EP4277764A1 - Verfahren zum zerteilen eines transparenten werkstücks - Google Patents

Verfahren zum zerteilen eines transparenten werkstücks

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EP4277764A1
EP4277764A1 EP22701879.3A EP22701879A EP4277764A1 EP 4277764 A1 EP4277764 A1 EP 4277764A1 EP 22701879 A EP22701879 A EP 22701879A EP 4277764 A1 EP4277764 A1 EP 4277764A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
laser radiation
convergence zone
beam convergence
volume
Prior art date
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Pending
Application number
EP22701879.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Blothe
Maxime CHAMBONNEAU
Stefan Nolte
Malte Kumkar
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • Method for dividing a transparent workpiece by means of pulsed laser radiation by creating a beam convergence zone in the volume of the workpiece, in which the intensity of the laser radiation exceeds a threshold value for non-linear absorption, the beam convergence zone and the workpiece being moved relative to one another and thus a flat area running along a predetermined dividing line Weakening is produced in the workpiece, and the workpiece is then divided along the parting line.
  • dicing of wafers plays an important role in the manufacture of semiconductor devices, which are becoming ever smaller and more complex.
  • the classic dicing methods are based on the use of a diamond saw for wafers that are thicker than 100 ⁇ m.
  • Laser-based processes are increasingly being used for thinner wafers.
  • WO 2016/059449 A1 describes a dicing method in which pulsed laser radiation is used to generate a beam convergence zone in the volume of the workpiece, ie the semiconductor substrate, in which the intensity of the laser radiation locally exceeds a threshold value for non-linear absorption.
  • multi-photon processes occur accordingly, for example in the form of multi-photon ionization or avalanche ionization, which lead to the formation of a plasma.
  • the rate of plasma formation increases above a threshold determined by the material of the workpiece and the parameters of the laser radiation. This is why one also speaks of an "optical breakthrough".
  • the resulting modification and thus processing of the workpiece has a high level of precision, since spatially localized, reproducible small amounts of energy are introduced into the material.
  • the good spatial localization is primarily achieved by focusing the laser radiation by means of coupling optics that are as aberration-free as possible and have a high numerical aperture.
  • a beam convergence zone is generated in the form of an extended, "spike-shaped" focus volume in the cited publication in the direction of the laser beam axis.
  • This beam convergence zone is moved relative to the workpiece in order to result in a along a predetermined separation line
  • Possible weakening mechanisms due to the modifications introduced are the formation of voids and/or cracks, structural changes in the material of the workpiece, Ri coupled to the modification area in each case sse, transient or permanent stresses, thermomechanical stresses, stresses due to local increases or decreases in volume, solidification cracks, etc breaks along the dividing line.
  • the modifications in the workpiece are produced with laser pulses with a pulse duration in the range of 100-15000 fs at a wavelength of 500 nm to 2000 nm and a repetition rate of 10 kHz to 2 MHz.
  • the beam shaping for generating the beam convergence zone is designed on the basis of undisturbed linear propagation of the laser radiation in the volume of the workpiece.
  • the propagation of the laser radiation within the workpiece in the stated pulse duration range is subject to non-linear effects.
  • the propagation of the laser radiation in the volume of the workpiece is disturbed by non-linear effects (e.g. self-focusing and two-photon absorption even outside the beam convergence zone) to such an extent that effective energy coupling into the desired area of the beam convergence zone is prevented to a considerable extent.
  • a defined localization of the energy deposit and the resulting modification of the material of the workpiece cannot be achieved with high peak intensity of the radiation, as is the case with short pulse durations.
  • the material can be modified with a long pulse duration (e.g. > 1 ns) and thus a lower peak intensity, but since a higher energy is typically required and diffusion effects become effective, greater damage due to an increased thermally loaded volume is accepted. Accordingly, the result of the separating process is not satisfactory in terms of the quality of the broken edge.
  • a long pulse duration e.g. > 1 ns
  • the object of the invention is to provide an improved method for dividing a transparent workpiece.
  • the aforementioned disadvantages of known methods are to be avoided.
  • the invention solves this problem based on a method of the type specified at the outset in that non-linear propagation of the laser radiation in the volume of the workpiece is achieved by selecting the duration of the energy input generated by the non-linear absorption of the pulsed laser radiation in the beam convergence zone and/or by spatial beam shaping is suppressed outside the beam convergence zone.
  • the essence of the invention is the consideration of the non-linear propagation characteristic for introducing the weakening into the workpiece.
  • process parameters that are as optimal as possible with regard to the duration of the energy input and/or the beam shaping are defined, as a result of which an improved Control of the energy deposition is made possible.
  • the local energy density in the volume of the workpiece is ultimately controlled by the duration of the energy input and the energy coupling within the beam convergence zone is improved. Damage in the surrounding volume, ie outside the beam convergence zone, is reduced to a minimum.
  • the invention achieves the lowest possible interaction outside, in particular in the propagation direction of the laser radiation in front of the beam convergence zone, in order to minimize disruptive non-linear effects (eg self-focusing, non-linear absorption) or other propagation disturbances.
  • modifications or zones of high electron density that occur first do not account for more than 50%, preferably not more than 20%, particularly preferably not more than 10% of the incident energy from the shield parts of the beam convergence zone that are reached later in the beam direction.
  • a suitable fluence can be achieved in a targeted and defined manner in the beam convergence zone by means of beam focusing.
  • the desired modification only occurs in this area.
  • the combination of temporal and spatial beam shaping results in a uniform, tailor-made energy deposition over the entire specified beam convergence zone. As a result, the separation process is facilitated. Spalling or material stresses are minimized.
  • the quality of the breaking edge is improved compared to the prior art.
  • the targeted selection of the process parameters means that a) the intensity threshold for non-linear absorption in the beam convergence zone is exceeded, b) power or intensity thresholds for undesired non-linear effects outside the beam convergence zone are not reached, c) the energy required for the desired modification is introduced in a controlled and localized manner so that the desired areal weakening results in the desired geometry
  • the wavelength of the laser radiation should be selected so that the linear absorption of the laser radiation in the material of the workpiece is below 20%, better still below 10%, particularly preferably below 5% over a length of one centimeter in the direction of the laser beam.
  • the wavelength of the laser radiation should be selected with the proviso that the non-linear refractive index in the volume of the workpiece at this wavelength is so low that non-linear effects do not prevent sufficient energy deposition in the beam convergence zone.
  • the wavelength should be in a range that ensures good focusability.
  • the duration of the energy input can be specified, for example, by the pulse duration of the pulsed laser radiation.
  • An upper limit of the duration results from the tolerable size of the thermal damage zone due to thermal diffusion.
  • an upper limit to the duration is given by the maximum tolerable energy absorbed in the beam convergence zone. The longer the duration, the greater the energy input when the intensity is above the nonlinear absorption threshold. Too much energy and/or energy introduced over too long a period of time prevents local limitation of the attenuation to the beam convergence zone.
  • the lower limit of the energy input duration is important.
  • the pulse duration should be greater than a critical value, where the Critical value is, for example, the quotient of pulse energy and material-specific critical power, above which non-linear propagation, in particular self-focusing, occurs in the volume of the workpiece. This ensures that the energy deposition is not excessively disturbed by non-linear effects, thus ensuring a sufficiently high and localized energy deposition in the beam convergence zone.
  • the duration of the energy input e.g. the pulse duration
  • the amount of the energy input e.g. pulse energy
  • a pulse event should be selected according to the proviso that damage, i.e. a desired modification in the volume of the workpiece within the beam convergence zone by a single laser pulse or a Laser pulse burst consisting of a sequence of a predetermined number of laser pulses.
  • a suitable individual pulse can be, for example, a laser pulse with a Gaussian time profile and a specific pulse duration.
  • a burst comprises a specified number of laser pulses with a short time interval (pulse repetition frequency in the GHz or THz range).
  • the energy input in the sense of the invention relates to the energy input during a single pulse event through non-linear induced absorption in the beam convergence zone.
  • the duration of the energy input results accordingly from the pulse duration or the burst duration.
  • the laser pulses do not necessarily have to have a Gaussian shape, a "flat top” shape or any other common shape. Any pulse shapes are conceivable.
  • the effective duration of the energy input is decisive. In the method according to the invention, this is preferably 20-500 ps.
  • the two-dimensional weakening is then generated repetitively in that the workpiece is incrementally moved further along the dividing line relative to the beam convergence zone from pulse event to pulse event. If possible, the weakening is produced during a single movement process along the dividing line. In this way, a high process speed can be achieved and the workpiece reliably breaks with high quality of the cutting edge along the parting line.
  • the shortest possible duration of the energy input during which the desired modification occurs with a probability of at least 80%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, is preferably determined.
  • the duration of the energy input when introducing the weakening is then selected so that it is greater than or equal to this determined shortest possible value, which can depend on numerous factors (material, size and geometry of the beam convergence zone, wavelength, pulse shape, etc.).
  • the selected duration of the energy input can be a factor of 10, preferably a factor of 5, particularly preferably a factor of 2 above the determined shortest possible value.
  • the factor is in the range from 1.1 to 5. This achieves good control of the energy input for the desired generation of the weakening.
  • the beam convergence zone should have an elongated shape perpendicular to the workpiece surface. Similar to WO 2016/059449 A1 cited above, the beam convergence zone should be elongated in the direction of the beam and thus extend over most of the full thickness of the workpiece in order to provide suitable attenuation.
  • the length of the beam convergence zone in the beam direction can be greater by a factor of at least 10, preferably by a factor of at least 50, particularly preferably by a factor of at least 100 than the extent of the beam convergence zone perpendicular to the desired flat weakening.
  • the laser beam can initially have a Gaussian profile or any other feasible input beam shape.
  • Gauss-Bessel beams or other beam shapes that can essentially be described as non-diffracting beams are particularly suitable.
  • a tailor-made spatial intensity distribution in the beam convergence zone is expediently carried out using suitable optical components, such as focusing optics in combination with beam shaping optics, also with adaptive beam shaping components, such as spatial light modulators (SLM) or piezo mirrors.
  • SLM spatial light modulators
  • An improvement can be achieved by depth-dependent aberration correction.
  • the aim of spatial beam shaping is to ensure that the energy input into the desired beam convergence zone is as undisturbed as possible, namely from the workpiece surface (beam entry surface) down to the depth required for the cutting process in the workpiece.
  • the extent of the beam convergence zone should be greater transversely to the beam axis in the direction parallel to the plane of attenuation than perpendicular to it.
  • the aim of the invention is to achieve as little interaction as possible outside, in particular in the propagation direction of the laser radiation in front of the beam convergence zone, in order to minimize disruptive non-linear effects.
  • the beam can advantageously be shaped in such a way that those beam components (consisting of individual beams or bundles of individual beams) of the laser radiation that converge closer to the workpiece surface in the volume of the workpiece enclose the same or smaller angle with the beam axis than those beam components that are further away from the workpiece surface converge in the volume of the workpiece. In any case, this should apply to the majority of the beam components that converge in the beam convergence zone; the deviation of a small part of the beam components from this geometry can be tolerated in individual cases as long as non-linear effects are sufficiently suppressed.
  • the method according to the invention is particularly suitable for dividing semiconductor wafers into chips.
  • non-linear propagation of the laser radiation which is disadvantageous for the dicing process, is prevented or at least minimized.
  • the propagation of the laser radiation in the material of the substrate is undisturbed and an elongated modification zone can be introduced with each pulse event.
  • a planar weakening is produced along a predetermined dividing line. This serves as a predetermined breaking point when breaking through a subsequently applied tensile stress.
  • the method according to the invention is also suitable for dividing flat glass products or else ceramic and crystalline workpieces.
  • Fig. 1 Schematic of the invention
  • Fig. 2 schematic illustration of the spatial
  • Fig. 5 Process of optimizing the pulse duration as
  • Fig. 7 Diagram to illustrate the
  • a laser beam 2 in the form of pulsed laser radiation is radiated onto the workpiece from above.
  • the laser beam 2 is shaped (e.g. by focusing optics in combination with a spatial light modulator, not shown) in such a way that a beam convergence zone 3 elongate in the beam direction is created in the volume of the workpiece 1 .
  • the intensity of the laser radiation exceeds the threshold value for non-linear absorption, so that a correspondingly spatially limited modification of the material of the workpiece 1 occurs.
  • the beam convergence zone 3 is incrementally moved relative to the workpiece (arrow direction).
  • a plurality of modification zones 5 lying next to one another along a dividing line 4 are produced in the volume of the workpiece 1, which together form a weakening plane.
  • the workpiece 1 is then broken into two parts 1a, 1b along the parting line 4 by the action of a small mechanical force.
  • the dividing line does not have to be straight as in FIG. 1 .
  • a separation of the workpiece parts 1a, 1b along a curved separating line is also conceivable.
  • the core of the invention is the consideration of the non-linear propagation characteristics of the laser radiation 2 for the introduction of the modification zones 5 in the workpiece 1.
  • the propagation of the laser radiation 2 in the volume of Workpiece 1 would be disturbed by non-linear effects (e.g. self-focusing and two-photon absorption even outside the beam convergence zone) to such an extent that effective energy coupling, which is limited to the desired area of the beam convergence zone 3 on the one hand, but also fills it out as completely as possible, to a considerable extent extent prevented.
  • process parameters that are as optimal as possible with regard to the duration of the energy input and beam shaping are defined according to the invention, which enables extensive control of the energy deposition. Damage in the surrounding volume, ie outside of the beam convergence zone 3, is reduced to a minimum.
  • FIG. 2 schematically illustrates the spatial beam shaping according to the invention on the basis of sections through the workpiece 1 .
  • two beam components 6, 7 of the laser radiation 2 (FIG. 1) incident from above converge in a beam convergence zone 3 far below the workpiece surface (beam entry surface).
  • the beam components 6, 7 enclose an acute angle with the beam axis 8, so that an elongated beam convergence zone 3 results.
  • the beam components 6 , 7 propagating through the volume of the workpiece 1 at an angle to the beam axis 8 ensure that the beam components 6 , 7 overlap exclusively in the beam convergence zone 3 .
  • the fluence of the laser radiation in the volume of the workpiece remains so low that as few non-linear effects as possible occur.
  • the various beam components 6, 7, 9 or 10, 11, 12 merge into two broader beam components 13, 14, so that a single elongated beam convergence zone 3 is formed.
  • the beam shaping ensures that during a pulse event (single laser pulse or pulse burst) in the beam convergence zone 3 (i.e. further up in Fig. 2) modifications (or zones of high electron density) arising first (or zones of high electron density) only a small part of the incident energy are separated from the later (further below) reached parts of the beam convergence zone 3 shield. This can generally be achieved by the narrowest possible angular spectrum of the beam components 6 , 7 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 of the incident laser radiation in relation to the beam axis 8 .
  • Fig. 3 illustrates, in turn, using sectional views (upper images) and using top views (lower images) of the workpiece 1, the successive introduction of a large number of modification zones 5 by the converging beam components 13, 14 of the laser radiation 2.
  • the Workpiece 1 moves relative to the beam convergence zone 3 (to the right in FIG. 3).
  • the modification zones 5 are introduced in close proximity.
  • a portion of the laser radiation 2 is thereby shielded by the modification zones 5 that have already been introduced in each case.
  • the corresponding shielding angle segment is shown in the lower figures of FIG. It can be seen that the angular segment is larger in the case of closely adjacent modification zones 5 (left image) than in the case of modification zones 5 that are further apart (middle representation).
  • the modification zones are again closely adjacent.
  • the beam is shaped here in such a way that the extent of the beam convergence zone 3 and corresponding to the modification zone 5 shown in each case is greater transversely to the beam axis 8 in the direction parallel to the attenuation plane (ie along the dividing line 4) than perpendicular thereto.
  • that portion of the laser radiation 2 which is shielded by the modification zones 5 already introduced in each case during the repetitive introduction of the modification zones 5 is reduced.
  • the shielding angle segment is smaller than in the bottom left figure. The smaller extent of the modification zones 5 transversely to the dividing line 4 thus allows for closely adjacent modification zones, so that overall a larger proportion of the area can be weakened and the quality of the fracture point can thus be improved.
  • the wavelength of the laser radiation is determined on the basis of the circumstances of the workpiece 1 (material and thickness). Ideally, the wavelength of the laser radiation should be selected so that the linear absorption of the laser radiation in the material of the workpiece is below 20%, better still below 10%, particularly preferably below 5% over a length of one centimeter in the direction of the laser beam. In addition, the wavelength of the laser radiation should be selected on the basis that the non-linear refractive index in the volume of the workpiece is as low as possible at this wavelength. For example, a longer wavelength reduces two-photon absorption outside the beam convergence zone.
  • the wavelength should be in a range that ensures good focusability, and from this point of view, a shorter wavelength is preferable.
  • a suitable wavelength is set on the basis of the different optimization criteria.
  • the beam shaping is determined according to the criteria explained above, whereby the thickness and the material of the workpiece (refractive index) are also taken into account.
  • the pulse duration and pulse energy again with the proviso to avoid non-linear effects in the propagation of the laser radiation 2 through the volume of the workpiece 1 outside the beam convergence zone 3, but in any case to reduce them. More details on this are explained below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the shortest possible duration of the energy input generated by the non-linear absorption of the pulsed laser radiation ie here the shortest possible pulse duration for the desired achievement of the modification in the workpiece 1 is determined. This depends on the previously defined parameters, namely material, geometry of the beam convergence zone 3, ie beam shape and wavelength.
  • the optimal pulse duration is found with the optimization steps shown in FIG. A possible starting point for the iterative optimization can result from the necessary energy density for modifying the material of the workpiece 1 on the one hand and the respective critical power from which the self-focusing of the laser radiation 2 propagating in the volume of the workpiece 1 takes place on the other hand.
  • the pulse duration must be selected at least long enough so that the peak powers achieved by the laser radiation are below the material-specific parameters that are critical for self-focusing.
  • the successful modification is checked with a probability of at least 95% in the sequence shown in FIGS. 5 and 6, for example according to ISO 21254 (“lasers and laser-related equipment—test methods for laser-induced damage threshold”).
  • the pulse duration and pulse energy of the pulsed laser radiation 2 are determined by the optimization in such a way that a modification by a single laser pulse or a laser pulse burst consisting of a predetermined sequence of laser pulses takes place reliably (at least 95% probability).
  • the minimum required pulse duration is selected for which the modification still takes place reliably.
  • the pulse duration can optionally be adjusted upwards, depending on the result, if an improved result and/or increased process stability can be achieved as a result.
  • the upper limit is still determined by the thermal damage area during the laser irradiation.
  • the fluence is then adjusted in the desired modification range (>95% probability) according to an analogous procedure by increasing or reducing the pulse energy.
  • the optimization steps in FIGS. 5 and 6 ensure that an optimal pulse duration and pulse energy for the selected beam formation, ie for the desired geometry of the modification zone 5, is used.
  • a 525 ⁇ m thick silicon wafer is irradiated with pulsed laser radiation at a wavelength of 1960 nm.
  • a significant reduction in non-linear propagation and thus the first occurrence of modifications can be seen from a pulse duration of 20 ps.
  • the determination of the modification probability by an individual Laser pulse shows that from a pulse duration of 25 ps, a probability of >95% is reached.
  • the pulse energy is 15 pJ. In this way, modification zones with a diameter of 5 pm and a length of 350 pm in the direction of the beam can be generated by means of spatial pulse shaping.
  • the modification zones are lined up in a row at a distance of 10 ⁇ m, in that the focus of the laser radiation, ie the beam convergence zone, is moved relative to the wafer.
  • the wafer can then be broken at right angles with a small mechanical force. A clean breaking edge is created.
  • the heat-affected area along the breaking edge is small.
  • the surface roughness is less than 5 pm.
  • the speed of the relative movement of the laser beam 2 and the workpiece 1 can be reduced to such an extent that the modification zones 5 in the volume of the workpiece 1 overlap.
  • the diagram in FIG. 7 shows how the interaction of the parameters of the feed rate v, the modification probability P and the input pulse energy Ein forms different regimes.
  • X1 denotes the area where the modifications are introduced in a continuous (overlapping) manner.
  • Ein which has an influence on the extent of the modification zones 5 perpendicular to the beam propagation, an overlap occurs.
  • the feed rate is increased, the distances between the introduced modification zones 5 are increased with the same repetition rate of the pulse events, and separate, i.e. non-overlapping, modification zones 5 are formed (regime X2).
  • regime X3 the pulse energy is too low, so the probability of a modification is too low. Sufficient weakening of the workpiece 1 to allow fracture is not achieved.

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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
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 pm 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 Matenalverspannungen 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 a) die Intensitätssschwelle für nicht-lineare Absorption in der Strahlkonvergenzzone überschritten wird, b) Leistungs- oder Intensitätsschwellen für unerwünschte nicht-lineare Effekte außerhalb der Strahlkonvergenzzone unterschritten werden, 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 matenalspezifischer 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:
Fig. 1 : schematisch das erfindungsgemäße
Verfahren zum Spalten oder Zerteilen eines transparenten Werkstücks;
Fig. 2: schematische Illustration der räumlichen
Strahlformung gemäß der Erfindung;
Fig. 3: repetitive Einbringung von Modifikationszonen mit unterschiedlichen Abständen; Fig. 4: Prozess der Optimierung der Verfahrensparameter als Flussdiagramm;
Fig. 5: Prozess der Optimierung der Pulsdauer als
Flussdiagramm;
Fig. 6: Prozess der Optimierung der Pulsenergie als Flussdiagramm;
Fig. 7: Diagramm zur Illustration der
Zusammenhänge der Verfahrensparameter bei repetitiver Einbringung der Modifikationszonen.
Die Fig. 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 Fig. 1 , gerade sein. Eine Trennung der Werkstückteile 1a, 1 b entlang einer gekrümmten Trennlinie ist ebenfalls denkbar.
Kem 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.
Fig. 2 illustriert anhand von Schnitten durch das Werkstück 1 schematisch die räumliche Strahlformung gemäß der Erfindung. In der linken Abbildung der Fig. 2 konvergieren zwei Strahlkomponenten 6, 7 der von oben einfallenden Laserstrahlung 2 (Fig. 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 Fig. 2 kommen weitere Strahlkomponenten 9, 10, 11 , 12 der Laserstrahlung 2 (Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 pm 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 pJ. So können mittels räumlicher Pulsformung Modifikationszonen mit einem Durchmesser von 5 pm und 350 pm Länge in Strahlrichtung erzeugt werden. Es findet eine Aneinanderreihung der Modifikationszonen mit einem Abstand von 10 pm 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 pm.
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 Fig. 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.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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. 18
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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