CN109483068A - 半导体金属衬底的激光切割装置及其切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体金属衬底的激光切割装置及其切割方法。该半导体金属衬底的激光切割装置包括：激光器，用于发射输出激光；光束调节器，将所述输出激光转换为平行光束；聚焦透镜，将所述平行光束聚焦，且所述平行光束聚焦后照射到工件上激光切割；及吹气装置，对所述工件的激光切割位置吹气。这种半导体金属衬底的激光切割装置对半导体金属衬底切割精度高，切割质量好。

Description

半导体金属衬底的激光切割装置及其切割方法

技术领域

本发明涉及半导体金属衬片加工的技术领域，特别是涉及半导体金属衬底的激光切割装置及其切割方法。

背景技术

目前，为了提高散热效率和避免因热膨胀系数较高产生变形，垂直结构半导体大都采用高热导率且低热膨胀系数的金属作为衬底。在对半导体金属衬底进行切割加工时，通常采用刀片切割和线切割。刀片切割的精度不高，切割效率较低，且由于刀片与工件之间会产生较大的机械应力，切割过程中会产生一些崩边和毛层，影响半导体金属衬底的切边质量。线切割后工件的表面粗糙，有明显的切割纹路，且加工速度较慢，不适合大规模的批量生产。

发明内容

基于此，有必要针对半导体金属衬底切割效果不好的问题，提供一种对半导体金属衬底切割精度高，切割质量好的半导体金属衬底的激光切割装置，以及半导体金属衬底的激光切割方法。

一种半导体金属衬底的激光切割装置，包括：

激光器，用于发射输出激光；

光束调节器，将所述输出激光转换为平行光束；

聚焦透镜，将所述平行光束聚焦，且所述平行光束聚焦后照射到工件上激光切割；及

吹气装置，对所述工件的激光切割位置吹气。

上述半导体金属衬底的激光切割装置，利用激光加工的方式对半导体金属衬底进行切割，可避免因接触式加工使材料容易产生变形、翘曲等问题，平行光束聚焦后，切割线长度和宽度可根据需求进行调节，并且，激光切割生成的残渣、粉尘可由吹气装置吹走，可提高切割的精度和质量，并且能保持较高的切割效率。

在其中一个实施例中，所述激光器为紫外皮秒激光器，其波长为343nm～355nm，脉冲宽度为5ps～50ps，输出功率为15W～45W，重复频率为10KHz～2MHz。可以实现冷加工方式，减少切割道边缘火山口残渣堆积的现象。

在其中一个实施例中，所述光束调节器包括第一反射镜和扩束镜，所述第一反射镜将所述输出激光反射至所述扩束镜，所述扩束镜将所述输出激光的光束直径扩大，并转换为平行光束，所述平行光束射入所述聚焦透镜。可以将具有一定发散角度的高斯光束准直，并且通过将光束的直径扩大，可减小经聚焦产生的光斑的直径，增大切割精度。

在其中一个实施例中，还包括隔离光闸，所述隔离光闸设于所述第一反射镜和所述扩束镜之间，并用于防止所述输出激光漏光。防止输出激光漏光，影响激光切割效果。

在其中一个实施例中，还包括裂片机，所述裂片机对所述工件激光切割后的位置施加压力，使所述工件沿切割位置裂开。通过裂片机配合，可以使得工件沿激光切割位置向两边分离，最终达到完全断裂。

在其中一个实施例中，还包括载台，所述载台用于固定所述工件，且所述载台位于所述聚焦透镜的出光路径上。便于对工件进行激光切割。

在其中一个实施例中，还包括旋转装置，所述旋转装置带动所述工件旋转涂覆保护液或者水洗。通过对工件待切割的表面旋转涂覆保护液，可以减小激光切割时对工件产生的热影响区域，且切割过程中产生的飞溅物会落到保护液上，易于飞溅物与保护液一起被冲洗掉。

在其中一个实施例中，还包括CCD影像监控系统，所述CCD影像监控系统与所述激光器电信号连接，并用于检测所述工件的切割位置，所述激光器接收到所述CCD影像监控系统的监测信号后，调整所述输出激光的照射路径，且对所述工件相应的位置激光切割。通过CCD影像监控系统可以实现对切割位置的精准定位，以及对切割道的宽度监测。

本发明还提出了一种半导体金属衬底的激光切割方法，包括以下步骤：

将激光光束进行扩束处理，并得到平行光束；

将平行光束聚焦，并照射至工件需切割的位置，进行激光切割；

在对工件激光切割的同时，对工件的激光切割位置进行吹气。

上述半导体金属衬底的激光切割方法，利用激光加工的方式对半导体金属衬底进行切割，可减少因接触加工材料时容易产生变形、翘曲等问题，平行光束聚焦后，切割线长度和宽度可根据需求进行调节，可提高切割的精度和质量，并且能保持较高的切割效率。

在其中一个实施例中，在对激光光束扩束之前，将工件需切割的表面涂覆水溶性保护液；在对工件激光切割后，对工件的切割表面进行水洗。通过涂覆水溶性保护液可以减小激光切割时对工件产生的热影响区域，且切割过程中产生的飞溅物会落到保护液上，易于飞溅物与保护液一起被冲洗掉。完成激光切割后，通过水洗的方式可以有效带走工件表面附着的飞溅碎屑，保证工件的切割表面的平整性与洁净度。

附图说明

图1为本发明半导体金属衬底的激光切割装置一实施例的结构示意图；

图2为激光切割前对工件喷涂保护液的操作示意图；

图3为激光切割后对工件进行清洗的操作示意图；

图4为激光切割后对工件进行裂片处理的操作示意图；

图5为工件激光切割后的截面结构示意图；

图6为工件激光切割后实施例一的效果示意图；

图7为工件激光切割后实施例二的效果示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、半导体金属衬底的激光切割装置；20、激光器；30、聚焦透镜；40、吹气装置；50、工件；61、第一反射镜；62、扩束镜；63、第二反射镜；70、载台；80、CCD影像监控系统；90、保护液。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

目前，半导体电子器件发展迅速，在全球步入“节能时代”的进程中，各国都在积极寻找节能环保的新兴产业，照明消耗的能源占全部能源消耗的20％以上。因此，降低照明用电是节省电力的重要途径。LED节能灯是新一代固体冷光源，具有低能耗、寿命长、易控制、安全环保等特点，是理想的节能环保产品，适用各种照明场所。然而，现有的LED还未大规模进入普通照明，其主要原因之一是由于LED的性价比(lm/$)太低，市场需要快速提高LED性价比的方案。提高LED性价比的途径主要有两条，一是提高LED的发光效率，二是降低LED的生产成本。但是，效率的提升以及成本的下降的速度，还是达不到市场对LED性价比的期待。然而垂直结构LED却能够保证在一定的发光效率的前提下，采用较大的电流去驱动，这样一个垂直结构LED芯片可以相当于几个正装结构芯片，折合成本只有正装结构的几分之一。因此，垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程，是市场所向，是半导体照明发展的必然趋势。垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底(Si、Ge以及Cu等衬底)取代正装结构所使用的蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热效率。Cu本身虽然有较高的热导率，但热膨胀系数较高，在承受长时间高温作用下易产生变形，影响LED的发光效率。近期市场上推出了以钨铜合金、钼铜合金为代表的铜合金材料，能够同时拥有较好的热导率以及较低的热膨胀系数。并且通过调整合金中的各类金属含量，还可对热导率以及热膨胀系数进行调控以应对不同的发光环境。

常规的铜合金材料切片设备采用的是：(1)传统的刀片(砂轮)切割方法；(2)线切割；(3)激光切割。上述切割方法中，刀片或砂轮机械切割工艺成熟，但受制于刀片或砂轮本身的尺寸影响，切割精度较差，无法满足Micro LED的切割需求；由于刀片与样品之间较大的机械应力，会在切割过程中产生少量崩边和毛刺，影响铜合金颗粒的切边质量；由于切割速度较低，导致效率也无法得到提升；同时还存在刀片的切割损耗问题。线切割，缺点是切割表面粗糙，有明显切割纹路，且加工速度较慢，不适合大规模批量生产。激光加工作为一种非接触式加工，可以明显提升切割质量与精度，同时可满足LED垂直结构基底材料的切割需求；由于该种材料对紫外光较强的吸收率，紫外激光切割有效速度较高，切割效率也可大幅提高。传统的纳秒激光加工属于激光热加工方式，会产生较大的热影响区域(HeatAffected Zone)，同时也会产生较多的火山口堆积物(堆积高度＞3μm)和飞溅物；而衬底材料对表面粗糙度要求很高，上述现象均会对钼铜合金材料的表面产生较大的不良影响，造成加工的衬底不能满足LED的使用要求。

请参阅图1，在一实施例中，半导体金属衬底的激光切割装置10包括：激光器20、光束调节器、聚焦透镜30及吹气装置40。激光器20发射输出激光，输出激光通过光束调节器转换为平行光束，再由聚焦透镜30将平行光束聚焦，且平行光束聚焦后照射到工件50上激光切割。在对工件50激光切割的过程中，通过吹气装置40对工件50的激光切割位置高压吹气。该工件50可以是LED金属衬底，LED金属衬底材料包括钼铜合金、钨铜合金、锰铜合金等。本发明的半导体金属衬底的激光切割装置10，利用激光加工的方式对半导体金属衬底进行切割，可避免因接触式加工使材料容易产生变形、翘曲等问题，平行光束聚焦后，切割线长度和宽度可根据需求进行调节，并且，激光切割生成的残渣、粉尘可由吹气装置40吹走。聚焦平行光束对半导体金属衬底加工的集中效果更好，能瞬间气化材料，使基体材料快速分离，且加工产生的残渣、粉尘能由吹气装置40吹走，使得聚焦平行光束对半导体金属衬底加工的尺寸更加精准，不会应该堆积物过多而造成加工的误差较大，提高了切割的精度和质量，并且能保持较高的切割效率。

在具体的实施方式中，激光器20为紫外皮秒激光器，具有短脉冲宽度，能提供较高的单脉冲能量和调节范围较大的重复频率，尤其是在与钼铜合金材料作用时，通过高峰值功率和较小的脉冲宽度将树脂材料直接气化，可减小热影响区域，获得较好的上表面以及内壁边缘效果。紫外皮秒激光器的波长为343n m～355nm，脉冲宽度为5ps～50ps，输出功率为15W～45W，重复频率为10KHz～2MHz，可以实现冷加工方式，减少切割道边缘火山口残渣堆积的现象。

在一实施例中，光束调节器包括第一反射镜61和扩束镜62，第一反射镜61将输出激光反射至扩束镜62，扩束镜62将输出激光的光束直径扩大，并转换为平行光束，平行光束经聚焦透镜30聚焦后对工件50激光切割。通过这种结构可以将具有一定发散角度的高斯光束准直，激光切割的效果会更好，并且将光束的直径扩大，可减小经聚焦产生的光斑的直径，增大切割精度。

为了方便激光照射的路径设置更加方便，还包括第二反射镜63，通过第二反射镜63将平行光束反射照入聚焦透镜30。第二反射镜63可以是几个反射镜组成的反射镜组。

在一实施例中，还包括隔离光闸，隔离光闸设于第一反射镜61和扩束镜62之间，并用于防止输出激光漏光。通知设置隔离光闸可防止输出激光漏光，影响激光切割效果。

在另一实施例中，为了进一步的保证工件50切割表面的平整性和洁净度，还包括旋转装置。如图2所示，在激光加工前，可由旋转装置带动工件50旋转并在工件50待加工的表面上涂覆有保护液90，通过对工件50待切割的表面旋转涂覆保护液90，可以减小激光切割时对工件50产生的热影响区域，且切割过程中产生的飞溅物会落到保护液90上，易于去除。具体地，保护液90可采用适用于紫外激光吸收的有机溶液调配而成，为水溶性材料，易被水冲洗。如图3所示，完成激光加工后，由旋转装置带动工件50旋转并通过高压喷水装置对切割道喷水冲洗。激光切割时切割道内部飞溅出来的残渣和粉尘会附着于保护液90上，通过喷水冲洗，可以将保护液90连同残渣和粉尘一起冲洗掉，提高切割效果，改善切割后工件50的表面质量。

需要说明的是，为了便于对工件50的加工，还设有载台70。载台70位于聚焦透镜30的出光路径上，工件50安装设于载台70上。考虑到保证工件50的固定效果，在载台70上还设有真空吸附装置，载台70和真空吸附装置为可旋转的设置，用以对工件50进行水平的定位。具体地，可以通过电路的控制或通过软件的控制，实现载台70和真空吸附装置的自动同轴旋转。真空吸附装置的材料为铜钨合金，不仅硬度高，不易损伤，而且还具有较高的导热性能和低膨胀系数，可以实现将激光加工时产生的热量及时疏散排出，减少工件50因集中受热产生形变，影响激光切割的效果。

在一实施方式中，还包括CCD影像监控系统80，CCD影像监控系统80与激光器20电信号连接，并用于检测工件50的切割位置，激光器20接收到CCD影像监控系统80的监测信号后，调整输出激光的照射路径，且对工件50相应的位置激光切割。通过CCD影像监控系统80可以实现对切割位置的精准定位，以及对切割道的宽度监测。

请参阅图4，在另一实施方式中，还包括裂片机，通过裂片机对工件50激光切割后的位置施加压力，使工件50沿切割位置裂开。这样可以使得工件50沿激光切割位置向两边分离，最终达到完全断裂。如图5所示，激光切割后的工件50表面平整，无变形、翘曲等现象。

本发明还公开了一种半导体金属衬底的激光切割方法。

在实施例一中，包括以下步骤：

对钼铜合金样片需切割的表面旋转涂覆水溶性保护液90，钼铜合金样片的旋转速度为500转/分钟；

将涂覆有水溶性保护液90的钼铜合金样片真空吸附固定到载台70上；

由波长为345nm，输出功率为15W，脉冲宽度为5ps，重复频率为10KHz的紫外皮秒激光器发出激光光束，并将激光光束进行扩束处理，并得到平行光束；

将平行光束聚焦，并通过CCD影像监控系统80定位控制平行光束照射至钼铜合金样片需切割的位置，进行激光切割；

在对钼铜合金样片激光切割的同时，对钼铜合金样片的激光切割位置进行高压吹气；

钼铜合金样片激光切割完成后，对钼铜合金样片的切割表面旋转喷水冲洗，钼铜合金样片的旋转速度为500转/分钟；

将冲洗完成后的钼铜合金样片沿切割位置施加压力，使钼铜合金样片沿切割位置裂开，得到相应的单位钼铜合金颗粒。

在实施例二中，包括以下步骤：

对钼铜合金样片需切割的表面旋转涂覆水溶性保护液90，钼铜合金样片的旋转速度为1000转/分钟；

将涂覆有水溶性保护液90的钼铜合金样片真空吸附固定到载台70上；

由波长为350nm，输出功率为30W，脉冲宽度为36ps，重复频率为1MHz的紫外皮秒激光器发出激光光束，并将激光光束进行扩束处理，并得到平行光束；

将平行光束聚焦，并通过CCD影像监控系统80定位控制平行光束照射至钼铜合金样片需切割的位置，进行激光切割；

在对钼铜合金样片激光切割的同时，对钼铜合金样片的激光切割位置进行高压吹气；

钼铜合金样片激光切割完成后，对钼铜合金样片的切割表面旋转喷水冲洗，钼铜合金样片的旋转速度为1100转/分钟；

将冲洗完成后的钼铜合金样片沿切割位置施加压力，使钼铜合金样片沿切割位置裂开，得到相应的单位钼铜合金颗粒。

在实施例三中，包括以下步骤：

对钼铜合金样片需切割的表面旋转涂覆水溶性保护液90，钼铜合金样片的旋转速度为1450转/分钟；

将涂覆有水溶性保护液90的钼铜合金样片真空吸附固定到载台70上；

由波长为355nm，输出功率为43W，脉冲宽度为48ps，重复频率为2MHz的紫外皮秒激光器发出激光光束，并将激光光束进行扩束处理，并得到平行光束；

将平行光束聚焦，并通过CCD影像监控系统80定位控制平行光束照射至钼铜合金样片需切割的位置，进行激光切割；

在对钼铜合金样片激光切割的同时，对钼铜合金样片的激光切割位置进行高压吹气；

钼铜合金样片激光切割完成后，对钼铜合金样片的切割表面旋转喷水冲洗，钼铜合金样片的旋转速度为1500转/分钟；

将冲洗完成后的钼铜合金样片沿切割位置施加压力，使钼铜合金样片沿切割位置裂开，得到相应的单位钼铜合金颗粒。

上述半导体金属衬底的激光切割方法，利用激光加工的方式对半导体金属衬底进行切割，可减少因接触加工材料时容易产生变形、翘曲等问题，平行光束聚焦后，切割线长度和宽度可根据需求进行调节，可提高切割的精度和质量，并且能保持较高的切割效率。并且，通过涂覆水溶性保护液90可以减小激光切割时对工件50产生的热影响区域，且切割过程中产生的飞溅物会落到保护液90上，易于飞溅物与保护液90一起被冲洗掉。完成激光切割后，通过水洗的方式可以有效带走工件50表面附着的飞溅碎屑，保证工件50的切割表面的平整性与洁净度。

请参阅图6和图7，图示为LED金属衬底圆片的激光切割表面以及截面切割形貌图，切割道火山口堆积高度≤2μm，切割精度可低至为±5μm。本发明的LED金属衬底的激光切割方法，加工效率更快，以尺寸为6英寸的样品为例，加工效率可达到8分钟/片，加工幅面可调，最大幅面尺寸可达到400mm×500mm，良率保持在95％以上。适用于工业级量产，解决了LED金属衬底圆片切割过程中的质量以及精度问题，同时扩大了激光切割在微制造领域的新应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，包括：

激光器，用于发射输出激光；

光束调节器，将所述输出激光转换为平行光束；

聚焦透镜，将所述平行光束聚焦，且所述平行光束聚焦后照射到工件上激光切割；及

吹气装置，对所述工件的激光切割位置吹气。

2.根据权利要求1所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，所述激光器为紫外皮秒激光器，其波长为343nm～355nm，脉冲宽度为5ps～50ps，输出功率为15W～45W，重复频率为10KHz～2MHz。

3.根据权利要求1所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，所述光束调节器包括第一反射镜和扩束镜，所述第一反射镜将所述输出激光反射至所述扩束镜，所述扩束镜将所述输出激光的光束直径扩大，并转换为平行光束，所述平行光束射入所述聚焦透镜。

4.根据权利要求3所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，还包括隔离光闸，所述隔离光闸设于所述第一反射镜和所述扩束镜之间，并用于防止所述输出激光漏光。

5.根据权利要求1所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，还包括裂片机，所述裂片机对所述工件激光切割后的位置施加压力，使所述工件沿切割位置裂开。

6.根据权利要求1所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，还包括载台，所述载台用于固定所述工件，且所述载台位于所述聚焦透镜的出光路径上。

7.根据权利要求1所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，还包括旋转装置，所述旋转装置带动所述工件旋转涂覆保护液或者水洗。

8.根据权利要求1所述的半导体金属衬底的激光切割装置，其特征在于，还包括CCD影像监控系统，所述CCD影像监控系统与所述激光器电信号连接，并用于检测所述工件的切割位置，所述激光器接收到所述CCD影像监控系统的监测信号后，调整所述输出激光的照射路径，且对所述工件相应的位置激光切割。

9.一种半导体金属衬底的激光切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

将激光光束进行扩束处理，并得到平行光束；

将平行光束聚焦，并照射至工件需切割的位置，进行激光切割；

在对工件激光切割的同时，对工件的激光切割位置进行吹气。

10.根据权利要求9所述的半导体金属衬底的激光切割方法，其特征在于，在对激光光束扩束之前，将工件需切割的表面涂覆水溶性保护液；在对工件激光切割后，对工件的切割表面进行水洗。