用於矽晶片劃線的自動聚焦方法與設備的製作方法

2023-10-09 15:55:04 2

專利名稱：用於矽晶片劃線的自動聚焦方法與設備的製作方法
技術領域：
本發明是關於用於劃線電子矽晶片的方法與設備。特別的是，本發明是關於用於 實行用以劃線LED矽晶片以助於切單(singulation)的雷射束的實時聚焦的方法與設備。 更特別的是，本發明是關於用於當系統作矽晶片劃線時，準確且有效率偵測透明或半透明 LED矽晶片的表面的位置以實時維持於雷射束的焦點與矽晶片的表面之間正確關係的方法 與設備。
背景技術：
電子裝置為了容易製造通常會構成於其含有多份裝置的基板或矽晶片。此等裝置 是必須在封裝與販賣之前分離或切單。切單電子裝置的一個典型方法是運用一種雷射劃線 系統以劃線該矽晶片並且接著將它準備好以供沿著劃線做機械切割。圖1是顯示矽晶片10 支撐電子裝置，一電子裝置是指示為12。也被指示出來的是一「溝道(street) 」14的一個實 例，溝道14是電子裝置之間的區域，在上面劃線以用於對該等裝置彼此之間做後續的機械 分離。以此方式所製造的範例的電子裝置包括發光二極體(LED，light emitting diode)。 雖然也可以使用其它材料，但是LED典型地製造在由晶體藍寶石或金屬製成的矽晶片。在 製造後，此等矽晶片接著通過劃線用一機械鋸或雷射來切單，接著作機械分割以分離該等
直ο雷射劃線系統使用雷射來劃線具有半導體晶粒成長於矽晶片的一表面的矽晶片， 矽晶片被載入至一水平平臺。當該水平平臺以高速(典型於10毫米/秒(mm/s)與IOOmm/ s之間)平移時，雷射束是沿著分離矽晶片頂端或底端表面上所界定的個別半導體晶粒的 溝道來撞擊頂端表面。於強聚焦的雷射束與矽晶片之間的交互作用是將在表面上產生切口 (kerf)或溝槽，允許矽晶片沿著溝道乾淨地做機械式切斷。矽晶片上的晶粒接著可以分離 且各個晶粒可運用來製造一個裝置。實行此矽晶片劃線功能的一個範例的系統是由本發明 的受讓人所製造的ACCuSCribeAS2000FX。此系統是運用其諧波頻率偏移至UV波長的一種 二極體幫浦固態雷射以劃線發光二極體(LED)矽晶片。圖2是顯示一種矽晶片劃線系統的示意圖。一雷射20是產生一工作雷射束22，其 為由雷射束光學器件24所成形且指向至一物鏡26，物鏡26是聚焦工作雷射束22至一雷射 焦點30，該雷射焦點30指向至一工件32，工件32於此例中是一矽晶片。物鏡26是接附至 一支架28，支架28接附至系統底座36，系統底座36是典型為包括由花崗石或其它的緻密 材料所作成的大型底板。系統底座36支持XY夾頭34，XY夾頭34牢固地支持工件32。XY 夾頭34是可程序規劃移動該矽晶片在工作雷射的下方，隨著雷射焦點30機械加工來自工 件32的材料而形成劃線在表面上。支架28、系統底座36、與XY夾頭34 —起運作，在工件 32隨著XY夾頭34移動時仍然保持雷射焦點30與工件32的精確的垂直關係，以維持截口 的正確尺寸、形狀與質量。為了對矽晶片有效率且均勻地劃線，雷射束應被聚焦至接近矽晶片頂端表面的一 平面。換言之，物鏡與矽晶片表面之間的距離具有一最佳值。此是加諸嚴格的要求於矽晶片表面的平坦度與矽晶片厚度一致性，降低產量且提高成本，除非此等矽晶片是可有效率 處理。一藍寶石矽晶片的平均厚度針對不同矽晶片變動高達10微米，而且在2英寸的矽晶 片上，表面平坦度(當安裝至一真空夾頭時)的變化高達15微米。金屬矽晶片表面是即使 安裝於一真空夾頭也可能為變形，且可能在2英寸的矽晶片上具有高達150微米的表面高 度差異。為了滿足所需，聚焦工作雷射束，以在接近矽晶片表面具有10至50微米的一最小 光點大小，以將所欲寬度與深度的溝槽劃線至矽晶片的表面上。聚焦雷射為降至此小光點 大小需要一高數值孔徑(NA，numerical aperture)透鏡以使該束在焦點的上下方迅速去 焦。結果，當劃線時會希望將雷射光點保持於矽晶片頂端表面的士5微米之內或更佳地位 於士2微米之內。對於此問題的一種可能的解決方式是當劃線時追蹤矽晶片的表面，運用自動聚焦 技術以偵測工件與雷射焦點之間的關係變化。自動聚焦技術包括被動方法與主動方法。被 動方法是運用影像對比以量化離焦量。主動方法需要出自一光源的一光束且運用該光束 或影像的位移以量化離焦量。主動方法相較於被動方法快速許多，且當矽晶片安裝平臺與 UV雷射束之間的相對速度高於10毫米/秒(mm/s)時，可滿足用於追蹤自動聚焦的實時要 求。一種常用的主動自動聚焦方法由美國專利第6，486，457號所描述，其中，一準直的雷射 束是離軸式通過物鏡且聚焦至接近矽晶片表面的一平面。反射束是接著將通過物鏡第二次 且為由一位置靈敏偵測器所偵測。矽晶片表面與物鏡之間的距離變化將致使反射束偏移， 且位置靈敏偵測器將產生正比於偏移的一信號。此信號是可運用以調整矽晶片表面與物鏡 之間的距離且確保該距離固定，因此實現了追蹤式自動聚焦。然而，此方法是具有針對用於 LED製造的諸如藍寶石矽晶片的透明薄矽晶片的有限的捕捉範圍，因為來自矽晶片頂端與 底端表面的反射均可由位置靈敏偵測器所偵測。若底端表面在不同區域具有不均等的反射 率，自動聚焦的準確度將顯得不佳。另一種常用的主動自動聚焦方法的說明可見於美國專利第4，363，962號與第 5，361，122號。不採用通過物鏡的方式，來自該自動聚焦光源的光束首先運用一額外的透 鏡投射於矽晶片表面且接著運用另一個額外的透鏡進一步投射於一位置靈敏偵測器。光束 撞擊矽晶片且以一掠射角反射。在這個方法中，物鏡、光源、額外的透鏡、與位置靈敏偵測器 都具有固定相對位置。另外的方法涉及調整矽晶片安裝平臺或物鏡(與接附於其上的其它 構件)的高度以確保該矽晶片表面位於物鏡的聚焦平面上。美國專利第5，008，705號運用 此方法且連同幹涉術。美國專利第5，825，469號是通過在矽晶片表面上反射該光束兩次 來改良此方法的靈敏度。美國專利第5，675，140號是結合此方法與散光透鏡法，由Donald K. Cohen,Wing Ho Gee、Μ· Ludeke、與 Julian Lewkowicz 於公元 1984 年應用光學第 23 期第 565-570頁的一篇期刊論文「自動聚焦控制散光透鏡法」所描述。此等參考文獻未提出特 定要求矽晶片的底端表面在不同位置可具有不同反射率。維持雷射束光點位置與基板表面之間的固定關係進一步的難度是在於LED與其 它電子裝置是有時製造於諸如藍寶石或玻璃基板的透明基板上。由於此等矽晶片的頂端表 面是可為透明或半透明且可為平滑或粗糙，此將提供額外的問題。藍寶石矽晶片的底端表 面可能具有圖案且在不同位置上反射率可能會有所變化。對於仰賴來自矽晶片的反射以進 行測量的現有技術的自動聚焦系統，這可能會造成強度會變動的多個信號，這將對系統造 成混亂且造成較低的測量準確度或阻止該系統完全運作。
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因此，需要一種隨著矽晶片劃線實時測量透明或半透明矽晶片的頂端表面位置的 方法與設備，其準確偵測半透明與透明矽晶片的表面而沒有被來自矽晶片的頂與底表面的 變動的反射所混亂。

發明內容
本發明的一個目標是提出一種用於測量由一工作雷射束焦點與由工作雷射束焦 點進行雷射加工的一工件之間的位移的方法。本發明的另一個目標是測量一工作雷射束焦 點與一工件之間的位移，其中，工件是由一透明或半透明材料所作成，諸如藍寶石。本發明 的另一個目標是實時測量一雷射束焦點與一工件之間的位移。為了改良LED劃線系統的性能且降低針對於顧客的單位生產成本，運用一種追蹤 自動聚焦裝置以允許一雷射劃線系統在矽晶片水平平移時控制聚焦工作雷射束至LED矽 晶片表面的物鏡與矽晶片表面之間的距離。於本發明的一個實施例，追蹤自動聚焦裝置是 由指向於通過一針孔與聚焦透鏡的一準直、極化的雷射二極體束所組成。選擇足夠短的用 以測量表面的雷射束的波長以利於光點大小足夠小以準確測量矽晶片，但是避免了工作激 光束或自工作雷射束所產生的電漿雲所發射輻射的幹擾。雷射束是接著通過一稜鏡以自垂直線的84與87度之間的一掠射角所指向一矽晶 片的頂端表面。此外，配置線性極化的雷射束，使得極化平面平行於矽晶片表面(s極化)。 掠射角與極化方向的組合致使大多數的雷射束能量自矽晶片的頂端表面反射且因而避免 了來自透明矽晶片的底表面反射的幹擾。此配置亦使得自金屬基板的反射為最大，由於s 極化波是由金屬表面高度反射。一旦該雷射束是由矽晶片的頂表面所反射，其由一稜鏡指向一透鏡，該透鏡是聚 焦反射的雷射束至一帶通濾波器，該帶通濾波器濾掉來自工作雷射束頻率的輻射且讓自用 以測量表面的雷射束的輻射通過。這改良了所得數據的信號噪聲比(SNR，signal to noise ratio)。從該處投射至一測量雷射束位置的位置靈敏裝置(PSD，position sensitive device)。此信息數位化且通過至一控制器，該控制器從在PSD上雷射束的位移計算矽晶片 的高度。本發明的一個實施例亦運作以實時計算矽晶片表面的高度，意思是當工作雷射 束切削矽晶片的一截口時，可以測量高度。此是允許雷射處理系統周期式更新矽晶片高度 測量。因為耦接於附接至能夠實時改變物鏡與矽晶片之間位移的支架的控制，當矽晶片為 劃線時，此實施例能夠測量位移與變化。此是允許系統劃線該等無法劃線的矽晶片(由於 該等矽晶片不具有無法實時追蹤且調整高度的一系統所需要的平坦度)，因而提高製造產 量。此外，本發明的一個實施例是投射測量雷射束至工件，用以投射比雷射光點大小 大許多的一橢圓。通過投射雷射束通過一圓形針孔且接著為以84至87度的一掠射角投射 雷射束至工件，雷射束形成一橢圓形狀在工件上。這平均了比原始光點大小較大面積的反 射，因此平均了其由於工件上的汙染或未預期的特點所引起的假性反射，因而加強了測量。


圖1是一種含有電子裝置的典型現有技術矽晶片的示意圖。
圖2是一種現有技術矽晶片劃線系統的示意圖。圖3是一種自動聚焦系統的示意圖。圖4是一種具有自動聚焦系統的矽晶片劃線系統的示意圖。
具體實施例方式如本文將描述的，本發明是解決現有技術的問題，通過運用一已挑選波長的極化、 掠射角的雷射束以避免自工作雷射束或電漿羽的幹擾以實時測量工作雷射束焦點與工件 之間的位移。圖3顯示本發明的一個實施例。一準直束42是由一雷射二極體40所發射且隨後 通過一小的圓形孔徑或針孔44、一照明透鏡46與一稜鏡48。針對於此目的所運用的一個 範例的雷射二極體是由美國加州SantaClara的Coherent公司所製造的0222-002-01，且操 作於約1. 6毫瓦的一功率及650納米(nm)的波長。孔徑44與透鏡46之間的距離、透鏡46 與矽晶片頂表面50之間的距離約為透鏡46的焦距的二倍。該孔徑因此成像至其接近矽晶 片頂端表面50的一平面。該光束以一掠射角撞擊矽晶片頂端表面50 ；入射角介於84與87 度之間。大部分的光束從頂端表面反射且隨後通過一稜鏡52、一光束收集透鏡54、與一帶 通濾波器56，接著於點74而到達一位置靈敏偵測器(PSD) 58。帶通濾波器56是於矽晶片 劃線期間而屏蔽其包括電漿光束髮射的周圍光束且因此改良信號噪聲比(SNR)。雷射二極 管40是對準以當該束為撞擊矽晶片表面時而確保該束為s極化。當矽晶片為薄且透明時 運用s極化的光束來提高SNR，因為較少的光束將自矽晶片底端表面反射，因此到達PSD 58 的大多數光束將來自頂端表面反射。大的入射角造成於矽晶片表面的一長橢圓束，因此平 均了一大面積的反射率。矽晶片表面上的長橢圓光點是亦傾向於最小化使由頂端或底端表 面的細微圖案或微粒汙染所引起的測量誤差。矽晶片頂端表面50與透鏡54之間的距離、 透鏡54與PSD 58之間的距離約為透鏡54的焦距的二倍。孔徑44因此最後成像於PSD 58 上。矽晶片安裝於一 x_y平臺(未顯示)，而構件40、42、44、46與48(其構成輸出部分38) 及構件52、54、56、58與60(其構成輸入部分51)安裝於一 ζ平臺。PSD輸出連接至一位置 感測放大器60，且接著用以連同一控制器(未顯示)形成ζ平臺的一伺服迴路。矽晶片或 光學系統或是二者可安裝於ζ平臺。為了最佳的劃線結果，可以運用UV物鏡的聚焦平面與矽晶片表面之間的有限偏 移。檢查劃線結果以初始化於物鏡與矽晶片表面之間的距離。接著調整圖3的自動聚焦構 件以確保孔徑的影像就在位於物鏡的下方。接著投射此影像至PSD 58的一點74。若所劃 線的矽晶片的頂端表面是非平坦，當x-y平臺平移時，光束路徑將會改變。舉例而言，由於 矽晶片的平坦度或厚度的變化，於圖3的虛線72是當工件50的頂表面為移動至一新位置 70的束路徑。於此例，於物鏡與矽晶片之間的距離是相較於最佳距離為長。雷射束是將偏 移為遠離PSD 58的點74至一新位置76，且PSD 58是產生其為正比於雷射束的側向偏移的 一信號。此信號是放大、數位化且傳送至ζ平臺控制器以使得ζ平臺為朝向且恢復於物鏡 與矽晶片表面之間的最佳距離。PSD信號反饋與垂直平臺控制器所形成的伺服迴路是因此 確保的是在平臺平移期間物鏡與矽晶片表面之間的距離恆為最佳。這確保了在整個矽晶 片上的最佳劃線結果。運用追蹤自動聚焦系統以助於用於LED製造的劃線藍寶石或金屬矽晶片是新穎的。通過運用適當的光束極化、增加一帶通濾波器在PSD之前、運用具有穩定輸出模式的一 雷射二極體、運用一適當的孔徑尺寸且運用一高解析度的側向型式PSD使該系統相較於前 述的現有技術的系統較簡單且較強健。如同論述於系統說明，運用適當的光束極化且增加 一帶通濾波器在PSD之前以改良SNR。雷射二極體是具有穩定的光束形狀。該孔徑是成像 而非直接射擊雷射二極體光束在PSD上，故並不需要參考臂。選取雷射二極體功率與孔徑 尺寸以具有到達PSD的足夠雷射功率，以確保該PSD與放大器在雷射LED劃線期間運作於 最佳條件下。針孔尺寸是亦足夠大以投射一足夠長的橢圓光點於矽晶片表面，因此平均了 在矽晶片的一面積上的PSD信號，避免來自矽晶片頂端表面汙物的不良響應。一高解析度 的PSD 58增加了自動聚焦的靈敏度，且矽晶片的雙重反射是不必要。運用一種雙(Duo-) 側向或四(Tetra-)側向PSD(來自On-Trak Photonics公司的零件#1L5SP)以取代一種分 段式光二極體PSD來簡化系統對準且將PSD上的自動聚焦捕捉範圍從數百微米提高至數毫 米。透鏡46與透鏡54的焦距可為不同。孔徑44與透鏡46之間的距離、矽晶片表面50與 透鏡54之間的距離、矽晶片表面50與透鏡54之間的距離及透鏡54與PSD 58之間的距離 不需要精確地為該等透鏡焦距的二倍。偏離數毫米將不會影響系統的追蹤自動聚焦與對準 的性能，因此嚴重性不高。圖4顯示一種雷射處理系統80，該雷射處理系統80具有附接至一 Z軸伺服機構 78的自動聚焦輸出部分38、輸入部分51與物鏡26。如上所述，當雷射束42偵測工件32與 物鏡26之間的位移變化，輸入部分51就送出一信號至一控制器(未顯示)，致使Z軸伺服 機構78移動該物鏡26、輸出部分38、與輸入部分51來補償位移變化且將其恢復至其標稱 值，因而維持了工作雷射焦點30與工件32之間的所欲關係。通過適當設定由ζ平臺與PSD信號所形成的伺服迴路的增益與頻寬，自動聚焦響 應是能夠追蹤在一 x_y平臺速度為70毫米/秒(mm/s)的橫跨一 2英寸的矽晶片的150微 米(μπι)的矽晶片表面高度變化。針對於此應用，伺服迴路的頻寬是 50赫茲(Hz)。借著 追蹤自動聚焦裝置，針對於具有圖案於底端表面的2英寸的透明藍寶石矽晶片，LED劃線系 統是可追蹤在矽晶片厚度上5 10微米的變化。針對於此應用，伺服迴路的頻寬是 5Hz。 因為這個頻寬，快速局部高度變化是將被忽略且使得該系統更為強健。針對較快速的x/y 平臺速度與不同的表面高度變化，伺服迴路因此可最佳化且得到最佳結果。對於熟悉此技術人士而言，將變得明顯的是可以施加諸多改變本發明的上述實 施例的細節而不脫離其根本原理。因此，本發明的範疇應僅由隨附申請專利範圍所決定。
權利要求
一種用於量化在雷射處理系統中雷射焦點與工件之間相對位移的改良方法，該雷射處理系統包括具有一焦點的一工作雷射；及一測量雷射，該測量雷射是產生一測量雷射束；及一雷射束偵測器，該測量雷射束與該雷射束偵測器是運作以量化該雷射焦點與該工件之間的位移，該工件包括一頂端表面與一底端表面，該改良包含設定該測量雷射束的極化至一特定極化型式與相關於該工件頂端表面的特定方位；及以一掠射角指向該測量雷射束至該工件，選定該掠射角以最大化反射自該工件頂端表面的測量雷射束能量對於反射自該工件的該端底表面且隨後為由該雷射束偵測器所偵測的測量雷射束能量的量的比值；其中，該工作雷射與該測量雷射是操作在不同波長；且其中，當該工件是相關於該雷射焦點快速移動，該測量雷射束與該雷射束偵測器是量化該雷射焦點與該工件之間的相對位移。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該雷射束的該特定極化型式是實質為線性。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該雷射束的該特定方位相對於該工件的該 頂端表面實質為s極化。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該掠射角是相對於該工件的該頂端表面的 一垂線位於約84度與約87度之間。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該快速移動是大於約10毫米/秒(mm/s)且 小於1000毫米/秒(mm/s)。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該測量雷射是操作在約700納米(nm)以下 的一波長。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該測量雷射束是運用一針孔孔徑而為準直。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該測量雷射束被帶通濾波。
9.一種用於量化在雷射處理系統中雷射焦點與工件之間相對位移的改良設備，該雷射 處理系統包括一工作雷射，該工作雷射包括一雷射焦點；一測量雷射，該測量雷射是產生一 測量雷射束；測量雷射光學器件及一雷射束偵測器，該測量雷射束、測量雷射光學器件與該 雷射束偵測器是運作以量化該雷射焦點與該工件之間的位移，該工件包括一頂端表面與一 底端表面，改良包含該測量雷射與測量雷射光學器件是運作以指向該測量雷射束為反射離開該工件且由 該雷射束偵測器所偵測，且因此量化該雷射焦點與該工件之間的相對位移，該雷射束具有 特定的極化且該雷射束是指向以對於該工件的該頂端表面的特定方位撞擊該工件的該頂 端表面；該測量雷射束是進而以一掠射角指向至該工件，選擇該掠射角以最大化反射自該工件 的該頂端表面的雷射束能量對於反射自該工件的該底端表面且隨後由該雷射束偵測器所 偵測的雷射束能量的量的比值；其中，該工作雷射與該測量雷射是操作於不同波長；及其中，當該工件是相對於該雷射焦點快速移動，該雷射束是指向以反射離開該工件，因 此量化該雷射焦點與該工件之間的該相對位移。
10.如權利要求9所述的設備，其特徵在於，該雷射束的該特定極化型式是實質為線性。
11.如權利要求9所述的設備，其特徵在於，該特定方位是相對於該工件的該頂端表面 實質為s極化。
12.如權利要求9所述的設備，其特徵在於，該掠射角是相對於該工件的該頂端表面的 一垂線位於約84度與約87度之間。
13.如權利要求9所述的設備，其特徵在於，該移動是位於約10毫米/秒(mm/s)與約 1000毫米/秒(mm/s)之間。
14.如權利要求9所述的設備，其特徵在於，該工作雷射與該測量雷射操作在不同波長。
15.如權利要求9所述的設備，其特徵在於，該測量雷射是操作在約700納米(nm)以下 的一波長。
全文摘要
一種方法與設備是實行用於矽晶片劃線系統的實時自動聚焦。該種方法與設備是運用其指向至直接在物鏡(26)下方的矽晶片(10)的表面(50)的極化的光束(42)作為於一掠射角的劃線雷射束。反射自矽晶片的光束被濾波(56)以移除來自該劃線雷射束的光束且接著在一位置靈敏裝置(58)聚焦以測量從物鏡至矽晶片表面的距離。
文檔編號H01L21/78GK101983420SQ200980111271
公開日2011年3月2日 申請日期2009年3月24日 優先權日2008年3月28日
發明者朱俊, 蕾芙·薩爾菲爾德, 謝秀平, 黃崇博 申請人:伊雷克託科學工業股份有限公司