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CN111266725A - 激光加工装置 - Google Patents

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CN111266725A
CN111266725A CN201911220089.1A CN201911220089A CN111266725A CN 111266725 A CN111266725 A CN 111266725A CN 201911220089 A CN201911220089 A CN 201911220089A CN 111266725 A CN111266725 A CN 111266725A
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laser beam
hole
central
region
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金炯柱
亚历山大·乌若诺夫
崔银善
韩圭完
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Samsung Display Co Ltd
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Samsung Display Co Ltd
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Abstract

本申请涉及激光加工装置。根据示例性实施方式的激光加工装置包括：光源，生成激光束；以及光会聚单元，将激光束会聚至待加工对象上的焦点，其中，光会聚单元包括：第一光学元件，包括穿透第一光学元件的通孔；第二光学元件，包括反射激光束的第一区域和透射激光束的第二区域；以及第三光学元件，包括作为凸透镜的聚焦透镜，第一光学元件的下表面是凹面镜，并且第二光学元件的上表面是凸的且第二光学元件的下表面是凹的。

Description

激光加工装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月5日提交至韩国知识产权局的申请号为10-2018-0155533的韩国专利申请的优先权和权益，所述韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及激光加工装置。
背景技术
随着在半导体和显示器制造领域中对高密度、高集成度和高清晰度加工的需求增加，对改进的加工技术的需求也在增加。激光加工技术可被用于以下多种目的，诸如通过在对象上照射激光在对象的表面上形成凹槽、在对象内部形成致密层或者改变对象的材料特性。
当需要超高精度加工性能时，将具有最高的光能量和最小的光斑尺寸的激光束的焦点位置调整为准确地定位在对象中的待加工位置处是重要的。然而，当激光束透射通过透射透镜时，由于波长之间折射率的差别而发生色差，并且焦点的位置根据波长而变化。
在一些情况下，激光加工技术利用脉冲类型激光来实现高瞬时输出。对于这类激光，激光束的光谱带宽随着脉冲持续时间变短而具有变宽的倾向。由于色差的影响，这可能导致加工质量劣化、待加工对象中的缺陷或者低生产率。
此外，如果激光加工装置使用透镜和反射镜来折射和反射激光束，除非畸变像差被校正，否则可能无法使用激光束加工对象中的精确位置。
在本背景技术部分中公开的信息仅用来加强对本发明的背景技术的理解，并且因此其可能包含未形成对本领域普通技术人员在本国家中已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
示例性实施方式提供激光加工装置，该激光加工装置通过防止对于激光束的每个波长的焦点位置被色差改变而具有提高的加工质量、加工精确度和生产率，并且通过提供畸变像差校正而具有改善的加工精度。
根据示例性实施方式的激光加工装置包括：光源，生成激光束；以及光会聚单元，将激光束会聚至待加工对象上的焦点，其中，光会聚单元包括：第一光学元件，包括穿透第一光学元件的通孔；第二光学元件，包括反射激光束的第一区域和透射激光束的第二区域；以及第三光学元件，包括作为凸透镜的聚焦透镜，第一光学元件的下表面是凹面镜，并且第二光学元件的上表面是凸的且第二光学元件的下表面是凹的。
第二光学元件可包括穿透第二光学元件的中央聚焦孔。
第三光学元件还可包括支承聚焦透镜的支承板。
支承板的厚度可以是均匀的，并且支承板可透射激光束。
中央聚焦孔可设置在第一区域内，并且第二区域可围绕第一区域。
中央聚焦孔的尺寸可小于通孔的尺寸。
激光加工装置中还可包括位置调整单元，该位置调整单元设置在从光源生成的激光束的路径上以及调整激光束在待加工对象上的照射位置，其中，位置调整单元可包括第一检流镜和第二检流镜，其中，第一检流镜确定待加工对象上的焦点在x轴上的位置，第二检流镜确定焦点在与x轴交叉的y轴上的位置。
激光束可以是具有飞秒(例如，小于一皮秒)的脉冲持续时间的脉冲类型激光。
待加工对象可包括非有效区域和有效区域，其中，激光束不到达非有效区域，激光束到达有效区域，并且有效区域可包括：中央有效区域，设置在非有效区域的中央部分处；以及外围有效区域，设置在围绕非有效区域的区域处。
第二光学元件的第一区域和第二区域的曲率可大于第二光学元件的下表面的曲率。
第二光学元件的第一区域和第二区域的曲率可小于第二光学元件的下表面的曲率。
第二光学元件的第一区域和第二区域的曲率可等于第二光学元件的下表面的曲率。
支承板可包括在与聚焦透镜重叠的位置处暴露聚焦透镜的中央孔。
激光加工装置中还可包括窗，该窗设置在光会聚单元与待加工对象之间。
根据示例性实施方式的激光加工装置包括：第一光学元件；第二光学元件，设置在第一光学元件与待加工对象之间；聚焦透镜，设置在第一光学元件与待加工对象之间，其中，第一光学元件的下表面是凹面镜，第一光学元件包括穿透第一光学元件的通孔，第二光学元件的上表面的曲率中心和第二光学元件的下表面的曲率中心设置在第二光学元件与待加工对象之间，第二光学元件包括穿透第二光学元件的中央聚焦孔，第二光学元件的上表面包括反射激光束的第一区域和透射激光束的第二区域，第二光学元件下表面透射激光束，以及在平面图中，聚焦透镜与中央聚焦孔重叠。
激光加工装置中还可包括支承聚焦透镜的支承板，并且支承板可透射激光束。
支承板可包括在与聚焦透镜重叠的区域处的中央孔。
激光加工装置中还可包括位置调整单元，该位置调整单元调整激光束在待加工对象上的照射位置，并且位置调整单元可包括检流镜。
在平面图中，中央聚焦孔可设置在与通孔重叠的区域内。
激光加工装置中还可包括窗，该窗设置在支承板与待加工对象之间。
根据示例性实施方式，可防止对于激光束的每个波长的焦点位置被色差改变，从而可改善激光加工装置的加工质量、加工精确和生产率，可以进行畸变像差校正，并且随后可改善加工的精度。
附图说明
图1是示出根据示例性实施方式的从激光加工装置照射至中央有效区域的激光束的路径的示意图。
图2是根据示例性实施方式的从激光加工装置照射至外围有效区域的激光束的路径的示意图。
图3是当从上方观察时根据示例性实施方式的通孔光学元件的立体图。
图4是当从下方观察时根据示例性实施方式的通孔光学元件的立体图。
图5是根据示例性实施方式的通孔光学元件的俯视图。
图6是沿着线VI-VI'截取的图5中所示的通孔光学元件的剖视图。
图7是当从上方观察时根据示例性实施方式的复合光学元件的立体图。
图8是当从下方观察时根据示例性实施方式的复合光学元件的立体图。
图9是根据示例性实施方式的复合光学元件的俯视图。
图10是沿着线X-X'截取的图9的复合光学元件的剖视图。
图11是当从上方观察时根据示例性实施方式的中央聚焦光学元件的立体图。
图12是沿着线XII-XII'截取的图11的中央聚焦光学元件的剖视图。
图13是说明在中央有效区域上形成激光束的焦点的光会聚单元的图。
图14是说明在外围有效区域上形成激光束的焦点的光会聚单元的图。
图15是示出根据比较例的取决于使用透射透镜的激光加工装置的激光束的波长的焦点移动距离的图表。
图16是示出根据示例性实施方式的取决于激光加工装置的激光束的波长的焦点移动距离的图表。
图17是表示根据示例性实施方式的由激光加工装置照射至待加工对象的中央部分的激光束的斑点尺寸的图像视图。
图18是表示根据示例性实施方式的由激光加工装置照射至待加工对象的外围部分的激光束的斑点尺寸分布的图像视图。
图19是根据另一示例性实施方式的激光加工装置的中央聚焦光学元件的剖视图。
图20是用于说明根据另一示例性实施方式的激光加工装置的光会聚单元的图。
具体实施方式
参考附图，根据本发明的若干示例性实施方式被详细描述以容易地由本领域普通技术人员执行。本发明能够以若干不同的形式实施，并且不限制于本文中所描述的示例性实施方式。
为了清楚地描述本发明，将省略与说明书不相关的部分。在说明书通篇，相同的附图标记表示相同的元件。
此外，为了更好的理解和容易描述，任意地示出了附图中所示的每个配置的尺寸和厚度，但是本发明不限制于此。在附图中，为了清楚，层、膜、面板、区域等的厚度被夸大。在附图中，为了更好的理解和容易描述，一些层和区域的厚度被夸大。
将理解，当诸如层、膜、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”时，其可以直接在该另一元件上或者还可存在介于中间的元件。相反，当元件被称为“直接”在另一元件“上”时，不存在介于中间的元件。此外，在说明书中，词语“上”或“上方”指的是定位在对象部分上或下方，并且不一定指的是定位在对象部分的基于重力方向的上侧上。
另外，除非明确地相反描述，否则词语“包括(comprise)”和诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变型将被理解为暗示包括所述元件但不排除任何其他元件。
此外，在说明书中，短语“在平面上”是指从顶部观察对象部分，并且短语“在截面上”是指从侧面观察对象部分被竖直切割的截面。
图1描述了根据示例性实施方式的在激光加工装置中照射至中央有效区域51的激光束20的路径。根据示例性实施方式，激光加工装置包括光源100、位置调整单元200和光会聚单元300。
光源100生成用于加工待加工对象10的激光束20。光源100可包括具有很高能量密度的极短脉冲激光，并且可加工待加工对象10。在一些实施方式中，光源100可具有以纳秒、皮秒或甚至飞秒(即，小于皮秒)计量的脉冲持续时间。
待加工对象10可包含多种材料中的一种或多种，使得待加工对象10的加工可不引起由于热扩散而导致的物理化学变化或加工精度劣化。在极短脉冲激光中，通过加工形成的诸如颗粒堆(particle stacks)和凹坑(craters)的副产品是不显著的。因此，在一些情况下，可省略去除这些副产品的步骤(例如，超声波清洁)。
此外，极短脉冲激光能够加工具有高热传导系数或低光吸收率的材料，并且可以通过单个过程加工包含两种或更多种材料的待加工对象10和包含多层复合材料的待加工对象10。另一方面，光源100可生成除了以上描述的极短脉冲激光束之外的激光束20。例如，激光束20可以是具有以纳秒计量的脉冲持续时间的脉冲类型激光束或连续波激光束。
位置调整单元200位于由光源100生成的激光束20的路径上，并且改变激光束20的路径。位置调整单元200可包括第一检流镜(galvano mirror)210和第二检流镜220。第一检流镜210和第二检流镜220包括可旋转的反射镜，并且它们通过镜的旋转在预定角度范围内扫描激光束20。
由光源100产生的激光束20被第一检流镜210以预定角度反射。当第一检流镜210基于一个轴旋转时，激光束20相对于第一检流镜210的反射表面的入射角改变，并且反射的激光束20路径被相应地确定。
在被第一检流镜210反射之后，激光束20被第二检流镜220以预定角度反射。第二检流镜220的旋转轴位于与第一检流镜210的旋转轴交叉的方向上。因此，根据第二检流镜220的旋转，激光束20的对于第二检流镜220的反射表面的入射角改变，并且反射的激光束20的路径被确定。相应地，可确定激光束20的路径，并且可通过旋转第一检流镜210和第二检流镜220来调整形成在待加工对象10上的激光束20的焦点的位置。
当待加工对象10设置在由x轴、y轴和z轴组成的三维空间中的xy平面上时，第一检流镜210可调整形成在待加工对象10上的激光束20的焦点的x轴上的位置，并且第二检流镜220可调整形成在待加工对象10上的激光束20的焦点的y轴上的位置。
因此，在一个实施方式中，第一检流镜210控制激光束20的x轴上的照射位置，并且第二检流镜220控制y轴上的照射位置。然而，在其他实施方式中，第一检流镜210可控制y轴上的位置，并且第二检流镜220可控制x轴上的位置。此外，还可能的是，位置调整单元200不包括多个检流镜，并且使用单个检流镜同时调整焦点在x轴和y轴上的位置。
根据示例性实施方式，还可包括控制第一检流镜210的第一控制器(未示出)和控制第二检流镜220的第二控制器(未示出)。第一控制器和第二控制器分别控制第一检流镜210和第二检流镜220的位置和角度，使得激光束20照射至加工位置。
光会聚单元300设置在穿过位置调整单元200的激光束20的路径上，并且会聚激光束20以在待加工对象10上形成焦点。光会聚单元300可配置为使用最少数量的透射透镜经由多个路径将激光束20引导至待加工对象10的有效区域50上。这使得激光加工装置能够将激光束20照射至待加工对象10的中央部分并且能够校正任何畸变像差(distortionaberration)。例如，激光束20可直接透射到中央有效区域51上而不在光会聚单元300内反射，或者遵循包括在光会聚单元300内被反射的路径透射至外围有效区域52上。
光会聚单元300包括通孔光学元件310(即，第一光学元件)、设置在通孔光学元件310之下的复合光学元件320(即，第二光学元件)以及设置在复合光学元件320之下的中央聚焦光学元件330(即，第三光学元件)。
通孔光学元件310包括从通孔光学元件310的上表面穿透至下表面的通孔311。激光束20穿过通孔光学元件310的通孔311。在一些情况下，激光束20可被反射回到通孔光学元件310的下表面上。
复合光学元件320设置在穿过通孔光学元件310的通孔311的激光束20的路径上。复合光学元件320的上表面可设置为面对通孔光学元件310的下表面。复合光学元件320的上表面是向上凸的。复合光学元件320包括设置在上表面的中央处的第一区域321、设置在第一区域321的外围部分处的第二区域322以及从复合光学元件320的上表面穿透至下表面的中央聚焦孔323。
复合光学元件320的第一区域321由反射层、反射涂层或反射膜形成以反射激光束20，并且第二区域322透射激光束20。中央聚焦孔323可设置在复合光学元件320的第一区域321处，并且在平面图中可设置在与通孔光学元件310的通孔311重叠的区域内。
中央聚焦孔323的尺寸可小于通孔光学元件310的通孔311的尺寸。例如，当通孔311和中央聚焦孔323具有圆形形状时，中央聚焦孔323的直径可小于通孔光学元件310的通孔311的直径。
穿过通孔光学元件310的通孔311的激光束20还可通过中央聚焦孔323穿过复合光学元件320。然而，在一些情况下，激光束20可穿过通孔光学元件310的通孔311，并且然后由复合光学元件320的第一区域321反射至通孔光学元件310下表面上。当激光束20被反射回到通孔光学元件310的下表面上时，其随后可由通孔光学元件310的下表面再次反射至第二区域322上以透射通过复合光学元件320(即，至待加工对象10的外围有效区域52的路线)。
中央聚焦光学元件330设置在复合光学元件320与待加工对象10之间。中央聚焦光学元件330包括设置在穿过复合光学元件320的中央聚焦孔323的激光束20的路径上的聚焦透镜331以及设置在聚焦透镜331之下的支承板332。
聚焦透镜331的上表面是凸的。聚焦透镜331的上表面可设置为面对复合光学元件320的下表面。在平面图中，聚焦透镜331可与复合光学元件320的中央聚焦孔323重叠。
支承板332设置在聚焦透镜331之下并且支承聚焦透镜331。支承板332可透射光。支承板332防止可能在加工期间发生的通孔光学元件310、复合光学元件320和聚焦透镜331的污染，并且可具有保护通孔光学元件310、复合光学元件320和聚焦透镜331的功能。穿过复合光学元件320的中央聚焦孔323的激光束20在穿过聚焦透镜331时被会聚以在待加工对象10上形成焦点。
根据示例性实施方式，光会聚单元300还可包括光学元件移动装置(未示出)，使得通孔光学元件310、复合光学元件320和中央聚焦光学元件330是可移动的。通孔光学元件310、复合光学元件320和中央聚焦光学元件330可通过光学元件移动装置整体地移动或独立地移动。因此，通过调整通孔光学元件310与复合光学元件320之间的距离、复合光学元件320与中央聚焦光学元件330之间的距离或中央聚焦光学元件330与待加工对象10之间的距离，可更容易地在待加工对象10上形成焦点。
由光源100生成并且顺序地穿过位置调整单元200和光会聚单元300的激光束20被会聚以在待加工对象10上形成焦点。待加工对象10可被固定在能够多轴移动的台(未示出)上以调整相对位置，使得激光束20的焦点可设置在待加工对象10的加工位置上。
待加工对象10包括有效区域50和非有效区域40，其中激光束20的焦点可设置在有效区域50上，焦点可不设置在非有效区域40上。根据示例性实施方式，激光加工装置能够通过使用位置调整单元200来调整激光束20的路径以在有效区域50上加工二维图案。加工轨迹30形成在激光束20的焦点经过待加工对象10的区域中。
有效区域50包括中央有效区域51和外围有效区域52。中央有效区域51可设置在非有效区域40的中央部分处。激光束20可在待加工对象10的中央有效区域51上形成焦点(在路径由位置调整单元200调整以顺序地穿过通孔光学元件310的通孔311、复合光学元件320的中央聚焦孔323和中央聚焦光学元件330的聚焦透镜331之后)。
在一些示例中，中央有效区域51的形状可以是圆形。然而，中央有效区域51的形状不限制于此，并且取决于通孔311、中央聚焦孔323或聚焦透镜331的形状，中央有效区域51可具有诸如多边形或椭圆形的多种形状。参考附图2详细描述外围有效区域52和非有效区域40。
图2是表示根据示例性实施方式的从激光加工装置照射至外围有效区域52的激光束20的路径的示意图。除了激光束20的路径外，基本配置与参考图1所描述的配置类似，并且省略对相应元件的描述。
根据图2中示出的示例，由光源100生成的激光束20由位置调整单元200的第一检流镜210和第二检流镜220以预定角度反射以穿过通孔光学元件310的通孔311。
与图1中不同，在图2中，激光束20的路径由位置调整单元200调整以到达第一区域321而不穿过复合光学元件320的中央聚焦孔323。
因此，穿过通孔光学元件310的通孔311的激光束20由复合光学元件320的第一区域321反射。由复合光学元件320的第一区域321反射的激光束20再次由通孔光学元件310的下表面反射并且在复合光学元件320的第二区域322中穿过复合光学元件320。穿过复合光学元件320的激光束20随后穿过中央聚焦光学元件330的支承板332以在待加工对象10上形成焦点。
如上所述，待加工对象10可包括可不设置有激光束20的焦点的非有效区域40。复合光学元件320的第一区域321不透射激光束20而是在设置有通孔光学元件310的方向上反射激光束20。因此，焦点可不设置在待加工对象10的与第一区域321对应的部分区域中。
非有效区域40可具有与复合光学元件320的投影在待加工对象10上的第一区域321对应的形状。例如，如果复合光学元件320的第一区域321具有y轴方向上的长矩形形状，则待加工对象10的非有效区域40也可具有y轴方向上的长矩形形状。然而，由于激光束20的反射和折射，所以非有效区域40的形状可不与复合光学元件320的投影在待加工对象10上的第一区域321的形状完全一致(即，它可以是第一区域321的形状的扭曲版本)。因为非有效区域40中不包括待加工对象10上的待加工的区域，所以第一区域321的位置、尺寸和形状可根据待加工的位置、尺寸和形状来确定。
激光束20可在其由复合光学元件320的第一区域321和通孔光学元件310的下表面依次反射、穿过复合光学元件320的第二区域322和支承板332之后在外围有效区域52上形成焦点。因为激光束20所穿过的复合光学元件320的第二区域322设置在第一区域321的外围部分上，所以待加工对象10的外围有效区域52可设置在围绕非有效区域40的区域处。
接下来，参考图3至图6详细描述通孔光学元件310。
图3是当从上方观察时根据示例性实施方式的通孔光学元件310的立体图。参考图3，通孔光学元件310包括穿透上表面至下表面的通孔311，并且通孔光学元件310的上表面包括平坦的平坦部分312。
如图1和图2中所描述的，激光束20穿过位置调整单元200、经由通孔311穿过通孔光学元件310且不发生折射。因此，激光束不直接入射在通孔光学元件310的平坦部分312上。
图4是当从下方观察时根据示例性实施方式的通孔光学元件310的立体图。参考图4，通孔光学元件310的下表面包括从通孔光学元件310的上表面穿透的通孔311以及设置在通孔311的外围部分处的第一凹入部分313。第一凹入部分313形成通孔光学元件310的下表面，并且具有凹形状。第一凹入部分313可以是凹面镜。因此，进入第一凹入部分313中的对角线的激光束在会聚方向上反射而不发散。
在一些实施方式中，通孔光学元件310的第一凹入部分313可以是具有作为球的内表面的反射表面的球面凹面镜。然而，根据示例性实施方式，通孔光学元件310的第一凹入部分313可以是非球面凹面镜。与球面凹面镜相比，在非球面凹面镜中，球面误差减少，从而允许更精确的加工。
图5是根据示例性实施方式的通孔光学元件310的俯视图。参考图5，通孔光学元件310的平坦部分312是圆形。然而，根据示例性实施方式，通孔光学元件310的平坦部分312可以是椭圆形、多边形或任何其他形状。
在通孔光学元件310的平面图中，通孔311设置在平坦部分312的中央处。然而，通孔311可设置在平面图中的任意位置处而不设置在平坦部分312的中央处。在一些实施方式中，通孔光学元件310的通孔311是圆形。然而，通孔311可以是椭圆形、多边形或任何其他形状。
现在参考图6描述通孔光学元件310的剖视图。图6是沿线VI-VI'截取的图5中所示的通孔光学元件310的剖视图。
如上所述，通孔光学元件310的平坦部分312是平坦的，并且第一凹入部分313具有凹形状。因此，通孔光学元件310向中央变薄。换言之，通孔光学元件310的拐角部分的厚度比中央部分的厚度更厚。通孔光学元件310包括穿透上表面至下表面的通孔311。
接下来，参考图7至图10详细描述复合光学元件320。
图7是当从上方观察时根据示例性实施方式的复合光学元件320的立体图。参考图7，复合光学元件320的上表面具有凸形状。复合光学元件320具有设置在复合光学元件320的上表面的中央处的第一区域321、设置在第一区域321的外围部分处的第二区域322以及穿透复合光学元件320的上表面至下表面的中央聚焦孔323。中央聚焦孔323可设置在第一区域321内。
第一区域321反射激光束，并且第二区域322透射激光束。因此，第一区域321起凸面镜的作用，并且第二区域322起凸透镜的作用。复合光学元件320的第二区域322由上表面上的凸透镜形成，使得入射在第二区域322上的激光束可被会聚而不发散。作为凸面镜的第一区域321以及设置在凸面镜的外围部分上的第二区域322可整体地形成。
可通过在凸透镜的中央处施加高反射涂层以形成复合光学元件320的第一区域321和第二区域322来形成上表面。然而，复合光学元件320可通过产生以下特性的任何方法形成：激光束20(参考图1)在第一区域321中反射并且激光束20在第二区域322中透射。
在一些实施方式中，复合光学元件320的上表面可以是球面的。然而，根据示例性实施方式，复合光学元件320的上表面可以是非球面的。如果复合光学元件320的上表面是非球面表面，则与球面表面的情况相比，球面误差可减小，从而能够更精确地加工。
图8是当从下方观察时根据示例性实施方式的复合光学元件320的立体图。参考图8，复合光学元件320的下表面具有凹形状，并且包括位于中央处的、从复合光学元件320的上表面穿透的中央聚焦孔323。复合光学元件320的下表面包括定位在中央聚焦孔323的外围部分上的第二凹入部分324。与通孔光学元件310的第一凹入部分313不同，第二凹入部分324透射激光束20(参考图1)。在一些实施方式中，第二凹入部分324可以是球面的。然而，根据示例性实施方式，第二凹入部分324可以是非球面的。
图9是根据示例性实施方式的复合光学元件320的俯视图。参考图9，复合光学元件320的上表面被示出为圆形形状。然而，复合光学元件320的平面图中的形状可以是包括椭圆形或多边形的任何形状。
反射激光束20(参考图1)的第一区域321设置在复合光学元件320的上表面的中央处。在一些示例中，第一区域321是矩形。然而，这是示例，并且第一区域321可以是包括圆形、椭圆形或多边形的任何形状。如上所述，第一区域321的位置、尺寸和形状可根据在待加工对象10上待加工的位置、尺寸和形状来确定。
在一些实施方式中，中央聚焦孔323设置在复合光学元件320的平面图中的第一区域321的中央处。然而，中央聚焦孔323不总是设置在第一区域321的中央处，而是可以设置在平面图中的任何位置处。在一些实施方式中，复合光学元件320的中央聚焦孔323是圆形。然而，根据示例性实施方式，中央聚焦孔323的形状可以是椭圆形、多边形或者任何其他形状。
现在参考图10描述复合光学元件320的剖视图。图10是沿线X-X'截取的图9的复合光学元件320的剖视图。
复合光学元件320的上表面是凸的并且下表面是凹的。复合光学元件320的上表面的曲率中心c1和下表面的曲率中心c2两者形成在复合光学元件320之下。
在一些实施方式中，复合光学元件320的上表面的曲率大于下表面的曲率。即，复合光学元件320的第一区域321和第二区域322的曲率大于第二凹入部分324的曲率。因为曲率半径与曲率成反比，所以复合光学元件320的第一区域321和第二区域322曲率半径r1小于第二凹入部分324的曲率半径r2。曲率指的是表示曲线的弯曲程度的变化率，并且曲率半径指的是从曲线上的任意位置到曲率中心的距离。
因此，复合光学元件320从边缘向中心变厚。因此，根据一个实施方式，复合光学元件320可在边缘处最薄并且在中心处最厚。
然而，还可能的是，复合光学元件320的第一区域321和第二区域322的曲率与第二凹入部分324的曲率相等，或者第一区域321和第二区域322的曲率小于第二凹入部分324的曲率。换言之，还可能的是，复合光学元件320的第一区域321和第二区域322的曲率半径r1与第二凹入部分324的曲率半径r2相等，或者第一区域321和第二区域322的曲率半径r1大于第二凹入部分324曲率半径r2。在这种情况下，复合光学元件320可具有均匀厚度，或者复合光学元件320可在边缘处比在中心处厚。
现在参考图11和图12详细描述中央聚焦光学元件330。
图11是当从上方观察时根据示例性实施方式的中央聚焦光学元件330的立体图。
中央聚焦光学元件330包括聚焦透镜331和支承板332。聚焦透镜331是具有凸面上表面的凸透镜。因此，入射在聚焦透镜331上的激光束穿过聚焦透镜331并且在会聚方向上折射且不扩散。在一些实施方式中，聚焦透镜331的上表面可以是球面的。然而，根据示例性实施方式，聚焦透镜331的上表面可以是非球面的。在一些实施方式中，聚焦透镜331可设置在支承板332的中央部分上。然而，其不限制于此，并且聚焦透镜331可设置在支承板332的任何部分上。
支承板332具有平坦的上表面和下表面，设置在聚焦透镜331之下并且支承聚焦透镜331。支承板332可透射激光束。虽然，在平面图中，支承板332被示出为四边形，但是支承板332可形成为具有诸如圆形、多边形等的任何形状。
现在参考图12描述中央聚焦光学元件330的剖视图。图12是沿着线XII-XII'截取的图11的中央聚焦光学元件330的剖视图。
聚焦透镜331可具有凸的上表面和平坦下表面。聚焦透镜331的下表面可附着或固定至平坦的支承板332。聚焦透镜331的厚度从边缘到中央增加。聚焦透镜331在边缘处最薄并且在中心处最厚。
支承板332的厚度可以是恒定的。在一些实施方式中，聚焦透镜331和支承板332可分别地制造且随后附着并固定，然而，聚焦透镜331和支承板332还可整体地形成。
参考图13描述穿过光会聚单元300以在中央有效区域51中形成焦点的激光束的路径。
图13是用于解释在中央有效区域51上形成激光束的焦点的光会聚单元300的图。图13示出了具有调整的路径使得焦点形成在待加工对象10的焦点位置31上的第一激光束21的路径。
首先，通过第一线束21-1和第二线束21-2的路径描述第一激光束21的路径。第一激光束21是许多线束的组合，并且代表性地描述许多线束中的第一线束21-1和第二线束21-2。
第一线束21-1和第二线束21-2通过通孔311穿过通孔光学元件310。通孔311穿透通孔光学元件310的上表面至下表面，使得第一线束21-1和第二线束21-2在穿过通孔311时没有折射地行进。
穿过通孔311的第一线束21-1和第二线束21-2通过复合光学元件320的中央聚焦孔323穿过复合光学元件320。因为中央聚焦孔323从复合光学元件320的上表面穿透至下表面，所以第一线束21-1和第二线束21-2在穿过中央聚焦孔323时没有折射地行进。在一些实施方式中，在平面图中，通孔311的中心可与中央聚焦孔323的中心重合。然而，其不限制于此，并且在平面图中，中央聚焦孔323可设置在与通孔311重叠的区域内的任何位置。
第一线束21-1和第二线束21-2经由中央聚焦孔323穿过复合光学元件320，并且透射通过中央聚焦光学元件330的聚焦透镜331和支承板332。在平面图中，中央聚焦孔323的中心可与聚焦透镜331的中心重合。此外，通孔311、中央聚焦孔323和聚焦透镜331的中心可设置在直线上。然而，其不限制于此，并且在平面中，聚焦透镜331可设置在与中央聚焦孔323重叠的区域内的任何位置。因为聚焦透镜331是具有凸的上表面的凸透镜，所以当第一线束21-1和第二线束21-2在透射通过聚焦透镜331时开始会聚以在待加工对象10的焦点位置31处形成焦点。
当支承板332和聚焦透镜331使用相同的材料整体地形成时，支承板332与聚焦透镜331之间不存在边界，使得中央聚焦光学元件330中的第一线束21-1和第二线束21-2不折射。然而，当支承板332和聚焦透镜331包括不同的材料并且聚焦透镜331附着和固定至支承板332时，第一线束21-1和第二线束21-2可在支承板332与聚焦透镜331的边界上折射。但是因为支承板332的上表面和下表面是平行的，所以支承板332不具有会聚或分散第一激光束21的功能。
待加工对象10包括有效区域50和非有效区域40，其中，焦点可形成在有效区域50中，焦点可不形成在非有效区域40中。有效区域50包括中央有效区域51和外围有效区域52。第一激光束21穿过定位在第一区域321的中央部分处的中央聚焦孔323，并且透射通过聚焦透镜331以形成焦点，使得焦点位置31(其中形成有第一激光束21的焦点)设置在中央有效区域51处。
现在参考图14描述通过穿过光会聚单元300在外围有效区域52内形成焦点的激光束的路径。
图14是说明在外围有效区域52上形成激光束的焦点的光会聚单元300的图。图14示出了第二激光束22和第三激光束23的路径，其中第二激光束22和第三激光束23的路径被调整使得焦点形成在待加工对象10的第一焦点位置32和第二焦点位置33处。
首先，通过第三线束22-1和第四线束22-2的路径描述第二激光束22的路径。第二激光束22可包括许多线束，第三线束22-1和第四线束22-2是许多线束中的示例。虽然图14仅示出了第三线束22-1和第四线束22-2，但是第二激光束22可包括更多个线束。
第三线束22-1和第四线束22-2经由通孔311穿过通孔光学元件310。通孔311穿透通孔光学元件310的上表面至下表面，使得第三线束22-1和第四线束22-2在穿过通孔311时没有折射地行进。
经由通孔311穿过通孔光学元件310的第三线束22-1和第四线束22-2随后在设置在复合光学元件320的中央聚焦孔323的外围部分处的第一区域321处反射。因为第一区域321是凸面镜，所以相比于当从平面镜反射时，从第一区域321反射的第三线束22-1和第四线束22-2在更朝向复合光学元件320的外侧部分的方向上行进。
从第一区域321反射的第三线束22-1和第四线束22-2在通孔光学元件310的第一凹入部分313处被再次反射。因为第一凹入部分313是凹面镜，所以相比于当由平面镜反射时，从第一凹入部分313反射的第三线束22-1和第四线束22-2在更朝向第一凹入部分313的中央的方向上行进。
从第一凹入部分313反射的第三线束22-1和第四线束22-2穿过复合光学元件320的第二区域322。因为第二区域322是凸的，所以由于介质的折射率差别，第三线束22-1和第四线束22-2在朝向复合光学元件320的中央的方向上折射。
入射在复合光学元件320的第二区域322上的第三线束22-1和第四线束22-2通过第二凹入部分324发射，其中第二凹入部分324是复合光学元件320的下表面。因为第二凹入部分324具有凹形状，所以第三线束22-1和第四线束22-2在朝向复合光学元件320的外侧部分的方向上折射。
第三线束22-1和第四线束22-2穿过中央聚焦光学元件330的支承板332，并且在待加工对象10上的第一焦点位置32处会聚以形成焦点。虽然未示出，但是第三线束22-1和第四线束22-2可入射在支承板332上，并且可在发射时由于介质差别而被折射。然而，因为支承板332的上表面和下表面是平行的，所以入射在支承板332的上表面的第三线束22-1和第四线束22-2的入射角与发射至支承板332的下表面的第三线束22-1和第四线束22-2的发射角相同。换言之，支承板332不起会聚或分散第二激光束22的作用。
当仅使用反射镜来防止色差(chromatic aberration)时，由于球差(sphericalaberration)的影响，光束均匀性受到限制。然而，根据示例性实施方式，激光加工装置可通过使用反射镜和透射透镜两者来防止色差。此外，透镜表面可提供像差补偿(aberrationcompensation)，从而改善光束均匀性和光束质量。
在下文中，描述第五线束23-1和第六线束23-2的路径以说明第三激光束23的路径。省略与用于描述第二激光束22的内容相同的内容的详细说明。
第三激光束23的路径被调整为在第二焦点位置33处形成焦点。与第二激光束22的线束相同，第五线束23-1和第六线束23-2经由通孔311穿过通孔光学元件310并且在设置在复合光学元件320的中央聚焦孔323的外围部分处的第一区域321中反射。第五线束23-1和第六线束23-2从第一区域321反射并且在通孔光学元件310的第一凹入部分313处被再次反射。随后，它们穿过复合光学元件320的第二区域322和第二凹入部分324并且被相应地折射。第五线束23-1和第六线束23-2随后透射通过中央聚焦光学元件330的支承板332并且在待加工对象10上的第二焦点位置33处会聚以形成焦点。
虽然第五线束23-1和第六线束23-2作为示例被描述，但是第三激光束23可包括更多个线束。
与图13不同，形成有第二激光束22和第三激光束23的焦点的第一焦点位置32和第二焦点位置33设置在外围有效区域52中。
复合光学元件320的第一区域321不透射激光束，而是在其中设置有通孔光学元件310的方向上反射激光束。从通孔光学元件310的第一凹入部分313反射的激光束穿过设置在复合光学元件320的第一区域321的外围部分处的第二区域322以形成焦点。因此，焦点可不设置在待加工对象10的非有效区域40中，其中待加工对象10的非有效区域40设置在第一区域321下方，并且焦点可定位在作为围绕非有效区域40的区域的外围有效区域52中。
如同复合光学元件320的第一区域321被投影那样，非有效区域40可具有与第一区域321相同的形状。然而，由于激光束20(参见图1)的反射和折射，非有效区域40可不具有与复合光学元件320的第一区域321的形状完全一致的形状，并且非有效区域40的形状可以是部分扭曲的第一区域321的形状。第一区域321的位置、尺寸和形状可根据待加工对象10上的待加工的位置、尺寸和形状来确定。
接下来，图15和图16示出了根据比较例和示例性实施方式的焦点位置与由激光加工装置照射的激光束的波长的依赖关系。具体地，图15是示出根据比较例的取决于使用透射透镜的激光加工装置的激光束的波长的焦点移动距离的图表。相反地，图16是示出根据示例性实施方式的取决于激光加工装置的激光束的波长的焦点移动距离的图表。
参考图15，在使用透射透镜的激光加工装置的情况下，在波长在354nm与356nm之间的区域中出现约620μm的焦点位置的范围。这是由于当激光束穿过透镜时色差的影响。
参考图16，在根据示例性实施方式的激光加工装置的情况下，在波长在354nm与356nm之间的区域中存在约24μm的焦点位置的范围。换言之，给定波长范围内的焦点位置的差可降低到使用透射透镜的激光加工装置的焦点位置的差的1/25。因此，色差的影响是非常小的。
随着激光束的脉冲持续时间变短，光谱带宽度变宽。当使用透射透镜的激光加工装置使用具有短脉冲持续时间的激光束时，激光加工装置的精度降低(因为焦点的位置高度取决于波长)。
然而，根据示例性实施方式的激光加工装置使用少量的透射透镜。因此，色差影响是非常小的。即使使用具有飞秒的脉冲持续时间的脉冲类型的激光束，因为焦点的位置不高度取决于波长，所以可改善激光加工装置的精度和加工质量。
接下来，参考图17和图18描述根据示例性实施方式的激光加工装置的有效区域50和非有效区域40。
图17是表示根据示例性实施方式的由激光加工装置照射至待加工对象的中央部分的激光束的斑点尺寸的图像视图。
在根据示例性实施方式的激光加工装置中，复合光学元件包括位于中央部分处的中央聚焦孔，并且中央聚焦光学元件设置在复合光学元件之下。相应地，待加工对象包括中央有效区域51，激光束的焦点可形成在中央有效区域51处(即，形成在待加工对象的中央部分处)。根据图17，激光束的焦点可形成在待加工对象的中央部分处。
图18是表示根据示例性实施方式的由激光加工装置照射至待加工对象的外围部分的激光束的斑点尺寸分布的图像视图。
在使用透射透镜的激光加工装置的情况下，因为激光束是通过透镜的前部透射的，所以焦点可形成在待加工对象的前部。相反地，根据示例性实施方式的激光加工装置包括位于复合光学元件中的不透射激光束的第一区域。这由此产生位于待加工对象的激光束无法到达的局部区域内的非有效区域40。
已从通孔光学元件的第一凹入部分反射的激光束透射至设置在复合光学元件的第一区域的外围部分处的第二区域以形成焦点。这由此产生位于围绕非有效区域40的区域中的外围有效区域52，在外围有效区域52中形成激光束的焦点。
在使用曲面透镜或曲面镜的光学系统的情况下，在垂直于光学轴的相位平面内发生其中图像畸变的畸变像差。可通过照射具有方格图案的激光束、测量图像的畸变程度以及使用检流镜补偿误差值来执行畸变像差的校正。
因此，在激光加工装置无法将激光束照射至待加工对象的中央部分的情况下，因为不存在用于测量畸变程度的参考点，所以可能无法校正畸变像差。
根据示例性实施方式，激光加工装置包括位于复合光学元件的中央部分处的中央聚焦孔，并且中央聚焦光学元件设置在复合光学元件之下。相应地，可以将激光束照射至待加工对象的中央部分。因此，根据示例性实施方式的激光加工装置可以在最小化色差影响的同时校正畸变像差。
接下来，参考图19和图20描述根据另一示例性实施方式的激光加工装置的元件。省略说明书的与上述描述相同的部分。
图19是根据另一示例性实施方式的激光加工装置的中央聚焦光学元件330的剖视图。
参考图19，中央聚焦光学元件330包括聚焦透镜331、支承板332和形成在支承板332中的中央孔333。在聚焦透镜331中，上表面可以是凸的，并且下表面可以是平坦的。因此，聚焦透镜331的下表面可附着或固定至平坦的支承板332。中央孔333设置在支承板332中的与聚焦透镜331重叠的区域中以暴露聚焦透镜331的下表面。中央孔333可设置在设置有聚焦透镜331的区域内，并且中央孔333的直径可小于聚焦透镜331的直径。
根据图20中示出的示例性实施方式的激光加工装置还可包括防止由中央孔333暴露的聚焦透镜331受到污染并且保护通孔光学元件310、复合光学元件320和聚焦透镜331的窗。
现在将参考图20描述穿过光会聚单元300以在中央有效区域51上形成焦点的激光束的路径。
图20是用于说明根据另一示例性实施方式的激光加工装置的光会聚单元300的图。图20示出了第四激光束24的路径，第四激光束24的路径被调整为在待加工对象10的焦点位置31上形成焦点。
与图13中示出的示例不同，根据本示例性实施方式的激光加工装置的中央聚焦光学元件330的支承板332包括中央孔333，并且窗400设置在中央聚焦光学元件330之下。第四激光束24的路径在待加工对象10的外围有效区域52中形成焦点。因为路径被调整为在待加工对象10的外围有效区域52上形成焦点的激光束的路径与图14中描述的路径相同，所以省略对其的描述。
通过第七线束24-1和第八线束24-2的路径描述第四激光束24的路径。第四激光束24可包括多个线束的组合，并且第七线束24-1和第八线束24-2作为示例被描述。
第七线束24-1和第八线束24-2经由通孔311穿过通孔光学元件310。接下来，第七线束24-1和第八线束24-2经由中央聚焦孔323穿过复合光学元件320。
因为通孔311和中央聚焦孔323分别从通孔光学元件310和复合光学元件320的上表面穿透至下表面，所以第七线束24-1和第八线束24-2行进通过通孔311和中央聚焦孔323而不被折射。
第七线束24-1和第八线束24-2随后穿过中央聚焦光学元件330的聚焦透镜331。因为聚焦透镜331是其上表面是凸面的凸透镜，所以第七线束24-1和第八线束24-2穿过聚焦透镜331并且被会聚以形成焦点。
因为穿过聚焦透镜331的第七线束24-1和第八线束24-2通过形成在支承板332中的中央孔333穿过支承板332，所以即使支承板332包括与聚焦透镜331的材料不同的材料，也可最小化支承板332对激光束路径的影响，从而能够进行更精确的加工。
在一些实施方式中，支承板332和聚焦透镜331可不整体地形成而是可包括其他材料。然而，还可能的是，支承板332和聚焦透镜331包括相同的材料并且整体地形成。
虽然已经结合当前被认为是可实施的示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应理解，本发明不限制于公开的实施方式，而是，相反地，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和等同布置。
术语描述
10：待加工对象
20：激光束
40：非有效区域
50：有效区域
100：光源
200：位置调整单元
300：光会聚单元
310：通孔光学元件，第一光学元件
311：通孔
313：第一凹入部分
320：复合光学元件，第二光学元件
321：第一区域
322：第二区域
323：中央聚焦孔
324：第二凹入部分
330：中央聚焦光学元件，第三光学元件
331：聚焦透镜
332：支承板
333：中央孔

Claims (10)

1.激光加工装置，包括：
光源，生成激光束；以及
光会聚单元，将所述激光束会聚至待加工对象上的焦点，
其中，所述光会聚单元包括：
第一光学元件，包括穿透所述第一光学元件的通孔；
第二光学元件，包括反射所述激光束的第一区域和透射所述激光束的第二区域；以及
第三光学元件，包括作为凸透镜的聚焦透镜，
其中，所述第一光学元件的下表面是凹面镜，以及
所述第二光学元件的上表面是凸的且所述第二光学元件的下表面是凹的。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中，
所述第二光学元件包括穿透所述第二光学元件的中央聚焦孔。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其中，
所述第三光学元件还包括支承所述聚焦透镜的支承板，
所述支承板的厚度是均匀的，以及
所述支承板透射所述激光束。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其中，
所述中央聚焦孔设置在所述第一区域内，
所述第二区域围绕所述第一区域，以及
所述中央聚焦孔的尺寸小于所述通孔的尺寸。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，还包括：
位置调整单元，设置在从所述光源生成的所述激光束的路径上以及调整所述激光束在所述待加工对象上的照射位置，
其中，所述位置调整单元包括第一检流镜和第二检流镜，其中，所述第一检流镜确定所述待加工对象上的所述焦点在x轴上的位置，所述第二检流镜确定所述焦点在与所述x轴交叉的y轴上的位置。
6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其中，
所述待加工对象包括非有效区域和有效区域，其中所述激光束不到达所述非有效区域，所述激光束到达所述有效区域，以及
所述有效区域包括：
中央有效区域，设置在所述非有效区域的中央部分处，以及
外围有效区域，设置在围绕所述非有效区域的区域处。
7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其中，
所述第二光学元件的所述第一区域和所述第二区域的曲率大于所述第二光学元件的所述下表面的曲率。
8.根据权利要求6所述的激光加工装置，其中
所述第二光学元件的所述第一区域和所述第二区域的曲率小于或等于所述第二光学元件的所述下表面的曲率。
9.根据权利要求3所述激光加工装置，其中
所述支承板包括在与所述聚焦透镜重叠的位置处暴露所述聚焦透镜的中央孔。
10.根据权利要求9所述的激光加工装置，还包括：
窗，设置在所述光会聚单元与所述待加工对象之间。
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