CN112620930B - 半导体激光加工多焦点光路系统、激光系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光加工的多焦点光路系统、激光系统及加工方法，涉及激光加工技术领域。其包括分光组件，用于将对其照射的激光分成第一激光束和/或分出激光，第一激光束用于射入光路模组；挡光组件，用于控制相邻的两个分光组件之间的光路联通或关闭；光路模组，用于分别对第一激光束的聚焦焦距参数进行调节；及光路合并组件，用于调节经过光路模组后的第一激光束的方向，并形成具有至少两个焦点的出射激光。本发明提供的一种多焦点光路系统、激光系统及加工方法，能够增加激光焦点数量，并对每个焦点能量和焦点焦深进行控制，从而解决现有半导体隐形切割时超厚度多次切割、重复切割定位精度差，重复切割影响电性的问题。

Description

半导体激光加工多焦点光路系统、激光系统及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种半导体激光加工的多焦点光路系统、激光系统及加工方法。

背景技术

随着微电子产业的发展，器件越来越小型化，轻便化。随之也会带来有很多问题，单个芯片尺寸越来越小，晶圆厚度也越来越薄，晶圆更加容易断裂。

半导体加工行业提出一种新的加工手段——激光隐形切割技术，即利用穿透率较高的激光束聚焦在晶圆材料内部，并扫描晶圆划片槽位置，使晶圆划片槽内部的材料结构发生变化，形成改质层，再对晶圆施以外力将其分开的一种切割技术。

当前的激光隐形切割技术多采用单焦点或者双焦点方案。激光隐形切割技术中单焦点加工一般需要激光多次扫描材料，该过程耗费大量时间，并且纵向焦点极易离焦，造成切面不平整的问题。双焦点加工一般采用多焦点镜片实现，无法同时调整不同焦点焦深，及其各焦点激光能量及改变焦点数量，无法满足超厚度的切割需求。

因此，亟需一种能够在一组激光下实现多焦点调节控制和改变焦点数量的激光加工技术，以解决隐形切割时超厚度多次切割、重复切割定位精度差，重复切割影响电性的问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种半导体激光加工的多焦点光路系统、激光系统及加工方法，能够增加激光焦点数量，并对每个焦点能量和焦点焦深进行控制，从而解决现有半导体隐形切割时超厚度多次切割、重复切割定位精度差，重复切割影响电性的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多焦点光路系统，用于对激光器发射的入射激光进行调节，包括：

分光组件，所述分光组件设置为a个，所述分光组件用于将对其照射的激光分成第一激光束和/或分出激光，所述第一激光束用于射入光路模组，所述分出激光用于射入其他所述分光组件；

挡光组件，所述挡光组件设置为b个，所述挡光组件用于控制相邻的两个所述分光组件之间的光路联通或关闭；及

光路模组，所述光路模组设置为c个，用于分别对所述第一激光束的聚焦焦距参数进行调节；

光路合并组件，所述光路合并组件设置为d个，所述光路合并组件用于调节经过所述光路模组后的各个第一激光束的方向，并形成具有至少两个焦点的出射激光；

其中，a、c、d均为大于1的自然数，b为不小于1的自然数。

可选地，所述聚焦焦距参数包括激光束的焦深、聚焦直径、发散角中的一种或多种。

可选地，a个所述分光组件，其中，第1个分光组件将所述入射激光分为第一激光束和第一分出激光束，第n个分光组件用于将第n-1分出激光束分为第一激光束和第n分出激光束；第a个分光组件用于将第a-1分出激光束分为第一激光束；

其中，n为小于a的自然数。

可选地，a个所述分光组件，所述分光组件为第一半反半透镜，所述分光组件的中心轴线方向与经过所述分光组件的激光束的传播方向呈45°设置于光路中。

可选地，任一个所述挡光组件包括驱动装置和与所述驱动装置连接的挡光板；

所述驱动装置用于驱动所述挡光板在第一位置和第二位置运动；

当位于所述第一位置时，两个所述分光组件之间的光路联通；

当位于所述第二位置时，两个所述分光组件之间的光路被所述挡光板阻断。

可选地，所述驱动装置为气缸或电机。

可选地，所述光路模组包括依次放置的波片、偏振分光棱镜和扩束镜；

所述波片用于调节通过所述偏振分光棱镜的激光束的能量；所述扩束镜用于调节激光束的激光发散角。

可选地，所述光路模组还包括能量监控组件，所述能量监控组件包括90％可透的第二半反半透镜和能量监控器；

所述激光束通过所述扩束镜后入射至所述90％可透的第二半反半透镜，并被所述90％可透的第二半反半透镜部分反射至所述能量监控器；

所述能量监控器用于监控通过所述光路模组的激光束的能量。

可选地，所述90％可透的第二半反半透镜的中心轴线方向与经过所述第二半反半透镜的激光束传播方向呈45°放置于所述扩束镜的出射光路上。

可选地，所述光路合并组件为正面全反背面全透镜片，所述正面全反背面全透镜片分别设置于若干个所述光路模组的出射光路上。

可选地，所述光路合并组件还包括全反镜片，所述全反镜片用于调节所述出射激光的射出方向。

本发明还提供了一种激光系统，包括激光器和如前所述的多焦点光路系统，所述多焦点光路系统将所述激光器发射的入射激光调节成具有至少两个焦点的出射激光。

本发明还提供了一种多焦点激光加工方法，包括以下步骤：

激光器发射入射激光；

通过如前所述的多焦点光路系统对入射激光进行调节，并发出具有至少两个焦点的出射激光；

将出射激光照射在工件上，形成至少两个激光焦点以用于激光加工。

本发明提供的一种多焦点光路系统，通过分光组件和挡光组件相配合，将入射激光分成第一激光束和/或分出激光；通过控制分光组件的透射和反射比例即可控制各个激光束的能量比；然后第一激光束在经由光路模组进行调节，使得第一激光束的焦深发生变化，从而使得一组入射激光最终分成具有若干个焦点、焦深的出射激光，再经由聚焦镜后照射于工件上进行激光加工，实现了在一组入射激光的多焦点调节控制和改变焦点数量的激光加工。

本发明提供的一种多焦点激光系统和多焦点激光加工方法，能够实现一组激光下的多焦点调节控制和改变焦点数量的激光加工，可以根据需要调节激光焦点数量及每个焦点能量及各焦点焦深，可使得超厚半导体晶圆的隐形切割仅需一次切割即可。

本发明提供的一种多焦点激光加工方法，对于超厚半导体晶圆的隐形切割，无需再进行多次切割、重复切割，从而避免了多次切割、重复切割导致的定位精度差、影响电性的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种多焦点光路系统的结构示意图；

图2是根据图1所示的多焦点光路系统的实际使用状态示意图；

图3是一个具体实施例中的多焦点光路系统的具体结构示意图；

图4是另一个具体实施例中的多焦点光路系统的具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，本发明提供的一种用于半导体激光加工的多焦点光路系统，用于对激光器2发射的入射激光21进行调节。其中，半导体激光加工的半导体可以为miniLED和晶圆等。一般地，多焦点光路系统1可以包括：a个分光组件10、b个挡光组件20、c个光路模组30和d个光路合并组件40。其中，a、c、d均为大于1的自然数，b为不小于1的自然数。

分光组件10用于将入射激光21分成第一激光束和/或分出激光。挡光组件20分别设置于相邻的两个分光组件10之间。挡光组件20用于控制阻挡相邻的两个分光组件10之间的光路联通。经由分光组件10分出的第一激光束分别经由光路模组30，并通过光路模组30对第一激光束的聚焦焦距参数进行调节。可选地，其调节的聚焦焦距参数与激光束的聚焦焦距/焦深有关，以使得第一激光束经由光路模组30调节后具有不同的聚焦焦距/焦深。聚焦焦距参数可以是包括激光束的焦深、聚焦直径、发散角度等中的一种或多种。第一激光束经由光路模组30调节后，再经由光路合并组件40改变激光束传播方向，使各个第一激光束合并为同一个方向的出射激光22。出射激光22可经由聚焦镜或直接照射于工件上，以用于激光加工。

具体地，a个分光组件中，第1个分光组件将入射激光21分为第一激光束和第一分出激光束，第n个分光组件用于将第n-1分出激光束分为第一激光束和第n分出激光束；第a个分光组件用于将第a-1分出激光束分为(反射为)第一激光束；其中，n为小于a的自然数。

如图1和2所示，在相邻的分光组件10之间的光路上分别设置有一个挡光组件20，即挡光组件20的数量为N-1个。每一个分光组件10后方的光路上分别设置有一个光路模组30。每一个光路模组30后方的光路上分别设置有光路合并组件40。

需要理解的是，实际上，对挡光组件20的数量并不做限制。挡光组件20的数量可以是任意的。例如，当挡光组件20的数量为0时，本发明提供的一种多焦点光路系统，其激光的焦点数量与分光组件10和光路模组30的数量一致，对焦点的个数无法进行增多或减少。

例如，在图2中，当a为4时。4个分光组件分别为第一分光组件101、第二分光组件102、第三分光组件103、第四分光组件104。在相邻的分光组件之间的光路上分别设置有一个挡光组件20。可选地，分光组件10为第一半反半透镜，每一个分光组件10的第一半反半透镜的反射比例和透射比例均为可根据分光需要进行选择。例如第一分光组件101为一个75％反射和25％透射的第一半反半透镜，第二分光组件102为一个反射33％透射67％的第一半反半透镜，第三分光组件103为一个反射50％透射50％的第一半反半透镜，第四分光组件104为一个反射100％透射0％的第一半反半透镜(也即全反镜，当然地，第四分光组件104也可以是其他反射比例和透射比例的第一半反半透镜)。光路合并组件40调节经过若干个光路模组30调节后的各个激光束的方向，以使得若干个第一激光束从同一方向射出。光路合并组件40为正面全反背面全透镜片。正面全反背面全透镜片分别设置于若干个光路模组30的后方光路上。

当a为4时，如上述选择4个分光组件10的反射比例和透射比例，可以使得分出的4束激光束为能量相同的激光束。如图2示出了入射激光21在光路盒50内的光路变化。激光器2发射的入射激光21经由入光口51进入多焦点光路系统1的光路盒50内部，然后照射于第一分光组件101上，25％的入射激光21透射并照射于一个光路模组301中，此为第一激光束。然后，第一激光束经由光路模组301调节后，照射于第一个光路合并组件401上，第一个光路合并组件401为全反镜片或者背面全透正面全反镜片，然后再依次照射于三个光路合并组件402、403、404后，由出射口52射出。三个光路合并组件402、403、404均为背面全透正面全反镜片。

入射激光21照射于第一分光组件101上，其75％的入射激光21被反射并照射于第二分光组件102，此为第一分出激光束。然后，第一分出激光束的33％被反射至一个光路模组302中，此为第一激光束。然后，第一激光束经由光路模组302调节后，照射于第二个光路合并组件402上，第二个光路合并组件402为背面全透正面全反镜片，然后再依次照射于两个光路合并组件403、404后，由出射口52射出。

经过第二分光组件102的激光束的另67％被透射至第三分光组件103，此为第二分出激光束。然后，第三分光组件103再将第二分出激光束的50％反射至一个光路模组33中，此为第一激光束。然后，第一激光束经有光路模组303调节后，照射于第三个光路合并组件403上，第三个光路合并组件403为背面全透正面全反镜片，然后再依次照射于下一个光路合并组件404后，由出射口52射出。

经过第三分光组件103的激光束的另50％被透射至第四分光组件104，此为第三分出激光束。然后再由第四分光组件104全部反射至一个光路模组304中，此为第一激光束。然后，第一激光束经由光路模组304调节后，照射于第四个光路合并组件404上，第四个光路合并组件404为背面全透正面全反镜片，然后再由出射口52射出。

在本实施例中，4个分光组件10共分出4个第一激光束，每一个第一激光束经由不同的光路模组30进行调节，使得各个激光束的聚焦焦距/焦深各不相同(当然地，也可选部分的激光束的聚焦焦距/焦深相同)，最后被合并为一个方向的出射激光22。

在一个可选地实施方式中，若干个光路模组30的光路平行设置。分光组件10的第一半反半透镜均以其中心轴线与激光方向呈45°放置于光路中，使得4个分光组件10分出的4个第一激光束相互平行。光路合并组件40也以其中心轴线与激光方向呈45°放置于光路中，从而使4个第一激光束的方向合并为同向的一个出射激光22。

需要理解的是，本发明中分光组件10的数量可以根据需要进行增加或减少，a个分光组件10可分出a个第一激光束，从而被光路模组调节后，即可形成具有a个聚焦焦点的出射激光。通过对每个第一激光束的光路模组进行调节，可任意控制每一个第一激光束的聚焦焦点和焦深，从而实现将一组入射激光最终分成具有若干个焦点、焦深及能量不同/相同的出射激光，再经由聚焦镜后照射于工件上进行激光加工，实现了在一组激光下的多焦点调节控制和改变焦点数量的激光加工。

如图1和2所示，在a个分光组件10之间还设置有挡光组件20。挡光组件20包括驱动装置和与驱动装置连接的挡光板。驱动装置用于驱动挡光板运动，当挡光板移动至两个分光组件10之间的光路时阻挡该光路联通。挡光组件20的数量b不大于a-1。驱动装置为气缸或电机。如图2中，第一个挡光组件201用于控制第一分光组件101和第二分光组件102之间的光路通断；第二个挡光组件202用于控制第二分光组件102和第三分光组件103之间的光路通断；第三个挡光组件203用于控制第三分光组件103和第四分光组件104之间的光路通断。当驱动装置驱动挡光板伸出时，挡光板可以阻挡光路畅通；当驱动装置驱动挡光板缩回时，光路畅通。可选地，挡光板选用全反镜片。通过控制装置(图中未示出)控制各个挡光组件20，进而控制a个分光组件10的实际分光数量，即，可以实现对分出的第一激光束的数量的控制。如控制第三个挡光组件203伸出以阻挡光路，即可使得本实施例中的4个分光组件10分出3个第一激光束，最终实现出射激光具有3个不同的聚焦焦深和焦点的目的。通过若干个分光组件和挡光组件相配合，实现了在一组激光下的多焦点调节控制和改变焦点数量的激光加工。

如图3所示，在一个具体的实施方式中，光路模组30包括依次放置的波片311、偏振分光棱镜312(即PBS，polarization beam splitter，能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光)和扩束镜313。波片311用于调节通过偏振分光棱镜312的第一激光束的能量；扩束镜313是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件，用于调节激光束的激光发散角。通过波片与PBS组合进行能量调节后摄入扩束镜即可实现对第一激光束的焦深的调节。可选地，光路模组30还包括能量监控组件。能量监控组件用于监控通过光路模组30的第一激光束的能量。能量监控组件包括第二半反半透镜314和能量监控器315。第一激光束通过扩束镜313后先入射至第二半反半透镜314，然后部分反射至能量监控器315上，能量监控器315可以检测到接收到的第一激光束的能量大小。

可选地，第二半反半透镜314为90％可透半反半透镜，并以其中心轴线与光路呈45°放置于扩束镜313的后端。从而，第一激光束经由第二半反半透镜314时，90％的第一激光束可透射至光路合并组件40，10％的第一激光束反射在能量监控器315上以用于显示激光束的能量大小。10％的第一激光束反射在能量监控器315上并传输给控制程序进行转换功率计算出透射激光的实际功率。

需要理解的是，光路模组30并不仅限于上述实施例中提到的波片、偏振分光棱镜和扩束镜的组合，还可以是本领域技术人员所熟知的其他的用于调节激光束的聚焦焦深或焦点位置的光学组件。

可选地，如图4所示，光路合并组件40还包括全反镜片42。全反镜片42用于调节出射激光22的射出方向。多焦点光路系统1的光路盒50内还设置有激光器2和全反镜片6，通过全反镜片6可以调节入射激光21的方向。

本发明提供的一种多焦点光路系统，通过分光组件和挡光组件相配合，将入射激光分成第一激光束和/或分出激光；通过控制分光组件的透射和反射比例即可控制各个激光束的能量比；然后第一激光束在经由光路模组进行调节，使得第一激光束的焦深发生变化，从而使得一组入射激光最终分成具有若干个焦点、焦深的出射激光，再经由聚焦镜后照射于工件上进行激光加工，实现了在一组入射激光的多焦点调节控制和改变焦点数量的激光加工。

本发明还提供了一种多焦点激光系统，包括激光器2和如前所述的多焦点光路系统1。多焦点光路系统1将激光器2发射的入射激光21调节成具有至少两个焦点的出射激光22。多焦点光路系统1的具体结构和原理见前述，在此不再一一赘述。需要理解的是，多焦点光路系统1可以是独立的光路调节模块，也可以是集成安装于激光器的其他模块中使用。

本发明还提供了一种多焦点激光加工方法，包括以下步骤：

激光器2发射入射激光21；

通过如前所述的多焦点光路系统1对入射激光21进行调节，并发出出射激光22；

将出射激光22直接照射/通过聚焦镜3后照射在工件4上，形成若干个激光焦点以用于激光加工；

其中，多焦点光路系统1对入射激光21进行调节时，通过控制挡光组件20是否阻挡光路联通，以控制分出的激光束的个数，分出的每一个第一激光束均通过相应的光路模组调节并具有相应的激光焦点。

本发明提供的一种多焦点激光加工方法，其主要在于使用分光组件和挡光组件相配合，以将入射激光分成若干个第一激光束，然后每一个第一激光束在经由光路模组进行调节，从而使得一组入射激光最终分成具有若干个焦点、焦深及能量不同的出射激光，再经由聚焦镜后照射于工件上进行激光加工。通过对分光组件的选择(对各个分光组件的半透半反棱镜的透射和反射比例根据需要进行选择)，和对挡光组件控制，使得可以控制一组入射激光的分化。

本发明提供的一种多焦点激光加工方法，可以根据需要调节激光焦点数量及每个焦点能量及各焦点焦深，可使得超厚半导体晶圆的隐形切割仅需一次切割即可。

本发明提供的一种多焦点激光加工方法，对于超厚半导体晶圆的隐形切割，无需再进行多次切割、重复切割，从而避免了多次切割、重复切割导致的定位精度差、影响电性的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多焦点光路系统，用于对激光器发射的入射激光进行调节，其特征在于，包括：

分光组件，所述分光组件设置为a个，所述分光组件用于将对其照射的激光分成第一激光束和/或分出激光，所述第一激光束用于射入光路模组，所述分出激光用于射入其他所述分光组件；

挡光组件，所述挡光组件设置为b个，所述挡光组件用于控制相邻的两个所述分光组件之间的光路联通或关闭；

所述挡光组件包括驱动装置和与所述驱动装置连接的挡光板；

所述驱动装置用于驱动所述挡光板在第一位置和第二位置运动；

当位于所述第一位置时，两个所述分光组件之间的光路联通；

当位于所述第二位置时，两个所述分光组件之间的光路被所述挡光板阻断；

光路模组，所述光路模组设置为c个，用于分别对所述第一激光束的聚焦焦距参数进行调节；

所述光路模组包括依次放置的波片、偏振分光棱镜和扩束镜；

所述波片用于调节通过所述偏振分光棱镜的激光束的能量；所述扩束镜用于调节激光束的激光发散角；

每一个分光组件的第一半反半透镜的反射比例和透射比例均为可根据分光需要进行选择；

所述光路模组还包括能量监控组件，所述能量监控组件包括90％可透的第二半反半透镜和能量监控器；

所述激光束通过所述扩束镜后入射至所述90％可透的第二半反半透镜，并被所述90％可透的第二半反半透镜部分反射至所述能量监控器；

所述能量监控器用于监控通过所述光路模组的激光束的能量；

光路合并组件，所述光路合并组件设置为d个，所述光路合并组件用于调节经过所述光路模组后的各个第一激光束的方向，并形成具有至少两个焦点的出射激光；

其中，a、c、d均为大于1的自然数，b为不小于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的多焦点光路系统，其特征在于，所述聚焦焦距参数包括激光束的焦深、聚焦直径、发散角中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的多焦点光路系统，其特征在于，a个所述分光组件，其中，第1个分光组件将所述入射激光分为第一激光束和第一分出激光束，第n个分光组件用于将第n-1分出激光束分为第一激光束和第n分出激光束；第a个分光组件用于将第a-1分出激光束分为第一激光束；

其中，n为小于a的自然数。

4.根据权利要求3所述的多焦点光路系统，其特征在于，a个所述分光组件，所述分光组件为第一半反半透镜，所述分光组件的中心轴线方向与经过所述分光组件的激光束的传播方向呈45°设置于光路中。

5.根据权利要求4所述的多焦点光路系统，其特征在于，所述驱动装置为气缸或电机。

6.根据权利要求1所述的多焦点光路系统，其特征在于，所述90％可透的第二半反半透镜的中心轴线方向与经过所述第二半反半透镜的激光束传播方向呈45°放置于所述扩束镜的出射光路上。

7.根据权利要求3所述的多焦点光路系统，其特征在于，所述光路合并组件为正面全反背面全透镜片，所述正面全反背面全透镜片分别设置于若干个所述光路模组的出射光路上。

8.根据权利要求7所述的多焦点光路系统，其特征在于，所述光路合并组件还包括全反镜片，所述全反镜片用于调节出射激光的射出方向。

9.一种多焦点激光系统，其特征在于，包括激光器和如权利要求1-8中任一项所述的多焦点光路系统，所述多焦点光路系统将所述激光器发射的入射激光调节成具有至少两个焦点的出射激光。

10.一种多焦点激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

激光器发射入射激光；

通过如权利要求1-8中任一项所述的多焦点光路系统对入射激光进行调节，并发出具有至少两个焦点的出射激光；

将出射激光照射在工件上，形成至少两个激光焦点以用于激光加工。

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