專利名稱：燒蝕工藝及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燒蝕工藝及其裝置，用于通過脈沖激光束從工件清除材料并用于控制顆粒形式的碎屑和該工藝產(chǎn)生的燒蝕產(chǎn)品。具體地，涉及使用激光從例如用于制造平面顯示器(FPD)或太陽電池板的大塊基體去除，雕刻或清除有機，無機或金屬材料薄膜，和在大面積聚合物板表面激光燒蝕出復雜的高密度的3D結(jié)構(gòu)，以便形成制造透鏡陣列、擴散器和其他用于顯示單元的器件的母體。
背景技術(shù)：
通過脈沖激光束的直接燒蝕工藝結(jié)構(gòu)化材料是廣泛用于在(但不限于)醫(yī)藥、汽車、太陽能、顯示器和半導體工業(yè)中生產(chǎn)精密器件的非常成型的技術(shù)。
燒蝕工藝涉及將材料表面暴露于一個或多個由脈沖激光源產(chǎn)生的強輻射脈沖。如果激光波長使得輻射被材料頂層強烈吸收且能量密度足夠高到使得吸收的能量可使頂層溫度上升超過材料熔點，那么在這種情況下，材料頂層發(fā)生分解并變成從表面膨脹的氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)顆粒副產(chǎn)物。燒蝕工藝發(fā)生的基本要求是足夠的能量在足夠短的時間被材料吸收，使溫度快速上升到使得材料分解的點。
對燒蝕較厚材料，取決于能量密度、激光波長和材料吸收系數(shù)，各激光脈沖清除50納米和數(shù)微米之間的材料。各脈沖以相同的方式作用，使得在連續(xù)脈沖部分后可清除接近1毫米的材料。燒蝕的材料通常轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)材料，但在許多情況下，還包括液態(tài)和固態(tài)成分。
對于材料薄膜，燒蝕工藝有所不同。當薄膜沉積在不同材料制成的基體頂部且膜厚度較小時(即小于1微米)，燒蝕可以用兩個方法之一來實現(xiàn)。如果薄膜可強烈吸收激光輻射，則輻射不能穿透到下面的基體，而是在薄膜內(nèi)吸收。薄層內(nèi)的這種強烈吸收使得薄膜溫度快速上升，熱量傳導到底側(cè)，使得薄膜和下面基體之間的粘接破壞。該過程發(fā)生在薄金屬膜。這種情況下，金屬以顆粒和液體混合物形式在一個激光脈沖中被清除。
在薄膜對激光輻射是全部或部分透明并且下面的基體比薄膜更強烈吸收輻射的情況下，在兩層之間界面的下面基體頂面吸收能量，使得溫度快速上升并燒蝕頂層。在這種情況下，清除的頂層一般分解為尺寸范圍在亞微米到數(shù)十微米的顆粒。
如果下面的基體材料對激光輻射是透明的而薄膜吸收激光輻射，則有時使激光束直接經(jīng)基體到達基體/薄膜界面是有利的。在這種情況下，薄膜常常僅在一個中等能量密度的激光照射就與基體分層。所有激光燒蝕材料工藝均導致產(chǎn)生可以是氣態(tài)，液態(tài)或固態(tài)形式的大量燒蝕產(chǎn)物。這些產(chǎn)物包括原子、分子、團組、，顆粒，聚合物鏈、小和大材料片、液滴和噴氣及其他形式。下文中我們把這種材料稱為燒蝕碎屑?？刂茻g碎屑是個大問題，必須減小燒蝕碎屑到基體表面的沉積以避免污染。具體在用于FPD制造的薄膜燒蝕的情況下，其中直接激光燒蝕工藝代替了濕法化學或等離子蝕刻工藝(其中微粒污染不容易發(fā)生)，激光燒蝕FPD生產(chǎn)工藝過程中，燒蝕碎屑重新沉積到基體表面互鎖拿過是不能容忍的。本發(fā)明的目的是控制燒蝕碎屑從基體表面的流動并減小其到基體上的重新沉積。
已經(jīng)使用各種方法試圖捕獲和控制在激光燒蝕工藝過程中產(chǎn)生的燒蝕碎屑。大部分方法依靠接近正在燒蝕的表面的某種類型氣體流。氣流通常沿著表面引導，可通過在區(qū)域一側(cè)吹氣并在另一側(cè)強烈抽氣來形成。所使用的氣體通常是空氣，但在某些情況下，也可使用其他的氣體，如氦氣、氧氣或氬氣。在所有情況下，氣體流用于使移動的燒蝕碎屑改變方向，并可引導燒蝕碎屑離開關(guān)鍵區(qū)域或最好使燒蝕碎屑完全從基體區(qū)域清除。該工藝依靠氣體分子和燒蝕碎屑之間的動量交換，因此需要高壓和高氣體流速來使其有效。使用重氣體如氬氣有助于這個過程。如果使用氦氣，效果是不同的，因為氦分子質(zhì)量比空氣分子小很多，所以氦氣在與燒蝕碎屑的相互作用上與空氣相比不那么高效。在這種情況下，移動的燒蝕碎屑在減速和沉積之前可從燒蝕位置行進得更遠。這樣起到使沉積的材料移動得距原始位置更遠，但不能大量減少重新沉積材料的總量的效果。
使用活性氣體，如氧氣，可減少沉積材料的數(shù)量，其中燒蝕碎屑與活性氣體反應，轉(zhuǎn)變成純氣體。示例是某些聚合物材料的燒蝕。此時，所產(chǎn)生的有機顆?？膳c氧氣反應形成純氣體，如二氧化碳或一氧化碳。
有時用流過表面的液體作為氣體流的備選方案來夾帶燒蝕碎屑。在激光燒蝕工藝過程中，引導水或其他液體的薄層流過燒蝕區(qū)的表面。要求該層較薄使其不會吸收或干擾進入的激光束，并且一般由位于燒蝕區(qū)一側(cè)的某種霧化噴嘴形成。這樣的系統(tǒng)最近在“清潔激光加工(Clean Laser Machining)”(2003年5月的Industrial LaserSolutions)中給出介紹。流過基體表面的流體收集到保持基體的夾具周圍的某種管路。
上面所列舉的方法利用了在表面上導引的無約束氣體或液體流。這種用法在清除燒蝕碎屑上的效力有效，因為不能完全捕獲碎屑，重新沉積到基體的其他區(qū)域經(jīng)常發(fā)生。燒蝕的碎屑被簡單地吹到或流到基體的另外區(qū)域，在此其重新沉積。液體流方法的另一個嚴重缺點是不適合處理與制造FPD相關(guān)的大基體，因為在這種情況下，基體的固定夾具可能非常大，任何容水管路距燒蝕點都有很大距離。結(jié)果是，燒蝕碎屑可能從流體流重新沉積到基體上。
本發(fā)明的目的是消除這些限制，并且在沒有明顯重新沉積到表面上的情況下從任何尺寸的基體表面清除燒蝕碎屑。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種燒蝕處理方法，其包括利用激光束3對基體1的區(qū)域進行燒蝕的步驟，其特征在于，還包括另外的步驟利用流體流7，即氣體或蒸氣、液體或其組合，清除從區(qū)域1燒蝕的碎屑，其中引導流體流7在該區(qū)域上流動，以便夾帶上述碎屑，然后通過引導帶有夾帶碎屑的流體流沿預定路徑6遠離區(qū)域，從該區(qū)域清除夾帶碎屑，避免夾帶碎屑后續(xù)沉積到基體上。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的第一優(yōu)選形式，該燒蝕方法的特征在于，受引導的流體流7由氣體組成。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面或第一優(yōu)選形式的第二優(yōu)選形式，該燒蝕方法的特征在于，使受引導的流體流7基本正交于區(qū)域流動。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面或前面的任何優(yōu)選形式的第三優(yōu)選形式，該燒蝕工藝的特征在于，使受引導的流體流7橫向于區(qū)域流動。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種使激光能夠燒蝕基體區(qū)域的裝置，其特征在于，位于激光束3的聚焦或成像透鏡2和基體區(qū)域1之間的部分封閉的碎屑提取模塊(DEM)4，該DEM 4具有輸入端口8和輸出端口6，通過該端口流體流(即氣體或蒸氣、液體或其組合)在區(qū)域1上流過，以便夾帶從區(qū)域燒蝕的碎屑，其后通過使帶有夾帶碎屑的流體流體沿預定的路徑遠離區(qū)域通過的機構(gòu)從區(qū)域清除夾帶碎屑，防止夾帶碎屑后續(xù)沉積在基體上。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的第一優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，受引導的流體流7由液體組成。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或第一優(yōu)選形式的第二優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，所述機構(gòu)4、6使受引導的流體流基本正交于區(qū)域流動。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第三優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，所述DEM 4由對激光束3透明的窗口5在接近透鏡2的側(cè)面封閉。該窗口5通常設(shè)有用于清除沉積在窗口5上的碎屑擦拭機構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第四優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，DEM 4由位于透鏡2的光闌點上的板12在最靠近透鏡2的側(cè)面封閉，該板12設(shè)有孔或孔的陣列，允許激光束13通入DEM 4到達區(qū)域1。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第五優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，在DEM 4`和基體1之間設(shè)置了間隙G`，以便允許流體流進入DEM 4`并在該區(qū)域的至少一部分上流過DEM 4`通常安裝在可移動的滑塊，在基體(1)移動過程中，通過連接到滑塊的適當基體表面位置傳感器，使設(shè)置在DEM 4`的下緣5的間隙保持恒定。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第六優(yōu)選形式，該裝置的特征在于DEM 4`附著到在基體1上浮動的空氣盤。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第七優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，利用泵使流體進入DEM產(chǎn)生通過DEM 4的流體流。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第八優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，利用泵從DEM 4抽取流體產(chǎn)生流過DEM 4的流體流。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面或前面的任何優(yōu)選形式的第九優(yōu)選形式，該裝置的特征在于，氣體輸入端口8位于DEM 4偏離區(qū)域1的區(qū)域內(nèi)，以提供用于清除沉積在窗口的碎屑的氣體流。
在燒蝕領(lǐng)域的許多方面本發(fā)明都具有顯著的優(yōu)越性。在氣體流的情況下，如果氣體流設(shè)置成基本正交遠離基體表面而不是橫跨表面導引的話，可使燒蝕碎屑清除的效率明顯提高。這種情況可通過引導氣體向內(nèi)流過完全圍繞燒蝕位置的表面和在該位置上方強烈抽氣來實現(xiàn)。實際應用中可通過構(gòu)建適當?shù)亩ㄎ怀沙涮罨w和用于曝光基體的激光束聚焦或成像透鏡之間的空間的某些部分的單元來實現(xiàn)。該單元在頂側(cè)由對激光束透明的窗口密封并且其底緣接近基體的表面。該單元附著到保持透鏡的裝置上，從而基體可在單元下自由移動。該單元通過抽吸泵部分抽真空，使得氣體通過接近基體的間隙吸入。通過這種方式，向內(nèi)引導的強烈表面流轉(zhuǎn)換成從表面清除燒蝕碎屑的向上的流。如果該流動足夠強，可在任何重新沉積的情況下從表面清除大部分的燒蝕碎屑物。下面將這種上位型單元稱作碎屑提取模塊(DEM)。
除了強大的抽吸連接，DEM可設(shè)有另外的氣體進入端口，以輔助從基體清除碎屑，并具有其他功能，如防止碎屑沉積到位于DEM頂部的窗口上。
很清楚許多氣體或蒸氣可用于DEM內(nèi)作為靠近基體向內(nèi)的流或靠近窗口的流，但在許多情況下，從方便和成本考慮適合的氣體是空氣。
DEM設(shè)計的關(guān)鍵方面是其下緣和基體之間的距離必須總是保持恒定，即使在基體橫向移動和基體可能不平時，以保持恒定的氣體流條件。由于聚焦或成像透鏡也需要保持距離基體固定的距離，將DEM附著到和透鏡一樣的的固定機構(gòu)上使得在運動過程中二者可追蹤不平基體的表面是有用的。存在若干用于保持透鏡和DEM距基體頂部恒定距離的機構(gòu)，其包括機械的、光學的、氣動的、超聲波的、電容式的和其他的傳感器系統(tǒng)。如果這些器件附著到DEM的下表面并且DEM和透鏡附著到伺服電動機驅(qū)動的滑塊上，則反饋回馬達的傳感器信號可用來保持DEM下緣和透鏡距基體的距離總是保持恒定。
還存在另一種保持DEM(和透鏡)距基體恒定距離的方法。該方法依賴使用空氣盤，如專利申請PCT/GB2004/001432所介紹的那些空氣盤。在本示例中，DEM和透鏡附著到在基體上浮動空氣盤的頂部，所以可總是保持它們和基體之間的距離恒定。
該方法具有的主要優(yōu)點是不需要單獨的高度傳感器件和伺服系統(tǒng)控制的DEM和透鏡移動系統(tǒng)。因為有空氣盤，當盤下表面和基體之間的空氣層自動保持處于相同厚度時，DEM和透鏡組件總能遵循基體表面形狀，達到很高的精度水平。這樣的系統(tǒng)對用于制造FPD器件的大面積基體的加工是很理想的，其中的玻璃基體的厚度變化可達到毫米的分數(shù)。
在DEM附著到空氣盤的最簡單的情況下，在下側(cè)進入該單元使得向上的流通過燒蝕區(qū)域和夾帶燒蝕碎屑的氣體來源于受引導進入空氣盤的管路形成空氣懸浮層的空氣流。在這種情況下沿向內(nèi)方向從中空的空氣盤的下側(cè)逸出的部分空氣被附著到DEM頂部附近的強抽氣泵向上抽取。這種方法簡單但受到可移動到空氣盤內(nèi)空氣容積的限制。這導致不那么有效的向上的空氣流，使得燒蝕碎屑提取的效率受到限制。
為了克服這個限制，提出在空氣盤設(shè)置用于引導另外的空氣(或其他氣體)到中空盤的中心的端口。該端口設(shè)置成可引導流徑向向內(nèi)從盤的外部到內(nèi)部，其形狀加工成可使它們輸出到盤內(nèi)部的氣體非常接近基體表面釋放，并且以非常小的角度引導到表面。通過這個方法，使得氣體在向內(nèi)的方向上沿表面朝燒蝕區(qū)高速流動。當氣體移動到盤的中空心部時，施加到DEM上的吸力使得該流從徑向向內(nèi)改變成向上，以便能夠更加有效地夾帶向上移動的燒蝕碎屑。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燒蝕工藝產(chǎn)生的碎屑在數(shù)量和尺寸上有所變化，通過增加氣體流來增強夾帶碎屑可更有效地清除某些類型碎屑。安裝到空氣盤的DEM可具有另外的氣體進入和排出端口以改進從基體清除碎屑，并減少碎屑重新沉積到DEM窗口。端口可通過連接到適當?shù)谋没驂嚎s機來輸送空氣或氣體到基體，或者備選通過連接到抽吸泵的端口清除氣體。
在掃描操作模式下，盤的端口設(shè)置成可選擇性地沿基體表面在平行、傾斜或正交于基體運動的方向上引導氣體或空氣流。在燒蝕碎屑清除效率與相對移動基體的氣體流動方向有關(guān)的情況下，該方向可通過打開和關(guān)閉適當?shù)拈y門以便交替地連接端口以輸入或提取氣流來改變。備選地，整個盤組件可轉(zhuǎn)動，以便相對基體的運動正確地對準端口。
現(xiàn)在討論所提出的DEM的其他特征。激光窗口位置可位于各種不同的位置。在某些情況下，使窗口位于接近透鏡底側(cè)的DEM頂側(cè)是有利的，可使得DEM幾乎完全占據(jù)透鏡和基體之間的空間。在另外的情況下，使窗口位于透鏡和基體之間的中間位置是有利的。位置的選擇通常取決于透鏡和基體之間的激光束的形狀。當透鏡聚焦光束時，光束尺寸接近于基體時非常小，使窗口的位置遠離基體是很重要的，以避免激光的高能量造成損害。另一方面，當透鏡投影大圖像時，尤其是當透鏡是遠心型時，窗口位置可接近基體表面，不存在對激光束造成損害的危險。
為了允許在無需維修的情況下長時間地操作DEM，防止燒蝕碎屑沉積在DEM內(nèi)是重要的。如果這種情況發(fā)生，沉積的碎屑可能會落到基體上。因而，DEM優(yōu)選設(shè)計成具有沒有臺階、間斷或突然的尺寸變化的平滑內(nèi)表面。這樣DEM設(shè)計允許氣體無阻礙的流動和減少碎屑沉積在單元內(nèi)的危險。
盡管采取了這些措施，由于靠近DEM壁時氣體流動速度較低，仍存在一些碎屑從氣流沉積到DEM壁上的可能性。為了防止這些材料落回到基體上，DEM構(gòu)建成沒有直接路徑供碎屑從DEM壁落到基體。通過采用適當設(shè)計的反向傾斜表面或臺階可得到這個效果。
由于激光束必須穿過DEM的窗口，減少在窗口上沉積的碎屑是重要的。這通常通過校正接近窗口的輸入氣體流實現(xiàn)，但仍然存在一些沉積。在這樣的情況下，通過將窗口配置位可以移動使窗口的污染部分離開激光束并由清潔的部分來代替以延長DEM的使用壽命是重要的。這樣的移動可通過手動或自動進行。
可設(shè)置內(nèi)置的窗口清潔系統(tǒng)來延長DEM的壽命。這樣的系統(tǒng)可基于移動刮片或由窗口的污染側(cè)定期在其上移動的靜止刮片組成。在另外一種形式中，設(shè)置了電動或手動驅(qū)動的一組窗口，一個窗口定位成用作工作窗口，同時組內(nèi)的其余窗口進行清潔。
在某些情況下，當激光束的直徑較小，DEM占據(jù)了透鏡和基體之間大部分空間時，可以用帶有孔或洞的不透明板來代替透明窗口。如果孔的尺寸適中(正好大于板上的光束尺寸)并且施加到DEM的吸力足夠時，則形成接近基體的向上氣體流以及通過孔的向下氣體流，以保證顆粒碎屑從基體清除且不會到達透鏡。
在透鏡是投影透鏡而非遠心透鏡的情況下，激光束在透鏡和基體之間的某個位置形成焦點。該位置稱作光闌點。在大部分情況下，在這種光闌點的激光束尺寸較小，因此位于該點的密封DEM頂部的板只需小孔。這種情況下，孔對DEM塊內(nèi)的氣體流的影響很小。
如果采用多元件透鏡系統(tǒng)在透鏡進行投影的掩模(或孔)之前對光束進行均勻化，則位于光闌位置的光束不再是單個焦斑，而是由焦斑陣列組成。焦斑的數(shù)量等于通過多元件均勻化光學系統(tǒng)形成的通常稱作“波束泄出”的數(shù)量。該數(shù)量通常從數(shù)個到100或更多之間，可使用任何實際的焦斑數(shù)量。在這種情況下，密封DEM的頂部的板具有適當尺寸并且間隔為允許所有的波束泄出通過的孔陣列。所需要的孔尺寸取決于激光束的離散程度以及透鏡的焦距，對于大部分激光基本上小于1毫米。
當激光器是多模的時，如超紫外受激準分子激光器或近紅外固體激光器，最經(jīng)常發(fā)生DEM的頂部被位于光闌位置的具有孔陣列的板密封的情況。對于這樣的激光器，通常使用將光束分成多個波束泄出，以形成均勻投影圖案的光束均勻化系統(tǒng)。
在某情況下，允許進入DEM然后從DEM提取的空氣或其他氣體容納于封閉循環(huán)流動回路系統(tǒng)。在這樣的情況下，可方便地在流動回路中設(shè)置泵和過濾器單元以帶走燒蝕的顆粒。在其他情況下，最好可自由地將從DEM提取的空氣或其他氣體排出，而不是返回到DEM。這種情況下，提供新鮮的氣體或空氣到DEM。
安裝到空氣盤或通過其他方法保持其位置的DEM可在幾乎任何方位操作?？梢栽诨w是垂直而光束是水平的條件下操作DEM。其他方位也可以，包括使基體處于垂直和水平之間的任何角度。
還可以在基體是水平的而光束從下向上垂直引導的條件下操作DEM。當要燒蝕的材料沉積到對激光輻射透明的基體時，如果適合，激光束可通過基體照射薄膜。在這種情況下，DEM可位于基體的一側(cè)，而激光束位于另一側(cè)。在水平條件下，激光束可從頂部進入向下穿過基體。DEM這時位于基體下面，捕獲從下表面燒蝕的的碎屑。備選的，光束可從基體下面向上照射并造成上表面的燒蝕，產(chǎn)生碎屑。在后一種情況下，DEM位于頂部。在這兩種情況下，激光束不穿過DEM，所以不需要窗口或帶孔的激光束通過板。
液體流燒蝕下面提出源于在基體上使用液體薄層的改進。這種情況下，液體總是夾在窗口和基體之間。液體層的厚度不必很薄，并且可以充填基體和透鏡之間的整個空間，如果液體層相當薄，處于毫米分數(shù)到1或2毫米之間的范圍，預期會有更有效地夾帶和清除燒蝕碎屑。
窗口與透鏡一樣連接到同一固定機構(gòu)，并且二者通過由檢測基體頂部位置的適當傳感器裝置促動的伺服電動機驅(qū)動滑塊保持距基體恒定距離處?；w和窗口之間的間隙因此總是保持恒定。該間隙形成液體經(jīng)其通過以便清除燒蝕工藝過程產(chǎn)生的顆粒的單元或DEM。DEM的橫向尺寸一般稍大于激光束占據(jù)的尺寸。對于成像的光束，該尺寸可達到20毫米。對于掃描光學系統(tǒng)，該尺寸可稍大。DEM的形狀可以是圓形、正方形、矩形或任何其他適當形狀，并可很好地配合基體上的光束形狀。液體注入DEM的一側(cè)并在另一側(cè)抽取，使得在窗口和基體之間形成橫跨DEM的液流。該液體夾帶走燒蝕碎屑并將其從燒蝕區(qū)域清除。
這樣的系統(tǒng)類似于已提出用于浸入式光刻的方法，其中晶片分檔器或掃描器的成像透鏡之間的間隙用液體充填，以改進光學分辨率和景深。在這種情況下，基體通常是涂附抗蝕劑的晶片，透鏡在其上形成的輻射圖案使抗蝕劑曝光，抗蝕劑后續(xù)進行顯影并形成結(jié)構(gòu)。這種情況下，光強度非常低，所以不發(fā)生抗蝕劑的直接燒蝕，并且因而不會產(chǎn)生燒蝕碎屑。在最壞的情況下，在曝光過程中釋放一些氣體。該氣體夾帶于液體中并被清除。
我們在本申請中所提出的發(fā)明特別針對激光束強度高到足以直接燒蝕材料并形成燒蝕碎屑的情況。因為液體被DEM窗口污染，可能使得本發(fā)明不適合在燒蝕過程中產(chǎn)生較大壓力的情況。這是聚合物的高能量低密度照射的情況。如果燒蝕工藝過程中由形成的氣體產(chǎn)生高壓，可能干擾液體流并可能損壞DEM窗口。在以中等或低能量密度下使有機或無機材料薄層與下面的基體分離的情況下，本發(fā)明非常重要。在這種情況下，很少或無氣體形成并無壓力產(chǎn)生，而且液體流和單元不受干擾。這種情況出現(xiàn)在例如通過激光圖案化的FPD內(nèi)形成的材料薄層。
由于DEM窗口接近基體時，很明顯該液體單元發(fā)明不適合激光束聚焦于窗口并具有很小尺寸的情況。在成像尺寸較大并且燒蝕材料薄層所需能量密度較低時，本發(fā)明是適合的。
因此當窗口直接連接到透鏡以及窗口(和透鏡)在窗口和基體之間液體薄層上浮動時，可以考慮上面介紹類型的DEM。這類似于空氣盤和上面討論的DEM，但在這種情況下，液體單元同時執(zhí)行浮動和DEM功能。
上面討論的DEM發(fā)明中的氣體和液體形式可與其波長在遠紅外(如10.6微米)到超紫外(如157納米)的范圍的任何類型的激光系統(tǒng)一起使用。主要要求必須是光學輻射能在沒有明顯損失的情況下通過窗口材料，并且對于液體情況，液體必須對激光輻射是透明的。一般預期這些發(fā)明將主要用于波長范圍在193納米到1.06微米的激光。在這個范圍內(nèi)，熔融石英是理想的窗口材料，并且水是理想的液體。具體地，可以預期當使用在248納米或308納米操作的UV受激準分子激光器時，液體DEM的應用變得很重要。
DEM的氣體和液體形式可在DEM相對基體保持靜止情況下或者在存在相對運動的情況下進行操作。靜止的情況發(fā)生在當以步進或重復模式進行激光加工時。移動的情況發(fā)生在當以掃描模式進行激光加工時。


現(xiàn)在參考附圖對本發(fā)明的示例性實施例進行介紹，附圖包括為DEM示意圖的圖1到圖10。
執(zhí)行本發(fā)明的模式圖1是其中所用的流體是空氣的DEM概念的氣體形式。平面的基體1受到通過透鏡2聚焦或成像的激光束3的照射。激光束3穿過其上端由透明窗口5封閉的DEM 4并燒蝕基體1的區(qū)域R?？諝庖约叭魏螉A帶的由燒蝕工藝形成的碎屑以某種方式從DEM 4上的端口6抽取，并由通過DEM 4的下緣4A和基體1之間間隙G吸入的進氣7代替。DEM 4和透鏡2通過連接到伺服電動機驅(qū)動的滑塊機構(gòu)(未顯示)的傳感器相對基體1保持恒定位置。
圖2中，使用氣體的DEM 4設(shè)置了另外的端口8，端口8設(shè)置在DEM 4的上部，以便使氣體進入內(nèi)部。這種另外的端口8可使清潔空氣流8A保持在窗口5的下側(cè)。
圖3中，更復雜形式的使用氣體的DEM 4附著到空氣盤9，該空氣盤9通過端口10送入空氣流10A，使得盤9浮動于基體1上方，以便將間隙G保持在預定高度。
圖4中，空氣流DEM 4設(shè)置了特殊的氣體輸入端口11，以便引導另外的空氣流11A靠近燒蝕區(qū)域R進入盤9的內(nèi)部。端口11用于沿向內(nèi)方向朝燒蝕位置R引導空氣流11A并以某一適當?shù)男〗嵌然虮M可能平行于基體表面引導氣流。端口11可設(shè)置在盤9的兩個或更多個側(cè)面，或者可完全圍繞盤9。
圖5中，DEM 4’用于與透明的基體1一起使用。激光束3可透過基體1燒蝕與透鏡2所定位的側(cè)面1B相對的基體1的側(cè)面1A的區(qū)域R`的材料。在這種情況下，DEM 4`不需要激光窗口。
在圖6中，DEM 4``顯示了在圖1到圖4中描述為窗口的部件被具有孔陣列(由孔H1，H2示例)的板12代替，各個孔允許波束泄出B1、B2進入DEM 4``的內(nèi)部。板12位于透鏡光闌，在這里由上游均化器光學系統(tǒng)形成的波束泄出13通過場透鏡聚焦成焦斑陣列。這是非遠心投影透鏡可出現(xiàn)的情況。圖6中只顯示了兩個波束泄出B1，B2，但取決于均化器光學系統(tǒng)使用的透鏡的數(shù)目，位于光闌點的波束泄出和焦斑數(shù)目可達到100以上。
圖7中，氣體DEM 4設(shè)有形成為減少碎屑沉積到DEM壁上或落到基體表面的可能性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。端口6，6`配置成向下傾斜，所以一旦進入端口6，6`內(nèi)，碎屑不可能再朝DEM 4的內(nèi)部移動回去。DEM 4的直徑從底部到頂部逐漸增加，同時設(shè)有適當定位的適當泵送的碎屑容留通道14以捕獲可能從DEM 4壁上脫落的沉積碎屑。
圖8中，氣體單元4安裝在用于將激光束3水平而基體15垂直安裝于其上的空氣盤P上。在這種情況下，安裝在基體后側(cè)的第二空氣盤16用于迫使基體15靠到空氣盤P，單元4安裝在空氣盤以保持間隙G具有恒定尺寸。
圖9中，顯示了與盤12集成的DEM 11。DEM 11結(jié)合有箱體13，其上端14設(shè)有激光束L經(jīng)其沿箭頭A的方向引導通過DEM 11以及位于基體工件17的區(qū)域16的孔15的窗口。入口管路18、19設(shè)置在盤12以便使氣體(在該示例中是空氣)能夠?qū)б秊檫M入位于激光束L正在進行燒蝕的那部分區(qū)域16上方的區(qū)域20內(nèi)。然后使空氣流以及夾帶的碎屑正交于區(qū)域20流動向上通過管路21，直到進入空間22，然后通過出口端口23離開DEM。選擇入口管路18、19，區(qū)域20，空間22和出口端口23的尺寸和比例，以保證空氣流具有適當壓力差，提供優(yōu)化的清除碎屑數(shù)量。在這種情況下，管路18、19用于引導空氣流進入?yún)^(qū)域20。然而，還使得這些管路中一個管路中的流反向，以便提供從區(qū)域20沿該管路的流出物。與入口管路18，19的可兼容的另外管路沿與管路18，19的共同軸線成直角的軸線設(shè)置，以使4個入口管路圍繞區(qū)域20的周邊以90度間隔互相間隔開。
圖10中，液體DEM 4`設(shè)有接近基體1的窗口5，液體層17夾在窗口5和基體1的上表面U之間。窗口5附著到保持透鏡2的同一機構(gòu)。通過傳感器和伺服電動機驅(qū)動的滑塊機構(gòu)，使二者可以更加可控的方式相對基體表面U，以保持窗口5和基體表面U之間的間距，及透鏡2和基體U之間的間距，恒定的液體層17通過端口18引入到窗口5和基體1之間的間隙G`，并通過端口19抽取。
工業(yè)實用性本發(fā)明提供了通過其可容易并精確地進行工件上一定區(qū)域的激光燒蝕，同時燒蝕產(chǎn)生的碎屑可充分從該區(qū)域的附近清除以避免碎屑隨機沉積在工件的其他位置的方法及其裝置。
權(quán)利要求
1.一種燒蝕處理的方法，所述方法包括利用激光束(3)對基體(1)的一區(qū)域進行燒蝕的步驟，其特征在于，還包括利用流體流(7)，即氣體或蒸氣、液體或其組合，清除從區(qū)域(1)燒蝕的碎屑的另一步驟，其中引導流體流(7)在所述區(qū)域上流動，以便夾帶上述碎屑，并然后通過引導帶有任何夾帶碎屑的流體沿預定路徑(6)遠離區(qū)域從所述區(qū)域清除所述夾帶碎屑，防止夾帶碎屑后續(xù)沉積到所述基體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燒蝕方法，其特征在于所述受引導的流體流(7)由氣體組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燒蝕方法，其特征在于使所述受引導的流體流(7)基本正交于所述區(qū)域流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燒蝕方法，其特征在于使所述受引導的流體流(7)橫向于所述區(qū)域流動。
5.一種使激光能夠燒蝕基體區(qū)域的裝置，其特征在于位于激光束(3)的聚焦或成像透鏡(2)和基體的區(qū)域(1)之間的部分封閉的碎屑提取模塊(DEM)(4)，所述DEM(4)具有輸入端口(8)和輸出端口(6)，通過所述端口使得流體流(即氣體或蒸氣、液體或其組合)在所述區(qū)域(1)上流過，以便夾帶從所述區(qū)域燒蝕的碎屑，并其后通過使帶有夾帶碎屑的所述流體流沿預定路徑遠離區(qū)域通過的機構(gòu)，從所述區(qū)域清除所述夾帶碎屑，以防止夾帶碎屑后續(xù)沉積在所述基體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述受引導的流體流(7)由液體組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于所述機構(gòu)(4，6)用于使所述受引導流體流基本正交于所述區(qū)域流動。
8.根據(jù)權(quán)利要求5到7中任一項所述的裝置，其特征在于所述DEM(4)由對所述激光束(3)透明的窗口(5)在靠近所述透鏡(2)的側(cè)面封閉。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述窗口(5)具有用于清除沉積在所述窗口(5)上的碎屑的擦拭機構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于靜止的擦拭機構(gòu)，所述窗口(5)可在所述擦拭機構(gòu)上移動以清除沉積在所述窗口(5)上的碎屑。
11.根據(jù)權(quán)利要求5到8中任一項所述的裝置，其特征在于所述DEM(4)由位于所述透鏡(2)的光闌點的板(12)在最接近所述透鏡(2)的側(cè)面封閉，所述板(12)設(shè)有孔或孔的陣列，允許所述激光束(13)通入所述DEM(4)到達所述區(qū)域(1)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5到11中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述DEM(4`)和基體(1)之間設(shè)置間隙(G`)以便允許所述流體流進入所述DEM(4`)并在所述區(qū)域的至少一部分上流過。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于所述DEM(4`)安裝在可移動的滑塊上，并且在基體(1)移動過程中，通過連接到所述滑塊的適當基體表面位置傳感器，使設(shè)置在所述DEM(4`)的下緣(5)的間隙保持恒定。
14.根據(jù)權(quán)利要求5到13中任一項所述的裝置，其特征在于所述DEM(4`)附著到在所述基體(1)上浮動的空氣盤。
15.根據(jù)權(quán)利要求5到14中任一項所述的裝置，其特征在于通過利用泵使流體進入所述DEM產(chǎn)生流過所述DEM(4)的流體流。
16.根據(jù)權(quán)利要求5到14中任一項所述的裝置，其特征在于，通過利用泵從所述DEM(4)抽取流體產(chǎn)生流過所述DEM(4)的流體流。
17.根據(jù)權(quán)利要求5到16中任一項所述的裝置，其特征在于氣體輸入端口(8)位于所述碎屑提取模塊(4)的偏離所述區(qū)域(1)的區(qū)域內(nèi)，以提供用于清除沉積在所述窗口上的碎屑的氣體流。
18.根據(jù)權(quán)利要求5到17中任一項所述的裝置，其特征在于所述輸入端口或各輸入端口使得流入的流體流能夠在朝向所述區(qū)域的徑向向內(nèi)的方向上流動。
19.根據(jù)權(quán)利要求5到18中任一項所述的裝置，其特征在于所述DEM的內(nèi)部是平滑的并且沒有影響所述流體流的間斷。
20.根據(jù)權(quán)利要求5到19中任一項所述的裝置，其特征在于使所述流體流在封閉回路中流動，其中從所述DEM提取的流體再循環(huán)并返回到所述DEM。
全文摘要
本發(fā)明首先包括一種燒蝕處理，其包括利用激光束(3)對基體(1)的區(qū)域進行燒蝕的步驟，其特征在于還包括利用流體流(7)，即氣體或蒸氣、液體或其組合，清除從區(qū)域(1)燒蝕的碎屑的步驟，其中引導流體(7)流在該區(qū)域上流動，以便夾帶上述碎屑，然后通過引導帶有碎屑的流體流沿預定路徑(6)遠離區(qū)域，從該區(qū)域清除夾帶的碎屑，避免了夾帶的碎屑后續(xù)沉積到基體上。本發(fā)明還包括一種使激光(3)能夠燒蝕基體區(qū)域的裝置，其特征是位于激光束(3)的聚焦或成像透鏡(2)和基體區(qū)域(1)之間的部分封閉的碎屑提取模塊(4)，DEM(4)具有輸入端口(8)和輸出端口(6)，通過該端口使流體流(即氣體或蒸氣、液體或其組合)在區(qū)域(1)上流過，以夾帶從區(qū)域燒蝕的碎屑，并其后通過使帶有夾帶碎屑的流體沿預定路徑遠離區(qū)域通過的機構(gòu)，從該區(qū)域清除夾帶的碎屑，防止夾帶的碎屑后來沉積在基體上。
文檔編號B23K26/14GK101018639SQ200580026519
公開日2007年8月15日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者N·塞克斯, 佐佐木良成, 村瀨英壽, 山田尚樹, 阿蘇幸成 申請人:?？宋魈乜擞邢薰? 索尼株式會社