[发明专利]基于常规激光诱导材料变化的激光加工方法和加工装置

说明书

技术领域

本发明涉及基于激光诱导材料状态瞬变的激光加工方法，该方法非线性地提高了具有非常高的加工精度的超快激光微加工工艺的加工速度。

背景技术

随着电子和器件相关技术的发展，对于微加工工艺的需求日益增加。具体地说，由于大尺寸、小薄膜厚度、高集成度、高机械强度、高功能化组成材料和基板的多层涂覆结构的技术趋势，对于加工中封装和加工后封装的微加工技术的需要不断增加。这种加工技术要求约100微米的加工分辨率，因此通常使用金刚石锯切方法。然而，考虑到当前技术的发展趋势，由于机械和热损坏等的物理损坏，不能再使用金刚石锯切方法。由此，急需新的技术发展以克服诸如由于昂贵的金刚石锯片的磨损引起的成本增加的经济负担。为了克服传统的技术问题，最近提出了高功率的UV激光器。然而，由于对对象材料的冲击波和光化学损坏造成的机械损坏，高功率的UV激光器的使用存在局限性。然而，在生产下一代半导体材料和显示器件的加工工艺中，要求包括切割、钻孔、划线(scribing)和切片(dicing)的各种加工工艺的加工精度应达到数十微米而不造成对象材料的光电特性变化。

已知情况是，超快激光技术可非常有效地应用于微加工，因为与利用相对较长激光脉冲的各种传统加工技术相比，它把热—机损坏减到最小。

此外，基于诸如电子束和等离子体的高能粒子的微加工会使元件的材料产生热损坏，并且根据材料的种类不能加工某些材料。因此，正在积极地进行超短脉冲激光加工技术的开发，以努力解决基于高能粒子的微加工的问题。

由于超快激光加工技术没有对于利用充足的激光功率提高加工速度不可缺少并很适用的放大技术，并且即使存在具有足够峰值功率的激光脉冲，也由于在加工过程之间在空气中的高阶非线性效应引起激光束特性的变化，无法提高加工速度。

克服上述问题的新技术的前提条件是保持超快激光加工的特性而免受热和机械损坏。当前的基于超快激光的微加工工艺和加工技术就加工速度而言还很差，为了将该涉及未来的技术应用于产业，急需开发新的加工技术。为了克服基于超快激光的微加工工艺的局限性，需要采用了通常用于传统的相对长脉冲激光加工工艺的自适应光学系统的技术，因为原先的超快激光脉冲宽度和光束特性已经完全改变。当采用了自适应光学系统时，具体地说，由于脉冲宽度增大，在传统的相对长脉冲宽度的激光加工工艺中造成问题的热变形会降低加工质量。

发明内容

技术问题

因此，开发了本发明以解决现有技术中出现的上述问题，并且本发明的主要目的是提供一种用于提高基于超快激光的微加工工艺的加工速度的基于激光诱导材料瞬态变化的激光加工方法和加工装置。

本发明的另一目的是提供一种基于激光诱导材料状态瞬态变化的激光加工方法和加工装置，其能够显著减小由大小为数十到数百纳米的微结构造成的表面粗糙度，该微结构形成在通过超快激光工艺加工的材料表面上，能够实现1微米级的加工，当对微光学器件施加所述超快激光加工工艺时产生该微结构。

技术方案

为了实现本发明的目的，提供了一种基于激光诱导材料状态瞬态变化的激光加工方法，所述方法使超快激光的脉冲与不同于该超快激光的至少一个辅助激光的脉冲耦合，以可逆地改变待加工材料。

所述超快激光器振荡出小于1皮秒的激光脉冲。

所述辅助激光束的脉冲被控制为随时间变化。

所述超快激光器的脉冲和所述至少一个辅助激光器的脉冲之间的耦合是控制所述超快激光脉冲和所述辅助激光脉冲之间的相对时间位置的时间耦合。

所述超快激光器的脉冲和所述至少一种辅助激光器的脉冲之间的耦合包括时间耦合和在空间上使所述超快激光束的焦点与所述辅助激光束的焦点一致的空间耦合。

所述辅助激光束的脉冲宽度大于所述超快激光束的脉冲宽度。

所述激光加工方法用于选自切割、钻孔、划线和切片的半导体加工工艺。

为了实现本发明的目的，提供了一种基于激光诱导材料状态瞬态变化的激光加工装置，该装置包括：超快激光振荡器；辅助激光振荡器，该辅助激光振荡器包括随时间改变激光束脉冲的耦合电子装置；以及聚焦光学系统，该聚焦光学系统用于在空间上使所述超快激光振荡器生成的超快激光束的焦点与时间耦合的辅助激光束的焦点耦合，并使所述超快激光束和所述辅助激光束聚焦。

所述聚焦光学系统使所述辅助激光束聚焦在已聚焦的超快激光束之内。

所述聚焦光学系统使所述辅助激光束聚焦在已聚焦的超快激光束之外。