一种激光加工晶圆的方法及装置与流程

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种激光加工晶圆的方法及装置。

背景技术：

近年来，随着半导体器件特征尺寸的不断减小以及芯片集成度的不断提高，金属互连线之间、多层布线之间的寄生电容以及金属导线的电阻急剧增大，导致了rc延迟、功耗增加等一系列问题，限制了高速电子元器件的发展。当器件特征尺寸小于90nm后，晶圆必须使用低介电常数材料来代替传统的sio2层(k＝3.9～4.2)，常用的low-k材料有道康宁公司的fox及多孔silk材料、应用材料公司的黑金刚石系列低k薄膜材料、novellussystem的coral、英特尔的cdo以及nec公司的fcn+有机层等等。

low-k材料的使用也带来了一些问题。不论是机械强度还是粘附性，low-k材料都远远不如sio2，这对划片工艺提出了挑战。最为常见的问题是，在划片过程中由于较低的机械强度及粘附力，使得low-k材料粘连在划片刀上，这不仅降低了划片的效率，同时也带来了绝缘层从金属层表面被剥离以及产生碎屑并扩散到其它功能区域等严重影响良率的后果。激光加工具有非接触、精度高、适用材料范围广、加工路径灵活可控等优点，是用来对晶圆划片以及解决上述问题的有力方案。据了解，苹果公司已经强制要求供应商提供的晶圆必须采用激光切割low-k材料的工艺(即：lasergrooving工艺)，这使得封测厂对此类工艺技术及设备的需求大为提升。严格地说，激光束不是“切割”low-k材料，而是依靠激光能量产生的高温融化金属层及层间介质层，这样的激光切割产生械应力很小，因而不会发生分层或剥离等问题。另外，滨松光子学株式会社还发明了“隐形切割”的技术，这种技术是利用对晶圆具有透射性波长的激光聚焦在晶圆内部形成改质层，再借助外力使晶圆沿着改质层裂开为单独的芯片。利用隐形切割技术，可以避免在划片过程中产生碎屑对芯片功能区造成污染，但是当晶圆上面覆盖有隔离层或其它功能层时，这将会影响激光的透过，从而影响改质层的形成。因此，在使用隐形切割时，也应首先使用激光去除晶圆上表面low-k层等材料。

但是，由于激光光束在预定切割道上刻蚀形成凹槽时，由于low-k层厚度均一性等问题可能导致切割效果不佳，且剧烈能量对low-k材料的冲击将导致low-k层破裂以致剥落等问题。

技术实现要素：

本发明提供的激光加工晶圆的方法及装置，能够通过光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置实现激光加工的热效应平均化，减少剧烈能量对low-k材料的冲击，防止low-k层破裂以致剥落，提高激光加工工艺的均一性及其装置的可靠性。

第一方面，本发明提供一种激光加工晶圆的方法，沿着晶圆上表面的预定切割道方向改变激光光束与预定切割道之间的相对位置以在所述预定切割道上形成凹槽；所述方法还包括：

根据激光器的发射频率控制光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置，并沿所述预定切割道方向形成定制化焦点分布组合。

可选地，所述根据激光器的发射频率控制光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置，并沿所述预定切割道方向形成定制化焦点分布组合包括：

获取晶圆上表面的low-k层信息、或凹槽的槽形信息；

根据所述low-k层信息、或凹槽的槽形信息确定定制化焦点分布组合；

根据所述定制化焦点分布组合和激光器的发射频率确定光程调制器的工作参数；

控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。

可选地，所述光程调制器改变所述聚焦点位置范围为0-30μm。

可选地，在改变所述聚焦点位置范围内，根据所改变聚焦点位置的数值将光程控制器对应设置至少两个档位。

可选地，所述工作参数包括光程调制器的档位和档位调节频率；其中，

所述档位调节频率是保证每个档位分别调节固定数量的所述激光器的脉冲数。

可选地，在控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置中还包括：

获取晶圆上表面low-k层的厚度信息；

根据厚度信息确定所述光程调制器的第一调整参数，并根据第一调整参数控制光程调制器调整在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。

可选地，所述获取晶圆上表面low-k层的厚度信息包括：

向晶圆上表面low-k层发射一检测光束；

获取检测光束的反射光；

根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息。

可选地，在控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置中还包括：

检测对晶圆上表面low-k层刻蚀所形成的槽形并获取实时槽形信息；

根据实时槽形信息确定所述光程调制器的第二调整参数，并根据第二调整参数控制光程调制器调整在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。

第二方面，本发明提供一种激光加工晶圆的装置，包括：

激光器，用于发射激光光束；

扩束准直元件，用于将所述激光光束扩束、准直，形成平行光束；

光程调制器，设置于扩束准直元件内并用于根据激光器的发射频率改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置，并沿所述预定切割道方向形成定制化焦点分布组合；

聚焦元件，用于将平行光束进行聚焦处理并形成聚焦点后发射至晶圆上表面low-k层；

激光加工平台，用于沿着晶圆上表面的预定切割道方向改变激光光束与预定切割道之间的相对位置以在所述预定切割道上形成凹槽；

控制器，分别与激光器、光程调制器和激光加工单元连接，用于控制并协调各元器件之间的工作。

可选地，所述装置还包括：

第一分束器，用于将激光光束分为检测光束和加工光束，其中，所述检测光束用于发射至晶圆上表面low-k层；所述加工光束发射至扩束准直元件中并形成平行光束；

检测构件，用于获取检测光束的反射光。

可选地，所述装置还包括：

第二分束器，用于将平行光束分为至少两束，并分别射入检测组件和聚焦元件；

检测组件，获取平行光束的实时激光信息。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法及装置，其中，所述方法一方面通过光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置实现激光加工的热效应平均化，减少剧烈能量对low-k材料的冲击，防止low-k层破裂以致剥落；另一方面通过光程调整器改变扩束准直元件中第一聚焦透镜的光程，避免通过移动聚焦元件移动产生移动滞后以及较大的移动误差，进而提高了所述方法的加工成品率、工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

附图说明

图1为本发明一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；

图2为本发明另一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；

图3为本发明另一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；

图4为本发明一实施例不同发散角对应不同的焦点示意图；

图5为本发明一实施例定制化焦点分布组合的示意图；

图6为本发明另一实施例定制化焦点分布组合的示意图；

图7为本发明另一实施例定制化焦点分布组合的示意图；

图8为本发明一实施例光程调制器的示意图；

图9为本发明一实施例激光加工晶圆的置的结构示意图。

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方法，沿着晶圆上表面的预定切割道方向改变激光光束与预定切割道之间的相对位置以在所述预定切割道上形成凹槽；所述方法包括：根据激光器的发射频率控制光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置，并沿所述预定切割道方向形成定制化焦点分布组合。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法解决了由于在所述预定切割道上刻蚀形成凹槽时，由于剧烈能量对low-k材料的冲击将导致low-k层破裂以致剥落等问题，因此，本实施例中采用了通过在扩束准直元件内设置光程调制器，改变激光光束的光程实现改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置；进而形成定制化焦点分布组合，例如，所述定制化焦点分布组合如图3至图5所示，其中，如图5所示，所述定制化焦点分布组合为双焦点组合即沿所述预定切割道方向上由两个高度分布的聚焦点组成，并在该两个高度上交替变化；或者，如图6所示，所述定制化焦点分布组合为沿所述预定切割道方向上由三个高度分布的聚焦点组成，焦点进行依次连接并形成锯齿形分布；或者，如图7所示，所述定制化焦点分布是沿所述预定切割道方向上同样由三个高度分布的聚焦点组成，当采用不同于图6的组合排布。因此，本实施例中所述方法可对较厚low-k层的晶圆进行切割，并通过对在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置的快速控制，实现对整个low-k层，甚至晶圆内部的多焦点刻蚀，将激光加工的热效应平均化，减少剧烈能量对low-k材料的冲击，防止low-k层破裂以致剥落。同时，本实施例中为了解决由于聚焦元件重量较大，通过移动聚焦元件实现聚焦点位置的改变会导致移动滞后从而影响加工效果的问题，因此，通过光程调整器可快速高效地增加扩束准直元件中第一聚焦透镜的光程，从而改变第一聚焦透镜的焦点位置。由于焦点位置的移动，第二聚焦透镜出射激光发散角改变，因此，再配合聚焦元件可进一步实现对焦点的精确控制。

综上所述，本实施例所述方法一方面通过光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置实现激光加工的热效应平均化，减少剧烈能量对low-k材料的冲击，防止low-k层破裂以致剥落；另一方面通过光程调整器改变扩束准直元件中第一聚焦透镜的光程，避免通过移动聚焦元件移动产生移动滞后以及较大的移动误差，进而提高了所述方法的加工成品率、工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

可选的，如图1所示，所述根据激光器的发射频率控制光程调制器周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置，并沿所述预定切割道方向形成定制化焦点分布组合包括：

s11、获取晶圆上表面的low-k层信息、或凹槽的槽形信息；

s12、根据所述low-k层信息、或凹槽的槽形信息确定定制化焦点分布组合；

s13、根据所述定制化焦点分布组合和激光器的发射频率确定光程调制器的工作参数；

s14、控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。

具体的，本实施例中所述方法为了提高刻蚀效果，则首先根据所述low-k层信息、或凹槽的槽形信息确定定制化焦点分布组合，其中，所述low-k层信息、或凹槽的槽形信息与定制化焦点分布组合相对应，其对应关系储存在控制器内；同时，所述low-k层信息包括均匀度信息、材质信息和厚度信息中一种或者任意组合；所述凹槽的槽形信息包括槽形结构信息和尺寸信息。例如，当所述low-k层均匀，厚度较薄且凹槽为“u”形结构时，所述定制化焦点分布组合采用如图5所示的双焦点组合。

然后，根据所述定制化焦点分布组合和激光器的发射频率确定光程调制器的工作参数，其中，工作参数包括光程调制器的档位和档位调节频率；且所述定制化焦点分布组合与光程调制器的档位相对应，其对应关系储存在控制器内；如图8所示，本实施例所述光程调制器设有八个档位可调，配合聚焦元件能分别实现对聚焦点位置从0到30μm范围内高效调控。

并且，所述激光器的发射频率与光程调制器的档位调节频率相对应，其对应关系储存在控制器内。且所述档位调节频率是所述激光器的发射频率的整数倍。本实施例中通过控制器的控制实现数十到数百个脉冲，以固定的形式，分别打到晶圆的表面以及表面以下位置。同时，所述光程调制器的八个档位与档位调节频率的自由组合实现对整个焦点控制范围内的定制化焦点分布组合。

最后，由控制器控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置实现对晶圆的刻蚀，进而提高了所述方法的加工成品率、工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

可选地，如图4和8所示，所述光程调制器改变所述聚焦点位置范围为0-30μm。

可选地，在改变所述聚焦点位置范围内，根据所改变聚焦点位置的数值将光程控制器对应设置至少两个档位。

可选地，所述工作参数包括光程调制器的档位和档位调节频率；其中，

所述档位调节频率是保证每个档位分别调节固定数量的所述激光器的脉冲数。

可选地，如图2和3所示，在控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置中还包括：

获取晶圆上表面low-k层的厚度信息；

根据厚度信息确定所述光程调制器的第一调整参数，并根据第一调整参数控制光程调制器调整在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。

具体的，本实施例中通过实时对晶圆上表面的low-k层进行检测并获取厚度信息，进而根据厚度信息反映所述晶圆上表面的low-k层均匀度，其中，所述厚度信息与所述晶圆上表面的low-k层均匀度相对应，其对应关系储存在控制器内。本实施例中主要是解决了由于晶圆上表面的low-k层厚度不均匀造成激光光束加工晶圆上表面的low-k层的质量降低，例如，当采用具有设定能量分布的激光光束加工晶圆上表面的low-k层时，由于，不同厚度处所吸收的能量具有差异，进而形成预定深度的失效层。因此，本实施例中能够根据需要加工位置的厚度调整所述激光光束的聚焦点位置，使得由经改变聚焦点位置的激光光束在加工晶圆上表面low-k层时，能够精确的控制加工晶圆，使得激光加工的热效应更加平均化，减少剧烈能量对low-k材料的冲击，防止low-k层破裂以致剥落。

同时，本实施例所述方法还可通过根据激光器的发射频率以及low-k材料厚度检测信息控制光程调制器实现周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置；其中，一方面是为了解决当晶圆上表面的low-k层厚度不均匀时通过移动聚焦元件的方式改变聚焦点位置，由于聚焦元件重量较大导致移动滞后从而影响加工效果的问题，本实施例所述方法获取晶圆上表面low-k层的厚度信息后并根据厚度信息确定所述光程调制器的第一调整参数，然后根据第一调整参数并通过光程调整器快速高效地增加扩束准直元件中第一聚焦透镜的光程，从而改变第一聚焦透镜的焦点位置。由于焦点位置的移动，第二聚焦透镜出射激光发散角改变，因此，再配合聚焦元件可进一步实现对焦点的精确控制，进而增强了激光加工方法的可靠性。

可选地，所述获取晶圆上表面low-k层的厚度信息包括：

向晶圆上表面low-k层发射一检测光束；

获取检测光束的反射光；

根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息。

具体的，本实施例中所述方法通过检测所述晶圆上表面low-k层的厚度改变信息，进而将所述厚度改变信息通过算法进行计算得出所述晶圆上表面low-k层的表面均匀度的改变信息，其中，所述厚度改变信息与表面均匀度的改变信息相对应，其对应关系存储在控制器内。本实施例所述方法一方面能够通过一检测光束和检测构件即可实现对所述晶圆上表面low-k层的表面均匀度的检测；另一方面，本实施例所述方法能够根据所述晶圆上表面low-k层的表面均匀度实时调整用于加工晶圆上表面low-k层的聚焦点位置，提高了所述激光加工的精度和分离晶圆的均匀性作用。

同时，所述方法通过对所述反射光进行计算并得出所述晶圆上表面low-k层对应的厚度。其中，所述晶圆上表面low-k层的厚度将对反射光的射程、角度、光强等有影响，因此，可通过所述反射光得出所述晶圆上表面low-k层的厚度。例如，当厚度增加时，所述反射光的射程增加，激光能量损失增大。因此通过四象限功率计测得的光强能量值以及角度均随之发生改变，根据能量变化的差值和角度的偏移量可以推算出low-k材料的厚度。

可选地，在控制光程调制器按所述工作参数周期性改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置中还包括：

检测对晶圆上表面low-k层刻蚀所形成的槽形并获取实时槽形信息；

根据实时槽形信息确定所述光程调制器的第二调整参数，并根据第二调整参数控制光程调制器调整在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。

具体的，本实施例中所述方法为了能够进一步提高所述晶圆加工的良品率，因此，使用激光光束在所述晶圆上表面low-k层上目标位置加工出可定制形沟槽结构，进而激光加工晶圆能够达到更好的工艺效果；本实施例中通过实时检测对晶圆上表面low-k层刻蚀所形成的槽形并获取实时槽形信息；然后根据所述的实时槽形信息确定第二调整信息，其中，所述实时槽形信息包括凹槽深度、凹槽宽度、槽顶宽度和槽底宽度中一种或者任意组合，其中，所述实时槽形信息与第二调整参数相对应，其对应关系储存在控制器内，例如，当所述槽顶宽度减去槽底宽度大于预设值，则向下调整聚焦点的位置并加强激光光束对槽底的刻蚀。

同时，如图2和3所示，本实施例中所述方法可通过并列的方式同时获取晶圆上表面low-k层的厚度信息和检测对晶圆上表面low-k层刻蚀所形成的槽形并获取实时槽形信息，当通过并列的方式时，则同时根据第一调整参数和第二调整参数进行调整；还可依次获取晶圆上表面low-k层的厚度信息和检测对晶圆上表面low-k层刻蚀所形成的槽形并获取实时槽形信息。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的装置，如图9所示，所述装置包括：激光器，用于发射激光光束；

扩束准直元件，用于将所述激光光束扩束、准直，形成平行光束；

光程调制器，设置于扩束准直元件内并用于根据激光器的发射频率改变在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置，并沿所述预定切割道方向形成定制化焦点分布组合；

聚焦元件，用于将平行光束进行聚焦处理并形成聚焦点后发射至晶圆上表面low-k层；

激光加工平台，用于沿着晶圆上表面的预定切割道方向改变激光光束与预定切割道之间的相对位置以在所述预定切割道上形成凹槽；

控制器，分别与激光器、光程调制器和激光加工单元连接，用于控制并协调各元器件之间的工作。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的装置通过在扩束准直元件4内设置光程调制器23，并由控制器15控制光程调制器23改变经激光器1发射出的激光光束的光程进而改变在夹持在激光加工平台上的晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置；进而形成定制化焦点分布组合，因此，本实施例中所述装置可对较厚low-k层的晶圆进行切割，并通过对在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置的快速控制，实现对整个low-k层，甚至晶圆内部的多焦点刻蚀，将激光加工的热效应平均化，减少剧烈能量对low-k材料的冲击，防止low-k层破裂以致剥落。同时，本实施例中为了解决由于聚焦元件重量较大，通过移动聚焦元件实现聚焦点位置的改变会导致移动滞后从而影响加工效果的问题，因此，通过光程调整器23可快速高效地增加扩束准直元件中第一聚焦透镜的光程，从而改变第一聚焦透镜的焦点位置。由于焦点位置的移动，第二聚焦透镜出射激光发散角改变，因此，再配合聚焦元件可进一步实现对焦点的精确控制，进而增强了激光加工装置的可靠性。

可选地，所述装置还包括：

第一分束器，用于将激光光束分为检测光束和加工光束，其中，所述检测光束用于发射至晶圆上表面low-k层；所述加工光束发射至扩束准直元件中并形成平行光束；

检测构件，用于获取检测光束的反射光。

可选地，所述装置还包括：

第二分束器，用于将平行光束分为至少两束，并分别射入检测组件和聚焦元件；

检测组件，获取平行光束的实时激光信息。

综上所述，本实施例所述装置经光纤准直器2、起偏器3、第一分束器21将激光光束分为检测光束和加工光束，其中，所述检测光束用于发射至晶圆上表面low-k层后反射至检测构件22并获取检测光束的反射光，然后由控制器根据检测构件检测反射光进行计算并得出所述晶圆上表面low-k层对应的厚度，最后根据厚度信息计算得出所述光程调制器的第一调整参数并控制光程调制器调整在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置；所述加工光束发射至扩束准直元件4和光程调制器23对加工光束进行前期处理并形成平行光束，然后第二分束器5将平行光束分为至少两束，其中一束激光子光束依次射入聚焦元件7、光阑8以及夹持晶圆的晶圆加工平台，并由控制器控制激光光束对晶圆上表面的预定切割道进行刻蚀；另一束激光子光束依次射入构成第一检测组件的第三分束晶体18、透镜组件19、ccd装置20或成像装置20实现对凹槽的实时检测并获取凹槽的实时槽形信息，设置于控制器内的计算单元根据实时槽形信息计算得出第二调整参数，然后根据第二调整参数控制光程调制器调整在晶圆上表面中激光光束的聚焦点位置。同时还通过监测光源17射入分束晶体18实现对槽形的监测并避免激光灌输对ccd装置的影响。

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。