CN115319278A - 基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统及方法 - Google Patents

基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统及方法。其中，该系统包括：整形模块，被配置为对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；光束调节模块，被配置为调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；场镜，被配置为聚焦所述1级衍射光生成所述方形平顶焦点光斑，以解键合所述待解键合晶圆。本申请实施例解决了解键合效率较低的技术问题。

Description

基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统及方法
技术领域
本申请实施例涉及芯片领域，具体而言，涉及一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统及方法。
背景技术
随着各类电子产品多功能、低功耗、长续航的发展需求，晶圆级芯片封装尺寸逐步向密度更高、速度更快、尺寸更小、成本更低的方向发展。为了适应超薄的晶圆级封装芯片的需求，晶圆临时键合和解键合技术应运而生。而传统的热滑移解键合、化学解键合、机械解键合、红外激光解键合等解键合技术由于存在效率低、破片率高、热损伤等缺点而逐步被淘汰，取而代之的是能够在室温下进行高速晶圆解键合的紫外激光解键合技术。
目前常用的紫外激光器为准分子激光器和二极管泵浦全固态激光器。其输出的激光为高斯型强度分布的激光束，经过聚焦后，横向焦点光斑强度分布依旧为高斯型。当将其用于晶圆激光解键合时，焦点光斑中心区域由于能量过高而导致器件晶圆过度损伤；焦点边缘区域由于能量较低而难以用于解键合，从而造成激光能量的浪费。
为了解决上述问题，现有技术中提出了利用平顶纳秒紫外激光解键合的方法。该方法与同条件下高斯光相比，平顶光斑横向尺寸是原高斯光斑的369.5％(原高斯光束归一化强度的1/e2，e为自然常数)，因此，利用该平顶光进行晶圆激光解键合的方法能够将解键合效率提高269.5％。该现有技术通过振镜控制平顶光斑快速逐点扫描的方式实现晶圆激光解键合。然而，该过程中扫描速度必须与焦点光斑尺寸及激光脉冲的重复频率相匹配，因此，振镜较低的扫描速度极大的限制了解键合效率的提升。
现有技术中还提出了一种半导体晶圆激光解键合的光学装置。其利用平顶光产生模块、整形模块、成像模块将高斯光束整形成尺寸为50μm×1000μm的矩形光束来进行线扫描加工。该方法能有效降低成本并提高解键合的灵活性，然而由于使用的是加工平台相对于激光光斑运动的方式进行扫描，导致解键合效率较低。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统及方法，以至少解决解键合效率较低的技术问题。
根据本申请实施例的一个方面，提供了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统，包括：整形模块，被配置为对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；光束调节模块，被配置为调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；场镜，被配置为聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆，以解键合所述待解键合晶圆。
在一个示例性实施例中，所述光束调节模块包括：二维声光偏转器，被配置为调制整形后的所述激光束产生所述1级衍射光和未经过调制的零级光及其他非需要的衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节；反射镜，被配置为改变所述二维声光偏转器产生的所述1级衍射光的传播方向，使得所述1级衍射光被反射进入振镜；所述振镜，被配置为调节所述1级衍射光的位置，使得所述方形平顶焦点光斑能够被定位辐照于所述待解键合晶圆片的位置。
在一个示例性实施例中，所述二维声光偏转器包括：第一声光偏转器，与所述激光束入射的方向正交设置，被配置为调制整形后的所述激光束产生所述1级衍射光，并控制所述1级衍射光在所述加工面的水平方向上进行扫描；半波片，被配置为调节所述第一声光偏转器31输出的所述1级衍射光的偏振方向；第二声光偏转器，与所述第一声光偏转器彼此正交设置，被配置为控制调整了偏振方向的所述1级衍射光在所述加工面的垂直方向上进行扫描。
在一个示例性实施例中，所述第一声光偏转器和所述第二声光偏转器的声光晶体均为熔融石英玻璃，工作波长均在343nm～355nm范围内，带宽均在100MHz～240MHz范围内，频率分辨率均大于等于1kHz，频率刷新间隔均小于1μs，窗口尺寸均大于1mm。
在一个示例性实施例中，所述系统还包括光束终止装置，被配置为遮挡所述未经过调制的零级光及所述其他非需要的衍射光，其中，所述光束终止装置为带水冷的挡光板。
在一个示例性实施例中，所述场镜的最大入光孔径大于等于10mm，焦距小于300mm，加工幅面小于200mm×200mm，所述振镜的最大入光孔径大于等于10mm。
在一个示例性实施例中，所述系统还包括：加工平台，被配置为固定所述待解键合晶圆；运动控制机构，被配置为驱动所述加工平台相对所述方形平顶焦点光斑沿着预定路径移动，驱动所述振镜角度偏转，驱动所述声光偏转器偏转，以调节所述1级衍射光束的偏转角度。
在一个示例性实施例中，所述系统还包括激光器，被配置为发射高斯型强度分布所述激光束，其中，所述高斯光束波长在200nm～1000nm范围内，直径小于5mm，脉宽小于50ns，功率大于5W，脉冲重复频率在1Hz～3.5MHz范围内，最大单脉冲能量大于0.4mJ，光束质量因子M2小于1.5。
在一个示例性实施例中，所述整形模块为衍射光学元件，被配置为改变所述激光束各点处的相位，以对所述激光束进行整形。
在一个示例性实施例中，所述加工平台的幅面大于300mm×300mm。
根据本申请实施例的另一方面，还提供了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的方法，包括：对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆，以解键合所述待解键合晶圆。
在本申请实施例中，利用二维声光偏转器以高于预设频率阈值的频率对1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描，从而具有大幅提高解键合的灵活性的技术效果，进而解决了解键合效率较低的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请实施例的示意性实施例及其说明用于解释本申请实施例，并不构成对本申请实施例的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的待解键合晶圆的结构示意图；
图2是根据本申请实施例的基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统的结构示意图；
图3是根据本申请实施例的激光光斑顺序扫描和随机扫描轨迹局部放大示意图；
图4是根据本申请实施例的声光偏转器的光束偏转示意图；
图5是根据本申请实施例的在输入不同频率超声波下，二维声光偏转器调控方形平顶光斑二维扫描的示意；
图6是根据本申请实施例的另一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统的结构示意图；
图7是根据本申请实施例的激光轨迹组成的圆形轮廓图；
图8是根据本申请实施例的一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的方法的流程图。
附图中：
1、激光器；2、整形模块；3、二维声光偏转器；4、光束终止装置；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、振镜；8、场镜；11、聚焦单元；10、加工平台；9、待解键合晶圆；91、载体晶圆；92、释放层；93、保护层；94、器件晶圆；31、第一声光偏转器；32、半波片；33、第二声光偏转器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请实施例方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请实施例一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，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，都应当属于本申请实施例保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
根据本申请实施例，提供了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统。该光学系统主要用于对待解键合晶圆进行解键合。
图1是根据本申请实施例的待解键合晶圆的结构示意图，如图1所示，待解键合晶圆9包括载体晶圆91、涂覆于载体晶圆的释放层92、涂覆于器件晶圆的保护层93以及器件晶圆94。
载体晶圆91作为临时载体便于器件晶圆94进行减薄处理及运输，且其对紫外激光透明；释放层92用于将载体晶圆91与器件晶圆94粘合，且其对加工激光波长有强烈的吸收特性，其厚度选择为加工激光渗透深度的2倍以上；保护层93用于保护器件晶圆94，避免激光透光释放层92损伤到晶圆94。
图2是根据本申请实施例的基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括沿光路依次布置的激光器1、整形模块2、光束调节模块、光束终止装置4、场镜8、及加工平台10。光束调节模块包括二维声光偏转器3、反射镜和振镜7，其中，反射镜包括第一反射镜5和第二反射镜6。
1.激光器
激光器1用于发射初始高斯型强度分布的激光束。在一个示例中，激光器1为二极管泵浦全固态激光器，其发射的初始高斯光束的波长为355nm，功率大于5W。紫外激光波长包括：343nm～355nm、308nm、266nm和248nm。紫外激光能够打断释放层92的化学键，使其失去粘性，而载体晶圆91通常为石英玻璃，其对紫外激光具有较高的透过率，且其透过率随着激光波长的减小而减小，因此355nm的激光较为适合用来解键合。
在一个示例中，激光器1发射的初始高斯光束的光束质量因子M2小于1.5，以保证其经过整形模块2并被场镜8聚焦后，能产生与设计值接近的方形平顶焦点光斑。
在一个示例中，激光器1为纳秒激光器，脉宽小于50ns。纳秒激光采用调Q技术，其与皮秒、飞秒等锁模激光器相比，具有结构简单、成本低的优势。纳秒激光相对与微秒等长脉冲激光又具有峰值功率高的优势，且纳秒激光的重复频率可以做到几兆赫兹，因此，纳秒激光更适合用于激光解键合。
在一个示例中，激光器1的功率大于5W，脉冲重复频率1Hz～3.5MHz，最大单脉冲能量大于0.4mJ。利用较低的单脉冲能量能避免解键合过程中激光能量透过保护层93损伤到器件晶圆94。而激光脉冲的重复频率又与加工速度正相关，因此选用高重复频率、低单脉冲能量的激光器的解键合效率更高。
在一个示例中，激光器1发射的激光脉冲的偏振方向为水平偏振，光束直径大于1mm，以满足第一声光偏转器31对入射光的偏振及尺寸需求。
2.整形模块
整形模块2对激光器1所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑。例如，整形模块2可以通过改变激光束各点处的相位，来使得其在聚焦情况下产生方形平顶焦点光斑。
在一个示例中，整形模块2为衍射光学元件，其是针对理想高斯光束，即M2＝1来设计的，因此，M2越小，实际光斑结果越接近设计值。
整形模块2用于改变激光束各点处的相位，使其经过场镜8聚焦后，在场镜8的焦点平面处形成方形平顶焦点光斑。与相同单脉冲能量的高斯光束相比，将方形平顶焦点光斑归一化强度降低为原高斯光轴上光强的1/e2时，方形平顶焦点光斑的尺寸为高斯光的369.5％。而在激光解键合过程中，光斑越大，其扫描整个晶圆所需的时间就越短，因此，在相同条件下，利用方形平顶焦点光斑进行激光解键合的效率比高斯光高269.5％。而在实际解键合过程中，若采用圆形平顶光斑，则不可避免地会出现死区，或因光斑重叠而导致器件晶圆因过度激光辐照而损伤，而方形平顶焦点光斑则可以较好的用于拼接并避免死区，因此采用方形平顶光束更加适合于激光解键合。
3.光束调节模块
光束调节模块用于调制整形后的激光束产生的1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描。
光束调节模块包括二维声光偏转器3、反射镜和振镜7。
二维声光偏转器3由水平放置的第一声光偏转器31、半波片32及垂直放置的第二声光偏转器33组成，用于超快二维调节其1级衍射光在二维平面内高速扫描。第一声光偏转器31和第二声光偏转器33正交放置，半波片32置于第一声光偏转器31和第二声光偏转器33之间。
第一声光偏转器31用于调节其1级衍射光在水平方向上扫描，半波片32用于调节1级衍射光的偏振方向，第二声光偏转器33用于调节其1级衍射光在竖直方向上扫描。
在一个示例中，第一光偏转器31及第二声光偏转器33的声光晶体为熔融石英玻璃，窗口尺寸大于1mm，工作波长为343nm～355nm，带宽为100MHz～240MHz，频率分辨率为1kHz，频率刷新间小于1μs。通过这样的结构，使得二维声光偏转器3能控制光束以超过1MHz的频率进行扫描，而振镜的扫描频率通常只有几十千赫兹，因此，本实施例中，采用二维声光偏转器3进行激光解键合的效率远高于振镜的解键合效率。
在二维声光偏转器3中，第一声光偏转器31和第二声光偏转器33的扫描方式为在一维方向上顺序扫描和随机扫描。二维声光偏转器3的扫描方式为在二维平面内顺序扫描和随机扫描，如图3所示，其中黑色带箭头实线表示激光光斑扫描轨迹。图3中的(a)是根据本申请实施例的激光光斑顺序扫描示意图，(b)是随机扫描轨迹局部放大示意图。通过这种方式，使得二维声光偏转器3能够支持激光光斑在待解键合晶圆上任意一点上进行随机解键合操作，这样可以无损伤修复晶圆片上解键合过程中产生的孤立死区，极大地提高了激光解键合的灵活性。
图4为本申请实施例提供的声光偏转器的工作示意图。声光偏转器是一种基于声光效应的光束扫描器件。通过将超声波驱动信号输入声光换能器以产生振动，导致声光晶体中产生超声波。在超声波的作用下，声光晶体内部产生折射率周期性分布现象，从而形成布拉格衍射光栅。
在本实施例中，当激光以特定角度入射时，会发生布拉格衍射，此时，其1级衍射光相对于零级光的夹角为θ。然后通过改变超声波频率以改变光栅常数来实现1级衍射光衍射角的变化，从而实现光束的一维扫描，角度扫描范围为Δθ。
需要注意的是，声光偏转器3频率刷新间隔极短，通常小于1μs，这意味着其能够用于超高频率的光束扫描。此外，由于声光偏转器的超声波驱动信号能够在其带宽范围内随机切换，这意味着声光偏转器的1级衍射光能够在其扫描角度范围内实现角度的顺序扫描和随机扫描。
本实施例将两套声光偏转器正交串联放置，并联动控制，这样可实现1级衍射光束在垂直于光轴的二维平面内的高速随顺序扫描或随机扫描，这里的光轴定义为二维声光偏转器在中心工作频率下1级衍射光的光轴。
图5示出了二维声光偏转器控制方形平顶焦点光斑在平面内二维扫描的示意图，其中fL、fC、fH分别对应声光偏转器的驱动器的低频、中心频率和高频超声波信号。通过给正交放置的两套一维声光偏转器，即对第一声光偏转器31和第二声光偏转器33输入不同的驱动频率组合，即可实现光束的二维超快扫描。
第一声光偏转器31与第二声光偏转器33的位置可以互换，第一声光偏转器31与第二声光偏转器33的位置互换不影响所述二维声光偏转器3对所述1级衍射光的二维调节效果，但是，需要在所述二维声光偏转器3之前加入半波片，所述半波片用以调节经过所述整形模块2整形后的激光的偏振方向，以满足所述二维声光偏转器3对入射光的偏振需求。
二维声光偏转器3调制整形后的所述激光束产生的光除了1级衍射光之外，还有未经过调制的零级光及其他非需要的衍射光，这些零级光及其他不需要的衍射光由光束终止装置4遮挡住，以避免损伤器件和误伤操作人员。
反射镜包括第一反射镜5和第二反射镜6，用于改变二维声光偏转器3输出的1级衍射光的传播方向，使得1级衍射光被反射进入振镜7。
振镜7调节1级衍射光的位置，使得所述方形平顶焦点光斑能够被定位辐照于所述待解键合晶圆片9的位置。这样，通过振镜7可以定位方形平顶焦点光斑辐照于待解键合晶圆片9上的位置，并进行位置调节。
在利用振镜7进行激光加工时，通常采用较低的扫描速度(低于3m/s)和较高的跳转速度(低于10m/s)以保证加工精度的同时缩短加工时间。在本申请实施例中，振镜7不参与调控激光光斑扫描，只用于控制方形平顶焦点光斑位置，使得方形平顶焦点光斑位置跳转至不同的加工幅面单元，从而提高了解键合的速度和精度。
本申请实施例中，引入了声光偏转器，不仅能以极高的速度进行光束扫描，还避免了机械震动及加减速，光路系统更加稳定，因此，利用本申请实施例的解键合系统不仅能大幅提高解键合的效率和灵活性，还能有效的保证解键合的质量。
4.场镜
场镜8用于聚焦上述整形后的激光束以在其焦平面处产生方形平顶焦点光斑。具体地，场镜8聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在二维声光偏转器3的二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆9，以解键合所述待解键合晶圆9。其中，待解键合晶圆9固定在加工平台10的加工面上。
在一个示例中，场镜8的的最大入光孔径大于等于10mm，焦距小于300mm，加工幅面小于200mm×200mm，当待解键合晶圆9的尺寸大于场镜8的加工幅面时，需要移动加工平台10以进行拼接，因此加工平台10幅面应大于300mm×300mm。
具体应用时，激光透过载体晶圆91辐照于释放层92，并打断释放层92的化学键，使其失去粘性，从而实现器件晶圆94与载体晶圆91的分离。该过程中需要调节激光器输出激光功率，以确保方形平顶焦点光斑辐照区域能快速进行解键合，且光斑能量不足以穿透保护层93并损伤器件晶圆94。
下面将描述该系统的操作流程。
将待解键合晶圆9放置在光学系统的加工平台10的加工面上。激光器1发射的初始高斯型强度分布的激光束经过整形模块2进行光束整形，整形后的激光束经过二维声光偏转器3的调制后产生能够在二维平面内高速扫描的1级衍射光，利用第一反射镜5和第二反射镜6将该1级衍射光引导进入振镜7和场镜8，并在场镜8的焦平面处产生能量分布均匀的方形平顶焦点光斑，该方形平顶焦点光斑辐照在待解键合晶圆9上并打断待解键合晶圆9的释放层92的化学键，使得辐照区域器件晶圆94与载体晶圆91发生分离。
在实施解键合过程中，振镜7对光斑辐照于待解键合晶圆9上的位置进行定位；二维声光偏转器3对1级衍射光进行超快调节，使得方形平顶焦点光斑在待解键合晶圆9上高速扫描。由于受到二维声光偏转器3工作带宽的限制，扫描角度较小，因此，焦点光斑仅能够在一个小方形区域内扫描。若以其最大扫描区域定义为一个加工幅面单元，则待该加工幅面单元解键合完成后，由振镜7将方形平顶焦点光斑移动至下一个加工幅面单元的中心位置，并重复上述操作直至焦点光斑遍历整个晶圆9，实现器件晶圆94与载体晶圆91的分离。
本申请实施例提出了的基于二维声光偏转器的高效晶圆激光解键合的系统具有以下有益效果：
1)利用方形平顶焦点光斑避免了激光对晶圆的损伤，且利用二维声光偏转器调控光束扫描过程中的无机械震动、无机械惯性的优势，有效的保证解键合的质量；
2)利用二维声光偏转器的顺序扫描、随机扫描优势，能够有效的避免死区并可用于修复死区，极大的提高了解键合的灵活性；
3)在保证高质量晶圆激光解键合的同时，还能够将解键合效率提高约1个数量级。这将极大的降低晶圆解键合的成本，能够更好的满足晶圆封装需求，具有非常重要的应用价值以及广阔的市场前景。
实施例2
根据本申请实施例，提供了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的系统，本实施例以8英寸晶圆激光解键合为例。
如图6所示，该系统包括延光路依次设置的激光器1、整形模块2、二维声光偏转器3、光束终止装置4、振镜7、聚焦单元11、加工平台10及运动控制机构(未示出)。
激光器1用于发射初始高斯型强度分布的激光束。在一个示例中，激光器1可采用波长为355nm的Quasar UV80激光器，激光脉冲宽度为10ns，脉冲重复频率设置为1MHz，光束质量因子M2<1.3，光束直径为D＝3.7mm；场镜8焦距为160mm。这样，产生的高斯光斑的半高全宽直径约为67.5μm，使得经过整形后可将高斯光斑整形为方形平顶焦点光斑，且方形平顶焦点光斑的边长约为115μm。
在另一个示例中，激光器1发射的初始高斯光束波长为200nm～1000nm，脉宽小于50ns，功率大于5W，脉冲重复频率1Hz～3.5MHz，最大单脉冲能量大于0.4mJ，光束质量因子M2小于1.5，光束的偏振方向为水平面内垂直于光束传播的方向，这里，水平面为垂直地球重力方向的平面。
整形模块2用于改变激光束各点处的相位，使得激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑。在一个示例中，整形模块2为衍射光学元件。
二维声光偏转器3是一种基于声光效应的光束扫描器件。通过将超声波驱动信号输入声光换能器以产生振动，导致声光晶体中产生超声波。在超声波的作用下，声光晶体内部产生折射率周期性分布现象，从而形成布拉格衍射光栅。当激光以特定角度入射时，会发生布拉格衍射。通过改变超声波频率能够改变光栅常数，进而改变1级衍射光的衍射角度，从而实现光束扫描。需要注意的是，二维声光偏转器3频率刷新间隔极短，通常小于1μs，这样二维声光偏转器3便可以用于超高频率的光束扫描。此外，由于二维声光偏转器3的超声波驱动信号能够在其带宽范围内随机切换，所以二维声光偏转器3的1级衍射光能够在其扫描角度范围内实现角度的顺序扫描和随机扫描。
在本实施例中，二维声光偏转器3用于超快二维调节其1级衍射光使1级衍射光在二维平面内高速扫描。在一个示例中，二维声光偏转器3的通光口径为7mm，工作波长为355nm，工作频率为130MHz～210MHz，频率分辨率为1kHz。在中心频率170MHz下，其1级衍射光的偏转角为10.5mrad，最大扫描角度为4.9mrad。二维声光偏转器3调控焦点光斑扫描的最大单次幅面约为5.8mm×5.8mm。
根据方形平顶焦点光斑的尺寸，在方形平顶焦点光斑不重叠且紧密拼接的情况下，将二维声光偏转器3的单次加工幅面分割为50×50个区域，线间距为115μm，即单次加工幅面单元为5.75mm×5.75mm。本实施例中，二维声光偏转器3控制方形平顶焦点光斑以点间距115μm、线间距为115μm进行匀速扫描并遍历一个加工幅面单元总耗时为2.5ms，对应线扫描速度为115m/s。该扫描速度远大于目前任何振镜的扫描速度，因此，本实施例中利用声光偏转器极大地提升了晶圆激光解键合的效率。
此外，由于二维声光偏转器3的衍射角度较小，需要待1级衍射光传播360mm后才能利用光束终止装置4将其与零级光及其他不需要的衍射级次光完全分开。光束终止装置4遮挡了不需要的激光，从而避免损伤器件和误伤操作人员。
在本实施例中，二维声光偏转器3以超高的频率对对1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得聚焦单元11产生的方形平顶光斑在加工面内高速扫描。这样，通过振镜7控制光斑定位、通过二维声光偏转器3控制光斑扫描的方式遍历整个待解键合晶圆，以实现器件晶圆与载体晶圆的高效分离，即晶圆激光解键合。
在一个示例中，二维声光偏转器3包括：第一声光偏转器31、半波片32及第二声光偏转器33。第一声光偏转器31在水平面内与激光束垂直放置；第二声光偏转器33在竖直平面内与激光束及第一声光偏转器31垂直放置；半波片32用于调节经过第一声光偏转器调制的1级衍射光的偏振方向；半波片32置于在竖直平面内可高精度旋转调节的三维调节架上；第一声光偏转器31及第二声光偏转器33均置于六维调节架上。
在一个示例中，第一光偏转器31及第二声光偏转器33的声光晶体为熔融石英玻璃，工作波长为343nm～355nm，带宽为100MHz～240MHz，频率分辨率为1kHz，频率刷新间小于1μs，窗口尺寸大于1mm；第一光偏转器及第二声光偏转器的1级衍射光的扫描方式为在一维方向上为顺序扫描和随机扫描；二维声光偏转器的1级衍射光的扫描方式为在二维平面内顺序扫描和随机扫描。
振镜7用于定位方形平顶焦点光斑作用于待解键合晶圆的位置。具体地，振镜7对方形平顶焦点光斑辐照于待解键合晶圆上的位置进行定位并进行位置调节。激光光斑的轨迹必须覆盖整个晶圆，因此可以通过振镜7控制来控制光斑沿“Z”字形轨迹扫描，如图7所示。在解键合过程中，振镜7只用于调控焦点光斑至不同加工幅面单元，其不参与扫描，光斑在二维声光偏转器的二维调控下以极高的速度遍历一个加工幅面单元后，振镜7迅速将光斑调至下一个加工幅面单元。在一个示例中，振镜7的最大入光孔径大于等于10mm。在一个示例中，设置振镜7跳转速度为10m/s。
为了避免边缘出现遗漏的情况下，光斑扫描图案尺寸比晶圆尺寸稍大一些，例如，对于一个直径为200mm的8英寸晶圆，扫描图案的直径设为210mm，再将图案分割成尺寸为5.75mm×5.75mm的加工幅面单元，加工幅面单元总数目为1020个。二维声光偏转器控制方形平顶焦点光斑以115μm为光斑间距、115μm为线间距进行扫描，待光斑遍历该单元后，由振镜7调节光斑跳转至下一个加工幅面单元区域。重复上述操作，直到光斑遍历待解键合晶圆上所有区域后，晶圆解键合操作停止。
聚焦单元11用于聚焦入射激光束。在一个示例中，聚焦单元11为场镜，场镜的最大入光孔径大于等于10mm，焦距小于300mm，加工幅面小于200mm×200mm。
通过聚焦单元11，激光器1发射的初始高斯光束经过整形模块2后再由场镜聚焦，在场镜焦平面处产生能量分布均匀的方形平顶光斑，其中，方形平顶光斑的边长为50μm～1mm。
在一个示例中，该系统还可以包括运动控制机构，用于驱动加工平台10相对于光斑沿着预定路径移动、驱动振镜7进行角度偏转、驱动声光偏转器进行角度偏转以调节1级衍射光的偏转角度等。
本实施例的系统的具体操作流程如下：激光器1发射出的初始高斯光束经过整形模块2进行光束整形，整形后的光束经过二维声光偏转器调制后产生1级衍射光、未经过调制的零级光及其他非需要的衍射光，零级光及其他非需要的衍射光由光束终止装置4收集，1级衍射光由反射镜反射后进入振镜7及场镜8，1级衍射光经过场镜聚焦后在场镜的焦平面处产生能量分布均匀的方形平顶光斑，方形平顶焦点光斑作用在置于加工平面的待解键合晶圆上。
在本实施例中，在该晶圆解键合过程中，振镜7控制光束跳转距离约为6.1m，耗时0.61s，二维声光偏转器控制方形平顶焦点光斑扫描1020个方格区域耗时约为2.55s。即，完成整片8英寸晶圆的解键合时间约为3.2s。在相同条件下与其他解键合方法相比，本申请实施例提出的利用二维声光偏转器的晶圆激光解键合系统能将解键合效率提高约一个数量级，这无疑将极大的降低解键合的时间成本，具有非常重要的应用价值。此外，需要说明的是，在本实施例中针对激光功率较高的情况下，还可以通过设计并换用能够产生更大尺寸方形平顶焦点光斑的整形模块2和场镜8的组合，来减小焦点光斑遍历待解键合晶圆所需要的扫描次数，进而进一步提高晶圆解键合的效率。
实施例3
根据本申请实施例，提供了一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合方法，如图8所示，该方法包括：
步骤S802，对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑。
步骤S804，调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描。
步骤S806，聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆，以解键合所述待解键合晶圆。
本实施例中的方法能够实现实施例1、2中的系统的全部功能，因此，此处不再赘述。
本申请实施例还可以如图2所示被配置为：
1.一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统，包括沿光路依次布置的：整形模块2，被配置为对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；光束调节模块，被配置为调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；场镜8，被配置为聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆9，以解键合所述待解键合晶圆9。
2.根据项1所述的系统，其中，所述光束调节模块包括：二维声光偏转器3，被配置为调制整形后的所述激光束产生所述1级衍射光和未经过调制的零级光及其他非需要的衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节；反射镜，被配置为改变所述二维声光偏转器3产生的所述1级衍射光的传播方向，使得所述1级衍射光被反射进入振镜7；所述振镜7，被配置为调节所述1级衍射光的位置，使得所述方形平顶焦点光斑能够被定位辐照于所述待解键合晶圆片9的位置。
3.根据项2所述的系统，其中，所述二维声光偏转器3包括：第一声光偏转器31，与所述激光束入射的方向正交设置，被配置为调制整形后的所述激光束产生所述1级衍射光，并控制所述1级衍射光在所述加工面的水平方向上进行扫描；半波片32，被配置为调节所述第一声光偏转器31输出的所述1级衍射光的偏振方向；第二声光偏转器33，与所述第一声光偏转器31彼此正交设置，被配置为控制调整了偏振方向的所述1级衍射光在所述加工面的垂直方向上进行扫描。
4.根据项3所述的系统，其中，所述第一声光偏转器31和所述第二声光偏转器33的声光晶体均为熔融石英玻璃，工作波长均在343nm～355nm范围内，带宽均在100MHz～240MHz范围内，频率分辨率均大于等于1kHz，频率刷新间隔均小于1μs，窗口尺寸均大于1mm。
5.根据项2所述的系统，其中，所述系统还包括光束终止装置4，被配置为遮挡所述未经过调制的零级光及所述其他非需要的衍射光，其中，所述光束终止装置4为带水冷的挡光板。
6.根据项2所述的系统，其中，所述振镜7还被配置为通过调节所述1级衍射光的位置来调控所述方形平顶焦点光斑至不同加工幅面单元，使得所述方形平顶焦点光斑在二维声光偏转器3的二维调控下以预设的速度遍历一个加工幅面单元后，辐照至下一个加工幅面单元，其中，所述加工幅面单元为所述待解键合晶圆9待所述方形平顶焦点光斑辐照的表面被划分后得到的单元。
7.根据项6所述的系统，其中，所述振镜7还被配置为控制方形平顶焦点光斑沿“Z”字形轨迹扫描所述待解键合晶圆9。
8.根据项7所述的系统，其中，所述振镜的最大入光孔径大于等于10mm。
9.根据项2所述的系统，其中，所述场镜的最大入光孔径大于等于10mm，焦距小于300mm，加工幅面小于200mm×200mm，所述振镜7的最大入光孔径大于等于10mm。
10.根据项2所述的系统，其中，所述系统还包括：加工平台，被配置为固定所述待解键合晶圆9；运动控制机构，被配置为驱动所述加工平台相对所述方形平顶焦点光斑沿着预定路径移动，驱动所述振镜7角度偏转，驱动所述声光偏转器3偏转，以调节所述1级衍射光束的偏转角度。
11.根据项1至10中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括激光器，被配置为发射高斯型强度分布所述激光束，其中，所述高斯光束波长在200nm～1000nm范围内，直径小于5mm，脉宽小于50ns，功率大于5W，脉冲重复频率在1Hz～3.5MHz范围内，最大单脉冲能量大于0.4mJ，光束质量因子M2小于1.5。
12.根据项1至10中任一项所述的系统，其中，所述整形模块2为衍射光学元件，被配置为改变所述激光束点处的相位，以对所述激光束进行整形。
13.根据项1至10中任一项所述的系统，其中，所述加工平台的幅面大于300mm×300mm。
14.根据项2至10中任一项所述的系统，其中，所述二维声光偏转器的1级衍射光的扫描方式为在二维平面内顺序扫描或随机扫描。
15.一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的方法，包括：对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆，以解键合所述待解键合晶圆。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请实施例所必须的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请实施例各个实施例所述的方法。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
在本申请实施例的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请实施例各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述仅是本申请实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请实施例的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的光学系统，其特征在于，包括沿光路依次布置的：
整形模块(2)，被配置为对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；
光束调节模块，被配置为调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；
场镜(8)，被配置为聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆(9)，以解键合所述待解键合晶圆(9)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光束调节模块包括：
二维声光偏转器(3)，被配置为调制整形后的所述激光束产生所述1级衍射光和未经过调制的零级光及其他非需要的衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节；
反射镜，被配置为改变所述二维声光偏转器(3)产生的所述1级衍射光的传播方向，使得所述1级衍射光被反射进入振镜(7)；
所述振镜(7)，被配置为调节所述1级衍射光的位置，使得所述方形平顶焦点光斑能够被定位辐照于所述待解键合晶圆片(9)的位置。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述二维声光偏转器(3)包括：
第一声光偏转器(31)，与所述激光束入射的方向正交设置，被配置为调制整形后的所述激光束产生所述1级衍射光，并控制所述1级衍射光在所述加工面的水平方向上进行扫描；
半波片(32)，被配置为调节所述第一声光偏转器31输出的所述1级衍射光的偏振方向；
第二声光偏转器(33)，与所述第一声光偏转器(31)彼此正交设置，被配置为控制调整了偏振方向的所述1级衍射光在所述加工面的垂直方向上进行扫描。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一声光偏转器(31)和所述第二声光偏转器(33)的声光晶体均为熔融石英玻璃，工作波长均在343nm～355nm范围内，带宽均在100MHz～240MHz范围内，频率分辨率均大于等于1kHz，频率刷新间隔均小于1μs，窗口尺寸均大于1mm。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光束终止装置(4)，被配置为遮挡所述未经过调制的零级光及所述其他非需要的衍射光，其中，所述光束终止装置(4)为带水冷的挡光板。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述振镜(7)还被配置为通过调节所述1级衍射光的位置来调控所述方形平顶焦点光斑至不同加工幅面单元，使得所述方形平顶焦点光斑在二维声光偏转器(3)的二维调控下以预设的速度遍历一个加工幅面单元后，辐照至下一个加工幅面单元，其中，所述加工幅面单元为所述待解键合晶圆(9)待所述方形平顶焦点光斑辐照的表面被划分后得到的单元。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述振镜(7)还被配置为控制方形平顶焦点光斑沿“Z”字形轨迹扫描所述待解键合晶圆(9)。
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
加工平台，被配置为固定所述待解键合晶圆(9)；
运动控制机构，被配置为驱动所述加工平台相对所述方形平顶焦点光斑沿着预定路径移动，驱动所述振镜(7)角度偏转，驱动所述声光偏转器(3)偏转，以调节所述1级衍射光束的偏转角度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括激光器，被配置为发射高斯型强度分布所述激光束，其中，所述激光束波长在200nm～1000nm范围内，直径小于5mm，脉宽小于50ns，功率大于5W，脉冲重复频率在1Hz～3.5MHz范围内，最大单脉冲能量大于0.4mJ，光束质量因子M2小于1.5。
10.一种基于二维声光偏转器的晶圆激光解键合的方法，其特征在于，包括：
对所发射的高斯型强度分布的激光束进行整形，使得所述激光束在聚焦的情况下能够产生方形平顶焦点光斑；
调制整形后的所述激光束产生1级衍射光，并以高于预设频率阈值的频率对所述1级衍射光的衍射角度进行二维调节，使得所述1级衍射光以高于第一预设速度阈值的速度在二维平面内进行扫描；
聚焦所述1级衍射光以生成所述方形平顶焦点光斑，其中，所述方形平顶焦点光斑在所述二维调节的作用下、以高于第二预设速度阈值的速度在所述晶圆的加工面内扫描放置在所述加工面上的待解键合晶圆，以解键合所述待解键合晶圆。
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CN115805365A (zh) * 2023-01-17 2023-03-17 武汉铱科赛科技有限公司 一种复合偏转激光填充扫描系统、方法、装置及设备

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