用于劈开或切割基板的激光加工方法技术

本发明专利技术提供了一种用于分离形成在单个基板上的半导体器件或用于分离厚度大的硬质固体基板的有效快速激光加工方法。在准备用于劈开/破裂(切割)步骤的器件或基板的过程中，形成损伤区域，该损伤区域的特征在于是沿预期劈开线所形成的深且窄的损伤区域。该激光加工方法包括以下步骤：通过聚焦单元来调整脉冲激光束以在工件的主体中产生“长钉”状光束汇聚区，更具体地，产生高于工件材料光学损伤阈值注量(功率分布)的区域。在前述步骤中，构建调整区域(具有“长钉”状形状)。该激光加工方法还包括以下步骤：通过工件与激光束聚集点之间的相对平移沿预定破裂线构建多个这样的损伤结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于劈开或切割基板的激光加工方法
本方法属于激光材料加工。更具体地，本方法是关于一种使用特殊形状的激光束来劈开和/或切割硬质脆性材料的方法。本专利技术用于对形成在基板上的半导体器件进行分离。
技术介绍
晶圆切割在半导体器件的制造中起到关键作用，而这些器件不断变小并越来越复杂。传统的切割方法是对于厚度大于100μm的硅晶圆使用金刚石锯，或者对于较薄的晶圆，则使用激光烧蚀。金刚石圆盘锯技术受限于其低加工速度(对于硬质材料)。金刚石圆盘锯通常会产生宽的、带有碎裂划痕且低质量的边缘，进而降低器件产量和使用寿命。该技术由于金刚石圆盘会快速劣化而产生昂贵的费用，并由于需要水冷却和清洗而不实用。另外，当要切割的基板较薄时，该技术的性能受限。另一传统激光加工技术(即，激光烧蚀)同样受限于其低加工速度和达到10-20μm的划痕宽度，该宽度对于大多数应用而言过宽。此外，激光烧蚀引发裂纹、留下熔融的残留物，并且通过碎片(debris)污染了切割区域。大面积的热影响区会减小半导体器件的使用寿命和效用。烧蚀和金刚石圆盘锯技术都无法用于其上存在其他表面特征的特殊晶圆，比如，存在用于黏合堆栈的、附有染料的薄膜(dye-attachedfilm)。这样的附加物使得传统的锯割工艺或烧蚀工艺更难以应对碎片并更易受到碎片的影响。为了提高所分离器件的质量，开发了其他基于激光加工的方法和设备。其中之一是在2006年1月31日公布的美国专利US6992026中所描述的激光加工方法和激光加工设备。该方法和设备使得能够在不产生融合痕迹以及不产生垂直延伸出工件表面上的预定切割线的裂纹的情况下，对该工件进行切割。使用脉冲激光束在足以导致多光子吸收的情况下沿预定切割线照射工件表面，激光束被对准以在工件主体内部产生焦斑(或聚集点：高能量区/高光子密度区)，从而通过在劈开平面(cleavingplain)中移动焦斑来沿预定劈开线形成调整区域(modifiedarea)。创建调整区域之后，能够以相对小的力将工件机械分离。目前，该加工方法及其变型在本领域中被称为“隐形切割(stealthdicing)”。其所有变型都基于通过一定波长(在该波长下，晶圆是透明的)的聚焦脉冲激光束所产生的内部穿孔，而聚焦脉冲激光束在焦点处被非线性处理所吸收，例如，像在经内部刻蚀的装饰性玻璃区块中那样。内部穿孔使得上下表面崭新如初。晶圆通常放置在被机械伸展的塑料胶带上，从而使得穿孔开裂。据称与现有工艺不同，该加工方法不会发生碎片、表面裂纹或热损伤。除了特殊晶圆和多层晶圆，微电子机械(microelectromechanical，MEM)系统也可以以这种方式分离。隐形切割的不足之处是明显的，由于通常为了进行隐形切割，必须施加高数值孔径(NA)透镜，从而导致小的景深(depthoffocus，DOF)，并且提供了严苛的聚焦条件。这导致多个裂纹向劈开表面上随机方向延伸，因而影响由该劈开晶圆生成的器件的使用寿命。当加工蓝宝石时，隐形切割也同样具有缺点。当晶圆和基板的厚度高达120-140μm，并且每个待切割的分脱机仅需要一个道次(pass)，这些具体的不足之处不明显。但是，对于较厚的晶圆(通常4"、6"蓝宝石晶圆的厚度>140μm至250μm或更厚)，每个分脱机需要多个道次。其后果是，材料暴露在激光辐射下的时段被延长，这对最终器件的性能和产量产生无益影响。此外，多道次加工减缓了总加工速度和降低了生产能力。在2013年5月23日公布的美国专利申请US2013126573中公开了另一材料加工方法。提供了一种在为劈开步骤做准备的过程中对透明基板进行内部加工的方法。使用由脉冲组成的聚焦激光束来照射基板，该脉冲所具有的脉冲能量和脉冲时长被选择以在基板内产生灯丝(filament)。相对于激光束平移基板以照射该基板并在一个或多个附加位置产生附加的灯丝。所形成的灯丝构成了数组，该数组限定了用于劈开该基板的内部划片路径。可改变激光束参数以调整灯丝长度和位置，并且可选地引入V-沟道或沟槽，从而向激光劈开的边缘提供斜角(bevel)。优选地，以突发序列的方式提供激光脉冲，用于降低形成灯丝的能量阈值、增大灯丝长度和灯丝修正区的热退火以最小化附带损伤、提供加工的重复性，以及与使用低重复率激光相比加快了加工速度。本方法的应用导致仅适用于裸材料(barematerial)的粗加工，并且由于所需的较高脉冲能量而不便于切割，从而对最终半导体器件性能产生不良影响。特别地，如果使用该方法来切割晶圆，所形成的发光二极管(LED)的特征在于增大的漏电流，在高亮度(HB)和超高亮度(UHB)LED中，增大的漏电流将极大地降低性能。在2012年9月20日公布的美国专利申请US2012234807中描述了一种对工件产生扩展的深度影响(extendeddepthaffectation)的激光划片方法。该方法基于对激光束进行聚焦以引入有意的像差。纵向球面像差范围被调整为足以在有限的横向球面像差范围的情况下将景深延伸到工件中。该方法也由于高能量脉冲而导致了粗加工从而在工件内侧造成垂直损伤痕迹。由于必须使用低的数值孔径(具有几十微米的焦距)，所以需要高脉冲能量，这导致了宽松的聚焦条件——焦斑具有很平滑的空间强度分布(intensityprofile)，因此导致以下操作情况：以相对小的峰值在大的面积上实现了上述损伤阈值能量密度。由于对脉冲强度的需求增大(需要用于光击穿)，需要增大脉冲能量，并且脉冲能量的增大使得该加工方法对于HBLED和UHBLED而言不具有吸引力。在HBLED和UHBLED中，如上所述，LED漏电流和芯片壁粗裂纹(roughcracking)是至关重要的。现有技术方法限制了基板厚度、材料类型和用于晶圆分离的加工质量。为了加工较厚的材料，上述技术要求增大激光功率或每个分脱机的道次数量。其后果是，这将对半导体器件性能和生产量产生不良影响。
技术实现思路
为了克服上述缺点，本专利技术提供了一种用于分离形成于单个基板上的半导体器件或用于分离大厚度硬质固体基板的有效快速激光加工方法。在准备用于劈开/破裂(切割)步骤的器件或基板的过程中，形成损伤区域，该损伤区域的特征在于是沿预期劈开线所形成的深且窄的损伤区域。本方法对每个切割线不要求多个激光束道次，因此增大了生产量。下文中，术语“工件”被限定为包括术语基板、晶圆、晶圆片、器件或者准备用于加工和后续机械分离并可被交替使用的类似对象。该激光加工方法包括以下步骤：通过聚焦单元来调整脉冲激光束以在工件的主体中产生“长钉”状光束汇聚区，更具体地，产生高于工件材料光学损伤阈值注量(功率分布)的区域。在聚焦单元中，光束发散度和宽度是可调的，并且将光束聚焦到工件上。材料对于该激光辐射是部分或完全透明的，并且在前述步骤中，优选地由于足以产生定域融化或库伦爆炸(Coulombexplosion)的多光子吸收，在材料的主体中产生了调整区域(具有“长钉”状形状)，也被称为损伤结构。该激光加工方法还包括以下步骤：通过物体与激光束聚集点之间的相对平移沿预定破裂线构建多个这样的损伤结构。本领域普通技术人员应当理解，在形成这样的线之后，借助于机械力可将物体分离或切割为两个或更多个具有限定的分离边界的较小片，该分离边本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于劈开或切割基板的激光加工方法，该加工方法包括通过光束聚焦单元使用脉冲激光束来照射工件的步骤，其中，激光脉冲被传递到该工件的表面用于劈开工件；其中，工件是指具有至少一个平整表面的待劈开或待切割物体；其中，工件对于激光辐射是透明的；其中，一系列受损区产生劈开面；其中，所产生的劈开面使得沿期望的基板分脱机能够容易地进行破裂，其特征在于，该加工方法包括以下步骤：使用被设置为将激光束聚焦到该工件材料的主体中的光束聚焦单元，或面向该光束聚焦单元与工件材料的主体的第一工件来调整该激光束，以使得上述工件主体材料光学损伤阈值注量分布遵循类“长钉”形状，其中该类“长钉”形状的纵向长度大于横向长度，沿预期劈开面产生一系列具有该类“长钉”状注量分布的损伤结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于劈开或切割基板的激光加工方法，该加工方法包括通过光束聚焦单元使用脉冲激光束来照射工件的步骤，其中，激光脉冲被传递到该工件的表面用于劈开工件；其中，工件是指具有至少一个平整表面的待劈开或待切割物体；其中，工件对于激光辐射是透明的；其中，一系列受损区产生劈开面；其中，所产生的劈开面使得沿期望的基板分脱机能够容易地进行破裂，其特征在于，该加工方法包括以下步骤：使用被设置为将激光束聚焦到该工件材料的主体中的光束聚焦单元，或面向该光束聚焦单元与工件材料的主体的第一工件来调整该激光束，以使得上述工件主体材料光学损伤阈值注量分布遵循类“长钉”形状，其中该类“长钉”形状的纵向长度大于横向长度，沿预期劈开面产生一系列具有该类“长钉”状注量分布的损伤结构。2.如权利要求1所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法，其特征在于，该工件是芯片状的基底，该基底的材料是诸如蓝宝石、硅、碳化硅、金刚石或类似的硬脆材料。3.如权利要求1与2所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法，其特征在于，该通过该光束聚焦单元进行的激光束聚焦通过以下方式来实现：通过至少一个设置在该光束聚焦单元中的光束发散控制单元，比如可调整的光束扩展器，来导引光束；并且在于，通过具有在0.5-0.9NA范围内的高数值孔径的至少一个光束聚焦组件连续导引该光束，其中，该光束聚焦组件为非球面光束聚焦透镜或至少一个物镜。4.如权利要求1至3所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法，其特征在于，该光束聚焦组件聚焦该光束以使得照到聚焦单元上距光轴较近的横向光束分量被聚焦成距该工件的第一表面较近，而照到聚焦单元的表面上距光轴较远的横向光束分量被聚焦到距该工件的第一表面较远的工件材料的主体中。5.如权利要求1至4中任一项所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法，其特征在于，聚焦单元包括设置该距离保持装置在光束聚焦单元与第一工件表面之间，聚焦单元包括距离监视装置、压电纳米定位器或机动线性平移台等。6.如权利要求1至5中任一项所述的用于劈开或切割基板的激光加工方法，其特征在于，材料内的该“长钉”状聚焦激光束强度分布适于通过借助于致动器单元改变该聚焦组件之前的激光束发散度、聚焦组件表面设计、...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾基迪宙斯·瓦那加斯，迪基加斯·金巴拉斯，劳瑞纳斯·维塞利斯，
申请(专利权)人：艾维纳科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：立陶宛,LT