CN100363143C - 利用多面反射镜的激光加工设备 - Google Patents

Abstract

公开的内容针对采用多面反射镜的激光加工设备，能有效地加工物体。本设备包括：发射激光束的激光发生器；在轴上旋转并有多个反射平面的多面反射镜，它反射从激光发生器入射其上的激光束；和透镜，该透镜在把多面反射镜反射的激光束会聚之后，使该激光束照射到物体上，例如放置在台上的晶片。根据多面反射镜的旋转使激光束照射在晶片上的过程中，移动放置晶片的台，以增大激光束的相对扫描速度，这样能有效地切割晶片。因为它只用激光束切割晶片，所以不必改变任何附加的装置，这样可以改进加工速度和切割效率。此外，可以控制切割宽度，并防止切割加工时从晶片产生的蒸气淀积在晶片切口的再铸造效应，实现高纤细和精确尺寸的晶片切割加工。

Description

利用多面反射镜的激光加工设备

技术领域

本发明涉及一种用多面反射镜的激光加工设备，能通过在多面反射镜上反射的激光束来加工物体。

背景技术

由于使用激光束切割硅晶片的设备优于其他机械设备，所以促进了关于它们的各种研究。切割硅晶片的最先进设备之一，是使用从高压水喷嘴喷射的水引导激光束的设备。

采用高压水喷嘴的晶片切割设备，用通过高压喷嘴喷射的水，使激光束照射在晶片上。由于高压，水喷嘴容易磨损，必须定期更换喷嘴。

定期地更换高压喷嘴，导致进行晶片切割加工的不方便。还导致较低的生产率和较高的制作成本。

还有，因为常规的晶片切割设备难以提供纤细的线宽度，所以采用该设备进行高精确加工是有问题的。

同时，仅用激光束的晶片切割加工，引起再铸造效应，这意味着激光束蒸发的蒸气淀积在晶片的切割边。再铸造效应有碍于晶片的切割加工。

发明内容

为解决前述问题，本发明的一个目的，是提供一种用多面反射镜的激光加工设备，它借助不改变任何附加装置而避免再铸造效应，能精确地加工诸如晶片的物体。

在本发明的实施例中，用多面反射镜的激光加工设备包括：发射激光束的激光发生器；由多个反射落在其上激光束的反射平面构成的、同时在轴上旋转的多面反射镜，该激光束由激光发生器发射；和透镜，用于使多面反射镜上反射的激光束会聚，并使激光束照射在物体上。

附图说明

图1A到1C是示意图，按照本发明，画出采用多面反射镜的激光加工设备概念上的特征。

图2是示意图，按照本发明，画出采用多面反射镜的激光加工设备概念上的特征。

图3是简图，按照本发明，画出重叠的激光束。

图4是简图，按照本发明，画出用多面反射镜的激光加工设备一个示例性的实施例。

图5是简图，按照本发明，画出用多面反射镜的激光加工设备另一个示例性的实施例。

图6是流程图，表明按照本发明的加工物体的过程。

图7是示意图，按照本发明，画出用多面反射镜的激光加工设备的晶片加工配置。

具体实施方式

图1A到1C是示意图，按照本发明，画出采用多面反射镜的激光加工设备概念上的特征。

如图1A到1C所示，激光加工设备包括多面反射镜10和远心f-θ透镜20，该多面反射镜10有多个反射平面并在轴11上旋转，该远心f-θ透镜20会聚从反射平面上反射的激光束。透镜20的安装平行于台30，以便会聚从反射平面上反射的激光束，台30载着要切割的晶片40。因此，在透镜20上会聚的激光束，垂直照射在晶片上，该激光束能按预定形状加工(切割)晶片40(如半导体晶片)。

虽然透镜20可以是耦合的一组透镜，但本实施例为便于说明，用单个透镜。

图1A到1C画出如下特征：从反射平面12反射的激光束，经透镜20会聚，照射在晶片40上，同时多面反射镜10还沿反时针方向在轴11上旋转。

现在参考图1A，根据多面反射镜10的旋转，激光束从反射平面12的始端部分反射，然后入射透镜20的左端。反射的激光束在透镜20上会聚，并垂直地照射在晶片40的预定位置S1。

现在参考图1B，当多面反射镜10再向前旋转，在反射平面12的中央部分反射激光束时，被反射的激光束入射透镜20的中央位置并在透镜20上会聚。在透镜20上会聚的激光束，垂直地照射在晶片40的预定位置S2。

现在参考图1C，当多面反射镜10进一步向前旋转，比图1B的情形转过更多，在反射平面12的后端部分反射激光束时，在后端部分反射的激光束，入射透镜20的右端，并在透镜20上会聚。在透镜20上会聚的激光束，垂直地照射在晶片40的预定位置S3。

如前面图1A至1C整个表明，根据多面反射镜10的反时针方向旋转，激光束照射在晶片40的预定位置S1到S3上。从S1到S3的距离，被称为扫描长度S_L，它表示反射平面12顺着多面反射镜10的旋转而照射晶片40的间距。由反射平面12的始端和后端部分形成的激光束反射角，被称为扫描角θ。

本文后面将更详细说明本发明理论上的特征。

图2按照本发明，画出采用多面反射镜的激光加工设备的示意配置。

现在参考图2，由n个反射平面构成的多面反射镜10，以恒定速度在轴11上旋转，角速度为ω，周期为T。入射其上的激光束从反射平面12反射，并通过透镜20照射在晶片40上。

在有n个反射平面12的多面反射镜10的情形中，当反射平面12之一正在旋转时，激光束的扫描角θ，可以归纳为如下方程式1。

[方程式1]

θ＝2(α₂-α₁)

${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{\φ}+\mathrm{\Ψ}-\frac{\mathrm{\π}}{2}$

${\mathrm{\α}}_2=\mathrm{\φ}+\mathrm{\Ψ}-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{2\mathrm{\π}}{n}$

$\stackrel{.}{..}\mathrm{\θ}=\frac{4\mathrm{\π}}{n}$

从方程式1可见，扫描角θ是多面反射镜10反射平面12的中心角(

)的两倍。因此，扫描长度S_L，也就是多面反射镜10反射平面12反射的激光束，在晶片40上的照射范围，由透镜20的形态学特征确定如下。

[方程式2]

$S_L=f\×\mathrm{\θ}=\frac{4\mathrm{\πf}}{n}$

S_L：扫描长度

f：焦距

θ：扫描角

按照方程式2，多面反射镜10正在旋转时，从多面反射镜10每一个反射平面12反射的激光束，照射在晶片40上的长度为S_L。换句话说，根据多面反射镜的旋转，照射在晶片40上的激光束的扫描长度S_L，可从焦距f与多面反射镜12反射平面12反射的激光束扫描角θ的乘积获得。

顺便指出，因为多面反射镜10有n个反射平面12，在多面反射镜10旋转的每一周期中，可有n次扫描长度为S_L的扫描。就是说，当多面反射镜10旋转一圈时，照射在晶片40上的激光束，照在晶片40上的扫描长度S_L在晶片40中重叠，重叠次数就是多面反射镜10反射平面12的数量。单位时间间隔(如一秒)中的扫描频率，可从下面的方程式3得到。

[方程式3]

ω：多面反射镜的角速度

T：多面反射镜的周期

从方程式3，在多面反射镜10上有n个反射平面12的条件下，通过控制多面反射镜10的周期或角速度，可以调整扫描频率。换句话说，通过改变多面反射镜10的周期T或角速度ω，能够按需要的重叠次数控制扫描长度S_L。

如果多面反射镜10的角速度ω恒定，从多面反射镜10反射的激光束相对于晶片40的扫描速度，可以通过沿多面反射镜10旋转的相反方向，传送放置晶片40的台30而增大。换句话说，当台30沿多面反射镜10旋转的相反方向传送时，激光束S_L对晶片40的扫描速度，比当台30伫立不动时激光束对晶片40的扫描速度更快。

这种扫描长度S_L的重叠，如在图3中所示，沿放置晶片40的台30传送方向的相反方向发展。结果是，台30上的晶片40，沿台30传送方向的相反方向被激光束扫描并切割。此时，扫描长度S_L继续在均匀的范围中彼此重叠，在该均匀范围中，重叠次数可以通过控制台30的传送速度来调整。

假定扫描长度S_L沿台30的传送方向的移动距离是l，那么扫描长度的重叠度N，可以表示为S_L/l。

移动距离l表示，台30以速度v运动，直到反射平面12之一完成旋转的一段时间内移动的尺寸，该移动距离l可以总结为如下方程式4。重叠度N以方程式5表示。

[方程式4]

$l=\frac{\frac{v}{n}}{T}=\frac{\mathrm{vT}}{n}=\frac{2\mathrm{\πv}}{\mathrm{n\ω}}$

[方程式5]

归纳以上的说明，具有重叠度N且晶片40以速度v切割时，对多面反射镜10的角速度ω，可得如下方程式6。

[方程式6]

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{Nv}}{2f}$

如方程式6所示，角速度是以透镜20焦距f值的两倍，除激光束的重叠度N与切割速度v之积得到的，这里切割速度v等于其上载有晶片40的台30的传送速度。

虽然本实施例使用的多面反射镜呈8角形，有8个反射平面(即n＝8)，但在本发明的范围内，也可以修改为其他多角形。

图4按照本发明，画出用多面反射镜的激光加工设备的示范性实施例。

现在参考圈4，按照本发明的用多面反射镜的激光加工设备，包括：用于引导整个操作的控制器110；用于键入控制参数及控制命令的输入单元120；用于开动多面反射镜10的多面反射镜驱动器130；用于发射激光束的激光发生器140；用于沿预定方向传送载有晶片40的台30的台传送单元150；用于通知外部用户当前工作状态的显示单元160；和用于存储有关数据的存储单元170。

多面反射镜驱动器130包括构成多面反射镜10的多个反射平面12，多面反射镜10有多个平面，以预定速度在轴11上旋转。借助受控制器110控制的电机(未画出)，使多面反射镜10以预定速度在轴11上匀速旋转。

激光发生器140用于发射加工晶片40的激光束，晶片40作为物体放在台30上，在本实施例中，激光发生器140在控制器110的控制下，产生紫外射线的激光束。

台传送单元150用于以预定速度，传送其上载有作为待加工物体的晶片40的台30。

在该激光加工设备的结构中，从激光发生器140发射的激光束，在控制器110的控制下，入射多面反射镜10。照射多面反射镜10的激光束，在扫描角θ的范围内从反射平面12向着透镜20反射，该多面反射镜10由多面反射镜驱动器130旋转。从反射平面12反射的激光束，在透镜20上会聚，且会聚的激光束垂直地照射在晶片40上。

在多面反射镜10的反射平面12之一正在旋转的同时，照射在晶片40上的激光束，沿台30传送方向的相反方向，移动扫描距离SL。

图5按照本发明，画出用多面反射镜的激光加工设备的另一个实施例。

现在参考图5，按照本发明另一个实施例的用多面反射镜的激光加工设备，基本上包括：用于引导整个操作的控制器110；用于键入控制参数及控制命令的输入单元120；用于开动多面反射镜10的多面反射镜驱动器130；用于发射激光束的激光发生器140；用于沿预定方向传送载有晶片40的台30的台传送单元150；用于通知外部用户当前工作状态的显示单元160；和用于存储有关数据的存储单元170。

图5的这些结构与图4的那些结构相同。但是，图5的用多面反射镜的激光加工设备，还包括光束扩束器210和光束变换器220，光束扩束器210用于增大激光发生器140发射的针形激光束的直径，然后把增大的激光束照射在多面反射镜10上，光束变换器220用于把经多面反射镜10反射后在透镜20上被会聚的激光束，变换为椭圆形。在此情况下，光束变换器220容易用柱面透镜实施。

入射在多面反射镜10上的增大的激光束，被多面反射镜10的反射平面12在扫描角θ范围内向着透镜20反射。从反射平面12反射的激光束，在透镜20上被会聚，其截面形状被光束变换器220变换为椭圆形，然后垂直照射在晶片40上。

由于照射的激光束具有椭圆的截面形状，椭圆截面的长直径与切割加工方向对应，而椭圆截面的短直径与切割加工宽度对应。

当反射平面12之一正在轴11上旋转时，照射在晶片40上的激光束，作为扫描长度S_L沿台30传送方向的相反方向移动。

本文后面详细说明，借助具有图5所示用多面反射镜的激光加工设备，加工物体(即晶片40)的过程。

图6是流程图，按照本发明说明加工物体的过程。

现在参考图6，为了加工晶片，即把晶片40切割，首先，按照待加工晶片40的类型，在输入单元120建立多面反射镜10旋转速度和台30传送速度的控制参数(步骤S10)。事先在存储单元170中登记了对晶片类型和加工选项(如切割、划槽、等等)设计的信息之后，该种设置操作，可以简单地从存储单元170中检索信息菜单实现。

完成控制参数的建立后，控制器110起动多面反射镜驱动器130，使多面反射镜10按步骤S10预先设定的旋转速度旋转(步骤S20)，并且还起动台传送单元150，使台30按预定速度传送(步骤S30)。此时，控制器110令激光发生器140发射激光束(步骤S40)。

之后，从激光发生器140发射的激光束，在通过光束扩束器210后，以增大的截面直径入射多面反射镜10。入射多面反射镜10的激光束，从在轴11上旋转的多面反射镜10的反射平面12反射，在扫描角θ的范围内射向透镜20。

透镜20会聚从多面反射镜10反射的激光束，然后，在透镜20上会聚的激光束，经过光束变换器220，使截面变换成椭圆形后，垂直地照射在晶片40上。最后照射在晶片40上的激光束，有椭圆截面的形状，其长直径与晶片40的切割方向即加工的前进方向一致，每次使激光束的照射范围在晶片40上扩展，而其短直径则与切割厚度，即加工的切割宽度对应。

过程中，随着多面反射镜10以恒定速度旋转，照射在晶片40上的多次激光束，以多个扫描长度S_L在晶片40上按预定的次数重叠。

此外，随着载有晶片40的台30沿多面反射镜10旋转方向相反方向的传送，具有扫描长度的激光束在晶片40上照射的相对速度，变得更快，使晶片的切割加工更有效(步骤S50)。

另一方面，当跳过光束扩束器210和光束变换器220两个步骤时，从激光发生器140发射的激光束，直接照射在晶片40上。

图7按照本发明，画出用用多面反射镜的激光加工设备加工晶片40的配置。

如上所述，通过光束扩束器210后被增大截面直径的激光束，入射多面反射镜10。入射多面反射镜10的激光束，在扫描角θ的范围内，在旋转着的多面反射镜10的反射平面12上反射，射向透镜20。透镜20使激光束会聚。在透镜20上会聚的激光束，被光束变换器220整形为椭圆截面形状，然后照射在晶片40上。

在该过程中，因为照射在晶片40上的激光束具有椭圆截面形状，椭圆的长直径与激光束在晶片40上的前进方向相关，而椭圆的短直径则与激光束在晶片40上的切割宽度相关。

如图7所示，照射在晶片40上的椭圆形激光束，沿它的长直径方向加工，伴随着由它的短直径决定的切割宽度。换句话说，晶片40的切割宽度41，可以通过控制激光束椭圆截面的短直径调整，该椭圆截面短直径是光束变换器220建立的。

激光束照射晶片40的时候，激光束照射的地方可能出现蒸发。但是，如上所述，激光束前进的方向与晶片40的传送方向相反，所以激光束的相对扫描速度更快，且激光束的长直径排列在加工方向(即切割方向)。结果是，切割断面42在整个切割加工中都是一斜面，因激光照射而从晶片材料逸散的蒸气，容易借助该斜面释放，不会在加工时淀积在切割平面42上。

还有，因为与激光束沿加工方向的快速重叠，使晶片40的切割部分急速蒸发，容易完成晶片加工，不至于产生诸如再铸造效应，该效应使晶片材料的蒸气淀积在晶片40的切割壁43上。

虽然上述实施例作为用于加工半导体晶片的例子举例说明，但本发明还可以用于加工其他基片或板，如塑料板、金属板、等等。

如上所述，按照本发明的用多面反射镜的激光加工设备，不必改变任何附加装置，因为激光束足以进行切割加工，本设备能使加工过程容易地并高效地迅速完成。此外，因为本发明通过调整椭圆激光束的短直径并防止再铸造效应，使蒸气从被切割的物体逸散，从而提供一种能控制切割宽度的有效技术，对以高精度的操作加工晶片以及普通物体，是有利的。

虽然本发明已经结合附图所示本发明的实施例说明，但本发明不受附图所示实施例的限制。本领域熟练人员应当清楚，在不违背本发明的范围和精神下，可以对说明的实施例作各种替换、修改、和变化。

Claims (13)

1.一种用多面反射镜以激光束加工物体的激光加工设备，包括：

发射激光束的激光发生器；

由多个反射落在其上的激光束的反射平面构成的、同时在轴上旋转的多面反射镜，该激光束由激光发生器发射；

会聚透镜，用于使多面反射镜上反射的激光束会聚，并使激光束照射在物体上；

多面反射镜驱动器，用于以恒定速度旋转多面反射镜，使反射平面以预定角速度运转；

放置物体的台；和

台传送单元，用于把台向预定的切割方向传送，使物体有预定的形状，

其中该台传送单元以相反于由多面反射镜的旋转施加到物体上的激光束的进行方向传送该台。

2.按照权利要求1的用多面反射镜的激光加工设备，还包括光束变换器，用于把会聚在透镜上的激光束的截面图形，转换为椭圆形。

3.按照权利要求2的用多面反射镜的激光加工设备，其中的光束变换器，把激光束转换为有椭圆截面图形形状，使其长直径顺着加工方向，然后把被转换的激光束照射在物体上。

4.按照权利要求3的用多面反射镜的激光加工设备，其中激光束椭圆截面的短直径，与激光束加工的宽度相关，该宽度能通过控制该短直径来调整。

5.一种利用多面反射镜的用于加工晶片的激光加工设备，包括：

发射激光束的激光发生器；

由多个反射落在其上激光束的反射平面构成的、同时在轴上旋转的多面反射镜，该激光束由激光发生器发射；

会聚透镜，用于使多面反射镜上反射的激光束会聚，并使激光束照射在置于台上的晶片上；

多面反射镜驱动器，用于以恒定速度旋转多面反射镜，使反射平面以预定角速度运转；

放置物体的台；和

台传送单元，用于把台向预定的切割方向传送，使晶片有预定的形状，

其中该台传送单元以相反于由多面反射镜的旋转施加到晶片上的激光束的进行方向传送该台，和

其中，根据多面反射镜的旋转，从反射平面之一照射在晶片上的激光束的扫描长度，可以用透镜焦距与从多面反射镜反射平面反射的激光束扫描角的乘积，进行调整。

6.按照权利要求5的用多面反射镜的激光加工设备，还包括光束变换器，用于把在透镜上会聚的激光束的截面图形，转换为椭圆形。

7.按照权利要求6的用多面反射镜的激光加工设备，其中的光束变换器，把激光束转换为有椭圆截面图形形状，使其长直径顺着加工方向，然后把被转换的激光束照射在晶片上。

8.按照权利要求7的用多面反射镜的激光加工设备，其中激光束椭圆截面的短直径，与被激光束加工的宽度相关，该宽度能通过控制短直径来调整。

9.按照权利要求6的用多面反射镜的激光加工设备，还包括光束扩束器，用于增大激光发生器发射的激光束的截面直径，该增大的激光束经多面反射镜反射后，在透镜上会聚并入射光束变换器上。

10.按照权利要求5的用多面反射镜的激光加工设备，其中的透镜会聚在其上的激光束，然后使激光束垂直地照射在晶片上。

11.按照权利要求5的用多面反射镜的激光加工设备，其中激光束的扫描角，是由反射平面的始端部分与后端部分形成的反射角。

12.按照权利要求5的用多面反射镜的激光加工设备，其中，根据多面反射镜的旋转，从反射平面反射的激光束，照射在晶片上，在晶片上按预定次数重叠，该重叠的预定次数，可以保持台的传送速度恒定的同时，通过调整多面反射镜的角速度进行控制。

13.按照权利要求5的用多面反射镜的激光加工设备，其中，根据多面反射镜的旋转，从反射平面反射的激光束，照射在晶片上，在晶片上按预定次数重叠，该重叠的预定次数，可以保持多面反射镜的角速度恒定的同时，通过调整台的传送速度进行控制。

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