CN109641315B - 多区段聚焦透镜以及用于晶圆切割或裁切之激光加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于切割/刻划/劈裂/裁切之激光加工方法之多区段聚焦透镜，即分离厚脆材质之硬质晶圆或玻璃板，其可单为板材或其上具有微电子或微机电装置。该多区段聚焦透镜是用于一激光加工方法，该方法包含调变脉冲激光束之步骤，该步骤包含使用具多区段透镜之整型及聚焦元件；该多区段透镜产生多个光束收敛区，更具体地说，为多个焦点，呈干涉的尖峰形焦点强度分布高该工件材质之光学破坏阈值；呈干涉的尖峰形强度分布位于该工件内部。在前述步骤将产生一改变区。该激光加工方法进一步包含藉由相对于该激光束焦点相对平移该工件，在一预定之破裂线或以曲型轨迹产生多个该破坏结构。

Description

多区段聚焦透镜以及用于晶圆切割或裁切之激光加工系统
技术领域
本发明的多区段聚焦透镜与使用激光进行材料加工有关，特别与一种以特殊整型后之激光束劈裂或裁切硬脆材料、各式玻璃或陶瓷之方法有关；本发明系有效用以分离成型于基板上之半导体装置。
背景技术
随着半导体装置之微型及复杂化，晶圆裁切在此类装置的制造过程中越显重要。当硅晶圆厚度超过100μm时，传统系以钻石锯片进行硅晶圆之裁切，而厚度低于100μm的硅晶圆则使用激光剥蚀方法(Laser ablation)。
但钻石锯片技术具有加工速度缓慢(针对坚硬材料)的限制，钻石锯片亦普遍产生低落的边缘裁切质量，例如较宽及破碎裁痕，而降低装置的产出及寿命。此技术不但因钻石片快速的损耗而较为昂贵，且因晶圆尚需进行降温及清理而显得不实用，此外，此技术应用于较薄之基板时也有其限制。
激光剥蚀法，另一项传统加工技术，亦有加工速度缓慢且裁痕宽度高达10-20μm之缺点，因而不适于绝大部份的应用情况。不但如此，激光剥蚀法将造成破裂并留下熔融的碎屑污染裁切区域，而此较宽之热影响区将会降低半导体装置之寿命及效能。
激光剥蚀法和钻石锯片技术两者皆无法应用于具有其他表面特性的特制晶圆，例如具备供堆叠粘接的附染剂薄膜者，这些额外条件使得传统钻石锯片及激光剥蚀加工方法更不适用，及更容易产生碎屑。为提升被分离装置的质量，目前尚有其他以激光加工为基础的方法及装置被开发。
于2006年1月31日公开之美国专利US6992026，提出一种激光加工方法及装置，此方法和装置在切割工件时不会产生熔融痕迹，也不会在工件表面产生从切割线垂直延伸出去的裂痕。在足以产生多光子吸收的情况下，沿着预定之切割线以脉冲激光束照射该工件表面，该多个光束对齐后在该工件本体上产生一焦点(或聚合点，一个高能量/光子密度区)，随后沿着预定之切割线在劈裂面移动焦点，藉此形成改质区(modified area)。这些改质区产生后，此工件便可通过较小的力进行机械分离。
上述加工方法及其延伸技术现称被为「隐形切割」，其所有衍生技术皆以利用聚焦后的激光脉冲光束产生内部通孔为基础。这些通孔系藉由将一波长的脉冲激光束聚焦到一个透明晶圆，此晶圆虽然为透明，但在该焦点藉由非线性过程即可吸收该能量，例如装饰用玻璃块的内部蚀刻。该内部通孔虽然保留了顶部和底部表面为原来的状态，但晶圆通常放置于会被机械拉伸的晶圆胶带造成通孔破裂。相对而言，本发明将不会如先前技术发生残余物、表层破裂、或热破坏的情况，另外，本发明也可用于分离特制及多层的晶圆以及微机电系统装置。
通常在进行隐形切割时，必须使用会产生低聚焦深度(DOF)和紧密聚焦的高数值孔径透镜，这使得隐形切割的缺点更加显著，以此方法进行劈裂的晶圆，在劈裂表面会延伸出不定方向的多条裂痕，而影响其上装置的寿命。同时，隐形切割亦不利于蓝宝石之加工，在加工厚度小于120-140μm的晶圆和基板时，因只需通过待裁切的每条分离线一次所以此技术的缺点尚不明显；但在加工较厚晶圆(通常4吋、6吋蓝宝石晶圆之厚度为140μm-250μm或以上)时，每条分离线需要通过好几次，这使得材料曝露于激光辐射的时间延长，而对最终产出装置之效能带来负面影响。另外，每条分离线需多次通过的加工流程也减缓了整体加工速度及产出。
于2013年5月23日公开之美国专利US2013126573，则提出另一种材料加工方法，此方法系用于劈裂步骤的前置流程，针对透明基板的内部加工。藉由选定脉冲的脉冲能量及脉冲持续时间，将此聚焦后激光束照射至该基板，而在基板内部产生细丝；相对于该激光束平移此受照射之基板，在额外的地方产生额外的细丝；产生的细丝将形成一个阵列，此阵列将界定出用来劈裂基板的内部刻划路径。调整激光束参数，可改变细丝的长度及位置，或者可选择性地采用能产生激光劈裂边缘斜角的V形沟槽。在优选情况下，该激光脉冲系以脉冲群列的方式进行传送，藉以降低细丝形成的能量阈值、增加细丝长度、将细丝形成区退火让附加破坏降到最低。因此，相对于使用低脉冲重复率的激光，此方法可提升加工的再现性及加工速度。
但使用此方法将产生不平整的加工结果，因而只适用于裸材，并且因为需要使用较高的脉冲能量而使得裁切不方便。较高的脉冲能量亦会对最终的半导体装置效能有不佳影响，尤其是使用漏电流增加的LED来裁切晶圆，例如使用高亮度(HB)和超高亮度(UHB)LED的情况，将严重降低半导体装置的效能。
于2009年2月5日公开之美国专利US2009032511，则提出一种可利用激光进行材料加工的激光束操控方法，更具体地说，系为一种改良光束整型及光束均匀化的方法。该发明整体上与一光学系统有关，此系统能够稳定地向基板表面整个退火区传送一个一致的能量；此光学系统系用于向基板表面的目标区域传送或投射一个一致的能量，此能量具有所需的二维形状，一般而言，该退火区可为正方形或长方形。整体而言，本发明光学系统及方法系藉由传送足以让一个或一个以上的区域产生重熔和固化的能量，优先地将该多个退火区中的一个或一个以上区域进行退火。
于2005年8月11日公开之另一项德国专利DE102004001949，提出一种激光加工系统，该系统使用多区段透镜将该输出激光聚焦为一平行轴，此系统亦可用于以激光进行材料加工。利用将五个透镜区段以等间隔环绕于一圆型透镜表面，其焦点并指向一纤维导管；将一激光导向该透镜；如此在对应于该工件表面之一输出点，该激光可达到最佳的聚焦。
于2013年10月3日公开之美国专利US2013256286，则提出一种利用散光之细长型光束斑和超短脉冲的激光加工方法，利用具有超短激光脉冲以及/或较长波长的激光束，所形成的一个可调式细长型光束斑，对由不同材质制成之基板进行加工。该激光束可由脉冲持续期间小于1ns以及/或波长大于400nm的脉冲所产生。当该激光束经调变后，可产生一个在第一光轴瞄准而在第二光轴收敛的散光光束；藉由在基板上的第一光轴聚焦和在第二光轴进行离焦，该散光光束在基板上聚焦形成一细长型光束斑；该细长型光束斑之长度系可调整至足以提供一单一超短脉冲的能量强度，藉以在该基板材料的至少一部份产生冷烧蚀。
于2012年9月20日公开之美国专利US2012234807，则提出一种能够延伸进入该工件深度的激光刻划方法。该方法之基础为聚焦该激光束藉以诱发一刻意形成的像差，藉由限制横向球面像差的范围，将纵向球面像差的范围调整至足以延伸该焦点进入工件的深度。此方法同样会因为高能量脉冲在工件内部产生垂直的破坏轨迹，而造成不平整的加工结果；因为此方法必须使用低数值孔径的透镜(焦距为几十毫米)，因而必须使用高脉冲能量，但使用此种透镜会产生松散的聚焦情况，即光班具有非常平滑的空间强度廓线，因此在峰值相对较低的大片区域，会造成超过破坏阈值通量的运作情况。若因脉冲强度(为光学熔损所需)的需求增强而随之提高脉冲能量，也将使得高亮度(HB)和超高亮度(UHB)LED在LED漏电流处的加工不甚美观，同时，芯片边缘不平整裂痕的情况和前述方法也一样严重。
于2016年4月21日公开之国际专利WO2016059449，则提出一种透过形成一尖峰形破坏结构进行劈裂或裁切基板的激光加工方法，该发明所提供的激光加工装置及方法系可快速分离成型于单一基板上之半导体装置，或分离高厚度硬脆材质之基板。用来进行劈裂或破裂的装置或基板，在前置作业时沿着所定劈裂线上会产生深且窄的破坏区，而得到一破坏区域。该激光加工方法包含使用一聚焦元件调变一脉冲激光束之步骤，藉以产生一尖峰形光束收敛区，更具体地说，系产生一个高于该工件材质之光学破坏阈值的通量(能量分布)，而在此步骤中将形成一个改质区(具尖峰形状)。该激光加工方法，进一步包含以相对于该激光束聚合点相对平移该工件，藉以在一预定之破裂在线产生多个该破坏结构。
专利案US2015151380A1揭示了一种激光加工方法，是使用了被分布的聚焦透镜、电射光束聚焦路径以及在聚焦区域中使用成丝现象，这会被视为一种比干涉聚焦以及多光子吸收更为粗糙的加工程序。
专利案CN103551732A揭示之激光加工方法采用了一种多焦的绕射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)，它至少是与一平凸聚焦透镜一前一后地搭配使用。
专利案US2005024743A1揭示一种非球面透镜，其具有至少一个非球面具曲折力的表面，用以将入射光束射线聚焦至位于该光学組件之光轴的一直线区段时，惟此透镜及方法是关于一种不透光材料的加工方法，像是金属、合金，并使用有关激光剥蚀方法有关之裁痕。
当将先前技术应用于晶圆的分离时，其因基板厚度、材质类型、加工质量而显有不足。同时，为了加工较厚材质，上述方法尚必须提高激光强度、激光光线通过每条分离线的次数、以及改良光束或焦点的形状，结果同时影响了半导体装置的效能和产出。
发明内容
为了减少上述之缺失，本发明提供一种用于有效且快速之激光加工方法之多区段聚焦透镜，系用以分离成型于单层基板上之半导体或微机电装置，或用以分离高厚度硬质基板、玻璃板或陶瓷板。用来进行劈裂或破裂(裁切)的晶圆或基板，其前置作业必须使用激光加工方法，其特征在于所得到沿所定之劈裂线将具有深且窄之多个破坏区。本发明激光加工方法每条切割线不需以激光束多次通过，因此能够提高效能。“工件”一词于本发明包含基板、晶圆、晶圆片、玻璃片、半导体装置或预备用于加工并随后进行机械分离(或交替进行)之相似物。
该激光加工方法包含使用一聚焦元件(1)调变一脉冲激光束之步骤。该聚焦元件之其中一光学表面包含多个区段，该多个区段具有不同之曲率半径。该光束发散且其直径经过调整，并聚焦至一工件本体，藉此在该光束收敛区形成多个焦点，更具体来说，在该多区段透镜之光轴上该多个焦点系以一定之距离间隔，且各该焦点高于该工件材质之光学破坏阈值通量(能量分布)。
该材质应可局部或完全被该激光辐射之波长穿透，优选为具有高于0.9eV以上之能隙(band gap energy)。对于该工件之照射，该多个焦点之阵列在该工件之厚度内。该多个焦点之阵列形成一尖峰形结构，其中多个焦点之能量分布可重叠形成一干涉，该干涉为该激光辐射高强度区之延长。通量之设定系为发生多光子吸收藉以引起局部熔化或库仑爆炸，该吸收需发生在各该多个焦点之其中一个，或发生于延长自该激光辐射高强度区之所有干涉中。沿着所定之该裁切轨迹，在该材料本体将产生一连续经过改变的区域(透过延伸该多个焦点之一长条形干涉场)，该区域即为破坏结构。
该激光加工方法进一步包含以相对于该激光束焦点相对平移该工件(2)，藉以在一预定之破裂在线产生多个该破坏结构。形成该破裂线后，该物体利用该机械力可被分离或裁切为2个以上较小部份，各部份具有由一连串破坏区分界之分离边界。
附图说明
为了更佳地理解本方法及领会其实际应用，以下图式将提供参考如后，该等图式仅用以示例，绝非局限本发明之范围。
图1为本发明激光束透过多区段透镜传播之示意图，各线段代表该光束不同部份之边界，其中各部份藉由透镜表面之各区段成型，产生不同之焦点；
图2为本发明光线追迹示意图，利用多区段透镜将具有高斯强度分布之入射激光束进行聚焦，而在工件内部形成此光线追迹，光束之各区段在材料内部聚焦于同一光轴，产生一连续破坏结构形成一劈裂/破裂面；
图3为本发明激光加工方法及其光学系统示意图；
图4为本发明之一实施例，该光径使用分束器及光束整型器分别分离出两光臂，随后两光径再度重合并导向聚焦元件；
图5为本发明具有多焦点(24)位置之光线追迹几何图，其系由通过透镜(1)之入射激光光线经数值计算所形成；
图6为本发明沿光透射方向具有特定长度尖峰(25)呈干涉之强度分布图，其系由通过透镜(1)之入射激光束经数值计算所形成；
图7为本发明光强度分布(26)图，其系沿该尖峰(25)经数值计算所形成；
图8为该工件表面(2)上表层裂纹(18)之电显图，其系以高数值孔径非球面同心环透镜(1)，聚焦两具有不同发散之激光束之加工后结果；
图9显示在工件断裂边缘由激光诱发之破坏区，该工件为厚度大约190μm之铌酸锂晶圆；该第一激光束路径为破坏区(27)前60μm宽的范围，该第二激光束路径为破坏区(28)接续100μm宽的范围；将具有不同发散之两该激光束，聚焦至该多焦点高数值孔径区段之非球面透镜(1)，该断裂边缘裂纹系为以此方法对该工件进行加工后之结果。
具体实施方式
本发明提供一种用于激光加工方法及系统之多区段聚焦透镜，系用以分离成型于单层基板上之半导体或微机电装置，或用以分离硬质基板。用来进行劈裂或破裂的样品，在前置作业时将产生一破坏之区域，其特征在于所得到沿所定之劈裂线将具有深且窄之多个破坏区。
在一实施例，该加工方法包含以下步骤：提供一脉冲激光束(13)；以一聚焦元件(1)聚焦该激光束(13)；以该聚焦后之该脉冲激光束(13)照射一工件(2)；形成一连续破坏区(18)以产生一劈裂面；该工件(2)之材质系可供该激光辐射穿透，且一能隙(band gapenergy)高于该激光束(13)之一光子能量；该光束聚焦元件之聚焦该激光束(13)包含使用一多区段透镜(1)，其中该透镜(1)之至少一表面具有不同曲率半径之多个区段，各该表面区段具有不同之一焦距；该多个区段之该多个不同焦距，系用以在一光轴上产生空间上分离之多个焦点，更具体来说，当一特别预先经过整型之激光束(13)通过该透镜(1)时，通过不同曲率区域的该入射光线被聚焦为多个焦点(24)；各该多个区域之非球面性质能确保在该多个焦点(24)不会发生球面像差。该多个区域(3至7)尺寸之选择，系以高斯形状之该光束(13)在该多个焦点间(24)之能量能够平均分布。该透镜(1)之设计系具有高数值孔径，藉以产生紧密的多重聚焦；该多个焦点(24)彼此之短距离及能量分布，将决定沿光透射方向一干涉强度分布(26)的形成。此分布亦可视为具有特定长度之一高强度尖峰(25)。
图6显示该二维强度分布之数值计算，该多个焦点(24)交融成为较长之该尖峰(25)，与习知具有单一焦点之非球面透镜相比，可大大提高延伸进入该基板的深度，此为本发明之主要特征。图7显示数值计算后之一强度分布(26)，该强度分布(26)系沿着形成该尖峰(25)之该激光束(13)之光透射方向。该尖峰(25)为诱发光学熔损之所必须，诱发光学熔损意即为在该工件(2)本体到达比光学破坏阈值还高的通量(能量分布)；沿着该基板大部份的厚度，此能量分布形成并且在该基板内部，用以将一晶圆(2)或层片劈裂成数个较小部份。
在一实施例，该尖峰形通量分布之长宽比为50倍以上，意即纵向为横向之50倍以上。
具有不同发散之两个该激光束(13)，同时导向通过图1所示之该非球面透镜(1)，该透镜(1)具有该多焦点高数值孔径区段之特殊设计，图8及图9显示实际以两个该激光束(13)加工后之产物。
图8显示该工件(2)表面上之一表层裂纹(18)，经由将具有不同发散之两个该激光束(13)聚焦至该多焦点高数值孔径区段之非球面透镜(1)，该裂纹(18)系为以此方法对该工件(2)进行加工后之结果。
图9显示经激光诱发之该破坏区，其位于厚度大约190μm之一铌酸锂晶圆之一断裂边缘，该第一激光束(13)之路径为该破坏区(27)在前60μm的范围；该第二激光束(13)之路径为破坏区(28)在接续之100μm的范围。这是另一优选实施例的例子，它是采用如前述之该单一多区段透镜(1)将许多具有不同分散之该多个光束(13)同时进行聚焦。
在以该聚焦后之该脉冲激光束(13)照射通过该工件(2)之该步骤，可同时以与该聚焦元件(1)之光轴呈横向之一方向横移该工件(2)。该光束(13)之聚焦系以在该工件(2)本体内形成多个光束收敛区(焦点)，该多个焦点(24)产生符合或近似该收敛区形状之该多个破坏结构。藉由该收敛区之该空间通量分布为图2所示之该焦点结构的形状，在该通量高于该工件(2)材质破坏阈值的地方将形成该收敛区。
“破坏”一词于本发明系指一材料在局部所产生任何类型的充分改变，藉由此改变，该材料之力学性能变化足以在随后之劈裂步骤中产生控制下的裂纹(18)(沿着该分离边界)；该改变或破坏结构(局部受破坏的区域)系由多光子吸收之机制所诱导。若该工件(2)之该材质为可局部或完全被所使用之该激光辐射之中心波长穿透(该材质之该能隙高于单一光子能量之能量，优选为高于数倍)，并达到足够的光子密度，则可产生该破坏结构；足够的光子密度系使用短以及极短脉冲，并且在空间上紧密地聚缩，例如光束(13)的聚焦。该工件(2)材质之该能隙优选为高于0.9eV以上。
该加工方法进一步包含在该多个破坏结构(18)所形成该破裂线或该分离线之间隔位置，重复照射该样品，其系藉由将该工件(2)装设至一电动线性平移平台总成(17)，沿所定之该劈裂线依所需方向移动该工件(2)，藉以形成一劈裂面。然而，只要能确保该聚焦单元及该工件(2)之相对移动，该平移平台(16)亦可使用可将该聚焦单元电动化之不同组合，包括旋转平台、龙门平台。任何晶圆状之该基板，若其为硬脆材质、能隙在0.9eV以上，且难以机械方式进行加工，皆可作为本发明之工件(2)。
在另一实施例，该定位系统系以曲线、圆形或椭圆形轨迹，即自由曲面轨迹之方式平移该工件(2)(或该聚焦元件)，由此，可由一板材上裁切出多种二维结构，特别可用于非晶或多结晶材质之加工，例如玻璃或陶瓷，亦包括化学强化玻璃。
在一实施例，该加工步骤之完成系以一脉冲激光束(13)源(14)，用以产生一光束(13)，优选为圆形－椭圆形之一高斯强度分布(26)；一光束整型及聚焦单元(1、15、16)，其包含一光束聚焦元件(1)，及一光束整型单元(15)之组合；如图3用以稳定该光束聚焦元件(1)以及该工件(2)之间距离的装置；用以固定及平移一工件(2)之装置，例如电动化之一平移平台总成(17)。该脉冲激光束源(14)优选为能够稳定持续地产生恒定极化之该激光脉冲，并具有明确界定时间包络面之该激光。优选为一高斯脉冲，该高斯脉冲之脉冲持续时间设定于100-15000fs、中心波长设定于500-2000nm、频率设定于10kHz-2MHz、以及一脉冲能量，该脉冲能量足以让通过该整型及聚焦单元(1、15、16)后之该多个脉冲，仍具有范围在1-100μJ之脉冲能量。一光束整型光学镜头(15)，优选为包含一光束扩束器(15)，例如一克卜勒伸缩长焦望远镜或一伽利略伸缩长焦望远镜类型之光束扩束器(15)，或任一在该光束(13)进入该聚焦元件(1)之前可达到适当束宽及发散之组合。该光束聚焦单元(1)，优选为包含一多区段透镜(1)，以及用来维持该透镜(1)及该工件(2)之间预先设定之距离的装置，例如，具有压电奈米定位器或电动化之线性平移平台(16)的距离监控装置，其将该光束聚焦单元(1、15、16)及该工件(2)之间的距离维持在该聚焦元件(16)之工作距离中，并且在以300m/s速度进行平移时误差不超过大约2μm。该光束聚焦元件(1)之设置系以当该光束(13)聚焦至该工件(2)多处时，能够达到相等于如图2所示多焦点形状之空间上高强度分布(26)之一焦点形状(通量之空间分布，该通量高于该工件(2)之破坏阈值)。所产生之多个破坏结构(18)于需要时亦可自该工件(2)之一第一表面(19)延伸至其本体内部，例如在该表面(19)诱导一烧蚀(产生一凹坑(20)之该烧蚀)。
该光束聚焦元件(1)之一数值孔径以较高为佳(数值孔径>0.7)，但在其他实施例该数值孔径可选择在0.5-0.9的范围，只要该透镜(1)之设计为可在该透镜(1)形成具有不同曲率半径之该多个不同区段，该多个区段可产生多个焦点(24)，优选为一个该区段用来产生一个该焦点。图2显示一收敛区之一光线追迹图。
但在一实施例，该光束聚焦元件(1)可为该多区段透镜(1)(见图1)，该透镜(1)之设置系可形成该光束(13)之一多焦点型光点。该透镜(1)之一凹面具有2个以上该多个区段，该多个区段具有不同的曲率半径及该多个不同焦点之特征。该多个区段之间为平滑地改变，其使该多个光点逐渐转换，形成具有多个较高通量区域之一尖峰形焦点。入射之该激光束(13)优选为经过扩束，使该光束(13)之截面积覆盖该透镜(1)孔径90％以上，该透镜(1)同时可增加多个焦点(24)(见图2)；于此优选实施例之中，该光束(13)应适配该透镜(1)，使得该高斯光束(13)接近该多区段透镜(1)之该通光孔径(clear aperture)圆周时，强度在1/e2之程度。
在优选情况下，传送至该表面的各该激光脉冲之间距在0.1μm-10μm之范围，藉由改变电动化平移平台总成(17)之移动速度或激光脉冲重复率，或同时调整两者，可改变该距离之范围。该劈裂线/破裂线(18)系藉由线性移动之该电动平移平台总成(17)而形成，针对该单一劈裂线，通过之次数(重复地平移)应达2次，但不限于2次。在此情况下，聚焦的紧密度与多焦点的形成有关，其可藉由该多区段透镜(1)之参数、该透镜(1)材质之光学性质、或该入射光束(13)之性质进行调控。
该透镜(1)之一物镜，系依照该多个工件(2)参数，例如厚度、能隙值、吸收率、折射率...等等进行设计。该透镜(1)之设计系以使该高斯光束或该平顶型光束，在该多个焦点(24)间具有优选的通量分布，而改变该透镜(1)之该多个区段之大小或表面积。
在另一实施例，相同之该光束聚焦元件(1)用以同时聚焦四个具有不同发散之该多个激光束(13)，藉以产生该多个焦点(24)之多个阵列，因此可提升加工速度或可将该加工系统用于加工较厚之该晶圆。
前述实施例之一实施例为一光学系统，其具有将该激光束(13)分离至多个光束组合之装置，例如具有不同偏振性(polarization)之该多个组件，或藉延迟该多个元件之时间进行分离，或空间上的分离。藉由双折射装置(birefringent devices)、分束器、偏光镜、棱镜、或其他光学元件，可将该激光束(13)分离成多组，同时，前述改变该入射光束(13)收敛之方法，可用于分别调整在各该光径光束(13)之参数。因此，多个该激光束(13)成形并聚焦以形成多个该收敛区(即焦点)，该多个焦点(24)彼此之间具有实质相同之距离，藉以在该材料内产生多个窄的该破坏结构，或产生更平均分布之通量，因此，整体加工速度可获提升或达到更高的精确率。图4显示其中一种可行之一光束分束器(22)组件类型，其他类型分束器之主要的差异，可在于更换为不同之该光束整型组件。完整之该光束整型组件(23)可设置于各该光径(如图4所示)。在另一实施例，两组该发散控制元件(例如，伽利略伸缩长焦望远镜)可分别设置于各该光径；但在该聚焦元件(1)前，该光束整型器(15)(例一组透镜)系设置于该共同之光径。在另一实施例，该两组发散控制元件(例如，伽利略伸缩长焦望远镜)(23)可分别设置于各该光径。但在一第一光束分束器(22)前，该光束整型器(15)(例一组透镜)系设置于该共同之光径。
在另一实施例，在以该聚焦后之该脉冲激光束照射该工件(2)之该步骤。该光束聚焦元件之设置系包含至少一绕射元件，该绕射元件系用以扩充或替换该光束整型光学组，在该光束通过该光束聚焦元件(1)后，该绕射元件整型该入射光束，产生多个该焦点。
但于另一实施例，在以该聚焦后之该脉冲激光束经由一光束整型与聚焦元件(1,15,16)照射该工件(2)之该步骤。该光束整型元件之设置系包含至少一自适应光学元件，在该光束通过该多区段透镜(1)后，该自适应光学元件整型该入射光束，产生多焦点之该强度分布，如此，可允许使用较多不同之该入射光束(或更为特殊和不同调变方式之该光束)或允许对于加工参数变动的补偿。该光束整型元件(23)可以可形变反射镜、压电可形变反射镜、或相似物作为基础。
但于另一实施例，在以该聚焦后之该脉冲激光束照射该工件之该步骤。根据前述实施例，该自适应光学元件系可被至少一调相或调幅元件(phase or amplitudemodulating element)取代，例如一液晶光调变器或一微型镜面矩阵。
但于另一实施例，在以该聚焦后之该脉冲激光束经由一光束聚焦元件(1,15,16)照射该工件(2)之该步骤。根据前述实施例，该自适应光学元件系可被至少一被动衍射光束调变元件取代，例如一平顶光束整型衍射光学元件(flat top beam shaping diffractiveelement)，或用以校正像差(aberration corrective)或像散之该多个衍射光学元件。该被动衍射元件(passive diffractive element)之选择，系以经该多个元件调变后之一光束(13)，可被该光束聚焦元件(1)聚焦达到多焦点之该强度分布(26)。应注意的是，该元件亦可设置于该光束聚焦元件(1)后之该光径。
在另一实施例，该光束聚焦元件优选为该多区段透镜(1)，该聚焦元件以图2所示之型态调控该光束(13)之一光点；该光束(13)之该多个区段受该多区段透镜(1)影响，该光束(13)撞击该工件(2)之表面(19)，并以以下方式稍微折射并聚焦：与该多区段透镜(1)之一光轴垂直之一平面(8)，在该平面(8)之该光束(13)透过该区段(7)之该多个焦点进行传播；其中，(9)为区段(6)之一聚焦平面；(10)为区段(5)之一聚焦平面；(11)为区段(4)之一聚焦平面；(12)为区段(3)之一聚焦平面。
为了更佳地揭示本发明，以下提出一实施例，此实施例以及所揭示之参数仅用来帮助更佳地理解本发明，绝非限制其范围，该多个参数系可被大幅改变以产生相似或不同的结果，但主要之裁切加工概念相同。
该工件(2)材质为铌酸锂，且厚度约为190μm之该基板(平板)。该激光光源(14)为一飞秒激光，具有输出辐射波长1030nm及脉冲宽度5ps(半峰全宽1.41)，输出频率设定为100kHz。该聚焦单元系以设置数值孔径低于0.8之该多聚焦区段之非球面透镜(1)，作为该光束聚焦元件。
具有不同发散之两该激光束(13)组合透过该聚焦元件(1)导向，经过该光束聚焦元件后之脉冲能量分别选择为3μJ和5μJ，该第一及该第二光束(13)之聚合区，分别在该晶圆之该第一表面下20μm及80μm处形成。沿劈裂方向该多个破坏结构彼此间之距离为3μm，加工速度，更具体地说，该线性平移平台(16)之平移速度为300mm/s，图9显示破裂及裁切加工后之成果。

Claims (20)

1.一种用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，所述激光加工方法系用于基板劈裂及裁切，至少包含以下步骤：提供一脉冲激光束；以所述多区段聚焦透镜聚焦所述激光束；以所述聚焦后之所述脉冲激光束照射一工件；以及形成一连续破坏区藉以产生一劈裂面；其中所述工件之材质系可供所述激光辐射穿透，且一能隙高于所述激光束之一光子能量；
所述多区段聚焦透镜特征在于：
其系为单一一个折射的多区段透镜，其中所述透镜中之至少一表面具有轴对称且同心地彼此对准，且不同曲率半径之多个区段，各所述表面区段具有不同之一焦距；其中所述多个区段之所述多个不同焦距，系用以产生空间上分离之多个焦点，所述多个焦点系呈干涉的尖峰形焦点之一强度分布。
2.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于，其具有两个以上区段，所述多个区段具有不同的曲率半径。
3.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于，所述多区段聚焦透镜之所述多个区段具有非球面性质，所述多个区段之设置系降低所述多个焦点之球面像差。
4.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于，所述多区段聚焦透镜之聚焦所述激光束，系利用多个横向光束组合撞击所述多区段聚焦透镜，藉以聚焦至沿着所述透镜之光轴的对应的多个焦点，所述多个焦点彼此之间具有实质相同之距离。
5.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于所述多个区段尺寸之选择，系使横截面上具有高斯能量分布之一光束在所述多个焦点间之能量能够平均分布。
6.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于所述多个焦点彼此之距离及能量分布，将决定沿光透射方向呈干涉之所述强度分布的形成，形成具有特定长度之一尖峰形通量分布，藉以延伸进入受劈裂或裁切之所述基板之深度。
7.如权利要求6所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于所述尖峰形通量分布之长宽比为50倍以上。
8.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于，所述聚焦后之所述脉冲激光束所照射之工件，是为一晶圆状之基板，其中所述基板为能隙高于0.9eV之一硬脆材料或玻璃，所述硬脆材料为碳化硅、氮化镓、蓝宝石、钻石或铌酸锂。
9.一种用于晶圆切割、刻划、裁切或劈裂之激光加工系统，其包含：一脉冲激光光源；一聚焦元件；以及一致动定位系统，用以定位所述晶圆；其特征在于：所述聚焦元件是如权利要求1至8任一项所述之多区段聚焦元件。
10.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于其更包含有与所述聚焦元件相关连之一定位平台，所述定位平台系用以将所述多个焦点保持在相对于所述多个工件表面之一固定位置。
11.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于形成一连续破坏区之所述步骤包含相对于聚焦后之所述激光束，平移所述工件以产生一切割线，重复所述步骤直到所述工件被裁切至所需尺寸。
12.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于平移系依照预定之一轨迹，所述轨迹是沿着彼此间相隔0.1-10μm之多个破坏结构而形成，可包含呈直线、曲线或圆形之多个部份。
13.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于其更包含一光束整型单元，所述光束整型单元系用以将入射之所述光束分割为至少两个光径，并分别控制各所述光径之发散，所述光束整型单元进一步将所述光束自所述至少两个光径合并成为一单一光径。
14.如权利要求13所述的激光加工系统，其特征在于所述系统系用以将所述光束分割为二至八个分离之光径。
15.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于其更包含至少一被动衍射元件、一调相或调幅元件、一双折射元件、多个像差校正元件、一平顶光束整型绕射元件，或任一之自适应光学元件。
16.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于所述脉冲激光光源系用以射出波长范围500nm-2000nm之所述激光辐射，或利用参变光学方法将波长调整至所述范围之一标准激光。
17.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于所述脉冲激光光源系用以射出重复率范围在10kHz-2MHz、持续期间范围100fs-15000fs之激光脉冲。
18.如权利要求9所述的激光加工系统，其特征在于所述脉冲激光光源系用以射出脉冲能量范围在1μJ-100μJ之激光脉冲。
19.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于，其系使用在一种激光加工方法及系统，用以分离成型于单层基板上之半导体或微机电装置，或用以分离高厚度硬质基板、玻璃板或陶瓷板。
20.如权利要求1所述的用于激光加工方法之多区段聚焦透镜，其特征在于，所述干涉的尖峰形焦点之一强度分布是位于所述工件的表面之下。
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