CN102615432A - 使用经倾斜的雷射扫描来加工工作件的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种雷射加工方法及设备，其可借由使用扫描仪或多边镜可移动地扫描雷射束且在倾斜角方向上将这些经扫描的雷射束辐射至工作件而有效地刻划或切割该工作件。

Description

使用经倾斜的雷射扫描来加工工作件的方法和设备

技术领域

本发明有关雷射加工方法及设备，尤其有关可借由不在垂直方向而在倾斜角方向上将雷射束辐射至工作件而有效地刻划或切割工作件的雷射加工方法及设备。更特定而言，本发明有关的雷射加工方法及设备，可使用高功率的雷射束有效地刻划或切割工作件或借由使得雷射束使用诸如扫描仪或多边镜的光学系统在空间及时间上恰当分配的方式扫描雷射束而修改工作件的内部来切割工作件，借此最小化由雷射束造成的工作件的热变形。

背景技术

雷射束加工由于易于将光能聚焦至非常小的面积而可增强能量密度，提供良好直线传播且使非接触加工成为可能，因此成为对硬工作件或脆性材料的切割处理或刻划处理非常有效的方法。此外，近来，雷射已广泛用于各种工业领域，归因于其允许自由成形表面或复杂表面的加工，也允许归因于小加工范围的微加工，且较其它加工方法引起由热量造成的工作件的较小变形。用于雷射加工中的雷射根据雷射束的波形而分成脉冲雷射及连续雷射。脉冲雷射具有诸如奈秒、皮秒及飞秒单位的短雷射辐射周期，由于具有大于几十千瓦的峰值功率而适合于加工各种材料，且较连续雷射引起较小的热变形。近来，雷射加工已广泛用于刻划或切割硅晶圆、化合物半导体晶圆、陶瓷半导体晶圆、蓝宝石板、金属板、玻璃板等等。

然而，雷射加工也具有若干问题，这些问题在于在雷射束辐射至的工作件的部分处产生粒子，且工作件的表面由于工作件的经修改部分的再凝固而变得粗糙且不均匀(如图1中所示)，且由于粒子妨碍刻划以致雷射束经再辐射以使加工部分更深的状况下阻止雷射束到达工作件的更深部分。为此，当不能保障足够的刻划深度时，存在工作件在不同于刻划方向的方向上开裂的问题，且因此，雷射加工方法在应用中存在限制。

此外，随着雷射制造技术的开发，已开发高功率的皮秒雷射或飞秒雷射，但在这些雷射用于切割或刻划的状况下，不规则微裂缝归因于由对处理表面的热影响造成的非晶体化或归因于由蒸发造成的体积膨胀而形成在板的表面上，且使得切割区的表面粗糙且使工作件的表面上所产生的组件的特性劣化。

为了最小化这些影响，近来采用将相对弱脉冲的雷射束重复辐射至工作件的表面的方法，但其在解决归因于再凝固的不均匀表面或微裂缝的问题中也具有限制，且不提供使用高功率雷射的有效且快速的加工。此外，由于刻划方法中使用雷射，因此存在借由将雷射束收集至工作件内部而修改工作件的内部组织的方法，但该方法也具有若干问题，这些问题在于，在将该方法应用于厚工作件时存在限制，因为该方法借由在垂直方向上将雷射辐射至工作件的表面而在工作件内部产生预先配置的切割点或线；且问题在于即使该方法适用于厚工作件，也必须重复辐射雷射，因此加工速度慢。

发明内容

因此，本发明用以解决出现在现有技术中的上述问题，且本发明的目标为提供雷射加工方法及设备，本发明在使用高功率的雷射束的情况下也能够借由在固定区域中重复移动的方式，使用扫描仪或多边镜扫描雷射束且不在相对于工作件表面垂直的方向而在倾斜角方向上将雷射束辐射至工作件来减少热变形，借由用于保障排出在加工期间产生的粒子的通道以最小化再凝固来增强加工质量，且本发明允许深加工。

此外，本发明的另一目标为提供雷射加工方法及设备，其可借由以快速率在工作件内部形成预先配置切割面而为厚工作件提供改良的切割质量，这是由于在倾斜角方向上扫描的雷射束经收集至工作件的内部以产生修改面。

为了完成以上目标，根据本发明，提供两种雷射加工方法：第一雷射加工方法包括以下步骤：(A)扫描雷射束；及(B)将经扫描的雷射束辐射至工作件，同时移动工作件，其中在步骤(B)中，雷射束在自垂直于工作件表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射至工作件，以使得在工作件的深度方向上扫描的雷射束借由穿透工作件来修改工作件的深度方向的相应面；且第二雷射加工方法包括以下步骤：(A)扫描雷射束；及(B)将经扫描的雷射束辐射至工作件，同时移动工作件，其中在步骤(B)中，雷射束以使得在平行于工作件表面的方向上扫描的雷射束借由穿透工作件来修改平行于工作件表面的方向的相应面的方式而在自垂直于工作件表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射至工作件。

在第一雷射加工方法中，自工作件表面至相对侧的工作件或自工作件表面至工作件表面与相对侧之间的任一点的工作件经移除或修改以待刻划或切割。或者，在深度方向上与工作件表面隔开预定距离且垂直于工作件表面的第一面经修改以待稍后切割。此外，再次执行步骤(A)及(B)，以便修改在深度方向上与第一面隔开预定距离的工作件的至少另一个平行面。

在第二雷射加工方法中，自工作件表面至预定深度的工作件在平行于工作件表面的方向上经移除且刻划，或在深度方向上与工作件表面隔开预定距离且平行于工作件表面的第一面经修改。此外，再次执行步骤(A)及(B)，以便修改在深度方向上与第一面隔开预定距离的工作件的至少另一个平行面。

在本发明的另一形式中，存在一种雷射加工设备，其包括：雷射装置，用于产生雷射束；第一光学系统，用于扫描自雷射装置产生的雷射束且改变经扫描的雷射束的路线；第二光学系统，用于收集自第一光学系统发送的雷射束；及载物台，用于固定工作件，其中经由第二光学系统扫描且自第二光学系统发送的雷射束辐射至工作件，同时载物台经输送而以使得雷射束在自垂直于工作件表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射的方式移动工作件，以使得在工作件的深度方向上扫描或在平行于工作件表面的方向上扫描的雷射束借由穿透工作件而修改工作件的深度方向的相应面或平行于工作件表面的方向的相应面。

根据本发明的雷射加工方法及设备可增强切割及刻划质量，因为在加工期间产生的粒子可借由在将于倾斜角方向上扫描的雷射束辐射至工作件时用于保障排出粒子的通道以防止再凝固而得以有效地移除。

此外，本发明可借由形成预先配置切割面而容易地切割即使为厚的工作件，因为在倾斜角方向上扫描的雷射束收集至工作件内部以产生修改面。

附图说明

图1为根据现有技术的雷射束在垂直方向上入射至工作件表面的加工结果的像片；

图2为根据本发明的较佳具体实例的雷射加工设备的示意图；

图3为根据本发明的多边镜的用法的示意图；

图4为根据本发明的自工作件表面应用于深度方向的雷射加工方法的示意图；

图5为经由工作件在深度方向上的内部修改而形成预先配置切割面的示意图；

图6为经由工作件在深度方向上的内部修改而形成多层切割面的示意图；

图7为当形成多层切割面时的刻划结果的示意图；

图8为根据本发明的形成于工作件内部的修改面的大小的示意图；

图9为在平行于工作件表面的方向上的雷射加工方法的示意图；

图10为在平行于工作件表面的方向上经由工作件的内部修改而形成预先配置切割面的示意图；及

图11为根据本发明的雷射加工方法的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的以上及其它目标、特征及优点将自结合附图的本发明的较佳具体实例的以下详细描述而显而易见。

现将参看附图详细参考本发明的较佳具体实例，但本发明并不受这些具体实例限定或限制。

图2为用于描述根据本发明的较佳具体实例的雷射加工设备100的示意图。

参看图2，根据本发明的雷射加工设备100包括雷射装置110、具有第一镜120a、第二镜120b及第三镜120c的第一光学系统120、第二光学系统130及控制器140。雷射加工设备100进一步包括用于固定工作件10的载物台，且根据控制器140的控制信号输送载物台以将工作件10移动至将加工工作件的位置。图中未显示，但雷射加工设备100可进一步包括用于增强加工质量或速度的额外装置，诸如，用于吹出在加工期间所产生的粒子的鼓风机或用于收集粒子的抽吸装置。

工作件10可为硅晶圆、化合物半导体晶圆、陶瓷半导体板、蓝宝石板、金属及玻璃板，及含有各种有机物质的所有种类的实心体。

雷射装置110可产生具有诸如奈秒、皮秒或飞秒单位的短辐射周期的连续波雷射束或脉冲射束，具有大于几十千瓦的峰值功率。工作者可以通过使得雷射装置110产生恰当功率及波长的雷射束的方式控制控制器140。

往复运行使得扫描雷射束的驱动部分(例如，扫描仪)可安装在雷射加工设备100的任何部分处。举例而言，图2的第一镜120a、第二镜120b或第三镜120c可为扫描仪，或如图3所示，第一镜120a、第二镜120b或第三镜120c可为由致动器120f或马达驱动的多边镜120e。此处，扫描仪所需的镜及多边镜可用其它光学系统替代，诸如，光学透镜或棱镜，且若需要，以用于改变雷射束的路线的其它光学构件替代。

控制器140产生控制信号以输送载物台以使得工作件10可移动至将加工工作件10的位置，且控制安装在工作件10上方的支撑件上的光学系统载物台上的第一光学系统120或第二光学系统130以移动至将加工工作件10的位置。此外，控制器140可控制第一光学系统120的镜的角度或控制第二光学系统130的角度或焦点。

如上所述，第一镜120a、第二镜120b及第三镜120c改变待发送至第二光学系统130的雷射束的路线。第二光学系统130收集入射雷射束且辐射至工作件10。

控制器140可控制扫描仪以使得扫描仪镜在一个循环上以预定角度往复运行，且控制致动器120f或马达以使得具有两个以上反射侧的多边镜120e以规则速度旋转。因此，控制器140可反射经由第一光学系统120入射的雷射束，以使得雷射束可在预定宽度范围内经重复扫描及发送。第二光学系统130收集自多边镜120e入射的经扫描雷射束且将其辐射至工作件10。此处，多边镜120e可为具有几个或几十或几百个侧面的多棱镜，或可为具有根据扫描宽度而变化的侧面数目的镜。但是，本发明不限于上述情况，且代替多边镜120e，可采用借由致动器120f或马达垂直移动的其它镜射构件或其它光学系统。

如上所述，在本发明中，当往复移动以借由扫描仪或多边镜120e扫描时，雷射束辐射至在载物台上移动的工作件10以使得工作件10经刻划或切割。

举例而言，如图4(A)中所示，在自左至右切割工作件10的状况下，如图4(B)中所示，载物台经输送以自左至右移动工作件10，然后，经扫描雷射束经由第二光学系统130收集且辐射至工作件10。具体地，第二光学系统130的角度由控制器140恰当地设定，以使得自第二光学系统130发送的雷射束在自垂直于工作件10的表面的方向的倾斜角方向上辐射至工作件10，以使得在工作件10的深度方向上扫描的自第二光学系统130发送的雷射束借由穿透工作件10的表面以刻划或切割工作件10来修改工作件10的深度方向的相应面，即自一侧的表面至相对侧或一侧的表面与相对侧之间的任一点。工作件10可在下一割裂工序中切割，因为在工作件10的深度方向上扫描且自第二光学系统130发送的雷射束借由在深度方向上自一侧的表面至相对侧修改工作件10来刻划工作件10。或者，当使用较高功率的雷射束或扩大修改的范围时，可在无下一割裂工序的情况下借由在深度方向上自一侧的表面至相对侧的表面进行修改来直接切割工作件10。如上所述，在深度方向上自一侧的表面至相对侧的表面修改工作件10的状况适合于相对薄的工作件的加工，例如，具有在几百微米范围内的厚度，诸如，硅晶圆及化合物半导体晶圆。

如上所述，当雷射束在倾斜角方向上辐射至工作件10以执行加工时，用于排出粒子的通道经保障以借此防止再凝固，以使得工作件10可在无任何不均匀表面或微裂缝的情况下以良好加工质量加工。也即，如图4(B)中所示，当雷射束在工作件10的深度方向上自工作件10的最左侧辐射时，边缘部分的一层首先经修改及切割，且下一层借由雷射束按次序修改及切割，且在这种情况下，之前形成的修改或切割部分的空间充当用于排出粒子的通道，以借此减少粒子的再凝固。在这种情况下，在工作件10的加工期间，若以上所述的鼓风机或抽吸装置用于吹出或抽吸自工作件10所产生的粒子，则可更加防止再凝固。

作为加工的另一实施例，参看图5，当雷射束在自将被切割的工作件表面的一部分的垂直方向上收集至工作件内部的一部分时，工作件的表面不被雷射束修改，因为雷射束不收集至表面，而收集雷射束的部分经修改，且经扫描的雷射束可形成平行于工作件表面的切割位置的预先配置切割面。与借由现有加工方法所形成的切割线或点相比，借由本发明所形成的预先配置切割面可增强加工质量，因为当在加工之后借由割裂工序切割工作件时，使得工作件能够在所欲方向上良好地切割。具体地，该加工方法对厚工作件更有效，且可根据工作件的厚度而应用最佳修改宽度，同时改变扫描区的长度，且在非常厚的工作件的状况下(如图6中所示)，可形成相互平行的两个以上预先配置切割面。

举例而言，在控制器140恰当地设定第二光学统130的焦点之后，自第二光学系统130发送的雷射束可修改在深度方向上与工作件10的表面隔开预定距离的侧面。如图7中所示，相互隔开预定距离且形成于工作件10内部的修改面的数目可根据工作件10的厚度而变化。举例而言，相互隔开200微米的间隔的两个修改面可形成于具有1000微米厚度的工作件10内，且在这种情况下，每个修改面具有200微米的高度。

如图5中所示，自第二光学系统130发送的雷射束在自垂直于工作件10的表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射至工作件10，因此，在工作件10的深度方向上扫描自第二光学统130发送的雷射束，借此穿透工作件10而修改在深度方向上与工作件10的表面隔开的侧面。在这种情况下，在使用脉冲雷射的状况下，雷射脉冲的修改点的大小可借由辐射至工作件内部的脉冲雷射的射束收集大小判定。在工作件10移动且脉冲雷射振动时，修改点在右上方向及右下方向上重复地形成，且根据雷射脉冲的扫描方法而在右上方向及右下方向上重复地形成，且在这种情况下，修改点的数目为至少两个，且因此，具有大于一个修改点的高度的修改面可形成于工作件10内部(见图8)。如上所述，本发明可以快速地在工作件10内部形成修改，且在割裂工序期间获得无任何裂缝的良好加工质量，这是因为修改面借由足够雷射功率而形成的。

根据本发明的加工方法可允许在平行于工作件10的表面的方向上的面加工以及在垂直于工作件10的表面的方向上的面加工，且在图9及图10中说明加工方法的一个实施例。在平行于工作件10的表面的方向上设定雷射束扫描的方向之后，当雷射束经收集以聚焦至工作件10的表面或聚焦至在距工作件10表面的预定深度处的工作件10内部时，可形成平行于工作件10表面的具有预定宽度(雷射扫描宽度)的加工面或修改面。在诸如陶瓷半导体板、蓝宝石板、金属板及玻璃板的大于1000微米的厚工作件的状况下，若该加工工序应用于工作件的整个表面，则其可代替用于半导体或LED制造方法中的背面研磨工序而作为用于控制工作件的厚度的工序。图9及图10说明该加工工序可替代背面研磨工序，但本发明不限于上述情况，且根据情况，如图9或图10中所示，至少一个修改面可形成于工作件10的表面上或在距工作件10表面的预定深度处的工作件10的内部以刻划或切割工作件10。

如上所述，在工作件10的深度方向上扫描且自第二光学系统130发送的雷射束可在深度方向上自工作件10的表面修改工作件10或在平行于工作件10的表面的方向上修改工作件10(见图4、图5、图6、图9及图10)。或者，通孔可形成于工作件10的区域处(见图11(A))，或沟渠可在工作件10的区域处形成至距工作件10的表面的预定深度(见图11(B))。由于雷射的性质，通孔或沟渠的最小直径或宽度可形成为几微米至几十微米。另外，在这种情况下，雷射束在倾斜角方向上辐射至工作件10以保障用于排出粒子的通道，借此防止再凝固，以使得工作件10可在无任何不均匀表面或微裂缝的情况下以良好加工质量加工。

虽然已参考特定说明性具体实例描述本发明，但本发明不由具体实例而仅由随附权利要求范围限定。应了解，本领域技术人员可在不脱离本发明的范畴及精神的情况下改变或修改具体实例。

Claims (26)

1.一种雷射加工方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(A)扫描雷射束；及

(B)将该经扫描的雷射束辐射至工作件，同时移动该工作件，

其中在该步骤(B)中，该雷射束在自垂直于该工作件表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射至该工作件，以使得在该工作件的深度方向上扫描的该雷射束借由穿透该工作件而修改该工作件的该深度方向的相应面。

2.如权利要求1所述的雷射加工方法，其特征在于，自所述工作件的所述表面至相对侧的所述工作件经移除及切割。

3.如权利要求1所述的雷射加工方法，其特征在于，自所述工作件的所述表面至所述工作件的所述表面与所述相对侧之间的任一点的所述工作件经移除及刻划。

4.如权利要求1所述的雷射加工方法，其特征在于，在所述深度方向上与所述工作件的所述表面隔开预定距离的第一面经修改及刻划。

5.如权利要求4所述的雷射加工方法，其特征在于，所述步骤(A)及(B)经再次执行，以便修改在所述深度方向上与所述第一面隔开预定距离的所述工作件的至少另一个面。

6.如权利要求1所述的雷射加工方法，其特征在于，自雷射装置产生的所述雷射束借由扫描构件或镜射构件而扫描及发送，且所述经扫描的雷射束经由光学系统收集并辐射至所述工作件。

7.如权利要求6所述的雷射加工方法，其中所述扫描构件或所述镜射构件为多边镜。

8.一种雷射加工方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(A)扫描雷射束；及

(B)将该经扫描的雷射束辐射至工作件，同时移动该工作件，

其中在该步骤(B)中，该雷射束以使得在平行于该工作件的该表面的方向上扫描的该雷射束借由穿透该工作件修改平行于该工作件的该表面的该方向的相应面的方式而在自垂直于该工作件的该表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射至该工作件。

9.如权利要求8所述的雷射加工方法，其特征在于，在所述深度方向上与所述工作件的所述表面隔开预定距离的第一面经修改及刻划。

10.如权利要求9所述的雷射加工方法，其特征在于，所述步骤(A)及(B)经再次执行，以便修改在所述深度方向上与所述第一面隔开预定距离的所述工作件的至少另一个面。

11.如权利要求8所述的雷射加工方法，其特征在于，自雷射装置产生的所述雷射束借由扫描构件或镜射构件而扫描及发送，且所述经扫描的雷射束经由光学系统收集并辐射至所述工作件。

12.如权利要求11所述的雷射加工方法，其特征在于，所述扫描构件或所述镜射构件为多边镜。

13.一种雷射加工设备，其特征在于，该设备包含：

雷射装置，用于产生雷射束；

扫描构件，用于扫描自该雷射装置产生的该雷射束；

第一光学系统，用于改变该经扫描的雷射束的路线；

第二光学系统，用于收集自该第一光学系统发送的该雷射束；及

载物台，用于固定工作件，

其中经由该第二光学系统扫描且自该第二光学系统发送的该雷射束辐射至该工作件，同时该载物台经输送以便以使得该雷射束在自垂直于该工作件的表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射的方式移动该工作件，以使得在该工作件的深度方向上扫描的该雷射束借由穿透该工作件而修改该工作件的该深度方向的相应面。

14.如权利要求13所述的雷射加工设备，其特征在于，自所述工作件的所述表面至相对侧的所述工作件经移除及切割。

15.如权利要求13所述的雷射加工设备，其特征在于，自所述工作件的所述表面至所述工作件的所述表面与所述相对侧之间的任一点的所述工作件经移除及刻划。

16.如权利要求13所述的雷射加工设备，其特征在于，在所述深度方向上与所述工作件的所述表面隔开预定距离的面经修改及刻划。

17.如权利要求16所述的雷射加工设备，其特征在于，与所述工作件的所述表面位于不同深度的所述工作件的至少另一个面处于在所述深度方向上与所述工作件的所述表面隔开预定距离的所述修改面近旁。

18.一种雷射加工设备，其特征在于，该设备包含：

雷射装置，用于产生雷射束；

第一光学系统，用于改变该经扫描的雷射束的路线；

镜射构件，用于扫描自该第一光学系统发送的该雷射束；

第二光学系统，用于收集自该第一光学系统发送的该雷射束；及

载物台，用于固定工作件，

其中经由该第二光学系统扫描且自该第二光学系统发送的该雷射束辐射至该工作件，同时该载物台经输送以便以使得该雷射束在自垂直于该工作件的表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射的方式移动该工作件，以使得在该工作件的深度方向上扫描的该雷射束借由穿透该工作件而修改该工作件的该深度方向的相应面。

19.如权利要求18所述的雷射加工设备，其特征在于，自所述工作件的所述表面至相对侧的所述工作件经移除及切割。

20.如权利要求18所述的雷射加工设备，其特征在于，自所述工作件的所述表面至所述工作件的所述表面与所述相对侧之间的任一点的所述工作件经移除及刻划。

21.如权利要求18所述的雷射加工设备，其特征在于，在所述深度方向上与所述工作件的所述表面隔开预定距离的面经修改及刻划。

22.如权利要求21所述的雷射加工设备，其特征在于，与所述工作件的所述表面位于不同深度的所述工作件的至少另一个面处于在所述深度方向上与所述工作件的所述表面隔开预定距离的所述修改面近旁。

23.如权利要求18所述的雷射加工设备，其特征在于，所述镜射构件为用于经由两个以上旋转反射面来扫描雷射束的多边镜。

24.一种雷射加工设备，其特征在于，该设备包含：

雷射装置，用于产生雷射束；

扫描构件，用于扫描自该雷射装置产生的该雷射束；

第一光学系统，用于改变该经扫描的雷射束的路线；

第二光学系统，用于收集自该第一光学系统发送的该雷射束；及

载物台，用于固定工作件，

其中经由该第二光学系统扫描且自该第二光学系统发送的该雷射束辐射至该工作件，同时该载物台经输送以便以使得该雷射束在自垂直于该工作件的表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射的方式移动该工作件，以使得在平行于该工作件的该表面的方向上扫描的该雷射束借由穿透该工作件而修改平行于该工作件的该表面的该方向的相应面。

25.一种雷射加工设备，其特征在于，该设备包含：

雷射装置，用于产生雷射束；

第一光学系统，用于改变该经扫描的雷射束的路线；

镜射构件，用于扫描自该第一光学系统发送的该雷射束；

第二光学系统，用于收集自该第一光学系统发送的该雷射束；及

载物台，用于固定工作件，

其中经由该第二光学统扫描且自该第二光学统发送的该雷射束辐射至该工作件，同时该载物台经输送以便以使得该雷射束在自垂直于该工作件的表面的方向具有预定倾斜角的倾斜角方向上辐射的方式移动该工作件，以使得在平行于该工作件的该表面的方向上扫描的该雷射束借由穿透该工作件而修改平行于该工作件的该表面的该方向的相应面。

26.如权利要求25所述的雷射加工设备，其特征在于，所述镜射构件为用于经由两个以上旋转反射面来扫描雷射束的多边镜。

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