CN116787002A - 一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置和方法，涉及激光加工技术领域。该装置包括依次设置且光连接的：激光器，用于发射激光束；半波片，用于调节激光束的偏振状态；偏振分光棱镜，调节加工激光束的能量；扩束镜，用于对激光束进行准直扩束；SLM，用于对激光束进行整形，以使其聚焦时形成长焦深的椭圆光斑；透镜组，用于调节激光束尺寸，使其与聚焦物镜的数值孔径匹配；聚焦物镜，用于使激光束在待加工晶圆上实现聚焦；以及控制系统，与所述激光器、所述SLM以及用于承载所述待加工晶圆的载台控制端连接，用于控制所述激光器、所述SLM的工作以及所述载台的移动。本发明能够满足较厚晶圆片的切割需求。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置和方法。
背景技术
传统的晶圆主要采用划片方式进行切割，即通过划片刀对晶圆进行磨削，划片刀上脱落的金刚石颗粒对晶圆材料进行磨削从而形成划痕，划片切割效率高但切割崩边量大且易产生硅屑和粉尘，易污染芯片。
而后业内开发了激光隐切技术，即在加工过程中将脉冲光通过光学透镜聚焦在晶圆内部材料中，结合不同的功率、脉冲等加工条件使得硅材料在内部进行烧蚀，破坏化学键，形成一层具有低的机械力学性能的变质层，在蓝膜的扩片作用下，使得芯片分离的一种新型加工方式，这种方式主要优点是损伤发生在芯片内部，不会影响表面的结构，非常适合高端、复杂MEMS结构的芯片加工。
然而，随着半导体行业的发展，有些内部有微机械系统或者为多层结构的晶圆厚度一般大于800μm，激光隐切技术受晶圆厚度、材料等的影响，一般切割有效厚度小于500μm，无法满足业内要求。为解决这一问题，可以通过在晶圆内部深度方向上逐次提升焦点位置的多道扫描来完成，但加工效率太低；还可以通过采用衍射光学元件将激光束分束形成光轴方向上的多个焦点后同时进行加工，但衍射光学元件制作复杂，制作完成后焦点间距不可调，仅能满足于特定厚度产品的加工，使用不够灵活。
因此，有必要研究一种新的激光隐切方式，来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置和方法，通过产生长焦深的椭圆光斑进行晶圆加工，并通过调节参数适应不同厚度产品的加工，能够满足较厚晶圆片的切割需求，且加工效果好。
一方面，本发明提供一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，所述装置包括依次设置且光连接的以下器件：
激光器，用于发射激光束；
半波片，用于调节激光束的偏振状态；
偏振分光棱镜，调节加工激光束的能量；
扩束镜，用于对激光束进行准直扩束；
SLM，用于对激光束进行整形，以使其聚焦时形成长焦深的椭圆光斑；
透镜组，用于调节激光束尺寸，使其与聚焦物镜的数值孔径匹配；
聚焦物镜，用于使激光束在待加工晶圆上实现聚焦；以及
控制系统，与所述激光器、所述SLM以及用于承载所述待加工晶圆的载台控制端连接，用于控制所述激光器、所述SLM的工作以及所述载台的移动。
进一步地，所述透镜组包括第一透镜和第二透镜；
所述SLM到所述第一透镜的距离等于所述第一透镜的焦距；
所述第一透镜到所述第二透镜的距离等于二者的焦距之和；
所述第二透镜到所述聚焦物镜的距离等于所述第二透镜的焦距。
进一步地，所述激光器产生的激光束为线偏振光，波长在1000nm-1100nm。
进一步地，所述SLM和所述第一透镜之间设有第一反射镜，所述第一透镜和所述第二透镜之间设有第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜均用于实现激光束传输方向的改变。
进一步地，所述椭圆光斑的长轴与短轴的长度比在1.5-3的范围内，所述椭圆光斑的长轴沿切割方向；长轴与短轴的长度比太大，光斑细长，通过物镜时像差会大，影响切割效果；长度比太小，圆度高，裂纹延伸方向不定，切割品质差；长焦深，兼顾断面和表面品质。
进一步地，所述聚焦物镜上固设有焦点调节模块，用于测量其与所述待加工晶圆表面的实时距离并传输给所述控制系统，所述控制系统根据所述实时距离调节所述聚焦物镜与所述待加工晶圆表面的距离，使加工过程中所述椭圆光斑聚焦于所述待加工晶圆内部同一深度。
进一步地，所述第二透镜和所述聚焦物镜之间设有宽带反射镜。
进一步地，所述装置还包括CCD相机；
所述CCD相机设于所述宽带反射镜上方，接收由待加工晶圆表面反射、经过聚焦物镜并透射过宽带反射镜后的成像光线。
另一方面，本发明提供一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割方法，采用如上任一项所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置实现，所述方法包括以下步骤：
S1、控制系统根据待加工晶圆的厚度在SLM内加载相位图；
S2、控制系统调节聚焦物镜的高度，使所述聚焦物镜和所述待加工晶圆之间的距离处于预设的范围内；
S3、由控制系统控制激光器发射激光束，在待加工晶圆内部形成长焦深的椭圆光斑以进行晶圆加工。
进一步地，在晶圆加工过程中，控制系统接收焦点调节模块测量的其与待加工晶圆表面之间的实时距离，并根据该实时距离实时调节所述聚焦物镜的高度，从而保证整个加工过程中所述聚焦物镜和所述待加工晶圆之间的距离始终处于预设的范围内。
进一步地，在对所述待加工晶圆进行加工之前，还包括：测量所述待加工晶圆表面针对加工激光的波长的透过率，根据所述透过率调节所述激光束的功率。
进一步地，在晶圆加工过程中，通过CCD相机进行实时观察，并根据加工过程中出现的异常情况对加工过程进行调整。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
(1)本发明采用SLM相位图生成的长焦深的椭圆光斑，该椭圆光斑聚焦于晶圆内部，可以避免在晶圆的上下表面形成烧蚀区域，表面品质良好；
(2)长焦深的椭圆光斑延长了激光改质区的深度，扩膜时裂纹延展顺利，加工直线度高，侧面品质良好，同时加工效率和加工后的芯片强度提升；
(3)切割之后仅需扩膜步骤就可完成裂片，简单方便；
(4)透过率检测并据此调节激光功率可以有效降低不同膜层对激光透过率的影响；
(5)焦点深度实时调节可以保证加工位置的准确性，从而获得良好的加工效果。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的SLM预先加载的相位图；
图3是本发明一个实施例提供的晶圆内部形成的椭圆光斑的形态图。
其中，图中：
1、激光器；2、半波片；3、偏振分光棱镜；4、扩束镜；5、SLM；6、第一反射镜；7、第一透镜；8、第二反射镜；9、第二透镜；10、宽带反射镜；11、焦点调节模块；12、聚焦物镜；13、待加工晶圆；14、载台；15、CCD相机；16、激光束方向；17、椭圆光斑；18、加工方向。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅是为了区别做出的指代描述。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决目前较厚晶圆片切割困难的问题，本发明提供一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，如图1所示，该装置包括：
激光器1，用于发射激光束，对产品进行加工；产生的激光束为线偏振光，波长在1000-1100nm；
半波片2，用于调节激光束的偏振状态；
偏振分光棱镜3，与半波片搭配使用调节加工激光束的能量；
扩束镜4，用于对激光束进行准直扩束；
SLM5(spatial light modulator)，即液晶空间光调制器，通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来调制入射光束的波面振幅和相位，可作为动态光学元件，实时调制光强和相位的空间分布。在本实施例中，该器件用于对激光束进行整形，使其聚焦时形成长焦深的椭圆光斑，以提升加工效果；椭圆光斑的长轴与短轴的长度比在1.5-3的范围内，椭圆光斑的长轴沿切割方向；
反射镜，包括第一反射镜6和第二反射镜8，用于改变激光束的传输方向；
第一透镜7与第二透镜9组合构成4F系统，用于调节激光束尺寸，使其与聚焦物镜的数值孔径匹配，其中SLM到第一透镜的距离等于第一透镜的焦距，第一透镜与第二透镜的间距等于二者的焦距之和，第二透镜到聚焦物镜的距离等于第二透镜的焦距；
宽带反射镜10，用于改变激光束的传输方向，同时还用于使检测光通过，便于观察加工情况；
聚焦物镜12，用于对激光束进行聚焦；其上连接有焦点调节模块11，用于实时测量其到待加工晶圆表面的距离，当该距离与预设距离值的偏差超出预定值时，则调整聚焦物镜的高度，使距离保持在预设距离值偏差范围内，从而保证在晶圆表面不平整的情况下仍然能获得良好的加工效果；
CCD相机15，用于加工前的定位及加工过程中加工效果的观察；CCD相机与上述的宽带反射镜光连接，待加工晶圆反射的光线依次经过聚焦物镜和宽带反射镜后到达CCD相机，由CCD相机接收并成像，从而实现观察；
载台14，用于固定待加工晶圆13，载台可以在控制系统的控制下实现沿x、y、z方向的移动；
控制系统，用于控制激光器的开关，以及根据待加工晶圆片的厚度调整SLM上加载的相位，以获得与加工厚度匹配的聚焦光斑分布，保证最佳的加工效果；以及，根据焦点调节模块测量数据，调整聚焦物镜高度，以使得激光聚焦光斑分布于晶圆内部的合适位置，保证最佳的加工效果。聚焦物镜固定在一个升降Z轴上，Z轴与控制系统相连。
前述的激光器1、半波片2、偏振分光棱镜3、扩束镜4、SLM 5、第一透镜7、第二透镜9、聚焦物镜12、待加工晶圆13依次设置，且彼此之间为光连接。其中，SLM5和第一透镜7之间、第一透镜7和第二透镜9之间均设有反射镜，以保证光束以垂直角度到达第一透镜7和第二透镜9。第二透镜9和聚焦物镜12之间设有斜设的上述宽带反射镜10。
本发明还提出一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割方法，包括：
由激光器1发射激光束，经过半波片2和偏振分光棱镜3，后经过扩束镜4进行准直扩束，传输至SLM 5，其中SLM上预先加载有设定的相位图，经SLM反射后的激光束已携带有所需的调制信息，经过第一透镜7、第二透镜9及若干个反射镜后，经聚焦物镜12聚焦至待加工晶圆13的内部，在晶圆内部形成长焦深的椭圆光斑，配合控制加工平台的移动实现对待加工晶圆13的切割。
其中，SLM相位图如图2所示，在晶圆内部形成的椭圆光斑的形态如图3所示。激光器发射的激光束经处理得到椭圆光斑17，并作用于待加工晶圆上，激光束方向16和加工方向18为垂直关系。以往多使用贝塞尔光束切割此类硬脆性材料，激光束在晶圆上下表面实现贯穿式切割，会在上下表面形成激光烧灼区域，影响表面效果，且后续需采用机械裂片，步骤繁琐；另一种方式则是采用圆形的高斯光斑在晶圆内部进行多层扫描，圆形光斑产生的改质区域深度较小，后续扩膜裂片时裂纹延伸方向不定，导致侧面效果差。而采用本方案中SLM相位图生成的椭圆形光斑，通过控制焦深可以使激光作用于晶圆内部，可以避免在晶圆的上下表面形成烧蚀区域，表面品质良好；同时，长焦深的椭圆光斑延长了激光改质区的深度，扩膜时裂纹延展顺利，加工直线度高，侧面品质良好，同时加工效率和加工后的芯片强度提升；切割之后仅需扩膜步骤就可完成裂片，简单方便。
在切割过程中，还需要通过实时检测聚焦物镜到待加工晶圆表面的距离，并根据该距离实时调整焦点深度，以保证加工位置的准确性。由于部分晶圆在前段加工过程中可能存在表面平整度不够的问题，加工时不同位置的激光焦点位置会发生改变，导致加工效果不一致。为解决这一问题，本发明在聚焦物镜旁固定一激光测距仪，在加工过程中实时检测晶圆表面到聚焦物镜的距离，并根据该检测值调整聚焦物镜的高度，从而调整激光光斑的焦点位置，使得加工时的激光焦点在晶圆内部的位置一致，从而保证加工效果。
在一些实施例中，由于晶圆片表面镀有膜层，会对激光束的透过率造成影响，需要对激光束的透过率进行检测，以此为参照调整激光束的加工功率，从而获得最优的加工效果。在一个实施例中，可以通过多波段光谱仪对激光的透过率进行测量。光谱仪向晶圆表面发射不同波长的光束，测量各波长的反射率，并根据反射率得到不同波长的透过率。其中，激光光束波长对应的透过率即为所需要测得的透过率，并据此调整激光束的功率。例如，常规无膜层的晶圆片的透过率视为100％,切割功率为1W，镀膜后的晶圆片激光透过率只有未镀膜的50％，那么此时就需要加大切割功率至2W，才能保证具有相同的加工效果。
需要说明的是，现有技术中采用SLM整形得到多个光斑纵向排列后进行切割，断面效果没有本发明采用长焦深的椭圆光斑的加工效果好，切割的效率、强度等都比本发明要差。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本公开实施例所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本公开实施例所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本公开实施例所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上对本发明实施例所提供的一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置和方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
Claims (10)
1.一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述装置包括依次设置且光连接的以下器件：
激光器，用于发射激光束；
半波片，用于调节激光束的偏振状态；
偏振分光棱镜，调节加工激光束的能量；
扩束镜，用于对激光束进行准直扩束；
SLM，用于对激光束进行整形，以使其聚焦时形成长焦深的椭圆光斑；
透镜组，用于调节激光束尺寸，使其与聚焦物镜的数值孔径匹配；
聚焦物镜，用于使激光束在待加工晶圆上实现聚焦；以及
控制系统，与所述激光器、所述SLM以及用于承载所述待加工晶圆的载台控制端连接，用于控制所述激光器、所述SLM的工作以及所述载台的移动。
2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述透镜组包括第一透镜和第二透镜；
所述SLM到所述第一透镜的距离等于所述第一透镜的焦距；
所述第一透镜到所述第二透镜的距离等于二者的焦距之和；
所述第二透镜到所述聚焦物镜的距离等于所述第二透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述激光器产生的激光束为线偏振光，波长在1000nm-1100nm。
4.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述椭圆光斑的长轴与短轴的长度比在1.5-3的范围内，所述椭圆光斑的长轴沿切割方向。
5.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述聚焦物镜上固设有焦点调节模块，用于测量其与所述待加工晶圆表面的实时距离并传输给所述控制系统，所述控制系统根据所述实时距离调节所述聚焦物镜与所述待加工晶圆表面的距离，使加工过程中所述椭圆光斑聚焦于所述待加工晶圆内部同一深度。
6.根据权利要求2所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述第二透镜和所述聚焦物镜之间设有宽带反射镜。
7.根据权利要求6所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置，其特征在于，所述装置还包括CCD相机；
所述CCD相机设于所述宽带反射镜上方，接收由待加工晶圆表面反射、经过聚焦物镜并透射过宽带反射镜后的成像光线。
8.一种基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割方法，采用上述权利要求1-7中任一项所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、控制系统根据待加工晶圆的厚度在SLM内加载相位图；
S2、控制系统调节聚焦物镜的高度，使所述聚焦物镜和所述待加工晶圆之间的距离处于预设的范围内；
S3、由控制系统控制激光器发射激光束，在待加工晶圆内部形成长焦深的椭圆光斑以进行晶圆加工。
9.根据权利要求8所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割方法，其特征在于，在晶圆加工过程中，控制系统接收焦点调节模块测量的其与待加工晶圆表面之间的实时距离，并根据该实时距离实时调节所述聚焦物镜的高度，从而保证整个加工过程中所述聚焦物镜和所述待加工晶圆之间的距离始终处于预设的范围内。
10.根据权利要求8所述的基于液晶空间光调制器的晶圆激光切割方法，其特征在于，在对所述待加工晶圆进行加工之前，还包括：测量所述待加工晶圆表面针对加工激光的波长的透过率，根据所述透过率调节所述激光束的功率。
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