金越越,梁進(jìn)智,羅光華,封 蕓,馬 利,王雪梅

(北京華北萊茵光電技術(shù)有限公司,北京 100015)

1 引 言

傳統(tǒng)的石英管切割方式通常采用接觸式外力斷開(kāi)方式,如砂輪片或金剛石切割等方式[1],這些方式在切割過(guò)程中會(huì)造成石英管斷裂飛濺,不僅對(duì)石英管造成強(qiáng)烈的振動(dòng),石英管切碎后不可再次使用,還對(duì)操作人員帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。本文研究的石英管切割方式,是由于石英管內(nèi)密封晶圓類(lèi)易碎器件,在切割過(guò)程中不能移動(dòng)石英管,避免切割過(guò)程中的石英管產(chǎn)生振動(dòng),損傷密封在石英管內(nèi)的晶圓器件,因此需要采用激光非接觸式切割的方式[2]進(jìn)行石英管開(kāi)管。

通過(guò)激光加工的方式利用激光聚焦非接觸原理,設(shè)計(jì)研制一套通過(guò)激光旋轉(zhuǎn)切割石英管的設(shè)備,該設(shè)備以石英管為中心,設(shè)計(jì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)石英管切割。采用激光旋轉(zhuǎn)切割石英管的方式,即可保證石英管內(nèi)晶圓器件安全取出無(wú)損傷,又可保證切割后石英管斷面完整,可再次利用。

2 設(shè)備的研制

2.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將密封石英管內(nèi)器件安全取出不產(chǎn)生振動(dòng),且石英管斷面整齊可再次利用。設(shè)計(jì)研制了一套激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)備,該設(shè)備包括激光器、擴(kuò)束鏡、旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)升降系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水冷機(jī)、煙霧除塵系統(tǒng)等部分組成,如圖1(a)、(b)所示,設(shè)備操作簡(jiǎn)捷,且可保證安全防護(hù)。

圖1 激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)備三維圖和激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Laser rotary cutting quartz tube equipment 3D diagram and laser rotary cutting quartz tube equipment structure diagram

將需要切割石英管固定于電動(dòng)工作臺(tái)上,在切割軟件中輸入石英管直徑參數(shù),升降臺(tái)自動(dòng)將石英管中心調(diào)至旋轉(zhuǎn)軸中心,同步激光聚焦鏡自動(dòng)調(diào)至焦點(diǎn)位置,旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)將圍繞石英管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割,加工時(shí)根據(jù)石英管厚度,調(diào)節(jié)激光功率、頻率及旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù),切割時(shí)抽風(fēng)除塵系統(tǒng)同步工作,將切割時(shí)產(chǎn)生的石英粉末去除,切割完成后石英管脫落到固定接受裝置內(nèi),此時(shí)可將石英管從工作臺(tái)取下,拿出管內(nèi)器件,其余石英管也可再次利用。

2.2 光學(xué)設(shè)計(jì)

激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)備的核心技術(shù)是光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)采用Trace Pro軟件對(duì)光路系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算,由于石英管屬于透光材料且不易切割,根據(jù)其材料吸收特性[3],設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)采用波長(zhǎng)10.6 μm的CO2激光器作為切割光源,CO2激光器發(fā)散角較大,因此在激光輸出后加擴(kuò)束鏡,使激光輸出變成類(lèi)平行光,為配合聚焦光斑尺寸計(jì)算,擴(kuò)束鏡采用4倍擴(kuò)束,聚焦光斑及焦深可由公式(1)、(2)計(jì)算。

聚焦光斑直徑可表示為:

(1)

式(1)中,λ代表激光波長(zhǎng);NA表示聚焦光斑的數(shù)值孔徑。

焦深可表示為:

(2)

式(2)中,ω0代表聚焦后光斑的束腰直徑。

光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)中包括5個(gè)45°反射鏡及調(diào)整架、聚焦鏡、同步帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)、集電環(huán)、升降臺(tái)等部分組成。該設(shè)備對(duì)石英管進(jìn)行切割時(shí),利用旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)以45°反射鏡3為軸心,繞石英管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割,設(shè)備光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 激光旋轉(zhuǎn)切割光路原理示意圖Fig.2 laser rotation cutting optical path principle diagram

由上圖可以看出,為了優(yōu)化光學(xué)傳輸空間,整個(gè)旋轉(zhuǎn)切割光路設(shè)計(jì)為上下兩層,下層為激光器傳輸光路,主要由激光器、擴(kuò)束鏡、45°反射鏡1組成；上層為旋轉(zhuǎn)切割光路,主要由45°反射鏡2、3、4、5及聚焦鏡組成,為了更好的調(diào)節(jié)焦距,在反射鏡3與反射鏡4之間裝有電動(dòng)升降臺(tái),可根據(jù)不同直徑的石英管調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置。

為保證對(duì)石英管內(nèi)密封器件不產(chǎn)生振動(dòng),在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加工時(shí)需實(shí)現(xiàn)均勻切割,通過(guò)Trace Pro軟件模擬光路可以看出,由于石英管是透明材料,激光聚焦在石英管表面切割后仍然會(huì)形成發(fā)散光穿透石英管,如圖3所示,因此需要選擇合適焦距的聚焦鏡尤為重要,通過(guò)計(jì)算及軟件模擬后,可以看出應(yīng)選用焦距100 mm的聚焦鏡進(jìn)行石英管切割效果最佳。

圖3 Trace Pro軟件模擬激光切割效果Fig.3 laser cutting of Trace Pro Software simulation diagram

通過(guò)軟件模擬焦距100 mm的聚焦鏡在石英管聚焦后的光斑效果如圖4(a)、(b)所示,圖4(a)所示為聚焦在石英管表面的聚焦光斑,可以看出聚焦光斑能量密度影較為集中,中心能量密度達(dá)到5×107W/m2,由圖4(b)所示光斑離焦后能量密度明顯降低,中心能量密度減小多106W/m2能量級(jí),透射到石英管下表面的激光對(duì)石英管不會(huì)產(chǎn)生影響,切割時(shí)可保證高能激光聚焦在石英管光表面形成進(jìn)行切割加工。

圖4 石英管聚焦后的光斑效果圖Fig.4 The spot images after the quartz tube focused

通過(guò)以上模擬效果可以看出,光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,可實(shí)現(xiàn)圍繞石英管進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn),在聚焦鏡電動(dòng)升降配合下,可完成對(duì)不同直徑的石英管進(jìn)行切割,加工過(guò)程中整機(jī)設(shè)備在光、機(jī)、電、控四方面的配合下,實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的激光旋轉(zhuǎn)切割。

3 工藝試驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

設(shè)備采用SYNRAD公司f201金屬射頻CO2激光器作為切割光源,該激光器輸出波長(zhǎng)10.6 μm,激光平均功率200 W,水冷方式制冷。

石英管直徑40～90 mm,管壁厚2～3 mm,由于石英管內(nèi)密封著晶圓類(lèi)器件,因此石英管內(nèi)處于真空狀態(tài),在開(kāi)始切割石英管前先在石英管上打一個(gè)微孔,使石英管解除真空狀態(tài)達(dá)到內(nèi)外壓力平衡[4],再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割。試驗(yàn)過(guò)程中采用直徑50 mm,壁厚3 mm的石英管進(jìn)行切割,加工過(guò)程中抽風(fēng)除塵系統(tǒng)同步工作,保證切割出來(lái)的石英粉塵被快速,設(shè)備切割狀態(tài)如圖5(a)、(b)所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)切割和石英管切割斷面圖Fig.5 Rotating cutting diagram and cut section of quartz tube diagram

3.2 結(jié)果分析

為了更好地分析不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)石英管切割端面效果的影響,分別對(duì)激光功率、激光頻率、旋轉(zhuǎn)速度等三個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析,進(jìn)而優(yōu)化石英管切割效率及切割后端面質(zhì)量,試驗(yàn)完成后采用80倍光學(xué)顯微鏡觀測(cè)石英切割斷面及密封在石英管內(nèi)的晶圓類(lèi)器件是否有影響。

3.2.1 激光功率

激光切割石英管試驗(yàn)時(shí),設(shè)置激光功率80～120 W依次升高,激光頻率5 Hz,旋轉(zhuǎn)速度3 mm/s,參數(shù)在相同的激光頻率及旋轉(zhuǎn)速度下,激光功率越高,可以減少激光旋轉(zhuǎn)次數(shù),具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示,從表中可以看出激光功率的增高,對(duì)石英管切割端面無(wú)明顯影響,但是隨著功率增高,旋轉(zhuǎn)切割次數(shù)降低,切割效率明顯提升,且對(duì)石英管內(nèi)的晶圓類(lèi)器件無(wú)影響。

表1 激光功率變化對(duì)切割速度及效果影響Tab.1 The influence of laser power change on cutting speed and effect

3.2.2 激光頻率

由于激光器采用的是金屬射頻的CO2激光器,因此激光頻率的變化,對(duì)工藝參數(shù)也存在影響[5]。將激光功率設(shè)置為100 W,旋轉(zhuǎn)速度3 mm/s,激光頻率設(shè)置為3～7 Hz依次遞增,從試驗(yàn)過(guò)程中可得出隨著激光頻率增加,激光脈沖能量減弱,因此旋轉(zhuǎn)切割效率降低,但是參數(shù)變化對(duì)切割端面無(wú)影響,對(duì)石英管內(nèi)的晶圓類(lèi)器件也無(wú)影響,其中激光頻率為4 Hz或5 Hz時(shí)效率切割次數(shù)為均為2次。

3.2.3 旋轉(zhuǎn)速度

激光旋轉(zhuǎn)加工的速度將影響石英管切割效率及切割端面效果,設(shè)置激光功率100 W,激光頻率5 Hz,試驗(yàn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)切割速度設(shè)置為2～6 mm/s,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析如圖6所示,從圖中可以看出隨著激光旋轉(zhuǎn)切割旋轉(zhuǎn)速度增加,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)切割次數(shù)增加,當(dāng)切割速度設(shè)置為6 mm/s時(shí),石英管需要進(jìn)行4次旋轉(zhuǎn)切割才能實(shí)現(xiàn)切斷,由此可以分析增加旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致在石英管表面加工時(shí)間不足,石英管不易斷裂。試驗(yàn)后將石英管端面在顯微鏡下觀測(cè),切割端面整齊,無(wú)裂紋,對(duì)石英管內(nèi)的晶圓類(lèi)器件無(wú)影響。

圖6 激光旋轉(zhuǎn)切割速度與切割次數(shù)關(guān)系曲線圖Fig.6 Relation curve diagram of laser rotating cutting speed and cutting times

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得,設(shè)計(jì)研制的激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石英管的360°旋轉(zhuǎn)切割,切割后石英管斷面整齊且可再次利用,切割過(guò)程中對(duì)石英管內(nèi)晶圓器件無(wú)損傷,采用激光功率100 W,激光頻率5 Hz,旋轉(zhuǎn)速度3 mm/s,可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切割2次,石英管自然掉落,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中煙霧除塵器同步工作,保證石英粉末的快速抽除。

4 結(jié) 論

根據(jù)石英管內(nèi)密封晶圓類(lèi)器件的實(shí)際切割需求,設(shè)計(jì)研制了一套激光旋轉(zhuǎn)切割設(shè)備,重點(diǎn)研究了光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng),以石英管為中心固定不動(dòng),利用光學(xué)旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行激光切割。利用這套設(shè)備進(jìn)行了一系列的工藝試驗(yàn),通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證及其結(jié)果分析,得到如下結(jié)論:

(1)利用光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割技術(shù),實(shí)現(xiàn)了非接觸、無(wú)振動(dòng)的石英管切割技術(shù),在石英管固定不動(dòng)的情況下,光學(xué)系統(tǒng)圍繞石英管進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)切割,切割斷面整齊,且對(duì)管內(nèi)晶圓類(lèi)器件無(wú)損傷。

(2)在激光功率100 W,頻率5 Hz,旋轉(zhuǎn)速度3 mm/s的工藝參數(shù)下,可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)兩次切斷石英管切割,這組優(yōu)化的參數(shù)既保證了切割質(zhì)量又提高了切割效率。

該設(shè)備的制造及工藝試驗(yàn)結(jié)果,為后期石英管切割技術(shù)及光學(xué)旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)提供了一定的研發(fā)試驗(yàn)依據(jù),在以后的研發(fā)過(guò)程中,可改善研光學(xué)旋轉(zhuǎn)加工系統(tǒng),使其結(jié)構(gòu)更小速度更快。