CN105345282A - 水导激光切割装置和切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水导激光切割装置和切割方法，包括激光源、分光系统和多个水容器；所述激光源用于发射激光；所述分光系统用于将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中，所述水容器与所述激光束一一对应；所述水容器包括透光的顶壁和与所述顶壁相对的底壁，所述水容器内容置有水，所述底壁具有喷水口，所述顶壁将所述激光束透射至所述水容器中，所述喷水口喷出的水柱将所述水容器内的激光束传导至对应的待切割物体的表面，以对所述待切割物体进行切割，这样就能够通过多个平行激光束同时对多个待切割物体进行切割，从而提高了水导激光切割装置的整体切割速度。

Description

水导激光切割装置和切割方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，更具体地说，涉及一种水导激光切割装置和切割方法。

背景技术

水导激光是将激光进行聚焦后导入微水柱中，利用微水柱与空气界面的全反射原理使得激光沿该微水柱传导。在水柱维持稳定的范围内，利用微水柱内的激光对待加工的产品进行加工，并通过流动的水柱将激光能量累积和传导产生的热量带走，来避免激光对产品切割道周围的热损伤及灼烧，保证切割道的清洁。

现有的一种水导激光装置包括激光源、聚光透镜和水容器。水容器具有一透光顶壁和一与顶壁相对的底壁，该水容器内容置的水通过底壁的喷水口喷出形成微水柱。激光源设置于水容器的透光顶壁一侧，聚光透镜设置于水容器的顶壁与激光源之间。其中，激光源出射的激光束经过聚光透镜会聚后通过顶壁射入水容器，并在微水柱的引导下从底壁的喷水口射出。

虽然水导激光切割能够避免激光对产品切割道周围的热损伤及灼烧，但是，随着人们对切割精度要求的提高以及产量规模的增大，现有的水导激光切割装置的切割速度已经不能满足人们的要求。因此，如何提高水导激光切割装置的切割速度成为当前人们亟待解决的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水导激光切割装置和切割方法，以解决现有技术中的水导激光切割装置的切割速度不能满足人们要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水导激光切割装置，包括激光源、分光系统和多个水容器；

所述激光源用于发射激光；

所述分光系统用于将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中，所述水容器与所述激光束一一对应；

所述水容器包括透光的顶壁和与所述顶壁相对的底壁，所述水容器内容置有水，所述底壁具有喷水口，所述顶壁将所述激光束透射至所述水容器中，所述喷水口喷出的水柱将所述水容器内的激光束传导至对应的待切割物体的表面，以对所述待切割物体进行切割。

优选的，所述分光系统包括一个分光元件、一个第一反射元件和两个聚光透镜；

所述分光元件用于将所述激光分成沿不同方向传输的两个激光束；

所述第一反射元件用于改变其中一个激光束的传输方向，以使所述激光束成为与另一激光束传输方向相同的平行的激光束；

每一所述聚光透镜位于一所述激光束的传输路径上，用于会聚所述激光束，并使会聚后的激光束入射到对应的水容器中。

优选的，所述分光系统还包括多个第二反射元件；

每一所述第二反射元件位于一所述聚光透镜和一所述水容器之间，用于改变会聚后的激光束的传输方向，使所述激光束与所述顶壁呈预设的角度进入所述水容器并以相同的角度从所述水容器中出射；

其中，所述水容器喷出的水柱的水流方向与所述激光束的出射方向相同。

优选的，所述分光元件为半反半透片，所述第一反射元件为反射棱镜，所述第二反射元件为反射镜。

优选的，所述激光束与所述顶壁的角度范围为0℃～45℃。

优选的，所述聚光透镜会聚后的激光束的光斑直径范围为5μm～12μm；所述水容器出射的水柱的直径范围为5μm～20μm。

一种水导激光切割方法，应用于如上任一项所述的水导激光切割装置，包括：

激光源发射激光；

分光系统将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中；

所述水容器的喷水口喷出的水柱将所述水容器内的激光束传导至对应的待切割物体的表面，以对所述待切割物体进行切割。

优选的，所述分光系统包括一个分光元件、一个第一反射元件和两个聚光透镜，则分光系统将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中的过程包括：

所述分光元件将所述激光分成沿不同方向传输的两个激光束；

所述第一反射元件改变其中一个激光束的传输方向，以使所述激光束成为与另一激光束传输方向相同的平行的激光束；

所述聚光透镜会聚激光束，并使会聚后的激光束入射到对应的水容器中。

优选的，所述分光系统还包括多个第二反射元件，则聚光透镜会聚激光束之后还包括：

所述第二反射元件改变会聚后的激光束的传输方向，使所述激光束与所述顶壁呈预设的角度进入所述水容器并以相同的角度从所述水容器中出射，其中，所述水容器喷出的水柱的水流方向与所述激光束的出射方向相同。

优选的，当待切割物体为半导体晶圆，且切割后的物体为顶部呈倒台状的晶粒时，采用两个激光束对待切割物体进行切割的过程包括：

采用以预设角度从水容器中出射的激光束对半导体晶圆的顶部进行第一次切割，以形成晶粒的第一侧面；

改变所述激光束的出射角度并对所述半导体晶圆的顶部进行第二次切割，以形成所述晶粒的第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面对称，且所述第一侧面和第二侧面使得所述晶粒的顶部呈倒台状。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的水导激光切割装置和切割方法，通过分光系统将激光分成多个平行的激光束，通过多个水容器将激光束分别传导到待切割物体的表面，这样就能够通过多个平行激光束同时对多个待切割物体进行切割，从而提高了水导激光切割装置的整体切割速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的水导激光切割装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的激光束在水柱中的传导示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种水导激光切割装置的具体结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的另一种水导激光切割装置的具体结构示意图；

图5为本发明另一个实施例提供的水导激光切割方法的流程图；

图6a为本发明另一个实施例提供的半导体晶圆的第一次切割示意图；

图6b为本发明另一个实施例提供的半导体晶圆的第二次切割示意图；

图6c为本发明另一个实施例提供的半导体晶圆切割后的晶粒的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一个实施例提供了一种水导激光切割装置，该水导激光切割装置可利用水导激光同时对多个待切割物体进行切割，本发明实施例中以待切割物体为半导体晶圆为例进行说明，但并不仅限于此。

如图1所示，水导激光切割装置包括激光源1、分光系统2和多个水容器3。

激光源1用于发射激光；

分光系统2用于将激光分成多个平行的激光束，并使激光束分别入射到对应的水容器3中，其中水容器3与激光束一一对应；

水容器3包括透光的顶壁30、与顶壁30相对的底壁31以及位于顶壁30和底壁31之间的侧壁32，该顶壁30、底壁31以及侧壁32构成可容纳水的水容器。本实施例中的水容器3可以为圆筒形容器，也可以为方形容器，本发明并不对此进行限定。

具体地，底壁31具有喷水口，能够使水容器3中的水以水柱的形式喷出。顶壁30能够将激光束透射至水容器3中，水容器3通过水柱将激光束传导至对应的待切割物体0的表面，以使激光束对待切割物体0进行切割。

由于水和空气的折射率不同，激光束会在水柱内表面发生类似于在光纤中发生的全反射现象，如图2所示，因此，激光束会被水柱传导至位于其下方的待切割物体0的表面。之后，水柱内的激光束会对待切割物体进行切割，水柱内的水会带走激光束切割待切割物体0时产生的热量，以避免这些热量损伤或灼烧待切割物体0的切割沟道的周边区域。

本发明的一个具体实施例中，如图3所示，分光系统2包括一个分光元件20、一个第一反射元件21以及两个聚光透镜22和23，基于此，本实施例中的水导激光切割装置包括两个水容器301和302。当然，在其他实施例中，还可通过三个分光元件和两个第一反射元件来将激光源1发射的激光分成4个平行的激光束，在此不赘述。

其中，分光元件20用于将激光源1发射的激光分成沿不同方向传输的两个激光束；第一反射元件21用于改变其中一个激光束的传输方向，以使该激光束成为与另一激光束传输方向相同的平行激光束；每一聚光透镜位于一平行激光束的传输路径上，且聚光透镜与激光束一一对应，即聚光透镜22位于其中一个激光束的传输路径上，聚光透镜23位于另一个激光束的传输路径上，该聚光透镜用于会聚激光束，并使会聚后的激光束入射到对应的水容器中。

具体的，分光元件20为半反半透片，第一反射元件21为反射棱镜，分光元件20能够反射一部分光线透射另一部分光线，第一反射元件21则完全反射光线。基于此，被分光元件20透射的激光即第一个激光束λ₁仍沿当前方向传输，反射的激光即第二个激光束λ₂沿光线的反射方向传输，设置在第一个激光束λ₁光路上的第一反射元件21会反射第一个激光束λ₁，即改变第一个激光束λ₁的传输方向，使得第一个激光束λ₁成为与第二个激光束λ₂传输方向相同且平行的激光束。

如图3所示，聚光透镜22位于第一个激光束λ₁的传输路径上，聚光透镜22用于会聚第一个激光束λ₁，并使会聚后的第一个激光束λ₁入射到水容器301中；第一个激光束λ₁会随着水容器301喷出的水柱传导至第一个待切割物体01的表面，以对第一个待切割物体01进行切割。

聚光透镜23位于第二个激光束λ₂的传输路径上，聚光透镜23用于会聚第二个激光束λ₂，并使会聚后的第二个激光束λ₂入射到水容器302中；第二个激光束λ₂会随着水容器302喷出的水柱传导至第一个待切割物体02的表面，以对第一个待切割物体02进行切割。

本实施例中，分光系统2将激光分成两个能量相当的激光束，一个激光束的能量大小在0.1W～2W之间，当然，可根据待切割物体的材料调整激光器的能量，进而调整每个激光束的能量。

此外，第一个激光束λ₁和第二个激光束λ₂的传输方向可通过调整光线入射到分光元件20和第一反射元件21的角度来进行调节；第一个激光束λ₁和第二个激光束λ₂之间的距离可通过调整分光元件20和第一反射元件21之间的距离来进行调节；聚焦后的第一个激光束λ₁的光斑大小可通过调整聚光透镜22与第一反射元件21之间的距离来进行调节、聚焦后的第二个激光束λ₂的光斑大小可通过调整聚光透镜23与分光元件20之间的距离来进行调节，具体地，会聚后的激光束的光斑直径范围为5μm～12μm，水容器出射的水柱的直径范围为5μm～20μm。

在上述任一实施例的基础上，本发明另一实施例提供的分光系统2还包括多个第二反射元件；每一第二反射元件位于一聚光透镜和一水容器之间，用于改变会聚后的激光束的传输方向，使激光束与顶壁呈预设的角度进入水容器并以相同的角度从水容器中出射；其中，水容器喷出的水柱的水流方向与激光束的出射方向相同。具体地，第二反射元件为反射镜或反射棱镜等。

下面结合图3中的水导激光切割装置来对第二反射元件的作用进行说明。

如图4所示，第二反射元件24通过反射改变会聚后的第一个激光束λ₁的传输方向，使得第一个激光束λ₁与水容器301的顶壁呈预设的角度进入水容器301并以相同的角度从水容器301中出射，进一步地，可调整水容器301的水柱的喷出方向，来使水柱的水流方向与第一个激光束λ₁的出射方向相同。

第二反射元件25通过反射改变会聚后的第二个激光束λ₂的传输方向，使得第二个激光束λ₂与水容器302的顶壁呈预设的角度进入水容器302并以相同的角度从水容器302中出射，进一步地，可调整水容器302的水柱的喷出方向，来使水柱的水流方向与第二个激光束λ₂的出射方向相同，以使第二个激光束λ₂能够在水柱中传导。

其中，第一个激光束λ₁与水容器301的顶壁的角度范围为0℃～45℃，第二个激光束λ₂与水容器302顶壁的角度范围为0℃～45℃。

本实施例提供的水导激光切割装置，通过分光系统将激光分成多个平行的激光束，通过多个水容器将激光束分别传导到待切割物体的表面，这样就能够通过多个平行激光束同时对多个待切割物体进行切割，从而提高了水导激光切割装置的整体切割速度。

本发明的另一实施例提供了一种水导激光切割方法，应用于如上任一实施例的水导激光切割装置，如图5所示，包括：

S501：激光源发射激光；

S502：分光系统将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中；

当分光系统包括一个分光元件、一个第一反射元件和两个聚光透镜时，参考图3，分光系统将激光分成多个平行的激光束，并使激光束入射到对应的水容器中的过程包括：

分光元件将激光分成沿不同方向传输的两个激光束；

第一反射元件改变其中一个激光束的传输方向，以使激光束成为与另一激光束传输方向相同的平行的激光束；

聚光透镜会聚激光束，并使会聚后的激光束入射到对应的水容器中。

进一步地，参考图4，当上述分光系统还包括多个第二反射元件时，聚光透镜会聚激光束之后还包括：

第二反射元件改变会聚后的激光束的传输方向，使激光束与顶壁呈预设的角度进入水容器并以相同的角度从水容器中出射，其中，水容器喷出的水柱的水流方向与激光束的出射方向相同。

上述分光系统的具体工作过程在前述实施例中已经进行了详细描述，在此不赘述。

S503：水容器的喷水口喷出的水柱将所述水容器内的激光束传导至对应的待切割物体的表面，以对所述待切割物体进行切割。

下面以待切割物体为半导体晶圆，且切割后的物体为顶部呈倒台状的晶粒为例来说明采用两个激光束对待切割物体进行切割的过程，该切割过程包括：

采用以预设角度从水容器中出射的激光束对半导体晶圆的顶部进行第一次切割，以形成晶粒的第一侧面；

改变所述激光束的出射角度并对所述半导体晶圆的顶部进行第二次切割，以形成所述晶粒的第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面对称，且所述第一侧面和第二侧面使得所述晶粒的顶部呈倒台状。

在切割晶粒之前，需根据晶粒的大小调节切割装置的步进距离，可选的，步进距离为两个晶粒的大小，并且，调整分光元件和第一反射元件之间的距离，使得第一个激光束和第二个激光束之间的距离与两颗晶粒的大小相等，之后调整水容器的水柱的水流方向，使得第一个激光束和第二个激光束与待切割物体的表面呈预设的角度，以使得切割后的晶粒的顶部呈倒台状。

参考图6a～6c，调整第一个激光束和第二个激光束的焦距和能量，对半导体晶圆进行第一次切割，以形成晶粒的左侧走道即第一侧面a，每切割完一刀，切割装置的工作台步进两颗晶粒的距离，接着进行下一刀的切割直至完成晶粒左侧走道的切割。然后工作台旋转180度，即改变第一个激光束和第二个激光束与待切割物体的表面之间的角度，并对半导体晶圆进行第二次切割，以形成晶粒的右侧走道即第二侧面b，同样，每切割完一刀，切割装置的工作台步进两颗晶粒的距离，直至完成晶粒右侧走道的切割。

之后将完成切割的晶圆放置到旋干机中旋干，最后将旋干后的晶圆进行劈裂，使各个晶粒完成分离。分离后的晶粒如图6c所示，第一侧面a与第二侧面b对称，且第一侧面a和第二侧面b与晶粒的顶面c之间的角度大于90°，从而使得晶粒的顶部呈倒台状。

本实施例提供的水导激光切割方法，通过分光系统将激光分成多个平行的激光束，通过多个水容器将激光束分别传导到待切割物体的表面，这样就能够通过多个平行激光束同时对多个待切割物体进行切割，从而提高了水导激光切割装置的整体切割速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种水导激光切割装置，其特征在于，包括激光源、分光系统和多个水容器；

所述激光源用于发射激光；

所述分光系统用于将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中，所述水容器与所述激光束一一对应；

所述水容器包括透光的顶壁和与所述顶壁相对的底壁，所述水容器内容置有水，所述底壁具有喷水口，所述顶壁将所述激光束透射至所述水容器中，所述喷水口喷出的水柱将所述水容器内的激光束传导至对应的待切割物体的表面，以对所述待切割物体进行切割。

2.根据权利要求1所述的切割装置，其特征在于，所述分光系统包括一个分光元件、一个第一反射元件和两个聚光透镜；

所述分光元件用于将所述激光分成沿不同方向传输的两个激光束；

所述第一反射元件用于改变其中一个激光束的传输方向，以使所述激光束成为与另一激光束传输方向相同的平行的激光束；

每一所述聚光透镜位于一所述激光束的传输路径上，用于会聚所述激光束，并使会聚后的激光束入射到对应的水容器中。

3.根据权利要求2所述的切割装置，其特征在于，所述分光系统还包括多个第二反射元件；

每一所述第二反射元件位于一所述聚光透镜和一所述水容器之间，用于改变会聚后的激光束的传输方向，使所述激光束与所述顶壁呈预设的角度进入所述水容器；

其中，所述水容器喷出的水柱的水流方向与所述激光束的出射方向相同。

4.根据权利要求3所述的切割装置，其特征在于，所述分光元件为半反半透片，所述第一反射元件为反射棱镜，所述第二反射元件为反射镜。

5.根据权利要求3所述的切割装置，其特征在于，所述激光束与所述顶壁的角度范围为0℃～45℃。

6.根据权利要求3所述的切割装置，其特征在于，所述聚光透镜会聚后的激光束的光斑直径范围为5μm～12μm；所述水容器出射的水柱的直径范围为5μm～20μm。

7.一种水导激光切割方法，其特征在于，应用于权利要求1～6任一项所述的水导激光切割装置，包括：

激光源发射激光；

分光系统将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中；

所述水容器的喷水口喷出的水柱将所述水容器内的激光束传导至对应的待切割物体的表面，以对所述待切割物体进行切割。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分光系统包括一个分光元件、一个第一反射元件和两个聚光透镜，则分光系统将所述激光分成多个平行的激光束，并使所述激光束入射到对应的水容器中的过程包括：

所述分光元件将所述激光分成沿不同方向传输的两个激光束；

所述第一反射元件改变其中一个激光束的传输方向，以使所述激光束成为与另一激光束传输方向相同的平行的激光束；

所述聚光透镜会聚激光束，并使会聚后的激光束入射到对应的水容器中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述分光系统还包括多个第二反射元件，则聚光透镜会聚激光束之后还包括：

所述第二反射元件改变会聚后的激光束的传输方向，使所述激光束与所述顶壁呈预设的角度进入所述水容器，其中，所述水容器喷出的水柱的水流方向与所述激光束的出射方向相同。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当待切割物体为半导体晶圆，且切割后的物体为顶部呈倒台状的晶粒时，采用两个激光束对待切割物体进行切割的过程包括：

采用以预设角度从水容器中出射的激光束对半导体晶圆的顶部进行第一次切割，以形成晶粒的第一侧面；

改变所述激光束的出射角度并对所述半导体晶圆的顶部进行第二次切割，以形成所述晶粒的第二侧面，所述第一侧面与所述第二侧面对称，且所述第一侧面和第二侧面使得所述晶粒的顶部呈倒台状。