一种自优化双脉冲激光切片装置的制作方法

1.本实用新型涉及半导体的技术领域，尤其是涉及一种自优化双脉冲激光切片装置。


背景技术：

2.传统的超快激光加工主要利用单束激光脉冲与半导体材料进行相互作用，在下一个激光脉冲到达材料时，上一个激光脉冲对材料作用的影响已消失，这对依赖电子瞬态动力过程的激光加工是不利的。对此，研究人员提出将一束超快激光分为两束，在双束激光脉冲之间引入皮秒尺度的延时后，再合束进行激光加工。该方法利用下一个激光脉冲对上一个激光脉冲与材料作用后的瞬态电子、或者光化学反应的中间产物进行进一步作用，可有效增强激光产生的等离子体的热膨胀效应与冲击波效应，这对特定材料的激光加工应用具有很高的应用价值，有望大幅改善激光加工的质量，提升加工速度以及激光的能量利用效率。
3.公开号为cn114453770a的中国专利公开了一种用于sic衬底的双脉冲飞秒激光切片方法，包括以下步骤：1)清理碳化硅晶片，固定在加工设备上；2)设置飞秒激光器的参数；3)设置双脉冲激光的光路，先制造具有光程差的光路，再汇聚在一起制成双脉冲光路，聚焦在碳化硅晶片内部；4)移动加工设备，利用双脉冲飞秒激光对碳化硅晶片进行精准切割；5)步骤4)切割后的碳化硅晶片在保护气氛中进行加热处理，取出后快速冷却，利用拉力装置，解离碳化硅晶片。
4.上述激光切片方法在低能量的飞秒激光双脉冲切割之后，采用“快热冷-剥离”法来产生足够的内应力，进一步破坏激光切割后的非晶结构，降低所需的外部剥离的机械应力的大小。上述中的现有技术方案存在以下缺陷：由于上述方法缺乏反馈与调节机制，其采用的激光切片装置在加工过程中的激光能量、双脉冲分束比和延时保持恒定，在待加工材料性质不均匀的情况下，固定双脉冲加工参数的方法将难以获得良好的一致加工效果。在实际应用中，如在sic的激光切片应用中，由于人工生长的sic晶体通常具有不均匀的面内光学性质，固定双脉冲加工参数的方法将导致不均匀的加工效果，进而降低切片质量，增大晶片剥离的难度，并造成较大的切片损耗。因此，提升双脉冲激光对不均匀的待加工材料的加工一致性是非常必要的。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种自优化双脉冲激光切片装置，其解决了现有激光切片装置因缺乏反馈与调节机制而导致的切片质量不佳的问题，达到了能根据sic晶体的面内光学性质适应性调整双脉冲激光能量、双脉冲分束比和延时的效果，进而能提高切片质量、降低剥离难度和切片损耗。
6.本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种自优化双脉冲激光切片装置，包括检测识别单元、电连接于所述检测识别单
元的运动控制单元、以及顺次布置在激光发射路径上的激光器、偏振分束机构、p偏振光反射镜组和s偏振光反射镜组、扩束合束机构和工装，所述检测识别单元的检测端、扩束合束机构的出光端和工装近似的处于同一直线上，所述运动控制单元的运动输出端分别连接于所述偏振分束机构、p偏振光反射镜组和工装，所述p偏振光反射镜组的其中两个相邻反射镜之间布置有脉冲展宽器。
8.通过采用上述技术方案，在实际激光切片过程中，激光器发射的激光通过偏振分束机构调谐分束比，并形成s偏振光和p偏振光，其中，s偏振分量反射，p偏振分量透射，两束偏振光分别经过p偏振光反射镜组和s偏振光反射镜组反射后，再经由扩束合束机构合束并进入工装的工件上，以完成切片操作；此时，相对于s偏振光的窄脉宽和固定光程，p偏振光通过运动控制单元的运动输出端移动p偏振光反射镜组的至少两个相邻反射镜，以获得更长的光程，并通过脉冲展宽器获得更宽的脉宽，切片时，s偏振光将先进入工件上，通过多光子电离产生一定浓度的种子等离子体，在种子等离子体的皮秒-纳秒尺度的寿命范围内，经过展宽的p偏振光将再作用到未完全弛豫的种子等离子体上、并对其进行加速，引致电子间的碰撞电离，从而形成更高密度的等离子体以及冲击波效应，进而诱导工件产生更宽的裂纹，能有效缩短切片时间，提高加工效率；此外，对于工件材料不均匀性的问题，本装置通过检测识别单元采集工装上工件的加工图像，图像信息经运动控制单元分析处理后，通过运动控制单元控制偏振分束机构调谐分束比、控制p偏振光反射镜组调整激光延时、控制工装移动调整、激光脉冲的点间距，以使检测识别单元采集的图像信息符合预设值，从而达到降低剥离难度和切片损耗、提高切片质量的目的。
9.本实用新型进一步设置为：所述激光器设置为脉宽范围为50fs~100ps的线偏振激光器。
10.通过采用上述技术方案，上述激光器优选采用ti:sapphire固体飞秒激光器、掺镱光纤飞秒激光器或yb:yag/kgw激光器，激光器的脉冲重复频率范围为1khz~100mhz，单脉冲能量大于1μj，并可通过线缆连接至运动控制单元进行控制，以便调整激光总能量。
11.本实用新型进一步设置为：所述偏振分束机构包括顺次布置在激光发射路径上的安装角度可调的半波片和偏振分束器。
12.通过采用上述技术方案，半波片在激光器和偏振分束器之间的安装角度可调，其可以改变入射激光的线偏振角度，从而达到通过偏振分束器来调谐分束比的目的。
13.本实用新型进一步设置为：所述运动控制单元包括主控模块和电动旋转夹具，所述主控模块电连接于所述检测识别单元和电动旋转夹具，所述电动旋转夹具的输出轴连接于所述半波片，且所述半波片的转动轴心线与所述激光器的激光发射方向垂直。
14.通过采用上述技术方案，主控模块接收并处理检测识别单元发送的图像信息后，能通过电动旋转夹具驱动半波片旋转，电动旋转夹具的转速优选不低于20
°
/s。
15.本实用新型进一步设置为：所述p偏振光反射镜组包括顺次布置在激光发射路径上的一对第一反射镜和一对第二反射镜，这对第一反射镜对称设置于所述运动控制单元的运动输出端上，这对第二反射镜对称布置于所述脉冲展宽器两侧。
16.通过采用上述技术方案，运动控制单元可驱使这对第一反射镜靠近或远离激光器运动，进而实现p偏振光的光程调节，且不影响延时后的p偏振光通过脉冲展宽器进行脉冲能量调整。
17.本实用新型进一步设置为：所述运动控制单元包括主控模块和延时电动滑台，所述主控模块电连接于所述检测识别单元和延时电动滑台，所述延时电动滑台的输出轴连接于这对第一反射镜，且这对第一反射镜的移动方向与所述激光器的激光发射方向平行。
18.通过采用上述技术方案，主控模块接收并处理检测识别单元发送的图像信息后，能通过延时电动滑台驱使这对第一反射片移动，延时电动滑台优选采用量程大于50mm的电动滑台，以便调谐s偏振光和p偏振光之间的延时。
19.本实用新型进一步设置为：所述运动控制单元包括主控模块和切片电动滑台，所述主控模块电连接于所述检测识别单元和切片电动滑台，所述切片电动滑台的输出轴连接于所述工装，且所述工装的移动方向与所述扩束合束机构的出光方向垂直。
20.通过采用上述技术方案，主控模块接收并处理检测识别单元发送的图像信息后，能通过切片电动滑台控制工装移动，以便工件能按照预定路径经过激光、完成切片操作。
21.本实用新型进一步设置为：所述主控模块设置为单片机、微处理器、控制面板或主控芯片。
22.通过采用上述技术方案，以便完成检测识别单元发送的图像信息的采集和处理。
23.本实用新型进一步设置为：所述s偏振光反射镜组包括顺次布置在激光发射路径上的至少两个第三反射镜。
24.通过采用上述技术方案，便于将s偏振光反射至扩束合束机构的进光端。
25.本实用新型进一步设置为：所述扩束合束机构包括顺次布置在激光发射路径上的偏振合束器、扩束镜、二向色镜和物镜。
26.通过采用上述技术方案，s偏振光和p偏振光经过偏振合束器合束后，再通过扩束镜进行扩束，然后经过二向色镜引导至物镜，使聚焦点落在工件内部预定深度位置，即可进行激光切片加工。
27.本实用新型进一步设置为：所述检测识别单元设置为图像采集与处理器。
28.通过采用上述技术方案，图像采集与处理器优选为高速相机，其帧率不少于1000帧/s，还可配备同轴照明光路来为成像提供照明光场，以在二向色镜和工装上方形成同轴视觉系统，完成加工图像的采集和传输。
29.本实用新型进一步设置为：所述检测识别单元的检测端与所述二向色镜之间设置有透镜。
30.通过采用上述技术方案，便于成像。
31.综上所述，本实用新型的有益技术效果为：通过检测识别单元和运动控制单元进行反馈和调节，以控制单元控制偏振分束机构调谐分束比、控制p偏振光反射镜组调整激光延时、控制工装移动调整激光脉冲的点间距，并辅以脉冲展宽器调整s偏振光和p偏振光的脉冲能量，适用于不均匀材料的工件切片加工，在兼顾高效的同时，能降低剥离难度和切片损耗，提高切片质量。
附图说明
32.图1是本实用新型的自优化双脉冲激光切片装置的结构示意图。
33.图中，1、检测识别单元；11、图像采集与处理器；12、透镜；2、运动控制单元；21、主控模块；22、电动旋转夹具；23、延时电动滑台；24、切片电动滑台；3、激光器；4、偏振分束机
构；41、半波片；42、偏振分束器；5、s偏振光反射镜组；51、第三反射镜；6、脉冲展宽器；7、p偏振光反射镜组；71、第一反射镜；72、第二反射镜；8、扩束合束机构；81、偏振合束器；82、扩束镜；83、二向色镜；84、物镜；9、工装。
具体实施方式
34.为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步阐述。
35.参照图1，为本实用新型公开的一种自优化双脉冲激光切片装置，包括检测识别单元1、运动控制单元2、以及顺次布置在激光发射路径上的激光器3、偏振分束机构4、s偏振光反射镜组5和其中两个相邻反射镜之间布置有脉冲展宽器6的p偏振光反射镜组7、扩束合束机构8和工装9。激光切片时，检测识别单元1的检测端、扩束合束机构8的出光端和工装9近似的处于同一直线上，检测识别单元1用于采集工装9上工件的图像信息、并发送至运动控制单元2的信号输入端，运动控制单元2的信号输出端分别与其控制输出端和激光器3相连接，且运动控制单元2的运动输出端分别连接于偏振分束机构4、p偏振光反射镜组7和工装9，以控制单元控制偏振分束机构4调谐分束比、控制p偏振光反射镜组7调整激光延时、控制工装9移动调整激光脉冲的点间距，再通过脉冲展宽器6调整s偏振光和p偏振光的脉冲能量，适用于不均匀材料的工件切片加工，在兼顾高效的同时，能降低剥离难度和切片损耗，提高切片质量。
36.在激光发射单元中，首先，激光器3设置为脉宽范围为50fs~100ps的线偏振激光器3。上述激光器3优选采用ti:sapphire固体飞秒激光器3、掺镱光纤飞秒激光器3或yb:yag/kgw激光器3，激光器3的脉冲重复频率范围为1khz~100mhz，单脉冲能量大于1μj，并可通过线缆连接至运动控制单元2进行控制，以便调整激光总能量。
37.其次，偏振分束机构4包括顺次布置在激光发射路径上的安装角度可调的半波片41和偏振分束器42。半波片41在激光器3和偏振分束器42之间的安装角度可调，其可以改变入射激光的线偏振角度，从而达到通过偏振分束器42来调谐分束比，并形成s偏振光和p偏振光的目的，其中，s偏振分量反射，p偏振分量透射。
38.同时，p偏振光反射镜组7包括顺次布置在激光发射路径上的一对第一反射镜71和一对第二反射镜72，这对第一反射镜71对称设置于运动控制单元2的运动输出端上，这对第二反射镜72对称布置于脉冲展宽器6两侧。s偏振光反射镜组5包括顺次布置在激光发射路径上的一对第三反射镜51。相对于s偏振光的窄脉宽和固定光程，p偏振光通过运动控制单元2的运动输出端移动这对第一反射镜71，以获得更长的光程，并通过脉冲展宽器6获得更宽的脉宽。切片时，s偏振光将先进入工件上，通过多光子电离产生一定浓度的种子等离子体，在种子等离子体的皮秒-纳秒尺度的寿命范围内，经过展宽的p偏振光将再作用到未完全弛豫的种子等离子体上、并对其进行加速，引致电子间的碰撞电离，从而形成更高密度的等离子体以及冲击波效应，进而诱导工件产生更宽的裂纹，能有效缩短切片时间，提高加工效率。
39.最后，扩束合束机构8包括顺次布置在激光发射路径上的偏振合束器81、扩束镜82、二向色镜83和物镜84。s偏振光和p偏振光分别经过s偏振光反射镜组5和p偏振光反射镜组7反射后，经过偏振合束器81合束后，再通过扩束镜82进行扩束，然后经过二向色镜83引
导至物镜84，使聚焦点落在工件内部预定深度位置，即可进行激光切片加工。
40.为形成反馈和调节机制，相对应的，检测识别单元1设置为图像采集与处理器11，检测识别单元1的检测端与二向色镜83之间设置有透镜12。图像采集与处理器11优选为高速相机，其帧率不少于1000帧/s，还可配备同轴照明光路来为成像提供照明光场，以在二向色镜83和工装9上方形成同轴视觉系统，完成加工图像的采集和传输。
41.运动控制单元2包括主控模块21、电动旋转夹具22、延时电动滑台23和切片电动滑台24。其中，主控模块21的信号输入端电连接于检测识别单元1、信号输出端电连接于激光器3、电动旋转夹具22、延时电动滑台23和切片电动滑台24，主控模块21设置为单片机、微处理器、控制面板或主控芯片，本实施例优选采用单片机。此外，电动旋转夹具22的输出轴连接于半波片41，且半波片41的转动轴心线与激光器3的激光发射方向垂直；延时电动滑台23的输出轴连接于这对第一反射镜71，且这对第一反射镜71的移动方向与激光器3的激光发射方向平行；切片电动滑台24的输出轴连接于工装9，且工装9的移动方向与扩束合束机构8的出光方向垂直。
42.对于工件材料不均匀性的问题，本装置通过检测识别单元1采集工装9上工件的加工图像，图像信息经主控模块21分析处理后，能通过电动旋转夹具22驱动半波片41旋转、以调谐分束比，电动旋转夹具22的转速不低于20
°
/s，并能通过延时电动滑台23驱使这对第一反射片移动，延时电动滑台23优选采用量程大于50mm的电动滑台，以便调谐s偏振光和p偏振光之间的延时，还能通过切片电动滑台24控制工装9移动，以便工件能按照预定路径经过激光、完成切片操作，以使检测识别单元1采集的图像信息符合预设值，从而达到降低剥离难度和切片损耗、提高切片质量的目的。
43.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。