一种激光加工晶圆的方法及装置与流程

本发明涉及激光微加工技术领域，尤其涉及一种激光加工晶圆的方法及装置。

背景技术：

集成电路制造技术的进步首先来源于市场需求的要求，其次是竞争的要求。在集成电路制造中，半导体硅材料由于其资源丰富，制造成本低，工艺性好，是集成电路重要的基体材料。从集成电路断面结构来看，大部分集成电路是在硅基体材料的浅表面层上制造。由于制造工艺的要求，对晶片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出很高要求。因此在几百道工艺流程中，不可采用较薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。通常在集成电路封装前，需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度。这一工艺过程称之为晶片背面减薄工艺。

目前，半导体衬底分离通常有两种应用，一种为使用激光作用于不同材料之间，并基于不同材料对于激光的吸收率不同，从而实现通过激光将不同材料分离开来；另一种为针对同一种衬底材料，使用激光将衬底用线切割的方式先切开，然后研磨减薄层特定厚度。两种主流的方法一种仅仅适合不同衬底之间的分离，不适用第三代半导体材料的减薄，而第二种加工方式极为浪费材料，且研磨过程繁琐费时，当芯片减薄至一定厚度时，还容易出现整个晶圆产生较大的曲率，甚至多达几个厘米厚，不利于之后的芯片切割。

技术实现要素：

本发明提供的激光加工晶圆的方法及装置，能够针对第三代半导体材料特性匹配出最佳具有预设图案的光斑组合阵列然后通过激光在晶圆内部作用实现对半导体衬底的分离，使得激光剥离比例大于1:10；还能够有效的提升加工效率，提高第三代半导体衬底分离的良品率。

第一方面，本发明提供一种激光加工晶圆的方法，包括：

将激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点；

移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；

沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离。

可选地，所述方法包括：

获取半导体材料信息；其中，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；

根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；其中，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应。

可选地，所述预设图案的光斑组合阵列包括方形结构阵列、菱形结构阵列、多变形结构阵列、梯形结构阵列、网状结构阵列、条纹状结构阵列中一种或者任意组合；其中，

所述激光光斑包括高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中一种或者任意组合。

可选地，所述将激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点之前，所述方法还包括：

调整激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向，以使由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域进行横向爆点形成片状爆点。

可选地，所述激光光束的波长范围为150nm-2000nm。

可选地，所述单个爆点的作用范围为0.5微米-100微米。

第二方面，本发明提供一种激光加工晶圆的装置，包括：

激光加工系统，由激光器、整形元件搭建形成并用于将激光器发射的激光光束经整形元件整形为具有预设图案的光斑组合阵列，然后由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点；

工作台，用于移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；

分离系统，用于沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离。

可选地，所述装置还包括：

控制系统，用于获取半导体材料信息，并根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；

优选地，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；

优选地，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应。

可选地，所述预设图案的光斑组合阵列包括方形结构阵列、菱形结构阵列、多变形结构阵列、梯形结构阵列、网状结构阵列、条纹状结构阵列中一种或者任意组合；其中，

所述激光光斑包括高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中一种或者任意组合。

可选地，所述装置还包括：

调整系统，用于调整激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向，以使由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域进行横向爆点形成片状爆点。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法及装置，所述方法主要是利用以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)、氧化锌(zno)等宽禁带为代表的第三代半导体材料特性，通过匹配出与之对应的具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点，将片状爆点在晶圆预设平面上全部均匀覆盖即在晶圆预设平面上形成整平面爆点，然后在晶圆上下两表面使用分离系统沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离实现半导体衬底分离；其中，所述将均匀设置小吸嘴的吸盘作为分离系统以使其能够对晶圆表面均匀施加切向拉力，因此，本实施例所述方法能够针对第三代半导体材料特性匹配出最佳具有预设图案的光斑组合阵列然后通过激光在晶圆内部作用实现将半导体衬底分离成多片，使得激光剥离比例大于1:10；还能够有效的提升加工效率，提高第三代半导体衬底分离的良品率；同时利用分离系统在晶圆整幅面拉力作用可最大程度保证晶圆的完整性。

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晶圆激光剥离的示意图；

图3为本发明另一实施例对晶圆两端施加切向拉力进行分离的示意图；

图4为本发明另一实施例预设图案的光斑组合阵列的结构示意图；

图5为本发明另一实施例吸盘的结构示意图；

图6为本发明另一实施例p偏振的示意图；

图7为本发明另一实施例s偏振的示意图。

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，所述方法包括：

s11、将激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点；

s12、移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；

s13、沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法主要是利用以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)、氧化锌(zno)等宽禁带为代表的第三代半导体材料特性，通过匹配出与之对应的具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点，将片状爆点在晶圆预设平面上全部均匀覆盖即在晶圆预设平面上形成整平面爆点，然后在晶圆上下两表面使用分离系统沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离实现半导体衬底分离；其中，所述将均匀设置小吸嘴的吸盘作为分离系统以使其能够对晶圆表面均匀施加切向拉力，因此，本实施例所述方法能够针对第三代半导体材料特性匹配出最佳具有预设图案的光斑组合阵列然后通过激光在晶圆内部作用实现将半导体衬底分离成多片，使得激光剥离比例大于1:10；还能够有效的提升加工效率，提高第三代半导体衬底分离的良品率；同时利用分离系统在晶圆整幅面拉力作用可最大程度保证晶圆的完整性。

可选地，如图2至图7所示，所述方法包括：

获取半导体材料信息；其中，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；

根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；其中，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应。

可选地，所述预设图案的光斑组合阵列包括方形结构阵列、菱形结构阵列、多变形结构阵列、梯形结构阵列、网状结构阵列、条纹状结构阵列中一种或者任意组合；其中，

所述激光光斑包括高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中一种或者任意组合。

可选地，所述将激光光束整形为具有预设图案的光斑组合阵列，并由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点之前，所述方法还包括：

调整激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向，以使由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域进行横向爆点形成片状爆点。

具体的，本实施例所述方法中所述激光光束偏振是指激光在传播过程中电场强度的振动遵循一定的规律，即如果激光光场沿一条直线方向振动则该激光叫做线偏振光；如果电场强度的振动沿着一个椭圆轨迹变化的激光称为椭圆偏振光；假如该轨迹为一个圆，该激光称之为圆偏振光。作为激光的特性之一，激光偏振对材料烧蚀具有显著的作用，例如激光偏振态(包括线偏振、椭圆偏振和圆偏振)对材料烧蚀机理的作用，线偏振激光偏振方向与烧蚀形貌之间的关系等等。

因此，针对激光偏振态对材料烧蚀机理，主要是由于金属材料的初始自由电子密度极高，所以无需通过原子电离形成自由电子，因此大多对于激光偏振态的研究主要针对是非金属材料，包括半导体和电介质材料。现以熔融石英为例，在熔融石英上电离过程主要包括光电离和碰撞电离两个阶段。光电离体现了激光与材料的相互作用，所产生的电子为后续的碰撞电离提供“种子电子”，其光电离率可以通过wpi(i(t))＝α·(i(t))^m计算。研究表明激光偏振态是通过调控多光子电离截面系数，达到调控材料烧蚀特性的目的。

因此，本实施例所述方法通过调整激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向提高半导体分离效果和良品率。

另外，如图4所示，由于所述半导体材料信息中的材料类型、或材料烧蚀机理、或材料晶格、或材料晶向是激光加工的影响因素之一，因此，本实施例所述方法还能够根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列，其中，确定预设图案的光斑组合阵列包括确定光斑组合阵列呈现的预设图案、以及激光光斑的光斑形状，使得预设图案的光斑组合阵列与半导体材料进行匹配，优化半导体分离效果。例如，针对激光加工的材料晶向依赖性加工，即所述晶向依赖性加工是指在激光加工过程中，由于晶体材料本身的各向异性导致烧蚀结果会随着材料晶向的改变发生显著变化的过程。和传统研究不同，这种烧蚀结果的差异不是由于激光参数和加工环境的变化引起的，而是由于材料自身的特性导致的。为了详细阐述材料晶向依赖性烧蚀，本部分主要通过晶体材料光学特性的晶向依赖性和烧蚀形貌的晶向依赖性两个方面进行阐述。

如图6和图7所示，随着材料科学的发展，对于具有复杂功能性材料的需求越来越多，例如同时具有p偏振和s偏振的光波导器件。渐渐地，人们开始从制备各向异性的材料转向研究晶体材料本身所以具有的各向异性中去，例如探测晶态材料透/反射率、三谐波系数等等。

相比于激光波长、重复频率、脉冲数目等激光参数化，材料晶体方向对烧蚀结果的影响在很长的一段时间里都被忽视。然而最近的研究表明，激光剥离呈现显著的晶向依赖性。

因此，本实施例所述方法在第三代半导体材料上，通过爆点结构呈现显著地晶向依赖性，光偏振若沿着s偏振晶向进行烧蚀时，爆点呈现一种网状结构，例如由多个圆形激光光斑形成的网状结构阵列；激光偏振若沿着p偏振进行烧蚀时，爆点则呈现条纹状，例如由多个方形激光光斑形成的条纹状阵列，显著提高了爆点的效果，以及第三代半导体衬底分离的精度。

可选地，所述激光光束的波长范围为150nm-2000nm；激光脉冲为皮秒及纳秒量级。

可选地，所述单个爆点的作用范围为0.5微米-100微米。

可选地，所述切向拉力为晶圆整幅面作用，且力度大于1kg。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的装置，如图2至图7所示，所述装置包括：

激光加工系统，由激光器、整形元件搭建形成并用于将激光器发射的激光光束经整形元件整形为具有预设图案的光斑组合阵列，然后由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域形成片状爆点；

工作台，用于移动放置晶圆的工作台并将片状爆点均匀覆盖在晶圆预设平面上形成整平面爆点；

分离系统，用于沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的装置主要是利用以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)、氧化锌(zno)等宽禁带为代表的第三代半导体材料特性，通过匹配出与之对应的具有预设图案的光斑组合阵列并经激光加工系统在晶圆内部预设区域形成片状爆点，移动工作台将片状爆点在晶圆预设平面上全部均匀覆盖即在晶圆预设平面上形成整平面爆点，然后在晶圆上下两表面使用分离系统沿形成有整平面爆点的预设平面对晶圆两端施加切向拉力，以使将晶圆进行分离实现半导体衬底分离；其中，所述装置将均匀设置有小吸嘴的吸盘作为分离系统以使其能够对晶圆表面均匀施加切向拉力，因此，本实施例所述装置能够针对第三代半导体材料特性匹配出最佳具有预设图案的光斑组合阵列然后通过激光在晶圆内部作用实现将半导体衬底分离成多片，使得激光剥离比例大于1:10；还能够有效的提升加工效率，提高第三代半导体衬底分离的良品率；同时利用分离系统在晶圆整幅面拉力作用可最大程度保证晶圆的完整性。

可选地，所述装置还包括：

控制系统，用于获取半导体材料信息，并根据所述半导体材料信息确定预设图案的光斑组合阵列；

优选地，所述半导体材料信息包括材料类型、材料烧蚀机理、材料晶格、材料晶向中一种或者任意组合；

优选地，所述半导体材料信息与预设图案的光斑组合阵列相对应。

可选地，所述预设图案的光斑组合阵列包括方形结构阵列、菱形结构阵列、多变形结构阵列、梯形结构阵列、网状结构阵列、条纹状结构阵列中一种或者任意组合；其中，

所述激光光斑包括高斯光斑、方形平顶光斑、圆形平顶光斑、椭圆平顶光斑、菱形平顶光斑中一种或者任意组合。

可选地，所述装置还包括：

调整系统，用于调整激光光束偏振与材料晶格之间的作用方向，以使由具有预设图案的光斑组合阵列在晶圆内部预设区域进行横向爆点形成片状爆点。

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。