CN103372721B - 激光加工装置和激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供激光加工装置和激光加工方法，其无论被加工物的激光照射面状态如何都能实施均匀的激光加工。对被加工物实施激光加工的激光加工装置的特征在于具有：卡盘台，其保持被加工物；激光束照射构件，其包括激光振荡器和加工头，该加工头具有聚光透镜，该聚光透镜对从该激光振荡器振荡出的激光束进行会聚；反射光量检测构件，其检测从该激光束照射构件照射到保持于该卡盘台的被加工物的激光束的反射光量；以及级数计算构件，其基于该反射光量检测构件检测出的反射光量，计算利用该激光束照射构件沿着被加工物的厚度方向实施多级激光加工的级数。
Description
技术领域
本发明涉及通过对半导体晶片等被加工物实施激光加工的激光加工装置和激光加工方法。
背景技术
在表面由分割预定线划分而形成IC、LSI、LED等多个器件的硅晶片、蓝宝石晶片等晶片，通过加工装置被分割为一个个器件，被分割的器件广泛用于手机、个人计算机等各种电子设备。
在晶片的分割中广泛采用一种切割(dicing)方法，该切割方法使用被称作切割机的切削装置。该切割方法中，利用金属或树脂固定金刚石等磨粒且厚度约为30μm的切削刀以约30000rpm的高速进行旋转的同时切入晶片，由此切削晶片，分割为一个个器件芯片。
另一方面，近年来，开发出利用激光束将晶片分割为一个个器件芯片的方法并已经在实践中使用。作为利用激光束将晶片分割为一个个器件芯片的方法，已知有下面说明的第一和第二加工方法。
第一加工方法是如下所述的方法(例如参照日本特许第3408805号)：使相对于晶片具有透过性的波长(例如1064nm)的激光束的聚光点位于与分割预定线对应的晶片的内部，使激光束沿分割预定线照射而在晶片内部形成改质层，然后通过分割装置对晶片施加外力，以改质层为分割起点将晶片分割为一个个器件芯片。
第二加工方法是如下所述的方法(例如参照日本特开平10-305420号)：将相对于晶片具有吸收性的波长(例如355nm)的激光束的聚光点照射到与分割预定线对应的区域，通过切除加工形成加工槽，然后施加外力，以加工槽为分割起点将晶片分割为一个个器件芯片。
与利用切割机的切割方法相比，利用激光束的加工方法能够加快加工速度，并且即使对于由蓝宝石或SiC等高硬度原材料构成的晶片也能够较容易地加工。
此外，利用激光束的加工方法具有如下优点：由于能够使改质层或加工槽例如形成为10μm以下等的窄幅，因此相对于利用切割方法进行加工的情况相比，能够增加每枚晶片的器件取得量。
另外，在通过磨削装置实施背面磨削之前的半导体晶片的背面残存有氧化膜或氮化膜。此外，还有在表面形成有Low-k膜的半导体晶片或在背面形成有金属膜的晶片。
当对这些带有膜的被加工物照射激光束来实施激光加工时，照射来的激光束的一部分被膜反射。反射率根据膜的种类或厚度等而不同，反射率按照每个被加工物不同，即使在一个被加工物内，反射率也存在差异。
在利用相对于被加工物具有透过性的波长在被加工物内部形成改质层的第一加工方法以及利用相对于被加工物具有吸收性的波长对被加工物实施切除加工的第二加工方法的情况下，如果被加工物的反射率大，则由于透过或吸收的激光束的光量减少，因此也需要提高照射的激光光束的输出以实施期望的激光加工。
【专利文献1】日本特许第3408805号公报
【专利文献2】日本特开平10-305420号公报
【专利文献3】日本特开2009-021476号公报
【专利文献4】日本特开2010-245172号公报
在反射率按照每个被加工物不同的情况下，当以单一加工条件对多个被加工物实施激光加工时存在如下问题：由于在被加工物间通过激光束的照射而形成的激光加工槽的深度产生差异，或者通过激光束的照射而形成的改质层产生差异。
此外，如果在一个被加工物内反射率存在差异，当以单一加工条件实施激光加工时存在如下问题：根据区域的不同，通过激光束的照射而形成的激光加工槽的深度产生差异，或者通过激光束的照射而形成的改质层产生差异。
发明内容
本发明是鉴于上述事实而完成的，其目的在于提供如下所述的激光加工装置和激光加工方法：无论被加工物的激光照射面状态如何，都能够实施均匀的激光加工。
根据第一方面的发明，提供一种激光加工装置，其对被加工物实施激光加工，该激光加工装置的特征在于具有：卡盘台，其保持被加工物；激光束照射构件，其包括激光振荡器和加工头，该加工头具有聚光透镜，该聚光透镜对从该激光振荡器振荡出的激光束进行会聚；反射光量检测构件，其检测从该激光束照射构件照射到保持于该卡盘台的被加工物的激光束的反射光量；存储单元，其存储有基准数据和相关图，该基准数据是预先对具有已知反射率的多个基准工件照射激光束并检测反射光量，并将反射率与反射光量之间的关系绘制而得的，该相关图示出被加工物的反射率与适当的加工级数之间的相关关系；以及级数计算构件，其基于由该反射光量检测构件检测出的反射光量，计算利用该激光束照射构件沿着被加工物的厚度方向实施多级激光加工的加工级数，该级数计算构件参照存储在该存储单元中的该基准数据，求出与该反射光量检测构件检测出的反射光量对应的反射率，并根据该反射率且参照该相关图来计算加工级数。
根据第二方面的发明，提供一种激光加工方法，对被加工物实施激光加工，该激光加工方法的特征在于具有：基准数据存储步骤，在存储单元中存储基准数据，该基准数据是预先对具有已知反射率的多个基准工件以第一条件照射激光束并检测来自该基准工件的反射光量，并将反射率与反射光量之间的关系绘制而得的；相关图存储步骤，在存储单元中存储相关图，该相关图示出被加工物的反射率与加工级数之间的相关关系；保持步骤，利用卡盘台保持被加工物；反射光量检测用激光束照射步骤，以第一条件从激光束照射构件对保持于该卡盘台的被加工物照射激光束；反射光量检测步骤，对在该反射光量检测用激光束照射步骤中照射到被加工物的激光束被被加工物上表面反射后的反射光的光量进行检测；级数计算步骤，基于在该反射光量检测步骤中检测出的反射光量并参照该基准数据，求出与反射光量对应的反射率，参照该相关图计算与该反射率对应的沿着被加工物的厚度方向实施多级激光加工的加工级数；以及激光加工步骤，在实施该级数计算步骤后，以第二条件从该激光束照射构件对保持于该卡盘台的被加工物照射激光束，沿着被加工物的厚度方向实施在该级数计算步骤中计算出的加工级数的激光加工。
本发明的激光加工装置由于具有检测被被加工物上表面反射的反射光的光量的反射光量检测构件和基于检测出的反射光量计算实施激光加工的最佳级数的级数计算构件，因此无论被加工物的激光照射面状态如何，都能够实施均匀的激光加工。
本发明的激光加工方法具有：反射光量检测用激光束照射步骤、检测反射光量的反射光量检测步骤、基于反射光量检测步骤检测出的反射光量来计算沿着被加工物的厚度方向实施多级激光加工的级数计算步骤，因此无论被加工物的激光照射面状态如何，都能够对被加工物实施均匀的激光加工。
附图说明
图1是激光加工装置的立体图。
图2是激光束照射单元的光学系统的框图。
图3是半导体晶片的表面侧立体图。
图4是示出将半导体晶片的表面侧粘附在外周部安装于环状框架上的粘接带的状态的分解立体图。
图5是示出保持步骤的局部截面侧视图。
图6是示出反射光量检测用激光束照射步骤的局部截面侧视图。
图7是示出被加工物的反射率与适当加工级数之间的相互关系的图。
图8是示出在晶片内部形成改质层的激光加工步骤的局部截面侧视图。
图9是说明激光加工的级数的截面图。
图10是示出对晶片表面侧实施的反射光量检测用激光束照射步骤的局部截面侧视图。
图11是示出检测反射光量的同时实施激光加工的实施方式的局部截面侧视图。
图12是示出背面磨削步骤的立体图。
标号说明
11:半导体晶片
13：分割预定线
15：器件
17：氧化膜
19、19a、19b：改质层
28：卡盘台
34：激光束照射单元
36：加工头
38：摄像单元
62：激光振荡单元
64：激光振荡器
66：重复频率设定单元
68：输出调整单元
69：激光束
71：反射光
74：聚光透镜
76：半透半反镜
78：反射光量检测器
80：级数计算单元
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。参照图1，示出本发明实施方式涉及的激光加工装置的外观立体图。激光加工装置2包括第一滑块6，该第一滑块6能够在X轴方向上移动地搭载于静止基座4上。
第一滑块6通过由滚珠丝杠8和脉冲马达10构成的加工进给构件(加工进给单元)12沿一对导轨14在加工进给方向即X轴方向上移动。
第二滑块16能够在Y轴方向上移动地搭载于第一滑块6上。即，第二滑块16通过由滚珠丝杠18和脉冲马达20构成的分度进给构件(分度进给单元)22沿一对导轨24在分度进给方向即Y轴方向上移动。
在第二滑块16上经由圆筒支撑部件26搭载有卡盘台28，卡盘台28通过加工进给构件12和分度进给构件22能够在X轴方向和Y轴方向上移动。在卡盘台28上设置有用于对吸附保持于卡盘台28的半导体晶片进行夹紧的夹钳30。
在静止基座4竖立设有柱32，该柱32上安装有激光束照射单元34。激光束照射单元34包括被收纳在壳体35中的图2所示的激光振荡单元62和安装于壳体35前端的加工头36。
如图2所示，激光振荡单元62包括：振荡出YAG激光或YVO4激光的激光振荡器64；以及重复频率设定单元66。虽然没有特别进行图示，激光振荡器64具有布鲁斯特窗，从激光振荡器64出射的激光束是直线偏振的激光束。
在壳体35的前端部配置有摄像单元38，该摄像单元38在X轴方向上与加工头36并列而检测应该进行激光加工的加工区域。摄像单元38包括通过可见光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还包括：向半导体晶片照射红外线的红外线照射构件；捕捉通过红外线照射构件照射的红外线的光学系统；以及红外线摄像构件，其由输出与通过该光学系统捕捉到的红外线对应的电气信号的红外线CCD等红外线摄像元件构成，拍摄到的图像信号被发送到控制器(控制构件)40。
控制器40由个人计算机构成，具有：按照控制程序进行运算处理的中央处理装置(CPU)42；存储控制程序等的只读存储器(ROM)44；存储运算结果等的可读写的随机存取存储器(RAM)46；计数器48；输入接口50；和输出接口52。
标号56是由沿导轨14配置的线性标尺54和配置于第一滑块6的未图示的读取头构成的加工进给量检测构件，加工进给量检测构件56的检测信号输入到控制器40的输入接口50。
标号60是由沿导轨24配置的线性标尺58和配置于第二滑块16的未图示的读取头构成的分度进给量检测构件，分度进给量检测构件60的检测信号输入到控制器40的输入接口50。
摄像单元38拍摄到的图像信号也输入到控制器40的输入接口50。另一方面，从控制器40的输出接口52向脉冲马达10、脉冲马达20、激光束照射单元34等输出控制信号。
参照图2，示出本发明实施方式涉及的激光束照射单元34的光学系统。在加工头36的壳体70内收纳有反射镜72和聚光透镜74。另外，在反射镜72和聚光透镜74之间配置有半透半反镜(分光器)76。
从激光束振荡单元62振荡出并进一步由输出调整单元68调整为预定功率的激光束69，被加工头36的反射镜72反射，其一部分透过半透半反镜76并由聚光透镜74照射到作为被加工物的晶片11。
被晶片11上表面反射的反射光71由聚光透镜74会聚，其一部分被半透半反镜76反射，由发光二极管等受光元件构成的反射光量检测器78检测反射光量。
基于该反射光量，由级数计算单元80计算沿着被加工物(晶片)的厚度方向实施多级激光加工的级数。级数计算单元80与加工进给单元12、分度进给单元22和聚光点位置变更单元81连接，控制器40按照计算出的级数，控制加工进给单元12、分度进给单元22和聚光点位置变更单元81。
半透半反镜76也可以配置在聚光透镜74和被加工物(晶片)11之间，但将半透半反镜76配置在聚光透镜74的上游侧的这种配置，能够仅将被晶片11的上表面反射的反射光通过聚光透镜74会聚并入射到半透半反镜76，因此在检测反射光量方面优选这种配置。
参照图3，示出作为本发明的激光加工方法的被加工物之一的半导体晶片11的表面侧立体图。半导体晶片11例如由厚度为700μm的硅晶片构成，在表面11a呈格子状形成有多个分割预定线13，并且在由多个分割预定线13划分出的各区域分别形成有IC、LSI等器件15。如图4所示，在半导体晶片11的背面11b形成有由SiO2构成的氧化膜17。
本发明的激光加工方法中的被加工物不限于图3所示的半导体晶片11，还包括在表面或背面具有氧化膜、氮化膜、金属膜、Low-k膜等膜的被加工物。
当实施本发明的激光加工方法时，如图4所示，半导体晶片11的表面11a侧粘附于粘接带T，该粘接带T的外周部安装于环状框架F，半导体晶片11的背面11b成为上侧。
这样，如图5所示，激光加工装置2的卡盘台28经由粘接带T吸引保持着半导体晶片11，环状框架F被夹钳30夹紧固定。
接着，如图6所示，实施如下的反射光量检测用激光束照射步骤：从激光束照射单元34的加工头36以第一条件对保持于卡盘台28的晶片11照射激光束69。
在实施该反射光量检测用激光束照射步骤之前，实施检测应该激光加工的分割预定线13的校准。换句话说，利用摄像单元38的红外线照相机从背面11b侧拍摄晶片11，利用广为人知的图案匹配等图像处理来检测在第一方向上伸长的分割预定线13和在与第一方向正交的第二方向上伸长的分割预定线13。
作为另一实施方式，还可以由透明部件形成卡盘台28的保持面，由配置在卡盘台28下方的照相机拍摄晶片11，实施校准。
另外，本发明在检测晶片11的反射光量之前，预先准备具有已知反射率的一个或多个基准工件，利用基准工件检测反射光量，以此时的反射光量为基准数据，存储于控制器40的RAM46中。
在该反射光量检测用激光束照射步骤中，如图6所示，使卡盘台28沿箭头X1方向进行加工进给的同时，从加工头36向形成有氧化膜17的晶片11的背面11b照射激光束69，利用反射光量检测器78检测其反射光71。
例如，向晶片11的任意分割预定线13、多个分割预定线13、或者所有分割预定线13照射反射光量检测用激光束，检测反射光量。
通过激光束69的照射在晶片11内部形成改质层时反射光量检测用激光束的照射条件例如如以下所述。
光源： LD激励Q开关Nd：YVO4脉冲激光
波长： 1064nm
重复频率： 100kHz
平均输出： 0.1W
加工进给速度： 400mm/s
在反射光量检测用激光束照射步骤中，当向晶片11的背面11b照射激光束69时，被形成有氧化膜17的背面11b反射的反射光71通过图2所示的聚光透镜74会聚，其一部分被半透半反镜76反射并入射到由受光元件构成的反射光量检测器78，检测出被晶片11的背面11b反射的反射光量。根据检测出的反射光量和存储于RAM46中的反射率已知的基准工件的反射光量来算出晶片11的背面11b的反射率。
在控制器40的ROM44存储有多个如图7所示的相关图，该相关图例如表示针对被加工物的每个种类和每个加工条件，被加工物的反射率和适当的加工级数之间的相关关系73。本发明中，假定由输出调整单元68调整的激光振荡器64振荡出的激光束的功率不能在一次激光加工中进行充分的加工。
实施反射光量检测之后实施如下激光加工步骤：级数计算单元80基于在反射光量检测步骤检测出的反射光量来计算加工级数，从激光束照射单元34的加工头36以第二条件向保持于卡盘台28的晶片11照射激光束，在晶片11的内部形成改质层19。
如图8所示，在该激光加工步骤中，使卡盘台28沿箭头X1方向进行加工进给的同时，从激光束照射单元34的加工头36以第二条件照射激光束69，在晶片11内部形成改质层19。
使卡盘台28沿Y轴方向进行分度进给的同时，沿在第一方向上伸长的分割预定线13在晶片11的内部逐渐形成同样的改质层19。接着，使卡盘台28旋转90度之后，沿在第二方向上伸长的分割预定线13形成同样的改质层19。
如图9所示，在级数计算单元80算出的加工级数为2级的情况下，通过聚光点位置变更单元81改变聚光点位置，并且，在晶片内部形成第一改质层19a和第二改质层19b。
该改质层形成步骤中的激光加工条件例如如下设定。
光源：LD激励Q开关Nd：YVO4脉冲激光
波长： 1064nm
重复频率： 100kHz
平均输出： 2.0W
加工进给速度： 400mm/s
参照图10，示出说明对晶片11实施切除加工时的反射光量检测用激光束照射步骤的局部截面侧视图。例如，对在晶片11的表面11a形成的Low-k膜实施切除加工时，激光束69入射到晶片11的表面11a侧。而且，由反射光量检测器78检测被表面11a反射的反射光71的光量。
在切除加工时也与上述的改质层形成加工同样，对晶片11的任意分割预定线13、多个分割预定线13或者所有分割预定线13照射反射光量检测用激光束，检测反射光量。
切除加工时的激光束照射条件例如如下设定。
光源： LD激励Q开关Nd：YVO4脉冲激光
波长： 355nm(YVO4脉冲激光的第三谐波)
重复频率： 200kHz
平均输出： 0.1W
加工进给速度： 200mm/s
切除加工中，实施完反射光量检测步骤之后实施激光加工步骤，该激光加工步骤为：级数计算单元80基于反射光量检测步骤检测出的反射光量来计算加工级数，从激光束照射单元34的加工头36以第二条件向保持于卡盘台28的晶片11的表面11a照射激光束，对晶片11的分割预定线13实施切除加工而形成激光加工槽。
该切除加工下的激光加工条件例如如下设定。
光源： LD激励Q开关Nd：YVO4脉冲激光
波长： 355nm(YVO4脉冲激光的第三谐波)
重复频率： 200kHz
平均输出： 1W
加工进给速度： 200mm/s
在级数计算单元80算出的加工级数为2级的情况下，第一次激光加工时将聚光点位置设定在晶片11的表面11a上，第二次激光加工时将聚光点位置设定在通过第一次切除加工形成的激光加工槽的底面附近。
本发明的激光加工方法的第二实施方式中，还可以在实施反射光量检测步骤的同时实施激光加工步骤。即，如图11所示，使卡盘台28沿箭头X1方向进行加工进给的同时从激光束照射单元34的加工头36照射激光束69，由反射光量检测器78检测被晶片11的背面11b所反射的反射光71的反射光量。
基数计算单元80基于该反射光量来计算必要的加工级数，在晶片11的内部形成所算出的级数的改质层19。在切除加工时基数计算单元80也根据反射光量来计算必要的加工级数，实施所算出的级数的切除加工。在晶片11形成改质层19或激光加工槽之后，实施对晶片11施加外力而使其分割为一个个芯片的分割步骤。
在本实施方式中，沿着所有分割预定线13在晶片11的内部形成改质层19后，实施磨削晶片11的背面11b的背面磨削步骤。如图12所示，该背面磨削步骤中，利用磨削磨石94对磨削装置的卡盘台96所保持的晶片11的背面11b进行磨削，利用磨削中的按压力将晶片11分割为一个个芯片。
在图12中，磨削单元82由如下部分构成：主轴84、固定于主轴84前端的磨轮安装件86、由多个螺钉90可装卸地安装于磨轮安装件86的磨削磨轮88。磨削磨轮88是在环状基座92的下端部外周固定多个磨削磨石94而成的。
在该背面磨削步骤中，使卡盘台96沿箭头a方向以例如300rpm旋转的同时，使磨削磨轮88沿箭头b方向以例如6000rpm旋转，并且使磨削单元进给机构动作，使磨削磨石94接触晶片11的背面11b。
而且，使磨削磨轮88以预定的磨削进给速度向下方进行磨削进给的同时实施晶片11的背面11b的磨削。利用接触式或非接触式的厚度测定计来测定晶片11的厚度，并将晶片11精加工为期望的厚度，例如50μm。
在磨削的中途，由于在晶片11的内部沿分割预定线13形成有改质层19，因此利用磨削中的按压力以改质层19为分割起点将晶片11分割为一个个芯片。
这里，在分割性低的被加工物的情况下，在实施背面磨削之前实施对被加工物施加外力进行分割的分割步骤。或者，在实施背面磨削后实施对被加工物施加外力进行分割的分割步骤。
在上述的实施方式中，在厚度较厚(700μm)的晶片形成改质层19之后，磨削晶片11的背面11b使晶片变薄的同时通过磨削时的按压力以改质层19为分割起点将晶片分割为一个个芯片，但也可以预先磨削背面11b并在变薄的晶片11形成改质层19或激光加工槽。
Claims (2)
1.一种激光加工装置，其对被加工物实施激光加工，
该激光加工装置的特征在于具有：
卡盘台，其保持被加工物；
激光束照射构件，其包括激光振荡器和加工头，该加工头具有聚光透镜，该聚光透镜对从该激光振荡器振荡出的激光束进行会聚；
反射光量检测构件，其检测从该激光束照射构件照射到保持于该卡盘台的被加工物上的激光束的反射光量；
存储单元，其存储有基准数据和相关图，该基准数据是预先对具有已知反射率的多个基准工件照射激光束并检测反射光量，并将反射率与反射光量之间的关系绘制而得的，该相关图示出被加工物的反射率与适当的加工级数之间的相关关系；以及
级数计算构件，其基于由该反射光量检测构件检测出的反射光量，计算利用该激光束照射构件沿着被加工物的厚度方向实施多级激光加工的加工级数，
该级数计算构件参照存储在该存储单元中的该基准数据，求出与该反射光量检测构件检测出的反射光量对应的反射率，并根据该反射率且参照该相关图来计算加工级数。
2.一种激光加工方法，对被加工物实施激光加工，
该激光加工方法的特征在于具有：
基准数据存储步骤，在存储单元中存储基准数据，该基准数据是预先对具有已知反射率的多个基准工件以第一条件照射激光束并检测来自该基准工件的反射光量，并将反射率与反射光量之间的关系绘制而得的；
相关图存储步骤，在存储单元中存储相关图，该相关图示出被加工物的反射率与加工级数之间的相关关系；
保持步骤，利用卡盘台保持被加工物；
反射光量检测用激光束照射步骤，以第一条件从激光束照射构件对保持于该卡盘台的被加工物照射激光束；
反射光量检测步骤，对在该反射光量检测用激光束照射步骤中照射到被加工物的激光束被被加工物上表面反射后的反射光的光量进行检测；
级数计算步骤，基于在该反射光量检测步骤中检测出的反射光量并参照该基准数据，求出与反射光量对应的反射率，参照该相关图计算与该反射率对应的沿着被加工物的厚度方向实施多级激光加工的加工级数；以及
激光加工步骤，在实施该级数计算步骤后，以第二条件从该激光束照射构件对保持于该卡盘台的被加工物照射激光束，沿着被加工物的厚度方向实施该级数计算步骤中计算出的加工级数的激光加工。
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