CN103846547A - 多光束整形激光加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多光束整形激光加工系统，它包括沿激光光路方向依次布置的激光器、柱面凹透镜、柱面凸透镜、一维衍射光学元件和聚焦透镜。本发明这种多光束整形激光加工系统，能够改善常见紫外纳秒激光加工设备的加工效果，提高加工效率。

Description

多光束整形激光加工系统
技术领域
本发明涉及一种多光束整形激光加工系统，主要用于对芯片的开槽或切割加工。
背景技术
市场对激光切割芯片质量的要求越来越高，主要体现在需要更小的热影响区，更快的切割速度等等，为了实现这些要求，出现了脉宽更短的皮秒、飞秒甚至阿秒激光器，主要是从改变脉宽的方面着手改善切割效果，但是这些激光器大多价格昂贵，目前市面上用于精细加工的激光设备大多使用纳秒紫外激光器，价格远远低于上面提及的高端激光器，但由于光学结构的限制，越来越难满足高精细的加工需要，要想实现精细加工，要么更换激光器，要么改进光学结构，而改进光学结构的成本相对小得多；
利用激光对样品进行各类处理是激光加工领域最常见的工艺，传统的激光加工系统在需要加大激光切宽或者加深切深时往往通过增加激光功率、离焦加工或者多次划线等工艺方式来实现，这些方式虽然可以增加切宽或者切深，但分别会带来增加热影响区、切割道形貌不佳和效率低等问题；
利用衍射光学元件来提升加工效率的设备或文章已经出现，但这种方法只是将一束激光分成多束，降低单光束的能量，通过多光束尾随切割的方式改善切割效果，实质上没有改变单个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会影响切割效果；
现有的另一种光束整形工艺是通过柱透镜组来实现光束整形，通过获得较大长宽比的条状聚焦光斑的设备和文章亦已经出现，这种方法的出发点主要是通过降低聚焦光斑在长轴方向上的功率密度来降低热影响区，但由于只有一束激光光斑，考虑到功率密度和材料损伤阈值的关系，在激光光斑长轴方向上的两端能量主要是在对材料进行加热，没有去除效果；
常见一维衍射光学元件整形光路结构如图1左图所示，激光器1发出的激光束1A，经过扩束镜2后得到经过扩束的新激光束2A，再经过一维衍射光学元件5后获得多束子激光束5A，一维衍射光学元件5的激光束分束数目根据设计值不同而不同，本发明中所有的示意图均以分成三束为例，但实际数量按照权利要求书里面的界定，多束子激光束5A经过激光聚焦镜6聚焦获得多束聚焦光束，最终在聚焦镜的焦平面上获得多个圆形激光光斑，将这些聚焦光斑聚焦到待加工样品7的表面，进而实现一个方向上的切割，示意图的初始状态以在x方向上切割直线为例。
将图1左图中的部分光学元件做调整，例如将一维衍射光学元件在图1左图所示的初始状态下旋转90°，便可获得在y方向排列的一维聚焦光斑，从而实现y方向上的直线切割，图1中的附图标记5A`和6A`分别表示此情形下一维衍射光学元件分光后的子激光束和激光聚焦镜聚焦前的聚焦光束。
图2右图所示是常见一维衍射光学元件整形光路实现一定切宽的光路示意图，其中图2左图依旧是光路初始状态示意图，当在小于90°的范围内旋转一维衍射光学元件时，便可获得在x方向或y方向上具有一定投影切宽的光斑分布，实现类似激光开槽的工艺，图2中的附图标记5A``和6A``分别表示此情形下一维衍射光学元件分光后的子激光束和激光聚焦镜聚焦前的聚焦光束。
发明内容
本发明目的是：针对上述问题，提供一种多光束整形激光加工系统，以改善常见紫外纳秒激光加工设备的加工效果，提高加工效率。
本发明的技术方案是：一种多光束整形激光加工系统，包括沿激光光路方向依次布置的激光器、柱面凹透镜、柱面凸透镜、一维衍射光学元件和聚焦透镜。
作为优选，所述柱面凹透镜的像方虚焦点与所述柱面凸透镜的物方实焦点重合。
作为优选，所述激光器和柱面凹透镜之间布置有扩束镜。
作为优选，所述扩束镜的扩束倍率在1～4倍之间。
作为优选，所述激光器为紫外纳秒激光器。
作为优选，所述柱面凸透镜的焦距绝对值为所述柱面凹凸镜的焦距绝对值的1.1～1.3倍。
作为优选，所述一维衍射光学元件的分光数目在4～14个之间。
作为另一种优选方式，所述一维衍射光学元件的分光数目在2～6个之间。
作为优选，所述一维衍射光学元件的光束分离角在0.005°～0.1°之间。
本发明的优点是：
1、本发明是这种多光束整形激光加工系统，在传统多光束光路结构中增加了一组柱透镜——柱面凹透镜和柱面凸透镜，从而可以根据不同的需要恰当改变柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离，最终在激光聚焦镜的焦平面上获得不同形貌和不同分布的多个椭圆激光光斑，进而实现整形，不但可以改善激光加工效果，还可以提高加工效率。相对于更早期的单高斯圆光斑激光加工系统，本发明除增加了一组数透镜——柱面凹透镜和柱面凸透镜，还增加了一维衍射光学元件。
2、因为本发明是这种多光束整形激光加工系统可以整体旋转柱透镜组，所以理论上可以在任意方向获得相同的激光光斑形貌及相对位置分布，相比于现有技术中部分设备需要在切割完x方向后将芯片旋转90°再切割的方式，本发明可以在x和y方向都能获得相同的激光光斑形貌和相同的相对位置分布。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1所示为常见多光束整形系统的其中一种一维光斑相对位置分布图，主要用于在x方向或者y方向获得较细的切割线；
图2所示为常见多光束整形系统的另外一种一维光斑相对位置分布图，主要用于在x方向或者y方向获得一定切宽的切割线；
图3左边所示为本发明所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图3右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现窄而深的y向切割；图中虚线框表示被旋转的部件；
图4左边所示为本发明所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图4右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现窄而深的x向切割；
图5左边所示为本发明所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图5右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现一定切宽的y向开槽工艺；
图6左边所示为本发明所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图6右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现一定切宽的x向开槽工艺；
图7所示为常见一维衍射光学元件整形光路获得的激光聚焦光斑在x方向上划线、切割芯片样品的示意图，图中箭头表示加工方向，附图标记20表示芯片的功能区，附图标记21表示芯片的切割道所在位置，附图标记22表示激光切割后的切痕；
图8所示为常见一维衍射光学元件整形光路获得的激光聚焦光斑在芯片上沿x方向上划线、切割芯片样品的示意图，图中箭头表示加工方向；
图9所示为常见一维衍射光学元件整形光路获得的激光聚焦光斑在x方向上切割一定线宽的示意图，例如开槽工艺，图中箭头表示加工方向；
图10所示为常见一维衍射光学元件整形光路获得的激光聚焦光斑在y方向上切割一定线宽的示意图，例如开槽工艺，图中箭头表示加工方向；
图11所示是本发明的多光束整形激光加工系统获得的激光聚焦光斑在x方向上划线、切割芯片样品的示意图，图中箭头表示加工方向,附图标记20表示芯片的功能区，附图标记21表示芯片的切割道所在位置，附图标记22表示激光切割后的切痕；
图12所示是本发明的多光束整形激光加工系统获得的激光聚焦光斑在y方向上划线、切割芯片样品的示意图，图中箭头表示加工方向；。
图13所示是本发明的多光束整形激光加工系统获得的激光聚焦光斑在x方向上切割一定线宽的示意图，例如开槽工艺，图中箭头表示加工方向；
图14所示是本发明的多光束整形激光加工系统获得的激光聚焦光斑在y方向上切割一定线宽的示意图，例如开槽工艺，图中箭头表示加工方向。
其中：1-激光器，2-扩束镜，3-柱面凹凸镜，4-柱面凸透镜，5-一维衍射光学元件，6-聚焦透镜，7-待加工材料。
具体实施方式
实施例：图3～图6出示了本发明这种多光束整形激光加工系统的一个具体实施例。如图3所示，该多光束整形激光加工系统包括沿激光光路方向依次布置的激光器1、扩束镜2、柱面凹透镜3、柱面凸透镜4、一维衍射光学元件5和聚焦透镜6。其中扩束镜2的作用主要是为了改变光束的直径，当然经过扩束镜扩束后的激光束的发散角也会有所缩小，但目前大多激光器的激光发散角都已经控制得比较小，如果激光器1发出的原始激光束直径足够大（大于5mm），那么就不需要设置该扩束镜2。扩束镜2的扩束倍率一般选择在1～4倍之间，倍率若太大，则不利于后续光学零部件的实际调试；当根据实际需要选择1倍扩束时，即相当于可以不使用扩束镜。
可见，本实施例这种多光束整形激光加工系统的光路结构与传统一维衍射光学元件整形光路结构的关键区别在于：在激光器1和一维衍射光学元件5之间设置了由柱面凹透镜3和柱面凸透镜4构成的柱透镜组。
工作时，激光器1发出的原始激光束1A经过扩束镜2后得到直径变大的新激光束2A，新激光束2A射到柱面凹透镜3上，此柱面凹透镜3可以将激光光束在一个方向上发散，另一个方向上保持原始传输特性不变。经柱面凹透镜3整形后的激光束再经过所述柱面凸透镜4，恰当设置柱面凹透镜3和柱面凸透镜4的相对位置，可以从柱面凸透镜4的出射面获得一个在某一方向上尺寸没有变化而在与前述方向相垂直的另外一个方向上被扩束的准直平行光束，此平行光束的截面形貌由最初的圆形变成椭圆形，椭圆的长短轴之比取决于柱面凹透镜3和柱面凸透镜4的参数匹配。具有一定长短轴比的准直椭圆激光束入射到一维衍射光学元件5上，一维衍射光学元件5的目的是将入射激光按照设计的数量和分离角出射出去，从柱面凸透镜4准直出射的椭圆激光束经过一维衍射光学元件5后分成多束椭圆形的子光束，这些子光束相对于入射到一维衍射光学元件上的激光束，只是在传播方向和能量上有差异。具有椭圆形状的子激光束入射到激光聚焦镜上，根据高斯光斑计算公式，经过聚焦后的激光光斑直径与入射光斑直径成反比，所以椭圆入射光斑经过聚焦镜6聚焦后亦能在焦平面上获得一个椭圆形貌的激光聚焦光斑，激光聚焦镜6把这些聚焦光斑聚焦到待加工材料7的表面以对材料进行加工。可见，柱面凹透镜3和柱面凸透镜4构成的柱透镜组以及一维衍射光学元件都实现了对激光不同类型的整形。通过旋转一维衍射光学元件或者整体旋转柱面凹透镜3和柱面凸透镜4构成的柱透镜组，即可以改变聚焦光斑在待加工材料7上的能量分布，针对不同材料的加工需求。
图3左图所示为本发明所使用的多光束整形激光加工系统的光路结构示意图，以如图3左图所示的架构安排作为本发明所涉及的激光加工系统的初始结构，激光器1发出的原始激光束1A经过扩束镜2后获得扩束的新激光束2A，经过柱面凹透镜3后得到一个方向上发散而另一个方向保持不变的激光束，该激光束再经过柱面凸透镜4后，在调整柱面凹透镜3和柱面凸透镜4共焦的前提下，可从柱面凸透镜4的出射面获得椭圆形貌分布的准直激光束，经过柱透镜组整形后的准直光束入射进入一维衍射光学元件5，获得多束子激光束5A，这些子激光束依旧具有椭圆形貌特征，这些子激光束再次入射到激光聚焦镜6上，最终在激光聚焦镜6的焦平面上获得多个椭圆形貌的激光聚焦光斑，将这些聚焦光斑聚焦到待加工材料7上即可实现加工，且由于对光斑进行了整形，切割速度也会得到提升，其中附图标记6A表示聚焦前的聚焦激光束。
图3右图所示为利用本发明激光加工系统实现y方向线切割的示意图。主要是在图3左图所示的基础上将一维衍射光学元件5旋转90°，便可使得多个聚焦光斑沿着y方向排列，且每个椭圆形聚焦光斑的长轴都平行于y方向。这种形式便可在y方向获得狭窄的切割线或者窄而深的切割线，且由于对光斑进行了整形，切割速度也会得到提升。其中附图标记5B表示旋转一维衍射光学元件后获得的在空间上重新分布的新的多束子激光束，附图标记6B表示5B聚焦镜聚6焦前的聚焦激光束。
图4右图所示为利用本发明的激光加工系统实现x方向线切割的示意图。主要是在图4左图所示的基础上将柱面凹凸镜3和柱面凸透镜4构成的柱透镜组整体旋转90°，使得多个聚焦光斑沿着x方向排列，且每个单个聚焦光斑长轴都平行于x方向，这种形式便可在x方向获得狭窄的切割线或者窄而深的切割线，且由于对光斑进行了整形，切割速度也会得到提升。其中附图标记5C表示整体旋转柱透镜组后获得的在空间上重新分布的新的多束子激光束，附图标记6C表示5C在聚焦镜聚焦前的聚焦激光束。
图5右图所示为利用本发明的激光加工系统实现y方向线切割一定线宽的示意图，例如激光开槽工艺。主要是在图5左图所示的基础上在小于90°的范围内旋转一维衍射光学元件5，便可获得一个新的聚焦光斑分布形式：每个聚焦光斑的几何中心连起来的线既不平行于x轴，也不平行于y轴，与x轴或者y轴的夹角在0°到90°之间，且在初始状态下旋转一维衍射光学元件并没有改变单个聚焦光斑的长短轴分布方向。图5右图所示的光路分布由于聚焦光斑的长轴沿着y方向，所以比价适合在y方向上开槽，且由于对光斑进行了整形，切割速度也会得到提升。其中附图标记5D表示旋转一维衍射光学元件后获得的在空间上重新分布的新的多束子激光束，附图标记6D表示5D在聚焦镜聚焦前的聚焦激光束。
图6右图所示为利用本发明的激光加工系统实现x方向线切割一定线宽的示意图，例如激光开槽工艺。主要是在图6左图所示的基础上，在小于90°的范围内旋转一维衍射光学元件，同时整体旋转由柱面凹凸镜3和柱面凸透镜4构成的柱透镜组，便可获得一个新的聚焦光斑分布：每个聚焦光斑的几何中心连起来的线既不平行于x轴，也不平行于y轴，与x轴或者y轴的夹角在0°到90°之间，且通过整体旋转柱透镜组可以改变单个聚焦光斑的长短轴分布方向。图6右图所示的光路分布由于聚焦光斑的长轴沿着x方向分布（与x方向平行），所以比较适合在x方向上开槽，且由于对光斑进行了整形，切割速度也会得到提升。其中附图标记5E表示旋转一维衍射光学元件和整体旋转柱透镜组后获得的在空间上重新分布的新的多束子激光束，附图标记6E表示5E在聚焦镜聚焦前的聚焦激光束。
由上可见，
本发明涉及的光学系统中增加了一组柱透镜——柱面凹透镜3和柱面凸透镜4，规定沿着光路传播方向为正方向，则假定柱面凹透镜的焦距为-f，则柱面凸透镜的焦距选择在1.1f-3.0f之间，通过调整柱面凹透镜与柱面凸透镜之间的相对距离，可以从柱面凸透镜的出射面获得一个初步整形的激光束，此激光束在一个方向上，假定为x方向，x方向上的激光束相比于经过扩束镜后的激光束在直径上没有变化，且为准直出射，及此柱透镜组对于激光束在这个方向上没有整形效果，但在与之垂直的方向上，假定为y方向，y方向上的激光束会被这组柱透镜改变传播特性，通过调整柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离，可以从柱面凸透镜的出射面获得一个在y方向汇聚、发散或者准直的激光束，根据不同的需要可以恰当改变这组柱透镜之间的距离来获得不同形貌的聚焦光斑。
本发明中用到的另外一个重要光学部件是一维衍射光学元件，功能是将原始激光束按照设计的分离角和特定的数量在一维方向上分开，柱透镜组对光束的整形可以较大幅度的降低切割时的热影响区，而一维衍射光学元件通过分离出多个激光束得到多个聚焦光斑的方法，不但可以进一步降低热影响区，还可以大大提高加工速度。
当下一维衍射光学元件的使用已经慢慢开始普及，此元件比较重要的参数包括光束分离角和分光数目等，其中分光数目主要取决于激光光源的功率和所需要的最大切宽或者需要的切深，光束分离角则会影响切割效果。
当待加工样品的切宽要求较宽或者切深要求较深时，就需要较多的分光数目，定义字母n为分光数目，当然窄切宽或者浅切深都意味着相对较低的激光总功率，所以降低了对激光器功率的要求，本发明中考虑到目前常见芯片要求的开槽宽度在20um-80um之间，所以选择分光数目在4个到14个之间，分光数目太少是无法满足切宽要求，分光数目太多时，由于激光器的总功率有限，则每束子光束获得的功率就会变少，当每束子激光束的功率密度小于待加工样品的损伤阈值时就失去的切割去除材料的效果；
当客户要求的是窄切宽、深切深和较小的热影响区时，需要将多光束并到一条线上切割，并且我们发现对于这种要求，一维衍射光学元件的分光束数目在2-6个之间较佳，分光束为1时就根本没有分光效果，分光数目太多时，对切深的加深几乎没有帮助，反而会增加热影响区，并由于分光数目的增加而无谓增加对激光器的要求，进而提高设备成本。
在实际使用时，为了获得十分标准的椭圆形激光光斑，最好将所述柱面凹透镜3的像方虚焦点调整到与所述柱面凸透镜4的物方实焦点重合。
光束分离角的大小会影响切割效果，在此申明，除特别注明外，本发明中所有提到的光束分离角均指经过一维衍射光学元件分开后的相邻两束子激光束之间的夹角，并定义字母β为此光束分离角，本发明中界定光束分离角在0.005°-0.1°之间，光束分离角太小时，经过聚焦透镜后的激光光斑就不能有效的在空间上分开，当要求一定切宽时，切宽可调的范围就非常有限，或者当需要将多光束并到一条线上且与切割方向相同时，会由于相邻光光点之间的距离太短而导致第一个光点没有足够的时间去除材料，降低加工效率，当光束分离角太大时，经聚焦镜聚焦后的激光光斑中心距离太大，切割中会因为相邻激光点作用到材料上时在时间上的差异而影响切割形貌，或者当需要将多光束并到一条线上，且与切割方向相同时，会由于相邻激光点之间的距离太长，材料被第一个激光点作用了很久后才被下一个激光点作用，降低了切割效率，还会大大影响切割效果。
本发明的其中一种实施方式具体体现如下，激光器1选用355nm的紫外脉冲激光器，柱面凹透镜的焦距为-25mm，柱面凸透镜的焦距选择为50mm，柱面凹透镜与柱面凸透镜平面之间的距离约为19mm，激光聚焦镜的焦距约为50mm，被加工的材料为厚度120um的裸硅片，在进行线切割时，选用的为1X4的一维衍射光学元件，在进行类似激光开槽工艺时，选用的是1X7的一维衍射光学元件。
当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多光束整形激光加工系统，其特征在于：它包括沿激光光路方向依次布置的激光器（1）、柱面凹透镜（3）、柱面凸透镜（4）、一维衍射光学元件（5）和聚焦透镜（6）。
2.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述柱面凹透镜（3）的像方虚焦点与所述柱面凸透镜（4）的物方实焦点重合。
3.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述激光器（1）和柱面凹透镜（3）之间布置有扩束镜（2）。
4.根据权利要求2所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述扩束镜（2）的扩束倍率在1～4倍之间。
5.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述激光器（1）为紫外纳秒激光器。
6.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述柱面凸透镜（4）的焦距绝对值为所述柱面凹凸镜（3）的焦距绝对值的1.1～1.3倍。
7.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述一维衍射光学元件（4）的分光数目在4～14个之间。
8.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述一维衍射光学元件（4）的分光数目在2～6个之间。
9.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述一维衍射光学元件（4）的光束分离角在0.005°～0.1°之间。
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