CN101890578A - 半导体晶片的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体晶片的激光加工方法，其能制造抗弯强度高的器件。该半导体晶片的激光加工方法的特征在于，具有如下的加工槽形成工序：沿着半导体晶片的分割预定线，照射对于半导体晶片具有吸收性的波长的脉冲激光束而在半导体晶片上形成激光加工槽，在该加工槽形成工序中，照射的脉冲激光束的脉宽为2ns以下，峰值能量密度为5GW/cm2～200GW/cm2。

Description

半导体晶片的激光加工方法
技术领域
本发明涉及沿着半导体晶片的分割预定线照射激光束而在半导体晶片上形成激光加工槽的半导体晶片的加工方法。
背景技术
在半导体器件制造工艺中，使用呈格子状形成在大致圆板形状的硅晶片、砷化镓晶片等半导体晶片的表面上的、被称为间隔道(street)的分割预定线，划分出多个区域，在划分出的各区域内形成IC、LSI等的器件。然后，通过切削装置或激光加工装置将半导体晶片分割成各个器件，分割后的器件被广泛应用于移动电话、个人计算机等各种电气设备。
作为切削装置，一般使用被称为划片(dicing)装置的切削装置，在该切削装置中，在使切削刀片以大约30000rpm进行高速旋转的同时，使切削刀片切入半导体晶片，由此来进行切削，其中，上述切削刀片是利用金属、树脂将金刚石或CBN等的超磨粒固结在一起而形成的，其厚度为30～300μm左右。
另一方面，激光加工装置至少具有：卡盘工作台，其保持半导体晶片；激光束照射单元，其向由该卡盘工作台保持的半导体晶片照射脉冲激光束；以及加工进给单元，其使该卡盘工作台与该激光束照射单元相对地进行加工进给，该激光加工装置沿着形成在半导体晶片表面上的分割预定线，照射对于半导体晶片具有吸收性的波长的脉冲激光束而形成激光加工槽，然后施加外力，沿着激光加工槽来切断半导体晶片，从而分割成各个器件(例如参照日本特开2007-19252号公报)。
【专利文献1】日本特开2007-19252号公报
然而，利用具有切削刀片的划片装置切削半导体晶片而形成的器件的抗弯强度为800MPa，与之相对，使用现有的激光加工方法形成的器件的抗弯强度为400MPa这样的低水平，存在导致电气设备质量下降的问题。
发明内容
本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够制造抗弯强度高的器件的半导体晶片的激光加工方法。
根据本发明，提供一种半导体晶片的激光加工方法，其特征在于，该半导体晶片的激光加工方法具有如下的加工槽形成工序：沿着半导体晶片的分割预定线，照射对于半导体晶片具有吸收性的波长的脉冲激光束而在半导体晶片上形成激光加工槽，在该加工槽形成工序中，照射的脉冲激光束的脉宽为2ns以下，峰值能量密度为5GW/cm2～200GW/cm2。
优选的是，在加工槽形成工序中，以聚光在半导体晶片上的光点的直径的16/20以上的重合量，对半导体晶片进行加工进给来形成加工槽。优选的是，激光束的光点直径处于φ5μm～φ15μm的范围内。
根据本发明，将对于半导体晶片具有吸收性的波长的脉冲激光束的脉宽设定为2ns以下，并且，将脉冲激光束的每1个脉冲的峰值能量密度设定为5GW/cm2～200GW/cm2，从而在半导体晶片上形成激光加工槽，因此，能够使分割后的器件的抗弯强度达到800MPa以上。
附图说明
图1是适合于实施本发明的激光加工装置的外观立体图。
图2是通过胶带而由环状框架支撑的半导体晶片的立体图。
图3是激光束照射单元的框图。
图4是激光加工槽形成工序的立体图。
图5(A)是激光加工槽形成工序的说明图，图5(B)是示出激光加工槽的半导体晶片的剖面图。
图6是说明光束点的重合量的图。
图7是分割装置的立体图。
图8是半导体晶片分割工序的说明图。
标号说明
W：半导体晶片；T：胶带(划片带：dicing tape)；F：环状框架；D：器件；2：激光加工装置；28：卡盘工作台；34：激光束照射单元；36：聚光器；74：激光加工槽；80：分割装置；82：框架保持单元；84：带扩展单元；86：框架保持部件；90：扩展鼓(drum)；96：气缸。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。图1示出了适合于实施本发明的半导体晶片的加工方法的激光加工装置的概略结构图。
激光加工装置2包括以可在X轴方向上移动的方式搭载在静止基座4上的第1滑块6。第1滑块6可通过由滚珠丝杠8和脉冲电机10构成的加工进给单元12，沿着一对导轨14在加工进给方向、即X轴方向上移动。
在第1滑块6上，以可在Y轴方向上移动的方式搭载有第2滑块16。即，第2滑块16可通过由滚珠丝杠18和脉冲电机20构成的分度进给单元22，沿着一对导轨24在分度方向、即Y轴方向上移动。
在第2滑块16上，通过圆筒支撑部件26搭载有卡盘工作台28，卡盘工作台28可通过加工进给单元12和分度进给单元22在X轴方向和Y轴方向上移动。在卡盘工作台28上设有夹具30，该夹具30夹持由卡盘工作台28吸引保持的半导体晶片。
在静止基座4上直立地设有柱32，在该柱32上安装有收容激光束照射单元34的壳体35。如图3所示，激光束照射单元34包含：振荡产生YAG激光或YVO4激光的激光振荡器62、重复频率设定单元64、脉宽调节单元66、以及功率调节单元68。
由激光束照射单元34的功率调节单元68调节为预定功率的脉冲激光束被安装在壳体35的前端的聚光器36的反射镜70反射，然后经聚光用物镜72进行会聚，从而照射到保持在卡盘工作台28上的半导体晶片W上。
在壳体35的前端部，在X轴方向上与聚光器36并排地设置有摄像单元38，该摄像单元38检测要进行激光加工的加工区域。摄像单元38包含利用可见光来拍摄半导体晶片的加工区域的通常的CCD等摄像元件。
摄像单元38还包含：红外线照射单元，其向半导体晶片照射红外线；光学系统，其能够捕捉由红外线照射单元照射的红外线；以及红外线摄像单元，其由红外线CCD等红外线摄像元件构成，输出与该光学系统捕捉到的红外线对应的电信号，该摄像单元38拍摄的图像信号被发送到控制器(控制单元)40。
控制器40由计算机构成，并具有：中央处理装置(CPU)42，其根据控制程序进行运算处理；只读存储器(ROM)44，其存储控制程序等；可读写的随机存取存储器(RAM)46，其存储运算结果等；计数器48；输入接口50；以及输出接口52。
标号56表示加工进给量检测单元，其由沿着导轨14设置的线性标度尺54和设置在第1滑块6上的未图示的读取头构成，加工进给量检测单元56的检测信号被输入到控制器40的输入接口50。
标号60表示分度进给量检测单元，其由沿着导轨24设置的线性标度尺58和设置在第2滑块16上的未图示的读取头构成，分度进给量检测单元60的检测信号被输入到控制器40的输入接口50。
由摄像单元38拍摄的图像信号也被输入到控制器40的输入接口50。另一方面，从控制器40的输出接口52向脉冲电机10、脉冲电机20、激光束照射单元34等输出控制信号。
如图2所示，在作为激光加工装置2的加工对象的半导体晶片W的表面上，垂直地形成有第1间隔道S1和第2间隔道S2，在由第1间隔道S1和第2间隔道S2划分出的区域内形成有多个器件D。
晶片W被贴附在作为胶带的划片带T上，划片带T的外周部被贴附在环状框架F上。由此，晶片W处于通过划片带T而由环状框架F支撑的状态，利用图1所示的夹具30来夹持环状框架F，由此将其支撑固定在卡盘工作台28上。
下面参照图4至图8，详细说明本发明实施方式的半导体晶片的激光加工方法。在本发明的半导体晶片的激光加工方法中，如图4和图5(A)所示，对于半导体晶片W具有吸收性的波长的脉冲激光束37由聚光器36进行会聚而照射到半导体晶片W的表面上，同时，使卡盘工作台28在图5(A)中从一端(图5(A)中为左端)朝箭头X1所示的方向以预定的加工进给速度进行移动。
然后，当间隔道S1的另一端(图5(A)中为右端)到达聚光器36的照射位置时，停止脉冲激光束的照射并停止卡盘工作台28的移动。其结果，如图5(B)所示，在半导体晶片W上，沿着间隔道S1形成了激光加工槽74。
当沿着全部第1间隔道S1形成了激光加工槽74时，使卡盘工作台28旋转90度。然后，沿着与第1间隔道S1垂直的全部第2间隔道S2形成相同的激光加工槽74。其结果，在半导体晶片W上，沿着全部间隔道S1、S2形成了激光加工槽74。
在本发明的激光加工方法中，优选的是，通过将从聚光器36输出的脉冲激光束的重复频率、脉宽、光点直径D1以及加工进给速度设定为最佳，从而如图6所示，将邻接的脉冲激光束的光点在加工进给方向上的重合量(overlap量)OL调节到以下范围内。即，设光点直径为D1，则将重合量调节为16D1/20≤OL≤19D1/20。
当这样地沿着全部间隔道S1、S2形成了激光加工槽74时，接着实施晶片分割工序，即，使用图7所示的分割装置80，沿着激光加工槽74将半导体晶片W分割成各个芯片。
图7所示的分割装置80具有：框架保持单元82，其保持环状框架F；以及带扩展单元84，其对安装在由框架保持单元82保持的环状框架F上的胶带T进行扩展。
框架保持单元82由环状的框架保持部件86、以及设置在框架保持部件86的外周的作为固定单元的多个夹具88构成。框架保持部件86的上表面形成载置环状框架F的载置面86a，在该载置面86a上载置环状框架F。
然后，利用夹具88将载置在载置面86a上的环状框架F固定在框架保持部件86上。这样构成的框架保持单元82以可在上下方向上移动的方式由带扩展单元84支撑。
带扩展单元84具有配置在环状的框架保持部件86的内侧的扩展鼓90。该扩展鼓90的内径比环状框架F的内径小，且比贴附在安装于该环状框架F上的胶带T上的半导体晶片W的外径大。
扩展鼓90具有在其下端一体形成的支撑法兰92。带扩展单元84还具有使环状的框架保持部件86在上下方向上移动的驱动单元94。该驱动单元94由设置在支撑法兰92上的多个气缸96构成，其活塞杆98与框架保持部件86的下表面连接。
由多个气缸96构成的驱动单元94使环状的框架保持部件86在基准位置与扩展位置之间沿上下方向移动，所述基准位置是框架保持部件86的载置面86a与扩展鼓90的上端处于大致相同高度的位置，所述扩展位置相比于扩展鼓90的上端，位于其下方规定量的位置。
参照图8(A)和图8(B)来说明使用以上结构的分割装置80来实施的半导体晶片分割工序。如图8(A)所示，将通过胶带T来支撑半导体晶片W的环状框架F载置在框架保持部件86的载置面86a上，利用夹具88对框架保持部件86进行固定。此时，框架保持部件86定位在其载置面86a与扩展鼓90的上端处于大致相同高度的基准位置处。
然后，驱动气缸96，使框架保持部件86下降到图8(B)所示的扩展位置。由此，固定在框架保持部件86的载置面86a上的环状框架F也下降，因此，安装在环状框架F上的胶带T与扩展鼓90的上端缘抵接，并主要在半径方向受到扩展。
其结果，以放射状，对贴附在胶带T上的半导体晶片W作用了拉伸力。像这样以放射状对半导体晶片W作用了拉伸力时，半导体晶片W沿着激光加工槽74被分断，分割成各个半导体芯片(器件)D。
在本发明的半导体晶片的激光加工方法中，目的在于提高通过分割半导体晶片W而得到的器件的抗弯强度，为了调查使器件的抗弯强度达到800MPa以上的加工条件，进行了以下实验。
针对波长为1064nm、532nm、355nm的各激光束，使脉宽变化为30ns、10ns、5ns、3ns、2ns、1ns、100ps、50ps、10ps，并在各个脉宽下改变输出，从而在实验中求出能够实施期望的激光加工的、每1个脉冲的能量，将该能量除以脉宽，并除以光点的面积来计算峰值能量密度，调查脉宽、峰值能量密度以及抗弯强度之间的关系。
这里，存在这样的关系：峰值能量密度(W/cm2)＝平均输出(W)/(重复频率(Hz)×光点面积(cm2)×脉宽(s))。其结果，对于波长为1064nm、532nm、355nm的各激光束，得到了几乎相同的以下结果。
(实验1)按照重复频率：10kHz、平均输出：0.1W、脉宽：2ns、光点直径：φ10μm、进给速度：10mm/s、峰值能量密度：6.35GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是800MPa。
(实验2)按照重复频率：100kHz、平均输出：0.1W、脉宽：10ps、光点直径：φ10μm、进给速度：100mm/s、峰值能量密度：63.66GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是1800MPa。
(实验3)按照重复频率：100kHz、平均输出：0.3W、脉宽：10ps、光点直径：φ10μm、进给速度：100mm/s、峰值能量密度：190.9GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是1000MPa。
(实验4)按照重复频率：100kHz、平均输出：0.4W、脉宽：10ps、光点直径：φ10μm、进给速度：100mm/s、峰值能量密度：254.6GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是500MPa。
(实验5)按照重复频率：10kHz、平均输出：1.0W、脉宽：10ns、光点直径：φ10μm、进给速度：10mm/s、峰值能量密度：12.7GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是400MPa。
(实验6)按照重复频率：10kHz、平均输出：1.0W、脉宽：5ns、光点直径：φ10μm、进给速度：10mm/s、峰值能量密度：25.4GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是500MPa。
(实验7)按照重复频率：10kHz、平均输出：0.1W、脉宽：3ns、光点直径：φ10μm、进给速度：10mm/s、峰值能量密度：4.2GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是550MPa。
(实验8)按照重复频率：10kHz、平均输出：0.2W、脉宽：3ns、光点直径：φ10μm、进给速度：10mm/s、峰值能量密度：8.2GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是500MPa。
(实验9)按照重复频率：10kHz、平均输出：0.07W、脉宽：2ns、光点直径：φ10μm、进给速度：10mm/s、峰值能量密度：4.5GW/cm2的条件，在半导体晶片上形成激光加工槽，之后分割成各个器件，测定器件的抗弯强度，结果是550MPa。
根据以上实验结果可以得出以下结论：为了获得抗弯强度为800MPa以上的器件，照射的脉冲激光束的脉宽需要在2ns以下，而且，峰值能量密度需要在5GW/cm2～200GW/cm2的范围内。
并且，如参照图6所说明的那样，优选的是，邻接的光点S在加工进给方向上的重合率处于16/20～19/20的范围内。并且，优选的是，半导体晶片W上的激光束的光点直径处于φ5μm～φ15μm的范围内。

Claims (3)

1.一种半导体晶片的激光加工方法，其特征在于，
该半导体晶片的激光加工方法具有如下的加工槽形成工序：沿着半导体晶片的分割预定线，照射对于半导体晶片具有吸收性的波长的脉冲激光束而在半导体晶片上形成激光加工槽，
在该加工槽形成工序中，照射的脉冲激光束的脉宽为2ns以下，峰值能量密度为5GW/cm2～200GW/cm2。
2.根据权利要求1所述的半导体晶片的激光加工方法，其中，
在所述加工槽形成工序中，以会聚在半导体晶片上的光点的直径的16/20以上的重合量，对半导体晶片进行加工进给来形成该加工槽。
3.根据权利要求2所述的半导体晶片的激光加工方法，其中，
该光点的直径处于φ5μm～φ15μm的范围内。
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