CN100365761C - 使用激光的半导体晶片分割方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过使用激光束沿切割道充分精确地分割半导体晶片的方法，同时完全避免或抑制在半导体晶片正面上的矩形区域中形成的电路变脏，而不使正面上的矩形区域产生缺口。从半导体基底的背面和正面的其中之一的旁边应用激光束，并将激光束聚焦于半导体基底的背面和正面的另一个上或其附近，部分损坏从半导体基底的背面和正面的另一个延伸到预定深度的至少一个区域。

Description

使用激光的半导体晶片分割方法
技术领域
本发明涉及通过使用激光束沿切割道(street)分割半导体晶片的方法，该半导体晶片由半导体基底构成，通过以网格形图案设置的多条切割道在该半导体基底的正面上划分多个矩形区域，且在矩形区域的每个中形成电路。
背景技术
众所周知，在半导体器件的生产中，由半导体基底(可由硅制成)构成的半导体晶片的正面通过以网格形图案设置的多条切割道划分为多个矩形区域，且在矩形区域的每个中形成电路。然后，沿切割道分割半导体晶片，从而形成多个半导体器件。近来，已经提出将各种使用激光束的方法用于沿切割道分割半导体晶片。
美国专利5,826,772披露了一种分割方法，其中从例如半导体基底等晶片的正面施加激光束，并将激光束聚焦于晶片正面上或其附近，使晶片和激光束沿分割线相对移动。这样，制成晶片的材料沿分割线融掉，从而在半导体基底的正面上沿分割线形成槽。然后，将外力施加到晶片上，用来沿槽分开晶片。
美国专利6,211,488和日本专利申请公开No.2001-277163分别披露了一种分割方法，该方法包括从例如半导体基底等晶片的正面或背面应用激光束，将激光束聚焦于晶片厚度方向上的中间部分上，使晶片和激光束沿分割线相对移动，从而生成在晶片厚度方向上的中间部分上沿分割线延伸的受影响区或损坏区(即裂缝形成区，或融化区或再凝固区)，然后将外力施加到晶片上，用来沿损坏区分开晶片。
当将上述美国专利5,826,772中披露的方法应用于沿切割道分割半导体晶片时，可能造成在切割道表面上融化掉的材料(所谓的碎片)在矩形区域上散布，从而弄脏在此处形成的电路。特别是当用于检测电路特征的金属膜(所谓的测试元件组膜)或低介电常数绝缘膜(所谓的低k膜)在切割道上形成时，融化并去除的材料很可能弄脏电路。
当将美国专利6,211,488和日本专利申请公开No.2001-277163中披露的方法应用于沿切割道分割半导体晶片时，具有以下问题：在正面和/或背面(在半导体晶片的厚度方向上观看)附近，破裂没有沿切割道充分精确地继续，这往往造成从晶片分割的矩形区域碎裂。特别是，如果半导体基底由单晶硅制成，且其正面位于<100>方向上的晶面上，则具有高分裂特性的位于<111>方向上的晶面出现在与由(010)平面和(001)平面作为分割面所限定的晶体取向成56°的角度处的方向上。因此，由于破裂在与分割面成56°的角度的方向上继续，所以有趋于碎裂的很强趋势。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种新型的改进方法，该方法能使用激光束将半导体晶片沿切割道充分精确地分割，同时完全避免或减少将在半导体晶片正面上的矩形区域中的电路沾污，且不会对正面上的矩形区域造成碎裂等。
我们，即发明人，进行了深入的研究和试验，并且出乎我们意料之外，发现以下事实：从半导体基底的背面和正面的其中之一的旁边应用激光束，激光束聚焦于半导体基底的背面和正面的另一个上或其附近。这样，至少从半导体基底的背面和正面的另一个延伸到预定深度的区域部分损坏，由此可获得上述主要目标。
根据本发明，作为用于获得上述主要目标的方法，提供了一种用于将半导体晶片沿切割道分割的分割方法，该半导体晶片由半导体基底构成，通过以网格形图案设置的多条切割道在该半导体基底的正面上划分多个矩形区域，且在矩形区域的每个中形成电路。
该分割方法包括：
从半导体基底的背面和正面中之一的旁边应用激光束，并将激光束聚焦于半导体基底的正面上或其附近，以用所述激光束来部分损坏从半导体基底的正面向所述背面延伸到预定深度的一个区域，以及将所述激光束聚焦于所述半导体基底的的背面上或其附近，以用所述激光束来部分损坏从所述背面向所述正面延伸到一个预定深度的一个区域；
使半导体基底和激光束沿切割道相对移动；以及
将外力施加到半导体晶片上，用来沿切割道分开半导体基底。
如果半导体基底由硅制成，则该损坏实质上是融化和再凝固。该分割方法的优点是包含使激光束的焦点在半导体晶片的厚度方向上移动，从而增加损坏区的厚度。如果设半导体基底的厚度为T，则优选损坏从半导体基底的背面和正面的另一个延伸到0.20T到0.50T范围内的深度的区域，也损坏从半导体基底的背面和正面的一个延伸到0.20T到0.50T范围内的深度的区域。还可能损坏半导体基底的厚度方向上的全部。如果从半导体基底的背面应用激光束，并将其聚焦于半导体基底的正面或其附近，则优选将由塑料薄膜制成的保护带粘到半导体基底的正面上，且该半导体基底的背面是如由JIS B0601所限定的表面粗糙度Ra为0.05μm或更小的镜面。如果为金属膜或低介电常数绝缘膜的层压薄膜至少设置在半导体基底的正面上的切割道区中，则该层压薄膜也可以通过激光束至少部分损坏。优选地，激光束是波长为800到1,500nm的脉冲激光束。
附图说明
图1示出将被本发明的方法分割的半导体晶片的典型实例。
图2示出图1所示半导体晶片的正面的放大的局部视图，
图3示出在本发明的方法的优选实施例中将激光束应用于半导体基底的方式(mode)的示意性截面图。
图4示出图1所示方式沿切割道的截面的示意性截面图。
图5是与图4相似的示意性截面图，示出生成重叠在半导体基底的厚度方向上的损坏区的方式。
图6示出在半导体基底的整个厚度上生成损坏区(融化/再凝固区)的状态的示意性截面图。
图7示出在半导体基底的正面侧和背面侧的每个上生成损坏区(融化/再凝固区)的状态的示意性截面图。
具体实施方式
现在将参看附图详细描述本发明的优选实施例。
图1示出将被本发明的方法分割的半导体晶片的典型实例。该半导体晶片整体用标号2表示，包括由硅制成的近似盘状半导体基底4.在半导体基底4中，形成通常称为基准边的直缘6。在半导体基底4的正面8上，用以网格形图案设置的多条切割道划分多个矩形区域12。每条切割道10平行或垂直于直缘6延伸。参看图2以及图1，电路14设置在矩形区域12的每个中(在图1中，以简化方式示出电路14)。用于电路14的特征测试且具有正方形或长方形的金属膜16以适当的间隔设置在切割道10上。金属膜16通常称为teg(测试元件组)薄膜。尽管称为低k膜的低介电常数绝缘膜并未示出，但这样的膜通常设置在半导体基底4的正面8上，举例来说用于提高电路的处理能力。
本发明的方法涉及使用激光束沿切割道10分割上述半导体晶片2。图3示意性示出将激光束18应用于半导体基底4的方式。在所示出的实施例中，将半导体基底4倒置，即面朝下放置。也就是说，形成电路14的正面8指向下方，而背面20指向上方。有利的是，如图3的双点链线所示，由诸如聚乙烯薄膜等适合的塑料薄膜制成的保护带21粘到形成电路14的半导体基底4的正面8上。从半导体基底4的背面20旁边即从图3的上方应用激光束18。如果可能，为了避免激光束18从半导体基底4的背面20不规则反射，优选将半导体基底4的背面20抛光为如JIS B0601所限定的表面粗糙度为0.05μm或更小的镜面。激光束18能够穿过半导体基底4是重要的。特别是当半导体基底4由硅制成时，激光束18优选是波长为800到1,500nm的脉冲激光束，具体而言是波长为1,06nm的YVO4脉冲激光束，或波长同样为1,064nm的YAG脉冲激光束。
参看图4以及图3，从半导体基底4的背面经由适合的光学系统(未示出)应用的激光束18聚焦于半导体基底4的正面8上或其附近，例如，在半导体基底4的正面8上的位置上，或当在厚度方向上(即图3中向下)从正面8向内测量时在+10μm到-10μm的范围内的位置上。在此情形下，在半导体基底4中从正面8延伸到预定深度D1的区域损坏。如果半导体基底4由硅制成，则该损坏实质上为融化。脉冲激光束18在其焦点22处的峰值功率密度取决于制成半导体基底4的材料，但是一般而言，峰值功率密度优选为1×109W/cm2。当半导体基底4和激光束18沿切割道10相对移动时，从半导体基底4的正面8延伸到深度D1的区域随着相对移动逐渐损坏。如果半导体基底4由硅制成，则其逐渐融化和再凝固。如果金属薄膜16(或低介电常数薄膜)设置在切割道10上，则优选调整激光束18的应用，从而金属薄膜16(或低介电常数薄膜)也将在厚度方向上至少部分损坏，但这不是必需的。如果半导体基底4和激光束18在特定切割道10的整个长度上相对移动，则损坏区24沿所述特定切割道10大体上连续延伸，或多个损坏区24沿特定切割道10以某一间距存在。
根据我们的经验，当从半导体基底4的正面8应用激光束18并将其聚焦于半导体基底4的正面8上或其附近时，制成半导体基底4的材料在半导体基底4的正面8上融化掉。这样，往往产生所谓的碎片，弄脏在半导体基底4的正面8上的矩形区域12中形成的电路14。另一方面，当从半导体基底4的背面20应用激光束18并将其聚焦于半导体基底4的正面8上或其附近时，明显地抑制该材料的去除，并且即使有碎片产生，也是微不足道的。该材料融化，然后再凝固。尽管产生这种现象的原因不必是清楚的，但是我们有如下推测：当从半导体基底4的正面8应用激光束18并将其聚焦于半导体基底4的正面8上或其附近时，激光束18的功率从半导体基底4的正面8向外分散。相反，当从半导体基底4的背面20应用激光束18并将其聚焦于半导体基底4的正面8上或其附近时，激光束18的功率从半导体基底4的正面8向内分散。结果，损坏区24从正面8向内发展。如果保护带21粘到半导体基底4的正面8上，则即使有碎片分散，这种分散也在物理上由保护带21局限于焦点附近。
以上述方式，连续延伸的损坏区24或在从半导体基底4的正面8延伸到深度D1的区域中相隔微小间距的大量损坏区24，在特定切割道10的整个长度上产生。在此情形下，材料的强度在损坏区中局部降低。因此，变弱的区域大体上连续延伸，或变弱的区域沿特定切割道10相隔微小间距。在此情形下，将外力施加到半导体基底4上，从而举例来说在图3的箭头26表示的方向上产生张应力。这样，半导体基底4可沿特定切割道10破裂。然而，为了沿切割道10充分精确地使半导体基底4断裂，使损坏区24的厚度即损坏区24在半导体基底4的厚度方向上的尺寸较大是重要的。为了提高损坏区24的厚度，多次应用激光束18同时使激光束18的焦点22移位是允许的。图5示出产生在半导体基底4的厚度方向上重叠的损坏区24的方式，通过相对于半导体基底4向右移动激光束18，并且激光束18的焦点22最初位于半导体基底4的正面8处或其附近，从而沿切割道10产生深度为D1的损坏区24-1；然后相对于半导体基底4向左移动激光束18，并且激光束18的焦点22向上移动预定距离(D1)，从而在损坏区24-1的顶部上产生深度为D2的损坏区24-2；相对于半导体基底4向右移动激光束18，并且激光束18的焦点22进一步向上移动预定距离(D2)，从而在损坏区24-1的顶部上产生深度为D3的损坏区24-3。
我们的试验已经证实，当重复执行参看图5进行说明的方法，从而在图6所示的半导体基底4的整个厚度上产生损坏区24时，半导体基底4可沿切割道10充分精确且充分容易地断裂。然而，为了在半导体基底4的整个厚度上产生损坏区24，有必要使激光束18的焦点相对于半导体基底4的移位和激光束18相对于半导体基底4的移动反复进行多次，从而需要相当长的时间。我们的试验也已证实，如图7所示，当在从半导体基底4的正面8延伸到深度D-A的区域中产生损坏区24-A，且在从半导体基底4的背面20延伸到深度D-B的区域中产生损坏区24-B时，无需在半导体基底4的整个厚度上形成损坏区24，就可使半导体基底4可沿切割道10充分精确且充分容易地断裂。如果设半导体基底4的厚度为T，则损坏区24-A的深度优选为0.20T到0.50T，且损坏区24-B的深度同样优选为0.20T到0.50T。另一方面，假定，根据美国专利6,211,488和日本公开专利申请No.2001-277163中的公开内容，损坏区仅在半导体基底的厚度方向上的中间部分中产生；换句话说，损坏区未暴露在半导体基底的正面和背面处。在此情形下，没有沿半导体基底正面和/或背面的附近的切割道继续充分精确地破裂，结果是如前所述，碎片往往出现在正面和/或背面上。
在上述实施例中，从半导体基底4的背面20旁边应用激光束18并将其聚焦于半导体基底4的正面8上或其附近。特别是，当反射激光束18的金属薄膜16没有在切割道10上形成时，从半导体基底4的正面8应用激光束18并将其聚焦于半导体基底4的背面上或其附近。
接下来，将描述本发明的实例和比较实例。
实例1
制备具有如图1和图2所示配置的半导体晶片。半导体基底的直径(除直缘外所测量的)为8英寸(20.34mm)，其厚度为500μm。半导体基底背面的表面粗糙度为0.05μm。根据图5所示的方式，从半导体基底的背面旁边应用激光束，沿切割道移动半导体基底，同时激光束的焦点最初位于半导体基底的正面上。然后，对于半导体基底的每次移动，激光束的焦点向上升高50μm，且半导体基底沿切割道移动总共10次。以此方式，在堆叠的10个层中顺序形成融化的再凝固区域。所用的激光束如下所述：
激光：YVO4脉冲激光
波长：1064nm
焦斑直径：1μm
脉冲宽度：25ns
焦斑的峰值功率密度：1.5×1010W/cm2
脉冲重复频率：100kHz
半导体基底的进给速度：100mm/s
然后，半导体基底的正面上的切割道的两侧被一对相隔7mm放置的支座(barrier)支撑，且具有半径为0.03mm的半圆形前端的细长破裂元件从半导体基底的背面向切割道的中央部分以1mm/s的速率降低，从而使半导体基底沿切割道断裂。当观察断裂的半导体基底时，半导体基底沿切割道充分精确地断裂，没有发现碎片。在暴露于激光束下时融化和再凝固充分覆盖半导体基底的整个厚度，如图6所示。也注意到金属薄膜的损坏。
实例2
在制备的半导体晶片中的半导体基底的厚度为625μm，并且切割道上没有设置金属薄膜。半导体基底沿切割道移动，同时所应用的激光束的焦点最初位于半导体基底正面上。然后，半导体基底沿切割道移动两次，同时对于每次移动，激光束的焦点都升高50μm。以此方式，在堆叠在半导体基底背面侧上的3个层中形成融化的再凝固区域。然后，沿着切割道移动半导体基底，并将激光束的焦斑升高325μm。然后，使半导体基底沿着切割道移动两次，并每次移动时使激光束的焦斑进一步升高50μm。以这种方式，在半导体基底的背面上累积形成了3层熔化的再凝固区域。除此之外，执行与实例1相同的步骤，并且使半导体基底沿切割道断裂。对断裂的半导体基底的观察表明，半导体基底沿切割道充分精确地断裂，并且没有出现碎片。在应用激光束时出现的融化和再凝固如图7所示。暴露于正面的正面侧融化并再凝固的区域的厚度约为150μm(约为整个厚度的24％)，且暴露于背面的背面侧融化并再凝固的区域的厚度约为150μm(约为整个厚度的24％)。
比较实例
半导体基底沿切割道移动，同时所应用的激光束的焦点最初位于半导体基底正面上方100μm的位置处。然后，半导体基底沿切割道移动5次，同时对于每次移动，激光束的焦点都升高50μm。以此方式，六个融化的再凝固区域形成层叠结构。除此之外，执行与图2相同的步骤，且使半导体基底沿切割道断裂。对断裂的半导体基底的观察表明，继续断裂同时偏离切割道的半导体基底的多个位置出现在半导体基底的正面和背面上。融化的再凝固区域仅出现在半导体基底的厚度方向上的中间部分中，而没有达到半导体基底的正面或背面。融化的再凝固区域的厚度约为300μm。

Claims (9)

1.一种用于沿切割道分割半导体晶片的分割方法，所述半导体晶片由半导体基底构成，通过以网格形图案设置的多条切割道在所述半导体基底的正面上划分多个矩形区域，且在所述矩形区域的每个中形成电路，
所述分割方法包括：
从所述半导体基底的背面和正面中之一的旁边应用激光束，并将所述激光束聚焦于所述半导体基底的正面上或其附近，以用所述激光束来部分损坏从所述正面向所述背面延伸到一个预定深度的一个区域，以及将所述激光束聚焦于所述半导体基底的的背面上或其附近，以用所述激光束来部分损坏从所述背面向所述正面延伸到一个预定深度的一个区域；
使所述半导体基底和所述激光束沿所述切割道相对移动；以及
将外力施加到所述半导体基底上，用来沿所述切割道分开所述半导体基底。
2.根据权利要求1所述的分割方法，其中所述半导体基底由硅制成，且所述损坏实质上为融化和再凝固。
3.根据权利要求1所述的分割方法，还包括使所述激光束的焦点在所述半导体晶片的厚度方向上移位，从而增加所述损坏区域的厚度。
4.根据权利要求3所述的分割方法，其中如果设所述半导体基底的厚度为T，则损坏从所述半导体基底的背面和正面的所述另一个延伸到0.20T到0.50T范围内的深度的区域，并损坏从所述半导体基底的背面和正面的所述一个延伸到0.20T到0.50T范围内的深度的区域。
5.根据权利要求3所述的分割方法，其中损坏所述半导体基底的厚度方向上的全部。
6.根据权利要求1所述的分割方法，还包括从所述半导体基底的背面旁边应用所述激光束，并将所述激光束聚焦于所述半导体基底的所述正面上或其附近。
7.根据权利要求6所述的分割方法，其中将由塑料薄膜制成的保护带粘到所述半导体基底的正面上。
8.根据权利要求6所述的分割方法，其中为金属膜或低介电常数绝缘膜的层压薄膜至少设置在所述半导体基底的正面上的切割道区中，且所述层压薄膜也可以通过所述激光束至少部分损坏。
9.根据权利要求1所述的分割方法，其中所述激光束是波长为800到1500nm的脉冲激光束。
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