CN112935528B - 一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法和装置。以解决现有技术对厚晶圆的材料有厚度有要求、切割速度慢，崩边严重的问题。本发明采用的技术方案为：让不同波长的激光分别聚焦在厚晶圆不同位置，以厚晶圆内部热应力膨胀，辅助表面晶格断裂的方式，让应力及时向外传导，从而实现厚晶圆快速、高质量的切割。

Description

一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法和装置

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法和装置。

背景技术

常用晶圆切割技术分为传统的划片和激光划片两种方式。

传统的划片方式是采用划片系统对晶圆进行划片(即切割)，其中金钢石锯片(砂轮)划片方法是目前常见的传统划片方法，这种方法占据了世界芯片切割市场的较大份额，特别是集成电路晶圆划片领域。金刚石砂轮划片装置原理为利用刀片在稳定、高速旋转的情况下对晶圆进行强力磨削，并使用冷却液对切割点进行冲洗，其作用是冷却的同时带走切割产生的粉尘。传统的金刚石砂轮划片装置由于属于接触式切割，是机械力直接作用在晶圆表面，在晶体内部产生应力损伤，对于厚度在100微米以下的晶圆容易产生晶圆崩边及晶片破损。

激光划片方式分为传统激光切割技术和新型激光切割技术，其中传统激光切割技术相比于传统的划片方式具有较高的切割速度、较灵活的切割图案和较高的晶圆利用率等优势，但由于激光与材料的热效应，引入了热影响区和微裂缝，这两者分别影响着晶圆的有效使用面积和芯片性能。新型激光切割技术包括工作在紫外波长的纳秒激光全切割、工作在红外波长的隐形切割以及工作在红外波长的微水导纳秒激光全切割这三种。其中隐形激光切割技术的原理为通过激光辐照晶圆内部产生热冲击使晶圆形成可控的龟裂在辅助外力作用从而达到切割效果，其缺点是：1、不适用于含金属材料的衬底切割，即隐形切割技术具有材料选择性；2、激光作用的是晶圆背面，这大大增加了激光聚焦的难度，晶圆厚度较大(0.5mm以上)时切割质量速度低，同时在厚晶圆切割时，依靠热效应进行，会在切割区域产生严重的累积热效应，进而导致切割区域热烧蚀和边缘模糊，崩边严重的问题，甚至出现切不断的问题，整体切割质量差。

发明内容

本发明要提供一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法和装置，以解决现有技术对厚晶圆的材料有要求、切割速度慢，崩边严重的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法，让不同波长的激光分别聚焦在厚晶圆不同位置，以厚晶圆内部热应力膨胀，辅助表面晶格断裂的方式，让应力及时向外传导，从而实现厚晶圆快速、高质量的切割。

上述方法中，首先根据晶圆红外透过率高的特点，让近红外激光器发出的激光在晶圆中心聚焦，并产生强烈热吸收，热吸收并导致热累积产生膨胀形成热应力积聚；滞后10-500ms，另外一束高功率激光在材料表面对晶格产生破坏，材料表面的拉应力迅速降低，从材料内部积聚的热应力迅速得到传导，加剧晶格断裂的速度，实现了厚晶圆的切割。

为了实现上述方法，设计了一种针对厚晶圆进行切割装置，包括第一激光器，镜片组防护腔，全反镜，聚焦镜片，半透半反镜，光路系统场镜，显微摄影装置，计算机，第二激光器，时间同步控制器和平移旋转台，所述平移旋转台上设置有夹具，所述全反镜，聚焦镜片，半透半反镜和光路系统场镜沿光路顺序设置且设置于镜片组防护腔内，第一激光器和第二激光器的入射光分别入射于全反镜和半透半反镜的下表面镀膜面上；所述第一激光器和第二激光器均与时间同步控制器相接，时间同步控制器、显微摄影装置和平移旋转台分别与计算机相接；所述第一激光器是近红外激光器，第二激光器是紫外或绿光激光器。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、本发明核心优势是仅利用材料累积的热应力传导及表面晶相断裂即可实现厚晶圆的切割，避免了对单一激光光源功率的依赖，而且避免了常规切割过程中的热烧蚀所产生的边缘模糊问题。具体地说，是利用一束高能激光在晶圆中心处因强激光能量密度导致热累积，进而产生热应力传导使晶圆实现无需外力辅助情况下的切割效果。传导应力在遇到表面另外一束激光对晶圆晶格破坏的位置产生的张力后，形成应力场耦合效应，当耦合的应力大于材料表面压应力和拉伸强度后，晶圆沿着预定晶向产生晶格断裂，累积的残余应力被同步释放，无需辅助机构即可实现对晶圆的快速切割，实现了晶体依晶向切割时的边缘整齐，无烧蚀，边缘清晰，无崩边现象，更不会出现切不断的情况，整体切割质量高，可靠性高。

2、为了实现本发明的方法，本发明使用两种激光光源，通过共光路设计，在设定待切割晶圆基本参数(种类、尺寸、厚度)后，自动调整不同激光光源的聚焦作用点位置后，按照预定轨迹进行激光切割，精度可控；两个激光器输出的激光通过共用一组透镜，仅需简单的轴向透镜调节即可实现对不同厚度材料表面和中心位置的聚焦，大大减少了激光聚焦的难度。

3、本发明采用双光束激光采用共光路设计，对两种激光器，各种大功率激光器输出的波长均可适用，光路调谐简单方便；通过调谐两个聚焦透镜的焦平面，即可实现在厚晶圆预定位置的聚焦；实现较小激光功率下，利用晶圆热应力实现厚晶圆的切割，降低了对激光功率的依赖，显著降低成本。

4、本发明使用两个激光器发出的激光按照运动同步、时间随动的原则对晶圆材料进行切割。其中一束激光聚焦到晶圆内部中心位置处，另外一束短波长激光聚焦到材料表面，切割过程中采用第二束激光同步跟随第一束激光进行切割的方式，既可以保证第一激光直接聚焦到Si和Ge晶圆内部，同时第二束短波长激光聚焦在晶圆表面使晶格断裂，控制简单。

5、本方法适用于不同厚度的厚晶圆切割，仅需要适当调整两光路的聚焦位置，满足一般晶圆的切割，同时，适用于含金属材料的红外窗口材料，红外通信衬底材料等的切割，对材料选择范围大。

附图说明

图1是本发明的整体装置示意图；

附图标记：1为第一激光器，2为镜片组防护腔，3为聚焦镜支架，4为全反镜，5为聚焦镜片，6为聚焦镜调焦电机，7为半透半反镜，8为光路系统场镜，9为激光工作焦点，10为激光工作焦点，11载物台X轴旋转电机，12为第一晶圆夹具,13为载物台X轴，14为载物台Y轴，15为载物台Y轴旋转电机，16为第二晶圆夹具，17为显微摄影装置，18为计算机，19为第二激光器，20为时间同步控制器，21为预切割的硅晶圆。

具体实施方式

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。

本发明提供的一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法，是让不同波长的激光分别聚焦在厚晶圆不同位置，以厚晶圆内部热应力膨胀，辅助表面晶格断裂的方式，让应力及时向外传导，从而实现厚晶圆快速、高质量切割方法。

具体的方法中，首先根据晶圆红外透过率高的特点，让近红外激光器发出的激光在晶圆中心聚焦，并产生强烈热吸收，热吸收并导致热累积产生膨胀形成热应力积聚；滞后10-500ms，另外一束高功率激光在材料表面对晶格产生破坏，材料表面的拉应力迅速降低，从材料内部积聚的热应力迅速得到传导，加剧晶格断裂的速度，即可实现从材料表面特定区域按预期方向产生断裂，从而实现了厚晶圆的切割。由于此方法中要求第一路激光出光时间要优先于第二路激光聚焦在晶圆表面，确保激光能够在表面未被损伤之前入射到晶圆中心位置，因此分时控制激光出光时间，起到运动同步、时间随动的效果。

为了实现上述方法，本发明提供了一种针对厚晶圆进行切割装置，包括第一激光器1，镜片组防护腔2，全反镜4，聚焦镜片5，半透半反镜7，光路系统场镜8，同步显微摄影装置17，计算机18，第二激光器19，时间同步控制器20和平移旋转台。所说的平移旋转台上设置有夹具，所述全反镜4，聚焦镜片5，半透半反射镜7和光路系统场镜8沿光路顺序设置且设置于镜片组防护腔2内，第一激光器1和第二激光器19的入射光分别入射于全反镜4和半透半反镜7的下表面镀膜面上，其中半透半反镜7下表面的镀膜可实现在可见光波段内全反射，近红外波段全透，以保证第一激光器1的光线可以入射到材料指定位置。所述第一激光器1和第二激光器19与时间同步控制器20相接，时间同步控制器20、同步显微摄影装置17和平移旋转台分别与计算机18相接。

平移旋转台包括载物台X轴13，载物台Y轴14，载物台Y轴旋转电机15，第一晶圆夹具12和第二晶圆夹具16，第一晶圆夹具12和第二晶圆夹具16用来夹住晶圆，载物台X轴13，载物台Y轴14，载物台Y轴旋转电机15实现晶圆在X方向、Y方向的移动以及旋转定位，所说聚焦镜片5设置于聚焦镜支架3上，聚焦镜调焦电机6用来调整聚焦镜片5。

上述装置使用时，包括以下步骤：

步骤一，夹具夹住预切割的晶圆，测量其厚度，根据其厚度调整第一激光器1和第二激光器19的参数，使其聚焦；

步骤二，调整好参数后，通过时间同步控制器20来控制第一激光器1和第二激光器19，按时间序列控制第一束和第二束激光输出时间间隔，打开显微摄影装置17，进行全程可视化记录，调整计算机18控制平移旋转台上样品台的移动，以使晶圆的中心位置与激光聚焦光斑对齐；

步骤三，样品台带动晶圆按照预定轨迹移动，激光切割晶圆，切割完毕后，取出切割好的晶圆。

其中，步骤一包括在不利用衍射元件的情况下，通过已设计光路，使得第一激光器1和第二激光器19进行耦合，凭借紫外或者绿光激光波长短、能量集中的特性和其在加工半导体材料的原理(是直接破坏连接物质原子/分子的化学键，从而使物质分离为原子/分子的加工过程，此外由于短波长激光刻蚀半导体光子能量大，更容易破坏晶圆材料表面的化学键结构，对于半导体材料的损伤更低)。在于利用紫外或者绿光激光聚焦在晶圆表面，受到激光照射的材料吸收光子而产生电子受激辐射之后，接着便发生一系列复杂的二次作用过程，最终在晶圆表面形成规则晶格结构断裂。整个过程为近红外波长激光对晶圆内部进行热传导，晶圆内部产生内应力，同时紫光或者绿光对晶圆表面进行化学键破坏，形成沿晶向方向的同步切割，从而完成切割任务。同时还能够实现整个光学系统可变焦的功能，使其能够在不同厚度的晶圆材料上进行切割。

其中，步骤二包括第一激光器1通过全反镜4改变初始激光方向，由于全反镜4能够将第一激光器1发出的激光反射到聚焦镜片5上，当全反镜4反射的激光入射到聚焦镜片5上，通过聚焦镜片5的激光能聚焦到晶圆内部，聚焦镜片5通过聚焦镜调焦电机6完成聚焦功能，其中半透半反镜7对于第一激光器1产生的激光无作用，能够直接穿透，经过光路系统场镜8最终聚焦在激光工作焦点10上；步骤二还包括第二激光器19发出激光，使其通过半透半反镜7进入到光路系统场镜8上，最终聚焦在激光工作焦点9上；通过时间同步控制器20来完成对第一激光器1和第二激光器19的同步调整；步骤二还包括当激光工作在预定的焦点时，载物台X轴旋转电机11和载物台Y轴旋转电机15控制载物台X轴13和载物台Y轴14的移动，以使晶圆的中心位置与激光对齐；载物台X轴旋转电机11,载物台Y轴旋转电机15通过计算机18统一控制；显微摄影装置17则在整个切割过程中记录和传输信息到计算机18上，以便操作人员工作。

其中，步骤三包括，在第一激光器1,第二激光器19切割时，载物台X轴13,载物台Y轴14可以X，Y轴移动，在工作过程中，完成设定形状的切割，即完成与激光的随动控制。

以下提供的实施例一和实施案例二中：第一激光器1均为1064nm激光器，全反镜4为1064nm全反镜，聚焦镜片5为1064nm聚焦镜片，半透半反射镜7为355nm全反镜，激光工作焦点9为355nm激光工作焦点，激光工作焦点10为1064nm激光工作焦点，第二激光器19为355nm激光器。

实施案例一：

如图1所示，本发明实施例中，对厚度为1.0mm Ge晶圆进行切割，晶圆切割的工艺流程包括以下步骤：

(1)测量预切割Ge晶圆直径和厚度，将信息输入到计算机18中，根据厚度1.0mm调整第一激光器1,第二激光器19的功率等参数，调整到1064nm激光工作焦点10,355nm激光工作焦点9工作距离；

(2)放置晶圆到载物台X轴13上，通过第一晶圆夹具12,第二晶圆夹具16固定晶圆；

(3)第一激光器1为近红外激光器，功率为50W；第二激光器19为紫外激光器，第二激光器19的激光功率为7W；通过时间同步控制器20控制第一激光器1,第二激光器19传输激光进入由全反镜4,聚焦镜片5,半透半反镜7,光路系统场镜8组成的光学系统，设定第一激光器1输出的激光功率占比为70％-90％，设定19输出的激光功率占比为70％-90％，同步控制第一激光器1和第二激光器19激光输出光路，通过计算机18控制聚焦镜调焦电机6,载物台X轴旋转电机11,载物台Y轴旋转电机15来使载物台X轴13,载物台Y轴14进行相对位移，调整第一激光器1输出的激光光斑初始聚焦位置在晶圆厚度中心处(即距晶圆表面0.5mm处)，调整第二激光器19输出的激光光斑初始聚焦位置为晶圆表面；第一激光器1和第二激光器19聚焦位置在垂直方向上重合；激光输出时间序列上，第二激光器19滞后第一激光器1约100-500ms；

(5)晶圆激光切割过程根据输入矢量图由计算机18传递给载物台X轴旋转电机11和载物台Y轴旋转电机15进行按预定轨迹运动；操作人员在整个操作过程中通过显微摄影装置17来观测整个切割细节，以保证整个工艺的正确进行；

(6)激光开始切割晶圆，切割过程中，载物台X轴13,载物台Y轴14随着激光的切割，带上晶圆开始移动，已达到切割成不同形状的目的，待晶圆切割成固定形状后，通过外力取出切割好的晶圆。

实施例二：

如图1所示，本发明实施例中的0.8mm Si晶圆的切割方法，晶圆切割的工艺流程包括以下步骤：

(1)测量预切割的Si晶圆直径和厚度，将信息输入到计算机18中，根据厚度0.8mm调整第一激光器1,第二激光器19的功率等参数，调整到1064nm激光工作焦点10,355nm激光工作焦点9工作距离；

(2)放置晶圆到载物台X轴13上，通过第一晶圆夹具12,第二晶圆夹具16固定晶圆；

(3)第一激光器1为近红外激光器，功率为50W；19为紫外激光器，其功率为7W；通过20控制第一激光器1,第二激光器19传输激光进入由全反镜4,聚焦镜片5,半透半反镜7,光路系统场镜8组成的光学系统，设定第一激光器1输出的激光功率占比为60％-70％，设定第二激光器19输出的激光功率占比为50％-60％，同步控制第一激光器1和第二激光器19激光输出光路，通过计算机18控制聚焦镜调焦电机6,载物台X轴旋转电机11,载物台Y轴旋转电机15来使载物台X轴13,载物台Y轴14进行相对位移，调整第一激光器1输出的激光光斑初始聚焦位置在晶圆厚度中心处(即距晶圆表面0.4mm处)，调整第二激光器19输出的激光光斑初始聚焦位置为晶圆表面；

(4)第一激光器1和第二激光器19聚焦位置在垂直方向上重合；激光输出时间序列上，第二激光器19滞后第一激光器1约10-500ms；

(5)操作人员在整个操作过程中通过显微摄影装置17来观测整个切割过程，以保证整个工艺的正确进行；

(6)激光开始切割晶圆，切割过程中，载物台X轴13,载物台Y轴14随着激光的切割，带上晶圆开始移动，已达到切割成不同形状的目的，待晶圆切割成固定形状后，通过外力取出切割好的晶圆；

实施例三：

以下提供的实施例中：第一激光器1为1064nm激光器，全反镜4为1064nm全反镜，聚焦镜片5为1064nm聚焦镜片，半透半反射镜7为532nm全反镜，激光工作焦点9为532nm激光工作焦点，激光工作焦点10为1064nm激光工作焦点，第二激光器19为532nm激光器。

如图1所示，本发明实施例中的0.5mmSi晶圆切割方法，晶圆切割的工艺流程包括以下步骤：

(1)测量预切割的晶圆大小和厚度，将信息输入到计算机18中，根据厚度0.5mm整第一激光器1,第二激光器19的功率等参数，调整到1064nm激光工作焦点10,355nm激光工作焦点9工作距离；

(2)放置晶圆到载物台X轴13上，通过第一晶圆夹具12,第二晶圆夹具16固定晶圆；

(3)第一激光器1为近红外激光器，功率为50W；第二激光器19为绿光激光器，其功率为15W；通过时间同步控制器20控制第一激光器1,第二激光器19传输激光进入由全反镜4,聚焦镜片5,半透半反镜7,光路系统场镜8组成的光学系统，设定第一激光器1输出的激光功率占比为30％-40％，设定第二激光器19输出的激光功率占比为40％-50％，同步控制第一激光器1和第二激光器19激光输出光路，通过计算机18控制聚焦镜调焦电机6,载物台X轴旋转电机11,载物台Y轴旋转电机15来使载物台X轴13,载物台Y轴14进行相对位移，调整第一激光器1输出的激光光斑初始聚焦位置在晶圆厚度中心处(即距晶圆表面0.25mm处)，调整第二激光器19输出的激光光斑初始聚焦位置为晶圆表面；

(4)第一激光器1和第二激光器19聚焦位置在垂直方向上重合；激光输出时间序列上，第二激光器19滞后第一激光器1约1-100ms即可；

(5)操作人员在整个操作过程中通过显微摄影装置17来观测整个切割过程，以保证整个工艺的正确进行；

(6)激光开始切割晶圆，切割过程中，载物台X轴13,载物台Y轴14随着激光的切割，带上晶圆开始移动，已达到切割成不同形状的目的，待晶圆切割成固定形状后，通过外力取出切割好的晶圆。

Claims (1)

1.一种针对厚度较大晶圆进行高质量切割的方法，其特征在于：让不同波长的激光分别聚焦在厚晶圆不同位置，以厚晶圆内部热应力膨胀，辅助表面晶格断裂的方式，让应力及时向外传导，从而实现厚晶圆快速、高质量的切割；

具体为：首先根据晶圆红外透过率高的特点，让近红外激光器发出的激光在晶圆中心聚焦，并产生强烈热吸收，热吸收并导致热累积产生膨胀形成热应力积聚；滞后10-500ms，另外一束高功率激光在材料表面对晶格产生破坏，材料表面的拉应力迅速降低，从材料内部积聚的热应力迅速得到传导，加剧晶格断裂的速度，实现了厚晶圆的切割；

上述方法所采用的装置，包括第一激光器(1)，镜片组防护腔(2)，全反镜(4)，聚焦镜片(5)，半透半反镜(7)，光路系统场镜(8)，显微摄影装置(17)，计算机(18)，第二激光器(19)，时间同步控制器(20)和平移旋转台；所述平移旋转台上设置有夹具，所述全反镜(4)，聚焦镜片(5)，半透半反镜(7)和光路系统场镜(8)沿光路顺序设置且设置于镜片组防护腔(2)内，第一激光器(1)和第二激光器(19)的入射光分别入射于全反镜(4)和半透半反镜(7)的下表面镀膜面上；所述第一激光器(1)和第二激光器(19)均与时间同步控制器(20)相接，时间同步控制器(20)、显微摄影装置(17)和平移旋转台分别与计算机(18)相接；

所述第一激光器(1)是近红外激光器；

所述的第二激光器(19)是紫外或绿光激光器。

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