在最短的時間內處理大面積區域通常是工業加工的必要條件。基於激光的非接觸式轉移技術通過聚焦透鏡將光束聚焦為特定大小的光斑,具備較高的空間精度,並且對樣品表面的損害最小,具有選擇性加工的特點。而圖案陣列化轉移技術一方面滿足選擇性地作用於材料,另一方面增加了加工區域,具有並行處理的優勢,在利用不同轉移技術工藝中,應用了不同的圖案化轉移方式。
在准分子激光器中,出射的紫外准分子激光束經過衰減器,由整形、勻束裝置可以得到極為均勻和長期穩定的線光束,如圖XX所示。通過控制位移台的移動,線光束可以實現大面積的加工。為了滿足批量轉移過程的高度選擇性,通常采用光掩膜[X[孫1] ,Y[孫2] ]的方式對光束進行圖案化,以得到與微器件大小和形狀相匹配的光束尺寸。由於掩模式圖案化方式需要根據工藝的不同經常更換掩模版,這導致工藝兼容性很差。當前發展出一種空間光調制無掩膜方式[X[孫3] ]——DMD無掩膜技術[X[孫4] ,Y[孫5] ],其主要原理是通過計算機將所需的圖案通過軟件輸入到DMD芯片中,根據圖像中的黑白像素的分布來改變DMD芯片微鏡的轉角,並通過准直光源照射到DMD芯片上形成與所需圖形一致的光圖像投射到基片表面,然后通過控制樣品台的移動實現大面積的微結構制備。此外,也可通過液晶空間光調制器(SLM)提供全灰度強度調制,生成外圈為低能量密度內圈為高能量密度的強度分布光束,用於滿足不同的加工模式。相對准分子激光器而言,固體激光器通常以點光斑的方式作為輸出激光源,光斑作用面積很小,不再適用於掩膜方式。若要滿足大面積加工,通常采用振鏡掃描式[X[孫6] ,Y[孫7] ],將點光斑以高速掃描速度實現陣列化加工。
[孫1]https://doi.org/10.2961%2Fjlmn.2008.03.0007
[孫7]https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-016-9928-7
1 光學投影式掩膜陣列化光斑
在准分子激光器中,出射的紫外准分子激光束經過衰減器,由望遠鏡光學裝置成形,在單獨的單元中進行長、短軸均勻化可以得到極為均勻和長期穩定的線光束,如圖XX所示。通過控制位移台的移動,線光束可以實現大面積的加工。為了滿足批量轉移過程的圖案化,通常采用光掩膜的方式對光束進行圖案化。
光掩模技術是微電子制造領域中光刻工藝所用技術,由不透光的遮光掩膜在透明基板上形成掩膜圖形,再進行后續工序的圖案化操作,這種技術在光刻工藝中應用最為成熟,有三類掩膜放置方式:接觸式掩膜、非接觸式掩膜、光學投影式掩膜。相比前兩者方式,投影式掩膜方法通常會將掩模圖案放大到工件上,使用x4、x10或x30的放大倍率,這樣掩模版就不需要超高分辨率的特性,從而降低其復雜性和制造成本。由於使用了放大倍率,激光束在掩模處的能量密度遠低於樣品處的能量密度,這降低了掩膜損壞的風險,並延長了掩膜的使用壽命。由於掩膜和工件不在很近的距離內,掩膜不會受到樣品燒蝕造成的任何碎屑或微粒損壞。
2 空間光調制陣列化光斑
由於掩模式圖案化方式需要根據工藝地不同經常更換掩模版,這導致工藝兼容悉尼港很差。當前發展出一種空間光調制無掩膜方式——DMD無掩膜技術,其主要原理是通過計算機將所需的圖案通過軟件輸入到DMD芯片中,根據圖像中的黑白像素的分布來改變DMD芯片微鏡的轉角,並通過准直光源照射到DMD芯片上形成與所需圖形一致的光圖像投射到基片表面,然后通過控制樣品台的移動實現大面積的微結構制備。Raymond等人用DMD對532nm激光的光束分布進行空間調制,研究了DMD像素化對激光光束輪廓(和激光傳輸)的影響。設備原理圖如下圖XX所示。采用532nm倍頻Nd:YAG脈沖多模激光器經脈沖發生器控制提供8mJ的脈沖能量,輸出的激光束進入擴展器,擴展為8倍,光束經反射鏡進入DMD,所需的位圖圖像通過計算機加載到DMD上,單個激光脈沖照亮整個陣列。DMD形成的反射光束照向“色帶”,然后通過20X顯微鏡物鏡成像到位於X-Y位移台的待轉移器件上。DMD反射的空間光束輪廓在CCD光束輪廓儀上重新成像和監控。該研究利用空間光調制器實現了任意復雜可重構結構的激光前向傳輸,允許激光傳輸過程所需的激光脈沖的空間分布針對每個脈沖進行修改。其上的可編程圖像在空間上調制激光束的強度分布,然后用於將再現相同空間圖案的薄層材料轉移到基板上,如圖2。
相對於傳統的設備,DMD無需掩膜,節約了生產成本和周期並可以根據自己的需求靈活設計掩膜。DMD芯片上的每個微鏡都可以等效看成一束獨立光源,其曝光的過程相當於多光束多點同時曝光可極大提高生產效率特別是對於結構繁瑣的圖形。[Laser forward transfer using structured light]
3 振鏡掃描陣列化光斑
相對准分子激光器而言,固體激光器通常以點光斑的方式作為輸出激光源,光斑作用面積很小,若要滿足大面積加工,通常采用振鏡掃描式,將點光斑以高速掃描速度實現陣列化加工。Kim等人在將GaN LED與藍寶石襯底分離的SLLO系統中便應用了這一技術,如圖XX。對於LLO實驗,使用UV激光作為光源,通過掃描儀中的透鏡聚焦的激光的光束直徑約為10μm。該激光束通過檢流計掃描儀具有100的掃描速度控制 毫米/秒,掃描的區域160 × 160 微米2,和2的掃描間隔 LLO期間微米。從外部到中心上方在不同方向上四次(頂部到底部,底部到頂部,從右到左和從左到右)用激光對LED進行處理,不僅避免了處理一個LED時會出現邊緣破裂和LED分離失敗的情況,也滿足了大批量快速加工地要求。