TWI411485B - 鐳射處理裝置與用於切割襯底的方法 - Google Patents

Description

鐳射處理裝置與用於切割襯底的方法

本發明涉及一種鐳射處理裝置，特別是涉及一種用於在半導體器件上切割或劃刻溝槽(singulating or scribing grooves)的鐳射切割機器。

鐳射劃片(laser scribing)是一種通常使用於沿著襯底上所形成的間隔線(streets)切割襯底如藍寶石或碳化矽(sapphire or silicon carbide)晶圓的表面上的線性溝槽的方法。雷射光束或銳聚焦鐳射點針對此方法而得以出現。當襯底相對薄時，而鐳射劃片同樣也可以通過完全切斷襯底而割開襯底。

對於在藍寶石製成的襯底上的鐳射劃片而言，所形成的溝槽的深度通常被控制到微米的程度，這需要精確地切割襯底。雷射光束的聚焦同樣也影響每次切割的深度。因此，有必要測量襯底切割表面的高度，以便於控制通過鐳射劃片的切割的深度。測量襯底表面的高度的一種方法是通過使用光學器件在襯底表面上聚焦的方式。通過計入襯底上的多個測量點，該高度的有效估算得以實現。通常，鐳射處理裝置包含有視覺系統，該視覺系統被用於捕獲襯底圖像以在發生鐳射劃片以前進行高度測量和進行定位。

襯底表面高度的估算或測量增加了輔助操作時間。該輔助操作時間還包括襯底裝載和卸載以及視覺定位所花費的時間。通常，在實際的劃片時間可以多達大約240秒以完全劃刻直徑為2英寸的藍寶石襯底的同時，輔助操作時間可以多達60秒。在輔助操作時間期間，鐳射頭保持為空閒狀態，因此是沒有生產的。如果視覺和聚焦的點的數目被增加，那麼輔助操作時間將會更加冗長。這降低了生產效率。

發明名稱為“鐳射處理機器”、出版號為2008/0290078的美國專利公開了一種沿著兩道間隔線同時完成鐳射切割的鐳射處理機器。這通過使用棱鏡將雷射光束分成兩個單獨的雷射光束而得以完成。這兩個雷射光束具有可調節的間距以便於它們能夠同時在兩個單獨的位置處操作來切割晶圓。另一方面，發明名稱為“雷射光束加工裝置”、出版號為2008-110383的日本專利公開了一種雷射光束加工裝置，其通過使用分光器(beam splitter)將雷射光束分成兩束光同時加工固定在兩個卡盤平臺上的工件。該雷射光束沿著兩個單獨的路徑傳播，以同時加工兩個固定在兩個卡盤平臺上的工件。

當由於在前述現有技術中兩個劃片雷射光束同時出現以劃刻兩個單獨位置處的晶圓所以加工效率得以提高的同時，將雷射光束源分開之後管理兩個必須相互極為貼近設置的雷射光束成為一個挑戰。控制兩個來自單獨光源的雷射光束的品質和能量變化技術上是有難度的。這可能趨向導致沿著不同的劃刻線形成不同的劃刻深度。而且，鐳射頭的功率必須加倍以保持在兩個位置處相同的鐳射能量水準，這提高了機器的成本。而且，在輔助操作時間期間，鐳射頭仍然保持空閒，生產率得以喪失。由於鐳射頭很昂貴，使得鐳射頭的使用最大化和促進鐳射頭的高效使用是合適的。

因此，本發明的目的在於提供一種鐳射處理裝置，其在實現鐳射劃片深度的更好控制的同時，提高鐳射劃片的產量。

於是，本發明一方面提供一種用於切割襯底的鐳射處理裝置，該裝置包含有：鐳射頭，其用於產生雷射光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安裝有襯底；以及換向器，其沿著雷射光束的路徑設置，該換向器和鐳射頭可在第一位置和第二位置之間相對於彼此移動，其中，在第一位置處換向器被操作來將雷射光束換向以切割安裝在第一工作固定器上的第一襯底，在第二位置處換向器被操作來將雷射光束換向以切割安裝在第二工作固定器上的第二襯底。

本發明另一方面提供一種用於切割安裝於第一工作臺和第二工作臺上的襯底的方法，該方法包含有以下步驟：在第一工作臺上安裝第一襯底，在第二工作臺上安裝第二襯底；使用鐳射頭產生雷射光束，並使用換向器將該雷射光束換向至第一襯底以切割該第一襯底；在第一襯底被切割的同時，使用光學系統檢查第二襯底以為切割做好準備；在第一襯底的切割已經完成之後，將換向器和鐳射傳送設備相對於彼此從第一位置移動至第二位置，以便於將雷射光束換向至第二襯底而切割第二襯底；其後將第一襯底從第一作業台處移離。

本發明再一方面提供一種用於切割襯底的鐳射處理裝置，該裝置包含有：鐳射頭，其用於產生雷射光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安裝有襯底；以及換向器，其沿著雷射光束的路徑設置，該換向器被操作來有選擇地引導雷射光束朝向安裝在第一工作固定器的第一襯底以切割第一襯底，或者朝向安裝在第二工作固定器的第二襯底以切割第二襯底。

本發明又一方面提供一種用於切割安裝於第一工作臺和第二工作臺上的襯底的方法，該方法包含有以下步驟：在第一工作臺上安裝第一襯底，在第二工作臺上安裝第二襯底；使用鐳射頭產生雷射光束，並使用換向器將該雷射光束換向至第一襯底以切割該第一襯底；在第一襯底被切割的同時，使用光學系統檢查第二襯底以為切割做好準備；在第一襯底的切割已經完成之後，操作換向器以將雷射光束換向至第二襯底而切割第二襯底；其後將第一襯底從第一作業台處移離。

參閱後附的描述本發明實施例的附圖，隨後來詳細描述本發明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發明的限制，本發明的特點限定在申請專利範圍中。

在此本發明較佳實施例將結合附圖進行描述。

圖1所示為根據本發明較佳實施例所述的包含有兩個工作臺的鐳射劃片元件10的立體示意圖，其中表明雷射光束正在一個工作臺上切割或劃刻襯底36、40，如晶圓。鐳射劃片元件10包含有：以鐳射頭14形式存在的用於產生雷射光束的鐳射光源，可以為卡盤平臺16、18形式的在x-y-θ方向移動的第一工作臺和第二工作臺，雷射光束傳送系統20，以及光學系統。光學系統包含有一組共軸光學器件22、一組高度測量光學器件24和底部光學器件26。

該組共軸光學器件22包括頂部光學器件28，其和底部光學器件26一起被操作來捕獲襯底的圖像，以進行定位的目的。各組雷射光束聚焦光學器件30設置在卡盤平臺16、18的上方以用於聚焦雷射光束。高度測量光學器件24相鄰於雷射光束聚焦光學器件30設置。高度測量光學器件24測量待切割的襯底40的高度以便於雷射光束能被聚焦而用於劃刻至正確的切割深度。

沿著雷射光束的路徑設置的雷射光束換向器(diverter)12由可以分別引導雷射光束至鐳射頭14的左側和右側的兩個反射鐳射板組成。雷射光束換向器12和鐳射頭14可以相互彼此移動，更合適的方式是，在鐳射頭14為靜止的同時驅動雷射光束換向器12移動。雷射光束換向器的反射板可以為反射鏡或棱鏡的表面，並通過連接至雷射光束換向器12的馬達，例如線性、步進或伺服馬達驅動，以在水準方向上或垂直方向上移動。反射板也可以通過旋轉機構驅動旋轉。另外，雷射光束換向器12可以包括將入射雷射光束引導至不同方向的其他裝置，如電氣驅動光學開關(electrically-driven optical switches)。

在圖1中，當鐳射頭14產生雷射光束，該雷射光束被雷射光束換向器12和第一反射鏡34直接反射在安裝於第一卡盤平臺16上的第一襯底36上時，第一雷射光束路徑32得以形成，此時雷射光束換向器12位於第一位置。沿著第一雷射光束路徑32轉向至安裝於第一卡盤平臺16上的第一襯底36上的雷射光束可以劃刻或切割第一襯底36。在這個劃刻或切割處理過程中，第二襯底40被裝載到第二卡盤平臺18上。當鐳射劃片在第一卡盤平臺16上開始的同時，第二襯底40的視覺定位和高度測量能夠得以完成。

圖2是鐳射劃片元件10的立體示意圖，其中表明了雷射光束在另外一個工作臺上劃刻晶圓。在第一襯底36的劃刻已經完成之後，當雷射光束換向器12移動至第二位置時，來自鐳射頭14的雷射光束被雷射光束換向器12和第二反射鏡42轉向至第二雷射光束路徑38。所以，現在劃刻或切割能夠在安裝於第二卡盤平臺18上的第二襯底40上得以完成。與此同時，後劃刻檢查(post-scribing inspection)可以在駐留於第一卡盤平臺16的第一襯底36上執行。因此，由於一旦劃刻在第一襯底36上完成時雷射光束被立即引導來開始劃刻第二襯底40，所以鐳射頭的空閒時間是微不足道或者不存在。從而在整個連續地襯底處理過程中，鐳射劃片元件10被高效地利用和富有成效。而且，由於在劃刻時間出現多達約240秒的同時，用於高度測量、裝載、卸載和視覺定位的普通輔助操作時間可以多達60秒，所以當劃刻在一個襯底上完成的同時，可以在另一襯底上完成更多的視覺和聚焦點。這樣改善了襯底視覺定位和高度估算的精確度。

在根據本發明較佳實施例所述的鐳射劃片元件10中，和前述的現有技術相比，鐳射能量的控制更為簡單以及鐳射劃片或切割的品質得以改善。由於僅僅一個單獨的雷射光束被導向各個卡盤平臺16、18上的每個襯底，所以不需要迎合兩個雷射光束之間的變化，這兩個雷射光束是從一個雷射光束分離的。

圖3A至圖3E是鐳射劃片元件10的工作臺的俯視示意圖，其表明了用於在工作臺上切割襯底的第一作業順序，以減小所需的定位距離(indexing distance)。圖3A表明了在將鐳射光斑(laser spot)44聚焦在所期望的待切割的間隔線46之後和通過高度測量光學器件24估算出襯底高度之後，在安裝於卡盤平臺16、18的襯底36、40的間隔線上沿著Y方向開始劃刻。卡盤平臺16、18首先被定位到右側，如圖3B所示，以使得劃刻能夠沿著順著襯底36、40隔斷開的連續間隔線繼續。

在圖3C中，當襯底36、40的大約一半已經被處理時，卡盤平臺16、18將襯底36、40旋轉180度。卡盤平臺16、18繼續定位到左側，如圖3D所示，以便於襯底36、40剩餘的另一半可以得到劃刻。因此，雖然襯底36、40僅僅被定位通過大約為襯底寬度的一半的距離48，但是襯底36、40的劃刻能夠跨越襯底的整個寬度完成，如圖3E所示。由於沒有必要將襯底定位跨越和襯底的整個寬度相等的距離，所以鐳射劃片元件10的寬度能夠得以減少。

圖4A至圖4C所示為鐳射劃片元件10的兩個工作臺的俯視示意圖，其表明了在兩個工作臺的移動範圍之內所包含的重疊局部。圖4A表明位於各自最右側位置50、52處的第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18。圖4C表明位於各自最左側位置54、56處的第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18。第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18存在重疊間距58。圖4B表明位於極端左側和右側位置之間的第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18的過渡位置60。第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18之間的移動距離重疊以致於定位期間第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18所移動的整個距離小於第一卡盤平臺16和第二卡盤平臺18的合併寬度。鐳射劃片元件10的寬度因此得以減少。這種方法有助於消除由於將兩個工作臺內置在鐳射劃片元件10中所導致的空間需要。

圖5A和圖5B所示為和圖4A至圖4C所述相同配置中佈置的兩個工作臺的俯視示意圖，其表明用於同時處理兩個襯底的第二作業順序。在圖5A中，劃刻正好在第一卡盤平臺16處開始。由於第二卡盤平臺18的移動範圍被第一卡盤平臺16所限制，所以第二卡盤平臺18不能在這個位置完成視覺任務。在第一卡盤平臺16上第一襯底36的大約一半已經處理之後，第二卡盤平臺18能夠自由地移動以完成視覺任務，如圖5B所示。所以，這種方法確保兩個工作臺能夠容納在有限的工作空間中。

值得欣賞的是，使用不止一個卡盤平臺使得當裝配在一個卡盤平臺上的一個襯底正被切割的同時，裝配在另一個卡盤平臺上的另一個襯底的視覺定位和高度評估成為可能，以致於和僅僅使用一個卡盤平臺相比較整體產能得到了提高。當全部輔助操作時間短於全部劃刻時間的時候，鐳射頭能夠在整個連續的襯底處理期間得到利用。因此，視覺定位和高度測量操作的數量可以得以增加以便於獲得更好的切割精度。相應地，增加了的輔助操作時間不會貢獻給可能降低生產率的鐳射頭的非操作時間。當在另一個襯底上繼續劃刻的同時，後劃刻檢查也可以在已經劃刻完的襯底上執行。由於鐳射頭能夠完全一直從事於劃刻或切割，所以鐳射頭的空閒時間可以被減少。

而且，本發明較佳實施例和上述現有技術相比是有益的，因為如果存在兩個襯底必須一次取代一個地被裝載和測量，現有技術中輔助操作時間更長。這種更長的輔助操作時間提高了鐳射頭的非生產時間。而且，由於平臺上的鐳射反射鏡和透鏡的佈置是相同的，所以單個光束的能量水準和品質的控制比來自同一個鐳射光源的雙光束的控制更為簡單。另外，使用如上所述的雙卡盤平臺的第一作業順序和第二作業順序，鐳射劃片元件10在允許雙卡盤平臺被用作為同步操作的同時，所需的占地面積得以減少。

此處描述的本發明在所具體描述的內容基礎上很容易產生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發明的上述描述的精神和範圍內。

10．．．鐳射劃片元件

12．．．雷射光束換向器(diverter)

14．．．鐳射頭

16、18．．．卡盤平臺

20．．．雷射光束傳送系統

22、．．．共軸光學器件

24．．．高度測量光學器件

26．．．底部光學器件

28．．．頂部光學器件

30．．．雷射光束聚焦光學器件

32．．．第一雷射光束路徑

34．．．第一反射鏡

36、40．．．襯底

38．．．第二雷射光束路徑

42．．．第二反射鏡

44．．．鐳射光斑(laser spot)

46．．．間隔線

50、52．．．最右側位置

58．．．重疊間距

60．．．過渡位置

根據本發明所述的系統和方法的較佳實施例的示例現將參考附圖加以詳細描述，其中：

圖1所示為根據本發明較佳實施例所述的包含有兩個工作臺的鐳射劃片元件的立體示意圖，其中表明了雷射光束正在一個工作臺上劃刻晶圓。

圖2是鐳射劃片元件的立體示意圖，其中表明了雷射光束在另外一個工作臺上劃刻晶圓。

圖3A至圖3E是鐳射劃片元件的工作臺的俯視示意圖，其表明了用於在工作臺上切割襯底的第一作業順序，以減小所需的定位距離(indexing distance)。

圖4A至圖4C所示為鐳射劃片元件的兩個工作臺的俯視示意圖，其表明了在工作臺的移動範圍之內所包含的重疊局部。

圖5A和圖5B所示為和圖4A至圖4C所述相同配置中佈置的兩個工作臺的俯視示意圖，其表明用於同時處理兩個襯底的第二作業順序。

10．．．鐳射劃片元件

12．．．雷射光束換向器(diverter)

14．．．鐳射頭

16、18．．．卡盤平臺

20．．．雷射光束傳送系統

22．．．共軸光學器件

24．．．高度測量光學器件

26．．．底部光學器件

28．．．頂部光學器件

30．．．雷射光束聚焦光學器件

32．．．第一雷射光束路徑

34．．．第一反射鏡

36、40．．．襯底

42．．．第二反射鏡

Claims (20)

1. 一種用於切割襯底的鐳射處理裝置，該裝置包含有：鐳射頭，其用於產生雷射光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安裝有襯底；以及換向器，其沿著雷射光束的路徑設置，該換向器和鐳射頭可在第一位置和第二位置之間相對於彼此移動，其中，在第一位置處換向器被操作來將雷射光束換向以切割安裝在第一工作固定器上的第一襯底，在第二位置處換向器被操作來將雷射光束換向以切割安裝在第二工作固定器上的第二襯底，其中，該換向器包括複數個反射面，每個反射面被操作來將雷射光束反射朝向各自的工作固定器。
2. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，該裝置還包含有：雷射光束聚焦光學器件，其設置在工作固定器上方以用於聚焦雷射光束。
3. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，該裝置還包含有：高度測量光學器件，其用於測量襯底的高度。
4. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，該裝置還包含有：頂部光學器件，其位於各個工作固定器的上方；底部光學器件，其位於各個工作固定器的下方；該頂部光學器件和底部光學器件被操作來捕獲襯底的圖像，以用於定位的目的。
5. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，其中，該換向器包含有：一對反射板和/或反射鏡，每個反射板和/或反射鏡被操作來將雷射光束反射朝向各自的工作固定器。
6. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，其中，該換向器的該些反射面包含反射鏡或是棱鏡的表面。
7. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，該裝置還包含有：馬達，其和換向器相耦接，該馬達被操作來將換向器相對於鐳射頭移 動至第一位置和第二位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，該裝置還包含有：第一反射面，其用於將雷射光束直接反射在第一襯底上；第二反射面，其用於將雷射光束直接反射在第二襯底上。
9. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，其中，該第一工作固定器和第二工作固定器被如此設置以便於每個工作臺用於切割每個襯底的定位距離被限制在襯底寬度的大約一半的範圍。
10. 如申請專利範圍第1項所述的鐳射處理裝置，其中，第一工作固定器所移動的行程和第二工作固定器所移動的行程重疊。
11. 一種用於切割安裝於第一工作臺和第二工作臺上的襯底的方法，該方法包含有以下步驟：在第一工作臺上安裝第一襯底，在第二工作臺上安裝第二襯底；使用鐳射頭產生雷射光束，並使用換向器將該雷射光束換向至第一襯底以切割該第一襯底；在第一襯底被切割的同時，使用光學系統檢查第二襯底以為切割做好準備；在第一襯底的切割已經完成之後，將換向器和鐳射傳送設備相對於彼此從第一位置移動至第二位置，以便於將雷射光束換向至第二襯底而切割第二襯底；其後將第一襯底從第一作業台處移離，其中，該換向器包括複數個反射面，每個反射面被操作來將雷射光束反射朝向各自的工作固定器。
12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，該方法還包含有以下的步驟：在第二襯底被切割的同時，將第三襯底安裝在第一工作固定器上，並使用光學系統檢查第三襯底以為切割做好準備。
13. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該使用光學系統檢查第二襯底的步驟還包含有以下的步驟：捕獲第二襯底的圖像，以進行定位和測量第二襯底的高度。
14. 如申請專利範圍第11項所述的方法，該方法還包含有以下的步驟： 在第一襯底的切割已經完成之後和將第一襯底從作業台處移離以前，進行第一襯底的後切割檢查。
15. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，切割第一襯底的步驟還包含有以下的步驟：切割第一襯底寬度的第一半；將第一襯底旋轉180度；其後切割第一襯底寬度的另一半。
16. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，在檢查第二襯底的同時切割第一襯底的步驟還包含有以下的步驟：在開始檢查第二襯底以前，在將第一工作固定器在背離第二工作固定器的方向上定位直到第二工作固定器的移動範圍不受第一工作固定器限制的同時，切割第一襯底寬度的第一半。
17. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該換向器的該些反射面包含有棱鏡的表面或反射鏡。
18. 如申請專利範圍第11項所述的方法，該方法還包含有：該換向器耦接有馬達，該馬達被操作來將換向器相對於鐳射頭移動至第一位置和第二位置。
19. 一種用於切割襯底的鐳射處理裝置，該裝置包含有：鐳射頭，其用於產生雷射光束；第一工作固定器和第二工作固定器，其上安裝有襯底；以及換向器，其沿著雷射光束的路徑設置，該換向器被操作來有選擇地引導雷射光束朝向安裝在第一工作固定器的第一襯底以切割第一襯底，或者朝向安裝在第二工作固定器的第二襯底以切割第二襯底。
20. 一種用於切割安裝於第一工作臺和第二工作臺上的襯底的方法，該方法包含有以下步驟：在第一工作臺上安裝第一襯底，在第二工作臺上安裝第二襯底；使用鐳射頭產生雷射光束，並使用換向器將該雷射光束換向至第一襯底以切割該第一襯底；在第一襯底被切割的同時，使用光學系統檢查第二襯底以為切割做好 準備；在第一襯底的切割已經完成之後，操作換向器以將雷射光束換向至第二襯底而切割第二襯底；其後將第一襯底從第一作業台處移離。