CN1826206A - 光束的双焦点聚焦 - Google Patents

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Abstract

片式偏振分束器22分离入射激光束21以形成第一激光束24和第二激光束25。使用弓形反射镜23对第一激光束进行光学修正以使第一激光束具有不同于第二激光束的发散或会聚特性。第一激光束24聚焦在位于聚焦透镜26的光轴上的第一焦点27处，并且第二激光束聚焦在位于该光轴上的第二焦点28处，以便对工件进行加工。该装置适于使用由检流计扫描器控制方向的激光束的加工。

Description

光束的双焦点聚焦
技术领域
本发明涉及用于将光束聚焦到双焦点上的装置和方法。本发明在激光加工中、并更具体地在硅晶片的激光切割中有特殊应用但不限于此。
背景技术
对于厚金属板的加工，使用来自单激光源的双焦点的激光加工是公知的。双焦点是使用FORCE Institute公司(丹麦)发明的双焦点透镜从单激光源产生的。激光束由中心部分的焦距长于剩余部分的焦距的透镜聚焦。在例如WO 03/018246和US 6,175,096中，公开了这种用于加工厚金属板的双焦点透镜系统。双焦点透镜改进了加工产量和质量，但受到透镜寿命短和成本高的限制。更重要地，特别是对于硅晶片切割，该技术的主要缺陷在于，公知的双焦点透镜不是焦阑的，从而无法使激光束扫过使用检流计镜加工的整个工件，而只能扫过使用平移台加工的整个工件，这是因为在扫描期间越过透镜视场的正方区域无法获得一致的光束聚焦。这对当前用于半导体晶片切割的双焦点技术施加了严重的产量限制。而且，双焦点透镜不提供半导体晶片切割所要求的双焦点之间的微米范围的间隔。EP 0706072公开了一种系统，其通过将单焦点透镜与光束分离组件和差动会聚组件分离而声称得到有优势的制造和维护成本。同时也公开了焦点并排的双光束在加工件上的有限的扫描。但是，至少在一些实施例中，EP 070672公开了使用具有不同曲率段的镜子产生多焦点的方法。通过这种方法将单光束分为具有不同发散角的分光束。这种分段的镜子不是标准的光学部件因而必须专门制造。此外，通过这种方法不再保持高斯发布，并且所公开的装置仅适于只有几毫米厚度的厚工件的激光加工。关于在工件中沿同一光轴具有上下叠置的不同焦点的光束扫描，没有任何公开。
目前在半导体集成电路的制造中，硅晶片切割是必不可少的工序。在制造期间，通常使用带有金刚石刃的锯条将硅集成电路或芯片从由大量芯片组成的晶片上分离。但是，这种磨蚀切割的应用无法满足半导体工业对更高精确度、更小切缝宽度和提高的切割质量的要求。锯切割的问题包括：
1.由于刀刃的磨损而缺乏稳定的切割质量；
2.由于锯条的高消耗导致的高成本；
3.管芯的破碎；
4.在管芯中形成机械应力和裂缝；
5.不适于非常薄的晶片；以及
6.不能切割除了直的轮廓以外的其它轮廓。
上述问题可使用脉冲激光切割克服。但是，尽管激光切割在切缝宽度和切割质量方面能够与锯条切割相比，但是激光切割在对厚于大约100μm的晶片衬底的切割速度方面没有竞争力，因此，激光切割目前只用于切割厚度小于100μm的薄晶片。图1图示了机械锯切割的切割速度与晶片厚度的函数关系曲线11和激光切割的切割速度与晶片厚度的函数关系曲线12。该图显示，在晶片厚度大于100μm时，激光切割在切割速度方面无法与锯条切割竞争。激光切割极低的切割速度导致不能令人满意的产量，从而限制了激光晶片切割的适用性。为了把激光切割扩展到较厚晶片的切割，必须提高在晶片厚度大于100μm时的切割速度。
发明内容
本发明的目的是至少改善上述现有技术中的不足。
根据本发明的第一实施方面，提供了一种激光加工装置，其包括片式偏振分束器装置、光束修正装置、聚焦装置和检流计装置。其中片式偏振分束器装置用于分离入射偏振激光束以形成第一激光束和第二激光束；光束修正装置包括弓形反射装置，用于使第一激光束具有不同于第二激光束的发散或会聚特性；聚焦装置用于使第一激光束聚焦在大致位于聚焦装置光轴上的第一焦点处，并使第二激光束聚焦在位于该光轴上的第二焦点处，以使第一焦点和第二焦点中的至少一个不在聚焦装置的焦点上；检流计装置(44)用于将第一激光束(24)和第二激光束(25)扫过整个工件(45)以便对工件进行加工。
有利地，弓形反射装置包括凸面镜。
优选地，可以通过选择弓形反射装置的曲率半径来选择第一焦点和第二焦点之间的距离。
有利地，第一焦点和第二焦点之间的距离在几毫米到零点几微米之间。
便利地，激光加工装置还包括用于产生入射激光束的激光束生成装置。
有利地，片式偏振分束器装置包括偏振相关层，用于大体上反射具有第一偏振分量的第一光束并大体上透射具有第二偏振分量的第二光束。
便利地，入射偏振激光束大体上是准直的。
便利地，第一激光束大体上是准直的，第二激光束在由光束修正装置修正后是发散的。
优选地，入射偏振激光束是脉冲式的。
有利地，激光加工装置还包括平移台装置，用于相对于第一激光束和第二激光束移动工件。
便利地，在第一激光束和第二激光束干涉而形成干涉条纹的情况下，该装置还包括成像装置和相关的控制装置，以便使用干涉条纹的图像将第一和第二焦点在与检流计装置相关的扫描透镜的光轴上校直。
优选地，激光加工装置还包括扫描策略控制装置，用于在工件的加工期间控制入射激光束功率、脉冲重复率和检流计扫描速率中的至少一项。
有利地，激光加工装置还包括气体辅助装置，用于改善加工速度、改善加工碎屑的清除和增强已加工工件的强度中的至少一项。
有利地，激光加工装置还包括涂覆装置，用于在激光加工前向工件表面涂敷保护性牺牲涂层，以保护工件表面免受激光加工期间产生的碎屑的影响，并便于在激光加工后将碎屑从工件表面清除。
优选地，激光加工装置包括涂层清除装置，用于在激光加工后清除牺牲涂层。
便利地，激光加工装置设置用于切割硅晶片。
有利地，激光束的有效焦深被增加。
便利地，激光加工装置设置为减小切割的切缝，从而增加每块晶片的最大芯片数。
便利地，增加激光束的有效加工焦深，以便获得通孔的提高的深宽比微加工和增加的产量。
有利地，激光加工装置设置用于刻划晶片以去除材料。
根据本发明的第二实施方面，提供了一种用于聚焦入射偏振光束的聚焦装置，该装置包括光学片式偏振分束器装置、光束修正装置和聚焦装置。其中光学片式偏振分束器装置用于分离入射光束以形成第一光束和第二光束；光束修正装置包括弓形反射装置，用于使第二光束具有不同于第一光束的发散或会聚特性；聚焦装置用于使第一光束聚焦在位于聚焦装置光轴上的第一焦点处，并使第二光束聚焦在位于该光轴上的第二焦点处，以使第一焦点和第二焦点中的至少一个不在聚焦装置的焦点上。
便利地，弓形反射装置包括凸面镜。
优选地，片式偏振分束器装置包括偏振相关层，用于大体上反射具有第一偏振分量的第一光束并大体上透射具有第二偏振分量的第二光束。
根据本发明的第三实施方面，提供了一种对工件进行激光加工的方法，其包括以下步骤：使用片式偏振分束器分离入射偏振激光束以形成第一激光束和第二激光束；使用弓形反射装置至少修正第二激光束，以便使第二激光束具有不同于第一激光束的发散或会聚特性；提供聚焦装置；使用聚焦装置使第一激光束聚焦在位于聚焦装置光轴上的第一焦点处，并使第二激光束聚焦在位于该光轴上的第二焦点处，以使第一焦点和第二焦点中的至少一个不在聚焦装置的焦点上；以及使用检流计装置将第一激光束和第二激光束扫过整个工件以便对工件进行加工。
优选地，该方法还包括步骤：使用检流计装置将第一激光束和第二激光束扫过整个工件。
便利地，弓形反射装置包括凸面镜。
优选地，分离入射激光束的步骤包括：使用偏振相关层大体上反射具有第一偏振分量的第一激光束并大体上透射具有第二偏振分量的第二激光束。
优选地，该方法还包括步骤：使用平移台装置相对于第一激光束和第二激光束移动工件。
有利地，该方法还包括步骤：通过成像装置和相关的控制装置，使用由第一激光束和第二激光束的干涉形成的干涉条纹的图像，将第一和第二焦点在与检流计装置相关的扫描透镜的光轴上校直。
优选地，该方法还包括步骤：在工件的加工期间控制入射激光束功率、脉冲重复率和检流计扫描速率中的至少一项。
优选地，该方法还包括步骤：为了改善加工速度、改善加工碎屑的清除和增强已加工工件的强度中的至少一项，提供气体辅助装置。
有利地，该方法还包括步骤：在激光加工前向工件的表面涂敷保护性牺牲涂层。
优选地，该方法还包括步骤：在激光加工后清除牺牲涂层。
有利地，该方法用于切割硅晶片。
便利地，第一焦点和第二焦点之间的距离在几毫米和零点几微米之间。
有利地，可以通过选择弓形反射装置的曲率半径而选择第一焦点和第二焦点之间的距离。
便利地，激光束的焦深对于高深宽比微加工是充分的。
有利地，切割的切缝被充分减小以增加每块晶片的最大芯片数。便利地，该方法用于硅晶片中的高深宽比微孔的钻削。
有利地，该方法用于刻划晶片以便从晶片去除材料。
根据本发明的第四实施方面，提供了一种聚焦入射偏振光束的方法，其包括以下步骤：使用片式偏振分束器分离入射偏振光束以形成第一光束和第二光束；使用弓形反射装置至少修正第二光束，以便使第二光束具有不同于第一光束的发散或会聚特性；提供聚焦装置；以及使用聚焦装置使第一光束聚焦在位于聚焦装置光轴上的第一焦点处，并使第二光束聚焦在位于该光轴上的第二焦点处，以使第一焦点和第二焦点中的至少一个不在聚焦装置的焦点上。
有利地，弓形反射装置包括凸面镜。
优选地，分离入射光束的步骤包括：使用偏振相关层大体上透射具有第一偏振分量的第一光束并大体上反射具有第二偏振分量的第二光束。
附图说明
现在将参照附图，通过举例的形式对本发明进行描述，其中：
图1是对于现有技术的锯条切割和激光切割的、加工速度对比晶片厚度的曲线图；
图2是根据本发明的用于从单光束产生双焦点的光学部件的示意图；
图3是图2的光学结构的分束器的示意图；
图4是根据本发明的一个实施方面、包括有图2的光学结构的装置的光学器件的示意图；
图5(a)至5(c)是在晶片中加工的切割线的垂直横截面图，其图解说明了在本发明中使用的切割策略；
图6是显示在本发明中使用的切割线的连续扫描的扫描方向的简图；以及
图7是显示在本发明中使用的刻划-切割工序的简图。
在附图中，相同的附图标记表示相同的部分。
具体实施方式
图2中显示了根据本发明第一实施方面的用于从单入射光束产生双焦点的装置。线偏振、圆偏振或椭圆偏振的平行激光束21以倾角入射在偏振片分束器22的第一表面221上。如图3中最佳显示的那样，在椭圆偏振激光束21以入射角θ入射在第一表面221上的情况下，片式分束器22将激光束21分离成反射的第一激光束24和透射的第二激光束25。优选地，第一表面221具有未示出的增透膜，以减小在第一表面的能量损失。第二表面222具有s型偏振涂层223以便反射s偏振光以形成反射的第一激光束24，而透射p偏振光以形成透射的第二激光束25。应理解的是，如果使用p型偏振涂层，则透射和反射光束的偏振将颠倒。再参照图2，穿过片式分束器22透射的第二激光束25，入射在具有曲率半径R的凸面镜23上，并被镜面反射回来，通过分束器22成为发散的第二激光束。因此，从片式分束器22和凸面镜23的组合输出的是具有不同发散角的两束共线激光束24、25。这两束光束可进行干涉以形成干涉条纹。由于在图2中所示的实施例中，入射激光束21是准直的，所以作为平行激光束21的反射光束，反射的第一激光束24也是准直的，而第二激光束25具有发散角θ″，其中
θ″＝D/R，D为激光束21的直径。
从片式分束器22出射的第一激光束24和第二激光束25大体上垂直入射在扫描透镜26上。第一激光束24和第二激光束25由焦阑和/或f-θ扫描透镜26分别聚焦到第一焦点27和第二焦点28上。第一焦点27比第二焦点28更接近透镜26。第一焦点27和第二焦点28之间的距离是凸面镜23的曲率半径R的函数。因此，通过替换具有不同半径的不同反射镜可以改变焦点之间的距离。已发现几毫米到零点几微米的距离适合于例如切割半导体晶片。尽管图示第一焦点在工件的第一表面上而第二焦点在第一焦点和工件的相对的第二表面之间，但是这并不总是优选的加工方法。例如，第一焦点可以和第一表面有一定距离。如果第一和第二激光束中的一束是准直的，则该光束将聚焦在扫描透镜的焦点上。否则，两个焦点都将不在透镜的焦点上。
第一焦点27的光斑尺寸ω0first可表示为：
ω0first＝2λf/D，(1)
其中f为透镜26的有效焦距。
尽管已描述了取决于偏振的分束器，但显而易见的是，可使用不一定取决于偏振的、其它形式的分束器，例如半镀银镜，尽管其可能具有较低的效率。
类似地，尽管已描述使用凸面镜来改变第二光束的发散特性，但是只要能使分束器的一束出射光束的发散或会聚特性相对于另一出射光束发生改变，并使两束光束沿同一路径返回到聚焦透镜或系统，即可使用任何这样的光学部件或光学部件的组合，例如透镜或凹面镜。
图4绘出了用于双焦点激光烧蚀的整个光学系统，其使用本发明的第一实施方面的聚焦装置进行硅晶片切割，尽管可以理解的是，本发明也相同地适用于切割或加工其它类型的半导体、或其他材料、工件、衬底或晶片。激光源41产生脉冲激光束21。典型地，该激光产生纳秒、皮秒或飞秒脉冲。在本发明的一个实施例中，激光束适当地具有从7到15W的平均功率，50～100kHz的重复率和几十纳秒范围的脉冲宽度。从激光源41发射的激光束21是线偏振的。如有需要，可在双聚焦光学装置前放置波片，以便将激光束偏振转换成椭圆偏振或圆偏振。激光束21由相对于激光束21倾斜的第一平面镜42反射进图2中所示的分束光学器件22、23中，以便激光束21以入射角θ入射在片式分束器22上。
从分束器22、23出射且彼此具有不同发散特性的第一和第二激光束24、25，入射在第二倾斜平面镜43上，平面镜43将第一和第二激光束24、25反射到一对检流计镜44上。检流计镜44在光路上位于扫描透镜26的上游侧以便将第一和第二激光束24、25的高速光束扫描提供到大体垂直于第一和第二激光束的晶片45上。优选地，扫描透镜26是焦阑透镜和/或f-θ透镜。晶片可以是，例如硅、金属或非金属材料的。晶片45安装在切割保护胶带和胶带环48上。在切割期间，激光束切透晶片而不切割或稍微切割切割保护胶带。
平面镜42、43仅用于提供紧凑的激光加工系统。根据本发明的应用要求，可以其它方式布置平面镜42、43。根据应用，可省去其中的任何一个或全部。可选地，可按需要将附加的反射镜加入加工系统。
晶片45安装在XY平移台46上，在加工过程中晶片45被承载在平移台46上，并且在对由扫描透镜的视场确定的区域进行切割期间以及在激光切割之后，通过平移台46使晶片45相对于第一和第二激光束24、25平移。
CCD摄像头47位于从分束器22、23出射的第一和第二激光束24、25的轴线上，并在光路上位于部分反射和部分透射的第二平面镜43的下游侧。摄像头捕捉由第一和第二激光束24、25之间的干涉形成的条纹的图像。该图像用于校直第一和第二焦点以使它们都落在扫描透镜26的光轴上。即，通过旋转凸面镜以及使用CCD摄像头观察穿过部分反射镜43的光线，将双激光束和双焦点校直到系统的光轴上。由部分反射镜43透射的该光线形成了由第一和第二激光束的干涉导致的干涉条纹图案。当光束校直时，产生同心圆的环形条纹图案，而当光束未校直时，产生不规则的干涉条纹图案。双焦点的未校直会导致烧蚀速度的急剧减小。
在切割过程中，第一焦点27位于晶片45的顶面上，而第二焦点28位于晶片材料整体内部并接近晶片的底面，如图2中所示。
使用了晶片切割的切割策略。为了获得高切割速度与合格的质量，激光束24、25沿切割线高速扫描晶片多个周期。适合的扫描速度从每秒几百毫米到每秒几千毫米之间变动。图5中显示了切割策略的一个范例。如图5(a)中所示，在高扫描速度下，少量的硅材料从晶片52中的切割线51中被去除，从而沿切割线51形成浅槽。通过沿着切割线51进一步切割，更多的硅材料按53、54、55的顺序被逐层从晶片52中去除，如图5(b)和5(c)中所示。设为了获得贯穿切割需要n个周期的重复扫描，则使用扫描速度vscanning，切割过程的加工速度vmachining可从以下公式获得：
         L/vmachining＝nL/vscanning+(n-1)T其中L为切割线的长度，T表示在每个扫描周期结束时扫描镜的延迟时间。因此，为了获得最大的加工速度，T必须减到最小。每个周期的扫描方向设置成这样一种方式，即前一扫描周期的结束点为下一周期的起始点。如图6中所示，其中A和B表示切割线60的相对的两端，如果在第一周期61中激光束24、25从A到B扫描，则在第二周期62中激光束24、25从B到A扫描，等等。扫描速度和周期数通过实验进行最优化以获得最高的加工速度。
用于晶片切割的另一切割策略包括两个步骤。首先，激光束24、25以低速vlowspeed扫描切割线一次以切透整个晶片。适合的扫描速度取决于晶片的厚度从每秒几毫米到每秒几十毫米之间变动。在该速度下，熔化或汽化的材料无法从切割线中加工的槽中彻底排出。大量熔化或汽化的材料重新沉积在槽内。为了获得沿切割线的完全的切割，使用激光束按上节中描述的切割策略扫过晶片n个周期。扫描速度和周期数必须通过实验再次进行最优化以获得最高的加工速度。在此切割策略中，整个加工速度由以下等式确定：
        L/vmachining＝L/vlowspeed+nL/vscanning+nT
尽管本发明主要描述为应用于半导体晶片的切割，但是本发明还具有其它应用。例如，可扩展激光束的焦深以用于高深宽比微加工。类似地，本发明可用于例如硅晶片中的高深宽比微孔钻削。
在切割应用中，使用本发明的双焦点允许在芯片间使用宽度减小的切缝。这意味着在给定尺寸的晶片上可以容纳增加数目的芯片。
本发明还可用于刻划低介电常数(低K)的材料。
如果将要加工的晶片或工件包括多层电子器件，例如集成电路芯片封装、多模块或高密度互连电路板，则直接暴露于高功率激光束会导致多层工件的层损坏，因为这些层可能非常薄。例如，标准的金属成分层典型地具有5μm的厚度，标准的有机介电层典型地具有30μm的厚度。如果由高功率激光束切割的多层晶片会发生损坏，则可采用一种刻划-切割工艺以消除对多层晶片顶部各层的损坏。在切割之前，晶片由激光束24、25以高速进行刻划以便在切割线72两侧形成划线71，如图6中所示。划线加工速度高于切割使用的加工速度。在这种高加工速度下，硅晶片顶部的薄层被单切(singulate)而不会导致对其边缘的任何损坏。如上所述的切割工序用于分离在这些薄表面层下的硅晶片的剩余部分。
已经发现气体或空气辅助可进一步提高切割速度、减少碎屑并增强芯片强度。例如氩气、SF6、CF4、HFC、氦气或者氯氟烃或卤化烃气体之一的、应用到晶片表面的气体，因而进一步提高了切割速度和切割质量。
在加工前可对工件涂覆保护性牺牲涂层以保护表面免受加工期间产生的碎屑的影响。可在加工后清除牺牲涂层以便于清除这种碎屑。
尽管已使用分束器和单入射光束对本发明进行了描述，但显而易见的是，使用多束具有不同发散或会聚特性的独立激光束、通过产生多个焦点而有效地增加入射在工件上的组合光束的焦深，可获得相同的优点。
本发明可至少提供以下列举的一些优点。
1.切割使用单焦点难以切透的厚衬底的能力
焦斑的焦深限制了单焦点激光束所能切透的最大厚度。引入附加的焦点等效于伸长了加工光斑的焦深，从而增加了切割厚度。
2.增加烧蚀速率
已经发现如果焦点深深地聚焦在整个晶片的内部而不是在晶片的顶面上，则可获得更高的烧蚀效率。但是，当激光束深深地聚焦在整个厚晶片的内部时，入射在顶面上的激光能量可能不足以克服烧蚀阈值以开始烧蚀。使用双焦点的烧蚀允许一束激光束深深地聚焦在整个晶片内部而另一束聚焦在晶片的顶面上，从而可以毫无困难地开始烧蚀过程。这样，使烧蚀速率得以提高。双焦点的高烧蚀速率可由双激光烧蚀产生的羽辉(plume)的高动力学特性进一步解释，这已由Witanachchi进行了研究(“High ionised carbon plasma generation bydual-laser ablation for diamond-like carbon film growth”，Mat.Res.Soc.Symp.Vol.617，J3.6.1-J3.6.6，2000)。根据Witanachchi的研究，双激光烧蚀产生两个羽辉，而单焦点激光烧蚀产生一个羽辉。而且，与单焦点烧蚀的羽辉相比，双激光烧蚀使羽辉的离子含量增加至少五倍。附加羽辉的存在以及羽辉中的离子含量的更高密度的结果是使更多的材料同时汽化，换句话说，材料以更高的速度被去除。Witanachchi的研究预计双焦点烧蚀的烧蚀速率将比传统的单焦点烧蚀高几倍。已经发现使用双焦点烧蚀的烧蚀速率提高了几倍。该因子取决于晶片的厚度和材料以及激光的功率。
3.减少碎屑
激光烧蚀是热熔化和离子化的综合作用。在烧蚀开始时，熔化支配该过程，从而产生从加工光斑处射出并再次沉积的熔化材料。来自激光束的热能增加了加工光斑处的温度。当达到预定温度时，离子化过程支配该烧蚀过程。当材料被离子化时，产生不大的斑点簇，从而产生更少的碎屑。双激光烧蚀比单激光烧蚀更易受离子化支配，因此使用双焦点烧蚀可获得更洁净的加工。根据Witanachchi的实验，除了双羽辉和羽辉中存在的离子的更高密度之外，在双激光烧蚀过程中离子的动能被增加到六倍。更高的动能导致离子从加工光斑处更快地射出，进而导致更少的碎屑沉积。
4.减少破碎/破裂
当激光束用于例如半导体和一些透明材料等的脆性材料的烧蚀时会发生破碎和破裂。破碎和破裂主要是由在激光烧蚀期间由于热力加热效应产生的冲击波所导致的。由于和单焦点烧蚀相比较，双焦点烧蚀更易受离子化控制而不是受熔化控制，因此可以预期双焦点烧蚀可减少破碎/破裂。
5.可获得高深宽比
如前面提到的那样，双焦点增加了加工激光光斑的焦深。因此使用双焦点烧蚀可获得更高深宽比的加工槽或孔，例如半导体晶片中的微孔加工。
6.减小的切缝宽度
在相同的系统设置下，已发现由双焦点烧蚀产生的切缝宽度小于由单焦点烧蚀产生的切缝宽度。这具有以下优点：在给定的半导体晶片上可容纳更多的芯片，从而产生成本效益。
7.切割任何轮廓的能力
不像机械切割工具，激光工具具有能够切割任何轮廓的优点，因此不局限于直线切割。
8.扫描
如本文先前讨论的那样，对于厚金属板的加工，使用来自单激光源的双焦点的激光加工是公知的，其中双焦点是使用双焦点透镜从单激光源产生的。双焦点透镜改进了加工产量和质量，但受到透镜寿命短和成本高的限制。更重要的是，特别是对于硅晶片加工，该技术的主要缺陷在于，公知的双焦点透镜不是焦阑的，从而无法使激光束高速扫过使用检流计镜加工的整个工件，而只能以相对较低的速度扫过使用平移台加工的整个工件，这是因为在扫描期间越过透镜视场的正方区域无法获得一致的光束聚焦。这对用于半导体晶片切割的公知的多焦点技术施加了严重的产量限制。而且，双焦点透镜不提供半导体晶片加工所要求的双焦点之间的微米范围的间隔。另外，本发明具有使用标准光学部件而无需制造特殊光学部件的成本优势。
因此，总的来说，本发明提供了使用从单激光束产生的双焦点的激光烧蚀技术，通过在例如硅晶片上产生具有微米范围间隔的多于一个的焦点而改进烧蚀速率。本发明的优点包括高烧蚀速率，以及能够切透比传统的激光烧蚀工艺已经实现的更厚的晶片。其它优点包括：消除破碎、减少碎屑、减小切缝宽度，以及能够切割任何轮廓。本发明可用于直接替代传统的锯切割工序，而切割前和切割后的工序保持不变。

Claims (43)

1.一种激光加工装置，其包括片式偏振分束器装置(22)、光束修正装置、聚焦装置(26)和检流计装置(44)，其中所述片式偏振分束器装置(22)用于分离入射偏振激光束(21)以形成第一激光束(24)和第二激光束(25)；所述光束修正装置包括弓形反射装置，用于使所述第一激光束具有不同于所述第二激光束的发散或会聚特性；所述聚焦装置(26)用于使所述第一激光束聚焦在位于所述聚焦装置光轴上的第一焦点(27)处，并使所述第二激光束聚焦在位于所述光轴上的第二焦点(28)处，以使所述第一焦点和所述第二焦点中的至少一个不在所述聚焦装置的焦点上；所述检流计装置(44)用于将所述第一激光束(24)和所述第二激光束(25)扫过整个工件(45)以便对所述工件进行加工。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其中所述弓形反射装置包括凸面镜。
3.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其中可以通过选择所述弓形反射装置的曲率半径来选择所述第一焦点和所述第二焦点之间的距离。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的激光加工装置，其中所述第一焦点和所述第二焦点之间的距离在几毫米到零点几微米之间。
5.如上述权利要求中的任一项所述的激光加工装置，其还包括用于产生所述入射偏振激光束(21)的激光束生成装置(41)。
6.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其中所述片式偏振分束器装置包括偏振相关层(223)，用于大体上反射具有第一偏振分量的所述第一光束(24)并大体上透射具有第二偏振分量的所述第二光束(25)。
7.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其中所述入射偏振激光束大体上是准直的。
8.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其中所述第一激光束大体上是准直的，并且所述第二激光束在由所述光束修正装置修正后是发散的。
9.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其中所述入射偏振激光束是脉冲式的。
10.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其中所述激光加工装置还包括平移台装置(46)，用于相对于所述第一激光束(24)和所述第二激光束(25)移动所述工件(45)。
11.如上述权利要求中的任一项所述的激光加工装置，其中所述第一激光束和所述第二激光束干涉形成干涉条纹，并且所述装置还包括成像装置(47)和相关的控制装置，以便使用所述干涉条纹的图像将所述第一和第二焦点(27、28)在与所述检流计装置相关的扫描透镜(26)的光轴上校直。
12.如上述权利要求中的任一项所述的激光加工装置，其中所述激光加工装置还包括扫描策略控制装置，用于在工件的加工期间控制入射激光束功率、脉冲重复率和检流计扫描速率中的至少一项。
13.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其还包括气体辅助装置，用于改善加工速度、改善加工碎屑的清除和增强已加工工件的强度中的至少一项。
14.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其还包括涂覆装置，用于在激光加工前向所述工件表面涂敷保护性牺牲涂层，以便保护所述工件表面免受激光加工期间产生的碎屑的影响，并便于在激光加工后将碎屑从所述工件表面清除。
15.如权利要求14所述的激光加工装置，其还包括涂层清除装置，用于在激光加工后清除所述保护性牺牲涂层。
16.如上述任一权利要求所述的激光加工装置，其中所述激光加工装置设置用于切割硅晶片。
17.如上述权利要求中的任一项所述的激光加工装置，其中所述激光束的有效焦深被增加。
18.如权利要求16所述的激光加工装置，其设置为减小切割的切缝宽度，从而增加每块晶片的最大芯片数。
19.如上述权利要求中的任一项所述的激光加工装置，其中增加所述激光束的所述有效加工焦深，以便获得通孔的提高的深宽比微加工和增加的产量。
20.如上述权利要求中的任一项所述的激光加工装置，其设置用于刻划晶片以去除材料。
21.一种用于聚焦入射偏振光束(21)的聚焦装置，所述装置包括光学片式偏振分束器装置(22)、光束修正装置和聚焦装置(26)，其中所述光学片式偏振分束器装置(22)用于分离所述入射光束以形成第一光束(24)和第二光束(25)；所述光束修正装置包括弓形反射装置(23)，用于使所述第二光束具有不同于所述第一光束的发散或会聚特性；所述聚焦装置(26)用于使所述第一光束(24)聚焦在位于所述聚焦装置光轴上的第一焦点(27)处，并使所述第二光束(25)聚焦在位于所述光轴上的第二焦点(28)处，以使所述第一焦点和所述第二焦点中的至少一个不在所述聚焦装置的焦点上。
22.如权利要求21所述的装置，其中所述第一焦点(27)和所述第二焦点(28)位于所述聚焦装置的共同的光轴上。
23.如权利要求21所述的装置，其中所述弓形反射装置(23)包括凸面镜。
24.如权利要求21至23中的任一项所述的装置，其中所述片式偏振分束器装置(22)包括偏振相关层(223)，用于大体上反射具有第一偏振分量的所述第一光束(24)并大体上透射具有第二偏振分量的所述第二光束(25)。
25.一种对工件(45)进行激光加工的方法，其包括以下步骤：
a.使用片式偏振分束器(22)分离入射偏振激光束(21)以形成第一激光束(24)和第二激光束(25)；
b.使用弓形反射装置(23)至少修正所述第二激光束(25)，以便使第二激光束具有不同于所述第一激光束(24)的发散或会聚特性；
c.提供聚焦装置(26)；
d.使用所述聚焦装置使所述第一激光束(24)聚焦在位于所述聚焦装置光轴上的第一焦点(27)处，并使所述第二激光束聚焦在位于所述光轴上的第二焦点(28)处，以使所述第一焦点和所述第二焦点中的至少一个不在所述聚焦装置(26)的焦点上；以及
e.使用检流计装置(44)将所述第一激光束和所述第二激光束扫过整个所述工件以便对所述工件(45)进行加工。
26.如权利要求25所述的方法，其还包括步骤：通过成像装置(47)和相关的控制装置，使用由所述第一激光束(24)和所述第二激光束(25)的干涉形成的干涉条纹的图像，将所述第一和第二焦点在与所述检流计装置(44)相关的扫描透镜(26)的光轴上校直。
27.如权利要求25或26所述的方法，其还包括步骤：在工件的加工期间控制入射激光束功率、脉冲重复率和检流计扫描速率中的至少一项。
28.如权利要求25至27中的任一项所述的方法，其中所述弓形反射装置(23)包括凸面镜。
29.如权利要求25至28中的任一项所述的方法，其中分离所述入射激光束的所述步骤包括：使用偏振相关层(223)，以便大体上反射具有第一偏振分量的所述第一激光束(24)并大体上透射具有第二偏振分量的所述第二激光束(25)。
30.如权利要求25至29中的任一项所述的方法，其还包括步骤：使用平移台装置(46)相对于所述第一激光束(24)和所述第二激光束(25)移动所述工件(45)。
31.如权利要求25至30中的任一项所述的方法，其还包括步骤：为了改善加工速度、改善加工碎屑的清除和增强已加工工件的强度中的至少一项，提供气体辅助装置。
32.如权利要求25至31中的任一项所述的方法，其还包括步骤：在激光加工前向所述工件的表面涂敷保护性牺牲涂层。
33.如权利要求32所述的方法，其还包括步骤：在激光加工后清除所述保护性牺牲涂层。
34.如权利要求25至33中的任一项所述的方法，其设置用于切割硅晶片。
35.如权利要求25至34中的任一项所述的方法，其中所述第一焦点(27)和所述第二焦点(28)之间的距离在几毫米和零点几微米之间。
36.如权利要求25至35中的任一项所述的方法，其中可以通过选择所述弓形反射装置(23)的曲率半径来选择所述第一焦点和所述第二焦点之间的距离。
37.如权利要求25至36中的任一项所述的方法，其中所述激光束的焦深对于高深宽比微加工是充分的。
38.如权利要求34所述的方法，其中切割的切缝被充分减小以增加每块晶片的最大芯片数。
39.如权利要求25至38中的任一项所述的方法，其设置用于硅晶片中的高深宽比微孔的钻削。
40.如权利要求25至39中的任一项所述的方法，其设置用于刻划晶片以便从所述晶片去除材料。
41.一种聚焦入射偏振光束(21)的方法，其包括以下步骤：
a.使用片式偏振分束器(22)分离所述入射偏振光束以形成第一光束(24)和第二光束(25)；
b.使用弓形反射装置(23)至少修正所述第二光束(25)，以便使所述第二光束具有不同于所述第一光束的发散或会聚特性；
c.提供聚焦装置(26)；以及
d.使用所述聚焦装置使所述第一光束聚焦在位于所述聚焦装置光轴上的第一焦点(27)处，并使所述第二激光束聚焦在位于所述光轴上的第二焦点(28)处，以使所述第一焦点和所述第二焦点中的至少一个不在所述聚焦装置的焦点上。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述弓形反射装置(23)包括凸面镜。
43.如权利要求41或42所述的方法，其中分离所述入射光束的所述步骤包括：使用偏振相关层，以便大体上透射具有第一偏振分量的所述第一光束(25)并大体上反射具有第二偏振分量的所述第二光束(24)。
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