TWI555599B - 在雷射劃刻裝置中執行光束特徵化之方法，及可執行此方法之雷射劃刻裝置 - Google Patents

在雷射劃刻裝置中執行光束特徵化之方法，及可執行此方法之雷射劃刻裝置 Download PDF

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Description

在雷射劃刻裝置中執行光束特徵化之方法，及可執行此方法之雷射劃刻裝置
本發明係關於一種在用於劃刻一實質上平坦半導體基板之一雷射劃刻裝置中執行光束特徵化之方法，該裝置包含：-一可移動基板固持器，該基板可夾持於該可移動基板固持器上，藉此該基板夾持於該固持器之一夾持區中以便呈現欲沿著至少一個劃刻道劃刻之一目標表面；-一雷射源，其可用於沿著一光學軸朝向該目標表面引導至少一個雷射光束。
本發明亦係關於一種其中可執行此一方法之雷射劃刻裝置。
出於清晰及一致之目的，貫穿此正文及隨附申請專利範圍使用之以下術語應與以下闡釋相稱地來理解：-措辭「光束特徵化」係指判定對雷射劃刻方法之準確度、品質、可靠性及/或可複製性具有一影響之一或多個光束特徵之一程序。該措辭涵蓋諸如光束對準及焦點等特徵以及諸如光束剖面(在基板表面上)之大小、形狀及(積分)強度等參數。此等點下文將予以詳述。
-措辭「實質上平坦」應解釋為係指呈一薄板、板、葉片、薄片、平板等之(大致)形式之一基板。此一基板在形式上將大體係(實質 上)平坦的，且呈現由一相對薄的間置「側壁」分離之兩個對置主表面。
-措辭「半導體基板」應寬泛地理解為涵蓋一半導體器件或其他積體器件製造於其上之任何基板。此等基板可(舉例而言)包含(各種直徑之)矽或鍺晶圓及/或化合物物質(諸如InAs、InSb、InP、GaSb、GaP或GaAs)之晶圓。該術語亦涵蓋一或多個半導體材料層已沈積於其上(例如，如在LED之製造中)之非半導體材料(諸如藍寶石)。所關注的半導體器件或其他積體器件可(舉例而言)係一積體電路、(被動)電子組件、光電組件、生物晶片、MEMS器件等。此等器件通常將在一既定基板上大量製造，且將通常在該等主表面中之至少一者上以一矩陣配置來佈置。
-術語「劃刻道」(亦有時稱作一「切割深蝕道」)應理解為係指沿著一基板之一主表面延伸之一路徑(道、深蝕道、條帶)，將沿著該路徑來劃刻該基板。此背景下所使用之術語「劃刻」涵蓋諸如刻劃、切割、截切、割切、劈切、凹痕化及刨削等處理程序；特定而言，其涵蓋所謂的「凹槽化」，其涉及基板材料(例如，包含所謂的「低k」材料)之一相對寬條帶至小於基板厚度之一深度之輻射(例如，剝蝕)移除。在一半導體基板之特定情形中，一劃刻道通常在該基板之積體器件之相鄰列之間延伸，且界定將沿著其「切割」該基板之一路徑以便允許所討論之器件之(最終)分離。此一程序經常稱作「單粒化」。應明確注意，此一單粒化程序可係單步驟的(其中在一單個操作中穿過基板之全部深度來切割/割切基板)或多步驟的(其中一第一劃刻不致使穿過基板之全部深度割切基板，且使用一或多個後續程序來完成割切處理程序，諸如額外輻射劃刻、機械劃刻/切割等)。亦應注意，目標表面上之劃刻道可以規則及/或非規則(重複)組態來配置。舉例而言，某些晶圓可包含藉由形成一規則正交網格之劃刻道彼此分離之相同積 體器件之一規則矩陣。另一方法，其他晶圓可包含具有不同大小及/或彼此相對以非規則間距定位之器件，暗指一對應的不規則劃刻道組態。此等劃刻道之配置未必係正交的，例如，其可(部分地)係三角形/六角形的。
下文將更詳細地論述此等點。
諸如在以上開放段落中詳細說明之一劃刻裝置論述於(舉例而言)WO 2002/076699 A1中。此處，使用一單個雷射光束沿著在一經塗佈半導體晶圓之一主表面上配置成一正交格柵結構之劃刻道形成經剝蝕地帶。一旦已形成此網格，則使用一機械鋸割以藉由沿著該等地帶切割將基板單粒化成晶粒。
開放段落中所闡述之類型之另一劃刻裝置論述於(舉例而言)美國專利US 5,922,224中。在此文件中，使用雷射光束之一線性叢集來沿著一劃刻道剝蝕基板材料，因此致使基板雁陣剝蝕線被「以輻射方式刻劃」。以此方式使用多個光束而非一單個(較強大)光束可有助於在基板上產生一較窄剝蝕地帶。此可具有某些優點，舉例而言，尤其當所討論之劃刻道緊密接近一半導體基板上之(易碎及昂貴)器件時。
當前背景下之(一或多個)所採用雷射光束可聚焦至基板之該目標表面上，或可視需要致使其聚焦於該表面下面(所謂的「隱形切割」)此一次表面方法可(舉例而言)藉由致使剝蝕碎屑被限制於基板材料之體/晶格內而非使其落至基板之表面上而有助於減少污染問題。即使一雷射光束在一表面下面具有一焦點，其仍將在其照射在該表面上之點處展現一光點。
在一雷射劃刻程序(諸如在開放段落中所提到的雷射劃刻程序)中，用於劃刻半導體基板之(一或多個)雷射光束具有相對於正劃刻之劃刻道之一良好界定之位置係重要的。如上文所論述，一劃刻道將通常係相對窄的，且將通常藉由相對昂貴且精細的積體器件加寬(在一 或多個側上)；若一劃刻雷射光束不具有在一既定劃刻道內之一仔細控制之位置，則其可導致對接近的積體器件之損壞及/或產生一不可接受之劃刻形式及/或產生一不正確的經單粒化晶粒大小。儘管在設計、構造及使用一雷射劃刻裝置時施加所有應有的小心，但漂移效應(例如，機械振動、熱現象等)可導致雷射源之光學軸之位置/角度以一不可預測方式(逐漸)移位，若其不被校正則可能導致不可接受之劃刻結果。因此具有減輕此等漂移效應之某一方法係重要的。
類似地，雷射光束相對於基板之目標表面之焦位置係重要的，此乃因其將決定該光點之大小及強度，該光點之大小及強度又將影響藉由雷射光束進行之劃刻之寬度及深度以及在切割深蝕道外部之所謂熱影響區(HAZ)之大小(及其中之溫度)。如上文(及下文)所提到，存在輻射劃刻之不同方法，某些方法使用聚焦至目標表面上之雷射光束且其他方法使用故意聚焦於目標表面下面之雷射光束；為選擇及確保此等不同技術之可靠效能，因此具有關於雷射光束之焦點狀態/軸向對準之準確資訊係重要的。再一次，漂移效應可在此方面導致不利移位。
另外，漂移效應(諸如上文所提到的彼等漂移效應)可(例如)因導致光學畸變或其他失常之一改變及/或沿光學組件(諸如衍射光學元件、透鏡等)之相對位置/定向之一移位而對用於聚焦/指向(一或多個)所採用雷射光束之光學組件具有一不利效應。此又可(例如)因導致光點之不期望伸長/凸出、衛星光點之外觀等及/或因導致光點內之強度分佈之不期望變更而不利地影響在基板之目標表面上產生之一雷射光點之形狀。
執行光束特徵化之一個方法係執行劃刻裝置中之雷射光束對準、焦點及/或其他光束特徵之規則人工檢驗/校正。此將通常涉及劃刻裝置之使用者之介入，需要他執行雷射光束對準、光點大小等之一 視覺檢查。然而，此一人工方法具有相異缺點。舉例而言：-由於其涉及人的判斷，因此其本質上將係主觀的且經受一相對大誤差；-其將需要來自一人之即時注意，在現場或經由一遠端鏈路，因此需要人員水平及成本；-其不可避免地涉及一犧牲消耗品(諸如一空矽晶圓)之使用，作為人工檢驗處理程序之部分將在其上劃刻/灼燒一或多個測試標記及/或線。此轉化為額外成本，以及在手頭上恆定保持消耗品之一庫存之需要。
使用一消耗品之需要亦可導致一額外時間損失。舉例而言，若某人想要暫時中斷一批基板之劃刻以便執行一「處理程序中」光束檢驗，則：-將必須中斷基板之正常工作流程，以允許以人工方式載入一空消耗品且接著夾持至基板固持器；-在已執行檢驗之後，在基板之正常工作流程可重新開始之前將必須將該空消耗品鬆開並以人工方式卸下。
此一程序係耗時的且麻煩的。
本發明之一目的係解決此等問題。更具體而言，本發明之一目的係提供一種用於在一雷射劃刻裝置中執行光束特徵化之方法，其允許更高效且客觀地檢查及校正諸如一劃刻雷射光束之對準、大小、強度及形狀等光束參數。特定而言，本發明之一目的係此一方法應提供導致一半導體基板在一不期望位置中/以一不期望方式之輻照之一減小之風險。
在如開放段落中所詳細說明之一方法中達成此等及其他目的，該方法特徵在於以下步驟：-提供可用於檢視並控制劃刻處理程序之一影像記錄器件，該器 件具有一視域，該視域具有法向於其之一檢視軸；-在夾持區外部於基板固持器上提供一參考板，該參考板包含回應於該雷射光束之輻照而產生受激輻射之一材料；-定位該基板固持器使得該雷射光束照射在該參考板之一點上且激發該材料以在該照射點處產生一局部化(區之)輝光；-使用該影像記錄器件以偵測該輝光之一物理參數。
此一物理參數之實例包括(舉例而言)：-該輝光相對於該視域中之一參考點之一位置；-該輝光之一直徑；-該輝光之一積分強度；-該輝光之一形狀，及其組合。
如此處所採用，參考板包含「回應於該雷射光束之輻照而產生受激輻射之一材料」之規定應理解為係指該材料藉以產生光(該「局部化輝光」)之機制而非藉由傳入雷射光之一部分之簡單反射。此處之意圖係來自雷射光束之照射在材料上之「原始」光子激起材料中之物理程序，該等物理程序致使其發射「二次」(受激)光子；寬泛而言，此可稱作帶隙激發/吸收，後續接著輻射複合。在此方面，此等機制之實例包括以下：-所謂的「波長轉換」。此處，來自雷射光束之傳入(原始)光子在材料中產生電子-空穴對。當此等電子-空穴對隨後重組時，存在呈二次(受激)光子之局部化輝光(發光)之形式之能量之一釋放。波長轉換材料之實例包括(舉例而言)SiC(碳化矽)及GaN(氮化鎵)。
-所謂的「雙光子吸收」。此處，材料之一分子同時吸收來自照射的雷射光束之兩個原始光子。當此分子去激發時，其發射不同於原始光子之波長之一波長之一二次(受激)光子。雙光子吸收材料之實例係 (舉例而言)GaAs(砷化鎵)或ZnTe(碲化鋅)(其可與紅外線雷射波長一起使用)對於更多資訊，見：http：//en.wikipedia.org/wiki/Two-photon_absorption
-白熾光。此處，傳入雷射光束熱激發材料之原子，從而致使其產生一熱輝光。舉例而言，見：http：//en.wikipedia.org/wiki/Incandescence
-發光(舉例而言，該一般性術語涵蓋更多特定現象，諸如光致發光、螢光及磷光)。此處，藉以發射光子之機制在本質上係非熱的。舉例而言，見：http：//en.wikipedia.org/wiki/Luminescence http：//en.wikipedia.org/wiki/Photoluminescence http：//en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence http：//en.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence
就其本性而言，此等機制將通常傾向於產生係多色之一輝光。
根據本發明之此方法由於若干個原因係高度有利的。舉例而言：-其不作為光束特徵化程序之部分使用一消耗品(其每次必須被載入及卸下)。而是，其使用一專用參考板，其永久性地存在於基板固持器上，例如，在其上部表面之一角落中/附近。因此，根據本發明執行一光束特徵化僅涉及暫時移動基板固持器以便將參考板定位於雷射光束之路徑中，而無卸下/載入基板/消耗品之(耗時且麻煩的)需要。
-其不作為光束特徵化處理程序之部分需要形成永久性劃刻/灼燒標記。而是，藉由檢驗在參考板上之雷射之照射點處產生之一瞬時輝光來評估光束參數。此一輝光可由比劃刻/灼燒一犧牲晶圓所需之雷射功率/通量溫和得多的雷射功率/通量產生，因此不需要存在對參考 板之任何實質輻射損壞。此外，參考板可包含比一典型矽晶圓粗糙得多的一材料(諸如SiC)。
-當將一雷射光束引導於一般固態表面處時，其產生散射光之一光點。此光點通常呈現稱為「斑點」之一現象，其由雷射光束中之相干效應導致，因此導致雷射光點具有一斑駁的「形狀移位」外觀。此一有斑點/粒狀外觀通常迷惑人的眼睛及光學偵測器，從而使得難以準確地決定有斑點光點之位置/大小，且因此(舉例而言)阻礙可能採用此一光點之光束對準努力。相比而言，在本發明中，參考板之材料產生受激輻射之一局部化輝光。此輝光係不相干的(此乃因參考板中之產生程序係非發射雷射的)，且因此不遭受斑點。
-由於其使用一影像記錄器件(諸如一相機)，且由於其以數學方式判定可量化變數(所提及之位置、直徑、積分強度等)，因此本發明方法有助於完全自動化。當結合(舉例而言)影像辨識軟體使用時，本發明方法可以一完全自動化/自主方式執行光束特徵化。則消除與人工特徵化相關聯之上文所提及問題(主觀性、人的存在)。
有利地，參考板將具有一實質上平坦上部表面，其平面實質上平行於夾持區中之一經夾持基板之平面；然而，此並非一嚴格必要條件(見下文)。
在根據本發明之方法之一實施例中，使用來自影像記錄器件之資料來計算該光學軸與該檢視軸之間之一位置偏差(例如基於每一軸與一既定參考平面之交點之位置)。更具體而言，使用輝光相對於視域中之上文所提及參考點之所偵測位置來執行該計算，此將產生任何平面光束誤對準(例如，在該參考平面中)之量值/方向。所選擇參考點係一選擇問題：其可係(舉例而言)幾何中心點(抽象或真實)或該視域中之一「十字準線」標記。
一旦已使用本發明方法計算雷射源之光學軸與影像記錄器件之 檢視軸之間之一位置偏差，則其可以不同方式來使用。舉例而言，在一個方法中，某人可試圖(例如)藉由使用(自動化)校正構件(諸如一或多個光學偏轉器或者一或多個機械致動器或者兩者之一組合)調整雷射光束之路徑來移除(或至少減小)所量測偏差及/或將雷射源本身移動回至(或朝向)與該檢視軸之最佳對準。在另一方法中，某人照原樣接受所量測位置偏差，但當執行後續劃刻程序時尋求做出一校正性調整，例如，藉由適當地調整基板固持器之位置。在此後一方法之背景下，根據本發明之方法之一實施例具有以下額外步驟：-在基板固持器上提供一經夾持基板；-定位基板固持器以便將該基板之一劃刻道定位於該視域內；-使用影像記錄器件來偵測該劃刻道之一特徵(諸如(舉例而言)一邊緣、中間軸、角落或標記)相對於(該視域中)之該參考點之一位置；-應用該位置偏差以判定該光學軸相對於該特徵之一推斷位置。
換言之，此一實施例進行以下各項：-在參考板處：量測該輝光G相對於上文所提及參考點R之一(向量)位置P 1 ；-在經夾持基板處：量測該劃刻道特徵F相對於參考點R之一(向量)位置P 2 ；-在經夾持基板處：將雷射光學軸O相對於F之位置推斷為係向量差P 1 -P 2 。
接著可使用此資訊來對基板固持器之位置做出一向量校正，即-(P 1 -P 2 )，以便將O準確地定位於F上。
在根據本發明之方法之另一實施例中，使用來自影像記錄器件之資料來計算該照射點與雷射光束之最佳焦點之一位置之間之一軸向距離(沿著O)。更具體而言，使用輝光之一所偵測直徑及/或積分強度來執行該計算，此將產生任何軸向光束誤對準之量值。此實施例利用 以下事實：某人考量沿著光學軸之不同點處之雷射光束之一剖面，則彼剖面將(名義上)展現在光束之焦平面內最小直徑(或「腰部大小」；Dmin)及最大積分強度(Imax)。此等「最佳焦點」值可(舉例而言)自一單獨校準運行或一線內量測來判定，藉此將參考板步進過沿著光束之不同軸向位置之一範圍，且輝光之直徑(D)及/或積分強度(I)表示為此等軸向位置之一函數，從而允許量測/內插(藉由遍曆最佳焦點)或推定(藉由接近最佳焦點)Dmin/Imax。一旦知道「最佳焦點」值，則可(例如，藉由自動查閱一查找表)使用在參考板處量測之D及/或I之瞬時值來計算照射點與雷射光束之最佳焦點之位置之距離，或等效地，參考板之頂部表面相對於雷射之焦平面之距離。此處所提及之「步進」可藉由調整基板固持器相對於雷射源之軸向位置及/或藉由使用一可調整光學元件以使雷射相對於基板固持器之一焦點位置移位來實現；此等機制中之任一者或兩者亦可用於執行對所計算軸向光束誤對準(焦位移)之一後續校正。
若當沿著該檢視軸檢視時參考板之最頂部(經輻照)表面與經夾持基板具有確切相同的高度(例如，由於其係實質上共面的)，則可直接採用在參考板處所計算之位置偏差(平面及/或軸向)來執行經夾持基板處之一校正性位置調整。然而，若該高度存在一小差異(例如，由於基板與參考板之間之一相對梯級或傾斜)，則可判斷當將在參考板處量測之位置輸出轉譯成於在經夾持基板處使用之位置輸入時一小的額外校正係必要的。此乃因：-對於該光學軸與檢視軸之間之一既定角偏差，該(垂直)高度之一小差異將轉譯為垂直於檢視軸之一小(水平/平面)位置移位；-如此處所提到的一高度差在雷射焦點相對於基板之目標表面之(垂直/軸向)定位中發揮一直接作用。
在此背景下，根據本發明之方法之一特定實施例包含以下步 驟：-判定參考板與該經夾持基板之間之法向於基板平面之一高度差；-結合該位置偏差及該軸向距離中之至少一者使用該高度差來調整光束對準。
此處所提及之高度差可(舉例而言)經由計算(基於參考板及經夾持基板之已知厚度及其在基板固持器上之定位)及/或量測(在一偶然校準例程中)來判定。此量測又可以一自動化或人工方式來執行。作為前者之一實例，舉例而言，可為影像記錄器件提供一(市場上可購得之)自動聚焦感測器，在參考板及基板之最佳焦點設定下自動表示(焦距之)一感測器輸出讀數，且接著減去此等讀數。另一選擇係或作為補充，可使用一光學感測器(諸如一干涉儀)來執行所要量測。
除量測諸如橫向/平面光束位置、軸向光束位置(焦位置)、光束直徑及/或積分光束強度(在一既定平面中)等光束參數外，亦可使用本發明(例如)藉由使用如上文所提到的影像辨識軟體以判定(舉例而言)形成於參考板上之一雷射光點(輝光)係圓形還是離心的、規則還是不規則的、係單個的還是伴有衛星光點的(例如，不期望的較高衍射級及/或寄生反射)等來檢驗、判斷及接受/拒絕(剖面)光束形狀。在一所量測光點形狀被判斷(由軟體)為在可接受邊界外部之情況下，可採取一預定義動作，例如，可經由一使用者介面(諸如一顯示器)給出一警告信號且暫停劃刻程序直至一裝置使用者介入為止。
到現在為止，本發明之論述一直大體參考「一」雷射光束。然而，重要的是認識到所採用雷射源實際上可產生複數個雷射光束，(例如)此乃因其使用一光束劃分配置(諸如一或多個衍射光學元件(DOE))以細分來自一單個雷射之一單一雷射光束，或乃因其使用數個雷射。在此背景下，根據本發明之方法之一特定實施例具有以下態 樣：-雷射源產生一雷射光束叢集；-該至少一個雷射光束係此叢集之一成員，且用作執行整個叢集之光束對準之一基礎。
此處，選擇(至少)一個特定雷射光束作為執行相關聯雷射光束之一整個叢集之光束對準之一基礎。出於此目的而選擇之特定雷射光束可係一選擇問題：舉例而言，可選擇叢集之一質心處(或附近)之一光束，或叢集之一末端處(或附近)之一光束。此一雷射光束叢集之一實例提供於(舉例而言)上文所提及之先前技術文件US 5,922,224中，但可構想諸多其他可能的叢集組態。在涉及一雷射光束叢集之所有情形中，熟習此項技術者將很好地能夠選擇一適當光束(或一光束群組)用作執行本發明光束對準方法之一基礎。
應注意，可存在其中可有利地提供本發明將其與一特定類型之光學濾光器一起使用之影像記錄器件之例項。舉例而言，在本發明之參考板中產生(例如，藉由波長轉換)之輝光通常係多色的，且可採用一波長濾光器來選擇此輝光之一(準)單色部分，從而允許使用具有相對簡單色度校正之相對廉價成像光學器件。另一選擇係或作為補充，可選擇使用一濾光器以便削減輝光之強度，從而用於根據所採用影像記錄器件之敏感度來對其進行調整，但可替代地只是選擇減小來自雷射源之輻射輸出之強度。熟習此項技術者將理解此等點，且能夠根據一特定設置之需要來實施此等點(或選擇忽略此等點)。
關於可用於執行本發明之影像辨識軟體，熟習此項技術者將熟悉此軟體及其使用。影像辨識演算法可(舉例而言)藉由尋求與一既定人工「程式化」的參考影像之交叉相關或藉由執行與一先前所選擇模板之模板匹配而工作。存在各種用於此目的之市場上可購得軟體包。
應注意，本發明中所使用之影像記錄器件可係(舉例而言)一攝影 機或靜止相機，且將理想地直接產生有助於使用影像辨識軟體處理之一數位影像；另一選擇係，亦可構想一經數位化類比影像。
儘管本發明產生優於先前技術之諸多優點，但一個優點特別值得在此處提及。優於本發明允許較準確地特徵化/量測及校正諸如光束位置、光束大小及光束形狀等參數，因此其允許可藉以在一基板中形成一劃刻/凹槽之橫向位置準確度之一顯著提高。其在一「多遍」劃刻處理程序中具有特別重要性，在該「多遍」劃刻處理程序中深度△Zn之連續刻痕/凹槽重疊以便產生累積深度Σ△Zn之一所得刻痕/凹槽。在此一情景中，本發明允許大大增加之重疊準確度，從而產生一更令人滿意的最終結果。
值得一提的是，儘管在半導體基板之劃刻中保持「光學頭」(即，用於(一或多個)雷射光束之聚焦光學器件、分束器或DOE等)固定且視需要移動基板固持器係慣例，但可構想顛倒此等運動角色，即，保持基板固定且改為移動光學頭(例如，藉助將光學頭連接至一固定雷射之一撓性光纖)。此機械反轉對本發明之關鍵不具有任何實質影響，且可被視為歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內。
在根據本發明之一例示性方法(其無論如何並非意欲限制本發明之範疇而是僅出於提供具體的實際實例之目的而在此處呈現)中，以下態樣適用：-一輸入雷射光束經選擇而具有在範圍200nm至3000nm內之一波長及在範圍1mW至100W內之一輸出功率。所選擇雷射將極大地取決於正在劃刻之基板之材料。此範圍內之波長可由各種雷射產生。舉例而言，一固態Nd：YAG雷射產生1064nm之一波長，其中諧波係532nm及355nm。另一選擇係，可使用(舉例而言)具有1062nm之一波長之一經摻雜光纖雷射。該355nm波長係特別有吸引力的，此乃因：▫其往往由半導體材料強烈地吸收； ▫其通常可相對容易地被聚焦為一相對小的光點大小。
然而，此完全係一選擇問題，且可替代地採用其他波長。
-使用能夠遞送一脈衝雷射光束之一雷射源，其中一脈衝持續時間在約1微秒至100飛秒之範圍內。在此方面，應注意：▫當執行實際雷射劃刻時，以脈衝模式使用雷射；▫當根據本發明執行光束對準時，未必使光束脈動，且可視需要改為在連續波模式中使用。
-使用一衍射光學元件(DOE)(或(舉例而言)偏光分束器之一叢集)，輸入雷射被劃分以便形成具有2至20個成員之一光束叢集。此步驟係選用的，且可改為選擇使用一單個/為經劃分劃刻光束。當選擇劃分輸入雷射時，毗鄰焦點之分離可(舉例而言)經選擇而位於大約範圍5μm至500μm內，例如，約50μm至70μm。應注意，如此產生之光束叢集形式不必係線性的(一維)；可改為選擇產生(例如)呈n個光點×m個光點(n及m係整數)之一矩形之形式之一二維叢集。
-若選擇將(一或多個)雷射光束聚焦至基板體中而非聚焦至其目標表面上(隱形切割)，則該(等)雷射光束之(一或多個)焦點低於目標表面之(一或多個)深度經選擇而位於範圍20μm至700μm內。
-舉例而言，參考板(之頂部表面)包含一波長轉換材料(諸如GaN或SiC)或一雙光子吸收材料(諸如GaAs)。舉例而言，其具有橫向尺寸ca.1×1cm2。
實施例1
圖1呈現適合於進行根據本發明之一方法之一裝置A之一特定實施例的部分之一端視圖，該裝置可用於沿著一實質上平坦半導體基板1之一目標表面3上之至少一個劃刻道2(未繪示；見圖2)劃刻基板1。另一方面，圖2呈現圖1之下部部分之一態樣之一平面圖。圖3展示與圖1中相同之裝置，但其係在本發明方法之一實施例之一態樣之執行期間。注意該等圖中所展示之笛卡爾(Cartesian)座標系統X、Y、Z。
具體而言，圖1、圖2及圖3共同展示以下：▪一雷射源4，其沿著一光學軸7輸出至少一個(脈衝)雷射光束L。雷射源4連接至一控制器14，該控制器可用於控制諸如光束之脈衝持續時間及/或功率/通量等參數及其他。視需要，可致使雷射源4以連續波(CW)模式操作。
▪一可移動基板固持器(工作臺、夾盤)9，其具有基板1安裝至其上之一(中心定位)夾持區，以便將目標表面3呈現至雷射源4。舉例而言，此安裝傳統上經由周邊夾持而發生。
▪一台總成17，其可相對於光學軸7將基板固持器9定位於XY平面中。
▪一投射(即，成像)系統11，其用於將雷射光束L投射至基板1上。在光束L在基板1上之照射點處，形成一光點S。投射系統11可用於視需要將光束L聚焦至基板1上或基板1中，且亦可執行失常/畸變校正(舉例而言)。
圖2展示自上方檢視之基板1，其擱置於基板固持器9之夾持區上(此處未明確表示夾持區，但其將被視為固持器9之一區域，該區域意欲(例如)藉助在彼區域中/周圍之適合夾持構件而固持待劃刻之一基板)。在目標表面3上，圖解說明各種劃刻道2。此等劃刻道2在積體器件23(其在表面3上以一矩陣配置分佈)之間以一X/Y格柵圖案伸展；一典型半導體基板1上將通常存在非常多的此等器件23，但此處已圖解說明僅幾個，以便不使圖式混亂。該圖繪示沿一特定方向(在此情形中係±X)沿著多個連續劃刻道2劃刻基板1之一「縱向掃描及橫向步進」方法。舉例而言：▪藉由沿-X方向掃描雷射光束L來沿著劃刻道2a劃刻基板1；實際上，此相對運動可實際上藉由使用台總成17(見圖1)來達成以沿+X方向掃描基板固持器9。
▪在完成沿著劃刻道2a伸展之劃刻之後，將使用台總成17將基板固持器9沿+Y方向步進一量△Y；因此，雷射光束L將實際上相對於目標表面3步進一量-△Y。
▪現在藉由沿+X方向掃描雷射光束L來沿著劃刻道2b劃刻基板1；實際上，此相對運動可藉由使用台總成17沿-X方向掃描基板固持器9來達成。
▪等等。
應注意，存在體現台總成17之各種方式，且熟習此項技術者將 能夠在此方面實施諸多替代方案。圖2中所示意性地繪示之一項特定實施例使用兩個單獨線性馬達(未繪示)沿著軸A1及A2獨立地驅動基板固持器9，軸A1及A2與X、Y軸成45°角度；沿X或Y之運動則涉及沿著A1及A2軸之同時驅動。通常，將(例如)藉助一氣浮軸承或磁性軸承(未繪示)致使基板固持器9在XY平面中之一參考表面(諸如一經拋光石頭表面)上方平滑地浮動。舉例而言，可藉助諸如干涉儀或線性編碼器等定位器具(未繪示)來監視並控制基板固持器9之確切位置。此外，亦通常將採用焦點控制/位準感測(未繪示)，以確保基板1之目標表面3維持在相對於投射系統11之一所要位準處。所有此等習用定位及控制態樣將係熟習此項技術者極熟悉的，且在此處不需要任何進一步闡釋。
熟習此項技術者亦將瞭解，傳統上，將首先將欲經歷劃刻之一基板1安裝於跨越於一圓周框架內之一箔片上，且因此將必須被安裝於基板固持器9之夾持區上的是基板、箔片及圓周框架之複合結構。同樣，熟習此項技術者將瞭解，在劃刻一整個基板1之後，可藉由橫向拉伸該箔片而沿著各種劃刻道分離基板。此等係半導體基板劃刻領域之此等本質態樣，因此其在此處不需要進一步闡釋；對於更多資訊，參考以下公開案(舉例而言)：▫US 2008/0196229 A1及US 5,979,728。
▫http：//en.wikipedia.org/wiki/Dicing_tape
▫http：//www.lintec-usa.com/di_t.cfm#anc01。
現在返回至圖1，裝置A進一步包含：▪一影像記錄器件8(例如，一數位相機)，其可用於檢視在光點S附近之目標表面3之一部分，該部分之大小由器件8之視域之大小決定。垂直於該視域，器件8具有一檢視軸(正常視線)7”，且連接至一控制器12，該控制器可(舉例而言)用於在本發明之背景下執行影像辨 識及各種計算(見下文)。
▪一燈16，其可依據來自控制器12之命令產生光，且其可輔助影像記錄器件8檢視目標表面3上之所關注特徵，諸如劃刻道2。燈16可根據一既定情形之需要產生一(頻閃)閃光或連續照明。舉例而言，其可包含一發光二極體(LED)。
▪一分束器6(例如，一分色鏡)，其可用於形成一所謂的「軸上」組態，藉此雷射源4之光學軸7與影像記錄器件8之檢視軸7”沿著接近基板固持器9之一共同軸7’而名義上共軸。自目標表面3之該檢視部分發出之光之一部分將沿著軸7’行進，撞擊分束器6且沿著軸7”被反射至影像記錄器件8中。下文將關於圖5來論述此軸上組態之一替代方案(採用一所謂的「離軸」設置)。
▪一濾光器10，例如一適當干涉濾光器。舉例而言，此濾光器10可用於實質上削減來自雷射源4之所採用雷射光之波長，但實質上透射由燈16產生之(至少某些)光。以此方式，數位相機8可擷取一影像，其中光點S之位置對照目標表面3清晰可見，而不會因來自光點S之過度強度而過飽和。
如此處所繪示，控制器12連接至雷射控制器14。控制器12亦連接至台總成17，使得可依據由影像記錄器件8擷取之影像回應於由控制器12執行之自動化分析而調節基板1與軸7’之相對定位。將在下文中更詳細地解釋本發明之此態樣。
如上文所論述，來自雷射源4之雷射光束L之光學軸7與影像記錄器件8之檢視軸7”沿著接近基板固持器9之共同軸7’名義上共軸。然而，實際上，「寄生」熱及/或機械效應(舉例而言)可導致雷射光學軸遠離此標稱位置之(週期性)輕微漂移，使得雷射光學軸與影像記錄器件8之檢視軸在其與目標表面3之交點處不再令人可接受地共軸/重合。此係不利的，乃因圖1及圖3中所繪示之影像記錄器件8之標稱使 用假定與其檢視軸之恰當雷射光束對準。
為解決此問題，本發明提供一種在一裝置(諸如前文所論述之裝置)中檢查並校正光束對準(及其他光束參數)之方法(及其他)。為此，於在經夾持基板1之周邊外部(即，在基板夾持器9之夾持區外部)之一位置中在基板固持器9上提供一相對小參考板5。如上文所論述，此參考板(之一上部表面之至少部分)包含回應於該雷射光束之輻照而產生受激輻射之一材料，例如一波長轉換材料，諸如SiC或GaN。理想地，此參考板5之頂部表面與基板1之目標表面3共面，使得當沿著Z方向檢視時兩者之間不存在「高度差」；然而，情形未必如此。參考板5可藉由各種手段附接至基板固持器9，例如膠、磁性夾持、螺絲等。藉由給予控制器17一適當命令，基板固持器9可移動以便將參考板5定位於雷射光束L之路徑中，即，使得來自雷射源4之光束L(其出於本目的可經選擇以在CW模式中而非脈衝模式中操作(若需要如此))照射在參考板5之頂部表面上。照射的雷射光激發參考板5之材料，從而致使其在照射點/照射區域處產生一局部化(區之)輝光S’。現在將藉助圖4A及圖4B來解釋此參考板5之進一步使用。
圖4A及圖4B圖解說明在根據本發明之一方法之一實施例(之一態樣)之執行期間影像記錄器件8之一視域V。更特定而言：-圖4A展示圖3之情形之視域V，藉此檢視參考板5及輝光S’；-圖4B展示圖1之情形之視域V，藉此檢視目標表面3。
在兩種情形中，視域V被圖解說明為圓形；然而，此不應被視為一限制，且熟習此項技術者將認識到此一視域亦可具有其他形狀，例如矩形。
以圖4A開始，視域V中之一參考點由R指示，且此處被視為V之幾何中心點(但如上文已提及，其他選擇亦係可能的)。由雷射光束L在參考板5上之照射產生之局部化輝光在此處被圖解說明為係一小圓 圈S’。理想地，輝光S’將(在本情形中)與參考點R確切重合；然而，由於上文所論述之漂移效應，現在存在S’相對於R之一(非零)向量位移(位置偏差)，在此處其由向量P表示。使用影像辨識軟體，可自動辨識S’之位置且可自動判定向量P。現在翻至圖4B，其展示半導體基板1之目標表面3上方之情形。為便於參考，此處已使用虛線將來自圖4A之項目S’及P圖解說明為虛幻特徵。視域V中展示一組相交劃刻道2，一個沿著Y方向伸展且另一個沿著X方向伸展。虛線2’指示此等劃刻道之中心軸，且項目F指示一特定所關注特徵，其在此情形中係兩個軸2’之交點。再一次，可使用影像辨識軟體來自動偵測特徵2、2’及F。如此處所繪示，雷射光束L被關斷，且意圖係僅當其光學軸與特徵F恰當對準時將其接通。為此，可使用影像辨識軟體自動量測特徵F相對於參考點R之向量位置P’。根據本發明，可接著計算光學軸相對於特徵F之位置係向量P-P’。若在接通雷射光束L之前基板固持器9移動(由控制器17)一向量-(P-P’)，則雷射將準確地照射在特徵F上。
作為調整台總成17之一設定點之一替代方案(或補充)，可(舉例而言)將投射系統11體現為包含可經組態以沿X/Y方向導引雷射光束L之至少一個致動器驅動可調整光學元件，且可調整此元件之設定點(舉例而言)。
實施例2
現在將更詳細地解釋可如何使用本發明之方法來探查/校正軸向光束對準，即，所採用雷射光束L之焦點狀態。
首先翻至圖3，如上文所論述，當雷射光束L照射在參考板5上時，其產生一實質上圓形輝光S’，如圖4A中所圖解說明。光學科學規定此光點S’之直徑(D)及積分強度(I)將依據光束L相對於參考板5之頂部表面之焦點狀態而變化。可以各種方式來調整此焦點狀態，例如， 藉由沿著Z軸向上/向下移動固持器9，及/或藉由使用投射系統11中之一可調整透鏡元件(ALE)，如熟習此項技術者將完全理解。更具體而言，若光束L在參考板5上移動過其焦點(自焦點上方至焦點下方)，則：-直徑D將自(相對)大進行至小且重新回到大，具有最佳焦點處之一最小值Dmin；-積分強度I將自(相對)低進行至高且重新回到低，具有最佳焦點處之一最大值Imax。
現在可執行一校準例程，藉此針對光束L之不同焦點狀態表示D及/或I之值(適當地表示固持器9之Z位置及/或ALE之位置)，可據此編譯一查找表。
此查找表(與可能的內插/推定一起)可在稍後的情形中用於將D及/或I之一所量測值轉譯成一對可能的焦點狀態。若量測D及/或I之兩個值(彼此緊密接近，具有一小介入焦點狀態調整)，則可自查找表推導一唯一焦點狀態。知道參考板5處之焦點狀態允許判定基板1(圖1)處之焦點狀態-慮及可存在於參考板5之頂部表面與基板1之表面3之間之一可能高度差(沿著Z)。
除檢驗諸如輝光區S’之直徑及/或強度等參數外，亦可(自動)分析其形狀。在本實例中，此形狀理想地/名義上為(實質上)圓形；然而，如上文所論述，可構想漂移效應可能導致此形狀之變形，例如，導致不期望之伸長、一不規則形狀之呈現、一雜亂周界等。影像辨識軟體可辨識可能存在之此等偏差，且提醒裝置使用者在劃刻開始之前注意此等偏差。
實施例3
如上文已知指出，圖1及圖3中所繪示之設置採用影像記錄器件8之一軸上檢視組態。然而，舉例而言，亦可設想採用一離軸組態(諸 如圖5中所繪示之組態)之一實施例。此處，影像記錄器件(相機)8獨立地指向基板固持器9，且其檢視軸7”不與雷射光束L沿著其傳播之光學軸7共軸。相機8可經指向以使得其檢視軸7”在目標表面3之平面處或附近與光學軸7相交；這樣，光點S將名義上在相機8之視域之中心處或附近(若參考板5之頂部表面與目標表面3至少大致共面，輝光S’亦將如此(當參考板5移動至相機8之視域中時))。
此離軸設置可以與圖1及圖3之軸上組態幾乎相同的方式來使用，具有以下差異：-由於相機8之檢視角度，光點S與輝光S’將通常有些呈卵形/橢圓。舉例而言，可接著將在實施例2中所提及之「直徑」D選擇為所關注卵形/橢圓之橫向/最小寬度。
-參考板5之頂部表面與目標表面3之間之一高度差現在將傾向於在光束L之平面(橫向)對準中發揮一更顯著作用。
熟習此項技術者將理解此等問題，且能夠藉由執行適當(較小)數學校正來對其進行處理，例如，使用適當座標變換。
實施例4
在以上實施例1中所論述之情形中，一單個雷射光束照射在基板1上。作為一替代方案，圖6圖解說明其中多個雷射光束照射在基板上之一情形。
為達成圖6中所繪示之情景，可使用一光束劃分元件(諸如一衍射光學元件)來將一原始雷射L光束劃分成一雷射光束叢集{71至75}，其在本情形中沿X方向(垂直於圖1之平面；平行於圖2之平面)彼此分離。應注意，出於清晰之目的，僅繪示每一光束{71至75}之光學軸，否則圖6將極混亂；然而，此(常見)簡化將不妨礙熟習此項技術者理解所繪示設置之結構及操作。
如此處所繪示，光束{71至75}中之每一者聚焦至基板1之一體內 之一次表面焦點{F1至F5}(隱形切割)，毗鄰光束{71至75}之焦點{F1至F5}位於該目標表面3下方不同深度{d1至d5}處。光束{71至75}中之每一者亦在表面3上產生一對應光點{S1至S5}。該等光點{S1至S5}沿著一線15安置，而該等焦點{F1至F5}沿著一線15安置。如此處所繪示，線15係以一向下傾斜角θ在線13下方傾斜之一直線；然而，此並非限制性的，且線15可改為係彎曲或波形的(舉例而言)。特定而言，以下值適用：▪沿X方向之光束叢集{71至75}之寬度係70μm。
▪深度差d1至d5係40μm。
▪因此，傾斜角θ係反正切(40/70)=29.75°。
▪最淺焦點F5位於曝露表面3下面20μm處。
應注意，線15不需要相對於線13傾斜；在一替代設置中，線15及13可實質上平行(即，θ0)。亦應注意，線15可替代地位於表面3上而非位於其下面。
可自(舉例而言)US 7,968,432收集關於此等光束叢集之更多資訊。
在本發明之背景下，光束叢集{71至75}中之光束中之(至少)一者可經選擇並用作執行整個光束叢集{71至75}之光束對準(及其他類型之光束特徵化)之一基礎。
1‧‧‧實質上平坦半導體基板/基板
2‧‧‧劃刻道
2’‧‧‧虛線/劃刻道之中心軸/軸/特徵
2a‧‧‧劃刻道
2b‧‧‧劃刻道
3‧‧‧目標表面/表面
4‧‧‧雷射源
5‧‧‧相對小參考板/參考板
6‧‧‧分束器
7‧‧‧光學軸
7’‧‧‧共同軸/軸
7”‧‧‧檢視軸(正常視線)/軸
8‧‧‧影像記錄器件/器件/數位相機/影像記錄器件(相機)/相機
9‧‧‧可移動基板固持器(工作臺、夾盤)/基板固持器/固持器/基板夾持器
10‧‧‧濾光器
11‧‧‧投射(即，成像)系統/投射系統
12‧‧‧控制器
13‧‧‧線
14‧‧‧控制器/雷射控制器
15‧‧‧線
16‧‧‧燈
17‧‧‧台總成/控制器
23‧‧‧積體器件/器件
71-75‧‧‧雷射光束叢集/光束/光束叢集
A‧‧‧裝置
A1‧‧‧軸
A2‧‧‧軸
d1‧‧‧深度/深度差
d3‧‧‧深度/深度差
d5‧‧‧深度/深度差
F‧‧‧劃刻道特徵/項目/特定所關注特徵/特徵
F1‧‧‧次表面焦點/焦點
F3‧‧‧次表面焦點/焦點
F5‧‧‧次表面焦點/焦點
L‧‧‧(脈衝)雷射光束/雷射光束/光束
P‧‧‧向量/項目
P’‧‧‧向量位置
R‧‧‧參考點
S‧‧‧光點
S’‧‧‧局部化(區之)輝光/輝光/局部化輝光/小圓圈/項目/實質上圓形輝光/光點/輝光區
S1‧‧‧對應光點/光點
S3‧‧‧對應光點/光點
S5‧‧‧對應光點/光點
V‧‧‧視域
x‧‧‧軸
+x‧‧‧方向
-x‧‧‧方向
y‧‧‧軸
-△y‧‧‧量
z‧‧‧軸
θ‧‧‧向下傾斜角/傾斜角
現在將在例示性實施例及隨附示意性圖式之基礎上更詳細地闡釋本發明，該等隨附示意性圖式中：圖1呈現適合於執行根據本發明之一方法之一裝置之一特定實施例的部分之一端視圖(沿著一X軸)。
圖2呈現圖1之標的之部分(特定而言，圖1之一下部部分)之一平 面圖(沿著一Z軸)。
圖3展示在根據本發明之一方法之一實施例之執行期間圖1之標的。
圖4A及圖4B圖解說明在根據本發明之一方法之一實施例之執行期間一影像記錄器件之一視域。
圖5展示圖1中所繪示之裝置之一變體(具有一「離軸」影像記錄器件)。
圖6呈現根據採用一雷射光束叢集之本發明之一特定實施例之圖1之標的的部分(特定而言，圖1之一下部部分)之一放大立面圖(沿著一Y軸)。
在該等圖中，在相關處，使用對應元件符號來指示對應部件。
1‧‧‧實質上平坦半導體基板/基板
2‧‧‧劃刻道
2’‧‧‧虛線/劃刻道之中心軸/軸/特徵
3‧‧‧目標表面/表面
4‧‧‧雷射源
5‧‧‧相對小參考板/參考板
6‧‧‧分束器
7‧‧‧光學軸
7’‧‧‧共同軸/軸
7”‧‧‧檢視軸(正常視線)/軸
8‧‧‧影像記錄器件/器件/數位相機/影像記錄器件(相機)/相機
9‧‧‧可移動基板固持器(工作臺、夾盤)/基板固持器/固持器/基板夾持器
10‧‧‧濾光器
11‧‧‧投射(即，成像)系統/投射系統
12‧‧‧控制器
14‧‧‧控制器/雷射控制器
16‧‧‧燈
17‧‧‧台總成/控制器
A‧‧‧裝置
F‧‧‧劃刻道特徵/項目/特定所關注特徵/特徵
L‧‧‧(脈衝)雷射光束/雷射光束/光束
P‧‧‧向量/項目
P’‧‧‧向量位置
R‧‧‧參考點
S’‧‧‧局部化(區之)輝光/輝光/局部化輝光/小圓圈/項目/實質上圓形輝光/光點/輝光區
V‧‧‧視域
x‧‧‧軸
y‧‧‧軸
z‧‧‧軸

Claims (13)

  1. 一種在用於劃刻一實質上平坦半導體基板之一雷射劃刻裝置中執行光束特徵化之方法，該裝置包含：一可移動基板固持器，該基板可夾持於該可移動基板固持器上，藉此該基板夾持於該固持器之一夾持區中以便呈現欲沿著至少一個劃刻道劃刻之一目標表面；一雷射源，其可用於沿著一光學軸朝向該目標表面引導至少一個雷射光束，該方法特徵在於以下步驟：提供可用於檢視並控制劃刻處理程序之一影像記錄器件，該器件具有一視域，該視域具有法向於其之一檢視軸；在該基板固持器上於該夾持區外部提供一參考板，該參考板包含回應於該雷射光束之輻照而產生受激輻射之一材料；定位該基板固持器使得該雷射光束照射在該參考板之一點上且激發該材料以在該照射點處產生一局部化輝光；使用該影像記錄器件來偵測該輝光之一物理參數。
  2. 如請求項1之方法，其中該物理參數係選自包含以下各項之群組：該輝光相對於該視域中之一參考點之一位置；該輝光之一直徑；該輝光之一積分強度；該輝光之一形狀，及其組合。
  3. 如請求項1或2之方法，其中使用來自該影像記錄器件之資料來計算該光學軸與該檢視軸之間之一位置偏差。
  4. 如請求項1或2之方法，其中使用來自該影像記錄器件之資料來計算該照射點與該雷射光束之最佳焦點之一位置之間之一軸向距離。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該受激輻射係經由選自包含以下各項之群組之一機制產生：波長轉換、雙光子吸收、白熾光、螢光及其組合。
  6. 如請求項3之方法，其包含以下額外步驟：在該基板固持器上提供一經夾持基板；定位該基板固持器以便將該基板之一劃刻道定位於該視域內；使用該影像記錄器件來偵測該劃刻道之一特徵相對於該參考點之一位置；應用該位置偏差以判定該光學軸相對於該特徵之一推斷位置。
  7. 如請求項4之方法，其包含以下額外步驟：在該基板固持器上提供一經夾持基板；定位該基板固持器以便將該基板之一劃刻道定位於該視域內；應用該軸向距離以判定該雷射光束相對於該目標表面之一焦點位置。
  8. 如請求項6之方法，其包含以下額外步驟：判定該參考板與該經夾持基板之間之法向於基板平面之一高度差；結合該位置偏差及該軸向距離中之至少一者使用該高度差來調整光束對準。
  9. 如請求項7之方法，其包含以下額外步驟： 判定該參考板與該經夾持基板之間之法向於該基板平面之一高度差；結合該位置偏差及該軸向距離中之至少一者使用該高度差來調整該光束對準。
  10. 如請求項1或2之方法，其中使用來自該影像記錄器件之資料來判定該輝光之一形狀。
  11. 如請求項1或2之方法，其中：該雷射源產生一雷射光束叢集；該至少一個雷射光束係此叢集之一成員，且用作執行該整個叢集之光束對準之一基礎。
  12. 一種用於執行一實質上平坦半導體基板之雷射劃刻之裝置，該裝置包含：一基板固持器，其具有該基板可夾持於其中之一夾持區以便呈現欲沿著至少一個劃刻道劃刻之一目標表面；一雷射源，其用於沿著一光學軸朝向該目標表面引導至少一個雷射光束；用於實現該基板固持器與該雷射光束之間之相對運動之構件，其特徵在於該裝置進一步包含：一影像記錄器件，其可用於檢視並控制劃刻處理程序；一參考板，其在該基板固持器上於該夾持區外部，該參考板包含回應於該雷射光束之輻照而產生受激輻射之一材料，藉此在該雷射光束之一照射點處產生一局部化輝光；一控制器，其用於執行由該影像記錄器件產生之該輝光之一影像之分析，且自其導出該輝光之至少一個物理參數。
  13. 如請求項12之裝置，其中該物理參數係選自包含以下各項之群 組：該輝光相對於該影像記錄器件之一視域中之一參考點之一位置；該輝光之一直徑；該輝光之一積分強度；該輝光之一形狀，及其組合。
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