分光裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種分光裝置及其方法，該分光裝置包括一對透鏡，兩個透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射高斯光束的光斑尺寸和發(fā)散角；一平面反射鏡，將經(jīng)所述一對透鏡出射的水平光束偏轉(zhuǎn)為垂直光束；一高斯光束整形元件，垂直光束透過高斯光束整形元件后，其光斑轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑；一分束元件，平頂光斑經(jīng)其作用后分為一維或者二維光束陣列；一聚焦鏡，所述光束陣列中每束光透過聚焦鏡后聚焦，形成聚焦點陣。
【專利說明】
分光裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及激光加工設(shè)備中的一種分光裝置及其方法，特別適用于熱影響敏感材料的激光加工，比如應(yīng)用在wafer劃片中、陣列打孔和切割中。

【背景技術(shù)】
[0002]近期的晶圓制造技術(shù)中，為了提升效能，采用了 low-k材料，在其結(jié)構(gòu)中有多層的金屬和一些易碎的材料。當(dāng)傳統(tǒng)的鉆石刀片遇到這些延展性高的金屬層，鉆石顆粒極易被金屬削包住而失去部分切削能力，極易造成破片或者斷刀。除了先進(jìn)的IC之外，在傳統(tǒng)二極管的晶圓劃片中，鉆石刀同樣有許多無法滿足業(yè)界需求的地方:比如Gpp晶圓劃片，機(jī)械方式的磨削造成玻璃批覆層嚴(yán)重破損而導(dǎo)致絕緣不良和嚴(yán)重漏電，為了克服這一問題，業(yè)界發(fā)展出各種復(fù)雜的工藝去彌補(bǔ)這項缺陷。比如將玻璃層只長在切割刀兩旁，對方型晶粒而言，這個方式已經(jīng)被業(yè)界延用多年。但對六角晶粒而言，六角形每邊的三角形被浪費。其主原料的損失為30?40%。
[0003]在以藍(lán)寶石為基板的高亮度LED晶圓的劃片，也存在一些問題。傳統(tǒng)的藍(lán)寶石晶圓劃片有兩種方式:鉆石筆或者鉆石刀片。在藍(lán)寶石晶圓上先劃很淺的線，再裂片。由于藍(lán)寶石本身質(zhì)地很硬，所以工具的損耗很嚴(yán)重，裂片后整體良率也不高。
[0004]在微機(jī)電方面，有越來越多的芯片需要打孔，異型孔開孔和局部減薄等加工。玻璃與硅片鍵合在一起的復(fù)合芯片的切割，批覆有鉆石層的芯片，以及復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的芯片切割等，都不是鉆石刀片所能勝任的。
[0005]傳統(tǒng)的激光劃片技術(shù)中，不管是應(yīng)用脈沖激光器還是連續(xù)激光器，都會有能量殘留在切割道上，能量的累積和傳導(dǎo)會造成切割道旁熱損傷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決傳統(tǒng)激光劃片技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明中將激光器出光光束分成一維或者二維的光束陣列，降低激光的能量，減小熱影響區(qū)，能有效減少切割道寬度，提高wafer利用率。并且能夠同時完成兩道甚至多道切劃工作，提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種分光裝置，其包括:一對透鏡，兩個透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射高斯光束的光斑尺寸和發(fā)散角；一平面反射鏡，將經(jīng)所述一對透鏡出射的水平光束偏轉(zhuǎn)為垂直光束；一高斯光束整形元件，垂直光束透過高斯光束整形元件后，其光斑轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑；一分束元件，平頂光斑經(jīng)其作用后分為一維或者二維光束陣列；一聚焦鏡，所述光束陣列中每束光透過聚焦鏡后聚焦，形成聚焦點陣。
[0008]—種分光方法，其包括:激光器輸出的高斯光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后由平面反射鏡將其傳播方向從水平變換為垂直；垂直光束入射到高斯光束整形元件，高斯分布的光斑被轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑；平頂光斑入射到分束元件后分為一維或者二維光束陣列；光束陣列中每束光透過聚焦鏡后聚焦，形成聚焦點陣。
[0009]此種分光裝置及其方法的應(yīng)用，不僅可以減小熱損傷，加快劃片效率，而且可以有效減小劃片線寬，使一塊wafer上所能容納的器件數(shù)量大大的增加。在高端芯片的應(yīng)用上面有著極大的用處。另外當(dāng)將光束分為二維光束的時候，可以同時完成兩道甚至多道切劃，更是提聞生廣效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明第一種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2為微透鏡陣列的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖3為衍射光學(xué)元件的微結(jié)構(gòu)圖；
[0013]圖4為光束整形前的能量密度分布圖；
[0014]圖5為光束整形后的能量密度分布圖；
[0015]圖6為分束原理圖；
[0016]圖7為本發(fā)明第二種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖8為本發(fā)明第三種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖9為本發(fā)明第四種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖10為利用本發(fā)明分光裝置形成的一維聚焦點陣進(jìn)行器件切割的示意圖；
[0020]圖11為利用本發(fā)明分光裝置形成的二維聚焦點陣進(jìn)行器件切割的示意圖。
[0021]圖中各標(biāo)記的含義如下:
[0022]I，激光器；
[0023]2，透鏡；
[0024]21，透鏡
[0025]3，透鏡；
[0026]31，透鏡；
[0027]4，平面反射鏡或偏振片；
[0028]5，高斯光束整形元件；
[0029]51，微透鏡陣列；
[0030]52，衍射光學(xué)元件；
[0031]6，分束元件；
[0032]61，微透鏡陣列；
[0033]62，衍射光學(xué)元件；
[0034]63,同時具備分束和聚焦功能的光學(xué)兀件；
[0035]7，聚焦鏡；
[0036]8，電動位移平臺。

【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述:
[0038]如圖1所示，激光器I輸出的高斯光束經(jīng)一對透鏡2、3后入射到平面反射鏡或偏振片4，平面反射鏡或偏振片4后面為高斯光束整形元件5，之后為分束元件6，激光透過分束元件6，入射到聚焦鏡7上，在焦平面聚焦。
[0039]激光器I根據(jù)加工工件的材料特性和加工要求進(jìn)行選擇，一般選用短脈沖激光器，常見的有1064nm、532nm、355nm和266nm的納秒或者皮秒激光器。透鏡2和透鏡3之間的相對距離可調(diào)，以達(dá)到調(diào)整優(yōu)化激光器出射光束的光斑尺寸和發(fā)散角特性。平面反射鏡4將光束轉(zhuǎn)折90度，光束由水平傳播變更為垂直傳播。大多數(shù)激光器出射光束都為線偏振光，某些微加工應(yīng)用對光的偏振型比較敏感，需要將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，此時可以用偏振片來替代平面反射鏡。垂直光束入射到高斯光束整形元件5，將高斯特性的圓形光斑轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑，光斑的形狀可以為方形、矩形、線形或者橢圓形等任意形狀，根據(jù)實際微加工需求來選擇，這些形狀由高斯光束整形元件的設(shè)計來決定。
[0040]光束整形有兩種手段可以實現(xiàn)，一種是利用微透鏡陣列51來實現(xiàn)，微透鏡陣列的側(cè)面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中h是微透鏡陣列的外形尺寸，t是底面到微透鏡最高點之間的距離，P是單個微透鏡的尺寸，S是單個微透鏡的平面到最高點之間的距離，f是單個微透鏡的焦距。另一種是利用衍射光學(xué)元件52來實現(xiàn)，衍射光學(xué)元件的微結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中λ/(η-1)是衍射光學(xué)元件中微結(jié)構(gòu)的深度，λ為波長，η為折射率。在與光的傳播方向垂直的平面上，光束整形前后的能量密度分布分別如圖4、5所示。
[0041]分束原理如圖6所示:一束激光垂直入射到分束元件6上，根據(jù)分束元件6的結(jié)構(gòu)特征和入射激光光束的特性，出射光束的特征將呈現(xiàn)為傳播角度不同的幾束光。以出射光束為5個不同角度為例，入射光束O從分束元件6出射后成為相互之間夾角為a的5束光，再入射到聚焦鏡7上，而根據(jù)聚焦鏡的原理，入射光束在焦平面的位置取決于其入射光束與光軸的夾角，這5束光與光軸的夾角都不相同，因此聚焦點也不同，即在焦平面上形成5個聚焦點。
[0042]平頂光斑入射到分束元件6上，將平頂光斑分為一束一維或者二維光束陣列，此光束陣列中每束光的光斑形狀、光斑尺寸和發(fā)散角特性與入射到分束元件6上的光束特性一致，且光束陣列中每束光的能量等分入射光束。分束元件可以由微透鏡陣列61或者衍射光學(xué)元件62來實現(xiàn)，光束陣列的規(guī)格由微透鏡陣列61或者衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計所決定。其中微透鏡陣列61的結(jié)構(gòu)與微透鏡陣列51的結(jié)構(gòu)類似，衍射光學(xué)元件62的微結(jié)構(gòu)與衍射光學(xué)元件52的結(jié)構(gòu)類似。此光束陣列中每束光透過聚焦鏡7后，在聚焦鏡7的焦平面上聚焦，形成聚焦點陣。工件放置在電動位移平臺上，工件表面放置在聚焦鏡7的焦平面附近。聚焦鏡7在光的傳播方向上距離電動可調(diào)，用來保證工件表面與聚焦鏡7之間的距離恒定。
[0043]根據(jù)不同的加工材料的特性，靈活設(shè)計分束元件6 (微透鏡陣列61或衍射光學(xué)元件62)的微觀結(jié)構(gòu)，可以將從高斯光束整形元件5出射的光分為一維或者二位光束陣列，使之通過聚焦鏡7之后的聚焦點的高度不同，附圖7所示，光束陣列中相鄰光束的焦點高度差相等，這種多焦平面技術(shù)適用于切劃厚度較大的工件。
[0044]由于微透鏡陣列61和衍射光學(xué)元件62的微結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活，可以設(shè)計為同時具備分束和聚焦功能，如附圖8所示，同時具備分束和聚焦功能的光學(xué)元件用63表示。光學(xué)元件63可以光軸為偏轉(zhuǎn)，以便調(diào)整光束陣列的方向，也可以在光的傳播方向上位置可調(diào)，來保證加工工件與光學(xué)元件63之間的距離恒定。此時不需要使用聚焦鏡7，為系統(tǒng)節(jié)省較大空間。
[0045]激光光束從高斯光束整形元件5出射后，光斑的大小取決于激光器I出射的光束、透鏡2和透鏡3之間的相對距離。在高斯光束整形元件5之后再加入一組望遠(yuǎn)鏡組，透鏡21和透鏡31，如圖9所示。透鏡21和透鏡31之間的距離相對可調(diào)，因此可以再微調(diào)光斑的大小，再進(jìn)入光學(xué)元件63進(jìn)行分束、聚焦，最終作用在工件表面上。該望遠(yuǎn)鏡組同樣適用于圖1、圖7所示的分光裝置。
[0046]以一維光束陣列1*5為例說明，如圖10所示，在wafer W上分布有很多個器件D，需要按照X，Y方向?qū)⑵骷懈畛鰜?。圖中X方向只畫了 xl、X2兩條切割道示意圖，Y方向只畫了 yl和12兩條切割道示意圖，其余的切割道都省略未畫。當(dāng)微透鏡陣列61出射的一維光束陣列為X方向時，電動位移平臺8按照X方向移動，即完成X方向切劃工作。此時將微透鏡陣列61旋轉(zhuǎn)90度，則一維光束陣列的方向變更為Y方向，電動位移平臺8按照Y方向移動，即完成Y方向切劃工作。這種情況下每個切割道總共承受5次激光焦點的作用，來保證切劃精度和質(zhì)量。
[0047]當(dāng)光束陣列為二維時，以5*7為例說明，如圖11所示。S表示光束陣列在wafer W上的聚焦點陣，在X方向上，相鄰兩點之間的距離ΛΧ正好等于相鄰切割道之間的距離；在Y方向上，相鄰兩點之間的距離Λ Y取決于工藝參數(shù)，由加工工件的材料特性和加工要求來決定。如此，當(dāng)電動位移平臺Y方向移動時，一次性完成Yl到Υ7共7道劃線后，電動位移平臺向左移動7* Λ X的距離，再Y方向移動，重復(fù)此動作，即完成Y方向的切劃。然后再將分束元件6偏轉(zhuǎn)90度，則電動位移平臺X方向移動時，可以一次性完成7道X方向的劃線，重復(fù)此動作，即完成整個wafer的切劃?？梢猿杀兜脑黾忧袆澒ば虻漠a(chǎn)量。
[0048]在本發(fā)明中，先利用高斯光束整形元件將高斯分布的圓形光斑轉(zhuǎn)換為密度均勻的方形光斑，避免劃線中圓形光斑引起的鋸齒狀波紋。再將方形光斑分為一維或者二維的光束陣列，降低單個光斑作用在工件上的能量，減小熱影響區(qū)，且在相鄰兩束光中間有一個冷卻時間，抑制了等離子體的產(chǎn)生。這樣大大減少切割道的寬度，在相同尺寸大小的wafer上可以排布更多數(shù)量的芯片器件，有效減少浪費。當(dāng)將入射光束分為二維光束陣列時，可以同時完成兩個或者多個切劃，提高生產(chǎn)效率。
[0049]利用這種分光裝置，不僅可以有效改善切割道的形狀，避免鋸齒狀波紋的出現(xiàn)，減小切割道寬度，減小熱影響區(qū)，提高生產(chǎn)效率。這種分光裝置不僅可以應(yīng)用在激光劃片中，在陣列打孔、焊接等也有著很大的應(yīng)用空間。
[0050]以波長為1064nm的激光器為例，使用聚焦鏡的焦距為50mm，入射到聚焦鏡前的光斑直徑為1mm(本實施例中僅以圓形光斑為例，但其形狀并不限于圓形，還可以是方形或其他形狀，垂直光束入射到高斯光束整形元件5，將高斯特性的圓形光斑轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑，光斑的形狀可以為方形、矩形、線形或者橢圓形等任意形狀，根據(jù)實際微加工需求來選擇，這些形狀由高斯光束整形元件的設(shè)計來決定)。則焦平面上的聚焦光斑直徑為11.5um。采用圖11所述的二維分束，切割每個道的光束分為5束光，同時進(jìn)行7個道的切割。傳統(tǒng)的切割和采用本發(fā)明的裝置后，所獲得的wafer的道寬，熱影響區(qū)和加工速度如下表所示:
[0051]
BHI熱影響區(qū)域I平均速度
傳統(tǒng)裝置 30um30um10mm/s
本發(fā)明 15um8um60mm/s
[0052]由上表格可以看出，由于切割每個道的光束平均分為5束光，因此降低了道寬和熱影響區(qū)。由道寬和熱影響區(qū)共同決定了切割寬度，傳統(tǒng)裝置的切割寬度約60um，采用本裝置后，切割寬度約23um，對于整個wafer來說，可以節(jié)省約2倍的材料。由于可以一次完成7個道的切割,所以平均切割速度大大得到提升。
[0053]需要強(qiáng)調(diào)的是，這種分光裝置并沒有任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種分光裝置,其包括: 一對透鏡，兩個透鏡之間的距離可調(diào)，用以調(diào)整激光器出射高斯光束的光斑尺寸和發(fā)散角； 一平面反射鏡，將經(jīng)所述一對透鏡出射的水平光束偏轉(zhuǎn)為垂直光束； 一高斯光束整形元件，垂直光束透過高斯光束整形元件后，其光斑轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑； 一分束元件，平頂光斑經(jīng)其作用后分為一維或者二維光束陣列； 一聚焦鏡，所述光束陣列中每束光透過聚焦鏡后聚焦，形成聚焦點陣。
2.如權(quán)利要求1所述的分光裝置，所述平面反射鏡被偏振片替代，激光器出射的高斯光束為線偏振光，所述偏振片將經(jīng)所述一對透鏡出射的線偏振水平光束轉(zhuǎn)換為圓偏振垂直光束。
3.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述光束陣列中每束光的光斑形狀和發(fā)散角與入射到分束元件上的光束特性一致，所述光束陣列中每束光的能量相等。
4.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述分束元件為微透鏡陣列或衍射光學(xué)元件。
5.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述高斯光束整形元件為微透鏡陣列或衍射光學(xué)元件。
6.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述聚焦點陣形成在聚焦鏡的焦平面上。
7.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述分束元件可以光軸旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整光束陣列的方向。
8.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述聚焦點陣中聚焦點的高度不同，相鄰聚焦點高度差相等。
9.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述分束元件和所述聚焦鏡被同時具備分束和聚焦功能的光學(xué)元件替代，所述平頂光斑經(jīng)該光學(xué)元件作用后形成一維或者二維聚焦點陣。
10.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，還包括由兩個透鏡組成的一望遠(yuǎn)鏡組，該望遠(yuǎn)鏡組設(shè)置在所述高斯光束整形元件和所述分束元件之間，該望遠(yuǎn)鏡組中的兩個透鏡之間的距離可調(diào)，用于對進(jìn)入所述分束元件之前的平頂光斑的大小進(jìn)行微調(diào)。
11.如權(quán)利要求9所述的分光裝置，還包括由兩個透鏡組成的一望遠(yuǎn)鏡組，該望遠(yuǎn)鏡組設(shè)置在所述高斯光束整形元件和所述光學(xué)元件之間，該望遠(yuǎn)鏡組中的兩個透鏡之間的距離可調(diào)，用于對進(jìn)入所述光學(xué)元件之前的平頂光斑的大小進(jìn)行微調(diào)。
12.如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，所述聚焦鏡在光束傳播方向上的位置可調(diào)。
13.如權(quán)利要求9所述的分光裝置，所述光學(xué)元件可以光軸旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整聚焦點陣的布局。
14.如權(quán)利要求9所述的分光裝置，所述光學(xué)元件在光束傳播方向上的位置可調(diào)。
15.—種分光方法,其包括: 激光器輸出的高斯光束經(jīng)過光斑尺寸和發(fā)散角的調(diào)整后由平面反射鏡將其傳播方向從水平變換為垂直； 垂直光束入射到高斯光束整形元件，高斯分布的光斑被轉(zhuǎn)換為能量密度均勻的平頂光斑； 平頂光斑入射到分束元件后分為一維或者二維光束陣列； 光束陣列中每束光透過聚焦鏡后聚焦，形成聚焦點陣。
16.如權(quán)利要求15所述的分光方法，所述平面反射鏡被偏振片替代，激光器出射的高斯光束為線偏振光，所述偏振片將線偏振水平光束轉(zhuǎn)換為圓偏振垂直光束。
【文檔編號】B23K26/067GK104174994SQ201410374693
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李俊, 李紀(jì)東, 楊順凱 申請人:北京萬恒鐳特機(jī)電設(shè)備有限公司