CN1607383A - 激光仪 - Google Patents
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Abstract
一种激光仪，包括夹持工件的卡盘工作台和对夹持在卡盘工作台上的工件施加激光束的激光束应用装置，其中，所述激光仪进一步包括：探测工件需加工部分的光的光探测装置，并且对所述工件施加有从激光束应用装置发射出的激光束；和用于判断光探测装置的输出值是否落入预定的容许范围的控制装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用激光束对工件执行预定加工的激光仪。
背景技术
在半导体器件的生产过程中，半导体晶片由被称为“轨迹”的分界线划分出多个区，所述分界线以晶格图样布置在基本上盘状的半导体晶片的前表面上，且在每个划分出的区上形成有诸如IC或LSI之类的电路(元件)。通过沿着划分区的轨迹切割所述半导体晶片以将其分成上面形成有电路的区，从而制造单个的半导体芯片。包括层叠于蓝宝石衬底前表面上的氮化镓化合物半导体的光学器件晶片，也被沿轨迹切割而形成单个的光学器件，例如广泛应用于电气设备中的发光二极管或激光器二极管。
通常由称为“切块机”的切割机沿上述半导体晶片或光学器件晶片的轨迹执行切割。所述切割机包括夹持诸如半导体晶片之类的工件或光学器件晶片的卡盘工作台、切割夹持在卡盘工作台上的工件的切割装置、使卡盘工作台和切割装置彼此相对移动的移动装置。所述切割装置具有包括旋转轴的主轴单元、安装在旋转轴上的切割刀片和旋转驱动旋转轴的驱动机构。切割刀片包括盘状座和环形边缘，所述环形边缘安装在盘状座***部分的侧壁上并且通过将直径约为3μm的钻石研磨微粒电铸到盘状座上形成约为20μm的厚度。
由于蓝宝石衬底、金刚砂衬底等等具有高的莫氏硬度，不易于用上述切割刀片进行切割。由于切割刀片的厚度约为20μm，因此用于切分晶片图案的轨迹需要约为50μm的宽度。所以，在晶片图案测量约为300μm×300μm的情况下，轨迹与晶片之间的面积比较大，因此降低了产量。
其间，作为分割诸如半导体晶片之类的层状工件的一种方法，用能够穿过工件的、且其焦点在工件加工区内部的脉冲激光束来分割工件的激光束加工方法例如由JP2002-192367尝试并公开。在使用所述激光束处理技术分割工件的方法中，通过将具有红外线范围的、能够穿过工件的、焦点设置在所述工件的内部以便在工件内部沿所述轨迹连续地形成退化层的脉冲激光束施加到工件的一侧，以及通过沿所述轨迹施加强度已经通过退化层的形成而降低的外力将工件分开。
为了分开内部形成有退化层的工件必定要沿着所述退化层进行，因此退化层应该均匀地暴露于工件的顶面是非常重要的。尽管脉冲激光束的焦点设置在工件顶面预定距离的位置上使得退化层暴露于工件的顶面，但当工件的顶面不平整时，退化层不能均匀地暴露于工件的顶面。在这种情况下，就会产生难于沿着退化层分割工件的加工失败区。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够探测加工失败区的激光仪，在加工失败区内，通过对工件施加激光束而在工件内部形成的退化层未暴露于工件的顶面。
为了达到上述目的，根据本发明提供一种激光仪，它包括夹持工件的卡盘工作台和对夹持在卡盘工作台上的工件施加激光束的激光束应用装置，其中
所述激光仪进一步包括探测工件需加工部分的光的光探测装置，对所述工件施加有来自激光束应用装置发射出的激光束；和用于判断光探测装置的输出值是否落入预定的容许范围的控制装置。
上述光探测装置包括光电二极管，其探测由上述激光束应用装置施加到需加工部分的激光束且将所述激光束漫射光的光强转换为电压值。上述光探测装置具有照明光源和光电二极管，所述照明光源用于将与上述激光束应用装置所施加的激光束波长不同的光施加到需加工部分，所述光电二极管用于探测从照明光源发射出的、施加到需加工部分的光的反射光并将反射光的光强转换为电压值。为了隔绝需加工部分反射光之外的、与激光束应用装置所施加的激光束波长相同的光，优选光探测装置进一步包括滤光器。
优选上述控制装置包括存储装置，当上述光探测装置的输出值不落入预定的容许范围时，所述存储装置用于存储作为失败位置数据的上述光探测装置的输出值。
在本发明中，因为通过判断用于探测需加工部分的光的光探测装置的输出值是否落入预定的容许范围能够确认加工失败，所以能够根据情况执行再加工，或者所述数据能够有效地用于失败分析等等。
附图说明
图1是根据本发明所构成的激光仪的透视图；
图2是示意地示出在图1所示激光仪中设置的激光束应用装置的结构的框图；
图3是说明脉冲激光束焦点直径的原理图；
图4是作为工件的半导体晶片的透视图；
图5(a)和5(b)是显示退化层形成于夹持在图1所示激光仪卡盘工作台上的工件内部的状态的示意图；
图6是显示多层退化层形成于工件内部的状态的示意图；
图7是显示通过图1所示激光仪中设置的光探测装置探测工件加工部分的光的状态的示意图；
图8是显示在图1所示激光仪中设置的光探测装置的输出信号的示意图；和
图9是显示在激光仪中设置的光探测装置的另一实例的框图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述根据本发明优选实施例的激光仪。
图1是根据本发明制造的激光仪的透视图。图1中所示的激光仪包括：固定底座2；夹持工件的卡盘工作台机构3，其以沿箭头X所示的加工送料方向可动的方式安装在固定底座2上；激光束应用单元支持机构4，其以沿箭头Y所示的分度进给方向可动的方式安装在固定底座2上，所述箭头Y所示方向与箭头X所示方向垂直；和激光束应用单元5，其以沿箭头Z所示方向可动的方式安装在激光束应用单元支持机构4上。
上述卡盘工作台机构3包括：安装在固定底座2上、且沿箭头X所示方向彼此平行布置的一对导轨31和31；以沿箭头X所示方向可动的方式安装在导轨31和31上的第一滑块32；以沿箭头Y所示方向可动的方式安装在第一滑块32上的第二滑块33；通过圆柱形件34支撑在第二滑块33上的支撑台35；和作为工件夹持装置的卡盘工作台36。所述卡盘工作台36具有由多孔材料制成的吸盘361，使得作为工件的盘状晶片通过未示出的吸附装置夹持在吸盘361上。卡盘工作台36由安装在圆柱形件34内的脉冲马达(未示出)驱动旋转。
上述第一滑块32在其后表面上具有与上述一对导轨31和31相配合的一对导轨槽321和321，在其前表面上具有沿箭头Y所示方向彼此平行布置的一对导轨322和322。通过将导轨槽321和321分别与所述一对导轨31和31相配合，如上所述构成的第一滑块32沿箭头X所示方向沿导轨31和31能够移动。所述实施例中的卡盘工作台机构3具有加工送料装置37，该加工送料装置37用于沿箭头X所示的加工送料方向沿所述一对导轨31和31移动第一滑块32。加工送料装置37具有平行布置在上述一对导轨31和31之间的外螺纹杆371，和用于旋转驱动外螺纹杆371诸如脉冲马达372之类的驱动源。安装在上述固定底座2上的轴承座373可旋转地支撑外螺纹杆371的一端，另一端通过未示出的减速器与上述脉冲马达372的输出轴相连接。外螺纹杆371拧入形成于内螺纹块(未示出)内的螺纹通孔内，所述内螺纹块从第一滑块32的中心部分后表面伸出。因此，通过采用脉冲马达372沿正向或反向驱动外螺纹杆371，第一滑块32在箭头X所示的加工送料方向上沿导轨31和31移动。
上述第二滑块33在其后表面上具有与位于上述第一滑块32的前表面上的上述一对导轨322和322相配合的一对导轨槽331和331，前表面，并且通过将所述导轨槽331和331分别与所述一对导轨322和322相配合，上述第二滑块33沿箭头Y所示的分度进给方向可动。所述实施例中的卡盘工作台机构3包括第一分度装置38，该第一分度装置38用于沿箭头Y所示分度进给方向沿第一滑块32上的一对导轨322和322移动第二滑块33。第一分度装置38具有平行布置在上述一对导轨322和322之间的外螺纹杆381，和用于旋转驱动外螺纹杆381的诸如脉冲马达382之类的驱动源。固定在上述第一滑块32前表面的轴承座383可旋转地支撑外螺纹杆381的一端，另一端通过未示出的减速器与上述脉冲马达382的输出轴相连接。外螺纹杆381拧入形成于内螺纹块(未示出)内的螺纹通孔内，所述内螺纹块从第二滑块33中心部分的后表面伸出。因此，通过采用脉冲马达382沿正向或反向驱动外螺纹杆381，第二滑块33在箭头Y所示的分度进给方向上沿导轨322和322移动。
上述激光束应用单元支撑机构4包括：安装在固定底座2上的一对导轨41和41，所述导轨41和41沿箭头Y所示的分度进给方向彼此平行地布置；和一可动支撑座42，其以沿箭头Y所示的分度进给方向可动的方式安装在导轨41和41上。该可动支撑座42包括可动安装在导轨41和41上的可动支撑部分421，和安装于可动支撑部分421上的装配部分422。在装配部分422在其一侧面上设置有沿箭头Z所示方向延伸的一对导轨423和423。所述实施例中的激光束应用单元支撑机构4具有第二分度进给装置43，该第二分度进给装置43用于沿箭头Y所示的分度进给方向沿一对导轨41和41移动可动支撑座42。该第二分度进给装置43具有平行布置在上述一对导轨41和41之间的外螺纹杆431，和用于旋转驱动外螺纹杆431的诸如脉冲马达432之类的驱动源。安装在上述固定底座2上的轴承座(未示出)可旋转地支撑外螺纹杆431的一端，另一端通过未示出的减速器与上述脉冲马达432的输出轴相连接。外螺纹杆431拧入形成于内螺纹块(未示出)内的螺纹通孔内，所述内螺纹块从组成可动支撑座42的可动支撑部分421中心部分的后表面伸出。因此，通过采用脉冲马达432沿正向或反向驱动外螺纹杆431，可动支撑座42在箭头Y所示的分度进给方向上沿导轨41和41移动。
所述实施例中的激光束应用单元5包括单元夹具51和固定于单元夹具51上的激光束应用装置52。该单元夹具51具有与上述装配部分422上的一对导轨423和423可滑动地配合的一对导轨槽511和511，且其通过将导轨槽511和511分别与上述一对导轨423和423相配合，以沿箭头Z所示的方向可动的方式被支撑。
所述激光束应用装置52包括固定在上述单元夹具51上、且基本上沿水平方向延伸的圆柱形外壳521。在外壳521内，如图2所示安装有脉冲激光束振荡装置522和透射光学***523。该脉冲激光束振荡装置522由脉冲激光束振荡器522a和与之相连接的重复频率设置装置522b构成，所述脉冲激光束振荡器522a由YAG激光振荡器或YVO4激光振荡器组成。透射光学***523具有适合的光学元件例如分束器等等。由一套公知的透镜组成的、内含聚光透镜(未示出)的聚光器524连接在上述外壳521的一端。
由上述脉冲激光束振荡装置522振荡的激光束通过透射光学***523到达聚光器524，再在预定焦点直径D从聚光器524发射到夹持在卡盘工作台36上的工件上。如图3所示，当具有高斯分布的脉冲激光束穿射聚光器524的物镜524a时，所述焦点直径D用公式D(μm)＝4*λ*f/(π*W)定义(其中λ是脉冲激光束的波长(μm)，W是发射到物镜524a上的脉冲激光束的直径(mm)，f是物镜524a的聚焦距离(mm))。
再次参照图1，图象传感器装置6设置在构成上述激光束应用装置52的外壳521的前端。所述实施例中的上述图象传感器装置6由用红外线辐射工件的红外光照明装置、用于收集通过红外光照明装置施加的红外线辐射的光学***、用于输出对应于光学***收集的红外线辐射的电信号的图象传感器设备(红外CCD)、加上用于收集采用可见光辐射的图象的普通图象传感器设备(CCD)构成。图象信号被传送到控制装置的过程将在后面描述。
实施例中所述的激光束应用单元5包括焦点位置调节装置53，其用于在箭头Z所示方向上沿上述一对导轨423和423移动单元夹具51。焦点位置调节装置53具有布置在导轨423和423之间的外螺纹杆(未示出)，和诸如用于旋转驱动外螺纹杆的脉冲马达532之类的驱动源。通过用脉冲马达532沿正向或反向驱动外螺纹杆(未示出)，单元夹具51和激光束应用装置52沿箭头Z所示方向沿导轨423和423移动。在所述实施例中，激光束应用装置52这样构成：通过正向驱动脉冲马达532上升和通过反向驱动脉冲马达532下降。因此，焦点位置调节装置53能够调节连接在外壳521一端的聚光器524所射出的激光束的焦点位置。
本实施例中所述的激光仪具有光探测装置7，用于探测卡盘工作台36上所夹持的工件的加工部分的光，并且激光束通过上述激光束应用装置52施加到该工件上。本实施例中所述的光探测装置7具有连接在上述聚光器524上的光电二极管71，探测工件加工部分的扩散光，并将对应于扩散光强度的探测信号作为电压信号传送到后面将要描述的控制装置8。所述控制装置8由计算机构成，所述计算机包括：基于控制程序执行算术处理的中央处理器(CPU)81、用于存储控制程序等的只读存储器(ROM)82、用于存储运算结果的随机存贮器(RAM)83、输入接口84和输出接口85。光电二极管71和图象传感器装置6发出的探测信号施加到如上所述构成的控制装置8的输入接口84。控制信号从输出接口85输出到上述脉冲马达372、脉冲马达382、脉冲马达432、脉冲马达532、激光束应用装置52、显示装置9，等等。
本实施例中所述的激光仪如上所述构成，用所述激光仪加工如图4中所示的半导体晶片10的操作将在下文中进行描述。
如图4中所示的半导体晶片10，由形成于半导体晶片例如硅晶片的前表面10a上的晶格图样内的多个轨迹101分成多个区，且电路102例如IC或LSI形成于所划分出的每个区内。如上所述构成的半导体晶片10具有粘贴在晶片前表面10a上的保护带11，且该半导体晶片10以后表面10b面朝上的方式被放置、吸附在卡盘工作台36上。吸附着半导体晶片10的卡盘工作台36通过加工送料装置37的操作，沿导轨31和31移动到安装在激光束应用单元5上的图象传感器装置6正下方的位置。
在卡盘工作台36定位于图象传感器装置6正下方之后，用于探测半导体晶片10的由激光束进行加工的加工区的对准工作由图象传感器装置6和控制装置8执行。即，图象传感器装置6和控制装置8执行图象处理，该图象处理例如为了沿轨迹101发射激光束，使形成于半导体晶片10的预定方向的轨迹101与激光束应用单元5的聚光器524对齐相匹配的图案，从而执行激光束应用位置的对准工作。也在形成于半导体晶片10上的轨迹101上执行激光束应用位置的对准，且沿上述预定方向的垂直方向延伸。这里，当图象传感器装置6包括红外线照明装置、用于收集红外线辐射的光学***和用于输出对应于如上所述的红外线辐射的电信号的图象传感器设备(红外线CCD)的时候，尽管其上形成轨迹101的半导体晶片10的前表面10a正面朝下，但轨迹101的图象能够从后表面10b获得。
在探测形成于卡盘工作台36所夹持的半导体晶片10上的轨迹101和如上所述执行激光束应用位置对准之后，卡盘工作台36移动到激光束应用范围内，在此范围内定位应用激光束的激光束应用装置52的聚光器524，将预定的轨迹101的一端(在图5(a)中是左端)放到如图5(a)中所示激光束应用装置52的聚光器524正下方的位置。当从聚光器524发射的、能够贯穿半导体晶片10的脉冲激光束被施加时，卡盘工作台36，也即半导体晶片10沿图5(a)中的箭头X1所示方向以预定的送料速度移动。当激光束应用装置52的聚光器524的应用位置到达如图5(b)中所示的轨迹101的另一端(在图5(a)中是右端)时，中止脉冲激光束的应用，且卡盘工作台36的运动即半导体晶片10的运动停止。在此激光束应用步骤中，通过将脉冲激光束的焦点P设置在晶片10的前表面10a(底面)的附近，退化层110从前表面10a(底面)向内部形成。
上述激光束应用步骤的工艺条件如下设定，例如：
光源：Nd：YVO4脉冲激光器
波长：1,064nm
脉冲能量：40μJ
重复频率：100kHz
脉冲宽度：25ns
焦点直径：1μm
焦点峰值功率密度：2.0×10E11 W/cm2
加工送料速度：100mm/sec
当半导体晶片较厚时，通过逐步改变焦点P形成多个如图6中所示的退化层110a、110b、110c和110d来几次执行上述激光束应用步骤。虽然在所述实施例中，最上面的退化层110d以使其暴露于半导体晶片10的后表面10b(顶面)的方式设置，但当后表面10b(顶面)有波动且因此半导体晶片10的厚度改变时，如图6所示，产生最上面的退化层110d未暴露于半导体晶片10的后表面10b(顶面)的区F1和F2。当具有退化层未暴露于顶面这样的区时，难于沿退化层分开半导体晶片10。
如下本实施例中的激光仪探测区F1和F2的存在，在该区F1和F2中上述退化层未暴露于所述顶面。
即，在所示实施例的激光仪中，如图7所示，通过连接在聚光器524上的光探测装置7的光电二极管71探测需要加工部分111(施加激光束的半导体晶片10的顶面)的光。所述光电二极管71探测通过激光束应用装置52施加到需要加工部分111的激光束(加工激光束)，将其扩散光的强度转换为电压值，并将其作为电压信号传送到控制装置8(参见图1)。图8显示了从光电二极管71输出的电压信号。图8显示了在预定Y坐标值(Y-n)的X坐标数据。横坐标轴显示X坐标，纵坐标轴是从光电二极管71输出的电压值(V)。当卡盘工作台36从预定标准位置沿加工送料方向移动时，在施加到加工送料装置37的脉冲马达372的脉冲数的基础上，能够得到X坐标；当卡盘工作台36从预定标准位置沿分度进给方向移动时，在施加到第一分度进给装置38的脉冲马达382或施加到第二分度进给装置43的脉冲马达432的脉冲数的基础上，能够得到Y坐标值。在图8中，对应于加工部分的光强度的电压值的范围是5到6V(容许范围)，在该加工部分内退化层暴露于半导体晶片10的顶面。当退化层未暴露于半导体晶片10的顶面时，从光电二极管71输出的电压值降低。即，如图8中的S1和S2所示，对应于如图6中的F1和F2所示的区的、从光电二极管71输出的电压值降低。
如上所述，如图8中所示的接收光电二极管71的输出信号的控制装置8将在预定Y坐标值(Y-n)的X坐标数据暂时存储在随机存储器(RAM)83中。在形成于半导体晶片10上的全部轨迹101上执行上述工作，且将所获得的数据暂时存储在随机存储器(RAM)83中。在退化层沿半导体晶片10的全部轨迹101形成的情况下，具有在随机存储器(RAM)83中暂时存储的数据的控制装置8判断在结果数据中是否存在电压数据低于(或高于)上述容许范围的数据，且如果有这样的反常数据存在，控制装置8进一步判断是否产生退化层未暴露于半导体晶片10的顶面的区，且这样判断出的数据作为失败位置数据存储在作为存储装置的随机存储器(RAM)83的存储区中。然后，控制装置8根据需要在显示装置9上显示此失败位置数据。在所述的激光仪中，由于应用激光束加工的半导体晶片10的失败位置能够由上述失败位置数据予以确认，根据情况能够执行再加工或者所述数据能够有效地用于失败分析。。
接着参照图9给出用于探测需加工部分的光的光探测装置7的另一实例的说明。
图9中所示的光探测装置7施加波长不同于从照明光源发射到需加工部分的、加工激光束的波长的光，且通过光电二极管71探测其反射光。即，图9中所示的光探测装置7包括***在图2中所示的激光束应用装置52的透射光学***523和聚光器524之间的第一单向***72、照明光源73、用于反射从照明光源射向第一单向***72的光的第二单向***74、***在第二单向***74和光电二极管71之间的成像透镜75和滤光器76。上述照明光源73例如是这样的激光器二极管：其所施加的激光束的波长不同于激光束应用装置52施加的激光束(加工激光束)的波长。照明光源73发射的光可是可视光或波长约为0.8μm的近红外光。上述成像透镜75不是始终必需的，但当具有它时，能够以较高的探测放大率探测需加工部分111。上述滤光器76具有隔绝与用于加工的激光束波长相同的光的作用。
图9中所示的光探测装置7如上所述构成，其作用将在下文中予以描述。从激光束应用装置52的透射光学***523发射出的、焦点在半导体晶片10内部的激光束(加工激光束)穿过第一单向***72和聚光器524施加到作为工件的半导体晶片10上。结果，如上所述，退化层110形成于半导体晶片10的内部。如双点划线所示，从加工部分(半导体晶片10的顶面，其上施加用于加工的激光束)反射所述该加工激光束，通过过聚光器524、第一单向***72、第二单向***74和成像透镜75到达滤光器76。由于滤光器76隔绝与用于加工的激光束波长相同的光，用于加工的激光束的反射光不会到达光电二极管71。同时，如实线所示，由激光器二极管组成的照明光源73发射的、与用于加工的激光束波长不同的、用于照明的激光束，通过第二单向***74、第一单向***72和聚光器524施加到作为工件的半导体晶片10的需要激光加工的部分111上。如虚线所示，施加到半导体晶片10的需要激光加工的部分111上的、用于照明的激光束的反射光通过聚光器524、第一单向***72、第二单向***74、成像透镜75和滤光器76到达光电二极管71。结果，光电二极管71输出仅仅与从照明光源73发射出的、用于照明的激光束的反射光的光强相对应的电压值。
Claims (5)
1.一种激光仪，包括夹持工件的卡盘工作台和对夹持在卡盘工作台上的工件施加激光束的激光束应用装置，其中，
所述激光仪进一步包括：用于探测工件需加工部分的光的光探测装置，其中对所述工件施加有从激光束应用装置发射出的激光束；和用于判断光探测装置的输出值是否落入预定的容许范围的控制装置。
2.根据权利要求1所述的激光仪，其中，光探测装置包括光电二极管，所述光电二极管探测由上述激光束应用装置施加到需加工部分的激光束，且将所述激光束漫射光的光强转换为电压值。
3.根据权利要求1所述的激光仪，其中，光探测装置具有照明光源和光电二极管，所述照明光源用于将与激光束应用装置所施加的激光束的波长不同的光施加到需加工部分，所述光电二极管用于探测从照明光源发射出的、施加到需加工部分的光的反射光，并将反射光的光强转换为电压值。
4.根据权利要求3所述的激光仪，其中，光探测装置进一步包括滤光器，所述滤光器用于隔绝需加工部分反射光之外的、与激光束应用装置所施加的激光束波长相同的光。
5.根据权利要求1所述的激光仪，其中，控制装置包括存储装置，当光探测装置的输出值不落入预定的容许范围时，所述存储装置用于存储作为失败位置数据的光探测装置的输出值。
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