利用超短脉冲激光的透明材料加工制造技术

本发明专利技术公开了用于光学透明材料的超短脉冲激光加工的方法、设备和系统，具有划片、标记、焊接和连接的示例应用。例如，超短激光脉冲用单程激光束穿过材料形成划片结构，其中所述划片结构中的至少一个形成在材料的表面之下。稍微改变超短脉冲激光加工条件产生亚表面标记。当适当设置时，这些标记用正确对准的照明清晰可见。通过控制激光参数还可以形成反射标记。可以采用除玻璃外的透明材料。一种用于焊接透明材料的方法使用超短激光脉冲来形成通过局部加热的结合。在透明材料加工的一些实施例中，多焦点光束发生器同时形成相对于透明材料的在深度上间隔的多个光束腰，从而增大加工速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及透光材料的超短脉冲激光处理，包括材料划片、焊接和标记。A.切割和 划片
技术介绍
A.切割和划片透光材料的切割通常通过机械方法进行。也许切割薄平材料的最常用方法是利用 机械切割机(划片机)。这在微电子行业中是切割硅片的标准方法。不过，这种方法产生大 量的碎片，这些碎片应当受控制以避免部件污染，导致增加所述工艺的整体成本。此外，用 于高级微处理器设计的较薄晶片在用划片机切割时易于损坏。为了解决这些问题，用于“划片和切割”材料切割的当前现有技术使用不同类型 的激光在沿划片线断开材料前先在材料上划出表面槽。例如，亚皮秒激光脉冲已被用于 切割硅和其它半导体材料(H. Sawada, "Substrate cutting method(基片切割方法)”， 美国专利号6，770，544)。另外，聚焦的散光激光束已被用于为材料切割产生单个表面槽 (J. P. Sercel, "System and method for cutting using a variable astigmatic focal beam spot”，美国专利申请号20040228004)。该专利声称通过优化散光聚焦几何形状，可以 获得增大的处理速度。为了获得精确、高质量的切割，槽必须具有一定的最小深度，其值随着应用而变化 (例如，100 μ m厚的蓝宝石需要大致15 μ m深的槽以供可接受的切割)。由于槽的深度随 着扫描速度增加而减小，最小的深度要求限制了最大的扫描速度，并因此限制了激光划片 系统的总体处理能力。材料切割的另一技术采用多光子吸收以在透明靶材料体内形成单 个激光改性的线特性(F. Fukuyo 等人，"Laser processing method and laserprocessing apparatus”，美国专利申请号20050173387)。在表面槽的情况，要求这种亚表面特征的特定最小尺寸，以便获得精确、高质量的材料切割，这等同于对材料切割的处理速度进行限制。“划片和切割”材料切割的值得注意的应用是用于分离各电子和/或光电子器 件的晶圆划片。例如，采用蓝宝石晶圆划片进行蓝光发光二极管的切割。通过后侧激光 烧蚀可以实现晶圆切割，使得晶圆前侧上的器件污染最小化(T.p Glerm等人，“Methodof singulation using laser cutting”，美国专利号 6，399，463)。另外，可以利用辅助 气体来帮助切割基片的激光束(K. Imoto等人，“Method and apparatus for dicing a substrate”，美国专利号5，916，460)。此外，可以首先利用激光来划表面槽并随后利用机械 锯片来完成切割，对晶圆进行切割(N. C. Peng等人，“Wafer dicing device and method”， 美国专利号6，737，606)。所述应用通常大量进行并因此处理速度尤为重要。一种工艺利用两种不同类型的激光，一种刻划材料，而另一种断开材料(J. J. Xuan 等 A "Combined laser-scribing and laser-breaking for shaping of brittle substrates”，美国专利号6，744，009)。类似的工艺利用第一激光束生成表面划片线，并 利用第二激光束使非金属材料分裂成单独片(D. Choo等人，“Method and apparatus for cutting anon-metallic substrate using a laser beam，，,美国专利号 6，653，210)。用 于划片和裂化的两种不同的激光束还被用于切割玻璃板(K.You/'Apparatus for cutting glass plate”，国际专利申请号W02004083133)。最后，通过在材料的顶面附近聚焦激 光束并且使焦点向下移动穿过材料到达底面附近，同时在聚焦的激光束和靶材料之间提 供相对横向运动，单个激光束可被用于划片和裂化材料(J.J. Xuan等人，“Method for laser-scribing brittlesubstrates and apparatus therefor，，，美 15专禾号 6，787，732)。 B.材料连接两种或更多光学透明材料的连接(例如玻璃和塑料)对于不同行业中的应用是有 用的。任何类型器件的构造可以从所述连接工艺受益，其中在所述器件中光学透明性或者 具有补充功能性，或者产生额外价值(例如，美观)。一个示例是在需要目测检查处的部件 的气密封接(例如，电信和生物医学行业)。在一些应用中，传统的连接工艺(例如，粘合剂、机械连接)是不够的。例如，在生 物医学植入装置的情况，许多粘合剂可能证实是会引起排斥的。对于其它设备，粘接对于特 定的应用完全可能不足够坚固(例如，高压密封)。对于所述需求，激光焊接提供了理想的 解决方案。在微流体系统中，希望用覆盖整个装置的盖帽件密封各互相间紧密间隔的通道。 由于不同微流体通道间的接触区域小，用其它方法可能难以实现坚固、牢固地密封连接。激 光焊接可以精确定位这些微流体通道之间的结合区域并提供牢固密封。当前的现有技术中用于激光焊接透明材料的包括(1)利用CO2激光，其波长( ΙΟμπι)被许多光学透明材料线性吸收，或者(2)在透明材料的界面引入其它材料，它专门设计用于吸收激光辐射，从而导致材 料的加热、熔化和熔融。上述两种方法均受限于它们的功能性和/或它们的实施费用大。脉冲CO2板条激光器已被用于将Pyrex (耐热玻璃)焊接到Pyrex (耐热玻璃)，并 且将聚酰亚胺和聚氨酯结合到钛和不锈钢(H. J. Herfurth等人，“Joining Challenges in thePackaging of BioMEMS“，Proceedings of ICALEO 2004)。另外，熔融的石英和其它耐热材料已经用10. 6 μ m的CO2激光进行焊接(M. S. Piltch等人，“Laser welding of fusedquartz"，美国专利号6，576，863)。使用所述CO2激光不允许通过聚焦光束穿过厚顶 层材料来焊接，因为在可到达界面之前激光辐射已被吸收。另一缺陷是大波长不能够使光 束聚焦到小光斑，从而限制了它在微米尺寸上形成小焊接结构的使用。另外，对于人眼来说是透明的吸收层可以设置在待焊接的两种材料之间， 例如聚酷氛禾口 丙炼酸(V. A. Kagan 等人，‘‘Advantages of Clearweld Technology forPolyamides", Proceedings of ICALEO 2002)。具有线聚焦的二极管激光器随后被用 Ti^ft (T. Klotzbuecher ^X, "Microclear-A Novel Method for Diode Laser Welding ofTransparent Micro Structured Polymer Chips", Proceedings of ICALEO 2004)。染 料层专门设计用于吸收激光的波长(R.A.Sal本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在透明材料的表面之下产生激光改性结构的图案的方法，包括利用紧密聚焦的超短激光脉冲在材料内的不同深度处形成多条线；通过控制所述激光的参数来控制所述线的粗糙度；和利用大体垂直于所述线传播的光照射所述线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AY新井，赵奎千，许景周，吉野郁世，张海斌，J博瓦塞科，
申请(专利权)人：IMRA美国公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]