CN1853840A - 板状体切断方法及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种在半导体晶片等板状体上照射激光束以切断板状体的方法，提高切断速度，以提高通过分割制造的电子零件的生产率。使对板状体具有吸收性的第1波长的激光束和对板状体具有透过性的第2波长的激光束同时聚光并照射在板状体上。调整聚光光学系统，在板状体的表面部形成第1波长激光束的聚光点，在板状体内部形成第2波长激光束的聚光点。表面部通过线性吸收产生分解或组成变性，内部通过多光子吸收产生组成变性，从而分别形成应力发生区域。沿分割线照射了激光束后，附加机械冲击力，沿激光束的扫描轨迹分割板状体。

Description

板状体切断方法及激光加工装置

技术领域

本发明涉及沿预定道(street)(切断线)照射激光束来切断板状体的板状体切断方法及该切断方法使用的激光束发生装置，特别涉及在分割半导体晶片来制造半导体芯片时的半导体晶片的切断方法及该方法所使用的激光束发生装置。

背景技术

在半导体器件制造工程中，大致圆板形状的半导体晶片，在其表面上通过呈网格状排列的道划分成多个区域。在该划分的区域上分别形成IC、LSI等电路，通过沿道切断半导体晶片，分别分离形成了电路的区域，从而制造半导体芯片。为了沿道切断半导体晶片，通常使用被称为切割机的切削装置。该切削装置具有保持作为被加工物的半导体晶片的卡盘工作台、用于对保持在该卡盘工作台的半导体晶片及进行切削的切断部件、和使移动卡盘工作台及切断部件相对移动的移动部件而构成。切断部件具有高速旋转的旋转轴和安装在该轴上的切削刀片。切削刀片由圆盘状基座和安装在该基座侧面外周部上的环状切削刃构成。切削刃，采用电铸把例如粒径为3μm左右的金刚石磨粒固定在基座上，形成15μm左右的厚度。

在最近一段时间，为了更细微地形成IC、ISI等电路，制造出在硅晶片等半导体晶片的主体表面上层叠了低介电常数绝缘体的方式的半导体晶片，以供实用。作为低介电常数绝缘体，使用介电常数比SiO₂膜(介电常数k＝约4.1)低的(例如，k＝2.5至3.6左右)材料。作为这样的低介电常数绝缘体，例如，可以举出SiOF、BSG(SiOB)、含有H的聚硅氧烷(HSQ)等无机物系列的膜、作为聚酰亚胺系列、缬烯块系列、聚四氟乙烯系列等聚合物膜的有机物系列的膜、和含有甲基的聚硅氧烷等多孔二氧化硅膜。

用上述的切割机切断在表面部层叠了上述那样的低介电常数绝缘体的半导体晶片时，由于低介电常数绝缘体非常脆，因此，往往在道附近区域作为表面层的低介电常数绝缘层从半导体晶片主体剥离。而且，半导体晶片有薄板化的倾向，由于机械强度降低，故往往晶片主体因切割机的切断而破损。对于这样的半导体晶片，使用通过照射激光束代替切割机来切断半导体晶片的激光切断装置很合适。

图4是表示激光切断装置的晶片切断方法的概要图。在图4(a)中，照射具有吸收性波长的激光束，以切断半导体晶片。在半导体晶片101的表面部设定激光束的聚光点时，半导体晶片101的表面部主要发生由激光束引起的线性吸收，消融该部分，形成穿孔部。根据需要，使聚光光学系统103向垂直方向下方移动，从而聚光点也向下方移动，使由构件的消融形成的穿孔部向下方延长。若使激光束沿道扫描，则穿孔部沿道延伸，在晶片表面上形成沿道的沟部。在形成了该沟部后附加弯曲或者拉伸等机械冲击力时，便能够以沟部为起点发生裂纹，分割半导体晶片。例如，特开昭56-129340号公报记载着使用具有上述吸收性波长的激光束来切断半导体晶片。

在图4(b)中，照射具有透过性波长的激光束来切断半导体晶片。在半导体晶片101的内部设定激光束的聚光点时，半导体晶片101的内部区域主要发生由激光束引起的多光子吸收，从而该部分的材料组成变质。根据需要，通过使聚光光学系统103向垂直方向上方或下方移动，聚光点也向上方或下方移动，使由多光子吸收产生的改质区域沿垂直方向延长。若使激光束沿道扫描，则改性区域沿道延伸，在晶片内部形成沿道的大致线状或大致带状的改性区域。在形成该改性区域后，附加弯曲或者拉伸等机械冲击力时，能够以产生热应力的改性区域附近为起点而发生裂纹，来分割半导体晶片。例如，特开2002-205180号公报记载着采用具有上述透过性波长的激光束来切断半导体晶片。

【专利文献1】特开昭56-129340

【专利文献2】特开2005-28438

【专利文献3】特开2002-192367

【专利文献4】特开2002-205180

【专利文献5】特开2003-88973

【专利文献6】特开2003-88978

【专利文献7】特开2003-88979

【专利文献8】特开2004-188475

在使用了图4(a)和图4(b)所示的现有激光束的切断装置中，为了形成能成为产生裂纹的起点的充分大的穿孔部或改性区域，有必要在道上的大致相同部位照射相当次数以上的脉冲数的短脉冲激光，激光束扫描时在道上的大致相同部位停留的时间变长。即，为了分割半导体晶片，在半导体晶片表面上形成沟部、或在半导体晶片内部形成改性区域时，在照射部位周边产生依存于脉冲宽度的热变性层，导致产生损坏切断面的物性的问题。

发明内容

本申请的发明是为解决上述课题而研制的，其目的在于提供一种能用毫微微秒激光脉冲、不损坏切断面的物性、高速地实现半导体晶片等板状体分割的切断方法及该切断方法使用的激光束发生装置。

为了解决上述的技术课题，若根据本申请的发明，使从板状体的上方照射的多个波长的短脉冲激光的激光束在板状体的表面部及内部聚光。特别地，在表面上按照呈网格状排列的道划分的每个区域形成电路的半导体晶片中，使从半导体晶片的上方照射的多个波长的激光束在道上聚光，沿道进行划线，从而分割半导体晶片。

使激光束照射在板状体时，至少同时使用位于板状体吸收区域的波长和位于透过区域的波长，在板状体的表面部和内部同时进行由激光束进行的加工作用。

若根据本申请的发明，即使透过性波长也因多光子吸收等而发生预测吸收率提高的高功率聚光密度状态，以便使光束到达板状体的内部并高速进行聚光区域附近的材料组成的改性。另一方面，在表面部以比内部低的条件设定功率聚光密度，谋求热的吸收。在板状体的表面部用吸收性波长的短脉冲激光主要产生线性吸收，并以形成分解的穿孔部或变性作用的改性部的方式进行加工，同时在板状体的内部用透过性波长的短脉冲激光主要产生多光子吸收，形成改性区域。在板状体中，压缩应力作用在激光束聚光的部位，同时拉伸应力作用在其周围，由于热应力作用而发生残留应力，因而以形成在板状体表面部的表面附近加工区域为起点，由于残留应力而导致裂纹很容易传播到改性区域。若使激光束在板状体上沿预定的方向扫描，则裂纹沿其轨迹在板状体内进行。若板状体较薄，则由于仅形成裂纹就能够分割板状体。若板状体较厚，则在激光束的扫描结束后，通过在半导体晶片上附加弯曲或拉伸等机械冲击力，即能分割板状体。

若根据本申请的发明，对板状体表面同时在垂直方向形成表面附近加工区域和改性区域，由于激光束的聚光而产生的残留应力导致裂纹很容易以表面附近加工区域为起点，向改性区域传播，所以仅使激光束在板状体上沿预定的方向进行扫描，或扫描后附加机械的外力，就能够高速地分割板状体。在分割半导体晶片时，由于能够高速分割半导体晶片，因而能够提高半导体芯片的生产率。

若根据本申请的发明，由于能够把板状体表面部的短脉冲激光的功率聚光密度抑制在比较低的水平，所以能降低板状体表面部的加工物除去量。由于在半导体晶片上照射激光束而产生碎片(蒸发物除去物)，但若使用本发明，由于能降低碎片的发生量，所以能相当程度地防止在半导体芯片形成的焊接区等上附着碎片。而且，在表面部附近，通过几乎无融解再凝固的分解作用而形成沟，并能降低碎片的发生量，所以能相当程度地防止引起半导体元件的可靠性下降的微小裂纹发生。通过实现碎片附着的防止、微小裂纹发生的防止等，从而能够提高半导体芯片的成品率。

由于能够把板状体表面部的短脉冲激光的功率聚光密度抑制在比较低的水平，所以能够使沿道的加工宽度变窄，能够较广地选择在半导体晶片上占有的半导体芯片的面积。而且，由于在半导体晶片的分割方面采用短脉冲激光，所以能够防止半导体晶片表面附近成膜层的热损伤。

由于其构成能任意变更具有主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长之激光束的能量、和具有主要进行多光子吸收的透过区域所属的波长之1个或多个激光束的各自能量的比率，所以能根据加工对象的板状体的材质来设定最佳的加工条件。

由于其构成为：能够使具有对板状体主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长的激光束脉冲，比具有对板状体主要进行多光子吸收的透过区域所属的波长的1个或多个激光束脉冲仅延迟预定时间，照射在板状体上，因而能够不影响表面部的加工状态，即可以使具有透过区域所属的波长的激光束到达板状体内部，并能够提高加工效率。

能够在激光束的光轴方向移动激光束发生装置的聚光光学系统，从而能够沿垂直于板状体表面的方向延长表面附近加工区域和改性区域，并能够对应于具有各种厚度的板状体切断。

附图说明

图1是表示作为板状半导体的硅晶片分割工序的说明图。

图2是表示本发明的切断方法所使用的激光束发生装置一例构成的图。

图3是表示本发明的切断方法所使用的激光束发生装置构成的其他例的图。

图4是表示激光切断装置的晶片切断方法的概要图。

具体实施方式

以下，参照附图，更详细地说明根据本发明构成的半导体晶片的分割加工方法的最佳实施形态。

【实施例1】

图1是表示作为板状半导体的硅晶片分割工序的说明图。图1(a)表示采用激光束进行半导体晶片加工的状态，图1(b)表示沿加工的半导体晶片的道的剖面。半导体晶片1通常采用真空卡盘吸引在搭载于XY工作台上的未图示的晶片工作台上。从激光光源大致平行入射的激光束通过聚光光学系统2进行聚光，并向晶片照射。从激光光源照射的激光束包含：对作为板状体的晶片的、位于吸收区域的第1波长的激光束3和位于透过区域的第2波长的激光束4。第1波长的激光束3用聚光光学系统2聚光，成为聚束光束5，在半导体晶片1的表面部形成聚光点7。第2波长的激光束4用聚光光学系统2聚光，成为聚束光束6，在半导体晶片1的内部形成聚光点8。在该实施例中，照射2种波长的激光束，但为了使加工速度高速化，例如，也可以采用具有位于透过区域的2种或者2种以上波长的激光束，对半导体晶片照射共计具有3种或者3种以上波长的激光束。

以激光振荡的基本波为基础实施使用了非线性光学晶体的波长变换，生成具有2种波长的激光束。这里，若以硅晶片为例，则作为位于吸收区域的第1波长，使用位于可视光区域的波长为400nm～1.1μm波长区域的波长。作为位于透过区域的第2波长，使用1.3μm～1.7μm波长区域的波长。特别地，作为第1波长最好使用吸收性大致成为最大的780nm的波长，同时作为第2波长最好使用成为第1波长2倍的1560nm的波长。

使用作为例如凸透镜等提供的聚光光学系统2对上述那样具有2种波长的激光束进行聚光时，由于色像差，每个波长的激光束在沿光轴方向的不同位置具有聚光点。如图1所示那样，使位于吸收区域的第1波长的激光束在半导体晶片的表面部聚光时，使位于透过区域的第2波长的激光束在半导体晶片的内部聚光。在第1波长的激光束聚光的半导体晶片的表面部，主要通过激光束的线性吸收，形成表面附近加工区域9。若所吸收的光能在变成热之前是脉冲时间结束的短脉冲激光，则在该表面附近加工区域9，半导体晶片不融解，即可形成沟，或形成材料组成变性的改性区域。

在第2波长的激光束聚光的半导体晶片的内部，主要通过激光束的多光子吸收，使材料组成变性，形成改性区域10。在激光束聚光的部位压缩应力发生作用的同时，拉伸应力作用在其周边区域，所以在表面附近加工区域9及其周边区域和改性区域10及其周边区域将产生残余应力。照射在半导体晶片上的激光束由于使用了短脉冲激光，故能够控制产生多光子吸收的第2波长激光束的脉冲宽度，并设定成更高的功率聚光密度。由于使聚光光学系统2沿垂直于半导体晶片1表面的方向移动，使聚光点7和8向下方移动，从而能够以沿垂直方向延长的方式对表面附近加工区域9和改性区域10进行加工。而且，作为能够任意地变更第1波长激光束的能量和第2波长激光束的能量之比率的结构，是很合适的，因此，能够设定适应于加工对象的板状体材质的最佳加工条件。

如上述所示，由于通过半导体晶片表面部的线性吸收和内部的多光子吸收形成穿孔部或改性区域，所以沿道在垂直于半导体晶片表面的方向延伸的面方向形成残余应力发生区域。在沿道的激光束扫描结束后，实施对半导体晶片施加由于弯曲而引起的机械冲击力的切断工序时，以表面附近加工区域9为起点，裂纹向形成于内部的残余应力发生区域传播，从而能够沿道容易地分割半导体晶片。这时，和仅形成加工沟后进行分割的现有方法相比较时，由于能够较低地设定照射在表面附近加工区域9的激光束的功率聚光密度，所以能大宽度降低碎片的发生量，同时能够使表面附近加工区域9的加工宽度变窄。在半导体晶片较薄的情况，不施加机械冲击力，即可用仅扫描激光束的方法，来分割半导体晶片。

在板状体的厚度较小的情况下，在板状体的背面附近形成第2波长激光束的聚光点，并加工板状体的背面附近，这可以根据本发明进行实施。此外，即使根据相同基本波的激光束生成所使用的2种波长的激光束，也存在各自的光程长不同的情况。在这样的情况下，能够采用如下所述的构成，即：使对半导体晶片的、位于透过区域的第2波长激光束的光程长比位于吸收区域的第1波长激光束的光程长缩短，第2波长的激光束在时间上先到达。这时，能够不妨害表面部的加工，使第2波长的激光束入射到内部。

图2是表示本申请发明的切断方法中使用的激光束发生装置构成例的图。模式同步光纤激光振荡器21输出超短脉冲振荡光22。光纤23由于对输入的超短脉冲振荡光22进行波长分散作用引起的脉冲宽度展宽，从而放大脉冲宽度，输出峰值输出下降的较长的脉冲激光束24。

接着，使激光束24入射到使用了具有宽频带增益的放大介质，即例如添加了Ti的兰宝石晶体的再生放大器25，得到使脉冲能量进行了宽频带放大后的激光束输出26。该再生放大器25利用得到Nd:YAG激光的第2高次谐波波长变换的激光输出那样的、例如SHG-Nd:YAG激光器装置27，并进行光激励。

使用了衍射光栅对的众所周知的脉冲压缩器28输入放大后的激光束26，实施脉冲压缩。因此，脉冲宽度被压缩到接近于展宽前的脉冲宽度，再返回到短脉冲。即，被再生放大器25脉冲展宽后的长脉冲的激光束，由于在时间上压缩以长脉冲状态放大的脉冲能量，从而成为具有高峰值输出值的短脉冲光束29。

接着，使具有该高峰值输出值的短脉冲光束29入射到具有光学参量放大用的非线性光学晶体的光学参量放大器30，从而对非线性光学晶体进行光激励。因此，从非线性光学晶体取出由作为光学参量放大波长的信号光频率成分ωs和无效光频率成分ωi构成的至少包含2种频率的激光束，并进行波长变换。光学参量在原理上是众所周知的技术，设激励光的频率为ω时，在作为光学参量放大的振荡输出而得到的信号光频率ωs和无效光频率成分ωi之间满足ω＝ωs+ωi的关系成立。当ωs＝ωi时，得到衰减的2倍波长的脉冲输出。光学参量放大器30根据光学参量放大的原理，输出具有第1波长的激光束31和具有第2波长的激光束32。这样生成的第1波长的激光束和第2波长的激光束，通过如图1所示的聚光光学系统2照射到半导体晶片1，并分别在半导体晶片1的表面部和内部形成聚光点。

实施例2

图3是表示本申请发明的切断方法中所使用的激光束发生装置的其他构成例的图。用分束器43把从众所周知的毫微微秒激光振荡器41输出的短脉冲的激光振荡基本波光束42分割成2条激光束44、45。白色光发生器47输入激光束44，输出具有白色光谱的相干光48。该相干光48被反光镜49和分色镜50反射，并作为种子光入射到光学参量放大器51。具有基本波频率的激光束45通过分色镜50入射到光学参量放大器51。光学参量放大器51以基本波频率的功率激励非线性光学晶体，在同时引导到该晶体内的种子光光束48内所包含的信号光中，选择地放大频率ωs的成分和ωi的成分。因此，使具有基本波频率ω的激光光线变换成具有频率ωs的激光光线52和具有频率ωi的激光光线53。这样生成的第1波长的激光束和第2波长的激光束，通过如图1所示的聚光光学系统2照射到半导体晶片1，并分别在半导体晶片1的表面部和内部形成聚光点。

在脉冲宽度极其狭窄的情况下，由于光程44-48和光程45的光程长不同，故往往会发生脉冲不能同时到达光学参量放大器51的情况。这时，可以采用如下结构：适宜地延长光程45，使其和光程44-48的光路长一致，并使种子光48和激励光45在时间上存在于同一空间。

作为本发明的适用例，不限于硅晶片的切断，能够广泛适用于半导体基片的激光精密加工。由于使用本发明，能够提高电子零件制造的生产率，而且能降低加工除去物，从而能够提高制品的成品率。

Claims (12)

1.一种板状体的切断方法，其特征在于，

使包含2种或者2种以上波长的短脉冲激光束聚光后照射到板状体上，在该板状体的表面部形成激光束的聚光点，同时在该板状体的内部形成1个或多个聚光点，沿切断方向对激光束进行扫描，由此切断板状体。

2.一种板状体的切断方法，其特征在于，

使包含2种或者2种以上波长的短脉冲的激光束聚光后照射到板状体上，在该板状体的表面部形成激光束的聚光点，同时在该板状体的内部形成1个或多个聚光点，沿切断方向对激光束进行扫描后，施加机械外力，从而沿激光束的加工轨迹切断板状体。

3.如权利要求1或权利要求2记载的板状体的切断方法，其特征在于，

照射到板状体的激光束中包含的一个波长是通过该板状体主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长，

照射到该板状体的激光束中所包含的其他波长是通过该板状体主要进行多光子吸收的吸收区域所属的波长。

4.如权利要求1或权利要求2记载的板状体的切断方法，其特征在于，

照射到板状体的激光束中包含的一个波长约为780nm，

照射到该板状体的激光束中所包含的其他波长是属于1.3μm～1.7μm波长区域的波长。

5.如权利要求1或权利要求2记载的板状体的切断方法，其特征在于，

能任意变更具有通过板状体主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长之激光束的能量、和具有通过板状体主要进行多光子吸收的透过区域所属的波长之1个或多个激光束的各自能量的比率。

6.如权利要求1或权利要求2记载的板状体的切断方法，其特征在于，

使具有通过板状体主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长的激光束脉冲，比具有通过板状体主要进行多光子吸收的透过区域所属的波长的1个或多个激光束脉冲还延迟预定的时间，并照射在该板状体上。

7.一种激光束发生装置，其特征在于，

具有激光光源和聚光光学系统而构成，该激光光源输出具有通过加工对象的板状体主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长的短脉冲激光束、和具有通过该板状体主要进行多光子吸收的透过区域所属的1个或多个波长的短脉冲激光束，使其分别具有大致相同的光轴；该聚光光学系统使包含从该激光光源照射的2种或者2种以上波长的激光束聚光。

8.如权利要求7记载的激光束发生装置，其特征在于，

属于吸收区域的波长大约是780nm，属于透过区域的波长是属于1.3μm～1.7μm波长区域的波长。

9.如权利要求7记载的激光束发生装置，其特征在于，

使聚光光学系统能够沿激光束的光轴方向移动。

10.如权利要求7记载的激光束发生装置，其特征在于，

能够任意地变更具有主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长之激光束的能量、和具有主要进行多光子吸收的透过区域所属的波长之1个或多个激光束的各自能量的比率。

11.如权利要求7记载的激光束发生装置，其特征在于，

使具有主要进行线性吸收的吸收区域所属的波长之激光束的脉冲，比具有主要进行多光子吸收的透过区域所属的波长之1个或多个激光束的脉冲仅延迟预定的时间后输出。

12.如权利要求7记载的激光束发生装置，其特征在于，

作为属于吸收区域的波长，使用添加了Ti(钛)的兰宝石激光器的基本波振荡波长。

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