CN101961817A - 光学***和激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工用的光学***和具有该光学***的激光加工装置，其能够沿各加工线高效率地进行均匀的加工，而且能够提高加工品质。本发明的光学***的特征在于，其包括：一对棱镜(132)，它们将从激光光源(11)发出的激光束转换成截面形状为椭圆形状的椭圆激光束；棱镜旋转机构(133a、133b)，其使利用一对棱镜(132)进行转换的所述椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的长度发生变化；棱镜移动机构(14)，其使所述一对棱镜(132)沿利用所述一对棱镜(132)进行转换的所述椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向平行移动；以及聚光透镜(16)，其使所述椭圆激光束向被加工物会聚。

Description

光学***和激光加工装置

技术领域

本发明涉及在对半导体晶片等被加工物(工件)进行激光加工时所使用的光学***和具有该光学***的激光加工装置。

背景技术

近年来，作为分割半导体晶片等被加工物(工件)的方法，提出了这样的方法：在工件的表面设置呈格子状排列的被称为间隔道的分割预定线，从而划分出多个区域，通过沿该间隔道照射激光束光线来形成激光加工槽，沿该激光加工槽利用机械断裂装置对工件进行断裂(专利文献1)。

激光加工与切削加工相比能够提高加工速度，并且即使是像蓝宝石这样的由高硬度材料构成的工件，也能够比较容易地进行加工。在激光加工中，沿各加工线使激光加工槽均匀地形成为预期的深度是非常困难的。即，即使为了加深形成于工件的激光加工槽的深度而将激光束的输出提高到一定量以上，激光束光线的能量也不会被充分吸收，无法形成预期深度的激光加工槽。当激光束的输出过高时，还存在加工品质劣化的危险。

为了解决这些问题，本申请人提出了使用柱面透镜将激光束的光斑直径形成为椭圆形状的激光加工装置(专利文献2)。通过将会聚的激光束的光斑形状整形成椭圆形，并将整形成椭圆形后的光斑的长轴定位于该加工进给方向，能够使每单位时间的能量向长轴方向分散，能够沿加工线高效率地进行加工。

专利文献1：日本特开平10-305420号公报

专利文献2：日本特开2006-289388号公报

但是，当在激光加工装置中利用柱面透镜使光束形成为椭圆形状时，在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向朝物镜入射的角度不同，其结果为，在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向焦点形成于不同的位置。因此，关于上述激光加工装置，在加工品质方面追求进一步的改善。

发明内容

本发明是鉴于这样的实情而完成的，其目的在于提供一种激光加工用的光学***以及具有该光学***的激光加工装置，所述激光加工用的光学***能够形成在短轴方向和长轴方向上为同一焦点的椭圆形状的光斑，能够沿加工线高效率地进行均匀的加工，而且能够提高加工品质。

本发明的光学***的特征在于，所述光学***包括：激光光源，其发出激光束；一对棱镜，它们配设在从所述激光光源发出的所述激光束的光路上，用于将所述激光束转换成截面形状为椭圆形状的椭圆激光束；棱镜旋转机构，其使所述一对棱镜相互反向地进行旋转，并且旋转轴位于与入射到所述一对棱镜的所述激光束的光轴方向垂直相交的方向，从而使通过所述一对棱镜进行转换的所述椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的长度发生变化；棱镜移动机构，其使所述一对棱镜沿通过所述一对棱镜进行转换的所述椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向平行移动；以及聚光透镜，其使所述椭圆激光束朝向被加工物会聚。

根据该结构，从激光光源入射到入射侧棱镜中的激光束在保持为平行光束的状态下折射，从而被整形成椭圆形状。虽然透过了入射侧棱镜的椭圆激光束的出射光的方向发生变化，但是从入射侧棱镜出射的椭圆激光束入射到出射侧的棱镜，并在保持为平行光束的状态下折射并射出，最终椭圆激光束的光轴朝向与聚光透镜的光轴方向一致的方向(固定)。激光束向入射侧棱镜入射的入射角以及椭圆激光束向出射侧棱镜入射的入射角通过棱镜旋转机构来调整。当使激光束相对于一对棱镜的入射角变化时，结果会导致从出射侧棱镜射出的椭圆激光束的光轴位置向椭圆形状光斑的长轴方向移动从而偏离聚光透镜的光轴，然而，通过棱镜移动机构能够使一对棱镜向吸收该光轴偏移的方向移动，从而无需使配置于后段的光学部件移动。由于从出射侧棱镜射出的椭圆激光束在平行光束的状态下入射向聚光透镜，所以能够使向聚光透镜入射的入射角度相同，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使焦点形成于相同的位置。此外，由于一对棱镜为非球面光学元件，所以与柱面透镜相比更容易进行光轴对准，能够通过简单的控制高精度地进行光轴对准。

在本发明的光学***中，优选的是，所述光学***包括衍射光学元件，该衍射光学元件配设在所述一对棱镜和所述聚光透镜之间，所述衍射光学元件将所述椭圆激光束分成多个椭圆激光束，所述多个椭圆激光束相对于入射到所述衍射光学元件的所述椭圆激光束的椭圆形截面的长轴方向分别具有预定的角度。

根据该结构，即使是具有高能量的激光，也能够将能量分割成多份，从而能够将能量高效率地利用于加工。

本发明的激光加工装置的特征在于，所述激光加工装置具有：上述光学***；以及保持被加工物的保持工作台，所述激光加工装置通过向所述被加工物照射利用所述光学***生成的椭圆激光束来进行加工。

根据该结构，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使向物镜入射的角度相同，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使焦点形成于相同的位置。其结果为，能够提高激光加工中的加工品质。

根据本发明，能够形成在短轴方向和长轴方向成为同一焦点的椭圆形状的光斑，能够沿各加工线高效率地进行加工，而且能够提高加工品质。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的光学***的整体结构图。

图2是表示图1的光学***中的激光截面的图。

图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的激光加工装置的外观图。

标号说明

11：激光光源；12：反射镜；13：光束转换单元；14：棱镜移动机构；15：衍射光学元件；16：聚光透镜；17：保持工作台；18：被加工物(工件)；19：控制电路；20：激光加工装置；30：卡盘工作台；W：半导体晶片。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的光学***的整体结构图。图1所示的光学***主要由以下部分构成：激光光源11，其发出激光束；光束转换单元13，其包含一对棱镜132，这一对棱镜132将从激光光源11发出的作为平行光束的激光束转换成截面形状为椭圆形状的椭圆激光束；棱镜移动机构14，其使一对棱镜132平行移动；衍射光学元件15，其对从光束转换单元13射出的椭圆激光束进行分光，以形成多个椭圆激光束；以及聚光透镜16，其使多个椭圆激光束会聚，从而使多个椭圆光斑形成于载置在保持工作台17上的被加工物(工件)18。在一对棱镜132中的各个棱镜132a、132b，具有使它们相互反向地旋转的棱镜旋转机构133a、133b。此外，该光学***具有控制电路19，该控制电路19进行激光光源11的振荡器的控制、棱镜移动机构的控制、以及棱镜旋转机构133a、133b的控制。

激光光源11具有振荡器，该振荡器振荡出激光波长为100nm～1500nm的短脉冲激光。振荡器振荡出的短脉冲激光作为截面形状为圆形、且为平行光束的激光束射出。在从激光光源11射出的激光束的光路上配设有反射镜12，通过反射镜12使激光束反射向与后述光束转换单元13的移动方向相同的方向，并入射到光束转换单元13内。此外，激光光源11的振荡器与控制电路19电连接，通过控制电路19来控制短脉冲激光的振荡。

在光束转换单元13内配设有反射镜131，从反射镜12改变光路后的激光束入射到反射镜131，该反射镜131使所述激光束向垂直下方反射、进而向一对棱镜132(棱镜132a)中的上侧棱镜132a入射。因此，由于利用配设于光束转换单元13的外侧的反射镜12来接收从激光光源11射出的激光束，并使该激光束向与光束转换单元13的移动方向相同的方向反射，进而向固定于光束转换单元13内的反射镜131入射，所以即使光束转换单元13移动，也能够将从激光光源11振荡出的激光束导向光束转换单元13。

在光束转换单元13中，在激光束的光路上的后段配设有一对棱镜132，这一对棱镜132将所述激光束转换成截面形状为椭圆形状的椭圆激光束。一对棱镜132由上侧棱镜132a和下侧棱镜132b构成。通过使激光束透过一对棱镜132，截面形状为圆形的激光束被转换成沿与光轴正交的一个轴向扩展了的椭圆形的光束形状。因此，在椭圆形状的光束(椭圆激光束)的剖面图中，其长轴方向与激光束的光轴正交。

上侧棱镜132a被安装成能够通过上侧棱镜旋转机构133a而旋转。此外，下侧棱镜132b被安装成能够通过下侧棱镜旋转机构133b而旋转。该上侧棱镜旋转机构133a和下侧棱镜旋转机构133b与控制电路19电连接，通过控制电路19来分别控制上侧棱镜旋转机构133a的旋转和下侧棱镜旋转机构133b的旋转。

当截面形状为圆形的作为平行光束的圆形激光束相对于入射面以预定的入射角度向上侧棱镜132a入射时，该圆形激光束在维持平行光束的状态下发生折射，从而转换成在与光轴正交的一个方向上扩大了的截面为椭圆形的光束。关于透过上侧棱镜132a并在平行光束的状态下扩大了一个方向的光束直径的椭圆激光束，其从上侧棱镜132a射出的出射光的方向根据入射角而变化。为了使从光束转换单元13射出的椭圆激光束的光轴始终与聚光透镜16等配置于后段的固定光学部件的光轴一致，设置了下侧棱镜132b。下侧棱镜132b具有以下作用：使椭圆激光束折射，从而使椭圆激光束的光轴与聚光透镜16的光轴维持平行。因此，通过使下侧棱镜132b向与上侧棱镜132a的旋转方向相反的方向旋转，能够调整在下侧棱镜132b中的折射方向。由此，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使向聚光透镜入射的角度相同，其结果为，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使焦点形成于相同的位置。这样，由于上侧棱镜132a和下侧棱镜132b要协作地进行椭圆激光束的长轴方向的尺寸调整和出射光的方向调整，所以通过控制电路19将上侧棱镜132a和下侧棱镜132b控制成联动地旋转。

控制电路19控制上侧棱镜旋转机构133a和下侧棱镜旋转机构133b，以使上侧棱镜132a和下侧棱镜132b相互反向地进行旋转，并且旋转轴位于与入射的激光束的光轴方向垂直相交的方向(朝向纸面从近前侧至深处侧)(图1中的旋转箭头方向)。通过控制上侧棱镜旋转机构133a和下侧棱镜旋转机构133b的旋转量，能够改变椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的长度。

在上述光束转换单元13安装有棱镜移动机构14，该棱镜移动机构14使光束转换单元13沿椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向平行移动。通过使光束转换单元13沿该长轴方向平行移动，能够使一对棱镜132平行移动。如上所述，当使一对棱镜132旋转时，透过一对棱镜132从下侧棱镜132b射出的椭圆激光束的光轴相对于聚光透镜16在椭圆形截面的长轴方向发生偏移。棱镜移动机构14对相对于聚光透镜16在椭圆形截面的长轴方向发生偏移的光轴的偏移进行修正。即，棱镜移动机构14使光束转换单元13(一对棱镜132)平行移动，以使透过一对棱镜132后的椭圆激光束的光轴始终对准衍射光学元件15和聚光透镜16。由此，既便通过使一对棱镜132旋转而改变了椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的长度，也能够始终在椭圆激光束的光轴对准了衍射光学元件15和聚光透镜16的光轴的状态下向工件18照射椭圆激光束。

棱镜移动机构14与控制电路19电连接，通过控制电路19来控制光束转换单元13的平行移动。具体来说，根据一对棱镜132的旋转位置，来确定光束转换单元13的出射光与聚光透镜16的光轴之间的光轴偏移量。因此，控制电路19对应于一对棱镜132的旋转位置来确定光束转换单元13的平行方向的位置，并使光束转换单元13向消除光轴偏移的目标位置平行移动。

在从光束转换单元13射出的椭圆激光束的光路上、即在一对棱镜132与聚光透镜16之间，配设有衍射光学元件15。衍射光学元件15将椭圆激光束分成多个椭圆激光束，所述多个椭圆激光束相对于入射到衍射光学元件15的椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向分别具有预定的角度。对于具有高能量的激光的情况，当直接使用于激光加工时，无法使该高能量全部利用于加工，有时候会造成能量的浪费。通过这样分成多个椭圆激光束，即使是具有高能量的激光，也能够将能量分割成多份，从而能够将能量高效率地使用于加工。

在透过了衍射光学元件15的椭圆激光束的光路的后段，配设有使椭圆激光束朝向被加工物18会聚的聚光透镜16。透过了聚光透镜16的椭圆激光束会聚在保持于保持工作台17上的被加工物18上。这样，在具有本光学***的激光加工装置中，将所生成的椭圆激光束照射向被加工物18，从而对被加工物18进行加工。

接下来，对利用如上所述地构成的光学***使激光束会聚在被加工物(工件)上的情况下的作用进行说明。

由激光光源11产生的、为平行光束且截面为圆形的激光束被反射镜12改变光路而入射到光束转换单元13内。在光束转换单元13内，激光束的光路被反射镜131被改变而朝向上侧棱镜132a。如图2所示，此时的激光束(图2所示的X部中的激光束)的截面形状为圆形(圆形激光束)。

该圆形激光束入射到一对棱镜132，从而转换成在与光轴正交的一个轴向上扩展了的椭圆形的光束形状。即，圆形激光束相对于上侧棱镜132a的入射面以预定的入射角入射，并在维持平行光束的状态下折射，从而转换成在与光轴正交的一个方向上扩大了的截面为椭圆形的光束，并以与入射角相应的出射角从出射面射出。从上侧棱镜132a射出的椭圆激光束入射到下侧棱镜132b，并在维持平行光束的状态下折射，然后以与聚光透镜16的光轴平行的出射角射出。这样，当圆形激光束透过一对棱镜132时，其截面形状如图2所示地被整形成椭圆形(图2所示的Y部的椭圆激光束)，并且出射方向与向上侧棱镜132a入射的入射角无关，而始终向与聚光透镜16的光轴平行的方向出射。

在该情况下，圆形激光束在透过一对棱镜132时维持平行光束，同时被转换成在与光轴正交的一个方向上扩大了的截面为椭圆形的光束，因此能够在椭圆激光束的椭圆形截面的短轴方向和长轴方向使向聚光透镜16入射的角度相同，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使焦点形成于相同的位置。其结果为，能够提高激光加工中的加工品质。此外，由于一对棱镜132为非球面光学元件，所以与柱面透镜相比更容易进行光轴对准，能够通过简单的控制高精度地进行光轴对准。

在该结构中，在使椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的长度发生变化的情况下，控制电路19驱动上侧棱镜旋转机构133a和下侧棱镜旋转机构133b，从而控制上侧棱镜132a和下侧棱镜132b的旋转位置。例如，在使椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的尺寸变长的情况下，与上侧棱镜132a的入射面垂直的直线和向上侧棱镜132a入射的圆形激光束所成的角度越接近90度，长轴方向的尺寸越长。这样，当使一对棱镜132旋转时，光轴相对于衍射光学元件15和聚光透镜16发生偏移，因此通过棱镜移动机构14来修正该光轴偏移。即，利用控制电路19，根据一对棱镜132的旋转位置来确定光束转换单元13的应平行移动到的目标位置，并使光束转换单元13以到达该目标位置所需的平行移动量进行平行移动。由此，能够修正相对于衍射光学元件15和聚光透镜16的光轴偏移。

椭圆激光束入射到衍射光学元件15，从而椭圆激光束被分成多个椭圆激光束(图2所示的Z部的多个椭圆激光束)，所述多个椭圆激光束相对于分光前的椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向分别具有预定的角度。通过这样分成多个椭圆激光束，即使是具有高能量的激光，也能够将能量分割成多份，从而能够将能量高效率地利用于加工。

通过使该多个椭圆激光束透过聚光透镜16，来将焦点形成在工件18上，从而对工件18进行激光加工。

接下来，对使用了上述光学***的激光加工装置进行说明。

图3是使用了多光束光学***的激光加工装置的结构例。

半导体晶片W形成为大致圆板状，在半导体晶片W的表面通过呈格子状排列的分割预定线划分出多个区域，在该划分出的区域中形成有IC(Integrated Circuit：集成电路)、LSI(Large Scale Integration：大规模集成电路)等器件42。此外，半导体晶片W经粘贴带43支承于环状框架41。

另外，在本实施方式中，作为工件，以硅晶片等半导体晶片为例进行说明，但并不限定于该结构，也可以将粘贴于半导体晶片W的DAF(Die Attach Film：芯片贴膜)等粘贴部件、半导体产品的封装体、陶瓷、玻璃、蓝宝石基板(Al₂O₃)类的无机材料基板、各种电气部件或要求精密级(micron order)的加工位置精度的各种加工材料作为工件。

关于激光加工装置20，在加工座21配设有沿Y轴方向形成的一对Y轴导轨22a、22b。Y轴工作台23载置成沿Y轴导轨22a、22b在Y轴方向能够自如移动。在Y轴工作台23的背面侧形成有未图示的螺母部，滚珠丝杠24与螺母部螺合。另外，在滚珠丝杠24的端部连接有驱动马达25，利用驱动马达25对滚珠丝杠24进行旋转驱动。

在Y轴工作台23上配设有一对X轴导轨26a、26b，这一对X轴导轨26a、26b沿与Y轴方向正交的X轴方向形成。X轴工作台27载置成沿X轴导轨26a、26b在X轴方向能够自如移动。在X轴工作台27的背面侧形成有未图示的螺母部，滚珠丝杠28与螺母部螺合。另外，在滚珠丝杠28的端部连接有驱动马达29，利用驱动马达29对滚珠丝杠28进行旋转驱动。

在X轴工作台27上设置有卡盘工作台30。卡盘工作台30具有：工作台支承部31；晶片保持部32，其设置于工作台支承部31的上部，用于对具有作为加工预定线的间隔道的半导体晶片W进行吸附保持；以及框架保持部33，其保持环状框架41。在工作台支承部31的内部设置有抽吸源，该抽吸源使晶片保持部32吸附保持半导体晶片W。

此外，在加工座21竖立设置有支柱部34，激光光线照射单元36支承于从支柱部34的上端部延伸至卡盘工作台30的上方的臂35。在激光光线照射单元36中收纳有所述光学***。

在如上所述地构成的激光加工装置20中，将半导体晶片W载置于卡盘工作台30。然后，利用未图示的抽吸源将半导体晶片W吸附于晶片保持部32。

接着，驱动激光光线照射单元36，利用X轴工作台27和Y轴工作台23进行位置调整，然后开始进行激光加工。激光光线照射单元36向间隔道照射激光束。此时，激光光线照射单元36的上述光线***如图2所示地使多个椭圆形状的光斑形成为一条线状，并且使加工前进方向与椭圆形截面的长轴方向一致。此外，在使焦点在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向形成于相同位置的状态下对工件进行激光加工。通过X轴工作台27和Y轴工作台23，使激光加工位置沿半导体晶片W的间隔道移动，在利用分割开的椭圆形状的光斑使能量分割、并且各光斑沿椭圆形截面的长轴方向分散了能量的状态下进行加工。

在这样的激光加工装置中，利用上述光学***，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使向物镜入射的角度相同，能够在椭圆形状的光斑的短轴方向和长轴方向使焦点形成于相同位置。其结果为，能够沿各加工线高效率地进行均匀的加工，而且能够提高加工品质。

此外，本结构的激光加工装置不仅能够应用于上述线加工，也能够应用于通孔(ビアホ一ル)加工那样的开孔加工、以及使晶片的一部分凹陷那样的面加工。

此次公开的实施方式的所有内容均为例示，并不是限定于该实施方式。本发明的范围并不是仅对上述实施方式作出的说明，而是由权利要求书所揭示的范围，也就是说包含与权利要求书均等的内容以及该范围内的所有变更。

产业上的可利用性

本发明能够应用于利用椭圆光束对半导体晶片等被加工物进行激光加工的激光加工装置。

Claims (3)

1.一种光学***，其特征在于，

所述光学***包括：

激光光源，其发出激光束；

一对棱镜，它们配设在从所述激光光源发出的所述激光束的光路上，用于将所述激光束转换成截面形状为椭圆形状的椭圆激光束；

棱镜旋转机构，其使所述一对棱镜相互反向地进行旋转，并且旋转轴位于与入射到所述一对棱镜的所述激光束的光轴方向垂直相交的方向，从而使通过所述一对棱镜进行转换的所述椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向的长度发生变化；

棱镜移动机构，其使所述一对棱镜沿通过所述一对棱镜进行转换的所述椭圆激光束的椭圆形截面中的长轴方向平行移动；以及

聚光透镜，其使所述椭圆激光束朝向被加工物会聚。

2.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，

所述光学***包括衍射光学元件，该衍射光学元件配设在所述一对棱镜和所述聚光透镜之间，

所述衍射光学元件将所述椭圆激光束分成多个椭圆激光束，所述多个椭圆激光束相对于入射到所述衍射光学元件的所述椭圆激光束的椭圆形截面的长轴方向分别具有预定的角度。

3.一种激光加工装置，其特征在于，

所述激光加工装置具有：权利要求1或2所述的光学***；以及保持被加工物的保持工作台，

所述激光加工装置通过向所述被加工物照射利用所述光学***进行转换而得到的椭圆激光束来进行加工。

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