CN1663038A - 激光加工 - Google Patents

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A·博伊尔
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Abstract

基板(30)用一个具有存储激光切割方案文件的相关存储器的程序控制脉冲激光束(35)装置切割。该文件包括了脉冲速率Δt，脉冲能量密度E和脉冲空间重叠中的选定组合来加工基板的一个单层或不同层(31，32，33，34)上不同类型的材料，同时限制了对层的损伤并将加工速率最大化来产生具有预定模片强度和产量的模片。该文件还包含了与用选定组合切穿对应层所必须的扫描次数相关的数据。该基板用选定组合进行切割。惰性气体或活性气体的气体处理装置被提供以在切割之前，之中或之后来防止或引起基板上的化学反应。

Description

激光加工
技术领域
本发明涉及一种基板的程序控制切割，具体来说，但不限于使用脉冲激光器的半导体基板。
背景技术
晶片切割是装配过程中所有后续操作的封装装配的一个重要方面。晶片切割传统上是通过用机械锯(mechanical saw)切割晶片来完成的。使用机械锯具有如低产量、碎屑和裂纹等缺点。薄晶片由于导致低模片(die)强度的锯在晶片中引入的应力而不能被加工。半导体基板被切割时产生的模片强度是一个重要因素，因为较低的模片强度会降低可靠性。增加模片强度将破损和微裂纹的产生最小化，并增加装置的可靠性。
发明内容
根据本发明的第一实施方案，提供一种使用脉冲激光器来程序控制切割包括至少一层的基板的方法，该方法包括步骤：提供程序控制工具和相关的数据存储工具用于控制脉冲激光器；在相关的数据存储工具中提供一个包含激光在基板上产生脉冲的脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠(spatial overlap)的至少一个选定组合的激光切割方案文件来限制对各自的至少一层的损伤，同时使对至少一层的加工速率达到最大；当脉冲激光器按照存储在激光切割方案文件中的各自的至少一个组合运行时，在激光切割方案文件中提供代表切断各自至少一层所需的脉冲激光的各自至少一层的至少一选定的数个扫描的数据；和在激光切割方案文件驱动的程序控制工具的控制下使用激光以各自的至少一选定的数个扫描来扫描所述至少一层，以至少有利于对基板的切割，从而使得到的模片至少具有预定的模片强度和可使用的模片产量至少相当于预定的最小产量。
优选地，对于所述至少一个层的每个，提供激光切割方案文件的步骤包括：改变脉冲速率、脉冲能量、脉冲空间重叠的组合的至少一个，来提供一个各自的组合；测量使用各自组合的各自层的切割速率；检查该层，来确定损伤是否被限制在预定的范围；切割基板并且测量得到模片的产量；测量得到模片的模片强度；生成切割速率达到最大的选定组合的激光切割方案文件，同时产生至少具有预定最小产量的可使用模片的产量，和模片至少具有预定的模片强度；使用选定组合扫描至少一个层，以确定切断该层所需的多个扫描；和将选定的数个扫描存储在激光切割方案文件中。
方便地，模片强度使用韦氏(Weibull)模片强度测试来测量。
优选地，使用激光扫描至少一层的步骤包括提供一个基于检流计的(galvanometer-based)扫描仪。
方便地，使用激光扫描至少一层的步骤包括提供一个远心扫描透镜用于将来自激光器的激光束横穿基板扫描，和提供激光切割方案文件的步骤包括的步骤有：绘制在远心扫描透镜焦平面上接收的激光能量密度，以使用脉冲的脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠的选定组合产生远心扫描透镜视野范围内的激光能量密度图；将激光能量密度图作为阵列存储在存储工具中；和使用激光能量密度图用控制工具来修改选定组合的脉冲重复率和脉冲能量中的至少一个来在基板上在视野范围内的扫描点生产恒定的激光能量密度。
方便地，绘制激光能量密度的步骤包括使用激光功率仪来测量远心透镜视野范围内代表位置上的激光能量密度。
有利地，提供选定组合的步骤包括提供限制各自层材料热负荷的选定组合来将机械应力限制在预定的最大值。
方便地，所述选定组合被用于少于扫描中与其对应的选定多个，以加工将被切削的层，且该层被扫描以进行进一步的扫描直到所述的选定多个，该选定多个所用的组合将不明显地加工下一层，使得基本上没有加工出现在所述下一层，这样在将被切割的所述层被切割后，激光将继续扫描所述基板。
优选地，该方法包括通过要切的层为基板划线，用于基板的后续机械切割。
方便地，当该基板包括一个有源(active)层，提供选定组合以限制对至少一层的损伤的步骤包括提供没有明显影响有源层中有源器件后续操作的选定组合。
优选地，提供没有明显影响有源层中有源器件后续运行的选定组合的步骤包括提供一个组合，其没有引起明显裂缝通过有源层扩展。
方便地，提供选定组合的步骤包括步骤：提供一个初始组合，在此，激光以没有因环境温度下的热冲击而引起明显的裂缝扩展(crackpropagation)的初始速率加工基板，并且这样基板的温度通过加工，在由激光对基板的预定多个扫描后升高到环境温度以上的升高的温度；和提供一个工作组合，在此，激光以高于初始速率的工作速率加工基板，其没有由于升高温度的热冲击引起的明显的裂缝扩展；和加工基板的步骤包括：使用用于至少预定数个扫描的初始组合加工基板的初始深度；和用工作组合加工基板剩余深度的至少一部分。
有利地，多个扫描中至少第一个的能量低于多个扫描的随后扫描的能量，从而使表面微裂纹的产生少于在其它情况下可能产生的。
有利地，数个扫描中至少最后一个的能量低于数个扫描的前面扫描的能量，从而使基板后侧的碎片少于在其它情况下产生的碎屑。
有利地，数个扫描的能量在扫描之间变化，有利于去除切割基板过程中产生的碎片，方便地通过随着加工深度的增加来增加激光能量以从切割路线去除碎片。
有利地，该方法还进一步包括步骤：提供气体处理工具为基板提供气态环境；在基板切割之前，期间和之后的至少一个过程中使用气体环境来控制基板的化学反应，从而加强所得模片的强度。
方便地，提供气体处理工具的步骤包括提供一个气体释放头(delivery head)工具，用来给基板切割区域基本一致地传输气体，便于基本一致地切割基板。
有利地，提供气体处理工具的步骤包括提供工具来控制流速、浓度、温度，气体种类和各种气体混合中的至少一个。
方便地，提供气体环境的步骤包括了提供一个惰性气体环境用来基本上防止模片壁在加工过程中的氧化。
可选地，提供气体环境的步骤包括提供活性气体环境。
方便地，提供活性气体环境的步骤包括用活性气体侵蚀模片壁来减少壁的表面粗糙度并因此改进模片强度。
优选地，提供活性气体环境的步骤包括用活性气体来侵蚀模片壁来有效地去除在加工过程中产生的热影响区域，并因此改进模片强度。
有利地，提供活性气体环境的步骤包括减少加工过程中产生的粘到模片表面的碎屑。
方便地，该方法还包括在切割后用有足够能量的激光扫描所得模片的边缘来加热所得模片的侧壁，从而降低其表面粗糙度并因此增加所得模片的强度。
方便地，该方法用来生产带圆角的模片，通过用基于检流计的扫描仪在模片的角上沿着的弯曲轨迹扫描激光束，其中选定组合用来保持围绕模片整个周边在连续激光脉冲之间选定的脉冲空间重叠。
方便地，选定组合用来在模片的拱形部分或拐角上传输脉冲，使得在拱形模片边缘或拐角上基本上不会出现产生缺陷的过度切割或切割不足。
有利地，本方法在激光扫描过基板的过程中通过改变切割路线的宽度来形成具有在远离激光束方向中向内呈锥形的拱形侧壁的锥形切割路线，其中选定组合被修改来提供一个精细控制的锥形和光滑模片侧壁，并因此增加了所得模片的模片强度。
方便地，该激光器是一个Q-开关(Q-switched)激光设备。
优选地，从激光器中发出的激光束被旋转镜所引导。
方便地，该基板安装在传送带上且激光最终扫描能量被控制来基本上防止损伤传送带。
优选地，该传送带对紫外线辐射基本上透明。
有利地，该传送带以聚烯烃为基体。
根据本发明的第二个方面，提供的基板程序控制切割装置包括至少一层，该装置包括：一个脉冲激光器；用激光切割方案文件来控制脉冲激光器的程序控制工具和相关数据存储工具，激光切割方案文件存储在数据存储工具中，激光在基板上产生的脉冲的脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠中至少一个各自选定组合和代表切穿各自至少一层所必需的脉冲激光在各自至少一层的至少一个各自选定多个扫描的数据；因此，在使用中，所得模片至少具有预设的模片强度且具有至少与预设的最小产量相等的可用的模片的产量。
优选地，程序控制方法包括控制工具，来改变脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠中的至少一个，从而使激光属于所述至少一个各自选定组合。
方便地，该装置包括远心透镜工具用来将激光器发出的激光束在整个基板上扫描。
有利地，本装置包括了激光功率测量工具来绘制远心透镜焦平面上所接收的激光能量密度以用脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠的所选组合来产生远心透镜视野内的激光能量密度图，并将激光能量密度图以阵列存储在数据存储工具中来修改所述至少一个各自选定组合来补偿远心透镜所引入的基板上的激光能量密度的不规则。
优选地，该装置还包括了气体处理工具来为基板提供气体环境从而在切割基板之前、之中或之后的至少一个期间用于控制与基板的化学反应，来提高所得模片的强度。
有利地，气体处理工具包括了气体释放头工具来将气体一致地传输到基板的切割区域。
优选地，气体处理工具还包括了控制气流速率、浓度、温度，气体种类和各种气体的混合中至少一个的控制工具。
方便地，气体处理工具被设置来提供一个惰性气体环境以基本上防止在加工过程中模片壁的氧化。
可选择地，此气体处理工具被设置来提供一个活性气体环境。
有利地，此气体处理工具被设置来用活性气体腐蚀模片壁以减少壁的表面粗糙度，并由此增加模片的强度。
有利地，气体处理工具被设置来用活性气体腐蚀模片壁以基本上移除加工过程中产生的热影响区域并由此增加了模片的强度。
有利地，气体处理工具被设置来用活性气体腐蚀模片壁以减少加工过程中产生的并粘连到加工模片的表面的碎片。
方便地，该装置还包括基于检流计的扫描仪，用于通过沿着模片拐角处弯曲轨迹扫描激光束生产具有圆角的模片，其中选定组合被设置来在整个模片周围的连续激光脉冲之间维持选定脉冲空间重叠。
有利地，选定组合被设置来控制模片边缘的拱形部分或拐角上的激光脉冲传输，由此基本上不会有在模片边缘上产生缺陷的过度切割或切割不足。
方便地，此装置还被设置来通过在激光扫描过基板时改变切割路线的宽度形成具有在远离激光束方向上向内呈锥形的拱形壁的锥形切割路线，其中选定组合被修改来提供一个具有光滑模片壁的精细控制的锥形，并由此增加了所得模片的模片强度。
优选地，该激光器为Q-开关激光设备。
方便地，该装置包括了用来引导基板上激光器发出的激光束的旋转镜。
优选地，该装置设置了安装在传送带上的基板，其中该激光在基板上的最终扫描中被控制以基本上不损伤传送带。
方便地，该传送带对紫外线光基本上透明。
有利地，该传送带以聚烯烃为基体。
附图说明
结合附图并参考一些相关实施方式的描述，以实例的方式更加清楚地理解本发明。
图1为切割后的硅晶片的平面图。
图2表示了使用本发明作为远心透镜目标视野范围内(40mm×40mm)的入射激光强度的一定百分比的透射激光强度和根据本发明的加工一致深度的沟槽的激光脉冲能量中的变化；
图3(i)为根据本发明适合切割的多层基板的垂直剖面图；
图3(ii)代表了本发明中用来切割图3(i)中的多层基板的四步激光加工过程；
图4(i)到4(iii)为本发明中多层结构的垂直剖面图，其中预划的沟槽在顶层加工；
图5(i)a到图5(i)b为本发明中从有源器件一侧上切割的半导体基板的垂直剖面图；
图5(ii)a到5(ii)c为本发明中从与有源器件一侧相反一侧切割的半导体基板的垂直剖面图；
图6为有助于理解本发明的图表，其中以相对模片强度为横坐标，模片生存比率为纵坐标，用于连续激光脉冲的不同空间重叠；
图7(i)表示了根据本发明生产的具有圆角的多个模片；
图7(ii)表示了根据现有技术传统地切割的多个模片；
图8为根据本发明生产的锥形切割路线侧壁的示意垂直剖面图；
图9(i)到9(iii)为根据本发明加工的单层结构的垂直剖面图；
图10为根据本发明安装在传送带上加工的基板的垂直剖面图。
具体实施方式
激光束可以用来切割半导体晶片10，并由此使用检流计型系统中的旋转镜通过在晶片表面扫描Q开关激光束将器件11从晶片上单独切割(singulate)形成如图1所示的图案。激光束的聚焦可以用远心型扫描透镜完成。
在本发明实施方式中，连续激光脉冲的时间间隔(Δt)和激光脉冲能量(E)在加工单层或多层基板过程中变化以便减少单层上不同位置或基板中每种材料中的热负荷以及随后的机械应力或其造成的损伤。
作为例子，包括三种不同材料类型的四层31、32、33，和34的一个多层材料工件30在图3(i)中显示。这些材料可以是，例如，聚合物材料的第一层31，在金属的第二层32上，在聚合物的第三层33上，在半导体基板34上。图3(ii)为以时间(对应穿过多层结构加工的距离)作为横坐标和以脉冲能量作为纵坐标的图表，示出切割基板的四步方法。为了按照此种方法加工第一层31来减少聚合物材料的热负荷和随之的机械损伤，激光脉冲能量E1为低且脉冲之间间隔Δt1为高。聚合物材料在高激光能量下，比如每脉冲几百微焦耳，将熔化且被损伤，但他们在较低激光脉冲能量下将被整洁地切割，比如10微焦耳每脉冲。而且如果重复率太高(即，Δt太低)，过多的热量就会在过短的时间内进入聚合物材料，且聚合物将会被熔化和损伤，因此对聚合物来说重复率保持为低(即，Δt为高)。通常，Δt和E的值是根据材料已知的光学和热特性选择的或由实验确定。在Δt1和E1上传输的激光脉冲的数量由第一层31的厚度所决定。
在用激光束35加工通过第一层31后，该激光参数变为Δt2和E3，其中Δt2和E3(如同基板上所有层的Δt和E)的选择值由所用激光波长下的材料的热特性和光学吸收特性所确定。在第二层32加工后，激光特性返回到Δt1和E1来加工与第一层31的材料相似的第三层33。在第三层33加工后，激光特性变为Δt3和E2来加工第四层34。在多层基板中每一层的加工过程中，脉冲能量E1，E2和E3可以以一种描绘在聚焦目标的整个视野范围的方式变化来补偿远心透镜透射的激光能量的不规则，从而保证加工通过基板各层的一致性。
在实践中，在加工分层的基板之前，产生一个激光切割方案文件包含对激光的一系列命令来改变对每层的Δt和E并控制检流计扫描仪用来在工件表面上进行激光束定位。此外，切穿每个各自层所需的激光扫描的相应数目从先知的每层31、32、33、34的厚度预编程在激光切割方案文件中。
起初，该数据可由实验收集，通过使用不同的脉冲能量和脉冲重复率来扫描不同材料的层并观察任何损伤，比如层的熔化或裂缝扩展。在不同脉冲能量和脉冲重复率的模片强度上获得的效果也可被确定，比如用已知的Weibull韦氏模片强度测试和为产生具有至少所需模片强度模片的每层所选定的组合来确定。此外，模片的产量可被确定，保证选定的组合不损伤基板上的器件并由此反过来影响产量。在选择了只引起可接受的损伤和产生所需模片强度模片和可接受的产量的脉冲能量和脉冲重复率的组合后，切断一个已知厚度的材料所需要的扫描的数量也随后由实验确定。这些值然后可以用来编写激光切割方案文件。
这种切割方法导致与传统的激光切割方法相比更好的模片强度。
在本发明中的另一个实施方式中，该脉冲时间间隔Δt和激光脉冲能量E在多层材料的单层加工过程中改变。参考图4(i)到4(iii)，要用激光束44加工的第一层41覆盖在基板43上的第二层42上。随着第一层41被加工，在第一层41加工期间，激光束44的脉冲特性Δt和E刚好在加工通过第一层41完成之前被改变，通过表示改变的激光束441的改变的虚线示出，以防止对下面第二层42的损坏。通常，对下层42的损伤是通过将脉冲能量E减少到组成下层材料的熔化阈值以下来防止的。图4中在层41加工的沟槽45可以用做预加工划线槽(scribing trench)。在此种情况下，通过适当选择激光脉冲能量和脉冲重复率，模片强度与已有技术相比被改进，在顶层41或下层42中不会出现在激光指定步骤之后进行的机械划线(scribe)和破裂加工过程中可能增长的裂缝。
在本发明中的另外一个实施例中，如图5所示，激光束54的低能量激光脉冲被用在沿着切割线(lane)55的前几个通路中来防止在从晶片50的有源器件(active device)侧加工时穿过有源器件51扩展的大裂缝的发展，如图5(i)a中所示。在激光切割的材料深度约相当于有源器件层的厚度后，激光束54的脉冲能量E在激光切割方案文件的控制下可增加到更高的激光束541的脉冲能量，如图5(i)b中所示，以便更快地加工晶片50的半导体基板53的主体，其由初始加工所加热，这样在加工基板53中的热冲击效应被减弱。当从与承载有源器件51一侧相反的晶片基板53的后侧加工时，如图5(ii)a所示，可以采用一个相似的过程来防止向下切入基板材料的初始激光所产生的裂缝扩展，并且最初使用具有低激光脉冲能量的激光束54。在半导体基板53的主体中，激光能量在激光切割方案文件的控制下增加以使用更高能量激光束541来更快地加工，见图5(ii)b。当从晶片50的后侧加工的激光束541达到包含有源器件51的区域时，激光束54的激光脉冲能量在激光切割方案文件的控制下被减弱以防止对该区域的过分损伤，见图5(ii)c。为了按照此种方式控制激光加工，激光切割方案文件还包括代表分别通过有源层和基板剩余部分所需的扫描数目的数据，以及将基板的温度升高到一个热冲击效应在升高的温度和升高的脉冲能量下不明显的温度所需的初始扫描的数目的数据。
在本发明的另一个实施方式中，如图9所示，在用多通路切割来加工，例如，单层基板93中的例如沟槽或切割线92时，在一个或几个初始通路期间，使用比切割基板主体时所用的激光束941脉冲能量更低的激光束94，来防止在从其加工基板93的第一表面91上的表面微裂纹的产生或至少减少到低于可能在其它情况下发生的程度。相似地，激光束942的最终通路的能量可以减小到用来切割基板93的主体所用的能量以下，来防止与第一表面91相对的基板的第二表面94的或，例如，在沟槽的基底的碎屑或裂纹的产生，或至少将其减少到低于可能在其它情况下发生的程度。在基板93的主体中，使用更高能量的脉冲来有效地切除材料。该脉冲能量可以随着加工深度的增加而增加来更有效地加速材料的切除。
此外，参考图10，在基板103的加工整个过程中可以改变激光束104的能量以有利于去除加工中产生的碎片109。也就是说，激光束104更高的峰值功率被用在基板深处而不是接近基板表面处。
激光切割模片的机械模片强度为连续激光脉冲之间的空间重叠的函数。连续激光脉冲之间的空间重叠被由此优选地选择来产生从被加工基板获得模片的最佳机械模片强度。例如，用一个355nm的Q开关激光加工的硅基板的机械模片强度的相关性在图6中表示，其中，绘制压力测试的生存可能性为纵坐标，施加在模片上的压力作为横坐标，来用于从30％到76％的一系列脉冲重叠。显然，在这种情况下，具有最高模片强度的曲线61对于30％的脉冲重叠获得。显而易见的是如果激光脉冲重叠过高则一个区域中会有过多的热量，和过多的裂纹。如果脉冲重叠较低，在一个区域中就会有较少的热损伤和较少的裂纹。在实践中，提供所需的模片强度和产量的适当重叠可以由实验确定并存储在激光切割方案文件中用来在加工期间使用。应该理解的是激光脉冲的空间重叠实际上是扫描速率、脉冲重复率和入射激光束的直径的函数，因此仅这些参数需要被存储在激光切割方案文件中。
当远心透镜被用来聚焦激光束时，所接受的激光的强度在远心透镜的视野范围内改变。激光参数可以根据聚焦扫描透镜目标的视野范围内的焦点的位置来进行改变以便在整个视野内的工件表面维持恒定的功率密度。作为入射激光强度的一个百分比的透射激光强度在典型远心扫描透镜视野范围内的变化用等值线(contour plot)20在图2的上半部示出。该等值线可以通过在远心透镜下方在基板或工件要位于其中的平面内放置激光功率表来获得。激光功率读数被记录在横跨透镜(典型的40mm×40mm)视野范围内的许多位置上，然后绘制为二维表面图表。激光功率密度图中的不规则主要是由于透镜上抗反射涂层的质量。一个远心透镜包括许多透镜，在任何这些透镜之上的涂层厚度或质量上的任何不规则都可以引起激光功率密度图上可观察到的不规则。而且，由于远心透镜的几何形状，它的固有性能在视野的边缘并不好，因此激光功率密度就会由于远心透镜本身所造成的激光束轮廓的畸变而被减少。
在整个扫描透镜的视野内维持一个恒定的功率密度需要改变激光脉冲能量和激光重复频率之中的至少一个。在本发明的一种实施方式中，激光参数根据聚焦对象视野中的焦点位置来改变，以在横跨整个视野的工件表面维持一个恒定的功率密度。作为入射激光强度的一定百分比的透射激光强度在典型的远心扫描透镜的视野范围上的变化在图2中表示。横跨整个扫描透镜的视野范围维持一个恒定的功率密度需要改变激光脉冲能量和激光重复率之中的至少一个并方便地在固定的激光重复频率下改变激光脉冲能量，或可替换地，在一个固定激光脉冲能量下改变激光重复频率。功率密度(φ)被定义为在激光焦点上单位面积(A单位为平方厘米)上的功率(P单位为瓦特)且由下式给出
φ = P A
其中功率为每秒(s)的脉冲能量(E单位为焦耳)
P = E s
举例说明，图2中的下一半，其脉冲能量作为纵坐标相对于沿着线21的距离，它距离如图2中的上半部分所示的视野的下边缘10mm，在扫描横跨扫描透镜的视野范围的激光来补偿通过远心透镜透射的激光强度的变化时，展示了在基板上维持恒定功率密度所需的激光脉冲能量的修正。在该实施例中，激光沿着长为40mm，距离透镜中心为10mm的直线21扫描。在图2的上半部分，透镜的视野被分成多个区域，其中在所给区域中每个点上的密度为该区域上所有点的±5％以内。对于在本实施例中激光所扫描的40mm的线21，对应扫描线2l的六个部分22，23，24，25，26，27的六个不同区域，被穿过且因此在激光切割方案文件的控制下改变激光能量五次。该激光脉冲能量在区域1中以E4的值221开始用于扫描线21的第一部分22。在区域1的工件的透射激光强度为入射在扫描透镜上的激光强度的80％到85％，且由于区域1代表了与区域2到6相比最低的入射激光强度的区域，因此区域1中每个激光脉冲E4的能量为最高。随着激光从区域1到区域2的扫描，对应扫描线21的第二部分23，该透射的激光强度增加到扫描透镜上入射的激光强度的85％到90％，并为了在工件表面维持一个恒定的功率密度，激光脉冲能量当前减少到E3的值231，其中E3比E4能量上低5％。随着激光束从一个区域横穿到下一个区域，激光脉冲的能量在激光切割方案文件的控制下“实时(on the fly)”改变，(如需要则在脉冲间基线(pulse-to-pulse basis)上)以便在沿着切割路线21的整个40mm长度的工件表面上维持一个恒定的功率密度值(φ)。
总之，工件表面的激光功率密度φ与激光脉冲能量E成正比。在工件表面的激光脉冲能量值将与因为在扫描透镜中的衰减而与从激光器直接出现的不同。该等值图以二维列阵的形式存储在与激光的计算机控制相关的计算机存储器中，并且基于针对检流计扫描仪的软件以将激光束放置在视野中，同时的命令发送到激光以如激光切割方案文件中所指示的来改变脉冲重复率和激光脉冲能量。激光功率也可以通过激光头自身中的整体功率仪监测，且激光中的功率的变化可以被补偿。原则上，激光功率可以在工件或基板上被监测而不是存储等值图，但在进行这些的过程中将会有激光功率的损失，且优选地将等值图存储在存储器中。根据本发明，该脉冲重复率和脉冲能量的结合在扫描过程中被控制，该激光脉冲能量E在与远心扫描透镜的透射的反比(indirect proportion)中变化，以为了在扫描透镜的整个视野内的工件表面保持恒定的功率密度。这就允许，例如，切割路线的加工和一致深度的指定沟槽，其中切割路线的深度与功率密度φ成正比。在基板用激光加工的情况下，这样激光将切过基板的整个厚度，在整个切割路线中保持一致的功率密度防止了切割路线的部分切割。在选取和安置的过程中，切割路线的部分切割将留下相邻模片之间的材料，当模片从传送带上选取时，粘连的模片可能分离而导致对模片的损伤，因此显著降低了它们的机械强度。
根据本发明的激光切割可以在由气体处理系统控制的非环境(non-ambient)空气环境中完成。气体参数比如流速、浓度、温度，气体种类和气体混合可以在激光切割过程之前、之中或之后的至少一个被控制。一系列不同的气体可以被用在激光加工过程之前，之中，或之后的至少一个中。
一个气体释放头(delivery head)可以用来保证气体一致地被传输到基板的切割区域，这样就完成了一致切割。
使用的气体相对于半导体基板和/或半导体晶片或基板中的层可以为惰性或活性的。惰性气体(例如，氩和氦)可以用于在激光加工过程中防止模片壁上氧化层的生长。与硅反应的气体(例如，含氯氟烃和卤化碳)可以用来在激光加工之前，之中和之后的至少一个来通过对基板材料蚀刻减少模片侧壁的表面粗糙度。而且，一个由于激光加工在模片侧墙上产生的热影响区(HAZ)可以用反应气体来蚀刻掉。以这种方式，模片侧壁的质量改善并由此增加了模片的强度。而且，反应气体减少了粘附在模片侧壁上和顶及底表面上的碎片量，这样就减少了激光加工模片上的静电应力点。
在本发明的另外一个实施方式中，激光脉冲的能量被减少到与晶片材料的熔化阈值接近的值(在模片切单(singulation)之后)且激光沿着模片的边缘进行扫描来加热(而不是侵蚀)模片侧壁。在此过程中，模片侧壁的表面粗糙度被降低且热影响区的一致性提高，因此导致增强的模片强度。
在本发明的另外一个实施方式中，激光按照如图7(i)所示的此种方式扫描来为模片71加工圆角72。模片75用传统的机械锯按照图7(ii)中所示的现有技术进行切割。在使用基于激光加工系统的检流计而不是基于切割系统的传统的机械锯时，更容易获得圆角几何形状并更精确。然而，激光脉冲特性必须在圆角部分改变，如典型的情况下，用来引导激光束的检流计扫描镜必须在它们横穿曲线图形时放慢速度。否则，当扫描镜变慢时激光脉冲空间重叠将增加，由此脉冲的间隔时间，Δt，需要增加来在圆角部分维持一个与模片的垂直部分上使用的空间重叠相同的重叠。该数据被存储到激光切割方案文件中来在加工过程中控制激光束。使用激光来生产具有圆角的模片增加了模片的强度并保证了薄晶片的切割。该圆角消除了矩形模片尖角所引起的应力。
而且，加工也可以通过激光切割方案文件和程序控制来控制，这样在模片边缘的角或曲线部分传输的脉冲使得在没有那些可以在模片边缘产生缺陷的过度切割或切割不足的情况下获得“清晰”的拐角或曲线部分。
在本发明的另外一个实施方式中，在基板83上用激光束84切割的激光切割路线的锥形85，可以改变来产生凸起的拱形模片侧壁82，如图8所示，以产生一个向着激光束84的方向上呈锥形的切割。在前面说明的实施方式中，这通过在尖角上消除静电应力点导致了增加的模片强度。切割路线侧壁的锥形通过在激光束扫描过基板的过程中改变切割路线的宽度来完成。如图8中所示的锥形侧壁通过在切割路线中随着加工基板深度的增加减少临近激光扫描的数量来完成。
如图10所示，一个将要被加工的基板103可以安装在传送带110上，比如在基板103上加工切割路线102来对模片101切单。在此种情况下，该激光束能量可以通过基板来在最终通路中控制以保证不出现对传送带的损伤，如上关于图9(iii)所示。可选择地，或附加地，可以使用一个传送带110，比如聚烯烃基体传送带，其对用来加工基板103的紫外线激光束104基本透明，因此，在加工过程参数的适当选择的情况下，基本不会出现对传送带的损伤。
本发明并不在限制以上描述的实施方式中，而是可以在构造和细节上变化。

Claims (52)

1.一种使用脉冲激光器用以程序控制切割包括至少一层基板的方法，该方法包括步骤：
a.提供程序控制工具和相关的数据存储工具用于控制所述脉冲激光器；
b.在相关的数据存储工具中提供由激光在基板上产生的脉冲的脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠的至少一个选定组合的激光切割方案文件来限制对所述各自至少一层的损伤，同时使对至少一层的加工速率达到最大；
c.当所述脉冲激光器按照存储在所述激光切割方案文件中的所述各自至少一个组合运行时，在所述激光切割方案文件中提供代表切断所述各自至少一层所需的脉冲激光的所述各自至少一层的至少一选定多个扫描的数据；和
d.在所述激光切割方案文件驱动的所述程序控制工具的控制下使用所述激光，以所述各自至少一选定多个扫描来扫描所述至少一层，以至少有利于对基板的切割，从而使得到的模片具有至少预定的模片强度和可使用的模片产量至少等于预定的最小产量。
2.如权利要求1中所述的方法，其中为所述至少一层的每一层提供激光切割方案文件的步骤b和c包括的步骤有：
b1.改变脉冲速率、脉冲能量、脉冲空间重叠的至少一个组合，来提供一个各自组合；
b2.测量使用所述各自组合的所述各自层的切割速率；
b3.检查所述层，来确定损伤是否被限制在预定的范围；
b4.切割基板并且测量所述得到的模片的产量；
b5.测量得到模片的模片强度；
b6.生成使切割速率达到最大的选定组合的激光切割方案文件，同时产生至少具有所述预定最小产量的可使用的模片的产量，和所述模片至少具有所述预定的模片强度；
c1.使用所述选定组合扫描至少一层，以确定切断所述层所需的多个扫描；和
c2.将所述选定的多个扫描存储在所述激光切割方案文件中。
3.如权利要求2中所述的方法，其中所述模片强度用韦氏模片强度测试来测量。
4.如权利要求1到3中任何一个所述的方法，其中使用激光扫描所述至少一层的所述步骤d包括提供一个基于检流计的扫描仪。
5.如权利要求1到4中的任何一项权利要求中所述的方法，其中，使用所述激光扫描所述至少一层的步骤包括提供一个远心扫描透镜用于将来自激光器的激光束横穿基板扫描，和提供激光切割方案文件的步骤包括的步骤有：
d1.绘制在所述远心扫描透镜焦平面上接收的激光能量密度，以使用脉冲的脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠的选定组合产生远心透镜视野范围内的激光能量密度图；
d2.将所述激光能量密度图作为阵列存储在存储工具中；和
d3.使用所述激光能量密度图用控制工具来修改选定组合的脉冲重复率和脉冲能量中的至少一个以在基板上在视野范围内的扫描点生产恒定的激光能量密度。
6.如权利要求5中所述的方法，其中绘制激光能量密度的步骤包括使用激光功率仪来测量远心透镜的视野范围内代表位置上的激光能量密度。
7.如前面任何一项权利要求中所述的方法，其中提供选定组合的步骤包括提供限制各自层材料的热负荷的选定组合来将机械应力限制在预设的最大值以内。
8.如前面任何一项权利要求中所述的方法，其中所述选定组合被用于少于扫描中与其对应的选定多个，以加工将被切削的层，且该层被扫描以进行进一步的扫描直到所述的选定多个，该选定多个所用的组合将不明显地加工下一层，使得基本上没有加工出现在所述下一层，这样在将被切割的所述层被切割后，激光将继续扫描所述基板。
9.如权利要求8中所述的方法，用于通过将被切割的层来对基板划线用于对基板的后续机械切割。
10.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中，该基板包括一个有源层，其中，提供选定组合以限制对至少一层的损伤的步骤包括提供没有明显影响有源层中有源器件后续工作的选定组合。
11.如权利要求10中所述的方法，其中提供没有明显影响有源层中有源器件后续运行的选定组合的步骤包括提供一个组合，其没有引起明显裂缝通过有源层扩展。
12.如前面任何一项权利要求中所述的方法，其中提供选定组合的步骤包括：
b7.提供一个初始组合，在此，所述激光以没有造成因环境温度下的热冲击而引起的明显的裂缝扩展的初始速率加工基板，并且这样的基板的温度通过加工，在由激光对基板的预定多个扫描后升高到环境温度以上的升高的温度；
b8.和提供一个工作组合，在此，激光以高于初始速率的工作速率加工基板，其不造成由于在升高的温度下的热冲击引起的明显的裂缝扩展；
和加工基板的步骤d包括：
d4.使用用于至少预定多个扫描的初始组合来加工基板的初始深度；和
d5.用所述工作组合加工基板剩余深度的至少一部分。
13.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中多个扫描中至少第一个的能量低于多个扫描的随后扫描的能量，从而使表面微裂纹的产生少于在其它情况下可能产生的。
14.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中多个扫描中至少最后一个的能量低于多个扫描的前面扫描的能量，从而使基板后侧的碎片少于在其它情况下产生的碎屑。
15.如前任何一项权利要求中所描述的方法，其中多个扫描的能量在扫描之间变化，有利于去除切割基板过程中产生的碎片，方便地通过随着加工深度的增加来增加激光能量以从切割路线去除碎片。
16.如前任何一项权利要求中所述的方法，还包括了以下步骤：
e.提供气体处理工具为基板提供气体环境；
f.在基板切割之前，期间和之后的至少一个过程中使用气体环境来控制与基板的化学反应，从而加强所得模片的强度。
17.如权利要求16中所述的方法，其中提供气体处理工具的步骤包括提供气体释放头工具，用来给基板切割区域基本一致地传输气体，便于基本一致地切割基板。
18.如权利要求16或17中所述的方法，其中提供气体处理工具的步骤包括提供工具来控制流速、浓度、温度，气体种类和各种气体混合中的至少一个。
19.如权利要求16到18中任何一项中所述的方法，其中提供气体环境的步骤包括提供一个惰性气体环境用来基本上防止模片壁在加工过程中的氧化。
20.如权利要求16到18中任何一项所述的方法，其中提供气体环境的步骤包括提供活性气体环境。
21.如权利要求20中所述的方法，其中提供活性气体环境的步骤包括用活性气体侵蚀模片壁来减少壁的表面粗糙度并因此改进模片强度。
22.如权利要求20或21中所述的方法，其中提供活性气体环境的步骤包括用活性气体来侵蚀模片壁来基本上去除在加工过程中产生的热影响区域，并因此改进模片强度。
23.如权利要求20到22中任何一项所述的方法，其中提供活性气体环境的步骤包括减少加工过程中产生的粘到加工的模片表面的碎片。
24.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中，还包括在切割后用有足够能量的激光扫描所得模片的边缘来加热所得模片的侧壁，从而降低其表面粗糙度并因此增加所得模片的强度。
25.如前任何一项权利要求中所述的方法，通过用基于检流计的扫描仪在模片的拐角上沿着弯曲轨迹扫描激光束用来生产带圆角的模片，其中选定组合适于保持围绕模片整个周边在连续激光脉冲之间选定的脉冲空间重叠。
26.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中所述选定组合适用于在模片的拱形部分或拐角上传输脉冲，使得在拱形模片边缘或拐角上基本上不会出现产生缺陷的过度切割或切割不足。
27.如前任何一项权利要求中所述的方法，在激光扫描过基板的过程中通过改变切割路线的宽度来形成具有远离激光束方向上向内呈锥形的拱形侧壁的锥形切割路线，其中选定组合被修改来提供一个精细控制的锥形和光滑模片侧壁，并由此增加了所得模片的模片强度。
28.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中所述激光器是Q-开关激光设备。
29.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中从所述激光器中发出的激光束被旋转镜所引导。
30.如前任何一项权利要求中所述的方法，其中所述基板安装在传送带上，且激光最终扫描能量被控制来基本上防止损伤传送带。
31.如权利要求30中所述的方法，其中所述传送带对紫外线辐射基本上透明。
32.如权利要求31中所述的方法，其中所述传送带以聚烯烃为基体。
33.一种基板的程序控制切割装置包括了至少一层，该装置包括：一个脉冲激光器；用激光切割方案文件来控制所述脉冲激光器的程序控制工具和相关的数据存储工具，激光切割方案文件存储在所述数据存储工具中，激光在基板上产生的脉冲的脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠中至少一个各自选定组合和代表切穿所述各自至少一层所必需的脉冲激光在各自至少一层的至少一个各自选定多个扫描的数据；这样，在使用中，所得模片至少具有预定的模片强度且具有至少与预定的最小产量相等的可用模片的产量。
34.如权利要求33中所述的装置，其中，所述程序控制工具包括控制工具，来改变脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠中的至少一个，从而使激光属于所述至少一个各自选定的组合。
35.如权利要求33或34中所述的装置，包括远心透镜工具，用来将激光器发出的激光束在整个基板上扫描。
36.如权利要求35中所述的装置，包括激光功率测量工具来绘制所述远心透镜焦平面上所接收的激光能量密度以用脉冲速率，脉冲能量和脉冲空间重叠的选定组合来产生所述远心透镜视野内的激光能量密度图，并将激光能量密度图以阵列存储在数据存储工具中来修改所述至少一个各自选定组合来补偿所述远心透镜所引入的基板上的激光能量密度的不规则。
37.如权利要求33到36中任何一项的所述装置还包括了气体处理工具，来为基板提供气体环境，以在切割基板之前、之中或之后的至少一个期间用于控制与所述基板的化学反应，来提高所得模片的强度。
38.如权利要求37中所述的装置，其中气体处理工具包括了气体释放头工具来将气体一致地传输到基板的切割区域。
39.如权利要求37或38中所述的装置，其中气体处理工具包括了控制气流速率、浓度、温度，气体种类和各种气体的混合中至少一个的控制工具。
40.如权利要求37到39中任何一个的所述装置，其中所述气体处理工具被设置来提供一个惰性气体环境以基本上防止在加工过程中模片壁的氧化。
41.如权利要求37到39中任何一项所述的装置，其中所述气体处理工具被设置来提供一个活性气体环境。
42.如权利要求41中所述的装置，其中所述气体处理工具被设置来用活性气体腐蚀模片壁以减少壁的表面粗糙度，并由此增加模片的强度。
43.如权利要求41中所述的装置，其中所述气体处理工具被设置来用活性气体腐蚀模片壁以基本上移除加工过程中产生的热影响区域并由此增加了模片的强度。
44.如权利要求41中所述的装置，其中所述气体处理工具被设置来用活性气体腐蚀模片壁以减少加工过程中产生的并粘连到加工模片的表面的碎片。
45.如权利要求33到44中任何一项所述的装置还包括基于检流计的扫描仪，用于通过沿着模片拐角处弯曲轨迹扫描激光束生产具有圆角的模片，其中所述选定组合被设置来在整个模片周围的连续激光脉冲之间维持选定脉冲空间重叠。
46.如权利要求33到35中任何一项所述装置，其中所述选定组合被设置来控制模片边缘的拱形部分或拐角上的激光脉冲传输，由此基本上不会有在模片边缘上产生缺陷的过度切割或切割不足。
47.如权利要求33到46中任何一项所述的装置，该装置还被设置来通过在激光扫描过基板时改变切割路线的宽度形成具有在远离激光束方向上向内呈锥形的拱形壁的锥形切割路线，其中所述选定组合被修改来提供一个具有光滑模片壁的精细控制的锥形，并由此增加了所得模片的模片强度。
48.如权利要求33到47中任何一项所述的装置，其中激光器为Q-开关激光设备。
49.如权利要求33到48中任何一项所述的装置，包括了用来引导在基板上由激光器发出的激光束的旋转镜。
50.如权利要求33到49中任何一项所描述的装置，该装置设置了安装在传送带上的基板，其中所述激光在基板上的最终扫描中被控制以基本上不损伤传送带。
51.如权利要求50中所述的装置，其中该传送带对紫外线光基本上透明。
52.如权利要求51中所述的装置，其中传送带以聚烯烃为基体。
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