ITTO20110327A1 - Metodo di taglio laser intramateriale con profondita' di campo estesa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“METODO DI TAGLIO LASER INTRAMATERIALE CON PROFONDITA' DI CAMPO ESTESAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di taglio laser intramateriale con profondità di campo estesa.

Viene descritto un processo effettuato mediante laser e la relativa apparecchiatura utilizzata per tagliare materiali permeabili alla luce come wafer semiconduttori, substrati ottici in vetro, cristalli e materiali piezoelettrici. Il taglio di wafer semiconduttori (“dicing†in inglese) à ̈ un esempio di applicazione corrispondente. Negli ultimi anni, i metodi già consolidati di separazione dei chip del wafer attraverso taglio meccanico con seghe a lama diamantata hanno raggiunto i loro limiti in termini di velocità di taglio, accuratezza e qualità del taglio. Diverse tecnologie basate su processi laser di taglio sono state sviluppate per superare i limiti dati dal taglio effettuato con seghe meccaniche. Applicazioni di questo tipo sono mostrate a titolo esemplificativo nei seguenti brevetti americani:

4.543,464 Takeuchi

5.543,365 Wills et al

5,916,460 Imoto et al

6,562,698 B2 Manor

6,992,026 B2 Fukuyo et al (Hamamatsu).

I metodi di marcatura e taglio laser tradizionale sono in grado di competere con il taglio meccanico effettuato mediante seghe diamantate in termini di velocità e larghezza del taglio, ma la messa a fuoco del fascio laser sulla superficie del substrato di silicio genera degli effetti collaterali indesiderati. Tali effetti includono surriscaldamento localizzato, cambiamenti nella struttura interna del materiale, formazione di crack, contaminazione della superficie da parte delle scorie dovute al processo di taglio. Questi problemi possono essere parzialmente risolti quando il laser à ̈ focalizzato al di sotto della superficie del substrato, in modo che il processo di taglio avvenga all’interno del materiale limitando i danni alla superficie. Quando applicato ai wafer in silicio, questo metodo permette il taglio di wafer relativamente sottili (£100 mm) in una singola passata del fascio laser, ma la qualità del processo degrada rapidamente se applicato a wafer più spessi, per i quali sono necessarie diverse passate a diverse profondità per garantire la separazione dei chip tagliati. Quindi, nonostante l’esistenza di diversi metodi di taglio laser e dei relative sistemi e apparecchiature, c’à ̈ un continuo bisogno di migliorare il processo di taglio laser in termini di velocità, qualità e spessore del materiale che può essere processato.

Un sistema di taglio mediante fascio laser per taglio interno al materiale (intra-materiale, ovvero contenuto all’interno dello spessore del materiale) di materiali permeabili alla luce, senza produrre danneggiamento delle superfici, ove il fascio laser à ̈ focalizzato al di sotto della superficie e produce regioni multiple di danneggiamento del materiale indotto dal fascio laser stesso, lungo una linea predeterminata. La lunghezza della zona danneggiata intra-materiale (contenuta tra le due superfici del substrato da tagliare) che si genera lungo la direzione di propagazione del fascio laser à ̈ controllata attraverso variazioni dell’aberrazione sferica negativa, formando una distribuzione di campo Bessel-Gauss con una estesa profondità di campo. Per uno spessore dato del substrato, dà la possibilità di controllare la profondità e la lunghezza delle zone processate dal laser lungo la direzione di propagazione del fascio stesso.

Nelle figure seguenti, che costituiscono parte integrante delle specifiche, sono rappresentati:

FIG. 1 Ã ̈ una vista in sezione della zona interna al materiale (intra-materiale, ovvero compresa nello spessore) della zona alterata (danneggiata) dal fascio laser focalizzato;

FIG. 2 Ã ̈ una vista in sezione di multiple alterazioni (danneggiamenti) prodotti muovendo il campione o muovendo il fascio laser al di sopra del campione;

FIG. 3 Ã ̈ una vista in pianta di un campione da processare, con la rappresentazione di una linea di alterazioni intra-materiale, e delle parti del campione separate dopo il processo;

FIG. 4 Ã ̈ una vista che mostra la focalizzazione del fascio per mezzo di una lente asferica priva di aberrazione.

FIG. 5 à ̈ una vista che mostra l’effetto dell’aberrazione sferica positiva e negativa sulla focalizzazione del fascio laser;

FIG. 6 à ̈ una vista che mostra l’effetto dell’aberrazione sferica negativa naturale quando il fascio laser à ̈ focalizzato su un materiale dielettrico trasparente mediante una lente asferica priva di aberrazione;

FIG. 7 à ̈ una vista che mostra l’effetto dell’aberrazione sferica negativa controllata, quando il fascio laser à ̈ focalizzato attraverso una lente asferica priva di aberrazione attraverso una lastra trasparente con facce piane parallele;

FIG. 8 à ̈ una vista che mostra la formazione di una zona estesa di alterazione intra-materiale dovuta all’azione congiunta dell’aberrazione sferica naturale e controllata; e

FIG. 9 Ã ̈ una comparazione delle tracce lasciate nel silicio dal sistema di focalizzazione tradizionale (destra) e da quello innovativo (sinistra).

Nella particolarmente vantaggiosa configurazione dell’invenzione, la lunghezza della zona di taglio intramateriale lungo la direzione di propagazione del fascio laser à ̈ controllata attraverso aberrazione sferica negativa regolata.

Per materiali trasparenti o semi-trasparenti alla luce laser, il fascio laser può essere focalizzato attraverso la superficie esposta al fascio all’interno dello spessore del materiale, formando regioni interne allo spessore del materiale danneggiate otticamente, senza tuttavia produrre danneggiamento sulla superficie di entrata del fascio nel materiale. È illustrato in fig. 1, dove i numeri 1,2 e 3 si riferiscono rispettivamente al substrato trasparente, fascio laser focalizzato e zona di materiale danneggiata (alterata). Se il raggio laser focalizzato à ̈ mosso in un piano perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio, si formano zone multiple di danneggiamento/alterazione all’interno del materiale (intra-materiale), come illustrato in fig. 2. So stress termico e meccanico indotti dall’alterazione prodotta dal laser, portano a modifiche nella struttura del materiale circostante ed alla formazione di cricche. Di conseguenza, se il processo laser à ̈ condotto lungo una linea predeterminata arbitraria, n.1 in fig. 3, sulla superficie del substrato, il materiale à ̈ indebolito lungo quella linea e può essere separato in due elementi, n.2 in fig. 3 tramite l’applicazione di una forza di espansione lungo la direzione mostrata dalle frecce in FIG. 3. Per campioni sottili come wafer di silicio, questa procedura à ̈ illustrata, a titolo di esempio, nel brevetto US 6,992,026 B2 di Fukuyo et al, (Hamamatsu), e potrebbe essere utilizzata per il taglio intra-materiale con laser e taglio di wafer, dove il campione à ̈ separato a seguito del processo laser in multipli chip singoli.

Al fine di produrre danneggiamento ottico interno al materiale trasparente, l’intensità di luce necessaria à ̈ raggiunta attraverso l’uso di un’apposita sorgente laser e di ottiche di focalizzazione di alta qualità, senza aberrazione, ad elevata apertura numerica (NA). Queste ottiche provvedono a concentrare al massimo la luce laser necessaria per iniziare il processo di danneggiamento ottico del materiale. Tuttavia, per lenti senza aberrazione e NA, la lunghezza della zona di eccitazione lungo la linea di propagazione del fascio laser à ̈ piuttosto contenuta (FIG. 4). In conseguenza di ciò, le dimensioni trasversali e longitudinali della zona interessata dal danneggiamento sono piccole (solitamente poche decine di mm). Quando applicato al taglio di wafer in silicio, questo limita a circa 100 mm lo spessore del wafer tagliato da un passaggio singolo del fascio laser.

La lunghezza della regione di focalizzazione si estende lungo l’asse del fascio se le ottiche di focalizzazione possiedono aberrazione sferica. Per lenti sferiche, questo tipo di aberrazione porta la focalizzazione dei raggi esterni del fascio più vicina alle lenti dei raggi interni parassiali (aberrazione positiva sferica, FIG. 5a). In conseguenza di ciò, i raggi convergenti si incrociano formando una superficie caustica anulare con un’intensità accresciuta di luce. Queste caustiche sono illustrate al n.1 in FIG. 5a. Quando applicate al taglio intra-materiale di materiali trasparenti, queste caustiche anulari possono portare all’effetto indesiderato di danneggiamento della superficie.

Per accrescere la profondità di campo evitando la formazione di caustiche anulari, i raggi esterni devono essere focalizzati più profondamente dei raggi interni di parallasse (aberrazione sferica negativa, FIG. 5b). In questo caso, il profilo del campo nella regione di eccitazione à ̈ trasformato dal Gaussiano per un fascio laser a fuoco in un profilo di distribuzione Bessel-Gauss (R. M. Herman and T. A. Wiggins, Production and uses of diffractionless beams, J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 8, No. 6, pp. 932-942, 1991). Il fascio Bessel-Gauss ha un lobo centrale acuto e una lunghezza che può essere resa di molto superiore alla lunghezza co-focale di un fascio Gaussiano focalizzato attraverso lenti prive di aberrazione. Questo tipo di aberrazione à ̈ tuttavia comune per le lenti di focalizzazione.

L’aberrazione sferica negativa si verifica quando lenti prive di aberrazione con elevata apertura numerica (NA) focalizzano il fascio laser attraverso l’interfaccia del materiale trasparente (FIG. 6). Questa aberrazione naturale, tuttavia, consente un limitato controllo sulla lunghezza del fascio laser Bessel-Gauss prodotto.

Nella configurazione particolarmente avvantaggiosa dell’invenzione, la lunghezza della zona di taglio interna al materiale lungo la linea di propagazione del fascio laser à ̈ regolata attraverso un’aberrazione sferica negativa controllata. Questo controllo si raggiunge quando una lastra trasparente con facce piane parallele à ̈ inserita tra le lenti di focalizzazione prive di aberrazione e la superficie del materiale su cui impatta il fascio laser. La rifrazione sulle superfici piane trasforma la propagazione del raggio in modo da formare il pattern con aberrazione sferica negativa voluto. In questo caso, la lunghezza Z della regione focale estesa per una lente con un’apertura numerica NA data à ̈ determinata dallo spessore della lastra piana d, e dall’indice di rifrazione n del materiale. Quando il fascio à ̈ messo a fuoco all’interno del materiale, la lunghezza della regione di eccitazione à ̈ ulteriormente incrementata di un fattore c~n2, dove n2 à ̈ l’indice di rifrazione del materiale. In conseguenza di ciò, la profondità complessiva di campo all’interno del materiale à ̈ Z0 DZ Z, dove Z0 à ̈ dovuto all’aberrazione naturale e DZ à ̈ regolato attraverso variazioni dello spessore della lastra d e/o dell’indice di rifrazione n. Con questa invenzione, si forma una zona estesa di trattamento laser interna al materiale.

Parecchie modifiche possono essere fatte per ottenere il controllo dell’aberrazione sferica utilizzando l’invenzione proposta come definite nelle rivendicazioni. Ogni lente asferica priva di aberrazione à ̈ progettata per funzionare ad una particolare lunghezza d’onda λ0. Se la lunghezza d’onda utilizzata λ differisce da λ0, appare un’aberrazione sferica non compensata. Se λ> λ0, questa aberrazione sferica ha segno positive e porta ad un pattern di focalizzazione come mostrato in FIG. 5a. Se, tuttavia, λ< λ0, l’aberrazione à ̈ negativa e porta al pattern di focalizzazione mostrato in FIG. 5b. Da cui si evince che con l’uso di sorgenti laser con λ< λ0 si ottiene un modo addizionale per indurre la necessaria aberrazione sferica negativa.

Le lenti asferiche prive di aberrazione sono solitamente progettate per compensare l’aberrazione sferica di onde piane incidenti. In questo caso, il necessario grado di aberrazione sferica negativa può essere indotto se il fascio collimato parallelo à ̈ trasformato in un fascio convergente o divergente.

Quando applicato al taglio di wafer in silicio, il fascio di profilo Bessel-Gauss presenta numerosi vantaggi se comparato con un fascio standard di tipo Gaussiano. Per lunghezze d’onda del fascio laser di 1.06 mm, il silicio presenta un assorbimento relativamente basso e dà la possibilità di focalizzare il fascio laser al di sotto della superficie di silicio. Se una aberrazione sferica negativa controllata à ̈ utilizzata per la messa a fuoco del fascio, la regione esterna del fascio laser à ̈ focalizzata più in profondità nel materiale rispetto alla parte interna parassiale del fascio. (FIG. 8). Per il Silicio c’à ̈ una forte correlazione tra coefficiente di assorbimento e temperatura del materiale. Quando il riscaldamento del silicio inizia a causa del fascio laser, questo porta naturalmente a una rapida crescita dell’assorbimento locale di luce, riscaldando ulteriormente il materiale (processo a feed-back positivo). Un riscaldamento locale molto forte, al di sopra del punto di fusione e di ebollizione del materiale, distrugge la struttura cristallina di Si e forma una zona interna al materiale trattata dal laser, per la conseguente separazione del campione lungo la linea di taglio.

Con fasci laser focalizzati, il riscaldamento localizzato del silicio e la formazione di un forte assorbimento inizia vicino alla regione di massima intensità luminosa. L’assorbimento di luce laser al confine di questa regione riscaldata porta alla formazione di un’onda termica, che si propaga rapidamente all’interno del materiale verso la direzione del fascio laser incidente finché l’intensità localizzata della luce à ̈ sufficiente ad alimentare questo processo. Con fasci Bessel-Gauss, il processo inizia nella parte più profonda della zona di focalizzazione, dove la parte esterna del fascio laser à ̈ focalizzata. Una volta iniziata, l’onda termica si muove verso la superficie di ingresso del fascio laser all’interno del materiale, dal momento che le parti vicine del fascio, sull’asse, sono assorbite di conseguenza al confine dell’onda termica e sostengono la propagazione della zona riscaldata verso l’asse del fascio. In conseguenza di ciò, l’intera regione focale del fascio Bessel-Gauss viene coinvolta nel processo di fusione del silicio, includendo regioni con intensità luminosa relativamente bassa, dove la fusione del silicio non potrebbe avvenire direttamente senza l’arrivo dell’onda termica. Permette di produrre una lunga zona di trattamento di silicio fuso e re-cristallizzato, e di estendere questa zona fino in prossimità della superficie senza danni superficiali, dove il silicio non può fondere senza l’arrivo dell’onda termica, dal momento che l’intensità della luce sulla superficie può essere mantenuta ben al di sotto della soglia del danneggiamento indotto dall’incidenza diretta del fascio laser.

La lunghezza complessiva della zona trattata con fasci Belles-Gauss risulta da:

1. Aberrazione sferica naturale causata da rifrazione sull’interfaccia con il materiale;

2. Aberrazione sferica regolata indotta dalla lastra trasparente con facce piane parallele; e

3. L’onda termica propagata lungo l’asse del fascio dove l’intensità luminosa mantiene il riscaldamento del Si e l’assorbimento della luce.

Con fasci Bessel-Gauss, la lunghezza del taglio interno al materiale lungo la direzione di propagazione del fascio può essere resa molto più lunga rispetto ai corrispondenti fasci Gaussiani. In esperimenti con aberrazione sferica controllata, si à ̈ ottenuta la formazione di canali lunghi (>100 Î1⁄4m) e sottili (~1 Î1⁄4m) all’interno del silicio con un singolo impulso laser.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Un metodo di lavorazione con fascio laser per tagliare materiali dielettrici permeabili alla luce, dove il fascio laser produce regioni multiple di danneggiamento (alterazione) del materiale all'interno dello spessore del materiale stesso (intra-materiale) senza causare danni o alterazioni in superficie, dove la lunghezza dell'alterazione intra-materiale lungo la direzione di propagazione del fascio laser à ̈ estesa con l'utilizzo di una distribuzione del campo del fascio di tipo Bessel-Gauss. 2.- Il metodo di lavorazione secondo la rivendicazione 1, in cui la distribuzione del fascio di tipo Bessel-Gauss à ̈ ottenuta e controllata attraverso la variazione dell'aberrazione sferica negativa indotta da una lastra trasparente con facce piane posizionata tra la le lenti di focalizzazione e la superficie del materiale da trattare incontrata dal fascio laser. 3.- Il metodo di lavorazione secondo la rivendicazione 1, in cui la distribuzione di campo Bessel-Gauss à ̈ ottenuta da una lente asferica priva di aberrazione utilizzandola ad una lunghezza d'onda inferiore a quella per la quale la lente à ̈ stata progettata. 4.- Il metodo di lavorazione secondo la rivendicazione 1, in cui la distribuzione di campo Bessel-Gauss à ̈ ottenuta da una lente che à ̈ priva di aberrazioni per onde piane, ma à ̈ utilizzata con fasci di onde convergenti e divergenti.