[發(fā)明專利]控制在激光束定位系統(tǒng)上的動(dòng)力和熱負(fù)載以實(shí)現(xiàn)工件特征的高生產(chǎn)率的激光處理

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980149356.9
• 申請(qǐng)日: 2009-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN102245341A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬克·A·昂瑞斯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司
• 主分類號(hào): B23K26/04
• 分類號(hào): B23K26/04;H01L31/042
• 代理公司: 北京銀龍知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11243
• 代理人: 許靜;安利霞

版權(quán)聲明

2009電子科學(xué)工業(yè)有限公司。本專利文獻(xiàn)的揭示內(nèi)容的一部分含有受版權(quán)保護(hù)的材料。版權(quán)所有人不反對(duì)任何人影印復(fù)制專利商標(biāo)局專利文件或記錄中出現(xiàn)的本專利文獻(xiàn)或?qū)＠沂緝?nèi)容，但另外在任何情況下均保留所有版權(quán)。37?CFR§1.71(d)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光處理工件特征，且特定來說涉及執(zhí)行密集間隔的工件特征的高生產(chǎn)率的激光處理，同時(shí)使由于激光束定位和光學(xué)系統(tǒng)組件上的動(dòng)力和熱負(fù)載而導(dǎo)致的準(zhǔn)確性和工件特征質(zhì)量降級(jí)最小化。

背景技術(shù)

某些激光處理應(yīng)用要求工件上規(guī)則間隔圖案的目標(biāo)位置的極高生產(chǎn)率的處理。舉例來說，某些太陽能電池處理應(yīng)用要求以規(guī)則間隔的柵格圖案穿過硅晶片鉆鑿?fù)住＿@些應(yīng)用的消費(fèi)者要求非常高的處理生產(chǎn)率，大約每秒幾千個(gè)通孔。

這些應(yīng)用中通孔的間隔相當(dāng)密集，大約0.5mm-1mm。總處理面積較大，通常為150mm?x?150mm平方晶片。激光處理系統(tǒng)因此必須覆蓋此整個(gè)面積，同時(shí)非常快地鉆鑿緊密間距的通孔。此類系統(tǒng)中要求的準(zhǔn)確性大約為10μm-20μm。每一通孔的鉆鑿時(shí)間很大程度上取決于激光特性(波長(zhǎng)、脈沖頻率、脈沖功率和脈沖寬度)、通孔直徑和襯底材料以及厚度。然而，鉆鑿時(shí)間通常約為0.1msec-0.5msec。通孔直徑通常約為20μm-50μm。

典型的常規(guī)方法依賴于激光處理射束的基于電流計(jì)的定位，其單獨(dú)(具有非常大的電流計(jì)場(chǎng))或與可移動(dòng)臺(tái)(具有相對(duì)小的電流計(jì)場(chǎng))組合而進(jìn)行。這些方法中的每一個(gè)都具有某些局限性。

實(shí)施基于電流計(jì)的處理激光束定位的第一系統(tǒng)架構(gòu)使用單獨(dú)一個(gè)大電流計(jì)場(chǎng)來覆蓋整個(gè)工件。此實(shí)施方案需要非常大的掃描透鏡或透鏡后掃描系統(tǒng)。在任一情況下，電流計(jì)通常在整個(gè)工件上以恒定速度移動(dòng)處理射束，且控制器在每一通孔位置處發(fā)射激光脈沖而不停止電流計(jì)。要完全鉆鑿每一通孔需要進(jìn)行若干遍處理。這是可能的，因?yàn)槊恳煌仔枰拿}沖數(shù)目相對(duì)較小，而且目標(biāo)通孔位置具有規(guī)則間隔圖案。此方法避免了頻繁的電流計(jì)加速和減速的定時(shí)額外開銷以及熱效應(yīng)，因?yàn)殡娏饔?jì)周轉(zhuǎn)僅在工件的邊緣處發(fā)生。

如果使用非常大的掃描透鏡來覆蓋整個(gè)工件場(chǎng)，那么大透鏡經(jīng)受由于光學(xué)元件發(fā)熱而導(dǎo)致的準(zhǔn)確性降級(jí)，光學(xué)元件發(fā)熱是由于以高功率激光束工作而引起。還需要大射束直徑以獲得所需要的工件表面光點(diǎn)大小。此大射束直徑需要大電流計(jì)，這又遭受由于具有大(高慣性)電流計(jì)的移動(dòng)的大(高慣性)鏡面的較低熱效率而導(dǎo)致的準(zhǔn)確性效應(yīng)。

如果使用透鏡后掃描系統(tǒng)來覆蓋整個(gè)工件場(chǎng)，那么透鏡熱準(zhǔn)確性效應(yīng)減小。然而，處理系統(tǒng)遭受非遠(yuǎn)心射束遞送的影響，這使所鉆鑿?fù)椎馁|(zhì)量降級(jí)。此外，使此類遠(yuǎn)心誤差最小化要求焦距保持較大，從而再次要求大射束直徑以獲得所要的工件表面光點(diǎn)大小。這導(dǎo)致類似于上文描述的問題的熱準(zhǔn)確性問題，因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)中需要大電流計(jì)。如果遠(yuǎn)心誤差并不顯著，那么可使用較短FL透鏡且通過使用動(dòng)態(tài)聚焦元件而避免非平坦聚焦場(chǎng)問題。此方法的缺點(diǎn)是因聚焦元件產(chǎn)生的成本、復(fù)雜性、不準(zhǔn)確性；針對(duì)非常高的速度的應(yīng)用的聚焦元件的成本；以及殘余遠(yuǎn)心誤差。

第二系統(tǒng)架構(gòu)為復(fù)合定位系統(tǒng)，其中結(jié)合在工件上移動(dòng)電流計(jì)頭的結(jié)構(gòu)機(jī)制而實(shí)施小電流計(jì)場(chǎng)(通常約20平方毫米)(經(jīng)由X-Y工件臺(tái)，或通過橫軸可移動(dòng)光學(xué)元件配置)。如在第一系統(tǒng)架構(gòu)中，電流計(jì)可以恒定速度在通孔上掃描，從而在每一通孔處對(duì)處理激光束進(jìn)行脈沖控制，以避免在每一通孔位置處停止的額外開銷。當(dāng)電流計(jì)在其場(chǎng)上快速掃描時(shí)，電流計(jì)必須花費(fèi)大量時(shí)間在掃描場(chǎng)邊緣處加速和減速，因?yàn)槠浔裙ぜ『芏唷４藭r(shí)間花費(fèi)導(dǎo)致生產(chǎn)率顯著降低，且如果使用高加速度來減少周轉(zhuǎn)時(shí)間，那么電流計(jì)的發(fā)熱使準(zhǔn)確性降級(jí)且對(duì)可實(shí)現(xiàn)的加速度施加上限。然而，第二系統(tǒng)架構(gòu)確實(shí)具有較高準(zhǔn)確性(由于較小掃描透鏡的減少的透鏡失真)、改進(jìn)的通孔質(zhì)量(由于較小的較低失真掃描透鏡，和遠(yuǎn)心掃描場(chǎng))，以及潛在高的射束定位速度(由于小電流計(jì)和鏡面)的優(yōu)點(diǎn)。但此方法可能由于上文描述的生產(chǎn)率局限性而不可行，這取決于處理每一通孔所需的激光脈沖的數(shù)目。

需要一種激光處理系統(tǒng)，其可在以規(guī)則間隔圖案布置的目標(biāo)位置間以可接受的射束質(zhì)量和精確度在滿足高生產(chǎn)率要求的速度下快速定位處理激光束。

發(fā)明內(nèi)容