[發明專利]用于晶圓切割設備的紫外光學傳輸系統

有效

• 申請號: 201210031247.0
• 申請日: 2012-02-13
• 公開（公告）號: CN102528277A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 黃見洪;翁文;劉華剛;葛燕;阮開明;鄧晶;鄭暉;李錦輝;史斐;戴殊韜;吳鴻春;林文雄
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: B23K26/06
• 分類號: B23K26/06;B23K26/38
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明一種用于晶圓切割設備的紫外光學傳輸系統設計，涉及一種應用于LED晶圓切割紫外激光精密加工設備的光學傳輸設計方法，屬于激光精密加工領域。

背景技術

眾所周知，傳統的LED晶圓切割采用砂輪、金剛石等方式進行機械切割，但存在切割線寬大、加工速度慢等缺點，切割線寬達到30微米以上，2英寸晶圓切割的切割速度只能達到1～2片/小時。隨著半導體產業的發展，LED晶圓大量使用藍寶石等質地堅硬的基材，同時LED晶圓上晶粒尺寸越來越小，傳統的機械切割方法越來越不能滿足產業發展的需要。近幾年來，LED晶圓紫外激光切割迅速發展，與傳統的機械加工的方法相比，紫外激光切割是屬于非接觸式加工技術，具有加工速度快、切割線寬小、對晶粒影響小等優點。紫外激光波長短，光束質量好，激光可聚焦能力強，對晶圓的切割線寬可小于10微米。目前，紫外激光對2英寸晶圓的加工速度可以達到8片/小時以上。

激光加工應用于LED晶圓切割是近幾年發展起來的新型加工工藝，該技術在國外應用較早，相關生產設備的主要廠家有：美國的New?Wave、JDSU、Laser?Solution和日本的Disco；而目前，在國內如蘇州德龍和深圳大族等激光公司也開始生產相關設備。

目前，在LED晶圓紫外激光切割領域，主要的紫外激光源多為納秒級脈寬的高重頻激光。紫外激光器在應用于LED晶圓切割時，要求切割線的寬度小于10微米并且深度大于30微米。激光器的光束質量越好，通過同一聚焦鏡后在焦點處獲得的切割線寬度越小。理想的激光器的光束質量為M²＝1.0，但這樣的光束質量在目前很難達到，即使能達到花費的成本也很高。目前，對于商用成熟的紫外激光器大部分光束質量介于1.2～2.5之間。為了達到滿意的切割效果，傳統的技術方案為：激光器輸出光束經過擴束后，通過硬邊光闌(即小孔)截取中間小部分激光，通過聚焦鏡聚焦于LED晶圓上進行切割。由于光路中使用了硬邊光闌，激光在通過小孔后，會在光斑內上產生光調制，并在沿小孔徑向在光斑外遠離中心的方向產生很強的衍射，如圖3。這種衍射光在切割時，則會在切割線的兩邊產生燒灼，而這種燒灼則是LED芯片光衰和壽命降低的罪魁禍首。

另外，目前LED紫外切割設備中使用的紫外激光器工作條件比較固定，一般只能在相對小電流的范圍調節激光輸出功率，但是在激光器工作電流改變時，不僅激光輸出功率改變，激光脈沖寬度也同時改變，因此在進行晶圓工藝摸索時，則很難確定切割效果的改變是由于激光功率的變化還是由于脈沖寬度的變化，或者是兩者共同變化產生的效果。因此這種方式增加了工藝摸索的難度。

為了解決目前存在的問題，提高LED切割設備的加工性能，滿足半導體行業發展的要求，需要設計一種新的紫外激光傳輸系統。

發明內容

本發明的目的在于提出一個新的紫外激光傳輸設計方案，減少紫外激光器衍射光束對LED芯片的輻射強度，提高LED芯片的壽命，并實現對激光器功率的方便調節和實時監控，對于整體提高晶圓切割設備的加工性能，具有重要的實際意義。

為了控制并盡量減少紫外激光光束通過硬邊光闌后在光斑內外產生的衍射，我們采用在傳輸光路上插入鋸齒光闌的辦法來解決。眾所周知，對于象硬邊光闌這樣的光學元件，衍射光主要在垂至于光闌邊緣(即圓的軸向)的方向發生并向邊緣內部和外部傳播，如圖1，并且激光越強，衍射光也越強。而對于鋸齒光闌來說，衍射光主要沿鋸齒邊緣向兩邊傳播如圖2，衍射光傳播方向接近于光闌的切向方向，因此軸向上的衍射光大大減少并被抑制。圖3和圖4，分別是硬邊光闌和鋸齒光闌在傳播相同距離后產生的強度分布。可以看出采用鋸齒光闌后，光斑內的調制大大降低，光斑邊緣更加陡峭，光斑外部衍射光大大降低。這種光束用于LED晶圓切割時，切割線邊緣更加整齊，大幅度減少切割線的燒灼區以及衍射光對LED芯片的照射，大大提高了芯片的壽命。

另外，為了能簡便地調節激光器輸出功率，我們在光路設計上采用了λ/2波片和偏振器的方案。LED晶圓切割設備上用的紫外激光器輸出的紫外激光一般是線偏振激光，線偏振激光可以通過λ/2波片旋轉激光的偏振方向并通過偏振器進行檢偏，切割設備就能在不改變激光脈沖寬度的前提下改變激光器輸出的功率，而且激光功率調節范圍可以接近0％～100％。我們在光路上還插入一個45度分光鏡，大部分激光透過分光鏡，而一小部分光按比例經過分光鏡反射，反射到功率計上進行實時監控。