專利名稱：硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紫外高頻率超短脈激光切割硅-玻璃鍵合片的裝備和方法，屬于激光微加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，切割硅-玻璃鍵合片的方法主要是金剛石砂輪切割。金剛石切割可以對玻璃、硅等材料進行切割。但使用金剛石砂輪進行加工時，需要噴灑切割液，對高純度的硅表面污染較為嚴重；金剛石砂輪與鍵合片直接接觸，應力易造成周邊核心電功能器件的損壞； 砂輪也容易堵塞，需要頻繁更換砂輪和切割液，費用較大；切割時鍵合片碎裂率較高。激光切割技術(shù)的定義以激光束為熱源，采用熱去除方法進行材料分離，從而形成切割道的材料加工方法。激光束被聚焦在材料表面，使得材料表面溫度急劇升高而達到材料的蒸發(fā)氣化狀態(tài)，從而實現(xiàn)材料的去除，包含了材料對光束能量的吸收和材料中的熱傳導過程。在這個過程中，材料被加熱發(fā)生急劇氣化的過程，主要取決于激光與材料作用時間和激光光束強度。由于半導體精密器件在自動化、國防、航空航天技術(shù)等工業(yè)上的持續(xù)增長需求，對硅-玻璃鍵合片的切割有較高精度和較高效率的加工要求，傳統(tǒng)的加工方法無法完全實現(xiàn)，因此，特別需要一種突破傳統(tǒng)的切割技術(shù)和裝置，而激光作為現(xiàn)代工業(yè)中先進的加工手段，越發(fā)受到各個行業(yè)的重視，通過激光實現(xiàn)硅-玻璃鍵合片的可行性和實用性也得到越來越多的驗證，但是目前還沒有一種能高效率切割硅-玻璃鍵合片的切割裝備和工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種紫外高頻率超短脈激光切割硅-玻璃鍵合片的裝置及其方法，旨在克服傳統(tǒng)切割中存在的加工效率低、易產(chǎn)生污染和易損壞器件等缺陷，運用紫外高頻超短脈沖激光對硅-玻璃鍵合片進行切割。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置，特點是紫外高頻率超短脈沖激光器的輸出端布置有光間，光間的輸出端設(shè)置有擴束鏡，擴束鏡的輸出端布置有孔徑光闌，孔徑光闌的輸出端布置有一對45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端布置有偏轉(zhuǎn)鏡頭，偏轉(zhuǎn)鏡頭的輸出端布置有45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端布置聚焦鏡，聚焦鏡正對于三維移動平臺，聚焦鏡的下方安裝有CCD照明燈，所述三維移動平臺的上方布置有同軸CCD對位觀察系統(tǒng)，所述工作平臺上還安裝有同軸吸氣系統(tǒng)。進一步地，上述的硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置，其中，所述紫外高頻率超短脈沖激光器(1)是波長為小于355nm的紫外或者深紫外激光、脈寬在IOps 100ns、頻率在 IOKHz IOMHz的激光器。本發(fā)明加工硅-玻璃鍵合片的方法，加工前激光焦點聚焦于三維移動平臺上加工工件的上表面，紫外高頻率超短脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)光間控制開關(guān)光，光間控制激光光束后經(jīng)過擴束鏡對光束進行同軸擴束，改善光束傳播的發(fā)散角使光路準直，擴束后的光束經(jīng)過孔徑光闌擋去邊緣質(zhì)量較差的光后再經(jīng)45度全反射鏡后光路垂直改向，光束再經(jīng)偏轉(zhuǎn)鏡頭形成以螺旋光圈，通過改變偏轉(zhuǎn)鏡片的偏轉(zhuǎn)角度控制光圈的半徑大小，光束經(jīng)聚焦鏡聚焦在加工工件的上表面；切割圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，三維移動平臺移動，形成切割道；同軸CCD對位觀察系統(tǒng)在加工開始前對加工工件進行精確定位，并抓取加工工件上的定位標志，計算補償值，使切割圖形和實際切割道精確匹配，加工過程中實時觀察加工進程，切割產(chǎn)生的殘渣由同軸吸氣系統(tǒng)吸出收集。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在
采用紫外高頻超短脈沖激光對硅-玻璃鍵合片進行切割，紫外高頻超短脈沖激光切割加工范圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料；還易于加工復雜型面、微細表面以及柔性零件；聚焦光斑小，易獲得良好的切割截面質(zhì)量，切割碎屑污染、熱應力、殘余應力、冷作硬化、熱影響區(qū)等均比較??；各種材料對紫外的吸收率都較高，可以加工各種透明及對可見光和紅外反射率較高的材料；加工方法易復合形成新工藝，便于推廣應用。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步說明 圖1 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明紫外激光加工硅-玻璃鍵合片的設(shè)備和方法，采用紫外高頻率超短脈激光器，加工的材料為硅-玻璃、玻璃-硅-玻璃等鍵合材料，激光聚焦在玻璃上表面并隨著切割道的加深而相應下降，玻璃和硅材料吸收激光脈沖并分離，從而達到切割的效果。如圖1所示，硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置，所述紫外高頻率超短脈沖激光器是波長為小于355nm的紫外或者深紫外激光、脈寬在IOps 100ns、頻率在IOKHz IOMHz的激光器，紫外高頻率超短脈沖激光器1的輸出端布置有光間2，光間2的輸出端設(shè)置有擴束鏡3，擴束鏡3的輸出端布置有孔徑光闌4，孔徑光闌4的輸出端布置有一對45度全反射鏡 5,45度全反射鏡5的輸出端布置有偏轉(zhuǎn)鏡頭6，偏轉(zhuǎn)鏡頭6由旋轉(zhuǎn)電機7驅(qū)動，偏轉(zhuǎn)鏡頭6 的輸出端布置有45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端布置聚焦鏡9，聚焦鏡9正對于三維移動平臺13，聚焦鏡9的下方安裝有CCD照明燈11，三維移動平臺13的上方布置有同軸 CXD對位觀察系統(tǒng)8，工作平臺9上還安裝有同軸吸氣系統(tǒng)10。上述裝置用于加工硅-玻璃鍵合片時，加工前激光焦點聚焦于三維移動平臺13上加工工件12的上表面，紫外高頻率超短脈沖激光器1發(fā)出的激光經(jīng)光間2控制開關(guān)光，光閘2控制激光開光后經(jīng)過擴束鏡3對光束進行同軸擴束，一方面改善光束傳播的發(fā)散角，達到光路準直的目的；另外一方面，可以控制激光最終聚焦光斑的大小，使得到理想的光斑大小，從而實現(xiàn)激光穩(wěn)定切割的目的，擴束后的光束經(jīng)過孔徑光闌4擋去邊緣質(zhì)量較差的光后再經(jīng)45度全反射鏡5后光路垂直改向，光束再經(jīng)偏轉(zhuǎn)鏡頭6形成以螺旋光圈，通過改變偏轉(zhuǎn)鏡片6的偏轉(zhuǎn)角度控制光圈的半徑大小，光束經(jīng)聚焦鏡9聚焦在加工工件12的上表面；切割圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，三維移動平臺13移動，形成切割道；同軸CCD對位觀察系統(tǒng) 8在加工開始前對加工工件12進行精確定位，并利用抓靶程序抓取加工工件12上的定位標志，計算補償值，使切割圖形和實際切割道精確匹配，加工過程中實時觀察加工進程和效果，同軸吸氣系統(tǒng)10工作，將切割殘渣吸出，將殘渣對硅表面的影響降到最低。由于激光加工過程中，切割道處會產(chǎn)生熱量，而這些熱量也足以使原本牢固的鍵合點發(fā)生分離，影響硅-玻璃鍵合片的質(zhì)量。為了消除這些影響，因此需要適合激光加工的鍵合方式。由于激光加工的熱影響區(qū)域主要集中在其下方，所以需要避開這些敏感區(qū)域，使切割道下方的區(qū)域隔空，并將鍵合點的位置偏離切割道邊緣200um。同樣合適的治具也對加工效果有一定的影響，切割道下方開槽區(qū)域深度為5mm，這樣使切割道下方的硅不會受熱后粘結(jié)在治具上。利用偏轉(zhuǎn)鏡片的光路聚焦系統(tǒng)，對硅-玻璃鍵合片進行高效穩(wěn)定的切割。超短脈沖激光短于絕大多數(shù)化學和物理反應，比如機械和熱力學的特征時間等，峰值功率極高，由于超短激光脈沖與物質(zhì)相互中獨特的多光子吸收過程，其加工精度可以突破相干極限的瓶頸，從而使納米加工和相應微/納電子、微/納光學的成為可能。超快激光脈沖序列可以控制電離過程、選擇性地電離原子、控制分子中基態(tài)轉(zhuǎn)動等。紫外高頻率超短脈激光器發(fā)出的光束進行光學聚焦，使其光學聚焦焦點在被加工的玻璃材料上表面上，實現(xiàn)最優(yōu)化的高效運用激光器的能量；通過螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片控制一次切割的切割道寬度，最終調(diào)制出合適的切割道寬度，提高切割效率；通過控制系統(tǒng)，精確定位要切割的切割道，控制焦點隨著切割深度的增加而相應下降，并依次進行硅-玻璃鍵合片上各條切割道的切割，最終完成整個鍵合片上切割道的切割工藝；加工過程中同軸吸氣系統(tǒng)吸氣，將表面的切割碎屑及時去除，保證硅表面的高純度。切割硅-玻璃鍵合片時，在激光劃線切割道前，將壓縮氣體沿著切割道吹下，將硅-玻璃鍵合片上的雜質(zhì)吹走，以提高激光切割硅-玻璃鍵合片的工藝重復性和穩(wěn)定性。其切割材料為玻璃或類似玻璃的易脆、 硬質(zhì)材料，雙面強化玻璃和單面強化玻璃也可以通過本專利方法實現(xiàn)切割。切割激光源為紫外激光高重復頻率超短脈沖的納秒激光器、皮秒激光器或者飛秒激光器。綜上所述，本發(fā)明紫外高頻超短脈沖激光切割加工范圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料；還易于加工復雜型面、微細表面以及柔性零件；聚焦光斑小，易獲得良好的切割截面質(zhì)量，切割碎屑污染、熱應力、殘余應力、冷作硬化、熱影響區(qū)等均比較??；加工方法易復合形成新工藝，便于推廣應用；各種材料對紫外的吸收率都較高，可以加工各種透明及對可見光和紅外反射率較高的材料。需要理解到的是以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置，其特征在于紫外高頻率超短脈沖激光器(1)的輸出端布置有光閘(2)，光閘(2)的輸出端設(shè)置有擴束鏡(3)，擴束鏡(3)的輸出端布置有孔徑光闌(4)，孔徑光闌(4)的輸出端布置有一對45度全反射鏡(5)，45度全反射鏡(5)的輸出端布置有偏轉(zhuǎn)鏡頭(6)，偏轉(zhuǎn)鏡頭(6)的輸出端布置有45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端布置聚焦鏡(9)，聚焦鏡(9)正對于三維移動平臺(13)，聚焦鏡(9)的下方安裝有C⑶照明燈(11)，所述三維移動平臺(13)的上方布置有同軸CXD對位觀察系統(tǒng)(8)，所述工作平臺 (9)上還安裝有同軸吸氣系統(tǒng)(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置，其特征在于所述紫外高頻率超短脈沖激光器(1)是波長為小于355nm的紫外或者深紫外激光、脈寬在IOps 100ns、頻率在IOKHz IOMHz的激光器。
3.利用權(quán)利要求1所述裝置加工硅-玻璃鍵合片的方法，其特征在于加工前激光焦點聚焦于三維移動平臺(13)上加工工件(12)的上表面，紫外高頻率超短脈沖激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)光間(2)控制開關(guān)光，光間(2)控制激光光束后經(jīng)過擴束鏡(3)對光束進行同軸擴束，改善光束傳播的發(fā)散角使光路準直，擴束后的光束經(jīng)過孔徑光闌(4)擋去邊緣質(zhì)量較差的光后再經(jīng)45度全反射鏡(5)后光路垂直改向，光束再經(jīng)偏轉(zhuǎn)鏡頭(6)形成以螺旋光圈，通過改變偏轉(zhuǎn)鏡片(6 )的偏轉(zhuǎn)角度控制光圈的半徑大小，光束經(jīng)聚焦鏡(9 )聚焦在加工工件(12)的上表面；切割圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，三維移動平臺(13)移動，形成切割道；同軸 CXD對位觀察系統(tǒng)(8)在加工開始前對加工工件(12)進行精確定位，并抓取加工工件(12) 上的定位標志，計算補償值，使切割圖形和實際切割道精確匹配，加工過程中實時觀察加工進程，切割產(chǎn)生的殘渣由同軸吸氣系統(tǒng)(10)吸出收集。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅-玻璃鍵合片的激光加工裝置及方法，紫外高頻率超短脈沖激光器的輸出端布置有光閘、擴束鏡和孔徑光闌，孔徑光闌的輸出端布置有一對45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端布置有偏轉(zhuǎn)鏡頭，偏轉(zhuǎn)鏡頭的輸出端布置有45度全反射鏡，45度全反射鏡的輸出端布置聚焦鏡，聚焦鏡正對于三維移動平臺，聚焦鏡的下方安裝有CCD照明燈，三維移動平臺的上方布置有同軸CCD對位觀察系統(tǒng)。紫外高頻率超短脈激光器發(fā)出的光束經(jīng)光學聚焦焦點在被加工的玻璃材料上表面上，螺旋偏轉(zhuǎn)鏡片控制一次切割的切割道寬度，調(diào)制出合適的切割道寬度，精確定位切割的切割道，控制焦點隨著切割深度的增加而相應下降，依次進行硅-玻璃鍵合片上各條切割道的切割。
文檔編號B23K26/40GK102310285SQ20111021181
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者吳曉東, 狄建科, 益凱劼, 趙裕興 申請人:蘇州德龍激光有限公司