CN103934577A - 切宽可调的无杂光激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切宽可调的无杂光激光加工系统，包括沿激光光路方向依次布置的激光器、扩束镜、一维衍射光学元件、聚焦透镜、具有有限通光口径的光学元件、以及成像透镜，具有有限通光口径的光学元件由透光部分和非透光部分构成，激光器发出的原始激光束经过扩束镜后得到新激光束，新激光束依次经过一维衍射光学元件得到沿一维方向分布的若干主子激光束和若干次子激光束，主子激光束和次子激光束均透过聚焦透镜而射向所述具有有限通光口径的光学元件，其中主子激光束通过具有有限通光口径的光学元件的透光部分射向成像透镜，而次子激光束则由具有有限通光口径的光学元件的非透光部分遮挡。本发明能根据不同的需要而在切割工件时在一定范围内任意变换切割宽度，并消除衍射元件带来的高阶衍射杂光对切割的影响，同时可以实现在比现有设备更高的加工效率的同时获得最小范围的热影响区。

Description

切宽可调的无杂光激光加工系统

技术领域

本发明涉及一种切宽可调的无杂光激光加工系统，主要用于对low-k芯片、硅片的开槽或切割加工。

背景技术

Low-k材料是一种非常难加工的材料，目前市面上几乎所有的low-k材料都较脆，机械强度低，与衬底的粘结力差，传统的刀具切割不但效率低，良率差，加工效果不好，而且还非常浪费包括刀具在内的各种耗材，增加成本。

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，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。

通过在光路中增加一组或多组直角棱镜系统并配合一系列的聚焦镜组或成像透镜组来改变最大切宽的设备已经有售，但是这种利用成像原理来调节切宽的设备的在调试时非常复杂，而且当切宽大于单个成像点的光斑直径时，会在切割槽的中间留下一道未去除的区域，对下一道工序的处理增加了难度。

现有的另一种多光束工艺是通过把经过一维衍射光学元件分开并经过透镜聚焦后的激光光斑分别投射到相邻的切割道上，通过一次划多个切割道和在单个切割道上划多次的方式来实现，这样可以在增加单个切割道切宽的同时不会较大的牺牲加工效率，但这种激光加工系统会导致切割道切宽不稳以及切割道形貌不佳等问题，并且对机械的精度以及电气的控制精度较高。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，提供一种切宽可调的无杂光激光加工系统结构，该系统能根据不同的需要而在切割low-k这种难去除的材料时在一定范围内任意变换切割宽度，并消除衍射元件带来的高阶衍射杂光对切割的影响，同时可以实现在比现有设备更高的加工效率的同时获得最小范围的热影响区。

本发明的技术方案是：所述切宽可调的无杂光激光加工系统，包括沿激光光路方向依次布置的激光器、扩束镜、一维衍射光学元件、聚焦透镜、具有有限通光口径的光学元件、以及成像透镜，所述具有有限通光口径的光学元件由透光部分和非透光部分构成，所述激光器发出的原始激光束经过所述扩束镜后得到新激光束，所述新激光束依次经过所述一维衍射光学元件得到沿一维方向分布的若干主子激光束和若干次子激光束，所述主子激光束和次子激光束均透过所述聚焦透镜而射向所述具有有限通光口径的光学元件，其中主子激光束通过所述具有有限通光口径的光学元件的透光部分射向所述成像透镜，而次子激光束则由所述具有有限通光口径的光学元件的非透光部分遮挡。

作为优选，所述一维衍射光学元件安装在一旋转调节镜架上。

作为优选，还包括至少一个布置在所述扩束镜和一维衍射光学元件之间、用以将从扩束镜出射的所述新激光束反射给所述一维衍射光学元件的反射镜。

作为优选，所述的激光器是中心波长为355nm的紫外纳秒脉冲激光器，脉宽在10ns～400ns之间。

作为优选，所述扩束镜的扩束率在2～10倍之间。

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。

作为优选，所述一维衍射光学元件的光束分离角在0.002°～0.2°之间。

作为优选，所述聚焦透镜的焦距在20mm～80mm之间。

作为优选，所述透光部分对所述主子激光束的透过率在50%以上，所述非透光部分对所述次子激光束的透过率在20%以下。

作为优选，所述具有有限通光口径的光学元件的非透光部分是通过镀增反膜的方式来实现的。

作为优选，定义所述聚焦透镜的焦距为f，同时定义顺着激光传播方向为x轴正方向，逆着激光传播方向为X轴负方向，以激光聚焦镜的焦点为参考零点，则所述具有有限通光口径的光学元件在X轴上的坐标位置在-20%*f～+10%*f之间。

作为优选，所述具有有限通光口径的光学元件的透光部分的形状为圆形。

作为优选，所述成像透镜的倍率在0.3～3.0之间。

本发明的优点是：本发明是这种无杂光激光加工系统具有由一维衍射光学元件、具有有限通光口径的光学元件以及一组具有恰当相对位置关系的激光聚焦透镜和成像透镜组成的光学系统，该光学系统能够有效去除高阶衍射杂光影响，保证芯片的切割质量，同时本发明还能够通过旋转一维衍射光学元件来调整切宽的大小。

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为本发明实施例中无杂光激光加工系统的结构简图；

图2为本发明实施例中切宽最小时的一维光斑分布图。

图3为本发明实施例中一维光斑分布图。

图4为本发明实施例中切宽介于最大与最小值之间时的一维光斑分布图。

其中：1-激光器，2-扩束镜，3-反射镜，4-一维衍射光学元件，5-聚焦透镜，6-具有有限通光口径的光学元件，7-成像透镜，8-待加工样品，9-切割道，1A-原始激光束，2A-新激光束，5A-主子激光束，5B-次子激光束，6-1透光部分，6-2非透光部分。

具体实施方式

实施例：图1出示了本发明这种切宽可调的无杂光激光加工系统的一个具体实施例，它包括沿激光光路方向依次布置的激光器1、扩束镜2、反射镜3、一维衍射光学元件4、聚焦透镜5、具有有限通光口径的光学元件6、以及成像透镜7。其中，所述反射镜3的作用纯粹是为了改变光路传播的方向，如果不需要对光路方向进行改变，则可以不用设置所述反射镜3。所述的具有有限通光口径的光学元件6的具有有限通光口径的光学元件6由透光部分6-1和非透光部分6-2构成。

如图1所示，所述激光器1发出一定直径的原始激光束1A，该原始激光束1A经过所述扩束镜2后得到直径变大（或变小）的新激光束2A，所述新激光束2A再经过所述反射镜3反射后进入所述一维衍射光学元件4。经一维衍射光学元件4后得到沿一维方向分布的若干（一维衍射光学元件4的分光数目可根据实际需要而变，从一维衍射光学元件4出射的主子激光束数量取决于初始设计值，本发明为绘图的简单，在附图1中以三束为例）主子激光束5A，而实际上衍射具有有限通光口径的光学元件4会除了产生主子激光束5A外，还会产生很多高阶杂光，本发明中将这些高阶杂光统称为次子激光束5B，本发明以两束次子激光束5B为例，从一维衍射光学元件4出射的所有子激光束5A、5B经过所述聚焦透镜5后会在聚焦透镜5的像方焦平面上得到相同数量（本例即为五个）的聚焦激光光斑，其中中间的三束主子激光束5A是需要的，而边上两束次子激光束5B是高阶衍射光，需要滤除掉。从一维衍射光学元件4出射的所有子激光束5A、5B经聚焦透镜5聚焦后的五个激光光斑也沿一维方向分布，调整成像透镜7的位置，使成像透镜7的物方焦平面位于聚焦透镜5的像方焦平面上。由于本发明在聚焦透镜5和成像透镜7之间的某一特定位置范围内放置有一个具有有限通光口径的所述具有有限通光口径的光学元件6，具有有限通光口径的光学元件6具有透光部分和飞透光部分组成，从而使所述的三束主子激光束5A通过具有有限通光口径的光学元件6的透光部分6-1而顺利射向所述成像透镜7，而另外两束次子激光束5B则由所述具有有限通光口径的光学元件6的非透光部分6-2遮挡（这里所说的遮挡，是指子激光束5B的透过率很小或为零），也就说是该具有有限通光口径的光学元件6可以让主子激光束5A高透过率透射，而让次子激光束5B不能透过或者以较低的透过率透过。最终只会有三束主子激光束5A进入成像透镜7，因此在成像透镜7的聚焦面上也只会得到由三束主子激光束5A产生的激光光点，将待加工样品8的待加工面调整到成像透镜7的像方焦点位置附近，按照设定的参数即可进行激光加工。

经具有有限通光口径的光学元件6筛选后的激光束即上述主子激光束5A最终会进入所述成像透镜7，进而用于加工样品，该成像透镜7的选择首先要保证其入射面的直径能够涵盖大部分的主子激光束的光。并且本实施例中所述成像透镜7的倍率在0.3～3.0之间，成像倍率太小或者太大都会降低成像质量，进而影响加工质量，同时成像倍率太小还会缩短工作距离，不利于实际的加工操作。

为了实现切宽的可调性，本例将所述一维衍射光学元件4安装到一个可以在垂直于光束传播方向上旋转的旋转调节镜架（图中未示出）上，通过旋转这个旋转调节镜架，将可调整成像透镜7在待加工样品8上在特定方向上的投影宽度。该特定方向通常设定成垂直于激光加工的方向，投影宽度的变化将直接改变激光切宽。转动旋转调节镜架使聚焦在待加工样品8上的多个激光光斑的圆心连线方向与激光加工方向（即切割道方向）平行，此时将获得最小切宽，如图2。以此最小切宽位置为起点，在一定范围内顺时针或逆时针旋转一维衍射光学元件4的旋转调节镜架，此时经过成像透镜聚焦后的一维方向分布的激光点连线与切割道9待加工方向成一定角度，切宽会不断增加，如图4。当以前述最小切宽位置为起点旋转90°时，若每个光斑开槽的宽度不小于相邻光斑之间的中心距，则此时会获得最大切宽，如图3。

在理想情况下，从一维衍射光学元件4出射的子激光束应该与设计值相同，但鉴于理论设计和实际加工技术的局限，会产生很多我们不需要的高阶衍射光即上述的次子激光束5B，对于经过特殊设计的一维衍射光学元件，这些高阶衍射光在没有经过聚焦透镜聚焦之前的功率密度对于被加工材料来说是可以忽略的，但是经过聚焦透镜聚焦后，由于所有能量都集中在直径在微米量级的范围内，已经达到材料的损伤阈值，加工时便会损伤芯片功能。为避免高阶衍射光打伤待加工产品的非加工区域，本发明在激光聚焦镜和成像透镜之间的特定位置范围内放置一片具有有限通光口径的光学元件6，该具有有限通光口径的光学元件6主要用于遮挡高阶衍射光，防止其经过聚焦镜产生聚焦的激光点，而且这样还能保证所有的主子光束全部入射到成像透镜上。

本例中，所述激光器1是中心波长为355nm的紫外纳秒脉冲激光器，脉宽在10ns～400ns之间。在激光光斑的功率密度大于low-k材料的损伤阈值前提下，重复频率越高则加工速度越快，本发明中鉴于激光器功率的限制，重复频率控制在400KHZ以下，最低为10KHZ，若激光器的功率能得以提升，则重复频率也可以相应提高进而进一步提高加工速度。

根据高斯光学计算公式，为减小激光聚焦后的光斑直径，从而最大限度的减小热影响区，改善激光加工效果，需要对从激光器出射的激光进行扩束。根据实际工艺需要，扩束倍率一般选择在2倍到10倍之间，倍率太小则没有扩束效果，较小的入射激光直径对缩小聚焦后的激光光斑几乎没有帮助。但是倍率太大则会导致扩束后的激光光斑直径过大，此时会因为光路中其他光学镜头在远离其自身近轴区域加工精度的欠缺而引起更大的波前畸变，实际上得到较差的聚焦光斑，加工效果也会不理想。基于这一考虑，本例中所述扩束镜2的扩束率最好在2～10倍之间。

本发明所用到的重要光学部件之一即为上述一维衍射光学元件4，其功能是将原始激光束按照特定角度分开，主要目的是在最大程度减小热影响区的情况下保证加工效率不降低，甚至更快。一维衍射光学元件的使用已经比较普遍，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芯片开槽所需要的最大切宽，光束分离角则会影响加工效果。

当待加工样品要求的切宽较宽时，就需要较多的分光数目，反之需要的切宽较窄时，实际需要的分光数目就少。定义字母n为分光数目，当然窄切宽也降低了对激光器功率的要求，本发明中考虑到客户要求的切宽在20um～80um之间，选择分光数目在4个到14个之间。分光数目太少时无法满足切宽要求，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，当经过聚焦后的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。

关于光束分离角，本发明中除特殊备注外，全文所提到的光束分离角均指经过一维衍射光学元件4分开后的相邻两束子激光束之间的夹角，并定义字母α为此光束分离角。本发明中所述一维衍射光学元件4的光束分离角在0.002°～0.2°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，切宽可调的范围就非常有限，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，切割时会因为相邻激光点在时间上的间隔太长而影响切割形貌。

经过一维衍射光学元件4分开后的多个子激光束需要经过激光聚焦透镜5才会对材料有加工能力，激光聚焦透镜比较重要的参数包括有效通光口径和焦距等，选择通光口径时一般选择为激光光斑直径的2倍以上为宜，针对本发明的实际应用环境，所述聚焦透镜5的焦距选择在20mm到80mm之间。焦距太短会影响最终的工作距离，焦距太长会导致聚焦后的光斑增大，降低材料加工精细度。

所述具有有限通光口径的光学元件6，其透光部分6-1必须对所使用的激光器1的中心波长有较高的透过率，透光部分6-1对所使用的激光器1的中心波长的透过率界定在50%以上。此透过率定义为透过具有有限通光口径的光学元件的激光能量P1与入射具有有限通光口径的光学元件的激光总能量P2的比值。其非透光部分6-2对所使用的激光器1的中心波长的透过率界定在20%以下。所述具有有限通光口径的光学元件6的非透光部分6-2主要通过制作微小杂乱几何结构的方法来打散高阶衍射光，使其传播方向不在具有激光方向性好的特点，也可以通过镀增反膜的方法来实现。

所述具有有限通光口径的光学元件6所放置的位置与聚焦透镜6的焦距有关，是一个相对值。假设定义所述聚焦透镜5的焦距为f，同时定义顺着激光传播方向为x轴正方向，逆着激光传播方向为X轴负方向，以激光聚焦镜5的焦点为参考零点，那么所述具有有限通光口径的光学元件6在X轴上的坐标位置最好在-20%*f～+10%*f之间。

在本发明中，所述具有有限通光口径的光学元件6上通光部分6-1的形状设计成圆形为最佳，但不做严格限制，其配合放置在对应的空间位置时，必须保证不遮挡主子激光束5A的传输光路，并遮挡住高阶衍射光即次子激光束5B的传播光路。此处以具有有限通光口径的光学元件6的通光部分6-1的形状是圆形为例，并且假定此有限通光口径的具有有限通光口径的光学元件放置在聚焦透镜5的焦平面上，并设定经过聚焦透镜5后的单个聚焦光斑直径为φ，则通光部分的直径在f*tanα*(n-1)+φ和f*tanα*n-φ之间，此直径若太小，则不能保证所有主子激光束能穿透进入成像透镜，此直径若太大，则高阶衍射光便会有一部分穿过并进入成像透镜。

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 (13)

1.一种切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：它包括沿激光光路方向依次布置的激光器（1）、扩束镜（2）、一维衍射光学元件（4）、聚焦透镜（5）、具有有限通光口径的光学元件（6）、以及成像透镜（7），所述具有有限通光口径的光学元件（6）由透光部分（6-1）和非透光部分（6-2）构成，所述激光器（1）发出的原始激光束（1A）经过所述扩束镜（2）后得到新激光束（2A），所述新激光束（2A）依次经过所述一维衍射光学元件（4）得到沿一维方向分布的若干主子激光束（5A）和若干次子激光束（5B），所述主子激光束（5A）和次子激光束（5B）均透过所述聚焦透镜（5）而射向所述具有有限通光口径的光学元件（6），其中主子激光束（5A）通过所述具有有限通光口径的光学元件（6）的透光部分（6-1）射向所述成像透镜（7），而次子激光束（5B）则由所述具有有限通光口径的光学元件（6）的非透光部分（6-2）遮挡。

2.根据权利要求1所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述一维衍射光学元件（4）安装在一旋转调节镜架上。

3.根据权利要求1所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：还包括至少一个布置在所述扩束镜（2）和一维衍射光学元件（4）之间、用以将从扩束镜（2）出射的所述新激光束（2A）反射给所述一维衍射光学元件（4）的反射镜（3）。

4.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述的激光器（1）是中心波长为355nm的紫外纳秒脉冲激光器，脉宽在10ns～400ns之间。

5.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述扩束镜（2）的扩束率在2～10倍之间。

6.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，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。

7.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述一维衍射光学元件（4）的光束分离角在0.002°～0.2°之间。

8.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述聚焦透镜（5）的焦距在20mm～80mm之间。

9.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述透光部分（6-1）对所述主子激光束（5A）的透过率在50%以上，所述非透光部分（6-2）对所述次子激光束（5B）的透过率在20%以下。

10.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述具有有限通光口径的光学元件（6）的非透光部分（6-2）是通过镀增反膜的方式来实现的。

11.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：定义所述聚焦透镜（5）的焦距为f，同时定义顺着激光传播方向为x轴正方向，逆着激光传播方向为X轴负方向，以激光聚焦镜（5）的焦点为参考零点，则所述具有有限通光口径的光学元件（6）在X轴上的坐标位置在-20%*f～+10%*f之间。

12.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述具有有限通光口径的光学元件（6）的透光部分（6-2）的形状为圆形。

13.根据权利要求1或2或3所述的切宽可调的无杂光激光加工系统，其特征在于：所述成像透镜（7）的倍率在0.3～3.0之间。