使用选择性聚焦深度的辐射晶片切割的制作方法

本发明涉及激光切割设备和切割平面半导体晶片的方法。

背景技术：

切分和划片是半导体工业中众所周知的工艺，其中使用切割机来加工工件或衬底，例如半导体晶片，所述半导体晶片可以例如包括硅但不限于此。在整个说明书中，术语“晶片”用于包括所有这些产品。在切分工艺（也称为例如切片、分割、切割）中，晶片被完全切断，以便将晶片切分成单独的芯片。在划片工艺（也称为例如开槽、刻痕、槽蚀或开沟）中，沟槽或槽被切割成晶片。随后可以应用其他工艺，例如通过沿切割沟槽使用物理锯进行完全切分。在整个本说明书，术语“切割”将用于包括切分和划片。

硅半导体晶片通常约为0.1mm至1mm厚。近来，半导体制造商已经开始转向使用“薄”晶片，这里将薄晶片定义为具有小于200μm厚度的晶片。这种薄晶片的切分需要特定方法，例如在us8,785,298中描述的。

另一方面，还需要在各种应用中处理“厚”晶片（即，厚度超过200μm的晶片），例如模制晶片、陶瓷基板等。使用较厚的晶片也可以导致成本降低，这是由于例如led制造工艺中蓝宝石衬底的研磨（减薄）时间减少。

由于薄的半导体器件可以通过在五个或六个侧面上封装环氧树脂模塑料来增加其机械强度，环氧树脂模塑料的厚度通常在200μm–2000μm的范围内，并且常见地在200μm–800μm的范围内，因此厚半导体的切分技术也可以与这些封装器件相关。

通常，在诸如切屑、分层和大切口宽度的物理限制要求较低的情况下，使用片锯来切分厚晶片。随着切片“道（street）”宽度变窄，对切分质量的要求相应地变高。为了满足此要求，激光切片正成为切分厚晶片的新兴解决方案，同时保持可接受的器件产量和视觉质量。更具体地，已经观察到，如果使用片锯机械地切分厚晶片，则许多切分后的器件以机械破碎状态从切分过程中出现。例如，与使用片锯机械切分的模制硅晶片相比，对于使用激光束进行辐射切分的模制硅晶片，观察到切片质量和精度的明显优点，这是因为通过这种辐射切分可实现较窄的切口宽度。

已经提出使用多束激光切分方法，例如在wo1997/029509a1中，其中线性集群的聚焦激光束协作以形成激光光斑的线性阵列，用于沿着划线烧蚀衬底材料，从而使衬底沿着烧蚀线被辐射刻痕。以这种方式使用多个光束而不是单个（更大功率的）光束可以有助于在衬底上产生较窄的烧蚀道。这可以具有某些优点，特别是当所讨论的划线在半导体衬底上非常靠近可能易碎且昂贵的器件时。对于厚晶片，沿着划线的衬底材料通过这种聚焦光斑阵列的多次通过而连续移除。

各种已知的辐射切割方案在图1至图8中示意性地示出。许多附图引用了坐标系，如本领域中常见的，x-y平面是平行于正被切割的平面半导体晶片的平面，该平面通常是水平的。z轴垂直于x-y平面延伸，即通常在竖直方向上延伸。图1示出了激光切割设备的一部分的剖视图，该激光切割设备包括晶片工作台1，未切割的厚平面半导体晶片2被支撑在晶片工作台1上。粘合剂承载箔3（例如市售的切片胶带）介于晶片工作台1和晶片2之间，晶片2粘附在粘合剂承载箔3上。晶片2具有两个基本平行的主表面4、5，它们以200µm至2000µm范围内的厚度t彼此分开。晶片2被安装为使得其第二主表面5接触箔3，而其第一主表面4（沿z方向）存在于辐射划片工具上。例如，箔可以在夹紧到工作台的周向框架（未示出）内跨过。图2是与图1类似的视图，但是正在进行切分切割过程时截取的。通过入射激光束7沿着切割线或划线6形成了多个贯穿切口。切割线6沿x和y方向以网格形式延伸，如可以在下面描述的图5中更清楚地看到的。由于这是切分过程，因此切口的深度d通过进行多次通过或使用多个激光束最终将达到晶片2的厚度t，即，切割晶片的整个厚度。这允许沿切割线分离器件。

图3和图4对应于图1和图2，但示出了替代构型，其中厚半导体晶片2被支撑在晶片承载夹具8上，通过施加真空将晶片粘附到该晶片承载夹具8上。夹具8安装在晶片工作台1上。晶片2的第二主表面5接触晶片承载夹具8，而其第一主表面4存在于辐射划片工具上。晶片承载夹具8将切分后的器件保持在晶片工作台1上的适当位置。

图5示意性地示出了晶片2的切割方法。这里，为了清楚起见，仅出于示例的目的示出了四个器件9，其中切割线6将这些器件分开。可以容易地看到由这些线6形成的正交网格结构。使用“纵向扫描和横向步进”方法切割晶片2，其中在特定方向（在该实例中为±y）沿多个连续切割线切割晶片2。更详细地说，通过在–y方向扫描光束，晶片2沿切割线6a被切割；在该示例中，通过使用台组件（stageassembly）移动晶片工作台来实现该相对运动，以沿+y方向扫描晶片工作台。或者，晶片工作台可以保持静止并且切割激光束移动，或者工作台和激光束都可以移动。

在沿着切割线6a完成切割运行之后，台组件将用于使晶片工作台在+x方向上步进δx的量；因此，光束将相对于晶片表面有效地步进–δx的量。

现在通过沿+y方向扫描光束来沿切割线6b切割晶片2；实际上，这种相对运动可以通过使用台组件来实现，以在–y方向上扫描晶片工作台。然后可以重复这些步骤，直到整个晶片2被切分。

图6示意性地示出了在沿着切割线6b切割晶片时，在器件9的区域中的晶片2的放大视图。特别地，图6示出了四个器件9通过两个正交的切片道10a、10b相互分开。所期望的切割线6b被示出为沿着这些切片道10a之一延伸，平行于y轴延伸并且相对于x方向在切片道10a内居中。相当于入射到晶片2上的相应激光束7（参见图2、图4）的横截面的激光光斑11沿–y方向（如方向d所示）相对于晶片2移动以烧蚀所照射的半导体材料。在所示的示例中，存在四个激光光斑11a-11d的简单线性阵列。当每个激光光斑11通过半导体器件9的区域时，更多的半导体材料被烧蚀，目的是在该阵列的最后一个激光光斑通过之后沿着切割线6b的所有半导体材料将被烧蚀。

本发明人已经意识到，使用多个光束的多次通过的这种已知的工艺和方法可能对于有效地去除厚晶片中的材料不是最优的。

该问题在图7中示出，图7示意性地示出了在切割过程中沿切割线6（例如，参见图5）的轴线截取的晶片2的截面图。对应于图6的四个激光光斑11a-11d的四个单独的激光束20a-20d被布置成当它们在方向d上相对于晶片移动时烧蚀半导体材料。每个连续的激光束20a-20d将操作为将晶片烧蚀成连续更大的深度。第一激光束20a具有最大的烧蚀效果，即它去除了最大量的半导体材料，因为其激光能量和因此烧蚀被集中的焦点位于半导体材料内。随后的激光束20b-20d的焦点位于第一激光束20a烧蚀后留下的空间中。为了进一步说明这一点，图8示意性地示出了沿着与切割线正交的截面的图7的切割线。可以看出，这种已知方法导致切割效率低下。

本发明试图提供一种方法和相关设备，用于使用多个激光束特别是对于所谓的厚晶片进行更有效的激光切割。

根据本发明，该目的通过实施激光切割工艺来实现，其中多个光斑聚焦在半导体晶片的主体内的多个高度处。

该工艺适用于晶片的划片和完全切分。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于沿半导体晶片的切割线切割该晶片的激光切割设备，包括：

平面晶片支撑表面，所述平面晶片支撑表面具有用于在使用中将半导体晶片支撑于其上的平面，

激光供应器，所述激光供应器用于产生多个输出激光束，

光束聚焦器，所述光束聚焦器位于每个输出激光束的光路中，用于将每个所述激光束聚焦在相应的焦点处，晶片支撑表面能够在平行于晶片支撑表面的平面的方向上相对于所述光束聚焦器移动，和

致动器，所述致动器用于使晶片支撑表面和光束聚焦器在平行于晶片支撑表面的平面的方向上相对移动，使得在使用中，每个输出激光束的焦点在所述相对移动期间跟随晶片的切割线，

其中至少一个输出激光束的焦点与至少一个其他输出激光束的焦点相比，定位在距晶片支撑表面的平面的不同距离处。

激光供应器可包括：激光源，所述激光源用于沿光路发射源激光束；以及光束分离器，所述光束分离器沿源激光束的光路定位，以将源激光束分成多个输出激光束。在这种情况下，光束分离器可以包括衍射光学元件。衍射光学元件可用于产生具有不同发散度的至少两个输出激光束和/或产生具有不同传播方向的至少两个输出激光束。

可选择地，激光供应器可以包括多个激光源，每个激光源用于产生相应的输出激光束。在这种情况下，该设备可以包括多个光束聚焦器，每个光束聚焦器沿着相应的激光输出光束的光路定位。

利用任一上述设备，每个输出激光束的焦点可以在使用中位于半导体晶片内，使得不同的输出激光束的相应焦点在半导体晶片内的不同深度处。

利用任一上述设备，多个输出激光束可以形成阵列，阵列中每个输出激光束的焦点在平行于晶片支撑表面的平面的方向上间隔开。在这种情况下，阵列内的输出激光束焦点的布置可以形成线性轮廓，使得相邻焦点在平行于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔与这些相邻焦点在正交于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔成正比。阵列内的相邻输出激光束焦点可以以输出激光束的瑞利（rayleigh）长度隔开。在另一种情况下，阵列内的输出激光束焦点的布置可以形成非线性轮廓，使得相邻焦点在平行于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔与这些相邻焦点在正交于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔不成正比。

根据本发明的第二方面，提供了一种沿平面半导体晶片的切割线切割该晶片的方法，包括以下步骤：

a）将半导体晶片支撑在激光切割设备内，

b）将多个激光束在基本正交于半导体晶片的平面的传播方向上引导至半导体晶片处，

c）聚焦多个激光束，使得所述多个激光束的各个焦点位于半导体晶片内，从而至少一个激光束的焦点与至少一个其他输出激光束的焦点相比，定位在半导体晶片的不同深度处，和

d）使半导体晶片和多个激光束在平行于半导体晶片的平面的方向上相对地移动，使得每个激光束的焦点跟随晶片的切割线，从而沿着切割线切割半导体晶片。

步骤c）可以包括聚焦多个激光束，使得相邻焦点在平行于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔与这些相邻焦点在正交于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔成正比，从而激光束焦点的布置形成线性轮廓。在这种情况下，相邻的输出激光束焦点可以隔开激光束的瑞利长度。

可选择地，步骤c）可以包括聚焦多个激光束，使得相邻焦点在平行于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔与这些相邻焦点在正交于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔不成正比，从而激光束焦点的布置形成非线性轮廓。

在所附权利要求中阐述了本发明的其他特定方面和特征。

附图说明

现在将参考附图（未按比例）描述本发明，其中：

图1示意性地示出了已知激光切割设备的一部分的剖视图；

图2示意性地示出了切割过程中图1的切割设备；

图3示意性地示出了用于切割背面贴箔的晶片的另一种已知激光切割设备的剖视图；

图4示意性地示出了切割过程中图3的切割设备；

图5示意性地示出了晶片的俯视图，图示了已知的切割方法；

图6示意性地示出了图5的晶片的放大视图；

图7示意性地示出了用已知切割设备切割的晶片切割线的剖视图；

图8示意性地示出了沿着与切割线正交的截面截取的图7的切割线；

图9示意性地示出了用根据本发明实施方案的切割设备切割的晶片的切割线的剖视图；

图10示意性地示出了沿着与切割线正交的截面截取的图9的切割线；

图11a-11d示意性地示出了沿晶片的切割线的剖视图，图示了根据本发明的焦点的示例性轮廓；

图12示意性地示出了根据本发明的实施方案的激光切割设备；

图13a、图13b示意性地示出了适合于与本发明一起使用的doe；

图14示意性地示出了根据本发明另一实施方案的激光切割设备的一部分；和

图15示意性地示出了根据本发明又一实施方案的激光切割设备的一部分。

图号说明：

1-晶片工作台

2-半导体晶片

3-箔

4-第一主表面

5-第二主表面

6、6a、6b-切割线

7-激光束

8-夹具

9-半导体器件

10a、10b-切片道

11a-11d-激光光斑

12-运动控制器

13-控制器

14-激光源

15-光束分离器

16-光束分离器/组合器

17-光束聚焦器

18-视觉系统

19-相机

20a-20d-激光束

21-半导体晶片

22a-22h-输出激光束

23a-23h-焦点

24-晶片支撑表面

26-衍射光学元件

27-光束聚焦器

28-源激光束

29a-29d-激光源

30a-30d-源激光束

31a-31d-透镜

32a-32d-光纤

33a-33d-透镜

d-切割方向

t-晶片厚度。

具体实施方式

图9和图10分别示出了与图7和图8类似的视图，但是具有根据本发明实施方案的改进的激光束焦点轮廓。这里，四个输出激光束22a-22d的阵列照射平面半导体晶片21，以引起晶片沿着切割线的烧蚀。尽管未清楚地示出，但是晶片21被支撑在平面晶片支撑表面（24，参见图12）上。半导体晶片21可以设置有类似于图1中所示的承载箔（未示出），或者可选地，晶片支撑表面24可以包括夹具（未示出），晶片21被支撑在该夹具上，类似于图3所示的布置。激光束22a-22d的相应焦点不仅沿着切割线在y方向上间隔开，而且在z方向上也间隔开，使得它们相对于晶片支撑表面位于不同距离处。此外，焦点全部位于未切割晶片的主体内。以这种方式，焦点被定位成更靠近待被相应激光束烧蚀的剩余材料。

图11a-11d示意性地示出了沿平面半导体晶片21的切割线的剖视图，图示了根据本发明的焦点的示例性轮廓。在这些图中，半导体晶片21被示出为在切割方向d上由八个输出激光束22a-22h的线性阵列切割。因此，激光束22a是阵列的前导激光束。每个输出激光束22a-22h聚焦到相应的焦点23a-23h。阵列中的每个输出激光束的焦点在平行于晶片支撑表面的平面的方向上与另一个输出激光束隔开。

激光束22a-22h经历聚焦，使得至少一个输出激光束的焦点与至少一个其他输出激光束的焦点相比，定位在距晶片支撑表面24的平面不同距离处。在优选的实施方案中，例如图11a-11d中所示的那些，每个激光束22a-22h在使用中具有位于半导体晶片21内的焦点23a-23h，使得不同的输出激光束的相应焦点位于半导体晶片内的不同深度处。

阵列的相邻光束之间在y方向上的间距可以例如在约5µm至约400µm的范围内。相邻光束之间在z方向上的高度差可以例如在约5µm至约100µm的范围内，这可以取决于晶片21的厚度。

在图11a中，焦点23a-23h以线性轮廓布置，如虚线所示，使得相邻焦点在平行于晶片支撑表面24的平面的方向上的间隔与这些相邻焦点在正交于晶片支撑表面24的平面的方向上的间隔成正比。前导激光束22a聚焦在靠近半导体晶片21的上部主表面的点处，阵列中的每个后续激光束聚焦在后续较低点处，直到拖尾激光束22h聚焦在靠近半导体晶片21的下部主表面的点处。利用这种轮廓，很明显每个激光束将作用为沿着切割线在后续较低深度处烧蚀半导体材料。拖尾光束22h的焦点23h被选择为足够靠近半导体晶片21的下表面，以确保在切割线的整个深度上完全烧蚀半导体材料，从而提供切分。有利地，阵列内的相邻输出激光束焦点以输出激光束的瑞利长度隔开。

在图11b-11d中，焦点23a-23h以非线性轮廓布置，使得相邻焦点在平行于晶片支撑表面24的平面的方向上的间隔与这些相邻焦点在正交于晶片支撑表面的平面的方向上的间隔不成正比。

在图11b中，相邻激光束的焦点之间在z方向上的间隔从前导光束到拖尾光束以非正比布置增加。

在图11c中，使用阶梯式轮廓，其中相邻的激光束对具有距晶片支撑工作台相同距离处的焦点，每对激光束的焦点在后续较低点处聚焦，直到拖尾激光束22h及其直接前体22g聚焦在靠近半导体晶片21的下部主表面的点处。

在图11d中，示出了更不规则的轮廓，前四个激光束22a-22d的焦点以线性轮廓布置，接下来的三个激光束22e-22g的焦点距晶片支撑表面24的距离相同，并且最后拖尾激光束22h聚焦在靠近半导体晶片21的下部主表面的点处。

图12示意性地示出了根据本发明的激光切割设备。平面半导体晶片21被支撑在晶片工作台1的晶片支撑表面24上，晶片工作台1形成可移动台组件的一部分，由运动控制器12控制，其中晶片21通过外围夹紧等保持在晶片工作台上。台组件包括例如两个单独的线性马达（未示出），用于沿x轴和y轴独立地驱动晶片工作台1。使晶片工作台1例如借助于空气轴承或磁性轴承（未示出）在x-y平面内的参考表面（例如抛光的石材表面）上平滑地浮动。例如，借助于诸如干涉仪或线性编码器之类的定位仪器（未示出）来监视和控制晶片工作台1的精确位置。采用聚焦控制和/或水平传感系统（未示出）来确保晶片21的表面相对于激光投射系统保持在所需的水平。

提供脉冲激光源14以发射沿光路传播的脉冲激光束。激光源14连接到控制器13，例如处理器或计算机，控制器13除其他之外其可以用于控制激光参数，例如脉冲持续时间、脉冲重复率和光束的功率或影响。

衍射光学元件（doe）26沿光路定位，以将激光束分成具有不同光束发散角的多个输出激光束，如下面将更详细描述的。

光束分离器/组合器16，例如部分镀银或二向色镜，将输出激光束导向晶片21，同时还允许反射光传递到视觉系统（见下文）。

诸如透镜或凹面镜等的光束聚焦器27收集输出激光束并将它们聚焦以投射到晶片21上。在光束照射到晶片21上的点处，根据各个光束属性形成光斑。如本领域中已知的，也可以在该阶段执行像差和/或失真校正。光束聚焦器27用于将输出激光束聚焦在距晶片支撑表面24的所需距离处。

光学地连接到数字相机19的视觉系统18接收来自光束分离器/组合器16的反射光。这用于执行光束相对于晶片21表面的对准和跟踪操作，如本领域中已知的。光束分离器/组合器16的使用允许相机19以“轴上”布置使用，由此它可以沿着与光束基本上共线的轴观察晶片21。由于反射而从表面4发出的光的一部分将穿过光束分离器/组合器16并被引导到相机19。

控制器13用于控制和处理由相机19捕获的图像，并根据接收的图像信息调整激光源14的操作。

图13a-13b示意性地示出了适用于上述激光切割设备的两个可选doe设计26a、26b。图13a示出了doe26a，利用该doe26a，可以通过将入射的准直源激光束28分成和变成不同发散度的多个输出光束22a-22c来实现具有不同焦点深度的光斑。分离的输出光束22a-22c具有相同的光束角，因此沿相同的纵轴传播。如果输出光束在y方向上在空间上分离以形成阵列，则它们可以根据需要通过另外的doe（未示出）。输出激光束22a-22c穿过聚焦光束的光束聚焦器27，在本实例中是透镜。由于不同的发散度，所得到的焦点在z方向上间隔开。

图13b示出了另选的doe26b，其产生具有不同发散度和不同光束角度的输出光束，使得它们沿不同方向传播。当输出光束由光束聚焦器27（在本实例中是透镜）聚焦时，产生输出激光束22a-22c的阵列，它们各自的焦点在y方向上间隔开。由于不同的发散度，所得到的焦点也在z方向上间隔开。

可以设计和制造doe以产生具有微弧度量级精度的光束发散度和角度控制。对于通常用于激光材料工艺中的1mm至200mm的焦距，设计和制造误差将导致x、y和z轴上小于4µm的几何误差。

doe的设计需要模拟反向光从要在其中创建图案的平面传播回到doe的平面。首先根据应用需求布置3d光斑分布。然后计算远场电磁波轮廓用于反向光传播，以实现输入相干高斯激光束的所需相变。在设计不同聚焦水平的聚焦激光光斑时，可以在某些标称焦点位置处定义远场信息，由此各个光斑具有不同的发散度以反映其对应的聚焦位置。

上述实施方案利用doe作用于通过自由空间传播的光线。然而，在本发明的范围内可以有各种替代方案。

图14中示意性地示出了本发明的可选实施方案。为清楚起见，仅示出了照射系统的部件，并且应该理解，晶片支撑工作台和检查系统如前所述。

这里，不是分离单个源激光束以产生多个输出激光束，而是提供总共四个激光源29a-29d，它们的输出由控制器13控制。这些激光源设置成发射类似且大致平行的激光束30a-30d。这些激光束由光束分离器/组合器16朝向包括各个透镜31a-31d的相应光束聚焦器引导。透镜31a-31d具有不同的焦距，使得每个输出激光束的焦点在使用中距晶片支撑表面（未示出）的距离不同。

图15中示意性地示出了本发明的又一可选实施方案。为清楚起见，仅示出了照射系统的部件，并且应该理解，晶片支撑工作台、检查系统和激光控制器如前所述。

这里，类似于前一实施方案，提供总共四个激光源29a-29d，它们的输出由控制器（未示出）控制。这些激光源被布置成发射类似的激光束30a-30d。激光束30a-30d通过相应的光纤32a-32d朝向包括单独透镜31a-31d的相应光束聚焦器引导。这里，透镜31a-31d具有相同的焦距，但是透镜在z方向上间隔开，使得每个输出激光束在使用中具有距晶片支撑表面（未示出）不同距离的焦点。因此，该实施方案能够在不使用衍射元件的情况下精确地布置激光光斑的y轴位置，从而可以提高调整的容易性。

上述实施方案仅是示例性的，并且本发明范围内的其他可能性和替代方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

例如，在图14和图15中所示的实施方案中使用的光束聚焦器可自由互换。

虽然上述实施方案示出了具有类似y方向间隔的激光光斑阵列，但是可以适当地选择和/或改变该间隔。

光纤可用于贯穿激光束的光路的任何部分引导激光束，而不是自由空间传输。

可以在晶片支撑表面保持静止的同时移动光束聚焦器（以及可选地激光供应器），以便实现切割。

本发明的设备和方法可用于切分和划片工艺。