TWI628028B - 雷射加工裝置與方法 - Google Patents

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TWI628028B TW105129959A TW105129959A TWI628028B TW I628028 B TWI628028 B TW I628028B TW 105129959 A TW105129959 A TW 105129959A TW 105129959 A TW105129959 A TW 105129959A TW I628028 B TWI628028 B TW I628028B
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Abstract

一種雷射加工裝置及雷射加工方法，上述雷射加工裝置利用聲光調變部將脈衝雷射束時分成多個加工束。雷射加工裝置使多個加工束照射至不同的位置而形成加工圖案。

Description

雷射加工裝置與方法
本發明是有關於一種雷射加工裝置及方法，且有關於一種利用聲光調變部的雷射加工裝置及方法。
通常，雷射加工製程是指向加工物的表面掃描雷射束而對加工物表面的形狀或物理性質等進行加工的製程。此種加工物可有多種例，其形狀可為二維平面形狀。作為雷射加工製程的一例，可有如下製程：向矽晶圓上掃描雷射束，藉此使非晶矽(amorphous silicon)膜結晶化而形成為多晶矽(polysilicone)膜。
於雷射加工中，重要的是根據加工條件而調變雷射束。可藉由調節雷射束的強度、行進方向、干擾條件、偏光成分等而提高雷射加工的精確度。
作為調變雷射束的技術，有電光調變方式(Electro optic modulation)與聲光調變方式(Acousto optic modulation)等。電光調變方式利用因施加至介質的電場而介質的折射率發生 變化的現象，聲光調變方式利用因施加至介質的聲波而介質的折射率發生變化的現象。
根據實施例，揭示一種利用聲光調變部的雷射加工裝置及方法。
於一態樣中，提供一種雷射加工方法，其包括如下步驟：射出脈衝雷射束的步驟；利用聲光調變部將上述脈衝雷射束時分(Time division)成多個加工束的步驟；以及調節上述多個加工束的行進路徑而使上述多個加工束照射至不同的位置的步驟。
分割成上述多個加工束的步驟可藉由在射出上述脈衝雷射束的期間，隨時間變更施加至上述聲光調變部的聲波而對上述脈衝雷射束進行時分。
分割成上述多個加工束的步驟可藉由調節上述聲波的頻率而改變上述多個加工束各自的行進方向。
分割成上述多個加工束的步驟可將上述脈衝雷射束中的一個脈衝時分成多個加工束。
分割成上述多個加工束的步驟可按照相同的時間間隔將上述脈衝雷射束時分成多個加工束。
分割成上述多個加工束的步驟可按照不同的時間間隔將上述脈衝雷射束時分成多個加工束。
使多個加工束照射至不同的位置的步驟能夠以上述多個加工束分割形成一個加工圖案的方式移動上述多個加工束各自的照射位置。
使多個加工束照射至不同的位置的步驟能夠以上述多個加工束分別形成不同的加工圖案的方式移動上述多個加工束的照射位置。
於另一態樣中，提供一種雷射加工裝置，其包括：光源，射出脈衝雷射束；聲光調變部，入射上述脈衝雷射束，藉由繞射而將上述脈衝雷射束時分(Time division)成多個加工束；聲波驅動部，對上述聲光調變部施加聲波；以及光路徑變更部，調節上述多個加工束的行進路徑而使多個加工束照射至不同的位置。
上述聲光調變部可包括：第一調變部，向第一方向變更上述多個加工束的輸出角度；以及第二調變部，向第二方向變更上述多個加工束的輸出角度。
上述聲波驅動部可藉由在射出上述脈衝雷射束的期 間，隨時間變更施加至上述聲光調變部的聲波而使上述聲光調變部對上述脈衝雷射束進行時分。
上述聲光調變部可將上述脈衝雷射束中的一個脈衝時分成多個加工束。
上述聲波驅動部可藉由調節上述聲波的頻率而改變上述多個加工束各自的行進方向。
上述聲光調變部可按照相同的時間間隔將上述脈衝雷射束時分成多個加工束。
上述聲光調變部可按照不同的時間間隔將上述脈衝雷射束時分成多個加工束。
上述光路徑變更部能夠以上述多個加工束分割形成一個加工圖案的方式移動上述多個加工束的照射位置。
上述光路徑變更部能夠以上述多個加工束分別形成不同的加工圖案的方式移動上述多個加工束的照射位置。
根據例示性的實施例，可將自光源出射的脈衝雷射束時分成多個加工束。因此，可放大對光源要求的脈寬限制。並且，藉由利用多個加工束形成加工圖案而可縮短雷射加工製程所需的時間。
100‧‧‧雷射加工裝置
110‧‧‧光源
120‧‧‧聲光調變部
122‧‧‧第一調變部
124‧‧‧第二調變部
127‧‧‧聲波驅動部
132‧‧‧傾卸器
132a‧‧‧第一傾卸器
132b‧‧‧第二傾卸器
134‧‧‧鏡面
140‧‧‧檢流計系統
142、144‧‧‧檢流計鏡
150‧‧‧光路徑變更部
1110~1130‧‧‧步驟
a‧‧‧第一時域
b‧‧‧第二時域
c‧‧‧第三時域
d‧‧‧第四時域
f‧‧‧時域
L0‧‧‧0次繞射束
L1‧‧‧1次繞射束
L2、L3‧‧‧高次繞射束
S1‧‧‧照射雷射束的位置
θx‧‧‧x方向繞射角度
θy‧‧‧y方向繞射角度
圖1是概略性地表示例示性的實施例的雷射加工裝置的圖。
圖2是例示性地表示藉由第一調變部及第二調變部而變更雷射束的行進路徑的圖。
圖3是表示利用圖1所示的雷射加工裝置的雷射加工方法的流程圖。
圖4是例示性地表示時分脈衝雷射束的圖。
圖5是例示性地表示時分脈衝雷射束的圖。
圖6是表示藉由比較例的雷射加工方法而形成加工圖案的圖。
圖7是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
圖8是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
圖9是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
圖10是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
以下，參照隨附圖式，詳細地對例示性的實施例的雷射加工裝置進行說明。
於以下的圖中，相同的參照符號表示相同的構成要 素，為了說明的明確性及便利性，可於圖中誇張地表示各構成要素的尺寸。另一方面，以下所說明的實施例僅為示例，可根據這些實施例實現各種變形。
以下，於記載為“上部”或“上”時，不僅包括以接觸的方式位於正上方的情形，而且亦包括以非接觸的方式位於上方的情形。
第一、第二等用語可用於說明各種構成要素，但構成要素不應受用語的限制。用語僅以將一個構成要素區別於其他構成要素為目的而使用。
若未於文中明確表示其他含義，則單數的表達包括複數的表達。並且，於記載為某個部分“包括”某個構成要素時，若無特別相反的記載，則是指可更包括其他構成要素，並非是指排除其他構成要素。
並且，說明書中所記載的“…部”、“模組”等用語是指對至少一個功能或動作進行處理的單位。
圖1是概略性地表示例示性的實施例的雷射加工裝置100的圖。
參照圖1，例示性的實施例的雷射加工裝置100可包括：光源110，射出脈衝雷射束；聲光調變部120，入射脈衝雷射束，藉由繞射而將脈衝雷射束時分(Time division)成多個加工束；聲波驅動部127，對聲光調變部120施加聲波；以及光路徑變更部150，調節上述多個加工束的行進路徑而使多個加工束 照射至不同的位置。
光源110可射出脈衝雷射束。脈衝雷射束是指雷射束的強度隨時間而變成脈衝形態。自光源110射出的脈衝雷射束的脈寬及週期可固定，亦可不規則。自光源110射出的脈衝雷射束可入射至聲光調變部120。
聲光調變部120可使入射於聲光調變部120的脈衝雷射束繞射。作為例示，聲光調變部120可包括向第一方向繞射脈衝雷射束的第一調變部122、及向第二方向繞射脈衝雷射束的第二調變部124。
第一調變部122及第二調變部124可分別包括特定的介質。上述介質可包括玻璃、石英等，但實施例並不限制於此。可藉由聲波驅動部127調節第一調變部122及第二調變部124的繞射特性。例如，聲波驅動部127可藉由對第一調變部122及第二調變部124施加聲波而改變包括於第一調變部122及第二調變部124的介質的折射率。包括於第一調變部122及第二調變部124的介質的折射率可週期性地發生變化。入射於第一調變部122及第二調變部124的光會因干擾效應而產生與布拉格繞射(Bragg diffraction)相似的繞射現象。
若雷射束於第一調變部122及第二調變部124發生繞射，則會與繞射次數對應地變更行進路徑。例如，0次繞射束L0的行進路徑不發生變化而按照原樣行進，高次繞射束L1、L2、L3的繞射次數越高，則繞射角度會越大。
因0次繞射束L0的雷射束路徑不發生變更而不易調變，因此會不用作加工束。因此，可利用傾卸器132傾卸(dumping)0次繞射束L0。可利用鏡面134變更高次繞射束L1、L2、L3的行進方向。
於高次繞射束L1、L2、L3中，1次繞射束L1的強度可幾乎與施加至聲波驅動部127的聲波的強度成正比。1次繞射束L1的光束強度的控制會較為容易，穩定性高於其他高次繞射束L2、L3。因此，可將1次繞射束L1用作加工用光束。雷射加工裝置100可利用檢流計系統140選擇性地將1次繞射束L1入射至光路徑變更部150。檢流計系統140可包括多個檢流計鏡142、144。可根據1次繞射束L1的出射方向而調節檢流計鏡142、144的排列角度。檢流計鏡142、144可選擇性地將高次繞射束L1、L2、L3中的1次繞射束L1入射至光路徑變更部150。
光路徑變更部150可包括多個光學元件(未圖示)。上述多個光學元件可包括透鏡、鏡面等。光路徑變更部150可藉由調節包括於內部的光學元件的排列位置而變更照射加工束的位置。
圖2是例示性地表示藉由第一調變部122及第二調變部124而變更雷射束的行進路徑的圖。
參照圖2，雷射束可藉由第一調變部122而朝向第一方向(x方向)繞射。並且，雷射束可藉由第二調變部124而朝向第二方向(y方向)繞射。第一方向與第二方向可彼此實質性地 正交。
可藉由第一傾卸器132a傾卸通過第一調變部122的光中的0次繞射束。於第一調變部122繞射的光束的x方向繞射角度θx可依存於施加至第一調變部122的聲波而變更。例如，聲波驅動部127可藉由變更施加至第一調變部122的聲波的頻率而改變x方向繞射角度θx。
可藉由第二傾卸器132b而傾卸通過第二調變部124的光中的0次繞射束。於第二調變部124繞射的光束的y方向繞射角度θy可依存於施加至第二調變部124的聲波而變更。例如，聲波驅動部127可藉由變更施加至第二調變部124的聲波的頻率而改變y方向繞射角度θy。
聲波的波長與繞射束的繞射角度可根據布拉格繞射條件而滿足數式1的關係。
於數式1中，θ表示繞射角度，m表示繞射次數。m可為任意的整數。並且，λ表示介質內部的光的波長，Λ表示介質內部的聲波的波長。
如數式1所示，繞射光的繞射角度可依存於介質內部的光的波長λ與介質內部的聲波的波長Λ之間的比率。聲波驅動部127可對分別施加至第一調變部122及第二調變部124的聲波 的頻率進行調節。聲波驅動部127可藉由調節聲波的頻率而變更聲波的波長。即，聲波驅動部127可藉由變更分別施加至第一調變部122及第二調變部124的聲波的頻率而變更x方向繞射角度θx與y方向繞射角度θy。藉由調節x方向繞射角度θx與y方向繞射角度θy，可二維地調節自聲光調變部120輸出的加工束的輸出方向。
圖3是表示利用圖1所示的雷射加工裝置100的雷射加工方法的流程圖。
參照圖3，例示性的實施例的雷射加工方法可包括如下步驟：射出脈衝雷射束的步驟1110；將脈衝雷射束時分(Time division)成多個加工束的步驟1120；以及調節多個加工束的行進路徑的步驟1130。
於步驟1110中，光源110可射出脈衝雷射束。自光源110射出的脈衝雷射束可入射至聲光調變部120。
於步驟1120中，可藉由繞射而變更入射於聲光調變部120的光的行進路徑。如參照圖2進行的說明，聲光調變部120可使高次繞射束朝向x方向及y方向繞射。聲波驅動部127可藉由在射出脈衝雷射束的期間，隨時間變更施加至聲波的聲光調變部120的聲波而對脈衝雷射束進行時分。
圖4是例示性地表示時分脈衝雷射束的圖。
參照圖4，可將脈衝雷射束中的一個脈衝時分成多個加工束。例如，聲光調變部120可將一個脈衝時分成第一時域至第 四時域a、b、c、d。第一時域至第四時域可分別與進行時分所得的多個加工束對應。例如，可為時分成第一時域a的第一加工束朝向第一方向行進，時分成第二時域b的第二加工束朝向第二方向行進，時分成第三時域c的第三加工束朝向第三方向行進，時分成第四時域d的第四加工束朝向第四方向行進。可於二維平面上定義第一方向至第四方向。
於脈衝束的強度增加或減小的時域f，聲波驅動部127會不對聲光調變部120施加聲波。因此，脈衝束的強度增加或減小的時域f內的光束不會繞射，按照0次光束的路徑行進而藉由傾卸器132傾卸。
於脈衝束的強度幾乎固定的時域，聲波驅動部127可對聲光調變部120的第一調變部122及第二調變部124施加聲波。於一個脈衝入射至聲光調變部120的期間，聲波驅動部127可隨時間變更分別施加至第一調變部122及第二調變部124的聲波的頻率。例如，聲波驅動部127可使分別於第一時域至第四時域a、b、c、d施加的聲波的頻率不同。若聲波驅動部127按照時域改變聲波的頻率，則雷射束會分別於第一時域至第四時域a、b、c、d以不同的繞射角度繞射。因此，進行時分所得的多個加工束可自聲光調變部120向不同方向出射。
於圖4中，表示均勻地時分脈衝雷射束的情形，但實施例並不限制於此。
圖5是例示性地表示時分脈衝雷射束的圖。
參照圖5，可將脈衝雷射束時分成多個加工束。此時，時分的時域a、b、c、d的尺寸可不同。可藉由使聲波驅動部127變更聲波的頻率的時間間隔不同而使時分的時域a、b、c、d的尺寸不同。如圖5所示，若使時分的時域a、b、c、d的尺寸不同，則可使多個加工束各自的輸出比率不同。
如圖4及圖5所示，若利用聲光調變部120對脈衝雷射束進行時分，則可將一個脈衝時分成多個加工束。由於一個脈衝被時分成多個加工束，因此即便脈衝雷射束的脈寬較大，各個加工束的脈寬亦會相對變小。因此，即便使用低性能的雷射光源，亦可實現精確的雷射加工。
再次參照圖3，於步驟1130中，光路徑變更部150能夠以多個加工束照射至不同的位置的方式變更加工束的行進路徑。例如，光路徑變更部150可藉由調節多個光學元件的排列方向而變更上述加工束的行進路徑。光路徑變更部150可一面變更多個加工束各自的照射位置，一面形成雷射加工圖案。雷射加工圖案的概念包括藉由雷射束而形成至加工物上的切割線、刻槽線、標記形狀等。
圖6是表示藉由比較例的雷射加工方法而形成加工圖案的圖。
參照圖6，可藉由一個雷射束形成加工圖案。可沿預加工形狀移動照射雷射束的位置S1而形成加工圖案。然而，於此情形時，沿預加工形狀移動照射雷射束的位置S1需要時間，因 此會難以進行高速加工。
圖7是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
參照圖7，多個加工束可分割形成一個加工圖案。例如，如圖7所示，於形成圓形的加工圖案的情形時，通過光路徑變更部150的加工束可照射至不同的位置1、2、3、4。可為第一加工束照射至第一位置1，第二加工束照射至第二位置2，第三加工束照射至第三位置3，第四加工束照射至第四位置4。第一位置至第四位置可於圓弧上按照90度間隔排列。另外，聲光調變部120及光路徑變更部150可使照射第一加工束至第四加工束的位置1、2、3、4沿圓進行移動。
例如，對第一個脈衝進行時分所得的加工束可照射至如圖7所示的第一位置至第四位置1、2、3、4。另外，對第二個脈衝進行時分所得的加工束可照射至自圖7所示的第一位置至第四位置1、2、3、4移動特定角度的位置。如圖7所示，若多個加工束分割形成一個加工圖案，則可縮短形成加工圖案的時間。
於圖7中，表示多個加工束形成一個加工圖案的例，但實施例並不限制於此。
圖8是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
參照圖8，多個加工束可分別形成不同的加工圖案。例如，如圖8所示，於形成四個圓形的加工圖案的情形時，通過光 路徑變更部150的加工束可照射至不同的位置1、2、3、4。可為第一加工束照射至第一位置1，第二加工束照射至第二位置2，第三加工束照射至第三位置3，第四加工束照射至第四位置4。第一加工束至第四加工束可分別於不同的位置形成圓形的加工圖案。聲光調變部120及光路徑變更部150可使照射第一加工束至第四加工束的位置1、2、3、4分別沿不同的圓進行移動。
例如，對第一個脈衝進行時分所得的加工束可照射至如圖9所示的第一位置至第四位置1、2、3、4。另外，對第二個脈衝進行時分所得的加工束可分別照射至沿不同的圓移動特定的角度的位置。如圖8所示，若多個加工束同時形成多個加工圖案，則可縮短形成加工圖案的時間。
圖9是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
參照圖9，多個加工束各自的光束尺寸可不同。加工束的光束尺寸可根據與加工束對應的時分區域的尺寸及光路徑變更部150的光學元件的排列狀態等而改變。並且，多個加工束各自的照射位置1、2、3、4的移動方向亦可實現各種變化。例如，第一加工束的照射位置1可沿圓進行移動。並且，第二加工束的照射位置2可沿小於第一加工束的照射位置1進行移動而描繪的圓的圓進行移動。並且，第三加工束的照射位置3可沿多邊形而移動。並且，第四加工束的照射位置4可不改變。雷射加工裝置100藉由變更加工束的光束尺寸及分別照射加工束的位置而快速 地形成各種形狀的加工圖案。
圖10是表示根據圖3所示的實施例而藉由多個加工束形成加工圖案的例的圖。
參照圖10，雷射加工裝置100可藉由使多個加工束的照射位置1、2、3、4排列成一行而進行線光束加工。即，實施例的雷射加工裝置100可不利用將自光源110出射的點光束(spot beam)變更為線光束(line beam)的另外的光學系統而進行線光束加工。雷射加工裝置100可利用聲光調變部120將自光源110出射的脈衝雷射束時分成多個加工束。另外，雷射加工裝置100藉由聲光調變部120及光路徑變更部150的動作而按照一行照射多個加工束，藉此可產生與照射線光束相同的效果。
以上，參照圖1至圖10，對例示性的實施例的雷射加工裝置100及雷射加工方法進行了說明。根據上述實施例，可將自光源110出射的脈衝雷射束時分成多個加工束。因此，可放大對光源110要求的脈寬限制。並且，藉由利用多個加工束形成加工圖案，可縮短雷射加工製程所需的時間。
於以上說明中，具體地記載有較多事項，但這些事項並不限定本發明的範圍，而應解釋為較佳的實施例的示例。因此，本發明的範圍不應由所述實施例界定，而應由申請專利範圍中所記載的技術思想界定。

Claims (15)

  1. 一種雷射加工方法，其包括如下步驟：射出脈衝雷射束的步驟；利用聲光調變部將所述脈衝雷射束時分成多個加工束的步驟；以及調節所述多個加工束的行進路徑而使所述多個加工束照射至不同的位置的步驟，其中分割成所述多個加工束的步驟藉由在射出所述脈衝雷射束的期間，隨時間變更施加至所述聲光調變部的聲波而對所述脈衝雷射束進行時分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中分割成所述多個加工束的步驟藉由調節所述聲波的頻率而改變所述多個加工束各自的行進方向。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中分割成所述多個加工束的步驟將所述脈衝雷射束中的一個脈衝時分成多個加工束。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中分割成所述多個加工束的步驟按照相同的時間間隔將所述脈衝雷射束時分成多個加工束。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中分割成所述多個加工束的步驟按照不同的時間間隔將所述脈衝雷射束時分成多個加工束。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中使多個加工束照射至不同的位置的步驟以所述多個加工束分割形成一個加工圖案的方式移動所述多個加工束各自的照射位置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工方法，其中使多個加工束照射至不同的位置的步驟以所述多個加工束分別形成不同的加工圖案的方式移動所述多個加工束的照射位置。
  8. 一種雷射加工裝置，其包括：光源，射出脈衝雷射束；聲光調變部，入射所述脈衝雷射束，藉由繞射而將所述脈衝雷射束時分成多個加工束；聲波驅動部，對所述聲光調變部施加聲波；以及光路徑變更部，調節所述多個加工束的行進路徑而使多個加工束照射至不同的位置，其中所述聲波驅動部藉由在射出所述脈衝雷射束的期間，隨時間變更施加至所述聲光調變部的聲波而使所述聲光調變部對所述脈衝雷射束進行時分。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述聲光調變部包括：第一調變部，向第一方向變更所述多個加工束的輸出角度；以及第二調變部，向第二方向變更所述多個加工束的輸出角度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述聲光調變部將所述脈衝雷射束中的一個脈衝時分成多個加工 束。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述聲波驅動部藉由調節所述聲波的頻率而改變所述多個加工束各自的行進方向。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述聲光調變部按照相同的時間間隔將所述脈衝雷射束時分成多個加工束。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述聲光調變部按照不同的時間間隔將所述脈衝雷射束時分成多個加工束。
  14. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述光路徑變更部以所述多個加工束分割形成一個加工圖案的方式移動所述多個加工束的照射位置。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的雷射加工裝置，其中所述光路徑變更部以所述多個加工束分別形成不同的加工圖案的方式移動所述多個加工束的照射位置。
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