[发明专利]用于晶圆切割设备的紫外光学传输系统

说明书

技术领域

本发明一种用于晶圆切割设备的紫外光学传输系统设计，涉及一种应用于LED晶圆切割紫外激光精密加工设备的光学传输设计方法，属于激光精密加工领域。

背景技术

众所周知，传统的LED晶圆切割采用砂轮、金刚石等方式进行机械切割，但存在切割线宽大、加工速度慢等缺点，切割线宽达到30微米以上，2英寸晶圆切割的切割速度只能达到1～2片/小时。随着半导体产业的发展，LED晶圆大量使用蓝宝石等质地坚硬的基材，同时LED晶圆上晶粒尺寸越来越小，传统的机械切割方法越来越不能满足产业发展的需要。近几年来，LED晶圆紫外激光切割迅速发展，与传统的机械加工的方法相比，紫外激光切割是属于非接触式加工技术，具有加工速度快、切割线宽小、对晶粒影响小等优点。紫外激光波长短，光束质量好，激光可聚焦能力强，对晶圆的切割线宽可小于10微米。目前，紫外激光对2英寸晶圆的加工速度可以达到8片/小时以上。

激光加工应用于LED晶圆切割是近几年发展起来的新型加工工艺，该技术在国外应用较早，相关生产设备的主要厂家有：美国的New Wave、JDSU、Laser Solution和日本的Disco；而目前，在国内如苏州德龙和深圳大族等激光公司也开始生产相关设备。

目前，在LED晶圆紫外激光切割领域，主要的紫外激光源多为纳秒级脉宽的高重频激光。紫外激光器在应用于LED晶圆切割时，要求切割线的宽度小于10微米并且深度大于30微米。激光器的光束质量越好，通过同一聚焦镜后在焦点处获得的切割线宽度越小。理想的激光器的光束质量为M²＝1.0，但这样的光束质量在目前很难达到，即使能达到花费的成本也很高。目前，对于商用成熟的紫外激光器大部分光束质量介于1.2～2.5之间。为了达到满意的切割效果，传统的技术方案为：激光器输出光束经过扩束后，通过硬边光阑(即小孔)截取中间小部分激光，通过聚焦镜聚焦于LED晶圆上进行切割。由于光路中使用了硬边光阑，激光在通过小孔后，会在光斑内上产生光调制，并在沿小孔径向在光斑外远离中心的方向产生很强的衍射，如图3。这种衍射光在切割时，则会在切割线的两边产生烧灼，而这种烧灼则是LED芯片光衰和寿命降低的罪魁祸首。

另外，目前LED紫外切割设备中使用的紫外激光器工作条件比较固定，一般只能在相对小电流的范围调节激光输出功率，但是在激光器工作电流改变时，不仅激光输出功率改变，激光脉冲宽度也同时改变，因此在进行晶圆工艺摸索时，则很难确定切割效果的改变是由于激光功率的变化还是由于脉冲宽度的变化，或者是两者共同变化产生的效果。因此这种方式增加了工艺摸索的难度。

为了解决目前存在的问题，提高LED切割设备的加工性能，满足半导体行业发展的要求，需要设计一种新的紫外激光传输系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一个新的紫外激光传输设计方案，减少紫外激光器衍射光束对LED芯片的辐射强度，提高LED芯片的寿命，并实现对激光器功率的方便调节和实时监控，对于整体提高晶圆切割设备的加工性能，具有重要的实际意义。

为了控制并尽量减少紫外激光光束通过硬边光阑后在光斑内外产生的衍射，我们采用在传输光路上插入锯齿光阑的办法来解决。众所周知，对于象硬边光阑这样的光学元件，衍射光主要在垂至于光阑边缘(即圆的轴向)的方向发生并向边缘内部和外部传播，如图1，并且激光越强，衍射光也越强。而对于锯齿光阑来说，衍射光主要沿锯齿边缘向两边传播如图2，衍射光传播方向接近于光阑的切向方向，因此轴向上的衍射光大大减少并被抑制。图3和图4，分别是硬边光阑和锯齿光阑在传播相同距离后产生的强度分布。可以看出采用锯齿光阑后，光斑内的调制大大降低，光斑边缘更加陡峭，光斑外部衍射光大大降低。这种光束用于LED晶圆切割时，切割线边缘更加整齐，大幅度减少切割线的烧灼区以及衍射光对LED芯片的照射，大大提高了芯片的寿命。

另外，为了能简便地调节激光器输出功率，我们在光路设计上采用了λ/2波片和偏振器的方案。LED晶圆切割设备上用的紫外激光器输出的紫外激光一般是线偏振激光，线偏振激光可以通过λ/2波片旋转激光的偏振方向并通过偏振器进行检偏，切割设备就能在不改变激光脉冲宽度的前提下改变激光器输出的功率，而且激光功率调节范围可以接近0％～100％。我们在光路上还插入一个45度分光镜，大部分激光透过分光镜，而一小部分光按比例经过分光镜反射，反射到功率计上进行实时监控。