TWI576191B - 分割薄半導體襯底的方法 - Google Patents

Description

分割薄半導體襯底的方法

本發明涉及半導體襯底的切割或分割(dicing)，該半導體襯底通常以半導體晶圓的形式存在，本發明尤其是涉及薄半導體襯底的分割。

以晶圓形式存在的半導體襯底被分割以形成分離後的集成器件或晶片。當這種半導體襯底在使用于永遠更小的終端產品的薄半導體晶粒的生產中變得更薄時，切割薄半導體襯底，現在被製造大約100微米或更小的厚度，已經變成越來越具挑戰性。

薄半導體襯底能夠使用機械鋸片(mechanical blade saw)分割或者使用機械鋸片部分地分割較厚的半導體襯底，然後研磨該半導體襯底直到半導體襯底被分離。可是，據發現，使用鋸片施加機械力導致了分割後的半導體晶粒出現裂紋和/或斷裂。對於厚度小於100微米的半導體襯底而言，成品率損失通常超過30%。這樣使得對於進行批量生產而言，其成為缺乏吸引力的工序。另一方面，研磨前分割這種兩步式方法是緩慢的，且對於進行批量生產而言也是不理想的。

除了使用機械鋸片以外，傳統的鐳射分割工序也能夠處理，其中雷射光束被投射在半導體襯底的表面。這通過融熔和汽化導致半導體襯底材料的燒蝕，直到集成器件被分離。

當使用傳統的鐳射分割分離半導體襯底時，相對高的鐳射能量水準被需要來達到襯底材料開始融熔和汽化的點。這種高鐳射強度的消 極的副作用在於：熱量損壞分離後的集成器件的側邊。這種熱量損壞導致集成器件中晶粒強度出現明顯的降低，其在薄半導體襯底的情形下尤其存在問題。當在後處理蝕刻步驟中晶粒強度可以大體在某種程度上得到恢復的同時，該蝕刻工序需要腐蝕性化學品，其可能損壞半導體晶粒上的有源元件(active component)和其上裝配有半導體襯底的載體(通常為粘性帶體)。

因此，本發明的目的是尋求提供一種分割薄半導體襯底的方 法，和傳統的鐳射分割處理相比，其減少了對分離後的集成器件的邊緣的結構性損害，並藉此維持該分離後的集成器件的晶粒強度。

所以，本發明提供一種使用鐳射能量分割多個集成器件的方 法，該多個集成器件包含在半導體襯底中，該方法包含有以下步驟：將第一雷射光束投射在沿著襯底分佈的切割線上，以燒蝕襯底沿著待分割的切割線分佈的局部，該被燒蝕的襯底的局部相鄰於已被分割的襯底的切割線處形成有重塑材料(recast material)；以及將第二雷射光束投射在襯底相鄰於切割線的另一個局部，以對相鄰於切割線所形成的重塑材料進行熱處理。

這裡通過參考附圖，以更詳盡的方式描述本發明是很方便 的。附圖和相關的說明的具體性不應被理解為代替由權利要求所規定的本發明的廣泛認同的普遍性。

1‧‧‧襯底

2‧‧‧切割線

2a‧‧‧切割線

2b‧‧‧切割線

2c‧‧‧重塑材料

2d‧‧‧重塑材料

3‧‧‧目標表面

4‧‧‧鐳射源

4C‧‧‧控制器

6‧‧‧光軸

8‧‧‧分光器

10a‧‧‧第一透鏡

10b‧‧‧第二透鏡

23‧‧‧集成器件

30‧‧‧領先光束

32‧‧‧跟隨光束

34‧‧‧V型配置形式

36‧‧‧分割後的線

38‧‧‧X型配置

40‧‧‧中央光束

42‧‧‧附屬光束

82‧‧‧旋轉平臺

82C‧‧‧控制器

A‧‧‧驅動器系統

AC‧‧‧控制器

B‧‧‧雷射光束輸出

C‧‧‧主控制器

D1‧‧‧正交

D2‧‧‧正交

F‧‧‧空間篩檢程式

FC‧‧‧控制器

H‧‧‧襯底固定器

I‧‧‧投射器

M1、M2‧‧‧馬達

P‧‧‧投射系統

P1、P2‧‧‧電動板體

現在參考附圖，描述本發明所述的分割薄半導體襯底的方法的實例，其中： 圖1所示為合適來應用本發明的鐳射分割裝置的局部前視示意圖。圖2所示為包含有大量切割線的、支撐於襯底固定器上的襯底的平面示意圖，其闡述了根據本發明第一較佳實施例所述的分割方法；圖3a和圖3b表明了襯底分割期間所形成的重塑材料；圖4所示為使用根據本發明第二較佳實施例所述的分割方法被分割的半導體襯底的平面示意圖；以及圖5所示為使用根據本發明第三較佳實施例所述的另一個分割方法被分割的半導體襯底的平面示意圖。

圖1所示為適合來應用本發明的鐳射分割裝置的局部前視示意圖。該鐳射分割裝置被操作來沿著至少一個切割線在襯底1的目標表面3上使用鐳射能量輻射分割大體平整的半導體襯底1。

具體地，圖1表明了襯底固定器H，其可以是平臺或夾具的形式，用於在分割期間支撐襯底1。投射器I設置在襯底固定器H的上方，以產生雷射光束輸出B，其可包含有一個或多個雷射光束。投射系統P設置在投射器I的下方，以將雷射光束輸出B聚焦在襯底1的目標表面3上，此時襯底1被支撐於襯底固定器H上。雷射光束輸出B在襯底1上的衝擊區域通過T所表示。而且，驅動器系統A，例如平臺元件，使得襯底固定器H在平行於XY平面的平面上相對於雷射光束輸出B產生相對位移。

更詳細地講，投射器I更進一步包含有鐳射源4，其可沿著光軸6輸出脈衝激光輻射，該光軸6也和投射系統P的光軸6是共同的。鐳射源4連接於控制器4C上，除其它功能外，該控制器4C能被使用來控制諸如所述激光輻射的脈衝寬度、重複頻率、和功率或能量密度之類的參數。在圖1中，控制線或匯流排使用虛線或斷線來表示。

分光器8將所述的激光輻射形成圖案為包含有一個或多個雷 射光束的雷射光束輸出B。在這個特定的實例中，分光器8包含有裝配在旋轉平臺82上的衍射光學器件(DOE：Diffractive Optical Element)8，該旋轉平臺82使得DOE實現圍繞垂直的Z軸旋轉。旋轉平臺82的這種旋轉通過控制器82得以控制。該DOE可以被設計來產生如同用戶所期望的各種佈置形式的雷射光束輸出B。

通常，將要經歷分割的襯底1首先被裝配在安裝於環形框架 (圖中未示)上的帶體(tape)或薄膜(foil)上。然後，裝配在安裝於環形框架上的帶體或薄膜上的襯底1的這種組成結構通常以週邊夾持(peripheral clamping)的方式安裝在襯底固定器H上。

除了將雷射光束輸出B的部件以期望的配置聚焦在襯底1上 之外，投射系統P也可以完成其他的功能，例如偏差和/或失真修正。

另外，圖1中所闡明的鐳射分割裝置表示了設置在照射器I 和襯底固定器H之間的可調式空間篩檢程式F。這個空間篩檢程式F包含有大量的電動板體P1、P2，這些電動板體P1、P2的位置能夠得以調整，以致於至少部分地阻擋雷射光束輸出B中(數個)選定雷射光束和如所期望地成形雷射光束輸出B。

電動板體P1、P2使用各自的連接於控制器FC的馬達M1、 M2在平行於Y方向上可前後移動。另一對板體(圖中未示)能夠類似地被包括，其使用各自的也連接於控制器FC的馬達在平行於X方向上可前後移動。

以上提及的各個控制器4C、82C、AC、FC被連接到主控制 器C上。

如圖1所示，離開DOE 8和進入投射系統P的雷射光束輸出B 包含有必要的准直光束。在這個特定的配置中，使用第一和第二透鏡10a、10b得以產生中間的焦平面，電動板體P1、P2得以設置，位於這個平面以內或者緊緊相鄰於這個平面。以這種方式，電動板體P1、P2的重疊端緣(eclipsing edge)可有效地連同雷射光束輸出B一起，聚焦在目標表面3上。

圖2所示為包含有大量切割線2的、支撐於襯底固定器H上的 襯底1的平面示意圖，其闡述了根據本發明第一較佳實施例所述的分割方法。各種切割線2表明在目標表面3上。

這些切割線2以X-Y網格圖案分佈在位於集成器件23之間的 普通水平面上，集成器件23以矩陣佈置形式分佈在目標表面3上。在典型的半導體襯底1上將普遍存在很多這種集成器件23，但為了簡單清晰起見，這裡僅僅表明少量的集成器件23。圖2闡述了縱向掃描接著側向步進方法，以沿著多條連續的切割線2在特定的方向上(在這個案例中為±Y)分割襯底1。

以下為藉此可以完成分割處理的方法的實例。通過在-Y方 向上掃描光束陣列B的方式，襯底1沿著切割線2a被分割。實際上，通過使用驅動器系統A(參見圖1)在+Y方向上掃描襯底固定器H的方式，這種相對移動可得以實現。

沿著切割線2a完成分割動作之後，驅動器系統A被驅動來在 +X方向上步進襯底固定器H一些數量△X。結果，雷射光束輸出B將會相對於目標表面3有效地移動一些數量-△X。現在，通過在+Y方向上掃描光束陣列B的方式，襯底1沿著切割線2b被分割。實際上，通過操作驅動器系統A在-Y方向上掃描襯底固定器H的方式，這種相對移動可得以實現。

為了參考的目的，圖2也表明了大量切割線2的縱向的中軸 2’。在圖2示意性地描述的裝置中，兩個單獨的線性馬達(圖中未示)被操作來沿著正交的D1和D2軸獨立地驅動襯底固定器H，D1和D2軸相對於X和 Y軸成45度的角正對。如此，襯底固定器H在X和/或Y軸上的移動包括沿著D1和D2軸的並行驅動。

通常，襯底固定器H將在平行於XY平面的一參考平面(例 如磨石表面)上方被引起平滑地浮動，例如，在空氣軸承或永磁軸承(圖中沒有表述)的協助下。在定位設備，如干涉儀(interferometers)或線性編碼器的說明下，襯底固定器H的準確位置能夠得以被監控和控制。而且，聚焦控制或水平面感測同樣也普遍地被採用，以確保襯底1的目標表面3相對於投射系統P保持在期望的水平面上。

圖3a和圖3b表明了在半導體襯底1的分割期間所形成的重塑 材料2c、2d。在圖3a中，雷射光束輸出B已經沿著襯底1的切割線2分割了襯底1。在圖3b中，可以看出，一些融熔的、汽化的襯底材料沿著集成器件23的側壁固化，而形成重塑材料2c、2d。這種重塑材料2c、2d應通過加熱處理以將其移除、減少或弱化，以便於提高集成器件23的晶粒強度。

例如，重塑材料的熱處理可以用來燒蝕重塑材料，從而減少 它或完全移除它。另外或者可選地，重塑材料的熱處理可以再次將其熔融，以弱化重塑材料和提高晶粒的強度。

根據此處本發明較佳實施例所述，一旦完成了襯底1沿著切 割線2的切割動作，那麼相鄰於切割線2形成的、以融熔或汽化的襯底形式存在的重塑材料2c、2d將通過以鐳射能量方式加熱的方式而被處理。因此，在使用第一雷射光束沿著切割線2分割之後，第二雷射光束其後可被投射在襯底的每一部分上，其包括相鄰於切割線2的形成於襯底1上的重塑材料2c、2d。

另外，第三雷射光束可被投射在襯底1的相鄰於切割線2與第 二雷射光束已被投射的相對一側的局部，以便於對形成於切割線2的兩側的 重塑材料2c、2d完成熱處理。第一、第二和/或第三雷射光束可以或者一個接著另一個單獨地，或者如果更快的輸出被期望的話同時地(通過使用DOE)，被投射在襯底1的局部。更值得欣賞的是，各個第一、第二和/或第三雷射光束可以從同一個鐳射輸出源處得以形成。

當為第二和/或第三雷射光束使用與第一雷射光束相同的鐳 射輸出源時，使用相同的雷射光束通過應用雷射光束的散焦而完成重塑層的熱處理是可能的。散焦的行為通常增大了鐳射焦點的尺寸，且降低了雷射光束對襯底1的影響。總的效果在於：低功率的雷射光束B被投射在重塑區域，以如前述使用熱量處理它。

本發明的一些其它較佳實施例利用了多個同時投射至切割 線和相鄰於切割線的重塑材料處的雷射光束，現在進行描述。

圖4所示為使用根據本發明第二較佳實施例所述的分割方法 被分割的半導體襯底1的平面示意圖。該分割處理是基於高強度的聚焦雷射光束，該雷射光束創造了足夠的融熔和汽化以將集成器件23分離。為了減少熱量衝擊效應，特定的雷射光束配置被施加，其中使用沿著切割線2投射的內雷射光束進行分割，而使用遠離切割線2的外雷射光束進行完成分割期間形成的重塑材料的熱處理。

值得注意的是，為了便於闡述，雷射光束30、32所表明的尺 寸匹配於它們各自的能量水準，以致於帶有較高能量強度的雷射光束表明具有較大的直徑。可是，實際上，多個雷射光束是可能具有大體類似直徑的。

在所闡述的實施例中，領先光束(leading beams)30居中設 置在跟隨它的幾個較低強度的跟隨光束(trailing beams)32之間。領先光束30包含有最高的功率，且被使用來沿著半導體襯底1的切割線2形成分割後 的線36。領先光束30和跟隨光束32可以形成一個V型的配置形式34。

在單個領先光束30和跟隨光束32之間的橫向距離需要針對 襯底厚度進行優化，因為這影響了產生的重塑材料的數量。位於單個光束之間垂直於切割方向的橫向距離可為0.5微米至4.0微米。位於單個光束之間平行於切割方向的側向距離必須是充分的，以使得重塑材料實現冷卻和固化。這依賴於所使用的雷射光束的能量水準，其只是通常大約在10微米和100微米之間。定位平臺18的移動速度可通常在100mm/秒至500mm/秒的範圍以內。具體而言，參數應該被調整以確保被以前的雷射光束30、32融熔的重塑材料2c、2d具有充分的時間固化，以致於下一個雷射光束被操作來完成重塑材料2c、2d上的熱處理。

適用于本發明的合適數量的領先光束30和跟隨光束32不是 固定的，而是雷射光束的典型數量可以大約為11個，包括：一個領先光束30，在領先光束30沿著切割線2的每一邊所設置的各5個跟隨光束32。在這種配置中，位於領先光束30的每一邊的每組5個跟隨光束32的強度分佈可以分別為50%、30%、20%、10%、5%。

由於每個領先光束30和跟隨光束32之間橫向的空間是不必 要受到限制的，所以，光點圖案也可以形成U型配置形式，取代圖3所示的V型配置形式34。在切割線2的末端，在半導體襯底1在相反方向移動的同時，DOE將會旋轉180度，以完成相鄰切割線2的相同處理。可供選擇地，代替旋轉DOE的是，半導體襯底1自身可通過旋轉襯底固定器H得到旋轉。

而且，值得欣賞的是，領先光束30可不是用於分割襯底1的 唯一的光束或者單獨的雷射光束。沿著切割線2所設置的帶有高能量水準的多個類似的雷射光束可以被使用來沿著同一個切割線2連續切割襯底1，尤其是如果單獨的領先雷射光束30沒有足夠的能量來分割襯底1時。在這種應 用中，以V型配置34的領先雷射光束30可相反包含有沿著切割線2設置的一行領先雷射光束以形成一個Y型的配置。

以上的方法能夠實現降低的熱量衝擊而導致較少的重塑，其 接著導致改善後的晶粒強度。

而且，以上方法存在的可能不足是：在使用V型配置34的情 形下，有必要在分割每條切割線2之後旋轉DOE以便於將主要分割半導體襯底1的領先光束30保持在V型配置34的前面。而且，當正在分割低介電率(low-k)的半導體襯底時，開槽步驟(trenching step)必須被引入以將集成器件23和切割線2分離開而避免分層。一種解決辦法是進一步延伸V型配置34為X型配置38，如圖5所述。

圖5所示為使用根據本發明第三較佳實施例所述的另一個分 割方法被分割的半導體襯底1的平面示意圖。如果可用的功率是足夠的，那麼V型配置34可以被延伸為X型配置38，其包括：主要用於切割的中央光束40和沿著切割線2分佈於中央光束40的相對兩側的附屬光束42。以這種方式，單獨的一次動作(pass)不僅會完成分割和重塑材料的移除或減少，而且將每個集成器件23與切割線2脫離的開槽也在同一個動作中完成。如上所述，對於具有低介電率頂層的半導體襯底1而言，在那裡開槽被需要來防止半導體襯底1頂層的分層，這是尤其重要的。而且，“X型”配置38消除了旋轉機構轉動DOE的需要。

值得欣賞的是，在根據本發明較佳實施例所述的分割方法 中，在集成器件23分離之後，執行重塑材料的鐳射熱處理。這個鐳射處理減少、移除或弱化了源自初始切割領先或中央雷射光束30、40的重塑材料，其也用來避免晶粒強度的降低。為了保持處理的速度，通過使用如這裡所述的DOE，分離和重塑材料的熱處理步驟可合併在一次動作中。

因此，分離後的集成器件23的晶粒強度得以提高。從而在產量上獲得相應的收益，其避免了生產率的損失。

此處所描述的本發明可以設想來改變、修改和/或增添，而不是那些具體所描述的內容，而且，可以理解的是，本發明包括所有的這些改變、修改和/或增添，它們均落入了上述說明書的精神和範圍內。

2‧‧‧切割線

23‧‧‧集成器件

30‧‧‧領先光束

32‧‧‧跟隨光束

34‧‧‧V型配置形式

36‧‧‧分割後的線

38‧‧‧X型配置

40‧‧‧中央光束

42‧‧‧附屬光束

Claims (15)

1. 一種使用鐳射能量分割多個集成器件的方法，該多個集成器件包含在半導體襯底中，該方法包含有以下步驟：將一鐳射源產生的第一雷射光束投射在沿著襯底分佈的切割線上，以燒蝕襯底沿著待分割的切割線分佈的局部，該被燒蝕的襯底的局部相鄰於已被分割的襯底的切割線處形成有重塑材料；以及將該鐳射源產生的多個第二雷射光束投射在襯底相鄰於切割線的另一個局部，以對在相鄰於切割線之切割線的一第一側所形成的重塑材料進行熱處理；其中，多個第二雷射光束對重塑材料進行熱處理，每一第二雷射光束具有的能量水準低於第一雷射光束。
2. 如請求項1所述的方法，其中，在將第二雷射光束投射以對重塑材料進行熱處理以前，通過第一雷射光束所形成的重塑材料被考慮有充分的時間固化。
3. 如請求項1所述的方法，該第二雷射光束包括為已經散焦以降低其強度的第一雷射光束。
4. 如請求項1所述的方法，其中，該第一雷射光束和第二雷射光束被同時投射在襯底上。
5. 如請求項4所述的方法，其中，該第一雷射光束和第二雷射光束被設置來通過衍射光學器件同時形成在襯底的不同局部。
6. 如請求項4所述的方法，其中，該第一雷射光束設置在第二雷射光束之前，並在該第一雷射光束和第二雷射光束相對於襯底移動的方向上領先於第二雷射光束，第一雷射光束具有的能量水準高於第二雷射光束。
7. 如請求項6所述的方法，其中，該第一雷射光束而不是第二雷射光束被配置來具有足夠的能量水準，以產生充分的融熔和汽化而將襯底分割。
8. 如請求項4所述的方法，該方法還包含有以下步驟：將第三雷射光束投射在位於切割線和第二雷射光束投射一側相對的另一側的、相鄰於切割線的襯底的局部，以便於在切割線的兩側進行所形成的重塑材料的熱處理。
9. 如請求項8所述的方法，其中，第一雷射光束、第二雷射光束、第三雷射光束被同時投射在不同的襯底的局部。
10. 如請求項9所述的方法，其中，第一雷射光束、第二雷射光束、第三雷射光束以V型配置的方式被設置在一起。
11. 如請求項9所述的方法’其中’第一雷射光束、第二雷射光束、第三雷射光束通過衍射光學器件形成圖案，在此，一第二切割線的分割還包含有以下步驟：轉動衍射光學器件，相對於衍射光學器件在沿著第一切割線分割時移動的反方向移動襯底，以便於沿著第二切割線分割襯底。
12. 如請求項8所述的方法，其中，雷射光束包括三個以上的雷射光束，該多個雷射光束被設置成：一領先雷射光束設置在多個跟隨雷射光束之前，該多個跟隨雷射光束設置在切割線的相對兩側，且該多個跟隨雷射光束中的任一個具有的能量水準低於領先雷射光束。
13. 如請求項8所述的方法，該方法還包含有：相對於第一雷射光束、第二雷射光束、第三雷射光束設置有額外的雷射光束，以形成X型配置。
14. 如請求項13所述的方法，其中，雷射光束的能量水準分佈是如此設置以致於設置在切割線的中央雷射光束的能量水準高於遠離切割線設置的雷射光束的能量水準。
15. 如請求項1所述的方法，該方法還進一步包含有以下步驟：除了第一雷射光束之外，還通過將一個或多個雷射光束投射在襯底的切割線上的方式，融熔沿著待分割的切割線分佈的襯底的局部。