CN111421249A - 用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置 - Google Patents

用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置 Download PDF

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Abstract

本发明属激光划切晶圆技术领域，尤其涉及一种用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，包括折射腔体（1）、反射镜架（2）、聚焦镜筒（4）、显微镜筒（10）、工业相机（11）及激光器装配机构（17）；反射镜架（2）中心与激光器装配机构（17）的激光束入射中心共线；显微镜筒（10）固定设于折射腔体（1）顶部之上；工业相机（11）固定设于显微镜筒（10）之上；可见光光束经反射镜架（2）中心，经显微镜筒（10）放大，进入工业相机（11）靶面；聚焦镜筒（3）固定设于折射腔体（1）底部。本发明结构稳定，翘曲晶圆上料吸附率高，加工效率高，废品率低，具有较高可靠性可解决设备振动对视觉激光焦点偏移影响。

Description

用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置
技术领域
本发明属激光划切晶圆技术领域，尤其涉及一种用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置。
背景技术
激光加工晶圆（材料）技术是一种高效、无损的加工技术，利用经整形聚焦后的高能激光束作用在晶圆材料上，通过视觉定位技术将激光焦点作用在晶圆划切位置，通过平台的XY运动，将晶圆按预定图形划切分割，并通过后续裂片工艺将整个晶圆分割成单个晶粒。在激光加工过程中，需通过合适的显微放大镜筒和相机定位晶圆预划切的位置和坐标，以便控制XY平台运动。同时，在全自动激光设备中，需配备晶圆自动上下料系统，即通过机械手将料盒中的晶圆转运到工作台上进行划切，在划切结束后使用机械手将晶圆从工作台面上转运到下料盒中。
在现有技术中，由于激光输出装置结构设计的限制，激光束与可见光束通常采用旁轴设计和同轴设计。在旁轴视觉设计结构中，因激光束与视觉不同轴，两点间有绝对的位置差，不能实现激光焦点加工状态的实时观测，即激光实时加工位置和视觉位置需通过控制来转换，造成加工效率的下降。在现有的同轴设计中，将激光光路和视觉光路整合为同轴设计，但同时存在光路调难度大，激光点和视觉点因振动因素发生偏移的问题，造成在设备使用过程中需实时调整，同样造成加工效率的下降。
在现有技术中，晶圆上下料系统对因晶圆翘曲造成晶圆在工作台面上真空吸附失效，导致图像偏离视觉焦点，无法完成视觉定位对准，导致视觉对准失败。同时由于真空吸附失效，造成晶圆片和工作平台在运动过程中存在相对移动，造成误切割。因晶圆翘曲程度受晶圆材料、加工工艺、环境温度湿度的因素影响，晶圆翘曲程度不同，在同一批晶圆中，晶圆翘曲数量和程度随机出现。
因此根据全自动激光划切晶圆工艺的要求，设计一种可用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置对提高设备加工效率尤为关键，提升晶圆（材料）的加工工艺水平。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种整体结构稳定，可有效解决设备振动对视觉激光焦点偏移影响，翘曲晶圆上料吸附率高，加工效率高，废品率低，具有较高可靠性的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，包括折射腔体、反射镜架、聚焦镜筒、显微镜筒、工业相机及激光器装配机构；
所述折射腔体为三面开口的中空六面体结构；所述激光器装配机构的出射口与折射腔体侧面光路通孔垂直相接；所述反射镜架置于折射腔体之内，其上设有反射镜片；所述反射镜架中心与激光器装配机构的激光束入射中心共线；所述激光器装配机构的激光束通过折射腔体的光路通孔照射到反射镜架中心，形成激光光束向下垂直折射；
所述显微镜筒固定垂直设于折射腔体顶部之上；所述工业相机固定设于显微镜筒之上；可见光光束经反射镜架中心，经显微镜筒放大，进入工业相机靶面；
所述聚焦镜筒经L型连接板固定垂直设于折射腔体底部。
作为一种优选方案，本发明还设有辅助气幕结构；所述辅助气幕结构的顶部与聚焦镜筒的底部固定卡接；所述辅助气幕结构包括中心喷嘴组及环形喷嘴组；所述中心喷嘴组包括中心喷嘴及中心喷嘴进气管；所述环形喷嘴组包括环形喷嘴体及喷嘴；所述喷嘴置于环形喷嘴体下部，其入口与环形喷嘴体垂直相接。
进一步地，本发明所述聚焦镜筒通过L型连接板与折射腔体固定相接；所述L型连接板与微位移平台一侧固定相接；所述折射腔体与微位移平台的另一侧固定相接；固定块与L型连接板和折射腔体分别固定连接。
进一步地，本发明所述环形喷嘴为3个，且于环形喷嘴体上呈均匀布置，布置角度120度。
进一步地，本发明所述环形喷嘴的孔距为80～100mm；所述环形喷嘴口径为2～8mm；所述气幕结构中心喷嘴与环形喷嘴通过控制电磁阀进行分时喷气或同时喷气控制。
进一步地，本发明所述反射镜架采用多维调节结构，其中XYZ三个方向的调节范围为0～5mm；反射镜偏转角度调节范围为35～55度。
进一步地，本发明在所述聚焦镜筒下方设有环形LED光源。
本发明整体结构稳定，可有效解决设备振动对视觉激光焦点偏移影响，翘曲晶圆上料吸附率高，加工效率高，废品率低，具有较高可靠性，可满足全自动加工设备中翘曲晶圆加工难题和视觉同轴激光输出观测和加工的要求，提升晶圆（材料）的加工工艺水平。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、本发明通过精密结构设计，使反射镜片、聚焦镜片、显微镜筒三者共线，并设计多维微调反射镜架和垂直方向一维微位移平台，实现了激光光束和视觉可见光束同轴，并可方便调整和固定。
2、本发明通过优化聚焦镜筒连接结构设计，在保证同轴视觉的基础上，增设2个固定块，整体结构简单、可靠，有效提高了激光聚焦性能的稳定输出。
3、本发明在聚焦镜筒下方设计了辅助气幕结构，设计了中心喷嘴1处和环形喷嘴3处，通过辅助气幕结构，控制气幕喷气的间隔，有效解决了翘曲晶圆真空吸附不上的问题，提高晶圆自动上下料结构的上料可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明同轴视觉激光输出装置轴测图；
图2为本发明剖面图；
图3为本发明辅助气幕结构轴测图；
图4为本发明辅助气幕结构剖面图；
图5为微位移平台主视图；
图6为微位移平台侧视图；
图7为反射镜架主视图；
图8为反射镜架仰视图。
图中：1、折射腔体；2、反射镜架；3、反射镜片；4、聚焦镜筒；5、聚焦镜；6、L型连接板；7、微位移平台；8、固定块；9、LED光源；10、显微镜筒；11、工业相机；12、辅助气幕结构；13、中心喷嘴；14、中心喷嘴进气管；15、环形喷嘴体；16、喷嘴；17、激光器装配机构；18、密封圈；19、连接板；20、锁紧螺母；21、调整螺栓；22、千分尺；23、夹片；24、锁紧螺栓；25、反射镜载体；26、滑动平台；27、平台固定座；28、滑轨。
具体实施方式
如图所示，用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，包括折射腔体1、反射镜架2、聚焦镜筒4、显微镜筒10、工业相机11及激光器装配机构17；
所述折射腔体1为三面开口的中空六面体结构；所述激光器装配机构17的出射口与折射腔体1侧面光路通孔垂直相接；所述反射镜架2置于折射腔体1之内，其上设有反射镜片3；所述反射镜架2中心与激光器装配机构17的激光束入射中心共线；所述激光器装配机构17的激光束通过折射腔体1的光路通孔照射到反射镜架2中心，形成激光光束向下垂直折射；
所述显微镜筒10固定垂直设于折射腔体1顶部之上；所述工业相机11固定设于显微镜筒10之上；可见光光束经反射镜架2中心，经显微镜筒10放大，进入工业相机11靶面；
所述聚焦镜筒4经L型连接板固定垂直设于折射腔体1底部。
参见图1、图3及图4所示，本发明还设有辅助气幕结构12；所述辅助气幕结构12的顶部与聚焦镜筒4的底部固定卡接；所述辅助气幕结构12包括中心喷嘴组及环形喷嘴组；所述中心喷嘴组包括中心喷嘴13及中心喷嘴进气管14；所述环形喷嘴组包括环形喷嘴体15及喷嘴16；所述喷嘴16置于环形喷嘴体15下部，其入口与环形喷嘴体15垂直相接。
参见图1所示，本发明所述聚焦镜筒4通过L型连接板6与折射腔体1固定相接；所述L型连接板6与微位移平台7一侧固定相接；所述折射腔体1与微位移平台7的另一侧固定相接；固定块8与L型连接板6和折射腔体1分别固定连接。
参见图3所示，本发明所述环形喷嘴16为3个，且于环形喷嘴体15上呈均匀布置，布置角度120度。
本发明所述环形喷嘴16的孔距为80～100mm；所述环形喷嘴16口径为2～8mm；所述气幕结构12中心喷嘴13与环形喷嘴16通过控制电磁阀进行分时喷气或同时喷气控制。
本发明所述反射镜架2可采用多维调节结构，其中XYZ三个方向的调节范围为0～5mm；反射镜偏转角度调节范围为35～55度。
本发明设计视觉激光同轴输出装置，设计具备激光视觉焦点上下微调的结构，设计激光视觉同轴光路结构、设计45度反射镜调整结构，整体结构稳定，有效解决设备振动对视觉激光焦点偏移的影响。本发明设计翘曲晶圆工作台面吸附辅助非接触式压片结构，设计非接触压片气幕，设计气幕结构和安装方式，实现翘曲晶圆上料吸附率100%。
本发明可用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置是激光束与可见光束的同轴输出结构，同时在此结构上设计有翘曲晶圆上料吸附的压片气幕结构。由激光器装配机构17输出的激光光束平行入射到光路折射腔体1中，到达光路折射腔体1中安装在45度反射镜架2上的反射镜片3中心，反射镜片3设计为激光输出全反射，将激光束垂直向下折射，激光束经聚焦镜筒4到达聚焦镜5中心，并在聚焦镜5下方焦点处汇聚成激光焦点。聚焦镜筒4安装在L型连接板6，聚焦镜筒4中心与反射镜3中心共线。L型连接板6通过微位移平台7与光路折射腔体1连接，可通过调节微位移平台调节聚焦镜到工作台面的工作距离。参见图6、7所示，微位移平台7由夹片23、千分尺22、锁紧螺栓24、滑动平台26、平台固定座27、滑轨28组成，滑动平台26通过螺栓分别与夹片23、千分尺22固定成一体，平台固定座27与滑动平台26通过滑轨28可以产生相对移动，使用时千分尺22端头抵住平台固定座27，通过旋转千分尺22以带动滑动平台26相对于平台固定座27的运动，达到精确调节距离的目的；锁紧螺栓24穿过夹片23的腰型孔与平台固定座27连接，调节好距离后通过将锁紧螺栓24拧入锁紧，将夹片23夹住，进而将滑动平台26相对于滑台固定座固定，以确保距离不变；a面为微位移平台7与折射腔体1连接面。b面为微位移平台7与L型连接板6。L型连接板6通过2件带槽口固定块8与光路折射腔体1相连。在聚焦镜筒下方，设置环形LED光源9，用于提供激光焦点位置的照明。在光路折射腔体1上方开SM1螺纹孔，SM1螺纹孔的中心与反射镜片3中心点共线。在SM1螺纹孔上安装合适参数的显微镜筒10和工业相机11，显微镜筒10和相机11用于定位焦平面特征位置。在聚焦镜筒4上设有翘曲晶圆辅助压片气幕结构12，气幕结构中心喷嘴组与聚焦镜筒4下部连接，中心喷嘴组进气管14与中心喷嘴13侧向连接。气幕结构圆环喷嘴组由圆环喷嘴体15和3个圆周均布的圆环喷嘴16组成。水平激光光束经45度反射镜反射，垂直入射到聚焦镜中心；反射镜片中心、聚焦镜中心、显微镜筒中心三者共线设计，实现激光光束和视觉同轴。通过调节微位移平台，可实现聚焦镜在垂直方向的上下微调。
本发明反射腔体1为三面开口中空六面体结构，与其他结构连接。反射镜架2与折射腔体1采用内藏式结构，反射镜架2中心与激光束入射中心共线，激光束通过折射腔体1的光路通孔照射到反射镜架2中心，形成激光光束向下垂直折射；可见光光束经反射镜架中心，经显微镜筒10放大，进入工业相机11靶面。本发明所述反射镜架2上面安装反射镜片3，反射镜片3与激光光束入射角度为45度，反射镜片采用特殊膜系处理，反射镜片对激光的反射波长根据激光束特征进行选择。反射镜与激光入射方向呈45度角，反射镜反射膜系覆盖紫外、红外、可见光波段。反射镜架2如图7、8所示，它是由连接板19、反射镜载体25、调整螺栓21、锁紧螺母20组成，通过改变3个调整螺栓21的拧入深度可实现多维调节，调整好后拧紧锁紧螺母20固定位置，其中XYZ三个方向的调节范围为0～5mm；反射镜偏转角度调节范围为35～55度，反射镜架2调节完成后，可通过锁紧螺母20锁紧，以便固定反射镜3的角度。
本发明所述辅助气幕结构12由中心喷嘴组和环形喷嘴组组成，气幕结构12卡接在聚焦镜筒4上，中心喷嘴组由中心喷嘴13和中心喷嘴进气管14组成，中心喷嘴13喷嘴口径2～12mm。环形喷嘴组由环形喷嘴体15和3个环形布置的喷嘴16组成。环形喷嘴16口径2～8mm，在环形喷嘴体15上均匀布置，布置角度120度。
本发明聚焦镜筒4通过L型连接板6与折射腔体1连接，L型连接板6通过螺钉连接在微位移平台7上，微位移平台7通过螺钉连接在折射腔体1上；微位移平台7可通过调节千分尺22带动L型连接板6上下精密运动，调节范围±3mm，调节好距离后拧紧锁紧螺栓24后，再拧紧固定块8以使位置完全固定，消除因震动造成的激光点位置变化。本发明辅助气幕结构12中中心喷嘴13和环形喷嘴16通过控制电磁阀控制，可进行分时喷气和同时喷气，环形喷嘴16孔距设置范围80-100mm，对应不同晶圆尺寸。
本发明辅助气幕结构12主要为防止晶圆存在翘曲、扭曲情况，晶圆存在以上情况时，当晶圆被自然放置在工作台上，由于翘曲情况的存在，晶圆与工作台面见存在间隙，工作台面真空吸附时，由于间隙的存在，晶圆不能完全被吸附在工作台上，当工作台运动时，晶圆与工作台存在相对运动，造成晶圆误切。应用辅助气幕结构，控制电磁阀动作，压缩气体分别通过环形喷嘴通道和中心喷嘴通道到达晶圆上表面，气体以设定的流量和压力喷射在晶圆上表面，对晶圆产生垂直向下的正压力，将晶圆片压覆在工作台面上，同时通过工作台面上的真空吸附力，解决因晶圆本身翘曲造成吸附失效，有效提高了晶圆自动上下料系统工作的稳定性能。
本发明的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于，包括折射腔体（1）、反射镜架（2）、聚焦镜筒（4）、显微镜筒（10）、工业相机（11）及激光器装配机构（17）；
所述折射腔体（1）为三面开口的中空六面体结构；所述激光器装配机构（17）的出射口与折射腔体（1）侧面光路通孔垂直相接；所述反射镜架（2）置于折射腔体（1）之内，其上设有反射镜片（3）；所述反射镜架（2）中心与激光器装配机构（17）的激光束入射中心共线；所述激光器装配机构（17）的激光束通过折射腔体（1）的光路通孔照射到反射镜架（2）中心，形成激光光束向下垂直折射；
所述显微镜筒（10）固定垂直设于折射腔体（1）顶部之上；所述工业相机（11）固定设于显微镜筒（10）之上；可见光光束经反射镜架（2）中心，经显微镜筒（10）放大，进入工业相机（11）靶面；
所述聚焦镜筒（4）经L型连接板（6）固定垂直设于折射腔体（1）底部。
2.根据权利要求1所述的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于：还设有辅助气幕结构（12）；所述辅助气幕结构（12）的顶部与聚焦镜筒（4）的底部固定卡接；所述辅助气幕结构（12）包括中心喷嘴组及环形喷嘴组；所述中心喷嘴组包括中心喷嘴（13）及中心喷嘴进气管（14）；所述环形喷嘴组包括环形喷嘴体（15）及喷嘴（16）；所述喷嘴（16）置于环形喷嘴体（15）下部，其入口与环形喷嘴体（15）垂直相接。
3.根据权利要求2所述的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于：所述L型连接板（6）与微位移平台（7）一侧固定相接；所述折射腔体（1）与微位移平台（7）的另一侧固定相接；所述固定块（8）与L型连接板（6）和折射腔体（1）分别固定连接。
4.根据权利要求3所述的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于：所述环形喷嘴（16）为3个，且于环形喷嘴体（15）上呈均匀布置，布置角度120度。
5.根据权利要求4所述的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于：所述环形喷嘴（16）的孔距为80～100mm；所述环形喷嘴（16）口径为2～8mm；所述气幕结构（12）中心喷嘴（13）与环形喷嘴（16）通过控制电磁阀进行分时喷气或同时喷气控制。
6.根据权利要求5所述的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于：所述反射镜架（2）采用多维调节结构，其中XYZ三个方向的调节范围为0～5mm；反射镜偏转角度调节范围为35～55度。
7.根据权利要求6所述的用于翘曲晶圆加工的同轴视觉激光输出装置，其特征在于：在所述聚焦镜筒（4）下方设有环形LED光源（9）。
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