CN107378259A - 一种Low-k材料的激光加工装置及方法 - Google Patents

一种Low-k材料的激光加工装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种Low‑k材料的激光加工装置及方法，采用激光器发射出激光光束，依次经过半波片和第一偏振片后分成光束A和光束B；光束A依次经过第一45度反射镜、第一光闸和第二45度反射镜之后，经过第二光闸并选择性地进入光束整形器，之后依次进入第二偏振片和第三45度反射镜后，最后进入聚焦镜后聚焦于被加工材料上；光束B依次经过第三光闸、棱镜后、第二偏振片和第45度反射镜后，最后进入聚焦镜后也聚焦于被加工材料上。本发明利用激光沿着切割道切割low‑k层，在切割道形成一个凹槽，去除Low‑k材料的同时保证激光不影响硅衬底，其加工效果好，加工后的凹槽均匀、无明显崩边、波浪纹等问题。

Description

一种Low-k材料的激光加工装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种Low-k材料的激光加工装置及方法。
背景技术
随着集成电路技术的发展，半导体行业已经进入亚微米时代(0.35μm)。特征尺寸不断减小和金属连线高宽比增加导致互联电容快速增加，然而引起串扰问题，另一方面，层数增加引起的层间寄生电容的加大并产生额外的互联延时，这成了提高电路速度的主要障碍，寄生电容还增加了功耗，所有这些问题限制了电路性能的改进。寻找和开发新的low-k材料作为介质已是关键技术。传统介质材料SiO2已经不能满足提供集成电路性能的需要，新的介电材料不仅要有低的介电常数，还有具备的特征包括：足够高的击穿电压、高杨氏模量、高机械强度、热稳定性好、足够低的漏电流、低吸湿性、薄膜应力小、热膨胀系数小等。
目前可用的low-k材料主要有:掺杂SiO2、有机聚合物和多孔材料。这些材料一般用化学气相沉积法沉积在硅等基板材料上，在后续切割分离成单个芯粒，目前用金刚石刀来切割这种硅基底的集成电路芯片，将low-k层和硅基材一起一次性切割，存在的问题是金刚石刀切割low-k层的外观效果差、有崩边、波浪纹等现象，影响了最终的成品率。对low-k层的加工急需寻找新的加工方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种Low-k材料的激光加工装置及方法，利用激光沿着切割道切割low-k层，在切割道形成一个凹槽，去除Low-k材料的同时保证激光不影响硅衬底，其加工效果好，加工后的凹槽均匀、无明显崩边、波浪纹等问题。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种Low-k材料的激光加工装置，包括激光器、半波片、第一偏振片、反射镜、第一光闸、第二45度反射镜、第二光闸、光束整形器、第三光闸、棱镜、第二偏振片、第三45度反射镜和聚焦镜；
所述激光器发射出激光光束，依次经过半波片和第一偏振片后分成光束A和光束B；光束A依次经过第一45度反射镜、第一光闸和第二45度反射镜之后，经过第二光闸并选择性地进入光束整形器，之后依次进入第二偏振片和第三45度反射镜后，最后进入聚焦镜后聚焦于被加工材料上；光束B依次经过第三光闸、棱镜后、第二偏振片和第45度反射镜后，最后进入聚焦镜后也聚焦于被加工材料上。
被加工材料设置在载台上，聚焦镜位于所述被加工材料的上方；激光器、半波片、偏振片、第三光闸、棱镜、第二偏振片和第三45度反射镜沿水平方向依次同轴设置，第三45度反射镜同轴位于聚焦镜的上方；第一45度反射镜、第一光闸和第二45度反射镜沿水平方向依次同轴设置，第一45度反射镜同轴位于偏振片上方，第二45度反射镜同轴位于第二偏振片上方；第二45度反射镜和第二偏振片之间由上之下依次同轴设置有第二光闸和光束整形器。
所述激光器为紫外激光器，激光器的波长是355nm，为脉冲激光，激光光束的偏振态为线偏振，偏振比大于50:1，脉冲宽度范围是1-1000ns，激光的频率范围是50-500kHz,单点能量范围是1-200μJ。
一种Low-k材料的激光加工方法，所述激光加工方法的具体步骤包括如下：
步骤S1：安装所述激光加工装置，光束A和光束B进入聚焦镜后，在被加工材料的low-k层上形成第一焦点和第二焦点，开始进行激光加工；
步骤S2：打开第一光闸和第三光闸，关闭第二光闸，光束A不经过光束整形器，沿着被加工材料上的第一切割道和第二切割道移动载台，在第一切割道和第二切割道的边缘形成两条细线；
步骤S3：关闭第三光闸，开启第一光闸和第二光闸，即光束A通过光束整形器，沿着第一切割道和第二切割道移动载台，形成覆盖第一切割道和第二切割道宽度的切割粗线，即激光加工去除第一切割道和第二切割道上的low-k层；
步骤S4：沿着第一切割道和第二切割道重复步骤S2～S3，完成整个被加工材料的加工，从而在第一切割道和第二切割道上形成规则的凹槽。
改变所述棱镜的角度调节第一焦点和第二焦点的相对距离。
所述棱镜安装在旋转电机上，通过电气控制所述旋转电机的角度进而控制第一焦点和第二焦点的相对距离。
所述low-k层被去除的厚度为3-10um。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中的加工装置能够在被加工材料上形成聚集焦点，从而对其进行激光加工，并可以通过光闸的开关和切换来进行灵活控制切割细线和切割粗线，从而实现在切割道形成一个凹槽，去除Low-k材料的同时保证激光不影响硅衬底，其结构简单、功能可靠，也易于实现。
2、本发明公开加工方法能够去除集成电路芯片基材上的low-k材料，保证了加工后凹槽的加工质量和精度，并且加工过程中不会影响硅等基材材料，加工效果好，加工后的凹槽均匀、无明显崩边、波浪纹等问题，解决现有的金刚石刀切割的外观不良等问题，可靠地实现了对硅等半导体材料上的low-k层进行加工的目的，其在半导体集成电路的加工领域中有广泛的应用空间和应用前景。
附图说明
图1为本发明Low-k材料的激光加工装置的原理示意图。
图2为本发明待加工材料的俯视图。
图3为本发明激光光束作用在待加工材料上的原理图。
图4为本发明Low-k材料的激光加工方法的流程图。
附图标记说明：1-激光器、2-半波片、3-第一偏振片、4-第一45反射镜、6-第一光闸、7-第二45反射镜、8-第二光闸、9-光束整形器、10-第三光闸、11-棱镜、12-第二偏振片、13-第三45度反射镜、14-聚焦镜、15-被加工材料、16-载台、18-第一切割道、19-第二切割道、20-low-k层、23-第一焦点、24-第二焦点
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，本发明提供的一种Low-k材料的激光加工装置，包括激光器1、半波片2、第一偏振片3、反射镜4、第一光闸6、第二45度反射镜7、第二光闸8、光束整形器9、第三光闸10、棱镜11、第二偏振片12、第三45度反射镜13、聚焦镜14。
被加工材料15设置在载台16上，聚焦镜14位于所述被加工材料15的上方。激光器1、半波片2、偏振片3、第三光闸10、棱镜11、第二偏振片12和第三45度反射镜13沿水平方向依次同轴设置，第三45度反射镜13同轴位于聚焦镜14的上方。第一45度反射镜4、第一光闸6和第二45度反射镜7沿水平方向依次同轴设置，第一45度反射镜4同轴位于偏振片3上方，第二45度反射镜7同轴位于第二偏振片12上方。第二45度反射镜7和第二偏振片12之间由上至下依次同轴设置有第二光闸8和光束整形器9。
所述激光器1发射出激光光束，依次经过半波片2和第一偏振片3后分成光束A和光束B。光束A和光束B的激光能量比由半波片2的旋转角度来控制，光束A依次经过第一45度反射镜4、第一光闸6和第二45度反射镜7之后，经过第二光闸8，并选择性地进入光束整形器9，之后依次进入第二偏振片12和第三45度反射镜13后，最后进入聚焦镜14后形成聚焦焦点，聚焦于放置在载台16上的被加工材料15上。光束B依次经过第三光闸10、棱镜11后、第二偏振片12和第三45度反射镜13后，最后进入聚焦镜14后形成聚焦焦点，也聚焦于放置在载台16上的被加工材料15上。
由图1可知，光束A和光束B两束激光可以通过第一光闸6、第二光闸10进行灵活的开关和选择性的切换，光束A和光束B两束激光的能量比可以通过半波片2的角度来控制，光束A和光束B两束激光聚焦在被加工材料15上的相对距离可以通过改变棱镜11的角度来实现，光束A可以通过光束整形器9变成平顶光，还可以通过第二光闸8来控制是否进入光束整形器9，整个加工装置简单、可靠也易于实现。
上述中，所述激光器1为紫外激光器，激光器的波长是355nm，为脉冲激光，激光光束的偏振态为线偏振，偏振比大于50:1，脉冲宽度范围是1-1000ns，激光的频率范围是50-500kHz,单点能量范围是1-200μJ。
本发明还提供一种low-k材料的激光加工方法，沉积有low-k材料的集成电路芯片俯视图如图2所述，所述半导体集成电路芯片为圆装芯片，表面有相互垂直交错的第一切割道18和第二切割道19，芯片被分成周期性排列的单个芯粒17，表面沉积有一层low-k层。
如图4所述，本发明实施例提供一种Low-k材料的激光加工方法，安装所述激光加工装置后，使激光光束分成两束，聚焦后在两条切割道的两个边缘切割两条细线；采用另一束激光通过整形后聚焦在切割道中间切割粗线，循环上述过程完成对整片芯片的加工，在芯片表面形成规则的相互交错凹槽。所述激光加工方法的具体步骤包括如下：
步骤S1：安装所述激光加工装置，光束A和光束B进入聚焦镜14后，在被加工材料15的low-k层20上形成第一焦点23和第二焦点24，开始进行激光加工(图3A所示)。
步骤S2：在切割道的两个边缘切割两条细线，具体为：
沿着被加工材料15的第一切割道18和第二切割道19移动载台16，在两条切割道的边缘形成两条细线，加工过程中第一光闸6和第三光闸10处于开的状态，第二光闸8处于关的状态，即光束A不经过光束整形器9。
上述中，第一焦点23和第二焦点24的相对距离通过调节棱镜11的角度来实现，通过半波片2的角度来控制光束A和光束B的能量比，使第一焦点23和第二焦点24加工后的两边细线线宽大小一致。
步骤S3：沿着切割道切割粗线，覆盖整个切割道宽度，去除low-k层20，具体为：
关闭第三光闸10，开启第一光闸6和第二光闸8，即光束A通过光束整形器9，即只有一束光束25进入聚焦镜14(图3B所示)，光束A经过整形后变成平顶光在第一切割道18和第二切割道19上形成粗的聚焦焦点。沿着第一切割道18和第二切割道19移动载台16，激光加工去除第一切割道18和第二切割道19上的low-k层20(图3C所示)，在此工程中可以调整半波片2的角度来调整光束A的功率，使光束25聚焦后的激光能量能满足实际加工的需求。
步骤S4：重复步骤S2～S3,整片切割后在切割道形成规则的凹槽；
沿着第一切割道18和第二切割道19重复步骤S2～S3，加工整片芯片，切割过程中涉及到三个光闸的开关的切换，光束整形器9是否启用的切换，完成整片加工后在第一切割道18和第二切割道19上形成规则的凹槽，凹槽无明显崩边、烧蚀、波浪纹等现象，并且控制激光参数使激光不对衬底的硅材料产生明显的影响。
进一步地，对于第一切割道18和第二切割道19的宽度来说，如果一个芯片上切割道的宽度大小不一，本发明可以通过改变棱镜11的角度来保证第一焦点23和第二焦点24的相对距离实时可控，使两条细线始终沿着第一切割道18和第二切割道19的边缘来加工，即方法简单、可靠。
上述中，所述棱镜11安装在一个旋转电机上，通过电气控制旋转电机的角度进而控制第一焦点23和第二焦点24的相对距离，即控制两条细线的相对距离。
上述中，low-k材料的激光加工方法中low-k层20被去除的厚度为3-10um。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Low-k材料的激光加工装置，其特征在于：包括激光器(1)、半波片(2)、第一偏振片(3)、反射镜(4)、第一光闸(6)、第二45度反射镜(7)、第二光闸(8)、光束整形器(9)、第三光闸(10)、棱镜(11)、第二偏振片(12)、第三45度反射镜(13)和聚焦镜(14)；
所述激光器(1)发射出激光光束，依次经过半波片(2)和第一偏振片(3)后分成光束A和光束B；光束A依次经过第一45度反射镜(4)、第一光闸(6)和第二45度反射镜(7)之后，经过第二光闸(8)并选择性地进入光束整形器(9)，之后依次进入第二偏振片(12)和第三45度反射镜(13)后，最后进入聚焦镜(14)后聚焦于被加工材料(15)上；光束B依次经过第三光闸(10)、棱镜(11)后、第二偏振片(12)和第45度反射镜(13)后，最后进入聚焦镜(14)后也聚焦于被加工材料(15)上。
2.根据权利要求1所述的Low-k材料的激光加工装置，其特征在于：被加工材料(15)设置在载台(16)上，聚焦镜(14)位于所述被加工材料(15)的上方；激光器(1)、半波片(2)、偏振片(3)、第三光闸(10)、棱镜(11)、第二偏振片(12)和第三45度反射镜(13)沿水平方向依次同轴设置，第三45度反射镜(13)同轴位于聚焦镜(14)的上方；第一45度反射镜(4)、第一光闸(6)和第二45度反射镜(7)沿水平方向依次同轴设置，第一45度反射镜(4)同轴位于偏振片(3)上方，第二45度反射镜(7)同轴位于第二偏振片(12)上方；第二45度反射镜(7)和第二偏振片(12)之间由上之下依次同轴设置有第二光闸(8)和光束整形器(9)。
3.根据权利要求1或2所述的Low-k材料的激光加工装置，其特征在于：所述激光器(1)为紫外激光器，激光器的波长是355nm，为脉冲激光，激光光束的偏振态为线偏振，偏振比大于50:1，脉冲宽度范围是1-1000ns，激光的频率范围是50-500kHz,单点能量范围是1-200μJ。
4.一种基于权利要求1-3所述Low-k材料的激光加工装置的激光加工方法，其特征在于：所述激光加工方法的具体步骤包括如下：
步骤S1：安装所述激光加工装置，光束A和光束B进入聚焦镜(14)后，在被加工材料(15)的low-k层(20)上形成第一焦点(23)和第二焦点(24)，开始进行激光加工；
步骤S2：打开第一光闸(6)和第三光闸(10)，关闭第二光闸(8)，光束A不经过光束整形器(9)，沿着被加工材料(15)上的第一切割道(18)和第二切割道(19)移动载台(16)，在第一切割道(18)和第二切割道(19)的边缘形成两条细线；
步骤S3：关闭第三光闸(10)，开启第一光闸(6)和第二光闸(8)，即光束A通过光束整形器(9)，沿着第一切割道(18)和第二切割道(19)移动载台(16)，形成覆盖第一切割道(18)和第二切割道(19)宽度的切割粗线，即激光加工去除第一切割道(18)和第二切割道(19)上的low-k层(20)；
步骤S4：沿着第一切割道(18)和第二切割道(19)重复步骤S2～S3，完成整个被加工材料(15)的加工，从而在第一切割道(18)和第二切割道(19)上形成规则的凹槽。
5.根据权利要求4所述的Low-k材料的激光加工方法，其特征在于：改变所述棱镜(11)的角度调节第一焦点(23)和第二焦点(24)的相对距离。
6.根据权利要求5所述的Low-k材料的激光加工方法，其特征在于：所述棱镜(11)安装在旋转电机上，通过电气控制所述旋转电机的角度进而控制第一焦点(23)和第二焦点(24)的相对距离。
7.根据权利要求4或6所述的Low-k材料的激光加工方法，其特征在于：所述low-k层(20)被去除的厚度为3-10um。
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