激光加工装置及加工方法与流程

本发明涉及晶圆加工技术领域，尤其是涉及一种激光加工装置及加工方法。

背景技术：

激光加工技术主要包括激光切割、钻孔、加工、焊接等方面。激光切割技术主要通过聚焦镜将激光束聚焦在材料表面使材料发生物理和化学变化，最终将加工材料分离。

激光光束的焦点位置处的能量最高，因此，在利用激光对工件进行加工时，需要找到激光光束的焦点位置。现有技术中，可以将工件放置在聚焦镜下方，然后上下移动聚焦镜，并在水平面上，利用激光在工件表面上划线，划出的线段的粗细度是逐渐变化的，先增大再减小，或者先减小再增大，此时，记录下变化中粗细度最小时，聚焦镜的位置，这个位置就是激光焦点落在工件表面时聚焦镜的位置，根据此位置信息，进行后续的加工。上述方法比较麻烦，需要反复的划线尝试，一方面效率低，另一方面，也造成了工件不必要的损失。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种激光加工装置及加工方法，以缓解了现有的激光加工过程中，激光器的焦点位置确认困难的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供的一种激光加工装置，所述激光加工装置包括：所述激光加工装置包括移动机构和测量机构，所述测量机构安装在所述移动机构的活动端，所述移动机构用于带动所述测量机构在第一方向上运动；

所述测量机构包括激光器和激光位移传感器，且所述激光器的发射方向与所述激光位移传感器的检测方向均沿第一方向设置。

进一步的，所述移动机构包括移动件和驱动电机，所述激光器和激光位移传感器固定在所述移动件上，所述驱动电机用于驱动所述移动件在第一方向运动。

进一步的，所述激光器包括本体、聚焦镜和微调机构，所述微调机构连接在所述聚焦镜和本体之间，所述微调机构用于在第一方向上移动所述聚焦镜，以改变激光器焦点的位置。

进一步的，所述激光加工装置包括二维移动平台，所述二维移动平台用于放置工件，所述二维移动平台能够带动所述工件在第二方向和第三方向运动上运动，所述第一方向、第二方向和第三方向彼此垂直。

进一步的，所述二维移动平台连接有旋转电机，所述旋转电机用于带动所述二维移动平台在垂直于第一方向的平面上旋转。

进一步的，所述测量机构包括图像采集装置，所述图像采集装置安装在所述移动件上，所述图像采集装置用于采集工件的图像。

进一步的，所述激光加工装置包括控制器，所述控制器分别与所述二维移动平台和图像采集装置连接，所述控制器用于控制所述二维移动平台将所述图像采集装置采集的区域移动到激光器下方。

进一步的，所述图像采集装置上设置有补光灯。

进一步的，所述二维移动平台的支撑面上设置有光源。

第二方面，本发明实施例提供的一种利用上述的激光加工装置处理工件的加工方法，所述激光加工方法包括如下步骤：

在第一方向上移动测量机构，以使激光位移传感器到工件的距离等于激光位移传感器量程范围的中间值；

根据测量机构的位置，以及激光位移传感器和激光器的在第一方向上的位置偏差得到激光器的焦点在第一方向上的位置。

本发明实施例提供的一种激光加工装置包括：所述激光加工装置包括移动机构和测量机构，所述测量机构安装在所述移动机构的活动端，所述移动机构用于带动所述测量机构在第一方向上运动；所述测量机构包括激光器和激光位移传感器，且所述激光器的发射方向与所述激光位移传感器的检测方向均沿第一方向设置。具体原理如下：将待加工的工件放置在第一方向上，通过移动机构带动测量机构运动到某一位置，可以利用激光位移传感器检测出其距离工件表面的距离，因为激光位移传感器和激光器均固定在移动机构上，二者的焦点在第一方向上的偏差是已知的，通过该偏差和激光位移传感器的位置可以计算得出激光器焦点的位置，方便后续对工件的处理。

本发明实施例提供的一种利用上述的激光加工装置处理工件的加工方法，所述激光加工方法包括如下步骤：在第一方向上移动测量机构，以使激光位移传感器到工件的距离等于激光位移传感器量程范围的中间值；根据测量机构的位置，以及激光位移传感器和激光器的在第一方向上的位置偏差得到激光器的焦点在第一方向上的位置。其中，移动机构移动测量机构，使激光位移传感器到工件的距离等于激光位移传感器量程范围的中间值，因为，激光位移传感器具有量程范围，大于或者小于该范围时，激光位移传感器将无法测量出其距离工件表面的距离，所以，在初始时，将激光位移传感器的位置调整至其到工件的距离等于激光位移传感器量程范围的中间值处，可以适配后续处理的多种厚度的工件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光加工装置的示意图。

图标：100—移动件；200—聚焦镜；300—驱动电机；400—压电定位器；500—激光位移传感器；600—图像采集装置；700—支撑面；800—二维移动平台。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种激光加工装置包括：所述激光加工装置包括移动机构和测量机构，所述测量机构安装在所述移动机构的活动端，所述移动机构用于带动所述测量机构在第一方向上运动；所述测量机构包括激光器和激光位移传感器500，且所述激光器的发射方向与所述激光位移传感器的检测方向均沿第一方向设置。具体原理如下：将待加工的工件放置在第一方向上，通过移动机构带动测量机构运动到某一位置，可以利用激光位移传感器500检测出其距离工件表面的距离，因为激光位移传感器和激光器均固定在移动机构上，二者的焦点在第一方向上的偏差是已知的，通过该偏差和激光位移传感器500的位置可以计算得出激光器焦点的位置，方便后续对工件的处理。

激光器和激光位移传感器500在第一方向上相对固定，则二者在第一方向上的偏差值是完全可以确定的，且二者的焦距确定，那么二者的焦距的偏差也就确定了。本实施例中，选取的位置为激光位移传感器500量程范围的中间值正好落在工件表面，此时，可以得到激光位移传感器500的位置信息，而激光位移传感器500与激光器在竖向上的位置偏差是已知的，那么此时，激光器的焦点在第一方向上的坐标也就可以转化得到了。

所述移动机构包括移动件100和驱动电机300，所述激光器和激光位移传感器500固定在所述移动件100上所述驱动电机300用于驱动所述移动件100在第一方向运动。

移动件100可以为板状结构，激光器和激光位移传感器500均连接在移动件100上，驱动电机300和移动件100之间可以通过齿轮齿条连接，从而使驱动电机300可以带动移动件100在第一方向上运动，本实施中，第一方向为竖直方向。

所述激光器包括本体、聚焦镜200和微调机构，所述微调机构连接在所述聚焦镜200和本体之间，所述微调机构用于在第一方向上移动所述聚焦镜200，以改变激光器焦点的位置。

微调机构可以为压电定位器400，在对工件进行激光处理时，可以利用微调机构调节聚焦镜200的位置，而不用驱动电机300整体移动检测机构，这样，反应更加迅速。

所述激光加工装置包括二维移动平台800，所述二维移动平台800用于放置工件，所述二维移动平台800能够带动所述工件在第二方向和第三方向运动上运动，所述第一方向、第二方向和第三方向彼此垂直。二维移动平台800能够带动工件在水平面上平移，通过与激光器的配合，可以在工件表面上加工出不同的图形。

进一步的，所述二维移动平台800连接有旋转电机，所述旋转电机用于带动所述二维移动平台800在垂直于第一方向的平面上旋转。

通过转动电机可以使二维移动平台800旋转，可以配合激光器在工件表面上画弧线。

所述测量机构包括图像采集装置600，所述图像采集装置600安装在所述移动件100上，所述图像采集装置600用于采集工件的图像。

可以利用图像采集装置600采集到工件表面图像，方便选取加工位置。

所述激光加工装置包括控制器，所述控制器分别与所述二维移动平台800和图像采集装置600连接，所述控制器用于控制所述二维移动平台800将所述图像采集装置600采集的区域移动到激光器下方。

当使用从图像采集装置600上的图像上选取了某个区域后，二维移动平台800可以根据图像上位置信息与实际二维移动平台800上的位置信息的相互转化原理，将工件移动到激光器的下方，上述选取的区域正对激光器。

所述图像采集装置600上设置有补光灯，以使图像采集装置600得到工件表面清晰的图像。

所述二维移动平台800的支撑面700上设置有光源，对于某些透明材质的工件，例如蓝宝石，其表面透光，此时，可以将其正面，即带有图形像的一面反扣在支撑面700上，利用光源将其正面照亮，工件上方的图像采集装置600就可以正常的采集到工件上的图形了。

本实施例中，移动机构、测量机构、图像采集装置600和二维移动平台800均可以与控制器连接，实现自动寻找激光器焦点的目的。

本发明实施例提供的一种利用上述的激光加工装置处理工件的加工方法，所述激光加工方法包括如下步骤：在第一方向上移动测量机构，以使激光位移传感器到工件的距离等于激光位移传感器500量程范围的中间值；根据测量机构的位置，以及激光位移传感器500和激光器的在第一方向上的位置偏差得到激光器的焦点在第一方向上的位置。其中，移动机构移动测量机构，使激光位移传感器到工件的距离等于激光位移传感器500量程范围的中间值，因为，激光位移传感器500具有量程范围，大于或者小于该范围时，激光位移传感器500将无法测量出其距离工件表面的距离，所以，在初始时，将激光位移传感器500的位置调整至其到工件的距离等于激光位移传感器500量程范围的中间值处，可以适配后续处理的多种厚度的工件。

具体可以包括如下步骤

首先建立坐标系，该步骤为图像与实物坐标对应常用的步骤，使激光焦点、图像采集装置600、激光位移传感器500处于同一坐标系下，图像采集装置600采集一帧图像的尺寸的宽为w像素，高为h像素，定义图像的中心为工作台的中心即：(x0，y0)→(k1w/2，k2h/2)，工作台坐标记为(x，y),相机采集图像的坐标记为(x′，y′)，图像x向分辨率为k1，图像y向分辨率为k2，工作台坐标与图像坐标的对应关系为：

图像采集装置600可以与显示器连接，显示器显示工件的图像，这样，操作人员，在显示器上选取的位置，就可以对应在工件表面了，将图像与实物建立位置关系。

通过控制器将二维移动平台800移动到图像采集装置600下，调整图像采集装置600的焦点位置，使图像清晰可见，记录下移动件100在竖向上的初始坐标。对于同一工件的加工过程，因为激光器的运动会造成其焦点位置偏差，此时，可以重新对其进行校正。二维移动平台800带动工件回到图像采集装置600下方，移动件100回到上述的初始坐标，重新对激光器的焦点进行测量。

将工作台移动到激光位移传感器500下，读取激光位移传感器500的测得的数值a，若a≠b，b为位移传感器量程范围的中间值，则根据a与b差值移动z轴距离|a|，移动方向根据a与b差值的正负决定，使激光位移传感器500使测的数值为b，这样可以保证激光位移传感器500工作量程处于中心距，可以兼容不同厚度的加工材料。这样，当更换厚度不同的工件时，工件表面与激光位移传感器500之间的距离不超过激光位移传感器的量程范围，可以加工厚度范围更广的多种工件。

激光位移传感器500测完后，将二维移动平台800移动到图像采集装置600下，在图像上观察并选取所要加工的区域。若要获得激光焦点，二维移动平台800会再次移动到激光位移传感器500下，移动机构移动测量机构，使激光位移传感器500的度数为b，此时，通过激光位移传感器500的位置，以及激光位移传感器500与激光器的偏差，可以得到激光器的焦点位置。

如果待加工件在加工过程中没有明显的形变或者翘曲，那么只在初始加工前测量一次激光焦点就可以。如果在加工过程中出现加工件翘曲变形，这时可以多次测量求取平均值的方法使测量数据更加准确。在加工过程中可以根据不同加工件的特性选择激光焦点测量的时机和次数。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。