TWI510320B - 雷射加工系統、雷射加工方法及光學頭 - Google Patents

雷射加工系統、雷射加工方法及光學頭 Download PDF

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Description

雷射加工系統、雷射加工方法及光學頭
本發明係關於加工，更具體而言，係關於雷射加工系統及方法。
雷射加工系統及方法通常用於加工各種類型之材料及結構。此等雷射加工系統及方法可提供多種優點，包括製造成本較低、生產量及生產良率增大、且品質更高。例如，於太陽能面板領域中，雷射加工之優點可明顯提高太陽能技術之效率及適用性。
於薄膜光電(photovoltaic；PV)太陽能面板之製造中，可利用雷射加工技術來劃刻一面板中之各種薄膜層，以形成電性相連之電池。於一種類型之PV太陽能面板中，沈積三個層來形成面板且於每一次新的沈積之後皆進行線的劃刻。面板上包含該等線之區域被視為一被浪費區域，該被浪費區域不能進行太陽能轉換。因此，該等線應為直的且應精確地對齊，以使此被浪費區域最小化並提供最佳之效率。亦期望具有高的劃刻速度，以提高生產量。對薄膜PV太陽能面板(及其它類似結構)提供精確且高速之劃刻存在諸多獨特之挑戰。
具體而言，由雷射加工系統所產生及/或被傳遞至雷射加工系統之振動及/或力可不利地影響加工精度及速度。可利用被動隔離技術(passive isolation techniques)將一機器之處理區(processing area)與地面退耦。通常將隔離器置於機器框架與用於支撑處理區元件之一花崗岩基座(granite base)之間。然而，於太陽能面板中劃刻線之雷射加工涉及到光學頭(optical head)及/或太陽能面板之平移。當該等元件相對於花崗岩基座移動時，力被傳遞至該 花崗岩基座且反作用力(reaction force)會導致加工精度出現寄生誤差(parasitic error)。換言之，花崗岩基座前後搖擺且反作用力可被傳遞回至光學頭。而等待該等反作用力消退會導致加工製程明顯减慢。儘管已對運動平台使用各種力傳遞及消除技術(force transfer and cancellation technique)，然而該等現有技術可能不適用於需要高速度、高精確度及高生產量之雷射加工應用。
由於所劃刻之薄膜層之性質以及由於期望降低太陽能面板之製造成本，對雷射之選擇亦存在挑戰。現有雷射加工系統及方法常常利用單模同調光束(single mode coherent beams)。然而，利用一同調光束點無法實現所期望的選擇性材料移除且無法有效地利用光束功率。
PV太陽能面板之雷射加工所面臨之另一挑戰係為在從雷射源至工件之工作距離(working distance)長以及面板尺寸大之條件下保持精確度之能力。長工作距離及較長之光束傳輸路徑可導致角度指向不穩定。當雷射光束須行進較遠之距離到達該工件且利用例如遠場劃刻技術(far-field scribing techniques)時，光束之焦點可發生變化，導致線之筆直度及對齊度不精確。對於大的面板，面板之高度及/或厚度於較大距離上可發生變化，此可造成非所欲之劃刻波動，例如寬度、深度、能量密度、熱影響區及穿透度之波動。
劃刻線之雷射加工亦存在環境挑戰。對該等太陽能面板中所用之某些材料進行雷射燒蝕(laser ablation)可產生有害氣體。舉例而言，於薄膜PV太陽能面板中，常常使用碲化鎘(cadmium telluride；CdTe)作為一主動導電層，而CdTe之燒蝕會產生有毒 氣體。現有雷射加工系統無法以一種安全且節能之方式有效地處置該等有害氣體。
根據本文所述之各種實施例之雷射加工系統及方法可用於在諸如太陽能面板等較大之平整工件中劃刻一或多條線。具體而言，雷射加工系統及方法可用於以高之精確度、高之速度及降低之成本在薄膜光電(photovoltaic；PV)太陽能面板中劃刻線。該雷射加工系統及方法之實施例可利用多個雷射掃描平台來提供力消除。該雷射加工系統及方法之實施例亦可利用雷射源及移動光束傳輸系統跨越一長工作距離在一工件中同時劃刻多條線。該雷射加工系統及方法之實施例亦可利用追踪系統來提供劃刻線對齊並慮及該工件之變化。該雷射加工系統及方法之實施例亦可利用碎屑移除系統來移除由加工製程所產生之碎屑及/或利用過濾系統來移除有害氣體並過濾及循環利用該系統內之空氣。下文將更詳細地描述此等雷射加工系統及方法之各種實施例。
如本文所用，「加工(machining)」係指任何利用雷射能量來改變一工件之行為，且「劃刻(scribing)」係指藉由線性地移動雷射及/或一工件而於該工件上加工出線之行為。加工可包含，但不僅限於：雷射燒蝕劃刻(laser ablation scribing)，其中雷射能量使工件之材料被燒蝕；雷射再結晶劃刻(laser recrystallization scribing)，其中雷射能量使工件之材料熔化並再結晶；以及雷射隱密劃刻(laser stealth scribing)，其中聚焦於工件內部之雷射能量使工件於內部開裂。如本文所用，「平整(flat)」意指幾乎不具有 曲度、但不一定為平面的。如本文所用，諸如「實質上(substantially)」、「約(about)」以及「近似(approximately)」等術語意指處於可接受之容差內。本文所述之雷射加工系統之各種元件亦可用於用以加工具有其它形狀之工件之系統中。
參見第1圖至第4圖，其顯示並描述一雷射加工系統100之一實施例，其可包含一多重細光束雷射光束傳輸系統。雷射加工系統100可包含由一被動式振動隔離系統104所支撑之一基座102，例如一花崗岩基座。如下文所更詳細描述，基座102可支撑雷射加工系統100之各種元件(例如一部件運送系統、複數光學頭、複數運動平台以及複數運動控制系統)且為該等元件提供穩定性。被動式振動隔離系統104可於基座102之各隅角處包含四被動式隔離器，以將雷射加工系統100與可沿地面行進之振動隔離開。於所示實施例中，該等隔離器係定位於基座102與一框架105之間。
雷射加工系統100可包含一部件運送系統(part handling system)110以及一或多個雷射掃描平台120，部件運送系統110係用於支撑一部件或工件101，該一或多個雷射掃描平台120係用於支撑一或多個光學頭(圖未示出)，該一或多個光學頭用於在工件101處引導一或多個雷射光束。部件運送系統110可包含位於一加工部(process section)111之相對側上的一進料部(infeed section)110a以及一出料部(outfeed section)110b。部件運送系統110提供用於支撑工件101之一工件支撑面(workpiece support surface)112並包含一運動控制系統(motion control system)，該運動控制系統係用於控制工件沿一工件軸線(例如，Y軸)之運動，例如，以 引導工件101通過加工部111。具體而言，進料部110a可包含一進料輸送機，且出料部110b可包含一出料輸送機。進料部110a將工件101移入加工部111，而出料部110b則將工件101移出加工部111。
於一實施例中，部件運送系統110及工件支撑面112可能能夠運送並支撑大的面板(例如，跨度為一米或更大)，例如在薄膜太陽能面板中所用類型之面板。部件運送系統110之一實施例可包含一或多個真空圓盤(puck)或抓具114以及一或多個定位平台，該一或多個真空圓盤或抓具114係用於固持工件101(例如，太陽能面板之大玻璃面板)，該(該等)定位平台則用於移動真空圓盤或抓具114。真空圓盤或抓具114其中之一或多個可安裝於一空氣軸承支架(air bearing carriage)115上並受一空氣軸承系統的獨立控制，以容許對工件101進行旋轉控制而達到精確對齊。在加工部111內進行劃刻過程中，一固定式真空圓盤116亦可將工件101固持於定位上。
亦可利用一空氣軸承輸送機118來支撑工件101並於加工過程中提供對工件101之高速引導。亦可利用一推式空氣軸承(圖未示出)來支撑工件101並防止該工件於加工過程中翹曲。於一推式空氣軸承中，可將一上部空氣吊架(圖未示出)定位於一下部空氣軸承輸送機上方，例如輸送機118上方，俾使空氣同時自上方及下方推動該工件。
於加工部111中，可將該(該等)雷射掃描平台120耦合至一雷射掃描平台運動控制系統(laser scanning stage motion control system)，以沿一或多個掃描軸線(例如，X軸)線性地移動該(該 等)雷射掃描平台120。可將掃描平台120(以及光學頭)定位於工件支撑面112下方(並因此在工件101之下)，俾使當掃描平台120沿掃描軸線線性運動之同時，該光學頭於工件101處向上引導該(該等)光束。掃描平台120以及運動控制系統可包含一高速精密空氣軸承系統(high speed precision air bearing system)，例如，該高速精密空氣軸承系統能夠加速至約2.5米/秒或更快。可利用一力量消除技術或機構來消除或最小化由該(該等)掃描平台120及該(該等)光學頭之運動所引起之反作用力。下文將更詳細地描述可利用之力量消除技術及機構之實例。
雷射加工系統100亦包含一或多個雷射源106以及一光束傳輸系統，該一或多個雷射源106用於產生一或多個原始雷射光束，該光束傳輸系統則用於修改該(該等)雷射光束並將其投送至工件101。雷射波長可基於欲劃刻之材料之層及類型加以選擇，且可包含例如1064奈米、352奈米、355奈米或266奈米之波長。該(該等)雷射源106可定位於基座102下方並可安裝於一快速進入維護模組(fast access service module)上以使維護間隔中之停機時間(down time)最小化。該光束傳輸系統可藉由控制被投送至工件101之光束之形狀、尺寸、均勻性及/或强度而修改該光束。
該光束傳輸系統可包含一固定段108以及一可移動段，固定段108定位於框架105及/或基座102上，可移動段則定位於該(該等)雷射掃描平台120上之可移動光學頭(圖未示出)之上或之中。該光束傳輸系統之固定段108可包含，例如，一系列透鏡、反射鏡及/或反射器，用於將該(該等)雷射光束自雷射源106引導至該光束傳輸系統之可移動段。該光束傳輸系統之固定段108 中之反射鏡或反射器可係為能改變被引導至光學頭之該(該等)光束之方向之快速導向鏡(fast steering mirror)，此可用於光束追踪及/或用於鎖定雷射以提高指向穩定性。
該光束傳輸系統之固定段108亦可包含用於擴大光束之一擴束器(beam expander)以及用於量測光束之一功率之一功率表(power meter)。該擴束器可改變光束之形狀及尺寸二者，且可包含一組球面透鏡以容許獨立調整光束擴大率及發散補償度二者。該功率表可為可回縮的，例如，利用一氣動致動器(pneumatic actuator)回縮，俾使該功率表可被移動至該光束之路徑中以量測功率讀數。一可回縮之光束止擋件(retractable beam stop)亦可被移入及移出該光束路徑(例如，利用氣動致動器)。該可回縮之光束止擋件可包含一反射鏡，該反射鏡使該光束改向至一水冷光束收集器(water cooled beam dump)以阻止該光束進入該光學頭。
如下文將更詳細地描述，該光束傳輸系統之可移動段接收一雷射光束，修改該雷射光束，並引導一或多個經修改之雷射光束至該工件。於一實施例中，該光束傳輸系統將一光束分成多個細光束以同時劃刻多條線，從而獲得一更高之生產量，並利用均光器(homogenizer)及/或成像光學器件(imaging optics)以使該光束對角度指向不穩定性較不敏感並提高精確度。
該雷射加工系統亦可包含一碎屑控制系統130，用於收集和移除因加工工件101而產生之碎屑。具體而言，碎屑控制系統130可移除因對有毒材料(例如GaAs)以及對薄膜太陽能面板中所用之其它材料進行劃刻而產生之碎屑。碎屑控制系統130可包含一可移動式碎屑收集模組或頭(movable debris collection module or head)132，該可移動式碎屑收集模組或頭安裝於一碎屑控制運動平台134上、工件支撑面上方，以隨雷射掃描平台120及光學頭作線性運動。碎屑控制運動平台134可由一運動控制系統控制且從動於掃描平台120之運動。具體而言，碎屑控制運動平台134可係為一空氣軸承線性馬達驅動平台(air bearing linear motor driven stage)。
雷射加工系統100可更包含空氣過濾系統及除氣系統，以過濾並循環利用殼體(enclosure)內之空氣。一殼體150可圍繞雷射加工系統100定位，且空氣過濾系統152可定位於殼體150上。空氣過濾系統152過濾空氣以移除有害氣體，並引導經過濾之空氣返回至殼體150內之處理區。
雷射加工系統100亦可包含視覺檢驗系統(vision inspection system)(圖未示出)，用於在劃刻前使工件精確對齊及/或在劃刻過程中或劃刻之後進行檢驗。一檢驗照相機可安裝於碎屑控制運動平台134上或安裝於隨雷射掃描平台120移動之另一運動平台上。該雷射加工系統亦可包含將雷射、運動控制、數位輸入/輸出及可選之機器視覺檢驗整合於一起之控制軟體(control software)。
雷射加工系統100可用於在諸如太陽能面板等大之面板中劃刻線。參見第5A圖至第5F圖，更詳細描述一種於一薄膜光電(PV)太陽能面板中劃刻線之方法。可沈積一第一(P1)導電材料層510於一基板502上，例如玻璃或聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)(第5A圖)上。該第一導電材料層510可包含一透明導電氧化物，包含但不限於：氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide；IZO)、氧化錫(tin oxide； SnO)或氧化鋅(zinc oxide；Zno)。然後，可藉由以下方式來劃刻第一層510：引導一或多個雷射光束500穿過基板502到達第一層510，以燒蝕第一層510之一部分並形成一或多條P1劃刻線512(第5B圖)。劃刻線512可間隔開例如約5毫米至10毫米。該(該等)雷射光束500可具有一波長(例如，1064奈米)及在不損傷基板502之情形下足以燒蝕P1層510之能量密度。
然後，可沈積由一活性半導體材料形成之一第二(P2)層520於第一層510上及在第一層510中形成之P1劃刻線512中(第5C圖)。第二層520之半導體材料可包含但不僅限於：非晶矽(amorphous silicon；aSi)、碲化鎘(cadmium telluride；CdTe)、銅銦鎵二硒(copper indium gallium diselenide；CIGS)或銅銦二硒(copper indium diselenide；CIS)。然後，可藉由以下方式來劃刻第二層520：引導一或多個雷射光束500穿過基板502及第一層510到達第二層520，以燒蝕第二層520之一部分並形成P2劃刻線522(第5D圖)。該(該等)雷射光束500可具有一波長(例如，532奈米)及於不損傷基板502及P1層510之情形下足以燒蝕P2層520之能量密度。
然後，可沈積由一金屬形成之一第三(P3)層530於第二層520上及在第二層520中形成之P2劃刻線522中(第5E圖)。第三層530之導電材料可包含一金屬，該金屬包含但不限於：鋁(Al)、鉬(Mo)、銀(Ag)或鉻(Cr)。然後，可藉由以下方式來劃刻第二層520及第三層530：引導一或多個雷射光束500穿過基板502到達第二層520及第三層530，以燒蝕第二層520及第三層530之一部分並形成P3劃刻線532(第5F圖)。該(該等)雷射光束 500可具有一波長(例如，532奈米)及於不損傷基板502及P1層510之情形下足以燒蝕P2層520及P3層530之能量密度。
具有劃刻於P1-P3層510、520及530中之線512、522、532之區域不能進行太陽能轉換，且常常被稱作一被浪費區域或死區域(wasted or dead area)。線512、522、532應精確地劃刻並對齊，以將此死區域最小化並提供最佳之太陽能面板效率。本文所述之雷射加工系統及方法之實施例能形成雷射光束500、引導雷射光束500向上穿過基板、並於整個基板上移動或掃描光束500以精確地形成劃刻線512、522、532。本文所述之雷射加工系統及方法之實施例亦可用於藉由移動或掃描在層510、520、530處被引導之光束，而自頂側或薄膜側劃刻線512、522、532。
參見第6圖至第8圖，在一雷射加工系統中可使用一雙重雷射掃描平台系統(dual laser scanning stage system)600，以在提供力量消除之同時，加工一工件(例如，藉由劃刻一或多條線)。雙重雷射掃描平台系統600包含位於一第一雷射掃描平台612及一第二雷射掃描平台622上之一第一光學頭610及一第二光學頭620。雷射掃描平台612、622可安裝成在一被隔離之支撑基座602上沿軌道或導軌613、623作線性運動。花崗岩基座602可例如在各個隅角處支撑於被動式隔離器604上。如下文將更詳細地描述，雷射掃描平台612、622以相等且反向之運動移動而達成力量消除。掃描平台612、622可包含高速精密空氣軸承系統以及用於控制該相等且反向之運動之一運動控制系統。
掃描平台612、622上之光學頭610、620皆包含一光束傳輸系統(圖未示出)。如第7圖所示，一或多個雷射源630產生被引導 至光學頭610、620之一第一雷射光束631及一第二雷射光束632。該等光束傳輸系統修改各別光束631、632，並將經修改之光束611、621引導向一工件601。光學頭610、620可位於一部件運送系統上之一工件支撑面614下方，俾使光學頭610、620位於工件601下方且使經修改之光束611、621被向上引導至工件601。該等光束傳輸系統之一實施例將光束分成多個細光束，當掃描平台612、622使光學頭610、620沿相反之方向移動時，該等細光束被引導至工件601。光學頭610、620與掃描平台612、622可設計成分別具有實質相同之質量。
可使用包含例如一或多個反射鏡或反射器608之一固定式光束傳輸系統將雷射光束631、632引導至光學頭610、620。於一實施例中，可對各該光學頭610、620分別使用單獨之雷射源630，且可自相同之方向或相反之方向將雷射光束631、632引導至移動之光學頭610、620中。於另一實施例中，可使用一單一雷射源產生一原始雷射束，該原始雷射束被分成引導至各別光學頭610、620之多個細光束。
可選擇雷射源630，以於不破壞其它層或基板之情形下提供選擇性材料移除。如上所述，舉例而言，應於不損壞第一(P1)層之情形下選擇性地移除第二(P2)層。具體而言，雷射之波長可視被移除之材料之特性而異。脈衝寬度亦可視材料之類型及厚度而異，且一般可介於約5皮秒(或以下)至約500奈秒(或以下)範圍內，並且頻率可介於約30千赫茲至1百萬赫茲範圍內。利用超快速及亞皮秒(ultra fast and subpicosecond)可提供一精確之材料移除速率且能夠達成深度控制，例如，當劃刻上述P2層及P3 層時。
掃描平台612、622可沿實質平行之掃描軸線(即，沿X軸)614、624以相等且反向之運動移動，俾使沿各該掃描軸線614、624之運動質量實質相同。換言之，當第一掃描平台612從左至右平移時，第二掃描平台622以實質相同之加速度、速度以及相對於基座重心(COGb)之距離從右至左平移。因此，因掃描平台612、622沿掃描軸線614、624之方向移動而產生之反作用力實質相抵消。
更具體而言，各該掃描平台612、622之運動輪廓可係為以一恆定速度從一側運動至另一側，然後再返回(即，一掃描運動)。此掃描運動可於加工過程中重複進行。於一支撑基座上一質量的此種類型之掃描運動可產生不同類型之轉矩。具體而言，為使載荷加速至其恆定速度所需之力沿X軸之一方向作用於基座602(例如，該花崗岩基座)上，並於基座602上產生一轉矩(例如，以Y軸為中心)，該轉矩等於該力乘以該運動質量之重心(COGm)與該基座之重心(COGb)間之垂直距離。倘若不進行力量消除，此方向上之一力矩將致使一側上之隔離器604壓縮，進而使基座602沿該轉矩之方向傾斜。當該運動質量改變相對於COGb之位置時，該運動質量於Y軸方向上之重量亦於該基座上產生一差別轉矩(以Y軸為中心)。
使雷射掃描平台612、622以相等且反向之運動移動會减小或實質消除此等力矩。藉由使掃描平台612、622以相同之加速度沿相反之方向移動，如第7圖所示，相同之力F1、F2沿X軸以相反之方向作用於基座602上，且X軸方向上之合力近似為零，藉此實 質消除由X軸上之反作用力所產生之力矩。掃描平台612、622亦相對於基座602之重心COGb對稱地移動(即，保持距COGb相同之距離)，藉此消除由平台612、622沿Z軸方向施加之重量所引起之差別轉矩。除使X軸方向之力最小化外，利用二(或更多個)雷射掃描平台612、622及光學頭610、620會使一給定掃描時間內之雷射劃刻量加倍並减少對一工件進行劃刻所需之時間量。
儘管藉由使掃描平台612、622以相等且反向之運動移動而實質消除了以Y軸為中心之轉矩，但當掃描平台612、622以相等且反向之運動移動時，可能會存在以Z軸為中心之其它力矩。掃描平台612、622間隔開一距離d(參見第8圖)，且可將該距離d最小化以使以Z軸為中心之扭矩最小化。於另一實施例中，可使用一重心(COG)移動裝置640，例如一鰭狀板(flipper)，來進一步减小可能因掃描平台612、622之相等且反向運動而產生之以Z軸為中心之任何力矩(參見第7圖及第8圖)。COG移動裝置640可圍繞一Z軸樞轉，俾使該裝置反抗在反向之掃描平台612、622與光學頭610、620加速及减速過程中所產生之力矩。因此，於一實施例中，所有六自由度上之力之總和近似等於零。
根據另一實施例，如第7A圖所示，於一雷射加工系統中，可將一雙重雷射掃描平台系統600’安裝於一工件上方。於本實施例中，光學頭610、620及雷射掃描平台612、622可與上文所述實質相同，但被反置。例如，可將雷射掃描平台612、622安裝成沿支撑於工件601上方之導軌613、623作線性運動。因此，經修改之雷射光束611、612被自光學頭610、620向下朝支撑於光學頭610、620下方之工件支撑面614上之工件引導。
如第8圖所示，可利用一運動系統來控制雷射掃描平台612、622以相等且反向之運動移動。該運動系統可包含一或多個用於提供線性運動之線性運動裝置、用於提供位置回饋之複數位置回饋系統、及用於因應位置回饋而控制該等線性運動裝置之一運動控制器。於一實施例中，雷射掃描平台612、622可係為線性空氣軸承平台，其隨一精密空氣軸承線性運動系統移動，該精密空氣軸承線性運動系統能加速至2.5米/秒或更快(例如為可商購獲得之類型)。於一空氣軸承系統中，將空氣抽吸至平台612、622與導軌613、623間之介面中，俾使該等平台浮於一空氣薄膜上。
如第8圖所示，該精密空氣軸承線性運動系統可包含用於提供線性運動之線性馬達616、626以及用於為平台612、622提供位置回饋之線性編碼器618、628。可將一運動控制器650耦合至線性馬達616、626及線性編碼器618、628，以因應位置、速度及/或加速資料而控制平台612、622之運動。舉例而言，運動控制器650可根據自線性編碼器618、628所獲得之位置資料而决定速度及/或加速度，並可控制線性馬達616、626以提供上述平台612、622之相等且反向之運動。亦可利用其它線性運動裝置，例如具有滾珠螺桿或導螺桿之一伺服馬達，並可利用其它位置回饋系統。
可將COG移動裝置640耦合至一旋轉馬達，例如一伺服馬達，以使COG移動裝置640樞轉。亦可將運動控制器650耦合至馬達642，以控制COG移動裝置640以一方式樞轉，該方式可反抗因平台612、622之加速及减速而產生之力矩。
儘管係顯示二雷射掃描平台，然而亦可利用其它數量之掃描平台來提供劃刻及力量消除。儘管本文所述之實施例係為具有以相 等且反向之運動而移動之複數雷射掃描平台之一雷射加工系統，但本文所述之力量消除技術亦可用於具有沿一線性方向移動之複數運動平台之其它類型之系統中。
參見第9圖及第10圖，根據另一實施例，於一雷射加工系統中，可使用具有一雙重運動質量系統900之一單一雷射掃描平台。具有雙重運動質量系統900之該單一雷射掃描平台可包含具有掃描平台912之一單一光學頭910以及二對稱但相對之質量從動件(mass follower)920、921。質量從動件920、921可分別具有一運動質量，該運動質量係為由具有光學頭910之掃描平台912所代表之運動質量之一半。光學頭910及掃描平台912沿一掃描軸線914移動，且質量從動件920、921沿平行之從動件軸線924、925以相等且反向之運動移動。因此，質量從動件920、921以與上文所述相同之方式實質消除了以Y軸為中心之力矩。
然而，於本實施例中，於掃描平台912之相對二側上利用質量從動件920、921亦會實質消除以Z軸為中心之一力矩。具體而言，質量從動件920於一方向上形成以Z軸為中心之一轉矩，此轉矩等於質量從動件920之質量乘以自從動件軸線924至掃描軸線914之一距離d。另一質量從動件921於相反之方向上形成以Z軸為中心之一轉矩，此轉矩等於質量從動件921之質量乘以自從動件軸線925至掃描軸線914之一距離d。藉由將相組合之運動質量從動件920、921之重心布置成與掃描平台912之運動質量之重心直接相對，使該二反向之力矩因此而實質相互抵消。
掃描平台912可係為一線性空氣軸承平台，隨例如上述類型之一精密空氣軸承線性運動系統移動。可由一線性運動系統(例如 具有導螺桿或滾珠螺桿之一線性馬達或伺服馬達)移動質量從動件920、921。可利用位置回饋系統為掃描平台912及質量從動件920、921提供位置回饋。如上文所述，一運動控制器可因應該位置回饋而控制該等線性運動系統，以提供相等且反向之運動。
儘管係顯示一雷射掃描平台及二質量從動件，然而亦可利用其它數量之掃描平台及質量從動件來提供劃刻及力量消除。此力量消除技術亦可用於具有沿一線性方向移動之運動平台之其它類型之系統中。
根據又一實施例，一雙重雷射掃描平台系統可包含一同移動之一第一雷射掃描平台及一第二雷射掃描平台、以及與該等雷射掃描平台以相等且反向之運動而移動之一單一質量從動件。於此一實施例中，該單一質量從動件所具有之一質量實質等於雙重雷射掃描平台之運動質量。類似於具有雙重運動質量系統之該單一雷射掃描平台，本實施例具有可抵消以Z軸為中心之力矩之優點。根據再一實施例，可利用三雷射掃描平台一二較小之雷射掃描平台分別具有之質量係為一較大雷射掃描平台之質量之1/2且該較大雷射掃描平台以相等且反向之運動而移動。可利用移動雷射掃描平台及/或質量從動件之各種組合來達成力量消除。
參見第11圖至第17圖，更詳細地描述用於一雷射加工系統之一移動光學頭之各種實施例。如第11圖及第12圖所示，一移動光學頭1100可包含一光束傳輸系統1110，光束傳輸系統1110將來自一雷射源1102之一光束分成多個細光束且將該等細光束成像至一工件上。光束傳輸系統1110可包含一光束均光器1112、一光束分光鏡1114以及一成像部1120。藉由利用成像部1120達成該 等細光束於該工件上之近場成像，可提高雷射指向穩定性。
光束分光鏡1114可包含一系列局部反射鏡及一反射鏡，例如為熟習此項技術者衆所皆知之類型。該光束可被分成使該等細光束具有實質相等之路徑長度及脈衝能量。光束均光器1112可定位於光束分光鏡1114之前以均化被引導至該光學頭之單一光束(第12圖)，或可定位於光束分光鏡1114之後以均化該多個細光束(第11圖)。光束均光器1112可係為一用於接收並均化各該細光束之單片式光束均光元件(monolithic beam homogenizer element)。一光束均光器之一實例包含熟習此項技術者所習知之一「蠅眼(fly eye)」光束均光器。
成像部1120可包含一遮罩1122以及複數成像光學器件1124(例如一透鏡陣列)，遮罩1122用於成形該等細光束，成像光學器件1124則用於聚焦被成像之細光束，藉此提供近場成像。遮罩1122可包含用於分別接收各該細光束之複數開孔。遮罩1122被該等細光束自背面照射，且將該等細光束成形為一所需成像輪廓。為獲得用於劃刻例如一太陽能面板之薄膜層的一所需成像輪廓，該等開孔可具有多邊形形狀，例如矩形、正方形、三角形或六邊形。於一實施例中，遮罩1122可安裝至用於平移該遮罩並調整該等細光束之位置之一遮罩平移平台上，例如以提供如下文將更詳細地描述之劃刻線追踪。如第14圖所示，該等細光束可過度填充遮罩1122，以容許遮罩1122平移。
參見第14A圖，可利用各種遮罩形狀及/或切趾技術將光束成形，以提供具有對應截面形狀之劃刻線並提供各種邊緣效果(例如羽化邊緣(feathered edge))。例如，正方形或矩形遮罩1412可 製成具有一矩形截面之一劃痕1410。三角形或菱形遮罩1422可製成具有一V形狀之一劃痕1420。一六邊形遮罩1432可製成具有斜壁之一劃痕1430。橢圓形或圓形遮罩1442可製成具有圓形壁之一劃痕1440。利用切趾技術或具灰度邊緣之遮罩1452可製成具有羽化邊緣之一劃痕1450。
如第15圖所示，雷射光束可係為具有一頂帽式輪廓之一非同調光束。如本文所用，「非同調(noncoherent)」係指不具有理想之空間或時間同調性之一雷射光束。非同調雷射光束當穿過蠅眼均光器或其它類型之光束均光器時不產生不良之干涉效應。根據一實施例，雷射源1102可包含一多模(multimode)雷射源，多模雷射源提供一多模雷射光束，該多模雷射光束所具有之一M2因數大於1，且更具體而言介於5與25之間。根據另一實施例，雷射源1102可係為用於產生一同調高斯雷射光束(coherent Gaussian laser beam)之一單模(single mode)雷射源(M2=1)，且可使用一同調加擾器(圖未示出)提供該非同調光束。同調加擾器之實例包含非同調光纖加擾器、光導管(light pipe)或光學萬花筒(kaleidoscope)。非同調光束在相同之輸入功率下具有更高之功率，且對於均化、過度填充遮罩1122和成形為所需成像輪廓而言更為理想。
可選擇雷射源1102，以於不破壞其它層或基板之情形下提供選擇性材料移除。如上文所述，例如，應於不損壞第一(P1)層之情形下選擇性地移除第二(P2)層。具體而言，雷射之波長可視被移除之材料之特性而異。脈衝寬度亦可視材料之類型及厚度而異，且一般可介於約5皮秒(或以下)至約500奈秒(或以下) 範圍內。
如第16圖及第17圖所示，當光學頭1100移動時，成像光學器件1124(例如，透鏡陣列)將被成形細光束聚焦至工件1101上之劃刻位置，以劃刻工件1101。於一實施例中，可安裝一透鏡陣列1124於一透鏡陣列運動平台(圖未示出)，該透鏡陣列運動平台用於移動該透鏡陣列並調整焦點，以提供如下文所將更詳細地揭露之高度追踪。成像部1120亦可包含光束引導反射鏡1130、1132，用於將被成形光束自遮罩1122引導至透鏡陣列1124。光束引導反射鏡1130可安裝於一反射鏡平移平台，以平移光束引導反射鏡1130並改變自遮罩1122至透鏡陣列1124之距離，例如，以提供放大追踪。
光學頭1100亦可包含一或多個感測器1140，用於在光學頭1100正在掃描時感測一工件位置、一劃刻線位置或其它狀態。感測器1140可包含例如一位置感測器，用於感測一劃刻線及/或工件1101之表面之一位置，以提供如下文更詳細地描述之劃刻線追踪及/或工件追踪。感測器1140亦可定位於雷射掃描平台(圖未示出)上光學頭1100外之其它位置。亦可於一雷射加工系統內之其它位置提供感測器或感測元件。
根據本文所述實施例，一雷射加工系統亦可包含一或多個追踪系統，用於追踪工件及/或劃刻狀態並因應於此而調整劃刻參數。當於諸如太陽能面板等大面板上劃刻線時，可改變加工參數、位置偏移量及其它要素，以提供均勻、對齊之劃刻線。均勻之劃刻線可具有均勻之深度、寬度、熱影響區(heat-affected-zones；HAZ)及對非劃刻層之穿透度。為達成劃刻線之均勻性，可能需要調整 劃刻操作以補償工件內之某些不均勻性(例如表面不平整性、玻璃厚度不均勻性及/或塗覆不均勻性)。倘若不進行補償，例如自一工件至一聚焦透鏡之距離之波動可能會導致不良之劃刻波動(例如，寬度及/或能量密度之波動)。
參見第18圖，更詳細地描述用於一雷射加工系統之一線追踪系統1800之一實施例。可將線追踪系統1800與例如上文所述之雷射加工系統及光學頭一起使用。根據一實施例，該線追踪系統可藉由以下方式使劃刻線對齊：感測一工件1801上一先前劃刻線1803之一位置，並因應所感測到的先前劃刻線1803之位置之變化而調整對工件1801上一新劃刻線之劃刻，俾使該新線與先前劃刻線1803具有一恆定之相對間距。於例如一薄膜PV太陽能面板中，一P2劃刻線可與一P1劃刻線對齊，且一P3劃刻線可與一P2劃刻線或P1劃刻線對齊。
線追踪系統1800可包含一位置感測器1830，以感測先前劃刻線1803之位置。位置感測器1830可包含一反射感測器，該反射感測器具有安裝於一掃描平台1810上之一發射器及一接收器。另一選擇為，位置感測器1830可利用一直通光束布局(through beam arrangement)，其中一接收器安裝於掃描平台1810上且一發射器安裝於工件1801之相對側上，反之亦然。
可藉由以光學方式移動劃痕及/或藉由將工件1801定位於實質垂直於劃刻線之一方向上，而調整新劃刻線之位置。為以光學方式移動劃痕，可利用一遮罩定位平台1834沿實質垂直於該(該等)劃刻線之方向移動一遮罩1822(例如上文所述之遮罩)，並由此調整細光束於工件1801上之位置。亦可利用其它技術以光學方式移 動細光束，舉例而言，藉由移動光束傳輸系統中之其它元件從而引起細光束之位置改變。可利用PZT平台及/或音圈(voice coil)移動遮罩或其它元件。亦可利用快速轉向鏡(fast turning mirror)以光學方式移動劃痕。線追踪系統1800可包含一運動控制系統1832，以自位置感測器1830接收劃痕位置資訊並因應於此而控制遮罩定位平台1834之運動。以光學方式移動劃刻線亦可能需要對應地改變焦點，例如，藉由調整透鏡陣列而達成。如下文所述，亦可將線追踪系統1800與一高度追踪系統或工件厚度追踪系統合併於一起。
參見第19圖及第20圖，更詳細地描述用於一雷射加工系統之一工件追踪系統1900之一實施例。工件追踪系統1900可與例如上文所述之雷射加工系統及光學頭一起使用。一般而言，工件追踪系統1900量測工件之一態樣，並因應該工件之變化而調整一光學元件或雷射參數。工件追踪系統1900可量測，例如，一工件1901之相對高度(即，距底面之距離)，並因應該相對高度之變化而調整一光學元件。工件追踪系統1900亦可量測工件1901之一厚度，並因應該工件厚度而調整一光學元件及/或光學參數。
工件追踪系統1901可於掃描平台1910上包含一感測器1930或其它裝置，以用於量測工件1901之相對高度及/或厚度。可利用接觸該工件之裝置或利用不接觸工件1901之裝置來量測該相對高度。可利用之一類型之接觸量測裝置係為接觸工件1901之接近表面或底面之一機械從動件以及諸如一電位計、線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer；LVDT)或旋轉可變差動變壓器(rotary variable differential transformer；RVDT)等位 移量測裝置。非接觸式量測裝置可包含一雷射干涉儀、雷射三角量測感測器、或具有一LVDT位移感測器之滑動真空/空氣軸承圓盤。
可利用一感測器量測該工件之厚度，以量測該工件之二表面之垂直位置。該感測器可係為一反射式感測器，具有安裝於移動掃描平台1910上之一發射器及一線性陣列接收器。亦可使用一雷射干涉儀及一雷射三角量測感測器來追踪工件1901之較遠表面或頂面，並由此量測厚度。可使用一塗層或光學過濾器來區分工件1901之頂面與底面。
工件追踪系統1900之一實施例亦可包含一運動控制系統1932及定位平台1934，以因應工件1901之高度及/或厚度之所量測變化而移動一聚焦透鏡(或透鏡陣列)1924及/或其它元件(例如，遮罩)。於第20圖中顯示一雷射掃描平台上之聚焦光學器件及一定位平台之一實例。
一工件追踪系統之其它實施例亦可改變其它加工參數，以追踪諸如高度及/或厚度等工件狀態之變化。舉例而言，根據厚度來改變掃描能量密度可節約能量並限制熱影響區(HAZ)非所欲地增大及/或非所欲地穿透至鄰近之塗覆層。舉例而言，可利用可程式化衰减器(programmable attenuator)或藉由改變雷射能量來改變掃描能量密度。藉由因應諸如厚度等工件狀態而改變雷射參數，一雷射加工系統可節約雷射功率消耗。
根據另一實施例，一追踪系統可利用即時材料光譜學。此類型之追踪系統擷取由劃痕產生之光學發射光譜，並利用該光譜即時地調整加工參數。可利用與掃描相對之表面上之一分光鏡感測器 (spectroscopic sensor)擷取該光學發射光譜。被劃刻之材料(例如，一太陽能面板上之P1-P3層)具有特徵光學發射光譜。藉由雷射加工該等層所產生之煙流(plume)之發射光譜將指示哪些材料正在被移除，且强度將指示正在被移除材料之數量。亦可使用背景連續光譜(background continuum)來基於韋恩定律(Wien’s Law)估計煙流溫度及壓力。可基於發射光譜資料來即時地調整過程參數。
參見第21圖，一雷射加工系統2100亦可包含一光束位置追踪系統，用於追踪一雷射光束之一位置並調整該雷射光束以確保於一長工作距離下之光束指向穩定性。舉例而言，如上文實施例其中之一所述，雷射加工系統2100可包含一基座2102、一用於產生雷射光束之雷射源2106以及該光束被引導到的一光學頭2110。
於一實施例中，該光束位置追踪系統可包含一象限偵測器(quad detector)或其它位置偵測器2150，位於距雷射源2106一長工作距離上，以補償一長工作距離系統中之雷射光束穩定性問題。該象限偵測器或其它位置偵測器2150可定位於一長工作距離上，該長工作距離至少與掃描距離一樣長且可二倍於該掃描距離或更長。例如，自雷射源2106發射之雷射光束可藉由一光束分光鏡2152分光並包圍雷射加工系統2100之基座2102之一周緣，以提供長工作距離偵測。該象限偵測器或其它位置偵測器2150亦可定位於移動光學頭2110內部，以除雷射光束指向問題之外亦慮及運動平台行程誤差並補償滑動之筆直度。於其它實施例中，光束亦可經過光學頭2110行進至偵測器2150。該光束位置追踪系統亦可包含：快速導向鏡2154，用於改變自雷射源2106發射之光束之方 向；以及一回饋電路2156，用於自位置偵測器2150接收資訊並使快速導向鏡2154改變光束之方向以保持一所需之光束位置，例如，利用熟習此項技術者所習知之技術來達成。
參見第22圖及第23圖，一雷射加工系統可更包含環境安全特徵，例如碎屑控制、除氣及/或過濾系統。第22圖所示之一雷射加工系統2200之一實施例包含一碎屑控制系統2230、一製程後除氣系統(post process outgassing system)2240及/或一或多個過濾系統2252、2254。於所示實施例中，舉例而言，如上文所述，該雷射加工系統包含一基座2202及在一工件2201下方位於雙重掃描平台2220、2222上之雙重光學頭2210、2212。碎屑控制系統2230、製程後除氣系統2240、過濾系統2252、2254及/或第22圖所示且在本文所述之其它特徵亦可單獨或一同用於其它類型之雷射加工系統中。
碎屑控制系統2230可包含用於自處理部位移除有毒氣體之一固定式排氣殼體2232及一或多個用於收集該加工製程所產生之碎屑或廢液之移動碎屑收集頭2234。碎屑收集頭2234可安裝至運動平台上，以供在殼體2232內與掃描平台2220、2222一起移動。碎屑收集頭2234可包含，舉例而言，諸如電漿渦流噴嘴(plasma vortex nozzle)等雙重收集噴嘴(dual collection nozzle)，該等噴嘴安裝至運動平台並耦合至一或多個導管(圖未示出)，以用於載送碎屑或廢液離開處理區。碎屑控制系統2230亦可包含一或多個過濾器(圖未示出)，用於過濾載送碎屑或廢液之空氣。固定式排氣殼體2232可耦合至一導管2236，以用於例如自處理場所載送具有有毒氣體之空氣至一用於過濾空氣之過濾器。
製程後除氣系統2240可包含一固定式通風腔室(stationary ventilation chamber)2242，固定式通風腔室2242耦合至一導管2244，以用於在劃刻已完成之後且一使用者移除該工件之前移除有毒氣體。製程後除氣系統2240亦可包含一過濾器(圖未示出)，用於過濾包含有毒氣體之空氣並循環利用經過濾之空氣。通風腔室2242可與碎屑控制系統2230之排氣殼體2232是分離的，以在處理之後分別移除有毒氣體。另一選擇為，製程後除氣系統2240之通風腔室2242可係為排氣殼體2232之一延伸。排氣殼體2232及通風腔室2242二者皆可耦合至同一過濾器(圖未示出)，以用於過濾含有自處理場所移除之有毒氣體之空氣並循環利用經過濾之空氣。
雷射加工系統2200可裝入一殼體2250中，例如一Class I殼體中。該(該等)過濾系統2252、2254可過濾並循環利用殼體2250內之空氣。過濾系統2252、2254可包含能移除該加工製程所產生之有毒或有害氣體之空氣過濾器。雷射加工系統2200可因此提供用於過濾並循環利用空氣之多個過濾系統。過濾並循環利用殼體2250內之空氣可提高系統之環境安全性，同時亦使需要抽吸入殼體2250內之新空氣之量最小化。
雷射加工系統2200亦可包含一或多個環境測試試樣盒2260，以容置用於測試殼體2250內之環境之環境安全測試試樣。該等測試試樣可指示殼體2250內之有毒氣體之存在，從而指示何時可能需更換過濾器。測試試樣盒2260可定位於不同之位置，以容置測試試樣於殼體2250內之不同關鍵位置。測試試樣盒2260亦可定位於殼體2250上或其它無需開啟該殼體便可快速存取該等測試試樣 之位置。
第23圖顯示一雷射加工系統2300之另一實施例，雷射加工系統2300包含一碎屑控制系統、一製程後除氣系統、及/或空氣過濾/循環利用系統。根據本實施例，一前端滾動子框架2350可定位於雷射加工系統2300之一進料部之上，且一後端滾動子框架2351可定位於一出料部之上。前端滾動子框架2350、後端滾動子框架2351係為可移除的，以便於安裝及維護。一固定子框架2356可定位於一加工部之上。
一製程排氣模組2330可安裝於一移動排氣平台上，該移動排氣平台跟隨一掃描平台及光學頭之掃描運動。一製程排氣導管2332可移除製程廢氣，以供由一或多個空氣過濾器2352、2353進行過濾。經過濾之空氣之一部分可被排出，且經過濾之空氣之一部分可循環利用。一製程後煙氣罩2340可沿出料部之至少一部分在工件上方延伸，以移除製程後煙氣。製程後煙氣罩2340可長於虛線所示之長度。一製程後煙氣導管2342可移除製程後氣體以供由一空氣過濾器2354過濾，並隨後循環利用該空氣。一輸入空氣導管2360可供應置換空氣至系統2300，例如，至前端滾動子框架2350中。可使用一換熱器及輸入空氣過濾器2362，以便能夠對內部空氣進行溫度控制。
玻璃清洗站2370、2371可定位於進料部之起始處及出料部之尾端，以於處理前及處理後清洗玻璃。玻璃清洗站2370、2371可分別包含一空氣循環利用模組。
儘管本文已描述本發明之原理，然而熟習此項技術者應理解，本說明僅供作為舉例說明，而非欲限制本發明之範圍。除本文所 示及所述之實例性實施例外，其它實施例亦涵蓋於本發明之範圍內。此技術領域之一般技術者所作之修飾及替換仍被視為屬於本發明之範圍內，本發明之範圍僅受下述申請專利範圍所限制。
100‧‧‧雷射加工系統
101‧‧‧工件
102‧‧‧基座
104‧‧‧被動式振動隔離系統
105‧‧‧框架
106‧‧‧雷射源
108‧‧‧固定段
110‧‧‧部件運送系統
110a‧‧‧進料部
110b‧‧‧出料部
111‧‧‧加工部
112‧‧‧工件支撑面
114‧‧‧真空圓盤或抓具
115‧‧‧空氣軸承支架
116‧‧‧固定式真空圓盤
118‧‧‧空氣軸承輸送機
120‧‧‧雷射掃描平台
130‧‧‧碎屑控制系統
132‧‧‧可移動式碎屑收集模組或頭
134‧‧‧碎屑控制運動平台
150‧‧‧殼體
152‧‧‧空氣過濾系統
500‧‧‧雷射光束
502‧‧‧基板
510‧‧‧第一層
512‧‧‧第一劃刻線
520‧‧‧第二層
522‧‧‧第二劃刻線
530‧‧‧第三層
532‧‧‧第三劃刻線
600‧‧‧雙重雷射掃描平台系統
600’‧‧‧雙重雷射掃描平台系統
601‧‧‧工件
602‧‧‧基座
604‧‧‧被動式隔離器
608‧‧‧反射鏡或反射器
610‧‧‧第一光學頭
611‧‧‧經修改之光束
612‧‧‧掃描平台
613‧‧‧導軌
614‧‧‧工件支撑面
616‧‧‧線性馬達
618‧‧‧線性編碼器
620‧‧‧第二光學頭
621‧‧‧經修改之光束
622‧‧‧掃描平台
623‧‧‧導軌
624‧‧‧掃描軸線
626‧‧‧線性馬達
628‧‧‧線性編碼器
630‧‧‧雷射源
631‧‧‧第一雷射光束
632‧‧‧第二雷射光束
640‧‧‧重心移動裝置
642‧‧‧馬達
650‧‧‧運動控制器
900‧‧‧雙重運動質量系統
910‧‧‧光學頭
912‧‧‧掃描平台
914‧‧‧掃描軸線
920‧‧‧質量從動件
921‧‧‧質量從動件
924‧‧‧從動件軸線
925‧‧‧從動件軸線
1100‧‧‧移動光學頭
1101‧‧‧工件
1102‧‧‧雷射源
1110‧‧‧光束傳輸系統
1112‧‧‧光束均光器
1114‧‧‧光束分光鏡
1120‧‧‧成像部
1122‧‧‧遮罩
1124‧‧‧成像光學器件/透鏡陣列
1130‧‧‧光束引導反射鏡
1132‧‧‧光束引導反射鏡
1140‧‧‧感測器
1410‧‧‧劃痕
1412‧‧‧遮罩
1420‧‧‧劃痕
1422‧‧‧遮罩
1430‧‧‧劃痕
1432‧‧‧遮罩
1440‧‧‧劃痕
1442‧‧‧遮罩
1450‧‧‧劃痕
1452‧‧‧遮罩
1800‧‧‧線追踪系統
1801‧‧‧工件
1803‧‧‧先前之劃刻線
1810‧‧‧掃描平台
1822‧‧‧遮罩
1830‧‧‧位置感測器
1832‧‧‧運動控制系統
1834‧‧‧遮罩定位平台
1900‧‧‧工件追踪系統
1901‧‧‧工件
1910‧‧‧掃描平台
1924‧‧‧聚焦透鏡/透鏡陣列
1930‧‧‧感測器
1932‧‧‧運動控制系統
1934‧‧‧定位平台
2100‧‧‧雷射加工系統
2102‧‧‧基座
2106‧‧‧雷射源
2110‧‧‧移動光學頭
2150‧‧‧其它位置偵測器
2152‧‧‧光束分光鏡
2154‧‧‧快速導向鏡
2156‧‧‧回饋電路
2200‧‧‧雷射加工系統
2201‧‧‧工件
2202‧‧‧基座
2210‧‧‧雙重光學頭
2212‧‧‧雙重光學頭
2220‧‧‧雙重掃描平台
2222‧‧‧雙重掃描平台
2230‧‧‧碎屑控制系統
2232‧‧‧固定式排氣殼體
2234‧‧‧移動碎屑收集頭
2236‧‧‧導管
2240‧‧‧製程後除氣系統
2242‧‧‧固定式通風腔室
2244‧‧‧導管
2250‧‧‧殼體
2252‧‧‧過濾系統
2254‧‧‧過濾系統
2260‧‧‧環境測試試樣盒
2300‧‧‧雷射加工系統
2330‧‧‧製程排氣模組
2332‧‧‧製程排氣導管
2340‧‧‧製程後煙氣罩
2342‧‧‧製程後煙氣導管
2350‧‧‧前端滾動子框架
2351‧‧‧後端滾動子框架
2352‧‧‧空氣過濾器
2353‧‧‧空氣過濾器
2354‧‧‧空氣過濾器
2356‧‧‧固定子框架
2360‧‧‧輸入空氣導管
2362‧‧‧輸入空氣過濾器
2370‧‧‧玻璃清洗站
2371‧‧‧玻璃清洗站
結合附圖閱讀上文詳細說明，可更佳地理解本發明之此等及其它特徵及優點，附圖中：第1圖係為根據一實施例，一雷射加工系統之一俯視立體圖；第2圖係為第1圖所示之雷射加工系統沿X軸之一側視局部剖視立體圖；第3圖係為第2圖所示之雷射加工系統沿Z軸之一側視局部剖視立體圖；第4圖係為第2圖所示之雷射加工系統被封裝入一殼體內時之一立體圖；第5A-5F圖係為根據一實施例，例示在一薄膜光電太陽能面板之不同層中形成線之側視示意圖；第6圖係為根據一實施例，用於在一雷射加工系統內提供力量消除之一雙重雷射掃描平台系統之一俯視立體圖；第7圖係為具有一雷射輸入之該雙重雷射掃描平台系統之一側視圖；第7A圖係為一雷射加工系統之一實施例之一側視示意圖，該雷射加工系統包含排列於一工件上方之一雙重雷射掃描平台系統；第8圖係為該雙重雷射掃描平台系統之一俯視示意圖；第9圖係為根據另一實施例，用於一雷射加工系統之一雙重運動質量力量消除系統之一側視圖； 第10圖係為該雙重運動質量力量消除系統之一俯視圖；第11圖係為用於一雷射加工系統之一光學頭之一實施例之一示意圖；第12圖係為用於一雷射加工系統之一光學頭之另一實施例之一示意圖；第13圖係為一遮罩之一實施例之一立體示意圖，該遮罩用於以一多邊形輪廓對一雷射光束進行成像；第14圖係為一遮罩之一實施例之一正視示意圖，該遮罩被過度填充以複數細光束；第14A圖係為根據不同之實施例，對劃刻線之不同截面形狀及用於形成該等劃刻線之相應遮罩形狀之一圖解說明；第15圖係為具有一頂帽式輪廓之一雷射光束之一示意圖；第16圖係為於一工件下方移動之一光學頭之一實施例之一立體示意圖；第17圖係為於一工件下方移動之一光學頭之一側視示意圖；第18圖係為根據一實施例，用於一雷射加工系統之一線追踪系統之一示意圖；第19圖係為根據一實施例，用於一雷射加工系統之一工件追踪系統之一示意圖；第20圖係為一雷射掃描平台之一實施例之一立體圖，該雷射掃描平台具有用於一高度追踪系統之一位置感測器、複數聚焦光學器件及一定位平台；第21圖係為根據一實施例，一長工作距離光束偵測系統之一示意圖； 第22圖係為根據一實施例，用於一雷射加工系統之碎屑收集及過濾系統之一示意圖；以及第23圖係為一雷射加工系統之一側視圖，該雷射加工系統包含一碎屑收集及過濾系統之另一實施例。
100‧‧‧雷射加工系統
101‧‧‧工件
102‧‧‧基座
104‧‧‧被動式振動隔離系統
105‧‧‧框架
110‧‧‧部件運送系統
110a‧‧‧進料部
110b‧‧‧出料部
111‧‧‧加工部
114‧‧‧真空圓盤或抓具
118‧‧‧空氣軸承輸送機
130‧‧‧碎屑控制系統

Claims (56)

  1. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件；至少一雷射源；至少一第一雷射掃描平台及一第二雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿實質平行之掃描軸線進行線性運動；至少一第一可移動光學頭(optical head)及一第二可移動光學頭，分別位於該第一雷射掃描平台及該第二雷射掃描平台上，該第一可移動光學頭及該第二可移動光學頭分別包含第一光束傳輸系統及第二光束傳輸系統，用以分別接收第一光束及第二光束、修改該等光束、並於該等雷射掃描平台正在移動之同時，將該等經修改之光束引導至支撐於該工件支撐表面上之該工件；以及一運動系統，用於控制該等雷射掃描平台以實質相等且反向之運動沿該等掃描軸線移動。
  2. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該部件運送系統、該等雷射掃描平台及該等可移動光學頭係排列成使該等可移動光學頭位於該工件支撐表面下方。
  3. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含一重心移動裝置(center of gravity moving device)，該重心移動裝置可圍繞實質垂直於該等掃描軸線之一軸線樞轉。
  4. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中各該光束傳輸系統包 含：一光束分光鏡(beam splitter)，用以將該光束傳輸系統所接收之該光束分成多個細光束(beamlet)；一均光器(homogenizer)，用以於該光束分光鏡之前均化該光束或於該光束分光鏡之後均化該等細光束；以及一成像部，用以成像該等細光束至該工件上。
  5. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含一基座及耦合至該基座之一隔離機構，其中該基座支撐至少該部件運送系統、該等雷射掃描平台及該等可移動光學頭。
  6. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件；至少一雷射源，用以產生至少一光束；至少一雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿一掃描軸線進行線性運動；至少一可移動光學頭，位於該雷射掃描平台上，該可移動光學頭包含一光束傳輸系統，用以接收該光束、修改該光束、並在該至少一雷射掃描平台移動時將該經修改之光束引導至支撐於該工件支撐表面上之該工件，其中該部件運送系統、該雷射掃描平台及該可移動光學頭係排列成使該可移動光學頭位於該工件支撐表面下方；至少二對稱之質量從動件(mass follower)，被定位成沿實質平行於該掃描軸線之軸線進行線性移動；以及一運動系統，用以控制該雷射掃描平台沿該掃描軸線移 動，並控制該等質量從動件之移動與該雷射掃描平台之運動實質相等且反向。
  7. 如請求項6所述之雷射加工系統，其中各該質量從動件具有一運動質量(moving mass)，該運動質量係實質為該可移動光學頭與該雷射掃描平台之一運動質量之一半。
  8. 如請求項6所述之雷射加工系統，其中該部件運送系統、該雷射掃描平台及該可移動光學頭係排列成使該可移動光學頭位於該工件支撐表面下方。
  9. 如請求項6所述之雷射加工系統，更包含一基座及耦合至該基座之一隔離機構，其中該基座支撐至少該部件運送系統、該雷射掃描平台及該可移動光學頭。
  10. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件；至少一雷射源，用以產生至少一光束；至少一雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿一掃描軸線進行線性運動；一可移動光學頭，位於該雷射掃描平台上，該可移動光學頭包含一光束傳輸系統，用以接收該光束並於移動之同時修改該光束，該光束傳輸系統包含：一光束分光鏡，用以將該光束分成多個細光束；一均光器，用以於該光束分光鏡之前均化該光束或於該光束分光鏡之後均化該等細光束；以及一成像部，用以成像該等細光束至該工件上。
  11. 如請求項10所述之雷射加工系統，更包含一反作用力消除機構(reaction force cancellation mechanism)，用於實質消除由至少該雷射掃描平台及該可移動光學頭之移動所引起之反作用力。
  12. 如請求項10所述之雷射加工系統，其中該部件運送系統、該雷射掃描平台及該可移動光學頭係排列成使該可移動光學頭位於該工件支撐表面下方。
  13. 如請求項12所述之雷射加工系統，更包含：一工件高度追蹤系統，用以追蹤支撐於該工件支撐表面上之該工件之一高度相對於該可移動光學頭之變化；以及其中該光束傳輸系統更包含一透鏡陣列(lens array)及一透鏡陣列平移平台，該透鏡陣列用以聚焦該等個別細光束，該透鏡陣列平移平台則用以移動該透鏡陣列並因應支撐於該工件支撐表面上之該工件之高度變化而調整該等細光束之焦點。
  14. 如請求項10所述之雷射加工系統，更包含：一劃刻線(scribe line)追蹤系統，用以追蹤已加工於該工件上之一劃刻線，該工件係支撐於該工件支撐表面上；以及其中該光束傳輸系統更包含一遮罩(mask)及一遮罩平移平台，該遮罩用以成像該等細光束於支撐於該工件支撐表面之該工件上，該遮罩平移平台則用以因應追蹤已加工於該工件上之該劃刻線而移動該遮罩，一工件係支撐於該工件支撐表面上。
  15. 如請求項10所述之雷射加工系統，其中該成像部包含：一遮罩，包含用於各該細光束之複數開孔，以成像該等細光束；以及一透鏡陣列，用以聚焦各該被成像細光束。
  16. 如請求項10所述之雷射加工系統，其中該成像部包含一遮罩，該遮罩包含用於各該細光束之複數開孔。
  17. 如請求項16所述之雷射加工系統，其中該雷射源包含用以產生一非同調(noncoherent)光束之一非同調雷射源，且其中藉由對該非同調光束分光所形成之該等細光束過度填充該遮罩。
  18. 如請求項16所述之雷射加工系統，更包含一光束加擾器(beam scrambler)，用以對該光束加擾並形成一非同調光束，且其中藉由對該非同調光束分光所形成之該等細光束過度填充該遮罩。
  19. 如請求項16所述之雷射加工系統，其中該遮罩包含複數正方形開孔。
  20. 如請求項16所述之雷射加工系統，其中該遮罩包含多邊形開孔。
  21. 如請求項10所述之雷射加工系統，其中該雷射源及該光束傳輸系統係用以形成一頂帽式光束強度輪廓(top hat beam intensity profile)。
  22. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件； 至少一雷射源，用以產生至少一非同調光束；一可移動光學頭，包含一光束傳輸系統以用於移動時接收該非同調光束，該光束傳輸系統包含：一光束分光鏡，用以將該非同調光束分成多個細光束；一均光器，用以於該光束分光鏡之前均化該非同調光束或於該光束分光鏡之後均化該等細光束；以及一成像部，用以成像該等細光束至該工件上，該成像部包含用以界定複數開孔之一遮罩，其中該等細光束過度填充該遮罩之該等開孔。
  23. 如請求項22所述之雷射加工系統，其中該光束傳輸系統更包含一遮罩平移平台，用以移動該遮罩以改變該等細光束之一位置。
  24. 如請求項22所述之雷射加工系統，其中該雷射源及該光束傳輸系統係用以形成一頂帽式光束強度輪廓。
  25. 一種可移動光學頭，包含：一光束傳輸系統，用以自一雷射源接收一光束，該光束傳輸系統包含：一光束分光鏡，用以將該光束分成多個細光束；一均光器，用以於該光束分光鏡之前均化該光束或於該光束分光鏡之後均化該等細光束；以及一成像部，用以成像該等細光束至一工件上，該成像部包含用以界定複數開孔之一遮罩，其中該等細光束過度填充該遮罩之該等個別開孔，該成像部更包含一透 鏡陣列，用以聚焦穿過該遮罩之該等開孔之個別被成像細光束。
  26. 如請求項25所述之可移動光學頭，更包含一遮罩平移平台，用以沿實質平行於該等細光束在上面成像之一工件之一方向平移該遮罩，以相對於該工件移動該等細光束。
  27. 如請求項25所述之可移動光學頭，更包含一透鏡陣列平移平台，用以沿實質正交於該等細光束在上面成像之一工件之一方向平移該透鏡陣列，以調整該等細光束相對於該工件表面之焦點。
  28. 如請求項25所述之可移動光學頭，其中該遮罩包含多邊形開孔。
  29. 如請求項25所述之可移動光學頭，更包含複數光束引導鏡(beam directing mirror)，用以改變該等細光束之一方向並調整放大率。
  30. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件；至少一雷射源，用以產生至少一光束；至少一雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿一掃描軸線進行線性運動；一可移動光學頭，位於該雷射掃描平台上，該可移動光學頭包含一光束傳輸系統，用以接收該光束、修改該光束並引導該經修改之光束至欲加工之一工件表面；一碎屑控制系統(debris control system)，包含： 一碎屑控制運動平台，用以沿該雷射掃描平台之一方向移動；一碎屑收集頭，安裝於該碎屑控制運動平台上，用以接收因加工該工件而產生之碎屑；以及一導管，用以自該碎屑收集頭傳送該碎屑；以及一運動系統，用以控制該雷射掃描平台及該碎屑控制平台之移動，俾使該碎屑控制平台跟隨該雷射掃描平台。
  31. 如請求項30所述之雷射加工系統，更包含至少一過濾器，用以過濾包含該碎屑之一空氣以實質移除該碎屑，並用以於一殼體內循環利用該空氣之至少一部分。
  32. 如請求項30所述之雷射加工系統，更包含一製程後除氣系統(post-process outgassing system)：一通風腔室，位於一處理區中，用以接收因加工支撐於該工件表面上之該工件而產生之一氣體；一導管，用以載送該氣體離開該處理區；一過濾器，用以過濾包含該氣體之一空氣並循環利用該空氣之至少一部分。
  33. 如請求項30所述之雷射加工系統，更包含用以罩蓋該雷射加工系統之至少一殼體。
  34. 如請求項33所述之雷射加工系統，更包含用以容置一試樣於該殼體內之一試樣盒(test coupon cartridge)。
  35. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件； 至少一雷射源，用以產生至少一雷射光束；至少一雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿一掃描軸線進行線性運動；一可移動光學頭，位於該雷射掃描平台上，該可移動光學頭包含一光束傳輸系統，用以接收該雷射光束並於移動之同時修改該雷射光束；以及一光束位置追蹤系統，包含用以接收該至少一雷射光束之一部分之一位置偵測器，其中該位置偵測器被定位成使從該雷射源至該位置偵測器之一光束路徑係至少與該雷射光束從該雷射源至該工件之一工作距離一樣長。
  36. 如請求項35所述之雷射加工系統，其中該位置偵測器被定位成使從該雷射源至該位置偵測器之一光束路徑係為該雷射光束從該雷射源至該工件之一工作距離之至少二倍長。
  37. 如請求項35所述之雷射加工系統，其中該位置偵測器係位於該可移動光學頭中。
  38. 如請求項35所述之雷射加工系統，其中該光束路徑穿過該可移動光學頭。
  39. 如請求項35所述之雷射加工系統，更包含至少一快速導向鏡(fast steering mirror)，用以因應該位置偵測器所偵測之位置變化而改變該雷射源所產生之該雷射光束之一方向。
  40. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件；至少一雷射源，用以產生至少一雷射光束； 至少一雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿一掃描軸線進行線性運動；至少一可移動光學頭，位於該雷射掃描平台上，該可移動光學頭包含一光束傳輸系統，用以接收該雷射光束及於移動之同時修改該雷射光束，其中該部件運送系統、該雷射掃描平台及該可移動光學頭係排列成使該可移動光學頭位於該工件支撐表面下方；以及一工件追蹤系統，用以追蹤支撐於該工件支撐表面上之該工件相對於該可移動光學頭之變化。
  41. 如請求項40所述之雷射加工系統，更包含位於該雷射掃描平台上之一感測器，用以感測該工件之一表面，以量測該工件之一高度及/或厚度。
  42. 如請求項40所述之雷射加工系統，其中該工件追蹤系統量測該工件之一高度及/或厚度之變化，且其中該光束傳輸系統包含一透鏡及一透鏡平移平台，該透鏡用以聚焦該經修改之光束，該透鏡平移平台則用以因應支撐於該工件支撐表面上之該工件之該高度及/或厚度之變化而移動該透鏡並調整該雷射光束之焦點。
  43. 如請求項40所述之雷射加工系統，其中該工件追蹤系統量測該工件之一厚度變化並因應該工件之該厚度變化而調整至少一雷射光束參數。
  44. 如請求項43所述之雷射加工系統，其中該至少一雷射光束參數係為能量密度(fluence)。
  45. 一種雷射加工系統，包含： 一部件運送系統，包含一工件支撐表面，用以支撐欲加工之一工件；至少一雷射源，用以產生至少一雷射光束；至少一雷射掃描平台，相對於該部件運送系統定位，以沿一掃描軸線進行線性運動；一可移動光學頭，位於該雷射掃描平台上，該可移動光學頭包含一光束傳輸系統，用以接收該雷射光束及於移動之同時修改該雷射光束，其中該部件運送系統、該雷射掃描平台及該可移動光學頭係排列成使該可移動光學頭位於該工件支撐表面下方；以及一劃刻線(scribe line)追蹤系統，用以於支撐於該工件支撐表面之該工件上追蹤一先前之劃刻線。
  46. 如請求項45所述之雷射加工系統，其中該光束傳輸系統包含一遮罩及一遮罩平移平台，該遮罩用以成像該雷射光束於支撐於該工件支撐表面之該工件上，該遮罩平移平台則用以因應在支撐於該工件支撐表面之該工件上追蹤一先前之劃刻線而移動該遮罩。
  47. 如請求項45所述之雷射加工系統，更包含位於該雷射掃描平台上之一感測器，用以感測該工件上該先前之劃刻線之一位置。
  48. 一種雷射加工一面板之方法，該方法包含：安裝該面板於一部件運送系統上；產生至少一雷射光束；引導該雷射光束至至少一可移動光學頭之一側面區域， 俾使該可移動光學頭修改該雷射光束並將至少一經修改之光束引導出該可移動光學頭之一頂部區域；於該面板下方移動該可移動光學頭，俾使該至少一經修改之光束掃描該面板並燒蝕(ablate)該面板之一部分以形成一劃刻線於該面板中。
  49. 如請求項48所述之方法，其中該面板係為一薄膜太陽能面板(thin film solar panel)，且其中該劃刻線係形成於該薄膜太陽能面板之至少一薄膜層中。
  50. 如請求項48所述之方法，更包含：追蹤該面板上一先前之劃刻線之一位置；以及因應該先前之劃刻線之位置變化，改變該至少一經修改之光束於該面板上之一位置。
  51. 如請求項48所述之方法，更包含：追蹤該面板之高度及/或厚度變化；以及因應該面板之該高度及/或厚度之變化，修改該雷射光束。
  52. 如請求項49所述之方法，其中修改該雷射光束包含：因應該面板之高度及/或厚度變化，改變被引導出該可移動光學頭之該經修改之光束之一焦點。
  53. 如請求項49所述之方法，其中修改該雷射光束包含：因應該面板之厚度變化，改變該雷射光束之一能量密度。
  54. 如請求項48所述之方法，其中該可移動光學頭分裂該雷射光束並將多個細光束引導出該可移動光學頭之該頂部區域，以同時形成多個劃刻線。
  55. 如請求項54所述之方法，其中該可移動光學頭包含一遮罩， 該遮罩具有分別容置該等細光束之複數開孔，且其中該等細光束過度填充該遮罩之該等開孔。
  56. 如請求項48所述之方法，其中產生至少一雷射光束包含產生至少一非同調雷射光束。
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