CN104174994A - 分光装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分光装置及其方法，该分光装置包括一对透镜，两个透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射高斯光束的光斑尺寸和发散角；一平面反射镜，将经所述一对透镜出射的水平光束偏转为垂直光束；一高斯光束整形元件，垂直光束透过高斯光束整形元件后，其光斑转换为能量密度均匀的平顶光斑；一分束元件，平顶光斑经其作用后分为一维或者二维光束阵列；一聚焦镜，所述光束阵列中每束光透过聚焦镜后聚焦，形成聚焦点阵。

Description

分光装置及其方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及激光加工设备中的一种分光装置及其方法，特别适用于热影响敏感材料的激光加工，比如应用在wafer划片中、阵列打孔和切割中。

背景技术

近期的晶圆制造技术中，为了提升效能，采用了low-k材料，在其结构中有多层的金属和一些易碎的材料。当传统的钻石刀片遇到这些延展性高的金属层，钻石颗粒极易被金属削包住而失去部分切削能力，极易造成破片或者断刀。除了先进的IC之外，在传统二极管的晶圆划片中，钻石刀同样有许多无法满足业界需求的地方：比如Gpp晶圆划片，机械方式的磨削造成玻璃批覆层严重破损而导致绝缘不良和严重漏电，为了克服这一问题，业界发展出各种复杂的工艺去弥补这项缺陷。比如将玻璃层只长在切割刀两旁，对方型晶粒而言，这个方式已经被业界延用多年。但对六角晶粒而言，六角形每边的三角形被浪费。其主原料的损失为30～40％。

在以蓝宝石为基板的高亮度LED晶圆的划片，也存在一些问题。传统的蓝宝石晶圆划片有两种方式：钻石笔或者钻石刀片。在蓝宝石晶圆上先划很浅的线，再裂片。由于蓝宝石本身质地很硬，所以工具的损耗很严重，裂片后整体良率也不高。

在微机电方面，有越来越多的芯片需要打孔，异型孔开孔和局部减薄等加工。玻璃与硅片键合在一起的复合芯片的切割，批覆有钻石层的芯片，以及复杂微结构的芯片切割等，都不是钻石刀片所能胜任的。

传统的激光划片技术中，不管是应用脉冲激光器还是连续激光器，都会有能量残留在切割道上，能量的累积和传导会造成切割道旁热损伤。

发明内容

为了解决传统激光划片技术中的上述问题，本发明中将激光器出光光束分成一维或者二维的光束阵列，降低激光的能量，减小热影响区，能有效减少切割道宽度，提高wafer利用率。并且能够同时完成两道甚至多道切划工作，提高生产效率。本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种分光装置，其包括：一对透镜，两个透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射高斯光束的光斑尺寸和发散角；一平面反射镜，将经所述一对透镜出射的水平光束偏转为垂直光束；一高斯光束整形元件，垂直光束透过高斯光束整形元件后，其光斑转换为能量密度均匀的平顶光斑；一分束元件，平顶光斑经其作用后分为一维或者二维光束阵列；一聚焦镜，所述光束阵列中每束光透过聚焦镜后聚焦，形成聚焦点阵。

一种分光方法，其包括：激光器输出的高斯光束经过光斑尺寸和发散角的调整后由平面反射镜将其传播方向从水平变换为垂直；垂直光束入射到高斯光束整形元件，高斯分布的光斑被转换为能量密度均匀的平顶光斑；平顶光斑入射到分束元件后分为一维或者二维光束阵列；光束阵列中每束光透过聚焦镜后聚焦，形成聚焦点阵。

此种分光装置及其方法的应用，不仅可以减小热损伤，加快划片效率，而且可以有效减小划片线宽，使一块wafer上所能容纳的器件数量大大的增加。在高端芯片的应用上面有着极大的用处。另外当将光束分为二维光束的时候，可以同时完成两道甚至多道切划，更是提高生产效率。

附图说明

图1为本发明第一种分光装置的结构图；

图2为微透镜阵列的侧面结构图；

图3为衍射光学元件的微结构图；

图4为光束整形前的能量密度分布图；

图5为光束整形后的能量密度分布图；

图6为分束原理图；

图7为本发明第二种分光装置的结构图；

图8为本发明第三种分光装置的结构图；

图9为本发明第四种分光装置的结构图；

图10为利用本发明分光装置形成的一维聚焦点阵进行器件切割的示意图；

图11为利用本发明分光装置形成的二维聚焦点阵进行器件切割的示意图。

图中各标记的含义如下：

1，激光器；

2，透镜；

21，透镜

3，透镜；

31，透镜；

4，平面反射镜或偏振片；

5，高斯光束整形元件；

51，微透镜阵列；

52，衍射光学元件；

6，分束元件；

61，微透镜阵列；

62，衍射光学元件；

63，同时具备分束和聚焦功能的光学元件；

7，聚焦镜；

8，电动位移平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述：

如图1所示，激光器1输出的高斯光束经一对透镜2、3后入射到平面反射镜或偏振片4，平面反射镜或偏振片4后面为高斯光束整形元件5，之后为分束元件6，激光透过分束元件6，入射到聚焦镜7上，在焦平面聚焦。

激光器1根据加工工件的材料特性和加工要求进行选择，一般选用短脉冲激光器，常见的有1064nm、532nm、355nm和266nm的纳秒或者皮秒激光器。透镜2和透镜3之间的相对距离可调，以达到调整优化激光器出射光束的光斑尺寸和发散角特性。平面反射镜4将光束转折90度，光束由水平传播变更为垂直传播。大多数激光器出射光束都为线偏振光，某些微加工应用对光的偏振型比较敏感，需要将线偏振光转换为圆偏振光，此时可以用偏振片来替代平面反射镜。垂直光束入射到高斯光束整形元件5，将高斯特性的圆形光斑转换为能量密度均匀的平顶光斑，光斑的形状可以为方形、矩形、线形或者椭圆形等任意形状，根据实际微加工需求来选择，这些形状由高斯光束整形元件的设计来决定。

光束整形有两种手段可以实现，一种是利用微透镜阵列51来实现，微透镜阵列的侧面结构如图2所示。其中h是微透镜阵列的外形尺寸，t是底面到微透镜最高点之间的距离，p是单个微透镜的尺寸，s是单个微透镜的平面到最高点之间的距离，f是单个微透镜的焦距。另一种是利用衍射光学元件52来实现，衍射光学元件的微结构如图3所示，其中λ/(n-1)是衍射光学元件中微结构的深度，λ为波长，n为折射率。在与光的传播方向垂直的平面上，光束整形前后的能量密度分布分别如图4、5所示。

分束原理如图6所示：一束激光垂直入射到分束元件6上，根据分束元件6的结构特征和入射激光光束的特性，出射光束的特征将呈现为传播角度不同的几束光。以出射光束为5个不同角度为例，入射光束0从分束元件6出射后成为相互之间夹角为a的5束光，再入射到聚焦镜7上，而根据聚焦镜的原理，入射光束在焦平面的位置取决于其入射光束与光轴的夹角，这5束光与光轴的夹角都不相同，因此聚焦点也不同，即在焦平面上形成5个聚焦点。

平顶光斑入射到分束元件6上，将平顶光斑分为一束一维或者二维光束阵列，此光束阵列中每束光的光斑形状、光斑尺寸和发散角特性与入射到分束元件6上的光束特性一致，且光束阵列中每束光的能量等分入射光束。分束元件可以由微透镜阵列61或者衍射光学元件62来实现，光束阵列的规格由微透镜阵列61或者衍射光学元件的结构设计所决定。其中微透镜阵列61的结构与微透镜阵列51的结构类似，衍射光学元件62的微结构与衍射光学元件52的结构类似。此光束阵列中每束光透过聚焦镜7后，在聚焦镜7的焦平面上聚焦，形成聚焦点阵。工件放置在电动位移平台上，工件表面放置在聚焦镜7的焦平面附近。聚焦镜7在光的传播方向上距离电动可调，用来保证工件表面与聚焦镜7之间的距离恒定。

根据不同的加工材料的特性，灵活设计分束元件6(微透镜阵列61或衍射光学元件62)的微观结构，可以将从高斯光束整形元件5出射的光分为一维或者二位光束阵列，使之通过聚焦镜7之后的聚焦点的高度不同，附图7所示，光束阵列中相邻光束的焦点高度差相等，这种多焦平面技术适用于切划厚度较大的工件。

由于微透镜阵列61和衍射光学元件62的微结构设计比较灵活，可以设计为同时具备分束和聚焦功能，如附图8所示，同时具备分束和聚焦功能的光学元件用63表示。光学元件63可以光轴为偏转，以便调整光束阵列的方向，也可以在光的传播方向上位置可调，来保证加工工件与光学元件63之间的距离恒定。此时不需要使用聚焦镜7，为系统节省较大空间。

激光光束从高斯光束整形元件5出射后，光斑的大小取决于激光器1出射的光束、透镜2和透镜3之间的相对距离。在高斯光束整形元件5之后再加入一组望远镜组，透镜21和透镜31，如图9所示。透镜21和透镜31之间的距离相对可调，因此可以再微调光斑的大小，再进入光学元件63进行分束、聚焦，最终作用在工件表面上。该望远镜组同样适用于图1、图7所示的分光装置。

以一维光束阵列1*5为例说明，如图10所示，在wafer W上分布有很多个器件D，需要按照X，Y方向将器件切割出来。图中X方向只画了x1、x2两条切割道示意图，Y方向只画了y1和y2两条切割道示意图，其余的切割道都省略未画。当微透镜阵列61出射的一维光束阵列为X方向时，电动位移平台8按照X方向移动，即完成X方向切划工作。此时将微透镜阵列61旋转90度，则一维光束阵列的方向变更为Y方向，电动位移平台8按照Y方向移动，即完成Y方向切划工作。这种情况下每个切割道总共承受5次激光焦点的作用，来保证切划精度和质量。

当光束阵列为二维时，以5*7为例说明，如图11所示。S表示光束阵列在wafer W上的聚焦点阵，在X方向上，相邻两点之间的距离ΔX正好等于相邻切割道之间的距离；在Y方向上，相邻两点之间的距离ΔY取决于工艺参数，由加工工件的材料特性和加工要求来决定。如此，当电动位移平台Y方向移动时，一次性完成Y1到Y7共7道划线后，电动位移平台向左移动7*ΔX的距离，再Y方向移动，重复此动作，即完成Y方向的切划。然后再将分束元件6偏转90度，则电动位移平台X方向移动时，可以一次性完成7道X方向的划线，重复此动作，即完成整个wafer的切划。可以成倍的增加切划工序的产量。

在本发明中，先利用高斯光束整形元件将高斯分布的圆形光斑转换为密度均匀的方形光斑，避免划线中圆形光斑引起的锯齿状波纹。再将方形光斑分为一维或者二维的光束阵列，降低单个光斑作用在工件上的能量，减小热影响区，且在相邻两束光中间有一个冷却时间，抑制了等离子体的产生。这样大大减少切割道的宽度，在相同尺寸大小的wafer上可以排布更多数量的芯片器件，有效减少浪费。当将入射光束分为二维光束阵列时，可以同时完成两个或者多个切划，提高生产效率。

利用这种分光装置，不仅可以有效改善切割道的形状，避免锯齿状波纹的出现，减小切割道宽度，减小热影响区，提高生产效率。这种分光装置不仅可以应用在激光划片中，在阵列打孔、焊接等也有着很大的应用空间。

以波长为1064nm的激光器为例，使用聚焦镜的焦距为50mm，入射到聚焦镜前的光斑直径为10mm(本实施例中仅以圆形光斑为例，但其形状并不限于圆形，还可以是方形或其他形状，垂直光束入射到高斯光束整形元件5，将高斯特性的圆形光斑转换为能量密度均匀的平顶光斑，光斑的形状可以为方形、矩形、线形或者椭圆形等任意形状，根据实际微加工需求来选择，这些形状由高斯光束整形元件的设计来决定)。则焦平面上的聚焦光斑直径为11.5um。采用图11所述的二维分束，切割每个道的光束分为5束光，同时进行7个道的切割。传统的切割和采用本发明的装置后，所获得的wafer的道宽，热影响区和加工速度如下表所示：

	道宽	热影响区域	平均速度
				传统装置	30um	30um	10mm/s
本发明	15um	8um	60mm/s

由上表格可以看出，由于切割每个道的光束平均分为5束光，因此降低了道宽和热影响区。由道宽和热影响区共同决定了切割宽度，传统装置的切割宽度约60um，采用本装置后，切割宽度约23um，对于整个wafer来说，可以节省约2倍的材料。由于可以一次完成7个道的切割，所以平均切割速度大大得到提升。

需要强调的是，这种分光装置并没有任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (16)

1.一种分光装置，其包括：

一对透镜，两个透镜之间的距离可调，用以调整激光器出射高斯光束的光斑尺寸和发散角；

一平面反射镜，将经所述一对透镜出射的水平光束偏转为垂直光束；

一高斯光束整形元件，垂直光束透过高斯光束整形元件后，其光斑转换为能量密度均匀的平顶光斑；

一分束元件，平顶光斑经其作用后分为一维或者二维光束阵列；

一聚焦镜，所述光束阵列中每束光透过聚焦镜后聚焦，形成聚焦点阵。

2.如权利要求1所述的分光装置，所述平面反射镜被偏振片替代，激光器出射的高斯光束为线偏振光，所述偏振片将经所述一对透镜出射的线偏振水平光束转换为圆偏振垂直光束。

3.如权利要求1或2所述的分光装置，所述光束阵列中每束光的光斑形状和发散角与入射到分束元件上的光束特性一致，所述光束阵列中每束光的能量相等。

4.如权利要求1或2所述的分光装置，所述分束元件为微透镜阵列或衍射光学元件。

5.如权利要求1或2所述的分光装置，所述高斯光束整形元件为微透镜阵列或衍射光学元件。

6.如权利要求1或2所述的分光装置，所述聚焦点阵形成在聚焦镜的焦平面上。

7.如权利要求1或2所述的分光装置，所述分束元件可以光轴旋转，以调整光束阵列的方向。

8.如权利要求1或2所述的分光装置，所述聚焦点阵中聚焦点的高度不同，相邻聚焦点高度差相等。

9.如权利要求1或2所述的分光装置，所述分束元件和所述聚焦镜被同时具备分束和聚焦功能的光学元件替代，所述平顶光斑经该光学元件作用后形成一维或者二维聚焦点阵。

10.如权利要求1或2所述的分光装置，还包括由两个透镜组成的一望远镜组，该望远镜组设置在所述高斯光束整形元件和所述分束元件之间，该望远镜组中的两个透镜之间的距离可调，用于对进入所述分束元件之前的平顶光斑的大小进行微调。

11.如权利要求9所述的分光装置，还包括由两个透镜组成的一望远镜组，该望远镜组设置在所述高斯光束整形元件和所述光学元件之间，该望远镜组中的两个透镜之间的距离可调，用于对进入所述光学元件之前的平顶光斑的大小进行微调。

12.如权利要求1或2所述的分光装置，所述聚焦镜在光束传播方向上的位置可调。

13.如权利要求9所述的分光装置，所述光学元件可以光轴旋转，以调整聚焦点阵的布局。

14.如权利要求9所述的分光装置，所述光学元件在光束传播方向上的位置可调。

15.一种分光方法，其包括：

激光器输出的高斯光束经过光斑尺寸和发散角的调整后由平面反射镜将其传播方向从水平变换为垂直；

垂直光束入射到高斯光束整形元件，高斯分布的光斑被转换为能量密度均匀的平顶光斑；

平顶光斑入射到分束元件后分为一维或者二维光束阵列；

光束阵列中每束光透过聚焦镜后聚焦，形成聚焦点阵。

16.如权利要求15所述的分光方法，所述平面反射镜被偏振片替代，激光器出射的高斯光束为线偏振光，所述偏振片将线偏振水平光束转换为圆偏振垂直光束。