專利名稱：薄且脆的材料的氣助激光切割的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是在美國(guó)政府的轉(zhuǎn)包合同NO.ZAF-6-14271-13中完成的。


圖1示出代表現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的輔助氣體噴嘴的端部2的結(jié)構(gòu)。該噴嘴具有一內(nèi)通道4，其終止于一出口孔，該孔包括一錐形上游部分6和一直徑不變的窄口部分8。噴嘴端部的端面具有一平面的較寬的環(huán)形端表面14。外表面16為錐形漸縮。圖中示出噴嘴端部2以其端面面對(duì)一薄板形工件18。一總體以20表示的聚焦的激光束垂直對(duì)向工件。應(yīng)該指出，作為實(shí)例但不限于如此，工件18可以是一EFG生長(zhǎng)的硅管的一個(gè)側(cè)面，該硅管具有八邊形的橫截面結(jié)構(gòu)。雖然未示出，應(yīng)該理解通道4的另一端終止于一入口孔，其與出口孔部分6和8是共軸線的。一輔助氣流在壓力下經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)氣體入口22引入噴嘴并穿過射出孔6、8射向工件受激光切割的區(qū)域。從噴嘴射出的一些氣體穿過由激光束在工件上形成的切口，而其余的氣體側(cè)向偏轉(zhuǎn)以離開沖擊區(qū)，從噴嘴與工件之間向外流出。外表面16以銳角向端面部分14延伸的原因是為了便于徑向地散開輔助氣體并使其離開工件。氣流噴射在材料上的速度取決于氣體在噴嘴孔的上游端的壓力和噴嘴射出孔的形狀。不管噴嘴孔結(jié)構(gòu)或氣壓如何，當(dāng)輔助氣體沖擊在由激光被切割的材料上時(shí)其施加一局部的力。通過增加流動(dòng)(增加有效的孔尺寸)和/或氣體流速可以增加該力。根據(jù)沖擊在被切割的板材上的輔助氣體的流量和速度，由輔助氣體施加在被切割的材料上的局部力可能是相當(dāng)大的。在薄而脆的材料情況下，這個(gè)力可能導(dǎo)致不合要求的材料裂縫。在激光切割薄的EFG生長(zhǎng)的硅管以生產(chǎn)用于制造光電太陽能電池的晶片的情況中存在這樣的麻煩情況。
由一熔體生長(zhǎng)結(jié)晶材料的EFG方法用于生長(zhǎng)選定的截面形狀的摻雜質(zhì)的硅管，例如八邊形或圓柱形截面形狀的管。這些管由激光切成矩形晶片，并且這些晶片然后經(jīng)過不同的加工工序而使之轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆婋姵?。用EFG方法生長(zhǎng)硅管和加工硅片以生產(chǎn)光電電池的方法是眾所周知的，如下列文件的公開內(nèi)容中所說明的，這些文件包括1990年6月26日授予給D.S.Harvey的U.S.專利NO.4937053，1988年6月14日授予給R.C.Gonsiorawski等人的U.S.專利NO.4751191，1997年12月16日授予給J.I.Hanoka的U.S.專利NO.5698451，1992年4月21日授予給B.R.Bathey等人的U.S.專利NO.5106763，1991年8月6日授予給D.S.Harvey等人的U.S.專利NO.5037622，1993年12月14日授予給M.D.Rosenblum等人的U.S.專利NO.5270248以及1993年9月14日授予給B.H.Machintosh的U.S.專利Re.34375。
由于種種原因，要求EFG生長(zhǎng)的硅管的壁厚為15密耳(mil)(0.015英寸)或更小，優(yōu)選為約6-7密耳。雖然可以采用其他的激光器，但優(yōu)選一摻釹釔鋁石榴石(NdYAG)激光器用來將EFG生長(zhǎng)的硅管切成矩形晶片。激光束在其焦點(diǎn)平面上形成一小的圓形圖象或細(xì)長(zhǎng)的圖象。為了優(yōu)化切割速度，必須將激光束聚焦在被切割的硅管表面上?？上н@樣的管的表面不是精確平面的，而由于波紋和/或隨機(jī)的凸峰和凹陷勢(shì)必是不平坦的，其平面度偏差一般在約3密耳至約7密耳的范圍內(nèi)。因此，必須采用一自動(dòng)聚焦系統(tǒng)用于激光器，以便當(dāng)激光束相對(duì)于管移動(dòng)時(shí)保持激光束聚集在硅管表面上。
除了具有不平的表面外，厚度為15密耳或更小的硅管是很脆的。雖然如圖1所示的噴嘴將氣流限制于激光束沖擊的直接區(qū)域(這是為限制由輔助氣體施加在硅管上的力的任何努力的一個(gè)基本要求)，仍需要具有快速而充足的輔助氣流來從切縫內(nèi)排除熔化的材料。然而，要達(dá)到快速的氣流需要一充足的供氣壓力，并且在提高氣壓的同時(shí)將增加由噴嘴射出的氣量，其也增加由輔助氣體施加在被切割的材料上的力。因此，薄硅管的激光切割的特點(diǎn)在于在管上切出的晶片的常見的裂縫。由于這個(gè)原因，有必要在激光切割操作的過程中限制由輔助氣體施加在硅管上的局部力，同時(shí)保持足夠高的氣速以有效地從由激光產(chǎn)生的切縫內(nèi)噴射出熔化的材料。
另一目的是提供一種采用氣體排除熔化的材料和激光產(chǎn)生的碎屑的激光切割脆性材料的方法，其特征在于一高速氣流施加在被切割的材料上的凈力基本為零。
還有一目的是提供一用于激光切割的輔助氣體噴嘴，其形狀確定成使輔助氣體可以以音速或超音速流動(dòng)，從而可以有效地實(shí)現(xiàn)從切割區(qū)排除熔化的材料同時(shí)氣流施加在被切割的材料上的凈力基本上為零。
又一目的是提供一用于激光器的輔助氣體噴嘴，其特征在于其端部可使其在噴嘴與被切割的材料之間的足夠大的間隙1.0mm或更大(即不同的間隔距離)處實(shí)現(xiàn)零凈力。
上述目的和其它一些目的由以下描述會(huì)變得顯而易見的，這是由一輔助氣體噴嘴實(shí)現(xiàn)的，該輔助氣體噴嘴射出高速輔助氣體并且其定位成使流動(dòng)的輔助氣體在被切割的材料上基本上施加無凈力。在一優(yōu)選的形式中，噴嘴的特征在于其端部具有一負(fù)錐形的(凹形的)端表面，并且設(shè)計(jì)成起超音速氣流裝置的作用。本發(fā)明的其它一些特征和優(yōu)點(diǎn)由以下參照諸附圖的詳述公開或變得顯而易見的。
從具有圖1中所示端部的噴嘴射出的氣流所施加的力隨間隔距離而改變。采用具有按圖1中所示形狀的端部包括窄口部分8的直徑1.0mm的輔助氣體噴嘴和30psi(磅/平方英寸)的供氣壓力時(shí)，已發(fā)現(xiàn)如果該間隔距離設(shè)定為等于約0.4mm的值，則流入噴嘴端部與工件之間的間隙內(nèi)的氣體在間隙內(nèi)迅速?gòu)较驍U(kuò)展時(shí)，其產(chǎn)生一局部的真空。由于該局部的真空，產(chǎn)生一力將工件拉向噴嘴端部并且正好在噴嘴孔的前面基本上消除了氣體沖擊作用在工件上的力。這種狀態(tài)稱為“零凈力狀態(tài)”或“力平衡的狀態(tài)”。在該流動(dòng)狀態(tài)中，在噴嘴入口并在恒定的供氣壓力下測(cè)定的氣體流速保持常數(shù)并且等于在噴嘴不受阻礙時(shí)的流速。此時(shí)噴嘴以空氣軸承的方式基本上在工件鄰近表面的頂面上浮動(dòng)。也已發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步減小間隔距離，即小于0.4mm，同時(shí)保持供氣壓力不變，產(chǎn)生一顯著增加的真空產(chǎn)生的力而氣體流量保持不變。該真空產(chǎn)生的力施加于工件上。然而，再將間隔距離減到約為有效的孔直徑的十分之一，即約0.1mm時(shí)，再次產(chǎn)生一力平衡的狀態(tài)，但顯著地減小了氣體流量。同樣，當(dāng)噴嘴端部再進(jìn)一步接近工件表面時(shí)，由氣體施加在基片上的力迅速地變?yōu)檎龎骸?br> 已確定關(guān)于間隔距離的最符合要求的操作點(diǎn)是作用在工件上的正壓力和負(fù)壓力是相等的和平衡的，即零凈力狀態(tài)，并且其中間隔距離為最大。因此，對(duì)于圖1中所示具有1.0mm有效的射出孔的噴嘴來說，這個(gè)條件由間隔距離約為0.4mm來滿足。然而，如圖3所示，已確定力隨間隔距離的變化率在間隔距離小于而不是大于力平衡的狀態(tài)的約0.4mm時(shí)是更大的。因此，由于主要目的是避免使脆的材料例如薄的EFG硅管承受過度的壓力，并且由于力隨間隔距離的變化率在間隔距離小于而不是大于力平衡的狀態(tài)的約0.4mm時(shí)是更大的，優(yōu)選稍大的間隔距離(例如在約0.5與0.6mm之間)。一1.0mm直徑的孔口從約0.5或0.6mm減小間隔距離比從約0.4mm的距離減小一同樣的距離不大可能使脆的材料如薄的EFG管承受過度的壓力。
然而，雖然當(dāng)采用圖1中所示噴嘴在間隔距離在0.4至0.6mm范圍內(nèi)激光切割脆的硅管時(shí)可以得到滿意的切割結(jié)果，實(shí)際上優(yōu)選更大的間隔距離以免噴嘴端部與工件碰撞，特別是在切割EFG管的情況下，因?yàn)檫@樣的管的表面不是精確平面。
在這方面似乎是按圖1中所示成形的出口孔在其具有不變直徑時(shí)是起作用的，即當(dāng)其為一圓柱體時(shí)是起作用的，其結(jié)果是最大氣體速度多多少少被限制到音速。然而，按照本發(fā)明，氣體速度在等效氣壓下可以通過成形孔來提高，從而使其直徑在平行于氣流方向的剖面內(nèi)觀察時(shí)首先變小然后向外擴(kuò)展。圖2示出一噴嘴的端部，其設(shè)計(jì)成以超音速射出輔助氣體。更準(zhǔn)切地說，圖2中所示的噴嘴設(shè)計(jì)成以約2馬赫的速度射出輔助氣體。在這種情況下噴嘴端部的端面的特征在于一負(fù)錐形的(凹形的)結(jié)構(gòu)，大致類似于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴，通常稱為“拉瓦爾噴嘴(Laval nozzle)”。射出孔的形狀使氣流可以以達(dá)到超音速的方式擴(kuò)展同時(shí)避免機(jī)械應(yīng)力作用在脆的EFG硅材料上。
更確切地說，圖2中所示的噴嘴端部30具有一內(nèi)通道32，其終止于一射出孔，該孔包括一在直徑減小的窄口部分36的后面的大致錐形部分34。在窄口部分36的前面射出孔包括一負(fù)錐形擴(kuò)展部38。窄口部分36和錐形部分38的組合使噴嘴在采用實(shí)際的供氣壓力時(shí)能夠以超音速射出輔助氣體。第二向前擴(kuò)展部38的向前端部終止于一平表面42，其基本上垂直于噴嘴軸線并平行于待切割的工件的鄰近表面(未示出)延伸。噴嘴端部的外表面44成銳角地向平表面42延伸，以便于迅速?gòu)较虻厣㈤_高速輔助氣體并且使其離開工件。雖然未示出，應(yīng)該指出，具有如圖2中所示端部的噴嘴同樣具有如圖1中所示的結(jié)構(gòu)的入口22的氣體入口，并且通道32的外端具有與射出孔共軸線的入口孔。
此外，關(guān)于“零凈力狀態(tài)”或“力平衡的狀態(tài)”，對(duì)于圖2的噴嘴來說，(a)在窄口部分36的區(qū)域流動(dòng)的氣體對(duì)工件施加一正壓力，(b)該正壓力隨著自中心線的孔距離的增加(錐形部分38的區(qū)域)而減小，直到半徑達(dá)到(端平面42的區(qū)域)為止，在該半徑處存在一真空狀態(tài)，其在工件上產(chǎn)生一負(fù)壓力，以及(c)當(dāng)自中心線的徑向距離增加到超出端面42的周邊(外表面44的區(qū)域)時(shí)，流動(dòng)的氣體施加的壓力又反向，在噴嘴端部的周邊上產(chǎn)生一小的正壓力。當(dāng)由流動(dòng)的氣體在從噴嘴的中心線延伸到表面38和42的接合區(qū)域中施加的合成正壓力基本上等于由該氣體在從噴嘴端面42的內(nèi)邊緣延伸到外邊緣的區(qū)域中施加的合成負(fù)壓力時(shí)，就認(rèn)為對(duì)于工件存在一基本上零凈力狀態(tài)。
提供使氣體可以以音速或超音速射出的噴嘴是有利的，因?yàn)闅馑僭礁?，激光切割越清潔并且材料的排除越有效。?dāng)采用很高的峰值功率時(shí)，在激光切割過程中可以使材料從固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷墓ぜ牧显诩す馐鴽_擊位置上噴射出的氣體一般具有約2馬赫的速度。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到約2馬赫或更高的氣速可以有利地用來影響噴射出的氣體和材料的方向和最終位置。一具有按照本發(fā)明的新型的端部結(jié)構(gòu)的噴嘴(即如圖2中所示的端部)可以用來在氣體輸入壓力提高時(shí)產(chǎn)生2馬赫的輔助氣體射出速度，同時(shí)保持零凈力狀態(tài)。
對(duì)于EFG硅管采用細(xì)直徑激光束的激光切割，需要并優(yōu)選采用具有最小射出孔直徑(窄口直徑)1.0mm的輔助氣體噴嘴。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的設(shè)計(jì)，一具有如圖2中所示的端部幾何形狀和窄口直徑1.0mm的噴嘴建立起(a)在采用一實(shí)際的供氣壓力時(shí)使輔助氣體可以以超音速射出和(b)在利用圖1中所示型式的具有同樣窄口直徑的傳統(tǒng)噴嘴可達(dá)到的間隔距離的更遠(yuǎn)的間隔距離處提供零凈力狀態(tài)。
再參見圖2，一優(yōu)選形式的超音速輔助氣體噴嘴的特征在于下列特性圓柱形窄口部分36具有1.0mm的直徑和約1.0mm的長(zhǎng)度；錐形部分34和38具有從窄口部分36的中心軸線測(cè)量的約25°和約63.6°的錐度；端平表面42以90°角度向窄口部分36的中心軸線延伸；并且外表面44以45°角度向平表面42延伸，表面38和42的圓形延伸的接合部具有約4.25mm的直徑，以及表面42和44的接合部具有7.5mm的直徑。
利用這樣的噴嘴，已確定采用供氣壓力80psi可以達(dá)到2馬赫的氣體流速。另一優(yōu)點(diǎn)是利用同樣的窄口直徑和采用同樣的供氣壓力時(shí)，圖2中所示的噴嘴端部比具有圖1中所示端部的噴嘴將提供顯著更大的輔助氣體流量。
圖3顯示出，具有如圖2所示的端部結(jié)構(gòu)并構(gòu)造有以上所提供的尺寸的噴嘴在間隔距離約為100μm(0.01mm)以及在間隔距離為1000μm(1mm)時(shí)達(dá)到零凈力狀態(tài)。并且，圖3表明這些零凈力狀態(tài)是在三種不同的供氣壓力10、20和30psi下達(dá)到的。如果供氣壓力提高到80psi以達(dá)到2馬赫的氣體射出流速，在間隔距離約為1mm時(shí)存在同樣的零凈力狀態(tài)。
圖4示意地示出一激光裝置用以從EFG生長(zhǎng)的硅管上切出晶片。該裝置包括一滑動(dòng)架50，其可以在一固定于固定支座(未示出)上的水平軌道52上往復(fù)移動(dòng)。軌道52確定激光輔助氣體噴嘴74的X軸移動(dòng)。只示出一部分軌道52，但應(yīng)該理解其長(zhǎng)到足以允許沿X軸的移動(dòng)量達(dá)到滿足激光切割沿X軸要求的長(zhǎng)度。一可逆的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)54機(jī)械地連接于滑動(dòng)架50用以沿軌道52在任一方向移動(dòng)該滑動(dòng)架。連接于滑動(dòng)架50并可隨其移動(dòng)的是一伸縮式單元58，其具有一垂直延伸的管形元件60，后者能夠往復(fù)軸向移動(dòng)并且確定激光噴嘴的Y軸移動(dòng)。一可逆的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)62機(jī)械地連接于伸縮式單元58并用于沿Y軸在任一方向移動(dòng)管形元件60。連接于伸縮式單元58的垂直元件60是第二望遠(yuǎn)鏡單元66，其具有一水平延伸的管形元件68，后者能夠往復(fù)軸向移動(dòng)并且確定激光噴嘴的Z軸移動(dòng)。一可逆的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)70機(jī)械地連接于望遠(yuǎn)鏡單元66并用于軸向地沿任一方向移動(dòng)管形元件68。
管形元件68包含一激光器聚焦的光學(xué)透鏡單元，示意地用72表示并且用作一輔助氣體噴嘴74的支撐，后者優(yōu)選采用圖3中所示的噴嘴端部結(jié)構(gòu)但也可以采用某其他的端部結(jié)構(gòu)，例如圖1中所示的端部結(jié)構(gòu)。噴嘴74具有一氣體入口部分76，其連接于一增壓的輔助氣體如空氣、氧氣或氮?dú)獾臍庠?8。認(rèn)識(shí)到需要一氣流隔板以防輔助空氣向后流向激光束的光源。優(yōu)選這通過將透鏡單元72用作氣流隔板來實(shí)現(xiàn)，在這種情況下其利用不透氣的密封緊固于周圍的管形元件68上，該密封防止輔助氣體繞透鏡單元回流向激光器80而不向前流出噴嘴孔。
激光裝置還包括一激光器80。后者相對(duì)于軌道52固定，例如用一適當(dāng)?shù)闹С性?6固定于軌道52(或固定于該軌道用的固定支座上)。激光器80可以采取各種形式，但優(yōu)選為一NdYAG激光器，其以脈沖重復(fù)頻率225Hz和輸出功率150W進(jìn)行工作。使用光束定向裝置來對(duì)準(zhǔn)光束使其將穿過噴嘴74的射出孔。這樣的光束定向裝置可以采取纖維光學(xué)的形式，但優(yōu)選采用如用84和86示意地表示的反光鏡來使激光束對(duì)準(zhǔn)聚焦透鏡單元72。激光器定位成使其光束對(duì)準(zhǔn)反光鏡84。反光鏡定向成45°角，以便反光鏡使來自激光器80的光束從平行于軌道52的水平方向轉(zhuǎn)向90°到向下的垂直方向上，而反光鏡86使光束從垂直方向轉(zhuǎn)向90°到從軌道52偏位90°的水平方向上。激光束通過反光鏡86沿噴嘴的軸線直通噴嘴74的入口孔，從而光束將穿過噴嘴的射出孔作用在位于噴嘴前面的工件上，同時(shí)通過聚焦透鏡單元72聚焦的光束作用在工件上。應(yīng)該理解伸縮式單元58和66以及它們的管形元件60和68起防護(hù)作用，即它們?cè)谖锢砩掀帘渭す馐?br> 基本上，上述的滑動(dòng)架50、軌道52和伸縮式單元58和56對(duì)于輔助氣體噴嘴和激光束定向鏡片起三軸運(yùn)動(dòng)支架的作用。圖4中裝置的示意圖不是限定性的，因?yàn)槿S運(yùn)動(dòng)支架的形式(通常稱為X、Y、Z軸平臺(tái))和使激光束折轉(zhuǎn)和聚焦的裝置不是關(guān)鍵的并且其形式不是本發(fā)明的部分，而且本發(fā)明可以采用各種形式的三軸運(yùn)動(dòng)支架來實(shí)施。
用72示意表示的聚焦鏡片是固定的，即它具有一位于噴嘴端部以外一預(yù)定距離例如1mm處的固定的聚焦平面?；蛘?，聚焦光學(xué)單元72可以代之以一結(jié)合入管形元件68內(nèi)的可調(diào)節(jié)的(可變的)聚焦透鏡系統(tǒng)。該可調(diào)節(jié)的聚焦透鏡系統(tǒng)可以是手工調(diào)節(jié)的型式，例如通過螺旋型式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或通過一遙控的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。將聚焦透鏡系統(tǒng)調(diào)節(jié)到一預(yù)定的聚焦長(zhǎng)度以適合于將光束聚焦在噴嘴端部以外要求的距離處是在切割操作開始時(shí)進(jìn)行的。為了從EFG生長(zhǎng)的硅管上切下晶片，優(yōu)選采用一固定的焦點(diǎn)的光學(xué)聚焦透鏡單元72以便降低成本。
參見圖4和5，X、Y、Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)54、62和70分別包括連接于可編程序的控制器90的電子控制的馬達(dá)?？刂葡到y(tǒng)還包括一電容性自動(dòng)聚焦系統(tǒng)，其包括一電容性的/界面的聚焦控制模塊92、噴嘴74和一工件94。噴嘴74通過一電絕緣的導(dǎo)線96連接于控制器并起電容性自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的一個(gè)電極的作用。工件如硅管用作自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的接地電極。該裝置適用于檢測(cè)噴嘴與工件之間的電容的變化并且隨著電容的那些變化而產(chǎn)生一輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)由可編程序的控制器90和電容性聚焦控制器92用來使Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)70沿一方向移動(dòng)噴嘴74以保持噴嘴與工件之間的間隔距離不變。
電容性的/界面的聚焦控制模塊在電容性自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的技術(shù)中是眾所周知的。該裝置優(yōu)選采用新澤西Landing公司的Haas激光技術(shù)出售的名稱為“Option#1，AFS-5100”的聚焦控制模塊。一滿意的代用的聚焦控制系統(tǒng)，標(biāo)志為“Adjust Box EG 316Z”，可以由德國(guó)的Gaggenau-Bad Rotenfels的Precitec有限公司購(gòu)得。可編程序的控制器90可以是一數(shù)字計(jì)算機(jī)，其包括一適用于操作三軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)54、62和70的程序以便使激光輔助氣體噴嘴以預(yù)定的方式相對(duì)于工件移動(dòng)。優(yōu)選控制器90包括一包含標(biāo)志為“PMAC”程序的數(shù)字計(jì)算機(jī)，該“PMAC”程序由加利福尼亞的Chatsworth的Delta-Tau開發(fā)的。另一適用的運(yùn)動(dòng)控制器可由Allen-Bradley公司購(gòu)得。作為實(shí)例，但不限于如此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)54、62和70的馬達(dá)可以由采用借助霍爾效應(yīng)(HallEffect)傳感器產(chǎn)生的反饋的伺服放大器來驅(qū)動(dòng)，該傳感器裝入運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他裝置也可用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)54、62和70的馬達(dá)的控制操作。在從EFG生長(zhǎng)的硅管上切割晶片的情況下，將控制器90的程序編制成使激光可以切出矩形的晶片同時(shí)保持輔助氣體噴嘴離硅管處于一固定的距離，并且在完成切割操作以后操作Z軸驅(qū)動(dòng)以將激光輔助氣體噴嘴移離工件，以便于取出從工件上切出的部件。
在從EFG的硅管上切割晶片的情況下，切割過程包括下列步驟(1)定位激光輔助氣體噴嘴，使其位于一選定的間隔距離處，在該間隔距離處激光束將聚焦在硅管的鄰近面或表面上并且由輔助氣體施加在管上的力將基本上為零，(2)啟動(dòng)激光器80和X軸與Y軸驅(qū)動(dòng)，以便從硅管上切割一矩形的晶片，(3)關(guān)閉激光器80，(4)將激光輔助氣體噴嘴移離硅管，以便于由晶片支持裝置(未示出)取出切好的部件，以及(5)重復(fù)上述各步驟以便繼續(xù)切割操作。切割矩形的晶片包括移動(dòng)激光輔助氣體噴嘴以便激光束來回進(jìn)行兩水平的和兩垂直的行程，而這些行程以任何選定的順序?qū)崿F(xiàn)。優(yōu)選地，但不一定這樣，切割操作順序地包括一垂直行程以形成限定晶片的一側(cè)邊的切割邊、一水平行程以形成限定晶片的第二側(cè)邊的切割邊及一第二垂直行程和一第二水平行程以形成限定晶片的第三側(cè)邊和第四側(cè)邊的切割邊?？梢杂梢欢噙呅蔚腅FG管切出一個(gè)或更多個(gè)晶片，這取決于該EFG管的各邊寬度和要求的待切割的晶片尺寸。附加的連續(xù)的晶片切割操作包括(通過未示出適當(dāng)裝置)按指令轉(zhuǎn)動(dòng)EFG硅管，以便可以從管的不同邊切出晶片。硅管的轉(zhuǎn)動(dòng)在激光輔助氣體噴嘴退出工件的時(shí)段完成。電容性自動(dòng)聚焦裝置檢測(cè)間隔距離上的變化，包括因管表面的平面度偏差在激光束沖擊區(qū)域造成的那些變化，并且根據(jù)這些檢測(cè)的變化立即使Z軸驅(qū)動(dòng)裝置沿一方向操作，以使保持間隔距離不變，從而確?；旧蠜]有由高速輔助氣體施加在脆的硅管上的載荷。保持著間隔距離不變就保持了激光束聚焦在硅管的鄰近表面上。
在本發(fā)明以前，已認(rèn)識(shí)到CO2激光器可以提供更大的功率并從而可以以比NdYAG激光器更快的速率切割EFG生長(zhǎng)的硅管。提高的切割速率勢(shì)必需要更高的氣體流率以便實(shí)現(xiàn)從由激光束切出的切縫內(nèi)排除熔化的材料。然而，增加氣體流率涉及到提高經(jīng)由噴嘴向切割區(qū)供應(yīng)的輔助氣體的壓力。在本發(fā)明以前，為達(dá)到要求的較高流率以確保有效地排除熔化的材料和碎屑所需要的更大的輔助氣體供給壓力導(dǎo)致提高的施加在EFG生長(zhǎng)的硅管上的局部壓力，從而提高了這些昂貴的硅管的破壞概率。本發(fā)明的零凈力噴嘴允許采用一較高的輔助氣體供給壓力來在切割區(qū)達(dá)到增加的流率同時(shí)將EFG管受的壓力減至最小。因此本發(fā)明使其能夠采用較高功率的CO2激光器代替較低功率的NdYAG激光器來切割EFG硅管，從而顯著地提高切割速率。
作為實(shí)例但不限于如此，實(shí)驗(yàn)表明，采用如由本發(fā)明提供零凈力噴嘴和以約60psi供給的輔助氣體(空氣)，可以切割300μm厚的EFG生長(zhǎng)的硅材料，而沒有因過度的輔助氣體壓力造成任何的破壞，此時(shí)采用500W的CO2激光器功率(在2.5kHz和216微秒脈沖寬度下)速度達(dá)40cm/sec。這大大超過2.5cm/sec的切割速度，后者是對(duì)于同樣的硅材料采用以225W操作的NdYAG激光器和同樣的噴嘴以及具有以約30psi壓力供給的同樣輔助氣體一般所達(dá)到的切割速度。已確定CO2激光器的使用不限于具有厚度300μm的EFG硅管。因此，作為實(shí)例但不限于如此，使用如本文所公開的同類激光器可以比用NdYAG激光器可能的速度顯著更快地切割厚度在100μm至1mm的范圍內(nèi)的EFG生長(zhǎng)的硅管。對(duì)于CO2激光器采用的更高的輔助氣體流率也有助于使在切下的晶片的激光束引出側(cè)上出現(xiàn)的熔渣減至最少。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點(diǎn)。其一，本發(fā)明減小氣體施加在脆的材料工件上的壓力，從而避免了那些工件的損壞。此外，本發(fā)明允許采用大于音速的氣體速度，從而確保有效地從切割工件上排除殘?jiān)?。雖然由于達(dá)到較高的氣體速度優(yōu)選采用具有與圖2中所示的端部同樣的或類似形狀的端部的噴嘴，但也可以采用圖1中所示的噴嘴，其中目的是工件按選定的間隔距離保持一不變的間隔距離以便輔助氣體以很小的或沒有壓力施加在工件上，從而避免了因過度的壓力造成的工件裂紋。雖然本文已描述在從EFG硅管上切割矩形的晶片方面的實(shí)情，但本發(fā)明也可以用于在硅管上或在其它脆的或非脆的材料上進(jìn)行類似的或不同的切割操作。因此，控制器90的程序也可以編制成使激光器按照各種不是矩形的式樣如圓形、六邊形等切割工件。另一優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明不限于從工件上切出晶片或其它產(chǎn)品并且激光器可以用于例如在工件上形成多個(gè)孔和/或多個(gè)狹長(zhǎng)切縫的型式用于裝飾的或其它的目的。另一優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的不限于用在NdYAG和CO2激光器上。因此，例如也可以用在一銅氣化激光器上而容易地切割材料。還有一些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
本發(fā)明可以不按以上圖示的和描述的來實(shí)施。在這方面，應(yīng)該理解在構(gòu)造成具有如圖2中所示的端部的噴嘴中，射出孔的形狀和尺寸，尤其是表面32、34、36、38、42和44的尺寸和角度配置以及它們相互的接合部可以加以修改而并不偏離本發(fā)明的原理。改變射出孔的形狀和尺寸可以使其增加總流率和/或改變間隔距離，在該間隔距離可以達(dá)到零凈力狀態(tài)。如上所述，聚焦透鏡單元72的周邊借助于一氣密密封連接于管形元件68，以便使透鏡單元起防止輔助氣體反向流動(dòng)的隔板作用。作為另一方案，設(shè)想噴嘴可以設(shè)有透過激光束的窗口，其在聚焦透鏡單元的前面固定于噴嘴內(nèi)，使窗口被氣密密封到管形元件68上并從而起防止輔助氣體反向流向激光器的隔板作用。該另一方案消除了對(duì)氣密密封透鏡單元72的要求，從而使其可以按便于將其取出和更換的方式安裝。
同樣設(shè)想，圖4和5中示意示出的用于支承和移動(dòng)輔助氣體噴嘴的裝置可以采取各種形式并且例如可代之以1987年4月21日授予的U.S.專利No.4659900、1988年3月1日授予的U.S.專利No.4728771和1998年5月26日授予的U.S.專利No.5756961中所示的裝置。還應(yīng)指出代替將激光輔助氣體噴嘴安裝在三軸運(yùn)動(dòng)支承平臺(tái)上，有可能將工件安裝在雙軸(X軸和Y軸)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上而將激光輔助氣體噴嘴安裝在單軸(Z軸)運(yùn)動(dòng)支架上，通過操作雙軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于激光噴嘴移動(dòng)工件，并且利用單軸運(yùn)動(dòng)支架來建立要求的適合于產(chǎn)生一基本上零凈力狀態(tài)的間隔距離，如上所述。為了形成噴嘴與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的其它設(shè)置對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說由以上所述以及由1985年3月5日授予的U.S.專利No.4503313中將是顯而易見的。另一可能的修改是用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它型式的自動(dòng)聚焦裝置，例如光學(xué)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)代替電容性自動(dòng)聚焦裝置。其它的改變和變型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說由以上描述將是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于從工件上切割部段的激光切割裝置，其包括一用于產(chǎn)生激光束的激光器；一噴嘴組件，其包括一噴嘴和光學(xué)裝置，所述噴嘴具有入口孔和出口孔以及一用于使輔助氣體進(jìn)入所述噴嘴的內(nèi)部以便經(jīng)所述出口孔射出的氣體入口，所述光學(xué)裝置設(shè)置在所述入口孔與出口孔之間，其用于(a)使經(jīng)所述入口孔進(jìn)入的激光束指向并通過所述出口孔，以及(b)將所述激光束聚焦在需由該激光束切割的工件上；一提供光路徑的裝置，該光路徑用于所述激光束從所述激光器經(jīng)所述入口孔至所述光學(xué)裝置；一用于在一選定的壓力下向所述氣體入口供應(yīng)氣體的裝置，由此產(chǎn)生一從所述出口孔射出的所述氣體的高速氣流；一噴嘴定位裝置，其包括用于在大致平行于待切割工件的平面的平面內(nèi)沿X軸和Y軸方向移動(dòng)所述噴嘴的第一裝置和第二裝置，并且包括用于沿與X軸和Y軸方向正交的Z軸方向移動(dòng)所述噴嘴的第三裝置；以及一用于操縱所述第三裝置的控制裝置，其使所述噴嘴位于相對(duì)于工件的一選定的切割位置處，在該位置處由所述高速氣流施加在所述工件上的凈力大致為零。
2.按照權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，當(dāng)所述噴嘴處于所述選定的切割位置時(shí)，所述激光束聚焦在所述工件上。
3.按照權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述噴嘴具有一端部，其特征為圍繞所述出口孔的負(fù)凹入表面。
4.按照權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，對(duì)所述控制裝置編制程序，以保持所述噴嘴，從而使其所述端部與所述工件間隔開一大致為1.0mm的選定距離。
5.按照權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述控制裝置包括一自動(dòng)聚焦裝置，以用于保持所述出口孔離所述工件一選定的距離。
6.按照權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述噴嘴具有一端部，并且所述控制裝置包括一自動(dòng)聚焦裝置，該自動(dòng)聚焦裝置用于檢測(cè)所述端部與工件之間距離的變化并根據(jù)所述變化移動(dòng)所述噴嘴組件，以便保持該端部與工件間的距離不變。
7.一種使用激光切割裝置對(duì)脆性材料的工件進(jìn)行激光切割的方法，該激光切割裝置包括一用于產(chǎn)生激光束的激光器；一可移動(dòng)的激光輔助氣體噴嘴組件，其包括一具有入口孔和出口孔的噴嘴以及一用于使輔助氣體進(jìn)入所述噴嘴的內(nèi)部以便經(jīng)所述出口孔射出的氣體入口；光學(xué)裝置設(shè)置在所述入口孔與出口孔之間，其用于(a)使經(jīng)所述入口孔進(jìn)入的激光束指向并通過所述出口孔，和(b)將所述激光束聚焦在需由該激光束切割的工件上；一提供光路徑的裝置，該光路徑用于所述激光束從所述激光器經(jīng)所述入口孔至所述光學(xué)裝置；一用于在一選定的壓力下向所述氣體入口供應(yīng)氣體的裝置，由此產(chǎn)生一從所述出口孔射出的所述氣體的高速氣流；以及一噴嘴定位裝置，其包括用于在大致平行于待切割工件的平面的平面內(nèi)沿X軸和Y軸方向移動(dòng)所述噴嘴的第一裝置和第二裝置，并且包括用于沿與X軸和Y軸方向正交的Z軸方向移動(dòng)所述噴嘴的第三裝置；該方法包括以下步驟(1)當(dāng)在一選定的氣壓下向所述入口供應(yīng)氣體時(shí)，定位所述噴嘴，以使所述激光束垂直指向所述工件并使所述噴嘴設(shè)置在與所述工件間隔開的一選定的位置處，在該位置處當(dāng)所述氣體從所述出口孔射出時(shí)其在在所述工件上施加一大致為零的凈力；以及(2)啟動(dòng)所述激光器以便產(chǎn)生指向并聚焦在所述工件上的激光束，并且同時(shí)選擇性地操作所述噴嘴定位裝置以便使所述噴嘴和激光束平行于所述工件側(cè)向地移動(dòng)，從而以選定的圖樣切割所述工件。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述噴嘴定位裝置包括檢測(cè)裝置，其用于檢測(cè)所述工件與所述噴嘴之間的距離因所述工件平面度變化引起的變化，并且包括根據(jù)所述檢測(cè)裝置響應(yīng)的裝置，其用于使所述第三裝置沿一方向移動(dòng)所述噴嘴，以保持從所述噴嘴至所述工件的距離恒定不變。
9.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步驟(2)中以矩形的圖樣移動(dòng)所述噴嘴，以便從所述工件上切出一矩形產(chǎn)品。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述工件為一硅管，并且操作所述噴嘴定位裝置，以使所述激光束從所述硅管上切出矩形晶片。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述硅管具有多邊形的截面構(gòu)形。
12.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述噴嘴如下依次移動(dòng)一向上垂直行程、一沿第一方向的側(cè)向行程、一向下行程和一沿與所述第一方向相反的第二方向的側(cè)向行程；并且所述激光器的操作在每一行程的終點(diǎn)終止而在下一行程的起點(diǎn)開始。
13.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述噴嘴保持在距離工件1.0mm處，所述射出孔的直徑為1.0mm，并且所述氣體以10至30psi或更高的壓力供應(yīng)。
14.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述氣體以10至80psi的范圍內(nèi)的壓力供應(yīng)。
15.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述噴嘴具有一端部，其特征為圍繞所述出口孔的負(fù)凹入表面。
16.一種激光切割脆性材料的工件的方法，其包括以下步驟提供一激光切割裝置，其包括一用于產(chǎn)生激光束的激光器；一可移動(dòng)的激光輔助氣體噴嘴組件，其包括一具有用于激光束的入口孔和出口孔的噴嘴，用于將輔助氣體引入所述噴嘴以便經(jīng)所述出口孔射出的裝置，和光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置用于(a)使經(jīng)所述入口孔進(jìn)入的激光束指向并通過所述出口孔，和(b)將所述激光束聚焦在需由該激光束切割的工件上；定位所述噴嘴，以使所述出口孔位于離待切割的工件的表面一選定的間隔距離處，在所述選定的間隔距離處，從所述出口孔以高速射出的輔助氣體基本上沒有凈力施加在工件上；在壓力下向所述噴嘴供應(yīng)輔助氣體，以便經(jīng)所述出口孔射出，并且同時(shí)操作所述激光器以便使激光束通過所述噴嘴并沖擊所述工件；以及平行于所述工件表面移動(dòng)所述噴嘴，同時(shí)(a)保持所述間隔距離恒定不變，和(b)保持通過所述噴嘴出口孔的輔助氣體流和所述激光束的發(fā)射，以便使所述激光束按照預(yù)定的圖樣切割所述工件并使由該激光束從所述工件上除去的材料借助從所述出口孔流出的輔助氣體吹走。
17.一種激光輔助氣體噴嘴，其包括一激光束可經(jīng)其通過的通道；一端部其特征為在該通道的一端處的一出口孔，其用于使所述激光束通過所述噴嘴作用在一選定的工件上；以及至少一個(gè)端口，其用于使增壓的輔助氣體進(jìn)入所述通道以便經(jīng)所述出口孔射出；該出口孔的特征為第一內(nèi)錐形部分與所述通道連通，一直徑減小的窄口部分與所述內(nèi)錐形部分連通并共軸線，第一負(fù)錐形部分與所述窄口部分連通并共軸線，以及第二負(fù)錐形部分端接于該第一負(fù)錐形部分，第二負(fù)錐形部分的錐形斜度大于第一負(fù)錐形部分的錐形斜度。
18.按照權(quán)利要求17所述的激光輔助氣體噴嘴，其特征在于，所述窄口部分具有一恒定不變的直徑并且所述第一和第二負(fù)錐形部分分別相對(duì)于所述窄口部的中心軸線以45°和63.6°角度延伸。
19.一種使用激光切割裝置從由EFG方法生長(zhǎng)的薄硅管的脆性材料工件上切割一晶片的方法，該激光切割裝置包括一用于產(chǎn)生激光束的激光器；一可移動(dòng)的激光輔助氣體噴嘴組件，其包括一具有入口孔和出口孔的噴嘴以及一用于使輔助氣體進(jìn)入所述噴嘴的內(nèi)部以便經(jīng)所述出口孔射出的氣體入口；光學(xué)裝置設(shè)置在所述入口孔與出口孔之間，其用于(a)使經(jīng)所述入口孔進(jìn)入的激光束指向并通過所述出口孔，和(b)將所述激光束聚焦在需由該激光束切割的硅管上；一提供光路徑的裝置，該光路徑用于所述激光束從所述激光器經(jīng)所述入口孔至所述光學(xué)裝置；一用于在一選定的壓力下向所述氣體入口供應(yīng)氣體的裝置，由此產(chǎn)生一從所述出口孔射出的所述氣體的高速氣流；以及一噴嘴定位裝置，其包括用于在大致平行于待切割硅管的平面的平面內(nèi)沿X軸和Y軸方向移動(dòng)所述噴嘴的第一裝置和第二裝置，并且包括用于沿與X軸和Y軸方向正交的Z軸方向移動(dòng)所述噴嘴的第三裝置；該方法包括以下步驟(1)當(dāng)在一選定的氣壓下向所述入口供應(yīng)氣體時(shí)，定位所述噴嘴，以使所述激光束垂直指向選定的硅管表面并使所述噴嘴設(shè)置在與所述硅管表面間隔開的一選定的位置處，在該位置處當(dāng)所述氣體從所述出口孔射出時(shí)其在在所述硅管上施加一大致為零的凈力；以及(2)啟動(dòng)所述激光器以便產(chǎn)生指向并聚焦在所述選定的硅管表面上的激光束，并且同時(shí)選擇性地操作所述噴嘴定位裝置以便使所述噴嘴和激光束平行于所述選定的硅管表面?zhèn)认虻匾苿?dòng)，從而從所述硅管上切割出選定形狀的晶片。
20.按照權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，通過啟動(dòng)所述激光器以及平行于所述選定的硅管表面?zhèn)认蛞苿?dòng)所述噴嘴和所述激光束重復(fù)所述步驟(2)，以便從所述硅管上切割出另外的晶片。
21.按照權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述噴嘴定位裝置包括檢測(cè)裝置，其用于檢測(cè)所述選定的硅管表面與所述噴嘴之間的距離因所述選定的硅管表面的平面度變化而引起的變化，并且包括根據(jù)所述檢測(cè)裝置響應(yīng)的裝置，其用于使所述第三裝置沿一方向移動(dòng)所述噴嘴，以保持從所述噴嘴至所述選定的硅管表面的距離恒定不變。
22.按照權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述輔助氣體在導(dǎo)致所述氣體以超音速?gòu)乃鰢娮焐涑龅膲毫ο孪蛩鰢娮旃?yīng)。
23.按照權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述激光器為NdYAG和CO2激光器。
24.按照權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，其特征在于，所述激光器為NdYAG或CO2激光器。
25.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光器為NdYAG或CO2激光器。
26.按照權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述激光器為NdYAG或CO2激光器。
全文摘要
一種用于激光切割薄且脆的材料的改進(jìn)方法和裝置，其采用輔助氣體排除熔化的材料和激光產(chǎn)生的碎屑，其特征在于高速輔助氣體施加在被切割的材料上的凈力基本上為零。本發(fā)明還提供一種改進(jìn)的激光輔助氣體噴嘴的形式，其形狀確定成可達(dá)到一超音速氣體流速，其有利地用于實(shí)現(xiàn)噴射的氣體和其它材料的迅速排除。
文檔編號(hào)B23K26/08GK1398211SQ01804775
公開日2003年2月19日 申請(qǐng)日期2001年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月12日
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