CN209148979U - 激光切割设备及其激光光束整形装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种激光切割设备及其激光光束整形装置。激光光束整形装置包括：正透镜，用于将光束聚焦整形为椭圆形光斑；负透镜，用于将所述椭圆形光斑扩散；DOE衍射光学元件，位于所述负透镜远离所述正透镜的一侧，且用于将穿过所述负透镜的椭圆形光斑转换为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑；聚焦镜，位于所述DOE衍射光学元件远离所述负透镜的一侧，且用于将所述至少两个椭圆形光斑聚焦。这种激光光束整形装置的激光切割深度更大，切割效果更好。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光加工的技术领域，特别是涉及激光切割设备及其激光光束整形装置。
背景技术
目前，硅晶圆切割一般采用两种方法：一种是传统的机械切割；另一种是激光无接触切割。机械切割会存在机械变形、应力集中释放以及道具磨损等问题，因此，激光切割应用的更加广泛。
在激光切割硅晶圆片的技术领域中，通常采用的是高斯光束，切割硅晶圆片时会产生大量的回融物质，且这些回融物质会附着于切割后的硅晶圆片内壁上，严重影响了硅晶圆片的扩膜分离，造成切割的质量不佳。
实用新型内容
基于此，有必要针对现有技术中激光切割硅晶圆片质量不佳的问题，提供一种激光切割深度更大，切割效果更好的激光光束整形装置，以及具有该激光光束整形装置的激光切割设备。
一种激光光束整形装置，包括：
正透镜，用于将光束聚焦整形为椭圆形光斑；
负透镜，用于将所述椭圆形光斑扩散；
DOE衍射光学元件，位于所述负透镜远离所述正透镜的一侧，且用于将穿过所述负透镜的椭圆形光斑转换为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑；及
聚焦镜，位于所述DOE衍射光学元件远离所述负透镜的一侧，且用于将所述至少两个椭圆形光斑聚焦。
上述激光光束整形装置，通过利用正透镜和负透镜的镜片组合，并结合DOE衍射光学元件对光斑的整形效果，可以实现将高斯光斑转换为至少两个椭圆形光斑，且两个椭圆形光斑有部分重叠或全部重叠，使得重叠部分的光斑对硅晶圆的切割深度更大。在保证激光切缝宽度较小的前提下，增大激光光斑的重叠面，使得激光切割更加彻底，改善切割过程中容易产生回融物质的现象，最终达到切深大、效率高以及质量好的切割效果。
在其中一个实施例中，所述DOE衍射光学元件转换出三个椭圆形光斑，三个所述椭圆形光斑沿所述DOE衍射光学元件的光轴间隔分布。可以使得椭圆形光斑的重叠率更高，并且，激光的叠加效果更好，能有效提升切割深度，以及改善回融物质的产生。
在其中一个实施例中，所述正透镜、所述负透镜和所述DOE衍射光学元件表面上设有增透膜，所述增透膜的波长为0.2μm～10.6μm。通过设置增透膜能减少反射光的强度，从而增加正透镜、负透镜和DOE衍射光学元件透射光的强度，使得光学系统成像更加清晰。
在其中一个实施例中，所述正透镜为凸面柱透镜，所述负透镜为凹面柱透镜。凸面柱透镜对光束的聚集效果更好，凹面柱透镜对光束的扩散效果更好。
在其中一个实施例中，所述凸面柱透镜底面的长度尺寸为20mm～35mm，宽度尺寸为20mm～30mm，所述凸面柱透镜的边缘厚度尺寸为3mm～4mm，中间厚度尺寸为4.5mm～6.5mm。
在其中一个实施例中，所述凹面柱透镜底面的长度尺寸为20mm～35mm，宽度尺寸为20mm～30mm，所述凹面柱透镜的边缘厚度尺寸为6mm～8mm，中间厚度尺寸为4.5mm～5.5mm。
在其中一个实施例中，所述正透镜沿光轴的焦距为f1，所述负透镜沿光轴的焦距为f2，且满足：-1.5<f1/f2<-3.5。
在其中一个实施例中，还包括镜筒和滑轨，所述镜筒内部中空且两端均设有与内部连通的开口，两个所述开口相对设置，所述滑轨设于所述镜筒内，所述正透镜、所述负透镜和所述DOE衍射光学元件可滑动的设于所述滑轨上，所述聚焦镜设于所述镜筒内或所述开口外。便于调节椭圆形光斑的长宽比。
在其中一个实施例中，还包括螺旋测微器，所述螺旋测微器设于所述镜筒内，并用于测量所述正透镜、所述负透镜和所述DOE衍射光学元件的滑动距离。使得对椭圆形光斑的长宽尺寸调节更加精准。
本实用新型还提出了一种激光切割设备，包括：激光器；如上所述的激光光束整形装置，用于将所述激光器发出的激光整形为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑。由于该激光切割设备包括了上述激光光束整形装置，因此，至少具有上述所有的有益效果，此处不再赘述。该激光切割设备，可提升对硅晶圆的切割深度，并且能有效改善切割过程中产生回融物质的现象，激光切割效率高、质量好。
附图说明
图1为本实用新型激光光束整形装置一实施例的结构示意图；
图2为图1所示激光光束整形装置光束整形后对工件激光切割的示意图；
图3为图2所示激光切割工件时椭圆形光斑路径示意图；
图4为图2所示激光切割工件后的效果示意图；
图5为图1所示激光光束整形装置的激光光束整形实施例一的示意图；
图6为图5所示激光光束整形的椭圆形光斑效果示意图；
图7为图1所示激光光束整形装置的激光光束整形实施例二的示意图；
图8为图7所示激光光束整形的椭圆形光斑效果示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
10、激光光束整形装置；101、正透镜；102、负透镜；103、DOE衍射光学元件；104、聚焦镜；105、镜筒；106、开口；107、加工样品；108、椭圆形光斑。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
请参阅图1，在一实施例中，激光光束整形装置10包括：正透镜101、负透镜102、DOE衍射光学元件103以及聚焦镜104。正透镜101用于将光束聚焦整形为椭圆形光斑108。负透镜102用于将椭圆形光斑108扩散。DOE衍射光学元件103位于负透镜102远离正透镜101的一侧，且用于将穿过负透镜102的椭圆形光斑108转换为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑108。聚焦镜104位于DOE衍射光学元件103远离负透镜102的一侧，并用于将至少两个椭圆形光斑108聚焦。
通过利用正透镜101和负透镜102的镜片组合，并结合DOE衍射光学元件103对光斑的整形效果，可以实现将高斯光斑转换为至少两个椭圆形光斑108，且两个椭圆形光斑108有部分重叠或全部重叠，使得重叠部分的光斑对硅晶圆的切割深度更大。在保证激光切缝宽度较小的前提下，增大激光光斑的重叠面，使得激光切割更加彻底，改善切割过程中容易产生回融物质的现象，最终达到切深大、效率高以及质量好的切割效果。
在一具体实施方式中，正透镜101为凸面柱透镜，负透镜102为凹面柱透镜，DOE衍射光学元件103呈圆柱状。具体实施例一中，凸面柱透镜的底面尺寸为20mm×20mm，凸面柱透镜的镜片边缘厚度尺寸为3mm，镜片中心厚度尺寸为5mm；凹面柱透镜的底面尺寸为20mm×20mm，凹面柱透镜的镜片边缘厚度尺寸为6.5mm，镜片中心厚度尺寸为5mm；DOE衍射光学元件103的厚度尺寸为3.5mm，底面直径为28mm。具体实施例二中，凸面柱透镜的底面尺寸为26mm×24mm，凸面柱透镜的镜片边缘厚度尺寸为3.6mm，镜片中心厚度尺寸为5.5mm；凹面柱透镜的底面尺寸为26mm×24mm，凹面柱透镜的镜片边缘厚度尺寸为7mm，镜片中心厚度尺寸为5.5mm；DOE衍射光学元件103的厚度尺寸为4.5mm，底面直径为34mm。具体实施例三中，凸面柱透镜的底面尺寸为32mm×30mm，凸面柱透镜的镜片边缘厚度尺寸为3.8mm，镜片中心厚度尺寸为6mm；凹面柱透镜的底面尺寸为32mm×30mm，凹面柱透镜的镜片边缘厚度尺寸为7.5mm，镜片中心厚度尺寸为5.5mm；DOE衍射光学元件103的厚度尺寸为5.6mm，底面直径为38mm。
在一实施例中，正透镜101、负透镜102和DOE衍射光学元件103表面上镀有增透膜，增透膜的波长为0.2μm～10.6μm。通过设置增透膜能减少反射光的强度，从而增加正透镜101、负透镜102和DOE衍射光学元件103透射光的强度，使得光学系统成像更加清晰。
为了使得椭圆形光斑108的重叠率更高，并且，激光的叠加效果更好，能有效提升切割深度，以及改善回融物质的产生，DOE衍射光学元件103可以转换出三个椭圆形光斑108，且三个椭圆形光斑108沿DOE衍射光学元件103的光轴间隔分布。
考虑到为使得正透镜101和负透镜102的镜片组合对光束整形成椭圆形光斑108的效果更好，正透镜101沿光轴的焦距为f1，负透镜102沿光轴的焦距为f2，且满足：-1.5<f1/f2<-3.5。具体实施例一中，f1＝200，f2＝-100，f1/f2＝-2；具体实施例二中，f1＝150，f2＝-60，f1/f2＝-2.5；具体实施例三中，f1＝100，f2＝-30，f1/f2＝-3.3。
请继续参阅图1，为了便于个镜片的设置以及间距的调节，还包括镜筒105和滑轨。镜筒105内部中空且两端均设有与内部连通的开口106，两个开口106位置相对设置。滑轨设于镜筒105内。正透镜101、负透镜102和DOE衍射光学元件103可滑动的设于滑轨上，聚焦镜104设于镜筒105内或开口106外。在具体实施方式中，滑轨包括两条开口槽相对的轨道，两条轨道沿镜筒105的长度方向设置，并且位置间隔，以使正透镜101、负透镜102和DOE衍射光学元件103能沿轨道的开口槽滑动并固定。
为了使得对椭圆形光斑108的长宽尺寸调节更加精准，在镜筒105内还设有螺旋测微器，螺旋测微器对应可以设于滑轨上，并可以测量正透镜101、负透镜102和DOE衍射光学元件103的滑动距离。
本实用新型还公开了一种激光切割设备，包括：激光器和如上所述的激光光束整形装置10。通过激光光束整形装置10可以将激光器发出的激光整形为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑108。由于该激光切割设备包括了上述激光光束整形装置10，因此，至少具有上述所有的有益效果，此处不再赘述。该激光切割设备，可提升对硅晶圆的切割深度，并且能有效改善切割过程中产生回融物质的现象，激光切割效率高、质量好。
在具体应用中，如图1和图2所示，激光器照射出的光束会通过一开口106，并垂直射入凸面柱透镜，且光束经凸面柱透镜整形为椭圆形光斑108。然后，该椭圆形光斑108会垂直射入凹面柱透镜，并被扩散。被扩散作用的椭圆形光斑108垂直射入DOE衍射光学元件103中，并通过DOE衍射光学元件103形成沿光轴方向的三个椭圆形光斑108。最后，三个椭圆形光斑108经聚焦镜104聚焦后，作用于加工样品107上，实现激光切割。
如图3所示，在加工时，加工样品107是固定在平台上的，加工样品107可以随平台在水平方向上来回移动，椭圆形光斑108会对加工样品107形成长条的扫描切割路径。在保证激光输出频率和平台运动速度一直的情况下，可以使得椭圆形光斑108扫描切割的重叠率显著增大，从而有效提高切割效率。并且椭圆形光斑108在扫描切割时，单位面积的能量密度会降低，激光扫描切割更加均匀，可以有效改善加工样品107的切割面上形成回融物质。同时，三个椭圆形光斑108可以是等间距、能量一致的椭圆形光斑，在保证三个椭圆形光斑108能量都达到加工样品107的材料损伤阈值的前提下，等同是三束激光同时进行切割作业，极大的增加了激光切割的深度和效率。如图4所示，通过激光光束整形装置10整形后的激光对晶圆片的激光切割效果更好，切割的深度更深，晶圆表面无飞溅、残渣堆积等现象，并且切割界面更加清晰，无回融现象。图4所示中，激光纵向切割的宽度可达到21μm，激光横向切割的宽度可达到20μm，切割精度非常高。
需要说明的是，在保持凸面柱透镜与聚焦镜104距离一定的情况下，椭圆形光斑108的长宽比与凸面柱透镜以及凹面柱透镜的距离有关。通过改变两个柱透镜之间的相对间距，可以实现对椭圆形光斑108长宽比的大范围调节。请参阅图5和图6，当凹面柱透镜与凸面柱透镜的距离较远时，椭圆形光斑108宽度尺寸会变小；请参阅图7和图8，当凹面柱透镜与凸面柱透镜的距离较近时，椭圆形光斑108宽度尺寸会变大。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光光束整形装置，其特征在于，包括：
正透镜，用于将光束聚焦整形为椭圆形光斑；
负透镜，用于将所述椭圆形光斑扩散；
DOE衍射光学元件，位于所述负透镜远离所述正透镜的一侧，且用于将穿过所述负透镜的椭圆形光斑转换为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑；及
聚焦镜，位于所述DOE衍射光学元件远离所述负透镜的一侧，且用于将所述至少两个椭圆形光斑聚焦。
2.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述DOE衍射光学元件转换出三个椭圆形光斑，三个所述椭圆形光斑沿所述DOE衍射光学元件的光轴间隔分布。
3.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述正透镜、所述负透镜和所述DOE衍射光学元件表面上设有增透膜，所述增透膜的波长为0.2μm～10.6μm。
4.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述正透镜为凸面柱透镜，所述负透镜为凹面柱透镜。
5.根据权利要求4所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述凸面柱透镜底面的长度尺寸为20mm～35mm，宽度尺寸为20mm～30mm，所述凸面柱透镜的边缘厚度尺寸为3mm～4mm，中间厚度尺寸为4.5mm～6.5mm。
6.根据权利要求4所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述凹面柱透镜底面的长度尺寸为20mm～35mm，宽度尺寸为20mm～30mm，所述凹面柱透镜的边缘厚度尺寸为6mm～8mm，中间厚度尺寸为4.5mm～5.5mm。
7.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述正透镜沿光轴的焦距为f1，所述负透镜沿光轴的焦距为f2，且满足：-1.5＜f1/f2＜-3.5。
8.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，还包括镜筒和滑轨，所述镜筒内部中空且两端均设有与内部连通的开口，两个所述开口相对设置，所述滑轨设于所述镜筒内，所述正透镜、所述负透镜和所述DOE衍射光学元件可滑动的设于所述滑轨上，所述聚焦镜设于所述镜筒内或所述开口外。
9.根据权利要求8所述的激光光束整形装置，其特征在于，还包括螺旋测微器，所述螺旋测微器设于所述镜筒内，并用于测量所述正透镜、所述负透镜和所述DOE衍射光学元件的滑动距离。
10.一种激光切割设备，其特征在于，包括：
激光器；
如权利要求1至9中任一项所述的激光光束整形装置，用于将所述激光器发出的激光整形为至少两个部分重叠或全部重叠的椭圆形光斑。
Priority Applications (1)
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| CN201821996738.8U CN209148979U (zh) | 2018-11-30 | 2018-11-30 | 激光切割设备及其激光光束整形装置 |
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| CN (1) | CN209148979U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114545641A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-05-27 | 中国航空制造技术研究院 | 一种用于激光束整形的四分透镜、激光束整形系统及方法 |
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2018
- 2018-11-30 CN CN201821996738.8U patent/CN209148979U/zh active Active
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| CN114545641A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-05-27 | 中国航空制造技术研究院 | 一种用于激光束整形的四分透镜、激光束整形系统及方法 |
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Legal Events
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