CN105057893A - 用于半导体材料的激光打孔切割系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于半导体材料的激光打孔切割系统，包括激光光路子系统、运动平台子系统、视觉定位检测子系统和工控机；所述激光光路子系统由反射镜、设于反射镜旁的激光器以及设于反射镜下方的聚焦镜构成；所述视觉定位检测子系统由显示器、在同一竖直线上位于反射镜上方的成像镜筒和相机、位于所述反射镜下方的所述聚焦镜以及设于聚焦镜旁的照明灯构成，所述相机通过所述成像镜筒与所述反射镜相连；所述反射镜既能反射激光也能进行成像光源透光。本发明实现了运动过程中对半导体材料进行激光同步打孔、机器视觉定位二次重打、打孔形位误差检测、激光切割等多种功能于一体，可实现半导体材料在运动过程中打通孔和盲孔、激光切割、视觉检测多种功能。

Description

用于半导体材料的激光打孔切割系统
技术领域
本发明属于半导体材料加工设备技术领域，尤其涉及一种半导体材料的激光打孔切割设备。
背景技术
随着信息化时代的到来，电子信息、通讯、半导体集成电路和大功率电力电子等行业得到迅猛发展，半导体材料得到广泛应用，需求越来越大，半导体材料的通孔和盲孔制造成为芯片制造的核心关键工序之一，晶圆制造技术和工艺中对通孔和盲目的制造效率和位置精度要求越来越高。
传统的电火花穿孔技术在实际生产中存在效率极低、被加工材料需要有良好的导电性能等工艺限制，无法提高生产效率。采用化学腐蚀的方法亦不能解决直径50微米以下深度500微米以上的大深径比微孔的制造。因此极大地限制了晶圆制造中通孔、盲孔的制作。因此，这些电火花穿孔、化学腐蚀开孔是无法通过工艺自身的优化来完全解决上述问题，亟需采取新的加工方式解决半导体材料微孔制造的瓶颈，业界迫切需要一种高精度、高品质及高效的微孔加工方法来取代传统方法。
发明内容
为此，本发明提供一种能够在半导体材料上进行高精度、高品质及高效微孔加工和切割的用于半导体材料的激光打孔切割系统，以克服现有技术存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于半导体材料的激光打孔切割系统，包括激光光路子系统、运动平台子系统、视觉定位检测子系统和工控机；
所述激光光路子系统由反射镜、设于反射镜旁的激光器以及设于反射镜下方的聚焦镜构成；
所述运动平台子系统由X/Y轴叠加运动平台、设于X/Y轴叠加运动平台上的θ轴旋转平台以及驱动聚焦镜的Z轴升降调节机构构成，所述聚焦镜位于所述θ轴旋转平台上方，朝向所述θ轴旋转平台；
所述视觉定位检测子系统由显示器、在同一竖直线上位于反射镜上方的成像镜筒和相机、位于所述反射镜下方的所述聚焦镜以及设于聚焦镜旁的照明灯构成，所述相机通过成像镜筒与所述反射镜相连；所述反射镜既能反射激光也能进行成像光源透光；
所述X/Y轴叠加运动平台、所述θ轴旋转平台、所述激光器、所述相机均与所述工控机电连接，所述工控机还电连接所述显示器。
所述X/Y轴叠加运动平台采用直线电机或者伺服电机或者步进电机驱动，所述θ轴旋转平台采用涡轮蜗杆机构或者同步轮带机构或者DD马达直驱机构驱动；所述Z轴升降调节机构采用电动调节或螺旋测微头手动调节。
在本发明的优选实施方式中，所述X/Y轴叠加运动平台采用直线电机驱动；所述θ轴旋转平台采用DD马达直驱机构驱动；所述Z轴升降调节机构采用螺旋测微头手动调节。
在本发明中，所述X/Y轴叠加运动平台和θ轴旋转平台均具有光栅尺，所述光栅尺与所述工控机电连接。
在发明中，在θ轴旋转平台上方设有与所述聚焦镜同轴的吹气装置，在所述聚焦镜的镜头旁设有朝向所述θ轴旋转平台上表面的抽尘装置。在打孔过程中辅以吹气，可将打孔过程中的剥离物吹出，抽尘装置及时把打孔时产生的剥离物吸走。
所述θ轴旋转平台上设有真空吸附平台，所述工控机还与所述真空吸附平台的真空控制开关电连接。
采用上述技术方案，本发明适用于二极管、可控硅、大功率半导体器件的激光打孔和切割。工控机将运动平台按设定的程序进行轨迹运动，并在运动过程中同时控制激光的开关，可实现通孔、盲孔的激光打孔，连续出光时，则可实现切割功能；视觉定位检测子系统，可对打孔或切割后的硅片进行测量和形位误差检测。
所述X/Y轴叠加运动平台固定在大理石台面上。所述大理石台面固定在底座上，所述工控机位于所述底座内部。
本发明实现了运动过程中对半导体材料进行激光同步打孔、机器视觉定位二次重打、打孔形位误差检测、激光切割等多种功能于一体，可实现半导体材料在运动过程中打通孔和盲孔、激光切割、视觉检测多种功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的用于半导体材料的激光打孔切割系统，包括底座12、大理石台面11、激光光路子系统、运动平台子系统、视觉定位检测子系统和工控机。
其中，激光光路子系统由反射镜4、设于反射镜4旁的激光器1以及设于反射镜4下方的聚焦镜9构成。激光器1为一台红外激光器，优选为光纤脉冲激光器。
运动平台子系统由X/Y轴叠加运动平台8、θ轴旋转平台10以及Z轴升降调节机构5构成。
大理石台面11固定在底座12上，工控机14位于底座12内部。X/Y轴叠加运动平台8则固定在大理石台面11上，θ轴旋转平台10位于X/Y轴叠加运动平台8上。
在大理石台面11上还固定有悬臂架111，激光器1则固定在该悬臂架的顶部。聚焦镜9位于θ轴旋转平台10上方、固定在可上下调节的Z轴升降调节机构5上，实现调焦功能。加工材料被固定在θ轴旋转平台10上表面。激光器1射出脉冲激光光束，激光光束进入反射镜4进行45度折反后进入聚焦镜9。根据加工材料的厚度不同，将激光焦点调整到加工材料的表面上，聚焦镜9将激光汇聚成直径为40至100um的光斑焦点，焦点能量密度高度集中，可最大限度提高加工效率。
X/Y轴叠加运动平台8采用直线电机或者伺服电机或者步进电机驱动。θ轴旋转平台10采用涡轮蜗杆机构或者同步轮带机构或者DD马达直驱机构驱动。Z轴升降调节机构5采用电动调节或螺旋测微头手动调节。
在本实施例中，X/Y轴叠加运动平台8采用直线电机驱动；θ轴旋转平台10采用DD马达直驱机构驱动；Z轴升降调节机构5采用螺旋测微头手动调节。
视觉定位检测子系统由显示器13、在同一竖直线上位于反射镜4上方的相机2、位于反射镜4下方的聚焦镜9以及设于聚焦镜旁的照明灯7构成，相机2通过成像镜筒3连接反射镜4。反射镜4镀有不同膜层，既能反射激光也能进行成像光源透光。照明灯7采用LED灯。
在θ轴旋转平台10上方设有与聚焦镜9同轴的吹气装置，在聚焦镜9的镜头旁设有朝向θ轴旋转平台10上表面的抽尘装置6。该抽尘装置6是一根抽灰管，该抽灰管与负压吸尘设备相连。在打孔过程中辅以吹气，可将打孔过程中的剥离物吹出，抽尘装置6及时把打孔时产生的剥离物吸走。
X/Y轴叠加运动平台8、θ轴旋转平台10、激光器1、相机2均与工控机14电连接，工控机14还电连接显示器13。
θ轴旋转平台10上设有真空吸附平台101，工控机还与该真空吸附平台的真空控制开关电连接，可以通过软件来控制真空的开关。将要加工的半导体材料吸附于θ轴旋转平台的上表面上，加工运动时确保被加工材料不产生位移，确保加工的精度。
X/Y轴叠加运动平台8和θ轴旋转平台10均具有光栅尺，光栅尺与所述工控机14电连接。具体地，X/Y轴叠加运动平台8上的光栅尺为直线光栅尺，θ轴旋转平台上的光栅尺为圆光栅尺。
以上就是本发明的用于半导体材料的激光打孔切割系统。
由于半导体材料功能需求，打孔材料的孔间距以及轨迹有明显差异，因此需要在软件设置中加以区分，以便在进行加工时采用不同的激光参数、运动参数和CCD定位参数来进行打孔，这些打孔参数主要包括：激光频率、激光功率、打孔速度、材料厚度、划片深度、以及定位打孔方式等等。
在进行打孔前，先启动硬件电源，激光电源，打开气源开关，再启动工控机，打开打孔软件，软件会对当前的状态进行自动侦测，如有异常，系统进行提示，打开软件后，选择和编辑打孔轨迹图形，再设定控制软件程序中的激光频率、激光功率、打孔速度、材料厚度、打孔深度、孔间距等参数，以及定位打孔等参数。
接着，并将版图导入系统控制软件，加工时，运动平台会根据导入的版图路径进行轨迹运动，同时控制激光开闭，在半导体材料上打孔。打孔完成后，利用机器视觉定位系统进行孔位精度检测。
已打孔材料的补打孔和二次重复打孔：在进行补打或复打前，先需对打孔材料进行机器视觉定位。当照明光源光照到半导体材料上时，产生反射，反射光通过聚焦镜后变成平行光，平行光穿透反射镜，进入成像筒镜后聚焦到相机成像芯片上，通过调整相机的位置和角度，可以将激光焦点位置成像到相机靶心上，实现激光与成像同轴，调节成像筒镜，改变成像放大倍率，直到适合定位要求的倍率。直接通过显示屏观察，配合移动X\Y轴和旋转θ轴旋转平台，将材料角度和位置校正，进行定位补打和二次重打。打孔完成后，进行检测。
激光划片：直接通过显示屏将CCD十字靶心对准预留的切割沟道中心，通过对划切道左右两个位置的比对，计算出切割道与屏幕基准线的偏差角度，通过旋转θ轴旋转平台，将晶圆旋转以校正角度，再自动将切割道的切割线送到焦点位置，再按软件程序，将激光设置成连续出光，进行轨迹运动，完成划片。
通过上述详细描述，可以看出，本发明实现了运动过程中对半导体材料进行激光同步打孔、机器视觉定位二次重打、打孔形位误差检测、激光切割等多种功能于一体，可实现半导体材料在运动过程中打通孔和盲孔、激光切割、视觉检测多种功能。

Claims (10)

1.一种用于半导体材料的激光打孔切割系统，包括激光光路子系统、运动平台子系统、视觉定位检测子系统和工控机；
所述激光光路子系统由反射镜、设于反射镜旁的激光器以及设于反射镜下方的聚焦镜构成；
所述运动平台子系统由X/Y轴叠加运动平台、设于X/Y轴叠加运动平台上的θ轴旋转平台以及驱动聚焦镜的Z轴升降调节机构构成，所述聚焦镜位于所述θ轴旋转平台上方，朝向所述θ轴旋转平台；
所述视觉定位检测子系统由显示器、在同一竖直线上位于反射镜上方的成像镜筒和相机、位于所述反射镜下方的所述聚焦镜以及设于聚焦镜旁的照明灯构成，所述相机通过所述成像镜筒与所述反射镜相连；所述反射镜既能反射激光也能进行成像光源透光；
所述X/Y轴叠加运动平台、所述θ轴旋转平台、所述激光器、所述相机均与所述工控机电连接，所述工控机还电连接所述显示器。
2.根据权利要求1所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述X/Y轴叠加运动平台采用直线电机或者伺服电机或者步进电机驱动，所述θ轴旋转平台采用涡轮蜗杆机构或者同步轮带机构或者DD马达直驱机构驱动；所述Z轴升降调节机构采用电动调节或螺旋测微头手动调节。
3.根据权利要求2所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述X/Y轴叠加运动平台采用直线电机驱动；所述θ轴旋转平台采用DD马达直驱机构驱动；所述Z轴升降调节机构采用螺旋测微头手动调节。
4.根据权利要求1所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述X/Y轴叠加运动平台和θ轴旋转平台均具有光栅尺，所述光栅尺与所述工控机电连接。
5.根据权利要求1所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：θ轴旋转平台上方设有与所述聚焦镜同轴的吹气装置。
6.根据权利要求5所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述聚焦镜的镜头旁设有朝向所述θ轴旋转平台上表面的抽尘装置。
7.根据权利要求1所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述θ轴旋转平台上设有真空吸附平台，所述工控机还与所述真空吸附平台的真空控制开关电连接。
8.根据权利要求1所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述X/Y轴叠加运动平台固定在大理石台面上。
9.根据权利要求8所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述大理石台面固定在底座上，所述工控机位于所述底座内部。
10.根据权利要求1所述的用于半导体材料的激光打孔切割系统，其特征在于：所述激光器为光纤脉冲激光器。
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