專利名稱：晶片切割方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割或切分半導(dǎo)體晶片的方法，以及通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割或切分半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)。更具體地，本方法涉及利用激光束切割晶片。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的背景技術(shù)的下面討論旨在有助于本發(fā)明的理解。然而，應(yīng)理解，在任何司法權(quán)中，截止本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)日，該討論不認(rèn)可或承認(rèn)所涉及的任何材料都是公開(kāi)、已知或作為公知常識(shí)的一部分。半導(dǎo)體晶片切割或切分是將半導(dǎo)體晶片(通常但不必要總是硅晶片)分離成單個(gè)的較小半導(dǎo)體芯片的切割操作。將晶片切割為分離的芯片可以通過(guò)多種方法完成，諸如利用片鋸。然而，這種傳統(tǒng)方法存在一些問(wèn)題。第一，刀片易隨時(shí)間磨損。因此使用同一個(gè)刀片會(huì)隨著時(shí)間影響切割質(zhì)量。操作者必須預(yù)知刀片的使用壽命并需要在其使用壽命的末期更換新的刀片。過(guò)早的刀片更換導(dǎo)致高昂的設(shè)備成本。第二，切割條件(諸如施加的力、切割速度、切割深度和切割角度)必須精確控制，以防晶片表面上出現(xiàn)任何斷裂或破裂。此外，切割過(guò)程常常沿著切割路徑的邊緣產(chǎn)生顆粒或碎片。隨著技術(shù)進(jìn)步和對(duì)微型半導(dǎo)體裝置的需求的增加，對(duì)更薄晶片的需要也增加了。這對(duì)傳統(tǒng)片鋸切割方法形成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)楸【闹苯訖C(jī)械切割不可避免地將機(jī)械應(yīng)力引入薄晶片，而且薄晶片出現(xiàn)斷裂的可能比較厚晶片大。相對(duì)于片鋸切割，可選的廣泛采用的切割方法是激光切割，激光切割是一種非接觸式切割方法。不同于片鋸切割工藝，在使用非接觸式激光切割方法的情況下，沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力引入晶片。不同激光(諸如1064nm的Q-開(kāi)關(guān)Nd:YAG激光及其諧波(harmonics)，UV激光，以及具有用于高光學(xué)吸收或與硅進(jìn)行多光子作用的短脈沖，以用于硅晶片的激光處理) 的使用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的。通常，激光束在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)聚焦在目標(biāo)上并同時(shí)釋放能量。激光束的光化學(xué)作用使目標(biāo)材料中的化學(xué)鍵斷裂并可以通過(guò)使掃描激光束或工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生所需的形狀來(lái)完成切割，以產(chǎn)生期望的形狀。由于激光束的光化學(xué)作用使硅晶片中的鍵斷裂，故在晶片表面產(chǎn)生了包括硅沉積的碎屑。碎屑的存在極大地降低了晶片的質(zhì)量。必須徹底去除碎屑，以避免在后續(xù)封裝操作中出現(xiàn)故障。在去除由激光切割產(chǎn)生的碎屑的嘗試中，已經(jīng)提出了輔助氣體的使用，輔助氣體包括氮?dú)狻鍤?、空氣、氧氣或其混合。例如，在第一切割階段期間向晶片表面供應(yīng)第一輔助氣體，并且隨后在第二后續(xù)切割階段期間向晶片表面供應(yīng)第二輔助氣體。硅沉積在形成時(shí)將通過(guò)輔助氣體快速去除，從而使晶片表面上的硅的沉積最小化。在另一種嘗試中，在存在包括六氟化硫(SF6)的輔助氣體的情況下執(zhí)行硅晶片的切割。激光束以高于硅的熔蝕閾值的功率密度聚焦在硅晶片表面上，使得輔助氣體與硅反應(yīng)，以形成氣態(tài)四氟化硅(SiF4)。因此使晶片表面上的硅的沉積最小化。然而，輔助氣體的使用導(dǎo)致更高的操作和材料成本，這使得該方案不具有吸引力。水噴射引導(dǎo)的激光束的使用是另一種被提出的切割硅晶片的方法。水噴射引導(dǎo)激光主要基于在精細(xì)的水噴射內(nèi)引導(dǎo)激光束。由于水和空氣的反射系數(shù)的不同，故激光束在水噴射表面完全反射，類似于光纖的工作原理。水噴射引導(dǎo)的激光束組合優(yōu)于傳統(tǒng)激光切割的優(yōu)點(diǎn)是，由于高壓水噴射的沖刷，激光切割期間所產(chǎn)生的碎屑被同時(shí)從切割路徑中去除。這消除了對(duì)輔助氣體的需要。然而，當(dāng)切割具有集成電路的晶片時(shí)，水的存在是不期望的。實(shí)際上，常常需要在硅晶片的激光切割期間避免(不然就最小化)水的存在。迄今為止，相比于機(jī)械片鋸切割方法，用于將半導(dǎo)體晶片分離成單個(gè)半導(dǎo)體芯片的激光切割方法依然是一種滿意和方便的選擇。盡管如此，現(xiàn)有激光切割方法存在的問(wèn)題是，在切割之后，碎屑污染物沉積在晶片表面，該沉積最終導(dǎo)致最終產(chǎn)生的半導(dǎo)體裝置性能下降。此外，附加的或后續(xù)處理過(guò)程常常需要從晶片表面去除碎屑，這可能是復(fù)雜且耗時(shí)的。電子裝置的趨勢(shì)是朝著更高的速度、更集成的功能和更緊湊的體積發(fā)展。傳統(tǒng)的集成電路結(jié)構(gòu)不足以滿足日漸增長(zhǎng)的、對(duì)更高性能的需求。更好表現(xiàn)的集成電路要求更薄的硅襯底以及向電子裝置引入新材料或結(jié)構(gòu)。因?yàn)槎喾N原因而需要薄硅晶片。更薄的晶片有助于電路的堆疊，這直接導(dǎo)致電路密度的增加。通過(guò)降低硅體積的厚度，使裝置更加靠近金屬熱池，使得熱量遠(yuǎn)離作用區(qū)域更有效地傳導(dǎo)，這對(duì)于高頻操作是至關(guān)重要的。對(duì)于柔性系統(tǒng)，諸如智能卡、紙上芯片和無(wú)觸點(diǎn)標(biāo)簽，薄晶片的機(jī)械柔性是理想的。現(xiàn)今，芯片厚度小于250 μ m，并將進(jìn)一步減小。傳統(tǒng)上，使用金剛石鋸片來(lái)切分晶片。由于這種技術(shù)的接觸性質(zhì)，故不可能降低機(jī)械損傷而不顯著犧牲切分速度。所有切割條件(諸如施加的力、切割速度、切割深度和切割角度)必須正確且良好地控制，以防硅晶片表面上出現(xiàn)任何斷裂或破裂。隨著襯底厚度的減少，新的材料和結(jié)構(gòu)被引入，以獲得所需的高性能，包括具有低介電常數(shù)的中間層電介質(zhì)、聚酰亞胺涂層和銅互連。與傳統(tǒng)硅相比，這些新材料或結(jié)構(gòu)具有更低的彈性模量、更低的機(jī)械強(qiáng)度和更差的層間粘附性，這給晶片切分帶來(lái)了嚴(yán)重的困難。因此，需要提供一種克服或至少減輕上述問(wèn)題的晶片切割方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
在本文件中，除非另有相反的指示，術(shù)語(yǔ)“包括(comprising)”，“由……構(gòu)成 (consisting of) ”等，將被解釋為非窮盡的，換言之，將被解釋為“包括但不限于”的含義。在本發(fā)明的第一方面，提供了一種通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割半導(dǎo)體晶片的方法。所述方法包括朝著所述晶片的表面照射激光束；以及會(huì)聚所述激光束以形成焦點(diǎn)，從而形成聚焦體積，所述聚焦體積由所述焦點(diǎn)和所述晶片內(nèi)的所述激光束的邊界限定。所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片收縮得更快，從而在所述晶片內(nèi)生成裂縫。優(yōu)選地，該照射步驟包括照射激光功率密度低于晶片熔蝕的汽化閾值的激光束。
在本發(fā)明的第二方面，提供了一種通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括激光束源，用于朝著所述晶片的表面照射激光束；以及會(huì)聚透鏡，用于會(huì)聚所述激光束，以形成焦點(diǎn)，從而形成聚焦體積，所述聚焦體積由所述焦點(diǎn)和所述晶片內(nèi)的所述激光束的邊界限定。所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片收縮得更快，從而在所述晶片內(nèi)生成裂縫。


在僅通過(guò)實(shí)施例示出本發(fā)明的實(shí)施方式的附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一方面的激光切割晶片的系統(tǒng)的示意圖。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的激光束的聚焦，其中⑴焦點(diǎn)形成于晶片表面下方并位于晶片內(nèi)，(II)焦點(diǎn)形成于晶片下方并位于晶片外，(III)焦點(diǎn)形成于晶片表面上方并位于晶片外。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的晶片內(nèi)部生成裂縫的現(xiàn)象。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的激光引發(fā)的裂縫的傳播。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第二方面的激光切割晶片的系統(tǒng)的示意圖。圖6示出根據(jù)本發(fā)明激光束通過(guò)光束整形器的聚焦。圖7示出根據(jù)本發(fā)明激光束通過(guò)光束擴(kuò)展器的擴(kuò)展。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割或切分半導(dǎo)體晶片的方法以及通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割或切分半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)。半導(dǎo)體晶片包括但不限于硅(Si)，涂覆有氧化物薄層、氮化物薄層、碳化物薄層或金屬薄層的硅，砷化鎵(GaAs)，碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，以及磷化銦(InP)。優(yōu)選地，晶片是硅。根據(jù)圖1所示的發(fā)明的第一實(shí)施方式，提供了平臺(tái)1，平臺(tái)1用于保持和移動(dòng)將要被切割為分離的硅芯片的硅晶片2。平臺(tái)1能夠通過(guò)操縱控制裝置8 (諸如計(jì)算機(jī))在x-y 軸上運(yùn)動(dòng)。激光束源4被設(shè)置為將激光束7照射至保持在平臺(tái)1上的晶片2的表面上。激光束源4包括但不限于，準(zhǔn)分子激光器、Nd: YAG激光器、二氧化碳激光器、光纖激光器、以及任何其它近紅外激光器。優(yōu)選地，激光束源4是光纖激光器。可選地，激光束引導(dǎo)器6被設(shè)置為引導(dǎo)從激光束源4朝著晶片2表面照射的激光束7，激光束7穿過(guò)聚焦透鏡3。激光束引導(dǎo)器6可以是平面反射鏡，其以一定角度設(shè)置，以反射激光束7的方向。聚焦透鏡3被設(shè)置為會(huì)聚從激光束源4照射或從激光束引導(dǎo)器6反射的激光束7， 以在晶片2的表面下方形成焦點(diǎn)9，從而形成聚焦體積，聚焦體積由焦點(diǎn)9和晶片2內(nèi)的激光束7的邊界限定。在該實(shí)施方式中示出，焦點(diǎn)位于晶片表面下方并位于晶片內(nèi)。應(yīng)明白和理解，焦點(diǎn)的位置并不受此限制，焦點(diǎn)的其他位置也是可能的，這將在后面描述。有利地，監(jiān)視裝置5 (諸如CXD監(jiān)視器)被設(shè)置為觀察晶片2上的激光束7和晶片 2表面下方的焦點(diǎn)9的定位。監(jiān)視裝置5所進(jìn)行的觀察被報(bào)告給控制裝置8，從而任何校正動(dòng)作(諸如通過(guò)使平臺(tái)1在x-y方向上運(yùn)動(dòng)來(lái)重新調(diào)整晶片2保持在平臺(tái)1上的位置的需要，或通過(guò)使聚焦透鏡3在ζ方向上運(yùn)動(dòng)來(lái)重新調(diào)整激光束7的聚焦長(zhǎng)度的需要)被執(zhí)行， 以獲得晶片2上的激光束7和焦點(diǎn)9的所需的預(yù)定位置。圖2示出了激光束7的聚焦，其中⑴焦點(diǎn)9形成于晶片2表面下方并位于晶片2 內(nèi)，(II)焦點(diǎn)9形成于晶片2下方并位于晶片2外，(III)焦點(diǎn)9形成于晶片2表面上方并位于晶片2外。只要由焦點(diǎn)9和激光束7的邊界所限定的聚焦體積形成于晶片2內(nèi)以生成裂縫，那么焦點(diǎn)9的任何位置都是合適的。典型地，晶片2具有范圍從100 μ m至1500 μ m的厚度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，焦點(diǎn)9形成于晶片2表面下方的晶片2厚度的一半或多于一半位置處。更優(yōu)選地，當(dāng)晶片2的厚度為500 μ m時(shí)，焦點(diǎn)9形成于晶片2表面下方150 μ m 至200 μ m處。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在硅晶片2內(nèi)生成裂縫的現(xiàn)象。在對(duì)應(yīng)于圖2所示的情況(I)的這個(gè)實(shí)施方式中，使激光束7聚焦，以形成位于晶片2表面下方并位于晶片 2內(nèi)的焦點(diǎn)9(未示出)，從而聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于聚焦體積周緣處的晶片2比位于聚焦體積內(nèi)的晶片2熔化得更慢但凝固得更快并因此收縮得更快，從而在晶片2內(nèi)生成裂縫。當(dāng)焦點(diǎn)9形成于晶片2表面上方并位于晶片2外(對(duì)應(yīng)于圖2的情形(III))時(shí)，將發(fā)生熱致加熱-冷卻現(xiàn)象，而不是優(yōu)選的熔化-凝固現(xiàn)象。形成于晶片2內(nèi)的聚焦體積內(nèi)包含較少的能量來(lái)啟動(dòng)熔化過(guò)程。該能量不足以引起熔化但足以引發(fā)位于聚焦體積周緣處的晶片2的加熱，從而使得位于聚焦體積周緣處的晶片2比位于聚焦體積內(nèi)的晶片2加熱得更慢但冷卻的更快，并因此收縮得更快，從而在晶片2內(nèi)生成裂縫。當(dāng)焦點(diǎn)9形成于晶片 2下方并位于晶片2外(對(duì)應(yīng)于圖2的情形(II))時(shí)，或者發(fā)生熔化-凝固現(xiàn)象或者發(fā)生熱致加熱-冷卻現(xiàn)象，這依賴于聚焦體積內(nèi)包含的能量的總量，該能量進(jìn)而依賴于激光束的工作參數(shù)。熔化(或加熱)槽10限定了晶片2內(nèi)發(fā)生硅的優(yōu)選的熔化-凝固(或加熱-冷卻)的區(qū)域。照射激光的功率密度小于106W/cm2(例如，500W/cm2的激光功率密度)，該值被預(yù)定和控制為低于晶片材料熔蝕的汽化閾值密度。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一，光纖激光是具有1090nm波長(zhǎng)的紅外光束，其比UV激光和可見(jiàn)激光更具穿透力。合適的紅外波長(zhǎng)還包括1064nm至1550nm。第二，光纖激光具有40 μ s至42 μ s的長(zhǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間以及工作在 12kHz的脈沖重復(fù)率。合適的脈沖持續(xù)時(shí)間還包括20 μ s至80 μ s，并且合適的脈沖重復(fù)率還包括5kHz至50kHz。這些激光束參數(shù)有助于激光束引發(fā)熔化或熱致加熱而不是汽化熔蝕。例如，硅對(duì)UV波長(zhǎng)具有高吸收性，并且短脈沖和/或超短脈沖常常導(dǎo)致較少熱處理而主要是汽化。因此，由于低的激光功率密度或低的脈沖能量，晶片的材料汽化過(guò)程被限制。 避免了現(xiàn)有技術(shù)中所教導(dǎo)的液相排出，這是因?yàn)椴恍枰獨(dú)怏w噴射。因此，避免了通過(guò)激光熔蝕在晶片表面上生成碎屑。由激光束源4照射的激光束7在功率密度方面典型地具有高斯分布。由于聚焦體積包含的大多數(shù)能量沿著中央平面集中，故激光引發(fā)的熔化或熱致加熱最初沿著聚焦體積的中央平面(并因此沿著熔化或加熱槽10)發(fā)生。能量以能量的量遞減的方式徑向地傳遞。因此，根據(jù)凝固(或加熱-冷卻)理論的基本原理，位于聚焦體積周緣處的硅比位于聚焦體積的中央平面內(nèi)和沿著聚焦體積的中央平面的硅熔化得更慢但凝固得更快(或加熱得更慢但冷卻得更快)并因此收縮得更快。換言之，硅熔化(或加熱)的速度在徑向上向外增加，而硅凝固(或冷卻)的速度在徑向上向內(nèi)增加。作為這種優(yōu)選熔化-凝固(或加熱-冷卻)的結(jié)果，在凝固(或冷卻)的最終階段期間，當(dāng)熔化的(或加熱的)硅在徑向上向內(nèi)凝固(冷卻)時(shí)，位于沿著聚焦體積的中央平面的硅的強(qiáng)度不足以承受相鄰的、熔化的 (或加熱的)硅所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。因此，在熔化-凝固過(guò)程(或加熱-冷卻過(guò)程)中，產(chǎn)生了裂縫11，該過(guò)程最初自晶片2的表面?zhèn)鞑ゲ㈦S后蔓延至晶片2的底部，從而允許將硅晶片切割或切分為分離的硅芯片。沿其產(chǎn)生裂縫的平面對(duì)應(yīng)于聚焦體積的中央平面。此外， 由于晶片2相對(duì)于激光束7的快速運(yùn)動(dòng)，熱效應(yīng)區(qū)域被控制在經(jīng)過(guò)的單次掃描寬度內(nèi)。圖3示出在不移動(dòng)平臺(tái)1的情況下在局部點(diǎn)12 (未示出)處生成裂縫的現(xiàn)象。另一方面，圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式沿著熔化軌跡中線的激光引發(fā)的裂縫的定向傳播。 激光束7從晶片2的一個(gè)邊緣掃描，并通過(guò)能夠由控制裝置8 (未示出)控制的平臺(tái)1 (未示出)的運(yùn)動(dòng)而朝著另一個(gè)相對(duì)的邊緣運(yùn)動(dòng)。在局部點(diǎn)12處生成的初始局部裂縫隨著運(yùn)動(dòng)點(diǎn)12的定向運(yùn)動(dòng)而逐漸發(fā)展成傳播裂縫。對(duì)應(yīng)于熔化軌跡的裂縫線11遵循前面描述的優(yōu)選熔化-凝固(或加熱-冷卻)現(xiàn)象。由于晶片2相對(duì)于激光束7的快速運(yùn)動(dòng)，熱效應(yīng)區(qū)域被控制在激光掃描經(jīng)過(guò)的單次掃描寬度內(nèi)。包括熱效應(yīng)區(qū)域的激光引發(fā)的熔化軌跡的總寬度W是激光束7的單次掃描經(jīng)過(guò)的熔化帶寬度。除了熔化帶以外，其它熱效應(yīng)區(qū)域在激光束7的照射軌跡中明顯不可見(jiàn)，即僅僅使限制在熔化帶內(nèi)的晶片熔化(或加熱)、凝固(冷卻)和開(kāi)裂。寬度W主要取決于切割過(guò)程中工作激光的參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)具有50mm 聚焦長(zhǎng)度的圖1所示聚焦透鏡被應(yīng)用時(shí)，對(duì)于500μπι的晶片厚度，在重復(fù)率為12kHz，占空比為50 %，掃描速度為40mm/s，且激光功率為200W的工作情況下，所獲得的寬度W是 120 μ m。對(duì)于相同的晶片厚度，通過(guò)增大掃描速度和降低激光功率來(lái)減小寬度W。相比之下， 在重復(fù)率為12kHz，占空比為50% (脈沖持續(xù)時(shí)間41. 6 μ s)，掃描速度為60mm/s，激光功率為200W的工作情況下，所獲得的寬度W是80 μ m。在重復(fù)率為12kHz，占空比為50%，掃描速度為60mm/s，激光功率為140W的工作情況下，所獲得的寬度W是60 μ m。激光功率、掃描速度和脈沖頻率是激光束源的輸出參數(shù)并因此是決定切割速度和熔化帶寬度W的相互作用參數(shù)。晶片的運(yùn)動(dòng)速度與激光束的輸出功率相關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，當(dāng)輸出功率恒定且運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，熔化帶寬度W變得更寬。并且當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度恒定且輸出功率較高時(shí)，熔化帶寬度 W變得更寬。在低的激光脈沖頻率(例如3kHz)下，由于在40mm/s的掃描速度和200W的激光功率下的激光熔化點(diǎn)12的不連續(xù)連接，獲得了熔化帶的粗糙邊緣。在甚至更低的激光脈沖頻率(例如IkHz)下，由于在40mm/s的掃描速度和200W的激光功率下的激光熔化點(diǎn)12 的不連續(xù)連接，不能獲得熔化帶。此外，在后一種情況下，產(chǎn)生了在徑向上的橫向裂縫。因此，這說(shuō)明應(yīng)當(dāng)認(rèn)真選擇激光束參數(shù)，如果選擇不當(dāng)，則可能導(dǎo)致失敗的用于分離晶片的切割操作。通常，例如，對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度為100mm/S厚度為500 μ m的晶片，小于104W/cm2的低激光功率密度不足以獲得熔化槽。結(jié)果，而是產(chǎn)生了橫向裂縫。根據(jù)圖5所示的本發(fā)明第二實(shí)施方式，提供了一種用于保持和移動(dòng)要被切割為分離的硅芯片的硅晶片2的平臺(tái)1。平臺(tái)1能夠通過(guò)控制裝置8 (諸如計(jì)算機(jī))的操縱在x-y 軸上運(yùn)動(dòng)。激光束源4被設(shè)置為將激光束7照射至保持在平臺(tái)1上的晶片2的表面上。激光束源4包括但不限于，準(zhǔn)分子激光器、Nd: YAG激光器、二氧化碳激光器、光纖激光器、以及任何其它近紅外激光器。優(yōu)選地，激光束源4是光纖激光器?？蛇x地，激光束引導(dǎo)器6被設(shè)置為引導(dǎo)從激光束源4朝著晶片2表面照射的激光束7，激光束7穿過(guò)聚焦透鏡3(圖6)。激光束引導(dǎo)器6可以是平面反射鏡，其以一定角度設(shè)置，以反射激光束7的方向。光束整形器四被設(shè)置為使從激光束源4照射或從激光束引導(dǎo)器6反射的激光束 7會(huì)聚，以在晶片2表面下方形成焦點(diǎn)9，從而形成聚焦體積，聚焦體積由焦點(diǎn)9和晶片2內(nèi)的激光束7的邊界限定。圖6示出光束整形器四，光束整形器四包括孔28和聚焦透鏡3。 孔直徑能夠調(diào)整，以過(guò)濾激光束7的外部，使得僅激光束7的有限的內(nèi)部可以穿過(guò)孔觀。因此激光束7的尺寸在穿過(guò)孔觀之后減小為較小直徑尺寸的激光束7。較小直徑尺寸的激光束7隨后穿過(guò)聚焦透鏡3并會(huì)聚，以在晶片2 (未示出)表面下方形成焦點(diǎn)9。被聚焦的激光束7現(xiàn)在沿著激光束7的傳播方向在晶片2(未示出)表面上具有較小的會(huì)聚直徑。使用光束整形器四的優(yōu)點(diǎn)是提供在晶片2 (未示出)的表面上具有更加均勻和集中的功率分布的較小激光束尺寸，從而產(chǎn)生最小的切口和熱效應(yīng)。因此，通過(guò)光束整形器四能夠獲得可變的光束空間分布。激光束7通過(guò)光束整形器四整形，以使晶片2 (未示出)的各種厚度(100 μ m至1500 μ m)匹配最窄的切口。再次參照?qǐng)D5，有利地，監(jiān)視裝置5 (諸如CXD監(jiān)視器)被設(shè)置為觀察晶片2上的激光束7和晶片2表面下方的焦點(diǎn)9的定位。監(jiān)視裝置5所進(jìn)行的觀察被報(bào)告給控制裝置8， 從而使得任何校正動(dòng)作(諸如通過(guò)使平臺(tái)1在x_y方向上運(yùn)動(dòng)來(lái)重新調(diào)整晶片2保持在平臺(tái)1上的位置的需要，或通過(guò)使聚焦透鏡3(圖6)在ζ方向上運(yùn)動(dòng)來(lái)重新調(diào)整激光束7的聚焦長(zhǎng)度的需要)被執(zhí)行，以獲得晶片2上的激光束7和焦點(diǎn)9的所需的預(yù)定位置。 優(yōu)選地，激光脈沖生成器或調(diào)制器20連接至激光束源4，以生成或調(diào)制激光束7的脈沖頻率。激光脈沖調(diào)制器20用于調(diào)諧脈沖形狀、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率。因此可以通過(guò)激光脈沖調(diào)制器20控制沉積至晶片2上的熱，以用于晶片分離。優(yōu)選地，光束擴(kuò)展器21 O至8倍擴(kuò)展)放置在激光束源4與激光束引導(dǎo)器6之間的激光束7的路徑上。光束擴(kuò)展器21使來(lái)自激光束源4的輸出激光束7擴(kuò)展。參照?qǐng)D7， 從激光束源4出來(lái)并進(jìn)入光束擴(kuò)展器21的激光束7的直徑被擴(kuò)展為2至8倍大，以形成從光束擴(kuò)展器21出來(lái)的激光束7。光束擴(kuò)展比為D2/D1，其中Dl是從激光束源4出來(lái)的激光束7的直徑，D2是從光束擴(kuò)展器21出來(lái)的激光束7的直徑。光束擴(kuò)展比在2至8之間變化。優(yōu)選地，光束擴(kuò)展器21包括入口光學(xué)平凹透鏡沈和出口光學(xué)消色差透鏡27。再次參照?qǐng)D5，優(yōu)選地，防護(hù)板22設(shè)置在聚焦透鏡3(圖6)與晶片2之間。在防護(hù)板22中設(shè)置有直徑為0. 3mm至Imm的孔，從而使得從聚焦透鏡3出來(lái)的聚焦激光束穿過(guò)防護(hù)板22中的孔并照射至晶片2上。優(yōu)選地，真空抽吸系統(tǒng)被設(shè)置為抽吸切割過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽和懸浮微粒。更優(yōu)選地，真空抽吸系統(tǒng)包括真空抽吸器23、管24和嘴25。真空抽吸系統(tǒng)和防護(hù)板22放置在待照射的晶片2表面上方。在防護(hù)板22與晶片2之間保留例如0. 5mm的微小間隙。蒸汽(諸如SiO2)和由熔化帶內(nèi)的激光引發(fā)的熔化液滴在產(chǎn)生時(shí)被抽出，并且等離子體加熱被降低。晶片內(nèi)生成裂縫的現(xiàn)象類似于圖3中所示的第一方面描述的現(xiàn)象。在對(duì)應(yīng)于圖2 所示的情況(I)的一個(gè)實(shí)施方式中，激光束7被聚焦，以形成位于晶片2表面下方并位于晶片2內(nèi)的焦點(diǎn)9(未示出)，從而聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于聚焦體積周緣處的晶片2比位于聚焦體積內(nèi)的晶片2熔化得更慢但凝固得更快，并因此收縮得更快，從而在晶片2內(nèi)生成裂縫。當(dāng)焦點(diǎn)9形成于晶片2表面上方并位于晶片2外(對(duì)應(yīng)于圖2的情形(III))時(shí)，發(fā)生熱致加熱-冷卻現(xiàn)象，而不是優(yōu)選的熔化-凝固現(xiàn)象。形成于晶片2內(nèi)的聚焦體積內(nèi)包含較少的能量以啟動(dòng)熔化過(guò)程。該能量不足以引起熔化但足以引發(fā)位于聚焦體積周緣處的晶片2的加熱，從而使得位于聚焦體積周緣處的晶片2比位于聚焦體積內(nèi)的晶片2加熱得更慢但冷卻的更快，并因此收縮得更快，從而在晶片2內(nèi)生成裂縫。當(dāng)焦點(diǎn)9形成于晶片 2下方并位于晶片2外(對(duì)應(yīng)于圖2的情形(II))時(shí)，或者發(fā)生熔化-凝固現(xiàn)象或者發(fā)生熱致加熱-冷卻現(xiàn)象，這依賴于聚焦體積內(nèi)包含的能量的量，該能量進(jìn)而依賴于激光束的工作參數(shù)。熔化(或加熱)槽10限定了晶片2內(nèi)發(fā)生硅的優(yōu)選的熔化-凝固(或加熱-冷卻)的區(qū)域。照射激光的功率密度小于106W/cm2，該值被預(yù)定和控制為低于晶片材料熔蝕的汽化閾值密度。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一，光纖激光是具有1090nm波長(zhǎng)的紅外光束，其比 UV激光和可見(jiàn)激光更具穿透力。合適的紅外波長(zhǎng)還包括1064nm至1550nm。第二，光纖激光具有40 μ s至42 μ s的長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間以及工作在12kHz的脈沖重復(fù)率。合適的脈沖持續(xù)時(shí)間還包括20 μ s至80 μ s，并且合適的脈沖重復(fù)率還包括5kHz至50kHz。這些激光束參數(shù)有助于激光束引發(fā)熔化而不是汽化熔蝕。例如，硅對(duì)UV波長(zhǎng)具有較高吸收性，并且短脈沖和/或超短脈沖常常導(dǎo)致較少的熱處理而主要是汽化。因此，由于低的激光功率密度或低的脈沖能量，晶片的材料汽化過(guò)程被限制。避免了現(xiàn)有技術(shù)中所教導(dǎo)的液相排出，這是因?yàn)椴恍枰獨(dú)怏w噴射。因此，避免了激光熔蝕在晶片表面上生成的碎屑。由激光束源4照射的激光束7在功率密度方面典型地具有高斯分布。由于聚焦體積包含的大多數(shù)能量沿著中央平面集中，故激光引發(fā)的熔化或熱致加熱最初沿著聚焦體積(并因此沿著熔化或加熱槽10)的中央平面發(fā)生。能量以能量的量遞減的方式徑向地傳遞。因此，根據(jù)凝固(或冷卻)理論的基本原理，位于聚焦體積周緣處的硅比位于聚焦體積的中央平面內(nèi)和沿著聚焦體積的中央平面的硅熔化(或加熱)得更慢但凝固(或冷卻)得更快。換言之，硅熔化(或加熱)的速度在徑向上向外增加，而硅凝固(或冷卻)的速度在徑向上向內(nèi)增加。作為這種優(yōu)選熔化-凝固的結(jié)果，在凝固(或冷卻)的最終階段期間，當(dāng)熔化(或加熱)的硅在徑向上向內(nèi)凝固(冷卻)時(shí)，沿著聚焦體積的中央平面的硅的強(qiáng)度不足以承受相鄰的、熔化的(或加熱的)硅所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。因此，在熔化-凝固(或加熱-冷卻)過(guò)程中，產(chǎn)生了裂縫11，裂縫11最初自晶片2的表面?zhèn)鞑ゲ㈦S后蔓延至晶片2 的底部，從而允許將硅晶片切割或切分為分離的硅芯片。沿其產(chǎn)生裂縫的平面對(duì)應(yīng)于聚焦體積的中央平面。此外，由于晶片2相對(duì)于激光束7的快速運(yùn)動(dòng)，熱效應(yīng)區(qū)域被控制在經(jīng)過(guò)的單次掃描寬度內(nèi)。在穿過(guò)光束整形器四之后，照射和沉積在晶片2表面上的激光束7直徑減小。因此，晶片2表面上的槽10的熔化寬度W類似地減小。因此，在激光引發(fā)的晶片切分中獲得最小化的切口和熱效應(yīng)的效果。在優(yōu)選實(shí)施方式中，真空抽吸系統(tǒng)工作，以將包括等離子體加熱的蒸汽和懸浮微粒抽離切口。因此，晶片2表面上方產(chǎn)生的羽輝在它們產(chǎn)生時(shí)被快速地去除。更優(yōu)選地，防護(hù)板22設(shè)置在晶片2表面上方，晶片2與防護(hù)板22之間留有間隙， 以在切割過(guò)程中進(jìn)一步保護(hù)具有干凈表面的切割晶片2。來(lái)自激光產(chǎn)生的羽輝的熱致加熱被減少，并且在激光掃描期間獲得干凈的切口側(cè)壁。如圖4所示，激光束7從晶片2的一個(gè)邊緣掃描并通過(guò)能夠由控制裝置8 (未示出)控制的平臺(tái)1 (未示出)的運(yùn)動(dòng)而朝著另一個(gè)相對(duì)的邊緣運(yùn)動(dòng)。在局部點(diǎn)12處產(chǎn)生的初始局部裂縫隨著運(yùn)動(dòng)點(diǎn)12的定向動(dòng)而逐漸發(fā)展成傳播裂縫。對(duì)應(yīng)于熔化軌跡的裂縫線11遵循前面描述的優(yōu)選熔化-凝固現(xiàn)象。由于晶片2相對(duì)于激光束7的快速運(yùn)動(dòng)，熱效應(yīng)區(qū)域被控制在激光掃描經(jīng)過(guò)的單次掃描寬度內(nèi)。包括熱效應(yīng)區(qū)域的激光引發(fā)的熔化軌跡的總體寬度W是激光束7的單次掃描經(jīng)過(guò)的熔化帶寬度。除了熔化帶以外，其它熱效應(yīng)區(qū)域在激光束7的照射軌跡中明顯不可見(jiàn)，即僅僅使限制在熔化帶內(nèi)的晶片熔化(或加熱)、凝固(或冷卻)和開(kāi)裂。寬度W主要取決于切割過(guò)程中工作激光的參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)具有IOOmm 聚焦長(zhǎng)度的圖5所示聚焦透鏡(圖6)被應(yīng)用時(shí)，對(duì)于500 μ m的晶片厚度，在重復(fù)率為 12kHz,占空比為50%，掃描速度為60mm/s，且激光功率為160W的工作情況下，所獲得的寬度W是50μπι。對(duì)于相同的晶片厚度，通過(guò)增大掃描速度和降低激光功率來(lái)減小寬度W。相比之下，在重復(fù)率為12kHz,占空比為50% (脈沖持續(xù)時(shí)間41. 6 μ s)，掃描速度為300mm/s, 激光功率為180W的工作情況下，所獲得的寬度W是50 μ m。激光功率、掃描速度和脈沖頻率是激光束源的輸出參數(shù)，并因此是決定切割速度和熔化帶寬度W的相互作用參數(shù)。脈沖頻率、脈沖寬度和占空比可以由脈沖調(diào)制器20調(diào)諧。晶片的運(yùn)動(dòng)速度與激光束的輸出功率相關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，當(dāng)輸出功率恒定且運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，熔化帶寬度W變得更寬。并且當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度恒定且輸出功率較高時(shí)，熔化帶寬度W變得更寬。在低的激光脈沖頻率(例如3kHz) 下，由于在60mm/s的掃描速度和150W的激光功率下的激光熔化點(diǎn)12的不連續(xù)連接，獲得了熔化帶的粗糙邊緣。在甚至更低的脈沖頻率(例如IkHz)下，由于在60mm/s的掃描速度和150W的激光功率下的激光熔化點(diǎn)12的不連續(xù)連接，不能獲得熔化帶。此外，在后一種情況下，生成在徑向上的橫向裂縫。因此，這說(shuō)明應(yīng)當(dāng)認(rèn)真選擇激光束參數(shù)，如果選擇不當(dāng)，則可能導(dǎo)致失敗的用于分離晶片的切割操作。前述方法和系統(tǒng)提供超越現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。激光引發(fā)的熔化-凝固(或加熱-冷卻)過(guò)程導(dǎo)致從晶片頂部到底部的裂縫。同時(shí)，裂縫沿著熔化軌跡的中線、從晶片的一個(gè)初始邊緣朝著相對(duì)的邊緣、隨著激光束朝著該方向的掃描而定向傳播。晶片通過(guò)裂縫隨著單程激光束掃描的傳播而自動(dòng)分離，而不會(huì)在晶片表面上產(chǎn)生碎屑。通過(guò)激光脈沖調(diào)制器、光束整形器和抽吸裝置的應(yīng)用，獲得了具有干凈切口側(cè)壁的最小化切口和最小熱效應(yīng)。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，多程掃描對(duì)于晶片的激光切割并不是必須，因此節(jié)省了操作時(shí)間和成本。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在激光照射之后無(wú)需施加外力來(lái)分離晶片。此外，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，通過(guò)激光束照射顯著降低了(如果沒(méi)有完全消除)與使用輔助氣體、水噴射、保護(hù)膜、干燥處理或外力相關(guān)的高成本。通過(guò)替換長(zhǎng)脈沖光纖或具有1064nm至1550nm波長(zhǎng)的固體激光器，降低了與使用昂貴的UV激光相關(guān)的高成本。雖然為了理解的清楚，已經(jīng)通過(guò)圖示和示例并參考一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式相當(dāng)詳細(xì)地描述了前面提到的發(fā)明，但對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在不背離如所附權(quán)利要求所描述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行特定改變、變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割半導(dǎo)體晶片的方法，所述方法包括-朝著所述晶片的表面照射激光束；以及-會(huì)聚所述激光束以形成焦點(diǎn)，從而形成聚焦體積，所述聚焦體積由所述焦點(diǎn)和所述晶片內(nèi)的所述激光束的邊界限定；其中，所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片收縮得更快，從而在所述晶片內(nèi)生成裂縫。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焦點(diǎn)形成于所述晶片的所述表面下方并位于所述晶片內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焦點(diǎn)形成于所述晶片下方并位于所述晶片外。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焦點(diǎn)形成于所述晶片的所述表面上方并位于所述晶片外。
5.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的所述周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片熔化得更慢但凝固得更快，并因此收縮得更快。
6.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的所述周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片加熱得更慢但冷卻得更快，并因此收縮得更快。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中照射步驟包括照射激光功率密度低于晶片熔蝕的汽化閾值的激光束。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在會(huì)聚所述激光束以形成所述焦點(diǎn)之前，朝著所述晶片的所述表面引導(dǎo)所述激光束。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在會(huì)聚所述激光束之前，擴(kuò)展所述激光束。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括對(duì)所述激光束進(jìn)行整形并同時(shí)進(jìn)行會(huì)聚，以在所述晶片的所述表面上形成具有集中的功率分布的會(huì)聚激光束。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括提供真空抽吸系統(tǒng)，以去除所述晶片熔化時(shí)產(chǎn)生的蒸汽和熔化液滴。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在所述晶片的所述表面之上提供防護(hù)板，以保持干凈的表面。
13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括使所述晶片在預(yù)定方向上運(yùn)動(dòng)，從而使得所述晶片內(nèi)生成的所述裂縫在與所述晶片的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的方向上傳播。
14.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中照射步驟包括照射脈沖持續(xù)時(shí)間在 20口8與8(^8之間的激光束。
15.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中照射步驟包括照射脈沖重復(fù)率在5kHz 與50kHz之間的激光束。
16.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中照射步驟包括照射紅外波長(zhǎng)在1064nm 與1550nm之間的激光束。
17.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中照射步驟包括照射激光功率至多為 400W的激光束。
18.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述晶片選自由硅(Si)，涂覆有氧化物薄層、氮化物薄層、碳化物薄層或金屬薄層的硅，砷化鎵(GaAs)，碳化硅(SiC)，氮化硅 (SiN)，磷化銦αηΡ)及其混合物構(gòu)成的組。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述晶片是硅。
20.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述晶片的厚度在IOOym與1500μπι 之間。
21.一種通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割半導(dǎo)體晶片的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-激光束源，用于朝著所述晶片的表面照射激光束；以及-會(huì)聚透鏡，用于會(huì)聚所述激光束，以形成焦點(diǎn)，從而形成聚焦體積，所述聚焦體積由所述焦點(diǎn)和所述晶片內(nèi)的所述激光束的邊界限定；其中，所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片收縮得更快，從而在所述晶片內(nèi)生成裂縫。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述焦點(diǎn)形成于所述晶片的所述表面下方并位于所述晶片內(nèi)。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述焦點(diǎn)形成于所述晶片下方并位于所述晶片外。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述焦點(diǎn)形成于所述晶片的所述表面上方并位于所述晶片外。
25.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的所述周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片熔化得更慢但凝固得更快，并因此收縮得更快。
26.如權(quán)利要求23或?qū)λ龅姆椒ǎ渲兴鼍劢贵w積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的所述周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片加熱得更慢但冷卻得更快，并因此收縮得更快。
27.如權(quán)利要求21至沈中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括激光束引導(dǎo)器，用于在會(huì)聚所述激光束以形成所述焦點(diǎn)之前，朝著所述晶片的所述表面引導(dǎo)或反射所述激光束。
28.如權(quán)利要求21至27中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括光束擴(kuò)展器，用于在會(huì)聚所述激光束之前，擴(kuò)展所述激光束。
29.如權(quán)利要求21至觀中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括光束整形器，用于對(duì)所述激光束同時(shí)進(jìn)行整形和會(huì)聚，以在所述晶片的所述表面上形成具有集中的功率分布的會(huì)聚激光束ο
30.如權(quán)利要求21至四中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括真空抽吸系統(tǒng)，用于去除所述晶片熔化時(shí)產(chǎn)生的蒸汽和熔化液滴。
31.如權(quán)利要求21至30中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括防護(hù)板，所述防護(hù)板位于所述晶片的所述表面之上，以保持干凈的表面。
32.如權(quán)利要求21至31中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括控制裝置，所述控制裝置連接至所述晶片，以使所述晶片在預(yù)定方向上運(yùn)動(dòng)，從而使得在所述晶片內(nèi)生成的裂縫在與所述晶片的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的方向上傳播。
33.如權(quán)利要求21至32中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括激光脈沖生成器或調(diào)制器，其連接至所述激光束源，以生成或調(diào)制所述激光束的脈沖頻率。
全文摘要
提供了一種通過(guò)在晶片內(nèi)生成裂縫來(lái)切割半導(dǎo)體晶片的方法及系統(tǒng)。該方法包括朝著所述晶片的表面照射激光束；以及會(huì)聚所述激光束以形成焦點(diǎn)，從而形成聚焦體積，所述聚焦體積由所述焦點(diǎn)和所述晶片內(nèi)的所述激光束的邊界限定。所述聚焦體積內(nèi)包含的能量使位于所述聚焦體積的周緣處的晶片比位于所述聚焦體積內(nèi)的晶片收縮得更快，從而在所述晶片內(nèi)生成裂縫。
文檔編號(hào)H01L21/268GK102308372SQ200980156301
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者王中柯, 鄭宏宇, 陳濤 申請(qǐng)人:新加坡科技研究局