一种激光加工晶圆的方法及装置与流程

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本发明涉及芯片制造和封测领域，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，由于像差的影响，圆形光斑的形状为接近正方形的形状。因此，例如在半导体器件等上穿透设置通孔的情况下，不能形成圆形的通孔。因此，无法同时利用椭圆形的聚光光斑和圆形的聚光光斑的加工。

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，能够在激光加工晶圆过程中，根据凹槽的特征将激光光束匹配至最佳设定图案分布，使得划片的激光光束能量分布更加均匀，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。

第一方面，本发明提供一种激光加工晶圆的方法，包括：

对激光光束依次进行分束处理、整形处理、聚焦处理后形成具有设定图案分布的激光光斑；

通过改变所述激光光斑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。

可选地，所述整形处理是用于将激光器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形多边形平顶光斑。

可选地，沿改变所述激光光斑与晶圆上表面之间的相对位置方向，所述平顶光斑组合依次包括：

软化光斑：为圆形、椭圆形、方形、矩形或可定制形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、矩形或可定制形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、矩形或可定制形多边形并用于去除碎屑。

可选地，在晶圆中所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成二维分布并在同一水平线上；

或者，在晶圆中所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成三维分布。

可选地，当所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成二维分布并在同一水平线上时，所述软化光斑与开槽光斑部分重合。

可选地，所述平顶光斑组合的能量分布依次为开槽光斑的能量≥除屑光斑的能量≥软化光斑的能量。

可选地，所述软化光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的25％-35％；

优选的，所述软化光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的30％-34％。

可选地，所述除屑光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的45％-55％：

优选的，所述除屑光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的50％。

可选地，在对激光光束依次进行分束处理、整形处理、聚焦处理后形成具有设定图案分布的激光光斑之前，或者，在整形处理和聚焦处理之间，包括：

获取在晶圆上表面需切割的凹槽信息；

根据所述凹槽信息确定激光光斑的设定图案分布；

其中，所述设定图案分布的激光光斑与凹槽信息相对应。

可选地，在所述根据所述凹槽信息确定激光光斑的设定图案分布之后，还包括：

获取所述凹槽信息和激光光斑的设定图案分布；

根据所述凹槽信息和激光光斑的设定图案分布得出平顶光斑组合的能量分布；

调控衍射光学元件级次并改变激光光强分布。

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；

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；

聚焦元件阵列，用于调整具有所述平顶光斑的激光光束的聚焦点；

控制器，用于改变所述激光光斑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，所述聚焦元件阵列为柱面聚焦透镜、平凸透镜和双凸透镜中一种或者任意组合。

可选地，所述装置还包括：

扩束准直元件，用于将所述激光器发射的激光光束扩束、准直，形成平行光束；

反射镜，用于改变所述平行光束方向，使所述平行光束射入所述衍射光学元件。

可选地，所述控制器包括：

第一获取单元：用于获取在晶圆上表面需切割的凹槽信息；

确定单元：用于根据所述凹槽信息确定激光光斑的设定图案分布，其中，所述设定图案分布的激光光斑与凹槽信息相配合。

可选地，所述控制器还包括：

第二获取单元，用于获取所述凹槽信息和激光光斑的设定图案分布；

能量分布单元，用于根据所述凹槽信息和激光光斑的设定图案分布得出平顶光斑组合的能量分布；

调控单元，用于调控衍射光学元件级次并改变激光光强分布。

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光束的强度呈现高斯分布进而使用激光对晶圆上表面进行切割时，将导致在晶圆上表面形成的凹槽不平整、崩边、微孔、披锋等问题。其中，本发明实施例所述方法能够在激光加工晶圆过程中，根据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。

同时，本发明实施例所述装置中能够激光处理单元对激光光束进行整形成为凹槽所需的光斑形状，进而保证了所述凹槽的四周能够更加的平整，提高了生产效率，

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为本发明一实施例具有设定图案分布的激光光斑的效果图；

图5为本发明另一实施例具有设定图案分布的激光光斑的效果图；

图6为本发明一实施例形成平顶光斑的流程图图；

图7为本发明一实施例椭圆形平顶光斑和矩形平顶光斑关键参数确定流程图；

图8为本发明一实施例激光加工晶圆的装置结构图；

其中，1、扩束准直元件，2、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，所述方法包括：

s1、对激光光束依次进行分束处理、整形处理、聚焦处理后形成具有设定图案分布的激光光斑；

s2、通过调整所述激光光斑的空间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方法解决了激光光束的强度呈现高斯分布进而使用激光对晶圆上表面进行切割时，将导致在晶圆上表面形成的凹槽不平整、崩边、微孔、披锋等问题。其中，本实施例所述方法能够在激光加工晶圆过程中，根据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。

因此，本实施例主要根据在所述晶圆上表面所需形成的凹槽、以及作用确定具体设定图案分布的激光光斑，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，进而形成具有该设定图案分布的激光光斑，最后通过改变该激光光斑与晶圆上表面之间的相对位置实现对晶圆上表面进行激光加工效果并在晶圆上表面形成凹槽，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。

可选地，如图2-7所示，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。

本实施例中在激光光束切割晶圆上表面时，为了避免low-k材料在加工过程中的剥落，进而将激光光斑按照作用分为软化作用、开槽作用和除屑作用，并在激光加工过程中，依次进行软化、开槽和除屑；进而针对光斑不同的作用确定不同的光斑形状，例如，如图4所示，当作为软化作用时，为了提高软化的效果则采用能量分布集中的圆形光斑或者椭圆形光斑，即为淡黑色圆形平顶光斑；当作为开槽作用时，为了提高所述凹槽的平整度则采用与凹槽匹配的矩形光斑或者方形光斑，即为黑色矩形平顶光斑；当作为除屑作用时，去除碎屑需要高能量因此采用圆形光斑或者椭圆形光斑，即为黑色椭圆平顶光斑，进而所述激光平顶光斑则为圆形光斑、矩形光斑、椭圆形光斑以及各种可定制形的平顶光斑组合。

可选地，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、矩形或可定制形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、矩形或可定制形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、矩形或可定制形多边形并用于去除碎屑。

具体的，本实施例中首先使用小能量的软化光斑对晶圆上表面进行软化以减少碎屑的产生、进而减少在开槽过程中low-k材料施加到刀片的物理阻力；然后使用大能量的开槽光斑对晶圆上表面进行切割开槽，最后使用中等能量的除屑光斑对切割开槽后遗留的碎屑进行移除，提高所述加工方法的切割效果。

如图6所示，所述平顶光斑包括可包括方形平顶光斑，圆形平顶光斑，矩形平顶光斑，椭圆形平顶光斑或可定制形多边形平顶光斑。其中，所述方形平顶光斑和圆形平顶光斑可通过衍射光学元件或lcos整形后通过透镜获得。所述透镜包括平凸透镜或双凸透镜。

所述矩形平顶光斑和椭圆形平顶光斑可通过衍射光学元件或lcos整形为方形平顶光斑和圆形平顶光斑，再通过特殊透镜获得。所述特殊透镜包括但不限于柱面聚焦透镜。

所述矩形平顶光斑和椭圆平顶光斑通常基于衍射光学元件+平凸柱透镜组合，根据所需线形平顶光斑的长宽比、长度、宽度、聚焦镜倍率等参数，可以确定衍射光学元件表面线形刻蚀区域的宽度，并最终获得光路系统所需光学元件的所有关键参数。更具体的，关键参数确定方法如图7所示。

首先根据实际需求确立线形平顶光斑的尺寸，主要包括光斑长度和宽度。所需光斑长度与激光器出射光直径与扩束准直镜的倍率有关。根据光斑长度以及平凸柱面镜焦距即可确定线形平顶光斑的宽度。衍射光学元件表面的刻蚀尺寸略小于光斑长度即可。

例如，如图8所示，本实施例中使用衍射分光元件实现激光分束，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材料之后仍保留的low-k材料时，由于从low-k材料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分束成为等光强的三束激光子光束。所述三束激光子光束可通过对衍射光学元件级次的调控，从而实现三束激光子光束光强分布的改变。并且例如，第一激光子光束用于软化以减少碎屑的产生，并在晶圆上形成软化光斑，由于软化需要能量较为集中，因此所述软化光斑优选为圆形光斑；第二激光子光束用于开槽，并在晶圆上形成开槽光斑，由于凹槽较多为矩形，因此所述开槽光斑优选为矩形；第三激光子光束别用于移除碎屑，并在晶圆上形成除屑光斑；因此，所述第一激光子光束可以在保证预定切割道边缘low-k材料去除的情况下，对中间一部分区域实现等同于边缘刻蚀的效果。因此第二激光子光束有可能在随后的刀片开槽处理中极大的减小剩余low-k材料对刀片的阻力，并且位于最中心的沟道能有效的将束缚住刀片的运动轨迹，从而提高刀片运行精度。并且三束平行激光子光束通过一定制化整形元件，可以实现对单个激光子光束进行定制化整形设计，进而与所述凹槽相匹配。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，第三、第四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薄膜表面预定切割道的两边位置。其中，由球面及非球面透镜组成的透镜阵列可以实现预定切割道两边点光斑的刻蚀效果。随着平台的移动，点光斑叠加可以实现对整个沟道两边的low-k材料的去除。并且由于加工效果仅仅存在与预定切割道的两侧位置。因此，激光加工的热效应可以有效的往预定切割道的中间分散，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。若透镜阵列为柱面透镜阵列，则可以在预定切割道的两边获得线性光斑的加工效果。通过该聚焦方法，可以增加一次性加工面积，从而一定程度上提高了加工效率。

可选地，在晶圆中所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成二维分布并在同一水平线上；

或者，在晶圆中所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成三维分布。

具体的，当在晶圆中所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成三维分布时，沿晶圆上表面指向下表面的方向，依次分布所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑；优选的，所述开槽光斑与所述除屑光斑在同一水平面上。

可选地，如图5所示，当所述软化光斑、开槽光斑和除屑光斑的中心形成二维分布，且所述软化光斑与开槽光斑部分重合。

例如，当所述软化光斑为圆形、开槽光斑为矩形时，则软化光斑的后端与开槽光斑的前端部分重合，且二者的中心在同一水平线上。更优选的，所述开槽光斑的宽度与软化光斑的直径相等。

可选地，所述平顶光斑组合的能量分布依次为开槽光斑的能量≥除屑光斑的能量≥软化光斑的能量。

可选地，所述软化光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的25％-35％；

优选的，所述软化光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的30％-34％。

可选地，所述除屑光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的45％-55％：

优选的，所述除屑光斑的能量范围为所述开槽光斑的能量的50％。

可选地，如图2所示，在对激光光束依次进行分束处理、整形处理、聚焦处理后形成具有设定图案分布的激光光斑之前，或者，在整形处理和聚焦处理之间，包括：

获取在晶圆上表面需切割的凹槽信息；

根据所述凹槽信息确定激光光斑的设定图案分布；

其中，所述设定图案分布的激光光斑与凹槽信息相对应。

可选地，在所述根据所述凹槽信息确定激光光斑的设定图案分布之后，还包括：

获取所述凹槽信息和激光光斑的设定图案分布；

根据所述凹槽信息和激光光斑的设定图案分布得出平顶光斑组合的能量分布；

调控衍射光学元件级次并改变激光光强分布。

具体的，本实施例中所述凹槽信息包括凹槽的形状信息、凹槽的尺寸信息；其中，当所述凹槽的形状信息为方形时，则所述开槽光斑为方形；当所述凹槽的形状信息为矩形时，则所述开槽光斑为矩形。

本实施例根据所述凹槽的形状信息、尺寸信息确定设定图案分布，并根据所述设定图案分布确定各束激光子光束光斑的长宽比、长度、宽度、聚焦镜倍率等参数，当所述软化光斑、开槽光斑或除屑光斑为矩形光斑时，具体步骤如下：

根据所述设定图案分布确定矩形光斑尺寸；

根据所述光斑长度确定由激光器出射光斑与扩束准直镜；

根据光斑宽度确定扩束准直后光斑的直径和聚焦镜。

可选地，如图3所示，在整形处理和聚焦处理之间，还包括：

检测在晶圆上表面凹槽的槽形信息；

根据槽形信息与需切割的凹槽信息调整参数。并进一步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。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的装置，如图8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；

聚焦元件阵列，用于调整具有所述平顶光斑的激光光束的聚焦点；

控制器，用于改变所述激光光斑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。

同时，本实施例中激光分光及初始整形功能还可用lcos来实现，即所述分束处理、整形处理通过在lcos上加载衍射相位图来实现。则将所述整形元件阵列替换成lcos元件，所述lcos元件用于对扩束后的激光光束进行分束并形成至少两条激光子光束，并同时用于对激光子光束进行整形并形成设定整形形状，例如圆形平顶、方形平顶。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的装置解决了激光光束的强度呈现高斯分布进而使用激光对晶圆上表面进行激光加工时，将导致在晶圆上表面形成的凹槽不平整、崩边、微孔、披锋等问题。其中，本实施例装置能够在激光加工晶圆过程中，根据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。

因此，本实施例主要根据在所述晶圆上表面所需形成的凹槽、以及作用确定具体设定图案分布的激光光斑，然后根据设定图案分布，并由衍射光学元件对激光器发射的激光光束进行分束处理、然后由整形元件阵列进行整形处理进而形成具有设定图案分布的平顶光斑，然后由聚焦元件阵列调整具有所述平顶光斑的激光光束的聚焦点并发射到所述晶圆上表面，最后由控制器调整调整该激光光斑的空间位置实现对晶圆上表面进行切割效果并在晶圆上表面形成凹槽。

或者，由lcos对激光光束进行分束处理后形成多数激光光束并同时进行整形处理、然后对分束后的激光光束进行聚焦处理后，进而形成具有该设定图案分布的激光光斑，最后由控制器调整该激光光斑的空间位置实现对晶圆上表面进行切割效果并在晶圆上表面形成凹槽，进而在避免low-k材料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。

可选的，所述聚焦元件阵列为柱面聚焦透镜、平凸透镜和双凸透镜中一种或者任意组合。

可选地，所述装置还包括：

扩束准直元件1，用于将所述激光器发射的激光光束扩束、准直，形成平行光束；

反射镜2，用于改变所述平行光束方向，使所述平行光束射入所述衍射光学元件。