多光束整形激光加工系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多光束整形激光加工系統，它包括沿激光光路方向依次布置的激光器、柱面凹透鏡、柱面凸透鏡、一維衍射光學元件和聚焦透鏡。本發明這種多光束整形激光加工系統，能夠改善常見紫外納秒激光加工設備的加工效果，提高加工效率。
【專利說明】多光束整形激光加工系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多光束整形激光加工系統，主要用于對芯片的開槽或切割加工。【背景技術】
[0002]市場對激光切割芯片質量的要求越來越高，主要體現在需要更小的熱影響區，更快的切割速度等等，為了實現這些要求，出現了脈寬更短的皮秒、飛秒甚至阿秒激光器，主要是從改變脈寬的方面著手改善切割效果，但是這些激光器大多價格昂貴，目前市面上用于精細加工的激光設備大多使用納秒紫外激光器，價格遠遠低于上面提及的高端激光器，但由于光學結構的限制，越來越難滿足高精細的加工需要，要想實現精細加工，要么更換激光器，要么改進光學結構，而改進光學結構的成本相對小得多；
[0003]利用激光對樣品進行各類處理是激光加工領域最常見的工藝，傳統的激光加工系統在需要加大激光切寬或者加深切深時往往通過增加激光功率、離焦加工或者多次劃線等工藝方式來實現，這些方式雖然可以增加切寬或者切深，但分別會帶來增加熱影響區、切割道形貌不佳和效率低等問題；
[0004]利用衍射光學元件來提升加工效率的設備或文章已經出現，但這種方法只是將一束激光分成多束，降低單光束的能量，通過多光束尾隨切割的方式改善切割效果，實質上沒有改變單個聚焦激光光斑的能量分布，而激光的能量分布在一定程度上會影響切割效果；
[0005]現有的另一種光束整形工藝是通過柱透鏡組來實現光束整形，通過獲得較大長寬比的條狀聚焦光斑的設備和文章亦已經出現，這種方法的出發點主要是通過降低聚焦光斑在長軸方向上的功率密度來降低熱影響區，但由于只有一束激光光斑，考慮到功率密度和材料損傷閾值的關系，在激光光斑長軸方向上的兩端能量主要是在對材料進行加熱，沒有去除效果；
[0006]常見一維衍射光學元件整形光路結構如圖1左圖所示，激光器I發出的激光束1A，經過擴束鏡2后得到經過擴束的新激光束2A，再經過一維衍射光學元件5后獲得多束子激光束5A，一維衍射光學元件5的激光束分束數目根據設計值不同而不同，本發明中所有的示意圖均以分成三束為例，但實際數量按照權利要求書里面的界定，多束子激光束5A經過激光聚焦鏡6聚焦獲得多束聚焦光束，最終在聚焦鏡的焦平面上獲得多個圓形激光光斑，將這些聚焦光斑聚焦到待加工樣品7的表面，進而實現一個方向上的切割，示意圖的初始狀態以在X方向上切割直線為例。
[0007]將圖1左圖中的部分光學元件做調整，例如將一維衍射光學元件在圖1左圖所示的初始狀態下旋轉90 °，便可獲得在y方向排列的一維聚焦光斑，從而實現y方向上的直線切割，圖1中的附圖標記5A'和6A'分別表示此情形下一維衍射光學元件分光后的子激光束和激光聚焦鏡聚焦前的聚焦光束。
[0008]圖2右圖所示是常見一維衍射光學元件整形光路實現一定切寬的光路示意圖，其中圖2左圖依舊是光路初始狀態示意圖，當在小于90°的范圍內旋轉一維衍射光學元件時，便可獲得在X方向或y方向上具有一定投影切寬的光斑分布，實現類似激光開槽的工藝，圖2中的附圖標記5A''和6A''分別表示此情形下一維衍射光學元件分光后的子激光束和激光聚焦鏡聚焦前的聚焦光束。
【發明內容】
[0009]本發明目的是:針對上述問題，提供一種多光束整形激光加工系統，以改善常見紫外納秒激光加工設備的加工效果，提高加工效率。
[0010]本發明的技術方案是:一種多光束整形激光加工系統，包括沿激光光路方向依次布置的激光器、柱面凹透鏡、柱面凸透鏡、一維衍射光學元件和聚焦透鏡。
[0011]作為優選，所述柱面凹透鏡的像方虛焦點與所述柱面凸透鏡的物方實焦點重合。
[0012]作為優選，所述激光器和柱面凹透鏡之間布置有擴束鏡。
[0013]作為優選，所述擴束鏡的擴束倍率在I?4倍之間。
[0014]作為優選，所述激光器為紫外納秒激光器。
[0015]作為優選，所述柱面凸透鏡的焦距絕對值為所述柱面凹凸鏡的焦距絕對值的1.1 ?1.3 倍。
[0016]作為優選，所述一維衍射光學元件的分光數目在4?14個之間。
[0017]作為另一種優選方式，所述一維衍射光學兀件的分光數目在2?6個之間。
[0018]作為優選，所述一維衍射光學元件的光束分離角在0.005°?0.1°之間。
[0019]本發明的優點是:
[0020]1、本發明是這種多光束整形激光加工系統，在傳統多光束光路結構中增加了一組柱透鏡一柱面凹透鏡和柱面凸透鏡，從而可以根據不同的需要恰當改變柱面凹透鏡和柱面凸透鏡之間的距離，最終在激光聚焦鏡的焦平面上獲得不同形貌和不同分布的多個橢圓激光光斑，進而實現整形，不但可以改善激光加工效果，還可以提高加工效率。相對于更早期的單高斯圓光斑激光加工系統，本發明除增加了一組數透鏡一柱面凹透鏡和柱面凸透鏡，還增加了 一維衍射光學元件。
[0021]2、因為本發明是這種多光束整形激光加工系統可以整體旋轉柱透鏡組，所以理論上可以在任意方向獲得相同的激光光斑形貌及相對位置分布，相比于現有技術中部分設備需要在切割完X方向后將芯片旋轉90°再切割的方式，本發明可以在X和y方向都能獲得相同的激光光斑形貌和相同的相對位置分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
[0023]圖1所示為常見多光束整形系統的其中一種一維光斑相對位置分布圖，主要用于在X方向或者y方向獲得較細的切割線；
[0024]圖2所示為常見多光束整形系統的另外一種一維光斑相對位置分布圖，主要用于在X方向或者I方向獲得一定切寬的切割線；
[0025]圖3左邊所示為本發明所使用的光路結構示意圖，假定原始激光光斑相對位置如左圖所示，按照標注所述的方法，可以獲得圖3右圖所示的新激光光斑分布，從而可以實現窄而深的I向切割；圖中虛線框表示被旋轉的部件；
[0026]圖4左邊所示為本發明所使用的光路結構示意圖，假定原始激光光斑相對位置如左圖所示，按照標注所述的方法，可以獲得圖4右圖所示的新激光光斑分布，從而可以實現窄而深的X向切割；
[0027]圖5左邊所示為本發明所使用的光路結構示意圖，假定原始激光光斑相對位置如左圖所示，按照標注所述的方法，可以獲得圖5右圖所示的新激光光斑分布，從而可以實現一定切寬的I向開槽工藝；
[0028]圖6左邊所示為本發明所使用的光路結構示意圖，假定原始激光光斑相對位置如左圖所示，按照標注所述的方法，可以獲得圖6右圖所示的新激光光斑分布，從而可以實現一定切寬的X向開槽工藝；
[0029]圖7所示為常見一維衍射光學元件整形光路獲得的激光聚焦光斑在X方向上劃線、切割芯片樣品的示意圖，圖中箭頭表示加工方向，附圖標記20表示芯片的功能區，附圖標記21表示芯片的切割道所在位置，附圖標記22表示激光切割后的切痕；
[0030]圖8所示為常見一維衍射光學元件整形光路獲得的激光聚焦光斑在芯片上沿X方向上劃線、切割芯片樣品的示意圖，圖中箭頭表示加工方向；
[0031]圖9所示為常見一維衍射光學元件整形光路獲得的激光聚焦光斑在X方向上切割一定線寬的示意圖，例如開槽工藝，圖中箭頭表示加工方向；
[0032]圖10所示為常見一維衍射光學元件整形光路獲得的激光聚焦光斑在y方向上切割一定線寬的示意圖，例如開槽工藝，圖中箭頭表示加工方向；
[0033]圖11所示是本發明的多光束整形激光加工系統獲得的激光聚焦光斑在X方向上劃線、切割芯片樣品的示意圖，圖中箭頭表示加工方向，附圖標記20表示芯片的功能區，附圖標記21表示芯片的切割道所在位置，附圖標記22表示激光切割后的切痕；
[0034]圖12所示是本發明的多光束整形激光加工系統獲得的激光聚焦光斑在y方向上劃線、切割芯片樣品的示意圖，圖中箭頭表示加工方向；。
[0035]圖13所示是本發明的多光束整形激光加工系統獲得的激光聚焦光斑在X方向上切割一定線寬的示意圖，例如開槽工藝，圖中箭頭表示加工方向；
[0036]圖14所示是本發明的多光束整形激光加工系統獲得的激光聚焦光斑在y方向上切割一定線寬的示意圖，例如開槽工藝，圖中箭頭表示加工方向。
[0037]其中:1_激光器，2-擴束鏡，3-柱面凹凸鏡，4-柱面凸透鏡，5-—維衍射光學元件，6-聚焦透鏡，7-待加工材料。
【具體實施方式】
[0038]實施例:圖3?圖6出不了本發明這種多光束整形激光加工系統的一個具體實施例。如圖3所示，該多光束整形激光加工系統包括沿激光光路方向依次布置的激光器1、擴束鏡2、柱面凹透鏡3、柱面凸透鏡4、一維衍射光學元件5和聚焦透鏡6。其中擴束鏡2的作用主要是為了改變光束的直徑，當然經過擴束鏡擴束后的激光束的發散角也會有所縮小，但目前大多激光器的激光發散角都已經控制得比較小，如果激光器I發出的原始激光束直徑足夠大(大于5mm)，那么就不需要設置該擴束鏡2。擴束鏡2的擴束倍率一般選擇在I?4倍之間，倍率若太大，則不利于后續光學零部件的實際調試；當根據實際需要選擇I倍擴束時，即相當于可以不使用擴束鏡。
[0039]可見，本實施例這種多光束整形激光加工系統的光路結構與傳統一維衍射光學元件整形光路結構的關鍵區別在于:在激光器I和一維衍射光學元件5之間設置了由柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4構成的柱透鏡組。
[0040]工作時，激光器I發出的原始激光束IA經過擴束鏡2后得到直徑變大的新激光束2A，新激光束2A射到柱面凹透鏡3上，此柱面凹透鏡3可以將激光光束在一個方向上發散，另一個方向上保持原始傳輸特性不變。經柱面凹透鏡3整形后的激光束再經過所述柱面凸透鏡4，恰當設置柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4的相對位置，可以從柱面凸透鏡4的出射面獲得一個在某一方向上尺寸沒有變化而在與前述方向相垂直的另外一個方向上被擴束的準直平行光束，此平行光束的截面形貌由最初的圓形變成橢圓形，橢圓的長短軸之比取決于柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4的參數匹配。具有一定長短軸比的準直橢圓激光束入射到一維衍射光學元件5上，一維衍射光學元件5的目的是將入射激光按照設計的數量和分離角出射出去，從柱面凸透鏡4準直出射的橢圓激光束經過一維衍射光學元件5后分成多束橢圓形的子光束，這些子光束相對于入射到一維衍射光學元件上的激光束，只是在傳播方向和能量上有差異。具有橢圓形狀的子激光束入射到激光聚焦鏡上，根據高斯光斑計算公式，經過聚焦后的激光光斑直徑與入射光斑直徑成反比，所以橢圓入射光斑經過聚焦鏡6聚焦后亦能在焦平面上獲得一個橢圓形貌的激光聚焦光斑，激光聚焦鏡6把這些聚焦光斑聚焦到待加工材料7的表面以對材料進行加工。可見，柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4構成的柱透鏡組以及一維衍射光學元件都實現了對激光不同類型的整形。通過旋轉一維衍射光學元件或者整體旋轉柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4構成的柱透鏡組，即可以改變聚焦光斑在待加工材料7上的能量分布，針對不同材料的加工需求。
[0041]圖3左圖所示為本發明所使用的多光束整形激光加工系統的光路結構示意圖，以如圖3左圖所示的架構安排作為本發明所涉及的激光加工系統的初始結構，激光器I發出的原始激光束IA經過擴束鏡2后獲得擴束的新激光束2A，經過柱面凹透鏡3后得到一個方向上發散而另一個方向保持不變的激光束，該激光束再經過柱面凸透鏡4后，在調整柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4共焦的前提下，可從柱面凸透鏡4的出射面獲得橢圓形貌分布的準直激光束，經過柱透鏡組整形后的準直光束入射進入一維衍射光學元件5，獲得多束子激光束5A，這些子激光束依舊具有橢圓形貌特征，這些子激光束再次入射到激光聚焦鏡6上，最終在激光聚焦鏡6的焦平面上獲得多個橢圓形貌的激光聚焦光斑，將這些聚焦光斑聚焦到待加工材料7上即可實現加工，且由于對光斑進行了整形，切割速度也會得到提升，其中附圖標記6A表示聚焦前的聚焦激光束。
[0042]圖3右圖所示為利用本發明激光加工系統實現y方向線切割的示意圖。主要是在圖3左圖所示的基礎上將一維衍射光學元件5旋轉90°，便可使得多個聚焦光斑沿著y方向排列，且每個橢圓形聚焦光斑的長軸都平行于I方向。這種形式便可在y方向獲得狹窄的切割線或者窄而深的切割線，且由于對光斑進行了整形，切割速度也會得到提升。其中附圖標記5B表示旋轉一維衍射光學元件后獲得的在空間上重新分布的新的多束子激光束，附圖標記6B表示5B聚焦鏡聚6焦前的聚焦激光束。
[0043]圖4右圖所示為利用本發明的激光加工系統實現X方向線切割的示意圖。主要是在圖4左圖所示的基礎上將柱面凹凸鏡3和柱面凸透鏡4構成的柱透鏡組整體旋轉90°，使得多個聚焦光斑沿著X方向排列，且每個單個聚焦光斑長軸都平行于X方向，這種形式便可在X方向獲得狹窄的切割線或者窄而深的切割線，且由于對光斑進行了整形，切割速度也會得到提升。其中附圖標記5C表示整體旋轉柱透鏡組后獲得的在空間上重新分布的新的多束子激光束，附圖標記6C表示5C在聚焦鏡聚焦前的聚焦激光束。
[0044]圖5右圖所示為利用本發明的激光加工系統實現y方向線切割一定線寬的示意圖，例如激光開槽工藝。主要是在圖5左圖所示的基礎上在小于90°的范圍內旋轉一維衍射光學元件5，便可獲得一個新的聚焦光斑分布形式:每個聚焦光斑的幾何中心連起來的線既不平行于X軸，也不平行于y軸，與X軸或者y軸的夾角在0°到90°之間，且在初始狀態下旋轉一維衍射光學元件并沒有改變單個聚焦光斑的長短軸分布方向。圖5右圖所示的光路分布由于聚焦光斑的長軸沿著y方向，所以比價適合在y方向上開槽，且由于對光斑進行了整形，切割速度也會得到提升。其中附圖標記表示旋轉一維衍射光學元件后獲得的在空間上重新分布的新的多束子激光束，附圖標記6D表示在聚焦鏡聚焦前的聚焦激光束。
[0045]圖6右圖所示為利用本發明的激光加工系統實現X方向線切割一定線寬的示意圖，例如激光開槽工藝。主要是在圖6左圖所示的基礎上，在小于90°的范圍內旋轉一維衍射光學元件，同時整體旋轉由柱面凹凸鏡3和柱面凸透鏡4構成的柱透鏡組，便可獲得一個新的聚焦光斑分布:每個聚焦光斑的幾何中心連起來的線既不平行于X軸，也不平行于I軸，與X軸或者y軸的夾角在0°到90°之間，且通過整體旋轉柱透鏡組可以改變單個聚焦光斑的長短軸分布方向。圖6右圖所不的光路分布由于聚焦光斑的長軸沿著X方向分布(與X方向平行)，所以比較適合在X方向上開槽，且由于對光斑進行了整形，切割速度也會得到提升。其中附圖標記5E表示旋轉一維衍射光學元件和整體旋轉柱透鏡組后獲得的在空間上重新分布的新的多束子激光束，附圖標記6E表示5E在聚焦鏡聚焦前的聚焦激光束。
[0046]由上可見，
[0047]本發明涉及的光學系統中增加了一組柱透鏡一柱面凹透鏡3和柱面凸透鏡4，規定沿著光路傳播方向為正方向，則假定柱面凹透鏡的焦距為_f，則柱面凸透鏡的焦距選擇在1.lf-3.0f之間，通過調整柱面凹透鏡與柱面凸透鏡之間的相對距離，可以從柱面凸透鏡的出射面獲得一個初步整形的激光束，此激光束在一個方向上，假定為X方向，X方向上的激光束相比于經過擴束鏡后的激光束在直徑上沒有變化，且為準直出射，及此柱透鏡組對于激光束在這個方向上沒有整形效果，但在與之垂直的方向上，假定為y方向，y方向上的激光束會被這組柱透鏡改變傳播特性，通過調整柱面凹透鏡和柱面凸透鏡之間的距離，可以從柱面凸透鏡的出射面獲得一個在y方向匯聚、發散或者準直的激光束，根據不同的需要可以恰當改變這組柱透鏡之間的距離來獲得不同形貌的聚焦光斑。
[0048]本發明中用到的另外一個重要光學部件是一維衍射光學元件，功能是將原始激光束按照設計的分離角和特定的數量在一維方向上分開，柱透鏡組對光束的整形可以較大幅度的降低切割時的熱影響區，而一維衍射光學元件通過分離出多個激光束得到多個聚焦光斑的方法，不但可以進一步降低熱影響區，還可以大大提高加工速度。
[0049]當下一維衍射光學元件的使用已經慢慢開始普及,此元件比較重要的參數包括光束分離角和分光數目等，其中分光數目主要取決于激光光源的功率和所需要的最大切寬或者需要的切深，光束分離角則會影響切割效果。
[0050]當待加工樣品的切寬要求較寬或者切深要求較深時，就需要較多的分光數目，定義字母η為分光數目，當然窄切寬或者淺切深都意味著相對較低的激光總功率，所以降低了對激光器功率的要求，本發明中考慮到目前常見芯片要求的開槽寬度在20Um-80Um之間，所以選擇分光數目在4個到14個之間，分光數目太少是無法滿足切寬要求，分光數目太多時，由于激光器的總功率有限，則每束子光束獲得的功率就會變少，當每束子激光束的功率密度小于待加工樣品的損傷閾值時就失去的切割去除材料的效果；
[0051]當客戶要求的是窄切寬、深切深和較小的熱影響區時，需要將多光束并到一條線上切割，并且我們發現對于這種要求，一維衍射光學元件的分光束數目在2-6個之間較佳，分光束為I時就根本沒有分光效果，分光數目太多時，對切深的加深幾乎沒有幫助，反而會增加熱影響區，并由于分光數目的增加而無謂增加對激光器的要求，進而提高設備成本。
[0052]在實際使用時，為了獲得十分標準的橢圓形激光光斑，最好將所述柱面凹透鏡3的像方虛焦點調整到與所述柱面凸透鏡4的物方實焦點重合。
[0053]光束分離角的大小會影響切割效果，在此申明，除特別注明外，本發明中所有提到的光束分離角均指經過一維衍射光學元件分開后的相鄰兩束子激光束之間的夾角，并定義字母β為此光束分離角，本發明中界定光束分離角在0.005° -0.1°之間，光束分離角太小時，經過聚焦透鏡后的激光光斑就不能有效的在空間上分開，當要求一定切寬時，切寬可調的范圍就非常有限，或者當需要將多光束并到一條線上且與切割方向相同時，會由于相鄰光光點之間的距離太短而導致第一個光點沒有足夠的時間去除材料，降低加工效率，當光束分離角太大時，經聚焦鏡聚焦后的激光光斑中心距離太大，切割中會因為相鄰激光點作用到材料上時在時間上的差異而影響切割形貌，或者當需要將多光束并到一條線上，且與切割方向相同時，會由于相鄰激光點之間的距離太長，材料被第一個激光點作用了很久后才被下一個激光點作用，降低了切割效率，還會大大影響切割效果。
[0054]本發明的其中一種實施方式具體體現如下，激光器I選用355nm的紫外脈沖激光器，柱面凹透鏡的焦距為-25mm，柱面凸透鏡的焦距選擇為50mm，柱面凹透鏡與柱面凸透鏡平面之間的距離約為19mm，激光聚焦鏡的焦距約為50mm，被加工的材料為厚度120um的裸硅片，在進行線切割時，選用的為1X4的一維衍射光學元件，在進行類似激光開槽工藝時，選用的是1X7的一維衍射光學元件。
[0055]當然，上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓人們能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明主要技術方案的精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種多光束整形激光加工系統,其特征在于:它包括沿激光光路方向依次布置的激光器(I)、柱面凹透鏡(3)、柱面凸透鏡(4)、一維衍射光學元件(5)和聚焦透鏡(6)。
2.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述柱面凹透鏡(3)的像方虛焦點與所述柱面凸透鏡(4 )的物方實焦點重合。
3.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述激光器(I)和柱面凹透鏡(3)之間布置有擴束鏡(2)。
4.根據權利要求2所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述擴束鏡(2)的擴束倍率在I?4倍之間。
5.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述激光器(I)為紫外納秒激光器。
6.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述柱面凸透鏡(4)的焦距絕對值為所述柱面凹凸鏡(3)的焦距絕對值的1.1?1.3倍。
7.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述一維衍射光學元件(4)的分光數目在4?14個之間。
8.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述一維衍射光學元件(4)的分光數目在2?6個之間。
9.根據權利要求1所述的多光束整形激光加工系統，其特征在于:所述一維衍射光學元件(4)的光束分離角在0.005°?0.1°之間。
【文檔編號】B23K26/073GK103846547SQ201410048914
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月12日 優先權日:2014年2月12日
【發明者】王杰, 潘傳鵬 申請人:蘇州蘭葉光電科技有限公司