作者：Alexander Brodsky，Natan Kaplan，Shmuel Cohen；Holo/Or公司

对衬底的两侧进行同步激光加工，为提高制造业的吞吐量提供了重要机遇。概念性的静态光学光束整形装置，使用单个激光器和光学系统，无需移动部件，即可在衬底的两侧同时进行操作。

将衍射光束分束与平顶光束整形和双面聚焦相结合，并且在 Ansys OpticStudio 中的光学仿真验证了该方法在各种激光应用中的可行性，包括连续电线处理、半导体晶圆划片和太阳能电池检测。

虽然大多数激光加工系统一次只能在一个表面上操作，但许多应用都可以从同时加工工件相对的两个面中受益。目前的解决方案通常需要复杂的机械重新定位或多个激光装置，这增加了成本和周期时间。

衍射光学元件（DOE）是工业激光应用中用于光束整形和分束的成熟工具。^[1] 三维光束整形的最新进展，展示了控制三维空间中强度分布的能力。^[2,3]在这些发展的基础上，我们提出了一种新颖的光学配置，其结合了衍射光束分束与双面聚焦，以实现对衬底相对的两个面的同步激光加工，该配置采用了Holo/Or公司的DOE。

光学设计概念

该方法使用衍射光束分束器将入射激光束分成两束，然后通过静态反射镜将它们引导到工件的相对两侧。图 1 中展示了来自光学仿真的系统架构，而图 2a 显示了物理实现的 3D 渲染图。

图 1：上图：双面激光加工系统示意图；左下：来自 Ansys OpticStudio的3D 光线追迹布局（绿色和蓝色光线代表两束分束光）；右下：放大视图显示了在衬底相对两侧的同时加工。

光路包括：

• 输入光束：单模高斯激光束（波长 λ = 355 nm，e^-2处直径 3.2 mm）。
• 线平顶光束整形器：将高斯轮廓转换为均匀的平顶分布。
• 衍射光束分束器（双光斑 DOE）：将光束分成两束具有确定分离角的相同光束。
• 远心 F-theta 透镜（有效焦距 EFL = 100.2 mm）：聚焦两束光，同时保持近法向入射。
• 折叠反射镜：定位成使焦平面与衬底的两个面重合。

该光学设计已经通过Ansys OpticStudio仿真验证。从仿真结果中得出的关键性能参数（见图 2）为：输出光斑几何形状为 2.3 mm×0.014 mm（线轮廓）；均匀性：平顶区域内 > 90%；效率：>78%（考虑所有光学损耗）。

图 2：仿真验证结果：（a）工作平面中的几何图像分析显示长轴为平顶轮廓，（b）物理光学传播分析显示窄轴为衍射极限性能。衬底上下两侧的轮廓相同。

关键潜在工业应用

图3显示了面向关键应用的物理系统和示意配置：

l 连续电线处理：最有前景的应用之一是连续电线处理，其中电线穿过系统，并且在不需要电线旋转的情况下，同时处理两个直径相对的表面（如图 3b 所示）。

l 电磁线（漆包线）：在切割操作期间去除电线端部的漆包层。每年有数十亿米的电磁线用于电动机和变压器，这在电动汽车（EV）电机生产中尤为重要。当前的热或机械剥离方法速度较慢，并且可能损坏电线尺寸。这种双面方法无需电线旋转即可实现完全的周向涂层去除，从而支持在线处理。

l 医用导丝：用于导管应用的细电线（直径 0.1~1.0 mm）的表面制备。非接触式双面处理避免了机械处理损坏，同时能够实现完全的周向处理，这对于尺寸公差直接影响设备性能的应用至关重要。

l 光纤电缆：在熔接前去除光纤（125~900 μm）的保护涂层。双面激光烧蚀减少了机械剥离器常见的光纤裂纹，这对于电信和数据中心应用至关重要，同时确保了完全的周向涂层去除。

图 3：系统实现和应用配置：（a）双面激光加工光学系统的 3D CAD 渲染图；（b）用于连续处理电线或圆柱形组件的概念配置，带有可选的集成振镜；（c）用于同时处理或检查两个表面的晶圆加工配置。

图 3c 显示了一种晶圆级应用的配置，可通过选择适当的 F-theta 焦距扩展到不同尺寸。例如，焦距为 300 mm 的系统可为 200~300 mm 的晶圆提供覆盖，用于划片的光斑尺寸为 10~50 μm。

l 双面划片：用于功率半导体和太阳能电池的硅晶圆，需要在两个表面上有划片线，以便进行受控的裂片。同步划片提供了正面到背面的对准，同时消除了晶圆翻转，提高了吞吐量。对称划片还可以提高裂片质量并减少边缘崩边。

l 检测应用：双面线配置能够对双面太阳能电池和减薄半导体晶圆的两个表面进行同步光学检测，并有可能提高检测吞吐量。它还减少了处理，并能够关联表面之间的缺陷。

多功能性

该光学装置可以针对定制规格进行调整，例如：

l 多光束配置：双光斑分束器可以替换为多光束元件（3、4甚至更多束光），用于从多个角度进行加工或创建冗余。

l 动态扫描：静态反射镜可以替换为振镜，以扩大区域覆盖范围和生成图案。

l 灵活的光束整形：根据应用要求，线整形器可以替换为圆形平顶、矩形或定制轮廓。对于需要紧密聚焦的应用（例如晶圆划片），可以完全省略光束整形器以实现衍射极限光斑尺寸。

l 可调节的工作范围：通过重新定位反射镜，系统可以适应不同的衬底厚度（典型为 0.5~10+ mm）。

l 可扩展的架构：通过选择适当的 F-theta 焦距（典型为 100~300 mm），系统可以扩展到不同的工作范围，同时保持高质量的聚焦性能。

l 波长灵活性：该概念与波长无关，适用于紫外（UV）、可见光、红外（IR）和超短脉冲激光器。

l 检测集成：对于检测应用，可以集成相机或探测器，以同时从两侧捕获图像或信号，用激光器提供线照明。

这种方法与 Holo/Or 的衍射光学元件相结合，有潜力实现高效且经济的制造解决方案。其模块化设计允许针对特定应用、波长和功率水平进行广泛定制。需要进一步的实验工作来验证这些概念，并探索其实际实施。

参考文献

1. A. Völl, J. Stollenwerk, and P. Loosen, Laser Tech. J., 15, 1, 42–45 (2018).
2. J. Meinschien, C. Stauch, T. Schubert, and S. Hellstern, PhotonicsViews, 19, 5, 48–51 (2022); https://doi.org/10.1002/phvs.202200037.
3. S. Gräf and F. A. Müller, Sci. Rep., 11, 22944 (2021); https://doi.org/10.1038/s41598-021-02290-3.