CN104475979B - 一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，包括如下步骤：(1)采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，脉冲宽度为0.1ns～800ns,并进行准直处理，所述短波长红外脉冲激光器为光纤激光器，单脉冲激光能量为1～2000微焦，脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹；(2)使所述脉冲激光束照射到放在二维平移台上的薄膜基板上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在透明导电薄膜上按设定路径移动，进行刻蚀，控制激光和透明导电薄膜相对运动速度为50mm/s～9000mm/s，光斑交叠程度为10～90%。本发明能够克服现有技术中激光聚焦精度要求高，实现复杂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明导电薄膜的激光加工制备方法，具体涉及一种对透明导电膜的膜层进行激光刻蚀的方法。
背景技术
透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透明率的一种薄膜，主要有金属膜系、氧化物膜系、其他化合物膜系、高分子膜系、复合膜系等。金属膜系导电性能好，但是透明率差。半导体薄膜系列刚好相反，导电性差，透明率高。当前研究和应用最为广泛的是金属膜系和氧化物膜系。常见的透明导电薄膜为ITO（锡掺杂三氧化铟）、AZO(铝掺杂氧化锌)等，它们的禁带宽度大，不吸收可见光，因此称之为“透明”。
ITO薄膜即氧化铟锡（Indium-Tin Oxide）透明导电膜玻璃，广泛用于液晶触摸屏、显示器（LCD）、太阳能电池、微电子ITO导电膜玻璃、光电子和各种光学领域。
触摸屏在各行各业的应用越来越广泛，传统的触摸屏ITO薄膜主要采用化学蚀刻的方法生产。但随着苹果iphone中电容式多点触控技术的出现和Window7等操作系统对多点触控的支持，已经引发触摸屏的革命性变革，传统的化学蚀刻方法由于需要使用化学药品，会对环境造成污染，且在加工精度（包括线性精度和线宽精度）和加工的效率以及良品率都无法满足要求。
激光具有高相干性、高方向性和高强度的特点，容易获得很高的光通量密度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，这就是激光加工。激光加工技术随着光学、机电、材料、计算机和控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工和自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、减少或消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。
532nm的绿色激光和近红外激光1064nm是最常见的用于激光加工的激光器。因为ITO膜在这些波长的的线性吸收非常小，这些波长的激光不适合于刻蚀ITO膜除非利用非线性吸收。超短脉冲激光，诸如皮秒和飞秒激光器可利用非线性吸收。由于超短脉冲的激光的峰值功率可以非常高，通常情况下兆瓦以上，高的峰值功率会产生非线性吸收。所以532nm和1064nm超短脉冲激光可用于ITO膜的刻蚀。
为使用激光对ITO薄膜进行刻蚀，中国发明专利申请CN103746027A公开了一种在ITO导电薄膜表面刻蚀极细电隔离槽的方法， 首先在ITO导电薄膜玻璃基底的反面溅射金属铬；将ITO导电薄膜玻璃基底固定在载物台上，有金属铬的一面在激光发射区域一侧，保持ITO导电膜一侧需要刻槽的区域不接触载物台；最后，利用波长532nm，重频1KHz，脉宽10ps的皮秒激光进行后向刻蚀ITO导电薄膜，皮秒激光光束中心线必须与ITO导电薄膜表面保持垂直，而且皮秒激光的焦点位置在整个加工过程中须保持在ITO导电薄膜层上。上述技术方案中，采用的532nm的激光对ITO和玻璃均是透明的，采用皮秒激光利用热效应进行刻蚀加工，要求皮秒激光的焦点位置在整个加工过程中须保持在ITO导电薄膜层上，否则容易对玻璃基底形成刻蚀，因此对激光聚焦精度的要求高，不利于实现，且所采用的超短脉冲激光因其价格昂贵，可靠性差, 不容易使用，所以它们的应用也收到了限制。
并且，当将上述方法用于双面ITO薄膜刻蚀时，为避免对玻璃的刻蚀，需要分别从正反两面进行加工，为提高加工效率，例如，中国发明专利申请CN102357736A公开了一种脉冲激光刻蚀双面ITO玻璃上导电膜层的装置及其方法，膜材的正面和背面各布置一套脉冲激光刻蚀装置，每套脉冲激光刻蚀装置包含高频率短脉冲激光器、半透半反镜、格兰棱镜和全反镜，高频率短脉冲激光器输出端依次布置光闸、扩束镜和半透半反镜，半透半反镜输出端布置第一1/2波片和全反镜，第一1/2波片输出端依次布置第一格兰棱镜和第一3D动态聚焦镜，第一3D聚焦镜输出端布置第一振镜，全反镜输出端布置第二1/2波片，第二1/2波片输出端依次布置第二格兰棱镜和第二3D动态聚焦镜，第二3D动态聚焦镜输出端布置第二振镜，第一振镜和第二振镜输出端均正对于膜材表面。该技术方法可以实现高效率的激光刻蚀工序，但是其激光波长为190nm～1100nm，同样存在对玻璃的刻蚀问题，要求聚焦精度；同时，采用两套脉冲激光刻蚀装置，装置的结构复杂，生产成本高。
现迫切需要价格合理的激光刻蚀透明导电薄膜的方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，克服现有技术中激光聚焦精度要求高，实现复杂的问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，包括如下步骤：
(1)采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，脉冲宽度为0.1ns～800ns,并进行准直处理，所述短波长红外脉冲激光器为光纤激光器, 单脉冲激光能量为1～2000微焦, 脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹；
(2)使脉冲激光束照射到放在二维平移台上的透明导电薄膜上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在透明导电薄膜上按设定路径移动，进行刻蚀，控制激光和透明导电薄膜相对运动速度为50mm/s～9000mm/s, 光斑交叠程度为10～90%。
上述技术方案中，所述透明导电薄膜的基板为硬基基板或柔性基板；所述透明导电薄膜为单面膜或双面膜，所述单面膜为ITO薄膜或铝掺杂氧化锌膜，所述双面膜为ITO薄膜。
上述技术方案中，所述激光束与二维平移台相对运动的优选方案有下列两种，其一是，在控制激光束出射的激光头上设置F-theta透镜和二维光束扫描装置，通过计算机经所述二维光束扫描装置控制F-theta透镜，实现激光束的偏转扫描。所述二维光束扫描装置包括二维光束扫描头、二维光束扫描头控制单元和扫描头电源，所述二维光束扫描头的光束扫描速度为50mm/s～9000mm/s，所述F-theta透镜焦距长度为50mm～500mm。
其二是，在控制激光束出射的激光头内设有装载会聚透镜的导光镜以及接入气体的密封头，激光束通过会聚透镜聚焦在二维平移台上，通过控制二维平移台的运动实现激光束与透明导电薄膜的相对移动，将气体引入密封头，沿激光光束出口的方向向下吹气，将刻蚀过程中产生的碎片吹走，所述二维平移台的移动速度为50mm/s～9000mm/s。
优选地，所述短波长红外脉冲激光器的输出波长为1.50μm～2.50μm。
上述技术方案中，所述短波长红外脉冲激光器为光纤激光器，所述光纤激光器为掺铒1.50μm～1.65μm光纤激光器或掺铥1.70μm～2.10μm光纤激光器从或掺钬2.00μm～2.20μm光纤激光器。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明采用波长在1.4μm～3.0μm之间的短波长红外脉冲激光对透明导电薄膜进行刻蚀，该段波长的短波红外脉冲激光能够被透明导电薄膜吸收而不被基底吸收，所以不需要担心刻蚀时因激光焦点的偏离而损坏基底，降低了对激光聚焦精度的要求，便于实现。
2. 本发明采用的短波长红外脉冲激光的脉冲宽度为0.1纳秒到800纳秒，这样的激光器可靠性好, 容易使用, 价格合理。
附图说明
图1是实施例一提出的利用短波长红外脉冲激光对透明导电薄膜进行刻蚀处理方法的实施系统示意图。
图2是实施例二提出的利用短波长红外脉冲激光对透明导电薄膜进行刻蚀处理方法的实施系统示意图。
图3是ITO等透明薄膜透过曲线图。
图4是采用中心波长为1.95μm掺铥纳秒光纤激光器对透明薄膜进行打点试验的光斑图。
图5是采用中心波长为1.95μm掺铥纳秒光纤激光器对透明薄膜进行打点试验的光斑图。
其中：1、短波长红外脉冲激光器 2.光束准直器；3.光束整形器；4. 二维光束扫描头；5. F-theta透镜；6.透明导电薄膜组件；7. 装载透明导电薄膜组件的二维电动平移台；8. 二维光束扫描头控制单元；9. 计算机；10. 激光器电源；11. 扫描头电源；12. 二维平移台电源； 13. Best-form 会聚透镜；14.装载Best-form 会聚透镜和导光镜（后者在图示中未画出）并可以接入气体的密封头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，包括如下步骤：
(1)采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，脉冲宽度为0.1ns～800ns,并进行准直处理，所述短波长红外脉冲激光器为光纤激光器, 单脉冲激光能量为1～2000微焦, 脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹；
(2)使脉冲激光束照射到放在二维平移台上的透明导电薄膜上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在透明导电薄膜上按设定路径移动，进行刻蚀，控制激光和透明导电薄膜相对运动速度为50mm/s～9000mm/s, 光斑交叠程度为10～90%。
本实施例中，在控制激光束出射的激光头上设置F-theta透镜和二维光束扫描装置，通过计算机经所述二维光束扫描装置控制F-theta透镜，实现激光束的偏转扫描。所述二维光束扫描装置包括二维光束扫描头、二维光束扫描头控制单元和扫描头电源，所述二维光束扫描头的光束扫描速度为50mm/s～9000mm/s，所述F-theta透镜焦距长度为50mm～500mm。
实施例二：参见图2所示，一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，包括如下步骤：
(1)采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，脉冲宽度为0.1ns～800ns,并进行准直处理，所述短波长红外脉冲激光器为光纤激光器, 单脉冲激光能量为1～2000微焦, 脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹；
(2)使脉冲激光束照射到放在二维平移台上的透明导电薄膜上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在透明导电薄膜上按设定路径移动，进行刻蚀，控制激光和透明导电薄膜相对运动速度为50mm/s～9000mm/s, 光斑交叠程度为10～90%。
本实施例中，在控制激光束出射的激光头内设有装载会聚透镜的导光镜以及接入气体的密封头，激光束通过会聚透镜聚焦在二维平移台上，通过控制二维平移台的运动实现激光束与透明导电薄膜的相对移动，将气体引入密封头，沿激光光束出口的方向向下吹气，将刻蚀过程中产生的碎片吹走，所述二维平移台的移动速度为50mm/s～9000mm/s。
参见图3所示，从1.4μm开始，透明薄膜的透过率很低，这表明从1.4μm波长开始透明薄膜有很好吸收，会有高的加工效率。
参见图4所示，采用中心波长1.95μm掺铥纳秒光纤激光器对透明薄膜进行打点，打点效果一致性好，光斑小，透明薄膜去除干净，而又没有损伤基板。
参见图5所示，采用中心波长1.95μm掺铥纳秒光纤激光器对透明薄膜进行打点，每个点之间具有一定的重叠率，点与点相连，形成线状结构。打点效果一致性好，光斑小，透明薄膜去除干净，而又没有损伤基板。
Claims (10)
1.一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用短波长红外脉冲激光器输出波长在1.4μm～3.0μm之间的脉冲激光，脉冲宽度为0.1ns～800ns,并进行准直处理，所述短波长红外脉冲激光器为光纤激光器, 单脉冲激光能量为1～2000微焦, 脉冲频率为1千赫兹到1兆赫兹；
(2)使脉冲激光束照射到放在二维平移台上的透明导电薄膜上，控制激光束与二维平移台相对运动，使激光束聚焦点在透明导电薄膜上按设定路径移动，进行刻蚀，控制激光和透明导电薄膜相对运动速度为50mm/s～9000mm/s, 光斑交叠程度为10～90%。
2.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述透明导电薄膜为ITO薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述透明导电薄膜为铝掺杂氧化锌膜。
4.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述透明导电薄膜为双面膜ITO薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述透明导电薄膜为硬基基板上的ITO薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述透明导电薄膜为柔性基板上的ITO薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：在控制激光束出射的激光头上设置F-theta透镜和二维光束扫描装置，通过计算机经所述二维光束扫描装置控制F-theta透镜，实现激光束的偏转扫描。
8.根据权利要求7所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述二维光束扫描装置包括二维光束扫描头、二维光束扫描头控制单元和扫描头电源，所述二维光束扫描头的光束扫描速度为50mm/s～9000mm/s，所述F-theta透镜焦距长度为50mm～500mm。
9.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：在控制激光束出射的激光头内设有装载会聚透镜的导光镜以及接入气体的密封头，激光束通过会聚透镜聚焦在二维平移台上，通过控制二维平移台的运动实现激光束与透明导电薄膜的相对移动，将气体引入密封头，沿激光光束出口的方向向下吹气，将刻蚀过程中产生的碎片吹走，所述二维平移台的移动速度为50mm/s～9000mm/s。
10.根据权利要求1所述的一种透明导电薄膜的激光刻蚀方法，其特征在于：所述短波长红外脉冲激光器的输出波长为1.50μm～2.50μm。
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