TWI430351B - 處理基板的方法及裝置及其用途 - Google Patents
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Description
本發明是關於使用雷射來處理(諸如,切割、分割以及焊接)材料以及基板。特定言之,本發明是關於處理玻璃以及半導體基板,例如,藍寶石、石英以及矽基板以及其類似者。本發明亦是關於新穎雷射裝置以及雷射源之新穎使用。
習知上,在半導體晶圓上製造半導體結構後,使用機械鋸切來分割所述晶圓。此技術具有以下缺點:歸因於鋸口(kerf)寬度,半導體材料相當多之部分作為塵屑而浪費掉。根據一些估計,此意味著每年全球浪費掉即使未達幾千噸亦至少幾百噸之矽。
在半導體晶圓上製造半導體結構後,亦可使用雷射光來分割晶圓。通常,在此等方法中,藉由雷射對晶圓產生切割線,其後沿所述切割線切割晶圓。已為此提出若干方法。
EP 1338371揭露一種方法,其中在引起多光子吸收之條件下將脈衝雷射束輻射於工件之表面上的預定切割線上。雷射之焦點保持於工件內部且為在工件內部形成經修改之區域而移動。在所述公開案中,描述一種方法,其利用100kHz之Nd:YAG脈衝雷射,所述雷射具有1064nm之波長以及3.14 * 10-8
cm2
之點橫截面積。脈寬為30ns,且具有待處理之物件的安裝台的移動速度為100mm/s。因
此,雷射引發之點在基板內定位成一直線且彼此相鄰著。
Gattrass等人在Nature Photonics第2卷(2008年4月,第219頁至第225頁)中揭露一種用於透明材料之飛秒(femtosecond)雷射微加工方法。所述方法旨在製造波導、主動光學元件、微流元件以及濾波器與諧振器,達成材料之聚合、結合,以及執行奈米手術。在所述方法中,於基板內引起非線性吸收之功率範圍中將飛秒級雷射脈衝導向基板材料。另一種飛秒處理方法由Miyamoto等人揭露於Journal of Laser Micro/Nanoengineering第二卷2007年第一期中。
Miyamoto等人在雷射先進材料處理之第四次國際會議的會議錄(Proceedings of the 4th International Congress on Laser Advanced Materials Processing)中揭露玻璃材料之局部熔化的方法以及其對直接熔焊的應用。所述出版物揭露一項實例,其中將皮秒(picosecond)級雷射脈衝導向硼矽酸玻璃之表面及導向熔融矽石(silica)之內部。在所述實例中,使用頻率為1kHz之16ps的脈寬,基板之行進速率為0.5、5或10mm/s。另一方面,使用頻率為100kHz以及500kHz的具有10ps之持續時間的脈衝,且所述出版物表明熔焊之效率直接取決於基板對雷射脈衝之非線性吸收的增加。此外,已表明,使脈衝能量增加會令非線性吸收增加且因此令焊接效率增加。
儘管上述技術存在許多優點,但仍需要更有效之雷射處理技術。詳言之,歸因於儀器設定之實際限制以及基板
材料對瞬間脈衝能量之忍受度,脈衝能量之增加不可能高於某些位準。過度之照射將在材料中誘發震波且引起微級裂紋(micro level crack)。
本發明之目的為達成用於處理基板的更有力之方法以及裝置。特定目的為達成用於通常為透明之基板的新穎且更有效之雷射分割方法以及雷射焊接方法。
本發明之一個目的為製造雷射誘發之微結構,其品質高於藉由已知方法達成之微結構的品質,尤其就所產生之不良微裂紋的數目而論。
本發明是基於以下發現:皮秒級雷射脈衝除了誘發非線性吸收外亦可在基板處誘發相當大之線性吸收效應,條件為其在時間以及空間上足夠頻繁地被導向基板。亦即,若將後續脈衝導向基板使得其與先前脈衝之點顯著重疊(所述點仍足夠熱),則歸因於線性吸收而獲得基板對雷射能量之額外吸收。除了增加之吸收外,高脈衝重複率將減少基板材料之微裂紋易感性(susceptibility)。此是因為先前之脈衝可使材料較不具剛性,且當隨後之脈衝到來時,震波將被衰減。
本發明之目的是藉由如下文所描述且主張之方法來達成。
在根據本發明之方法中,其包含:-將具有預定持續時間、脈衝頻率以及焦點直徑的多個順序聚焦雷射脈衝自雷射源導向基板,所述脈衝能夠局
部熔化該基板;-使雷射源與基板相對於彼此以預定速率移動,以便對基板形成結構上經修改之區,-使用20ps至100ps之脈衝持續時間,以及-使用經調整之脈衝頻率以及移動速率,使得脈衝顯著重疊,相繼脈衝之間的距離小於所述焦點之直徑的1/5。脈衝頻率較佳為至少1MHz。
因此,提供一種用於達成對基板之永久性修改的新穎脈衝雷射曝光方案。
上述問題藉由本發明而解決。此主要是因為,在本發明之範圍下,可最大效率地利用對雷射功率之非線性以及線性吸收,從而導致比使用已知方法更高之總吸收率。更詳細言之,發明者已發現最大化非線性吸收之效應(詳言之為所謂的碰撞(impact)電離)需要至少20ps之脈衝持續時間。在此等脈衝持續時間下之非線性吸收是由光子至基板材料中之初始吸收(光致電離)以及碰撞電離兩者引起,在碰撞電離中,材料之晶格(lattice)中的自由電荷載體(通常為電子)之數目由於電荷載體之直接碰撞而倍增。因此,雷射輻射能量自雷射誘發之電子有效地轉移至基板之晶格,從而引起高程度之局部加熱。此外,發明者已發現,藉由使基板之相同或極鄰近之區域經受具有此持續時間的若干脈衝,會發生線性吸收。此意味著,由於在後續脈衝到達時靶(target)點因先前脈衝而仍為熱的,因此材料在局部對所使用之波長並不透明而是在最初已具有顯著吸收率
(亦即,高數目的自由電荷載體)。換言之,由於先前脈衝,傳導帶中電子之數目極高,且材料呈現為對雷射輻射具有高吸收率的類似金屬的靶。
所指示的處理方案之額外優點為,可利用具有較低峰值功率之雷射光(通常小於1012
W/cm2
),平均功率仍比使用已知方法高或至少處於相同位準。因此,每一個別脈衝所引起之雷射誘發震波後面跟著顯著熱波,所述熱波由導向該脈衝之碰撞區之極近區的隨後脈衝造成。此情形之一個益處為自動地修補個別脈衝所引起之局部裂紋,因為附近區域中之熔化效應為高的。因此,由根據本發明之處理產生的結構上經修改之區為一致的且具有高品質。
根據本發明之用於藉由雷射光處理基板的裝置包含:-脈衝雷射源,用於發射具有預定義的持續時間、脈衝頻率以及焦點直徑之雷射脈衝,-用於固持基板以便可將雷射光自脈衝雷射源導引向基板的構件,-用於使基板相對於脈衝雷射源以預定義的速率而移動的構件。
根據本發明,脈衝雷射源之脈衝持續時間可調整為20ps至100ps,且脈衝頻率以及基板與雷射源之相對移動速率可經調整以使得相繼脈衝在基板處顯著重疊,相繼脈衝之間的距離小於所述焦點之直徑的1/5。詳言之,脈衝雷射可為光纖雷射。
本發明可用於處理在正常狀態時在所使用之波長下
完全或部分透明的基板。此是因為實際上材料之雜質或晶格缺陷會起始光致電離過程且另外起始碰撞電離過程。請注意,所謂的多光子吸收(其在藉由較短脈衝(尤其藉由飛秒級脈衝)處理基板過程中起到重要作用)未顯著發生且在本方法中甚至並非必需或所要的。
詳言之,本發明可用於玻璃及/或半導體基板,諸如矽、技術玻璃(諸如,石英、熔融矽石、硼矽酸鹽、鈣玻璃、溫度膨脹係數調整玻璃、藍寶石)、陶瓷(諸如,氧化鋯、LiTaO等)以及此等材料之組合。
已發現根據本發明之方法得到在經處理材料內具有少量微裂紋的經處理基板,且因此得到經處理組件之高彎曲強度(詳言之,在切割(分割)應用中)。在切割過程中不產生浪費,因為鋸口寬度實際上為零。如與機械切割相比,處理品質亦在時間上為恆定的,因為不存在工具損耗。
本發明可在工業上用於對玻璃或半導體基板產生局部弱化之切割線,例如用於分割晶圓以產生個別的電機組件或光學組件。另外,本發明可用於自基板局部移除電路或其他經微加工之結構或甚至所有層。最後,本發明可用於將兩個透明材料層有效且無針孔地焊接在一起。
在此文件中,術語「基板」廣泛地意謂在使用本方法來處理時會發生結構改變的任何靶材料或材料組合。所述基板可實質上為均質的或其可包含由不同材料製成的多個區域或層。所述區域或層最初可經連接或未連接(在焊接應用中正是此未連接的情況)。所述處理可針對一個個別層
或區域或針對兩個或兩個以上層或區域之界面,此視所要效應而定。術語「基板」亦涵蓋包含基底材料層以及意欲焊接至基底材料層的小組件(例如,將焊接至半導體或玻璃晶圓的光學或微流組件)的實體。
將在以下詳細描述中參看附圖來描述本發明之其他實施例以及優點。
本發明包含使用脈衝雷射來對基板產生結構上經修改之線,所述脈衝雷射具有至少20ps之脈衝持續時間以及某種脈衝頻率,所述脈衝頻率與處理速率匹配使得多個脈衝協同地增加基板內之吸收。詳言之,若相繼脈衝之間的距離小於雷射束之焦點之直徑的1/5,則許多足夠之脈衝到達基板之很局部的區域,以確保協同效應。在典型應用中,焦點直徑處於1μm至10μm之範圍中,脈衝之間所造成的典型最大距離是在200nm至2μm之範圍中。
根據一項實施例,所使用之脈衝持續時間為至少25ps。
根據一項實施例,脈衝頻率增加或移動速率減小,使得相繼之結構上經修改的點之間的距離小於所述焦點之直徑的1/10,較佳是小於1/20。此進一步增加在基板中發生之線性吸收效應,且有助於達成更均質之處理線。
通常,相繼脈衝之重疊百分率可藉由公式(1-(處理速度*(脈衝之間的時間)/焦點直徑))來表示。圖5a以及圖5b展示分別針對2μm以及6μm點直徑且針對三個例
示性處理速率在此公式之輔助下計算出的隨處理頻率而變的撞擊基板之每一位置之脈衝的數目。
處理頻率較佳是至少2MHz,且其可高達20MHz且甚至更高。發明者已發現,歸因於基板之熱時間常數以及所導致的在每一脈衝後自由載體之數目的隨時間減少,此等級之頻率有益於最大程度地利用線性吸收。請注意,僅重複率足夠高才可利用先前脈衝之殘餘熱,且因此利用增多之自由電荷載體。因此,若脈衝之間的週期過長,則僅藉由降低處理速度使脈衝重疊增加並無幫助。另外,在高頻率下,已發現所處理之體積受到更均勻限制,且亦可大大地改良製程控制。
根據較佳實施例,處理頻率為至少4MHz。此為有益的,因為可使用較高頻率來降低平均功率。此在(例如)藍寶石處理中尤為重要。
在實際上透明之玻璃或半導體基板中起始熔化過程所需之峰值脈衝功率小於1012
W/cm2
。通常,所使用之峰值功率為1010
至1012
W/cm2
,詳言之為1010
至5*1011
W/cm2
。此峰值功率顯著小於飛秒脈衝處理或多光子吸收處理方法中所需之峰值功率,且結果為大大地減少了雷射誘發之缺陷的數目。
根據較佳實施例,所使用之波長處於近紅外線範圍中,亦即,0.75μm至1.4μm。已證明此範圍不僅適於矽處理且亦適於高帶隙(band gap)材料(諸如,藍寶石以及石英),所述高帶隙材料至少是難以使用已知低頻率及/或飛
秒級處理方法以任何工業方式加以處理的。
根據一實施例,使用非偏振雷射光。此使基板中之電磁場方向為任意的且使所述方法更不受基板之晶格參數所影響。換言之,已發現非偏振光對於種類廣泛之基板有效。
圖6展示根據本發明對玻璃基板加工而成的微結構的橫截面影像。已自上方將雷射導向基板,且在所展示之特徵的錐形末端(見箭頭)處起始熔化過程。可看出,與具有尖銳起始點且在起始點附近具有高破裂可能性的較短脈衝(詳言之,亞皮秒(sub-ps)脈衝)相反,具有20ps或更長之持續時間的脈衝在起始點處提供圓的形狀。亦可看出,在玻璃中所得特徵之直徑如此之寬,以致功率密度對於多光子吸收而言並不足夠且線性吸收效應在朝向所述特徵之上部部分的方向加強。
根據較佳實施例,所使用之雷射源為光纖雷射源。光纖雷射具有以下優點:其能夠產生在百萬赫頻率範圍之光,如上文所描述,已發現該種光對於處理速度以及品質兩者而言最值得注意。在此上下文中,光纖雷射意謂主動增益媒體為經摻雜的光纖時之雷射。所述摻雜可藉由稀土元素(諸如,鉺、鐿、釹、鏑、鐠以及銩)來達成。
工業應用
本發明之各種態樣可用於達成若干工業目的,詳言之積體電路之製造以及封裝、顯示面板之製造、組件之結合、微結構化、微流法、實驗室晶片技術、表面修改、製造微尺度波導,在下文中給出應用之一些非限制性實例。
分割
根據一項實施例,本發明用於分割基板。藉由以下步驟進行之分割在此項技術中亦稱作隱形分割(stealth dicing):將雷射光聚焦至基板之內部以對基板產生局部應力區域,且隨後沿所述應力區域而分離基板之一些部分。所述方法之關鍵在於材料之內部誘發的應力在機械上弱化材料使得材料易於破裂。因此,與習知鋸切方法相對照,實際上不產生矽或玻璃浪費。
本發明具有以下優點:在分割過程中歸因於有效雷射曝光方案而可達成極高之處理速度。
圖1(未按比例繪製)展示使用本發明之隱形分割的原理。雷射源10以及光學元件12用於產生雷射光束14且將雷射光束14聚焦至基板18之內部部分。根據上述原理,多個重疊脈衝在基板18內造成結構上經修改之切割線。圖3(未按比例繪製)展示具有多個貫穿晶圓之切割線36A至36D的晶圓38,所述切割線描畫了將自晶圓38分割之組件35的輪廓。在已形成所要的切割線之後,可藉由任何合適方法(諸如,藉由彎曲所導致之破裂)來分離晶圓之一些部分。
本發明尤其適於切割矽晶體晶圓以及用於製造積體電路以及其他微型元件的其他半導體材料。晶圓可含有藉由任何已知微製造過程(諸如,摻雜、離子植入、蝕刻、沈積以及光微影圖案化)而建置於晶圓中及/或上之微電子元件。
藉由極薄之晶圓(例如,<200μm,詳言之為<100μm)來達成特定的優點,所述晶圓用於(例如)製造顯示面板(例如,LCD面板以及(O)LED面板)。然而,本發明原則上可用於任何厚度之晶圓。
劃線
根據一實施例,本發明用於對基板劃線。在劃線過程中,將射束聚焦至基板表面附近以便對基板之表面產生凹槽。藉由本方法進行劃線對於過弱以致不能進行機械處理的極薄基板(通常具有小於100μm之厚度)尤為有利。所得劃線深度通常最多為基板之總厚度的15%。
表面修改或內部層修改
根據一實施例,本發明用於移除或永久修改基板之材料層。根據實例,根據本發明可對基板之一個頂層或若干個頂層加熱,且其內部結構遭到破壞。所述破壞可包含使層之一些或所有成份揮發或在物理及/或化學上修改其內部結構。舉例而言,基板可包含防止進行隱形分割之反射(金屬)層,且藉助於本發明移除此反射層。可將相同原理用於局部破壞該基板之表面層上所含有之微製造而成的電路。
根據一項實施例,本發明以兩步驟的過程來進行。在第一步驟中,根據本發明,使用雷射曝光方案來破壞一個特定材料層或多個反射材料層。在第二步驟中,根據本發明使用雷射曝光方案來分割基板。此實施例具有以下優點,可自晶圓之前面將分割用的雷射導向晶圓,而習知隱
形分割是自晶圓之背面來執行的,因此另外需要翻轉晶圓之冒險性之步驟。
焊接
根據一實施例,本發明用於將材料層永久焊接在一起。在本申請案中,基板包含具有界面區之至少兩個疊置層,所述方法包含將雷射脈衝聚焦至所述界面區,以在界面區處達成局部熔化且經由再固化而將所述層焊接在一起。
焊接應用示意性地說明於圖2中。在所述方法中,使用雷射源20以及光學元件22來產生雷射光束24且將雷射光束24聚焦至基板28之兩個獨立的層28A與28B之界面。根據上述原理,投送到移動基板之多個重疊脈衝造成將層28A與28B連接之焊縫26。
根據一實例,基板包含兩個疊置之玻璃面板,所述兩個玻璃面板是在面板之邊緣區域處藉由相連接的縫而焊接在一起。因此,舉例而言,可使用本方法來製造顯示面板或光感測面板。圖4a以及圖4b展示製造OLED顯示面板之實例。面板48包含基底層48A以及前面玻璃層48B,基底層48A包含具有個別發光單元之陣列的作用(active)層49。最初,將層48A與48B彼此相疊置放,使得作用層49保持於其間。其後,將本發明用於在整個作用層周圍產生焊縫46。較佳地,焊縫不斷裂(相連)。因此,可為作用層形成防灰且防潮之有效障壁(barrier),同時有效地將面板之層黏附在一起而無需任何額外組件,諸如黏接劑。
歸因於對玻璃層之頻繁脈動(pulsing)以及完全之熔化與再固化,接縫極難被滲透。
圖4c以及圖4d展示上述應用之替代式詳細實施例。在圖4c之過程中,玻璃層48A以及48B在界面區處彼此間隔。在圖4d之過程中,在玻璃層48A與48B之間提供額外的橋接層47。橋接層47減小玻璃之間的自由距離且確保會發生”上述各層之完全合一”。因此在橋接層與前面玻璃48B之間產生焊縫46B。橋接層47可為金屬層。
除了製造顯示面板外,本焊接方法可用於晶圓級封裝(見下文)、溫度敏感組件封裝、光學組件之整合,以及微流組件之整合。
晶圓級封裝
根據一項實施例,本發明用於藉由焊接來製造矽晶圓與其他材料之間的接點。其他材料可為機械保護性材料及/或電性絕緣材料。因此,本發明適於晶圓級封裝(WLP)的應用,其中封裝是針對矽組件而製造的,同時仍為較大晶圓之一部分,而非在晶圓分割後組裝每一個別單元之封裝的傳統過程。舉例而言,可將多組件之寬保護層放在仍未分割之矽晶圓上,且本雷射曝光方案用於將保護層與晶圓之組件焊接在一起。
為達成說明目的而給出上述實施例和實例以及附圖,且所述各者意欲為非限制性的。本發明之範疇界定於以下申請專利範圍中,將以整個廣度來解釋申請專利範圍且將等效物考慮在內。
10‧‧‧雷射源
12‧‧‧光學元件
14‧‧‧雷射光束
18‧‧‧基板
20‧‧‧雷射源
22‧‧‧光學元件
24‧‧‧雷射光束
26‧‧‧焊縫
28‧‧‧基板
28A‧‧‧層
28B‧‧‧層
35‧‧‧組件
36A-36D‧‧‧切割線
38‧‧‧晶圓
46‧‧‧焊縫
46B‧‧‧焊縫
47‧‧‧橋接層
48‧‧‧面板
48A‧‧‧基底層
48B‧‧‧前面玻璃層
49‧‧‧作用層
圖1展示根據本發明之一項實施例的對基板加工出切割線的示意性側視圖。
圖2為根據本發明之一項實施例的焊接之示意性側視圖。
圖3展示分割應用之示意圖。
圖4a至圖4d說明根據本發明之一項實施例的(O)LED顯示面板之焊接。
圖5a以及圖5b展示對於兩個不同焦點直徑的在每一位置處隨頻率而變之雷射脈衝的圖。
圖6展示根據本發明對玻璃基板加工而成的微結構的橫截面影像。
10‧‧‧雷射源
12‧‧‧光學元件
14‧‧‧雷射光束
18‧‧‧基板
Claims (22)
- 一種處理基板之方法,其包含:將具有預定持續時間、脈衝頻率以及焦點直徑的多個順序聚焦雷射脈衝自雷射源導向所述基板,所述脈衝能夠局部熔化所述基板,使所述雷射源與所述基板相對於彼此以預定的移動速率移動,以便對所述基板形成結構上經修改之區,所述方法之特徵在於使用20ps至100ps之脈衝持續時間,以及使用至少1MHz的脈衝頻率以及經調整之移動速率,使得所述脈衝顯著重疊,相繼脈衝之間的距離小於所述焦點之直徑的1/5。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中相繼之結構上經修改的點之間的距離小於所述焦點之直徑的1/10,較佳是小於1/20。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法,其中使用至少2MHz之脈衝頻率,較佳是至少4MHz。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法,其中使用小於1012 W/cm2 之峰值脈衝功率。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法,其中使用非偏振雷射光。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法,其中所述雷射源為光纖雷射源。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中所述基板 在其正常狀態時對所使用之所述雷射光之波長至少部分透明。
- 如申請專利範圍第1項或第7項所述之方法,其中所述基板包含玻璃或半導體基板,諸如石英、藍寶石、矽或LiTaO3 晶圓。
- 如申請專利範圍第1項或第7項所述之方法,其中所述基板為LED面板或LCD面板。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法,其中所述雷射聚焦至所述基板的內部,所述結構上經修改之區為所述基板內部的弱化切割線,所述方法進一步包含用機械方式而將由所述弱化切割線界定的所述基板之至少兩個部分予以分離的步驟。
- 如申請專利範圍第1項或第7項所述之方法,其中所述基板包含微製造而成的電路及/或反射層,將所述脈衝雷射聚焦至所述微製造而成的電路及/或反射層以移除對所述微製造而成的電路及/或反射層之永久性修改。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中所述基板包含具有界面區之至少兩個疊置層,所述方法包含將所述雷射脈衝聚焦至所述界面區以將所述層焊接在一起。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中所述基板包含兩個疊置之玻璃面板,所述兩個玻璃面板是在所述面板之邊緣區域處藉由相連接縫而焊接在一起。
- 如申請專利範圍第12項或第13項所述之方法,其中所述基板為OLED顯示面板。
- 如申請專利範圍第12項所述之方法,其中所述基板包含有包含矽晶圓之第一層以及包含其他材料之第二材料。
- 如申請專利範圍第1項、第7項或第12項所述之方法,其中所述基板之厚度為200μm或更小,詳言之為100μm或更小。
- 一種用於藉由雷射光處理基板之裝置,其包含:脈衝雷射源,用於發射具有預定義持續時間、脈衝頻率以及焦點直徑之雷射脈衝,用於固持基板以便將雷射光自所述脈衝雷射源導引向所述基板的構件,用於使所述基板相對於所述脈衝雷射源以預定義的速率移動的構件,所述裝置之特徵在於所述脈衝雷射源之脈衝持續時間可調整為20ps至100ps,以及所述脈衝頻率可調整為至少1MHz,且所述基板與所述雷射源之相對移動速率可經調整以使得相繼脈衝在所述基板處顯著重疊,相繼脈衝之間的距離小於所述焦點之直徑的1/5。
- 如申請專利範圍第17項所述之裝置,其中所述雷射源為光纖雷射源。
- 一種如申請專利範圍第1項至第16項中任一項所述之方法的用途,其用於積體電路之製造以及封裝、顯示 面板之製造、組件之結合、微結構化、微流法、實驗室晶片技術、表面修改,或製造微尺度波導。
- 如申請專利範圍第19項所述之用途,其用於分割半導體晶圓、玻璃至玻璃焊接,或積體電路之晶圓級封裝。
- 一種如申請專利範圍第17項至第18項中任一項所述之裝置的用途,其用於積體電路之製造以及封裝、顯示面板之製造、組件之結合、微結構化、微流法、實驗室晶片技術、表面修改,或製造微尺度波導。
- 如申請專利範圍第21項所述之用途,其用於分割半導體晶圓、玻璃至玻璃焊接,或積體電路之晶圓級封裝。
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