CN212793608U - 采用全光学方式的激光划片在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种采用全光学方式的激光划片在线监测装置，用于对激光划片的全动态过程进行原位实时观测，包括：倍频晶体及半反射镜，所述倍频晶体将探测光倍频后经半反射镜反射至待测晶圆处；二向色镜，其位于半反射镜与待测晶圆之间的光路上，用于反射抽运光/划片光至与探测光合束；二向色物镜，其位于二向色镜与待测晶圆之间的光路上，用于将所述抽运光/划片光与所述探测光聚焦，焦点置于待测晶圆内部；第一探测器，其位于待测晶圆一侧中半反射镜的透射光路上且较之半反射镜远离待测晶圆，用于记录探测光的反射信息；第二探测器，位于待测晶圆的另一侧且设置在从二向色物镜往待测晶圆的光路延长线上，用于记录探测光的透射信息。

Description

采用全光学方式的激光划片在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及激光划片的监测，特别涉及一种采用全光学方式的激光划片在线监测装置。

背景技术

在半导体制造中，晶圆是半导体产业链的上游核心，材料和设备是整个半导体产业的基石。更大晶片、更小晶粒(芯片)、更多功能是半导体行业未来的发展趋势。半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和测试组成。其中，晶圆划片是半导体芯片封装过程中的一个重要环节，是将一整片晶圆沿预先设定的切割道分割成单个晶粒的过程，该环节对芯片的质量和寿命有着直接且重要的影响。晶圆划片的质量标准由芯片完整度、无微裂纹、界面无剥离、芯片边缘无毛刺、背面边界无崩裂、边角无脱落等等多个苛刻条件组成，这些条件都是在微米尺度下进行衡量。随着晶粒间距越来越小，预留给划片切割道的空间也越来越窄。因此，如何在丰富芯片功能的同时进一步缩小其尺寸，如何在不降低芯片良率的前提下进一步提高产率，如何在不导致缺陷的情况下切割出复杂的集成电路芯片，这些都与晶圆划片技术的革新密切相关。

机械划片是利用砂轮或刀片的高速旋转对晶圆进行强力切割。机械划片工艺成熟，典型划片速度100mm/s、切割道宽度60-80μm。但机械划片也存在着明显不足，比如机械划片为湿式划片，须采用冷却液冲洗和降温；刀片施加的下压力会导致晶圆产生机械形变；划片的切割道宽、速度慢，还有溅射、残留、崩边、膜层脱落、卷边缺陷等问题。特别是，对于高硬度脆性材料，如SiC，机械划片还必须在划切质量与划切速度之间做出妥协。

半导体制程的技术迭代对激光加工精度的要求越来越高，当切割道宽度、热影响区、崩边尺寸等多个要素都必须控制在几个微米以下时，超短脉冲成为激光精密加工的有效手段。因此，将超短脉冲与激光划片技术相结合成为提升晶圆划片产率和良率的重要突破点。超短脉冲隐形切割相较于纳秒脉冲划片有着较大不同，表现为高峰值功率超短脉冲引入的瞬态(飞秒/皮秒)时间效应、紧聚焦条件下产生的纳米尺度空间效应(非线性和热输运)等等。当近红外波段超短脉冲聚焦至半导体材料时，会由非线性吸收主导多光子电离和雪崩电离；当等离子体密度高于某临界值时，将类似金属一样强烈吸收激光并剧烈升温；进一步，当区域内正离子间的强大库伦排斥力超出瑞利不稳定极限值时，会产生强烈的库伦爆炸。了解这些超快动力学机制对改善半导体器件的性能至关重要。

最近，人们已经开始尝试采用超短脉冲对Si和Al2O3等传统衬底材料进行隐形切割。在产线现场验证过程中，设定切割速度为600mm/s，以厚度为110μm的Al2O3衬底LED晶圆为划切对象，通过优化皮秒脉冲的平均功率、脉冲能量、脉冲串内子脉冲数、光束质量等激光参数，获得了最高大于99.5％的良率，晶圆切割前后良率几乎无衰减。然而，对于SiC晶圆来说，机械划片和激光划片的发展都较为缓慢，原因在于SiC材料从晶棒生长到晶圆加工都存在着诸多需要解决的问题。如：一、SiC有多种同素异构体，而异构体元胞所含原子数目较大，计算工作复杂，对这些异构体能带结构的理论认识尚不充足；二、SiC单晶生长条件苛刻，生长周期长；三、由于SiC属于硬脆材料(莫氏硬度达到9.5，超过Al2O3，仅次于金刚石)，晶棒的切割、以及晶圆的研磨、减薄、抛光都有极大难度；四、由于加工难度大，SiC衬底(350-500μm厚度)相较Al2O3和Si衬底(100-200μm厚度)厚，引发出光学透过率这个制约隐形切割的关键问题；五、SiC禁带宽度约为3.4eV，是Si的3倍，是Al2O3的1/3，无法直接采用Al2O3和Si衬底的激光划片工艺。

但不管如何，在激光划片后都需评判其效果，而通常评判激光划片的效果，都是在激光裂片以后，通过外观观察和电性能测试的方式进行。目前，仍缺乏对激光划片超硬晶圆的原位实时监测手段，未实现对晶圆内部改质点和改质层形成过程的瞬态记录和分析。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种激光划片在线监测装置，用于对激光划片的全动态过程进行原位实时观测。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

提供一种采用全光学方式的激光划片在线监测装置，包括：

倍频晶体及半反射镜，所述倍频晶体将探测光倍频后经半反射镜反射至待测晶圆处；

二向色镜，其位于半反射镜与待测晶圆之间的光路上，用于反射抽运光/划片光至与探测光合束；

二向色物镜，其位于二向色镜与待测晶圆之间的光路上，用于将所述抽运光/划片光与所述探测光聚焦，焦点置于待测晶圆内部；

第一探测器，其位于待测晶圆一侧中半反射镜的透射光路上且较之半反射镜远离待测晶圆，用于记录探测光的反射信息；

第二探测器，位于待测晶圆的另一侧且设置在从二向色物镜往待测晶圆的光路延长线上，用于记录探测光的透射信息。

进一步地，还包括延迟线，所述探测光经延迟线后才进入所述倍频晶体。

所述延迟线包含多个全反射镜，还设有移位机构用于实现这些全反射镜之间的距离可调。

进一步地，所述倍频晶体的输入侧及输出侧的光路上分别设有第一聚焦透镜、第二聚焦透镜，第一聚焦透镜将探测光聚焦至倍频晶体，并由第二聚焦透镜将探测光还原。

所述第一聚焦透镜远离倍频晶体一侧的光路上设有第一半玻片来调整光的偏振，第二聚焦透镜远离倍频晶体一侧的光路上设有第二半玻片来作二次偏振调整。

还包括第三半玻片，所述抽运光/划片光通过第三半玻片偏振调整后才传输至二向色镜。

进一步地，还包括斩波器，探测光先经斩波器进行脉冲调制后再进入所述倍频晶体，所述第一探测器、第二探测器的输出连接有锁相放大器进行解调。

进一步地，所述第二探测器与待测晶圆之间的光路上设有滤光片。

进一步地，还包括高非线性光纤脉冲放大器，探测光先经高非线性光纤脉冲放大器进行提升功率和光谱展宽后再进入所述倍频晶体。

还包括低非线性光纤放大器，所述抽运光/划片光先经低非线性光纤放大器进行净色散和泵浦功率管理后再传输至所述二向色镜。

进一步地，所述探测光为飞秒脉冲。所述划片光/抽运光为脉宽可调的飞秒脉冲或皮秒脉冲。

本实用新型用划片光/抽运光进行晶圆激光切割，用倍频探测光探测划片激光焦点处的改质过程，再通过分别记录不同方向上探测光的反射及透射的信息，可以获得抽运光/划片光从开始与晶圆相互作用到相互作用完毕的全动态过程，以分析非线性吸收起始点、等离子形成初期、等容加热和绝热膨胀中间态、热冲击波致裂纹生成等超快物理现象瞬态规律，实现对激光划片进行原位实时观测和分析，为有效控制芯片制造的时间和材料成本提供可行的解决途径。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。在附图中：

图1示出了本实用新型的双波长超短脉冲激光光源的结构示意图；

图2示出了本实用新型的双波长抽运探测晶圆划片装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实施例的激光划片在线监测装置由如图1所示的双波长超短脉冲激光光源、如图2所示的双波长抽运探测晶圆划片装置组成。

所述双波长超短脉冲激光光源包括超短脉冲种子源1、分束器2、高非线性光纤脉冲放大器31、第一脉冲压缩器32、低非线性光纤放大器41、第二脉冲压缩器42、第一全反射镜431、第二全反射镜432、第三全反射镜433、第四全反射镜434。

超短脉冲种子源1中的光纤均采用为保偏光纤，使其成为全保偏光纤结构，利用保偏光纤的偏振态稳定特性，确保超短脉冲种子源1具有长时间稳定的保偏输出及强抗环境干扰能力。超短脉冲种子源1内置有光路开关及不同光纤环路，使用时，通过光路开关，选择不同光纤环路起振，实现振荡器脉冲重复频率的可调，此外，可通过控制腔内光纤长度和光纤光栅啁啾量来控制腔内净色散，进而控制种子脉冲在谐振腔内的时频域特性，产生光谱宽度或脉冲宽度可调的种子脉冲。

如图1所示，超短脉冲种子源1输出的皮秒或亚皮秒脉冲经分束器2分成两路，其中一路经高非线性光纤脉冲放大器31进行提升功率和光谱展宽，再经第一脉冲压缩器32获得飞秒脉冲输出，该路飞秒脉冲作为探测光；另一路经低非线性光纤放大器41，在低非线性光纤放大器41中，通过对其光纤链路的净色散和各级放大器的泵浦功率进行管理，使脉冲在时频域上的对比度或信噪比得到优化。优化后，低非线性光纤放大器41输出的放大脉冲送入第二脉冲压缩器42压缩获得飞秒脉冲输出，该路飞秒脉冲作为抽运光/划片光。

由于不同种类、不同尺寸、不同结构的晶圆在进行激光划片时，达到最优的划片效果时，激光所需的平均功率、峰值功率、脉冲宽度、脉冲时间都有较大的不同，因此，对于抽运光/划片光，为实现在不更换激光器的前提下，可以适于对多种晶圆进行划片，在双波长超短脉冲激光光源中设置第一全反射镜431、第二全反射镜432、第三全反射镜433、第四全反射镜434，具体而言，第一全反射镜431设于第二脉冲压缩器42输入侧的光路上，第二全反射镜432设于第二脉冲压缩器42输出侧的光路上，第一全反射镜431、第二全反射镜432的底座均设有旋转结构，便于其实现旋转，第三全反射镜433、第四全反射镜434设于第二脉冲压缩器42所在光路的旁侧且各位于第一全反射镜431、第二全反射镜432的临近位置，使用时，若抽运光/划片光要求为皮秒脉冲输出，则调整第一全反射镜431、第二全反射镜432的角度，使第一全反射镜431将光路反射至第三全反射镜433，再沿第三全反射镜433、第四全反射镜434、第二全反射镜432依次传播，由第二全反射镜432将光路调整回原位，此过程中旁置第二脉冲压缩器42，放大脉冲未经压缩则仍为皮秒输出，当需抽运光/划片光飞秒输出时，调整第一全反射镜431、第二全反射镜432的角度至镜面平行于光路，则光路照旧经过第二脉冲压缩器42，被其压缩形成飞秒脉冲，实现皮秒/飞秒脉冲的互相切换。

如图2所示，双波长抽运探测晶圆划片装置包括第五全反射镜331、第六全反射镜332、第七全反射镜333、第八全反射镜334、斩波器34、第一半玻片35、第一聚焦透镜36、倍频晶体37、第二聚焦透镜38、第二半玻片39、第三半玻片44、第一探测器51、第三聚焦透镜52、半反射镜53、二向色镜54、二向色物镜55、滤光片57、第四聚焦透镜58、第二探测器59。

第五全反射镜331、第六全反射镜332、第七全反射镜333、第八全反射镜334组成延迟线置于探测光的传播光路上，且四者之间通过移位机构实现相互间距离可调，从而方便控制时间延迟，实现探测光和抽运光在SiC晶圆56焦点上的时间重合。

探测光经过延迟线后，进入斩波器34进行脉冲调制，再经第一半玻片35调整光的偏振后，由第一聚焦透镜36将光束聚焦至倍频晶体37中进行倍频，将近红外波段脉冲转换到可见波段，此后再经第二聚焦透镜38反向变为平行光束后经第二半玻片39作二次偏振调整，然后由半反射镜53从上往下反射至位于工作台上的SiC晶圆56处。

二向色镜54位于半反射镜53与SiC晶圆56之间的光路上，抽运光/划片光通过第三半玻片44偏振调整后，通过二向色镜54与探测光合束。

二向色物镜55位于二向色镜54与SiC晶圆56之间的光路上，用于将抽运光/划片光与探测光聚焦，焦点置于SiC晶圆56内部。

第三聚焦透镜52、第一探测器51位于SiC晶圆56的一侧(实施例中为正上方)，且依次较半反射镜53远离SiC晶圆56设置，并均设于半反射镜53的透射光路上，第三聚焦透镜52起光束聚焦作用，第一探测器51用以记录探测光的反射强度、位置、发散角等信息。

滤光片57、第四聚焦透镜58、第二探测器59位于SiC晶圆56的另一侧(实施例中为正下方)，且依次设置在从二向色物镜55往SiC晶圆56的光路延长线上，探测光透射SiC晶圆56后，经滤光聚焦，然后被第二探测器59采集，用以记录探测光的透射强度、位置、发散角等信息。

需要说明的是，反射光和透射光都能够反映出材料在激光照射下的变化情况，但检测到的图像会有差别。由于划片脉冲是从材料上方入射，等离子将从改质点向上方喷射，从而形成改质区。其中，等离子体的形状是椭圆形的，长轴沿着竖直方向。探测光去探测并记录等离子的形成过程，透射光和反射光能够反映出等离子体区的不同信息。

第一探测器51、第二探测器59采集到光信号后，转换成电信号，电信号送入锁相放大器解调，由于探测光加有调制频率，而噪声不具有调制频率的特性，因此，电信号由锁相放大器解调后，可以得到无噪声干扰的准确探测信号。

通过对探测信号进行分析，获得探测光的吸收强度、位置、发散角等信息，反演计算得到抽运光/划片光与晶圆的瞬态作用效果，进一步调节延迟线进行时间扫描，可以获得抽运光/划片光从开始与晶圆相互作用到相互作用完毕的全动态过程，以分析非线性吸收起始点、等离子形成初期、等容加热和绝热膨胀中间态、热冲击波致裂纹生成等超快物理现象瞬态规律。

本实施例通过调控双波长超快激光的多个变量，操控多光子吸收、库伦爆炸等一系列瞬态过程，优化激光划片的良率和效率。具体以可调脉宽的飞秒或皮秒脉冲作为划片光/抽运光，以飞秒倍频脉冲作为探测光，通过优化划片光/抽运光的多个参数(如脉冲波长、脉宽、重频、子脉冲间隔)，并通过飞秒倍频脉冲探测并记录划片激光焦点处的改质过程，对激光划片进行原位实时观测和分析，为有效控制芯片制造的时间和材料成本提供可行的解决途径。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于，包括：

倍频晶体及半反射镜，所述倍频晶体将探测光倍频后经半反射镜反射至待测晶圆处；

二向色镜，其位于半反射镜与待测晶圆之间的光路上，用于反射抽运光/划片光至与探测光合束；

二向色物镜，其位于二向色镜与待测晶圆之间的光路上，用于将所述抽运光/划片光与所述探测光聚焦，焦点置于待测晶圆内部；

第一探测器，其位于待测晶圆一侧中半反射镜的透射光路上且较之半反射镜远离待测晶圆，用于记录探测光的反射信息；

第二探测器，位于待测晶圆的另一侧且设置在从二向色物镜往待测晶圆的光路延长线上，用于记录探测光的透射信息。

2.如权利要求1所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：还包括延迟线，所述探测光经延迟线后才进入所述倍频晶体。

3.如权利要求2所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：所述延迟线包含多个全反射镜，还设有移位机构用于实现这些全反射镜之间的距离可调。

4.如权利要求1所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：所述倍频晶体的输入侧及输出侧的光路上分别设有第一聚焦透镜、第二聚焦透镜，第一聚焦透镜将探测光聚焦至倍频晶体，并由第二聚焦透镜将探测光还原。

5.如权利要求4所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：第一聚焦透镜远离倍频晶体一侧的光路上设有第一半玻片来调整光的偏振，第二聚焦透镜远离倍频晶体一侧的光路上设有第二半玻片来作二次偏振调整。

6.如权利要求5所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：还包括第三半玻片，所述抽运光/划片光通过第三半玻片偏振调整后才传输至二向色镜。

7.如权利要求1所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：还包括斩波器，探测光先经斩波器进行脉冲调制后再进入所述倍频晶体，所述第一探测器、第二探测器的输出连接有锁相放大器进行解调。

8.如权利要求1所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：所述第二探测器与待测晶圆之间的光路上设有滤光片。

9.如权利要求1所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：

还包括高非线性光纤脉冲放大器，探测光先经高非线性光纤脉冲放大器进行提升功率和光谱展宽后再进入所述倍频晶体；且/或

还包括低非线性光纤放大器，所述抽运光/划片光先经低非线性光纤放大器进行净色散和泵浦功率管理后再传输至所述二向色镜。

10.如权利要求1-9任一项所述的采用全光学方式的激光划片在线监测装置，其特征在于：

所述探测光为飞秒脉冲；且/或

所述划片光/抽运光为脉宽可调的飞秒脉冲或皮秒脉冲。

Images