CN1947239A - 激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光加工装置，用于使加工物体时生成的碎屑最少并提高加工效率。该激光加工装置包括：发射来自激光源的激光束的束照射器；束扫描器，用于操作从所述束照射器发射的激光束，将其笔直地重复照射在物体的加工位置的预定间隔上；以及会聚透镜，用于调节从所述束扫描器发射的激光束的焦点。在加工物体期间沿着加工方向移动物体至少一次。根据本发明，能够提高加工效率，并且通过使用掩模来过滤在束扫描反射镜的旋转转折点处照射的激光束而以一致的形态来加工物体，通过把激光束变形为椭圆图案而能够连续地照射激光束。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及物体加工装置，更具体地，涉及用于使加工如晶片等的物体时生成的碎屑最少并提高加工效率的激光加工装置。
背景技术
在从晶片、金属、塑料等中生产物质材料时，通常进行如切割和开槽工作的加工过程。例如，在完成半导体芯片制造工艺后，随后是切割晶片将晶片上形成的多个芯片分割为单独的芯片的工艺。由于晶片切割操作严重地影响后续工艺的生产率和产品质量，所以它在半导体芯片的整个工艺中是非常重要的。通常利用机械切割方法或利用采用了激光束的方法来进行晶片切割操作。
在如锯设备的机械加工装置中，在台上安装晶片后，锯设备的切割刃以预定的速度旋转，接触切割位置(即，切割道(street))，然后将晶片切断(或切割)为单位芯片。在该过程中，通过向晶片喷射清洁剂来从晶片上去除晶片切割操作所产生的碎屑。但是，当使用机械加工方法来切断晶片时，不可能通过清洁剂来完全去除碎屑，并且操作时存在较宽的切割间隙(cutout breath)是不可避免的。特别是，当需要以相对较小的尺寸来切断晶片时，较宽的切割间隙可能引起晶片中形成的电路的损坏。即使使用通过调节刃的边缘宽度来利用克服该问题的方法，但对刃的边缘宽度的缩小存在限制。
近来，已研究了利用激光束以非接触形式的方式来加工晶片的技术。为了利用激光束来进行晶片加工，在传送单元上设置了基板支撑(其上安装晶片)后，从光源发射的激光束透射过会聚透镜，然后照射在晶片上。
利用激光束的加工方法使用了下述机制，即，通过把紫外线250至360nm范围的激光束聚焦在晶片的表面上而引起加热和化学效应，使受照射区域燃烧而脱离晶片。换言之，当激光束会聚并照射到晶片上时，受照射区域立即被加热，然后熔化蒸发，增加了取决于晶片材料的蒸发的汽化压力，导致受照射区域爆发式烧离。由于连续的烧离操作的结果，可将晶片分为多个芯片，可在其中实现直线或曲线切断工艺。
但是，与在机械切割方法中一样，即使在利用激光束的加工方法中，也不可能完全地去除碎屑。此外，其还具有这样的缺点，即因照射激光束而蒸发或汽化的碎屑颗粒冷凝并重新凝结在晶片的侧壁上，而没有向外部排出，作为加工平面的凹进深度(recess depth)。
而且，在当前使用的激光加工方法工作时，仅移动物体或激光束照射器。这对于执行诸如多通路切割操作的批量生产工艺来说效率太低，并需要保证传送单元的稳定性，以高速地移动物体，这导致装置更笨重，生产成本更高。
发明内容
本发明的一个目的旨在提供一种激光加工装置，通过在加工物体的过程中，沿着加工方向来传送激光束并在物体上照射激光束的同时传送物体，来提高加工该物体的效率。
本发明的另一个目的是提供一种激光加工装置，用于在沿着加工方向传送激光束而照射激光束的同时，以一致的形态加工全部的工作区域。
本发明的再一个目标是，提供一种激光加工装置，用于通过使照射在加工物体上的激光束的相邻光斑之间的距离最小来提高性能和加工速度。
为实现本发明的上述目标，用于通过激光来加工物体的激光加工装置包括：束照射器，用于发射来自激光源激光束；束扫描器，用于操作从所述束照射器发射的激光束，将其笔直地重复照射在物体的加工位置的预定间隔上；以及透镜，用于会聚从所述束扫描器发射的激光束。在加工物体时沿着加工方向传送物体至少一次。
附图说明
图1是示出了根据本发明第一实施例的激光加工装置的结构图。
图2A至2D是示出了通过图1所示的激光加工装置来把激光束重复照射在物体上的特征的示意图。
图3是根据本发明第二实施例的具有掩模的激光加工装置的结构图。
图4为示出了通过图3所示的激光加工装置来一致地加工物体表面的特征的示意图。
图5是根据本发明第三实施例的具有变形透镜的激光加工装置的结构图。
图6是根据本发明第四实施例的具有掩模和变形透镜的激光加工装置的结构图。
具体实施方式
下面参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。
图1是示出了根据本发明第一实施例的激光加工装置的结构图。
本发明的激光加工装置包括：激光源10；用于发射来自激光源的激光束的束照射器20；束扫描器30，用于操作从所述束照射器20发射的激光束，将其笔直地重复照射在物体的加工位置的预定间隔上；以及会聚透镜40，用于调节从束扫描器30发射的激光束的焦点。
这里，束扫描器30可以利用检流计扫描器或伺服电机来实现。束扫描器30包括：驱动器310；由驱动器310驱动的一个或一对电机320和340；一个或一对反射镜330和350，反射镜330和350分别连接到电机320和340的旋转轴并沿着预定角度和方向(左和右，或上和下)重复旋转。在激光加工装置的结构中，根据束扫描器30的反射镜330和350的旋转，沿着加工方向来传送激光束，以有效照射在加工的物体上。
在本发明的实施例中，随着激光束的照射，在台50上安装的物体60被传送单元(未示出)传送至少一次。在用于加工物体的激光束的光斑尺寸为20μm、频率为40至50KHz的条件下，如果在激光束(通过旋转反射镜330和350来移动该激光束)照射在物体60上时物体60的传送速度太快，则物体60的凹进深度变得较浅。因此，要求将物体60设定为在整次加工期间只传送一次。
现在，如下介绍通过激光加工装置来切断物体的方法。从激光源10通过束照射器20入射在第二反射镜350的激光束被反射在第一反射镜330上。然后，从第一反射镜330反射的激光束在透镜40处被会聚。会聚透镜40把激光束以经调节的焦点施加到物体60上。这里，使用反射镜330和350中的一个或一起使用它们。
在该过程中，由于第一反射镜330和第二反射镜350沿着预定角度和方向旋转，所以可获得使激光束移动照射的效果。另外，由于还沿着加工线来传送物体60，因而可缩短加工时间，并可以减少产品成本和装置的重量，这是因为不需要为了操作的稳定性而必须设计传送单元。
根据激光束加工装置(其中通过旋转多次的束扫描器的反射镜，在至少一次传送的晶片上照射激光束)的操作特征，它可被称为混合驱动的激光加工装置。
图2A至2D是示出了通过图1所示的激光加工装置来把激光束重复照射在物体上的特征的示意图，为了描述的方便而假定该物体是固定在台上的。
如所示出的，可以看到，随着反射镜330沿着如图2A到2D所示的加工顺序被倾斜，激光束照射在物体上的位置是可变的。由于激光束是连续发射的并且反射镜330连续旋转，所以激光束以直线方向照射在物体60的加工平面上，由此笔直地连续切割物体60的表面(100、102和104)。
通过旋转移动到预定角度后，反射镜330沿着从图2D的位置到图2A的位置的方向相反地旋转。结果，通过操作激光束往返照射在物体60的加工平面上，可提高加工效率。
图3是根据本发明第二实施例的具有掩模的激光加工装置的结构图。
图1示出的激光加工装置的优点在于，通过利用如上所述的混合操作来加工物体，提高了加工效率并降低了装置的成本。但是，由于在以预定的角度重复束扫描器30的旋转时，在旋转的转折点处激光束不移动地照射在物体上，所以这可能引起下面的现象，即在激光束的转折点处的受加工区域与其它区域相比凹进得较深，劣化了加工的一致性(uniformity)。
作为本发明的第二实施例的本实施例提供了一种与掩模相关联的激光加工装置，以克服在反射镜的旋转的转折点处物体的加工缺乏一致性的这种缺点。
参照图3，本发明的激光加工装置包括：激光源10；用于发射来自激光源的激光束的束照射器20；束扫描器30，用于操作从所述束照射器20发射的激光束，将其笔直地重复照射在物体的加工位置的预定间隔上；具有孔A的掩模70，用于当从束扫描器30发射激光束时过滤从反射镜330的旋转转折点所发射的激光束；以及会聚透镜40，用于调节从掩模70发射的激光束的焦点。
这里，可把掩模70插入在束扫描器30与会聚透镜40之间，或会聚透镜40与物体60之间，并由能够反射激光束的材料(如金属)或能够吸收激光束的材料制成。
在图3所示的激光加工装置中，在旋转转折点处从束扫描器30的反射镜发射的激光束照射在掩模70的孔A的周围并被反射，从而在穿过孔A后，激光束均匀地施加到物体上，而没有任何的位置以速度0移动。换言之，在第二实施例中使用的掩模70用于使激光束在旋转转折点处(在该处，反射镜330和350的传送速度保持为0)被反射。
图4为示出了通过图3所示的激光加工装置来一致地加工物体表面的特征的示意图。
如图4所示，由于在旋转时，在第一端和第二端处，传送速度变为0，以转变反射镜330的传送方向，所以由具有孔A的掩模70过滤从第一和第二端处发射的激光束，以防止激光束过度地照射在物体的加工平面上。
根据激光束的照射宽度，在以各种尺寸制造的多个掩模中，可以以另一个掩模来替换掩模70。如果掩模70的孔A的尺寸恒定，则可通过使掩模70向上或向下移动来调节激光束的照射宽度，而过滤从反射镜的旋转转折点所发射的激光束。即使在不能改变或移动掩模70时，通过控制束扫描器30的反射镜330和350的旋转角也可以调节激光束的照射宽度。
图5是根据本发明第三实施例的具有变形透镜的激光加工装置的结构图。
如上所述，尽管图1示出的激光加工装置的优点在于，通过利用混合操作来加工物体，提高了加工效率并降低了装置的成本，但由于束扫描器30和会聚透镜40移动地将激光束照射在物体60上而在物体60的加工区域上不连续地照射激光束，引起加工效率的劣化。
作为本发明的第三实施例的本实施例提供了一种与椭圆的变形透镜相关联的激光加工装置，以克服在物体的加工平面上不连续地照射激光束的这种缺点。
参照图5，依据本发明的第三实施例的激光加工装置包括：激光源10；用于发射来自激光源的激光束的束照射器20；束扫描器30，用于操作从所述束照射器20发射的激光束，将其笔直地重复照射在物体的加工位置的预定间隔上；会聚透镜40，用于调节从束扫描器30发射的激光束的焦点；以及变形透镜80，用于把从会聚透镜40反射的激光束的光斑变形为椭圆图案。
变形透镜80优选地是利用柱透镜来实现，并需要具有使物体60的加工方向与激光束的椭圆光斑的长直径相一致的拓扑样式。
即，从会聚透镜40发射的具有圆形光斑的激光束由变形透镜80变形为椭圆光斑，然后照射在物体60上，这样，由于消除或减小了相邻激光束光斑之间的间隔而在实现连续照射方面是有效的。
图6是根据本发明第四实施例的具有掩模和变形透镜的激光加工装置的结构图。
参照图6，依据本发明的第四实施例的激光加工装置包括：激光源10；用于发射来自激光源的激光束的束照射器20；束扫描器30，用于操作从所述束照射器发射的激光束，将其笔直地重复照射在物体的加工位置的预定间隔上；具有孔A的掩模70，用于当从束扫描器30发射激光束时过滤从反射镜330的旋转转折点所发射的激光束；会聚透镜40，用于调节从掩模70发射的激光束的焦点；以及变形透镜80，用于把从会聚透镜40反射的激光束的光斑变形为椭圆图案。
这里，可把掩模70插入在束扫描器30与会聚透镜40之间，或会聚透镜40与物体60之间，并由能够反射激光束的材料(如金属)或能够吸收激光束的材料制成。
根据激光束的照射宽度，在以各种尺寸的孔A制造的多个掩模中，可以以另一个掩模来替换掩模70。如果掩模70的孔A的尺寸恒定，则可以通过向上或向下移动掩模70来调节激光束的照射宽度，以过滤从反射镜的旋转转折点所发射的激光束。尽管不可能改变或移动掩模70，但通过控制束扫描器30的反射镜330和350的旋转角可以调节激光束的照射宽度。
变形透镜80优选地是利用柱透镜来实现的，并需要具有使物体60的加工方向与激光束的椭圆光斑的长直径相一致的拓扑样式。
在图6所示的激光加工装置中，在旋转转折点处从束扫描器30的反射镜发射的激光束被照射在掩模70的孔A的周围并被反射，从而在穿过孔A后，激光束均匀地施加到物体上，而没有任何位置以速度0移动。此外，从会聚透镜40发射的具有圆形光斑的激光束由变形透镜80变形为椭圆光斑，然后照射在物体60上，这样，由于消除或减小了相邻激光束光斑之间的间隔而在实现连续照射方面是有效的。
根据本发明的这些实施例，本发明的激光加工装置的优点在于，通过利用混合操作(其中在至少传送一次的晶片上移动地照射激光束)来加工物体，提高了利用激光束来切断物体或对物体开槽的工艺的操作效率，物体例如为晶片、金属或塑料。
此外，通过使用掩模过滤从束扫描器(其移动地照射激光束)的反射镜发射的多个激光束中的、从旋转转折点所发射的激光束，本发明在防止由于在旋转转折点处的激光束的照射而导致的物体的不规则加工结果方面是有效的。
此外，本发明提供了一种激光加工装置，其通过照射具有椭圆光斑的激光束(椭圆光斑的长直径与物体的加工方向相一致)，克服了由于同时传送激光束和物体的结果而导致的在物体的加工平面上不连续地照射激光束的缺点。
尽管结合在附图中示出的本发明的实施例来描述了本发明，但本发明不限于这些实施例。对本领域技术人员来说，明显的是，在不违背本发明的范围和精神的情况下，可对这些实施例做出各种替换、修改和变化。
产业适用性
本发明适用于激光加工装置，该激光加工装置用于利用激光束对诸如半导体芯片、金属或塑料的物体进行切断和开槽。

Claims (12)

1.一种用于通过激光来加工物体的激光加工装置，该激光加工装置包括：
束照射器，用于发射来自激光源的激光束；
束扫描器，用于操作从所述束照射器发射的激光束，将其笔直地重复照射在所述物体的加工位置的预定间隔上；以及
透镜，用于会聚从所述束扫描器发射的所述激光束；
其中在加工所述物体时沿着加工方向传送所述物体至少一次。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中所述束扫描器包括：
驱动器；
由所述驱动器致动的电机；和
反射镜，其连接到所述电机的旋转轴，并重复地沿着预定角度和方向旋转。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中所述束扫描器包括：
驱动器；
由所述驱动器致动的一对电机；和
第一反射镜和第二反射镜，其分别连接到所述电机的旋转轴，并重复地沿着预定角度和方向旋转。
4.根据权利要求2所述的激光加工装置，所述激光加工装置还包括带孔的掩模，所述掩模用于在从所述束扫描器发射的激光束照射在所述物体上之前过滤从所述束扫描器的所述反射镜的旋转转折点所发射的激光束。
5.根据权利要求2所述的激光加工装置，所述激光加工装置还包括带孔的掩模，所述掩模用于在从所述会聚透镜发射的激光束照射在所述物体上之前，在从所述会聚透镜发射的多个激光束中过滤从所述束扫描器的所述反射镜的旋转转折点所发射的激光束。
6.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中所述掩模由金属制成。
7.根据权利要求1所述的激光加工装置，所述激光加工装置还包括变形透镜，用于在从所述会聚透镜发射的激光束照射在所述物体上之前，把所述激光束的光斑变形为椭圆图案。
8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其中所述变形透镜是利用柱透镜来实现的。
9.根据权利要求7所述的激光加工装置，其中所述椭圆光斑的长直径是与所述物体的加工方向相一致地对准的。
10.根据权利要求1所述的激光加工装置，所述激光加工装置还包括：
带孔的掩模，用于在从所述束扫描器发射的激光束入射在所述会聚透镜上之前过滤从所述束扫描器的反射镜的旋转转折点所发射的激光束；和
变形透镜，用于在从所述会聚透镜发射的所述激光束照射在所述物体上之前，把所述激光束的光斑变形为椭圆图案。
11.根据权利要求1所述的激光加工装置，所述激光加工装置还包括：
带孔的掩模，用于在从所述会聚透镜发射的激光束照射在所述物体上之前，过滤从所述会聚透镜发射的多个激光束中的、从所述束扫描器的反射镜的旋转转折点所发射的激光束；和
变形透镜，用于在从所述掩模发射的激光束照射在所述物体上之前，把所述激光束的光斑变形为椭圆图案。
12.根据权利要求1所述的激光加工装置，其中所述束扫描器是利用检流计扫描器或伺服电机的反射设备之一。
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