CN215393222U

CN215393222U - 一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备

Info

Publication number: CN215393222U
Application number: CN202120215397.1U
Authority: CN
Inventors: 骆公序; 王丽; 汪于涛; 李文兵
Original assignee: Shanghai Institute of Laser Technology
Current assignee: Shanghai Laser Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-01-26

Abstract

本实用新型涉及一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，包括激光器、扩束镜、偏振元件、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光束整形器、两维扫描振镜、远心场镜、X轴运动平台、Z方向运动机构、晶圆载台、Y轴运动平台、晶圆预对准及传输系统、相机系统和计算机。所述激光器、偏振元件、光束整形器、两维扫描振镜、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z方向运动机构、晶圆载台及晶圆传输及预对准系统由计算机进行控制。本实用新型能够根据不同晶圆切割工艺调整入射到晶圆表面的激光偏振态和光束能量分布形式，提高了晶圆切割的适应性和切割质量。

Description

一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备

技术领域

本实用新型涉及一种晶圆切割设备，具体是指，一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，属于半导体芯片制造技术领域。

背景技术

随着半导体技术的发展，高性能、高集成度半导体芯片的需求量越来越大，芯片的制作难度也越来越高。半导体芯片通常是在整片的衬底晶圆上进行集成电路元件结构沉积，然后进行晶圆切割，最后将切割后得到的各个晶粒进行封装。因此，晶圆切割的效果对芯片封装的性能和经济效益有着极大的影响。

由于激光的诸多优点，已广泛应用在晶圆切割领域。如激光隐形切割和激光开槽切割。激光隐形切割技术裂片质量好、加工效率高，多用于MEMS硅衬底晶圆或者碳化硅功率器件的加工。通常激光切割晶圆时，有振镜拼接切割和XY运动平台切割两种方式。在进行振镜拼接切割的过程中，当激光完成一个振镜加工幅面的切割后，移动XY平台进行下一个幅面的切割时会导致不同幅面之间由于XY平台和振镜本身的精度导致的一个错位，严重影响晶圆切割质量；进行XY运动平台切割时，将晶圆放置于带有旋转功能的载台上，使用相机抓取晶圆特种点，然后旋转载台时晶圆切割轨迹线与X或Y平台平行。切割12寸大晶圆时对运动平台的直线平行度要求高，通常由于平台精度和光束质量均匀性原因，在完成X或Y切割后再将晶圆旋转90°再进行另一方向的切割，这导致晶圆切割效率下降。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，能够解决现有技术振镜拼接切割精度差和X、Y向运动平台切割效率低和对运动平台直线度要求高的问题。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，包括激光器、扩束镜、偏振元件、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光束整形器、两维扫描振镜、远心场镜、X轴运动平台、Z方向运动机构、晶圆载台、Y轴运动平台、晶圆预对准及传输系统、相机系统和计算机，

所述X轴运动平台架设在底座的上方，所述Y轴运动平台安装在底座上，所述Z方向运动机构安装在X轴运动平台的前端并位于Y轴运动平台的上方，所述光束整形器、两维扫描振镜、远心场镜、第四反射镜及相机系统安装在Z方向运动机构上，所述晶圆载台安装在Y轴运动平台上，

所述激光器发出的线偏振性高斯光束入射到扩束镜中进行扩束，接着通过偏振元件后变为圆偏振态高斯光束，然后依次通过第一、第二、第三及第四反射镜后射入光束整形器进行整形，整形后光束通过两维扫描振镜进行X、Y方向的偏移，接着通过远心场镜入射到晶圆表面，

所述激光器、偏振元件、光束整形器、两维扫描振镜、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z方向运动机构、晶圆载台及晶圆传输及预对准系统由计算机进行控制。

进一步，所述激光器发射的激光波长为100nm～11000nm，脉冲宽度为1ms～10fs，脉冲频率为1～10000KHz，偏振类型为线偏振光，光束能量分布为高斯分布。

进一步，所述偏振元件为λ/2波片，用于调整激光的偏振态，使入射到晶圆表面的激光偏振方向与切割方向成0°、45°、90°或任意角度的夹角；或者所述偏振元件为λ/4波片用于调整激光的偏振态，使入射到晶圆表面的激光偏振态为圆偏振。

进一步，所述光束整形器为高斯光斑整形器或圆形光斑整形器或方形光斑整形器。

进一步，所述两维扫描振镜将光束在X、Y方向的偏移距离为1nm-100mm。

进一步，所述远心场镜为单片透镜或多片组合透镜，其焦距为10mm-300mm。

进一步，所述晶圆载台的平整度小于50μm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，包含偏振元件和光束整形器件，能够根据不同晶圆切割工艺调整入射到晶圆表面的激光偏振态和光束能量分布形式，且可以实时调整，可以提高晶圆切割的适应性和切割质量。

2、本实用新型的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备包含安装在Z方向运动机构上的两维扫描振镜，X轴、Y轴运动平台及Z方向运动机构均由计算机统一控制实现联动，可以一次完成整幅晶圆的X、Y方向切割，减少了振镜拼接误差，避免了晶圆旋转步骤。

3、通过本实用新型的振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，可以调整激光偏振态、激光能量分布，并与激光切割方向进行配合，提高了X和Y方向的切割效果一致性。

4、本实用新型的振镜和平台联动的晶圆激光切割设备在切割12寸及以上大晶圆时，运动平台直线度不满足要求时，可通过两维扫描振镜对平台直线度进行补偿，降低了运动平台的直线度要求。

附图说明

图1为本实用新型基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备的结构示意图。

图2为本实用新型所涉及的计算机的控制原理图。

图3为本实用新型所涉及的两维扫描振镜和X、Y轴运动平台联动的切割示意图。

图4为本实用新型所涉及的激光能量为高斯光斑a、圆形平顶光斑b、方形平顶光斑c的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。根据下面的说明，本实用新型的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本实用新型的优选实施例，而不是全部的实施例。

结合图1所示，一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，包括激光器1、扩束镜3、偏振元件4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8、光束整形器9、两维扫描振镜10、远心场镜11、X轴运动平台12、Z方向运动机构13、晶圆载台15、Y轴运动平台16、晶圆预对准及传输系统17、相机系统18和计算机19。

所述X轴运动平台12架设在底座A的上方，所述Y轴运动平台16安装在底座A上，所述Z方向运动机构13安装在X轴运动平台12的前端并位于Y轴运动平台16的上方，所述光束整形器9、两维扫描振镜10、远心场镜11、第四反射镜8及相机系统18安装在Z方向运动机构13上，所述晶圆载台15安装在Y轴运动平台16上，晶圆14放置在晶圆载台15上。

所述激光器1发出的线偏振性高斯光束2入射到扩束镜3中进行扩束，接着通过偏振元件4后变为圆偏振态高斯光束，然后依次通过第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8后射入光束整形器9进行整形，整形后光束通过两维扫描振镜10进行X、Y方向的偏移，接着通过远心场镜11入射到晶圆14表面。若光束整形器采用方形光束整形器，入射时光斑能量分布为方形平顶的圆偏振光斑。

结合图2所示，所述激光器1、偏振元件4、光束整形器9、两维扫描振镜10、X轴运动平台12、Y轴运动平台16、Z方向运动机构13、晶圆载台15及晶圆传输及预对准系统17由计算机19进行控制。

所述激光器1可采用EdgeWave公司生产的皮秒激光器，激光波长为532nm，脉冲宽度为12ps，脉冲频率为1～2000KHz，出射光斑3mm，偏振类型为水平偏振的线偏振光。所述扩束镜3的倍率为3倍。所述光束整形器9为HOLOOR生产的DOE整形器件。所述两维扫描振镜10为SCANLAB的高精度振镜。所述远心场镜11焦距为50mm。最终入射到晶圆表面激光由初始高斯分布改变为20μm×20μm的平顶分布的圆偏振光斑，如图4所示。

所述偏振元件为λ/2波片，用于调整激光的偏振态，使入射到晶圆表面的激光偏振方向与切割方向成0°、45°、90°或任意角度的夹角；或者所述偏振元件为λ/4波片用于调整激光的偏振态，使入射到晶圆表面的激光偏振态为圆偏振。

上述基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备的工作方法，包括以下步骤：

S1、晶圆传输及预对准系统17按预先设定角度和X、Y方向位置将待切割晶圆14放置在晶圆载台15上；

S2、相机系统18拍摄晶圆表面特征图案，计算器19生成晶圆上激光切割轨迹；

S3、计算器19设定激光切割工艺参数，如激光功率、激光频率、焦点高度、激光偏振态和方向、光束整形尺寸和方向、切割速度等；

S4、调整偏振元件4使激光光束能够按照设计的偏振形态和偏振方向入射到晶圆表面；

S5、调节光束整形器9，使激光光束按照设定能量分布形式和旋转方向入射到晶圆表面。如光束整形器9为方形光束整形器时，调整整形光束的方光斑边长方向与晶圆切割方向一致；

S6、Z向运动机构13带动第四反射镜8、方形光斑整形器9、两维扫描振镜10、远心场镜11移动至设定Z轴焦点高度，进行晶圆X方向切割，X轴运动平台12移动，带动Z向运动机构13、第三反射镜7、第四反射镜8、方形光斑整形器9、两维扫描振镜10、远心场镜11移动，

两维扫描振镜10进行Y方向的偏移，使得激光切割方向与晶圆表面的切割轨迹相吻合，如图3所示，切割线为20，每完成一行X方向切割任务后Y轴运动平台移动，进行下一行X方向的切割，直至所有X方向的切割任务完成；

S7、进行晶圆Y方向切割，Y轴运动平台移动，带动晶圆14和晶圆载台15移动，X轴运动平台12、Z向运动机构13、第三反射镜7、第四反射镜8、方形光斑整形器9、两维扫描振镜10及远心场镜11保持不动，两维扫描振镜进行X方向的偏移，使得激光切割方向与晶圆表面的切割轨迹相吻合，每完成一列Y方向切割任务后X轴运动平台移动，进行下一列Y方向的切割，直至所有Y方向的切割任务完成；

S8、所有X、Y方向切割轨迹完成后，晶圆传输及预对准系统17按预先设定角度和X、Y方向位置将完成切割的晶圆14移出晶圆载台15。

在步骤S6、S7中，切割12寸及以上晶圆时，当运动平台直线度偏差较大时，如直线度偏差大于3μm，使用两维扫描振镜对运动平台的直线度进行补偿。

以上所述，仅是本实用新型优选实施例的描述说明，并非对本实用新型保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

包括激光器、扩束镜、偏振元件、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、光束整形器、两维扫描振镜、远心场镜、X轴运动平台、Z方向运动机构、晶圆载台、Y轴运动平台、晶圆预对准及传输系统、相机系统和计算机，

所述激光器发出的线偏振性高斯光束入射到扩束镜中进行扩束，接着通过偏振元件后变为圆偏振态高斯光束或为设定偏振方向的线偏振高斯光束，然后依次通过第一、第二、第三及第四反射镜后射入光束整形器进行整形，整形后光束通过两维扫描振镜进行X、Y方向的偏移，接着通过远心场镜入射到晶圆表面，

2.根据权利要求1所述的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

所述激光器发射的激光波长为100nm～11000nm，脉冲宽度为1ms～10fs，脉冲频率为1～10000KHz，偏振类型为线偏振光，光束能量分布为高斯分布。

3.根据权利要求1所述的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

所述偏振元件为λ/2波片或者λ/4波片。

4.根据权利要求1所述的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

所述光束整形器为高斯光斑整形器或圆形光斑整形器或方形光斑整形器。

5.根据权利要求1所述的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

所述两维扫描振镜将光束在X、Y方向的偏移距离为1nm-100mm。

6.根据权利要求1所述的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

所述远心场镜为单片透镜或多片组合透镜，其焦距为10mm-300mm。

7.根据权利要求1所述的基于振镜和平台联动的晶圆激光切割设备，其特征在于：

所述晶圆载台的平整度小于50μm。