利用激光束的加工方法.pdf

一种利用激光束的加工方法，它能够十分简单和迅速的在工件(34)的表面以下的预定深度(D)的位置定位激光束(82)的聚焦点。当激光束聚焦在工件的表面上时，聚焦光学系统(78)和工件表面之间的间距采用参考间距(BL)，并且聚焦光学系统和工件表面之间的间距(SL)是在一组等式的基础上设定的，该组等式考虑到了聚焦光学系统的数值孔径，和工件的反射系数，并与参考间距(BL)相结合。

1.  一种利用激光束的加工方法，通过包括聚焦光学系统的激光束施加装置向由固定装置固定的工件施加一能够穿透工件的激光束，因而能破坏所述工件，该加工方法包括：
在所述聚焦光学系统和所述工件的面之间设定间距SL，该间距SL是在以下等式的基础上设定：
SL = BL - ( 1 - P 2 n 2 - P 2 ) × D ]]>(等式1)
其中BL是当所述激光束聚焦在所述工件的所述表面上时，所述光学系统和所述工件的所述表面之间的参考间距，P是所述聚焦光学系统的数值孔径，n是所述工件的反射系数，和D是所述工件的所述面以下的所希望的聚焦点的深度。

利用激光束的加工方法
技术领域
本发明涉及一种制造方法，包括：利用激光束辐照工件，穿透工件，造成工件的破坏的步骤，其中工件可以是半导体晶片。
背景技术
在半导体芯片产品中，为人熟知的是例如，半导体晶片的表面通过渠道排列成格子图案的方式被分为多个矩形区域，并且在每个矩形区域中形成半导体电路。然后，半导体晶片被沿着渠道切开，并被单独地分成矩形区域从而形成半导体芯片。
最近提出了一种利用激光束来沿着渠道来分割半导体晶片的方法。在美国专利5,826,772中的披露一种方法中，从半导体晶片正面(face side)的施加的激光束聚焦到半导体晶片的面的邻近处，然后半导体晶片和激光束相对彼此沿着渠道移动，由此半导体晶片的正面上的材料被熔化并从渠道上去除。如此，沿着渠道形成了沟槽，然后，在半导体晶片上施加外力使得半导体晶片沿着渠道，更明确的说是沿着沟槽破裂。
美国专利6,211,488和日本专利申请No.2001-277163都披露了一种方法，激光光束在半导体晶片的厚度方向的中间部分上聚焦，而不是聚焦在半导体晶片上表面的邻近处，半导体晶片和激光束相对彼此互相沿着渠道移动，以在半导体晶片上的厚度方向上的中间部分里沿着渠道产生了破坏区域，然后在半导体晶片上施加外力使得半导体晶片沿着渠道，更准确的说是沿着破坏区域破裂。
并且，本申请的申请人(受让人)提交的日本专利申请No.2003-140888的说明书和附图披露了一种从半导体晶片的正面上施加激光束，将激光束聚焦到半导体晶片的背面上或其邻近区域，然后沿着渠道相对彼此移动半导体晶片和激光束，以沿着渠道产生暴露在半导体晶片背面的破坏区，然后在半导体晶片上施加外力，使得半导体晶片沿着渠道，更准确的说，是沿着破坏区破裂。
不论应用以上描述的现有方法的哪一种，在半导体晶片的厚度方向的预先确定位置聚焦激光束是很重要的，半导体晶片也可以是工件，换句话说，就是在工件表面下的预先确定的深度位置定位激光束的聚焦点。然而，激光束是在空气中还是在工件中传播，激光束的反射系数会不同。因为这个和其他的原因，在上述位置定位激光束的聚焦位置并不是很容易，通过试验方法可以设定这个位置。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种新改进的利用激光光束的加工方法，这种加工方法能够在工件的表面下预定的深度位置十分 顺利 而迅速地定位激光光束的聚焦点。
我们发明人已经发现，上述发明目的能够通过在光学聚焦系统和工件表面之间采取一个间距而实现，当激光束聚焦在工件的表面上时，作为一个参考的间距，在一组等式的基础上设定聚焦光学系统和工件的表面之间的间距，该等式和参考间距一起考虑了聚焦光学系统的数值孔径和工件的反射系数。
即根据现有的发明，作为一种利用激光束来解决前述主要技术挑战的加工方法，这里提供了一种利用激光束的加工方法，该方法通过包括聚焦光学系统的激光束施加装置施加一束能够穿过被固定装置固定的工件的激光束，从而破坏工件，包括：
在下列的等式1的基础上设定在聚焦光学系统和工件表面之间间的间距SL，
SL = BL - ( 1 - P 2 n 2 - P 2 ) × D ]]>(等式1)
其中BL是当激光束聚焦在工件表面上时聚焦光学系统和工件表面之间的参考间距，P是聚焦光学系统的数值孔径，n为工件的反射系数，D为工件表面下所需要聚焦点的深度。
在本发明的加工方法中，只要激光束施加装置的聚焦光学系统和工件之间地关系能够被辨认，激光束的聚焦点就能够被十分简单和迅速的在工件表面下预定深度的位置定位。
图1是示出本发明加工装置的典型例的基本部件的透视图，该加工装置优选地用在本发明的加工方法中。
图2是显示半导体晶片比如工件安装在机架上的状态的透视图。
图3是显示脉冲激光施加装置的示意图
图4是说明在需要的位置定位脉冲激光束的聚焦点的方法的示意图。
下面将参照附图，更加详细地描述根据本法明构造的利用激光束的加工方法的优选实施例。
图1是示出一个加工装置的典型例的基本部件，该加工装置优选的用于依照本发明构造的加工方法。所述加工装置具有支持基座2和导轨对4，该导轨对4在支持基座2配置并且在X坐标方向上延伸。第一滑块6安装在导轨对4上，以至于能在X轴方向移动。在X轴方向上延伸的螺纹轴8可旋转地安装在导轨对4之间，并且脉冲马达10的输出轴与螺纹轴8相联。第一滑块6具有向下延伸的向下部分(未示出)，并且在向下部分里形成了在X轴的方向上的内部有螺纹的孔。螺纹轴8拧入内部有螺纹的孔。这样，当脉冲马达10在正常方向上旋转时，第一滑块6向箭头12所指的方向移动。当脉冲马达10在反方向上旋转时，第一滑块6向箭头14所指的方向移动。从后面将要提供的描述可以清楚的知道，脉冲马达10和螺纹轴8的旋转构成了用作移动工件(相对于激光束加工装置)的移动装置。
在Y轴方向上延伸的导轨对16安装在第一滑块6上。第二滑块18安装在导轨对16上以便能够在Y轴方向上移动。在Y轴方向上延伸的螺纹轴20可旋转地安装在导轨对16之间，并且脉冲马达22的输出轴与螺纹轴20连接。Y轴方向穿在的内部有螺纹的孔形成在第二滑块18里，并且螺纹轴20拧入内部有螺纹的孔。这样，当脉冲马达22在正常方向上旋转时，第二滑块18沿箭头24所指的方向移动。当脉冲马达22在反方向上旋转时，第二滑块18沿着箭头26所示的方向移动。支持台27通过圆柱构件25固定在第二滑块18上，并且固定装置28也通过圆柱构件25安装在第二滑块18上。固定装置28安装，以便于沿着大体垂直方向上延伸的中心轴旋转。在圆柱构件25内配置用来旋转固定装置28的脉冲马达(未示出)。所述实施例中的固定装置28包括：由多孔材料形成的夹盘30，和一对啮合装置32。
图2所示是半导体晶片34，也即工件。半导体晶片34由硅衬底组成，并且在半导体晶片34的面上的渠道36排列成网格图案。通过渠道36划分了多个矩形区38，在每个矩形区域38上形成半导体电路。在所述的实施例中，半导体晶片34通过安装带40安装在基架42上。基架42可以由合适的金属材料或者合成树脂材料形成，在中心具有一相对大的圆形开口44，并且半导体晶片34定位在开口44里。安装带40在基架42和越过基架42的开口44的半导体晶片34的下表面上延伸，并粘贴在基架42和半导体晶片34的下表面上。当在半导体晶片34上施加脉冲激光束时，将半导体晶片34定位在固定装置28中的夹盘30上，并且夹盘30与真空源(未示出)相联，借此半导体晶片34被真空吸附在夹盘30之上。固定装置28的一对啮合装置32夹持着基架42。如果需要从半导体晶片34的背面施加激光束，而不是从半导体晶片34的正面施加激光束，建议在半导体晶片34的正面粘贴一保护带(未示出)，如所希望的，翻转安装有半导体晶片34的基架42，并使之颠倒，将装载有半导体晶片34的基架42放置在夹盘30上。由于本领域的技术人员很熟悉通过安装带40将固定装置28本身和半导体晶片34本身安装在基架42上的步骤，因此关于它们的详细解释在此被省略。
再次参见图1，一对在Y轴方向上延伸的导轨44配置在支持衬底2上。第三滑块46安装在导轨对44上以便在Y轴方向上移动。沿Y轴方向延伸的螺纹轴47可旋转地安装在导轨44对之间，并且脉冲马达48的输出轴与螺纹轴47相联。第三滑块46大体是L形的，并且具有一水平基座部分50，和从水平基座部分50向上延伸的垂直部分52。水平基座部分50具有一个向下延伸的向下部分(未示出)，并且在向下部分里形成了一穿在Y轴方向的内部具有螺纹的孔。螺纹轴47拧入内部有螺纹的孔。这样，当脉冲马达48在正常方向上转动时，第三滑块46沿着箭头24所指的方向移动；当脉冲马达48在反方向上转动时，第三滑块46沿着箭头26所指的方向移动。
沿Z轴方向上延伸的导轨对54(图1仅显示了它们中的一条)安置在第三滑块46的垂直部分52的侧面上。第四滑块56安装在导轨对54上以便沿着Z轴方向移动。沿Z轴方向延伸的螺纹轴(未示出)可旋转的安装在第三滑块46的一个侧面上，并且脉冲马达58的输出轴与螺纹轴连接。朝向垂直部分52突出的凸块(未示出)形成在第四滑块56里，并且在凸块里形成有在Z轴方向的内部有螺纹的孔。上述的螺纹轴拧入内部有螺纹的孔。因此，当脉冲马达58在正常方向上转动时，第四滑块56向箭头60所指的方向移动，即向上移动。当脉冲马达58在反方向上转动时，第四滑块56向箭头62所指的方向移动，即向下移动。
脉冲激光束施加装置，用数字64表示，安装在第四滑块56上。所述脉冲激光施加装置64包括：固定在第四滑块56上的圆柱形套管66，该套管大体在水平方向上向前延伸(即箭头24所指的方向)。进一步参考图3和图1，脉冲激光振荡装置68和光传输系统70安置在套管66内部。振荡装置68包括激光振荡器72和重复频率设定装置74附件，该激光振荡器优选可以是YAG激光振荡器或者YVO4激光振荡器。传输光学系统70包括适宜的光学元件如分束器。高频加热电极顶端76固定在套管66的前端，聚焦光学系统78安装在高频加热电极顶端76内部。
和图1-3一起参考图4，聚焦光学系统78包括：物镜片，即聚焦镜片80。通过聚焦镜80，脉冲激光束82指向在渠道36处的半导体晶片34。如果脉冲激光束82需要聚焦在渠道36处的半导体晶片34的表面以下深度D的位置的时候，根据本发明的加工方法，在以下等式1的基础上，在聚焦光学系统78中的聚焦镜80和渠道36处的半导体晶片34的面之间设定一个空间SL：
SL = BL - ( 1 - P 2 n 2 - P 2 ) × D ]]>(等式1)
在以上的等式中，BL是当脉冲激光束82聚焦在渠道36处的半导体晶片34的面上时，聚焦镜80和半导体晶片34的渠道36之间的一个参考间距，其预定值取决于聚焦镜80的焦距。P是聚焦光学系统78的数值孔径，其预定值取决于所使用的光学系统78。n是半导体晶片36的反射系数，其预定值取决于半导体晶片36的材料。如果数值孔径用sinθ表示，以上的等式1可以用下面的等式2表示：
SL = BL - ( cos θ n 2 - sin 2 θ ) × D ]]>(等式2)
当脉冲激光束82聚焦到夹盘30的表面上时，以上所述的参考间距BL与聚焦镜80和夹盘30的表面之间的间距相同(间距有一预定值，它能事先通过特定的处理装置识别出来)。将半导体晶片34在渠道36处的厚度设为T1，安装带40的厚度设定位T2，如果聚焦镜80定位在离夹盘30的表面的距离为BL+(T1+T2)的位置上，聚焦镜80和在渠道36处的半导体晶片34表面之间的间距为参考间距BL。为此，在本发明的加工方法中，确认在渠道36处的半导体晶片34或者工件的厚度T1和安装带40的厚度T2之和是很重要的。简单的说通过这样，就能实施为了达到设定间距SL的聚焦镜80的定位其中设定间距SL是由前面所述的等式(1)或(2)决定的，因此，脉冲激光束施加装置64的定位沿着箭头60和62所指的方向(图1)。这样，脉冲激光束82就能十分简单而迅速的聚焦到在半导体晶片34中里渠道36处的面以下的需要的深度D的位置。如果预先不知道半导体晶片34在渠道36处的厚度T1和安装带40的厚度T2，它们 之和也能确定，比如可以在夹盘30上放置半导体晶片34之前进行实际的测量。或者，当半导体晶片34放置在夹盘30上时，从适宜的测量仪器(未示出)，如激光测量仪器，到夹盘30的表面之间的长度，以及从测量仪器到半导体晶片34在渠道36处的表面之间的长度能够通过测量仪器实际测量出来。在渠道36处的半导体晶片34的厚度T1和安装带40的厚度T2之和就能够从测量的值确定。特别的，如果在渠道36处的半导体晶片34的厚度T1不是固定值，而是沿着渠道36改变的话，就需要通过以上的测量仪器进行实际的测量。假如这样的话，当半导体晶片34相对于脉冲激光束82沿着渠道36移动时，以上设定的间距SL也适当地随着半导体晶片34的厚度T1的改变而改变，由此聚焦点的深度D就能够调整到需要的值。
当脉冲激光束82聚焦到半导体晶片34表面下在深度D的位置时，破坏区域(该破坏区域，比如，是熔化和重固化区)在半导体晶片34里的深度D附近的周围区域形成。因此，当半导体晶片34和脉冲激光束82沿着渠道36相对彼此移动时，比如，通过在箭头12或14(图1)所 指代的方向上移动固定装置28，破坏区域在沿着渠道36的半导体晶片34里形成。在破坏区域里，应力被局部地减小。因此，半导体晶片34能够通过施加在半导体晶片34上的合适的外力沿着渠道36破裂。