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的制造方法
【专利说明】
[0001] 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。
技术领域
[0002] 本发明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。
【背景技术】
[0003] 硅对具有波长大于1.3ym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发明和改进的隐形切割。参见美国专利No. 7396742
[0004]为了通过成丝切割硅，要求形成在波长在I. 3ym以上操作的激光。可选地，必须 使用一种改变或修改l〇64nm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。
[0005] 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"。
[0006] 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1.3ym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（ejectamounds)，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 得像本发明方法一样的接近的加工公差。
[0007] 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1.3 ym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。该新发明以独特和新 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。
【发明内容】
[0008]随后将会更详细描述的本发明的一个目的，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I. 3ym波长操作的激 光。
[0009] 本发明的再一个目的是，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。以下发明提供使 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。尽管本发明被描述为使用普 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。
[0010] 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。
[0011] 本发明的第一实施方式是使用OPG或OPA将Iym波长的激光转换为超过I. 3ym 波长。OPG更容易和更快地实现。在从Iym源的光学参量产生器中，可以调整如1^他03这 样的OPG晶体以获得从1. 3到I. 6ym范围内的任何波长作为信号光和3-5ym光谱内的闲 散光。为了本发明的目的，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。
[0012] 本发明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l〇64nm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。
[0013] 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I. 3ym的波长的光时， 具有不同于l〇64nm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。
[0014]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。
[0015] 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2 ym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。
[0016] 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I. 3ym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域；使用分散透镜聚焦组 件在硅锭中生成光丝，使其进入到硅锭的侧圆柱表面；以及在分散透镜聚焦组件和硅锭之 间产生相对运动，以在其附近产生划刻线。围绕硅锭以环状划刻的光丝使硅薄晶片从硅锭 容易地分离。
[0017] 该法方法的另一个非限制示例是用于激光处理硅，包括如下步骤：提供硅基板，硅 基板包括顶部表面；提供克尔材料，并且将克尔材料放置为与硅基板的顶部表面接合，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，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，从激光源经过分散透镜聚焦组 件，并且到达克尔材料；以及，当子脉冲行进经过克尔材料时，改变子脉冲的第一波长，使得 子脉冲在克尔材料和硅基板的顶部表面之间的界面处从克尔材料以多个第二波长射出，所 述多个第二波长是白光；子脉冲的多个第二波长的一部分大于或者等于I. 3ym;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I. 3ym的部分的激光脉冲 能量传导经过界面到达硅基板，产生克尔效应自聚焦，其通过输入到硅的额外能量在硅基 板中传播，从而在硅基板中生成光丝。
[0018] 本发明的主题在本说明书的结论部分中特别指出和明确提出。然而，操作的组织 和方法，与本发明的进一步的优点和目的一起，可参考以下的说明书并结合附图来更好地 理解，其中相同的附图标记表示相同的元件。本发明的其它目的、特征和方面将在以下详细 描述。
[0019] 虽然本发明主要聚焦在硅划刻上，但是可以理解的是，本文公开的系统和方法同 样适用于钻孔、划切、切割和划刻其它基板的加工处理。该基板可以具有不同的形状。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的示意图；
[0021] 图2是表示由图1的激光布置钻出两个孔的示意侧视图；
[0022] 图3是本发明的另一个示意图；
[0023] 图4是使用分散聚焦透镜布置的本发明的示意图；
[0024] 图5是使用分散聚焦透镜布置的本发明的另一个示意图；
[0025] 图6是使用分散聚焦透镜布置并且主焦点位于目标以上的焦腰分布的本发明示 意图；
[0026] 图7是使用分散聚焦透镜布置并且主焦点位于目标以下的焦腰分布的本发明的 示意图；
[0027] 图8是图6的本发明的示意图，其中孔已经被钻出；
[0028] 图9是使用分散聚焦透镜布置并且主焦点位于在多个目标以下的焦腰分布的本 发明的另一个示意图；
[0029]图10是使用蓝宝石牺牲层和带来处理硅基板的本发明的另一个示意图；