CN105269146B - 分割薄半导体衬底的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使用激光能量分割多个集成器件的方法，该多个集成器件包含在半导体衬底中，该方法包含有以下步骤：将第一激光束投射在沿着衬底分布的切割线上，以烧蚀衬底沿着待分割的切割线分布的局部，该被烧蚀的衬底的局部相邻于已被分割的衬底的切割线处形成有重塑材料；以及将第二激光束投射在衬底相邻于切割线的另一个局部，以对相邻于切割线所形成的重塑材料进行热处理。

Description

分割薄半导体衬底的方法

技术领域

本发明涉及半导体衬底的切割或分割（dicing），该半导体衬底通常以半导体晶圆的形式存在，本发明尤其是涉及薄半导体衬底的分割。

背景技术

以晶圆形式存在的半导体衬底被分割以形成分离后的集成器件或芯片。当这种半导体衬底在使用于永远更小的终端产品的薄半导体晶粒的生产中变得更薄时，切割薄半导体衬底，现在被制造大约100微米或更小的厚度，已经变成越来越具挑战性。

薄半导体衬底能够使用机械锯片（mechanical blade saw）分割或者使用机械锯片部分地分割较厚的半导体衬底，然后研磨该半导体衬底直到半导体衬底被分离。可是，据发现，使用锯片施加机械力导致了分割后的半导体晶粒出现裂纹和/或断裂。对于厚度小于100微米的半导体衬底而言，成品率损失通常超过30%。这样使得对于进行批量生产而言，其成为缺乏吸引力的工序。另一方面，研磨前分割这种两步式方法是缓慢的，且对于进行批量生产而言也是不理想的。

除了使用机械锯片以外，传统的激光分割工序也能够处理，其中激光束被投射在半导体衬底的表面。这通过融熔和汽化导致半导体衬底材料的烧蚀，直到集成器件被分离。

当使用传统的激光分割分离半导体衬底时，相对高的激光能量水平被需要来达到衬底材料开始融熔和汽化的点。这种高激光强度的消极的副作用在于：热量损坏分离后的集成器件的侧边。这种热量损坏导致集成器件中晶粒强度出现明显的降低，其在薄半导体衬底的情形下尤其存在问题。当在后处理蚀刻步骤中晶粒强度可以大体在某种程度上得到恢复的同时，该蚀刻工序需要腐蚀性化学品，其可能损坏半导体晶粒上的有源元件（activecomponent）和其上装配有半导体衬底的载体（通常为粘性带体）。

发明内容

因此，本发明的目的是寻求提供一种分割薄半导体衬底的方法，和传统的激光分割处理相比，其减少了对分离后的集成器件的边缘的结构性损害，并藉此维持该分离后的集成器件的晶粒强度。

所以，本发明提供一种使用激光能量分割多个集成器件的方法，该多个集成器件包含在半导体衬底中，该方法包含有以下步骤：将第一激光束投射在沿着衬底分布的切割线上，以烧蚀衬底沿着待分割的切割线分布的局部，该被烧蚀的衬底的局部相邻于已被分割的衬底的切割线处形成有重塑材料（recast material）；以及将第二激光束投射在衬底相邻于切割线的另一个局部，以对相邻于切割线所形成的重塑材料进行热处理。

这里通过参考附图，以更详尽的方式描述本发明是很方便的。附图和相关的说明的具体性不应被理解为代替由权利要求所规定的本发明的广泛认同的普遍性。

附图说明

现在参考附图，描述本发明所述的分割薄半导体衬底的方法的实例，其中。

图1所示为合适来应用本发明的激光分割装置的局部前视示意图。

图2所示为包含有大量切割线的、支撑于衬底固定器上的衬底的平面示意图，其阐述了根据本发明第一较佳实施例所述的分割方法。

图3a和图3b表明了衬底分割期间所形成的重塑材料。

图4所示为使用根据本发明第二较佳实施例所述的分割方法被分割的半导体衬底的平面示意图；以及。

图5所示为使用根据本发明第三较佳实施例所述的另一个分割方法被分割的半导体衬底的平面示意图。

具体实施方式

图1所示为适合来应用本发明的激光分割装置的局部前视示意图。该激光分割装置被操作来沿着至少一个切割线在衬底1的目标表面3上使用激光能量辐射分割大体平整的半导体衬底1。

具体地，图1表明了衬底固定器H，其可以是平台或夹具的形式，用于在分割期间支撑衬底1。投射器I设置在衬底固定器H的上方，以产生激光束输出B，其可包含有一个或多个激光束。投射系统P设置在投射器I 的下方，以将激光束输出B聚焦在衬底1的目标表面3上，此时衬底1被支撑于衬底固定器H上。激光束输出B在衬底1上的冲击区域通过T所表示。而且，驱动器系统A，例如平台组件，使得衬底固定器H在平行于XY平面的平面上相对于激光束输出B产生相对位移。

更详细地讲，投射器I 更进一步包含有激光源 4，其可沿着光轴6输出脉冲激光辐射，该光轴6也和投射系统P的光轴6是共同的。激光源 4连接于控制器4C上，除其它功能外，该控制器4C能被使用来控制诸如所述激光辐射的脉冲宽度、重复频率、和功率或能量密度之类的参数。在图1中，控制线或总线使用虚线或断线来表示。

分光器8将所述的激光辐射形成图案为包含有一个或多个激光束的激光束输出B。在这个特定的实例中，分光器8包含有装配在旋转平台82上的衍射光学器件（DOE：Diffractive Optical Element ）8，该旋转平台82使得DOE实现围绕垂直的Z轴旋转。旋转平台82的这种旋转通过控制器82得以控制。该DOE可以被设计来产生如同用户所期望的各种布置形式的激光束输出B。

通常，将要经历分割的衬底1首先被装配在安装于环形框架（图中未示）上的带体（tape）或薄膜（foil）上。然后，装配在安装于环形框架上的带体或薄膜上的衬底1的这种组成结构通常以外围夹持（peripheral clamping）的方式安装在衬底固定器H上。

除了将激光束输出B的部件以期望的配置聚焦在衬底1上之外，投射系统P也可以完成其他的功能，例如偏差和/或失真修正。

另外，图1中所阐明的激光分割装置表示了设置在照射器I和衬底固定器H之间的可调式空间过滤器F。这个空间过滤器F包含有大量的电动板体P1、P2，这些电动板体P1、P2的位置能够得以调整，以致于至少部分地阻挡激光束输出B中（数个）选定激光束和如所期望地成形激光束输出B。

电动板体P1、P2使用各自的连接于控制器FC的马达M1、M2在平行于Y方向上可前后移动。另一对板体（图中未示）能够类似地被包括，其使用各自的也连接于控制器FC的马达在平行于X方向上可前后移动。

以上提及的各个控制器4C、82C、AC、FC被连接到主控制器C上。

如图1所示，离开DOE 8和进入投射系统P的激光束输出B包含有必要的准直光束。在这个特定的配置中，使用第一和第二透镜10a、10b得以产生中间的焦平面，电动板体P1、P2得以设置，位于这个平面以内或者紧紧相邻于这个平面。以这种方式，电动板体P1、P2的重叠端缘（eclipsing edge）可有效地连同激光束输出B一起，聚焦在目标表面3上。

图2所示为包含有大量切割线2的、支撑于衬底固定器H上的衬底1的平面示意图，其阐述了根据本发明第一较佳实施例所述的分割方法。各种切割线2表明在目标表面3上。

这些切割线2以X-Y网格图案分布在位于集成器件23之间的普通水平面上，集成器件23以矩阵布置形式分布在目标表面3上。在典型的半导体衬底1上将普遍存在很多这种集成器件23，但为了简单清晰起见，这里仅仅表明少量的集成器件23。图2阐述了纵向扫描接着侧向步进方法，以沿着多条连续的切割线2在特定的方向上（在这个案例中为±Y）分割衬底1。

以下为藉此可以完成分割处理的方法的实例。通过在-Y方向上扫描光束阵列B的方式，衬底1沿着切割线2a被分割。实际上，通过使用驱动器系统A（参见图1）在+Y方向上扫描衬底固定器H的方式，这种相对移动可得以实现。

沿着切割线2a完成分割动作之后，驱动器系统A被驱动来在+X方向上步进衬底固定器H一些数量ΔX。结果，激光束输出B将会相对于目标表面3有效地移动一些数量 –ΔX。现在，通过在+Y方向上扫描光束阵列B的方式，衬底1沿着切割线2b被分割。实际上，通过操作驱动器系统A在-Y方向上扫描衬底固定器H的方式，这种相对移动可得以实现。

为了参考的目的，图2也表明了大量切割线2的纵向的中轴2’。在图2示意性地描述的装置中，两个单独的线性马达（图中未示）被操作来沿着正交的D1和D2轴独立地驱动衬底固定器H，D1和D2轴相对于X和Y轴成45度的角正对。如此，衬底固定器H在X和/或Y轴上的移动包括沿着D1和D2轴的并行驱动。

通常，衬底固定器H将在平行于XY平面的一参考平面（例如磨石表面）上方被引起平滑地浮动，例如，在空气轴承或永磁轴承（图中没有表述）的协助下。在定位设备，如干涉仪（interferometers）或线性编码器的帮助下，衬底固定器H的准确位置能够得以被监控和控制。而且，聚焦控制或水平面感测同样也普遍地被采用，以确保衬底1的目标表面3相对于投射系统P保持在期望的水平面上。

图3a和图3b表明了在半导体衬底1的分割期间所形成的重塑材料2c、2d。在图3a中，激光束输出B已经沿着衬底1的切割线2分割了衬底1。在图3b中，可以看出，一些融熔的、汽化的衬底材料沿着集成器件23的侧壁固化，而形成重塑材料2c、2d。这种重塑材料2c、2d应通过加热处理以将其移除、减少或弱化，以便于提高集成器件23的晶粒强度。

例如，重塑材料的热处理可以用来烧蚀重塑材料，从而减少它或完全移除它。另外或者可选地，重塑材料的热处理可以再次将其熔融，以弱化重塑材料和提高晶粒的强度。

根据此处本发明较佳实施例所述，一旦完成了衬底1沿着切割线2的切割动作，那么相邻于切割线2形成的、以融熔或汽化的衬底形式存在的重塑材料2c、2d将通过以激光能量方式加热的方式而被处理。因此，在使用第一激光束沿着切割线2分割之后，第二激光束其后可被投射在衬底的每一部分上，其包括相邻于切割线2的形成于衬底1上的重塑材料2c、2d。

另外，第三激光束可被投射在衬底1的相邻于切割线2与第二激光束已被投射的相对一侧的局部，以便于对形成于切割线2的两侧的重塑材料2c、2d完成热处理。第一、第二和/或第三激光束可以或者一个接着另一个单独地，或者如果更快的输出被期望的话同时地（通过使用DOE），被投射在衬底1的局部。更值得欣赏的是，各个第一、第二和/或第三激光束可以从同一个激光输出源处得以形成。

当为第二和/或第三激光束使用与第一激光束相同的激光输出源时，使用相同的激光束通过应用激光束的散焦而完成重塑层的热处理是可能的。散焦的行为通常增大了激光焦点的尺寸，且降低了激光束对衬底1的影响。总的效果在于：低功率的激光束B被投射在重塑区域，以如前述使用热量处理它。

本发明的一些其它较佳实施例利用了多个同时投射至切割线和相邻于切割线的重塑材料处的激光束，现在进行描述。

图4所示为使用根据本发明第二较佳实施例所述的分割方法被分割的半导体衬底1的平面示意图。该分割处理是基于高强度的聚焦激光束，该激光束创造了足够的融熔和汽化以将集成器件23分离。为了减少热量冲击效应，特定的激光束配置被施加，其中使用沿着切割线2投射的内激光束进行分割，而使用远离切割线2的外激光束进行完成分割期间形成的重塑材料的热处理。

值得注意的是，为了便于阐述，激光束30、32所表明的尺寸匹配于它们各自的能量水平，以致于带有较高能量强度的激光束表明具有较大的直径。可是，实际上，多个激光束是可能具有大体类似直径的。

在所阐述的实施例中，领先光束（leading beams）30居中设置在跟随它的几个较低强度的跟随光束（trailing beams）32之间。领先光束30包含有最高的功率，且被使用来沿着半导体衬底1的切割线2形成分割后的线36。领先光束30和跟随光束32可以形成一个V型的配置形式34。

在单个领先光束30和跟随光束32之间的横向距离需要针对衬底厚度进行优化，因为这影响了产生的重塑材料的数量。位于单个光束之间垂直于切割方向的横向距离可为0.5微米至4.0微米。位于单个光束之间平行于切割方向的侧向距离必须是充分的，以使得重塑材料实现冷却和固化。这依赖于所使用的激光束的能量水平，其只是通常大约在10微米和100微米之间。定位平台18的移动速度可通常在100mm/秒至500mm/秒的范围以内。具体而言，参数应该被调整以确保被以前的激光束30、32融熔的重塑材料2c、2d具有充分的时间固化，以致于下一个激光束被操作来完成重塑材料2c、2d上的热处理。

适用于本发明的合适数量的领先光束30和跟随光束32不是固定 的，而是激光束的典型数量可以大约为11个，包括：一个领先光束30，在领先光束30沿着切割线2的每一边所设置的各5个跟随光束32。在这种配置中，位于领先光束30的每一边的每组5个跟随光束32的强度分布可以分别为50%、30%、20%、10%、5%。

由于每个领先光束30和跟随光束32之间横向的空间是不必要受到限制的，所以，光点图案也可以形成U型配置形式，取代图3所示的V型配置形式34。在切割线2的末端，在半导体衬底1在相反方向移动的同时，DOE将会旋转180度，以完成相邻切割线2的相同处理。可供选择地，代替旋转DOE的是，半导体衬底1自身可通过旋转衬底固定器H得到旋转。

而且，值得欣赏的是，领先光束30可不是用于分割衬底1的唯一的光束或者单独的激光束。沿着切割线2所设置的带有高能量水平的多个类似的激光束可以被使用来沿着同一个切割线2连续切割衬底1，尤其是如果单独的领先激光束30没有足够的能量来分割衬底1时。在这种应用中，以V型配置34的领先激光束30可相反包含有沿着切割线2设置的一行领先激光束以形成一个Y型的配置。

以上的方法能够实现降低的热量冲击而导致较少的重塑，其接着导致改善后的晶粒强度。

而且，以上方法存在的可能不足是：在使用V型配置34的情形下，有必要在分割每条切割线2之后旋转DOE以便于将主要分割半导体衬底1的领先光束30保持在V型配置34的前面。而且，当正在分割低介电率(low-k)的半导体衬底时，开槽步骤（trenching step）必须被引入以将集成器件23和切割线2分离开而避免分层。一种解决办法是进一步延伸V型配置34为X型配置38，如图5所述。

图5所示为使用根据本发明第三较佳实施例所述的另一个分割方法被分割的半导体衬底1的平面示意图。 如果可用的功率是足够的，那么V型配置34可以被延伸为X型配置38，其包括：主要用于切割的中央光束40和沿着切割线2分布于中央光束40的相对两侧的附属光束42。以这种方式，单独的一次动作（pass）不仅会完成分割和重塑材料的移除或减少，而且将每个集成器件23与切割线2脱离的开槽也在同一个动作中完成。如上所述，对于具有低介电率顶层的半导体衬底1而言，在那里开槽被需要来防止半导体衬底1顶层的分层，这是尤其重要的。而且，“X型”配置38消除了旋转机构转动DOE的需要。

值得欣赏的是，在根据本发明较佳实施例所述的分割方法中，在集成器件23分离之后，执行重塑材料的激光热处理。这个激光处理减少、移除或弱化了源自初始切割领先或中央激光束30、40的重塑材料，其也用来避免晶粒强度的降低。为了保持处理的速度，通过使用如这里所述的DOE，分离和重塑材料的热处理步骤可合并在一次动作中。

因此，分离后的集成器件23的晶粒强度得以提高。从而在产量上获得相应的收益，其避免了生产率的损失。

此处所描述的本发明可以设想来改变、修改和/或增添，而不是那些具体所描述的内容，而且，可以理解的是，本发明包括所有的这些改变、修改和/或增添，它们均落入了上述说明书的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种使用激光能量分割多个集成器件的方法，该多个集成器件包含在半导体衬底中，该方法包含有以下步骤：

将激光源产生的第一激光束投射在沿着衬底分布的切割线上，以烧蚀衬底沿着待分割的切割线分布的局部，该被烧蚀的衬底的局部相邻于已被分割的衬底的切割线处形成有重塑材料；以及

将激光源产生的复数个第二激光束投射在衬底相邻于切割线的另一个局部，以对在切割线的第一侧相邻于切割线所形成的重塑材料进行热处理；

其中，对重塑材料进行热处理的复数个第二激光束各自具有的能级都低于第一激光束的能级；

将由激光源产生的复数个第三激光束投射在位于切割线和复数个第二激光束投射第一侧相对的第二侧的、相邻于切割线的衬底的局部，以便于在切割线的两侧进行所形成的重塑材料的热处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在将复数个第二激光束投射以对重塑材料进行热处理以前，通过第一激光束所形成的重塑材料被考虑有充分的时间固化。

3.如权利要求1所述的方法，该复数个第二激光束包括为已经散焦以降低其强度的第一激光束。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该第一激光束和第二激光束被同时投射在衬底上。

5.如权利要求4所述的方法，其中，该第一激光束和第二激光束被设置来通过衍射光学器件同时形成在衬底的各个局部。

6.如权利要求4所述的方法，其中，该第一激光束设置在复数个第二激光束之前，并在该第一激光束和第二激光束相对于衬底移动的方向上领先于第二激光束。

7.如权利要求6所述的方法，其中，该第一激光束而不是复数个第二激光束被配置来具有足够的能量水平，以产生充分的融熔和汽化而将衬底分割。

8.如权利要求7所述的方法，其中，第一激光束、第二激光束、第三激光束被同时投射在各自的衬底的局部。

9.如权利要求8所述的方法，其中，第一激光束、第二激光束、第三激光束以V型配置的方式被设置在一起。

10.如权利要求9所述的方法，其中，第一激光束、第二激光束、第三激光束通过衍射光学器件形成图案，在此，第二切割线的分割还包含有以下步骤：

转动衍射光学器件，相对于衍射光学器件在沿着第一切割线分割时移动的反方向移动衬底，以便于沿着第二切割线分割衬底。

11.如权利要求8所述的方法，该方法还包含有：相对于第一激光束、第二激光束、第三激光束设置有额外的激光束，以形成X型配置。

12.如权利要求11所述的方法，其中，激光束的能量水平分布是如此设置以致于设置在切割线的中央激光束的能量水平高于远离切割线设置的激光束的能量水平。

13.如权利要求1所述的方法，该方法还进一步包含有以下步骤：

除了第一激光束之外，还通过将一个或多个激光束投射在衬底的切割线上的方式，融熔沿着待分割的切割线分布的衬底的局部。