CN220838465U - 基于双空间光调制器的激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于双空间光调制器的激光切割装置，激光器的输出光路上依次设有扩束镜、功率衰减模组以及用于加载多焦点相位图的空间光调制器一和用于加载像差校正相位图的空间光调制器二，空间光调制器一与空间光调制器二之间的光路上依次设有第一凸透镜、第一反射镜以及第二凸透镜，空间光调制器二的输出光路上依次设有第三凸透镜、第二反射镜、第四凸透镜以及第三反射镜，第三反射镜的反射光路上设有加工物镜。激光光束通过空间光调制器进行相位调制，聚焦于硅晶圆内生成多个焦点，进行像差校正，控制空间光调制器所加载的相位图，生成多个轴向焦点；空间光调制器的光斑整形技术，对隐切过程中折射率失配造成的球差现象进行矫正。

Description

基于双空间光调制器的激光切割装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于双空间光调制器的激光切割装置。

背景技术

半导体行业，半导体材料占据主导地位，被广泛应用于MEMS器件、内存条、CPU以及功率器件等产品。晶粒尺寸越来越小，厚度越来越薄，传统的刀轮切割设备由于崩边太大而难以满足高质量要求。激光隐形切割技术作为一种非接触式的加工工艺，将激光能量聚焦在材料内部形成改质层，进而产生热应力裂纹，通过控制裂纹扩展实现无表面划痕，无材料损耗，热影响区域小的高效切割。激光隐形切割技术具有加工速度快、材料利用率高、裂片质量好、一致性好以及自动化程度高等优点在硅晶圆等脆性半导体材料切割领域得到广泛的应用。

通用的激光隐形切割技术采取单焦点的聚焦方式，单个焦点的扫描产生改质层，对于厚度较大的半导体材料，激光隐形切割需要通过逐次提升焦点位置的多道扫描来完成，这样导致加工效率较低。如果能够在材料内部同时聚焦生成多个可控焦点进行切割，便可以成倍提高切割效率。

在激光隐形切割过程中，当汇聚的激光光束通过折射率不同的空气介质和材料之间的界面时，由于折射率失配，会引起一种很强的球差现象。球差现象导致了显著的焦点偏移、焦斑的拉伸和畸变，并且随着加工深度的增加，球差现象会更加显著。这些现象对加工一致性产生不利的影响，像差校正在激光隐切过程中变得越发重要。

空间光调制器作为新型可编程的光学器件可以对激光光束的振幅、相位以及偏振等光学参数进行调控，配合所需的光路设计即可以在材料加工区域得到任意的光场强度分布。

专利号为201710721276.2的中国专利公开了一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统及切割方法，作为一种晶圆内部多焦点激光切割方法，主要是通过衍射光学元件形成多个焦点，衍射光学元件的加工定型与焦点数量和间距密切相关，如果需要改变焦点数量和间距，则需要重新定制衍射光学元件并且进行光路调整，使得操作不方便。

因此，需要研发一种提高半导体材料内部切割效率和一致性的激光加工装备。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于双空间光调制器的激光切割装置，旨在提高切割效率和一致性。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

基于双空间光调制器的激光切割装置，特点是：激光器的输出光路上依次设有扩束镜、功率衰减模组以及用于加载多焦点相位图的空间光调制器一和用于加载像差校正相位图的空间光调制器二，空间光调制器一与空间光调制器二之间的光路上依次设有第一凸透镜、第一反射镜以及第二凸透镜，空间光调制器二的输出光路上依次设有第三凸透镜、第二反射镜、第四凸透镜以及第三反射镜，第三反射镜的反射光路上设有加工物镜。

进一步地，上述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其中，所述激光器是脉冲宽度为纳秒、皮秒或飞秒的近红外激光器、绿色激光器或者紫外激光器。

进一步地，上述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其中，所述激光器为波长1064nm或1080nm的近红外激光器，或者为波长532nm或515nm的绿色激光器，或者为波长355nm或343nm的紫外激光器。

进一步地，上述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其中，所述激光器为发射激光频率在10～100KHz之间连续可调、平均功率为0～10W可调、重复频率为10～100KHz的激光器。

进一步地，上述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其中，所述空间光调制器一和空间光调制器二是波长300nm～1100nm、像素高于30万的空间光调制器。

进一步地，上述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其中，第一凸透镜的焦距与第二凸透镜的焦距相同。

本实用新型与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本实用新型通过空间光调制器加载轴向多焦点相位图和像差校正相位图，在半导体材料内部生成多个焦点并进行像差校正，焦点数量和间距通过加载不同相位图进行控制，像差校正通过像差校正相位图进行控制；

②通过空间光调制器加载轴向多焦点相位图和像差校正相位图，在半导体材料内部生成多个焦点并进行像差校正，焦点数量和间距通过加载不同相位图进行控制，像差校正通过像差校正相位图进行控制；利用空间光调制器产生可控的轴向多焦点用于半导体材料的隐形切割，大幅度提高半导体材料隐切效率，推广到硅晶圆、砷化镓、磷化铟、氮化镓等脆性半导体材料以及玻璃材料的精密加工；

③通过空间光调制器的光斑整形技术，对半导体材料隐切过程中因折射率失配造成的球差现象进行矫正，利于提高半导体材料隐切的一致性和加工品质；

④针对较厚半导体材料(>300μm)，传统隐切方法需要5～6次切割，加工速度在300mm/s左右，而本实用新型切割次数在1～2次，加工速度>500mm/s；

⑤通过空间光调制器加载多焦点相位图，激光光束经加工物镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，其中焦点数量和间距可通过不同的相位图进行调整；通过空间光调制器加载不同深度下的像差校正相位图用来校正因折射率失配导致的不同加工深度下的焦斑拉伸、聚焦不良等现象，提高加工一致性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型具体实施方式了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1：本实用新型装置的光路结构示意图；

图2：像差校正示意图；

图3：双焦点隐切示意图；

图4：硅晶圆双焦点隐切以及像差校正效果图；

图5：三焦点隐切示意图；

图6：硅晶圆三焦点隐切以及像差校正效果图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，基于双空间光调制器的激光切割装置，激光器1的输出光路上依次设有扩束镜2、功率衰减模组3以及用于加载多焦点相位图的空间光调制器一4和用于加载像差校正相位图的空间光调制器二8，空间光调制器一4与空间光调制器二8之间的光路上依次设有第一凸透镜5、第一反射镜6以及第二凸透镜7，空间光调制器二8的输出光路上依次设有第三凸透镜9、第二反射镜10、第四凸透镜11以及第三反射镜12，第三反射镜12的反射光路上设有加工物镜13。

其中，激光器1发射激光波长为近红外激光、绿色激光或者紫外激光，发射激光脉冲宽度为纳秒、皮秒或者飞秒。优选，发射激光波长为1064nm或者1080nm，或绿色激光波长为532nm或者515nm，或紫外激光波长为355nm或者343nm。发射激光频率在10～100KHz之间连续可调，平均功率为0～10W可调，重复频率为10～100KHz的激光器。

空间光调制器一4和空间光调制器二8是波长300nm～1100nm、像素高于30万的空间光调制器。

第一凸透镜5的焦距与第二凸透镜7的焦距相同。

用于切割加工时，激光器1输出的激光经过扩束镜2将光斑放大并准直，尽可能覆盖空间光调制器的有效窗口，功率衰减模组3调节激光功率，使入射至空间光调制器一4的激光功率密度低于其阈值，防止其损坏，空间光调制器一4加载多焦点相位图，并反射传输激光，第一反射镜6改变光路传输方向，第一凸透镜5和第二凸透镜7构成4f系统，将像传递至空间光调制器二8，空间光调制器二8加载像差校正相位图，第二反射镜10和第三反射镜12改变光路传输方向，第三凸透镜9和第四凸透镜11构成4f系统，对激光光斑进行缩束和像传递，使激光光束完全通过加工物镜13的口径，加工物镜13输出的激光在被加工材料14内部沿光束传播方向产生多个轴向焦点并进行像差校正，实现被加工材料切割。

通过空间光调制器一4加载轴向多焦点相位图以及空间光调制器二8加载像差校正相位图，在半导体材料内部生成多个焦点并进行像差校正，焦点数量和间距通过加载不同相位图进行控制，像差校正通过像差校正相位图进行控制。

通过空间光调制器加载多焦点相位图，激光光束经加工物镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，其中焦点数量和间距通过不同的相位图进行调整；通过空间光调制器加载不同深度下的像差校正相位图用来校正因折射率失配导致的不同加工深度下的焦斑拉伸、聚焦不良的现象，提高加工一致性。

如图2所示，在激光隐形切割过程中，当汇聚的激光光束通过折射率不同的空气介质和材料之间的界面时，由于折射率失配，会引起一种很强的球差现象。球差现象导致了显著的焦点偏移、焦斑的拉伸和畸变，并且随着加工深度的增加，球差现象会更加显著。针对折射率失配引起球差的补偿校正，本实用新型将像差校正相位图加载到空间光调制器上实现对入射光的相位光场调制以实现对球差的补偿。

通过对聚焦到待加工材料内部的激光焦点进行相位调制，球差补偿具体公式：

其中，λ为激光波长，ρ为激光出射的归一化瞳孔半径，d_nom为待加工材料内部的任意深度，n₁＝1为空气折射率，n₂为待加工材料折射率，NA为飞秒激光出射物镜的数值孔径，φ为球差校正相位；代入各参数，计算出像差校正相位图，其分辨率为1920×1080，位深为8。

如图3所示双焦点隐切，光束通过空间光调制器进行相位调制，并通过4f系统后到达加工物镜聚焦在硅晶圆内部生成两个焦点，并且进行像差校正，通过控制空间光调制器所加载的相位图，可生成两个轴向焦点。焦点间距可通过相位图进行调整。如图4所示硅晶圆双焦点隐切以及像差校正效果图。

如图5所示三焦点隐切，光束通过空间光调制器进行相位调制，并通过4f系统后到达加工物镜聚焦在硅晶圆内部生成三个焦点，通过控制空间光调制器所加载的相位图，可生成三个轴向焦点。焦点间距可通过相位图进行调整。如图6所示硅晶圆隐切三焦点以及像差校正效果图。

一方面，激光光束通过空间光调制器进行相位调制，并通过4f系统后到达加工物镜聚焦在硅晶圆内部生成多个焦点，并且进行像差校正，通过控制空间光调制器所加载的相位图，生成多个轴向焦点；焦点间距可通过相位图进行调整。另一方面，通过空间光调制器的光斑整形技术，对硅晶圆隐切过程中由于折射率失配造成的球差现象进行矫正，利于提高硅晶圆隐切的一致性和加工品质。

综上所述，本实用新型通过空间光调制器加载轴向多焦点相位图和像差校正相位图，在半导体材料内部生成多个焦点并进行像差校正，焦点数量和间距通过加载不同相位图进行控制，像差校正通过像差校正相位图进行控制；

利用空间光调制器产生可控的轴向多焦点用于半导体材料的隐形切割，大幅度提高半导体材料隐切效率，推广到硅晶圆、砷化镓、磷化铟、氮化镓等脆性半导体材料以及玻璃材料的精密加工；

通过空间光调制器的光斑整形技术，对半导体材料隐切过程中因折射率失配造成的球差现象进行矫正，利于提高半导体材料隐切的一致性和加工品质；

针对较厚半导体材料(>300μm)，传统隐切方法需要5～6次切割，加工速度在300mm/s左右，而本实用新型切割次数在1～2次，加工速度>500mm/s；

通过空间光调制器加载多焦点相位图，激光光束经加工物镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，其中焦点数量和间距可通过不同的相位图进行调整；

通过空间光调制器加载不同深度下的像差校正相位图用来校正因折射率失配导致的不同加工深度下的焦斑拉伸、聚焦不良等现象，提高加工一致性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (6)

1.基于双空间光调制器的激光切割装置，其特征在于：激光器(1)的输出光路上依次设有扩束镜(2)、功率衰减模组(3)以及用于加载多焦点相位图的空间光调制器一(4)和用于加载像差校正相位图的空间光调制器二(8)，空间光调制器一(4)与空间光调制器二(8)之间的光路上依次设有第一凸透镜(5)、第一反射镜(6)以及第二凸透镜(7)，空间光调制器二(8)的输出光路上依次设有第三凸透镜(9)、第二反射镜(10)、第四凸透镜(11)以及第三反射镜(12)，第三反射镜(12)的反射光路上设有加工物镜(13)。

2.根据权利要求1所述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其特征在于：所述激光器(1)是脉冲宽度为纳秒、皮秒或飞秒的近红外激光器、绿色激光器或者紫外激光器。

3.根据权利要求1或2所述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其特征在于：所述激光器(1)为波长1064nm或1080nm的近红外激光器，或者为波长532nm或515nm的绿色激光器，或者为波长355nm或343nm的紫外激光器。

4.根据权利要求1或2所述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其特征在于：所述激光器(1)为发射激光频率在10～100KHz之间连续可调、平均功率为0～10W可调、重复频率为10～100KHz的激光器。

5.根据权利要求1所述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其特征在于：所述空间光调制器一(4)和空间光调制器二(8)是波长300nm～1100nm、像素高于30万的空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的基于双空间光调制器的激光切割装置，其特征在于：第一凸透镜(5)的焦距与第二凸透镜(7)的焦距相同。