使一工件中具有延伸深度虛飾的激光切割的制作方法
【專利摘要】用于激光切割的系統(tǒng)及方法借助以下方式于一基板或工件中提供延伸深度虛飾：聚焦一激光光束，而使該光束利用一波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)進(jìn)入該工件中，以沿一延伸至該工件內(nèi)的通道造成內(nèi)部晶體損傷?？衫貌煌墓鈱W(xué)效應(yīng)來促進(jìn)波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)，例如工件材料中的多光子吸收、工件材料的透明度、以及聚焦激光的像差。激光光束可具有一波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、及脈波能量，例如以透射過該材料并在該材料中提供多光子吸收。亦可使用一具有像差的聚焦激光光束來提供足以將有效景深(DOF)延伸進(jìn)入該工件內(nèi)的一縱向球面像差范圍。
【專利說明】使一工件中具有延伸深度虛飾的激光切割
[0001]【相關(guān)申請(qǐng)案的交叉申請(qǐng)】
[0002]本申請(qǐng)案是于2010年12月7日提出申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)案第12/962，050號(hào)的一部分接續(xù)申請(qǐng)案，該美國(guó)專利申請(qǐng)案主張于2009年12月7日提出申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案第61/267，190號(hào)的權(quán)利，該美國(guó)專利申請(qǐng)案及該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案以引用方式并入本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明是關(guān)于激光加工，更具體而言，是關(guān)于使一工件中具有延伸深度虛飾的激光切割。

【背景技術(shù)】
[0004]激光通常用于切割或劃刻一工件(例如一基板或半導(dǎo)體晶圓)。例如在半導(dǎo)體制造中，一激光常常用于切割一半導(dǎo)體晶圓的工藝，而使由該半導(dǎo)體晶圓制成的各個(gè)器件(或晶粒)彼此分離。晶圓上的各晶粒是借助隔道(street)而被隔開，且可使用激光沿隔道切割該晶圓。可使用一激光完全切斷晶圓，或不完全切斷晶圓并借助在穿孔點(diǎn)處斷開晶圓而將晶圓的剩余部分分開。例如當(dāng)制造發(fā)光二極管(light emitting d1de ；LED)時(shí)，晶圓上的各個(gè)晶粒對(duì)應(yīng)于LED。
[0005]隨著半導(dǎo)體器件的尺寸日益減小，可在單個(gè)晶圓上制成的此等器件的數(shù)目增多。每個(gè)晶圓的器件密度增大會(huì)增大產(chǎn)量并相似地降低制造每一器件的成本。為增大此密度，期望盡可能緊密地制造此等器件。半導(dǎo)體晶圓上的器件定位越緊密，各器件間的隔道便越窄。因此，激光光束被精確地定位于更窄的隔道內(nèi)且應(yīng)在對(duì)器件造成最小損傷或不造成損傷的條件下切割晶圓。
[0006]根據(jù)一種技術(shù)，一激光可被聚焦至基板或晶圓的一表面上以燒蝕材料并達(dá)成一局部切割。激光切割可對(duì)一半導(dǎo)體晶圓執(zhí)行，例如，對(duì)晶圓的上面形成有器件的正面執(zhí)行(被稱為正面切割(front-side scribing ;FSS)),或?qū)A的背面執(zhí)行(被稱為背面切割(back-side scribing ;BSS))。盡管該等技術(shù)有效,然而其亦具有缺點(diǎn)。該二工藝常常會(huì)導(dǎo)致大量碎屑產(chǎn)生且常常需要進(jìn)行涂覆及沖洗工藝以除去或減少碎屑。背面切割常常使用一更寬的切口及更寬的熱影響區(qū)(heat affected zone ;HAZ),此會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱,進(jìn)而可造成外延損傷及光損失。
[0007]根據(jù)另一種常常被稱為隱形切割(stealth scribing)的技術(shù)，可借助一高數(shù)值孔徑(numerical aperture ；NA)透鏡(例如，ΝΑ>0.8)將一激光聚焦于一晶圓內(nèi)部，以于材料內(nèi)引起多光子吸收。高NA透鏡提供一非常短的工作距離及非常小的景深(depth of field ；D0F)。此種工藝亦具有若干缺點(diǎn)。具體而言，隱形切割可能會(huì)限制晶圓的厚度，可能難以在翹曲的晶圓上執(zhí)行，且在較厚晶圓上執(zhí)行時(shí)可能要慢得多，乃因可能需要若干遍才能達(dá)成分離。隱形切割亦在晶圓的表面上提供一相對(duì)較大的光點(diǎn)大小(spot size)，此可妨礙在各晶粒間的狹窄隔道中執(zhí)行正面切割或要求每一晶圓上具有更少的晶粒。因無法在晶圓內(nèi)部獲得所期望的焦點(diǎn)，隱形切割技術(shù)亦在加工具有DBR或金屬反射膜的晶圓時(shí)存在問題。隱形切割亦需要昂貴的透鏡及嚴(yán)格的焦點(diǎn)公差，且隱形切割設(shè)備通常具有更高的裝備成本及年度維護(hù)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]在結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說明之后，將更佳地理解本發(fā)明的該等及其他特征及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中:
[0009]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例使一工件中具有延伸深度虛飾的一激光切割系統(tǒng)的一示意圖；
[0010]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一聚焦透鏡的一示意圖，該聚焦透鏡用于聚焦一激光光束且使球面像差位于一衍射受限區(qū)域之外；
[0011]圖3A為一透鏡提供無球面像差的一近軸聚焦激光光束的一示意圖；
[0012]圖3B為一透鏡被過度充填而超出一衍射受限區(qū)域以提供一具有像差的聚焦激光光束的一示意圖，該激光光束具有足以將景深延伸進(jìn)入一工件中的一縱向球面像差范圍以及一受限的橫向球面像差范圍；
[0013]圖3C為一透鏡被過度充填而進(jìn)一步超出一衍射受限區(qū)域以提供一具有像差的聚焦激光光束的一示意圖，該激光光束具有一更大縱向及橫向球面像差范圍；
[0014]圖4A至圖4C為一具有像差的聚焦激光光束相對(duì)于一工件的一表面位于不同焦點(diǎn)偏移位置的不意圖；
[0015]圖5A至圖為一聚焦激光光束以不同焦點(diǎn)偏移量及不同球面像差量自一具有60毫米(mm)焦距的三元透鏡進(jìn)入250微米厚的藍(lán)寶石的示意圖；
[0016]圖6A至圖6D為一聚焦激光光束以不同焦點(diǎn)偏移量及不同球面像差量自一具有54毫米焦距的二元透鏡進(jìn)入250微米厚的藍(lán)寶石的示意圖；
[0017]圖7A至圖7D為一聚焦激光光束以不同焦點(diǎn)偏移量及不同球面像差量自一具有25毫米焦距的三元透鏡進(jìn)入120微米厚的藍(lán)寶石的示意圖；
[0018]圖8為顯示一藍(lán)寶石基板的一表面的一照片，該表面具有一系列燒蝕孔，該等燒蝕孔是借助根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種方法而形成；
[0019]圖9為顯不一藍(lán)寶石基板的一側(cè)的一照片，該側(cè)具有自燒蝕孔延伸的一系列延伸虛飾，該等延伸虛飾是借助根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種方法形成；
[0020]圖1OA及圖1OB為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例具有一工件定位臺(tái)的一激光加工系統(tǒng)的不意圖，該工件定位臺(tái)分別位于一對(duì)齊位置及激光加工位置；
[0021]圖11為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的背面切割的一側(cè)視不意圖,其中一激光光束與一半導(dǎo)體晶圓上的隔道進(jìn)行相對(duì)側(cè)對(duì)齊；
[0022]圖12A及圖12B為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙面切割的側(cè)視不意圖,其中一激光光束與一較淺的背面劃痕進(jìn)行相對(duì)側(cè)對(duì)齊；以及
[0023]圖13為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一用于以延伸深度虛飾及一細(xì)長(zhǎng)光束光點(diǎn)進(jìn)行切割的激光切割系統(tǒng)的一不意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于激光切割的系統(tǒng)及方法借助以下方式在一基板或工件中提供延伸深度虛飾:聚焦一激光光束，而使該光束利用一波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)而進(jìn)入該工件中，以沿一延伸至該工件中的通道造成內(nèi)部晶體損傷?？衫貌煌墓鈱W(xué)效應(yīng)(例如，工件材料中的多光子吸收、工件材料的透明度、以及聚焦激光光束的光學(xué)像差)來促進(jìn)波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)。該激光光束可具有一波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、及脈波能量，例如以至少部分地透射過材料并在材料中提供多光子吸收。亦可使用一具有像差的聚焦激光光束來提供足以將有效景深(cbpth of field ；D0F)延伸進(jìn)入工件中的一縱向球面像差范圍。
[0025]產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割可用于切割工件(例如基板或半導(dǎo)體晶圓)，例如以使晶粒分離。根據(jù)一種應(yīng)用，本文所述的激光加工系統(tǒng)及方法可用于加工半導(dǎo)體晶圓，以分離用于形成發(fā)光二極管(light emitting d1de ；LED)的晶粒。產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割可用于對(duì)不同厚度的半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行背面切割及/或正面切割。可借助選擇能使得至少部分地透射過材料并在材料中產(chǎn)生多光子吸收的激光參數(shù)及光學(xué)參數(shù)而以延伸深度虛飾切割不同材料。具體而言，本文所述的方法可用于切割藍(lán)寶石、硅、玻璃、及其他能夠使一激光光束至少部分地穿透材料并同時(shí)被充分吸收以造成晶體損傷的基板或材料。產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割亦可較佳地用于例如具有不透明涂層的工件上，乃因一初始燒蝕可切透該不透明涂層。
[0026]本文所用術(shù)語“加工”是指任何使用激光能量改變一工件的動(dòng)作，且“切割”是指借助在工件上掃描激光而加工一工件的動(dòng)作。加工可包含但不限于工件表面的材料燒蝕及/或工件內(nèi)部的材料晶體損傷。切割可包含一系列燒蝕或晶體受損區(qū)域而無需連續(xù)的一行燒蝕或晶體損傷。本文所用術(shù)語“延伸深度虛飾”是指由于激光能量以及工件內(nèi)光子與材料的交互作用而沿一在工件內(nèi)部延伸的通道發(fā)生的晶體損傷。
[0027]產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割可燒蝕材料的一外部并隨后將光束聚焦于內(nèi)部以引起內(nèi)部破裂或晶體損傷(即，延伸深度虛飾)，進(jìn)而導(dǎo)致或促進(jìn)切割或切塊(dicing)，例如以使晶圓晶粒分離。初始燒蝕可引起折射率改變，此會(huì)促進(jìn)使激光進(jìn)入切口的波導(dǎo)或自聚焦效應(yīng)，以在材料晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一匯聚，進(jìn)而有效地將高電場(chǎng)能聚焦至一點(diǎn)而使此點(diǎn)處發(fā)生晶體損傷。可將激光參數(shù)最佳化以提供一清潔的燒蝕(即，具有最少碎屑)，進(jìn)而促進(jìn)自聚焦效應(yīng)，以下將更詳細(xì)地闡述。在其他實(shí)施例中，產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割亦可在不燒蝕工件表面的情況下執(zhí)行。
[0028]可借助調(diào)整激光參數(shù)(例如，波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、及脈波能量)以使得至少部分地透射過材料并提供足以打亂材料晶體結(jié)構(gòu)的多光子吸收而達(dá)成延伸深度虛飾。具體而言，激光光束可具有一能夠透射過工件材料的波長(zhǎng)(例如，紅外光波長(zhǎng)、綠色波長(zhǎng)、或紫外光波長(zhǎng))，并可包含一具有超短脈波(例如，小于I納秒)或短脈波(例如，小于200納秒)的一脈波激光光束，進(jìn)而提供能夠引起多光子吸收的一峰值功率。因此，借助使用一實(shí)質(zhì)上透明的靶材及一高能量超快激光，輻照度(irradiance)與延伸景深(DOF)的平衡便容許與靶材進(jìn)行深體積范圍的交互作用。
[0029]激光波長(zhǎng)可處于紅外光(IR)范圍內(nèi)并可為一次至五次諧波，更具體而言，可處于例如約1.04微米至1.06微米(IR)、514納米至532納米(綠光)、342納米至355納米(UV)、或261納米至266納米(UV)范圍內(nèi)。在藍(lán)寶石中，例如可借助處于UV范圍內(nèi)(例如，266納米、343納米、或355納米)的一激光波長(zhǎng)而達(dá)成借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割。在硅中，可借助處于IR范圍內(nèi)例如長(zhǎng)于1.2微米(此時(shí)硅開始透射)、更尤其是約1.5微米的一激光波長(zhǎng)而達(dá)成借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割?？墒褂锰幱诳梢姺秶鷥?nèi)的激光波長(zhǎng)以延伸深度虛飾來切割玻璃。如本文所揭露，借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割亦可借助使用能夠透射過以下材料的激光波長(zhǎng)而用于具有帶隙(band gap)的半導(dǎo)體及介電材料，該等材料包含但不限于GaAs及其他II1-V族材料、SiC, S1、GaN、AIN、及金剛石。
[0030]將一較長(zhǎng)波長(zhǎng)(例如，相較于現(xiàn)有的切割技術(shù))與一較短脈波一同使用會(huì)使激光能量尤其在高度透明材料(例如藍(lán)寶石)中具有更佳的耦合效率及吸收。脈波持續(xù)時(shí)間可短于熱擴(kuò)散時(shí)間，進(jìn)而引起材料的快速蒸發(fā)(即，以一直接固-氣相變(solid to vaportransit1n)達(dá)成蒸發(fā)性燒蝕)。為使某些材料的熔融最小化，例如脈波持續(xù)時(shí)間可為亞皮秒。當(dāng)加工藍(lán)寶石時(shí)，例如可使用小于約10皮秒(ps)的超短脈波持續(xù)時(shí)間。在其他實(shí)施例中，亦可使用大于I納秒或甚至大于100納秒的較長(zhǎng)脈波持續(xù)時(shí)間(例如,在硅中可使用150納秒至200納秒的脈波)。
[0031]例如可使用超快激光器來產(chǎn)生皮秒或毫微微秒(femtosecond)的超短脈波。在某些實(shí)施例中，超快激光器可能夠產(chǎn)生具有不同波長(zhǎng)(例如，約0.35微米、0.5微米、I微米、1.3微米、1.5微米、2微米或其間的任何增量)及不同超短脈波持續(xù)時(shí)間(例如，小于約10皮秒)的原始激光光束。一超快激光器的一實(shí)例包含可購(gòu)自TRUMPF的TruMicro系列5000皮秒激光器其中之一。激光亦可以處于約10千赫(kHz)至1000千赫的一范圍內(nèi)的重復(fù)率提供處于約I微焦耳(μ J)至1000微焦耳的一范圍內(nèi)的一脈波能量。
[0032]產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割通常使用工作距離較長(zhǎng)的光學(xué)器件(例如，相較于用于隱形切割的高NA透鏡而使用一較低NA透鏡)。具有較長(zhǎng)工作距離及較低NA的光學(xué)器件可包含例如NA小于0.8、更尤其是小于0.5或小于0.4的聚焦透鏡。產(chǎn)生延伸深度虛飾的激光切割亦可引入球面像差，該球面像差具有足以將有效DOF延伸進(jìn)入一工件中的一縱向球面像差范圍。相較于具有較高NA的透鏡,具有較長(zhǎng)工作距離及較低NA的透鏡通常具有一更長(zhǎng)的D0F。使用一引入球面像差的透鏡可進(jìn)一步延伸有效D0F，而使波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)在工件中增加一延伸區(qū)上的能量。
[0033]如以下將更詳細(xì)地闡述，可借助調(diào)整激光參數(shù)(例如，波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、及脈波能量)、加工參數(shù)(例如，脈波間距)、及光學(xué)參數(shù)(例如，工作NA及焦深)來控制延伸深度虛飾的深度。
[0034]參見圖1，用于借助延伸深度虛飾進(jìn)行激光切割的一激光加工系統(tǒng)100的一實(shí)施例可用于切割一工件102 (例如一半導(dǎo)體晶圓的一藍(lán)寶石基板)。激光加工系統(tǒng)100的此實(shí)施例包含一激光器110及一光束遞送系統(tǒng)120，激光器110用于產(chǎn)生一原始激光光束，光束遞送系統(tǒng)120用于聚焦該激光光束并將該聚焦激光光束引導(dǎo)至工件102的一表面104。光束遞送系統(tǒng)120包含一擴(kuò)束器(beam expander) 122及一聚焦透鏡124,擴(kuò)束器122用于擴(kuò)張來自激光器110的一原始激光光束112以形成一擴(kuò)張光束114,聚焦透鏡124用于聚焦擴(kuò)張光束114以提供一聚焦激光光束116。光束遞送系統(tǒng)120亦可包含一自動(dòng)聚焦系統(tǒng)(圖未示出)，然而可并非必須如此。
[0035]在所示實(shí)施例中，激光加工系統(tǒng)100對(duì)擴(kuò)張激光光束114進(jìn)行聚焦，而使聚焦激光光束116的一能量密度足以在一燒蝕區(qū)106中燒蝕工件102的表面104，并使該光束利用波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)而穿透燒蝕區(qū)106并進(jìn)入工件102中。因此，波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)將聚焦激光光束116自燒蝕區(qū)106引導(dǎo)至在工件102內(nèi)延伸的一內(nèi)部位置108，在內(nèi)部位置108處，由于震動(dòng)、電場(chǎng)及/或壓力而造成晶體損傷。聚焦激光光束116的每一脈波分別在工件102上形成一光束光點(diǎn)并利用波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)而延伸至工件102內(nèi)，以在一延伸深度上提供高能量并在內(nèi)部位置108處沿通道造成晶體損傷。盡管在每一位置處僅使用單個(gè)脈波的聚焦激光光束116便可足夠，然而亦可使用一多脈波工藝，其中后續(xù)脈波提供更深或更強(qiáng)的材料破裂。
[0036]可在工件102上掃描聚焦激光光束116，而借助一系列激光脈波而沿一切割線形成一系列燒蝕區(qū)106及晶體受損內(nèi)部位置108(即，延伸虛飾)。例如可單遍或多遍地掃描激光光束116，以達(dá)成各種深度及間距。例如，工件102可相對(duì)于聚焦激光光束116移動(dòng)，以形成該系列燒蝕區(qū)106及晶體受損內(nèi)部位置108。燒蝕區(qū)106及晶體受損內(nèi)部位置108可在此后有利于工件102沿切割線的分離。盡管所示實(shí)施例顯示在一具有LED晶粒的半導(dǎo)體晶圓上進(jìn)行正面切割，然而激光加工系統(tǒng)100亦可用于背面切割或雙面切割，以下將更詳細(xì)地闡述。
[0037]根據(jù)材料類型而定，激光器110可能夠射出波長(zhǎng)能夠至少部分地穿透工件102的材料的短脈波(例如，小于約200納秒)或超短脈波(例如，小于約I納秒)。根據(jù)借助延伸深度虛飾切割藍(lán)寶石的一實(shí)例，激光器110為一超快激光器，其射出一原始激光光束，該原始激光光束的波長(zhǎng)處于UV范圍內(nèi)(例如，約266納米、343納米、或355納米)且具有小于約10皮秒的一脈波持續(xù)時(shí)間及約60微焦耳的一脈波能量。此種激光提供一能夠穿透藍(lán)寶石的波長(zhǎng)及一足夠高的峰值功率以損傷藍(lán)寶石內(nèi)的內(nèi)部位置處的晶體。可以一重復(fù)率操作激光器110，進(jìn)而以一特定掃描速度達(dá)成一期望的切割。根據(jù)一加工藍(lán)寶石的實(shí)例，可以一約33.3千赫的重復(fù)率及處于一約70毫米/秒(mm/s)至90毫米/秒(mm/s)范圍的一掃描速度操作具有約60微焦耳的一脈波能量的UV激光。在另一實(shí)例中，重復(fù)率可為約100千赫，且一掃描速度約為100毫米/秒至300毫米/秒。在其他實(shí)施例中，可以一減小的脈波能量(例如約40微焦耳)及一較高重復(fù)率(例如，約200千赫)使用一較低功率激光(例如，約8瓦(W))。
[0038]擴(kuò)束器122可為一 2 X擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(expanding telescope)，且聚焦透鏡124可為一 60毫米的三元透鏡以用于以一約400微米(μπι)的焦深(focal depth)及一約3微米的所期望切口寬度(kerf width)達(dá)成一有效聚焦性能(focusability)。擴(kuò)束器122可為例如一擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡，該擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡包含一未經(jīng)涂覆的負(fù)透鏡(例如，f = -100毫米)與一正透鏡(例如，f = 200毫米)的組合。聚焦透鏡124可具有一小于0.8、更尤其是小于0.5或小于0.4的NA，此會(huì)提供一較長(zhǎng)的工作距離及一較長(zhǎng)的D0F。聚焦透鏡124亦可引入球面像差以提供一具有像差的聚焦激光光束116，具有像差的聚焦激光光束116具有一縱向球面像差范圍，該縱向球面像差范圍足以將有效DOF進(jìn)一步延伸進(jìn)入工件102中，以下將更詳細(xì)地闡述。
[0039]聚焦激光光束與超短脈波或短脈波的組合會(huì)使增強(qiáng)的聚焦性能(具有較低的NA光學(xué)器件)在工件102的內(nèi)部位置108處造成晶體損傷、同時(shí)使工件表面104上的被移除材料(例如，碎屑)的量最小化。激光器110及光束遞送系統(tǒng)120可配置有激光加工參數(shù)(例如，波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、脈波能量、峰值功率、重復(fù)率、掃描速度、及光束長(zhǎng)度及寬度)，該等激光加工參數(shù)能夠達(dá)成針對(duì)欲切割材料的表面燒蝕及自聚焦效應(yīng)以及達(dá)成期望的切口寬度。
[0040]如圖2更詳細(xì)地顯示，可借助利用一聚焦透鏡224的透鏡像差延伸一具有像差的聚焦激光光束216的有效D0F，來促進(jìn)延伸深度虛飾。透鏡像差為光線穿過一透鏡后相對(duì)于一理想路徑的偏差，該理想路徑是借助近軸光學(xué)器件來預(yù)測(cè)。具體而言，球面像差是由光線穿過一透鏡后相對(duì)于透鏡光軸更遠(yuǎn)的偏差產(chǎn)生。
[0041]在此實(shí)施例中，聚焦透鏡224的一部分通常包含一衍射受限區(qū)域223，衍射受限區(qū)域223會(huì)提供實(shí)質(zhì)上無像差(即，衍射對(duì)效能的影響超過像差對(duì)效能的影響)的衍射受限效能。在衍射受限區(qū)域223內(nèi)照射透鏡224的一激光光束214的光線213聚焦于近軸焦平面226處，進(jìn)而在聚焦激光光束216的此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一具有高解析度的聚焦光束光點(diǎn)。在衍射受限區(qū)域223外，聚焦透鏡224將球面像差引入至具有像差的聚焦激光光束216中。在衍射受限區(qū)域223外照射透鏡224的光線215偏離近軸焦點(diǎn)并被聚焦(即，越過透鏡224的光軸)于近軸焦平面226后方的延伸焦點(diǎn)處。因此，球面像差會(huì)有效地使具有像差的聚焦激光光束216的焦點(diǎn)自近軸焦點(diǎn)連續(xù)地延伸。
[0042]具有像差的光線215的焦點(diǎn)沿透鏡224的光軸延伸超過近軸焦平面226的距離為縱向球面像差(longitudinal spherical aberrat1n ;LSA)范圍，且具有像差的光線215沿近軸焦平面226延伸的距離為橫向球面像差(transverse spherical aberrat1n ;TSA)范圍。LSA范圍使聚焦激光光束216的有效DOF 228延伸超過近軸焦平面226并有利于在一工件中產(chǎn)生延伸深度虛飾，以下將更詳細(xì)地闡述。
[0043]因此，本發(fā)明的各實(shí)施例以與現(xiàn)有知識(shí)相反的方式利用一聚焦透鏡的瑕疵。在用于激光切割的透鏡系統(tǒng)中，常常期望避免或校正透鏡像差來提供一聚焦良好的光束光點(diǎn)。然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，則有意地利用透鏡像差形成能夠延伸DOF的一光學(xué)效應(yīng)，以借助延伸深度虛飾而切割一工件。此外，如本文所述，用于借助延伸深度虛飾進(jìn)行激光切割的透鏡可較隱形切割所需的高NA透鏡更廉價(jià)。
[0044]聚焦透鏡224可包含多元透鏡(例如二元透鏡或三元透鏡)，該多元透鏡在衍射受限區(qū)域223內(nèi)而非在透鏡224的整個(gè)孔徑上校正像差。聚焦透鏡224亦可提供一相對(duì)長(zhǎng)的工作距離以及小于約0.8、更尤其是小于約0.5或小于約0.4的低NA。不同的基板材料及厚度可具有用于借助延伸深度虛飾進(jìn)行切割的一不同最佳參數(shù)組合，包含波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、工作NA、縱向球面像差范圍、及散焦。因此，透鏡的準(zhǔn)確光學(xué)參數(shù)將取決于欲被切割的材料類型。
[0045]如圖3A至圖3C所示，聚焦透鏡224可被設(shè)計(jì)及/或照射以引入一足以延伸有效DOF的縱向球面像差范圍、同時(shí)限制橫向球面像差范圍。舉例而言，透鏡224的工作或運(yùn)作NA(或F#)可經(jīng)選擇以獲得將在一工件202內(nèi)提供期望的延伸虛飾的縱向球面像差范圍、同時(shí)限制橫向球面像差范圍，而使工件202的一表面204上的聚焦光束光點(diǎn)大小不會(huì)過大。工件表面204上的期望光束光點(diǎn)大小取決于具體應(yīng)用，且對(duì)于切割半導(dǎo)體晶圓及晶粒分離而言可小于約20微米。
[0046]在此實(shí)施例中，可借助以下方式調(diào)整透鏡224的工作或運(yùn)作NA:使用一擴(kuò)束器222擴(kuò)張一原始激光光束212，以產(chǎn)生一擴(kuò)張激光光束214，擴(kuò)張激光光束214照射透鏡224的通光孔徑(clear aperture)的一可變部分。當(dāng)擴(kuò)張激光光束214僅在衍射受限區(qū)域223內(nèi)照射透鏡224的孔徑時(shí)，如圖3A所示，聚焦光束216僅包含聚焦至近軸焦平面的近軸光線，該近軸焦平面顯示于工件202的表面204上。此不會(huì)提供使有效DOF延伸進(jìn)入工件202內(nèi)的一縱向球面像差范圍來提供延伸深度虛飾。
[0047]當(dāng)擴(kuò)張激光光束214剛剛超出衍射受限區(qū)域223而照射透鏡224的孔徑時(shí)，如圖3B所示，聚焦光束216亦包含具有像差的光線，該等光線以能夠?qū)OF 228延伸進(jìn)入工件202中的一縱向球面像差范圍聚焦于近軸焦平面之外。因當(dāng)透鏡于近處工作而衍射不十分受限時(shí)縱向球面像差占優(yōu)勢(shì)，故聚焦光束216的具有像差的光線的橫向球面像差范圍可受限制。因此，縱向球面像差范圍會(huì)延伸DOF并同時(shí)仍保持橫向光點(diǎn)大小處于控制之中。
[0048]當(dāng)擴(kuò)張激光光束214照射透鏡224的整個(gè)孔徑時(shí)，如圖3C所示，聚焦光束216包含具有像差的光線，該等具有像差的光線進(jìn)一步延伸橫向球面像差范圍并進(jìn)一步增大工件202的表面204上的光束光點(diǎn)大小。在此實(shí)例中，增大的橫向球面像差范圍可使縱向球面像差所提供的延伸DOF效應(yīng)失效。
[0049]因此，可以一工作NA照射透鏡224，而使縱向球面像差范圍足以將DOF延伸進(jìn)入工件內(nèi)，以產(chǎn)生期望的延伸深度虛飾、并同時(shí)限制橫向球面像差范圍?？捎谕哥R224處逐漸增大光束大小(例如，增大工作NA)，直至找到在工件202的材料內(nèi)部產(chǎn)生延伸深度虛飾的最佳大小為止。限制橫向球面相差范圍能夠使工件表面上的光束光點(diǎn)大小變小、激光區(qū)變小、且燒蝕區(qū)變小，同時(shí)仍能夠達(dá)成一足以延伸有效DOF的縱向球面像差范圍。在一實(shí)施例中，可充分地限制橫向球面像差范圍，以產(chǎn)生小于約20微米、更尤其是10微米至20微米的一激光區(qū)以及小于約10微米、更尤其是約5微米的一燒蝕區(qū)。
[0050]對(duì)于一給定材料、波長(zhǎng)、及脈波持續(xù)時(shí)間，最佳的NA及脈波能量將取決于材料厚度。對(duì)于薄的材料(例如，90微米至110微米的藍(lán)寶石)，可借助一約0.15至0.2的工作NA以及處于一約10微焦耳至約50微焦耳范圍的脈波能量達(dá)成一期望的延伸深度虛飾深度。在使用一具有25毫米焦距及一 18毫米通光孔徑的三元透鏡時(shí)，例如可借助照射該25毫米三元透鏡的18毫米孔徑的約8毫米來達(dá)成具有一縱向球面像差范圍的一適宜光點(diǎn)大小，該縱向球面像差范圍足以在一 90微米至110微米的材料厚度中達(dá)成延伸深度虛飾。為借助一皮秒355納米激光來加工薄的藍(lán)寶石，例如可以約0.16NA操作一具有25毫米焦距的三元透鏡，以達(dá)成一期望深度的延伸深度虛飾。在此實(shí)例中，根據(jù)一 Zemax分析，縱向像差系數(shù)約為0.0133，且橫向像差系數(shù)約為0.0024。
[0051]對(duì)于較厚的材料(例如，250微米至500微米的藍(lán)寶石)，可借助一約0.05至0.1的較低工作NA以及處于一約30微焦耳至70微焦耳范圍的一較高脈波能量來達(dá)成與該較厚材料相匹配的一期望延伸深度虛飾。為借助一皮秒355納米激光來加工厚的藍(lán)寶石，可以約0.07NA操作一具有60毫米焦距的三元透鏡，以達(dá)成一期望深度的延伸深度虛飾。脈波能量可根據(jù)脈波間距而更高或更低，以達(dá)成一期望的深度。舉例而言，一較低的脈波能量可與一較短的脈波間距一起使用，而一較長(zhǎng)的脈波間距可需要一較高的脈波能量。
[0052]亦可使用其他技術(shù)來減小或消除過大的橫向球面像差。舉例而言，可將一光圈放置于透鏡224前方，以限制進(jìn)入透鏡224中的最大光束直徑214，借此限制最大NA。
[0053]如上所述，可利用不同的激光參數(shù)及光學(xué)器件借助各種深度的延伸深度虛飾來切割不同的材料。在藍(lán)寶石中，例如一具有25毫米焦距的三元透鏡與一超快UV激光一起可達(dá)成超過100微米深的延伸深度虛飾。在硅中，借助一更長(zhǎng)的透鏡以及具有更高功率的IR激光，可達(dá)成一更深的延伸深度虛飾(例如，300微米)。
[0054]如圖4A至圖4C所示，亦可選擇或調(diào)整一具有像差的聚焦激光光束216相對(duì)于一工件202的一表面204的一焦點(diǎn)偏移量，例如以改變進(jìn)入工件202內(nèi)的一延伸DOF 228及/或工件202的表面204上的光束光點(diǎn)大小及能量密度?？蓪⒔裹c(diǎn)偏移量選擇成例如使進(jìn)入工件202中的延伸深度虛飾的一深度最佳化并使表面損傷或碎屑最小化。因此可借助調(diào)整焦點(diǎn)偏移量以及其他激光及光學(xué)參數(shù)(例如激光脈波能量)而對(duì)延伸深度虛飾進(jìn)行可調(diào)整的深度控制。例如可借助調(diào)整聚焦透鏡224相對(duì)于工件202的一位置來調(diào)整焦點(diǎn)偏移量。
[0055]圖4A顯示具有像差的聚焦激光光束216以近軸光線聚焦于工件202的一表面204上而未發(fā)生焦點(diǎn)偏移，即，近軸焦平面226與表面204實(shí)質(zhì)上重合。圖4B顯示具有像差的聚焦激光光束216以近軸射線聚焦于工件202的表面204下方且表面204與近軸聚焦表面226之間具有一焦點(diǎn)偏移量Sf，借此將有效DOF 228更向工件202中延伸。圖4C顯示具有像差的聚焦激光光束216以近軸光線聚焦于工件202的表面204下方且表面204與近軸焦平面226之間具有一更大的焦點(diǎn)偏移量δ f，借此將有效DOF更進(jìn)一步向工件202中延伸。
[0056]最佳焦點(diǎn)偏移量可根據(jù)基板材料(例如，切割波長(zhǎng)處的折射率)及材料厚度而異，并根據(jù)透鏡運(yùn)作NA及透鏡運(yùn)作條件下的所得像差系數(shù)而異。焦點(diǎn)偏移量亦可根據(jù)工藝類型(例如，正面型或背面型)而定。對(duì)于以10皮秒355納米激光在0.16NA下使用一 25毫米三元透鏡切割一 90微米至110微米的藍(lán)寶石基板的情形，例如對(duì)于背面切割而言的最佳焦點(diǎn)偏移量可處于20微米至40微米范圍內(nèi)。
[0057]圖5A-圖顯示在250微米厚的藍(lán)寶石中使用一 60毫米焦距的三元透鏡聚焦的一激光光束的光線幾何分布，其具有不同球面像差量以及以20微米為增量的不同焦點(diǎn)偏移量。圖6A-圖6D顯示在250微米厚的藍(lán)寶石中使用一 54毫米焦距的二元透鏡聚焦的一激光光束的光線幾何分布，其具有不同球面像差量以及以15微米為增量的不同焦點(diǎn)偏移量。圖7A-圖7D顯示在120微米厚的藍(lán)寶石中使用一 25毫米焦距的三元透鏡聚焦的一激光光束的光線幾何分布，其具有不同球面像差量以及以10微米為增量的不同焦點(diǎn)偏移量。
[0058]一理想透鏡將提供圖5A、圖6A、及圖7A所示的近軸光線幾何分布。根據(jù)本文所述各實(shí)施例，具有一衍射受限區(qū)域的一實(shí)際透鏡會(huì)引入如圖5B-圖5D、圖6B-圖6D、及圖7B-圖7D所示的球面像差。圖5B、圖6B、及圖7B例示由一均勻激光光束在整個(gè)孔徑處照射一實(shí)際透鏡而提供的具有像差的光線的光線幾何分布。圖5C、圖6C、及圖7C例示由一高斯(Gaussian)激光光束在整個(gè)孔徑處照射一實(shí)際透鏡而提供的具有像差的光線的光線幾何分布。圖5D、圖6D、及圖7C例示由一高斯激光光束在部分孔徑處照射一實(shí)際透鏡而提供的具有像差的光線的光線幾何分布。
[0059]在所示實(shí)例中，當(dāng)孔徑過大(圖5B、圖5C、圖6B、圖6C、圖7B、及圖7C)時(shí)，橫向球面像差范圍過大，且具有像差的聚焦光束會(huì)被放大。在部分孔徑(圖圖6D、及圖7D)下，具有像差的聚焦光束與近軸或理想透鏡(圖5A、圖6A、及圖7A)相比具有一相對(duì)緊湊的焦點(diǎn)且具有一延伸的有效D0F。因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)例，對(duì)于特定基板材料及厚度而言，所期望的透鏡與NA組合會(huì)產(chǎn)生幾乎衍射受限的橫向光點(diǎn)大小，但同時(shí)產(chǎn)生足以延伸有效DOF以與材料厚度相匹配的一縱向球面像差范圍。
[0060]盡管借助具有25毫米、54毫米、及60毫米的焦距的透鏡來描述特定實(shí)例，然而亦可使用具有其他焦距的透鏡來提供所期望的NA及球面像差。舉例而言，焦距可小于25毫米或大于60毫米。
[0061]圖8及圖9顯示借助一系列激光脈波切割一藍(lán)寶石基板802且使藍(lán)寶石基板802中具有延伸深度虛飾的照片。每一激光脈波形成一供激光進(jìn)入藍(lán)寶石基板802的燒蝕區(qū)或孔806，其中燒蝕孔806周圍環(huán)繞有一激光區(qū)805，且一延伸深度虛飾通道808自燒蝕孔806延伸至基板802的材料中。因此，基板802可沿由該一系列燒蝕孔806及延伸深度虛飾通道808形成的切割線而被分開。
[0062]在所示實(shí)施例中，燒蝕孔806約為5微米寬并具有一 20微米的激光區(qū)805且間距為約15微米，且延伸深度虛飾通道808延伸至150微米厚的藍(lán)寶石基板802中約100微米。因此，根據(jù)本文所述的實(shí)施例，借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割容許切割部位小于20微米。因此，在切割具有LED的半導(dǎo)體晶圓時(shí)，切割部位越小(例如與隱形切割相比)，則所容許的隔道越窄(例如，小于25微米)且晶粒間距越小，而不會(huì)造成顯著損壞及碎屑。即使當(dāng)切割部位間的間距較大時(shí)，延伸深度虛飾通道808的深度亦能夠改良沿切割線的斷開。延伸深度虛飾通道808的深度亦使得能夠切割較厚的基板而無需例如如隱形切割所需般使激光在基板內(nèi)不同焦點(diǎn)處進(jìn)行多遍掃描。例如，與使用交疊脈波相比，切割部位的間距容許借助對(duì)每一切割部位使用單個(gè)脈波而更快地切割。
[0063]可借助不同的激光參數(shù)(例如，借助控制脈波間距及深度)來達(dá)成其他切割部位尺寸、深度、及間距。盡管可對(duì)每一部位使用單個(gè)脈波，然而亦可例如借助多遍地掃描激光來對(duì)每一切割部位使用多個(gè)脈波以控制深度。盡管所示實(shí)施例顯示約15微米的一間距及約100微米的一深度，然而可將間距控制成自相互交疊至20微米或以上，并可將深度控制成小于100微米至大于200微米。
[0064]在其他變型中，可針對(duì)一脈波序列中的不同脈波使用不同深度。一脈波序列例如可包含一系列頻率較高的較淺脈波(例如，由5微米至10微米間隔開的10微米至20微米深度)以及一間隔頻率較低(例如，每15微米至50微米)的較深脈波(例如，50微米至100微米)。換言之，一系列較深脈波可以較長(zhǎng)距離間隔開，并使較淺脈波位于較深脈波之間以增強(qiáng)斷開特性。因此，借助改良斷開特性及斷開良率，產(chǎn)生延伸深度虛飾及可控深度及間距的切割在生產(chǎn)LED時(shí)可尤其有利，乃因來自LED的光傳播效應(yīng)更能夠到達(dá)藍(lán)寶石側(cè)壁的底部或中間。于其中較少關(guān)注光損失的情形中(例如在硅晶圓中)可使用更緊密且更深的間距。
[0065]參照?qǐng)D1OA及圖10B，根據(jù)另一實(shí)施例，一激光加工系統(tǒng)1000包含一氣浮(airbearing) X-Y定位臺(tái)1030，以用于支撐及定位一工件1002，進(jìn)而借助延伸深度虛飾進(jìn)行切害I]。激光加工系統(tǒng)1000包括安裝于一側(cè)(例如，頂側(cè)或前側(cè))上的一激光光束遞送系統(tǒng)1020以及安裝于一相對(duì)側(cè)(例如，底側(cè)或后側(cè))上的一相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040。定位臺(tái)1030的至少一工件支撐部1034被配置成在使相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040面向工件1002的一對(duì)齊位置(圖10A)與使激光光束遞送系統(tǒng)1020面向工件1002的一加工位置(圖10B)之間滑動(dòng)。激光光束遞送系統(tǒng)1020高于支撐部1034上的一工件支撐表面的一平面1001，且相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040低于支撐部1034上的工件支撐表面的平面1001。美國(guó)專利申請(qǐng)第12/962,050號(hào)中更詳細(xì)地描述了氣浮X-Y定位臺(tái)的一實(shí)例，該美國(guó)專利申請(qǐng)以引用方式全文并入本文中。
[0066]在對(duì)齊位置上，相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040對(duì)工件1002的面向照相機(jī)1040的一側(cè)1005上的一特征進(jìn)行成像并產(chǎn)生代表該特征的影像資料。由相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040所產(chǎn)生的影像資料可用于定位工件1002，而使例如使用熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者所現(xiàn)有的機(jī)器視覺系統(tǒng)及對(duì)齊技術(shù)而使激光光束遞送系統(tǒng)1020相對(duì)于在工件1002的相對(duì)側(cè)1005上所成像的特征對(duì)齊。在加工位置上，激光光束遞送系統(tǒng)1020朝工件1002的面向光束遞送系統(tǒng)1020的一側(cè)1003引導(dǎo)一聚焦激光光束1016(例如，具有一延伸DOF且具有像差的聚焦激光光束)并使用如上所述借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割來加工工件1002。
[0067]激光加工系統(tǒng)1000亦包含一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1050，以用于在工件1002的對(duì)齊及/或加工期間控制定位臺(tái)1030的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1050可根據(jù)由相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040所產(chǎn)生的影像資料而產(chǎn)生對(duì)齊資料，并因應(yīng)該對(duì)齊資料而控制定位臺(tái)1030的運(yùn)動(dòng)。
[0068]激光光束遞送系統(tǒng)1020可包含透鏡及其他光學(xué)元件，以用于例如如上所述修改并聚焦由一激光器所產(chǎn)生的一原始激光光束。激光器(圖未示出)例如可被定位于激光加工系統(tǒng)1000的一平臺(tái)上，且由激光器所產(chǎn)生的原始激光光束可被引導(dǎo)至激光光束遞送系統(tǒng)1020中。
[0069]激光加工系統(tǒng)1000亦可包含一正面照相機(jī)1044，以用于在正面上對(duì)工件1002進(jìn)行成像。正面照相機(jī)1044可被安裝至光束遞送系統(tǒng)1020或其他適宜位置。正面照相機(jī)1044可類似地耦合至運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1050，而使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)1050可使用自正面照相機(jī)1044產(chǎn)生的影像資料來提供對(duì)齊。因此，激光加工系統(tǒng)1000可容許自與激光光束相對(duì)的背面或自正面或與激光光束相同的一側(cè)對(duì)齊。相對(duì)側(cè)照相機(jī)1040及正面照相機(jī)1044可為熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者現(xiàn)有的用于在激光加工應(yīng)用中對(duì)齊半導(dǎo)體晶圓的高解析度照相機(jī)。
[0070]因此，激光加工系統(tǒng)1000可用于將光束遞送系統(tǒng)1020及聚焦激光光束1016與一半導(dǎo)體晶圓上各晶粒間的隔道對(duì)齊。當(dāng)適當(dāng)對(duì)齊時(shí)，X-Y定位臺(tái)1030可移動(dòng)工件1002以在工件1002上掃描激光光束，而使一系列脈波例如沿一晶圓上各晶粒間的一隔道或沿晶圓的與隔道相對(duì)的一側(cè)切割工件1002。X-Y定位臺(tái)1030可隨后移動(dòng)工件以轉(zhuǎn)位至另一隔道進(jìn)行切割?？梢曅枰貜?fù)對(duì)齊過程，以在其他隔道內(nèi)或沿其他隔道進(jìn)行切割。
[0071]參照?qǐng)D11，可使用相對(duì)側(cè)對(duì)齊來利于一半導(dǎo)體晶圓1101的背面切割，進(jìn)而分開復(fù)數(shù)個(gè)半導(dǎo)體晶粒(例如，LED)。半導(dǎo)體晶圓1101可包含一基板1102(例如，藍(lán)寶石)及形成于由隔道1107所隔開的區(qū)段1109中的一或多層半導(dǎo)體材料(例如，GaN)。半導(dǎo)體晶圓1101的具有區(qū)段1109的一側(cè)被稱為正面1103，且相對(duì)側(cè)被稱為背面1105。基板1102亦可在與區(qū)段1109相對(duì)的背面1105上具有一或多個(gè)層1104(例如，金屬)。
[0072]—激光加工系統(tǒng)(例如，上述激光加工系統(tǒng))可用于沿晶粒區(qū)段1109間的隔道1107切割半導(dǎo)體晶圓1101，以將半導(dǎo)體晶圓1101分成各個(gè)晶粒。因此，半導(dǎo)體晶圓1101被對(duì)齊成使一激光光束1116在半導(dǎo)體晶圓1101上射于隔道1107之間，進(jìn)而對(duì)準(zhǔn)晶粒區(qū)段1109與激光光束1116。如上所述，可借助形成具有延伸深度虛飾1108的一系列燒蝕區(qū)1106來切割半導(dǎo)體晶圓1101。形成延伸深度虛飾及燒蝕的切割在層1104為不透明時(shí)尤其有利，乃因燒蝕能夠移除層1104并使激光光束1116能夠進(jìn)入基板1102。在另一變型中，可使用一激光的一第一遍掃描來燒蝕及移除層1104，且一激光的一第二遍掃描會(huì)提供延伸深度虛飾。
[0073]當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體晶圓1101的背面1105進(jìn)行激光加工時(shí),半導(dǎo)體晶圓1101可被定位成使晶圓1101的正面1103上的晶粒區(qū)段1109面向相對(duì)側(cè)照相機(jī)1140。因此，相對(duì)側(cè)照相機(jī)1140可用于觀察各區(qū)段1109間的隔道1107，并使隔道1107相對(duì)于激光光束1116的一位置對(duì)齊。利用相對(duì)側(cè)照相機(jī)1140的對(duì)齊在背面層1104為不透明(例如，金屬)且妨礙自加工側(cè)進(jìn)行對(duì)齊時(shí)尤其有利。為提供此種對(duì)齊，晶圓1101沿Y軸相對(duì)于激光光束遞送系統(tǒng)(圖未示出)被定位成使由激光光束1116在晶圓1101的背面1105上形成的切割線位于正面1103的隔道1107的寬度內(nèi)。
[0074]參見圖12A及圖12B，可使用相對(duì)側(cè)對(duì)齊來利于雙面切割。一般而言，雙面切割涉及在一工件的兩個(gè)面上形成相對(duì)淺的切割線，且其中一條切割線相對(duì)于其中另一條切割線實(shí)質(zhì)上對(duì)齊。形成淺的切割線能夠最小化或避免由較深的切割線可能造成的損傷，同時(shí)在兩個(gè)面上具有切割線可提高斷開良率，乃因裂紋更可能在切割線之間傳播。
[0075]根據(jù)一種實(shí)例性方法，一半導(dǎo)體晶圓1201可首先被定位成(例如，定位于工件支撐件上)使一背面1205面向一激光光束遞送系統(tǒng)(圖未示出)且一正面1203面向一相對(duì)側(cè)照相機(jī)1240(圖4A)。當(dāng)晶圓1201位于此位置時(shí)，可使用相對(duì)側(cè)照相機(jī)1240對(duì)各區(qū)段1209間的隔道1207其中之一進(jìn)行成像，而使晶圓1201可被定位成使背面1205上的激光光束1216與正面1203上的隔道1207對(duì)齊。當(dāng)半導(dǎo)體晶圓1201已對(duì)齊時(shí)，可使用激光光束1216切割背面1205，進(jìn)而形成一相對(duì)淺的背面切割線1206a(例如，為20微米或以下)。
[0076]隨后可將半導(dǎo)體晶圓1201翻轉(zhuǎn)，而使正面1203面向激光光束遞送系統(tǒng)且背面1205面向相對(duì)側(cè)照相機(jī)1240(圖4B)。當(dāng)晶圓1201處于此位置時(shí),可使用相對(duì)側(cè)照相機(jī)1240對(duì)背面切割線1206a進(jìn)行成像，而使晶圓1201可被定位成使激光光束1216與背面切割線1206a對(duì)齊。當(dāng)半導(dǎo)體晶圓1201已對(duì)齊時(shí)，可使用激光光束1216在各區(qū)段1209間的隔道1207中切割正面1203，以形成與背面切割線1206a實(shí)質(zhì)上對(duì)齊的一正面切割線1206b。例如，如上所述，正面切割線1206b可包含具有延伸深度虛飾1208的一系列燒蝕區(qū)。作為由相對(duì)側(cè)照相機(jī)1240提供對(duì)齊的附加或替代，一加工側(cè)照相機(jī)1244可對(duì)隔道1207進(jìn)行成像以使激光光束1216與隔道1207對(duì)齊。
[0077]隨后，晶圓1201可借助以下方式而被分成各個(gè)晶粒:沿切割線1206a、1206b的位置斷開，而使裂紋在延伸深度虛飾1208的促進(jìn)下在切割線1206a與1206b之間傳播。當(dāng)各區(qū)段1209對(duì)應(yīng)于各LED時(shí)，例如，正面切割線1206b會(huì)更佳地界定LED的邊緣，而使LED更均勻并提高斷開良率(例如，相較于僅在一側(cè)上具有淺切割線的情形)。此外，對(duì)LED光及電性特性造成不利影響的可能性更小，乃因切割線1206a、1206b的深度不足以造成顯著的熱損傷。
[0078]根據(jù)另一替代方法，具有延伸深度虛飾1208的正面切割線1206b可首先形成于正面1203上(例如，使用加工側(cè)照相機(jī)1244提供相對(duì)于隔道1207的對(duì)齊)。隨后可將晶圓1201翻轉(zhuǎn)并可在背面1205上形成背面切割線1206a (例如，使用相對(duì)側(cè)照相機(jī)1240提供相對(duì)于正面切割線1206b及/或隔道1207的對(duì)齊)。其中一條切割線可淺于另一條切割線。舉例而言，可首先形成較淺的切割線(例如，為20微米或以下)，并使第二條較深切割線與該較淺切割線對(duì)齊。根據(jù)一雙面切割方法的另一變型，背面切割線1206a可形成有延伸深度虛飾1208。
[0079]參照?qǐng)D13，以下將更詳細(xì)地描述用于借助延伸深度虛飾來切割一工件1302(例如，一半導(dǎo)體晶圓的一藍(lán)寶石基板)的一激光加工系統(tǒng)1300的另一實(shí)施例。激光加工系統(tǒng)1300可包含一超快激光器1310及一光束遞送系統(tǒng)1320，超快激光器1310能夠以一能夠至少部分穿透材料的波長(zhǎng)射出超短脈波(例如，小于I納秒)，光束遞送系統(tǒng)1320能夠提供良好聚焦的直線光束1316。光束遞送系統(tǒng)1320的一個(gè)實(shí)施例包含:一擴(kuò)束器1322，用于擴(kuò)張來自超快激光器1310的原始激光光束1321，以形成一擴(kuò)張光束1323 ;—光束成形器1326，用于使擴(kuò)張光束1323成形，以形成一橢圓形光束1325 ;以及一聚焦透鏡1324,用于聚焦橢圓形光束1325，以提供良好聚焦的直線光束1316，直線光束1316在工件1302上形成一直線光束光點(diǎn)且在工件1302中具有一延伸DOF。光束遞送系統(tǒng)1320亦可包含一或多個(gè)反射器1328，以視需要反射及重定向激光光束。
[0080]如先前所述，延伸深度虛飾切割涉及在工件1302的表面1304上在燒蝕區(qū)1306中燒蝕材料以及使用一波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)將激光光束1316自燒蝕區(qū)1306射至在工件1302內(nèi)延伸的一內(nèi)部位置1308，在內(nèi)部位置1308處由于震動(dòng)、電場(chǎng)、及/或壓力而造成晶體損傷。聚焦透鏡1324可如上所述引入球面像差，其中一縱向球面像差范圍足以將有效DOF延伸至工件1302中。
[0081]光束遞送系統(tǒng)1320例如可包含能夠形成一可變細(xì)長(zhǎng)散光聚焦光束光點(diǎn)(variable elongated astigmatic focal beam spot)的光束成形光學(xué)器件，如美國(guó)專利第7，388，172號(hào)中所更詳細(xì)描述，該美國(guó)專利以引用方式全文并入本文中。該細(xì)長(zhǎng)散光聚焦光束光點(diǎn)沿散光軸的一長(zhǎng)度大于沿聚焦軸的一寬度。此種光束遞送系統(tǒng)能夠隨光點(diǎn)長(zhǎng)度的改變而控制可變散光聚焦光束光點(diǎn)的能量密度。光束成形器1326例如可包含一變形透鏡(anamorphic lens)系統(tǒng),該變形透鏡系統(tǒng)包含一圓柱形平凹透鏡(plano-concavelens) 1326a及一圓柱形平凸透鏡(plano-convex lens) 1326b,而改變?cè)摰韧哥R間的一距離便能夠改變工件上的光束光點(diǎn)長(zhǎng)度及能量密度。
[0082]激光加工系統(tǒng)1300可根據(jù)具體應(yīng)用而進(jìn)一步修改光束，以改良切割線的品質(zhì)。為在某些應(yīng)用(例如，背面切割)中避免外延層層離(delaminat1n)問題，例如，激光加工系統(tǒng)1300可在光束的邊緣處提供空間濾波，以清理(clean up)光束的窄方向上的點(diǎn)分布函數(shù)(point spread funct1n)。
[0083]因此，光束成形器1326可用于改變工件1302上的光束光點(diǎn)的能量密度，以最佳化對(duì)于特定材料或切割操作的積分通量(f luence)及耦合效率。當(dāng)對(duì)一經(jīng)GaN涂覆的藍(lán)寶石基板執(zhí)行雙面切割時(shí)，例如，可將光束光點(diǎn)的能量密度調(diào)整得較高以最佳化對(duì)裸藍(lán)寶石的切割(即，背面切割)，并可將光束光點(diǎn)的能量密度調(diào)整得較低以最佳化對(duì)經(jīng)GaN涂覆的藍(lán)寶石的切割(即，正面切割)。換言之，可使用針對(duì)工件的一側(cè)最佳化的激光光束光點(diǎn)切割該側(cè)，可將工件翻轉(zhuǎn)，并可使用針對(duì)另一側(cè)最佳化的激光光束光點(diǎn)切割該另一側(cè)。因此，光束成形器1326無需調(diào)整激光功率來改變能量密度并最佳化積分通量。
[0084]在其他實(shí)施例中，可使用一非線性光學(xué)晶體(例如BBO晶體或β -BaB2O4)作為一光束成形器。BBO晶體已知與一激光一起用作一倍頻晶體(frequency-doubling crystal)。因BBO晶體相較于其他晶體(例如CLB0)提供更大的走離(walk-off)效應(yīng),故進(jìn)入晶體的實(shí)質(zhì)圓形光束可在離開晶體時(shí)變成一橢圓形光束。盡管可能在許多應(yīng)用中不期望產(chǎn)生走離效應(yīng)，然而BBO晶體的此種特性在其中期望具有一橢圓形光束的應(yīng)用中提供獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
[0085]因此，用于借助延伸深度虛飾而進(jìn)行切割的激光加工系統(tǒng)及方法提供優(yōu)于現(xiàn)有燒蝕切割及隱形切割技術(shù)的若干優(yōu)點(diǎn)。具體而言，借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割能夠以最小或顯著減少的熱及碎屑切割一工件(例如，一半導(dǎo)體晶圓的一藍(lán)寶石基板)。借助減少或最小化所產(chǎn)生的熱及碎屑，可以低電性損傷及光損失來制造LED且無需額外的涂覆及清潔工藝。借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割亦有利于切割較厚工件及具有不透明涂層或膜的工件。借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割亦無需使用現(xiàn)有隱形切割系統(tǒng)中的復(fù)雜且昂貴的高NA透鏡及聚焦系統(tǒng)。如本文所述，借助延伸深度虛飾進(jìn)行的切割可借助調(diào)整處理參數(shù)(例如，波長(zhǎng)、脈波持續(xù)時(shí)間、脈波能量)及光學(xué)器件而在各種類型的材料中達(dá)成。
[0086]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種用于激光切割一工件的方法包含:產(chǎn)生具有復(fù)數(shù)個(gè)超短脈波的一激光光束，該等超短脈波具有小于I納秒的一脈波持續(xù)時(shí)間；以及聚焦該激光光束，而使一能量密度足以于一燒蝕區(qū)處燒蝕該基板的一表面且足以改變?cè)摴ぜ械囊徽凵渎?，其中該光束利用一波?dǎo)自聚焦效應(yīng)穿透該燒蝕區(qū)而到達(dá)該工件內(nèi)的一內(nèi)部位置，以于該內(nèi)部位置處對(duì)該工件的材料造成晶體損傷。
[0087]根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于激光切割一工件的方法包含:產(chǎn)生一激光光束，該激光光束具有足以于該工件的材料內(nèi)提供非線性多光子吸收的一波長(zhǎng)、一脈波持續(xù)時(shí)間、及一脈波能量；使用一透鏡聚焦該激光光束，該透鏡引入具有一縱向球面像差范圍的球面像差，該縱向球面像差范圍足以于該工件內(nèi)提供一延伸景深(DOF)，而使該激光光束的單個(gè)脈波于該工件內(nèi)產(chǎn)生一延伸深度虛飾；以及借助該激光光束掃描該工件，而使一系列脈波沿該工件于一系列位置處產(chǎn)生一系列延伸深度虛飾。
[0088]根據(jù)再一實(shí)施例，一種激光加工系統(tǒng)包含:一激光器，用于產(chǎn)生一激光光束,該激光光束具有足以于該工件的材料內(nèi)提供非線性多光子吸收的一波長(zhǎng)、一脈波持續(xù)時(shí)間、及一脈波能量；以及一光束遞送系統(tǒng)，用于聚焦該激光光束并朝一工件引導(dǎo)該激光光束。該光束遞送系統(tǒng)包含一擴(kuò)束器及一透鏡，該擴(kuò)束器用于擴(kuò)張?jiān)摷す夤馐撏哥R用于引入具有一縱向球面像差范圍的球面像差，該縱向球面像差范圍足以于該工件內(nèi)提供一延伸景深(DOF)，而使該激光光束的單個(gè)脈波于該工件內(nèi)產(chǎn)生一延伸虛飾。該激光加工系統(tǒng)更包含一工件定位臺(tái)，以用于移動(dòng)該工件以于該工件上掃描該激光光束，而使一系列脈波于該工件內(nèi)形成一系列延伸虛飾。
[0089]盡管本文已描述了本發(fā)明的原理，然而熟習(xí)此項(xiàng)技術(shù)者應(yīng)理解，本說明僅以舉例方式給出而非作為對(duì)本發(fā)明范圍的一限制。除本文所示及所述實(shí)例性實(shí)施例之外，其他實(shí)施例亦涵蓋于本發(fā)明范圍內(nèi)。此項(xiàng)技術(shù)中的通常知識(shí)者所作的潤(rùn)飾及替換均被視為屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的范圍僅受隨附申請(qǐng)專利范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光切割一工件的方法，該方法包含: 產(chǎn)生具有數(shù)個(gè)超短脈波的一激光光束，該等超短脈波具有小于I納秒(ns)的一脈波持續(xù)時(shí)間；以及 聚焦該激光光束，而使一能量密度足以于一燒蝕區(qū)處燒蝕該基板的一表面且足以改變?cè)摴ぜ械囊徽凵渎?其中該光束利用一波導(dǎo)自聚焦效應(yīng)(waveguide self-focusingeffect)穿透該燒蝕區(qū)而到達(dá)該工件內(nèi)的一內(nèi)部位置，以于該內(nèi)部位置處對(duì)該工件的材料造成晶體損傷(crystal damage)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中聚焦該激光光束是使用一透鏡執(zhí)行，該透鏡具有一小于0.8的數(shù)值孔徑。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該透鏡為一三元透鏡(lenstriplet)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該透鏡具有一至少25毫米(mm)的焦距。
5.如權(quán)利要求2所述的方法,其中該透鏡以一約400微米(μm)的焦深(focal depth)及一約3微米的切口寬度(kerf width)提供一有效聚焦性能(focusability)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該激光光束具有一波長(zhǎng)，以于該工件的該材料內(nèi)提供非線性多光子吸收(nonlinear multiphoton absorpt1n)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該材料為藍(lán)寶石，且該波長(zhǎng)是處于紫外光(UV)范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中產(chǎn)生該激光光束包含產(chǎn)生至少一個(gè)脈波，該至少一個(gè)脈波具有一約60微焦耳(μ J)的脈波能量及一小于約10皮秒(ps)的脈波持續(xù)時(shí)間。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中產(chǎn)生該激光光束包含以一約33.3千赫(kHz)的重復(fù)率產(chǎn)生數(shù)個(gè)脈波，且更包含以處于一約70毫米/秒(mm/s)至90毫米/秒范圍的一掃描速度于該工件上掃描該激光光束。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該波長(zhǎng)是處于紅外光(IR)范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該材料為藍(lán)寶石，該波長(zhǎng)為約355納米(nm)，且聚焦該激光光束是使用一 25毫米的三元透鏡執(zhí)行，該25毫米的三元透鏡具有處于一約0.15至0.2范圍的一工作數(shù)值孔徑。
12.如權(quán)利要求6所述的方法，其中該材料為藍(lán)寶石，該波長(zhǎng)為約355納米，且聚焦該激光光束是使用一 60毫米的三元透鏡執(zhí)行，該60毫米的三元透鏡具有處于一約0.05至0.1范圍的一工作數(shù)值孔徑。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，更包含以一掃描速度于該工件上掃描該激光光束，而使該激光光束的一系列脈波沿一切割線形成一系列燒蝕區(qū)及晶體受損內(nèi)部位置。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中聚焦該激光光束是使用一透鏡執(zhí)行，該透鏡具有一小于約0.5的數(shù)值孔徑。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中聚焦該激光光束能提供一延伸景深(depthoffield)，以于進(jìn)入該工件內(nèi)至少約100微米的一深度造成晶體損傷。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該激光光束是以進(jìn)入該工件內(nèi)的一延伸景深而聚焦于該工件的該表面上。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該激光光束是以進(jìn)一步進(jìn)入該工件內(nèi)的一延伸景深而聚焦于該工件的該表面下方的一焦點(diǎn)偏移(focus offset)處。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中聚焦該激光光束會(huì)引入球面像差(sphericalaberrat1n),該等球面像差具有一縱向球面像差范圍，該縱向球面像差范圍足以將該景深延伸進(jìn)入該工件中。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該激光光束是聚焦于該工件的該表面下方的一焦點(diǎn)偏移處。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中聚焦該激光光束包含:過度充填具有一衍射受限區(qū)域的一透鏡的一孔徑，而使該等球面像差被引入該衍射受限區(qū)域之外。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中該透鏡被足夠地過度充填，以提供將該景深延伸進(jìn)入該工件中的該縱向球面像差范圍、同時(shí)限制一橫向球面像差范圍。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該激光光束于該工件的該表面上的一光點(diǎn)大小具有一小于約20微米的寬度。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該激光光束于該工件的該表面處以處于一約10微米至20微米范圍的一尺寸提供一激光區(qū)，且該工件的該表面處的該燒蝕區(qū)小于約10微米。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，更包含: 使該激光光束成形，以于該基板的該表面上形成一可變的細(xì)長(zhǎng)聚焦光束光點(diǎn)。
25.一種用于激光切割一工件的方法，該方法包含: 產(chǎn)生一激光光束，該激光光束具有足以于該工件的材料內(nèi)提供非線性多光子吸收的一波長(zhǎng)、一脈波持續(xù)時(shí)間、及一脈波能量； 使用一透鏡聚焦該激光光束，該透鏡引入具有一縱向球面像差范圍的球面像差，該縱向球面像差范圍足以于該工件內(nèi)提供一延伸景深(cbpth of field ;D0F)，而使該激光光束的單個(gè)脈波于該工件內(nèi)產(chǎn)生一延伸深度虛飾(extended depth affectat1n);以及 借助該激光光束掃描該工件，而使一系列脈波沿該工件于一系列位置處產(chǎn)生一系列延伸深度虛飾。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該激光光束包含數(shù)個(gè)超短脈波，該等超短脈波具有一小于1納秒的脈波持續(xù)時(shí)間。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該透鏡包含一衍射受限區(qū)域，且聚焦該激光光束包含過度充填該透鏡的一孔徑，而使該等球面像差被引入該衍射受限區(qū)域之外。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中該透鏡被足夠地過度充填，以提供將該景深延伸進(jìn)入該工件中的該縱向球面像差范圍、同時(shí)限制一橫向球面像差范圍。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中該激光光束于該工件的該表面上的一光點(diǎn)大小具有一小于約20微米的寬度。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中該延伸虛飾延伸至該工件中至少100微米。
31.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該透鏡具有一小于約0.5的數(shù)值孔徑。
32.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該激光光束是以一近軸焦點(diǎn)(paraxialfocalpoint)而被聚焦于該工件的該表面上。
33.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該激光光束是以一近軸焦點(diǎn)而被聚焦于該工件的該表面下方的一焦點(diǎn)偏移處。
34.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該激光光束被聚焦成使一能量密度足以于一燒蝕區(qū)處燒蝕該工件的一表面。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中該激光光束以處于一約10微米至20微米范圍的一尺寸于該工件的該表面處提供一激光區(qū)，且該工件的該表面處的該燒蝕區(qū)小于約10微米。
36.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該材料為藍(lán)寶石，且該波長(zhǎng)是處于紫外光(UV)范圍內(nèi)。
37.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該材料為硅，且該波長(zhǎng)是處于紅外光(IR)范圍內(nèi)。
38.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該材料為玻璃，且該波長(zhǎng)是處于可見范圍內(nèi)。
39.如權(quán)利要求25所述的方法,其中借助該激光光束掃描該工件,而使一系列單個(gè)脈波于各自位置處產(chǎn)生該系列延伸深度虛飾。
40.一種激光加工系統(tǒng)，包含: 一激光器，用于產(chǎn)生一激光光束，該激光光束具有足以于該工件的材料內(nèi)提供非線性多光子吸收的一波長(zhǎng)、一脈波持續(xù)時(shí)間、及一脈波能量； 一光束遞送系統(tǒng)，用于聚焦該激光光束并朝一工件引導(dǎo)該激光光束，該光束遞送系統(tǒng)包含一擴(kuò)束器(beam expander)及一透鏡,該擴(kuò)束器用于擴(kuò)張?jiān)摷す夤馐?，該透鏡用于引入具有一縱向球面像差范圍的球面像差，該縱向球面像差范圍足以于該工件內(nèi)提供一延伸景深(DOF)，而使該激光光束的單個(gè)脈波于該工件內(nèi)產(chǎn)生一延伸虛飾；以及 一工件定位臺(tái)，用于移動(dòng)該工件以于該工件上掃描該激光光束，而使一系列脈波于該工件內(nèi)形成一系列延伸虛飾。
41.如權(quán)利要求40所述的激光加工系統(tǒng)，其中該激光器用以產(chǎn)生具有數(shù)個(gè)超短脈波的一激光光束，該等超短脈波具有一小于I納秒的脈波持續(xù)時(shí)間。
42.如權(quán)利要求40所述的激光加工系統(tǒng)，其中該透鏡具有一小于約0.5的數(shù)值孔徑。
43.如權(quán)利要求40所述的激光加工系統(tǒng)，其中該透鏡包含一三元透鏡，該三元透鏡具有一至少約25毫米的焦距以及一小于約0.5的數(shù)值孔徑。
【文檔編號(hào)】B23K26/362GK104334312SQ201380022339
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月16日
【發(fā)明者】J·P·賽席爾, M·曼德思, M·漢諾, M·馮達(dá)都思仁 申請(qǐng)人:Ipg微系統(tǒng)有限公司