CN1733415A - 激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

通过沿着工件上形成的划分线施加脉冲激光光束来沿着该划分线形成激光凹槽的激光加工方法，该方法包括步骤：以椭圆形状形成该脉冲激光光束的聚焦光斑；沿着每条该划分线对该椭圆形聚焦光斑的长轴进行定位；和沿着该划分线彼此相对地移动该聚焦光斑和该工件。

Description

激光加工方法
发明领域
本发明涉及一种沿着在诸如半导体晶片等工件上形成的称作“道(street)”的划分线执行激光加工的方法。
背景技术
在半导体器件的生产工艺中，利用基本上为盘形的半导体晶片前表面上的网格图案中所设置的称作“道”的划分线，分割出多个区域，且在每个分割出的区域中形成诸如IC或LSI的电路(功能元件)。通过沿着划分线切割该半导体晶片，以便将其划分为其上形成有电路的多个区域，从而制造出单个的半导体芯片。还可以沿着划分线切割光学器件晶片，该光学器件晶片包括层叠于蓝宝石基片前表面上的诸如光电二极管的光接收元件(多个功能元件)或诸如激光二极管的发光元件(多个功能元件)，从而分割出诸如光电二极管或激光二极管的单个光学器件，而且这些光学器件广泛应用于电子设备中。
通常，利用称为“划片机”的切割设备来沿着以上半导体晶片或光学器件晶片的划分线执行切割。这种切割设备包括：用于固定诸如半导体晶片或光学器件晶片的卡盘台(chuck table)，用于切割固定在卡盘台上的工件的切割装置；用于使得卡盘台和切割装置彼此相对地移动的切割进给装置。该切割装置包括配备有旋转轴的轴单元，安装在该轴上的切割刀片和用于旋转驱动该旋转轴的驱动机制。该切割刀片包括盘形基座和安装在该基座的侧表面外围部分上的环形切割边缘，并且以电铸方式通过将具有直径大约为3μm的菱形研磨颗粒固定在基座上而形成厚度约为20μm的该环形切割边缘。
然而，由于切割刀片具有约为20μm的厚度，用于分割芯片的划分线必须具有约为50μm的宽度，并由此划分线与晶片的面积比较大，从而降低了生产率。此外，由于蓝宝石基片、碳化硅基片等具有高Mohs硬度，因而利用上述切割刀片进行的切割总是不容易实现。同时，JP-A 10-305420提出了一种作为分割诸如半导体晶片的盘形(plate-like)工件的手段的方法，在该方法中，沿着工件上形成的划分线施加脉冲激光光束，从而形成激光凹槽且工件被沿着该激光凹槽分割开。
由于由激光加工而形成的激光凹槽很浅，因而为了在工件上形成具有预定深度的激光凹槽，必须沿着相同的划分线多次执行激光光束的施加步骤。因此，为了提高激光加工的加工效率，如何加大每次激光光束施加步骤的加工深度已经变得十分重要。此外，由于在现有技术中，应用于激光加工的激光光束的聚焦光斑为圆形，所以当沿着工件的划分线施加脉冲激光光束时，产生熔化的碎屑并且这些熔化的碎屑填充了所形成的激光凹槽。因此，引起的问题在于阻断了下一次施加的激光光束或者不能将该激光光束的聚焦光斑设置在该激光凹槽的底部，从而无法有效地形成具有预定深度的激光凹槽。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种激光加工方法，该激光加工方法能够增加由一次激光加工而形成的激光凹槽的加工深度，而且在执行加工时在已由激光加工形成的凹槽中不会积累由施加激光光束而产生的碎屑。
为了达到上述主要技术目的，提出了一种用于通过沿着工件上形成的划分线施加脉冲激光光束来形成沿着该划分线的激光凹槽的激光加工方法，该方法包括以下步骤：
以椭圆形形成该脉冲激光光束的聚焦光斑；
沿着每条所述划分线对所述椭圆形聚焦光斑的长轴进行定位；并且
沿着所述划分线，彼此相对地加工进给所述聚焦光斑和所述工件。
优选地，将所述椭圆形聚焦光斑的长轴的长度dl(mm)与短轴长度d2(mm)的比设定为4∶1至12∶1。优选地，若所述椭圆聚焦光斑的长轴的长度表示为d1(mm)，所述脉冲激光光束的频率表示为Z(Hz)，和所述加工进给速率表示为V(mm/sec)，设定其关系满足d1＞V/Z。优选地，将所述椭圆形聚焦光斑在短轴侧的能量分布从高斯分布改变为礼帽形(top hat)分布。
根据本发明，由于聚焦光斑被形成为椭圆形，因而在长轴侧的会聚率(converging rate)小于短轴侧的会聚率，且光斑区域的变化率小于激光光束的圆形光斑区域的变化率。因此，当在聚焦点处施加每单位区域能够达到预定输出的激光光束时，在距离聚焦点一预定距离的位置处，具有椭圆形光斑的激光光束每单位区域的输出高于具有圆形光斑的激光光束，由此，具有椭圆光斑的激光光束L的加工深度大于具有圆形光斑的激光光束的加工深度(聚焦深度)，由此能够增加由一次激光加工而形成的激光凹槽的加工深度。
对于具有椭圆形光斑的激光光束而言，由于其在长轴侧的会聚率小于在短轴侧的会聚率，因而在加工方向上的能量分布的变化较为和缓。所以，由施加激光光束而产生的碎屑被沿着变化和缓的能量分布的切线方向散开和排出，并不会积累在所形成的激光凹槽内。
附图说明
图1示出要利用本发明的激光加工方法加工的半导体晶片通过保护带安装在框架(frame)上的状态的透视图；
图2是用于执行本发明的激光加工方法的激光光束加工设备的主剖面的透视图；
图3是示出在图2所示的激光光束加工设备中配备的激光光束施加装置的构成的示意性框图；
图4是构成图3所示的激光光束施加部件的脉冲激光振荡装置和光学传输系统的框图；
图5(a)和5(b)是本发明的激光加工方法中激光凹槽形成步骤的说明图；
图6是具有由本发明的激光加工方法形成的激光凹槽的半导体晶片的主剖面的放大剖面图；
图7(a)和7(b)是示出了分别具有圆形光斑和椭圆形光斑的激光光束的聚焦光斑的说明图；
图8是示出在本发明的激光加工方法中脉冲激光光束的相邻椭圆形光斑与另一个相互交叠的状态的说明图；
图9是具有按照本发明的激光加工方法通过多次执行激光凹槽形成步骤所形成的激光凹槽的半导体晶片的主剖面的放大剖面图；
图10的曲线图示出具有椭圆形光斑的脉冲激光光束的长轴与短轴的比与激光凹槽的深度之间的关系；
图11(a)和11(b)是分别由具有圆形光斑的激光光束的加工状态和具有椭圆形光斑的激光光束的加工状态的说明图；
图12是按照本发明的另一个实施例的如图3所示的构成激光光束施加装置的脉冲激光振荡装置和光学传输系统的框图；
图13是由图12所示的由激光光束施加装置施加的激光光束的能量分布的说明图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的激光加工方法。
图1是作为将要利用本发明的激光加工方法进行加工的工件的半导体晶片的透视图。在如图1所示的半导体晶片2中，由多个划分线21分割为多个区域，其中该多个划分线设置在诸如GaAs基片的半导体基片20的前表面20a上的网格图案中，且在每个分割出的区域中形成诸如IC或LSI的器件22。以如下方式将由此构成的半导体晶片2的后表面放置在安装于环形框架3上的保护带4之上，即，前表面2a，也就是其上形成有划分线21和器件22的表面面向上。
图2至图4示出用于执行本发明的激光加工方法的激光光束加工设备。利用图2至图4所示的激光光束加工设备执行本发明的激光加工方法。如图2至图4所示的激光光束加工设备5包括用于固定工件的卡盘台51，用于向固定在卡盘台51上的工件施加激光光束的激光光束施加装置52，用于拾取固定在卡盘台51上的工件的图像的图像拾取装置58。将卡盘台51构成为吸附固定(suction-hold)工件，并将其设计为通过未示出的移动机制，沿着图2中箭头X指示的加工进给方向和箭头Y指示的分度进给(indexing-feed)方向移动。
上述激光光束施加装置52具有基本上水平设置的圆柱外壳53。如图3所示，在外壳53中，安装有脉冲激光光束振荡装置54和光学传输系统(transmission optical system)55。脉冲激光光束振荡装置54包括由YAG激光振荡器或YVO4激光振荡器构成的脉冲激光光束振荡器541和连接到脉冲激光光束振荡器541的重复频率设置装置542。
光学传输系统55包括扩束透镜551和椭圆成形透镜552，如图4所示。通过扩束透镜551，可将由上述脉冲激光光束振荡装置54施加的具有圆形光斑(横截面形状)的激光光束LBa扩展为具有圆形光斑(横截面形状)的激光光束LBb，并且进而通过椭圆成形透镜552形成具有椭圆形光斑(横截面形状)(其长轴为D1且短轴为D2)的激光光束LBc。
回到图3，聚光器56安装在上述外壳53的端部。聚光器56具有方向改变反射镜561和目标聚光透镜562，如图3所示。因此，利用方向改变反射镜561，能够以直角偏转由上述脉冲激光光束振荡装置54通过光学传输系统55施加的激光光束LBc(其聚焦光斑为长轴为D1且短轴为D2的椭圆形)，并利用上述目标聚光透镜562会聚该光束，然后将其作为脉冲激光光束LBd，以聚焦光斑S施加到固定于上述卡盘台51的工件上。该聚焦光斑S具有长轴d1和短轴d2的椭圆形的横截面。
回到图2，在图示的实施例中，安装在由上述激光光束施加装置52构成的外壳53的端部的图像拾取装置58，由利用可见光线来拾取图像的普通图像拾取器件(CCD)构成，且该图像拾取装置58将获得的图像信号提供给控制装置(未示出)。
参照图2和图5至图9，将描述利用上述激光光束加工设备5沿着上述半导体晶片2的划分线21执行的激光加工方法。
为了沿着半导体晶片2的划分线21执行激光加工，首先，按照如下方式将半导体晶片2放置于图2所示的激光光束加工设备5的卡盘台51上，即，使得其前表面2a向上，并且吸附—固定在卡盘台51上。虽然在图2中未示出安装在保护带4上的环形框架3，但是其被固定在设置于卡盘台51上的适当的框架固定装置上。
通过移动机制(未示出)，将如上所述吸附—固定了半导体晶片2的卡盘台51定位于图像拾取装置58的下方。在将卡盘台51定位于图像拾取装置58的下方后，利用图像拾取装置58和控制装置(未示出)执行对准工作，该对准工作用于检测半导体晶片2的待加工区域。也就是说，图像拾取装置58和控制装置(未示出)执行诸如图形匹配等的图像处理，以使得形成于半导体晶片2的预定方向上的划分线21和用于沿划分线21施加激光光束的激光光束施加装置的聚光器56对准，从而执行激光光束施加位置的对准。相似地，在垂直于该预定方向的方向上，对在半导体晶片2上形成的划分线21执行激光光束施加位置的对准。
在如上所述检测到形成于固定在卡盘台51上的半导体晶片2之上的划分线21，且执行了激光光束施加位置的对准之后，将卡盘台51移动到激光光束施加区域，在该区域，对用于施加激光光束的激光光束施加装置52的聚光器56进行定位，以使得预定划分线21的一端(图5(a)中的左端)到达激光光束施加装置52的聚光器56的下方位置，如图5(a)所示。如图5(b)所示，在此处，将位于由聚光器56施加的激光光束LBd的椭圆形聚焦光斑S处的长轴d1定位于沿着划分线21。将位于聚焦光斑S处的短轴d2的宽度设定为小于划分线21的宽度B。
然后，以预定的加工—进给速率，沿着由图5(a)中箭头X1所指示的方向移动卡盘台51，即，半导体晶片2，同时由聚光器56施加脉冲激光光束。当划分线21的另一端(图5(a)中的右端)到达激光光束施加装置52的聚光器56的施加位置时，暂停脉冲激光光束的施加，且卡盘台51，即半导体晶片2的移动停止。因此，沿着半导体晶片2中的划分线21形成激光凹槽210，如图6所示(激光凹槽形成步骤)。
由于在上述激光凹槽形成步骤中，施加到半导体晶片2的激光光束的聚焦光斑S被形成为椭圆形状，因而位于由目标聚光透镜562会聚的聚焦点处的椭圆形光斑S的长轴侧的会聚率小于具有圆形光斑的激光光束的会聚率。这一点将参照图7(a)和7(b)进行描述。图7(a)显示出将具有圆形光斑的激光光束LB1施加到目标聚光透镜562。如图7(a)所示，将施加到目标聚光透镜562的具有圆形光斑的激光光束LB1(直径D2)会聚为在聚焦点P处具有圆形光斑S1的激光光束LB2(直径d2)。同时，图7(b)显示出将具有椭圆形光斑的激光光束LBc施加到目标聚光透镜562。如图7(b)所示，将施加到目标聚光透镜562的具有椭圆形光斑的激光光束LBc(长轴为D1且短轴为D2)会聚为在聚焦点P处具有椭圆形光斑S的激光光束LBd(长轴为d1且短轴为d2)。在具有椭圆形光斑的激光光束LBc的情形中，由于在短轴侧的D2被会聚为位于聚焦点P处的d2，因而，其会聚率基本与具有圆形光斑的激光光束LB1的会聚率相同。然而，由于在长轴侧的D1被会聚为d1，因而，会聚率小于短轴的会聚率。因此，具有椭圆形光斑的激光光束LBd的光斑区域的变化率小于具有圆形光斑的激光光束LB2的光斑区域的变化率。因此，当施加激光光束时，其中在聚焦点P处由该激光光束达到每单位区域的预定输出，在距离聚焦点P预定距离的位置处，具有椭圆形光斑的激光光束LBd的每单位区域的输出大于具有圆形光斑的激光光束LB2的每单位区域的输出。也就是说，具有椭圆形光斑的激光光束LBd的加工深度(聚焦深度)E大于具有圆形光斑的激光光束LB2的加工深度E。
如上所述，由聚光器56将激光光束LB以椭圆形光斑S的方式施加到半导体晶片2上。若脉冲激光光束的重复频率由Z(Hz)表示，加工—进给速率由V(mm/sec)表示，且脉冲激光光束的光斑S的长轴长度(在加工—进给方向上的长度)由d1表示，那么通过设定加工条件使之满足d1＞(V/Z)，可使得在进给方向X上，也就是，沿着划分线21，脉冲激光光束的相邻光斑S彼此部分交叠，如图8所示。在如图8所示的例子中，在脉冲激光光束的光斑S的加工—进给方向X上的交叠率为50％。通过改变加工—进给速率V(mm/sec)或脉冲激光光束的光斑S在加工—进给方向上的长度，可以适当地设定该交叠率。
在以下条件下，执行上述激光凹槽形成步骤，例如：
光源：YVO4激光器或YAG激光器
波长：355nm
平均输出：2W
重复频率：30kHz
脉冲宽度：100ns
光斑S的尺寸：高度20μm×长度40μm，高度20μm×长度20μm；
加工—进给速率：400mm/sec
加工重复次数：8
例如，通过执行8次上述激光凹槽形成步骤，可沿着半导体晶片2的划分线21，在GaAs基片20上形成宽度不大于划分线21的宽度B的激光凹槽210，如图8所示。
以下将描述关于在上述激光凹槽形成步骤中形成的激光凹槽210的加工深度的实验结果。图10示出当在上述加工条件下沿着同一划分线对直径为100mm厚度为0.2mm的GaAs晶片执行8次激光凹槽形成步骤时获得的激光凹槽深度。在这些实验中，在不改变聚光器56的高度位置(在z方向上的位置)的情况下执行激光光束的施加。在图10中，水平轴示出具有椭圆形光斑的激光光束的长轴d1与短轴d2的比率，垂直轴示出激光凹槽的深度。当图10的水平轴上绘出长轴d1与短轴d2的比率为1∶1时，激光光束具有圆形光斑。由图10可以了解，当利用具有椭圆形光斑的激光光束进行加工时，所获得的凹槽要深于利用具有圆形光斑的激光光束进行加工时的情况。尤其是，当椭圆形光斑的长轴d1与短轴d2的比率处于4∶1到12∶1的范围内时，该深度将是具有圆形光斑的激光光束的深度的5倍或大于5倍，从而显著地改善了加工效率。因而，需要将具有椭圆形光斑的激光光束的光斑的长轴d1与短轴d2的比率设定为4∶1至12∶1。
下面将研究由将激光光束施加到晶片上而产生的碎屑的排放方向。
图11(a)示出当将具有圆形光斑的激光光束LB2施加到作为工件的半导体晶片2上时，从垂直于加工方向的方向看去的加工状态。由于在图11(a)中示出的具有圆形光斑的激光光束LB2在加工方向X1上的聚光率基本与所有方向上的聚光率相同，因而是将具有锐角的能量分布的激光光束施加到半导体晶片2上。虽然由施加激光光束而产生的碎屑沿着能量分布(高斯分布)的切线方向散开，但是由于具有圆形光斑的激光光束L2在加工方向X上的能量分布(高斯分布)具有锐角，因而在先前形成的激光凹槽中将碎屑向上散开和累积。由此，在激光凹槽中累积的碎屑将成为沿着该激光凹槽施加下一激光光束的障碍。
图11(b)示出当将具有椭圆形光斑的激光光束LBd施加到作为工件的半导体晶片2时，从垂直于加工方向的方向看去的加工状态。如图11(b)中示出，由于如上所述具有椭圆形光斑的激光光束LBd在加工方向X1上(光斑的长轴方向)具有较小的会聚率，因而在加工方向X1上的能量分布(高斯分布)的变化变得和缓。因此，由施加激光光束而产生的碎屑将沿着变化和缓的能量分布(高斯分布)的切线方向散开并排放，从而碎屑不会在先前形成的激光凹槽中累积。
接下来将参照图12给出本发明的激光加工方法的另一个实施例的描述。
在图12所示的实施例中，在上述实施例中，通过如图4所示的光学传输系统55施加的激光光束在光斑的形状上发生变化。也就是说，通过使得在光学传输系统中由椭圆成形透镜552形成的具有椭圆形光斑(横截面形状)(长轴为D1且短轴为D2)的激光光束LBc穿过矩形的帽顶形(hat top)掩模553，而形成在短轴D3侧上被遮盖的激光光束LBe。激光光束LBe具有长度为D1的长轴和宽度为D3的短轴。由于除了提供了矩形的帽顶形掩模553外，图12所示的实施例基本与图4所示的实施例相同，因而对相同的元件赋予相同的附图标记，且略去其详细描述。
由于在图12中，通过使得由椭圆成形透镜552形成的具有椭圆形光斑(横截面形状)(长轴为D1且短轴为D2)的激光光束LBc穿过矩形的帽顶形掩模553，而形成在短轴D3侧上被遮盖的激光光束LBe(其长轴为D1其短轴为D3)，短轴D3侧的能量分布从由断线示出的高斯分布变为由实线示出的“礼帽形(top hat)分布”，如图13所示。因此，在激光凹槽的宽度方向两侧的能量分布变大，从而激光凹槽两侧可被加工得非常锐利，并由此可以防止激光凹槽的两侧出现剥皮(peeling-off)。
在基于图示的实施例对本发明进行描述的同时，还需要注意本发明并不限于此，而是可以在不背离本发明的范围的情况下以其他各种方式加以变化和更改。在图示的实施例中，将本发明应用到由GaAs基片构成的半导体晶片上。无需说明，本发明还可以应用到由诸如蓝宝石基片的其他基片构成的晶片上。此外，虽然在图示的实施例中，从晶片的前表面形成激光凹槽，但是通过沿着划分线从晶片的后表面施加激光光束，也可以从晶片的后表面形成激光凹槽。在这种情形下，在进行上述对准工作的时候，由红外照相机从晶片的后表面检测晶片前表面上形成的划分线。此外，虽然在图示的实施例中，在光学传输系统55中配备了椭圆成形透镜552和矩形帽顶形掩模553，它们也可配备在聚光器56中。而且，虽然在上述实施例中，以恒定的输出施加激光光束，但是根据激光凹槽的深度还可以改变输出。此外，还可以在激光加工过程中，向加工区域供应诸如氮气和氩气的惰性气体。

Claims (4)

1、一种激光加工方法，用于通过沿着工件上形成的划分线施加脉冲激光光束来沿着该划分线形成激光凹槽，该方法包括步骤：
以椭圆形状形成所述脉冲激光光束的聚焦光斑；
沿着每条所述划分线对所述椭圆形聚焦光斑的长轴进行定位；和
沿着所述划分线彼此相对地移动所述聚焦光斑和所述工件。
2、如权利要求1所述的激光加工方法，其中，将所述椭圆形聚焦光斑的长轴的长度d1(mm)与短轴的长度d2(mm)的比率设定为4∶1至12∶1。
3、如权利要求1所述的激光加工方法，其中若所述椭圆形聚焦光斑的所述长轴的长度用d1(mm)表示，所述脉冲激光光束的频率用Z(Hz)表示，且加工-进给速率用V(mm/sec)表示，则设定其满足关系d1＞(V/Z)。
4、如权利要求1所述的激光加工方法，其中，所述椭圆形聚焦光斑的所述短轴侧的能量分布从高斯分布变为礼帽形分布。
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