TWI652129B - 多區段聚焦透鏡元件以及供切割或裁切晶圓之雷射加工系統之操作方法 - Google Patents

多區段聚焦透鏡元件以及供切割或裁切晶圓之雷射加工系統之操作方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種透鏡元件設計，以及用於切割/刻劃/劈裂/裁切之有效且快速之雷射加工方法，即分離厚脆材質之硬質晶圓或玻璃板，其可單為板材或其上具有微電子或微機電裝置。該方法包含調變脈衝雷射光束之步驟，該步驟包含使用具多區段透鏡之整型及聚焦元件；該多區段透鏡產生複數個光束收斂區，更具體地說，即為具有特定長度的強度分布，且高該工件材質之光學破壞閾值；呈干涉的強度分布位於該工件內部。在前述步驟將產生一改變區。該雷射加工方法進一步包含藉由相對於該雷射光束焦點相對平移該工件，在一預定之破裂線或以曲型軌跡產生多個該破壞結構。

Description

多區段聚焦透鏡元件以及供切割或裁切晶圓之雷射加工 系統之操作方法
本發明多區段透鏡之設計以及方法係與使用雷射進行材料加工有關，特別與一種以特殊整型後之雷射光束劈裂或裁切硬脆材料、各式玻璃或陶瓷之方法有關；本發明係有效用以分離成型於基板上之半導體裝置。
隨著半導體裝置之微型及複雜化，晶圓裁切在此類裝置的製造過程中越顯重要。當矽晶圓厚度超過100μm時，傳統係以鑽石鋸片進行矽晶圓之裁切，而厚度低於100μm的矽晶圓則使用雷射剝蝕方法(Laser ablation)。
但鑽石鋸片技術具有加工速度緩慢(針對堅硬材料)的限制，鑽石鋸片亦普遍產生低落的邊緣裁切品質，例如較寬及破碎裁痕，而降低裝置的產出及壽命。此技術不但因鑽石片快速的損耗而較為昂貴，且因晶圓尚需進行降溫及清理而顯得不實用，此外，此技術應用於較薄之基板時也有其限制。
雷射剝蝕法，另一項傳統加工技術，亦有加工速度緩慢且裁痕寬度高達10-20μm之缺點，因而不適於絕大部份的應用情況。不但 如此，雷射剝蝕法將造成破裂並留下熔融的碎屑汙染裁切區域，而此較寬之熱影響區將會降低半導體裝置之壽命及效能。
雷射剝蝕法和鑽石鋸片技術兩者皆無法應用於具有其他表面特性的特製晶圓，例如具備供堆疊黏接的附染劑薄膜者，這些額外條件使得傳統鑽石鋸片及雷射剝蝕加工方法更不適用，及更容易產生碎屑。為提升被分離裝置的品質，目前尚有其他以雷射加工為基礎的方法及裝置被開發。
於2006年1月31日公開之美國專利US6992026，提出一種雷射加工方法及裝置，此方法和裝置在切割工件時不會產生熔融痕跡，也不會在工件表面產生從切割線垂直延伸出去的裂痕。在足以產生多光子吸收的情況下，沿著預定之切割線以脈衝雷射光束照射該工件表面，該些光束對齊後在該工件本體上產生一焦點(或聚合點，一個高能量/光子密度區)，隨後沿著預定之切割線在劈裂面移動焦點，藉此形成改質區(modified area)。這些改質區產生後，此工件便可透過較小的力進行機械分離。
上述加工方法及其延伸技術現稱被為「隱形切割」，其所有衍生技術皆以利用聚焦後的雷射脈衝光束產生內部通孔為基礎。這些通孔係藉由將一波長的脈衝雷射光束聚焦到一個透明晶圓，此晶圓雖然為透明，但在該焦點藉由非線性過程即可吸收該能量，例如裝飾用玻璃塊的內部蝕刻。該內部通孔雖然保留了頂部和底部表面為原來的狀態，但晶圓通常放置於會被機械拉伸的晶圓膠帶造成通孔破裂。相對而言，本發明將不會如先前技術發生殘餘物、表層破裂、或熱破壞的情況，另外，本發明也可用於分離特製及多層的晶圓以及微機電系統裝置。
通常在進行隱形切割時，必須使用會產生低聚焦深度(DOF)和緊密聚焦的高數值孔徑透鏡，這使得隱形切割的缺點更加顯著，以此方法進行劈裂的晶圓，在劈裂表面會延伸出不定方向的多條裂痕，而影響其上裝置的壽命。同時，隱形切割亦不利於藍寶石之加工，在加工厚度小於120-140μm的晶圓和基板時，因只需通過待裁切的每條分離線一次所以此技術的缺點尚不明顯；但在加工較厚晶圓(通常4吋、6吋藍寶石晶圓之厚度為140μm-250μm或以上)時，每條分離線需要通過好幾次，這使得材料曝露於雷射輻射的時間延長，而對最終產出裝置之效能帶來負面影響。另外，每條分離線需多次通過的加工流程也減緩了整體加工速度及產出。
於2013年5月23日公開之美國專利US2013126573，則提出另一種材料加工方法，此方法係用於劈裂步驟的前置流程，針對透明基板的內部加工。藉由選定脈衝的脈衝能量及脈衝持續時間，將此聚焦後雷射光束照射至該基板，而在基板內部產生細絲；相對於該雷射光束平移此受照射之基板，在額外的地方產生額外的細絲；產生的細絲將形成一個陣列，此陣列將界定出用來劈裂基板的內部刻劃路徑。調整雷射光束參數，可改變細絲的長度及位置，或者可選擇性地採用能產生雷射劈裂邊緣斜角的V形溝槽。在較佳情況下，該雷射脈衝係以脈衝群列的方式進行傳送，藉以降低細絲形成的能量閾值、增加細絲長度、將細絲形成區退火讓附加破壞降到最低。因此，相對於使用低脈衝重複率的雷射，此方法可提升加工的再現性及加工速度。
但使用此方法將產生不平整的加工結果，因而只適用於裸材，並且因為需要使用較高的脈衝能量而使得裁切不方便。較高的脈衝能量亦會對最終的半導體裝置效能有不佳影響，尤其是使用漏電流增加 的LED來裁切晶圓，例如使用高亮度(HB)和超高亮度(UHB)LED的情況，將嚴重降低半導體裝置的效能。
於2009年2月5日公開之美國專利US2009032511，則提出一種可利用雷射進行材料加工的雷射光束操控方法，更具體地說，係為一種改良光束整型及光束均勻化的方法。該發明整體上與一光學系統有關，此系統能夠穩定地向基板表面整個退火區傳送一個一致的能量；此光學系統係用於向基板表面的目標區域傳送或投射一個一致的能量，此能量具有所需的二維形狀，一般而言，該退火區可為正方形或長方形。整體而言，本發明光學系統及方法係藉由傳送足以讓一個或一個以上的區域產生重熔和固化的能量，優先地將該些退火區中的一個或一個以上區域進行退火。
於2005年8月11日公開之另一項德國專利DE102004001949，提出一種雷射加工系統，該系統使用多區段透鏡將該輸出雷射聚焦為一平行軸，此系統亦可用於以雷射進行材料加工。利用將五個透鏡區段以等間隔環繞於一圓型透鏡表面，其焦點並指向一纖維導管；將一雷射導向該透鏡；如此在對應於該工件表面之一輸出點，該雷射可達到最佳的聚焦。
於2013年10月3日公開之美國專利US2013256286，則提出一種利用散光之細長型光束斑和超短脈衝的雷射加工方法，利用具有超短雷射脈衝以及/或較長波長的雷射光束，所形成的一個可調式細長型光束斑，對由不同材質製成之基板進行加工。該雷射光束可由脈衝持續期間小於1ns以及/或波長大於400nm的脈衝所產生。當該雷射光束經調變後，可產生一個在第一光軸瞄準而在第二光軸收斂的散光光束；藉由在基板上的第一光軸聚焦和在第二光軸進行離焦，該散光光束在基板上聚 焦形成一細長型光束斑；該細長型光束斑之長度係可調整至足以提供一單一超短脈衝的能量強度，藉以在該基板材料的至少一部份產生冷燒蝕。
於2012年9月20日公開之美國專利US2012234807，則提出一種能夠延伸進入該工件深度的雷射刻劃方法。該方法之基礎為聚焦該雷射光束藉以誘發一刻意形成的像差，藉由限制橫向球面像差的範圍，將縱向球面像差的範圍調整至足以延伸該焦點進入工件的深度。此方法同樣會因為高能量脈衝在工件內部產生垂直的破壞軌跡，而造成不平整的加工結果；因為此方法必須使用低數值孔徑的透鏡(焦距為幾十毫米)，因而必須使用高脈衝能量，但使用此種透鏡會產生鬆散的聚焦情況，即光班具有非常平滑的空間強度廓線，因此在峰值相對較低的大片區域，會造成超過破壞閾值通量的運作情況。若因脈衝強度(為光學熔損所需)的需求增強而隨之提高脈衝能量，也將使得高亮度(HB)和超高亮度(UHB)LED在LED漏電流處的加工不甚美觀，同時，晶片邊緣不平整裂痕的情況和前述方法也一樣嚴重。
於2016年4月21日公開之國際專利W02016059449，則提出一種透過形成一尖峰形破壞結構進行劈裂或裁切基板的雷射加工方法，該發明所提供的雷射加工手段及方法係可快速分離成型於單一基板上之半導體裝置，或分離高厚度硬脆材質之基板。用來進行劈裂或破裂的裝置或基板，在前置作業時沿著所定劈裂線上會產生深且窄的破壞區，而得到一破壞區域。該雷射加工方法包含使用一聚焦元件調變一脈衝雷射光束之步驟，藉以產生一尖峰形光束收斂區，更具體地說，係產生一個高於該工件材質之光學破壞閾值的通量(能量分布)，而在此步驟中將形成一個改質區(具尖峰形狀)。該雷射加工方法，進一步包含以相 對於該雷射光束聚合點相對平移該工件，藉以在一預定之破裂線上產生多個該破壞結構。
當將先前技術應用於晶圓的分離時，其因基板厚度、材質類型、加工品質而顯有不足。同時，為了加工較厚材質，上述方法尚必須提高雷射強度、雷射光線通過每條分離線的次數、以及改良光束或焦點的形狀，結果同時影響了半導體裝置的效能和產出。
本發明提供一種透鏡元件設計以及利用多區段聚焦透鏡切割或裁切晶圓之雷射加工方法，係用以分離成型於單層基板上之半導體或微機電裝置，或用以分離高厚度硬質基板、玻璃板或陶瓷板。用來進行劈裂或破裂(裁切)的晶圓或基板，其前置作業必須使用雷射加工方法，其特徵在於所得到沿所定之劈裂線將具有深且窄之複數個破壞區。本發明雷射加工方法每條切割線不需以雷射光束多次通過，因此能夠提高效能。"工件"一詞於本發明包含基板、晶圓、晶圓片、玻璃片、半導體裝置或預備用於加工並隨後進行機械分離(或交替進行)之相似物。
該雷射加工方法包含使用一聚焦元件(1)調變一脈衝雷射光束之步驟。該聚焦元件之其中一光學表面包含複數個區段，該些區段具有不同之曲率半徑。該光束發散且其直徑經過調整，並聚焦至一工件本體，藉此在該光束收斂區形成干涉強度分布，更具體來說，在該多區段透鏡之光軸上，該干涉強度分布是高於該工件材質之光學破壞閾值通量(能量分布)。
該材質應可局部或完全被該雷射輻射之波長穿透，較佳為具有高於該雷射光子能量之能隙(band gap energy)。對於該工件之照 射，該些焦點之陣列在該工件之厚度內。該能量分布形成一干涉，該干涉為該雷射輻射高強度區之延長。通量之設定係為發生多光子吸收藉以引起局部熔化或庫侖爆炸，該吸收需發生於延長自該雷射輻射高強度區之所有干涉中。沿著所定之該裁切軌跡，在該材料本體將產生一連續經過改變的區域(透過一長條形干涉場)，該區域即為破壞結構。
該雷射加工方法進一步包含以相對於該雷射光束焦點相對平移該工件(2)，藉以在一預定之破裂線上產生多個該破壞結構。形成該破裂線後，該物體利用該機械力可被分離或裁切為2個以上較小部份，各部份具有由一連串破壞區分界之分離邊界。
1‧‧‧多區段透鏡
2‧‧‧工件
3-7‧‧‧各區段
8-12‧‧‧各聚焦平面
13‧‧‧脈衝雷射光束
14‧‧‧脈衝雷射光源
15‧‧‧光束整型單元
16‧‧‧平移平台
17‧‧‧平移平台總成
18‧‧‧表層裂紋
19‧‧‧第一表面
20‧‧‧凹坑
22‧‧‧第一分束器
23‧‧‧分散控制單元
24‧‧‧多焦點
25‧‧‧干涉強度分布
26‧‧‧數值計算後之強度分布
27‧‧‧第一雷射光束路徑之破壞區
28‧‧‧第二雷射光束路徑之破壞區
圖1為本發明雷射光束透過多區段透鏡(1)傳播之示意圖，各線段代表該光束不同部份之邊界，其中各部份藉由透鏡表面之各區段(3~7)成型，產生不同且對準光軸之干涉分布點，每一區段(3~7)為環狀且同軸，且各自具備不同非球面公式以便描述其半徑之變化，包括側視圖及前視圖；圖2為本發明光線追跡示意圖，利用多區段透鏡將具有高斯強度分布之入射雷射光束進行聚焦，而在工件內部形成此光線追跡，光束之各區段在材料內部聚焦於同一光軸，產生一連續破壞結構形成一劈裂/破裂面；圖3為本發明雷射加工方法及其光學系統示意圖；圖4為本發明之一實施例，該光徑使用分束器及光束整型器分別分離出兩光臂，隨後兩光徑再度重合並導向聚焦元件； 圖5為本發明具有多焦點(24)位置之光線追跡幾何圖，其係由通過透鏡(1)之入射雷射光線經數值計算所形成；圖6為本發明沿光透射方向具有特定長度之干涉強度分布(25)之強度分布圖，其係由通過透鏡(1)之入射雷射光束經數值計算所形成；圖7為本發明光強度分布圖，其係沿該特定長度經數值計算所形成；圖8為該工件表面(2)上表層裂紋(18)之電顯圖，其係以高數值孔徑非球面同心環透鏡(1)，聚焦兩具有不同發散之雷射光束之加工後結果；圖9顯示在工件斷裂邊緣由雷射誘發之破壞區，該工件為厚度大約190μm之鈮酸鋰晶圓；該第一雷射光束路徑為破壞區(27)前60μm寬的範圍，該第二雷射光束路徑為破壞區(28)接續100μm寬的範圍；將具有不同發散之兩該雷射光束，聚焦至該多焦點高數值孔徑區段之非球面透鏡(1)，該斷裂邊緣裂紋係為以此方法對該工件進行加工後之結果。
本發明提供一種透鏡元件設計、雷射加工之方法，以及利用多區段聚焦透鏡切割或裁切晶圓之系統，係用以分離成型於單層基板上之半導體或微機電裝置，或用以分離硬質基板。用來進行劈裂或破裂的樣品，在前置作業時將產生一破壞之區域，其特徵在於所得到沿所定之劈裂線將具有深且窄之複數個破壞區。
在一實施例，該加工方法包含以下步驟：供以一脈衝雷射光束(13)；以一聚焦元件(1)聚焦該雷射光束(13)；以該聚焦後之該脈衝雷射光束(13)照射一工件(2)；形成一連續破壞區(18)以產生一劈裂面； 該工件(2)之材質係可供該雷射輻射穿透，且一能隙(band gap energy)高於該雷射光束(13)之一光子能量；該光束聚焦元件之聚焦該雷射光束(13)包含使用一多區段透鏡(1)，其中該透鏡(1)之至少一表面具有不同曲率半徑之複數個區段，各該表面區段具有不同之一焦距；該些區段之該些不同焦距，係用以在一光軸上產生干涉強度分布，更具體來說，當一特別預先經過整型之雷射光束(13)通過該透鏡(1)時，通過不同曲率區域的該入射光線會產生干涉強度分布(25)。該些區域(3至7)尺寸之選擇，係以高斯形狀之該光束(13)在該些焦點間(24)之能量能夠平均分布。該透鏡(1)之設計係具有高數值孔徑，藉以產生緊密的干涉強度分布；該些焦點(24)彼此之短距離及能量分布，將決定沿光透射方向一干涉強度分布(26)的形成。此分布亦可視為具有特定長度之一高強度干涉分布(25)。
前述之強度分布(25)是藉由該徑向地圍繞光軸分布之複數個區段來達成，該等區段是軸對稱且同心地彼此對準，每一區段都具有不連續地不同的曲率半徑(見圖1)，該等不同的複數個區段是用以聚焦通過該等不同區段的不同雷射光束部分，以便在光軸上形成一長條的高強度干涉分布。
為達成前揭之徑向方布，該等區段之間的不連續地不同的曲率半徑，在每一區段都是由唯一的非球面公式所描述，且是描述該聚焦單元之每一個前揭區域內之一均勻轉移半徑，對一所屬技術領域中具有通常知識者而言，針對該聚焦元件(1)之製造，應可無歧異地了解該聚焦元件之多個區段之間的改變可以是不連續的或是均勻的。
該聚焦元件(1)之聚焦該雷射光束，係利用複數個橫向光束組合撞擊該聚焦元件，藉以將該光束聚焦至該劈切面(8-12)上之焦點，該些焦點彼此之間具有實質相同之距離。
圖6顯示該二維強度分布之數值計算，該些焦點(24)交融成為較長之該干涉強度分布(25)，與習知具有單一焦點之非球面透鏡相比，可大大提高延伸進入該基板的深度，此為本發明之主要特徵。圖7顯示數值計算後之一強度分布(26)，該強度分布(26)係沿著形成該分布(25)之該雷射光束(13)之光透射方向。
該材料內干涉強度分布(26)之計算是利用惠更斯-菲涅耳原理(Huygens-Frensel Principle)來達成，為獲得所希望之效果，該收斂之光束被假設是藉由干涉而相互作用，因此該雷射光束之強度分布可利用惠更斯點擴散函數(Huygens Point Spread Function)來分析，即透過以下方式完成，透過光束之追縱，一網格內之光束是由光源點追縱至成像面，對每一光束而言，其振幅(amplitude)、座標(coordinates)、方向餘弦(direction cosines)以及光程差(optical path difference)都被用來計算在該成像面網格每一點之入射平面波的複振幅(complex amplitude)，對所有平面波而言，利用惠更斯-菲涅耳原理積分之疊加以獲得之同調複合(coherent sum)，將在該成像面網格的每一個點上面進行：U(P 0)=∫∫ h(P 0,P 1)U(P 1)ds
此處之U(P 0 )是指在該材料內部所產生的波疊加振幅，U(P 1 )是指藉由將入射光束轉換成為平面波所計算獲得的入射波振幅，ds是指成像空間之片段，h(P 0 ,P 1 )是指回應函數(response function)，這樣的計算可獲得在該材料內部的光束干涉區域。
該干涉強度分佈為誘發光學熔損之所必須，誘發光學熔損意即為在該工件(2)本體到達比光學破壞閾值還高的通量(能量分布)；沿著該基板大部份的厚度，此能量分布形成並且在該基板內部，用以將一晶圓(2)或層片劈裂成數個較小部份。
在一實施例，該干涉通量分布之長寬比為50倍以上，意即縱向為橫向之50倍以上。
具有不同發散之兩個該雷射光束(13)，同時導向通過圖1所示之該非球面透鏡(1)，該透鏡(1)具有該多焦點高數值孔徑區段之特殊設計，圖8及圖9顯示實際以兩個該雷射光束(13)加工後之產物。
圖8顯示該工件(2)表面上之一表層裂紋(18)，經由將具有不同發散之兩個該雷射光束(13)聚焦至該多焦點高數值孔徑區段之非球面透鏡(1)，該裂紋(18)係為以此方法對該工件(2)進行加工後之結果。
圖9顯示經雷射誘發之該破壞區，其位於厚度大約190μm之一鈮酸鋰晶圓之一斷裂邊緣，該第一雷射光束(13)之路徑為該破壞區(27)在前60μm的範圍；該第二雷射光束(13)之路徑為破壞區(28)在接續之100μm的範圍。這是另一較佳實施例的例子，它是採用如前述之該單一多區段透鏡(1)將許多具有不同分散之該些光束(13)同時進行聚焦。
在以該聚焦後之該脈衝雷射光束(13)照射通過該工件(2)之該步驟，可同時以與該聚焦元件(1)之光軸呈橫向之一方向橫移該工件(2)。該光束(13)之聚焦係以在該工件(2)本體內形成複數個光束收斂區(焦點)，該些焦點(24)產生符合或近似該收斂區形狀之該些破壞結構。藉由該收斂區之該空間通量分布為圖6之(25)以及圖7之(26)所示之該干涉強度分布的形狀，在該通量高於該工件(2)材質破壞閾值的地方將形成該收斂區。
"破壞"一詞於本發明係指一材料在局部所產生任何類型的充分改變，藉由此改變，該材料之力學性能變化足以在隨後之劈裂步驟中產生控制下的裂紋(18)(沿著該分離邊界)；該改變或破壞結構(局部受破壞的區域)係由多光子吸收之機制所誘導。若該工件(2)之該材質為可局部或完全被所使用之該雷射輻射之中心波長穿透(該材質之該能隙高於單一光子能量之能量，較佳為高於數倍)，並達到足夠的光子密度，則可產生該破壞結構；足夠的光子密度係使用短以及極短脈衝，並且在空間上緊密地聚縮，例如光束(13)的聚焦。該工件(2)材質之該能隙較佳為高於0.9eV以上。
該加工方法進一步包含在該些破壞結構(18)所形成該破裂線或該分離線之間隔位置，重複照射該樣品，其係藉由將該工件(2)裝設至一電動線性平移平台總成(17)，沿所定之該劈裂線依所需方向移動該工件(2)，藉以形成一劈裂面。然而，只要能確保該聚焦單元及該工件(2)之相對移動，該平移平台(16)亦可使用可將該聚焦單元電動化之不同組合，包括旋轉平台、龍門平台。任何晶圓狀之該基板，若其為硬脆材質、能隙在0.9eV以上，且難以機械方式進行加工，皆可作為本發明之工件(2)。
在另一實施例，該定位系統係以曲線、圓形或橢圓形軌跡，即自由曲面軌跡之方式平移該工件(2)(或該聚焦元件)，由此，可由一板材上裁切出多種二維結構，特別可用於非晶或多結晶材質之加工，例如玻璃或陶瓷，亦包括化學強化玻璃。
在一實施例，該加工步驟之完成係以一脈衝雷射光束(13)源(14)，用以產生一光束(13)，較佳為圓形一橢圓形之一高斯強度分布(26)；一光束整型及聚焦單元(1、15、16)，其包含一光束聚焦元件(1)， 及一光束整型單元(15)之組合；如圖3用以穩定該聚焦元件(1)以及該工件(2)之間距離的手段；用以固定及平移一工件(2)之手段，例如電動化之一平移平台總成(17)。該脈衝雷射光束源(14)較佳為能夠穩定持續地產生恆定極化之該雷射脈衝，並具有明確界定時間包絡面之該雷射。較佳為一高斯脈衝，該高斯脈衝之脈衝持續時間設定於100-15000fs、中心波長設定於500-2000nm、頻率設定於10kHz-2MHz、以及一脈衝能量，該脈衝能量足以讓通過該整型及聚焦單元(1、15、16)後之該些脈衝，仍具有範圍在1-100μJ之脈衝能量。一光束整型光學鏡頭(15)，較佳為包含一光束擴束器(15)，例如一克卜勒伸縮長焦望遠鏡或一伽利略伸縮長焦望遠鏡類型之光束擴束器(15)，或任一在該光束(13)進入該聚焦元件(1)之前可達到適當束寬及發散之組合。該光束聚焦單元(1)，較佳為包含一多區段透鏡(1)，以及用來維持該透鏡(1)及該工件(2)之間預先設定之距離的手段，例如，具有壓電奈米定位器或電動化之線性平移平台(16)的距離監控手段，其將該光束聚焦單元(1、15、16)及該工件(2)之間的距離維持在該聚焦元件(16)之工作距離中，並且在以300m/s速度進行平移時誤差不超過大約2μm。該光束聚焦元件(1)之設置係以當該光束(13)聚焦至該工件(2)多處時，能夠達到相等於如圖2所示多焦點形狀之空間上高強度分布(26)之一焦點形狀(通量之空間分布，該通量高於該工件(2)之破壞閾值)。所產生之複數個破壞結構(18)於需要時亦可自該工件(2)之一第一表面(19)延伸至其本體內部，例如在該表面(19)誘導一燒蝕(產生一凹坑(20)之該燒蝕)。
該聚焦元件(1)之一數值孔徑以較高為佳(數值孔徑>0.7)，但在其他實施例該數值孔徑可選擇在0.5-0.9的範圍，只要該透鏡(1)之設計為可在該透鏡(1)形成具有不同曲率半徑之該些不同區段， 該些區段可產生複數個焦點(24)，較佳為一個該區段用來產生一個該焦點。圖2顯示一收斂區之一光線追跡圖。
但在一實施例，該聚焦元件(1)可為該多區段透鏡(1)(見圖1)，該透鏡(1)之設置係可形成該光束(13)之一多焦點型光點。該透鏡(1)之一凹面具有2個以上該些區段，該些區段具有不同的曲率半徑及該些不同焦點之特徵。該些區段之間為平滑地改變，其使該些光點逐漸轉換，形成具有複數個較高通量區域之一尖峰形焦點。入射之該雷射光束(13)較佳為經過擴束，使該光束(13)之截面積覆蓋該透鏡(1)孔徑90%以上，該透鏡(1)同時可增加複數個焦點(24)(見圖2)；於此較佳實施例之中，該光束(13)應適配該透鏡(1)，使得該高斯光束(13)接近該多區段透鏡(1)之該通光孔徑(clear aperture)圓周時，強度在1/e2之程度。
在較佳情況下，傳送至該表面的各該雷射脈衝之間距在0.1μm-10μm之範圍，藉由改變電動化平移平台總成(17)之移動速度或雷射脈衝重複率，或同時調整兩者，可改變該距離之範圍。該劈裂線/破裂線(18)係藉由線性移動之該電動平移平台總成(17)而形成，針對該單一劈裂線，通過之次數(重複地平移)應達2次，但不限於2次。在此情況下，聚焦的緊密度與多焦點的形成有關，其可藉由該多區段透鏡(1)之參數、該透鏡(1)材質之光學性質、或該入射光束(13)之性質進行調控。
該透鏡(1)之一物鏡，係依照該些工件(2)參數，例如厚度、能隙值、吸收率、折射率...等等進行設計。該透鏡(1)之設計係以使該高斯光束或該平頂型光束，在該些多個焦點(24)間具有較佳的通量分布，而改變該透鏡(1)之該些區段之大小或表面積。
在另一實施例，相同之該光束聚焦元件(1)用以同時聚焦四個具有不同發散之該些雷射光束(13)，藉以產生該些焦點(24)之多個陣列，因此可提升加工速度或可將該加工系統用於加工較厚之該晶圓。
前述實施例之一實施例為一光學系統，其具有將該雷射光束(13)分離至多個光束組合之手段，例如具有不同偏振性(polarization)之該些組件，或藉延遲該些元件之時間進行分離，或空間上的分離。藉由雙折射裝置、分束器、偏光鏡、稜鏡、或其他光學元件，可將該雷射光束(13)分離成多組，同時，前述改變該入射光束(13)收斂之方法，可用於分別調整在各該光徑光束(13)之參數。因此，多個該些雷射光束(13)成形並聚焦以形成多個該些收斂區(即焦點)，該些焦點(24)彼此之間具有實質相同之距離，藉以在該材料內產生多個窄的該破壞結構，或產生更平均分布之通量，因此，整體加工速度可獲提升或達到更高的精確率。圖4顯示其中一種可行之一光束分束器(22)組件類型，其他類型分束器之主要的差異，可在於更換為不同之該光束整型組件。光束整型元件係用以將入射之該光束分割為至少兩個光徑，並分別控制各該光徑之發散，該光束整型單元進一步將該光束自該至少兩個光徑合併成為單一光徑。完整之該光束整型組件(23)可設置於各該光徑(如圖4所示)。在另一實施例，兩組該發散控制元件(例如，伽利略伸縮長焦望遠鏡)可分別設置於各該光徑；但在該聚焦元件(1)前，該光束整型器(15)(例一組透鏡)係設置於該共同之光徑。在另一實施例，該兩組發散控制元件(例如，伽利略伸縮長焦望遠鏡)(23)可分別設置於各該光徑。但在一第一光束分束器(22)前，該光束整型器(15)(例一組透鏡)係設置於該共同之光徑。
在另一實施例，在以該聚焦後之該脈衝雷射光束(13)照射該工件(2)之該步驟。該光束聚焦元件(1)之設置係包含至少一繞射元 件，該繞射元件係用以擴充或替換該光束整型光學組，在該光束(13)通過該聚焦元件(1)後，該繞射元件整型該入射光束(13)，產生多個該些焦點(24)。
但於另一實施例，在以該聚焦後之該脈衝雷射光束(13)照射該工件(2)之該步驟。該光束整型元件(23)之設置係包含至少一自適應光學元件，在該光束(13)通過該多區段透鏡(1)後，該自適應光學元件整型該入射光束(13)，產生多焦點之該強度分布(26)，如此，可允許使用較多不同之該入射光束(13)(或更為特殊和不同調變方式之該光束)或允許對於加工參數變動的補償。該光束整型元件(23)可以可形變反射鏡、壓電可形變反射鏡、或相似物作為基礎。
但於另一實施例，在以該聚焦後之該脈衝雷射光束(13)照射該工件(2)之該步驟。根據前述實施例，該自適應光學元件係可被至少一調相或調幅元件取代，例如一液晶光調變器或一微型鏡面矩陣。
但於另一實施例，在以該聚焦後之該脈衝雷射光束(13)照射該工件(2)之該步驟。根據前述實施例，該自適應光學元件係可被至少一被動衍射光束調變元件取代，例如一平頂光束整型衍射光學元件，或用以校正像差或像散之該些衍射光學元件。該被動衍射元件之選擇，係以經該些元件調變後之一光束(13)，可被該聚焦元件(1)聚焦達到多焦點之該強度分布(26)。應注意的是，該元件亦可設置於該聚焦元件(1)後之該光徑。
在另一實施例，該光束聚焦元件較佳為該多區段透鏡(1)，該聚焦元件以圖2所示之型態調控該光束(13)之一光點；該光束(13)之該些區段受該多區段透鏡(1)影響，該光束(13)撞擊該工件(2)之表面(19)，並以以下方式稍微折射並聚焦：與該多區段透鏡(1)之一光軸垂直 之一平面(8)，在該平面(8)之該光束(13)透過該區段(7)之該些焦點進行傳播；其中，(9)為區段(6)之一聚焦平面；(10)為區段(5)之一聚焦平面；(11)為區段(4)之一聚焦平面；(12)為區段(3)之一聚焦平面。
以下提出一實施例，該些參數係可被大幅改變以產生相似或不同的結果，但主要之裁切加工概念相同。
該工件(2)材質為鈮酸鋰，且厚度約為190μm之該基板(平板)。該雷射光源(14)為一飛秒雷射，具有輸出輻射波長1030nm及脈衝寬度5ps(半峰全寬1.41)，輸出頻率設定為100kHz。該聚焦單元係以設置數值孔徑低於0.8之該多聚焦區段之非球面透鏡(1)，作為該光束聚焦元件。
具有不同發散之兩該雷射光束(13)組合透過該聚焦元件(1)導向，經過該光束聚焦元件後之脈衝能量分別選擇為3μJ和5μJ，該第一及該第二光束(13)之聚合區，分別在該晶圓之該第一表面下20μm及80μm處形成。沿劈裂方向該些破壞結構彼此間之距離為3μm，加工速度，更具體地說，該線性平移平台(16)之平移速度為300mm/s，圖9顯示破裂及裁切加工後之成果。
以上所述僅為本創作數個較佳可行實施例而已，舉凡應用本創作說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本創作之專利範圍內。

Claims (18)

  1. 一種供形成雷射光束的聚焦元件，包含有一第一光學表面以及一第二光學表面，至少其中一個該光學表面上具有複數個區段，其特徵在於：該等複數個區段是徑向地圍繞著光軸分布，且每一區段都具有不連續地不同的曲率半徑，其中，該等不同的複數個區段是用以聚焦通過該等不同區段的不同雷射光束部分，以便在光軸上形成一長條的高強度干涉分布。
  2. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該聚焦元件是用以劈裂一晶圓狀之基板，其中該基板為硬脆材料或玻璃，該硬脆材料為碳化矽、氮化鎵、藍寶石、鑽石或鈮酸鋰。
  3. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該雷射光束聚焦元件之該些區段是徑向地圍繞著光軸分布、為軸對稱及同心地彼此對準。
  4. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該些區段具有非球面性質，該些區段之設置是使干涉強度最大化。
  5. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該產生干涉強度分布之元件是具有兩個或以上之區段，該等區段具有不同之曲率半徑。
  6. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該些雷射光束部分彼此之距離及能量分布，將決定沿光透射方向之干涉強度分布的形成，形成具有特定長度之一軸向通量分布，藉以延伸進入受劈裂或裁切之一基板之深度。
  7. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，該光束受一光束整型單元影響，該光束整型單元係用以將入射之該光束分割為至少兩個光徑，並分別控制各該光徑之發散，該光束整型單元進一步將該光束自該至少兩個光徑合併成為一單一光徑。
  8. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該等區段之間的不連續地不同的曲率半徑，在每一區段都是由唯一的非球面公式所描述，且是描述該聚焦元件之每一個前揭區段區域內之一均勻轉移半徑。
  9. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該聚焦元件該些區段之間的改變是均勻的。
  10. 如請求項1之供形成雷射光束的聚焦元件，其特徵在於，該聚焦元件該些區段之間的改變是不連續的。
  11. 一種用以晶圓切割、刻劃、裁切或劈裂之雷射加工方法，是包含以下步驟：供以一脈衝雷射光束；以一聚焦元件聚焦該雷射光束；以該聚焦後之該脈衝雷射光束照射一工件；以及，形成一連續破壞區藉以產生一劈裂面；其特徵在於：該使用至少一聚焦元件之步驟是使用請求項1之聚焦元件，其中，該聚焦元件是用來取得該雷射照射之軸向的高強度分度，且該分布是意味著破壞該工件，該工件是可供該雷射光束通過，且一能隙(band gap energy)高於該雷射光束之光子能量。
  12. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於，該形成連續破壞區之步驟還包含平移該工件以產生一切割線，該平移係依照預定之一軌跡，該軌跡是沿著彼此間相隔0.1-10μm之複數個破壞結構而形成，可包含呈直線、曲線或圓形之複數個部份。
  13. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於，還包含使用一定位系統之步驟，該定位系統是與該聚焦元件結合，且用以將該些焦點保持在相對於至少一該工件表面之一固定相對位置。
  14. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於其更包含使用一光束整型單元之步驟，該光束整型單元係用以將入射之該光束分割為至少兩個光徑，並分別控制各該光徑之發散，該光束整型單元進一步將該光束自該至少兩個光徑合併成為一單一光徑。
  15. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於其更包含使用至少一被動衍射元件、一調相或調幅元件、一雙折射元件、複數個像差校正元件、一平頂光束整型繞射元件，或任一之自適應光學元件之步驟。
  16. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於該脈衝雷射光束之光源係用以射出波長範圍500nm-2000nm之雷射輻射，或利用參變光學方法將波長調整至該範圍之一標準雷射。
  17. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於該脈衝雷射光束之光源係用以射出重複率範圍在10kHz-2MHz、持續期間範圍100fs-15000fs之雷射脈衝。
  18. 如請求項11之雷射加工方法，其特徵在於該脈衝雷射光束之光源係用以射出脈衝能量範圍在1μJ-100μJ之雷射脈衝。
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