微沟槽激光加工装置及方法

1.本技术涉及沟槽加工技术领域，尤其涉及一种微沟槽激光加工装置及方法。


背景技术：

2.相关技术中，微米级别的沟槽，简称微沟槽，应用于多个领域，例如，在半导体领域，微沟槽阵列可作为散热结构，微沟槽的截面形状会影响半导体器件的散热性能；在微流体领域，微沟槽作为与流体直接接触的部分，沟槽形状对流体压力分布的影响决定了微流体的流动性能；因此，微沟槽截面形状的加工方法就显得尤为重要。目前，加工微沟槽的方法，通常有采用与目标沟槽形状相适应的加工工具对原材料进行机械加工或者电火花加工的方法。然而，上述两种加工方法均为接触式加工方法，加工工具因工艺和材料等问题，使得加工工具的形状受到了限制，因而使得微沟槽的形状也受到了限制，微沟槽的形状自由度低；另一方面，接触式加工容易对加工工具产生磨损，加工工具磨损之后，如果还使用该工具持续加工，则会降低微沟槽的形状精度，直接影响微沟槽的性能；假如更换加工工具，则需要好费时间进行更换，降低了微沟槽加工的效率。因此，如何在加工时提高微沟槽的形状自由度和加工效率，成为了亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种微沟槽激光加工装置及方法，能够提高微沟槽加工的形状自由度和加工效率。
4.根据本技术的第一方面实施例的微沟槽激光加工装置，包括：
5.激光光源，所述激光光源用于发出激光束，其中，所述激光束为初始偏振光；
6.光束整形模块，所述光束整形模块包括半波片、空间光调制器、第一偏振片，所述空间光调制器设置有二元相位图，所述半波片用于将所述初始偏振光调制为倾斜偏振光，所述空间光调制器用于通过所述二元相位图，将所述倾斜偏振光偏转为选定区域和非选定区域相互垂直的偏转偏振光，所述第一偏振片用于滤除所述非选定区域的所述偏转偏振光，以得到所述选定区域内的所述偏转偏振光构成的光斑；
7.激光聚焦模块，所述激光聚焦模块用于控制所述光斑聚焦于所述待加工材料的对应位置。
8.根据本技术实施例的微沟槽激光加工装置，至少具有如下有益效果：通过设置有激光光源、光束整形模块、激光聚焦模块，当激光光源发出初始偏振光构成的激光束时，首先，光束整形模块对多个初始偏振光进行整形，得到目标光斑形状，最后，通过激光聚焦模块将光斑聚焦于待加工材料的对应位置。本技术的微沟槽激光加工装置，通过将激光整形为特定的光斑形状，并通过聚焦光斑对待加工材料进行加工，得到对应的微沟槽；第一方面，不同的微沟槽形状，都可以通过光束整形模块整形得到不同的光斑形状并进行加工得到，不需要另行设置特定结构的加工工具，并且在长时间的加工状态下，无需因磨损问题更换新的加工工具，加工效率得到了提高；第二方面，通过整形光斑对待加工材料进行加工，
能够加工得到更加多样的微沟槽，因此，微沟槽的形状具有更大的自由度，不再局限于特定的形状。综上，本技术的微沟槽激光加工装置，能够提高微沟槽加工形状自由度的同时提高加工效率。
9.根据本技术的一些实施例，所述微沟槽激光加工装置还包括光斑中心调整模块、半透半反镜片，所述光斑中心调整模块包括第二反射镜、第一凸透镜、光束质量分析仪、角度调整模块；所述半透半反镜片用于将部分所述光斑对应的所述激光束反射至所述第二反射镜，以使所述第二反射镜将部分所述光斑通过所述第一凸透镜反射至所述光束质量分析仪；所述光束质量分析仪用于对部分所述光斑进行分析以得到光强分布图；所述角度调整模块用于根据所述光强分布图对所述激光光源发出所述激光束的角度进行调整，以使所述激光束在穿过所述二元相位图时，所述激光束的中心和所述空间光调制器加载的所述二元相位图的中心重合。
10.根据本技术的一些实施例，所述微沟槽激光加工装置还包括液膜控制模块，所述液膜控制模块用于将液膜按照设定厚度覆盖于所述待加工材料表面；所述激光聚焦模块还用于控制所述光斑穿过所述液膜，并聚焦于具有设定液膜厚度的所述待加工材料的对应位置。
11.根据本技术的一些实施例，所述液膜控制模块包括蠕动泵、位移台、流量针头，所述位移台设置有水槽，所述水槽用于固定所述待加工材料并容纳在所述待加工材料表面循环流动的液体，所述蠕动泵用于将液体输送至所述待加工材料表面，所述流量针头用于将所述待加工材料表面的液膜厚度控制在设定厚度。
12.根据本技术的一些实施例，所述微沟槽激光加工装置还包括焦点检测模块、二向色镜、聚焦调制模块；所述激光聚焦模块包括物镜，所述焦点检测模块包括同轴光源、分束镜、相机、第一反射镜；所述同轴光源用于发出单色光，以使所述单色光经过所述分束镜反射后依次通过所述二向色镜、所述物镜，并照射于所述待加工材料表面；所述相机用于捕捉经所述待加工材料表面反射的并依次通过所述物镜、所述二向色镜、所述分束镜和所述第一反射镜的单色光，以形成所述待加工材料表面对应的图像；所述聚焦调制模块用于根据所述图像在竖直方向上移动所述物镜，以使所述光斑经过所述物镜后形成的焦点聚焦于所述待加工材料表面。
13.根据本技术的第二方面实施例的微沟槽激光加工方法，应用于微沟槽激光加工装置，所述微沟槽激光加工装置包括：
14.激光光源，所述激光光源用于发出激光束，其中，所述激光束包括初始偏振光；
15.光束整形模块，所述光束整形模块包括半波片、空间光调制器、第一偏振片，所述空间光调制器设置有二元相位图，所述半波片用于将所述初始偏振光调制为倾斜偏振光，所述空间光调制器用于通过所述二元相位图，将所述倾斜偏振光偏转为选定区域和非选定区域相互垂直的偏转偏振光，所述第一偏振片用于滤除所述非选定区域的所述偏转偏振光，以得到所述选定区域内的所述偏转偏振光构成的光斑；
16.激光聚焦模块，所述激光聚焦模块用于控制所述光斑聚焦于所述待加工材料的对应位置；
17.所述微沟槽激光加工方法包括以下步骤：
18.发出所述激光束；
19.将所述初始偏振光调制为所述倾斜偏振光；
20.将所述倾斜偏振光偏转为选定区域和非选定区域相互垂直的所述偏转偏振光；
21.滤除所述非选定区域的所述偏转偏振光，以得到所述选定区域内的所述偏转偏振光构成的所述光斑；
22.将所述光斑聚焦于所述待加工材料表面并进行加工，得到微沟槽。
23.根据本技术的一些实施例，所述微沟槽激光加工装置还包括光斑中心调整模块、半透半反镜片，所述光斑中心调整模块包括第二反射镜、第一凸透镜、光束质量分析仪、角度调整模块；所述半透半反镜片用于将部分所述光斑对应的所述激光束反射至所述第二反射镜，以使所述第二反射镜将部分所述光斑通过所述第一凸透镜反射至所述光束质量分析仪；所述光束质量分析仪用于对部分所述光斑进行分析以得到光强分布图；所述角度调整模块用于根据所述光强分布图对所述激光光源发出所述激光束的角度进行调整，以使所述激光束在穿过所述二元相位图时，所述激光束的中心和所述空间光调制器加载的所述二元相位图的中心重合；
24.所述微沟槽激光加工方法还包括以下步骤：对所述光斑的中心进行调整，以使所述激光束的中心和所述空间光调制器加载的所述二元相位图的中心重合；
25.所述对所述光斑的中心进行调整，以使所述激光束的中心和所述空间光调制器加载的二元相位图的中心重合，包括以下步骤：
26.将部分所述光斑进行反射，以获取部分所述光斑；
27.对部分所述光斑进行分析以得到所述光强分布图；
28.根据所述光强分布图对所述激光光源发出所述激光束的角度进行调整，以使所述激光束的中心和所述空间光调制器加载的所述二元相位图的中心重合。
29.根据本技术的一些实施例，所述微沟槽激光加工装置还包括液膜控制模块，所述液膜控制模块用于将液膜按照设定厚度覆盖于所述待加工材料表面；所述激光聚焦模块还用于控制所述光斑穿过所述液膜，并聚焦于具有设定液膜厚度的所述待加工材料的对应位置；
30.所述微沟槽激光加工方法还包括以下步骤：将所述液膜按照设定厚度覆盖于所述待加工材料表面。
31.根据本技术的一些实施例，所述液膜控制模块包括蠕动泵、位移台、流量针头，所述位移台设置有水槽，所述水槽用于固定所述待加工材料并容纳在所述待加工材料表面循环流动的液体，所述蠕动泵用于将液体输送至所述待加工材料表面，所述流量针头用于将所述待加工材料表面的液膜厚度控制在设定厚度；
32.所述将所述液膜按照设定厚度覆盖于所述待加工材料表面，包括以下步骤：
33.将所述液体输送至位于所述水槽的所述待加工材料表面；
34.将所述待加工材料表面的所述液膜厚度控制在设定厚度。
35.根据本技术的一些实施例，所述微沟槽激光加工装置还包括焦点检测模块、二向色镜、聚焦调制模块；所述激光聚焦模块包括物镜，所述焦点检测模块包括同轴光源、分束镜、相机、第一反射镜；所述同轴光源用于发出单色光，以使所述单色光经过所述分束镜反射后依次通过所述二向色镜、所述物镜，并照射于所述待加工材料表面；所述相机用于捕捉经所述待加工材料表面反射的并依次通过所述物镜、所述二向色镜、所述分束镜和所述第
一反射镜的单色光，以形成所述待加工材料表面对应的图像；所述聚焦调制模块用于根据所述图像在竖直方向上移动所述物镜，以使所述光斑经过所述物镜后形成的焦点聚焦于所述待加工材料表面；
36.所述微沟槽激光加工方法还包括：对所述光斑的聚焦位置进行调整；
37.所述对所述光斑的聚焦位置进行调整，包括以下步骤：
38.将所述单色光照射于所述待加工材料表面；
39.捕捉经所述待加工材料表面反射的所述单色光，以形成所述待加工材料表面对应的所述图像；
40.根据所述图像在竖直方向上移动所述物镜，以使所述光斑经过所述物镜后形成的所述焦点聚焦于所述待加工材料表面。
41.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
42.下面结合附图和实施例对本技术做进一步的说明，其中：
43.图1为本技术一个实施例所提供的微沟槽激光加工装置的结构示意图和光路示意图；
44.图2为图1中所示的偏振检测位检测到的偏振光的偏振方向示意图；
45.图3为光斑对待加工材料进行加工的加工过程示意图；
46.图4为光斑形状对应不同烧蚀区域的示意图；
47.图5为微沟槽加工时光斑的形状和烧蚀深度的关系说明示意图；
48.图6为微沟槽截面的结构示意图；
49.图7为微沟槽激光加工方法的流程示意图。
50.附图标记：
51.激光光源100；
52.光束整形模块200、半波片210、空间光调制器220、第一偏振片230、第一偏振检测位240、第二偏振检测位250、第三偏振检测位260、第四偏振检测位270；
53.激光聚焦模块300、物镜310、第二凸透镜320；
54.光斑中心调整模块400、第二反射镜410、第一凸透镜420、光束质量分析仪430；
55.半透半反镜片500；
56.液膜控制模块600、位移台610、水槽611、液体612；
57.焦点检测模块700、同轴光源710、分束镜720、相机730、第一反射镜740；
58.二向色镜800；
59.待加工材料900。
具体实施方式
60.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
61.在本技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
62.在本技术的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
63.本技术的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本技术中的具体含义。
64.本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.在半导体领域，微沟槽构成的阵列，通常作为一种散热装置使用，其截面形状特征会影响器件的散热性能；在微流体领域，微沟槽作为与流体直接接触的部分，沟槽形状对流体压力的分布的影响决定了微流体的流动性能；此外，微沟槽也应用于气体比例探测器、衍射光学等器件中。因此，在上述领域中，加工得到符合要求的微沟槽结构，是微沟槽能否实现对应功能的关键技术手段。现阶段，可控截面微沟槽的加工通常采用机械加工或者电解加工方法，这两种方法都需要采用与设计沟槽对应形状的工具，如加工v型沟槽，则需要v型刀具或者电极。加工工具的磨损会直接影响沟槽的形状精度。而且对于第三代半导体等硬脆性材料，传统的加工方式已经无法对其进行有效的材料去除，加工质量差或者加工效率低。
66.作为一种机械加工方法，金刚石刀具切割微沟槽的缺点是会产生较大的接触应力，容易在硬脆性半导体材料边缘产生崩边降低加工表面质量；放电加工方法同样是一种接触式加工方法，要求加工对象具有导电性，不适用于非导电材料的加工。前述两种接触式加工方法中刀具或者电极的磨损变形都会直接导致沟槽形状精度下降。
67.激光烧蚀沟槽技术，解决了前述两种方法接触式加工且对材料有选择性的缺点。激光加工技术作为一种对材料选择性低、加工精度高的无接触式加工方法可适用于各种材料的高精度加工。但是由于初始光斑能量呈高斯分布，单次激光扫描无论如何调整激光加工参数最终得到的微槽形状都局限于对称的u型或者v型，不能自由调控截面轮廓。根据截面轮廓设计扫描路径的加工方法需要激光束的多次扫描，不仅降低了加工效率，而且限制了沟槽宽度至少为光斑直径的数倍。
68.具体来讲，也就是基于上述问题，诞生了通过激光加工得到微沟槽的技术手段，激光加工技术作为一种对材料选择性低、加工精度高的无接触式加工方法可适用于各种高难度的加工情景，特别是在待加工材料难以加工的情景，能够实现加工材料的高精度加工。但是受限于常用光斑的高斯能量分布特性，想要控制槽型，通常采用调整激光的焦平面，或
者，调整激光加工参数，激光加工参数包括单脉冲能量、脉冲重叠率，从而改变烧蚀沟槽的截面形貌。对单次扫描来说，这种参数的改变也只能得到u型或者v型微沟槽。这些激光加工的方法无法获得更加丰富的沟槽形貌，如截面形状为t型或者阶梯型的沟槽。
69.此外，可以在单次扫描的基础上，进行多次扫描，多次扫描加工对槽型的控制是有效的，例如在激光加工光路上增加光束偏转组件的方式，控制激光束做来回往复运动时的运动幅度，从而控制烧蚀线宽。另一种沟槽控型方法，是根据目标微沟槽形貌的深度、宽度、横截面轮廓结合烧蚀函数拟合算法推导激光多次扫描的路径，然后操纵激光束按照路径进行扫描加工，得到目标宽度和横截面轮廓的微沟槽。
70.总体而言，在相关技术中，激光烧蚀微沟槽的工艺，单次扫描受限于光斑形状，只能加工出u型或者v型微沟槽，通过设计路径并叠加扫描路径的方法加工效率较低且无法加工出数微米尺度的微沟槽。基于此，本技术提供了一种微沟槽激光加工装置及方法，能够通过激光单次扫描加工出截面形状可控的微沟槽，并且采用对初始光斑进行整形的方式来控制能量分布，达到单次激光扫描即可烧蚀出截面形状可控微沟槽的目的。
71.下面参照图1描述根据本技术实施例的微沟槽激光加工装置。
72.可以理解的是，如图1所示，根据本技术根据本技术的微沟槽激光加工装置，包括：
73.激光光源100，激光光源100用于发出激光束，其中，激光束的偏振为初始偏振光；
74.光束整形模块200，激光束包括初始偏振光，光束整形模块200包括半波片210、空间光调制器220、第一偏振片230，空间光调制器220设置有二元相位图，半波片210用于将初始偏振光调制为倾斜偏振光，空间光调制器220用于通过二元相位图，将倾斜偏振光偏转为选定区域和非选定区域相互垂直的偏转偏振光，第一偏振片230用于滤除非选定区域的偏转偏振光，以得到选定区域内的偏转偏振光构成的光斑；
75.激光聚焦模块300，激光聚焦模块300用于控制光斑聚焦于待加工材料900的对应位置。
76.通过设置有激光光源100、光束整形模块200、激光聚焦模块300，当激光光源100发出初始偏振光构成的激光束时，首先，光束整形模块200对多个初始偏振光进行整形，得到目标光斑形状，最后，通过激光聚焦模块300将光斑聚焦于待加工材料900的对应位置。本技术的微沟槽激光加工装置，通过将激光整形为特定的光斑形状，并通过聚焦光斑对待加工材料900进行加工，得到对应的微沟槽；第一方面，不同的微沟槽形状，都可以通过光束整形模块200整形得到不同的光斑形状并进行加工得到，不需要另行设置特定结构的加工工具，并且在长时间的加工状态下，无需因磨损问题更换新的加工工具，加工效率得到了提高；第二方面，通过整形光斑对待加工材料900进行加工，能够加工得到更加多样的微沟槽，因此，微沟槽的形状具有更大的自由度，不再局限于特定的形状。综上，本技术的微沟槽激光加工装置，能够提高微沟槽加工形状自由度的同时提高加工效率。
77.需要说明的是，激光光源100可以为超快激光器或者其他脉冲激光器，激光束可以为由超快激光器发出的高斯型超快脉冲激光束或其他脉冲激光。
78.需要说明的是，初始偏振光为水平偏振光，可以理解为和水平面平行的偏振光。
79.可以理解的是，如图1所示，微沟槽激光加工装置还包括光斑中心调整模块400、半透半反镜片500，光斑中心调整模块400包括第二反射镜410、第一凸透镜420、光束质量分析仪430、角度调整模块；半透半反镜片500用于将部分光斑对应的激光束反射至第二反射镜
410，以使第二反射镜410将部分光斑通过第一凸透镜420反射至光束质量分析仪430；光束质量分析仪430用于对部分光斑进行分析以得到光强分布图；角度调整模块用于根据光强分布图对激光光源100发出激光束的角度进行调整，以使激光束在穿过二元相位图时，激光束的中心和空间光调制器220加载的二元相位图的中心重合。
80.可以理解的是，如图1所示，微沟槽激光加工装置还包括液膜控制模块600，液膜控制模块600用于将液膜按照设定厚度覆盖于待加工材料900表面；激光聚焦模块300还用于控制光斑穿过液膜，并聚焦于具有设定液膜厚度的待加工材料900的对应位置。
81.可以理解的是，如图1所示，液膜控制模块600包括蠕动泵、位移台610、流量针头，位移台610设置有水槽611，水槽611用于固定待加工材料900并容纳在待加工材料900表面循环流动的液体612，蠕动泵用于将液体612输送至待加工材料900表面，流量针头用于将待加工材料900表面的液膜厚度控制在设定厚度。
82.可以理解的是，如图1所示，微沟槽激光加工装置还包括焦点检测模块700、二向色镜800、聚焦调制模块；激光聚焦模块300包括物镜310，焦点检测模块700包括同轴光源710、分束镜720、相机730、第一反射镜740；同轴光源710用于发出单色光，以使单色光经过分束镜720反射后依次通过二向色镜800、物镜310，并照射于待加工材料900表面；相机730用于捕捉经待加工材料900表面反射的并依次通过物镜310、二向色镜800、分束镜720和第一反射镜740的单色光，以形成待加工材料900表面对应的图像；聚焦调制模块用于根据图像在竖直方向上移动物镜310，以使光斑经过物镜310后形成的焦点聚焦于待加工材料900表面。
83.下面结合图1至图6对本技术实施例的微沟槽激光加工装置进行描述。
84.如图1所示，通过图1，可以得到激光束的传播路径，通过此路径进行加工，因此，也称之为加工光路，图1中的激光光源100为超快激光器，使用超快激光器产生高斯型超快脉冲激光束。如图2中(a)处所示，激光光源100发出的高斯型超快脉冲激光束为水平偏振激光，通过半波片210后偏振方向转变为45
°
方向的偏振光，即图2中(b)处所示；45
°
方向的线偏振光经过空间光调制器220上加载的二元相位图调制为图2中(c)处所示所示光斑图案，为内外相互垂直的偏振光；最后，通过第一偏振片230将光斑中一个方向的偏振光过滤，得到图2中(d)处所示的偏振光。其中，超快激光器不限于中心波长为520纳米(nm)的固体激光器，高斯型超快脉冲激光束的脉宽不限于300飞秒(fs)。
85.需要说明的是，在一些实施例中，控制激光光源100的单脉冲能量为8μj，聚焦前光束直径为6mm，激光重复频率为5khz，扫描速度为100μm/s。在空间光调制器220上加载的二元相位图为直角三角形图案。
86.需要说明的是，整形后的直角三角形激光束，称之为光斑，光斑会经过一个4f系统，4f系统也就是激光聚焦模块300，激光聚焦模块300包括物镜310、第二凸透镜320，聚焦在待加工材料900表面。其中，二相色镜用于反射直角三角形激光束到物镜310，以使物镜310聚焦直角三角形激光束于待加工材料900进行加工。因为物镜310的焦距是固定的，上下移动可以使物镜310的焦点正好落在样品表面上，因此，通过控制物镜310的上下移动，将直角三角形激光束的焦点移动至待加工材料900表面。待加工材料900置于水槽611内，水槽611放置于位移台610；其中，位移台610可以为三轴精密位移台610。
87.需要说明的是，同轴光源710可以为led光源，led光源发出的单色光经过分束镜720反射后依次通过二向色镜800和物镜310，对待加工材料900表面进行照明。待加工材料
900反射的光依次通过物镜310、二向色镜800、分束镜720和第一反射镜740，进入相机730成像，获得样品表面的照片，其中，相机730为cmos相机730。相机730成像的焦点位置和激光聚焦位置进行了同轴处理，便于通过聚焦调制模块进行激光聚焦调制，其中，聚焦调制模块为可视化的软件；具体地，就是通过聚焦调制模块上下控制物镜310的移动。
88.需要说明的是，光束整形的实施例参照图2，图2的四种偏正光，是通过第一偏振检测位240、第二偏振检测位250、第三偏振检测位260、第四偏振检测位270分别依次检测得到的。首先要将初始偏振光调制为45
°
偏振方向的线偏振光，即图2(a)处过渡到(b)处。然后通过加载在空间光调制器220上的二元相位图，使图案外的激光束偏振再旋转90
°
，形成图案内外偏振正交的激光束，即图2(b)处过渡到(c)处；最后，通过第一偏振片230挡住图案外的偏振光，只有图案内的激光束能够通过，得到与相位图相同的激光图案，即图2(c)处过渡到(d)处。其中，二元相位图依据空间光调制器220的灰度进行设计，首先需要标定空间光调制器220的相位延迟与灰度图之间的关系，也就是确定相位和灰度值之间的数值关系，然后，在设计图案的内外分别设定图案的灰度值，使图案内外的两种灰度值正好对应相位延迟为0和π，从而实现对偏振光的旋转操作。
89.需要说明的是，可以根据材料选择是否使用液体612辅助烧蚀。对于烧蚀产物为气体的材料，如金刚石、聚酰亚胺等，不需要加液体612辅助，仅整形激光的叠加沉积即可加工出特定的沟槽形状；对于碳化硅和硅等有烧蚀碎屑的加工对象，则需要使用液体612辅助烧蚀，利用激光诱导微射流辅助烧蚀的方法排除烧蚀产物的干扰，那么才能通过整形光斑的叠加扫描加工特定形状的沟槽。
90.具体地，水槽611可以为开口石英容器，使用时将待加工材料900置于开口石英容器中固定。开口石英容器用于盛放激光诱导微射流辅助烧蚀工艺中的辅助液体612。液体612由蠕动泵进行循环供给，其中，蠕动泵为微流量泵；蠕动泵的出口接一个流量针头，液体612从流量针头射出到待加工材料900表面，在加工区域表面形成具有动态稳定厚度的液体612薄膜。
91.可以理解的是，如图3所示，整形后的激光束通过物镜310聚焦在上述方法产生的液体612薄膜覆盖的待加工材料900表面处。加工区域形成的液体612薄膜的面积、厚度通过改变泵流量、针头出口直径控制，需要满足的是液体612薄膜厚度应小于激光诱导的空化气泡直径，从而达到形成激光诱导微射流的条件。
92.需要说明的是，沟槽截面形成原理如下：待加工材料900表面沉积的能量决定了烧蚀的深度，而沉积能量的多少由沉积的激光脉冲个数和每个脉冲的能量决定。激光扫描烧蚀过程中，激光脉冲的能量保持不变，那么改变材料表面各个位置沉积的脉冲个数就能在不同位置烧蚀不同的深度。参照图4给出的有效脉冲数计算原理示意图，当光斑形状为如图4(e)处的三角形光斑时，图4(f)处的烧蚀区域各位置的有效脉冲数n可以根据如下公式计算，
93.n＝h
□
f/v
94.其中，h为三角形光斑在扫描方向对应到材料烧蚀区域各位置的尺寸，扫描方向为微沟槽的长度方向，也就是y轴方向；f为激光的重复频率，也就是一秒钟时间内的激光脉冲个数；v为激光的扫描速度；h为三角形光斑在长度方向上的直角边长，w为三角形光斑在宽度方向上的直角边长，宽度方向可以理解为在x轴方向。
95.具体地，以三角形光斑为例，光斑在扫描方向的长度线性变化，造成的结果是材料烧蚀区域各个位置的有效脉冲数也是线性变化。单个脉冲能量不变的情况下，那么烧蚀深度相应的也会线性变化，最终烧蚀形成三角形沟槽。
96.需要说明的是，可以将图4的三角形光斑在x方向离散并简化为三级阶梯型光斑，如图5中(g)所示的结构排布，h1、h2、h3分别代表光斑不同行的长度，每一行通过h的长度来控制不同行的脉冲个数。
97.需要说明的是，假设如图5中(h)所示的为光斑在扫描方向上的叠加示意图，也就是光斑沿y轴正方向扫描三步的叠加示意图，c1、c2、c3、b1、b2、b3、a1、a2、a3用于表示在不同加工区域已经叠加的脉冲个数，通过h的长度控制脉冲个数。图5中(h)所示a1、b1、c1三个位置已经叠加的脉冲个数分别为1、2、3个；同理，a2、b2、c2和a3、b3、c3在后续的扫描中最终叠加的脉冲个数分别为1、2、3个。由于每个脉冲的烧蚀深度是相等的，叠加脉冲数越多的位置烧蚀深度越深，所以可以得到如图5中(i)所示在z方向上不同深度的结构。
98.采用上述微沟槽激光加工装置进行光束整形和液体612辅助烧蚀，设计光斑形状并调节合适的激光脉冲能量和扫描参数，在200μm厚度单晶碳化硅晶圆上烧蚀出如图6所示的微沟槽，其中，(j)处和(n)处为一组、(k)处和(o)处为一组、(l)处和(p)处为一组、(m)处和(q)处为一组，分别代表三角形、w形、阶梯形和t形微沟槽。
99.本发明提供的微沟槽激光加工装置，并根据微沟槽激光加工装置所实施的方法，可实现激光扫描加工截面可控的微沟槽，减少重铸及烧蚀产物附着，提高了微沟槽的烧蚀质量，实现截面形状可自由调整的微沟槽加工。
100.下面结合图7描述本技术实施例的微沟槽激光加工方法。
101.可以理解的是，如图7所示，提供了一种微沟槽激光加工方法，应用于微沟槽激光加工装置，微沟槽激光加工装置包括：
102.激光光源100，激光光源100用于发出激光束，其中，激光束的偏振为初始偏振光；
103.光束整形模块200，激光束包括初始偏振光，光束整形模块200包括半波片210、空间光调制器220、第一偏振片230，空间光调制器220设置有二元相位图，半波片210用于将初始偏振光调制为倾斜偏振光，空间光调制器220用于通过二元相位图，将倾斜偏振光偏转为选定区域和非选定区域相互垂直的偏转偏振光，第一偏振片230用于滤除非选定区域的偏转偏振光，以得到选定区域内的偏转偏振光构成的光斑；
104.激光聚焦模块300，激光聚焦模块300用于控制光斑聚焦于待加工材料900的对应位置；
105.微沟槽激光加工方法包括以下步骤：
106.发出激光束；
107.将初始偏振光调制为倾斜偏振光；
108.将倾斜偏振光偏转为选定区域和非选定区域相互垂直的偏转偏振光；
109.滤除非选定区域的偏转偏振光，以得到选定区域内的偏转偏振光构成的光斑；
110.将光斑聚焦于待加工材料900表面并进行加工，得到微沟槽。
111.可以理解的是，微沟槽激光加工装置还包括光斑中心调整模块400、半透半反镜片500，光斑中心调整模块400包括第二反射镜410、第一凸透镜420、光束质量分析仪430、角度调整模块；半透半反镜片500用于将部分光斑对应的激光束反射至第二反射镜410，以使第
二反射镜410将部分光斑通过第一凸透镜420反射至光束质量分析仪430；光束质量分析仪430用于对部分光斑进行分析以得到光强分布图；角度调整模块用于根据光强分布图对激光光源100发出激光束的角度进行调整，以使激光束在穿过二元相位图时，激光束的中心和空间光调制器220加载的二元相位图的中心重合；
112.微沟槽激光加工方法还包括以下步骤：对光斑的中心进行调整，以使激光束的中心和空间光调制器220加载的二元相位图的中心重合；
113.对光斑的中心进行调整，以使激光束的中心和空间光调制器220加载的二元相位图的中心重合，包括以下步骤：
114.将部分光斑进行反射，以获取部分光斑；
115.对部分光斑进行分析以得到光强分布图；
116.根据光强分布图对激光光源100发出激光束的角度进行调整，以使激光束的中心和空间光调制器220加载的二元相位图的中心重合。
117.可以理解的是，微沟槽激光加工装置还包括液膜控制模块600，液膜控制模块600用于将液膜按照设定厚度覆盖于待加工材料900表面；激光聚焦模块300还用于控制光斑穿过液膜，并聚焦于具有设定液膜厚度的待加工材料900的对应位置；
118.微沟槽激光加工方法还包括以下步骤：将液膜按照设定厚度覆盖于待加工材料900表面。
119.可以理解的是，液膜控制模块600包括蠕动泵、位移台610、流量针头，位移台610设置有水槽611，水槽611用于固定待加工材料900并容纳在待加工材料900表面循环流动的液体612，蠕动泵用于将液体612输送至待加工材料900表面，流量针头用于将待加工材料900表面的液膜厚度控制在设定厚度；
120.将液膜按照设定厚度覆盖于待加工材料900表面，包括以下步骤：
121.将液体612输送至位于水槽611的待加工材料900表面；
122.将待加工材料900表面的液膜厚度控制在设定厚度。
123.可以理解的是，述微沟槽激光加工装置还包括焦点检测模块700、二向色镜800、聚焦调制模块；激光聚焦模块300包括物镜310，焦点检测模块700包括同轴光源710、分束镜720、相机730、第一反射镜740；同轴光源710用于发出单色光，以使单色光经过分束镜720反射后依次通过二向色镜800、物镜310，并照射于待加工材料900表面；相机730用于捕捉经待加工材料900表面反射的并依次通过物镜310、二向色镜800、分束镜720和第一反射镜740的单色光，以形成待加工材料900表面对应的图像；聚焦调制模块用于根据图像在竖直方向上移动物镜310，以使光斑经过物镜310后形成的焦点聚焦于待加工材料900表面；
124.微沟槽激光加工方法还包括：对光斑的聚焦位置进行调整；
125.对光斑的聚焦位置进行调整，包括以下步骤：
126.将单色光照射于待加工材料900表面；
127.捕捉经待加工材料900表面反射的单色光，以形成待加工材料900表面对应的图像；
128.根据图像在竖直方向上移动物镜310，以使光斑经过物镜310后形成的焦点聚焦于待加工材料900表面。
129.需要说明的是，本发明的焦点检测模块700，无论样品表面是否覆盖液膜都可以保
持激光的焦点所在平面(简称焦平面)在样品表面。因为激光焦平面的定位是通过一个同轴光源710和相机730实现的，也就是同轴照明led(中心波长650nm)和一个cmos相机730的组合定位，它与聚焦的激光束(中心波长520nm)具有相同的焦平面。因此可以保证激光焦平面在样品表面上。
130.下面对本技术的微沟槽激光加工方法作进一步阐述。
131.本发明旨在解决微沟槽截面轮廓可控加工的关键技术问题。具体解决了两个问题，一是烧蚀产物在激光加工区域滞留而影响后续激光能量沉积的问题；二是对光斑进行整形，通过光斑形状调整沟槽各处的脉冲重叠率。为此，本发明提出一种整形激光诱导微射流辅助烧蚀的沟槽加工装置及方法，能够快速排出烧蚀产物，避免烧蚀颗粒的沉积，得到与光斑形状相似的沟槽截面。
132.具体操作步骤如下：
133.步骤一：使用超快激光器产生超快脉冲高斯激光束。
134.步骤二：采用半波片210将激光光源100输出的初始偏振光调制为与水平方向成45
°
夹角的偏振光。
135.步骤三：在空间光调制器220上加载二元相位图，二元相位图上图案内外的灰度值不同，分别对应于相位型空间光调制器220的相位延迟180
°
和0
°
。将前述步骤二45
°
的线偏振激光照射到空间光调制器220加载二元相位图的区域，区域内外的激光经历不同的相位延迟后，偏振方向发生相应的偏转。最终经空间光调制器220调制后的光斑图案内外具有相互垂直的偏振光。
136.步骤四：采用第一偏振片230对调制后的激光偏振进行筛选。第一偏振片230只允许一个方向的偏振通过，可以完全只保留图案内或者图案外的偏振，得到与设计图案相同的激光光斑。
137.需要说明的是，激光束整形方法，不仅仅包含通过空间光调制器220加载二元相位的方法。其他例如空间光调制器220加载全息相位图等方式生成特定形状的光斑，使用这种整形光斑扫描加工沟槽截面利用了相同的烧蚀脉冲叠加原理，也属于本本发明的衍生方法。
138.步骤五：当需要铺设液膜进行加工时，使用液膜控制模块600在待加工材料900的加工区形成特定厚度的液膜。首先，用蠕动泵将开口石英容器内盛放的液体612泵入液体612喷管，喷管内的液体612经流量针头喷出，液体612以特定的流速通过喷口，形成速度可控制的液体612射流。液体612射流以一定角度冲击到待加工材料900表面，将形成一层动态稳定的薄液膜，稳定的液体612薄膜区域的厚度为喷管直径的十分之一。本发明通过选择喷管直径来调整加工液膜厚度，使其与激光单脉冲能量匹配，最终使激光诱导的空化气泡在此液膜厚度下可以发生非对称溃灭。其中，非对称溃灭具体是指液膜厚度小于激光诱导的空化气泡直径，这种情况下，激光击穿液体612产生的球形空化气泡的上表面处于空气和液体612的界面处，气泡及其周围流场的运动会发生改变从而满足对应的边界条件。因此，当气泡在边界附近运动时，边界产生的压力将使气泡在垂直于边界的方向上优先破裂，即非对称的溃灭现象。
139.步骤六：整形后的激光束经过第二凸透镜320和物镜310构成的4f系统，也就是激光聚焦模块300，聚焦于被薄液膜覆盖的待加工材料900表面。激光束照待加工材料900表
面，使待加工材料900发生烧蚀。同时，如图3所示，激光在液体612内诱导产生空化气泡，空化气泡在自由边界的作用下发生非对称溃灭，产生与激光扫描方向相反的高速微射流。微射流携带烧蚀产生的碎屑及残留的气泡向后方移动，飞离烧蚀区域。
140.步骤七：在无碎屑和残留气泡的加工环境下，利用整形后的光斑进行扫描加工，扫描截面的不同位置处累积的有效脉冲数与光斑尺寸线性相关。局部累积的有效脉冲数不同，导致在沟槽截面各个位置处的烧蚀深度也存在随之变化。
141.本技术的本技术的微沟槽激光加工方法还能够对光斑能量分布进行检测和调整，目的就是为了保证激光中心与二元相位图中心重合，尽量利用光斑中心的能量。其具体实施步骤为：
142.步骤一：利用半透半反镜片500将整形后的光斑能量从主光路反射一部分到光束质量分析仪430；
143.步骤二：使用光束质量分析仪430采集反射光能量，形成光强的分布图像；
144.步骤三：通过角度调整模块调节入射激光与空间光调制器220的角度，使激光中心与二元相位图的图案中心重合，得到能量均匀分布的整形光斑。
145.需要说明的是，本发明的半透半反镜片500反射一部分光到光束质量分析仪430，通过反射光斑能量强度的在线观测，可以准确控制光斑与二元相位图的图案中心重合。
146.基于上述描述，本发明具有以下效果：
147.第一方面，与传统机械加工、放电加工等技术对比：本发明无加工工具的损耗；沟槽形状可根据加载的相位图改变，而不需要定制专用工具。
148.第二方面，与改变激光加工参数烧蚀沟槽的技术对比：本发明可加工的沟槽形状不局限于u型和v型，形状的自由度更大。
149.第三方面，与叠加扫描路径的多次扫描激光烧蚀对比：本发明可通过单次扫描成型加工微米级的可控沟槽，提高了加工效率。
150.上面结合附图对本技术实施例作了详细说明，但是本技术不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。