CN106463372B - 切割形成有金属层的半导体晶片的激光加工方法和激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

公开了切割形成有金属层的半导体晶片的激光加工方法和激光加工装置。所公开的激光加工方法使同轴传播的多个激光束透过半导体晶片，以在金属层的与半导体晶片形成边界的表面上和在与半导体晶片的一个表面邻近的位置处分别形成聚集点。

Description

切割形成有金属层的半导体晶片的激光加工方法和激光加工 装置
技术领域
本发明涉及激光加工方法和激光加工装置，更特别地，涉及使用激光切割形成有金属层的半导体晶片的激光加工方法以及用于其的激光加工装置。
背景技术
激光加工装置使用光学系统将从激光振荡器发射的激光束照射到加工对象上，以通过照射的激光束在加工对象上进行诸如标记、曝光、蚀刻、冲孔、划线(scribing)、切割(dicing)等的激光加工操作。
近来，为了防止对加工对象的表面的损坏，通过在可透过激光束的加工对象内部形成聚焦点并产生裂纹以对加工对象进行加工的方法受到关注。例如，当使具有高输出功率的激光束在半导体晶片内聚焦以形成聚焦点时，在聚焦点周围形成改性区域，使得从改性区域产生裂纹。此外，激光束沿着半导体晶片的预定加工线移动以在加工对象内部产生裂纹行，然后裂纹自然地或通过使用外力而延伸到半导体晶片的外表面，使得半导体晶片能够被切割。
然而，存在的缺点是不可能使用激光加工方法切割具有金属层的半导体晶片。由于金属层形成为具有约10μm的厚度，所以激光束不能透过具有该厚度的金属层，因此，不能在金属层或半导体晶片内部形成切割所需的裂纹。此外，由于形成在半导体晶片的表面上的金属层具有高韧性，所以缺点在于在半导体晶片的切割操作期间产率下降。
发明内容
技术问题
一个或多个示例性实施方式提供了使用激光束切割形成有金属层的半导体晶片的激光加工方法以及激光加工装置。
技术效果
在根据实施方式的激光加工方法中，为了切割具有形成在半导体晶片的表面上的金属层的加工对象，通过使沿着同轴路径行进的多个激光束透过半导体晶片，使激光束分别在金属层的与半导体晶片交界的表面处，以及在与半导体晶片的表面(与金属层交界的表面)邻近的位置处聚焦，以分别形成聚焦点，从而可以容易地切割加工对象。此外，因为不需要进行涂覆保护层以保护芯片的预处理，并且不需要在切割工艺之后进行清洁工艺以除去污染物，所以激光加工方法能够更简单。
附图说明
图1至图4是示出加工具有金属层的半导体晶片的一般激光加工方法的图。
图5是示出根据本发明的示例性实施方式的激光加工装置的框图。
图6是图5的光束扩展单元和聚光透镜的放大图。
图7是示出相对于时间轴，从图5的激光加工装置射出以入射到加工对象的第一激光束和第二激光束的波形的图。
图8a至图12是示出根据本发明的另一示例性实施方式的另一激光加工方法的图。
具体实施方式
现在将详细参考其示例在附图中示出的实施方式。这里阐述的实施方式并非意在限制本发明的范围。而是，提供这些实施方式是为了向本领域普通技术人员解释本发明的各方面。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件，并且为了解释清楚，可以夸大元件的尺寸或厚度。应当理解，当表示材料层在基板或另一层“上”时，材料层可以直接在基板或另一层上，或者可以在其之间存在另一第三层。此外，所述用于形成各层的材料仅仅是示例，且也可以使用另一种材料。
图1至图4是示出对形成有金属层20的半导体晶片10进行加工的一般激光加工方法的图。
如图1所示，加工对象30由半导体晶片10和形成在半导体10的顶表面上的金属层20制成。这里，半导体晶片10可以是可用于一般半导体工艺中的基板，并且可以包括例如硅(Si)、碳化硅(Sic)、砷化镓(GaAs)或蓝宝石(Sappire)。半导体晶片10可以包括各种半导体材料中的一种。金属层20可以是可用于一般半导体工艺中的导电材料，并且可以包括例如铜(Cu)、钼(Mo)或金(Au)。金属层20可以包括具有高导电性的各种金属成分中的一种。使用激光加工装置(未示出)将激光束L聚焦在金属层20的表面上以形成聚焦点P。因此，由于激光烧蚀，可以在金属层20的表面的聚焦点P周围形成沟槽。
参考图2，当加工对象30沿着预定加工线S移动时，聚焦点P移动，因此沿着预定加工线S在金属层20的表面上形成具有深度的沟槽线50。参考图3，刀片70位于沟槽线50上，然后沿着沟槽线50移动以进行锯切操作，使得加工对象30分割成如图4所示的多个芯片30’和30”。
上述激光加工方法使用激光束L形成沟槽线50，然后使用诸如刀片70的机械装置切割加工对象30。然而，该激光加工方法需要进行涂覆保护层(未示出)的预处理以保护芯片30’和30”。此外，在切割操作之后需要另外的清洁工艺以去除污染物。因此，存在使激光加工方法变得复杂的问题。
图5是示出根据本发明的示例性实施方式的激光加工装置的框图。
参考图5，根据本实施方式的激光加工装置可以包括用于发射多个激光束L1和L2的多个激光光源201和202，以及用于控制多个激光束L1和L2沿着同轴路径入射到加工对象上(更具体地，半导体晶片110内)的光学系统。加工对象100包括半导体晶片110和形成在半导体晶片110的一个表面(即，图5中半导体晶片110的下表面)上的金属层120。这里，半导体晶片110可以是可用于一般半导体工艺中的基板，并且可以包括例如硅(Si)、碳化硅(Sic)、砷化镓(GaAs)或蓝宝石。半导体晶片10可以包括各种半导体材料中的一种。金属层20可以是可用于一般半导体工艺中的导电材料，并且可以包括例如铜(Cu)、钼(Mo)或金(Au)。金属层20可以包括具有高导电性的各种金属成分中的一种。
多个激光光源201和202可以包括用于发射脉冲型的第一激光束L1的第一激光光源201和用于发射脉冲型的第二激光束L2的第二激光光源202。第一激光束L1和第二激光束L2可以具有在约900nm至约1700nm之间的波长，然而，本发明不限于此。如稍后所述，第一激光束L1在金属层120的与半导体晶片110的交界的的表面上形成第一聚焦点P1。而第二激光束L2在与半导体晶片110的一个表面(与金属层120交界的表面，即图5中半导体的下表面)邻近的位置处形成第二聚焦点P2。第一激光光束L1可以具有比第二激光束L2小的脉冲宽度。例如，第一激光束L1可以具有毫微微秒(fs)范围的脉冲宽度，而第二激光束L2可以具有纳秒(ns)范围的脉冲宽度。更具体地，第一激光束L1可以具有在约50fs至200fs之间的范围内的脉冲宽度，而第二激光束L2可以具有在约300ns至800ns之间的范围内的脉冲宽度。然而，本发明不限于此。第一激光束L1和第二激光束L2可以具有不同的脉冲宽度。
从第一激光光源201发射的第一激光束L1可以沿着预定路径行进，由反射镜210反射，透过分束器220，然后入射到光束扩展单元(BET)230上。这里，如果需要，可以在第一激光光源201和反射镜210之间的光路上设置另外的光学单元，例如半波片、偏振分束器(PBS)等。从第二激光光源202发射的第二激光束L2可以沿着预定路径行进，由分束器220反射，然后入射到光束扩展单元230上。这里，如果需要，可以在第二激光光源202和分束器220之间的光路上设置另外的光学单元。
从分束器220发射的第一激光束L1和第二激光束L2通过光束扩展单元230和聚光透镜240，透过半导体晶片110，然后聚焦形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2。图6示出了图5的光束扩展单元230和聚光透镜240的细节。参见图6，光束扩展单元230可以包括多个透镜231、232和233，并且聚焦点P1和P2的位置可以根据透镜231、232和233之间的距离而改变。因此，入射到光束扩展单元230上的第一激光束L1和第二激光束L2可以由光束扩展单元230控制，以调节在加工对象100内形成的第一聚焦点P1和第二聚焦点P2的位置。
如上所述，在激光加工装置中，从第一激光光源201发射的第一激光束L1被反射镜210反射以被传输到分束器220，并且从第二激光光源202发射的第二激光束L2被分束器220反射。因此，已经通过分束器220的第一激光束L1和第二激光束L2沿着同轴路径行进。然后，已经沿着同轴路径行进的第一激光束L1和第二激光束L2穿过光束扩展单元230和聚光透镜240而在加工对象100中的预定位置处聚焦，以形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2。这里，可以根据光束扩展单元230的透镜231、232和233之间的距离来控制聚焦点P1和P2的位置。
同时，第一激光束L1和第二激光束L2以时间滞差入射在加工对象100中。图7是示出相对于时间轴，从图1的激光加工装置射出的第一激光L1和第二激光L2入射到加工对象100上的波形的图。参考图7，在从第一激光光源201发射的脉冲型的第一激光束L1入射到加工对象100上之后经过预定时间Δt，从第二激光光源202发射的脉冲型的第二激光束L2入射在加工对象100上。尽管图7示出了第一激光束L1和第二激光束L2彼此不重叠并且彼此不干涉的波形，但是第一激光束L1和第二激光束L2可以部分重叠，使得第一激光束L1和第二激光束L2彼此干涉。可以使具有预定时间差Δt的一组第一激光束L1和第二激光束L2聚焦在加工对象100内部，使得能够形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2，然后在加工对象100移动预定距离后，使下一组第一激光束L1和第二激光束L2入射在加工对象100内部，使得第一聚焦点P1和第二聚焦点P2能够移动。
在下文中，将参考图8a至图12解释使用图5和图6中所示的激光加工装置切割形成有半导体晶片110和金属层120的加工对象100的工艺。
图8a示出通过从激光加工装置发射的第一激光束L1和第二激光束L2在加工对象100内部形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2的情况，图8b是图8a的侧视图。
参考图8a和8b，准备加工对象100。加工对象100由半导体晶片110和形成在半导体晶片110的下表面上的金属层120制成。这里，半导体晶片110和金属层120可以包括可用于上述半导体制造工艺中的材料。并且，已经通过图5的激光加工装置的聚光透镜240的脉冲型第一激光束L1和第二激光束L2，透射到半导体晶片110的内部，以分别形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2。第一激光束L1和第二激光束L2入射到半导体晶片110的没有形成金属层120的上表面上，并透过半导体晶片110。
如上所述，从激光加工装置发射的第一激光束L1和第二激光束L2沿着同轴路径行进以入射到半导体晶片110上。第一激光束L1和第二激光束L2可以具有在例如大约900nm至大约1700nm的范围内的波长，然而，本发明不限于此。这里，第一激光束L1可以具有比第二激光束L2小的脉冲宽度。例如，第一激光束L1可以具有毫微微秒范围(例如，大约50fs至200fs)的脉冲宽度，而第二激光束L2可以具有纳秒范围的脉冲宽度(例如，大约300ns～800ns)。然而，本发明不限于此，因此第一激光束L1和第二激光束L2可以具有与上述脉冲宽度不同的脉冲宽度。
第一激光束L1和第二激光束L2以一定时间差入射到可透射的半导体晶片110上，以分别形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2。如图7所示，在第一激光束L1入射到半导体晶片110上形成以第一聚焦点P1之后经过预定时间Δt，第二激光束L2入射到半导体晶片110上以形成第二聚焦点P2。因此，一组第一激光束L1和第二激光束L2以时间差入射到半导体晶片110上，使得第一聚焦点P1和第二聚焦点P2分别形成在加工对象100内部的预定位置处。
当第一激光束L1透过半导体晶片110，然后聚焦在金属层120的与半导体晶片110形成边界的表面上时，形成第一聚焦点P1。因此，当第一聚焦点P1形成在金属层120的表面上时，由于激光烧蚀，能够在金属层120的表面上形成沟槽线。并且，当沿着与第一激光束L2的同轴路径行进的第二激光束L2透过半导体晶片110并且在与半导体晶片110的下表面(与金属层120形成边界的表面)邻近的位置处聚焦时，形成第二聚焦点P2。这样，当在与半导体晶片110的下表面邻近的位置处形成第二聚焦点P2时，在第二聚焦点P2周围形成改性区域，使得裂纹能够从该改性区域到半导体晶片110的表面形成并延伸。这里，第二聚焦点P2可以形成在比第一聚焦点P1更高的位置处，因此可以形成第二聚焦点P2而不干扰由于形成第一聚焦点P1而产生的沟槽。
图9a示出在加工对象100内部形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2之后，第一聚焦点P1和第二聚焦点P2的移动状态。图9b是沿图9a的线I-I’的剖视图。
参考9a和9b，在第一聚焦点P1和第二聚焦点P2分别形成在金属层120的表面和与半导体晶片110的下侧相邻的位置处的状态下，如图8a和8b所示，加工对象100沿着预定的加工线S移动，然后另一组第一激光束L1和第二激光束L2以时间差Δt入射到加工对象100上。因此，在沿着预定方向(即，与加工对象100的移动相反的方向)移动的同时形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2。同时，第一聚焦点P1和第二聚焦点P2的移动可以通过移动激光加工装置而非移动加工对象100来进行。当第一激光束L1和第二激光束L2重复地入射到加工对象100内部同时如上所述移动加工对象100时，第一聚焦点P1和第二聚焦点P2沿着加工对象100内部的预定加工线S移动。
在该工艺中，当移动第一聚焦点P1时，通过激光烧蚀除去一部分金属层120，以在金属层120的与半导体层110交界的表面上沿着预定加工线S形成内部沟沟槽线。并且，在与半导体晶片110的与金属层120交界的下表面邻近的位置处，裂纹行根据第二聚焦点P2的移动而沿着预定加工线S形成并延伸到半导体晶片110的下表面。因此，当加工对象100停止移动时，如图10所示，在加工对象100的内部形成内部沟槽线125和裂纹行111。
参考图11，在半导体晶片110较厚的情况下，在加工对象100中形成内部沟槽线125和裂纹行111，然后，第二激光束L2在半导体晶片110内部聚焦以形成另一个聚焦点，使得通过移动加工对象100另外形成至少一个内部裂纹行112和113。同时，当形成内部沟槽线125和裂纹行时，可以通过使用一个或多个另外的激光束(未示出)同时形成内部裂纹行112和113。这样，能够根据一个或多个内部裂纹行112和113更容易地切割加工对象100。同时，通过使用第一激光束L1重复加工，与单次加工比可以使内部沟槽线125形成得更深。
参考图12，在沿着如图11所示的加工对象100内部的预定加工线S形成内部沟槽线125和裂纹行111(以及内部裂纹行112、113)的状态下，加工对象100可以通过自然断裂或根据对加工对象100的外部冲击而被分割成多个芯片100’和100”。
如上所述，在根据本实施方式的激光加工方法中，通过透射沿着同轴路径行进的多个激光束L1和L2，以切割具有形成在半导体晶片110的表面上的金属层120的加工对象100；使激光束L1和L2在金属层120的与半导体晶片110交界的表面和与半导体晶片110的与金属层120交界的表面邻近的位置处聚焦；并分别形成第一聚焦点P1和第二聚焦点P2，可以容易地切割加工对象100。此外，因为不需要进行涂覆保护层以保护芯片100’和100”的预处理，并且不需要在切割工艺之后进行清洁工艺以除去污染物，所以激光加工方法能够更简单。
尽管已经参考附图描述了一个或多个示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
实施方式
根据示例性方面，一种使用激光加工包括半导体晶片和形成在半导体晶片的一个表面上的金属层的加工对象的激光加工方法包括：使沿着同轴路径行进的多个激光束透过半导体晶片，以分别在金属层的与半导体晶片形成边界的表面处，以及在与半导体晶片的一个表面邻近的位置处形成聚焦点。
多个激光束可以包括脉冲型的第一激光束和第二激光束，且所述方法还可以包括：通过第一激光束在金属层的与半导体晶片形成边界的表面上形成第一聚焦点，以及通过第二激光束在与半导体晶片的一个表面邻近的位置处形成第二聚焦点，，其中，所述半导体晶片的所述一个表面是与所述金属层形成边界的表面。
第二激光束可以相对于所述第一激光束以预定时间滞差入射到所述半导体晶片上。这里，第一激光束与第二激光束可以相互干涉或不相互干涉。第一激光束可以具有比所述第二激光束更小的脉冲宽度。例如，第一激光束可以具有毫微微秒范围的脉冲宽度；而第二激光束具有纳秒范围的脉冲宽度。
所述方法还可以还包括：可以沿加工对象的预定加工线移动第一聚焦点和第二聚焦点。根据第一聚焦点的移动在金属层的表面上形成内部沟槽线，且可以根据第二聚焦点的移动在与半导体晶片的表面邻近的位置上形成裂纹行。
多个激光束可以入射到所述半导体晶片的不与所述金属层形成边界的另一表面上。多个激光束可以具有在900nm至1700nm的范围内的波长。半导体晶片可以包括Si、Sic、GaAs或蓝宝石；且金属层可以包括Cu、Mo或Au。
根据另一示例性方面，一种使用激光对包括半导体晶片和形成在半导体晶片的一个表面上的金属层的加工对象进行加工的激光加工装置包括：多个激光光源，用于发射多个激光束；和光学系统，用于使多个激光束沿着同轴路径行进以透过半导体晶片，并用于分别在金属层的、与半导体晶片形成边界的表面处以及在与半导体晶片的一个表面邻近的位置处形成聚焦点。
多个激光光源可以包括：第一激光光源，用于发射脉冲型的第一激光束以在金属层的表面上形成第一聚集点；和第二激光光源，用于发射脉冲型的第二激光束以在与半导体晶片的表面邻近的位置上形成第二聚集点。

Claims (17)

1.一种激光加工方法，其使用激光对包括半导体晶片和形成在所述半导体晶片的一个表面上的金属层的加工对象进行加工，所述激光加工方法包括：
使沿着同轴路径行进的多个激光束透过所述半导体晶片，以分别在所述金属层的、与所述半导体晶片形成边界的表面处，以及在与所述半导体晶片的一个表面邻近的位置处形成聚焦点，其中：
所述多个激光束包括脉冲型的第一激光束和第二激光束；且
所述激光加工方法还包括：通过所述第一激光束在所述金属层的、与所述半导体晶片形成边界的表面上形成第一聚焦点；通过所述第二激光束在与所述半导体晶片的一个表面邻近的位置处形成第二聚焦点，其中所述半导体晶片的所述一个表面是与所述金属层形成边界的表面；以及沿所述加工对象的预定加工线移动所述第一聚焦点，其中根据所述第一聚焦点的移动在所述金属层的表面上形成内部沟槽线。
2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中所述第二激光束相对于所述第一激光束以预定时间差入射到所述半导体晶片上。
3.根据权利要求2所述的激光加工方法，其中所述第一激光束与所述第二激光束相互干涉或不相互干涉。
4.根据权利要求2所述的激光加工方法，其中所述第一激光束具有比所述第二激光束更小的脉冲宽度。
5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其中：
所述第一激光束具有毫微微秒范围的脉冲宽度；而
所述第二激光束具有纳秒范围的脉冲宽度。
6.根据权利要求2所述的激光加工方法，还包括：
沿所述加工对象的所述预定加工线移动所述第二聚焦点。
7.根据权利要求6所述的激光加工方法，其中根据所述第二聚焦点的移动在与所述半导体晶片的一个表面邻近的位置上形成裂纹行。
8.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中所述多个激光束入射到所述半导体晶片的未形成有所述金属层的另一表面上。
9.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中所述多个激光束具有在900nm至1700nm的范围内的波长。
10.根据权利要求1所述的激光加工方法，其中：
所述半导体晶片包括Si、Sic、GaAs或蓝宝石；且
所述金属层包括Cu、Mo或Au。
11.一种激光加工装置，其使用激光对包括半导体晶片和形成在所述半导体晶片的一个表面上的金属层的加工对象进行加工，所述激光加工装置包括：
多个激光光源，用于发射多个激光束；和
光学系统，用于使所述多个激光束沿着同轴路径行进以透过所述半导体晶片；并用于分别在所述金属层的、与所述半导体晶片形成边界的表面处，以及在与所述半导体晶片的一个表面邻近的位置处形成聚焦点，
其中所述多个激光光源包括：
第一激光光源，用于发射脉冲型的第一激光束以在所述金属层的表面上形成第一聚集点；和
第二激光光源，用于发射脉冲型的第二激光束以在与所述半导体晶片的一个表面邻近的位置上形成第二聚集点，
其中所述第一聚焦点沿预定加工线移动，根据所述第一聚焦点的移动在所述金属层的表面上形成内部沟槽线。
12.根据权利要求11所述的激光加工装置，其中所述第二激光束相对于所述第一激光束以预定时间差入射到所述半导体晶片上。
13.根据权利要求12所述的激光加工装置，其中所述第一激光束具有比所述第二激光束更小的脉冲宽度。
14.根据权利要求12所述的激光加工装置，其中所述第二聚焦点沿所述预定加工线移动。
15.根据权利要求14所述的激光加工装置，其中：
根据所述第二聚焦点的移动在与所述半导体晶片的一个表面邻近的位置上形成裂纹行。
16.根据权利要求11所述的激光加工装置，其中所述多个激光束入射到所述半导体晶片的、未形成有所述金属层的另一表面上。
17.根据权利要求11所述的激光加工装置，其中所述多个激光束具有在900nm至1700nm的范围内的波长。
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