CN113118652B - 兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备 - Google Patents

兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备 Download PDF

Info

Publication number
CN113118652B
CN113118652B CN201911396634.2A CN201911396634A CN113118652B CN 113118652 B CN113118652 B CN 113118652B CN 201911396634 A CN201911396634 A CN 201911396634A CN 113118652 B CN113118652 B CN 113118652B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
laser
module
dammann
electric control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911396634.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113118652A (zh
Inventor
余俊杰
周常河
夏克贵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN201911396634.2A priority Critical patent/CN113118652B/zh
Publication of CN113118652A publication Critical patent/CN113118652A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113118652B publication Critical patent/CN113118652B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/402—Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种兼容大焦深、高分辨率的多焦点激光划片设备，属于激光划片、激光加工领域。所述激光划片设备包括激光工作模块、数字监控模块、自聚焦伺服模块、载片扫描模块。本发明激光划片机基于衍射光学元件实现横向和轴向多焦点阵列，最终实现多焦点并行划片。这种多焦点并行重复划片工作模式，一方面可以提高激光划片的工作效率，另一方面由于单焦点能量低于光热消融反应阈值而大大改善激光划片的切割面质量，避免由于热效应导致的崩边等不良效应。因而，本发明多焦点激光划片设备在半导体行业晶圆切割、LED行业芯片分割、太阳能电池划片、以及陶瓷、晶体等脆性材料切割等领域具有重要的实用价值。

Description

兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备
技术领域
本发明涉及一种新型激光划片设备，属于激光精密加工设备技术领域，具体是一种兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备。
背景技术
激光划片是激光加工的一种重要应用领域。激光划片一般是利用激光的光热消融和光化学消融效应，在基片(单晶硅或LED晶圆等)表面切出其厚度1/4到3/4深度的沟槽，然后利用裂片机施加外力将基片分离成固定大小的小块，从而实现基片的分割。
传统的激光划片是利用激光通过物镜聚焦在焦点区域形成的高能量密度的激光场，通过控制聚焦光场与基片的相对移动，从而实现设定轨迹的基片划切。然而，传统激光划片的物镜聚焦光场的焦深有限，如果激光能量不够大，划片的深度很小，从而影响后期裂片成功率；如果仅仅单方面加大激光功率，会导致比较强的光热效应，从而导致基片由于热效应带来的一系列负面效应，如表面崩裂、增大芯片漏电概率等。因而，对于厚度较厚的基片，往往是通过降低激光功率和重复频率来获得相对低能量密度，并通过多次重复刻划方式来实现划片，这样带来的问题是牺牲了划片效率。先前技术【专利CN1787238A】公开了一种采用低数值孔径(长焦物镜)聚焦方案减小蓝宝石基LED芯片GaN层的灼伤，该技术采用较低数值孔径，虽然可以减小热效应带来的灼伤，同时，也具有相对深的焦深，然而该方案是以牺牲横向分辨率为代价。半导体工艺的飞速发展，芯片集成度越来越高，留给划片的划道只有10到20μm。因而，该技术并没有从根本上解决激光划片的关键问题。先前技术【专利CN201516540U】公开了一种采用分光系统实现三路激光并行激光划片设备。该技术核心思想是利用传统的分光装置实现单路到三路激光分光，从而在物镜聚焦面上实现三个等能量聚焦光斑，从而将激光划片的效率提高了原先的三倍。然而，该技术并没有摆脱传统激光划片长焦深和高横向分辨率的矛盾。同时，由于该技术仅仅采用传统的分光装置，如分光镜等，很难实现大分数比的并行划片，只能局限在少数几路(如该技术公开的三路)激光的并行度水平。
先前技术【专利CN102062887A】公开了一种达曼波带片，在传统的二元纯位相型(0,π)波带片结构相对于径向坐标的平方的每个周期中加入位相调制细节，从而在一定范围内可以产生轴向等强度的任意数目的焦斑分布。
发明内容
本发明提出了一种基于衍射光学元件的多焦点激光划片设备，一方面，采用达曼波带片技术实现轴向多焦点，从而实现轴向大焦深；另一方面，通过达曼光栅实现大分束比的横向多焦点，这样可以一方面由于单个焦点能量较低从而避免光热消融效应，另一方面还不会牺牲横向分辨率。同时，由于本发明采用轴向多焦点技术，可以实现轴向大焦深，并且由于采用了横向多焦点技术，可轻易实现大分束比如1×7、1×9、或1×15等，从而大大提高激光划片的工作效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种兼容大焦深、高分辨率的多焦点激光划片设备，包括激光工作模块、数字监控模块、自聚焦伺服模块、载片扫描模块，其中：
所述激光工作模块的光路元件依次设有光源、第一准直透镜、达曼光栅、第一透镜、可变光阑、第二透镜、达曼波带片、二向色性分光镜、聚焦物镜；
所述激光工作模块的聚焦物镜上设有促动器；
所述数字监控模块的光路元件依次设有光源、消色差准直透镜、数字监控模块的50％:50％分束镜、消色差透镜、探测器；
所述自聚焦伺服模块的光路元件依次设有光源、凹透镜、50％:50％偏振分束镜，之后设为两路，其中一路依次设有第二准直透镜、四分之一波片、自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，另一路依次设有柱面镜、滤波片、四象限探测器。
优选地，所述激光工作模块的第一透镜和第二透镜组成共焦透镜组，达曼光栅处在第一透镜的前焦面上，达曼波带片处在第二透镜的后焦面上，激光工作模块的光源、第一准直透镜、第一透镜、第二透镜、达曼波带片、聚焦物镜保持中心对准。
优选地，所述数字监控模块的光源处在消色差准直透镜几何焦点处，消色差准直透镜、聚焦物镜、消色差透镜保持中心对准，样品表面和探测器的探测面关于聚焦物镜和消色差透镜组成的成像透镜组满足物像共轭关系。
优选地，所述自聚焦伺服模块的凹透镜和第二准直透镜组成扩束系统，凹透镜、第二准直透镜、聚焦物镜、柱面镜和四象限探测器光轴中心对准。
优选地，所述激光工作模块的光源发出的光经过第一准直透镜准直后，透过达曼光栅，经过达曼光栅衍射光场，之后依次经过第一透镜、可变光阑、第二透镜、达曼波带片投影成像于聚集物镜的入射光瞳面上，然后依次经过二向色性分光镜和聚焦物镜聚焦于样品。
优选地，所述滤波片为窄带滤波片。
优选地，所述数字监控模块的光源发出的光经过消色差准直透镜准直为平行光，然后经过数字监控模块的50％:50％分束镜，其透射光依次经过自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜、激光工作模块的二向色性分光镜和聚焦物镜达到样品表面，经过样品表面反射再次经过激光工作模块的聚焦物镜和二向色性分光镜，然后经过自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，之后再次经过数字监控模块的50％:50％分束镜，其反射光经过消色差透镜后成像于探测器上。
优选地，所述自聚焦伺服模块的光源发出的光经过凹透镜，到达50％:50％偏振分束镜，其透射光经过第二准直透镜变成平行光，然后依次经过四分之一波片和自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，其反射光依次经过激光工作模块的二向色性分束镜，其透射光经过激光工作模块的聚焦物镜聚焦于样品表面，其反射光经过激光工作模块的聚焦物镜和二向色性分光镜，再经过自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，其反射光再次经过四分之一波片，偏振态变成与入射光正交的偏振态，之后的透射光再次经过第二准直透镜和50％:50％偏振分束镜，其反射光依次经过柱面镜和滤波片，到达四象限探测器的探测面上。
优选地，所述促动器为压电陶瓷促动器。
优选地，所述载片扫描模块包括计算机、促动器控制器、电控转台控制器、XY电控平移台控制器、电控转台、X轴电控平移台、Y轴电控平移台、样品固定装置，所述载片扫描模块的促动控制器的一端与促动器相连，电控转台控制器的一端与电控转台相连，XY电控平移台控制器的一端与X轴电控平移台和Y轴电控平移台相连，促动器控制器、电控转台控制器、XY轴电控平移台控制器、数字监控模块的探测器的另一端与计算机通过数据线缆连接。
进一步地，所述样品固定装置为真空吸盘。
优选地，所述激光工作模块的光源包括激光器、单模光纤、光纤耦合输出镜。
进一步地，所述激光器为Nd:YAG激光器。
进一步地，所述激光器为调Q激光器。
更进一步地，所述调Q激光器的脉冲宽度为1～50ns，重复频率为1～50KHz，且其激光功率和重复频率可调节，输出为基模水平偏振输出。
再进一步地，所述调Q激光器为被动调Q激光器，工作波长为1064nm，脉冲宽带为10ns，功率为50W。
再进一步地，所述调Q激光器为被动调Q激光器，工作波长为266nm，脉冲宽带为10ns，功率为20W。
优选地，所述激光工作模块的准直镜之后的光斑大小为3mm。
优选地，所述激光工作模块的第一透镜和第二透镜的焦距分别为50mm和150mm。
优选地，所述数字监控模块的光源为白光发光二极管。
优选地，所述自聚焦伺服模块的光源为半导体激光器。
进一步地，所述半导体激光器的波长为650nm。
更进一步地，所述半导体激光器内含柱面镜，用于将椭圆形光斑整形为圆形光斑。
优选地，所述数字监控模块的探测器为CCD相机。
优选地，所述载片扫描模块的计算机为工业控制计算机。
优选地，所述达曼光栅的周期为60μm。
进一步地，所述达曼光栅为1×5或1×7达曼光栅。
进一步地，所述达曼波带片在工作波长为1064nm、聚焦物镜的数值孔径为0.45及切趾因子G＝1.266的条件下，轴向光斑间隔为25μm，对应的各环归一化半径依次为0.293455，0.462016，0.472576，0.641405，0.702734，0.784649，0.790642，0.897169，0.940034。
进一步地，所述达曼波带片在工作波长为266nm、聚焦物镜的数值孔径为0.2及切趾因子G＝1.235的条件下，轴向光斑间隔为35μm，对应的各环归一化半径依次为0.155600，0.430187，0.499579，0.528420，0.541851，0.584389，0.634494，0.749805，0.791349，0.809726，0.818487，0.847031，0.882081，0.967712。
优选地，所述达曼波带片为1×7达曼波带片。
进一步地，所述达曼波带片在工作波长为266nm、聚焦物镜的数值孔径为0.4及切趾因子G＝1.235的条件下，轴向光斑间隔为20μm，对应的各环归一化半径依次为0.180683，0.214420，0.237214，0.258115，0.298130，0.347309，0.444248，0.458811，0.469750，0.480500，0.502832，0.533063，0.599879，0.610597，0.618747，0.626837，0.643884，0.667441，0.721209，0.730026，0.736763，0.743477，0.757709，0.777552，0.823540，0.831166，0.837007，0.842841，0.855247，0.872632，0.913282，0.920067，0.925273，0.930479，0.941573，0.957170，0.993850。
优选地，所述聚焦物镜的数值孔径为0.2～0.5。
进一步地，所述聚焦物镜的数值孔径在0.2～0.45。
优选地，所述聚焦物镜的通光口径为9～10mm。
优选地，所述数字监控模块和自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜为宽带非偏振分束镜。
优选地，所述自聚焦伺服模块的50％:50％偏振分束镜为宽带偏振分束镜。
优选地，所述达曼光栅装配在可推进/退出的机械调整架上，可方便更换不同分束比的达曼光栅，亦可根据实际需求方便移除达曼光栅。
优选地，所述载片扫描模块中的X轴电控平移台和Y轴电控平移台均装配有绝对式光栅尺，可以实现激光光斑百纳米级精度定位。
优选地，所述载片扫描模块控制扫描方向沿着达曼光栅产生的横向多焦点方向扫描。
优选地，所述达曼波带片和达曼光栅可以是二台阶相位元件，也可以是多台阶相位元件。
优选地，所述达曼光栅及达曼波带片的基底材料为融石英。
本发明的有益效果：
(1)可实现同时兼容大焦深、高分辨率、高并行度的激光划片，可极大提高激光划片的成品率。
(2)保证足够高的生产效率。
(3)单焦点能量低于光热消融反应阈值而大大改善激光划片的切割面质量，避免由于热效应导致的崩边等不良效应。
附图说明
图1为本发明一种兼容大焦深、高分辨率的多焦点激光划片设备原理示意图。
图中：101—调Q激光器；102—单模光纤；103—光纤耦合输出镜；104—第一准直透镜；105—达曼光栅；106—第一透镜；107—可变光阑；108—第二透镜；109—二向色性分光镜；110—达曼波带片；111—聚焦物镜；112—压电陶瓷促动器；113—样品；201—白光发光二极管；202—消色差准直透镜；203—50％:50％宽带非偏振分束镜；204—消色差透镜；205—CCD相机；301—650nm红光半导体激光器；302—凹透镜；303—50％:50％偏振分束镜；304—第二准直透镜；305—四分之一波片；306—50％:50％宽带非偏振分束镜；307—柱面镜；308—窄带率波片；309—四象限探测器；401—工业控制计算机；402—压电陶瓷控制器；403—电控转台控制器；404—X和Y向电控平移台控制器；405—真空吸盘；406—电控转台；407—X向电控平移台；408—Y向电控平移台。椭圆部分示出的局部放大图为经过聚焦物镜聚焦后的光线及其形成的焦斑的示意图。
图2为多焦点激光划片设备划片过程焦斑分布及扫描方向几何关系示意图。
图中：dx为横向焦斑间隔，dz为轴向焦斑间隔。
具体实施方式
本发明的兼容大焦深、高分辨率的多焦点激光划片设备包括激光工作模块、数字监控模块、自聚焦伺服模块、载片扫描模块。
激光工作模块主要完成激光光路传输及激光聚焦，实现激光聚焦于样品内。所述激光工作模块的光路元件依次设有光源、第一准直透镜、达曼光栅、第一透镜、可变光阑、第二透镜、达曼波带片、二向色性分光镜、聚焦物镜。聚焦物镜上设有促动器，用于物镜扫描头轴向移动，根据伺服信号实现轴向自动跟踪。该促动器可以为压电陶瓷促动器。
激光工作模块的第一透镜和第二透镜组成共焦透镜组，达曼光栅处在第一透镜的前焦面上，达曼波带片处在第二透镜的后焦面上，激光工作模块的光源、第一准直透镜、第一透镜、第二透镜、达曼波带片、聚焦物镜保持中心对准。激光工作模块的光源可以包括激光器、单模光纤、光纤耦合输出镜。聚焦物镜的数值孔径可以为0.2～0.5。达曼波带片和达曼光栅可以是二台阶相位元件，也可以是多台阶相位元件。达曼光栅及达曼波带片的基底材料可以为融石英。
激光工作模块的光源发出的光经过第一准直透镜准直后，透过达曼光栅，经过达曼光栅衍射光场，之后依次经过第一透镜、可变光阑、第二透镜、达曼波带片投影成像于聚集物镜的入射光瞳面上，然后依次经过二向色性分光镜和聚焦物镜聚焦于样品。
数字监控模块的功能是通过探测器对样品表面成像，根据样品表面图案通过图像识别软件选择切割扫描路径，为载片扫描模块实现自动扫描提供路径信号。数字监控模块的光路元件依次设有光源、消色差准直透镜、数字监控模块的50％:50％分束镜、消色差透镜、探测器。
数字监控模块的光源发出的光经过消色差准直透镜准直为平行光，然后经过数字监控模块的50％:50％分束镜，其透射光依次经过自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜、激光工作模块的二向色性分光镜和聚焦物镜达到样品表面，经过样品表面反射再次经过激光工作模块的聚焦物镜和二向色性分光镜，然后经过自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，之后再次经过数字监控模块的50％:50％分束镜，其反射光经过消色差透镜后成像于探测器上。
自聚焦伺服模块主要作用是为激光划片过程中由于样品表面起伏、环境震动等因素导致激光头纵向偏离聚焦面提供反馈信号并实现实时伺服跟踪。自聚焦伺服模块的光路元件依次设有光源、凹透镜、50％:50％偏振分束镜，之后设为两路，其中一路依次设有第二准直透镜、四分之一波片、自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，另一路依次设有柱面镜、滤波片、四象限探测器。
自聚焦伺服模块的光源发出的光经过凹透镜，到达50％:50％偏振分束镜，其透射光经过第二准直透镜变成平行光，然后依次经过四分之一波片和自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，其反射光依次经过激光工作模块的二向色性分束镜，其透射光经过激光工作模块的聚焦物镜聚焦于样品表面，其反射光经过激光工作模块的聚焦物镜和二向色性分光镜，再经过自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，其反射光再次经过四分之一波片，偏振态变成与入射光正交的偏振态，之后的透射光再次经过第二准直透镜和50％:50％偏振分束镜，其反射光依次经过柱面镜和滤波片，到达四象限探测器的探测面上。滤波片可以为窄带滤波片，50％:50％偏振分束镜为宽带偏振分束镜。
数字监控模块的光源处在消色差准直透镜几何焦点处，消色差准直透镜、聚焦物镜、消色差透镜保持中心对准，样品表面和探测器的探测面关于聚焦物镜和消色差透镜组成的成像透镜组满足物像共轭关系。数字监控模块的光源可以为白光发光二极管。
自聚焦伺服模块的凹透镜和第二准直透镜组成扩束系统，凹透镜、第二准直透镜、聚焦物镜、柱面镜和四象限探测器光轴中心对准。自聚焦伺服模块的光源可以为半导体激光器。该半导体激光器内含柱面镜，用于将椭圆形光斑整形为圆形光斑。
载片扫描模块的功能是承载样品，实现激光划片激光头相对样品的横向二维移动，从而实现聚焦激光相对样品划片线路。所述载片扫描模块包括计算机、促动器控制器、电控转台控制器、XY电控平移台控制器、电控转台、X轴电控平移台、Y轴电控平移台、样品固定装置，所述载片扫描模块的促动控制器的一端与促动器相连，电控转台控制器的一端与电控转台相连，XY电控平移台控制器的一端与X轴电控平移台和Y轴电控平移台相连，促动器控制器、电控转台控制器、XY轴电控平移台控制器、数字监控模块的探测器的另一端与计算机通过数据线缆连接。样品固定装置可以是真空吸盘。载片扫描模块的计算机可以为工业控制计算机。
数字监控模块和自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜可以为宽带非偏振分束镜。
达曼光栅可装配在可推进/退出的机械调整架上，可方便更换不同分束比的达曼光栅，亦可根据实际需求方便移除达曼光栅。
载片扫描模块中的X轴电控平移台和Y轴电控平移台均装可配有绝对式光栅尺，可以实现激光光斑百纳米级精度定位。
载片扫描模块可以控制扫描方向沿着达曼光栅产生的横向多焦点方向扫描。
以下结合图1对本发明作进一步阐述。
激光工作模块：调Q激光器101、单模光纤102、光纤耦合输出镜103构成激光工作模块的光源。沿光路传输的方向，激光工作模块的激光从调Q激光器101发出之后，经过单模光纤102传输后经过光纤耦合输出镜103出射，经过第一准直透镜104准直以后，透过达曼光栅105，经过达曼光栅衍射光场，之后依次经过第一透镜106、可变光阑107、第二透镜108、达曼波带片110，投影成像于所聚集物镜111的入射光瞳面上，然后依次经过二向色性分光镜109和聚焦物镜111聚焦于样品113的合适深度。图1中椭圆部分示出的局部放大图为经过聚焦物镜聚焦后的光线及其形成的焦斑的示意图。经过达曼波带片之后，在聚焦物镜的后场形成了横向和轴向的多焦点阵列，如图2所示，其中dx为横向焦斑间隔，dz为轴向焦斑间隔。经过载片扫描系统，控制样品113与多焦点阵列沿着横向多焦点方向扫描，即可单次扫描实现多焦斑重复刻划的效果。这样，即可实现在相对低的单聚焦光斑能量密度前提下实现多焦斑重复刻划，一方面可以避免过高激光能量密度导致的光热消融效应，另一方面不牺牲横向分辨率且扫描速度也会有所提升。其中，调Q纳秒激光器101的单脉冲宽度约为1～50ns，激光能量和重复频率均可调节。调Q激光器101的工作波长可以根据实际样品材质而选择不同种类激光器。达曼光栅105实现沿扫描方向的横向多焦斑阵列，达曼波带片110实现轴向的多焦斑阵列。压电陶瓷促动器112用于物镜扫描头轴向移动，根据伺服信号实现轴向自动跟踪。
数字监控模块：白光发光二极管201为数字监控模块的光源，电荷耦合元件相机205为探测器。沿光路传播的方向，白光发光二极管201发出的宽带光经过消色差准直透镜202准直为平行光，然后经过50％:50％宽带非偏振分束镜203，其透射光经过50％:50％宽带非偏振分束镜306，之后透射光依次经过二向色性分光镜109、聚焦物镜111达到样品113表面，经过表面反射再次经过聚焦物镜111和二向色性分光镜109，再次经过50％:50％宽带非偏振分束镜306，其透射光经过50％:50％宽带非偏振分束镜203，其反射光经过消色差透镜204，成像于CCD探测面上，即可实现对样品表面实时监控。其中，白光发光二极管201处在消色差准直透镜202几何焦点处，消色差准直透镜202、聚焦物镜111、消色差透镜204保持中心对准，样品113表面和电荷耦合元件相机205的探测面关于聚焦物镜111和消色差透镜204组成的成像透镜组满足物像共轭关系。
自聚焦伺服模块：650nm半导体激光器301为自聚焦伺服模块的光源。沿光路传播方向，650nm半导体激光器301发出的激光(内含柱面镜将椭圆形光斑整形为圆形光斑)，经过凹透镜302，到达50％:50％宽带偏振分束镜303，其透射光经过第二准直透镜304变成平行光，然后，依次经过四分之一波片305和50％:50％宽带非偏振分束镜306，其反射光依次经过二向色性分光镜109，其透射光经过聚焦物镜111聚焦于样品113表面，其反射光依次经过聚焦物镜111、二向色性分光镜109、50％:50％宽带非偏振分束镜306，其反射光再次经过四分之一波片，偏振态变成与入射光正交的偏振态，之后的透射光再次经过第二准直透镜和50％:50％宽带偏振分束镜，其反射光依次经过柱面镜307和窄带滤波片308，到达四象限探测器309探测面上。其中，凹透镜302和第二准直透镜304组成扩束系统；凹透镜302、第二准直透镜304、聚焦物镜108、柱面镜307和四象限探测器309光轴中心对准。
载片扫描模块：工业控制计算机401，压电陶瓷控制器402，电控转台控制器403，XY电控平移台控制器404，真空吸盘405，电控转台406，X轴电控平移台407，Y轴电控平移台408。其中，压电陶瓷控制器402的一端与压电陶瓷促动器112相连，电控转台控制器403与电控转台406相连，XY电控平移台控制器404的一端与X轴电控平移台407和Y轴电控平移台408相连。压电陶瓷控制器402、电控转台控制器403、XY轴电控平移台控制器404、电荷耦合元件相机205的另一端与工业控制计算机401通过数据线缆连接。真空吸盘405用于吸附固定样品113。
(一)实施例一：单晶硅晶圆红外激光划片机。
以下针对工作波长1064nm Nd:YAG激光为例，提出一种针对半导体单晶硅晶圆划片的红外激光划片机的具体实施方案。
激光器101为波长1064nm的被动调Q纳秒激光器，其脉冲宽带为10ns，功率为50W，重复频率为1～50KHz可调，激光器为基模水平偏振输出。经过单模光纤102出射并经过准直镜104之后光斑大小为3mm。
准直扩束组第一透镜106和第二透镜108焦距分别为50mm和150mm。采用的达曼光栅为1×7达曼光栅，其周期为60μm；经过准直扩束后，激光光斑能量降低为1/e2对应的光斑尺寸为8mm。聚焦物镜的数值孔径选为0.45，通光口径为9mm，对应的光束切趾因子为G＝1.266。达曼波带片选为1×5达曼波带片，轴向光斑间隔为25μm，对应的各环归一化半径依次为0.293455，0.462016，0.472576，0.641405，0.702734，0.784649，0.790642，0.897169，0.940034，达曼光栅及达曼波带片均选用融石英为基底材料，针对工作波长1064nm的折射率为1.4496，相邻环区刻蚀深度为1183nm(对应相位差为π)。二向色性分光镜选为对1064nm波长高效反射，对可见光波段高效透射。
(二)实施例二：蓝宝石晶圆紫外激光划片机。
以下针对工作波长266nm四倍频Nd:YAG激光为例，提出一种针对半导体蓝宝石衬底LED晶圆划片的紫外激光划片机的具体实施方案。
本实施例所采用的激光器101为波长266nm的被动调Q纳秒激光器，其脉冲宽带为10ns，功率为20W，重复频率为1～50kHz可调，激光器为基模水平偏振输出。经过单模光纤102出射并经过准直镜104之后光斑大小为3mm。
准直扩束组第一透镜106和108焦距分别为50mm和150mm。采用的达曼光栅为1×5达曼光栅，其周期为60μm；经过准直扩束后，激光光斑能量降低为1/e2对应的光斑尺寸为9mm。聚焦物镜的数值孔径选为0.4，通光口径为10mm，对应的光束切趾因子为G＝1.235。达曼波带片选为1×7达曼波带片，轴向光斑间隔为20μm，对应的各环归一化半径依次为0.180683，0.214420，0.237214，0.258115，0.298130，0.347309，0.444248，0.458811，0.469750，0.480500，0.502832，0.533063，0.599879，0.610597，0.618747，0.626837，0.643884，0.667441，0.721209，0.730026，0.736763，0.743477，0.757709，0.777552，0.823540，0.831166，0.837007，0.842841，0.855247，0.872632，0.913282，0.920067，0.925273，0.930479，0.941573，0.957170，0.993850。二向色性分光镜109选为对266nm波长高效反射，对可见光波段高效透射。
另一种情况，激光光斑能量降低为1/e2对应的光斑尺寸为9mm，聚焦物镜的数值孔径选为0.2，通光口径为10mm，对应的光束切趾因子为G＝1.235。达曼波带片选为1×5达曼波带片，轴向光斑间隔为35μm，对应的各环归一化半径依次为0.155600，0.430187，0.499579，0.528420，0.541851，0.584389，0.634494，0.749805，0.791349，0.809726，0.818487，0.847031，0.882081，0.967712。
上述实施例二中达曼光栅及达曼波带片均选用融石英为基底材料，针对工作波长266nm的折射率为1.4997，相邻环区刻蚀深度为266nm(对应相位差为π)。
以上公布的兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备仅代表本发明的两种具体实施例，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节和代表性装置做出若干不具创造性的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
综上所述，本发明提出了一种兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备，可广泛应用于半导体晶圆划片、蓝宝石晶圆划片、以及陶瓷晶体等脆性材料划片领域。

Claims (9)

1.一种兼容大焦深、高分辨率的多焦点激光划片设备，包括激光工作模块、数字监控模块、自聚焦伺服模块、载片扫描模块，其特征在于：
所述激光工作模块的光路元件依次设有光源、第一准直透镜、达曼光栅、第一透镜、可变光阑、第二透镜、达曼波带片、二向色性分光镜、聚焦物镜；所述激光工作模块的第一透镜和第二透镜组成共焦透镜组，达曼光栅处在第一透镜的前焦面上，达曼波带片处在第二透镜的后焦面上，激光工作模块的光源、第一准直透镜、第一透镜、第二透镜、达曼波带片、聚焦物镜保持中心对准；
所述激光工作模块的聚焦物镜上设有促动器；
所述数字监控模块的光路元件依次设有光源、消色差准直透镜、数字监控模块的50％:50％分束镜、消色差透镜、探测器；
所述自聚焦伺服模块的光路元件依次设有光源、凹透镜、50％:50％偏振分束镜，之后设为两路，其中一路依次设有第二准直透镜、四分之一波片、自聚焦伺服模块的50％:50％分束镜，另一路依次设有柱面镜、滤波片、四象限探测器。
2.根据权利要求1所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述数字监控模块的光源处在消色差准直透镜几何焦点处，消色差准直透镜、聚焦物镜、消色差透镜保持中心对准，样品表面和探测器的探测面关于聚焦物镜和消色差透镜组成的成像透镜组满足物像共轭关系。
3.根据权利要求1所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述自聚焦伺服模块的凹透镜和第二准直透镜组成扩束系统，凹透镜、第二准直透镜、聚焦物镜、柱面镜和四象限探测器光轴中心对准。
4.根据权利要求1所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述载片扫描模块包括计算机、促动器控制器、电控转台控制器、XY电控平移台控制器、电控转台、X轴电控平移台、Y轴电控平移台、样品固定装置，所述载片扫描模块的促动控制器的一端与促动器相连，电控转台控制器的一端与电控转台相连，XY电控平移台控制器的一端与X轴电控平移台和Y轴电控平移台相连，促动器控制器、电控转台控制器、XY轴电控平移台控制器、数字监控模块的探测器的另一端与计算机通过数据线缆连接。
5.根据权利要求1所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述达曼波带片为1×5达曼波带片。
6.根据权利要求5所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述达曼波带片在工作波长为1064nm、聚焦物镜的数值孔径为0.45及切趾因子G＝1.266的条件下，轴向光斑间隔为25μm，对应的各环归一化半径依次为0.293455，0.462016，0.472576，0.641405，0.702734，0.784649，0.790642，0.897169，0.940034。
7.根据权利要求5所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述达曼波带片在工作波长为266nm、聚焦物镜的数值孔径为0.2及切趾因子G＝1.235的条件下，轴向光斑间隔为35μm，对应的各环归一化半径依次为0.155600，0.430187，0.499579，0.528420，0.541851，0.584389，0.634494，0.749805，0.791349，0.809726，0.818487，0.847031，0.882081，0.967712。
8.根据权利要求1所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述达曼波带片为1×7达曼波带片。
9.根据权利要求8所述的多焦点激光划片设备，其特征在于：所述达曼波带片在工作波长为266nm、聚焦物镜的数值孔径为0.4及切趾因子G＝1.235的条件下，轴向光斑间隔为20μm，对应的各环归一化半径依次为0.180683，0.214420，0.237214，0.258115，0.298130，0.347309，0.444248，0.458811，0.469750，0.480500，0.502832，0.533063，0.599879，0.610597，0.618747，0.626837，0.643884，0.667441，0.721209，0.730026，0.736763，0.743477，0.757709，0.777552，0.823540，0.831166，0.837007，0.842841，0.855247，0.872632，0.913282，0.920067，0.925273，0.930479，0.941573，0.957170，0.993850。
CN201911396634.2A 2019-12-30 2019-12-30 兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备 Active CN113118652B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911396634.2A CN113118652B (zh) 2019-12-30 2019-12-30 兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911396634.2A CN113118652B (zh) 2019-12-30 2019-12-30 兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113118652A CN113118652A (zh) 2021-07-16
CN113118652B true CN113118652B (zh) 2023-08-01

Family

ID=76767951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911396634.2A Active CN113118652B (zh) 2019-12-30 2019-12-30 兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113118652B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106547079A (zh) * 2017-01-17 2017-03-29 中国科学院上海光学精密机械研究所 实时三维激光荧光显微成像装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4294261B2 (ja) * 2002-05-14 2009-07-08 独立行政法人科学技術振興機構 集光型光スプリッタ及びその作製方法
US20050191771A1 (en) * 2004-03-01 2005-09-01 Ming Li Ultrafast laser direct writing method for modifying existing microstructures on a submicron scale
US7366378B2 (en) * 2004-10-29 2008-04-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Ultrafast laser machining system and method for forming diffractive structures in optical fibers
CN101477306B (zh) * 2009-01-21 2011-04-06 中国科学院上海光学精密机械研究所 高速多光束并行激光直写装置
CN102248309B (zh) * 2010-05-17 2014-04-02 苏州天弘激光股份有限公司 Ccd装置辅助定位的晶圆激光划片方法
CN101890575A (zh) * 2010-07-14 2010-11-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置
CN102338989B (zh) * 2011-07-06 2013-02-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 延长焦深的并行激光直写装置
CN102253605A (zh) * 2011-07-07 2011-11-23 中国科学院上海光学精密机械研究所 多光束激光并行直写光栅的装置及光栅直写方法
CN102621823A (zh) * 2012-04-17 2012-08-01 中国科学院上海光学精密机械研究所 多光束并行激光直写装置及其直写方法
CN103676499B (zh) * 2013-11-27 2015-05-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置和方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106547079A (zh) * 2017-01-17 2017-03-29 中国科学院上海光学精密机械研究所 实时三维激光荧光显微成像装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113118652A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101711311B1 (ko) 레이저 가공 방법, 레이저 가공 장치 및 그 제조 방법
CN111458776B (zh) 一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法及装置
KR101681337B1 (ko) 레이저 가공장치
JP5101073B2 (ja) レーザ加工装置
CN102470484A (zh) 激光加工装置及激光加工方法
JP4736633B2 (ja) レーザ照射装置
JP2007167918A (ja) レーザ加工装置
CN102470482A (zh) 激光切割加工方法
CN102348530A (zh) 激光照射装置和激光加工方法
CN212569305U (zh) 一种激光光束整形装置
CN102528277A (zh) 用于晶圆切割设备的紫外光学传输系统
JP2008012542A (ja) レーザ加工方法
CN113118652B (zh) 兼容大焦深、高分辨率的多焦点并行激光划片设备
JP2003347236A (ja) レーザ照射装置
TWI792876B (zh) 雷射鑽孔裝置
KR100862522B1 (ko) 레이저가공 장치 및 기판 절단 방법
US20210074585A1 (en) Stealth dicing method and apparatus
CN106825943B (zh) 应用于plc晶圆激光切割装置及带有该装置的皮秒激光器
JP2007319921A (ja) レーザ加工装置およびレーザ加工方法
CN218016452U (zh) 超短脉冲半导体晶圆隐切装置
CN220144987U (zh) 一种用于偏光镜划片的光路整形装置
CN216097032U (zh) 一种低透过率脆性材料激光切割系统
CN220591880U (zh) 一种激光焊接装置
CN218848378U (zh) 一种用于石英端帽熔接的多路分光系统
CN114939735A (zh) 一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant