TWI524961B - 雷射處理工件 - Google Patents

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Description

雷射處理工件
本發明關於處理工件，其包含：一基板，具有藉由直接寫入雷射剝蝕(ablation)而形成於其第一與第二表面之第一與第二膜，其中，基板對雷射輻射為透明。
多年來，雷射已運用於工件之直接處理，工件包含沉積於薄玻璃或塑膠基板的表面之薄膜，諸如：平板顯示器、太陽能面板或醫療感測器。於大多情形，要求處理於基板僅一側的覆層，故通過基板之雷射輻射不必考慮。
美國專利第4650525號揭示一種太陽能面板電池互連應用，其中，為了藉雷射剝蝕移除後側的薄覆層，一可見波長脈衝雷射直接通過玻璃基板。雷射束未引起任何損壞基板的束進入側，由於其不存在覆層，且針對原玻璃之雷射剝蝕臨限能量密度超過針對後側薄膜覆層一極大的容限。
於一些情形，為了加速生產率且簡化相對圖案之間的對齊，需要同時雷射處理具有不同圖案(pattern)之薄基板的相對側之薄膜材料，。美國專利第6759625號揭示一種裝置，運用二個相對的雷射束掃描器單元以於PCB相對側同時直接寫入不同的雷射構造，該PCB安裝於二個掃描器單元間的台座。基板強烈吸收雷射輻射，以致於未有通過基板一側之薄覆層輻射穿透於相對側之覆層。
本發明概括關於迄今為未論述於先前技藝之情況，其中，諸個膜施加至一基板的相對側且此等膜必須藉雷射剝蝕處理為不同圖案且該基板對運用於處理諸個膜之雷射輻射為透明。
缺少基板不透明發生在例如當運用雷射剝蝕以施加圖案至針對顯示器或觸碰式螢幕製造之薄玻璃片的相對側之透明導電膜(諸如：銦錫氧化物)之情況。於此情形，基板通常由薄玻璃或聚合物所製作。於玻璃基板之情形，厚度通常實質小於1毫米，而聚合物基板之情形，厚度可為小於0.1毫米。於此二種情形，以直接寫入不同圖案於相對側之需要，運用由基板僅極微弱吸收之雷射束。基板的薄膜可使其完全吸收、部分吸收或部分反射入射雷射波長的低功率輻射之材料。薄膜通常亦對基板表面之黏著程度而顯著變化。膜性質之此等變化意指：通常依據波長、脈衝長度與能量密度之一特定組的雷射製程參數，藉以達成針對各個特定膜與基板之最佳的剝蝕。一旦超過剝蝕之臨界能量密度，整個膜可自基板表面移除，或替代而言，數個雷射脈衝可視需要將其全部移除。因此，取決於在若干個雷射脈衝後的薄膜透射比與剝蝕性質，雷射束將部分或完全傳送至基板且將通過相交該側之膜的相對側。
本發明亦關於如何同時製作不同的雷射製程圖案於非平坦之薄透明基板的相對側的覆層之問題。
欲解決發送的雷射束之問題，該雷射束相交於基板之後/遠側的膜，根據第一觀點，本發明可提出一種處理工件之方法，該工件包含一基板，藉直接寫入雷射剝蝕而形成於第一與第二表面之第一與第二膜，其中，基板對雷射輻射為透明，該種方法包含：提供第一雷射束遞送裝置，其包含一雷射束掃描器與一透鏡單元；定位第一雷射束遞送裝置之透鏡單元至該基板之第一表面側以直接寫入第一膜；及自該透鏡單元的雷射束聚焦在不及第一膜的一斑點(spot)而直接寫入第一膜，藉此，雷射束隨其撞擊第一膜而發散。
隨著雷射束通過基板，雷射束繼續發散且因此當其撞擊第二膜之雷射束的斑點尺寸是較大。由於在第二膜之雷射斑點的面積大於在第一膜者，且由於在該點之脈衝的能量不大於在第一膜者，則在第二膜之斑點的能量密度低於在第一膜者。此意指的是：若第一與第二膜具有類似的雷射脈衝剝蝕臨限能量密度，則該脈衝的能量可設定，俾使當其撞擊第一膜，第一膜所受到的能量密度超過其剝蝕臨限能量密度且該膜移除，而當其前進至第二膜，第二膜所受到的能量密度下降為低於針對第二膜之剝蝕的臨限且故其未損壞。
一透鏡焦點的雷射斑點尺寸取決於雷射束之橫向模式結構與該束內的繞射效應。繞射效應取決束直徑與波長。 針對雷射束具有單一個橫向模式之情形，最小的焦斑直徑已知為：D=4×λ×f-number/π其中，λ是雷射波長，且f-number是透鏡焦距對於在透鏡的束直徑之比值。針對具有超過一個橫向模式之束，最小的焦斑直徑增大一個所謂的M2因數，其描述橫向模式之數目。
上述的最小焦斑直徑沿著稱作焦點深度的某距離之束路徑而維持大約固定。針對雷射束具有單一個橫向模式之情形，焦點深度已知為：焦點深度=8×λ×(f-number)2/π
針對具有超過一個橫向模式之束，焦點深度減小M2因數。等於焦點深度的一半者之距離經常稱為瑞利(Rayleigh)範圍。
欲得到最寬之可能雷射處理窗，由成功剝蝕第一膜(於基板前側)且同時使得損壞第二膜(於後側)的風險為最小之觀點，使得後側的雷射斑點尺寸對於前側者之比值儘可能大是渴求的。由於雷射束係僅在自等於瑞利範圍之焦點一距離之焦點深度後而顯著開始發散，後側斑點直徑對前側者之比值是最大化，若雷射束之焦點定位在接近自基板表面之一個瑞利範圍。
置放焦斑高於或低於表面上方的一個瑞利範圍導致後側對於前側斑點尺寸之比值減小。若焦斑置放超過在前表面上方一個瑞利範圍，則該表面之斑點尺寸將超過可能最小值。若焦斑確實置放於基板表面，則該束發散於基板內的距離減小為關於瑞利範圍與基板材料的折射率之某距離。於此情形，基板前側的斑點尺寸可能是最小值，而後側者小於當該焦斑升高於前表面上而可達成者。
實際上，在空氣至基板介面之折射效應修改實際的雷射束路徑且使得真實情況較上述的簡單模型而較複雜，不過，置放雷射焦點在接近一個瑞利範圍的前表面上方的一距離提供前端對後端斑點尺寸的最大差異、前端對後端能量密度的最大差異及最寬之可能的雷射處理窗。
針對僅有覆層於一側之一基板的一致雷射剝蝕結果，概括必以維持透鏡與基板表面之間的分離至其等於焦點深度之一距離內。針對具覆層於基板的二側之情形，要求更為嚴格，由於透鏡與前端基板表面之間的距離必須維持小於瑞利範圍之一距離內且因此為焦點深度之一小部分。
較佳而言，上述的方法可同時實行於第一與第二膜。為此目的，該種方法更可包含：提供第二雷射束遞送裝置，其包含一雷射束掃描器與一透鏡單元；定位第二雷射束遞送裝置之透鏡單元至基板第二表面側以直接寫入第二膜；及自透鏡單元的雷射束聚焦在不及第二膜的一斑點而直接寫入第二膜，藉此，雷射束隨著撞擊第二膜而發散。
為了允許第一與第二膜之同時處理，工件必須安裝使允許發射自工件二側之雷射束遞送裝置的雷射束之無礙的通路。此排除一種習用的平坦夾具運用且必須運用未防止工件下垂或彎曲之一種載具。較佳而言，該種方法更包含：於直接寫入期間，調整該種透鏡單元之焦點以補償該工件之非平坦度且維持該焦點在自對應基板表面之必要距離。
根據第二觀點，本發明可提出如申請專利範圍第8至14項所界定之一種系統，用於實行如本發明第一觀點所界定的方法。
本發明之較佳實施例運用一對相對雷射聚焦單元。該等單元可由二維光束掃描器與聚焦透鏡單元所組成，配置使一個掃描器與透鏡單元位在基板的一側且另一個掃描器與透鏡單元置放在基板的相對側。基板接近二個掃描器與透鏡單元之間的中途，且基板表面配置為接近垂直相接相對掃描器單元的透鏡中心之一線。一個脈衝雷射系統可用以產生通過基板一側的掃描器與透鏡單元之一束，而類似或不同型式之第二個脈衝雷射用以產生通過基板之相對側的掃描器與透鏡單元之一束。聚焦透鏡通常為所謂的f-θ(f-theta)型式，其附接至各個掃描器單元，藉以聚焦相鄰基板表面附近之束。較佳而言，安排雷射波長、重複率、功率與脈衝長度為使具有充分能量於各個雷射脈衝，使得其為聚焦之束的區域，可達成的能量密度可易於超過剝蝕所需的能量密度且移除基板表面之薄膜的全部或部分者。由於針對基板材料之雷射剝蝕臨限能量密度通常超過針對任何薄膜覆層者，對於下面的基板之損壞概括未發生。
由於該種掃描器與透鏡單元的可使用場域經常為小於基板的全部面積，超過一個該種掃描器與透鏡單元可並行運用於一已知膜。
本發明之較佳實施例可包含一控制系統，其能夠同時驅動所有諸對掃描器單元，使得該基板的二側同時處理具有不同的圖案。
於本發明之上下文，術語‘透明(transparent)’涵蓋不僅未吸收雷射束而且僅微弱吸收雷射束基板。
圖1顯示實施已揭示的雙側雷射圖案化方法所需要之裝置的基本配置。具有薄膜覆層於二側之一透明的玻璃或塑膠基板11安裝於二個相對掃描器單元12、12’之間。一脈衝雷射單元13發射一束14，其通過上方掃描器單元與一f-θ型式透鏡15以聚焦至接近上表面。一類似的配置藉另一個透鏡13’及第二f-θ透鏡15’聚焦一束14’至接近基板之下表面。相接各個f-θ透鏡的中心之一線是接近垂直於基板。基板安裝於台座之一框架，故其可移動二個正交軸X、Y以允許基板二側的全部面積進入。
圖2概括顯示由雷射束所產生於基板相對側之焦斑如何定位相關基板表面。具有覆層於二側之一透明基板21定位於二個相對掃描器與透鏡單元22、22’之間。自各個掃描器與透鏡單元之雷射束23、23’收斂至焦點24、24’，其位在基板表面前的某個小距離25、25’。產生於基板表面之雷射斑點26、26’的尺寸取決於雷射束的性質及該焦點與表面的距離。由於焦點接近而在該表面前，束隨著進入透明基板而開始發散。束隨著通過透明基板退出相對側而繼續發 散為具有大於輸入側之斑點27、27’。因為相較前側者而基板後側之較大的斑點尺寸，能量密度實質為較低。
圖3顯示具有相同能量而具有不同尺寸之二個雷射斑點的能量密度剖面(profile)。曲線31代表於基板的上表面的一圓形雷射斑點內的能量密度剖面，其中，於半峰部32之直徑是小的。於此情形，能量密度分佈之峰部附近斑點之中央部分超過針對上表面膜之雷射剝蝕的臨限33，故具有直徑34之一圓形區域的膜之剝蝕發生。曲線35代表在該束通過基板為已經展開後而於基板的下表面之雷射斑點的能量密度剖面，其中，於半峰部36之直徑是因此實質較大。於此情形，即使脈衝的能量類似，增大的尺寸致使峰部能量密度下降而低於針對後表面膜之剝蝕臨限，使得該膜之剝蝕並未發生。
圖4基板附近之束的軌跡之詳細代表。具有厚度42之透明基板41僅顯示一個截面。由射線43、43’所示的雷射束自一聚焦f-θ透鏡(其為未顯示)收斂而朝向基板的上表面。調整聚焦透鏡與基板表面之間的距離，使得雷射束焦點44發生在該表面前的某點。焦點之束45的直徑已知為：D=4×M2×λ×f-number/π
其中，M2是指示束之模式的數目之一個因數，λ是雷射波長，且f-number是透鏡焦距對在透鏡的束直徑之比值。針對於M2=1.3、λ=0.355微米、透鏡焦距為150毫米且束直徑為10毫米之實際情況，f-number是15且最小焦斑直徑D是8.8微米。針對具有於1.064微米之3倍長的波長 之雷射，但是針對相同的透鏡焦距、相同的M2值及相同的雷射束直徑，最小焦斑直徑D增大至26微米。歸因於繞射及發散之束擴展效應，於焦斑附近的雷射束之最小尺寸於標稱焦點各側之稱為瑞利範圍46沿著束路徑的一距離而維持為明顯固定且已知：瑞利範圍=4×λ×(f-number)2/M2×π等於二倍瑞利範圍之距離稱為焦點深度47。針對於M2=1.3、λ=0.355微米、透鏡焦距為150毫米且束直徑為10毫米之實際情況，f-number是15且焦點深度是0.156毫米。針對於具有於1.064微米之3倍長的波長之雷射，但是針對相同的透鏡焦距、相同的M2值及相同的雷射束直徑，焦點深度增大至0.47毫米。於超過焦點之一個瑞利範圍，該束開始發散且擴展。當該束進入基板，束偏離折射效應歸因於空氣與基板的折射率之間的差異而發生，然而該束繼續發散且最終退出自後側面，如射線48與48’顯示於圖4。若基板具有平坦的平行側，該束在退出基板後的發散角度相同於進入基板者。退出後側面49之雷射束斑點直徑顯著大於前側者。
圖5顯示類似圖4之情況，其中，束之焦點定位為極接近或於基板表面。於此情形，退出側面之束直徑51相較圖4所示之情況減小，由於基板內展開距離減小一數量52，其取決基板材料之折射率而為瑞利範圍有些重大部分。由於輸入表面之束尺寸53仍然為接近束聚焦直徑，明顯的是：於基板後側的斑點尺寸對於前側者之比值相較於圖4 所示之情況為減小。
圖6顯示類似圖4之另一個情況，其中，束之焦點61定位在自該基板表面之一距離62，其大於瑞利範圍。於此情形，該束具有在到達基板表面前某些距離而展開，故於表面直徑63大於最小的焦斑直徑。歸因於折射率之間的差異，束彎曲效應隨著束進入基板而發生於空氣與基板間。此等效應致使束於基板材料較不強烈發散，由於其具有相較於空氣較高的折射率，且因此具有為減小於後側的斑點尺寸之效應。減小於基板之後側的雷射斑點尺寸，由於基板材料之折射率提高。由於在輸入表面的束尺寸大於最小束聚焦直徑且於後表面的束尺寸因為折射效應而減小，明顯的是：於基板後側的斑點尺寸對於前側者之比值相較於圖4所示之情況為減小。
由圖4、5與6所示的情況，明顯的是：退出斑點直徑對於輸入斑點直徑之最大的比值發生在當焦斑定位於自接近瑞利範圍之基板表面的一距離。於此條件下，在基板進入側面之束的脈衝雷射能量密度對後側者之比值是最大化，且用於剝蝕該基板之輸入側的覆層而未損壞於該基板之後表面的覆層之處理窗是最寬。
圖7顯示一種裝置的關鍵元件，該種裝置適於運用二對掃描器與透鏡單元於一透明基板的相對側雷射圖案化覆層。一薄的透明基板71安裝於二對相對2軸掃描器與透鏡單元72、72’與73、73’之間。一脈衝雷射74產生一束，其通過經由面鏡75、75’、一50%分光鏡76進入上方二個掃描器單元。一分離的雷射77經由類似配置的光學器件而回饋下方二個掃描器與透鏡組件。故下方的雷射束可接近安裝於CNC台座的一種開架式支架78之基板底側，致使其移動於掃描器與透鏡單元間的二個正交方向X與Y。圖7顯示僅有二對掃描器與透鏡單元是用以處理面板之情形，但是實際上，若為必要，較大數目的諸對單元可運用以提高生產率。該等單元取決於特定情況而線性配置或於二維陣列。
圖8顯示一種設備的一個可能配置，該種設備允許一對掃描器與透鏡單元以維持聚焦在基板表面上方的正確距離，隨著自該表面至掃描器透鏡之距離歸因於基板厚度與平坦度的變化而改變於Z方向。於圖所示的情形，面板81歸因於Z方向之下垂而非為平坦，上表面自上方掃描器與透鏡單元的距離已經增大而且自下表面至下方掃描器與透鏡單元的距離已經減小。雷射二極體82、82’附接至該等掃描器與透鏡單元且配置以將束傾斜指向面板表面。歸因於自該等二極體之雷射輻射的傾斜入射角，產生於基板表面的斑點隨著基板表面位置變化於Z軸而側向移動。於二個表面的雷射斑點由其附接至該等掃描器與透鏡單元之相機單元83、83’成像，且相機輸出訊號處理以提供關於該等掃描器與透鏡單元自相鄰基板表面的距離之資訊。於圖示的情形，因為基板之下垂，圖中指向至基板的上表面之雷射斑點已於X方向側向移動至右方，且產生基板的下表面者已於X方向側向移動至左方。面板之二側的雷射斑點移動由相機單元所偵測，該等相機單元接著產生訊號，其為由伺服控制單元84、84’所處理且運用以修正焦點之位置。修正可藉由Z方向移動該等掃描器與透鏡單元於CNC台座或藉由Z方向移動於一束擴展望遠鏡之一光學器件變焦而製成。圖8顯示後者型式之一種配置，其中，伺服馬達控制器之輸出運用改變附接至各個掃描器單元86、86’之束擴展望遠鏡85、85’的光學器件間的分離。藉著此種配置，自雷射88、88’之雷射束87、87’由透鏡89、89’聚焦，使得焦斑維持在相關於基板表面的正確位置。
上述的直接寫入是向量種類。於其他實施例，直接寫入可為掃描光柵種類。
11．．．基板
12、12’．．．掃描器單元
13、13’．．．脈衝雷射單元
14、14’．．．束
15、15’．．．透鏡
21．．．基板
22、22’．．．掃描器與透鏡單元
23、23’．．．雷射束
24、24’．．．焦點
25、25’．．．距離
26、26’．．．雷射斑點
27、27’．．．斑點
31．．．曲線
32．．．半峰部
33．．．臨限
34．．．直徑
35．．．曲線
36．．．半峰部
41．．．基板
42．．．厚度
43、43’．．．射線
44．．．焦點
45．．．束
46．．．瑞利範圍
47．．．焦點深度
48、48’．．．射線
49．．．後端面
51．．．束直徑
52．．．量
53．．．束尺寸
61．．．焦點
62．．．距離
63．．．直徑
64．．．束直徑
71．．．基板
72、72’、73、73’．．．掃描器與透鏡單元
74．．．脈衝雷射
75、75’．．．面鏡
76．．．分光鏡
77．．．雷射
78．．．支架
81．．．面板
82、82’．．．雷射二極體
83、83’‧‧‧相機單元
84、84’‧‧‧伺服控制單元
85、85’‧‧‧束擴展望遠鏡
86、86’‧‧‧掃描器單元
87、87’‧‧‧雷射束
88、88’‧‧‧雷射
89、89’‧‧‧透鏡
本發明之示範實施例參考伴隨圖式而描述，其中：
圖1顯示運用處理一透明面板的二側之雷射與光學系統的概括配置；
圖2顯示相對的雷射束是如何聚焦於相關面板表面；
圖3展示雷射剝蝕斑點尺寸是如何取決於束直徑與能量密度；
圖4顯示單一雷射束通過一透明基板的詳細圖；
圖5顯示類似圖4之情況，其中，焦斑較接近基板表面移動；
圖6顯示類似圖4之情況，其中，焦斑較遠離基板表面移動；
圖7顯示用於處理一透明基板的二側之實際配置；及
圖8顯示一種方法，確保相對束維持聚焦在相關面板表面的正確位置，即使當該面板為非平坦。
11．．．基板
12、12’．．．掃描器單元
13、13’．．．脈衝雷射單元
14、14’．．．束
15、15’．．．透鏡

Claims (14)

  1. 一種藉由直接寫入雷射剝蝕來處理工件之方法，該工件包含一基板，其具有形成於第一與第二表面之第一與第二膜，其中，該基板對雷射輻射為透明，該種方法包含：提供第一雷射束遞送裝置，其包含一雷射束掃描器與一透鏡單元；定位該第一雷射束遞送裝置之該透鏡單元至該基板之第一表面側以直接寫入該第一膜；及自該透鏡單元的雷射束聚焦在不及該第一膜的一斑點而直接寫入該第一膜，藉此，該雷射束隨著撞擊該第一膜而發散，其中在該第一膜之直接寫入期間的該雷射束撞擊該第二膜之處，該第二膜並未藉由該雷射束損壞。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，自該第一表面之雷射束的焦斑之距離約等於該雷射束之瑞利(Rayleigh)範圍。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，更包含：提供第二雷射束遞送裝置，其包含一雷射束掃描器與一透鏡單元；定位該第二雷射束遞送裝置之該透鏡單元至該基板之第二表面側以直接寫入該第二膜；及自該透鏡單元的雷射束聚焦在不及第二膜的一斑點而直接寫入該第二膜，藉此，該雷射束隨著撞擊該第二膜而發散。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，自該第二 表面之該第二雷射束遞送裝置之雷射束焦斑之距離約等於該雷射束之瑞利範圍。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該第一膜之直接寫入及該第二膜之直接寫入同時實行。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，更包含：於直接寫入一個膜之期間，調整對應透鏡單元之焦點以補償該工件之非平坦度且維持該焦點在自對應表面之必要距離。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，複數個該種雷射束遞送裝置並行運用於該膜。
  8. 一種藉由直接寫入雷射剝蝕以用於處理工件之系統，該工件包含一基板，其具有形成於第一與第二側面之第一與第二膜，其中，該基板對雷射輻射為透明，該種系統包含：第一雷射束遞送裝置，其包含一雷射束掃描器與一透鏡單元；及一載具，其配置以接收位於其上的工件，其中，安裝該第一雷射束遞送裝置與該載具以允許在該第一雷射束遞送裝置與該載具之間的相對移動，進而允許該第一膜之直接寫入，其中，可操作該系統以於該第一雷射束遞送裝置之透鏡單元聚焦在不及該第一膜的一斑點而直接寫入該第一膜，藉此，雷射束隨著撞擊該第一膜而發散，其中在該第一膜之直接寫入期間的該雷射束撞擊該第二膜之處，該第二膜並未藉由該雷射束損壞。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統，其中，自該第一側面 之雷射束的焦斑之距離約等於該雷射束之瑞利範圍。
  10. 如申請專利範圍第8或9項之系統，更包含：第二雷射束遞送裝置，其包含一雷射束掃描器與一透鏡單元，其中，安裝該第二雷射束遞送裝置與該載具以允許在該第二雷射束遞送裝置與該載具之間的相對移動，進而允許該第二膜直接寫入，其中，可操作該系統以於該第二雷射束遞送裝置之透鏡單元聚焦在不及該第二膜的一斑點而直接寫入該第二膜，藉此，該雷射束隨著撞擊該第二膜而發散。
  11. 如申請專利範圍第10項之系統，其中，該第一膜之直接寫入及該第二膜之直接寫入同時實行。
  12. 如申請專利範圍第8或9項之系統，更包含：成像機構，以確定該第一雷射束遞送裝置或該第二雷射束遞送裝置的該種透鏡單元與該基板的相鄰表面之距離；及，一控制器，響應該距離測定而可操作以調整該第一雷射束遞送裝置或該第二雷射束遞送裝置的該透鏡單元之焦點，維持對應雷射束的焦點在自對應基板表面之必要距離。
  13. 如申請專利範圍第8或9項之系統，更包含：複數個該種雷射束遞送裝置，安裝以並行運用於該膜。
  14. 如申請專利範圍第8或9項之系統，其中，該系統包含一對線性台座單元，其配置成允許在該第一雷射束遞送裝置或該第二雷射束遞送裝置與該載具之間的二個軸之相對移動。
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