CN1779914A - 硅晶片激光加工方法和激光束加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种通过沿着分割线照射激光束而在硅晶片内部沿着形成于硅晶片上的分割线形成变质层的硅晶片激光加工方法，其中激光束的波长设定为1100至2000nm。

Description

硅晶片激光加工方法和激光束加工装置
技术领域
本发明涉及一种通过沿形成于硅晶片上的分割线照射激光束而沿分割线在硅晶片内部形成变质层的激光加工方法和一种激光束加工装置。
背景技术
在半导体器件的制造过程中，通过在大致为盘形的半导体晶片前表面上以格子形状设置的、称为“迹线”的分割线而分割出多个区域，并且电路，如IC或LSI形成于各分割区域中。通过沿分割线切割该半导体晶片以将其分割成具有电路形成于其上的区域而制造单独的半导体芯片。
沿上述半导体晶片分割线的切割通常通过使用称为“切块机”的切割装置完成。因为这种切割装置采用具有大约20μm厚度的切割刀片切割半导体晶片，因此形成于半导体晶片上的分割线必定具有大约50μm的宽度。因此，分割线与半导体芯片的面积比率就很高，由此降低了生产率。
作为分割板状工件，如半导体晶片的手段，至今仍然在尝试一种应用对工件具有穿透性的脉冲激光束并使其聚光点设定在待分割区域内部的激光加工方法，并且在日本专利No.3408805中公开了这种方法。在使用该激光加工技术的分割方法中，工件通过下面方式分割：从工件的一个表面作用对工件具有穿透性、具有1064nm波长的脉冲激光束并且使其聚光点设定在内部，以至沿分割线在工件内部形成一个变质层，并且沿着因变质层的形成而强度降低的分割线施加外力。
但是，该脉冲激光束的波长(1064nm)对应于从对硅晶片具有吸收性的波长范围到对硅晶片具有穿透性的波长范围的中间范围。因此，当沿着硅晶片的分割线作用具有1064nm波长的脉冲激光束以至在硅晶片内部形成变质层时，在硅晶片内部不能完全实现多光子吸收，因此并不总能形成良好的变质层，由此使得难以沿分割线平滑地分割硅晶片。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够沿分割线在硅晶片内部形成良好变质层的硅晶片激光加工方法和激光束加工装置。
为了达到上述目的，根据本发明，它提供了一种硅晶片激光加工方法，其通过沿着形成于硅晶片上的分割线照射激光束而沿分割线在硅晶片内部形成变质层，其中：
激光束的波长设定为1100至2000nm。
优选的是，激光束的波长设定为1300至1600nm。
根据本发明，它还提供了一种激光束加工装置，包括一个用于保持晶片的卡盘台、一个用于将激光作用于保持在卡盘台上的晶片的激光束照射装置和一个用于相对于彼此移动卡盘台和激光束照射装置的加工进给装置，其中
激光束照射装置包括一个用于振荡产生具有1100至2000nm波长的激光束的激光束振荡装置。
根据本发明，由于沿着硅晶片的分割线作用具有1100至2000nm波长的激光束，它对硅晶片的穿透性很高，由此使得有可能在硅晶片内部有效地形成变质层。
附图说明
图1是根据本发明构成的激光束加工装置的一个透视图；
图2是一个框图，示意性地显示了设置在图1所示激光束加工装置中的激光束照射装置的构成；
图3是显示脉冲激光束聚光点直径的一个示意图；
图4是将要通过本发明的激光加工方法加工的半导体硅晶片的一个透视图；
图5(a)和5(b)是显示本发明的激光加工方法中变质层形成过程的说明图；和
图6是三点弯曲试验法的说明图。
具体实施方式
下面将参考附图来详细说明根据本发明的硅晶片激光加工方法和激光束加工装置的优选实施例。
图1是根据本发明构成的激光束加工装置的一个透视图。图1中所示的激光束加工装置包括一个固定基座2、一个用于保持以某种方式安装在固定基座2上，以至于可以沿箭头X所示加工进给方向移动的工件的卡盘台机构3、一个以某种方式安装在固定基座2上，以至于可以沿着与箭头X所示方向垂直的箭头Y所示分度进给方向移动的激光束照射单元支承机构4和一个以某种方式安装在激光束照射单元支承机构4上，以至于可以沿箭头Z所示方向移动的激光束照射单元5。
上述卡盘台机构3具有一对安装在固定基座2上并且沿箭头X所示加工进给方向平行于彼此设置的导轨31和31、一个以某种方式安装在导轨31和31上，以至于可以沿箭头X所示加工进给方向移动的第一滑块32、一个以某种方式安装在第一滑块32上，以至于可以沿箭头Y所示分度进给方向移动的第二滑块33、一个由圆柱构件34支承在第二滑块33上面的支承台35和一个作为工件保持装置的卡盘台36。该卡盘台36具有一个由多孔性材料制成的吸附卡盘361，以至于作为工件的盘形半导体晶片由一个未示出的吸力装置保持在吸附卡盘361上。卡盘台36由一个安装在圆柱构件34中的脉冲电机(未示出)转动。
上述第一滑块32在其底面具有一对与上述成对导轨31和31配合的导槽321和321，并且在顶面具有一对沿箭头Y所示分度进给方向平行于彼此形成的导轨322和322。如上述方式构成的第一滑块32构成为通过分别配合导槽321和321与成对导轨31和31而沿着成对导轨31和31在箭头X所示加工进给方向移动。所述实施例中的卡盘台机构3具有用于在箭头X所示加工进给方向沿着成对导轨31和31移动第一滑块32的加工进给装置37。加工进给装置37包括一个与其平行地设置在上述成对导轨31和31之间的阳螺杆371和一个用于旋转驱动阳螺杆371的驱动源，如脉冲电机372。阳螺杆371在其一端可旋转地支承在固定于上述固定基座2上的轴承座373上面，并且在另一端传动连接至上述脉冲电机372的输出轴。阳螺杆371旋入形成于从第一滑块32中间部分的底面伸出的螺母块(未示出)中的螺纹通孔中。因此，通过使用脉冲电机372沿正常方向或相反方向驱动阳螺杆371，第一滑块32就在箭头X所示加工进给方向沿着导轨31和31移动。
上述第二滑块33在其底面具有一对与形成于上述第一滑块32顶面的成对导轨322和322配合的导槽331和331，并且构成为通过分别配合导槽331和331与成对导轨322和322而在箭头Y所示分度进给方向移动。所述实施例中的卡盘台机构3具有用于沿着形成于第一滑块32上的成对导轨322和322在箭头Y所示分度进给方向移动第二滑块33的第一分度进给装置38。第一分度进给装置38包括一个与其平行地设置在上述成对导轨322和322之间的阳螺杆381和一个用于旋转驱动阳螺杆381的驱动源，如脉冲电机382。阳螺杆381在其一端可旋转地支承在固定于上述第一滑块32顶面的轴承座383上面，并且在另一端传动连接至上述脉冲电机382的输出轴。阳螺杆381旋入形成于从第二滑块33中间部分的底面伸出的螺母块(未示出)中的螺纹通孔中。因此，通过使用脉冲电机382沿正常方向或相反方向驱动阳螺杆381，第二滑块33就在箭头Y所示分度进给方向沿着导轨322和322移动。
上述激光束照射单元支承机构4具有一对安装在固定基座2上并且沿箭头Y所示分度进给方向平行于彼此设置的导轨41和41以及一个以某种方式安装在导轨41和41上，以至于可以沿箭头Y所示方向移动的活动支承座42。该活动支承座42包括一个活动安装在导轨41和41上的活动支承部分421和一个安装在活动支承部分421上的安装部分422。安装部分422设置有一对在其侧面上沿箭头Z所示方向平行延伸的导轨423和423。所述实施例中的激光束照射单元支承机构4包括用于在箭头Y所示分度进给方向沿着成对导轨41和41移动活动支承座42的第二分度进给装置43。第二分度进给装置43包括一个与其平行地设置在上述成对导轨41和41之间的阳螺杆431和一个用于旋转驱动阳螺杆431的驱动源，如脉冲电机432。阳螺杆431在其一端可旋转地支承在固定于上述固定基座2上面的轴承座(未示出)上面，并且在另一端传动连接至上述脉冲电机432的输出轴。阳螺杆431旋入形成于从构成活动支承座42的活动支承部分421的中间部分的底面伸出的螺母块(未示出)中的螺纹通孔中。因此，通过使用脉冲电机432沿正常方向或相反方向驱动阳螺杆431，活动支承座42就在箭头Y所示分度进给方向沿着导轨41和41移动。
所述实施例中的激光束照射单元5具有一个单元支架51和一个固定到单元支架51上的激光束照射装置52。单元支架51具有一对与安装于上述安装部分422上的成对导轨423和423可滑动地配合的导槽511和511，并且通过分别配合导槽511和511与上述导轨423和423而以某种方式支承，以至于它可沿箭头Z所示方向移动。
所述激光束照射装置52包括一个固定到上述单元支架51上并且基本上水平延伸的圆柱外壳521。在外壳521中，安装有一个脉冲激光束振荡装置522和一个透射光学系统523，如图2所示。脉冲激光束振荡装置522通过一个由YAG激光振荡器或YVO4激光振荡器构成的脉冲激光束振荡器522a和一个与脉冲激光束振荡器522a相连的重复频率设定装置522b构成。脉冲激光束振荡器522a设计为振荡具有1100至2000nm波长的脉冲激光束。上述透射光学系统523包括合适的光学元件，如电子束分裂器等。一个容纳有由透镜组合构成的聚光透镜(未示出)的聚光器524与上述外壳521的端部相连，透镜组合可以具有本身已知的构成。
经过上述脉冲激光束振荡装置522振荡的激光束通过透射光学系统523到达聚光器524并且从聚光器524以预定的聚光点直径D作用于保持在卡盘台36上的工件。当显示高斯分布的脉冲激光束通过聚光器524的物镜524a作用时，该聚光点直径D由表达式D(μm)＝4×λ×f/(π×W)确定(其中，λ是脉冲激光束的波长(μm)，W是作用于物镜524a的脉冲激光束的直径(mm)，并且f是物镜524a的焦距(mm))，如图3所示。
回到图1，一个图像拾取装置6安装在构成上述激光束照射装置52的外壳521的前端。除了用于拾取可见光辐射图像的普通图像拾取器件(CCD)之外，该图像拾取装置6由一个用于作用红外辐射于工件的红外照明装置、一个用于捕捉由红外照明装置作用的红外辐射的光学系统和一个用于相应于由光学系统捕捉的红外辐射输出电信号的图像拾取器件(红外CCD)。图像信号被传送到一个未示出的控制装置。
所述实施例中的激光束照射单元5具有用于在箭头Z所示方向沿着成对导轨423和423移动单元支架51的移动装置53。移动装置53包括一个设置在成对导轨423和423之间的阳螺杆(未示出)和一个用于旋转驱动该阳螺杆的驱动源，如脉冲电机532。通过使用脉冲电机532沿正常方向或相反方向驱动阳螺杆(未示出)，单元支架51和激光束照射装置52在箭头Z所示方向沿着导轨423和423移动。在所述实施例中，激光束照射装置52通过沿正常方向驱动脉冲电机532而向上移动，并且通过沿相反方向驱动脉冲电机532而向下移动。
所述实施例中的激光束加工装置如上述方式构成，下面将说明其功能。
图4是作为待加工工件的半导体晶片的一个透视图。图4中所示半导体晶片10是一个硅晶片，并且通过以格子形状形成于前表面10a上的很多分割线101分割成很多区域，并且电路102，如IC或LSI形成于各分割区域中。
下面将说明通过使用上述激光束加工装置2沿上述半导体晶片10的分割线101照射激光束而沿着分割线101在半导体晶片10内部形成一个变质层的激光加工。
首先将半导体晶片10以某种方式放在图1所示的上述激光束加工装置的卡盘台36上，以至于背面10b朝上，并且被吸力保持在卡盘台36上。吸力保持半导体晶片10的卡盘台36被加工进给装置37带入正好位于图像拾取装置6下面的一个位置。
在卡盘台36正好位于图像拾取装置6下面之后，通过使用图像拾取装置6和未示出的控制装置进行检测半导体晶片10待加工区域的对正操作。也就是说，图像拾取装置6和控制装置(未示出)进行图像处理，如模式匹配等，以对正沿半导体晶片10的预定方向形成的分割线101与用于沿分割线101照射激光束的激光束照射装置52的聚光器524，由此进行激光束照射位置的对正。此外，激光束照射位置的对正也同样在沿与预定方向垂直的方向上形成于半导体晶片10上的分割线101上进行。尽管其上面形成分割线101的半导体晶片10前表面10a在该点处朝下，由于图像拾取装置6如上所述包括红外照明装置和由一个用于捕捉红外辐射的光学系统与一个用于相应于红外辐射输出电信号的图像拾取器件(红外CCD)构成的图像拾取装置，因此分割线101的图像可以透过背面10b而获取。
在如上所述检测卡盘台36上保持的半导体晶片10上形成的分割线101并且完成激光束照射位置的对正之后，卡盘台36被移动到激光束照射区域，在这里用于照射激光束的激光束照射装置52的聚光器524位于如5(a)所示位置，以至于将预定分割线101的一端(图5(a)中左端)带至正位于激光束照射装置52的聚光器524下面的一个位置。在具有例如1100至2000nm波长、对硅晶片具有穿透性的脉冲激光束从聚光器524作用的同时，卡盘台36，也就是半导体晶片10然后以预定加工进给速度沿着图5(a)中箭头X1所示方向移动。然后，当激光束照射装置52的聚光器524的作用位置到达分割线101的另一端时，如图5(b)中所示，脉冲激光束的作用中止并且卡盘台36，也就是半导体晶片10的移动中止。在该激光加工过程中，脉冲激光束的聚光点P设定在接近半导体晶片10的前表面10a(底面)的一个位置。结果，一个变质层110暴露于半导体晶片10的前表面10a(底面)并且从前表面10a向内部形成。该变质层110形成为一个熔化并且再固化的层(也就是一个当脉冲激光束会聚时熔化一次然后在脉冲激光束会聚之后再固化的层)以至降低半导体晶片10的强度。
上述变质层110可以不暴露于前表面10a和背面10b而仅仅在内部形成，或者可以通过逐级改变上述聚光点P多次进行上述激光加工而形成多个变质层。
在沿着沿半导体晶片10的预定方向延伸的所有分割线101进行上述激光加工之后，将卡盘台36旋转90°以沿着沿与上述预定方向垂直的方向延伸的分割线101进行上述激光加工。具有沿所有分割线101形成的变质层110的半导体晶片10可以通过沿分割线101施加外力而轻松破裂。
(实验例1)
分割线在具有200mm直径和600μm厚度的硅晶片上以格子形状以5mm间距形成，并且激光加工通过使用具有1064nm波长的脉冲激光束在下面加工条件下沿着分割线进行，以至沿分割线在硅晶片内部形成变质层。一个变质层具有大约50μm的厚度，并且形成由该变质层构成的12个层，以至于它们暴露于硅晶片的两个表面。
光源：LD激励Q开关Nd：YVO4激光器
波长：具有1064nm波长的脉冲激光束
重复频率：40kHz
脉冲宽度：20ns
平均输出：4W
聚光点直径：1.0μm
加工进给速度：40mm/sec
对具有在上述加工条件下沿分割线形成的变质层的硅晶片进行分割试验，以沿着分割线将其分割。在该分割试验中，一种三点弯曲试验通过如下方式进行：将具有变质层形成于其上的硅晶片分割成具有芯片宽度的带状形式，用一对放在以预定间距形成于晶片上的变质层两侧的支承辊A和A支承该带状晶片，在位于晶片顶面的变质层上面放置一个压力辊B，施加负载W至压力辊B以获得分割所需的负载W，如图6中所示。在该分割试验中，通过将形成于带状晶片中的变质层分割而收集100个测量数据，然后获得数据的平均值。
作为上述试验的结果，分割所需负载W的平均值为3.7N(牛顿)。
(实验例2)
分割线在具有200mm直径和600μm厚度的硅晶片上以格子形状以5mm间距形成，并且激光加工通过使用具有1340nm波长的脉冲激光束在下面加工条件下沿着分割线进行，以至沿分割线在硅晶片内部形成变质层。如同上述实验例1，一个变质层具有大约50μm的厚度，并且形成由该变质层构成的12个层，以至于它们暴露于硅晶片的两个表面。
光源：LD激励Q开关Nd：YVO4激光器
波长：具有1340nm波长的脉冲激光束
重复频率：40kHz
脉冲宽度：20ns
平均输出：4W
聚光点直径：1.3μm
加工进给速度：40mm/sec
对具有在上述加工条件下沿分割线形成的变质层的硅晶片按照与上述实验例1相同的方式进行分割试验以获得100个测量数据的平均值。结果，分割所需负载W的平均值为0.5N(牛顿)。
(实验例3)
分割线在具有200mm直径和600μm厚度的硅晶片上以格子形状以5mm间距形成，并且激光加工通过使用具有1550nm波长的脉冲激光束在下面加工条件下沿着分割线进行，以至沿分割线在硅晶片内部形成变质层。如同上述实验例1和2，一个变质层具有大约50μm的厚度，并且形成由该变质层构成的12个层，以至于它们暴露于硅晶片的两个表面。
光源：LD激励Q开关Nd：YVO4激光器
波长：具有1550nm波长的脉冲激光束
重复频率：40kHz
脉冲宽度：20ns
平均输出：4W
聚光点直径：1.5μm
加工进给速度：40mm/sec
对具有在上述加工条件下沿分割线形成的变质层的硅晶片按照与上述实验例1相同的方式进行分割试验以获得100个测量数据的平均值。结果，分割所需负载W的平均值为0.7N(牛顿)。
从上述试验结果可以看出，当通过使用具有1340nm波长的脉冲激光束形成变质层时分割所需负载W为使用具有1064nm波长的脉冲激光束时所需负载W的1/7或更小。还可以看出，当通过使用具有1550nm波长的脉冲激光束形成变质层时分割所需负载W为使用具有1064nm波长的脉冲激光束时所需负载W的1/5或更小。尽管具有2000至6500nm波长的脉冲激光束对硅晶片也具有很高的穿透性，但随着波长变长其聚光点直径变大。当聚光点直径超过3.0μm时，分割线的宽度必定变大并且脉冲激光束的平均输出必定增加，从生产率上看所有这些都很不利。因此，为了使用具有1.0至3.0μm范围内聚光点直径的脉冲激光束形成具有很小的分割所需负载W的良好变质层，具有1100至2000nm波长的脉冲激光束为优选的，并且具有1300至1600nm波长的脉冲激光束为更优选的。
形成上述变质层的加工条件为0.5至10W的脉冲激光束平均输出、10至800kHz的重复频率、10至1000ns的脉冲宽度、1.0至3.0μm的聚光点直径和10至1000mm/sec的加工进给速度。

Claims (3)

1、一种硅晶片激光加工方法，其通过沿着形成于硅晶片上的分割线照射激光束而沿分割线在硅晶片内部形成变质层，其中：
激光束的波长设定为1100至2000nm。
2、根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，激光束的波长设定为1300至1600nm。
3、一种激光束加工装置，包括：用于保持晶片的卡盘台，用于将激光作用于保持在卡盘台上的晶片的激光束照射装置，以及用于将卡盘台和激光束照射装置相对于彼此移动的加工进给装置，其中：
激光束照射装置包括用于振荡产生具有1100至2000nm波长的激光束的激光束振荡装置。
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