TW201446378A

TW201446378A - 使用散光加長型光束點以及使用超短脈波及／或較長波長的雷射處理方法

Info

Publication number: TW201446378A
Application number: TW103118982A
Authority: TW
Inventors: Jeffrey P Sercel; Marco Mendes
Original assignee: Ipg Microsystems Llc
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-12-16
Also published as: WO2014194179A1

Abstract

可由一具有超短雷射脈波及/或較長波長之雷射束形成一可調整之散光加長型光束點，以加工由各種不同材料製成之基板。可產生具有複數個脈波之雷射束，該等脈波具有小於1奈秒之一脈波持續時間及/或具有大於400奈米之一波長。修改雷射束，以形成一散光光束，散光光束在一第一軸線上準直且在一第二軸線上會聚。聚焦散光光束以在一基板上形成散光加長型光束點，散光加長型光束點在第一軸線上聚焦於基板上並在第二軸線上散焦。可調整散光加長型光束點之長度，以提供足以使一單一超短脈波對基板材料之至少一部分造成冷燒蝕之一能量密度。

Description

使用散光加長型光束點以及使用超短脈波及/或較長波長的雷射處理方法

【相關申請案之交叉申請】

本申請案係於2012年3月16日提出申請之共同待決之美國專利申請案第13,422,190號之一部分接續申請案，該美國專利申請案第13,422,190號係於2010年12月7日提出申請之美國專利申請案第12/962,050號之一部分接續申請案，該美國專利申請案第12/962,050號則主張於2009年12月7日提出申請之美國臨時專利申請案第61/267,190號之權利，該等美國專利申請案及美國臨時專利申請案以引用方式併入本文中。

本發明係關於雷射處理，更具體而言，係關於利用由一固態雷射形成之一散光加長型光束點(astigmatic elongated beam spot)而進行之雷射處理(例如劃刻)，該固態雷射係產生超短脈波及/或處於可視光或紅外(IR)範圍之較長波長。

通常使用雷射藉由例如切割或劃刻一基板或半導體晶圓而處理或加工一工件。例如在半導體製造中，雷射常常用於切割一半導體晶圓之製程，俾使由半導體晶圓製成之各個器件(或晶粒)彼此分離。晶圓上之各晶粒係藉由隔道(street)而被隔開，且可使用雷射沿隔道切割晶圓。可使用雷射完全切斷晶圓，或不完全切斷晶圓並藉由在穿孔點處使晶圓破裂而將晶圓之其餘部分分開。例如當製造發光二極體(light emitting diode；LED)時，晶圓上之各個晶粒對應於LED。

隨著半導體器件之尺寸日益減小，可在單個晶圓上製成之此等器件之數目增多。增大每個晶圓之器件密度會增大產量並相似地降低每一器件製造之成本。為增大此密度，期望盡可能緊密地製造此等器件。半導體晶圓上之器件位置越緊密，各器件間之隔道便越窄。因此，雷射束應被精確地定位於更窄之隔道內且應在對器件造成最小損傷或不造成損傷之條件下切割晶圓。

根據一種技術，可將一雷射聚焦至基板或晶圓之一表面上以燒蝕材料並達成一局部切割。雷射切割可對一半導體晶圓執行，例如，對晶圓之上面形成有器件之正面執行(被稱為正面切割(front-side scribing；FSS))，或對晶圓之背面執行(被稱為背面切割(back-side scribing；BSS))。現有之系統及方法已使用一散光加長型光束點或直線束來執行雷射劃刻，例如，如在以引用方式併入本文之美國專利第7,709,768號中所更詳細闡述。

儘管此等方法較用於形成一直線束來劃刻一工件之其他技術具有諸多優點，然而用於利用一散光加長型光束點進行劃刻之現有系統僅限於某些材料、波長、及脈波持續時間。產生超短脈波及/或處於可視光範圍及紅外範圍之較長波長之雷射已可在市場上購得，但由於人們期望在使熔化及其他熱損傷最小化之同時保持高的雷射處理速度及準確度，故已在某些雷射劃刻應用中面臨挑戰。

本發明之主要目的在於提供一種形成一散光加長型光束點以用於加工一基板之方法，該方法包含：產生具有複數個脈波之一雷射束，該等脈波具有小於1奈秒(ns)之一脈波持續時間；修改該雷射束，以形成一散光光束，該散光光束在一第一軸線上準直且在一第二軸線上會聚；以及聚焦該散光光束，以在一基板上形成一散光加長型光束點，已聚焦之該散光光束在該第一軸線上具有一第一焦點並在該第二軸線上具有一第二焦點，該第二焦點係與該第一焦點分離，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上聚焦於該基板上並在該第二軸線上散焦(defocused)，該散光加長型光束點沿該第一軸線具有一寬度並沿該第二軸線具有一長度，該寬度小於該長度，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上較窄、而在該第二軸線上較寬。

本發明之第二目的在於提供一種形成一散光加長型光束點以用於加工一基板之方法，該方法包含：產生一雷射束，該雷射束具有大於400奈米之一波長；修改該雷射束，以形成一散光光束，該散光光束在一第一軸線上準直且在一第二軸線上會聚；以及聚焦該散光光束，以在一基板上形成一散光加長型光束點，已聚焦之該散光光束在該第一軸線上具有一第一焦點並在該第二軸線上具有一第二焦點，該第二焦點係與該第一焦點分離，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上聚焦於該基板上並在該第二軸線上散焦，該散光加長型光束點沿該第一軸線具有一寬度並沿該第二軸線具有一長度，該寬度小於該長度，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上較窄、而在該第二軸線上較寬。

10‧‧‧光束遞送系統

12‧‧‧固態雷射

14‧‧‧擴束望遠鏡

16‧‧‧球面平凹透鏡

18‧‧‧球面平凸透鏡

20a‧‧‧100%反射鏡

20b‧‧‧100%反射鏡

22‧‧‧光束成形光圈

24‧‧‧變形透鏡系統

26‧‧‧柱狀平凹透鏡

28‧‧‧柱狀平凸透鏡

30‧‧‧光束聚焦透鏡

32‧‧‧基板

34‧‧‧x-y運動平台

36‧‧‧旋轉平台

38‧‧‧雙棱鏡

50‧‧‧原始光束

52‧‧‧已擴大之光束

54‧‧‧已邊緣修剪之光束

56‧‧‧略微壓縮之雷射束

58‧‧‧散光加長型光束點

60‧‧‧短距焦點

62‧‧‧長距焦點

在結合附圖閱讀以下詳細說明之後，將更佳地理解本發明之該等及其他特徵及優點，在附圖中：第1圖係為根據本發明之一實施例，具有散光焦點光學元件之一光束遞送系統(beam delivery system；BDS)之示意圖；第2圖係為第1圖所示BDS之示意圖，其例示自雷射至目標對雷射束進行之依序修改；第3圖係為一光束之剖視圖，其例示在每一主子午線(principal meridian)上分別形成二個焦點；第4圖係為第1圖所示BDS中一光束聚焦透鏡之剖視圖，其例示穿過光束聚焦透鏡之被高度壓縮光束之「y分量」；第5圖係為第1圖所示BDS中一光束聚焦透鏡之剖視圖，其例示穿過光束聚焦透鏡之被高度壓縮光束之「x分量」；第6圖係為第1圖所示BDS之剖視圖，其例示在一個主子午線上形成二個分離之焦點；第7圖係為第1圖所示BDS之剖視圖，其例示在另一主子午線上形成二個分離之焦點；以及第8圖及第9圖係為第1圖所示BDS之剖視圖，其例示調整BDS中處理參數之靈活性。

根據本文所述之實施例，可由具有超短雷射脈波及/或較長波長之一雷射束形成一可調整之散光加長型光束點，以加工由各種不同材料製成之基板。可產生具有複數個脈波之雷射束，該等脈波具有小於1奈秒之一脈波持續時間及/或具有大於400奈米之一波長。修改該雷射束，以形成一散光光束，該散光光束在一第一軸線上準直且在一第二軸線上會聚。聚焦該散光光束，以在一基板上形成該散光加長型光束點，該散光加長型光束點在該第一軸線上聚焦於該基板上並在該第二軸線上散焦。可調整該散光加長型光束點之長度，以提供足以使一單一超短脈波對基板材料之至少一部分造成冷燒蝕之一能量密度。因此，可調整之散光加長型光束點容許調整能量密度，以避免喪失使用超短脈波進行燒蝕之有益效果，如下文所更詳細闡述。

如本文所用，「雷射加工(laser machining)」及「雷射處理(laser processing)」係指任何使用雷射能量改變一工件之動作，且「劃刻」係指藉由在工件上掃描雷射而加工或處理一工件之動作。加工或處理可包含但不限於燒蝕工件表面之材料及/或對工件內部之材料進行晶體破壞。劃刻可包含一系列燒蝕或晶體破壞區域且無需進行連續的一行燒蝕或晶體破壞。如本文所用，「冷燒蝕」係指因吸收雷射能量而引起材料燒蝕或移除並同時亦藉由排出被燒蝕之材料而移除熱量。

當一具有一所界定帶隙材料之原子藉由吸收能量而被激發至更高之量子狀態時，便可發生雷射誘導光子燒蝕(laser induced photonic ablation)。在一冷燒蝕製程中，當一單一光子之能量達到或超過目標材料之帶隙(量子吸收能量)時，雷射能量可被吸收，被暴露之材料被汽化，且熱量及碎屑在電漿中被帶走。當材料帶隙超過一單一光子(例如，在更長波長下)之能量時，便可能需要多光子吸收來進行冷燒蝕。多光子吸收係為一非線性之強度相關(intensity dependent)過程，因此越短之脈波提供越高效之過程。具體而言，具有高光子能量之超短雷射脈波可在達成多光子吸收方面具有優點。

然而，當所用之能量密度(焦/平方公分)或平均功率(瓦)高於一最佳值過多時，使用超短雷射脈波來達成冷燒蝕之有益效果可能會被消除。因多光子吸收之效率不到100%，故一部分脈波能量可轉變為熱量並保留於材料中。過多之熱量積聚(accumulation)可造成熔化及/或其他熱損傷。舉例而言，當因使用高於一最佳之製程及材料相關值(process and material dependent value)之一能量密度而使過多之能量被局部地施加至材料時，此熱量可發生積聚。在一個實例中，對於一10微微秒(ps)之脈波而言，能量密度應維持於5焦/平方公分以下，以避免有害之熱量積聚。當以更高之重複率(例如，100kHz或更高)施加超短雷射脈波時，此熱量亦可能會積聚。更高之重複率亦可導致雷射脈波與前一脈波產生之碎片羽煙(debris plume)交互作用(有時被稱為電漿屏蔽)，此可使材料移除之效率降低。儘管提高掃描速度可係為一種使高重複率雷射之熱量消散之方法，然而提高掃描速度可能會犧牲準確度。

根據本文所述之實施例，使用一散光加長型光束點可以更低之重複率以及更低之部件運動(part-movement)速度提高雷射處理速度，進而因能量分佈於一較大區域而減少局部受熱並克服電漿屏蔽問題。藉由如以下所將更詳細地闡述來調整散光加長型光束點之長度，便能夠以可用功率來最佳地利用能量密度以使熱量積聚最少、並同時將可用能量展佈於一大的區域以達成期望之生產量。因此，利用超短雷射脈波有利於以更長之波長達成冷燒蝕所需之多光子吸收，且可變之散光加長型光束點會達成更高之處理速度而不喪失利用超短脈波進行冷燒蝕之有益效果。可變散光加長型光束點容許使用自任何雷射(且尤其是超短脈波)得到之整個範圍之脈波能量，乃因可將光束點之尺寸最佳化以與最佳製程積分通量(fluence)相匹配。

增大可變散光加長型光束點之長度亦會導致直線加工速度增大。可藉由以下方式來確定直線加工速度：速度(毫米/秒)=脈波間距(毫米/脈波)×脈波頻率(脈波/秒)，其中脈波間距=光束長度/每一位置處之總照射次數(shot)。因此，對於一給定脈波間距，增大光束長度會使每一位置處之照射次數增多。換言之，更長之光束會使交疊部分增大(即，以達成一期望之切口深度)，此使得切割速度增大並同時維持最佳之積分通量。

散光加長型光束點除藉由改變光束長度來控制在目標上所使用之能量密度之外，亦能夠產生較利用傳統光學方法藉由僅將光束聚焦至一標準圓點而產生之切口更窄之切口。因衍射受限聚焦(diffraction-limited focusing)取決於波長，故散光加長型光束點有利於達成以更長波長獲得更窄切口之能力。

參照第1圖，詳細闡述能夠產生一可變散光加長型光束點之一光束遞送系統(BDS)10之一實施例。可變散光加長型光束點可用於切割或加工由各種類型之材料製成之一基板。在一個實例性應用中，BDS 10藉由形成一高解析度之可調整散光加長型光束點來提高LED晶粒分離之生產率，此會使劃刻速度最大化並使一晶圓上之劃刻相關空間(real-estate)之消耗最小化。BDS 10亦可用於其它劃刻或切割應用中。

在所示實施例中，一固態雷射12(較佳者係二極體激發固態雷射)產生一原始雷射束。該原始雷射束可係為一具有超短脈波(即，脈波持續時間小於1奈秒(ns))之脈波雷射束，該脈波雷射束提供一引起多光子吸收之峰值功率。超短脈波持續時間可處於小於1奈秒之任何可能雷射脈波持續時間範圍，例如小於10微微秒(ps)之一範圍、小於1微微秒之一範圍、或小於1毫微微秒(fs)之一範圍。雷射束亦可具有任何可能之雷射波長，包含但不限於：處於約100奈米至380奈米之紫外範圍之一波長(例如，一157奈米之雷射、一266奈米之雷射、一315奈米之雷射、或一355奈米之雷射)、處於約380奈米至750奈米之可視光範圍之一波長(例如，一515奈米或532奈米之綠色雷射)、處於約0.75微米至1.3微米之近紅外範圍之一波長(例如，一1.01微米之雷射、一1.03微米、或一1.07微米之雷射)、處於1.3微米至5微米之中紅外範圍之一波長、以及處於超過5微米之遠紅外範圍之一波長。

在某些實施例中，一超快雷射可能夠產生具有不同波長(例如，約0.35微米、0.5微米、1微米、1.3微米、1.5微米、2微米、或介於中間之任何增量)並具有不同超短脈波持續時間(例如，小於約10微微秒、1微微秒、1毫微微秒或介於中間之任何增量)之原始雷射束。一超快雷射之一實例包含可自通快(TRUMPF)公司購得之TruMicro系列之5000微微秒雷射其中之一。雷射亦可以處於約10千赫茲至1000千赫茲範圍之重複率提供處於約1微焦至1000微焦範圍之一脈波能量。在其他實施例中，雷射可係為一纖維雷射，例如可自IPG Photonics公司購得之纖維雷射類型。

原始雷射束通常處於具有高斯分佈(Gaussian distribution)之TEM₀₀模式中並被一擴束望遠鏡(beam expanding telescope；BET)14放大。BET 14之實例性實施例係由球面平凹透鏡(spherical plano-concave lens)16及球面平凸透鏡(spherical plano-convex lens)18構成。BET 14之放大率係由每一透鏡之焦距決定，一般由M=(|f _sx|/|f _sv|)來表示，其中M係為放大率，f_sx係為球面平凸透鏡18之焦距且f_sv係為球面平凹透鏡16之焦距。為達成準直光束擴大，球面平凹透鏡16與球面平凸透鏡18間之距離係由一般方程式D _c=f _sx+f _sv決定，其中D_c係為一準直距離。f_sx與f_sv之組合可用以滿足放大率M與準直距離D_c之設計值。M之範圍可約為2x至20x，且在實例性BDS 10中較佳為2.5x。基於此較佳放大率2.5x，f_sx=250毫米及f_sv=-100毫米與D_c=150毫米之一組合被較佳地用於此BDS 10中。

在所例示之實施例中，已擴大之光束由100%反射鏡20a反射，然後被引導至光束成形光圈(beam shaping iris)22。光束成形光圈22以一高斯分佈對稱地修剪掉該光束之低強度邊緣，進而留下通過光圈22之一高強度部分。該光束接著被引導至一可變變形透鏡系統(anamorphic lens system)24之中心。

實例性可變變形透鏡系統24係由一柱狀平凹透鏡(cylindrical plano-concave lens)26與一柱狀平凸透鏡(cylindrical plano-concave lens)28構成。可變變形透鏡系統24之各組件較佳滿足一條件|f _cx|=|f _cv|，其中f_cx係為柱狀平凸透鏡28之焦距且f_cv係為柱狀平凹透鏡26之焦距。在可變變形透鏡系統24中，入射光束在二主子午線其中之一上被不對稱地修改，該二主子午線其中之一在第1圖中出現於水平方向上。在變形透鏡系統24中，當D<D _c(其中D係為一柱狀平凹透鏡26與一柱狀平凸透鏡28間之一距離且D_c係為一準直距離)時，一平行入射光束在穿過變形透鏡系統24之後發散。相反地，當D>D _c時，一平行入射光束在穿過變形透鏡系統24之後會聚。在第1圖所示之變形透鏡系統24之實施例中，準直距離係為D _c=f _cx+f _cv=0，乃因|f _cx|=|f _cv|且f _cx具有一正值、f _cv具有一負值並且D D _c。因此，當D>0時，準直入射光束在穿過變形透鏡系統24之後會聚。

變形系統24之會聚程度或組合焦距(f_as)係由距離D控制，且此一般係由二透鏡原理表示：f _as=f _cx f _cv /(f _cx+f _cv-D)。亦即，距離D越大，焦距f_as越短。當距離D增大時，會聚程度僅在準直入射光束之一個主子午線上增大。在穿過可變變形透鏡系統24之後，入射光束之一個主子午線喪失其準直並會聚；然而，另一主子午線則不受影響並保持其光束準直。因此，藉由調整變形系統24之二個透鏡間之距離，光束在穿過可變變形透鏡系統24後之尺寸僅在一個主子午線上改變。因此，變形BDS 10特意引入散光，以在二主子午線(即，垂直的及水平的)上產生分離之焦點。儘管較佳使用一系列具有不同焦距或會聚度之變形透鏡來提供一可變散光光束點，然而亦可使用一單一變形透鏡替代可變變形透鏡系統以達成一固定之會聚度。

在穿過可變變形透鏡系統24之後，光束被另一100%反射鏡20b反射，然後被引導至一光束聚焦透鏡30之中心。實例性光束聚焦透鏡30係為一具有介於約+20毫米至+100毫米間之一焦距範圍之像差校正球面多元透鏡(aberration corrected spherical multi-element lens)。在BDS 10之一實施例中，使用一焦距為+50毫米之邊緣接觸雙合透鏡(doublet)。在穿過光束聚焦透鏡30之後，散光焦點其中之一被銳利地聚焦於一基板32(例如一半導體晶圓)上。在一個較佳實施例中，基板32被由電腦控制之x-y運動平台34平移以進行劃刻。在其中半導體晶圓包含正方形或矩形晶粒之半導體劃刻應用中，半導體晶圓可被一旋轉平台36旋轉90度，以沿x方向和y方向兩個方向進行劃刻。

BET 14與多元光束聚焦透鏡30之較佳組合會產生一具有最小像差以及一最小光束腰直徑(waist diameter)之高解析度且可調整之散光聚焦光束點。一般而言，一高斯光束之一最小光束腰直徑(w_o)可由w _o=λf/πw _i表示，其中λ係為一入射雷射束之一波長，f係為一光束聚焦透鏡之一焦距，π係為圓周率，且w_i係為入射光束之一直徑。在一給定光束聚焦透鏡30中，一聚焦點之最小光束腰直徑(w_o)或一尺寸與入射光束直徑(w_i)成反比。在本發明之實例性實施例中，BET 14變形地增大由多元光束聚焦透鏡30聚焦之入射光束直徑(w_i)，進而得到一最小化之光束腰直徑並形成一高解析度之聚焦光束點。此提供一銳利聚焦之劃刻光束點，該銳利聚焦之劃刻光束點能夠在一半導體晶圓上提供約5微米或更窄之劃刻切口寬度。因此，最小化之劃刻切口寬度會顯著地減少劃刻對一晶圓上空間之消耗，此使得一晶圓上能夠具有更多晶粒並提高生產率。

可變變形透鏡系統24與高解析度之光束聚焦透鏡30之組合使得在入射光束之每一主子午線上產生二個分離之焦點。改變可變變形透鏡系統24之光束會聚度之靈活性會達成對一目標半導體晶圓上一雷射能量密度之即時修改。因最佳雷射能量密度係由特定目標半導體晶圓之光吸收特性決定，故可變變形透鏡系統24可提供對由各種類型之半導體晶圓所決定之最佳處理條件之即時修改。

儘管顯示並闡述變形BDS 10之一實例性實施例，然而亦涵蓋其他實施例且該等其他實施例亦處於本發明之範圍內。具體而言，變形BDS 10可使用不同之組件來產生散光聚焦光束點，或變形BDS 10可包含額外之組件以提供對光束之進一步修改。

在一個替代實施例中，可將一雙棱鏡38或一組雙棱鏡插入變形透鏡系統24與BET 14之間。雙棱鏡將來自BET 14之已擴大且準直之光束均等地劃分，然後使該二個所劃分光束交叉以形成與半高斯分佈(half Gaussian profile)倒置之分佈。當使用一組雙棱鏡時，可藉由改變該組各個雙棱鏡間之距離來調整該二個所劃分光束間之距離。換言之，雙棱鏡38將高斯光束劃分成二個半圓並將該二個所劃分之半圓倒置。該二個圓之一疊加使得弱強度之高斯分佈之邊緣疊加。高斯分佈之此種倒置以及強度之再分佈會產生一均勻之光束分佈並消除高斯強度分佈之某些缺點。

在另一實施例中，BDS 10可包含變形透鏡系統24之一陣列，變形透鏡系統24之陣列用於形成小片段之分離散光「小光束」(類似於一虛線)。該等散光小光束使雷射誘導電漿能夠有效逃逸(escape)，此會積極地改變劃刻結果。變形透鏡系統之陣列中各透鏡間之距離控制每一小光束片段之長度。可藉由在變形透鏡系統之陣列前引入一柱狀平凸透鏡而控制各小光束片段間之距離。

在其他實施例中，BDS 10可包含一高速檢流計(galvanometer)，該高速檢流計之後跟隨一聚焦元件(例如，一平場聚焦 (f-theta)透鏡)。該檢流計使散光加長型光束點能夠沿一或多個軸線在一工件或基板上掃描而無需移動工件。平場聚焦透鏡使來自檢流計之掃描光束能夠聚焦至基板或工件之一平坦表面上而無需移動透鏡。亦可使用其他掃描透鏡。

參照第2圖，詳細闡述一種形成一可變散光加長型光束點之方法。來自雷射之原始光束50之輪廓大體具有約0.5毫米至3毫米之直徑且為一高斯分佈。原始光束50被BET 14擴大，且已擴大之光束52在直徑上大出約2.5倍。已擴大之光束52穿過光束成形光圈22以進行邊緣修剪，且已擴大且已邊緣修剪之光束54被引導至變形透鏡系統24之中心。變形透鏡系統24僅在一個主子午線上修改已擴大且已邊緣修剪之光束54，進而產生一略微壓縮之光束形狀56。當略微壓縮之雷射束56朝著光束聚焦透鏡30行進時，散光程度在光束形狀中增大，乃因可變變形透鏡系統24使得光束僅在一個主子午線上會聚。隨後，高度壓縮之光束57穿過光束聚焦透鏡30，以形成散光加長型光束點58。因高度壓縮之光束57在一個主子午線上具有會聚光束特性並在另一主子午線上具有準直光束特性，故在穿過光束聚焦透鏡30之後，在每一主子午線上分離地形成焦點。儘管在實例性BDS 10之上下文中闡述此種形成散光加長型光束點58之方法，然而此並非旨在限制該方法。

第3圖中之三維圖更詳細地例示在高度壓縮之光束57穿過光束聚焦透鏡(圖中未顯示)時在每一主子午線上分離地形成二個焦點。因高度壓縮之光束57在一個主子午線(以下稱為‘y分量’)上具有會聚特性，故y分量表現出短距焦點(short distance focal point)60。相反地，因另一子午線(以下稱為‘x分量’)具有準直光束特性，故x分量表現出長距焦點62。x分量與y分量之組合產生散光光束點58。

第4圖顯示高度壓縮光束57之y分量，該y分量穿過光束聚焦透鏡30並形成焦點60。經過焦點60之後，光束發散並形成散光加長型光束點58之散光側。

第5圖顯示高度壓縮光束57之x分量，該x分量穿過光束聚焦透鏡30並形成焦點62，高度壓縮光束57之準直x分量被銳利地聚焦於焦點60處，由此形成散光加長型光束點58之銳利聚焦側。

第6圖及第7圖進一步例示在每一主子午線上形成二個分離之焦點60、62。第6圖及第7圖中之示意性光束軌跡包含第1圖所示BDS 10之二維佈局，且為簡明起見，未包含100%反射鏡20a、20b及光束成形光圈22。在第6圖中，來自固態雷射12之原始光束被BET 14擴大並接著被準直。可變變形透鏡系統24在此主子午線上修改已準直之光束，進而使光束會聚。會聚光束被光束聚焦透鏡30聚焦。因其在穿過可變變形透鏡系統24之後會聚，故光束形成焦點60，焦點60短於光束聚焦透鏡30之標稱焦距(nominal focal length)。第6圖中之光束軌跡類似於第4圖中y分量之視圖。

相比之下，在第7圖中，來自BET 14之已擴大且已準直之光束在此主子午線上不受可變變形透鏡系統24之影響。在穿過可變變形透鏡系統24後，光束可在此子午線上維持準直。在穿過光束聚焦透鏡30之後，準直之光束聚焦於焦點62處，焦點62係形成於光束聚焦透鏡30之一標稱焦距處。第7圖中之光束軌跡類似於第5圖中x分量之視圖。在第7圖中，BET 14使經多元光束聚焦透鏡30聚焦之入射光束直徑增大，進而使一光束腰直徑最小化並產生一高解析度之加長型光束點。因此，目標基板32(例如，一半導體晶圓)在一個主子午線上接收一寬的且散焦的散光光束、而在另一個主子午線上接收一窄的且已銳利聚焦之光束。

如第3圖所示，該二個分離之焦點60、62之組合產生一散光加長型光束點，該散光加長型光束點之一側具有一散光且壓縮之周長，且另一側具有一已銳利聚焦且短的周長。

在劃刻一基板時，將散光加長型光束點引導於基板上並根據正在劃刻之材料而對散光加長型光束點應用一組參數(例如，波長、能量密度、脈波重複率、光束尺寸)。根據一種方法，散光加長型光束點可用於劃刻半導體晶圓，例如，在晶圓分離或切割(dicing)應用中。在此種方法中，可在聚焦雷射束下沿至少一個切割方向移動或平移晶圓，以形成一或多個雷射劃刻切口。為自一半導體晶圓上切割晶粒，可藉由沿x方向移動晶圓、然後在將晶圓旋轉90度之後沿y方向移動晶圓而形成複數個劃刻切口。當沿x方向及y方向進行劃刻時，散光光束點一般對偏振因素不敏感，乃因晶圓被旋轉以在x方向及y方向上提供切口。在劃刻切口形成之後，可利用熟習此項技術者所已知之技術沿劃刻切口將半導體晶圓分離來形成晶粒。

散光加長型光束點藉由達成更快之劃刻速度而在劃刻應用中提供一優點。劃刻速度可由S=(l _b‧r _p )/n _d表示，其中S係為劃刻速度(毫米/秒)、l_b係為聚焦劃刻光束之長度(毫米)、r_p係為脈波重複率(脈波/秒)且n_d係為達成最佳劃刻切口深度所需之脈波數目。脈波重複率r_p取決於所用雷射之類型。可自市場上購得重複率為每秒幾個脈波至每秒超過10⁵個脈波之固態雷射。脈波數目n_d係為一由目標晶圓之材料特性及一所期望之切口深度所決定之材料處理參數。若給定脈波重複率r_p及脈波數目n_d，則光束長度l_b係為決定切割速度之一控制因素。根據上述方法形成之聚焦散光加長型光束點會使光束長度l_b增大，進而得到更高之劃刻速度。

可變變形透鏡系統24亦提供更大之靈活性來調整處理參數以達成一最佳條件。例如，在雷射材料處理中，應基於一目標之材料特性而較佳地調整處理參數以達成最佳條件。雷射能量密度過大可對目標造成有害之熱損傷，而雷射能量密度不足可導致不當之燒蝕或其他有害結果。具體而言，可能需要減小一具有較高輻照度之超短脈波之能量密度，以避免喪失冷燒蝕之有益效果。如以下所更詳細地論述，可變變形透鏡系統24使能量密度能夠根據脈波持續時間及其他參數(例如雷射功率、波長、及材料吸收特性)而視需要調整。

第8圖及第9圖顯示在本發明中調整BDS處理參數之靈活性。在第8圖中，將可變變形透鏡系統24之透鏡26、28緊密地放置在一起，進而使已準直之入射光束具有低的會聚度。此低的會聚度在距光束聚焦透鏡30相對更遠之一距離處形成焦點60。因此，光束點58之長度相對較短且能量密度增大。

相比之下，在第9圖中，將可變變形透鏡系統24之透鏡26、28間隔地放置，進而使已準直之入射光束具有高的會聚度。此增大之會聚度會引入散光並在距光束聚焦透鏡30一相對較短之距離處形成焦點60。因此，光束點58之長度相對較長且能量密度減小。

在一個劃刻實例中，散光聚焦光束點可用於劃刻一用於藍色LED之藍寶石基板。對用於藍色LED之一藍寶石基板之最佳處理一般需要約10焦/平方公分之能量密度。因藍色LED晶圓一般被設計成在欲分離之各個晶粒間具有一約為50微米之間隙，故為進行雷射劃刻，最佳雷射束尺寸係較佳小於約20微米。當使用一目標位置輸出功率為3瓦且脈波重複率為50千赫茲之現有市售雷射時，以一15微米直徑進行之傳統光束聚焦使得雷射能量密度為34焦/平方公分。在使用傳統光束點聚焦之系統中，必須藉由減小雷射之功率輸出來調整目標位置能量密度，以達成最佳處理來避免能量密度過大。因此，無法充分利用雷射功率輸出來最大化劃刻速度或生產率。

相比之下，BDS 10之較佳實施例可調整壓縮光束點之尺寸以保持10焦/平方公分之最佳雷射能量密度，而無需減小自雷射輸出之功率。散光加長型光束點之尺寸可被調整成在散光軸上約為150微米且在聚焦軸上約為5微米。因散光軸沿著劃刻平移方向排列，故光束長度之此種增大會使劃刻速度如上所述成比例地增大。在此實例中，散光光束點可提供較傳統光束聚焦快10倍之處理速度。

在另一劃刻實例中，散光聚焦光束點可用於藉由與藍寶石基板上之一或多個氮化鎵(GaN)層(例如，大約在藍寶石基板上方4-7微米)耦合而非與藍寶石直接耦合來劃刻一藍寶石基板。GaN之更低帶隙會提供與入射雷射束之更高效耦合，而僅需約為5焦/平方公分之雷射能量密度。一旦雷射束與GaN耦合，對藍寶石基板之燒蝕會較直接與藍寶石耦合更加容易。因此，散光加長型光束點之尺寸可被調整成在散光軸上約為300微米且在聚焦軸上約為5微米。因此，處理速度可較傳統之遠場成像(far field imaging)或點聚焦技術快20倍。

聚焦軸上之最小化點尺寸亦會顯著地減小劃刻切口之寬度，繼而減少對一晶圓空間之消耗。此外，藉由減小總移除材料之體積，窄之劃刻切口會減少附帶材料損傷以及由燒蝕產生之碎屑。在一個實例中，可利用一目標位置功率約為1.8瓦且重複率為50千赫茲之266奈米DPSS雷射並藉由來自BDS 10之散光聚焦光束點來劃刻一基於藍寶石之LED晶圓。散光加長型光束點之尺寸可被調整成在散光軸上約為180微米且在聚焦軸上約為5微米，以提供一約為5微米之切口寬度。基於30微米深之劃刻，BDS 10能夠具有大於50毫米/秒之劃刻速度。雷射切口形成一尖的V形槽，此有利於在劃刻之後良好地控制破裂。來自可調整BDS 10之可變散光加長型光束點利用自雷射輸出之最大功率，進而直接增大處理速度。因此，正面切割可用於減小隔道寬度並增大破裂良率，藉此增加每一晶圓上之可用晶粒。

散光加長型光束點亦可有利地用於劃刻其他類型之半導體晶圓。基於目標材料之吸收特性(例如，帶隙能量及表面粗糙度)，散光加長型光束點輕易地調整其雷射能量密度以達一最佳值。在另一實例中，可利用一目標位置功率約為1.8瓦且重複率為50千赫茲之266奈米DPSS雷射並藉由來自BDS 10之散光聚焦光束點來劃刻一矽晶圓。散光加長型光束點之尺寸可調整成在散光軸上約為170微米且在聚焦軸上約為5微米，藉此以一約為40毫米/秒之速度形成75微米深之劃刻。

在又一實例中，可利用一目標位置功率約為1.8瓦且重複率為50千赫茲之266奈米DPSS雷射劃刻一磷化鎵(GaP)晶圓。散光加長型光束點之尺寸可被調整成在散光軸上約為300微米且在聚焦軸上約為5微米，進而以一約為100毫米/秒之速度產生一65微米深之劃刻。在其他化合物半導體晶圓(例如，GaA、磷化銦(InP)、鍺(Ge))中可達成類似之結果。

亦可藉由使用一散光加長型光束點及超短脈波來高速度高品質地劃刻/加工其他半導體材料(例如鎘或碲化鉍)。例如，一532奈米、10微微秒之雷射可用於形成一600微米長×20微米寬之散光加長型光束點，進而使用3瓦之平均功率在200千赫茲下高速度地(例如2米/秒)進行多遍劃刻來產生一500微米深之劃刻。在另一實例中，可藉由使用一1200微米長、6瓦、200千赫茲之光束調整光束尺寸來使生產量大體翻倍。若可得到更高之脈波能量，則可藉由對應地增大光束長度、同時保持一最佳積分通量而進一步增大生產量。

其他可被劃刻之基板包含但不限於InP、氧化鋁、玻璃及聚合物。本文所述之系統及方法亦可用於劃刻或處理用於在LED中進行光轉換之陶瓷材料，包含但不限於氮化矽、碳化矽、氮化鋁或陶瓷螢光粉。

散光聚焦光束點亦可有利地用於劃刻或加工金屬膜(例如鉬)。由於高的熱導率，使用傳統技術對金屬膜進行之雷射切割已表明沿雷射切口之尾流會產生受過熱影響之區域。藉由應用散光加長型光束點，在聚焦軸上5微米之光束寬度會顯著地減小雷射切割切口寬度，此繼而會減少熱影響區域、附帶材料損傷以及由燒蝕產生之碎屑。散光加長型光束點之尺寸被調整成在散光軸上約為200微米且在聚焦軸上約為5微米。此使得以一約為20毫米/秒之速度並利用目標位置功率約為2.5瓦且重複率為25千赫茲之266奈米DPSS雷射而達成50微米深之劃刻。亦可切割其他類型之金屬，包含但不限於鋁、鈦或銅。該等金屬可具有不同之厚度，例如，包含幾百微米厚至非常薄之膜(例如用作太陽能電池觸點之金屬層之膜)。

儘管各實例顯示在一基板中劃刻之線條，然而散光加長型光束點亦可用於劃刻其他形狀或用於執行其他類型之加工或切割應用。亦涵蓋除在上述實例中給出之操作參數外之其他操作參數，以用於劃刻LED晶圓。

根據另一種劃刻方法，可藉由使用一水溶性保護塗層而在基板上提供表面保護。保護塗層之較佳組成包含在一水溶性液體甘油中之至少一種表面活性劑，且可係為滿足該組成要求之任何種類之通用液體洗滌劑。液體甘油中之表面活性劑因其高的潤濕性而形成一薄的保護層。在薄膜層變乾之後，甘油會有效地耐受雷射誘導電漿之熱量，並同時防止由雷射產生之碎屑黏附於表面上。藉由以高壓水清洗會輕易地移除液體洗滌劑之薄膜。

因此，本發明之較佳實施例較利用圖案化雷射投影(patterned laser projection)之傳統系統以及利用遠場成像之傳統系統具有諸多優點。不同於簡單的遠場成像，本發明在藉由利用變形BDS修改雷射束以形成散光加長型光束點方面具有更大之靈活性。不同於傳統之圖案化雷射投影，變形BDS將來自一雷射諧振器之實質上整個光束遞送至一目標，藉此保持非常高之光束利用率。散光加長型光束點之形成亦使雷射束在最佳強度及光束腰直徑兩方面具有優異特性。具體而言，可變變形透鏡系統之較佳實施例達成對一雷射束之一可調整單平面壓縮，由此得到一可變聚焦光束點以快速地調整最佳雷射強度。藉由對光束點進行適當修改以及藉由最大化地利用一原始光束，散光加長型光束點之形成對於分離各種半導體晶圓而言具有諸多優點，包含：劃刻速度快、劃刻切口寬度窄、雷射碎屑減少以及附帶損傷減少。此外，可變散光加長型光束點使得能夠使用具有超短脈波之更長波長雷射以所期望之處理速度在產生最小熔化或熱損傷之條件下進行冷燒蝕。

根據一實施例，提供一種用於形成一散光加長型光束點以用於加工一基板之方法。該方法包含：產生具有複數個脈波之一雷射束，該等脈波具有小於1奈米之一脈波持續時間；修改該雷射束，以形成一散光光束，該散光光束在一第一軸線上準直且在一第二軸線上會聚；以及聚焦該散光光束，以在一基板上形成一散光加長型光束點，已聚焦之該散光光束在該第一軸線上具有一第一焦點並在該第二軸線上具有一第二焦點，該第二焦點係與該第一焦點分離，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上聚焦於該基板上並在該第二軸線上散焦，該散光加長型光束點沿該第一軸線具有一寬度並沿該第二軸線具有一長度，該寬度小於該長度，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上較窄、而在該第二軸線上較寬。

根據另一實施例，該方法包含：產生一雷射束，該雷射束具有大於400奈米之一波長；修改該雷射束，以形成一散光光束，該散光光束在一第一軸線上準直且在一第二軸線上會聚；聚焦該散光光束，以在一基板上形成一散光加長型光束點，已聚焦之該散光光束在該第一軸線上具有一第一焦點並在該第二軸線上具有一第二焦點，該第二焦點係與該第一焦點分離，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上聚焦於該基板上並在該第二軸線上散焦，該散光加長型光束點沿該第一軸線具有一寬度並沿該第二軸線具有一長度，該寬度小於該長度，俾使該散光加長型光束點在該第一軸線上較窄、而在該第二軸線上較寬。

儘管本文已闡述本發明之原理，然而熟習此項技術者應理解，本說明係僅以舉例方式進行而並非係為對本發明範圍之限制。除本文所顯示及闡述之實例性實施例之外，在本發明之範圍內亦涵蓋其他實施例。此項技術中之通常知識者所作之潤飾及替換仍被視為處於本發明之範圍內，本發明之範圍僅受下文申請專利範圍限制。