LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN200910182534.X	申请日：	2009.09.16
公开号：	CN101670492A	公开日：	2010.03.17
当前法律状态：	实审	有效性：	审中
法律详情：	实质审查的生效IPC(主分类):B23K 26/38申请日:20090916\|\|\|公开
IPC分类号：	B23K26/38; B23K26/06; B23K26/067	主分类号：	B23K26/38
申请人：	苏州德龙激光有限公司
发明人：	赵裕兴; 徐海宾
地址：	215021江苏省苏州市工业园区苏虹中路77号
优先权：
专利代理机构：	南京苏科专利代理有限责任公司	代理人：	陈忠辉
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内容摘要

本发明涉及LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，在激光器的输出端设置有光闸，光闸的输出端连接有扩束镜，扩束镜的输出端布置有第一全反镜，第一全反镜输出端衔接有用于将单束激光源分成三束激光的激光分光系统，激光分光系统的输出端设置有第二全反镜，第二全反镜衔接聚焦镜，聚焦镜正对于加工平台；激光器出射的激光经光闸入射到扩束镜，经扩束镜后的激光入射到第一全反镜，经第一全反镜后的激光入射到激光分光系统，激光分光系统输出三束等尺寸均能量的激光入射到第二全反镜，第二全反镜转角后的三束激光入射到聚焦镜，透过聚

权利要求书

1.  LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，包括激光器(1)、加工平台(3)和控制系统(4)，其特征在于：所述激光器(1)的输出端设置有用于控制激光通断的光闸(5)，所述光闸(5)的输出端连接有用于激光光斑扩束倍率调节的扩束镜(6)，所述扩束镜(6)的输出端布置有第一全反镜(7)，第一全反镜(7)输出端衔接有用于将单束激光源分成三束激光的激光分光系统(2)，所述激光分光系统(2)的输出端设置有第二全反镜(8)，所述第二全反镜(8)衔接聚焦镜(9)，所述聚焦镜(9)正对于加工平台(3)；所述激光器(1)出射的激光经过光闸(5)垂直入射到扩束镜(6)，经扩束镜(6)后的激光入射到第一全反镜(7)，经第一全反镜(7)后的激光入射到激光分光系统(2)，激光分光系统(2)输出三束等尺寸均能量的激光，等尺寸均能量的三束激光入射到第二全反镜(8)，第二全反镜(8)转角后的三束并行激光入射到聚焦镜(9)，透过聚焦镜(9)的三束激光并行聚焦于加工平台(3)上，在加工平台表面的三束光位于同一直线上，并且中间一束激光与两侧激光的中心间距相等。

2.  根据权利要求1所述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其特征在于：所述聚焦镜(9)安装于可垂直上下移动的一维直线运动机构上，所述一维直线运动机构与一电机驱动连接。

3.  根据权利要求1所述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其特征在于：所述扩束镜(6)的倍率调节范围为8～15倍。

4.  根据权利要求1所述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其特征在于：所述激光器(1)为半导体泵浦激光器，输出的激光波长为355nm。

说明书

LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法
技术领域
本发明涉及激光加工设备，尤其涉及一种用于LED晶圆划片的紫外激光高精密加工设备的设计方法，属于激光精密加工设备技术领域。
背景技术
众所周知，蓝光LED晶圆往往是在蓝宝石基底材料上采用气相沉积的方法生长GaN发光层，目前普遍的蓝光LED晶圆尺寸为2英寸，在LED终端应用封装前需要将若干英寸的晶圆片切割成更小尺寸的晶粒。对于蓝宝石基材的LED晶圆切割，目前已经由紫外激光划片完全替代了早先的金刚石刀具，通过激光新工艺的导入，典型的12mil×12mil晶粒尺寸的划片时间约为8分钟。
随着LED行业的发展，LED价格的降低以及发光效率的提升，带动了LED芯片在各行业的推广普及，尤其是最近LED在显示背光源的广泛应用使得LED生产需求井喷，市场产能需求量翻倍的增长，可以预见未来5年内LED在照明行业的应用普及将造成LED产能需求数十倍的提升。
对于LED行业急剧的增长趋势，LED生产过程设备的性能也提出了新的要求，作为LED生产的关键设备之一的激光划片设备，其生产效率的要求尤为迫切。当然提升生产效率的普遍做法是提升划片速度，事实上应用于LED晶圆的激光划片机也经历了早期10mm/s速度下的3片/小时、中期20mm/s速度下的5片/小时、现在70mm/s速度下的8片/小时，从激光划片机的升级过程可以看出单纯的划片速度增加对于划片效率的提升空间越来越小。鉴于该困扰采用多光束并行划片的技术方案可以突破划片效率提升瓶颈，实现成倍的划片效率提升。
激光加工应用于LED晶圆划片是近几年来发展起来的新型应用工艺，目前国外已有相关的应用设备，例如美国的New Wave、Laser Solution和日本的Disco，但主要是单光束激光划片。
近年来，随着紫外激光光源的发展，尤其是半导体端泵紫外激光器在100kHz工作频率下5W以上功率的商用化，使得单光源多光束分光并行划片成为可能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，包括激光器、加工平台和控制系统，特点是：所述激光器的输出端设置有用于控制激光通断的光闸，所述光闸的输出端连接有用于激光光斑扩束倍率调节的扩束镜，所述扩束镜的输出端布置有第一全反镜，第一全反镜输出端衔接有用于将单束激光源分成三束激光的激光分光系统，所述激光分光系统的输出端设置有第二全反镜，所述第二全反镜衔接聚焦镜，所述聚焦镜正对于加工平台；所述激光器出射的激光入射到光闸，激光经过光闸垂直入射到扩束镜，经过扩束镜后的激光入射到第一全反镜，经过第一全反镜后的激光入射到激光分光系统，激光分光系统输出三束等尺寸均能量的激光，等尺寸均能量的三束激光入射到第二全反镜，第二全反镜转角后的三束并行激光入射到聚焦镜，透过聚焦镜的三束激光并行聚焦于加工平台上，在加工平台表面的三束光位于同一直线上，并且中间一束激光与两侧激光的中心间距相等。
进一步地，上述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其中，所述扩束镜的输出端布置有第一全反镜，第一全反镜反射镜具有二维角度调节和沿出射光轴一维平移调节功能，所述激光分光系统的输出端设置有第二全反镜，第二全反镜具有沿入射光轴一维平移调节功能。
更进一步地，上述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其中，所述聚焦镜安装于可垂直上下移动的一维直线运动机构上，所述一维直线运动机构与一电机驱动连接。
再进一步地，上述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其中，所述扩束镜的倍率调节范围为8～15倍。
再进一步地，上述的LED晶圆三光束激光划片设备的设计方法，其中，所述激光器为半导体泵浦激光器，输出的激光波长为355nm。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①采用简洁而功能齐备的光路设计，能够方便灵活的控制激光加工平面的光斑能量分布，适应不同规格的LED晶圆片的划片；
②采用独特的激光分光系统实现三光束并行划片的功能，激光分光系统将单束的紫外激光光源等尺寸均功率的分成三束，并且三束激光经过聚焦镜后等间距的聚焦于加工平台表面，三束光划片线宽和深度基本一致，使得划片效率成倍提升；
③由精密旋转电机调节三光束传输平面的角度，反映在加工平台表面三个聚焦光斑连线与加工平台运动X轴向和Y轴向的角度，进而实现三个聚焦光斑在加工平台X轴向和Y轴向的间距的精确控制；
④该设备较好实现LED晶圆片三光束的并行划片，广泛用于蓝光LED晶圆片的切割，满足LED晶圆生产产能需求。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明系统的结构示意图；
图2：本发明激光光路结构的原理图。
图中各附图标记的含义见下表：

附图标记含义附图标记含义附图标记含义 1 激光器 2 激光分光系统 3 加工平台 4 控制系统 5 光闸 6 扩束镜 7 第一全反镜 8 第二全反镜 9 聚焦镜

具体实施方式
设计一种LED晶圆三光束激光划片设备，采用简洁而功能齐备的光路设计，能够方便灵活地控制激光在加工平面的光斑能量，在保证切割效率的前提下稳定整个加工幅面内的划片深度与线宽；采用独特的激光分光系统将单束激光源等尺寸均能量分成三束激光并行聚焦于加工平台，通过精密旋转电机控制分光平面的角度，进而控制三束激光聚焦于加工平台的X轴和Y轴方向的间距。
设备系统如图1所示，主要包括激光器1、激光分光系统2、加工平台3和控制系统4，从激光器1发出的激光入射到激光分光系统2中，经过激光分光系统2将单束激光源能量均匀的分为三束激光并行聚焦于加工平台3上。由激光分光系统2将单束激光源分成三束等功率同尺寸的三束激光，三束激光经过聚焦镜后等间距的聚焦于加工平台，并且分光组件具有轴向的精密旋转电机，实现激光三光束分光方向与加工平台X轴或Y轴运动方向的精密控制，进而实现三光束在加工平台X轴或Y轴方向间距的精确连续可调。控制系统4包含运动控制卡和驱动器，通过电机内部的光栅尺形成角度位置精密闭环控制，控制系统4用于激光器、加工平台3、激光分光系统2的综合控制。激光器1与控制系统4之间通过RS232串口通信，实现控制系统4向激光器1传送控制指令以及激光器1向控制系统4传送状态信息。控制系统4向激光分光系统2发送脉冲信号控制精密旋转电机的方向，光栅尺的角度反馈形成闭环控制。加工平台3与控制系统4之间通过运动控制卡实现运动闭环控制。
本发明的激光光路结构，如图2所示，包含激光器1、扩束镜6、激光分光系统2、聚焦镜9、加工平台3以及控制系统4，激光器1为半导体泵浦激光器，输出的激光波长为355nm，激光器1的输出端设置有用于控制激光通断的光闸5，光闸5的输出端连接有用于激光光斑扩束倍率调节的扩束镜6，扩束镜6的倍率调节范围为8～15倍，扩束镜6的输出端布置有第一全反镜7，第一全反镜7具有二维角度调节和沿出射光轴一维平移调节功能，第一全反镜7输出端衔接有用于将单束激光源分成三束激光的激光分光系统2，激光分光系统2的输出端设置有第二全反镜8，第二全反镜8具有沿入射光轴一维平移调节功能，第二全反镜8衔接聚焦镜9，聚焦镜9安装于可垂直上下移动的一维直线运动机构上，一维直线运动机构与一电机驱动连接，聚焦镜9正对于加工平台3。
激光器1出射的激光入射到光闸5，光闸5的作用是用于控制激光的通断，当不需要激光划片时光闸阻挡入射激光，防止激光的溢出；激光经过光闸5垂直入射到扩束镜6，扩束镜6具有8～15倍的倍率调节功能，由高斯光学原理可知对于具有扩束功能的光学聚焦系统，扩束镜的扩束倍率与聚焦光斑的光腰直径成反比，因此可调倍率的扩束镜能有效的控制系统聚焦光斑的能量分布；经过扩束镜6后的激光入射到第一全反镜7，第一全反镜7具有二维角度调节和沿出射光轴一维平移调节功能；经过第一全反镜7后的激光入射到激光分光系统2，将单束激光源分成三束激光，即激光分光系统2输出三束等尺寸均能量的激光，等尺寸均能量的三束激光入射到第二全反镜8，第二全反镜8具有沿入射光轴一维平移调节功能；第二全反镜8转角后的三束并行激光入射到聚焦镜9，聚焦镜9安装于具有垂直升降功能的直线运动机构上，通过控制聚焦镜9与加工平面3之间的距离灵活的调整加工平面聚焦光斑的能量分布；透过聚焦镜9的三束激光并行聚焦于加工平台3上，在加工平台表面的三束光位于同一直线上，并且中间一束激光与两侧激光的中心间距相等。
需要说明的是，激光分光系统2包含精密旋转电机，精密旋转电机带有光栅尺反馈功能，单束激光源经过激光分光系统2后分成三束等尺寸均能量的平行光，并且三束光在同一平面内传输，调节精密旋转电机角度则三光束的传输平面相应地向相同方向发生同角度的旋转，经过第二全反镜8和聚焦镜9之后，聚焦在加工平台3表面的三点位于同一条线上，并且该连线与加工平台3的X轴向和Y轴向的夹角随精密旋转电机角度变化而改变。三束激光等尺寸均能量，经过聚焦镜后在加工平台表面具有相同的能量分布，进而决定三光束的划线宽度和深度相当。
本发明技术方案可满意实现LED晶圆片三光束的并行划片，成倍提高划片效率。凸显以下特点：1)采用简洁而功能齐备的光路设计，能够方便灵活的控制激光加工平面的光斑能量分布，适应不同规格的LED晶圆片的划片；2)采用独特的激光分光系统实现三光束并行划片的功能，使得划片效率成倍提升；3)采用精密陶瓷电机控制并行三束光与加工平台X轴或Y轴之间的夹角，控制三束光在X轴和Y轴方向间距的连续精密可调，该精密陶瓷电机通过高分辨率的光栅尺以及驱动器、运动控制卡形成角度位置的闭环精确定位控制。
综上可见，本发明设备能广泛用于蓝光LED晶圆片的切割，满足LED晶圆生产产能需求，经济效益和社会效益显著，应用前景非常看好。
需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。