TWI469841B - 使用經傾斜的雷射掃描來加工工作件的方法和設備 - Google Patents

Description

使用經傾斜的雷射掃描來加工工作件的方法和設備

本發明係關於雷射加工方法及設備，且更特定言之，係關於可藉由不在垂直方向而在傾斜角方向上將雷射束輻射至工作件而有效地刻劃或切割工作件之雷射加工方法及設備。更特定言之，本發明係關於雷射加工方法及設備，其可使用高功率之雷射束來有效地刻劃或切割工作件或藉由以使得雷射束使用諸如掃描器或多邊鏡之光學系統在空間及時間上恰當分配之方式掃描雷射束而修改工作件之內部來切割工作件，藉此最小化由雷射束造成的工作件之熱變形。

雷射束加工由於其易於將光能聚焦至非常小的面積而可增強能量密度，提供良好直線傳播且使非接觸加工成為可能，且因此，為對硬工作件或脆性材料之切割處理或刻劃處理非常有效的方法，此外，近來，雷射已廣泛用於各種工業領域，此係由於其允許自由成形表面或複雜表面之加工，亦允許歸因於小加工範圍之微加工，且較其他加工方法引起由熱量造成的工作件之較小變形。用於雷射加工中之雷射根據雷射束之波形而分成脈衝雷射及連續雷射。脈衝雷射具有諸如奈秒、皮秒及飛秒單位之短雷射輻射週期，由於具有大於幾十千瓦之峰值功率而適合於加工各種材料，且較連續雷射引起較小的熱變形。近來，此雷射加工已廣泛用於刻劃或切割矽晶圓、化合物半導體晶圓、陶瓷半導體晶圓、藍寶石板、金屬板、玻璃板等等。

然而，此雷射加工亦具有若干問題，該等問題在於在雷射束輻射至之工作件之部分處產生粒子，且工作件之表面歸因於工作件之經修改部分之再凝固而變得粗糙且不均勻(如圖1中所示)，且在於粒子妨礙刻劃以致在雷射束經再輻射以使加工部分更深的狀況下阻止雷射束到達工作件之更深部分。為此，當不能保障足夠刻劃深度時，存在工作件在不同於刻劃方向之方向上開裂的問題，且因此，雷射加工方法之應用中存在限制。

此外，隨著雷射製造技術之開發，已開發高功率之皮秒雷射或飛秒雷射，但在此等雷射用於切割或刻劃之狀況下，不規則微裂縫歸因於由對處理表面之熱影響造成之非晶體化或歸因於由蒸發造成之體積膨脹而形成於板之表面上，且使得切割區之表面粗糙且使工作件之表面上所產生之元件之特性劣化。

為了最小化此等影響，近來，已知將相對弱脈衝之雷射束重複輻射至工作件之表面之方法，但其在解決歸因於再凝固之不均勻表面或微裂縫之問題中亦具有限制，且不提供使用高功率雷射之有效且快速的加工。此外，由於刻劃方法中之一者使用雷射，因此存在藉由將雷射束收集至工作件內部而修改工作件之內部組織之方法，但該方法亦具有若干問題，該等問題在於，在將該方法應用於厚工作件時存在限制，此係因為該方法藉由在垂直方向上將雷射輻射至工作件之表面而在工作件內部產生預先配置切割點的或線；且問題在於即使該方法適用於厚工作件，亦必須重複輻射雷射，因此加工速度慢。

因此，已進行本發明以解決出現在先前技術中之以上所提及之問題，且本發明之目標為提供雷射加工方法及設備，其儘管在使用高功率之雷射束的情況下亦可藉由以使得在固定區域中重複移動之方式使用掃描器或多邊鏡掃描雷射束且不相對於工作件之表面在垂直方向而在傾斜角方向上將雷射束輻射至工作件來減少熱變形、藉由保障用於排出在加工期間所產生之粒子之通道以最小化再凝固來增強加工品質，且允許深加工。

此外，本發明之另一目標為提供雷射加工方法及設備，其可藉由以快速率在工作件內部形成預先配置切割面而為厚工作件提供改良之切割品質，此係由於在傾斜角方向上掃描之雷射束經收集至工作件之內部以產生修改面。

為了完成以上目標，根據本發明，提供兩種雷射加工方法：第一雷射加工方法包括以下步驟：(A)掃描雷射束；及(B)將經掃描雷射束輻射至工作件，同時移動工作件，其中在步驟(B)中，雷射束係在自垂直於工作件表面之方向具有預定傾斜角之傾斜角方向上輻射至工作件，以使得在工作件之深度方向上掃描之雷射束藉由穿透工作件來修改工作件之深度方向之相應面；且第二雷射加工方法包括以下步驟：(A)掃描雷射束；及(B)將經掃描雷射束輻射至工作件，同時移動工作件，其中在步驟(B)中，雷射束係以使得在平行於工作件表面之方向上掃描之雷射束藉由穿透工作件來修改平行於工作件表面之方向之相應面之方式而在自垂直於工作件表面之方向具有預定傾斜角之傾斜角方向上輻射至工作件。

在第一雷射加工方法中，自工作件表面至相對側之工作件或自工作件表面至工作件表面與相對側之間的任一點之工作件經移除或修改以待刻劃或切割。或者，在深度方向上與工作件表面隔開預定距離且垂直於工作件表面之第一面經修改以待稍後切割。此外，再次執行步驟(A)及(B)，以便修改在深度方向上與第一面隔開預定距離之工作件之至少另一個平行面。

在第二雷射加工方法中，自工作件表面至預定深度之工作件在平行於工作件表面之方向上經移除且刻劃，或在深度方向上與工作件表面隔開預定距離且平行於工作件表面之第一面經修改。此外，再次執行步驟(A)及(B)，以便修改在深度方向上與第一面隔開預定距離之工作件之至少另一個平行面。

在本發明之另一態樣中，存在一種雷射加工設備，其包括：一雷射裝置，其用於產生雷射束；一第一光學系統，其用於掃描自雷射裝置所產生之雷射束且改變經掃描雷射束之路線；一第二光學系統，其用於收集自第一光學系統發送之雷射束；及一載物台，其用於固定工作件，其中經由第二光學系統掃描且自第二光學系統發送之雷射束輻射至工作件，同時載物台經輸送而以使得雷射束在自垂直於工作件表面之方向具有預定傾斜角之傾斜角方向上輻射之方式移動工作件，以使得在工作件之深度方向上掃描或在平行於工作件表面之方向上掃描之雷射束藉由穿透工作件而修改工作件之深度方向之相應面或平行於工作件表面之方向之相應面。

根據本發明之雷射加工方法及設備可增強切割及刻劃品質，此係因為在加工期間所產生之粒子可藉由在將於傾斜角方向上掃描之雷射束輻射至工作件時保障用於排出粒子之通道以防止再凝固而得以有效地移除。

此外，本發明可藉由形成預先配置切割面而容易地切割即使為厚的工作件，此係因為在傾斜角方向上掃描之雷射束收集至工作件內部以產生修改面。

本發明之以上及其他目標、特徵及優點將自結合附圖之本發明之較佳具體實例之以下詳細描述而顯而易見。

現將參看附圖詳細參考本發明之較佳具體實例，但本發明並不受該等具體實例限定或限制。

圖2為用於描述根據本發明之較佳具體實例之雷射加工設備100之視圖。

參看圖2，根據本發明之雷射加工設備100包括雷射裝置110、具有第一鏡120a、第二鏡120b及第三鏡120c之第一光學系統120、第二光學系統130及控制器140。雷射加工設備100進一步包括用於固定工作件10之載物台，且根據控制器140之控制信號輸送載物台以將工作件10移動至將加工工作件之位置。圖式中未展示，但雷射加工設備100可進一步包括用於增強加工品質或速度之額外裝置，諸如，用於吹出在加工期間所產生之粒子之鼓風機或用於收集粒子之抽吸裝置。

工作件10可為矽晶圓、化合物半導體晶圓、陶瓷半導體板、藍寶石板、金屬及玻璃板，及含有各種有機物質之所有種類之實心體。

雷射裝置110為可產生具有諸如奈秒、皮秒或飛秒單位之短輻射週期之連續波雷射束或脈衝射束，具有大於幾十千瓦之峰值功率。工作者可以使得雷射裝置110產生恰當功率及波長之雷射束之方式控制控制器140。

往復運行以掃描雷射束之驅動部分(例如，掃描器)可安裝在雷射加工設備100之任何部分處。舉例而言，圖2之第一鏡120a、第二鏡120b或第三鏡120c可為掃描器，或如下所描述(見圖3)，第一鏡120a、第二鏡120b或第三鏡120c可為由致動器120f或馬達驅動之多邊鏡120e。此處，掃描器所需的鏡及多邊鏡可用其他光學系統替代，諸如，光學透鏡或稜鏡，且若需要，以用於改變雷射束之路線之其他光學構件替代。

控制器140產生控制信號以輸送載物台以使得工作件10可移動至將加工工作件10之位置，且控制安裝於工作件10上方之支撐物上的光學系統載物台上之第一光學系統120或第二光學系統130以移動至將加工工作件10之位置。此外，控制器140可控制第一光學系統120之鏡之角度或控制第二光學系統130之角度或焦點。

如上所描述，第一鏡120a、第二鏡120b及第三鏡120c改變待發送至第二光學系統130之雷射束之路線。第二光學系統130收集入射雷射束且輻射至工作件10。

控制器140可控制掃描器以使得掃描器鏡在一循環上以預定角度往復運行，且控制致動器120f或馬達以使得具有複數個反射側之多邊鏡120e以規則速度旋轉。因此，控制器140可反射經由第一光學系統120入射之雷射束，以使得雷射束可在預定寬度範圍內經重複掃描及發送。第二光學系統130收集自多邊鏡120e入射之經掃描雷射束且將其輻射至工作件10。此處，多邊鏡120e可呈具有幾個或幾十或幾百個側面之多稜鏡之形式，或可為具有根據掃描寬度而變化之側面數目之鏡。但是，本發明不限於上述情況，且代替多邊鏡120e，可採用藉由致動器120f或馬達垂直移動之其他鏡射構件或其他光學系統。

如上所描述，在本發明中，當往復移動以藉由掃描器或多邊鏡120e掃描時，雷射束輻射至在載物台上移動之工作件10以使得工作件10經刻劃或切割。

舉例而言，如圖4(A)中所示，在自左至右切割工作件10之狀況下，如圖4(B)中所示，載物台經輸送以自左至右移動工作件10，且接著，經掃描雷射束經由第二光學系統130收集且輻射至工作件10。特定言之，第二光學系統130之角度由控制器140恰當地設定，以使得自第二光學系統130發送之雷射束在自垂直於工作件10之表面之方向的傾斜角方向上輻射至工作件10，以使得在工作件10之深度方向上掃描之自第二光學系統130發送之雷射束藉由穿透工作件10之表面以刻劃或切割工作件10來修改工作件10之深度方向之相應面，即自一側之表面至相對側或一側之表面與相對側之間的任一點。工作件10可在下一割裂製程中切割，此係因為在工作件10之深度方向上掃描且自第二光學系統130發送之雷射束藉由在深度方向上自一側之表面至相對側修改工作件10來刻劃工作件10。或者，當使用較高功率之雷射束或擴大修改之範圍時，可在無下一割裂製程的情況下藉由在深度方向上自一側之表面至相對側之表面進行修改來直接切割工作件10。如上所描述，在深度方向上自一側之表面至相對側之表面修改工作件10之狀況下，其適合於相對薄工作件之加工，例如，具有在幾百微米之範圍內的厚度，諸如，矽晶圓及化合物半導體晶圓。

如上所描述，當雷射束在傾斜角方向上輻射至工作件10以執行加工時，用於排出粒子之通道經保障以藉此防止再凝固，以使得工作件10可在無任何不均勻表面或微裂縫的情況下以良好加工品質加工。亦即，如圖4(B)中所示，當雷射束在工作件10之深度方向上自工作件10之最左側輻射時，邊緣部分之一層首先經修改及切割，且下一層藉由雷射束按次序修改及切割，且在此種情況下，先前形成之修改或切割部分之空間充當用於排出粒子之通道，以藉此減少粒子之再凝固。在此種情況下，在工作件10之加工期間，若以上所描述之鼓風機或抽吸裝置用於吹出或抽吸自工作件10所產生之粒子，則可更加防止再凝固。

作為加工之另一實施例，參看圖5，當雷射束在自將被切割之工作件表面之一部分之垂直方向上收集至工作件內部之一部分時，工作件之表面不被雷射束修改，此係因為雷射束不收集至表面，而收集雷射束之部分經修改，且經掃描之雷射束可形成平行於工作件表面之切割位置之預先配置切割面。與藉由習知加工方法所形成之切割線或點相比，藉由本發明所形成之預先配置切割面可增強加工品質，此係因為當在加工之後藉由割裂製程來切割工作件時，使得工作件能夠在所欲方向上良好地切割。特定言之，此加工方法對厚工作件更有效，且可根據工作件之厚度而應用最佳修改寬度，同時改變掃描區之長度，且在非常厚工作件的狀況下(如圖6中所示)，可形成相互平行之複數個預先配置切割面。

舉例而言，在控制器140恰當地設定第二光學系統130之焦點之後，自第二光學系統130發送之雷射束可修改在深度方向上與工作件10之表面隔開預定距離之側面。如圖7中所示，相互隔開預定距離且形成於工作件10內部之修改面之數目可根據工作件10之厚度而變化。舉例而言，相互隔開200微米之間隔之兩個修改面可形成於具有1000微米之厚度之工作件10內，且在此種情況下，修改面中之每一者具有200微米之高度。

亦即，如圖5中所示，自第二光學系統130發送之雷射束在自垂直於工作件10之表面之方向具有預定傾斜角之傾斜角方向上輻射至工作件10，且因此，在工作件10之深度方向上掃描且自第二光學系統130發送之雷射束藉由穿透工作件10而修改在深度方向上與工作件10之表面隔開之側面。在此種情況下，在使用脈衝雷射的狀況下，藉由一雷射脈衝之修改點之大小可藉由輻射至工作件內部之脈衝雷射之射束收集大小來判定。修改點在工作件10移動且脈衝雷射振動時在右上方向及右下方向上重複地形成，且根據雷射脈衝之掃描方法而在右上方向及右下方向上重複地形成，且在此種情況下，修改點之數目為至少兩個，且因此，具有大於一個修改點之高度的高度之修改面可形成於工作件10內部(見圖8)。如上所描述，本發明可以快速度在工作件10內部形成修改，且在割裂製程期間獲得無任何裂縫之良好加工品質，此係因為修改面藉由足夠雷射功率而形成。

根據本發明之加工方法可允許在平行於工作件10之表面之方向上的面加工以及在垂直於工作件10之表面之方向上的面加工，且在圖9及圖10中說明加工方法之一實施例。在平行於工作件10之表面之方向上設定雷射束掃描之方向之後，當雷射束經收集以聚焦至工作件10之表面或聚焦至在距工作件10表面之預定深度處之工作件10內部時，可形成平行於工作件10表面之具有預定寬度(雷射掃描寬度)之加工面或修改面。在諸如陶瓷半導體板、藍寶石板、金屬板及玻璃板之大於1000微米之厚工作件的狀況下，若此加工製程應用於工作件之整個表面，則其可代替用於半導體或LED製造方法中之背面研磨製程而用作用於控制工作件之厚度之製程。圖9及圖10說明加工製程，其可替代背面研磨製程，但本發明不限於上述情況，且根據情況，如圖9或圖10中所示，至少一修改面可形成於工作件10之表面上或在距工作件10表面之預定深度處之工作件10之內部以刻劃或切割工作件10。

如上所描述，在工作件10之深度方向上掃描且自第二光學系統130發送之雷射束可在深度方向上自工作件10之表面修改工作件10或在平行於工作件10之表面之方向上修改工作件10(見圖4、圖5、圖6、圖9及圖10)。或者，通孔可形成於工作件10之區域處(見圖11(A))，或渠溝可在工作件10之區域處形成至距工作件10之表面之預定深度(見圖11(B))。由於雷射之性質，通孔或渠溝之最小直徑或寬度可形成為幾微米至幾十微米。又，在此種情況下，雷射束在傾斜角方向上輻射至工作件10以保障用於排出粒子之通道以藉此防止再凝固，以使得工作件10可在無任何不均勻表面或微裂縫的情況下以良好加工品質加工。

雖然已參考特定說明性具體實例描述本發明，但本發明不由具體實例而僅由隨附申請專利範圍限定。應瞭解，熟習此項技術者可在不脫離本發明之範疇及精神的情況下改變或修改具體實例。

10．．．工作件

100．．．雷射加工設備

110．．．雷射裝置

120．．．第一光學系統

120a．．．第一鏡

120b．．．第二鏡

120c．．．第三鏡

120e．．．多邊鏡

120f．．．致動器

130．．．第二光學系統

140．．．控制器

圖1為展示根據先前技術之雷射束在垂直方向上入射至工作件表面之加工結果之像片；

圖2為展示根據本發明之較佳具體實例之雷射加工設備之視圖；

圖3為用於解釋根據本發明之多邊鏡之用法之視圖；

圖4為用於解釋根據本發明之自工作件表面應用於深度方向之雷射加工方法之視圖；

圖5為用於展示經由工作件在深度方向上之內部修改而形成預先配置切割面之視圖；

圖6為用於展示經由工作件在深度方向上之內部修改而形成多層切割面之視圖；

圖7為用於解釋當形成多層切割面時之刻劃結果之視圖；

圖8為用於解釋根據本發明之形成於工作件內部之修改面之大小的視圖；

圖9為用於解釋在平行於工作件表面之方向上之雷射加工方法之視圖；

圖10為用於解釋在平行於工作件表面之方向上經由工作件之內部修改而形成預先配置切割面之視圖；及

圖11為用於展示根據本發明之雷射加工方法之實施例之視圖。

10．．．工作件

100．．．雷射加工設備

110．．．雷射裝置

120a．．．第一鏡

120b．．．第二鏡

120c．．．第三鏡

130．．．第二光學系統

140．．．控制器

Claims (18)

1. 一種雷射加工方法，其包含以下步驟：(A)掃描雷射束；(B)藉由在一循環上以預定角度往復運行的掃描構件或鏡射構件來控制該等雷射束；及(C)將經控制的該等雷射束輻射至一工作件，同時移動該工作件，其中在該步驟(C)中，該等雷射束係藉由一光學系統在自垂直於該工作件之表面之一方向具有一預定傾斜角之一傾斜角方向上輻射至該工作件，以使得在該工作件之一深度方向上掃描之在一循環上往復運行的該等雷射束以及因而藉由穿透該工作件而修改該工作件之該深度方向之相應面以形成平行於該工作件的該表面的切割位置的切割面。
2. 如申請專利範圍第1項之雷射加工方法，其中自該工作件之該表面至相對側之該工作件經移除及切割。
3. 如申請專利範圍第1項之雷射加工方法，其中自該工作件之該表面至該工作件之該表面與該相對側之間的任一點之該工作件經移除及刻劃。
4. 如申請專利範圍第1項之雷射加工方法，其中在該深度方向上與該工作件之該表面隔開一預定距離之一第一面經修改及刻劃。
5. 如申請專利範圍第4項之雷射加工方法，其中該等步驟(A)至(C)經再次執行，以便修改在該深度方向上與 該第一面隔開一預定距離之該工作件之至少另一個面。
6. 如申請專利範圍第1項之雷射加工方法，其中經掃描的該等雷射束係經由該光學系統收集並輻射至該工作件。
7. 如申請專利範圍第6項之雷射加工方法，其中該掃描構件或該鏡射構件為一多邊鏡。
8. 一種雷射加工設備，其包含：一雷射裝置，其用於產生雷射束；掃描構件，其用於掃描自該雷射裝置所產生之該等雷射束；一第一光學系統，其在一循環上以預定角度往復運行而用於改變該等經掃描雷射束之一路線；一第二光學系統，其用於收集自該第一光學系統發送之該等雷射束；及一載物台，其用於固定一工作件，其中經由該第二光學系統掃描且自該第二光學系統發送之該等雷射束輻射至該工作件，同時該載物台經輸送以便以使得該等雷射束在自垂直於該工作件之表面之一方向具有一預定傾斜角之一傾斜角方向上輻射之一方式移動該工作件，以使得於一循環上以預定角度往復運行的該等雷射束在該工作件之一深度方向上掃描，並且因而藉由穿透該工作件而修改該工作件之該深度方向之相應面以形成平行於該工作件的該表面的切割位置的切割面。
9. 如申請專利範圍第8項之雷射加工設備，其中自該工 作件之該表面至相對側之該工作件經移除及切割。
10. 如申請專利範圍第8項之雷射加工設備，其中自該工作件之該表面至該工作件之該表面與該相對側之間的任一點之該工作件經移除及刻劃。
11. 如申請專利範圍第8項之雷射加工設備，其中在該深度方向上與該工作件之該表面隔開一預定距離之一面經修改及刻劃。
12. 如申請專利範圍第11項之雷射加工設備，其中自該工作件之該表面位於一不同深度之該工作件之至少另一個面處於在該深度方向上與該工作件之該表面隔開一預定距離之該修改面近旁。
13. 一種雷射加工設備，其包含：一雷射裝置，其用於產生雷射束；一第一光學系統，其在一循環上以預定角度往復運行而用於改變該等經掃描雷射束之一路線；鏡射構件，其用於掃描自該第一光學系統發送之該等雷射束；一第二光學系統，其用於收集自該第一光學系統發送之該等雷射束；及一載物台，其用於固定一工作件，其中經由該第二光學系統掃描且自該第二光學系統發送之該等雷射束輻射至該工作件，同時該載物台經輸送以便以使得該等雷射束在自垂直於該工作件之表面之一方向具有一預定傾斜角之一傾斜角方向上輻射之一方式移動該 工作件，以使得於一循環上以預定角度往復運行的該等雷射束在該工作件之一深度方向上掃描，並且因而藉由穿透該工作件而修改該工作件之該深度方向之相應面以形成平行於該工作件的該表面的切割位置的切割面。
14. 如申請專利範圍第13項之雷射加工設備，其中自該工作件之該表面至相對側之該工作件經移除及切割。
15. 如申請專利範圍第13項之雷射加工設備，其中自該工作件之該表面至該工作件之該表面與該相對側之間的任一點之該工作件經移除及刻劃。
16. 如申請專利範圍第13項之雷射加工設備，其中在該深度方向上與該工作件之該表面隔開一預定距離之一面經修改及刻劃。
17. 如申請專利範圍第16項之雷射加工設備，其中自該工作件之該表面位於一不同深度之該工作件之至少另一個面處於在該深度方向上與該工作件之該表面隔開一預定距離之該修改面近旁。
18. 如申請專利範圍第13項之雷射加工設備，其中該鏡射構件為用於經由複數個旋轉反射面來掃描雷射束之一多邊鏡。