本發明涉及激光刻蝕裝置及方法，尤其涉及一種大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕裝置及方法。

背景技術：

1、激光刻蝕是一種通過高能量激光束在材料表面進行刻蝕或蝕刻的技術，用來精確去除材料的一部分，形成特定的圖案、結構或紋理。激光刻蝕廣泛應用于微電子、半導體制造、微機械加工以及表面改性等領域，具備高精度、非接觸式加工、多樣性以及加工靈活性等優點。

2、針對大幅面大尺寸樣品的表面刻蝕加工，激光刻蝕技術存在明顯的缺陷。目前，激光刻蝕系統均是采用掃描振鏡實現的，掃描振鏡需要搭配f-theta場鏡使用。f-theta場鏡由于加工視野受限，最大為200-300mm，掃描振鏡無法完全覆蓋大幅面尺寸樣品的待加工區域，需要運動軸驅動樣品移動使其未加工區域移動至場鏡加工范圍內，以進行二次加工。由于需要運動軸驅動樣品移動進行多次加工，因此樣品加工之間存在拼接痕跡，對于高精密加工是無法接受的。除了振鏡拼接加工方式，目前存在一種振鏡軸和運動軸聯動的激光加工方式，這種加工方式采用快慢軸聯動的方式解決了多次加工的拼接問題，但針對復雜填充的圖形，由于快軸和慢軸響應速度差異的原因，慢軸的加減速遠低于快軸的加減速，造成不同圖形段的加工速度不均勻，形成響應速度不一致的拼接痕跡。目前的聯動系統通過犧牲效率的方式讓快軸的響應性匹配慢軸，極大地限制了快慢軸聯動的應用和加工效率。振鏡刻蝕系統的響應速度差異造成的拼接問題是實現無拼接大幅面刻蝕加工需解決的關鍵技術瓶頸。

技術實現思路

1、本發明的目的在于解決現有振鏡軸和運動軸聯動的激光加工方式在面對復雜填充的圖形時，由于快軸和慢軸響應速度差異，造成不同圖形段加工速度不均勻，形成響應速度不一致的拼接痕跡的技術問題，而提供一種大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕裝置及方法。

2、為了實現上述目的，本發明的解決方案如下：

3、一種大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕裝置，其特殊之處在于，包括激光掃描部分、樣品運動部分、支架以及控制器；

4、所述激光掃描部分包括激光系統、z運動軸和旁軸ccd；所述樣品運動部分包括x運動軸和y運動軸；

5、定義支架的長度方向為x方向，寬度方向為y方向，高度方向為z方向，所述x運動軸、y運動軸和z運動軸分別沿x方向、y方向、z方向作往復運動；所述z運動軸、x運動軸、y運動軸由上至下依次安裝在支架上，且x運動軸連接在y運動軸的運動端；

6、所述x運動軸的運動端上表面安裝有夾具，用于裝夾樣品；

7、所述激光系統和旁軸ccd(34)均安裝在z運動軸上，用于跟隨z運動軸在z方向同步運動；所述激光系統包括激光器和振鏡偏轉鏡，激光器出射的激光通過振鏡偏轉鏡進行偏轉；夾具上用于裝夾樣品的位置位于激光經振鏡偏轉鏡偏轉后的激光光路上，激光通過振鏡偏轉鏡作用在樣品表面，用于對樣品進行激光加工；旁軸ccd采用視覺的方法對樣品進行定位，以獲取樣品的定位坐標；

8、所述控制器中存儲有待加工圖檔的軌跡和需求的掃描速度值，其與x運動軸、y運動軸、z運動軸、旁軸ccd以及振鏡偏轉鏡分別電連接，用于接收旁軸ccd采集的樣品的定位坐標，并根據樣品的定位坐標結合激光刻蝕方法分配x運動軸、y運動軸、z運動軸的加工坐標，以控制x運動軸、y運動軸、z運動軸在各方向的運動，同時控制振鏡偏轉鏡的加工速度，實現激光刻蝕加工。

9、進一步地，所述x運動軸、y運動軸、z運動軸均采用直線運動模組。

10、進一步地，所述控制器設置在支架上；

11、所述夾具為吸附式裝夾或者機械式裝夾。

12、另外，本發明還提供了一種大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕方法，采用上述的大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕裝置，其特殊之處在于，包括以下步驟：

13、s1，參數標定及樣品裝夾；

14、控制運動軸位于設定的標準零點位置，并對振鏡偏轉鏡進行打點標定；然后將樣品裝夾在夾具上，并采用旁軸ccd對樣品進行對位；所述運動軸包括x運動軸、y運動軸以及z運動軸；

15、s2，導入待加工圖檔，進行多層直線旋轉填充；

16、將待加工圖檔導入控制器中，對待加工圖檔進行n層填充，形成n層圖形；每層圖形分別進行直線填充，使圖形的待加工區域生成多個等間距的直線，直線的起點和終點為圖形的邊界；以第一層圖形填充的直線方向作為基準線方向，后續每層圖形填充的直線與基準線的夾角以預設的角度增量進行增加，使n層圖形之間形成旋轉填充；

17、s3，圖形分解；

18、將每層圖形按設定間距分解為m個特征點，并生成m個特征點對應的m條幾何切線；

19、s4，圖形拐角矩陣的計算；

20、將每層圖形中相鄰兩個特征點對應的幾何切線之間的夾角記為拐角，則有m-1個拐角，進而獲得m-1個拐角向量；根據每層圖形的m-1個拐角向量分別計算獲得每層圖形的拐角矩陣；

21、s5，各軸坐標和速度分配；

22、根據加工要求設定拐角基準g和加工掃描速度值u，進而計算判定基準值m；根據計算的判定基準值m對振鏡偏轉鏡和運動軸的加工坐標和加工速度進行分配，形成m-1個振鏡偏轉鏡加工向量和m-1個運動軸加工向量；根據每層圖形中m-1個振鏡偏轉鏡加工向量計算獲得對應層的振鏡偏轉鏡加工矩陣k，根據每層圖形中m-1個運動軸加工向量計算獲得對應層的運動軸加工矩陣f；

23、s6，將每層圖形的振鏡偏轉鏡加工矩陣和運動軸加工矩陣分別輸入控制器中，并設定激光系統的加工工藝參數；控制器根據步驟s1中旁軸ccd34采集的樣品的定位坐標和每一層相應的運動軸加工矩陣f控制x運動軸、y運動軸、z運動軸分別運動至相應位置，并通過每一層相應的振鏡偏轉鏡加工矩陣k控制振鏡偏轉鏡的加工速度，完成激光刻蝕。

24、進一步地，步驟s5中，通過下式計算判定基準值m：

25、

26、其中，gm為拐角矩陣中的特征點拐角值。

27、進一步地，步驟s5中，根據計算的判定基準值m對振鏡偏轉鏡(28)和運動軸的加工坐標和加工速度進行分配具體為：

28、判斷判定基準值m是否大于1，若是，則需要對振鏡偏轉鏡(28)和運動軸的加工坐標和加工速度進行分配；若否，僅對振鏡偏轉鏡(28)和運動軸的加工速度進行分配。

29、進一步地，步驟s5中，所述振鏡偏轉鏡(28)的加工速度的分配公式如下：

30、

31、其中，uk為振鏡偏轉鏡分配后的偏轉速度值，uf為運動軸分配后的速度值，h為速度分配比值。

32、進一步地，步驟s5中，所述振鏡偏轉鏡的加工坐標分配公式如下：

33、

34、其中，xk為振鏡偏轉鏡分配后的x方向坐標，yk為振鏡偏轉鏡分配后的y方向坐標，x為振鏡偏轉鏡分配前的x方向坐標，y為振鏡偏轉鏡分配前的y方向坐標，r為預設常量，物理意義為軌跡沿特征點幾何法線外伸的長度，α為特征點幾何法線與x方向水平線的夾角；θ為相鄰兩個特征點對應的幾何切線之間的夾角；

35、步驟s5中，所述運動軸的加工坐標分配公式為：

36、

37、式中，xf為運動軸分配后的x方向坐標，yf為運動軸分配后的y方向坐標，x為運動軸分配前的x方向坐標，y為運動軸分配前的y方向坐標。

38、進一步地，步驟s5中，所述振鏡偏轉鏡加工向量由振鏡偏轉鏡分配后的x方向坐標xk、振鏡偏轉鏡分配后的y方向坐標yk、振鏡偏轉鏡分配后的速度值uk組成，其表達式如下：

39、

40、所述運動軸加工向量由運動軸分配后的x方向坐標xf、運動軸分配后的y方向坐標yf、運動軸分配后的速度值uf組成，其表達式如下：

41、

42、所述振鏡偏轉鏡加工矩陣k和運動軸加工矩陣f的表達式分別如下：

43、

44、

45、其中，分別為m-1個振鏡偏轉鏡加工向量，分別為m-1個運動軸加工向量。

46、進一步地，步驟s1中，所述標準零點位置為機械零點位置，或者光電傳感零點位置。

47、本發明相比于現有技術的有益效果如下：

48、1、本發明提供的一種大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕方法，采用“軌跡分解+多層填充”相結合的方法實現無拼接痕跡的激光刻蝕加工，避免了傳統快慢軸聯動系統帶來的速度響應不一致造成的拼接痕跡問題，保證了大面積刻蝕加工的可靠性和一致性。

49、2、本發明的大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕方法，支持cad編程和自動化操作，實現復雜圖案制造，整套方法工藝簡單，操作方便，適合工業應用。

50、3、本發明提供的一種大幅面大尺寸樣品的激光刻蝕裝置，結構簡單，操作方便，特別適合大規模激光刻蝕的工程生產應用。