CN100388428C - 利用激光束的处理装置 - Google Patents

Abstract

一种利用激光束的处理装置，其包括保持工件的保持装置；和激光束施加装置，利用能够通过工件的脉冲激光束照射由保持装置保持的工件，由此损蚀工件。激光束施加装置包括脉冲激光束振荡装置、和发送与聚焦由脉冲激光束振荡装置振荡产生的脉冲激光束的发送/聚焦装置。发送/聚焦装置利用提供的时间差将脉冲激光束聚焦到沿光轴方向移动的至少两个焦点上。

Description

利用激光束的处理装置

技术领域

本发明涉及一种利用激光束的处理装置，更具体地，涉及一种包括保持工件的保持装置和激光束施加装置的处理装置，其中激光束施加装置利用能够通过工件的脉冲激光束照射由保持装置保持的工件，由此损蚀工件。

背景技术

在半导体器件的制造中，例如，已知许多半导体电路形成在包括适当基底的晶片表面上，这些基底如硅基底、蓝宝石基底、碳化硅基底、钽酸锂基底、玻璃基底、或石英基底，然后将晶片划分以制造单独的半导体电路，即半导体器件。已经提出利用激光束的多种模式作为划分晶片的方法。

美国专利US6,211,488和日本专利申请公开号2001-277163各自公开了一种晶片划分方法，该方法将脉冲激光束聚焦到晶片沿厚度方向的中间部分上，沿分隔线相对于彼此移动脉冲激光束和晶片以产生沿分隔线的损蚀区域，该分隔线位于晶片沿厚度方向的中间部分上，然后将外力施加到晶片上以使晶片沿着损蚀区域断开。

可以了解不仅损蚀区域在晶片沿厚度方向的中间部分上产生，而且损蚀区域沿着分隔线在从晶片背面到预定深度的该范围的部分中产生、或者从晶片表面到预定深度的该范围的部分中产生，代替了沿晶片厚度方向的中间部分形成损蚀区域、或作为沿晶片厚度方向的中间部分形成损蚀区域的补充。在每一种情况中，为了将外力施加到晶片上以使晶片沿着分隔线足够精确地断开，有必要对损蚀区域提供相对大的厚度，即对损蚀区域在晶片的厚度方向上提供相对大的尺寸。为了增加损蚀区域的厚度，需要移动脉冲激光束在晶片厚度方向上的焦点位置，并且沿着分隔线相对于彼此重复地移动脉冲激光束和晶片，因为损蚀区域在脉冲激光束的焦点附近产生。因此，如果晶片的厚度相对较大，那么它需要相对长的时间来产生必要厚度的损蚀区域以使晶片足够精确地断开。

在解决上述问题的尝试中，本申请的申请人(受让人)提交的日本专利申请号2003-273341的说明书和附图中公开了一种适合于将脉冲激光束聚焦到至少两个沿光轴方向移动的焦点上的处理装置。根据这种处理装置，损蚀区域可以同时在至少两个沿工件即晶片的厚度方向移动的位置处产生。然而，这种处理装置仍然不够满意，而是提出了将要解决的下述问题：在两个焦点之一处的损蚀，更具体地，离脉冲激光束振荡装置较短距离的焦点的损蚀阻碍了脉冲激光束施加到另一个焦点上，更具体地，阻碍了离脉冲激光束振荡装置较远距离的焦点的损蚀，由此阻碍了所需损蚀的产生。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种新型且改进的利用激光束的处理装置，该处理装置可以在所需的至少两个沿工件厚度方向移动的焦点处产生损蚀，同时巧妙地避免了两个焦点之一的损蚀阻碍脉冲激光束施加到另一个焦点上的情况，由此在工件中产生所需厚度的损蚀区域。

发明者经过勤奋地研究和实验，发现了以下事实：利用提供的某些时间差，将脉冲激光束聚焦到沿脉冲激光束光轴方向移动，相应地，沿工件厚度方向移动的至少两个焦点上。因此，可以避免两个焦点之一的损蚀阻碍了脉冲激光束施加到另一个焦点上的情况。这样，上述主要目的可以实现。

作为根据本发明实现上述主要目的的利用激光束的处理装置，提供一种利用激光束的处理装置，其包括保持工件的保持装置；和激光束施加装置，利用能够通过工件的脉冲激光束照射由保持装置保持的工件，由此损蚀该工件，该激光束施加装置包括脉冲激光束振荡装置和发送与聚焦由脉冲激光束振荡装置振荡的脉冲激光束的发送/聚焦装置，其中发送/聚焦装置利用提供的时间差将脉冲激光束聚焦到沿脉冲激光束光轴方向移动的至少两个焦点上。

优选地，发送/聚焦装置将激光束先聚焦到离脉冲激光束振荡装置距离较远的焦点上，再将其聚焦到离脉冲激光束振荡装置距离较近的焦点上。在光轴方向上相邻的焦点之间聚焦期间的时间差优选不小于脉冲激光束的一个脉冲持续时间，但不大于脉冲激光束相继脉冲之间的时间间隔。在一优选的实施例中，发送/聚焦装置包括分束器，用于将来自脉冲激光束振荡装置的脉冲激光束划分为第一脉冲激光束和第二激光束；多个反射镜，用于将第二脉冲激光束的光轴和第一脉冲激光束的光轴对准；直径改变装置，用于改变第一脉冲激光束和第二脉冲激光束之一的直径；和公共聚焦透镜。优选地，发送/聚焦装置包括光路长度增加装置，用于增加第一脉冲激光束和第二脉冲激光束之一的光路长度。光路长度增加装置优选包括光纤或多个反射镜。

在根据本发明的利用激光束的处理装置中，时间差存在于脉冲激光束在至少两个焦点中的每一个上的聚焦期间。因此，避免了焦点之一处产生的损蚀阻碍脉冲激光束施加到另一个焦点上的情况。因此，如所需的，损蚀可以在至少两个焦点上产生。

附图说明

图1是示出根据本发明构成的处理装置的优选实施例的示意图。

图2是示出在图1的处理装置中第一脉冲激光束和第二脉冲激光束之间的聚焦期间的时间差。

图3是示出根据本发明构成的处理装置的另一实施例的示意图。

图4是示出在图3的处理装置中第一脉冲激光束、第二脉冲激光束、和第三脉冲激光束之间的聚焦期间的时间差。

具体实施方式

现在将参考所附附图对根据本发明构成的利用激光束的处理装置的优选实施例进行详细的描述。

附图1示意地示出了根据本发明构成的处理装置的优选实施例。说明的处理装置包括用于保持工件2的保持装置4，和整体用数字6表示的激光束施加装置。

保持装置4由保持部件8和附加到保持部件8的吸收装置(没有示出)构成，其中保持部件例如由多孔部件形成或者形成为其中形成有多个吸收孔或槽。保持装置4可以为工件2，例如晶片，通过吸收吸引在保持部件8的表面的形式。

激光束施加装置6包括脉冲激光束振荡装置10，和发送/聚焦装置12，用于发送和聚焦由脉冲激光束振荡装置10振荡产生的脉冲激光束。重要地，脉冲激光束振荡装置10振荡产生可以通过工件2的脉冲激光束14。如果工件2是包括硅基底、蓝宝石基底、碳化硅基底、钽酸锂基底、玻璃基底、或石英基底的晶片，那么脉冲激光束振荡装置10可以有利地由YVO4脉冲激光振荡器或YAG脉冲激光振荡器构成，其振荡产生例如波长为1064nm的脉冲激光束14。

参考图1，激光束施加装置6中的发送/聚焦装置12插入在脉冲激光束振荡装置10和保持在保持装置4上的工件2之间。在图示实施例中的发送/聚焦装置12包括起分束器作用的半反射镜16，反射镜18，反射镜20，半反射镜22，布置在半反射镜16和半反射镜22之间的直径改变装置24，和布置在反射镜18和反射镜20之间的光路长度增加装置26。直径改变装置24由具有两个凸透镜28和30的扩展器构成。用于将反射镜18和反射镜20之间的光路增加例如几米的光路增加装置26可以由延伸例如几米以上的光纤构成。作为选择，光路长度增加装置26可以由多个反射镜代替光纤构成，或由除光纤之外的多个反射镜构成。发送/聚焦装置12进一步包括用于聚焦脉冲激光束14的聚焦透镜32。

在上述的处理装置中，半反射镜16将由脉冲激光束振荡装置10振荡产生的脉冲激光束14分成两束脉冲激光束14a和14b，即通过半反射镜16且直线前进的第一脉冲激光束14a，和由半反射镜16反射且方向改变成基本垂直方向的第二脉冲激光束14b。第一脉冲激光束14a通过直径改变装置24，由此其直径改变，更具体地，转换成随着第一脉冲激光束14a远离直径改变装置24其直径逐渐增加的形式。然后，第一脉冲激光束14a通过半反射镜22，并由聚焦透镜32聚焦到工件2中的焦点34a上。另一方面，第二脉冲激光束14b由反射镜18、反射镜20、和半反射镜22反射，每一次方向改变成基本上垂直的方向，最后的状态为其光轴与第一脉冲激光束14a的光轴对准。然后，第二脉冲激光束14b由聚焦透镜32聚焦到工件2中的焦点34b上。如图1清楚所示，焦点34a和焦点34b在第一和第二脉冲激光束14a和14b的光轴上移动，并且焦点34a的位置比焦点34b的位置离脉冲激光束振荡装置10更远。通过沿光轴方向移动构成直径改变装置24的扩展器，或者通过沿光轴方向移动扩展器的凸透镜28或30，焦点34a的位置可以适当地调整。

在图示的实施例中，第二脉冲激光束14b的光路经由半反射镜16、反射镜18、光路长度增加装置26、和反射镜20延伸至半反射镜22，因此第二脉冲激光束14b的光路长度与第一脉冲激光束14a的光路长度相比增加了例如几米。因此，当第一脉冲激光束14a到达焦点34a时，第二脉冲激光束14b到达焦点34b的时间稍晚，因为第二脉冲激光束14b需要通过所增加的光路长度的时间。如图2所示，优选第一脉冲激光束14a到达焦点34a的时间点与第二脉冲激光束14b到达焦点34b的时间点之间的时间差dt不小于脉冲激光束14a(或14b)的一个脉冲持续时间(脉冲宽度)Δt，但不大于脉冲激光束14a(或14b)相继脉冲之间的时间间隔gt，并且第二脉冲激光束14b的每个脉冲位于第一脉冲激光束14a的各个脉冲之间。例如，假设脉冲激光束14a和14b的每个脉冲持续时间为Δt(秒)，脉冲激光束14a和14b的重复频率为W(Hz)，第一脉冲激光束14a的光路长度(L1)与第二脉冲激光束14b的光路长度(L2)之间的差为DL。由于光速为c(＝3×10⁸m/秒)，因此上述时间差dt为(L2-L1)÷c。这样，第二光路长度L2可以增加以满足Δt×c≤(L2-L1)≤(1/W-Δt)×c。例如，如果脉冲持续时间Δt为10ns，脉冲重复频率W为100k(Hz)，那么可推荐第二脉冲激光束14b的光路长度L2与第一脉冲激光束14a的光路长度L1相比增加大约3m。

当第一脉冲激光束14a聚焦到焦点34a时，由于聚焦，损蚀因此在工件2中的焦点34a附近产生，并且通常在从焦点34a向上宽度为W1的区域中。当第二脉冲激光束14b聚焦到焦点34b时，损蚀在工件2中的焦点34b附近产生，并且通常在从焦点34b向上宽度为W2的区域中。如果第一脉冲激光束14a到达焦点34a的时间与第二脉冲激光束14b到达焦点34b的时间基本相同，则存在的倾向为聚焦到焦点34a的第一脉冲激光束14a受到焦点34b处产生的损蚀的不利影响，从而阻碍了所需损蚀在焦点34a附近产生。通过对比，假定第一脉冲激光束14a聚焦到焦点34a以开始在焦点34a附近产生损蚀，然后，利用提供的时间差，第二脉冲激光束14b聚焦到焦点34b以开始在焦点34b附近产生损蚀。在这种情况下，完全避免了第二脉冲激光束14b在焦点34b附近产生的损蚀阻碍第一脉冲激光束14a聚焦到焦点34a的情况，并且所需损蚀可以在焦点34a附近和焦点34b附近产生。工件2中的上述损蚀以熔融和再凝固的形式出现(即当激光束14a和14b聚焦时熔融，在脉冲激光束14a和14b的聚焦完成之后凝固)，并且出现空隙或裂缝，尽管这取决于工件2的材料或脉冲激光束14a和14b的聚焦强度。当激光束施加装置6和保持装置4沿分隔线相对移动时，该分隔线例如沿图1的右和左方向延伸，沿分隔线连续延伸、宽度为W1和W2的两个损蚀部分形成在工件2中(如果激光束14a和14b在焦点34a和34b处的点部分重叠，这些点沿相对移动方向相邻)，或者沿分隔线间隔设置、宽度为W1和W2的许多损蚀部分形成在工件2中(如果激光束14a和14b在焦点34a和34b处的点间隔设置，这些点沿相对移动方向相邻)。如此处所注意的，根据本发明构成的处理装置的第一实施例，通过单个激光束施加装置6在工件2的两个区域中沿工件2的厚度方向移动，宽度为W1和W2的损蚀部分可以如所需的同时形成。

如果宽度为W1和W2的损蚀部分不足以沿分隔线足够精确地划分工件2，则可推荐下述步骤：激光束施加装置6和保持装置4沿光轴方向在预定距离上相对于彼此移动，即沿图1中的上下方向，由此焦点14a和14b沿光轴方向，相应地沿工件2的厚度方向移动。进一步，激光束施加装置6和保持装置4沿分隔线相对于彼此移动。以这种方式，除了上述形成的先前的损蚀部分之外，沿分隔线连续延伸、宽度为W1和W2的两个损蚀部分，或者沿分隔线间隔设置、宽度为W1和W2的许多损蚀部分形成在工件2中沿工件2厚度方向移动的位置处。

图3示出了根据本发明构成的处理装置的另一个实施例。图3所示的处理装置包括保持工件102的保持装置104，和激光束施加装置106。保持装置104可以与图1所示实施例中的保持装置4的结构相同。

图3所示实施例中的激光束施加装置106包括脉冲激光束振荡装置110，发送和聚焦由脉冲激光束振荡装置110振荡产生的脉冲激光束114的发送/聚焦装置112。脉冲激光束振荡装置110基本上可以与图1所示的脉冲激光束振荡装置10相同。图3所示实施例中的发送/聚焦装置112包括起第一分束器作用的半反射镜116、起第二分束器作用的半反射镜117、反射镜118、反射镜119、反射镜120、反射镜121、半反射镜122、半反射镜123、第一直径改变装置124、第二直径改变装置125、第一光路长度增加装置126、第二光路长度增加装置127、和公共聚焦透镜132。第一直径改变装置124和第二直径改变装置125中的每一个基本上可以与图1所示的直径改变装置24相同，并且第一光路长度增加装置126和第二光路长度增加装置127中的每一个的结构基本上可以与图1所示的光路长度增加装置26的结构相同。(然而，如随后将进一步提及的，由第一光路长度增加装置126增加的光路长度和由第二光路长度增加装置127增加的光路长度需要的要求长度不同。)

在图3所示的实施例中，来自脉冲激光束振荡装置110的脉冲激光束114被分成通过半反射镜116并直线前进的第一脉冲激光束114a，和经由半反射镜116反射且方向改变成基本垂直方向的第二脉冲激光束114b。第一脉冲激光束114a通过半反射镜117并向前传播。在该运动期间，由半反射镜117基本垂直反射的第三脉冲激光束114c从第一脉冲激光束114a中分离。第一脉冲激光束114a通过直径改变装置124，由此其直径改变，更具体地，转换成随着第一脉冲激光束114a远离直径改变装置124其直径逐渐增加的形式。然后，第一脉冲激光束114a通过半反射镜122和123，并由聚焦透镜132聚焦到工件102中的焦点134a上。第二脉冲激光束114b由反射镜118和反射镜119反射，每一次方向改变成基本上垂直的方向，然后通过直径改变装置125，由此改变直径，更具体地，转换成随着第二脉冲激光束114b远离直径改变装置125其直径逐渐增加的形式。然后，第二脉冲激光束114b由半反射镜123反射且方向变为基本垂直的方向，由此达到其光轴与第一脉冲激光束114a的光轴对准的状态。然后，第二脉冲激光束114b由聚焦透镜132聚焦到工件2中的焦点134b上。第三脉冲激光束114c由反射镜120、反射镜121和半反射镜122反射，每一次方向改变成基本上垂直的方向，由此达到其光轴与第一脉冲激光束114a的光轴对准的状态。然后，第三脉冲激光束114c通过半反射镜123，由聚焦透镜132聚焦到工件2中的焦点134c上。焦点134a、焦点134b和焦点134c沿第一脉冲激光束114a、第二脉冲激光束114b和第三脉冲激光束114c的光轴方向移动。此外，第二脉冲激光束114b通过第一光路增加装置126，由此聚焦到焦点134b的时间比第一脉冲激光束114a聚焦到焦点134a的时间晚了所需时间差dt1。第三脉冲激光束114c通过第二光路增加装置127，由此聚焦到焦点134c的时间比第二脉冲激光束114b聚焦到焦点134b的时间晚了所需时间差dt2。如图4所示，这些时间差dt1和dt2优选布置成聚焦到焦点134a的第一脉冲激光束114a、聚焦到焦点134b的第二脉冲激光束114b、和聚焦到焦点134c的第三脉冲激光束114c相继聚焦，在时间上彼此不重叠。

在图3所示的处理装置中，如所要求的，损蚀部分形成在工件102中的焦点134a、134b和134c的附近，并且通常在从焦点134a、134b和134c向上宽度为W1、W2和W3的区域中。在第一脉冲激光束114a聚焦到焦点134a之后，第二脉冲激光束114b聚焦到焦点134b上。因此，宽度为W2的区域中的损蚀不阻碍第一脉冲激光束114a的聚焦。在第二脉冲激光束114b聚焦到焦点134b之后，第三脉冲激光束114c聚焦到焦点134c上。因此，宽度为W3的区域中的损蚀不阻碍第二脉冲激光束114b的聚焦。因此，所需损蚀可以在宽度为W1、W2和W3的各个区域中产生。当激光束施加装置106和保持装置104沿分隔线相对移动时，该分隔线例如沿图3的右和左方向延伸，沿分隔线连续延伸、宽度为W1、W2和W3的三个损蚀部分，或者沿分隔线间隔设置、宽度为W1、W2和W3的许多损蚀部分形成在工件102中。如果宽度为W1、W2和W3的损蚀部分不足以沿分隔线足够精确地划分工件102，则可推荐下述步骤：激光束施加装置106和保持装置104沿光轴方向在预定距离上相对于彼此移动，即沿图3中的上下方向，由此焦点134a、134b和134c沿光轴方向，相应地沿工件102的厚度方向移动。进一步，激光束施加装置106和保持装置104沿分隔线相对于彼此移动。以这种方式，除了上述形成的先前的损蚀部分之外，沿分隔线连续延伸、宽度为W1、W2和W3的三个损蚀部分，或者沿分隔线间隔设置、宽度为W1、W2和W3的许多损蚀部分形成在工件102中沿工件102厚度方向移动的位置处。

Claims (7)

1.一种利用激光束的处理装置，其包括保持工件的保持装置；和激光束施加装置，利用能够通过所述工件的脉冲激光束照射由所述保持装置保持的所述工件，由此损蚀所述工件，所述激光束施加装置包括脉冲激光束振荡装置、和发送与聚焦由所述脉冲激光束振荡装置振荡产生的脉冲激光束的发送/聚焦装置，其中

所述发送/聚焦装置利用提供的时间差将脉冲激光束聚焦到沿脉冲激光束光轴方向移动的至少两个焦点上，

所述发送/聚焦装置将激光束先聚焦到离所述脉冲激光束振荡装置距离较远的第二脉冲激光束的焦点上，再将其聚焦到离所述脉冲激光束振荡装置距离较近的第一脉冲激光束的焦点上，和

所述第二脉冲激光束和所述第一脉冲激光束交替地沿着所述工件的分隔线聚焦。

2.根据权利要求1的利用激光束的处理装置，其中所述工件是晶片。

3.根据权利要求2的利用激光束的处理装置，其中在光轴方向上相邻的焦点之间聚焦期间的时间差不小于脉冲激光束的一个脉冲持续时间，但不大于脉冲激光束相继脉冲之间的时间间隔。

4.根据权利要求1的利用激光束的处理装置，其中所述发送/聚焦装置包括分束器，用于将来自所述脉冲激光束振荡装置的脉冲激光束划分为第一脉冲激光束和第二脉冲激光束；多个反射镜，用于将所述第二脉冲激光束的光轴和所述第一脉冲激光束的光轴对准；直径改变装置，用于改变所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束之一的直径；和公共聚焦透镜。

5.根据权利要求4的利用激光束的处理装置，其中所述发送/聚焦装置包括光路长度增加装置，用于增加所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束之一的光路长度。

6.根据权利要求5的利用激光束的处理装置，其中所述光路长度增加装置包括光纤。

7.根据权利要求5的利用激光束的处理装置，其中所述光路长度增加装置包括多个反射镜。

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