TWI848645B - 雷射熱加工系統 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種雷射熱加工系統。該雷射熱加工系統包含了一雷射光 源、一反射鏡、一致動器、一控制單元、一第一遠心鏡頭、一遮罩、一第二遠心鏡頭及一第三遠心鏡頭。本發明的使用三個遠心鏡頭進行雷射光束的中繼傳輸。雷射光束經過此加工系統後能量分布變得均勻，解決了現有技術能量產生高斯分佈集中的問題，可平均化雷射光束在工作面上的能量分布及提升雷射光束再工作面上的位置精準度，從而優化雷射熱加工成果。

Description

雷射熱加工系統

本發明關於一種加工系統，特別是一種雷射熱加工系統。

雷射是透過受激輻射產生放大的光，具有發散度小、功率高、單色性優、相干性好等優點。因此，雷射廣泛地應用於各個領域，比如醫學手術、軍事武器、距離量測、皮膚美容等。在工程領域上，最為熟知的是熱加工方面的應用。雷射使用的能量夠大，它可以在物體表面進行燒結，加熱及游離而形成預定的表面形狀甚至是切斷部分物體。另一方面，如果雷射的能量及發射方向能精準地控制，雷射便能針對細微且大量分布的目標點進行。透過雷射加工繼而分離兩個以上的黏結物，這樣的技術被稱作雷射剝離(Laser Lift-Off，LLO)，常見於LED製造和超薄矽片製程中，如雷射施加在可燒蝕的黏結層，將形成的器件從基板背面剝離下來。近年來，雷射剝離技術也被應用在Micro LED的巨量轉移製程上，有效降低Micro LED顯示器的製作成本，為人類帶來了新視界。由此可見，雷射加工不亞於光刻製程，也是推動科技進步的重大技術。

目前，常用的雷射熱加工系統除了使用高能雷射源作為雷射光束的產生機制外，同時透過振鏡及f-theta透鏡組合，使雷射產生路徑偏折並聚焦在加工面的有效範圍內進行雷射熱加工。通過f-theta透鏡的雷射光束有個缺點：如果加工區在邊緣時，雷射光束的光點形狀會略有改變。因此，對於精密加工需 求往往只能取用加工中心區域來進行。為了解決這個問題，有些改良技術是以遠心掃描鏡來取代振鏡及f-theta透鏡組合。但以振鏡及遠心掃描鏡的組合雖然可以克服加工區域邊緣時雷射光束光點形狀略有改變，但此系統組合仍受限聚焦後高斯光斑能量集中及綜合硬體解析度、光學調整及校正與振鏡系統高速運動而產生

加工位置精度問題。

為了解決現有技術中雷射光束能量產生高斯分佈集中的問題，且進一步平均化雷射光束在工作面上的能量分布及加工面的雷射加工位置精準度及加工位置精度問題，從而優化雷射熱加工成果，因此有本發明之研發與提出。

本段文字提取和編譯本發明的某些特點。其它特點將被揭露於後續段落中。其目的在涵蓋附加的申請專利範圍之精神和範圍中，各式的修改和類似的排列。

為了解決現有技術中雷射光束能量產生高斯分佈集中的問題，且進一步平均化雷射光束在工作面上的能量分布及加工面的雷射加工位置精準度，從而優化雷射熱加工成果，本發明提出一種雷射熱加工系統。該系統包含：一雷射光源，依序發射數波雷射光束；一反射鏡，該些雷射光束射向該反射鏡，該反射鏡受控制轉動以改變該些雷射光束的反射方向；一第一遠心鏡頭，反射的該些雷射光束經過該第一遠心鏡頭後，第一次改變路徑為彼此平行，且平行於該第一遠心鏡頭的光軸；一遮罩，其上開設複數個開孔，第一次改變路徑的該些雷射光束依序垂直通過對應的開孔；一第二遠心鏡頭，與該第一遠心鏡頭分別設置於該遮罩兩側，第一次改變路徑的該些雷射光束經過該第二遠心鏡頭後第二次改變路徑，偏向該第二遠心鏡頭的焦點方向；及一第三遠心鏡頭，與該 第二遠心鏡頭設置於該遮罩同側但較遠處，第二次改變路徑的該些雷射光束經過該第三遠心鏡頭後第三次改變路徑為彼此平行且平行於該第三遠心鏡頭的光軸，並依序垂直成像於一工作平面上以進行熱加工。

依照本發明，經過任一開孔平面的雷射光束之能量密度分布，較同一雷射光束照射在該工作平面上的能量密度分布來得不平均。

依照本發明，該第一遠心鏡頭、該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭的光軸實質重合。

依照本發明，該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭相對側間的距離為二者的工作距離之和。

依照本發明，該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭的放大倍率不同，從而放大或縮小每一雷射光束通過對應開口後在該工作平面上的成像與該開口的面積比例。

依照本發明，該第一遠心鏡頭與該第二遠心鏡頭反向擺置，該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭反向擺置。

依照本發明，該反射鏡與一致動器連接，受該致動器控制而轉動方向。

所述之雷射熱加工系統進一步包含一控制單元，與該雷射光源與該致動器連接，控制該雷射光源發射雷射光束，並在該雷射光源停止發射雷射光束時通過該致動器轉動該反射鏡的角度。

依照本發明，綜合硬體解析度、光學調整及校正與振鏡系統高速運動在該工作平面上雷射照射位置精準度小於3μm。

本發明的使用三個遠心鏡頭進行雷射光束的中繼傳輸，且透過遮罩成像使雷射能量分布變得均勻，解決現有技術能量產生高斯分佈集中的問題，可平均化雷射光束在工作面上的能量分布，從而優化雷射熱加工成果。

1:雷射熱加工系統

2:物件

10:雷射光源

20:反射鏡

25:致動器

30:控制單元

40:第一遠心鏡頭

50:遮罩

60:第二遠心鏡頭

70:第三遠心鏡頭

D2:第二工作距離

D3:第三工作距離

F1:第一直進距離

F2:第二直進距離

F3:第三直進距離

L:距離

O:開孔

O1:第一開孔

O2:第二開孔

O3:第三開孔

O4:第四開孔

O5:第五開孔

P1:第一位置

P2:第二位置

P9:最後位置

圖1為依照本發明實施例的一種雷射熱加工系統的元件示意圖，該雷射熱加工系統對一工作平面上的一物件的第一位置進行熱加工。

圖2繪示該雷射熱加工系統對該工作平面上的該物件的第二位置進行熱加工。

圖3繪示該雷射熱加工系統對該工作平面上的該物件的最後位置進行熱加工。

圖4繪示實驗例中使用之遮罩的開孔位置與形狀。

圖5到圖9分別比較同一雷射光束經過一參考平面及該工作平面時的能量分布影像。

為了使揭露內容的敘述更加詳盡及完備，以下針對本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述。

請見圖1為依照本發明實施例的一種雷射熱加工系統1的元件示意圖，雷射熱加工系統1對一工作平面上的一物件2的第一位置P1進行熱加工。雷射熱加工系統1包含了一雷射光源10、一反射鏡20、一致動器25、一控制單元30、一第一遠心鏡頭40、一遮罩50、一第二遠心鏡頭60及一第三遠心鏡頭70。前述技術元件的型態、功能、彼此的作動方式，以致整個系統的運作，將配合相關圖式而詳細說明如下。

雷射光源10是用來提供熱加工雷射的裝置，可依序發射數波雷射光束。本發明不限制雷射光源10發出的雷射光束之波長及脈衝寬度，從紅外線到紫外線都可以。此外，雷射光束可以是脈衝形式的，在形成的一波雷射光束中包含了多個脈衝光波；雷射光束亦可以是連續形式的，在形成的一波雷射光束中不間斷地提供能量。雷射光源10開關來產生一波波的雷射光束，每一波雷射光束的能量與發出時間長短都可以藉由控制雷射光源10而滿足要被熱加工物件的操作需求。

反射鏡20可配合雷射光源10調整方向。當該些雷射光束射向反射鏡20時，反射鏡受控制轉動以改變該些雷射光束的反射方向。由於受熱加工處是一個平面，反射鏡20的轉動不能只在平面單一方向上，而是需要能在空間平面中進行兩個方向的轉動。因此，反射鏡20也可以是包含兩個獨立旋轉的子反射鏡之組合，其中一個在X軸上轉動，另一個在Y軸上轉動。反射鏡20的材質不受限制，只要能夠有效反射雷射光束並減少能量損失即可。雖然反射鏡20本身可以在有限範圍內轉動，但不是個具有轉動動力的裝置。因此，致動器25便是用來實際控制反射鏡20轉動及定位的裝置。反射鏡20與致動器25連接，受致動器25控制而轉動方向。致動器25可採用X軸轉動與Y軸轉動兩個馬達做為驅動，一個時刻確定一個點的位置，通過掃描頻率控制不同時刻點的位置達到整個掃描圖案的變換。

控制單元30是本系統操作者用來操控雷射光源10與致動器25的裝置。控制單元30與雷射光源10與致動器25連接(包含電力與控制訊號的連接)，控制雷射光源10發射雷射光束，並在雷射光源10停止發射雷射光束時通過致動器25轉動反射鏡20的角度。由於致動器25的馬達是步進馬達，所以控制單元30可以精準地操控反射鏡20轉動後短暫停止移動，並利用這個時間驅動雷射光源10發出雷射光束。因此，每一波的雷射光束可以確保射出的方向不會偏差，並提 供需要熱加工的物件足夠的能量。請同時參看圖1與圖2，圖2繪示雷射熱加工系統1對該工作平面上的物件2的第二位置P2進行熱加工。由於需要分別對物件2的不同兩個位置進行熱加工，所以可以看見圖1與圖2中反射鏡20的角度改變了，由雷射光源10發出的雷射光束(以點狀底的線條表示)也在通過反射鏡20後改變了反射角度。實作上，一些市售的雷射振鏡包含了相符於前述雷射光源10、反射鏡20與致動器25的組合，但是需要可接受控制單元30的操作控制。依照本發明，控制單元30可以是任何獨立的控制器，也可以是多用途的工業電腦。在本實施例中以工業電腦為例來說明。

本發明的第一遠心鏡頭40、第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70的使用與安裝設計是與現有雷射熱加工技術不同的特點。對一般的雷射熱加工而言，雷射光在通過一個遠心鏡頭後，形成了平行的雷射光束便能對待加熱物件進行熱加工。然而，這種作法有能量分布形成了高斯分布的不均勻的情況產生，對於該受熱加工物件來說可能造成因受熱能量不均而無法達成預定成果，比如被燒穿或該熱熔接處沒辦法完全接合。第一遠心鏡頭40的作用在於前述反射的該些雷射光束經過第一遠心鏡頭40後，第一次改變路徑為彼此平行，且平行於第一遠心鏡頭40的光軸。依照本發明，第一遠心鏡頭40、第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70的光軸實質重合。因此在圖1與圖2(以及圖3)中，三個重合的光軸以一條虛直線表示。由圖1與圖2可以看出，雷射光束在射在出了第一遠心鏡頭40後，方向都是垂直向遮罩50的方向射出。

遮罩50位在第一遠心鏡頭40下方的一參考平面上，其上開設數個開孔O(本實施例中以9個開孔O為例來說明，實作上不限)。經過第一遠心鏡頭40第一次改變路徑的該些雷射光束依序垂直通過對應的開孔O。比較圖1與圖2，圖1中第一次改變路徑的雷射光束通過了左下方的開孔O，圖2中次波第一次改變路徑的雷射光束接著通過了中間下方的開孔O，再接著又次波第一次改變路 徑的雷射光束就會通過右下方的開孔O。最終，最後一波第一次改變路徑的雷射光束會通過右上方的開孔O，如圖3所示(該圖繪示雷射熱加工系統1對該工作平面上的物件的最後位置P9進行熱加工)。

第二遠心鏡頭60與第一遠心鏡頭40分別設置於遮罩50的兩側。第一次改變路徑的該些雷射光束，在行進第二直進距離F2後，經過第二遠心鏡頭60後第二次改變路徑，偏向第二遠心鏡頭60的焦點方向。第二直進距離F2是第二遠心鏡頭60與遮罩50間的相隔距離，其長度僅需符合工作上方便，本發明並未限定。為了達到第二次改變路徑的目的，本發明將第一遠心鏡頭40與第二遠心鏡頭60反向擺置，兩者的像鏡端相向面對。如圖1與圖3中所示，第二次改變路徑的雷射光束射向了光軸方向的第二遠心鏡頭60的焦點方向，圖2中第二次改變路徑的雷射光束繼續沿著光軸方向射向了第二遠心鏡頭60的焦點。

第三遠心鏡頭70與第二遠心鏡頭60設置於遮罩50同側但較遠處。第二次改變路徑的該些雷射光束經過第三遠心鏡頭70後第三次改變路徑為彼此平行且平行於第三遠心鏡頭70的光軸，並依序垂直成像於該工作平面上以進行熱加工。為了達到第三次改變路徑為彼此平行的目的，本發明將第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70反向擺置。此外，為了讓第二次改變路徑的該些雷射光束能有效透過第三遠心鏡頭70進行改變路徑，第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70間的間隔需要特定：第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70相對側間的距離為二者的工作距離之和。由於遠心鏡頭是多個透鏡的組合，工作距離是物方鏡頭前表面距離拍攝物的距離。第二遠心鏡頭60的工作距離為第二工作距離D2，第三遠心鏡頭70的工作距離為第三工作距離D3，第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70間的距離就是第二工作距離D2加上第三工作距離D3。如圖1到圖3可以看出，出了第三遠心鏡頭70第三次改變路徑的雷射光束經過一段第三直進距離F3後，垂直對 該工作平面上的物件2進行熱加工，由第一位置P1到最後位置P9依序執行了9次。

在本實施例中，第一遠心鏡頭40、第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70是規格相同的遠心鏡頭，第二工作距離D2與第三工作距離D3相同。實作上，三者可以都不同，或是其中兩者相同，與另一者不同。要注意的是，第二遠心鏡頭60與第三遠心鏡頭70的放大倍率可以不同，從而放大或縮小每一雷射光束通過對應開口O後在該工作平面上的成像與該開口的面積比例。舉例來說，第三遠心鏡頭70的放大倍率比第二遠心鏡頭60的放大倍率高，雷射光束在工作平面上的每一成像與對應開口O的面積比例將大於1。

依照本發明，由於透過遮罩光學成像，雷射光束的能量密度分布上(同一橫剖面)會較平均，不會有高斯分佈的能量集中現象。比較來說，經過任一開孔O平面的雷射光束之能量密度分布，會較同一雷射光束照射在該工作平面上的能量密度分布來得不平均。為了對此有較佳的說明，以下以一實驗例與一比較例來說明。

實驗例與比較例都使用圖1中的設備架構來進行。雷射光源10、反射鏡20與致動器30整合在一台型號為intelliSCAN，由SCANLAB公司生產的雷射振鏡中。三個遠心鏡頭使用的是型號為4401-509-000-21，由LINOS公司生產的遠心鏡頭。遮罩50為金屬塗層石英遮罩。請見圖4，該圖繪示使用之遮罩50的開孔位置與形狀。遮罩50上開設了5個開孔：第一開孔O1、第二開孔O2、第三開孔O3、第四開孔O4及第五開孔O5。第一開孔O1位於中央，第二開孔O2、第三開孔O3、第四開孔O4及第五開孔O5分別等距位在第一開孔O1的右上方、左上方、左下方及右下方。圖5中的距離L為2.5mm。每一開口的寬度為20μm±0.5μm，高度為35μm±0.5μm。透過光學成像，在工作平面上雷射照射位置精準度可小於3μm。實驗例為工作平面上擷取每一經過的雷射光束上的能量 分布影像，比較例則是在每一開口處(參考平面)擷取每一經過的雷射光束上的能量分布影像。比較例的影像先擷取，實驗例的影像後擷取。

實驗結果請見圖5到圖9，該些圖式分別比較同一雷射光束經過參考平面及該工作平面時的能量分布影像。以圖5為例來說明。參考平面第一開孔O1位置的能量分布影像是多個同心圓的圖案，最內部紅色圓形的能量為最大，依序向外部的黃色環、綠色環、藍色環與灰色環遞減。可以看出兩個方向的截面都形成了高斯分布。然而，通過第一開孔O1之雷射光束在工作平面上位置的能量分布影像並不是高斯分布。兩個方向的截面都在中央部分形成了一個平台區，該平台區的能量分布不是完全一致，但分布較高斯分布來的平均一些。因此，經過任一開孔平面的雷射光束之能量密度分布，會較同一雷射光束照射在工作平面上的能量密度分布來得不平均。圖6到圖9的情況亦同。應用到實際熱加工操作中，單位面積下能量可均勻化以提升製程良率。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:雷射熱加工系統

2:物件

10:雷射光源

20:反射鏡

25:致動器

30:控制單元

40:第一遠心鏡頭

50:遮罩

60:第二遠心鏡頭

70:第三遠心鏡頭

D2:第二工作距離

D3:第三工作距離

F1:第一直進距離

F2:第二直進距離

F3:第三直進距離

O:開孔

P1:第一位置

Claims (7)

1. 一種雷射熱加工系統，包含：一雷射光源，依序發射數波雷射光束；一反射鏡，該些雷射光束射向該反射鏡，該反射鏡受控制轉動以改變該些雷射光束的反射方向；一第一遠心鏡頭，反射的該些雷射光束經過該第一遠心鏡頭後，第一次改變路徑為彼此平行，且平行於該第一遠心鏡頭的光軸；一遮罩，其上開設複數個開孔，第一次改變路徑的該些雷射光束依序垂直通過對應的開孔；一第二遠心鏡頭，與該第一遠心鏡頭分別設置於該遮罩兩側，第一次改變路徑的該些雷射光束經過該第二遠心鏡頭後第二次改變路徑，偏向該第二遠心鏡頭的焦點方向；及一第三遠心鏡頭，與該第二遠心鏡頭設置於該遮罩同側但較遠處，第二次改變路徑的該些雷射光束經過該第三遠心鏡頭後第三次改變路徑為彼此平行且平行於該第三遠心鏡頭的光軸，並依序垂直成像於一工作平面上以進行熱加工，其中該第一遠心鏡頭、該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭的光軸實質重合，經過任一開孔平面的雷射光束之能量密度分布，較同一雷射光束照射在該工作平面上的能量密度分布來得不平均。
2. 如請求項1所述之雷射熱加工系統，其中該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭相對側間的距離為二者的工作距離之和。
3. 如請求項1所述之雷射熱加工系統，其中該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭的放大倍率不同，從而放大或縮小每一雷射光束通過對應開口後在該工作平面上的成像與該開口的面積比例。
4. 如請求項1所述之雷射熱加工系統，其中該第一遠心鏡頭與該第二遠心鏡頭反向擺置，該第二遠心鏡頭與該第三遠心鏡頭反向擺置。
5. 如請求項1所述之雷射熱加工系統，其中該反射鏡與一致動器連接，受該致動器控制而轉動方向。
6. 如請求項5所述之雷射熱加工系統，進一步包含一控制單元，與該雷射光源與該致動器連接，控制該雷射光源發射雷射光束，並在該雷射光源停止發射雷射光束時通過該致動器轉動該反射鏡的角度。
7. 如請求項1所述之雷射熱加工系統，其中在該工作平面上雷射照射位置精準度小於3μm。