CN109848573A - 一种激光切割装置 - Google Patents

Abstract

一种激光切割装置，包括激光器用于发出激光光束，并传输到激光精密切割头中对工件进行多层激光切割，聚焦镜安装在所述激光精密切割头中，激光光束通过所述衍射光学镜片模块在工件内形成切割焦点，其中后一层的切割焦点的起始位置与前一层切割焦点的起始位置在垂直方向上不重合。本发明的激光切割装置对于工件无热影响区，无崩边。

Description

一种激光切割装置

技术领域

本发明属于半导体材料或高硬高脆材料激光切割技术领域，涉及一种高精度的激光切割装置，尤其适用于对所应用激光波长透明的材料，工件较厚，且要求无热影响区，无崩边的激光切划，尤其是对直线度要求高，对热敏感的高脆材料，晶圆上有多种不同尺寸的芯片，需要激光内部切割后直接扩片的晶圆切割。

背景技术

随着科学技术的进步和发展，激光已经作为一种工具应用在各行各业。由于激光的高亮度高强度的特性，且激光光斑的尺寸可以通过聚焦镜聚焦到微米量级，因此激光加工技术在有着高精度加工要求的行业中备受青睐，尤其是对于陶瓷、单晶硅和蓝宝石等高、硬、脆难以加工的切割技术中，激光加工技术尤为受欢迎。

以半导体行业为例，晶圆的切片工艺是后道装配工艺中的第一步。该工艺将晶圆分成单个的芯片，用于随后的芯片键合、引线键合和测试工艺。当芯片尺寸越来越小，集成度越来越高，传统的机械切片技术产能下降，破片率上升，产生的废品率增加。在这种情况下，激光切割技术得以显现优势。由于激光属于无接触式加工，不对晶圆产生机械应力的作用，对晶圆损伤较小。因此激光晶圆切片技术得到大力的发展。

虽然，激光这个技术在很大程度上缓解了上述缺陷，然而在激光技术使用时，其热影响区过大及熔渣喷溅污染的问题仍未妥善解决，这些缺点足以影响或破坏芯片的性能，特别是透明材料，对熔渣污染问题尤为明显。特别是对高硬高脆材料进行传统激光加工后，裂片崩边问题尤为明显。无论是市面上已经使用的线光斑激光内切还是点光斑多层切割，在裂片过程中，如果切割能量过大，切割直线度和表面崩边数值会很大，直接影响芯片质量；如果切割能量过小，那么裂片工艺会变得复杂，会使用专用的设备，即使这样也不能保证较高的直线度和崩边指标，尤其是针对一个晶圆上有多种尺寸的芯片，传统工艺要通过多次倒膜裂片才能实现晶圆扩片，使用此方法既保证切割质量精度要求，又可以方便快捷扩片。

发明内容

为了解决对于激光波长透明的基底材料，在常规的激光切割划片技术中出现的热影响区过大及熔渣喷溅污染的问题，裂片时崩边问题，直线度差问题，扩片难度大等问题，本发明提出一种激光切割装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：本发明提供一种激光切割装置，包括激光器，用于发出激光光束；激光精密切割头，所述的激光器发出的激光光束传输到激光精密切割头中，用对于工件进行多层激光切割；聚焦镜，安装在所述激光精密切割头中；衍射光学镜片模块，所述的激光光束通过所述衍射光学镜片模块及所述聚焦透镜在工件内部形成切割焦点，其中后一层的切割焦点的起始位置与前一层切割焦点的起始位置在垂直方向上不重合。

本发明的激光切割装置中，所述的激光光束通过所述衍射光学镜片模块和聚焦镜后，在所述工件内形成焦点。

本发明的激光切割装置中，第二层的切割焦点的起点位于第一层的切割焦点起始点与下一切割焦点之间，第三层的切割焦点的起始点位于第一层的切割焦点起始点与第二层的切割焦点起始点之间。第四层的切割焦点的起始点位于第一层的切割焦点起始点之前。第四层的切割焦点的起始点的下一切割焦点位于第一层的切割焦点起始点的下一点与第二层切割焦点的起始点之间。

本发明的激光切割装置中，每一层的所述的切割焦点的光斑的起点根据切割道位置的不同而设定。

本发明的激光切割装置中，根据所述激光器的频率，调整所述工件水平方向运动的速度，以便使同一面上相邻光斑具有一定的间距。

本发明的激光切割装置中，所述的衍射光学镜片模块可以是微阵列透镜或自适应镜片。

本发明的激光切割装置中，所述的衍射光学镜片模块由多个衍射光学镜片组成。

本发明的激光切割装置中，所述的多层激光切割是一次形成或者逐层形成。

本发明的激光切割装置影响区域小，无熔渣喷溅污染的激光切割装置，成品率高，生产效率相对现有技术大幅提高。在工件内部形成切割道。根据材料厚度的不同，切割道的数量会随着厚度的增加而增加。

附图说明

图1为本发明的激光切割装置示意图；

图2为本发明的激光切割装置多层切割完成后，工件内部形成的激光作用运动轨迹示意图；

图3为本发明的激光切割装置多层切割时通过衍射镜片模块形成4个激光焦点的分布及加工示意图；

图4为逐层切割，每层的激光焦点不同起点的加工示意图；

图中各标记的含义如下：

1：激光器；

2：光路；

3：45度反射镜；

4：衍射镜片模块，4a、4b、4c和4d分别为不同的衍射镜片；

5：精密激光切割头；

6：聚焦镜；

7：工件；

8：聚焦点；

9：CCD相机；

10：激光光束；

M：工件的运动；

D：聚焦点之间的水平距离；

d1、d2、d3：分别为衍射镜片形成四个焦点的水平距离

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述：

图1表示本发明所述的激光切割装置示意图，其组成如下：光路2将激光器1发出的激光光束10进过45度反射镜3改变方向，将激光束10导向激光精密切割头5中；通过衍射光学镜片模块4和聚焦镜6后的激光光束10在工件7的内部形成一组聚焦点8，即切割焦点；当工件7相对于激光光束10运动M时，激光在内部同时作用；通过调整运动M的速度和激光器频率进行匹配使聚焦点有一定的光斑间隔，当需要不同的切割层数或切割间隔时，可以通过选择衍射镜片模块4对应的衍射镜片来实现。其中，不同层之间的激光聚焦点在工件7的运动M的竖直方向不重合。以工件7切割的激光光束10的起始位置的聚焦点为例，后一层的切割焦点的起始位置与前一层切割焦点的起始位置在垂直方向上不重合，CCD相机9用于对工件上的切割位置进行识别定位。

本发明的衍射镜片模块4可以是单一功能的衍射镜片，也可以是多规格衍射镜片4a、、4b、4c和4d组成，每一衍射镜片能够独立构成一种聚焦切割焦点，从而适应不同的聚焦切割要求，减少了零部件数目，提高了零部件更换的效率。激光器发出的激光光束通过衍射光学镜片模块和聚焦镜后，在工件内部形成一个或多个不同高度的焦点，通过选择不同的衍射光学镜片，从而对应不同的聚焦点位置和聚焦点能量。

图2是激光作用在工件内所形成的聚焦点的示意图，图中列举了一种具有一定厚度的材料的切割时的内部切割焦点分布示意图，以形成4层切割为例，需要在工件内部切割形成4层切割道，本实施例中，每个切割道内的切割焦点间距以8微米为例，水平方向上相邻聚焦点之间的距离D由相对运动的速度和激光器频率所决定。

图3本发明的另一实施例，示出了切割过程中，工件7运动，激光脉冲发出形成切割道的过程。如图所示的衍射镜片模块4形成四个切割焦点为例，当设定最上面一道(第四道)起点为相对零点，那么第一道起点d1为正2微米，第二道起点d3为正6微米，第三道起点d2为正4微米。这4个光斑的位置关系可以通过衍射镜片一次整形实现，也可以一层层切割，定义第一个切割点的位置坐标实现。

本发明的激光切割装置中，工件7放置好后，CCD相机9对工件7上的切割位置进行自动识别定位后，发出信号使激光器1出光；激光器1发出的激光光束10通过衍射光学镜片模块4和聚焦镜6后，在工件7内形成聚焦点8；工件7相对激光光束10进行水平方向运动M，相邻聚焦点之间的水平距离D由水平方向运动速度和激光频率确定，当运动M完成后，在工件内和中间形成多层切割道爆点；由于仅在聚焦点8处的激光能量才足以破坏工件材料，远离聚焦点8的位置不会受到激光的破坏作用。由于切割过程中每一层的爆点都不在上一层的爆点垂直位置，取在了上一道爆点1和爆点2的中间位置，这样有几点优点：1、不同层之间的爆点不在同一个垂直方向，这样瞬间的热应力不会叠加过多，导致崩边。2、不同层之间的爆点不在同一个垂直方向，使加工过程中本层爆点不会落在上一层爆点的微裂纹中，使爆点失去应有的作用。3、不同层之间的爆点不在同一个垂直方向，可以增加切割层数，增加爆点数量，直接采用扩片机实现一次裂片。

如图1所示，本发明的聚焦点8为定制光斑，聚焦点8作用在工件7上时，聚焦点8的光斑范围分别形成4个高度和水平位置不同的聚焦点由此导致工件更容易裂片。提高产品的裂片效果。

本发明的激光切割装置中，对切割道的起点有所要求。如果是单一光斑逐层切割，如图4，要求第二道8b的起点光斑落在第一个切割道8a的两个聚焦点之间，第三道8c起点光斑落在第一道起点和第二道起点的中间，第四道8d的起点落在第一道起点前四分之一间距位置(相当于第四道的第二个点落在第三道)。这里所说的起点的位置，是指加工起点X轴方向的位置，而z向位置，各切割道的高度，是根据被切割材料厚度设定。

需要说明的是，无论是一次形成多层切割还是逐层形成多层切割，不同高度和水平位置的切割焦点都是位于同一竖直面内，即工件M运动方向的同一组所有切划道均位于同一竖直面内。并且在本申请中的切割焦点的位置均是举例说明，在实际加工中所有切割道内的切割焦点均是连续的，以相对一组的切割焦点满足本申请的切割焦点位置关系即可。

本发明的激光切割装置中，激光器1的选择与工件7的材料有关，要求所选激光器1的波长对工件7能够透射，能使激光光束10透过工件7，在工件的表面内也形成聚焦点。激光器的波长范围在200nm到2000nm，脉宽范围在10fs到200ns。对激光器的能量有所要求，要求内部形成的焦点处，激光光束的能量密度恰好能够破坏工件材料，形成内部爆裂。

本发明的激光切割装置中，聚焦点的位置和能量对应于不同的衍射光学镜片和聚焦镜。根据实际工件的厚度，选择不同的衍射光学镜片和聚焦镜，使多个焦点位于工件内部。激光器发出的激光光束通过衍射光学镜片和聚焦镜后，在工件内部形成一个或多个不同高度的焦点，平台运动带动晶圆，使激光在材料内部形成一条或多条切割道，此切割道是由很多的间隔均匀的激光爆点形成。

以上实施方式仅是为说明本发明的技术方案而做的具体说明，并不用于限定本发明的具体保护范围，本发明也可以为3道5道或者更多道，本发明的重点是每一条的切割道的爆点都不在同一条垂直线上，这样可以避免切割能量过大，爆点应力裂纹重叠导致表面背面崩边等问题。本发明还可以在保证切割质量的同时，提高激光内切形成爆点的面积，更有利于晶圆扩片。

本发明上述实施例中的衍射光学镜片也可以是微阵列透镜，或者也可以是自适应镜片，或其他本领域所知的实现相同作用的结构。

需要强调的是，这种激光切割装置并未做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质进行的简单修改，等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种激光切割装置，包括

一激光器，用于发出激光光束；

一激光精密切割头，所述的激光器发出的激光光束传输到激光精密切割头中，用对于工件进行多层激光切割；

一个聚焦镜，安装在所述激光精密切割头中；

一衍射光学镜片模块，所述的激光光束通过所述衍射光学镜片模块及所述聚焦镜在工件内部形成切割焦点，其中后一层的切割焦点的起始位置与前一层切割焦点的起始位置在垂直方向上不重合。

2.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于：第二层的切割焦点的起点位于第一层的切割焦点起始点与下一切割焦点之间。

3.如权利要求2所述的激光切割装置，其特征在于：第三层的切割焦点的起始点位于第一层的切割焦点起始点与第二层的切割焦点起始点之间。

4.如权利要求3所述的激光切割装置，其特征在于：第四层的切割焦点的起始点位于第一层的切割焦点起始点之前。

5.如权利要求4所述的激光切割装置，其特征在于：第四层的切割焦点的起始点的下一切割焦点位于第一层的切割焦点起始点的下一点与第二层切割焦点的起始点之间。

6.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于：每一层的所述的切割焦点的光斑的起点根据切割道位置的不同而设定。

7.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于：根据所述激光器的频率，调整所述工件水平方向运动的速度，以便使同一面上相邻光斑具有一定的间距。

8.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于：所述的衍射光学镜片模块可以是微阵列透镜或自适应镜片。

9.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于：所述的衍射光学镜片模块由多个衍射光学镜片组成。

10.如权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于：所述的多层激光切割是一次形成或者逐层形成。