TWI504463B - 用於控制雷射光束焦斑尺寸之方法和裝置 - Google Patents

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Description

用於控制雷射光束焦斑尺寸之方法和裝置
本發明有關於控制形成於基板上之雷射光束焦斑尺寸，例如，用於藉由直接寫入之方法進行材料之消融或雷射抹除。本發明特別適用於薄玻璃、聚合物、金屬或其他厚度變異或不平整之基板上之材料薄膜或疊層之高解析度、細微線條圖案化製程。
在平坦基板表面中或上使用雷射消融或抹除細微線條結構之技術是眾所習知的，且使用許多不同用於執行此等運作之方式。所用設備之常見特性包括：一發射一脈衝或連續光束的雷射系統、一將該雷射光束集中於基板表面上之一光斑(spot)的聚焦透鏡以及一用於在該基板表面上移動該雷射聚焦光斑(focal spot；以下簡稱焦斑)之方法。
在基板上之材料表面中所消融或抹除之線條結構之寬度取決於該表面上形成之雷射光斑之直徑。在雷射加工之過程中，常有需要改變消融或抹除線條之寬度，因此在雷射加工過程之中，必須改變表面上之光斑直徑。在某些情況下，甚至需要在當光束實際於基板表面上移動中時改變光斑之尺寸。
改變基板表面上光斑尺寸最簡單的方式是改變相對於光束焦聚之位置。由於雷射光束在由透鏡向光束焦聚傳播時其直徑降低而超過該點時其直徑擴大，故將基板表面沿光束朝著透鏡或遠離透鏡往焦聚任一側方向移動，將導致光斑尺寸之增加。因此，消融或抹除線條之寬度可以藉由將基板針對光束焦聚進行相對移動而很容易地改變。
使用許多方法以致使光束焦聚相對於基板表面移動。最簡單之方法是基於改變聚焦透鏡距基板之距離，其利用伺服馬達(servo motor)驅動平台將聚焦透鏡或是基板往某一平行於光軸之方向移動。一個較複雜但較快速之方法是將基板距透鏡之距離維持固定，並利用一伺服馬達驅動、二組件式、可變光束望遠鏡(telescope)藉由使得雷射光束在透鏡之前會聚或發散而改變焦斑之平面。上述後者使光束焦聚軸向式移動之方法，當用於對平坦基板雷射加工而配合前置或後置掃描器透鏡系統使用之時，為了矯正穿過掃描範圍之聚焦平面的曲率，通常搭配單軸或雙軸式光束掃描器使用。
上述用於將焦聚相對於基板表面移動之線條寬度控制之方法是簡單且有效，但由於進行雷射加工時通常需要將基板維持在光束之精確焦聚上，故遭遇一些問題。在此平面，光束形狀以及功率或能量密度分布是明確定義的，且雷射光斑尺寸所改變之距離，焦聚深度(depth of focus)，是最大化。在聚焦平面之前或超過聚焦平面之點，光束形狀通常不再是圓形，且功率和能量密度分布不再呈高斯分布(Gaussian distribution)。此外，光束尺寸之變異，以及從而造成之峰值及平均功率和能量密度之變異，均是與沿光束距離強烈相關之函數，故在加工區域內欠缺平整度之基板變得較明顯的多。
改變於透鏡焦聚上產生之光斑尺寸之另一種方式是改變在透鏡之前的光束直徑。焦斑的直徑取決於透鏡焦距和雷射光束發散度(divergence)之乘積，且由於該發散度與光束直徑呈倒數關係，故輸入光束尺寸之增加將導致對應焦斑直徑上之降低。反之，輸入光束直徑之減少將導致對應焦斑之直徑增加。
改變進入透鏡之光束直徑是相當直接且通常藉由使用直接置於雷射輸出端之後的一個簡單的二組件式光束望遠鏡達成。然而，除非望遠鏡和透鏡之間的距離相當巨大，否則此方法仍遭遇到一些問題。當光束之準直度(collimation)改變，且在透鏡端改變光束尺寸以及從而造成之焦斑直徑變化，其產生沿著光束方向之焦斑移動(如上述關於軸向式移動焦斑之方法)。
因此，有需要在雷射加工期間改變雷射焦斑之直徑，同時保持在一平整或非平整基板之表面上焦斑之精確定位，以儘可能維持最大之焦聚深度。本發明即尋求對此需求之滿足。
依據本發明之第一特色，其提出用於控制形成於基板上之雷射光束焦斑尺寸之裝置，包含：
a.一雷射單元；
b.一可變光學望遠鏡單元，用以獨立地改變接收自上述雷射單元之一雷射光束之直徑和準直度，且包含至少第一、第二及第三光學組件，該第一及第二光學組件可相對於該第三光學組件移動的，以獨立地改變該第三光學組件與該第一及第二光學組件間之距離；
c.一聚焦透鏡，用以將接收自上述可變光學望遠鏡單元之雷射光束接引至一基板表面上之一焦聚；
d.一距離感測器，用以量測介於上述聚焦透鏡和該基板表面間之距離；以及
e.一控制系統，用於依據上述距離感測器之一輸出而控制該第一及第二光學組件之移動，以獨立地改變由該聚焦透鏡接收之該雷射光束之直徑和準直度，因此可控制藉該聚焦透鏡所形成之焦聚直徑且亦可控制其軸向位置(沿著光軸)，所以焦斑維持於該基板表面之上。
依據本發明之一第二特色，其提出控制形成於基板上之雷射光束焦斑尺寸之方法，包含：
a.使一雷射光束通過一可變光學望遠鏡，該可變光學望遠鏡包含至少第一、第二及第三光學組件，相對於該第三光學組件移動該第一及第二光學組件，以獨立地改變該第三光學組件與該第一及第二光學組件間之距離，藉以獨立地改變該雷射光束之直徑和準直度；將該雷射光束自上述可變光學望遠鏡通過一聚焦透鏡，以將該雷射光束接引至一基板表面上之一焦聚；
b.量測介於上述聚焦透鏡和該基板表面間之距離；以及
c.依據上述之距離控制該第一及第二光學組件之移動，以獨立地改變該聚焦透鏡接收之該雷射光束之直徑和準直度，因此可控制藉該聚焦透鏡所形成之焦聚直徑且亦可控制其軸向位置(沿著光軸)，所以焦斑維持於該基板表面之上。
為了能夠改變一雷射焦斑之直徑且同時保持該焦斑精確地定位於一表面上，其必須能夠在聚焦透鏡處獨立地改變光束直徑及其準直度。此藉由使雷射光束通過一置於聚焦透鏡前之透射式(transmissive)光學望遠鏡達成，該望遠鏡具有至少第一、第二及第三光學組件。藉由該望遠鏡中至少二光學組件之獨立移動，可獨立地控制輸出光束直徑和準直度。此一系統可用以改變焦斑之直徑，同時可控制焦斑和透鏡間之距離，以將焦斑維持於一不平整或厚度上有變異之基板之表面上。
此種雙功能光束擴大望遠鏡是習知且市面上可取得的，但通常是手動調整式的。在某些實例中，馬達驅動單元允許遠端運作。
為了使得光束直徑及準直度之改變能迅速發生，以讓直接寫入式(direct write)雷射加工所需之焦斑直徑及焦斑光軸位置之對應變化能夠在基板加工期間連續式地或步進式地產生，望遠鏡中所有可移動之光學組件最好均是以伺服馬達驅動而能在獨立控制下快速且精確地移動。
包含至少第一、第二及第三光學組件而可以達成輸出光束擴大及準直化必要控制之光學望遠鏡系統有多種可能之設計方式，但可以擴大光束並且改變輸出光束準直程度之光學望遠鏡之最單純且最精簡(意即最短)之設計包含三個組件。其中二個光學組件可以是具有負值焦度(power)之透鏡，其造成輸入光束之發散，而第三個組件具有正值焦度之透鏡，其使得輸入光束會聚。輸入光束所見到之第一個組件是上述二個負透鏡()之一。另外二個透鏡可取決於個別之設計而任何順序放置。
此一可變式三組件望遠鏡之一重要規格在於該三個組件間之間隔是可以改變的。此可以藉由移動三個透鏡中之任二個達成。其可以是中央之組件被固定而第一和第三組件相對於它移動，或是第一或第三組件被固定，而另外二個組件相對於它移動。一種在機械上合宜之便利配置方式包括固定之第一組件以及伺服馬達驅動系統，其改變第二及第三透鏡之間隔，同時移動該二透鏡使其更接近或更遠離第一透鏡。
在較佳實施例中，該伺服馬達由適當之控制器驅動，該控制器自一主控制器接收雷射加工所需要之關於雷射光斑直徑之資訊，且此主控制器同時亦驅動馬達，導致光束在二光軸上對基板之相對運動。以此種方式，前述望遠鏡中之可移動光學組件被自動地驅動至正確之位置，以使得在一平整二維基板上之任一點，均可讓雷射光束聚焦於表面上而得以界定雷射光斑直徑。
由於基板很少呈完美之平整狀態而是常在厚度上有所變異，故最好提供一感測器系統在需要進行雷射加工之區域內相對於一參考距離蒐集並記錄基板表面和透鏡間相對距離之資訊。加裝於聚焦透鏡上之一非接觸式光學距離感測器適於此應用，其探測接近透鏡中央範圍之基板表面。有關於基板表面高度之資訊可以在雷射加工之前藉由映射加工區域而取得，該資訊接著在加工期間用以調整望遠鏡中光學組件之位置。或者，取決於光束在表面上之速度，高度之資訊可以在雷射光束移動期間搜集，而用以連續地提供更新之訊息予操控望遠鏡伺服馬達組件之控制器，以維持對基板表面之聚焦。
光束相對於基板之直接寫入動作可以藉由許多方法實行，所有方法均可以使用。在最簡單之情況下，聚焦透鏡固定不動，而基板利用一對正交伺服馬達驅動平台在二軸之中移動。在最複雜之情況下，基板保持固定不動，而聚焦透鏡利用設置於基板台架上之伺服馬達驅動平台在二軸之中移動。一中級情況下，通常使得基板於一軸之中移動，而聚焦透鏡利用基板台架在另一軸之中移動。
對於較高之直接寫入光束速度，其使用一或二軸光束掃描器單元。此可以搭配置放於上述掃描器之前或之後的一個適當之聚焦透鏡使用，亦可以結合線性平台以允許在步進及掃描模式下運作。
上述之方法據此使得一移動於一基板表面上之雷射光束焦斑之尺寸可以動態地改變，以控制一待消融或抹除之線狀圖樣之寬度，同時維持一較大之聚焦深度。
圖1顯示一標準方法，其中調整一雷射光束用以進行直接寫入式雷射加工。將一基本上直徑較小的輸入雷射光束11傳送入一透射式光束擴大望遠鏡12並產生一具有較大直徑之光束13。透鏡14接著將光束13聚焦至一小焦斑15，其直徑和與透鏡14間之距離分別是雷射光束13直徑和準直度之函數。
圖2顯示焦斑鄰近處之雷射光束之細節。光束21藉透鏡22聚焦，使得其在擴大之前以半角(half angle)23會聚至一光束腰徑(beam waist)或焦聚24。就進入聚焦透鏡22之光束準直化之情況而言，該光束在腰徑區域24之最小直徑(d)是一雷射波長(λ)、相對於一完美繞射極限(diffraction limited)光束之雷射光束品質(M2)、雷射光束21直徑(D)以及透鏡焦距(f)之函數。焦斑直徑(d)隨著焦距(f)呈線性變化且隨著光束直徑(D)呈倒數變化，使得對於任何透鏡和雷射光束直徑之焦斑直徑(d)之適當量測是所謂的數值孔徑(numerical aperture；NA)，其定義為光束會聚半角(θ)之正弦函數，因此：
NA=sinθ=sin(tan-1 (D/2f))
對多數之實際情況而言，此可以近似為：
NA=D/2f
最小焦斑直徑(d)因此可以利用以下公式計算而得(此是該領域所熟知)：
d=0.6 x M2 x λ/NA
舉例而言，對於由一焦距100毫米之透鏡聚焦而M2等於1.2且直徑10毫米之接近繞射極限雷射光束而言，NA大約等於0.05而對於0.355皮米和1.064微米之雷射波長分別得到接近5微米和15微米之最小焦斑直徑。
其光束腰徑或焦聚延伸於一介於平面25和25'間之有限軸距26之上。就雷射加工而言，光束腰徑區域或聚焦深度之長度26是非常關鍵的，因為此距離是賴以界定焦斑直徑上之微小變化以及功率或能量分布之妥適性。聚焦深度(depth of focus，DoF)因此可以利用以下公式計算而得(此是該領域所熟知)：
DoF=λ/M2 x NA2
因此，就上述實例而言，0.355微米和1.064微米之波長將分別造成大約120微米和360微米之聚焦深度。
圖2同時亦顯示光束直徑如何在平面27和27'中超過光束腰徑區域24和在其之前處迅速增加。此例中，光束尺寸之增加取決於光束之NA，而沿光束路徑上之一軸位移(Δx)所造成之直徑變化(ΔD)可由下式進似而得：
ΔD=2 x NA x Δx
就以上之實例而言，NA等於0.05，ΔD=0.1 x Δx，故對於一0.355微米之波長，一沿著光束路徑在聚焦深度之前或超出其僅50微米之移動使得直徑增加5微米，此意味該光束之直徑大約加倍而功率或能量密度減少之比率大約是四。就波長等於1.064微米之實例而言，一沿著光束路徑超出聚焦深度僅150微米之移動使得直徑增加15微米，此意味該光束之直徑亦大約加倍而功率或能量密度減少之比率亦大約是四。因此，在該二實例中，一小於聚焦深度一半之移動造成光斑尺寸之倍增。等於聚焦深度之移動導致光斑尺寸幾乎變為原來之三倍。此等效應應與在聚焦深度上之光斑尺寸之固定不變相對照，並顯示出操控位於基板表面上之光束焦聚之重要性(以加工控制之觀點而言)。
圖3顯示位於焦斑鄰近處之雷射光束細節，其中輸入光束之直徑較圖2降低。光束31由透鏡32聚焦，使其在擴大前以半角33會聚至光束腰徑或焦聚34，由於此光束之較小之數值孔徑，形成於焦聚之最小光斑尺寸大於圖2所示之例子。此外，由於較低之光束會聚度或較低之光束數值孔徑，位於距離36(介於平面35和35'之間)上之直徑約略維持固定，或者說，聚焦深度較圖2所示之例子長。
對於由一焦距100毫米之透鏡聚焦而M2等於1.2但直徑減半為5毫米之接近繞射極限雷射光束之上述實例而言，NA大約等於0.025，而對於0.355皮米和1.064微米之雷射波長，最小焦斑直徑分別增加為二倍至10微米和30微米。此等實例中之聚焦深度對於0.355微米和1.064微米之波長分別以四之比率增加至大約0.5毫米和1.5毫米。
比較圖2及圖3顯示出，藉由操控焦聚使一直位於基板表面上且藉由調整聚焦透鏡輸入光束直徑改變焦斑尺寸，可達成強化之聚焦深度和加工容忍度之優點。舉例而言，若其需要使用一355奈米、M2=1.2之雷射和上述100毫米焦距之透鏡對一10微米寬之形態進行消融或曝光，則所需之光斑尺寸可以利用一NA等於0.025之5毫米輸入光束形成。此例中，由於其聚焦深度大約是0.5毫米，其加工程序對基板之不平整相當具有容忍度。另一方面，若輸入光束更大，例如10毫米之直徑，為了達到一10微米直徑之雷射光斑，基板必須相對於聚焦平面平移且置於光束中其正在會聚或正在發散之區域中。在此等位置中，所需之光斑尺寸可以達成，但欲將其保持在此數值之小於正/負10%之變異範圍內，則需要透鏡與基板表面間之距離維持固定於正/負10微米之範圍內。這在實務上將極為難以達成。此實例清楚例示將雷射焦斑控制於基板表面上之數值。
圖4顯示一種三透鏡式光束擴大器望遠鏡，其中一正(會聚)透鏡固定於二個負(發散)透鏡間之某處，每一負透鏡均可以沿著光軸移動。負透鏡42造成一小直徑輸入光束41之發散。擴大之光束被正透鏡43攔截，致使該光束會聚。輸出端負透鏡44發散該光束以得到大於輸入光束之輸出，其如圖所示地準直化，或者取決於相對於第二透鏡43的第一及第三透鏡42、44之位置而會聚或發散。為簡化起見，圖中所示之三個透鏡均顯示為簡易之單件式透鏡，但實際上其中之一或多個透鏡可能包含一個以上之構件以提供符合要求的光學效能。上述之第一和第三透鏡42、44必須能夠迅速地沿著光軸移動。此最好是藉由將該二透鏡設置在平行於光軸之滑動台架(未顯示於圖中)上而達成。該滑動台架由線性伺服馬達或是透過導螺桿(leadscrew)由旋轉式伺服馬達驅動。其亦安裝匹配之編碼器以供予伺服控制系統有關位置之資訊。圖中顯示第一及第三透鏡42、44是可移動的而第二透鏡43則為固定式的，但是在實務上，其可以是三者中之任二個透鏡可以移動以達成光束擴大及準直化之必要控制。
圖5顯示圖4所示之三透鏡式光束擴大器望遠鏡之一變異，其中上述之第一負透鏡置換為一正透鏡。此種形式之光學望遠鏡相較於具有負值焦度之第一組件而言較不精簡(意即較長)，但仍可提供光束擴大及準直化之必要控制。正透鏡52造成一小直徑輸入光束51之會聚。通過焦聚之後，擴大之光束被第二正透鏡53截住，使得擴大之光束開始會聚。輸出端負透鏡54將光束發散以得到一大於輸入光束之輸出，且其如圖所示地準直化，或者取決於透鏡之間隔而收歛或發散。如同圖4之情況，該三個透鏡均顯示為簡易之單件式透鏡，但實務上其可以較為複雜。圖中顯示第一及第三透鏡52、54是可移動的，但是在實務上，其可以是三者中之任二個透鏡可以移動以達成光束擴大及準直化之必要控制。所需之移動可以藉由將二個可移動透鏡設置在平行於光軸運動之獨立伺服馬達驅動式滑動台架上而達成
圖6顯示三透鏡式光束擴大器望遠鏡之另一種形式，其中正透鏡是最末一個組件而其前方置有二個負透鏡。第一透鏡固定於其位置之上而第二及第三透鏡可以沿著光軸移動。負透鏡62造成一小直徑輸入光束61之發散。擴大之光束被第二負透鏡63截住，使得光束更進一步擴大。輸出端正透鏡64將光束會聚以得到一大於輸入光束之輸出，且如圖所示地準直化，或者取決於第二及第三透鏡63、64相對於第一透鏡62之位置而會聚或發散。如同先前之圖式所示，該三個透鏡均顯示為簡易之單件式透鏡，但實務上其可以較為複雜。圖中顯示第二及第三透鏡63、64是可移動的，但是在實務上，其可以是三者中之任二個透鏡可以移動以達成光束擴大及準直化之必要控制。所需之透鏡移動可以藉由將二個可移動透鏡設置在平行於光軸運動之獨立伺服馬達驅動式滑動台架上而達成或者，第二透鏡63可以設置於一第一伺服馬達驅動平台上，以允許其相對於第一透鏡62移動，而第三透鏡64可以設置於一安置在該第一平台上之第二伺服馬達驅動平台上，以允許其相對於第二透鏡63移動。
圖7例示圖6所示形式之精簡望遠鏡產生不同光束擴大效果之透鏡位置實例，其中二個負透鏡置於一輸出端正透鏡之前，且第一負透鏡固定而第二和第三透鏡則可移動。所示之實例中使用以下之焦距；第一透鏡(F1)=-20毫米、第二透鏡(F2)=-36毫米而第三透鏡(F3)=40毫米。此實例顯示欲達成四至十二倍光束擴大率所需之相對於第一透鏡的第二及第三透鏡F2、F3之不同位置。此一在輸出光束直徑之三倍變化允許在一緊隨雷射聚焦透鏡之焦聚上之焦斑直徑之三倍變異，此基本上足以應付多數之直接寫入雷射應用，因為導致光斑上之功率或能量密度幾乎大上一級之強度變化。此實例同時亦顯示，就此種形式之望遠鏡之配置而言，在所示之光束擴大率範圍內，第二及第三透鏡F2、F3間之間隔改變遠小於第一及第三透鏡F1、F3間之間隔改變。就所示之情況而言，第二及第三透鏡F2、F3間之間隔改變是12毫米(從22毫米變成10毫米)，而第一及第二透鏡F1、F2間之間隔改變則是144毫米(從16毫米變成160毫米)。從圖中亦可以看出，第一及第二透鏡F1、F2間之相對移動是設定光束擴大程度之主要因素，而第二及第三透鏡F2、F3間之相對移動則是控制輸出光束準直度之主要因素。此種望遠鏡之幾何形式使其適合於使用高速、短程平台以改變後二個組件間隔之移動控制系統，且將此完整組合體安置於以較長行程改變前二個組件間隔之一第二平台上。此一配置形式允許輸出光束準直度上之極為迅速之變化，故焦斑可以沿著光軸移動以跟隨不規則之基板表面，而光束直徑之較為緩慢之速度變化則允許焦斑直徑之改變。
圖8顯示適於實施上述配置之一第一裝置實施例。雷射單元81發出一小直徑之光束82，其通過一伺服馬達控制、三組件式望遠鏡83，諸如顯示於圖4、5或6中之形式，增加光束之直徑並控制其準直度。光束接著透過一反射轉向鏡84傳送至一聚焦透鏡85。透鏡85將光束聚焦至一基板86之表面上，基板86安置於一對正交伺服馬達驅動線性平台87之上。平台87以二維之方式在一垂直於雷射光束之平面中移動基板86，使得雷射焦斑可以在基板86之整個區域上移動。一主控制電腦88傳送適當之信號至雷射單元81以控制功率、能量或重複率、傳送適當之信號至平台控制器89以在二個軸上移動基板以及傳送適當之信號至望遠鏡控制單元810以控制進入聚焦透鏡85之光束的直徑和 準直度。以此種方式，此系統能夠在一平整基板86之表面上執行各種直接寫入式雷射加工，且使得雷射光斑尺寸及雷射功率(或其他雷射參數)於加工期間必要時連續地或間歇性地改變。對於基板不平整之情況，加裝一基板表面高度感測器至透鏡以記錄基板86的表面和透鏡85間之距離變化。其可以取得許多利用光學、機械、超音波或電性式距離量測方法等不同形式之基板高度感測器。圖中顯示一光學式高度感測器。雷射二極體單元811將一光束引導至接近光束焦聚位置之基板86的表面。反射或散射自基板86的表面之雷射二極體輻射被感測器單元812所蒐集。此單元將基板86的表面上之雷射二極體光斑成像於一線性位置偵測器(linear position detector)或諸如CCD相機之2D光學感測器。當基板86的表面與透鏡85間之距離有所變化，則成像於感測器812之光斑位置亦將移動，且產生一關於基板至透鏡間距離之信號。此資料傳送至主控電腦88進行處理，而後傳送至望遠鏡控制單元810以改變望遠鏡83中之可移動組件。以此種方式，此系統能夠在一不平整基板86之表面上執行直接寫入式雷射加工，且使得雷射焦斑於加工的整個期間精確地維持於表面上。若有必要，焦斑尺寸和雷射功率(或其他雷射參數)亦可以於加工期間連續地或間歇性地改變。
圖9顯示適於實施上述配置之一第二裝置實施例。雷射單元91發出一小直徑之光束92，其通過一伺服馬達控制式、三組件望遠鏡93，諸如顯示於圖4、5或6中之形式， 增加光束之直徑並控制其準直度。該光束進入一二軸光束掃描器單元94，而後通過一掃描聚焦透鏡95。透鏡95將該光束聚焦於一基板96之表面上。該二軸光束掃描器單元94以二維之方式在基板96之整個或部分區域上移動焦斑。一主控制電腦97傳送適當之信號至雷射單元91以控制功率、能量或重複率、傳送適當之信號至掃描器控制器98以在二個軸上移動光束、以及傳送適當之信號至望遠鏡控制單元99以控制進入聚焦透鏡95之光束的直徑和準直度。以此種方式，此系統能夠在一平整基板95之表面上執行各種直接寫入式雷射加工，且使得雷射光斑尺寸及雷射功率或其他雷射參數於加工期間若必要時連續地或間歇性地改變。對於大於透鏡95掃描範圍之基板，基板96可以安置於線性平台之上(如圖8所示)而整個基板區域以步進或掃描模式加工。對於基板不平整之情況，其可以加裝一基板表面高度感測器至透鏡以記錄基板表面96和透鏡95間之距離變化，並將此資訊提供予系統控制器97以允許望遠鏡和光束準直度之改變(此高度感測器並未顯示於圖9之中)。利用此一感測器，此系統能夠在不平整基板之表面上執行直接寫入、步進和掃描式雷射加工，且使得雷射焦斑於每一掃描區域之表面上精確地維持聚焦。
上述之配置因此提出一種用於直接寫入具有變動寬度或許多不同定義寬度之線條結構的方法，其藉由動態改變雷射光束之直徑及準直度，利用一移動之聚焦雷射光束在一獨立基板之表面上以單一連續式或步進式加工動作，對 該基板上之材料進行雷射消融或抹除，使得焦斑尺寸改變並一直保持落在基板之表面上，以達到最大之聚焦深度，且其中基板表面與聚焦透鏡之距離可以變動，此方法包含：a.沿一光軸導入一雷射光束；b.將一透射式光學望遠鏡系統放置於該光軸上，該望遠鏡包含至少3光學構件，其中至少二個該構件可以利用伺服馬達沿該光軸獨立地移動；c.將一雷射光束聚焦透鏡放置於該光軸上之該光學望遠鏡之後方；d.將一基板放置於儘可能垂直於該光軸且儘可能接近該聚焦透鏡之標稱聚焦平面之處；e.調整該光學望遠鏡中可移動組件之位置以將該雷射之焦斑設定成具有一第一直徑且精確地定位於該基板之表面上；f.藉由該焦斑在垂直於該光軸之平面中相對於該基板之相對移動，消融或抹除該基板表面上之材料中具有一其寬度等於一第一數值之線條結構；g.在該光束相對於該基板移動期間，或者在一段時間之移動後之間隔中，改變該望遠鏡中該可移動組件之位置以改變通過該聚焦透鏡之該雷射光束之直徑及準直度，從而將該焦斑之直徑改變成一不同之尺寸以將在該基板中被消融或抹除之該線條結構之該寬度改變成一不同之定義數值並同時維持該焦斑之位置於該基板之表面上；以及h.週期性地量測該基板表面與該聚焦透鏡間之距離並利用此資料改變該望遠鏡中該可移動組件之位置以維持該焦斑在該基板表面上之位置，同時將該焦斑直徑以及在該基板中被消融或抹除之該線條結構之對應寬度維持固定。
如上所述之配置提出用以執行此方法之裝置，其包含：
a.一雷射單元；
b.一伺服馬達控制式可變光學望遠鏡單元；
c.一雷射光束聚焦透鏡；
d.一用以量測基板表面與該聚焦透鏡組間之距離之裝置；以及
e.一快速控制系統，其將該望遠鏡中可調整組件之移動連結至該基板表面上雷射焦斑之位置以及在該位置上之該基板表面與該聚焦透鏡之距離。
11．．．光束
12．．．望遠鏡
13．．．直徑/光束
14．．．透鏡
15．．．光斑
21．．．光束
22．．．透鏡
23．．．半角
24．．．腰徑區域
25．．．平面
25'．．．平面
26．．．長度
27．．．平面
27'．．．平面
31．．．光束
32．．．透鏡
33‧‧‧半角
34‧‧‧焦聚
35‧‧‧平面
35'‧‧‧平面
36‧‧‧距離
41‧‧‧光束
42‧‧‧透鏡
43‧‧‧透鏡
44‧‧‧透鏡
51‧‧‧光束
52‧‧‧透鏡
53‧‧‧透鏡
54‧‧‧透鏡
61‧‧‧光束
62‧‧‧透鏡
63‧‧‧透鏡
64‧‧‧透鏡
F1‧‧‧第一透鏡
F2‧‧‧第二透鏡
F3‧‧‧第三透鏡
81‧‧‧雷射單元
82‧‧‧光束
83‧‧‧望遠鏡
84‧‧‧反射轉向鏡
85‧‧‧透鏡
86‧‧‧基板
87‧‧‧平台
88‧‧‧電腦
89‧‧‧控制器
810‧‧‧控制單元
811‧‧‧二極體單元
812‧‧‧感測器
91‧‧‧雷射單元
92‧‧‧光束
93‧‧‧望遠鏡
94‧‧‧掃描器單元
95‧‧‧透鏡
96‧‧‧基板
97‧‧‧電腦
98‧‧‧控制器
99‧‧‧單元
本發明之說明僅以舉例之方式配合所附之圖式進行，其中：
圖1是一典型之雷射直接寫入式光學系統之示意圖；
圖2顯示在此一系統中對一大直徑輸入光束之透鏡聚焦平面之細節；
圖3顯示在此一系統中對一較小直徑輸入光束之透鏡聚焦平面之細節；
圖4是使用於此一系統中之一種3組件式望遠鏡之示意圖；
圖5是使用於此一系統中之一第二種3組件式望遠鏡之示意圖；
圖6是使用於此一系統中之一第三種3組件式望遠鏡之示意圖；
圖7例示此3組件式望遠鏡中用於三種不同光束擴大比率之可移動組件之位置；
圖8是用以實施本發明之一第一裝置實施例之示意圖；以及
圖9是用以實施本發明之一第二裝置實施例之示意圖。
81‧‧‧雷射單元
82‧‧‧光束
83‧‧‧望遠鏡
84‧‧‧反射轉向鏡
85‧‧‧透鏡
86‧‧‧基板
87‧‧‧平台
88‧‧‧電腦
89‧‧‧控制器
810‧‧‧控制單元
811‧‧‧二極體單元
812‧‧‧感測器

Claims (30)

  1. 一種用於控制形成於基板上之雷射光束焦斑尺寸之裝置，包含：a.一雷射單元；b.一可變光學望遠鏡單元，用以獨立地改變接收自該雷射單元之一雷射光束之直徑和準直度，且包含至少第一、第二及第三光學組件，該第一及第二光學組件可相對於該第三光學組件移動，以獨立地改變該第三光學組件與該第一及第二光學組件間之距離；c.一聚焦透鏡，用以將接收自該可變光學望遠鏡單元之該雷射光束接引至一基板表面上之一焦聚；d.一距離感測器，用以量測介於該聚焦透鏡和該基板表面間之距離；以及e.一控制系統，用於依據該距離感測器之一輸出而控制該第一及第二光學組件之移動，以獨立地改變該聚焦透鏡接收之雷射光束之直徑和準直度，因此可控制該聚焦透鏡所形成之焦聚直徑且亦可控制其軸向位置(沿著光軸)，所以焦斑維持於該基板表面上。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，包含用於將相對於該第三光學組件的該第一及第二光學組件移動之伺服馬達。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第三光學組件位於該第一及第二光學組件之間。
  4. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該第三光學組件位於該第一及第二光學組件之間。
  5. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該第三光學組件包含一會聚透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一會聚組件)而該第一及第二光學組件每一個均包含一發散透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一發散組件)。
  6. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該第三光學組件包含一會聚透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一會聚組件)而該第一及第二光學組件每一個均包含一發散透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一發散組件)。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中定位該第三光學組件以接收自該雷射單元的雷射光束，而後將其傳送至該第二光學組件，再將其傳送至該第一光學組件，該第三及第二光學組件每一個均包含一發散透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一發散光學組件)而該第一光學組件包含一會聚透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一會聚光學組件)。
  8. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中定位該第三光學組件以接收自該雷射單元的雷射光束，而後將其傳送至該第二光學組件，再將其傳送至該第一光學組件，該第三及第二光學組件每一個均包含一發散透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一發散光學組件)而該第一光學組件包含一會聚透鏡(或由複數透鏡構件共同組成之一會聚光學組件)。
  9. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該第三光學組件固定不動而該第一及第二光學組件均可以朝向及遠離該第 三光學組件移動。
  10. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該第三光學組件固定不動而該第一及第二光學組件均可以朝向及遠離該第三光學組件移動。
  11. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該第三光學組件固定不動而該第一及第二光學組件均可以朝向及遠離該第三光學組件移動。
  12. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該第三光學組件固定不動而該第一及第二光學組件均可以朝向及遠離該第三光學組件移動。
  13. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該第三光學組件固定不動而該第一及第二光學組件均可以朝向及遠離該第三光學組件移動。
  14. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該第三光學組件固定不動而該第一及第二光學組件均可以朝向及遠離該第三光學組件移動。
  15. 如申請專利範圍第1項至第14項的任一項之裝置，包含一用於在一基板表面上掃描該雷射光束焦斑之掃描器。
  16. 如申請專利範圍第1項至第14項的任一項之裝置，其中該距離感測器是用於感測介於該聚焦透鏡與該基板表面間之距離變化，並提供此資訊至該控制系統，使其可以對該可變光學望遠鏡進行適當調整，因此該雷射光束焦斑可以精確地維持於該基板表面上。
  17. 如申請專利範圍第1項至第14項的任一項之裝置，其中該控制系統是用於控制該雷射單元之功率、能量及/或重複率並控制該第一及第二光學組件之移動，以連續式地或間歇式地改變該雷射光束焦斑之尺寸及/或該雷射功率，同時將該雷射光束焦斑精確地維持於該基板表面上。
  18. 一種控制形成於基板上之雷射光束焦斑尺寸之方法，包含：a.使一雷射光束通過一可變光學望遠鏡，該可變光學望遠鏡包含至少第一、第二及第三光學組件，相對於該第三光學組件移動該第一及第二光學組件，以獨立地改變介於該第三光學組件與該第一及第二光學組件間之距離，藉以獨立地改變該雷射光束之直徑和準直度；b.使接收自該可變光學望遠鏡之該雷射光束通過一聚焦透鏡以將該雷射光束接引至一基板表面上之一焦聚；c.量測介於該聚焦透鏡和該基板表面間之距離；以及d.依據該距離控制該第一及第二光學組件之移動，以獨立地改變該聚焦透鏡接收之雷射光束之直徑和準直度，因此可控制該聚焦透鏡所形成之焦聚直徑且亦可控制其軸向位置(沿著光軸)，所以焦斑維持於該基板表面之上。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該雷射光束焦斑之尺寸主要藉由改變該可變光學望遠鏡單元所輸出之該雷射光束之直徑而控制。
  20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該聚焦透鏡所形成之焦聚之軸向位置(沿著光軸)主要藉由改變該可變 光學望遠鏡單元所輸出之該雷射光束之準直度而控制。
  21. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該聚焦透鏡所形成之焦聚之軸向位置(沿著光軸)主要藉由改變該可變光學望遠鏡單元所輸出之該雷射光束之準直度而控制。
  22. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該雷射光束焦斑在該基板表面上掃描且動態地調整該第一及第二光學組件之位置，以連續式地或間歇式地改變該雷射光束焦斑之尺寸。
  23. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該雷射光束焦斑在該基板表面上掃描且動態地調整該第一及第二光學組件之位置，以連續式地或間歇式地改變該雷射光束焦斑之尺寸。
  24. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該雷射光束焦斑在該基板表面上掃描且動態地調整該第一及第二光學組件之位置，以連續式地或間歇式地改變該雷射光束焦斑之尺寸。
  25. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該雷射光束焦斑在該基板表面上掃描且動態地調整該第一及第二光學組件之位置，以連續式地或間歇式地改變該雷射光束焦斑之尺寸。
  26. 如申請專利範圍第22項之方法，其中消融或抹除一具有一第一寬度之線條結構在該基板之表面中，調整該第一及第二光學組件之位置且消融或抹除一具有一第二寬度之線條結構在該基板之表面中，同時維持該雷射光束焦斑 於該基板表面上。
  27. 如申請專利範圍第23項之方法，其中消融或抹除一具有一第一寬度之線條結構在該基板之表面中，調整該第一及第二光學組件之位置且消融或抹除一具有一第二寬度之線條結構在該基板之表面中，同時維持該雷射光束焦斑於該基板表面上。
  28. 如申請專利範圍第24項之方法，其中消融或抹除一具有一第一寬度之線條結構在該基板之表面中，調整該第一及第二光學組件之位置且消融或抹除一具有一第二寬度之線條結構在該基板之表面中，同時維持該雷射光束焦斑於該基板表面上。
  29. 如申請專利範圍第25項之方法，其中消融或抹除一具有一第一寬度之線條結構在該基板之表面中，調整該第一及第二光學組件之位置且消融或抹除一具有一第二寬度之線條結構在該基板之表面中，同時維持該雷射光束焦斑於該基板表面上。
  30. 如申請專利範圍第18項至第29項的任一項之方法，其中感測介於該聚焦透鏡與該基板表面間之距離變化，且該第一及第二光學組件之移動是依據該變化而控制，因此該雷射光束焦斑可以精確地維持於基板表面上。
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