CN109551116B - 一种激光加工芯片的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工芯片的装置及方法，所述装置包括：工作台，用于放置待加工的制冷型红外探测芯片；除尘装置，设置在激光加工系统与工作台之间并在工作台上建立一加工腔室，用于向所述加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；控制系统，用于根据位置信息设置激光加工系统的加工参数；激光加工系统，用于再通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。本发明能够通过吹气和负压吸附的方式将槽内或槽边缘处的杂质等清除，有效减少杂质在芯片的堆积，减少后续的清洗步骤，降低清洗难度。

Description

一种激光加工芯片的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光微加工技术领域，尤其涉及一种激光加工芯片的装置及方法。

背景技术

红外探测器无论是在民用还是军用都得到了很好的应用，其中制冷型红外探测器的性能尤为卓越。制冷型红外探测器中红外探测芯片经常处在温度剧烈变化的环境中，为了保证其工作性能正常，在工作状态的时候需要对探测器中的红外探测芯片进行液氮制冷，此时的温度大约为-200℃，但是在非工作时段，红外探测芯片是暴露在大气温度下的，例如在沙漠中最高温度有时可以达到70℃左右，所以红外探测芯片所处的环境温度是在-200℃与70℃之间不断变化的。

红外探测芯片的结构分为三层，从上往下依次为感光层，环氧树脂层，芯片电路层，感光层材料包括碲镉汞、碲镉铟等。因此，碲镉汞层与环氧树脂层紧密相连，由于它们的热能胀系数差别较大，所以在长期的环境温度剧烈变化下，它们两层之间容易发生位置偏移。这种反复热应力造成的位置偏移，导致与碲镉汞层连接的铟柱断裂，铟柱的断裂使得碲镉汞层(感光层)与芯片底部的芯片电路层连接断裂，直接造成红外探测器无法使用。

目前应对以上问题的方法是在靠近芯片边缘的位置制备沟槽，沟槽可以有效地缓冲碲镉汞层与环氧树脂层之间的热应力作用，减小热应力对红外探测芯片结构的影响。制备沟槽的宽度越窄越好，且深度正好贯穿到底部芯片电路层。传统的沟槽制备方法主要分为两大类：湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀制备沟槽，把样品浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去。这种方法的优点：操作简单、设备要求低、刻蚀选择性好；缺点：第一需要对每个芯片进行光刻工艺，费时费力，第二腐蚀锑镉汞以及环氧树脂需要不同的腐蚀液，腐蚀工艺复杂，精度低，易损伤底部读出电路。

干法刻蚀制备沟槽，样品在低真空特定气体环境下，气体以等离子体状态存在，通过电场的加速，轰击在样品需要加工的区域，等离子体会与样品材料化学反应以及将样品材料表面的原子击出，达到刻蚀去除的目的。干法刻蚀的优点：第一刻蚀选择性和各向异性好，第二刻蚀图形可以精确控制且分辨率高；缺点：第一需要对单个芯片光刻，费时费力，第二是损伤底部读出电路。

同时还由于超短脉冲激光对红外半导体材料的切割主要通过多光子吸收机制加以实现，等离子复合过程中常伴有粉尘和烟雾等的产生。大量吸入粉尘和所产生的气体不仅对人体有害，也给机械及光路传输、激光性能等带来恶劣影响，因此对这些额外产生的有害物质进行高效去除。

发明内容

本发明提供的激光加工芯片的装置及方法，能够通过吹气和负压吸附的方式将槽内或槽边缘处的杂质等清除，有效的减少这些杂质在芯片的堆积，减少后续的清洗步骤，降低清洗难度。

第一方面，本发明提供一种激光加工芯片的装置，包括：

工作台，用于放置待加工的制冷型红外探测芯片；

除尘装置，设置在激光加工系统与工作台之间并在工作台上建立一加工腔室，用于向所述加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；

控制系统，用于获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并控制激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

激光加工系统，由激光器、扩束准直元件、振镜搭建形成，用于将激光器发射的激光光束经扩束准直元件进行扩束、准直，然后再通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

可选地，所述除尘装置包括：

隔离腔室，设置在激光加工系统与工作台之间并隔离出一加工腔室；

吹气系统，设置在加工腔室内，并用于向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

吸气系统，设置在加工腔室内，并用于通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室。

可选地，所述工作台设置有喷孔作为喷管出口，并与设置在工作台下方的喷管连接。

可选地，所述加工腔室包括设置在顶部的保护镜片、设置于侧面的封闭罩以及设置在封闭罩下方的硬毛刷。

可选地，所述吹气系统包括将至少一个管口朝向加工位置的吹气管道、设置在吹气管道上的控制阀以及与吹气管道另一端连接的储气设备。

第二方面，本发明提供一种激光加工芯片的方法，包括：

由激光器、扩束准直元件、振镜搭建激光加工系统；

降低除尘装置并在工作台上建立一加工腔室；

向所述加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；

获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并由激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

可选地，所述降低除尘装置并在工作台上建立一加工腔室之前，所述方法还包括：

打开设置于工作台上的第一喷孔，吸附放置在工作台上的待加工制冷型红外探测芯片；

或者，以第一功率打开设置于工作台上的喷孔，吸附放置在工作台上的待加工制冷型红外探测芯片。

可选地，所述向所述加工腔室中通入气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出包括：

在由隔离腔室隔离出的加工腔室中，启动吹气系统向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

打开设置于工作台上的第二喷孔，通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室；

或者，以第二功率打开设置于工作台上的喷孔，通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室。

可选地，所述启动吹气系统向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散包括：

启动吹气系统中的单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

检测负压吸附力是否达到预设值；

当负压吸附力达到预设值时，则继续由单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

当负压吸附力未达到预设值时，则同时启动吹气系统中的两侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散。

可选地，所述第一功率小于第二功率。

本发明实施例提供的激光加工芯片的装置及方法，所述装置通过在照射激光加工光束的同时降低设置于振镜与加工台之间的除尘装置建立一加工腔室，并在所述加工腔室中辅助气体从除尘装置中所设置的喷嘴喷出，并由辅助气体将激光加工所产生的气体和熔渣吹散，同时在加工腔室顶端产生一定的负压将带着沉渣及烟雾吸收至机器外，并通过专用管道转移到处理室实现清洁。本实施例所述装置不仅能够通过吹气和负压吸附的方式将槽内或槽边缘处的杂质等清除，有效的减少这些杂质在芯片的堆积，减少后续的清洗步骤，降低清洗难度。同时还能够有效的减少激光加工后等离子复合过程中产生的粉尘和烟雾在芯片有效区域积累，从而造成的潜在性伤害。

附图说明

图1为本发明实施例一激光加工芯片的方法的流程图；

图2为本发明实施例一在制冷型红外探测芯片上激光加工的闭合环形沟槽结构示意图；

图3为本发明实施例一在制冷型红外探测芯片上激光加工的闭合环形沟槽结构示意图；

图4为本发明实施例二激光加工芯片的装置的结构示意图；

图5为本发明实施例二激光加工系统的结构示意图；

图6为本发明实施例三除尘装置的结构示意图；

图7为本发明实施例三工作台所设置的喷孔结构示意图；

图8为本发明实施例三可调角度的工作台的结构示意图；

图9为本发明实施例三激光加工芯片的方法的流程图；

图10为本发明实施例四激光加工芯片的方法的流程图；

图11为本发明实施例四激光加工芯片的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例一

本发明实施例提供一种激光加工芯片的方法，如图1所示，所述方法包括：

S11、由激光器、光学元件搭建激光加工系统；

S12、获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息；

S13、根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并由激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

S14、改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

本发明实施例提供的激光加工芯片的方法主要是利用激光加工系统产生激光光束在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间的表面制备闭合环形沟槽，能够利用激光加工光束将感光层的温度急剧升高而直接汽化，同时控制激光运行轨迹或样品位移轨迹实现制冷型红外探测芯片表面沟槽图形化的目的，其中，使用激光加工系统进行加工具有如下有点：第一激光脉冲时间短，属于“冷加工”，热影响区域小，不会改变感光层的特性；第二激光加工工艺过程与待加工制冷型红外探测芯片的无接触，可以减小机械应力对加工对象的损伤；第三激光加工自动化程度高，精确度高，加工速度快。

另外，本实施例所述方法还能够均匀的减少像元层四周所溢出的填充胶在温度循环过时对制冷型红外探测芯片的拉扯牵引，进而能够高效均匀地消除热应力对制冷型红外探测芯片的感光层与环氧树脂层之间的位置偏移影响，防止与感光层连接的铟柱断裂，提高红外探测芯片的使用寿命，制备的沟槽宽度越窄越好，且深度正好贯穿到底部芯片电路层。

同时，与现有的改良填充胶、加入固定层技术相比，本实施例所述方法不引入新的材料，不引入新的结构(特指多加一层固定层这样的结构)，并不影响制冷型红外探测芯片制造过程中的原有工艺，仅需在芯片互联混成与填胶之后加入一个新的开槽工艺。因此，本实施例所述方法相较与其它提高可靠性的方法，具有实施简单、研发成本低、效率高、效果好的优点。

并且，经过实验结果显示，所述制冷型红外探测芯片经过激光加工系统加工后，在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成贯穿感光层以及封胶水层的闭合环形沟槽，且闭合环形沟槽的结构整齐光滑，闭合环形沟槽内部没有残留物，热影响区域较小，槽周围感光层材料无微损伤及微裂纹等缺陷，控制加工工艺还不损伤底部的芯片电路层，进而基于所述闭合环状沟槽可实现制冷型红外探测芯片核心区域与外围胶墙的物理隔离，从根本上消除热应力对芯片可靠性的影响。

可选地，如图2所示，可选地，在所述由激光器、光学元件搭建激光加工系统之前，所述方法还包括：

获取制冷型红外探测芯片信息，根据制冷型红外探测芯片信息确定激光光斑；其中，所述激光光斑包括高斯光斑、或平顶光斑。

例如，本实施例所述方法能够根据制冷型红外探测芯片信息中的芯片结构、感光层材料、芯片加工需求自由切换所需的激光光斑进行加工；其中，所述感光层材料包括碲镉汞、碲镉铟。

可选地，在所述获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息之后，所述方法还包括：

建立加工腔室，设置所述加工腔室的加工环境；其中，

所述加工腔室设置为真空腔室、或全封闭非真空腔室、或半封闭腔室。

可选地，所述设置所述加工腔室的加工环境为向加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态。

具体的，本实施例所述方法通过向加工腔室中通入辅助气体，一方面使得所述加工腔室处于低气压状态，并有效的将激光与各种材料作用产生的杂质吹向芯片的无效区域；另一方面环氧树脂快速的与辅助气体中的氧气反应生成CO2释放到大气中，进而减小激光加工误差。

可选地，所述设置激光加工系统的加工参数，并由激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束包括：

根据制冷型红外探测芯片信息、沟槽信息确定激光加工参数；

由激光加工系统根据激光加工参数产生对应的激光加工光束。

可选地，所述激光加工参数包括激光光束能量、重复频率、脉宽、激光波长中一种或者任意组合。

可选地，所述脉宽的范围为10fs-10ps；

优选地，所述激光波长为200nm-400nm。

可选地，所述改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽包括：

根据制冷型红外探测芯片信息确定激光加工系统内的振镜；

由所述振镜根据沟槽信息控制激光光束的运动轨迹将制冷型红外探测芯片各边上的像元层与边缘之间进行刻蚀成沟槽，并由各边上所刻蚀的沟槽形成闭合环形沟槽。

可选地，所述沟槽信息包括沟槽槽形、沟槽宽度、沟槽深度中一种或者任意组合。

可选地，所述制冷型红外探测芯片从上之下依次为感光层、环氧树脂层、芯片电路层；其中，

所述沟槽深度D范围为制冷型红外探测芯片表面感光层厚度D1<D<制冷型红外探测芯片感光层厚度D1+环氧树脂层厚度D2。

具体的，本实施例所述方法通过在制冷型红外探测芯片的像元层和边缘之间加工一闭合环形沟槽，且所述沟槽深度为穿透制冷型红外线探测器材料层，但是未到达芯片电路层，在最大程度消除热应力的同时，不损伤底部的芯片电路层。

实施例二

本发明实施例提供一种激光加工芯片的装置，如图2至图4所示，所述装置包括：

工作台，用于放置待加工的制冷型红外探测芯片；

控制系统，用于获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并控制激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

激光加工系统，由激光器、扩束准直元件、振镜搭建形成，用于将激光器发射的激光加工光束经扩束准直元件进行扩束、准直，然后再通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

本发明实施例提供的激光加工芯片的装置主要是通过激光加工系统产生激光光束在在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间的表面制备闭合环形沟槽，能够利用激光加工光束将感光层的温度急剧升高而直接汽化，同时控制激光运行轨迹或样品位移轨迹实现制冷型红外探测芯片表面沟槽图形化的目的，其中，使用激光加工系统进行加工具有如下有点：第一激光脉冲时间短，属于“冷加工”，热影响区域小，不会改变感光层的特性；第二激光加工工艺过程与待加工制冷型红外探测芯片的无接触，可以减小机械应力对加工对象的损伤；第三激光加工自动化程度高，精确度高，加工速度快。

另外，本实施例所述方法还能够均匀的减少像元层四周所溢出的填充胶在温度循环过时对制冷型红外探测芯片的拉扯牵引，进而能够高效均匀地消除热应力对制冷型红外探测芯片的感光层与环氧树脂层之间的位置偏移影响，防止与感光层连接的铟柱断裂，提高红外探测芯片的使用寿命，制备的沟槽宽度越窄越好，且深度正好贯穿到底部芯片电路层。

同时，与现有的改良填充胶、加入固定层技术相比，本实施例所述装置不引入新的材料，不引入新的结构(特指多加一层固定层这样的结构)，并不影响制冷型红外探测芯片制造过程中的原有工艺，仅需在芯片互联混成与填胶之后加入一个新的开槽工艺。因此，本实施例所述装置相较与其它提高可靠性的方法，具有实施简单、研发成本低、效率高、效果好的优点。

并且，经过实验结果显示，所述制冷型红外探测芯片经过激光加工系统加工后，在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成贯穿感光层以及封胶水层的闭合环形沟槽，且闭合环形沟槽的结构整齐光滑，闭合环形沟槽内部没有残留物，热影响区域较小，槽周围感光层材料无微损伤及微裂纹等缺陷，控制加工工艺还不损伤底部的芯片电路层，进而基于所述闭合环状沟槽可实现制冷型红外探测芯片核心区域与外围胶墙的物理隔离，从根本上消除热应力对芯片可靠性的影响。

优选地，所述激光加工系统中设置至少一个激光器，用于根据制冷型红外探测芯片信息控制切换为不同激光器发射出不同波长的激光光束，进而提高了所述激光加工系统的加工效率。

可选地，如图2至图5所示，所述控制系统包括：

检测子系统，用于检测获取沟槽信息；其中，所述沟槽信息包括沟槽槽形、沟槽宽度、沟槽深度中一种或者任意组合；

上位机，用于根据待加工的制冷型红外探测芯片信息以及经检测子系统所获取的沟槽信息确定激光加工参数；然后控制激光加工系统根据激光加工参数产生对应的激光加工光束。

可选地，所述上位机包括：

第一确定模块，用于根据待加工的制冷型红外探测芯片信息以及经检测子系统所获取的沟槽信息、或定位检测信息、或加工位置定位信息确定激光加工参数；

第二确定模块，用于根据制冷型红外探测芯片信息确定激光加工系统内的振镜；

控制模块，用于经振镜根据沟槽信息控制激光光束的运动轨迹将制冷型红外探测芯片各边上的像元层与边缘之间进行刻蚀成沟槽，并由各边上所刻蚀的沟槽形成闭合环形沟槽。

可选地，所述装置还包括：

同轴检测系统，用于对制冷型红外探测芯片上的切割道进行定位并生成定位检测信息；

旁轴检测系统，用于振镜在制冷型红外探测芯片上的加工位置进行定位并生成加工位置检测信息；其中，

所述上位机根据沟槽信息、定位检测信息、加工位置检测信息控制激光光束对制冷型红外探测芯片各边外沿对应XY方向保持同一预定方向且在振镜正下方进行刻蚀成沟槽并形成闭合环形沟槽，其中，所述制冷型红外探测芯片各边外沿为各边上像元层与边缘之间的位置。

可选地，所述制冷型红外探测芯片从上之下依次为感光层、环氧树脂层、芯片电路层；其中，

所述沟槽深度D范围为制冷型红外探测芯片表面感光层厚度D1<D<制冷型红外探测芯片感光层厚度D1+环氧树脂层厚度D2。

可选地，所述激光加工系统还包括：

整形元件，用于将激光加工光束整形为与制冷型红外探测芯片类型相对应激光光斑；其中，所述激光光斑包括高斯光斑、或平顶光斑。

优选地，所述激光加工系统还包括：

垂直位移元件，用于在垂直方向移动振镜。

具体的，本实施例所述装置能够根据制冷型红外探测芯片信息中的芯片结构、感光层材料、芯片加工需求控制整形元件自由切换所需的激光光斑进行加工；其中，所述感光层材料包括碲镉汞、碲镉铟。

可选地，所述激光加工系统还包括：

分束镜，用于对经整形元件整形后的激光加工光束整形状态进行检测。

可选地，如图6至图8所示，所述装置还包括：

除尘装置，设置在激光加工系统与工作台之间并在工作台上建立一加工腔室，用于向所述加工腔室中通入气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出。

具体的，本实施例所述除尘装置是通过向加工腔室中通入辅助气体，一方面使得所述加工腔室处于低气压状态，并有效的将激光与各种材料作用产生的杂质吹向芯片的无效区域；另一方面环氧树脂快速的与辅助气体中的氧气反应生成CO2释放到大气中，进而减小激光加工误差。

可选地，所述激光加工参数包括激光光束能量、重复频率、脉宽、激光波长中一种或者任意组合；

优选地，所述脉宽的范围为20fs-100ps；

优选地，所述激光波长为200nm-600nm。

可选地，如图8所示，所述工作台为可调角度的工作台，以使激光加工系统对制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间进行倾斜加工并形成边缘小夹角浅沟槽。

综上所示，本实施例所述装置通过激光加工系统中激光光束由激光器以行进方向0°射出，经反射镜1反射至扩束准直元件上并将激光光束扩束，然后再经过分束镜对激光光束激光能量、激光器状态进行检测，以及将激光光束以90°方向反射在反射镜2上面；由反射镜2反射激光光束，激光光束以90°方向反射在反射镜3上面；由反射镜3反射激光光束，激光光束以-90°方向反射在反射镜4上面，由反射镜4反射激光光束，激光光束以90°方向反射在整形元件上，然后经低反射率分束镜对经整形元件整形后的激光光束整形状态进行检测，然后将激光光束照射至振镜，使用旁轴检测系统对加工位置进行定位以及在线监测；最终激光光束聚焦到固定于工作台上的制冷型红外探测芯片进行切割。

本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

实施例三

由于超短脉冲激光对红外半导体材料的切割主要通过多光子吸收机制加以实现，等离子复合过程中常伴有粉尘和烟雾等的产生。大量吸入粉尘和所产生的气体不仅对人体有害，也给机械及光路传输、激光性能等带来恶劣影响，因此对这些额外产生的有害物质进行高效去除。因此，本发明实施例提供一种激光加工芯片的装置，如图6所示，所述装置包括：

工作台，用于放置待加工的制冷型红外探测芯片；

除尘装置，设置在激光加工系统与工作台之间并在工作台上建立一加工腔室，用于向所述加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；

控制系统，用于获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并控制激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

激光加工系统，由激光器、扩束准直元件、振镜搭建形成，用于将激光器发射的激光光束经扩束准直元件进行扩束、准直，然后再通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

本发明实施例提供的激光加工芯片的装置主要是通过在照射激光加工光束的同时降低设置于振镜与加工台之间的除尘装置建立一加工腔室，并在所述加工腔室中辅助气体从除尘装置中所设置的喷嘴喷出，并由辅助气体将激光加工所产生的气体和熔渣吹散，同时在加工腔室顶端产生一定的负压将带着沉渣及烟雾吸收至机器外，并通过专用管道转移到处理室实现清洁。本实施例所述装置不仅能够通过吹气和负压吸附的方式将槽内或槽边缘处的杂质等清除，有效的减少这些杂质在芯片的堆积，减少后续的清洗步骤，降低清洗难度。同时还能够有效的减少激光加工后等离子复合过程中产生的粉尘和烟雾在芯片有效区域积累，从而造成的潜在性伤害。

可选地，如图2至图4以及图6至图8所示，所述除尘装置包括：

隔离腔室，设置在激光加工系统与工作台之间并隔离出一加工腔室；

吹气系统，设置在隔离腔室内，并用于向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

吸气系统，设置在隔离腔室内，并用于通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室。

具体的，本实施例所述装置可以通过吹气系统吹气将激光加工过程中所产生大量的杂质去除，然后由吸气系统将其排出；且杂质的吹气去除也能防止杂质在切割道里面的堆积，从而影响加工效果。

可选地，所述工作台设置有喷孔作为喷管出口，并与设置在工作台下方的喷管连接。

具体的，如图6所示，本实施例所述除尘装置采用真空发生器原理设计一种可移动式高效对准加工腔室。利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。由流体力学可知，对于不可压缩空气气体(气体在低速进，可近似认为是不可压缩空气)的连续性方程：

A₁ν₁＝A₂ν₂

式中A₁：喷管截面面积；A₂：扩散腔截面面积，单位：m²；v₁：喷嘴气流流速，v₂：扩散腔气流流速，单位：m/s。由上式可知，截面增大，流速减小；截面减小，流速增大。

对于水平管路，按不可压缩空气的伯努里理想能量方程为：

式中P₁，P₂：截面A₁，A₂处相应的压力，单位：Pa；v₁，v₂：截面A₁，A₂处相应的流速，单位：m/s；ρ：空气的密度，单位：kg/m³。

由上式可知，流速增大，压力降低，当v₂>>v₁时，P₁>>P₂。当v₂增加到一定值，P₂将小于一个大气压，即产生负压，故可用增大流速来获得负压，产生吸力。

可选地，所述工作台上还设置有基准背板和角度调节模块；其中，制冷型红外探测芯片放置在角度调节模块上，并通过设置在各边上可自由升降的角度调节模块对制冷型红外探测芯片进行角度调整。

可选地，所述隔离腔室包括设置在顶部的保护镜片、设置于侧面的封闭罩以及设置在封闭罩下方的硬毛刷。

具体的，本实施例所述除尘装置还通过在封闭罩与工作台之间设置浓密硬毛刷，在不破坏工作台的基础上，最大限度增高封闭装置内气压。

可选地，所述吹气系统包括将至少一个管口朝向加工位置的吹气管道、设置在吹气管道上的控制阀以及与吹气管道另一端连接的储气设备。

具体的，本实施例所述辅助气体为预设比例的氮氧混合气体，其中，所述预设比例的氮氧混合气体与制冷型红外探测芯片信息、沟槽信息相对应，通过通入一定比例的氧气提高激光加工系统的加工效率，并且同时通入一定比例的氮气对加工区域进行降温；有效的提高加工效率和良品率。

本发明实施例还提供一种激光加工芯片的方法，如图9所示，所述方法包括：

S21、由激光器、扩束准直元件、振镜搭建激光加工系统；

S22、降低除尘装置并在工作台上建立一加工腔室；

S23、向所述加工腔室中通入气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；

S24、获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并由激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

S25、通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

本发明实施例提供的激光加工芯片的方法主要是通过在照射激光加工光束的同时降低设置于振镜与加工台之间的除尘装置建立一加工腔室，并在所述加工腔室中辅助气体从除尘装置中所设置的喷嘴喷出，并由辅助气体将激光加工所产生的气体和熔渣吹散，同时在加工腔室顶端产生一定的负压将带着沉渣及烟雾吸收至机器外，并通过专用管道转移到处理室实现清洁。本实施例所述方法能够不仅通过吹气和负压吸附的方式将槽内或槽边缘处的杂质等清除，有效的减少这些杂质在芯片的堆积，减少后续的清洗步骤，降低清洗难度。同时还能够有效的减少激光加工后等离子复合过程中产生的粉尘和烟雾在芯片有效区域积累，从而造成的潜在性伤害。

可选地，如图2至图4以及图6至图9所示，所述降低除尘装置并在工作台上建立一加工腔室之前，所述方法还包括：

打开设置于工作台上的第一喷孔，吸附放置在工作台上的待加工制冷型红外探测芯片；

或者，以第一功率打开设置于工作台上的喷孔，吸附放置在工作台上的待加工制冷型红外探测芯片。

可选地，所述向所述加工腔室中通入气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出包括：

在由隔离腔室隔离出的加工腔室中，启动吹气系统向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

打开设置于工作台上的第二喷孔，通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室；

或者，以第二功率打开设置于工作台上的喷孔，通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室。

可选地，所述第一功率小于第二功率。

具体的，本实施例所述方法中当所述吸气系统在工作台上设置有用于吸附待加工制冷型红外探测芯片的第一喷孔和用于形成一定真空度的加工腔室的第二喷孔；

或者，当所述吸气系统在工作台上设置的一组喷孔同时用于吸附待加工制冷型红外探测芯片和用于形成一定真空度的加工腔室；则通过控制喷孔以第一功率工作来实现吸附待加工制冷型红外探测芯片功能、以第二功率来实现形成一定真空度的加工腔室功能；且第一功率小于第二功率。

可选地，所述启动吹气系统向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散包括：

启动吹气系统中的单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

检测负压吸附力是否达到预设值；

当负压吸附力达到预设值时，则继续由单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

当负压吸附力未达到预设值时，则同时启动吹气系统中的两侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散。

例如，本实施例所述方法按照如下步骤：

将制冷型红外探测芯片放置在工作台，打开工作台的喷孔将制冷型红外探测芯片吸住；

检测制冷型红外探测芯片是否被吸住，如果制冷型红外探测芯片被吸住，则增加喷孔的功率；或者，启动第二喷孔；然后执行下一步；

如果制冷型红外探测芯片未被吸住，则执行下一步；

移动制冷型红外探测芯片位置及角度，确保沟道位于振镜正下方且整个沟道与激光加工光束的激光光斑入射面处于水平位置；

下降吹气系统及隔离腔室；

获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息确定其在预定位置，启动与制冷型红外探测芯片有效区域同方向吹气管道的控制阀，同时打开吸气系统；

启动吹气系统中的单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

检测负压吸附力是否达到预设值；

当负压吸附力达到预设值时，则继续由单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

当负压吸附力未达到预设值时，则同时启动吹气系统中的两侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

控制振镜完成整个沟道的激光加工，随后关闭控制阀及吸气系统；

移动至下一条轴，判定沟道位于制冷型红外探测芯片位置，启动与制冷型红外探测芯片有效区域同方向吹气管道的控制阀，同时打开吸气系统。

本实施例的方法，可以用于执行上述装置实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

实施例四

本实施例与上述实施例的区别是对制冷型红外探测芯片开槽时，由于使用的高斯型分布的激光光斑开槽会使得槽深度难以控制，且容易伤到位于底部的芯片电路层，导致制冷型红外探测芯片在激光开槽后出现损坏。因此，本发明实施例还提供一种激光加工芯片的方法，如图10所示，所述方法包括：

S31、由激光器、整形元件、振镜、平场透镜搭建激光加工系统；

S32、获取制冷型红外探测芯片信息、以及在制冷型红外探测芯片上待加工沟槽的槽形信息；

S33、根据制冷型红外探测芯片信息、槽形信息确定激光加工系统中激光加工光束的激光光斑；

S34、通过调整整形元件将激光加工光束整形为对应激光光斑，并由激光光斑照射至制冷型红外探测芯片表面，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

本发明实施例提供的激光加工芯片的方法主要是通过在激光加工系统中加入了用于将高斯光斑整形为平顶光斑的整形元件，将圆形高斯光斑在焦点处整形为所需几何形状的平顶光斑，并使用大功率激光，从而实现较小夹角、较深沟槽的制冷型红外探测芯片表面开槽效果。

同时，将整形元件对应焦距位置与光路使用平场透镜焦距一致，并且在平场透镜焦点位置可以实现高斯光斑转换为平顶光斑，优选地，焦距大于100mm。经实验结果表明，所述方法加工的闭合环形沟槽结构夹角低于10°，且边缘小夹角浅沟槽，沟槽为方形沟槽，且位于制备样品边缘200um以内位置，其定位精度为±5um。因此，本实施例所述方法通过在激光加工系统中加入整形元件，并同时加上大功率激光加工从而实现小夹角深沟槽效果。另外，所述整形元件可以为DOE(衍射光学元件)，也可以是SLM(空间光调制器)。

可选地，如图10和图11所示，所述激光光斑包括方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中一种或者任意组合。

可选地，所述槽形信息包括沟槽槽形、沟槽宽度、沟槽深度中一种或者任意组合。

可选地，在所述通过调整整形元件将激光加工光束整形为对应激光光斑之后，所述方法还包括：

由具有第一功率的激光光斑对制冷型红外探测芯片的感光层进行加工形成两条平行槽；然后由具有第二功率的激光光斑在两条平行槽之间对制冷型红外探测芯片内部环氧树脂层进行加工。

可选地，所述由具有第一功率的应激光光斑对制冷型红外探测芯片的感光层进行加工形成两条平行槽；然后由具有第二功率的激光光斑在两条平行槽之间对制冷型红外探测芯片内部环氧树脂层进行加工包括：

调整制冷型红外探测芯片位置和角度，以使待划槽位于振镜正下方，且整个待划槽与激光光斑入射面处于水平位置；

移动振镜通过具有第一功率的两束第一激光光斑同时对红外探测器芯片的感光层进行加工形成两条平行槽；或者，移动振镜通过具有第一功率的一束第一激光光斑分别对红外探测器芯片的感光层进行加工形成两条平行槽；

恢复放置制冷型红外探测芯片的工作台台至初始位置，保持制冷型红外探测芯片水平；

然后移动振镜通过具有第二功率的一束第二激光光斑加工光束在两条平行槽之间对制冷型红外探测芯片内部环氧树脂层进行加工，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽。

可选地，所述第一功率大于第二功率；

可选地，所述第一功率大于300mW；

优选地，所述第二功率范围为80mW-150mW。

可选地，所述激光光斑宽度为8um-12um。

具体的，本实施例所述方法为了进一步释放器件冷热变化在制冷型红外探测芯片有效像元层与边缘之间使用较高功率且具有对应激光光斑的两束激光加工光束沿着释压沟槽两边对制冷型红外探测芯片的感光层进行加工，之后使用小功率且具有对应激光光斑的一束激光加工光束对芯片内部环氧树脂层进行去除，从而实现槽底平整的效果。例如，使用第一功率且具有对应激光光斑的激光加工光束首先将8-10微米的碲镉汞或12-15微米的锑化铟层切开(即感光层)，再通过第二功率且具有对应激光光斑的激光加工光束在两条平行槽间将10微米左右的环氧胶层开到8微米左右位置，从而达到最优的应力释放效果，由于去除薄膜层材料的激光去除率不同，用单一的切割方式很难获得比较平整的槽底结构；因此，本实施例所述方法通过较大激光功率在沟道两边作用，将表面的碲镉汞层或者锑化铟层完全去除，并且在环氧胶层也实现一定深度的切割，最后用较小能量的激光将内部的环氧胶层打平，进而本实施例所述方法针对制冷型红外探测芯片的分层结构通过实现用不同能量激光组合获得不同的槽型结构，本实施例所述方法通过提高制备的沟槽槽形结构，有效控制激光加工过程时对沟槽的热效应区域，进一步的优化制冷型红外探测芯片性能、提高制备的良品率。

可选地，所述制冷型红外探测芯片从上之下依次为感光层、环氧树脂层、芯片电路层；其中，

所述沟槽深度D范围为制冷型红外探测芯片表面感光层厚度D1<D<制冷型红外探测芯片感光层厚度D1+环氧树脂层厚度D2。

可选地，所述激光脉冲范围为7ps-20ps；

优选地，激光加工系统的加工速度为大于3000mm/s，小于5000mm/s。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种激光加工芯片的装置，其特征在于，包括：

工作台，用于放置待加工的制冷型红外探测芯片；

除尘装置，设置在激光加工系统与工作台之间并在工作台上建立一加工腔室，用于向所述加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；

控制系统，用于获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并控制激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

激光加工系统，由激光器、扩束准直元件、振镜搭建形成，用于将激光器发射的激光光束经扩束准直元件进行扩束、准直，然后再通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽；

其中，所述除尘装置包括：

隔离腔室，设置在激光加工系统与工作台之间并隔离出一加工腔室；

吹气系统，设置在加工腔室内，并用于向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；且所述制冷型红外探测芯片内部的环氧树脂层能够与所述辅助气体中的氧气反应生成CO2；所述吹气系统包括将至少一个管口朝向加工位置的吹气管道、设置在吹气管道上的控制阀以及与吹气管道另一端连接的储气设备；

吸气系统，设置在加工腔室内，并用于通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室；所述工作台设置有喷孔作为喷管出口，并与设置在工作台下方的喷管连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加工腔室包括设置在顶部的保护镜片、设置于侧面的封闭罩以及设置在封闭罩下方的硬毛刷。

3.一种激光加工芯片的方法，其特征在于，包括：

由激光器、扩束准直元件、振镜搭建激光加工系统；

建立除尘装置并在工作台上建立一加工腔室；

向所述加工腔室中通入辅助气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出；

获取制冷型红外探测芯片放置工作台的位置信息，然后根据位置信息设置激光加工系统的加工参数，并由激光加工系统根据加工参数产生激光加工光束；

通过振镜改变激光加工光束与制冷型红外探测芯片的相对位置，以使在制冷型红外探测芯片上的像元层与边缘之间形成一闭合环形沟槽；

其中，所述向所述加工腔室中通入气体以使所述加工腔室处于低气压状态并利用加工腔室与大气压之间的气压差将所产生的粉尘吸出包括：

在由隔离腔室隔离出的加工腔室中，启动吹气系统向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；且所述制冷型红外探测芯片内部的环氧树脂层能够与所述辅助气体中的氧气反应生成CO2；所述吹气系统包括将至少一个管口朝向加工位置的吹气管道、设置在吹气管道上的控制阀以及与吹气管道另一端连接的储气设备；

打开设置于工作台上的第二喷孔，通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室；

或者，以第二功率打开设置于工作台上的喷孔，通过喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动，在卷吸作用下，将喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，以使加工腔室内的压力降至大气压以下形成一定真空度的加工腔室。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立除尘装置并在工作台上建立一加工腔室之前，所述方法还包括：

打开设置于工作台上的第一喷孔，吸附放置在工作台上的待加工制冷型红外探测芯片；

或者，以第一功率打开设置于工作台上的喷孔，吸附放置在工作台上的待加工制冷型红外探测芯片。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述启动吹气系统向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散包括：

启动吹气系统中的单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

检测负压吸附力是否达到预设值；

当负压吸附力达到预设值时，则继续由单侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散；

当负压吸附力未达到预设值时，则同时启动吹气系统中的两侧吹气管道向加工腔室中通入辅助气体，用以将激光加工系统加工过程所产生的气体和熔渣吹散。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一功率小于第二功率。

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