专利名称：瓦级全固态紫外激光清洗机及激光清洗方法
技术领域：
本发明属于光能清洗设备范围，特别涉及一种瓦级全固态紫外激光清洗机及 激光清洗方法。
技术背景用激光进行污染物清洗的技术，开创于上世纪七十年代中期，但直到上世纪90年代初期才真正在工业生产中获得应用。这是因为随着微电子工业的飞速发 展，集成电路，特别是大规模、超大规模集成电路的集成度越来越高，对硅片等 微电子用基片的清洁度要求也越来越高。传统清洗技术，如机械清洗、湿法化学 清洗、超声波清洗等对微米、亚微米级的污染颗粒的清除往往无能为力。此外， 机械去除方法还很容易对基板造成损坏；湿化学法会造成环境污染，超声波清洗 的特殊工作条件限制了其在集成电路清洗中的应用。与这些传统清洗方法比较起 来，激光清洗能有效去除微米、亚微米级的污染颗粒、有机物、油污等，不损伤 被清洗的工件，对环境不造成污染，效率高、成本低，安全可靠，不损害操作人 员的健康，容易实现清洗自动化控制等等。目前已应用于集成电路、液晶显示器线路板等微电子基板清洗的激光器主要 有准分子激光器、C(V激光器和Nd:YAG激光器等。由于激光的波长越短，光子能 量越高，相应的清洗能力越强，清洗效果越好，所以用于清洗的激光器的波长也 越来越短，以致能输出大功率(瓦级以上)、紫外(248ran)、深紫外(193nm、 157nm) 激光的准分子激光器，在微电子基板清洗领域获得了广泛的应用。但是，准分子 激光器有如下缺点l.价格昂贵， 一台输出193nm的准分子激光器，Cymer Laser公司的售价为 60万美元；2.维护费用高，每年约25万美元；3.寿命短，每工作28小时，要换 一次工作气体；4.重复频率低，最高工作频率为lkHz(Cymer Laser公司产品)； 5.工作气体有毒，污染环境；6.电光转换效率低；7.几何尺寸大。所以，采用准分子激光器进行清洗，不但成本高昂，使用麻烦，而且污染环境。比较起来，以Nd:YAG为代表的全固态激光器有如下优点l.造价低廉， 一般每台激光器不超过6万美元；2.寿命长，泵灯的使用寿命可大于300小时，LD泵浦的可大于5000小时；3.维持费用低，灯泵的每年少 于6千美元；LD泵浦的每年少于5千美元；4.重复频率高 一般在1Hz 100kHz， 有的可达到兆赫级；5.光谱线宽很窄；6.可以连续波运转，也可输出纳秒、皮秒、 飞秒脉冲，性能可靠；7.对环境不造成任何污染；8几何尺寸小，易于与其它系 统组合。尽管Nd:YAG等全固态激光器有众多的优点，但此前在激光清洗领域并不太 受青睐，这是因为此类激光器的输出波长大多在红外波段。通过使用非线性光学 晶体进行变频，虽可获得紫外波段的激光输出，但紫外光输出功率很少超过1瓦， 例如用偏硼酸钡(p-BaBA，简称BBO)晶体作Nd: YAG激光器输出的1064ran激光 的四倍频，可获得266nm的紫外激光。但因为BBO晶体在紫外激光辐照下容易产 生光折变损伤，若四倍频后输出的266nm激光其平均功率超过300mW， BBO晶体 就会被破坏。由于输出的紫外激光在瓦级以下，使Nd:YAG等全固态激光器在高 精密微电子基板清洗领域的应用受到很大的制约。近来，我们制备出了新型非线性光学晶体硼酸铯锂(CsLiBeO,简称CLBO)， 用该晶体对Nd:YAG激光器输出的1064nm激光进行四倍频，已获得28W的266nm 紫外激光输出；在此背景下，我们完成了本发明，研制出瓦级紫外激光清洗机。 目前正在研制的其它一些新型紫外非线性光学晶体，也有可能用于本发明提供的 瓦级紫外激光清洗机的激光频率转换。发明内容本发明的目的是提供一种瓦级全固态紫外激光清洗机及紫外激光清洗方法。 所述激光清洗机由紫外激光器、激光扫描系统和污物去除装置三部分组成，其特 征在于，所述激光清洗机的电源1连接激光共振腔2，在激光共振腔2发出的脉 冲激光3的光路上，设置二倍频非线性光学晶体4、四倍频非线性光学晶体6和 选通镜8和反射镜10;反射镜10的侧上方固定一转镜鼓13，在反射镜10和转 镜鼓13下面的传送带12上放置被洗工件11;传送带12的一侧放置吹风机16，另一侧放置吸尘器17。所述转镜鼓13由N面扫描镜组成鼓形，转动角速度为c0弧度/秒，转镜鼓转动与一个镜面相对应的圆心角())二27u/N，所需的时间t二2tc/Nco秒，即从传送带 12的一边扫描到另一边所需时间。此种全固态紫外激光清洗机的激光产生方法包括下面步骤电源1提供给激光共振腔2激励电流，激励激光共振腔2中的半导体激光二 极管，激光二极管发出的泵浦光被激光介质吸收后产生激光振荡，激光腔2中产 生的激光经高重复频率的电光或声光Q开关调制后变成脉冲激光3输出，输出的 脉冲激光3通过二倍频非线性光学晶体4进行二倍频，出射的二倍频光5通过四 倍频非线性光学晶体6进行四倍频，获得266nm的紫外激光7;紫外激光7通过 对二倍频光5高反、对四倍频光7高透的选通镜8后，获得瓦级纯四倍频光9。 所述激光清洗机的清洗方法包括静态清洗和动态清洗两种方式 所述静态清洗是瓦级纯四倍频光9经反射镜10反射到转镜鼓11的某一镜面 上，调整镜面的角度使其反射光能垂直辐照到置于传送带12的待清洗工件13的 表面，待辐照持续一段清洗所需的时间后，使传送带12传送与待清洗工件尺寸 相当的距离，以便将清洗过的工件移出，同时也将下一件待清洗工件移至激光辐 照区，进行激光辐照清洗。此种清洗方法适用于待清洗工件尺寸比激光光斑直径 小，数量不多的工件，传送带12为步进地断续传送，因为转镜鼓不转动，故称 为静态清洗；所述动态清洗，若待清洗工件的尺寸比激光光斑大，或工件数量巨大，则需 转动转镜鼓，使激光束在工件上扫描，将所有待清洗工件表面全部辐照到，以进 行清洗；纯四倍频光9经反射镜10反射到转镜鼓11的某一对相邻镜面I与II 之间的交线A处，在此位置，只要转镜鼓ll沿顺时针方向转动一个微小的角度， 镜面II立即将纯四倍频光9反射，反射光束14到传送带12的位置B，转镜鼓 11继续沿顺时针方向转动，当镜面II转到接近镜面I的位置时，这时的反射光 束15，辐照到传送带12的位置C，设转镜鼓ll的一个镜面对应的圆心角(()-27r/N，N为镜面数，N的取值由转镜鼓的直径、转镜鼓距传送带的距离以及传送带的宽度决定；N取值范围为10 100，则此时转镜鼓每转动一个(f)角，即转过一个镜 面，激光束就从传送带12的B端扫到C端，对工件13进行辐照清洗；因此需要 纯四倍频光9的功率足够大，光斑直径增大后激光的功率密度仍足够大，激光在 待清洗工件表面停留的时间较短，在这种情况下，传送带也可以一定的速度连续 传送。此种需要转镜鼓转动，使激光束进行扫描的清洗，称为动态清洗。所述激光束进行扫描的清洗时，纯四倍频光9的光斑尺寸在厘米量级，且在 辐照工件进行清洗时要停留秒量级时间，传送带12为步进断续传送或在转镜鼓 转动配合下。传送带以一定的速度连续传送。所述转镜鼓ll由N面扫描镜组成鼓形，转动角速度为co弧度/秒，转镜鼓转 动与一个镜面相对应的圆心角(()二27r/N，所需的时间t二2tt/Nco秒，即从传送带 12的一边扫描到另一边对工件13清洗所需的时间。所述清洗工件清洗出的尘粒污垢被吹风机16吹起，由吸尘器17吸进排除， 从而达到既清洗工件又保护环境的双重目的。本发明的有益效果为l.造价低廉， 一般每台激光器不超过6万美元；2. 寿命长，泵灯的使用寿命可大于300小时，LD泵浦的可大于5000小时；3.维持 费用低，灯泵的每年少于6千美元；LD泵浦的每年少于5千美元；4.重复频率高 一般在1Hz 100kHz，有的可达到兆赫级；5.光谱线宽很窄；6.可以连续 波运转，也可输出纳秒、皮秒、飞秒脉冲，性能可靠；7.可对微米、亚微米级 的污染颗粒进行有效的清除；8.对环境不造成任何污染；9.几何尺寸小，易于 与其它系统组合。IO.清洗后镀层附着力高，并且很少有镀层翘曲、剥落的现象， 产品成品率高。
图1为紫外激光源结构框图。图1示出该激光清洗机用的紫外激光方框图图2为动态激光清洗机的扫描原理及污染物排除配置图。 图3为激光束在连续传送的传送带上扫描区域示意图具体实施方式
本发明提供一种瓦级全固态紫外激光清洗机及紫外激光清洗方法；全固态紫外激光清洗机的结构如图1、图2所示。下面结合附图和实用例，对本发明提供 的激光清洗机结构和清洗方法进行具体说明。如图l所示，由电源1提供的电流激励激光共振腔2中的半导体激光二极管，激光二极管发出的泵浦光被激光介质吸收后产生激光振荡。激光介质可以是Nd:YAG单晶，也可以是Nd:YV(X、 Nd:YLF等激光晶体；可以是Nd:YAG透明陶瓷， 也可以是其它能发射大功率近1064mn激光的激光晶体或透明激光陶瓷。激光腔2 中产生的激光经高重复频率的电光或声光Q开关或被动调Q开关调制后变成脉冲 激光3输出，通过二倍频非线性光学晶体4进行二倍频。出射的二倍频光5通过 四倍频非线性光学晶体6进行四倍频，获得近266nm的紫外激光7。(由于不同激 光基质有不同的晶格场，故同一激活离子在不同基质中发射的激光波长略有不 同。例如在Nd:YAG中，Nd离子发射的激光波长为1064nm，而在Nd:YLF中，Nd 离子发射的激光波长为1053nm。所以四倍频后的紫外光波长并不完全相同，而是 近266nm，其范围为260 270nm。)出射的紫外激光7通过对基频光和二倍频光 高反、对四倍频光高透的选通镜8后，获得瓦级纯四倍频近266nm的瓦级纯四倍 频光9，激光功率密度大于1W/cm2。二倍频所用的非线性光学晶体为KTP、 LBO或BBO等晶体，或其它可用作大 功率二倍频的非线性光学材料，四倍频所用的非线性光学晶体为CLBO或其它可 作瓦级四倍频的非线性光学晶体。纯四倍频激光9经反射镜10将瓦级脉冲激光 反射到转镜鼓11的某一镜面上，调整镜面的角度，使其反射光能垂直辐照到置 于传送带12的待清洗工件13的表面，即可进行所需清洗。这里所说的高重复电 光Q开关由高性能电光晶体KTP制成，这种Q开关的半波电压比KDP、 LN等电光 开关的低，无振铃效应，重复频率可超过MHz。当然，用LN、 KDP等电光晶体制 作的电光Q开关或声光Q开关或被动调Q开关，也可以用于本发明的调Q，只不 过性能较差。如果需清洗的工件数量不多，待清洗面积小于激光光斑面积，可让转镜鼓ll 停转，并使其将近266nm激光辐射到待清洗工件13上进行清洗。清洗好的工件 可手工移出清洗位置，换上待清洗的工件；也可让传送带12逐件移出清洗好的工件，并将待清洗工件移到清洗位置。该工件输送系统由传送带及可调速马达构 成。该输送系统可以一定速度输送一段距离(例如在1/10秒内传送相当于一个 工件尺寸的距离)后，停止输送一段时间，然后再继续输送，如此重复地不断运 转；并将清洗好的工件输送到下一道工序。这类转镜鼓不转动的清洗为静态清洗。如果需清洗的工件数目巨大，或需清洗的工件面积比激光光斑大很多，则必 须让激光束进行扫描。传送带可如前所述断续传送工件，也可以连续传送工件。设转镜鼓以co (弧度/秒)的角速度转动，激光束斑18的直径为D厘米[见图3中 (18)]，则连续传送的传送带传送速度V=No3D/2tt (厘米/秒)时，即可保证激 光束在工件上的扫描既不重复，也不漏扫，如图3所示。这种转镜鼓转动的清洗 为动态清洗。下面仅举几个用本发明所述的瓦级近266nm紫外激光对微电子工件进行静态 清洗的实用例。实用例一用CLB0作四倍频的Nd:YAG全固态激光器输出1W的266nm激光，脉冲重复 频率为20.3Hz，光斑直径为0.8cm，对两千片MH06LED基板进行清洗;清洗条件 为恒温恒湿环境(25°C， 65%)，万级净化室，每元件清洗时间1.2秒。在清洗 后的基板上进行LED芯片的固晶，并进行金丝球焊接。与未经激光清洗的基板相 比较，清洗后焊接的LED芯片固晶的剪切强度提高了80X，焊接拉力提高了120 %，产品成品率高出38%。实用例二用CLBO作四倍频的Nd:YAG全固态激光器输出1W的266nm激光，脉冲重复 频率为20. 3Hz，光斑直径为0. 8cm，对26"液晶体显示器用的LED背光模组所用 的铝基PCB板，在电子元件焊接前进行清洗处理，主要清洗铝基PCB板上的镀金 焊盘，每块PCB板上约有2000个焊盘。清洗条件为恒温恒湿环境(25°C， 65%)，万级净化室，每焊盘清洗时间1.5秒。。用清洗后的PCB板上进行回流焊 工艺，把LED光源及相关功能元件焊接在PCB板上。与未经激光清洗的PCB板相 比较，清洗后焊接的元件焊接强度大大提高，提高约80%，并且元件焊接失败的比率降低了约90%，减少了产品修理环节，大大提高了产品的可靠性。实用例三用CLB0作四倍频的Nd:YAG全固态激光器输出1W的266nm激光，脉冲重复 频率为20.3Hz，光斑直径为0.8cm，对集成封装LED光源的陶瓷基板进行清洗， 该陶瓷基板为A1N材料，导热系数高，并在A1N上镀覆银层作为电气通路和焊盘。 镀覆银层前用激光对A1N板材进行清洗，清洗条件为恒温恒湿环境(25X:， 65%), 万级净化室，对板材扫描清洗。在清洗后的A1N板材上进行银浆的镀覆。与未经 激光清洗的板材相比较，清洗后镀覆的银层附着力提高了 120%，并且很少有镀 层翘曲、剥落的现象，产品成品率高出40%以上。上述实用例只对本发明进行说明，而不对本发明构成限制。
权利要求
1.一种瓦级全固态紫外激光清洗机，所述激光清洗机由紫外激光器、激光扫描系统和污物去除装置三部分组成，其特征在于，所述激光清洗机的电源(1)连接激光共振腔(2)，在激光共振腔(2)发出的脉冲激光(3)的光路上，设置二倍频非线性光学晶体(4)、四倍频非线性光学晶体(6)和选通镜(8)和反射镜(10)；反射镜(10)的侧上方固定一转镜鼓(11)，在反射镜(10)和转镜鼓(11)下面的传送带(12)上放置被洗工件(13)；传送带(12)的一侧放置吹风机(16)，另一侧放置吸尘器(17)。
2. 根据权利要求1所述瓦级全固态紫外激光清洗机，其特征在于，所述转镜 鼓(11)由N面扫描镜组成鼓形，转动角速度为co弧度/秒，转镜鼓转动与一个镜 面相对应的圆心角(^二27i/N，所需的时间t二2tu/Nco秒，即从传送带(12)的一边 扫描到另一边对工件(13)清洗所需的时间。
3. 根据权利要求1所述瓦级全固态紫外激光清洗机，其特征在于，所述全固 态紫外激光清洗机的激光产生为电源(1)提供给激光共振腔(2)激励电流，激励激光共振腔(2)中的半 导体激光二极管，激光二极管发出的泵浦光被激光介质吸收后产生激光振荡，激 光腔(2)中产生的激光经高重复频率的电光或声光Q开关调制后变成脉冲激光 (3)输出，输出的脉冲激光(3)通过二倍频非线性光学晶体(4)进行二倍频， 出射的二倍频光(5)通过四倍频非线性光学晶体(6)进行四倍频，获得266nm 的紫外激光(7);紫外激光(7)通过对二倍频光(5)高反、对四倍频光(7) 高透的选通镜(8)后，获得瓦级纯四倍频光(9)，激光功率密度大于1W/cm2。
4. 根据权利要求1所述瓦级全固态紫外激光清洗机，其特征在于，所述获得 四倍频近266nm的紫外激光，其波长范围为260nm 270nm。
5. 根据权利要求1所述瓦级全固态紫外激光清洗机，其特征在于，所述全固 态紫外激光器的激光介质是Nd:YAG、Nd:YV04或Nd:YLF激光晶体；或Nd:YAG 透明激光陶瓷，以及其它能发射大功率近1064nm激光的激光晶体或透明激光陶 瓷材料。
6.根据权利要求1所述瓦级全固态紫外激光清洗机，其特征在于，所述高重复频率的Q开关为声光Q开关，或由KDP、 LN、 KTP等电光晶体制成的电光Q 开关、或被动调Q的Q开关。
7. 根据权利要求1所述瓦级全固态紫外激光清洗机，其特征在于，所述二倍 频非线性光学晶体可以是KTP、 LBO、 BBO晶体或其它可作大功率二倍频的非 线性光学材料；四倍频非线性光学晶体是CLBO及其它可以作瓦级四倍频的非线 性光学材料。
8. —种瓦级全固态紫外激光清洗机的清洗方法，其特征在于，所述激光清洗 机的清洗方法包括静态清洗和动态清洗两种方式所述静态清洗是瓦级纯四倍频光(9)经反射镜(10)反射到转镜鼓(11) 的某一镜面上，调整镜面的角度使其反射光能垂直辐照到置于传送带(12)的待 清洗工件(13)的表面，待辐照持续一段清洗所需的时间后，使传送带(12)传 送与待清洗工件尺寸相当的距离，以便将清洗过的工件移出，同时也将下一件待 清洗工件移至激光辐照区，进行激光辐照清洗。此种清洗方法适用于待清洗工件 尺寸比激光光斑直径小，数量不多的工件，传送带(12)为步进地断续传送，因 为转镜鼓不转动，故称为静态清洗；所述动态清洗，若待清洗工件的尺寸比激光光斑大，或工件数量巨大，则需 转动转镜鼓，使激光束在工件上扫描，将所有待清洗工件表面全部辐照到，以进 行清洗；纯四倍频光(9)经反射镜(10)反射到转镜鼓(11)的某一对相邻镜 面I与II之间的交线A处，在此位置，只要转镜鼓(11)沿顺时针方向转动一个 微小的角度，镜面II立即将纯四倍频光9反射，反射光束(14)到传送带(12) 的位置B，转镜鼓(11)继续沿顺时针方向转动，当镜面II转到接近镜面I的位 置时，这时的反射光束(15)，辐照到传送带(12的位置C，设转镜鼓(11)的 一个镜面对应的圆心角小二2;i/N，N为镜面数，N的取值由转镜鼓的直径、转镜鼓 距传送带的距离以及传送带的宽度决定；则此时转镜鼓每转动一个())角，即转过 一个镜面，激光束就从传送带(12)的B端扫到C端，对工件(13)进行辐照 清洗；因此需要纯四倍频光(9)的功率足够大，光斑直径增大后激光的功率密度仍足够大，激光在待清洗工件表面停留的时间较短，在这种情况下，传送带以 一定的速度连续传送。此种需要转镜鼓转动，使激光束进行扫描的清洗，称为动态清洗；所述传送带的传送速度V二N①D/2;r (厘米/秒)的速度连续传送工件。
9. 根据权利要求8所述瓦级全固态紫外激光清洗机的清洗方法，其特征在于， 所述组成转镜鼓(11)的镜面数目N，随着转镜鼓直径的不同，可取值在10 100 之间。
10. 根据权利要求8所述瓦级全固态紫外激光清洗机的清洗方法，其特征在 于，所述清洗工件清洗出的尘粒污垢被吹风机(16)吹起，由吸尘器(17)吸进 排除，从而达到既清洗工件又保护环境的双重目的。
全文摘要
本发明公开了属于光能清洗技术范围的一种瓦级全固态紫外激光清洗机及激光清洗方法，用于集成电路等微电子基板清洗。该设备的电源连接激光共振腔，在激光共振腔发出的脉冲激光的光路上设置两块非线性光学晶体、选通镜和反射镜；在反射镜的侧上方固定一转镜鼓，传送带上放置被洗工件；在传送带的一侧放置吹风机，另一侧放置吸尘器。该方法包括连续或断续地输送待清洗的基板通过激光辐照处，由全固态激光器输出的瓦级近266nm脉冲激光照射到基板表面；选择适当的激光强度、脉冲频率及辐照时间，以对基板表面的微米及亚微米级颗粒、有机物、油污等污染物进行有效去除；清洗后镀层附着力和产品成品率都有很大提高，并很少有镀层翘曲、剥落的现象。
文档编号B08B7/00GK101219430SQ20081005685
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者李明远, 沈光球, 沈德忠, 王晓青, 王桂玲, 许祖彦 申请人:清华大学;中国科学院物理研究所;深圳市淼浩高新科技开发有限公司