CN114939735A - 一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置，光源部设置在啁啾脉冲产生部之前，用于向啁啾脉冲产生部发出脉冲激光；所述啁啾脉冲产生部设置在光源部与色散调制部之间，用于将光源部的超短脉冲激光展宽，使展宽的脉冲激光产生的宽脉冲被色散调制部补偿；所述色散调制部通过聚焦部将聚焦点设置在半导体晶圆内部，使聚焦点处色散被完全补偿；所述晶圆切割平台设置在聚焦部下方，用于放置半导体晶圆，通过移动改变半导体晶圆的切割位置；所述轨迹观察与反馈部，用于观察焦点位置，反馈信号传输至色散调制部和聚焦部，用于调整焦点位置及大小。本发明能够稳定激光焦点的位置，减小由非线性效应带来的焦点浮动，提升激光切割的精度。

Description

一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置
技术领域
本发明涉及一种芯片加工领域，具体涉及一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置。
背景技术
智能设备的核心就是半导体芯片，芯片加工、隐切、low-k开槽等高端制造技术，一直以来被欧美国家垄断。我国的高端芯片大多依赖进口，加之目前美国的打压，芯片相关的核心技术对于中国而言变得更为重要。晶圆隐切在芯片加工中是必不可少的一道工序。高端芯片的大小都在纳米尺度，因此对于晶圆隐切过程的要求就需极为精确，纳秒/皮秒光源由于相对较强的热效应难以实现高精度隐切。
与之相对的，飞秒激光热效应小，切割精度高。因此半导体晶圆高端切割可以用飞秒激光实现。然而飞秒脉冲在聚焦过程中，由于高峰值功率，其在传播路径上的非线性效应不可忽略。非线性效应会导致激光脉冲空间自聚焦，最终会导致切割过程中焦点在激光路径方向前移动。空间自聚焦效应是一种典型的光场高阶过程非线性效应。当激光峰值功率达到100MW以后是加工过程中必须考虑的物理过程。空间自聚焦程度与光强平方成正比，因此任何激光输出能量的扰动与切割系统的机械振动都会被非线性效应放大，最终导致半导体晶圆隐切过程中聚焦位置的不确定性。
很多手段用来降低半导体晶圆隐切过程中的不确定性，如降低激光功率、提升激光脉冲宽度、采用大数值孔径(NA)的聚焦物镜聚焦。然而半导体晶圆隐切往往需要较高的峰值功率才能达到很半导体晶圆(如，SiC晶圆)的破坏阈值，因此降低激光功率及提升激光脉冲宽度的方法不适用于大多高损伤阈值的半导体晶圆。同时，提升激光脉冲宽度会提升切割过程的热效应，大大降低了切割精度。采用高数值孔径(NA)的聚焦物镜聚焦，虽然可以降低激光聚焦路径上的非线性效应。然而高NA物镜聚焦点过小，因此切割轨迹过窄，极大影响了半导体晶圆的切割效率。考虑到当前国内芯片需求在不断增长，但技术发展仍受制于国外环境，我国新锐企业逐渐不断投入资金人员进行自主研发，在此形式下芯片切割加工的精度尤为重要。因此，需要一种降低切割路径上的非线性效应，同时保证聚焦点峰值功率不变的半导体晶圆切割装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低切割过程中非线性效应的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，该装置及方法能够稳定激光焦点的位置，减小由非线性效应带来的焦点浮动，提升激光切割的精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置，包括光源部、啁啾脉冲产生部、色散调制部、聚焦部、晶圆切割平台、轨迹观察与反馈部，所述光源部设置在啁啾脉冲产生部之前，用于向啁啾脉冲产生部发出脉冲激光；所述啁啾脉冲产生部设置在光源部与色散调制部之间，用于将光源部的超短脉冲激光展宽，使展宽的脉冲激光产生的宽脉冲被色散调制部补偿；所述色散调制部通过聚焦部将聚焦点设置在半导体晶圆内部，使聚焦点处色散被完全补偿；所述晶圆切割平台设置在聚焦部下方，用于放置半导体晶圆，并通过移动晶圆切割平台来改变半导体晶圆的切割位置；所述轨迹观察与反馈部设置在半导体晶圆上方，用于观察焦点位置，并反馈信号传输至色散调制部和聚焦部，用于调整焦点位置及大小。
进一步，所述光源部的光源为固体、气体、光纤中的任一种，所述光源部输出的激光脉冲的宽度为10fs-10ps。
进一步，所述啁啾脉冲产生部通过传统Martinez光栅结构产生正啁啾，或让脉冲传播经过一定长度的介质产生正啁啾；并通过传统Treacy光栅结构产生负啁啾，或让脉冲传播经过一定长度的介质产生负啁啾。
进一步，所述色散调制部由玻片、凹透镜、两个二向色镜、两个光栅、直线电机、菲涅耳波带片构成；宽后的光束经过玻片后，打在两块45°反射的二向色镜上，再通过凹透镜以扩束光斑，扩束后的光斑打在光栅一上，反入直线电机上的光栅二后再进入菲涅尔波带片。
进一步，所述菲涅耳波带片和光栅组合制作在同一块基片上，所述光栅一位置固定，光栅二放置于直线电机上，光栅一与光栅二为同种光栅，光栅一与光栅二之间的间距由轨迹观察与反馈部的反馈信号调控。
进一步，所述聚焦部由凹透镜、聚焦物镜、直线电机、二向色镜组成，被补偿后的脉冲光束经过凹透镜聚焦至45°反射的二向色镜上，反射至聚焦物镜后，聚焦在半导体晶圆内部。
进一步，所述聚焦物镜放在直线电机上，聚焦物镜二与半导体晶圆的距离由轨迹观察与反馈部的反馈信号调控。
进一步，所述晶圆切割平台由大理石横梁、大理石平台、θ轴马达、X轴直线电机、Y轴直线电机组成。
进一步，所述轨迹观察与反馈部由位置检测传感器，显微物镜组成，用于观察轨迹及焦点位置，反馈信号传输至色散调制部与聚焦部，在切割过程中实施控制焦点处光强以及焦点位置。
进一步，所述超短脉冲半导体晶圆隐切装置，用于半导体晶圆切割、半导体晶圆表面开槽、芯片切割和low-k芯片开槽。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明提供了一种降低切割路径上的非线性效应，同时保证聚焦点峰值功率不变的半导体晶圆切割手段。采用超短脉冲光源为切割光源，在聚焦点处的超短脉冲高峰值功率可保证切割精度，切割过程中无毛刺、发黑、崩边等不良情况。同时，在切割路径上较弱的非线性效应(自聚焦效应)，将聚焦位置沿激光路径平移控制在100nm以内。
2、更高的切割速率。相对于当前主流的高NA物镜聚切割，我们装置的聚焦点直径1-30μm可调。由于实际晶圆隐切过程中，切割道宽度往往在10-30μm。相比于高NA物镜聚切割需要多次扫描，我们的装置只需要事先根据所需切割道宽度调整切割透镜组，使焦点匹配实际需要的切割道宽度，只需要单次扫描便可实现切割。
3、优良的自适应能力。扫描过程中观测切割轨迹，调整预啁啾量，由CCD捕捉到显微物镜上放大的晶圆切割轨迹，自动调整直线电机上部件的位置，以实现切割路径上的啁啾补偿，从而可适应各种宽度的切割道。
附图说明
图1为本发明的超短脉冲半导体晶圆隐切装置的结构示意图；
图2为本发明的超短脉冲半导体晶圆隐切装置的实际光路图；
图3为本发明中实际过程中的整机集成图；
图4为实际过程中在SiC晶圆表面的切割轨迹。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本实施例不能用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1，2所示，本发明的半导体晶圆隐切装置，包括光源部100、啁啾脉冲产生部200、色散调制部300、聚焦部400、晶圆切割平台500、轨迹观察与反馈部600等。
啁啾脉冲产生部200接收光源部100发出的光源后通过加入大量啁啾将光源部的超短脉冲展宽，其产生的宽脉冲被色散调制部补偿。色散调制部300通过聚焦部400将聚焦点设置在晶圆内部，聚焦点处色散被完全补偿。半导体晶圆放置于晶圆切割平台500，通过晶圆切割平台500移动来改变半导体晶圆的切割位置。轨迹观察与反馈部600设置在半导体晶圆上方，用于观察焦点位置，并反馈信号传输至色散调制部300和聚焦部400，用于调整焦点位置及大小。
优选地，光源部100的光源可为固体、气体、光纤等激光系统，光源部输出脉冲激光，脉冲宽度10fs-10ps。
优选地，啁啾脉冲产生部200可通过传统Martinez光栅结构(或其等效结构)产生正啁啾，也可以让脉冲传播经过一定长度的介质产生正啁啾。可通过传统Treacy光栅结构(或其等效结构)产生负啁啾，也可以让脉冲传播经过一定长度的介质产生负啁啾。
优选地，色散调制部300由凹透镜301、光栅一302、光栅二303、直线电机一304、菲涅耳波带片305构成。菲涅耳波带片和光栅组合可制作在同一块基片上。色散调制部确保产生的高阶色散与啁啾脉冲产生部共轭，从而确保传播过程中高阶色散被补偿。光栅一302位置固定，光栅二303放置于直线电机一304上，光栅一302与光栅二303为同种光栅，间距受到来自轨迹观察与反馈部600的反馈信号调控。
优选地，聚焦部400由凹透镜401、聚焦物镜402、直线电机二403、二向色镜三404组成，将色散调制部300产生的脉冲聚焦在晶圆内部。聚焦物镜二402放在直线电机二403上，其与半导体晶圆距离受到来自轨迹观察与反馈部600的反馈信号调控。
优选地，晶圆切割平台500由大理石横梁501、大理石平台502、θ轴马达503、X轴直线电机504、Y轴直线电机505组成。大理石横梁501刚性连接在晶圆切割平台500上，用于放置光源部100；大理石平台502用于放置待加工晶圆；θ轴马达503置于机箱内用于控制X轴直线电机504与Y轴直线电机505；X轴直线电机504与Y轴直线电机505可分别在X与Y轴线方向上改变晶圆位置。将半导体晶圆放置于晶圆切割平台500上，通过移动平台可以改变切割位置。
优选地，轨迹观察与反馈部600由位置检测传感器601，显微物镜602组成，观察轨迹及焦点位置，反馈信号传输至色散调制部与聚焦部，在切割过程中实施控制焦点处光强以及焦点位置。
优选地，半导体晶圆隐切方法及装置，其可用于半导体晶圆切割，也可用于半导体晶圆表面开槽，芯片切割，low-k芯片开槽。
本发明的降低切割过程中非线性效应的超短脉冲半导体晶圆隐切方法，通过降低切割路径上的非线性效应，同时保证聚焦点峰值功率不变的半导体晶圆切割装置。其装置特征在于由激光光源部件产生超短脉冲，脉冲经过与传播路径相关的色散补偿元件，补偿切割过程中的啁啾。脉冲色散在聚焦点被尽可能完全补偿，因此在聚焦点脉冲宽度窄，峰值功率高，可用于切割。在激光传播路径上，由于存在一定的啁啾，因此脉冲宽度宽，非线性效应弱。
本实施例中：脉冲从光源部100输出，在实际过程中，光源可为固体、气体、光纤等激光系统，光源部输出脉冲激光，脉冲宽度10fs-10ps。由啁啾脉冲产生部200通过加入大量啁啾将光源部100的超短脉冲展宽，其产生的宽脉冲被色散调制部300补偿。色散调制部通过聚焦部400将聚焦点设置在晶圆内部，聚焦点处色散被完全补偿。半导体晶圆放置于晶圆切割平台500，平台移动改变切割位置。轨迹观察与反馈部600观察焦点位置，反馈信号传输至色散调制部与聚焦部，从而改变焦点位置及大小。脉冲色散在聚焦点被尽可能完全补偿，因此在聚焦点处的晶圆上，脉冲宽度窄，峰值功率高。与之相对的，在激光传播路径上，由于存在一定的啁啾，因此脉冲宽度宽，非线性效应弱。因此，该装置可以稳定激光焦点的位置，减小由非线性效应带来的焦点浮动，以此来提升激光切割的精度。
本实施例的一种降低切割过程中非线性效应的超短脉冲半导体晶圆隐切方法，通过降低切割路径上的非线性效应，同时保证聚焦点峰值功率不变。以下结合实验室中对上述装置的设计介绍该超短脉冲半导体晶圆隐切系统。
图2为本案例作为本发明的一种优选实施例，采用光纤+固体激光系统对半导体晶圆隐切。光源部100输出脉冲宽度300fs，单脉冲能量100μJ，重复频率300kHz，波长1030nm。脉冲激光通过Martinez光栅结构(或其等效结构)产生正啁啾，将输入的超短脉冲展宽。展宽后的光束经过一个玻片201后，打在两块45°反射的二向色镜一、二202、203上，再通过一块凹透镜301以扩束光斑。扩束后的光斑打在光栅一302上，反入直线电机304上的光栅二303后再经过一个菲涅尔波带片305。此色散调制部300用于提供负色散以确保传播过程中的高阶色散被补偿。光栅一302位置固定，光栅二303置于直线电机一304之上，其间距受轨迹观察与反馈部600调控。如图2所示，被补偿后的脉冲经过凹透镜401聚焦至45°反射的二向色镜三404上，反射至聚焦物镜402后，聚焦在半导体晶圆700内部。聚焦点1-30μm可调。聚焦物镜402放在直线电机二403上，其与半导体晶圆700的距离受到来自轨迹观察与反馈部600的反馈信号调控。
半导体晶圆700上的反射光通过显微物镜602被位置检测传感器601所捕捉，以实时观测切割轨迹，来调整直线电机上部件的位置。
图3为本发明中实际过程中的整机集成图。实际过程中，通过机械设计，加入水冷系统，并利用风动装置实时去除聚焦镜头处切割材料的随学，从而防止飞溅的晶圆碎片落在聚焦物镜上，从而影响实际切割过程中能量与光斑模式的不确定性。整个系统集成在由空心钢管制成的骨架上。从而有效防止机械振动，实验过程中，可通过上述系统集成将电机扫描的轨迹不确定性降低到500nm以下。
图4为实际过程中，通过图3所示的实验装置实现的SiC晶圆切割轨迹。图4中间黑色的轨迹即为在SiC半导体晶圆上刻出的切割道。可以看到，切割轨迹宽度6.4μm左右。扫描1mm长度其轨迹的不确定在120nm左右。由于在切割过程中，降低了激光在聚焦路径上的非线性效应，其扫描精度优于当前国内商售的所有半导体晶圆隐切装置。

Claims (10)

1.一种超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：包括光源部、啁啾脉冲产生部、色散调制部、聚焦部、晶圆切割平台、轨迹观察与反馈部，所述光源部设置在啁啾脉冲产生部之前，用于向啁啾脉冲产生部发出脉冲激光；所述啁啾脉冲产生部设置在光源部与色散调制部之间，用于将光源部的超短脉冲激光展宽，使展宽的脉冲激光产生的宽脉冲被色散调制部补偿；所述色散调制部通过聚焦部将聚焦点设置在半导体晶圆内部，使聚焦点处色散被完全补偿；所述晶圆切割平台设置在聚焦部下方，用于放置半导体晶圆，并通过移动晶圆切割平台来改变半导体晶圆的切割位置；所述轨迹观察与反馈部设置在半导体晶圆上方，用于观察焦点位置，并反馈信号传输至色散调制部和聚焦部，用于调整焦点位置及大小。
2.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述光源部的光源为固体、气体、光纤中的任一种，所述光源部输出的激光脉冲的宽度为10fs-10ps。
3.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述啁啾脉冲产生部通过传统Martinez光栅结构产生正啁啾，或让脉冲传播经过一定长度的介质产生正啁啾；并通过传统Treacy光栅结构产生负啁啾，或让脉冲传播经过一定长度的介质产生负啁啾。
4.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述色散调制部由玻片、凹透镜、两个二向色镜、两个光栅、直线电机、菲涅耳波带片构成；宽后的光束经过玻片后，打在两块45°反射的二向色镜上，再通过凹透镜以扩束光斑，扩束后的光斑打在光栅一上，反入直线电机上的光栅二后再进入菲涅尔波带片。
5.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述菲涅耳波带片和光栅组合制作在同一块基片上，所述光栅一位置固定，光栅二放置于直线电机上，光栅一与光栅二为同种光栅，光栅一与光栅二之间的间距由轨迹观察与反馈部的反馈信号调控。
6.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述聚焦部由凹透镜、聚焦物镜、直线电机、二向色镜组成，被补偿后的脉冲光束经过凹透镜聚焦至45°反射的二向色镜上，反射至聚焦物镜后，聚焦在半导体晶圆内部。
7.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述聚焦物镜放在直线电机上，聚焦物镜二与半导体晶圆的距离由轨迹观察与反馈部的反馈信号调控。
8.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述晶圆切割平台由大理石横梁、大理石平台、θ轴马达、X轴直线电机、Y轴直线电机组成。
9.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述轨迹观察与反馈部由位置检测传感器，显微物镜组成，用于观察轨迹及焦点位置，反馈信号传输至色散调制部与聚焦部，在切割过程中实施控制焦点处光强以及焦点位置。
10.根据权利要求1所述的超短脉冲半导体晶圆隐切装置，其特征在于：所述超短脉冲半导体晶圆隐切装置，用于半导体晶圆切割、半导体晶圆表面开槽、芯片切割和low-k芯片开槽。
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