CN110977188A - 一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，包括激光器、空间光调制器、聚焦物镜、晶圆，所述激光器输出端设置有空间光调制器，所述空间光调制器的输出端设置有聚焦物镜，通过聚焦物镜输出的激光产生沿光线传输方向的多个纵向焦点，用于晶圆划片。本发明将基于空间光调制器的多焦点光斑控制技术应用于晶圆内部切割中，大幅提高现有晶圆内部切割效率和设备通用性，可推广应用于陶瓷、单晶硅和蓝宝石等高、硬、脆难以加工的切割技术中；经过空间光调制器相位调制并经聚焦透镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，其中焦点数量和空间分布位置均可调即焦点数量和间距可通过加载在空间光调制器上的相位图进行调整。

Description

一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置
技术领域
本发明涉及高精度激光内部切割技术领域，特别是一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，适用于晶圆和玻璃材料精密划片。
背景技术
在半导体行业，尤其是对于陶瓷、单晶硅和蓝宝石等高、硬、脆难以加工的切割技术中，激光加工技术尤为受欢迎。以半导体行业为例，晶圆的切片工艺将晶圆分成单个的芯片，用于随后的芯片键合、引线键合和测试工艺，当芯片尺寸越来越小，集成度越来越高，由于激光属于无接触式加工，不对晶圆产生机械应力的作用，对晶圆损伤较小，因此激光晶圆切片技术得到大力的发展。激光切割具有：加工速度快；切槽窄，晶圆利用率较高；非接触加工，适合薄基圆；自化动程度高，任意图形切割等优点，同时也有不少难题需要克服。常规的激光切片工艺是将激光作用在晶圆材料表面，利用脉冲激光的高能量密度烧蚀晶圆材料，而达到划片或者切片目的，虽然比起机械划片来说，其效率和划片质量有较大提升，但是热影响区过大及熔渣喷溅污染的问题依然限制着激光切片的产品质量，这些缺点足以影响或破坏芯片的性能，也是提高切片成品率和减小芯片尺寸的瓶颈因素。
现有技术中有涉及内部多层激光切片技术，可以解决常规的激光切割技术中热影响区过大及熔渣喷溅污染的问题。
实用新型专利201620365477.4《一种内部多层激光切划装置》，该装置包括激光器和激光精密切割头。该装置主要通过衍射光学镜片形成多个焦点。衍射光学镜片的加工定型与焦点数量和间距高度相关，如果希望改变焦点数量和间距，需要重新定制衍射光学镜片并调整光路，十分不方便。
发明专利201510629513.3《一种蓝宝石衬底LED芯片激光切割方法》，该方法作为一种内部单焦点切割方法，需要不断浮动激光焦点位置，对较厚芯片需要进行多次切割，效率较低。
发明专利201410849579.9《一种使用隐形激光切割的方法切割大功率电力电子器件的方法》，包括带有半导体材料衬底和生长在衬底表面的外延层。同样的，该方法作为一种内部单焦点切割方法，需要不断浮动激光焦点位置，对较厚芯片需要进行多次切割，效率较低。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺点，提高现有晶圆内部切割效率和设备通用性，提供一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，包括激光器、空间光调制器、聚焦物镜、晶圆，其位置关系如下：
所述激光器输出端设置有空间光调制器，所述空间光调制器的输出端设置有聚焦物镜，通过聚焦物镜输出的激光产生沿光线传输方向的多个纵向焦点，用于晶圆划片。
进一步地，还包括扩束镜、第一反射镜和半透半反镜，所述扩束镜和第一反射镜依次设置在激光器和空间光调制器之间，即扩束镜设置在激光器的输出端、第一反射镜的输入端，第一反射镜设置在空间光调制器的输入端；所述半透半反镜设置在空间光调制器和聚焦物镜之间，即半透半反镜设置在空间光调制器的输出端、聚焦物镜的输入端。
进一步地，还包括光闸，所述光闸设置在光路上任何两个元件之间，优选地设置在激光器和扩束镜之间。
再进一步地，还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置在空间光调制器和半透半反镜之间，即第二反射镜设置在空间光调制器的输出端、半透半反镜的输入端。
更进一步地，还包括CCD和照明光源，所述CCD设置在半透半反镜的反射光路上接收反射光线以便摄像，CCD主要用于接收照明光源光线反射至CCD靶面，进而对照明光源照射的加工区域进行成像,所述照明光源设置在半透半反镜的一侧,用于照明晶圆的加工区域。
可选地，所述激光器发射激光波长为近红外激光、绿色激光和紫外激光，所述激光器发射激光脉冲宽度为纳秒级(10-9s)或皮秒级(10-12s)或飞秒级(10-15s)。
优选地，所述近红外激光的波长为1064nm或1030nm，所述绿色激光的波长为532nm或515nm，所述紫外激光的波长为355nm或343nm或266nm，发射激光重复频率在10～1000KHz之间连续可调。
优选地，所述空间光调制器波长范围为200nm至1100nm，像素不低于30万。
具体地，所述光闸为声光调制器组件，波长范围为200nm至1100nm，频率不低于50MHz。
具体地，所述控制空间光调制器通过所加载的相位图，生成多个焦点，其中焦点数量和空间分布位置均通过所加载的相位图进行调整。
1.本发明的基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置有如下优点：将基于空间光调制器的多焦点光斑控制技术应用于晶圆内部切割中，大幅提高现有晶圆内部切割效率和设备通用性，可推广应用于陶瓷、单晶硅和蓝宝石等高、硬、脆难以加工的切割技术中；
2.针对300μm厚度范围内的晶圆，可实现单次切割，加工速度≥300mm/s；适合加工晶圆厚度范围为50—750μm；现有技术加工时，针对较厚晶圆，由于光路部分只能形成一个焦点，比如300μm厚，通常需要反复切割5-6次，而利用了我们的先进技术，一次就可以切开；
3.经过空间光调制器相位调制并经聚焦透镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，通过控制空间光调制器所加载的相位图，可以生成多个焦点，其中焦点数量和空间分布位置均可调即焦点数量和间距可通过加载在空间光调制器上的相位图进行调整；
4.在本发明装置中仅仅需要对空间光调制器加载不同的相位图即可实现焦点数量和间距的调整，无需更换任何硬件。
附图说明
图1为实施例1的基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置结构示意图；
图2为实施例1的基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置结构示意图。
其中，1-激光器、2-光闸、3-第三反射镜、4-第四反射镜、5-扩束镜、6—第一反射镜、7-空间光调制器、8-第二反射镜、9-半透半反镜、10-CCD、11-照明光源、12-聚焦物镜、13-晶圆、14-纵向焦点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，多属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1所示，本发明的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，包括激光器、光闸、第三反射镜、第四反射镜、扩束镜、第一反射镜(作用在于改变光路传输方向)、空间光调制器、第二反射镜(作用在于改变光路传输方向)、半透半反镜、CCD、照明光源、聚焦物镜、晶圆。
所述激光器输出端设置有光闸，光闸主要用于外部控制激光的通断。光闸的输出端依次设置有第三反射镜和第四反射镜(作用在于改变光路传输方向)，其中第四反射镜输出端设置有扩束镜，扩束镜用于对激光光斑进行放大，尽可能充满空间光调制器接收窗口。扩束镜的输出端设置有第一反射镜，第一反射镜的输出端设置有空间光调制器，空间光调制器用于加载相位图和反射传输激光，空间光调制器的输出端依次设置有第二反射镜、半透半反镜和聚焦物镜，半透半反镜对加工激光完全透过，对于照明光源实现反射。半透半反镜另一侧设置有CCD和照明光源，主要用于精确定位和摄像。通过聚焦物镜输出的激光将作用于晶圆，在晶圆内部产生多个纵向焦点，本实施例为3个，用于晶圆划片。其中焦点数量和间距可通过加载在空间光调制器上的相位图进行调整。
所述激光器发射激光波长为1064nm，脉冲宽度为20ns，功率为10W，重复频率为10k—100kHz；
所述光束经过空间光调制器相位调制并通过第四反射镜反射后，经聚焦透镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，通过控制空间光调制器所加载的相位图，可以生成多个焦点，其中焦点数量和空间分布位置均可调；本实施例为3个；
所述空间光调制器波长范围为200nm至1100nm，本实施例优选波长范围为1000nm至1100nm，像素区间为30万，接收窗口大小为15.8mm*12mm；
所述光闸为声光调制器组件，波长范围为200nm至1100nm，本实施例优选波长范围为1000nm至1100nm，频率为80MHz。
实施例2
如附图2所示，本发明的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，包括1-激光器、2-光闸、3-扩束镜、4-第一反射镜、5-空间光调制器、6-第二反射镜、7—半透半反镜、8-CCD、9-照明光源、10-聚焦物镜、11-晶圆。
所述激光器输出端设置有光闸，光闸主要用于外部控制激光的通断。光闸的输出端依次设置有扩束镜，扩束镜用于对激光光斑进行放大，尽可能充满空间光调制器接收窗口。扩束镜的输出端设置有第一反射镜，第一反射镜的输出端设置有空间光调制器，空间光调制器用于加载相位图和反射传输激光，空间光调制器的输出端依次设置有第二反射镜、半透半反镜和聚焦物镜，半透半反镜对加工激光完全透过，对于照明光源实现反射。半透半反镜另一侧设置有CCD和照明光源，主要用于精确定位和摄像。通过聚焦物镜输出的激光将作用于晶圆，在晶圆内部产生多个纵向焦点，本实施例为2个，用于晶圆划片。其中焦点数量和间距可通过加载在空间光调制器上的相位图进行调整。
所述激光器发射激光波长为1030nm，脉冲宽度为20ns，功率为10W，重复频率为10k—100kHz；
所述光束经过空间光调制器相位调制并通过第四反射镜反射后，经聚焦透镜聚焦后在焦平面前后产生多个焦点，通过控制空间光调制器所加载的相位图，可以生成多个焦点，其中焦点数量和空间分布位置均可调；本实施例为2个焦点；
所述空间光调制器波长范围为1000nm至1100nm，像素区间为30万，接收窗口大小为15.8mm*12mm；
所述光闸为声光调制器组件，波长范围为1000nm至1100nm，频率为80MHz。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，包括激光器、空间光调制器、聚焦物镜、晶圆，其位置关系如下：
所述激光器输出端设置有空间光调制器，所述空间光调制器的输出端设置有聚焦物镜，通过聚焦物镜输出的激光产生沿光线传输方向的多个焦点，用于晶圆划片。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，还包括扩束镜、第一反射镜和半透半反镜，所述扩束镜和第一反射镜依次设置在激光器和空间光调制器之间，即扩束镜设置在激光器的输出端、第一反射镜的输入端，第一反射镜设置在空间光调制器的输入端；所述半透半反镜设置在空间光调制器和聚焦物镜之间，即半透半反镜设置在空间光调制器的输出端、聚焦物镜的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于还包括光闸，所述光闸设置在光路上任何两个元件之间，优选地设置在激光器和扩束镜之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于还包括第二反射镜，所述第二反射镜设置在空间光调制器和半透半反镜之间，即第二反射镜设置在空间光调制器的输出端、半透半反镜的输入端。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于还包括CCD和照明光源，所述CCD设置在半透半反镜的反射光路上接收反射光线以便摄像，所述照明光源设置在半透半反镜的一侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于所述激光器发射激光波长为近红外激光、绿色激光和紫外激光，所述激光器发射激光脉冲宽度为纳秒级(10-9s)或皮秒级(10-12s)或飞秒级(10-15s)。
7.根据权利要求6所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，所述近红外激光的波长为1064nm或1030nm，所述绿色激光的波长为532nm或515nm，所述紫外激光的波长为355nm或343nm或266nm，发射激光重复频率在10～1000KHz之间连续可调。
8.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，所述空间光调制器波长范围为200nm至1100nm，像素不低于30万。
9.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，所述光闸为声光调制器组件，波长范围为200nm至1100nm，频率不低于50MHz。
10.根据权利要求1所述的一种基于空间光调制器的多焦点晶圆内部切割装置，其特征在于，通过加载相位图对空间光调制器进行控制，最终生成多个焦点，其中焦点数量和空间分布位置均通过加载不同的相位图进行调整。
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