光学装置及激光切割设备的制作方法

本实用新型涉及激光切割领域，特别是涉及一种光学装置及激光切割设备。

背景技术：

目前，硅晶圆切割一般采用两种方法，一种是传统的机械切割，另一种是激光无接触切割(隐形切割)。其中，激光隐形切割可以避免出现机械切割存在的机械变形、应力集中释放以及道具磨损等问题，因此，激光隐形切割的应用越来越广泛。

激光隐形切割的原理是利用激光的瞬时极高能量在材料内部形成改质层。在激光隐形切割硅晶圆片的技术领域中，脉冲激光光束透过材料表面聚焦在材料内部，但空气到材料内部的折射率变化将导致激光在材料内部聚焦时会产生球差。此时，光束在材料内部已经不是聚焦于一点，而是形成一个面积相对较大的圆形弥散斑，使功率密度下降。而功率密度下降将会大大影响材料中改质层的形成和效果，使裂纹变短，直接影响切割效果和效率。

技术实现要素：

基于此，有必要针对如何校正激光于材料内部聚焦时产生球差问题，提供一种光学装置及激光切割设备。

一种光学装置，包括：

壳体；

多个透镜组，设于所述壳体内，且所述多个透镜组沿所述光学装置的光轴依次排布，所述多个透镜组中的至少一个所述透镜组为活动透镜组；以及

调节件，设于所述壳体上，且所述调节件与所述壳体在所述光轴上的位置相对固定，转动所述调节件至少能够控制一个所述活动透镜组沿所述光轴往返移动，以校正经所述多个透镜组后入射至加工材料内部的激光于会聚时所产生的球差。

通过转动所述调节件以改变所述透镜组之间的相对距离，改变进入所述透镜组的光线的折射方向，使进入材料中的光束聚焦于一点，而不是形成面积较大的弥散斑，从而减小球差，提升聚焦区域中光束的能量密度，使材料中的光束聚焦区域能够更易形成改质层，提升切割效果及切割效率。

在其中一个实施例中，所述多个透镜组中的至少一个所述透镜组为固定透镜组，所述固定透镜组与所述壳体在所述光轴上的位置相对固定，所述固定透镜组包括与所述壳体的内壁固定连接的透镜。通过设置固定透镜组可简化所述光学装置的结构。

在其中一个实施例中，所述调节件位于所述壳体外，所述调节件呈环状结构并套设于所述壳体上，所述调节件能绕所述光轴相对于所述壳体转动，所述调节件的内壁设有第一螺纹，所述活动透镜组包括镜筒及固定设置于所述镜筒中的透镜，所述镜筒的外壁设有第二螺纹，所述第一螺纹与所述第二螺纹相互啮合。上述结构依靠螺纹之间的配合以将所述调节件的转动转化为所述透镜组的升降运动，当转动所述调节件时，所述透镜组也会做升降移动，上述螺纹结构有利于对所述透镜组的升降调节。当需要分别对多个所述透镜组进行调节时，可设置多个所述调节件以分别对应多个所述透镜组。

在其中一个实施例中，所述调节件包括连杆、齿轮以及旋钮，所述连杆穿设于所述壳体上，所述齿轮设于所述连杆位于所述壳体内的一端上，所述旋钮设于所述连杆位于所述壳体外的一端上，所述连杆与所述光轴垂直且所述连杆能绕自身的中轴线旋转；

所述活动透镜组包括镜筒及固定设置于所述镜筒中的透镜，所述镜筒上设有沿所述光轴延伸的齿条，所述齿条与所述齿轮啮合。上述实施例提供一种简易的传动结构，通过旋转所述旋钮以带动所述透镜组于所述壳体中升降。当需要分别对多个所述透镜组进行调节时，可设置多个所述调节件以分别对应多个所述透镜组。

在其中一个实施例中，所述壳体的内壁上开设有沿所述光轴方向延伸的滑槽，所述镜筒上设有滑块，所述滑块卡接于所述滑槽中并能够在所述滑槽内沿所述光轴往返移动。一般而言，所述壳体的内壁和所述镜筒的外壁均呈圆柱结构，此时，当所述调节件对所述镜筒施以圆周方向的力时，所述镜筒可能会与所述调节件同步转动，而不是在所述壳体中作升降运动，采用上述结构后，所述滑槽能够固定所述滑块的移动方向，使所述镜筒无法沿圆周方向转动，而只能沿所述滑槽升降。

在其中一个实施例中，所述镜筒包括相连的第一筒体部及第二筒体部，所述第一筒体部呈多边形结构，所述第二筒体部呈圆柱状结构，所述第一筒体部的形状与所述壳体的内壁形状相同，所述第一筒体部与所述壳体的内壁相互抵接，所述第二螺纹设于所述第二筒体部上。同样地，上述结构能够对所述镜筒的移动方向进行限制，防止所述镜筒沿圆周方向转动。

在其中一个实施例中，所述壳体的外壁围绕所述调节件的区域上设置有刻度盘，所述调节件上设置有指向标识，所述指向标识指向所述刻度盘；或者

所述壳体的外壁绕所述调节件的区域上设置有指向标识，所述调节件上设置有刻度盘，所述指向标识指向所述刻度盘。通过设置刻度盘和指向标识，当转动所述调节件以调节所述透镜组时，可通过观察所述调节件上的指向标识于所述刻度盘上的指向以得到所述透镜组的升降位移。

在其中一个实施例中，所述透镜组上设有增透膜。通过设置增透膜以减小激光光束于所述透镜组上的反射率，增加激光光束的透过率。

在其中一个实施例中，所述光学装置的放大倍率为50×，数值孔径为0.65，视场数为22，齐焦距离为45mm。

一种激光切割设备，包括激光器及上述实施例中任一项所述的光学装置，所述激光器发出的光束经所述光学装置调节后射向所述加工材料。激光器所发出的光束经多个所述透镜组的调节后聚焦于加工材料内部。

附图说明

图1为一般的光学装置的光束聚焦示意图；

图2为本申请一实施例提供的光学装置的示意图；

图3为本申请一实施例提供的光学装置中壳体与调节件的组合示意图；

图4为本申请一实施例提供的光学装置中透镜和镜筒的示意图；

图5为本申请一实施例提供的光学装置的轴测图；

图6为本申请一实施例提供的光学装置中镜筒的示意图；

图7为本申请一实施例提供的光学装置中壳体、调节件及透镜组的示意图；

图8为本申请一实施例提供的光学装置的正视图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个原件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个原件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一原件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，在目前常见的激光切割技术中，虽然能够通过整体调节聚焦透镜相对于加工材料(待切割材料)表面的距离以使激光焦点位于材料表面上，以对材料表面进行切割。但当需要切割材料内部时，由于待切割的材料与空气的折射率不同，从而导致光束进入材料内部后产生球差，各区域的光线发生折射而无法聚焦于一点，透镜中心区域、边缘区域等出射的光线无法会聚于一点，而是形成多个焦点400，使会聚区域形成弥散光斑，从而导致切割时光线汇聚区域的功率密度降低，影响切割效果及切割效率。为解决上述问题，本申请提供一种光学装置以用于对透明或半透明材料进行无接触切割，具体可用于对硅晶圆的切割。

参考图2所示，光学装置10包括壳体100、透镜组200及调节件300。透镜组200的数量为多个(至少两个)，调节件300的数量至少为一个。壳体100包括侧壁110，壳体100的底部还设有出光口120。透镜组200设于壳体100内，每个透镜组200中包括至少一个透镜210，每个透镜组200的光轴与出光口120的中心均处于同一直线(光学装置10的光轴a)上。调节件300设于壳体100上，转动调节件300时能够调节至少一个活动透镜组(能够被调节件300调节的透镜组200称为活动透镜组)沿光轴a往返移动，以改变透镜组200之间的相对距离。在一些实施例中，透镜组200还包括固定透镜组，固定透镜组固定设置于壳体100中无法被调节件300调节，即固定透镜组与壳体100在光轴a上的位置相对固定，固定透镜组包括与壳体100的内壁固定连接的透镜210。

优选地，光学装置10中设置有一个调节件300，一个调节件300能够调节多个透镜组200之间的相对距离。

激光光束经过多个透镜组200的调节后将出射至待切割材料(加工材料)中，并于材料内会聚。通过转动调节件300以调节透镜组200之间的相对距离，使最终从光学装置10不同区域(透镜中心区域、边缘区域等)出射的光线的出射角度得到改变，进而控制进入材料内部的光线的折射角度，使光线能够在材料内部会聚于同一焦点400，从而校正球差，以此增加会聚区域的功率密度。会聚于同一焦点处的激光可使材料内部的改质层变薄以利于裂纹生长，提升材料内部的改质效果，并改善表面直线度，减少硅渣飞溅产生的碎屑，从而提高切割效果及切割效率。

具体地，如图3所示，在一些实施例中，调节件300设于壳体100外，调节件300呈环状结构并套设于壳体100的侧壁110上，调节件300与侧壁110转动连接。调节件300于壳体100上的设置高度保持固定，即调节件300能够绕光学装置10的光轴相对于壳体100转动，但不能沿光学装置10的光轴方向移动。另外，调节件300包括第一内壁310，第一内壁310上设置有第一螺纹311。

参考图3和图4所示，在一些实施例中，活动透镜组还包括镜筒220，透镜210固定于镜筒220中，调节件300通过与镜筒220作用以驱动透镜组200于壳体100中升降。具体地，镜筒220包括第二外壁221，第二外壁221上设置有第二螺纹2211，第一螺纹311与第二螺纹2211相互啮合。参考图5，侧壁110包括第三内壁111，当转动调节件300时，可使与之啮合的透镜组200沿着第三内壁111移动，从而实现活动透镜组在壳体100内升降。

参考图6和图7，在另一些实施例中，为简化透镜组200与调节件300之间的传动关系，在镜筒220的第二外壁221上设置有沿光学装置10的光轴延伸的齿条2212。同时，调节件300呈哑铃状结构，其中，调节件300的一端设有旋钮321，调节件300的另一端设有齿轮322，旋钮321与齿轮322之间通过连杆连接，连杆与光学装置10的光轴垂直且连杆能绕自身的中轴线旋转。调节件300穿设壳体100的侧壁110，使旋钮321位于侧壁110外，而齿轮322位于第三内壁111内。此时，齿轮322与镜筒220上的齿条2212相互啮合，通过转动旋钮321以带动齿轮322旋转并驱动齿条2212运动，进而使透镜组200沿第三内壁111移动以实现升降。

参考图4和图5所示，在一些实施例中，为限定透镜组200于壳体100内的运动方向，防止透镜组200随调节件300转动，此时，壳体100的第三内壁111上设置有沿光学装置10的光轴a方向延伸的滑槽1110，而镜筒220上还设置有滑块2210，滑块2210卡接于滑槽1110中并与滑槽1110滑动连接，从而使透镜组200仅能沿滑槽1110移动，防止透镜组200发生转动。优选地，第三内壁111上设有两条槽口相对的滑槽1110，镜筒220上也设有两个滑块2210，两个滑块2210分别卡接于两个滑槽1110中。需要注意的是，本申请中固定透镜组200的移动方向的方法并不限于上述滑块2210与滑槽1110之间的配合。

在另一些实施例中，镜筒220包括相连的第一筒体部及第二筒体部，第一筒体部呈多边形结构，第二筒体部呈圆柱状结构，同时，将壳体100的第三内壁111也设成多边形结构，第一筒体部的形状与第三内壁111的形状相同，第一筒体部与第三内壁111相互抵接，多边形结构之间的相互抵接能够防止透镜组200发生转动。

需要注意的是，在一些实施例中，每个透镜组200均可被调节移动，优选地，每个透镜组200分别对应着一个调节件300，各透镜组200的调节相互独立，可使每次调节都遵循单一变量原则，从而易于控制光线的出射方向。在另一些实施例中，在校正系统球差时并不需要调节所有透镜组200，此时，无需移动的透镜组200的透镜210可作为固定透镜组被壳体100直接夹持于壳体100内，可以省略镜筒220，也即当透镜组200无需移动时，透镜组200可以不设置容置透镜210的镜筒220，而直接将透镜210固定于壳体100内。

具体地，参考图2所示，壳体100中设置有四个透镜组200且壳体100上套设有一个调节件300。由光源至材料方向依次设置有具有负屈折力的第一透镜组、具有负屈折力的第二透镜组、具有正屈折力的第三透镜组以及具有正屈折力的第四透镜组。其中，第二个透镜组200中设置有镜筒220，调节件300可直接作用于镜筒220以使第二个透镜组200升降。在另一些实施例中，壳体100上还套设有第二个调节件300，同时，第四个透镜组200中也设有镜筒220，第二个调节件300可直接作用于第四个透镜组200中的镜筒220，以使第四个透镜组200升降。需要注意的是，调节件300的数量还可以为更多个。

在一些实施例中，每个调节件300仅调节一个透镜组200。在另一些实施例中，一个调节件300也可同时调节多个透镜组200。具体地，当调节件300的第一内壁310上设有第一螺纹311且透镜组200的第二外壁221上设有第二螺纹2211时，可使相邻的两个透镜组200的第二螺纹2211均与同一个调节件300上的第一螺纹311啮合，但其中两个第二螺纹2211的螺纹方向相反，此时，转动调节件300可使两个透镜组200沿相反方向移动。

在一些实施例中，为便于获得转动调节件300时透镜组200的升降位移量，壳体100的侧壁110上还设置有刻度盘。参考图8所示，刻度盘140围绕邻近调节件300设置，同时，调节件300上设置有指向标识，指向标识指向刻度盘。其中，指向标识可以为指针或刻于调节件300上的标识线。在另一些实施例中，刻度盘也可设于调节件300上，而指向标识设置于侧壁110上，且指向标识邻近调节件300设置。通过观察指向标识指向刻度盘上的位置以获得透镜组200的升降位移量。

在一些实施例中，透镜组200中的透镜210的数量可以为一个，也可以为多个，且透镜210可以为球面透镜或非球面透镜，非球面透镜有利于校正球差。另外，在同一透镜组200中的透镜210可以通过光学胶粘接以构成胶合镜片。优选地，光学装置10中设置有屈折力不同的透镜组200，即壳体100中即设有屈折力为正的透镜组200，也设有屈折力为负的透镜组200，通过多个透镜组200的正负屈折力配合以校正球差，从而有效避免对球差校正过头或校正不足。

在一些实施例中，透镜组200上还设置有增透膜以减少光线的反射，增加光线的透过率。优选地，增透膜设置在透镜组200中的透镜210表面，增透膜对应的作用波长为700nm至1300nm之间。

另外，优选地，光学装置10的放大倍率为50×，数值孔径为0.65，视场数为22，齐焦距离为45mm。

继续参考图2，在一些实施例中，壳体100的顶部设置有入光口130，入光口130与出光口120相对设置，入光口130的中心与各透镜组200的光轴以及出光口120的中心均处于同一直线上。在一些实施例中，入光口130上设置有螺纹以使光学装置10能够固定于其他装置上。优选地，入光口130处的螺纹类型为w20.32x0.706(rms)。

在一些实施例中，光学装置10可被应用于激光切割设备中。激光切割设备包括激光器，激光的波长处于700nm至1300nm之间。在一些实施例中，激光器设置于壳体100内部。在另一些实施例中，激光器设置于入光口130上方，激光光束通过入光口130进入壳体100中。激光器发出的激光经多个透镜组200调节后出射至待切割的材料内。另外，在一些实施例中，激光器与激光光束经过的第一个透镜组200之间还设置有准直透镜，准直透镜将到达透镜组200之前的光束转变为平行光。

本申请提供的光学装置10能够通过调节调节件300以控制透镜组200之间的相对距离，使出射至待切割材料的光线得到调节，从而校正激光光束进入材料内部所产生的球差，改善切割的直线度，使切割后的硅晶圆表面无碎屑增加现象，同时使改质层更薄，裂纹生长更长。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。