CN102844844A - 用于易碎材料的镭射单一化的改善的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种用于电子基板60单一化成晶粒的改良方法，运用一镭射70先在该基板60形成切割62，而后借由改变镭射参数以对切割62之边缘63去角66、67。此去角66、67动作借由降低残留损伤而增加晶粒断裂强度，并在不需要额外制程步骤、额外设备或耗材供应下移除初始镭射切割62所造成的碎片。
Description
技术领域
本发明系有关于用于在易碎材料中加工出形态(feature)的改良方法及装置。特别是，其系有关于用于包含电子元件之工件之加工的改良方法及装置，其中一元件的多个复本建立于一共用基板之上。更具体言之，其系有关于使用镭射之元件单一化(singulation)或将半导体晶圆(semiconductor wafer)变成个别元件之分离动作。
背景技术
电子元件之制造基本上系借由在一基板或工件上产出同一元件的多个复本。特别是，半导体元件系在被称为晶圆的基板上制造，其系由诸如硅(silicon)、砷化镓(gallium arsenide)或蓝宝石(sapphire)等材料或是能够支援产制半导体元件的各种制程的其他材料所构成的薄盘。在生产制程的某一点，这些元件需要被分离成个别的元件以供后续封装及使用。此使其变成个别元件的分离动作称为"单一化"。单一化可以机械式地执行，利用钻石涂层锯片、以化学方式、借由遮罩及蚀刻、光学式地借由将镭射能量导引至晶圆或基板、或是此等方法的组合。单一化可以借由晶圆或基板的完全切割，或者借由在晶圆或基板的一或多个表面上进行一部分切割或多处部分切割，而后机械式地将晶圆或基板分割成个别的晶粒。完全切割晶圆或基板通常称为"切割(dicing)"，而不完全切割晶圆或基板以备后续之分割则常称为"划线(scribing)"。一般而言，元件形状系呈长方形且以网格形式配置于晶圆或基板之上，使得其可以借由首先在方向16上而后在与该第一方向呈90度的方向14上在元件间进行完全穿透基板(切割)或不完全穿透基板(划线)的一连串切割而将元件分离，如同图1所例示。参见图1，基板上的元件之单一化之执行基本上系在方向上进行一连串切割，例如在介于每一列元件之间的X方向，接着在介于每一行元件之间的垂直Y方向上进行一连串切割，从而使得晶圆上的每一元件均得以与其他元件分离。
元件单一化的相关问题包含固定配置(real estate)、元件损伤、成本、复杂度以及系统生产量。固定配置系指为了达成不对元件造成损伤的单一化，元件之间必须保留空间以使得切割动作可以有足够的空间进行而不致切到有效的元件。介于有效元件之间的区域被称为"分隔道(street)"。图1之中显示在晶圆10之上，分隔道14、16介于有效元件12之间。由于处理一片晶圆或基板之成本基本上系固定的，故对于生产厂商而言，每一基板产出愈多元件，则产生的利润愈大。此使得将分隔道尽可能地变窄以将尽可能多的有效元件挤入晶圆或基板之中变得有利可图。狭窄分隔道的不利因素包含切口的大小以及邻近切割处损伤区域的宽度。虽然镭射基本上可以比机械式刀锯或化学蚀刻切出更窄之切口，但镭射通常亦在切口附近产生一热影响区(heat affected zone；HAZ)，其系源于切割晶圆或基板所需的巨幅能量所产生的热。其不应容许此HAZ交迭到有效元件区域，否则其可能立即造成部件失效，或者缩短部件的使用寿命。该HAZ亦可能在元件使用时，由于HAZ中的裂缝或缺陷从HAZ传递到元件的有效元件区域，而导致元件故障。
关于晶圆或基板之镭射单一化的另一问题在于自切口移除之材料的再沉积。镭射基本上系借由烧蚀(ablation)以及热能机制自基板或晶圆移除材料以形成切口。镭射光束在光束中央附近的能量可能足以烧蚀其照射之材料，意即材料被离子化并形成一电浆云团而散离切口。较接近射束周边处或直接相邻射束处，基板之材料可能无法接收到足够的能量以烧蚀材料，而只是使材料汽化或熔化及沸腾。在此情况下，材料在其汽化或沸腾时被自切口逐离。当材料被从切口逐出并远离镭射光束，其在切口边缘附近冷却并重新固化为碎片。若此等碎片抵达元件之有效电路区域，则其可能造成意外的电子故障，因此必须在元件封装之前加以移除。
预测已被自一晶圆切割或划线的半导体晶粒之可靠度的一种方式系测试晶粒断裂强度(die break strength)。在此测试之中，一半导体晶粒承受弯曲，直到抵达其失效点。晶粒断裂强度的变异可以预见半导体组件失效，因此，改善晶粒断裂强度的晶圆切割或划线方法亦能增进组件可靠度。已知降低晶粒断裂强度之事项包含沿着机械或镭射造成之切割边缘的缺陷或裂缝。此外，被镭射汽化或液化的材料沿着切割边缘再沉积的碎片可能对电路造成损伤并降低可靠度。
特别是，提供预定切割速度以及切口尺寸及形状的镭射参数亦在切割的顶端边缘造成HAZ，同时亦倾向于自该切口移除之材料再沉积于切割边缘而产生碎片。图2显示被镭射切割之硅晶圆之剖面视图，其显示热影响区以及源自切口之材料之再沉积所造成的碎片。图2显示切割晶圆20之剖面视图，其具有顶端表面22及底部表面24，以及晶粒黏接薄膜(die attach film；DAF)26。其显示切口28之一侧。同时亦显示再沉积之碎片30以及HAZ 32。该HAZ可以造成晶粒断裂强度之降低，而再沉积之碎片可以造成元件失效。用以执行此单一化动作之示范性镭射处理装置系ESI Cignis镭射单一化机器，由Portland Oregon,97229的Electro Scientific Industries,Inc.所制造。此机器使用微微秒(picosecond)等级之镭射以进行硅及其他基板材料之单一化。
基板或晶圆镭射单一化的另一问题在于改善系统生产量。特别是，提供较高切割速度之镭射参数同时亦产生更多HAZ和再沉积碎片，此系无法接受的。其同时亦应注意，提供高切割速度之镭射参数同时亦在切割处产生碎片云(debris cloud)。此碎片云系由镭射脉冲所产生的电浆以及镭射脉冲所产生且被逐离工件的气体、液体及固体碎片所构成。其已知镭射脉冲所产生的碎片云可以自后续之镭射脉冲吸收能量。图3系显示示范性镭射基板切割制程中之切割深度相对于脉冲数目之关系图。此显示使用具有10奈秒脉冲之4瓦特Nd:YVO4镭射以5KHz重复率(repetition rate)瞄准单一点进行硅工件之切割。其应可以由图3之中看出，在此实例之中，切割大约饱和于10脉冲处。相信此饱和系由第一镭射脉冲产生的碎片云所造成。在此情况下产生的碎片云不仅阻挡镭射辐射使其无法到达工件而防碍材料移除，并且进一步吸收加热电浆的镭射能量。当电浆吸收能量，其从而变热，且由于其接近工件，故将一些热能转移至工件之部分，包含正被加工的形态所在之侧壁。此外，云团中的汽体、液体或固体材料可能被逐出云团并沉积于工件之上。此转移之能量及材料造成裂缝、形态侧壁之劣化并增加碎片。并且，若能量更强之脉冲或更多脉冲被导入工件，使得更多能量经由碎片云传送至工件并从而让材料加工之作用持续，导致更多能量耦合入碎片云，而造成破裂、品质下降及碎片问题更形恶化。即使是使用微微秒或飞秒(femtosecond)等级的短持续时间脉冲之超快速制程以在材料有时间将热传到相邻之区域前进行材料之烧蚀，亦无法避免能量耦合进入碎片云。取决于所使用的材料以及镭射参数，此能量对工件造成相对应之损伤。
有关晶圆或基板之切割及划线之问题曾是先前研究之主题。发明人DonaldW.Brouillette、Robert F.Cook、Thomas G.Ference、Wayne J.Howell、Eric G.Liniger,以及Ronald L.Mendelson，于2001年8月7日之编号6,271,102的美国专利案METHOD AND SYSTEM FOR DICING WAFERS,ANDSEMICONDUCTOR STRUCTURES INCORPORATING THE PRODUCTSTHEREOF(用于切割晶圆的方法及系统、以及含纳其产品之半导体结构)之中，描述在镭射自正面及背面切割之前以一锯片切割具有去角形态边缘之晶圆以增进晶粒断裂强度。此例中，其以镭射或锯片产生去角形态之切割而非直线切割。发明人Salman Akram于2006年10月31日之编号7,129,114的美国专利案METHODS RELATING TO SINGULATING SEMICONDUCTOR WAFERSAND WAFER SCALE ASSEMBLIES(有关单一化半导体晶圆以及晶圆尺寸组件的方法)之中试图借由划出紧邻镭射切割之渠道并以保护材料涂覆这些渠道以解决晶粒断裂强度之问题。发明人Adrian Boyle于2006年11月9日之编号006/0249480的美国专利公开案LASER MACHINING USING AN ACTIVEASSIST GAS(利用活性辅助汽体的镭射加工)之中，揭示利用一辅助气体蚀刻掉切割边缘的损伤部分以增进晶粒断裂强度。发明人Kali Dunne及FallonO'Briain于2008年6月5日之编号2008/064863的WIPO专利公开案之中描述利用沿切割路径分隔之特别型样镭射脉冲进行多次以避免碎片云。
此等参考文件之共同点在于其皆希望借由试着克服镭射切割造成的晶粒断裂强度及碎片问题以增进切割或划线之后的晶粒品质。这些方法需要切割从晶圆的顶端及底部同时完成，由镭射及机械锯切之结合达成，或是需要诸如化学蚀刻的额外处理步骤以及设备，或是需要利用镭射进行多次动作。故所需求的系以镭射切割晶圆的有效率方式，无需额外的处理步骤、额外的多次动作或额外的设备，并借由避免由镭射加工造成碎片团而提供晶圆改善之晶粒断裂强度以及减少之碎片。
发明内容
本发明系一种用于镭射加工易碎材料的改良方法及装置。本发明之特色包含提供具有镭射参数之镭射并利用第一镭射参数以该镭射在工件进行第一切割，而后利用第二镭射参数以该镭射在该工件进行第二切割，该第二切割相邻该第一切割且避开该第一镭射切割所产生之碎片云。本发明之特色更包含移动镭射与工件交会之点以避开先前切割所产生之碎片云，而后利用第二镭射参数以镭射进行切割。本发明之特色增进镭射处理之优点，包含增加生产量，较小之分隔道尺寸以及缩减的耗材成本，同时并排除有关镭射诸如热影响区以及碎片再沉积之问题，从而增加晶粒断裂强度。
本发明之实施例可以借由调整现有镭射晶圆单一化系统实施而成，例如由位于Portland OR的Electro Scientific Industries,Inc.所制造的ESI Cigins晶圆单一化系统。此系统使用微微秒镭射对半导体晶圆进行切割或划线。在运作之时，晶圆被固定于系统之上，接着在镭射以脉冲形式发出时透过运转平台相对于晶圆移动镭射光束，从而达成单一化晶圆所需之线性切割。此系统借由改变所用的镭射参数被调整以实现本发明之特色，可能包含所使用的镭射种类。此外，这些镭射参数需要被编程控制以在不同切割之间改变镭射参数。该系统需要被调整以允许后续镭射切割邻近或接近先前切割且避开碎片云。在本发明的此一特色之中，镭射脉冲以数个脉冲加工特定区域，脉冲数目可高达饱和该位置所需之脉冲数目之特定极限，而后快速地移动至离开碎片云之邻近位置以继续在未饱和位置进行加工。饱和意味一连串镭射脉冲之加工效率之降低，其系由取决于脉冲数目之碎片云镭射能量吸收所造成。
本发明之特色借由先在基板或晶圆进行镭射切割以单一化基板或晶圆。调整镭射参数以提供所需之切割速度以及切口尺寸和形状。此镭射切割系对晶圆或基板进行不完全之穿透。其选择与此切割相关之镭射参数以最小化裂缝以及再沉积碎片。较低能量密度(fluence)之镭射参数增加切割时间，但因为此切割仅是不完全穿透晶圆或基板，故对系统生产量的影响不大。其亦应注意，此等初始镭射切割可能需要镭射光束多次动作，以使得该切割到达所需之深度，或者其可以导引镭射光束以在切割时照射到基板或晶圆上的许多不同点。
初始切割之后，本发明之特色调整镭射参数以增加晶圆或基板之表面的镭射能量密度，而后导引镭射光束以在晶圆或基板上相邻先前切割处加工出穿透之切割。其调整镭射参数以允许镭射光束自晶圆移除材料，同时最小化对于晶圆或基板的额外损伤。此系由于执行第二切割的镭射脉冲所产生的碎片云有余地扩展至先前切割所造成之空间。以此种方式，碎片云更加快速地消散，而容许更大重复率以及更强能量之脉冲，此有助于增进生产量同时降低裂缝以及再沉积碎片。此容许增进更大晶粒断裂强度之生产量。本发明之特色亦可以以反复之方式处理晶圆或基板，当切割更深入晶圆或基板时，交替使用第一镭射参数切割和第二参数切割。镭射脉冲聚焦之深度增加以允许材料加工之切割深度渐次加深。
依据本发明特色之基板或晶圆处理之一优点在于第一切割处理可以在与执行第二切割的同一镭射处理系统上进行。其调整执行初始切割之前述ESICignis镭射单一化系统，以借由修改镭射处理射束之相关镭射参数，产生不会对基板或晶圆造成额外伤害之切割，以使得镭射能够在不产生HAZ或碎片的情形下自基板或晶圆移除材料。此系有可能的，因为单位时间内被移除的材料减少甚多，因此镭射能量密度可以较低。系统同时亦被调整以允许有效率地加工邻近位置。
本发明之另一特色借由以一些具有特定镭射参数之镭射脉冲先在一位置进行加工以单一化基板或晶圆，这些镭射参数系上达特定材料之饱和极限。而后其借由镭射处理系统快速地将这些镭射脉冲导引至邻近或接近第一位置之位置，并以具有上达第二饱和极限之第二镭射参数之一些脉冲继续进行加工。此实施例使用适当定位以将镭射脉冲导引至工件上预定位置之复合射束以达成所需之系统生产量。
本发明之这些特色之优点在于基板或晶圆无需移动且无需在另一不同的机器上再次校准，其亦无须翻转及放回机器以在一不同的面上进行镭射处理，其亦无需将机器设计成自两面处理基板或晶圆。此外，借由本发明之特色，其不需要化学或额外的制程步骤，诸如在晶圆或基板上沉积额外之材料迭层。虽然此需要至少二次动作以处理晶圆或基板中的单一切割，但动作的数目实质上少于需要多次动作的跳过相邻位置之方法。依据本发明之特色的晶圆或基板处理增进晶粒断裂强度并自经过单一化之元件移除再沉积材料，无需额外的设备、制程步骤或耗材供应。
附图说明
图1，半导体晶圆。
图2，晶圆切割之剖面视图。
图3，显示切割深度相对于脉冲数目之关系图。
图4a，进行第一切割之晶圆。
图4b，进行第一及第二切割之晶圆。
图5，显示切割深度相对于脉冲数目之关系图。
图6，调构出之镭射处理系统。
具体实施方式
本发明系一种用于产制于基板或晶圆上的电子元件之镭射单一化的改良方法。本发明之一实施例包含镭射处理系统，内有具有镭射参数之镭射。此实施例使用该镭射利用第一组镭射参数在基板或晶圆进行一部分切割。这些参数允许以可接受之切口宽度和可接受之速率在晶圆或基板中进行预定之切割而不致产生无法接受的HAZ或再沉积碎片。此实施例接着在相邻该第一切割处利用第二组镭射参数以镭射切割该晶圆或基板。进行相邻该第一切割之第二切割允许来自基板或晶圆之碎片云被切割而散入第一切割之容纳空间，从而在后续镭射脉冲降低因加热碎片云而导致的不良效应。以此方式进行加工之工件展现出改善之晶粒断裂强度以及减少之碎片。此实施例增进镭射处理之优点，包含增加生产量，较小之分隔道尺寸以及缩减的耗材成本，同时并排除有关镭射诸如热影响区以及碎片再沉积之问题。
本发明之一实施例对基板或晶圆进行之单一化系借由进行不完全穿透基板或晶圆之镭射切割以备后续相邻该第一次切割之第二切割的穿透切割。参见图1，晶圆10具有电子元件12产制于晶圆10之表面上。此等电子元件被水平的14及垂直的16分隔道隔开。分隔道系晶圆或基板上在有效元件之间保留的区域以容许进行单一化而不伤害有效元件的空间。基板上的元件之单一化之执行基本上系在一方向上进行一连串切割，例如在介于每一列元件之间的X方向(水平分隔道14)，接着在介于每一行元件之间的垂直Y方向上(垂直分隔道16)进行一连串切割，从而使得晶圆上的每一元件均得以与其他元件分离。调整镭射参数以提供所需之切割速度以及切口尺寸和形状。此等初始镭射切割可能需要镭射光束多次动作，以使得切割到达所需之深度，或者其可以导引镭射光束以在切割时照射到基板或晶圆上的不同点。
图4a显示在一晶圆之中进行初始切割。在图4a之中，镭射光束42被导引至工件40以自晶圆40移除材料而形成初始切割50。其选择镭射参数以容许在可接受的速率下自工件移除材料而同时产生最少的HAZ及碎片。本发明用以建立该初始切割之一实施例所使用的示范性镭射参数显示于表1之中。
表1第一镭射脉冲参数
紧随于初始切割之后，本发明之一实施例将镭射参数改变成具有可接受生产率之适于镭射加工穿透切割之参数。此制程显示于图4b。在图4b之中，工件40被镭射脉冲52镭射加工以形成穿透切割44。当镭射脉冲52进行穿透切割44之加工时，来自穿透切割44之碎片云(图中未显示)自正被加工的空间漏出而进入先前步骤完成的切割50之中，从而降低碎片云之密度及体积，这些碎片云会阻隔镭射脉冲52而在加工进行时妨碍其抵达切割44之底部。用以在工件40上形成穿透切割44的示范性第二镭射脉冲参数给定于表2之中。
表2第二镭射脉冲参数
其选择第二镭射参数以容许镭射脉冲以可接受之生产率镭射加工出该穿透切割。本发明之一实施例可以达成此项作业的方式之一系借由增加对于工件的镭射脉冲能量密度。镭射脉冲能量密度之增加可以是借由增加镭射脉冲功率，增加脉冲持续时间、降低光斑尺寸、改变焦点高度(focal height)、或者降低脉冲重复率。改变其中的任一项或所有项目，在其他效果之外，可以增加对于工件的镭射能量密度并使其能够达成更加快速的材料移除。此有可能在不增加HAS或碎片故从而不降低晶粒断裂强度的情况下达成，因为第一切割允许碎片云消散而降低阻挡后续脉冲抵达工件的趋向。
本发明之其他实施例借由以一些具有特定镭射参数之镭射脉冲先在一位置进行加工以单一化基板或晶圆，这些镭射参数系上达特定材料之饱和极限。而后其借由镭射处理系统快速地将这些镭射脉冲导引至邻近或接近第一位置之位置，并以具有上达第二饱和极限之第二镭射参数之一些脉冲继续进行加工。此实施例使用适当定位以将镭射脉冲导引至工件上预定位置之复合射束以达成所需之系统生产量。图5a、5b及5c显示本发明之包含三步骤之实施例。在图5a之中，工件60被投射以镭射脉冲61以加工第一形态62。所用的特定镭射参数使得镭射脉冲之数目小于材料之特定饱和极限。注意其可以允许此等镭射参数对形态62的邻近处工件63造成损伤以增加加工速率。在制程的第二步骤之中，显示于图5b，具有第二镭射参数的镭射脉冲64以一些小于饱和极限的镭射脉冲照射工件60而加工出相邻第一形态62的额外形态66、67。其选择第二镭射参数以移除材料且不对相邻区域造成损伤。在第三步骤之中，显示于图5c，具有第三镭射参数的镭射脉冲68以镭射照射工件60而完成穿透切割69之加工。注意相邻形态66及67提供镭射脉冲68所产生的碎片云缓和之空间，从而辅助碎片云散离并增加饱和极限。
这些特定镭射参数系示范性的。其可以改变镭射脉冲参数以适配被切割的特定基板或晶圆。镭射种类可以是能够产生所需波长、能量、脉冲宽度及重复率之任何镭射。例如，Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF以及光纤镭射(fiber laser)均可用于诸如此类之应用。其可以借由谐振产生调整此等镭射，其在镭射中使用非线性光学构件(图7，70)以产生原始镭射脉冲之第二、第三或第四谐振，从而减少镭射脉冲之波长。此外，其可以借由使用镭射光束光学模组(图7，74)以调整此应用之连续波(continuous wave；CW)镭射，其以削切或其他方式将CW射束形塑成脉冲。波长选择取决于被切割之材料。脉冲持续时间系量测每一脉冲之长度，基本上对于高斯脉冲(Gaussian pulse)系借由计算脉冲之半峰全幅值(full width at halfmaximum；FWHM)或1/e2宽度而测得。长持续时间之脉冲切割材料快速，但易于将过量的热能耦加至晶圆，从而造成大型HAZ并产生大量碎片。短持续时间之脉冲在此方面表现较佳，但切割工件耗费较长时间且可能需要相当昂贵的镭射。脉冲时序分布可以影响镭射与材料互动的方式。借由修改典型的高斯分布，能量自镭射脉冲传送至基板或晶圆之方式改变。例如，可以将光电式组件放置于镭射光束的光学路径之中以在时序上形塑镭射脉冲而对脉冲上升时间、下降时间加以控制，且可以加入一或多个"功率峰值"，其系镭射脉冲之中镭射功率增加而使得功率之狭窄峰值部分超过脉冲平均功率25%以上的部分，从而"裁制"该脉冲。此等脉冲亦可以借由镭射光束光学模组以削切或其他方式进行经过修改以产生时序上呈"方波"之脉冲。非高斯脉冲需要不同于FWHM或1/e2的量测方式量测脉冲持续时间，举例而言，利用牵涉到平方积分除以积分平方的积分平方法以计算脉冲持续时间。快速的上升时间将使得镭射能量耦加至工件并造成比热传输更快速地传热至邻近区域之烧蚀。快速的上升时间因此有助于降低HAZ。
镭射功率代表可以被输入晶圆或基板以执行切割的平均能量大小。对于脉冲镭射，基本上系在涵盖许多脉冲的一段时间内计算平均功率，例如一秒钟，以精确地估算单位时间内输入晶圆的能量大小。重复率系在连续的基础上镭射可以发出特定能量之脉冲之速率。速度系指镭射发出脉冲时镭射光束相对于晶圆或基板移动之速率。对于特定的镭射脉冲能量、脉冲尺寸以及重复率，射束相对于晶圆或基板移动之速率将决定镭射脉冲投送至晶圆或基板的总剂量或能量密度。间距与速度类似，其被定义为投送至晶圆或基板的连续脉冲之间的距离。间距系重复率及速度之函数。光斑尺寸系镭射脉冲照射至晶圆或基板上的尺寸之量测。其与焦斑(focal spot)尺寸有关，焦斑尺寸系位于投送光束至工件的光学系统之焦距(focal distance)处所量测之镭射光束腰宽之最小直径。光斑尺寸将与焦斑尺寸不同，取决于镭射光束焦距与工件表面相距之远近。当镭射光束焦距自工件表面移出，镭射光束变得失焦且光斑尺寸变大，从而降低镭射能量密度。光斑形状系镭射光束之空间形状之一性质。光学构件放置于镭射光束的光学路径之中以使得射束呈现出各种不同之截面分布。例如，其使用一绕射光学构件以将镭射光束从基本的高斯截面改变成"顶帽式(top hat)"分布，其中镭射能量在焦斑内均匀分布，而非如同一高斯分布般在边缘处减弱。光斑形状亦可以是非对称的。非对称光斑形状之实例系椭圆形光斑，其中镭射光束光学路径中的光学构件使得镭射光束呈现出椭圆形截面，其中之一轴比另一轴长。此光斑亦可以通过镭射光束光学模组之光圈以使得焦斑呈现一圆形或方形截面，举例而言。焦点高度系焦距与工件表面之间距离之量测。由于镭射光斑在焦点高度不等于零时会失焦，故对于一组特定的镭射光学模组而言，焦点高度将决定工件上之光斑尺寸。
图6系显示利用本发明之一实施例以镭射加工一工件之结果的关系图。图6描绘单步骤制程(菱形)以及双步骤制程(方形)中以微米为单位的切割深度相对于脉冲数目之关系图。其应可以自图中看出，切割一不完全形态而后在相邻第一切割处进行第二切割使得镭射脉冲能够以比不进行第一切割更大的速率移除材料。其显示出单一切割深度在十个脉冲导入工件之前即已饱和，而双切割深度在12个脉冲之后仍继续增加。此显示切割效率增加，从而减少镭射加工所产生的HAZ以及碎片之量。
图7显示针对此应用调构出之镭射处理系统之示意图。镭射70发出镭射脉冲72，其被镭射光束光学模组74塑形，而后经由光束操控光学模组(beamsteering optics)76及像域光学模组(field optics)77被导引至工件78。工件78固定于运转平台80之上。镭射70、镭射光束光学模组74、光束操控光学模组76、像域光学模组77以及运转平台80均受控制器82之控制。镭射70可以是本文提及的任一种镭射。镭射70可以是连续波(CW)镭射或脉冲式镭射。在CW镭射的情形下，镭射光束光学模组74可以被调构成加入快门功能，其有效地将该CW镭射削切成具有预定脉冲持续时间以及重复率之脉冲。镭射光束光学模组74用以对镭射脉冲进行准直化及聚焦以修正尺寸及形状，并选择性地使用诸如偏光片、光电式调变器或声光式调变器之光电式组件在时序上形塑脉冲。镭射光束光学模组74亦可以包含偏极化式射束阻隔器以防止反射之镭射能量回送至镭射70从而扰乱镭射性能。光束操控光学模组76可以是光电式组件，其以可编程之方式将镭射脉冲导引至工件上的点。示范性光束操控组件包含振镜(galvanometer)、压电元件、快速操纵反射镜或者光电式或声光式调变器。光束操控光学模组76亦可以包含变焦光学模组用于聚焦高度之调整。像域光学模组77基本上包含像域透镜，其容许镭射脉冲72被导引至工件78上的不同点，同时维持镭射脉冲72相对于工件78的大致垂直方位。像域光学模组77亦可以包含光圈以及伴随的光学模组，以容许镭射脉冲72之空间形塑。控制器82操控运转平台80以及光束操控光学模组76以进行镭射脉冲72相对于工件78之定位。注意本发明之实施例可以移动镭射脉冲72或是移动工件78以完成相对位置之改变。
此实施例同时亦运用复合射束定位以增加系统生产量。此生产量之增加系借由协调运转平台80与光束操控光学模组76之动作，以允许运转平台80使工件相对于镭射脉冲72移动，同时光束操控光学模组76补偿运转平台80之动作，从而使得镭射脉冲72能够照射至工件78上的单一位置，即使当该位置正相对于镭射脉冲72移动时亦然。
以上揭示本发明之主要内容，其显然可知其有可能基于这些教示对本发明进行许多修改、替换及变异。因此其应理解，本发明可以透过迥异于所述之形式付诸实施，且应仅由后附的申请专利范围界定其广度及范畴。
Claims (52)
1.一种用于镭射加工易碎工件之改良的方法，所述改良之处包含：
提供具有镭射参数之镭射；
利用第一镭射参数以所述镭射在所述工件中进行第一切割；以及
利用第二镭射参数以所述镭射在所述工件中进行第二切割，所述第二切割大致相邻所述第一切割，同时基本上避开所述第一镭射切割所产生之碎片云。
2.如申请专利范围第1项所述之方法，其中所述第一及第二镭射参数包含镭射种类、波长、脉冲持续时间、脉冲时序形状、镭射功率、能量密度、重复率、速度、间距、光斑尺寸、光斑形状以及焦点高度。
3.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之镭射种类包含Nd:YAG、Nd:YLF或Nd:YVO4或光纤镭射其中之一。
4.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之波长范围为从大约255奈米(nm)到大约2微米。
5.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之脉冲持续时间为从大约10飞秒到大约100微秒。
6.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之脉冲时序形状为高斯、裁制或方波其中之一。
7.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之镭射功率范围为从大约0.1微焦耳(microJoule)到大约1.0毫焦耳(milliJoule)。
8.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之能量密度范围为从0.1微焦耳/平方公分(microJoules/cm2)到大约200焦耳/平方公分(Joules/cm2)。
9.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之重复率为大约1kHz或更高。
10.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之速度范围为从大约10毫米/秒(mm/s)到大约10米/秒(10m/s)。
11.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之间距范围为从0微米到大约50微米。
12.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之光斑尺寸为大于或等于大约2微米。
13.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之光斑形状为高斯式、顶帽式(圆形)或顶帽式(方形)的其中之一。
14.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之焦点高度范围为从-10毫米(mm)到10毫米。
15.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之镭射种类包含Nd:YAG、Nd:YLF、或Nd:YVO4或光纤镭射其中之一。
16.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之波长范围为从大约255奈米到大约2微米。
17.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之脉冲持续时间为从大约10飞秒到大约100微秒。
18.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之脉冲时序形状为高斯、裁制或方形其中之一。
19.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之镭射功率范围为从大约0.1微焦耳到大约1.0毫焦耳。
20.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之能量密度范围为从0.1微焦耳/平方公分到大约200焦耳/平方公分。
21.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之重复率为大约1kHz或更高。
22.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之速度范围为从大约10毫米/秒到大约10米/秒。
23.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之间距范围为从0微米到大约50微米。
24.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之光斑尺寸为大于或等于大约2微米。
25.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之光斑形状为高斯式、顶帽式(圆形)或顶帽式(方形)的其中之一。
26.如申请专利范围第2项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之焦点高度范围为从-10毫米到+10毫米。
27.一种用于镭射加工易碎工件之改良的装置，包含：
镭射，具有镭射脉冲及镭射脉冲参数；
镭射光学模组，用以将所述镭射脉冲导引至所述工件；
运转平台，用以在控制器的指挥下相对于所述镭射脉冲移动所述工件；
控制器，用以控制所述镭射脉冲参数、所述运转平台以及所述镭射光学模组，
其中所述镭射为用以借由所述控制器与所述镭射、所述镭射光学模组以及所述运转平台的协同运作下以第一镭射参数在第一位置加工所述工件，且之后所述镭射以第二镭射参数在相邻所述第一位置之第二位置加工所述工件，而避开在所述第一位置加工时所产生之碎片云。
28.如申请专利范围第27项所述之方法，其中所述第一及第二镭射参数包含镭射种类、波长、脉冲持续时间、脉冲时序形状、镭射功率、能量密度、重复率、速度、间距、光斑尺寸、光斑形状以及焦点高度。
29.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之镭射种类包含Nd:YAG、Nd:YLF或Nd:YVO4或光纤镭射其中之一。
30.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之波长范围为从大约255奈米到大约2微米。
31.如申请专利范围第28项所述之装置，其中所述第一镭射参数中之脉冲持续时间为从大约10飞秒到大约100微秒。
32.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之脉冲时序形状为高斯、裁制或方形其中之一。
33.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之镭射功率范围为从大约0.1微焦耳至大约1.0毫焦耳。
34.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之能量密度范围为从0.1微焦耳/平方公分到大约200焦耳/平方公分。
35.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之重复率为大约1kHz或更高。
36.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之速度范围为从大约10毫米/秒到大约10米/秒。
37.如申请专利范围第28项所述之装置，其中所述第一镭射参数中之间距范围为从0微米到大约50微米。
38.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之光斑尺寸为大于或等于大约2微米。
39.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之光斑形状为高斯式、顶帽式(圆形)或顶帽式(方形)的其中之一。
40.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第一镭射参数中之焦点高度范围为从-10毫米到10毫米。
41.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之镭射种类包含Nd:YAG、Nd:YLF或Nd:YVO4或光纤镭射其中之一。
42.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之波长范围为从大约255奈米到大约2微米。
43.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之脉冲持续时间为从大约10飞秒到大约100微秒。
44.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之脉冲时序形状为高斯、裁制或方形其中之一。
45.如申请专利范围第28项所述之装置，其中所述第二镭射参数中之镭射功率范围为从大约0.1微焦耳到大约1.0毫焦耳。
46.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之能量密度范围为从0.1微焦耳/平方公分到大约200焦耳/平方公分。
47.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之重复率为大约1kHz或更高。
48.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之速度范围为从大约10毫米/秒到大约10米/秒。
49.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之间距范围为从0微米到大约50微米。
50.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之光斑尺寸为大于或等于大约2微米。
51.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之光斑形状为高斯式、顶帽式(圆形)或顶帽式(方形)的其中之一。
52.如申请专利范围第28项所述之方法，其中所述第二镭射参数中之焦点高度范围为从-10毫米到10毫米。
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