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(以下简称“low-k”)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，当采用激光对晶圆进行切割时，由于激光光源的强度分布符合高斯分布，即光强在光斑的中心位置能量最强，光斑边缘能量则按照高斯分布的特点逐渐减少，因此采用未经过光学处理的高斯光斑单光束进行切割时，光斑中心容易产生很强的热烧灼现象，进而热影响区域较大并损坏晶圆。

技术实现要素：

本发明提供的一种激光加工晶圆的方法及装置，能够通过处理将所述激光焦点在晶圆中形成三维分布的光斑组合，实现对晶圆上表面具有三维层次的切割并高效地将晶圆上表面的low-k层去除，进而提高所述加工方法的工作效率、精确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方法，所述方法通过改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽，包括：所述激光光束包括激光子光束，所述激光子光束的激光焦点为三维分布。

可选地，所述激光光束包括至少两个激光子光束，并且多束激光子光束的激光焦点为三维分布。

可选地，当改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以使激光光束在所述晶圆上表面形成凹槽时，沿着凹槽延伸方向且在垂直于所述晶圆上表面的晶圆深度方向上，所述多束激光子光束的激光焦点由浅至深分布。

可选地，所述三维分布的激光焦点为调整激光子光束的聚焦点，使所述激光焦点在垂直于所述晶圆上表面的晶圆深度方向上逐渐加深并形成三维分布。

可选地，当在晶圆深度方向上，所述激光焦点由浅至深分布、或所述激光焦点逐渐加深时，位于晶圆不同深度的激光焦点所在的激光子光束能量不同，且随所述深度逐渐变化。

可选地，所述激光子光束在晶圆上形成具有特定图案分布的光斑组合，所述光斑组合包括圆形光斑、矩形光斑、方形光斑、椭圆形光斑或可定制形多边形中一种或者任意组合。

可选地，所述三维分布的激光焦点包括：

位于晶圆第一深度且具有第一能量的第一列激光焦点用以软化所述晶圆上表面；

位于晶圆第二深度且具有第二能量的第二列激光焦点用以在所述晶圆上表面形成凹槽；

位于晶圆第三深度且具有第三能量的第三列激光焦点用于移除凹槽内的碎屑。

可选地，所述第一深度<所述第二深度≤所述第三深度。

可选地，所述第一能量<第三能量<第二能量。

可选地，所述第一能量范围为所述第二能量的25％-35％；

所述第三能量范围为所述第二能量的45％-55％。

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；

衍射光学元件，用于对激光光束进行分束处理并形成激光子光束；

整形元件阵列，用于对激光子光束进行整形处理；

聚焦元件阵列，用于调整激光子光束的聚焦点并使所述激光子光束的激光焦点为三维分布；

控制器，用于通过改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽。

可选地，所述聚焦元件阵列包括至少两个透镜元件并按激光焦点在晶圆中的三维分布排列；其中，

所述透镜元件为柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜中一种或者任意组合。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法及装置，解决了激光对晶圆上表面进行开槽时，由于晶圆上表面的low-k材料与晶圆的基片衬底之间粘附力较小，容易造成low-k材料脱落、以及崩边等问题。本发明实施例主要通过将所述激光焦点进行合理的分布，进而提高所述加工方法的工作效率、精确度以及所切凹槽的均匀性。

本发明实施例中所述激光焦点在晶圆中形成了三维分布，其中，主要是通过激光焦点纵向分布于所述晶圆中，首先利用处于晶圆上表面表层的激光焦点对晶圆上表面进行软化以达到提高激光吸收率的作用，且在开槽过程中减少应力，提高激光能量的吸收，避免了使用高能量激光直接开槽时容易产生烧蚀现象和热影响区较高；然后利用能量较高且位于晶圆上表面中部的激光焦点，对晶圆上表面进行激光加工并形成凹槽，进而提高了加工效率和良品率，以及灵活地适用于晶圆上表面。

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焦点的示意图；

图3为本发明一实施例图2中a-a的剖面图；

图4为本发明另一实施例图2中a-a的剖面图；

图5为本发明另一实施例激光焦点的示意图；

图6为本发明一实施例激光加工晶圆的装置的结构示意图；

其中，1、激光焦点，2、晶圆上表面，3、基材，4、扩束准直元件，5、反射镜。

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，如图1所示，所述方法通过改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽，包括：所述激光光束包括激光子光束，所述激光子光束的激光焦点为三维分布。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法解决了激光对晶圆上表面2进行开槽时，由于晶圆上表面2的low-k层与晶圆的基片衬底之间粘附力较小，容易造成low-k层脱落、以及崩边等问题。本实施例中针对上表面包含有low-k层的晶圆，通过将所述激光焦点1进行合理的分布，达到高效去除晶圆上表面的low-k层效果，进而提高所述加工方法的工作效率、精确度以及分离晶圆的均匀性。

本实施例中所述晶圆包括基材3和设置在基材3上方的晶圆上表面2，所述晶圆上表面中覆有low-k层。所述激光焦点1在晶圆中为三维分布，主要是在晶圆上表面2为三维分布，其中，主要是通过激光焦点1纵向分布于所述晶圆中，首先利用处于晶圆上表面2表层的激光焦点1对晶圆上表面2进行软化以减少碎屑的产生，且在开槽过程中减少应力，提高激光能量的吸收，避免了使用高能量激光直接开槽时容易产生烧蚀现象和热影响区域高的问题；然后利用能量较高且位于晶圆上表面2中部的激光焦点1，对晶圆上表面2进行激光加工并形成凹槽。

综上所述，本实施例中采用具有三维分布的激光焦点1对晶圆上表面2进行切割，在提高所述方法工作效率、精确度以及分离晶圆的均匀性的同时，还能够通过调整所述激光子光束在晶圆表面形成的具有设定图案的光斑组合以及激光子光束的能量分布，使得激光焦点1能够更加灵活地适用于晶圆上表面2。

可选的，本实施例所述方法还可包括如下步骤：

s11、通过衍射光学元件对激光光束进行分束处理并形成激光子光束；

s12、通过聚焦元件阵列进行聚焦处理，以使所述激光子光束的激光焦点为三维分布；

s13、改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽。

可选地，如图2-5所示，所述激光光束包括至少两个激光子光束，并且多束激光子光束的激光焦点为三维分布。

可选地，当改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以使激光光束在所述晶圆上表面形成凹槽时，沿着凹槽延伸方向且在垂直于所述晶圆上表面的晶圆深度方向上，所述多束激光子光束的激光焦点由浅至深分布。

具体的，本实施例中沿改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置的方向延伸的激光焦点1为激光焦点的列；在垂直于所述晶圆上表面2的晶圆深度方向上延伸的激光焦点1为激光焦点的行，进而在晶圆中形成三维分布的激光焦点阵列，同时，所述激光焦点所在激光子光束还可在晶圆上形成具有设定图案的光斑组合，例如，1*n圆形光斑的激光焦点阵列、1*n多种几何形状光斑组合的激光焦点阵列、m*n方形光斑组合的激光焦点阵列、m*n多种几何光斑组合的激光焦点阵列。本实施例中主要将行向上的激光焦点1由浅至深分布，并与列向上的激光焦点1形成空间上的三维分布，进而提高所述激光焦点1的切割效果。

例如，如图2所示，当所述激光焦点阵列为3*3方形光斑的激光焦点阵列时，如图3所示，所述晶圆包括基材3和在基材3上方的晶圆上表面2，其中，所述晶圆上表面2具有设定的深度并在晶圆上表面2设定深度上由浅至深可分为表层、中部和下部；本实施例中第一列激光焦点1在晶圆上表面2表层，用以加热软化上表面；第二行激光焦点1在晶圆上表面2中部对晶圆上表面2进行加工并形成凹槽；第三列激光焦点1在晶圆上表面2的下部移除凹槽内的碎屑，进而避免low-k材料的碎屑附着在凹槽中，影响晶圆的效果；或者，如图4所示，第三列的激光焦点与第二列的激光焦点在同一深度上，同时在所述晶圆上表面2的中部；或者，如图5所示，第三列的激光焦点的深度在第一列的激光焦点的深度和第二列的激光焦点的深度之间。

同时，本实施例中所述方法还使用整形元件阵列将激光子光束进行整形，使激光子光束在晶圆表面形成具有特定图案分布的光斑组合；例如，本实施例中第一列激光焦点1所在的激光子光束在晶圆表面上形成三个方形光斑，并在晶圆上表面2表层，用以加热软化上表面；第二行激光焦点1所在的激光子光束在晶圆表面上形成三个方形光斑，并在晶圆上表面2中部对晶圆上表面2进行加工并形成凹槽；第三列激光焦点1所在的激光子光束在晶圆表面上形成的三个方形光斑，并在晶圆上表面2的下部移除凹槽内的碎屑，进而避免low-k材料的碎屑附着在凹槽中，影响晶圆的效果；或者，如图4所示，第三列的激光焦点与第二列的激光焦点在同一深度上，同时在所述晶圆上表面2的中部；或者，如图5所示，第三列的激光焦点的深度在第一列的激光焦点的深度和第二列的激光焦点的深度之间。本实施例中所述方法使用整形元件阵列为定制化的3*3方形整形元件阵列，并配合凸透镜可以实现3*3的阵列方形平顶光斑加工效果。方形的平顶光斑可以有效的控制边缘精度，因此与圆形光斑比较，可以获得更加有效的加工精度，并且不损伤到晶圆有效区域。方形的边缘还能更好的控制热影响区的扩散，将加工槽控制在预定切割道以内。方形的阵列加工效果可以更好的覆盖大范围的加工区域，即增加加工效率。不同的方形子光斑中间的无能量区域也能一定的缓解热效应的影响。

可选地，所述三维分布的激光焦点1为调整激光子光束的聚焦点，使所述激光焦点1在垂直于所述晶圆上表面2的晶圆深度方向上逐渐加深并形成三维分布。

具体的，本实施例中通过调整所述激光的聚焦点，使所述激光焦点1的移动轨迹所处的平面位于所述晶圆上表面2表层所处的平面之上、或与所述晶圆上表面2表层所处的平面重合；

所述激光以第一能量照射所述晶圆上表面2表层，以软化所述晶圆上表面2表层；

调整所述激光的聚焦点，使所述激光焦点1的移动轨迹所处的平面与所述晶圆上表面2中部所处的平面重合；

所述激光以第二能量照射所述晶圆上表面2中部，以在所述晶圆上表面2形成凹槽。

进而激光光束在加工过程中，使得激光的焦点由浅至深变化，在变化过程中使得激光焦点1形成了三维分布，进而提高了加工效率，有效的避免了热影响区的扩散。

可选地，当在晶圆深度方向上，所述激光焦点1由浅至深分布、或所述激光焦点1逐渐加深时，位于晶圆不同深度的激光焦点1所在的激光子光束能量不同，且随所述深度逐渐变化。

可选地，所述激光子光束在晶圆表面上形成具有特定图案分布的光斑组合，所述光斑组合包括圆形光斑、矩形光斑、方形光斑、椭圆形光斑或可定制形多边形中一种或者任意组合。

具体的，本实施例中所述光斑组合根据凹槽的特征将光斑组合匹配至最佳设定图案分布，通过保证划片的激光能量分布的均匀性，使得在晶圆上表面2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2的加工效果。

因此，本实施例所述光斑组合主要是根据在所述晶圆上表面2所需形成的凹槽、以及作用确定具体设定图案分布的光斑，然后根据设定图案分布，对激光光束进行分束处理后形成多束激光子光束、然后对分束后的激光子光束分别进行整形处理、聚焦处理，进而在晶圆表面形成具有该设定图案分布的光斑组合，最后通过调整具有该光斑组合的激光子光束对应激光焦点1的空间位置实现对晶圆上表面2进行加工并在晶圆上表面2形成凹槽，进而在避免low-k层在加工过程中的剥落前提下，提高所述凹槽的平整度，进而提高晶圆的性能。

例如，由于软化过程中对凹槽的平整度要求不高，因此可采用圆形光斑进行软化；由于开槽过程中对于凹槽底部、两侧的平整度要求高，因此采用能量分布均匀的矩形光斑进行开槽；由于除屑过程中由于碎屑的分布大，因此可采用椭圆形光斑进行除屑；进而使得凹槽更加平坦，热影响区更小且均一性高，有效避免了崩边、微孔以及披锋现象的出现。

可选地，所述三维分布的激光焦点包括：

位于晶圆第一深度且具有第一能量的第一列激光焦点1用以软化所述晶圆上表面2；

位于晶圆第二深度且具有第二能量的第二列激光焦点1用以在所述晶圆上表面2形成凹槽；

位于晶圆第三深度且具有第三能量的第三列激光焦点1用于移除凹槽内的碎屑。

可选地，所述第一深度<所述第二深度≤所述第三深度。

可选地，所述第一能量<第三能量<第二能量。

可选地，所述第一能量范围为所述第二能量的25％-35％；

所述第三能量范围为所述第二能量的45％-55％。

优选的，所述第一能量范围为所述第二能量的30％-34％；

所述第三能量范围为所述第二能量的50％；

更优选的，所述第一能量为所述第二能量的33％。

或者，本实施例中当在垂直于所述晶圆上表面2的视角时，所述激光焦点1所在激光子光束在晶圆表面具有设定拓扑图案的光斑组合，例如，长条形、h形、“田”字形。

其中，如图5所示，针对在垂直于所述晶圆上表面2的视角时，所述拓扑图案为h形时，所用整形元件阵列为定制化的“h”型方形整形元件阵列，并配合凸透镜可以实现“h”型阵列方形平顶光斑加工效果。由于装置所用纳秒激光器对low-k层产生较大的热影响效果，可能导致材料的热效应使得加工精度降低，并且热影响区的扩散也有可能损坏晶圆的有效区域，从而降低产品合格率。因此，将激光光束定制化的分束成“h”型阵列光斑组合。使得预定切割道边缘的加工热效应更多的向加工槽中间扩散，即保留了加工效率，又有效的控制了产品损坏情况。并且，在切割道的中间区域保留了一束子光斑的加工效果，可以对中间一部分区域实现等一定的加工效果。因此有可能在随后的刀片分割处理中极大的减小剩余low-k层对刀片的阻力，并且位于最中心的激光加工的凹槽能有效的束缚住刀片的运动轨迹，从而提高刀片运行精度。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的装置，如图6所示，所述装置包括：

激光器，用于发射激光光束；

衍射光学元件，用于对激光光束进行分束处理并形成激光子光束；

整形元件阵列，用于对激光子光束进行整形处理；

聚焦元件阵列，用于调整激光子光束的聚焦点并使所述激光子光束的激光焦点为三维分布；

控制器，用于通过改变所述激光光束与晶圆上表面之间的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的装置通过衍射光学元件、整形元件阵列和聚焦元件阵列将激光焦点1加工为三维分布，其中，主要是通过激光焦点1纵向分布于所述晶圆中，首先利用处于晶圆上表面2表层的激光焦点1对晶圆上表面2进行软化以达到提高激光吸收率的作用，且在开槽过程中减少应力，提高激光能量的吸收，避免了使用高能量激光直接开槽时容易产生烧蚀现象且热影响区域高；然后利用能量较高且位于晶圆上表面2中部的激光焦点1，同时还通过控制器控制所述装置对晶圆上表面2进行激光加工并形成凹槽。

综上所述，本实施例中采用具有三维分布光斑组合的激光焦点1对晶圆上表面2进行切割，不仅提高所述方法工作效率、精确度以及分离晶圆的均匀性，还使得激光焦点1能够更加灵活地适用于晶圆上表面2。

并且，所述聚焦元件阵列包括至少两个透镜元件并按激光焦点在晶圆中的三维分布排列；其中，

所述透镜元件为柱面聚焦透镜、平凸透镜或双凸透镜中一种或者任意组合。

所述装置还包括：

扩束准直元件5，用于将所述激光器发射的激光扩束、准直，形成平行光源；

反射镜6，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源射入所述衍射光学元件。

所述装置还包括用于夹持晶圆的夹持平台、和用于调整所述激光焦点1的空间位置的移动平台。

其中，本实施例所述衍射分光元件多采用二值相位光栅将光束分成任意数量的多光束，其中传统的dammann光栅作为典型的二值相位光栅是基于标量衍射理论设计的具有特殊孔径函数的二值相位光栅。其对入射光波产生的夫琅和费衍射图样是一定数目点阵的等光强光斑。完全避免了一般振幅光栅由于sinc函数强度包络所引起的衍射光斑光强度不均匀分布。然而当移除即使在移除边缘的low-k层之后仍保留的low-k层时，由于从low-k层施加到刀片的物理阻力，不可能确保刀片的预定移动速度。因此，本实施例中，使用衍射分光元件将激光光束分束成为不同光强的多束激光子光束。因此可以在保证预定切割道边缘low-k层去除的情况下，对中间一部分区域实现等同于边缘加工的效果。因此有可能在随后的刀片开槽处理中极大的减小剩余low-k层对刀片的阻力，并且位于最中心的0级衍射光刻蚀的沟道能有效的束缚住刀片的运动轨迹，从而提高刀片运行精度。并且多束平行激光子光束通过定制化整形元件，可以实现对单个激光子光束进行定制化整形设计。其中，该整形元件为根据激光子光束阵列设计的衍射元件阵列。最后，部分激光子光束通过根据激光子光束阵列设计的聚焦元件阵列，分别以不同的形式聚焦在low-k层表面预定切割道的位置。本实施例中主要通过在晶圆上表面2形成三维分布的激光焦点，实现层次化切割，能够提高热效应的均一性，从而避免了激光加工中热效应对晶圆有效区域中的损坏，提高了产品合格率。

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。