CN100479969C - 激光束加工设备 - Google Patents

Abstract

一种激光束加工设备，包括用于保持工件的卡盘工作台和激光束施加装置，该激光束施加装置包括激光束振荡装置和聚光器，聚光器具有物镜，该物镜用于会聚由该激光束振荡装置振荡发出的激光束从而将其施加到卡盘工作台上保持的工件上，其中在激光束振荡装置和物镜之间插入第一透镜、第二透镜和光程长度改变装置，第一透镜用于透射由激光束振荡装置振荡发出的激光束，第二透镜用于透射已经穿过第一透镜的激光束，光程长度改变装置用于改变第一透镜和第二透镜之间的光程长度。

Description

激光束加工设备

技术领域

本发明涉及一种激光束加工设备，用于沿着预定的加工线对卡盘工作台上保持的板状工件进行激光束加工。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，通过在基本上盘状半导体晶片之前表面上的晶格图案中排列的称作“槽(street)”的分界线来分割多个区域，以及在每个分割区域中形成电路，如IC，LSI等。通过沿着分界线切割该半导体晶片将其分成其上形成电路的多个区域来制造出单独的半导体芯片。也可以沿着分界线来切割光学器件晶片而将其分成单独的光学器件，如发光二极管或激光二极管，这些都广泛用在电气设备中，所述光学器件晶片包括叠置在蓝宝石衬底前表面上的氮化镓类化合物半导体等。

一般通过称作“切块机”的切割机沿着上述半导体晶片或光学器件晶片的分界线进行切割。该切割机包括用于保持如半导体晶片或光学器件晶片的工件的卡盘工作台、用于切割卡盘工作台上保持的工件的切割装置、以及用于使卡盘工作台和切割装置彼此相对移动的进刀装置。该切割装置具有包括旋转轴的主轴单元、安装在该主轴上的切削片和用于旋转驱动该旋转轴的驱动机构。该切削片包括盘状底座和环形切削刃，该环状切削刃安装到底座的侧壁外围部分，并且通过电铸成形将直径约为3μm的金刚石研磨粒固定到底座上而形成大约20μm的厚度。

由于蓝宝石衬底、碳化硅衬底等具有较高的莫氏硬度，因此利用上述切削片不一定容易切割。此外，由于切削片的厚度约为20μm，因此用于切断器件的分界线必须具有大约50μm的宽度。因此，在测量大约300μm×300μm的器件的情况下，槽与晶片的面积比为14％，由此降低了生产率。

同时，作为分割如半导体晶片的板状工件的手段，目前还尝试这样一种激光束加工方法，即施加能够穿过工件的脉冲激光束，并将其焦点设定在待分割的区域的内部。在利用这种激光束加工技术的分割方法中，通过下述步骤分割工件，即，从工件的一侧施加波长例如为1,064nm的脉冲激光束，这种激光束能够穿过工件，且将其焦点设定在所述内部，从而沿工件内部的分界线连续形成失效层，以及沿着分界线施加外力，其强度通过形成失效层而下降。该方法由日本专利No.3408805公开。

当诸如半导体晶片的板状工件具有波浪形表面且厚度不均匀时，因为施加激光束时的折射率而不能均匀地形成预定深度的失效层。因此，为了在半导体晶片内部均匀地形成预定深度的失效层，必须预先检测激光束将施加到其上的区域的不均匀度，并且必须调整激光束施加装置以遵循该不均匀度。

还可以实施这样一种激光束加工，即施加激光束，其焦点设定在板状工件的内部，以标记(mark)该工件的内部。但是，为了标记预定深度的工件的内部，必须将激光束施加装置调整为遵循工件表面的不均匀度。

为了解决上述问题，JP-A2003-168655公开了一种切块机，该切块机具有用于检测放置在工作台上的工件的高度位置的高度位置检测装置，以通过该高度位置检测装置来检测工件之切割区域的高度位置，并制作切割区域的高度图，从而根据该图来控制切削片的切削位置。

在上述公开文件所公开的技术中，首先通过利用该高度位置检测装置检测工件之切割区域的高度位置来制定切割区域的高度图，然后，在根据得到的图来控制切削片的切削位置时进行切削加工。由于高度位置检测步骤和切削步骤彼此分开，因此该技术在生产率方面不是很有效。

在这种情况下，本申请的申请人提出如日本专利申请No.2004-117496的激光束加工设备，即使当板状工件在厚度上不均匀时，该设备也能够在板状工件的所需位置有效地进行激光束加工。在这种激光束加工设备中，通过高度位置检测装置来检测保持在卡盘工作台上的一部分工件的高度位置，激光束从聚光器施加到该部分上，因此根据高度位置检测装置的检测信号，通过在与卡盘工作台的保持表面相垂直的方向上移动聚光器来对其进行调整。

但是，在上述激光束加工设备中，响应于来自高度位置检测装置的检测信号而快速地移动聚光器是很困难的。即，由于聚光器包括一组透镜(聚光物镜)，因此重量约为1kg，并具有很大的惯性力，很难快速地移动它。当在垂直方向上移动这种具有很大惯性力的聚光器时，产生这样一个问题，即出现微小的震动，由此影响激光束的加工精度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种激光束加工设备，即使当工件厚度不均匀时，该设备也能够在板状工件的所需位置处有效地进行加工。

根据本发明，通过一种激光束加工设备来实现上述目的，所述设备包括：用于保持工件的卡盘工作台；具有激光束振荡装置和聚光器的激光束施加装置，该聚光器配有物镜，该物镜用于会聚由该激光束振荡装置振荡发出的激光束，以将其施加到卡盘工作台上保持的工件上；以及加工进给装置，用于使卡盘工作台和激光束施加装置在加工进给方向上彼此相对移动，其中

在激光束振荡装置和物镜之间设置焦点移动装置，该焦点移动装置用于移动由物镜会聚的激光束的焦点位置；以及

焦点移动装置包括第一透镜，第二透镜和光程长度改变装置，其中所述第一透镜用于透射由激光束振荡装置振荡发出的激光束，所述第二透镜用于透射已经穿过第一透镜的激光束，以及所述光程长度改变装置用于改变第一透镜和第二透镜之间的光程长度。

上述光程长度改变装置由第一偏转反射镜装置和第二偏转反射镜装置构成，其中该第一偏转反射镜装置由第一反射镜、第二反射镜和角度调节致动器构成，所述第一反射镜用于将已经穿过第一透镜的激光束反射和偏转，所述第二反射镜用于将第一反射镜反射的激光束反射和偏转，所述角度调节致动器用于调整第一反射镜和第二反射镜的设定角；该第二偏转反射镜装置由第三反射镜、第四反射镜和角度调节致动器构成，所述第三反射镜用于将第一偏转反射镜装置的第二反射镜反射的激光束反射和偏转，所述第四反射镜用于将第三反射镜反射的激光束反射和偏转，所述角度调节致动器用于调整第三反射镜和第四反射镜的设定角。第一偏转反射镜装置的第一反射镜和第二反射镜彼此平行设置，且其间具有预定的间隔，以及第二偏转反射镜装置的第三反射镜和第四反射镜彼此平行设置，且其间具有预定的间隔。

激光束加工设备包括高度位置检测装置和控制装置，其中所述高度位置检测装置用于检测从卡盘工作台上保持的工件顶表面的聚光器施加的激光束的施加位置高度，所述控制装置用于根据高度位置检测装置的高度位置检测信号来控制角度调节致动器。

在根据本发明的激光束加工设备中，由于通过上述光程长度改变装置改变第一透镜和第二透镜之间的光程长度来改变由物镜会聚的激光束的焦点位置，因此即使当工件的厚度不均匀时仍然能够在工件的所需位置处有效地进行加工。

附图说明

图1是根据本发明构成的激光束加工设备的透视图；

图2是示意性示出图1所示激光束加工设备中提供的激光束加工装置的结构的方框图；

图3是显示从图2所示激光束加工装置施加的激光束的聚焦光斑直径的示意图；

图4是显示图1所示激光束加工设备中提供的焦点移动装置的第一实施例的示意图；

图5是构成图4所示焦点移动装置的第一偏转反射镜装置和第二偏转反射镜装置的透视图；

图6是显示激光束穿过图5所示第一偏转反射镜装置的光程长度的示意图；

图7是显示根据图5所示第一偏转反射镜装置和第二偏转反射镜装置的设定角变化的从聚光器的聚光物镜到焦点位置的位移的控制图；

图8是显示根据激光束的光程长度的变化的从聚光器的聚光物镜到焦点位置的位移的控制图；

图9是图1所示激光束加工设备中提供的加工头和高度位置检测装置的透视图；

图10是构成图9中所示高度位置检测装置的光发射装置和光接收装置与激光束施加装置的聚光器之间的位置关系的说明图；

图11是显示图9中所示高度检测装置的检测情况的说明图；

图12是作为板状工件的半导体晶片的透视图；

图13(a)和13(b)是显示利用图1中所示激光束加工设备加工工件的步骤的说明图；

图14是显示工件很厚的情况下的加工步骤的说明图；

图15是显示在图1中所示激光束加工设备中提供的控制装置的控制加工程序的流程图；

图16是图1中所示激光束加工设备中提供的焦点移动装置的第二实施例的示意图；以及

图17是图1中所示激光束加工设备中提供的焦点移动装置的第三实施例的示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细地描述本发明的优选实施例。

图1是根据本发明构成的激光束加工设备。图1所示激光束加工设备包括：固定底座(stationary base)2；保持板状工件的卡盘工作台机构3，该卡盘工作台机构安装在固定底座2上，使得它可在箭头X所示加工进给方向上移动；激光束施加单元支撑机构4，该支撑机构安装在固定底座2上，使得它可在与箭头X所示方向相垂直的箭头Y所示分度方向上移动；以及激光束施加单元5，其安装在激光束施加单元支撑机构4上，使得它可在箭头Z所示焦点位置调整方向上移动。

上述卡盘工作台机构3包括：一对导轨31和31，这对导轨安装在固定底座2上，并沿箭头X所示方向彼此平行设置；第一滑块32，安装在导轨31和31上，使得它可在箭头X所示方向上移动；第二滑块33，安装在第一滑块32上，使得它可在箭头Y所示方向上移动；支撑台35，通过圆柱形元件34将其支撑在第二滑块33上；以及作为工件保持装置的卡盘工作台36。该卡盘工作台36具有由多孔材料制成的工件保持表面361，从而通过吸取装置(未示出)将作为板状工件的盘状半导体晶片保持在工件保持表面361上。通过安装在圆柱形元件34中的脉冲电动机(未示出)来转动卡盘工作台36。

上述第一滑块32的底面上具有与上面那对导轨31和31相配合的导槽321和321，以及该第一滑块32的顶面上具有在箭头Y所示方向上彼此平行形成的一对导轨322和322。通过使导槽321和321分别与那对导轨31和31配合，构成如上所述的第一滑块32，使得可沿着那对导轨31和31在箭头X所示方向上移动。在举例说明的实施例中的卡盘工作台机构3具有加工进给装置37，用于使第一滑块32沿着那对导轨31和31在箭头X所示方向上移动。加工进给装置37包括设置在上述那对导轨31和31之间并与两导轨平行的阳螺纹丝杠371，和用于旋转驱动阳螺纹丝杠371的驱动源，如脉冲电动机372。阳螺纹丝杠371的一端旋转支撑到固定在上述固定底座2上的轴承座373，其另一端通过减速器(未示出)与上述脉冲电动机372的输出轴变速耦合。将阳螺纹丝杠371拧入阴螺纹顶高器(未示出)中形成的带螺纹的通孔中，所述阴螺纹顶高器从第一滑块32中心部分的底面伸出。因此，通过沿着脉冲电动机372的法线方向或反方向驱动阳螺纹丝杠371，第一滑块32沿滑轨31和31在箭头X所示加工进给方向上移动。

上述第二滑块33的底面上具有一对导槽331和331，这对导槽与上述第一滑块32顶表面上设置的那对导轨322和322相配合，以及通过使导槽331和331分别与那对导轨322和322配合，使得第二滑块33可在箭头Y所示方向上移动。在举例说明的该实施例中的卡盘工作台机构3具有第一分度进给装置38，用于使第二滑块33沿着第一滑块32上设置的那对导轨322和322在箭头Y所示方向上移动。第一分度进给装置38包括设置在上述那对导轨322和322之间并与两导轨平行的阳螺纹丝杠381，和用于旋转驱动阳螺纹丝杠381的驱动源，如脉冲电动机382。阳螺纹丝杠381的一端旋转支撑到固定在上述第一滑块32顶面上的轴承座383，其另一端通过减速器(未示出)与上面脉冲电动机382的输出轴变速耦合。将阳螺纹丝杠381拧入阴螺纹顶高器(未示出)中形成的带螺纹的通孔中，所述阴螺纹顶高器从第二滑块33中心部分的底面伸出。因此，通过沿着脉冲电动机382的法线方向或反方向驱动阳螺纹丝杠381，第二滑块33沿滑轨322和322在箭头Y所示分度进给方向上移动。

上述激光束施加单元支撑机构4包括：安装在固定底座2上并且在箭头Y所示方向上彼此平行设置的一对导轨41和41，以及可动支撑底座42，所述支撑底座安装在导轨41和41上，使得可在箭头Y所示方向上移动。该可动支撑底座42由可移动地安装在导轨41和41上的可动支撑部分421和安装在可动支撑部分421上的固定部分422组成。固定部分422在其一个侧面上具有在箭头Z所示方向上延伸的一对导轨423和423。在举例说明的实施例中的激光束施加单元支撑机构4具有第二分度进给装置43，该装置用于使可动支撑底座42沿着那对导轨41和41在箭头Y所示方向上移动。第二分度进给装置43包括设置在上述那对导轨41和41之间并与两导轨平行的阳螺纹丝杠431，和用于旋转驱动阳螺纹丝杠431的驱动源，如脉冲电动机432。阳螺纹丝杠431的一端由固定在上述固定底座2上的轴承座(未示出)旋转支撑，其另一端通过减速器(未示出)与上述脉冲电动机432的输出轴变速耦合。将阳螺纹丝杠431拧入阴螺纹顶高器(未示出)中形成的带螺纹的通孔中，所述阴螺纹顶高器从构成可动支撑底座42的可动支撑部分421中心部分的底面伸出。因此，通过沿着脉冲电动机432的法线方向或反方向驱动阳螺纹丝杠431，可动支撑底座42沿滑轨41和41在箭头Y所示分度进给方向上移动。

在举例说明的该实施例中的激光束施加单元5包括单元保持器51和紧固在单元保持器51上作为加工装置的激光束施加装置52。单元保持器51具有一对导槽511和511，与上述固定部分422上的那对导轨423和423滑动配合，通过导槽511和511分别与上面那对导轨423和423配合来支撑单元保持器51，使该单元保持器可在箭头Z所示方向上移动。

示出的激光束施加装置52具有一圆柱形套管53，该套管紧固到上述单元保持器51上，并基本上水平延伸。激光束施加装置52具有安装在套管53中的如图2所示的脉冲激光器振荡装置54，和加工头55，所述加工头安装在套管53的一端上，并将脉冲激光束振荡装置54振荡发出的脉冲激光束施加到上述卡盘工作台36上保持的工件上。脉冲激光束振荡装置54由YAG激光振荡器或YVO4激光振荡器组成的脉冲激光束振荡器541以及与该脉冲激光束振荡器541相连的重复频率设定装置542构成。

上述加工头55包括偏转反射镜装置551和安装到偏转反射镜装置551底部的聚光器552。偏转反射镜装置551具有反射镜外壳551a和安装在反射镜外壳551a中的偏转反射镜551b。偏转反射镜551b将上述脉冲激光束振荡装置54振荡发出的激光束沿向下方向偏转，即朝向聚光器552偏转，如图2中所示。聚光器552由聚光器外壳552a和安装在聚光器外壳552a中的包括物镜552b的一组透镜(未示出)构成。

通过偏转反射镜551b将上述脉冲激光束振荡装置54振荡发出的激光束偏转90°，到达聚光器552，并通过聚光器552的聚光物镜552b以预定聚焦光斑直径D(焦点)施加到上述卡盘工作台36保持的工件上。当通过聚光器552的聚光物镜552b施加具有高斯分布的脉冲激光束时，由表达式D(μm)＝4×λ×f2/(π×W)来定义该聚焦光斑直径D(其中λ是脉冲激光束的波长(μm)，W是施加到聚光物镜552b的脉冲激光束的直径(mm)，f2是聚光物镜552b的焦距(mm))，如图3所示。

在举例说明的该实施例中的激光束施加装置52具有一焦点移动装置6，该焦点移动装置设置在脉冲激光束振荡装置54和加工头55之间，即脉冲激光束振荡装置54和聚光器552之间，如图2所示。焦点移动装置6安装在上述套筒53中，并具有将上述聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置移动的功能。

下面参照图4和图5描述焦点移动装置6的第一实施例。

图4和图5中示出的第一实施例的焦点移动装置6包括第一透镜61、第二透镜62和光程长度改变装置63，其中第一透镜61透射由上述脉冲激光束振荡装置54振荡发出的激光束，第二透镜62透射已经穿过第一透镜61的激光束，光程长度改变装置63改变第一透镜61和第二透镜62之间的光程长度。光程长度改变装置63包括第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640，其中第一偏转反射镜装置630将透过第一透镜61的激光束反射和偏转，第二偏转反射镜装置640将已经由第一偏转反射镜装置630反射和偏转的激光束反射和偏转，这两个偏转反射镜装置都插入在第一透镜61和第二透镜62之间。

第一偏转反射镜装置630由一对彼此平行相对且其间具有预定间隔的第一反射镜631和第二反射镜632以及角度调节致动器(ACT1)633构成，其中该角度调节致动器用于调节第一反射镜631和第二反射镜632的设定角。如图4所示，在这样构成的第一偏转反射镜装置630中，第一反射镜631将已经透过第一透镜61的激光束朝第二反射镜632反射和偏转，然后第二反射镜632将已经由第一反射镜631反射和偏转的激光束朝第二偏转反射镜装置640反射和偏转。在图5中所示的实施例中，角度调节装置633(ACT1)由电扫描仪(galvano scanner)组成。致动器633的转动轴633a与第一反射镜631和第二反射镜632之间的接合部分传动连接。通过稍后描述的控制装置来控制角度调节致动器633(ACT1)，从而改变第一反射镜631和第二反射镜632的设定角，如图4中的双点划线所示。

第二偏转反射镜装置640由彼此平行相对且其间具有预定间隔的第三反射镜641和第四反射镜642以及角度调节致动器(ACT2)643构成，其中该角度调节致动器用于调节第三反射镜641和第四反射镜642的设定角。如图4所示，在这样构成的第二偏转反射镜装置640中，第三反射镜641将已经由上述第一偏转反射镜装置630的第二反射镜632反射和偏转的激光束朝第四反射镜642反射和偏转，然后第四反射镜642将已经由第三反射镜641反射和偏转的激光束朝上述加工头55的偏转反射镜551b反射和偏转。在图5中所示的实施例中，角度调节装置643由电扫描仪组成。致动器643的转动轴643a与第三反射镜641和第四反射镜642之间的接合部分传动连接。通过稍后描述的控制装置来控制角度调节致动器643(ACT2)，从而改变第三反射镜641和第四反射镜642的设定角，如图4中的双点划线所示。

在举例说明的该实施例中的焦点移动装置6按照如上所述的方式构成，下面描述移动激光束的焦点位置的机构，所述激光束由上述脉冲激光束振荡装置54振荡发出，并由上述聚光器552的聚光物镜552b会聚。

如图6中所示，当激光束LB入射到第一偏转反射镜装置630的第一反射镜631上时，由第一反射镜631和第二反射镜632反射和偏转该激光束。这里，当用“d”表示第一反射镜631和第二反射镜632之间的间隔时，m1＝d/cosθ，m2＝m1cos2θ＝(d/cosθ)cos2θ，因此m1+m2＝(d/cosθ)(1+cos2θ)＝2dcosθ。由于在举例说明的该实施例中构成焦点移动装置6的光程长度改变装置63包括第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640，因此光程长度改变了(m1+m2)。当第一反射镜631和第二反射镜632之间的间隔“d”是2mm时，可以根据上述方程式来计算与第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的设定角θ相对应的光程长度的变化。当第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的设定角θ是作为标准值的47.5°时，在图7中示出了该光程长度的变化。即，通过使第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的设定角θ在40°至57.5°的范围内变化，该光程长度变化了1.83mm。

接着描述光程长度变化与上述聚光器552的聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置变化之间的关系。在图4中，当用f1表示第二透镜62的焦距，f2表示聚光物镜552b的焦距，Q表示第一透镜61的焦点(当脉冲激光束振荡装置54振荡发出的激光束是平行光束时，其焦距等于第一透镜61的焦距)，d1表示从第一透镜61的焦点Q到第二透镜62的光程长度，d2表示从第二透镜62到聚光物镜552b的光程长度时，根据下面的方程式得到从聚光物镜552b到通过聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离d3。

$d3=\frac{d1+d2-(\frac{d1}{f1}+1)}{\frac{1}{f2}\{d1+d2(-\frac{d1}{f1}+1)\}-(-\frac{d1}{f1}+1)}$

因此，从聚光物镜552b到由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离d3表示为从第一透镜61的焦点Q到第二透镜62的光程长度d1的函数，以及通过改变光程长度d1可改变由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P。这里，当第二透镜62的焦距f1为12.7mm，上述聚光物镜552b的焦距f2为2mm，从第二透镜62到聚光物镜552b的光程长度d2为20mm时，可根据上述方程式得到与从第一透镜61的焦点Q到第二透镜62的光程长度d1相对应的从聚光物镜552b到由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离d3。当从第一透镜61的焦点Q到第二透镜62的光程长度d1等于作为标准(改变为0)的第二透镜62的焦距f1(12.7mm)时，与上述光程长度d1的变化相对应的激光束焦点位置P的变化(h)如图8所示。

如上所述，当第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的角度θ从40°变为57.5°时，光程长度在+0.73mm到-1.1mm的范围内变化，由此从聚光物镜552b到由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离d3在从-20μm到+28μm的范围内变化。

回到图1，在举例说明的该实施例中的激光束加工设备具有一高度位置检测装置7，用于检测上述卡盘工作台36上保持的板状工件顶面的激光束施加区域的高度位置，所述顶表面即激光束施加到的那个表面。参照图9至11描述高度位置检测装置7。

如图9所示，在举例说明的该实施例中的高度位置检测装置7包括U形框架71，通过支架70将该框架71固定到上述激光束施加装置52的套管53上。在框架71中安装光发射装置72和光接收装置73，使这两个装置在箭头Y所示方向上彼此相对，上述聚光器552位于这两个装置之间。如图11所示，光发射装置72具有发光体721和会聚透镜722。发光体721将波长例如为670nm的脉冲激光束通过会聚透镜722以预定入射角α施加到上述卡盘工作台36保持的工件W上，如图10和图11所示。来自光发射装置72的激光束的施加位置设定为与从聚光器552施加到工件W上的激光束的施加位置基本上一致。将入射角α设定为大于聚光器552的聚光物镜552b的会聚角β，且小于90°。光接收装置73包括光位置检测器731和光接收透镜732，且光接收装置73位于由上述光发射装置72发射的激光束从工件W等角度反射的位置。在举例说明的该实施例中的高度位置检测装置7包括角度调节钮72a和73a，用于分别调节上述光发射装置72和光接收装置73的入射角。通过旋转角度调节钮72a和73a，可分别调节从光发射装置72发射的激光束的入射角α和光接收装置73的光接收角。

接着参考图11描述借助于如上所述构成的高度位置检测装置7来检测工件W的高度位置。

当工件W的高度位置是图11中单点划线所示的位置时，从发光体721发射并通过会聚透镜722而施加到工件W的表面上的激光束如单点划线所示方向反射，并通过光接收透镜732在光位置检测器731的点A处接收。同时，当工件W的高度位置是图11中双点划线所示的位置时，从发光体721发射并通过会聚透镜722而施加到工件W的表面上的激光束如双点划线所示方向反射，并通过光接收透镜732在光位置检测器731的点B处接收。由光位置检测器731这样接收的数据发送到控制装置，该控制装置在后面描述。控制装置根据光位置检测器731检测到的点A和点B之间的间隔“H”来计算工件W的高度位置的偏移“h”(h＝H/sinα)。因此，当上述卡盘工作台36上保持的工件W的高度位置参考值是图11中单点划线所示的位置，而工件W的高度位置移动到图11中双点划线所示的位置时，可以理解，工件向下移动了高度“h”。

回到图1，将对准装置8安装到构成上述激光束施加装置52的套管53的前端，该对准装置8用于检测由上述激光束施加装置52加工的区域。在举例说明的该实施例中的对准装置8除了包括利用可见光辐射拾取图像的普通图像拾取装置(CCD)之外，还包括用于向工件施加红外辐射的红外光照明装置，用于捕获由红外光照明装置施加的红外辐射的光学系统，以及用于输出与该光学系统捕获的红外辐射相对应的电信号的图像拾取装置(红外CCD)。将图像信号传递到稍后描述的控制装置。

在举例说明的该实施例中的激光束加工设备包括焦点位置调节装置57，用于沿那对导轨423和423在箭头Z所示方向上，即在与上述卡盘工作台36的工件保持表面361相垂直的方向上移动上述单元保持器51。焦点位置调节装置57包括设置在那对导轨423和423之间的阳螺纹丝杠(未示出)，以及与上述进给装置一样用于旋转驱动该阳螺纹丝杠的驱动源，如脉冲电动机572。通过沿着脉冲电动机572的法线方向或反方向驱动该阳螺纹丝杠(未示出)，单元保持器51和激光束施加装置52沿导轨423和423在箭头Z所示方向上移动。

在举例说明的该实施例中的激光束加工设备包括控制装置10。控制装置10包括用于根据控制程序执行算术处理的中央处理器(CPU)101，用于存储该控制程序等的只读存储器(ROM)102，用于存储操作结果的读/写随机存取存储器(RAM)103，输入接口104和输出接口105。来自上述高度位置检测装置7和对准装置8的检测信号输入到如上所述构成的控制装置10的输入接口104。控制信号从输出接口105输出到第一偏转反射镜装置630的角度调节致动器633(ACT1)，第二偏转反射镜装置640的角度调节致动器643(ACT2)，脉冲电动机372，脉冲电动机382，脉冲电动机432，脉冲电动机572和激光束施加装置52。图7和图8中示出的控制图存储在上述只读存储器(RPM)102或随机存取存储器(RAM)103中。

在举例说明的实施例中的激光束加工设备按照如上所述的方式构成，下面描述其操作。

图12是作为工件的半导体晶片的透视图。在图12中示出的半导体晶片中，通过由硅片形成的半导体衬底21的前表面21a上晶格图案中排列的多条分界线(加工线)211(这些分界线彼此平行)分出多个区域，在每个分割的区域中形成如IC，ISI等的电路212。

将如上所述构成的半导体晶片20运送到图1中所示激光束加工设备的卡盘工作台36的工件保持表面361的顶部，并且按照背面21b朝上的方式吸持(suction-held)在工件保持表面361上。通过加工进给装置37的操作使吸持半导体晶片20的卡盘工作台36沿导轨31和31移动，并将该卡盘工作台带到刚好位于安装到激光束施加单元5的对准装置8下面的位置。

在卡盘工作台36刚好位于对准装置8下面之后，通过对准装置8和控制装置10执行对准工作，该对准工作用于检测半导体晶片20上将要由激光束加工的加工区域。即，对准装置8和控制装置10进行诸如图案匹配等的图像处理，从而使半导体晶片20的预定方向上形成的分界线211与用于沿着分界线211施加激光束的激光束施加单元5的聚光器552对准，由此进行激光束施加位置的对准。此外，同样也在半导体晶片20上沿着与上述预定方向相垂直的方向形成的分界线211上进行激光束施加位置的这种对准。在这一点上，尽管形成分界线211的半导体晶片20的前表面21a面朝下，但是当对准装置8包括如上所述的红外光照明装置，用于捕获红外辐射的光学系统和用于输出于该红外辐射相对应的电信号的图像拾取装置(红外CCD)等时，可以从背面21b对分界线211成像。

对卡盘工作台36上保持的半导体晶片20上形成的分界线211进行检测并且对准激光束施加位置之后，移动卡盘工作台36，以便将预定分界线211的一端(在图13(a)中是左端)带到刚好位于激光束施加装置52的聚光器552下面的位置，如图13(a)中所示。从聚光器552施加的脉冲激光束的焦点P设定在半导体晶片20的前表面21a(底面)附近。然后沿箭头X1所示方向以预定加工进给速度移动卡盘工作台36，同时从聚光器552施加脉冲激光束(加工步骤)。当聚光器552的施加位置到达分界线211的另一端(在图13(b)中是右端)时，如图13(b)中所示，中止施加脉冲激光束，卡盘工作台36的运动停止。在该加工步骤中，由上述高度位置检测装置7来检测从聚光器552施加的脉冲激光束的施加位置的高度，高度位置检测装置7的检测信号总是供给控制装置10。

参照图15中所示的流程图描述控制装置10根据高度位置检测装置7的检测信号来改变由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的控制程序。

在步骤S1，控制装置10首先根据高度位置检测装置7的检测信号来计算沿半导体晶片20的分界线211偏离标准高度位置的位移“h”(h＝H/sinα)。然后，控制装置10继续步骤S2以获得从第一透镜61的焦点Q到第二透镜62的光程长度d1，该光程长度与根据图8中所示控制图而在步骤S1中获得的上述位移“h”相对应。控制装置10然后继续步骤S3，以计算从第一透镜61的焦点Q到第二透镜62的光程长度d1与第二透镜62的焦距f1(在举例说明的该实施例中是12.7mm)之间的偏移Δ d1(Δ d1＝f1-d1)，该偏移与步骤S2中获得的上述位移“h”相对应。之后，控制装置10继续步骤S4，以获得第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的设定角θ，该设定角与基于图7中所示控制图而在上述步骤S3中获得的上述偏移Δd1相对应。

在如上所述根据高度检测装置7的检测信号获得与来自聚光器552的脉冲激光束的施加位置高度相对应的第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的设定角θ之后，控制装置10继续步骤S5，以控制上述第一偏转反射镜装置630的角度调节致动器633(ACT1)和第二偏转反射镜装置640的角度调节致动器643(ACT2)，从而将第一偏转反射镜装置630的第一反射镜631和第二反射镜632的角度以及第二偏转反射镜装置640的第三反射镜641和第四反射镜642的角度调节为在上述步骤S4中获得的设定角θ。

因此，在上述加工步骤中，如图13(b)中所示，即使当沿着半导体晶片20的分界线211的高度位置发生变化，聚光器552的位置也不会改变，但是将聚光器552施加的脉冲激光束的焦点P设定为离开半导体晶片20的前表面21a一段预定距离。因此，在与施加激光束相对的表面(即，位于卡盘工作台36上保持的半导体晶片20的底面)上均匀地形成失效层210，该失效层在半导体晶片20的内部形成。在举例说明的该实施例中的激光束加工设备中，总是由高度位置检测装置7检测来自聚光器552的脉冲激光束施加到卡盘工作台36上保持的半导体晶片20的施加位置的高度，控制装置根据该检测信号来控制构成焦点移动装置6的光程长度改变装置63。因此，即使当半导体晶片20的厚度不均匀时，也能够在所需位置有效地进行激光束加工。特别是在举例说明的该实施例中，由于只调节轻便的第一偏转反射镜装置630的第一反射镜631和第二反射镜632以及第二偏转反射镜装置640的第三反射镜641和第四反射镜642的设定角θ，所有这些反射镜重量都很轻，因此随动能力很强，并且不会发生振动，从而不会影响加工精度。

上述加工步骤中的工艺条件例如设定如下。

激光器：YVO4脉冲激光器

波长：1,064nm

重复频率：100kHz

聚焦光斑直径：1μm

加工进给速度：100mm/sec

当半导体晶片20比较厚时，希望通过逐步改变焦点P而将上述加工步骤执行几次，以形成如图14中所示的多个失效层210a，210b和210c。至于失效层210a、210b和210c的形成，优选通过逐步移动激光束的焦点来顺序形成失效层210a，210b和210c。

在如上所述沿着半导体晶片20的预定方向延伸的所有分界线211上进行上述加工步骤之后，将卡盘工作台36旋转90°，以便在沿着与上述预定方向相垂直的方向上延伸的分界线211进行上述加工步骤。在沿着半导体晶片20上形成的所有分界线211这样进行上述加工步骤之后，将保持半导体晶片20的卡盘工作台36返回到最初吸持半导体晶片20的位置，以解除对半导体晶片20的吸持。通过输送装置(未示出)将半导体晶片20带到分割步骤。

尽管上面已经描述了利用根据本发明构成的激光束加工设备在半导体晶片20内部沿着半导体晶片20上形成的分界线211而形成失效层210的加工实例，但是也可以利用本发明的激光束加工设备进行在工件前表面中形成槽的激光束加工而沿着该工件前表面形成具有预定深度的槽。由于在这种加工中形成槽而改变了工件的表面状况，因此高度位置检测装置7在加工点前面2至3mm位置处检测工件的高度位置。用于形成槽的工艺条件例如设定如下。

激光器：YVO4脉冲激光器

波长：355nm

重复频率：100kHz

聚焦光斑直径：3μm

加工进给速度：60mm/sec

接着，参照图16描述焦点移动装置6的第二实施例。在图16所示的第二实施例中，与图4和图5中示出的焦点移动装置6的组成元件相同的元件用相同的附图标记表示，并省略对其详细描述。

图16所示的第二实施例的焦点移动装置6与图4和图5中示出的焦点移动装置6基本上相同，除了使用凹透镜作为第一透镜61a。在图16所示的第二实施例的焦点移动装置6中，第一透镜61a的焦点Q位于脉冲激光束振荡装置54的一侧，第二透镜62的焦点f1与第一透镜61a的焦点Q的位置相比位于更接近脉冲激光束振荡装置54那一侧。在这样构成的焦点移动装置6中，从第一透镜61a的焦点Q到第二透镜62的光程长度d1，从第二透镜62到聚光物镜552b的光程长度d2，以及从聚光物镜552b到由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离d3如图16中所示，并且根据上述方程式获得从聚光物镜552b到由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离d3。

接着，参照图17描述焦点移动装置6的第三实施例。在图17所示的第三实施例中，与图4和图5中示出的焦点移动装置6的组成元件相同的元件用相同的附图标记表示，并省略对其详细描述。

在图17所示的第三实施例的焦点移动装置6中，在脉冲激光束振荡装置54和光程长度改变装置63之间插入透镜6b，该透镜具有图4和图5中示出的焦点移动装置6的第一透镜61和第二透镜62的功能，偏转反射镜装置630b具有图4和图5中示出的焦点移动装置6的第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的功能。在脉冲激光束振荡装置54和透镜6b之间插入第一偏转分束器66，该分束器用于反射激光束的P偏振光，并仅仅透射S偏振光，在构成光程长度改变装置63的偏转反射镜装置630b和第一反射镜650之间插入第二偏转分束器67，该分束器用于反射激光束的P偏振光，并仅仅透射S偏振光，在第二反射镜651和第二偏转分束器67之间插入偏振器或偏转平面旋转器68，如法拉第旋转器，用于将激光束的S偏振光变为P偏振光。

下面描述在如上所述构成的焦点移动装置6中从脉冲激光束振荡装置54振荡发出的激光束的光路。仅仅从脉冲激光束振荡装置54振荡发出的激光束的竖波穿过第一偏转分束器66，如实线所示，并通过透镜6b到达偏转反射镜装置630b的第一反射镜631b。到达第一反射镜631b的激光束如实线所示反射和偏转，再由第二反射镜632b反射和偏转，通过第二偏转分束器67到达第一反射镜650，经第一反射镜650反射和偏转到达第二反射镜651。到达第二反射镜651的激光束如虚线所示反射和偏转，穿过偏转平面旋转器68，从而将竖波变为横波。通过第二偏转分束器67将变为横波的激光束反射和偏转，使其到达偏转反射镜装置630b的第二反射镜632b。到达第二反射镜632b的激光束如虚线所示反射和偏转，再由第一反射镜631b反射和偏转，并穿过透镜6b。已经穿过透镜6b的激光束由第一偏转分束器66反射和偏转，并如虚线所示到达聚光物镜552b。到达聚光物镜552b的激光束聚焦在焦点的位置P。

在图17所示的焦点移动装置6中，透镜6b的焦点Q在实线示出的光路中，且存在于第一反射镜650和第二反射镜651之间。在这样构成的焦点移动装置6中，如上所述，透镜6b具有图4和图5中示出的焦点移动装置6的第一透镜61和第二透镜62的功能，偏转反射镜装置630b具有图4和图5中示出的焦点移动装置6的第一偏转反射镜装置630和第二偏转反射镜装置640的功能。因此，在图17所示的焦点移动装置6中，以虚线示出的从上述焦点Q到透镜6b的光程长度成为d1，从透镜6b到聚光物镜552b的光程长度成为d2，从聚光物镜552b到由聚光物镜552b会聚的激光束的焦点位置P的距离成为d3，当用f1表示透镜6b的焦距时，根据上述方程式获得距离d3。

Claims (4)

1、一种激光束加工设备，包括：用于保持工件的卡盘工作台；包含激光束振荡装置和聚光器的激光束施加装置，该聚光器配有物镜，该物镜用于会聚由该激光束振荡装置振荡发出的激光束从而将其施加到所述卡盘工作台上保持的所述工件上；以及加工进给装置，用于使所述卡盘工作台和所述激光束施加装置在加工进给方向上彼此相对移动，其中：

在所述激光束振荡装置和所述物镜之间设置焦点移动装置，该焦点移动装置用于移动由所述物镜会聚的所述激光束的焦点位置；以及

所述焦点移动装置包括第一透镜、第二透镜和光程长度改变装置，所述第一透镜用于透射由所述激光束振荡装置振荡发出的所述激光束，所述第二透镜用于透射已经穿过所述第一透镜的激光束，以及所述光程长度改变装置用于改变所述第一透镜和所述第二透镜之间的光程长度。

2、根据权利要求1的激光束加工设备，其中，所述光程长度改变装置由第一偏转反射镜装置和第二偏转反射镜装置构成，其中该第一偏转反射镜装置由用于将已经穿过所述第一透镜的激光束反射和偏转的第一反射镜、用于将由所述第一反射镜反射的激光束反射和偏转的第二反射镜、和用于调整所述第一反射镜和所述第二反射镜之设定角的第一角度调节致动器构成，以及该第二偏转反射镜装置由用于将由所述第一偏转反射镜装置的第二反射镜反射的激光束反射和偏转的第三反射镜、用于将所述第三反射镜反射的激光束反射和偏转的第四反射镜、和用于调整所述第三反射镜和所述第四反射镜之设定角的第二角度调节致动器构成。

3、根据权利要求2的激光束加工设备，其中，所述第一偏转反射镜装置的第一反射镜和第二反射镜彼此平行设置，且其间具有预定的间隔，以及所述第二偏转反射镜装置的第三反射镜和第四反射镜彼此平行设置，且其间具有预定的间隔。

4、根据权利要求2的激光束加工设备，包括高度位置检测装置和控制装置，其中，所述高度位置检测装置用于检测从所述卡盘工作台上保持的工件顶表面的聚光器施加的激光束的施加位置的高度，以及所述控制装置用于根据来自所述高度位置检测装置的高度位置检测信号来控制所述第一和第二角度调节致动器。

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