TWI516326B - 雷射製造週期性微結構設備及方法 - Google Patents

Description

雷射製造週期性微結構設備及方法

本發明係有關於一種雷射製造週期性微結構設備及方法，特別有關於一種用於光學元件之雷射製造週期性微結構設備及方法。

發光二極體(light emitting diode，LED)具有效率高，壽命長，不易破損、環保等優點。然而，發光二極體的光取出效率仍遭受到挑戰。習知技術係利用微影蝕刻技術，將LED的表面粗糙化，以增加光取出效率。但是，習知微影蝕刻技術的製程繁複，且表面粗糙圖案由光罩控制，係受限於光罩的解析度和微影光源繞射極限而難以提升表面粗糙圖案的精密度。

因此，在此技術領域中，有需要一種新穎的製造微結構設備及方法，以改善上述缺點。

本發明之一實施例係提供一種雷射製造週期性微結構的設備。上述雷射製造週期性微結構的設備包括一超快雷射光源，用以產生一雷射輸出光；一光學繞射元件，將上述雷射輸出光分為複數道繞射雷射光；一共焦系統，用以將上述些 道繞射雷射光聚焦於一聚焦點上，使上述些道繞射雷射光於上述聚焦點產生干涉現象而形成一干涉雷射光，其中上述干涉雷射光於一元件表面形成一週期性微結構，其中上述共焦系統包括一第一透鏡，將上述些道繞射雷射光轉為複數道第一平行雷射光射出；一遮光罩，具有複數個孔洞，將通過上述些孔洞之上述些道第一平行雷射光轉為複數道第二平行雷射光射出；以及一第二透鏡，將上述些道第二平行雷射光導向上述第二透鏡之聚焦點；其中上述第一透鏡、上述第二透鏡與遮光罩，彼此共光軸設置，且上述遮光罩設置於上述第一透鏡和上述第二透鏡之間，使上述些道繞射雷射光依序經過上述第一透鏡、上述遮光罩和上述第二透鏡。

本發明之另一實施例係提供一種雷射製造週期性微結構的方法。上述雷射製造週期性微結構的方法包括包括利用一超快雷射光源產生一雷射輸出光；將上述雷射輸出光經過一光學繞射元件，以分為複數道繞射雷射光；將上述些道雷射繞射光經過一共焦系統以聚焦於一聚焦點上，使上述些道雷射繞射光於上述聚焦點產生干涉現象而形成一干涉雷射光，其中上述共焦系統包括：一第一透鏡，將上述些道繞射雷射光轉為複數道第一平行雷射光射出；一遮光罩，具有複數個孔洞，使上述些道第一平行雷射光被轉為複數道第二平行雷射光射出；以及一第二透鏡，將上述些道第二平行雷射光導向上述第二透鏡之聚焦點，其中上述第一透鏡、上述第二透鏡與遮光罩，彼此共光軸設置，且上述遮光罩係設置於上述第一透鏡和上述第二透鏡之間，使上述些道繞射雷射光依序經過上述第一 透鏡、上述遮光罩和上述第二透鏡；以及於上述第二透鏡之上述聚焦點上設置一元件，且利用上述干涉雷射光於上述元件表面形成一週期性微結構。

500‧‧‧雷射製造週期性微結構的設備

200‧‧‧超快雷射光源

204‧‧‧光學繞射元件

206‧‧‧繞射雷射光

206A‧‧‧第一平行雷射光

206B‧‧‧第二平行雷射光

208‧‧‧共焦系統

209‧‧‧聚焦點

210‧‧‧第一透鏡

212‧‧‧第二透鏡

214‧‧‧遮光罩

216‧‧‧第一孔洞

218‧‧‧第二孔洞

220‧‧‧第三孔洞

222‧‧‧第四孔洞

224‧‧‧第五孔洞

226‧‧‧第六孔洞

228‧‧‧第七孔洞

230‧‧‧第八孔洞

232‧‧‧第九孔洞

234‧‧‧干涉雷射光

236‧‧‧元件

238‧‧‧擋光元件

240‧‧‧相位差光學元件

f1‧‧‧第一焦距

f2‧‧‧第二焦距

第1A圖為本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的設備之配置示意圖。

第1B圖為本發明一實施例之本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之示意圖，其顯示遮光罩的孔洞配置。

第2A、2B、2C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中兩個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維示意圖。

第3A、3B、3C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中三個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維示意圖。

第4A、4B、4C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中四個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維示意圖。

第5A、5B圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中四個孔洞的產生的干涉雷射光圖案，且其中兩道雷射光與另外兩道雷射光的相位差為λ/2的三維和二維示意圖。

第6A、6B、6C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中五個孔洞的產生的干 涉雷射光圖案的三維和二維示意圖。

第7圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中八個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的二維示意圖。

第8圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中九個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維示意圖。

第9圖為本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備的共焦系統的透鏡焦距比值與週期性微結構的孔徑和週期關係圖。

為了讓本發明之目的、特徵、及優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，做詳細之說明。本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各元件之配置係為說明之用，並非用以限制本發明。且實施例中圖式標號之部分重複，係為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。

本發明實施例係提供一種雷射製造週期性微結構的設備及方法。本發明實施例主要利用多光束雷射干涉剝蝕法，利用超快雷射在元件上的非線性光學吸收機制，直接在元件上進行剝蝕。在本發明不同實施例中，可進一步使用雷射干涉技術，控制干涉雷射光束的入射角度和光束數量，剝蝕元件而於元件上製作不同圖案與形狀的週期性微結構。

第1A圖為本發明一實施例之雷射製造週期性微結 構的設備500之配置示意圖。在本發明實施例中，雷射製造週期性微結構的設備500係用於在例如藍寶石基板(sapphire)的一元件236表面形成一週期性微結構。如第1A圖所示，雷射製造週期性微結構的設備500包括一超快雷射(ultrafast laser)光源200、一光學繞射元件(diffraction optical element，DOE)204和一共焦系統208。在說明書中，超快雷射(ultrafast laser)係定義為光脈衝時間小於10皮秒(picosecond，ps)(ps=10^-12sec)的雷射，例如皮秒雷射或飛秒(femtosecond，fs)(fs=10^-15sec)雷射。在本發明一實施例中，超快雷射光源200係用產生一雷射輸出光202。超快雷射光束透過聚焦方式可產生極高功率密度，如脈衝寬度為100fs的飛秒雷射，1mJ的脈衝能量就可以在聚焦光班直徑為20um的焦點上，產生約10¹⁵W/cm²等級的功率密度。如此高的功率密度可以使雷射光束與元件的交互作用過程產生非線性光子吸收效應，上述非線性光子吸收效應會剝蝕(ablation)元件表面。所以超快雷射光源可在任何元件表面及內部實現極低的熱效應及突破光學繞射極限的超精密加工。

如第1A圖所示，光學繞射元件(DOE)204和共焦系統208與上述雷射輸出光202共光軸設置。在本發明實施例中，光學繞射元件(DOE)204可為一繞射分光鏡，其用以將該上述雷射輸出光202分為複數道繞射雷射光206，且上述多道繞射雷射光206彼此具有相同的強度和相位。在本發明實施例中，共焦系統208用以將上述多道繞射雷射光206聚焦於一聚焦點209上，使上述多道繞射雷射光206於上述聚焦點209產生干涉現象而形成一干涉雷射光234。光的干涉現象由於光本身的波動性 會使干涉雷射光的光強度隨其在空間中位置的不同而變化，且為週期性分佈。在本發明實施例中，係適當地設置元件236的位置，使元件236的表面位於上述聚焦點209上，因而可使干涉雷射光234剝蝕元件236的表面而形成一週期性微結構。在本發明實施例中，共焦系統208包括彼此共光軸設置的一第一透鏡210、一遮光罩214及一第二透鏡212，且遮光罩214設置於第一透鏡210和第二透鏡214之間，使上述多道繞射雷射光206依序經過第一透鏡210、遮光罩214和第二透鏡212。如第1A圖所示，第一透鏡210將上述多道繞射雷射光206轉為複數道第一平行雷射光206A射出。並且，遮光罩214具有複數個孔洞(例如第1B圖所示的第一孔洞216~第九孔洞232)，可將通過上述孔洞之上述多道第一平行雷射光206A轉為複數道第二平行雷射光206B射出。在本發明實施例中，上述多道第二平行雷射光206B彼此的相位差為0，意即上述多道第二平行雷射光206B為同相位。另外，第二透鏡212可將上述多道第二平行雷射光206B導向第二透鏡212之聚焦點(即為聚焦點209)。在本發明一實施例中，上述第一透鏡210和上述第二透鏡212為凸透鏡。

第1B圖為本發明一實施例之本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩214之示意圖，其顯示遮光罩214的孔洞配置。在本發明一實施例中，遮光罩214包括一第一孔洞216以及複數個對稱孔洞(例如第二孔洞218至第九孔洞232)，第一孔洞216的位置對應至第1A圖所示的第一透鏡210和第二透鏡212的光軸位置，且上述多個對稱孔洞設置於以第一孔洞216為圓心且同半徑的一圓周位置上。如第1B圖所示， 在本實施例中，遮光罩214具有九個孔洞，遮光罩214的對稱孔洞包括一第二孔洞218、一第三孔洞220、一第四孔洞222、一第五孔洞224、一第六孔洞226、一第七孔洞228、一第八孔洞230以及一第九孔洞232，上述第二孔洞218至第九孔洞232設置於以第一孔洞216為圓心且同半徑的一圓周位置上。所以，如第1B圖所示，第二孔洞218和第三孔洞220相對於第一孔洞216對稱設置，第四孔洞222和第五孔洞224相對於第一孔洞216對稱設置，第六孔洞226和第七孔洞228相對於第一孔洞216對稱設置，第八孔洞230和第九孔洞232相對於第一孔洞216對稱設置。在本實施例中，遮光罩214的第二孔洞218至第九孔洞232中任意相鄰兩個與第一孔洞216的一圓心角為45度。在本發明其他實施例中，上述多個對稱孔洞的數量並無限制，可依據設計需要而定。另外，在本發明一實施例中，上述對稱孔洞中任意相鄰兩個與第一孔洞的圓心角為相同。

接著說明超快雷射光源經光學繞射元件分光的多道同相位的雷射光束分別經過本發明實施例之上述遮光罩214的第一孔洞216至第九孔洞232的干涉雷射光的電場方程式。請同時參考第1A、1B圖，在本發明一實施例中，僅經過上述遮光罩214的第一孔洞216而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(kz-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，為經過上述第一孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第二孔洞218的干涉雷射光 而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _y y-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，y、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θy為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第二孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第三孔洞220的干涉雷射光而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _y y-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，y、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θy為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第三孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第四孔洞222而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x x-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，x、z為位置向量(position vector)，θ z、θ x為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第四孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第五孔洞224而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x x-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，x、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θx為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第五孔洞的多道第一平行雷射光的其中之 一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第六孔洞226而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x1 x-k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，x、y、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第六孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第七孔洞228而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x1 x+k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，x、y、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第七孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；僅經過第八孔洞230而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x1 x-k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，x、y、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為經過上述第八孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差；而僅經過第九孔洞232而聚焦於上述聚焦點(即為聚焦點209)上的干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x1 x+k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場(Electric field)，k為波向量(wave vector)，x、y、z為位置向量(position vector)，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為上述干涉雷射光入射元件236表面角度，為為經過上述第九孔洞的多道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的上述多道第一平行雷射光的相位差。上述電場方程式所示的x、y、z為互相垂直的位置向量，其中x、y方向係平行於元件236的表面，而z方向垂直於元件236的表面。由經過本發明實施例之上述遮光罩214的第一孔洞216至第九孔洞232的干涉雷射光的電場方程式可知，可選擇搭配經過遮光罩214的不同孔洞的干涉雷射光於元件的表面上準確地製作不同干涉雷射光數目的週期性微結構。

接著利用第1A、1B圖中說明干涉雷射光234蝕刻元件236的表面而形成週期性微結構的機制。由同一超快雷射光源光源經光學繞射元件分光的多道同相位的雷射光束，經過共焦系統後於聚焦點產生的建設性干涉的雷射光強度(意即干涉雷射光強度最大值)對分光的雷射光束的比值為各道雷射分光光束數目的平方倍。舉例來說，如第1A圖所示，假設由同一超快雷射光源200經光學繞射元件202分成四道同相位且強度為I₀的雷射光束，經過共焦系統後於聚焦點產生的建設性干涉的雷射光強度(意即干涉雷射光強度最大值)為16I₀，而不同雷射光束分光數目的建設性干涉雷射光強度以此類推。干涉雷射光強度愈強，則蝕刻速率愈高。另外，干涉雷射光在元件236的表面曝光的時間愈久，則蝕刻深度愈深。並且，由經光學繞射元件分光的多道同相位的雷射光束分別經過本發明實施例之上述遮光罩214的第一孔洞216至第九孔洞232的干涉雷射光的電 場方程式可知各道干涉雷射光在空間的強度分佈，因而可精確預知組合不同數目的干涉雷射光製作而成的週期性微結構的圖案形狀、孔徑和週期。因此，本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備在元件236的表面上可不需經過曝光顯影等步驟而直接於元件236的表面上以雷射剝蝕方式快速和準確地製作週期性微結構。另外，由於超快雷射光源具高功率密度，且干涉是將多道具高功率密度的超快雷射光束能量聚集在聚焦點上的方法，故兩者搭配可提高剝蝕的蝕刻速率。

第2A、2B、2C圖至第10A、10B、10C圖係顯示利用不同數目之經過遮光罩214的不同孔洞的的干涉雷射光於元件表面上不同的週期性微結構圖案，本發明實施例係利用ASAP光學模擬軟體來模擬第2A、2B、2C圖至第10A、10B、10C圖所示的週期性微結構圖案。在本發明一實施例中，可於遮光罩214上設置一擋光元件238，用以遮擋第1B圖所示的第一孔洞216至第九孔洞232的其中至少一個，以控制干涉雷射光的數量和角度，以形成於元件236的表面上製作所需的週期性微結構。第2A、2B、2C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中兩個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維(x-y平面、y-z平面)示意圖，其可對應為製作在元件表面上的週期性微結構。第2A、2B、2C圖所示的x、y軸方向係平行於元件236的表面，而z軸方向垂直於元件236的表面。如1A、1B、2A、2B、2C圖所示，在本實施例中，上述多道第一平行雷射光206A僅通過遮光罩214的兩個對稱孔洞，例如第二孔洞218和第三孔洞220，或第四孔洞222和 第五孔洞224，或第六孔洞226和第七孔洞228，或第八孔洞230和第九孔洞232，而轉為兩道同相位的第二平行雷射光206B射出。第2A圖為本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中兩個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維示意圖。由第2A圖可知，通過遮光罩214的兩個對稱孔洞射出的兩道第二平行雷射光206B產生的三維干涉雷射光圖案為複數個平行且週期性排列的長條柱圖案，且長條柱圖案的長軸方向平行於x軸。由第2B、2C圖可知，通過遮光罩214的兩個對稱孔洞射出的兩道第二平行雷射光206B產生的x-y平面和y-z平面二維干涉雷射光圖案為複數個平行排列的長條圖案。

第3A、3B、3C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中三個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維(x-y平面、y-z平面)示意圖。類似於第2A、2B、2C圖，第3A、3B、3C圖所示的x、y軸方向係平行於元件236的表面，而z軸方向垂直於元件236的表面。如1A、1B、3A、3B、3C圖所示，在本實施例中，上述多道第一平行雷射光206A僅通過遮光罩214的三個對稱孔洞，例如第一孔洞216、第二孔洞218和第三孔洞220，或第一孔洞216、第四孔洞222和第五孔洞224，或第一孔洞216、第六孔洞226和第七孔洞228，或第一孔洞216、第八孔洞230和第九孔洞232，而轉為三道同相位的第二平行雷射光206B射出。第3A圖為本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中三個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維示意圖。由第3A圖可知，通過遮光罩214的三個對稱孔洞射出的三道第二平行雷射 光206B產生的三維干涉雷射光圖案為由七個圓柱圖案組成的單位圖案週期性排列而成，而上述圓柱圖案的長軸方向皆平行x軸。通過遮光罩214的三個對稱孔洞射出的三道第二平行雷射光206B產生的x-y平面和y-z平面二維干涉雷射光圖案如第3B、3C圖所示。

第4A、4B、4C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中四個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維(x-y平面、y-z平面)示意圖。類似於第2A、2B、2C圖，第4A、4B、4C圖所示的x、y軸方向係平行於元件236的表面，而z軸方向垂直於元件236的表面。如1A、1B、4A、4B、4C圖所示，在本實施例中，上述多道第一平行雷射光206A僅通過遮光罩214的四個對稱孔洞，例如第二孔洞218、第三孔洞220、第四孔洞222和第五孔洞224，或第六孔洞226、第七孔洞228、第八孔洞230和第九孔洞232，而轉為四道同相位的第二平行雷射光206B射出。第4A圖為本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中四個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維示意圖。由第4A圖可知，通過遮光罩214的四個對稱孔洞射出的四道第二平行雷射光206B產生的三維干涉雷射光圖案為由五個圓柱圖案組成的單位圖案週期性排列而成，而上述圓柱圖案的長軸方向皆平行z軸。通過遮光罩214的四個對稱孔洞射出的四道第二平行雷射光206B產生的x-y平面和y-z平面二維干涉雷射光圖案如第4B、4C圖所示。

在本發明其他實施例中，可於如第1A圖所示的共 焦系統208內設置一相位差光學元件240，使上述多道繞射雷射光206的其中至少一個相位與其他剩餘的其他多道繞射雷射光的相位不同。第5A、5B圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中四個孔洞的產生的干涉雷射光圖案，且其中兩道雷射光與另外兩道雷射光的相位差為λ/2的三維和二維示意圖。在本實施例中，通過遮光罩214的第二孔洞218和第三孔洞220的干涉雷射光為同相位(相位差為0)，而通過遮光罩214的第四孔洞222和第五孔洞224的干涉雷射光與通過第二孔洞218和第三孔洞220的干涉雷射光之間的相位差為λ/2。由第5A圖可知，通過遮光罩214的四個對稱孔洞射出的四道第二平行雷射光206B產生的三維干涉雷射光圖案為複數個圓柱圖案排列而成，而上述圓柱圖案的長軸方向皆平行z軸。通過遮光罩214的四個對稱孔洞射出的四道第二平行雷射光206B產生的x-y平面二維干涉雷射光圖案如第5B圖所示。第5A、5B圖所示之實施例僅為舉例，可依不同需求使任意數目的繞射雷射光經過相位差光學元件以改變上述繞射雷射光的相位，以與其他道無相位差繞射雷射光干涉，於元件表面製作出不同的週期性微結構。

第6A、6B、6C圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中五個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維和二維(x-y平面、y-z平面)示意圖。類似於第2A、2B、2C圖，第6A、6B、6C圖所示的x、y軸方向係平行於元件236的表面，而z軸方向垂直於元件236的表面。如1A、1B、6A、6B、6C圖所示，在本實施例中，上述多 道第一平行雷射光206A僅通過遮光罩214的五個對稱孔洞，例如第一孔洞216、第二孔洞218、第三孔洞220、第四孔洞222和第五孔洞224，或第一孔洞216、第六孔洞226、第七孔洞228、第八孔洞230和第九孔洞232，而轉為五道第二平行雷射光206B射出。第6A圖為本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中五個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的三維示意圖。由第6A圖可知，通過遮光罩214的五個對稱孔洞射出的五道第二平行雷射光206B產生的三維干涉雷射光圖案為由五個圓形圖案以體心立方組成的單位圖案週期性排列而成，而上述圓形圖案的法線方向皆平行x軸。通過遮光罩214的五個對稱孔洞射出的四道第二平行雷射光206B產生的x-y平面和y-z平面二維干涉雷射光圖案如第6B、6C圖所示。

第7圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中八個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的二維(x-y平面)示意圖。第8圖為超快雷射光源經過本發明一實施例之雷射製造週期性微結構的遮光罩之其中九個孔洞的產生的干涉雷射光圖案的二維(x-y平面)示意圖。類似於第2A、2B、2C圖，第7、8圖所示的x、y軸方向係平行於元件236的表面，而z軸方向垂直於元件236的表面。在本實施例中，上述多道第一平行雷射光206A僅通過遮光罩214的八個對稱孔洞，例如第二孔洞218、第三孔洞220、第四孔洞222和第五孔洞224、第六孔洞226、第七孔洞228、第八孔洞230和第九孔洞232，而轉為八道第二平行雷射光206B射出。由第7圖可知，通過遮光罩214的八個對稱孔洞射出的八道第二平行雷射 光206B產生的x-y平面二維干涉雷射光圖案為90度旋轉對稱圖案。類似地，由第8圖可知，通過遮光罩214的九個對稱孔洞射出的九道第二平行雷射光206B產生的x-y平面二維干涉雷射光圖案為90度旋轉對稱圖案。

第9圖為本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備的共焦系統的透鏡焦距比值與週期性微結構的孔徑(diameter)和週期關係圖。在本發明其他實施例中，可藉由改變第1A圖所示之共焦系統208第二透鏡212的焦距的方式，調整共焦系統208中第一透鏡210和第二透鏡212焦距的比值，以進一步控制週期性微結構圖案的孔徑(diameter)和週期(period)大小。此處週期性微結構圖案的孔徑(diameter(d))指週期性圖案中單位圖案的寬度或直徑，其可以d=λ/4sinθ表示，而週期性微結構圖案的週期(period(p))指干涉亮紋間距離，其可以p=λ/2sinθ表示，其中λ為雷射光的波長，θ為雷射光的相位。請同時參考第1A、9圖，在本發明一實施例中，共焦系統208的第一透鏡210具有一第一焦距f1，第二透鏡212具有一第二焦距f2，當調整第二焦距f2對第一焦距f1的比值為0.5時，週期性微結構的孔徑約為0.8μm，且週期約為2μm。請再參考第11圖，當調整第二焦距f2對第一焦距f1的比值為1.0時，週期性微結構的孔徑約為1.5μm，且週期約為4.2μm；當調整第二焦距f2對第一焦距f1的比值為1.5時，週期性微結構的孔徑約為2.2μm，且週期約為6.2μm；當調整第二焦距f2對第一焦距f1的比值為2.0時，週期性微結構的孔徑約為3μm，且週期約為8.4μm；當調整第二焦距f2對第一焦距f1的比值為2.5時，週期性微結構的孔 徑約為3.8μm，且週期約為10.2μm。由上述可知當第二焦距f2對第一焦距f1的比值增加時，週期性微結構的週期增加幅度大於週期性微結構的孔徑增加幅度。在本發明一實施例中，共焦系統208的第二透鏡212的第二焦距f2對第一透鏡210的第一焦距f1的比值範圍可控制介於0.5至2.5之間。

本發明實施例係提供一種雷射製造週期性微結構的設備及方法。本發明實施例主要利用多光束雷射干涉剝蝕法，利用極高功率的超快雷射在元件上的非線性光學吸收機制，且搭配干涉方式直接在元件上進行剝蝕。本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備可藉由光學繞射元件控制不同雷射光束分光數目的建設性干涉雷射光數目和強度，或干涉雷射光在元件的表面曝光的時間，以調整週期性微結構的蝕刻速率和深度。另外，本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備可藉由遮光罩的孔洞位置和數量設計，控制干涉雷射光束的入射角度和光束數量，剝蝕元件表面而於元件上精確製作不同圖案與形狀的週期性微結構。此外，本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備可進一步藉由擋光元件和相位差元件設計，控制干涉雷射光束的光束數量或相位差異，剝蝕元件而於元件上製作不同圖案與形狀的週期性微結構。再者，本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備可藉由調整共焦系統中第一透鏡和第二透鏡212焦距的比值，以進一步控制週期性微結構圖案的孔徑(diameter)和週期(period)大小。本發明實施例之雷射製造週期性微結構的設備僅利用透鏡和光學元件即可架設完成，可不需經過曝光顯影等步驟而直接於元件的表面上 以雷射剝蝕方式快速和準確地製作週期性微結構。

雖然本發明已以實施例揭露於上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

500‧‧‧雷射製造週期性微結構的設備

200‧‧‧超快雷射光源

204‧‧‧光學繞射元件

206‧‧‧繞射雷射光

206A‧‧‧第一平行雷射光

206B‧‧‧第二平行雷射光

208‧‧‧共焦系統

209‧‧‧聚焦點

210‧‧‧第一透鏡

212‧‧‧第二透鏡

214‧‧‧遮光罩

234‧‧‧干涉雷射光

236‧‧‧元件

238‧‧‧擋光元件

240‧‧‧相位差光學元件

f1‧‧‧第一焦距

f2‧‧‧第二焦距

Claims (30)

1. 一種雷射製造週期性微結構的設備，包括：一超快雷射光源，用以產生一雷射輸出光；一光學繞射元件，將該雷射輸出光分為複數道繞射雷射光；以及一共焦系統，用以將該些道繞射雷射光聚焦於一聚焦點上，使該些道繞射雷射光於該聚焦點產生干涉現象而形成一干涉雷射光，其中該干涉雷射光於一元件表面形成一週期性微結構，其中該共焦系統包括：一第一透鏡，將該些道繞射雷射光轉為複數道第一平行雷射光射出；一遮光罩，具有複數個孔洞，將通過該些孔洞之該些道第一平行雷射光轉為複數道第二平行雷射光射出；以及一第二透鏡，將該些道第二平行雷射光導向該第二透鏡之聚焦點，其中該第一透鏡具有一第一焦距，該第二透鏡具有一第二焦距，該第二焦距對該第一焦距的比值範圍介於0.5至2.5之間；其中該第一透鏡、該第二透鏡與該遮光罩，彼此共光軸設置，且該遮光罩設置於該第一透鏡和該第二透鏡之間，使該些道繞射雷射光依序經過該第一透鏡、該遮光罩和該第二透鏡。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中該遮光罩具有複數個孔洞，包括： 一第一孔洞，其中該第一孔洞的位置對應至該第一透鏡和該第二透鏡的光軸位置；以及複數個對稱孔洞，設置於以該第一孔洞為圓心且同半徑的一圓周位置上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中該些對稱孔洞包括：一第二孔洞；一第三孔洞；一第四孔洞；一第五孔洞；一第六孔洞；一第七孔洞；一第八孔洞；以及一第九孔洞，其中該第二至第九孔洞中任意相鄰兩個與該第一孔洞的一圓心角為45度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，更包括：一擋光元件，設置於該遮光罩上，用以遮擋該第一至第九孔洞的其中至少一個。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射製造週期性微結構的設備，更包括：一相位差光學元件，設置於該共焦系統內，使該些道繞射雷射光的其中至少一個相位與其他剩餘的該些道繞射雷射光的相位不同。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中該第一透鏡和該第二透鏡為凸透鏡。
7. 如申請專利範圍第2項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第一孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(kz-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，z為位置向量，ω為角速度，t為時間，為經過該第一孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
8. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第二孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _y y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θy為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第二孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
9. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第三孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _y y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θy為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第三孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
10. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第四孔洞的該干涉雷射光的電場 方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x x-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第四孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
11. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第五孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x x-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第五孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
12. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第六孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x1 x-k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第六孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
13. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第七孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x1 x+k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度， 為經過該第七孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
14. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第八孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x1 x-k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第八孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
15. 如申請專利範圍第3項所述之雷射製造週期性微結構的設備，其中僅經過該第九孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x1 x+k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為為經過該第九孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
16. 一種雷射製造週期性微結構的方法，包括下列步驟：利用一超快雷射光源產生一雷射輸出光；將該雷射輸出光經過一光學繞射元件，以分為複數道繞射雷射光；將該些道雷射繞射光經過一共焦系統以聚焦於一聚焦點上，使該些道雷射繞射光於該聚焦點產生干涉現象而形成一干涉雷射光，其中該共焦系統包括： 一第一透鏡，將該些道繞射雷射光轉為複數道第一平行雷射光射出；一遮光罩，具有複數個孔洞，使該些道第一平行雷射光被轉為複數道第二平行雷射光射出；以及一第二透鏡，將該些道第二平行雷射光導向該第二透鏡之聚焦點，其中選擇具有一第二焦距的該第二透鏡，該第二焦距對該第一透鏡的一第一焦距的比值範圍介於0.5至2.5之間，其中該第一透鏡、該第二透鏡與遮光罩，彼此共光軸設置，且該遮光罩係設置於該第一透鏡和該第二透鏡之間，使該些道繞射雷射光依序經過該第一透鏡、該遮光罩和該第二透鏡；以及於該第二透鏡之該聚焦點上設置一元件，且利用該干涉雷射光於該元件表面形成一週期性微結構。
17. 如申請專利範圍第16項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中該遮光罩具有複數個孔洞包括：一第一孔洞，其中該第一孔洞的位置對應至該第一透鏡和該第二透鏡的光軸位置；以及複數個對稱孔洞，其中該些對稱孔洞設置於以該第一孔洞為圓心且同半徑的一圓周位置上。
18. 如申請專利範圍第17項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中該些對稱孔洞包括：一第二孔洞；一第三孔洞； 一第四孔洞；一第五孔洞；一第六孔洞；一第七孔洞；一第八孔洞；以及一第九孔洞，其中該第二至第九孔洞中任意相鄰兩個與該第一孔洞的一圓心角為45度。
19. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，更包括：設置一擋光元件於該遮光罩上，用以遮擋該第一至第九孔洞的其中至少一個。
20. 如申請專利範圍第16項所述之雷射製造週期性微結構的方法，更包括：於該共焦系統內設置一相位差光學元件，設置於該共焦系統內，使該些道繞射雷射光的其中至少一個相位與其他剩餘的該些道繞射雷射光的相位不同。
21. 如申請專利範圍第16項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中該第一透鏡和該第二透鏡為凸透鏡。
22. 如申請專利範圍第17項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第一孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(kz-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，z為位置向量，ω為角速度，t為時間，為經過該第一孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
23. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第二孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _y y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θy為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第二孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
24. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第三孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _y y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θy為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第三孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
25. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第四孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x x-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第四孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
26. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第五孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x x-ωt+)，其中E為電場，k 為波向量，x、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第五孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
27. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第六孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x1 x-k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第六孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
28. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第七孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x1 x+k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第七孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
29. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第八孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z+k sin θ _x1 x-k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面角度，為經過該第八孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一 與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。
30. 如申請專利範圍第18項所述之雷射製造週期性微結構的方法，其中僅經過該第九孔洞的該干涉雷射光的電場方程式為E cos(k cos θ _z z-k sin θ _x1 x+k sin θ _y1 y-ωt+)，其中E為電場，k為波向量，x、y、z為位置向量，ω為角速度，t為時間，θz、θx1、θy1為該干涉雷射光入射該元件表面，為經過該第九孔洞的該些道第一平行雷射光的其中之一與其他剩餘的該些道第一平行雷射光的相位差。