CN113275736A - 一种可变线宽的激光加工方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变线宽的激光加工方法以及装置，其中方法包括：通过整形模块将高斯光斑转换为平顶光斑，通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽，适应不同的加工宽度，对于不同的线宽，调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角即可，无需反复多次激光加工，节省了激光加工时间。

Description

一种可变线宽的激光加工方法以及装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种可变线宽的激光加工方法以及装置。

背景技术

目前，激光加工通常是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等。激光加工属于无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的，加工精度高，广泛应用于半导体元器件在制作和加工过程。

现有技术中，对于半导体常用激光是高斯光斑，聚焦后光斑较小，在该光斑下激光加工线宽较小，而加工较大线宽时，则通常需要在该光斑下多次反复加工，从而导致加工效率较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种可变线宽的激光加工方法以及装置，使得激光加工中的加工线宽可变，从而提高加工效率，具体方案如下：

第一方面，提供一种可变线宽的激光加工方法，所述方法包括：

通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑；

通过控制模块调整所述平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽。

在一个较佳的实施例中，所述方法还包括：

通过承载模块承载待加工产品并在所述控制模块的控制下沿预设方向移动从而完成激光加工。

在一个较佳的实施例中，所述方法还包括：

通过激光器发出激光光束；

通过与所述激光器同轴的扩束镜将所述激光束进行放大，得到高斯光斑；

通过整形模块将所述高斯光斑转换为平顶光斑。

在一个较佳的实施例中，所述整形模块包括整形

镜片和与所述整形镜片连接的旋转件；

所述通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑包括：

通过所述整形镜片将所述激光光束转换为所述平顶光斑；

所述通过控制模块调整所述平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角包括：

通过所述控制模块控制所述旋转件旋转，进而带动所述整形镜片转动，从而调整所述平顶光斑与所述预设移动方向之间的夹角。

在一个较佳的实施例中，所述方法还包括：

通过反射镜对所述高斯光斑进行反射，反射后的高斯光斑射入到所述整形模块内。

在一个较佳的实施例中，所述方法还包括：

通过聚焦镜对调整后的所述平顶光斑进行聚焦，聚焦后的所述平顶光斑照射到待加工产品的表面；

所述聚焦镜与所述整形镜片同轴。

在一个较佳的实施例中，当所述平顶光斑为矩形；

所述通过控制模块调整所述平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过所述控制模块调整所述矩形的对角线与预设方向之间的夹角α；

当α＝arcsinb/L1时，所述激光加工宽度最小，为所述短边长度b；

当α＝90°时，所述激光加工宽度最大，为所述对角线长度L1；

当α为其他角度时，所述激光加工宽度在短边长度与长边长度之间变化。

在一个较佳的实施例中，当所述平顶光斑为椭圆形；

所述通过控制模块调整所述平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过所述控制模块调整所述椭圆形的长轴与预设方向之间的夹角β；

当β＝90°时，所述激光加工线宽最大，为所述椭圆形的长轴长度；

当β＝0°时，所述激光加工线宽最小，为所述椭圆形的短轴长度；

当β为其他角度时，所述激光加工线宽在短轴长度与长轴长度之间变化。

在一个较佳的，当平顶光斑为线形；

通过控制模块调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过控制模块调整线形与预设方向之间的夹角γ；

当γ＝90°时，激光加工线宽最大，为线形长度；

当γ＝0°时，激光加工线宽最小，为线形宽度；

当γ为其他角度时，激光加工线宽在线形长度与线形宽度之间变化。

在一个较佳的实施例中，一种可变线宽的激光加工装置，所述装置包括：

整形模块，用于将激光光束转换为平顶光斑；

控制模块，用于调整所述平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽。

本发明通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑，从而实现激光能量均匀分布，提高激光加工质量，通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整待加工产品的激光加工线宽，适应不同的加工宽度，对于不同的线宽，调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角即可，无需反复多次激光加工，节省了激光加工时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中的一种可变线宽的激光加工方法；

图2为高斯光斑与平顶光斑的对比图；

图3为本发明中调整矩形的平顶光斑后线宽变化的示意图；

图4为本发明中调整椭圆形的平顶光斑后线宽变化的示意图；

图5为本发明中调整线形的平顶光斑后线宽变化的示意图；

图6为本发明中的一种可变线宽的激光加工装置。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为本发明提供的一种可变线宽的激光加工方法，该方法包括：

S11、通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑。

光束整形模块的功能是把激光光源的高斯光变成平顶光，实现激光能量均匀分布，常用于激光打孔、刻槽，雕刻等精细加工，用平顶激光加工后，加工部位比较平整、圆滑，避免了高斯激光加工后不均匀、毛刺多等缺点，在本发明中，先通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑，平顶光斑为能量均匀的光斑，从而提高激光加工质量。

S12、通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽。

在本实施例中，待加工产品的移动方向通常是确定的，比如，一个晶圆中需要通过激光加工划线，那么在进行激光加工之前，晶圆的划线位是预先设置好的，并将晶圆图形以及划线的图形输入到控制模块上，而后将晶圆放置到载台上，获取到晶圆的位置参数，控制模块根据晶圆的位置参数以及晶圆图形、划线图形得到晶圆的预设移动方向，并生成相应的控制信号，发送至载台，载台沿预设方向移动。

本实施例中，平顶光斑的加工宽度为垂直于预设移动方向上的投影长度，因此，通过调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整投影长度，进而可以调整待加工产品的激光加工线宽，以适应不同的加工宽度，并且这种调整方法，对于预设加工宽度，经过调整后可以一次激光照射达到这一预设加工宽度，无需现有技术中反复多次激光照射才能达到预设加工宽度，从而节省了激光加工的时间。

在本实施例中，对于平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角的调整，可以是仅一次调整，也可以为连续调整，比如，在晶圆上激光划线，可以在激光划线前将线宽调整到预定值，然后进行划线，同一条线上的宽度相同，也可以在激光划线过程中对线宽调整，同一条划线上的宽度不同。

在本发明中激光加工可以为激光划线，也可以为激光切割、激光蚀刻等多种加工形式，只要是通过激光去除的一定的宽度即可，在此不进行一一举例。

因此，本发明通过整形模块将高斯光斑转换为平顶光斑，从而实现激光能量均匀分布，提高激光加工质量，通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整待加工产品的激光加工线宽，通适应不同的加工宽度，对于不同的线宽，调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角即可，无需反复多次激光加工，节省了激光加工时间。

在一个较佳的实施例中，该方法还包括：

通过运动载台承载待加工产品并在控制模块的控制下沿预设方向移动从而完成激光加工。

在本实施例中，通过运动载台承载待加工产品，运动载台通常具有水平面内的X轴方向以及Y轴方向的运动导轨，从而可以带动待加工产品在平面内的移动。在待加工产品放置到运动载台后，控制模块先控制运动载台移动到初始加工位置，而后，对激光加工线宽进行调整，调整好后，控制模块发送控制指令到运动载台，运动载台向预设方向移动，从而带动待加工产品沿预设方向移动。激光束是固定的，因此，通过待加工产品的移动，使得调整后的平顶光斑照射在待加工产品的表面，完成激光加工。

进一步地，控制模块包括上位机和运动控制卡，上位机根据待加工产品的加工图形，比如，CAD图形，生成相应的控制信号，通过运动控制卡控制运动载台的移动，运动控制卡将控制信号转换为位移信号，位移信号包括位移的方向以及距离，运动控制卡将位移信号发送至运动载台，运动载台沿X轴以及Y轴的运动导轨移动。

在一个较佳的实施例中，该方法还包括：

通过激光器发出激光光束；

通过与激光器同轴的扩束镜将激光束进行放大，得到高斯光斑；

通过整形模块将所述高斯光斑转换为平顶光斑。

在本实施例中，通过激光器用于产生高频激光，优选紫外激光器。为了进一步对激光光束进行扩大，通常设置有扩束镜，通过扩束镜对激光束进行准直放大，而扩束镜扩大后得到高斯光斑。如图2所示，高斯光斑的能量分布为中间高、边缘低的特点，导致激光加工后，中间去除的较多，边缘去除的较少，底部形貌不平整，边缘热影响较大，还因为中间切割过多造成对半导体的损坏平顶光斑的能量密度分布图，而平顶光斑均匀的能量分布能够保证中间和边缘去除量尽量相同，因此通过整形模块将高斯光斑转换为平顶光斑，从而提高激光加工质量。

为了进一步提高激光加工的准确性，激光器与扩束镜同轴。

在一个较佳的实施例中，整形模块包括整形镜片和与整形镜片连接的旋转件；

通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑包括：

通过整形镜片将所述激光光束转换为平顶光斑；

通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角包括：

通过控制模块控制旋转件旋转，进而带动整形镜片转动，从而调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角。

在本实施例中，整形模块包括两个部分，一个是整形镜片，一个是与整形镜片连接的旋转件，通过旋转件的旋转带动整形镜片的转动。

激光束在经过扩束镜形成高斯光斑后，照射到整形镜片上，通过整形镜片将高斯光斑转换为平顶光斑，由此，完成光斑种类的转变。整形镜片与旋转件连接，控制模块控制旋转件旋转，从而改变平顶光斑与待加工产品的预设方向之间的夹角。

在本实施例中，旋转件可以为中空旋转马达，整形镜片固定在中空旋转马达靠近扩束镜的一端，高斯光斑经过整形镜片形成平顶光斑之后，通过中空旋转马达的中空区域从而照射到下一个元件或者待加工产品上。

进一步地，控制模块通过运动控制卡控制旋转件的旋转，上位机根据所需调整到的激光加工线宽，生成相应的控制信号，运动控制卡将控制信号转换为旋转信号，旋转信号包括旋转的角度，运动控制卡将旋转信号发送至旋转件控制旋转件转动。

在一个较佳的实施例中，该方法还包括：

通过反射镜对高斯光斑进行反射，反射后的高斯光斑射入到整形模块内。

在光路中设置了反射镜，反射镜对扩束镜形成的高斯光斑进行反射，反射后的高斯光斑照射入整形模块内，进一步地，照射进入整形镜片内，缩短了激光加工路径的轴向的距离。

在一个较佳的实施例中，通过聚焦镜对调整后的平顶光斑进行聚焦，聚焦后的平顶光斑照射到待加工产品的表面；

聚焦镜与整形镜片同轴。

在光路中设置了聚焦镜，聚焦镜对调整后的平顶光斑进行聚焦，聚焦后的平顶光斑照射到待加工产品的表面，从而提高平顶光斑的强度。本发明通过调整扩束镜、整形模块和聚焦镜，可以根据产品的尺寸调整聚焦镜聚焦后的光斑的大小，比如，对于小线宽产品改变约束光阑，将聚焦光斑约束到50μm，大线宽产品时，将聚焦光斑增大到250μm。

在一个较佳的实施例中，当平顶光斑为矩形；

通过控制模块调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过控制模块调整矩形的对角线与预设方向之间的夹角α；

当α＝arcsinb/L1时，激光加工宽度最小，为短边长度b；

当α＝90°时，激光加工宽度最大，为对角线长度L1；

当α为其他角度时，激光加工宽度在短边长度与长边长度之间变化。

如图3所示，平顶光斑为矩形的，矩形的长边的长度为a，短边的长度为b，通过控制模块调整矩形的对角线与预设方向之间的夹角α，当α＝arcsinb/L1时，激光加工宽度最小，为短边的长度b，此时短边垂直于预设方向，当α＝90°时，激光加工宽度最大，为对角线长度L1，此时对角线垂直于预设方向，当α为其他角度时，激光加工宽度在b与L1之间变化，从而满足不同的加工宽度。

进一步地，控制模块根据需要调整到的线宽的图形发送控制信号至运动控制卡，运动控制卡根据控制信号生成相应的旋转信号，比如，图4所示的，矩形的对角线与预设方向之间的夹角为0°，矩形对角线与预设反向平行，当前需要加工线宽为对角线长度，也即对角线与预设方向垂直，因此，控制模块发送需要的线宽L1至运动控制卡，运动控制卡根据线宽L1得到需要将角度旋转到对角线与预设方向垂直，因此，发送对角线旋转90°的信号至旋转件，从而使得旋转件旋转至90°的位置，完成激光加工线宽的调整。

在一个较佳的实施例中，当平顶光斑为椭圆形；

通过控制模块调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过控制模块调整椭圆形的长轴与预设方向之间的夹角β；

当β＝90°时，激光加工线宽最大，为椭圆形的长轴长度；

当β＝0°时，激光加工线宽最小，为椭圆形的短轴长度；

当β为其他角度时，激光加工线宽在短轴长度与长轴长度之间变化。

如图4所示，平顶光斑为椭圆形的，椭圆形的长轴长度为c，短轴长度为d，通过控制模块调整椭圆形的长轴与预设方向之间的夹角β，当β＝90°时，激光加工线宽最大，为椭圆形的长轴长度，此时长轴与预设方向垂直，当β＝0°时，激光加工线宽最小，为椭圆形的短轴长度，此时短轴与预设方向垂直，当β为其他角度时，激光加工线宽在短轴长度与长轴长度之间变化，从而满足不同的加工宽度。

在一个较佳的实施例中，当平顶光斑为线形；

通过控制模块调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过控制模块调整线形与预设方向之间的夹角γ；

当γ＝90°时，激光加工线宽最大，为线形长度；

当γ＝0°时，激光加工线宽最小，为线形宽度；

当γ为其他角度时，激光加工线宽在线形长度与线形宽度之间变化。

如图5所示，平顶光斑为线形的，线形长度为e，短轴长度为f，通过控制模块调整线形与预设方向之间的夹角γ，线形的宽度通常较小，因此，当γ＝90°时，激光加工线宽最大，为线形长度，此时线形垂直于预设方向；当γ＝0°时，激光加工线宽最小，为线形宽度，此时线形平行于预设方向；当β为其他角度时，激光加工线宽在线形长度与线形宽度，从而满足不同的加工宽度。

进一步地，平顶光斑也可以采用其他形状，比如方形，只要能通过改变平顶光斑的夹角就能改变平顶光斑在垂直于预设方向的投影长度的形状即可，在此不进行一一举例。

本发明通过整形模块将高斯光斑转换为平顶光斑，从而实现激光能量均匀分布，提高激光加工质量，通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整待加工产品的激光加工线宽，通适应不同的加工宽度，对于不同的线宽，调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角即可，无需反复多次激光加工，节省了激光加工时间。

如图6所示，本发明涉及一种可变线宽的激光加工装置，该装置包括：

整形模块1，用于将激光光束转换为平顶光斑；

控制模块2，用于调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽。

在一个较佳的实施例中，进一步参考图6，该装置还包括运动载台3，用于承载待加工产品并在控制模块2的控制下沿预设方向移动从而完成激光加工。

控制模块2包括上位机和运动控制卡，上位机根据待加工产品的加工图形，比如，CAD图形，生成相应的控制信号，通过运动控制卡控制运动载台的移动，运动控制卡将控制信号转换为位移信号，位移信号包括位移的方向以及距离，运动控制卡将位移信号发送至运动载台，运动载台沿X轴以及Y轴的运动导轨移动。

在一个较佳的实施例中，该装置还包括激光器4，用于发出激光束；

扩束镜5，与激光器4同轴，用于将激光束进行放大，得到高斯光斑；

整形模块还用于将高斯光斑转换为平顶光斑。

在一个较佳的实施例中，整形模块1包括整形镜片11和与整形镜片连接的旋转件12；

整形镜片11用于将高斯光斑转换为平顶光斑；

旋转件12用于在控制模块控制下旋转，进而带动整形镜片转动，从而调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角。

在一个较佳的实施例中，该装置还包括反射镜6，用于对高斯光斑进行反射，反射后的高斯光斑射入到整形模块1内。

在一个较佳的实施例中，该装置还包括聚焦镜7，用于对调整后的平顶光斑进行聚焦，聚焦后的平顶光斑照射到待加工产品的表面；

聚焦镜7与整形镜片11同轴。

在一个较佳的实施例中，当平顶光斑为矩形；

控制模块还用于调整矩形的对角线与预设方向之间的夹角α；

当α＝arcsinb/L1时，激光加工宽度最小，为短边的长度b；

当α＝90°时，激光加工宽度最大，为对角线长度L1；

当α为其他角度时，激光加工宽度在短边长度与长边长度之间变化。

在一个较佳的实施例中，当平顶光斑为椭圆形；

控制模块还用于调整椭圆形的长轴与预设方向之间的夹角β；

当β＝90°时，激光加工线宽最大，为椭圆形的长轴长度；

当β＝0°时，激光加工线宽最小，为椭圆形的短轴长度；

当β为其他角度时，激光加工线宽在短轴长度与长轴长度之间变化。

在一个较佳的实施例中，当平顶光斑为线形；

控制模块还用于调整线形与预设方向之间的夹角γ；

当γ＝90°时，激光加工线宽最大，为线形长度；

当γ＝0°时，激光加工线宽最小，为线形宽度；

当γ为其他角度时，激光加工线宽在线形长度与线形宽度之间变化。

本发明提供的可变线宽的激光加工装置，通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑，从而实现激光能量均匀分布，提高激光加工质量，通过控制模块调整平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整待加工产品的激光加工线宽，通适应不同的加工宽度，对于不同的线宽，调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角即可，无需反复多次激光加工，节省了激光加工时间。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变线宽的激光加工方法，其特征在于，所述方法包括：

通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑；

通过控制模块调整所述平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过承载模块承载待加工产品并在所述控制模块的控制下沿预设方向移动从而完成激光加工。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过激光器发出激光光束；

通过与所述激光器同轴的扩束镜将所述激光束进行放大，得到高斯光斑；

通过整形模块将所述高斯光斑转换为平顶光斑。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述整形模块包括整形镜片和与所述整形镜片连接的旋转件；

所述通过整形模块将激光光束转换为平顶光斑包括：

通过所述整形镜片将所述激光光束转换为所述平顶光斑；

所述通过控制模块调整所述平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角包括：

通过所述控制模块控制所述旋转件旋转，进而带动所述整形镜片转动，从而调整所述平顶光斑与所述预设移动方向之间的夹角。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过反射镜对所述高斯光斑进行反射，反射后的高斯光斑射入到所述整形模块内。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过聚焦镜对调整后的所述平顶光斑进行聚焦，聚焦后的所述平顶光斑照射到待加工产品的表面；

所述聚焦镜与所述整形镜片同轴。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述平顶光斑为矩形；

所述通过控制模块调整所述平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过所述控制模块调整所述矩形的对角线与预设方向之间的夹角α；

当α＝arcsinb/L1时，所述激光加工宽度最小，为所述短边长度b；

当α＝90°时，所述激光加工宽度最大，为所述对角线长度L1；

当α为其他角度时，所述激光加工宽度在短边长度与长边长度之间变化。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述平顶光斑为椭圆形；

所述通过控制模块调整所述平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过所述控制模块调整所述椭圆形的长轴与预设方向之间的夹角β；

当β＝90°时，所述激光加工线宽最大，为所述椭圆形的长轴长度；

当β＝0°时，所述激光加工线宽最小，为所述椭圆形的短轴长度；

当β为其他角度时，所述激光加工线宽在短轴长度与长轴长度之间变化。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当平顶光斑为线形；

所述通过控制模块调整平顶光斑与预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽包括：

通过控制模块调整线形与预设方向之间的夹角γ；

当γ＝90°时，所述激光加工线宽最大，为线形长度；

当γ＝0°时，所述激光加工线宽最小，为线形宽度；

当γ为其他角度时，激光加工线宽在线形长度与线形宽度之间变化。

10.一种可变线宽的激光加工装置，其特征在于，所述装置包括：

整形模块，用于将激光光束转换为平顶光斑；

控制模块，用于调整所述平顶光斑与待加工产品的预设移动方向之间的夹角，从而调整激光加工线宽。

Images