CN115229332A - 一种晶圆激光隐形切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶圆切割的技术领域，公开了一种晶圆激光隐切方法。首先将待切割晶圆内部分为三个区域，分别为第一切割区域、第二切割区域和第三切割区域；然后通过运动控制模块的软件控制程序控制纳米电机，调整激光焦点在晶圆内的深度，在晶圆内部的不同深度进行隐形切割，按照确定的切割刀数依次对第一切割区域、第二切割区域和第三切割区域进行切割。第一切割区域、第三切割区域激光焦点依次由下往上切割，第二切割区域激光焦点依次由上往下切割，且不同切割区域设置不同的切割功率，这样能够避免晶圆切割时内部热应力过大，有效的降低了切割后晶粒边缘的微裂纹的产生，改善了晶圆上表面切缝的直线度，提高了产品质量。

Description

一种晶圆激光隐形切割方法

技术领域

本发明涉及晶圆切割的技术领域，尤其是一种晶圆激光隐形切割方法。

背景技术

在半导体行业，硅材料在半导体材料占据绝对主导的地位，被广泛应用于MEMS器件，芯片，大功率器件等产品上。硅晶圆的晶粒尺寸越来越小，厚度越来越薄，传统机械式的刀轮加工设备崩边太大，弊端凸显，而激光切割技术可以很好解决此弊端，在半导体切割领域获得了广泛应用。

现有的激光消融切割晶圆技术就是激光直接作用于硅晶圆材料上，光束能量被材料吸收，部分激光束打断分子链，转化为热能，材料气化升华，然后在吹气装置的配合下气体和残渣被去除，从而达到切割加工的目的。

传统激光消融切割方法的激光焦点是从晶圆表面逐渐往下进行切割，最终自上而下贯穿材料完成切割。传统激光消融切割由于激光的边缘吸收效应，激光加工后会产生微裂纹或者热影响区，影响产品质量。激光消融切割还有一个最大深宽比的问题，最大深宽比不能无限优化，在实际生产中，硅片厚度如果大于0.3mm，激光消融切割将会变得效率低下，效果也不尽如人意，同时还有上下表面锥度太大、多次切割后带来的残渣等问题难以解决。

现有的晶圆激光隐形切割技术还不成熟，在实际应用中同样存在各种各样的实际问题，最常见的如晶圆内部由于加工时热效应的影响局部产生热应力，导致晶圆还未切到上表面时由于内部受力不均匀直接裂开，造成晶圆上表面切缝不平直、甚至一些微裂纹延伸入芯片内部，造成残次品产生。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的提供有效的降低了切割后晶圆的微裂纹的产生，降低了切割时晶圆内部热效应的影响，晶圆表面切缝直线度好，提高了产品质量的晶圆激光隐形切割方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种晶圆激光隐形切割方法，包括以下步骤：

步骤一：先选一个同样材质的晶圆作为样品，激光射入晶圆的折射率n预估为3.5～4.0中的一个值，将激光束聚焦于硅材料内部，在控制运动控制模块的软件控制程序中设定激光焦点深度为视觉深度h，激光焦点在样品晶圆内部的实际深度为H，则视觉深度h、激光焦点在样品晶圆内部的实际深度H与激光射入样品晶圆时的折射率n之间的关系，由折射率定律推导可得知为：

通过在控制运动控制模块的软件控制程序中设定不同视觉深度h，使激光焦点聚焦在晶圆内部的不同深度H处；

步骤二：选择发射的激光束的波长为1000～1400nm的激光器；

步骤三：控制运动控制模块移动对样品晶圆进行切割，切割之后测量实际的激光焦点切割深度H，根据折射率定律推导可得知为：

计算出实际的激光射入晶圆的折射率n；

步骤四：根据步骤三中计算出实际的激光射入晶圆的折射率n，激光焦点在样品晶圆内部的实际深度H，重新设定h值，选择和步骤二一样的激光器，根据晶圆的厚度确定切割刀数；

步骤五：将待切割晶圆分为三个区域，分别为第一切割区域、第二切割区域和第三切割区域；

步骤六：通过运动控制模块中的纳米电机带动激光器的激光束的激光焦点在晶圆内部的纵向移动，按照确定的切割刀数依次对第一切割区域、第二切割区域和第三切割区域进行切割，第一切割区域、第三切割区域激光焦点依次由下往上切割，第二切割区域激光焦点依次由上往下切割。

步骤二中发射的激光束的波长为1064nm和1342nm优先。

步骤六中激光器的激光束的激光焦点在晶圆内部的纵向速率为：300～450㎜/s。

步骤六中激光器的激光束的切割功率为：0.5～2W，第一切割区域的切割功率＞第三切割区域的切割功率≥第二切割区域的切割功率。

步骤六中切缝之间的间距至少大于1.5倍激光切痕宽度，切缝宽度为20～60μm。

本发明的有益效果：

本发明在工作的时候，将晶圆分为三个区域，分别为第一切割区域、第二切割区域、第三切割区域，其切割的顺序为先切第一切割区域，目的是为了避免后续的切缝对聚焦的激光光束产生干扰，影响焦点的定位；然后再切割第二切割区域，且第二切割区域激光焦点切割顺序为依次由上往下切割，即先切最上面一刀，然后再依次往下切，其目的主要是为了防止后续切割时由于晶圆内部热应力及内应力过大，造成晶圆还未完成切割时，上表面已经产生了微裂纹，造成切缝不平直、残次品的产生等问题。最后再切割第三切割区域，这样即使晶圆内部有应力的产生，也会沿着已有的切痕进行开裂，不会引起晶圆上下表面的切痕不平直、微裂纹的产生，用此种激光隐形切割方法，有效的降低了切割后晶圆的微裂纹的产生，降低了切割时晶圆内部热效应的影响，晶圆表面切缝直线度好，提高了产品质量。

附图说明

图1为本发明的激光射入晶圆时候发生折射的图。

图2为不同波长激光入射硅材料时的折射率。

图3为激光隐形切割后晶圆的切割断面示意图。

具体实施方式

图中序号：1为激光器、2为激光束、3为晶圆、4为切缝、5为第一切割区域、6为第二切割区域、7为第三切割区域、8为第一刀、9为第二刀、10为第三刀、11为第四刀、12为第五刀、13为第六刀和14为第七刀。

本发明一种晶圆3激光隐形切割方法，激光隐形切割是通过将脉冲激光的单个脉冲通过光学整形系统，让其透过材料表面在材料内部聚焦，作用于切割材料的内部，而硅材料吸收光子能量，形成多光子吸收非线性吸收效应，在激光焦点附近的一定区域内产生物理化学性损坏，沿切割方向形成改质层，促使材料内部应力发生变化，由于单晶结构，应力释放后会在垂直方向形成一道裂纹，进而实现激光隐形切割晶圆3的目的，包括以下步骤：

步骤一：先选一个同样材质的晶圆3作为样品，激光射1入晶圆3的折射率n预估为3.6，将激光束2聚焦于硅材料内部，在控制运动控制模块的软件控制程序中设定激光焦点深度为视觉深度h，激光焦点在样品晶圆3内部的实际深度为H，则视觉深度h、激光焦点在样品晶圆3内部的实际深度H与激光射入样品晶圆3时的折射率n之间的关系，由折射率定律推导可得知为：

通过在控制运动控制模块的软件控制程序中设定不同视觉深度h，使激光焦点聚焦在晶圆3内部的不同深度H处；

步骤二：选择发射的激光束2的波长为1064nm或者为1342nm；

步骤三：控制运动控制模块移动对样品晶圆3进行切割，切割之后测量实际的激光焦点切割深度H，根据折射率定律推导可得知为：

计算出实际的激光射入晶圆3的折射率n；

步骤四：根据步骤三中计算出实际的激光射入晶圆3的折射率n，激光焦点在样品晶圆3内部的实际深度H，重新设定h值，选择和步骤二一样的激光器，切割780μm厚晶圆3，切割刀数以7刀，一般400um切5-6刀，780um切8-11刀；

步骤五：将待切割晶圆3分为三个区域，分别为第一切割区域5、第二切割区域6和第三切割区域7；

步骤六：通过运动控制模块中的纳米电机带动激光器的激光束2的激光焦点在晶圆3内部的纵向移动，按照确定的切割刀数依次对第一切割区域5、第二切割区域6和第三切割区7域进行切割，第一切割区域5的第一刀8、第二刀9和第三刀10激光焦点依次由下往上切割，第三切割区域7的第六刀13和第七刀14激光焦点依次由下往上切割，第二切割区域6的第四刀11和第五刀12激光焦点依次由上往下切割，其切割的顺序为先切第一切割区域5，目的是为了避免后续的切缝对聚焦的激光光束产生干扰，影响焦点的定位；然后再切割第二切割区域6，其目的主要是为了防止后续切割时由于晶圆3内部热应力及内应力过大，造成晶圆3还未完成切割时，上表面已经产生了微裂纹，造成切缝不平直、残次品的产生等问题。最后再切割第三切割区域7，这样即使晶圆3内部有应力的产生，也会沿着已有的切痕进行开裂，不会引起晶圆3上下表面的切痕不平直、微裂纹的产生。同时还可以根据晶圆3片的厚度及切割效果，确定实际需要的切割刀数，一般400um切5-6刀，780um切8-11刀。

步骤六中激光器的激光束2的激光焦点在晶圆3内部的纵向速率为：300～450㎜/s。

步骤六中激光器的激光束2的切割功率为：0.5～2W，第一切割区域5的切割功率＞第三切割区域7的切割功率≥第二切割区域6的切割功率，因第一切割区域5在晶圆3内部位置较深，因此激光功率设定值应最大，而第二切割区域6、第三切割区域7相对较浅，激光功率设定值应相对较小，否则晶圆3的切割断面易产生过烧蚀等黑色斑点，影响芯片性能。

步骤六中切缝4之间的间距至少大于1.5倍激光切痕宽度，每条切缝4之间的间距至少大于1.5倍激光切缝宽度，否则激光切痕易重叠，造成其他缺陷的产生，切缝4的宽度为20～60μm。

本发明将晶圆3分为三个区域，分别为第一切割区域5、第二切割区域6、第三切割区域7：其切割的顺序为先切第一切割区域5，再切割第二切割区域6，最后切割第三切割区域7，先切第一切割区域5，目的是为了避免后续的切缝对聚焦的激光光束产生干扰，影响焦点的定位；然后再切割第二切割区域6，其目的主要是为了防止后续切割时由于晶圆3内部热应力及内应力过大，造成晶圆3还未完成切割时，上表面已经产生了微裂纹，造成切缝不平直、残次品的产生等问题。最后再切割第三切割区域7，这样即使晶圆3内部有应力的产生，也会沿着已有的切痕进行开裂，不会引起晶圆3上下表面的切痕不平直、微裂纹的产生，切割方法中的采用是纳秒激光器，所述纳秒激光器的激光束2的波长为：1064nm或者1342nm；激光束2的加工功率为：0.5～2W，不同切割区域激光切割功率不一样，具体设置为：第一切割区域5切割功率＞第三切割区域7切割功率≥第二切割区域6切割功率，第一切割区域5在晶圆3内部位置较深，因此激光功率设定值应最大，而第二切割区域6、第三切割区域7相对较浅，激光功率设定值应相对较小，否则晶圆3的切割断面易产生过烧蚀等黑色斑点，影响芯片性能；激光束2的移动速率为：300～450㎜/s，避免激光切痕易重叠，造成其他缺陷的产生；每条切缝4之间的间距至少大于1.5倍激光光斑直径，切缝4均匀分布。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种晶圆激光隐形切割方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：先选一个同样材质的晶圆作为样品，激光射入晶圆的折射率n预估为3.5～4.0中的一个值，将激光束聚焦于硅材料内部，在控制运动控制模块的软件控制程序中设定激光焦点深度为视觉深度h，激光焦点在样品晶圆内部的实际深度为H，则视觉深度h、激光焦点在样品晶圆内部的实际深度H与激光射入样品晶圆时的折射率n之间的关系，由折射率定律推导可得知为：

通过在控制运动控制模块的软件控制程序中设定不同视觉深度h，使激光焦点聚焦在晶圆内部的不同深度H处；

步骤二：选择发射的激光束的波长为1000～1400nm的激光器；

步骤三：控制运动控制模块移动对样品晶圆进行切割，切割之后测量实际的激光焦点切割深度H，根据折射率定律推导可得知为：

计算出实际的激光射入晶圆的折射率n进行校正；

步骤四：根据步骤三中计算出实际的激光射入晶圆的折射率n，激光焦点在样品晶圆内部的实际深度H，重新设定h值，选择和步骤二一样的激光器，根据晶圆的厚度确定切割刀数；

步骤五：将待切割晶圆分为三个区域，分别为第一切割区域、第二切割区域和第三切割区域；

步骤六：通过运动控制模块中的纳米电机带动激光器的激光束的激光焦点在晶圆内部的纵向移动，按照确定的切割刀数依次对第一切割区域、第二切割区域和第三切割区域进行切割，第一切割区域、第三切割区域激光焦点依次由下往上切割，第二切割区域激光焦点依次由上往下切割。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆激光隐形切割方法，其特征在于：步骤二中发射的激光束的波长为1064nm和1342nm优先。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆激光隐形切割方法，其特征在于：步骤六中激光器的激光束的激光焦点在晶圆内部的纵向速率为：300～450㎜/s。

4.根据权利要求1所述的一种晶圆激光隐形切割方法，其特征在于：步骤六中激光器的激光束的切割功率为：0.5～2W，第一切割区域的切割功率＞第三切割区域的切割功率≥第二切割区域的切割功率。

5.根据权利要求1所述的一种晶圆激光隐形切割方法，其特征在于：步骤六中切缝之间的间距至少大于1.5倍激光切痕宽度，切缝的宽度为20～60μm。

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