CN117600685A - 一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，将单束超快激光整形成并行排列的多束激光，然后利用多束激光并行扫描非连续改质代替单束激光逐行连续改质，通过改质区域内多光束并行扫描来提高激光改质效率，进一步通过提高非改质区域的扫描速度来提高激光改质效率，相比较传统的单束超快激光等间距连续改质，该方法激光改质时间更短，改质区域更少，非改质区域扫描速度更快，从而极大提高激光改质效率，并且非连续改质可以减少辐照在晶锭内部的总激光能量，显著降低晶锭内的热应力，提高激光改质剥片后晶圆片的面型精度。
Description
技术领域
本发明属于激光精密加工技术领域，涉及一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法。
背景技术
随着建筑、医疗、航空航天、集成电路、新能源、光纤通信、光电显示、轨道交通、海洋开采等领域的快速发展，碳化硅、硅、氮化镓、蓝宝石等硬脆性材料的应用越来越广泛。然而，这些硬脆性材料晶锭的切片仍旧存在较多的问题，如目前常用的金刚石线锯切割硬脆性材料晶锭存在耗费时间长、材料损耗大、刀具磨损大、面型精度差等问题，并且切割后会产生大量的废液。因此有学者提出了超快激光改质切割硬脆性材料晶锭的方法，该方法通过将激光聚焦于硬脆性材料内部，加工出大面积的改质区域，然后使用拉应力剥片或者冷裂剥片的方式进行机械裂片，这种方式已经被证明是一种新型可靠的硬脆性材料晶锭的剥片方式。
然而，目前超快激光内部改质需要在硬脆性材料内部逐行等间距连续改质，导致改质时间较长，效率较低。
发明内容
为了满足硬脆性材料晶锭高效率、低损耗、高精度的切片需求，本发明提出了一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其是将硬脆性材料晶锭固定于三维移动平台上，将激光器产生的单束超快激光整形成并行排列的多束激光并聚焦于硬脆性材料晶锭内部，通过控制激光能量和三维移动平台的移动速度加工出间隔排列的改质区域，相邻改质区域之间通过非改质区域进行间隔；其中使激光在改质区域的功率大于非改质区域的功率，并且激光在改质区域的移动速度小于非改质区域的移动速度。
所述硬脆性材料具有高硬度、高脆性等性质；并且可以被相应波长的激光穿过，实现超快激光内部改质。所述硬脆性材料包括碳化硅、硅、氮化镓、蓝宝石等。
可选的，所述激光器的脉冲宽度200fs-200ps之间，激光重复频率在1kHz-150MHz之间，波长700nm-1100nm之间，激光功率0-80W可调。
可选的，所述激光在所述改质区域的脉冲能量为5-80μJ，在所述非改质区域的脉冲能量为0-1μJ。
可选的，通过控制所述三维移动平台的移动速度使所述激光在所述改质区域的移动速度为1-200mm/s，在所述非改质区域的移动速度为800-1000mm/s。
可选的，所述多束激光于所述改质区域形成相应数量的改质线，所述改质线互相平行并沿X方向延伸，并于Y方向具有间隔，其中X方向和Y方向互相垂直。
可选的，所述改质区域内，相邻改质线的间隔在5-20μm之间。
可选的，所述改质区域内，改质线的条数为5-20条。
可选的，所述改质区域为矩形，在X方向上的长度为100-200μm。
可选的，所述改质区域沿X方向和Y方向阵列式排布，相邻改质区域在X方向上的间隔为50-100μm，Y方向上的间隔为50-100μm。
优选的，所述改质线在改质区域内等间距排列，所述改质区域等间距排列，以形成规则的图形。
可选的，所述激光器产生的单束超快激光经由扩束器扩束后，通过空间光调制器整形成并行排列的多束激光，再通过反射镜进入物镜，然后被物镜聚焦于所述硬脆性材料晶锭内部；所述激光器和三维移动平台受控于控制系统。
所述控制系统为计算机系统，三维移动平台的运动速度和方向可由计算机系统精确控制。
本发明的有益效果为：
将单束超快激光整形成并行排列的多束激光，然后利用多束激光并行扫描改质代替单束激光改质，并且通过分立间隔改质区的设置进行非连续改质，使激光在非改质区的移动速度远高于改质区，因此该方法可以极大缩短激光改质时间，提高晶锭的激光改质效率，同时非连续改质可以减少辐照在晶锭内部的总激光能量，显著降低晶锭内的热应力，提高激光改质剥片后晶圆片的面型精度。
附图说明
图1是本发明实施例的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法所采用的加工系统的示意图。
图2是实施例的多束激光并行非连续扫描改质形成的区域的示意图。
图3是实施例的4H-SiC晶锭内部改性后改质区的光学显微镜图像。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，参考图1，所用加工系统包括计算机系统1，激光器2，扩束器3，空间光调制器4，反射镜5，物镜6和三维移动平台7。硬脆性材料晶锭8置于三维移动平台7上。
硬脆性材料晶锭8快速改质过程中，计算机系统1控制激光器2发出单束超快激光，经由扩束器3扩束后，通过空间光调制器4整形成并行排列的多束激光，再通过反射镜5，进入物镜6，然后被物镜6聚焦于硬脆性材料晶锭8内部形成并行排列的多束激光，利用多束激光等间隔非连续扫描形成矩形改质区域阵列，其中改质区域81分立矩阵式排列，并通过非改质区域82实现间隔。如图2所示。使用该方法在材料内部进行改质，极大缩减了改质所用的时间，显著提高激光改质效率。
一实施例的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，硬脆性材料晶锭8使用的是半绝缘型4H-SiC晶锭，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：使用计算机系统1控制激光器2发出单束超快激光，其中激光参数为：脉宽350fs、波长1035nm、激光重复频率1MHz。
步骤二：将半绝缘型4H-SiC晶锭8固定于三维移动平台7上。
步骤三：激光器2发射单束激光经过扩束器3扩束后，通过空间光调制器4整形，形成并行排列的多束激光，激光束数为5。再经过反射镜5进入物镜6，然后被聚焦于晶锭8内部形成并行排列的多束激光进行改质，多束激光等距等量分配，每束激光的光斑直径大小为1μm，如图1所示。
步骤四：利用计算机系统1控制矩形改质区域81内的激光脉冲能量为10μJ，非改质区域82的激光脉冲能量为1μJ，由于非改质区域的激光脉冲能量很低因此不会对材料造成损伤。如图2所示，每块矩形改质区域81由激光并行扫描加工出的5条等间距改质线组成，改质线沿X方向延伸，相邻改质线的间隔(Y方向的间距)为20μm。矩形改质区域81在X方向的长度为180μm。相邻矩形改质区域81在X方向上的间隔为80μm，Y方向上的间隔为80μm。同时利用计算机系统1控制三维移动平台9运动来调节激光在矩形改质区域81和非改质区域82的移动速度，本实施例中设置激光在矩形改质区域81移动速度为50mm/s，在非改质区域82移动速度为1000mm/s。激光在非改质区域的移动速度远大于在改质区域的移动速度，极大缩减了改质所用的时间，提高了效率，且这种非连续改质可以减少辐照在碳化硅晶锭内部的总激光能量，显著降低碳化硅晶锭内的热应力，提高激光改质剥片后晶圆片的面型精度。
步骤五：最后通过多光束并行扫描非连续改质实现4H-SiC晶锭的超快激光快速改质，图3是利用该方法在4H-SiC晶锭内部制作的周期性排列的矩形改质区的光学显微镜图像。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：将硬脆性材料晶锭固定于三维移动平台上，将激光器产生的单束超快激光整形成并行排列的多束激光并聚焦于硬脆性材料晶锭内部，通过控制激光能量和三维移动平台的移动速度加工出间隔排列的改质区域，相邻改质区域之间通过非改质区域进行间隔；其中使激光在改质区域的功率大于非改质区域的功率，并且激光在改质区域的移动速度小于非改质区域的移动速度。
2.根据权利要求1所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述激光器的脉冲宽度在200fs-200ps之间，激光重复频率在1kHz-150MHz之间，波长700nm-1100nm之间，激光功率0-80W可调。
3.根据权利要求1所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述激光在所述改质区域的脉冲能量为5-80μJ，在所述非改质区域脉冲能量为0-1μJ。
4.根据权利要求1所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：通过控制所述三维移动平台的移动速度使所述激光在所述改质区域的移动速度为1-200mm/s，在所述非改质区域的移动速度为800-1000mm/s。
5.根据权利要求1所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述多束激光于所述改质区域形成相应数量的改质线，所述改质线互相平行并沿X方向延伸，并于Y方向具有间隔，其中X方向和Y方向互相垂直。
6.根据权利要求5所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述改质区域内，相邻改质线的间隔在5-20μm之间。
7.根据权利要求5所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述改质区域内，改质线的条数为5-20条。
8.根据权利要求5所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述改质区域为矩形，在X方向上的长度为100-200μm。
9.根据权利要求5所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述改质区域沿X方向和Y方向阵列式排布，相邻改质区域在X方向上的间隔为50-100μm，Y方向上的间隔为50-100μm。
10.根据权利要求1所述的硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法，其特征在于：所述激光器产生的单束超快激光经由扩束器扩束后，通过空间光调制器整形成并行排列的多束激光，再通过反射镜进入物镜，然后被物镜聚焦于所述硬脆性材料晶锭内部；所述激光器和三维移动平台通过控制系统进行控制。
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