CN1669720A - 用于激光束加工机中的卡盘工作台 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光束加工机中的卡盘工作台，其具有用于保持工件的工件保持区域，其中所述工件保持区域的形状与所述工件相似，且其尺寸比所述工件小；同时，一个缓冲槽被这样形成，以使所述缓冲槽环绕所述工件保持区域。

Description

用于激光束加工机中的卡盘工作台
技术领域
本发明涉及一种在激光束加工机中用于保持工件的卡盘工作台。
背景技术
在半导体装置的生产过程中，在大体盘形的半导体晶片的前表面上，由分割线(也称分割道，“streets”)分切成排列为格子图案的多个区域，且在每个被分切的区域中形成有电路如IC或LSI。通过沿分割线切割半导体晶片以将该半导体晶片分成上面形成有电路的多个区域，来制造单个的半导体芯片。光学装置晶片，包括层压在蓝宝石基底的前表面上的氮化镓基化合物半导体，其也被沿分割线切割而分成单个的光学装置，例如广泛用于电气设备中的发光二极管或激光二极管等。
通常使用被称为“切块机(dicer)”的切割机，来沿上述半导体晶片或光学装置晶片的分割线进行切割。这种切割机，包括：用于保持工件(如半导体晶片或光学装置晶片)的卡盘工作台，用于切割被保持在该卡盘工作台上的工件的切割装置，及用于使该卡盘工作台和该切割装置相对移动的切割进给装置。该切割装置包括心轴单元，其中该心轴单元包括旋转心轴、安装在该心轴上的切割刀片及用于旋转驱动该旋转心轴的驱动机构。该切割刀片包括盘状的基座及安装在该基座的侧壁外周向部分上的环形切割刃；并通过电铸将直径约3μm的金刚石磨料固定在该基座上，以形成约20μm厚的切割刃。
由于蓝宝石基底、碳化硅基底等具有较高的莫氏硬度，因此使用上述切割刀片进行切割并不总是很容易。此外，由于切割刀片厚度约为20μm，因此用于分切装置的分割线的宽度必须约为50μm。因此，在装置尺寸为300μm×300μm的情况下，分割道与晶片的面积比为14％，从而使生产率降低。
作为分割板状工件(如半导体晶片等)的方法，现今已尝试利用激光束加工方法，其将能够穿过工件且带有焦点集的脉冲激光束照射到待分割区域的内部。在利用这种激光束加工技术的分割方法中，可按如下过程来分割工件：将可从工件的一侧穿过工件的红外线范围内的脉冲激光束(其带有焦点集)照射到内部，以在工件的内部沿分割线连续地形成变质层；以及沿分割线施加外力，其中该分割线的强度因为变质层的形成而变小。这种方法在日本专利No.3408805中公开。
为提高电路如IC或LSI的生产量，近来已经使用在半导体基底(如硅晶片)的前表面上具有低介电绝缘膜(低-k膜)的半导体晶片，其中该低介电绝缘膜由无机材料(例如SiOF或BSG(SiOB))或者由有机材料如聚合物(例如聚酰亚胺或聚对二甲苯)制成。然而，由于低-k膜由多层组成(5～15层)且像云母一样极易碎，因此当使用切割刀片沿分割线切割上述具有低-k膜的半导体晶片时，会产生这样的问题，即低-k膜会被剥离掉，而这种剥离物会到达电路，从而对半导体芯片造成致命的损害。
为解决上述问题，JP-A 2003-320466中公开了一种用于除去低-k膜的加工机，所述加工机通过将激光束照射到形成在半导体晶片的分割线上的低-k膜上而除去低-k膜，并使用切割刀片沿分割线从被除去的低-k膜处切割半导体晶片。
为使用激光束加工半导体晶片，卡盘工作台和激光束照射装置在切割进给方向上彼此相对移动，同时激光束从激光束照射装置被照射到保持在卡盘工作台上的半导体晶片。然而，当被照射的激光束超出半导体晶片的周边时，会产生这样一个问题，即激光束照射在保持半导体晶片的卡盘工作台上，并损坏卡盘工作台的工件保持区域，从而降低表面精度。此外，为了沿分割线分割半导体晶片，在半导体晶片放置在切割带上的状态下，沿分割线照射该激光束；因此，当如上所述的激光束超出半导体晶片的范围时，切割带因受热融化，并与卡盘工作台的工件保持区域粘合。形成在卡盘工作台的工件保持区域中的真空抽吸孔，可能会被该切割带堵住，并且可能会降低工件保持区域的表面精度。因此，根据情况需要，必须使用磨石擦掉与工件保持区域粘合的切割带，或必须更换卡盘工作台。
为解决上述问题，本发明的申请人在日本专利申请No.2004-58380中提出一种激光束加工机，其可检测形成在保持于卡盘工作台上的工件上的分割线的起点坐标值和终点坐标值，将它们存储在存储装置中，并从存储在存储装置中的起点至终点的范围内照射激光束。
对每一条分割线而言，由于必须检测保持在卡盘工作台的工件保持区域上的工件的加工区域的坐标值，因此日本专利申请No.2004-58380所述的技术在生产率方面不令人满意。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于激光束加工机中使用的卡盘工作台；即使当照射到工件上的激光束超出工件的范围，也不会损坏用于保持工件的工件保持区域。
根据本发明，本发明的上述目的可通过一种用于激光束加工机中的卡盘工作台来实现，其具有用于保持工件的工件保持区域，其特征在于：
所述工件保持区域的形状与所述工件相似，且其尺寸比所述工件小；同时，一个缓冲槽被这样形成，以使所述缓冲槽环绕所述工件保持区域。
优选地，激光束吸收元件放置在所述缓冲槽的底部。
由于本发明的卡盘工作台的所述工件保持区域的形状与所述工件相似，且其尺寸比所述工件小；同时，一个缓冲槽被这样形成，以使所述缓冲槽环绕所述工件保持区域，因此即使当激光束超出该工件的范围时，激光束也不被照射到工件保持区域上而是照射到激光束缓冲槽，从而可以防止工件保持区域受到损坏。此外，即使当激光束被照射到上述激光束缓冲槽时，缓冲槽的底部也完全远离激光束的焦点，且激光束会漫射，因此能量密度也不会高到足以加工激光束缓冲槽，且卡盘工作台也不会遭受损坏。当该工件放置在切割带上时，如果发生上述超出的情况，那么激光束将被照射到该切割带上，而该切割带将因受热融化。然而，由于该卡盘工作台的工件保持区域不位于激光束照射到该切割带上的区域中，所以融化的切割带不会与该工件保持区域粘合。因此，不需对该卡盘工作台进行维护，从而可以降低运行成本。
附图说明
图1是安装有根据本发明构造的卡盘工作台的激光束加工机的立体图；
图2是根据本发明构造的卡盘工作台的主要部分的立体图；
图3是图2所示的卡盘工作台的截面图；
图4是方块图，显示在图1所示的激光束加工机中的激光束加工装置的构造；
图5是示意图，用于解释从图4所示的激光束加工装置中照射的激光束的焦斑直径；
图6是作为工件的半导体晶片的立体图；
图7是图6所示的半导体晶片的放大截面图；
图8是立体图，显示图6所示的半导体晶片已被放置到切割带(其被粘附在环形切割框上)上的状态；
图9(a)和图9(b)是解释由图1所示的激光束加工机进行激光束照射步骤的示意图；
图10是表明本发明实施方式的示意图，其中在图9(a)和图9(b)所示的激光束照射步骤中，激光束超出了工件的范围；及
图11是表明本发明另一实施方式的图，其中在图9(a)和图9(b)所示的激光束照射步骤中，激光束超出了工件的范围。
具体实施方式
下面将结合附图详细地说明本发明的优选实施方式。
图1是根据本发明构造的激光束加工机的立体图。图1所示的激光束加工机，包括：固定式基座2；用于保持工件的卡盘工作台机构3，其以可在箭头X所代表的加工进给方向上移动的方式安装在该固定式基座2上；激光束照射单元支承机构4，其以可在箭头Y所代表的分度进给方向(即垂直于箭头X所代表的方向)上移动的方式安装在该固定式基座2上；及激光束照射单元5，其以可在箭头Z所代表的方向上移动的方式安装在该激光束照射单元支承机构4上。
上述卡盘工作台机构3，包括：一对导轨31和31，其安装在该固定式基座2上，并沿箭头X所代表的加工进给方向彼此平行地排列；第一滑块32，其以可在箭头X所代表的加工进给方向上移动的方式安装在该导轨31和31上；第二滑块33，其以可在箭头Y所代表的分度进给方向上移动的方式安装在该第一滑块32上；支承台35，其由圆柱件34支承在该第二滑块33上；及作为工件保持装置的卡盘工作台36。该卡盘工作台36由金属材料如不锈钢等制成，且如图2和图3所示具有用于保持工件的工件保持区域360。顶部敞开的装配孔361形成在该工件保持区域360中，且由多孔材料如多孔陶瓷等制成的吸附卡盘362装配在该装配孔361中。圆形抽吸槽363形成在上述装配孔361底部的中心部分中，且环形抽吸槽364形成在该抽吸槽363的外侧。该抽吸槽363和364通过抽吸道365与抽吸装置(未示)相连通。上述工件保持区域360的形状与工件相似，且其外周比工件的外周略小(3～5mm)，下文将进行说明。环形缓冲槽366被这样形成，以使得可环绕具有工件保持区域360的卡盘工作台36的工件保持区域360。该环形激光束缓冲槽366的深度为5～10mm，宽度为20～30mm。由防蚀铝(alumite)等制成并用于吸收激光束的激光束吸收元件367，放置于该激光束缓冲槽366的底部处。这样形成的卡盘工作台36，例如将作为工件的盘状半导体晶片放置在工件保持区域360上，并通过启动未示的抽吸装置来对其进行抽吸保持。通过安装在图1所示的圆柱件34中的脉冲马达(未示)，来转动该卡盘工作台36。在示例性的实施方式中，该卡盘工作台36包括用于固定切割框架的夹具368，其中粘附到作为工件的半导体晶片上的切割带被固定在所述切割框架上。
参考图1继续说明，上述第一滑块32在其下表面上具有被装配到上述成对的导轨31和31上的一对导槽321和321，以及在其顶表面具有一对导轨322和322，所述一对导轨322和322被形成为彼此在箭头Y所代表的分度进给方向上平行。通过将上述导槽321和321分别装配到成对的导轨31和31上，上述构造的第一滑块32被构造成，可沿成对的导轨31和31在箭头X所代表的加工进给方向上移动。在示例性的实施方式中，卡盘工作台机构3包括加工进给装置37，其用于使该第一滑块32沿成对的导轨31和31在箭头X所代表的加工进给方向上移动。该加工进给装置37包括外螺杆371，其布置在上述成对的导轨31和31之间并与其平行；还包括用于旋转驱动该外螺杆371的驱动源如脉冲马达372等。该外螺杆371，在一端处旋转地支承到固定在上述固定式基座2上的轴承座373上，在另一端处与上述脉冲马达372的输出轴传动连接。该外螺杆371拧入到带螺纹的通孔中，其中该通孔形成在从该第一滑块32的中心部分的下表面突出的内螺纹座(未示)中。因此，通过使用该脉冲马达372在正常方向或反向方向上驱动该外螺杆371，该第一滑块32在箭头X所代表的加工进给方向上沿该导轨31和31移动。
上述第二滑块33在其下表面包括一对导槽331和331，所述一对导槽331和331被装配到设置在上述第一滑块32顶表面上的成对的导轨322和322上；通过将导槽331和331分别安装到成对的导轨322和322上，上述第二滑块33被构造可在箭头Y所代表的分度进给方向上移动。在示例性的实施方式中，卡盘工作台机构3包括第一分度进给装置38，用于使该第二滑块33沿成对的导轨322和322在箭头Y所代表的分度进给方向上移动，其中所述成对的导轨322和322设置在第一滑块32上。该第一分度装置38包括布置在上述成对的导轨322和322之间并与其平行的外螺杆381，及用于驱动该外螺杆381的驱动源如脉冲马达382。该外螺杆381，在一端处旋转地支承到固定在上述第一滑块32顶表面上的轴承座383上，在另一端处与上述脉冲马达382的输出轴传动连接。该外螺杆381拧入到带螺纹的通孔中，其中该通孔形成于从该第二滑块33的中心部分下表面突出的内螺纹座(未示)中。因此，通过使用该脉冲马达382在正常方向或反向方向上驱动该外螺杆381，该第二滑块33在箭头Y所代表的分度进给方向上沿该导轨322和322移动。
上述激光束照射单元支承机构4，包括：安装在该固定式基座2上并在箭头Y所代表的分度进给方向上彼此平行排列的一对导轨41和41，及以可在箭头Y所代表的方向上移动的方式安装在导轨41和41上的活动支承基座42。该活动支承基座42，包括：可活动地安装在该导轨41和41上的活动支承部分421，及安装在该活动支承部分421上的安装部分422。该安装部分422在其一个的侧翼flank设置有沿箭头Z所代表的方向彼此平行而延伸的一对导轨423和423。在示例性的实施方式中，激光束照射单元支承机构4，包括第二分度进给装置43，其用于使该活动支承基座42沿成对的导轨41和41在箭头Y所代表的分度进给方向上移动。该第二分度进给装置43，包括：放置在上述成对的导轨41和41之间并与其平行的外螺杆431，及用于旋转驱动该外螺杆431的驱动源如脉冲马达432。该外螺杆431，在其一端处旋转地支承到固定在上述固定式基座2上的轴承座(未示)上，且在另一端处与上述脉冲马达432的输出轴传动连接。该外螺杆431拧入到带螺纹的通孔中，其中该通孔形成于从该活动支承部分421(其构成该活动支承基座42)中心部分的下表面处突出的内螺纹座(未示)中。因此，通过使用该脉冲马达432在正常方向或反向方向上驱动该外螺杆431，该活动支承基座42在箭头Y所代表的分度进给方向上沿该导轨41和41移动。
在示例性的实施方式中，激光束照射单元5，包括单元保持器51以及紧固到该单元保持器51上的激光束照射装置52。该单元保持器51包括一对导槽511和511，所述成对的导槽511和511可滑动地装配到设置于上述安装部分422上的成对的导轨423和423上；通过将导槽511和511分别安装在上述导轨423和423上，该单元保持器51以可在箭头Z所代表的方向上移动的方式被支承着。
所示例的激光束照射装置52，包括紧固到上述单元保持器51上并基本上水平方向延伸的圆筒形壳体521。如图4所示，在壳体521中，安装有脉冲激光束振荡装置522和传输光学系统523。该脉冲激光束振荡装置522由脉冲激光束振荡器522a(其由YAG激光振荡器或YVO4激光振荡器组成)和连接到该脉冲激光束振荡器522a上的重复频率设置装置522b组成。该传输光学系统523包括合适的光学元件如分光器等。容置由一组具有公知结构的透镜所构成的聚光透镜(未示)的聚光器524，连接到上述壳体521的末端上。
从上述脉冲激光束振荡装置522进行振荡的激光束，通过传输光学系统523到达聚光器524，并从该聚光器524处以预定的焦斑直径D照射到保持在上述卡盘工作台36上的工件上。如图5所示，当通过聚光器524的物镜524a照射具有高斯分布的脉冲激光束时，该焦斑直径D定义为：D(μm)＝4×λ×f/(π×W)(其中，λ是脉冲激光束的波长(μm)，W是照射到物镜524a上的脉冲激光束的直径(mm)，f是物镜524a的焦距(mm))。
参照图1，图像摄像装置6用于检测将由上述激光束照射装置52进行加工的区域，且安装在构成上述激光束照射装置52的壳体521的前端。该图像摄像装置6，包括：用于照明该工件的照明装置，用于捕获被该照明装置所照亮的区域的光学系统，及用于对由该光学系统所捕获的图像进行摄像的图像摄像装置(CCD)。图像信号被传输到未示的控制装置中。
在示例性的实施方式中，激光束照射单元5，包括用于沿成对的导轨423和423在箭头Z所代表的方向上移动该单元保持器51的移动装置53。该移动装置53包括：布置在成对的导轨423和423之间的外螺杆(未示)，及用于旋转驱动该外螺杆的驱动源如脉冲马达532。通过使用该脉冲马达532在正常方向或反向方向上驱动该外螺杆(未示)，该单元保持器51和该激光束照射装置52沿导轨423和423在箭头Z所代表的方向上移动。在示例性实施方式中，通过在正常方向上驱动该脉冲马达532，使该激光束照射装置52向上移动；以及通过在反向方向上驱动该脉冲马达532，使该激光束照射装置52向下移动。
下面说明使用上述激光束加工机利用激光束进行加工工件的过程。
图6是将被激光束所加工的半导体晶片(其作为工件)的立体图，图7是图6所示的半导体晶片的分割线的放大截面图。在图6和图7所示的半导体晶片20中，在半导体基底21(如硅晶片)的前表面21a上，由多条分割线分切成格子图案的多个区域，且在每个被分切的区域中形成电路212(如IC或LSI)。该半导体晶片20包括层压在该半导体基底21的前表面上的低介电绝缘膜213。
如图8所示，如上述构造的半导体晶片20放置在切割带26上，其中该切割带26由氯乙烯等合成树脂薄层sheet组成，且该合成树脂薄层以前表面21a朝上的方式粘附到环形切割框架25上。
通过该切割带26而被支承到切割框架25上的半导体晶片20，被以前表面21a朝上的方式送到卡盘工作台36的工件保持区域360上，该卡盘工作台36构成了如图1所示的激光束加工机的卡盘工作台机构3；且该半导体晶片20借助于该切割带26被放置在该工件保持区域360上。然后，通过启动未示的抽吸装置，将半导体晶片20抽吸保持在该工件保持区域360上。此时，如上所述，由于该工件保持区域360的形状与该半导体晶片20相似，且其尺寸小于半导体晶片20，所以半导体晶片20的周向部分从该工件保持区域360的周边向外突出，并位于该环形缓冲槽366上方。由设置在该卡盘工作台36上的夹具368来固定该切割框架25。通过操作进给装置37，用于抽吸保持半导体晶片20的卡盘工作台36沿导轨31和31移动，且被送至安装在该激光束照射单元5上的图像摄像装置6的正下方。
在该卡盘工作台36位于该图像摄像装置6的正下方后，由该图像摄像装置6和未示的控制装置来进行对准工作，该对准工作用于检测半导体晶片20将被激光束所加工的加工区域。即，该图像摄像装置6和控制装置(未示)进行图像处理(例如图形匹配等)，从而将形成在半导体晶片20的预定方向上的分割线211与激光束照射单元5的聚光器524对准，用以沿分割线211照射激光束，由此完成激光束照射位置的对准。同时，也沿垂直于上述预定方向、在形成于半导体晶片20上的分割线211上进行相似的激光束照射位置的对准。
在检测分割线211(其形成在保持于卡盘工作台36上的半导体晶片20上)并进行激光束照射位置的对准后，移动该卡盘工作台36，以将在预定方向(图9(a)中的水平方向)上延伸的预定分割线211送至该激光束照射装置52的聚光器524的正下方位置。此外，如图9(a)所示，分割线211的一端(图9(a)中的左端)位于该聚光器524的正下方。然后，该卡盘工作台36以预定进给速率在箭头X1所代表的加工进给方向上移动，同时将激光束从该激光束照射装置52的聚光器524照射到形成在分割线211上的低介电绝缘膜213上。此时，从聚光器524处所照射的激光束的焦点P，被设定在低介电绝缘膜213的表面上。如图9(b)所示，当聚光器524的照射位置到达分割线211的另一端(图9(b)中的右端)时，暂停激光束的照射。结果，除去了形成在分割线211上的低介电绝缘膜213(激光照射步骤)。
在上述激光束照射步骤中，如图10所示，由于反应延时或出错，从激光束照射装置52的聚光器524所照射的激光束可能超出半导体晶片20的范围。此时，尽管激光束照射到切割带26上且切割带26受热融化，但由于在激光束照射到切割带26的区域中不存在该卡盘工作台36的工件保持区域361，所以融化的切割带不会粘合到该工件保持区域360上。如图11所示，当作为工件的半导体晶片20不是放置在切割带上而是直接保持在该卡盘工作台36的工件保持区域360上时，如果在上述激光束照射步骤中从激光束照射装置52的聚光器524中所照射的激光束超出半导体晶片20的范围，那么激光束将直接照射到该卡盘工作台36的激光束缓冲槽366上。由于激光束缓冲槽366的底部完全远离激光束的焦点P，且激光束会漫射，因此能量密度也不会高到足以加工激光束缓冲槽366的地步，因此该卡盘工作台36不会损坏。在示例性的实施方式中，由于激光束吸收元件367放置在激光束缓冲槽366的底部，因此可以确定地防止该卡盘工作台36受到损坏。
在示例性的实施方式中，上述激光束照射步骤中的加工条件设置如下。
光源：YAG激光或YVO4脉冲激光
波长：355nm
输出：0.5W
重复频率：50kHz
脉冲宽度：10ns
焦斑直径：9.2μm
加工进给速率：100mm/sec
当在如图9(a)所示的预定分割线211上完成激光束照射步骤之后，该卡盘工作台36在垂直于分割线211的分度进给方向上移动一段距离(其等于分割线之间距离)，以进行上述激光束照射步骤。重复进行分度进给步骤和激光束照射步骤，以除去形成在所有分割线211(其沿半导体晶片20的预定方向延伸)上的低介电绝缘膜213。如上所述，在沿半导体晶片20的预定方向延伸的分割线211上完成激光束照射步骤后，该卡盘工作台36(即半导体晶片20)旋转90°，以在沿垂直于分割线211(该分割线211沿上述预定方向延伸)的方向上延伸的分割线211上进行上述激光束照射步骤。结果，除去了形成在半导体晶片20的所有分割线211上的低介电绝缘膜213。
如上所述，在除去了形成在半导体晶片20的所有分割线211上的低介电绝缘膜213后，保持半导体晶片20的卡盘工作台36返回到开始抽吸保持半导体晶片20的位置，以取消对半导体晶片20的抽吸保持。然后，通过未示的传送装置将半导体晶片20送到切割步骤。在该切割步骤中，用带有切割刀片的切割机沿分割线211切割半导体晶片20，以将其分成单个的半导体芯片。由于低介电绝缘膜213已从分割线11上除去，因此可以防止在使用刀片切割低介电绝缘膜时发生低介电绝缘膜的剥离。
尽管上面已经说明了用于除去形成在半导体晶片分割线上的低介电绝缘膜的激光加工实施方式，但是通过将可穿过半导体晶片的、波长为1,054nm的脉冲激光束沿半导体晶片的分割线照射至半导体晶片上，本发明的激光束加工机也可用于这样的激光加工当中，即在半导体晶片的内部形成连续的变质层。

Claims (2)

1.一种用于激光束加工机中的卡盘工作台，其具有用于保持工件的工件保持区域，其特征在于：
所述工件保持区域的形状与所述工件相似，且其尺寸比所述工件小；同时，一个缓冲槽被这样形成，以使所述缓冲槽环绕所述工件保持区域。
2.如权利要求1所述的用于激光束加工机中的卡盘工作台，其特征在于：激光束吸收元件放置在所述缓冲槽的底部。
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