CN219074667U - 一种加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种加工设备，用于加工碳化硅板，包括基座、激光装置及及加工平台；激光装置设置于基座，其包括激光器、激光扩束器、第一反射镜、第二反射镜、及激光加工系统。加工平台具有用于承载碳化硅板的方形承载平面。通过第一反射镜、第二反射镜的二次反射作用，可以调整脉冲激光的三维路径；激光加工系统内置有贝塞尔光学模块，经过扩束后的脉冲激光经由贝塞尔光学模块整形后出射至加工平台，极大提高了激光聚焦后沿光轴防线的焦深，能够覆盖5毫米以上的材料厚度，在实现碳化硅板高精度切割的同时，避免了切割面倾斜的问题，满足了碳化硅板的工艺需求，并且切割损耗小，极大降低了加工成本。

Description

一种加工设备

技术领域

本实用新型涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种加工设备。

背景技术

随着材料科学的不断发展，各种人造超硬脆材料在各种领域中整逐步替代天然材料。碳化硅(SiC)由于其莫氏硬度为9.5级，仅次于金刚石，是炙手可热的第三代半导体材料，也是新兴的低价人造宝石材料。但由于其硬度非常高，化学性质非常稳定，因此传统的机械和化学刻蚀等加工方法加工碳化硅材料难度很大。

现有的SiC板加工的方法主要包括机械加工及激光加工方法，包括：游离砂浆加工、金刚石线锯加工和激光加工。传统的游离砂浆切割和金刚石线锯切割法的主要缺陷在于材料损耗大，加工时间长，不能加工异型。有很大的耗材成本和环境问题。激光加工效率高，没有耗材成本，没有环境污染问题，是极具潜力的碳化硅加工方法。

现有的技术中，通常采用点的方式来切割碳化硅材料，但是对于厚度超过毫米级别的碳化硅材料，采用此种方式来切割的表面会有一个倾斜角度，难以获得平整的表面，无法满足碳化硅产品的工艺需求，这是目前激光加工面临的最大难点。

实用新型内容

本实用新型提供一种加工设备，能够提高碳化硅板的切割表面的平整性。本实用新型提供一种加工设备，用于加工碳化硅板，包括基座、激光装置、及加工平台；所述激光装置设置于所述基座，其包括激光器、激光扩束器、第一反射镜、第二反射镜、及激光加工系统，所述激光加工系统内置有贝塞尔光学模块；其中，所述激光器发出的脉冲激光经过激光扩束器进行扩束，再依次经过所述第一反射镜、第二反射镜反射至所述激光加工系统，经过扩束后的脉冲激光经由所述贝塞尔光学模块整形后出射至所述加工平台；所述加工平台具有用于承载碳化硅板的方形承载平面碳化硅板。

其中，所述基座具有支撑座，所述激光器设置于所述支撑座上，所述激光器发出的脉冲激光平行于水平面，经过所述激光扩束器扩束、并经过所述第一反射镜反射后的脉冲激光平行于水平面；经过所述第二反射镜反射后的脉冲激光垂直于所述水平面、且沿所述激光加工系统的光轴进入所述激光加工系统。

其中，所述激光装置还包括第一光学调整架及第二光学调整架，所述第一反射镜安装于所述第一光学调整架，所述第一光学调整架用于调节所述第一反射镜的角度；所述第二反射镜安装于所述第二光学调整架，所述第二光学调整架用于调节所述第二反射镜的角度。

其中，所述激光装置还包括第一平移台及第二平移台，所述第一平移台连接在所述第一光学调整架与所述基座之间，用于带动所述第一反射镜沿第一方向进行直线调节，所述第一方向为所述激光扩束器的轴向；所述第二平移台连接在所述第二光学调整架与所述基座之间，用于带动所述第二反射镜沿第二方向进行直线调节，所述第二方向平行于所述水平面、且垂直于所述第一方向。

其中，所述激光装置还包括Z轴驱动机构；所述Z轴驱动机构设置于所述基座，与所述激光加工系统连接，用于带动所述激光加工系统平行于自身光轴移动。

其中，所述加工设备还包括移动装置，所述移动装置包括水平方向移动机构，所述水平方向移动机构连接于所述加工平台，用于控制所述加工平台在X轴及Y轴上移动。

其中，所述水平方向移动机构包括：X轴直线电机及Y轴直线电机，所述X轴直线电机用于驱动所述加工平台沿X轴移动，所述Y轴直线电机用于驱动所述加工平台沿Y轴移动。

其中，所述加工设备还包括机器视觉系统及控制系统，所述机器视觉系统位于所述移动装置的上方，用于获取碳化硅板的影像并发送至所述控制系统；所述控制系统电连接于所述移动装置，用于控制所述移动装置。

其中，所述加工平台为真空吸附平台，所述碳化硅板覆盖于所述真空吸附平台。

其中，所述激光器21发出脉冲激光，所述脉冲激光的重复频率为1MHz、单脉冲能量大于或等于60μJ的高单脉冲能量、脉宽小于或等于10ps。本实用新型提供的加工设备，通过第一反射镜、第二反射镜的二次反射作用，可以调整脉冲激光在三维方向上的路径，使其能沿激光加工系统的光轴进入到激光加工系统；激光加工系统内置有对脉冲激光进行整形的贝塞尔光学模块，经过扩束后的脉冲激光经由贝塞尔光学模块整形后出射至加工平台，贝塞尔光学模块整形后的脉冲激光，极大提高了激光聚焦后沿光轴防线的焦深，能够覆盖5毫米以上的板材厚度，在实现碳化硅板高精度切割的同时，避免了切割面倾斜的问题，满足了碳化硅板的工艺需求，并且切割损耗小，极大降低了加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅为本实用新型的部分实施例相应的附图。

图1是本实用新型优选实施例提供的加工设备的结构示意图；

图2是图1中加工设备的分解示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型术语中的“第一”“第二”等词仅作为描述目的，而不能理解为指示或暗示相对的重要性，以及不作为对先后顺序的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参见图1及图2，本实用新型优选实施例提供了一种加工设备，用于加工碳化硅板，包括基座1、激光装置2、加工平台30、及移动装置3。激光装置2设置于基座1，用于发出脉冲激光；加工平台30具有用于承载碳化硅板的方形承载平面碳化硅板。移动装置3用于驱动加工平台30在两个方向上移动，利用脉冲激光对待切割碳化硅板进行切割作业。

激光装置2包括激光器21、激光扩束器22、第一反射镜231、第二反射镜232、及激光加工系统20。其中，激光加工系统20内置有贝塞尔光学模块，激光器21发出的脉冲激光信号(后面简称脉冲激光)经过激光扩束器22进行扩束，再依次经过第一反射镜231、第二反射镜232反射至激光加工系统。通过第一反射镜231、第二反射镜232的二次反射作用，可以调整脉冲激光的三维路径，使其能沿激光加工系统20的光轴进入到激光加工系统。经过扩束后的脉冲激光经由贝塞尔光学模块整形后出射至加工平台30，贝塞尔光学模块对脉冲激光整形后，极大提高了激光聚焦后沿光轴防线的焦深(焦点的深度)，能够覆盖5毫米以上的板材厚度，在实现碳化硅板高精度切割的同时，避免了切割面倾斜的问题，满足了碳化硅板的工艺需求，并且切割损耗小，极大降低了加工成本。

激光器21为后续光学系统提供超快脉冲激光。作为优选，激光器21能够发出脉冲激光，该脉冲激光优选为：具有重复频率1MHz、单脉冲能量大于或等于60μJ的高单脉冲能量、脉宽小于或等于10ps窄脉宽的超快脉冲脉冲激光。

更具体地，本实施例中，激光器21为功率为70W的皮秒绿光激光器21，能够发出波长532nm，脉宽10ps的超快脉冲激光。激光器21产生的脉冲激光经过反射后、再通过贝塞尔光学系统对激光整形后对碳化硅板进行切割加工。激光器21采用高能皮秒绿光激光器，提高了加工效率，并且本切割设备仅设置彼此配合的第一反射镜231及第二反射镜232，没有飞行光路，这大大提高了设备光路的稳定性，提高产能，降低维护成本。

基座1具有支撑座10，激光器21设置于支撑座10，激光器21发出的脉冲激光平行于水平面，经过激光扩束器22扩束、并经过第一反射镜231反射后的脉冲激光平行于水平面；经过第二反射镜232反射后的脉冲激光垂直于水平面、且沿激光加工系统20的光轴进入激光加工系统20。在本实施例中，支撑座10的上表面垂直于Z轴，为了方便定位设置，更具体地，Z轴为竖直向，支撑座10即平行于水平面。

激光扩束器22用于将激光器21发出的脉冲激光扩束，并改善脉冲激光出射的发散角，使脉冲激光在传输方向上能够平行传输，较佳地，所述激光扩束器22为倍率可变扩束系统，其目的是根据产品的实际加工需求，为后续光学系统提供直径最优的脉冲激光。

激光扩束器22通过激光扩束器夹具221设置于基座1上，较佳地，激光扩束器夹具221为五维光学调整夹具，可以实现激光扩束器22的各种维度调节，提高光路精度。

经过激光扩束器22的脉冲激光，再经过第一反射镜231和第二反射镜232的垂直调节进入激光加工系统20。较佳地，脉冲激光在激光器至第二反射镜232的传输过程中尽可能以平行于基座1的上表面传输，便于整体设备的结构设计。

如图1所示，激光装置2还包括第一光学调整架251及第二光学调整架252。第一反射镜231安装于第一光学调整架251，第一光学调整架251用于调节第一反射镜231的角度，以使得第一反射镜231能够更加精准地将脉冲激光的光路在水平面上改变90°并沿平行于水平面射向第二反射镜232。第二反射镜232安装于第二光学调整架252，第二光学调整架252用于调节第二反射镜232的角度，以使得第二反射镜232能够更加精准地将脉冲激光的光路转变90°，即由水平向改变为竖直向，并射向激光加工系统。

如图2所示，激光装置还包括第一平移台261及第二平移台262。第一平移台261连接在第一光学调整架251与所述基座1之间，用于带动第一反射镜231沿第一方向进行直线调节，所述第一方向为所述激光扩束器的轴向。第二平移台262连接在第二光学调整架252与所述基座1之间，用于带动第二反射镜232沿第二方向进行直线调节，第二方向平行于所述水平面、且垂直于所述第一方向。

通过第一平移台261，能够带动第一反射镜231沿激光扩束器的轴向进行移动，通过第二平移台262，能够带动第二反射镜232沿光束传播方向进行移动，通过所述第一平移台261及第二平移台262配合来使其能够更加精准地对准激光加工系统的光轴中心。

本实施例中，第一光学调整架251和第二光学调整架252可以采用各类能够调整反射镜反射角度的夹具，第一平移台261和第二平移台262为各类能够实现直线移动调节的机构。

扩束后的脉冲激光经过第一反射镜231及第二反射镜232的垂直调节，以固定角度(与激光加工系统20的光轴重合)通过激光加工系统20内部的贝塞尔光学模块，利用贝塞尔光学原理，在垂直于移动装置3的方向上实现毫米以上的焦点深度。较佳地，可根据被加工产品实际厚度调整入射光斑直径，实现焦点深度的优化；提高加工效率。

本实施例中，激光装置2还包括Z轴驱动机构24；Z轴驱动机构24设置于基座1，与激光加工系统20连接，用于带动激光加工系统20沿自身光轴方向移动。通过Z轴驱动机构24可以带动激光加工系统20相对移动装置3靠近或远离移动，以达到更好的加工效果。Z轴驱动机构24可以选用移动精度小于1微米的精密电机，实现加激光加工系统20在Z轴的精密移动。

移动装置3位于激光加工系统20的激光出射处，用于驱动加工平台30相对激光加工系统移动。移动装置3包括水平方向移动机构31，水平方向移动机构31连接于加工平台30，用于带动加工平台30在X轴及Y轴上移动，X轴与Y轴为两个相互垂直的方向，且二者均垂直于Z轴，即激光加工系统20的光轴。在本实施例中，X轴与Y轴为水平面上两个相互垂直的方向。

加工平台30具有用于承载碳化硅板的方形承载平面，该方形承载平面即为加工平台30的上表面，其形状为方形，利于加工制备，其呈平面状，更加适合承载板状的碳化硅板。

作为优选，加工平台30为真空吸附平台，碳化硅板覆盖于真空吸附平台，可以将碳化硅板吸附在加工平台30之上，使得二者不会相对移动，保证碳化硅板移动的精准性。加工平台30为中空结构，其方形承载平面上设置有多个吸附孔，吸附孔连通至加工平台30的中空腔体，加工平台30可以连接真空装置，以在中空腔体内产生负压，通过吸附孔将碳化硅板吸附在方形承载平面上。

水平方向移动机构31包括X轴直线电机32及Y轴直线电机33，X轴直线电机32用于驱动加工平台30沿X轴移动，Y轴直线电机33用于驱动加工平台30沿Y轴移动。

更具体地，本实施例中，X轴直线电机32连接于加工平台30，以驱动加工平台30沿X轴移动，Y轴直线电机33连接于X轴直线电机32，以驱动X轴直线电机32以及加工平台30沿Y轴移动。此处，在其他实施例中，也可以是，Y轴直线电机33连接于加工平台30，以驱动加工平台30沿Y轴移动，X轴直线电机32连接于Y轴直线电机33，以驱动Y轴直线电机33以及加工平台30沿X轴移动。

作为优选，X轴直线电机32及Y轴直线电机33均为移动精度小于5微米的精密电机，实现加工平台30在X及Y轴的移动。

在本实施例，移动装置的水平方向移动机构31可以带动加工平台30及碳化硅板在水平面上两个相互垂直的方向移动，Z轴驱动机构带动激光加工系统在Z轴上移动，可以实现碳化硅板相对于激光加工系统的三维移动。激光加工系统只需要在一个方向上进行移动，可以减少激光加工系统的移动，从而提高激光加工系统运行的稳定性。此处，在其他实施例中，Z轴驱动机构也可以设置为移动装置的一部分，使得移动装置可以带动碳化硅板相对激光加工系统三维移动，而激光加工系统直接固定在基座上即可。

进一步，用于碳化硅板的加工设备还包括机器视觉系统(图中未示出)及控制系统(图中未示出)，机器视觉系统位于移动装置3的上方，用于获取碳化硅板的影像并发送至控制系统。控制系统电连接于移动装置3，用于控制移动装置3的动作。控制系统能够根据碳化硅板的影像控制移动装置3的动作，实现全自动识别对位，不需要人工干预，保证机器自动化水平。机器视觉系统可以固定在激光加工系统上，以便准确监视激光出射位置，当然，在其他实施例中，机器视觉系统也可以直接设置在基座上，与激光加工系统相邻设置，在本实用新型实施例中，该机器视觉系统可以是摄像机或者拍摄设备等，此处对此不作限制，优选地，该拍摄设备可以是CCD相机。

需要说明的是，本实用新型中的加工对象是碳化硅板，还可以是其他半导体结构，如碳化硅膜、碳化硅锭，或者其他，此处对此不作限制。

综上，虽然本实用新型已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本实用新型，本领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种加工设备，用于加工碳化硅板，其特征在于，包括基座、激光装置、及加工平台；所述激光装置设置于所述基座，其包括激光器、激光扩束器、第一反射镜、第二反射镜、及激光加工系统，所述激光加工系统内置有贝塞尔光学模块；其中，所述激光器发出的脉冲激光经过激光扩束器进行扩束，再依次经过所述第一反射镜、第二反射镜反射至所述激光加工系统，经过扩束后的脉冲激光经由所述贝塞尔光学模块整形后出射至所述加工平台；所述加工平台具有用于承载碳化硅板的方形承载平面。

2.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述基座具有支撑座，所述激光器设置于所述支撑座上，所述激光器发出的脉冲激光平行于水平面，经过所述激光扩束器扩束、并经过所述第一反射镜反射后的脉冲激光平行于水平面；经过所述第二反射镜反射后的脉冲激光垂直于所述水平面、且沿所述激光加工系统的光轴进入所述激光加工系统。

3.根据权利要求2所述的加工设备，其特征在于，所述激光装置还包括第一光学调整架及第二光学调整架，所述第一反射镜安装于所述第一光学调整架，所述第一光学调整架用于调节所述第一反射镜的角度；所述第二反射镜安装于所述第二光学调整架，所述第二光学调整架用于调节所述第二反射镜的角度。

4.根据权利要求3所述的加工设备，其特征在于，所述激光装置还包括第一平移台及第二平移台，所述第一平移台连接在所述第一光学调整架与所述基座之间，用于带动所述第一反射镜沿第一方向进行直线调节，所述第一方向为所述激光扩束器的轴向；所述第二平移台连接在所述第二光学调整架与所述基座之间，用于带动所述第二反射镜沿第二方向进行直线调节，所述第二方向平行于所述水平面、且垂直于所述第一方向。

5.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述激光装置还包括Z轴驱动机构；所述Z轴驱动机构设置于所述基座，与所述激光加工系统连接，用于带动所述激光加工系统平行于自身光轴移动。

6.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述加工设备还包括移动装置，所述移动装置包括水平方向移动机构，所述水平方向移动机构连接于所述加工平台，用于控制所述加工平台在X轴及Y轴上移动。

7.根据权利要求6所述的加工设备，其特征在于，所述水平方向移动机构包括：X轴直线电机及Y轴直线电机，所述X轴直线电机用于驱动所述加工平台沿X轴移动，所述Y轴直线电机用于驱动所述加工平台沿Y轴移动。

8.根据权利要求6所述的加工设备，其特征在于，所述加工设备还包括机器视觉系统及控制系统，所述机器视觉系统位于所述移动装置的上方，用于获取碳化硅板的影像并发送至所述控制系统；所述控制系统电连接于所述移动装置，用于控制所述移动装置。

9.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述加工平台为真空吸附平台，所述碳化硅板覆盖于所述真空吸附平台。

10.根据权利要求1所述的加工设备，其特征在于，所述激光器发出脉冲激光，所述脉冲激光的重复频率为1MHz、单脉冲能量大于或等于60μJ的高单脉冲能量、脉宽小于或等于10ps。

Images