CN117182358B - 一种精细金属掩膜版激光加工装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种精细金属掩膜版激光加工装置及其加工方法。振镜加工头用于将入射的激光束进行全振镜行程偏摆；动态聚焦模块一侧安装有振镜加工头，其另一侧安装有激光头；激光整形模块位于振镜加工头的下方；物镜切换模块位于激光整形模块的下方，物镜切换模块上安装有若干不同倍数的物镜；自动聚焦模块位于第三合束镜的一侧，将上述结构集成于一体，同时兼具振镜加工头和动态聚焦镜的三维加工能力、场镜的平面整形能力、物镜的超精细观测及加工能力，将类场镜远心聚焦镜与类平凸整形镜的焦距比例设计为1：4左右，保证激光通过类平凸整形镜后变为平行光，并且将光斑直径扩大为原来的4倍。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种精细金属掩膜版激光加工装置及其加工方法。
背景技术
精密金属掩膜版（FMM）是一种用于制作微观和纳米级结构的工具。它通常由金属材料（如铝或铬）制成，具有高精度的图案。FMM被广泛应用于微电子、光子学、生物医学和纳米技术领域。
精密金属掩膜版（FMM）是用于有机发光二极管（OLED）生产的核心耗材，其厚度仅有20um左右，但长度可达到1400mm，宽度可达到400mm。目前精密金属掩膜版通过化学方法刻蚀生产，但是刻蚀良率低，因此后续需要通过激光加工的方式进行精密金属掩膜版的二次加工及修复。
激光加工精密金属掩膜版的难点在于：加工尺寸在20um的三维孔型，加工精度要求1um以内，三维孔型的坡度要求1°的精度。因此，要想通过激光加工精密金属掩膜版，传统的激光加工手段是远远达不到该指标要求的。需要开发一种新的加工头，来满足小尺度、高精度三维加工需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中的现有技术存在的问题，提供一种兼具振镜加工头和动态聚焦镜的三维加工能力、场镜的平面整形能力、物镜的超精细观测及加工能力的精细金属掩膜版激光加工装置及其加工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种精细金属掩膜版激光加工装置，包括
振镜加工头，用于将入射的激光束进行全振镜行程偏摆，最终实时改变激光聚焦光斑在XY方向的空间位置；
动态聚焦模块，动态聚焦模块一侧安装有振镜加工头，其另一侧安装有激光头，用于实时改变入射激光发散角，并将带有一定激光发散角的激光束射入振镜加工头，从而改变最终的激光聚焦光斑在Z方向的空间位置；
激光整形模块，位于振镜加工头的下方，用于满振镜偏摆全行程，保证加工精度，并将激光在激光整形模块内部聚焦到聚焦平面，并最终在物镜焦距处保持平面焦平面；
物镜切换模块，位于激光整形模块的下方，物镜切换模块上安装有若干不同倍数的物镜；
第三合束镜，位于激光整形模块与物镜切换模块之间；
自动聚焦模块，位于第三合束镜的一侧，自动聚焦模块内部发射测量用激光，并通过第三合束镜与激光束合束，并最终通过物镜聚焦于物体表面。
进一步的，激光整形模块包括类场镜远心聚焦镜、类平凸整形镜、管腔，所述管腔的进光端安装有类场镜远心聚焦镜，管腔的出光端安装有类平凸整形镜，类平凸整形镜的凸起面朝向管腔的内腔，类平凸整形镜的平面朝外设置。
进一步的，类场镜远心聚焦镜与类平凸整形镜之间的焦距比例为1：2～20。
进一步的，物镜切换模块为直线物镜切换模块，所述物镜切换模块包括直线电机和光栅尺，所述直线电机通过传动组件与光栅尺连接，并驱动光栅尺沿X轴方向做直线往复运动。
进一步的，类场镜远心聚焦镜内部设有多组将振镜加工头出射的激光聚焦于管腔上部的聚焦平面内的镜组。
进一步的，激光整形模块与第三合束镜之间从上往下依次安装有第一合束镜和第二合束镜，第一合束镜的一侧设有用以实现同轴观察的同轴观测模块，第二合束镜的一侧设有用以实现照明的同轴照明模块。
进一步的，第一合束镜的倾斜方向与第二合束镜的倾斜方向一致，第一合束镜的倾斜方向与第三合束镜的倾斜方向相反。
一种精细金属掩膜版激光加工装置加工方法，包括精细金属掩膜版激光加工装置，具体如下步骤：
步骤1：焦点标定
步骤11：标定自动聚焦模块，使得自动聚焦模块聚焦；
步骤12：在自动聚焦模块聚焦的情况下，调节同轴观测模块焦距，保证同轴观测焦点与自动聚焦焦点齐焦；
步骤13：在自动聚焦模块聚焦的情况下，调节动态聚焦模块，保证加工用激光束焦点与上述自动聚焦模块的焦点及同轴观测模块的焦点三者齐焦，完成加工头的标定；
步骤2：产品加工
步骤21：通过振镜加工头和动态聚焦模块控制加工用激光，最终通过物镜聚焦后的焦点的三维空间位置，摆动激光，
进行三维加工；
步骤22：通过软件绘制加工三维图形，生成加工轨迹，并对三维加工图形进行平面或曲面分层填充处理，即对三维孔进行粗加工；
步骤23：设置上述三维图形的三维轮廓扫描程序，对三维加工后的三维孔壁进行激光平整化，即对三维孔壁进行精加工；
步骤24：设置上述三维图形加工后的上表面清洁程序，对三维加工后掩膜版上表面的灰尘或熔渣进行激光清洁。
进一步的，步骤2产品加工过程中，通过同轴观测模块进行实时视觉检测，通过自动聚焦模块实时调节振镜加工头在Z轴方向的高度。
本发明的有益效果是：1、本发明的激光整形模块包括类场镜远心聚焦镜和类平凸整形镜，由于最终通过物镜加工，物镜加工范围很小，一般在0.1mm范围以内，因此通过振镜偏摆难以用满全振镜行程，进而难以保证加工精度；通过增设类场镜远心聚焦镜可以保证振镜加工头在全行程偏摆（场镜可以保证振镜全行程范围内将激光聚焦在一定的小范围），并将类场镜远心聚焦镜与类平凸整形镜的焦距比例设计为1：2～20左右，保证激光通过类平凸整形镜后变为平行光（动态聚焦模块会小幅度改变发散角，此处忽略不计），并且将光斑直径扩大为原来的2～20倍（光斑直径越大，聚焦光斑越小，加工尺度越精细）；
2、本发明提出的装置将振镜加工头、动态聚焦镜、类场镜远心聚焦镜、类平凸整形镜、物镜集成于一体，同时兼具振镜加工头和动态聚焦镜的三维加工能力、场镜的平面整形能力、物镜的超精细观测及加工能力；上述硬件不是单纯的堆叠组合，而是通过原理性创新将多尺度激光加工部件的加工能力合并，从而实现全新的加工装置和加工方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是激光整形模块光路原理图；
图中：1. 振镜加工头，2. 动态聚焦模块，3. 激光整形模块，4. 自动聚焦模块，5.同轴观测模块，6. 同轴照明模块，7. 物镜，8. 物镜切换模块，
9. 第一合束镜，10. 第二合束镜，11. 第三合束镜，
12. 类场镜远心聚焦镜，13. 类平凸整形镜，14. 管腔；
15. 聚焦平面，16. 平行光。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1～2所示的一种精细金属掩膜版激光加工装置，微尺度的异形孔（也就是三维孔）加工，激光从上往下打，激光通过振镜是可以摆动的，可以进行三维摆动（左右、前后、上下），；
三维加工的原理：通过管径将大尺度的激光缩小，是由于原始的振镜的幅面很大，有几百毫米的幅面，然后通过类场景远心聚焦镜12把几百毫米场景的幅面缩小到几微米，缩小了几千倍，然后再通过1:4的比例（是为了将激光进行二次放大，是由于激光的特性：入射光斑要大，聚光斑要小，是为了让平行光变的很粗，才能把焦点聚的很小，这样加工质量就越高；
包括振镜加工头1，振镜加工头1的原理是通过两组电机，通过216或220的摆动幅度，认为216或220的摆动幅度为全行程，将入射的激光束进行全振镜行程偏摆，最终实时改变激光聚焦光斑在XY方向的空间位置，让摆动角度用到小幅面的全行程，通过一个聚焦和放大的方式实现；
动态聚焦模块2，动态聚焦模块2一侧安装有振镜加工头1，其另一侧安装有激光头，用于实时改变入射激光发散角，并将带有一定激光发散角的激光束射入振镜加工头1，从而改变最终的激光聚焦光斑在Z方向的空间位置，通过振镜加工头1和动态聚焦模块2可以高速高精度控制最终的激光聚焦光斑在三维空间的位置；
激光整形模块3，位于振镜加工头1的下方，用于满振镜偏摆全行程，保证加工精度，并将激光在激光整形模块3内部聚焦到聚焦平面15，并最终在物镜焦距处保持平面焦平面的特性；
物镜切换模块8，位于激光整形模块3的下方，物镜切换模块8上安装有若干不同倍数的物镜7；
第三合束镜11，位于激光整形模块3与物镜切换模块8之间；
自动聚焦模块4，位于第三合束镜11的一侧，自动聚焦模块4内部发射测量用激光，并通过第三合束镜11与激光束合束，并最终通过物镜7聚焦于物体表面，测量用激光反射后在自动聚焦模块4内部成像，通过成像原理判定物镜焦点位置。
具体为，自动聚焦模块4内部发射一个测量用激光出来，实现自动聚焦，类似于激光显微镜，是通过激光的原理自动聚焦的，也就说是自动聚焦模块4会发射一个激光，会反射一个激光，共聚焦的原理，实现一个焦点的自动寻找。
需要将自动聚焦模块4的位置放置于最下面，因为自动聚焦模块4需要非常精准，若将自动聚焦模块4放置于上方，会经过三个合束镜，则自动聚焦模块4的聚焦性能就会变差，因此，将自动聚焦模块4放置于里物镜7最近的地方。
自动聚焦模块4作为一个发射激光的激光源，750波段的激光出来打到第三合束镜11上，然后向下反射，反射至物镜7中，然后再经过物镜7聚焦，然后再次反射回去，通过反射回去的成像，再判断物镜7的焦距是否正确，成像的质量与发散激光的角度，从而判断激光是否打到产品的正表面。
激光整形模块3对振镜出来的光进行整平，整平的作用就是让激光的焦平面在一个平面上，该聚焦平面为一弧形聚焦平面，激光整形模块3包括类场镜远心聚焦镜12、类平凸整形镜13、管腔14，所述管腔14的进光端安装有类场镜远心聚焦镜12，管腔14的出光端安装有类平凸整形镜13，类平凸整形镜13的凸起面朝向管腔14的内腔，类平凸整形镜13的平面朝外设置。
其中，类场镜远心聚焦镜12内部设有多组将振镜加工头1出射的激光聚焦于管腔14上部的聚焦平面15内的镜组。类场镜远心聚焦镜12会将激光聚焦到同一个平面内，即聚焦平面15，也就是说一般的焦平面为球面，而本发明中的类场镜远心聚焦镜12会将常规的球面转变为平面，进而，保证最终从物镜7中射出的激光聚焦焦平面也为一个平面，而非传统的球面，在进而保证了激光焦点的三维空间准确性，若该激光不平，进入到物镜7中的焦点也是不平整的，焦点不一致，这样就无法使用，因此，该聚焦平面15必须是平面，就是说将弧形焦平面变成平行焦平面。优选类场镜远心聚焦镜12与类平凸整形镜13之间的焦距比例为1：4，激光经过管腔14内的聚焦平面15后进一步变为发散激光，并进入类平凸整形镜13，类平凸整形镜13将发散的激光整形成为平行光16，并将原始入射光斑直径扩大4倍左右。
同时，也是为了让出射的平行光的尺度是可控的，若是比例减小，则出射的平行光会变细，变细的话，聚焦光斑就会很大，则质量较差。
然后，再根据类平凸整形镜13，类平凸整形镜13的目的是将发散光（该发散光为锥形的），锥形出来以后，再经过类平凸整形镜13再变成平行光16，此时，由于之前焦平面被整平过，所以焦平面还是平的。
如图1所示，物镜切换模块8为直线物镜切换模块，所述物镜切换模块8包括直线电机和光栅尺，所述直线电机通过传动组件与光栅尺连接，并驱动光栅尺沿X轴方向做直线往复运动。
具体的物镜切换模块8通过直线电机驱动，高精度光栅尺实时反馈物镜7位置，并通过直线切换原理高速高精度切换不同倍数物镜7。
现有的一般采用环形物镜切换模块，但环形物镜切换模块没有直线物镜切换模块的精度高，是由于环形的没有加光栅尺，直线物镜切换模块是通过光栅尺来做的，光栅尺的精度在0.1um，实现高速高精度切换。
其中，物镜7为齐焦物镜，也就是4个物镜7只是倍数不同，但是他它们的焦距是一样的，也就是说4个物镜7的焦平面为同一个平面，是一样的；
物镜7的焦平面非常的短，只有1微米，也就是说上下高度相差1um都是不可以聚焦的。
激光整形模块3与第三合束镜11之间从上往下依次安装有第一合束镜9和第二合束镜10，第一合束镜9的一侧设有用以实现同轴观察的同轴观测模块5，第二合束镜10的一侧设有用以实现照明的同轴照明模块6。
同轴观测模块5和同轴照明模块6分别通过第一合束镜9和第二合束镜10与激光同轴，并起到照明和同轴观察的作用；同轴观测模块5包含可变焦的工业相机。
第一合束镜9的倾斜方向与第二合束镜10的倾斜方向一致，第一合束镜9的倾斜方向与第三合束镜11的倾斜方向相反。
其中，振镜加工头1、动态聚焦模块2、第一合束镜9、第二合束镜10、第三合束镜11、同轴观测模块5、同轴照明模块6以及物镜7均为现有技术，根据加工装置需求进行市购即可。
一种精细金属掩膜版激光加工装置加工方法，包括精细金属掩膜版激光加工装置，具体如下步骤：
步骤1：焦点标定
步骤11：标定自动聚焦模块4，使得自动聚焦模块4聚焦，自动聚焦到焦平面，此时的聚点就会非常的精准，动态聚焦模块2的焦平面与该焦平面是一致的；
步骤12：在自动聚焦模块4聚焦的情况下，调节同轴观测模块5焦距，保证同轴观测焦点与自动聚焦焦点齐焦；
步骤13：在自动聚焦模块4聚焦的情况下，调节动态聚焦模块2，保证加工用激光束焦点与上述自动聚焦模块4的焦点及同轴观测模块5的焦点三者齐焦，完成加工头的标定；
步骤2：产品加工
步骤21：通过振镜加工头1和动态聚焦模块2控制加工用激光，最终通过物镜7聚焦后的焦点的三维空间位置，从而去摆动激光，进行三维加工；产品加工过程中，通过同轴观测模块5进行实时视觉检测，也可通过自动聚焦模块4实时调节振镜加工头1在Z轴方向的高度；
步骤22：通过软件绘制加工三维图形，生成加工轨迹，并对三维加工图形进行平面或曲面分层填充处理，即对三维孔进行粗加工；
步骤23：设置上述三维图形的三维轮廓扫描程序，对三维加工后的三维孔壁进行激光平整化，即对三维孔壁进行精加工；
步骤24：设置上述三维图形加工后的上表面清洁程序，对三维加工后掩膜版上表面的灰尘或熔渣进行激光清洁。
另外，步骤2产品加工过程中，通过同轴观测模块5进行实时视觉检测，通过自动聚焦模块4实时调节振镜加工头1在Z轴方向的高度。加工过程通过振镜加工头及动态聚焦模块自动化一次性完成，并且每一步骤的加工工艺参数，包括所有的加工运动参数和激光参数可以独立设定。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种精细金属掩膜版激光加工装置，其特征在于：包括
振镜加工头（1），用于将入射的激光束进行全振镜行程偏摆，最终实时改变激光聚焦光斑在XY方向的空间位置；
动态聚焦模块（2），动态聚焦模块（2）一侧安装有振镜加工头（1），其另一侧安装有激光头，用于实时改变入射激光发散角，并将带有一定激光发散角的激光束射入振镜加工头（1），从而改变最终的激光聚焦光斑在Z方向的空间位置；
激光整形模块（3），位于振镜加工头（1）的下方，激光在激光整形模块（3）内部聚焦到聚焦平面（15），并最终在物镜（7）焦距处保持平面的焦平面；
物镜切换模块（8），位于激光整形模块（3）的下方，物镜切换模块（8）上安装有若干不同倍数的物镜（7）；
第三合束镜（11），位于激光整形模块（3）与物镜切换模块（8）之间；
自动聚焦模块（4），位于第三合束镜（11）的一侧，自动聚焦模块（4）内部发射测量用激光，并通过第三合束镜（11）与激光束合束，并最终通过物镜（7）聚焦于物体表面；所述激光整形模块（3）包括类场镜远心聚焦镜（12）、类平凸整形镜（13）、管腔（14），所述管腔（14）的进光端安装有类场镜远心聚焦镜（12），管腔（14）的出光端安装有类平凸整形镜（13），类平凸整形镜（13）的凸起面朝向管腔（14）的内腔，类平凸整形镜（13）的平面朝外设置；
所述类场镜远心聚焦镜（12）与类平凸整形镜（13）之间的焦距比例为1：2～20。
2.根据权利要求1所述的一种精细金属掩膜版激光加工装置，其特征在于：所述的类场镜远心聚焦镜（12）内部设有多组将振镜加工头（1）出射的激光聚焦于管腔（14）上部的聚焦平面内的镜组。
3.根据权利要求1所述的一种精细金属掩膜版激光加工装置，其特征在于：所述的物镜切换模块（8）为直线物镜切换模块，所述物镜切换模块（8）包括直线电机和光栅尺，所述直线电机通过传动组件与光栅尺连接，并驱动光栅尺沿X轴方向做直线往复运动。
4.根据权利要求1所述的一种精细金属掩膜版激光加工装置，其特征在于：所述的激光整形模块（3）与第三合束镜（11）之间从上往下依次安装有第一合束镜（9）和第二合束镜（10），第一合束镜（9）的一侧设有用以实现同轴观察的同轴观测模块（5），第二合束镜（10）的一侧设有用以实现照明的同轴照明模块（6）。
5.一种精细金属掩膜版激光加工装置加工方法，基于如权利要求4所述的精细金属掩膜版激光加工装置进行激光加工，其特征在于：具体如下步骤：
步骤1：焦点标定
步骤11：标定自动聚焦模块（4），使得自动聚焦模块（4）聚焦；
步骤12：在自动聚焦模块（4）聚焦的情况下，调节同轴观测模块（5）焦距，保证同轴观测焦点与自动聚焦焦点齐焦；
步骤13：在自动聚焦模块（4）聚焦的情况下，调节动态聚焦模块（2），保证加工用激光束焦点与上述自动聚焦模块（4）的焦点及同轴观测模块（5）的焦点三者齐焦，完成加工头的标定；
步骤2：产品加工
步骤21：通过振镜加工头（1）和动态聚焦模块（2）控制加工用激光，最终通过物镜（7）聚焦后的焦点的三维空间位置，摆动激光，进行三维加工；
步骤22：通过软件绘制加工三维图形，生成加工轨迹，并对三维加工图形进行平面或曲面分层填充处理，即对三维孔进行粗加工；
步骤23：设置上述三维图形的三维轮廓扫描程序，对三维加工后的三维孔壁进行激光平整化，即对三维孔壁进行精加工；
步骤24：设置上述三维图形加工后的上表面清洁程序，对三维加工后掩膜版上表面的灰尘或熔渣进行激光清洁。
6.根据权利要求5所述的一种精细金属掩膜版激光加工装置加工方法，其特征在于：所述的步骤2产品加工过程中，通过同轴观测模块（5）进行实时视觉检测，通过自动聚焦模块（4）实时调节振镜加工头（1）在Z轴方向的高度。
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