TWI289209B - Laser surface treatment - Google Patents

Description

1289209 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與使用超高強度短脈衝雷射光束的雷射表面處理方 法有關，更特別的，係與形成一可有效降低光學材料表面的反射損 失之精細週期性結構有關。 、 【先前技術】

對於利用雷射光束在透明基板的表面形成一精細週期性結構 (fine periodic structure)的方法，舉例來說，日本早期公開專利申請 案[K0KM] 2〇03_57422揭示藉由照射毫微微秒(femt〇sec〇nd，fs)脈 衝的雷射光束形成一週期性微結構的方法，這個方法必須使用2條 ft脈衝的雷射光束互相干涉，然後照射至基板(substrate)，、以便於基 板上开y成週期性全像繞射光拇(h〇i〇gram出份acti〇n grating)，所獲 得^繞射光柵的週期性結構具有5至2〇〇nm的最小平均尺寸，在 ^隋況下，有個不便之處是必綱紐確度對光學魏進行位置調 正，使得2條fs脈衝的雷射光束會互相干涉，此外，因為利用干涉 現象’所以也很難達到大面積的處理。 順V提，當在具有-折射率之光學介質中傳播的光入射至具 ^同折射率的另-光學介質時，在這2個光學介質間通常會發 生反射損失(reflection loss)，反射損失隨著光學介質間折射率相差 ΪΪΠΐ，外’綠較績射率的光學介f人射至較小折射率 、、子”負時，當入射角超過一臨限值（全反射角），會發生全反 ^的狀況，使得光不能傳播至具有較小折射率的光學介質中，舉例 ί§\ΐΐ從折射率為7.7的藍f石傳播至折射率為1的空氣中， Ξ ίΐ 度時，反射損失為7.7% ’另-方面，當入射 #二"^杜* αΓ，就t發生全反射，所以，如何_光學透明度降低 先子70件中的反射損失，成為一個有待解決的課題。 6 1289209 【發明内容】 因此，本發明的一個主要考量是提供一雷射表面處理方法(laser surface treatment) ’其可藉由被降低的雷射功率，而不須使用雷射光 束的干涉現象，用以形成一精細週期性結構，有效地降低光學材料 表面的反射損失。 •也就是說’本發明所揭示的雷射表面處理方法包含以下的步 ，·在具j光學透明度的—基板的表面上形成—金屬膜；以及藉由 /具有1毫微微秒(fs)至1〇〇微微秒(ps)的脈衝寬度之超高強度短脈 衝雷射光束的照射移除金屬膜，使得具有較佳為5〇至1〇〇〇nm的 週期性間隔之精細週期性結構係被形成於藉由移除金屬膜而被暴 露的基板表面。 根據此雷射表面處理方法，藉由在基板上一被要求的區域形成 金屬膜，能夠於基板的表面獲得可降低反射損失的精細週期性結 構，然後利用超高強度短脈衝雷射光束將金屬膜自基板上移除，^ 外，由於精細週期性結構的週期性間隔可藉由改變雷射能量密度而 被控制，因此能夠製造出具有精細週期性結構的光學元件，適合讓 某種光的波長入射於其上，另外，本發明有一優勢，在沒有金屬膜 的情況下，本雷射表面處理方法可利用比以雷射照射處理基板所兩 的雷射能量密度要足夠小的雷射能量密度來執行，還有，由於本g 明採用超高強度短脈衝雷射光束，因此可避免基板表面受到熱損^ 的^^會。 在本發明的雷射表面處理方法中，是採用圓形或橢圓偏振 (elliptically polarized)的雷射光束作為超高強度短脈衝雷射光束 ^ 細週期性結構的特性是藉由在週期性間隔中形成點狀的突出物^ 以定義，就另一方面來說，在使用線性偏振雷射光束作為超言^ 短脈衝雷射光束時，精細週期性結構的特性是藉由在週期二 形成與偏振方向垂直的延長突出物加以定義，在本發明中，週生 7 Ϊ289209 (咖點纖 鐵、ί上ί的ί射二'面^鈦方法：，較佳為金屬膜係由選自銅、 至^=/’較ίί超高強度短脈衝雷射光束的雷射能量密度係於1

量资产’藉由適當地選擇位於此範圍内的雷射能 性間隔的精細週期結構可被穩定地形成，另外， 角度而力^控=缓超㈣度短脈衝雷射光束對金屬膜的照射 ，其具有藉由如上述 ’本發明所揭示的光 本發明的進一步考量是提供一種光學元件 之雷射表面處理方法卿成的精細職性結構 學元件可降低反射損失，提昇傳輸係數。 發明的各種特點與優勢，在透過以下的實施方式說明後將更 马 >月楚。 【實施方式】 以下將解釋本發明所揭示的雷射表面處理方法。 _本發明的雷射表面處理方法的第一步驟是形成金屬膜，也就是 说，在具有光學透明度的基板表面上形成一金屬膜，以基板材料來 說.，可以採用具有透明度的無機材料，較佳為熔化矽砂(fUsed silica)、一種非石夕砂玻璃(nonsilica glass)(包含以ZrF4為基礎的玻 璃、以ThF4為基礎的玻璃、以Bej?2為基礎的玻璃、以CaF2為基 礎的玻璃，以及氧化物玻璃等）、藍寶石玻璃、以Zn〇為基礎的玻 璃、以SiC為基礎的玻璃、以GaN為基礎的玻璃（包含inGaN與 AlInGaN)、以inN為基礎的玻璃、以YGA為基礎的玻璃、以GaAs 8 1289209 為基礎的玻璃、以GaP為基礎的玻璃、卩ZnS為 ^ ^ CaGa2S：^；

,以金屬膜的材料來說，較佳為選自於銅、鐵、金、銀、銘、錄、 鎂、鈦、矽、不銹鋼、以及上述物質的合金之群組中的至少中、一 ^。在此情況下，可以在基板上獲得具有穩定品_精細週^性社 構，接下來將加以描述，此外，為了讓金屬膜具有良: 較佳為使雜、鐵，或者是至少包含銅_其巾—麵合金此^， 為了有效地產生以下將描述之表面電漿電磁極化子⑶ plasmon polariton)，較佳為使用金、銀、或銅，在基板上 膜的方法並沒有限制，為了在基板上均勻地形成金屬膜，舉例來 說，較佳為使用濺鍛(sputtering) '物理氣相沉積 deposition，PVD)或真空沈積(vacuum dep〇siti〇n) 〇 本啦明的雷射表©處理方法的第二步驟是雷射照讀 nradmtKm)，也就是如圖丨所示，藉由具有丨毫微微秒(fs)至ι〇〇微 微秒(ps)的脈衝寬度之超高強度短脈衝雷射光束3的照射，移除基 板1上的金屬膜2，使得具有較佳為50至1〇〇〇nm的週期性間隔^ 精細週期性結構4，係被形成於藉由移除金屬膜而被暴露的基板表 面。右有舄要’雷射光束可被用來掃瞒，以便於具有較大需被處理 的表面區域之基板上有效地形成精細週期性結構，在掃瞄雷射光束 時，也可藉由移動承載基板的桌板，獲得同樣的效果。 對於超高強度短脈衝雷射光束來說，可以使用鎖模雷射 (mode-locked)，像是鈦藍寶石(Ti:Sapphire)雷射、YAG雷射、二次 諧波鈦藍寶石(SHG-Ti Sapphire)雷射、三次諧波鈦藍寶石(THG Ti Sapphire)雷射、四次諧波鈦藍寶石（FHG_Ti Sa^hire)雷射、 SHG-YAG雷射、THG-YAG雷射、FHG-YAG雷射、或準分子雷射 (excimerlaser)等，當超高強度短脈衝雷射光束係採用線性偏振雷射 光束時’在基板上可獲得精細週期性結構’其具有與偏振方向垂直 9 I2892〇9 二A 物’並且形成於基板上的週雛間隔，如第 _偏振面：當超高強度短脈衝雷射光束係採用圓形或 成於週期性間狀期性ff其具有形 為精細週期._+，，可定義 避免pa或更低的低綠態下執行，以 雷所蒸發的—部份金屬膜被沉積於基板表面，另外， 化現ί 4可在鈍氣紐巾被執行，崎免像是基板氧化等的劣 葬’本發明的發明人發現’精細^^期性結構可被形成於 $由射移除金屬膜而被暴露的基板表面，藉此 。邛㈢強的電％，促進精細週期性結構於基板上形成。 雷射^餘糾雷射照射時， H Vtf:,要具備4或大於臨限能量密度(thres_ energy 雷射能量密度以如在使麟切砂作為基板時，大約f =mm2)’換句話說’冑雷射能量密度小於臨限能量密度時，基 射照射並不會作用。然而，本發_雷射表面處理方法i ^有孟屬賴存在下執行’由於上述的表面魏電磁極合 =沒有金屬膜的情況下執行雷射表面處理所需的雷射能量密f相 比，可被大幅地降低（例如臨限能量密度的1/3)。 此外，由於本發明的雷射表面處理方法並不需要用2條雷射光 10 1289209 ^產生干涉現象’因此可以輕易與有效地對基板上的一塊大面積執 行雷射表面處理，此外，使用超高強度短脈衝雷射光束可以在短時 間内完成雷射表面處理，其優勢在於可避免基板發生埶損宝機 會’以及提雜細週雛結制品_定性。 ^ _ 如上所述，本發明的技術概念是藉由表面電漿電磁極化子效 應在基板上形成精細週期性結構，因此，本發明盘傳 ，在基板上形成金屬膜的繞線樣式(wirin^ =個觀點來看，本發明的雷絲面處理方法可被定義為包含以下的 二^^基板的一預定區域上形成金屬膜，然後藉由超高強度短脈 二/光束的照射移除所有的金屬膜，所以精細週雛結構係藉由 秒丨示5亥孟屬膜而被形成。 沾、Hf 7*來將詳細酬本發明的精細週雛結構，精細週期性結構 =期^陳佳為要被傳齡基板_光的波長之yi。至1〇倍 =、，也就是說’當週期性間隔是在波長（又）的至1〇倍之間， 構的作用有如繞射光拇(猶ractiongrating)，所以當光 结射攻ϋ.ΐ生臨限角之人射角人射於基板時，光會因為 “ 而被允許傳播進基板内，此外，當週期 成就、、”果來看，由於基板表面不會發生折 射率的可觀賴，因此可避免反射，贿昇傳輸絲。 ，例來說’當光透過介於第_ 的精細週期性結構，從且有拼射I” π刊打;^「』日"丨囬上所办成 有不同折射率“ηΓ白^ η2㈣二材料20入射至具 隔“Ρ”要比光的波長“λ”足約地】而精目結，週期性間 射率邮，_可以下列等式表^地小，則TE與™波的有效折 <Π!

>n? +b-n^ b ----(1) π 1289209 a + b <nM> a./n2 + b/nl - Ϊ中“a” f",第二f才料2〇的精細週期性結構的三角形突出物之 一半見f，而b為第一材料1〇的精細週期性結構的三角形突出 物之-半寬度，因此，由於有效折射率逐漸改變，由這些精細週期 性結構所形成的介©就好比—薄層，其具有介於第—與第二材料 (10,20)的折射率之中介折射率，因此，可有效降低反射現象。 在本發明中，超高強度短脈衝雷射光束的雷射能量密度是在i 之間，由於精細職性賴的賴性間隔係被增加 ί錢逐漸地改變，因此藉由控制在此範圍内的雷射能量 4又’可㈣酬^成具有想要的週期性間隔之精細週雛結構。 私由在本魯月中精細週期性結構的週期性間隔也可藉由改變超高 雷射光束的偏振方向與雷射觸方向3 ί雷 ϊ =度被照射在金屬膜的情況 可由以謂式(鄭當|射;週 可由以下的等式(4)決定，在這些等 結構的週期^隔 的雷射照射，所形成的精細週期性 ΡΘ= PO/(l+sin0) ----(3) ΡΘ - P〇/ (l-sin0) ----(4) 間巧敍也柯料，彡_轉雛結構的週植 度牦加，有可能週期性間隔也會增加，二屬膑的厚 較佳為50nm至1000nm，所以，* X ^円孟屬膜的厚度 膜厚度，有可能也可輕易地控制週&性間$。__當的金屬 12 1289209 在本發明中，較佳的做法為在雷射照射後對基板上被處理的表 面進行蝕刻處理(etching treatment)，以蝕刻處理來說，可以用電漿 敍刻(plasma etching)或化學|虫刻(chemical etching)。在化學|虫刻中， 較佳為使用氫氟酸(hydrofluoric acid)以選擇性地移除在基板上被處 理的表面的殘餘物，舉例來說，可使用5%的氫氟酸水溶液 (hydrofluoric acid aqueous solution)執行5分鐘以上的蝕刻處理，藉 由蝕刻處理，光可更有效地透過精細週期性結構傳播進基板内。 在經由雷射照射後，同樣地，較佳為結合在第一基板上形成的 精細週期性結構與具有不同折射率的第二基板，在此範例中，具有 精細週期性結構的第一基板擁有比第二基板要大的硬度 Oddness)，所以，精細週期性結構可被緊密地貼合至具有較軟硬度 的第二基板的表面，在介於第一與第二基板之間的介面形成高品質 的精細週期性結構，同時避免產生孔洞(p〇re)。 、 曰、，外較，地’形成於第一基板的精細週期性結構係透過具有不 Π，第、弟一基板的折射率之中介層(interme(jiate layer)，與形成 於第二基板的精細週期性結構相結合，在此範例中，由於用來形成 中介層的^料具有比第一和第二基板要小的硬度，因此它可被緊密 地貼合至這些基板的精細週期性結構，所以能夠獲得一種光學元 件，其具有在第一與第二基板間沒有孔洞的介面，舉例來說，如第 ^圖所不，當第一基板10為具有折射率為I·77的藍寶石，而第二 =板20為具有折射率為1·5的溶化石夕砂(fused silica)，中介層30較 利用具有折射率為1 6的丙烯酸樹脂(acrylic resin)，以便在其 I形成具有梯度的折射率之光學元件，並可有效避免光的反射& 。此外’、由於形成精細週期性結構造成鄰接光學基板間的介面之 表面面f增加，達到提升傳輸係數的目的，而精細週期性結構可僅 形成於弟一或第二基板的任一個之上。 13 1289209 <範例1至12> ，例1至12的每一個範例，會執行以下的雷射表面處理工作， 也就是說，一單晶的藍寳石(sapphire single crystal)被當成基板使 用’ 膜(⑺即沉迅叫藉由傳統的濺鍍細此^幻方法被形成於基板 厚如表1所示，接著如第一圖所示，利用具有脈衝寬度為1〇〇 姑度短脈衝雷械束，在_Pa的低壓下照射麵以將 :周t，pfKf能量密度如表1聯，結果產生的精細週雛結構的 SEMW :二彳用掃瞒電子顯微鏡(SCamiing deCtr〇n microscoPe， 3、6、Γ、ί二#ί果如表1所示’除此之外，利用SEM拍攝範例 仍圖中，在^顯示於第六A圖至第 二圖=延長的突出物’朝著與偏振方向垂直的方

300 r;； 1289209 當銅膜的厚f為100mm，雷射能量密度對週期性間隔的影響相當 小，不過，g銅膜的厚度為3〇〇mm或更厚時，增加雷射能量密度 會讓週期性間隔產生相當大的改變，因此，藉由選擇適當組合的金 屬膜厚度與f·量紐，可峨得具有想要的週雛間隔 週期性結構。 <範例13與14> 參考範例13，銅膜係形成於熔化矽砂(fUsed siHca)的基板上， 然後利用具有脈衝寬度#100 fs的超高強度鎌衝雷射光束照 膜以將其自基板上移除，雷射光束為雜偏減束。同樣地， 14的精細職性結構是域本上與細13 _的程序形成在炼化 石夕砂基板上’除了雷射光束是使關形偏振絲以外，在這幾個範 例中，結果產生的精細週期性結構的週期性間隔約為·咖。 ㈣分另!參考範例13與14，熔化石夕砂基板的傳輸係數是藉由波長 理的rrfrr1的2條光加以量測，此外，沒有經過雷射表面處 里σ t ^石夕土板之傳輸係數同樣在表2中以對照範例1表示，結 itΪ於表2 ’從表2的結果可以了解，本發明所提出的雷射表^ 處理方法可提升傳輸係數。 _㈣表面 表2 偏振方式 傳輸a 4S0 nm ^ (%) 範例13 線性偽振 94.0 95.7 93.3 670 nm --^____ 範例14 ------~~：_ 對照範例1 -—- --1工1娜 振 ^ΜΛη_ 【圖式簡單說明】 第一圖為本發明的雷射表面處理方法的圖示說明； 結構t SE$ ί二斤不ί利用線性偏振雷射光束所獲得的精細週期性 衫像，第二Β圖所示為利用圓形偏振雷射光束所獲得 15 1289209 SEM影像，第二C圖所示為精細週期性社構 第三圖為2種具有精細週期性結構之間的介面的剖面圖八· 間的ίΓ所示為雷射照射角與精細週期性結構的週期性:之 第五圖為本發明的一個光學元件之剖面圖

第六Α圖至第六D圖分別為範例3、6、Q 結構的SEM影像。 、、12中精細週期性 【主要元件符號說明】

白勺精細週期性結構之 之表面輪廓； 以及 1基板 2金屬膜 3雷射光束 4精細週期性結構 10第一基板 20弟二基板 30中介層 16

Claims (1)

1289209 十、申請專利範圍·· 1. -種雷射表面處理方法，包含町的步驟： 度的一基板的—表面上形成-金屬膜;以及 ，由具有1耄微微秒(fS)至100微微秒(ps)的— I 的照射移除該金屬膜，使得一具有較佳又為公 :金屬膜而被暴露二期r冓係被形 •度短脈衝雷^先東^’其中該超高強 度短脈衝SfH1項所叙騎表面處财法，其巾該超高強 度妞脈衝雷射先束為線性偏振雷射光束。 &门屈 4·如申請專利第i項所述之雷射表面處理 具有一 50rnn至100011111之厚度。 、甲為舰 係由Ϊ自如銅申請 :田&自銅、鐵、金、銀、銘、鎳、鎂、鈦、石夕、不 述物質的合金之群組中的至少其中一種所組成。 6·如申請專利第i項所述之雷射表面處理方法， 鲁 ς嫌衝雷射光束的-f射能餘度係於⑴⑻m;/mm2的一範圍 係被1項所述之雷射表面處理方法，其中該金屬膜 衝雷射光束的照射被移除，所以該精細週期性結構係^形成 於错由移除該金屬膜而被暴露的該基板的該預定區域。 8·如申請專利第1項所述之雷射表面處理方法，進一 交该超高強度短脈衝雷射光束對該金屬膜的一照射角度，以 精細週期性間隔的該週期性間隔之步驟。 工以 9·如申請專利第1項所述之雷射表面處理方法，進一步包含在 照射該超高強度短脈衝雷射光束之後執行一蝕刻處理方法=步驟。 17 1289209 ιο·如申請專利第1項所述之带以士 .、丄 含結合絲板的該精細週雛結構進一步包 的一第二基板之步驟。 苒一，、有一與该基板不同的折射率 該精細週期雷射表面處理方法，該基板的 ΐ ί/ί一與板以及該第二基板不同的硬度之中介層與該 弟一^板結合。 ._ 12* 一種光學元件，其具有藉由如申請專利範圍第1項所述 <寄射表面處理方法所形成的該精細週期性結構。

18