CN117359130A - 一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置及方法，涉及精密切割技术领域。一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，包括：激光器、反射镜、聚焦物镜、超声振动装置以及高速三维移动平台；其中，晶片适于固定在所述超声振动装置上，所述超声振动装置设置在高速三维移动平台上以随着所述高速三维移动平台运动，所述聚焦物镜设置在所述超声振动装置上方，所述激光器适于发出的超快脉冲激光适于被所述聚焦物镜聚焦至所述超声振动装置上对晶圆进行扫描，并与所述超声振动装置配合在所述晶圆上形成若干激光改质层。通过本发明方案，大大提高了隐形切割的效率。
Description
技术领域
本发明涉及精密切割技术领域，具体而言，涉及一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置及方法。
背景技术
晶圆是一种用于芯片制造的圆形硅片或其他材料片。它是半导体的基础材料，用于制造集成电路和其他电子器件。随着高功率半导体市场的不断扩大，对于晶圆的需求量也日益增加。但是由于晶圆通常是由硅、蓝宝石、碳化硅等硬脆材料制成的，具有高硬度、高耐磨性和抗腐蚀性，使得其晶圆的切割面临许多挑战。
使用传统的金刚石刀具切割硬脆性材料晶圆，存在切割效率低、切口较宽、材料损耗大、崩边较大、刀具磨损大等一系列问题。而激光切割晶圆具有切割效率高、崩边小、洁净环保、工艺简单等优点，因此激光切割技术已经成为晶圆切割的主流方法，但是使用脉冲激光直接切割晶圆仍然存在切缝不直、表面有污染物、热损伤大等问题。
为了克服激光直接切割晶圆存在的问题，有学者提出将超快激光聚焦在材料内部进行改质，然后裂片的新方法，由于没有切缝，因此该方法也被称为隐形切割。但是现有的隐形切割方法中，能实现的纵向长度不足，且切割效率较低，无法满足生产需求。
发明内容
本发明公开了一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，旨在改善现有的隐形切割方法中，能实现的纵向长度不足，且切割效率较低的问题。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，包括：激光器、反射镜、聚焦物镜、超声振动装置以及高速三维移动平台；其中，晶片适于固定在所述超声振动装置上，所述超声振动装置设置在高速三维移动平台上以随着所述高速三维移动平台运动，所述聚焦物镜设置在所述超声振动装置上方以用于激光聚焦至所述超声振动装置上，所述激光器适于发出的超快脉冲激光适于被所述聚焦物镜聚焦至所述超声振动装置上对晶圆进行扫描，并与所述超声振动装置配合在所述晶圆上形成若干激光改质层。
进一步地，所述超声振动装置包括超声振动平台与超声振动发生器，所述超声振动发生器适于驱动所述超声振动平台实现超声振动。
进一步地，所述聚焦物镜上方设置有反射镜，所述激光器发出的超快脉冲激光适于通过所述反射镜反射至所述聚焦物镜上。
进一步地，所述激光器与所述反射镜之间设置有扩束器。
进一步地，还包括控制装置，所述控制装置控制连接所述激光器、高速三维移动平台。
本发明还提供了一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，应用上述所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，包括如下步骤：
步骤一：将晶圆粘附在超声振动平台上方，超声振动平台固定于高速三维移动平台上；
步骤二：打开超声振动发生器，使晶圆随超声振动平台一同产生纵向的超声振动；
步骤三:根据超快激光内部改质的要求，设置激光加工参数；
步骤四：激光器发射的激光经扩束器增大光束直径后，经反射镜进入聚焦物镜，通过聚焦物镜聚焦于晶圆的底部；
步骤五：通过控制装置实时控制激光器的功率以及控制高速三维移动平台从下往上运动来实现晶圆内部从下而上逐层扫描，以形成若干激光改质层。
进一步地，超声振动频率为10kHz-40kHz，超声振动振幅为1μm-30μm。
进一步地，在步骤三中，设定激光波长800nm-1100nm，重复频率1kHz-1MHz，激光功率0-30W可调，脉冲宽度0.1ps-10fs，激光扫描速度0.5m/s-5m/s可调。
进一步地，在步骤五中，激光改质层的层数设置为3-6层。
进一步地，从下到上所述激光改质层使用的激光功率逐渐降低。
有益效果：
通过超声振动的引入一方面可以在激光功率不变的情况下增加激光改质点的纵向长度，增大激光在焦点处的改质区域，并且减少激光改质层的数量，缩短激光改质时间；另一方面超声振动可以促进激光诱导的微裂纹沿纵向扩展，有助于晶圆的裂片，可以极大提高晶圆划片的生产效率，通过实时调整激光功率与超声振动装置配合，保证不同改质层的加工效果接近。
附图说明
图1是本发明实施例一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置的结构示意图；
图2是本发明实施例超声振动辅助超快激光高效改质晶圆的示意图。
附图标记：控制装置1，激光器2，扩束器3，反射镜4，聚焦物镜5，晶圆6，超声振动平台7，超声振动发生器8，高速三维移动平台9。
具体实施方式
实施例1
结合图1，本实施例提供了一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，包括：激光器2、反射镜4、聚焦物镜5、超声振动装置8以及高速三维移动平台9；其中，晶片适于固定在所述超声振动装置上，所述超声振动装置设置在高速三维移动平台9上以随着所述高速三维移动平台9运动，所述聚焦物镜5设置在所述超声振动装置上方以用于激光聚焦至所述超声振动装置上，所述激光器2适于发出的超快脉冲激光适于被所述聚焦物镜5聚焦至所述超声振动装置上对晶圆6进行扫描，并与所述超声振动装置配合在所述晶圆6上形成若干激光改质层。
具体地，本实施例中，所述晶圆6采用的是半绝缘型4H-SiC晶圆6。所述超声振动装置包括超声振动平台7与超声振动发生器8，所述超声振动发生器8适于驱动所述超声振动平台7实现超声振动。超声振动发生器8可以输出不同振幅和不同频率的超声振动，能有效增加样品内部改质点的纵向长度，同时促进激光诱导的微裂纹沿纵向扩展。超声振动发生器8可以输出不同振幅和不同频率，例如本实施例中，可以实现超声振动平台7在振动频率10kHz-40kHz、振幅1μm-30μm范围内可调。所述超声振动平台7适于固定SiC晶圆6。
本实施例中，所述激光器2用于提供脉冲激光束，激光功率在0-30W可调，脉冲宽度在0.1ps-10fs可调，激光扫描速度0.5m/s-5m/s可调，激光波长在800nm-1100nm可调，重复频率在1kHz-1MHz可调。进一步地，设置所述激光器2的波长大于晶圆6材料的吸收带边，避免引起激光在材料表面发生烧蚀；所述激光器2的脉宽介于几十飞秒和几百皮秒之间，其产生的激光束能量较高，可以对晶圆6的内部进行改质，且热影响很小，能避免对周围材料造成热损伤。
所述超声振动平台7设置在所述高速三维移动平台9上，所述高速三维移动平台9为现有设备，能带动所述超声振动平台7进行多方位移动。高速三维移动平台9具有XYZ三轴运动系统，XYZ三轴的重复定位精度为±1μm，且高速三维移动平台9的移动轨迹由控制装置1控制，可以在水平方向高速移动，最大移动速度3m/s；通过三维移动平台的高速精密移动来控制激光在晶圆6内部改质点的位置。
所述激光器2与所述反射镜4之间设置有扩束器3，通过扩束器3扩大平行输入光束的直径。所述聚焦物镜5的放大倍数可以为50，其数值孔径大于等于0.6。当然，该参数只是较佳的实施例之一，不局限于此。激光器2发射的激光束能通过高倍聚焦物镜5精确聚焦在晶圆6内部，焦点大小1μm～2μm。
所述控制装置1可以使用电脑控制，可以通过所述控制装置1控制连接所述激光器2、高速三维移动平台9，以实时调节激光器2的参数、高速三维移动平台9的移动速度和移动方向。
本实施例中，超快脉冲激光束通过物镜聚焦在晶圆6内部进行改质，激光加工过程中通过三维移动平台的高速移动来带动晶圆6的移动，进而调控激光焦点相对于晶圆6内部的位置，并且实现逐点逐层高速扫描。
实施例2
本实施例提供了一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，应用上述所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，包括如下步骤：
步骤一：将晶圆6粘附在超声振动平台7上方，超声振动平台7固定于高速三维移动平台9上；
步骤二：打开超声振动发生器8，使晶圆6随超声振动平台7一同产生纵向的超声振动；
步骤三:根据超快激光内部改质的要求，设置激光加工参数；
步骤四：激光器2发射的激光经扩束器3增大光束直径后，经反射镜4进入聚焦物镜5，通过聚焦物镜5聚焦于晶圆6的底部；
步骤五：通过控制装置1实时控制激光器2的功率以及控制高速三维移动平台9从下往上运动来实现晶圆6内部从下而上逐层扫描，以形成若干激光改质层。
如图2所示，通过上述步骤，在内部改质过程中超声振动可以增加改质点的纵向长度，促进晶圆6内部微裂纹沿纵向扩展。该方法能大大减少晶圆裂片所需的激光改质层数量，从而缩短激光扫描的时间，提高激光改质效率。
在本实施例中，可以设置超声振动装置的振动频率为28kHz，超声振动振幅为6μm。在步骤三中，根据超快激光内部改质的要求，可以实时设置激光加工参数，包括激光波长、重复频率、激光功率、脉冲宽度；例如在本实施例中，可以设定激光波长1064nm，重复频率100kHz，激光功率1.3W，脉冲宽度10ps。当然，在参数设置仅为其中较佳的一个实施例，不局限于此。同时本实施例中，可以设置高速三维移动平台9的横向移动速度为1m/s，这样通过超快激光在晶圆6内部产生激光改质点，改质区存在较大的应力，导致微裂纹的形成。
在步骤五中，激光改质层的层数可以设置为四层，当然不局限于此。例如可以在3-6层之间根据SiC晶圆6的形状、大小等参数进行选择。激光束在SiC晶圆6内部通过由下至上逐层扫描的方式进行加工，且激光功率由下至上逐层降低，以保证不同改质层的加工效果接近。例如，在一实施例中，设置从下到上四层所述激光改质层使用的激光功率分别为1.3W、0.8W、0.45W、0.1W。
通过本发明实施例方案，可以在激光功率不变的情况下增加激光改质点的纵向长度，增大激光在焦点处的改质区域；另一方面超声振动可以促进激光诱导的微裂纹沿纵向扩展，有利于上下改质层的连接，有助于晶圆6的裂片。
应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
Claims (10)
1.一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，其特征在于，包括：激光器、反射镜、聚焦物镜、超声振动装置以及高速三维移动平台；其中，晶片适于固定在所述超声振动装置上，所述超声振动装置设置在高速三维移动平台上以随着所述高速三维移动平台运动，所述聚焦物镜设置在所述超声振动装置上方以用于激光聚焦至所述超声振动装置上，所述激光器适于发出的超快脉冲激光适于被所述聚焦物镜聚焦至所述超声振动装置上对晶圆进行扫描，并与所述超声振动装置配合在所述晶圆上形成若干激光改质层。
2.根据权利要求1所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，其特征在于，所述超声振动装置包括超声振动平台与超声振动发生器，所述超声振动发生器适于驱动所述超声振动平台实现超声振动。
3.根据权利要求2所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，其特征在于，所述聚焦物镜上方设置有反射镜，所述激光器发出的超快脉冲激光适于通过所述反射镜反射至所述聚焦物镜上。
4.根据权利要求3所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，其特征在于，所述激光器与所述反射镜之间设置有扩束器。
5.根据权利要求4任意一项所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置控制连接所述激光器、高速三维移动平台。
6.一种超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，其特征在于，应用权利要求5所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆装置，包括如下步骤：
步骤一：将晶圆粘附在超声振动平台上方，超声振动平台固定于高速三维移动平台上；
步骤二：打开超声振动发生器，使晶圆随超声振动平台一同产生纵向的超声振动；
步骤三：根据超快激光内部改质层的要求，设置激光加工参数；
步骤四：激光器发射的激光经扩束器增大光束直径后，经反射镜进入聚焦物镜，通过聚焦物镜聚焦于晶圆的底部；
步骤五：通过控制装置实时控制激光器的功率以及控制高速三维移动平台从下往上运动来实现晶圆内部从下而上逐层扫描，以形成若干激光改质层。
7.根据权利要求6任意一项所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，其特征在于，超声振动频率为10kHz-40kHz，超声振动振幅为1μm-30μm。
8.根据权利要求6任意一项所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，在步骤三中，设定激光波长800nm-1100nm，重复频率1kHz-1MHz，激光功率0-30W可调，脉冲宽度0.1ps-10fs。
9.根据权利要求6任意一项所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，在步骤五中，激光改质层的层数设置为3-6层。
10.根据权利要求9任意一项所述的超声振动辅助超快激光隐形切割晶圆的方法，从下到上激光改质层的使用的激光功率逐渐降低。
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