[發明專利]薄且脆的材料的氣助激光切割

無效

• 申請號: 01804775.0
• 申請日: 2001-05-22
• 公開（公告）號: CN1398211A
• 公開（公告）日: 2003-02-19
• 發明（設計）人: B·P·皮夫茨克
• 申請（專利權）人: ASE美國公司
• 主分類號: B23K26/14
• 分類號: B23K26/14;B23K26/38
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 崔幼平,黃力行

本發明是在美國政府的轉包合同NO.ZAF-6-14271-13中完成的。

背景技術

材料的激光加工或切割依靠材料的迅速局部加熱。這通常導致從固相至液相的轉變，并且在很高的入射峰值激光能時甚至會導致材料的揮發。為了得到最佳的激光切割速度而使熔渣或激光束產生的碎屑在切縫(即由激光形成的切口)附近的粘結為最少，采用一輔助氣體來將熔化的材料排離切縫。通過導引高速輔助氣流通常可以加速激光切割過程，例如在材料的激光束沖擊區導引高速空氣流。在激光切割一片材或板形的材料的情況下，熔化的材料被輔助氣體吹過切口。這種噴吹作用降低切縫內的材料對再固化和激光能吸收的有效性，從而加速切割過程。通常的作法是利用一具有孔的氣體噴嘴產生輔助氣流，該噴嘴長于聚焦的激光束，位于激光束的焦點附近，與激光束共軸線，并且設置成使氣流的方向垂直于被切割的材料的表面。各種形式的氣助激光噴嘴是已知的。參見例如，1988年3月1日授予給F.Sartorio的U.S.專利NO.4728771和1995年10月31日頒發給M.Kurosawa等人的U.S.專利NO.5463202中所公開的噴嘴。

圖1示出代表現有技術設計的輔助氣體噴嘴的端部2的結構。該噴嘴具有一內通道4，其終止于一出口孔，該孔包括一錐形上游部分6和一直徑不變的窄口部分8。噴嘴端部的端面具有一平面的較寬的環形端表面14。外表面16為錐形漸縮。圖中示出噴嘴端部2以其端面面對一薄板形工件18。一總體以20表示的聚焦的激光束垂直對向工件。應該指出，作為實例但不限于如此，工件18可以是一EFG生長的硅管的一個側面，該硅管具有八邊形的橫截面結構。雖然未示出，應該理解通道4的另一端終止于一入口孔，其與出口孔部分6和8是共軸線的。一輔助氣流在壓力下經由一個或更多個氣體入口22引入噴嘴并穿過射出孔6、8射向工件受激光切割的區域。從噴嘴射出的一些氣體穿過由激光束在工件上形成的切口，而其余的氣體側向偏轉以離開沖擊區，從噴嘴與工件之間向外流出。外表面16以銳角向端面部分14延伸的原因是為了便于徑向地散開輔助氣體并使其離開工件。氣流噴射在材料上的速度取決于氣體在噴嘴孔的上游端的壓力和噴嘴射出孔的形狀。不管噴嘴孔結構或氣壓如何，當輔助氣體沖擊在由激光被切割的材料上時其施加一局部的力。通過增加流動(增加有效的孔尺寸)和/或氣體流速可以增加該力。根據沖擊在被切割的板材上的輔助氣體的流量和速度，由輔助氣體施加在被切割的材料上的局部力可能是相當大的。在薄而脆的材料情況下，這個力可能導致不合要求的材料裂縫。在激光切割薄的EFG生長的硅管以生產用于制造光電太陽能電池的晶片的情況中存在這樣的麻煩情況。

由一熔體生長結晶材料的EFG方法用于生長選定的截面形狀的摻雜質的硅管，例如八邊形或圓柱形截面形狀的管。這些管由激光切成矩形晶片，并且這些晶片然后經過不同的加工工序而使之轉變為光電電池。用EFG方法生長硅管和加工硅片以生產光電電池的方法是眾所周知的，如下列文件的公開內容中所說明的，這些文件包括：1990年6月26日授予給D.S.Harvey的U.S.專利NO.4937053，1988年6月14日授予給R.C.Gonsiorawski等人的U.S.專利NO.4751191，1997年12月16日授予給J.I.Hanoka的U.S.專利NO.5698451，1992年4月21日授予給B.R.Bathey等人的U.S.專利NO.5106763，1991年8月6日授予給D.S.Harvey等人的U.S.專利NO.5037622，1993年12月14日授予給M.D.Rosenblum等人的U.S.專利NO.5270248以及1993年9月14日授予給B.H.Machintosh的U.S.專利Re.34375。

由于種種原因，要求EFG生長的硅管的壁厚為15密耳(mil)(0.015英寸)或更小，優選為約6-7密耳。雖然可以采用其他的激光器，但優選一摻釹釔鋁石榴石(Nd：YAG)激光器用來將EFG生長的硅管切成矩形晶片。激光束在其焦點平面上形成一小的圓形圖象或細長的圖象。為了優化切割速度，必須將激光束聚焦在被切割的硅管表面上。可惜這樣的管的表面不是精確平面的，而由于波紋和/或隨機的凸峰和凹陷勢必是不平坦的，其平面度偏差一般在約3密耳至約7密耳的范圍內。因此，必須采用一自動聚焦系統用于激光器，以便當激光束相對于管移動時保持激光束聚集在硅管表面上。