CN1398211A - 薄且脆的材料的气助激光切割 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光切割薄且脆的材料的改进方法和装置，其采用辅助气体排除熔化的材料和激光产生的碎屑，其特征在于高速辅助气体施加在被切割的材料上的净力基本上为零。本发明还提供一种改进的激光辅助气体喷嘴的形式，其形状确定成可达到一超音速气体流速，其有利地用于实现喷射的气体和其它材料的迅速排除。

Description

薄且脆的材料的气助激光切割
本发明是在美国政府的转包合同NO.ZAF-6-14271-13中完成的。
背景技术
材料的激光加工或切割依靠材料的迅速局部加热。这通常导致从固相至液相的转变，并且在很高的入射峰值激光能时甚至会导致材料的挥发。为了得到最佳的激光切割速度而使熔渣或激光束产生的碎屑在切缝(即由激光形成的切口)附近的粘结为最少，采用一辅助气体来将熔化的材料排离切缝。通过导引高速辅助气流通常可以加速激光切割过程，例如在材料的激光束冲击区导引高速空气流。在激光切割一片材或板形的材料的情况下，熔化的材料被辅助气体吹过切口。这种喷吹作用降低切缝内的材料对再固化和激光能吸收的有效性，从而加速切割过程。通常的作法是利用一具有孔的气体喷嘴产生辅助气流，该喷嘴长于聚焦的激光束，位于激光束的焦点附近，与激光束共轴线，并且设置成使气流的方向垂直于被切割的材料的表面。各种形式的气助激光喷嘴是已知的。参见例如，1988年3月1日授予给F.Sartorio的U.S.专利NO.4728771和1995年10月31日颁发给M.Kurosawa等人的U.S.专利NO.5463202中所公开的喷嘴。
图1示出代表现有技术设计的辅助气体喷嘴的端部2的结构。该喷嘴具有一内通道4，其终止于一出口孔，该孔包括一锥形上游部分6和一直径不变的窄口部分8。喷嘴端部的端面具有一平面的较宽的环形端表面14。外表面16为锥形渐缩。图中示出喷嘴端部2以其端面面对一薄板形工件18。一总体以20表示的聚焦的激光束垂直对向工件。应该指出，作为实例但不限于如此，工件18可以是一EFG生长的硅管的一个侧面，该硅管具有八边形的横截面结构。虽然未示出，应该理解通道4的另一端终止于一入口孔，其与出口孔部分6和8是共轴线的。一辅助气流在压力下经由一个或更多个气体入口22引入喷嘴并穿过射出孔6、8射向工件受激光切割的区域。从喷嘴射出的一些气体穿过由激光束在工件上形成的切口，而其余的气体侧向偏转以离开冲击区，从喷嘴与工件之间向外流出。外表面16以锐角向端面部分14延伸的原因是为了便于径向地散开辅助气体并使其离开工件。气流喷射在材料上的速度取决于气体在喷嘴孔的上游端的压力和喷嘴射出孔的形状。不管喷嘴孔结构或气压如何，当辅助气体冲击在由激光被切割的材料上时其施加一局部的力。通过增加流动(增加有效的孔尺寸)和/或气体流速可以增加该力。根据冲击在被切割的板材上的辅助气体的流量和速度，由辅助气体施加在被切割的材料上的局部力可能是相当大的。在薄而脆的材料情况下，这个力可能导致不合要求的材料裂缝。在激光切割薄的EFG生长的硅管以生产用于制造光电太阳能电池的晶片的情况中存在这样的麻烦情况。
由一熔体生长结晶材料的EFG方法用于生长选定的截面形状的掺杂质的硅管，例如八边形或圆柱形截面形状的管。这些管由激光切成矩形晶片，并且这些晶片然后经过不同的加工工序而使之转变为光电电池。用EFG方法生长硅管和加工硅片以生产光电电池的方法是众所周知的，如下列文件的公开内容中所说明的，这些文件包括：1990年6月26日授予给D.S.Harvey的U.S.专利NO.4937053，1988年6月14日授予给R.C.Gonsiorawski等人的U.S.专利NO.4751191，1997年12月16日授予给J.I.Hanoka的U.S.专利NO.5698451，1992年4月21日授予给B.R.Bathey等人的U.S.专利NO.5106763，1991年8月6日授予给D.S.Harvey等人的U.S.专利NO.5037622，1993年12月14日授予给M.D.Rosenblum等人的U.S.专利NO.5270248以及1993年9月14日授予给B.H.Machintosh的U.S.专利Re.34375。
由于种种原因，要求EFG生长的硅管的壁厚为15密耳(mil)(0.015英寸)或更小，优选为约6-7密耳。虽然可以采用其他的激光器，但优选一掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器用来将EFG生长的硅管切成矩形晶片。激光束在其焦点平面上形成一小的圆形图象或细长的图象。为了优化切割速度，必须将激光束聚焦在被切割的硅管表面上。可惜这样的管的表面不是精确平面的，而由于波纹和/或随机的凸峰和凹陷势必是不平坦的，其平面度偏差一般在约3密耳至约7密耳的范围内。因此，必须采用一自动聚焦系统用于激光器，以便当激光束相对于管移动时保持激光束聚集在硅管表面上。
除了具有不平的表面外，厚度为15密耳或更小的硅管是很脆的。虽然如图1所示的喷嘴将气流限制于激光束冲击的直接区域(这是为限制由辅助气体施加在硅管上的力的任何努力的一个基本要求)，仍需要具有快速而充足的辅助气流来从切缝内排除熔化的材料。然而，要达到快速的气流需要一充足的供气压力，并且在提高气压的同时将增加由喷嘴射出的气量，其也增加由辅助气体施加在被切割的材料上的力。因此，薄硅管的激光切割的特点在于在管上切出的晶片的常见的裂缝。由于这个原因，有必要在激光切割操作的过程中限制由辅助气体施加在硅管上的局部力，同时保持足够高的气速以有效地从由激光产生的切缝内喷射出熔化的材料。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种改进的方法和装置，以用于进行薄且脆的材料的气助激光切割。
另一目的是提供一种采用气体排除熔化的材料和激光产生的碎屑的激光切割脆性材料的方法，其特征在于一高速气流施加在被切割的材料上的净力基本为零。
还有一目的是提供一用于激光切割的辅助气体喷嘴，其形状确定成使辅助气体可以以音速或超音速流动，从而可以有效地实现从切割区排除熔化的材料同时气流施加在被切割的材料上的净力基本上为零。
又一目的是提供一用于激光器的辅助气体喷嘴，其特征在于其端部可使其在喷嘴与被切割的材料之间的足够大的间隙1.0mm或更大(即不同的间隔距离)处实现零净力。
上述目的和其它一些目的由以下描述会变得显而易见的，这是由一辅助气体喷嘴实现的，该辅助气体喷嘴射出高速辅助气体并且其定位成使流动的辅助气体在被切割的材料上基本上施加无净力。在一优选的形式中，喷嘴的特征在于其端部具有一负锥形的(凹形的)端表面，并且设计成起超音速气流装置的作用。本发明的其它一些特征和优点由以下参照诸附图的详述公开或变得显而易见的。
附图说明
图1为一传统的辅助气体喷嘴的端部的剖视图；
图2为采用本发明的一优选的喷嘴形式的端部的剖视图；
图3为一曲线图，说明间隔距离对由采用图2中所示端部结构的喷嘴的流动的辅助气体施加在选定的工件上的力之影响；
图4为一激光切割装置的示意图(其中某些部分被断开或以截面示出)，该装置用于按照本发明从一硅管上切割晶片；以及
图5为用于操作和控制图4的装置的系统的示意图。
具体实施方式
通过辅助气体喷嘴的气体量和分布受气体速度、气体的质量流量和喷嘴孔直径的影响。其也受喷嘴间隔距离，即工件与喷嘴端部的前端面之间的间隙距离的影响。当减小该间隔距离时，力变得更为集中，最终冲击在接近喷嘴孔尺寸的区域上。
从具有图1中所示端部的喷嘴射出的气流所施加的力随间隔距离而改变。采用具有按图1中所示形状的端部包括窄口部分8的直径1.0mm的辅助气体喷嘴和30psi(磅/平方英寸)的供气压力时，已发现如果该间隔距离设定为等于约0.4mm的值，则流入喷嘴端部与工件之间的间隙内的气体在间隙内迅速径向扩展时，其产生一局部的真空。由于该局部的真空，产生一力将工件拉向喷嘴端部并且正好在喷嘴孔的前面基本上消除了气体冲击作用在工件上的力。这种状态称为“零净力状态”或“力平衡的状态”。在该流动状态中，在喷嘴入口并在恒定的供气压力下测定的气体流速保持常数并且等于在喷嘴不受阻碍时的流速。此时喷嘴以空气轴承的方式基本上在工件邻近表面的顶面上浮动。也已发现，进一步减小间隔距离，即小于0.4mm，同时保持供气压力不变，产生一显著增加的真空产生的力而气体流量保持不变。该真空产生的力施加于工件上。然而，再将间隔距离减到约为有效的孔直径的十分之一，即约0.1mm时，再次产生一力平衡的状态，但显著地减小了气体流量。同样，当喷嘴端部再进一步接近工件表面时，由气体施加在基片上的力迅速地变为正压。
已确定：关于间隔距离的最符合要求的操作点是作用在工件上的正压力和负压力是相等的和平衡的，即零净力状态，并且其中间隔距离为最大。因此，对于图1中所示具有1.0mm有效的射出孔的喷嘴来说，这个条件由间隔距离约为0.4mm来满足。然而，如图3所示，已确定：力随间隔距离的变化率在间隔距离小于而不是大于力平衡的状态的约0.4mm时是更大的。因此，由于主要目的是避免使脆的材料例如薄的EFG硅管承受过度的压力，并且由于力随间隔距离的变化率在间隔距离小于而不是大于力平衡的状态的约0.4mm时是更大的，优选稍大的间隔距离(例如在约0.5与0.6mm之间)。一1.0mm直径的孔口从约0.5或0.6mm减小间隔距离比从约0.4mm的距离减小一同样的距离不大可能使脆的材料如薄的EFG管承受过度的压力。
然而，虽然当采用图1中所示喷嘴在间隔距离在0.4至0.6mm范围内激光切割脆的硅管时可以得到满意的切割结果，实际上优选更大的间隔距离以免喷嘴端部与工件碰撞，特别是在切割EFG管的情况下，因为这样的管的表面不是精确平面。
在这方面似乎是按图1中所示成形的出口孔在其具有不变直径时是起作用的，即当其为一圆柱体时是起作用的，其结果是最大气体速度多多少少被限制到音速。然而，按照本发明，气体速度在等效气压下可以通过成形孔来提高，从而使其直径在平行于气流方向的剖面内观察时首先变小然后向外扩展。图2示出一喷嘴的端部，其设计成以超音速射出辅助气体。更准切地说，图2中所示的喷嘴设计成以约2马赫的速度射出辅助气体。在这种情况下喷嘴端部的端面的特征在于一负锥形的(凹形的)结构，大致类似于火箭发动机的喷嘴，通常称为“拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle)”。射出孔的形状使气流可以以达到超音速的方式扩展同时避免机械应力作用在脆的EFG硅材料上。
更确切地说，图2中所示的喷嘴端部30具有一内通道32，其终止于一射出孔，该孔包括一在直径减小的窄口部分36的后面的大致锥形部分34。在窄口部分36的前面射出孔包括一负锥形扩展部38。窄口部分36和锥形部分38的组合使喷嘴在采用实际的供气压力时能够以超音速射出辅助气体。第二向前扩展部38的向前端部终止于一平表面42，其基本上垂直于喷嘴轴线并平行于待切割的工件的邻近表面(未示出)延伸。喷嘴端部的外表面44成锐角地向平表面42延伸，以便于迅速径向地散开高速辅助气体并且使其离开工件。虽然未示出，应该指出，具有如图2中所示端部的喷嘴同样具有如图1中所示的结构的入口22的气体入口，并且通道32的外端具有与射出孔共轴线的入口孔。
此外，关于“零净力状态”或“力平衡的状态”，对于图2的喷嘴来说，(a)在窄口部分36的区域流动的气体对工件施加一正压力，(b)该正压力随着自中心线的孔距离的增加(锥形部分38的区域)而减小，直到半径达到(端平面42的区域)为止，在该半径处存在一真空状态，其在工件上产生一负压力，以及(c)当自中心线的径向距离增加到超出端面42的周边(外表面44的区域)时，流动的气体施加的压力又反向，在喷嘴端部的周边上产生一小的正压力。当由流动的气体在从喷嘴的中心线延伸到表面38和42的接合区域中施加的合成正压力基本上等于由该气体在从喷嘴端面42的内边缘延伸到外边缘的区域中施加的合成负压力时，就认为对于工件存在一基本上零净力状态。
提供使气体可以以音速或超音速射出的喷嘴是有利的，因为气速越高，激光切割越清洁并且材料的排除越有效。当采用很高的峰值功率时，在激光切割过程中可以使材料从固相直接转变为气相。从工件材料在激光束冲击位置上喷射出的气体一般具有约2马赫的速度。本发明认识到约2马赫或更高的气速可以有利地用来影响喷射出的气体和材料的方向和最终位置。一具有按照本发明的新型的端部结构的喷嘴(即如图2中所示的端部)可以用来在气体输入压力提高时产生2马赫的辅助气体射出速度，同时保持零净力状态。
对于EFG硅管采用细直径激光束的激光切割，需要并优选采用具有最小射出孔直径(窄口直径)1.0mm的辅助气体喷嘴。根据经验和反复的设计，一具有如图2中所示的端部几何形状和窄口直径1.0mm的喷嘴建立起(a)在采用一实际的供气压力时使辅助气体可以以超音速射出和(b)在利用图1中所示型式的具有同样窄口直径的传统喷嘴可达到的间隔距离的更远的间隔距离处提供零净力状态。
再参见图2，一优选形式的超音速辅助气体喷嘴的特征在于下列特性：圆柱形窄口部分36具有1.0mm的直径和约1.0mm的长度；锥形部分34和38具有从窄口部分36的中心轴线测量的约25°和约63.6°的锥度；端平表面42以90°角度向窄口部分36的中心轴线延伸；并且外表面44以45°角度向平表面42延伸，表面38和42的圆形延伸的接合部具有约4.25mm的直径，以及表面42和44的接合部具有7.5mm的直径。
利用这样的喷嘴，已确定：采用供气压力80psi可以达到2马赫的气体流速。另一优点是利用同样的窄口直径和采用同样的供气压力时，图2中所示的喷嘴端部比具有图1中所示端部的喷嘴将提供显著更大的辅助气体流量。
图3显示出，具有如图2所示的端部结构并构造有以上所提供的尺寸的喷嘴在间隔距离约为100μm(0.01mm)以及在间隔距离为1000μm(1mm)时达到零净力状态。并且，图3表明这些零净力状态是在三种不同的供气压力10、20和30psi下达到的。如果供气压力提高到80psi以达到2马赫的气体射出流速，在间隔距离约为1mm时存在同样的零净力状态。
图4示意地示出一激光装置用以从EFG生长的硅管上切出晶片。该装置包括一滑动架50，其可以在一固定于固定支座(未示出)上的水平轨道52上往复移动。轨道52确定激光辅助气体喷嘴74的X轴移动。只示出一部分轨道52，但应该理解其长到足以允许沿X轴的移动量达到满足激光切割沿X轴要求的长度。一可逆的电动驱动系统54机械地连接于滑动架50用以沿轨道52在任一方向移动该滑动架。连接于滑动架50并可随其移动的是一伸缩式单元58，其具有一垂直延伸的管形元件60，后者能够往复轴向移动并且确定激光喷嘴的Y轴移动。一可逆的电动驱动系统62机械地连接于伸缩式单元58并用于沿Y轴在任一方向移动管形元件60。连接于伸缩式单元58的垂直元件60是第二望远镜单元66，其具有一水平延伸的管形元件68，后者能够往复轴向移动并且确定激光喷嘴的Z轴移动。一可逆的电动驱动系统70机械地连接于望远镜单元66并用于轴向地沿任一方向移动管形元件68。
管形元件68包含一激光器聚焦的光学透镜单元，示意地用72表示并且用作一辅助气体喷嘴74的支撑，后者优选采用图3中所示的喷嘴端部结构但也可以采用某其他的端部结构，例如图1中所示的端部结构。喷嘴74具有一气体入口部分76，其连接于一增压的辅助气体如空气、氧气或氮气的气源78。认识到需要一气流隔板以防辅助空气向后流向激光束的光源。优选这通过将透镜单元72用作气流隔板来实现，在这种情况下其利用不透气的密封紧固于周围的管形元件68上，该密封防止辅助气体绕透镜单元回流向激光器80而不向前流出喷嘴孔。
激光装置还包括一激光器80。后者相对于轨道52固定，例如用一适当的支承元件56固定于轨道52(或固定于该轨道用的固定支座上)。激光器80可以采取各种形式，但优选为一Nd：YAG激光器，其以脉冲重复频率225Hz和输出功率150W进行工作。使用光束定向装置来对准光束使其将穿过喷嘴74的射出孔。这样的光束定向装置可以采取纤维光学的形式，但优选采用如用84和86示意地表示的反光镜来使激光束对准聚焦透镜单元72。激光器定位成使其光束对准反光镜84。反光镜定向成45°角，以便反光镜使来自激光器80的光束从平行于轨道52的水平方向转向90°到向下的垂直方向上，而反光镜86使光束从垂直方向转向90°到从轨道52偏位90°的水平方向上。激光束通过反光镜86沿喷嘴的轴线直通喷嘴74的入口孔，从而光束将穿过喷嘴的射出孔作用在位于喷嘴前面的工件上，同时通过聚焦透镜单元72聚焦的光束作用在工件上。应该理解伸缩式单元58和66以及它们的管形元件60和68起防护作用，即它们在物理上屏蔽激光束。
基本上，上述的滑动架50、轨道52和伸缩式单元58和56对于辅助气体喷嘴和激光束定向镜片起三轴运动支架的作用。图4中装置的示意图不是限定性的，因为三轴运动支架的形式(通常称为X、Y、Z轴平台)和使激光束折转和聚焦的装置不是关键的并且其形式不是本发明的部分，而且本发明可以采用各种形式的三轴运动支架来实施。
用72示意表示的聚焦镜片是固定的，即它具有一位于喷嘴端部以外一预定距离例如1mm处的固定的聚焦平面。或者，聚焦光学单元72可以代之以一结合入管形元件68内的可调节的(可变的)聚焦透镜系统。该可调节的聚焦透镜系统可以是手工调节的型式，例如通过螺旋型式调节机构，或通过一遥控的马达驱动的机构。将聚焦透镜系统调节到一预定的聚焦长度以适合于将光束聚焦在喷嘴端部以外要求的距离处是在切割操作开始时进行的。为了从EFG生长的硅管上切下晶片，优选采用一固定的焦点的光学聚焦透镜单元72以便降低成本。
参见图4和5，X、Y、Z轴驱动系统54、62和70分别包括连接于可编程序的控制器90的电子控制的马达。控制系统还包括一电容性自动聚焦系统，其包括一电容性的/界面的聚焦控制模块92、喷嘴74和一工件94。喷嘴74通过一电绝缘的导线96连接于控制器并起电容性自动聚焦系统的一个电极的作用。工件如硅管用作自动聚焦系统的接地电极。该装置适用于检测喷嘴与工件之间的电容的变化并且随着电容的那些变化而产生一输出信号，该输出信号由可编程序的控制器90和电容性聚焦控制器92用来使Z轴驱动系统70沿一方向移动喷嘴74以保持喷嘴与工件之间的间隔距离不变。
电容性的/界面的聚焦控制模块在电容性自动聚焦系统的技术中是众所周知的。该装置优选采用新泽西Landing公司的Haas激光技术出售的名称为“Option#1，AFS-5100”的聚焦控制模块。一满意的代用的聚焦控制系统，标志为“Adjust Box EG 316Z”，可以由德国的Gaggenau-Bad Rotenfels的Precitec有限公司购得。可编程序的控制器90可以是一数字计算机，其包括一适用于操作三轴驱动系统54、62和70的程序以便使激光辅助气体喷嘴以预定的方式相对于工件移动。优选控制器90包括一包含标志为“PMAC”程序的数字计算机，该“PMAC”程序由加利福尼亚的Chatsworth的Delta-Tau开发的。另一适用的运动控制器可由Allen-Bradley公司购得。作为实例，但不限于如此，驱动系统54、62和70的马达可以由采用借助霍尔效应(HallEffect)传感器产生的反馈的伺服放大器来驱动，该传感器装入运动系统中。本领域技术人员已知的其他装置也可用于驱动系统54、62和70的马达的控制操作。在从EFG生长的硅管上切割晶片的情况下，将控制器90的程序编制成使激光可以切出矩形的晶片同时保持辅助气体喷嘴离硅管处于一固定的距离，并且在完成切割操作以后操作Z轴驱动以将激光辅助气体喷嘴移离工件，以便于取出从工件上切出的部件。
在从EFG的硅管上切割晶片的情况下，切割过程包括下列步骤：(1)定位激光辅助气体喷嘴，使其位于一选定的间隔距离处，在该间隔距离处激光束将聚焦在硅管的邻近面或表面上并且由辅助气体施加在管上的力将基本上为零，(2)启动激光器80和X轴与Y轴驱动，以便从硅管上切割一矩形的晶片，(3)关闭激光器80，(4)将激光辅助气体喷嘴移离硅管，以便于由晶片支持装置(未示出)取出切好的部件，以及(5)重复上述各步骤以便继续切割操作。切割矩形的晶片包括移动激光辅助气体喷嘴以便激光束来回进行两水平的和两垂直的行程，而这些行程以任何选定的顺序实现。优选地，但不一定这样，切割操作顺序地包括一垂直行程以形成限定晶片的一侧边的切割边、一水平行程以形成限定晶片的第二侧边的切割边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侧边和第四侧边的切割边。可以由一多边形的EFG管切出一个或更多个晶片，这取决于该EFG管的各边宽度和要求的待切割的晶片尺寸。附加的连续的晶片切割操作包括(通过未示出适当装置)按指令转动EFG硅管，以便可以从管的不同边切出晶片。硅管的转动在激光辅助气体喷嘴退出工件的时段完成。电容性自动聚焦装置检测间隔距离上的变化，包括因管表面的平面度偏差在激光束冲击区域造成的那些变化，并且根据这些检测的变化立即使Z轴驱动装置沿一方向操作，以使保持间隔距离不变，从而确保基本上没有由高速辅助气体施加在脆的硅管上的载荷。保持着间隔距离不变就保持了激光束聚焦在硅管的邻近表面上。
在本发明以前，已认识到CO2激光器可以提供更大的功率并从而可以以比Nd：YAG激光器更快的速率切割EFG生长的硅管。提高的切割速率势必需要更高的气体流率以便实现从由激光束切出的切缝内排除熔化的材料。然而，增加气体流率涉及到提高经由喷嘴向切割区供应的辅助气体的压力。在本发明以前，为达到要求的较高流率以确保有效地排除熔化的材料和碎屑所需要的更大的辅助气体供给压力导致提高的施加在EFG生长的硅管上的局部压力，从而提高了这些昂贵的硅管的破坏概率。本发明的零净力喷嘴允许采用一较高的辅助气体供给压力来在切割区达到增加的流率同时将EFG管受的压力减至最小。因此本发明使其能够采用较高功率的CO2激光器代替较低功率的Nd：YAG激光器来切割EFG硅管，从而显著地提高切割速率。
作为实例但不限于如此，实验表明，采用如由本发明提供零净力喷嘴和以约60psi供给的辅助气体(空气)，可以切割300μm厚的EFG生长的硅材料，而没有因过度的辅助气体压力造成任何的破坏，此时采用500W的CO2激光器功率(在2.5kHz和216微秒脉冲宽度下)速度达40cm/sec。这大大超过2.5cm/sec的切割速度，后者是对于同样的硅材料采用以225W操作的Nd：YAG激光器和同样的喷嘴以及具有以约30psi压力供给的同样辅助气体一般所达到的切割速度。已确定：CO2激光器的使用不限于具有厚度300μm的EFG硅管。因此，作为实例但不限于如此，使用如本文所公开的同类激光器可以比用Nd：YAG激光器可能的速度显著更快地切割厚度在100μm至1mm的范围内的EFG生长的硅管。对于CO2激光器采用的更高的辅助气体流率也有助于使在切下的晶片的激光束引出侧上出现的熔渣减至最少。
本发明具有很多优点。其一，本发明减小气体施加在脆的材料工件上的压力，从而避免了那些工件的损坏。此外，本发明允许采用大于音速的气体速度，从而确保有效地从切割工件上排除残渣。虽然由于达到较高的气体速度优选采用具有与图2中所示的端部同样的或类似形状的端部的喷嘴，但也可以采用图1中所示的喷嘴，其中目的是工件按选定的间隔距离保持一不变的间隔距离以便辅助气体以很小的或没有压力施加在工件上，从而避免了因过度的压力造成的工件裂纹。虽然本文已描述在从EFG硅管上切割矩形的晶片方面的实情，但本发明也可以用于在硅管上或在其它脆的或非脆的材料上进行类似的或不同的切割操作。因此，控制器90的程序也可以编制成使激光器按照各种不是矩形的式样如圆形、六边形等切割工件。另一优点在于本发明不限于从工件上切出晶片或其它产品并且激光器可以用于例如在工件上形成多个孔和/或多个狭长切缝的型式用于装饰的或其它的目的。另一优点在于本发明的不限于用在Nd：YAG和CO2激光器上。因此，例如也可以用在一铜气化激光器上而容易地切割材料。还有一些优点对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。
本发明可以不按以上图示的和描述的来实施。在这方面，应该理解在构造成具有如图2中所示的端部的喷嘴中，射出孔的形状和尺寸，尤其是表面32、34、36、38、42和44的尺寸和角度配置以及它们相互的接合部可以加以修改而并不偏离本发明的原理。改变射出孔的形状和尺寸可以使其增加总流率和/或改变间隔距离，在该间隔距离可以达到零净力状态。如上所述，聚焦透镜单元72的周边借助于一气密密封连接于管形元件68，以便使透镜单元起防止辅助气体反向流动的隔板作用。作为另一方案，设想喷嘴可以设有透过激光束的窗口，其在聚焦透镜单元的前面固定于喷嘴内，使窗口被气密密封到管形元件68上并从而起防止辅助气体反向流向激光器的隔板作用。该另一方案消除了对气密密封透镜单元72的要求，从而使其可以按便于将其取出和更换的方式安装。
同样设想，图4和5中示意示出的用于支承和移动辅助气体喷嘴的装置可以采取各种形式并且例如可代之以1987年4月21日授予的U.S.专利No.4659900、1988年3月1日授予的U.S.专利No.4728771和1998年5月26日授予的U.S.专利No.5756961中所示的装置。还应指出代替将激光辅助气体喷嘴安装在三轴运动支承平台上，有可能将工件安装在双轴(X轴和Y轴)运动平台上而将激光辅助气体喷嘴安装在单轴(Z轴)运动支架上，通过操作双轴运动平台相对于激光喷嘴移动工件，并且利用单轴运动支架来建立要求的适合于产生一基本上零净力状态的间隔距离，如上所述。为了形成喷嘴与工件之间的相对运动的其它设置对本领域技术人员来说由以上所述以及由1985年3月5日授予的U.S.专利No.4503313中将是显而易见的。另一可能的修改是用本领域技术人员已知的其它型式的自动聚焦装置，例如光学自动聚焦系统代替电容性自动聚焦装置。其它的改变和变型对本领域技术人员来说由以上描述将是显而易见的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
17.一种激光喷嘴，其具有：一激光束经其通过的通道；至少一个端口用于使增压的辅助气体进入所述通道；以及在所述通道的一端处具有出口孔的一端部，以用于射出所述增压的辅助气体并使激光束通过所述喷嘴作用在一选定的工件上，所述端部具有一环形的端平面和一围绕所述端平面的周边并从其延伸的锥形外表面，并且该出口孔包括：一自所述通道延伸并与其连通的第一部分，该第一部分包括第一锥形表面；一与所述第一锥形表面连通的第二部分，该第二部分包括一自所述第一锥形表面延伸并与其共轴线的直径大致恒定不变的表面；以及一与所述第二部分连通的第三部分，该第三部分包括一第二锥形表面，该第二锥形表面自所述第一部分的大致直径不变的表面延伸并与其共轴线并且与所述环形端面相交，所述第一锥形表面的直径随着离所述环形端面的距离的减小而减小，而所述第二锥形表面的直径随着离所述环形端面的距离的减小而增大，其特征在于，所述第二锥形表面相对于所述喷嘴的中心轴线比所述第一锥形表面相对于所述喷嘴的中心轴线以更大的角度延伸。
18.按照权利要求17所述的激光喷嘴，其特征在于，所述第三部分的第二锥形表面相对于所述中心轴线63.6°角度延伸。
19.一种使用激光切割装置从由EFG方法生长的薄硅管的脆性材料工件上切割一晶片的方法，该激光切割装置包括：一用于产生激光束的激光器；一可移动的激光辅助气体喷嘴组件，其包括一具有入口孔和出口孔的喷嘴以及一用于使辅助气体进入所述喷嘴的内部以便经所述出口孔射出的气体入口；光学装置设置在所述入口孔与出口孔之间，其用于(a)使经所述入口孔进入的激光束指向并通过所述出口孔，和(b)将所述激光束聚焦在需由该激光束切割的硅管上；一提供光路径的装置，该光路径用于所述激光束从所述激光器经所述入口孔至所述光学装置；一用于在一选定的压力下向所述气体入口供应气体的装置，由此产生一从所述出口孔射出的所述气体的高速气流；以及一喷嘴定位装置，其包括用于在大致平行于待切割硅管的平面的平面内沿X轴和Y轴方向移动所述喷嘴的第一装置和第二装置，并且包括用于沿与X轴和Y轴方向正交的Z轴方向移动所述喷嘴的第三装置；该方法包括以下步骤：
(1)当在一选定的气压下向所述入口供应气体时，定位所述喷嘴，以使所述激光束垂直指向选定的硅管表面并使所述喷嘴设置在与所述硅管表面间隔开的一选定的位置处，在该位置处当所述气体从所述出口孔射出时其在在所述硅管上施加一大致为零的净力；以及
(2)启动所述激光器以便产生指向并聚焦在所述选定的硅管表面上的激光束，并且同时选择性地操作所述喷嘴定位装置以便使所述喷嘴和激光束平行于所述选定的硅管表面侧向地移动，从而从所述硅管

Claims (26)

1.一种用于从工件上切割部段的激光切割装置，其包括：
一用于产生激光束的激光器；
一喷嘴组件，其包括一喷嘴和光学装置，所述喷嘴具有入口孔和出口孔以及一用于使辅助气体进入所述喷嘴的内部以便经所述出口孔射出的气体入口，所述光学装置设置在所述入口孔与出口孔之间，其用于(a)使经所述入口孔进入的激光束指向并通过所述出口孔，以及(b)将所述激光束聚焦在需由该激光束切割的工件上；
一提供光路径的装置，该光路径用于所述激光束从所述激光器经所述入口孔至所述光学装置；
一用于在一选定的压力下向所述气体入口供应气体的装置，由此产生一从所述出口孔射出的所述气体的高速气流；
一喷嘴定位装置，其包括用于在大致平行于待切割工件的平面的平面内沿X轴和Y轴方向移动所述喷嘴的第一装置和第二装置，并且包括用于沿与X轴和Y轴方向正交的Z轴方向移动所述喷嘴的第三装置；以及
一用于操纵所述第三装置的控制装置，其使所述喷嘴位于相对于工件的一选定的切割位置处，在该位置处由所述高速气流施加在所述工件上的净力大致为零。
2.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，当所述喷嘴处于所述选定的切割位置时，所述激光束聚焦在所述工件上。
3.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述喷嘴具有一端部，其特征为围绕所述出口孔的负凹入表面。
4.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，对所述控制装置编制程序，以保持所述喷嘴，从而使其所述端部与所述工件间隔开一大致为1.0mm的选定距离。
5.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述控制装置包括一自动聚焦装置，以用于保持所述出口孔离所述工件一选定的距离。
6.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述喷嘴具有一端部，并且所述控制装置包括一自动聚焦装置，该自动聚焦装置用于检测所述端部与工件之间距离的变化并根据所述变化移动所述喷嘴组件，以便保持该端部与工件间的距离不变。
7.一种使用激光切割装置对脆性材料的工件进行激光切割的方法，该激光切割装置包括：一用于产生激光束的激光器；一可移动的激光辅助气体喷嘴组件，其包括一具有入口孔和出口孔的喷嘴以及一用于使辅助气体进入所述喷嘴的内部以便经所述出口孔射出的气体入口；光学装置设置在所述入口孔与出口孔之间，其用于(a)使经所述入口孔进入的激光束指向并通过所述出口孔，和(b)将所述激光束聚焦在需由该激光束切割的工件上；一提供光路径的装置，该光路径用于所述激光束从所述激光器经所述入口孔至所述光学装置；一用于在一选定的压力下向所述气体入口供应气体的装置，由此产生一从所述出口孔射出的所述气体的高速气流；以及一喷嘴定位装置，其包括用于在大致平行于待切割工件的平面的平面内沿X轴和Y轴方向移动所述喷嘴的第一装置和第二装置，并且包括用于沿与X轴和Y轴方向正交的Z轴方向移动所述喷嘴的第三装置；该方法包括以下步骤：
(1)当在一选定的气压下向所述入口供应气体时，定位所述喷嘴，以使所述激光束垂直指向所述工件并使所述喷嘴设置在与所述工件间隔开的一选定的位置处，在该位置处当所述气体从所述出口孔射出时其在在所述工件上施加一大致为零的净力；以及
(2)启动所述激光器以便产生指向并聚焦在所述工件上的激光束，并且同时选择性地操作所述喷嘴定位装置以便使所述喷嘴和激光束平行于所述工件侧向地移动，从而以选定的图样切割所述工件。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷嘴定位装置包括检测装置，其用于检测所述工件与所述喷嘴之间的距离因所述工件平面度变化引起的变化，并且包括根据所述检测装置响应的装置，其用于使所述第三装置沿一方向移动所述喷嘴，以保持从所述喷嘴至所述工件的距离恒定不变。
9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤(2)中以矩形的图样移动所述喷嘴，以便从所述工件上切出一矩形产品。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述工件为一硅管，并且操作所述喷嘴定位装置，以使所述激光束从所述硅管上切出矩形晶片。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述硅管具有多边形的截面构形。
12.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述喷嘴如下依次移动：一向上垂直行程、一沿第一方向的侧向行程、一向下行程和一沿与所述第一方向相反的第二方向的侧向行程；并且所述激光器的操作在每一行程的终点终止而在下一行程的起点开始。
13.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷嘴保持在距离工件1.0mm处，所述射出孔的直径为1.0mm，并且所述气体以10至30psi或更高的压力供应。
14.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气体以10至80psi的范围内的压力供应。
15.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷嘴具有一端部，其特征为围绕所述出口孔的负凹入表面。
16.一种激光切割脆性材料的工件的方法，其包括以下步骤：
提供一激光切割装置，其包括：一用于产生激光束的激光器；一可移动的激光辅助气体喷嘴组件，其包括一具有用于激光束的入口孔和出口孔的喷嘴，用于将辅助气体引入所述喷嘴以便经所述出口孔射出的装置，和光学装置，该光学装置用于(a)使经所述入口孔进入的激光束指向并通过所述出口孔，和(b)将所述激光束聚焦在需由该激光束切割的工件上；
定位所述喷嘴，以使所述出口孔位于离待切割的工件的表面一选定的间隔距离处，在所述选定的间隔距离处，从所述出口孔以高速射出的辅助气体基本上没有净力施加在工件上；
在压力下向所述喷嘴供应辅助气体，以便经所述出口孔射出，并且同时操作所述激光器以便使激光束通过所述喷嘴并冲击所述工件；以及
平行于所述工件表面移动所述喷嘴，同时(a)保持所述间隔距离恒定不变，和(b)保持通过所述喷嘴出口孔的辅助气体流和所述激光束的发射，以便使所述激光束按照预定的图样切割所述工件并使由该激光束从所述工件上除去的材料借助从所述出口孔流出的辅助气体吹走。
17.一种激光辅助气体喷嘴，其包括：一激光束可经其通过的通道；一端部其特征为在该通道的一端处的一出口孔，其用于使所述激光束通过所述喷嘴作用在一选定的工件上；以及至少一个端口，其用于使增压的辅助气体进入所述通道以便经所述出口孔射出；该出口孔的特征为第一内锥形部分与所述通道连通，一直径减小的窄口部分与所述内锥形部分连通并共轴线，第一负锥形部分与所述窄口部分连通并共轴线，以及第二负锥形部分端接于该第一负锥形部分，第二负锥形部分的锥形斜度大于第一负锥形部分的锥形斜度。
18.按照权利要求17所述的激光辅助气体喷嘴，其特征在于，所述窄口部分具有一恒定不变的直径并且所述第一和第二负锥形部分分别相对于所述窄口部的中心轴线以45°和63.6°角度延伸。
19.一种使用激光切割装置从由EFG方法生长的薄硅管的脆性材料工件上切割一晶片的方法，该激光切割装置包括：一用于产生激光束的激光器；一可移动的激光辅助气体喷嘴组件，其包括一具有入口孔和出口孔的喷嘴以及一用于使辅助气体进入所述喷嘴的内部以便经所述出口孔射出的气体入口；光学装置设置在所述入口孔与出口孔之间，其用于(a)使经所述入口孔进入的激光束指向并通过所述出口孔，和(b)将所述激光束聚焦在需由该激光束切割的硅管上；一提供光路径的装置，该光路径用于所述激光束从所述激光器经所述入口孔至所述光学装置；一用于在一选定的压力下向所述气体入口供应气体的装置，由此产生一从所述出口孔射出的所述气体的高速气流；以及一喷嘴定位装置，其包括用于在大致平行于待切割硅管的平面的平面内沿X轴和Y轴方向移动所述喷嘴的第一装置和第二装置，并且包括用于沿与X轴和Y轴方向正交的Z轴方向移动所述喷嘴的第三装置；该方法包括以下步骤：
(1)当在一选定的气压下向所述入口供应气体时，定位所述喷嘴，以使所述激光束垂直指向选定的硅管表面并使所述喷嘴设置在与所述硅管表面间隔开的一选定的位置处，在该位置处当所述气体从所述出口孔射出时其在在所述硅管上施加一大致为零的净力；以及
(2)启动所述激光器以便产生指向并聚焦在所述选定的硅管表面上的激光束，并且同时选择性地操作所述喷嘴定位装置以便使所述喷嘴和激光束平行于所述选定的硅管表面侧向地移动，从而从所述硅管上切割出选定形状的晶片。
20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，通过启动所述激光器以及平行于所述选定的硅管表面侧向移动所述喷嘴和所述激光束重复所述步骤(2)，以便从所述硅管上切割出另外的晶片。
21.按照权利要求20所述的方法，其特征在于，所述喷嘴定位装置包括检测装置，其用于检测所述选定的硅管表面与所述喷嘴之间的距离因所述选定的硅管表面的平面度变化而引起的变化，并且包括根据所述检测装置响应的装置，其用于使所述第三装置沿一方向移动所述喷嘴，以保持从所述喷嘴至所述选定的硅管表面的距离恒定不变。
22.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述辅助气体在导致所述气体以超音速从所述喷嘴射出的压力下向所述喷嘴供应。
23.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述激光器为Nd：YAG和CO2激光器。
24.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述激光器为Nd：YAG或CO2激光器。
25.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光器为Nd：YAG或CO2激光器。
26.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，所述激光器为Nd：YAG或CO2激光器。
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