CN102000917B - Led晶圆激光内切割划片设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED晶圆激光内切割划片设备，包括激光器、光学系统、影像系统及控制系统，激光器的输出端设置扩束镜，扩束镜的输出端布置有第一波片和第二波片，第二波片衔接第一反射镜，第一反射镜的输出端连接第一分光镜，第一分光镜输出端连接聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台；影像系统的LED光源的输出端布置准直器，准直器与第一反射镜衔接，第二分光镜与第一分光镜衔接，第二分光镜的输出端布置第二反射镜和第二成像镜头，第二反射镜的输出端布置第一成像镜头，第一成像镜头的输出端布置第二CCD，第二成像镜头的输出端布置第一CCD；第一CCD和第二CCD与控制系统电连接。该设备适用于以蓝宝石为基底的LED晶圆切割以及以透明晶体材料为基底的晶圆切割。

Description

LED晶圆激光内切割划片设备

技术领域

本发明涉及激光划片设备，尤其涉及用于LED晶圆划片的激光高精密加工设备，属于激光精密加工制造技术领域。

背景技术

目前主流LED晶圆基底采用蓝宝石为材料，在基底上采用气相沉积的方法生长GaN发光层。目前普遍的蓝宝石基底尺寸为2～4英寸，其上生长的LED发光晶粒尺寸不一，其大小在100um～1000um之间。在LED终端应用封装前需要将这些晶粒分开，这就需要对其基底材料按照晶粒尺寸进行切割。对于蓝宝石基底的LED晶圆切割方法从早期的金刚石刀具切割，到紫外纳秒激光划片切割，已经开发出了成熟的量产设备。

近年来随着照明行业对能耗的注重，低能耗、高发光亮度的LED亦越加受到重视。由此带动LED行业的快速发展。尤其是最近LED在显示背光源的广泛应用以及替代普通照明光源的巨大市场前景使得LED生产需求井喷，市场需求翻倍增长。迫于产能的需求，目前产线上的激光划线设备已经完全替代了金刚石刀具划线设备。激光划片机早期的划片效率经历了3片/小时、5片/小时及7片/小时，到目前主流的10片/小时，划片效率的快慢已成为激光划片机的核心竞争因素。

在划片效率提升的同时，对LED发光效率的重视亦日益凸显出来。激光划片的过程中存在的基底材料熔化、切割道内的残渣以及切割道附近的粉尘等现象对LED的发光效率有一定的影响，也成为提升LED晶粒品质的掣肘之一。虽然目前采用保护液工艺可有效减小粉尘的对晶粒品质的影响；采用皮秒、飞秒激光可显著降低基底材料熔化及残渣对发光效率的影响。但上述两种方法缺点在于增加生产工序及生产成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种LED晶圆激光内切割划片设备。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

LED晶圆激光内切割划片设备，包括激光器、光学系统、影像系统及控制系统，特点是：所述激光器的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端依次布置有第一波片和第二波片，第二波片衔接第一反射镜，第一反射镜的输出端连接第一分光镜，第一分光镜输出端连接聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台；所述激光器输出的激光入射到扩束镜，经过扩束镜后的激光入射到第一波片和第二波片，激光经第二波片后依次通过第一反射镜和第一分光镜入射到聚焦镜上，透过聚焦镜的激光聚焦于加工平台上；

所述影像系统包括LED光源、准直器、第二分光镜、第二反射镜、第一成像镜头、第二成像镜头、第一CCD和第二CCD，LED光源的输出端布置准直器，准直器与第一反射镜相衔接，第二分光镜与第一分光镜相衔接，第二分光镜的输出端布置第二反射镜和第二成像镜头，第二反射镜的输出端布置第一成像镜头，第一成像镜头的输出端布置第二CCD，第二成像镜头的输出端布置第一CCD；所述第一CCD和第二CCD与控制系统电连接；所述LED光源发出的光经准直镜后呈平行光出射，经第一反射镜反射后通过第一分光镜进入聚焦镜，照射在加工平台上LED晶圆的上表面，经加工平台上LED晶圆上表面反射的光线反射回聚焦镜，经第一分光镜反射后通过第二分光镜分成两束光，一束光进入第二成像镜头，由第二成像镜头将其聚焦于第一CCD成像面上，由第一CCD转化为电信号传输给控制系统，另一束光经第二反射镜后进入第一成像镜头，由第一成像镜头将其聚焦于第二CCD成像面上，由第二CCD转化为电信号传输给控制系统。

进一步地，上述的LED晶圆激光内切割划片设备，其中，所述激光器的波长为近红外波长，其波长范围为700～5000nm；或者为可见波长，其波长范围为400～700nm；或者为紫外波长，其波长范围为194～355nm。

更进一步地，上述的LED晶圆激光内切割划片设备，其中，所述激光器输出激光的脉冲宽度为纳秒级或皮秒级或飞秒级。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明LED激光划片设备，具有切割线宽度窄、无粉尘、无热熔残渣、破坏区域小、划片速度高等特点。配合X、Y高精密线性平台以及精密陶瓷电机旋转平台，实现LED晶圆高效、高品质切割。切割性能超越现有主流纳秒、皮秒等激光晶圆表面切割设备，适用于以蓝宝石为基底的LED晶圆切割，亦适用于其他以透明晶体材料为基底的晶圆切割，经济效益和社会效益显著，具有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的光路结构原理示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

具体实施方式

采用激光内切割方式，可完全避免切割过程中产生粉尘造成的影响，显著减小对基底材料的破坏区域，提高划片效率；其对激光器的选择范围宽泛，有利于控制生产成本。最为主要的是，可大幅提升晶粒发光效率，此项优势是激光表面划片所无法具有的。

如图1所示，LED晶圆激光内切割划片设备，包括激光器6、光学系统、影像系统及控制系统，激光器发出激光经过光学系统垂直入射到放置于加工平台上被加工材料，控制系统用于激光器、运动平台、光学及同轴影像系统的综合控制。

激光器6的输出端设置有扩束镜7，扩束镜3的输出端依次布置有第一波片8和第二波片9，第二波片9衔接第一反射镜10，第一反射镜10的输出端连接第一分光镜11，第一分光镜11输出端连接聚焦镜20，聚焦镜20正对于加工平台；激光器6输出的激光入射到扩束镜7，该扩束镜具有可调倍率与发散角功能，可对出射激光光斑直径及发散角度进行连续调节，经过扩束镜7后的激光入射到第一波片8和第二波片9，此两个波片对激光的偏振态进行调制，激光经第二波片9后依次通过第一反射镜10和第一分光镜11入射到聚焦镜20上，透过聚焦镜20的激光聚焦于加工平台上；聚焦镜20安装于具有垂直升降功能的一维直线电机上，通过精细调整聚焦镜20与晶圆基底1之间的距离，可精确地控制聚焦镜20的焦点与LED晶圆基底1的距离，透过聚焦镜20的激光最终聚焦于晶圆基底1内部，形成爆裂区2。本发明系统将激光汇聚于晶圆基底1内部，在其内部产生爆裂区2，形成应力点；随着X轴加工平台4、Y轴加工平台5的运动，应力点连接形成应力带，利用外力使其应力释放从而使晶圆基底分裂开，完成切割过程。

影像系统包括LED光源14、准直器15、第二分光镜12、第二反射镜13、第一成像镜头16、第二成像镜头17、第一CCD18和第二CCD19，LED光源14的输出端布置准直器15，准直器15与第一反射镜10相衔接，第二分光镜12与第一分光镜11相衔接，第二分光镜12的输出端布置第二反射镜13和第二成像镜头17，第二反射镜13的输出端布置第一成像镜头16，第一成像镜头16的输出端布置第二CCD19，第二成像镜头17的输出端布置第一CCD18；第一CCD18和第二CCD19与控制系统电连接；同轴影像系统所需的照明光为LED光源14，LED光源14发出的光具有一定的发散角度，经准直镜15后呈平行光出射，经第一反射镜10反射后通过第一分光镜11进入聚焦镜20，照射在加工平台上LED晶圆的上表面，第一反射镜10对LED光源所发出光波长具有高反射率以及对激光高透过率的特性，第一分光镜11对LED光源所发出光波具有1∶1的透过与反射比例，同时对激光具有高透过率特性，照明光经聚焦镜20汇聚于LED晶圆表面，将LED晶圆表面照亮；并携带表面信息反射回聚焦镜20，经第一分光镜11反射后通过第二分光镜12分成两束光，一束光进入第二成像镜头17，由第二成像镜头17将其聚焦于第一CCD18成像面上，由第一CCD18转化为电信号传输给控制系统，另一束光经第二反射镜13后进入第一成像镜头16，由第一成像镜头16将其聚焦于第二CCD19成像面上，由第二CCD19转化为电信号传输给控制系统。第二分光镜12与第一分光镜11性质相同。第一成像镜头16与第二成像镜头17具有不同的放大倍率，对应不同视场大小条件下的观察与定位。

其中，激光器6的波长为近红外波长，其波长范围为700～5000nm；或者为可见波长，其波长范围为400～700nm；或者为紫外波长，其波长范围为194～355nm。激光器6输出激光的脉冲宽度为纳秒级(10^-9s)，或皮秒级(10^-12s)，或飞秒级(10^-15s)。采用多种放大倍率的同轴观察镜头，可提供不同大小视场条件下的实时观察与精确定位。控制系统包含运动控制卡和驱动器，通过电机内部的光栅尺形成角度位置精密闭环控制。

实际加工时，LED晶圆放置于精密陶瓷电机旋转平台3上，利用同轴影像系统结合控制系统对LED颗粒进行精确水平校准与对位。利用具有垂直升降功能的一维直线电机将聚焦镜20上下调节，使激光焦点位于LED晶圆基底1内部。控制系统计算出划线路径后，启动X轴加工平台4及Y轴加工平台5对LED晶圆进行X、Y两个方向的划片。

LED晶圆激光内切割划片设备适用于以蓝宝石为基底的LED晶圆切割，同时亦适用于其他以透明晶体材料为基底的晶圆切割，激光聚焦于基底材料内部，在基底材料内部形成爆裂区。具有切割线宽度窄、无粉尘、无热熔残渣、破坏区域小、划片速度高等特点。配合X、Y高精密线性平台以及精密陶瓷电机旋转平台，实现LED晶圆高效、高品质切割。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.LED晶圆激光内切割划片设备，包括激光器(6)、光学系统、影像系统及控制系统，其特征在于：所述激光器(6)的输出端设置有扩束镜(7)，扩束镜(3)的输出端依次布置有第一波片(8)和第二波片(9)，第二波片(9)衔接第一反射镜(10)，第一反射镜(10)的输出端连接第一分光镜(11)，第一分光镜(11)输出端连接聚焦镜(20)，聚焦镜(20)正对于加工平台；所述激光器(6)输出的激光入射到扩束镜(7)，经过扩束镜(7)后的激光入射到第一波片(8)和第二波片(9)，激光经第二波片(9)后依次通过第一反射镜(10)和第一分光镜(11)入射到聚焦镜(20)上，透过聚焦镜(20)的激光聚焦于加工平台上；

所述影像系统包括LED光源(14)、准直器(15)、第二分光镜(12)、第二反射镜(13)、第一成像镜头(16)、第二成像镜头(17)、第一CCD(18)和第二CCD(19)，LED光源(14)的输出端布置准直器(15)，准直器(15)与第一反射镜(10)相衔接，第二分光镜(12)与第一分光镜(11)相衔接，第二分光镜(12)的输出端布置第二反射镜(13)和第二成像镜头(17)，第二反射镜(13)的输出端布置第一成像镜头(16)，第一成像镜头(16)的输出端布置第二CCD(19)，第二成像镜头(17)的输出端布置第一CCD(18)；所述第一CCD(18)和第二CCD(19)与控制系统电连接；所述LED光源(14)发出的光经准直镜(15)后呈平行光出射，经第一反射镜(10)反射后通过第一分光镜(11)进入聚焦镜(20)，照射在加工平台上LED晶圆的上表面，经加工平台上LED晶圆上表面反射的光线反射回聚焦镜(20)，经第一分光镜(11)反射后通过第二分光镜(12)分成两束光，一束光进入第二成像镜头(17)，由第二成像镜头(17)将其聚焦于第一CCD(18)成像面上，由第一CCD(18)转化为电信号传输给控制系统，另一束光经第二反射镜(13)后进入第一成像镜头(16)，由第一成像镜头(16)将其聚焦于第二CCD(19)成像面上，由第二CCD(19)转化为电信号传输给控制系统。

2.根据权利要求1所述的LED晶圆激光内切割划片设备，其特征在于：所述激光器(6)的波长为近红外波长，其波长范围为700～5000nm；或者为可见波长，其波长范围为400～700nm；或者为紫外波长，其波长范围为194～355nm。

3.根据权利要求1所述的LED晶圆激光内切割划片设备，其特征在于：所述激光器(6)输出激光的脉冲宽度为纳秒级或皮秒级或飞秒级。

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