專利名稱：利用可變像散聚焦光斑切割的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光切割或機械加工，具體涉及利用有變形光束投射系統(tǒng)的固態(tài)激光器，用于形成可變像散聚焦光斑劃線半導體晶片的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
不斷增長的全世界需要復合半導體器件促使開發(fā)生產(chǎn)率高，成本低和可靠的制造技術(shù)和設(shè)備。復合半導體是由諸如B，Al，Ga，In和Tl的III族元素與諸如N，P，As，Sb和Bi的V族元素組合構(gòu)成。典型的III-V族復合半導體器件例子是利用InP，GaP，GaAs，AlInGaP和GaN的發(fā)光二極管(LED)。
在這些LED中間，藍光LED是由碳化硅或藍寶石晶片基底上外延生長的多個氮化鎵基層構(gòu)成。利用高精度鋸齒把碳化硅晶片切割成小片。利用金剛石工具的機械劃線可以完成藍寶石晶片的小片分割。可以借助于斷裂機械沿劃線使晶片解理。鋸齒切割和機械劃線極其堅硬的藍光LED和小尺寸LED小片產(chǎn)生很大的問題，其中包括低的小片產(chǎn)量，低生產(chǎn)率和高操作成本。諸如GaP和GaAs的易脆基片也說明低的生產(chǎn)率，這是由于機械劃線斷裂和鋸齒切割過程中過多的邊緣碎片造成的。此外，常規(guī)的方法要求相對大的切割面積，從而減小晶片上器件的數(shù)目。
利用紫外(UV)激光劃線是作為分割復合半導體晶片的另一種方法出現(xiàn)的。準分子激光器和二極管泵激固態(tài)(DPSS)激光器是用于UV激光劃線的兩個主要光源。當短寬度的UV激光脈沖清晰聚焦到晶片表面時，每個脈沖被吸收成亞微米厚表面層，然后就汽化。汽化材料帶走相互作用能量，從而減小熱轉(zhuǎn)移到周圍的材料。這個過程稱之為光燒蝕。為了產(chǎn)生深的切割，幾百個相繼的激光脈沖聚焦到晶片表面上。
在快速脈沖聚焦的激光束下移動晶片產(chǎn)生極其狹窄的V形切割，切割深度是受掃描速度的控制。典型的是，這些切割終止在晶片厚度的30-50％。在激光劃線之后，利用標準的解理設(shè)備使晶片斷裂。V形激光切割的作用是應(yīng)力集中，導致具有很高小片產(chǎn)量的受控斷裂。
有效的光燒蝕對于激光劃線是優(yōu)選的，它主要取決于UV激光的兩個性質(zhì)波長和脈沖寬度。一般地說，從光學和熱學的觀點考慮，光燒蝕的優(yōu)點源于較短的激光波長和較短的脈沖寬度。在E＝h(c/λ)的公式中，光子能量E與光子波長成反比。簡而言之，較短的波長賦予每個光子更多的能量。短激光波長獲得的優(yōu)點包括增強的光吸收，減小的吸收深度，光燒蝕需要較低的輻照度，和減小的切割寬度。在I＝E/At的公式中，輻照度I與脈沖能量E成正比，而與光束面積A和脈沖寬度t成反比。所以，短的脈沖寬度在給定光斑尺寸和脈沖能量下產(chǎn)生較高的輻照度。此外，短脈沖在較大的光斑尺寸下成功地燒蝕到目標物上，從而導致更快速的切割。短激光脈沖寬度獲得的優(yōu)點包括目標物上增大的輻照度，和轉(zhuǎn)移到基片上減小的熱量，這是由于較快速的吸收和燒蝕。
在碳化硅中，370nm以下的光波長有超過材料帶隙的光子能量，從而導致直接的光子吸收。例如，DPSS 355nm固態(tài)激光器光束的光子能量(3.5eV)高于碳化硅的最高帶隙(4H多晶型物為3.27eV)，從而導致強吸收之后的燒蝕。相反地，藍寶石的帶隙(9.9eV)高于商品化UV激光器的光子能量，例如，157nm的F2激光(7.9eV)。在這種情況下，多光子吸收可以誘發(fā)有效的光吸收，而多光子吸收所需的輻照度(W/cm2)可以非常高。藍寶石中多光子吸收的效率是強烈地與波長有關(guān)。較短的波長在藍寶石中可以被完全地吸收，從而導致較少的熱量輸入到塊狀材料。為了發(fā)生光燒蝕，被吸收的光必須付出足夠的能量用于汽化材料。燒蝕的閾值輻照度也是強烈地與波長有關(guān)。較短光波長的較高光子能量和較小吸收深度導致在較低輻照度下發(fā)生燒蝕。
與藍寶石比較，復合半導體基片通常有較低的帶隙能量，例如，GaN(3.3eV)，GaP(2.26eV)和GaAs(1.42eV)。雖然266nm的UV激光在這些基片上的耦合是高效率的，但在這種強吸收下的過大光子能量可以導致多余的熱量傳導到基片，從而造成熱相關(guān)損傷。與此對比，不足的激光能量密度可以導致不適當?shù)臒g，甚至是強吸收。因此，最佳激光能量密度或輻照度是激光劃線中的重要因素，它產(chǎn)生較高的劃線速度和/或最大的生產(chǎn)率。
在UV激光器中，準分子激光器產(chǎn)生最大的功率輸出，例如，在深UV范圍內(nèi)接近100W。這些優(yōu)點可以使準分子激光器唯一地適合于硬LED晶片劃線。利用準分子激光器技術(shù)的劃線涉及傳遞線光束或一系列線光束到LED晶片上，LED晶片在受控移動平臺的平移下沿所需方向被切割成小片。例如，準分子激光器劃線利用KrF 248nm的光輸出，它利用近場成像技術(shù)使圖形化激光束從掩模中射出。因此，通過直線圖形化掩模投影，可以實現(xiàn)線光束的傳遞。在US Patent No.6,413,839中公開一個利用準分子激光器圖形化投射的例子，合并在此供參考。在這個專利中，單個線光束和多個線光束投射到有藍光LED的藍寶石晶片上。
在利用準分子激光投影技術(shù)的掩模時，改變圖形化光束是相對簡單的，它通過改變掩模的形狀就可以實現(xiàn)。例如，借助于狹縫掩模投射用于劃線的狹窄線光束(即，通常是幾十微米)。然而，狹縫掩模僅通過掩模的開口區(qū)傳輸激光束。因此，在光束傳遞系統(tǒng)(BDS)中引入掩?？梢宰钃醮蟛糠值募す馐构馐靡蜃?BUF)很低。這種低光束利用因子限制劃線過程的速度，因為劃線速度主要與沿劃線平移方向的投射光束尺寸成正比。
最近以來，UV固態(tài)激光器技術(shù)的發(fā)展已制成有足夠平均功率的DPSS激光器，它可用于劃線堅硬復合半導體晶片，例如，由藍寶石和碳化硅制成的半導體晶片。少數(shù)激光器制造商研制成有增益媒體的三次諧波(355nm)和四次諧波(266nm)DPSS激光器，在釔結(jié)晶基體中摻入Nd3+離子(Nd:YVO4或Nd:YAG)。這些倍頻DPSS激光器在脈沖寬度，頻率和功率輸出方面有很大的改進。例如，運行在三次諧波(355nm)下UV固態(tài)激光器可以獲得的平均功率超過5W，而四次諧波(266nm)激光器獲得的平均功率超過2.5W。此外，這些激光器有短的脈沖寬度，例如，小于20ns。短波長和脈沖寬度(例如，小于15ns)的UV固態(tài)激光器可以產(chǎn)生極高的輻照度，例如，大于109W/cm2，利用光子轟擊產(chǎn)生瞬間汽化。這種倍頻DPSS激光器的極高輻照度能夠分割堅硬基片。例如，雖然藍寶石對UV波長有高的光透射率，但是這種光子極端的時間和空間濃度導致有效的多光子吸收，從而造成光燒蝕。
一般地說，UV固態(tài)激光器產(chǎn)生TEM00模式的圓形高斯光束，而當前的UV固態(tài)激光劃線方法利用聚焦的圓形光斑。與準分子激光器BDS不同，DPSS激光器利用遠場成像，它不需要圖形化掩模成像。在US Patent No.5,631,190和US Patent No.6,580,054中公開利用遠場成像的激光劃線例子，合并在此供參考。來自激光諧振腔的原始光束被光束聚焦透鏡直接聚焦，并傳遞到目標物上。它的BUF較高，因為DPSS激光器的BDS利用整個光束。然而，劃線速度較慢，這是由于聚焦光斑的尺寸很小，它是應(yīng)用DPSS激光器進行批量生產(chǎn)的一個缺點。此外，DPSS激光器中使用的常規(guī)光束傳遞系統(tǒng)對于調(diào)整激光處理參數(shù)的控制受到其能力的限制。在利用DPSS激光器的常規(guī)劃線技術(shù)中，激光處理參數(shù)的控制是通過調(diào)整激光器的輸出功率，但不改變被引導的激光。
一般地說，在激光材料處理應(yīng)用中必須聚焦激光束。聚焦的激光束有兩個重要的特征1)目標材料的最佳激光強度(通常表示成激光能量密度J/cm2)，和2)最小尺寸的聚焦光斑或光束腰直徑。最佳激光強度對于獲得所需的處理結(jié)果是重要的，因為過大或不足的激光強度可以在過程中產(chǎn)生缺陷。此外，聚焦光斑應(yīng)當有調(diào)整其強度的充分靈活性，因為最佳強度是由具體目標材料的光吸收性質(zhì)所確定。若激光材料處理要求清晰聚焦的光束以獲得高分辨率，則最小尺寸的光束腰直徑是重要的。
激光劃線過程中的另一個問題是沿切割蹤跡線產(chǎn)生燒蝕誘發(fā)碎片造成的。半導體小片或LED小片上的碎片對其性能和封裝都是有害的。光刻術(shù)中的光致抗蝕劑加到基片表面上可以作為防止碎片的保護涂層，但是來自激光誘發(fā)等離子體的熱量容易使光致抗蝕劑碳化。很難去除碳化的光致抗蝕劑，特別是在激光切割線的附近。有人建議使用膠粘帶進行保護，但是相關(guān)的步驟不利于批量生產(chǎn)，例如，在沿每個方向劃線之后需要替換膠粘帶。此外，由于帶粘合劑的膠帶厚度很大，在激光劃線之后仍保留大量的殘渣。
因此，我們需要一種可以避免現(xiàn)有技術(shù)缺點的激光劃線系統(tǒng)和方法，它能利用較短的波長和脈沖寬度，并能優(yōu)化激光強度和減小光束腰直徑。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一方面，提供一種用于形成可變像散聚焦光斑以切割基片的方法。該方法包括以下步驟產(chǎn)生原始激光束，擴展原始激光束，和改型擴展光束，使改型光束沿一個主子午線準直而沿另一個主子午線會聚。聚焦改型光束以產(chǎn)生有伸長形狀和兩個分開焦點的像散聚焦光斑，引導像散聚焦光斑到基片上，從而在基片中至少形成局部切割。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用激光劃線半導體晶片的方法。按照這個方法，產(chǎn)生激光束并通過改型激光束以形成像散聚焦光斑，使改型光斑有兩個分開的焦點，而像散聚焦光斑有伸長的形狀。引導像散聚焦光斑到半導體晶片的表面。在半導體晶片中形成一個或多個局部切割之前，給像散聚焦光斑施加一組參數(shù)。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種把半導體晶片分開成小片的方法。按照這個方法，產(chǎn)生激光束并通過改型激光束形成像散聚焦光斑，使改型光斑有兩個分開的焦點，而像散聚焦光斑有伸長的形狀。引導像散聚焦光斑到半導體晶片的表面。在半導體晶片中形成一個或多個局部切割之前，給可變像散聚焦光斑施加一組參數(shù)。然后，利用切割方法把半導體晶片分割成小片。
按照本發(fā)明的另一方面，一種光束傳遞系統(tǒng)，包括擴束望遠鏡，用于從激光器接收原始激光束并產(chǎn)生擴展光束。光束傳遞系統(tǒng)還包括至少一個包含柱狀平凹透鏡和柱狀平凸透鏡的可變變形透鏡系統(tǒng)，用于接收擴展光束并產(chǎn)生沿一個主子午線準直而沿另一個主子午線會聚的改型光束。光束傳遞系統(tǒng)還包括光束聚焦透鏡，用于接收改型光束并聚焦改型光束，使聚焦光束有兩個分開的焦點。一個焦點短于光束聚焦透鏡的標稱焦距，而另一個焦點大致形成在光束聚焦透鏡的標稱焦距上。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于劃線有GaN層的藍寶石基片的方法。這個方法包括利用固態(tài)激光器引導形成像散聚焦光斑的激光能量脈沖到藍寶石基片上的GaN表面，并使該脈沖撞擊到劃線圖形中的藍寶石基片，從而在藍寶石基片中切割劃線。該脈沖耦合激光能量進入GaN層以誘發(fā)藍寶石基片的燒蝕。


在閱讀以下結(jié)合附圖的詳細描述之后，可以更好地明白本發(fā)明這些和其他的特征和優(yōu)點，其中圖1是按照本發(fā)明一個實施例有像散焦點光學元件的光束傳遞系統(tǒng)(BDS)示意圖。
圖2是圖1所示BDS的示意圖，它說明激光束從激光器到目標物的順序改型。
圖3是光束的剖面圖，它說明沿每個主子午線分開地形成兩個焦點。
圖4是圖1所示BDS中的光束聚焦透鏡剖面圖，它說明傳輸通過光束聚焦透鏡的高度壓縮光束中‘y’分量。
圖5是圖1所示BDS中的光束聚焦透鏡剖面圖，它說明傳輸通過光束聚焦透鏡的高度壓縮光束中‘x’分量。
圖6是圖1所示BDS的剖面圖，它說明沿一個主子午線形成兩個分開的焦點。
圖7是圖1所示BDS的剖面圖，它說明沿另一個主子午線形成兩個分開的焦點。
圖8和9是圖1所示BDS的剖面圖，它說明調(diào)整BDS中處理參數(shù)的靈活性。
圖10是展示一個藍寶石基LED晶片例子的頂視圖照片，其中利用266nm DPSS激光器的BDS中可變像散聚焦光斑劃線。
圖11是展示一個藍寶石基LED晶片例子的剖面圖照片，其中利用可變像散聚焦光斑劃線。
圖12是展示一個硅晶片例子的頂視圖照片，其中利用266nmDPSS激光器的BDS中可變像散聚焦光斑劃線。
圖13是展示一個GaP晶片例子的頂視圖照片，其中利用266nmDPSS激光器的BDS中可變像散聚焦光斑劃線。
圖14是展示一個鉬薄膜例子的頂視圖照片，其中利用266nmDPSS激光器的BDS中可變像散聚焦光斑劃線。
圖15是展示一個沒有保護涂層的激光劃線例子照片。
圖16是展示一個具有保護涂層的激光劃線例子照片。
具體實施例方式
BDS概述參照圖1，我們詳細描述變形光束傳遞系統(tǒng)(BDS)10的一個實施例。變形BDS 10產(chǎn)生像散聚焦光斑，它可用于切割或機械加工各種材料制成的基片。在一個典型應(yīng)用中，通過形成可調(diào)整的高分辨率像散聚焦光斑，它可以使劃線速度最大化和與晶片上劃線相關(guān)有用面積消耗最小化，這個優(yōu)選實施例的BDS 10提高LED小片的生產(chǎn)率。BDS 10還可用在其他的劃線或切割操作。
在所示的實施例中，最好是二極管泵激的固態(tài)激光器12產(chǎn)生UV范圍內(nèi)的激光束，最好是三次諧波355nm或四次諧波266nm。原始激光束往往是高斯分布的TEM00模并利用擴束望遠鏡(BET)14放大。典型實施例的BET 14是由球面平凹透鏡16和球面平凸透鏡18構(gòu)成。每個透鏡的焦距確定BET 14的放大倍數(shù)，它通常是用M＝(|fsx|/|fsv|)描述，其中M是放大倍數(shù)，fsx是球面平凸透鏡18的焦距，和fsv是球面平凹透鏡16的焦距。為了實現(xiàn)準直光束擴展，球面平凹透鏡16與球面平凸透鏡18之間的距離是由通用公式Dc＝fsx+fsv確定，其中Dc是準直距離。fsx與fsv的組合可用于滿足放大倍數(shù)M和準直距離Dc的設(shè)計值。放大倍數(shù)M的范圍可以是約2x至20x，而在典型的BDS中最好是2.5x?；谶@個優(yōu)選的放大倍數(shù)2.5x，在這個BDS 10中最好使用fsx＝250mm和fsv＝100mm與Dc＝150mm的組合。
在這個優(yōu)選實施例中，擴展光束被100％反射鏡20a反射，然后被引導到光束整形光闌22。光束整形光闌22對稱地切去高斯模式中光束的低強度邊緣，留下高強度部分傳輸通過光闌22。然后，該光束被引導到可變變形透鏡系統(tǒng)24的中心。
典型的可變變形透鏡系統(tǒng)24是由柱狀平凹透鏡26和柱狀平凸透鏡28構(gòu)成?？勺冏冃瓮哥R系統(tǒng)24的元件最好滿足條件|fcx|＝|fcv|，其中fcx是柱狀平凸透鏡28的焦距，和fcv是柱狀平凹透鏡26的焦距。在可變變形透鏡系統(tǒng)24中，入射光束是沿兩個主子午線中的一個主子午線被非對稱地改型，這個主子午線出現(xiàn)在圖1中的水平方向。在變形透鏡系統(tǒng)24中，若D＜Dc，其中D是柱狀平凹透鏡26與柱狀平凸透鏡28之間的距離，而Dc是準直距離，則平行入射光束在變形透鏡系統(tǒng)24之后是發(fā)散的。與此對比，若D＞Dc，則平行入射光束在變形透鏡系統(tǒng)24之后是會聚的。在圖1所示優(yōu)選實施例的變形透鏡系統(tǒng)24中，準直距離是Dc＝fcx+fcv＝0，因為|fcx|＝|fcv|，和fcx是正值而fcv是負值，且D≥Dc。因此，當D＞0時，準直入射光束在變形透鏡系統(tǒng)24之后是會聚的。
變形透鏡系統(tǒng)24的會聚度或組合焦距(fas)是受距離D的控制，它通常是由雙透鏡原理表示fas＝fcxfcv/(fcx+fcv-D)。即，距離D越大，則焦距fas就越短。當距離D增大時，會聚度僅沿準直入射光束的一個主子午線增大。在可變變形透鏡系統(tǒng)24之后，入射光束的一個主子午線失去它的準直性并會聚；然而，另一個主子午線不受影響，仍保持它的光束準直性。所以，通過調(diào)整變形透鏡系統(tǒng)24中兩個透鏡之間的距離，變形透鏡系統(tǒng)24之后的光束尺寸僅沿一個主子午線發(fā)生變化。因此，變形BDS 10故意引入像散以產(chǎn)生沿兩個主子午線分開的焦點，即，沿垂直和水平方向。雖然不同焦距或會聚度的一系列變形透鏡是優(yōu)選的，它可以提供可變的像散光斑，但是在固定會聚度的情況下，可以利用單個變形透鏡代替可變變形透鏡系統(tǒng)。
在可變變形透鏡系統(tǒng)24之后，光束被另一個100％反射鏡20b反射，然后被引導到光束聚焦透鏡30的中心。典型的光束聚焦透鏡30是像差校正的球面多元透鏡，它的焦距約在+20mm至+100mm之間的范圍內(nèi)。在一個實施例的BDS 10中，使用+50mm焦距的邊緣接觸雙合透鏡。在光束聚焦透鏡30之后，一個像散焦點被清晰地聚焦到基片32上，例如，半導體晶片。在一個優(yōu)選實施例中，基片32被計算機控制的x-y移動平臺34平移進行劃線操作。在半導體劃線應(yīng)用中，其中半導體晶片包含正方形或長方形小片，半導體晶片可以被旋轉(zhuǎn)平臺36旋轉(zhuǎn)90度，可以沿x方向和y方向進行劃線。
BET 14與多元光束聚焦透鏡30的優(yōu)選組合產(chǎn)生高分辨率和可調(diào)整的像散聚焦光斑，它有最小的像差和最小的光束腰直徑。一般地說，高斯光束的光束腰直徑(w0)可以表示成公式w0＝λf/πwi，其中λ是入射激光束的波長，f是光束聚焦透鏡的焦距，π是圓周率，和wi是入射光束的直徑。在給定的光束聚焦透鏡30中，最小光束腰直徑(w0)或尺寸的聚焦光斑與入射光束的直徑(wi)成反比。在本發(fā)明的典型實施例中，BET 14可變地增大被多元光束聚焦透鏡30聚焦的入射光束直徑(wi)，從而得到最小的光束腰直徑并產(chǎn)生高分辨率聚焦光斑。這可以形成清晰聚焦的劃線光斑，它能夠在半導體晶片上形成約5μm或更小的刻痕寬度。因此，最小的刻痕寬度可以大大降低晶片上劃線造成的有用面積消耗，從而在晶片上形成更多的小片并提高生產(chǎn)率。
可變變形透鏡系統(tǒng)24與高分辨率光束聚焦透鏡30的組合在沿入射光束的每個主子午線形成兩個分開的焦點。改變可變變形透鏡系統(tǒng)24光束會聚度的靈活性可以瞬間改變目標半導體晶片上的激光能量密度。由于最佳激光能量密度是由具體目標半導體晶片的光吸收性質(zhì)確定，可變變形透鏡系統(tǒng)24可以瞬間適應(yīng)各種類型半導體晶片確定的最佳處理條件。
雖然我們展示和描述一個典型實施例的變形BDS 10，但是可以設(shè)想在本發(fā)明范圍內(nèi)的他實施例。具體地說，變形BDS 10可以利用不同的元件產(chǎn)生像散聚焦光斑，或變形BDS 10可以包含附加的元件，可以對光束作其他的改型。
在另一個實施例中，在變形透鏡系統(tǒng)24與BET 14之間可以插入一個雙棱鏡38或一組雙棱鏡。該雙棱鏡相等地分割來自BET 14的擴展和準直光束，然后相交這兩個分割的光束以產(chǎn)生半高斯模式的倒置。在利用一組雙棱鏡時，通過改變該組雙棱鏡之間的距離，可以調(diào)整兩個分割光束之間的距離。換句話說，雙棱鏡38把高斯光束分割成兩個半圓并倒置這兩個分割的半圓。這兩個圓的疊加產(chǎn)生弱強度高斯模式邊緣的疊加。高斯模式和強度分布的這種倒置產(chǎn)生均勻的光束模式并消除高斯強度模式中的某些缺陷。
在另一個實施例中，BDS 10可以包含變形透鏡系統(tǒng)24的陣列，它用于產(chǎn)生類似于虛線的小段分開像散‘子光束’。像散子光束可以有效地避開激光誘發(fā)的等離子體，從而有利地改變劃線結(jié)果。變形透鏡系統(tǒng)陣列中透鏡之間的距離控制每段子光束的長度。在變形透鏡系統(tǒng)陣列之前引入柱狀平凸透鏡，可以控制各段子光束之間的距離。
產(chǎn)生可變像散聚焦光斑參照圖2，我們更詳細地描述形成可變像散聚焦光斑的一種方法。來自激光器的原始光束50剖面大致是直徑為0.5mm至3mm的高斯分布。原始光束50被BET 14擴束，而擴展光束52的直徑增大到約2.5倍。擴展光束52傳輸通過光束整形光闌22后被切去邊緣，而擴展和切去邊緣的光束54被引導到變形透鏡系統(tǒng)24的中心。變形透鏡系統(tǒng)24僅沿一個主子午線改型擴展和切去邊緣的光束54，從而導致略微壓縮的光束形狀56。當略微壓縮的激光束56傳輸?shù)焦馐劢雇哥R30時，光束形狀的像散度增大，因為可變變形透鏡系統(tǒng)24僅沿一個主子午線使光束會聚。隨后，高度壓縮的光束57傳輸通過光束聚焦透鏡30之后形成像散聚焦光斑58。由于高度壓縮的光束57沿一個主子午線有會聚光束特征而沿另一個主子午線有準直光束特征，在光束聚焦透鏡30之后沿每個主子午線分開地形成焦點。雖然這種形成像散聚焦光斑58的方法是在典型BDS 10的語境下描述的，但這不是對該方法的限制。
圖3中的三維視圖更詳細地說明，在高度壓縮的光束57傳輸通過光束聚焦透鏡(未畫出)之后，沿每個主子午線分開地形成兩個焦點。由于沿一個主子午線的高度壓縮光束57(以下稱之為‘y分量’)有會聚特征，y分量顯示短距離焦點60。與此對比，由于另一個主子午線(以下稱之為‘x分量’)有準直光束特征，x分量顯示長距離焦點62。x分量與y分量的組合形成像散光斑58。
圖4表示高度壓縮光束57的y分量，它在傳輸通過光束聚焦透鏡30之后形成焦點60。在焦點60之后，光束發(fā)散并形成像散的光斑58。
圖5表示高度壓縮光束57的x分量，它在傳輸通過光束聚焦透鏡30之后形成焦點62。高度壓縮光束57的準直x分量清晰地聚焦到焦點60，它形成清晰聚焦的像散光斑58。
圖6和7進一步說明沿每個主子午線形成兩個分開的焦點60，62。圖6和7中的光束蹤跡示意圖包含圖1所示BDS 10的二維布局，為了簡潔明了，其中不包含100％反射鏡20a，20b和光束整形光闌22。在圖6中，來自固態(tài)激光器12的原始光束被BET 14擴束之后準直?？勺冏冃瓮哥R系統(tǒng)24沿這個主子午線改型準直光束，從而導致光束的會聚。會聚光束被光束聚焦透鏡30聚焦。由于可變變形透鏡系統(tǒng)24的會聚性，該光束形成短于光束聚焦透鏡30標稱焦距的焦點60。圖6中的光束蹤跡類似于圖4中的y分量視圖。
與此對比，在圖7中，來自BET 14的擴展和準直光束在沿這個主子午線不受可變變形透鏡系統(tǒng)24的影響。在可變變形透鏡系統(tǒng)24之后，可以保持沿這個主子午線的光束準直。在傳輸通過光束聚焦透鏡30之后，準直光束會聚的焦點形成在光束聚焦透鏡30的標稱焦距62上。圖7中的光束蹤跡類似于圖5中的x分量視圖。在圖7中，BET14增大多元光束聚焦透鏡30聚焦的入射光束直徑，從而得到最小的光束腰直徑并產(chǎn)生高分辨率聚焦光斑。因此，目標基片32(例如，半導體晶片)沿一個主子午線接收寬廣和散焦的像散光束而沿另一個主子午線接收狹窄和清晰的聚焦光束。
如圖3所示，這兩個分開焦點62，63的組合產(chǎn)生這樣一個像散光斑，一側(cè)是散焦和壓縮的邊緣，另一側(cè)是清晰聚焦和短的邊緣。
利用像散聚焦光斑的劃線應(yīng)用為了在基片上劃線，像散聚焦光斑被引導到基片并施加一組參數(shù)(例如，波長，能量密度，脈沖重復速率，光束尺寸)，它與被劃線的材料有關(guān)。按照一種方法，像散聚焦光斑可用于劃線半導體晶片，例如，在晶片分割或切成小片的應(yīng)用中。在這種方法中，半導體晶片在聚焦激光束下至少可以沿一個切割方向移動或平移，用于產(chǎn)生一個或多個激光劃線切割。為了把半導體晶片切割成小片，通過沿x方向移動晶片，然后在旋轉(zhuǎn)晶片90度之后沿y方向移動晶片，可以形成多個劃線切割。在沿x和y方向劃線時，像散光斑通常對偏振因子并不靈敏，因為晶片的旋轉(zhuǎn)可以提供沿x和y方向的切割。在劃線切割之后，利用專業(yè)人員熟知的技術(shù)，可以沿劃線切割方向把半導體晶片分割成小片。
像散光斑在劃線應(yīng)用中的優(yōu)點是具有較快的劃線速度。劃線速度可以用S＝(lb*rp)/nd表示，其中S是劃線速度(mm/sec)，lb是聚焦劃線光束的長度(mm)，rp是脈沖重復速率(脈沖/秒)，和nd是實現(xiàn)最佳劃線切割深度所需的脈沖數(shù)目。脈沖重復速率rp取決于使用的激光器類型。每秒幾個脈沖至每秒105個以上脈沖的固態(tài)激光器是商品化激光器。脈沖數(shù)目nd是材料處理參數(shù)，它是由目標晶片的材料性質(zhì)和所需切割深度確定。給定脈沖重復速率rp和脈沖數(shù)目nd，則光束長度lb是用于確定切割速度的控制因子。按照上述方法形成的聚焦像散光斑增大光束長度lb，從而得到較高的劃線速度。
優(yōu)選的BDS 14還可以提供調(diào)整處理參數(shù)以實現(xiàn)最佳條件的較大靈活性。例如，在激光材料處理時，基于目標材料的性質(zhì)，應(yīng)當調(diào)整處理參數(shù)以獲得最佳條件。過大的激光能量密度可以導致目標物的有害熱損傷，而不足的激光能量密度可以造成不合適的燒蝕或其他不需要的結(jié)果。圖8和9說明本發(fā)明調(diào)整BDS處理參數(shù)的靈活性。
在圖8中，可變變形透鏡系統(tǒng)24中的透鏡26，28放置成互相接近，它導致準直入射光束的低會聚度。這個低會聚度形成的焦點60相對地遠離光束聚焦透鏡30。因此，光斑58的長度是相對地較短。
與此對比，在圖9中，可變變形透鏡系統(tǒng)24中的透鏡26，28是放置成互相遠離，它導致準直入射光束的高會聚度。這種增大的會聚度可以引入像散并使形成的焦點60相對地接近光束聚焦透鏡30。因此，光斑58的長度是相對地較長。
在一個劃線例子中，像散聚焦光斑可以給藍光LED所用的藍寶石基片劃線。最佳處理藍光LED的藍寶石基片通常需要約10J/cm2的能量密度。由于藍光LED晶片通常設(shè)計成分隔各個小片的間隙約為50μm，激光劃線的最佳激光束尺寸最好是約小于20μm。在使用輸出50kHz脈沖重復速率和目標物上為3W的當今商品化激光器時，聚焦成直徑15μm的常規(guī)激光束可以產(chǎn)生34J/cm2的激光能量密度。在普通的光斑聚焦系統(tǒng)中，通過減小最佳處理的激光器功率輸出以避免過大的功率，可以調(diào)整目標物上的能量密度。因此，我們不能充分利用激光器功率輸出而達到劃線速度或生產(chǎn)率的最大化。
與此對比，優(yōu)選實施例的BDS 10可以調(diào)整壓縮光斑的尺寸，在不減小激光器輸出功率的條件下可以保持10J/cm2的最佳激光能量密度。可以調(diào)整像散光束的尺寸，使它沿像散軸約為150μm而沿聚焦軸約為5μm。由于像散軸是與劃線平移方向成一直線，如上所述，光束長度的增大可以按比例增大劃線速度。在這個例子中，像散光斑可以提供的處理速度約比常規(guī)光束聚焦的處理速度快10倍。
在另一個劃線例子中，通過耦合藍寶石基片上一個或多個GaN層(例如，藍寶石基片上約4～7μm)而不是與藍寶石的直接耦合，像散聚焦光斑可用于劃線藍寶石基片。GaN的較低帶隙能夠更有效地耦合入射的激光束，它僅需要約5J/cm2的激光能量密度。一旦激光束與GaN進行耦合，則通過藍寶石基片的燒蝕比與藍寶石的直接耦合容易得多。所以，可以調(diào)整像散光束的尺寸，使它它沿像散軸約為300μm而沿聚焦軸約為5μm。因此，處理速度可以比常規(guī)的遠場成像或光斑聚焦技術(shù)快20倍。
沿聚焦軸的最小化光斑尺寸還可以大大減小刻痕寬度，從而減小晶片有用面積的消耗。此外，通過減小總的去除材料體積，狹窄的劃線切割可以減小附屬材料的損傷和燒蝕產(chǎn)生的碎片。圖10表示藍寶石基LED晶片的例子，它利用50kHz約1.8W目標功率的266nmDPSS激光器，從BDS 10中的像散聚焦光斑進行劃線。我們調(diào)整像散光束的尺寸，使它沿像散軸約為180μm而沿聚焦軸約為5μm。圖10表示切割寬度約為5μm的頂視圖?；?0μm深的劃線，BDS 10能夠達到的劃線速度大于50mm/sec。如圖11所示，激光切割形成尖銳的V形槽，它便于很好地控制劃線之后的斷裂?？烧{(diào)整BDS 10中的可變像散聚焦光斑利用激光器輸出的最大功率，從而直接增大處理速度。因此，前側(cè)劃線可用于減小通道寬度和增大斷裂產(chǎn)量，從而增加每個晶片可用的小片。
像散聚焦光斑還可有利地用于給其他類型半導體晶片劃線?；谀繕瞬牧系奈招再|(zhì)，例如，帶隙能量和表面粗糙度，像散聚焦光斑可以容易地調(diào)整它的激光能量密度達到最佳值。圖12表示利用BDS 10中的像散聚焦光斑劃線硅晶片的例子，其中利用50kHz約1.8W目標功率的266nm DPSS激光器。我們調(diào)整像散光束的尺寸，使它沿像散軸約為170μm而沿聚焦軸約為5μm。這導致約40mm/sec速度下的75μm劃線深度。
圖13表示利用相同激光器和目標功率的GaP晶片比較結(jié)果。我們調(diào)整像散光束的尺寸，使它沿像散軸約為300μm而沿聚焦軸約為5μm。這導致約100mm/sec速度下的65μm劃線深度。在諸如GaAs和Ge的其他復合物半導體中可以得到類似的結(jié)果?？梢詣澗€的其他基片包括，但不限于，InP，氧化鋁，玻璃和聚合物。
像散聚焦光斑還可有利地用于劃線或機械加工金屬膜。由于高的熱導率，利用常規(guī)技術(shù)的金屬膜激光切割展示沿激光切割蹤跡線存在寬廣的熱影響區(qū)。利用像散聚焦光斑，沿聚焦軸的5μm光束寬度可以大大減小激光切痕寬度，從而大大減小熱影響區(qū)，附屬材料的損傷和燒蝕產(chǎn)生的碎片。作為一個例子，圖14表示形成在鉬上的狹窄和高分辨切割線。我們調(diào)整像散光束的尺寸，使它沿像散軸約為200μm而沿聚焦軸約為5μm。利用25kHz約2.8W目標功率的266nmDPSS激光器，這導致在約20mm/sec的速度下50μm的劃線深度。還可以切割其他類型的金屬。
雖然這些例子說明基片中的劃線，但是像散聚焦光斑還可用于刻劃其他的形狀或完成其他類型機械加工和切割。在劃線LED晶片操作中還可以考慮不同于以上例子中給出的操作參數(shù)。例如，355nm DPSS激光器也可用于LED劃線操作，雖然266nm DPSS激光器是優(yōu)選的，它可以減小產(chǎn)生LED較低光輸出的熱損傷。
按照另一個劃線方法，利用水溶性保護涂層，它可以在基片上提供表面保護。優(yōu)選的保護涂層成分至少包含水溶性液態(tài)甘油中的一種表面活化劑，它可以是滿足這個成分要求的任何類型通用液體清潔劑。液態(tài)甘油中的表面活化劑由于它的潤濕性形成薄的保護層。在薄膜層干燥之后，甘油有效地經(jīng)受來自激光誘發(fā)等離子體的熱量，而同時防止激光產(chǎn)生的碎片粘附到表面上。利用加壓水的清洗，可以容易地清除液體清潔劑薄膜。圖14表示沒有表面保護的LED晶片上激光劃線，它有大量的碎片沿激光切割方向堆積。與此對比，圖15表示利用液體清潔劑在有保護涂層LED上的激光劃線，它可以防止LED表面上的激光誘發(fā)碎片。
所以，本發(fā)明的優(yōu)選實施例優(yōu)于利用圖形化激光投影的常規(guī)系統(tǒng)和利用遠場成像的常規(guī)系統(tǒng)。與簡單的遠場成像不同，本發(fā)明可以具有更大的靈活性，它利用變形BDS產(chǎn)生像散聚焦光斑以改型激光束。與常規(guī)的圖形化激光投影不同，變形BDS基本上傳遞激光諧振腔中的整個光束到目標物上，從而保持非常高的光束利用率。像散聚焦光斑的形成還可以使激光束在最佳強度和光束腰直徑兩個方面具有優(yōu)良的特征。具體地說，該優(yōu)選實施例的可變變形透鏡系統(tǒng)能夠調(diào)整同一平面上壓縮的激光束，它形成用于瞬間調(diào)整最佳激光強度的可變聚焦光斑。通過合適地改型光斑并使原始光束的利用率最大化，像散聚焦光斑的形成在分割各種半導體晶片方面有多個優(yōu)點，其中包括快的劃線速度，狹窄的刻痕寬度，減少的激光碎片，和減小的附加損傷。
雖然我們在此處描述本發(fā)明的原理，但是專業(yè)人員應(yīng)當明白，這種描述僅僅是借助于舉例，而不是對本發(fā)明范圍的限制。除了此處展示和描述的典型實施例以外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以設(shè)想其他的實施例。普通專業(yè)人員所作的改動和替換應(yīng)當是在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的范圍僅受以下權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于形成可變像散聚焦光斑以切割基片的方法，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生原始激光束；擴展所述原始激光束；改型所述擴展光束，使所述改型光束沿一個主子午線準直而沿另一個主子午線會聚；聚焦有兩個分開焦點的所述改型光束，用于產(chǎn)生有伸長形狀的像散聚焦光斑；和引導所述像散聚焦光斑到所述基片上，至少可以在所述基片中實現(xiàn)局部切割。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中利用固態(tài)激光器產(chǎn)生所述原始光束。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中產(chǎn)生的所述原始光束是在約小于400nm的UV范圍內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中產(chǎn)生的所述原始光束脈沖寬度約小于40ns。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中擴展所述原始光束的步驟包括傳輸所述原始光束通過擴束望遠鏡。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其中改型所述擴展光束的步驟包括傳輸所述擴展光束通過包含柱狀平凹透鏡和柱狀平凸透鏡的變形透鏡系統(tǒng)。
7.按照權(quán)利要求1的方法，還包括步驟改變所述改型光束的會聚度。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其中改型所述擴展光束的步驟包括傳輸所述擴展光束通過單個變形透鏡以提供固定的會聚度。
9.按照權(quán)利要求1的方法，還包括步驟對稱地切去所述擴展光束的低強度邊緣。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其中聚焦所述改型光束的步驟包括傳輸所述改型光束通過光束聚焦透鏡，其中所述聚焦光束有兩個分開的焦點，其中一個所述焦點短于所述光束聚焦透鏡的標稱焦距，而另一個所述焦點大致形成在所述光束聚焦透鏡的所述標稱焦距上。
11.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述基片包含藍寶石。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其中所述基片包含所述藍寶石上的GaN層，且其中所述像散聚焦光斑被引導到所述GaN層的表面，使激光能量耦合進入所述GaN層造成所述藍寶石的燒蝕。
13.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述基片是包含所述基片上器件層的部分半導體晶片。
14.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述基片是由選自以下的材料制成金屬，GaAs，硅，GaP，InP，Ge，氧化鋁，玻璃和聚合物。
15.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述基片包含由選自鉬和銅金屬制成的金屬膜。
16.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述像散聚焦光斑的寬度約小于20μm。
17.按照權(quán)利要求16的方法，其中所述像散聚焦光斑的寬度約為5μm。
18.按照權(quán)利要求1的方法，還包括步驟沿所述像散聚焦光斑長度的切割方向移動所述基片。
19.按照權(quán)利要求1的方法，其中改型所述擴展光束的步驟包括產(chǎn)生多個分開的像散子光束。
20.按照權(quán)利要求19的方法，其中改型所述擴展光束的步驟包括至少控制所述子光束長度和所述子光束之間距離中二者之一。
21.按照權(quán)利要求1的方法，還包括步驟在引導所述像散聚焦光斑到所述基片之前，加水溶性保護涂層到所述基片，所述保護涂層至少包含水溶性液態(tài)甘油中的一種表面活性劑。
22.一種利用激光劃線半導體晶片的方法，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生激光束；通過改型所述激光束，至少形成一個像散聚焦光斑，使所述改型光束有兩個分開的焦點和所述像散聚焦光斑有伸長的形狀；和引導所述像散聚焦光斑到所述半導體晶片的表面，其中在所述半導體晶片中至少得到局部切割之前，給所述像散聚焦光斑施加一組參數(shù)。
23.按照權(quán)利要求22的方法，還包括沿所述像散聚焦光斑長度的切割方向移動所述半導體晶片，從而在所述半導體晶片上的x方向至少形成一次切割；旋轉(zhuǎn)所述半導體晶片約90度；和沿所述像散聚焦光斑長度的切割方向移動所述半導體晶片，從而在所述半導體晶片上的y方向至少形成一次切割。
24.按照權(quán)利要求22的方法，其中形成所述像散聚焦光斑的步驟利用變形透鏡系統(tǒng)接收擴展的準直光束并產(chǎn)生沿一個主子午線準直而沿另一個主子午線會聚的改型光束。
25.按照權(quán)利要求22的方法，其中形成所述像散聚焦光斑的步驟利用光束聚焦透鏡聚焦所述光斑，使一個所述焦點短于所述光束聚焦透鏡的標稱焦距，而另一個所述焦點大致形成在所述光束聚焦透鏡的所述標稱焦距上。
26.按照權(quán)利要求22的方法，還包括步驟改變所述像散聚焦光斑。
27.按照權(quán)利要求24的方法，其中所述變形透鏡系統(tǒng)包含柱狀平凹透鏡和柱狀平凸透鏡。
28.按照權(quán)利要求27的方法，還包括步驟通過改變所述柱狀平凹透鏡與所述柱狀平凸透鏡之間的間隔，改變所述像散聚焦光斑。
29.按照權(quán)利要求22的方法，其中形成所述像散聚焦光斑的步驟包括以下步驟產(chǎn)生原始激光束；擴展所述原始激光束；改型所述擴展光束，使所述改型光束沿一個主子午線準直而沿另一個主子午線會聚；和聚焦所述改型光束以產(chǎn)生所述像散聚焦光斑。
30.按照權(quán)利要求22的方法，其中至少形成一個像散聚焦光斑的步驟包括形成小段分開的像散子光束。
31.按照權(quán)利要求22的方法，還包括步驟沿所述像散聚焦光斑長度的切割方向平移所述半導體晶片，從而在所述半導體晶片中形成多次切割。
32.按照權(quán)利要求22的方法，其中所述半導體晶片包括藍寶石基片。
33.按照權(quán)利要求32的方法，其中所述半導體基片包含所述藍寶石基片上的GaN層，且其中所述像散聚焦光斑被引導到所述GaN層，使激光能量耦合進入所述GaN層造成所述藍寶石的燒蝕。
34.一種用于分開半導體晶片成小片的方法，所述方法包括以下步驟產(chǎn)生激光束；通過改型所述激光束，至少形成一個像散聚焦光斑，使所述改型光束有兩個分開的焦點且所述像散聚焦光斑有伸長的形狀；引導所述像散聚焦光斑到半導體晶片的表面，其中在所述半導體晶片中至少形成局部切割之前，給所述像散聚焦光斑施加一組參數(shù)；和利用所述至少局部切割，把所述半導體晶片分割成小片。
35.一種光束傳遞系統(tǒng)，包括擴束望遠鏡，用于從激光器接收原始激光束并產(chǎn)生擴展光束；至少一個可變的變形透鏡系統(tǒng)，它包含柱狀平凹透鏡和柱狀平凸透鏡，用于接收所述擴展光束并產(chǎn)生沿一個主子午線準直而沿另一個主子午線會聚的改型光束；和光束聚焦透鏡，用于接收所述改型光束并聚焦所述改型光束，使所述聚焦光束有兩個分開的焦點，其中一個所述焦點短于所述光束聚焦透鏡的標稱焦距而另一個所述焦點大致形成在所述光束聚焦透鏡的所述標稱焦距上。
36.按照權(quán)利要求35的光束傳遞系統(tǒng)，還包括所述擴束望遠鏡與所述可變變形透鏡系統(tǒng)之間的光束整形光闌，用于切去所述擴展光束的低強度邊緣。
37.按照權(quán)利要求35的光束傳遞系統(tǒng)，還包括所述擴束望遠鏡與所述可變變形透鏡系統(tǒng)之間至少一個雙棱鏡，用于分割所述擴展光束。
38.按照權(quán)利要求35的光束傳遞系統(tǒng)，還包括所述擴束望遠鏡與所述可變變形透鏡系統(tǒng)之間一組雙棱鏡，用于分割所述擴展光束并控制所述分割光束的間隔。
39.按照權(quán)利要求35的光束傳遞系統(tǒng)，還包括可變變形透鏡系統(tǒng)陣列，用于產(chǎn)生多個分開的像散子光束。
40.一種用于劃線有GaN層藍寶石基片的方法，所述方法包括以下步驟利用固態(tài)激光器，引導形成像散聚焦光斑的激光能量脈沖到所述藍寶石基片的上的所述GaN表面，其中所述脈沖耦合激光能量進入所述GaN層以誘發(fā)所述藍寶石基片的燒蝕；和使所述脈沖撞擊到劃線圖形中的所述藍寶石基片，從而在所述藍寶石基片中切割劃線。
全文摘要
利用有變形光束傳遞系統(tǒng)的激光器形成可變像散聚焦光斑?？勺兿裆⒕劢构獍呖捎糜谇懈畈僮鳎?，劃線諸如發(fā)光二極管(LED)晶片的半導體晶片。典型的變形光束傳遞系統(tǒng)包含一系列光學元件，這些元件故意引入像散以產(chǎn)生沿兩個主子午線分開的焦點，即，沿垂直和水平方向。像散焦點導致非對稱但清晰聚焦的光斑，它是由尖銳的前沿和后沿構(gòu)成。調(diào)整像散焦點可以改變壓縮聚焦光斑的縱橫比，在不影響激光輸出功率的條件下可以調(diào)整目標物上的能量密度。利用適當優(yōu)化的能量和功率密度劃線晶片可以提高劃線速度，而同時使過量加熱和附屬材料損傷減至最小。
文檔編號G02B13/08GK1761549SQ200480007688
公開日2006年4月19日 申請日期2004年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)明者帕特里克·J.·瑟塞爾, 杰弗里·P.·瑟塞爾, 瓊庫克·帕克 申請人:J.P.瑟塞爾聯(lián)合公司