CN206567683U - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种易于大量切割基板的激光加工系统。本实用新型的激光加工装置包括：移送加工对象的基本的移送设备；为了该基本内部形成聚光点而产生激光的激光产生设备；将该激光产生设备发出的激光聚焦于加工对象的基本内部的光学设备；以及控制该激光产生设备和移送设备的控制设备，该控制设备使激光的脉冲频率f和脉冲宽度w改变，并且将移送速度v决定为聚光点之间距离S乘以激光脉冲频率f的值(v＝S*f)。

Description

激光加工装置

技术领域

本实用新型构思涉及一种激光加工装置。

背景技术

激光系统由于利用高输出的光能量，被适用于多种机械性加工。比如，激光系统不仅用于机械性加工，还用于形成微图案以及按该图案加工的半导体组件制造工序等的领域。

作为将硅片等加工对象物切割或分离为多个芯片或多个部分的方法之一，包括在加工对象物内部的切割起点上形成改质领域(mod ified region)的工序。如众所周知，改质领域是作为聚焦激光的部分，通过光吸收形成的，也附带着破裂。这种改质领域沿着基板的切割预定线形成，实现基板的切割或分离。

在切割预定线上形成的各改质领域之间的距离，是会随着基板材料或激光波长的变化而变化的，并不是固定值。举个例子，在对硅片进行切割预定线加工时，对波长为1μm～2μm左右的近红外线(NIR)领域的激光，相邻改质领域之间的距离最好形成为2～8μm。其理由如下：

为了在沿切割预定线上形成改质领域，在基板内部形成聚光点(focusingpoint)，此时，如果将激光聚光于离先形成的改质领域过近的地方，受激光散射或折射率变化的影响，会导致能量的损耗或者不充分聚光。与此相反，如果将激光聚光于离先形成的改质领域过远的地方，由于与形成改质领域一起造成的破裂的传播不充分地进行，会引起不易分段，或者即使能分段，由扭梳子纹(twist hackle)等的原因，也会造成断面质量低或碎片(debris)的问题。

在激光加工领域，激光单脉冲能量和其宽度是能决定激光与物质之间的相互作用及加工性的主要因素，因此，为了激光速度的可变以及提高其速度，应当考虑该因素。

对传统Q-switch型激光加工装置来说，激光频率可变的程度不大，或者即使可以改变，也受到依靠激光频率决定的脉冲宽度的限制。依靠形成改质领域的光斑之间的距离的加工，加工速度(移送设备的移送速度)的改变受到很大的限制或者不能提升两三倍以上的速度。因此，为了提高生产效率，需要对加工速度的提高进行研究。

发明内容

本实用新型构思的至少一个实施例提供了，既对基板的内部加工性影响不大，又可以提高生产效率的一种激光加工装置。本实用新型构思的至少一个实施例提供了，便于快速形成良好的改质领域的一种激光加工装置。本实用新型构思的至少一个实施例提供了，便于快速形成切割预定线，以提高生产效率的一种激光加工方法及适用该方法的激光加工装置。

根据本实用新型的示范性实施例的一种激光加工装置，包括：

移送加工对象的基本的移送设备；

为了该基本内部形成聚光点而产生激光的激光产生设备；

将该激光产生设备发出的激光聚焦于加工对象的基本内部的光学设备；以及

控制该激光产生设备和移送设备的控制设备，该控制设备使激光的脉冲频率f和脉冲宽度w改变，并且将移送速度v决定为聚光点之间距离S乘以激光脉冲频率f的值(v＝S*f)。

所述激光加工装置具备多个单位激光光源，该控制设备控制各单位激光光源交互地产生激光。

所述激光加工装置中，该光学设备包括调整在切割预定线上的激光聚光点高度的光学组件。

所述激光加工装置，进一步包括；将各单位激光光源发出的激光结合成一条途径的光路结合单元。

所述激光加工装置中，该光路结合单元包括改变光路的镜子及对特定方向具有反射性和透过性的偏振分束器(polarization beam split ter，PBS)。

所述激光加工装置中，该光路结合单元进一步包括对偏振分束器的激光的偏光进行控制的半波长片。

根据本实用新型的示范性实施例的一种激光加工方法，包括：

在沿切割预定线上形成相隔一定距离S的聚光点(modified region)的步骤；

该步骤特点在于使激光的脉冲频率f和脉冲宽度w改变，并且使移送速度v决定为聚光点之间距离S乘以激光脉冲频率f的值(v＝S*f)。

所述激光加工方法中，无论该脉冲频率f和脉冲宽度w如何变化，该激光单脉冲能量保持为固定值。

所述激光加工方法中，该激光由多个单位激光光源产生，各单位激光光源交互地产生激光。

所述激光加工方法中，将多个激光系统发出的激光结合成一条向该聚光点的光，进行传播，在该基板形成聚光点。

根据本实用新型构思的激光加工装置及激光加工方法，由于促进了沿切割预定线上相隔一定距离的多个改质领域的快速形成，所以可以提高生产率。换言之，根据本实用新型构思的激光加工装置及激光加工方法，不仅可以利用单一的激光光源，还可以利用多个单位激光光源产生激光，并且将各单位激光光源发车的激光结合成一束激光，这更利于改质领域的快速形成。

附图说明

从下面结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本实用新型构思的示例性实施例，在附图中：

图1是示出根据一个示范性实施例的激光加工装置的示意图。

图2示出根据一个示范性实施例的激光加工装置中，关于在硅片上形成的激光点(改质领域)的距离。

图3示出根据一个示范性实施例的激光加工装置中，关于在聚光点形成时其速度与频率关系。

图4是示出根据另一个示范性实施例的激光加工装置的示意图。

图5示出根据示范性实施例的激光加工装置中，光路结合单元的具体结构。

图6是示出在图5所示的激光加工装置中，由各单位激光光源分别发出的激光脉冲(a，b)和由光路结合单元结合的激光脉冲(c)的时序图。

图7示出在图5所示的激光加工装置中，由一个单位激光光源形成的光斑(a，b)和由两个激光光源形成的光斑(c)。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更充分地描述本实用新型构思的激光加工装置的示范性实施例。

图1是示出根据一个示范性实施例的激光加工装置10的示意图。

如图1所示，本实用新型构思的激光加工装置10包括激光系统12，指控它的指控设备11，将由激光系统12发出的激光聚焦到基板20的光学设备13，以及移送该基板的移送设备14。

指控设备11基于电脑系统，可以包括输入指控激光加工条件的参数并输出它的设备。

激光系统12可以包括激光振荡器或谐振器(resonator)和驱动谐振器的激光驱动器。

光学设备13包括控制从谐振器发出的脉冲型激光光路的镜子131，将激光聚焦于基板20内部并形成聚光点的聚光透镜132。此外，光学设备13可以进一步包括光束扩展器(beam expander)，但根据本实用新型的光学设备不仅限于特定光学零部件的利用。

移送设备14包括对基板20的X-Y-Z方向位置控制的设备，该设备可以作为移送表格形态存在。光学设备13将从激光系统12发出的脉冲型激光聚焦于基板20内部并形成聚光点M，以形成在这里的改质领域。

由激光系统12发出激光的脉冲频率f和基板20的移动速度，即移送设备14的移动速度v可以被动态变化，此时，单脉冲能量被保持为固定值。根据本实用新型，如图2所示，在切割预定线上相邻的聚光点M之间的距离，或者对各聚光点M形成的各改质领域之间的距离S，如下公式1，移动速度v对激光脉冲频率f的比例来获得，即移动速度v可以根据距离S乘以频率f来获得。

【公式1】

v＝S*f

在所述公式上，距离单位为μm，速度单位为mm/sec，以及频率单位为Khz。如果适用该公式，如图3(a)所示，在各聚光点M之间的距离S都为2μm且脉冲频率f为50Khz的情况下，移动速度v计算为100mm/sec。此时，通过调整脉冲频率和移动速度之一，比如，如图3(b)所示，将移动速度v调整提升为200mm/sec，同时激光的脉冲频率调整高为100Khz，那么各聚光点M之间都可以相隔同样的距离S。

根据该公式来计算，如果将脉冲频率f提高为200Khz，移动速度v可以被调整为200mm/sec。随着移动速度和脉冲频率变化，给各聚光点M提供的激光总能量会变少，但是无论移动速度和脉冲频率如何变化，需要使激光以同量的能量被聚光。为此，需要将单激光能量与移动速度和脉冲频率成比例调整增加或减少。

这一调整由控制设备11来进行。控制设备11不仅控制激光系统12，还控制移送设备14。对移动设备14的控制，尤其是调整移动设备14的移动速度控制影响到改质领域的形成速度。所述加工速度S意味着基板对激光的相对速度，比如，在激光的位置被固定时，移送设备的移动速度被认为加工速度。

图4是示出根据另一个示范性实施例的激光加工系统101的示意图。

图4所示的激光加工设备101包括多个单位激光光源LS1～LSn(n：自然数)，从它们分别射出并经过独立光路P1～Pn的激光，由光路结合单元15在一条结合光路Pc结合成一束激光，而且，由光学设备13在基板上形成为聚光点M。如上所述，各单位激光光源分别具备激光谐振器和驱动它的驱动器。

单位激光光源LS1～LSn被控制整个系统的控制设备11控制，互不重叠，交互射出激光。

控制设备11连接于输入单元和输出单元，进行对激光加工参数的输入和输出。控制设备11也控制基板移送设备14，在激光加工时，将基板20沿着加工方向移送。

图5示出根据另一个示范性实施例的激光加工设备102，该激光加工系统包括两个单位激光光源LS1、LS2和将由它们分别发出的激光结合成一束激光的光路接合器。由单位激光光源LS1、LS2发出的激光，经过独立光路P1、P2后，进入到光路结合单元15。

光路结合单元15可以具备将两束激光结合成一条并共同途径Pc的偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)153。

在两个相邻设置的单位激光光源LS1、LS2都发出P波激光时，可以使偏振分束器153对P波具有透过性。因此，第二单位激光光源LS2发出的激光，通过偏振分束器153的第一面153a和其对面的第三面153c，沿着共同途径Pc被射出。

此外，与第二单位激光光源LS2并列放置的第一单位激光光源LS1发出的激光，经反射镜151从与偏振分束器153的第一面和第三面153c垂直的第二面153b进入。但第一单位激光光源LS1发出的激光在从偏振分束器153的第二面153b进入之前，要先经过半波长片152。

在这种情况下，激光的偏光方向被改变，并且，激光从偏振分束器153的第二面153b进入后被反射，由偏振分束器153的第三面153c沿着共同途径Pc进行传播。所以，从两个单位激光光源LS、LS2分别发出的激光最终都可以通过一条共同途径Pc进入到光学设备13。

图6是示出在图5所示的激光加工系统中，由各单位激光光源分别发出的激光脉冲和由光路结合单元结合的激光脉冲的时序图。

图6(a)和(b)分别示出两个激光光源LS1、LS2在时间领域上的激光脉冲和脉冲之间的时间延迟，以及图6(c)示出二者结合的激光脉冲波形。

图6所示的t意味着在激光频率中激光脉冲之间的时间距离，t1(t2)意味着对第一单位激光光源LS1的第二单位激光光源LS2的激光脉冲振荡时间延迟或时间差距。这样振荡的各单位激光光源发出的激光经光路结合单元15结合成一束激光，得出与利用一束频率为1/t1(Hz)的激光同样的加工效果。

参照图7，在将振荡为50kHz的各激光以200mm/sec为加工速度加工时，每光斑之间的距离S3和S4都为4um，此时，为了满足t1等同于10us的要求，使激光相互延迟，那么，如图6(c)所示，经光路结合单元聚光的激光光斑之间的距离S5为2um。

换言之，根据本实用新型的示范性实施例，利用一束频率为100kHz的激光，可以获得与加工速度以200mm/sec时相同或相似的效果。此时，激光之间的延迟时间t1取决于t1＝1/(单位激光光源的数量*各激光的频率)，即1/(n*f)。因此，即使原来的可变宽度变小或改变，但是通过利用多束按频率决定脉冲宽度的激光，并且控制各激光之间的脉冲振荡延迟时间，也可以实现加工速度的可变并提高加工速度。

应当理解，这里描述的一个或多个示范性实施例应当仅在描述性的意义下考虑，而非用于限制的目的。每个示范性实施例中特征或方面的描述应当典型地被考虑为可用于其他示范性实施例中的其他类似特征或方面。虽然已经参照附图描述一个或多个示范性实施例，但是本领域普通技术人员不难理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变而不背离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围。

Claims (7)

1.一种激光加工装置，包括：

移送加工对象的基本的移送设备；

为了该基本内部形成聚光点而产生激光的激光产生设备；

将该激光产生设备发出的激光聚焦于加工对象的基本内部的光学设备；以及

控制该激光产生设备和移送设备的控制设备，该控制设备使激光的脉冲频率f和脉冲宽度w改变，并且将移送速度v决定为聚光点之间距离S乘以激光脉冲频率f的值(v＝S*f)。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，还包括多个单位激光光源。

3.如权利要求2所述的激光加工装置，其中该控制设备控制各单位激光光源交互地产生激光。

4.如权利要求3所述的激光加工装置，其中该光学设备包括调整在切割预定线上的激光聚光点高度的光学组件。

5.如权利要求2-4之一所述的激光加工装置，还包括将各单位激光光源发出的激光结合成一条途径的光路结合单元。

6.如权利要求5所述的激光加工装置，其中该光路结合单元包括改变光路的镜子及对特定方向具有反射性和透过性的偏振分束器。

7.如权利要求5所述的激光加工装置，其中该光路结合单元进一步包括对偏振分束器的激光的偏光进行控制的半波长片。