TWI705870B - 基底材料之表面處理裝置及其表面處理方法 - Google Patents

基底材料之表面處理裝置及其表面處理方法 Download PDF

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Abstract

本揭露提供一種用於處理基底材料之表面的方法，其包含提供該基底材料且藉由使用一雷射源以照射一雷射光束於該基底材料之該表面上而進行一雷射處理，其中該雷射光束的功率是在約100W至約1,000W的範圍中。

Description

基底材料之表面處理裝置及其表面處理方法
本揭露係關於一種基底材料之表面處理裝置及其表面處理方法。
為了移除基底材料之表面上的污染物、外來物質或顆粒，已經發展了各種移除操作。例如，可在表面施加酸溶液，以與含有氧化物的污染物反應，使得污染物可與待清理的基底材料之表面分離。然而，隨著環境和安全意識的提高導致法律與法規緊收，許多有效的清理化學品被禁止或限制使用。
其他清理方法可包含物理性清理方法，例如機械去污、超聲波去污以及拋光，其中藉由機械效應(例如衝擊效應或摩擦效應)，可移除污染物。然而，此等方法對於待清理之基底材料可能造成材料損失或損壞，這可能進一步造成缺陷問題或是降低由該基底材料製造的元件(例如半導體元件、印刷基板與電子組件)之效能。因此，非常需要用於清理基底材料表面之改良的清理方法以及用於清理的裝置。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，其包括：提供該基底材料；以及藉由使用一雷射源以照射一雷射光束於該基底材料之該表面上而進行一雷射處理，以減少該基底材料之該表面上的粉塵，其中該雷射光束的功率是在約100W至約1,000W的範圍中。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，其中以一掃描方式將該雷射光束照射在該基底材料的該表面上，且該雷射光束的掃描功率是在約100Hz至約1,000Hz的範圍中。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，其中該雷射光束的脈衝頻率是在約10KHz至約50KHz的範圍中。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，另包括在該雷射處理期間，偵測該雷射源與該基底材料之該表面之間的一距離。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，另包括檢測該基底材料之該表面的一性質，其中該性質包含該基底材料的電阻率、硬度、粗糙度以及組成中的至少一個。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，另包括根據該基底材料之該表面的該性質，調整該雷射光束的該功率。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，另包括藉由該雷射處理，在該基底材料之該表面上，形成一類鑽石碳層(diamond-like carbon layer)。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，另包括經由該雷射處理，藉由移除該基底材料之該表面上的複數個含氧化物顆粒，而降低該基底材料之一表面區域的氧重量百分比。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，另包括藉由該雷射處理而增加該基底材料之一表面區域的碳重量百分比。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，其包括：一平台，其經配置以支撐該基底材料；以及一雷射源，其位於該平台上，其中該雷射源經配置以發射一雷射光束於該基底材料的該表面上，以減少該基底材料之該表面上的粉塵，以及該雷射光束的功率是在約100W至約1,000W的範圍中。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，其中該雷射光束的脈衝頻率是在約10KHz至約50KHz的範圍中。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的方法，其中該雷射光束的脈衝頻率是在約10KHz至約50KHz的範圍中。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，另包括一光學距離偵測器，其經配置以測量該雷射源與該基底材料之間的一距離。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，另包括一機臂，其經配置以調整該雷射源與該基底材料之間的一距離。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，另包括一粉塵收集器，其經配置以收集從該基底材料之該表面噴射的顆粒。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，其包括：一平台，其經配置以支撐該基底材料；一雷射源，其位於該平台上，其中該雷射源經配置以照射一雷射光束於該基底材料之該表面上，以減少該基底材料之該表面上的粉塵；一檢測器，其位於該基底材料上，其中該檢測器經配置以檢測該基底材料之該表面的一性質；以及一控制器，其耦合至該雷射源與該檢測器，並且經配置以根據該檢測器所檢測的該基底材料之該表面的該性質而調整該雷射光束的一參數。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，其中該檢測器包括一光學元件。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，其中該性質包含該基底材料的電阻率、硬度、粗糙度以及組成中的至少一個。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，另包括一電源，其耦合至該雷射源，並且經配置以提供一功率訊號至該雷射源。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，其中該雷射光束的該參數包含該雷射光束的功率與該雷射光束的脈衝頻率中的至少一個。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，另包括一控制介面，其經配置以接收一指令且將該指令傳輸至該控制器。
本發明之一實施例係關於一種用於處理基底材料之表面的裝置，另包括一機臂，其經配置以調整該雷射源與該基底材料之間的一距離以及該雷射源的一掃描頻率中的至少一個。
[相關申請案的交叉參考]
本申請案主張2018年4月3日申請之美國臨時專利申請案第62/652,070號與2018年12月26日申請之美國專利申請案第16/233,016號之優先權，其全文併入本案作為參考。
以下揭示內容提供許多不同的實施例或範例，用於實施本申請案之不同特徵。元件與配置的特定範例之描述如下，以簡化本申請案之揭示內容。當然，這些僅為範例，並非用於限制本申請案。例如，以下描述在第二特徵上或上方形成第一特徵可包含形成直接接觸的第一與第二特徵之實施例，亦可包含在該第一與第二特徵之間形成其他特徵的實施例，因而該第一與第二特徵並非直接接觸。此外，本申請案可在不同範例中重複元件符號與/或字母。此重複係為了簡化與清楚之目的，而非支配不同實施例與/或所討論架構之間的關係。
再者，本申請案可使用空間對應語詞，例如「之下」、「低於」、「較低」、「高於」、「較高」等類似語詞之簡單說明，以描述圖式中一元件或特徵與另一元件或特徵的關係。空間對應語詞係用以包括除了圖式中描述的位向之外，裝置於使用或操作中之不同位向。裝置或可被定位(旋轉90度或是其他位向)，並且可相應解釋本申請案使用的空間對應描述。
儘管本揭露之廣泛範圍揭露的數值範圍與參數為近似值，但在具體實施例中闡述的數值盡可能地精確。然而，任何數值固有地包含須由個別測試測量中得到的標準偏差所導致的某些誤差。再者，如本文所述，用語「實質上」、「大約」或「約」通常指該技藝中具有通常技術者可以想到的值或範圍內。或者，用語「實質上」、「大約」或「約」是指該技藝中具有通常技術者考量的平均值之可接受的標準誤差。該技藝中具有通常技術者可理解該可接受的標準偏差可依據不同技術而有變化。除了在操作/工作範例中，或是除非特別指明，否則本文所揭露例如材料的量、時間期間、溫度、操作條件、量的比例、以及類似者之所有的數值範圍、量、值與比例皆應被理解為在所有情況下都被用語「實質上」、「大約」或「約」修飾。因此，除非有相反的說明，否則本揭露與申請專利範圍所述之數值參數皆為可視需要而變化的近似值。至少，至少應根據報告的有效數字的數量且應用普通捨入技術來解釋每個數值參數。在本文中，範圍可表示為自一端點至另一端點，或是在兩個端點之間。除非特別說明，否則本文所揭露的所有範圍包含端點。例如，當與數值結合使用時，該用語可以指小於或等於該數值的±10％的變化範圍，例如小於或等於±5％、小於或等於±4％、小於或等於±3％、小於或等於±2％、小於或等於±1％、小於或等於±0.5％、小於或等於±0.1％、或小於或等於±0.05％。例如，如果兩個數值之間的差值小於或等於值的平均值的±10％，例如小於或等於±5％、小於或等於±4％、小於或等於±3％、小於或等於±2％、小於或等於±1％、小於或等於±0.5％、小於或等於±0.1％、或小於或等於±0.05％，則可以認為兩個數值「實質上」相同或相等。
污染物與基底材料表面之間有各種形式的附著相互作用，例如共價鍵合、非共價鍵合、雙偶極、毛細作用、氫鍵鍵合、靜電力、黏附力、以及類似者。在上述的相互作用中，污染物與基底材料表面之間的毛細作用、靜電力與黏附力由於藉由阻斷或破壞污染物與基底材料表面之間的相互作用而可能變得更難以處理。
雷射技術主要利用光降解、光剝離及/或光振動原理以進行氣化、分解及/或分離基底材料表面的污染物。雷射表面處理乃新興的清理方法，其提供一些優點，包含適用於各種污染物、降低對環境的影響、以及減輕待清理基底材料之材料損失與/或減輕待清理的基底材料的結構損壞。
低功率雷射清理程序可被用以移除表面污染物(例如氧化物物質與/或外來物質)。然而，當清理一些種類的基底材料(例如碳材料)時，低功率雷射清理程序之較差的效果可能會導致一些問題。具體而言，由於碳材料具層疊結構，在清理過程中或甚至在後續的製造過程中，由於振動、二次加工、摩擦、噴射等，可能產生二次碳粉塵(secondary carbon dust)。碳粉塵可能會顯著降低由碳材料所製造的元件之產量與效能。舉例而言，對於半導體製造、微電子製造、建築、汽車製造、核電廠、醫療和文化遺產保護領域中的各種產品(例如平板顯示器、半導體元件、印刷基板和記憶體元件)，其對於清理過程中產生的碳粉塵或其他外來物質(其可能是在低功率雷射清理處理下所產生)具有低耐受性。
鑑於現有清理方法引起的問題，本揭露的一些實施例提供一種利用高功率雷射處理基底材料之表面的設備以及藉由高功率雷射處理基底材料之表面的方法。具體而言，本揭露的方法克服了當基底材料含有污染物顆粒(例如外來顆粒或粉塵)、清理或物理加工程序產生附著性污染物顆粒、或基底材料具有層壓結構時所引起的問題。在一些實施例中，基底材料可包含碳材料，例如天然石墨、人造石墨、碳纖維、單壁碳奈米管(single-walled carbon nanotubes，SWCNT)、多壁碳奈米管(multi-walled carbon nanotube，MWCNT)、石墨烯、碳的其他同素異形體(allotrope)、含有碳的化合物、含有碳的混合物、或其組合。碳的架構可包含(但不限於)塊狀架構、層疊片架構、或其他天然或人造形式。
參閱圖1，圖1為根據本揭露之一些實施例說明處理基底材料之表面的方法1000之流程圖。用於處理基底材料之表面的方法1000可包含提供基底材料(操作1001)以及在基底材料的表面上照射雷射光束(操作1002)。
參閱圖2A，圖2A為示意圖，其根據本揭露之一些實施例，說明處理基底材料之表面的裝置。裝置10a包含平台201與雷射源202，平台201經配置以支撐基底材料204，且雷射源202位於平台201之上。基底材料204由平台201支撐，其中平台201可被固定或為可移動的。雷射源202可經配置以進行雷射處理，在基底材料204的頂表面204T上照射雷射光束203，而基底材料204的頂表面204T藉由雷射處理被轉變為經處理的部分206。在一些實施例中，藉由雷射處理，基底材料204的一預定部分被轉型為經處理的部分206。在一些實施例中，藉由雷射處理，基底材料204的整個頂表面204T被轉型為經處理的部分206。相較於基底材料204之經處理的部分206，未被雷射光束203處理之基底材料204的未處理部分205具有不同的性質。具體而言，具有污染物顆粒附著在頂表面204T的基底材料204係配置在平台201上且在腔室200中以接受雷射處理，其中基底材料204的頂表面204T面向雷射源202。
參閱圖2A、圖2B與圖2C，根據本揭露的一些實施例，圖2B為雷射處理所處理之基底材料的中間產物的剖面圖，以及圖2C為雷射處理所處理之基底材料的最終產物的剖面圖。在一些實施例中，基底材料204包含碳，以及未處理的部分205可包含與基底材料204相同的材料，而經處理的部分206可包含類鑽石碳層206D。換言之，藉由雷射處理在基底材料204上形成類鑽石碳層206D。在一些實施例中，類鑽石碳層206D局部覆蓋基底材料204，如圖2B所示。在一些實施例中，類鑽石碳層206D完全覆蓋基底材料204，如圖2C所示。雷射光束203照射後的結果，照射的碳表面可為局部熔融，熔融的表面冷卻後可形成類鑽石碳層206D。類鑽石碳是一種無定型碳材料，具有類似鑽石的一些性質，其中該性質可有助於從表面移除粉塵或附著的污染物顆粒。因此，較容易從類鑽石碳層206D的表面移除粉塵或附著的污染物顆粒，並且由於該層的結構較強，可減輕二次顆粒從類鑽石碳層206D脫落的風險。參閱圖4至圖7，隨後將討論細節。
將雷射光束203以掃描方式照射在基底材料204的頂表面204T上，其中雷射源202與基底材料204之間發生相對移動。在一些實施例中，雷射源202是可移動的。在一些實施例中，支撐基底材料204的平台201是可移動的。在一些實施例中，平台201與雷射源202皆為可移動的。在一些實施例中，雷射源202為可旋轉的。可將預定區域中的雷射光束203之掃描頻率設定在約100Hz至1,000Hz的範圍中或更高，以提供適當的時間效率。例如，掃描頻率可為100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz、450Hz、500Hz、550Hz、600Hz、650Hz、700Hz、750Hz、800Hz、850Hz、900Hz、950Hz、1000Hz、或介於兩者之間的任何範圍內。掃描方向可為縱向、橫向或對角線方向。值得注意的是，依照基底材料204的類型與尺寸，可進行一次或多次的掃描。雷射光束203的線寬可在約1mm至100mm的範圍內，以改良時間效率且同時避免過高的成本。
裝置10a可選擇地包含粉塵收集器208，其中粉塵收集器208可吸引雷射處理過程中噴射的污染物顆粒或粉塵，因而可減少落回至基底材料204上的污染物顆粒或粉塵的量。在一些實施例中，粉塵收集器208可利用吸氣(suction)、排氣、靜電力、附著力或類似的吸引力以收集粉塵。在一些實施例中，粉塵收集器208可經取代為能夠防止污染物顆粒或粉塵落回至基底材料204上的元件，例如送風機、靜電裝置或其他合適的裝置。
裝置10a可選擇地包含距離偵測器207，其中在雷射處理過程中，距離偵測器207可偵測雷射源202與基底材料204的頂表面204T之間的距離。在一些實施例中，雷射源202與頂表面204T之間的距離是在約1cm至約1m的範圍中，其中距離小於1cm可能造成噴射的顆粒破壞雷射源202，而距離大於1m可能顯著降低照射的準確性與/或效率。在一些實施例中，該距離是在約1cm至約6cm的範圍中。在一些實施例中，該距離是在約1cm至約20cm的範圍中。在一些實施例中，該距離是在約6cm至約100cm的範圍中。在一些實施例中，距離偵測器207可包含光學元件，例如紅外線元件、一組發射器與接收器、或類似裝置。在一些實施例中，雷射源202與頂表面204T之間的距離越大可能需要越大的功率，以補償該越大距離造成的能量損失。
在一些實施例中，為了改良雷射處理的效能，雷射處理可在腔室200中進行，其中腔室200可為真空環境或是低壓環境。此腔室200可提供隔離的環境，可減輕由暴露於空氣所引起的缺陷(由於諸如顆粒或水分的污染物)。
參閱圖2A與圖3A，根據本揭露之一些實施例，圖3A為膠帶測試實驗結果，其顯示膠帶的表面，在雷射處理之前該膠帶被施加在基底材料的預定表面上而後自該預定表面移除。藉由進行膠帶測試可評估污染物顆粒204C與基底材料204的頂表面204T之間的附著力。在膠帶測試過程中，將膠帶99黏貼在基底材料204的頂表面204T上的一預定位置。可在膠帶99上施力以使膠帶99變平且平滑，其中可藉由測試者的手指、橡皮擦、或類似物對其施力。接著，在膠帶99上施力後，90秒內以接近180度的角度移除膠帶99，並且可觀察到附著至膠帶99之污染物顆粒204C(其從基底材料204的頂表面204T移除)的量。附著在膠帶99的表面上的污染物顆粒204C的量或密度是與膠帶測試之前的基底材料204的頂表面204T上附著的污染物顆粒204C的量或密度呈正相關，並且和污染物顆粒204C與基底材料204的頂表面204T之間的附著力呈負相關。
在一些實施例中，膠帶測試中所使用的膠帶99為具有邊長長度約1英吋的正方形壓力敏感膠帶，其中膠帶99可為透明或半透明的壓力敏感膠帶，具有在約6.34 N/cm(58 oz/inch)至約7.00 N/cm(64 oz/inch)範圍內的附著剝離強度(adhesive peel strength)。此外，在膠帶99附接至基底材料204的頂表面204T之前，可先移除膠帶99的周邊區域。例如，將膠帶99的尺寸縮減至每邊寬度為1 cm的正方形。然而，應注意可依據基底材料204的性質，調整膠帶99的尺寸與類型。在本文中亦可進行類似的膠帶測試。
圖3A說明在雷射之前的基底材料204的頂表面204T上所進行的膠帶測試實驗結果，其中結果可為用於評估基底材料204的頂表面204T之間於雷射處理前後的性質變化的比較組。
參閱圖2A、圖3A與圖3B，圖3B為根據本揭露之一些實施例的膠帶測試實驗結果，其顯示膠帶的表面，在用不同功率位準與不同掃描頻率進行雷射光束處理後，該膠帶被施加在基底材料的預定表面上而後將該帶自該預定表面移除。可藉由具不同功率位準與掃描頻率的雷射光束203之雷射處理之下(雷射光束203的脈衝頻率例示性地設定在40KHz作為說明)所獲得的基底材料204的膠帶測試實驗樣本，導出理想的雷射光束203所需功率範圍。圖3A與圖3B之影像所示之較暗部分的密度表示附著在膠帶99的表面之污染物或粉塵的密度。相較於圖3A所示之雷射處理前附著在膠帶99的表面上的污染物或粉塵的量，如圖3B的表所示，在雷射處理之後，附著在膠帶99的表面上的污染物或粉塵的量(或密度)顯著減少。在雷射處理期間，功率超過100W的雷射光束203可從基底材料204移除大部分的污染物或粉塵。在一些實施例中，在雷射處理期間，功率超過250W的雷射光束203從頂表面204T提供更有效移除大部分的污染物或粉塵。在一些實施例中，雷射光束203的功率可在約100W至約1,000W的範圍中，其中超過1,000W的功率可能由於更大的功率消耗或更嚴格的保護與/或冷卻系統要求而導致更高的成本。雷射光束203的功率可以設定在約100W至約1,000W的範圍內，例如100W、150W、200W、250W、300W、350W、400W、450W、500W、550W、600W、650W、700W、750W、800W、850W、900W、950W或1000W。每個功率位準之間的增量可為200W、100W、50W、10W、5W、1W、0.1W、0.01W、或甚至可為連續式的。限制範圍也可設定在約100W至約1,000W的任何範圍內，或者在上述兩個功率位準之間的任何範圍內，例如，在約250W至約750W的範圍內、在約250W至約500W的範圍內、或約500W至約750W的範圍內。在一些實施例中，由於可在相同的基底材料204上依序照射不同功率位準的雷射光束203，亦即可在給定的基底材料204上，進行超過一種雷射處理。在一些實施例中，可在基底材料204的不同區域，施加不同功率位準的雷射光束203。
參閱圖2A、圖3A與圖3C，圖3C為根據本揭露之一些實施例的膠帶測試實驗結果，其顯示膠帶的表面，在用不同功率位準與不同脈衝頻率進行雷射光束處理後，該膠帶被施加在基底材料的預定表面上而後將該膠帶自該預定表面移除。或者，在雷射處理期間，經由不同功率位準與脈衝頻率的雷射光束203(雷射光束203的掃描頻率例示性設定為150Hz作為說明)所處理的基底材料204之膠帶測試實驗樣本，可獲得理想的雷射光束203之功率範圍。同樣地，圖3A與圖3C的影像所示之較暗部分的密度表示附著在膠帶99的表面的污染物或粉塵。相較於圖3A所示之雷射處理前附著在膠帶99的表面上的污染物或粉塵的量，如圖3C的表所示，在雷射處理後，附著在膠帶99的表面的污染物或粉塵的量(或密度)顯著減少。在一些實施例中，在雷射處理期間，功率超過100W的雷射光束203可從頂表面204T移除大部分的污染物或粉塵。在一些實施例中，在雷射處理期間，功率超過250W的雷射光束203可從頂表面204T更有效移除大部分的污染物或粉塵。在一些實施例中，雷射光束203的功率可在約100W至約1,000W的範圍中，其中超過1,000W的功率可能由於更大的功率消耗或更嚴格的保護與/或冷卻系統要求而導致更高的成本，如參考圖3B所述之內容。
如圖3A、圖3B與圖3C所述之實驗說明雷射處理降低頂表面204T(如圖2A所示)與污染物或粉塵之間的附著吸引。基底材料204之經處理的部分206(其是受雷射光束203處理)包含具有較低附著吸引的材料，例如類鑽石碳層206D(如圖2B與圖2C所示)於頂表面204T上。雷射處理所形成之經處理的部分206可提供具有較低附著吸引的較平滑表面，在基底材料204受到雷射處理之後，其減少附著至頂表面204T的污染物或粉塵的量。根據圖3B與圖3C所示之實驗結果，在一些實施例中，功率超過100W(在一些實施例中，超過250W)的雷射光束203可減少頂表面204T的附著吸引(例如，有效形成類鑽石碳層206D)，因而有助於從基底材料204的頂表面204T移除污染物或粉塵。高功率雷射光束203可在其脈衝頻率在約10KHz至約50KHz的範圍中且其掃描頻率在約100Hz至約1,000Hz的範圍中進行操作。
參閱圖4，圖4為根據本揭露之一些實施例的實驗結果，其顯示以不同功率位準的雷射光束進行雷射處理後之基底材料的表面之不同放大程度的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)影像。可用掃描電子顯微鏡(SEM)以適當的放大率觀察在不同功率位準的雷射光束203下受雷射處理之經處理的部分206的粗糙度或平滑度，如圖4所示。可觀察到經功率至少100W(在一些實施例中為至少250W)的雷射光束203處理的頂表面204T可形成經處理的部分206，其表面為可接受的粗糙度/平滑度範圍內。注意，圖4提供之經處理的部分206的例示性樣本之影像包含類鑽石碳。具體而言，類鑽石碳層可為缺少晶粒的無定型結構，其構成具有減少摩擦力的更平滑表面。因此，雷射處理可減少附著至頂表面204T的污染物或粉塵的量。
參閱圖2A與圖5，圖5為根據本揭露之一些實施例說明基底材料的硬度與不同掃描頻率之雷射光束的功率之間的關係圖式。藉由雷射處理之前和之後的硬度差異，可觀察到於經處理的部分206中形成之類鑽石碳層206D(圖2B與圖2C中所示)。相較於基底材料204之未處理的部分，由雷射處理形成之經處理的部分206具有較大的硬度。根據美國材料與測試協會(American Society for Testing and Materials，ASTM)金屬材料Rockwell硬度的E18-17標準測試方法，基底材料204之未處理的部分205具有約41的硬度(依據HR15TS下)，而雷射處理可將經處理的部分206的硬度提高為至少為60(依據HR15TS)。由此可見雷射處理形成之類鑽石碳層206D(如圖2B與圖2C所示)增加了基底材料204的頂表面204T的硬度。應注意，由其他材料構成的基底材料204亦可藉由雷射處理變硬。表面的較大硬度可減輕施加至表面的力或應力之影響，因為表面上的分子之間的相互作用更強，因此可減輕剝離與/或二次粉塵的問題。 表1
Figure 108111186-A0304-0001
參閱圖2A、圖6A、圖6B與表1，根據本揭露的一些實施例，表1說明以不同的選擇參數進行雷射處理後的基底材料之體積電阻率，圖6A說明基底材料的體積電阻率與不同掃描頻率之雷射光束的功率之間的關係圖式，以及圖6B說明基底材料的體積電阻率與不同脈衝頻率之雷射光束的功率之間的關係圖式。藉由雷射處理之前和之後的基底材料204之電阻率的差異，可進一步觀察經處理的部分206中的類鑽石碳層206D(如圖2B與圖2C所示)的形成。如表1所示，在基底材料204受到各種條件(例如雷射光束203的功率、雷射光束203的掃描頻率與雷射光率203的脈衝頻率)的雷射處理之後，基底材料204的預定部分的體積電阻率可增加至其雷射處理前之體積電阻率的至少300%或400%，或是可從約1.6856*10-3 Ω-m增加到至少6.0*10-3 Ω-m或至少6.9*10-3 Ω-m。在一些實施例中，亦可觀察從基底材料的預定層之片電阻率(sheet resistivity)。經處理的部分206之片電阻率(以Ω/sqr表示)可大於未處理的基底材料204之片電阻率。應注意，包括其他材料的基底材料204亦可藉由雷射處理而增加其電阻率。高於預定值的升高之電阻率說明類鑽石碳層206D的量是足夠的。 表2
Figure 108111186-A0304-0002
參閱圖2A與表2，根據本揭露的一些實施例，表2說明對於三種不同測試樣本中的每一個(於圖3B與圖3C所提供的條件下進行)，在雷射處理之前(原始)與雷射處理之後的基底材料的表面區域之組成間的差異。在基底材料204包含碳與污染、雜質、外來物質、或包含氧化物的粉塵之實施例中，可觀察雷射處理之前與之後的基底材料204之一預定表面區域的組成變化差異。在雷射處理之後，基底材料204的預定表面區域之氧重量百分比降低，而基底材料204的預定表面區域之碳重量百分比增加。在一些實施例中，氧重量百分比可降低至1.5%以下，或可降低多達0.1％或多達99.99％，例如0.1％、0.5％、1％、5％、10％、20％ ％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、99％、99.9％或99.99％。在一些實施例中，碳重量百分比可增加至超過98%，或可增加0.01%至10%，例如0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%, 、2%、5%或10%。在一些實施例中，類鑽石碳層206D的形成(如圖2B與圖2C所示)以及初始附著至基底材料204的污染、雜質、外來物質或粉塵的實質移除，造成碳重量百分比的增加與氧重量百分比的減少。在一些實施例中，可藉由能量色散光譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)，觀察基底材料204的表面區域之組成。
參閱圖2A與圖7，根據本揭露的一些實施例，圖7為說明處理基底材料之表面的裝置示意圖。注意，圖7的元件與圖2A之相應部分相同或類似者是以相同的元件符號表示，並且省略重複說明。在一些實施例中，為了改良雷射處理的效能，可藉由控制器103將參數(例如雷射光束203的功率、雷射光束203的掃描頻率與/或雷射光束203的脈衝頻率)設定在所需之範圍，控制器103連接至雷射源202用於調整參數。控制器103可包含記憶體(未繪示)用於資訊儲存。
為了控制雷射光束203的功率，控制器103控制電源供應器105以調整供應至雷射源202的功率。因此，控制器103可將雷射源203的功率控制在從約100W至約1,000W的範圍中或是圖3A至圖3C所述之任何值與範圍，例如100W、150W、200W、250W、300W、350W、400W、450W、500W、550W、600W、650W、700W、750W、800W、850W、900W、950W或1000W的功率位準，或在約250W至約750W的範圍內、在約250W至約500W的範圍內、在約500W至約750W的範圍內、或類似者。同樣地，控制器103將雷射光束的脈衝頻率控制在從約10KHz至約50KHz的範圍中，例如10KHz、20KHz、30KHz、40KHz、50KHz或其間的任何值。
在一些實施例中，可藉由雷射源202與基底材料204之間的相對移動，而控制雷射光束203的掃描頻率。參閱圖2A及前述內容，支撐基底材料204的平台201與雷射源202至少其中之一為可移動的。在預定區域中的掃描光束203之掃描頻率可設定在約100Hz至1,000Hz的範圍中，或甚至更高。例如，掃描頻率可為100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz、450Hz、500Hz、550Hz、600Hz、650Hz、700Hz、750Hz、800Hz、850Hz、900Hz、950Hz、1000Hz、或介於兩者之間的任何範圍內。
在一些實施例中，機臂(arm)106支撐雷射源202，其中控制器103指示臂驅動器(arm driver)111以控制臂件106的移動與掃描頻率。
在一些實施例中，控制器103指示平台驅動器115以控制平台201的移動，並進一步控制雷射光束203的掃描頻率。在一些實施例中，控制器103可獲得平台201與雷射源202之間的相對移動。
裝置10b可選擇地包含距離偵測器207，其中在雷射處理期間，距離偵測器207可偵測雷射源202與基底材料204之頂表面204T之間的距離，距離偵測器207可提供所偵測的距離至控制器103。在一些實施例中，控制器103指示機臂106與/或平台201，將雷射源202與頂表面204T之間的距離控制在約1cm至約1m的範圍中，其中該距離小於1cm可能因為噴射顆粒而對於雷射源202造成損壞，該距離大於1m可能顯著降低照射的準確性與/或效率。在一些實施例中，該距離是在約1cm至約6cm的範圍中。在一些實施例中，該距離是在約1cm至約20cm的範圍中。在一些實施例中，該距離是在約6cm至約100cm的範圍中。在一些實施例中，該距離的調整是與裝置10b的架構及雷射光束203的功率相關，其中距離越大可能需要雷射光束203的功率位準越大。
在一些實施例中，監測器297配置在腔室200中，其中監測器297可將與腔室200之環境相關的資訊提供至控制器103，其可包含處理壓力、溫度、濕度、以及粉塵收集器208之吸氣壓力(suction pressure)，使得控制器103可調整腔室200的環境。在一些實施例中，監測器297可偵測裝置10b之一預定位置的溫度，並且裝置10b的冷卻系統或關閉機制可防止溫度升高至無法忍受的值。
在一些實施例中，裝置10b選擇地包含檢測器299，以檢測基底材料204的表面性質。參閱圖3A至圖7及前述內容，該性質可包含基底材料204的體積電阻率、基底材料204的預定部分(例如，頂表面)的片電阻率、基底材料204的表面硬度、基底材料204的表面粗糙度、基底材料204的組成等等。由檢測器所檢測的上述性質中至少一個的資訊可藉由控制器103傳輸與處理，而可根據所檢測的性質調整參數(包含雷射光束203的功率或是雷射光束203的脈衝頻率)。對於基底材料204的性質的該等觀察可用以改良雷射處理的效能。
在一些實施例中，檢測器299可包含硬度測試器以檢測基底材料204的表面硬度。如果基底材料204的表面硬度未達到預定值，則控制器103可提高雷射光束203的功率。在一些實施例中，預定值為至少60(依據HR15TS)，可參閱圖5及前述內容。
在一些實施例中，檢測器299包含光學裝置以檢測基底材料204的表面粗糙度。粗糙度與平滑度指示類鑽石碳層206D的形成是否適當，其中基底材料204與污染物之間的附著吸引是與經處理的表面之粗糙度呈負相關。如果基底材料204的表面粗糙度不符合所需閥值，則控制器103可提高雷射光束203的功率，使得粗糙度可符合需求。
在一些實施例中，檢測器299包含用於檢測電阻率的電測試器，其中電阻率指示所形成的類鑽石碳的量。如果基底材料204的表面的電阻率未達到預定值，則控制器103可提供雷射光束203的功率，使得形成適當量的類鑽石碳。參閱圖6A、圖6B與表1及前述內容，基底材料204的預定部分的體積電阻率可增加至先前值的至少300%或400%，或是可增加到至少6.0*10-3 Ω-m 或至少6.9*10-3 Ω-m。
在一些實施例中，檢測器299可包含組成分析器，例如能量色散光譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)，用於在雷射處理期間偵測基底材料的預定表面區域之組成變化。此等組成變化可指示是否有效移除污染物且/或是否形成適當量的類鑽石碳。例如，如果基底材料204的預定表面區域之氧重量百分比大於預定值，或是如果在雷射處理後之基底材料204的預定表面區域之碳重量百分比小於預定值，則控制器103可提高雷射光束203的功率。在一些其他的實施例中，如果基底材料204的預定表面區域之氧重量百分比的下降幅度小於預定值，或是如果在雷射處理期間之基底材料204的預定表面區域之碳重量百分比的增加幅度小於預定值，則控制器103可提高雷射光束203的功率。例如，參閱表2及前述內容，氧重量百分比可降低至1.5%以下，或是可降低至0.1%或達99.99%，例如0.1%、0.5%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、99%、99.9%或99.99%。在一些實施例中，碳重量百分比可增加至98%以上，或可增加0.01%至10%，例如0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、2%、5%或10%。
在一些實施例中，檢測器299對上述性質的檢測是原位(in-situ)進行的，以便可進行參數的即時調整。在一些其他的實施例中，在雷射處理完成之後，檢測器299進行檢測，並且可調整上述參數以改良後續待處理之其他基底材料204之產率。
在一些實施例中，檢測器299可藉由光學裝置或藉由膠帶測試而檢測基底材料204上污染物、缺陷或粉塵的分佈，因而可依序或分別地進行具有不同功率位準的其他雷射處理。在一些實施例中，如果區域內的污染物、缺陷或粉塵的量或密度大於預定值，則控制器103可提高雷射光束203的功率以處理該區域。在一些實施例中，區域可被分別處理多次。在一些實施例中，用具有更高功率位準的雷射光束處理基底材料204的整個頂表面204T，且/或處理多次。
在一些實施例中，裝置10b選擇地包含控制介面113，其連接至控制器103。控制介面113可選擇地包含顯示器，以顯示上述參數(亦即，雷射光束203的功率或雷射光束203的脈衝頻率)、基底材料204的性質、與腔室200之環境相關的資訊、以及與裝置10b相關的其他參數，因而使用者可方便地監測雷射處理的狀態。控制介面113可接收指令並且將指令傳輸至控制器103。在一些實施例中，使用者經由控制介面113的顯示器而手動指示控制器103，以調整參數(亦即，雷射光束203的功率或雷射光束203的脈衝頻率)以及/或腔室200的環境。在一些其他的實施例中，使用者可經由遠程終端通過控制介面113而指示控制器103。在一些其他的實施例中，可藉由伺服器109自動或半自動地提供指令，其可包含演算法或自動指令以控制控制器103，其中自動或半自動地執行調整。
可藉由軟體實現控制器103、控制介面113與/或伺服器109，因而可自動或半自動地進行本文所揭露的前述方法。對於給定的計算機，軟體例行程序可儲存在儲存元件上，例如永久記憶體。或者，軟體例行程序可為使用任何機器可讀儲存媒介(例如磁盤、CD-ROM、磁帶、數位視頻或通用磁碟(DVD)、雷射盤、ROM、快閃記憶體等)所儲存的機器可執行之指令。可從遠程儲存元件(例如網路上的伺服器)接收一系列指令。亦可在硬體系統、微控制器單元(microcontroller unit，MCU)、分離硬體或韌體中，實現本發明。
本揭露提供一種照射高功率雷射光束的裝置以及藉由該高功率雷射光束處理基底材料之表面的方法。相較於低功率雷射光束，高功率雷射光束可用以避免產生從基底材料噴射的大量二次粉塵並且移除污染或粉塵，同時形成具有較低附著吸引的層以減少附著至表面的污染或粉塵，因而大幅改善污染或粉塵的移除。在一些實施例中，具有低附著吸引的層包含類鑽石碳，其具有較平滑且較硬的表面，可有助於從該表面移除污染或粉塵，同時亦減少從該表面產生粉塵。本揭露提供一種具有控制器、檢測器、伺服器與/或控制介面之架構的裝置，以改良雷射處理的效能，其中此架構可對於雷射處理提供改良的、更準確的參數控制。
本揭露的一些實施例提供一種處理基底材料之表面的方法，該方法包含提供基底材料，並且藉由使用雷射源以於該基底材料之表面上照射雷射光束而進行雷射處理，其中該雷射光束的功率是在約100W至約1,000W的範圍中。
本揭露的一些實施例提供一種用於處理基底材料之表面的裝置，其包含經配置以支撐該基底材料的平台，以及位於該平台上的雷射源，其中該雷射源係經配置以發射雷射光束至該基底材料之該表面上，並且該雷射光束的功率是在約100W至約1,000W的範圍中。
本揭露的一些實施例提供一種用於處理基底材料之表面的裝置，其包含經配置以支撐該基底材料的平台；位於該平台上的雷射源，其中該雷射源係經配置以照射雷射光束至該基底材料之該表面上；位於該基底材料上的檢測器，其中該檢測器係經配置以檢測該基底材料之該表面的性質；以及控制器，其耦合至該雷射源與該檢測器且經配置以根據該檢測器所檢測的該基底材料之該表面的該性質而調整該雷射光束的參數。
前述內容概述一些實施方式的特徵，因而熟知此技藝之人士可更加理解本揭露之各方面。熟知此技藝之人士應理解可輕易使用本揭露作為基礎，用於設計或修飾其他製程與結構而實現與本申請案所述之實施例具有相同目的與/或達到相同優點。熟知此技藝之人士亦應理解此均等架構並不脫離本揭露揭示內容的精神與範圍，並且熟知此技藝之人士可進行各種變化、取代與替換，而不脫離本揭露之精神與範圍。
再者，本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。該技藝之技術人士可自本揭露的揭示內容理解可根據本揭露而使用與本文所述之對應實施例具有相同功能或是達到實質相同結果之現存或是未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此，此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟係包含於本申請案之申請專利範圍內。
10a‧‧‧裝置 10b‧‧‧裝置 99‧‧‧ 膠帶 103‧‧‧控制器 105‧‧‧電源供應器 106‧‧‧機臂 109‧‧‧伺服器 111‧‧‧臂驅動器 113‧‧‧控制介面 115‧‧‧平台驅動器 200‧‧‧腔室 201‧‧‧平台 202‧‧‧雷射源 203‧‧‧雷射光束 204‧‧‧基底材料 204C‧‧‧污染物顆粒 204T‧‧‧頂表面 205‧‧‧未處理的部分 206‧‧‧經處理的部分 206D‧‧‧類鑽石碳層 207‧‧‧距離偵測器 208‧‧‧粉塵收集器 297‧‧‧監測器 299‧‧‧檢測器
為協助讀者達到最佳理解效果，建議在閱讀本揭露時同時參考附件圖示及其詳細文字敘述說明。請注意為遵循業界標準作法，本專利說明書中的圖式不一定按照正確的比例繪製。在某些圖式中，尺寸可能刻意放大或縮小，以協助讀者清楚了解其中的討論內容。 圖1為流程圖，例示本揭露之一些實施例用於處理基底材料之表面的方法。 圖2A為示意圖，例示本揭露之一些實施例用於處理基底材料之表面的裝置。 圖2B為剖面圖，例示本揭露之一些實施例藉由雷射處理所處理的基底材料之中間產物。 圖2C為剖面圖，例示本揭露之一些實施例藉由雷射處理所處理的基底材料之最終產物。 圖3A為根據本揭露之一些實施例的膠帶測試(tape test)實驗結果，其顯示膠帶(tape)的表面之放大影像，在雷射處理之前，該膠帶被施加在基底材料的預定表面上而後自該預定表面移除。 圖3B為根據本揭露之一些實施例的膠帶測試實驗結果，其顯示膠帶的表面，在用不同功率位準與不同掃描頻率進行雷射光束處理後，該膠帶被施加在基底材料的預定表面上而後自該預定表面移除。 圖3C為根據本揭露之一些實施例的膠帶測試實驗結果，其顯示膠帶的表面，在用不同功率位準與不同脈衝頻率進行雷射光束處理後，該膠帶被施加在基底材料的預定表面上而後自該預定表面移除。 圖4為根據本揭露之一些實施例的實驗結果，其顯示以不同功率位準的雷射光束進行雷射處理後之基底材料的表面之不同放大程度的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)影像。 圖5為根據本揭露之一些實施例說明基底材料的硬度與不同掃描頻率之雷射光束的功率之間的關係圖式。 圖6A為根據本揭露之一些實施例說明基底材料的體積電阻率與不同掃描頻率之雷射光束的功率之間的關係圖式。 圖6B為根據本揭露之一些實施例說明基底材料的體積電阻率與不同脈衝頻率之雷射光束的功率之間的關係圖式。 圖7為根據本揭露之一些實施例說明用於處理基底材料之表面的裝置示意圖。
10a‧‧‧裝置
200‧‧‧腔室
201‧‧‧平台
202‧‧‧雷射源
203‧‧‧雷射光束
204‧‧‧基底材料
204T‧‧‧頂表面
205‧‧‧未處理的部分
206‧‧‧經處理的部分
207‧‧‧距離偵測器
208‧‧‧粉塵收集器

Claims (22)

  1. 一種用於處理基底材料之表面的方法，其包括：於一腔室內提供一含碳基底材料；以及藉由使用一雷射源以照射一雷射光束於該含碳基底材料之該表面上而進行一雷射處理，使該含碳基底材料之表面局部熔融、於冷卻後在該含碳基底材料之該表面上形成一類鑽石碳層(diamond-like carbon layer)並減少該含碳基底材料之該表面上的粉塵，其中該雷射光束的功率是在100W至1,000W的範圍中。
  2. 如請求項1所述之方法，其中以一掃描方式將該雷射光束照射在該含碳基底材料的該表面上，且該雷射光束的掃描頻率是在100Hz至1,000Hz的範圍中。
  3. 如請求項1所述之方法，另包括檢測該含碳基底材料之電阻率變化。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該含碳基底材料具有石墨。
  5. 如請求項1所述之方法，另包括檢測該含碳基底材料之該表面的一性質，其中該性質包含該含碳基底材料的硬度、粗糙度以及組成中的至少一個。
  6. 如請求項5所述之方法，另包括根據該含碳基底材料之該表面的該性 質，調整該雷射光束的該功率。
  7. 如請求項1所述之方法，另包括檢測於該含碳基底材料之該表面上形成的該類鑽石碳層含量。
  8. 如請求項1所述之方法，另包括經由該雷射處理，藉由移除該含碳基底材料之該表面上的複數個含氧化物顆粒，而降低該含碳基底材料之一表面區域的氧重量百分比。
  9. 如請求項1所述之方法，另包括藉由該雷射處理而增加該含碳基底材料之一表面區域的碳重量百分比。
  10. 一種用於處理基底材料之表面的裝置，其包括：一平台，其經配置以支撐一含碳基底材料；以及一雷射源，其位於該平台上，其中該雷射源經配置以發射一雷射光束於該含碳基底材料的該表面上，使該含碳基底材料之表面局部熔融、於冷卻後在該含碳基底材料之該表面上形成一類鑽石碳層(diamond-like carbon layer)並減少該含碳基底材料之該表面上的粉塵，以及該雷射光束的功率是在100W至1,000W的範圍中。
  11. 如請求項10所述之裝置，其中該雷射光束的脈衝頻率是在10KHz至50KHz的範圍中。
  12. 如請求項10所述之裝置，其中該雷射源以一掃描方式將該雷射光束照射在該含碳基底材料的該表面上，且該雷射光束的掃描頻率是在100Hz至1,000Hz的範圍中。
  13. 如請求項10所述之裝置，另包括一光學距離偵測器，其經配置以測量該雷射源與該含碳基底材料之間的一距離。
  14. 如請求項10所述之裝置，另包括一檢測器，用以偵測該含碳基底材料之該表面的類鑽石碳層生成量。
  15. 如請求項10所述之裝置，另包括一粉塵收集器，其經配置以收集從該含碳基底材料之該表面噴射的含碳顆粒。
  16. 一種用於處理基底材料之表面的裝置，其包括：一平台，其經配置以支撐一含碳基底材料；一雷射源，其位於該平台上，其中該雷射源經配置以照射一雷射光束於該含碳基底材料之該表面上，使該含碳基底材料之表面局部熔融、於冷卻後在該含碳基底材料之該表面上形成一類鑽石碳層(diamond-like carbon layer)並減少該含碳基底材料之該表面上的粉塵；一檢測器，其位於該含碳基底材料上，其中該檢測器經配置以檢測該含碳基底材料的體積電阻率；以及一控制器，其耦合至該雷射源與該檢測器，並且經配置以根據該檢測器所檢測的該含碳基底材料的體積電阻率而調整該雷射光束的一參 數。
  17. 如請求項16所述之裝置，其中該平台位於一低壓腔室內。
  18. 如請求項17所述之裝置，其中該低壓腔室內具有一集塵器，並經配置以收集從該含碳基底材料之該表面噴射的含碳顆粒。
  19. 如請求項16所述之裝置，另包括一電源，其耦合至該雷射源，並且經配置以提供一功率訊號至該雷射源。
  20. 如請求項16所述之裝置，其中該雷射光束的該參數包含該雷射光束的功率與該雷射光束的脈衝頻率中的至少一個。
  21. 如請求項17所述之裝置，另包括一控制介面，其經配置以接收一指令且將該指令傳輸至該控制器，以控制該低壓腔室內之環境。
  22. 如請求項16所述之裝置，另包括一機臂，其經配置以調整該雷射源與該含碳基底材料之間的一距離以及該雷射源的一掃描頻率中的至少一個。
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