CN103228396A - 用于减小激光划刻的锥度的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述用于减小衬底中的激光划刻的锥度的方法及设备。一种方法包含将激光束沿垂直于所述束的第一切割方向的第一方向瞄准所述衬底的表面，且将其沿垂直于所述第一切割方向的第二方向瞄准所述表面。在每一位置中，使所述激光束相对于垂直于所述表面的线以束倾斜角倾斜。通过以下操作在所述表面中形成单个划刻线：在将所述激光束沿所述第一方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述表面且沿所述第一切割方向进行切割，及在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述表面且沿所述第一切割方向及与所述第一切割方向相反的第二切割方向中的一者进行切割。

Description

用于减小激光划刻的锥度的方法及设备

技术领域

本发明大体来说涉及激光处理，特定来说涉及一种用于减小激光划刻的锥度的方法及设备。

背景技术

高斯束激光处理在用于晶片划刻及其它类型的激光切割时通常导致渐缩切口。此问题的一种解决方案是使用呈(举例来说)矩形顶帽形式的经塑形激光束。此些经塑形束仍产生特定量的锥度，这是因为经塑形激光束不具有完美塑形的面。

发明内容

本发明的实施例减小由激光处理或划刻产生的切口的锥度。如上文所提及，典型激光处理产生渐缩切口。即，在沿切割路径的任何给定点处，切口的底部宽度小于切口的顶部宽度。比较来说，本发明的实施例并入策略性激光定位以减小激光划刻或切割的锥度。较直切割可减小切割后处理且由于切割的可预测性而最大化衬底中的面积的使用。

本文中所教示的减小衬底中的激光划刻的锥度的方法的一种方法包括：将激光束沿垂直于所述激光束的第一切割方向的第一方向瞄准所述衬底的表面且使所述激光束相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的线以束倾斜角倾斜；将所述激光束沿垂直于所述激光束的所述第一切割方向的第二方向瞄准所述衬底的所述表面且使所述激光束相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的所述线以所述束倾斜角倾斜；及通过以下操作在所述衬底的所述表面中形成单个划刻线：在将所述激光束沿所述第一方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向进行切割；及在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向及与所述第一切割方向相反的第二切割方向中的一者进行切割。

用于减小衬底中的激光划刻的锥度的一种示范性设备包括：激光器；卡盘，其用于支撑所述衬底；束操纵光学器件，其经配置以在使来自所述激光器的激光束相对于从所述衬底的表面垂直延伸的线以束倾斜角倾斜的同时将所述激光束沿垂直于所述激光束的第一切割方向的第一方向瞄准所述衬底的所述表面，且经配置以在使所述激光束相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的所述线以所述束倾斜角倾斜的同时将所述激光束沿垂直于所述激光束的所述第一切割方向的第二方向瞄准所述衬底的所述表面；及控制器。所述控制器经配置以通过以下操作在所述衬底的所述表面中形成单个划刻线：在将所述激光束沿所述第一方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向进行切割；及在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向及与所述第一切割方向相反的第二切割方向中的一者进行切割。

下文更详细地描述这些实施例及其它实施例中的细节及变化。

附图说明

本文中的说明参考所附图式，其中遍及数个视图相同参考编号指代相同部件，且其中：

图1是包含由正方形束形成的切口的衬底的局部侧视图；

图2是根据本发明的教示处于两个位置中的正方形束的示意性侧视图；

图3是形成单个划刻线的激光的路径的俯视图，其中激光处理系统并入抖动；

图4是用于实施关于图3所描述的方法的激光处理系统的示意性图式；及

图5是用于修改图4的激光处理系统以获得本发明的其它实施例的结构的示意性图式；及

图6是图5的结构的可能修改的示意图。

具体实施方式

首先参考图1及2解释用以解决因激光划刻而形成的锥度的问题的一种独特方法及设备。束10(此处为正方形形状或正方形束10)穿透衬底12达深度H。所得切口14具有渐缩侧壁16以使得切口14的顶部处的宽度W1比切口14的底部处的宽度W2宽。对于本发明的实施例，衬底12的材料不关键但通常为非金属及/或易碎的且可由多个层构成。衬底12在本文中还称作工件12。衬底12可为任何大小，但相对厚衬底12为约500μm到800μm，而相对薄衬底12小于100μm。

已存在用于制作经塑形束(例如正方形束)的已知技术。举例来说，在2009年10月1日公布的让与本发明的受让人的美国专利公开案第2009/0245302A1号描述用于动态地产生经修整的激光脉冲的方法及系统。在2002年8月13日发布的也让与所述受让人的美国专利第6,433,301号描述用于塑形激光脉冲的其它方法及系统。注意，在所展示的正方形束的典型轮廓中，束10的外边缘18为渐缩的。因此，如果将束10重新定位以使得如图2中所展示每一外边缘18与衬底12更垂直，那么可实现较直侧壁16。此在本文中称作束倾斜。如从图2可看出，在引入束倾斜的同时将束10维持于其相同束大小将使切口14的总宽度增加超过切口14的顶部处的所要宽度W1。如下文中额外详细地描述，为实现特定切口宽度，必须根据用以实现较直侧壁16的倾斜量减小束大小。此减小侧壁16的锥度的技术因此提供较快处理速度的添加的益处，这是因为减小束大小增加流量。虽然本发明用正方形束10演示，但由具有其它形状的束10造成的锥度问题也可借助本文中的教示解决。

对束10进行定位以使用倾斜实现较直侧壁16的一种方式涉及应用如图3中所展示的抖动技术。抖动涉及在沿轴线上方向移动束10的同时还沿交叉轴线方向迅速移动束10。在图3中，箭头指示轴线上方向，轴线上方向还称作切割方向。还展示束10的一个可能路径20。注意，路径20的遍次之间的间隔被放大，且大体来说所述路径在各遍次之间变化甚小，这是因为束10通过其移动或通过衬底12的移动而沿切割方向移动。路径20的外边缘界定激光束10在衬底12中的所得划刻线22。划刻线22在此情形中沿y轴线延伸。

图4展示可用以实施关于图3所描述的方法的激光处理系统40。激光处理系统40具有激光器42，激光器42可为固态纤维激光器或其它激光器，且取决于应用而定。激光器42发射脉冲，激光脉冲光学器件44处理所述脉冲，取决于期望的激光参数，激光脉冲光学器件44可为简单光学组件(例如透镜)或含有时间或空间束塑形光学器件的复杂得多的组合件。在此实例中，期望经塑形束，因此包含光圈及/或衍射光学器件。接着，所述激光脉冲由激光操纵光学器件46引导穿过可选场光学器件48到达衬底12。衬底12支撑于附接到运动载台52的卡盘50上。在此实例中，运动载台52由x轴线线性电机54及y轴线线性电机56控制。

控制器58控制激光器42、激光脉冲光学器件44、操纵光学器件46且通过线性电机54、56控制运动载台52以将脉冲激光束10引导到工件或衬底12。控制器58可为任何控制器，举例来说，包含中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)及接收输入信号并将命令信号发送到这些组件的输入/输出端口的微控制器。所述命令信号通常基于存储于存储器中的编程指令而输出，且所述编程指令中的每一者的功能通过CPU的逻辑执行。各种组件可包含其自己的控制器，所述控制器沿通信路径将数据传输到作为主控制器的控制器58且传输来自控制器58的数据。此外，控制器58可并入到计算机(例如个人计算机)中。控制器58还可由一个或一个以上微处理器使用外部存储器实施。

任何数目个已知设计可用于运动载台52。在此实例中，y轴线线性电机56沿轨道(未展示)移动卡盘50以制作划刻线22，所述轨道沿y轴线定向。为制作沿x轴线的划刻线，x轴线线性电机54将沿轨道(未展示)移动卡盘50及包含轨道的运动载台，所述轨道沿x轴线定向。替代所描述的布置，激光器42、激光脉冲光学器件44、操纵光学器件46及/或场光学器件48可安装于可沿x轴线及y轴线(以及任选地，z轴线)中的一者移动的头部中，而单个运动载台52经配置以使用(举例来说)沿轨道移动卡盘50的线性电机沿x轴线及y轴线中的另一者移动。另一选择为安装支撑激光器42、激光脉冲光学器件44、操纵光学器件46及场光学器件48的头部，以使得其可沿x轴线及y轴线(以及任选地，z轴线)中的每一者移动，而卡盘50安装于固定底座上。在激光处理系统40中还可包含旋转移动。

束操纵光学器件46通常包含检流计、快速操纵镜、压电装置、电光调制器、声光调制器等等。在束定位装备(例如束操纵光学器件46)可提供相对快的定位的情形下，如关于图3所描述的抖动是可能的。举例来说，束操纵光学器件46的一个实施例可包含各自布置于x轴线及y轴线上的两个基于检流计的扫描仪(通常称作“检流计”)。每一检流计包含三个主要组件：检流计、镜(或若干个镜)及控制系统的伺服驱动板。基本上，检流计沿相应轴线布置，且使其相应镜以高速度左右旋转，而不是沿一个方向连续自旋，因此提供左右激光路径。检流计往往用于具有在毫秒范围内的相对较长扫掠与响应时间的应用中。对于较小移动(例如具有在μs量级上的响应时间的低于100μm的移动)，通常一个或一个以上声光偏转器更优选地用以实现抖动。

其它实施例是可能的。举例来说，束操纵光学器件46可包含可通过压电致动器绕两个轴线倾斜的单个镜，如在2008年4月24日公布的美国专利公开案第2008/0093349A1中所描述，所述专利公开案让与本申请案的受让人。此实施例将比使用检流计慢但在检流计与声光偏转器之间的扫掠范围下将更准确。当使用抖动实施一实施例时，并入聚焦、非远心小透镜作为场光学器件48为期望的。

所需的束倾斜量越小，且因此在此实施例中所需的抖动量越小，控制越难。即，对于任何致动器，有效分辨率将限制解析小角的能力。举例来说，当切口宽度W1在20μm到80μm之间且更特定来说40μm到45μm或更小之间时，取决于所用激光器，抖动量可在2μm的范围内。因此，将抖动引入到激光定位中可为不可能的或不期望的。在此情形中，如图2中所展示将束10定位到一侧以沿一个方向切割且将束12重新定位到另一侧以沿另一方向切割是可能的。如在包含抖动的实施例中，将必须减小束10的大小。

图5及6图解说明可用以实施此技术的设备的实例。在图5中，操纵光学器件46并入有两个检流计，所述检流计经安装以用于在壳体60内沿x轴线及z轴线移动其耦合镜，如关于图4所描述。用于所述两个检流计中的每一者的检流计驱动器62在壳体60外部延伸。替代如先前所描述的抖动，这些检流计引导束10穿过扫描透镜64到达可调整倾斜镜66。在此实例中，扫描透镜64可期望地为远心扫描透镜。在此实施例中，省略图4中的聚焦透镜60。倾斜镜66将束10瞄准衬底12，以使得束倾斜相对于从衬底12的平面延伸的垂直线等于角α。虽然展示为安装到其安装组合件68的一侧且与扫描透镜64的中心偏离，但倾斜镜66可在所述布置中居中。当束10沿切割方向(此处沿y轴线)执行其第一切割时，使沿关于图5的左侧壁16的锥度最小化。对于第二切割，数个选择是可能的。可通过由控制器58控制的电机将衬底12旋转180度。束倾斜保持等于角α，且当束10沿原始切割方向或沿相反方向执行其第二切割以加速处理时，使沿关于图5的右侧壁16的锥度最小化。或者，倾斜镜66可经安装以绕由扫描透镜64界定的轴线旋转移动，例如通过安装组合件68进行旋转。此旋转移动将由控制器58控制或手动地执行。在将组合件68旋转180度之后，接着将束10重新引导到倾斜镜66。虽然此选择是可能的，但与移动衬底12相比，其可较不期望实施，这是因为需要添加旋转倾斜镜66的能力。此外，可需要调整衬底12及操纵光学器件46以及扫描透镜64沿x轴线及/或y轴线的相对位置以形成具有所要宽度W1的划刻线22。

虽然此实施例描述为可与小倾斜角一起使用，但其还可与相对大的倾斜角一起使用。

执行第二切割的另一选择为利用其中组合件68为如图6中所示意性地展示的U形的结构。在此实例中，组合件68支撑经倾斜以实现与所述U形的相对腿中的倾斜镜66相同的束倾斜角α的第二倾斜镜70。此布置还可需要通过(举例来说)在控制器58的控制下的x轴线线性电机54及y轴线线性电机56沿x轴线及/或y轴线调整衬底12及操纵光学器件46以及扫描透镜64的相对位置，以形成具有所要宽度W1的划刻线22。

可实施两遍形成划刻线22的另一可能结构类似于图5，只是省略了组合件68。通过控制检流计驱动器62或壳体60中的其它束操纵组件故意将来自壳体60的束10瞄准扫描透镜64的非线性区(例如，其外边缘)产生如束从扫描透镜64射出的“倾斜”束10。由于在大多数应用中需要束倾斜的小变化，因此单独使用扫描透镜64(其中扫描透镜64为远心的)可与控制器58的控制组合地实现所要角。当期望较大倾斜角时，可并入非远心的扫描透镜64以便利用所得束在通过透镜64的边缘时的额外的非线性。与其它实施例相同，可需要调整衬底12及操纵光学器件46以及扫描透镜64沿x轴线及/或y轴线的相对位置以形成具有所要宽度W1的划刻线22。

角α为所需束倾斜，以使得束10的边缘与工件12更垂直以便实现如关于图2所描述的切口14中的较直侧壁16。可以用于设定抖动的范围或用于设定倾斜镜66、70相对于激光处理系统10的其它组件的位置的一种以上方式确定角α。举例来说且参考图1，一种示范性方法为使用常规束10在具有与衬底12相同的性质的测试衬底中制备测试划刻。在本文中，当提及测试衬底时，此还囊括衬底12的一不需要部分。在制备测试划刻之后，侧壁16相对于由测试衬底的表面界定的垂直线的斜度提供角β，角β为角α的良好参考。角β不完全与角α相关，由于束10相对于光学器件的定位的改变，所述角较大。因此，确定角α可为反复过程，在所述过程中，在测试衬底中测试可能的束倾斜且如果需要以角β开始，那么基于所得锥度调整可能的束倾斜。

确定角α的另一方式为通过使束10成像或通过以数学方式建造束10的模型以便确定图2中所展示的角γ来分析束10的束轮廓。角γ为束10的外边缘18从束10所界定的正方形形状逐渐变细所成的角。角γ比角β难测量或计算，但其也可提供角α的参考。同样，与上文所描述的类似，可能需要反复过程。

然而，如先前提及，由于引入了较大束倾斜，必须对应地减小束10的大小(举例来说，更特定来说，如图3中所展示的其宽度或点大小)。可通过角α、切口14所延伸到的深度H及切口14的所要宽度W1而以数学方式确定减小的量。

已描述上文所描述的实施例，以便允许容易理解本发明，而非限制本发明。相反，本发明打算涵盖所附权利要求书的精神及范围内所包含的各种修改及等效布置，所述范围与最广义的解释一致，以便在法律的准许下囊括所有此类修改及等效结构。

Claims (13)

1.一种减小衬底中的激光划刻的锥度的方法，其包括：

将激光束沿垂直于所述激光束的第一切割方向的第一方向瞄准所述衬底的表面，且使所述激光束相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的线以束倾斜角倾斜；

将所述激光束沿垂直于所述激光束的所述第一切割方向的第二方向瞄准所述衬底的所述表面，且使所述激光束相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的所述线以所述束倾斜角倾斜；及

通过以下操作在所述衬底的所述表面中形成单个划刻线：

在将所述激光束沿所述第一方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向进行切割；及

在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向及与所述第一切割方向相反的第二切割方向中的一者进行切割。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述激光束沿所述第一方向瞄准所述衬底的所述表面及将所述激光束沿所述第二方向瞄准所述衬底的所述表面包括在沿所述第一方向的所述束倾斜角与沿所述第二方向的所述束倾斜角之间抖动所述激光束；且其中在所述衬底的所述表面中形成所述单个划刻线包括仅沿所述第一切割方向进行切割。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向及与所述第一切割方向相反的第二切割方向中的一者进行切割包括：在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向进行切割。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述束倾斜角为足以产生所述单个划刻线的大体上垂直侧壁的角。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

确定所述束倾斜角。

6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述束倾斜角包括：

使用所述激光束在测试衬底的表面中钻出测试划刻线，所述激光束沿从所述测试衬底的所述表面垂直延伸的线瞄准；

测量所述测试划刻线的侧壁的锥度角；及

使用所述锥度角作为所述束倾斜角来处理所述衬底。

7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：

在将所述激光束沿所述第一方向或所述第二方向中的至少一者瞄准且使所述激光束相对于从所述测试衬底的所述表面垂直延伸的所述线以所述锥度角倾斜的同时在所述测试衬底的所述表面中切割第二切口线；及

在使用所述锥度角作为所述束倾斜角来处理所述衬底之前调整所述锥度角，所述调整基于所述第二切口线的侧壁的角。

8.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述束倾斜角包括：

确定所述激光束的锥度角；及

使所述束倾斜角基于所述锥度角。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述激光束沿所述第一方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向进行切割包括：在沿所述第一方向从所述单个划刻线的开始进行切割直到到达所述单个划刻线的末尾为止的同时使所述激光束维持相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的所述线成所述束倾斜角，所述方法进一步包括：

在到达所述单个划刻线的所述末尾之后切换所述激光束的位置以将所述激光束沿所述第二方向瞄准所述衬底的所述表面；其中在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向及所述第二切割方向中的一者进行切割包括：在沿所述第二方向从所述单个划刻线的所述末尾进行切割直到到达所述单个划刻线的所述开始为止的同时使所述激光束维持相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的所述线成所述束倾斜角。

10.一种用于减小衬底中的激光划刻的锥度的设备，其包括：

激光器；

卡盘，其用于支撑所述衬底；

束操纵光学器件，其经配置以在使来自所述激光器的激光束相对于从所述衬底的表面垂直延伸的线以束倾斜角倾斜的同时将所述激光束沿垂直于所述激光束的第一切割方向的第一方向瞄准所述衬底的所述表面，且经配置以在使所述激光束相对于从所述衬底的所述表面垂直延伸的所述线以所述束倾斜角倾斜的同时将所述激光束沿垂直于所述激光束的所述第一切割方向的第二方向瞄准所述衬底的所述表面；及

控制器，其经配置以通过以下操作在所述衬底的所述表面中形成单个划刻线：

在将所述激光束沿所述第一方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向进行切割；及

在将所述激光束沿所述第二方向瞄准的同时将所述激光束施加到所述衬底的所述表面且沿所述第一切割方向及与所述第一切割方向相反的第二切割方向中的一者进行切割。

11.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括：

线性电机，其机械耦合到所述卡盘；其中所述控制器经配置以通过控制所述线性电机以沿由所述第一切割方向及所述第二切割方向界定的轴线移动来形成所述单个划刻线。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其中所述束操纵光学器件包括至少一个检流计。

13.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其中所述束操纵光学器件包括：

壳体，其支撑束操纵组件；

组合件，其支撑倾斜镜；

扫描透镜，其安装于所述壳体上位于所述壳体与所述组合件之间，所述束操纵组件经配置以将来自所述激光器的所述激光束引导到所述扫描透镜且使所述倾斜镜成角度以便将所述激光束从所述扫描透镜引导到所述衬底。

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