多光束整形激光加工系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种多光束整形激光加工系统，它包括沿激光光路方向依次布置的激光器、柱面凹透镜、柱面凸透镜、一维衍射光学元件和聚焦透镜。本实用新型专利技术这种多光束整形激光加工系统，能够改善常见紫外纳秒激光加工设备的加工效果，提高加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种多光束整形激光加工系统，主要用于对芯片的开槽或切割加工。
技术介绍
市场对激光切割芯片质量的要求越来越高，主要体现在需要更小的热影响区，更快的切割速度等等，为了实现这些要求，出现了脉宽更短的皮秒、飞秒甚至阿秒激光器，主要是从改变脉宽的方面着手改善切割效果，但是这些激光器大多价格昂贵，目前市面上用于精细加工的激光设备大多使用纳秒紫外激光器，价格远远低于上面提及的高端激光器，但由于光学结构的限制，越来越难满足高精细的加工需要，要想实现精细加工，要么更换激光器，要么改进光学结构，而改进光学结构的成本相对小得多；利用激光对样品进行各类处理是激光加工领域最常见的工艺，传统的激光加工系统在需要加大激光切宽或者加深切深时往往通过增加激光功率、离焦加工或者多次划线等工艺方式来实现，这些方式虽然可以增加切宽或者切深，但分别会带来增加热影响区、切割道形貌不佳和效率低等问题；利用衍射光学元件来提升加工效率的设备或文章已经出现，但这种方法只是将一束激光分成多束，降低单光束的能量，通过多光束尾随切割的方式改善切割效果，实质上没有改变单个聚焦激光光斑的能量分布，而激光的能量分布在一定程度上会影响切割效果；现有的另一种光束整形工艺是通过柱透镜组来实现光束整形，通过获得较大长宽比的条状聚焦光斑的设备和文章亦已经出现，这种方法的出发点主要是通过降低聚焦光斑在长轴方向上的功率密度来降低热影响区，但由于只有一束<br>激光光斑，考虑到功率密度和材料损伤阈值的关系，在激光光斑长轴方向上的两端能量主要是在对材料进行加热，没有去除效果；常见一维衍射光学元件整形光路结构如图1左图所示，激光器1发出的激光束1A，经过扩束镜2后得到经过扩束的新激光束2A，再经过一维衍射光学元件5后获得多束子激光束5A，一维衍射光学元件5的激光束分束数目根据设计值不同而不同，本技术中所有的示意图均以分成三束为例，但实际数量按照权利要求书里面的界定，多束子激光束5A经过激光聚焦镜6聚焦获得多束聚焦光束，最终在聚焦镜的焦平面上获得多个圆形激光光斑，将这些聚焦光斑聚焦到待加工样品7的表面，进而实现一个方向上的切割，示意图的初始状态以在x方向上切割直线为例。将图1左图中的部分光学元件做调整，例如将一维衍射光学元件在图1左图所示的初始状态下旋转90°，便可获得在y方向排列的一维聚焦光斑，从而实现y方向上的直线切割，图1中的附图标记5A`和6A`分别表示此情形下一维衍射光学元件分光后的子激光束和激光聚焦镜聚焦前的聚焦光束。图2右图所示是常见一维衍射光学元件整形光路实现一定切宽的光路示意图，其中图2左图依旧是光路初始状态示意图，当在小于90°的范围内旋转一维衍射光学元件时，便可获得在x方向或y方向上具有一定投影切宽的光斑分布，实现类似激光开槽的工艺，图2中的附图标记5A``和6A``分别表示此情形下一维衍射光学元件分光后的子激光束和激光聚焦镜聚焦前的聚焦光束。
技术实现思路
本技术目的是：针对上述问题，提供一种多光束整形激光加工系统，以改善常见紫外纳秒激光加工设备的加工效果，提高加工效率。本技术的技术方案是：一种多光束整形激光加工系统，包括沿激光光路方向依次布置的激光器、柱面凹透镜、柱面凸透镜、一维衍射光学元件和聚焦透镜。作为优选，所述柱面凹透镜的像方虚焦点与所述柱面凸透镜的物方实焦点重合。作为优选，所述激光器和柱面凹透镜之间布置有扩束镜。作为优选，所述扩束镜的扩束倍率在1～4倍之间。作为优选，所述激光器为紫外纳秒激光器。作为优选，所述柱面凸透镜的焦距绝对值为所述柱面凹凸镜的焦距绝对值的1.1～1.3倍。作为优选，所述一维衍射光学元件的分光数目在4～14个之间。作为另一种优选方式，所述一维衍射光学元件的分光数目在2～6个之间。作为优选，所述一维衍射光学元件的光束分离角在0.005°～0.1°之间。本技术的优点是：1、本技术是这种多光束整形激光加工系统，在传统多光束光路结构中增加了一组柱透镜——柱面凹透镜和柱面凸透镜，从而可以根据不同的需要恰当改变柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离，最终在激光聚焦镜的焦平面上获得不同形貌和不同分布的多个椭圆激光光斑，进而实现整形，不但可以改善激光加工效果，还可以提高加工效率。相对于更早期的单高斯圆光斑激光加工系统，本技术除增加了一组数透镜——柱面凹透镜和柱面凸透镜，还增加了一维衍射光学元件。2、因为本技术是这种多光束整形激光加工系统可以整体旋转柱透镜组，所以理论上可以在任意方向获得相同的激光光斑形貌及相对位置分布，相比于现有技术中部分设备需要在切割完x方向后将芯片旋转90°再切割的方式，本技术可以在x和y方向都能获得相同的激光光斑形貌和相同的相对位置分布。附图说明下面结合附图及实施例对本技术作进一步描述：图1所示为常见多光束整形系统的其中一种一维光斑相对位置分布图，主要用于在x方向或者y方向获得较细的切割线；图2所示为常见多光束整形系统的另外一种一维光斑相对位置分布图，主要用于在x方向或者y方向获得一定切宽的切割线；图3左边所示为本技术所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图3右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现窄而深的y向切割；图中虚线框表示被旋转的部件；图4左边所示为本技术所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图4右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现窄而深的x向切割；图5左边所示为本技术所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图5右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现一定切宽的y向开槽工艺；图6左边所示为本技术所使用的光路结构示意图，假定原始激光光斑相对位置如左图所示，按照标注所述的方法，可以获得图6右图所示的新激光光斑分布，从而可以实现一定切宽的x向开槽工艺；图7所示为常见一维衍射光学元件整形光路获得的激光聚焦光斑在x方向上划线、切割芯片样品的示意图，图中箭头表示加工方向，附图标记20表示芯片的功能区，附图标记21表示芯片的切割道所在位置，附图标记22表示激光切割后的切痕；图8所示为常见一维衍射光学元件整形光路获得的激光聚焦光斑在芯片上沿x方向上划线、切割芯片样品的示意图，图中箭头表示加工方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光束整形激光加工系统，其特征在于：它包括沿激光光路方向依次布置的激光器（1）、柱面凹透镜（3）、柱面凸透镜（4）、一维衍射光学元件（5）和聚焦透镜（6）。

【技术特征摘要】
1.一种多光束整形激光加工系统，其特征在于：它包括沿激光光路方向依
次布置的激光器（1）、柱面凹透镜（3）、柱面凸透镜（4）、一维衍射光学元
件（5）和聚焦透镜（6）。
2.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述柱
面凹透镜（3）的像方虚焦点与所述柱面凸透镜（4）的物方实焦点重合。
3.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述激
光器（1）和柱面凹透镜（3）之间布置有扩束镜（2）。
4.根据权利要求2所述的多光束整形激光加工系统，其特征在于：所述扩
束镜（2）的扩束倍率在1～4倍之间。
5.根据权利要求1所述的多光束整形激光加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：王杰，潘传鹏，郭良，
申请(专利权)人：苏州兰叶光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32