DE10296913T5

DE10296913T5 - Segmentiertes Laserschneiden

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Publication number: DE10296913T5
Application number: DE10296913T
Authority: DE
Inventors: James N. Bend O'Brien; Lian Cheng Portland Zou; Yunlong Beaverton Sun
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: CN1788916B; CN1788916A; WO2002100587A1; CN1240511C; TW583045B; GB2391189A; GB0327679D0; US20020149136A1; CA2449574A1; JP4551086B2; DE10296913B4; KR100877936B1; JP2004528991A; KR20040007663A; CN1516635A; US7157038B2; GB2391189B

Abstract

Verfahren zum Erhöhen des Durchsatzes in einem Laserschneidprozeß, umfassend:
Richten eines ersten Durchlaufs von ersten Laserimpulsen, so daß sie entlang eines ersten Segments eines Schneidwegs mit einer Schneidweglänge von mehr als 100 μm auftreffen, wobei jeder erste Laserimpuls eine erste Punktfläche auf einem Werkstück aufweist, wobei das erste Segment eine erste Segmentlänge aufweist, die länger ist als die erste Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge;
Richten eines zweiten Durchlaufs von zweiten Laserimpulsen, so daß sie entlang eines zweiten Segments des Schneidwegs auftreffen, wobei jeder zweite Laserimpuls eine zweite Punktfläche auf dem Werkstück aufweist, wobei das zweite Segment eine zweite Segmentlänge aufweist, die länger ist als die zweite Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge, wobei das zweite Segment das erste Segment um eine Überlappungslänge überlappt, die größer ist als zumindest die erste oder die zweite Punktfläche; und
nach dem Richten zumindest des ersten und des zweiten...

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Patentanmeldung leitet die Priorität von der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/297 218, eingereicht am 8. Juni 2001, von der US-Patentanmeldung Nr. 10/017 497, eingereicht am 14. Dezember 2001, ab, die die Priorität von der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/265 556, eingereicht am 31. Januar 2001, und von der US-Patentanmeldung Nr. 09/803 382, eingereicht am 9. März 2001, beansprucht, welche von der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/233 913, eingereicht am 20. September 2000, Priorität beansprucht.
Föderalistisch geförderte Forschung oder Entwicklung
Nicht anwendbar.
Urheberrechtsanmerkung
© 2001 Electro Scientific Industries, Inc. Ein Teil der Offenbarung dieses Patentdokuments enthält Material, das dem Urheberrechtsschutz unterliegt. Der Inhaber des Urheberrechts hat keinen Einwand gegen die Faksimilereproduktion durch jemanden des Patentdokuments oder der Patentoffenbarung, wie es in der Patentakte oder den Patentverzeichnissen des Patent- und Markenamts erscheint, behält sich jedoch ansonsten absolut jegliche Urheberrechte vor. 37 CFR § 1.71 (d).
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft Laserschneiden und insbesondere ein Verfahren und/oder ein System zur vorteilhaften Strahlpositionierung und Abtastung, um den Durchsatz des Laserschneidens in Silizium oder anderen Materialien zu verbessern.
Hintergrund der Erfindung
1 ist eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen kontinuierlichen Schneidprofils 8. Herkömmliches Laserschneiden verwendet nacheinander überlappende Punkte von aufeinanderfolgenden Laserimpulsen, um einen vollständigen Schneidweg kontinuierlich abzutasten. Zahlreiche vollständige Durchläufe werden durchgeführt, bis das Ziel entlang des gesamten Schneidweges durchtrennt ist. Wenn das Zielmaterial dick ist, können viele Durchläufe (in einigen Fällen über 100 Durchläufe) erforderlich sein, um den Schneidprozeß zu vollenden, insbesondere mit begrenzter Laserleistung.
Ein Verfahren zum Erhöhen des Laserschneiddurchsatzes für dicke Materialien ist daher erwünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens und/oder eines Systems zum Verbessern des Durchsatzes für das Laserschneiden von Silizium oder anderen Materialien.
Der Bequemlichkeit halber kann der Begriff Schneiden als Oberbegriff verwendet werden, um Nuten (Schneiden, das nicht die volle Tiefe eines Zielwerkstücks durchdringt), und Durchschneiden, das Trennen (häufig mit der Waferreihentrennung verbunden) oder Zertrennen (häufig mit der Teilevereinzelung von Waferreihen verbunden) umfaßt, einzuschließen. Trennen und Zertrennen können im Zusammenhang mit dieser Erfindung austauschbar verwendet werden.
2A ist ein Kurvenbild, das zeigt, daß für herkömmliche lange kontinuierliche Durchschnitte die effektive Zertrenngeschwindigkeit sehr schnell abnimmt, wenn die Siliziumwaferdicke zunimmt. Wenn die Dicke zunimmt, nimmt folglich die Anzahl von Laserdurchläufen fast exponentiell zu und senkt folglich exponentiell die Zertrenngeschwindigkeit. Die Schnittbreite kann in der Größenordnung von nur einigen zehn Mikrometern (μm) liegen und die Waferdicke ist typischerweise viel größer als die Schnittbreite.
Herkömmliche Laserschneidprofile können unter Grabenhinterfüllung mit vom Laser herausgeschleudertem Material leiden. Wenn die Waferdicke erhöht wird, wird die Hinterfüllung viel stärker und kann weitgehend für die drastische Verringerung der Zertrenngeschwindigkeit verantwortlich sein. Für einige Materialien unter vielen Prozeßbedingungen kann das herausgeschleuderte Hinterfüllungsmaterial überdies in nachfolgenden Durchläufen schwieriger zu entfernen sein als das ursprüngliche Zielmaterial. Da die Grabenhinterfüllung mit vom Laser herausgeschlagenem Material eine etwas willkürliche Art aufweist, kann der Grad der Hinterfüllung entlang irgendeines Teils eines herkömmlichen Schneidprofils groß oder klein sein, so daß einige Teile des Schneidweges in weniger Durchläufen durchgeschnitten (geöffnet) werden können als andere Teile des Schneidweges. Herkömmliche Laserschneidverfahren ignorieren diese Phänomene und tasten kontinuierlich einen gesamten Schneidweg ab, einschließlich Bereichen, die bereits geöffnet sein können, mit vollständigen Durchläufen der Laserausgangsleistung, bis das Zielmaterial entlang des gesamten Schneidweges durchtrennt ist.
Als Beispiel erfordert ein UV-Laser mit einer Laserausgangsleistung von nur etwa 4 W bei 10 kHz etwa 150 Durchläufe, um einen vollständigen Schnitt durch einen 750 μm dicken Siliziumwafer unter Verwendung eines herkömmlichen Laserschneidprofils durchzuführen. Die herkömmlichen Schneidprofile durchqueren typischerweise die gesamten Längen von Wafern, die typischerweise Durchmesser von etwa 200–305 mm aufweisen. Die resultierende Schneidrate ist für kontinuierliche Zertrennanwendungen von Silizium mit dieser Dicke zu langsam. Obwohl das segmentierte Schneideerfahren verwendet werden kann, um ein beliebiges Laser empfangendes Material zu schneiden, und bei einer beliebigen Laserwellenlänge verwendet werden kann, ist das segmentierte Schneideerfahren für die Laserbearbeitung bei Wellenlängen, bei denen die Laserleistung begrenzt ist, wie z.B. durch Festkörper erzeugtes UV, und insbesondere, bei denen solche Wellenlängen die beste Schneidqualität für ein gegebenes Material bereitstellen, besonders nützlich. Obwohl IR-Laser gewöhnlich viel mehr verfügbare Ausgangsleistung bereitstellen, brechen IR-Wellenlängen beispielsweise gewöhnlich Silizium, Aluminiumoxid, AITiC und andere Keramik- oder Halbleitermaterialien oder beschädigen diese anderweitig. UV ist zum Schneiden eines Siliziumwafers beispielsweise am meisten bevorzugt.
Die US-Pat.-Anm. Nr. 09/803 382 ('382-Anmeldung) von Fahey et al. beschreibt ein UV-Lasersystem und ein Verfahren zum Trennen von Reihen oder zum Vereinzeln von Objektträgern oder anderen Komponenten. Diese Verfahren umfassen verschiedene Kombinationen von Laser- und Sägeschneiden, die auf eine oder beide Seiten eines Wafers gerichtet sind, und verschiedene Verfahren zur Kantenmodifikation.
Die US-Patentanmeldung Nr. 10/017 497 ('497-Anmeldung) von Baird et al. beschreibt ferner die Verwendung der Ultraviolett-Laserabtragung, um direkt und schnell Strukturen mit Strukturgrößen von weniger als 50 μm in schwierig zu schneidenden Materialien wie z.B. Silizium auszubilden. Diese Strukturen umfassen: Ausbildung von zylindrischen Öffnungen oder Blindkontaktlöchern mit sehr hohem Seitenverhältnis für integrierte Schaltungsverbindungen; Vereinzelung von verarbeiteten Chips, die auf Siliziumwafern enthalten sind; und Mikrokontaktnasenschneiden, um Mikroschaltungen, die in Silizium ausgebildet sind, vom Mutterwafer zu trennen.
2B ist ein Kurvenbild, das die Ergebnisse eines kürzlichen Experiments zeigt, das die Anzahl von Durchläufen zum Vollenden eines Zertrennschnitts als Funktion der Schneidlänge des Schneidprofils in 750 μm dickem Silizium vergleicht. Ein Keil oder eine "Kuchenscheibe" wurde aus einem 750 μm dicken Siliziumwafer genommen und Schneidprofile mit verschiedenen Längen wurden von Kante zu Kante ausgeführt. Der Versuch deckte auf, daß kürzere Schneidprofile mit weniger Durchläufen zertrennt werden konnten.
Die vorliegende Erfindung trennt daher lange Schnitte in ein Schneidprofil, das kleine Segmente enthält, die das Ausmaß und die Art der Grabenhinterfüllung minimieren. Zum Durchschneiden oder Grabenschneiden in dickem Silizium sind diese Segmente beispielsweise vorzugsweise etwa 10 μm bis 1 mm, bevorzugter etwa 100 μm bis 800 μm und am meisten bevorzugt etwa 200 μm bis 500 μm. Im allgemeinen wird der Laserstrahl innerhalb eines ersten kurzen Segments für eine vorbestimmte Anzahl an Durchläufen abgetastet, bevor er zu einem zweiten kurzen Segment bewegt und für eine vorbestimmte Anzahl von Durchläufen in diesem abgetastet wird. Die Strahlpunktgröße, Angriffsgröße, Segmentgröße und Segmentüberlappung können manipuliert werden, um das Ausmaß und die Art der Grabenhinterfüllung zu minimieren. Einige Abtastungen über den gesamten Schnittweg können wahlweise in dem Prozeß verwendet werden, insbesondere vor und/oder nach den Segmentschneidschritten, um den Durchsatz zu maximieren und/oder die Schnittqualität zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung verbessert auch den Durchsatz und die Qualität durch wahlweise Verwendung einer Echtzeitüberwachung und einer selektiven Segmentabtastung, um die Hinterfüllung und Überbearbeitung zu verringern. Die Überwachung kann das erneute Abtasten von Teilen des Schnittweges, wo der Schnitt bereits vollendet ist, beseitigen. Außerdem kann die Polarisation des Laserstrahls mit der Schneidrichtung korreliert werden, um den Durchsatz weiter zu verbessern. Diese Verfahren erzeugen weniger Trümmer, senken die durch Wärme beeinflußte Zone (HAZ), die die Schneidfläche oder den Schnitt umgibt, und erzeugen eine bessere Schnittqualität.
Obwohl die vorliegende Erfindung hierin nur beispielhaft für Siliziumwaferschneiden dargestellt wird, werden Fachleute erkennen, daß die hierin beschriebenen segmentierten Schneidverfahren zum Schneiden einer Vielfalt von Zielmaterialien mit derselben oder verschiedenen Arten von Lasern mit ähnlichen oder verschiedenen Wellenlängen verwendet werden können.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben ersichtlich, welche mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen kontinuierlichen Schneidprofils.
2A ist ein Kurvenbild, das die effektive Zertrenngeschwindigkeit als Funktion der Siliziumwaferdicke für herkömmliche kontinuierliche Schnitte zeigt.
2B ist ein Kurvenbild, das die Anzahl von Durchläufen zum Vollenden eines Schnitts als Funktion der Schnittlänge in Silizium zeigt.
3 ist ein vereinfachtes, teilweise bildhaftes und teilweise schematisches Diagramm eines beispielhaften Lasersystems zum Durchführen des segmentierten Schneidens gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein vereinfachtes bildhaftes Diagramm eines alternativen bevorzugten Lasersystems zum Durchführen von segmentiertem Schneiden gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein vereinfachtes bildhaftes Diagramm eines wahlweisen Abbildungsoptikmoduls, das in einem Lasersystem zum Durchführen des segmentierten Schneidens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
6 ist ein Kurvenbild, das die charakteristische Beziehung zwischen der Impulsenergie und der Impulswiederholungsfrequenz des während der Ausführung der Erfindung verwendeten Lasers zeigt.
7 ist eine vereinfachte Darstellung einer Echtzeit-Schnittzustands-Überwachungseinrichtung, die wahlweise von einem beispielhaften Lasersystem zum Durchführen von segmentiertem Schneiden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
8 stellt einen Schnittweg mit jeweiligen ersten und zweiten Querrichtungen dar, durch den die Schneidgeschwindigkeit durch ein wahlweises Polarisationsverfolgungssystem verbessert wird.
9 ist eine repräsentative Darstellung einer für Ultraviolett durchlässigen Aufspannvorrichtung, auf der Halbleiterwerkstücke zur Durchschneidbearbeitung unter Verwendung von segmentiertem Ultraviolett-Abtragungsschneiden gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet werden.
10 ist eine vereinfachte Darstellung eines segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
11 ist eine vereinfachte Draufsicht auf ein vergrößertes Schneidsegment, das nacheinander von überlappenden Laserpunkten getroffen wird.
12 ist eine vereinfachte Darstellung eines alternativen segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
13 ist eine vereinfachte Darstellung eines alternativen segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
14 ist eine vereinfachte Darstellung eines alternativen segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
15 ist eine vereinfachte Darstellung eines alternativen segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
16 ist eine vereinfachte Darstellung eines alternativen segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
17 ist eine vereinfachte Darstellung eines alternativen segmentierten Schneidprofils, das gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
18 ist eine repräsentative Darstellung einer Grabenstruktur, die durch die segmentierte Schneidbearbeitung von Silizium ausgebildet wird.
19 ist eine repräsentative Darstellung der Strukturierung eines MEMS-Bauelements durch einen segmentierten Schneidprozeß an einem Halbleiterwafer.
20 ist eine repräsentative Darstellung eines AWG-Bauelements, das durch einen segmentierten Schneidprozeß an einem Halbleiterwafer hergestellt wird.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
3 und 4 stellen alternative Ausführungsbeispiele von jeweiligen beispielhaften Laserbearbeitungssystemen 10a und 10b (allgemein 10) dar, die ein Verbundstrahl-Positionierungssystem 30 verwenden, das mit einer Waferaufspannnanordnung 100 ausgestattet ist, die zum Durchführen von segmentiertem Schneiden wie z.B. Nuten, Trennen oder Zertrennen von Halbleiterwerkstücken 12 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Mit Bezug auf 3 und 4 umfaßt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Lasersystems 10 einen gütegeschalteten, diodengepumpten (DP) Festkörper-(SS)UV-Laser 14, der vorzugsweise ein laseraktives Festkörpermaterial umfaßt, wie z.B. Nd:YAG, Nd:YLF oder Nd:YVO₄. Der Laser 14 liefert vorzugsweise ein harmonisch erzeugtes UV-Laserausgangssignal 16 von einem oder mehreren Laserimpulsen mit einer Wellenlänge wie z.B. 355 nm (frequenzverdreifacht Nd:YAG), 266 nm (frequenzvervierfacht Nd:YAG) oder 213 nm (frequenzverfünffacht Nd:YAG) mit hauptsächlich einem räumlichen Modenprofil TEM₀₀. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Laser 14 einen gütegeschalteten, frequenzverdreifachten Nd:YAG-Laser des Modells 210-V06 (oder Modells Q301), der bei etwa 355 nm mit 5 W auf der Arbeitsoberfläche arbeitet und von Lightwave Electronics in Mountain View, Kalifornien, kommerziell erhältlich ist. Dieser Laser wurde im Mikrobearbeitungssystem ESI Modell 2700 verwendet, das von Electro Scientific Industries, Inc. in Portland, Oregon, erhältlich ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein gütegeschalteter, frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser des Modells 210-V09 (oder Modells Q302) von Lightwave Electronics, der bei etwa 355 nm arbeitet, verwendet werden, um eine hohe Energie pro Impuls mit einer hohen Impulswiederholungsfrequenz (PRF) zu verwenden. Die Details eines anderen beispielhaften Lasers 22 sind im einzelnen im US-Pat. Nr. 5 593 606 von Owen et al. beschrieben. Fachleute werden erkennen, daß andere Laser verwendet werden könnten und daß andere Wellenlängen von den anderen aufgelisteten laseraktiven Materialien erhältlich sind. Obwohl die Laserresonatoranordnungen, die Oberwellenerzeugung und der Güteschaltbetrieb und die Positionierungssysteme 30 alle Fachleuten gut bekannt sind, werden bestimmte Einzelheiten von einigen dieser Komponenten innerhalb der Erörterungen der beispielhaften Ausführungsbeispiele dargestellt.
Obwohl Gauß verwendet werden kann, um das Strahlungsdichteprofil des Laserausgangssignals 16 zu beschreiben, werden Fachleute erkennen, daß die meisten Laser 14 kein perfektes gaußsches Ausgangssignal 16 mit einem Wert M²=1 emittieren. Der Bequemlichkeit halber wird hierin der Begriff Gauß verwendet, um Profile einzuschließen, bei denen M² geringer als oder gleich etwa 1,5 ist, selbst wenn M²-Werte von weniger als 1,3 oder 1,2 bevorzugt sind. Ein typisches optisches System erzeugt eine gaußsche Punktgröße von etwa 10 μm, aber diese kann leicht so modifiziert werden, daß sie etwa 2–100 μm beträgt. Alternativ kann ein optisches System, das ein Hutstrahlprofil erzeugt und/oder eine Maske verwendet, wie z.B. später hierin beschrieben, verwendet werden, um eine vorbestimmte Punktgröße zu erzeugen. Die zum Schneiden von Silizium unter Verwendung dieser fokussierten Punktgröße verwendete Impulsenergie ist größer als 200 μJ und vorzugsweise größer als 800 μJ pro Impuls bei Impulswiederholungsfrequenzen, die größer sind als 5 kHz und vorzugsweise oberhalb 10 kHz liegen. Eine beispielhafte Einstellung stellt 9,1 W bei 13 kHz bereit. Eine beispielhafte Laserimpulsbreite, gemessen an den Punkten halben Maximums mit voller Breite, ist geringer als 80 ns. Alternative und/oder komplementäre beispielhafte Prozeßfenster umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf etwa 3,5–4,5 W UV an der Arbeitsoberfläche bei etwa 10 kHz bis etwa 20–30 W UV bei 20–30 kHz, wie z.B. 15 W bei 15 kHz.
Das UV-Laserausgangssignal 16 wird wahlweise durch eine Vielzahl von gut bekannten Aufweitungs- und/oder Kollimationsoptiken 18 geleitet, entlang eines optischen Weges 20 ausbreiten lassen und durch ein Strahlpositionierungssystem 30 gerichtet, um den (die) Lasersystem-Ausgangsimpulse) 32 auf eine gewünschte Laserzielposition 34 auf dem Werkstück 12 wie z.B. einen Siliziumwafer auftreffen zu lassen. Ein beispielhaftes Strahlpositionierungssystem 30 kann eine Translationstisch-Positionierungseinrichtung umfassen, die mindestens zwei Quertische 36 und 38 verwenden kann, die beispielsweise X-, Y- und/oder Z-Positionierungsspiegel 42 und 44 tragen und eine schnelle Bewegung zwischen den Zielpositionen 34 auf demselben oder verschiedenen Werkstücken 12 ermöglichen.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Translationstisch-Positionierungseinrichtung ein System mit geteilten Achsen, bei dem ein Y-Tisch 36, der typischerweise durch Linearmotoren entlang Schienen 46 bewegt wird, das Werkstück 12 trägt und bewegt, und ein X-Tisch 38, der typischerweise durch Linearmotoren entlang Schienen 48 bewegt wird, eine schnelle Positionierungseinrichtung 50 und (eine) zugehörige Fokussierlinse(n) oder eine andere Optik 58 trägt und bewegt (7). Die Z-Dimension zwischen dem X-Tisch 38 und dem Y-Tisch 36 kann auch einstellbar sein. Die Positionierungsspiegel 42 und 44 richten den optischen Weg 20 durch irgendwelche Drehungen zwischen dem Laser 14 und der schnellen Positionierungseinrichtung 50 aus, die entlang des optischen Weges 20 angeordnet ist. Die schnelle Positionierungseinrichtung 50 kann beispielsweise Linearmotoren mit hoher Auflösung oder ein Paar von Galvanometerspiegeln 60 (7) verwenden, die einzige oder wiederholte Bearbeitungsvorgänge auf der Basis von bereitgestellten Test- oder Konstruktionsdaten bewirken können. Die Tische 36 und 38 und die Positionierungseinrichtung 50 können unabhängig oder koordiniert, um sie als Reaktion auf photographisch vervielfältigte oder nicht photographisch vervielfältigte Daten zusammen zu bewegen, gesteuert und bewegt werden. Ein Positionierungssystem 30 mit geteilten Achsen ist wegen der Verwendung in einem großen Bereich von Bewegungsanwendungen wie z.B. Schneiden von Wafern mit 8'' und insbesondere mit 12'' bevorzugt.
Die schnelle Positionierungseinrichtung 50 kann auch ein Sichtsystem umfassen, das auf eine oder mehrere Justiermarken auf der Oberfläche des Werkstücks 12 ausgerichtet werden kann. Das Strahlpositionierungssystem 30 kann herkömmliche Systeme zur Ausrichtung der Sicht oder des Strahls auf die Arbeit verwenden, die durch eine Objektivlinse 36 oder außeraxial mit einer separaten Kamera arbeiten und die Fachleuten gut bekannt sind. In einem Ausführungsbeispiel wird ein HRVX-Sichtkasten, der eine Freedom Library Software in einem von Electro Scientific Industries, Inc. vertriebenen Positionierungssystem 30 verwendet, zum Durchführen einer Ausrichtung zwischen dem Lasersystem 10 und den Zielstellen 34 auf dem Werkstück 12 verwendet. Andere geeignete Ausrichtungssysteme sind kommerziell erhältlich. Die Ausrichtungssysteme verwenden vorzugsweise eine Hellfeldbeleuchtung auf der Achse, insbesondere zum spiegelnden Reflektieren von Werkstücken wie geläppten oder polierten Wafern.
Zum Laserschneiden wird das Strahlpositionierungssystem 30 vorzugsweise auf herkömmliche typische Sägeschneid- oder andere Justiermarken oder eine Struktur auf der Waferoberfläche ausgerichtet. Wenn die Werkstücke 12 bereits mechanisch gekerbt sind, ist die Ausrichtung auf die Schnittkanten bevorzugt, um die Sägetoleranz- und Ausrichtungsfehler zu beseitigen. Das Strahlpositionierungssystem 30 weist vorzugsweise eine Ausrichtungsgenauigkeit von besser als etwa 3–5 μm auf, so daß die Mitte des Laserpunkts innerhalb etwa 3–5 μm eines bevorzugten Schneidwegs liegt, insbesondere für Laserstrahl-Punktgrößen wie z.B. 10–15 μm. Für kleinere Punktgrößen kann die Ausrichtungsgenauigkeit vorzugsweise noch besser sein. Für größere Punktgrößen kann die Genauigkeit weniger genau sein.
Außerdem kann das Strahlpositionierungssystem 30 auch kontaktlose Sensoren mit kleiner Verschiebung verwenden, um Abbe-Fehler aufgrund des Abstands, der Drehung oder der Querneigung der Tische 36 und 38 zu bestimmen, die nicht durch einen Positionsindikator auf der Achse angegeben werden, wie z.B. ein Linearmaßstabscodierer oder ein Laserinterferometer. Das Abbe-Fehlerkorrektursystem kann gegen einen präzisen Bezugsstandard kalibriert werden, so daß die Korrekturen nur von der Feststellung von kleinen Änderungen in den Sensormeßwerten und nicht von einer absoluten Genauigkeit der Sensormeßwerte abhängen. Ein solches Abbe-Fehlerkorrektursystem ist im einzelnen in der Internationalen Veröffentlichung Nr. WO 01/52004 A1, veröffentlicht am 19. Juli 2001, und in der US-Veröffentlichung Nr. 2001-0029674 A1, veröffentlicht am 18. Oktober 2001, beschrieben. Die relevanten Teile der Offenbarung der entsprechenden US-Pat.-Anm. Nr. 09/755 950 von Cutler werden durch den Hinweis hierin aufgenommen.
Viele Variationen von Positionierungssystemen 30 sind Fachleuten gut bekannt und einige Ausführungsbeispiele eines Positionierungssystems 30 sind im einzelnen im US-Pat. Nr. 5 751 585 von Cutter et al. beschrieben. Die Mikrobearbeitungssysteme ESI Modell 2700 oder 5320, die von Electro Scientific Industries, Inc., in Portland, Oregon, erhältlich sind, sind beispielhafte Implementierungen des Positionierungssystems 30. Weitere beispielhafte Positionierungssysteme wie z.B. eine Modellreihe Nummern 27xx, 43xx, 44xx oder 53xx, die von Electro Scientific Industries, Inc. in Portland, Oregon, hergestellt werden, können auch verwendet werden. Einige dieser Systeme, die einen X-Y-Linearmotor zum Bewegen des Werkstücks 12 und einen X-Y-Tisch zum Bewegen der Abtastlinse verwenden, sind kosteneffiziente Positionierungssysteme zum Durchführen von langen, geraden Schnitten. Fachleute werden auch erkennen, daß ein System mit einem einzelnen X-Y-Tisch zur Werkstückpositionierung mit einer festen Strahlposition und/oder einem stationären Galvanometer zur Strahlpositionierung alternativ verwendet werden kann. Fachleute werden erkennen, daß ein solches System programmiert werden kann, μm Werkzeugwegdateien zu verwenden, die die fokussierten UV-Lasersystem-Ausgangsimpulse 32 dynamisch mit hohen Geschwindigkeiten positionieren, um eine breite Vielfalt von brauchbaren Strukturen zu erzeugen, die entweder periodisch oder nicht-periodisch sein können.
Eine wahlweise Laserleistungs-Steuereinheit 52 wie z.B. ein Halbwellenplättchen-Polarisator kann entlang des optischen Weges 20 angeordnet sein. Außerdem können sich ein oder mehrere Strahlerfassungsvorrichtungen 54 wie z.B. Photodioden stromabwärts von der Laserleistungs-Steuereinheit 52 befinden, wie z.B. auf einen Positionierungsspiegel 44 ausgerichtet sein, der dazu ausgelegt ist, teilweise für die Wellenlänge des Laserausgangssignals 16 durchlässig zu sein. Die Strahlerfassungsvorrichtungen 54 stehen vorzugsweise mit einer Strahldiagnoseelektronik in Verbindung, die Signale überträgt, um die Wirkungen der Laserleistungs-Steuereinheit 52 zu modifizieren.
Der Laser 14 und/oder sein Güteschalt-Strahlpositionierungssystem 30 und/oder seine Tische 36 und 38, die schnelle Positionierungseinrichtung 50, das Sichtsystem, ein beliebiges Fehlerkorrektursystem, die Strahlerfassungsvorrichtungen 54 und/oder die Laserleistungs-Steuereinheit 52 können direkt oder indirekt durch die Lasersteuereinheit 70 koordiniert und gesteuert werden.
Mit Bezug auf 4 verwendet das Lasersystem 10b mindestens zwei Laser 14a und 14b, die jeweilige Laserausgangssignale 16a und 16b emittieren, die in den Querrichtungen linear polarisiert sind und sich entlang jeweiliger optischer Wege 20a und 20b in Richtung von jeweiligen Reflexionsvorrichtungen 42a und 42b ausbreiten. Ein wahlweises Wellenplättchen 56 kann entlang des optischen Weges 20b angeordnet sein. Die Reflexionsvorrichtung 42a ist vorzugsweise ein polarisationsempfindlicher Strahlkombinator und ist entlang beider optischer Wege 20a und 20b angeordnet, um die Laserausgangssignale 16a und 16b zu kombinieren, so daß sie sich entlang des gemeinsamen optischen Weges 20 ausbreiten. Die Laser 14a und 14b können dieselbe oder verschiedene Arten von Lasern sein und können Laserausgangssignale 16a und 16b erzeugen, die dieselbe oder verschiedene Wellenlängen aufweisen. Das Laserausgangssignal 16a kann beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 266 nm aufweisen und das Laserausgangssignal 16b kann eine Wellenlänge von etwa 355 nm aufweisen. Fachleute werden erkennen, daß die Laser 14a und 14b nebeneinander oder aufeinander montiert sein können und beide an einem der Translationstische 36 oder 38 befestigt sein können oder die Laser 14a und 14b auch an separaten unabhängig beweglichen Köpfen montiert sein können. Die Aktivierung der Laser 14a und 14b wird vorzugsweise durch die Lasersteuereinheit 70 koordiniert. Das Lasersystem 10b ist in der Lage, Laserausgangsimpulse 32b mit sehr hoher Energie zu erzeugen. Ein spezieller Vorteil der in 4 gezeigten Anordnung besteht darin, ein kombiniertes Laserausgangssignal 32 zu erzeugen, das auf die Arbeitsoberfläche mit einer erhöhten Energie pro Impuls auftrifft, die durch einen herkömmlichen einzelnen Laserkopf schwierig zu erzeugen sein könnte. Eine solche erhöhte Energie pro Impuls kann zum Abtragen von tiefen Gräben oder Trennen oder Durchtrennen von dicken Siliziumwafern oder anderen Werkstücken 12 besonders vorteilhaft sein.
Trotz des im wesentlichen runden Profils des Lasersystem-Ausgangsimpulses 32 kann eine verbesserte Strahlformqualität mit einem wahlweisen Abbildungsoptikmodul 62 erreicht werden, wodurch ungewollte Strahlfehler wie z.B. Restastigmatismus oder elliptische oder andere Formeigenschaften räumlich gefiltert werden. Mit Bezug auf 5 kann das Abbildungsoptikmodul 62 ein optisches Element 64, eine Linse 66 und eine Blendenmaske 68 umfassen, die an oder nahe der Strahleinschnürung angeordnet sind, die durch das optische Element 64 erzeugt wird, um irgendwelche unerwünschten Seitenkeulen und Umfangsteile des Strahls zu blockieren, so daß ein genau geformtes Punktprofil anschließend auf die Arbeitsoberfläche abgebildet wird. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das optische Element 64 eine Beugungsvorrichtung oder eine Fokussierlinse und die Linse 66 ist eine Kollimationslinse, um Flexibilität zur Konfiguration des Lasersystems 48 hinzuzufügen.
Das Verändern der Größe der Blende kann die Kantenschärfe des Punktprofils steuern, um ein kleineres Intensitätsprofil mit schärferer Kante zu erzeugen, das die Ausrichtungsgenauigkeit verbessern sollte. Mit dieser Anordnung kann außerdem die Form der Blende genau kreisförmig sein oder auch in rechteckige, elliptische oder andere nicht-kreisförmige Formen geändert werden, die parallel oder senkrecht zu einer Schneidrichtung ausgerichtet werden können. Die Blende der Maske 68 kann wahlweise auf ihrer Lichtaustrittsseite nach außen konisch erweitert sein. Für UV-Laseranwendungen umfaßt die Maske 68 im Abbildungsoptikmodul 62 vorzugsweise Saphir. Fachleute werden erkennen, daß die Blendenmaske 68 ohne die optischen Elemente 64 und 66 verwendet werden kann.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt das optische Element 64 eine oder mehrere Strahlformkomponenten, die Laserimpulse mit einem groben gaußschen Strahlungsdichteprofil in geformte (und fokussierte) Impulse umwandeln, die ein fast gleichmäßiges "Hut"-Profil oder insbesondere ein Super-Gauß-Strahlungsdichteprofil aufweisen, in der Nähe einer Blendenmaske 68 stromabwärts vom optischen Element 64. Solche Strahlformkomponenten können eine asphärische Optik oder eine Beugungsoptik umfassen. In einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Linse 66 eine Abbildungsoptik, die zum Steuern der Strahlgröße und -divergenz nützlich ist. Fachleute werden erkennen, daß eine einzige Abbildungslinsekomponente oder mehrere Linsenkomponenten verwendet werden könnten. Fachleute werden auch erkennen und es ist derzeit bevorzugt, daß das geformte Laserausgangssignal ohne Verwendung einer Blendenmaske 68 verwendet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel umfassen die Strahlformkomponenten ein optisches Beugungselement (DOE), das eine komplexe Strahlformung mit hoher Effizienz und Genauigkeit durchführen kann. Die Strahlformkomponenten transformieren nicht nur das gaußsche Strahlungsdichteprofil in ein fast gleichmäßiges Strahlungsdichteprofil, sondern sie fokussieren auch das geformte Ausgangssignal zu einer bestimmbaren oder festgelegten Punktgröße. Obwohl ein DOE mit einem einzigen Element bevorzugt ist, werden Fachleute erkennen, daß das DOE mehrere separate Elemente umfassen kann, wie z.B. das Phasenplättchen und Transformationselemente, die im US-Pat. Nr. 5 864 430 von Dickey et al. offenbart sind, das auch Verfahren zum Konstruieren von DOEs für den Zweck der Strahlformung offenbart. Die vorstehend erörterten Formgebungs- und Abbildungsverfahren sind im einzelnen in der Internationalen Veröffentlichung Nr. WO 00/73013, veröffentlicht am 7. Dezember 2000, beschrieben. Die relevanten Teile der Offenbarung der entsprechenden US-Patentanmeldung Nr. 09/580 396 von Dunsky et al., eingereicht am 26. Mai 2000, werden durch den Hinweis hierin aufgenommen.
Für den Zweck der Bereitstellung von erhöhter Flexibilität im dynamischen Bereich der Energie pro Impuls kann ein Amplitudensteuermechanismus mit schnellem Ansprechen wie z.B. ein akustisch-optischer Modulator oder ein elektro-optischer Modulator verwendet werden, um die Impulsenergie von aufeinanderfolgenden Impulsen zu modulieren. Alternativ oder in Kombination mit dem Amplitudensteuermechanismus mit schnellem Ansprechen kann die Impulswiederholungsfrequenz erhöht oder gesenkt werden, um eine Änderung der Impulsenergie von aufeinanderfolgenden Impulsen zu bewirken. 6 zeigt die charakteristische Beziehung zwischen der Impulsenergie und der Impulswiederholungsfrequenz (PRF) eines Lasers 14, der während der Ausführung der Erfindung verwendet wird. Wie 6 angibt, können Impulsenergien von mehr als 200 μJ vom Modell 210-V06 erhalten werden. Außerdem ist auch die charakteristische Beziehung zwischen der Impulsenergie und der PRF für alternative Laser, Lightwave Electronics 210-V09L und Ligthwave Electronics 210-V09H, gezeigt. Fachleute werden erkennen, daß 6 das beschriebene Prinzip darstellt und alternative Ausführungsbeispiele des Lasersystems 10 verschiedene charakteristische Beziehungen zwischen der Impulsenergie und der Impulswiederholungsfrequenz erzeugen.
7 stellt ein vereinfachtes Überwachungssystem 80 dar, das einen oder mehrere Sensoren 82 verwendet, die optisch mit der Zielstelle 34 auf dem Werkstück 12 in Verbindung stehen. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Spiegel 84 entlang des optischen Weges 16 stromaufwärts oder stromabwärts von der schnellen Positionierungseinrichtung 50 angeordnet und ist für den austretenden Strahl durchlässig, aber reflektiert jegliche eintretende Strahlung auf die Sensoren 82. Fachleute werden jedoch erkennen, daß Spiegel und eine andere dem Überwachungssystem 80 zugehörige Optik vollständig unabhängig vom optischen Weg 16 ausgerichtet werden können und eine Vielzahl von Erfassungsverfahren verwendet werden können. Die Sensoren 82 des Überwachungssystems 80 können gegen die Intensität, das Rückstrahlvermögen, die Wellenlänge und/oder andere Eigenschaften von vom Zielmaterial oder unter diesem angeordneten Trägermaterial emittiertem, gestreutem oder reflektierten Licht empfindlich sein. Die Sensoren 82 können beispielsweise Photodioden sein und können die Strahlerfassungsvorrichtungen 54 umfassen oder einen Teil von diesen bilden. Typischerweise erfassen die Sensoren 82 weniger Rückkopplung, wenn der Schnittweg 112 (10) offen ist. Die Sensoren 82 können beispielsweise mit der Lasersteuereinheit 70 und/oder dem Strahlpositionierungssystem 30 in Verbindung stehen, um die Schnittzustandsinformation kontinuierlich oder für einen oder mehrere diskrete Punkte entlang eines gegebenen Segments 122 (10) zu liefern. Durch Verwendung einer Echtzeitüberwachung der vollendeten und unvollendeten Teile oder Bereiche des Schnittwegs 112 kann das Lasersystem 10 durch ein Strahlpositionierungssystem 30 das Lasersystem-Ausgangssignal 32 nur auf Teile des Schnittwegs 112 richten, die zusätzliches Schneiden erfordern. Diese Überwachung und selektive Segmentbearbeitung verringern die Menge an Zeit, die entlang eines herkömmlichen Schnittwegs 112 verbracht wird, welcher entlang des gesamten Weges auf bereits vollendete Teile auftrifft. Somit wird der Schneiddurchsatz verbessert.
8 stellt einen Schnittweg 112 mit jeweiligen ersten und zweiten Querrichtungen 92 und 94 dar. Das Lasersystem 10 verwendet wahlweise ein Polarisationsverfolgungssystem 90 (3), das eine Polarisationssteuervorrichtung wie z.B. ein drehbares Halbwellenplättchen oder eine Pockels-Zelle umfaßt, um die Polarisationsrichtung oder -Orientierung des Lasersystem-Ausgangssignals 32 zu verändern, um Änderungen der Schneidwegrichtung zu verfolgen. Die Polarisationssteuervorrichtung kann stromaufwärts oder stromabwärts von der schnellen Positionierungseinrichtung angeordnet sein. Wenn sich das Lasersystem-Ausgangssignal 32 in einem Graben befindet und sich relativ zum Zielmaterial bewegt, trifft das Lasersystem-Ausgangssignal 32 auf das Zielmaterial in einem nicht-senkrechten Winkel auf, was zu einem Polarisationseffekt führt, der nicht vorhanden ist, wenn das Auftreffen unbewegt und senkrecht zum Zielmaterial ist. Die Anmelden haben bemerkt, daß die Kopplungseffizienz und daher der Durchsatz erhöht werden, wenn die Polarisationsrichtung in einer speziellen Orientierung bezüglich der Schneidrichtung liegt. Daher kann das Polarisationsverfolgungssystem 90 verwendet werden, um die Polarisationsorientierung in einer Orientierung zu halten, die den Durchsatz maximiert. In einem Ausführungsbeispiel wird das Polarisationsverfolgungssystem 90 implementiert, um die Polarisationsorientierung zur Schneidrichtung oder -Orientierung parallel zu halten, um die Kopplungsenergie des Lasersystem-Ausgangssignals in das Zielmaterial zu erhöhen. Wenn sich die Schneidrichtungen 92 und 94 um einen Winkel Theta unterscheiden, wird das Halbwellenplättchen in einem Beispiel um Theta/2 gedreht, um eine erste Polarisationsorientierung 96 in eine zweite Polarisationsorientierung 98 zu ändern, um die Schneidrichtungsänderung von Theta anzupassen.
Die Polarisationsteuervorrichtung kann auch als variabler optischer Phasenschieber wie z.B. eine Pockels-Zelle implementiert werden. Eine Ansteuerschaltung bereitet ein Polarisationszustands-Steuersignal auf, das die Ansteuerschaltung von einem Prozessor empfängt, der dem Strahlpositionierungssystem 30 und/oder der Lasersteuereinheit 70 zugeordnet ist. In diesem Beispiel besteht eine Eins-zu-Eins-Übereinstimmung zwischen der Amplitude des Polarisationszustands-Steuersignals und eines Strahlpositionierungssignals, so daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im allgemeinen parallel zu seinem Schneidweg gehalten wird. Das US-Pat. Nr. 5 057 664 von Johnson et al. beschreibt ein Verfahren zum Korrelieren der Richtung der Strahlpolarisation mit der Zuschneidrichtung. Fachleute werden erkennen, daß die optimale Polarisationsorientierung als Funktion der Schneidrichtung mit den Lasersystemen und Materialien variieren kann, so daß die bevorzugte Polarisationsorientierung parallel, vertikal, senkrecht, elliptisch (wobei die lange Achse in einer beliebigen gegebenen Orientierung liegt) oder irgendeine andere Orientierung bezüglich der Laserdurchlauf- oder -schneidrichtung sein kann.
9 ist eine repräsentative Darstellung einer Aufspannanordnung 100, auf der Siliziumwerkstücke 12 vorzugsweise für die Durchschneidbearbeitung unter Verwendung eines Ultraviolett-Segmentschneidverfahrens angeordnet werden. Die Aufspannanordnung 100 umfaßt vorzugsweise eine Vakuumaufspannvorrichtungsbasis 102, eine Aufspannvorrichtungsoberseite 104 und einen wahlweisen Halteträger 106, der über der Aufspannvorrichtungsoberseite 104 für den Zweck des Tragens eines Siliziumwerkstücks 12 und des Haltens desselben nach einer Durchschneidanwendung angeordnet ist. Die Basis 102 besteht vorzugsweise aus einem herkömmlichen Metallmaterial und ist vorzugsweise an eine zusätzliche Platte 108 geschraubt (3). Die Platte 108 ist dazu ausgelegt, leicht mit mindestens einem der Tische 36 oder 38 verbunden und von diesem gelöst zu werden. Der Eingriffsmechanismus ist vorzugsweise mechanisch und kann entgegengesetzte Nuten und Leisten umfassen und kann einen Verriegelungsmechanismus umfassen. Fachleute werden erkennen, daß zahlreiche exakte Ausrichtungs- und Schloß- und Schlüsselmechanismen möglich sind. Fachleute werden auch erkennen, daß die Basis 102 alternativ dazu ausgelegt sein kann, direkt an den Tischen 36 oder 38 befestigt zu werden.
Die Aufspannvorrichtungsoberseite 104 und der wahlweise Halteträger 106 können aus einem Material hergestellt sein, das bei der für die spezielle Strukturierungsanwendung ausgewählten Ultraviolettwellenlänge ein niedriges Reflexionsvermögen aufweist (relativ absorbierend oder relativ transparent ist), um eine Rückseitenbeschädigung an Siliziumwerkstücken 12 um Durchgangsgräben durch Reflexionsenergie, die von der Metallaufspannvorrichtungsoberseite stammt, nachdem die Durchgangsbearbeitung vollendet wurde, zu minimieren. In einem Ausführungsbeispiel kann die Aufspannvorrichtungsoberseite 104 oder der Halteträger 106 aus einem Ultraviolett absorbierenden Material wie z.B. Al oder Gu hergestellt werden, damit das Lasersystem 10 ein Werkzeugwegprofil der Struktur von flachen Hohlräumen verwenden kann, die in das Werkstück 12 gebohrt werden sollen, um die entsprechende Struktur in das Material der Aufspannvorrichtungsoberseite 104 und/oder des Halteträgers 106 zu schneiden.
Die Hohlräume können beispielsweise beabsichtigten Durchschnitten entsprechen und eine Rückseitenbeschädigung des Werkstücks 12 während Durchschneidvorgängen verhindern. Außerdem können sich beliebige Trümmer von dem Prozeß in die Hohlräume von der Rückseite des Werkstücks 12 entfernt absetzen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Muster der flachen Hohlräume so bearbeitet, daß sie Abmessungen aufweisen, die geringfügig größer sind als jene der entsprechenden Werkstücke 12 nach der Bearbeitung, wodurch ermöglicht wird, daß sich bearbeitete Werkstücke 12 in den Hohlräumen des Halteträgers 106 absetzen. Ein Halteträger 106 mit Hohlräumen oder Durchgangslöchern kann sehr dick sein, um den Abstand zwischen der Aufspannvorrichtungsoberseite 104 und der Brennebene zu erhöhen. Der Halteträger 106 kann auch maschinell bearbeitet werden, so daß er flache Hohlräume enthält, in die sich die bearbeiteten Siliziumwerkstücke 12 nach den Durchbearbeitungsvorgängen absetzen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, in dem ein Ausgangssignal mit 355 nm verwendet wird, kann eine UV-durchlässige Aufspannvorrichtungsoberseite 104 aus Quarz mit Ultraviolettqualität oder Excimerqualität, MgF₂ oder CaF₂ hergestellt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die UV-durchlässige Aufspannvorrichtungsoberseite 104 alternativ oder zusätzlich mit Flüssigkeit gekühlt werden, um das Aufrechterhalten der Temperaturstabilität der Siliziumwerkstücke 12 zu unterstützen. Mehr Einzelheiten hinsichtlich beispielhaften Aufspannanordnungen 100 sind in der '497-Anmeldung von Baird et al. zu finden.
Die vorstehend beschriebenen Leistungseigenschaften des UV-Lasersystems 10 können für das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Halbleitern und insbesondere Silizium verwendet werden. Solche Schneidvorgänge können umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf die Ausbildung oder das Scheibenschneiden von Kontaktlöchern mit großem Durchmesser durch oder teilweise durch Siliziumwafer oder andere Siliziumwerkstücke 12; die Ausbildung von durchgehenden oder teilweise durchgehenden Gräben mit komplexer Geometrie für den Zweck der Vereinzelung eines bearbeiteten Chips auf Siliziumwafern oder Siliziumwerkstücken 12; die Ausbildung von Mikrokontaktnasenstrukturen, um Mikroschaltungen, die in Silizium ausgebildet sind, von Mutterwafern zu trennen; die Ausbildung von Strukturen auf und/oder die Vereinzelung von AWGs und Objektträgern; und die Ausbildung von Strukturen in MEMS. Außerdem erleichtert die vorliegende Erfindung die Strukturausbildung ohne signifikante Schmelzkantenbildung, ohne signifikante Schlackenbildung und ohne signifikantes Zurückschälen der Strukturkante.
Die Anmelden haben entdeckt, daß die Laserschneidraten für Silizium und andere ähnliche Materialien durch Segmentabtastung oder -schneiden anstelle von herkömmlichen Verfahren des Schneidens des vollen Weges signifikant verbessert werden können. Der Bearbeitungsdurchsatz kann durch geeignete Auswahl der Segmentlänge, der Segmentüberlappung und/oder der Überlappung von anschließenden Durchläufen innerhalb jedes Segments sowie durch die Auswahl von anderen Bearbeitungsparametern verbessert werden.
Durch das Segmentschneiden können die Konsequenzen der Materialhinterfüllung im geschnittenen Graben vermieden oder minimiert werden. 2B deutet darauf hin, daß die Grabenhinterfüllung eine signifikante Begrenzung für die Zertrenngeschwindigkeit sein kann. Es wird vorgeschlagen, daß durch die Herstellung von schnellen, kurzen, offenen Segmenten oder Teilsegmenten das Lasersystem 10 einen Weg für viel des vom Laser herausgeschleuderten Materials vorsehen kann, damit es vielmehr abströmt als die Gräben hinterfüllt, wenn sie geschnitten werden. Daher senkt die verringerte Grabenhinterfüllung die Anzahl von Durchläufen, die erforderlich ist, um einen gegebenen Teil des Schnittwegs 112 zu durchschneiden. 10-17 stellen beispielhafte segmentierte Schneidprofile 110a–110f (allgemein Profile 110 dar), die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die nachstehend dargestellten Verfahren ermöglichen im allgemeinen, daß ein 750 μm dicker Siliziumwafer mit nur etwa 4 W UV-Laserleistung bei 10 kHz in etwa 26 oder weniger Durchläufen im Vergleich zu den 150 Durchläufen, die unter Verwendung eines herkömmlichen Laserschneidprofils erforderlich sind, geschnitten wird.
10 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110a der vorliegenden Erfindung dar. Mit Bezug auf 10 ist das Schneidprofil 110a der Bequemlichkeit halber mit einer Wegschneidrichtung (durch die Richtung des Pfeils angegeben) von links nach rechts entlang des Schneidwegs 112 und mit im allgemeinen unterschiedlichen Schneidsegmenten 122a, 122b und 122c (im allgemeinen Schneidsegmente 122), die in einer Segmentschneidrichtung (oder Laserdurchlaufrichtung), die dieselbe ist wie die Wegschneidrichtung, durch jeweilige Gruppen von Durchläufen 132a, 132b und 132c (im allgemeinen Laserdurchläufe 132) des Lasersystem-Ausgangssignals 32 ausgebildet werden, gezeigt. In diesem Beispiel sind die Längen der Laserdurchläufe 132 im wesentlichen gleich den Längen 126 der Segmente 122. Fachleute werden erkennen, daß das Schneidprofil 110a und anschließende beispielhafte Schneidprofile 110 vorzugsweise zwei bis zu einer unendlichen Anzahl von Schneidsegmenten 122 in Abhängigkeit von den gesamten jeweiligen Längen 124 der Schneidprofile 110 umfassen können.
11 ist eine vereinfachte Draufsicht auf ein vergrößertes Schneidsegment 122, das nacheinander durch geringfügig überlappende Punkte mit einer Punktfläche mit einem Durchmesser d_spot auf dem Werkstück 12 getroffen wird. Obwohl die Punktfläche und d_spot sich im allgemeinen auf die Fläche innerhalb der Außenkante des Laserpunkts beziehen, wenn die Laserleistung auf 1/e² der Laserspitzenleistung abfällt, werden diese Begriffe mit Bezug auf 11 gelegentlich verwendet, um auf die Punktfläche oder den Punktdurchmesser des durch einen einzelnen Impuls erzeugten Lochs oder die Breite eines in einem einzelnen Durchlauf von Impulsen erzeugten Schnitts Bezug zu nehmen. Der Unterschied zwischen der 1/e²-Abmessung und dem Schnittdurchmesser variiert mit dem Laser, dem Material und anderen Parametern.
Der Abstand des neuen Zielmaterials, das von jedem sequentiellen Laserimpuls getroffen wird, wird Angriffsgröße d_bite genannt. Eine bevorzugte Angriffsgröße d_bite für das Laserschneiden von interessierenden Materialien wie z.B. Silizium umfaßt einen vorteilhaften Angriffsgrößenbereich von etwa 0,5 μm bis etwa d_spot und bevorzugter einen Bereich von etwa 1–50 μm mit einem typischen Bereich von etwa 1–5,5 μm und am typischsten einer Angriffsgröße von etwa 1 μm. Für einige Materialien führt die Einstellung der Angriffsgröße zu einer Bedingung, unter der die erzeugten Neuabscheidungstrümmer leichter zu entfernen sein können. Die Angriffsgröße kann durch Steuern der Geschwindigkeiten) des Laserstrahl-Positionierungssystems 30 und Koordinieren der Bewegungsgeschwindigkeiten) mit der Wiederholungsrate der Aktivierung des Lasers 14 eingestellt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 10 und 11 kann eine bevorzugte Länge 126 für die Schneidsegmente 122 im allgemeinen von den Eigenschaften des bearbeiteten Materials, seiner Dicke und der Ansprechzeit des Positionierungssystems 30, einschließlich seiner Beschleunigungs-/Verlangsamungs-Grenzen, des Grades des Nachschwingens der mechanischen Komponenten und der Rückkehrbewegungszeit, abhängen. Wenn die Segmente beispielsweise zu kurz sind, ist die Anzahl von Segmenten für einen gegebenen Schnitt sehr groß und die Menge an Zeit, die für die Richtungsänderung zwischen den Durchläufen verlorengeht, ist sehr groß. Somit können sich die Positionierungssystemeigenschaften auf die Bestimmung der minimalen Segmentlänge auswirken. Die Segmentlänge 126 kann eine Funktion der Angriffsgröße, der Wiederholungsrate und der Positionierungssystemleistung sowie anderer möglicher Faktoren sein und jeder oder alle dieser Faktoren können auf der Basis der Laserimpulsintensität optimiert werden. Fachleute werden erkennen, daß die Segmente 122a–122c nicht dieselben Längen 126 aufweisen müssen.
Im allgemeinen wird jedes Segment 122 im wesentlichen kollinear mit aufeinanderfolgenden Durchläufen 132 des Laserausgangssignals 32 abgetastet (Überspringen von vollständig bearbeiteten Teilen), bis es vollständig bearbeitet ist, z.B. ein Durchschnitt entlang der gesamten Länge 126 des Segments 122 durchgeführt ist oder bis das Zielmaterial auf eine gewünschte Tiefe genutet ist, bevor ein anschließendes Segment 122 bearbeitet wird. Wenn Keramikplatten erwünscht sind, kann eine Reihe von unstetigen Durchschnitten erwünscht sein oder kein Durchgangslochschneiden kann erwünscht sein und fast durchgeschnittene Gräben können erwünscht sein. Ein bis mehrere Abtastungen über die gesamte Schnittweglänge können wahlweise in dem Prozeß verwendet werden, insbesondere vor und/oder nach den Segmentschneidschritten, um den Durchsatz zu maximieren und/oder die Schnittqualität zu verbessern.
Typischerweise kann ein Durchgangsloch in jedem Segment in 5–10 Laserdurchläufen hergestellt werden, so daß einige der Trümmer durch die Durchgangslöcher abströmen können. Falls erwünscht, kann jedoch jedes Segment 122 mit mehreren Durchläufen bis auf eine Zwischentiefe bearbeitet werden und das Schneidprofil kann erneut angewendet werden, vielleicht selbst in der entgegengesetzten Richtung, falls erwünscht. Wenn die Segmente anfänglich nur zu einem Zustand bearbeitet werden, in dem sie jeweils ein Durchgangsloch in einem Teil aufweisen, dann kann es auch unter einigen Umständen vorteilhaft sein, ein herkömmliches Schneidprofil zu implementieren, sobald alle Segmente 122 signifikante Durchgangslöcher enthalten. Um vom Laserstanzen zu unterscheiden, werden Fachleute erkennen, daß die Segmentlänge 126 größer ist als d_spot. Ferner würde das Laserstanzen von jedem Punkt, um ein Durchgangsloch zu erzeugen, bevor entlang des Schnittwegs 112 bewegt wird, länger dauern, möglicherweise das Zielmaterial beschädigen und andere weniger günstige Ergebnisse verursachen.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel zum Schneiden von dickem Silizium weist jedes Segment 122 eine Segmentlänge 126 von etwa 10 μm bis 1 mm, typischerweise von etwa 100 μm bis 800 μm und am meisten bevorzugt von etwa 200 μm bis 800 μm auf. Mit Bezug auf das Schneidprofil 100 sind die Segmente 122 vorzugsweise geringfügig um einen Überlappungsabstand 136 überlappt, der nicht größer als die Angriffsgröße oder größer als mehrere Punktgrößen sein kann. Fachleute werden jedoch erkennen, daß das Enddurchlauf-Bearbeitungssegment 122a und das Bearbeitungssegment 122b des ersten Durchlaufs zu einem Segment 122 mit doppelter Länge (ohne Überlappung) kombiniert werden können. Obwohl es bevorzugt ist, dieselben Laserparameter während irgendeinem gegebenen Durchlauf 132 entlang eines Segments 122 beizubehalten, werden Fachleute erkennen, daß es möglich ist, die Laserparameter während irgendeines gegebenen Durchlaufs zu verändern, um speziellen Anwendungen Rechnung zu tragen.
12 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110b dar. Mit Bezug auf 12 ist das Schneidprofil 110b der Bequemlichkeit halber mit einer Wegschneidrichtung von links nach rechts und mit unterschiedlichen Schneidsegmenten 122d, 122e und 122f (im allgemeinen Schneidsegmente 122), die durch jeweilige Laserdurchläufe 132d, 132e und 132f in einer Segmentschneidrichtung ausgebildet werden, die zur Wegschneidrichtung entgegengesetzt ist, gezeigt. Somit wird das Segment 122d von rechts nach links bearbeitet und dann wird das Segment 122e von rechts nach links bearbeitet, usw.
Ein Vorteil des Schneidprofils 110b gegenüber dem Schneidprofil 110a besteht darin, daß die Trümmer, die während des Schneidens des Segments 122d erzeugt werden, im allgemeinen in der Richtung des Segments 122e verteilt werden (bezüglich der Laserdurchlaufrichtung nach hinten), wo kein vorher vorhandener mit den Trümmern zu hinterfüllender Graben vorhanden ist. Beliebige solche Trümmer, die entlang des anschließenden zu schneidenden Segments 122 landen, werden unmittelbar bearbeitet. Da die Wegschneidrichtung außerdem entgegengesetzt zur Segmentschneidrichtung liegt, verstopfen die erzeugten Trümmer im allgemeinen nicht den Graben des vorher geschnittenen Segments 122. Fachleute werden erkennen, daß außer dem Unterschied zwischen der Wegschneidrichtung und der Segmentschneidrichtung das meiste der Erörterung hinsichtlich 10 und 11 für 12 von Belang ist.
13 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110c dar. Mit Bezug auf 13 ist das Schneidprofil 110c der Bequemlichkeit halber mit einer Wegschneidrichtung von links nach rechts und mit unterschiedlichen Schneidsegmenten 122g, 122h und 122i (im allgemeinen Schneidsegmente 122), die durch jeweilige Laserdurchläufe 132g, 132h und 132i ausgebildet werden, die jeweils von links nach rechts und von rechts nach links in einer überlappenden Hin- und Herabtastweise verlaufen, gezeigt. Insbesondere wird das Segment 122h beispielsweise zuerst von links nach rechts und dann von rechts nach links bearbeitet, usw. bis es vollständig bearbeitet ist, und dann wird das Segment 122i ähnlich bearbeitet. Da die Segmente 122 in beiden Richtungen bearbeitet werden, werden die Nicht-Bearbeitungs-Bewegungsrückführungen des Positionierungssystems 30 beseitigt, was zu einer stärkeren Nutzung der Systemfähigkeit führt. Da ein Laserdurchlauf 132 länger dauern kann als Nicht-Bearbeitungs-Bewegungsrückläufe des Positionierungssystems 30, können die Segmente 122 in 13 kürzer sein als die in 10 und 12 in Anwendungen verwendeten, bei denen es erwünscht ist, Trümmer oder freigelegte Teile eines Grabens innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitraums ab dem vorherigen Auftreffen zu treffen. Außer einigen der vorstehend angegebenen Details ist das meiste der Erörterung hinsichtlich 10-12 für das Beispiel in 13 von Belang.
14 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110d dar. Mit Bezug auf 14 ist das Schneidprofil 110d der Bequemlichkeit halber mit einer Wegschneidrichtung von links nach rechts entlang des Schneidweges 112 und mit unterschiedlichen Schneidsegmenten 122j, 122k und 122m (im allgemeinen Schneidsegmente 122), die von rechts nach links . ausgebildet werden, gezeigt. 14 stellt auch mehrere, im wesentlichen kollineare Laserdurchlaufsätze 140₁ 140₂ und 140₃ (allgemein Laserdurchlaufsätze 140) dar, die jeweils einen anfänglichen Durchlauf 132k und mehrere sich allmählich verlängernde, überlappende und im wesentlichen kollineare Durchläufe 132m–132r umfassen, die vorzugsweise in alphabetischer Reihenfolge bearbeitet werden. Obwohl die Schneiddurchläufe 122k₁–122r₃ in 14 der Bequemlichkeit halber als parallel dargestellt sind, sind die Schneiddurchläufe 122k₁–122r₃ vorzugsweise im wesentlichen kollinear und mit den jeweiligen Segmenten 122 kollinear.
Außer den geringfügigen wahlweisen Überlappungen zwischen benachbarten Segmenten 122, die mit den Beispielen in 10, 12 und 13 verbunden sind, sind die Überlappungslängen, die benachbarten Segmenten 122 oder Durchläufen 132 zugeordnet sind, in diesem und den folgenden Beispielen typischerweise größer als etwa 10%, typischer größer als etwa 25% und am typischsten größer als etwa 50% und übersteigen gelegentlich 67% oder 85%. In einem speziellen Beispiel, in dem ein Segment von 300 μm verwendet wird, wird eine Überlappungslänge von 200 μm verwendet; und in einem anderen Beispiel, in dem eine Segmentlänge von 500 μm verwendet wird, wird eine Überlappungslänge von 250 verwendet.
Ein Grund für die Verwendung von Laserdurchläufen 132, die verschiedene Endpunkte innerhalb eines Segments 122 aufweisen, besteht darin, einen "Abtastende"-Effekt zu verhindern, bei dem mehr Material am Ende des Segments 122 gestapelt wird, sobald es durch identische überlappende Durchläufe 132 bearbeitet wird. Somit besteht ein Vorteil der Verlängerung von aufeinanderfolgenden Durchläufen 132 oder aufeinanderfolgenden kleinen Gruppen von Durchläufen darin, den Abtasteffekt über längere Schnittlängen auszubreiten, so daß die Schneidgeschwindigkeit über ein gesamtes Segment 122 oder den gesamten Schneidweg 112 gleichmäßiger wird, wodurch der Durchsatz und die Schnittqualität verbessert werden. Dieser Abtasteffekt auf die Qualität kann auch durch die Verwendung von vollen Schneidweglängenabtastungen oder -durchläufen 132, nachdem der Segmentschneidprozeß beendet ist, gemildert werden.
Vorzugsweise wird jeder Durchlauf 132 nur einmal verwendet und jeder Lasersatz 140 wird nur einmal verwendet, um das jeweilige Segment 122 auf eine gewünschte Zwischentiefe oder auf einen vollständigen Durchschnitt zu bearbeiten, bevor das nächste Segment 122 bearbeitet wird. Alternativ kann der Lasersatz 140₁ der Schneiddurchläufe 122k₁–122r₃ wiederholt werden, bis entlang einiges oder alles des Segments 122j ein Durchschnitt durchgeführt ist, dann können anschließende Lasersätze 140 Segment für Segment wiederholt werden, bis der gesamte Schnittweg 112 durchgeschnitten ist. Obwohl nur fünf überlappende Durchläufe 132 für jeden Laserdurchlaufsatz 140 gezeigt sind, werden Fachleute erkennen, daß eine wesentlich größere Anzahl an überlappenden Durchläufen 132 verwendet werden könnten, insbesondere mit kleineren inkrementalen Längenzunahmen, wie erforderlich, um der Dicke des Zielmaterials Rechnung zu tragen. Fachleute werden auch erkennen, daß irgendwelche oder alle der Durchläufe 132, die im Schneidprofil 110d verwendet werden, in beiden Richtungen anstatt einer einzelnen Richtung, wie in 14 gezeigt, bearbeitet werden könnten. Fachleute werden auch erkennen, daß mehrere Anwendungen von jedem Laserdurchlaufsatz 140 verwendet werden könnten, daß mehrere Anwendungen von einem oder mehreren Durchläufen 132 in einem Laserdurchlaufsatz 140 verwendet werden könnten, daß die Anzahl von jedem unterschiedlichen Durchlauf 132 innerhalb eines Durchlaufsatzes 140 sich unterscheiden kann, und daß die Anzahl von Anwendungen von Laserdurchlaufsätzen 140 und Laserdurchläufen 132 sich während der Bearbeitung eines einzigen Schnittwegs 112 unterscheiden können. Beliebige dieser Variablen können in Echtzeit als Reaktion auf die Überwachungsinformation eingestellt werden. Außer den vorstehend angegebenen Details ist viel der Erörterung hinsichtlich 10-13 für das Beispiel in 14 von Belang.
15 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110e dar, das dem Profil 110d etwas ähnlich ist, die Schneidsegmente 122n, 122p und 122q überlappen sich in einem größeren Grad und die anschließenden Laserdurchlaufsätze 140_2a und 140_2b lassen die Laserdurchläufe 132k aus. Mit Bezug auf 15 beginnt das Profil 110e mit demselben Laserdurchlaufsatz 140₁ , der das Profil 110d beginnt. Die Laserdurchlaufsätze 140_2a und 140_2b lassen jedoch die Laserdurchläufe 132k aus und ihre Laserdurchläufe 132 überlappen zunehmend (etwa 86% im folgenden Beispiel) den vorherigen Laserdurchlaufsatz 140. In einem Beispiel dieses Ausführungsbeispiels wird der Laserdurchlauf 132k₁ , der eine Länge von 200 μm aufweist, 30mal angewendet. Dann wird der Laserdurchlauf 132m₁ , der eine Länge von 240 μm (200 μm plus 1/5 der Länge des Durchlaufs 132k₁ ) aufweist, 6mal (1/5 von 30 Durchläufen) angewendet. Dann wird der Laserdurchlauf 132n₁ , der eine Länge von 280 μm (200 μm plus 2/5 der Länge des Durchlaufs 132k₁ ) aufweist, 6mal angewendet. Diese Folge wird fortgesetzt, bis der Laserdurchlaufsatz 140₁ beendet ist, und dann in Verbindung mit den Laserdurchlaufsätzen 140_2a und 140_2b durchgeführt, wobei die Laserdurchläufe 132k weggelassen werden. In diesem Beispiel können die späteren Teile von jedem Segment 122 nicht durchgeschnitten werden, bis einiges des anschließenden Segments 122 bearbeitet ist. Ein Vorteil der Überlappung der Segmente 122, so daß sie Teile des Schneidweges 122 enthalten, die bereits durchgeschnitten sind, besteht darin, daß irgendwelche Trümmer, die durch die kürzeren Laserdurchläufe 132 erzeugt werden und die auf den Seiten der durchgeschnittenen Teile abgelagert werden, durch die anschließenden längeren Laserdurchläufe 132 entfernt werden. Die Durchlaufsätze 140 in diesem Beispiel können Zertrenngeschwindigkeiten von mehr als oder gleich 8,5 mm/Minute mit einem UV-Laser von 3,5 W, der mit 10 kHz betrieben wird, an einem 750 μm dicken Siliziumwafer aufweisen.
16 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110f dar. Mit Bezug auf 16 ist das Schneidprofil 110f der Bequemlichkeit halber mit einer Wegschneidrichtung von links nach rechts und mit unterschiedlichen Laserdurchläufen 132s₁–132t₅ , die von rechts nach links ausgebildet werden, gezeigt. Obwohl die Laserdurchläufe 132s₁–132t₅ in 16 der Bequemlichkeit halber als parallel dargestellt sind, sind sie vorzugsweise im wesentlichen kollinear. 16 stellt einen anfänglichen Laserdurchlauf 132s und mehrere sich allmählich verlängernde, überlappende Segmente 132s₁–132t₅ dar, die vorzugsweise in der Reihenfolge des numerischen tiefgestellten Index bearbeitet werden. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Länge des Laserdurchlaufs 132s etwa 200 μm oder 300 μm und die Länge jedes anschließenden Laserdurchlaufs 132t ist etwa 500 μm. Dieses beispielhafte Profil kann Zertrenngeschwindigkeiten von mehr als oder gleich 10,4 mm/Minute mit einem UV-Laser von 3,5 W, der mit 10 kHz betrieben wird, wird an einem 750 μm dicken Siliziumwafer ergeben. Für flache Gräben kann jeder Durchlauf 132 nur einmal angewendet werden und für Durchschnitte in dicken Zielmaterialien kann jeder Durchlauf mehrere Male angewendet werden, bevor der nächste sequentielle Durchlauf 132 unternommen wird. Vorzugsweise wird jeder Laserdurchlauf 132 mehrere Male angewendet, um eine ausgewählte Zwischentiefe zu erreichen, bevor der nächste Laserdurchlauf 132 bearbeitet wird. In einem Ausführungsbeispiel empfängt jeder fortlaufende Laserdurchlauf 132 einen einzigen Durchlauf des Laserausgangssignals 32 und dann wird das gesamte Profil 110f wiederholt oder die Laserdurchläufe 132 werden in umgekehrter Reihenfolge bearbeitet.
Obwohl nur fünf überlappende Laserdurchläufe 132t gezeigt sind, werden Fachleute erkennen, daß eine wesentlich größere Anzahl von überlappenden Laserdurchläufen 132 verwendet werden könnte, insbesondere mit kleineren inkrementalen Längenzunahmen, wie erforderlich, um der Dicke des Zielmaterials Rechnung zu tragen. Fachleute werden auch erkennen, daß irgendwelche oder alle der Laserdurchläufe 132, die im Schneidprofil 110f verwendet werden, nacheinander in beiden Richtungen anstatt einer einzigen Richtung, wie in 16 gezeigt, bearbeitet werden könnten. Außer den vorstehend angegebenen Details ist viel der Erörterung hinsichtlich 10-15 für das Beispiel in 16 von Belang.
17 stellt eine vereinfachte Darstellung eines beispielhaften segmentierten Schneidprofils 110g dar, das dem Profil 110f etwas ähnlich ist. Mit Bezug auf 17 weisen Laserdurchläufe 132₁ 132₃ , 132₅ , 132₇ und 132₉ mit ungeradem tiefgestellten Index eine beispielhafte Durchlauflänge von 200 μm auf und Laserdurchläufe 132₂ , 132₄ , 132₆ und 132₈ mit geradem tiefgestellten Index; weisen eine beispielhafte Durchlauflänge von 270 μm auf. Eine Gruppe von einem dieser Laserdurchläufe 132 wird geliefert, bevor die nächste sequentielle Gruppe geliefert wird. In einem Beispiel werden die Laserdurchläufe 132 mit ungeradem tiefgestellten Index mehrere Male oder in einer größeren relativen Tiefe (60% der Schnittiefe gegen 40% der Schnittiefe beispielsweise) als die Durchläufe mit geradem tiefgestellten Index angewendet. Dieses Schneidprofil mit den beispielhaften Durchlauflängen vermeidet einen Überlappungsübergang bis 5,4 mm entlang des Schnittwegs 112. Fachleute werden erkennen, daß eine Vielzahl von Schneidprofilen und Durchlauflängen verwendet werden können, um die Abtasteffekte und Hinterfüllung zu verringern und dadurch einen verbesserten Durchsatz zμ erleichtern.
18 ist eine repräsentative Darstellung einer Ultraviolett-Abtragungsstrukturierung eines Grabens oder Durchschnitts 150 in einem Werkstück 12 wie z.B. einem Wafer mit einem eigenleitenden Siliziumsubstrat 148 mit einer Höhe oder Dicke 152 von 750 μm, auf dem eine 0,5 μm dicke Passivierungsschicht aus SiO₂ (nicht dargestellt) liegt. Fachleute werden erkennen, daß die Dicke der Siliziumwerkstücke und die Dicke der Passivierungsschichten variieren.
Der Graben 150 wird vorzugsweise durch Positionieren des Siliziumwerkstücks 12 in der Brennebene des Lasersystems 10 und Richten einer Folge von nacheinander überlappenden Lasersystem-Ausgangsimpulsen 32 auf das Siliziumwerkstück 12, wenn das Laserpositionierungssystem 30 das Werkstück 12 entlang der X- und/oder Y-Achsen des Werkstücks 12 bewegt, strukturiert. Die Z-Höhe der Laserbrennpunktposition kann gleichzeitig zusammenfallend mit jedem nachfolgenden Laserdurchlauf 132 bewegt werden, um den Laserbrennpunkt in einer sequentiell tieferen Position im Siliziumwerkstück 12 anzuordnen, wodurch der fokussierte Punkt in einer Position gehalten wird, die mehr mit der restlichen Siliziumoberfläche zusammenfällt.
Zum Ausbilden eines Grabens oder Durchschnitts 150 in Silizium beträgt ein beispielhafter Bereich von Energie pro Impuls etwa 100 μJ bis 1500 μJ, wobei ein typischer Bereich von Energie pro Impuls etwa 200 μJ bis 1000 μJ und ein typischerer Bereich von Energie pro Impuls etwa 400 μJ bis 800 μJ beträgt und am meisten bevorzugt eine Energie pro Impuls über etwa 800 μJ verwendet wird. Ein beispielhafter PRF-Bereich ist etwa 5 kHz bis 100 kHz, wobei ein typischer PRF-Bereich etwa 7 kHz bis 50 kHz und ein typischerer PRF-Bereich etwa 10 kHz bis 30 kHz ist. Fachleute werden erkennen, daß die Laserleistung, wie in 6 gezeigt, ein Ausgangssignal mit einer Energie pro Impuls bei PRFs innerhalb der vorstehend beschriebenen typischen Bereiche erreichen kann. Ein beispielhafter Bereich der fokussierten Punktgröße ist etwa 1 μm bis 25 μm, wobei ein typischer Bereich der fokussierten Punktgröße etwa 3 μm bis 20 μm und ein typischerer Bereich der fokussierten Punktgröße etwa 8 μm bis 15 μm ist. Ein beispielhafter Angriffsgrößenbereich ist etwa 0,1 μm bis 10 μm, wobei ein typischer Angriffsgrößenbereich etwa 0,3 μm bis 5 μm und ein typischerer Angriffsgrößenbereich etwa 0,5 μm bis 3 μm ist. Die Angriffsgröße kann durch Steuern der Geschwindigkeit von einem oder beiden der Tische des Laserstrahl-Positionierungssystems 30 und Koordinieren der Bewegungsgeschwindigkeiten) mit der Wiederholungsrate und der Aktivierung des Lasers eingestellt werden. Eine beispielhafte Segmentgröße ist etwa 200 μm bis 800 μm. Eine beispielhafte Kombination, die einen V06-Laser in einem 2700 Mikrobearbeitungssystem verwendet, verwendete eine Segmentlänge von 300 μm und eine Segmentüberlappung von 200 μm stellte eine sehr schnelle Zertrenngeschwindigkeit bereit. Fachleute werden erkennen, daß für verschiedene Anwendungen mit verschiedenen Lasern für die Bearbeitung von verschiedenen Materialien der bevorzugte Laser, das bevorzugte Segment, der bevorzugte Durchlauf und andere Parameter äußerst unterschiedlich sein können.
In einem Beispiel kann ein Graben oder ein Durchschnitt 150 durch 750 μm dickes eigenleitendes Silizium, über dem eine 2,0 μm Passivierungsschicht aus SiO₂ liegt, unter Verwendung einer Ausgangsimpulsenergie aus dem Laser 14 von etwa 360 μJ und unter Verwendung einer Angriffsgröße von 1 μm mit einer Tischgeschwindigkeit von 10 mm/s in weniger als 25 Durchläufen über die Länge eines Schnittwegs 112 über ein Werkstück 12 mit einem Durchmesser von 8'' durchgeführt werden, wobei die Laserimpulse einen Durchmesser der fokussierten Punktgröße (1/e²) von 12 μm an der Arbeitsoberfläche aufweisen. Ein unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Parameter erzeugter Graben 150 kann beispielsweise eine Öffnungsbreite (Durchmesser) an der oberen Oberfläche (d_t) 154 von etwa 20 μm und eine Austrittsbreite (Durchmesser) (d_b) 156 von etwa 13 μm aufweisen, wodurch ein Seitenverhältnis für diesen Graben von etwa 30:1 und ein Öffnungsverjüngungswinkel von 0,4° erzeugt wird. In einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, vor dem Abtasten eines Segments ein anfängliches Durchgangsloch zu erzeugen.
Fachleute werden ferner erkennen, daß das ausgewählte segmentierte Profil und die Segmentlänge und die Werte der Energie pro Impuls, die fokussierte Punktgröße und die Anzahl von Impulsen, die verwendet werden, um Gräben oder Durchschnitte 150 mit hoher Qualität in Silizium effizient zu erzeugen, gemäß dem Material und der Dicke 152 des Siliziumwerkstücks 12, der relativen Dicke und Zusammensetzung der Überschichten, von denen SiO₂ nur ein Beispiel ist, und der verwendeten Wellenlänge variieren können. Für die Herstellung von Durchschnitten 150 in Silizium, das nur 50 μm dick ist, können beispielsweise weniger als zehn Durchläufe verwendet werden, um den gewünschten Durchschnitt zu erzeugen.
Fachleute werden erkennen, daß verschiedene Muster mit variierender Geometrie, einschließlich, jedoch nichtbegrenzt auf Quadrate, Rechtecke, Ellipsen, Spiralen und/oder Kombinationen von diesen, durch Programmieren einer Werkzeugwegdatei, die vom Lasersystem 10 und Positionierungssystem 30 zum Positionieren des Siliziumwerkstücks 12 entlang der X- und Y-Achsen während der Bearbeitung verwendet wird, hergestellt werden können. Für Laserschneiden wird das Strahlpositionierungssystem 30 vorzugsweise auf herkömmliche typische Sägeschneid- oder andere Justiermarken oder eine Struktur auf der Waferoberfläche ausgerichtet. Wenn die Wafer bereits mechanisch gekerbt sind, ist die Ausrichtung auf die Schneidkanten bevorzugt, um die Sägetoleranz- und Ausrichtungsfehler zu beseitigen. Die verschiedenen segmentierten Schneidprofile können in der Werkzeugwegdatei oder anderen Positionierungssystem-Befehlsdateien vorprogrammiert werden.
Das Lasersystem 10 kann verwendet werden, um ein oder mehrere Gruppen von kleinen Durchgangslöchern zu erzeugen, wie z.B. durch Laserstanzen unter Verwendung der vorstehend dargelegten Laserparameter. Diese Durchgangslöcher können auf der oberen Seite nahe dem Umfang der Werkstücke 12, Schaltungen oder Chips oder innerhalb Ritz-, Trenn- oder Zertrenngräben oder ihren Schnittpunkten positioniert werden, so daß die Rückseite oder Unterseite des Werkstücks 12 genau bezüglich Strukturen auf der Oberseite ausgerichtet werden kann. Eine solche Ausrichtung erleichtert die Rückseitenbearbeitung wie z.B. Laserritzen oder -sägen, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit oder -qualität zu verbessern. Verfahren zur Vorder- und/oder Rückseiten-Wafertrennung oder -zertrennung sind in der US-Patentanmeldung Nr. 09/803 382 ('382-Anmeldung) von Fahey et al. mit dem Titel "UV Laser Cutting or Shape Modification of Brittle, High Melting Temperature Target Materials such as Ceramics or Glasses genauer erörtert, welche durch den Hinweis hierin aufgenommen wird. Diese Information wurde am 21. März 2002 unter der US-Patentveröffentlichung Nr. US-2001-0033558 veröffentlicht und am 28. März 2002 unter der Internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 02/24396 veröffentlicht, die der '382-Anmeldung entsprechen.
Das Laserschneiden zerstört signifikant weniger Material (Schnitte von weniger als 50 μm Breite und vorzugsweise weniger als 25 μm Breite und typischerweise etwa 10 μm Breite) als mechanisches Schneiden (Trennbahnen von etwa 300 μm Breite und Zertrennwege von etwa 150 μm Breite), so daß Bauelemente auf Wafern viel enger aneinander hergestellt werden können, was ermöglicht, daß viel mehr Bauelemente auf jedem Wafer hergestellt werden. Somit minimiert der Laserschneidprozeß den Abstand zwischen den Reihen und den Abstand zwischen den Bauelementen.
Die Beseitigung des mechanischen Schneidens kann auch die Herstellung von Bauelementen auf Werkstücken 12 vereinfachen. Insbesondere kann das mechanische Schneiden den Bauelementen eine signifikante mechanische Beanspruchung verleihen, so daß sie von ihren Trägern abfallen. Um den Verlust von Reihen zu vermeiden, können Bauelementhersteller starke Klebstoffe oder Epoxide zwischen den Reihen und dem Träger verwenden. Ein gesamter Laserprozeß verringert die mechanischen Festigkeitsanforderungen des zum Befestigen der Reihen auf einem Träger verwendeten Klebstoffs signifikant. Laserschneiden ermöglicht daher die Beseitigung von starken Klebstoffen oder Epoxiden, die verwendet werden, um die Reihen am Träger zu befestigen, und die strengen Chemikalien, die erforderlich sind, um sie zu entfernen. Statt dessen können die Klebstoffe für leichtes Losbonden verwendet werden, wie z.B. für die Verringerung der Losbondzeit und weniger Aussetzen den potentiell korrosiven Chemikalien und für die Zugänglichkeit zur UV-Laserbearbeitung, was das Risiko einer Beschädigung an den Bauelementen erheblich verringert und daher die ausbeute verbessert.
Das Laserreihentrennen verringert die Reihendurchbiegung, da das Lasertrennen nicht so viel mechanische Belastung ausübt wie das mechanische Trennen. Wenn jedoch die Reihendurchbiegung oder andere der Reihendefekte ersichtlich sind, können die Reihen mit einem Laser zertrennt (und erneut getrennt) werden, um diese Defekte ohne Sorge wegen der kritischen Ausrichtung von Bauelement zu Bauelement zu kompensieren, die zwischen den Reihen für mechanisches Zertrennen erforderlich ist. Der Bequemlichkeit halber kann der Begriff (Durch-)Schneiden als Oberbegriff verwendet werden, um Trennen (häufig mit der Waferreihentrennung verbunden) oder Zertrennen (häufig mit der Teilevereinzelung von Waferreihen verbunden) einzuschließen, und Trennen und Zertrennen können im Zusammenhang mit dieser Erfindung austauschbar verwendet werden.
Da das Positionierungssystem 30 auf Durchgangslöcher oder Justiermarken ausrichten kann, kann das Lasersystem 10 jede Reihe und/oder jedes Bauelement unabhängig bearbeiten. Bezüglich schrägen Reihen kann der Laserpunkt Querschnitte über die schrägen Reihen in geeigneten Positionen bezüglich der Außenkanten der Bauelemente mit Tisch- und/oder Strahlverschiebungen zwischen jedem Schnitt durchführen, um rechteckige oder gekrümmte Wellenstrukturen nach Wunsch zu bewirken. Somit kann das Laserzertrennen Reihenbefestigungsdefekte kompensieren und vielleicht ganze Reihen von Bauelementen bewahren, die durch mechanisches Zertrennen ruiniert werden würden.
Eine weitere Anwendung des Segmentschneidverfahrens besteht darin, MEMS(mikroelektronisches Maschinensystem) Bauelemente 160 zu erzeugen. 19 ist eine repräsentative Darstellung des Ultraviolett-Laserschneidens eines MEMS-Bauelements 160. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das MEMS-Bauelement 160 unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geschnitten, um Gräben 162a, 162b, 162c, 162d und 162e (allgemein Gräben 162) in Silizium zu erzeugen und um eine Vertiefung 164 durch die Verwendung einer Struktur von benachbarten Gräben 162 zu erzeugen. Fachleute werden erkennen, daß durch Computersteuerung der X- und/oder Y-Achsen des Laserpositionierungssystems 30 die gerichteten Lasersystem-Ausgangsimpulse 32 auf die Arbeitsoberfläche gerichtet werden können, so daß überlappte Impulse ein Muster erzeugen, das eine beliebige komplexe gekrümmte Geometrie ausdrückt. Fachleute werden erkennen, daß die segmentierten Schneideerfahren und andere hierin offenbarten Bearbeitungsverfahren verwendet werden können, um Bögen und andere Kurven ebenso für Nicht-MEMS-Anwendungen zu schneiden.
Eine weitere Anwendung des segmentierten Schneidverfahrens besteht darin, optische integrierte Schaltungen wie z.B. ein Bauelement 130 mit angeordneten Wellenleitergittern (AWG), das auf Halbleiterwaferwerkstücken 12 hergestellt wird, zu bearbeiten. 20 ist eine repräsentative Darstellung der Ultraviolettabtragungsstrukturierung eines AWG-Bauelements 170. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das AWG 170 unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens strukturiert, um gekrümmte Gräben 132 mit Teilen 172a, 172b, 172c, 172d und 172e in Silizium beispielsweise zu erzeugen. Obwohl der Graben 172 als symmetrisch gezeigt ist, werden Fachleute erkennen, daß durch Computersteuerung der X- und/oder Y-Achsen des Laserpositionierungssystems 30 die gerichteten Lasersystem-Ausgangsimpulse 32 auf die Arbeitsoberfläche gerichtet werden können, so daß überlappte Impulse 32 ein Muster erzeugen, das ein beliebiges komplexes gekrümmtes Profil oder eine beliebige komplexe gekrümmte Geometrie ausdrückt. Fachleute werden erkennen, daß die Segmente 122 nicht geradlinig sein müssen und Bögen sein können, so daß jeder Teil 172 mit einem oder mehreren nicht-geradlinigen Segmenten 122 bearbeitet werden kann. Diese Fähigkeit kann verwendet werden, um komplexe gekrümmte geometrische Strukturen in Silizium zu erzeugen, die für eine effiziente Herstellung einer Vielfalt von AWG-Bauelementen 170 nützlich sind. Fachleute werden auch erkennen, daß die segmentierten Schneideerfahren verwendet werden könnten, um ein Durchgangsloch oder Blindkontaktlöcher mit großem Durchmesser zu erzeugen.
Die '382-Anmeldung von Fahey et al. beschreibt Verfahren zum Ausbilden von abgerundeten Kanten entlang Schnitten sowie für das Lasertrennen und -zertrennen von Keramikwafern. Viele dieser Verfahren sowie die hierin offenbarten Ausrichtungsverfahren können vorteilhaft in die vorliegende Erfindung integriert werden, um Siliziumwafer zu schneiden und die Qualität von und Bearbeitungsgeschwindigkeit zum Schneiden von keramischen oder anderen brüchigen Materialien mit hoher Schmelztemperatur wie z.B. Gläsern weiter zu verbessern. Die US-Pat.-Anm. Nr. 09/803 382 wird durch den Hinweis hierin aufgenommen.
Es wird in Betracht gezogen, daß die Durchführung der Schnitte in einer reaktiven Gasatmosphäre wie z.B. einer sauerstoffreichen Atmosphäre Trümmer erzeugt, die leichter zu schneiden sind. In einer sauerstoffreichen Umgebung wird beispielsweise vorgeschlagen, daß das heiße herausgeschleuderte Silizium wahrscheinlicher SiO₂ in einer exothermen Reaktion bildet, das irgendeine resultierende SiO₂-Hinterfüllungsneuabscheidung bei einer höheren Temperatur für eine längere Zeit halten kann, was es weniger wahrscheinlich macht, daß es stark an dem Silizium anhaftet, und/oder es leichter macht, es von einem Graben mit einem schnellen anschließenden Laserdurchlauf 132 zu reinigen. In dem Ausmaß, in dem die Neuabscheidungs- (oder freigelegtes Grabenmaterial) Kühlung oder Wiederverfestigung ein Faktor ist, kann dieses Neucharakterisierungszeitintervall die maximale bevorzugte Länge 126 der Segmente 122 in einem gewissen Umfang beeinflussen, so daß der Laserpunkt die Länge 126 bearbeiten und zurückkehren kann, um wieder auf irgendeine Neuabscheidung (oder erwärmtes freigelegtes Grabenmaterial) an der anfänglichen Laserzielposition 132a und anschließenden Zielpositionen 132 aufzutreffen, bevor die Neuabscheidung (oder freigelegtes Grabenmaterial) sich abkühlt oder stark anhaftet.
Fachleute werden auch erkennen, daß Spülgase wie z.B. Stickstoff, Argon, Helium und trockene Luft nützlicherweise verwendet werden können, um die Entfernung von Abrauch vom Werkstück 12 zu unterstützen und bevorzugter eine potentielle Hinterfüllung durch irgendwelche existierenden durchgeschnittenen Teile entlang des Schneidwegs 112 zu blasen. Solche Spülgase können unter Verwendung von Abgabedüsen, die am Lasersystem 10 befestigt sind, zur unmittelbaren Nähe der Arbeitsoberfläche geliefert werden.
Falls erwünscht, können gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitete Siliziumwerkstücke 12 unter Verwendung von Ultraschallbädern in Flüssigkeiten, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Wasser, Aceton, Methanol und Ethanol, gereinigt werden, um die Oberflächenqualität der betroffenen Flächen zu verbessern. Fachleute werden auch erkennen, daß die Reinigung von bearbeiteten Siliziumwerkstücken 12 in Fluorwasserstoffsäure beim Entfernen von ungewollten Oxidschichten vorteilhaft sein kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung hierin nur beispielhaft für das Siliziumwaferschneiden dargestellt wird, werden Fachleute erkennen, daß die hierin beschriebenen segmentierten Schneideerfahren zum Schneiden einer Vielzahl von Zielmaterialien, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf andere Halbleiter, GaAs, SiC, SiN, Indiumphosphid, Gläser, Keramiken, AITiC und Metalle, mit derselben oder anderen Arten von Lasern, einschließlich jedoch nicht begrenzt auf Festkörperlaser wie z.B. YAG oder YLF und CO₂-Laser mit ähnlichen oder anderen UV-, sichtbaren oder IR-Wellenlängen verwendet werden können.
Die vorläufige US-Pat.-Anm. Nr. 60/301 701, eingereicht am 28. Juni 2001, mit dem Titel Multi-Step Laser Processing for the Cutting or Drilling of Wafers with Surface Device Layers von Fahey et al., welche durch den Hinweis hierin aufgenommen wird, beschreibt Mehrschrittverfahren zum Schneiden von Wafern und der Bauelementschichten, die sie tragen, mit verschiedenen Trennprozessen wie z.B. verschiedenen Laserparametern. Dieser Mehrschrittprozeß beinhaltet die Optimierung von Laserprozessen für jede einzelne Schicht, so daß die Bearbeitung von irgendeiner Schicht des Substratmaterials sich nicht negativ auf die anderen Schichten auswirkt. Ein bevorzugter Prozeß hat die Verwendung von UV-Lasern für das Schneiden von Schichten zur Folge, die im IR- oder sichtbaren Bereich durchlässig sind, was ermöglicht, daß ein anderer Laser für das Schneiden des Wafers verwendet wird als für das Schneiden der Schichten verwendet wird. Dieser Prozeß ermöglicht eine signifikant geringere Beschädigung an der Schicht als auftreten würde, wenn nur ein Laser wie z.B. ein IR-Laser verwendet werden würde, um die gesamte Schicht und Waferstruktur durchzuschneiden. Ferner ermöglicht diese Laserbearbeitung der Schichten die Optimierung anderer Schneidprozesse wie z.B. die Verwendung einer Wafersäge, um die Beschädigung an den Schichten am Wafer zu verringern oder zu beseitigen. Ein Beispiel verwendet einen UV-Laser 10, um Schichten zu schneiden, die Keramik-, Glas-, Polymer- oder Metallfilme auf der oberen oder unteren Oberfläche des Wafersubstrats umfassen, während ein anderer Laser wie z.B. ein Laser mit 532 nm oder ein IR-Laser oder derselbe Durchlauf des Lasers oder optischen Systems mit verschiedenen Prozeßparametern verwendet wird, um das Substratmaterial zu durchschneiden, nachdem die Oberflächenschichten beseitigt wurden. Jeder der Laserprozesse kann dieselben oder andere segmentierte Schneideerfahren verwenden, die mit den gewählten anderen Laserparametern zusammenwirken, um eine hohe Qualität und hohen Durchsatz zu erleichtern. Alternativ können Oberflächenschichten durch herkömmliche Vollabtastbearbeitung bearbeitet werden, während die dickere Substratschicht durch ein segmentiertes Verfahren bearbeitet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel beinhaltet die Bedeckung der Oberflächen des Wafers mit einer Opferschicht wie z.B. Photoresist; die wahlweise Entfernung eines Teils der Opferschicht, um unbedeckte Zonen über beabsichtigten Schneidbereichen zu erzeugen; Laserschneiden der Schichten auf dem Wafersubstrat auf eine Breite gleich oder größer als jene, die im anschließenden Substratschneidschritt auftritt; dann Schneiden des Wafers mit einem separaten Bearbeitungsschritt oder separaten Bearbeitungsschritten unter Verwendung eines anderen Lasers, einer anderen Wellenlänge, einer anderen Impulsbreite, einem anderen Teilchenfluß, einer anderen Angriffsgröße und/oder anderen Laserbearbeitungsparametern.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ermöglicht die Entfernung der Oberflächenschicht oder -schichten mit einem Laserprozeß oder mehreren Laserprozessen und verwendet dann einen anschließenden Prozeß oder mehrere anschließende Prozesse, die das Schneiden mit einem Nicht-Laser-Verfahren vollenden, das nur das Wafersubstratmaterial entfernen muß. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist die Entfernung jeglichen Metalls, Polymers oder anderen weichen Materials von der Schneidbahn unter Verwendung des Lasers, so daß während des anschließenden Schneidens mit einem Sägeblatt das Blatt nur einen Kontakt mit dem Substratmaterial herstellt. Dieses Verfahren ist von spezieller Verwendung, wenn Wafer mit Metallisierung in den Chipbahnen geschnitten werden, wie z.B. jenen aufgrund der Anwesenheit von Testbauelementen oder Wafern, die ein dielektrisches Polymermaterial wie z.B. einige der Materialien mit niedrigem K, die derzeit auf dem Markt sind, aufweisen.
Für Fachleute wird es offensichtlich sein, daß viele Änderungen an den Einzelheiten des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren zugrundeliegenden Prinzipien abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der UV-Laserschneiddurchsatz durch Silizium und ähnliche Materialien wird durch Aufteilen eines langen Schneidwegs (112) in kurze Segmente (122) von etwa 10 μm bis 1 mm verbessert. Das Laserausgangssignal (32) wird innerhalb eines ersten kurzen Segments (122) für eine vorbestimmte Anzahl von Durchläufen abgetastet, bevor es zu einem zweiten kurzen Segment (122) bewegt und für eine vorbestimmte Anzahl von Durchläufen in diesem abgetastet wird. Die Angriffsgröße, Segmentgröße (126) und Segmentüberlappung (136) können manipuliert werden, um die Menge und Art an Grabenhinterfüllung zu minimieren. Eine Echtzeitüberwachung wird verwendet, um das erneute Abtasten von Teilen des Schneidwegs (112) dort, wo der Schnitt bereits vollendet ist, zu verringern. Die Polarisationsrichtung des Laserausgangssignals (32) wird auch mit der Schneidrichtung korreliert, um den Durchsatz weiter zu verbessern. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Materialien mit einer Vielzahl von verschiedenen Lasern und Wellenlängen zu schneiden.

Claims

Verfahren zum Erhöhen des Durchsatzes in einem Laserschneidprozeß, umfassend: Richten eines ersten Durchlaufs von ersten Laserimpulsen, so daß sie entlang eines ersten Segments eines Schneidwegs mit einer Schneidweglänge von mehr als 100 μm auftreffen, wobei jeder erste Laserimpuls eine erste Punktfläche auf einem Werkstück aufweist, wobei das erste Segment eine erste Segmentlänge aufweist, die länger ist als die erste Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge; Richten eines zweiten Durchlaufs von zweiten Laserimpulsen, so daß sie entlang eines zweiten Segments des Schneidwegs auftreffen, wobei jeder zweite Laserimpuls eine zweite Punktfläche auf dem Werkstück aufweist, wobei das zweite Segment eine zweite Segmentlänge aufweist, die länger ist als die zweite Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge, wobei das zweite Segment das erste Segment um eine Überlappungslänge überlappt, die größer ist als zumindest die erste oder die zweite Punktfläche; und nach dem Richten zumindest des ersten und des zweiten Durchlaufs von Laserimpulsen Richten eines dritten Durchlaufs von Laserimpulsen, so daß sie entlang eines dritten Segments des Schneidwegs auftreffen, wobei jeder dritte Laserimpuls eine dritte Punktfläche auf dem Werkstück aufweist, wobei das dritte Segment eine dritte Segmentlänge aufweist, die länger ist als die dritte Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge, wobei das dritte Segment einen anschließenden anderen Teil des Schneidwegs als das erste oder das zweite Segment umfaßt, wobei der anschließende Teil des Schneidwegs eine Nichtüberlappungslänge aufweist, die größer ist als die erste, die zweite oder die dritte Punktfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hauptteile des ersten und des zweiten Segments einander überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Segment das erste Segment umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Segment in einer gleichen Richtung bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das erste und das zweite Segment in entgegengesetzten Richtungen bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Segment in einer gleichen Richtung bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Segment in entgegengesetzten Richtungen bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzliche Sätze von ersten und/oder zweiten Laserimpulsen auf das erste und/oder das zweite Segment angewendet werden, um einen Durchgangsgraben innerhalb des ersten und/oder des zweiten Segments vor dem Anwenden der dritten Laserimpulse auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfaßt: Ausbilden eines Durchgangsgrabens im ersten und/oder zweiten Segment vor dem Anwenden der dritten Laserimpulse.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfaßt: Ausbilden eines Durchgangsgrabens im ersten und/oder zweiten Segment mit mehreren Durchläufen von Laserimpulsen vor dem Anwenden der dritten Laserimpulse; und Ausbilden eines Durchgangsgrabens innerhalb des dritten Segments.
Verfahren nach Anspruch 10, welches ferner umfaßt: Schneidweglänge.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Schneidweglänge größer als 1 mm ist und die erste, die zweite und die dritte Segmentlänge zwischen etwa 10 μm und etwa 500 μm liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schneidweglänge größer als 1 mm ist und die erste, die zweite und die dritte Segmentlänge zwischen etwa 10 μm und etwa 500 μm liegen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schneidweglänge größer als 10 mm ist und die erste, die zweite und die dritte Segmentlänge zwischen etwa 200 μm und etwa 500 μm liegen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die ersten, zweiten und dritten Laserimpulse durch eine UV-Wellenlänge, eine Impulswiederholungsfrequenz von mehr als 5 kHz, Impulsenergien von mehr als 200 μJ und eine Angriffsgröße von etwa 0,5 bis etwa 50 μm gekennzeichnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten, zweiten und dritten Laserimpulse durch eine UV-Wellenlänge, eine Impulswiederholungsfrequenz von mehr als 5 kHz, Impulsenergien von mehr als 200 μJ und eine Angriffsgröße von etwa 0,5 bis etwa 50 μm gekennzeichnet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Werkstück eine Dicke von mehr als 50 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Werkstück eine Dicke von mehr als 500 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Werkstück eine Dicke von mehr als 50 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Werkstück eine Dicke von mehr als 500 μm aufweist, die Schneidweglänge größer als 100 mm ist und der Durchschnitt entlang der gesamten Länge des Schneidwegs mit weniger als 25 Durchläufen von Laserimpulsen über irgendeine Position entlang des Schneidwegs durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Werkstück eine Dicke von mehr als 200 μm aufweist, ferner umfassend: Schneiden durch die gesamte Dicke entlang des Schneidwegs mit einer Schneidgeschwindigkeit von mehr als 10 mm pro Minute.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Hauptteil der Dicke des Werkstücks ein Halbleitermaterial, ein Glasmaterial, ein Keramikmaterial oder ein Metallmaterial umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Hauptteil der Dicke des Werkstücks Si, GaAs, SiC, SiN, Indiumphosphid oder AITiC umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Laserimpulse aus einem Festkörperlaser oder einem CO₂-Laser erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserimpulse aus einem Festkörperlaser oder einem CO₂-Laser erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Überlappungslänge des ersten und des zweiten Teils oder der ersten und der zweiten Segmentlänge ausreichend kurz sind, so daß die zweiten Laserimpulse entlang der Überlappungslänge auftreffen, bevor ein Hauptteil irgendwelcher Trümmer, die durch die ersten Laserimpulse erzeugt werden, sich entlang der Überlappungslänge auf Umgebungstemperatur abkühlt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das dritte Segment das erste oder das zweite Segment ausschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten Laserimpulse entlang des Schneidwegs in einer ersten Schneidrichtung auftreffen und die ersten Laserimpulse eine erste Polarisationsorientierung aufweisen, die zur ersten Schneidrichtung parallel ist, wobei die dritten Laserimpulse entlang des Schneidwegs in einer dritten Schneidrichtung auftreffen und die dritten Laserimpulse eine dritte Polarisationsorientierung aufweisen, die zur dritten Schneidrichtung parallel ist, und wobei die erste und die dritte Schneidrichtung quer liegen.
Verfahren nach Anspruch 28, welches ferner umfaßt: Verwenden einer Polarisationssteuervorrichtung, um von der ersten Polarisationsorientierung in die dritte Polarisationsorientierung zu wechseln.
Verfahren nach Anspruch 10, welches ferner umfaßt: Überwachen des Durchschnittzustands mit einer Durchschnittüberwachungseinrichtung, um durchgeschnittene Positionen festzustellen, wo Durchschnitte entlang des Schneidwegs bewirkt wurden; und Verringern des Treffens der durchgeschnittenen Positionen während der Durchläufe von ersten, zweiten, dritten oder anschließenden Laserimpulsen als Reaktion auf die von der Durchschnittüberwachungseinrichtung gelieferte Information.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserimpulse innerhalb des ersten Durchlaufs im allgemeinen ähnliche Parameter aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserimpulse der ersten, zweiten und dritten Durchläufe im allgemeinen ähnliche Parameter aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserimpulse von mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Durchläufe mindestens einen im allgemeinen unterschiedlichen Parameter aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Laserimpulse in mindestens einem der ersten, zweiten oder dritten Durchläufe mindestens einen im allgemeinen unterschiedlichen Parameter aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere Durchläufe von Laserimpulsen auf das erste Segment angewendet werden, um einen Durchschnitt innerhalb des ersten Segments auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Durchschnitt im ersten Segment ausgebildet wird, bevor der Durchlauf der zweiten Laserimpulse auf das zweite Segment angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei mehrere Durchläufe von Laserimpulsen auf das zweite Segment angewendet werden, um einen Durchschnitt innerhalb des zweiten Segments auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Durchschnitt im zweiten Segment ausgebildet wird, bevor der Durchlauf der dritten Laserimpulse auf das dritte Segment angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei mehrere Durchläufe von Laserimpulsen auf anschließende Segmente angewendet werden, um nacheinander Durchschnitte innerhalb der jeweiligen anschließenden Segmente auszubilden, um einen Durchschnitt mit voller Länge entlang der Schneidweglänge auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nur geringe Teile des ersten und des zweiten Segments einander überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten Laserimpulse entlang des Schneidwegs in einer ersten Schneidrichtung auftreffen und die ersten Laserimpulse eine erste Polarisationsorientierung aufweisen, die zur ersten Schneidrichtung orientiert ist, um den Durchsatz oder die Schnittqualität zu verbessern, wobei die dritten Laserimpulse entlang des Schneidwegs in einer dritten Schneidrichtung auftreffen und die dritten Laserimpulse eine dritte Polarisationsorientierung aufweisen, die zur dritten Schneidrichtung orientiert ist, um den Durchsatz oder die Schnittqualität zu verbessern, und wobei die erste und die dritte Schneidrichtung quer liegen und die erste und die dritte Polarisationsorientierung quer liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Segmente ein Bogen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Reinigungsgas verwendet wird, um das Blasen von potentiellen Hinterfüllungstrümmern durch Durchschnitte entlang des Schneidwegs zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein langgestreckter Laserdurchlauf, der mindestens das erste, das zweite und das dritte Segment umfaßt, auf den Schneidweg angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Punktfläche entlang eines Segments in der Nähe zur Punktfläche eines vorangehenden Laserimpulses liegt oder diese teilweise überlappt.
Verfahren zum Erhöhen des Durchsatzes in einem Laserschneidprozeß, umfassend: Richten eines Durchlaufs von Laserimpulsen, so daß sie auf ein Werkstück entlang eines Schneidwegs auftreffen; Überwachen des Durchschnittzustands mit einer Durchschnittüberwachungseinrichtung, um durchgeschnittene Positionen festzustellen, wo Durchschnitte entlang des Schneidwegs bewirkt wurden; Richten eines anschließenden Durchlaufs von anschließenden Laserimpulsen, so daß sie auf das Werkstück entlang des Schneidwegs auftreffen; und Verringern des Treffens der durchgeschnittenen Positionen während des anschließenden Laserdurchlaufs als Reaktion auf die von der Durchschnittüberwachungseinrichtung gelieferte Information.
Verfahren zum Erhöhen des Durchsatzes zum Ausbilden eines Schnitts entlang eines Schneidweges mit einer Schneidweglänge an einem Werkstück, umfassend: Auswählen einer Segmentlänge, die kürzer ist als die Schneidweglänge; Richten eines ersten Durchlaufs von ersten Laserimpulsen mit ersten Punktflächen, so daß sie auf das Werkstück entlang eines ersten Segments mit etwa der Segmentlänge entlang des Schneidwegs auftreffen; Richten eines zweiten Durchlaufs von zweiten Laserimpulsen mit zweiten Punktflächen, so daß sie auf das Werkstück entlang eines zweiten Segments mit etwa der Segmentlänge entlang des Schneidwegs auftreffen, wobei das zweite Segment das erste Segment um eine Überlappungslänge überlappt, die größer ist als zumindest die erste oder die zweite Punktfläche; und nach dem Richten zumindest des ersten und des zweiten Durchlaufs von Laserimpulsen Richten eines dritten Durchlaufs von Laserimpulsen mit dritten Punktflächen, so daß sie entlang eines dritten Segments mit etwa der Segmentlänge entlang des Schneidwegs auftreffen, wobei das dritte Segment einen Teil des Schneidwegs umfaßt, der sich über das erste oder das zweite Segment hinauserstreckt, wobei der Teil des Schneidwegs eine Teillänge aufweist, die größer ist als die erste, die zweite oder die dritte Punktfläche.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei das Auftreffen der Laserimpulse entlang des Schneidwegs Trümmer erzeugt und wobei die Überlappungslänge oder die Segmentlänge ausreichend kurz ist, so daß der zweite Durchlauf von zweiten Laserimpulsen entlang der Überlappungslänge auftrifft, bevor ein Hauptteil irgendwelcher Trümmer, die durch die ersten Laserimpulse erzeugt werden, sich auf Umgebungstemperatur entlang der Überlappungslänge abkühlt.
Verfahren zum Erhöhen des Durchsatzes in einem Laserschneidprozeß, umfassend: Richten eines ersten Durchlaufs von ersten Laserimpulsen, so daß sie entlang eines ersten Segments eines Schneidwegs mit einer Schneidweglänge auftreffen, wobei jeder erste Laserimpuls eine erste Punktfläche auf einem Werkstück aufweist, wobei das erste Segment eine erste Segmentlänge aufweist, die länger ist als die erste Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge; Richten von zweiten Durchläufen von zweiten Laserimpulsen, so daß sie entlang eines zweiten Segments des Schneidwegs auftreffen, wobei das zweite Segment eine Überlappungslänge umfaßt, die zumindest einen Teil des ersten Segments überlappt, bis ein Durchschnitt innerhalb der Überlappungslänge durchgeführt ist, wobei jeder zweite Laserimpuls eine zweite Punktfläche auf einem Werkstück aufweist, wobei das zweite Segment eine zweite Segmentlänge aufweist, die länger ist als die zweite Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge, wobei die Überlappungslänge größer ist als mindestens die erste oder die zweite Punktfläche; und nach dem Richten zumindest des ersten und des zweiten Durchlaufs von Laserimpulsen Richten von dritten Durchläufen von Laserimpulsen, so daß sie entlang eines dritten Segments des Schneidwegs auftreffen, bis ein Durchschnitt innerhalb des dritten Segments durchgeführt ist, wobei jeder dritte Laserimpuls eine dritte Punktfläche auf einem Werkstück aufweist, wobei das dritte Segment eine dritte Segmentlänge aufweist, die länger ist als die dritte Punktfläche und kürzer ist als die Schneidweglänge, wobei das dritte Segment einen Teil des Schneidwegs umfaßt, der sich über das erste oder das zweite Segment hinauserstreckt, wobei der Teil des Schneidwegs eine Teillänge aufweist, die größer ist als die erste, die zweite oder die dritte Punktfläche.
Lasersystem zum Schneiden eines Halbleitermaterials umfassend: einen Laser zum Erzeugen von Laserimpulsen; und ein Strahlpositionierungssystem zum sequentiellen Richten von ersten und zweiten Durchläufen von jeweiligen ersten und zweiten Laserimpulsen, so daß sie entlang jeweiliger erster und zweiter Segmente eines Schneidwegs mit einer Schneidweglänge auftreffen, bis ein Durchschnitt innerhalb des ersten Segments durchgeführt ist, bevor ein dritter Durchlauf von dritten Laserimpulsen auf ein drittes Segment gerichtet wird, das sich über das erste und das zweite Segment entlang des Schneidwegs hinauserstreckt, wobei jeder Laserimpulse eine Punktfläche auf einem Werkstück aufweist, wobei die Segmente Segmentlängen aufweisen, die länger sind als die Punktfläche und kürzer sind als die Schneidweglänge; wobei das zweite Segment eine Überlappungslänge umfaßt, die zumindest einen Teil des ersten Segments überlappt.
Lasersystem nach Anspruch 50, welches ferner eine Durchschnittüberwachungseinrichtung umfaßt, die durchgeschnittene Positionen ermittelt, an denen Durchschnitte entlang des Schneidwegs bewirkt wurden, und die direkt oder indirekt Daten hinsichtlich der durchgeschnittenen Positionen zum Strahlpositionierungssystem liefert, um das Treffen der durchgeschnittenen Positionen während der ersten, zweiten, dritten oder anschließenden Laserdurchläufe als Reaktion auf die von der Durchschnittüberwachungseinrichtung gelieferten Daten zu verringern.
Lasersystem nach Anspruch 50, welches ferner eine Strahlpolarisations-Steuereinheit umfaßt, so daß der erste Laserimpuls entlang des Schneidwegs in einer ersten Schneidrichtung auftrifft und den ersten Laserimpulsen eine erste Polarisationsorientierung verliehen wird, die zur ersten Schneidrichtung orientiert ist, um den Durchsatz oder die Schnittqualität zu verbessern, so daß die dritten Laserimpulse entlang des Schneidwegs in einer dritten Schneidrichtung auftreffen und den dritten Laserimpulsen eine dritte Polarisationsorientierung verliehen wird, die zur dritten Schneidrichtung orientiert ist, um den Durchsatz oder die Schnittqualität zu verbessern, und so daß die erste und die dritte Schneidrichtung quer liegen und die erste und die dritte Polarisationsorientierung quer liegen.