TWI519369B - 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 【相關申請案交叉參考】
本申請案主張基於2008年10月10日提交申請且序列號為61/104,435之美國臨時專利申請案之權利，該美國臨時專利申請案以引用方式全文併入本文中。
本發明係關於加工，更具體而言，係關於具有複數細雷射光束傳輸系統之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。
利用一雷射光束於一工件上劃刻線涉及到線性地移動該工件及/或該雷射光束。對於大面積之工件而言，可能難以或無法高速地 移動工件以達成劃刻，且常常需要於整個工件上移動雷射光束。然而，移動一雷射光束傳輸系統可不利地影響雷射光束於工件上之位置精確度及均勻性。此外，將一雷射光束分成複數細光束以劃刻一工件會導致不良之劃刻波動，例如寬度、深度、能量密度(fluence)、熱影響區(heat-affected-zones)及穿透度之波動，該等波動可不利地影響劃刻線之精確度。
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會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 technique)時，聚焦於工件上之雷射點之位置可因雷射指向之波動而發生變化，導致線之筆直度及對齊度不精確。
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。
根據本文所述之各種實施例之複數細雷射光束傳輸系統及方法可在雷射加工系統及方法中用於在一工件上同時加工複數區域。 一雷射加工系統及方法之一實施例可用於，例如，在諸如太陽能面板等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(PV)太陽能面板中劃刻線。該等光束傳輸系統可係為可移動的，以於工件中同時劃刻複數條線。下文將更詳細地描述此等光束傳輸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3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所支撐之一基座102，例如一花崗岩基座。如下文所更詳細描述，基座102可支撐雷射加工系統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係用於支撐一部件或工件101，該一或多個雷射掃描平台120係用於支撐一或多個光學頭(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提供用於支撐工件101之一工件支撐面(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及工件支撐面112能夠運送並支撐大的面板(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(gripper)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以於加工過程中提供對工件101之高速引導。
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)定位於工件支撐面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。可利用之力量消除技術及機構之實例更詳細地描述於題目為「具有提供力量消除之移動雷射掃描平台之雷射加工系統及方法(LASER MACHINING SYSTEMS AND METHODS WITH MOVING LASER SCANNING STAGE(S) PROVIDING FORCE CANCELLATION)」且序列號為___________(檔號：JPSA009)之美國專利申請案中，該美國專利申請案與本案同時提交申請並以引用方式全文併入本文中。
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/或強度而修改該光束。
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)，此可用於光束追蹤及/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計(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。該功率計可為可回縮的，例如，利用一氣動致動器(pneumatic actuator)回縮，俾使該功率計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、工件支撐面上方，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(圖未示出)可圍繞雷射加工系統100定位，且空氣過濾系統(圖未示出)可定位於該殼體上。空氣過濾系統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內之處理區。可利用之碎屑控制及提取系統(debris control and extraction system)及方法之實例更詳細 地描述於題目為「具有碎屑提取之雷射加工系統及方法(LASER MACHINING SYSTEMS AND METHODS WITH DEBRIS EXTRACTION)」且序列號為_______(檔號：JPSA013)之美國專利申請案中，該美國專利申請案與本案同時提交申請並以引用方式全文併入本文中。
雷射加工系統100亦可包含追蹤系統及/或視覺檢驗系統(圖未示出)，用於在劃刻前使工件精確對齊及/或在劃刻過程中及/或劃刻之後進行追蹤及/或檢驗。一或多個感測器或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運動之另一運動平台上。雷射加工系統亦可包含電腦化控制系統，該等電腦化控制系統包含將雷射、運動控制、數位輸入/輸出、追蹤及可選之機器視覺檢驗整合於一起之控制軟體(control software)。可利用之追蹤及視覺校正系統及方法之實例更詳細地描述於題目為「具有視覺校正及/或追蹤之雷射加工系統及方法(LASER MACHINING SYSTEMS AND METHODS WITH VISION CORRECTION AND/OR TRACKING)」且序列號為_______(檔號：JPSA014)之美國專利申請案中，該美國專利申請案與本案同時提交申請並以引用方式全文併入本文中。
參見第4A圖及第4B圖，其顯示並描述一雷射加工系統400之另一實施例。雷射加工系統400可包含由被動式振動隔離器404所支撐之一基座402。基座402可支撐雷射加工系統400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。
於本實施例中，用於支撐並移動工件401之部件運送系統410 包含用於抓握工件401之真空抓具414以及用於支撐工件401之滾軸418。真空抓具414被支撐於運動平台415上，運動平台415能夠沿引導軸線(即Y軸)移動工件401，以引導工件401通過加工部。舉例而言，運動平台415亦可沿掃描軸線(即X軸)移動抓具414，以旋轉工件401。
雷射加工系統400之本實施例包含一雷射掃描平台420及光學頭422，該雷射掃描平台420及光學頭422位於工件401下方以沿掃描軸線運動。安裝於基座402上之一雷射源406產生一雷射光束，一固定式光束傳輸系統408將該光束傳輸至移動光學頭422。
雷射加工系統400之本實施例更包含一碎屑收集罩(debris collection hood)432，該碎屑收集罩432安裝於與光學頭422反向之頂側上。碎屑收集罩432係為固定的並延伸於工件401之整個寬度上，以當光學頭422進行掃描並自底側加工工件401時自工件401之頂側收集碎屑。
雷射加工系統400亦包含定位於工件401上方之一掃描平台434，其容許對系統400進行改造以達成頂側加工。舉例而言，一光學頭可被安裝於掃描平台434上並被向下引導向工件401。於一頂側加工配置中，一移動碎屑收集罩可安裝於頂側，以隨該光學頭移動，俾使當加工工件時提取碎屑。第4A圖及第4B圖顯示被配置成底側加工形式之系統400，因此頂側掃描平台434係為固定的。
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。具體而言，本文所述之光學頭及光束傳輸系統能以最小之偏移量掃描複數均勻之細光束，藉此精確地同時形成複數劃刻線。
參見第6圖至第16圖，更詳細地描述一移動光學頭及複數細雷射光束傳輸系統之各種實施例。如上所述，例如，包含該複數細雷射光束傳輸系統之該移動光學頭可安裝於一掃描平台上，該掃描平台沿掃描軸線(例如，沿X軸)線性地移動。該移動光學頭亦可安裝於一手動或機動平台上，以於整個掃描軸線(例如，沿Y軸)上進行調整。儘管在本文所述之實例性實施例中，該移動光學頭安裝於一雷射掃描平台上，然而該複數細雷射光束傳輸系統 及本文所述之概念亦可適用於其它光束傳輸系統，例如，適用於固定式光學頭。
如第6A圖及第6B圖所示，一移動光學頭600可包含一光束傳輸系統610，該光束傳輸系統610將來自一雷射源602之一雷射光束606分成複數細光束616a-616d並將細光束616a-616d成像於一工件(圖未示出)上。一固定式光束傳輸系統(圖未示出)可將來自雷射源602之雷射光束606傳輸至移動光學頭600。光束傳輸系統610可包含一光束均光器(beam homogenizer)612、一光束分光鏡(beam splitter)614以及一成像部(imaging section)620。藉由利用成像部620提供細光束616a-616d在工件上之近場成像，可提高雷射指向穩定性。
光束分光鏡614可包含一系列局部反射鏡(partially reflecting mirror)及一反射鏡(mirror)，例如為熟習此項技術者所習知之類型者。雷射光束606可被分成使細光束616a-616d具有實質相等之路徑長度及脈衝能量。光束均光器612可定位於光束分光鏡614之後以均化該等細光束616a-616d(第6A圖)，或可定位於光束分光鏡614之前以均化被引導至該光學頭之單一雷射光束606(第6B圖)。光束均光器612可係為一單片式光束均光元件(monolithic beam homogenizer element)，用於接收並均化光束606或各該細光束616a-616d。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620可包含一遮罩622以及成像光學系統624(例如一物鏡陣列)，遮罩622用於成型該等細光束616a-616d，成像光學系統624則用於聚焦被成像之細光束，藉此提供近場成像。遮罩622 被細光束616a-616d從背面照射，且包含複數開孔623a-623d以用於分別接收各該細光束且用於將該等細光束成型為一所需成像輪廓。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，開孔623a-623d可具有多邊形形狀，例如矩形、正方形、三角形或六邊形。第7圖顯示具有一圓形截面之一細光束616，該細光束616被引導於遮罩622之一矩形形狀開孔623處且該細光束616之一矩形部分被從遮罩622投射出。
於一實施例中，遮罩622安裝至一遮罩平移平台，以用於平移遮罩並調整細光束616a-616d之位置，例如，以提供劃刻線追蹤。如第8圖所示，細光束616a-616d可過度填充遮罩622，以減少指向錯誤並容許遮罩622被平移，例如，在箭頭2方向上平移。遮罩622之平移會導致細光束616a-616d之一側向位移，例如，進而調整細光束616a-616d於工件上之一位置。遮罩622之過度填充度可視細光束之所需位移程度而定。於一實施例中，例如，各該細光束616a-616d可過度填充遮罩622達50%至75%。該過度填充度可端視雷射源類型及/或製程而在約10%至90%之間變化。舉例而言，對於需要更大光束均勻性之製程而言，應利用該光束之一較小部分且過度填充量可變大。對於具有一頂帽式輪廓之雷射光束(例如，被均化之光束或具有更高M2值之光束)而言，可利用該光束之一較大部分且過度填充量可變小。
參見第9圖，可利用各種遮罩開孔形狀及/或切趾技術(apodization technique)將細光束成型，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，正方形或矩形遮罩開孔912可形成具有一矩形截 面之一劃刻線910。三角形或菱形遮罩開孔922可形成具有一V形狀之一劃刻線920。六邊形遮罩開孔932可形成具有一平坦底部及斜壁之一劃刻線930。橢圓形或圓形遮罩開孔942可形成具有圓形壁之一劃刻線940。利用切趾技術或具有灰度邊緣之遮罩開孔952可形成具有羽化邊緣之一劃刻線950。當對整個一工件進行掃描時，不同之形狀提供不同之重疊，藉此形成不同之效果(例如羽化)。亦可旋轉遮罩或開孔，以提供不同之效果或以補償成像於工件上之光束之旋轉。利用不同之遮罩形狀可避免不良之雷射加工效果並可有助於獲得更整潔之劃刻線。
如第10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602可包含一多模(multimode)雷射，多模雷射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602可包含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(M2=1)，且可更包含一同調加擾器(圖未示出)以提供具有一頂帽式輪廓之非同調光束。同調加擾器之實例包含非同調光纖加擾器、光導管(light pipe)、光學萬花筒(optical kaleidoscope)、以及多通道相位延遲板(multichannel phase retardation plate)。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622及/或成型為所需成像輪廓而言更為理想。利用一近場成像技術可有利於 使用一非同調光束，因為在近場成像技術中，成像精確度不依賴於雷射指向(例如，與遠場技術相比-遠場技術利用光束之焦點且指向出現於透鏡之焦點處)。
可對雷射源602進行選擇，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，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。
如第11圖及第12圖所示，光學頭600線性地移動(例如，在箭頭10方向上移動)，俾使當光學頭移動時於一工件601處被引導之細光束616a-616d沿工件601形成複數劃刻線603a-603d。如上所述，光學頭600可安裝於，例如，沿掃描軸線(例如，X軸)之二方向移動之一雷射掃描平台上。雷射光束606實質平行於線性運動軸線(即，掃描軸線)被引導至光學頭600，且複數細光束616a-616d實質正交於線性運動軸線被引導出光學頭600。由此，雷射光束606及/或複數細光束616a-616d可於光學頭600內被改向，例如，利用一或多個反射器或反射鏡來改向。
於所示實施例中，光束傳輸系統610包含光束引導鏡(beam directing mirror)630-632，用於將成型細光束自遮罩622引導至成像光學系統624中之各別透鏡626。光束引導鏡630、631可安 裝於一反射鏡平移平台，以平移光束引導鏡630、631並改變從遮罩622至成像光學系統624之距離，例如，以提供放大率(magnification)追蹤。成像光學系統624中之透鏡626將成型細光束成像於工件601上之劃刻位置上，以當光學頭600移動時劃刻工件601。於一實施例中，透鏡陣列626安裝於一透鏡陣列運動平台(圖未示出)上，以用於移動該透鏡陣列並調整焦點以提供高度追蹤。
光束傳輸系統620由此提供各種於工件601上調整細光束616a-616d之方式。可正交於細光束616a-616d之軸線(即，在箭頭2方向上)移動遮罩622，以提供細光束於工件601上之一側向位移並由此提供劃刻線603a-603d之一側向位移。一或多個反射鏡630、631可沿細光束之一軸線(即，在箭頭4方向上)移動，以改變一或多個細光束616a-616d自遮罩622至成像光學系統624之距離(即，光束長度)。成像光學系統624或成像光學系統624中之一或多個透鏡626可沿細光束之一軸線(即，在箭頭6方向上)移動，以改變成像於工件601上之光束點之焦點或尺寸。
儘管係顯示一特定配置，然而光束傳輸系統610之其它配置亦可達成複數細光束在移動光學頭內之形成及改向。舉例而言，可於將光束606分成複數細光束616a-616d之前，正交於運動軸線(即，X軸)反射及引導光束606。
光學頭600亦可包含一或多個感測器640，用於在光學頭600正在掃描時感測一工件位置、一劃刻線位置或其它狀態。該(該等)感測器640可包含例如一位置感測器，用於感測一劃刻線及/或工件601之表面之一位置，以提供劃刻線追蹤及/或工件追蹤。 感測器640亦可定位於雷射掃描平台(圖未示出)上光學頭600外之其它位置。亦可於一雷射加工系統內之其它位置提供複數感測器或感測元件。
根據本文所述之實施例，一雷射加工系統亦可包含一或多個追蹤系統，用於追蹤工件及/或劃刻狀態並因應於此而調整劃刻參數。可因應追蹤資料來調整劃刻線603a-603d，例如，藉由移動遮罩622、反射鏡630-632及/或成像透鏡626以於工件上調整細光束616a-616d。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)。
包含一光束傳輸系統1310之一可移動光學頭1300之其它實施例顯示於第13圖至第16圖中。類似於光學頭600，光學頭1300可線性地移動(例如，在箭頭10方向上移動)，俾使於一工件1301處被引導之複數細光束1316a-1316d沿工件1301形成複數劃刻線1303a-1303d。由此，一雷射光束1306被實質平行於線性運動軸線引導至光學頭1300，且該複數細光束1316a-1316d被實質正交於線性運動軸線引導出光學頭1300。如上所述，例如，雷射光束1306可由一雷射源產生且由一固定式光束傳輸系統引導至光學頭1300中。
根據該等實施例，雷射光束1306可於利用一光束分光鏡1314將光束1306分成複數細光束1316a-1316d之前被投射穿過一遮罩1322。遮罩1322根據由其提供之一開孔形狀而形成一成型光束，且光束分光鏡1314將該成型光束分成複數成型細光束1316a-1316d。成像光學系統1324將成型細光束1316a-1316d成像於工件1301上。光束傳輸系統1310亦可包含光學系統1312(例如，一擴束器(beam expander/縮束望遠鏡(beam reducer telescope))及/或複數光束成型光學系統，用於在遮罩1322之前修改及/或成型雷射光束1306。一縮束望遠鏡收集並重新定位進入光學頭1300之光束1306，此會由於縮小(demagnification)因數而產生一更穩定之光束。光束1306在進入光學頭1300時之縮小亦會降低掃描軸線位置變化之影響。光束成型光學系統控制光束1306之形狀，例如，藉由將一圓形光束變為一橢圓形或直線形光束來控制光束1306之形狀。可利用複數光束成型光學系統來改變光束之形狀，以改變能量密度，例如，以最大化遮罩1322內之光效率。一光束同調加擾器亦可定位於可移動光學頭1300中。
於一實施例中，遮罩1322可能夠調整穿過遮罩1322而投射之光束之形狀及/或尺寸，由此改變細光束1316a-1316d之形狀及/或尺寸。遮罩1322可調整成型光束之寬度，例如，以調整劃刻線1303a-1303d於工件1301上之寬度。於一應用中，例如，劃刻線1302a-1302d之寬度可在40微米至80微米之間變化。遮罩1322之一實施例係為一矩形可變開孔(rectangular variable aperture；RVA)遮罩，其能改變一矩形成型光束之高度及寬度。於一種類型之RVA遮罩中，可利用測微計來調整葉片，以改變開孔之寬度 及/或高度。
雷射光束1306可過度填充如上所述之遮罩1322，以減少指向誤差。類似於上述遮罩622，可側向(即，正交於光束1306之軸線)移動遮罩1322，由此移動光束1306、細光束1316a-1316d、以及劃刻於工件1301上之線1303a-1303d。遮罩1322亦可包含不同之成型開孔、灰度遮罩(grey scale mask)或切趾遮罩(apodized mask)，以控制劃刻線側壁輪廓，例如，如第9圖所示及以上所述。亦可利用其它類型之遮罩1322。
光學頭1300於光束傳輸系統1310中亦可包含一均光器1350。於一實施例中，如第14圖所示，光束傳輸系統1310可被配置成使得雷射光束1306於一種配置中被均化、而於另一種配置中則不被均化。例如，可利用可回縮式(retractable)反射器1352，以使雷射光束1306改向而穿過包含均光器1350之一替代均光路徑。於另一實施例中，均光器1350可係為可回縮的(例如，利用一氣動致動器回縮)，俾使當需要進行均化時，均光器1350可被移動至光束路徑內。藉由一多模雷射器與過度填充該遮罩相結合，可不再需要均化光束1306。於一些實施例中，亦可自光束傳輸系統中完全取消均光器。
光束分光鏡1314可包含一或多個光束分光棱鏡及/或反射器，該一或多個光束分光棱鏡及/或反射器被排列成將單一光束1306分成複數平行細光束1316a-1316d(第14圖)。光束分光鏡1314或一或多個光束分光棱鏡及角形反射器可正交於光束軸線(例如，沿箭頭2方向)移動，以側向地平移細光束1316a-1316d其中之一或多者，藉此於工件1301上調整劃刻線1303a-1303d。儘管顯示 四細光束1316a-1316d，然而亦可利用一光束分光鏡配置將光束1306分成更少或更多數量之細光束。
光束傳輸系統1310亦可包含一光學路徑長度調整系統1330，用以調整各該細光束1316a-1316d之光學路徑之一長度。於該實例性實施例中，光束傳輸系統1310包含反射器1332，用以將細光束1316a-1316d反射至光學路徑長度調整系統1330中，然後由光學路徑長度調整系統1330調整光學路徑長度並反射該等細光束至成像光學系統1324。於一實施例中，舉例而言，可單獨調整細光束1316a-1316d之一或多個光學路徑之長度，俾使所有光學路徑長度皆實質相同。將光束1306進行分光會導致某些細光束1316a-1316d具有不同之光學路徑長度(例如，射出光束分光鏡1314之細光束1316c之光學路徑長度短於其它細光束1316a、1316b、1316d)。光學路徑之不同長度可因在工件1301上之縮小率及/或脈衝能量之不同而引起工件1301上之劃刻線1303a-1303d之不一致性。使各該細光束1316a-1316d具有實質相同之光學路徑長度可在工件1301上提供一致之縮小率及脈衝能量，並由此提供一致之劃刻線1303a-1303d。
於一實施例中，光學路徑長度調整系統1330包含一或多個反射點，該一或多個反射點係為可移動的，以改變光學路徑長度。藉由為各該細光束1316a-1316d提供不同之可移動反射點，光學路徑長度調整系統1330可獨立地改變各該細光束1316a-1316d之光學路徑長度。第15圖顯示例如角形反射器1334a、1334b，角形反射器1334a、1334b安裝於細光束1316a、1316b之路徑中以用於將細光束1316a、1316b改向至成像光學系統1324。若在箭頭7方向 上移動反射器1334b，則可加長細光束1316b之光學路徑之長度。儘管顯示二角形反射器1334a、1334b，然而亦可於每一細光束1316a-1316d之路徑中滑動地安裝角形反射器。該等角形反射器可被安裝成使反射器線性地滑動，並可被固定至能提供所需光學路徑長度之一所需位置。光學路徑長度調整系統1330亦可包含可移動反射器之其它配置以改變光學路徑長度。
如第16圖所示，成像光學系統1324包含物鏡1326a-1326d，用於將每一各別細光束1316a-1316d成像於工件1301之一加工平面上。如本文所用，「加工平面(process plane)」係指工件上或工件中之一平面，於此平面中引導雷射以例如藉由燒蝕(ablation)來加工工件。該加工平面可係為工件之一頂面或底面或工件內之一平面(例如，位於一基板與一塗層之一界面處)。成像透鏡1326a-1326d其中之一或多者可一起或單獨地以各種自由度進行調整，以調整成像於該加工平面上之細光束1316a-1316d之各種參數。
透鏡1326a-1326d可沿細光束1616a-1616d之軸線(例如，沿Z軸)在箭頭6方向上移動，以調整焦點或縮小率，藉此改變成像於工件1301之加工平面上之成型光束點之尺寸及/或能量密度。於一實施例中，成像光學系統1324可耦合至一定位平台1328，定位平台1328使所有透鏡1326a-1326d在Z軸上一起移動。可利用一運動系統將定位平台1328及成像光學系統1324精確地定位於一所需位置，藉此對複數細光束提供即時之焦點調整(例如，因應工件1301之高度或厚度之變化)。該運動系統可包含一馬達(圖未示出)及一編碼器(圖未示出)，該馬達用於實現運動，該編碼 器則用於提供位置回饋。
亦可將透鏡1326a-1326d安裝成沿細光束1616a-1616d之各別軸單獨移動，藉此提供單獨之焦點調整。例如，各該透鏡1326a-1326d可被安裝於單獨透鏡支架(圖未示出)內，該等單獨透鏡支架能夠在箭頭6方向上移動，以提供單獨之焦點調整。
透鏡1326a-1326d可更安裝成能單獨進行傾斜度調整。各該透鏡1326a-1326d可被安裝於單獨之透鏡支架(圖未示出)內，該等單獨之透鏡支架能夠圍繞正交於細光束1316a-1316d之一或多個軸線樞轉，以提供傾斜度調整。藉由調整透鏡1326a-1326d於一劃痕或掃描軸線方向上之傾斜度(例如，於第15圖所示之箭頭9方向上樞轉)，可容許於劃痕方向上對細光束1616a-1616d進行單獨指向調整。藉由在正交於劃痕或掃描軸線之一方向上調整透鏡1326a-1326d之傾斜度(例如，於第16圖所示之箭頭8方向上樞轉)，可容許對成像於工件1301之加工平面上之細光束1616a-1616d之間距進行單獨調整。
透鏡1326a-1326d其中之一或多者亦可在側向上為可調整的，例如，以順應各別細光束1616a-1616d之一側向位移。成像光學系統1324可被安裝成使所有透鏡1326a-1326d可在箭頭2方向上一起側向地移動。透鏡1326a-1326d亦可被安裝於單獨之透鏡支架(圖未示出)內，該等單獨之透鏡支架能夠在箭頭2方向上側向移動。
光學頭1300亦可包含一或多個感測器1340、1342，用於感測工件之頂面或底面或加工平面，以判斷工件之相對高度及/或厚度之變化。感測器1340、1342之一實例可產生感測器雷射光束，例如，紅色650奈米之雷射光束，該等雷射光束自工件之一表面或加工 平面發生反射。於該實例性實施例中，感測器1340、1342定位於成像光學系統1324之前及之後，以於劃刻該等線之前感測該(該等)表面或加工平面之變化。當感測器1340、1342感測該(該等)表面或加工平面之變化時，可沿細光束軸線移動成像光學系統1324，以因應彼等變化而提供即時焦點調整，例如，以於劃刻操作過程中在加工平面上提供一致之縮小率。
光學頭1300可更包含一或多個細光束阻擋件(blocker)，用於阻擋細光束1316a-1316d其中之一或多者。如第13圖及第15圖所示，舉例而言，該等細光束阻擋件包含一或多個反射器1336，該一或多個反射器1336可移動至一或多個各別細光束1316a-1316d之路徑中，以反射各別細光束並有效地阻擋該等細光束穿過成像光學系統1324。儘管僅顯示一個反射器1336，然而亦可利用複數反射器以分別阻擋各該細光束。可利用一致動器(例如，一氣動致動器)移動反射器1336，以容許分別對各該細光束進行即時細光束阻擋。當該(該等)反射器1336定位於細光束路徑上時，該等細光束可被反射至一光束收集器1344。
光束傳輸系統1310亦可包含一可變衰減器(variable attenuator)，用於提供校準、連續可變之單獨細光束衰減。如第13圖及第15圖所示，一可變衰減器之一實施例包含一或多個光學組件1338、1339，該一或多個光學組件1338、1339定位於每一光束路徑中，用於選擇性地過濾並剔除光束之一部分至一光束收集器1348。該等光學組件可包含，例如，一四分之一波片(one quarter waveplate)1338以及一偏振光束分光棱鏡(polarization beam splitter cube)1339，該四分之一波片1338旋轉以改變各別細光束 之偏振，該偏振光束分光棱鏡用於根據極性對細光束之一部分進行分光及剔除。波片1338可經一齒輪(圖未示出)耦合至一馬達，該齒輪用於旋轉波片1338以改變極性，藉此改變由偏振光束分光棱鏡1339剔除之細光束之量並由此改變衰減量。儘管僅於一個細光束路徑中顯示組件1338、1339，然而亦可於每一細光束路徑上提供類似之組件。
光束收集器1344、1348可係為氣冷光束收集器(air cooled beam dump)，包括例如位於光學頭1300外側之傳熱元件(例如，散熱片(fin))。氣冷光束收集器因利用由光學頭1300之運動所引起之空氣流動來提供對流冷卻(convection cooling)並避免使水流至光學頭1300(例如，於一水冷光束收集器中)而提供各種優點。對光學頭1300進行散熱有助於保持精確度。
光束傳輸系統1310可更包含其它光學組件，用於控制光束1306或細光束1316a-1316d之形狀、尺寸、定向、均勻性及強度。舉例而言，光束傳輸系統1310可包含棱鏡或反射器，該等棱鏡或反射器能夠圍繞其軸線旋轉光束1306及/或細光束1316a-1316d。
可利用一細光束功率計1346量測單獨細光束1316a-1316d其中之一或多者之功率。然後，可相應地調整單獨細光束1316a-1316d之功率，例如，以提供一致之細光束功率。一種調整單獨細光束1316a-1316d之功率的方式係為藉由調整細光束1316a-1316d其中之一或多者之衰減。亦可調整雷射功率以調整所有細光束之功率。細光束功率計1346可安裝於一位置中，該位置使光學頭1300可反向於細光束功率計1346移動，以將細光束1316a-1316d引導至細光束功率計1346，例如，當光學頭不被用於劃刻時。細光束 功率計1346亦可安裝於與光學頭1300反向之一線性平台上，俾使細光束功率計1346能夠隨光學頭1300移動，以容許於加工過程中實質連續地監測細光束功率。亦可於加工過程中即時地記錄細光束功率資料。
一掃描照相機1348亦可安裝於光學頭1300之上或之中或安裝於掃描平台上。照相機1348可被遠距離地聚焦，以當光學頭1300沿掃描軸線移動時查看形成於工件1301上之劃痕1302a-1302d。照相機1348可用於檢驗劃刻線1302a-1302d，以便量測劃痕之對齊、品質、寬度、間距及/或偏移量。於設置光束傳輸系統1310之過程中，可利用掃描照相機1348量測一測試劃痕之一參數，且可如上所述相應地調整光束傳輸系統1310之一或多個組件。若該測試劃痕不具有所需寬度，例如，可調整一RVA遮罩之一開孔以提供所需劃痕寬度。
第17圖顯示包含一光束傳輸系統1310’之一光學頭1300’之又一實施例。本實施例類似於光束傳輸系統1310，但是包含光束成型光學系統1328而非一遮罩，且利用一遠場聚焦技術而非一近場成像技術。光束成型光學系統1328可包含一或多個透鏡，該一或多個透鏡被設計為用於改變光束1309之形狀，例如，改變為一直線形光束。此等光束成型光學系統1328之一實例包含一變形透鏡系統(anamorphic lens system)，該變形透鏡系統用以以形成一可被聚焦於工件上之散光焦點光束點(astigmatic focal beam spot)之方式成型該光束。一散光焦點光束點之使用更詳細地描述於美國專利第7,388,172號中，該美國專利以引用方式全文併入本文中。
綜上所述，根據本文所述之實施例，一複數細雷射光束傳輸系 統在沿一雷射掃描軸線移動之同時傳輸複數細光束至一工件且該等細光束存在最小之偏移。該複數細雷射光束傳輸系統亦會提高形成於工件上之劃刻線之位置精確度、品質及一致性。
儘管上文已描述本發明之原理，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。
2‧‧‧箭頭
4‧‧‧箭頭
6‧‧‧箭頭
7‧‧‧箭頭
8‧‧‧箭頭
9‧‧‧箭頭
10‧‧‧箭頭
100‧‧‧雷射加工系統
101‧‧‧部件或工件
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‧‧‧工件支撐面
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
400‧‧‧雷射加工系統
401‧‧‧工件
402‧‧‧基座
404‧‧‧被動式振動隔離器
406‧‧‧雷射源
408‧‧‧固定式光束傳輸系統
410‧‧‧部件運送系統
414‧‧‧真空抓具
415‧‧‧運動平台
418‧‧‧滾軸
420‧‧‧雷射掃描平台
422‧‧‧光學頭
432‧‧‧碎屑收集罩
434‧‧‧掃描平台
500‧‧‧雷射光束
502‧‧‧基板
510‧‧‧第一導電材料層
512‧‧‧劃刻線
520‧‧‧第二層
522‧‧‧P2劃刻線
530‧‧‧第三層
532‧‧‧P3劃刻線
600‧‧‧移動光學頭
601‧‧‧工件
602‧‧‧雷射源
603a‧‧‧劃刻線
603b‧‧‧劃刻線
603c‧‧‧劃刻線
603d‧‧‧劃刻線
606‧‧‧雷射光束
610‧‧‧光束傳輸系統
612‧‧‧光束均光器
614‧‧‧光束分光鏡
616‧‧‧細光束
616a‧‧‧細光束
616b‧‧‧細光束
616c‧‧‧細光束
616d‧‧‧細光束
620‧‧‧成像部
622‧‧‧遮罩
623‧‧‧開孔
623a‧‧‧開孔
623b‧‧‧開孔
623c‧‧‧開孔
623d‧‧‧開孔
624‧‧‧成像光學系統
626‧‧‧透鏡
630‧‧‧光束引導鏡/反射鏡
631‧‧‧光束引導鏡/反射鏡
632‧‧‧光束引導鏡/反射鏡
640‧‧‧感測器
910‧‧‧劃刻線
912‧‧‧正方形或矩形遮罩開孔
920‧‧‧劃刻線
922‧‧‧三角形或菱形遮罩開孔
930‧‧‧劃刻線
932‧‧‧六邊形遮罩開孔
940‧‧‧劃刻線
942‧‧‧橢圓形或圓形遮罩開孔
950‧‧‧劃刻線
952‧‧‧利用切趾技術或具有灰度邊緣之遮罩開孔
1300‧‧‧可移動光學頭
1300’‧‧‧光學頭
1301‧‧‧工件
1303a‧‧‧劃刻線
1303b‧‧‧劃刻線
1303c‧‧‧劃刻線
1303d‧‧‧劃刻線
1306‧‧‧光束
1309‧‧‧光束
1310‧‧‧光束傳輸系統
1310’‧‧‧光束傳輸系統
1312‧‧‧光學系統
1314‧‧‧光束分光鏡
1316a‧‧‧細光束
1316b‧‧‧細光束
1316c‧‧‧細光束
1316d‧‧‧細光束
1322‧‧‧遮罩
1324‧‧‧成像光學系統
1326a‧‧‧透鏡
1326b‧‧‧透鏡
1326c‧‧‧透鏡
1326d‧‧‧透鏡
1328‧‧‧定位平台/光束成型光學系統
1330‧‧‧光學路徑長度調整系統
1332‧‧‧反射器
1334a‧‧‧角形反射器
1334b‧‧‧角形反射器
1336‧‧‧反射器
1338‧‧‧光學組件
1339‧‧‧光學組件
1340‧‧‧感測器
1342‧‧‧感測器
1344‧‧‧光束收集器
1346‧‧‧細光束功率計表
1348‧‧‧光束收集器/掃描照相機
1350‧‧‧均光器
1352‧‧‧可回縮反射器
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軸截取之一局部剖視立體圖；第3圖係為第2圖所示之雷射加工系統沿Z軸截取之一局部剖視立體圖；第4A圖及第4B圖係為根據另一實施例，一雷射加工系統之正視及後視立體圖；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6A圖及第6B圖係為可移動光學頭之實施例之示意圖，該等可移動光學頭包含用以於一遮罩投影之前分裂一雷射光束之複數細雷射光束傳輸系統；第7圖係為一遮罩之一實施例之一立體示意圖，該遮罩用於以 一矩形輪廓對一雷射光束進行成像；第8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9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開孔形狀之一圖解說明；第10圖係為具有一頂帽式輪廓之一雷射光束之一示意圖；第11圖係為一可移動光學頭之一實施例之一立體示意圖，該可移動光學頭包含用以於一遮罩投影之前分裂一光束之一複數細雷射光束傳輸系統；第12圖係為第11圖所示之光束傳輸系統之一側視示意圖；第13圖係為一可移動光學頭之一實施例之一立體示意圖，該可移動光學頭包含用以於一遮罩投影之後分裂一光束之一複數細雷射光束傳輸系統；第14圖係為一複數細雷射光束傳輸系統之另一實施例之一俯視示意圖，該複數細雷射光束傳輸系統於一遮罩投影之後分裂一光束；第15圖係為一可移動光學頭之又一實施例之一側視示意圖，該可移動光學頭包含用以於一遮罩投影之後分裂一光束之一複數細雷射光束傳輸系統；第16圖係為該複數細雷射光束傳輸系統之一實施例中所用之一成像透鏡陣列之一端視示意圖；以及第17圖係為一可移動光學頭之一實施例之一立體示意圖，該可移動光學頭包含利用光束成型及遠場聚焦之一複數細雷射光束傳輸系統。
100‧‧‧雷射加工系統
101‧‧‧部件或工件
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 (38)

  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，該光束傳輸系統包含：一光束分光鏡(beam splitter)，用以將該雷射光束分成多個細光束；一遮罩，用以提供一開孔形狀；以及一成像光學系統(imaging optics)，用以在該可移動光學頭線性移動時引導該等細光束至一工件並用以成像該開孔形狀於該工件上。
  2. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含一均光器(homogenizer)，用以於該光束分光鏡之前均化該雷射光束或於該光束分光鏡之後均化該等細光束。
  3. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該遮罩係位於該光束分光鏡之前並包含用以投射該雷射光束之一成型部分(shaped portion)之一開孔，並且其中該光束分光鏡係用以將該雷射光束之該成型部分分成該等細光束。
  4. 如請求項3所述之雷射加工系統，其中該雷射光束過度填充 該遮罩。
  5. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該雷射光束係為一非同調(noncoherent)雷射光束。
  6. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該雷射光束具有介於5與25間之一M2因數。
  7. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該遮罩係位於該光束分光鏡之後並包含複數開孔，以用以投射該等細光束中各別細光束之成型部分。
  8. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該開孔形狀係選自由一三角形、一菱形、一六邊形、一圓形、及一橢圓形所組成之群組。
  9. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中各該細光束之一光學路徑長度之一長度係為實質相同。
  10. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含：一光學路徑長度調整系統，用以接收該等細光束並為該等細光束之該等光學路徑提供可獨立調整之長度。
  11. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該成像光學系統中之每一成像透鏡係安裝用於傾斜度調整(tilt adjustment)，以獨立地調整各該細光束之雷射指向。
  12. 如請求項1所述之雷射加工系統，其中該成像光學系統中之每一成像透鏡係安裝用於沿該等細光束之軸線平移，以獨立地調整該等細光束之縮小(demagnification)。
  13. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含一透鏡陣列平移平台，用以在實質沿該等細光束之軸線之一方向上平移該成像 光學系統之一透鏡陣列，以調整該等細光束相對於該工件之一加工平面之焦點。
  14. 如請求項1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面下方。
  15. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含：至少一感測器，用以追蹤支撐於該工件支撐面之一工件之一表面或一加工平面相對於該可移動光學頭之變化。
  16. 如請求項1所述之雷射加工系統，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(magnification)。
  17. 如請求項1所述之雷射加工系統，更包含至少一掃描照相機(scanning camera)，安裝成隨該雷射掃描平台移動並用以於該雷射掃描平台沿該掃描軸線移動時查看形成於該工件之至少一劃刻線(scribe line)。
  18. 一種光學頭，用以進行線性運動，包含：一光束傳輸系統，用以自一雷射源接收一雷射光束，該光束傳輸系統包含：一遮罩，包含用以投射該雷射光束之一成型部分之一開孔；一光束分光鏡，用以將該雷射光束之該成型部分分成複數成型細光束；複數反射鏡(reflector)，用以接收及反射該等成型細光束中之各別細光束，各該反射鏡係位於不同位置， 俾使各該等成型細光束之一光學路徑之一長度係為實質相同；以及一成像透鏡陣列，用以引導該等成型細光束中之各別成型細光束至該工件，俾使該遮罩之該開孔之一形狀成像於一工件上。
  19. 如請求項18所述之光學頭，其中該遮罩係為一矩形可變開孔(rectangular variable aperture；RVA)遮罩，用以調整該雷射光束之該成型部分之至少一寬度。
  20. 一種雷射加工系統，包含：一部件運送系統，包含一工件支撐面，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移動；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，該光束傳輸系統包含：一光束分光鏡，用以將該雷射光束分成複數成型細光束；複數反射鏡，用以接收及反射該等細光束中之各別細光束，各該反射鏡係位於不同位置，俾使各該細光束之一光學路徑之一長度係為實質相同；一聚焦透鏡陣列，用以在該可移動光學頭線性移動時聚焦該等細光束中之各別細光束至該工件上。
  21. 如請求項20所述之雷射加工系統，其中該光束傳輸系統更包含：一光束成型光學系統，用以將該雷射光束成型為一直線形光束，其中該光束分光鏡係用以將該直線形光束分成複數直線形細光束，並且其中該等聚焦透鏡係用以聚焦各該直線形細光束至該工件上。
  22. 一種雷射加工方法，包含：利用安裝於一雷射加工系統之一固定基座上之一雷射器(laser)，產生一雷射光束；引導該雷射光束至位於一可移動光學頭內之一光束傳輸系統；相對於該雷射加工系統之該固定基座，沿一線性掃描軸線移動該可移動光學頭；以及於移動該可移動光學頭之同時，於該光束傳輸系統內修改該雷射光束，以產生被成像於一工件之一加工平面上之複數細光束，其中隨著該可移動光學頭沿該線性掃描軸線移動，該等被成像細光束沿該工件劃刻複數線。
  23. 如請求項22所述之雷射加工方法，其中該工件係位於該可移動光學頭上方，且該等細光束被向上引導至該工件。
  24. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：監測該等細光束在上面成像之該工件之該加工平面之一高度；以及因應該工件之該平面之該高度之變化，調整該等細光束之一焦點。
  25. 如請求項22所述之雷射加工方法，其中產生該雷射光束包含：產生一非同調雷射光束，該非同調雷射光束具有一平坦頂部輪廓及大於5之一M2因數。
  26. 如請求項22所述之雷射加工方法，其中修改該雷射光束以產生複數細光束包含：傳送該雷射光束穿過一光束分光鏡，以產生該等細光束；引導各該細光束至一遮罩，俾使複數成型細光束投射穿過各別遮罩開孔；以及傳送該等成型細光束穿過各別成像透鏡，俾使該等成型細光束將該等遮罩開孔之一形狀成像於該工件之該加工平面。
  27. 如請求項22所述之雷射加工方法，其中修改該雷射光束以產生複數細光束包含：引導該雷射光束至一遮罩，俾使該雷射光束之一成型部分投射穿過一遮罩開孔；傳送該雷射光束之該成型部分穿過一光束分光鏡，以產生複數成型細光束；以及傳送該等成型細光束穿過各別成像透鏡，俾使該等成型細光束將該遮罩開孔之一形狀成像於該工件之該加工平面。
  28. 如請求項22所述之雷射加工方法，其中修改該雷射光束以產生複數細光束包含：成型該雷射光束；以及聚焦該雷射光束至該工件之該加工平面。
  29. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含： 調整各該等細光束之一寬度。
  30. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：調整該等細光束於該工件之該加工平面上之一間距(pitch)。
  31. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：調整至少其中之一該等細光束之一光學路徑之指向，其中該被調整之細光束，係獨立於其他該等細光束之外。
  32. 如請求項22所述之雷射加工方法，其中各該細光束之一光學路徑之一長度係為實質相同。
  33. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：調整至少其中之一該等細光束之一光學路徑之長度，其中該被調整之細光束，係獨立於其他該等細光束之外。
  34. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：調整至少其中之一該等細光束之一光學路徑之焦點，其中該被調整之細光束，獨立於該等細光束之外。
  35. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：監測該等細光束至少其中之一之功率。
  36. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：因應監測該功率，調整該等細光束之該至少其中之一之功率。
  37. 如請求項22所述之雷射加工方法，更包含：於該雷射掃描平台移動時，監測形成於該工件上之該等劃刻線至少其中之一，以確定該等劃刻線之該至少其中之一之至少一參數。
  38. 如請求項37所述之雷射加工方法，更包含：根據該至少一參數，調整至少其中之一該等細光束的參數。
TW098134275A 2008-10-10 2009-10-09 雷射加工系統、雷射加工方法及光學頭 TWI519369B (zh)

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