激光旋轉切割石英管設備研制及其工藝研究

金越越,梁進智,羅光華,封 蕓,馬 利,王雪梅

(北京華北萊茵光電技術有限公司,北京 100015)

1 引 言

傳統的石英管切割方式通常采用接觸式外力斷開方式,如砂輪片或金剛石切割等方式[1],這些方式在切割過程中會造成石英管斷裂飛濺,不僅對石英管造成強烈的振動,石英管切碎后不可再次使用,還對操作人員帶來安全風險。本文研究的石英管切割方式,是由于石英管內密封晶圓類易碎器件,在切割過程中不能移動石英管,避免切割過程中的石英管產生振動,損傷密封在石英管內的晶圓器件,因此需要采用激光非接觸式切割的方式[2]進行石英管開管。

通過激光加工的方式利用激光聚焦非接觸原理,設計研制一套通過激光旋轉切割石英管的設備,該設備以石英管為中心,設計光學旋轉切割系統,從而實現石英管切割。采用激光旋轉切割石英管的方式,即可保證石英管內晶圓器件安全取出無損傷,又可保證切割后石英管斷面完整,可再次利用。

2 設備的研制

2.1 整機設計

為了實現將密封石英管內器件安全取出不產生振動,且石英管斷面整齊可再次利用。設計研制了一套激光旋轉切割石英管設備,該設備包括激光器、擴束鏡、旋轉切割系統、運動升降系統、控制系統、水冷機、煙霧除塵系統等部分組成,如圖1(a)、(b)所示,設備操作簡捷,且可保證安全防護。

圖1 激光旋轉切割石英管設備三維圖和激光旋轉切割石英管設備結構圖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工作臺上,在切割軟件中輸入石英管直徑參數,升降臺自動將石英管中心調至旋轉軸中心,同步激光聚焦鏡自動調至焦點位置,旋轉切割系統將圍繞石英管進行旋轉切割,加工時根據石英管厚度,調節激光功率、頻率及旋轉速度等工藝參數,切割時抽風除塵系統同步工作,將切割時產生的石英粉末去除,切割完成后石英管脫落到固定接受裝置內,此時可將石英管從工作臺取下,拿出管內器件,其余石英管也可再次利用。

2.2 光學設計

激光旋轉切割石英管設備的核心技術是光學旋轉切割系統,設計時采用Trace Pro軟件對光路系統進行模擬計算,由于石英管屬于透光材料且不易切割,根據其材料吸收特性[3],設計研發時采用波長10.6 μm的CO2激光器作為切割光源,CO2激光器發散角較大,因此在激光輸出后加擴束鏡,使激光輸出變成類平行光,為配合聚焦光斑尺寸計算,擴束鏡采用4倍擴束,聚焦光斑及焦深可由公式(1)、(2)計算。

聚焦光斑直徑可表示為:

(1)

式(1)中,λ代表激光波長;NA表示聚焦光斑的數值孔徑。

焦深可表示為:

(2)

式(2)中,ω0代表聚焦后光斑的束腰直徑。

光學旋轉切割系統中包括5個45°反射鏡及調整架、聚焦鏡、同步帶旋轉電機、集電環、升降臺等部分組成。該設備對石英管進行切割時,利用旋轉切割系統以45°反射鏡3為軸心,繞石英管進行旋轉切割,設備光學結構如圖2所示。

圖2 激光旋轉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,為了優化光學傳輸空間,整個旋轉切割光路設計為上下兩層,下層為激光器傳輸光路,主要由激光器、擴束鏡、45°反射鏡1組成；上層為旋轉切割光路,主要由45°反射鏡2、3、4、5及聚焦鏡組成,為了更好的調節焦距,在反射鏡3與反射鏡4之間裝有電動升降臺,可根據不同直徑的石英管調節焦點位置。

為保證對石英管內密封器件不產生振動,在進行旋轉加工時需實現均勻切割,通過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形成發散光穿透石英管,如圖3所示,因此需要選擇合適焦距的聚焦鏡尤為重要,通過計算及軟件模擬后,可以看出應選用焦距100 mm的聚焦鏡進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,透射到石英管下表面的激光對石英管不會產生影響,切割時可保證高能激光聚焦在石英管光表面形成進行切割加工。

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

通過以上模擬效果可以看出,光學旋轉切割系統設計合理,可實現圍繞石英管進行360°旋轉,在聚焦鏡電動升降配合下,可完成對不同直徑的石英管進行切割,加工過程中整機設備在光、機、電、控四方面的配合下,實現高效、高質量的激光旋轉切割。

3 工藝試驗及其結果分析

3.1 試驗方法

設備采用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,由于石英管內密封著晶圓類器件,因此石英管內處于真空狀態,在開始切割石英管前先在石英管上打一個微孔,使石英管解除真空狀態達到內外壓力平衡[4],再進行旋轉切割。試驗過程中采用直徑50 mm,壁厚3 mm的石英管進行切割,加工過程中抽風除塵系統同步工作,保證切割出來的石英粉塵被快速,設備切割狀態如圖5(a)、(b)所示。

圖5 旋轉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 結果分析

為了更好地分析不同試驗參數對石英管切割端面效果的影響,分別對激光功率、激光頻率、旋轉速度等三個參數進行試驗分析,進而優化石英管切割效率及切割后端面質量,試驗完成后采用80倍光學顯微鏡觀測石英切割斷面及密封在石英管內的晶圓類器件是否有影響。

3.2.1 激光功率

激光切割石英管試驗時,設置激光功率80～120 W依次升高,激光頻率5 Hz,旋轉速度3 mm/s,參數在相同的激光頻率及旋轉速度下,激光功率越高,可以減少激光旋轉次數,具體試驗參數如表1所示,從表中可以看出激光功率的增高,對石英管切割端面無明顯影響,但是隨著功率增高,旋轉切割次數降低,切割效率明顯提升,且對石英管內的晶圓類器件無影響。

表1 激光功率變化對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,對工藝參數也存在影響[5]。將激光功率設置為100 W,旋轉速度3 mm/s,激光頻率設置為3～7 Hz依次遞增,從試驗過程中可得出隨著激光頻率增加,激光脈沖能量減弱,因此旋轉切割效率降低,但是參數變化對切割端面無影響,對石英管內的晶圓類器件也無影響,其中激光頻率為4 Hz或5 Hz時效率切割次數為均為2次。

3.2.3 旋轉速度

激光旋轉加工的速度將影響石英管切割效率及切割端面效果,設置激光功率100 W,激光頻率5 Hz,試驗過程中旋轉切割速度設置為2～6 mm/s,經過試驗分析如圖6所示,從圖中可以看出隨著激光旋轉切割旋轉速度增加,導致旋轉切割次數增加,當切割速度設置為6 mm/s時,石英管需要進行4次旋轉切割才能實現切斷,由此可以分析增加旋轉速度導致在石英管表面加工時間不足,石英管不易斷裂。試驗后將石英管端面在顯微鏡下觀測,切割端面整齊,無裂紋,對石英管內的晶圓類器件無影響。

圖6 激光旋轉切割速度與切割次數關系曲線圖Fig.6 Relation curve diagram of laser rotating cutting speed and cutting times

根據以上試驗數據分析可得,設計研制的激光旋轉切割石英管設備可以實現對石英管的360°旋轉切割,切割后石英管斷面整齊且可再次利用,切割過程中對石英管內晶圓器件無損傷,采用激光功率100 W,激光頻率5 Hz,旋轉速度3 mm/s,可實現旋轉切割2次,石英管自然掉落,整個試驗過程中煙霧除塵器同步工作,保證石英粉末的快速抽除。

4 結 論

根據石英管內密封晶圓類器件的實際切割需求,設計研制了一套激光旋轉切割設備,重點研究了光學旋轉切割系統,以石英管為中心固定不動,利用光學旋轉方式進行激光切割。利用這套設備進行了一系列的工藝試驗,通過工藝試驗驗證及其結果分析,得到如下結論:

(1)利用光學旋轉切割技術,實現了非接觸、無振動的石英管切割技術,在石英管固定不動的情況下,光學系統圍繞石英管進行360°旋轉切割,切割斷面整齊,且對管內晶圓類器件無損傷。

(2)在激光功率100 W,頻率5 Hz,旋轉速度3 mm/s的工藝參數下,可實現旋轉兩次切斷石英管切割,這組優化的參數既保證了切割質量又提高了切割效率。

該設備的制造及工藝試驗結果,為后期石英管切割技術及光學旋轉加工技術提供了一定的研發試驗依據,在以后的研發過程中,可改善研光學旋轉加工系統,使其結構更小速度更快。