激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)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(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(nèi)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(chǎn)生振動,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(shè)計研制一套通過激光旋轉(zhuǎn)切割石英管的設(shè)備,該設(shè)備以石英管為中心,設(shè)計光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng),從而實現(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 整機設(shè)計

為了實現(xiàn)將密封石英管內(nèi)器件安全取出不產(chǎn)生振動,且石英管斷面整齊可再次利用。設(shè)計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、擴束鏡、旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)、運動升降系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水冷機、煙霧除塵系統(tǒng)等部分組成,如圖1(a)、(b)所示,設(shè)備操作簡捷,且可保證安全防護。

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工作臺上,在切割軟件中輸入石英管直徑參數(shù),升降臺自動將石英管中心調(diào)至旋轉(zhuǎn)軸中心,同步激光聚焦鏡自動調(diào)至焦點位置,旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)將圍繞石英管進行旋轉(zhuǎn)切割,加工時根據(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),切割時抽風除塵系統(tǒng)同步工作,將切割時產(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),此時可將石英管從工作臺取下,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

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)計時采用Trace Pro軟件對光路系統(tǒng)進行模擬計算,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)計研發(fā)時采用波長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(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45°反射鏡及調(diào)整架、聚焦鏡、同步帶旋轉(zhuǎn)電機、集電環(huán)、升降臺等部分組成。該設(shè)備對石英管進行切割時,利用旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)以45°反射鏡3為軸心,繞石英管進行旋轉(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,整個旋轉(zhuǎn)切割光路設(shè)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(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之間裝有電動升降臺,可根據(jù)不同直徑的石英管調(diào)節(jié)焦點位置。

為保證對石英管內(nèi)密封器件不產(chǎn)生振動,在進行旋轉(zhuǎn)加工時需實現(xiàn)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(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,通過計算及軟件模擬后,可以看出應(yīng)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(chǎn)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(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)設(shè)計合理,可實現(xiàn)圍繞石英管進行360°旋轉(zhuǎn),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(shè)備在光、機、電、控四方面的配合下,實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的激光旋轉(zhuǎn)切割。

3 工藝試驗及其結(jié)果分析

3.1 試驗方法

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)密封著晶圓類器件,因此石英管內(nèi)處于真空狀態(tài),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(tài)達到內(nèi)外壓力平衡[4],再進行旋轉(zhuǎn)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(tǒng)同步工作,保證切割出來的石英粉塵被快速,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參數(shù)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(zhuǎn)速度等三個參數(shù)進行試驗分析,進而優(yōu)化石英管切割效率及切割后端面質(zhì)量,試驗完成后采用80倍光學(xué)顯微鏡觀測石英切割斷面及密封在石英管內(nèi)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(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),具體試驗參數(shù)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(zhuǎn)切割次數(shù)降低,切割效率明顯提升,且對石英管內(nèi)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(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(zhuǎn)切割效率降低,但是參數(shù)變化對切割端面無影響,對石英管內(nèi)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(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,試驗過程中旋轉(zhuǎn)切割速度設(shè)置為2～6 mm/s,經(jīng)過試驗分析如圖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,當切割速度設(shè)置為6 mm/s時,石英管需要進行4次旋轉(zhuǎn)切割才能實現(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(nèi)的晶圓類器件無影響。

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)以上試驗數(shù)據(jù)分析可得,設(shè)計研制的激光旋轉(zhuǎn)切割石英管設(shè)備可以實現(xiàn)對石英管的360°旋轉(zhuǎn)切割,切割后石英管斷面整齊且可再次利用,切割過程中對石英管內(nèi)晶圓器件無損傷,采用激光功率100 W,激光頻率5 Hz,旋轉(zhuǎn)速度3 mm/s,可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(jié) 論

根據(jù)石英管內(nèi)密封晶圓類器件的實際切割需求,設(shè)計研制了一套激光旋轉(zhuǎn)切割設(shè)備,重點研究了光學(xué)旋轉(zhuǎn)切割系統(tǒng),以石英管為中心固定不動,利用光學(xué)旋轉(zhuǎn)方式進行激光切割。利用這套設(shè)備進行了一系列的工藝試驗,通過工藝試驗驗證及其結(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),實現(xiàn)了非接觸、無振動的石英管切割技術(shù),在石英管固定不動的情況下,光學(xué)系統(tǒng)圍繞石英管進行360°旋轉(zhuǎn)切割,切割斷面整齊,且對管內(nèi)晶圓類器件無損傷。

(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)試驗依據(jù),在以后的研發(fā)過程中,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。