CN102822952B - 分裂激光划片机 - Google Patents

Abstract

一种双束激光切割系统使用激光束偏振来输出两条完全相同的激光束。所述两条完全相同的激光束适当隔开，以同时切割晶片，因此当与单激光切割系统相比，提高了激光切割系统的生产力。在一个实施例中，所述双束激光切割系统（100）使用了光束扩展器（220）、两个半波片（224，238）、偏振分束器（228）、反射镜（236）和两个透镜（234，242），以从单个激光源（214）产生两条完全相同的激光束（202，204）。完全相同的激光束（202，204）被调整为具有相同的功率、横截面直径和偏振方向。旋转其中一个半波片（224）以生成具有相同功率的激光束。旋转另一半波片（238）以生成具有相同偏振方向的激光束。

Description

分裂激光划片机

相关申请的交叉参考

本申请要求于2010年3月25日提交的标题为《分裂激光划片机》的美国专利申请12/731,798的优先权的权益，其公开或教导的全部内容通过引用而结合于此。

背景技术

通过锯割（sawing）进行的芯片分离或分割（singulation）是通过机械旋转磨削锯片（abrasivesawblade）将微电子晶片或基板切割为各个电路芯片的工艺。随着所需微电子元件越来越小，晶片尺寸在增加，厚度在降低。因此，晶片变得更易碎。旋转磨削锯片的振动传输到晶片，可能导致晶片内出现大量碎屑和/或微裂纹。此外，振动可能导致无法接受的切割质量和较差的芯片边缘断裂强度。此外，性能更高但更易碎的晶片材料使用得越来越多，也使得晶片更可能出现大量碎屑和/或微裂纹。旋转磨削锯片也易于磨损，堵塞锯片，其并随着时间的推移降低了芯片切割质量。

此外，晶片使用的材料越来越昂贵。要降低成本，就期望增加晶片上的芯片密度。实现增加芯片密度的一个有效方法就是降低芯片间隔宽度或磨削锯片的切口。然而，锯片宽度的降低受限于锯片物理强度和锯片的使用寿命。此外，为了避免过度振动和频繁更换锯片，使用很薄的锯片需要很高的旋转速度。

使用激光而非机械锯进行晶片切割在很多方面都具有优势。例如，激光在切割时不会向晶片传输任何机械应力，这降低了晶片碎屑和/或微裂纹的可能性。此外，激光切割不易磨损和堵塞锯片，并且没有易耗部件（如锯片）。更进一步地，相对于使用机械锯而言，使用激光切割的生产力更高，更薄而且更精确。

然而，激光切割系统的拥有成本远远高于机械切割系统。同样地，在很多应用中，激光切割系统的上述优势并不能抵消激光切割系统高昂的拥有成本。要增加激光切割系统的吸引力，就需要降低激光切割系统的拥有成本。

发明内容

此处描述和声明的实施例，通过提供使用激光束偏振输出两条完全相同的激光束的双束激光切割系统解决了上述问题。两条激光束适当隔开，同时切割晶片，因此与单束激光切割系统相比，增加了双束激光切割系统的生产力。相对于单束激光切割系统而言，更高生产力则降低了双束激光切割系统的总拥有成本。总拥有成本更低，足以使双束激光切割系统成为某些应用的一个经济可行的选择，而通常，这些应用会使用机械切割系统。

双束激光切割系统使用至少两个半波片和一个偏振分束器（例如，偏振棱镜分束器（polarizingcubebeamsplitter，PCBS）），以从一个激光源提供两条完全相同的激光束。完全相同的激光束被调整成具有相同功率、横截面直径和偏振方向。此外，双激光束的位置非常靠近，以便能同时对晶片进行切割。

此处也描述和列举了其他实施例。

附图说明

图1示出了一个实例，分裂激光划片机将两条完全相同的激光束指向基板。

图2示出了一个实例，分裂激光划片机的光学封装件（opticspackage）将两条完全相同的激光束指向基板。

图3A示出了一个实例，激光束被分裂成具有相同功率、横截面直径以及偏振方向的两个光学分量。

图3B示出了用于分裂激光划片机的光学封装件内的激光束的矢量分量的实例。

图4示出了实例操作，用于根据本公开技术从单一一个激光束获得两条完全相同的激光束。

具体实施方式

分裂高功率激光束的典型方法是，使用具有固定分光比的分束器。然而，分束器的比率必须非常精确，以产生两条完全相同的激光束。在实践中，就商业上可接受的价格而言，分束器切实可行可控的比率约为5%。因此，给两条激光束中强度较高的激光束增加强度衰减器，以实现两条激光束具有相同的光束强度。强度衰减器调整两条激光束中强度较高的激光束的强度，使其下降至等于两条激光束中强度较低的激光束的强度。由此，为了获得完全相同的激光束，激光功率的很大一部分就损失了。这种分裂高功率激光束的方法没有使用激光束偏振。

根据本公开技术分裂高功率激光束的方法对激光束偏振进行操控，以输出两条完全相同的激光束。因为本公开技术不需要强度衰减器，所以与上述分裂高功率激光束的典型方法相比，总体功率损失就降低了。此处所说的完全相同的激光束表示激光束的功率、横截面直径以及偏振方向最多相差0.5%。

图1示出了一个实例，分裂激光划片机100将两条完全相同的激光束102和104指向基板106。该分裂激光划片机100包括均安装于外壳112内的激光源108和光学封装件110。激光源108以空间上连贯的窄的低发散性的线性偏振光束114而输出任何频率或多个频率（例如，可见光、红外线或紫外线）的电磁辐射。进一步地，光束114可以是来自激光源108的连续光波输出或脉冲输出。更进一步地，激光源108可使用任何增益介质（例如，气体、液体、固体或等离子体），以放大光束114。再进一步地，激光束108可以是任何类型（例如，气体、化学品、染料、金属蒸气、固态或半导体）。为了进行各种芯片切割和/或分离工艺（下文详细论述），光束114具有相对较高的功率（例如，III/a、IIIb或IV级）。一个实施例中，激光源108使用5μJ到15μJ能量产生波长为355nm的光束114。另一个实施例中，激光源108使用10μJ的能量产生光束114。在再一个实施例中，激光源108产生波长范围为200nm到600nm的光束114。在又一个实施例中，激光源108是二极管泵浦激光器（例如，带激光二极管的掺杂钕的YAG水晶）。

光束114输入光学封装件110，光学封装件110操控激光束偏振，以输出两条完全相同的激光束102和104。光学封装件110包括用于操控光束偏振方向的至少两个半波片和偏振分束器（参考图2更详细地论述），偏振分束器将光束114分裂为两条完全相同的激光束102和104，并且将激光束102和104输出到基板106。

为了最大限度地在一个基板106上利用两条激光束102和104，激光束102和104之间的跨距可以等于或小于基板106直径的一半。例如，如果基板106的直径约为48mm，则激光束102和104的间隔最多约为24mm。在其他实施例中，光学封装件110输出三条或更多条完全相同的激光束。此外，也可以同时使用多块基板。

外壳112是一个安装结构，用于固定激光源108和光学封装件110，并维持激光束108、光学封装件110和基板106之间的对齐。外壳112还可用于为激光源108和光学封装件110提供所需的运行环境。例如，外壳112可维持所需的温度、湿度和/或压力的数值范围。外壳112也可提供所需的大气环境（例如，真空或具体的气体平衡）。此外，外壳112可防止污染物接触激光源108和光学封装件110，和/或防止无关（extraneous）激光辐射溢出外壳112。

基板106或晶片是半导体材料（如硅、蓝宝石或锗）薄片。基板106用作微电子器件嵌入或安装于基板106上的安装点。在一个实施例中，基板106特别适于接受（accept）包括一个或多个微电子器件的一系列薄膜（或外延层）。此外，基板106可特别适于发光二极管（LED）的应用。基板106为圆形，但可以使用其他形状（如正方形）。在一个实施例中，基板106的直径范围为25.4mm（1英寸）到450mm（18英寸），厚度范围为100μm到925μm。然而，本公开技术同样适用于其他尺寸的基板。基板106被分为芯片小片（diepiece）（如芯片116）阵列。在一些实施例中，一个平面上可安装多个基板。

激光束102和104将基板106分成各个芯片小片。在一个实施例中，激光束102和104在基板106上烧蚀凹槽（如凹槽118）。然后，通过扩展一条附接到基板106上的带（tape）将基板106沿凹槽线断开，或在其他情况下，沿凹槽线通过基板106的机械扩展型裂纹将其断开。另一个实施例中，激光束102和104本身的功率足以分离各个芯片小片。

基板106安装在用于将基板106沿X方向移动并将基板106围绕Z轴旋转的承载件（未示出）上。此外，光学封装件110沿y方向移动。在一个实施例中，光学封装件110的移动独立于激光源108和外壳112。另一个实施例中，光学封装件110与激光源108和/或外壳112一起移动。

在操作中，通过沿x方向移动基板106，激光束102和104均在基板106上形成第一凹槽，使得每条激光束102和104在两行小片（dice）之间沿x方向移动经过整个基板106。然后，光学封装件110沿y方向前进，激光束102和104再次沿x方向移动经过整个基板106，以分离接下来的两行小片。重复该步骤，直到在所有列的芯片小片之间沿x方向形成凹槽。

然后，基板106绕z轴线旋转大致90度，以重新在x方向定向先前为y方向的小片行。每条激光束102和104均沿两行小片之间的x方向再次移动经过整个基板106，并且光学封装件110沿y方向周期性前进。重复该步骤，直到x方向的所有小片行之间均形成了凹槽。因此，基板106上所有小片之间的凹槽均形成，各个小片可以彼此分离。例如，图1的实施例示出了激光束102和104在x方向均形成了两条完整的凹槽和一条部分完成的凹槽。y方向的凹槽示出为在y方向小片行之间。

图2示出了一个实例，分裂激光划片机的光学封装件（opticspackage）210将两条完全相同的激光束202和204指向基板206。从激光源（未示出）输出的激光束214进入光学封装件210。线性偏振光束241的强度、偏振方向、波长以及尺寸的变化范围可以很大。在一个实施例中，光束214的波长范围为266nm到1064nm，光束214的直径范围为3mm到4mm。另一个实施例中，光束214的波长为266nm或355nm。

激光束214进入光束扩展器220，光束扩展器220扩展激光束（expandlaserbeam）214的直径，输出扩展激光束222。在一个实施例中，光束扩展器220为3-5x光束扩展器。例如，如果激光束214直径为3mm且光束扩展器220为5x光束扩展器，则扩展激光束222直径就为15mm。为了获得具有足够小直径的最终聚焦激光束，要对激光束214进行扩展。

扩展激光束222穿过半波片224。通过相移扩展激光束222的两个垂直偏振分量之间的相位，半波片224改变了扩展激光束222的偏振状态。更具体地，半波片224将一个偏振分量延迟了半个波长或180度。因此，扩展激光束222的整个偏振方向就改变了。在一个实施例中，光束扩展器220和半波片224均是扩展器/半波片单元224的组件，并且可以彼此靠近安装，其靠近程度使得扩展激光束222在光束扩展器220和半波片224之间不可见。

然后，扩展激光束222穿过偏振分束器（例如，偏振相叠分束器（PCBS）228）。PCBS228由底部相互附接的两个三棱镜组成。三棱镜之间的界面适于使得扩展激光束222的一半穿过该界面，并反射扩展激光束222的另一半。因此，PCBS228输出两条正交的线性偏振激光束230和232，两条均为扩展激光束222的正交偏振分量。

正交激光束232投射入棱镜234，棱镜234将正交激光束232聚焦到基板206上，以在基板206上形成一条凹槽。在一个实施例中，聚焦激光束（focusedlaserbeam）202在基板206上的横截面直径等于或小于2μm。正交激光束230从反射镜236反射（一些实施例中，反射镜236与PCBS228一起合并为一个紧凑单元），并通过第二半波片238。在一些实施例中，一个或多个附加的反射镜用于光学封装件210内，将激光源封装为非常靠近光学封装件210。第二半波片238将正交激光束230的整个偏振方向变为等于正交激光束232。然后，正交激光束230射入棱镜242，棱镜242将正交激光束230聚焦于基板206上，在基板206上形成另一条凹槽。

一个或两个透镜234和242可在z方向调整，以实现聚焦激光束202和204在基板206上的横截面直径相等或近乎相等。根据不同的应用，z方向的调整可以是手动或自动的。可调整半波片224，以使得聚焦激光束202和204具有相等或近乎相等的量级（参照图3A和3B更具体地论述）。可调整半波片238，以使得聚焦激光束202和204具有相等或近乎相等的偏振方向（参照图3A和3B更具体地论述）。因此，聚焦激光束202和204在基板206上具有相等或近乎相等的量级、横截面直径以及偏振方向。

一个实施例中，光学封装件210按如下方式校准以确保聚焦激光束202和204聚焦在基板206上的所需位置并具有所需的横截面直径。光束扩展器220可沿垂直于激光束214的两个基本方向进行线性移动，并围绕与激光束214垂直的主轴线（cardinalaxes）转动，以确保激光束214与光束扩展器220对齐。半波片224可绕与激光束214重合的轴线转动，以使得聚焦激光束202和204的功率和偏正方向相等或近乎相等，下文参考图3进行详细论述。

PCBS228可绕着与激光束214垂直的主轴线转动，以将正交激光束230置于反射镜236上的所需位置，将正交激光束232置于基板206上的所需位置。反射镜236也可绕着垂直于激光束214的主轴线转动，以对齐正交光束230和半波片238。半波片238可绕着与聚焦激光束204重合的轴线转动，以使得聚焦激光束202和204的功率和偏正方向相等或近乎相等，下文参考图3进行更详细论述。

透镜234和242可绕着垂直于聚焦激光束202和204的主轴线转动，以将聚焦激光束202和204准确置于基板206上。此外，透镜234也可沿着与聚焦激光束202重合的方向移动，以使得聚焦激光束202和204在基板206上具有相等或近乎相等的横截面直径。在一个实施例中，透镜234的线性调整范围为1mm，调整精度(adjustmentresolution)为0.5μm.

反射镜236、半波片238和透镜242可作为一个组件而沿着与扩展激光束222重合的方向移动，以使得聚焦激光束202和204在基板206上具有所需的间隔。在一个实施例中，反射镜236、半波片238和透镜242组件的线性调整范围为2mm，调整精度(adjustmentresolution)为1μm。此外，透镜234也可沿着与扩展激光束222重合的方向进行线性移动，以使得聚焦激光束202和204在基板206上具有所需的间隔。

在一个实施例中，每条聚焦激光束202和204的偏振方向均在x方向，相应地也在x方向形成凹槽。随着光学封装件210周期性地在y方向前进，通过沿x方向移动基板206，聚焦激光束202和204均在基板206上形成凹槽。基板206旋转90度，以形成与图1详细所述的第一凹槽正交的凹槽。

所需聚焦束斑大小可使用聚焦平面中第一最小爱里衍射图样（Airydiffractionpattern）的直径估值进行计算。确定估值的实例方程为：d＝2.44λf/D；其中，d是估算的束斑大小直径，λ是波长，f是透镜焦距，d是输入光束直径。在一个实施例中，如果λ=532mm，使用f＝22mm的透镜，具有15mm均匀直径光束的衍射限制聚焦光斑直径为1.9μm。从上述方程式可以看出,要减少d，我们可以减少λ和/或f，或增加D。因为λ由激光源类型所限定，所以一旦激光源选定，则波长就固定了。因此，只有f和D才易于改变。在一个实施例中，选用D的最大值，以在实现所需光斑大小d的条件下得到最长的f。

图3A示出了一个实例，激光束314分裂为具有相同量级、横截面直径和偏振方向的两个分量302和304。激光束314进入半波片324。半波片324旋转，使得光束314的偏振为V_b（参见图3B）。

图3B示出了分裂激光划片机光学封装件中激光束的实例矢量（V_b、V_p和V_s）。在一个实施例中，θ约等于45度，使得矢量偏振分量V_p和V_s相等或近乎相等。然而，为了补偿分量激光光束302和304在操控和传输到基板306时不相同的功率损耗，θ通常并不完全等于45度。

偏振方向为V_b的激光束314从半波片324输出，并输入PCBS328。PCBS328分离V_p和V_s、V_b的分量，输出V_p线性偏振光束320和V_s线性偏振光束332。V_p和V_s、V_b的分量的比为θ的函数，其通过旋转半波片324进行调整。因此，从PCBS328输出并最终施加于基板306的V_p线性偏振光束320和V_s线性偏振光束332的强度可使用半波片324进行调整和平衡。

V_p线性偏振光束320从反射镜336反射，并且输入半波片338。半波片338更改V_p线性偏振光束320的偏振方向，使其等于V_s线性偏振光束332。两条V_s线性偏振光束均使用透镜334和342聚焦，并且输出到基板306上。

在一个实施例中，转动半波片324和338以使得聚焦激光束302和204具有相等或近乎相等的功率和偏振方向，这可以在光学封装件使用（commission）期间手动进行调整和/或通过技术人员周期性调整。另一个实施例中，功率和偏振方向通过电子设备进行监控，半波片324和338的转动可手动或自动进行，以实现和/或维持激光束302和304之间所需的功率和偏振方向公差。

图4示出了实例操作400，用于根据本公开技术从一个单一激光束获得两条完全相同的激光束。在扩展操作405中，从激光源输出的激光束的直径扩展到所需大小。在一个实施例操作410中，对激光束的偏振方向进行调整，使得激光束的正交分量的强度等于或近乎等于。在分离操作415中，激光束分裂为相等或近乎相等的正交的线性偏振分量。

在一个调整操作420中，正交的线性偏振分量激光束中的一条的偏振方向调整为等于另一条正交的线性偏振分量激光束的偏振方向。在聚焦操作425中，线性偏振激光束聚焦在基板上。在确定操作430中，如果线性偏振激光束的强度不等于或没有近乎等于基板可接受裕度范围，则在开始调整操作410时重复操作400。如果线性偏振激光束的强度等于或近乎等于基板可接受公差，则操作400继续进行至（continueto）调整操作435。在调整操作435中，调整一条或两条线性偏振激光束的焦点，使得两条激光束在基板上的横截面直径等于或近乎等于可接受公差范围。

上述规格、实例以及数据提供了该结构的完整描述和本发明示意性实施例的使用。既然不背离本发明精神和范围可进行本发明的诸多实施例，所以这些实施例属于所附权利要求书的范围。此外，不同实施例的结构特征可组合，形成其他实施例，不背离所述权利要求的范围。

Claims (35)

1.一种将激光束分裂为两条或更多条分量激光束的方法，所述方法包括：

通过第一半波片调整所述激光束的偏振方向，以产生强度相等的两个或更多个分量偏振方向；

通过偏振分束器将所述激光束分裂为所述两条或更多条分量激光束，每条分量激光束均有一个偏振方向；

通过第二半波片调整所述两条或更多条分量激光束中的一条分量激光束的分量偏振方向，以使其等于所述两条或更多条分量激光束中另一条分量激光束的偏振方向；以及

通过两个或更多个透镜将所述两条或更多条分量激光束中的每条指向到两个或更多个透镜中的一个中。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

向基板输出所述两条或更多条分量激光束；以及

使用所述两条或更多条分量激光束，在所述基板上沿线性方向划出两个或更多个凹槽。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，调整的所述分量偏振方向等于所述两个或更多个凹槽的线性方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束的最小额定功率为III/a级。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在调整所述激光束的偏振方向之前，扩大所述激光束的直径。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

反射所述两条或更多条分量激光束中的一条，使得反射的分量激光束的线性方向等于所述两条或更多条分量激光束中另一条的线性方向。

7.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：

将所述两条或更多条分量激光束聚焦于所述基板上，其中，不同的透镜中的每个定向在所述两条或更多条分量激光束之一的路径上。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

调整所述两条或更多条分量激光束中的一条分量激光束在所述基板上的聚焦横截面直径，其与所述两条或更多条分量激光束中的另一条分量激光束无关。

9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述两条或更多条分量激光束中的两条之间的正交间隔等于或小于所述基板的直径的一半。

10.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基板为蓝宝石基板。

11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基板包括用于生产LED灯的外延层。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束的波长范围是200nm到600nm。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述两条或更多条分量激光束聚焦成横截面直径小于2μm。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束的功率级的范围是5μJ到15μJ。

15.一种激光分裂装置，所述分裂装置包括：

激光源，配置为输出激光束；

第一半波片，配置为调整所述激光束的偏振方向，以产生两个或更多个强度相等的分量偏振方向；

偏振分束器，配置为将由所述第一半波片调整的具有两个或更多个强度相等的分量偏振方向的所述激光束分裂成两条或更多条分量激光束，每条分量激光束均具有一个偏振方向；

第二半波片，配置为调整所述两条或更多条分量激光束中一条分量激光束的分量偏振方向，使其等于所述两条或更多条分量激光束中另一条分量激光束的偏振方向；以及

两个或更多个透镜，每个透镜配置成接收所述两条或更多条分量激光束的不同的激光束。

16.根据权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述第一半波片配置为进行旋转以调整所述激光束的偏振方向。

17.根据权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述第二半波片配置为进行旋转以调整所述两条或更多条分量激光束中一条分量激光束的分量偏振方向。

18.根据权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述激光源的最小额定功率为III/a级。

19.根据权利要求15所述的激光分裂装置，进一步包括：

光束扩展器，配置为扩大从所述激光源输出的所述激光束的直径。

20.根据权利要求15所述的激光分裂装置，进一步包括：

反射镜，配置为反射所述两条或更多条分量激光束中的一条，使得所反射的分量激光束的线性方向等于所述两条或更多条分量激光束中另一条分量激光束的线性方向。

21.根据权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述两个或更多个透镜中的每个配置为将所述两条或更多条分量激光束之一聚焦到基板上。

22.根据权利要求21所述的激光分裂装置，其中，所述两条或更多条分量激光束中的两条之间的正交间隔等于或小于所述基板的直径的一半。

23.根据权利要求21所述的激光分裂装置，其中，所述两个或更多个透镜中的一个透镜配置为沿与所述两条或更多条分量激光束中的至少一条分量激光束一致的方向移动，使得所述两条或更多条分量激光束中的至少两条分量激光束在所述基板上的横截面的直径相等。

24.根据权利要求21所述的激光分裂装置，其中，所述基板为蓝宝石基板。

25.根据权利要求21所述的激光分裂装置，其中，所述基板包括用于生产LED灯的外延层。

26.根据权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述激光束的波长范围为200nm到600nm。

27.根据权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述两条或更多条分量激光束聚焦成横截面直径小于2μm。

28.权利要求15所述的激光分裂装置，其中，所述激光束的功率级范围为5μJ到15μJ。

29.一种从基板分离芯片的方法，所述方法包括：

通过第一半波片调整激光束的偏振方向，以产生强度相等的两条或更多条分量偏振方向；

通过偏振分束器将所述激光束分裂成所述两条或更多条分量激光束，每条分量激光束均具有一个偏振方向；以及

通过第二半波片调整所述两条或更多条分量激光束中一条分量激光束的分量偏振方向，使其等于所述两条或更多条分量激光束中另一条分量激光束的偏振方向；

使用不同的透镜，将所述两条或更多条分量激光束聚焦到所述基板上；

在所述基板上划出至少两个凹槽，由此使用所述两条或更多条分量激光束限定所述芯片；以及

沿所述凹槽断开所述基板。

30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：

旋转所述基板90度；以及

使用所述两条或更多条分量激光束在所述基板上划出两个或更多个附加的凹槽。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述基板为蓝宝石基板。

32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述基板包括用于生产LED灯的外延层。

33.权利要求29所述的方法，其中，所述激光束的波长范围是200nm到600nm。

34.根据权利要求29所述的方法，其中，所述两条或更多条分量激光束聚焦成横截面直径小于2μm。

35.根据权利要求29所述的方法，其中，所述激光束的功率级范围是5μJ到15μJ。