CN101406988B - 一种激光割圆设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光割圆设备及其方法，该激光割圆设备包括：用于支撑并旋转待切割材料的工作台；用于产生激光束的激光器；用于引导激光束的引导机构；以及用于聚焦激光束以便在待切割材料表面形成聚焦光斑的聚焦机构，该引导机构包括反射镜以及用于偏转反射镜以便扩大聚焦光斑形成的切口宽度的驱动机构。通过采用上述结构，通过偏转反射镜使得聚焦光斑偏移一定距离，由此扩大切口宽度，使得更多的激光能量能够射到切口底部，有效地减少了切口两侧的重熔层的产生，同时提高了切割效率和切割质量。

Description

一种激光割圆设备及其方法

【技术领域】

本发明涉及一种激光微加工设备，特别涉及一种激光割圆设备及其方法。

【背景技术】

近年来，随着涉及单晶硅、GaAs等半导体材料的半导体行业的快速发展，出现了一些新的制造和加工工艺。例如，在将单晶硅从720μm减薄到200μm或者150μm后，需要将晶圆边缘约3-5mm的材料去除掉。此外，还需要在晶圆正面粘贴蓝膜，便于保护晶圆表面电路。蓝膜属于一种高分子聚合物材料，它对紫外波段的光吸收性能很好，厚度在150μm左右。因此，需要去除材料的厚度一般在300μm-350μm左右。传统去除方法是采用刀片切割，具体来说，在工作台沿着中心轴旋转的同时，刀片也高速旋转。但是由于这种刀片需要特殊制造，切割后的晶圆表面崩边现象严重，切割过程需要水冷却以及经常更换刀片，导致刀片切割技术不利于提高晶圆的质量。

目前，随着激光微加工技术的迅速发展，使得激光在半导体的许多制造工艺中可以替代传统的工艺，其中最引人注目的是波长为1064nm、532nm、355nm和266nm的二极管泵浦固体激光器。目前，激光切割硅晶圆通常是将硅晶圆切割成单个细小的芯片，并且通常采用光束固定而工作台运动的方法。但是在上述割圆的应用中，采用传统的光束固定不动而工作台旋转的切割方式一般很难完成高速、高质量的加工。这是因为现有激光对切割的材料厚度有限制，通常小于300μm的材料较容易切割透。材料过厚时，激光大部分能量聚焦到切口的两侧，形成重熔层，而聚焦到切口底部的能量不足以烧蚀材料，因而材料越厚，切割速度越慢。此外，由于这些能量无法烧蚀材料，而吸收的激光能量转化为热能并传导给表面的电路，导致电路失效；同时切割后的切口两侧的浅表面会形成过烧；最后由于切割后部分熔渣相互粘结在一起，导致切透后边缘部分无法自动脱落，因而传统切割方式不仅降低了切割效率，也降低了切割质量。

【发明内容】

为了克服现有技术激光割圆方式中的激光能量难以到达切口底部，导致切 割效率和切割质量低的技术问题，本发明提供了一种能够提高切割效率和切割质量的激光割圆设备及其方法。

本发明解决现有技术激光割圆方式中的激光能量难以到达切口底部，导致切割效率和切割质量低的技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光割圆设备，该激光割圆设备包括：用于支撑并旋转待切割材料的工作台；用于产生激光束的激光器；用于引导激光束的引导机构；以及用于将激光束聚焦到待切割材料表面以形成聚焦光斑的聚焦机构；其中引导机构包括反射镜以及用于偏转反射镜以便扩大聚焦光斑形成的切口宽度的驱动机构；驱动机构配置为垂直工作台的旋转线速度方向偏移聚焦光斑。

根据本发明一优选实施例，聚焦光斑的偏移距离不大于聚焦光斑的光斑尺寸。

根据本发明一优选实施例，驱动机构配置为使聚焦光斑在偏移前后形成的切口部分重叠。

根据本发明一优选实施例，激光割圆设备进一步包括在垂直于激光束的传播路径的一方向上压缩激光束以便在待切割材料表面获得椭圆形聚焦光斑的压缩机构。

根据本发明一优选实施例，压缩机构配置为使得椭圆形聚焦光斑的长轴与工作台的旋转线速度方向一致，驱动机构配置为使得椭圆形聚焦光斑的偏移距离不大于椭圆形聚焦光斑的短轴长度。

本发明解决现有技术激光割圆方式中的激光能量难以到达切口底部，导致切割效率和切割质量低的技术问题所采用的另一种技术方案是：提供一种激光割圆方法，该激光割圆方法包括以下步骤：a.产生激光束并在垂直于激光束的传播路径的一方向上压缩激光束；b.将激光束引导并聚焦到待切割材料表面以获得椭圆形聚焦光斑；c.旋转待切割材料，使得椭圆形聚焦光斑的长轴与待切割材料的旋转线速度方向一致，并使椭圆形聚焦光斑的激光偏振方向和旋转线速度方向一致；d.偏移椭圆形聚焦光斑，以扩大椭圆形聚焦光斑形成的切口宽度；通过偏转反射激光束的反射镜实现椭圆形聚焦光斑的偏移；椭圆形聚焦光 斑垂直于工作台的旋转线速度方向偏移。

根据本发明一优选实施例，在步骤d中，反射镜的偏转角度在0.2mrad到0.5mrad之间

根据本发明一优选实施例，在步骤d中，椭圆形聚焦光斑的偏移距离在1 5μm到40μm之间。

根据本发明一优选实施例，在步骤d中，椭圆形聚焦光斑的偏移距离不大于椭圆形聚焦光斑的短轴长度。

根据本发明一优选实施例，在步骤d中，椭圆形聚焦光斑在偏移前后所形成的切口部分重叠。

通过采用上述结构，通过偏转反射镜使得聚焦光斑偏移一定距离，由此扩大切口宽度，使得更多的激光能量能够射到切口底部，有效地减少了切口两侧的重熔层的产生，同时提高了切割效率和切割质量。

【附图说明】

图1是本发明的激光割圆设备的结构示意图；

图2是显示本发明的激光割圆设备的反射镜偏转与聚焦光斑偏移的对应关系的示意图；

图3-图6是利用本发明的激光割圆设备切割晶圆的各阶段的示意图。

【具体实施方式】

如图1所示，图1是本发明的激光割圆设备的结构示意图。本发明的激光割圆设备包括用于支撑待切割材料2(例如，晶圆)的工作台10，工作台10可以带动待切割材料2绕工作台10的中心轴旋转。此外，该激光割圆设备进一步包括激光器11、扩束镜12、柱透镜13、反射镜14和聚焦透镜15。激光器11能够产生具有适于切割待切割材料2的波长、能量密度、脉冲时间和重复频率的激光束，例如激光器11可以是工作波长在355nm的二极管泵浦的三倍频固体激光器。激光器11发出的激光束经扩束镜12进行扩束后入射到柱透镜13。柱透镜13在垂直于激光束的传播路径的第一方向(在图1中为垂直纸面的方向)上压缩该激光束，而在垂直于传播路径以及第一方向的第二方向(在图1中为 平行纸面的上下方向)上保持激光束尺寸不变。当然，本领域技术人员还可以想到在激光束传播路径的两个垂直方向上同时压缩激光束但压缩比率不同的其它光束压缩机构。

经柱透镜13压缩后的激光束入射到反射镜14上，并由反射镜14引导到聚焦透镜15。聚焦透镜15将激光束聚焦到待切割材料2的表面，以获得椭圆形聚焦光斑16。在本发明中，使激光偏振方向和旋转线速度方向一致，调节柱透镜13的位置和角度，使得椭圆形聚焦光斑16的长轴与工作台10的旋转线速度方向一致。

如图2所示，反射镜14可由驱动机构(未图示)偏转。该驱动机构可采用压电制动器，该压电制动器根据施加在其上的电压大小而改变长度，使得反射镜14偏转微小的角度a，因此使得椭圆形聚焦光斑16相应地垂直于工作台10的旋转线速度方向偏移一定距离d。在本实施例中，椭圆形聚焦光斑16的偏移距离不大于椭圆形聚焦光斑16的短轴长度，以使得椭圆形聚焦光斑16在待切割材料2的表面上形成的切口部分重叠，由此扩大切口宽度，让足够的激光能量到达切口的底部。当然，本发明的驱动机构完全可以结合传统的圆形聚焦光斑或其它形状的聚焦光斑使用，此时聚焦光斑的偏移距离应不大于聚焦光斑本身的光斑尺寸。

在本实施例中，反射镜14的偏转角度a优选在0.2mrad到0.5mrad之间，更优选为0.3mrad。椭圆形聚焦光斑16的光斑偏移距离d则优选在15μm到40μm之间，更优选为25μm。

如图3-图6所示，图3-图6是利用本发明的激光割圆设备切割晶圆的各阶段的示意图。

在本应用实例中，待切割材料2主要由单晶硅层21、粘附层22和保护膜23组成，所采用的主要工艺参数如下：

直径：203mm

总厚度：350μm(单晶硅层：200μm，粘附层：40μm，保护膜：110μm)

激光波长：355nm

平均输出功率：7W

重复频率：40KHz

聚焦椭圆光斑尺寸：25μm×75μm(椭圆短轴×长轴)

工作台旋转速度：60转/分钟(线速度：628mm/s)

光束偏移动距离d＝25μm

加工时间：90s

如图3-图6所示，在切割过程中，首先将待切割材料2放置在工作台10上；手动或以其它方式调节柱透镜13的距离和角度使得椭圆形聚焦光斑16的长轴与工作台10的旋转线速度方向一致；工作台10旋转360°或其它适当角度以便在单晶硅层21内产生第一切口41；随后偏转反射镜14，使得椭圆形聚焦光斑16向外偏移一定距离，以便在单晶硅层21内产生与第一切口41部分重叠的第二切口42，由此扩大整个切口的宽度，使得足够的激光能量到达切口底部。随后，椭圆形聚焦光斑16可进一步向外偏移或往回偏移，以进行下一次切割。如此多次重复扫描，逐步在单晶硅层21、粘附层32和保护膜33上产生两个或更多个部分重叠的切口，最终切断整个待切割材料2。

本发明的优点在于：首先，通过偏转反射镜，使得聚焦光斑偏移一定微小距离，由此扩大聚焦光斑所形成的切口宽度，残留物大部分都以汽化渣形式由抽烟***带走，切割断面熔渣较少，从而更多的能量入射到切口底部，加快了材料烧蚀。此外，晶圆边缘强度也得到提高，并且没有熔渣之间的粘结，激光切割透材料后边缘部分可以自动脱落。其次，通过采用椭圆形聚焦光斑，优化了聚焦光斑的功率密度，充分地利用了激光能量，增加了激光能量利用率，提高了材料切割效率。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。

Claims (10)

1.一种激光割圆设备，所述激光割圆设备包括：

用于支撑并旋转待切割材料的工作台；

用于产生激光束的激光器；

用于引导所述激光束的引导机构；以及

用于将所述激光束聚焦到所述待切割材料表面以形成聚焦光斑的聚焦机构；

其特征在于：所述引导机构包括反射镜以及用于偏转所述反射镜以便扩大所述聚焦光斑形成的切口宽度的驱动机构；所述驱动机构配置为垂直所述工作台的旋转线速度方向偏移所述聚焦光斑。

2.根据权利要求1所述的激光割圆设备，其特征在于：所述聚焦光斑的偏移距离不大于所述聚焦光斑的光斑尺寸。

3.根据权利要求1所述的激光割圆设备，其特征在于：所述驱动机构配置为使所述聚焦光斑在偏移前后形成的切口部分重叠。

4.根据权利要求1所述的激光割圆设备，其特征在于：所述激光割圆设备进一步包括在垂直于所述激光束的传播路径的一方向上压缩所述激光束以便在所述待切割材料表面获得椭圆形聚焦光斑的压缩机构。

5.根据权利要求4所述的激光割圆设备，其特征在于：所述压缩机构配置为使得所述椭圆形聚焦光斑的长轴与所述工作台的旋转线速度方向一致，所述驱动机构配置为使得所述椭圆形聚焦光斑的偏移距离不大于所述椭圆形聚焦光斑的短轴长度。

6.一种激光割圆方法，其特征在于：所述激光割圆方法包括以下步骤：

a.产生激光束并在垂直于所述激光束的传播路径的一方向上压缩所述激光束；

b.将所述激光束引导并聚焦到待切割材料表面以获得椭圆形聚焦光斑；

c.旋转所述待切割材料，使得所述椭圆形聚焦光斑的长轴与所述待切割材料的旋转线速度方向一致，并使所述椭圆形聚焦光斑的激光偏振方向和所述旋转线速度方向一致；

d.偏移所述椭圆形聚焦光斑，以扩大所述椭圆形聚焦光斑形成的切口宽度；通过偏转反射所述激光束的反射镜实现所述椭圆形聚焦光斑的偏移；所述椭圆形聚焦光斑垂直于所述工作台的旋转线速度方向偏移。

7.根据权利要求6所述的激光割圆方法，其特征在于：在所述步骤d中，所述反射镜的偏转角度在0.2mrad到0.5mrad之间。

8.根据权利要求6所述的激光割圆方法，其特征在于：在所述步骤d中，

所述椭圆形聚焦光斑的偏移距离在15μm到40μm之间。

9.根据权利要求6所述的激光割圆方法，其特征在于：在所述步骤d中，所述椭圆形聚焦光斑的偏移距离不大于所述椭圆形聚焦光斑的短轴长度。

10.根据权利要求6所述的激光割圆方法，其特征在于：在所述步骤d中，所述椭圆形聚焦光斑在偏移前后所形成的切口部分重叠。

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