TW201402257A - 鐳射處理的方法和裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種鐳射處理方法，該方法包含有以下步驟：將雷射光束引導至工件；在雷射光束和工件之間引起相對移動。其中將雷射光束引導至工件的步驟包括：將雷射光束聚焦在工件內部，直到內部損壞形成在工件內部，而碎裂從內部損壞延展至工件的至少一個表面以在工件上形成表面裂紋。另外，在雷射光束和工件之間引起相對移動的步驟是如此設置以致於工件上的表面裂紋沿著工件上的分割線延展。本發明還公開了一種鐳射處理裝置。
Description
本發明申請涉及一種鐳射處理的方法和裝置，其尤其但並非排他地用作為使用鐳射分割半導體晶圓。
多個半導體器件以陣列的形式構造在半導體晶圓上，該半導體晶圓通常是由諸如藍寶石、矽、鎵和/或它們的混合物之類的材料製成。然後，使用鐳射切割半導體晶圓以分離或者有助於分離半導體器件成為單獨的片塊(pieces)。
傳統的鐳射分割可包括任一下述流程：i)鐳射蝕刻(laser scribing)，其中線性凹槽(或蝕刻線)形成於半導體晶圓表面以沿著這些凹槽實施斷裂；或者ii)鐳射切割，其中半導體晶圓從其上表面至其下表面被切割通過。
具體地，鐳射分割取決於傳送至半導體晶圓的輻射(如頻率或能量)超越其材料燒蝕閾值(material ablation threshold)的情況。通過使用物鏡將雷射光束聚焦，高斯雷射光束的鐳射輸出寬度能夠小至大約1-20微米(μm)。這種尺寸的雷射光束確保了其輻射超出了半導體晶圓的材料燒蝕閾值以便進行鐳射分割。
圖1表明了傳統的鐳射蝕刻處理100，其中，在雷射光束102和半導體晶圓104之間的相對移動沿著蝕刻方向110發生以在半導體晶圓104的表面上形成蝕刻線106以前，雷射光束102聚焦在位於具有半導體器件(圖中未示)的半導體晶圓104的表面的一點處。可是，當雷射光束102聚焦在半導體晶圓104的表面上並且其傳遞的輻射位於或超過其材料燒蝕閾值時，碎渣108將會從半導體晶圓104移離並且可能再沉積回半導體晶
圓104的表面。這樣可能污染了半導體晶圓104上的半導體器件。所以，這種傳統的鐳射分割處理存在半導體晶圓104的表面污染問題。
避免碎渣108污染半導體晶圓104上的半導體器件的一個辦法是在鐳射處理之前和之後進行表面覆蓋和沖洗。不幸的是，該表面覆蓋處理具有其自身的局限性。例如，表面和側壁重塑的熔融層可能會影響半導體器件分割之後的外觀和/或性能。已經提出了其他的後處理方法，如側壁蝕刻，來緩和這個難題。然而，表面蝕刻晶圓的額外的預處理和後處理最終限制了整體產能，並提高了運行成本。
所以，本發明申請的目的在於至少尋求消除傳統的鐳射分割處理中出現的難題。
第一方面，本發明提供了一種鐳射處理方法，該方法包含有以下步驟：將雷射光束引導至工件；在雷射光束和工件之間引起相對移動。其中將雷射光束引導至工件的步驟包括：將雷射光束聚焦在工件內部，直到內部損壞形成在工件內部，而碎裂從內部損壞延展至工件的至少一個表面以在工件上形成表面裂紋。另外，在雷射光束和工件之間引起相對移動的步驟是如此設置以致於工件上的表面裂紋沿著工件上的分割線延展。
第二方面，本發明提供了一種鐳射處理裝置，該裝置包含有：支援設備，其用於固定工件；鐳射發射設備，其用於將雷射光束引導至工件；和定位設備，其被操作來在鐳射發射設備和支援設備之間引起相對移動；其中，該鐳射發射設備被配置來在操作過程中將發射出的雷射光束聚焦在工件內部，直到內部損壞形成在工件內部，而碎裂從內部損壞延展至工件的至少一個表面以在工件上形成表面裂紋，以及定位設備還被配置來在鐳射發射設備和支援設備之間引起相對移動，以致於工件上的表面裂紋沿著工件上的分割線延展。
本發明的一些較佳但是可選的步驟/特徵已經描述在從屬申請專利範圍中。
100‧‧‧傳統的鐳射蝕刻處理
102‧‧‧雷射光束
104‧‧‧半導體晶圓
106‧‧‧蝕刻線
108‧‧‧碎渣
110‧‧‧蝕刻方向
200‧‧‧鐳射處理裝置
202‧‧‧鐳射發射設備
202a‧‧‧雷射器
202b‧‧‧光衰減器
202c‧‧‧光束擴展器
202d‧‧‧鏡面
202e‧‧‧物鏡
204‧‧‧XY夾盤平臺
206‧‧‧半導體晶圓
208‧‧‧雷射光束
210‧‧‧蝕刻軸線
212‧‧‧步進軸線
300‧‧‧箭頭
400‧‧‧焦點
402‧‧‧內部損傷點
404、406‧‧‧裂紋
500‧‧‧表面裂紋
現在僅僅通過示例的方式，並參考附圖描述本發明較佳實施例，其中：圖1所示為傳統的表面蝕刻處理。
圖2所示為根據本發明較佳實施例所述的鐳射處理裝置。
圖3所示為圖2的鐳射處理裝置的操作示意圖。
圖4a-4h所示為使用圖2的鐳射處理裝置的半導體晶圓的分割處理。
圖5a和圖5b所示分別為使用圖2的鐳射處理裝置進行分割處理之後，半導體晶圓的平面和立體示意圖。
圖6a和圖6b所示分別為使用圖2的鐳射處理裝置進行多次分割處理之後，半導體晶圓的平面和立體示意圖。
圖2所示為根據本發明較佳實施例所述的鐳射處理裝置200的立體示意圖。該鐳射處理裝置200包含有：i)鐳射發射設備202；和ii)XY夾盤平臺204，用於支持和移動半導體晶圓206。具體地，鐳射發射設備202被操作來投射雷射光束208至半導體晶圓200上。XY夾盤平臺204也被操作來相對於鐳射發射設備202根據蝕刻軸線210和也根據步進軸線212移動半導體晶圓206，該步進軸線212垂直於蝕刻軸線210。
特別是，鐳射發射設備202包含有：i)雷射器202a，用於產生雷射光束208；ii)光衰減器(optical attenuator)202b，用於光學上衰減雷射光束208；iii)光束擴展器(beam expander)202c，用於放大雷射光束208；iv)鏡面202d，用於朝向半導體晶圓206反射雷射光束208；以及v)物鏡202e，用於沿著聚焦軸214將雷射光束208聚焦在半導體晶圓206之內。
圖3所示為鐳射處理裝置200的側視示意圖，其表明了鐳射處理裝置200的分割操作。在操作開始時，鐳射發射設備202最初相對於半導體晶圓206的左側定位。當XY夾盤平臺204相對於鐳射發射設備202向左移動，並在平行於蝕刻軸線210的方向上，如箭頭300所示，鐳射發射設備202從而相對於半導體晶圓206的右側重新定位(即使鐳射發射設備202不移動)，如圖3中的點劃線的鐳射發射設備202所示。這也同樣意味著XY夾盤
平臺204的移動引起鐳射發射設備202在平行於蝕刻軸線210的方向上的相對移動。
現在結合圖4a至圖4h解釋鐳射處理裝置200的分割操作，圖4a-4h所示為沿著剖面線B-B'所視時半導體晶圓206的剖面示意圖。
首先，雷射光束208聚焦在位於半導體晶圓206內的焦點400上，如圖4a所示。雷射光束208聚焦在位於半導體晶圓206內的焦點400上的步驟持續一直到圍繞位於半導體晶圓206內的焦點400周圍的內部損傷點402形成並且擴展，如圖4b-4d所示。通過在半導體晶圓206內進一步持續聚焦雷射光束208，碎裂404從內部損傷點402延展至半導體晶圓206的表面以在半導體晶圓206上形成表面裂紋，如圖4e-4f所示。當XY夾盤平臺在平行於蝕刻軸線210的方向上相對於鐳射發射設備202移動時，半導體晶圓206從而沿著期望的分割線被准蝕刻(semi-scribed)。
可供選擇的是，雷射光束208在半導體晶圓206內的持續聚焦可導致另一道裂紋406從內部損傷點402延展至半導體晶圓206相對的另一面以在半導體晶圓206上形成另一道表面裂紋，如圖4g所示。當XY夾盤平臺204在平行於蝕刻軸線210的方向上相對於鐳射發射設備202移動時，半導體晶圓206從而沿著期望的分割線被分離成單獨的片塊，如圖4h所示。如果半導體晶圓206的完全切割而不是半導體晶圓206的准蝕刻被期望，那麼這種處理尤其適合。
本發明人已經發現，裂紋404、406的形成取決於下面的因素，如相對於半導體晶圓206表面雷射光束208的能量密度和雷射光束208的聚焦水準。具體地，雷射光束208的能量密度取決於諸如雷射光束波長和XY夾盤平臺204的移動之類的參數，而雷射光束208的聚焦水準取決於光學器件的參數(如物鏡202e的數值孔徑(numerical aperture))。
特別是，雷射光束208的能量密度被定義如下：能量密度(μJ/μm)=[脈衝能量(μJ/脈衝)x脈衝重複頻率(kHz，K脈衝/s)]/蝕刻速度(mm/s)
相應地，被傳遞在半導體晶圓206內焦點400處的雷射光束208的體積應變能(volumetric energy)(μJ/um3)被定義如下：
其中，r和z分別為沿著雷射光束路徑分佈的半徑(μm)和縱向高度(μm)；P(t)是在一段時間T或雷射脈衝重複頻率1/T下雷射脈衝的隨
時間變化的鐳射功率曲線；以及在瑞利長度(Rayleigh length)
時，，其決定了雷射光束在不明顯發散的情形下
可傳播的距離。上述公式中z=0的位置和雷射光束半徑最小時的雷射光束鞍部(beam waist)w 0或焦點相一致。
基於用於形成裂紋404、406的相關因素，鐳射處理裝置200應該較為合適地如此配置以便於鐳射發射設備202發出脈衝能量密度位於0.3-0.8μJ/μm之間的雷射光束208，該雷射光束208被聚焦在半導體晶圓206內距離半導體晶圓206的表面在10-25μm之間。同樣較為合適地，雷射光束208的體積應變能位於35-140KJ/m3之間。可以選擇的，鐳射處理裝置200可以被如此配置以便於鐳射發射設備202發出脈衝能量密度為至少0.5μJ/μm的雷射光束208，該雷射光束208被聚焦在半導體晶圓206內距離半導體晶圓206的表面在25-40μm之間。
圖5a和圖5b所示分別為在鐳射處理裝置200已經完成分割操作之後，半導體晶圓206的平面和立體示意圖。可以看出，表面裂紋500形成於半導體晶圓206上，其和半導體晶圓206的期望分割線相匹配。具體地，當XY夾盤平臺204在平行於蝕刻軸線210的方向上移動時，表面裂紋500通過碎裂404沿著分割線擴展而形成。值得注意的是，表面裂紋500不必要地是連續線，反之其可以包括多個斷開的表面裂紋。同樣值得注意的是，表面裂紋500不必要地是直線，其可以具有幾個微米(如1-2微米)的偏差。
圖6a所示為鐳射處理裝置200已經完成多次分割處理之後，半導體晶圓206的平面示意圖，而圖6b所示為沿著圖6a中剖面線C-C'所視時半導體晶圓206的剖面示意圖。具體地，多次分割操作包括在平行於步進軸線212的方向上驅動XY夾盤平臺204，以便於每當表面裂紋500形成於半導體
晶圓206上時相對於鐳射發射設備202步進定位半導體晶圓206。
從圖6a中半導體晶圓206的平面示意圖可以看出，多個表面裂紋500被形成於半導體晶圓206上，每個表面裂紋對應於半導體晶圓206的期望分割線。從圖6b中半導體晶圓206的剖面示意圖可以看出，當XY夾盤平臺204在平行於蝕刻軸線210的方向上移動時，每個表面裂紋500通過相應的碎裂404沿著分割線擴展而被形成。
由於將雷射光束208聚焦在半導體晶圓206內直到碎裂404從內部損壞點402處朝向半導體晶圓206的表面延展以在半導體晶圓206上形成表面裂紋500，所以在分割操作過程中很少或者沒有碎渣形成於半導體晶圓206的表面。因此，鐳射裝置200有益地解決了半導體晶圓206基於通過傳統的鐳射蝕刻裝置和工序產生碎渣的表面污染難題。另外，形成在半導體晶圓206表面上的表面裂紋500能夠有益地用作為參考標記器，以將半導體晶圓206切割成為單獨的片塊。如果表面裂紋500沒有形成，和半導體晶圓206的表面完好無損，那麼對於確定半導體晶圓206內的內部損壞402的準確位置以執行後續的分割處理而沿著內部損壞402將半導體晶圓206分離成單獨的片塊而言在技術上是困難的。
在不離開本發明申請的宗旨的情形下，這個發明申請的不同實施例同樣也能夠被設想出。例如，當進行分割處理時，取代相對於鐳射發射設備202移動XY夾盤平臺204，鐳射發射設備202可以自己被操作來在平行於蝕刻軸線210和步進軸線212的正交方向上相對於XY夾盤平臺204移動(XY夾盤平臺204不移動)。而且，XY夾盤平臺204可以被配置來支撐包括半導體晶圓206在內的不同類型的工件。該鐳射處理裝置200也可以完成由藍寶石、矽、鎵和/或它們的混合物製成的半導體晶圓的分割。
200‧‧‧鐳射處理裝置
202‧‧‧鐳射發射設備
204‧‧‧XY夾盤平臺
206‧‧‧半導體晶圓
208‧‧‧雷射光束
210‧‧‧蝕刻軸線
Claims (6)
- 一種鐳射處理方法，該方法包含有以下步驟：將雷射光束引導至工件；和在雷射光束和工件之間引起相對移動，其中將雷射光束引導至工件的步驟包括：將雷射光束聚焦在工件內部，直到內部損壞形成在工件內部，而碎裂從內部損壞延展至工件的至少一個表面以在工件上形成表面裂紋，以及在雷射光束和工件之間引起相對移動的步驟是如此設置以致於工件上的表面裂紋沿著工件上的分割線延展。
- 如申請專利範圍1所述的鐳射處理方法，其中，該雷射光束具有的脈衝能量密度在0.3至0.8μJ/μm之間，而將雷射光束聚焦在工件內部的步驟還進一步包括：將雷射光束聚焦在工件內部距工件的至少一個表面的距離為10至25μm之間。
- 如申請專利範圍1所述的鐳射處理方法，其中，該雷射光束具有的脈衝能量密度至少為0.5μJ/μm，而將雷射光束聚焦在工件內部的步驟還進一步包括：將雷射光束聚焦在工件內部距工件的至少一個表面的距離位於25至40μm之間。
- 一種鐳射處理裝置，該裝置包含有：支援設備，其用於固定工件；鐳射發射設備，其用於將雷射光束引導至工件；和定位設備，其被操作來在鐳射發射設備和支援設備之間引起相對移動；其中，該鐳射發射設備被配置來在操作過程中將雷射光束聚焦在工件內部，直到內部損壞形成在工件內部，而碎裂從內部損壞延展至工件的至少一個表面以在工件上形成表面裂紋，以及定位設備被配置來在鐳射發射設備和支援設備之間引起相對移動，以致於工件上的表面裂紋沿著工件上的分割線延展。
- 如申請專利範圍4所述的鐳射處理裝置，其中，該鐳射發射設備被配置來將雷射光束聚焦在工件內部，距工件的至少一個表面的距離在10至25μm之間，該雷射光束具有的脈衝能量密度在0.3至0.8μJ/μm之間。
- 如申請專利範圍4所述的鐳射處理裝置，其中，該鐳射發射設備被配置來將雷射光束聚焦在工件內部，距離工件的至少一個表面的距離在25至40μm之間，該雷射光束具有的脈衝能量密度至少為0.5μJ/μm。
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