光束整形系统扩大准分子激光器应用范围

2005/7/14/8:15来源:中国激光网作者:单振国 译
    准分子激光器在工业和科学领域的应用范围,日益扩大,因为,它能在紫外波段输出高脉冲能量和高平均功率的光。但是,大多数准分子激光器所产生的矩形光束,必须经过整形,才能满足加工需要。而且,由于准分子激光器输出光束的形状和强度分布有自己的特点,对这种光束进行转换,一般不能采用简单的光学系统。这些简单的光学系统只对输出光束为圆形或高斯形的激光器有效。因此,为转换准分子激光光束,一些新奇的光学系统得到了发展,以满足新的应用需求,如在平板显示制造过程中,对硅进行退火,或在制作光掩膜板时,进行微加工等。
 
均匀和整形
 
    在准分子激光整形光学系统中,第一个元件,通常是扩束器和强度均匀器。扩束器的目的是使光束尺寸与均匀器及后面的传输光学元件匹配。均匀器产生的光束,具有很平的强度分布,能在工件的整个照明区域进行均匀的加工。

    准分子激光器的输出光束是准矩形光束,典型大小为8×20毫米,在短轴方向,呈近高斯分布,在长轴方向,呈“礼帽”状(超级高斯)分布。礼帽状分布的意思是:截面的光束强度在当中有一个较大的平台,近边缘处,开始下降。为将这样的光束转换成均匀的强度分布,一个方法是:采用一个由几个分立子柱面镜组成的柱面透镜均匀器(见图1)。

图1. 均匀准分子激光光束分布的有效方法是:

    图1. 均匀准分子激光光束分布的有效方法是:采用一对由许多子柱面透镜组成的列阵。每个轴使用一对这样的列阵。

    具有n个元件的柱面透镜列阵,把输入光束分成n个子光束。然后,需将每个子光束扩束,并最终照射到整个加工区域。这一目标可通过第二个子透镜列阵和单块成像透镜实现。因此,最后的输出光束就由各个子光束分布的平均值组成。在x和y轴,须采用不同的透镜列阵,因为它们的强度分布和尺寸不同。

    这个简单的方法为系统在大小、性能和成本等方面提供了更大的灵活性。 例如,增加子透镜的数目,将光束切成更多的子光束, 就会增加最后的均匀性。但是,增加了元件数量,也使总成本和均匀器尺寸增加。 在一般应用中,均匀器在每轴可用11或12个元件,输出光束的能量均匀性为3%到5%(2 sigma*) 。 在喷墨嘴打孔或硅结晶化等要求苛刻的应用领域,需采用18个子透镜,这时均匀性可提高到1.5%(2 sigma) 。

    均匀光束一旦产生,下一步就是使光束形状与加工要求匹配。应用项目不同,完成这一任务的细节也会有很大差别。
 
细线应用
 
    高功率准分子激光器最重要的应用之一是:用308nm波长对平板显示器(FPD)进行退火。为创建FPD的有源元件,需在在玻璃衬底上形成一个无定形硅薄层。通常,它是在蒸汽沉积过程中形成的。为产生高分辨显示所要求的电学和光学性质,这一层必须被转变成多晶硅。直到几年之前,这种转变都是在高温炉(在6000C)中进行的,它要求使用昂贵的耐热玻璃。此外,热循环还会引起破裂,并使产量降低(小于100%)。现在,事实上,对所有的平板硅进行退火,都采用了准分子激光器和在低温炉(在2000C)中进行,这样,就允许采用低价的玻璃板了。

    一般说来,先对大板进行处理,然后,再按显示器尺寸裁开。在这项应用中,关键是要求在整个板上的辐照均匀(为加工的一致性)和生产速度快。这可以通过将一根细而长且强度高度均匀的光线横穿FPD板扫描实现。在这个过程中,板上的每一个位置,都会受到大约20个连续的激光脉冲照射,脉冲的功率密度为400 mJ/cm2,从而引起硅膜的部分熔化。在实际上,可将被投影的准分子激光线的长度设计成板宽的一半,下面再设计一个支撑台。先让光束扫描板的一半,然后移动台子,再让光束扫描板的另一半。

图2. 对玻璃板上的无定形硅进行退火,

    图2. 对玻璃板上的无定形硅进行退火,是准分子激光器在平板显示器工业的一项重要应用。它需要一个能产生线形投影光束的光束传输/整形系统。

    采用细光束线,能成功传送退火所要求的高功率密度,同时又能成功地对大面积板加工。例如,一个特别细的光线传输系统能产生370×0.4毫米的光线,能对目前最宽的740毫米板进行加工,仅需二次扫描(见图2)。光线长达465毫米的系统,现在正在投产的过程中。

光束整形系统扩大了准分子激光器应用范围

图3.这个光束分布参数表明:准分子激光束的短轴分布,是怎样从高斯分布被转换成具有高度均匀性的平顶分布的。

    为产生这个极端的纵横比,对二个轴的处理是很不一样的。长轴的尺寸只需在均匀器中限定,因此,只用了一个具有370毫米通光孔径的柱面输出透镜。在短轴方向,采用了二个关键步骤来产生紧紧聚焦的0.4毫米束宽。首先,该轴均匀器产生2毫米的输出宽度,其中含有物镜和狭缝掩膜。如果应用需要,可用狭缝来修剪短轴方向上的光束边缘,确保边缘锐利, 然后,再用一个投影透镜将这个均匀光束成像。这个投影透镜是一对柱面透镜,可将短轴光束宽度减少到0.4毫米。用同样的方式,无需任何掩膜,就可得到边缘锐度在100μm以下的均匀光束分布(见图3)。
 
光掩膜应用
 
    许多准分子激光器应用,要求能将光掩膜的缩小图像投影到衬底上面,如精确钻小孔列阵、创建一个完整的标记或形成MEMS结构等。这些应用需要对掩膜进行高分辨成像,以便在所有方向上都能产生锐利的边界。

    这类应用指的是一种连续侧向凝固(SLS)过程,在制造薄膜晶体管(TFT)显示器时,就需要采用这一技术,如为生产最新发展起来的黑霉**个人数字助理(PDA)所需要的高分辨、彩色显示屏,就用到它。通常,在加工FPD时,也需要用308nm激光对玻璃衬底上的硅层进行退火。但是,SLS技术用光掩膜来产生由精细的、间隔均匀的线所组成的图样,从而引起了非晶硅线和多晶硅线交互出现的条形图样(见图4)。这些线只有几微米宽,必须有锐利的边缘,对投影的光掩膜图像来说,产生的空间分辨率仅为2μm。

图4. 最近出现的选择性激光烧结退火应用,要求对由均匀间隔的线所组成的光掩膜图样进行高分辨成像。

图4. 最近出现的选择性激光烧结退火应用,要求对由均匀间隔的线所组成的光掩膜图样进行高分辨成像。

    在这类应用中,所用的光束传输和整形系统,必须对两个轴的光束都进行修正,以使激光能适当地充满整个光掩膜。为了完成这一任务,需对不同尺寸的光束,分别用不同的柱面透镜扩束器和均匀器来对光束进行整形。接下来,再用投影透镜产生光掩膜的缩小像(如缩小5倍),并这个缩小的像投影到硅和玻璃板上。一步一步地移动该板,便可对整个表面进行加工。
    投影透镜设计的某些方面是值得注意的。 像以前提到的那样, 为产生适当的形状,这个透镜必须能传送衍射极限光束和提供很高的光强度(达到1J/cm2)。在这种条件下,衬底上的每一个点,只需接受2个激光脉冲,就能使整个厚度的硅层熔化,只需用57秒时间,就能将整个370×470毫米大的板加工完毕。

    必须对投影透镜的数字孔径(NA)进行仔细选择,以平衡若干相互竞争的因素。 NA较高,会增加空间分辨率, 但也会使透镜的复杂性和成本增加。 减少NA,可使透镜的制作变得简单,使工作距离增大,从而允许投影光束从外面进入真空室。一般说来,0.10-0.13的NA值,能使所有这些因素得到最好的平衡。
 
可变的光束传输系统
 
    用准分子激光束进行最佳加工,要求将光掩膜板的尺寸(以及脉冲能量和衬底上每个位置的脉冲数目)与被加工区域的形状很好匹配。但是,在某些情况下,这些尺寸事前是不知道的,因为准分子激光器的用途很广,从在玻璃上打标,到在聚酰亚胺上钻孔,和加工陶瓷等。一些正在发展起来的新应用,可能需要改变光束参数,以便探讨这些参数如何影响加工。在这种情况下,能够调节光束形状、大小和聚焦会受到欢迎的。

    实现这些调节的手段之一已经体现在Lambda Physik 公司生产的Variolas光束传输系统中了。该系统有许多规格,需要特别强调的是,通过采用可移动和可更换的元器件,就可对系统的性能进行调节。最重要的是, 是将光学元件安排在道轨上,通过前后移动,可以有效地改变投影透镜的缩小倍数,而无需更换透镜。同样,工作距离也可调节,以满足不同应用的要求。还有, 通过调节光束均匀器x和y轴子透镜列阵的相对间隔,也可以改变光束形状。

    使准分子激光器的输出光束与特殊的加工需要相匹配,就需要特殊的光束整形和聚焦系统。但是, 灵活的光学和光机设计可以实现所要求的光束转换,在成本、包装和性能等方面均能满足应用需要,从而大大推动了准分子激光器在紫外激光加工领域的发展。
 
译者注:

*  2 sigma,相当于产品合格率为95%。
** “黑莓”(BlackBerry)是加拿大RIM公司制造的带有GSM/CDMA电话功能的PDA掌上电脑,它拥有蓝牙、收发短信等功能…..。
















 

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