TWI831352B - 雷射微加工裝置 - Google Patents

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李姿儀
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Abstract

本發明提供一種雷射微加工裝置，包含脈衝雷射光源、容置腔、雷射展頻單元以及脈衝寬度壓縮單元。脈衝雷射光源用以發射脈衝雷射。容置腔具有氣體輸入口。雷射展頻單元設置於容置腔內，且雷射展頻單元用以擴展脈衝雷射的頻譜。脈衝寬度壓縮單元設置於容置腔外部。雷射展頻單元與脈衝寬度壓縮單元沿著雷射傳播路徑依序配置，且脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之脈衝雷射的脈衝寬度。

Description

雷射微加工裝置
本發明係關於一種雷射微加工裝置。
隨著電動車和5G/6G網路傳輸的快速發展，相關產業所採用的電子元件材料也面臨瓶頸與挑戰，例如傳統矽基功率元件無法滿足電動車的應用需求，必須改用有更高阻斷電壓的化合物半導體功率元件。
化合物半導體材料例如有碳化矽(SiC)以及氮化鋁(AlN)等，其中SiC於近年來有較廣泛的應用。化合物半導體材料具有莫氏硬度高的特點，因此傳統使用鑽石刀的半導體微加工(Micro Machining)無法有效率地切割化合物半導體材料，且切割良率也難以提升。為了改善傳統半導體微加工所面臨的問題，改質切割技術被作為化合物半導體微加工的解決方案之一。
一般而言，改質切割技術涉及使用脈衝雷射轟擊半導體材料表面，以形成結構強度較為脆弱的改質層。由於化合物半導體材料具有高硬度，所以必須使用極高能量的脈衝雷射進行微加工作業，這導致化合物半導體材料的性質會受到脈衝雷射造成的熱效應影響。目前雖然有以短脈衝寬度的脈衝雷射進行微加工作業以減緩熱效應影響，但所述的短脈衝寬度仍有數皮秒(ps) 至數百飛秒(fs)的大小，其難以滿足高階製程的需求。
鑒於上述問題，本發明提供一種雷射微加工裝置，有助於解決現有改質切割技術中使用的脈衝雷射的脈衝寬度無法滿足高階製程需求的問題。
本發明一實施例所揭露之雷射微加工裝置包含一脈衝雷射光源、一容置腔、一雷射展頻單元以及一脈衝寬度壓縮單元。脈衝雷射光源用以發射一脈衝雷射。容置腔具有氣體輸入口。雷射展頻單元設置於容置腔內，且雷射展頻單元用以擴展脈衝雷射的頻譜。脈衝寬度壓縮單元設置於容置腔外部。雷射展頻單元與脈衝寬度壓縮單元沿著一雷射傳播路徑依序配置，且脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之脈衝雷射的脈衝寬度。
本發明另一實施例所揭露之雷射微加工裝置包含一脈衝雷射光源、一惰性氣體介質、一雷射展頻單元以及一脈衝寬度壓縮單元。脈衝雷射光源用以發射一脈衝雷射。雷射展頻單元位於惰性氣體介質中並且用以擴展脈衝雷射的頻譜。雷射展頻單元與脈衝寬度壓縮單元沿著一雷射傳播路徑依序配置，且脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之脈衝雷射的脈衝寬度。
本發明又另一實施例所揭露之雷射微加工方法包含：以一脈衝雷射光源發射一脈衝雷射；以一雷射展頻單元擴展脈衝雷射的頻譜；以一脈衝寬度壓縮單元接收頻譜被擴展之脈衝雷射，並且將脈衝雷射的脈衝寬度壓縮至小於等於50飛秒；以及以脈 衝寬度被壓縮之脈衝雷射轟擊一化合物半導體材料，以於化合物半導體材料形成一表面改質層。
根據本發明揭露之雷射微加工裝置及方法，雷射展頻單元用以擴展脈衝雷射的頻譜，且脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之脈衝雷射的脈衝寬度。雷射展頻單元設置於可填充惰性氣體的容置腔中，藉此可以提升雷射展頻單元的展頻效果，使得脈衝雷射的頻寬變得較寬，進而脈衝寬度壓縮單元可以將脈衝雷射的脈衝寬度壓縮至小於等於50飛秒。以極短脈衝寬度的脈衝雷射進行化合物半導體材料的微加工能有效率地破壞化學鍵結，從而形成硬度大幅降低的高品質表面改質層。此外，以極短脈衝寬度的脈衝雷射進行化合物半導體材料的微加工能避免熱效應，而有助於提升微加工的良率。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1、2:雷射微加工裝置
3:化合物半導體材料
31:改質區域
10:脈衝雷射光源
20:容置腔
200:容置空間
210:氣體輸入口
30:惰性氣體供應源
40、40”:雷射展頻單元
410:中心穿孔
420:周期性結構
430:固態透光板
50:脈衝寬度壓縮單元
510、520:啁啾鏡
61:聚焦透鏡
62:準直透鏡
70:可動平台
80:反射元件
90:光束調整單元
101:脈衝雷射
102:寬頻譜脈衝雷射
103:短脈寬脈衝雷射
P:雷射傳播路徑
D1、D2、D3:預設間距
S1~S5:步驟
θ:夾角
W1、W2、W3:頻寬
T1、T2、T3:脈衝寬度
圖1為根據本發明一實施例之雷射微加工裝置的示意圖。
圖2為圖1之雷射微加工裝置的雷射展頻單元的截面示意圖。
圖3為根據本發明另一實施例之雷射微加工裝置的示意圖。
圖4為根據本發明一實施例之雷射微加工方法的流程圖。
圖5為圖1之雷射微加工裝置在不同惰性氣體氣氛中的展頻 結果的示意圖。
圖6為圖5之經展頻的脈衝雷射的脈衝寬度壓縮結果的示意圖。
圖7為以不同脈衝寬度的脈衝雷射進行表面處理後之化合物半導體材料的拉曼光譜示意圖。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
根據本發明一實施例的雷射微加工裝置可包含脈衝雷射光源、容置腔、雷射展頻單元以及脈衝寬度壓縮單元。請參照圖1，為根據本發明一實施例之雷射微加工裝置的示意圖。在本實施例中，雷射微加工裝置1包含脈衝雷射光源10、容置腔20、惰性氣體供應源30、雷射展頻單元40以及脈衝寬度壓縮單元50。
脈衝雷射光源10例如但不限於是鎖模脈衝雷射產生器，其用以發射脈衝雷射101。脈衝雷射光源10所產生的脈衝雷射101可具有小於500飛秒的脈衝寬度，較佳地為百飛秒數量級的脈衝寬度，例如350飛秒至500飛秒。
容置腔20例如但不限於是管狀空腔，且容置腔20具有氣體輸入口210。惰性氣體供應源30經由氣體輸入口210與 容置腔20內的容置空間200連通。惰性氣體供應源30可向容置腔20供應一或多種惰性氣體，例如供應氬氣或氖氣。
雷射展頻單元40與脈衝寬度壓縮單元50沿著雷射傳播路徑P依序配置。雷射展頻單元40例如但不限於是設置於容置腔的容置空間200內的空心光子晶體光纖。圖2為圖1之雷射微加工裝置的雷射展頻單元的截面示意圖，其中雷射展頻單元40的空心光子晶體光纖包含中心穿孔410以及圍繞中心穿孔410的周期性結構420。周期性結構420具有孔洞陣列，並且所述孔洞陣列中的每個孔洞之孔徑要小於中心穿孔410的孔徑。透過脈衝雷射101在雷射展頻單元40內的非線性效應，脈衝雷射101的頻譜能被擴展而獲得寬頻譜脈衝雷射102。具體來說，透過脈衝雷射101在空心光子晶體光纖內的非線性效應來達到展頻的效果，並且影響展頻效果的因子包含中心穿孔410和周期性結構420內的介質的折射率、光纖材料的折射率以及光纖長度。
脈衝寬度壓縮單元50例如但不限於包含啁啾鏡組，其設置於容置腔20外部，且啁啾鏡組壓縮寬頻譜脈衝雷射102的脈衝寬度。詳細來說，啁啾鏡組可包含實質上平行設置的兩片啁啾鏡510、520。啁啾鏡510、520的空間布置能壓縮寬頻譜脈衝雷射102，從而得到短脈寬脈衝雷射103。短脈寬脈衝雷射103可用於化合物半導體材料的微加工，例如對化合物半導體材料3的表面進行改質切割。
在本實施例中，雷射微加工裝置1可進一步包含聚 焦透鏡61以及準直透鏡62。雷射展頻單元40位於聚焦透鏡61和準直透鏡62之間。脈衝雷射101之光軸與雷射展頻單元40的空心光子晶體光纖之光軸呈現共軸，並且聚焦透鏡61和準直透鏡62分別設置於容置腔20的相對兩端並且形成共焦光路，使得脈衝雷射101被聚焦透鏡61聚焦後自中心穿孔410進入雷射展頻單元40內。藉由因為光線在光纖材料、中心穿孔410、周期性結構420之間傳遞而導致的反射光與入射光之間的干涉將脈衝雷射展頻。自雷射展頻單元40輸出的寬頻譜脈衝雷射102被準直透鏡62調整成平行雷射光束。
此外，雷射微加工裝置1還可進一步包含可動平台70，並且容置腔20搭載於可動平台70上。可動平台70可相對雷射展頻單元40移動以調整容置腔20的位置，進而使脈衝雷射光源10與雷射展頻單元40共軸。
雷射微加工裝置1還可以進一步依實際光路設計需求額外設置光學元件以改變脈衝雷射的傳播方向或是調整脈衝雷射的光束直徑。舉例來說，雷射微加工裝置1可包含反射元件80以及光束調整單元90，但本發明並不以此為限。反射元件80用以改變脈衝雷射101及/或寬頻譜脈衝雷射102的傳播方向，且光束調整單元90用以將脈衝雷射101作光束整形，進而讓短脈寬脈衝雷射103的光束能量分布適合雷射微加工。
除了圖1示例性繪製的空心光子晶體光纖之外，雷射展頻單元40還可包含固態透光板。圖3為根據本發明另一實 施例之雷射微加工裝置的示意圖。在本實施例中，雷射微加工裝置2包含雷射展頻單元40”。關於圖3中的脈衝雷射光源10、容置腔20、惰性氣體供應源30以及脈衝寬度壓縮單元50，詳細描述可參照前述揭露內容，以下針對雷射展頻單元40”進行詳述。
雷射展頻單元40”可包含沿著雷射傳播路徑P依序設置的多個固態透光板430。固態透光板430設置於容置腔20的容置空間200內，並且固態透光板430可由BK7玻璃、石英玻璃或藍寶石製成。透過脈衝雷射101與固態透光板430的非線性效應，脈衝雷射101的頻譜能被擴展而獲得寬頻譜脈衝雷射102。相鄰的兩片固態透光板430之間的間距可以由大到小設置，例如圖3中的預設間距D1大於預設間距D2，預設間距D2又大於預設間距D3。隨著固態透光板430多次地產生非線性效應因而擴展脈衝雷射101的頻譜。由於隨著固態透光板430的數量增加，脈衝雷射101會逐漸發散，因此可依實際需求增減固態透光板430的數量、相鄰固態透光板430之間的間距大小以及每個固態透光板430的厚度。
固態透光板430的厚度與自聚焦(self-focusing)特性有關，這是由於脈衝雷射於橫截面(cross-section view)上的強度梯度(intensity gradient)隨空間分佈。當脈衝雷射於固態透光板430內傳播時會重新進行聚焦，於氣體介質下傳播時又會略為發散，並根據穿過的固態透光板430的數量反覆進行多次自聚焦再發散的循環。因此固態透光板430的厚度可與脈衝雷射的強度分布及 固態透光板430的特性有關。
此外，每個固態透光板430的入光面與雷射傳播路徑P之間的夾角θ可為布魯斯特角(Brewster’s Angle)，其中θ=
Figure 111132857-A0305-02-0011-1
，n1為入射介質，n2為折射介質。此夾角設計有助於避免脈衝雷射被固態透光板430反射，讓脈衝雷射有較多能量可以穿透固態透光板430。
請參照圖4，為根據本發明一實施例之雷射微加工方法的流程圖。在本實施例中，示例性地以圖1的雷射微加工裝置1執行雷射微加工方法，並且雷射微加工方法包含步驟S1至S5。
於步驟S1，係脈衝雷射光源10發射脈衝雷射101，且脈衝雷射101的特性例如但不限於下列所載：波長：1030奈米(nm)；脈衝寬度：小於500飛秒；頻寬：±10奈米；單脈衝能量：小於0.4毫焦耳(mJ)；平均功率：小於40瓦；脈衝重複率(Pulse repetition frequency)：小於1兆赫茲(MHz)；其中，所述脈衝寬度係定義為脈衝雷射101的時域波形的半高寬(Full width at half maximum，FWHM)。
於步驟S2，係利用聚焦透鏡61將脈衝雷射101聚焦並耦合進雷射展頻單元40。詳細來說，光束調整單元90可將 脈衝雷射101轉換成平行雷射光束。平行雷射光束通過聚焦透鏡61後沿著雷射傳播路徑P進入雷射展頻單元40中。
於步驟S3，係利用雷射展頻單元40擴展脈衝雷射101的頻譜。詳細來說，惰性氣體供應源30可向容置腔20供應氬氣氣氛或氖氣氣氛，以使雷射展頻單元40位於惰性氣體介質中。透過由惰性氣體介質和空心光子晶體光纖之間的折射率差異所產生的非線性效應，實現脈衝雷射101的頻譜擴展而獲得寬頻譜脈衝雷射102。
於步驟S4，係利用脈衝寬度壓縮單元50接收寬頻譜脈衝雷射102，並且將寬頻譜脈衝雷射102的脈衝寬度壓縮。詳細來說，啁啾鏡510、520的空間布置能壓縮寬頻譜脈衝雷射102，從而得到短脈寬脈衝雷射103。短脈寬脈衝雷射103的特性例如但不限於下列所載：波長：1030奈米；脈衝寬度：小於等於50飛秒，較佳為小於30飛秒；頻寬：±10奈米；單脈衝能量：小於0.2毫焦耳；平均功率：小於20瓦；脈衝重複率(Pulse repetition frequency)：小於300千赫茲(kHz)；於步驟S5，係以短脈寬脈衝雷射103轟擊化合物半導體材料3，以於化合物半導體材料3形成表面改質層。參照圖 1，以短脈寬脈衝雷射103沿著預定的加工路線轟擊化合物半導體材料3的改質區域31以於此區域中形成表面改質層。化合物半導體材料3例如但不限於是SiC晶圓。
通入容置腔20內的惰性氣體會影響展頻以及脈衝寬度壓縮的結果。請參照圖5和圖6，其中圖5為圖1之雷射微加工裝置在不同惰性氣體氣氛中的展頻結果的示意圖，且圖6為圖5之經展頻的脈衝雷射的脈衝寬度壓縮結果的示意圖。
於圖5中，脈衝雷射101的頻寬W1約為7太赫茲(THz)。比較圖1之雷射展頻單元40在氬氣氣氛和氖氣氣氛中的展頻結果，可發現當雷射展頻單元40處於氬氣氣氛中時，獲得之寬頻譜脈衝雷射102可具有較寬的頻寬W2(約45太赫茲)。當雷射展頻單元40處於氖氣氣氛中時，獲得之寬頻譜脈衝雷射102具有相對氬氣氣氛來說較窄的頻寬W3(約23太赫茲)。因此，以氬氣氣氛作為惰性氣體介質有助於提升雷射展頻單元40的展頻效果。
脈衝寬度壓縮的效果與寬頻譜脈衝雷射102的頻寬大小呈正相關。於圖6中，脈衝雷射101的脈衝寬度T1約為350飛秒。對於由大頻寬的寬頻譜脈衝雷射102(例如以氬氣氣氛作為惰性氣體介質進行展頻)被壓縮而獲得的短脈寬脈衝雷射103，其脈衝寬度T2可被壓縮至50飛秒以下，相對地由窄頻寬的寬頻譜脈衝雷射102(例如以氖氣氣氛作為惰性氣體介質進行展頻)被壓縮而獲得的短脈寬脈衝雷射103，其脈衝寬度T3可被壓縮至100 飛秒至150飛秒。
以脈衝寬度小於等於50飛秒的短脈寬脈衝雷射103進行化合物半導體材料3的微加工，有助於提升表面改質效果。圖7為以不同脈衝寬度的脈衝雷射進行表面處理後之化合物半導體材料的拉曼光譜示意圖。以脈衝寬度分別為50飛秒、350飛秒及1皮秒的脈衝雷射進行化合物半導體材料的改質區域的微加工，並且於微加工作業後以拉曼光譜儀獲得改質區域周圍之區域的拉曼光譜。於圖7中，以脈衝寬度50飛秒的脈衝雷射進行微加工後的化合物半導體材料具有高強度的D峰(D-band，1350cm-1)和G峰(G-band，1590cm-1)，代表脈衝雷射破壞改質區域中原本的碳化矽鍵結，轉變為大量非晶碳鍵結，從而形成硬度大幅降低的高品質表面改質層。
綜上所述，根據本發明揭露之雷射微加工裝置及其方法，雷射展頻單元用以擴展脈衝雷射的頻譜，且脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之脈衝雷射的脈衝寬度。雷射展頻單元設置於可填充惰性氣體的容置腔中，藉此可以提升雷射展頻單元的展頻效果，使得脈衝雷射的頻寬變得較寬，進而脈衝寬度壓縮單元可以將脈衝雷射的脈衝寬度壓縮至小於等於50飛秒。以極短脈衝寬度的脈衝雷射進行化合物半導體材料的微加工能有效率地破壞化學鍵結(例如碳化矽鍵結改質為非晶碳鍵結)，從而形成硬度大幅降低的高品質改質區域。此外，以極短脈衝寬度的脈衝雷射進行化合物半導體材料的微加工能避免熱效應，而有助於提 升微加工的良率。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1:雷射微加工裝置
3:化合物半導體材料
31:改質區域
10:脈衝雷射光源
20:容置腔
200:容置空間
210:氣體輸入口
30:惰性氣體供應源
40:雷射展頻單元
410:中心穿孔
420:周期性結構
430:固態透光板
50:脈衝寬度壓縮單元
510、520:啁啾鏡
61:聚焦透鏡
62:準直透鏡
70:可動平台
80:反射元件
90:光束調整單元
101:脈衝雷射
102:寬頻譜脈衝雷射
103:短脈寬脈衝雷射
P:雷射傳播路徑

Claims (11)

  1. 一種雷射微加工裝置，包含：一脈衝雷射光源，用以發射一脈衝雷射；一容置腔，具有一氣體輸入口；一雷射展頻單元，設置於該容置腔內，且該雷射展頻單元用以擴展該脈衝雷射的頻譜；以及一脈衝寬度壓縮單元，設置於該容置腔外部，該雷射展頻單元與該脈衝寬度壓縮單元沿著一雷射傳播路徑依序配置，且該脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之該脈衝雷射的脈衝寬度；其中，該雷射展頻單元包含設置於該容置腔內的一空心光子晶體光纖，且透過該脈衝雷射在該空心光子晶體光纖內的非線性效應擴展該脈衝雷射的頻譜，該空心光子晶體光纖包含一中心穿孔與一周期性結構環繞該中心穿孔，該脈衝雷射之光軸與該空心光子晶體光纖之光軸呈現共軸，該脈衝雷射經過聚焦進入該中心穿孔。
  2. 如請求項1所述之雷射微加工裝置，更包含一惰性氣體供應源，且該惰性氣體供應源經由該氣體輸入口與該容置腔連通，使得該雷射展頻單元位於一惰性氣體中。
  3. 如請求項2所述之雷射微加工裝置，其中該惰性氣體供應源包含氬氣。
  4. 如請求項1所述之雷射微加工裝置，其中該周期性結構包含多個孔洞，且各個該些孔洞的孔徑小於該中心穿孔的孔徑。
  5. 如請求項1所述之雷射微加工裝置，其中該脈衝雷射光源為一鎖模脈衝雷射產生器，且該鎖模脈衝雷射產生器所發射之該脈衝雷射具有350飛秒至500飛秒的脈衝寬度。
  6. 如請求項1所述之雷射微加工裝置，其中該脈衝寬度壓縮單元包含一啁啾鏡組，且該啁啾鏡組壓縮該脈衝雷射的脈衝寬度。
  7. 如請求項1所述之雷射微加工裝置，更包含一聚焦透鏡以及一準直透鏡，該聚焦透鏡和該準直透鏡分別設置於該容置腔的相對兩端並且形成共焦光路。
  8. 一種雷射微加工裝置，包含：一脈衝雷射光源，用以發射一脈衝雷射；一雷射展頻單元，用以擴展該脈衝雷射的頻譜；一惰性氣體介質，該雷射展頻單元位於該惰性氣體介質中；以及一脈衝寬度壓縮單元，該雷射展頻單元與該脈衝寬度壓縮單元沿著一雷射傳播路徑依序配置，且該脈衝寬度壓縮單元用以壓縮頻譜被擴展之該脈衝雷射的脈衝寬度；其中，該雷射展頻單元包含一空心光子晶體光纖，且透過該脈衝雷射在該空心光子晶體光纖內的非線性效應擴展該脈衝雷射 的頻譜，該空心光子晶體光纖包含一中心穿孔與一周期性結構環繞該中心穿孔，該脈衝雷射之光軸與該空心光子晶體光纖之光軸呈現共軸，該脈衝雷射經過聚焦進入該中心穿孔。
  9. 如請求項8所述之雷射微加工裝置，其中該惰性氣體介質包含氬氣氣氛。
  10. 如請求項8所述之雷射微加工裝置，其中該脈衝雷射光源為一鎖模脈衝雷射產生器，且該鎖模脈衝雷射產生器所發射之該脈衝雷射具有350飛秒至500飛秒的脈衝寬度。
  11. 如請求項8所述之雷射微加工裝置，更包含一聚焦透鏡以及一準直透鏡，該聚焦透鏡和該準直透鏡分別位於該雷射展頻單元的相對兩端並且形成共焦光路。
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