DE102021100675A1 - Verfahren zum Zerteilen eines transparenten Werkstücks - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen eines transparenten Werkstücks (1) mittels gepulster Laserstrahlung (2) durch Erzeugung einer Strahlkonvergenzzone (3) im Volumen des Werkstücks, in der die Intensität der Laserstrahlung (2) einen Schwellwert für nicht-lineare Absorption überschreitet, wobei die Strahlkonvergenzzone (3) und das Werkstück (1) relativ zueinander bewegt werden und so eine entlang einer vorgegebenen Trennungslinie (4) verlaufende flächige Schwächung in dem Werkstück (1) erzeugt wird, und wobei das Werkstück (1) anschließend entlang der Trennungslinie (4) zerteilt wird. Die Erfindung schlägt vor, dass durch Wahl der Dauer des durch die nicht-lineare Absorption der gepulsten Laserstrahlung erzeugten Energieeintrags und durch räumliche Strahlformung nicht-lineare Propagation der Laserstrahlung (2) in dem Volumen (1) des Werkstücks außerhalb der Strahlkonvergenzzone (3) unterdrückt wird.

Description

  • Verfahren zum Zerteilen eines transparenten Werkstücks mittels gepulster Laserstrahlung durch Erzeugung einer Strahlkonvergenzzone im Volumen des Werkstücks, in der die Intensität der Laserstrahlung einen Schwellwert für nichtlineare Absorption überschreitet, wobei die Strahlkonvergenzzone und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden und so eine entlang einer vorgegebenen Trennungslinie verlaufende flächige Schwächung in dem Werkstück erzeugt wird, und wobei das Werkstück anschließend entlang der Trennungslinie zerteilt wird.
  • Das Zerteilen von Wafer-Substraten in Chips, d.h. das sogenannte Dicing von Wafern spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, die immer kleiner und komplexer werden. Die klassischen Methoden des Dicings basieren auf dem Einsatz einer Diamantsäge für Wafer, die dicker als 100 µm sind. Bei dünneren Wafern werden zunehmend laserbasierte Verfahren verwendet.
  • Die WO 2016/059449 A1 beschreibt ein Dicing-Verfahren, bei dem mittels gepulster Laserstrahlung eine Strahlkonvergenzzone im Volumen des Werkstücks, d.h. des Halbleitersubstrats erzeugt wird, in der die Intensität der Laserstrahlung lokalisiert einen Schwellwert für nicht-lineare Absorption überschreitet. In der Strahlkonvergenzzone kommt es entsprechend zu Mehrphotonenprozessen, z.B. in Form von Multiphotonenionisation oder Lawinenionisation, die zur Ausbildung eines Plasmas führen. Die Plasmabildungsrate nimmt oberhalb einer Schwelle, die von dem Material des Werkstücks und den Parametern der Laserstrahlung abhängt, stark zu. Man spricht daher auch von einem „optischen Durchbruch“. Die dadurch bewirkte Modifikation und damit Bearbeitung des Werkstücks weist eine hohe Präzision auf, da räumlich lokalisiert reproduzierbar geringe Energiemengen in das Material eingetragen werden. Die gute räumliche Lokalisation wird in erster Linie durch Fokussierung der Laserstrahlung mittels einer möglichst aberrationsfreien Einkoppeloptik hoher numerischer Apertur erreicht. Es wird eine Strahlkonvergenzzone in Form eines ausgedehnten, in der zitierten Druckschrift „stachelförmigen“ Fokusvolumens in Richtung der Laserstrahlachse erzeugt. Diese Strahlkonvergenzzone wird relativ zu dem Werkstück bewegt, um im Ergebnis eine entlang einer vorgegebenen Trennungslinie verlaufende flächige Schwächung in dem Werkstück zu erzeugen. Mögliche Schwächungsmechanismen durch die eingebrachten Modifikationen sind Void- und/ oder Rissbildung, Strukturänderungen des Materials des Werkstücks, an den Modifikationsbereich jeweils angekoppelte Risse, transiente oder permanente Spannungen, thermomechanische Spannungen, Spannungen durch lokale Volumenvergrößerungen oder -verkleinerungen, Erstarrungsrisse etc.. Die eigentliche Zerteilung des Werkstücks erfolgt schließlich durch Einwirkung einer geringen mechanischen Kraft oder einer Spannung, durch die das Werkstück in der Fläche der Schwächung, d.h. entlang der Trennungslinie bricht.
  • Von entscheidender Bedeutung ist eine gleichmäßige Modifikation des Materials über eine und bis in eine vorgegebene Tiefe des Werkstücks hinein. Dadurch wird die Zerteilbarkeit erleichtert, Produktionsfehler wie Ausplatzungen oder Materialverspannungen werden minimiert, und es werden höhere Kantenfestigkeiten erzielt. Die Modifikationen in dem Werkstück werden bei dem bekannten Verfahren mit Laserpulsen einer Pulsdauer im Bereich 100-15000 fs bei einer Wellenlänge von 500 nm bis 2000 nm Wellenlänge und 10 kHz bis 2 MHz Repetitionsrate erzeugt. Bei dem bekannten Verfahren ist die Strahlformung zur Erzeugung der Strahlkonvergenzzone auf Basis einer ungestörten linearen Propagation der Laserstrahlung im Volumen des Werkstücks ausgelegt. Bei der benötigten Fluenz zur Erzeugung der eine Zerteilung ermöglichenden Schwächung des Materials ist die Propagation der Laserstrahlung innerhalb des Werkstücks in dem genannten Pulsdauerbereich jedoch nicht-linearen Effekten unterworfen. Bei geringer Pulsdauer und hoher Energiedichte wird die Propagation der Laserstrahlung im Volumen des Werkstücks durch nicht-lineare Effekte (z.B. Selbstfokussierung sowie Zweiphotonenabsorption schon außerhalb der Strahlkonvergenzzone) so stark gestört, dass eine effektive Energieeinkopplung in den gewünschten Bereich der Strahlkonvergenzzone in erheblichem Ausmaß verhindert wird. Eine definierte Lokalisierung der Energiedeponierung und der daraus resultierenden Modifikation des Materials des Werkstücks kann bei hoher Spitzenintensität der Strahlung, wie sie bei kurzer Pulsdauer vorliegt, nicht erreicht werden.
  • Mit langer Pulsdauer (z.B. > 1 ns) und damit geringerer Spitzenintensität kann das Material zwar modifiziert werden, da aber typisch eine höhere Energie erforderlich ist und Diffusionseffekte wirksam werden, wird eine größere Schädigung durch ein erhöhtes thermisch belastetes Volumen in Kauf genommen. Entsprechend ist das Ergebnis des Trennungsvorgangs im Hinblick auf die Qualität der Bruchkante nicht zufriedenstellend.
  • Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Zerteilen eines transparenten Werkstücks bereit zu stellen. Die zuvor genannten Nachteile bekannter Verfahren sollen vermieden werden.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass durch Wahl der Dauer des durch die nichtlineare Absorption der gepulste Laserstrahlung erzeugten Energieeintrags in der Strahlkonvergenzzone und/oder durch räumliche Strahlformung nicht-lineare Propagation der Laserstrahlung in dem Volumen des Werkstücks außerhalb der Strahlkonvergenzzone unterdrückt wird.
  • Der Kern der Erfindung ist die Berücksichtigung der nicht-linearen Propagationscharakteristik für die Einbringung der Schwächung in das Werkstück. Zur Unterdrückung, d.h. zur signifikanten Reduzierung nicht-linearer Propagation der Laserstrahlung außerhalb der Strahlkonvergenzzone werden möglichst optimale Prozessparameter hinsichtlich der Dauer des Energieeintrags und/oder der Strahlformung definiert, wodurch eine verbesserte Kontrolle der Energiedeposition ermöglicht wird. Dabei wird durch die Dauer des Energieeintrags letztlich die lokale Energiedichte im Volumen des Werkstücks kontrolliert und die Energieeinkopplung innerhalb der Strahlkonvergenzzone verbessert. Schädigungen im umliegenden Volumen, d.h. außerhalb der Strahlkonvergenzzone, werden auf ein Minimum reduziert. Durch die Erfindung wird erzielt, dass eine möglichst geringe Wechselwirkung außerhalb, insbesondere in Propagationsrichtung der Laserstrahlung vor der Strahlkonvergenzzone erreicht wird, um störende nicht-lineare Effekte (z.B. Selbstfokussierung, nicht-lineare Absorption) oder andere Propagationsstörungen zu minimieren. Außerdem wird gewährleistet, dass während der Dauer der nicht-linearen Absorption in der Strahlkonvergenzzone in Strahlrichtung zuerst entstehende Modifikationen oder Zonen hoher Elektronendichte nicht mehr als 50%, bevorzugt nicht mehr als 20 %, besonders bevorzugt nicht mehr als 10% der einfallenden Energie von den in Strahlrichtung später erreichten Teilen der Strahlkonvergenzzone abschirmen.
  • Durch die Minimierung der nicht-linearen Propagation kann mittels Strahlfokussierung in der Strahlkonvergenzzone gezielt und definiert eine geeignete Fluenz erreicht werden. Dadurch kommt es nur in diesem Bereich zu der gewünschten Modifikation. Durch die Kombination aus zeitlicher und räumlicher Strahlformung kommt es zu einer gleichmäßigen, maßgeschneiderten Energiedeposition über die gesamte vorgegebene Strahlkonvergenzzone. Dadurch wird im Ergebnis der Trennvorgang erleichtert. Ausplatzungen oder Materialverspannungen werden minimiert. Die Qualität der Bruchkante wird gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
  • Durch gezielte Wahl der Prozessparameter (Betrag und Dauer des Energieeintrags, räumliche Strahlformung) wird gemäß der Erfindung, mit anderen Worten, erreicht, dass
    1. a) die Intensitätssschwelle für nicht-lineare Absorption in der Strahlkonvergenzzone überschritten wird,
    2. b) Leistungs- oder Intensitätsschwellen für unerwünschte nicht-lineare Effekte außerhalb der Strahlkonvergenzzone unterschritten werden,
    3. c) die für die angestrebte Modifikation erforderliche Energie kontrolliert lokalisiert eingebracht wird, so dass sich die gewünschte flächige Schwächung in der gewünschten Geometrie ergibt
  • Idealerweise sollte die Wellenlänge der Laserstrahlung so ausgewählt werden, dass die lineare Absorption der Laserstrahlung in dem Material des Werkstücks unterhalb von 20%, besser noch unterhalb von 10%, besonders bevorzugt unterhalb von 5% auf einer Länge von einem Zentimeter in Laserstrahlrichtung liegt. Außerdem sollte die Wellenlänge der Laserstrahlung nach der Maßgabe ausgewählt werden, dass der nicht-lineare Brechungsindex im Volumen des Werkstücks bei dieser Wellenlänge so gering ist, dass nicht-lineare Effekte eine ausreichende Energiedeposition in der Strahlkonvergenzzone nicht verhindern. Gleichzeitig sollte die Wellenlänge in einem Bereich liegen, in dem eine gute Fokussierbarkeit gewährleistet ist.
  • Erfindungsgemäß kommt es entscheidend auf die geeignete Wahl der Dauer des Energieeintrags durch die nicht-linear induzierte Absorption der gepulsten Laserstrahlung in der Strahlkonvergenzzone, d.h. an einer bestimmten Position des Werkstücks entlang der Trennungslinie an. Die Dauer des Energieeintrags kann z.B. durch die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung vorgegeben werden. Eine obere Grenze der Dauer ergibt sich durch die tolerierbare Größe der thermischen Schädigungszone durch Wärmediffusion. Weiterhin ist eine obere Grenze für die Dauer gegeben durch die maximal tolerierbare Energie, die in der Strahlkonvergenzzone absorbiert wird. Je größer die Dauer ist, desto größer ist der Energieeintrag, wenn die Intensität oberhalb des Schwellwertes für nicht-lineare Absorption liegt. Zu viel und/oder über einen zu großen Zeitraum eingebrachte Energie verhindert die lokale Begrenzung der Schwächung auf die Strahlkonvergenzzone. Im Hinblick auf die Vermeidung nicht-linearer Propagation der Laserstrahlung außerhalb der Strahlkonvergenzzone kommt es auf die untere Grenze der Energieeintragsdauer an. Insbesondere sollte die Pulsdauer größer als ein kritischer Wert sein, wobei der kritische Wert z.B. der Quotient aus Pulsenergie und materialspezifischer kritischer Leistung ist, ab der nicht-lineare Propagation, insbesondere Selbstfokussierung, in dem Volumen des Werkstücks auftritt. Dadurch wird erreicht, dass die Energiedeposition nicht übermäßig von nicht-linearen Effekten gestört wird und so eine ausreichend hohe und lokalisierte Energiedeposition in der Strahlkonvergenzzone gewährleistet ist.
  • Zweckmäßig sollten die Dauer des Energieeintrags (z.B. die Pulsdauer) und der Betrag des Energieeintrags (z.B. Pulsenergie) in einem Pulsereignis nach der Maßgabe ausgewählt werden, dass eine Schädigung, d.h. eine gewünschte Modifikation im Volumen des Werkstücks innerhalb der Strahlkonvergenzzone durch einen einzelnen Laserpuls oder einen Laserpulsburst bestehend aus einer Abfolge einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen erfolgt. Ein geeigneter einzelner Puls kann z.B. ein Laserpuls mit gaußförmigem zeitlichem Profil bestimmter Pulsdauer sein. Ein Burst umfasst eine vorgegebene Anzahl von Laserpulsen mit geringem zeitlichem Abstand (Pulsrepetitionsfrequenz im GHz- oder THz-Bereich). Wenn der zeitliche Abstand der Bursts voneinander um mindestens das 100-fache größer ist als die Dauer des einzelnen Bursts wird auch ein solcher Burst als Pulsereignis betrachtet. Die Modifikation an einer bestimmten Stelle des Werkstücks sollte während eines einzigen solchen „Pulsereignisses“ (Einzelpuls oder Burst) vollständig erzeugt werden. Entsprechend bezieht sich der Energieeintrag im Sinne der Erfindung auf die während eines einzelnen Pulsereignisses durch nicht-lineare induzierte Absorption in der Strahlkonvergenzzone eingetragene Energie. Die Dauer des Energieeintrags resultiert entsprechend aus der Pulsdauer bzw. der Burstdauer. Hinzuweisen ist darauf, dass die Laserpulse nicht zwingend eine Gaußform, eine „Flat Top“-Form oder eine andere gängige Form aufweisen müssen. Denkbar sind beliebige Pulsformen. Entscheidend ist die effektive Dauer des Energieeintrags. Diese beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt 20-500 ps.
  • Die flächige Schwächung wird dann repetitiv erzeugt, indem das Werkstück relativ zur Strahlkonvergenzzone von Pulsereignis zu Pulsereignis inkrementell entlang der Trennlinie weiter bewegt wird. Möglichst wird die Schwächung während eines einzigen Bewegungsvorgangs entlang der Trennlinie erzeugt.
  • Auf diese Weise kann eine hohe Prozessgeschwindigkeit erreicht werden und das Werkstück bricht zuverlässig mit hoher Qualität der Trennkante entlang der Trennungslinie.
  • Bevorzugt wird die kürzest mögliche Dauer des Energieeintrags ermittelt, bei dem die gewünschte Modifikation mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, besonders bevorzugt mindestens 95% erfolgt. Die Dauer des Energieeintrags bei der Einbringung der Schwächung wird dann so gewählt, dass sie größer oder gleich diesem ermittelten kürzest möglichen Wert ist, der von zahlreichen Faktoren abhängig sein kann (Material, Größe und Geometrie der Strahlkonvergenzzone, Wellenlänge, Pulsform etc.). Z.B. kann die gewählte Dauer des Energieeintrags um den Faktor 10, bevorzugt um den Faktor 5, besonders bevorzugt um den Faktor 2 oberhalb des ermittelten kürzest möglichen Wertes liegen. Idealerweise liegt der Faktor im Bereich von 1,1 bis 5. Dadurch wird eine gute Kontrolle des Energieeintrags für die angestrebte Erzeugung der Schwächung erzielt.
  • Weiter bevorzugt sollte die Strahlkonvergenzzone eine senkrecht zur Werkstückoberfläche langgestreckte Form aufweisen. Ähnlich wie in der oben zitierten WO 2016/059449 A1 sollte die Strahlkonvergenzzone in Strahlrichtung langgestreckt sein und sich so über den Großteil der vollen Dicke des Werkstücks erstrecken, um für eine geeignete Schwächung zu sorgen. Z.B. kann die Länge der Strahlkonvergenzzone in Strahlrichtung um wenigstens den Faktor 10, bevorzugt um wenigstens den Faktor 50, besonders bevorzugt um wenigstens den Faktor 100 größer sein als die Ausdehnung der Strahlkonvergenzzone senkrecht zur angestrebten flächigen Schwächung. Der Laserstrahl kann zunächst ein Gaußprofil oder jede andere realisierbare Eingangsstrahlform aufweisen. Besonders geeignet sind Gauß-Bessel-Strahlen oder andere im Wesentlichen als nichtbeugende Strahlen zu bezeichnende Strahlformen. Eine maßgeschneiderte räumliche Intensitätsverteilung in der Strahlkonvergenzzone erfolgt zweckmäßig mittels geeigneter optischer Komponenten, wie z.B. Fokussieroptiken in Kombination mit Strahlformungsoptiken, auch mit adaptiven Strahlformungskomponenten, wie z.B. räumlichen Lichtmodulatoren (SLM) oder Piezospiegeln. Eine Verbesserung kann durch tiefenabhängige Aberrationskorrektur erzielt werden. Ziel der räumlichen Strahlformung ist ein möglichst ungestörter Energieeintrag in die gewünschte Strahlkonvergenzzone, und zwar von der Werkstückoberfläche (Strahleintrittsfläche) bis in die für den Trennungsvorgang erforderliche Tiefe in das Werkstück hinein.
  • Gleichzeitig sollte die Ausdehnung der Strahlkonvergenzzone quer zur Strahlachse in Richtung parallel zur Schwächungsebene größer sein als senkrecht dazu. Dadurch wird derjenige Anteil der Laserstrahlung, der bei der repetitiven Einbringung der Modifikationen unter relativer Bewegung von Strahlkonvergenzzone und Werkstück durch die jeweils zuvor bereits eingebrachten Modifikationen beeinflusst (abgeschirmt) wird, minimiert.
  • Wie oben erwähnt, zielt die Erfindung darauf ab, eine möglichst geringe Wechselwirkung außerhalb, insbesondere in Propagationsrichtung der Laserstrahlung vor der Strahlkonvergenzzone zu erreichen, um störende nichtlineare Effekte zu minimieren. Außerdem soll gewährleistet werden, dass während eines Pulsereignisses in der Strahlkonvergenzzone zuerst entstehende Modifikationen oder Zonen hoher Elektronendichte nur einen möglichst geringen Teil der einfallenden Energie von den später erreichten Teilen der Strahlkonvergenzzone abschirmen. Hierzu kann eine geeignete Strahlformung beitragen. Die Strahlformung kann vorteilhaft in der Weise erfolgt, dass diejenigen Strahlkomponenten (bestehend aus Einzelstrahlen oder Bündeln von Einzelstrahlen) der Laserstrahlung, die näher zur Werkstückoberfläche im Volumen des Werkstücks konvergieren, mit der Strahlachse einen gleichen oder kleineren Winkel einschließen als diejenigen Strahlkomponenten, die weiter entfernt von der Werkstückoberfläche im Volumen des Werkstücks konvergieren. Dies sollte jedenfalls für den Großteil der in der Strahlkonvergenzzone zusammenlaufenden Strahlkomponenten gelten; die Abweichung eines geringen Teils der Strahlkomponenten von dieser Geometrie kann im Einzelfall toleriert werden, soweit nichtlineare Effekte hinreichend unterdrückt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Zerteilen von Halbleiterwafern in Chips. Durch die von der Erfindung vorgeschlagene zeitliche und räumliche Strahlformung wird eine für den Dicing-Prozess nachteilige nichtlineare Propagation der Laserstrahlung verhindert oder zumindest minimiert. Dadurch ist die Propagation der Laserstrahlung im Material des Substrats ungestört und eine langgestreckte Modifikationszone kann mit jedem Pulsereignis eingebracht werden. Durch Wiederholung des Vorgehens unter relativer Bewegung von Laserstrahl und Substrat wird eine flächige Schwächung entlang einer vorgegebenen Trennlinie erzeugt. Diese dient als Sollbruchstelle beim Brechen durch eine nachfolgend aufgebrachte Zugspannung. So können einerseits dünne, andererseits aber selbst dicke Halbleitersubstrate mit minimierter thermisch beanspruchter oder andersartig beeinträchtigter Bruchstelle effektiv getrennt werden. Durch die geringe Ausdehnung der Modifikationszone quer zur Schwächungsebene ist es möglich, in Vorschubrichtung dicht benachbart Modifikationen einzubringen, ohne dass die Strahlpropagation nennenswert durch die zuvor bereits eingebrachten Modifikationen gestört wird. Die Konturtreue der Trennlinie ist besonders hoch. Produktionsfehler und Ausschuss werden minimiert. Gleichzeitig kann eine hohe Prozessgeschwindigkeit erreicht werden.
  • Ebenso eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerteilen von flächigen Glasprodukten oder auch keramischen sowie kristallinen Werkstücken.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
    • 1: schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zum Spalten oder Zerteilen eines transparenten Werkstücks;
    • 2: schematische Illustration der räumlichen Strahlformung gemäß der Erfindung;
    • 3: repetitive Einbringung von Modifikationszonen mit unterschiedlichen Abständen;
    • 4: Prozess der Optimierung der Verfahrensparameter als Flussdiagramm;
    • 5: Prozess der Optimierung der Pulsdauer als Flussdiagramm;
    • 6: Prozess der Optimierung der Pulsenergie als Flussdiagramm;
    • 7: Diagramm zur Illustration der Zusammenhänge der Verfahrensparameter bei repetitiver Einbringung der Modifikationszonen.
  • Die 1 illustriert die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Spalten oder Zerteilen eines Werkstücks 1, beispielsweise eines Wafers in der Halbleiterfertigung. Auf das Werkstück wird von oben ein Laserstrahl 2 in Form von gepulster Laserstrahlung eingestrahlt. Der Laserstrahl 2 wird so geformt (z.B. durch eine Fokussieroptik in Kombination mit einem räumlichen Lichtmodulator, nicht dargestellt), dass eine in Strahlrichtung langgestreckte Strahlkonvergenzzone 3 im Volumen des Werkstücks 1 erzeugt wird. Innerhalb der Strahlkonvergenzzone 3 überschreitet die Intensität der Laserstrahlung den Schwellwert für nicht-lineare Absorption, so dass es zu einer entsprechend räumlich begrenzten Modifikation des Materials des Werkstücks 1 kommt. Die Strahlkonvergenzzone 3 wird inkrementell relativ zu dem Werkstück bewegt (Pfeilrichtung). Dabei werden eine Mehrzahl von entlang einer Trennungslinie 4 nebeneinander liegende Modifikationszonen 5 in dem Volumen des Werkstücks 1 erzeugt, die insgesamt eine Schwächungsebene bilden. Anschließend wird das Werkstück 1 entlang der Trennungslinie 4 durch Einwirkung einer geringen mechanischen Kraft in zwei Teile 1a, 1b gebrochen. Die Trennungslinie muss nicht, wie in 1, gerade sein. Eine Trennung der Werkstückteile 1a, 1b entlang einer gekrümmten Trennlinie ist ebenfalls denkbar.
  • Kern der Erfindung ist die Berücksichtigung der nicht-linearen Propagationscharakteristik der Laserstrahlung 2 für die Einbringung der Modifikationszonen 5 in das Werkstück 1. Die Propagation der Laserstrahlung 2 im Volumen des Werkstücks 1 würde durch nicht-lineare Effekte (z.B. Selbstfokussierung sowie, Zweiphotonenabsorption schon außerhalb der Strahlkonvergenzzone) so stark gestört, dass eine effektive Energieeinkopplung, die auf den gewünschten Bereich der Strahlkonvergenzzone 3 einerseits begrenzt ist, diesen andererseits aber auch möglichst vollständig ausfüllt, in erheblichem Ausmaß verhindert. Zur Unterdrückung, d.h. zur Reduktion derartiger nicht-linearer Propagation der Laserstrahlung 2 außerhalb der Strahlkonvergenzzone 3 werden erfindungsgemäß möglichst optimale Prozessparameter hinsichtlich Dauer des Energieeintrags und Strahlformung definiert, wodurch eine weitgehende Kontrolle der Energiedeposition ermöglicht wird. Schädigungen im umliegenden Volumen, d.h. außerhalb der Strahlkonvergenzzone 3, werden auf ein Minimum reduziert.
  • 2 illustriert anhand von Schnitten durch das Werkstück 1 schematisch die räumliche Strahlformung gemäß der Erfindung. In der linken Abbildung der 2 konvergieren zwei Strahlkomponenten 6, 7 der von oben einfallenden Laserstrahlung 2 (1) in einer Strahlkonvergenzzone 3 weit unterhalb der Werkstückoberfläche (Strahleintrittsfläche). Die Strahlkomponenten 6, 7 schließen mit der Strahlachse 8 einen spitzen Winkel ein, so dass eine langgestreckte Strahlkonvergenzzone 3 resultiert. Durch die unter einem Winkel zur Strahlachse 8 durch das Volumen des Werkstücks 1 propagierenden Strahlkomponenten 6, 7 ist sichergestellt, dass eine Überlappung der Strahlkomponenten 6, 7 ausschließlich in der Strahlkonvergenzzone 3 stattfindet. Außerhalb der Strahlkonvergenzzone bleibt die Fluenz der Laserstrahlung in dem Volumen des Werkstücks so gering, dass möglichst wenig nicht-lineare Effekte auftreten. In der mittleren Abbildung der 2 kommen weitere Strahlkomponenten 9, 10, 11, 12 der Laserstrahlung 2 (1) hinzu, die den Bereich zwischen der am tiefsten liegenden Strahlkonvergenzzone 3 mit weiteren Strahlkonvergenzzonen 3', 3" „auffüllen“. Zur Verhinderung nichtlinearer Propagation der Laserstrahlung 2 außerhalb der Strahlkonvergenzzonen 3, 3', 3" weisen diejenigen Strahlkomponenten 9, 10, 11, 12 der Laserstrahlung 2, die näher zur Werkstückoberfläche im Volumen des Werkstücks 1 konvergieren, mit der Strahlachse 8 einen gleichen (wie in 2) oder kleineren Winkel ein als diejenigen Strahlkomponenten 6, 7, die weiter entfernt von der Werkstückoberfläche im Volumen des Werkstücks 1 konvergieren. Damit ist ausgeschlossen, dass unterschiedliche Strahlkomponenten 6, 7, 9, 10, 11, 12 außerhalb der Strahlkonvergenzzonen 3, 3', 3" überlappen und dadurch eine Fluenz entsteht, die nichtlineare Effekte ermöglicht. In dem Beispiel der rechten Abbildung der 2 gehen die verschiedenen Strahlkomponenten 6, 7, 9 bzw. 10, 11, 12 ineinander in zwei breitere Strahlkomponenten 13, 14 über, so dass eine einzige langgestreckte Strahlkonvergenzzone 3 entsteht. Durch die Strahlformung ist gewährleistet, dass während eines Pulsereignisses (einzelner Laserpuls oder Pulsburst) in der Strahlkonvergenzzone 3 zuerst (d.h. in 2 weiter oben) entstehende Modifikationen (oder Zonen hoher Elektronendichte) nur einen geringen Teil der einfallenden Energie von den später (weiter unten) erreichten Teilen der Strahlkonvergenzzone 3 abschirmen. Dies kann allgemein durch ein möglichst schmales Winkelspektrum der Strahlkomponenten 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14 der einfallenden Laserstrahlung bezogen auf die Strahlachse 8 erreicht werden.
  • 3 illustriert wiederum anhand von Schnittansichten (obere Abbildungen) und anhand von Draufsichten (untere Abbildungen) des Werkstücks 1 die sukzessive Einbringung einer Vielzahl von Modifikationszonen 5 durch die konvergierenden Strahlkomponenten 13, 14 der Laserstrahlung 2. Dabei wird, wie oben erläutert, das Werkstück 1 relativ zur Strahlkonvergenzzone 3 (in der 3 nach rechts) bewegt. In der linken Abbildung werden die Modifikationszonen 5 dicht benachbart eingebracht. Dabei wird ein Teil der Laserstrahlung 2 durch die jeweils zuvor bereits eingebrachten Modifikationszonen 5 abgeschirmt. Das entsprechende abschirmende Winkelsegment ist in den unteren Abbildungen der 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Winkelsegment bei dicht benachbarten Modifikationszonen 5 (linke Abbildung) größer ist als bei weiter beabstandeten Modifikationszonen 5 (mittlere Darstellung). In der rechten Abbildung sind die Modifikationszonen wiederum dicht benachbart. Allerdings erfolgt hier die Strahlformung so, dass die Ausdehnung der Strahlkonvergenzzone 3 und entsprechend der jeweils erzeigten Modifikationszone 5 quer zur Strahlachse 8 in Richtung parallel zur Schwächungsebene (d.h. entlang der Trennungslinie 4) größer ist als senkrecht dazu. Dadurch wird derjenige Anteil der Laserstrahlung 2, der bei der repetitiven Einbringung der Modifikationszonen 5 durch die jeweils zuvor bereits eingebrachten Modifikationszonen 5 abgeschirmt wird, reduziert. In der rechten unteren Abbildung ist zu erkennen, dass das abschirmende Winkelsegment kleiner ist als in der linken unteren Abbildung. Die geringere Ausdehnung der Modifikationszonen 5 quer zur Trennlinie 4 erlaubt somit dicht benachbarte Modifikationszonen, so dass insgesamt ein größerer Anteil der Fläche geschwächt und so die Qualität der Bruchstelle verbessert werden kann.
  • 4 zeigt beispielhaft den Ablauf zur erfindungsgemäßen Optimierung der Prozessparameter. Zunächst wird anhand der Gegebenheiten des Werkstücks 1 (Material und Dicke) die Wellenlänge der Laserstrahlung festgelegt. Idealerweise sollte die Wellenlänge der Laserstrahlung so ausgewählt werden, dass die lineare Absorption der Laserstrahlung in dem Material des Werkstücks unterhalb von 20%, besser noch unterhalb von 10%, besonders bevorzugt unterhalb von 5% auf einer Länge von einem Zentimeter in Laserstrahlrichtung liegt. Außerdem sollte die Wellenlänge der Laserstrahlung nach der Maßgabe ausgewählt werden, dass der nicht-lineare Brechungsindex im Volumen des Werkstücks bei dieser Wellenlänge möglichst gering ist. Eine größere Wellenlänge mindert beispielsweise die Zweiphotonen-Absorption außerhalb der Strahlkonvergenzzone. Gleichzeitig sollte die Wellenlänge in einem Bereich liegen, in dem eine gute Fokussierbarkeit gewährleistet ist, wobei unter diesem Gesichtspunkt eine kürzere Wellenlänge zu bevorzugen ist. Auf Basis der unterschiedlichen Optimierungskriterien wird eine geeignete Wellenlänge eingestellt. Im nächsten Schritt wird die Strahlformung nach den oben erläuterten Kriterien festgelegt, wobei ebenfalls die Dicke und das Material des Werkstücks (Brechungsindex) berücksichtigt werden. Sodann erfolgt eine iterative Optimierung von Pulsdauer und Pulsenergie, wiederum mit der Maßgabe, nichtlineare Effekte bei der Propagation der Laserstrahlung 2 durch das Volumen des Werkstücks 1 außerhalb der Strahlkonvergenzzone 3 zu vermeiden, jedenfalls aber zu reduzieren. Nähere Einzelheiten hierzu werden nachfolgend anhand der 5 und 6 erläutert.
  • Um bestmögliche Kontrolle der Energiedeposition zu erzielen, wird die kürzest mögliche Dauer des durch die nicht-lineare Absorption der gepulsten Laserstrahlung erzeugten Energieeintrags, d.h. hier die kürzest mögliche Pulsdauer für die angestrebte Erzielung der Modifikation im Werkstück 1 ermittelt. Diese ist abhängig von den zuvor bereits festgelegten Parametern, nämlich Material, Geometrie der Strahlkonvergenzzone 3, d.h. Strahlform und Wellenlänge. Mit den in 5 dargestellten Optimierungsschritten wird die optimale Pulsdauer gefunden. Ein möglicher Startpunkt für die iterative Optimierung kann sich aus der notwendigen Energiedichte zur Modifikation des Materials des Werkstücks 1 einerseits und der jeweiligen kritischen Leistung, ab der Selbstfokussierung der in dem Volumen des Werkstücks 1 propagierenden Laserstrahlung 2 stattfindet, andererseits ergeben. Die Pulsdauer muss mindestens so lang gewählt werden, dass die erreichten Spitzenleistungen der Laserstrahlung unter dem für Selbstfokussierung kritischen materialspezifischen Parameter liegen. Die Überprüfung der erfolgreichen Modifikation mit mindestens 95% Wahrscheinlichkeit in dem in den 5 und 6 dargestellten Ablauf erfolgt z.B. nach ISO 21254 („Lasers and laser-related equipment - Test methods for laser-induced damage threshold“). Pulsdauer und Pulsenergie der gepulsten Laserstrahlung 2 werden durch die Optimierung so bestimmt, dass eine Modifikation durch einen einzelnen Laserpuls oder einen Laserpulsburst bestehend aus einer vorgegebenen Abfolge von Laserpulsen zuverlässig (mindestens 95% Wahrscheinlichkeit erfolgt). Gleichzeitig wird dabei die minimal nötige Pulsdauer ausgewählt, bei der die Modifikation noch zuverlässig erfolgt. Nach der Optimierung der Pulsdauer gemäß 5 kann optional eine vom Ergebnis abhängige Anpassung der Pulsdauer nach oben erfolgen, wenn dadurch ein verbessertes Ergebnis und oder eine gesteigerte Prozessstabilität erreicht werden kann. Die obere Grenze ist dabei weiterhin bestimmt durch den thermischen Schädigungsbereich während der Laserbestrahlung. Gemäß 6 wird dann eine Anpassung der Fluenz im angestrebten Modifikationsbereich (>95% Wahrscheinlichkeit) nach analogem Vorgehen durch Erhöhung oder Verringerung der Pulsenergie vorgenommen. Durch die Optimierungsschritte der 5 und 6 wird gewährleistet, dass eine optimale Pulsdauer und Pulsenergie für die gewählte Strahlformung, d.h. für die gewünschte Geometrie der Modifikationszone 5 verwendet wird.
  • Bei einer praktischen Realisierung der Erfindung wird ein 525 µm dicker Siliziumwafer mit gepulster Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 1960 nm bestrahlt. Eine deutliche Reduzierung der nicht-linearen Propagation und damit erstes Auftreten von Modifikationen ist ab 20 ps Pulsdauer festzustellen. Die Bestimmung der Modifikationswahrscheinlichkeit durch einen einzelnen Laserpuls ergibt, dass ab 25 ps Pulsdauer eine Wahrscheinlichkeit von >95% erreicht ist. Dabei beträgt die Pulsenergie 15 µJ. So können mittels räumlicher Pulsformung Modifikationszonen mit einem Durchmesser von 5 µm und 350 µm Länge in Strahlrichtung erzeugt werden. Es findet eine Aneinanderreihung der Modifikationszonen mit einem Abstand von 10 µm statt, indem der Fokus der Laserstrahlung, d.h. die Strahlkonvergenzzone relativ zum Wafer bewegt wird. Anschließend lässt sich der Wafer mit einer geringen mechanischen Kraft rechtwinklig brechen. Es entsteht eine saubere Bruchkante. Der wärmebeeinflusste Bereich entlang der Bruchkante ist gering. Die Rauheit der Oberfläche beträgt weniger als 5 µm.
  • Zur Erzeugung einer durchgehenden Schwächung im Material des Werkstücks 1, kann die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Laserstrahl 2 und Werkstück 1 soweit abgesenkt werden, dass es zu einer Überlappung der Modifikationszonen 5 im Volumen des Werkstücks 1 kommt. Das Diagramm der 7 zeigt, wie das Zusammenspiel der Parameter der Vorschubgeschwindigkeit v, der Modifikationswahrscheinlichkeit P und der eingetragenen Pulsenergie Ein verschiedene Regimes ausbildet. X1 bezeichnet den Bereich, in dem die Modifikationen in einer kontinuierlichen Weise (einander überlappend) eingebracht werden. Bei der jeweils gewählten Energie Ein, die einen Einfluss auf die Ausdehnung der Modifikationszonen 5 senkrecht zur Strahlpropagation hat, kommt es zu einem Überlapp. Wird die Vorschubgeschwindigkeit erhöht, so werden bei gleicher Repetitionsrate der Pulsereignisse die Abstände zwischen den eingebrachten Modifikationszonen 5 erhöht und es kommt zur Ausbildung von separierten, d.h. nicht überlappenden Modifikationszonen 5 (Regime X2). In dem Regime X3 ist die Pulsenergie zu gering, so dass die Wahrscheinlichkeit für eine Modifikation zu gering ist. Eine ausreichende Schwächung des Werkstücks 1 zur Ermöglichung eines Bruchs wird nicht erreicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2016/059449 A1 [0003, 0017]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Zerteilen eines transparenten Werkstücks (1) mittels gepulster Laserstrahlung (2) durch Erzeugung einer Strahlkonvergenzzone (3) im Volumen des Werkstücks, in der die Intensität der Laserstrahlung (2) einen Schwellwert für nicht-lineare Absorption überschreitet, wobei die Strahlkonvergenzzone (3) und das Werkstück (1) relativ zueinander bewegt werden und so eine entlang einer vorgegebenen Trennungslinie (4) verlaufende flächige Schwächung in dem Werkstück (1) erzeugt wird, und wobei das Werkstück (1) anschließend entlang der Trennungslinie (4) zerteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl der Dauer des durch die nicht-lineare Absorption der gepulsten Laserstrahlung erzeugten Energieeintrags in der Strahlkonvergenzzone und/oder durch räumliche Strahlformung nicht-lineare Propagation der Laserstrahlung (2) in dem Volumen (1) des Werkstücks außerhalb der Strahlkonvergenzzone (3) unterdrückt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Laserstrahlung (2) nach der Maßgabe ausgewählt wird, dass die lineare Absorption der Laserstrahlung (2) bei dieser Wellenlänge weniger als 20% pro Zentimeter, vorzugsweise weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% pro Zentimeter beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Laserstrahlung (2) nach der Maßgabe ausgewählt wird, dass der nicht-lineare Brechungsindex im Volumen des Werkstücks (1) bei dieser Wellenlänge möglichst gering ist, insbesondere so gering, dass nicht-lineare Propagation einen zur Erzeugung der Schwächung ausreichenden Energieeintrag in der Strahlkonvergenzzone nicht verhindert.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung größer als ein kritischer Wert ist, wobei der kritische Wert der Quotient aus Pulsenergie und materialspezifischer kritischer Leistung ist, ab der nicht-lineare Propagation, insbesondere Selbstfokussierung, in dem Volumen des Werkstücks (1) auftritt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer und die Pulsenergie der gepulsten Laserstrahlung (2) nach der Maßgabe ausgewählt werden, dass eine Modifikation durch die nicht-lineare Absorption der Laserstrahlung (2) im Volumen des Werkstücks innerhalb der Strahlkonvergenzzone (3) durch einen einzelnen Laserpuls oder einen Laserpulsburst bestehend aus einer Abfolge einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine kürzest mögliche Dauer des Energieeintrags ermittelt wird, bei der die Modifikation mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, besonders bevorzugt mindestens 95% erfolgt, wobei die Dauer des Energieeintrags so gewählt wird, dass diese größer oder gleich diesem ermittelten kürzest möglichen Wert ist, bevorzugt um den Faktor 1-20, besonders bevorzugt um den Faktor 1,1-5 größer .
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlkonvergenzzone (3) eine entlang der im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche orientierten Strahlachse (8) langgestreckte Form aufweist, wobei die Länge der Strahlkonvergenzzone in Strahlrichtung um wenigstens den Faktor 10, bevorzugt um wenigstens den Faktor 50, besonders bevorzugt um wenigstens den Faktor 100 größer ist als die Ausdehnung der Strahlkonvergenzzone senkrecht dazu.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Strahlkonvergenzzone (3) quer zur Strahlachse in Richtung parallel zur Schwächungsebene größer ist als senkrecht dazu, bevorzugt um mehr als das 1,2-fache größer, besonders bevorzugt um mehr als das 2-fache größer.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformung in der Weise erfolgt, dass diejenigen Strahlkomponenten (6, 7, 9, 10, 11, 12) der Laserstrahlung, die näher zur Werkstückoberfläche im Volumen des Werkstücks konvergieren, mit der Strahlachse (8) einen gleichen oder kleineren Winkel einschließen als diejenigen Strahlkomponenten (6, 7, 9, 10, 11, 12), die weiter entfernt von der Werkstückoberfläche im Volumen des Werkstücks (1) konvergieren.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Werkstücks Silizium ist, wobei die Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung im Beriech 20-500 ps und wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung im Bereich 1300-2500 nm liegt.
  11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Zerteilen von Halbleiterwafern in Chips.
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