CN112548366A - 一种激光精密开槽的光学系统及开槽方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光精密开槽的光学系统及开槽方法，其包括激光器、第一反射镜组、第一半波片、楔形镜、将楔形镜处理后的光束均匀分为两束能量相等的第一光束与第二光束的第二分光棱镜、将第一光束反射至一第一合束棱镜中的第二反射镜组、将第二光束进行偏振后入射到第一合束棱镜中的第一振镜单元、调制第一合束棱镜发射出光束的偏振形态的第二半波片、将光束均匀分成四束激光的第三分光棱镜、将其中两束激光反射至一第二合束棱镜中的第三反射镜组、将另外两束激光进行偏振处理后入射到第二合束棱镜中第二振镜单元、以及激光聚焦单元。本发明减少崩边、波浪纹的现象，使得槽边界轮廓清晰、拐角基本无过烧。

Description

一种激光精密开槽的光学系统及开槽方法

【技术领域】

本发明属于激光开槽加工技术领域，特别是涉及一种激光精密开槽的光学系统及开槽方法。

【背景技术】

利用激光特性对电子芯片等核心器件加工已经成为整个行业内的新时尚。晶片作为电子芯片、集成电路中的必不可少的组成部分，其加工精度直接关系到晶片的强度、稳定性，以及电学性能。晶片的厚度越来越薄，极限的晶片厚度可低至20um，这导致了一些传统的晶片开槽技术已达到了瓶颈。传统的开槽技术主要有紫外纳秒激光开槽技术、金刚石开槽技术，这两种技术均存在崩边、波浪纹、槽边界轮廓不明显、拐角烧蚀等不良现象。

因此，有必要提供一种新的激光精密开槽的光学系统及开槽方法来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的主要目的之一在于提供一种激光精密开槽的光学系统，提高了激光加工设备的加工效率和加工质量，减少崩边、波浪纹的现象，使得槽边界轮廓清晰、拐角基本无过烧。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种激光精密开槽的光学系统，其包括紫外纳秒激光器、对所述紫外纳秒激光器发射出的光束进行全反射的第一反射镜组、将所述第一反射镜组反射的光束处理成线偏振光的第一半波片、降低线偏振光的干涉与散斑现象的楔形镜、将所述楔形镜处理后的光束均匀分为两束能量相等的第一光束与第二光束的第二分光棱镜、将所述第一光束反射至一第一合束棱镜中的第二反射镜组、将所述第二光束进行偏振后入射到所述第一合束棱镜中的第一振镜单元、调制经过所述第一合束棱镜合束后的所述第一光束与所述第二光束的偏振形态的第二半波片、将经过所述第二半波片调制好后的光束均匀分成能量相等的四束激光的第三分光棱镜、将其中两束激光反射至一第二合束棱镜中的第三反射镜组、将另外两束激光进行偏振处理后入射到所述第二合束棱镜中第二振镜单元、将合束后的四束激光打在工件加工表面上的激光聚焦单元。

进一步的，还包括第一分光棱镜和一功率监测单元。

进一步的，所述第一分光棱镜设置在所述紫外纳秒激光器与所述第一反射镜组之间，将所述紫外纳秒激光器发射出来的激光分成两部分，一部分进入所述第一反射镜组中，另一部分进入所述功率监测单元中。

本发明的另一主要目的在于提供一种基于激光精密开槽光学系统的开槽方法，其包括以下步骤：

S1，将工件放置在载物台；

S2，开启紫外纳秒激光器，发射激光；

S3，激光光束经过第一反射镜组、第一半波片、楔形镜、第二分光棱镜、第二反射镜组、第一合束棱镜、第一振镜单元后形成两束近乎无干涉、无散斑且相互交叠的两束激光光束，为第一光束和第二光束；

S4，根据激光加工方向调制步骤S中两束激光光束的偏振态，提高切割效率；

S5，两束激光光束继续经过第三分光棱镜、第二振镜单元、第三反射镜组、第二合束棱镜后形成四束激光光束，分别为第三光束A、第四光束B、第五光束C以及第六光束D，并进入激光聚焦单元；

S6，调整第三光束A与第五光束C部分叠交，第四光束B与第六光束D部分叠交，且位于最外侧的第三光束A与第六光束D对应的两个光斑外侧轮廓之间的距离等于槽宽，并调整激光聚焦单元使用焦点位置对工件进行槽边缘切除；

S7，当槽边缘切除完毕后，再反向回来开槽；开槽调整四个光束的中心距相等，且调整激光聚焦单元使用离焦位置对工件进行开槽。

与现有技术相比，本发明一种激光精密开槽的光学系统及开槽方法的有益效果在于：通过两个振镜单元转换激光器的偏振态和偏振方向，从而增加了工件对激光的吸收率，提升了激光加工效率；同时还设置了楔形镜在一定程度上抑制了光的干涉和激光散斑的产生，提升了加工效果和质量；通过两个振镜配合可变焦的激光聚焦单元实现了四光斑的加工方案，通过先切边后开槽的加工路线，可减少崩边、波浪纹的现象，使得槽边界轮廓清晰、拐角基本无过烧；为了避免加工过程中激光器光功率对加工效果的影响，从源头开始就使用了功率监测单元对输出光的光功率进行监测，提升了整体系统的稳定性。

【附图说明】

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的光斑分布状态示意图；

图3为本发明实施例开槽路径与光斑分布状态的示意图；

图中数字表示：

1紫外纳秒激光器；2第一反射镜组；3第一半波片；4楔形镜；5第二分光棱镜；6第二反射镜组；7第一合束棱镜；8第一振镜单元；9第二半波片；10第三分光棱镜；11第三反射镜组；12第二合束棱镜；13第二振镜单元；14激光聚焦单元；15第一分光棱镜；16功率监测单元。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1-图3，本实施例为激光精密开槽的光学系统，其包括紫外纳秒激光器1、对紫外纳秒激光器1发射出的光束进行全反射的第一反射镜组2、将第一反射镜组2反射的光束处理成线偏振光的第一半波片3、降低线偏振光的干涉与散斑现象的楔形镜4、将楔形镜4处理后的光束均匀分为两束能量相等的第一光束与第二光束的第二分光棱镜5、将所述第一光束反射至一第一合束棱镜7中的第二反射镜组6、将所述第二光束进行偏振后入射到第一合束棱镜7中的第一振镜单元8、调制经过第一合束棱镜7合束后的第一光束与第二光束的偏振形态的第二半波片9、将经过第二半波片9调制好后的光束均匀分成能量相等的四束激光的第三分光棱镜10、将其中两束激光反射至一第二合束棱镜12中的第三反射镜组11、将另外两束激光进行偏振处理入射到第二合束棱镜12中第二振镜单元13、将合束后的四束激光打在工件加工表面上的激光聚焦单元14。

本实施例还包括第一分光棱镜15和一功率监测单元16，第一分光棱镜15设置在紫外纳秒激光器1与第一反射镜组2之间，将紫外纳秒激光器1发射出来的激光分成两部分，一部分进入第一反射镜组2中，另一部分进入功率监测单元16中。

紫外纳秒激光器1发射出激光光束，激光光束首先在第一分光棱镜15处被分光，一部分光束进入到功率监测单元16中用于检测整个光路中光束功率的稳定性；另一部分光束被第一反射镜组2全反射后依次经过第一半波片3和楔形镜4进入第二分光棱镜5。通过旋转第一半波片3可调节入射的激光光束得到最大的投射，获得偏光特性一定的线偏振光。由于激光光束的高相干性，使得激光光束极易产生干涉和散斑现象，这种现象的存在必然会导致产品在加工过程中产品质量的下降，因此此处增加一楔形镜4用于减弱这种现象的影响。入射的激光光束经过第二分光棱镜5被均匀地分成两束能量相等的激光光束，一束激光被第二反射镜组6入射到第一合束棱镜7；另一束激光经过第一振镜单元8全反射入射至第一合束棱镜7。入射至第一合束棱镜7的两束激光中心的距离差会根据第一振镜单元8调整角度的大小而变化，在此我们定义这两束激光为第一光束和第二光束。激光加工过程中，工件对于S偏振态和P偏振态的光束的吸收率是不一样的，一个吸收率高，加工效能好；一个吸收率低加工效能低。因此，可通过第二半波片9将第一光束和第二光束的偏振形态调制成更适合工件加工的偏振态，从而在一定波长范围内将激光变换效率的劣势抑制为最小，提升加工性能。调制好的两束激光光束能量被第三分光棱镜10均匀地分成了四束激光，分别为第三光束A、第四光束B、第五光束C以及第六光束D。第三光束A和第四光B束被第三反射镜组11反射至第二合束棱镜12中，与被第二振镜单元13反射的第五光束C和第六光束D合束。第三光束A、第四光束B、第五光束C以及第六光束D的空间位置随着第二振镜单元13调整角度的改变而改变。四束激光光束进入到激光聚焦单元14后，对工件进行加工。

本实施例还提供了一种基于激光精密开槽光学系统的开槽方法，其包括以下步骤：

S1，将工件放置在载物台；

S2，开启紫外纳秒激光器，发射激光；

S3，激光光束经过第一反射镜组2、第一半波片3、楔形镜4、第二分光棱镜5、第二反射镜组6、第一合束棱镜7、第一振镜单元8后形成两束近乎无干涉、无散斑且相互交叠的两束激光光束，为第一光束和第二光束；

S4，根据激光加工方向调制步骤S3中两束激光光束的偏振态，提高切割效率；

S5，两束激光光束继续经过第三分光棱镜10、第二振镜单元13、第三反射镜组11、第二合束棱镜12后形成四束激光光束，分别为第三光束A、第四光束B、第五光束C以及第六光束D，并进入激光聚焦单元14。

S6，调整第三光束A与第五光束C部分叠交，第四光束B与第六光束D部分叠交，且位于最外侧的第三光束A与第六光束D对应的两个光斑外侧轮廓之间的距离等于槽宽，并调整激光聚焦单元使用焦点位置对工件进行槽边缘切除；

S7，当槽边缘切除完毕后，再反向回来开槽；开槽调整四个光束的中心距相等，且调整激光聚焦单元14使用离焦位置对工件进行开槽。

本实施例激光精密开槽的光学系统及开槽方法，通过两个振镜单元转换激光器的偏振态和偏振方向，从而增加了工件对激光的吸收率，提升了激光加工效率；同时还设置了楔形镜在一定程度上抑制了光的干涉和激光散斑的产生，提升了加工效果和质量；通过两个振镜配合可变焦的激光聚焦单元实现了四光斑的加工方案，通过先切边后开槽的加工路线，可减少崩边、波浪纹的现象，使得槽边界轮廓清晰、拐角基本无过烧；为了避免加工过程中激光器光功率对加工效果的影响，从源头开始就使用了功率监测单元对输出光的光功率进行监测，提升了整体系统的稳定性。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光精密开槽的光学系统，其特征在于：其包括紫外纳秒激光器、对所述紫外纳秒激光器发射出的光束进行全反射的第一反射镜组、将所述第一反射镜组反射的光束处理成线偏振光的第一半波片、降低线偏振光的干涉与散斑现象的楔形镜、将所述楔形镜处理后的光束均匀分为两束能量相等的第一光束与第二光束的第二分光棱镜、将所述第一光束反射至一第一合束棱镜中的第二反射镜组、将所述第二光束进行偏振后入射到所述第一合束棱镜中的第一振镜单元、调制经过所述第一合束棱镜合束后的所述第一光束与所述第二光束的偏振形态的第二半波片、将经过所述第二半波片调制好后的光束均匀分成能量相等的四束激光的第三分光棱镜、将其中两束激光反射至一第二合束棱镜中的第三反射镜组、将另外两束激光进行偏振处理后入射到所述第二合束棱镜中第二振镜单元、以及将合束后的四束激光打在工件加工表面上的激光聚焦单元。

2.如权利要求1所述的激光精密开槽的光学系统，其特征在于：还包括第一分光棱镜和一功率监测单元。

3.如权利要求2所述的激光精密开槽的光学系统，其特征在于：所述第一分光棱镜设置在所述紫外纳秒激光器与所述第一反射镜组之间，将所述紫外纳秒激光器发射出来的激光分成两部分，一部分进入所述第一反射镜组中，另一部分进入所述功率监测单元中。

4.一种基于激光精密开槽光学系统的开槽方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1，将工件放置在载物台；

S2，开启紫外纳秒激光器，发射激光；

S3，激光光束经过第一反射镜组、第一半波片、楔形镜、第二分光棱镜、第二反射镜组、第一合束棱镜、第一振镜单元后形成两束近乎无干涉、无散斑且相互交叠的两束激光光束，为第一光束和第二光束；

S4，根据激光加工方向调制步骤S中两束激光光束的偏振态，提高切割效率；

S5，两束激光光束继续经过第三分光棱镜、第二振镜单元、第三反射镜组、第二合束棱镜后形成四束激光光束，分别为第三光束A、第四光束B、第五光束C以及第六光束D，并进入激光聚焦单元；

S6，调整第三光束A与第五光束C部分叠交，第四光束B与第六光束D部分叠交，且位于最外侧的第三光束A与第六光束D对应的两个光斑外侧轮廓之间的距离等于槽宽，并调整激光聚焦单元使用焦点位置对工件进行槽边缘切除；

S7，当槽边缘切除完毕后，再反向回来开槽；开槽调整四个光束的中心距相等，且调整激光聚焦单元使用离焦位置对工件进行开槽。

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