TW201606866A - 切割具有金屬層之半導體晶圓的雷射處理方法及其裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種雷射處理方法及處理形成有金屬層的半導體晶圓的方法。所述雷射處理方法包括控制多個雷射光通過同軸路徑以透射半導體晶圓，以及在金屬層的表面與在配置於鄰近半導體晶圓的表面的部分分別形成聚焦點，所述金屬層的表面形成半導體晶圓的邊界。

Description

切割具有金屬層之半導體晶圓的雷射處理方法及其裝置
本發明是有關於一種雷射處理方法及雷射處理裝置，且特別是有關於一種利用雷射切割形成有金屬層之半導體晶圓的雷射處理方法及其雷射處理裝置。
近來，為了防止物件表面上的破壞，在具有關於雷射光的透射率的物件內形成聚焦點以及產生裂痕以處理物件的方法受到關注。舉例來說，當聚焦具有高輸出功率的雷射光以在半導體晶圓內形成聚焦點時，在聚焦點周圍會形成修飾區域，因此裂痕從修飾區域產生。此外，雷射光沿著半導體晶圓預定處理線移動以在物件內產生裂痕線，接著裂痕自然地或利用外力延伸至半導體晶圓的外部表面，因此半導體晶圓可被切割。
然而，其缺點為當利用傳統雷射處理方法時，是不可能切割具有金屬層的半導體晶圓。因為金屬層形成具有10 µm的厚度，雷射光無法透射這樣厚度的金屬層，因此無法在金屬層內或半導體晶圓內形成為了切割所需的裂痕。並且，因為形成在半導體晶圓表面上的金屬層具有高延展性（ductility），這使得在半導體晶圓的切割操作期間，具有產率下降的缺點。
根據一示範態樣，一種處理形成有半導體晶圓及所述半導體晶圓的一表面上的金屬層的物件的雷射處理方法可包括傳遞沿著同軸路徑行進的多個雷射光通過半導體晶圓，且分別在金屬層的表面以及在配置於鄰近半導體晶圓表面的位置形成聚焦點，其中所述金屬層的表面形成半導體晶圓的邊界。
多個雷射光可包括脈衝型式的第一雷射光及第二雷射光，且所述方法可更包括在金屬層的表面上形成第一聚焦點，且在配置於鄰近半導體晶圓表面的位置形成第二聚焦點，所述金屬層的表面形成半導體層的邊界。
第二雷射光可根據來自第一雷射光的時間延遲入射在半導體晶圓上。在此，第一雷射光及第二雷射光可互相干擾或不互相干擾。第一雷射光可具有比第二雷射光小的脈波寬度。舉例來說，第一雷射光可具有毫微微秒範圍的脈波寬度，且第二雷射光可具有奈秒範圍的脈波寬度。
所述方法可更包括沿著物件的預定處理線移動第一聚焦點及第二聚焦點。根據第一聚焦點的移動，可在金屬層的表面上形成內部溝槽線，且根據第二聚焦點的移動，可在配置於鄰近半導體表面的位置上形成裂痕線。
多個雷射光可入射在未形成有金屬層的半導體的其他表面上。多個雷射光可具有在900 nm到大約1700 nm之間的範圍內的波長。半導體晶圓可包括矽、碳化矽、砷化鎵或藍寶石；且金屬層可包括銅、鉬或金。
根據另一示範態樣，一種處理形成有半導體晶圓及形成在半導體晶圓的一個表面上的金屬層的物件的雷射處理裝置可包括多個雷射光源以散發多個雷射光，以及移動多個雷射光通過同軸路徑以透射半導體晶圓的光學系統，且分別在金屬層的表面及在配置於鄰近半導體晶圓的表面的位置形成聚焦點，其中所述金屬層的表面形成半導體晶圓的邊界。
根據一或多個實施例，多個雷射光源可包括第一雷射光源，用於散發脈衝型式的第一雷射光，以在金屬層的表面上形成第一聚焦點；以及第二雷射光源，用於散發脈衝型式的第二雷射光，以在配置於鄰近半導體晶圓表面的位置上形成第二聚焦點。
圖1到圖4為繪示處理形成有金屬層20的半導體晶圓10的一般雷射處理方法的圖。
參考圖1，欲處理的物件30包含半導體晶圓10及形成在半導體10的頂面上的金屬層20。在此，半導體晶圓10可為可用於一般半導體製程中的基底，且舉例來說可包括矽（Si）、矽碳化物（Silicon Carbide）（Sic）、砷化鎵（Gallium Arsenide）（GaAs）或藍寶石。半導體晶圓10可包括可用於一般半導體製程中的各種半導體材料的其中一種。金屬層20可以是可用於一般半導體製程中的導電材料，且舉例來說可包括銅（Cu）、鉬（Mo）或金（Au）。金屬層20可包括各種具有高導電性的金屬構件的其中一種。雷射光L聚焦在金屬層20的表面上以利用雷射處理裝置形成聚焦點P。因此，可根據雷射剝蝕（laser ablation），在金屬層20的表面的聚焦點P周圍形成溝槽。
參考圖2，當物件30沿著預定處理線S移動時，聚焦點P會移動，且因此沿著預定處理線S在金屬層20的表面上形成具有深度的溝槽線50。參考圖3，刀片70位於溝槽線50上，且接著沿著溝槽線50移動以執行切割操作，使物件30分裂成多個切片（chip）30’及切片30”，如圖4中所繪示。
上述雷射處理方法包括利用雷射光L形成溝槽線50且接著利用機械裝置（例如刀片70）切割物件30。然而，此雷射處理方法需要在保護層（未繪出）上進行預先塗佈製程（pre-coating process）以保護切片30’以及切片30”。並且，需要額外的清理製程移除在切割操作後的污染物質。因此，上述雷射處理方法具有變得複雜的問題。
圖5繪示根據本發明一範例實施例的雷射處理裝置的方塊圖。
參考圖5，根據實施例的雷射處理裝置可包括多個雷射光源201及雷射光源202以及光學系統，所述雷射光源散發多個雷射光L1及雷射光L2，所述光學系統控制多個雷射光L1及雷射光L2通過同軸路徑以入射在欲處理的物件上，例如半導體晶圓110。物件100包括半導體晶圓110及形成在半導體晶圓110的一表面上的金屬層（也就是說，圖5中的半導體晶圓110的較低表面）。在此，半導體晶圓110可為可用於一般半導體製程中的基底，且舉例來說可包括矽（Si）、矽碳化物（Sic）、砷化鎵（GaAs）或藍寶石。半導體晶圓10可包括可用於一般半導體製程中的各種半導體材料的其中一種。金屬層20可以是可用於一般半導體製程中的導電材料，且舉例來說可包括銅（Cu）、鉬（Mo）或金（Au）。金屬層20可包括各種具有高導電性的金屬構件的其中一種。
多個雷射光源201及雷射光源202可包括散發脈衝型式（pulse type）的第一雷射光L1的第一雷射光源201，以及散發脈衝型式的第二雷射光L2的第二雷射光源202。雖然第一雷射光L1及第二雷射光L2可具有在大約900 nm至大約1700 nm之間的波長，但本發明不限於此。第一雷射光L1在對應於半導體晶圓110的邊界的金屬層120的表面上形成第一聚焦點P1。並且，第二雷射光L2在一位置（或一部分）形成第二聚焦點P2，所述位置（或部分）配置在鄰近半導體晶圓110的表面（圖5中的半導體的較低表面），所述半導體晶圓110的表面對應於金屬層120的邊界。第一雷射光L1可具有比第二雷射光L2小的脈波寬度（pulse width）。舉例來說，第一雷射光L1可具有毫微微秒（femto seconds（fs））範圍的脈波寬度，且第二雷射光L2可具有奈秒（nano seconds（ns））範圍的脈波寬度。更具體地說，第一雷射光L1可具有在大約20毫微微秒到200毫微微秒之間的範圍內的脈波寬度，以及第二雷射光L2可具有大約在300奈秒到800奈秒之間的範圍內的脈波寬度。然而，本發明不限於此。第一雷射光L1及第二雷射光L2可具有不同的脈波寬度。
從第一雷射光源201散發的第一雷射光L1可沿著預定的路徑行進，藉由反射鏡210反射、透射過分光鏡220，接著入射在光束擴張單位230上。在此，額外的光學單位，例如半波板（half-wave plate）、偏極化分光鏡（polarization beam splitter；PBS）等在必要時可設置在第一雷射光源201以及反射鏡210之間的光學路徑上。從第二雷射光源202散發的第二雷射光L2可沿著預定的路徑行進，藉由分光鏡220反射，接著入射在光束擴張單位230上。在此，額外的光學單位在必要時可設置在第二雷射光源202以及分光鏡220之間的光學路徑上。
從分光鏡220散發的第一雷射光L1以及第二雷射光L2通過光束擴張單位230以及聚光透鏡（condenser lens）240、透射半導體晶圓110，接著聚焦以分別形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2。圖6繪示圖5的光束擴張單位230以及聚光透鏡240的細節。參考圖6，光束擴張單位230可包括多個透鏡231、透鏡232及透鏡233，且聚焦點P1及聚焦點P2的位置可根據透鏡231、透鏡232及透鏡233間的距離而改變。從而，可根據光束擴張單位230來控制入射在光束擴張單位230上的第一雷射光L1及第二雷射光L2，以調整形成在物件100內的第一聚焦點P1及第二聚焦點P2的位置。
如上所述，在雷射處理裝置中，從第一雷射光源201散發的第一雷射光L1藉由反射鏡210反射以傳送至分光鏡220，且從第二雷射光源202散發的第二雷射光L2藉由分光鏡220反射。從而，已通過分光鏡220的第一雷射光L1及第二雷射光L2沿著同軸路徑行進。接著，已沿著同軸路徑行進的第一雷射光L1及第二雷射光L2通過光束擴張單位230及聚光透鏡240以聚焦在物件100內的預定位置，以分別形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2。在此，聚焦點P1及聚焦點P2的位置可根據光束擴張單位230的透鏡231、透鏡232及透鏡233間的距離來控制。
另外，第一雷射光L1及第二雷射光L2伴隨著時間延遲入射在物件100內。圖7為繪示入射在物件10上的第一雷射光L1及第二雷射光L2相對於時間軸的波型視圖，其中所述第一雷射光及第二雷射光是從圖5的雷射處理裝置散發。參考圖7，第一雷射光源201散發的脈衝型式的第一雷射光L1入射在物件100上後預定時間Δt，第二雷射光源202散發的脈衝型式的第二雷射光L2入射在物件100上。雖然圖7繪示第一雷射光L1及第二雷射光L2的波型沒有重疊且互相干擾，但第一雷射光L1及第二雷射光L2是可能部分地重疊使得第一雷射光L1及第二雷射光L2互相干擾。具有預定時間差Δt的第一雷射光L1及第二雷射光L2的組合（set）可聚焦在物件100內，因此可形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2，接著以預定距離移動物件100後，第一雷射光L1及第二雷射光L2的下一個組合入射在物件100內使得第一聚焦點P1及第二聚焦點P2可移動。
於下文中，將參考圖8A到圖12來解說利用繪示於圖5中的雷射處理裝置切割形成有半導體晶圓110及金屬層120的物件100的製程。
圖8A繪示在一情況中，藉由從雷射處理裝置散發的第一雷射光L1及第二雷射光L2在物件100內形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2，且圖8B為圖8A的側視圖。
參考圖8A及圖8B，製備物件100。所述物件100形成有半導體晶圓110及在半導體晶圓110的較低表面上形成的金屬層120。在此，半導體晶圓110及金屬層120可包括可用於如上述半導體製造製程中的材料。並且，已通過圖5的雷射處理裝置的聚光透鏡240的脈衝型式的第一雷射光L1及第二雷射光L2傳送至半導體晶圓110的內部，以分別形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2。第一雷射光L1及第二雷射光L2入射在未形成金屬層的半導體晶圓110的上表面上且透射半導體晶圓110。
從雷射處理裝置散發的第一雷射光L1及第二雷射光L2沿著同軸路徑行進以入射在半導體晶圓110上，如上所述。第一雷射光L1及第二雷射光L2可具有在一範圍內（例如大約大約900 nm到大約1700 nm）的波長，然而，本發明不限於此。在此，第一雷射光L1可具有比第二雷射光L2小的脈波寬度。舉例來說，第一雷射光L1可具有毫微微秒範圍（例如，大約50 fs到200 fs）的脈波寬度，且第二雷射光L2可具有奈秒範圍（例如，大約300 ns到800 ns）的脈波寬度。然而，本發明不限於此，因此第一雷射光L1及第二雷射光L2可具有與上述脈波寬度不同的脈波寬度。
第一雷射光L1及第二雷射光L2伴隨著時間差入射在可透射的半導體晶圓110上，以分別形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2。如圖7所繪示，在第一雷射光L1入射在半導體晶圓110上以形成第一聚焦點P1後經過預定時間Δt，第二雷射光L2入射在半導體晶圓110上以形成第二聚焦點P2。因此，第一雷射光L1及第二雷射光L2的一組合伴隨著時間差入射在半導體晶圓110上，使得在物件100內的預定位置分別形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2。
當第一雷射光L1透射半導體晶圓110且接著聚焦在金屬層120的表面時，形成第一聚焦點P1，其中所述金屬層的表面形成半導體晶圓110的邊界。因此，當第一聚焦點P1形成在金屬層120的表面上時，可根據雷射剝蝕在金屬層120的表面上形成溝槽。並且，當沿著同軸路徑行進且伴隨著第一雷射光L2的第二雷射光L2透射半導體晶圓110且聚焦在配置於鄰近半導體晶圓110的較低表面的部分時，形成第二聚焦點P2，其中所述半導體晶圓的較低表面與金屬層120形成邊界。因此，當在鄰近半導體晶圓110的較低表面的位置形成第二聚焦點P2時，在第二聚焦點P2周圍會形成修飾區域，使得裂痕可形成且從修飾區域到半導體晶圓110的表面擴張。在此，可在比第一聚焦點P1高的位置形成第二聚焦點P2，因此可在沒有因形成第一聚焦點P1而產生的溝槽的干擾下，形成第二聚焦點P2。
圖9A繪示在物件100內形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2後，第一聚焦點P1及第二聚焦點P2的移動狀態。圖9B是圖9A的線I-I’的剖面圖。
參考圖9A及圖9B，在分別在金屬層120的表面及鄰近半導體晶圓110的較低側的位置上形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2的狀態下（如圖8A及圖8B中所繪示），物件100沿著預定處理線S移動，接著第一雷射光L1及第二雷射光L2的另一組合伴隨著時間差Δt入射在物件100上。從而，第一聚焦點P1及第二聚焦點P2形成同時沿著預定方向（也就是物件100移動的反方向）移動。同時，第一聚焦點P1及第二聚焦點P2的移動可藉由雷射處理裝置的移動而非物件100的移動來執行。當第一雷射光L1及第二雷射光L2重複地入射在物件100內而物件100如上所述地移動時，第一聚焦點P1及第二聚焦點P2在物件100內沿著預定處理線S移動。
在此製程中，當第一聚焦點P1移動時，藉由雷射剝蝕移除金屬層120的一部分以沿著金屬層120的表面上的預定處理線S形成內部溝槽線，所述金屬層120的表面是半導體層110的邊界。並且，在鄰近半導體晶圓110的較低表面的位置，根據第二聚焦點P2的移動沿著預定處理線S形成裂痕線，且裂痕線擴張至半導體晶圓110的較低表面。因此，當物件100停止移動時，在物件100中會形成內部溝槽線125及裂痕線111，如圖10中所繪示。
參考圖11，在一情況中，半導體晶圓110具有厚的厚度，已在物件100內形成內部溝槽線125及裂痕線111，接著第二雷射光L2在半導體晶圓110內聚焦以形成另一聚焦點，使得藉由移動物件100額外地形成至少一個內部裂痕線112及裂痕線113。另外，當內部溝槽線125及/或裂痕線形成時，可能可藉由利用一或多個額外雷射光（未繪示）同時形成內部裂痕線112及裂痕線113。因此，根據一或多個內部裂痕線112及裂痕線113，可更輕易地切割物件100。同時，藉由重複利用第一雷射光L1的製程，可形成比單一製程更深的內部溝槽線125。
參考圖12，在一狀態中，內部溝槽線125及裂痕線111（以及內部裂痕線112及裂痕線113）沿著物件100內的預定處理線S形成，如圖11所繪示，物件100藉由自然分裂或根據物件100上的外部衝擊可分裂成多個切片100’及切片100”。
如上所述，在根據一實施例的雷射處理方法中，藉由傳遞多個沿著同軸路徑行進的雷射光L1及雷射光L2來切割具有形成在半導體晶圓110的表面上的金屬層120的物件100、在金屬層120的對應於半導體晶圓110的邊界的表面及在鄰近於半導體晶圓110的表面（其為金屬層120的邊界）的位置聚焦雷射光L1及雷射光L2，且分別形成第一聚焦點P1及第二聚焦點P2，可輕易地切割物件100。並且，因為不需要執行塗佈保護層以保護切片100’及切片100”的預先製程及在切割製程後移除汙染物的清理製程，所以雷射處理方法可以更簡單。
雖然已參照圖式描述一或多個示範實施例，所屬技術領域中具有通常知識者將理解可在其中作各種形式及細節的變化。
10、110‧‧‧半導體晶圓
20、120‧‧‧金屬層
30、100‧‧‧物件
30'、30''、100'、100''‧‧‧切片
L、L1、L2‧‧‧雷射光
S‧‧‧預定處理線
P、P1、P2‧‧‧聚焦點
50、125‧‧‧溝槽線
70‧‧‧刀片
111、112、113‧‧‧裂痕線
201、202‧‧‧雷射光源
210‧‧‧反射鏡
220‧‧‧分光鏡
230‧‧‧光束擴張單位
231、232、233‧‧‧透鏡
240‧‧‧聚光透鏡
圖1到圖4為繪示處理具有金屬層的半導體晶圓的一般雷射處理方法的示意圖。 圖5為繪示根據本發明一範例實施例的雷射處理裝置的方塊圖。 圖6為光束擴張單位及圖5的聚光透鏡的放大圖。 圖7為繪示第一雷射光及第二雷射光的波型的視圖，所述第一雷射光及第二雷射光從圖5的雷射處理裝置散發，且相對於時間軸入射在物件上。 圖8A到圖12為根據本發明另一範例實施例繪示其他雷射處理方法的視圖。
110‧‧‧半導體晶圓
120‧‧‧金屬層
L1、L2‧‧‧雷射光
P1、P2‧‧‧聚焦點
125‧‧‧溝槽線
111‧‧‧裂痕線

Claims (19)

  1. 一種利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中所述物件形成有半導體晶圓以及在所述半導體晶圓的一表面上的金屬層，所述雷射處理方法包括： 傳遞沿著同軸路徑行進的多個雷射光通過所述半導體晶圓，且分別在所述金屬層的表面及配置在鄰近所述半導體晶圓的所述表面的位置形成聚焦點，其中所述金屬層的所述表面形成所述半導體晶圓的邊界。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中： 所述多個雷射光包括脈衝型式的第一雷射光以及第二雷射光；以及 所述雷射處理方法更包括藉由利用所述第一雷射光在所述金屬層的所述表面上形成第一聚焦點，以及利用所述第二雷射光在配置於鄰近所述半導體晶圓的所述表面的所述位置形成第二聚焦點，其中所述金屬層的所述表面形成所述半導體晶圓的所述邊界。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中所述第二雷射光根據來自所述第一雷射光的時間差入射在所述半導體晶圓上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中所述第一雷射光及所述第二雷射光互相干擾或不互相干擾。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中所述第一雷射光具有比所述第二雷射光小的脈波寬度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中： 所述第一雷射光具有毫微微秒範圍的脈波寬度；以及 所述第二雷射光具有奈秒範圍的脈波寬度。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的利用雷射光處理物件的第二電池，更包括： 所述第一聚焦點及所述第二聚焦點沿著所述物件的預定處理線移動。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法， 其中根據所述第一聚焦點的移動，在所述金屬層的所述表面上形成內部溝槽線；以及根據所述第二聚焦點的移動，在配置於鄰近所述半導體晶圓的所述表面的所述位置上形成裂痕線。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中所述多個雷射光入射在未形成有所述金屬層的所述半導體晶圓的其他表面上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中所述多個雷射光具有在900 nm到1700 nm之間的範圍內的波長。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的利用雷射光處理物件的雷射處理方法，其中： 所述半導體晶圓包括矽、碳化矽、砷化鎵或藍寶石；以及 所述金屬層包括銅、鉬或金。
  12. 一種雷射處理裝置，用於處理具有半導體晶圓及形成在所述半導體晶圓的一表面上的金屬層的物件，包括： 多個雷射光源，用於散發多個雷射光；以及 光學系統，用於移動所述多個雷射光通過同軸路徑以透射所述半導體晶圓，且分別在所述金屬層的表面及在配置於鄰近所述半導體晶圓的所述表面的位置形成聚焦點，其中所述金屬層的所述表面形成所述半導體晶圓的邊界。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的雷射處理裝置，其中所述多個雷射光源包括： 第一雷射光源，用於散發脈衝型式的第一雷射光，以在所述金屬層的所述表面上形成第一聚焦點；以及 第二雷射光源，用於散發所述脈衝型式的第二雷射光，以在配置於鄰近所述半導體晶圓的所述表面的所述位置形成第二聚焦點。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的雷射處理裝置，其中所述第二雷射光根據來自所述第一雷射光的時間差入射在所述半導體晶圓上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的雷射處理裝置，其中所述第一雷射光具有比所述第二雷射光小的脈波寬度。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的雷射處理裝置，其中所述第一聚焦點及所述第二聚焦點沿著預定處理線移動。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的雷射處理裝置，其中： 根據所述第一聚焦點的移動，在所述金屬層的所述表面上形成內部溝槽線；以及 根據所述第二聚焦點的移動，在配置於鄰近所述半導體的所述表面的所述位置上形成裂痕線。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的雷射處理裝置，其中所述多個雷射光入射在未形成有所述金屬層的所述半導體晶圓的其他表面上。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的雷射處理裝置，其中所述多個雷射光具有在900 nm到1700 之間的範圍內的波長。
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