[发明专利]用于在透明材料内执行激光成丝的方法和设备

说明书

技术领域

本发明为透明材料内的激光成丝(laser filamentation)领域。

背景技术

本公开涉及用于材料的激光处理的系统和方法。更具体地说，本公开涉及用于分离和/或分割含有根据所述材料生成的无源或有源电子或电器件的晶片、基板和面板的系统和方法。

在当前制造中，晶片或玻璃面板的分离(singulation)、分切(dicing)、划线(scribing)、分割(cleaving)、切割(cutting)和切面(facet)处理是用于(作为一些示例)LED、LED装置(诸如照明组件)和照明装置(诸如LED显示器)的关键处理步骤，其通常依赖于金刚石或常规的烧蚀或破坏(隐形的)激光划线和切割，其速度高达30cm/sec。

在金刚石切割处理中，在执行金刚石切割之后，机械辊施加应力以使分割样品的裂纹蔓延。该处理产生质量差的边缘、微裂纹、宽切口宽度和大量碎屑，这些在产品的寿命、效率、质量和可靠性方面是主要缺点，同时还招致额外的清洁和抛光步骤。用于使金刚石划线器运行的去离子水的成本大于拥有划线器的成本，并且该技术并不有利于环境，这是因为水被污染并需要净化，这进一步添加了生产成本。

已针对分离、分切、划线、分割、切割和切面处理研发了激光烧蚀加工，以克服关于金刚石切割的一些局限。不幸的是，已知的激光处理方法尤其在透明材料中具有诸如低处理速度、产生裂纹、烧蚀碎屑的污染和中等大小的切口宽度这样的缺点。此外，在激光相互作用中的热传递能够导致大的附带热损坏区域(即热影响区)。

可通过选择具有由介质强烈吸收的波长的激光(例如，深UV激子激光或远红外CO₂激光)改进激光烧蚀处理。然而，由于该物理烧蚀处理中固有的侵入性相互作用，导致不能消除前述缺点。根据采用的具体变通(work-around)技术，通过在特定LED应用中的UV处理的缺陷充分证明了这一点，其中损坏已经促使业界关注常规划线和折断以及随后的蚀刻，以去除烧蚀划线或金刚石划线工具留下的损坏区。

另选地，通过减小激光脉冲的持续时间，在透明介质的表面也可改进激光烧蚀。这对于穿透处理介质内的激光尤其有利。当聚焦到透明材料上或内时，高激光强度引起非线性吸收效果，以提供可被控制以将合适的激光能量准确地投入由聚焦体积(focal volume)限定的小体积的材料中的动态不透明性。短持续时间的脉冲提供优于长持续时间激光脉冲的多个其它优点，诸如消除等离子体产生并因此消除等离子体反射，从而在该激光脉冲的短得多的时间级别中通过小分量的热扩散和其它热传递效果减小附带损坏。

因此，飞秒和皮秒激光烧蚀在不透明和透明材料二者的加工中提供显著的优点。然而，通常，用几十至几百飞秒那么短的脉冲对透明材料加工还与针对易碎材料特别成问题的在激光形成的切口、孔或沟槽附近形成粗糙表面、慢生产量和微裂纹相关联，所述易碎材类似为氧化铝(Al₂O₃)、玻璃、掺杂的电介质和光学晶体。此外，烧蚀碎屑将污染附近的样品以及周围的装置和表面。近来，在日本已经讨论了利用纤维激光方法的多道飞秒切割。该方法需要进行多道工序，并且因此导致低处理生产量。

如上所述，虽然激光处理在克服与金刚石切割相关联的多个局限方面是成功的，但是新材料复合物已经提供了不能被激光划线的晶片和面板。此外，装置的大小和晶片上的切块变得更小并更靠近彼此，这限制了金刚石和常规基于激光的划线二者的用途。例如，30μm是可行的划线宽度，而15μm对于这些常规方法来说具有挑战性。此外，因为金刚石划线使用机械力来给基板划线，所以薄样品非常难以划线。由于在基于晶片的装置的制造中使用越来越奇异和复杂的材料堆叠件，所以先前应用的激光划线技术将由于堆叠件的不透明性而不再起作用。

发明内容

描述了用于在透明材料中形成连续激光细丝的系统和方法。对超快激光脉冲的突发进行聚焦，使得在正被处理的材料的外部形成束腰，从而主焦点没有形成在材料内，同时在材料内的延伸区域内形成足够的能量密度以支持形成连续细丝，而没有导致材料内的光学破坏。根据该方法形成的细丝可以呈现直到并超过10mm的长度，当在横截面中沿长轴观察时，与非锥形轮廓和改性区的长度1:1对应(因为，细丝是改性的媒介，所以改性区追踪1：1的细丝的范围)。在一些实施方式中，未校正或有像差光学聚焦元件用于产生外部束腰，同时在材料内产生入射光束的分布式聚焦。各种系统被描述为便于在透明基板内形成细丝阵列，以便分割/分离和/或标记。细丝的光学监测可以用于提供反馈以便于处理的主动控制。