專利名稱：應用于脆性材料的鐳射加工裝置及鐳射加工和位移補償的方法
技術領域：
本發明涉及一種鐳射加工裝置及鐳射加工和位移補償的方法，尤其涉及一種應用 于脆性材料的鐳射加工裝置及鐳射加工和位移補償的方法。
背景技術：
鐳射加工相較于傳統輪刀或鉆石切割，因為激光束產生的光點小、切割所需的線 寬較窄，可以減少加工時材料的損耗，并具有較小的殘留應力，因此適用于高精密度的半導 體材料、光電材料或電路板進行加工。參閱圖IA至圖1C，為現有技術鐳射加工過程的示意圖，如圖IA至圖IC所示，現有 技術的鐳射加工，以鉆孔加工為例，如圖IA所示，通常先在組件的上表面聚焦，再如圖IB至 圖IC所示，逐步向下調整聚焦位置進行加工。然而，由上表面開始聚焦的加工方式，因為加 工產生的粉塵與切削殘留在加工道上不易無法排除，容易造成加工的不均勻，即所謂的錐 角。此外，通常對于大尺寸工件加工時，通常采取重復加工的方式進行鐳射加工，然而因塵 屑產生的錐角問題，通常需要加裝集塵及退屑裝置排出，除了制造成本提高，排出塵屑的時 間也大幅影響了加工時間。
發明內容
本發明針對現有技術的缺點，提供一種應用于脆性材料的鐳射加工裝置。本發明所述的應用于脆性材料的鐳射加工裝置，包含鐳射源、聚焦控制單元、鐳射 控制單元、系統控制單元、承載平臺、驅動軸控制單元、測量單元以及影像擷取單元。聚焦控制單元與鐳射源及系統控制單元連接，用以將鐳射聚焦于加工件的任一位 置及任一深度，使激光束在聚焦位置具時有最大的能量；系統控制單元依據測量單元以及 影像擷取單元，用以計算鐳射的聚焦位置和聚焦深度等參數，并依據所述參數控制聚焦控 制單元以及驅動軸控制單元進行鐳射加工。本發明還提供一種應用于脆性材料的鐳射加工裝置和位移補償的方法，含準備步 驟、掃描步驟、加工步驟以及加工完成步驟，在加工范圍較大時進一步包含一平面平移復制 加工步驟。首先聚焦于加工件下表面及上表面之間的一聚焦深度，然后系統控制單元控制 驅動軸控制單元而將承載平臺在橫方向及縱方向移動，而使得激光束在加工件一聚焦平面 上加工，控制測量單元在鐳射加工時可實時測量材料表面的輪廓及加工深度，再將測量值 傳送給系統控制單元，系統控制單元依據測量值，微調聚焦控制單元，或進一步控制驅動軸 控制單元在垂直方向上移動，而由下往上表面逐層加工切除。本發明利用由下往上表面移動鐳射在加工件的聚焦深度的方式，在加工的同時， 塵屑藉由自然重力向下掉落，因此可省略現有技術中的集塵及退屑裝置，而減少成本，進而 縮短加工時間；并可改善以往加工時的錐角問題，依照本發明的鐳射加工裝置與鐳射加工 和位移補償的方法，可將錐角由原本的7 8度減少為小于2. 5度，而進一步改善加工精度。
圖IA至圖IC為現有技術中鐳射加工過程的示意圖。圖2為本發明應用于脆性材料的鐳射加工裝置的示意圖。圖3為本發明應用于脆性材料的鐳射加工和位移補償的方法的流程圖。圖4A至圖4C為本發明的鐳射加工過程的示意圖。圖5A、圖5B為聚焦方式與離焦方式對熱影響區域的比較示意圖。
具體實施例方式以下配合說明書附圖對本發明的實施方式做更詳細的說明，以使本領域技術人員 在研讀本說明書后能據以實施。參閱圖2，為本發明應用于脆性材料的鐳射加工裝置的示意圖。如圖2所示，本發 明應用于脆性材料的鐳射加工裝置1包含鐳射源11、聚焦控制單元13、鐳射控制單元21、系 統控制單元23、承載平臺31、驅動軸控制單元33、測量單元41以及影像擷取單元43。鐳射源11為固體鐳射，藉由銣雅鉻(Nd:YAG)晶體或釹釩酸釔(Nd:Y0V4)倍頻晶 體，利用Q切換開關Ο -switch)產生脈沖鐳射，該脈沖鐳射的波長為以1064nm所倍頻的任 意波長，進一步小于或等于355nm，所采用的重復頻率大于或等于ΙΟΚΗζ，脈沖能量大于或 等于90 μ J，且激光束L的光點小于或等于200 μ m。聚焦控制單元13與鐳射源11及系統 控制單元23連接，用以將激光束L聚焦于加工件50的任一位置及任一深度，在聚焦位置 具時有最大的能量；鐳射控制單元21用以控制鐳射源11的開啟或關閉；系統控制單元23 連接聚焦控制單元13、鐳射控制單元21、驅動軸控制單元33、測量單元41以及影像擷取單 元43，用以計算激光束L的聚焦位置和聚焦深度等參數，并依據所述參數控制聚焦控制單 元13以及驅動軸控制單元33進行鐳射加工。承載平臺31用以承載加工件50 ；驅動軸控 制單元33直接附接于承載平臺31，使承載平臺31可在橫方向、縱方向以及垂直方向移動， 測量單元41配合驅動軸控制單元33測量加工件50在橫方向、縱方向以及垂直方向上的尺 寸、加工范圍以及加工深度等，并將多個測量值傳送給系統控制單元23以進行該等參數的 計算，并在鐳射加工進行時，實時監控加工件50表面的曲率或輪廓形狀變化，并回授至系 統控制單元23，使鐳射加工深度與表面輪廓維持一定值。影像擷取單元43用以擷取加工的 影像，作為檢測的輔助。本發明所涉及的加工件50為脆性材料，包含硅晶圓、玻璃、石英、硅芯片、藍寶石 晶圓、陶瓷、壓克力及電路板等，可以接收激光束L的能量，并具有適當的穿透率及吸收率； 系統控制單元23所計算出激光束L的聚焦深度可為加工件的下表面51至加工件的上表面 53之間的任一深度。本發明可進一步包含一高斯分布濾鏡(未顯示)，而使激光束L的光點區域縮小， 達到切割、劃線、鉆孔時線寬小于或等于10 μ m的結果。參閱圖3，為本發明應用于脆性材料的鐳射加工和位移補償的方法的流程圖。如 圖3所示，本發明應用于脆性材料的鐳射加工和位移補償的方法包含準備步驟S10、掃描步 驟S20、加工步驟S30以及加工完成步驟S40，參照圖2的鐳射加工裝置1，準備步驟SlO是將鐳射加工裝置1開啟暖機，并將加工件50設置于鐳射加工裝置1的承載平臺31上；掃描 步驟S20是利用鐳射加工裝置1的測量單元41以及驅動軸控制單元33掃描加工件50橫 方向、縱方向以及垂直方向的尺寸以及加工范圍，并在掃描后將多個測量值傳送給系統控 制單元23，計算出激光束L的聚焦深度及位置，并將加工范圍網格化分割，區分出至少一個 網格，每一網格的間距小于或等于0. 04mm。加工步驟S30，參閱圖4A至圖4C，本發明鐳射加工過程的示意圖，以鉆孔為例，鐳 射控制單元11啟動激光束L，如圖4A所示，首先聚焦于加工件下表面51，系統控制單元23 控制驅動軸控制單元33，將承載平臺31在橫方向及縱方向移動，而使得激光束L在加工件 50 一聚焦平面上進行加工，控制測量單元41在鐳射加工時會測量加工深度、表面的曲率或 輪廓形狀變化，再將測量值傳送給系統控制單元23，系統控制單元23依據測量值，微調聚 焦控制單元13，或進一步控制驅動軸控制單元33，然后再如圖4B至圖4C圖所示，將激光束 L的聚焦深度由下往上表面53移動激光束L在加工件50的聚焦深度。若是刻畫或其它的 加工時，可改變聚焦的位置，但仍以由下向上改變聚焦深度的方式進行加工。進一步地，本 發明可以將激光束L的聚焦深度，聚焦于加工件50的下表面之外，使激光束L以離焦方式 進行鐳射加工，降低在鐳射加工時在加工表面的能量，而減少激光束L的熱影響區域。聚焦 方式與離焦方式對熱影響區域的比較圖如圖5A、圖5B所示。加工完成步驟S40，是在加工完成后，將鐳射加工裝置回歸初始位置，經過一冷卻 時間后，將加工件50退出。此外，本發明應用于脆性材料的鐳射加工和位移補償的方法在 加工范圍較大時，進一步具有較大的加工范圍時，在該加工步驟S30之后，進一步包含一平 面平移復制加工步驟S35，該平面平移復制加工步驟S35依據掃描步驟S20所區分出的這些 個網格，首先在一網格中進行該加工步驟S30，完成一網格后，再以驅動軸控制單元33將承 載平臺31在橫方向及縱方向橫移，以平面平移復制的方式移動至加工件50的另一網格，再 重復該加工步驟S30進行鐳射加工，依此重復。以上所述僅為用以解釋本發明的較佳實施例，并非企圖據以對本發明做任何形式 上的限制，因此，凡有在相同的創作精神下所作有關本發明的任何修飾或變更，皆仍應包括 在本發明意圖保護的范疇。
權利要求
1.一種應用于脆性材料的鐳射加工裝置，其特征在于，包含 一鐳射源，用以產生一激光束；一聚焦控制單元，與該鐳射源連接，以將該激光束聚焦于一加工件； 一鐳射控制單元，用以控制鐳射的開啟及關閉；一系統控制單元，連接該聚焦控制單元及該鐳射單元，用以計算出該鐳射的多個參數， 并依據所述參數對該加工件進行鐳射加工； 一承載平臺，用以承載該加工件；一驅動軸控制單元，附接于該承載平臺并連接該系統控制單元，受到該系統控制單元 控制，可使該承載平臺在橫方向、縱方向以及垂直方向移動；一測量單元，與該系統控制單元連接，用以測量該加工件的一尺寸、一加工范圍及一加 工深度，并將多個測量值傳送至該系統控制單元；以及一影像擷取單元，與該系統控制單元連接，用以擷取該加工的影像； 其中該系統控制單元根據所述測量值，而調整該驅動軸控制單元以及該聚焦控制單元 的至少其中之一，而改變該鐳射位于該加工一聚焦深度及一聚焦位置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該鐳射位于加工件的該聚焦深度位于該加 工件的一上表面及一下表面之間。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該鐳射源是由一倍頻晶體，且利用一Q切換 開關產生一脈沖鐳射。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，該倍頻晶體為一銣雅鉻或一釹釩酸釔的其 中之一。
5.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，該脈沖鐳射的波長是以1064nm倍頻產生的 任一種波長。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，該脈沖鐳射的波長進一步小于或等于 355nm0
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該激光束具有大于或等于IOKHz的一重復頻 率、大于或等于90 μ J的一脈沖能量，以及小于或等于200 μ m的光點。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該加工件為脆性材料，為一硅晶圓、玻璃、一石英、一硅芯片、一藍寶石晶圓、一陶瓷、一壓克力及一電路板的任一種，對于該鐳射有一穿 透率及一吸收率。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該測量單元在鐳射加工進行時實時監控該 加工件的表面的一曲率變化或一輪廓形狀變化，并回授至該系統控制單元，使一鐳射加工 深度與一表面輪廓維持一定。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，進一步包含一高斯分布濾鏡，以縮小激光 束的一光點。
11.一種應用于脆性材料的鐳射加工和位移補償的方法，其特征在于，步驟包含 一準備步驟，是將一鐳射加工裝置開啟暖機，并將一加工件設置一承載平臺上，其中該鐳射加工裝置具有一鐳射源、一聚焦控制單元、一系統控制單元、一鐳射控制單元、一驅動 軸控制單元以及該承載平臺；一掃描步驟，利用該測量單元以及該驅動軸控制單元掃描該加工件的一尺寸以及一加工范圍，并在掃描后將多個測量值傳送給該系統控制單元，該系統控制單元計算出一鐳射 聚焦深度及一鐳射聚焦位置，并將該加工范圍區分為至少一個網格；一加工步驟，以該鐳射控制單元啟動該鐳射源，首先將一激光束聚焦于該聚焦深度， 再將該承載平臺在橫方向及縱方向移動，使得該激光束在一聚焦平面上對該加工件進行加 工，然后將該鐳射聚焦深度由該加工件的下表面往一加工件的上表面移動，其中該聚焦深 度在該加工件的下表面與該加工件的上表面之間；以及一加工完成步驟，是在該加工步驟完成后，將該鐳射加工裝置回歸一初始狀態，經過一 冷卻時間，將加工后的該加工件退出。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，利用測量單元測量一加工深度，再將多個 測量值傳送給該系統控制單元，該系統控制單元依據所述測量值，該微調聚焦控制單元，或 進一步控制該驅動軸控制單元在垂直方向移動，而將該鐳射聚焦深度由該加工件的下表面 往一加工件的上表面移動。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，該聚焦位置可位于該加工件的下表面。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，該聚焦位置可位于該加工件的下表面之外。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，進一步包含一平面平移復制加工步驟，在 該加工步驟之后，依據該掃描步驟所區分出的所述網格，首先在一網格中進行該加工步驟， 完成該網格后，該控制系統再以該驅動軸控制單元將承載平臺在橫方向及縱方向橫移，以 一平面平移復制的方式移動至另一網格，再重復該加工步驟。
16.如權利要求11或15所述的方法，其特征在于，所述網格之間具有一間距，該間隔小 于或等于0. 04mm。
全文摘要
本發明公開了一種應用于脆性材料的鐳射加工裝置及鐳射加工和位移補償的方法，所述裝置包含鐳射源、鐳射控制單元、聚焦控制單元、系統控制單元、承載平臺、驅動軸控制單元、測量單元以及影像擷取單元。系統控制單元依據測量單元的測量值，計算激光束聚焦位置、深度等參數，并控制聚焦控制單元以及驅動軸控制單元，進行鐳射加工。所述方法包含準備步驟、掃描步驟、加工步驟以及加工完成步驟，將激光束聚焦于加工件下表面，再將焦距逐層往上表面移動加工，有效改善鐳射加工的切削精度、穩定性以及習用錐角，可省略集塵及退屑裝置，且縮短工時及節省成本。
文檔編號B23K26/04GK102049611SQ200910210359
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者李穎松, 林武郎, 江嘉榮, 石玉光 申請人:技鼎股份有限公司