CN100362631C - 使用活性助气的激光加工 - Google Patents

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Abstract

通过为硅工件提供卤素环境以形成用于激光加工的活性助气，用波长小于0.55微米的激光束(4)通过激光器(2)对硅工件(5)进行加工。该激光束以高于硅的消融阈值的功率密度聚焦在硅工件上，以便使该助气在激光束的焦点或其附近与硅工件反应，从而提高加工速度并且由于加工质量的改进而提高加工好的工件的强度。该发明尤其应用于在六氟化硫(SF6)的存在下切割硅片，从而使所得模具的强度增大。

Description

使用活性助气的激光加工
技术领域
本发明涉及使用活性助气的激光加工。
背景技术
已经知道硅片衬底在SF6环境中进行蚀刻使得硅衬底的蚀刻清洁而光滑。
此外，在激光加工过程中SF6的存在改进了材料去除过程的质量和效率。然而，尽管这种气体的存在有助于材料的去除，但是通常这使得激光加工不能够以足够高的生产速率进行制造加工。
US 3679502说明了一种在SF6环境中被加热到温度在950至1250℃范围内的硅片衬底的非定域蚀刻方法。在这样高温下产生的氟自由基对硅表面进行以产生光滑清洁的表面。
在US 3866398中，公开了在激光划线过程中将例如SF6的试剂气体局部引入到加工区域中。该试剂气体与在激光加工过程中从衬底材料喷出的高温蒸汽发生反应从而产生不会在将要被加工的衬底上再沉积为固体碎片的气态化合物。
US 4331504公开了利用CO2激光振动地激发SF6分子以对掩蔽的(masked)晶片衬底进行定向非定域蚀刻。CO2激光的能量低至足以防止晶片衬底的直接激光消融。
US 4617086说明了在SF6环境中使用波长为0.6微米或更小的连续激光光解离SF6分子以快速定域蚀刻硅衬底的方法。该激光的功率密度在6×105W/cm2左右，低于硅的消融阈值，因此蚀刻主要是通过在硅衬底和激光工作时产生的氟自由基之间的相互作用而预先形成。
US 4731158公开了使用H2和含氟分子(例如NF3、SF6和COF2)的混合物，以便改进硅的激光光解离蚀刻相对于在仅含氟分子的环境中进行相同蚀刻工艺的速率。衬底材料的蚀刻是通过由于光解离过程产生的氟自由基而进行的。
发明内容
本发明的至少一个目标是减少现有技术中的上述不足。
本发明一个实施方式具体目标是利用在SF6环境中激光加工的优点，用于导致低碎片激光加工和/或所切割衬底部件的优异强度的激光切割工艺。这种优异的模具强度起因于在激光加工过程中使用SF6助气可实现的高质量加工。
根据本发明的第一方面，提供了一种包括以下步骤的对硅工件进行激光加工的方法：为硅工件提供卤素环境以便为激光加工形成活性助气；提供波长小于0.55微米的激光束；并且将激光束以高于硅的消融阈值的功率密度聚焦在硅工件上以便在助气的存在下对工件进行激光加工从而使助气与硅工件在激光束的焦点处或其附近发生反应，从而使激光加工的速度提高并且由于加工质量的改进而使加工工件的强度提高。
方便地，提供卤素环境的步骤包括提供六氟化硫(SF6)环境以及用激光束使至少部分六氟化硫解离从而形成氟自由基作为活性助气的步骤。
有利地，该方法用于切割硅片，因此助气的使用提高了所得模具的强度。
优选提供卤素环境的步骤包括提供氟环境作为活性助气，使活性助气与硅工件反应的步骤包括使氟与硅工件反应以形成气态四氟化硅(SiF4)。
方便地，激光加工工件的步骤包括晶片切割、通道钻孔(via drilling)和表面图案化中的至少一种。
优选该方法包括提供排气方法的附加步骤，用于去除来自工件环境中的悬浮气体中(gas-borne)的碎片和废气中的至少一种。
有利地，该方法在激光加工工件的步骤之后包括进一步的清洁由激光加工产生的工件残渣的步骤。
方便地，清洁工件的步骤包括对工件进行干擦拭的步骤。
或者，或此外，清洁工件的步骤包括水旋绕漂洗干燥的过程。
或者，或此外，清洁工件的步骤包括对工件进行激光清洁的步骤。
有利地，该激光清洁工件的步骤包括用散焦或者低能激光束扫描工件。
方便地，该激光扫描工件的步骤包括在空气环境中对工件进行激光清洁。
优选对工件进行激光清洁的步骤包括在活性助气的环境中对工件进行激光清洁。
优选该活性助气是氟或氟基的。
方便地，氟自由基是通过六氟化硫在工件上的激光光解离而产生的。
方便地，当工件是在其第一主面上具有激活装置(active device)的硅衬底时，为工件提供卤素环境的步骤包括将具有第一主面的衬底固定在带帧(tape frame)上的初始步骤，而加工工件的步骤包括从与第一主面相对的第二主面加工衬底。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于加工硅工件的激光加工设备，其包括：用于为硅工件提供卤素环境的助气输送装置；用于产生波长小于0.55微米的激光束的激光源装置；以及用于将激光束以在硅的消融速率之上的功率密度聚焦于硅工件的激光束输送装置，因此激光束在该激光束的焦点对硅工件进行加工而助气在该激光束的焦点或其附近与硅工件发生反应从而使激光加工速度提高并且提供了加工质量的改进因此提高了加工工件的强度。
优选该设备进一步包括用于抽取来自工件环境的悬浮气体中的碎片和废气中的至少一种的气体抽取装置。
方便地，助气输送装置包括用于输送六氟化硫的装置。
方便地，该设备被安排用于切割硅片，以便使助气的使用使所得模具的强度提高。
有利地，激光源装置包括在小于0.55微米波长下在第二、第三或者第四谐波进行操作的二极管泵浦激光器。
方便地，激光束输送装置包括带有扫描透镜的电流计和用于相对于激光束对工件进行定位的XY移动平台。
有利地，该设备进一步包括用于固定工件的带帧装置，以便从与其上带有激活装置的工件的第一面相对的工件第二主面对工件进行加工。
附图说明
现在将通过实施例，参考附图对本发明进行说明，其中：
图1是对于根据本发明和根据现有技术的激光加工，以加工速度作为纵坐标而晶片厚度作为横坐标的图；
图2是对于使用根据本发明和根据现有技术的激光加工并且使用锯道切割(saw street cutting)技术的图案晶片，以成品率(％PS)作为纵坐标而模具强度(N/mm2)作为横坐标的图；
图3是显示了激光和锯切硅模具的平均、最大和最小模具强度值的图；
图4是本发明的激光加工设备的示意图。
在图中，同样的数字代表同样的部件。
具体实施方式
本发明具体涉及在SF6环境中以高于硅消融阈值的激光功率密度对硅衬底的激光切割。硅材料主要通过激光消融的方法从晶片衬底中去除。SF6的加入引起激光切割速度的提高，同时也由于加工质量的改进而使激光加工模具的模具强度提高。这种改进可以与现有技术中使用SF6的改进蚀刻相比，即，在SF6环境中进行激光加工的部件表面比在空气中进行激光加工所得到的更光滑。然而，在本发明中，硅的蚀刻基本上被限制在激光聚焦的工件定域区域。此外，激光消融过程中喷出的材料与SF6环境发生反应，并且能够以气态的形式从加工部位去除，而不是作为固态碎片再沉积在激光加工部位的周围。
硅与所有卤素剧烈反应从而形成四卤化硅。其与氟(F2)、氯(Cl2)、溴(Br2)和碘(I2)反应分别形成四氟化硅(SiF4)、四氯化硅(SiCl4)、四溴化硅(SiBr4)和四碘化硅(SiI4)。与氟的反应在室温下发生，但是其它的反应需要加热到300℃以上。
Si+2F2→SiF4(气体)                        反应1
已经知道熔融硅根据以下反应与六氟化硫(SiF6)发生反应：
SiF6+3Si→2S+3SiF4(在激光存在下)          反应2
由于SiF6和硅的反应不是自发的，仅仅是在能量高于硅的熔融阈值时发生，其可能是非常局限性的，因此适合进行一步式硅微加工应用，比如晶片切割、通道钻孔和表面图案化。
参考图4，本发明的激光切割系统1包括在波长小于0.55微米的第二、第三或者第四谐波下操作的二极管泵浦激光器2，和将激光束输送到硅片5表面的光束输送系统3。波长在366nm或者355nm左右是适宜的。硅片可以是空白的或者可以在其上形成图案的不同层。该光束输送系统包括带有扫描透镜的电流计以指引光束在观察的有效视野内，而XY移动平台6用于对将被加工的硅片5进行定位。该系统包括气态输送系统7和将SiF6气体输送到晶片表面并且分别在激光加工之后捕获空气中的碎片和废气的抽取系统8。该激光束可以通过用于使活性助气围在晶片5周围的罩中的激光窗9指向晶片5上的预期加工部位。为了加工该晶片，激光束4加热硅片5以使其温度足以使反应2发生。然后由激光从SiF6解离的氟自由基通过与硅结合形成气态的四氟化硅(SiF4)而如反应1中对硅进行蚀刻。由于与SiF6气体的反应，硅的加工速率明显比不使用活性助气时所达到的速率快。
当在激光加工过程中使用SiF6作为助气时所得到的加工速度的优势的例子如图1所示，其中曲线11是在空气中进行的激光加工，曲线12是在SiF6环境中进行的激光加工。可以看出，对于所研究的所有厚度的晶片，在SiF6环境中晶片衬底的加工速度均较快，而对于厚度小于250微米的晶片，在SiF6环境中的加工速度比在空气中快三倍多。
在激光加工过程中使用SiF6作为活性助气切割的元件，其采用已知的Weibull模具强度试验测量的模具强度比不使用助气时所达到的模具强度更高。也就是说，发现在使用SiF6作为助气的激光加工之后所测试的硅模具的强度有明显的增加。图2显示对于锯切模具21、使用空气环境22的激光加工模具和使用SiF6环境23的激光加工模具，其成品率对于使模具破裂的压力的曲线。可以看出，在空气环境中激光加工的模具的模具强度(曲线22)比传统的锯切模具的强度(曲线21)更低，而在SiF6环境中激光加工的模具的强度(曲线23)比锯切模具的强度(曲线21)更高。事实上，发现使用70％重叠(overlap)的光束，激光加工元件的模具强度比不使用气体辅助加工的元件强4.8倍。而且，也发现在SiF6气体中切割的模锯比使用锯切技术切割的模具强固1.65倍。
参考图3，与传统的锯切技术所产生的平均模具强度的185MPa的值32以及在没有助气存在下激光加工所产生的平均模具强度的65MPa的值33相比，使用SiF6作为活性助气的激光加工产生超过300MPa的平均模具强度值31。
当用SiF6作为活性助气加工硅时，大多数副产品呈气态形式并且被排出，但是一些固态碎片残存并可能再沉积在晶片上。这种碎片用干擦拭的方法能够容易地去除。
如果出于任何理由对干擦拭的方法不适用或者不理想，这种固体碎片的去除可以通过使激光束散焦并以高于加工所用的速度扫描被污染的区域，使表面没有碎片并使其通过抽取系统8被捕获。为了实现满意的清洁，可能需要对工件或者衬底相同的区域进行多于一次的扫描，然而在清洁过程中，激光束的功率足够低以防止对硅或者晶片上任何其它层产生损害。对于这种清洁不需要使用助气，但是如果使用SiF6，该工序的效率得以提高。
晶片的顶层可以是光敏的，因此在晶片的顶面上使用扫描激光束是不实际的。在这种情况下，可以从晶片的背面加工晶片。
特别地，采用视觉系统从晶片的底部排列用于加工的晶片，晶片可以面朝下地固定在带上。通常，该带对于可见射线是透明的。用与激光系统配准的视觉系统，能将激光束输送到晶片的背面。这保证所有产生的碎片均在晶片的背部。
一旦以这种方式切割，晶片可以用激光进行清洁(干)或进行清洗，而晶片前部的元件不与水接触。
在本发明的又一个实施方式中，晶片被封在密室中。调节流进和流出该室的气体以确保有效加工并且控制气体的使用。也可以使用阀门系统以保证流进该室的气体得到控制，以便在激光器“工作”期间，输送充足的气体。
最后，用于对反应中没有消耗的气体进行去除和再循环的设备可以包括用于抽取和过滤反应副产品的设备以及用于使未反应的气体返回到反应区的设备。
尽管使用源自SF6的氟加工硅而对本发明进行了说明，应当理解可以采用其它卤素和其它卤素源，例如CF4。此外，应当理解本发明可以使用加强加工的合适助气加工其它半导体材料。
本发明提供了以下优点：使用尤其是在366nm或者355nm左右操作的UV激光器，对于硅和其它半导体进行高脉冲重复频率切割和加工，使用例如在WO 02/34455中所述的多通道，其中使用助气以增强切割或者加工过程以使该过程的速度得到改进、碎片的性质被改变从而能够更有效地清洁，而该过程本身，使用助气提供了具有与不使用助气所能达到的更高的模具强度的模具。
本发明提供主要优点的典型例子是在例如智能卡、层叠集成电路和集成电路的生产中。对于集成电路，切割部件的短期和长期可靠性，模具强度是关键。

Claims (23)

1.一种对硅工件进行激光切割的方法，包括以下步骤：
a.提供波长小于0.55微米的激光束(4)
b.通过提供卤素或卤素源环境并且用激光束使至少部分的所述卤素或卤素源解离以便形成卤自由基作为活性助气，从而为所述硅工件提供卤素环境以形成用于所述激光切割的所述活性助气；以及
c.将所述激光束以高于硅的消融阈值的功率密度聚焦于所述硅工件，以便在所述助气的存在下对所述硅工件进行激光切割，从而使所述助气在所述激光束的焦点或其附近与所述硅工件发生反应，因此激光切割速度得以提高，并且由于切割质量的改进使切割好的所述工件的强度得到增强。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供卤素环境的步骤包括提供六氟化硫环境和用所述激光束使至少部分所述六氟化硫解离从而形成作为活性助气的氟自由基的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其用于切割硅工件，因此所述助气的使用提高了所得模具的强度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供卤素环境的步骤包括提供氟环境作为活性助气，而所述使所述活性助气与所述硅工件反应的步骤包括使所述氟与所述硅工件反应以形成气态四氟化硅。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述对所述工件进行激光切割的步骤包括晶片切割。
6.根据权利要求1所述的方法，包括提供用于去除来自所述工件环境的悬浮气体中的碎片和废气中至少一种的气体抽取装置的附加步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，在所述对工件进行激光切割的步骤之后，进一步包括对由所述激光切割产生的所述工件残渣进行清洁的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述的对所述工件进行清洁的步骤包括对所述工件进行干擦拭的步骤。
9.根据权利要求7或者8所述的方法，其中所述的对所述工件进行清洁的步骤包括水旋绕漂洗干燥过程。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述的对所述工件进行清洁的步骤包括对所述工件进行激光清洁的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述的对所述工件进行激光清洁的步骤包括用散焦或者低能激光束对所述工件进行扫描。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述的对所述工件进行激光清洁的步骤包括在空气环境中对所述工件进行激光清洁。
13.根据权利要求10或11中任意一个所述的方法，其中所述的对所述工件进行激光清洁的步骤包括在活性助气的环境中对所述工件进行激光清洁。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述活性助气是氟或氟基的。
15.根据权利要求1所述的方法，其中氟自由基是通过在所述硅工件上六氟化硫的激光光解离所产生的。
16.根据权利要求1所述的方法，其中当所述工件是在其第一主面上具有激活装置的硅衬底时，所述的为所述工件提供卤素环境的步骤包括将所述具有第一主面的衬底固定在带帧装置上的初始步骤，对所述工件进行切割的所述步骤包括从与所述第一主面相对的第二主面切割所述衬底。
17.一种用于切割硅工件的激光切割设备，包括：用于产生波长小于0.55微米的激光束(4)的激光源装置；通过提供卤素或卤素源环境并且用所述激光束使至少部分的所述卤素或卤素源解离以便形成卤自由基作为活性助气，从而为所述硅工件提供卤素环境的助气输送装置；以及激光束输送装置，所述激光束输送装置用于使所述激光束以高于硅的消融速率的功率密度聚焦于所述硅工件，从而使所述激光束在该激光束的焦点对所述硅工件进行加工，而所述助气在所述激光束的焦点或其附近与所述硅工件反应，以提高激光加工速度并提供加工质量的改进以便提高加工好的所述工件的强度。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述设备进一步包括用于抽取来自所述工件环境的悬浮气体中的碎片和废气中的至少一种的排气装置。
19.根据权利要求17或18所述的设备，其中所述助气输送装置包括用于输送六氟化硫的装置。
20.根据权利要求19所述的设备，其被安排用于切割硅片从而使所述助气的使用增大所得模具的强度。
21.根据权利要求17所述的设备，其中所述激光源装置包括在小于0.55微米波长的第二、第三或者第四谐波下操作的二极管泵浦激光器。
22.根据权利要求17所述的设备，其中所述激光束输送装置包括带有扫描透镜的电流计和用于使所述工件相对于激光束(4)定位的XY移动平台(6)。
23.根据权利要求17所述的设备，其中所述设备进一步包括用于固定工件的带帧装置，以便从与其上具有激活装置的工件的第一面相对的所述工件第二主面对所述工件进行加工。
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