通过突发超快激光脉冲的成丝的激光处理硅的方法和装置制造方法及图纸

本申请涉及一种通过突发超快激光脉冲的成丝的激光处理硅的方法和装置。用于激光处理硅的方法包括将克尔材料放置为与硅接合，从而在它们之间形成界面。施加激光束，该激光束具有在突发包线中的至少一个子脉冲，子脉冲在第一波长下操作。激光束穿过分散透镜聚焦组件，并且到达克尔材料。第一波长被修改为多个第二波长，所述多个第二波长中的一些对处理硅是有效的。通过如下方式产生光声压缩处理：第二波长的一部分的激光脉冲能量传导经过界面并到达硅，形成克尔效应自聚焦，其通过输入到硅的额外能量在硅中传播，从而在硅中生成光丝。

【技术实现步骤摘要】
本专利申请要求2013年12月3日提交的序列号为61911345的美国临时专利申请的优先权和权益，2013年12月3日提交的序列号为61911345的美国临时专利申请的全文在此通过引用并入本文。
本专利技术涉及用于激光处理半导体基板的方法和装置，更具体地，涉及通过使用标准波长的激光，高质量地激光切割单晶和多晶硅，生成具有低总粗糙度的接近于零的切割切口。
技术介绍
硅对具有波长大于1.3μm的光线是透明的。由于最常用的激光(例如YAG激光)在1064nm的波长范围中操作，这些激光产生的光线被硅部分的吸收，并且由于激光脉冲显著的线性吸收，因此不能通过由成丝技术诱发的突发超快脉冲激光干净的切割硅。然而，它们可以在这个波长下烧蚀地切割硅。相同的激光参数和装置可以通过成丝被用于切割玻璃或蓝宝石。使用在基板内密集聚焦光束导致光学击穿以将Si薄晶片切割成块，也已知为由Hamamastu专利技术和改进的隐形切割。参见美国专利No.7396742为了通过成丝切割硅，要求形成在波长在1.3μm以上操作的激光。可选地，必须使用一种改变或修改1064nm波长激光束为正确波长的光束的方法。一种方法是使用光学参量产生器(OPG)，或光学参量放大器(OPA)或光学克尔介质中白光产生器。在光学参量产生器中，给定频率的输入光束下转换为更低频率的两个光束。这两个更低频率的光束被称为“信号光”和“闲散光”。针对例如硅这样的材料的激光处理(钻孔或切孔)有极大需求。该应用广泛分布并且包括如半导体，微电子，用于空气监测、粒子监测、细胞检测、趋化作用、生物测定等等的过滤器，并且通常需要非常干净、非常均匀的几百纳米到数十微米直径的孔。现有技术的使用具有波长小于1.3μm的激光来处理硅的烧蚀方法留下非常粗糙的切割表面，使得材料具有微裂纹，产生表面丘状排出物(ejecta mounds)，产生应力区域和容易导致大区域的附加热损害。虽然激光烧蚀处理可以通过选择具有波长由介质(例如，深紫外准分子激光或远红外CO2激光)强烈吸收的激光来显著改进，但是由于在该物理烧蚀处理中内在的积极相互作用，以上缺点不会被消除。此外，现有技术激光烧蚀系统具有低产量时间，不能获得像本专利技术方法一样的接近的加工公差。本方法和装置通过突发超快激光脉冲的成丝，在不需要特别产生输出1.3μm和更大波长的激光的情况下，允许改进特别是硅的划刻和切割的处理。该新专利技术以独特和新颖的构造来使用并结合公知技术和新技术，以克服前述问题并且实现如此，提供足够信心和证据来投向产生以所需波长操作的新激光。
技术实现思路
随后将会更详细描述的本专利技术的一个目的，其提供一种用于在透明基板中处理孔和切割的装置和方法，特别是诸如Si这样的材料，而不使用创建为以1.3μm波长操作的激光。本专利技术的再一个目的是，使用由特别调整的激光参数成丝突发超快激光脉冲，与分散聚焦透镜组件结合地产生的光丝，该分散聚焦透镜组件产生多个不同焦点，其中主焦腰从不在在目标的体积内或表面上驻留；由于声光压缩而在材料中产生光丝，其扩大孔，通过在工件和入射激光束之间相对运动，这可以用于形成划刻线或切割线。以下专利技术提供使用来自激光器的突发超快激光脉冲的相互作用的新颖的方法。尽管本专利技术被描述为使用普通1064nm波长的超快激光脉冲，但是其它波长也可以用于入射的激光束。公开了一种在透明材料如硅中和穿过透明材产生几乎为零切口宽度的切割以及纳米到微米量级的孔的新颖和独特的技术。其具有前面所述的的众多优点和众多新颖特征，这导致一种在材料中产生无烧蚀钻孔的新方法，该方法没有被任何现有技术单独或结合地预期、明显呈现、建议、甚至暗示。特别是，它提供了以下超过现有技术的进步：平整的孔边，最少的微裂纹扩展，更长/更深的孔产生，无锥化孔，非线性吸收，具有恒定内直径的孔，最小化的入口畸变和降低的附加损害以及具有接近零切口的高速划刻线，由于更狭窄的通路宽度(器件之间的距离)这在半导体晶片上产生更多的器件。本专利技术的第一实施方式是使用OPG或OPA将1μm波长的激光转换为超过1.3μm波长。OPG更容易和更快地实现。在从1μm源的光学参量产生器中，可以调整如LiNbO3这样的OPG晶体以获得从1.3到1.6μm范围内的任何波长作为信号光和3-5μm光谱内的闲散光。为了本专利技术的目的，信号光和闲散光两者都可以用做光丝形成脉冲，因为Si对这两种波长的光谱是透明。在大多数应用中，可以使用信号光或闲散光，并且需要抛弃其它光束。使用两种波长对更高效率的生产是有帮助的。本专利技术的另一个实施方式提供一种使用来自激光器的突发超快激光脉冲的相互作用的新颖的方法。在该方法中，激光和聚焦参数被调整为传播经过位于硅晶片顶部上的层(诸如蓝宝石或硼硅玻璃)或晶片薄层，以在该层下方的硅内产生光丝。光丝在所需形成点通过特定深度和宽度的光声压缩产生孔，并且通过使用波长比1064nm长的入射光束终止点。公知的是，使用克尔材料的超快激光脉冲的相互作用可以产生超连续光谱或白光。这导致波长转变，并且因此，光谱的更长波长部分可以穿透硅。由于蓝宝石(白光源)和硅之间的零距离，所以白光突发激光脉冲仍然保持它们的一致性，并且维持原光束的形状直到其从硅底部射出之后发散。白光产生多个次波长。白光的部分光谱不能穿透Si内部，这会导致Si的表面烧蚀。1064nm波长的激光可以用于生成超连续光谱。当引导经过透明层导致在硅中产生成丝的具有大于1.3μm的波长的光时，具有不同于1064nm的波长的其它超快激光也可以生成超连续光谱。在透明材料下方的成丝产生Si的光声压缩处理。由于Si具有非常低的三阶非线性效应，Si通过自身具有非常低的白光转化效率。使用具有更高峰值功率的激光脉冲避免了前述顶部层的需求。没有必要使用顶部层，并且白光可以直接生成，顶部硅表面导致更高波长的光谱在Si中穿透。在所有以上陈述后，新的超快激光被设计为在突发模式中以2μm波长操作。超快激光脉冲在Si晶片内形成长光丝。加长改性区域可以形成内划刻，这导致晶片分离为更小的片。该方法的一个非限制示例是用于激光处理硅锭，并且包括步骤如下：提供硅锭，该硅锭是圆柱形的，并且包括侧面和顶部平表面；施加激光束，该激光束具有在突发包线中＝的至少一个超快子脉冲，该突发包线包括1-50个子脉冲，在包线中的子脉冲在第一波长下操作，来自激光源具有大于1.3μm的波长；在顶部表面下方密集地聚焦超快子脉冲，以引发光学击穿和孔隙形成；进行光栅扫描以覆盖表面以下的所有区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光处理硅的方法，该方法包括如下步骤：提供硅基板，所述硅基板包括顶部表面；提供克尔材料，并且将所述克尔材料放置为与所述硅基板的所述顶部表面接合，从而在它们之间形成界面；施加激光束，该激光束具有在突发包线中的至少一个子脉冲，所述突发包线包括1‑50个子脉冲，在所述包线中的所述子脉冲在第一波长下操作，从激光源经过分散透镜聚焦组件，并且到达所述克尔材料；以及当所述子脉冲行进经过所述克尔材料时改变所述子脉冲的所述第一波长，使得所述子脉冲在所述克尔材料和所述硅基板的所述顶部表面之间的所述界面处从所述克尔材料以多个第二波长射出，所述多个第二波长是白光；所述子脉冲的所述多个第二波长的一部分大于或者等于1.3μm；通过如下方式来产生光声压缩处理：所述多个第二波长的大于或者等于1.3μm的所述部分传导经过所述界面并到达所述硅基板，形成克尔效应自聚焦，其通过输入到所述硅的额外能量而在所述硅基板中传播，从而在所述硅基板中生成光丝。

【技术特征摘要】
2013.12.03 US 61/911,3451.一种用于激光处理硅的方法，该方法包括如下步骤：
提供硅基板，所述硅基板包括顶部表面；
提供克尔材料，并且将所述克尔材料放置为与所述硅基板的所述顶部表面接合，
从而在它们之间形成界面；
施加激光束，该激光束具有在突发包线中的至少一个子脉冲，所述突发包线包括
1-50个子脉冲，在所述包线中的所述子脉冲在第一波长下操作，从激光源经过分散透
镜聚焦组件，并且到达所述克尔材料；以及
当所述子脉冲行进经过所述克尔材料时改变所述子脉冲的所述第一波长，使得所
述子脉冲在所述克尔材料和所述硅基板的所述顶部表面之间的所述界面处从所述克
尔材料以多个第二波长射出，所述多个第二波长是白光；
所述子脉冲的所述多个第二波长的一部分大于或者等于1.3μm；
通过如下方式来产生光声压缩处理：所述多个第二波长的大于或者等于1.3μm的
所述部分传导经过所述界面并到达所述硅基板，形成克尔效应自聚焦，其通过输入到
所述硅的额外能量而在所述硅基板中传播，从而在所述硅基板中生成光丝。
2.根据权利要求1所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步骤：
所述分散聚焦元件组件是单个非理想聚焦透镜，其放置于所述激光束的路径中，
以形成包括主焦腰和一系列线性布置的次焦腰，即焦点，的分散聚焦光束路径。
3.根据权利要求1所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步骤：
所述分散聚焦元件组件包括沿着所述激光束的传播轴布置的多个光学元件。
4.根据权利要求1所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步骤：
所述克尔材料选自由玻璃、蓝宝石和水组成的组。
5.根据权利要求1所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步骤：
以恒定内直径在所述硅基板内产生孔。
6.一种用于激光处理硅的方法，该方法包括如下步骤：
提供硅基板，所述硅基板包括顶部表面；
施加激光束，该激光束具有在突发包线中的至少一个子脉冲，所述突发包线包括
1-50个子脉冲，在所述包线中的所述子脉冲在第一波长下操作，从激光源经过分散透
镜聚焦组件，并且到达所述硅基板；
当所述子脉冲行进经过所述硅基板的所述顶部表面时改变所述子脉冲的所述第
一波长，使得所述子脉冲产生白光，所产生的所述白光包括多个次波长；以及
通过如下方式来生产光声压缩处理：所述白光能量传递经过所述硅，形成克尔效
应自聚焦，其通过输入到所述硅的额外能量而在所述硅中传播，从而在所述硅中生成
光丝。
7.根据权利要求6所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步骤：
所述分散聚焦元件组件是单个非理想聚焦透镜，其放置于所述激光束的路径中，
以形成包括主焦腰和一系列线性分布的次焦腰，即焦点，的分散聚焦光束路径。
8.根据权利要求6所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步骤：
以恒定内直径在所述硅基板内产生孔。
9.一种用于激光处理硅的方法，该方法包括如下步骤：
对硅目标的至少一个表面施加牺牲层，所述牺牲层包括一表面；
使来自激光源的激光能量脉冲经过分散聚焦透镜聚焦组件；
相对于所述激光源调整所述分散聚焦透镜聚焦组件的相对距离和/或角度，使得
在分散聚焦构造中聚焦所述激光能量脉冲，以产生主焦腰和至少一个次焦腰；
调整所述主焦腰或所述硅目标的位置，使得所述主焦腰不停留在正被加工的所述
牺牲层或所述硅之上或之内；
调整聚焦，使得在所述硅和所述牺牲层的所述表面上的激光通量的光斑位于所述
主焦腰以上或以下；
调整在目标和所述牺牲层的所述表面上的激光通量的所述光斑，使得其具有的直
径总是比在所述牺牲层和所述硅目标内形成的成丝的直径更大；
确保所述次焦腰的通量水平有足够的强度和数量，以保证声光压缩处理经过所述
牺牲层和所述目标的所需体积的传播；以及
将来自所述激光源的至少一个突发激光脉冲经过所选的分散聚焦透镜聚焦组件
施加到所述牺牲层，其中，在所述光斑上处施加到所述牺牲层的脉冲能量或通量的总
量，使成丝和光声压缩处理形成并传播经过所述牺牲层和所述硅目标两者，其中，在
所述光斑处所述激光脉冲接触所述牺牲层上的初始处理点；
在所述硅目标和所述激光源之间进行相对移动，使得所钻的孔形成为切割线；以
及
在所需处理已经完成时停止所述突发激光脉冲和成丝。
10.一种用于激光处理硅的方法，该方法包括如下步骤：
对硅目标的至少一个表面施加牺牲层，所述牺牲层包括一表面；
使来自激光源的激光能量脉冲经过分散聚焦透镜聚焦组件；
所述分散聚焦透镜聚焦组件包括多个光学元件，所述光学元件选自由以下元件构
成的组：非球面板、远心透镜、非远心透镜、非球面透镜、环形面透镜、基于定制的
有像差非完美透镜、正透镜和负透镜的组合或一系列矫正板相移掩模、锥透镜、任何
相对入射光束倾斜的光学元件、和能够执行光束传播的主动补偿光学元件、以及沿着
激光束的传播轴布置的产生明显非理想的、非高斯光束强度轮廓的任意数量的光学元
件；
相对于所述激光源调整所述分散聚焦透镜聚焦组件的相对距离和/或角度，使得
在分散聚焦构造中聚焦所述激光能量脉冲，以产生主焦腰和至少一个次焦腰；
调整所述主焦腰或所述硅目标的位置，使得所述主焦腰不停留在正被加工的所述
牺牲层或所述硅之上或之内；
调整所述分散聚焦透镜聚焦组件的焦点，使得在所述硅和所述牺牲层的所述表面
上的激光通量的光斑位于所述主焦腰以上或以下；
调整在目标和所述牺牲层的所述表面上的激光通量的所述光斑，使得其具有的直
径总是比在所述牺牲层和所述硅目标内形成的成丝的直径更大；
确保所述次焦腰的通量水平有足够的强度和数量，以保证声光压缩处理经过所述
牺牲层和所述目标的所需体积的传播；以及
将来自所述激光源的至少一个突发激光脉冲经过所选的分散聚焦透镜聚焦组件
施加到所述牺牲层，其中，在所述光斑处施加到所述牺牲层的脉冲能量或通量的总量，
使成丝和光声压缩处理形成并传播经过所述牺牲层和所述硅目标两者，其中，在所述
光斑处所述激光脉冲接触所述牺牲层上的初始处理点；
在所述硅目标和所述激光源之间进行相对移动，使得所钻的孔形成为切割线；以
及
在所需处理已经完成时停止所述突发激光脉冲和成丝。
11.根据权利要求10所述的用于激光处理硅的方法，该方法进一步包括如下步
骤：
以恒定内直径在所述硅基板内产...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·A·侯赛尼，
申请(专利权)人：罗芬新纳技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US