專利名稱：控制激光束焦斑尺寸的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)形成于襯底上的激光束焦斑的尺寸的控制，例如用于利用直寫法對(duì) 材料燒蝕或激光固化。本發(fā)明尤其適合用于對(duì)薄玻璃、聚合物、金屬或者其他厚度有變化或 不平坦的襯底上的薄膜或材料層進(jìn)行高分辨率的、精細(xì)線條的圖案化。
背景技術(shù)：
利用激光在平坦襯底表面中或表面上燒蝕或固化精細(xì)線條結(jié)構(gòu)的技術(shù)是公知的， 并且許多不同的裝置被用于完成這些操作。所使用的設(shè)備的共同特征是一個(gè)發(fā)射脈沖光 束或連續(xù)光束的激光系統(tǒng)，使激光束在襯底表面聚集成一個(gè)斑點(diǎn)的聚焦透鏡，以及使激光 焦斑在襯底表面移動(dòng)的方法。在位于襯底上的材料的表面中被燒蝕或固化的線條結(jié)構(gòu)的寬度，取決于形成于其 表面上的激光光斑的直徑。在激光處理過程中，經(jīng)常需要改變被燒蝕或固化的線條的寬度， 因此在激光處理過程期間，必須改變表面上的光斑的直徑。在某些情況下，甚至需要在光束 于襯底表面移動(dòng)的同時(shí)改變光斑大小。改變襯底表面上的光斑大小的最簡(jiǎn)單的方式是改變襯底表面相對(duì)于光束焦點(diǎn)的 位置。因?yàn)殡S著激光束從透鏡向光束焦點(diǎn)的傳播，激光束的直徑減小，且越過該焦點(diǎn)后，激 光束的直徑增大，因此使襯底表面沿著光束在朝向或遠(yuǎn)離透鏡這兩個(gè)方向移動(dòng)，在焦點(diǎn)的 每一側(cè)都能夠使光斑尺寸變大。因此，通過襯底相對(duì)于光束焦點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)能夠容易地改 變所燒蝕或固化的線條的寬度。已經(jīng)有一些方法可用于使光束焦點(diǎn)相對(duì)于襯底表面移動(dòng)。最簡(jiǎn)單的方法是基于改 變聚焦透鏡相對(duì)于襯底的距離，該距離的改變可通過在平行于光束軸的方向上利用伺服電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)移動(dòng)聚焦透鏡或移動(dòng)襯底來實(shí)現(xiàn)。一種更復(fù)雜但是更快速的方法是保持襯底相 對(duì)于透鏡的距離固定，并利用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙部件可變光束望遠(yuǎn)鏡使透鏡前的激光束 會(huì)聚或分散，從而改變焦斑平面。當(dāng)這種使光束焦點(diǎn)軸向移動(dòng)的后一方法與前置或后置的 用于平坦襯底激光處理的掃描透鏡系統(tǒng)一起使用時(shí)，該方法通常與單軸或雙軸光束掃描器 一起使用，以校正與掃描場(chǎng)交叉的焦平面的曲率。以上所討論的對(duì)于線寬控制的方法(其中，焦點(diǎn)相對(duì)于襯底表面移動(dòng))簡(jiǎn)單且有 效，但是有下述問題在激光處理時(shí)，通常需要使襯底保持在光束的正好是焦點(diǎn)處。在此平 面中，光束的形狀和功率或能量密度分布被很好地限定，并且激光光斑尺寸在其上發(fā)生變 化的距離(即聚焦深度)為最大。在焦平面之前或之后的各點(diǎn)處，光束形狀通常不再是圓 形，并且功率和能量密度的分布不再符合高斯分布。另外，光束尺寸的變化以及由此引發(fā)的 峰值和平均功率以及能量密度的變化受到沿光束方向的距離的影響很大，因此襯底處理區(qū) 域的不平坦就顯得非常重要。改變?cè)谕哥R焦點(diǎn)處形成的斑點(diǎn)尺寸的另一方法是改變透鏡前的光束的直徑。焦斑 的直徑取決于透鏡焦距和激光束發(fā)散度的乘積，因?yàn)榘l(fā)散度與光束直徑成反比，因此輸入 光束尺寸的增大將導(dǎo)致焦斑直徑的相應(yīng)減小。相反地，輸入光束直徑的減小會(huì)導(dǎo)致焦斑直徑的相應(yīng)增大。對(duì)進(jìn)入透鏡的光束的直徑的改變相對(duì)較為簡(jiǎn)單，這種改變通?？衫靡粋€(gè)被緊接 著放置于激光輸出之后的簡(jiǎn)單的雙部件光束望遠(yuǎn)鏡來實(shí)現(xiàn)。但是，除非從該望遠(yuǎn)鏡到透鏡 的距離非常大，否則該方法存在一些問題。隨著光束準(zhǔn)直的改變、透鏡處光束尺寸的改變以 及由此的焦斑直徑的改變，焦斑沿光束方向移動(dòng)(如上在使焦斑軸向移動(dòng)的方法的上下文 中所討論的)。因此，就需要在激光處理時(shí)改變激光焦斑的直徑，而同時(shí)使焦斑精確地定位在平 坦或非平坦的襯底表面上，從而能夠保留可能的最大的聚焦深度。本發(fā)明旨在滿足上述需 求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于控制形成于襯底上的激光束焦斑的尺寸的裝 置，該裝置包括a.激光單元；b.用于獨(dú)立地改變從激光單元接收的激光束的直徑和準(zhǔn)直的可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單 元，其至少包括第一、第二和第三光學(xué)組件，第一和第二光學(xué)組件可相對(duì)于第三光學(xué)組件移 動(dòng)，從而能夠獨(dú)立地改變第三光學(xué)組件與第一、第二光學(xué)組件之間的距離；c.聚焦透鏡，用于使從可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元接收的激光束聚焦于襯底表面；d.距離傳感器，用于測(cè)量聚焦透鏡和襯底表面之間的距離；和e.控制系統(tǒng)，用于根據(jù)距離傳感器的輸出控制所述第一和第二光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)， 以獨(dú)立地改變聚焦透鏡接收的激光束的直徑和準(zhǔn)直，借此可控制聚焦透鏡形成的焦點(diǎn)的直 徑，并且可控制焦點(diǎn)的軸向位置(沿光軸方向)，由此可使焦斑保持在襯底表面。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種控制形成于襯底上的激光束焦斑尺寸的方 法，該方法包括a.使激光束穿過至少包括第一、第二和第三光學(xué)組件的可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，使第一 和第二光學(xué)組件相對(duì)于第三光學(xué)組件移動(dòng)，以獨(dú)立地改變第三光學(xué)組件與第一和第二光學(xué) 組件之間的距離，并由此獨(dú)立地改變激光束的直徑和準(zhǔn)直；使從可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡傳來的激光束穿過聚焦透鏡，以使激光束聚焦到襯底表面 上；b.測(cè)量聚焦透鏡和襯底表面之間的距離；和c.根據(jù)所述距離控制所述第一和第二光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)，以獨(dú)立地改變聚焦透鏡接 收的激光束的直徑和準(zhǔn)直，借此可控制聚焦透鏡形成的焦點(diǎn)的直徑，并且還可控制該焦點(diǎn) 的軸向位置(沿光軸方向)，從而可使焦斑保持在襯底表面。為了能夠改變激光焦斑的直徑并且同時(shí)保持焦斑精確地定位在一個(gè)表面，必須能 夠獨(dú)立地改變聚焦透鏡處的光束直徑和光束準(zhǔn)直這兩者。這可以通過使激光束穿過位于聚 焦透鏡前的至少具有第一、第二和第三光學(xué)組件的透射型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來實(shí)現(xiàn)。通過獨(dú)立地 移動(dòng)該望遠(yuǎn)鏡中的至少兩個(gè)光學(xué)組件，可獨(dú)立地控制輸出光束的直徑和準(zhǔn)直。這樣的系統(tǒng) 可以被用于改變焦斑的直徑，同時(shí)可控制焦斑到透鏡之間的距離，從而可使焦斑保持在不 平坦或厚度變化的襯底的表面上。
這樣的雙功能擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡是已知的，并且商業(yè)上可獲得，但是這些擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡通 常是手動(dòng)調(diào)節(jié)的。在一些情況下，可以使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。為了使光束直徑和準(zhǔn)直能夠快速地改變，在襯底處理期間以連續(xù)或步進(jìn)的方式可 以對(duì)直寫激光處理所需的焦斑直徑和焦斑軸向位置進(jìn)行相應(yīng)改變，望遠(yuǎn)鏡中所有可移動(dòng)的 光學(xué)組件最好用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，且能夠在獨(dú)立控制下非常迅速且精確地移動(dòng)。能夠?qū)敵龉馐臄U(kuò)束和準(zhǔn)直進(jìn)行必要控制的至少包括第一、第二和第三光學(xué)組 件的望遠(yuǎn)鏡可以有多種設(shè)計(jì)，但是對(duì)于能夠既擴(kuò)展光束又能夠改變輸出光束的準(zhǔn)直度的光 學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，最簡(jiǎn)單且最緊湊(例如最短)的設(shè)計(jì)為含有三個(gè)組件。其中兩個(gè)光學(xué)組件 可以是可使輸入光束發(fā)散的具有負(fù)光焦度的透鏡，第三組件是可使輸入光束會(huì)聚的具有正 光焦度的透鏡。輸入光束遇到的第一個(gè)組件是負(fù)透鏡中的一個(gè)。其余兩個(gè)透鏡可根據(jù)特定 設(shè)計(jì)而可以任一順序放置。對(duì)于這樣的可變3-組件望遠(yuǎn)鏡而言，一個(gè)重要的要求是三個(gè)組件之間的間距可 以被改變。這可以通過移動(dòng)三個(gè)透鏡中的任意兩個(gè)來實(shí)現(xiàn)?？梢怨潭ㄖ虚g的組件并使第一 和第三組件相對(duì)于中間的組件移動(dòng)，或者固定第一或第三組件，并使其余兩個(gè)組件相對(duì)于 其移動(dòng)。一種機(jī)械上方便的布置是固定第一組件，并用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變第二和第 三透鏡之間的間距，并且使這兩個(gè)透鏡同時(shí)靠近或遠(yuǎn)離第一透鏡移動(dòng)。優(yōu)選地，伺服電動(dòng)機(jī)被合適的控制器驅(qū)動(dòng)，該控制器從主控制器接收關(guān)于激光處 理所需的激光斑點(diǎn)直徑的信息，并且該主控制器還驅(qū)動(dòng)該電動(dòng)機(jī)，其中該電動(dòng)機(jī)可使光束 相對(duì)于襯底在兩個(gè)軸上運(yùn)動(dòng)。所述望遠(yuǎn)鏡中的可移動(dòng)光學(xué)組件以這種方式被自動(dòng)地驅(qū)動(dòng)至 正確的位置，從而對(duì)于平坦的二維襯底上的任一點(diǎn)，可使激光束聚焦到表面且限定激光斑 點(diǎn)的直徑。因?yàn)橐r底很少為絕對(duì)平坦的，并且經(jīng)常有厚度上的變化，因此最好提供一個(gè)傳感 器系統(tǒng)，以收集并記錄需要進(jìn)行激光處理的區(qū)域內(nèi)與參考距離相比的、透鏡和襯底表面之 間的相對(duì)距離的信息。一種非接觸式光學(xué)距離傳感器適合用于該應(yīng)用，該傳感器接附于聚 焦透鏡，可探測(cè)接近透鏡區(qū)域的中心的襯底表面。關(guān)于襯底表面高度的信息可通過在激光 處理前對(duì)處理區(qū)域繪圖(mapping)而得到，然后在激光處理期間利用該信息調(diào)整望遠(yuǎn)鏡中 光學(xué)組件的位置?？商娲?，根據(jù)光束掠過表面的速度，高度信息可在激光束移動(dòng)期間被收 集，以連續(xù)地更新控制器，該控制器可操作望遠(yuǎn)鏡組件伺服電動(dòng)機(jī)，以使焦點(diǎn)保持在襯底表有多種方法可以實(shí)現(xiàn)光束相對(duì)于襯底的直寫動(dòng)作，所有的這些方法均可被使用。 在最簡(jiǎn)單的情況下，聚焦透鏡不動(dòng)，且襯底在一對(duì)正交伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)上在兩個(gè)軸上移 動(dòng)。在更復(fù)雜的情況下，襯底被固定，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)安裝在襯底上方的架子上，聚焦透 鏡在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)上在兩個(gè)軸上移動(dòng)。一個(gè)經(jīng)常使用的中間的情況是，使襯底在一個(gè) 軸上移動(dòng)，使聚焦透鏡在襯底上方的架子上在另一個(gè)軸上移動(dòng)。對(duì)于較高速度的直寫光束，使用單軸或雙軸光束掃描器單元。這些掃描器單元可 與位于掃描器之前或之后的合適的聚焦透鏡一起使用，也可以與線性臺(tái)一起使用以實(shí)現(xiàn)步 進(jìn)和掃描模式下的操作。因此所述方法可使襯底表面上移動(dòng)的激光束焦斑的尺寸被動(dòng)態(tài)地改變，從而控制 燒蝕或固化的線條圖案的寬度，并且同時(shí)保持較大的聚焦深度。


通過參考附圖，僅以示例性的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中圖1是典型的激光直寫光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖2示出在所述系統(tǒng)中對(duì)于大直徑輸入光束的透鏡焦平面的細(xì)節(jié)；圖3示出所述系統(tǒng)中對(duì)于較小直徑輸入光束的透鏡焦平面的細(xì)節(jié)；圖4是用于所述系統(tǒng)中的一種類型的3-組件望遠(yuǎn)鏡的示意圖；圖5是用于所述系統(tǒng)中的第二種類型的3-組件望遠(yuǎn)鏡的示意圖；圖6是用于所述系統(tǒng)中的第三種類型的3-組件望遠(yuǎn)鏡的示意圖；圖7示出了對(duì)于三種不同的光束擴(kuò)展比率，所述3-組件望遠(yuǎn)鏡中的可移動(dòng)組件的 位置；圖8是為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置的第一實(shí)施例的示意圖；和圖9是為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置的第二實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖 1圖1示出了一種調(diào)節(jié)激光束以進(jìn)行直寫激光處理的標(biāo)準(zhǔn)方法。一束通常具有較小 直徑的輸入激光束11穿過透射型擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡12，變成大直徑光束13輸出。然后透鏡14使 光束13聚焦成小的焦斑15，焦斑的直徑和焦斑與透鏡14的距離取決于激光束13的直徑和準(zhǔn)直。圖 2圖2示出了焦斑附近的激光束的細(xì)節(jié)。光束21被透鏡22聚焦，從而使光束擴(kuò)展 前以半角23會(huì)聚至束腰或焦點(diǎn)M。對(duì)于進(jìn)入聚焦透鏡22的光束被準(zhǔn)直的情況而言，光束 在腰部區(qū)域M的最小的直徑(d)是下列參數(shù)的函數(shù)激光波長(zhǎng)(λ )；激光束相對(duì)于完全衍 射受限光束的品質(zhì)(Μ2)；激光束21的直徑⑶；以及透鏡的焦距(f)。焦斑直徑(d)隨焦 距(f)而線性變化，并且隨光束直徑(D)成反比，因此對(duì)于任意透鏡和激光束直徑的焦斑直 徑(d)的一個(gè)方便的度量是所謂的數(shù)值孔徑(NA)，其被定義為光束會(huì)聚半角(Θ)的正弦， 因此NA = sin θ = sin(tan_1 (D/2f))在大部分實(shí)際情況中可近似如下NA = D/2f最小的焦斑直徑(d)可通過如下公式(為本領(lǐng)域公知)計(jì)算d = 0. 6XM2X λ/NA作為一個(gè)例子，對(duì)于Μ2為1.2、直徑為IOmm的接近衍射受限激光束，被焦距為 IOOmm的透鏡聚焦，其NA大約為0. 05，對(duì)應(yīng)于0. 355 μ m和1. 064 μ m的激光波長(zhǎng)，最小焦斑 直徑分別為接近5 μ m和15 μ m。束腰或焦點(diǎn)在平面25、25'之間有限的軸向距離沈上延伸。在激光處理方面，束 腰區(qū)域的長(zhǎng)度沈或聚焦深度很關(guān)鍵，因?yàn)樵谠摼嚯x上，焦斑直徑的變化很小，并且功率或 能量分布被很好地限定。聚焦深度(DoF)可通過如下公式(為本領(lǐng)域公知)計(jì)算
DoF= λ /Μ2ΧΝΑ2因此，對(duì)于上面給出的例子，對(duì)于0. 355μπι和1. 064 μ m的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)的聚焦深度 分別接近120 μ m禾口 360 μ m。圖2還示出了光束直徑如何在束腰區(qū)域M之后和之前的平面27和27'快速增 大。在這種情況下，光束尺寸的增大依賴于光束的NA，且由沿光路的軸向位移(Δχ)引起的 直徑變化(Δ )由下式近似給出AD = 2ΧΝΑΧ Δχ對(duì)于上述例子，其中NA為0. 05，Δ D = 0. 1 X Δ χ，因此對(duì)于0. 355 μ m的波長(zhǎng)，在 聚焦深度之前或之后，沿光路僅50 μ m的移動(dòng)可使直徑增大5 μ m，這意味著光束直徑被增 大到接近二倍，且功率或能量密度約被減小到原來的四分之一。在波長(zhǎng)為1. 064 μ m的情況 下，在聚焦深度前或聚焦深度之后，沿光路僅150 μ m的移動(dòng)可使直徑增大15 μ m，這意味著 光束直徑又被增大到接近二倍，且功率或能量密度被減小到四分之一。因此，在這兩種情況 中，少于聚焦深度一半的移動(dòng)可導(dǎo)致斑點(diǎn)尺寸的加倍。等于聚焦深度的移動(dòng)可使斑點(diǎn)尺寸 幾乎增加到三倍。這些效應(yīng)與斑點(diǎn)尺寸在聚焦深度上的恒定性形成對(duì)比，顯示了將光束焦 點(diǎn)定位于襯底表面的操作的重要性(從處理控制的角度而言)。圖 3圖3示出了相對(duì)于圖2輸入光束的直徑減小的情況下，焦斑附近的激光束的細(xì)節(jié)。 光束31被透鏡32聚焦，從而在擴(kuò)展前以半角33被會(huì)聚至束腰或焦點(diǎn)34。因?yàn)樵摴馐妮^ 小的數(shù)值孔徑，在焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)的最小的斑點(diǎn)尺寸比圖2所示的情況大。另外，由于該光束具 有較低的光束會(huì)聚度或數(shù)值孔徑，距離36(平面35和35'之間，直徑在該距離上大致為恒 定的)，或聚焦深度，比圖2所示的情況要長(zhǎng)很多。如上面討論的例子，M2為1. 2的接近衍射受限激光束被焦距為IOOmm的透鏡聚焦， 但是直徑被減小到一半即5mm，其NA大約為0. 025，對(duì)應(yīng)于0. 355 μ m和1. 064 μ m的激光波 長(zhǎng)，最小焦斑直徑增大到二倍，即分別增大到10 μ m和30 μ m。在這些情況下，對(duì)于0. 355 μ m 和1.064 μ m波長(zhǎng)，聚焦深度增大到四倍，即分別幾乎增大到0. 5mm和1.5mm。比較圖2和圖3可看出通過使焦點(diǎn)總是位于襯底平面上的操作以及通過調(diào)整聚焦 透鏡輸入光束直徑改變焦斑尺寸，實(shí)現(xiàn)了就聚焦深度的增大以及處理寬容度而言的優(yōu)點(diǎn)。 例如，如果需要燒蝕或曝光出10 μ m寬的形狀，使用上面討論過的355nm、WZ = 1.2的激光 和焦距為IOOmm的透鏡曝光，那么所需的斑點(diǎn)尺寸可由NA為0. 025的5mm輸入光束形成。 在這種情況下，由于聚焦深度接近0. 5mm,因此對(duì)于不平坦的襯底，該工藝具有很好的寬容 性。另一方面，如果輸入光束更大，例如直徑為10mm，為了使激光斑點(diǎn)的直徑達(dá)到ΙΟμπι，必 須使襯底相對(duì)于焦平面移動(dòng)，并定位于光束的發(fā)散或會(huì)聚的區(qū)域。在這些位置，可達(dá)到所需 的斑點(diǎn)尺寸，但是要使該值保持在小于+/-10%的變化范圍內(nèi)，需要使透鏡和襯底表面之間 的距離保持恒定在+/-IOym內(nèi)。在實(shí)踐中，這很難實(shí)現(xiàn)。該例子清楚地示出激光焦斑位于 襯底表面的操作的重要性。圖 4圖4示出了一種類型的3-透鏡擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡，其中正透鏡(會(huì)聚)固定就位并定位 在兩個(gè)負(fù)透鏡(發(fā)散)之間，每個(gè)負(fù)透鏡可沿著光束軸移動(dòng)。一束小直徑輸入光束41被負(fù) 透鏡42發(fā)散。擴(kuò)展的光束與正透鏡43相交，正透鏡43使該光束會(huì)聚。輸出負(fù)透鏡44使該光束發(fā)散，以給出輸出光束，該輸出光束大于輸入光束，且根據(jù)第一和第三透鏡42，44相對(duì) 于第二透鏡43的位置，該輸出光束被準(zhǔn)直(如圖所示)、會(huì)聚或發(fā)散。為了簡(jiǎn)單起見，圖中 所示的3個(gè)透鏡以簡(jiǎn)單的單線條表示，實(shí)際上，為了提供滿意的光學(xué)性能，這些透鏡中的一 個(gè)或多個(gè)很可能包括不止一個(gè)元件。第一和第三透鏡42，44需要能夠快速地沿光軸移動(dòng)。 這可以通過使它們兩個(gè)安裝在位于平行于光軸(運(yùn)動(dòng))的臺(tái)上的支撐架上來很好地實(shí)現(xiàn)。 所述支撐架被線性伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，或通過導(dǎo)螺桿被旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。安裝編碼器以 為伺服控制系統(tǒng)給出位置信息。圖中示出第一和第三透鏡42，44是可移動(dòng)的且第二透鏡43 是固定的，但是實(shí)際上，三個(gè)透鏡中的任意兩個(gè)可以移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的擴(kuò)展和準(zhǔn)直的必 要控制。圖 5圖5示出圖4中所示的3透鏡擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)變型，其中第一負(fù)透鏡被一個(gè)正 透鏡所代替。這種類型的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡沒有使用具有負(fù)光焦度(negative power)的第一組 件的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那么緊湊(例如這種類型的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡更長(zhǎng))，但是同樣可提供對(duì)光束的 擴(kuò)展和準(zhǔn)直的必要控制。一束小直徑輸入光束51被正透鏡52會(huì)聚。在通過焦點(diǎn)后，擴(kuò)展 的光束被第二正透鏡53攔截，第二正透鏡53使擴(kuò)展的光束會(huì)聚。輸出負(fù)透鏡M使該光束 發(fā)散，以給出輸出光束，該輸出光束大于輸入光束，且根據(jù)各透鏡之間的間距，該輸出光束 被準(zhǔn)直(如圖所示)、會(huì)聚或發(fā)散。如同圖4那樣，三個(gè)透鏡以簡(jiǎn)單的單線條表示，但是實(shí)際 上可能更復(fù)雜。圖中示出第一和第三透鏡52巧4可移動(dòng)，但是實(shí)際上，三個(gè)透鏡中的任意兩 個(gè)可以移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的擴(kuò)展和準(zhǔn)直的必要控制。將兩個(gè)可移動(dòng)透鏡安裝在位于平行 于光軸運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)支撐架上，通過這種方式可實(shí)現(xiàn)所需的移動(dòng)。圖 6圖6示出3透鏡擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)變型，其中最后的組件是正透鏡，正透鏡前方 有兩個(gè)負(fù)透鏡。第一透鏡的位置固定，且第二和第三透鏡能夠沿光束軸移動(dòng)。一束小直徑輸 入光束61被負(fù)透鏡62發(fā)散。擴(kuò)展的光束被第二負(fù)透鏡63攔截，第二負(fù)透鏡63使光束進(jìn)一 步發(fā)散。輸出正透鏡64使該光束會(huì)聚，以給出輸出光束，該輸出光束大于輸入光束，且根據(jù) 第二和第三透鏡63，64相對(duì)于第一透鏡62的位置，該輸出光束被準(zhǔn)直(如圖所示)、會(huì)聚或 發(fā)散。如同前面的圖中那樣，三個(gè)透鏡以簡(jiǎn)單的單線條表示，但是實(shí)際上可能更復(fù)雜。圖中 示出第二和第三透鏡63，64是可移動(dòng)的，但是實(shí)際上，三個(gè)透鏡中的任意兩個(gè)可以移動(dòng)，以 實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的擴(kuò)展和準(zhǔn)直的必要控制。將兩個(gè)可移動(dòng)透鏡安裝在位于平行于光軸(運(yùn)動(dòng)) 的臺(tái)上的獨(dú)立的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的支撐架上，通過這種方式可實(shí)現(xiàn)所需的透鏡移動(dòng)?？商?代地，第二透鏡63可被安裝到第一伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)，以相對(duì)于第一透鏡62移動(dòng)，第三透 鏡64可被安裝到安裝于第一臺(tái)上的第二伺服驅(qū)動(dòng)臺(tái)上，以相對(duì)于第二透鏡63移動(dòng)。圖 7圖7示出了對(duì)于圖6所示類型的緊湊的望遠(yuǎn)鏡，用于不同光束擴(kuò)展情況的各透 鏡位置的一個(gè)例子，其中兩個(gè)負(fù)透鏡在輸出正透鏡前，且第一負(fù)透鏡固定，第二和第三透 鏡可移動(dòng)。在該所示例子中，使用了如下的焦距；第一透鏡(fl) =-20mm，第二透鏡(f2) =-36mm以及第三透鏡( ) = 40mm。上述例子示出所需的第二和第三透鏡F2，F(xiàn)3相對(duì)于 第一透鏡的不同位置，來實(shí)現(xiàn)光束擴(kuò)展比率從4至12。這種輸出光束直徑三倍的變化可導(dǎo) 致在下一激光聚焦透鏡的焦點(diǎn)處的焦斑直徑三倍的變化，這可以導(dǎo)致斑點(diǎn)處的功率或能量密度的幾乎一個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，因此足以滿足大部分的直寫激光應(yīng)用。該例子還示出了，對(duì) 于這種類型的望遠(yuǎn)鏡布置，在所示的光束擴(kuò)展比率范圍內(nèi)，第二和第三透鏡F2，F(xiàn)3間的間 距的變化遠(yuǎn)小于第一和第三透鏡Fl，F(xiàn)3間的間距的變化。如圖所示的情況中，第二和第三 透鏡F2，F(xiàn)3之間間距的變化為12mm(從22mm變到IOmm)，而第一和第二透鏡F1，F(xiàn)2之間的 變化為144mm (從16mm變到160mm)。從圖中還可以看出，第一和第二透鏡F1，F(xiàn)2之間的相 對(duì)移動(dòng)是設(shè)定光束擴(kuò)展度的主要因素，而第二和第三透鏡F2，F(xiàn)3之間的相對(duì)移動(dòng)是控制輸 出光束準(zhǔn)直的主要因素。望遠(yuǎn)鏡的這種幾何結(jié)構(gòu)可以使其容易地結(jié)合到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該 控制系統(tǒng)中，利用高速、短行程臺(tái)改變最后兩個(gè)組件之間的距離，并且將這個(gè)完整的組合安 裝在具有更長(zhǎng)行程的第二臺(tái)上，以改變前兩個(gè)組件之間的間距。這樣的布置可允許輸出光 束的準(zhǔn)直的非常快速的變化，從而可使焦斑軸向移動(dòng)以跟隨不規(guī)則的襯底表面；并且，這樣 的布置可允許光束直徑的較低速變化，從而允許焦斑直徑的改變。圖 8圖8示出了適合實(shí)現(xiàn)上述布置的設(shè)備的第一實(shí)施例。激光單元81發(fā)射一小直徑 光束82，該光束穿過由伺服電動(dòng)機(jī)控制的3-組件望遠(yuǎn)鏡83，例如圖4，5或6中所示的類 型，該望遠(yuǎn)鏡使光束的直徑增大并控制其準(zhǔn)直。然后該光束通過轉(zhuǎn)向鏡84傳播到聚焦透鏡 85。透鏡85使光束聚焦到襯底86的表面上，該襯底86安裝在一對(duì)正交的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 線性臺(tái)87上。臺(tái)87使襯底86在與激光束垂直的平面內(nèi)二維移動(dòng)，從而使激光焦斑可在襯 底86的整個(gè)區(qū)域上移動(dòng)。主控計(jì)算機(jī)88將合適的信號(hào)發(fā)送給激光單元81以控制功率、能 量或重復(fù)率，發(fā)送給臺(tái)控制器89以在兩個(gè)軸上移動(dòng)襯底，發(fā)送給望遠(yuǎn)鏡控制單元810以控 制進(jìn)入聚焦透鏡85的光束的直徑和準(zhǔn)直。以這種方式，該系統(tǒng)可在平坦襯底86的表面上 執(zhí)行各種直寫激光處理，并且在處理期間，可以根據(jù)需要連續(xù)或間歇地改變激光斑點(diǎn)的尺 寸和激光功率(或其他激光參數(shù))。對(duì)于襯底非平坦的情況，將一個(gè)襯底表面高度傳感器接 附到透鏡裝置上，以記錄從襯底表面86到透鏡85的距離的變化。許多不同類型的襯底高 度傳感器是可用的，如利用光學(xué)的、機(jī)械的、超聲的或電氣的距離測(cè)量手段。圖中示出了一 種光學(xué)高度傳感器。激光二極管單元811使一束光射到臨近光束焦點(diǎn)位置的襯底表面86 上。從襯底表面86被反射或散射的激光二極管的輻射被傳感器單元812接收。該單元使 襯底表面86上的激光二極管斑點(diǎn)在線性位置探測(cè)器或2D光學(xué)傳感器(例如CCD照相機(jī)) 中成像。隨著從襯底表面86到透鏡85的距離的改變，在傳感器812中成像的斑點(diǎn)的位置 隨之移動(dòng)，并產(chǎn)生一個(gè)與襯底和透鏡之間的距離相關(guān)的信號(hào)。該數(shù)據(jù)被傳送到主控計(jì)算機(jī) 88，并在主控計(jì)算機(jī)88中被處理然后被傳送到望遠(yuǎn)鏡控制單元810，以使望遠(yuǎn)鏡83中的可 移動(dòng)組件變化。以這種方式，該系統(tǒng)可在非平坦的襯底86的表面上執(zhí)行直寫激光處理，并 且在處理期間，可以使激光焦斑一直精確地保持在表面上。在處理期間，焦斑尺寸和激光功 率(或其他激光參數(shù))可根據(jù)需要而被連續(xù)地或間歇地改變。圖 9圖9示出了適合實(shí)現(xiàn)上述布置的設(shè)備的第二實(shí)施例。激光單元91發(fā)射一小直徑光 束92，該光束穿過由伺服電動(dòng)機(jī)控制的3-組件望遠(yuǎn)鏡93，例如圖4，5或6中所示的類型， 該望遠(yuǎn)鏡使光束的直徑增大并控制其準(zhǔn)直。該光束射向一個(gè)雙軸光束掃描單元94，然后穿 過掃描聚焦透鏡95。透鏡95使該光束聚焦到襯底96的表面。雙軸光束掃描單元94使焦 斑在襯底96的全部或部分區(qū)域上二維移動(dòng)。主控計(jì)算機(jī)97將合適的信號(hào)發(fā)送給激光單元91以控制功率、能量或重復(fù)率，發(fā)送給掃描控制器98以在兩個(gè)軸上移動(dòng)光束，發(fā)送給望遠(yuǎn) 鏡控制單元99以控制進(jìn)入聚焦透鏡95的光束的直徑和準(zhǔn)直。以這種方式，該系統(tǒng)可在平 坦襯底95的表面上執(zhí)行各種直寫激光處理，并且在處理期間，可以根據(jù)需要連續(xù)或間歇地 改變激光斑點(diǎn)的尺寸和激光功率或其他激光參數(shù)。對(duì)于大于透鏡95的掃描場(chǎng)的襯底，襯底 96可被安裝在線性臺(tái)(如圖8所示)上，整個(gè)襯底區(qū)域以步進(jìn)模式和掃描模式被處理。對(duì) 于襯底非平坦的情況，將一個(gè)襯底表面高度傳感器接附到透鏡裝置上，以記錄從襯底表面 96到透鏡95的距離的變化，并將該信息饋送給系統(tǒng)控制器97，以允許對(duì)望遠(yuǎn)鏡和光束校準(zhǔn) 進(jìn)行改變(該高度傳感器在圖9中未示出)。通過該傳感器，該系統(tǒng)可在非平坦襯底的表面 上執(zhí)行直寫、步進(jìn)和掃描激光處理，并且激光焦斑軸向移動(dòng)，以使激光焦斑精確地聚焦到每 一個(gè)掃描區(qū)域的表面上。因此上述布置提供了一種以寬度變化，或以多個(gè)限定的不同寬度直寫線條結(jié)構(gòu) 的方法，該方法執(zhí)行的方式是通過動(dòng)態(tài)改變激光束的直徑和準(zhǔn)直，激光燒蝕或固化襯底上 的材料，在單個(gè)的連續(xù)或步進(jìn)方式處理操作中通過使聚焦激光束在不連續(xù)襯底的表面上移 動(dòng)，從而使焦斑尺寸改變且總是保持定位在襯底表面，以使聚焦深度最大化，并且在襯底表 面與聚焦透鏡之間的距離發(fā)生變化的情況下，該方法包括a.沿光軸引導(dǎo)激光束；b.將透射型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)放置于該光軸上，該望遠(yuǎn)鏡包括至少3個(gè)光學(xué)元件， 其中至少兩個(gè)元件可在伺服電動(dòng)機(jī)的作用下獨(dú)立地沿光軸移動(dòng)；c.將激光束聚焦透鏡放置于光軸上光學(xué)望遠(yuǎn)鏡之后；d.將襯底盡可能與光軸垂直地放置，并盡可能靠近聚焦透鏡的標(biāo)稱(nominal)焦 平面；e.調(diào)整望遠(yuǎn)鏡中可移動(dòng)組件的位置，以設(shè)置使激光焦斑具有第一直徑并精確地定 位于襯底表面上；f.在襯底表面上的材料中，通過使焦斑相對(duì)于與光軸垂直的平面內(nèi)的襯底作相對(duì) 運(yùn)動(dòng)，以第一寬度值燒蝕或固化線條結(jié)構(gòu)；g.在光束相對(duì)于襯底運(yùn)動(dòng)期間，或在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間之后的間歇，改變望遠(yuǎn)鏡中可 移動(dòng)組件的位置，以改變穿過透鏡的激光束的直徑和準(zhǔn)直，從而將焦斑的直徑改變到不同 的尺寸，從而將在襯底中燒蝕或固化的線條結(jié)構(gòu)的寬度改變到另一不同的限定值，并且還 使焦斑的位置保持在襯底表面上；h.定期地測(cè)量從襯底表面到聚焦透鏡之間的距離，并利用該數(shù)據(jù)改變望遠(yuǎn)鏡中可 移動(dòng)組件的位置，從而使焦斑的位置保持在襯底表面上，同時(shí)保持焦斑直徑和相應(yīng)的在襯 底中被燒蝕或固化的線條結(jié)構(gòu)的寬度恒定；所述布置提供了一種可實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，包括a.激光單元；b.由伺服電動(dòng)機(jī)控制的可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元；C.激光束聚焦透鏡；d.用于測(cè)量從聚焦透鏡到襯底表面的距離的裝置；和e.快速控制系統(tǒng)，將望遠(yuǎn)鏡中可調(diào)整組件的運(yùn)動(dòng)與激光焦斑在襯底表面的位置和 從聚焦透鏡到在上述位置襯底表面的距離相聯(lián)系起來。
權(quán)利要求
1.用于控制形成于襯底上的激光束焦斑的尺寸的裝置包括a.激光單元；b.用于獨(dú)立地改變從所述激光單元接收的激光束的直徑和準(zhǔn)直的可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單 元，其至少包括第一、第二和第三光學(xué)組件，第一和第二光學(xué)組件可相對(duì)于第三光學(xué)組件移 動(dòng)，從而能夠獨(dú)立地改變第三光學(xué)組件與第一、第二光學(xué)組件之間的距離；c.聚焦透鏡，用于使從可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元接收的激光束聚焦于襯底表面；d.距離傳感器，用于測(cè)量聚焦透鏡和襯底表面之間的距離；和e.控制系統(tǒng)，用于根據(jù)距離傳感器的輸出控制所述第一和第二光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)，以獨(dú) 立地改變聚焦透鏡接收的激光束的直徑和準(zhǔn)直，借此可控制聚焦透鏡形成的焦點(diǎn)的直徑， 并且可控制焦點(diǎn)的軸向位置(沿光軸方向)，由此可使焦斑保持在襯底表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括伺服電動(dòng)機(jī)，用于使第一和第二光學(xué)組件相對(duì)于 第三光學(xué)組件移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中第三光學(xué)組件位于第一和第二光學(xué)組件之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中第三光學(xué)組件包括一個(gè)會(huì)聚透鏡(或多個(gè)透鏡元 件一起提供一個(gè)會(huì)聚組件)，第一和第二光學(xué)組件中的每一個(gè)包括發(fā)散透鏡(或多個(gè)透鏡 元件一起提供一個(gè)發(fā)散組件)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中第三光學(xué)組件被安置于接收來自激光單元的 激光束的位置，然后第三光學(xué)組件將該激光束先后傳送到第二、第一光學(xué)組件，第三和第二 光學(xué)組件中的每一個(gè)包括一個(gè)發(fā)散透鏡(或多個(gè)透鏡元件一起提供一個(gè)發(fā)散光學(xué)組件)， 第一光學(xué)組件包括一個(gè)會(huì)聚透鏡(或多個(gè)透鏡元件一起提供一個(gè)會(huì)聚光學(xué)組件)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的裝置，其中第三光學(xué)組件被固定，第一和第二光學(xué)組件 中的每一個(gè)可朝向或遠(yuǎn)離第三光學(xué)元件移動(dòng)。
7.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，包括一個(gè)掃描器，用于在襯底表面上掃描 激光束焦斑(或者反過來)。
8.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其中所述距離傳感器被設(shè)置為感應(yīng)聚焦透 鏡和襯底表面之間距離的改變，并將該信息提供給控制系統(tǒng)，以對(duì)可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行合 適的調(diào)整，借此使激光束焦斑能夠精確地保持在襯底表面上。
9.根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置，其中控制系統(tǒng)被設(shè)置為控制激光單元的功 率、能量和/或重復(fù)率，并控制第一和第二光學(xué)組件的移動(dòng)，以連續(xù)或間歇地改變激光束焦 斑的尺寸和/或激光功率，同時(shí)使激光束焦斑精確地保持在襯底表面上。
10.一種控制形成于襯底上的激光束焦斑尺寸的方法，該方法包括a.使激光束穿過至少包括第一、第二和第三光學(xué)組件的可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，使第一和第 二光學(xué)組件相對(duì)于第三光學(xué)組件移動(dòng)，以獨(dú)立地改變第三光學(xué)組件與第一和第二光學(xué)組件 之間的距離，并由此獨(dú)立地改變激光束的直徑和準(zhǔn)直；b.使從可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡傳來的激光束穿過聚焦透鏡，以使激光束聚焦到襯底表面上；c.測(cè)量聚焦透鏡和襯底表面之間的距離；和d.根據(jù)所述距離控制所述第一和第二光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)，以獨(dú)立地改變聚焦透鏡接收的 激光束的直徑和準(zhǔn)直，借此可控制聚焦透鏡形成的焦點(diǎn)的直徑，并且還可控制該焦點(diǎn)的軸 向位置(沿光軸方向)，從而使焦斑保持在襯底表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中激光束焦斑尺寸的控制主要通過改變由可變光 學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元輸出的激光束的直徑來實(shí)現(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中聚焦透鏡形成的焦點(diǎn)的軸向位置(沿光 軸)的控制主要通過改變由可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元輸出的激光束的準(zhǔn)直來實(shí)現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的方法，其中在襯底表面上激光束焦斑被掃描，并且 第一和第二光學(xué)組件的位置被動(dòng)態(tài)調(diào)整，以連續(xù)地或間歇地改變激光束焦斑的尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中具有第一寬度的線條結(jié)構(gòu)被燒蝕或固化于襯底 表面，第一和第二光學(xué)組件的位置被調(diào)整且具有第二寬度的線條結(jié)構(gòu)被燒蝕或固化于襯底 表面，同時(shí)使激光束焦斑相應(yīng)地保持在襯底表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任意一個(gè)所述的方法，其中感測(cè)聚焦透鏡和襯底表面之間 距離的改變，且根據(jù)這些改變來控制第一和第二光學(xué)組件的移動(dòng)，從而使激光束焦斑能夠 精確地保持在襯底表面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方法和裝置，其允許當(dāng)光束在襯底表面上移動(dòng)的同時(shí)，在平坦襯底表面上被聚焦激光束燒蝕或固化的精細(xì)線條結(jié)構(gòu)的寬度動(dòng)態(tài)變化，并且同時(shí)使光束焦點(diǎn)精確地保持在該表面上。使用一個(gè)3-組件可變光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其通過相對(duì)于第三光學(xué)組件移動(dòng)第一和第二光學(xué)組件，來獨(dú)立地控制光束直徑和準(zhǔn)直。該方法可快速地選擇不同的焦斑直徑和不同的燒蝕或固化線條寬度，并確保光束在焦斑處的形狀恒定，以及確保聚焦深度總是最大化。
文檔編號(hào)G02B27/09GK102084282SQ200980120728
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
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