CN109570783B - 一种激光加工晶圆的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光加工晶圆的方法及装置，所述方法包括：将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离。本发明能够沿着激光作用面外边沿可以产生一定裂纹生长方向的易裂区，从而可以为后续的用于晶圆分离的切向拉力在激光剥离区域提供一定的拉力作用方向，进而方便有效的将晶圆分离成两片，同时还能够有效快速的实现激光剥离，并同时保证晶圆的完整性。

Description

一种激光加工晶圆的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光微加工技术领域，尤其涉及一种激光加工晶圆的方法及装置。
背景技术
集成电路制造技术的进步首先来源于市场需求的要求，其次是竞争的要求。在集成电路制造中，半导体硅材料由于其资源丰富，制造成本低，工艺性好，是集成电路重要的基体材料。从集成电路断面结构来看，大部分集成电路是在硅基体材料的浅表面层上制造。由于制造工艺的要求，对晶片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出很高要求。因此在几百道工艺流程中，不可采用较薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。通常在集成电路封装前，需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度。这一工艺过程称之为晶片背面减薄工艺。
在目前的半导体衬底分离方法中，对于使用激光隐形切割法作为分离方法还少之又少，且通常使用均衡的拉力从晶圆的两端作用。由于晶圆较大，在实际的应用中，即使是均衡的拉力也可能因为激光隐切内部生长不确定性，导致晶圆拉开应力不平衡从而发生晶圆碎裂的情况。
发明内容
本发明提供的激光加工晶圆的方法及装置，能够沿着激光作用面外边沿可以产生一定裂纹生长方向的易裂区，从而可以为后续的用于晶圆分离的切向拉力在激光剥离区域提供一定的拉力作用方向，进而方便有效的将晶圆分离成两片，同时还能够有效快速的实现激光剥离，并同时保证晶圆的完整性。
第一方面，本发明提供一种激光加工晶圆的方法，包括：
将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；
移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；
在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；
沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离。
可选地，所述在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割包括：
在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割；
或者，在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域表面进行切割。
可选地，所述由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割包括：
将第二激光光束沿加工方向整形为N个子激光光束；
调整各子激光光束的偏振方向并与其切割方向一致；
然后将经调整后的各子激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割。
可选地，所述各子激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域内进行隐形切割的深度范围为15um-5mm。
可选地，所述由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域表面进行切割为将超短脉冲激光作为第二激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割，且圆侧面切割道崩边小于10um。
可选地，所述第二激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割深度范围为0.1mm-1mm。
可选地，所述将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点包括：
获取半导体材料信息；其中，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；
根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；其中，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应；
将第一激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点。
第二方面，本发明提供一种激光加工晶圆的装置，包括：
第一激光加工系统，用于将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；
工作台，用于移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；
第二激光加工系统，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；
分离系统，用于沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离。
可选地，所述第二激光加工系统包括：
第一加工模块，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割；
或者，第二加工模块，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域表面进行切割；其中，所述第二激光光束为超短脉冲激光并沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割，且圆侧面切割道崩边小于10um。
可选地，所述各子激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域内进行隐形切割的深度范围为15um-5mm；
优选地，所述第二激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割深度范围为0.1mm-1mm。
本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法及装置，所述方法主要是利用以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等宽禁带为代表的第三代半导体材料特性，首先通过第一激光光束在晶圆内部预设区域聚焦，且整个聚焦区域始终保持为晶圆的同一平面进而在该平面上形成整平面爆点；然后通过第二激光光束从晶圆的侧面沿着正面激光隐形切割的作用面再次进行激光切割，使得沿着激光作用面外边沿可以产生一定裂纹生长方向的易裂区，从而可以为后续的用于晶圆分离的切向拉力在激光剥离区域提供一定的拉力作用方向，进而方便有效的将晶圆分离成两片，同时还能够有效快速的实现激光剥离，并同时保证晶圆的完整性。
附图说明
图1为本发明一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；
图2为本发明一实施例晶圆激光剥离的示意图；
图3为本发明一实施例对剥离区域内进行隐形切割的效果示意图；
图4为本发明一实施例在切割层产生朝向晶圆内部裂纹所生长的应力示意图；
图5为本发明另一实施例对剥离区域表面进行切割的效果示意图；
图6为本发明另一实施例第二激光光束的整形分束示意图；
图7为本发明另一实施例对晶圆两端施加切向拉力进行分离的示意图；
图8为本发明另一实施例预设图案的光斑组合阵列的结构示意图；
图9为本发明另一实施例吸盘的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种激光加工晶圆的方法，如图1所示，所述方法包括：
S11、将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；
S12、移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；
S13、在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；
S14、沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离。
本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法主要是利用以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等宽禁带为代表的第三代半导体材料特性，首先通过第一激光光束在晶圆内部预设区域聚焦，且整个聚焦区域始终保持为晶圆的同一平面进而在该平面上形成整平面爆点；然后通过第二激光光束从晶圆的侧面沿着正面激光隐形切割的作用面再次进行激光切割，使得沿着激光作用面外边沿可以产生一定裂纹生长方向的易裂区，从而可以为后续的用于晶圆分离的切向拉力在激光剥离区域提供一定的拉力作用方向，进而方便有效的将晶圆分离成两片，同时还能够有效快速的实现激光剥离，并同时保证晶圆的完整性。
可选地，如图2至图6所示，所述在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割包括：
在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割；
或者，在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域表面进行切割。
可选地，如图3至图5所示，所述由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割包括：
将第二激光光束沿加工方向整形为N个子激光光束；
调整各子激光光束的偏振方向并与其切割方向一致；
然后将经调整后的各子激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割。
具体的，为了进一步提高激光剥离的效果，本实施例所述方法中所述第二激光光束偏振是指激光在传播过程中电场强度的振动遵循一定的规律，即如果激光光场沿一条直线方向振动则该激光叫做线偏振光；如果电场强度的振动沿着一个椭圆轨迹变化的激光称为椭圆偏振光；假如该轨迹为一个圆，该激光称之为圆偏振光。作为激光的特性之一，激光偏振对材料烧蚀具有显著的作用，例如激光偏振态(包括线偏振、椭圆偏振和圆偏振)对材料烧蚀机理的作用，线偏振激光偏振方向与烧蚀形貌之间的关系等等。
因此，针对激光偏振态对材料烧蚀机理，主要是由于金属材料的初始自由电子密度极高，所以无需通过原子电离形成自由电子，因此大多对于激光偏振态的研究主要针对是非金属材料，包括半导体和电介质材料。现以熔融石英为例，在熔融石英上电离过程主要包括光电离和碰撞电离两个阶段。光电离体现了激光与材料的相互作用，所产生的电子为后续的碰撞电离提供“种子电子”，其光电离率可以通过Wpi(I(t))＝α·(I(t))m计算。研究表明激光偏振态是通过调控多光子电离截面系数，达到调控材料烧蚀特性的目的。
因此，如图3和图4所示，本实施例所述方法通过调整各子激光光束的偏振方向并与其切割方向一致，进而利用偏振方向与切割方向一致的子激光光束在切割层产生朝向晶圆内部裂纹生长的应力作为晶圆分离的切向拉力，并有效地辅助将晶圆分离成两片，提高半导体分离效果和良品率。
可选地，如图5和图6所示，所述各子激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域内进行隐形切割的深度范围为15um-5mm。
可选地，所述由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域表面进行切割为将超短脉冲激光作为第二激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割，且圆侧面切割道崩边小于10um。
可选地，所述第二激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割深度范围为0.1mm-1mm。
可选地，如图7至图9所示，所述将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点包括：
获取半导体材料信息；其中，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；
根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；其中，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应；
将第一激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点。
具体的，本实施例所述方法还能够针对第三代半导体材料特性为第一激光光束匹配出最佳具有预设图案的光斑组合阵列然后通过第一激光光束在晶圆内部作用实现将半导体衬底分离成多片，使得激光剥离比例大于1:10；还能够有效的提升加工效率，提高第三代半导体衬底分离的良品率；同时利用分离系统在晶圆整幅面拉力作用可最大程度保证晶圆的完整性。
可选地，所述预设图案的光斑组合阵列包括方形结构阵列、菱形结构阵列、多变形结构阵列、梯形结构阵列、网状结构阵列、条纹状结构阵列中一种或者任意组合；其中，
所述激光光斑包括高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中一种或者任意组合。
可选地，所述将第一激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点之前，所述方法还包括：
调整第一激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向，以使由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域进行横向爆点形成片状爆点。用以通过调整第一激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向提高半导体分离效果和良品率。
本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的装置，如图2所示，所述装置包括：
第一激光加工系统，用于将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；
工作台，用于移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；
第二激光加工系统，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；
分离系统，用于沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离。
本发明实施例提供的激光加工晶圆的装置主要是利用以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)等宽禁带为代表的第三代半导体材料特性，首先通过第一激光光束在晶圆内部预设区域聚焦，且整个聚焦区域始终保持为晶圆的同一平面进而在该平面上形成整平面爆点；然后所述装置通过第二激光光束从晶圆的侧面沿着正面激光隐形切割的作用面再次进行激光切割，使得沿着激光作用面外边沿可以产生一定裂纹生长方向的易裂区，从而可以为后续的用于晶圆分离的切向拉力在激光剥离区域提供一定的拉力作用方向，进而方便有效的将晶圆分离成两片，同时还能够有效快速的实现激光剥离，并同时保证晶圆的完整性。
另外，如图7至图9所示，本实施例所述装置还通过在晶圆上下两表面使用分离系统沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离实现半导体衬底分离；其中，所述装置将均匀设置有小吸嘴的吸盘作为分离系统以使其能够对晶圆表面均匀施加切向拉力，因此，本实施例所述装置能够针对第三代半导体材料特性匹配出最佳具有预设图案的光斑组合阵列然后通过激光在晶圆内部作用实现将半导体衬底分离成多片。
可选地，所述第二激光加工系统包括：
第一加工模块，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割；
或者，第二加工模块，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域表面进行切割；其中，所述第二激光光束为超短脉冲激光并沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割，且圆侧面切割道崩边小于10um。
可选地，所述各子激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域内进行隐形切割的深度范围为15um-5mm；
优选地，所述第二激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域表面进行切割深度范围为0.1mm-1mm。
本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种激光加工晶圆的方法，其特征在于，包括：
将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；
移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；
在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；具体为：在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割；
沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离；
其中，所述由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割包括：
将第二激光光束沿加工方向整形为N个子激光光束，且所述N个子激光光束聚焦在距离所述晶圆侧表面不同的深度层位置；
调整各子激光光束的偏振方向并与其切割方向一致；
然后将经调整后的各子激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各子激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域内进行隐形切割的深度范围为15um-5mm。
3.根据权利要求1-2任一所述的方法，其特征在于，所述将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点包括：
获取半导体材料信息；其中，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；
根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；其中，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应；
将第一激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点。
4.一种激光加工晶圆的装置，其特征在于，包括：
第一激光加工系统，用于将第一激光光束进行整形后在晶圆内部预设区域形成片状爆点；
工作台，用于移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；
第二激光加工系统，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域进行切割；
分离系统，用于沿剥离区域对整个晶圆两端施加切向拉力，用以将晶圆进行分离；
所述第二激光加工系统包括：
第一加工模块，用于在所述预设平面对应高度上，由第二激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割；其包括：
将第二激光光束沿加工方向整形为N个子激光光束，且所述N个子激光光束聚焦在距离所述晶圆侧表面不同的深度层位置；
调整各子激光光束的偏振方向并与其切割方向一致；
然后将经调整后的各子激光光束沿晶圆侧表面对经整平面爆点后所生成的剥离区域内进行隐形切割。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述各子激光光束沿晶圆侧表面对剥离区域内进行隐形切割的深度范围为15um-5mm。
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