雷射可調節深度標記系統和方法

2023-09-21 02:15:05

專利名稱：：雷射可調節深度標記系統和方法
技術領域：
：本系統和方法涉及一種雷射標記機，具體涉及一種在半導體工業中用於晶片加工的雷射標記機。
背景技術：
：目前，雷射標記技術廣泛地應用在很多不同的行業和領域中。用於標記的雷射器包括摻釹釔鋁石榴石(Nd:丫^15012)(也稱為Nd:YAG雷射器)或二氧化碳雷射器。由於準分子雷射器受工作環境影響並且其成本高昂，所以高能準分子雷射器不用於標記。在雷射標記中，高能量密度雷射束照射部分加工的材料表面(例如半導體晶片表面)，在所述表面產生熱激發從而在表面或者表面附近導致熔化、燒灼或蒸發，這樣致使在材料表面留下永久的標記作為用於特殊材料表面的識別標記。廣泛用於半導體工業的Nd:YAG和二氧化碳雷射器有一些限制和缺點。由於受熱表面的局部熔化，這些類型的雷射器導致熱損傷和熱擴散，從而使標記模糊，並且導致大量飛濺。採用光學顯微鏡在高放大倍率下能夠清晰的看到飛濺的效果。此外，新的半導體技術提出新的需求，這些新的需求是採用Nd:YAG和二氧化碳雷射器無法滿足的。這些新的需求要求雷射標記的深度d〈ljum,直徑①s30Mm,並且沒有飛濺。現在，只有準分子雷射器能夠滿足這樣的要求。此外，在很多軟半導體材料上(如砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP))產生深度(Kl)jm、沒有飛濺的淺標記(lightmark)非常困難。另外，由於不同的加工工藝和需求，硬標記(hardmark)(深度在5-100Hm之間)和/或軟標記(softmark)(深度在3-5um之間)都需要。然而，目前可用的雷射標記機不能同時產生滿足要求的硬標記和軟標記。這樣，又導致了設備的工作範圍受限、費用高和效率低。因此，希望提供一種克服上述典型系統的限制的雷射可調節深度的標記系統和方法，本發明就是針對此目的提出的。
發明內容4根據本發明的第一方面，提供一種雷射標記設備，包括用於產生雷射的雷射發生單元；用於為所述雷射發生單元供電的雷射電源；用於產生擴展的雷射的擴束器；用於調整擴展的雷射的能量密度的可調節的偏振設備；以及用於接收調整了能量密度的擴展的雷射並將其指向一片材料表面的振鏡掃描元件，其中調整了能量密度的擴展的雷射能夠在所述該片材料表面產生具有低飛濺的標記。根據本發明的第二方面，其中可調節的偏振設備進一步包括用於調整擴展的雷射的能量密度的轉換齒輪設備。根據本發明的第三方面，其中可調節的偏振設備進一步包括光闌設備和偏振鏡角設備，通過調整光闌、孔徑和擴展的雷射的偏振鏡角來調整擴展的雷射的能量密度。根據本發明的第四方面，其中所述該片材料是半導體晶片並且其中標記的深度小於1微米且具有最少的飛濺。根據本發明的第五方面，其中該片材料是半導體晶片並且其中標記的深度在1微米和IOO微米之間並且是淺標記、軟標記或硬標記。根據本發明的第六方面，其中雷射發生單元進一步包括摻釹釔鋁石榴石雷射器。根據本發明的第七方面，其中可調節的偏振設備在0度和90度之間調整擴展的雷射的偏振角。根據本發明的第八方面，其中可調節的偏振設備在60度和70度之間調整擴展的雷射的偏振角。根據本發明的第九方面，還提供一種採用雷射標記設備在一片材料上進行雷射標記的方法，其中雷射標記設備包括雷射電源，雷射傳輸系統，振鏡掃描系統和電腦控制系統，所述方法包括採用可調節的偏振設備調節雷射能量密度；將調整了能量密度的雷射指向一片材料；以及利用調整了能量密度的雷射在所述該片材料的表面上產生標記，其中標記的深度可調節並且具有最少的飛濺。根據本發明的第十方面，其中在所述該片材料上產生標記進一步包括在半導體基片表面上產生標記。5根據本發明的第十一方面，其中，調整雷射的能量密度進一步包括在0度到90度之間調整可調節的偏振設備的偏振角。根據本發明的第十二方面，其中，調整偏振角進一步包括在60度到70度之間調整雷射的偏振角。圖1示出了雷射標記系統的一個實現方式的例子；圖2示出了雷射標記系統的光路；圖3示出了雷射標記系統的可調節的偏振設^g、的細節；圖4示出了採用不同偏振鏡角形成的雷射標記；圖5示出了採用圖1所示的系統產生的淺標記；圖6示出了軟標記的一個例子；以及圖7示出了硬標記的一個例子。具體實施例方式本系統和方法尤其可應用於在半導體工業中用於晶片加工的Nd:YAG雷射標記機，在此上下文中，將對該系統和方法進4亍描述。然而，可以理解，由於本系統和方法能夠採用其它類型的雷射器實現或在各種其它行業中實現，因此具有更大的實用性。在採用Nd:YAG雷射器的一個實施例中實現的本系統和方法提供可調節的雷射標記深度，其可以在半導體工業中用於晶片加工。本系統提供標記深度的智能控制和在深/硬標記和淺/軟標記之間擴展的工作範圍。例如，系統能夠在半導體晶片(如砷化鎵(GaAs),磷化銦(InP)，矽(Si)和/或鍺(Ge))上產生深度小於1iam、直徑①-30jam以及沒有飛濺的淺標記，也可以加工超過lOOjam的完美的軟標記和/或硬標記，所述淺標記的效杲與由較昂貴的準分子雷射器產生的標記接近。圖1示出了雷射標記系統10的實現方式的例子，其採用雷射發生器20,在本實現方式中例如為Nd:YAG雷射器，圖2示出了雷射標記系統10中的光路。如圖l所示，系統10可以包括雷射器20，振鏡掃描系統21,雷射傳輸系統22，雷射電源23，冷卻系統24和電腦控制系統25。該系統與目前工業應用中的商業雷射標記系統一致。如圖2所示，系統的光路可以包括雷射發生器20,用於擴展光束的雷射擴束器32,用於調節雷射偏振的可調節的偏振設備33和用於將雷射指向一片材料35(例如基片)的振鏡34,從而對該片材料進行標記。如圖3所示，可調節的偏振設備33可以進一步包括孔徑設備36和偏振鏡角設備37。雷射穿過雷射擴束器32併到達孔徑設備36和偏振鏡角設備37。可以調整孔徑和偏振角，可以過濾散射光並且可以調整雷射偏振的角度以便更精確地控制用於標記該片材料的雷射能量密度。控制是通過如公式1所示的著名的馬呂斯定律(MalusLaw)實現的，其中6為偏振角。從該公式中可以清楚地發現，當6=0°時不會改變初始的雷射的強度I。"ginal，而對於6=90°輸出的雷射的強度將會完全被阻擋。在合適的e值處，雷射能量剛好足以熔化所述該片材料35(例如半導體基片)的表面，且不產生飛濺。因此，如圖1-3所示的雷射標記系統，採用的雷射器不是昂貴的準分子雷射器，產生深度d〈ljum,直徑①-30]um,沒有飛濺的淺標記。系統可以包括通過齒輪機構38用於物理上改變偏振鏡的偏振角的設備。更詳細地，每一個雷射標記點的直徑、深度和飛賊取決於雷射能量和雷射能量密度的控制。光闌(diaphragm)控制到達振鏡34和該片材料35上的雷射的光量，而偏振鏡角設備37控制雷射的偏振。如果光的偏振方向和偏振光模塊的夾角按照下述公式改變1=(I一")xCos26.................................(1)光學系統就能夠產生用於指向該片材料表面的在I。Hg^和0之問的適當的雷射的能量。下表和圖4示出了在雷射標記的範圍內改變偏振鏡角的效果以及相應的飛賊。表ltableseeoriginaldocumentpage7圖4示出了採用不同偏振鏡角(0度、45度、60度、70度)形成的雷射標記。通過控制到達表面的雷射的雷射能量密度，可以獲得深度d〈1(am,直徑①-30jum，高清晰並且無飛濺的標記。該雷射標記系統擴展雷射標記機的工作範圍並且提供對標記深度的精確控制，用於高標準、深度d〈l)am、直徑①330]um、無飛濺的標記和普通l欠或石更標記(深度《3-100jum)加工需求。上述的雷射標記系統和方法可以用於形成雷射標記(圖5示出了深度d〈lpm,直徑①-30iJm,無飛濺和燒灼、底部平坦、輪廓清晰的雷射標記)，軟標記(圖6示出了深度d等於3-5]um,直徑①-40jum帶有輕微飛賊和燒灼，輪廓稍不清晰的軟標記)或硬標記(圖7示出了深度d〉5um,直徑①《40pm帶有飛濺和燒灼，輪廓模糊的硬標記)。雖然前述參照本發明的一個具體實施例進行描述，本領域的普通技術人員應該理解，在不偏離本發明的原理和精神的情況下可以對該實施例進行改進，因此本發明的範圍由所附的權利要求限定。權利要求1.一種雷射標記設備，包括用於產生雷射的雷射發生單元；用於為所述雷射發生單元供電的雷射電源；用於產生擴展的雷射的擴束器；用於調整擴展的雷射的能量密度的可調節的偏振設備；以及用於接收調整了能量密度的擴展的雷射並將其指向一片材料表面的振鏡掃描元件，其中調整了能量密度的擴展的雷射能夠在所述該片材料表面產生具有低飛濺的標記。2.如權利要求1所述的設備，其中可調節的偏振設備進一步包括用於調整擴展的雷射的能量密度的轉換齒輪設備。3.如權利要求l所述的設備，其中可調節的偏振設備進一步包括光闌設備和偏振鏡角設備，通過調整光闌、孔徑和擴展的雷射的偏振鏡角來調整擴展的雷射的能量密度。4.如權利要求1所述的設備，其中所述該片材料是半導體晶片並且其中標記的深度小於1微米且具有最少的飛賊。5.如權利要求l所述的設備，其中該片材料是半導體晶片並且其中標記的深度在1孩i米和IOO微米之間並且是淺標記、軟標記或硬標記。6.如權利要求1所述的設備，其中雷射發生單元進一步包括摻釹釔鋁石榴石雷射器。7.如權利要求1所述的設備，其中可調節的偏振設備在0度和90度之間調整擴展的雷射的偏振角。8.如權利要求7所述的設備，其中可調節的偏振設備在60度和70度之間調整擴展的雷射的偏振角。9.一種釆用雷射標記設備在一片材料上進行雷射標記的方法，其中雷射標記設備包括雷射電源，雷射傳輸系統，振鏡掃描系統和電腦控制系統，所述方法包括採用可調節的偏振設備調節雷射能量密度；將調整了能量密度的雷射指向一片材料；以及利用調整了能量密度的雷射在所述該片材料的表面上產生標記，其中標記的深度可調節並且具有最少的飛濺。10.如權利要求9所述的方法，其中在所述該片材料上產生標記進一步包括在半導體基片表面上產生標記。11.如權利要求9所述的方法，其中，調整雷射的能量密度進一步包括在0度到90度之間調整可調節的偏振設備的偏振角。12.如權利要求11所述的方法，其中，調整偏振角進一步包括在60度到70度之間調整雷射的偏振角。全文摘要本發明提供了一種用於深度可調節的雷射標記的設備和方法。在一個實施例中，該系統用在Nd-YAG雷射標記機中，用於在半導體工業中進行晶片加工，該系統具有對標記深度和在深標記和淺標記之間調整工作範圍的智能控制。文檔編號B41J2/475GK101486278SQ2008100006公開日2009年7月22日申請日期2008年1月14日優先權日2008年1月14日發明者X·趙,Y·耿申請人:Axt公司