CN1285103C - 用于自衬底切割器件的方法和设备 - Google Patents

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CN1285103C CNB2003101231664A CN200310123166A CN1285103C CN 1285103 C CN1285103 C CN 1285103C CN B2003101231664 A CNB2003101231664 A CN B2003101231664A CN 200310123166 A CN200310123166 A CN 200310123166A CN 1285103 C CN1285103 C CN 1285103C
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Abstract

本发明公开了一种用于切割包括附着于集成器件阵列的半导体衬底的晶片的方法和系统,包括将晶片放置在工作台上,如包括具有多孔安装表面的真空吸盘的可移动X-Y工作台;在切割期间和之后通过经所述孔的真空压力将晶片固定。利用具有被控制偏振的固体激光器将激光能量脉冲引向衬底来切割晶片。可以将粘膜贴附在分离的管芯上以将它们从安装表面上移走,或者管芯还可以其它方式在切割之后从晶片上移走。

Description

用于自衬底切割器件的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于制造集成器件管芯(die)的系统和工艺,如集成电路和激光二极管,包括形成在衬底上的二极管激光器。更特别地,本发明提供在将晶片切割成独立的管芯期间固定具有衬底的晶片,且进一步提供在晶片切割工艺期间和之后固定从晶片分离的管芯。
背景技术
蓝宝石Al2O3在商用的激光二极管制造系统中用作氮化镓GaN生长的衬底,且还可以充当成品的衬底。然而,蓝宝石衬底的使用引入了某些问题。
例如,蓝宝石是电绝缘体,这当其在激光二极管的制造中用作晶片衬底时导致了问题。因为它是绝缘体,所以与二极管的电触点通常被放置在晶片的有源表面,且这些触点占用了否则可以用于产生和发射光的区域。
已经致力于实现使用具有其它衬底的GaN的激光二极管。这些方法一般包括将GaN从其所生长的蓝宝石衬底上移开,然后将其重新安置到另一衬底。这种方法的优点起因于铜或其它金属衬底是良好的热和电传导材料。具有金属衬底的发光二极管或激光二极管LED可以用更高的电流驱动且产生更亮的输出。另外,具有向衬底良好导电性的器件仅需要在有源表面上一个引线接合,并其产生更高的输出。而且,用于GaN生长的蓝宝石衬底可以再利用以减少成本。
例如,US专利6,365,429教导一种方法,通过该方法,“在激光二极管阵列结构生长之后去除蓝宝石衬底简化了向激光二极管阵列提供电触点并避免了在允许将优良的散热片附着到激光二极管阵列上时的特殊结构。激光二极管阵列可以在衬底去除之前或之后通过焊接、热压键合或其它方法附着到导热的晶片上。”(Col.2 11.20-28)然而,在商业规模上还没有应用公知的方法或工具,来切割这种类型的晶片。
将基于蓝宝石或晶体半导体衬底的晶片分离成管芯的现有方法包括在首次将晶片粘附到称之为“蓝带”的柔性片之后对晶片划线。在划线之后,施加机械压力以沿划线断裂晶片,留下附在柔性片上的管芯以便于它们随后的移去。
然而,使用划线技术不能将具有金属衬底的晶片分离成管芯。更确切地,具有金属衬底的晶片,例如具有由铜制成的衬底的晶片,必须完全被切穿,以获得分离的管芯。完全切穿晶片会有损于附着在晶片上的粘附片,除非有可能非常精确地控制切割工艺。此外,如果为了避免损伤,在切割管芯之前不将粘附片附着在晶片上,则在晶片切割期间及之后将会很难操纵分离的管芯。因此,需要在晶片切割期间及之后固定晶片和分离的管芯的方法和系统。
因此期望提供一种用于将具有半导体、导体或金属衬底的晶片切片的系统和方法,用于以使得管芯制造产量最大的有效方法大规模制造管芯。而且希望这种系统简单、安全操作且低成本。
发明内容
因此本发明的目的是提供将衬底固定到安装表面,以便执行基本上贯穿衬底的切割,由此允许根据切割图形将衬底分离成管芯。本发明的另一目的是提供在切割工艺期间及之后将分离的管芯固定到安装表面。
本发明的一个实施例是提供一种用于将晶片切片的方法,该方法包括:将晶片安装在具有安装表面的多孔元件上;通过多孔元件中的孔向晶片施加吸力来将晶片固定到安装表面上;将晶片切割成单独的管芯,剩余的管芯通过施加的吸力被固定在安装表面。
本发明提供一种方法,该方法包括:安装具有衬底的晶片;和在工作台(stage)如可移动的X-Y工作台上承载集成器件阵列,该工作台进一步包括设置有多孔安装表面的真空吸盘。通过安装表面的孔施加吸力来将晶片固定到安装表面。在一个实施例中,利用固体激光器将激光能量引向晶片表面来切割晶片,以形成多个基本贯穿晶片厚度的切口,由此将晶片切片。采用本方法切割晶片贯穿晶片切割切口,该切口的宽度优选在10-20微米的范围内。
本发明适合于制造基于氮化镓结构的蓝色激光二级管,该氮化镓结构从其生长的衬底上移开然后安装在一衬底上。此处的衬底包括金属、半导体和其它化合物或特别与蓝宝石相比相对导电的且提供优良的导热性和导电性中的至少一种的材料。本发明还可以应用包括蓝宝石的非衬底。根据本发明,晶片上器件密度越大,会获得越高的生产量,同时也减小将晶片切割成单独的管芯所需的时间。而且,本发明基于简单、低成本的机器,另外还减少用于这种集成器件管芯的整体制造成本。
根据本发明,X-Y工作台包括设置有薄的多孔安装表面(thin porousmounting surface)的真空吸盘。在各实施例中,多孔安装表面包括具有密集微小孔的薄纸、塑料、陶瓷或金属圆盘,通过该微小孔可以向放置成直接与安装表面接触的晶片施加负压。多孔元件的实施例包括多孔纸、气体过滤器、烧结的陶瓷盘或板、以及由各种成分制成的烧结金属盘和板中的一种或多种。
同样根据本发明的实施例,安装表面包括可移动元件。可移动元件的使用进一步允许安装表面由于磨损或污染在需要时迅速替换。
在一些实施例中使用的在晶片中切割切口的激光能量应该具有在衬底材料中高度吸收的波长。此外,波长应该选择成使得它在衬底中吸收的程度远大于在多孔元件中吸收的程度,以便当衬底切穿且激光作用于多孔元件时,对多孔元件造成最小限度的损伤。对于铜和类似的金属衬底,波长优选在大约560纳米以下,且更为优选地在大约150至560纳米之间。另外,以足够完全贯穿晶片切割切口的水平来确定能量密度、光斑尺寸和脉冲持续时间。系统的控制,如通过在保持静止的脉冲光路径的同时移动工作台,使脉冲按切割图形以使得连续的脉冲的交叠足以切穿衬底及晶片的其它部分的运动速率来接触衬底。
本发明的实施例采用能量密度在大约每平方厘米10与100焦耳之间、脉冲持续时间在大约10与30纳秒之间,且光斑尺寸在大约5与25微米之间的激光脉冲。脉冲的重复频率大于5kHz,且优选范围从大约10kHz至50kHz或更高。工作台以导致脉冲的交叠在50%至99%量值之内的运动速率移动。通过控制脉冲频率、工作台的运动速率和能量密度,可以精确地控制切割深度,以便在使得到达固定晶片的安装表面的激光能量最小的同时切穿晶片。
在本发明的实施例中,固体激光器包括二级管泵浦Q-开关Nd:YVO4激光器,其包括诸如像LBO那样的非线性晶体的谐振频率发生器,以便在由掺杂钕的固体激光器所产生的1064纳米光谱线的第二、第三、第四和第五谐振频率之一处提供激光输出。在特定的系统中,提供大约355纳米的第三谐振频率。在其它实施例中,固体激光器包括Q-开关Nd:YAG激光器,其工作以提供一个作为输出的谐振频率。
在本发明的实施例中,该方法包括:探测衬底边缘同时将脉冲按切割图形引向衬底。响应于被探测的边缘,系统防止辐射脉冲被导向衬底之外。
本发明的实施例将激光辐射脉冲引向晶片衬底的背面。
这样,本发明的实施例包括:在工作台上安装晶片;在使衬底的切割按衬底背面上的切割图形进行的条件下移动晶片;和在切割处理中探测衬底的边缘以防止激光辐射脉冲冲击安装表面。
通过激光能量将由切割图形限定的管芯从晶片分离,同时通过安装表面的孔施加的吸力持续将它们固定在切割之前它们在安装表面上所占据的基本上相同的位置。在一个实施例中,在完成将晶片切片后将胶带放置在分离的管芯上,以允许将管芯作为一组移走,并方便于它们在随后制造步骤中的操纵。此外,从晶片分离的管芯保持粘附在胶带上直到使用拾取和安放机械手或其它技术移走为止。
本发明特定的实施例还提供相对于切割图形中切口的方向控制激光脉冲的偏振。偏振控制成使得切口对于平行于不同轴切割的切口更加均匀。在一些实施例中可以通过脉冲的随机或圆偏振来提高均匀性。更为优选地,脉冲的偏振控制成使得偏振是线性的并平行于被切割的切口。本发明的实施例利用光路中具有可调起偏器的激光器来提供偏振的控制,该可调起偏器诸如是半波片。
本发明还提供用于切割具有衬底的晶片的系统,如上所述该系统包括:固体激光器;具有真空吸盘的工作台,该真空吸盘具有适合于支撑和移动衬底的多孔表面;光学系统,其引导脉冲以冲击安装在工作台上的衬底;边缘探测系统,该系统在工作台移动期间探测安装在工作台上的衬底边缘;和控制系统。本发明实施例中的控制系统包括:耦接到固体激光器、工作台和边缘探测系统的计算机系统。计算机响应于边缘探测系统和用户设置的参数,使脉冲以导致连续的脉冲叠加足以切割衬底中的切口的运动速率按切割图形冲击衬底。本发明的实施例还包括与工作台耦合的碎屑排放系统(debris exhaust system)。
本发明的实施例包括设置切割图形和包括脉冲重复频率、工作台速度和能量级的操作参数的逻辑用户界面(user interface with logic),以确定切口深度、切割速度和工艺的其它特征。
根据本发明的一个方面,提供一种用于切割工件的方法,包括:将工件放置在具有安装表面的多孔元件上;通过经多孔元件的孔向工件施加吸力来将工件固定在安装表面上;使用激光能量来贯穿该工件切割并且无开裂地将该工件分隔成单独的元件,该元件通过施加的吸力保持固定在安装表面上。
根据本发明的一个方面,提供一种用于制造激光二级管的方法,包括:在导体或半导体衬底上形成激光二级管阵列;将导体或半导体衬底放置在多孔元件的安装表面上;通过经多孔元件中的孔施加吸力而将衬底固定在安装表面上;和利用激光能量来贯穿该导体或半导体衬底切割并且无开裂地将阵列中的激光二极管分隔成单独的元件,该元件通过所施加的吸力保持固定在安装表面上。
根据本发明的一个方面,提供一种用于从导体或半导体衬底上的集成器件阵列中分离集成器件的系统,包括:激光器,其产生激光能量;工作台,其适于支撑和移动该导体或半导体衬底,工作台包括真空吸盘,该真空吸盘具有适于通过经多孔安装表面中的孔的吸力将导体或半导体衬底固定在工作台上的多孔安装表面;光学系统,其引导激光能量以冲击在工作台上固定的导体或半导体衬底;以及控制系统,其耦接于激光器和工作台,控制系统控制激光器和工作台,使激光能量以足以贯穿导体或半导体衬底地切割切口的运动速率按照一定图形冲击该导体或半导体衬底,其中该激光能量具有一波长,该波长被该导体或半导体衬底吸收的程度大于被该多孔安装表面吸收的程度。
根据本发明的一个方面,提供一种用于从导体或半导体衬底上的激光二级管阵列分离激光二级管的系统,包括:Q开关固体激光器,其产生波长在150至560纳米之间、脉冲持续时间小于30纳秒且光斑尺寸小于25微米、重复频率大于10kHz的激光能量脉冲;工作台,其适合于支撑、移动导体或半导体衬底,该工作台包括真空吸盘,该真空吸盘具有适合于通过经多孔安装表面中的孔的吸力将导体或半导体衬底固定在工作台上的多孔安装表面;光学装置,其引导脉冲以冲击固定在工作台上的导体或半导体衬底;边缘探测系统,其在工作台运动期间探测安装在工作台上的导体或半导体衬底的边缘;以及控制系统,其耦接于固体激光器、工作台和边缘探测系统,控制系统控制激光器和工作台,并响应于边缘探测系统,使得脉冲按照一图形以如下的运动速率冲击导体或半导体衬底,该运动速率使得连续脉冲的叠加足以贯穿导体或半导体衬底地切割切口。
从下面的附图、详细说明和权利要求书可以看出本发明的其它方案和优点。
附图说明
图1是根据本发明的晶片切割系统的简化框图;图2是根据本发明的一个实施例的小型便携式晶片切割系统的透视图;图3是包括用于本发明的晶片切割系统的激光系统和光学系统的简化框图;图4是根据本发明的一个实施例的边缘探测的简化框图;图5是根据本发明的一个实施例的晶片切割系统的X-Y工作台的透视图,该工作台包括具有多孔安装表面的真空吸盘和碎屑排放系统;图6是根据本发明的包括集成激光二级管阵列的衬底上的切口图像;图7是在本发明的晶片切割系统中采用的晶片、多孔元件和真空吸盘的透视图;图8是示出典型切割图形的晶片的俯视图;图9示出根据本发明的一个实施例将柔性的胶带施加到切割晶片的工艺;图10示出在从切割系统的工作台上移去之后粘附到胶带上的元件阵列;图11是根据本发明的制造方法的基本流程图;图12A-12C示出激光脉冲的偏振与对均匀的V形沟槽划线方向的划线之间的关系。
具体实施方式
参考图1至12A-12C提供本发明实施例的详细描述。
图1是根据本发明的晶片切割系统的简化框图。在示出的实施例中,包括衬底和有源层的晶片14以其有源表面朝下的方式安装在可移动的X-Y工作台15上。工作台15包括多孔元件25,在多孔元件上,通过穿过多孔元件表面上的孔的吸力将晶片固定。通过UV物镜13将高密度UV激光能量引向晶片的衬底表面。二级管泵浦固体激光器10以kHz范围内的重复频率产生高密度UV和接近于UV的脉冲。在优选的系统中,激光器包括Q开关Nd:YVO4介质,该介质以大于10kHz的重复频率传送作为激光脉冲流的第三谐振输出,脉冲持续时间大约40纳秒。利用光学传送系统11和反射镜12向紫外光物镜13提供脉冲,该物镜13将脉冲聚焦在晶片14上。
晶片14支撑在X-Y工作台15上的真空吸盘上。在示出的实施例中,晶片以其有源表面朝下的方式支撑在具有安装表面的多孔元件25上。真空系统通过安装表面的孔向晶片14施加吸力,由此在X-Y工作台在UV物镜下移动的同时紧固地将晶片固定到真空吸盘上,以利用激光能量按照切割图形切割晶片。气体碎屑除去系统16与排气系统和真空系统17合作来除去由衬底和晶片材料的烧蚀而产生的碎屑。
图2是本发明的一个实施例中的晶片切割系统的透视图。X-Y工作台15和多孔元件25位于显微镜52的下面。二级管泵浦固体激光器是小型低成本的以便其有效地安装图示的车上。在车上包含计算机和其它系统电子部件。计算机键盘50安装在键盘托架上,该键盘托架可以滑进和滑出车子。平面显示器51安装在旋转基座上,以便其在车子移动和存储期间可以折叠。该系统包括显微镜52,其能够在切割工艺期间观察晶片。显微镜52还用来传送在切割晶片中使用的激光能量。由摄像机22所产生的图像,和图形用户界面工具以及其它显示结构利用显示器51呈现给用户。
X/Y工作台包括在6英寸的平台上的用于在对准和切割期间夹持2英寸的晶片的真空吸盘,该真空吸盘具有设置有至少2.5英寸直径的安装表面的多孔元件。在本发明的一些实施例中多孔元件是可移动的。在名称为真空吸盘的美国专利No.4,906,011中描述一种适合于本发明使用的典型的真空吸盘。
在一个实施例中,多孔元件的晶片夹持表面由烧结的陶瓷材料制成。对于这些烧结的陶瓷安装元件的代表性例子,晶片安装或夹持表面具有尺寸在0.15μm与10μm之间范围内的孔,孔隙度范围在体积的25%与75%之间。
在本发明的其它实施例中,多孔元件的晶片夹持表面由烧结的金属材料制成。对于这些烧结的金属安装元件的代表性例子,晶片安装或夹持表面具有尺寸在1μm与20μm之间范围内的孔,孔隙度范围在体积的10%与60%之间。
在本发明的另一些实施例中,多孔元件的晶片夹持表面由柔性多孔材料制成,如纸或塑料。对于这些柔性多孔安装元件,孔的分布根据所采用的多孔材料的类型而变化。在本发明的一些实施例中,多孔元件是一次性的,且在切割工艺期间可以在晶片之间去除和更换,成本低。在一个示例性的实施例中,多孔元件包括一张商用的通常用于清洁光学镜头的镜头纸。
一般地,本发明的实施例作为半自动全套系统提供,该系统采用安装在车上的台面(tabletop)激光器系统和计算机。该系统提供晶片的人工加载和卸载。然而,本发明也考虑到自动的晶片加载和卸载系统。代表性的系统适合于接收具有例如大约250至300平方的管芯尺寸的两英寸衬底晶片。容易处理较小和较大的管芯尺寸。对于普通的激光二极管管芯,晶片厚度的范围从大约80至200微米。人工地将晶片放置在工作台上并利用真空吸盘的吸力固定。晶片的人工对准可以利用人工工作台控制。利用晶片工作台的计算机控制和在X-和Y-方向上的可控速度来实现软件控制的切割图形。该系统包括一类(class one)激光器系统,该激光器系统在工作条件下产生小于20微米的光斑尺寸。将切口切至接近于晶片厚度的尺寸,更为优选地等于晶片的厚度。由碎屑除去喷口使用氮气并利用排气泵排出。由于将激光的波长选择成使得其不被多孔元件显著吸收,从而对安装表面造成最小损伤或无损伤,且由于边缘探测工艺,在晶片切割工艺中维持更大的生产量。
在优选实施例中的激光器系统是提供335纳米波长输出的光电Q-开关二级管泵浦第三谐振Nd:YVO4。该脉冲在目标表面上、在1/e2峰值度光斑尺寸处具有10至15微米或更小直径的TEM00强度分布图。激光脉冲持续时间为大约40纳秒或更小,且更为优选地在大约30与10纳秒之间,例如大约16纳秒。
激光器系统的基本结构如商用的由本发明的受让人福利蒙特CA的New Wave Research制造的Acculase SS10激光器系统。
计算机系统允许对于限定的切割图形,激光和工作台移动的自动控制,这可以利用计算机来实现。晶片布局图和切割限定功能允许包括工作台旋转控制的切割图形的建立。视频重叠在软件控制窗口内展示出实况视频,以促进工艺的设定和监控。通过用户界面提供对包括激光能量、重复频率和工作台速度在内的切割参数的控制,使得操纵者在划线工艺的深度和质量方面可以精确控制。图形对准功能允许切割图形在X-、Y-和正交方向移动以在设定期间与实际的晶片位置相匹配。
图3是用于根据本发明的切割系统的一个实施例的光路的基本布局图。光路包括激光器50、将激光器的输出传送到安装在多孔元件78的安装表面上的衬底74的光学系统,该多孔元件78在安装于X-工作台76和Y-工作台77上的真空吸盘75上。在该实施例中,多孔元件78附着于真空吸盘75。在其它实施例中,多孔元件78在操作期间通过吸力固定到真空吸盘上。
激光器包括由高反射镜51与输出耦合元件59限定的谐振腔。包括光束扩展器52、激光介质棒53、柱面透镜56、二级管阵列55、薄膜起偏器56、薄膜起偏器57和电光Q开关58。操作二级管阵列以泵浦棒53以在Nd:YVO4的1064nm光谱线诱发谐振。输出光束通过球面聚焦透镜62通过非线性晶体63引向旋转镜60和旋转镜61。非线性晶体63产生第二谐振并沿着穿过球面聚焦透镜64的主线将第二谐振传递到第二非线性晶体65。第二非线性晶体产生第三谐振输出,其中,该第三谐振将被传送到旋转镜/滤光镜66和旋转镜/滤光镜67以及半λ波片68。波片68被监控并充当用于输出光束的可控起偏器。波片68可用于相对于切割方向对准输出光束的偏振,以使得由激光脉冲切割的切口在X-和Y-方向上均匀一致。在大约355纳米波长处输出的第三谐振传送到包括旋转镜69、光束扩展器70、旋转镜71、旋转镜72和到衬底74的物镜73的光学系统。在该实施例中物镜73是20X的透镜。
用于产生第二谐振的非线性晶体63可以由各种材料制成,优选为LBO、BBO或KTP。同样地,用于产生第三或更高谐振的非线性晶体65可以由多种材料制成,优选为LBO或BBO。在一个优选的系统中,LBO可以用于非线性晶体63和65。
图4示出在本发明的优选实施例中采用的边缘探测系统。该系统包括白光光源81,该白光光源81通过旋转镜82和物镜84向安装介质的多孔表面86上的衬底85提供光。被反射的光穿过物镜84、旋转镜83、旋转镜82,并由旋转镜87偏转穿过球面聚焦透镜88到达光探测器89。光探测器89耦合于计算机系统,其输出指示边缘探测。基于在晶片表面85与晶片安装在其上的夹持表面之间的光对比度的显著差别来探测晶片的边缘。计算机系统根据接收的边缘探测信号停止工作台的运动,以阻止激光脉冲射出晶片的表面。
图5提供本发明的一个实施例中的工作台100、物镜101和碎屑除去喷口102的透视图。工作台100包括居中于可移动板104上的真空吸盘103。真空吸盘进一步包括具有用于夹持晶片的安装表面的多孔元件106。可移动板104包括用于Y方向的手动调节旋钮105和用于X方向的相似的调节旋钮(未示出)。同样,工作台的运动可自动控制。为了除去碎屑,喷口102设置成将空气或氮气传送进烧蚀(ablation)区域。真空装置(未示出)将带有碎屑的气体从晶片区域抽出。
在代表性的系统中,重复频率可控制在20至50kHz的范围内,工作台速度范围高至8至10mm每秒。根据特殊实施的需要可以制定其它重复频率和工作台速度的组合。
图6示出在其上形成激光二级管阵列的晶片的放大图。在单独的激光二级管之间留有大约35微米的间隔或过道以留出切割空间。在图6中,为了相对宽度的透视在顶表面上机加工具有10-15微米宽度的切口(过道中的暗线)。在优选的系统中,切口从晶片的背面贯穿切割。采用本发明的10微米范围内的光斑尺寸且可精确获得的系统,过道可以减小到20或30微米的宽度或更小。这显著地提高了可以在单个衬底上制造器件的密度并提高管芯制造工艺的生产量。
图7示出本发明的基本工艺。特别地,多孔元件202固定到真空吸盘203。真空吸盘通过联接器204耦合到真空吸力源。多孔元件202可以通过真空装置的吸力固定到真空吸盘203,或可以根据特殊实施的需要而更紧固地连接。晶片201放置在多孔元件202上并在切割操作期间通过穿过多孔元件表面的孔的吸力固定到多孔元件上。为了将切口贯穿晶片切割,将激光脉冲200引向晶片201。晶片201包括5至10微米厚的GaN层和大约100微米厚的金属衬底,如铜。
图8示出切口的切割图形。可以看出,在晶片中切割水平切口211和垂直切口210以从晶片分离单独的元件。对于典型的GaN激光二级管,元件是长方形的或边长大约为250至300微米的正方形。在本发明的各实施例中,每个单独的元件会包括一个或多个激光二级管。也可制成除正方形或长方形之外的图形。
如图9所示,通过由真空吸盘203和真空源204供给的吸力将晶片201固定在多孔元件202上。施加激光脉冲以将晶片201切割成单独的元件阵列。柔性胶带221,在半导体制造工业中称之为“蓝带”,施加到框架220上。带有胶带221的框架220被降低到已从晶片201切割的元件阵列上。元件阵列粘附到胶带221上。减少或除去真空,并从工作站除去附在框架220上且带有粘附于其上的元件阵列的胶带221。
图10示出最终的工件,该工件包括带有具有诸如粘附于其上的元件222的单独元件阵列的柔性带221的框架220。然后将图10的工件提供到拾取和安放机器人系统,在那里,胶带被伸展以分离单独的元件,且在下一步工艺中机器人可以移走元件。
在图11的流程图中示出基本的制造工艺。如上面提及的,本发明特别适用于基于氮化镓的蓝色激光二级管的制造。首先根据现有技术的公知技术在蓝宝石衬底上生长氮化镓。氮化镓层从蓝宝石衬底上移走,并将其附着于铜或铝衬底、或其它与蓝宝石相比相对导电的衬底、或附着于半导体晶片或管芯上,该晶片或管芯上形成有与激光二级管协同作用的集成电路。在切割工艺的第一步骤(方框300)中,将包括氮化镓和衬底合成物的最终晶片放置在真空吸盘的多孔表面上。在下一步骤中,施加吸力以将晶片固定在多孔表面上(方框301)。利用激光或其它切割工艺将晶片切割成元件阵列(方框302)。柔性胶带施加到元件阵列上(方框303)。从工作站移走带有粘附于其上的元件阵列的胶带(方框304)。然后使用机器人从胶带上移走元件(方框305)。在选择性实施例中,使用机器人或其它方式从多孔表面移走元件,而不使用胶带。
图12A示出UV激光器400,该激光器在线401上产生线性偏振输出光束,该线401垂直对准,例如在纸的平面内,如箭头402所指示。如图3中所示,该偏振可以在腔内建立。替换的系统可以包括在腔外的起偏器。脉冲前进到在Y-方向垂直对准且平行于起偏器402的半波片403。在半波片403后,脉冲保持垂直对准,如箭头404所指示。脉冲穿过聚焦透镜405前进,保持垂直偏振光,如箭头406所指示。偏振与平行于Y轴的划线407的机加工方向对准。
图12B示出图12A的布局图,相同的元件具有相同的附图标记。在图12B中,半波片403相对于图12A的位置旋转45度。半波片403的旋转导致脉冲的偏振旋转90度,如箭头408所示,对于该实例,延伸入纸中。脉冲穿过焦距透镜405前进,保持它们的偏振,如箭头410所示。偏振410与平行于X-轴的划线411的机加工方向对准。
图12C示出相对于划线的切割或机加工方向的激光偏振方向。由此,划线415由在切割方向416中对准的叠加脉冲的序列组成。在优选的系统中激光偏振方向417与切割方向416平行。发现:平行于切割方向的偏振的对准形成均匀的V形沟槽。V形沟槽与使用更U形的沟槽相比可以获得更均匀的管芯分离,或者后者不均匀。
本发明提供用于制造衬底上的激光二级管管芯和其它集成器件管芯的工艺。根据本发明的实施例的程序包括如下:1)在蓝宝石衬底的有源表面上将激光二级管布置和形成为阵列,且单独的激光二级管由过道分离,该过道宽度小于40微米,优选地在25微米左右或更小;2)从具有激光二级管阵列的有源表面移走晶片的蓝宝石衬底;3)在晶片上且在具有激光二级管阵列的有源表面下侧上附着电衬底;4)将具有衬底的晶片以有源表面朝下的方式放置在X-Y工作台的多孔安装表面上;5)通过控制工作台将晶片移动到中心位置(home position);6)自动地或半自动地将晶片位置对准于计算机设置所建立的坐标;7)根据晶片和管芯的尺寸以及布置参数设定切割图形;8)自动地或半自动地设定用于边缘探测的照度级;9)对所需的切割深度设置工作台速度、激光偏振和激光能量;10)打开碎屑除去系统;
11)在一条平行于一个轴的线上根据切割图形开始激光切割工艺;12)在其它线和轴上继续该工艺,同时控制偏振,直到完成晶片切割;13)使工作台返回到出口位置;14)将金属框架上的晶片带贴附到被切割的晶片上、关闭真空装置并从吸盘上移走被切割的晶片;15)用高速空气或其它气体射流清洁晶片以除去激光机加工产生的碎屑;16)为管芯的分离而伸展晶片带,以便于利用拾取和安放系统将它们传送到其它安装装置。
利用上面描述的系统或相类似的系统执行上面描述的程序。
因此,本发明提供显著改进的晶片切割工艺和用于衬底的系统。该工艺和系统相对于现有技术的衬底切割技术低成本、高产出。
虽然,通过参考上述优选实施例和所述的实例描述了本发明,可以理解这些实例是示例性的而非限制性的。可以理解,对本领域技术人员来说修改和结合会容易发生,且该修改和结合在本发明的精神内和下述权利要求限定的范围内。

Claims (70)

1.一种用于切割工件的方法,包括:将工件放置在具有安装表面的多孔元件上;通过经多孔元件的孔向工件施加吸力来将工件固定在安装表面上;使用激光能量来贯穿该工件切割并且无开裂地将该工件分隔成单独的元件,该元件通过施加的吸力保持固定在安装表面上。
2.如权利要求1所述的方法,还包括:利用激光能量切割工件,其中激光能量具有一波长,该波长被工件吸收的程度大于被安装表面吸收的程度。
3.如权利要求1所述的方法,还包括减小吸力以从安装表面释放元件;以及将元件从安装表面移走。
4.如权利要求1所述的方法,还包括:在所述切割工件后,将元件粘附到柔性片;以及从安装表面移走粘附到柔性片上的元件。
5.如权利要求1所述的方法,还包括:在所述切割工件之后,利用机器人装置从安装表面移走元件。
6.如权利要求1所述的方法,其中多孔元件包括刚性板。
7.如权利要求1所述的方法,其中多孔元件包括柔性片。
8.如权利要求1所述的方法,其中多孔元件包括纸。
9.如权利要求1所述的方法,其中多孔元件包括塑料。
10.如权利要求1所述的方法,其中多孔元件包括陶瓷。
11.如权利要求1所述的方法,其中多孔元件包括金属。
12.如权利要求1所述的方法,其中工件包括具有有源表面的晶片,且将有源表面与安装表面相接触地安装。
13.如权利要求1所述的方法,其中工件包括晶片上的集成器件阵列,该晶片具有有源表面且包括导体或半导体衬底。
14.如权利要求1所述的方法,其中工件包括晶片和金属衬底,而晶片具有包含GaN的有源表面。
15.如权利要求1所述的方法,其中工件包括集成器件阵列。
16.如权利要求1所述的方法,还包括:利用固体激光器切割工件。
17.如权利要求1所述的方法,还包括:利用固态UV激光器切割工件。
18.如权利要求1所述的方法,还包括:利用Q开关固体激光器切割工件。
19.一种用于制造激光二级管的方法,包括:在导体或半导体衬底上形成激光二级管阵列;将导体或半导体衬底放置在多孔元件的安装表面上;通过经多孔元件中的孔施加吸力而将衬底固定在安装表面上;和利用激光能量来贯穿该导体或半导体衬底切割并且无开裂地将阵列中的激光二极管分隔成单独的元件,该元件通过所施加的吸力保持固定在安装表面上。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述形成包括在蓝宝石衬底上形成GaN层,将GaN层从蓝宝石衬底上移走并将该GaN层安装在导体或半导体衬底上。
21.如权利要求19所述的方法,其中激光能量具有一波长,该波长被衬底吸收的程度大于被安装表面吸收的程度。
22.如权利要求19所述的方法,还包括:减小吸力以从安装表面释放元件;和从安装表面移走元件。
23.如权利要求19所述的方法,还包括:在所述切割衬底之后,将元件粘附到柔性片上;以及从安装表面移走粘附到柔性片的元件。
24.如权利要求19所述的方法,还包括;在所述切割导体或半导体衬底之后,使用机器人装置从安装表面移走元件。
25.如权利要求19所述的方法,其中多孔元件包括刚性板。
26.如权利要求19所述的方法,其中多孔元件包括柔性片。
27.如权利要求19所述的方法,其中多孔元件包括纸。
28.如权利要求19所述的方法,其中多孔元件包括陶瓷。
29.如权利要求19所述的方法,其中多孔元件包括塑料。
30.如权利要求19所述的方法,其中该阵列与安装表面相接触地放置。
31.如权利要求19所述的方法,其中导体或半导体衬底包括金属。
32.如权利要求19所述的方法,还包括:利用固体激光器切割衬底。
33.如权利要求19所述的方法,还包括:利用固态UV激光器切割衬底。
34.如权利要求19所述的方法,还包括:利用Q开关固体激光器切割衬底。
35.一种用于从导体或半导体衬底上的集成器件阵列中分离集成器件的系统,包括:激光器,其产生激光能量;工作台,其适于支撑和移动该导体或半导体衬底,工作台包括真空吸盘,该真空吸盘具有适于通过经多孔安装表面中的孔的吸力将导体或半导体衬底固定在工作台上的多孔安装表面;光学系统,其引导激光能量以冲击在工作台上固定的导体或半导体衬底;以及控制系统,其耦接于激光器和工作台,控制系统控制激光器和工作台,使激光能量以足以贯穿导体或半导体衬底地切割切口的运动速率按照一定图形冲击该导体或半导体衬底,其中该激光能量具有一波长,该波长被该导体或半导体衬底吸收的程度大于被该多孔安装表面吸收的程度。
36.如权利要求35所述的系统,其中真空吸盘包括可移动的多孔元件。
37.如权利要求35所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括陶瓷。
38.如权利要求35所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括柔性多孔片。
39.如权利要求35所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且多孔元件包括多孔纸。
40.如权利要求35所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且多孔元件包括多孔塑料。
41.如权利要求35所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且多孔元件包括多孔金属。
42.如权利要求35所述的系统,其中导体或半导体衬底包括金属。
43.如权利要求35所述的系统,其中激光器包括脉冲激光器,且控制系统控制工作台的运动速率,使连续的脉冲叠加。
44.如权利要求35所述的系统,包括边缘探测系统,其在工作台运动期间探测安装在工作台上的衬底边缘。
45.如权利要求35所述的系统,其中控制系统包括设定所述图形的逻辑部分。
46.如权利要求35所述的系统,包括用于观察安装在工作台上的衬底的视频系统。
47.如权利要求35所述的系统,其中控制系统包括设置包括脉冲重复频率、脉冲能量和工作台速度的参数的逻辑部分。
48.如权利要求35所述的系统,其中激光器包括Q开关Nd:YAG激光器。
49.如权利要求35所述的系统,其中激光器包括Q开关Nd:YVO4激光器。
50.如权利要求35所述的系统,其中激光器包括在355纳米的第三谐振波长处工作的二极管泵浦Q开关Nd:YVO4激光器。
51.如权利要求35所述的系统,其中激光器包括在355纳米的第三谐振波长处工作的二极管泵浦Q开关Nd:YAG激光器。
52.如权利要求35所述的系统,其中切口具有在5至15微米之间的宽度。
53.一种用于从导体或半导体衬底上的激光二级管阵列分离激光二级管的系统,包括:Q开关固体激光器,其产生波长在150至560纳米之间、脉冲持续时间小于30纳秒且光斑尺寸小于25微米、重复频率大于10kHz的激光能量脉冲;工作台,其适合于支撑、移动导体或半导体衬底,该工作台包括真空吸盘,该真空吸盘具有适合于通过经多孔安装表面中的孔的吸力将导体或半导体衬底固定在工作台上的多孔安装表面;光学装置,其引导脉冲以冲击固定在工作台上的导体或半导体衬底;边缘探测系统,其在工作台运动期间探测安装在工作台上的导体或半导体衬底的边缘;以及控制系统,其耦接于固体激光器、工作台和边缘探测系统,控制系统控制激光器和工作台,并响应于边缘探测系统,使得脉冲按照一图形以如下的运动速率冲击导体或半导体衬底,该运动速率使得连续脉冲的叠加足以贯穿导体或半导体衬底地切割切口。
54.如权利要求53所述的系统,其中真空吸盘包括可移动的多孔元件。
55.如权利要求53所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括陶瓷。
56.如权利要求53所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括柔性多孔片。
57.如权利要求53所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括多孔纸。
58.如权利要求53所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括多孔塑料。
59.如权利要求53所述的系统,其中真空吸盘包括多孔元件,且该多孔元件包括多孔金属。
60.如权利要求53所述的系统,其中导体或半导体衬底包括金属。
61.如权利要求53所述的系统,其中控制系统包括设定所述图形的逻辑部分。
62.如权利要求53所述的系统,包括用于观察安装在工作台上的衬底的视频系统。
63.如权利要求53所述的系统,其中激光器包括Q开关Nd:YAG激光器。
64.如权利要求53所述的系统,其中激光器包括Q开关Nd:YVO4激光器。
65.如权利要求53所述的系统,其中激光器包括在355纳米的第三谐振波长处工作的二极管泵浦Q开关Nd:YAG激光器。
66.如权利要求53所述的系统,其中激光器包括在355纳米的第三谐振波长处工作的二极管泵浦Q开关Nd:YO4激光器。
67.如权利要求53所述的系统,其中切口具有在5至15微米之间的宽度。
68.如权利要求53所述的系统,其中叠加在从50%至99%的范围内。
69.如权利要求53所述的系统,其中脉冲频率在20kHz与50kHz之间。
70.如权利要求53所述的系统,其中,所述能量的密度在10与100焦耳每平方厘米之间,所述脉冲持续时间在10至30纳秒之间,而所述光斑尺寸在5至25微米之间。
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