本發(fā)明涉及一種砷化鎵芯片激光加工裝置及其方法，屬于激光加工。

背景技術(shù)：

1、砷化鎵(gaas)是鎵和砷兩種元素所合成的化合物，屬于第ⅲ族至第ⅴ族的化合物半導體材料，與傳統(tǒng)的硅半導體材料相比，具有電子遷移率高、禁帶寬度大、消耗功率低等特性，在民用和軍事領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。砷化鎵晶圓的脆性高，且材料的屈服強度和彈性極限接近，與硅材料晶圓相比，傳統(tǒng)的砂輪切割、金剛刀切割會給砷化鎵晶圓帶來嚴重的崩裂現(xiàn)象。由于材料硬度高，砂輪、金剛刀等刀具損耗快，使得其成本偏高，而且切割效率較低。

2、激光切割是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而呈現(xiàn)的一種新型切割技術(shù)，主要有激光表面燒蝕和隱形切割兩種方法，激光表面燒蝕是通過一定能量密度和波長的激光聚焦在芯片表面灼燒出劃痕，然后再用裂片機等方式沿劃痕裂開形成若干小的芯片。激光直接作用在砷化鎵材料表面，很容易產(chǎn)生一些有毒污染性的粉塵，因此，在砷化鎵晶圓的切割作業(yè)中，激光表面燒蝕切割應(yīng)用并不廣泛。

3、激光隱形切割方法是將激光束聚焦到材料內(nèi)部一定深度，材料在短時間內(nèi)吸收激光能量導致局部受熱升溫、熔化及氣化，最終在材料內(nèi)部形成改質(zhì)層，再通過裂片方式對其進行分離。激光隱形切割方法作為一種非接觸式加工，對砷化鎵晶圓切割具有效率高、損耗低等顯著優(yōu)勢。專利公開號為cn117483972a的中國專利公開了一種針對砷化鎵基芯片的激光切割方法，采用的是激光隱形切割方法，相較于傳統(tǒng)砂輪切割，一定程度上提高了切割效率和切割品質(zhì)。專利公開號為cn101165877a公開了一種砷化鎵晶片的激光加工方法，采用的是激光表面燒蝕切割，無法避免砷化鎵表面的崩裂和粉塵污染問題。

4、在激光隱形切割過程中，當匯聚的激光光束通過折射率不同的空氣介質(zhì)和材料之間的界面時，由于折射率失配，會引起一種很強的球差現(xiàn)象。球差現(xiàn)象導致了顯著的焦點偏移、焦斑的拉伸和畸變，并且隨著加工深度的增加，球差現(xiàn)象會更加顯著。這些現(xiàn)象對加工一致性產(chǎn)生不利的影響，像差校正在激光隱切過程中變得越發(fā)重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種砷化鎵芯片激光加工裝置及其方法，旨在提高砷化鎵芯片激光切割的效率和品質(zhì)。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、砷化鎵芯片激光加工裝置，特點是：激光器輸出端依次布置有擴束鏡和空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器的輸出端依次設(shè)置有第一透鏡、第一反射鏡和第二透鏡，第二透鏡的輸出光路上布置有第二反射鏡，第二反射鏡的反射光路上布置加工物鏡，加工物鏡正對于運動平臺上的砷化鎵芯片，輸出的激光在砷化鎵芯片內(nèi)部形成聚焦光斑進行加工。

4、進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其中，激光器為發(fā)射波長1000nm～1100nm、發(fā)射激光頻率10khz～100khz連續(xù)可調(diào)、平均功率0～30w可調(diào)、脈沖寬度1ns～100ns可調(diào)的激光器。

5、進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其中，激光器是發(fā)射激光波長為1064nm、脈沖寬度為100ns、平均功率為1w、重復頻率為10khz～100khz的激光器。

6、進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其中，空間光調(diào)制器是波長范圍300nm～1100nm、像素不低于50萬的空間光調(diào)制器。

7、進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其中，空間光調(diào)制器是像素為1920×1080、有效區(qū)域為15.4mm×8.6mm的空間光調(diào)制器。

8、進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其中，第一透鏡的焦距是第二透鏡焦距的兩倍，構(gòu)成4f系統(tǒng)。

9、進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其中，所述加工物鏡的數(shù)值孔徑為0.85，放大倍率為100倍。

10、本發(fā)明砷化鎵芯片激光加工方法，激光器輸出的光束經(jīng)過擴束鏡將光斑放大并準直，覆蓋空間光調(diào)制器的有效窗口，空間光調(diào)制器加載像差校正全息相位圖，繼而依次經(jīng)過第一透鏡、第一反射鏡、第二透鏡、第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡用以改變光路傳輸方向，第一透鏡和第二透鏡構(gòu)成4f系統(tǒng)進行像傳遞至加工物鏡入光口，加工物鏡輸出的激光在砷化鎵芯片內(nèi)部形成聚焦光斑進行加工。

11、更進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工方法，其中，所述空間光調(diào)制器進行像差校正相位調(diào)制，通過像差校正公式生成球差校正全息相位圖，加載于空間光調(diào)制器內(nèi)，在砷化鎵芯片內(nèi)部聚焦進行加工。

12、更進一步地，上述的砷化鎵芯片激光加工方法，其中，像差校正相位圖加載到空間光調(diào)制器，對入射光的相位光場調(diào)制實現(xiàn)對球差的補償，對聚焦到待加工砷化鎵芯片內(nèi)部的激光焦點進行相位調(diào)制，球差補償公式為：

13、

14、其中，λ為激光波長，ρ為激光出射的歸一化瞳孔半徑，dnom為待加工砷化鎵芯片內(nèi)部的任意深度，n1＝1為空氣折射率，n2為砷化鎵材料折射率，na為激光出射物鏡的數(shù)值孔徑，為球差校正相位；

15、代入各參數(shù)，利用matlab軟件或python軟件計算出像差校正相位圖。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點和有益效果，具體體現(xiàn)在以下方面：

17、①本發(fā)明激光光束通過空間光調(diào)制器進行像差校正相位調(diào)制，通過4f系統(tǒng)后到達加工物鏡聚焦在砷化鎵芯片內(nèi)部生成像差校正聚焦光斑進行加工，提高砷化鎵芯片切割效率和切割品質(zhì)；

18、②采用激光隱形切割技術(shù)對砷化鎵芯片進行切割，大幅提高現(xiàn)有效率，降低芯片表面污染；

19、③通過空間光調(diào)制器產(chǎn)生的像差校正算法用于砷化鎵芯片切割，大幅度提高切割品質(zhì)，可推廣運用到硅晶圓、金剛石、磷化銦以及氮化鎵等半導體材料加工工藝。

20、本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明具體實施方式了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：激光器(1)輸出端依次布置有擴束鏡(2)和空間光調(diào)制器(3)，空間光調(diào)制器(3)的輸出端依次設(shè)置有第一透鏡(4)、第一反射鏡(5)和第二透鏡(6)，第二透鏡(6)的輸出光路上布置有第二反射鏡(7)，第二反射鏡(7)的反射光路上布置加工物鏡(8)，加工物鏡(8)正對于運動平臺(10)上的砷化鎵芯片(9)，輸出的激光在砷化鎵芯片(9)內(nèi)部形成聚焦光斑進行加工。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：激光器(1)為發(fā)射波長1000nm～1100nm、發(fā)射激光頻率10khz～100khz連續(xù)可調(diào)、平均功率0～30w可調(diào)、脈沖寬度1ns～100ns可調(diào)的激光器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：激光器(1)是發(fā)射激光波長為1064nm、脈沖寬度為100ns、平均功率為1w、重復頻率為10khz～100khz的激光器。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：空間光調(diào)制器(3)是波長范圍300nm～1100nm、像素不低于50萬的空間光調(diào)制器。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：空間光調(diào)制器(3)是像素為1920×1080、有效區(qū)域為15.4mm×8.6mm的空間光調(diào)制器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：第一透鏡(4)的焦距是第二透鏡(6)焦距的兩倍，構(gòu)成4f系統(tǒng)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的砷化鎵芯片激光加工裝置，其特征在于：所述加工物鏡(8)的數(shù)值孔徑為0.85，放大倍率為100倍。

8.利用權(quán)利要求1所述的裝置實現(xiàn)砷化鎵芯片激光加工方法，其特征在于：激光器(1)輸出的光束經(jīng)過擴束鏡(2)將光斑放大并準直，覆蓋空間光調(diào)制器(3)的有效窗口，空間光調(diào)制器(3)加載像差校正全息相位圖，繼而依次經(jīng)過第一透鏡(4)、第一反射鏡(5)、第二透鏡(6)、第二反射鏡(7)，第一反射鏡(5)和第二反射鏡(7)用以改變光路傳輸方向，第一透鏡(4)和第二透鏡(6)構(gòu)成4f系統(tǒng)進行像傳遞至加工物鏡(8)入光口，加工物鏡(8)輸出的激光在砷化鎵芯片(9)內(nèi)部形成聚焦光斑進行加工。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的砷化鎵芯片激光加工方法，其特征在于：所述空間光調(diào)制器(3)進行像差校正相位調(diào)制，利用像差校正公式生成球差校正全息相位圖，加載于空間光調(diào)制器內(nèi)，在砷化鎵芯片內(nèi)部聚焦進行加工。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的砷化鎵芯片激光加工方法，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及砷化鎵芯片激光加工裝置及方法，激光器輸出端依次布置有擴束鏡和空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器的輸出端依次設(shè)置有第一透鏡、第一反射鏡和第二透鏡，第二透鏡的輸出光路上布置有第二反射鏡，第二反射鏡的反射光路上布置加工物鏡，加工物鏡正對于運動平臺上的砷化鎵芯片；激光器輸出的光束經(jīng)過擴束鏡將光斑放大并準直，覆蓋空間光調(diào)制器的有效窗口，空間光調(diào)制器加載像差校正全息相位圖，繼而依次經(jīng)過第一透鏡、第一反射鏡、第二透鏡、第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡用以改變光路傳輸方向，第一透鏡和第二透鏡構(gòu)成4f系統(tǒng)進行像傳遞至加工物鏡入光口，輸出的激光在砷化鎵芯片內(nèi)部形成聚焦光斑進行加工，提高切割效率和切割品質(zhì)。

技術(shù)研發(fā)人員：趙裕興,程景泉,柯凱
受保護的技術(shù)使用者：蘇州德龍激光股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19