一种激光加工晶圆的控制方法及系统与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种激光加工晶圆的控制方法及系统。

背景技术：

随着智能化的逐渐发展，对芯片制造和封测领域的要求日益增大，尤其是针对半导体、有机、无机等材料，在微米、纳米尺度范围内进行加工制造。

目前，在对90nm节点以下的晶圆进行切割时，基片上方一般覆盖low-k材料，由于low-k材料与基片衬底之间的粘附力不如介电常数的材料(如二氧化硅等)与基片衬底之间的粘附力，因此，在对覆盖有low-k材料的晶圆进行切割形成凹槽时，会造成low-k材料的粘连脱落从而降低芯片良率、甚至造成晶圆基片的碎片，其中，所述“凹槽”指代不穿透晶圆的基材并在其上表面形成凹槽。

同时，当采用激光对晶圆进行多次切割时，由于位移平台在运动过程中普遍存在移动的重复定位误差，导致无法对晶圆的目标位置进行精准切割，进而影响晶圆的加工成品率。

技术实现要素：

本发明提供的激光加工晶圆的控制方法及系统能够通过相控型硅基液晶对激光光束进行微位移，避免了由于晶圆加工平台的运行误差而导致对晶圆有效区域的损伤，提高了所述控制方法加工成品率、工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

第一方面，本发明提供一种激光加工晶圆的控制方法，包括：

采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标记或刻蚀加工时晶圆加工平台在第一位置运行的实时三维位置信息；

获取第二位置的目标三维位置信息并移动所述晶圆加工平台至第二位置；

采集晶圆加工平台在第二位置的实时三维位置信息；

根据第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息确定激光偏移量；

根据激光偏移量调控相控型硅基液晶对激光光束进行微位移并实现激光光束对晶圆第二目标点的刻蚀加工。

可选地，所述根据激光偏移量调控相控型硅基液晶对激光光束进行微位移为根据偏移量是通过控制反射型液晶的相控型硅基液晶上的闪耀光栅周期用以实现对激光光束进行微位移。

可选地，在所述根据第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息确定激光偏移量与所述根据激光偏移量调控相控型硅基液晶对激光光束进行微位移之间，还包括：

检测相控型硅基液晶的环境温度；

接收相控型硅基液晶的设定环境温度；

判断环境温度与设定环境温度是否一致，如果是，则保持所述环境温度；如果否，则调节至设定环境温度。

可选地，所述方法还包括：

实时检测激光光束的工作状态；

根据激光光束的工作状态判断激光光束是否处于异常状态，如果是，则停止工作；如果否，则执行下一步。

可选地，在采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标记或刻蚀加工时晶圆夹持平台在第一位置运行的实时三维位置信息之前，包括：

对激光光束依次进行分束处理、整形处理后形成具有设定图案分布的激光光斑。

可选地，所述设定图案分布的激光光斑包括至少两种几何形状的平顶光斑组合。

第二方面，本发明提供一种激光加工晶圆的控制系统，包括：

扩束准直元件，用于将激光器发射的激光光束扩束、准直，形成平行光束；

分束器，用于将平行光束分为至少两束，并分别射入相控型硅基液晶、聚焦元件；

相控型硅基液晶，用于根据激光偏移量调控相控型硅基液晶对激光光束进行微位移；

聚焦元件，用于将所述激光光束进行聚焦处理并发射到所述晶圆上以使激光曝光标记或刻蚀加工晶圆；

晶圆加工平台，用于夹持住所述晶圆并调整所述晶圆的空间位置以在所述晶圆上进行激光加工并形成凹槽；

位移检测装置，用于采集晶圆加工平台的三维位置信息；

控制器，分别与相控型硅基液晶、晶圆加工平台和位移检测装置连接，用于根据第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息确定激光偏移量、以及根据激光偏移量调控相控型硅基液晶对激光光束进行微位移并实现激光光束对晶圆第二目标点的曝光加工。

可选地，所述聚焦元件为柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜；

优选的，所述聚焦元件为平凸透镜。

可选地，所述系统还包括：

温度检测装置，设置于所述相控型硅基液晶四周并与控制器连接，用以检测相控型硅基液晶的环境温度。

可选地，所述系统还包括：

反射镜，用于将所述分束器射入的平行光束反射至平凸透镜；

平凸透镜，用于将所述反射镜射入的平行光束聚焦并射入光强检测装置；

光强检测装置，用于实时检测激光光束的工作状态。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的控制方法及系统解决了晶圆加工平台存在一定的重复定位误差导致激光对晶圆有效区域的造成损伤的问题，本发明实施例主要是通过相控型硅基液晶实现对激光加工晶圆的高精度控制，本实施例中首先由控制器控制激光器输出激光光束对晶圆第一目标点进行曝光标记，并采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标记或刻蚀加工时晶圆加工平台在第一位置运行的实时三维位置信息。当第一次曝光标记完成后，晶圆加工平台由第一位置移动第二位置，并实现对晶圆的第二目标点进行刻蚀加工，并通过采集第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息，然后根据上述信息得出晶圆加工平台在xy平面上的目标三维位置与实时三维位置之差，然后根据所述差值确定激光偏移量。所述控制器根据激光偏移量经理论计算得出相控型硅基液晶的调制参数，并根据调制参数对激光光束进行微位移，从而实现所述控制方法在预定切割道内的精确刻蚀，进而避免了由于晶圆加工平台的运行误差而导致对晶圆有效区域的损伤，提高了加工成品率。并且顺着预定切割道方向的有效偏移也同时可以实现对激光加工槽形的控制，能确保每个激光加工点上的总体能量分布接近一致。进而提高了所述控制方法的工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

附图说明

图1为本发明一实施例激光加工晶圆的控制方法的流程图；

图2为本发明另一实施例激光加工晶圆的控制方法的流程图；

图3为本发明一实施例相位补偿后lcos相位分布示意图；

图4为本发明一实施例周期电压所形成的光栅相位轮廓示意图；

图5为本发明一实施例光栅常数与一级光的衍射效率关系示意图；

图6为本发明一实施例衍射角度与光栅常数的关系示意图；

图7为本发明一实施例两个不同周期的激光耦合效率归一化结果示意图；

图8为本发明一实施例单周期激光耦合效率归一化结果示意图；

图9为本发明另一实施例激光加工晶圆的控制系统的结构示意图；

其中，1、激光器，2、光纤准直器，3、起偏器，4、扩束准直元件，5、分束器，6、相控型硅基液晶，7、聚焦元件，8、可调光阑，9、晶圆夹持平台，10、三轴位移装置，11、反射镜，12、平凸透镜，13、光强检测装置，14、温度检测装置，15、控制器，16、位移检测装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光加工晶圆的控制方法，如图1所示，所述方法包括：

s11、采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标记或刻蚀加工时晶圆加工平台在第一位置运行的实时三维位置信息；

s12、获取第二位置的目标三维位置信息并移动所述晶圆加工平台至第二位置；

s13、采集晶圆加工平台在第二位置的实时三维位置信息；

s14、根据第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息确定激光偏移量；

s15、根据激光偏移量调控相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移并实现激光光束对晶圆第二目标点的刻蚀加工。

具体的，本发明实施例提供的激光加工晶圆的控制方法主要是通过相控型硅基液晶6实现对激光加工晶圆的高精度控制，本实施例中首先由控制器15控制激光器1输出激光光束对晶圆第一目标点进行曝光标记、或刻蚀加工并去除晶圆第一目标点上表面的low-k材料。当将激光光束对晶圆第一次曝光标记作为初始状态时，并在初始状态下，所述相控型硅基液晶6将激光全反射并不参与对激光光束的控制，仅采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标识时晶圆加工平台在第一位置运行的实时三维位置信息并作为初始标准值，以便计算激光偏移量。当第一次曝光标识完成后，晶圆加工平台由第一位置移动第二位置，并实现对晶圆的第二目标点进行刻蚀加工并去除晶圆第二目标点上表面的low-k材料。但是，由于晶圆加工平台存在一定的重复定位误差，因此控制器15通过位移检测装置16采集第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息，然后根据上述信息得出晶圆加工平台在xy平面上的目标三维位置与实时三维位置之差，然后根据所述差值确定激光偏移量。所述控制器15根据激光偏移量经理论计算得出相控型硅基液晶6的调制参数，并根据调制参数对激光光束进行微位移，从而实现所述控制方法在预定切割道内的精确刻蚀，从而避免了由于晶圆加工平台的运行误差而导致对晶圆有效区域的损伤，提高了加工成品率。并且顺着预定切割道方向的有效偏移也同时可以实现对激光加工槽形的控制，能确保每个激光加工点上的总体能量分布接近一致。进而提高了所述控制方法的工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

可选地，如图2-7所示，所述根据激光偏移量调控相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移为根据偏移量是通过控制反射型液晶的相控型硅基液晶6上的闪耀光栅周期用以实现对激光光束进行微位移。

其中，所述闪耀光栅周期与激光偏移量相对应，其对应关系储存在控制器15内。

具体的，如图3所示，本实施例中所述相控型硅基液晶6为相位补偿后的lcos器件。lcos显示器是一种“夹心结构”——单晶硅基底片和镀有ito膜的玻璃片“夹”(封装)一层液晶材料。通过把视频转换电路、行扫描驱动电路和象素矩阵制作在硅基底上，而ito膜用作公共电极，液晶材料则工作在固定频率的交流信号下(场反转模式)。lcos设计成快速响应光阀，通过调制每个象素对入射光(来自时序光源)的反射程度(灰度)实现图像显示。但是由于器件的制作工艺复杂，控制难度较大，因此导致了lcos普遍存在着均一性不足的问题，严重影响了光控系统精度和光衍射效率。因此，如图3所示，本实施例中所选用的lcos为优化后器件，通过对“液晶层空间分布的不均匀性”分析确定光控系统精度和光衍射效率的影响；再通过光学补偿方法提高器件液晶层“空间相位变化”的均一性，最终实现光控系统的精度和光衍射效率的优化。

同时，本实施例中由于平面光栅衍射的零级主极大占据了总能量的很大一部分，但是用于光谱分析的高级次主极大所包含的能量又太小，因此衍射效率很低。闪耀光栅通过控制刻槽的形状，使刻槽面与光栅面不平行而产生附加相位，这样单个刻槽面(相当于单缝)衍射的中央极大与各槽面间(缝间)干涉主极大被分开，衍射的零级能量被转移到其他某一级上去。而二元光学闪耀光栅基于二元光学，二元光学是一种衍射光学元件。一般的棱镜、透镜等利用的是光的反射、折射原理，而二元光学利用的是衍射原理，是利用超大规模集成电路的制作工艺制作出来的一类光学元件。对于二元闪耀光栅的情况。在光栅电极阵列上加适当的周期性电压，使整个液晶光栅形成如图4所示相位轮廓，每个阶梯的宽度为d，此即闪耀光栅的光栅常数，每个阶梯内台阶的个数为n，宽度为d′，即光栅阵列电极的周期，有n·d′＝d，整个光栅的单元个数为m，此液晶位相光栅模型等效于二元闪耀光栅模型。

同时，设液晶位相光栅相邻电极产生的相位差为φ，当单位强度的光入射时，一个周期的透射率函数为：

一个周期衍射的复振幅分布为：

其中u＝sinθ/λ,则整个液晶光栅的复振幅透射函数为

带入光栅方程：dsinθ＝mλ，m＝0，±1，±2……

化简为：

则，+1级衍射光谱强度分布为：

如图5所示，衍射效率是液晶闪耀光栅一个重要的性能指标，假设液晶闪耀光栅电极阵列周期8μm，利用上式计算得出光栅常数与一级光的衍射效率关系。

由上图可见，当光栅常数为80μm时，一级光的衍射效率即可超过90％，但由于液晶盒本身对入射光的反射与吸收，电极间距产生的液晶相位凹陷以及液晶回程区对相位轮廓的影响等，实际液晶闪耀光栅的衍射效率与理论值仍有很大差距。液晶闪耀光栅的偏转角可以由光栅方程dsinθ＝mλ确定。对于一定波长λ的入射光，偏转角θ随光栅常数d变化的关系如图6所示。

如图7所示，在e位置时不同周期闪耀光栅加载后，并得出光纤耦合能量的归一化结果，所述归一化结果随着周期的变大，+1级衍射光逐渐靠近参考位置，并于单周期60个像素开始耦合进入光纤。通过曲线拟合得到，闪耀光栅在当周期480μm以后的平均控制精度为：5.35e-05。

如图8所示，为单周期包含170个像素至180个像素的闪耀光栅加载后，得出光纤耦合能量的归一化结果。因此，控制精度可以达到2.9e-5。且当周期包含的像素越大时，lcos的控制精度越高，计算可以得到单周期包含190-220个像素时，精度可以达到1.75e-05。

综上所述，本实施例中采用lcos对激光光束进行微位移，通过提高了lcos的相位分布精度，进而提高激光加工的精度。

可选地，在所述根据第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息确定激光偏移量与所述根据激光偏移量调控相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移之间，还包括：

检测相控型硅基液晶6的环境温度；

接收相控型硅基液晶6的设定环境温度；

判断环境温度与设定环境温度是否一致，如果是，则保持所述环境温度；如果否，则调节至设定环境温度。

具体的，本实施例中由于环境温度对相控型硅基液晶6的光学响应有影响，因此，本实施例中在采用所述相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移之前，需对相控型硅基液晶6的环境温度进行检测，并调节至设定的环境温度使得相控型硅基液晶6能够在最佳的环境温度下对激光光束进行微位移。同时，设定环境温度与相控型硅基液晶6相对应，其对应关系储存在控制器15内。当相控型硅基液晶6为反射型液晶的相控型硅基液晶6时，则所述设定环境温度与lcos器件相对应，使得lcos器件可以在最优的环境温度下进行工作，从而进一步的lcos器件的光学响应。同时，提高了所述控制方法的在预定切割道内的精确刻蚀。

可选地，所述方法还包括：

实时检测激光光束的工作状态；

根据激光光束的工作状态判断激光是否处于异常状态，如果是，则停止工作；如果否，则执行下一步。

具体的，本实施例中所述控制方法通过由分束器5，反射镜11，平凸透镜12及光强检测装置13组成光学检测链路对激光进行实时检测，其中所述光强检测装置13为光功率计或光电二极管。本实施例中通过对激光光束的实时工作状态进行监控，提高了所述控制方法的运行安全，避免了异常状态的激光对晶圆有效区域的损伤，进而提高了所述控制方法的加工成品率。其中，当控制系统内对激光进行加工的各组件中出现任何的问题，将会导致激光处于异常状态，则本实施例中仅需通过对激光光束的工作状态进行检测即可实现对整个控制系统内对激光进行加工的各组件检测，当出现任何的问题时则反馈至控制器15，并有控制器15控制系统停止工作。本实施例所述控制方法简化了检测步骤并提高了检测精确。

可选地，在采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标记或刻蚀加工时晶圆加工平台在第一位置运行的实时三维位置信息之前，包括：

对激光光束依次进行分束处理、整形处理后形成具有设定图案分布的激光光斑。

可选地，所述设定图案分布的激光光斑包括至少两种几何形状的平顶光斑组合。

具体的，本实施例所述方法能够在激光加工晶圆过程中，根据晶圆目标点所需激光加工凹槽的特征将激光光束匹配至最佳设定图案分布，通过保证划片的激光光束能量分布的均匀性，使得在晶圆上表面形成的凹槽更加均匀，热影响区更小且均一性更高，进而提高在晶圆上表面的激光加工效果。

本实施例中所述整形处理是用于将激光器1发射的激光光束整形为方形平顶光斑，圆形平顶光斑，矩形平顶光斑，椭圆形平顶光斑或可定制性多边形平顶光斑。

同时，沿调整所述激光光斑的空间位置方向，所述平顶光斑组合依次包括：

软化光斑：为圆形、椭圆形、方形、矩形或可定制性多边形并用于软化晶圆上表面；

开槽光斑：为圆形、椭圆形、方形、矩形或可定制性多边形并用于在所述晶圆上表面形成凹槽；

除屑光斑：为圆形、椭圆形、方形、矩形或可定制性多边形并用于去除碎屑。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的控制系统，如图3所示，所述系统包括：

扩束准直元件4，用于将激光器1发射的激光光束扩束、准直，形成平行光束；

分束器5，用于将平行光束分为至少两束，并分别射入相控型硅基液晶6、聚焦元件7；

相控型硅基液晶6，用于根据激光偏移量调控相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移；

聚焦元件7，用于将所述激光光束进行聚焦处理并发射到所述晶圆上以使激光曝光标记或刻蚀加工晶圆；

晶圆加工平台，用于夹持住所述晶圆并调整所述晶圆的空间位置以在所述晶圆上进行激光加工并形成凹槽；

位移检测装置16，用于采集晶圆加工平台的三维位置信息；

控制器15，分别与相控型硅基液晶6、晶圆加工平台和位移检测装置16连接，用于根据第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息确定激光偏移量、以及根据激光偏移量调控相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移并实现激光光束对晶圆第二目标点的刻蚀加工。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的控制系统主要是通过相控型硅基液晶6实现对激光加工晶圆的高精度控制，所述系统包括：由激光器1、光纤准直器2、起偏器3、扩束准直元件4、分束器5、聚焦元件7和可调光阑8组成的激光加工链路，并实现激光光束对晶圆目标点进行曝光标记、或刻蚀加工并去除目标点上表面的low-k材料；由晶圆加工平台、位移检测装置16和控制器15组成的三维位置检测链路，并实现对晶圆加工平台的三维位置进行实时检测，由分束器5、相控型硅基液晶6和控制器15组成的激光调整链路，并用于根据激光偏移量调控相控型硅基液晶6对激光光束进行微位移并实现激光光束对晶圆第二目标点的刻蚀加工。其中，所述晶圆加工平台包括晶圆夹持平台9、三轴位移装置10，所述晶圆夹持平台9与三轴位移装置10连接，并由三轴位移装置10带动晶圆夹持平台9移动。

同时，本实施例首先由激光加工链路输出激光光束对晶圆第一目标点进行曝光标记、或刻蚀加工并去除晶圆第一目标点上表面的low-k材料。当将激光光束对晶圆第一次曝光标记作为初始状态时，并在初始状态下，所述相控型硅基液晶6将激光光束全反射并不参与对激光光束的控制，仅通过三维位置检测链路采集当激光光束对晶圆第一目标点曝光标记时晶圆加工平台在第一位置运行的实时三维位置信息并作为初始标准值，以便计算激光偏移量。当第一次曝光完成后，晶圆加工平台由第一位置移动第二位置，并在激光加工链路对晶圆的第二目标点进行刻蚀加工并去除晶圆第二目标点上表面的low-k材料时，所述三维位置检测链路采集晶圆加工平台在第二位置的实时三维位置信息。所述控制器15通过位移检测装置16采集第二位置的目标三维位置信息和实时三维位置信息，然后根据上述信息得出晶圆加工平台在xy平面上的目标三维位置与实时三维位置之差，然后根据所述差值确定激光偏移量。所述控制器15根据激光偏移量经理论计算得出相控型硅基液晶6的调制参数，并由激光调整链路根据调制参数对激光光束进行微位移，从而实现所述控制方法在预定切割道内的精确刻蚀，从而避免了由于晶圆加工平台的运行误差而导致对晶圆有效区域的损伤，提高了加工成品率。并且顺着预定切割道方向的有效偏移也同时可以实现对激光加工槽形的控制，能确保每个激光加工点上的总体能量分布接近一致。

可选地，如图4所示，所述聚焦元件7为柱面聚焦透镜、平凸透镜12或双凸透镜；

优选的，所述聚焦元件7为平凸透镜12。

可选地，所述系统还包括：

温度检测装置14，设置于所述相控型硅基液晶6四周并与控制器15连接，用以检测相控型硅基液晶6的环境温度。

可选地，所述系统还包括：

反射镜11，用于将所述分束器5射入的平行光束反射至平凸透镜12；

平凸透镜12，用于将所述反射镜11射入的平行光束聚焦并射入光强检测装置13；

光强检测装置13，用于实时检测激光光束的工作状态。

具体的，如图9所示，本实施例中所述系统包括由分束器5，反射镜11，平凸透镜12及光强检测装置13组成光学检测链路对激光光束进行实时检测，其中所述光强检测装置13为光功率计或光电二极管。本实施例中通过对激光光束的实时工作状态进行监控，提高了所述控制方法的运行安全，避免了异常状态的激光对晶圆有效区域的损伤，进而提高了所述控制方法的加工成品率，同时还能有效的对所述控制系统中各组件进行实时检测。

可选的，本实施例所述控制系统还包括：

整形元件阵列，包括至少两个可变整形元件并按激光光斑的设定图案分布排列，用于分别对所述激光器1发射的激光光束进行整形处理并形成具有设定图案分布的平顶光斑。

本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。