一種準分子雷射微加工系統的光路調節架的製作方法

2023-05-27 10:56:26

專利名稱：一種準分子雷射微加工系統的光路調節架的製作方法
技術領域：
一種準分子雷射微加工系統的光路調節架主要用於準分子掩膜微加工系統的光 路系統工作支撐和豎直光路調整，屬於微納米科學與技術領域。
背景技術：
準分子是由化學活性最穩定的惰性元素Ar、Kr、Xe和化學性質最活潑的元素F、 Cl、Br的兩個同核或異核原子在激發態的複合物。與通常的分子不同，準分子是束縛在電 子激發態下的分子，它沒有穩定的基態，即準分子是一種只在激發態才能暫時存在的不穩 定分子，在基態情況下它會迅速離解成其他分子團，因此準分子的壽命很短，它的上能級壽 命只有10_8s，而雷射躍遷的下能級為弱束縛態，壽命也很短，一般在ICT13s量級，由於準分 子在基態時，迅速離解成獨立的原子，基態基本上是抽空的，因此只要有準分子存在，就會 形成極高的粒子數翻轉，所以準分子雷射的增益很高。由於準分子雷射放電泵浦方式極容 易導致弧光放電，所以準分子雷射工作方式主要為脈衝方式。除了少數準分子雷射器外，準分子雷射都位於紫外波段。由於準分子雷射光子能 量較大，和許多材料尤其是有機物的化學鍵能相比，它的光子能量要大於材料之間的化學 鍵能，所以在準分子雷射和材料相互作用時，準分子雷射有時甚至能夠直接打斷材料的部 分化學鍵而實現冷加工，在微加工領域得到了廣泛的應用。準分子雷射脈寬窄(約幾十納 米)，有極高的功率密度，且材料對紫外雷射吸收率高，因此準分子雷射微細加工可用於半 導體、微電子等領域。雷射加工可以高效率、高質量地完成微細小孔、劃片微調、切割、焊接 等加工。對於微小元件、印刷電路板、集成電路、微電子元件和微小生物傳感器等的製作，準 分子雷射微細加工是不可替代的手段。然而，在準分子雷射微加工系統的光路系統中，由於準分子雷射的光斑大 (30mmX 15mm左右)，光斑能量分布的均勻性不好，而且準分子雷射加工需要採用豎直光 路，因此，為了對準分子雷射光斑進行整形，要用到較長的光路，一般在2米左右。同時，為 了對準分子雷射進行豎直光路調整，需要使用不同於水平光路調整的光路調整方法。準分 子雷射微加工系統的光路系統工作支撐結構，需要具有較長的光路距離。由於不同的準分 子雷射器出光口的位置不同，要求準分子雷射微加工系統的光路系統工作支撐結構，具有 可升降調整功能並在升降調整後緊固穩定的功能。由於準分子雷射微加工系統的光路系統 工作支撐結構一般是置於光學平臺上工作的，因此，要求準分子雷射微加工系統的光路系 統工作支撐結構與光學平臺有完善的連接和緊固方法。準分子雷射微加工系統對光路調節 精度要求非常高，如果光學調整器有1 μ m的偏差，則可造成聚焦光斑產生10 100 μ m的 偏差。準分子雷射微加工系統中，為了使非常輕而薄的被微加工件，在微加工時各方向上受 力均勻和被微加工邊緣平整，要求被加工物必須水平放置，準分子雷射光束經過反光鏡變 為豎直方向，準分子雷射微加工系統的光路系統工作支撐結構，能夠為準分子雷射提供垂 直加工空間，使光斑聚焦在被加工物上。豎直方向的光束還需要通過水平放置的光學調整 器進行光束調整。將通常用於豎直放置的光學調整器變為水平放置後，需要進行豎直方向的調整並加以緊固。傳統的光路系統工作支撐結構一般採用鑄鐵結構支撐，其重量非常大，不易搬運， 並且鑄鐵結構無法進行高度調節，不能滿足上述的準分子雷射微加工系統光路系統工作支 撐結構的要求。傳統的光學調整器豎直方向的調整方法非常複雜，而且由于震動和光學調 整器受熱不均等因素，已調整好的光學調整器豎直方向的位置極容易發生變動，經常需要 重新調節。並且傳統的準分子雷射微加工系統的光路系統工作支撐結構通常只適用於實驗 室環境，不適合工業級準分子微加工生產製造領域。
發明內容為了很好的解決上述問題，本實用新型提供了一種多層框架結構的光路系統工作 支撐構件，可提供向下的工作光線並對豎直方向的光線進行精確調整，能夠顯著增強準分 子雷射微加工系統光路的穩定性，實現光路在豎直方向上的調整，有效地幫助了準分子激 光實現了微米級微加工。為了實現上述目的，本實用新型採用了如下設計方案設計一種準分子雷射微加 工系統的光路調節架，該調節架由可固定於光學平臺上的鋼架構成，該鋼架至少有兩層結 構，高度80cm以上，頂層有向外凸出的懸臺；底層設有螺絲孔，可使螺釘穿過螺絲孔後擰入 光學平臺螺紋孔中，頂層設有光具導軌至懸臺。在懸臺處設有向下的通光孔，通光孔上設有將水平光線反射成垂直光線穿過通光 孔的反射鏡；通光孔下設置有懸掛平臺，懸掛平臺中心為方形口，其上安裝物鏡，且物鏡通 過豎直光路調整器安裝在懸掛平臺上；該豎直光路調整器包括平移調整臺和旋轉調整臺。所述平移調整臺為中心設有透光孔的方形平臺，平移調整臺置於懸掛平臺上面， 懸掛平臺四邊的中部設有向上折起的邊沿——耳，在各耳中垂直耳的方向通過螺孔設長細 牙螺杆，四面的長細牙螺杆頂住平移調整臺的四邊側面，長細牙螺杆通過旋轉移動，來調節 平移調整臺的位置；平移調整臺的四角處分別設有一個豎直方向脹緊器頂在平移調整臺和 鋼架的頂層之間，來固定平移調整臺的位置。所述旋轉調整臺為中心設有透光孔的方形平臺，安裝在平移調整臺下面，且位於 懸掛平臺的方形口中；旋轉調整臺用一對相鄰的墊有碟片彈簧的連接螺栓與平移調整臺連 接，且連接處夾有一個鋼球。在旋轉調整臺上取兩個相距較遠的位置，且這兩個位置距鋼球也較遠，在對應這 兩個位置的平移調整臺上通過螺孔設兩個短細牙螺杆，兩個短細牙螺杆頂在旋轉調整臺 上，通過旋轉短細牙螺杆可調整平移調整臺與旋轉調整臺在短細牙螺杆處的間距，來調整 旋轉調整臺以鋼球為軸點的轉動。物鏡固定在旋轉調整臺的透光孔下面。所述豎直方向脹緊器由螺套、螺栓、鋼珠組成，螺栓上下兩頭各套有一個螺套，上 下螺套頂端各有一個鋼珠；螺栓和螺套上設有橫向的通孔，將細棍插入通孔中擰動螺栓及 螺套可以對螺栓和螺套進行伸縮調節。豎直方向脹緊器可在平移調整臺的四個角上各設一 個。其上端頂住上層槽鋼的下底面，下端與平移調整臺上表面接觸。當對平移調整臺進行 水平位置調整時，將螺栓和螺套縮短，減小豎直方向脹緊器在平移調整臺上的壓緊力；當平 移調整臺位置調整好後，擰動螺栓和螺套，使豎直方向脹緊器壓緊平移調整臺，防止因震動等因素造成的平移調整臺位置變化。所述光具導軌採用大理石襯底的光具導軌。所述鋼架可以由上層槽鋼，中層槽鋼，底層槽鋼及將三層槽鋼連接在一起的長螺 栓構成。三層槽鋼平行間隔設置，其間隔通過長螺栓中的螺母的位置調節；其中，中層槽鋼 和底層槽鋼長度相同，上層槽鋼比中層槽鋼和底層槽鋼長，長出部分形成懸臺，在懸臺的中 心位置有一個圓形通光孔，通光孔正上方架設反射鏡；底層槽鋼中軸線方向上設有一系列 方形孔，方形孔的邊長大於光學平臺檯面上相鄰兩個螺紋孔之間的距離，採用大於方形孔 跨度的壓鐵和穿過壓鐵並固定在光學平臺螺紋孔中的螺釘將底層槽鋼緊壓固定於光學平 臺上；所述懸掛平臺為U形板，U形板兩側壁通過螺釘固定在形成懸臺的上層槽鋼兩側。所述長螺栓採用方頭長螺栓，螺栓頭的一條邊正好與槽鋼的一個槽邊緊密接觸。本實用新型有如下特點1、本實用新型將水平光路變為垂直光路，並實現全維度 精細調節，可以對不適宜夾持的輕而薄被加工物件實施水平加工。2、採用多層槽鋼作為主 體結構，與光學平臺緊固在一起，其結構不易變形；並採用大理石軌道，提高了光路的穩定 性。本實用新型可滿足用於支撐較長光路的要求。

圖1本實用新型一個實施例中的鋼架截面示意圖圖2圖1中鋼架的左視圖圖3圖1中鋼架的底層槽鋼示意圖圖4圖1所示實施例中的豎直光路調整部分及物鏡示意圖圖5本實用新型實施例中的平移調整臺、旋轉調整臺和物鏡連接示意圖圖6本實用新型實施例中的懸掛平臺和平移調整臺俯視圖圖7本實用新型實施例中的旋轉調整臺和懸掛平臺仰視圖圖中，1、上層槽鋼，2、中層槽鋼，3、底層槽鋼，4、長螺栓，5、螺母，6、通光孔，7、光具 導軌，8、方形孔，9、壓鐵，10、螺釘，11、懸掛平臺，12、方形口，13、平移調整臺，14、旋轉調整 臺，15、豎直方向脹緊器，16、物鏡，17、長細牙螺杆，18、短細牙螺杆，19、碟片彈簧，20、鋼球， 21、安裝長螺栓的螺孔，22、鋼珠，23、通孔，24、鋼珠槽，25、凹槽，26、耳
具體實施方式
下面結合圖1至圖7說明本實用新型的一優選實施例。本實施例的鋼架由三層槽鋼構成，包括上層槽鋼1、中層槽鋼2、底層槽鋼3，高度 100cm，用長螺栓4和螺母5將三層槽鋼連接固定在一起。上層槽鋼1比中層槽鋼2、底層槽 鋼3長處20釐米，形成懸臺。將壓鐵9兩端搭放在底層槽鋼的方形孔8兩邊沿，將螺釘10 穿過壓鐵9上的長條形口，擰入光學平臺檯面上的螺紋孔中，將底層槽鋼3與光學平臺固定 連接在一起，保證光路支撐結構的穩定性。在上層槽鋼1上鋪設大理石光具導軌7，將光學 元件固定在大理石導軌7上。在通光孔6正上方架設反射鏡，水平光路從鋼架的上層槽鋼1右方射向左方，經過 反射鏡的反射，光路發生偏轉，通過通光孔6垂直向下射向位於通光孔6正下方的物鏡16。物鏡16安裝在懸掛平臺11上的豎直光路調整器中。其中，所述懸掛平臺11為U形板，U形板兩側壁通過螺釘固定在形成懸臺的上層槽鋼1兩側。所述豎直光路調整器包 括平移調整臺13和旋轉調整臺14。平移調整臺13為正方形，放置在懸掛平臺11上面，其調節方式為在懸掛平臺11 四個邊沿上各通過垂直方向的耳26設置一個長細牙螺杆17 (U形板的兩側壁作為兩個耳)， 長細牙螺杆17通過耳的螺紋孔設置在耳上，使長細牙螺杆17可以通過旋轉移動，四個長細 牙螺杆17分別頂在平移調整臺13的四邊側面的凹槽25中，配合擰動長細牙螺杆17，可以 使平移調整臺13在懸掛平臺11上進行水平方向的二維運動，進而帶動物鏡16進行水平方 向調節。平移調整臺13調整好後，用豎直方向脹緊器15頂在平移調整臺13和上層槽鋼1 間來固定平移調整臺13的位置。豎直方向脹緊器15為在螺栓上下兩頭各旋接一個螺套， 兩個螺套的頂端各有一個鋼珠22，螺栓和螺套上各設有通孔23(圖4中只畫出螺套上的通 孔)，將細棍插入通孔23中擰動螺栓及螺套，對螺栓和螺套進行伸縮調節。在平移調整臺 13的四個角分別設一個豎直方向脹緊器15，通過調節螺栓和螺套的伸縮使各鋼珠22分別 頂在上層槽鋼1下面和平移調整臺13上，且在上層槽鋼1下面和平移調整臺13上的豎直 方向脹緊器15接觸點分別設鋼珠槽24，防止鋼珠22滑脫。由於受熱不均勻等因素，平移調 整臺有可能不嚴格位於水平面上，這時豎直方向脹緊器的螺杆和螺套繞鋼珠發生傾斜，通 過鋼珠仍然可以將壓緊的力傳遞到平移調整臺上將其壓緊。從而實現平移調整臺的非垂直 固定。旋轉調整臺14亦為正方形，安裝在平移調整臺13下面。懸掛平臺11中間設方形 口 12，其口徑大於旋轉調整臺14的尺寸，使旋轉調整臺14置於方形口 12中。旋轉調整臺 14的一角設有兩個通孔，在平移調整臺13相對應的位置也有兩個通孔，兩組通孔處有兩個 碟片彈簧19，用兩支螺釘穿過這兩組的通孔及碟片彈簧19，並擰上螺母，將平移調整臺13 和旋轉調整臺14連接在一起。平移調整臺13和旋轉調整臺14在兩組通孔所在的那一角 上夾住一個鋼球20。鋼球20起到旋轉調整臺14俯仰調整的支撐點作用，兩組碟片彈簧19 起復位作用。鋼球20所在的角的相鄰兩個角上有兩根短細牙螺杆18。短細牙螺杆18通過 螺孔安裝在平移調整臺13上，其端部頂在旋轉調整臺14上，擰動短細牙螺杆18，可以調節 旋轉調整臺14的俯仰，進而帶動物鏡16進行俯仰調節。調整垂直光路時，配合擰動四根長細牙螺杆17，調節平移調整臺13在水平方向的 位置，帶動物鏡16在水平方向運動，將通過物鏡16出射的雷射光斑投射在物鏡16下方的 被加工物件上。平移調整臺13的位置調整好後，用細鋼棍插入豎直方向脹緊器15的通孔 中，擰動螺栓和螺套，將平移調整臺13壓緊。擰動短細牙螺杆18，調節旋轉調整臺14的俯 仰，帶動物鏡16進行俯仰，進一步調整通過物鏡16出射的雷射光斑在被加工物件上的形 狀，獲得用於加工的理想光斑形狀。調節螺母5在螺栓上的位置，可以改變上層槽鋼1的高度，達到光路系統鋼架升降 調整功能。
權利要求一種準分子雷射微加工系統的光路調節架，該調節架由可固定於光學平臺上的鋼架構成，其特徵在於該鋼架至少有兩層結構，高度80cm以上，頂層有向外凸出的懸臺；底層設有螺絲孔，可使螺釘(10)穿過螺絲孔後擰入光學平臺螺紋孔中，頂層設有光具導軌(7)至懸臺；在懸臺處設有向下的通光孔(6)，通光孔(6)上設有將水平光線反射成垂直光線穿過通光孔(6)的反射鏡；通光孔(6)下設置有懸掛平臺(11)，懸掛平臺(11)中心為方形口(12)，其上安裝物鏡(16)，且物鏡(16)通過豎直光路調整器安裝在懸掛平臺(11)上；該豎直光路調整器包括平移調整臺(13)和旋轉調整臺(14)；所述平移調整臺(13)為中心設有透光孔的方形平臺，平移調整臺(13)置於懸掛平臺(11)上面，懸掛平臺(11)四邊的中部設有向上折起的邊沿——耳，在各耳中垂直耳的方向通過螺孔設長細牙螺杆(17)，四面的長細牙螺杆(17)頂住平移調整臺(13)的四邊側面，長細牙螺杆(17)通過旋轉移動，來調節平移調整臺(13)的位置；平移調整臺(13)的四角處分別設有一個豎直方向脹緊器(15)頂在平移調整臺(13)和鋼架的頂層之間，來固定平移調整臺(13)的位置；所述旋轉調整臺(14)為中心設有透光孔的方形平臺，安裝在平移調整臺(13)下面，且位於懸掛平臺(11)的方形口(12)中；旋轉調整臺(14)用一對相鄰的墊有碟片彈簧(19)的連接螺栓與平移調整臺(13)連接，且連接處夾有一個鋼球(20)；在旋轉調整臺上取兩個相距較遠的位置，且這兩個位置距鋼球(20)也較遠，在對應這兩個位置的平移調整臺(13)上通過螺孔設兩個短細牙螺杆(18)，兩個短細牙螺杆(18)頂在旋轉調整臺(14)上，通過旋轉短細牙螺杆(18)可調整平移調整臺(13)與旋轉調整臺(14)在短細牙螺杆(18)處的間距，來調整旋轉調整臺(14)以鋼球(20)為軸點的轉動；物鏡(16)固定在旋轉調整臺(14)的透光孔下面。
2.如權利要求1所述的一種準分子雷射微加工系統的光路調節架，其特徵在於所述 豎直方向脹緊器(15)由螺套、螺栓、鋼珠(22)組成，螺栓上下兩頭各套有一個螺套，上下螺 套頂端各有一個鋼珠(22)；螺栓和螺套上設有橫向的通孔(23)，將細棍插入通孔(23)中擰 動螺栓及螺套可以對螺栓和螺套進行伸縮調節。
3.如權利要求1或2所述的一種準分子雷射微加工系統的光路調節架，其特徵在於 所述光具導軌(7)採用大理石襯底的光具導軌。
4.如權利要求1-3中任一項所述的一種準分子雷射微加工系統的光路調節架，其特徵 在於所述鋼架由上層槽鋼(1)，中層槽鋼(2)，底層槽鋼(3)及將三層槽鋼連接在一起的長 螺栓(4)構成，三層槽鋼平行間隔設置，其間隔通過長螺栓(4)中的螺母(5)的位置調節； 其中，中層槽鋼⑵和底層槽鋼⑶長度相同，上層槽鋼⑴比中層槽鋼⑵和底層槽鋼 (3)長，長出部分形成懸臺，在懸臺的中心位置有一個圓形通光孔(6)，通光孔(6)正上方架 設反射鏡；底層槽鋼(3)中軸線方向上設有一系列方形孔(8)，方形孔(8)的邊長大於光學 平臺檯面上相鄰兩個螺紋孔之間的距離，採用大於方形孔(8)跨度的壓鐵(9)和穿過壓鐵 (9)並固定在光學平臺螺紋孔中的螺釘(10)將底層槽鋼(3)緊壓固定於光學平臺上；所述 懸掛平臺(11)為U形板，U形板兩側壁通過螺釘固定在形成懸臺的上層槽鋼(1)兩側。
5.如權利要求4所述的一種準分子雷射微加工系統的光路調節架，其特徵在於所述長螺栓(4)採用方頭長螺栓，螺栓頭的一條邊正好與槽鋼的一個槽邊緊密接觸。
專利摘要一種準分子雷射微加工系統的光路調節架，用於MEMS加工，屬於微納米科學與技術領域。本實用新型由鋼架、固定在鋼架上的懸掛平臺(11)、安裝在懸掛平臺(11)上的平移調整臺(13)，安裝在平移調整臺(13)上的轉動調整臺(14)，安裝在轉動調整臺(14)上的物鏡(16)組成。通過調節鋼架的高度來調節物鏡(16)垂直方向的位置；通過調節平移調整臺(13)來調節物鏡(16)在水平方向的位置，通過調節轉動調整臺(14)來調節物鏡(16)的轉動角度，實現豎直方向準分子雷射光路的調整。並且設有豎直方向脹緊器(15)對調整好位置的平移調整臺(13)進行固定。本實用新型結構穩定，操作簡便，易於實現工業級準分子雷射微加工。
文檔編號B23K26/08GK201716456SQ20102021814
公開日2011年1月19日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者劉世炳, 劉寧, 吳堅, 陳濤 申請人:北京工業大學