利用多面反射鏡的雷射加工設備的製作方法
2023-07-06 04:32:46
專利名稱：利用多面反射鏡的雷射加工設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用多面反射鏡的雷射加工設備，能通過在多面反射鏡上反射的雷射束來加工物體。
背景技術：
由於使用雷射束切割矽晶片的設備優於其他機械設備，所以促進了關於它們的各種研究。切割矽晶片的最先進設備之一，是使用從高壓水噴嘴噴射的水引導雷射束的設備。
採用高壓水噴嘴的晶片切割設備，用通過高壓噴嘴噴射的水，使雷射束照射在晶片上。由於高壓，水噴嘴容易磨損，必須定期更換噴嘴。
定期地更換高壓噴嘴，導致進行晶片切割加工的不方便。還導致較低的生產率和較高的製作成本。
還有，因為常規的晶片切割設備難以提供纖細的線寬度，所以採用該設備進行高精確加工是有問題的。
同時，僅用雷射束的晶片切割加工，引起再鑄造效應，這意味著雷射束蒸發的蒸氣澱積在晶片的切割邊。再鑄造效應有礙於晶片的切割加工。
發明內容
為解決前述問題，本發明的一個目的，是提供一種用多面反射鏡的雷射加工設備，它藉助不改變任何附加裝置而避免再鑄造效應，能精確地加工諸如晶片的物體。
在本發明的實施例中，用多面反射鏡的雷射加工設備包括發射雷射束的雷射發生器；由多個反射落在其上雷射束的反射平面構成的、同時在軸上旋轉的多面反射鏡，該雷射束由雷射發生器發射；和透鏡，用於使多面反射鏡上反射的雷射束會聚，並使雷射束照射在物體上。
圖1A到1C是示意圖，按照本發明，畫出採用多面反射鏡的雷射加工設備概念上的特徵。
圖2是示意圖，按照本發明，畫出採用多面反射鏡的雷射加工設備概念上的特徵。
圖3是簡圖，按照本發明，畫出重疊的雷射束。
圖4是簡圖，按照本發明，畫出用多面反射鏡的雷射加工設備一個示例性的實施例。
圖5是簡圖，按照本發明，畫出用多面反射鏡的雷射加工設備另一個示例性的實施例。
圖6是流程圖，表明按照本發明的加工物體的過程。
圖7是示意圖，按照本發明，畫出用多面反射鏡的雷射加工設備的晶片加工配置。
具體實施例方式
圖1A到1C是示意圖，按照本發明，畫出採用多面反射鏡的雷射加工設備概念上的特徵。
如圖1A到1C所示，雷射加工設備包括多面反射鏡10和遠心f-θ透鏡20，該多面反射鏡10有多個反射平面並在軸11上旋轉，該遠心f-θ透鏡20會聚從反射平面上反射的雷射束。透鏡20的安裝平行於臺30，以便會聚從反射平面上反射的雷射束，臺30載著要切割的晶片40。因此，在透鏡20上會聚的雷射束，垂直照射在晶片上，該雷射束能按預定形狀加工(切割)晶片40(如半導體晶片)。
雖然透鏡20可以是耦合的一組透鏡，但本實施例為便於說明，用單個透鏡。
圖1A到1C畫出如下特徵從反射平面12反射的雷射束，經透鏡20會聚，照射在晶片40上，同時多面反射鏡10還沿反時針方向在軸11上旋轉。
現在參考圖1A，根據多面反射鏡10的旋轉，雷射束從反射平面12的始端部分反射，然後入射透鏡20的左端。反射的雷射束在透鏡20上會聚，並垂直地照射在晶片40的預定位置S1。
現在參考圖1B，當多面反射鏡10再向前旋轉，在反射平面12的中央部分反射雷射束時，被反射的雷射束入射透鏡20的中央位置並在透鏡20上會聚。在透鏡20上會聚的雷射束，垂直地照射在晶片40的預定位置S2。
現在參考圖1C，當多面反射鏡10進一步向前旋轉，比圖1B的情形轉過更多，在反射平面12的後端部分反射雷射束時，在後端部分反射的雷射束，入射透鏡20的右端，並在透鏡20上會聚。在透鏡20上會聚的雷射束，垂直地照射在晶片40的預定位置S3。
如前面圖1A至1C整個表明，根據多面反射鏡10的反時針方向旋轉，雷射束照射在晶片40的預定位置S1到S3上。從S1到S3的距離，被稱為掃描長度SL，它表示反射平面12順著多面反射鏡10的旋轉而照射晶片40的間距。由反射平面12的始端和後端部分形成的雷射束反射角，被稱為掃描角θ。
本文後面將更詳細說明本發明理論上的特徵。
圖2按照本發明，畫出採用多面反射鏡的雷射加工設備的示意配置。
現在參考圖2，由n個反射平面構成的多面反射鏡10，以恆定速度在軸11上旋轉，角速度為ω，周期為T。入射其上的雷射束從反射平面12反射，並通過透鏡20照射在晶片40上。
在有n個反射平面12的多面反射鏡10的情形中，當反射平面12之一正在旋轉時，雷射束的掃描角θ，可以歸納為如下方程式1。
θ＝2(α2-α1)1=+-2]]>2=+-2+2n]]>∴=4n]]>從方程式1可見，掃描角θ是多面反射鏡10反射平面12的中心角 的兩倍。因此，掃描長度SL，也就是多面反射鏡10反射平面12反射的雷射束，在晶片40上的照射範圍，由透鏡20的形態學特徵確定如下。
SL=f=4fn]]>SL掃描長度f焦距θ掃描角按照方程式2，多面反射鏡10正在旋轉時，從多面反射鏡10每一個反射平面12反射的雷射束，照射在晶片40上的長度為SL。換句話說，根據多面反射鏡的旋轉，照射在晶片40上的雷射束的掃描長度SL，可從焦距f與多面反射鏡12反射平面12反射的雷射束掃描角θ的乘積獲得。
順便指出，因為多面反射鏡10有n個反射平面12，在多面反射鏡10旋轉的每一周期中，可有n次掃描長度為SL的掃描。就是說，當多面反射鏡10旋轉一圈時，照射在晶片40上的雷射束，照在晶片40上的掃描長度SL在晶片40中重疊，重疊次數就是多面反射鏡10反射平面12的數量。單位時間間隔(如一秒)中的掃描頻率，可從下面的方程式3得到。
ω多面反射鏡的角速度T多面反射鏡的周期從方程式3，在多面反射鏡10上有n個反射平面12的條件下，通過控制多面反射鏡10的周期或角速度，可以調整掃描頻率。換句話說，通過改變多面反射鏡10的周期T或角速度ω，能夠按需要的重疊次數控制掃描長度SL。
如果多面反射鏡10的角速度ω恆定，從多面反射鏡10反射的雷射束相對於晶片40的掃描速度，可以通過沿多面反射鏡10旋轉的相反方向，傳送放置晶片40的臺30而增大。換句話說，當臺30沿多面反射鏡10旋轉的相反方向傳送時，雷射束SL對晶片40的掃描速度，比當臺30佇立不動時雷射束對晶片40的掃描速度更快。
這種掃描長度SL的重疊，如在圖3中所示，沿放置晶片40的臺30傳送方向的相反方向發展。結果是，臺30上的晶片40，沿臺30傳送方向的相反方向被雷射束掃描並切割。此時，掃描長度SL繼續在均勻的範圍中彼此重疊，在該均勻範圍中，重疊次數可以通過控制臺30的傳送速度來調整。
假定掃描長度SL沿臺30的傳送方向的移動距離是l，那麼掃描長度的重疊度N，可以表示為SL/l。
移動距離l表示，臺30以速度v運動，直到反射平面12之一完成旋轉的一段時間內移動的尺寸，該移動距離l可以總結為如下方程式4。重疊度N以方程式5表示。
l=vnT=vTn=2vn]]>[方程式5] 歸納以上的說明，具有重疊度N且晶片40以速度v切割時，對多面反射鏡10的角速度ω，可得如下方程式6。
=Nv2f]]>如方程式6所示，角速度是以透鏡20焦距f值的兩倍，除雷射束的重疊度N與切割速度v之積得到的，這裡切割速度v等於其上載有晶片40的臺30的傳送速度。
雖然本實施例使用的多面反射鏡呈8角形，有8個反射平面(即n＝8)，但在本發明的範圍內，也可以修改為其他多角形。
圖4按照本發明，畫出用多面反射鏡的雷射加工設備的示範性實施例。
現在參考圖4，按照本發明的用多面反射鏡的雷射加工設備，包括用於引導整個操作的控制器110；用於鍵入控制參數及控制命令的輸入單元120；用於開動多面反射鏡10的多面反射鏡驅動器130；用於發射雷射束的雷射發生器140；用於沿預定方向傳送載有晶片40的臺30的臺傳送單元150；用於通知外部用戶當前工作狀態的顯示單元160；和用於存儲有關數據的存儲單元170。
多面反射鏡驅動器130包括構成多面反射鏡10的多個反射平面12，多面反射鏡10有多個平面，以預定速度在軸11上旋轉。藉助受控制器110控制的電機(未畫出)，使多面反射鏡10以預定速度在軸11上勻速旋轉。
雷射發生器140用於發射加工晶片40的雷射束，晶片40作為物體放在臺30上，在本實施例中，雷射發生器140在控制器110的控制下，產生紫外射線的雷射束。
臺傳送單元150用於以預定速度，傳送其上載有作為待加工物體的晶片40的臺30。
在該雷射加工設備的結構中，從雷射發生器140發射的雷射束，在控制器110的控制下，入射多面反射鏡10。照射多面反射鏡10的雷射束，在掃描角θ的範圍內從反射平面12向著透鏡20反射，該多面反射鏡10由多面反射鏡驅動器130旋轉。從反射平面12反射的雷射束，在透鏡20上會聚，且會聚的雷射束垂直地照射在晶片40上。
在多面反射鏡10的反射平面12之一正在旋轉的同時，照射在晶片40上的雷射束，沿臺30傳送方向的相反方向，移動掃描距離SL。
圖5按照本發明，畫出用多面反射鏡的雷射加工設備的另一個實施例。
現在參考圖5，按照本發明另一個實施例的用多面反射鏡的雷射加工設備，基本上包括用於引導整個操作的控制器110；用於鍵入控制參數及控制命令的輸入單元120；用於開動多面反射鏡10的多面反射鏡驅動器130；用於發射雷射束的雷射發生器140；用於沿預定方向傳送載有晶片40的臺30的臺傳送單元150；用於通知外部用戶當前工作狀態的顯示單元160；和用於存儲有關數據的存儲單元170。
圖5的這些結構與圖4的那些結構相同。但是，圖5的用多面反射鏡的雷射加工設備，還包括光束擴束器210和光束變換器220，光束擴束器210用於增大雷射發生器140發射的針形雷射束的直徑，然後把增大的雷射束照射在多面反射鏡10上，光束變換器220用於把經多面反射鏡1 0反射後在透鏡20上被會聚的雷射束，變換為橢圓形。在此情況下，光束變換器220容易用柱面透鏡實施。
入射在多面反射鏡10上的增大的雷射束，被多面反射鏡10的反射平面12在掃描角θ範圍內向著透鏡20反射。從反射平面12反射的雷射束，在透鏡20上被會聚，其截面形狀被光束變換器220變換為橢圓形，然後垂直照射在晶片40上。
由於照射的雷射束具有橢圓的截面形狀，橢圓截面的長直徑與切割加工方向對應，而橢圓截面的短直徑與切割加工寬度對應。
當反射平面12之一正在軸11上旋轉時，照射在晶片40上的雷射束，作為掃描長度SL沿臺30傳送方向的相反方向移動。
本文後面詳細說明，藉助具有圖5所示用多面反射鏡的雷射加工設備，加工物體(即晶片40)的過程。
圖6是流程圖，按照本發明說明加工物體的過程。
現在參考圖6，為了加工晶片，即把晶片40切割，首先，按照待加工晶片40的類型，在輸入單元120建立多面反射鏡10旋轉速度和臺30傳送速度的控制參數(步驟S10)。事先在存儲單元170中登記了對晶片類型和加工選項(如切割、劃槽、等等)設計的信息之後，該種設置操作，可以簡單地從存儲單元170中檢索信息菜單實現。
完成控制參數的建立後，控制器110起動多面反射鏡驅動器130，使多面反射鏡10按步驟S10預先設定的旋轉速度旋轉(步驟S20)，並且還起動臺傳送單元150，使臺30按預定速度傳送(步驟S30)。此時，控制器110令雷射發生器140發射雷射束(步驟S40)。
之後，從雷射發生器140發射的雷射束，在通過光束擴束器210後，以增大的截面直逕入射多面反射鏡10。入射多面反射鏡10的雷射束，從在軸11上旋轉的多面反射鏡10的反射平面12反射，在掃描角θ的範圍內射向透鏡20。
透鏡20會聚從多面反射鏡10反射的雷射束，然後，在透鏡20上會聚的雷射束，經過光束變換器220，使截面變換成橢圓形後，垂直地照射在晶片40上。最後照射在晶片40上的雷射束，有橢圓截面的形狀，其長直徑與晶片40的切割方向即加工的前進方向一致，每次使雷射束的照射範圍在晶片40上擴展，而其短直徑則與切割厚度，即加工的切割寬度對應。
過程中，隨著多面反射鏡10以恆定速度旋轉，照射在晶片40上的多次雷射束，以多個掃描長度SL在晶片40上按預定的次數重疊。
此外，隨著載有晶片40的臺30沿多面反射鏡10旋轉方向相反方向的傳送，具有掃描長度的雷射束在晶片40上照射的相對速度，變得更快，使晶片的切割加工更有效(步驟S50)。
另一方面，當跳過光束擴束器210和光束變換器220兩個步驟時，從雷射發生器140發射的雷射束，直接照射在晶片40上。
圖7按照本發明，畫出用用多面反射鏡的雷射加工設備加工晶片40的配置。
如上所述，通過光束擴束器210後被增大截面直徑的雷射束，入射多面反射鏡10。入射多面反射鏡10的雷射束，在掃描角θ的範圍內，在旋轉著的多面反射鏡10的反射平面12上反射，射向透鏡20。透鏡20使雷射束會聚。在透鏡20上會聚的雷射束，被光束變換器220整形為橢圓截面形狀，然後照射在晶片40上。
在該過程中，因為照射在晶片40上的雷射束具有橢圓截面形狀，橢圓的長直徑與雷射束在晶片40上的前進方向相關，而橢圓的短直徑則與雷射束在晶片40上的切割寬度相關。
如圖7所示，照射在晶片40上的橢圓形雷射束，沿它的長直徑方向加工，伴隨著由它的短直徑決定的切割寬度。換句話說，晶片40的切割寬度41，可以通過控制雷射束橢圓截面的短直徑調整，該橢圓截面短直徑是光束變換器220建立的。
雷射束照射晶片40的時候，雷射束照射的地方可能出現蒸發。但是，如上所述，雷射束前進的方向與晶片40的傳送方向相反，所以雷射束的相對掃描速度更快，且雷射束的長直徑排列在加工方向(即切割方向)。結果是，切割斷面42在整個切割加工中都是一斜面，因雷射照射而從晶片材料逸散的蒸氣，容易藉助該斜面釋放，不會在加工時澱積在切割平面42上。
還有，因為與雷射束沿加工方向的快速重疊，使晶片40的切割部分急速蒸發，容易完成晶片加工，不至於產生諸如再鑄造效應，該效應使晶片材料的蒸氣澱積在晶片40的切割壁43上。
雖然上述實施例作為用於加工半導體晶片的例子舉例說明，但本發明還可以用於加工其他基片或板，如塑料板、金屬板、等等。
如上所述，按照本發明的用多面反射鏡的雷射加工設備，不必改變任何附加裝置，因為雷射束足以進行切割加工，本設備能使加工過程容易地並高效地迅速完成。此外，因為本發明通過調整橢圓雷射束的短直徑並防止再鑄造效應，使蒸氣從被切割的物體逸散，從而提供一種能控制切割寬度的有效技術，對以高精度的操作加工晶片以及普通物體，是有利的。
雖然本發明已經結合附圖所示本發明的實施例說明，但本發明不受附圖所示實施例的限制。本領域熟練人員應當清楚，在不違背本發明的範圍和精神下，可以對說明的實施例作各種替換、修改、和變化。
權利要求
1.一種用多面反射鏡以雷射束加工物體的雷射加工設備，包括發射雷射束的雷射發生器；由多個反射落在其上的雷射束的反射平面構成的、同時在軸上旋轉的多面反射鏡，該雷射束由雷射發生器發射；和會聚透鏡，用於使多面反射鏡上反射的雷射束會聚，並使雷射束照射在物體上。
2.按照權利要求1的用多面反射鏡的雷射加工設備，還包括以恆定速度旋轉多面反射鏡的多面反射鏡驅動器，使反射平面以預定角速度運轉；放置物體的臺；和臺傳送單元，用於把臺沿預定方向傳送。
3.按照權利要求2的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中的臺傳送單元把臺沿與多面反射鏡旋轉方向的相反方向傳送。
4.按照權利要求1的用多面反射鏡的雷射加工設備，還包括光束變換器，用於把會聚在透鏡上的雷射束的截面圖形，轉換為橢圓形。
5.按照權利要求4的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中的光束變換器，把雷射束轉換為有橢圓截面圖形形狀，使其長直徑順著加工方向，然後把被轉換的雷射束照射在物體上。
6.按照權利要求5的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中雷射束橢圓截面的短直徑，與雷射束加工的寬度相關，該寬度能通過控制該短直徑來調整。
7.一種利用多面反射鏡的用於加工晶片的雷射加工設備，包括發射雷射束的雷射發生器；由多個反射落在其上雷射束的反射平面構成的、同時在軸上旋轉的多面反射鏡，該雷射束由雷射發生器發射；和會聚透鏡，用於使多面反射鏡上反射的雷射束會聚，並使雷射束照射在置於臺上的晶片上。
8.按照權利要求7的雷射加工設備，還包括以恆定速度旋轉多面反射鏡的多面反射鏡驅動器，使反射平面以預定角速度運轉；和臺傳送單元，用於把臺沿預定方向傳送。
9.按照權利要求8的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中的臺傳送單元把臺沿與多面反射鏡旋轉方向的相反方向傳送。
10.按照權利要求7的用多面反射鏡的雷射加工設備，還包括光束變換器，用於把在透鏡上會聚的雷射束的截面圖形，轉換為橢圓形。
11.按照權利要求10的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中的光束變換器，把雷射束轉換為有橢圓截面圖形形狀，使其長直徑順著加工方向，然後把被轉換的雷射束照射在晶片上。
12.按照權利要求11的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中雷射束橢圓截面的短直徑，與被雷射束加工的寬度相關，該寬度能通過控制短直徑來調整。
13.按照權利要求10的用多面反射鏡的雷射加工設備，還包括光束擴束器，用於增大雷射發生器發射的雷射束的截面直徑，該增大的雷射束經多面反射鏡反射後，在透鏡上會聚併入射光束變換器上。
14.按照權利要求7的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中的透鏡會聚在其上的雷射束，然後使雷射束垂直地照射在晶片上。
15.按照權利要求7的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中，根據多面反射鏡的旋轉，從反射平面之一照射在晶片上的雷射束的掃描長度，可以用透鏡焦距與從多面反射鏡反射平面反射的雷射束掃描角的乘積，進行調整。
16.按照權利要求15的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中雷射束的掃描角，是由反射平面的始端部分與後端部分形成的反射角。
17.按照權利要求7的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中，根據多面反射鏡的旋轉，從反射平面反射的雷射束，照射在晶片上，在晶片上按預定次數重疊，該重疊的預定次數，可以保持臺的傳送速度恆定的同時，通過調整多面反射鏡的角速度進行控制。
18.按照權利要求7的用多面反射鏡的雷射加工設備，其中，根據多面反射鏡的旋轉，從反射平面反射的雷射束，照射在晶片上，在晶片上按預定次數重疊，該重疊的預定次數，可以保持多面反射鏡的角速度恆定的同時，通過調整臺的傳送速度進行控制。
全文摘要
公開的內容針對採用多面反射鏡的雷射加工設備，能有效地加工物體。本設備包括發射雷射束的雷射發生器；在軸上旋轉並有多個反射平面的多面反射鏡，它反射從雷射發生器入射其上的雷射束；和透鏡，該透鏡在把多面反射鏡反射的雷射束會聚之後，使該雷射束照射到物體上，例如放置在臺上的晶片。根據多面反射鏡的旋轉使雷射束照射在晶片上的過程中，移動放置晶片的臺，以增大雷射束的相對掃描速度，這樣能有效地切割晶片。因為它只用雷射束切割晶片，所以不必改變任何附加的裝置，這樣可以改進加工速度和切割效率。此外，可以控制切割寬度，並防止切割加工時從晶片產生的蒸氣澱積在晶片切口的再鑄造效應，實現高纖細和精確尺寸的晶片切割加工。
文檔編號B23K26/073GK1676269SQ20041005904
公開日2005年10月5日 申請日期2004年7月29日 優先權日2004年3月31日
發明者韓裕熙 申請人:Eo技術有限公司