局部去除敷在半透明或透明基底上的敷层的方法

摘要

本发明涉及局部去除半透明或透明基底(1)上的敷层(2)的方法，该方法借助一个固体脉动激光器(4)，或者至少一个脉动激光二极管，将一个脉冲短于30纳米、波长在10微米和360纳米之间的脉动激光束(3)引至敷层(2)上须被清除的地方。

说明书

本发明涉及局部去除敷在半透明或透明基底如普通及合成玻璃上的敷层的方法。

“敷层”应理解为赋予基底特定的光学、电磁或热性能的由一层或多层构成的任何敷层。

这样的敷层往往为一层或多层，厚度极薄以至半透明或透明，包敷在玻璃如风挡玻璃上。

所述敷层通常真空敷镀在材料的整个表面上。不过，在很多应用中，材料上一些确切的地方，如边缘，必须裸露出来。

例如为了恢复材料的原始特性，有必要局部去除敷层：如玻璃需要粘连时为了获得更好的粘附性能；如敷层是导体时为了电绝缘；敷层不透明时需恢复原始的透明度等等。

如今，局部去除所述敷层采用化学方法或者机械方法。

然而，这些技术造成化学污染，可能侵蚀外表面，甚至损坏材料本身。

可借助于遮蔽技术只在需要的地方敷镀敷层以避免清除这类敷层。

不过，这种技术不是在任何情况下都能使用的，特别是在遮蔽物形状复杂或者具有不连贯件及内含件时。

此外，有敷层部位与无敷层部位之间的过渡有时质量很差。

遮蔽物的价格往往昂贵，尤其在每次改变无敷层部位的位置都需更换遮蔽物的情况下。

本发明旨在获得一种避免上速缺陷从而经济地局部去除敷在半透明或透明基底上的敷层的方法，该方法不会损坏基底，可获得高精度的定位，同时有敷层部位与无敷层部位之间的过渡质量甚佳(过渡线甚至低于25微米)，并且可使基底在去除敷层处重获其原始的物理特性。

本发明的方法可实现这个目标，该方法借助一个固体脉动激光器，或者至少一个脉动激光二极管，一个波长在10微米和360纳米之间的脉动激光束被引至敷层上有待去除的地方。

已知使用激光器在半导体工业的淀积工序中有选择性的去除敷层以及清除金属表面的氧化物。

在上速情况下，使用气体激光器。这类激光器不能用于透明材料，透明材料要想恢复它们的初始物理特性，要求敷层的成分不能扩散到它们之中，而且只能承受少量增温。

例如，US-U-5.235.154号涉及集成电路和半导体制造，描述了一种修复淀积在如聚酰亚胺的有机绝缘层上的两层金属层连接断裂的方法，所有机绝缘层本身覆盖在绝缘基底如玻璃上。借助于脉动激光器通过汽化陆续清除金属层上有待更换的部分，然后，被清除部位被蒸汽状的化学沉积物充塞。被激光器处理的只是很小块的表面，不能保证保留基底的光学性能，此外，整个组合不是透明或半透明的。

本发明的方法可以保留半透明或透明基底的光学特性。此外，此方法可用于具有80％以上透光率的基底-敷层组合上。

US-A-5.958.268号文件描述了一种选择性地清除不要的材料的方法，例如清除金属基底上的氧化物，清除石英基底的硅石，或者清除金属基底上的漆料。利用喷射在待处理表面的惰性气体和能量光子激光束的相结合的效果达到清除的目的。

要求光子具有足够能量，即能量在7和22电子伏之间，这限制了激光器的选择。最好使用紫外激光器，例如波长为248纳米、光子能量可达5电子伏的KrF型气体激光器。

上述方法不能有选择性的清除较厚的玻璃和透明塑料基底如风挡上的敷层，因为它导致基底受热及产生微型裂纹，或者因为能量光子的吸收而无效。

根据本发明，采用波长在10微米和360纳米之间的固体激光器，如钕：钇铝柘榴石(Nd：YAG)激光器，在光子倍增时，能量只有1.167或2.32电子伏。用这类产生低能量光子的激光器切断化学键的概率微乎其微。

DE-A-197 15 702描述了一种借助自调式激光器清除一或多层敷层的方法。根据该方法，敷层通过一种激光器进行清除，这种激光器的波长能在超出该敷层材料的清除面而又不达到基底的条件下使激光束被敷层吸收。已知吸收和清除有效性的关系，根据敷层和基底的吸收量选择最佳波长。为了能够产生所述最佳波长，采用带有光学参数振荡器(Oscillateur paramétrique optique，OPO)的激光器。由于元件调准太麻烦且工作的稳定性对环境要求较高，带有OPO的激光器实际上在除实验室以外的地方是无法使用的。

由于上述方法基于激光束的波长被敷层吸收，所以敷层对激光束波长的吸收量须很大，须明显区别于基底的吸收量。

然而在本发明中不必如此，敷层对波长的吸收量可以很小，甚至低于10％，而透明或半透明基底的吸收量可以与敷层的吸收量相差无几。简单地遵循敷层和基底的光谱特性(propriétés spectrométriques)不能达到例如去除一层或多层敷层以减少风挡、汽车玻璃或建筑物玻璃发出或传递的热辐射所需的效率和质量要求。

根据本发明引向敷层的激光束其脉冲最好小于30纳秒、其波长最好在1200和400纳米之间。

根据本发明，敷层可从基底-敷层整体对采用的波长的吸收量小于30％的基底上局部清除。

换言之，敷层可同样是半透明或透明的。

为了改善有敷层表面与无敷层表面之间的过渡质量，可通过光学成像系统和/或光阑传递脉动激光器的光束。

脉动激光器的光束以最佳方式通过基底引向敷层。

为了更加清楚，下面作为说明而非限制性地参照附图描述符合本发明的从半透明或透明的基底上局部去除敷层的方法的几个实施例，在附图中：

图1示意的是在采用本发明的方法局部清除敷层中的玻璃基底；

图2为一个一部分敷层已按照本发明去除的基底的前视图；

图3和图4为与图1相似的示意图，但是涉及的是符合本发明的方法的另外两个实施例；

图5为可以使用本发明的方法的基底及其敷层的剖面图；

图6为在使用该方法中的基底及其敷层的较大比例尺的剖面图；

图7示意的是应用本发明的方法可采用的一种装置，但涉及的是本发明的方法的另一个实施例；

图8示意的是应用本发明的方法可采用的一种装置，但涉及的是本发明的方法的另一个实施例。

图1示意的是一个玻璃基底1，在所给的例子中为轿车的一块风挡玻璃，敷层2覆盖在其整个表面上，敷层2已借助于从固体脉动激光器4引向敷层2的脉动激光束3按照本发明局部地被清除。

在所给的例子中基底1和敷层2一起对于激光器4的波长的总吸收量小于30％，这就是说敷层2的吸收能力也很小，因而是透明或半透明的。

敷层2为多层敷层，其中例如至少有一层是金属层保证敷层2的导电性。

图5为另一个例子的详细示图。敷层2含有一定数量的厚度为几纳米或微米从而透明的迭加层，即至少含有一个第一氧化锌层21，一个银层22，一个第二和一个第三氧化锌层23和24，一个第二银层25及一个第四氧化锌层26。所述敷层可以减少玻璃基底1所传递的热辐射。

在所给的例子中，在基底1边缘处的一个区5须去除敷层2以便于粘连，在中间部位，须局部去除一个区6以获得一个非导电区，同时保证透视率符合所要求的规范，显而易见，敷层上要去除的部位可以有其它的配置方案。

图2所示为在区5和区6处已局部去除敷层2的基底1。

所采用的激光器4为固体激光器，例如钇铝石榴石(YAG)型激光器，最好是钕：钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器，其脉冲短，特别是宽度低于30纳秒，最佳方式时低于10纳秒。

在一些改型中，可采用其它类的脉动激光器，象例如钕：玻璃型(Nd：Glass)激光器4，又例如Nd：YLF激光器。

根据敷层2和基底1的特性使脉冲的能量和波长最佳化。

激光束3的波长在近红外光和可见光中选用，即波长在10微米和360纳米之间，最好在1200纳米和400纳米之间，可有效地通过玻璃基底1传递激光器4的能量，这样可以避免加温，后者可能造成敷层2的材料向基底1中进行不希望有的扩散，或者由于热应力在基底1中造成微型裂纹。

由于激光束3照射的面比区5和区6小得多，须使激光束3相对于基底1进行相对运动，该相对运动最好由可编程微处理器控制。

这可以通过如下方法实现：使激光器4固定在一个地方，使基底1移动；或者使基底1固定，移动激光器4；或者例如通过如图3所示的反光镜系统或光纤7只移动激光束3。

基底1的运动可以借助于一个平移台或旋转台实现，台上放置有敷层的基底，基底通过微处理机控制相对于激光束运动。

通过基底1传递激光器4的脉冲可以提高清除速度。这不是由于基底1的温度升高，因为基底1所吸收的激光器4的光能微乎其微，而是部分由于激光束释放出的敷层2的微粒被喷射到空间，而不是喷向基底1。成分(甚至为气态)喷射的速度矢量与入射激光束方向相同。

激光束相对于法线的入射角α位于5°和35°之间以至于被激光束喷射出的残渣如图6详示被抛射到还未受激光扫描清除的那边，这样可以最大限度的避免不受欢迎的金属离子扩散到基底1中去。在图6中，基底1相对于激光束3的相对运动的方向如箭头V所示。

图3所示的符合本发明的方法的实施例不同于上述实施例，不仅因为它采用光纤7引导激光束3，还因为激光束3释放出的微粒被一吸尘装置8吸收。这样可以提高清除速度且最大限度的避免不受欢迎的金属离子扩散到基底1中。

清除质量和无敷层区5、6与有敷层区之间的边界质量可用光成像系统和/或光阑改善。

图4所示为符合本发明的方法的一个实施例，该实施例采用一个光阑9，置于激光器4的前方。这是因为光阑9切割激光束空间分布的边缘使其更平直(franc)。

此外，气体，如惰性气体，或由压缩机10产生的压缩空气被引至敷层2上激光束3所照射的地方，这样可以加快清除速度。

激光器4是由闪光灯或激光二极管泵激的固体激光器。在一个改型中，在功率足够的情况下，固体激光器4可由一个或多个脉动激光二极管替换。

激光器4还可以与一个谐波发生器如倍频器12连接以使激光束3的波长为激光器4的波长的一半，可因此提高清除的质量。谐波发生器此时以正常方式使用，即如图9所示发生大量谐波并借助于2个二向色性镜15和一个光陷阱16对基波波长滤波。

也可在改变晶体的“相位匹配”及削减二向色镜(图10)的同时使用所述谐波发生器，以便同时使用不同能量密度的谐波和基波，这样，可以最佳利用激光器的能量，从而以2至5的系数加快清除速度并提高清除质量。例如，可故意使倍频器12的“相位匹配”失调以在输出激光束3中获得比例为60％的近红外光和40％的可见光，可加快清除速度。

激光束3也可以通过一个光成像系统改动。

光学系统切割过渡能量光束的边缘，以避免局部燃烧或使光束在应用区均匀。光束分布的其它改进方法，如采用成像系统或均化器(homogéniseur)，也都可以减小残余微粒的副作用，防止局部燃烧或等离子中的微粒的不希望有的反应。

激光束3未被敷层吸收的那部分能量被敷层传递或反射。这些被传递和反射的光束可由一个反射镜系统回收并重新传递到有待清除的敷层上。该附加的光学系统可以以2的系数加快清除速度。

不单用一个激光器4，而用2个一样的频率为f、波长为λ(如Nd：YAG激光器为1064纳米)的激光器4，其中一个激光器4通过一个同步箱11与另一个随动，以便后一个激光器4以f/2的系数错开时间发射。2个光束在一个倍频器12上重新组合，可在输出端产生一个含有两个波长(如532纳米和基波1064纳米)的光束，其后有一个成像系统13，如图7所示意，或者在一个偏极滤光器14上重新组合，如图8所示意。

此时，系统以2f的虚拟频率(fréquence virtuelle)发射光束3。图11所示为频率为f的2个激光器4的脉冲，第二个激光器4与另一个随动，频率为2f的虚拟激光器脉冲在2个激光器4的光束在倍频器12或偏极滤光器上重新组合之后获得。该系统的增益既与该系统占据的空间有关又与对清除有效的光束质量有关。其实，与提高单个脉冲能一样的激光器的频率相反，提高该系统的频率不会造成光束3的空间分布劣化。经过多次改动，系统可以采用n个频率为f的相同激光器以便获得一个虚拟频率为nf的输出光束3。

在上述所有的实施例中，本发明的方法在最后阶段，即在局部清除之后，都可包括一项操作：即以大于100°，最好大于600°的温度，对基底1和未被清除的敷层2进行焙烧。

这种焙烧可以使清除操作本身在基底1上留下的最后的残渣蒸发或均匀地扩散到基底1中。其另一个作用是使被等离子如金属离子激发的微粒在表面留下的痕迹均匀化。

焙烧周期越长、温度越高，微粒越往基底1的整个厚度里迁移和扩散。

此外，这种焙烧已经应用在风挡的制造中，为的是使玻璃凸起来，因此在该应用中它不算是一个附加的步骤。

由于焙烧，该方法可实施得更快，因为分散在表面的残余微粒的太大的浓度的应力通过这些微粒本身在基底1的整个厚度中扩散而减小，导致微粒最后的浓度很少，从而变得看不见。

多层敷层2的绝大多数成分被清除。清除过程中这些成分的蒸发或扩散以及焙烧可使基底恢复其初始的透明度。

有焙烧比没有焙烧的方法效率高5至10倍。

基底1的玻璃可以是普通玻璃，如风挡、汽车玻璃窗及建筑物窗的玻璃，也可以是合成玻璃，或者透明塑料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

在按照本发明清除后，这样的一层塑料可夹置在2片玻璃之间，或一片玻璃和一片塑料如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)之间。PET层在一层玻璃上或一层PVB上时也可进行清除。

基底1可以是瓶子的玻璃，如香水瓶或酒瓶，敷层2可以是装饰，局部去除目的是做成浮雕或者做成具有技术或商业目的的特殊图案。

在所有的实施例中，敷层2的部分清除，都是精确地以简捷迅速的方式进行的，均不损坏基底1。

过渡线可以是高清晰度的，宽度甚至可以低于0.01mm。

该方法可赋予图案设计极大的灵活性。有选择性的清除可以例如在边缘进行以避免腐蚀延伸到风挡内部，或者在局部表面进行以便安放传感器，如雨传感器、风挡识别条形码，或者遥控付费所需的清除区。

也可以通过刻有待制图案的遮蔽物获得图案。该遮蔽物可置于激光器4和基底1之间由激光束3扫描，以避免被溅出来的残渣阻塞。

上述方法的质量、效率和灵活性归功于光热、光声现象和清除操作产生的等离子体之间的复杂的相互作用，是选用激光器4、波长、脉冲宽度和其它措施以避免基底1由于激发出的残渣而劣化的结果。光子作用于敷层2，而不作用于基底1。

上述现象相结合使敷层2升华或将敷层2以细小微粒喷出。

在敷层2被清除的地方，基底1重新具有了其原始的物理特性，即象有敷层前一样半透明或透明，即便敷层2导电基底1也不导电。

因此，该方法对于局部清除那些需要保留它们的光学特性的基底1上的敷层特别有用。

该方法可局部清除敷在对所用波长吸收少的基底1上的同样对所述波长吸收少的敷层2，基底-敷层整体的吸收量小于30％。

这并不妨碍该方法用于从基底1上去除不透明的如黑色(黑色印刷)敷层2，例如去除风挡上的印制标记。

相对于不采取特殊预防措施使用激光器，上述方法可获得系数为10至100的增益。应用本发明的方法局部清除敷层设备的费用相当于或低于传统的机械或化学工艺的费用。采用一个平均功率仅50瓦(如以50Hz每次发射1焦耳)的激光器4可以以10米²/小时的速度去除减少热辐射的称为“低能敷层”的多层敷层2。

显而易见，本发明绝不局限于上述实施例，而是在本发明的范围内可对上述方法进行多种改动。