分光裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種分光裝置，該分光裝置包括一對透鏡，兩個(gè)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(diǎn)陣。
【專利說明】分光裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及激光加工設(shè)備中的一種分光裝置，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(xiàng)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(gè)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(fèi)。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，本實(shí)用新型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(shí)完成兩道甚至多道切劃工作，提高生產(chǎn)效率。本實(shí)用新型的目 的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) ：
[0007]-種分光裝置，其包括：一對透鏡，兩個(gè)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(diǎn)陣。
[0008] 此種分光裝置的應(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(shí)候，可以同時(shí)完成兩道甚至多道切劃，更是提高 生產(chǎn)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1為本實(shí)用新型第一種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0010] 圖2為微透鏡陣列的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；
[0011] 圖3為衍射光學(xué)兀件的微結(jié)構(gòu)圖；
[0012] 圖4為光束整形前的能量密度分布圖；
[0013] 圖5為光束整形后的能量密度分布圖；
[0014] 圖6為分束原理圖；
[0015] 圖7為本實(shí)用新型第二種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖8為本實(shí)用新型第三種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖9為本實(shí)用新型第四種分光裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖10為利用本實(shí)用新型分光裝置形成的一維聚焦點(diǎn)陣進(jìn)行器件切割的示意圖；
[0019] 圖11為利用本實(shí)用新型分光裝置形成的二維聚焦點(diǎn)陣進(jìn)行器件切割的示意圖。
[0020] 圖中各標(biāo)記的含義如下：
[0021] 1，激光器；
[0022] 2,透鏡；
[0023] 21，透鏡
[0024] 3,透鏡；
[0025] 31，透鏡；
[0026] 4,平面反射鏡或偏振片；
[0027] 5,高斯光束整形元件；
[0028] 51，微透鏡陣列；
[0029] 52,衍射光學(xué)元件；
[0030] 6,分束元件；
[0031] 61，微透鏡陣列；
[0032] 62,衍射光學(xué)元件；
[0033] 63,同時(shí)具備分束和聚焦功能的光學(xué)兀件；
[0034] 7,聚焦鏡；
[0035] 8,電動位移平臺。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)描述：
[0037] 如圖1所示，激光器1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。
[0038] 激光器1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(shí)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(shí)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(jì)來決定。
[0039] 光束整形有兩種手段可以實(shí)現(xiàn)，一種是利用微透鏡陣列51來實(shí)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(diǎn)之間的 距離，P是單個(gè)微透鏡的尺寸，s是單個(gè)微透鏡的平面到最高點(diǎn)之間的距離，f是單個(gè)微透鏡 的焦距。另一種是利用衍射光學(xué)元件52來實(shí)現(xiàn)，衍射光學(xué)元件的微結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中 入An-I)是衍射光學(xué)元件中微結(jié)構(gòu)的深度，A為波長， n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。
[0040] 分束原理如圖6所不：一束激光垂直入射到分束兀件6上，根據(jù)分束兀件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(gè)不同角度為例，入射光束0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(diǎn)也不同，即在焦平面上形成 5個(gè)聚焦點(diǎn)。
[0041] 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(shí)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(jì)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(diǎn)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。
[0042] 根據(jù)不同的加工材料的特性，靈活設(shè)計(jì)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(diǎn)的高度不同，附圖7所示，光束陣列中相鄰光束的焦點(diǎn)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。
[0043] 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(jì)比較靈活，可以設(shè)計(jì)為同時(shí) 具備分束和聚焦功能，如附圖8所示，同時(shí)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(shí)不需要使用聚焦鏡7,為系統(tǒng)節(jié)省較 大空間。
[0044] 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1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。
[0045] 以一維光束陣列1*5為例說明，如圖10所示，在waferW上分布有很多個(gè)器件D， 需要按照X，Y方向?qū)⑵骷懈畛鰜怼D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y2兩條切割道示意圖，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(shí)，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(shí)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(gè)切割道總共承受5次激光焦點(diǎn)的作用，來 保證切劃精度和質(zhì)量。
[0046]當(dāng)光束陣列為二維時(shí)，以5*7為例說明，如圖11所示。S表示光束陣列在waferW上的聚焦點(diǎn)陣，在X方向上，相鄰兩點(diǎn)之間的距離AX正好等于相鄰切割道之間的距離；在 Y方向上，相鄰兩點(diǎn)之間的距離A 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(shí)，一次性完成Yl到Y(jié)7共7道劃線后，電動位移 平臺向左移動7* A 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(shí)，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(gè)wafer的切劃?？梢猿杀兜脑黾忧袆澒ば虻漠a(chǎn)量。
[0047] 在本實(shí)用新型中，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(gè)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(gè)冷卻時(shí)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(fèi)。當(dāng)將入射光束分為二維光束陣列 時(shí)，可以同時(shí)完成兩個(gè)或者多個(gè)切劃，提高生產(chǎn)效率。
[0048]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。
[0049] 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IOmm(本實(shí)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(shí)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(jì)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(gè)道的光束分為5束光，同時(shí)進(jìn)行7個(gè)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：
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 一種分光裝置，其特征是包括： 一對透鏡，兩個(gè)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直徑和發(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(diǎn)陣。
2. 如權(quán)利要求1所述的分光裝置，其特征是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，其特征是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，其特征是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，其特征是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，其特征是所述聚焦點(diǎn)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，其特征是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，其特征是所述聚焦點(diǎn)陣中聚焦點(diǎn)的高度不同，相 鄰聚焦點(diǎn)高度差相等。
9. 如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，其特征是所述分束元件和所述聚焦鏡被同時(shí)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(diǎn)陣。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的分光裝置，其特征是還包括由兩個(gè)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(gè) 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，其特征是還包括由兩個(gè)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(gè)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，其特征是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，其特征是所述光學(xué)元件可以光軸旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整聚 焦點(diǎn)陣的布局。
14. 如權(quán)利要求9所述的分光裝置，其特征是所述光學(xué)元件在光束傳播方向上的位置 可調(diào)。
【文檔編號】B23K26/067GK204122929SQ201420432418
【公開日】2015年1月28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