CN100531999C - 使用多面反射镜的激光处理设备及方法 - Google Patents

Abstract

公开了通过一个多面反射镜提高目标处理效率的一种激光处理设备及方法。该激光处理设备包含一个激光发生器，输出具有预定直径的激光束；一个多面反射镜，具有多个反射面，绕一个轴旋转，以反射来自激光发生器的入射到反射面上的激光束，其中设置反射面的数量使得激光束可以覆盖多面反射镜的至少两个反射面；以及一个透镜，使从多面反射镜反射的激光束会聚和照射。根据本发明，通过将激光束分成多个入射到多面反射镜的反射面，并且借助于分开的激光束以低能量反复处理目标，能够提高目标的处理效率和产品产量。

Description

使用多面反射镜的激光处理设备及方法

技术领域

本发明涉及一种激光处理设备及方法，并且尤其涉及借助于一个多面反射镜来提高目标处理效率的一种激光处理设备及方法。

背景技术

在从晶片、金属和塑料等制造目标材料时，通常使用例如切割和开槽作业的处理过程。例如，完成半导体芯片制造工序之后，下一个工序是切割一个晶片以将在该晶片上形成的多个芯片分离为单独的芯片。晶片切割操作在半导体芯片的整个工序中非常重要，因为它严重影响后面工序中的生产率和产品质量。晶片切割操作通常采用机械切割方法或激光束切割的方法来实现。特别是，重点研究了使用激光束的处理设备，因为它比机械设备具有更大的优势。

通过激光束切割晶片的方法就是，使用一种机械装置，通过将250～360nm范围的高紫外线激光束聚焦到晶片表面所产生的热及化学作用，将晶片的受照射区域烧去。换句话说，当会聚的激光束照射到晶片时，受照射区域立即被加热然后蒸发、融化，并且根据晶片材料的蒸发情况来增加蒸发压力，导致受照射区域的爆炸性烧去。从一个连续的烧去操作，可以将晶片分成多个芯片并且其中可以沿着一条移动通道应用线性或曲线分割工序。

激光处理设备中最先进的一种是通过从高压喷水嘴中喷出的水作为引导来切割晶片同时照射激光束进行的。但是，这种设备有一个缺点，喷水嘴由于高压的作用容易机械磨损，使得喷水嘴在一段时间后会发生变化，这会降低生产率，提高成本，还会在工序操作中造成麻烦。

作为可以克服目前激光处理设备中的缺点的一项技术，申请人于2004年3月31日申请的韩国申请号2004-0022270中提出了使用一个多面反射镜的方法。具有多个反射面的多面反射镜可以旋转，这些反射面的长度彼此相等，如图1所示。

图1是表示使用多面反射镜的一种激光处理方法的示意图。

如图1所示，具有多面反射镜的激光处理设备包含一个多面反射镜10，具有多个反射面12，可以绕轴11旋转；以及一个透镜20，使多面反射镜10的反射面12反射的激光束会聚。这里，透镜20可以是一个远心f-透镜，与平台30平行放置，待切割的目标40(例如，晶片)固定在平台30上。也可以使用多个透镜，为了简便起见，图1只显示了一片透镜。

如图1A所示，随着多面反射镜10的旋转，激光束在反射面12的前部被反射，然后入射到透镜20的左端。该反射的激光束被透镜20会聚，然后垂直照射到目标40的指定位置S1。

接着，如图1B所示，随着多面反射镜的进一步旋转，激光束在反射面12的中部被反射，然后入射到透镜20的中心。该入射激光束被透镜20会聚，然后垂直照射到晶片40的指定位置S2。

接下来，如图1C所示，多面反射镜继续旋转，使激光束在反射面12的后部被反射。该反射的激光束入射到透镜20的右端，然后被透镜20会聚，垂直照射到晶片40的指定位置S3。

这样，随着多面反射镜的旋转，激光束照射到晶片40从S1到S3的位置。从S1到S3的长度称为多面反射镜10的反射面12处理的扫描长度S_L。此外，反射面12的前部和后部反射的激光束之间的夹角称为扫描角。

在上述具有多面反射镜的激光处理设备中，使用能量约10W的激光束照射目标。但是，激光束过度照射到目标的同一位置可能会损害目标，降低工序的可靠性。

此外，由于通常使用具有预定直径的激光束而非点光束，因此入射在反射面边角上的激光束可能会部分耗散(能量损耗)。参考如下图2描述了由于激光束的耗散导致的能量损耗。

图2是表示在多面反射镜的反射面的边角处的能量损耗现象的示意图。

如图2所示，当激光束入射到旋转的多面反射镜10时，如果具有固定直径的激光束入射到反射面12的边角上，激光束的一部分，能量减少的激光束A，反射到反射面12并照射到透镜20。但是，激光束的其它部分，损耗的激光束B，在反射面12′上散射并由此未照射到透镜20。

因此，透镜20使能量减小的激光束A会聚，仅使其照射到安装在平台30上的目标40上。结果，在暴露于反射面12的边角上反射的激光束的目标的区域与其它区域之间的处理效率有差异。它造成不规则的处理外形，导致处理的可靠性降低。此外，由于激光束的能量在边角处耗散，因此浪费了资源。

发明内容

本发明旨在解决前述问题，提供一种激光处理设备及方法，使用一个多面反射镜，用于防止激光束过度照射到目标上。

本发明还旨在通过防止激光处理设备中多面反射镜的边角处的能量损耗提高目标的处理效率。

为了实现本发明的以上目的，通过激光束处理目标的一种激光处理设备包含：一个激光发生器，发出具有预定直径的激光束；一个多面反射镜，具有多个反射面，绕一个轴旋转，并反射从激光发生器发出的反射面上的激光束，调节反射面的数量使得激光束覆盖多于两个的反射面；以及一个透镜，使多面反射镜上反射的激光束会聚并使激光束照射目标。

本发明还提供使用绕轴旋转的多面反射镜的一种处理方法，该多面反射镜包括相同长度的多个反射面，用于反射从激光发生器发出的预定直径的激光束，其中反射面的数量使得入射激光束将覆盖多于两个的反射面，该方法包括：在一个平台上固定该目标；确定控制参数，包含多面反射镜的旋转速度和平台的传送速度；使多面反射镜以预定旋转速度绕轴旋转；以预定传送速度移动平台；使激光束照射在反射面上，覆盖多于两个的反射面，确定反射面的数量使其被激光束覆盖；以及使该激光束的各部分被一个透镜会聚，并使会聚的激光束照射到目标上。

本发明通过具有低能量的分开的激光束的反复照射来处理目标，利用多面反射镜边角处的激光束分开导致能量减小，防止目标的损害。此外，通过增加多面反射镜的反射面的数量使得分开的激光束被透镜会聚，防止了由于分开导致的激光束的耗散或损耗。

附图说明

附图提供本发明的进一步的理解，并入且构成本说明书的一部分。附图表示本发明的合意的实施例，并且与描述一起，用于解释本发明的原理。在图中：

图1A至1C是表示具有多面反射镜的激光处理方法的示意图；

图2是表示在多面反射镜的反射面的边角处的能量损耗现象的示意图；

图3A和3B是表示在激光束照射时多面反射镜中的能量损耗现象的示意图；

图4是表示关于激光束的直径，多面反射镜外圆半径与多面反射镜反射面数量之间关系的曲线图；

图5是表示借助于根据本发明的多面反射镜处理目标的一个示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的具有多面反射镜的激光处理设备的结构图；

图7是根据本发明的另一个实施例的具有多面反射镜的激光处理设备的结构图；

图8是根据本发明的借助于多面反射镜的激光处理方法的流程图。

具体实施方式

本发明的较好实施例将在以下参考附图详细描述。但是，本发明可以以不同形式实施，并且不应限于这里所述的实施例。更确切地，提供这些实施例使得本公开将是全面的和完整的，并且将向那些熟练的技术人员完全传达本发明的范围。说明书中相同的数字表示相同的元件。

以下，将结合附图描述本发明的一个示例性实施例。

图3A和3B是表示激光束照射时多面反射镜中的能量损耗现象。

参考图3A，当具有预定直径D的激光束在多面反射镜10的反射面12的一个边角上入射并反射时，激光束的一部分(即能量减小的激光束A)入射到反射面12上，而激光束的其它部分(即损耗的激光束B)入射到反射面12′上。

同时，为了计算能量减小的激光束A的扫描长度S_L与多面反射镜的所有反射面的扫描长度的比率，确定从边角到多面反射镜中心(即轴11)的线段与从轴11到能量减小的激光束和多面反射镜外圆的交点的线段之间构成的损耗角t_θ。

其次，由具有N个反射面的多面反射镜的一个反射面的损耗部分产生的比率，即损失率，通过以下方式求值。

由图3A，由轴和外圆与反射面边角的两个交点定义的一个扇形平面的弧长，即对应激光束入射的该反射面的弧长C1由以下方程1得到。

[方程1]

$C1=\frac{2\mathrm{\πR}}{N}$

并且，损耗角部分的弧长C2由以下方程2得到，其中C2为最大值。

[方程2]

C2＝Rt_θ

损耗角的弧长C2是随多面反射镜10的旋转而可变的。当激光束照射到不包含边角的反射面上时，损失率变为0，因为激光束没有能量损耗。但是，当激光束开始照射到包含边角的反射面上时，损失率逐渐增大到方程2的最大值并且然后再次逐渐减小。

损失率t_r是能量损耗占所有反射表面上反射的全部能量的百分比，可以由以下方程3得到。

[方程3]

$t_r=\frac{C2}{C1}=\frac{t_{\mathrm{\θ}}N}{2\mathrm{\π}}\×100(\%)$

此外，损耗角t_θ可以由以下方程4计算，并且从多面反射镜中心到照射在反射面上的激光束中心的垂直高度h由以下方程5得到。

[方程4]

$t_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{arcco}s[1-\frac{1}{2R^2}\{\sqrt{R^2-{(R-h)}^2}-\sqrt{R^2-{(R-h-D)}^2}+D^2\}]$

[方程5]

$h=R\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\frac{\mathrm{\π}}{N})$

在以上方程中，参数R表示多面反射镜外圆的半径。同时，如图3B所示，激光束入射的多面反射镜反射面上的扫描角θ由以下方程6得到。

[方程6]

$\mathrm{\θ}=\frac{4\mathrm{\π}}{N}$

下表1列出了损失率与多面反射镜反射面上分开的激光束的数量之间的关系。在损失率低于100％的情况下，C2小于C1。这意味着，激光束仅覆盖一个反射面。而且，在损失率超过100％的情况下，C2大于C1。这意味着，激光束覆盖多于两个反射面。

[表1]

 

损失率(t<sub>r</sub>，％)	分开的激光束数量
		0～99	1～2
100～199	2～3
		200～299	3～4
..	..

当损失率从0到99时，激光束在入射到多面反射镜的反射面上之后被分成一个或两个部分。当损失率从100到199时，激光束被分成两个或三个部分。当损失率从200到299时，激光束被分成三个或四个部分。即，随着损失率变高，分开的激光束的数量变大。激光束分成两个或三个部分对应激光束以直径D入射以覆盖多面反射镜反射面的两个边角的情况，而激光束分成三个或四个部分对应激光束以直径D入射以覆盖多面反射镜反射面的三个边角的情况。

以上，因为激光束随着多面反射镜的旋转在反射面的边角上反射，所以激光束分成两个部分使得它不是激光束的有效分开，胜于激光束分成2～3部分或3～4部分的情况。

从方程3至5可见，损失率，即分开的激光束的数量，随着反射面数量N或激光束直径D增大，或随着多面反射镜外圆半径R减小而增加。此外，如方程5所示，由于多面反射镜的反射面上的扫描角随反射面数量N的增加而变小，因此能够使多面反射镜的反射面上分开反射的所有激光束被透镜会聚。

同样地，当激光束被分开照射到目标上时，在相同处理平面多次同时照射激光束的效果是低能量。它可以增加目标的产量和处理质量。

换句话说，常规的激光处理设备由于当能量约10W的激光束照射到处理平面上时激光束在相同处理位置的过度照射，存在损害目标的问题，而本发明提出的激光处理设备是有利的，通过低能量激光束在相同处理平面同时多次照射来提高处理效率，还有效地去除其中在使用激光束的工序中产生的杂质和水蒸气，因为本发明的多面反射镜使得能量被分成分开的激光束的数量，并且激光束多次照射的效果是低能量。

图4是表示关于激光束的直径，多面反射镜外圆半径与多面反射镜反射面数量之间关系的曲线图，概括在下表2中。

[表2]

 

反射面数量(N)	外圆半径(D＝10mm)	外圆半径(D＝2mm)
			24	38	7
36	57	11

 

48	76	14
			60	95	18
72	113	21
			84	132	25
96	151	28
			108	169	32
120	190	35

表2中列出的实际值表示多面反射镜的不同取样标准，对于具有预定直径的激光束，当反射面的数量和多面反射镜外圆半径变化时，在每个反射面上实现由方程3和4获得的损失率超过100％的性能。

参考图4和表2，在激光束直径为10mm并且反射面数量为24的情况下，仅当外圆半径小于38mm时，损失率超过100％。而当反射面数量为120，激光束直径同样为10mm时，仅当外圆半径小于190mm时，损失率可以超过100％，导致有效的光束分开。

在另一边，在激光束直径为2mm并且反射面数量为96的情况下，仅当外圆半径小于28mm时，损失率超过100％，导致有效的光束分开。

尽管图4和表2显示反射面数量从24到120的情况的例子，但是实施例并不限于此，并且考虑反射面数量、外圆半径、激光束直径以及损失率之间的关系，适于实现损失率超过100％的任何其它的多面反射镜都可以使用。

图5是表示借助于根据本发明的多面反射镜处理目标的一个示意图。

如图5所示，具有预定直径D的激光束照射到具有多个反射面的多面反射镜上。为此，该多面反射镜示例性地设计成在三个反射面的覆盖范围内接收激光束，使得通过调节反射面的数量使损失率在从100％到199％的范围。

一旦具有预定直径的激光束照射到多面反射镜，它就覆盖反射面N1和N2的整个表面以及反射面N3的一部分。入射到反射面N1上的激光束被透镜20会聚，然后照射到安装在传送单元30上的目标40(即晶片)上。随着多面反射镜的旋转，目标40在从反射面N1的扫描角的范围内被处理。反射面N2和N3一部分的其它入射激光束以相同方式照射到目标40上。

同样地，当目标被具有预定直径的激光束而非点激光束处理时，有可能调节反射面的数量，以使入射激光束覆盖多个反射面并由此分成多个光束。结果，分开的激光束提供同时通过多个激光束处理目标的结果。

现在，将要描述根据本发明的采用多面反射镜的激光处理设备。

图6是根据本发明的一个实施例的具有多面反射镜的激光处理设备的结构图。

如图6所示，具有多面反射镜的激光处理设备包括用于操作总工序的控制器110，用于接受控制参数和命令的输入单元120，用于激励多面反射镜的多面反射镜驱动器130，用于发出预定直径的激光束的激光发生器140，用于以预定处理方向移动安装有目标40例如晶片的平台30的平台传送单元150，用于显示关于操作条件的信息的显示单元160，以及用于存储数据的存储单元170。这里，关于激光束的直径和激光处理设备固有的外圆半径，多面反射镜的反射面具有合适的数量，以使从激光发生器140发出的激光束覆盖多于两个的反射面。换句话说，调节反射面的数量以保持损失率超过100％。

多面反射镜驱动器130采用由控制器110控制的电机(未显示)，以预定速度绕轴11旋转该多边的多面反射镜10。

激光发生器140发出激光束以处理安装在平台30上的目标40，例如，发出紫外激光。平台传送单元150以预定速度移动平台30，平台30上安装有目标40。

在该激光处理设备的结构中，从激光发生器140发出的激光束通过控制器110入射到多面反射镜10上。在此过程中，激光束的照射直径足以覆盖多面反射镜10的多于两个的反射面，然后从多面反射镜10的每个反射面照射到透镜20。透镜20使激光束会聚，在垂直方向照射到目标40上。

当多面反射镜10的反射面旋转时，照射在目标40上的激光束沿传送方向的反向移动扫描长度的距离。

图7是根据本发明的另一个实施例的具有多面反射镜的激光处理设备的结构图。

图7所示的激光处理设备除了图6所示激光设备的元件以外，进一步包含扩束器210和光束变换器220。扩束器210扩大从激光发生器140发出的激光束的直径，然后使扩大的激光束照射到多面反射镜10上以覆盖多于两个的反射面。光束变换器220将从多面反射镜10反射之后被透镜20会聚的激光束转换成椭圆图形。这里，光束变换器220可以利用柱面透镜实施。

增加了扩束器210和光束变换器220，激光束以椭圆的截面图形照射到目标40上，并且该椭圆截面的长轴应当与处理方向对准，而椭圆截面的短轴对应切割处理的宽度。

通过照射椭圆图形的激光束，使目标40的处理平面具有足够的斜率，使得在处理过程中产生的隐蔽处和水蒸气可以容易地排到外部，而不会在处理平面上重铸。

图8是根据本发明借助于多面反射镜的激光处理方法的流程图。

首先，为了开始处理目标，在平台30上固定目标之后需要借助于输入单元120，根据待处理目标的类型确定控制参数，例如多面反射镜10的旋转速度和平台30的传送速度(步骤S10)。存储单元170存储关于目标和处理种类(例如切割、开槽等)的预备注册信息的菜单，通过调用存储单元170的菜单，可以容易地实现控制参数的确定。

一旦控制参数完全确定，多面反射镜驱动器130就使多面反射镜10以预定速度旋转(步骤S20)，并且平台传送单元150以预定速度移动平台30(步骤S30)。在此过程中，控制器110还使得激光发生器140能够发出激光束(步骤S40)。

根据这些操作，从激光发生器140发出的激光束入射到多面反射镜10的反射面上，覆盖多于两个的反射面，以实现一个反射面的损失率超过100％。

然后，激光束在每个反射面被分开地反射，被透镜20会聚，并垂直照射到目标40上(步骤S50)。由于它们在反射面上的入射位置是不同的，因此激光束被分开地反射到目标40的不同位置，并且由此照射到目标上的每个激光束的每个能量减小。此外，由于即使是反射到反射面边角上的激光束都无损耗地被透镜20会聚，因此防止了能量损耗。

如图7所示，增加了扩束器210和光束变换器220，激光束以椭圆的截面图形照射到目标40上，并且该椭圆截面的长轴应当与处理方向对准，而椭圆截面的短轴对应切割处理的宽度。

在该激光处理设备中，当多面反射镜10以恒定速度旋转时，多个分开的激光束在目标40的同一处理平面上重叠。此外，通过向多面反射镜10的旋转方向的反向传送固定着目标40的平台30，能够加快处理速度。

尽管本发明是结合附图中所示的本发明的实施例而描述的，但是不限于此。对于那些熟练的技术人员，显然，可以有各种替代、变型和改变，而不偏离本发明的范围和精神。

如上所述，根据通过多面反射镜处理目标的该激光处理设备，通过利用由于多面反射镜边角处激光束的分开导致的能量减小的特性以低能量反复处理目标，将提高目标的处理效率和产量。此外，它通过调节激光束的尺寸以覆盖多面反射镜的多于两个的反射面，防止多面反射镜的反射面边角处的能量损耗。

Claims (9)

1.一种通过激光束处理目标的激光处理设备，包括：

一个激光发生器，发出具有预定直径的激光束；

一个多面反射镜，具有多个反射面，绕一个轴旋转，并反射从激光发生器发出到反射面上的激光束，调节反射面的数量使得激光束覆盖多个反射面；以及

一个透镜，使多面反射镜上反射的激光束会聚并使激光束照射目标；

一个多面反射镜驱动器，以预定角速度激励多面反射镜；

一个平台，固定该目标；和

一个平台传送单元，以预定方向移动该平台；

其中该平台传送单元使平台向多面反射镜旋转方向的反向移动；以及

确定多面反射镜反射面的数量N，使得每个反射面上的损失率超过100％，

当入射到多面反射镜的反射面上的全部激光束以减小能量的激光束形成损耗角时，该损耗角被定义为

$t_{\mathrm{\θ}}=\arccos [1-\frac{1}{2R^2}\{\sqrt{R^2-{(R-h)}^2}-\sqrt{R^2-{(R-h-D)}^2}+D^2\}];$ 以及

多面反射镜的反射面上的损失率被定义为

$t_r=\frac{C2}{C1}=\frac{t_{\mathrm{\θ}}N}{2\mathrm{\π}}\×100(\%),$

这里R为多面反射镜的外圆半径；D为激光束的直径；并且h为多面反射镜中心到入射在多面反射镜上的激光束中心垂直高度；C1是对应于激光束照射的反射面的弧长；和C2是损耗角部分的弧长。

2.根据权利要求1的激光处理设备，进一步包括一个光束变换器，使得被透镜会聚的激光束的截面图形转换成椭圆。

3.根据权利要求2的激光处理设备，其中该光束变换器使椭圆的长轴与目标的处理方向一致。

4.根据权利要求3的激光处理设备，其中椭圆的短轴对应目标的处理宽度，并且可以根据目标种类和处理方式而变化。

5.一种通过激光束处理目标的激光处理方法，使用绕一个轴旋转的多面反射镜，该多面反射镜包括相同长度的多个反射面，用于反射从激光发生器发出的预定直径的激光束，其中反射面的数量使得入射激光束可以覆盖多于两个的反射面，该方法包括：

在一个平台上固定目标；

确定控制参数，包含多面反射镜的旋转速度和平台的传送速度；

使多面反射镜以预定旋转速度绕轴旋转；

以预定传送速度使平台向多面反射镜旋转方向的反向移动；

使激光束照射在反射面上，覆盖多于两个的反射面，确定反射面的数量使其被激光束覆盖；以及

使该激光束的各部分被一个透镜会聚并使会聚的激光束照射到目标上。

6.根据权利要求5的方法，进一步包括步骤：在使激光束照射到多面反射镜的反射面之前，扩大激光束的直径。

7.根据权利要求5的方法，进一步包括步骤：在使激光束的各部分会聚之后和使会聚的激光束照射到目标上之前，使激光束的一个截面转换成椭圆图形。

8.根据权利要求7的方法，其中使激光束的截面转换成椭圆图形使得该椭圆图形的长轴与目标的处理方向一致。

9.根据权利要求7的方法，其中激光束的椭圆图形的短轴对应目标的处理宽度，并且可以根据目标的种类和处理方式而变化。

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