CN111146097A - 一种半导体晶圆激光解键合光学装置 - Google Patents

一种半导体晶圆激光解键合光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种半导体晶圆激光解键合光学装置。所述半导体晶圆激光解键合装置包括：光学机构、光斑监测机构、加工平台及运动控制机构；光学机构包括激光器、平顶光斑产生模块、整形模块、成像模块，激光器发出初始高斯光束，初始高斯光束经平顶光斑产生模块可以产生中心能量分布均匀的初始平顶光，初始平顶光经过整形模块可以形成整形平顶光，整形平顶光光斑斑形状更利于半导体晶圆解键合过程中光斑拼接，整形平顶光经过成像系统改变光斑大小，调整解键合能量密度；根据本发明提供的激光解键合光学装置，可有效降低成本并提高解键合质量及灵活性。

Description

一种半导体晶圆激光解键合光学装置
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种半导体晶圆激光解键合光学装置。
背景技术
随着电子产品多功能化和小型化的发展需求，高密度的半导体封装技术不断应用到新一代电子产品上。为了配合新一代电子产品的发展需求，尤其是手机、无线产品、智能穿戴、物联网等产品的发展，封装尺寸向密度更高、速度更快、尺寸更小、成本更低等方向发展。半导体器件封装领域利用TGV和TSV 实现两层器件之间的垂直互连通道，可实现更复杂集成电路，具有封装体积小，功耗低的优势。
晶圆临时键合及解键合是实施TGV和TSV的重要技术，键合技术包括将器件晶圆附着在载体晶圆上，成为封装结构中的一层，方便器件晶圆被加工，如：布线、移动，金属填充等；解键合技术是指将器件晶圆从载体晶圆上去除下来的过程，从而使器件晶圆可用于3D堆栈，便于高密度集成和封装。
目前常见的方法利用准分子激光器产生可以实现激光解键合脉冲参数的准分子激光脉冲，并使脉冲在半导体晶圆粘合层上进行扫描来实现解键合。利用准分子激光器，产品具有相对优良的性能，但是准分子激光器价格昂贵，需要更多的用于支持和维护的配件，成本随之大大提高。
发明内容
基于此，本发明提出了一种半导体晶圆激光解键合光学装置，可以降低成本并提高解键合质量及灵活性。
本发明提出的一种半导体晶圆激光解键合光学装置，包括：光学机构、光斑监测机构、加工平台及运动控制机构；所述光斑监测机构用于监测聚焦光斑形貌及能量分布；所述加工平台用于固定待解键合的半导体晶圆片；所述运动控制机构用于驱动加工平台和/或光学机构移动；
所述光学机构包括沿激光光路顺次设置的激光器、平顶光斑产生模块、整形模块、成像模块，所述激光器用于发射初始高斯光束，所述初始高斯光束经过平顶光斑产生模块可以产生中心能量分布均匀的初始平顶光，所述初始平顶光经过整形模块可以形成整形平顶光，所述整形平顶光光斑斑形状更利于半导体晶圆解键合过程中光斑拼接，所述整形平顶光经成像系统调节光斑大小，进而调整解键合能量密度。
可选地，所述激光器产生的初始高斯光束的波长200～1000nm，脉宽小于50ns，最大单脉冲能量大于1mJ，脉冲重复频率1～200KHz；
可选地，所述平顶光产生模块包括扩束准直单元、激光能量再分布单元、聚焦单元，所述激光能量再分布单元可以是衍射光学元件或空间光调制器或其他任意可以实现能量重新分布的元件。
可选地，所述初始平顶光光斑尺寸小于0.5mm2；
可选地，所述整形模块包括整形元件，所述整形元件对光斑边缘区域衰减强于对光斑中心区域；
可选地，所述整形平顶光光斑形状优选为矩形；
可选地，所述成像模块可以是双凸透镜或组合透镜；
可选地，所述运动控制机构能够驱动加工平台相对所述光学机构沿着预设路径进行扫描；
可选地，所述半导体晶圆包括器件晶圆、载体晶圆和将所述器件晶圆与载体晶圆连接的粘合层，所述粘合层为透明粘合层。
可选地，所述半导体晶圆包括器件晶圆、载体晶圆和将所述器件晶圆与载体晶圆连接的粘合层。
可选地，所述激光器为二极管泵浦全固态激光器。
实施本发明，将具有如下有益效果：
本发明通过使用平顶光产生模块，可以使横向的光斑能量分布更加均匀，从而提高了解键合的质量；通过使用整形模块，光斑形状更利于解键合过程光斑拼接，提高激光解键合的灵活性，使用二极管泵浦全固态激光器可以有效降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为用于本发明实施例使用的半导体晶圆结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光学结构示意图；
图3为采用初始平顶光产生死区示意图；
图4为应用本发明实施例解键合的实际效果图；
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。
为降低成本并提高解键合质量及灵活性，在一个实施例中，提出的一种半导体晶圆激光解键合光学装置，包括：光学机构、光斑监测机构、加工平台及运动控制机构；光斑监测机构用于监测聚焦光斑形貌及能量分布；加工平台用于固定待解键合的半导体晶圆片；运动控制机构用于驱动加工平台相对光学机构移动；
参照图1，提供的待解键合的半导体晶圆片的结构，包括器件晶圆1、载体晶圆3和实现二者临时键合的极薄粘合层2。其中载体晶圆3对辐射光和可见光透明，设置为固定器件晶圆，以便于加工和运输。其中极薄粘合层2对可见光波长透明，以便于器件晶圆检测，对加工激光波长具有较强的吸收特性，其厚度一般为辐射光渗透深度的2倍，有特定的损伤阈值，设置为吸收多数激光光通量以确保晶圆分离，确保剩余的能量渗透到达器件晶圆不足以伤害器件晶圆；
参照图2，光学机构包括激光器、平顶光斑产生模块10、整形模块20、成像模块30，激光器发出初始高斯光束，所述初始高斯光束经过平顶光斑产生模块10后可以产生中心能量分布均匀的初始平顶光，初始平顶光光斑能量分布均匀，相比高斯光束可以有效降低中心能量透过粘合层损伤器件晶圆的风险。初始平顶光经过整形模块20可以形成整形平顶光，整形平顶光光斑斑形状更利于半导体晶圆解键合过程中光斑拼接，在本实施例中优选为矩形，整形平顶光进过成像系统改变光斑大小，调整解键合能量密度、提高加工效率。
在本实施例中，所述激光器产生的初始高斯光束波长200～1000nm，脉宽小于50ns，最大单脉冲能量大于1mJ，脉冲重复频率1～200KHz。所选激光器为二极管泵浦全固态激光器(DPSS)，相比目前常用的准分子激光器价格更低，稳定性更高；相比准分子激光器常用波长308nm，所选激光器波长为355nm，单光子能量小于载体晶圆键能，载体晶圆可避免损伤，同时满足粘合层高吸收的特点，减小能量渗透到器件晶圆引起损伤的风险。激光器产生的初始激光的脉宽小于 50ns，最大单脉冲能量大于1mJ，脉冲重复频率1～100KHz。
进一步，在本实施例中，平顶光斑产生模块10包括扩束准直单元、能量再分布单元和聚焦单元，其中能量再分布单元可以是衍射光学元件、空间光调制器或其他能够实现光斑能量再分布的元件。初始高斯光束具有峰值能量高的特点，且光斑中心区域能量远高于边缘区域，中心部分的高能量极可能透过粘合层到达器件晶圆造成损伤；相比而言，初始平顶光能量峰值低，光斑内能量分布较均匀，显著降低了器件晶圆的损伤风险。
进一步，所述初始平顶光光斑尺寸小于0.5mm2，初始平顶光斑经过整形模块20可以产生整形平顶光束。参照图3，初始平顶光束在加工过程中容易产生死区，或者通过光斑重叠减小死区而导致加工效率下降。初始平顶光束可以通过整形模块将光斑形状变成更加容易拼接的矩形光斑，在扫描过程中可以显著减少死区对加工效果的影响。
进一步，所述整形模块包括整形元件，所述整形元件对光斑边缘区域衰减强于对光斑中心区域，所述整形平顶光光斑形状为矩形,在本实施例中整形平顶光光斑形状变成长方形，光斑大小0.25mm2，利用长方形平顶光斑扫描半导体晶圆片可以解决圆形光斑扫描死区的问题，且加工效率更高。
进一步，本实施例光学机构还包括成像模块，成像模块位于整形模块20和加工平台中间，通过改变成像模块的参数规格，整形平顶光斑的尺寸可以根据所需能量密度的大小变大或变小。所述成像模块为双凸透镜或组合透镜，在本实施例中通过成像模块整形平顶光斑放大，同时解键合效率提高。
本实施例中光斑检测机构固定在加工平台一侧，随着运动控制系统驱动加工平台移动，用户可监测光斑形貌变化。
下面以8寸半导体晶圆解键合为例进行介绍，且在本实施例中，激光器产生的初始高斯光束波长355nm，脉宽25ns，最大单脉冲能量600μJ.
加工前，将半导体晶圆固定在加工平台，运动控制系统控制加工平台移动，到达初始加工位置。
打开激光器，激光器发出初始高斯光束，所述初始高斯光束镜平顶光斑发生模块10厚可以产生中心能量分布均匀的初始平顶光，初始平顶光光斑大小约 0.15mm2；所述初始平顶光经过整形模块20形成整形平顶光，整形平顶光光斑形状为长方形面积为0.025mm2；整形平顶光经过成像模块为50μm×1000μm的长方形光斑，光斑大小扩大两倍。
运动控制机构以位置同步出发信号驱动加工平台相对光学机构移动并使激光光束以设定50μm间隔在半导体晶圆沿S型路径扫描。
扫描结果参照图4，采用上述光学装置完成半导体晶圆激光解键合，在晶圆表面上形成的痕迹均匀，器件晶圆无损伤，并且通过机械拉力容易将载体晶圆从器件晶圆上剥离下来。
实施本发明，将具有如下有益效果：
本发明通过使用平顶光产生模块，可以使横向的光斑能量分布更加均匀，从而提高了解键合的质量；通过使用整形模块，光斑形状更利于解键合过程光斑拼接，提高激光解键合的灵活性,使用二极管泵浦全固态激光器可以有效降低成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述光学装置包括：
光学机构、光斑监测机构、加工平台及运动控制机构；所述光斑监测机构用于监测聚焦光斑形貌及能量分布；所述加工平台用于固定待解键合的半导体晶圆片；所述运动控制机构用于驱动加工平台和/或光学机构移动；
所述光学机构包括沿激光光路顺次设置的激光器、平顶光斑产生模块、整形模块、成像模块，所述激光器用于发射初始高斯光束，所述初始高斯光束经过平顶光斑产生模块可产生中心能量分布均匀的初始平顶光，所述初始平顶光经过整形模块形成整形平顶光，所述整形平顶光经成像系统调节光斑大小，进而调整解键合能量密度。
2.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述激光器产生的初始高斯光束波长200～1000nm，脉宽小于50ns，最大单脉冲能量大于1mJ，脉冲重复频率1～200KHz。
3.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述平顶光产生模块包括扩束准直单元、激光能量再分布单元、聚焦单元，所述激光能量再分布单元为衍射光学元件、空间光调制器或其他任意可以实现能量重新分布的元件。
4.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述初始平顶光光斑尺寸小于0.5mm2。
5.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述整形模块包括整形元件，所述整形元件对光斑边缘区域衰减强于对光斑中心区域。
6.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述整形平顶光光斑形状为矩形。
7.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述成像模块为双凸透镜或组合透镜。
8.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述运动控制机构能够驱动加工平台相对所述光学机构沿着预设路径进行扫描。
9.根据权利要求1-8任一项所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述半导体晶圆包括器件晶圆、载体晶圆和将所述器件晶圆与载体晶圆连接的粘合层，所述粘合层为透明粘合层。
10.根据权利要求9所述的半导体晶圆激光解键合光学装置，其特征在于，所述激光器为二极管泵浦全固态激光器。
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