专利名称：用于通过改变衍射光栅分割基片上形成的半导体元件的方法,装置和所述衍射光栅的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及分割基片上形成半导体元件的方法，装置和衍射光栅，例如，利用激光器分割半导体材料晶片上形成的半导体元件，具体涉及利用产生原激光束的激光器分割半导体材料晶片上形成半导体元件的方法，装置和衍射光栅，其中利用至少有第一光栅结构的第一衍射光栅并入射所述原激光束到所述第一光栅结构上，所述第一原激光束被分成多个二次激光束，且其中沿第一方向相对于所述晶片移动所述激光器，至少形成一个第一刻痕，该方法还包括步骤沿第二方向相对于所述晶片移动所述激光器，至少形成一个第二刻痕。
背景技术：
在工业中制成半导体元件是很普通的，例如，在半导体材料的晶片上制成二极管和晶体管，以及包含多个二极管和晶体管的集成电路和诸如电容器的无源元件。这些半导体元件通常是利用金刚石切割或其他机械切割方法被互相分割开；在一些情况下，人们利用激光分割或切割技术。类似的分割技术用于制造半导体器件，例如，CCD器件，其中半导体元件(半导体电池)上涂敷陶瓷材料(玻璃)，并整体被分割。
转让给本专利申请受让人的US Patent 5,922,224公开一种激光分割技术，其中借助于激光器产生的辐射加热，通过局部蒸发和/或熔融注入半导体材料。所以，原激光束被引导到衍射光栅，用于把原激光束分割成多个二次激光束。这些二次激光束指向晶片并聚焦成一个或多个焦点。通过晶片与激光束之间的相对运动，形成的一个或多个刻痕取决于焦点的数目。形成的每个刻痕对应于晶片表面上的焦点。应当理解，相对运动的实现可以通过移动激光器，移动晶片或移动晶片和激光器。
请注意，在以上描述的方法中，多于一个二次激光束可以被引导到一个焦点。晶片上形成刻痕或沟槽的深度和空间形状取决于一个或多个二次激光束相对于晶片表面的取向。倾斜入射到晶片表面的二次激光束可以形成与表面倾斜(而不是垂直)侧壁的沟槽。
一般地说，晶片表面上形成的半导体元件具有某种表面图形的分布，借助于激光器与晶片之间合适的相对运动，能够直接切割这些半导体元件。例如，该图形可以是矩阵图形，其中晶片的切割可以是，沿每行半导体元件之间的第一方向形成多个平行刻痕，随后沿每列半导体元件之间的第二方向形成多个平行刻痕。应当明白，在半导体元件的矩阵分布中，若准备沿第一方向切割晶片，则要求晶片与激光器之间的相对运动是沿垂直方向，为的是在第二方向上形成刻痕。
由于原激光束被分割成二次激光束并重新聚焦这些二次激光束到晶片表面上，焦点的图形和二次激光束相对于晶片表面的取向变得与切割方向有关。例如，若两个焦点形成在表面上用于在晶片上形成沿第一方向和给定间距的两个刻痕，则在晶片表面上两个焦点的图形必须适合于沿第二方向，为的是保持两个刻痕之间的给定间距。类似地，在一个或多个二次激光束倾斜入射到晶片表面上的情况下，二次激光束必须有合适的取向，为的是保持二次激光束相对于沿第二方向形成刻痕的取向。
这可以相对于激光器通过旋转晶片实现，用于合适地对准二次激光束和一个或多个焦点，因此，相对于晶片移动激光器可以形成沿第二方向的所需多个平行刻痕。在半导体元件是矩阵分布的例子中，在沿第二方向形成刻痕之前，通过旋转晶片90度角，可以实现这个目的。
必须足够精确地完成晶片的旋转到所需的角度。在一定范围内，旋转角的变化是不可避免的。这些变化确定该方法效率的极限，应当明白，晶片旋转角的变化导致切割方向的变化。由于激光器是相对于晶片运动的，实际形成的刻痕偏离理想或预期的刻痕，这种偏差随激光器相对于晶片移动的距离而增长。
在工业中，通过形成所谓的划痕道(scribing lane)可以预期这个结果，划痕道是晶片上形成的每行和每列半导体元件之间的区域，在其中可以形成刻痕。若选取的划痕道足够宽，则切割方向的变化不会直接导致半导体元件的损失。然而，划痕道的尺寸(宽度)在某种程度上确定晶片表面上可以形成的半导体元件数目。应当理解，划痕道必须尽可能狭小。所以，应当明白，大量的工作放置在晶片的精确旋转上，为了使旋转角的变化是尽可能小。这就减慢分割过程。
另一个缺点是，焦点的图形和二次激光束相对于晶片表面的取向是由衍射光栅的特征确定。所以，在不中断过程和替换衍射光栅的情况下，人们不可能在该过程中修改这种图形。
发明内容
本发明的目的是提供一种分割半导体元件的方法，它可以减轻上述的问题，能够沿任何的方向精确地形成刻痕，并能够在该过程中修正二次激光束的焦点图形。
本发明实现这个目的是通过提供一种在基片上分割半导体元件的方法，例如，利用至少产生一个原激光束的激光器，分割半导体材料晶片上形成的半导体元件，其中利用至少有第一光栅结构的第一衍射光栅，并使所述至少一个原激光束入射到所述第一光栅结构上，所述至少一个原激光束被分成多个二次激光束，且其中沿第一方向相对于所述基片移动所述激光器，至少形成一个第一刻痕，所述方法还包括步骤沿第二方向相对于所述基片移动所述激光器，至少形成一个第二刻痕，其特征是，在沿所述第二方向相对于所述基片移动所述激光器的所述步骤之前，所述方法还包括步骤把所述第一光栅结构改变成第二光栅结构。
在把第一光栅结构改变成第二光栅结构用于第二方向时，它不再要求沿第一方向和第二方向利用相同的衍射光栅结构。所以，合适方向的光栅结构可用于第一方向，而另一个合适的光栅结构可用于第二方向，第一光栅结构和第二光栅结构中的每个光栅结构适合于它们使用的方向要求。例如，第二光栅结构可以是第一光栅结构的旋转数学图像，或可以是完全不同的光栅结构。这就能够沿不同的方向(例如，侧向替换前后方向)移动晶片(或激光器)，不必首先相对于激光器旋转晶片和不必替换衍射光栅。可以预期在该过程中任何元件相对于任何其他元件旋转造成的旋转角和/或切割方向的变化。所以，可以更精确地定位晶片切割方法中形成的刻痕，且所要求的划痕道可以做得小于普通晶片切割方法中的划痕道。因此，可以提高晶片表面上半导体元件的密度，从而可以降低生产成本。
该方法可应用于从半导体材料晶片上分割半导体元件的方法。此外，该方法可用于制作CCD器件。或者，本发明的方法可用于分割包含半导体元件的其他基片，例如，在绝缘材料基片上形成的半导体元件。
按照不同的方法可以把第一光栅结构改变成第二光栅结构。在本发明的一个实施例中，改变所述第一光栅结构的所述步骤包括平移所述第一光栅结构，因此，所述原激光束入射到所述第二光栅结构上。
专业人员能够理解，通过衍射光栅的平移运动，可以相对简单地把第一光栅结构改变成第二光栅结构。可以精确地调整二次激光束的焦点图形和取向，因为在垂直于激光的平面上可以精确地预先对准第一光栅结构和第二光栅结构。在所述平面上平移所述衍射光栅不会改变第一光栅结构与第二光栅结构之间以及相对于晶片表面的对准。
第二光栅结构可以形成在第一衍射光栅上，例如，若第一衍射光栅形成有不同光栅结构的不同表面区，或在第二衍射光栅上形成所述第二光栅结构。
所述第二光栅结构可以是与所述第一光栅结构不同的光栅结构，或者，在本发明的一个实施例中，所述第一光栅结构和第二光栅结构是这样选取的，通过旋转所述第一光栅结构一个旋转角，所述第二光栅结构是所述第一光栅结构的数学图像。
该方法有这样的优点，在需要沿第一方向和第二方向形成相同的刻痕时，例如，每个刻痕之间有相同的距离，相同的深度等，第一光栅结构的数学图像可以用作第二光栅结构，例如，在光栅平面上按照数学方法旋转第一光栅结构一定的角度。一个清楚的例子是，晶片上半导体元件的分布是矩阵式分布，在矩阵的每列和每行中有相等距离的元件。事实上，用于形成每列(沿第一方向)之间刻痕的光栅结构可用于形成每行(沿第二方向)之间的刻痕，其中借助于在衍射光栅平面上按照数学方法旋转第一光栅结构90度角(请注意，这个旋转角等于第一方向与第二方向之间的夹角)。
有几种可以实现以上实施例的方法。例如，一种方法是，利用有第一和第二衍射光栅结构的单个衍射光栅，其中第一光栅结构和第二光栅结构是相同的，但它们是在一个角度下(例如，垂直)对准的。这种情况的一个例子是鱼骨结构，其中第一光栅结构沿一个方向有多条平行线，而第二光栅结构沿第二方向有多条平行线，第二方向垂直于第一方向。
在另一个实施例中，第一衍射光栅是围绕与原激光束相交的旋转轴旋转。换句话说，该衍射光栅是“翻转”的衍射光栅。
应当理解，可以这样选取与原激光束相交的旋转轴，第一衍射光栅围绕这个旋转轴旋转180度后可以形成第二光栅结构，其中光栅线垂直于该平面上第一光栅结构的光栅线，原激光束是该平面与垂直。
应当理解，把第一光栅结构改变成第二光栅结构的另一种可能性包括相对平行于所述原激光束的旋转轴旋转所述第一衍射光栅。所述旋转应当是在一个理想的旋转角度下精确地完成。
按照第二方面，本发明提供一种用于分割基片上形成半导体元件的装置，例如，分割半导体材料晶片上形成的半导体元件，包括安排成至少产生一个原激光束的激光器；至少有第一光栅结构的第一衍射光栅，通过入射所述至少一个原激光束到所述第一光栅结构上，所述第一衍射光栅安排成把所述至少一个原激光束分割成多个二次激光束；安排成至少沿第一方向相对于所述激光器移动所述基片的装置，用于形成第一刻痕，所述移动装置还安排成沿第二方向相对于所述激光器移动所述基片，用于形成第二刻痕，其特征是，所述装置还包括把所述第一光栅结构改变成第二光栅结构的装置。
在本发明的第三方面，提供一种在上述方法或装置中产生的衍射光栅，所述衍射光栅包括有第一光栅结构的第一部分和有第二光栅结构的第二部分。
借助于参照优选实施例的描述和附图，现在可以更进一步说明本发明，本发明涉及一种分割晶片表面上形成半导体元件的方法和装置，其中半导体元件在晶片上的分布是矩阵式分布，因此，以上描述的第一方向和第二方向是互相垂直的。本发明不局限于此处公开的实施例，提供这些实施例仅仅是为了说明本发明。
图1表示按照本发明的装置。
图2A-2C表示用于本发明的几种衍射光栅。
图3表示旋转衍射光栅的步骤，它可以把第一光栅结构改变成第二光栅结构。
具体实施例方式
图1表示按照本发明方法使用的装置，其中激光器1形成多个原激光束2，利用反射镜1引导原激光束2入射到衍射光栅4上。衍射光栅4把原激光束2分成多个二次激光束5。二次激光束5被光学元件(物镜)聚焦成晶片12表面上的多个焦点10和11。晶片12是由平台13支承。请注意，轴15表示垂直于晶片的光轴，该光轴与原激光束平行。
为了分割晶片表面上的半导体元件，相对于平台13支承的晶片12移动原激光束2，可以形成焦点10和11产生的多条刻痕。这是通过移动有晶片12的平台13和固定光学元件(1，3，4，6和14)实现的，或通过移动光学元件和固定平台13实现的，或通过移动平台13和光学元件实现的。
在沿第一方向的多条刻痕形成在晶片表面上时，激光器已完成沿第一方向相对于晶片的移动，原激光束2可以沿第二方向相对于晶片表面12的移动，第二方向垂直于第一方向，用于沿第二方向形成多条刻痕。显而易见，由于方向的变化，必须在不同的位置上形成焦点10和11。例如，若晶片12相对于原激光束2的第一方向是垂直于纸面的方向，而第二方向是平行于纸面的方向，如箭头17所示，则在第一方向上，焦点11跟随焦点10的轨迹，而在第二方向上，焦点10和11运动的轨迹是相隔某个距离的平行线。应当明白，这可能不是理想的情况；例如，我们需要的是，在沿第二方向相对于晶片移动激光器的同时，焦点11以完全相同的方式跟随焦点10，如同在第一方向上所完成的。或者，与第一方向比较，在第二方向上可能要求二次激光束5有完全不同的取向，从而导致在晶片表面上形成不同的焦点图形。
可以按照这样的方式改变焦点10和11的位置，例如，提供有第二光栅结构的第二衍射光栅14，并移动第一光栅结构4离开原激光束2，与此同时移动衍射光栅14进入原激光束2，使原激光束2入射到第二光栅结构上。第二衍射光栅14上形成的第二光栅结构可以不同于衍射光栅4上形成的第一光栅结构。所以，由于存在第二光栅结构，原激光束2入射到衍射光栅14上形成的多个二次激光束5可以有不同的取向并沿不同的方向被引导。可以按照这样的方式选取衍射光栅14上形成的第二光栅结构，因此，这些焦点用于沿第二方向形成多条(等间距)刻痕。
分别包含第一光栅结构和第二光栅结构的衍射光栅4和14可以由两个不同的衍射光栅构成，如图1所示，或者，可以在其表面的不同区域上包含第一光栅结构和第二光栅结构的一个衍射光栅构成。图2A，2B和2C表示这种衍射光栅的几个例子。
图2A表示所谓的鱼骨光栅，它在其表面上包含两个光栅结构。鱼骨光栅20表面上的第一光栅结构21和第二光栅结构22是类似的，在多条平行光栅线之间有相同的距离。然而，通过旋转第二光栅结构22刚好90度，第二光栅结构22形成第一光栅结构21的数学图像。
图2A所示的鱼骨光栅可用于分割晶片表面上形成的多个半导体元件，这些半导体元件的分布是矩阵式分布图形。这些半导体元件中的每个元件可以是正方形，矩阵中的每列和每行是由多个这些半导体元件构成。在每行和每列之间包含形成刻痕的划痕道。应当理解，利用图2A所示的鱼骨光栅20，在该装置准备沿第一方向移动时，就不需要相对于原激光束旋转晶片。可以按照这样的方式移动光栅20，使原激光束入射到任何所需的光栅结构21或22上。
图2B表示可用于本发明的另一个衍射光栅实施例，其中第一光栅结构25和第二光栅结构26形成在衍射光栅24的表面上。应当理解，利用第一光栅结构25形成的二次激光束模式完全不同于利用第二光栅结构26形成的二次激光束模式。还应当理解，可以设计不同的衍射光栅以满足不同的晶片切割要求。在晶片包含多个半导体元件的情况下，这些半导体元件的分布不是以上图2A所描述的矩阵分布，在衍射光栅表面上可以形成第一和第二(以及可能有第三，第四，等等)光栅结构的任何集合，为的是提供合适的二次激光束模式，用于沿任何所需的方向进行切割。
图2C表示鱼骨光栅28的另一个实施例，其中第一光栅结构29包含多条平行光栅线，而第二光栅结构30包含垂直于第一光栅结构的多条平行光栅线。请注意，第一光栅结构中光栅结构线的间距远比第二光栅结构中光栅结构线间距密集。
通过“翻转”普通的衍射光栅，也可以把第一光栅结构改变成第二光栅结构，如图3所示。图3的顶部表示普通的衍射光栅35，它是由第一光栅结构36构成。按照这样的方法选取平行于光栅表面的旋转轴37，使旋转轴37与光栅结构36线的夹角α等于第一光栅结构36在纸片平面内必须旋转的角度一半，为的是形成第二光栅结构40。然后，通过衍射光栅35围绕旋转轴37旋转的角度θ等于180度，可以形成第二光栅结构40。这个旋转是由箭头38表示。图3的底部表示这种旋转的结果。此处，相同的光栅(35′所示)是由第二光栅结构40构成。事实上，通过衍射光栅35围绕旋转轴37的旋转，可以形成第二光栅结构40，因此，光栅的“背面”变成光栅的“前面”，反之亦然。作为参考，在图3的底部还画出旋转轴37。
从完整性考虑，应当注意，按照以上描述的内容可以对本发明作各种改动和变化。所以，应当明白，在修改的权利要求书范围内，本发明可以在不同于此处具体描述的条件下实现。
权利要求
1.一种分割基片上半导体元件的方法，例如，利用至少产生一个原激光束的激光器，分割半导体材料晶片上形成的半导体元件，其中利用至少有第一光栅结构的第一衍射光栅并入射所述至少一个原激光束到所述第一光栅结构上，所述至少一个原激光束被分成多个二次激光束，且其中通过沿第一方向相对于所述基片移动所述激光器，至少形成一个第一刻痕，所述方法还包括步骤通过沿第二方向相对于所述基片移动所述激光器，至少形成一个第二刻痕，其特征是，在沿所述第二方向相对于所述基片移动所述激光器的所述步骤之前，所述方法包括步骤把所述第一光栅结构改变成第二光栅结构。
2.按照权利要求1的方法，其中改变所述第一光栅结构的所述步骤包括平移所述第一光栅结构，使所述至少一个原激光束入射到所述第二光栅结构上。
3.按照权利要求2的方法，其中所述第二光栅结构是由所述第一衍射光栅构成。
4.按照权利要求2的方法，其中所述第二光栅结构形成在第二衍射光栅上。
5.按照以上权利要求中任何一个的方法，其中所述第一光栅结构和第二光栅结构选取成这样，通过旋转所述第一光栅结构一个旋转角，所述第二光栅结构是所述第一光栅结构的数学图像。
6.按照权利要求5的方法，其中改变所述第一光栅结构的所述步骤包括旋转所述第一衍射光栅，用于形成所述第二光栅结构。
7.按照权利要求6的方法，其中旋转所述第一衍射光栅的所述步骤包括相对于所述至少一个原激光束相交的旋转轴旋转。
8.按照权利要求6的方法，其中旋转所述第一衍射光栅的所述步骤包括相对于所述至少一个原激光束平行的旋转轴旋转。
9.按照以上权利要求中任何一个的方法，其中所述第二方向是与所述第一方向相交。
10.一种分割基片上形成半导体元件的装置，例如，分割半导体材料晶片上形成的半导体元件，包括安排成至少产生一个原激光束的激光器；至少有第一光栅结构的第一衍射光栅，通过入射所述至少生一个原激光束到所述第一光栅结构上，所述第一衍射光栅把所述至少生一个原激光束分成多个二次激光束；用于沿至少第一方向相对于所述激光器移动所述基片的装置，用于形成第一刻痕，所述移动装置还沿第二方向相对于所述激光器移动所述基片，用于形成第二刻痕，其特征是，所述装置还包括用于把所述第一光栅结构改变成第二光栅结构的装置。
11.按照权利要求10的装置，其中安排成改变所述第一光栅结构的所述装置安排成相对于所述至少一个原激光束平移所述衍射光栅，使所述至少一个原激光束入射到所述第二光栅结构上。
12.按照权利要求11的装置，其中所述第二光栅结构是由所述第一衍射光栅构成。
13.按照权利要求11的装置，还包括包含所述第二光栅结构的第二衍射光栅。
14.按照权利要求10-13中任何一个的装置，其中通过旋转所述第一光栅结构一个旋转角，所述第二光栅结构是所述第一光栅结构的数学图像。
15.按照权利要求14的装置，其中安排成替换所述第一光栅结构的所述装置安排成围绕与所述至少一个原激光束相交的旋转轴旋转所述第一衍射光栅。
16.按照权利要求1-9中任何一个方法中所用的衍射光栅，所述衍射光栅包括有第一光栅结构的第一部分和有第二光栅结构的第二部分。
17.按照权利要求16的衍射光栅，其中通过旋转所述第一光栅结构一个旋转角，所述第二光栅结构是所述第一光栅结构的数学图像。
18.按照权利要求17的衍射光栅，其中所述旋转角是直角。
全文摘要
本文件涉及一种分割半导体材料晶片(12)上形成半导体元件的方法，其中利用产生原激光束(2)的激光器(1)。利用相对于所述晶片(12)和至少有第一光栅结构的第一衍射光栅(4，14)，通过入射所述至少一个原激光束(2)到所述第一光栅结构(4，14)上，所述至少一个原激光束(2)被分成多个二次激光束(5)。通过沿第一方向相对于所述晶片(12)移动所述激光器(1)，至少形成一个第一刻痕。该方法还包括步骤沿第二方向相对于所述晶片(12)移动所述激光器(1)，至少形成一个第二刻痕。在沿第二方向相对于所述晶片(12)移动所述激光器(1)的步骤之前，该方法还包括步骤相对于所述晶片把所述第一光栅结构(4，14)改变成第二光栅结构(4，14)。还公开这个方法中使用的装置和衍射光栅(4，14)。
文档编号B23K26/38GK1925943SQ200480039492
公开日2007年3月7日 申请日期2004年12月29日 优先权日2003年12月30日
发明者汉德里库斯·P·万德拉克, 汉斯·P·查尔 申请人:先进激光分离国际有限公司