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，现有的激光切割为在晶圆上形成沟槽，在切割时由于激光为高斯分布，因此槽形状呈“v”形，边缘无法去除干净。所以当刻蚀后使用刀片切割时，导致切割可能损坏器件。

技术实现要素：

本发明提供的激光加工晶圆的方法及装置，能够在垂直于所述预定切割道的方向上，通过在开槽平顶光斑边缘两侧分别与重叠平顶光斑进行重叠并形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑，提高所述凹槽的槽形结构和晶圆加工的成品率，并使得在晶圆上表面low-k层刻蚀形成的凹槽更加均匀，热影响区更小且均一性更高。

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，包括：

将第一激光光束经整形处理后形成开槽平顶光斑；

将第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其重叠在开槽平顶光斑上，形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑；

由组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀形成凹槽；

由开槽平顶光斑对所述凹槽再次进行刻蚀。

可选地，所述将第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其重叠在开槽平顶光斑并形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑包括：

获取开槽平顶光斑的形状和尺寸信息；

根据开槽平顶光斑的形状和尺寸信息确定所述重叠平顶光斑的形状和尺寸信息；

根据所述重叠平顶光斑的形状和尺寸信息进行整形处理形成重叠平顶光斑。

可选地，所述重叠平顶光斑能量密度是所述开槽平顶光斑能量密度的25％-70％。

可选地，在由组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀形成凹槽中，还包括：

检测所述凹槽的槽形并获取槽形信息；

根据槽形信息计算出凹槽的顶部宽度和底部宽度；

判断所述顶部宽度和底部宽度是否在预设值内，如果是，则继续由该组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀；如果否，则根据所述顶部宽度和底部宽度调整所述组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀。

可选地，所述顶部宽度和底部宽度与所述重叠平顶光斑在开槽平顶光斑上的位置分布相对应，其对应关系储存在装置内。

可选地，所述开槽平顶光斑为方形平顶光斑、或正方形平顶光斑。

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，用于发射出激光光束；

相控型硅基液晶，用于将激光光束进行整形处理并形成平顶光斑；

聚焦元件阵列，包括至少三个聚焦元件并按组合平顶光斑排布并用于调整激光光束的聚焦点用以形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑；

晶圆加工平台，用于夹持住所述晶圆并沿着晶圆上表面的预定切割道方向改变组合平顶光斑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，用于分别与激光器、相控型硅基液晶、聚焦元件和晶圆加工平台连接并协调控制上述器件的工作。

可选地，所述装置还包括：

检测组件，用于检测所述凹槽的槽形并获取槽形信息；

计算单元，设置于控制器内并用于根据槽形信息计算出凹槽的顶部宽度和底部宽度；

判断单元，设置于控制器内并用于判断所述顶部宽度和底部宽度是否在预设值内。

可选地，所述检测组件包括：

分束器，用于将激光光束分束形成加工激光和检测激光，并分别将加工激光发射至所述相控型硅基液晶用于对所述预定切割道进行刻蚀，检测激光发射至透镜组件用于检测所述凹槽的槽形；

透镜组件，用于将检测激光聚焦发射至ccd装置；

监测光源，用于对凹槽的槽形进行监测；

ccd装置，用于检测所述凹槽的槽形并获取槽形信息。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法及装置解决了在切割时由于激光光束为高斯分布，因此槽形状呈“v”形，边缘无法去除干净。所以当刻蚀后使用刀片切割时，导致切割可能损坏器件。本实施例首先通过将第一激光光束经整形处理后形成开槽平顶光斑，并将第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其重叠在开槽平顶光斑上，形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑后对所述预定切割道进行刻蚀，形成槽底两边划线较深中间较浅，槽侧壁倾斜度较高的凹槽，进而使得凹槽的槽底宽度和槽顶宽度接近并达到后续加工需求；然后再通过将开槽平顶光斑对所述凹槽再次进行刻蚀，并且所述开槽平顶光斑经整形处理和聚焦处理后射入晶圆上表面时具有能量平顶分布，且由具有能量平顶分布的开槽平顶光斑对凹槽进行再次刻蚀，则通过能量分布均匀的开槽平顶光斑对凹槽再次进行刻蚀并使得凹槽的槽形结构为“凵”形，一方面使得所述凹槽的槽底更加平坦，槽壁更加陡直，通过提高所述凹槽的槽形质量保证后续加工需求，进而提高激光加工的良品率。另一方面，所述具有能量平顶分布的开槽平顶光斑对凹槽进行再次刻蚀还可将第一次刻蚀后残留于凹槽内的碎屑全部除去，提高了激光加工的效果。

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具有“m”形能量分布的组合平顶光斑及凹槽效果的示意图；

图3为本发明另一实施例具有“m”形能量分布的组合平顶光斑及凹槽的槽形结构示意图；

图4为本发明另一实施例组合平顶光斑的示意图；

图5为本发明另一实施例组合平顶光斑的刻蚀加工效果示意图；

图6为本发明另一实施例开槽平顶光斑的能量分布示意图；

图7为本发明一实施例激光加工晶圆的装置的结构示意图。

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，如图1所示，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：

s21、将第一激光光束经整形处理后形成开槽平顶光斑；

s22、将第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其重叠在开槽平顶光斑上，形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑；

s23、由组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀形成凹槽；

s24、由开槽平顶光斑对所述凹槽再次进行刻蚀。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法解决了在切割时由于激光光束为高斯分布，因此槽形状呈“v”形，边缘无法去除干净。所以当刻蚀后使用刀片切割时，导致切割可能损坏器件。本实施例首先通过将第一激光光束经整形处理后形成开槽平顶光斑，并将第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其重叠在开槽平顶光斑上，形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑后对所述预定切割道进行刻蚀，形成槽底两边划线较深中间较浅，槽侧壁倾斜度较高的凹槽，进而使得凹槽的槽底宽度和槽顶宽度接近并达到后续加工需求；然后再通过将开槽平顶光斑对所述凹槽再次进行刻蚀，并且所述开槽平顶光斑经整形处理和聚焦处理后射入晶圆上表面时具有能量平顶分布，且由具有能量平顶分布的开槽平顶光斑对凹槽进行再次刻蚀，则通过能量分布均匀的开槽平顶光斑对凹槽再次进行刻蚀并使得凹槽的槽形结构为“凵”形，一方面使得所述凹槽的槽底更加平坦，槽壁更加陡直，通过提高所述凹槽的槽形质量保证后续加工需求，进而提高激光加工的良品率。另一方面，所述具有能量平顶分布的开槽平顶光斑对凹槽进行再次刻蚀还可将第一次刻蚀后残留于凹槽内的碎屑全部除去，提高了激光加工的效果。

综上所述，本实施例中所述方法第一方面能够在垂直于所述预定切割道的方向上，通过在开槽平顶光斑边缘两侧分别与重叠平顶光斑进行重叠并形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑，提高所述凹槽的槽形结构，保证第一次刻蚀形成的凹槽的槽底宽度和槽顶宽度达到预设值并使得槽侧壁倾斜度较高的凹槽，进而确保第二次切割后所述凹槽的槽侧壁能够陡值；另一方面，所述方法依次由具有“m”形能量分布的组合平顶光斑和能量平顶分布的开槽平顶光斑多次对晶圆预定切割道进行刻蚀，减少了晶圆上表面边缘处的low-k材料堆积并且堆积范围小，进而减小了热影响区，提高了晶圆加工的成品率，并使得在晶圆上表面low-k层刻蚀形成的凹槽更加均匀，热影响区更小且均一性更高。

可选地，如图2所示，所述将第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其重叠在开槽平顶光斑并形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑包括：

获取开槽平顶光斑的形状和尺寸信息；

根据开槽平顶光斑的形状和尺寸信息确定所述重叠平顶光斑的形状和尺寸信息；

根据所述重叠平顶光斑的形状和尺寸信息进行整形处理形成重叠平顶光斑。

具体的，本实施例中所述方法中所述开槽平顶光斑的形状和尺寸信息与重叠平顶光斑的形状和尺寸信息相对应，其对应关系储存在控制器内。例如，如图3所示，当所述开槽平顶光斑为长方形平顶光斑时，所述重叠平顶光斑为长方形平顶光斑，沿着所述预定切割道的方向，所述重叠平顶光斑重叠在所述开槽平顶光斑边缘两侧并形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑；其中，沿着所述预定切割道的方向上，所述开槽平顶光斑的长度为n，所述重叠平顶光斑的长度为n，且n＝n；垂直于所述预定切割道的方向上，所述开槽平顶光斑的宽度为m，所述重叠平顶光斑的宽度为m，且m大于m；优选的，所述重叠平顶光斑的宽度m是所述开槽平顶光斑的宽度m的1/10-1/4，并由如图3上方所示的组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀后，所述凹槽的刻蚀效果如图3下方所示且槽形结构为槽底两边划线较深中间较浅，其中，具有“m”形能量分布的组合平顶光斑如图3下方所示。

或者，如图4所示，沿着所述预定切割道的方向上，所述开槽平顶光斑的长度为n，所述重叠平顶光斑的长度为n，且n>n；垂直于所述预定切割道的方向上，所述开槽平顶光斑的宽度为m，所述重叠平顶光斑的宽度为m，且m大于m；优选的，所述重叠平顶光斑的宽度m是所述开槽平顶光斑的宽度m的1/10-1/4；如图4所示的组合平顶光斑中将重叠平顶光斑重叠在所述开槽平顶光斑两侧的后侧，一方面，能够沿着所述预定切割道的切割方向上通过所述组合平顶光斑两侧前方较小的能量分布对两侧进行软化，然后再通过重叠平顶光斑与开槽平顶光斑重叠的后方较强能量分布进行开槽，进而在避免low-k材料在加工过程中的剥落前提下，达到高效去除晶圆上表面的low-k层效果，并提高所述凹槽的平整度和分离晶圆的均匀性，进而提高晶圆的性能。

其中，本实施例中所述方法中通过所述凹槽的槽形结构确定开槽平顶光斑的形状和尺寸信息，其中槽形结构和所述开槽平顶光斑的形状和尺寸相对应，其对应关系储存在控器内。例如，当所述槽形结构为“凵”形时，所述方法得出的组合平顶光斑如图3所示并由其刻蚀形成如图3下方所示的槽形结构，然后由具有如图5所示能量分布的开槽平顶光斑对如图3下方所述的凹槽再次进行刻蚀后，如图6所示最后所述凹槽的槽形结构为槽底部平坦，槽壁较陡直呈“凵”形，使得凹槽的槽顶宽度和槽底宽度基本一致，一方面可以避免激光光束的能量分布以及热影响使得切割出的槽形状呈“v”形，进而容易导致晶圆的损伤降低良品率；另一方面，还能够根据后续加工需求调整所述光斑形状、激光光束的能量密度以及重叠方式来获取更精准的槽形结构，提高晶圆的加工效率。

可选地，所述重叠平顶光斑能量密度是所述开槽平顶光斑能量密度的25％-70％。

具体的，本实施例中所述方法主要是通过重叠平顶光斑增强开槽平顶光斑两侧的能量密度，进而保证刻蚀出的凹槽为槽侧壁倾斜度较高的凹槽，进而避免凹槽两侧刻蚀效果差而使所述凹槽为“v”形。

可选地，在由组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀形成凹槽中，还包括：

检测所述凹槽的槽形并获取槽形信息；

根据槽形信息计算出凹槽的顶部宽度和底部宽度；

判断所述顶部宽度和底部宽度是否在预设值内，如果是，则继续由该组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀；如果否，则根据所述顶部宽度和底部宽度调整所述组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀。

具体的，本实施例中所述方法为了更好地达到后续加工的需求，在具有该“m”形能量分布的组合平顶光斑对所述预定切割道进行刻蚀时，对凹槽的槽形结构进行实时检测，保证槽形结构更加的稳定，进而提高所述晶圆加工的精确性和良品率。

其中，由于所述凹槽的顶部宽度和底部宽度与凹槽的深度和宽度相关，同时，所述重叠平顶光斑的能量密度和形状与凹槽的深度和宽度相对应，因此随着重叠平顶光斑能量密度和形状变小，凹槽底部宽度越来越小，热影响区也随着离焦量的变小而变小，因此，通过实时获取的顶部宽度和底部宽度对所述重叠平顶光斑在开槽平顶光斑的重叠位置、重叠平顶光斑的能量密度和形状等进行调整，提高了晶圆加工的成品率，并使得在晶圆上表面low-k层刻蚀形成的凹槽更加均匀，热影响区更小且均一性更高。

可选地，所述顶部宽度和底部宽度与所述重叠平顶光斑在开槽平顶光斑上的位置分布相对应，其对应关系储存在装置内。

可选地，所述开槽平顶光斑为方形平顶光斑、或正方形平顶光斑。

具体的，本实施例中为了获得更好的槽形结构，主要是采用方形平顶光斑或正方形平顶光斑，能够保证凹槽的槽壁更加陡直。例如，当所述开槽平顶光斑为方形平顶光斑时，所述重叠平顶光斑为方形平顶光斑；当所述开槽平顶光斑为正方形平顶光斑时，所述重叠平顶光斑为方形平顶光斑。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的装置，如图7所示，所述装置包括：

激光器，用于发射出激光光束；

相控型硅基液晶，用于将激光光束进行整形处理并形成平顶光斑；

聚焦元件阵列，包括至少三个聚焦元件并按组合平顶光斑排布并用于调整激光光束的聚焦点用以形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑；

晶圆加工平台，用于夹持住所述晶圆并沿着晶圆上表面的预定切割道方向改变组合平顶光斑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，用于分别与激光器、相控型硅基液晶、聚焦元件和晶圆加工平台连接并协调控制上述器件的工作。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的装置，首先控制器控制相控型硅基液晶将激光器发射的第一激光光束经整形处理后形成开槽平顶光斑，并通过相控型硅基液晶将激光器发射的第二、三激光光束经整形处理后形成重叠平顶光斑并将其通过相控型硅基液晶和聚焦元件阵列重叠在开槽平顶光斑上，形成具有边缘能量大于中间能量的“m”形能量分布的组合平顶光斑后对夹持于所述晶圆加工平台上的晶圆预定切割道进行刻蚀，形成槽底两边划线较深中间较浅，槽侧壁倾斜度较高的凹槽，进而使得凹槽的槽底宽度和槽顶宽度接近并达到后续加工需求；然后控制器控制移动晶圆加工平台并且再次通过开槽平顶光斑对所述凹槽再次进行刻蚀，其中，所述开槽平顶光斑经相控型硅基液晶的整形处理和聚焦元件阵列的聚焦处理后射入晶圆上表面时具有能量平顶分布，且由具有能量平顶分布的开槽平顶光斑对所形成的凹槽进行再次刻蚀，则通过能量分布均匀的开槽平顶光斑对凹槽再次进行刻蚀并使得凹槽的槽形结构为“凵”形，一方面使得所述凹槽的槽底更加平坦，槽壁更加陡直，通过提高所述凹槽的槽形质量保证后续加工需求，进而提高激光加工的良品率。另一方面，所述具有能量平顶分布的开槽平顶光斑对凹槽进行再次刻蚀还可将第一次刻蚀后残留于凹槽内的碎屑全部除去，提高了激光加工的效果。

可选地，所述装置还包括：

检测组件，用于检测所述凹槽的槽形并获取槽形信息；

计算单元，设置于控制器内并用于根据槽形信息计算出凹槽的顶部宽度和底部宽度；

判断单元，设置于控制器内并用于判断所述顶部宽度和底部宽度是否在预设值内。

可选地，所述检测组件包括：

分束器，用于将激光光束分束形成加工激光和检测激光，并分别将加工激光发射至所述相控型硅基液晶用于对所述预定切割道进行刻蚀，检测激光发射至透镜组件用于检测所述凹槽的槽形；

透镜组件，用于将检测激光聚焦发射至ccd装置；

监测光源，用于对凹槽的槽形进行监测；

ccd装置，用于检测所述凹槽的槽形并获取槽形信息。

综上所述，本实施例所述装置包括光纤准直器2、起偏器3、扩束准直元件4对激光器1发出的激光光束进行前期处理形成平行光束，然后由分束晶体5将激光光束分为加工激光和检测激光，所述加工激光经相控型硅基液晶6分束形成第一、二和三激光光束，并经过相控型硅基液晶6分别对第一、二和三激光光束整形处理形成平顶光斑后射入聚焦元件阵列7、光阑8进而对晶圆上表面的预定切割道进行刻蚀；检测激光依次射入第四分束晶体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凹槽的顶部宽度和底部宽度，然后由设置于控制器内的判断单元判断所述顶部宽度和底部宽度是否在预设值内，然后控制器根据判断单元的结果控制控制相控型硅基液晶对重叠平顶光斑在开槽平顶光斑上的位置分布和强度分布进行实时调整。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。