CN119839426B - 一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法，属于透光硬脆材料晶体切割技术领域，所述切割装置包括：花岗岩底座、承载转动机构、两自由度激光切割机构、两自由度金刚石线锯切割机构和自动化控制系统，采用激光与金刚石线锯差时同步作用在透光硬脆材料晶体底部，自下而上切割透光硬脆材料晶体加工方法，合理的利用了激光切割与线锯切割的优势，形成复合运动的螺旋线加工轨迹，合理布局改质层，引导裂纹区的走向，金刚线锯线切割运转方向与透光硬脆材料晶体转动方向相反，且加工过程由外至内逐步切割，保证切割线与透光硬脆材料晶体切割位置为点接触，高效率切割透光硬脆材料晶体，提高了透光硬脆材料晶片的表面质量。

Description

一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法

技术领域

本发明属于激光加工及加热切割技术领域，具体涉及一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法。

背景技术

透光硬脆材料晶体广泛地应用于半导体、电子元件等领域。以碳化硅为代表的第三代宽带隙半导体材料，是发展大功率、高频高温、抗强辐射蓝光激光器和紫外探测器等技术的核心材料。由于其具备禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低、化学稳定性好等优势，在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。

碳化硅晶片加工过程中的第一道工序是切割，目前正在向更薄晶圆，更小特征尺寸和更大尺寸进行转变，透光硬脆材料晶片切割已经演变成可以增加碳化硅器件良率的关键工艺步骤。现有分离透光硬脆材料晶片技术采用金刚石线锯切割或激光切割，金刚石线锯切割的切割速度较低，而且金刚石线锯磨损以及透光硬脆材料晶体的损耗较高，从而导致成本较高。金刚石线锯可能导致芯片边缘的碎裂和分层。

随着透光硬脆材料晶片尺寸的增加，累计的跑道长度逐渐增加，超出了一个标准线锯完成全部切割的能力。激光切割时，激光束聚焦在目标区域，透光硬脆材料晶体吸收激光的脉冲能量达到损伤阈值，使其内部发生改质，这导致了显著的热影响区域和微裂纹。蓝膜上也可能会受到热的影响，影响后续的封装工艺。另外，烧蚀速率非常低，需要多次进行才能用来分离芯片。因此，如何高效率切割透光硬脆材料晶体，获得高精度平面的透光硬脆材料晶片是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的为了解决上述技术问题，而提供一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法。

一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割方法，包括：

激光束聚焦待加工的透光硬脆材料晶体，S时间后形成改质部；

金刚石线锯切割改质部；

激光束和金刚石线锯沿相同轨迹运动，两者相差S时间；

所述的改质部是在激光聚焦后的脉冲能量达到了透光硬脆材料晶体的损伤阈值形成的；

所述的待加工的透光硬脆材料晶体转动，激光束和金刚石线锯由外向内，螺旋切割。

所述的激光束从聚焦待加工的透光硬脆材料晶体上方，向下照射；金刚石线锯由下至上逐层切割，将透光硬脆材料晶体切割成多个片状晶体。

本发明的另一个目的是提供实现该方法的专用设备。

一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，包括：底座、承载转动机构、两自由度激光切割机构、两自由度金刚石线锯切割机构、控制器；

所述的承载转动机构固定在底座上，承载转动机构夹持并带动待加工的透光硬脆材料晶体柱体旋转；

所述的两自由度激光切割机构包括激光器组件、激光器滑台；

所述的两自由度金刚石线锯切割机构包括线切割组件、线锯切割滑台；

激光器滑台、线锯切割滑台安装在待加工的透光硬脆材料晶体外周，固定在底座上，两滑台在控制器的控制下，相对透光硬脆材料晶体向内、外、上、下滑动；

激光器组件安装在激光器滑台上，激光切割头设在透光硬脆材料晶体上方；

线切割组件安装在线锯切割滑台上，金刚石线锯与透光硬脆材料晶体点接触。

所述的承载转动机构包括：承载支撑架、第一承载辊、第二承载辊、第一驱动组件和第二驱动组件；

所述承载支撑架底端固接于底座上，所述的第一承载辊、第二承载辊上下轴接于承载支撑架上，二者由承载支撑架下侧固接的第一驱动组件和第二驱动组件驱动；

所述第一驱动组件和第二驱动组件均包括直流伺服电机和联轴器，与控制器相连；

所述第一承载辊和第二承载辊的轴间距小于透光硬脆材料晶体柱体的直径；

所述的透光硬脆材料晶体柱体一侧通过两个承载辊夹持并驱动转动，对侧通过两自由度金刚石线锯切割机构中可伸缩从动转动组件的两个从动辊夹持支撑。

所述的两自由度金刚石线锯切割机构和两自由度激光切割机构安装夹角为90°；

所述的两自由度金刚石线锯切割机构包括：线切割组件、可伸缩从动转动组件、线切割Z向移动组件和线切割Y向移动组件；

所述的线切割组件包括：第五驱动组件、线驱动轮、线从动轮、金刚石线锯、张紧轮和伸缩杆；

所述线驱动轮、线从动轮、张紧轮轴接于线切割Z向移动组件的线切割Z向移动平台上，三者间通过金刚石线锯传动连接；

所述线驱动轮由第五驱动组件驱动，带动金刚石线锯沿着与透光硬脆材料晶体转向相反的方向转动，与柱状晶体切割的位置为点接触；第五驱动组件与与控制器相连；

所述张紧轮与伸缩杆轴接，所述的伸缩杆相对线切割Z向移动平台沿Y向位置调节，从而调整金刚石线锯的松紧。

所述的线切割Z向移动平台前端设有可伸缩从动转动组件，所述可伸缩从动转动组件下部设置线切割组件；所述可伸缩从动转动组件包括从动辊、从动辊支撑架和压缩弹簧；所述从动辊支撑架可相对线切割Z向移动平台前、后滑动，二者间设有压缩弹簧；所述从动辊支撑架前端轴接从动辊，与透光硬脆材料晶体的柱状外壁相接触，提供支撑。

所述的线切割Z向移动组件包括线切割Z向移动平台、第六驱动组件、第三滚珠丝杠；所述线切割Z向移动平台在第六驱动组件的驱动下在线切割Y向移动底座上沿第三滚珠丝杠在Z向移动；

所述的线切割Y向移动组件包括线切割Y向移动底座、第七驱动组件、第四滚珠丝杠、线切割底座；所述线切割Y向移动底座在第七驱动组件的驱动下沿第四滚珠丝杠在Y向移动；所述第六驱动组件和第七驱动组件均由直流伺服电机和联轴器组成。

所述的两自由度激光切割机构包括激光器组件、激光器Z向移动组件和激光器X向移动组件；所述激光器组件包括：激光切割头、激光发生器、激光器电源线和激光器电源；所述激光切割头固定在激光发生器上，用于将激光束聚焦于晶体底部目标位置；所述激光器发生器通过激光器电源线与激光器电源连接来发出激光束，并固定在激光器Z向移动平台上；

所述激光器Z向移动组件包括激光器Z向移动平台、第三驱动组件、第一滚珠丝杠，所述第三驱动组件驱动激光器Z向移动平台在激光器X向移动底座上沿第一滚珠丝杠在Z向移动，所述第三驱动组件包括直流伺服电机和联轴器，

所述激光器X向移动组件包括激光器X向移动底座、第四驱动组件、第二滚珠丝杠、激光器切割底座，所述激光器X向移动底座在第四驱动组件的驱动下在激光器切割底座上沿第二滚珠丝杠在X向移动；所述第四驱动组件包括直流伺服电机和联轴器。

所述的透光硬脆材料晶体柱体外周，底座上设有与透光硬脆材料晶体同心的弧形滑道，与激光器滑台和线锯切割滑台滑动连接，二者在控制器控制下，在弧形滑道自由滑动，调整激光器滑台与线锯切割滑台之间的夹角。

所述的激光器组件与激光器滑台之间设有转台。

一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的使用方法，包括：

1）在控制器上设定激光切割头和金刚石线锯相同的切割轨迹；

2）计算激光切割头的激光束聚焦待加工透光硬脆材料晶体形成改质部所述需要的时间S；

3）启动承载转动机构，其上两个承载辊同向转动，带动透光硬脆材料晶体圆周转动；控制器启动激光器滑台，激光切割头按设定轨迹由外至内直线运行，圆周运动和直线运动复合形成螺旋线轨迹，激光切割头的激光束由上向下聚焦到透光硬脆材料晶体的下端待加工高度；

4）S时间后，透光硬脆材料晶体边缘形成改质部，并伴随产生裂纹区，并保持承载转动机构启动，控制器启动线锯切割滑台，金刚石线锯按设定的切割轨迹，由外向内直线运动，逐点位切割，复合形成螺旋线切割轨迹；

所述的改质部由激光聚焦后的脉冲能量达到透光硬脆材料晶体的损伤阈值而形成。

所述的金刚石线锯由下至上逐层切割，将透光硬脆材料晶体切割成多个片状晶体。

所述的金刚石线锯的转动方向与待加工透光硬脆材料晶体相反；

所述激光发生器的激光波长为500-600nm，功率为4-5kw，激光切割头行进速度为100-200nm/s,所述改质部及裂纹区均在微米级范围；

所述金刚石线锯的切割速度为1000-1400m/min，透光硬脆材料晶体300自转速度为300-600m/min；

所述剥离的透光硬脆材料晶片的厚度＜500μm，切缝宽度＜20微米，每片平均加工损耗＜30μm，每片切割时间＜35分钟，晶体表面粗糙度＜5μm，弯曲度小于30μm，总厚度偏差＜20μm损伤层深度＜20μm，表面裂纹深度最大值与损伤层深度之比＜80%。

本发明提供了一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法，属于透光硬脆材料晶体切割技术领域，所述切割装置包括：花岗岩底座、承载转动机构、两自由度激光切割机构、两自由度金刚石线锯切割机构和自动化控制系统，采用激光与金刚石线锯差时同步作用在透光硬脆材料晶体底部，自下而上切割透光硬脆材料晶体加工方法，合理的利用了激光切割与线锯切割的优势，形成复合运动的螺旋线加工轨迹，合理布局改质部，引导裂纹区的走向，金刚石线锯线切割运转方向与透光硬脆材料晶体转动方向相反，且加工过程由外至内逐步切割，保证切割线与透光硬脆材料晶体切割位置为点接触，高效率切割透光硬脆材料晶体，提高了透光硬脆材料晶片的表面质量。

本发明采用激光与金刚石线锯差时同步作用，自下而上切割透光硬脆材料晶体，激光切割聚焦点位均在螺旋线轨迹进行加工，合理的布局了改质部，引导了裂纹区的走向；金刚石线锯切割运转方向与晶体转动方向相反，加工过程由外至内逐步切割，保证切割线与透光硬脆材料晶体切割位置为点接触，提升了切割精度，降低了加工损耗，提高了透光硬脆材料晶片的表面质量。

本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置与方法与现有技术相比的有益效果及优势：

1、本发明的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，激光切割聚焦点位均在螺旋线轨迹进行加工，合理的布局了改质部，引导了裂纹区的走向，金刚石线锯线切割运转方向与透光硬脆材料晶体转动方向相反，且加工过程由外至内逐步切割，以保证切割线与透光硬脆材料晶体切割位置为点接触，减少接触重叠面积以及减少切割的跨度，高效率切割透光硬脆材料晶体，也提升了切割精度，降低了加工损耗；

2、本发明的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，仅需一次装夹定位即可进行连续多次加工，缩减了抛光、装夹等准备工作的时间，满足目前市场对于高精度透光硬脆材料晶片的需求；

3、本发明的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割方法，采用激光与金刚石线锯差时同步作用在透光硬脆材料晶体底部，自下而上切割透光硬脆材料晶体，合理的利用了激光切割与线锯切割的优势，实现了二者的完美配合，避免了传统的自上而下切割方式存在的重复抛光、聚焦再加工的问题，提高了透光硬脆材料晶片切割的效率和成品的表面质量。

附图说明

图1是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的立体结构示意图；

图2是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的主视图；

图3是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的俯视图；

图4是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的承载转动机构立体结构示意图;

图5是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的两自由度激光切割机构立体结构示意图；

图6是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的两自由度金刚石线锯切割机构立体结构示意图；

图7是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的激光螺旋线轨迹加工路径示意图；

图8是本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的透光硬脆材料晶体差时同步加工示意图。

在附图中：

100.花岗岩底座；

200.承载转动机构；210.承载支撑架；220.第一承载辊；230.第二承载辊；240.第一驱动组件；250.第二驱动组件；300.透光硬脆材料晶体；

400.两自由度激光切割机构；410.激光器组件；411.激光切割头；412.激光发生器；413.激光器电源线；414.激光器电源；

420.激光器Z向移动组件；421.激光器Z向移动平台；422.第三驱动组件；423.第一滚珠丝杠；424.第一导向柱；

430.激光器X向移动组件；431.激光器X向移动底座；432.第四驱动组件；433.第二滚轴丝杠；434.激光器切割底座；435.第二导向柱；

500.两自由度金刚石线锯切割机构；510.线切割组件；511.第五驱动组件；512.线驱动轮；513.线从动轮；514.金刚石线锯；515.张紧轮；516.伸缩杆；520.可伸缩从动转动组件；521.从动辊；522.从动辊支撑架；523.压缩弹簧；530.线切割Z向移动组件；531.线切割Z向移动平台；532.第六驱动组件；533.第三滚珠丝杠；534.第三导向柱；540.线切割Y向移动组件；541.线切割Y向移动底座；542.第七驱动组件；543.第四滚珠丝杠；544.线切割底座；545.第四导向柱；

600.螺旋线轨迹；610.改质部；620.透光硬脆材料晶片。

具体实施方式

实施例1：

参见附图1-8，一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，包括：底座100、承载转动机构200、两自由度激光切割机构400、两自由度金刚石线锯切割机构500和自动化控制器；

所述底座100为花岗岩材质的底座；

所述的承载转动机构200通过螺栓固定在底座100上，承载转动机构200夹持并带动待加工的透光硬脆材料晶体300的柱体旋转；

所述的两自由度激光切割机构400包括激光器组件410、两自由度激光器滑台；

所述的两自由度金刚石线锯切割机构500包括线切割组件510、两自由度线锯切割滑台；

两自由度激光器滑台、两自由度线锯切割滑台安装在透光硬脆材料晶体300外周，固定在底座100上，两自由度激光器滑台和两自由度线锯切割滑台在自动化控制器的控制下，相对透光硬脆材料晶体300向内、外、上、下滑动；

激光器组件410安装在两自由度激光器滑台上，其上激光切割头411设在透光硬脆材料晶体300上方；

线切割组件510安装在两自由度线锯切割滑台上，金刚石线锯514与透光硬脆材料晶体300的下侧点接触。

参见附图1和附图4，所述的承载转动机构200包括：承载支撑架210、第一承载辊220、第二承载辊230、第一驱动组件240和第二驱动组件250；

所述承载支撑架210呈U型，底端固定连接于底座100上，所述的第一承载辊220、第二承载辊230上下轴接于承载支撑架210上，并由承载支撑架210下侧固接于底座100上的第一驱动组件240和第二驱动组件250分别驱动；

所述第一驱动组件240和第二驱动组件250均包括直流伺服电机和联轴器，与自动化控制器相连；

所述第一承载辊220和第二承载辊230的轴间距小于透光硬脆材料晶体30柱体的直径，即位于透光硬脆材料晶体300柱体的一侧，为两自由度金刚石线锯切割机构500留设足够加工空间；

所述的透光硬脆材料晶体300柱体一侧通过第一承载辊220和第二承载辊230夹持并驱动其转动，对侧通过两自由度金刚石线锯切割机构500中可伸缩从动转动组件520的两个从动辊521夹持支撑；

所述第一承载辊220、第二承载辊230工作时同向转动，带动透光硬脆材料晶体300的柱体相反方向转动。

所述的两自由度金刚石线锯切割机构500和两自由度激光切割机构400相对透光硬脆材料晶体300安装夹角为90°；

所述的两自由度金刚石线锯切割机构500包括：线切割组件510、可伸缩从动转动组件520、线切割Z向移动组件530和线切割Y向移动组件540；

所述的线切割组件510包括：第五驱动组件511、线驱动轮512、线从动轮513、金刚石线锯514、张紧轮515和伸缩杆516；

所述第五驱动组件511包括直流伺服电机和联轴器，第五驱动组件511与自动化控制器相连；

所述线驱动轮512、线从动轮513轴接于线切割Z向移动组件530的线切割Z向移动平台531前侧两端，其后侧轴接张紧轮515，三者间通过金刚石线锯514传动连接；

所述线驱动轮512由第五驱动组件511驱动，带动金刚石线锯514经线从动轮513和张紧轮515沿着与透光硬脆材料晶体300转动方向相反的方向转动，与透光硬脆材料晶体300切割的位置为点接触；

所述张紧轮515与伸缩杆516轴接，所述伸缩杆516可相对线切割Z向移动平台531沿Y向位置调节，即调节后固定；进而调整张紧轮515前后位置来调节金刚石线锯514的松紧；所述的金刚石线锯514可采用GHN系列产品金刚石线锯。

所述的线切割Z向移动平台531前端上部设有可伸缩从动转动组件520，在所述可伸缩从动转动组件520下部设置线切割组件510；

所述可伸缩从动转动组件520包括两个从动辊521、从动辊支撑架522和压缩弹簧523；所述从动辊支撑架522可相对线切割Z向移动平台531前、后滑动，二者间设有压缩弹簧523；

所述从动辊支撑架522后侧设有两滑杆，与线切割Z向移动平台531两侧滑孔滑动连接，压缩弹簧523套设在滑杆上；

所述从动辊支撑架522前端对称上下轴接两个从动辊521，与透光硬脆材料晶体300的柱状外壁相接触，实现夹持支撑。

所述的线切割Z向移动组件530包括：线切割Z向移动平台531、第六驱动组件532、第三滚珠丝杠533和第三导向柱534；

所述的线切割Y向移动底座541呈U型，其两侧连接板中心轴接第三滚珠丝杠533，所述的第三滚珠丝杠533与第六驱动组件532传动连接；所述第六驱动组件532与线切割Y向移动底座541上端固定连接，在所述第三滚珠丝杠533两侧设置2个轴向相同的第三导向柱534，所述的第三导向柱534两端与线切割Y向移动底座541固连；所述的线切割Z向移动平台531的底座依次穿过第三滚珠丝杠533和第三导向柱534，在所述第六驱动组件532驱动下，所述线切割Z向移动平台531沿第三滚珠丝杠533在Z向移动，所述第六驱动组件532包括直流伺服电机和联轴器，所述的第六驱动组件532与自动化控制器连接。

所述的线切割Y向移动组件540包括：线切割Y向移动底座541、第七驱动组件542、第四滚珠丝杠543、线切割底座544和第四导向柱545；

所述的线切割底座544呈U型，其两侧连接板中心轴接第四滚珠丝杠543，所述的第四滚珠丝杠543与第七驱动组件542传动连接；所述的第七驱动组件542与线切割底座544一端固定连接，在所述第四滚珠丝杠543两侧设置2个轴向相同的第四导向柱545；所述的第四导向柱545两端与线切割底座544固连，所述的线切割Y向移动底座541的底座穿过第四导向柱545和第四滚珠丝杠543，在所述第七驱动组件542驱动下，所述线切割Y向移动底座541沿第四滚珠丝杠543在Y向移动，所述第七驱动组件542包括直流伺服电机和联轴器，所述的第七驱动组件542与自动化控制器连接。

所述的两自由度激光切割机构400包括：激光器组件410、激光器Z向移动组件420和激光器X向移动组件430；

所述激光器组件410包括：激光切割头411、激光发生器412、激光器电源线413和激光器电源414；

在所述激光发生器412上固定激光切割头411，所述的激光切割头411用于将激光发生器412发出的激光束聚焦在透光硬脆材料晶体300底部目标位置，所述激光器发生器412通过激光器电源线413与激光器电源414电连接来发出激光束，所述激光器发生器412固定连接于激光器Z向移动组件420的激光器Z向移动平台421上。

所述激光器Z向移动组件420包括：激光器Z向移动平台421、第三驱动组件422、第一滚珠丝杠423和第一导向柱424；

所述激光器X向移动组件430包括：激光器X向移动底座431、第四驱动组件432、第二滚珠丝杠433、激光器切割底座434和第二导向柱435；

所述的激光器X向移动底座431呈U型，其两侧连接板中心轴接第一滚珠丝杠423，所述的第一滚珠丝杠423与第三驱动组件422传动连接，所述的第三驱动组件422与激光器X向移动底座431固定连接；所述第一滚珠丝杠423两侧均固接轴向相同的第一导向柱424，所述的激光器Z向移动平台421的底座穿过第一导向柱424和第一滚珠丝杠423；在所述第三驱动组件422驱动第一滚珠丝杠423转动，带动激光器Z向移动平台421移动，所述激光器Z向移动平台421与激光发生器412和激光切割头411共同沿Z向移动，所述的第三驱动组件422包括直流伺服电机和联轴器，所述的第三驱动组件422与自动化控制器电连接；

所述的激光器切割底座434呈U型，其两侧连接板中心轴接第二滚珠丝杠433，所述的第二滚珠丝杠433与第四驱动组件432传动连接，所述的第四驱动组件432与激光器切割底座434一端固定连接，在所述第二滚珠丝杠433两侧固接轴向相同的第二导向柱435，所述的激光器X向移动底座431的底座穿过第二导向柱435和第二滚珠丝杠433，所述激光器X向移动底座431在第四驱动组件432的驱动下，带动激光发生器412、激光切割头411和激光器Z向移动组件420沿第二滚珠丝杠433沿X向移动，所述的第四驱动组件432包括直流伺服电机和联轴器，所述的第四驱动组件432与自动化控制器电连接。

实施例2：

在一些实施例中，可伸缩从动转动组件520可不设置在两自由度金刚石线锯切割机构500上，可伸缩从动转动组件520本质上仅是透光硬脆材料晶体300柱体的一侧的支撑夹持机构，可在承载转动机构200对侧单独设置过渡作用的支撑夹持机构；而后在所述的透光硬脆材料晶体300外周，底座100上设有一个与待加工的透光硬脆材料晶体300同心的弧形滑道，与激光器滑台和线锯切割滑台滑动连接，它们在控制器控制下，在弧形滑道自由滑动，调整激光器滑台与线锯切割滑台之间的夹角；在所述激光器组件410与激光器滑台之间设有转台；当激光的脉冲能量足够时，也可实现原位的差时同步的连续透光硬脆晶片切割。

本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置中所采用的自动化控制器系统为现有成熟电控技术。

本发明一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置的使用方法及原理如下：

提供一种透光硬脆晶片的激光与金刚石线锯差时同步连续切割方法，本方法采用上文所述的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，包括以下步骤：

1）所述固定承载转动机构200的第一承载辊220和第二承载辊230与两自由度金刚石线锯切割机构500的从动辊521配合定位并夹紧透光硬脆材料晶体300；

2）在所述自动化控制器系统中设定所述的激光切割头411和金刚石线锯514的切割轨迹，计算激光切割头411的激光束聚焦在透光硬脆材料晶体300上形成改质部610所需要的时间S；

其中：所述的改质部610即指激光聚焦后的脉冲能量达到透光硬脆材料晶体300的损伤阈值，使其内部发生改质并伴随产生裂纹区；

3）启动承载转动机构200，其上两个承载辊同向转动，带动透光硬脆材料晶体300柱体转动；随后通过所述自动化控制器控制第三驱动组件422和第四驱动组件432，所述的激光器Z向移动平台421按照切割轨迹由外向内直线运动至透光硬脆材料晶体300柱体中心，轨迹参见附图7，所述的螺旋线轨迹600是由透光硬脆材料晶体300旋转运动和激光器的直线运动共同复合而成，其中激光器直线行进速度为100～200nm/s；

所述的激光发生器412发射激光束波长为500～600nm，功率为4～5kw，所述的激光束经激光切割头411由上向下聚焦到透光硬脆材料晶体300下端待加工高度上；

4）S时间后，透光硬脆材料晶体300边缘形成改质部610并伴随裂纹区，并保持承载转动机构200中第一驱动组件240和第二驱动组件250启动，使所述待加工透光硬脆材料晶体300以300～600m/min速度开始旋转；

所述自动化控制器控制第五驱动组件511、第六驱动组件532和第七驱动组件542，所述金刚石线锯514与透光硬脆材料晶体300运动方向相反，金刚石线锯514按设定的切割轨迹，由外向内直线运动，逐点位切割，复合形成螺旋线切割轨迹；所述金刚石线锯514的切割速度为1000～1400m/min；

从所述的透光硬脆材料晶体300逐层剥离的透光硬脆材料晶片620至脱落，所述的透光硬脆材料晶片620的厚度＜500μm，切缝宽度＜20微米，每片平均加工损耗＜30μm，每片切割时间＜35分钟，晶体表面粗糙度＜5μm，弯曲度小于30μm，总厚度偏差＜20μm损伤层深度＜20μm，表面裂纹深度最大值与损伤层深度之比＜80%。

Claims (5)

1.一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：激光束聚焦待加工的透光硬脆材料晶体（300），S时间后形成改质部（610）；

步骤2：金刚石线锯（514）切割改质部（610）；

步骤3：激光束和金刚石线锯（514）沿相同轨迹运动，两者相差S时间；

所述的改质部（610）是指激光聚焦后的脉冲能量达到透光硬脆材料晶体（300）的损伤阈值，使其内部发生改质并伴随产生裂纹区；

所述的待加工的透光硬脆材料晶体（300）转动，激光束和金刚石线锯（514）由外向内，螺旋切割；

所述的激光束从聚焦待加工的透光硬脆材料晶体（300）上方，向下照射；金刚石线锯（514）由下至上逐层切割，将透光硬脆材料晶体（300）切割成多个片状晶体；

激光切割聚焦点位均在螺旋线轨迹进行加工，合理的布局了改质部，引导了裂纹区的走向；

金刚石线锯切割运转方向与晶体转动方向相反，加工过程由外至内逐步切割，保证切割线与透光硬脆材料晶体切割位置为点接触。

2.一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，其特征在于：包括底座（100）、承载转动机构（200）、两自由度激光切割机构（400）、两自由度金刚石线锯切割机构（500）、控制器；

采用如权利要求1所述的切割方法；

所述的承载转动机构（200）固定在底座（100）上，承载转动机构（200）夹持并带动待加工的透光硬脆材料晶体（300）柱体旋转；

所述的两自由度激光切割机构（400）包括激光器组件（410）、激光器滑台；

所述的两自由度金刚石线锯切割机构（500）包括线切割组件（510）、线锯切割滑台；

激光器滑台、线锯切割滑台安装在待加工的透光硬脆材料晶体（300）外周，固定在底座（100）上，两滑台在控制器的控制下，相对透光硬脆材料晶体（300）向内、外、上、下滑动；

激光器组件（410）安装在激光器滑台上，激光切割头（411）设在透光硬脆材料晶体（300）上方；

线切割组件（510）安装在线锯切割滑台上，金刚石线锯（514）与透光硬脆材料晶体（300）点接触；

所述的透光硬脆材料晶体（300）柱体外周，底座（100）上设有与透光硬脆材料晶体（300）同心的弧形滑道，与激光器滑台和线锯切割滑台滑动连接，二者在控制器控制下，在弧形滑道自由滑动，调整激光器滑台与线锯切割滑台之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，其特征在于：

所述的承载转动机构（200）包括：承载支撑架（210）、第一承载辊（220）、第二承载辊（230）、第一驱动组件（240）和第二驱动组件（250）；

所述承载支撑架（210）底端固接于底座（100）上，所述的第一承载辊（220）、第二承载辊（230）上下轴接于承载支撑架（210）上，二者由承载支撑架（210）下侧固接的第一驱动组件（240）和第二驱动组件（250）驱动；

所述第一驱动组件（240）和第二驱动组件（250）均包括直流伺服电机和联轴器，与控制器相连；

所述第一承载辊（220）和第二承载辊（230）的轴间距小于透光硬脆材料晶体（300）柱体的直径；

所述的透光硬脆材料晶体（300）柱体的一侧通过两个承载辊夹持并驱动转动；

所述的两自由度金刚石线锯切割机构（500）还包括可伸缩从动转动组件（520），所述可伸缩从动转动组件（520）的两个从动辊（521）设于透光硬脆材料晶体（300）柱体的另一侧，对其夹持并支撑。

4.根据权利要求2或3所述的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，其特征在于：

所述的两自由度金刚石线锯切割机构（500）和两自由度激光切割机构（400）安装夹角为90°。

5.根据权利要求4所述的一种透光硬脆材料晶片的差时同步连续切割装置，其特征在于：所述的激光器组件（410）与激光器滑台之间设有转台。