10%之吸收率，並使用在600nm-1500nm波長範圍之輻射。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該聚合物基質(7)配設成與該工件(3)之表面(5)接觸，該工件(3)之表面(5)與該光散射表面(9)係相對的。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中輻射導致材料自該聚合物基質(7)移除，且生成物以標誌或銘刻之形式沉積在該工件(3)上。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該液體或黏質彈性介質(11)係於標誌或銘刻後自該光散射表面(9)移除。
9. 一種標誌或銘刻工件(3)之設備，其係以雷射束(1)標誌或銘刻工件，該設備具有一雷射束源及一用於工件之夾持具，該夾持具設計來夾持該工件(3)，該工件(3)具有光散射表面(9)，其材料對該雷射束(1)之波長係透明的，且與聚合物基質(7)接觸，在該雷射束(1)之路徑上使輻射在撞擊到該聚合物基質(7)之前，通過工件(3)及其光散射表面(9)，其特徵在於，該設備另具有一施配單元(13)，其設計成以液體或黏質彈性介質(11)濕潤該工件(3)之該光散射表面(9)。
10. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該設備另具有一移除單元，其設計成自材料之該光散射表面移除該液體或黏質彈性介質(11)。
11. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該移除單元係刷具或烘乾機。