CN101486278B - 激光可调节深度标记系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于深度可调节的激光标记的设备和方法。在一个实施例中，该系统用在Nd-YAG激光标记机中，用于在半导体工业中进行晶片加工，该系统具有对标记深度和在深标记和浅标记之间调整工作范围的智能控制。

Description

激光可调节深度标记系统和方法
技术领域
本系统和方法涉及一种激光标记机，具体涉及一种在半导体工业中用于晶片加工的激光标记机。
背景技术
目前，激光标记技术广泛地应用在很多不同的行业和领域中。用于标记的激光器包括掺钕钇铝石榴石(Nd:Y3Al5O12)(也称为Nd:YAG激光器)或二氧化碳激光器。由于准分子激光器受工作环境影响并且其成本高昂，所以高能准分子激光器不用于标记。在激光标记中，高能量密度激光束照射部分加工的材料表面(例如半导体晶片表面)，在所述表面产生热激发从而在表面或者表面附近导致熔化、烧灼或蒸发，这样致使在材料表面留下永久的标记作为用于特殊材料表面的识别标记。
广泛用于半导体工业的Nd:YAG和二氧化碳激光器有一些限制和缺点。由于受热表面的局部熔化，这些类型的激光器导致热损伤和热扩散，从而使标记模糊，并且导致大量飞溅。采用光学显微镜在高放大倍率下能够清晰的看到飞溅的效果。此外，新的半导体技术提出新的需求，这些新的需求是采用Nd:YAG和二氧化碳激光器无法满足的。这些新的需求要求激光标记的深度d＜1μm，直径Φ≈30μm，并且没有飞溅。现在，只有准分子激光器能够满足这样的要求。此外，在很多软半导体材料上(如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP))产生深度d＜1μm、没有飞溅的浅标记(light mark)非常困难。
另外，由于不同的加工工艺和需求，硬标记(hard mark)(深度在5-100μm之间)和/或软标记(soft mark)(深度在3-5μm之间)都需要。然而，目前可用的激光标记机不能同时产生满足要求的硬标记和软标记。这样，又导致了设备的工作范围受限、费用高和效率低。因此，希望提供一种克服上述典型系统的限制的激光可调节深度的标记系统和方法，本发明就是针对此目的提出的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种激光标记设备，包括：
用于产生激光的激光发生单元；
用于为所述激光发生单元供电的激光电源；
用于产生扩展的激光的扩束器；
用于调整扩展的激光的能量密度的可调节的偏振设备；以及
用于接收调整了能量密度的扩展的激光并将其指向一片材料表面的振镜扫描元件，其中调整了能量密度的扩展的激光能够在所述该片材料表面产生具有低飞溅的标记。
根据本发明的第二方面，其中可调节的偏振设备进一步包括用于调整扩展的激光的能量密度的转换齿轮设备。
根据本发明的第三方面，其中可调节的偏振设备进一步包括光阑设备和偏振镜角设备，通过调整光阑、孔径和扩展的激光的偏振镜角来调整扩展的激光的能量密度。
根据本发明的第四方面，其中所述该片材料是半导体晶片并且其中标记的深度小于1微米且具有最少的飞溅。
根据本发明的第五方面，其中该片材料是半导体晶片并且其中标记的深度在1微米和100微米之间并且是浅标记、软标记或硬标记。
根据本发明的第六方面，其中激光发生单元进一步包括掺钕钇铝石榴石激光器。
根据本发明的第七方面，其中可调节的偏振设备在0度和90度之间调整扩展的激光的偏振角。
根据本发明的第八方面，其中可调节的偏振设备在60度和70度之间调整扩展的激光的偏振角。
根据本发明的第九方面，还提供一种采用激光标记设备在一片材料上进行激光标记的方法，其中激光标记设备包括激光电源，激光传输系统，振镜扫描系统和电脑控制系统，所述方法包括：
采用可调节的偏振设备调节激光能量密度；
将调整了能量密度的激光指向一片材料；以及
利用调整了能量密度的激光在所述该片材料的表面上产生标记，其中标记的深度可调节并且具有最少的飞溅。
根据本发明的第十方面，其中在所述该片材料上产生标记进一步包括在半导体基片表面上产生标记。
根据本发明的第十一方面，其中，调整激光的能量密度进一步包括在0度到90度之间调整可调节的偏振设备的偏振角。
根据本发明的第十二方面，其中，调整偏振角进一步包括在60度到70度之间调整激光的偏振角。
附图说明
图1示出了激光标记系统的一个实现方式的例子；
图2示出了激光标记系统的光路；
图3示出了激光标记系统的可调节的偏振设备的细节；
图4示出了采用不同偏振镜角形成的激光标记；
图5示出了采用图1所示的系统产生的浅标记；
图6示出了软标记的一个例子；以及
图7示出了硬标记的一个例子。
具体实施方式
本系统和方法尤其可应用于在半导体工业中用于晶片加工的Nd:YAG激光标记机，在此上下文中，将对该系统和方法进行描述。然而，可以理解，由于本系统和方法能够采用其它类型的激光器实现或在各种其它行业中实现，因此具有更大的实用性。
在采用Nd:YAG激光器的一个实施例中实现的本系统和方法提供可调节的激光标记深度，其可以在半导体工业中用于晶片加工。本系统提供标记深度的智能控制和在深/硬标记和浅/软标记之间扩展的工作范围。例如，系统能够在半导体晶片(如砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP)，硅(Si)和/或锗(Ge))上产生深度小于1μm、直径Φ≈30μm以及没有飞溅的浅标记，也可以加工超过100μm的完美的软标记和/或硬标记，所述浅标记的效果与由较昂贵的准分子激光器产生的标记接近。
图1示出了激光标记系统10的实现方式的例子，其采用激光发生器20，在本实现方式中例如为Nd:YAG激光器，图2示出了激光标记系统10中的光路。如图1所示，系统10可以包括激光器20，振镜扫描系统21，激光传输系统22，激光电源23，冷却系统24和电脑控制系统25。该系统与目前工业应用中的商业激光标记系统一致。如图2所示，系统的光路可以包括激光发生器20，用于扩展光束的激光扩束器32，用于调节激光偏振的可调节的偏振设备33和用于将激光指向一片材料35(例如基片)的振镜34，从而对该片材料进行标记。如图3所示，可调节的偏振设备33可以进一步包括孔径设备36和偏振镜角设备37。激光穿过激光扩束器32并到达孔径设备36和偏振镜角设备37。可以调整孔径和偏振角，可以过滤散射光并且可以调整激光偏振的角度以便更精确地控制用于标记该片材料的激光能量密度。控制是通过如公式1所示的著名的马吕斯定律(Malus Law)实现的，其中θ为偏振角。从该公式中可以清楚地发现，当θ＝0°时不会改变初始的激光的强度Ioriginal，而对于θ＝90°输出的激光的强度将会完全被阻挡。在合适的θ值处，激光能量刚好足以熔化所述该片材料35(例如半导体基片)的表面，且不产生飞溅。因此，如图1-3所示的激光标记系统，采用的激光器不是昂贵的准分子激光器，产生深度d＜1μm，直径Φ≈30μm，没有飞溅的浅标记。系统可以包括通过齿轮机构38用于物理上改变偏振镜的偏振角的设备。
更详细地，每一个激光标记点的直径、深度和飞溅取决于激光能量和激光能量密度的控制。光阑(diaphragm)控制到达振镜34和该片材料35上的激光的光量，而偏振镜角设备37控制激光的偏振。如果光的偏振方向和偏振光模块的夹角按照下述公式改变：
I＝(Ioriginal)xCos2θ.................................(1)
光学系统就能够产生用于指向该片材料表面的在Ioriginal和0之间的适当的激光的能量。
下表和图4示出了在激光标记的范围内改变偏振镜角的效果以及相应的飞溅。
表1
偏振镜角(°) 激光功率(W) 频率(Hz)
 0  0.56  9000
 45  0.32  9000
 60  0.24  9000
 70  0.12  9000
 90  0.04  9000
图4示出了采用不同偏振镜角(0度、45度、60度、70度)形成的激光标记。通过控制到达表面的激光的激光能量密度，可以获得深度d＜1μm，直径Φ≈30μm，高清晰并且无飞溅的标记。该激光标记系统扩展激光标记机的工作范围并且提供对标记深度的精确控制，用于高标准、深度d＜1μm、直径Φ≈30μm、无飞溅的标记和普通软或硬标记(深度≈3-100μm)加工需求。
上述的激光标记系统和方法可以用于形成激光标记(图5示出了深度d＜1μm，直径Φ≈30μm，无飞溅和烧灼、底部平坦、轮廓清晰的激光标记)，软标记(图6示出了深度d等于3-5μm，直径Φ≈40μm带有轻微飞溅和烧灼，轮廓稍不清晰的软标记)或硬标记(图7示出了深度d＞5μm，直径Φ≈40μm带有飞溅和烧灼，轮廓模糊的硬标记)。
虽然前述参照本发明的一个具体实施例进行描述，本领域的普通技术人员应该理解，在不偏离本发明的原理和精神的情况下可以对该实施例进行改进，因此本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (12)

1.一种激光标记设备，包括：
用于产生激光的激光发生单元；
用于为所述激光发生单元供电的激光电源；
用于产生扩展的激光的扩束器；
可调节的偏振设备，包括角度可变的偏振镜角设备，用于改变从其中穿过的激光的偏振，其中该可调节的偏振设备根据该角度的变化调整扩展的激光的能量密度；以及
用于接收调整了能量密度的扩展的激光并将其指向一片材料表面的振镜扫描元件，
其中，通过该偏振镜角设备的角度变化而实现的对调整了能量密度的扩展的激光的控制使得所述激光标记设备能够在所述该片材料表面上产生具有低飞溅的标记。
2.如权利要求1所述的设备，其中可调节的偏振设备进一步包括用于通过齿轮机构调整所述偏振镜角设备的偏振角的转换齿轮设备。
3.如权利要求1所述的设备，其中可调节的偏振设备进一步包括光阑设备，通过调整光阑和孔径来调整扩展的激光的能量密度。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述该片材料是半导体晶片并且其中标记的深度小于1微米且具有低飞溅。
5.如权利要求1所述的设备，其中该片材料是半导体晶片并且其中标记的深度在1微米和100微米之间并且能够设置成软标记或硬标记。
6.如权利要求1所述的设备，其中激光发生单元进一步包括掺钕钇铝石榴石激光器。
7.如权利要求1所述的设备，其中可调节的偏振设备在0度和90度之间调整扩展的激光的偏振角。
8.如权利要求7所述的设备，其中可调节的偏振设备在60度和70度之间调整扩展的激光的偏振角。
9.一种采用激光标记设备在一片材料上进行激光标记的方法，其中激光标记设备包括激光电源，激光传输系统，振镜扫描系统和电脑控制系统，所述方法包括：
采用可调节的偏振设备调节激光能量密度，其中所述偏振设备包括角度可变的偏振镜角设备，用于改变从中穿过的激光的偏振，其中可调节的偏振设备根据该角度的变化调整扩展的激光的能量密度；
将调整了能量密度的激光指向一片材料；以及
利用通过该偏振镜角设备的角度变化而调整了能量密度的激光在所述该片材料的表面上产生标记，其中标记的深度可调节并且具有低飞溅。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述该片材料上产生标记进一步包括在半导体基片表面上产生标记。
11.如权利要求9所述的方法，其中，调整激光的能量密度进一步包括在0度到90度之间调整可调节的偏振设备的偏振角。
12.如权利要求11所述的方法，其中，调整偏振角进一步包括在60度到70度之间调整激光的偏振角。
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