TWI726656B - 優化的鐳射切割 - Google Patents

優化的鐳射切割 Download PDF

Info

Publication number
TWI726656B
TWI726656B TW109109086A TW109109086A TWI726656B TW I726656 B TWI726656 B TW I726656B TW 109109086 A TW109109086 A TW 109109086A TW 109109086 A TW109109086 A TW 109109086A TW I726656 B TWI726656 B TW I726656B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
laser beam
pulse
group
pulses
beam pulses
Prior art date
Application number
TW109109086A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202038322A (zh
Inventor
保羅 克里斯蒂安 沃伯格
Original Assignee
新加坡商先進科技新加坡有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新加坡商先進科技新加坡有限公司 filed Critical 新加坡商先進科技新加坡有限公司
Publication of TW202038322A publication Critical patent/TW202038322A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI726656B publication Critical patent/TWI726656B/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/324—Bonding taking account of the properties of the material involved involving non-metallic parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/402—Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/8258—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using a combination of technologies covered by H01L21/8206, H01L21/8213, H01L21/822, H01L21/8252, H01L21/8254 or H01L21/8256
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting

Abstract

一種通過使用鐳射能量照射晶片來切割所述晶片的方法，包括：發射連續雷射光束脈衝序列，所述連續雷射光束脈衝序列具有第一組雷射光束脈衝和第二組雷射光束脈衝，所述第一組雷射光束脈衝包括：各自脈衝寬度在0.1至300納秒的範圍內的雷射光束脈衝，或突發串間間隔在0.1至100納秒範圍內的多個雷射光束脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小；並且所述第二組雷射光束脈衝包括脈衝寬度為100皮秒或更小的雷射光束脈衝。

Description

優化的鐳射切割
本發明涉及一種通過使用鐳射能量照射晶片來切割所述晶片的方法，以及一種用於切割晶片的鐳射切割設備。
分割和劃片是半導體行業中眾所周知的工藝，在半導體行業中，切割機用於加工工件或襯底(如半導體晶片)，所述工件或襯底可以例如包括矽，但不限於此、或金屬和/或陶瓷晶片。貫穿本說明書，術語“晶片”用於包含所有這些產品。在分割(例如也被稱為切片、切斷、割開)過程中，晶片被完全切穿，以將晶片分割成單獨的管芯。在劃片(例如也被稱為開槽、刻痕、刨削或開溝)工藝中，將溝道或溝槽切割成晶片。接著，可以應用其他工藝，例如，通過沿著切割溝道使用物理鋸來進行的完整分割。可替代地或附加地，可以使用鑽孔工藝在晶片上形成孔。貫穿本說明書，術語“切割”將用於包含分割、劃片和鑽孔。
然而，半導體技術小型化的總體趨勢是減小晶片的厚度，並且隨著晶片厚度的減小，已經表明，與使用機械鋸相比，雷射技術在分割方面變得更加有利。與機械對應工藝(如鑽孔和鋸切)相比，將大功率鐳射用於此類材料加工具有顯著優勢，並且鐳射加工在應對小巧而精緻的工件方面具有良好的通用性。
半導體材料的鐳射去除由於雷射光束聚焦的較小區域的溫度快速增加而發生，從而使局部材料熔化、快速沸騰、蒸發和燒蝕。鐳射分割面臨挑戰(包括加工產量和工件(管芯)品質 之間的微妙平衡)。加工品質和產量由鐳射參數(如能量密度、脈衝寬度、重複率、偏振以及偏振分佈、波前形狀以及其相位修正和波長)確定。通常使用納秒雷射脈衝，即具有納秒量級的脈衝寬度的雷射脈衝，其使得品質與產量之間的平衡可接受。
用於半導體、金屬和/或陶瓷晶片的現有鐳射切割或劃片系統採用具有固定脈衝持續時間或可在有限範圍內變化的脈衝持續時間的脈衝雷射器。雷射脈衝之間的間隔可以相等。可替代地，可以採用脈衝串(突發串)。與後續突發串之間的時間相比，突發串內部的脈衝之間的持續時間更短。
例如在WO 1997/029509 A1中，已經提出了使用多光束鐳射的切割方法，其中聚焦雷射光束(其可以以線性鐳射光斑陣列排列)的線性簇用於沿著劃片線對襯底材料進行燒蝕，從而沿著燒蝕線對襯底進行照射刻痕。以這種方式使用多光束而不是(更強烈的)單光束可以提供各種優點，特別是降低了在切割過程中產生的缺陷密度。
鐳射加工品質的定量評估之一是管芯或晶片斷裂強度，其決定晶片斷裂時的拉應力。單軸撓曲測試通常用於測定脆性材料的斷裂強度並且已被用於測量晶片強度。這些測試包括通常用於測量斷裂強度的三點彎曲測試和四點彎曲測試。
據信，通過鐳射分離的晶片的斷裂強度取決於在晶片中進行鐳射分割工藝後出現的鐳射誘發缺陷(如微裂紋和切屑)的程度。這些缺陷由主體半導體材料和局部鐳射加工區之間的介面處的高應力產生。所述高應力是由於在加工過程中以及管芯側壁的化學轉變期間出現的聲衝擊波引起的主體和受加工區之間的高溫度梯度而產生的。包含此類缺陷的半導體材料區域通常被稱為“熱影響區”。晶片的前側和後側的斷裂強度通常不同，並 且事實上，存在可以使後側和上側強度顯著不同的技術、工藝和晶片佈局。
超短脈衝(“USP”)鐳射的最新進展使晶片加工能夠進行的更加精確。由於那些鐳射的時間脈衝寬度比固體中電子-聲子弛豫的典型時間短，造成光激發電子到晶格的熱傳遞，所以小於1-10皮秒的脈衝寬度取決於被加工的特定材料。USP鐳射雖然可以提高材料的管芯強度，但使用這類USP鐳射的晶片加工系統的生產率由於若干原因(例如包括使用此類系統產生的較小的熱擴散誘發交互體積)被降低。此外，經常觀察到切割或劃片深度有較大變化。
本發明旨在在單個優化系統中組合不同雷射脈衝持續時間的優點。
根據本發明，該目的通過在整個照射序列中應用脈衝寬度不同的雷射光束脈衝來實現。
以此方式，使用超短脈衝和納秒脈衝或突發串波封來照射待加工晶片。這些脈衝可以由單個或多個鐳射源產生。納秒突發串波封由間隔在納秒域內的多個超短脈衝組成，此類突發串可以在一定程度上模擬納秒脈衝的行為。使用此類突發串的優點是：它可以由與超短脈衝相同的鐳射源以簡單的方式產生。
一種實施方式可以是創建超短脈衝和納秒脈衝或納秒突發串波封的交替模式。
另一實施方式可以是首先使用納秒脈衝或納秒突發串波封照射晶片，然後使用超短脈衝進行後處理。
兩種實施方式具有相同的工作原理：超短脈衝應消除由納秒脈衝或納秒突發串波封產生的部分或全部損壞。損壞可 能表現為切屑、空隙、微裂紋、表面粗糙度和/或波紋或相變材料。
根據本發明的第一態樣，提供了一種通過使用鐳射能照射晶片來切割所述晶片的方法，包括以下步驟：
i)提供鐳射源，所述鐳射源被適配為發射連續雷射光束脈衝序列，
ii)從所述鐳射源發射雷射光束脈衝，
iii)引導所發射的雷射光束脈衝照射待切割的晶片；以及
iv)相對於所述照射雷射光束脈衝移動所述晶片，以便沿切割線切割所述晶片，
其中，所述雷射光束脈衝序列包括：
第一組雷射光束脈衝和第二組雷射光束脈衝，
所述第一組雷射光束脈衝包括：
脈衝寬度在0.1至300納秒範圍內的至少一個雷射光束脈衝，或
至少一個雷射光束脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小，並且
所述第二組雷射光束脈衝包括脈衝寬度為100皮秒或更小的至少一個雷射光束脈衝。
根據本發明的第二態樣，提供了一種用於執行上述方法的鐳射切割設備。
根據本發明的第三態樣，提供了一種用於切割晶片的鐳射切割設備，包括：
鐳射源，所述鐳射源被適配為發射連續雷射光束脈衝序列，所述序列包括第一組雷射光束脈衝和第二組雷射光束脈衝，所述第一組雷射光束脈衝包括脈衝寬度在0.1至300納秒範圍內的至 少一個雷射光束脈衝，或至少一個雷射光束脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小，並且所述第二組雷射光束脈衝包括脈衝寬度為100皮秒或更小的至少一個雷射光束脈衝；
雷射光束引導元件，所述雷射光束引導元件用於引導來自所述鐳射源的所述雷射光束脈衝照射待切割的晶片；以及
驅動元件，所述驅動元件用於相對移動所述晶片以及所述照射雷射光束脈衝。
在所附申請專利範圍中闡述了本發明的其他具體方面和特徵。
1:納秒脈衝
2:皮秒/飛秒脈衝
3:納秒脈衝
4:皮秒/飛秒脈衝
5:脈衝突發串
6:皮秒/飛秒脈衝
7:皮秒/飛秒脈衝
8:皮秒/飛秒脈衝
9:皮秒/飛秒脈衝
10:鐳射切割設備
11:晶片
13:卡盤
14:驅動器
15:脈衝鐳射源
16:雷射光束
17:反射鏡
18:衰減器/光閥
19:電動的半波片
20:反射鏡
21:光束擴展器
22:衍射光學元件
23:透鏡
24:反射鏡
25:反射鏡
26:空間濾波器
27:透鏡
28:反射鏡
29:透鏡
圖1 示意性地示出了根據本發明的一個實施例的照射方案的時序圖。
圖2 示意性地示出了根據本發明的第二實施例的照射方案的時序圖。
圖3 示意性地示出了根據本發明的第三實施例的照射方案的時序圖。
圖4 示意性地示出了根據本發明的第四實施例的照射方案的時序圖。
圖5 示意性地示出了用於實現本發明的方法的鐳射切割設備。
本發明利用照射方案，在這些照射方案中，連續雷射光束脈衝序列是由鐳射源發射的。所有這些照射方案都包括序列，所述序列包括至少兩組脈衝或脈衝“子序列”。在第一組脈衝中，所發射的一個雷射光束脈衝或多個雷射光束脈衝旨在達到 良好的材料去除率，而在第二組脈衝中，發射至少一個超短脈衝(例如，脈衝寬度在皮秒或飛秒範圍內的脈衝)，所述至少一個超短脈衝旨在改善所照射的晶片的品質(包括其機械強度)。在這些不同照射方案中，序列可以迴圈重複。在本發明的不同實施例中，第一組可以不同地包括：
a.持續時間(脈衝寬度)在1ns至300ns範圍內的單個納秒脈衝；
b.多個納秒脈衝，各個納秒脈衝的持續時間(脈衝寬度)在1ns至300ns的範圍內。脈衝的數量可能足以切割/劃片/開槽整個晶片；
c.由超短脈衝(如脈衝寬度在皮秒或飛秒範圍內的脈衝(“皮秒或飛秒脈衝”))組成的單個突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小；或
d.多個超短脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小。突發串的數量可能足以切割/劃片/開槽整個晶片。
在本發明的不同實施例中，第二組可以不同地包括：
a.脈衝寬度為100皮秒或更小的單個超短脈衝；或
b.脈衝寬度為100皮秒或更小的多個超短脈衝。脈衝的數量可能足以對整個晶片進行後處理。如本領域技術人員所理解的那樣，由於脈衝間間隔較佳地在10ns至1ms的範圍內，所以所述多個脈衝較佳地不形成突發串。
使用超短脈衝突發串而不是納秒脈衝的優點是：與納秒脈衝相比，超短脈衝突發串更易於由標準超短脈衝雷射器產生。
圖1至圖4示意性地示出了根據本發明的實施例的各個照射方案，其中這些圖示出了方案的單個脈衝序列。
如果時序參數在大範圍內變化，則這些方案在某種程度上是可以互換的。所有方案是重複的，使得可以重複所顯示的序列以產生總體方案。在完成脈衝序列後，可以在額外時間延遲後從頭開始重新啟動序列。這些方案可以被視為用於說明：晶片表面的超快光電二極體將測量什麼。
圖1示意性地示出了根據本發明的一個實施例的照射方案的時序圖。該照射方案包括雷射光束脈衝序列，所述雷射光束脈衝序列具有脈衝寬度在納秒範圍內的第一組脈衝和脈衝寬度在皮秒或飛秒範圍內的第二組脈衝。在該方案中，在每個脈衝之後切換脈衝持續時間，使得所述序列包括來自第一組和第二組的交替脈衝。
如圖1所示：
“Ep”表示單獨的雷射脈衝的能量，其對應於脈衝期間的雷射光束的強度；
“t”表示時間；
T1，每個脈衝1的持續時間T1在1ns至300ns的範圍內；
T2，每個納秒脈衝1和緊隨其後的皮秒/飛秒脈衝2之間的脈衝間間隔T2在100ps至1ms的範圍內；並且
T3，每個皮秒/飛秒脈衝2的持續時間T3在10fs至100ps的範圍內。
納秒脈衝1的能量E1可以不同於皮秒/飛秒脈衝2的能量E2。在圖1所示出的序列中，皮秒/飛秒脈衝2的能量大於納秒脈衝1的能量。典型序列重複率(即圖1中所示出的序列的重複頻率)在1kHz至100MHz的範圍內，並且在索引期間所述 序列將被中斷(門控)。
圖2示意性地示出了根據本發明的第二實施例的照射方案的時序圖。在此，在每個序列內，在切換到包括脈衝寬度在皮秒/飛秒範圍內的多個脈衝4的第二組之前，可以發射包括脈衝寬度在納秒範圍內的多個(可能較大數量的)脈衝3的第一組。
如圖2所示：
“Ep”表示單獨的雷射脈衝的能量，其對應於脈衝期間的雷射光束的強度；
“t”表示時間；
T1，每個脈衝3的持續時間T1在1ns至300ns的範圍內；
T2，連續納秒脈衝3之間的脈衝間間隔T2在1μs至1ms的範圍內；
T3表示序列中的最後一個納秒脈衝3與緊隨其後的皮秒/飛秒脈衝4之間的脈衝間間隔。T3的值由脈衝持續時間切換延遲決定；
T4，每個皮秒/飛秒脈衝4的持續時間T4在10fs至100ps的範圍內；
T5，連續皮秒/飛秒脈衝4之間的脈衝間間隔T5在10ns至1ms的範圍內；
N，納秒脈衝3的數量N在1
Figure 109109086-A0202-12-0008-6
N<∞的範圍內；
O，M，皮秒/飛秒脈衝4的數量M在1
Figure 109109086-A0202-12-0008-7
M<∞的範圍內。
圖2中的序列可以與整個晶片的加工時間一樣長(例如，從約一分鐘至一個小時以上)。例如，所示出的單個序列可以用於使用納秒級脈衝切割晶片，並且然後使用超短脈衝進行後處理。因此，在晶片上加工單個凹槽或切割線時，無需重複此 序列。
納秒脈衝3的能量E1可以不同於皮秒/飛秒脈衝4的能量E2。在圖2所示出的序列中，皮秒/飛秒脈衝4的能量低於納秒脈衝3的能量。
此方案的可能應用是使用納秒脈衝3切割切片道或整個晶片，並且然後使用皮秒/飛秒脈衝4對其進行後處理。
圖3示意性地示出了根據本發明的第三實施例的照射方案的時序圖。該照射方案使用包括第一組和第二組的脈衝序列，所述第一組包括由多個(N個)皮秒/飛秒脈衝6組成的突發串5，所述第二組包括在序列末尾的較高能量的皮秒/飛秒脈衝7。
如圖3所示：
“Ep”表示單獨的雷射脈衝的能量，其對應於脈衝期間的雷射光束的強度；
“t”表示時間；
T1，每個脈衝6的持續時間T1在10fs至100ps的範圍內；
T2，突發串5內的連續皮秒/飛秒脈衝6之間的脈衝間間隔T2在100ps至100ns的範圍內；
T3表示突發串5的最後一個皮秒/飛秒脈衝6與隨後的皮秒/飛秒脈衝7之間的脈衝間間隔，並且在100ps至100ns的範圍內；
N，突發串5中的皮秒/飛秒脈衝6的數量N在2
Figure 109109086-A0202-12-0009-8
N
Figure 109109086-A0202-12-0009-9
100的範圍內；並且
皮秒/飛秒脈衝7的能量E2>>突發串5中的每個皮秒/飛秒脈衝6的能量E1。
由皮秒/飛秒脈衝6組成的突發串5的作用類似於單個納秒脈衝，因此，圖3的方案在概念上類似於圖1中所示出 的方案。但，由於鐳射源可以僅發射皮秒/飛秒脈衝，而不是在皮秒/飛秒脈衝與納秒脈衝之間切換，因此與圖1的方案相比，圖3的方案可能在實踐中更易於產生。
典型序列重複率(即圖3中所示出的序列的重複頻率)在1kHz至100MHz的範圍內，並且在索引期間所述序列將被中斷(門控)。
圖4示意性地示出了根據本發明的第四實施例的照射方案的時序圖。該照射方案使用包括第一組和第二組的脈衝序列，所述第一組包括多個突發串5，每個突發串5由多個(N個)皮秒/飛秒脈衝8組成，所述第二組包括在序列末尾的多個皮秒/飛秒脈衝9。
如圖4所示：
“Ep”表示單獨的雷射脈衝的能量，其對應於脈衝期間的雷射光束的強度；
“t”表示時間；
T1，每個脈衝8的持續時間T1在10fs至100ps的範圍內；
T2，突發串5內的連續皮秒/飛秒脈衝8之間的脈衝間間隔T2在100ps至100ns的範圍內；
T3，連續突發串5之間的突發串間間隔T3在0.1至100納秒的範圍內；
T4表示最後一個突發串5的最後一個皮秒/飛秒脈衝8與隨後的皮秒/飛秒脈衝9之間的脈衝間間隔。由於T4可能包含對整個晶片進行切割/劃片/開槽，因此T4可能在較大的值範圍內，但可能至少為100ps；
T5，每個脈衝9的持續時間T5在10fs至100ps的範圍內；
T6，連續皮秒/飛秒脈衝9之間的脈衝間間隔T6在10ns至 1ms的範圍內；
N，每個突發串5中的皮秒/飛秒脈衝6的數量N在2
Figure 109109086-A0202-12-0011-10
N
Figure 109109086-A0202-12-0011-11
100的範圍內。
在本實施例中的皮秒/飛秒脈衝9的能量E2基本上等於每個皮秒/飛秒脈衝8的能量E1。在其他相關實施例中，能量可以不同。
由皮秒/飛秒脈衝8組成的每個突發串5的作用類似於單個納秒脈衝，因此，圖4的方案在概念上類似於圖2中所示出的方案。然而，由於鐳射源可以僅發射皮秒/飛秒脈衝，而不是在皮秒/飛秒脈衝與納秒脈衝之間切換，因此與圖2的方案相比，圖4的方案可能在實踐中更易於產生。
圖4中的序列可以與整個晶片的加工時間一樣長(例如，從約一分鐘至一個小時以上)。例如，所示出的單個序列可以用於使用納秒突發串波封切割晶片，並且然後使用超短脈衝進行後處理。因此，在晶片上加工單個凹槽或切割線時，無需重複所述序列。
圖5示意性地示出了適用於執行本發明的方法的鐳射切割設備10。
將半導體材料(在本實施例中為半導體晶片11)支撐在卡盤13上。在使用中，由驅動器14驅動卡盤13以及由此驅動晶片11，使得晶片11和照射鐳射之間存在相對移動(見下文)。脈衝鐳射源15被適配為根據時序安排(如上述時序安排)輸出偏振雷射光束16的脈衝。鐳射源15操作用於輸出雷射光束脈衝，即脈衝雷射光束16。通常，鐳射源15包括例如在其振盪器和放大器之間的調製器(未示出)，所述調製器能夠調節所發射的雷射脈衝的強度，並因此控制參照上述圖1至圖4所描述的E1和E2 的值。在其他實施例中(未示出)，可以使用外部調製器來實現這種強度控制。由組件將脈衝雷射光束16引導至晶片11上。更詳細地，反射鏡17將光束16引導至衰減器/光閥18上以控制光束。提供了選擇性致動的光學偏振構件(在本實施例中呈電動的半波片19的形式)，所述光學偏振構件能夠選擇性移動以與脈衝雷射光束16進行交互。較佳地，半波片19被安裝成圍繞雷射光束軸線旋轉。因此，通過選擇性地旋轉半波片19，可以以切換的方式控制雷射光束16的偏振狀態。通過控制裝置(未示出)(如電腦或處理器等)對電動機的控制操作來實現選擇性移動。另一個反射鏡20將脈衝雷射光束16引導至光束擴展器21上以產生加寬的光束。衍射光學元件(“DOE”)22將加寬的光束衍射或劃分成預定圖案的在空間上分離的輸出子光束。透鏡23和27共同形成中繼望遠鏡。其他反射鏡24、25將子光束引導至空間濾波器26，空間濾波器26用於形成期望的預定光束圖案。空間濾波器26位於由透鏡23產生的中間焦點上。反射鏡28將子光束引導至聚焦透鏡29上。這以預定照射點圖案將鐳射聚焦到支撐卡盤13上的晶片11上。通過相對於照射脈衝雷射光束16移動晶片，雷射光束脈衝照射並且因此沿著切割線(未示出)切割晶片11。
通過使用來自種子雷射器(振盪器)的多個脈衝對放大器進行播種，可以產生超短脈衝突發串。另一種選擇是僅從再生放大器中部分轉儲脈衝，使得可以在一個額外腔體往返時間之後產生另一個脈衝。這些是許多可商購雷射器的標準選項。例如，可以通過在多個種子雷射器之間切換或在Q開關模式下運行再生放大器來實現從同一雷射器產生納秒脈衝。在另一個實施例中(未示出)，鐳射源可以包括兩個單獨的雷射器，這兩個單獨的雷射器分別用於提供納秒脈衝和超短脈衝。
根據待切割的半導體材料以及切割操作的類型(如開槽、分割等)，改變序列或方案內的連續脈衝或突發串之間的雷射光束脈衝特徵是可能有利的。例如，通過適當控制鐳射源15，方案中的連續突發串可能具有不同的脈衝重複頻率。可替代地或附加地，例如通過控制鐳射源內部或外部的調製器，在連續突發串或脈衝中傳輸的能量可能是不同的，使得第一突發串內的脈衝的脈衝能量不同於第二突發串或隨後的突發串內的脈衝的脈衝能量。
可替代地或附加地，例如可以通過選擇性轉動半波片19控制所發射的雷射光束脈衝的偏振，使得方案或序列內的不同雷射光束脈衝具有不同的雷射光束偏振狀態。例如，突發串的雷射光束脈衝可能具有例如平行或垂直於切割線的線性偏振，而隨後的雷射光束脈衝可能呈線性偏振，其中偏振方向正交於突發串的雷射光束脈衝的偏振。還可以例如通過在雷射光束16的路徑中選擇性應用四分之一波片(未示出)，使序列或方案的一個或多個雷射光束脈衝呈圓偏振或橢圓偏振。
如以上所指出的，DOE 22可以用於將光束16衍射成預定圖案的輸出鐳射子束，所述預定圖案的輸出鐳射子束與空間濾波器26一起在半導體材料上形成期望的預定照射點圖案。可能有利的是針對方案或序列內的不同脈衝或突發串創建不同照射點圖案，換言之，可以劃分連續脈衝或突發串的雷射光束脈衝，使得與方案中的第一突發串或脈衝相關聯的照射點圖案不同於與方案中的下一個突發串或脈衝相關聯的照射點圖案。這種效果可以通過多種方式實現，例如通過針對第二突發串或脈衝選擇不同的DOE，或通過調整突發串或脈衝之間的空間濾波器26。在此技術的改進中，在連續突發串或脈衝期間產生的照射點可能 分別在空間上是分離的，以照射所述半導體材料中的不同切割線。以此方式，第一突發串或脈衝可以用於產生與主切割線平行但間隔開的溝渠線，而隨後的突發串或脈衝可以用於產生主切割線。
上述實施例僅是示例性的，並且在本發明範圍內的其他可能性和替代方案對本領域的技術人員而言是顯而易見的。例如，雖然在上述具體實施例中，在保持鐳射光學器件靜止的同時移動半導體材料，使半導體材料與照射雷射光束脈衝之間發生相對移動，而在替代性實施例中，可以通過使半導體材料保持靜止並且移動鐳射和/或鐳射光學器件來提供相對移動，或可替代地可以同時移動半導體材料和鐳射和/或鐳射光學器件。
在上述具體實施例中，通過使用脈衝雷射器產生單獨的雷射光束脈衝。然而，從理論上講，可以使用外部斬束機構來創建單獨的脈衝，例如，使用具有依次放置在雷射光束路徑中的多個阻擋元件的快速旋轉輪來創建單獨的脈衝。
第一組和第二組的相對能量可以根據特定應用的需要而變化。
在其他實施例中(未示出)，除了第一組和第二組雷射光束脈衝之外，每個序列還可以包括第三組和其他組雷射光束脈衝，以適合於特定應用。
5:脈衝突發串
8:皮秒/飛秒脈衝
9:皮秒/飛秒脈衝

Claims (16)

  1. 一種通過使用鐳射能量照射晶片來切割所述晶片的方法，包括以下步驟：i)提供鐳射源，所述鐳射源被適配為發射連續雷射光束脈衝序列，ii)從所述鐳射源發射雷射光束脈衝，iii)引導所發射的雷射光束脈衝照射待切割的晶片；以及iv)相對於所述照射雷射光束脈衝移動所述晶片，以便沿切割線切割所述晶片，其中，所述雷射光束脈衝序列包括：第一組雷射光束脈衝和第二組雷射光束脈衝，所述第一組雷射光束脈衝包括：脈衝寬度在0.1至300納秒範圍內的至少一個雷射光束脈衝，或至少一個雷射光束脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小，並且所述第二組雷射光束脈衝包括脈衝寬度為100皮秒或更小的至少一個雷射光束脈衝；其中所述第一組雷射光束脈衝用於在所述晶片中形成至少一個切口，並且所述第二組雷射光束脈衝用於對所形成的至少一個切口進行後處理。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述第一組雷射 光束脈衝包括各自脈衝寬度在0.1至300納秒範圍內的雷射光束脈衝。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述第一組雷射光束脈衝包括至少一個雷射光束脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中所述第一組雷射光束脈衝包括突發串間間隔在0.1至100納秒範圍內的多個雷射光束脈衝突發串。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包括迴圈重複所述雷射光束脈衝序列的步驟。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中每個序列包括所述第一組雷射光束脈衝的單個雷射光束脈衝或單個雷射光束脈衝突發串，以及所述第二組雷射光束脈衝的單個雷射光束脈衝，使得使用所述第一組雷射光束脈衝的交替雷射光束脈衝或雷射光束突發串和所述第二組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝來照射所述晶片。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中每個序列包括所述第一組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝，隨後是所述第二組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝，其中這兩個脈衝之間的間隔在100皮秒和1毫秒之間。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中每個序列包括所述第一組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝突發串，隨後是所述第二 組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝，其中所述突發串與所述隨後的脈衝之間的間隔為至少100皮秒。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中每個序列包括所述第一組雷射光束脈衝的至少兩個連續雷射光束脈衝或雷射光束脈衝突發串，隨後是所述第二組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中每個序列包括所述第一組雷射光束脈衝的雷射光束脈衝或雷射光束脈衝突發串，隨後是所述第二組雷射光束脈衝的至少兩個連續雷射光束脈衝。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述第二組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量不同於所述第一組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中所述第二組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量大於所述第一組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中所述第二組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量小於所述第一組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包括以下步驟：控制所發射的雷射光束脈衝的偏振，使得所述第二組雷射光束脈衝的所述雷射光束脈衝具有不同於所述第一組雷射光束脈衝的所述雷射光束脈衝的雷射光束偏振狀態。
  15. 一種用於執行如申請專利範圍第1項所述之方法的鐳射 切割設備。
  16. 一種用於切割晶片的鐳射切割設備，包括：鐳射源，所述鐳射源被適配為發射連續雷射光束脈衝序列，所述序列包括第一組雷射光束脈衝和第二組雷射光束脈衝，所述第一組雷射光束脈衝包括脈衝寬度在0.1至300納秒範圍內的至少一個雷射光束脈衝，或至少一個雷射光束脈衝突發串，所述突發串內的每個脈衝的脈衝寬度為100皮秒或更小，並且所述第二組雷射光束脈衝包括脈衝寬度為100皮秒或更小的至少一個雷射光束脈衝；雷射光束引導元件，所述雷射光束引導元件用於引導來自所述鐳射源的所述雷射光束脈衝照射待切割的晶片；以及驅動元件，所述驅動元件用於相對移動所述晶片以及所述照射雷射光束脈衝；其中，該用於切割晶片的鐳射切割設備被配置為發射第一組雷射光束脈衝及第二組雷射光束脈衝，使得所述第二組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量不同於所述第一組雷射光束脈衝的每個雷射光束脈衝的能量。
TW109109086A 2019-04-02 2020-03-19 優化的鐳射切割 TWI726656B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/372,536 2019-04-02
US16/372,536 US20200316722A1 (en) 2019-04-02 2019-04-02 Optimised laser cutting

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202038322A TW202038322A (zh) 2020-10-16
TWI726656B true TWI726656B (zh) 2021-05-01

Family

ID=72662144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109109086A TWI726656B (zh) 2019-04-02 2020-03-19 優化的鐳射切割

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20200316722A1 (zh)
JP (1) JP7008740B2 (zh)
KR (1) KR102327249B1 (zh)
CN (1) CN111805094B (zh)
SG (1) SG10202002595TA (zh)
TW (1) TWI726656B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210283719A1 (en) * 2020-03-12 2021-09-16 Rohr, Inc. Substrate perforation system & method using beamlets
CN112570897B (zh) * 2020-11-17 2023-03-24 华东师范大学重庆研究院 飞秒脉冲簇产生方法及石英微流控芯片制造装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140239552A1 (en) * 2013-02-23 2014-08-28 Raydiance, Inc. Shaping of brittle materials with controlled surface and bulk properties

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7491909B2 (en) * 2004-03-31 2009-02-17 Imra America, Inc. Pulsed laser processing with controlled thermal and physical alterations
TWI379724B (en) * 2006-02-03 2012-12-21 Gsi Group Corp Laser-based method and system for removing one or more target link structures
US7428253B2 (en) * 2006-09-29 2008-09-23 Pyrophotonics Lasers Inc. Method and system for a pulsed laser source emitting shaped optical waveforms
CN105583526B (zh) * 2008-03-21 2018-08-17 Imra美国公司 基于激光的材料加工方法和系统
GB2459669A (en) * 2008-04-30 2009-11-04 Xsil Technology Ltd Dielectric layer pulsed laser scribing and metal layer and semiconductor wafer dicing
JP5528015B2 (ja) * 2009-06-10 2014-06-25 株式会社ディスコ レーザ加工装置
CN102939184A (zh) * 2010-05-04 2013-02-20 Esi-派罗弗特尼克斯雷射股份有限公司 用于使用激光脉冲序列钻孔的方法和装置
JP5967405B2 (ja) * 2012-01-17 2016-08-10 アイシン精機株式会社 レーザによる割断方法、及びレーザ割断装置
US9517963B2 (en) * 2013-12-17 2016-12-13 Corning Incorporated Method for rapid laser drilling of holes in glass and products made therefrom
EP2944413A1 (de) * 2014-05-12 2015-11-18 Boegli-Gravures S.A. Vorrichtung zur Maskenprojektion von Femtosekunden- und Pikosekunden- Laserstrahlen mit einer Blende, einer Maske und Linsensystemen
FR3054331B1 (fr) * 2016-07-20 2022-07-29 Irisiome Systeme de generation d'impulsions lumineuses breves ou ultra-breves

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140239552A1 (en) * 2013-02-23 2014-08-28 Raydiance, Inc. Shaping of brittle materials with controlled surface and bulk properties

Also Published As

Publication number Publication date
SG10202002595TA (en) 2020-11-27
CN111805094B (zh) 2022-08-26
CN111805094A (zh) 2020-10-23
JP2020170842A (ja) 2020-10-15
JP7008740B2 (ja) 2022-01-25
US20200316722A1 (en) 2020-10-08
KR102327249B1 (ko) 2021-11-17
TW202038322A (zh) 2020-10-16
KR20200117888A (ko) 2020-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5823490B2 (ja) 脆性材料のレーザシンギュレーションのための改良された方法及び装置
US8367968B2 (en) System and method for multi-pulse laser processing
US9786562B2 (en) Method and device for cutting wafers
JP5910075B2 (ja) 被加工物の加工方法
JP2004528991A (ja) レーザーによる部分加工
JP2004528991A5 (zh)
TW201143947A (en) Laser machining and scribing systems and methods
CN111069793B (zh) 一种双脉冲激光隐形切割的方法
JP6925745B2 (ja) ウェーハのレーザー加工方法
TWI720639B (zh) 切割半導體材料的方法及鐳射切割裝置
JP2018523291A (ja) 半導体加工対象物のスクライブ方法
TWI726656B (zh) 優化的鐳射切割
TW201938306A (zh) 加工裝置
CN113601027A (zh) 一种双激光复合隐形切割方法及加工系统
JP6744624B2 (ja) 管状脆性部材の分断方法並びに分断装置
JP2020021968A (ja) 半導体加工対象物のスクライブ方法
JP6787617B2 (ja) 管状脆性部材の分断方法並びに分断装置
JP2015123482A (ja) レーザダイシング装置およびレーザダイシング方法