CN109277697A - 用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明属微细射流水束与高能激光束耦合加工晶圆的技术领域，特别涉及一种用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，包括安装支架（1）、二维微调平台（2）及射流腔体（3）；所述二维微调平台（2）与安装支架（1）固定相接；所述射流腔体（3）固定置于二维微调平台（2）中部；所述在二维微调平台（2）中心设有中心通孔（22）。本发明加工效率高，加工质量理想，可满足微水束与激光束耦合加工工艺需求，有效提升晶圆加工工艺水平。

Description

用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置

技术领域

本发明属微细射流水束与高能激光束耦合加工晶圆（材料）的技术领域，特别涉及一种用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置。

背景技术

激光加工晶圆（材料）技术是一种高效、无损的加工技术，利用微细射流水束与高能激光束进行耦合后对晶圆（材料）加工可有效减少材料的热损伤，同时具有切口质量高，无熔渣残留，加工位置不受焦点位置限制，在复杂曲面及多层结构材料加工上具有独特的优势。高压微水束射流的生成和激光耦合技术是关键技术，高压微水束射流的作用是引导高能激光直达材料表面进行加工，所以水射流的质量至关重要。常用的微水束射流直径为30～500μm，工作距离约10～100mm，射流压力一般为0～100MPa，这些参数对水束光纤发生装置的设计和制造增加了许多难度。合格的水束光纤需满足如下条件：水射流表面要平滑光洁，确保水束内的光线在水束与空气界面发生全反射，并保证高的全反射效率；水质要求纯度高、杂质少，有利于水束光纤的稳定和减小激光与水的相互作用；水束截面圆整，保证射流稳定性。

在现有技术中，由于常规加工工艺和微水束发生装置结构设计的限制，微水束截面直径很难小于200μm，且由于微水束射流的喷口直径小，造成微水束射流发散，微水束射流内部流速不一致，微水束不稳定，微水束与激光耦合效果差，激光束不能在水束中发生全反射。

发明内容

本发明旨在克服现有技术不足之处而提供一种加工效率高，加工质量理想，可满足微水束与激光束耦合加工工艺需求，有效提升晶圆加工工艺水平的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，它包括安装支架、二维微调平台及射流腔体；所述二维微调平台与安装支架固定相接；所述射流腔体固定置于二维微调平台中部；所述在二维微调平台中心设有中心通孔。

作为一种优选方案，本发明所述二维微调平台包括固定外壳、Y向位移平台、X向位移平台、Y向调节机构及X向调节机构；所述固定外壳与安装支架固定相接；所述Y向位移平台与X向位移平台经XY双向导轨滑动相接；所述Y向调节机构及X向调节机构依次分别调节Y向位移平台及X向位移平台的水平位移。

进一步地，本发明所述射流腔体包括外壳、底座、喷嘴体及玻璃窗口安装结构；所述玻璃窗口安装结构套装于底座中心位置；所述喷嘴体固定设于底座下部；所述外壳固定置于底座上部；在所述外壳侧向开有进水孔；在所述外壳内部设有环形水槽；所述进水孔与环形水槽相通；在所述底座上均布设有数个通孔；所述通孔与所述环形水槽相通；所述玻璃窗口安装结构包括中空水腔结构、玻璃窗口及玻璃压环；所述中空水腔结构在圆周方向上设置环形槽；在所述环形槽下部均布设置数个半圆形进水槽；所述喷嘴体包括喷嘴安装座及喷嘴；在所述喷嘴安装座上表面设有中心射线分布水槽；所述中心射线分布水槽与半圆形进水槽相对应。

进一步地，本发明所述进水孔的外径为6mm；所述环形水槽宽度为3mm，深度为2.5mm。

进一步地，本发明所述通孔为6个，其外径为3mm。

进一步地，本发明所述环形槽的宽度为4mm,深度为3.8mm；所述半圆形进水槽为6个。

进一步地，本发明所述喷嘴安装座采用不锈钢材料；所述喷嘴采用人造蓝宝石材料；所述喷嘴外径为2mm；所述喷嘴中心开30～500μm圆孔；所述喷嘴上下表面及圆孔内壁表面粗糙度Ra≤0.014；圆孔边缘倒角≤0.5μm；圆孔长径比≤3。

进一步地，本发明在所述底座、外壳及喷嘴座结构上设置环形密封槽。

本发明加工效率高，加工质量理想，可满足微水束与激光束耦合加工工艺需求，有效提升晶圆加工工艺水平。本发明通过设计返流型喷口元件，喷口元件材料、喷口边缘锐利度及喷口内壁粗超度，确定喷口长径比，可确保形成返流型微水束射流。另外，通过设计轴对称多路进水腔体结构，高压水腔密封结构及喷口元件安装方式，可实现射流入口处流速在轴向上保持一致。本发明通过设置入水腔体的多路轴对称结构，避免了因单路入水结构造成的入射水流速度场规范性差，速度矢量不稳定的缺点，通过在外壳、底座、喷嘴体上设置多路轴对称结构入水腔体，及相应的入水腔体结构设计，形成了轴对称的各方向速度场稳定的高压微水束射流。本发明通过喷嘴结构参数的设计，避免了单向流和空穴流射流的产生，形成了返流型射流，且射流流速一致，达到微水束与激光耦合工艺对微水束射流的技术要求。本发明在安装支架与射流腔体间设置了二维微调平台，解决了微水束与激光耦合工艺对喷口位置在XY方向上进行高精度微位移的要求，解决了微水束与激光耦合的工艺难题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明高压微水束的射流装置轴测图。

图2A为本发明二维微调平台结构图。

图2B为本发明二维微调平台剖视图。

图3为本发明射流腔体爆炸结构图。

图4为本发明玻璃窗口安装结构爆炸图。

图5为本发明喷嘴体结构图。

图中：1、安装支架；2、二维微调平台；3、射流腔体；4、Y向位移平台；5、X向位移平台；6、固定外壳；7、Y向调节机构；8、X向调节机构；9、XY双向导轨；12、锁定螺钉；13、外壳；14、底座；15、喷嘴体；16、玻璃窗口安装结构；17、中空水腔结构；18、玻璃窗口；19、玻璃压环；20、喷嘴安装座；21、喷嘴；22、中心通孔；23、进水孔；24、通孔；25、环形槽；26、半圆形进水槽；27、中心射线分布水槽。

具体实施方式

如图所示，一种用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，包括安装支架1、二维微调平台2及射流腔体3；所述二维微调平台2与安装支架1固定相接；所述射流腔体3固定置于二维微调平台2中部；所述在二维微调平台2中心设有中心通孔22。

参见图2A及图2B所示，本发明所述二维微调平台2包括固定外壳6、Y向位移平台4、X向位移平台5、Y向调节机构7及X向调节机构8；所述固定外壳6与安装支架1固定相接；所述Y向位移平台4与X向位移平台5经XY双向导轨9滑动相接；所述Y向调节机构7及X向调节机构8依次分别调节Y向位移平台4及X向位移平台5的水平位移。Y向调节机构7及X向调节机构8可采用螺杆机构以实现对Y向位移平台4及X向位移平台5的调整。二维微调平台2的结构也可采用其它常规设计，只要能实现X向及Y向移动即可。

参见图3所示，本发明所述射流腔体3包括外壳13、底座14、喷嘴体15及玻璃窗口安装结构16；所述玻璃窗口安装结构16套装于底座14中心位置；所述喷嘴体15固定设于底座14下部；所述外壳13固定置于底座14上部；在所述外壳13侧向开有进水孔23；在所述外壳13内部设有环形水槽；所述进水孔23与环形水槽相通；在所述底座14上均布设有数个通孔24；所述通孔24与所述环形水槽相通；所述玻璃窗口安装结构16包括中空水腔结构17、玻璃窗口18及玻璃压环19；所述中空水腔结构17在圆周方向上设置环形槽25；在所述环形槽25下部均布设置数个半圆形进水槽26；所述喷嘴体15包括喷嘴安装座20及喷嘴21；在所述喷嘴安装座20上表面设有中心射线分布水槽27；所述中心射线分布水槽27与半圆形进水槽26相对应。

本发明所述进水孔23的外径为6mm；所述环形水槽宽度为3mm，深度为2.5mm。本发明所述通孔24为6个，其外径为3mm。

参见图4所示，本发明所述环形槽25的宽度为4mm,深度为3.8mm；所述半圆形进水槽26为6个。

参见图5所示，本发明所述喷嘴安装座20采用不锈钢材料；所述喷嘴21采用人造蓝宝石材料；所述喷嘴21外径为2mm；所述喷嘴21中心开30～500μm圆孔；所述喷嘴21上下表面及圆孔内壁表面粗糙度Ra≤0.014；圆孔边缘倒角≤0.5μm；圆孔长径比≤3。

为增强系统的密封性能，本发明在所述底座14、外壳13及喷嘴座15结构上设置环形密封槽。

本发明在具体结构设计时，系统结构包括安装支架1、二维微调平台2、射流腔体3；所述安装支架1用于射流装置与其他结构连接；所述二维微调平台2与安装支架1相连；所述射流腔体3与二维微调平台2相连；二维微调平台2采用中空结构设计，在二维微调平台2中心设有中心通孔，用于激光光束通路；本发明二维微调平台2包括Y向位移平台4、X向位移平台5、固定外壳6、Y向调节结构7、X向调节机构8；固定外壳6与安装支架1刚性连接，Y向位移平台4与X向位移平台5通过两组反向安装的导轨9连接，分别通过Y向调节机构4X向调节机构5调整位移。所述的二维微调平台2在XY向上的调节范围为2mm，调节后通过两组锁定螺钉12锁定。本发明射流腔体3由外壳13、底座14、喷嘴体15及玻璃窗口安装结构16组成。在底座14中心位置上装配玻璃窗口安装结构16，在底座14下部安装喷嘴体15，外壳13安装在底座14上部。在外壳13侧向开Ф6mm进水孔；外壳13内部设计环形水槽，环形水槽宽度3mm，深度2.5mm；在底座14中空圆台上均布设计6个均布的Ф3mm通孔，其特征在于通孔位置与外壳13内部环形水槽一致。玻璃窗口安装结构16由中空水腔结构17、玻璃窗口18及玻璃压环19组成；中空水腔结构17在圆周方向上设置宽度4mm,深度3.8mm环形槽；在环形槽下部均布设置6个半圆形进水槽；喷嘴体15由喷嘴安装座20及喷嘴21组成；喷嘴安装座20采用不锈钢材料，喷嘴21采用人造蓝宝石材料，喷嘴21外径2mm，喷嘴21中心开30～500μm圆孔，喷嘴21上下表面及圆孔内壁表面粗糙度Ra≤0.014，圆孔边缘倒角≤0.5μm，圆孔长径比≤3。喷嘴安装座20上表面设计6路中心射线分布水槽，在喷嘴体15中心及喷嘴21上部形成厚1.8mm，直径8mm的水层；在底座14、外壳13、喷嘴座15结构上设置环形密封槽，采用高压环形静密封结构设计，整体结构耐压100MPa。

本发明用于产生压力0-100MPa，水束直径30-500μm的高压微水束。去离子水经高压泵增压进入射流腔体3的外壳13进水孔，在外壳13的内部环形水槽形成流速均匀的环形层，介质水通过底座14中空圆台外部的6个均布孔到达玻璃安装结构16，经由玻璃安装结构16下部设置的6个半圆形水槽到达喷嘴安装座20上表面。经由喷嘴安装座20中心射线分布水槽形成薄水层，经由喷嘴21喷射出，形成高压微水束射流。高压介质水通过环形水槽结构及均布的多路入水孔，形成稳定的轴对称水流速度场，水流速度矢量在圆周方向上保持一致；喷嘴21的结构设计及公差要求，使到达喷嘴上表面的介质水通过喷孔形成返流型高压喷射流；二维微调平台2采用中空结构设计，可带动射流腔体3在XY方向上进行位移调整。

以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果。只要满足使用需要，都在发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：包括安装支架（1）、二维微调平台（2）及射流腔体（3）；所述二维微调平台（2）与安装支架（1）固定相接；所述射流腔体（3）固定置于二维微调平台（2）中部；所述在二维微调平台（2）中心设有中心通孔（22）。

2.根据权利要求1所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：所述二维微调平台（2）包括固定外壳（6）、Y向位移平台（4）、X向位移平台（5）、Y向调节机构（7）及X向调节机构（8）；所述固定外壳（6）与安装支架（1）固定相接；所述Y向位移平台（4）与X向位移平台（5）经XY双向导轨（9）滑动相接；所述Y向调节机构（7）及X向调节机构（8）依次分别调节Y向位移平台（4）及X向位移平台（5）的水平位移。

3.根据权利要求2所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：所述射流腔体（3）包括外壳（13）、底座（14）、喷嘴体（15）及玻璃窗口安装结构（16）；所述玻璃窗口安装结构（16）套装于底座（14）中心位置；所述喷嘴体（15）固定设于底座（14）下部；所述外壳（13）固定置于底座（14）上部；在所述外壳（13）侧向开有进水孔（23）；在所述外壳（13）内部设有环形水槽；所述进水孔（23）与环形水槽相通；在所述底座（14）上均布设有数个通孔（24）；所述通孔（24）与所述环形水槽相通；所述玻璃窗口安装结构（16）包括中空水腔结构（17）、玻璃窗口（18）及玻璃压环（19）；所述中空水腔结构（17）在圆周方向上设置环形槽（25）；在所述环形槽（25）下部均布设置数个半圆形进水槽（26）；所述喷嘴体（15）包括喷嘴安装座（20）及喷嘴（21）；在所述喷嘴安装座（20）上表面设有中心射线分布水槽（27）；所述中心射线分布水槽（27）与半圆形进水槽（26）相对应。

4.根据权利要求3所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：所述进水孔（23）的外径为6mm；所述环形水槽宽度为3mm，深度为2.5mm。

5.根据权利要求4所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：所述通孔（24）为6个，其外径为3mm。

6.根据权利要求5所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：所述环形槽（25）的宽度为4mm,深度为3.8mm；所述半圆形进水槽（26）为6个。

7.根据权利要求6所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：所述喷嘴安装座（20）采用不锈钢材料；所述喷嘴（21）采用人造蓝宝石材料；所述喷嘴（21）外径为2mm；所述喷嘴（21）中心开30～500μm圆孔；所述喷嘴（21）上下表面及圆孔内壁表面粗糙度Ra≤0.014；圆孔边缘倒角≤0.5μm；圆孔长径比≤3。

8.根据权利要求7所述的用于微水束与激光耦合的高压微水束的射流装置，其特征在于：在所述底座（14）、外壳（13）及喷嘴座（15）结构上设置环形密封槽。