TWI604908B - 藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法及所製成之產品 - Google Patents

Description

藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法及所製成之產品

本發明係有關於一種使用雷射加工一半導體基材之方法及裝置，特別是，有關於透過使用一標準波長雷射，對單晶及多晶矽進行高品質的雷射切割，而產生總粗糙度極低的切割口。

矽對於具有大於1.3微米之波長的光而言是透明的。由於大部份的一般雷射(例如YAG雷射)是在1064奈米波長範圍中操作，所以這些雷射產生的光，有部分被矽吸收，而且由於該等雷射脈衝之明顯的線性吸收，因此無法藉由叢發超快脈衝雷射引發的絲化技術俐落地切割矽。但是，它們可在此波長燒蝕地雷射切割矽。可使用相同之雷射參數及裝置經由絲化切割玻璃或藍寶石。在該基材內部使用一密集聚焦光束產生光學崩解以分割Si薄晶圓，此一技術亦通稱為由Hamamatsu所發明及研發之隱形分割。請參見美國專利第7396742號。

藉由絲化切割矽，必須產生一在1.3微米以上之波長操作的雷射。或者，必須使用一種方法，改變或修改該1064奈米波長雷射光束，使其成為一正確波長之光束。一種方法係使用一光學參數產生器(OPG)，或 光學參數放大器(OPA)，或在一光學克爾(Kerr)介質中產生白光。

在光學參數產生之過程中，一既定頻率之輸出光束被降頻轉換成較低頻率之兩個光束。這兩個較低頻率光束被稱為“信號(signal)”及“空載(idler)”。

業界對例如矽之類材料的雷射加工(鑽孔或切割)有大量的需求。其應用之範圍廣泛，包括例如半導體、微電子裝置、用於空氣監測之過濾器、粒子監測器、細胞學、趨化性、生物測定等產業，都有此需要，且通常需要產生直徑長度數百奈米至數十微米之非常俐落、非常均一的孔口。以具有小於1.3微米波長的雷射切去削矽之習知燒蝕方法，會產生非常粗糙之切割表面，材料會產生微裂縫的損害，產生表面噴出物丘，產生應力區域，且容易產生大區域之間接熱破壞。雖然雷射燒蝕製程可藉由選擇具有被該介質強烈吸收之波長的雷射(例如，深紫外線(UV)準分子雷射或遠紅外線CO2雷射)而大幅改善，但是由於在這物理燒蝕製程中存在固有之強烈交互作用，所以無法免除上述缺點。此外，該等習知燒蝕系統的通量時間較低，而且無法獲得與本發明方法所能達成者一樣小之切削公差。

本發明之方法及裝置，可藉由叢發超快雷射脈衝之絲化改良加工，特別是刻劃及切割，不需要特別作成輸出等於且大於1.3微米波長的雷射。此種新發明在一獨立且新穎之組態中使用，且結合習知及新技術，足以克服前述問題，而且對產生所需操作波長之新雷射的工作提供了足夠的信心及保證。

本發明之一般目的，係提供一種裝置及方法，用以在不使用 作成以1.3微米操作之一雷射之情形下，在透明基材，特別是例如矽材料中加工生成孔口及切口。

本發明之另一目的，係藉由多數超快雷射脈衝之叢波使用絲化，及配合產生多數焦點之一分散式聚焦透鏡總成，特定地調整該等雷射參數，其中該主要聚焦腰部不會位在該標靶之主體中或表面上；以便在該材料中產生一光絲，且該光絲由於光聲加壓形成一孔口，並且該光聲加壓可藉由在該工作件與該入射雷射光束間之相對移動而被用來生成一刻劃或切割線。本發明提供一種使用來自一雷射之叢發超快雷射脈衝之交互作用的新穎方法。雖然本說明書係以使用一般1064奈米波長超快雷射脈衝來說明，但是該入射雷射光束亦可使用其他波長。

在此揭露的是一種新穎且獨特之技術，其可以在(或穿過)透明材料中(例如Si晶圓)中產生接近零切口寬度的切口，及奈米至微米級之孔口。它有許多如前所述的優點，以及在材料中製造非燒蝕鑽孔之新方法的許多新穎特徵，該新方法沒有被單獨地，或是組合地而由任何習知技術所預期、顯而易見、被建議、或甚至暗示。詳言之，它提供了優於習知技術之以下進步：較平滑之孔口面、最少微裂縫傳播、產生較長/較深孔口、非錐形孔口、非直線吸收、具有一致內徑之孔口、最小之入口扭曲及較少間接損害，以及具有接近零切口之高速刻線，而且由於其具有較窄的切割道寬度(即裝置間之距離)，因此在半導體晶圓上能夠形成更多的裝置。

本發明之第一實施例係使用OPG或OPA，將該1微米波長雷射轉換成1.3微米以上。OPG比較容易且作用比較快。在由一1微米的來源產生光學參數的過程期間，因為一信號及一空載將接著出現在一3至5微米的 光譜中，所以可調整OPG晶體(例如LiNbO3)以獲得從1.3至1.6微米之範圍內的任一波長。為達成本發明之目的，該信號及空載都可當作光絲生成脈衝使用，因為Si對於該兩波長的光譜而言都是透明的。在大部分應用中，信號或空載都可被使用，且任何其他的光束都必須轉移(dump)。使用兩波長有助於產生較高效率。

本發明之另一實施例，提供一種使用來自一雷射之叢發超快雷射脈衝之交互作用的新方法。在這方法中，該雷射光及聚焦參數已被調整成可以傳播通過例如藍寶石或硼矽玻璃形成的層，或位在一矽晶圓頂部之一薄層的水，以便在該矽內(且在該層下方)產生一光絲。該光絲利用比1064奈米波長的入射光束，在所欲開始的點及所欲終止的點，藉由光聲加壓產生特定深度及寬度之一孔口。眾所周知的是，超快雷射脈衝與克爾(Kerr)材料之交互作用，可產生一中超或白光。它會造成一波長位移，且因為如此，該光譜中之較長的波長部份可穿過該矽。

由於在該藍寶石(白光之來源)與矽間之距離為零，白光叢發雷射脈衝仍保持同調性，且依循該初始光束之幾何形狀，直到它在離開該矽之底部後發散為止。白光產生多數第二波長。白光之無法穿過該Si內部之光譜部份，將產生該Si之表面燒蝕。可使用一1064奈米波長雷射來產生一中超。當具有一與1064奈米不同之波長之其他超快雷射被導引通過能在矽中產生大於1.3微米波長的光絲之光的一透明層時，亦會產生一中超。該光絲在該透明材料下方，形成對該Si的光聲加壓加工。

Si本身有非常低的白光轉換效率，因為它有非常低的第三級非線性。使用具有較高峰功率之雷射脈衝，可不需前述的頂層。不必使用 該頂層，白光可在該頂Si表面上直接產生，而使更高波長之光譜穿過該Si。

在所有上述觀察後，該新的超快雷射被設計成具有以叢發模式傳播之2微米波長。多數超快雷射脈衝在該Si晶圓內生成多數長光絲。該等長形修改區域可生成多數內刻劃，因此使晶圓分離成許多較小的小片。

本方法之一個非限制性的實施例，係用雷射加工一矽塊，且包括以下步驟：提供一矽塊，該矽塊呈圓柱形，且包括一側及一頂部平坦表面；由具有大於1.3微米波長之一雷射源，施加在一叢發波封中具有至少一個超快子脈衝之一雷射光束，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之子脈衝以一第一波長操作；將該等超快子脈衝密集地聚焦在該頂表面下方，以使光學崩解及空孔生成；實施一光柵掃描，以覆蓋在該表面下方之所有區域；在該頂表面下方產生一薄圓盤破壞區域；使用分散式透鏡聚焦總成，在該矽塊中產生一光絲，進入該矽塊側圓柱形表面；及，在該分散式透鏡聚焦總成與該矽塊之間產生相對移動，而環繞該矽塊錠產生一刻線。環繞該塊錠呈一環狀刻劃的光絲可自該塊錠上輕易地分離出矽薄晶圓。

本方法之另一個非限制性的實施例，係使用雷射來加工矽，其包含以下步驟：提供一矽基材，該矽基材包括一頂表面；提供一克爾(Kerr)材料，使該克爾材料與該矽基材之頂表面接合，而在其間生成一界面；由一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成施加一雷射光束至該克爾材料，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之子脈衝以一第一波長操作；及，當該等子脈衝通過該克爾材料時，修改該等子脈衝之第一波長，使得該等子脈衝在該克爾材料與該矽基材之頂表面間之界面中，以多數第二波長由該克爾材料發射，該等 多數第二波長係白光；該等子脈衝之多數第二波長之一部份係大於或等於1.3微米；藉由該雷射脈衝能量，由大於或等於1.3微米之該等多數第二波長的該部份傳送通過該界面且到達該矽基材，而產生光聲加壓加工，該雷射脈衝能量引發克爾效應自動聚焦，且該克爾效應自動聚焦藉由輸入該矽之額外能量在該矽基材中傳播，因此在該矽基材內產生光絲。

本發明之標的物在此說明書之結論中將特別指出，並以申請專利範圍加以清楚地定義。但是，其組織及操作方法，以及本發明之其他優點及目的，可配合附圖參照以下說明而更佳了解，其中，相同之符號表示相同的元件。本發明之其他目的、特徵及特性更詳細說明如下。

雖然本發明主要聚焦在矽刻劃，但是應了解的是，在此所述之系統及方法可同樣適用於鑽孔、分割、切割及刻劃其他基材之切削製程中。基材亦可具有不同形狀。

2‧‧‧入射雷射光束

4‧‧‧光束路徑

5‧‧‧分散光束路徑

6‧‧‧無光學崩潰

7‧‧‧未生成光絲

8‧‧‧聚焦腰部

9‧‧‧生成貫穿孔口

10‧‧‧透明標靶基材

20‧‧‧最小燒蝕噴出物丘

22‧‧‧孔口

24‧‧‧次要聚焦腰部

26‧‧‧最後像差透鏡

27‧‧‧分散聚焦元件配置

28‧‧‧蒸發之傾斜入口

29‧‧‧分散聚焦

30‧‧‧犧牲層

31‧‧‧

32‧‧‧能量轉移距離

34‧‧‧非球面/球面透鏡

38‧‧‧光點直徑

38‧‧‧光點尺寸

40‧‧‧光絲直徑

42‧‧‧孔口直徑

44‧‧‧光絲

44‧‧‧像差聚焦透鏡

46‧‧‧光散聚焦光束路徑

50‧‧‧次要聚焦腰部

52‧‧‧光點

54‧‧‧分散聚焦光束路徑

60‧‧‧光絲區域

72‧‧‧聚焦裝置

73‧‧‧刻線

74‧‧‧幾何聚焦

75‧‧‧錐形放射

76‧‧‧藍寶石

77‧‧‧晶圓

77A‧‧‧裝置側

77B‧‧‧背側

78‧‧‧UV膠膜

79‧‧‧裝置

84‧‧‧X-Y平台

90‧‧‧矽塊

90E‧‧‧邊緣

90S‧‧‧邊緣

90S‧‧‧晶圓薄片

91‧‧‧刻線

91E‧‧‧裂縫

91H‧‧‧孔口

92‧‧‧光絲刻劃

94‧‧‧沿塊錠中心旋轉

96‧‧‧叢發A波封

98‧‧‧叢發脈衝頻率

99‧‧‧脈衝能量

100‧‧‧叢發脈衝A

102‧‧‧叢發頻率重複率A

103‧‧‧叢發B波封

104‧‧‧叢發脈衝B

106‧‧‧叢發頻率重複率B

108‧‧‧計量裝置

118‧‧‧花崗岩

120‧‧‧花崗岩

122‧‧‧處理裝置

124‧‧‧Z軸驅動器

圖1係本發明之示意圖；圖2係藉由圖1之雷射配置鑽出之兩孔的說明側視圖；圖3係本發明之另一示意圖；圖4係使用一分散式聚焦透鏡配置之本發明的示意圖；圖5係使用一分散式聚焦透鏡配置之本發明的另一示意圖；圖6係使用一分散式聚焦透鏡配置及該主要聚焦在該標靶上方之聚焦腰部之分布之本發明的示意圖；圖7係使用一分散式聚焦透鏡配置及該主要聚焦在該標靶下方之聚焦腰部之分布之本發明的示意圖； 圖8係已鑽出孔口之圖6之本發明之示意圖；圖9係使用一分散式聚焦透鏡配置及主要聚焦在多數標靶下方之聚焦腰部之分布之本發明的另一示意圖；圖10係用以使用一犧牲藍寶石層(帶)加工一矽基材之本發明的另一示意圖；圖11係一雷射加工系統之示意圖；圖12係在矽塊側面刻劃並用以輕易切片的示意圖；圖12A係圖12之一部份的放大圖；及，圖13至14顯示雷射能量之分布的兩個組態。

在此簡要地提出本發明之較重要特徵，以便可更佳地了解隨後之本發明之詳細說明，且以便可更佳地了解對所屬技術領域之貢獻。

本發明之各種實施例及態樣，將參照以下之細節說明。以下說明及圖式係本發明之舉例說明，不應被解讀為對本發明之限制。在此會說明許多特定細節，以便徹底了解本發明之各種實施例。但是，在某些情形下，不會說明一些眾所周知或習知的細節，以使本發明之實施例的說明能更為簡潔。

在詳細說明本發明之實施例之前，應了解的是，本發明並不限制其應用於構造之細節，及在以下說明或圖式中所示之組件的配置。本發明可以用其他實施例，或以各種其他方式來實施及實現。又，應了解的是，在此使用之語詞及術語的目的為用來說明，而不應被視為限制。

矽有一位於1.3微米之後的透射帶，如果存在具有該波長之 短時間雷射脈衝，則它們可在透明材料內有效率地傳播，且藉由非線性吸收程序在一透鏡之聚焦位置的該主體內局部地進行修改作用。但是，由於該雷射脈衝透過線性及非線性效應的一種組合作用，例如群速度分散(GVD)、線性繞射、自相位調變(SPM)、自動聚焦、由價能帶至傳導能帶之電子之多光子/穿隧離子化(MPI/TI)、電漿散焦、及自陡化等，而強力地形成空間與時間輪廓的再造，所以超快雷射脈衝(大於1MW高峰功率)在矽中之傳播是複雜的。所有這些物理效應係在光學介質中(例如玻璃)使用1微米波長之超快雷射脈衝觀察而得[請參見SL Chin等人之論文，加拿大物理學期刊(Canadian Journal of Physics)，83,863-905(2005)]。

除了使用一矽(Si)基材以外，亦可依據在此揭露之方法去加工其他材料，例如SiC、玻璃、硼矽玻璃、化學或加熱強化玻璃、藍寶石、LiNbO3、矽、Ti：藍寶石、LiTaO3、透明陶瓷、結晶棒及GaN。這些材料可為任何幾何形狀，而且本發明所揭露之方法可以適用於任何幾何形狀。

使用可在該矽之透射光譜中操作之超快叢發雷射，將使光絲生成且沿該刻線內部份地產生聲加壓，而致使產生非常良好及平滑之刻劃。

在此種方法中，1微米波長的一超快脈衝(泵)叢波，通過具有非常高的第三級非線性的一LiNbO3晶體，並且依據相位匹配，產生兩波長，使得它們之頻率總和等於泵頻。該兩波長被稱為信號及空載。通常該信號具有非常低的效率，且它比該空載更快發散。好處在於，該信號及該空載兩者均對矽而言是透明的。

調整該聚焦，使得該信號及空載在該矽內進行絲化。該信號及該空載產生一更明顯的光絲而導致分裂更為輕易。使用一OPA(光學參數 放大器)並使用一泵，以放大該信號或該空載。使用該OPA涉及比OPG(光學參數產生器)更複雜之構造，但是其功率值足以進行絲化。

當超快雷射脈衝在一光學克爾材料(例如玻璃或藍寶石或水)中傳播時，它們產生一非線性效應，其中，在該脈衝中心之光的移動比在該脈衝之邊緣(側邊)之光的移動為慢。此種情形使得該脈衝自相位調變而造成脈衝頻率之變化。

基本上，非線性程序造成初始雷射光束之大幅光譜擴大，因此產生一平滑的光譜連續區。結果產生一包含多數不同波長的光，被通稱為白光或中超。白光光譜由UV範圍開始並延伸至數微米。在1.3微米以下之波長被矽吸收，但該白光之較長的波長則繼續通過矽內之矽通道。白光會產生多數的第二波長。

如果將一克爾型材料，例如藍寶石(或玻璃)，較佳的厚度為50微米至500微米，放在一矽晶圓之頂部，且多數超快雷射脈衝之叢波被傳播至該藍寶石中，它們將產生一白光(中超)，從該UV範圍(波長由200奈米開始)延伸至該IR範圍(高達5微米)。如果這在藉由叢發超快雷射脈衝之絲化刻劃或切割藍寶石時達成的話，若使用適當聚焦，則在下方矽晶圓中亦發生絲化。顯然地，該藍寶石層將是犧牲層，因為它一定會以相同於該下方矽的幾何形態而被刻劃。

藉由一雷射通量值在一所欲距離進行燒蝕加工，開始形成一孔口，並以低於該用以燒蝕加工之臨界值(但是高於用以在該材料中光聲加壓至所欲深度之臨界值)的雷射通量完成鑽磨作業，再配合在該雷射源與該標靶間之相對移動，即可達成任何切割。

藉由使用一超快白光源加工之一光聲加壓方法切割矽，將透過以下步驟實施：1.施加一玻璃或藍寶石犧牲層至一矽標靶之至少一表面上；2.使雷射能量脈衝從一雷射源通過一選定的分散式聚焦透鏡聚焦總成；3.調整該分散式聚焦透鏡聚焦總成相對於一雷射源之相對距離及/或角度，以便以一分散式聚焦組態聚焦該雷射能量脈衝，而產生一主要聚焦腰部及至少一個次要聚焦腰部；4.調整該主要聚焦腰部或該標靶，使得該主要聚焦腰部將不會位在被切削之犧牲層或該標靶之上或其內；5.調整該聚焦，使得在該犧牲層及標靶之表面上的雷射通量的光點位在該主要聚焦腰部的下方或上方；6.調整在該犧牲層及標靶之表面上的雷射通量的光點，使得它有始終大於在該犧牲層及該標靶中所欲生成之一絲化直徑的直徑；確保該等次要聚焦腰部之通量值，成為足以確保一光聲加壓加工傳播通過該犧牲層及該標靶之所欲體積的強度及數目；8.從該雷射源通過該選擇之分散式聚焦透鏡聚焦總成，至該犧牲層施加至少一次一適當波長、適當叢發脈衝重複率及適當叢發脈衝能量之雷射脈衝叢波，其中，在該雷射脈衝接觸到該犧牲層上開始加工點的一點上，施加至該犧牲層的脈衝能量或通量之總量，係大於開始及進行一絲化及光聲加壓加工通過該犧牲層及該矽標靶所需之臨界能量值，且低於開始燒蝕加工所需之臨界能量值； 9.在該矽標靶與該雷射源之間產生一相對移動，以使該鑽出的孔口形成一切割線；及10.當完成所欲之加工時，停止該雷射脈衝之叢波及絲化。

可預想到的是，上述製程可以在該犧牲層上實施燒蝕加工，且只在該矽上實施光聲加壓加工來進行。在這情形下，步驟8將修改如下：由該雷射源至該犧牲層通過該選擇之分散式聚焦透鏡聚焦總成，施加一適當波長、適當叢發脈衝重複率及適當叢發脈衝能量之至少一雷射脈衝叢波，其中在該雷射脈衝接觸到該犧牲層上開始加工點之一點上，施加至該犧牲層的脈衝能量或通量之總量係大於開始燒蝕加工至該所需深度所需之臨界能量值，且接著在該犧牲層中燒蝕鑽孔之底部的通量能量係大於開始進行絲化及光聲加壓加工通過該犧牲層之剩餘部份及整個矽標靶兩者所需之臨界能量值，且低於開始燒蝕加工所需之臨界能量值。

矽本身沒有強的克爾非線性，但是如果使用較高峰功率脈衝，可在Si上產生白光。在這情形下，可使用超快白光脈衝叢波之較長波長光譜來刻劃Si。在這情形下，不需要在Si上頂部上施加一藍寶石或玻璃的犧牲層。

雷射加工技術

除非另外定義，否則在此使用之所有技術及科學用語，應具有與所屬技術領域中具有通常知識者所一般了解者相同之意義。除非另外指出，否則在此所使用之整個上下文中，以下用語應具有以下意義：在此所使用之用語“光聲鑽孔”表示一種加工一標靶的方法(通常藉由以比在燒蝕鑽孔或切割技術中所使用者為低之一脈衝能量光束去 照射它，來切割或鑽磨一種固體之基材)。通過光學吸收，以及接續熱彈性膨脹之程序，在該被照射材料內產生寬頻聲波，以環繞該光束傳播軸(與該孔口之軸同軸)的位置，在加壓材料中生成一通路，其特徵在於：平滑的壁孔口，最小生成或完全沒有噴出物，及將在該材料中可能形成的微裂縫數量降至最低。

在此所使用之用語“光絲修改區域”，表示在一基材內之一光絲區域，其特徵在於，其係藉由該光學光束路徑而界定之一加壓區域。

在此所使用之用語“叢發”、“叢發模式”或“叢發脈衝”，表示具有相對時間間隔之一組雷射脈衝，該相對時間間隔係實質小於該雷射之重覆時間。應了解的是，在脈衝之間，一叢波內的之該時間間隔可固定或變化，且在一叢波內脈衝的波幅是可變化的，例如，以便在該標靶材料內產生最佳化或預定光絲修改區域。在某些實施例中，脈衝之叢波在形成時，可能伴隨著構成該叢波之脈衝的能量及強度之不同變化。

在此所使用之用語“基材”，表示一透明(對於該波長而言)標靶材料，且可選自於矽，碳化矽，由透明陶瓷、聚合物、透明導體、寬頻帶玻璃、晶體、結晶石英、鑽石(天然或人造)、藍寶石、稀土配方、用於顯示器之金屬氧化物，及在拋光或未拋光條件下具有或沒有塗層之非晶質氧化物所構成之群組，且意欲涵蓋其任一幾何組態，例如但不限於，平板及晶圓。該基材亦可選自於由生物晶片、光學感測器、平面光波電路、光纖、矽、111-V半導體、微電子晶片、記憶體晶片、感測器晶片、光電透鏡、發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)、及垂直腔表面射型雷射(VCSEL)所構成之群組。標靶或標靶材料通常選自多數基材。

在此所使用之用語“雷射絲化”，係透過使用一雷射在一材料中產生多數光絲之動作，及可藉由該光絲具有足以“移動”材料而非“移除”材料之強度，而透過加壓對材料進行改變之程序或多數程序。

在此所使用之用語“主要聚焦腰部”，表示在最後聚焦後(在通過最後光學元件總成之後，光照射在該標靶之前)，該光束之最密集聚焦及最強聚焦強度。它亦可與用語“主要聚焦”互換使用。用語“次要聚焦腰部”表示在具有一強度比該主要聚焦腰部為小的，在該分散光束中的其他聚焦之任一聚焦。它亦可與用語“次要聚焦”互換使用。

在此所使用之用語“犧牲層”，表示可移除地施加於標靶上的一材料。

在此所使用之用語“加工”或“修改”，包含鑽孔、切割、刻劃或分割一標靶或基材之表面或體積的程序。

在此所使用之用語“聚焦分布”，表示通經其集合體係一正透鏡之一透鏡總成之入射光線的空間時間分布。通常，有效強度之後續收歛光點，係該聚焦透鏡之中心的距離的一種作用或功能。

在此所使用之用語“像差透鏡”，表示不是一完美透鏡之一聚焦透鏡，其中在X平面中之透鏡曲率不等於在Y平面中之透鏡曲率，且通過該透鏡之入射光產生一分散式聚焦圖案。一正像差透鏡係一焦點收歛透鏡，一負像差透鏡係一焦點發散透鏡，有時兩者但始終至少其中一者，是產生刻劃及分割材料之直線陣列孔口所必須的，至於在產生多數獨立孔口(不是一陣列)的情況，也是一樣。

超短脈衝雷射對於微切削提供高的強度，藉由積極地驅動多 光子、穿隧離子化、及電子突崩程序，得以俐落地改變及加工基材表面。目前之問題，係如何在該透明標靶材料中放入足夠之能量，小於在燒蝕鑽孔中使用之能量，但超過該臨界能階，開始且維持光聲加壓，以便產生一光絲，足以修改在該材料中的該焦點之折射率，且不會遭遇光學崩潰(如習知技術燒蝕鑽孔系統中遭遇者)，使得該標靶材料中的該雷射光束能夠連續再聚焦，且可以繼續足夠長的距離，使得即使是多數堆疊的基材，亦可以在該鑽孔距離上形成相當平滑的孔口壁(雖然也許仍有錐形，但已經小到可以忽略)，同時地鑽孔且可由該標靶材料之上方、下方或內部開始。藉由該製造單元的方向/轉向所生成之光絲，可被用來鑽出孔口、切割、刻劃或分割一標靶的表面或體積。

請參閱圖1，本發明提供藉由雷射誘發光聲加壓，在透明材料中形成孔口之加工的裝置、系統及方法。

不像過去習知的雷射材料加工方法，本發明之實施例是利用一光學組態，以分散方式沿著光束縱軸聚焦該入射光束2，使得該主要焦點8及多數次要焦點24呈線性對齊(與該孔口之直線軸一致，但從該主要聚焦或聚焦腰部垂直移開)，當該入射光束通過該材料時，讓該入射光束連續再聚焦，藉此產生一光絲，且該光絲在該材料中沿著該光束路徑修改折射率且不會遭遇光學崩解(參見在習知技術的燒蝕鑽孔系統中，有及沒有使用基本或準絲化兩者之情形)，使得在該標靶材料中之雷射光束可長距離地連續再聚焦。

仍請參閱圖1，此分散式聚焦方法藉由該分散式聚焦元件總成產生多數次要聚焦，從該材料(在此例中為犧牲層或其他)之上或其內至該 材料外部定位該主要聚焦腰部之位置，用以”轉移(dumping)”或”減少”在該主要聚焦腰部所發現的來自入射光束2的不必要能量32。此光束通量之轉移，及該主要聚焦腰部與次要聚焦腰部之直線對齊，二者一起使光絲生成的距離遠超過目前為止使用先前習知方法所能達成之距離(且遠超過1毫米至10毫米之上)，同時能保持足夠的雷射強度(微焦耳/平方公分(μJ/cm2)通量)，以便在整段長度的該光絲區域完成確實的修改及加壓。此種分散式聚焦方法能支撐長度具有1至10毫米的光絲生成，但仍保持在該材料之光學崩解臨界值以下之一能量密度，其強度足以穿過多數不相似的材料(例如在多層標靶材料之間的空氣或聚合物間隙)，且可在多數堆疊的基材上同時鑽孔/切削，而在鑽孔的距離之內，其形成的錐形是可忽略的，且可從該標靶材料上方、下方或內部形成相當平滑之孔壁。請參見圖2。

該雷射脈衝之光學密度展開自動聚焦現象且產生一光絲，且該光絲足以在該光絲內部/四週/周圍的一區域中，具有非燒蝕性初始光聲加壓的強度，以產生與該光絲一致的實質固定之一直線對稱空孔，且亦使該雷射脈衝連續自動聚焦及散焦，並與該分散光束之次要聚焦腰部輸出之能量耦合生成一光絲，導向/引導產生通過或貫穿該標靶材料特定區域之孔口。此種孔口之生成，可以不從該標靶移除材料，而是在所生成之孔口的周緣，以光聲加壓該標靶材料的方式，而生成此種孔洞。其中當該孔口生成時，它亦有助於“引導”該雷射光向下通過欲鑽出之孔口的長度，或藉由連續孔口的生成，而產生刻線。

目前已知，該標靶10表面的通量值係隨著該入射光束強度及特定分散式聚焦元件總成而改變，且可依特定標靶材料、標靶厚度、所欲 加工速度、孔口總深度，及孔口直徑來調整。此外，鑽孔深度係取決於該雷射能量吸收之深度，因此，藉由單一雷射脈衝所修改之材料數量取決於該材料之光學性質及該雷射的波長及脈衝長度。基於這項原因，對於各種特殊基材，需要以實驗決定最佳結果之應用方式，以及配合使用之系統及材料，在此列出廣泛的加工參數。因此，雖然實施本發明不一定需要產生這電漿及燒蝕，但如果表面之通量值高到足以引發瞬時、局部燒蝕(蒸發)作用，則在該標靶10上之進入點會生成某些最小燒蝕噴出物丘20。在某些情形中，在該標靶表面需要使用密集到足以開始產生該瞬態、瞬時燒蝕鑽孔之通量值，以產生一寬斜角的入口，該均一直徑的孔口22之剩餘部分，以分散式聚焦混合鑽孔法產生，而該方法使用之能量值允許在應用一連續光聲加壓技術之後，使用瞬時燒蝕技術。本發明便是在該標靶表面選擇一通量值，平衡該材料中之光束線性吸收對非線性吸收，使得燒蝕加工所需之通量值將在該斜角(或其他幾何組態)之所欲深度耗盡，以此完成上述技術。如果在該標靶表面施加一犧牲層30，則此混合技術將產生可忽略的一極小噴出物丘20。一般犧牲層係玻璃、工程用氧化物、寬能帶間隙材料、藍寶石、樹脂或聚合物，且通常只需要在1至5000微米厚度之範圍內(但是對於透明材料加工而言，可使用10至30微米範圍)。如所屬技術領域所習知的，該犧牲層將防止熔融的碎屑本身附著在該表面上，而是附著在可移除的犧牲材料上，以此抑制該標靶10上生成一噴出物丘。

本發明在下列非限制性的實施例中，提供藉由在標靶內產生光聲加壓之超快雷射脈衝光絲，以在透明材料中加工孔口之裝置、系統及方法。

實施例1：

請參閱圖10，具有數個裝置79之一半導體晶圓77被在該裝置側上之UV膠膜78所覆蓋。藍寶石76係積層在該半導體晶圓77之頂部77B上，如圖10所示。藍寶石係一克爾(Kerr)介質。與雷射材料加工之先前習知方法不同，本發明之實施例使用一光學組態，將該入射光束2聚焦在該基材77之底部或頂部上，而不是在該基材77內。由於超過5百萬瓦(MW)(足以在藍寶石中自動聚焦)的該雷射脈衝的高峰功率，該等脈衝立即開始自動聚焦在該克爾介質76上。該非線性效應有助於聚焦該雷射光束之雷射脈衝於繞射極限下方，且在藍寶石76製成之犧牲層中產生絲化。該製程在該透明矽標靶77的正下方造成組合的白光產生及造成錐形放射75。

該白光光譜在該頂表面77B上被該矽77吸收，但是，光譜中對於矽77而言是透明的部分，則依循在該矽內之絲化幾何形狀，而產生光聲加壓及生成孔口。該叢發脈衝波封具有多數子脈衝，其扮演非常重要的角色，其作用為：在矽上之此該等子脈衝，使得矽在該叢波中之下一個子脈衝到達，且因熱累積而使該絲化固化時，不會鬆弛。該等子脈衝之連續應用帶來更顯著之孔口生成效果。在沒有限制之情形下，如果只使用一單一脈衝亦可生成絲化，但是多數子脈衝之熱累積能產生一較佳結果。

藉由以適當方向移動該光束或標靶，該等孔口可以互相相鄰地生成，而在藍寶石76及矽基材上都產生一刻線。該刻線上寬度為1微米，此一效果對於減少目前為100微米之切割道寬度(即在該等裝置間之距離)，而在一晶圓上提供更多的裝置，是非常有利的(先前一直希望能減少至30微米)。若利用叢發絲化刻劃方法，該切割道寬度可設定為10微米。

為實現光聲加壓加工，需要以下系統：

˙一叢發脈衝雷射系統，可產生一光束，該光束由可程式控制的一串脈衝組成，此串脈衝在該叢發脈衝波封內包含1至50個子脈衝。此外，依據所使用之標靶材料，該雷射系統必須能夠產生5至200瓦之平均功率。

˙一叢發脈衝雷射，具有至少15皮秒，但可為在15皮秒至10飛秒間之任一值的脈衝時間。

˙一分散式聚焦元件總成(可能包含正、負透鏡，但總體上有一正聚焦效果)，可產生一微弱收束、多焦點空間光束輪廓，其中，在該標靶材料之入射通量足以產生克爾(Kerr)效應自動聚焦及傳播。

˙一光學傳送系統，可傳送該光束至該標靶。

在商業操作中，亦需要該材料(或光束)相對於該等光學件之移動能力(反之亦然)，或藉由一系統控制電腦驅動之協調/混和動作。

對該(等)特定標靶而言，使用此系統藉由光聲加壓鑽出孔口或通孔，需要操控以下條件：該分散式聚焦元件總成之性質；該叢發脈衝雷射光束特性；及該主要聚焦之位置。

圖1與10中之該分散式聚焦元件總成26，可以是所屬技術領域中常用之一般習知聚焦元件，例如非球面板、遠心透鏡、非遠心透鏡、非球面透鏡、環狀多面透鏡、定製基本像差(非完美)透鏡、一正負透鏡組合或一系列修正板(相位轉移遮罩)、旋轉三稜鏡、相對於該入射光束傾斜之任何光學元件、及可控制光束傳播之主動補償式光學元件，以及產生不一定與彗形像差有關之一明顯非理想、非高斯光束強度分布曲線之任何數目的 光學元件。

上述的候選光學元件總成之主要聚焦腰部，通常將不包含大於90%且不小於20%之在該主要聚焦腰部的入射光束通量。雖然，在特定情形中，該分散式聚焦元件總成26之光學效率可到達99%。圖3說明一非-非球面像差透鏡，將在上述程序中使用。該分散式聚焦元件總成26之真正光學效率，必須針對各種特定應用情況加以微調。使用者將創造出為各種透明材料、該標靶之實體組態及特性、以及特定雷射參數而定製之一組實驗表，這些表可以電腦化，且被用來經由一中心或分散式控制架構而驅動系統。碳化矽、磷化鎵、藍寶石、強化玻璃等，各有自己的值。此表格係以在該材料內產生一光絲(如上述之調整雷射功率、聚焦位置、及透鏡34之特性)，且確保有足夠之通量誘發光聲加壓的一分裂平面或軸，以產生一孔口的實驗所決定。使用一微米波長、50瓦雷射輸出一每脈衝10微焦耳能量的一叢發脈衝(5脈衝)，且具有頻率(重複率)在1百萬赫茲(MHz)範圍內，在由硼矽製成之一2毫米厚的單一、平面標靶中鑽出一直徑5微米的貫穿孔口(如圖4所示)之樣本光學效率為65%，其中，該光束之主要聚焦腰部偏離所欲之開始點的距離，為500微米(μm)以下。

應注意的是，亦有一組物理參數必須在此一光聲加壓鑽孔程序中加以遵循。請參閱圖4與5，可看到該光束點直徑38大於該光絲直徑40，而該光絲直徑40大於該孔口直徑42。此外，該分散光束之主要聚焦腰部8不會在內部已產生一光絲的該標靶材料10的表面之中或其上。但是可位在一疊材料內，其中，該腰部位在多數層間之空間中，例如在一空氣間隙中。

該主要聚焦腰部8之位置大致在偏離該所欲開始點500微米 之範圍內。這亦被稱為能量轉移距離32，如圖1所示。它亦由針對各透明材料、該標靶之實體組態及特性以及雷射參數而定製之一實驗表所決定。它是由藉上述方法所產生之表格外插而得。

該雷射光束能量的性質如下：在該光束中的脈衝能量係以1赫茲(Hz)至2百萬赫茲(MHz)之重複率介於5微焦耳至100微焦耳(該重複率界定該樣本移動之速度及相鄰光絲間之間距)。可藉由改變各叢發波封內出現之時間能量分布來調整該光絲的直徑及長度。圖13與14顯示一叢發脈衝雷射信號之兩種不同時間能量分布的例子。

請一起參閱圖6至9，可最佳地顯示本發明之機制。在此，使用叢發皮秒脈衝光，是因為沉積在該標靶材料中之能量總數低，且可在不使該材料破裂之情形下進行光聲加壓，並且在該標靶材料中產生較少的熱，因此有效的較小能量封包會沉積在該材料中，使得該材料可從基態逐漸升高至最大激態，而不會損害該光絲附近的材料之完整性。

真正的物理程序如在此所述地發生。該脈衝叢發雷射之入射光束的主要聚焦腰部，係經由一分散式聚焦元件總成，而傳送至在其內產生光絲之該標靶材料的上方或下方(但不會在多疊材料中之空氣間隙，或聚合物或液體間隙以外的內部)空間的一點。這將在該標靶表面產生一光點且產生白光。該標靶表面上之光點直徑將超過該光絲直徑及該所欲產生特徵(孔口、槽孔等)之直徑。因此照射在該表面之光點中的能量會大於產生光電效應(克爾(Kerr)效應-其中該材料之折射率變化與所施加之電場成正比)之臨界能量，但是低於引發燒蝕程序所需之臨界能量，且更明顯地低於該材料之光學崩解臨界值。由於長時間維持在該標靶材料中所需之功率，使得 在該自動聚焦條件及該光學崩解條件間之平衡得以維持，故可進行光聲加壓。此光聲加壓係一均勻且高功率之光絲為生成及傳播程序的結果，此材料因而得以重組，而便於經由燒蝕程序去除。如此產生之非常長的光絲，藉由該分散式聚焦元件總成所產生在空間上延伸的次要焦點之存在而被激發，在不到達光學崩解之情形下保持自動聚焦效應。在此總成中，大量的邊緣及近軸光線，相對於該主要聚焦收束在不同的空間位置。這些次要焦點存在且延伸入無限空間，但只在實驗上對應該標靶厚度之一有限範圍內，才具有有用的強度。以較低的能量值將該等次要焦點聚焦在該基材表面的下方，同時也是在該絲化程序活躍的底面。這使該雷射能量可進入該材料之主體內，同時避免被電漿吸收及被碎屑散射。

該分散式聚焦元件總成可為一單一非理想像差聚焦透鏡，被放在該入射雷射光束之路徑中，形成該入射光束似乎不均勻分散式聚焦於一分散聚焦光束路徑中，且該分散式聚焦光束路徑包含一主要聚焦腰部，及一連串直線配置之次要聚焦腰部(焦點)。它可與在該區域中，或在該光束腰部中，或其四週，產生一非理想、非高斯光束點分布一樣地簡單。實際上，它經常是多於一單一光學元件的，且通常是沿該光束之傳播軸配置數個光學元件。

這些焦點之對齊，係與該孔口42之直線軸同一直線。請注意，該主要聚焦腰部8不會在該標靶材料10之上或在其內。由於該孔口42可在該主要聚焦腰部8的上方或下方，藉由該聚焦光束之對稱及非直線性質而開始形成，所以在圖6中，該主要聚焦腰部係在該標靶材料之上方，且在圖7中，它在該標靶材料10的下方。因為該材料的本身將作為該雷射之電場改 變該標靶的折射率之時，產生這些焦點之最後光學元件，所以有一光束點52(距離約10微米)位在該標靶10表面上，且該等較弱的次要聚焦腰部同一直線位在該標靶內。此種分散式的聚焦使雷射能得以沉積在該材料中生成一光絲線或區域60。利用多數直線對齊的焦點，且讓該材料作為最後透鏡，在該標靶材料被超快脈衝雷射光束轟炸時進行多次、連續、局部的加熱，該等加熱便沿該直線對齊的焦點路徑，以熱誘發改變該材料之局部折射率，造成該標靶內形成一非錐形長條光絲60，接著一聲壓波在該所欲區域以環狀方式壓縮該材料，在該絲化路徑附近產生一空孔及環狀之壓縮材料。然後該光束再聚焦，且該再聚焦之光束結合該次要聚焦腰部之能量，以保持該臨界能量值，且這一連串程序自行重複，以便鑽出1500：1長度直徑比(孔口長度/孔口直徑)的孔口，該孔口的錐形度小到幾乎不存在，其入口孔口的直徑尺寸與出口孔口的直徑尺寸實質上是相同的。此方法不像習知技術將能量聚焦在標靶材料之頂表面上，或在標靶材料內，而產生一短的絲化距離，直到光學崩解且絲化減緩或停止為止。

圖9顯示在一呈堆疊組態的三個平面標靶10之底部兩個標靶中鑽孔，且在它們之間具有一空氣間隙，其中，該主要聚焦腰部8係位在最後的標靶10的下方。可從一多層構造之頂端、或底部、或中間鑽孔，但是如果使用相同一組透鏡及曲率，該鑽孔程序一定是從該主要聚焦腰部以相同距離進行。該聚焦腰部一直在該材料外部且不會到達該基材表面。

各種不同的雷射性質、主要聚焦腰部之位置，及最後聚焦透鏡的配置，以及所產生之孔口特性的各種參數謹列在下表中。應注意的是，由於它們的值會隨著標靶材料之種類、其厚度、及所欲形成的孔口尺寸與 位置而大幅變化，故它們係以範圍表示。以下圖表詳述用以在多數透明材料中完成鑽出均一孔口之各種系統變數的範圍。

如前所述，上述參數會隨著標靶而變化。就一操作例而言，為了在一透明基材中鑽出一3微米(2毫米深)的孔，將使用以下裝置及參數：65瓦平均功率，80微焦耳脈衝能量，50百萬赫茲(MHz)之每叢波8子脈衝，及100千赫茲(kHz)重複率。這將以在超過2毫米之空間(光絲活躍區域係 2毫米長)，傳送分散聚焦的一像差透鏡聚焦而在該頂表面上方聚焦5微米至500微米(依材料而定)。

圖11的裝置具有多軸旋轉及移動控制，當利用叢發超快雷射脈衝絲化來達成光聲加壓加工時，可被用來以可變聚焦位置、非垂直入射角，且以可變、配方控制位置，將該光束照射至該(等)工作件上，以產生光絲陣列之多數曲線區域，以便切割該基材。所屬技術領域中具有通常知識者均了解，不是所有應用都需要這些所有的軸，且某些應用方式如果有較簡單的系統構造，反而會更有利。

此外應了解的是，在此所示的裝置只是本發明多數實施例中之一實施例，且在不偏離本發明之範疇的情形下，可對於多種不同基材、應用及零件呈現方式而改變、修改或混成該等實施例。

應了解的是，本發明之應用不限於以下說明所提出，或圖中所示出之組件配置。本發明可以有其他實施例，且可以用各種不同順序之步驟實施或執行。例如，雖然此專利指出，以高於1.3微米之適當波長工作之雷射切割Si，但是已知的是，相同製程可被用來加工Ge、SiC、GaAs、GaN、GaP、InGaAlP，及其他類似材料，只要該波長對於該材料為透明即可。此外，相同製程可被用來切割骨骼，只要該波長高於1.3微米即可。在此所述之雷射不必是一白光，且可以在此所述之1064奈米以外之一波長操作。

由於光聲加壓不會造成以塑膠為主的材料之撕裂或分離，所以它在晶圓的分割方面是極為有利的。因為通常有許多裝置會形成在該基材上，且被UV膠膜覆蓋，以便保護及處理。

請參照習知技術，製造一新晶片之步驟如下：1.使用微影技術提供多數晶片給一厚晶圓，例如矽；2.以UV膠膜覆蓋該晶圓之裝置側；3.使該晶圓之背薄化，直到達成該晶圓之適當厚度為止；4.在研磨(薄化該晶圓)後，在一無塵室中將該UV膠膜移除且在該背面上施加新UV膠膜；5.於是，該晶圓準備好從該裝置側分割；在此時刻，使用雷射燒蝕或隱形分割或鑽石輥；6.在墊狀物區域中之所有配線均需被切削、切割；在該裝置上一直可能有飛出之碎屑。

藉由使用光聲加壓刻劃之新方法，可以將上述程序減縮一些進行步驟，如圖10所示：1.使用微影技術提供多數晶片79給一厚晶圓77，例如矽；2.以UV膠膜78覆蓋該裝置側77A；3.使該晶圓之背薄化(背面77B)，直到達成該晶圓77之適當厚度為止；4.從該背面77B刻劃該晶圓77；使用超快雷射叢發脈衝來刻劃，且同時，燒蝕該墊狀物區域以便由配線使用；5.仍使用初始UV膠膜78，且不必在一無塵室中加工該樣本；沒有碎屑由該裝置側射出，因為它被UV膠膜78覆蓋；6.該UV膠膜78保持原封不動且在該雷射刻劃程序後未受損；及 7.雷射對切割道之調整，可經由相對於該雷射光束安裝之共焦點、IR顯微鏡或一般顯微鏡來完成。

圖11顯示適合於零件分割之一雷射系統實施例之布置。雷射2可傳送多數子脈衝之叢波，例如，以每脈衝大約1微焦耳(μJ)至500微焦耳(μJ)之範圍內的能量，以達到大約2百萬赫茲之重複率。

花崗岩豎板128係被設計來用以減少機械振動之反應塊，如一般在工業中所使用的。此可以是一橋接，該平台上之該等光學件可沿一軸，X或Y相對於該平台，且與它相配合地，在該橋接上移動。花崗岩底座120提供可支撐該系統之任一或所有組件的一反應塊。在某些實施例中，為了穩定性之理由，處理裝置122係由該系統振動地解耦。

Z軸馬達驅動件124係設置來用以使該等光學件(如果需要的話，為調節與聚焦及掃描光學件)相對該伺服控制X-Y平台84在該Z軸上移動。此移動可與該XY平台84及在上方花崗岩橋接中之X或Y移動，及在固定住欲處理之樣本材料之該花崗岩底座20上之該平台之XY移動配合。

平台84可具有，例如，具有一傾斜軸，γ(“偏擺”)之XY及θ平台。平台84之移動係藉由一控制電腦系統配合(例如，由一較大母片產生一所欲的零件形狀)。計量裝置108提供後處理或預處理(或兩者)的測量(例如，用於映射、測量尺寸、及/或檢查切割後之邊緣品質)。

實施例2：

要由一矽塊錠來製造薄晶圓層是很困難的。目前，使用一鋸子將多數塊錠切片會浪費許多材料。雖然可使用一光子光束來切割非常薄之晶圓層，但是該光子光束製程是昂貴的，且難以在一生產製造的環境中 進行。

最近，已有人提出，藉由密集聚焦該光束於該標靶內及在該頂表面下方，使用光學崩解沿該切割線可產生一缺陷之區域。但是分開該薄層仍是困難的，因為沒有首先起始之刻劃位置存在。

如圖12所示，可沿該塊錠90之邊緣90E製造一2毫米長的刻劃31，此有助於從矽塊90分離該薄片90S(晶圓)。而且這可使用1.3微米以上之波長操作之一超快叢發雷射，或使用一OPG或在塊錠之壁上施加克爾(Kerr)層，以及使用能產生如在實施例1中所述之超快叢發白光雷射之典型波長來達成。圖12顯示一刻線91。圖12A係圖12A之一部分的放大圖，其顯示該刻線91具有可分裂一薄片90S的一連串孔口91H。裂縫91E係位在該等孔口91H之間，且有助於分裂。該等孔口之直徑可為1微米，並且該等孔口之中心間距係2至10微米。

實施例3：

此實施例係經由超快雷射脈衝之叢波在矽中鑽孔/孔口。如果使用如在實施例1中所述之超快雷射之一單一叢波，它將產生具有微米或次微米尺寸之孔口。藉由在一單一位置發射雷射脈衝之許多叢波可進行衝擊鑽孔。光聲加壓將該材料熔化，且推向該孔口的壁而產生更寬之孔洞。20微米直徑之孔洞/孔口係使用來自以50千赫茲(kHz)之重複率操作之叢發雷射脈衝的500雷射脈衝，且，各雷射脈衝的叢波有以50百萬赫茲(MHz)操作之8個脈衝。使用一犧牲層對於一波長位移是有用的，亦有助於防止在該矽中之孔口造成錐形的孔。沒有錐形孔口會發生在該矽中產生的孔口/孔洞中，但是，錐形會發生在該犧牲層中。來自該犧牲層之碎屑會沈積在該犧 牲層上，且保持該矽表面的清潔。如果孔洞/孔口係以分開2至10微米之方式產生/沖出，則可使用本發明之方法來切割非常厚之晶圓樣本。

雷射的不同性質、主要聚焦腰部之位置、及最後聚焦透鏡的配置、以及所產生之孔口特性的各種參數係列在表中。應注意的是，由於它們的值會隨著該標靶材料之種類、其厚度及所欲孔口尺寸與位置而大幅變化，故它們係以範圍表示。本說明書的圖表詳述用以在多數透明材料中完成鑽出均一孔口之各種系統變數的範圍。

又，應了解的是，在此使用之語詞及術語，係用以說明，不應被視為限制。因此，所屬技術領域中具有通常知識者均了解，本發明所依據之構想可輕易作為實現本發明之數種目的之其他結構、方法及系統的一設計基礎。因此，重要的是，在不偏離本發明之精神與範疇之情形下，申請專利範圍應被視為包括該等等效的構造。

8‧‧‧聚焦腰部

10‧‧‧透明標靶基材

27‧‧‧分散聚焦元件配置

29‧‧‧分散聚焦

31‧‧‧

40‧‧‧光絲直徑

44‧‧‧像差聚焦透鏡

Claims (29)

1. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：提供一矽基材，該矽基材包括一頂表面；提供一克爾材料，且使該克爾材料與該矽基材之頂表面接合，而在其間生成一界面；從一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成，施加一雷射光束至該克爾材料，該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一第一波長操作；及，當該等子脈衝通過該克爾材料時，修改該等子脈衝之第一波長，使得該等子脈衝在該克爾材料與該矽基材之頂表面間之界面以多數第二波長從該克爾材料發射，該等多數第二波長係白光；該等子脈衝之多數第二波長之一部份係大於或等於1.3微米；藉由大於或等於1.3微米之該等第二波長的該部份子脈衝傳送通過該界面且到達該矽基材，產生光聲加壓加工，該等第二波長的該部份子脈衝引發克爾(Kerr)效應自動聚焦，且該克爾效應自動聚焦藉由輸入到該矽基材之額外能量而在該矽基材中傳播，因此在該矽基材內產生光絲。
2. 如請求項1之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：該分散式聚焦元件總成係一單一非理想聚焦透鏡，且該單一非理想聚焦透鏡放在該入射雷射光束之路徑中，以形成一分散式聚焦光束路徑，並且該分散式聚焦光束路徑包含一主要聚焦腰部，及以一連串直線方式配置之次要聚焦腰部(焦點)。
3. 如請求項1之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含 以下步驟：該分散式聚焦元件總成，包括沿該雷射光束之傳播軸而配置之多數光學元件。
4. 如請求項1之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：該克爾材料係選自由玻璃、藍寶石及水所構成之群組。
5. 如請求項1之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：以一致之內徑在該矽基材中產生多數孔口。
6. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：提供一矽基材，該矽基材包括一頂表面；從一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成施加一雷射光束至該矽基材，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一第一波長操作；當該等子脈衝通過該矽基材之該頂表面時，修改該等子脈衝之第一波長，使得該等子脈衝產生白光，且所產生之該白光包括多數第二波長；及，藉由傳送通過該矽之白光能量產生光聲加壓加工，該白光能量引發克爾效應自動聚焦，且該克爾效應自動聚焦藉由輸入該矽基材之額外能量在該矽基材中傳播，因此在該矽基材內產生光絲。
7. 如請求項6之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：該分散式聚焦元件總成係一單一非理想聚焦透鏡，且該單一非理想聚焦透鏡放在該入射雷射光束之路徑中，以形成一分散聚焦光束路徑，並且 該分散聚焦光束路徑包含一主要聚焦腰部，及以一連串直線方式配置之次要聚焦腰部(焦點)。
8. 如請求項6之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：以一致之內徑在該矽基材中產生多數孔口。
9. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：將一犧牲層施加在一矽標靶之至少一表面上，該犧牲層包括一表面；使雷射能量脈衝從一雷射源通過一分散式聚焦透鏡聚焦總成；調整該分散式聚焦透鏡聚焦總成相對於該雷射源之相對距離及/或角度，以便以一分散聚焦組態聚焦該雷射能量脈衝，而產生一主要聚焦腰部及至少一個次要聚焦腰部；調整該主要聚焦腰部或該矽標靶之位置，使得該主要聚焦腰部不位在被切削之該犧牲層或該矽標靶之上或其內；調整該聚焦，使得在該犧牲層及該矽標靶的表面上之雷射通量的光點位在該主要聚焦腰部之下方或上方；調整在該犧牲層及標靶的表面上之雷射通量的光點，使得它有始終大於所欲生成在該犧牲層及該矽標靶中之絲化的直徑的一直徑；確保該等次要聚焦腰部之該通量值具有足以確保光聲加壓加工效應能夠傳播通過該犧牲層及該矽標靶之所欲體積的強度及數目；從該雷射源通過該選擇之分散式聚焦透鏡聚焦總成至該犧牲層，施加至少一次雷射脈衝叢波，其中，在該雷射脈衝接觸到該犧牲層上開始加工點之一點上，將脈衝能量或通量之總量施加至該犧牲層上，以開始並傳播通過該犧牲層及該矽標靶兩者之絲化及光聲加壓加工效應；在該矽標靶與該雷射源之間產生一相對移動，以使該等鑽出的孔口形成 一切割線；及當完成所欲加工時，停止該雷射脈衝之叢波及絲化。
10. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：將一犧牲層施加在一矽標靶之至少一表面上，該犧牲層包括一表面；使雷射能量脈衝從一雷射源通過一分散式聚焦透鏡聚焦總成；該分散式聚焦透鏡聚焦總成包括多數光學元件，該等光學元件係選自於由非球面板、遠心透鏡、非遠心透鏡、非球面透鏡、環狀多面透鏡、定製基本像差非完美透鏡、一正及負透鏡之組合或一系列修正板-相位轉移遮罩、旋轉三稜鏡、相對於該入射光束傾斜之任何光學元件、及可操控光束傳播之主動補償式光學元件以及產生一明顯地非理想、非高斯光束強度分布曲線之任何數目的光學元件所構成之群組；調整該分散式聚焦透鏡聚焦總成相對於該雷射源之相對距離及/或角度，以便以一分散聚焦組態聚焦該雷射能量脈衝而產生一主要聚焦腰部及至少一個次要聚焦腰部；調整該主要聚焦腰部或該矽標靶之位置，使得該主要聚焦腰部不位在被切削之該犧牲層或該矽標靶之上或其內；調整該分散式聚焦透鏡聚焦總成之焦點，使得在該犧牲層及該矽標靶的表面上之雷射通量的光點位在該主要聚焦腰部之下方或上方；調整在該犧牲層及標靶的表面上之雷射通量的該光點，使得它有始終大於所欲生成在該犧牲層及該矽標靶中之絲化的直徑的一直徑；確保該等次要聚焦腰部之該通量值是有足以確保光聲加壓加工效應能夠傳播通過該犧牲層及該矽標靶之所欲體積的強度及數目；從該雷射源通過該選擇之分散式聚焦透鏡聚焦總成至該犧牲層，施加至少一次雷射脈衝叢波，其中，在該雷射脈衝接觸到該犧牲層上開始加工 點之一點，將脈衝能量或通量之總量施加至該犧牲層上，以開始且傳播通過該犧牲層及該矽標靶兩者之絲化及光聲加壓加工效應；在該矽標靶與該雷射源之間產生一相對移動，以使該等鑽出的孔口形成一切割線；及當完成所欲加工時，停止該雷射脈衝之叢波及絲化。
11. 如請求項10之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：以一致之內徑在該矽基材中產生多數孔口。
12. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：提供一矽基材，該矽基材包括一頂表面；提供一光學參數產生器；從一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成，施加一雷射光束至該光學參數產生器，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以1微米之一第一波長操作；該光學參數產生器將該入射子脈衝之頻率降頻轉換，且從該光學參數產生器提供一輸出，該輸出增加該第一波長至大於或等於1.3微米之一第二波長；藉由傳送至該矽基材的該第二波長之該雷射脈衝能量而產生光聲加壓加工效應，該雷射脈衝能量引發克爾效應自動聚焦，且該克爾效應自動聚焦藉由輸入該矽之額外能量在該矽基材中傳播，因此在該矽基材內產生光絲。
13. 如請求項12之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟： 該分散式聚焦透鏡總成形成一分散聚焦光束路徑，且該分散聚焦光束路徑包含一主要聚焦腰部及一連串直線配置之次要聚焦腰部(焦點)。
14. 如請求項12之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：提供一矽基材，該矽基材包括一頂表面；及，提供一光學參數放大器，該光學參數放大器放大以該第二波長操作之該雷射光束的功率。
15. 如請求項12之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：以一致之內徑在該矽基材中產生多數孔口。
16. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：提供一矽基材，該矽基材包括一頂表面；從具有大於1.3微米波長的一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成，施加一雷射光束至該矽基材，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一第一波長操作；傳送通過該矽基材之雷射能量，引發克爾效應自動聚焦，因此在該矽基材內產生光絲而造成光聲加壓效應及生成孔口；藉由該基材或該光學頭之相對移動，使多數連續的孔口成為一刻線。
17. 如請求項16之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：將切割道之寬度減少至小於10微米。
18. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，包含以下步驟：提供一厚矽晶圓； 該矽晶圓包括一裝置側及一背側；將膠膜放在該裝置側上，以密封該裝置側；使該矽晶圓之背側薄化，至該晶圓達到適當厚度；於該矽晶圓上放置一層克爾犧牲層，並使其與晶圓相接合；從一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成，施加一雷射光束至該克爾犧牲層，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一大於或等於1.3微米之波長操作；及，藉由大於或等於1.3微米的該波長之該雷射脈衝能量傳送通過該矽而產生光聲加壓加工效應，該雷射脈衝能量引發克爾效應自動聚焦，且該克爾效應自動聚焦藉由輸入該矽晶圓之額外能量在該矽晶圓中傳播，因此在該矽晶圓內產生光絲；在不破壞該UV膠膜之情形下，使用超快雷射叢發脈衝從該背側刻劃該矽晶圓，該UV膠膜防止碎屑污染該矽基材之裝置側；及，使用相對於該雷射光束安裝之共焦點、IR顯微鏡或一般顯微鏡，調整在該矽晶圓上之該雷射光束。
19. 如請求項18之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法，更包含以下步驟：將切割道寬度減少至小於10微米。
20. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工基材之方法，包含以下步驟：提供一基材，該基材選自於由SiC、玻璃、硼矽玻璃、化學或加熱強化玻璃、藍寶石、LiNbO3、Ti：藍寶石、LiTaO3、透明陶瓷、結晶棒及GaN所構成之群組，該基材包括一頂表面；從一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成，施加一雷射光束至該基材，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至 50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一波長操作；及，藉由400奈米至3微米之範圍內之一波長的該雷射脈衝能量產生光聲加壓加工效應，該雷射脈衝能量引發克爾效應自動聚焦，且該克爾效應自動聚焦藉由輸入該基材之額外能量在該基材中傳播，因此在該基材內產生光絲。
21. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工基材之方法，包含以下步驟：提供一基材，該基材係選自於由SiC、玻璃、硼矽玻璃、化學或加熱強化玻璃、藍寶石、LiNbO3、Ti：藍寶石、LiTaO3、透明陶瓷、結晶棒及GaN所構成之群組，該基材包括一頂表面；從具有大於1.3微米波長之一雷射源通過一分散式透鏡聚焦總成，施加一雷射光束至該基材，且該雷射光束在一叢發波封中具有至少一個子脈衝，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一第一波長操作；傳送通過該基材之雷射能量，引發克爾效應自動聚焦，因此在該基材內產生光絲，而造成光聲加壓效應及生成孔口；及，藉由該基材或該光學頭之相對移動，使多數連續孔口成為一刻線。
22. 一種藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽塊之方法，包含以下步驟：提供一矽塊，該矽塊呈圓柱形且包括一側及一平坦頂表面；從具有大於1.3微米波長之一雷射源，施加在一叢發波封中具有至少一個超快子脈衝之一雷射光束，該叢發波封包含1至50子脈衝，在該波封中之該等子脈衝以一第一波長操作；將該等超快子脈衝密集地聚焦在該頂表面下方，以形成光學崩解；實施一光柵掃描以覆蓋在該表面下方之所有區域，在該頂表面下方產生一片薄破壞區域； 使用分散式透鏡聚焦總成在該矽塊中產生光絲，進入該矽塊之側圓柱形表面；及，在該分散式透鏡聚焦總成與該矽塊之間產生相對移動，而產生一環繞之刻線。
23. 如請求項22之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽塊之方法，其中，在該分散式透鏡聚焦總成與該矽塊之間產生相對移動，而環繞該矽塊產生一刻線的該步驟，係藉由環繞該矽塊而旋轉該分散式透鏡聚焦總成的方式來實施。
24. 如請求項22之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽塊之方法，其中，在該分散式透鏡聚焦總成與該矽塊之間產生相對移動，而環繞該矽塊產生一刻線的該步驟，係藉由相對於一固定透鏡分散式透鏡聚焦總成而旋轉該矽塊的方式來實施。
25. 如請求項22之藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽塊之方法，更包含以下步驟：以環狀的方式將該矽塊之一部份剝離；以及由該環狀矽塊上將一塊晶圓形狀的薄層分割出來。
26. 一種晶圓，該晶圓係使用請求項1之方法所製成。
27. 一種晶圓，該晶圓係使用請求項6之方法所製成。
28. 一種晶圓，該晶圓係使用請求項12之方法所製成。
29. 一種晶圓，該晶圓係使用請求項16之方法所製成。