[发明专利]薄且脆的材料的气助激光切割

说明书

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。