CN1597230A - 激光加工机床 - Google Patents
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Abstract
一激光加工机床，包括一个用于夹持工件的工件夹持装置和一个激光束施加装置，该激光束施加装置包括一个聚光器和一个聚焦点定位调整装置，聚光器用于向夹持在工件夹持装置上的工件施加激光束，聚焦点定位调整装置用于调整聚光器施加激光束的聚焦点位置，其特征在于该机床还包括一个检测聚光器温度的温度检测装置和一个控制装置，该控制装置根据温度检测装置检测到的聚光器温度对聚焦点定位调整装置加以控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光加工机床，用于加工工件，例如半导体晶片。
背景技术
半导体器件的制造过程中，在一个基本圆盘状半导体晶片的前表面上，以晶格图案排列的称作“街区”的分界线将该半导体晶片分隔为很多区域，每一分隔区域上成形一电路，例如集成电路(IC)、大规模集成电路(LSI)等。单独的半导体芯片是通过沿街区切割此半导体晶片，将其分割成电路模板区域而制成的。一光学设备晶片，其蓝宝石基片的前表面上层压有镓氮化物绝缘半导体，也被沿分界线分隔成单独的光学器件，例如在电气设备中广泛使用的发光二极管或激光二极管。
沿着半导体晶片或光学设备晶片街区的切割通常由称作“切块机”的切割机器执行。这种切割机器包括一个卡盘工作台以用于夹持工件如半导体晶片或光学设备晶片、一个用于切割被夹持在卡盘工作台上的半导体晶片的切割装置、以及一个使卡盘工作台和半导体晶片相互移动的移动装置。切割装置包括一个高速旋转的旋转心轴和一个装配在心轴上的切刀。切刀包括一个盘形基部，和一个装配在基部中支柱外周部分的环形切割边沿，通过电铸的方式将直径约3μm的金刚石研磨粒固定到所述基部上形成大约20μm厚的切割边沿。
由于蓝宝石基片、碳化硅基片、锂钽基片等具有很高的莫氏硬度，因此，用上述切刀进行切割不一定很容易。由于切削刃的厚度大约为20μm，切割设备作用的街区需要大约50μm宽。从而，在切割一个大约300μm×300μm的设备时，街区相对于晶片的面积比太大，因此降低了生产率。
作为一种切割片状工件如半导体晶片的方法，例如在JP-A 2002-192367种尝试和公开的一种激光加工方法是将能穿透工件的激光束的聚焦点施加在待切区域的内部。使用这种激光束加工技术的切割方法，一工件被施加的激光束切割，该激光束具有能穿透工件的红外线范围，其聚焦点从其中一表面侧内部沿着工件内部的分界线加工，连续地形成变质层，然后，沿街区施加外部力，由于变质层的形成，街区的强度降低。
在激光束加工过程中，通过具有聚光镜片的聚光器使激光束的亮点直径尽可能小，从而对工件进行显微加工，聚光镜片由一套聚光镜镜片构成。然而，当激光束的作用持续一段较长的时间后，容纳聚光器的壳体发热且壳体温度上升。结果，聚光器壳体的热膨胀问题导致施加的激光束聚焦点错位，因此使得不可能稳定地进行激光束加工。图7是一曲线图，示出了激光束加工过程中因聚光器壳体温度上升导致的聚焦点错位。图7中，激光束作业时间显示在水平坐标轴上，聚焦点的位置显示在垂直坐标轴上，符号×显示了传统激光加工机床的聚焦点位置。图7中，当激光束作业时间是0时，聚光器壳体的温度是23℃。如图7所示，在传统的激光加工机床中，随着激光束作业时间的延长，聚焦点错位也增大，当激光束作业时间持续60分钟时，聚焦点错位达到12μm。
发明内容
本发明的一个目的是提供一激光加工机床，能通过校正激光束聚焦点的错位，保持聚光器发出的激光束的聚焦点作用在工件的一预定位置，甚至在因长时间连续的激光束加工而导致该聚光器壳体温度升高时。
为了达到上述目的，根据本发明，提供了一激光加工机床，包括一个用于夹持工件的工件夹持装置和一个激光束施加装置。该激光束施加装置包括一个聚光器和一个聚焦点定位调整装置，聚光器用于向夹持在工件夹持装置上的工件施加激光束，聚焦点定位调整装置用于调整聚光器施加激光束的聚焦点位置，其特征在于，该机床还包括一个检测聚光器温度的温度检测装置和一个控制装置，该控制装置根据温度检测装置检测到的聚光器温度对聚焦点定位调整装置加以控制。
上述控制装置具有一个存储装置，用来存储描述聚光器温度和聚焦点错位关系的控制图，控制装置根据温度检测装置检测到的聚光器温度获得聚焦点错位，并根据聚焦点错位来控制聚焦点定位调整装置。
在本发明中，由于聚焦点定位调整装置是根据温度检测装置检测到的聚光器温度进行控制，从而校正聚光器温度升高导致聚焦点错位。因此，施加到工件上的激光束的聚焦点可以维持在一预定位置，从而可稳定地进行激光束加工。
附图说明
图1是根据本发明构成的一激光加工机床的透视图；
图2是图1所示激光加工机床中激光施加装置构成的示意方框图；
图3是作为工件的半导体晶片的透视图；
图4(a)和图4(b)图解了施加到作为工件的半导体晶片上的激光束聚焦点的位置；
图5是一流程图，示出了设置在图1所示激光加工机床中的控制装置运算程序；
图6是一控制图，存储在图1所示激光加工机床控制装置中设置的只读存储器(ROM)中；
图7是一曲线图，示出了激光加工机床处理时间过程中聚焦点的错位。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例，下面参考附图对一激光加工机床加以详细描述。
图1是根据本发明构成的一激光加工机床的透视图；图1所示的激光加工机床包括一固定基座2、一个卡盘工作台机构3、一个激光束施加单元支承机构4和一个激光束施加单元5。卡盘工作台机构3以能在箭头X指示的方向移动的方式安装在固定基座2上，并用来夹持工件；激光束施加单元支承机构4以能在箭头Y指示的方向移动的方式安装在固定基座2上，箭头Y指示的方向与箭头X指示的方向垂直；激光束施加单元5以能在箭头Z指示的方向移动的方式安装在激光束施加单元支承机构4上。
上述的卡盘工作台机构3包括一对导轨31和31、一个第一滑块32、一个第二滑块33、一个支承工作台35和一个作为工件夹持装置的卡盘工作台36。导轨31和31安装在固定基座2上且在箭头X指示的方向相互平行设置，第一滑块32以能在箭头X指示的方向移动的方式安装在导轨31和31上，第二滑块33以能在箭头Y指示的方向移动的方式安置在第一滑块32上，支承工作台35通过一个圆柱件34支撑在第二滑块33上。卡盘工作台36有一个由多孔材料制成的吸盘361，从而通过未示出的一抽吸装置将作为工件的圆盘形半导体晶片保持在吸盘361上。卡盘工作台36被安置在圆柱件34上的脉冲马达(未示出)旋转驱动。
上述第一滑块32在其下表面有一对导向槽321和321，装配到上述的一对导轨31和31上；在其顶表面有一对导轨322和322，在箭头Y指示的方向相互平行排列。通过将导向槽321和321分别装配到该对导轨31和31上，如上所述构成的第一滑块32能在箭头X指示的方向上沿该对导轨31和31移动。图示实施例中的卡盘工作台机构3包括一个移动装置37，用于在箭头X指示的方向沿该对导轨31和31移动第一滑块32。移动装置37包括一个安置在上述该对导轨31和31之间且与该对导轨平行的阳螺纹杆371，还包括一驱动源，例如脉冲马达372，用于驱动该阳螺纹杆371。阳螺纹杆371在其一端可旋转地支承于固定在上述固定基座2上的一承重块373，其另一端通过一个未示出的减速器连接于上述脉冲马达372的输出轴。阳螺纹杆371螺旋拧入成形在一阴螺纹块(未示出)上的螺旋通孔，该阴螺纹块从第一滑块32中央部分的下表面凸出。因此，用脉冲马达372沿正向和反向驱动阳螺纹杆371，第一滑块32在箭头X指示的方向上沿导轨31和31移动。
上述第二滑块33在其下表面有一对导向槽331和331，装配到设置在上述第一滑块32上表面的该对导轨322和322上，通过将导向槽331和331分别装配到该对导轨322和322上，第二滑块能在箭头Y指示的方向移动。图示实施例中的卡盘工作台机构3有一个移动装置38，用于在箭头Y指示的方向上沿该对导轨322和322移动第二滑块33，该对导轨322和322设置在第一滑块32上。移动装置38包括一个安置在上述该对导轨332和332之间且与该对导轨平行的阳螺纹杆381，还包括一驱动源，例如脉冲马达382，用于驱动该阳螺纹杆381。阳螺纹杆381在其一端可旋转地支承于固定在上述第一滑动块32顶面上的一承重块383，其另一端通过一个未示出的减速器连接于上述脉冲马达382的输出轴。阳螺纹杆381螺旋拧入成形在一阴螺纹块(未示出)上的螺旋通孔，该阴螺纹块从第二滑块33中央部分的下表面凸出。因此，用脉冲马达372沿正向和反向驱动阳螺纹杆381，第二滑块33在箭头Y指示的方向上沿导轨322和322移动。
上述激光束施加单元支承机构4包括一对导轨41和41、以及一个可移动支承基座42。该对导轨41和41安装在固定基座2上，且沿箭头Y指示的分度进给方向相互平行安置；一个可移动支承基座42以可沿箭头Y指示方向移动的方式安装在导轨41和41上。可移动支承基座42包括一个可移动支承部分421和一个装配部分422，可移动支承部分421可移动地安装在所述导轨41和41上，装配部分422安装在可移动支承部分421上。装配部分422的侧面设置有一对导轨423和423，沿箭头Z指示的方向相互平行延伸。图示实施例的激光束施加单元支承机构4包括一个移动装置43，用于沿该对导轨41和41在箭头Y指示的分度方向移动该可移动支承基座42。该移动装置43包括一个安置在上述该对导轨41和41之间且与该对导轨平行的阳螺纹杆431，还包括一驱动源，例如脉冲马达432，用于驱动阳螺纹杆431。阳螺纹杆431在其一端可旋转地支承于固定在上述固定基座2上的一承重块(未示出)，其另一端通过一个未示出的减速器连接于上述脉冲马达432的输出轴。阳螺纹杆431螺旋拧入成形在一阴螺纹块(未示出)上的螺旋通孔，该阴螺纹块从构成可移动支承基座42的可移动支承部分421中央部分的下表面凸出。因此，用脉冲马达432沿正向和反向驱动阳螺纹杆431，可移动支承基座42沿着导轨41和41在箭头Y指示的分度进给的方向上移动。因此，通过用脉冲马达432在正向和反向驱动阳螺纹杆431，可移动支承基座42在箭头Y指示的方向沿导轨41和41移动。
图示实施例的激光束施加单元5包括一个单元保持器51和一个固定到单元保持器51的激光束施加装置52。单元保持器51有一对导向槽511和511，可滑动地装配到上述装配部分422上的那对导轨423和423，并且通过将导向槽511和511分别装配到上述导轨423和423上，使其以能在箭头Z指示方向移动的方式被支承。
图示的激光束施加装置52有一个圆柱形壳体521，其固定于上述单元保持器51且基本水平地延伸。在壳体521内安装一个激光振荡装置522和一个激光调制装置523，如图2所示。一个YAG激光振荡器或YVO4激光振荡器可以作为激光振荡装置522使用。激光调制装置523包括一个重复频率设定装置523a、一个激光脉冲宽度设定装置523b和一个激光输出设定装置523c。构成激光调制装置523的重复频率设定装置523a、激光脉冲宽度设定装置523b和激光输出设定装置523c可以是本领域普通技术人员公知的类型，因此在正文中省去了对它们结构的详细描述。一个容纳聚光镜片(未示出)的聚光器524由一套聚光镜镜片构成，也可以是一种公知的结构，连接到上述壳体521的端部。
一个来自上述激光振荡装置522的激光束振荡通过激光调制装置523到达聚光器524。激光调制装置523的重复频率设定装置523a将该激光束转换为具有预定重复频率的脉冲激光束，激光脉冲宽度设定装置523b将该脉冲激光束的脉冲宽度转换至一预定宽度，且激光输出设定装置523c将脉冲激光的输出设定为一预定值。
返回到图1，一个摄像装置6设置在构成上述激光束施加装置52壳体521的前端。图示实施例中，摄像装置6除了一个用于捕获具有可见辐射图像的普通摄像器件(CCD)外，还包括一个向工件施加红外线辐射的红外光照明装置、一个捕获红外光照明装置施加的红外线辐射的光学系统、以及一个根据光学系统捕获的红外线输出电信号的摄像器件(红外线CCD)。一个图像信号被传输到一个稍后说明的控制装置。
图示实施例的激光束施加单元5包括一个聚焦点定位调整装置53，用于在箭头Z指示的方向沿该对导轨423和423移动单元保持器51。和前面提到的移动装置一样，该聚焦点定位调整装置53包括一个安置在上述该对导轨423和423之间的阳螺纹杆(未示出)，还包括一个驱动源，例如脉冲马达532(Mz)，用于驱动该阳螺纹杆。用脉冲马达532(Mz)沿正向和反向驱动阳螺纹杆(未示出)，单元保持器51和激光束施加装置52在箭头Z指示的方向沿导轨423和423移动。在图示实施例中，激光束施加装置52是如此构成的：正向驱动脉冲马达532(Mz)，激光束施加装置52上升；反向驱动脉冲马达532(Mz)，激光束施加装置52下降。因此，聚焦点定位调整装置53能调整聚光器524施加的激光束的聚焦点位置，该聚光器524固定在壳体521的端部。
图示实施例中的激光加工机床有一个用于检测上述聚光器524温度的温度检测装置7，以及一个控制装置8，该控制装置根据温度检测装置7检测到的聚光器524的温度对聚焦点定位调整装置53加以控制。温度检测装置7安装在聚光器524的壳体524a上，并向控制装置8发出检测信号。控制装置8由一个计算机组成，其包括一根据控制程序进行运算处理中央处理器(CPU)81、一个存储控制程序等的只读存储器(ROM)82、一个用于储存运算结果的读/写随机存取存储器(RAM)83、一个输入接口84和一个输出接口85。来自温度检测装置7、摄像装置6等的检测信号输入这样构成的控制装置8的输入接口84。控制信号从输出接口85输出到上述脉冲马达532(Mz)、上述脉冲马达372、脉冲马达382、脉冲马达432和激光束施加装置52。
图示实施例的激光加工机床如上所述构成，而图3所示半导体晶片10的加工过程将在下面描述。
图3所示的半导体晶片10被在其前表面以晶格图案成形的若干街区101分隔成若干区域，并且在每一分隔区域内成形一电路102，例如集成电路、大规模集成电路等。这样构成的半导体晶片10被吸附在卡盘工作台36上，其背面朝上。吸附保持半导体晶片10的卡盘工作台36通过移动装置37的作用而沿导轨31和31移动，并且定位在激光束施加单元5上安装的摄像装置6正下方。
在卡盘工作台36定位于摄像装置6正下方之后，则进行例如图案匹配等图像处理，从而将卡盘工作台36夹持的半导体晶片10上成形的街区101与激光束施加装置52的聚光器524对准，并通过摄像装置6和未示出的一控制装置沿着街区101施加激光束。尽管在该点上，半导体晶片10上成形街区101的表面向下，由于摄像装置6包括一红外光照明装置、一个捕获红外辐射的光学系统、以及一个根据上述红外辐射输出电信号的摄像器件(红外线CCD)，街区101的图像可从背面获得。
当卡盘工作台36上夹持的半导体晶片10上成形的街区101被探测到，且激光作用位置被对准后，卡盘工作台36被移向激光施加区域，在那里设置用于施加激光束的激光束施加单元5的聚光器524，并沿半导体晶片10的街区101施加来自激光束施加装置52的聚光器524的激光束。在该点上，激光束的聚焦点施加在其内部，也就是说，通过如图4(a)所示半导体晶片10的背面(上侧的表面)在接近正面(下侧的表面)处成形一变质层，该变质层沿半导体晶片10内表面上的街区101形成。
上述激光束加工工艺条件将在下面描述。
卡盘工作台36在箭头X(参见图1)指示的方向上以预定的供给速率(例如，100毫米/秒)移动，此时从激光束施加装置52的聚光器524发出的脉冲激光束从半导体晶片10的背面施加到一预定街区101。下面的红外激光束被用作这里的激光束。
光源：钕：YVO4脉冲激光
波长：1064nm
脉冲能量：10μJ
重复频率：100kHz
脉冲宽度：40ns
聚焦斑点直径：1μm
聚焦点能量密度：3.2×10E10W/cm2
在上面的激光束加工过程中，容纳由一套聚光镜镜片构成的聚光镜片的聚光器524变热，壳体524a的温度也升高。当壳体524a的温度升高时，聚光器524发出的激光束的聚焦点(P)位置从图4(b)所示半导体晶片10的正面(下侧的表面)的临近位置向下错位。因此，在图示实施例中，温度检测装置7检测聚光器524的温度，控制装置8根据从该温度检测装置7传来的检测信号控制聚焦点定位调整装置53的脉冲马达532(Mz)，以校正聚光器524发出激光束的聚焦点错位。为了执行此校正控制，图6中所示的控制图存储在控制装置8的只读存储器(ROM)82中。此控制图描述聚光器524的壳体524a的温度(T)和聚焦点(P)错位之间的关系。图6所示控制图中的聚光器524壳体524a温度(T)和聚焦点(P)错位之间的关系是通过对待装聚光器524进行的实验获得的。
参考图5所示的流程图，下面描述通过控制装置8对聚焦点错位进行的校正控制。图5所示的程序在每个预定的期间重复进行。
控制装置8读取温度检测装置7在步骤S1里检测到的聚光器524温度(T)。然后，控制装置8执行步骤S2，从存储在只读存储器(ROM)82如图6所示控制图中获取与温度检测装置7检测到的温度(T)相应的聚焦点(Pa)位置，并且将该值(Pa)临时存储在随机存储器(RAM)83的第一区域。然后，控制装置8执行步骤S3，计算当前获取且临时存储在第一区域的聚焦点(Pa)实际位置和与温度检测装置7先前检测温度(T)相应的聚焦点位置(Pb)之差(Px＝Pa-Pb)。温度检测装置7先前检测温度(T)对应的聚焦点位置(Pb)临时存储在随机存储器(RAM)83的第二区域，存储在第二区域的聚焦点位置的初始值是“0”(P0)。
这次在上述步骤S3中所获取的聚焦点位置(Pa)与之前通过温度检测装置7检测温度(T)对应的聚焦点位置(Pb)之差(Px)也在上述步骤S3中获得，然后，控制装置8执行步骤S4，计算对聚焦点定位调整装置53的脉冲马达532(Mz)必须进行多少次脉冲以校正聚焦点的错位(Px)。然后，控制装置8执行步骤S5，施加所得的脉冲次数正向驱动脉冲马达532(Mz)。然后，控制装置8执行步骤S6，将临时存储在随机存储器(RAM)83第一区域中的获取的聚焦点位置(Pa)传送到第二区域，作为之前获取的聚焦点位置(Pb)，并清空临时存储在第一区域中的获取的聚焦点位置(Pa)。
如上所述，在本实施例中，温度检测装置7检测聚光器524的温度，控制装置8根据温度检测装置7传来的检测信号控制聚焦点定位调整装置53的脉冲马达532(Mz)，以校正聚光器524发出激光束的聚焦点错位。从而，即便因长时间连续的激光束加工而导致聚光器524变热，且壳体524a温度升高，聚焦点也保持在工件的一预定位置，从而确保激光束加工稳定的高精度。
Claims (2)
1、一激光加工机床，包括一个用于夹持工件的工件夹持装置和一个激光束施加装置，该激光束施加装置包括一个聚光器和一个聚焦点定位调整装置，聚光器用于向夹持在工件夹持装置上的工件施加激光束，聚焦点定位调整装置用于调整聚光器施加的激光束的聚焦点位置，其特征在于：
该机床还包括一个检测聚光器温度的温度检测装置和一个控制装置，该控制装置根据温度检测装置检测到的聚光器温度对聚焦点定位调整装置加以控制。
2、根据权利要求1所述激光加工机床，其特征在于：
该控制装置具有存储装置，用于存储描述聚光器温度和聚焦点错位关系的控制图，控制装置根据温度检测装置检测到的聚光器温度获得聚焦点错位，并根据聚焦点错位来控制聚焦点定位调整装置。
Applications Claiming Priority (2)
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