专利名称：切割非金属材料的方法以及执行该方法的设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及加工诸如钻石非金属材料的材料的方法。更具体地，本发明涉及一种透明非金属材料的激光雕刻方法，特别是具有半导体覆盖层的坚硬物体(如刚玉)，玻璃，玻璃陶瓷，陶瓷等。本发明可被用于电子工业以切割基板，光学元件，晶体，薄片，液晶显示器薄片和光掩膜，磁和磁-光盘，也可用于制造眼镜和镜子。
利用金刚石工具切割和雕刻、抛光边缘是处理诸如石英和无色宝石等非金属材料的传统方法。这种过程的特征是由于高劳动力密集的手工操作而引起的材料高浪费和低成品率。
切割非金属材料的其它方法包括通过激光辐射加热材料使其温度不超过材料软化的温度，然后局部冷却加热区域。在这种情况下，选择光束，材料的相对移动速度和加热区域的局部冷却部位，来实现在材料中形成破碎层的条件(俄罗斯联邦专利No.2024441，C03B33/02，
公开日期为15/12/94)。
该方法的特征在于由于大的激光功率和长辐射波长而很难形成小尺寸的缺失，而且只有低的切割局部精度。由于加工样品的局部加热显著，切割的精度也有所降低。
激光雕刻和破坏具有涂层的玻璃层的方法是已知的。该方法包括将来自脉冲CO2激光器且具有可被玻璃强吸收波长的激光束导向样品，激光束聚焦至样品表面或样品内部，在聚焦点形成缺失(专利WONo.0075983，H01L21/84，
公开日期14/12/2000)。
该用于切割非金属的方法和设备的缺点为由于在缺失形成区材料的损失而使缺失的尺寸大于激光光斑的尺寸，且达到20微米或更大。这不能满足在板材中切割线以将其分割成微切片的工艺必需的精度要求。此外，所加工样品的质量因所述加热和蒸汽物质从切割区的损失以及在表面宿留凝固物而被恶化。
类似的方法为用脉冲KrF激光器发出的激光雕刻和破坏具有涂层的玻璃层，该激光波长被玻璃强吸收。激光束聚焦至样品表面或样品内部，在聚焦点形成缺失(美国专利No.5961852，B23K26/00，
公开日期5/10/99)。
实现该方法的装置包括激光系统，用于导向和聚焦辐射的光—机系统，样品移动机构，过程监视的TV-照相机，以及控制所有电子系统和图像处理的计算机和控制器。
该方法的局限在于因使用KrF激光器，其仅可用于特定种类的玻璃和涂层类型。另外，准分子激光器辐射的低质量使得激光束不能聚焦到很小尺寸的斑点，其限制了精度并提高了过程的能量强度功率消耗。应当注意的是，本方法的固有特征在于激光脉冲低频引起的低切割速度，以及辐射在材料中的强吸收而引起的低处理深度。
本发明的任务为创造一种利用经初始成型的激光束切割包括具有半导体结构涂层的透明非金属，特别是坚硬和超硬材料的方法。具有一整套特定参数的激光脉冲提供了通过冲击和多光子离子化击穿材料的机构，结果产生非常小尺寸的缺失(近似于衍射极限)，以及因为选择击穿点之间的正确距离，可以达到与激光脉冲能量的实际符合以及在两击穿点之间形成裂纹的所需能量。在所处理样品的毛面(衬面)处理的情况下，样品的击穿阀值降低。这是一个低能量集中的方法。该方法的具有一低的功率消耗，且允许以大的精确程度(高达10μm)切割上述厚度从几个微米到300-500微米的材料。对于较厚的样品，切割可以通过将激光辐射聚焦到位于一个样品不同深度的点而实现系列缺失。在样品的背面排列聚焦点使得可以满足其密度不超过一个破坏半导体涂层的阈值所符合的条件。这也可以通过沿着一个激光辐射偏振的方向排列缺失形成点，以及在较厚材料的垂直表面且平行于第一缺失点形成的层，形成一个附加缺失点形成的层而得到提高。
该用于切割具有半导体结构的涂层的非金属材料的装置包括激光器，用于导向和聚焦激光束的光—机系统，用于结合样品和激光束焦点的移动机械，TV-摄像机和控制电子电路。光—机系统包括一个双折射晶体镜头和将具有不同焦距的两个或更多镜头结合在一起的光学件。
达到上述技术效果是通过将来自脉冲激光器的激光束导向来将透明非金属材料切割为小块的方法实现将激光辐射聚焦至样品的表面或内部，在焦点处形成缺失，所用脉冲激光辐射具有可透过材料的波长，脉冲持续时间为10-100ps且脉冲能量足够在焦点区形成材料的击穿，从而形成了光束，其在表面的容量密度不超过半导体涂层的破坏阈值，然后确定缺失的尺寸并在材料中以使得缺失50％重叠的距离直至两倍缺失尺寸的距离形成缺失。因而，形成缺失的点沿激光辐射偏振的方向排列，且同样将激光束聚焦到样品的没有涂层的背面，接着或同时使得第一聚焦除了聚焦一或几倍的激光辐射在垂直样品表面并平行于第一缺失点形成的层的样品内部。
该用于切割非金属材料的装置包括激光器，用于导向和聚焦激光束的光—机系统，用于结合样品和激光束焦点的移动机械，TV-摄像机和控制电子电路。光—机系统包括一个双折射晶体镜头和将具有不同焦距的两个或更多镜头结合在一起的光学件该非金属材料包括具有半导体结构的涂层的非金属材料。
可以因热机械梯度而产生样品的微爆裂，如同在模拟物或原型中，也可以通过大量冲击离子化而引起激光击穿。该现象的特征在辐射的容量或能量密度阈值正如其所必要的在小区域内接受一个极强的电场。这一效应可以通过利用皮秒范围内的极短脉冲激光器来实现。利用该高光束质量和波长量级为1微米的的Nd:YAG激光器可以得到接近于衍射极限的约为几个单位微米的小尺寸焦点，且在每个脉冲低能量时提供高辐射密度。通过选择激光束的适当几何形状和偏振方向，以及在样品上激光击穿轨迹的空间排列次序，即靠近样品背面的缺失的第一导向线的排布，以及选择辐射焦点之间的距离，可以实现样品可控制的微爆裂。在样品2中形成更多的缺失痕迹可以使得以特定的精度切割较厚的(大于300微米)特别是坚硬的材料。通过对激光脉冲持续时间的特殊选择可以实现一个最优的低击穿阈值。
在所述装置中使用多焦镜头使得可以产生第二层缺失，从而可以通过在样品内部的待切割方向上产生击穿而提高切割的精度该多多焦镜头包括两个或更多具有不同焦距的透镜或具有双折射晶体的透镜。
因而，利用所提供发明的区别特征提供一种保证在10微米的范围内以小功率消耗切割所需细节而不破坏覆盖层的一种的机会，即使是对于更坚硬的材料。
通过
图1-4解释本发明图1示出了本发明的安装框图；图2显示了聚焦单元；图3a，3b显示了以12和20μu两个值的脉冲能量切割蓝宝石样品的照片；图4显示了在不同的聚焦条件下雕刻样品。
让我们利用图1和图2所示的切割装置的运行作为一个例子来解释该方法。
安装结构包括以下基本模块激光器系统1；用于导向和聚焦辐射的光—机系统2；移动一个样品的机构3；监视控制装置4；控制和管理的电子模块5。
所处理样品的质量和结构以及它的元素通过显微镜研究。
激光系统1包括具有脉冲灯泵浦的Nd:YAG激光器。使用M-B导散射和光导散射的方法，脉冲激光在持续期中通过两阶段压缩。结果，脉冲最终持续时间约为15-50ps，辐射波长因光导散射而提高到1.2微米，单脉冲能量至150μJ.标准脉冲跟踪频率为15Hz。对于光束方向上能量变化约为2倍的情况，可以折中选择60％的滤片。
图2所示的聚焦系统2包括准直光学系统(望远镜系统)7，双色旋转反射镜8以及可沿垂直方向移动的聚焦镜9。这样，我们就可以在样品的深度手动扫描辐射的聚焦区域。物镜的位置可以通过微米计控制在5微米以内。使用具有焦距为8mm和15mm的镜头9。置于系统7和反射镜8之间的镜头10(或由双反射晶体制成的具有双焦距的透镜)使得在样品高度的不同位置产生会聚光束11和12。
厚度为1.2mm的玻璃板12和厚度约为0.4mm的蓝宝石板被用作研究激光击穿引起的裂纹产生，该蓝宝石板没有以规则间隔喷涂GaN的喷涂覆盖层，但具有步长为430微米的喷涂半导体栅格。蓝宝石板是透明的，且在涂层的部分抛光，相对面为毛面(暗面)。
在较厚的样品中的一个轨迹图形中，聚焦的激光束蚀刻的横断面直径约为4-8微米，其中击穿的阈值很高，蚀坑的尺寸很小实际上与衍射极限一致。
激光器1的初次切割通过背部毛面附近的透明部。激光击穿的痕迹的深度以一顺序形成，在物镜焦距为F＝8mm时为50微米，当物镜焦距为F＝15mm时为80微米。对板材13的背面的雕刻通过20μJ和12μJ双脉冲能量数值实现。通过低功率数值可以确保使表面缺失的尺寸达10微米。图3a显示了脉冲能量为12μJ时所切割的样品，图3b显示了脉冲能量为20μJ时所切割的具有双层缺失的样品。对于沿晶体轴的方向切割的情况，损伤区域以及表面从切割线的偏差不超过10微米，但是对于切割线与晶体的轴重合的情况，偏差取决于焦斑的定位精度。
为了控制管理裂纹的生长，从背面实施第二次附加切割。这一切割在样品内部的给定方向产生了附加裂纹，导致裂解的机械阈值急剧下降，且可控制裂解的方向。借助于焦距为2m的正透镜10的一半，使用双光束几何形状的光束来切割区域。因而，对于F＝15mm的透镜，在玻璃中光束在高度为120微米的地方发散，在蓝宝石中因其折射系数较大在180微米处发散。通过该方法产生的裂纹的结构使得与特殊滚筒对滚的400微米的微蓝宝石元件得到满意的裂纹。利用双焦透镜在样品内部的缺失层的不同深度具有缺失的区域在图4中示出。
F＝8mm的短焦物镜被用作雕刻具有半导体覆盖层的样品。这使得利用脉冲能量为μJ且脉冲持续时间为30皮秒的激光可以完全防止覆盖层的烧伤，这是因为在样品表面产生的辐射能量密度小于破坏覆盖层的阈值。
随着最近几十年结合飞秒激光工程的发展，研究了在绝缘材料产生激光击穿的机理。在Chun Tien等人的工作中(物理评论学报，1999，v.8，N.19，PP3883-3886)基于几百皮秒至几十飞秒的脉冲宽度范围研究了发生于激光击穿过程的各种离子化的机理。
在透明介质的击穿取决于导电区域内电子密度快速增加到产生等离子体化所引起的激光强吸收水平。结果，在等离子区形成的冲击波的作用下发生介质的破坏。依据该文中破坏能量的阈值密度作为激光宽度的函数的曲线我们可以考虑应用范围大约为30ps的产生机理。在坚硬物质的导电区内，由于存在的杂质，在坚硬物质的导电区总是有一些自由电子。在大约几百Mv/cm的激光波的极强电场的作用下，电子加速至足够使晶格中的原子产生冲击离子化的能量。结果电子的雪崩效应发展，迅速达到临界密度。冲击离子化的机理通过由于晶格缺失数量的增加使得非均匀毛面的击穿阈值大幅度降低而确认。
多光子离子化机理在脉冲宽度以皮秒为单位的情况下开始起作用，然而对于小于1皮秒的情况，它有基本贡献。同时，击穿的能量密度与大于10皮秒脉冲宽度的平方根成正比，且脉冲的进一步缩短产生了非线性行为，但近似于常数(如对于溶融石英大约1J/cm2)。
所考虑的冲击机构可以引起坚硬体的击穿几何形状依赖于激光束的偏振方向。当电子沿着诸如偏振方向的电场方向加速时，电子雪崩发生的主要方向将沿着该方向。从而，等离子云和发生的冲击波沿该偏振方向形成。因而，裂纹的形成将很窄，且在沿着偏振方向的激光冲击的连续点排布上是长的，在跨越该方向大而粗糙。它同样导致以偏振导向的激光束击穿板材的机械阈值的降低。
基于此，可以解释所选择的脉冲宽度范围。对于小于10ps的脉冲宽度，从上述曲线可以看出，所起作用的裂解机构随着冲击变得多光子化和隧道离子化。正如实践中所知，对于脉冲宽度为几百或更短的区域具有很强的非线性效应，这一方面导致不能将激光束聚焦到一个足够小的范围，且另一方面增加了透明材料的折射系数和模糊度。这一机构实际上排除了在衬底材料中产生激光击穿的机会，因而不适于尖角。正如实践中所知，实际上，通过得到可接受的脉冲宽度几十赫兹到几万赫兹(同步模式可使循环频率为几十或几百兆赫)而使脉冲宽度范围大约500分秒到几个皮秒很难实现。最终，对于脉冲宽度大于100ps的情况，由于输入能量的增加，缺失区域大幅度增加，并开始具有热梯度效应，进而使精度降低。
因而，利用冲击离子化机构使得产生一种方法，用于雕刻具有半导体覆盖层的坚硬非金属材料，使得切割该材料的精度高达10微米。
权利要求
1.一种切割非金属材料的方法，该方法通过导向来自脉冲激光器的激光束，并聚焦至样品的表面或内部，在焦点处形成缺失，在样品表面产生机械效果，其特征在于所用的脉冲激光辐射的脉冲持续时间为10-100ps且脉冲能量足够在材料的焦点区形成击穿，其波长可以透过该材料，然后决定缺失的尺寸且形成的缺失点以缺失点相互重叠50％的距离至两倍缺失点尺寸的距离排布，同时形成一光束，使得在表面的能量密度不超过半导体覆盖层的破坏阈值。
2.按照权利要求1所述切割透明非金属材料的方法，其中缺失形成点沿激光辐射的偏振方向。
3.按照权利要求1所述切割透明非金属材料的方法，其中聚焦的激光束被聚焦到样品没有覆盖层的背面，接着或同时在垂直样品且平行于第一缺失层再聚焦一束或多束激光辐射。
4.一种用于切割透明非金属材料的装置，包括激光器系统，用于导向和聚焦辐射的光-机系统，用于共同移动样品和焦点的移动机构，TV-控制装置，管理和控制模块，特别是，用于导向和聚焦辐射的系统由包括具有不同焦距的两个或多个透镜的镜头实现。
5.按照权利要求4所述的装置，其中用于导向和聚焦辐射的系统用一个双折射晶体镜头实现。
全文摘要
本发明通常涉及诸如钻石非金属材料的加工方法。更具体地，本发明涉及一种透明非金属材料的激光雕刻方法，特别是具有半导体覆盖层的如刚玉坚硬物体，玻璃，玻璃陶瓷，陶瓷等。本发明可被用于电子工业以切割板材，光学元件，晶体，薄片，液晶显示器薄片和光掩膜，磁和磁－光盘，也可用于制造眼镜和镜子等。本发明的任务为创造一种利用经原始整形的激光束切割透明非金属，特别是包括具有半导体结构覆盖物的坚硬和超硬材料的方法。具有一组特定参数的激光脉冲提供了通过爆破和多光子离子化击穿材料的机构，结果产生非常小尺寸的缺失(近似于衍射极限)，以及由于正确选择两击穿点之间的距离，实现了与激光脉冲能量的实际符合和在两个击穿点之间形成破碎的所需能量。
文档编号C03B33/02GK1642867SQ03805763
公开日2005年7月20日 申请日期2003年2月4日 优先权日2002年2月21日
发明者安德烈·米卡耶洛维奇·阿莱克谢耶夫, 费拉迪米尔·约瑟福维奇·克雷扎诺夫斯基, 奥列格·维克托罗维奇·海特 申请人:安德烈·米卡耶洛维奇·阿莱克谢耶夫