CN101983420A - 用于硅晶片划线的自动聚焦方法与设备 - Google Patents
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Abstract
一种方法与设备是实行用于硅晶片划线***的实时自动聚焦。该种方法与设备是运用其指向至直接在物镜(26)下方的硅晶片(10)的表面(50)的极化的光束(42)作为于一掠射角的划线激光束。反射自硅晶片的光束被滤波(56)以移除来自该划线激光束的光束且接着在一位置灵敏装置(58)聚焦以测量从物镜至硅晶片表面的距离。
Description
技术领域
本发明是关于用于划线电子硅晶片的方法与设备。特别的是，本发明是关于用于实行用以划线LED硅晶片以助于切单(singulation)的激光束的实时聚焦的方法与设备。更特别的是，本发明是关于用于当***作硅晶片划线时，准确且有效率侦测透明或半透明LED硅晶片的表面的位置以实时维持于激光束的焦点与硅晶片的表面之间正确关系的方法与设备。
背景技术
电子装置为了容易制造通常会构成于其含有多份装置的基板或硅晶片。此等装置是必须在封装与贩卖之前分离或切单。切单电子装置的一个典型方法是运用一种激光划线***以划线该硅晶片并且接着将它准备好以供沿着划线做机械切割。图1是显示硅晶片10支撑电子装置，一电子装置是指示为12。也被指示出来的是一“沟道(street)”14的一个实例，沟道14是电子装置之间的区域，在上面划线以用于对该等装置彼此之间做后续的机械分离。以此方式所制造的范例的电子装置包括发光二极管(LED，light emitting diode)。虽然也可以使用其它材料，但是LED典型地制造在由晶体蓝宝石或金属制成的硅晶片。在制造后，此等硅晶片接着通过划线用一机械锯或激光来切单，接着作机械分割以分离该等装置。
激光划线***使用激光来划线具有半导体晶粒成长于硅晶片的一表面的硅晶片，硅晶片被载入至一水平平台。当该水平平台以高速(典型于10毫米/秒(mm/s)与100mm/s之间)平移时，激光束是沿着分离硅晶片顶端或底端表面上所界定的个别半导体晶粒的沟道来撞击顶端表面。于强聚焦的激光束与硅晶片之间的交互作用是将在表面上产生切口(kerf)或沟槽，允许硅晶片沿着沟道干净地做机械式切断。硅晶片上的晶粒接着可以分离且各个晶粒可运用来制造一个装置。实行此硅晶片划线功能的一个范例的***是由本发明的受让人所制造的AccuScribeAS2000FX。此***是运用其谐波频率偏移至UV波长的一种二极管帮浦固态激光以划线发光二极管(LED)硅晶片。
图2是显示一种硅晶片划线***的示意图。一激光20是产生一工作激光束22，其为由激光束光学器件24所成形且指向至一物镜26，物镜26是聚焦工作激光束22至一激光焦点30，该激光焦点30指向至一工件32，工件32于此例中是一硅晶片。物镜26是接附至一支架28，支架28接附至***底座36，***底座36是典型为包括由花岗石或其它的致密材料所作成的大型底板。***底座36支持XY夹头34，XY夹头34牢固地支持工件32。XY夹头34是可程序规划移动该硅晶片在工作激光的下方，随着激光焦点30机械加工来自工件32的材料而形成划线在表面上。支架28、***底座36、与XY夹头34一起运作，在工件32随着XY夹头34移动时仍然保持激光焦点30与工件32的精确的垂直关系，以维持截口的正确尺寸、形状与质量。
为了对硅晶片有效率且均匀地划线，激光束应被聚焦至接近硅晶片顶端表面的一平面。换言之，物镜与硅晶片表面之间的距离具有一最佳值。此是加诸严格的要求于硅晶片表面的平坦度与硅晶片厚度一致性，降低产量且提高成本，除非此等硅晶片是可有效率处理。一蓝宝石硅晶片的平均厚度针对不同硅晶片变动高达10微米，而且在2英寸的硅晶片上，表面平坦度(当安装至一真空夹头时)的变化高达15微米。金属硅晶片表面是即使安装于一真空夹头也可能为变形，且可能在2英寸的硅晶片上具有高达150微米的表面高度差异。为了满足所需，聚焦工作激光束，以在接近硅晶片表面具有10至50微米的一最小光点大小，以将所欲宽度与深度的沟槽划线至硅晶片的表面上。聚焦激光为降至此小光点大小需要一高数值孔径(NA，numerical aperture)透镜以使该束在焦点的上下方迅速去焦。结果，当划线时会希望将激光光点保持于硅晶片顶端表面的±5微米之内或更佳地位于±2微米之内。
对于此问题的一种可能的解决方式是当划线时追踪硅晶片的表面，运用自动聚焦技术以侦测工件与激光焦点之间的关系变化。自动聚焦技术包括被动方法与主动方法。被动方法是运用影像对比以量化离焦量。主动方法需要出自一光源的一光束且运用该光束或影像的位移以量化离焦量。主动方法相较于被动方法快速许多，且当硅晶片安装平台与UV激光束之间的相对速度高于10毫米/秒(mm/s)时，可满足用于追踪自动聚焦的实时要求。一种常用的主动自动聚焦方法由美国专利第6,486,457号所描述，其中，一准直的激光束是离轴式通过物镜且聚焦至接近硅晶片表面的一平面。反射束是接着将通过物镜第二次且为由一位置灵敏侦测器所侦测。硅晶片表面与物镜之间的距离变化将致使反射束偏移，且位置灵敏侦测器将产生正比于偏移的一信号。此信号是可运用以调整硅晶片表面与物镜之间的距离且确保该距离固定，因此实现了追踪式自动聚焦。然而，此方法是具有针对用于LED制造的诸如蓝宝石硅晶片的透明薄硅晶片的有限的捕捉范围，因为来自硅晶片顶端与底端表面的反射均可由位置灵敏侦测器所侦测。若底端表面在不同区域具有不均等的反射率，自动聚焦的准确度将显得不佳。
另一种常用的主动自动聚焦方法的说明可见于美国专利第4,363,962号与第5,361,122号。不采用通过物镜的方式，来自该自动聚焦光源的光束首先运用一额外的透镜投射于硅晶片表面且接着运用另一个额外的透镜进一步投射于一位置灵敏侦测器。光束撞击硅晶片且以一掠射角反射。在这个方法中，物镜、光源、额外的透镜、与位置灵敏侦测器都具有固定相对位置。另外的方法涉及调整硅晶片安装平台或物镜(与接附于其上的其它构件)的高度以确保该硅晶片表面位于物镜的聚焦平面上。美国专利第5,008,705号运用此方法且连同干涉术。美国专利第5,825,469号是通过在硅晶片表面上反射该光束两次来改良此方法的灵敏度。美国专利第5,675,140号是结合此方法与散光透镜法，由Donald K.Cohen、Wing Ho Gee、M.Ludeke、与Julian Lewkowicz于公元1984年应用光学第23期第565-570页的一篇期刊论文“自动聚焦控制：散光透镜法”所描述。此等参考文献未提出特定要求：硅晶片的底端表面在不同位置可具有不同反射率。
维持激光束光点位置与基板表面之间的固定关系进一步的难度是在于：LED与其它电子装置是有时制造于诸如蓝宝石或玻璃基板的透明基板上。由于此等硅晶片的顶端表面是可为透明或半透明且可为平滑或粗糙，此将提供额外的问题。蓝宝石硅晶片的底端表面可能具有图案且在不同位置上反射率可能会有所变化。对于仰赖来自硅晶片的反射以进行测量的现有技术的自动聚焦***，这可能会造成强度会变动的多个信号，这将对***造成混乱且造成较低的测量准确度或阻止该***完全运作。
因此，需要一种随着硅晶片划线实时测量透明或半透明硅晶片的顶端表面位置的方法与设备，其准确侦测半透明与透明硅晶片的表面而没有被来自硅晶片的顶与底表面的变动的反射所混乱。
发明内容
本发明的一个目标是提出一种用于测量由一工作激光束焦点与由工作激光束焦点进行激光加工的一工件之间的位移的方法。本发明的另一个目标是测量一工作激光束焦点与一工件之间的位移，其中，工件是由一透明或半透明材料所作成，诸如：蓝宝石。本发明的另一个目标是实时测量一激光束焦点与一工件之间的位移。
为了改良LED划线***的性能且降低针对于顾客的单位生产成本，运用一种追踪自动聚焦装置以允许一激光划线***在硅晶片水平平移时控制聚焦工作激光束至LED硅晶片表面的物镜与硅晶片表面之间的距离。于本发明的一个实施例，追踪自动聚焦装置是由指向于通过一针孔与聚焦透镜的一准直、极化的激光二极管束所组成。选择足够短的用以测量表面的激光束的波长以利于光点大小足够小以准确测量硅晶片，但是避免了工作激光束或自工作激光束所产生的电浆云所发射辐射的干扰。
激光束是接着通过一棱镜以自垂直线的84与87度之间的一掠射角所指向一硅晶片的顶端表面。此外，配置线性极化的激光束，使得极化平面平行于硅晶片表面(s极化)。掠射角与极化方向的组合致使大多数的激光束能量自硅晶片的顶端表面反射且因而避免了来自透明硅晶片的底表面反射的干扰。此配置亦使得自金属基板的反射为最大，由于s极化波是由金属表面高度反射。
一旦该激光束是由硅晶片的顶表面所反射，其由一棱镜指向一透镜，该透镜是聚焦反射的激光束至一带通滤波器，该带通滤波器滤掉来自工作激光束频率的辐射且让自用以测量表面的激光束的辐射通过。这改良了所得数据的信号噪声比(SNR，signal to noise ratio)。从该处投射至一测量激光束位置的位置灵敏装置(PSD，position sensitive device)。此信息数字化且通过至一控制器，该控制器从在PSD上激光束的位移计算硅晶片的高度。
本发明的一个实施例亦运作以实时计算硅晶片表面的高度，意思是：当工作激光束切削硅晶片的一截口时，可以测量高度。此是允许激光处理***周期式更新硅晶片高度测量。因为耦接于附接至能够实时改变物镜与硅晶片之间位移的支架的控制，当硅晶片为划线时，此实施例能够测量位移与变化。此是允许***划线该等无法划线的硅晶片(由于该等硅晶片不具有无法实时追踪且调整高度的一***所需要的平坦度)，因而提高制造产量。
此外，本发明的一个实施例是投射测量激光束至工件，用以投射比激光光点大小大许多的一椭圆。通过投射激光束通过一圆形针孔且接着为以84至87度的一掠射角投射激光束至工件，激光束形成一椭圆形状在工件上。这平均了比原始光点大小较大面积的反射，因此平均了其由于工件上的污染或未预期的特点所引起的假性反射，因而加强了测量。
附图说明
图1是一种含有电子装置的典型现有技术硅晶片的示意图。
图2是一种现有技术硅晶片划线***的示意图。
图3是一种自动聚焦***的示意图。
图4是一种具有自动聚焦***的硅晶片划线***的示意图。
具体实施方式
如本文将描述的，本发明是解决现有技术的问题，通过运用一已挑选波长的极化、掠射角的激光束以避免自工作激光束或电浆羽的干扰以实时测量工作激光束焦点与工件之间的位移。
图3显示本发明的一个实施例。一准直束42是由一激光二极管40所发射且随后通过一小的圆形孔径或针孔44、一照明透镜46与一棱镜48。针对于此目的所运用的一个范例的激光二极管是由美国加州SantaClara的Coherent公司所制造的0222-002-01，且操作于约1.6毫瓦的一功率及650纳米(nm)的波长。孔径44与透镜46之间的距离、透镜46与硅晶片顶表面50之间的距离约为透镜46的焦距的二倍。该孔径因此成像至其接近硅晶片顶端表面50的一平面。该光束以一掠射角撞击硅晶片顶端表面50；入射角介于84与87度之间。大部分的光束从顶端表面反射且随后通过一棱镜52、一光束收集透镜54、与一带通滤波器56，接着于点74而到达一位置灵敏侦测器(PSD)58。带通滤波器56是于硅晶片划线期间而屏蔽其包括电浆光束发射的周围光束且因此改良信号噪声比(SNR)。激光二极管40是对准以当该束为撞击硅晶片表面时而确保该束为s极化。当硅晶片为薄且透明时运用s极化的光束来提高SNR，因为较少的光束将自硅晶片底端表面反射，因此到达PSD 58的大多数光束将来自顶端表面反射。大的入射角造成于硅晶片表面的一长椭圆束，因此平均了一大面积的反射率。硅晶片表面上的长椭圆光点是亦倾向于最小化使由顶端或底端表面的细微图案或微粒污染所引起的测量误差。硅晶片顶端表面50与透镜54之间的距离、透镜54与PSD 58之间的距离约为透镜54的焦距的二倍。孔径44因此最后成像于PSD 58上。硅晶片安装于一x-y平台(未显示)，而构件40、42、44、46与48(其构成输出部分38)及构件52、54、56、58与60(其构成输入部分51)安装于一z平台。PSD输出连接至一位置感测放大器60，且接着用以连同一控制器(未显示)形成z平台的一伺服回路。硅晶片或光学***或是二者可安装于z平台。
为了最佳的划线结果，可以运用UV物镜的聚焦平面与硅晶片表面之间的有限偏移。检查划线结果以初始化于物镜与硅晶片表面之间的距离。接着调整图3的自动聚焦构件以确保孔径的影像就在位于物镜的下方。接着投射此影像至PSD 58的一点74。若所划线的硅晶片的顶端表面是非平坦，当x-y平台平移时，光束路径将会改变。举例而言，由于硅晶片的平坦度或厚度的变化，于图3的虚线72是当工件50的顶表面为移动至一新位置70的束路径。于此例，于物镜与硅晶片之间的距离是相较于最佳距离为长。激光束是将偏移为远离PSD 58的点74至一新位置76，且PSD 58是产生其为正比于激光束的侧向偏移的一信号。此信号是放大、数字化且传送至z平台控制器以使得z平台为朝向且恢复于物镜与硅晶片表面之间的最佳距离。PSD信号反馈与垂直平台控制器所形成的伺服回路是因此确保的是：在平台平移期间物镜与硅晶片表面之间的距离恒为最佳。这确保了在整个硅晶片上的最佳划线结果。
运用追踪自动聚焦***以助于用于LED制造的划线蓝宝石或金属硅晶片是新颖的。通过运用适当的光束极化、增加一带通滤波器在PSD之前、运用具有稳定输出模式的一激光二极管、运用一适当的孔径尺寸且运用一高分辨率的侧向型式PSD使该***相较于前述的现有技术的***较简单且较强健。如同论述于***说明，运用适当的光束极化且增加一带通滤波器在PSD之前以改良SNR。激光二极管是具有稳定的光束形状。该孔径是成像而非直接射击激光二极管光束在PSD上，故并不需要参考臂。选取激光二极管功率与孔径尺寸以具有到达PSD的足够激光功率，以确保该PSD与放大器在激光LED划线期间运作于最佳条件下。针孔尺寸是亦足够大以投射一足够长的椭圆光点于硅晶片表面，因此平均了在硅晶片的一面积上的PSD信号，避免来自硅晶片顶端表面污物的不良响应。一高分辨率的PSD 58增加了自动聚焦的灵敏度，且硅晶片的双重反射是不必要。运用一种双(Duo-)侧向或四(Tetra-)侧向PSD(来自On-Trak Photonics公司的零件#1L5SP)以取代一种分段式光二极管PSD来简化***对准且将PSD上的自动聚焦捕捉范围从数百微米提高至数毫米。透镜46与透镜54的焦距可为不同。孔径44与透镜46之间的距离、硅晶片表面50与透镜54之间的距离、硅晶片表面50与透镜54之间的距离及透镜54与PSD 58之间的距离不需要精确地为该等透镜焦距的二倍。偏离数毫米将不会影响***的追踪自动聚焦与对准的性能，因此严重性不高。
图4显示一种激光处理***80，该激光处理***80具有附接至一Z轴伺服机构78的自动聚焦输出部分38、输入部分51与物镜26。如上所述，当激光束42侦测工件32与物镜26之间的位移变化，输入部分51就送出一信号至一控制器(未显示)，致使Z轴伺服机构78移动该物镜26、输出部分38、与输入部分51来补偿位移变化且将其恢复至其标称值，因而维持了工作激光焦点30与工件32之间的所欲关系。
通过适当设定由z平台与PSD信号所形成的伺服回路的增益与频宽，自动聚焦响应是能够追踪在一x-y平台速度为70毫米/秒(mm/s)的横跨一2英寸的硅晶片的150微米(μm)的硅晶片表面高度变化。针对于此应用，伺服回路的频宽是～50赫兹(Hz)。借着追踪自动聚焦装置，针对于具有图案于底端表面的2英寸的透明蓝宝石硅晶片，LED划线***是可追踪在硅晶片厚度上5～10微米的变化。针对于此应用，伺服回路的频宽是～5Hz。因为这个频宽，快速局部高度变化是将被忽略且使得该***更为强健。针对较快速的x/y平台速度与不同的表面高度变化，伺服回路因此可最佳化且得到最佳结果。
对于熟悉此技术人士而言，将变得明显的是：可以施加诸多改变本发明的上述实施例的细节而不脱离其根本原理。因此，本发明的范畴应仅由随附申请专利范围所决定。
Claims (15)
1.一种用于量化在激光处理***中激光焦点与工件之间相对位移的改良方法，该激光处理***包括具有一焦点的一工作激光；及一测量激光，该测量激光是产生一测量激光束；及一激光束侦测器，该测量激光束与该激光束侦测器是运作以量化该激光焦点与该工件之间的位移，该工件包括一顶端表面与一底端表面，该改良包含：
设定该测量激光束的极化至一特定极化型式与相关于该工件顶端表面的特定方位；及
以一掠射角指向该测量激光束至该工件，选定该掠射角以最大化反射自该工件顶端表面的测量激光束能量对于反射自该工件的该端底表面且随后为由该激光束侦测器所侦测的测量激光束能量的量的比值；
其中，该工作激光与该测量激光是操作在不同波长；且
其中，当该工件是相关于该激光焦点快速移动，该测量激光束与该激光束侦测器是量化该激光焦点与该工件之间的相对位移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该激光束的该特定极化型式是实质为线性。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该激光束的该特定方位相对于该工件的该顶端表面实质为s极化。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该掠射角是相对于该工件的该顶端表面的一垂线位于约84度与约87度之间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该快速移动是大于约10毫米/秒(mm/s)且小于1000毫米/秒(mm/s)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该测量激光是操作在约700纳米(nm)以下的一波长。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该测量激光束是运用一针孔孔径而为准直。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该测量激光束被带通滤波。
9.一种用于量化在激光处理***中激光焦点与工件之间相对位移的改良设备，该激光处理***包括一工作激光，该工作激光包括一激光焦点；一测量激光，该测量激光是产生一测量激光束；测量激光光学器件及一激光束侦测器，该测量激光束、测量激光光学器件与该激光束侦测器是运作以量化该激光焦点与该工件之间的位移，该工件包括一顶端表面与一底端表面，改良包含：
该测量激光与测量激光光学器件是运作以指向该测量激光束为反射离开该工件且由该激光束侦测器所侦测，且因此量化该激光焦点与该工件之间的相对位移，该激光束具有特定的极化且该激光束是指向以对于该工件的该顶端表面的特定方位撞击该工件的该顶端表面；
该测量激光束是进而以一掠射角指向至该工件，选择该掠射角以最大化反射自该工件的该顶端表面的激光束能量对于反射自该工件的该底端表面且随后由该激光束侦测器所侦测的激光束能量的量的比值；
其中，该工作激光与该测量激光是操作于不同波长；及
其中，当该工件是相对于该激光焦点快速移动，该激光束是指向以反射离开该工件，因此量化该激光焦点与该工件之间的该相对位移。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该激光束的该特定极化型式是实质为线性。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该特定方位是相对于该工件的该顶端表面实质为s极化。
12.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该掠射角是相对于该工件的该顶端表面的一垂线位于约84度与约87度之间。
13.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该移动是位于约10毫米/秒(mm/s)与约1000毫米/秒(mm/s)之间。
14.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该工作激光与该测量激光操作在不同波长。
15.如权利要求9所述的设备，其特征在于，该测量激光是操作在约700纳米(nm)以下的一波长。
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