专利名称：加工衬底,特别是半导体晶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及加工衬底，特别是但并不限于半导体晶片。
背景技术：
现已知，使用划片机切割半导体晶片，且生产量受机械速度、对准时间和成品率的作用。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供一种加工衬底的方法，包括以下步骤(a)利用激光器发射的可见光或紫外线，在衬底的第一表面自该第一表面到预定深度加工一种结构，该预定深度小于该衬底的总深度；以及(b)从与该第一表面相反的该衬底的第二表面去除预定深度的材料，该预定深度是从该第一表面到与该结构相通。
适宜的是，步骤(a)包括用发射约266nm、355nm和532nm之一波长辐射的激光器进行激光加工。
有利的是，步骤(a)包括加工沟槽，步骤(b)包括在沟槽处穿过衬底完成切割。
适宜的是，步骤(a)包括加工沟槽，该沟槽在该第一表面和自该第一表面的该预定深度之间具有基本平坦的相对侧壁，且在该预定深度下具有基本成弓形的相对侧壁。
有利的是，步骤(a)包括加工网格状沟槽，步骤(b)沿该网格状沟槽完成衬底的切割。
备选的是，步骤(a)包括加工通孔并用金属使该通孔金属化，步骤(b)包括在该第二表面露出该通孔中的金属的一部分。
适宜的是，该加工通孔的步骤包括以形成单个圆或多个同心圆的路线加工，形成以该圆或该多个同心圆的圆心为中心的通孔。
优选的是，该金属化通孔的步骤包括氧化该通孔的在前步骤。
优选的是，步骤(a)在非大气的受控气体环境中进行，在激光加工之前、期间和之后的至少一个阶段中使用反应气体和惰性气体中的至少一种。
有利的是，该使用反应气体和惰性气体中至少一种的步骤包括使用至少一种对衬底基本上不起化学作用的惰性气体，以防止激光加工期间衬底的氧化。
适宜的是，该使用至少一种惰性气体的步骤包括使用氩气和氦气中的至少一种。
有利的是，该使用反应气体和惰性气体中至少一种的步骤包括使用至少一种与衬底反应的气体，以降低在步骤(a)中形成的激光加工表面的粗糙度。
有利的是，该使用反应气体和惰性气体中至少一种的步骤包括使用至少一种与衬底反应的气体，以除去在步骤(a)中产生的碎屑。
适宜的是，该使用至少一种与衬底反应的气体的步骤包括使用含氯氟烃基的气体和卤化碳基的气体中的至少一种。
适宜的是，步骤(b)通过机械除去材料完成，特别是通过研磨抛光。
备选的是，步骤(b)通过化学蚀刻完成。
备选的是，步骤(b)通过等离子蚀刻完成。
备选的是，步骤(b)通过激光切除完成。
适宜的是，步骤(b)包括对衬底施加机械压力，以使衬底沿该沟槽断开。
有利的是，为了使该第一表面防御至少在步骤(a)和步骤(b)之一中形成的碎屑，步骤(a)包括提供保护层的又一步骤。
适宜的是，该提供保护层的步骤包括提供一个旋涂层。
有利的是，该提供保护层的步骤包括提供一个带层。
适宜的是，该衬底为硅材料。
备选的是，该衬底为光电材料。
备选的是，该衬底包括半导体和金属材料各层。
优选的是，步骤(a)包括用Q-开关激光器进行激光加工。
根据本发明的第二方案，提供一种衬底加工系统，包括用于发射可见光或紫外线的激光加工装置，该装置在衬底的第一表面自该第一表面到预定深度加工一种结构，该预定深度小于该衬底的总深度；以及用于除去材料的材料去除装置，该装置从与第一表面相反的该衬底的第二表面除去预定深度的材料，该预定深度是从该第一表面到与该加工的结构相通。
适宜的是，该激光加工装置用于加工沟槽，该材料去除装置用于在沟槽处完成穿过衬底的切割。
有利的是，该激光加工装置用于加工沟槽，该沟槽在该第一表面和自该第一表面的该预定深度之间具有基本平坦的相对侧壁，且在该预定深度外具有基本成弓形的相对侧壁。
优选的是，该激光加工装置用于加工网格状沟槽，该材料去除装置用于沿该网格状沟槽完成衬底的切割。
备选的是，该激光加工装置用于加工通孔，该系统还包括用于金属化该通孔的金属化装置，该材料去除装置用于在第二表面露出该通孔中的金属。
优选的是，该系统还包括用于在金属化之前氧化该通孔的氧化装置。
优选的是，该系统还包括气体处理装置，该气体处理装置用于在激光加工之前、期间和之后中的至少一个阶段中向衬底提供反应气体环境和惰性气体环境中的至少一种。
适宜的是，该材料去除装置是机械去除装置，特别是研磨抛光装置。
备选的是，该材料去除装置是化学蚀刻装置。
备选的是，该材料去除装置是等离子蚀刻装置。
备选的是，该材料去除装置是激光切除装置。
有利的是，该系统用于加工硅材料。
备选的是，该系统用于加工包含半导体和金属材料各层的衬底。
备选的是，该系统用于加工包含光电材料的衬底。
优选的是，该激光加工装置包括Q-开关激光器。
适宜的是，该激光加工装置用于发射具有约266nm、355nm和532nm之一波长的辐射。
以下对一些实施例的描述使本发明更加明显易懂，其实例以结合附图的方式给出，其中图1是半导体晶片切割前的平面图；图2是图1晶片的横截面简图，示出了晶片的有源区和支撑区，以及激光加工的沟槽；图3是图2除去支撑区的简图；图4(a)、4(b)和4(c)是表示本发明加工过程的一系列横截面图；图5(a)和5(b)是帮助理解本发明可选加工过程的横截面图；以及图6(a)、6(b)和6(c)是说明本发明加工过程的又一实施例的横截面图。
具体实施例方式
参考图1，示出了半导体晶片1的一部分。半导体晶片包括通过凹槽(street)3隔开的集成电路芯片2。如图2所示，每个芯片2包括通过支撑区5支撑的有源区4，支撑区在加工期间提供机械支撑。在有源区4中有上部有源电路层7和下部最终支撑层6。
有源区4的厚度通常小于100微米。通常，有源区4可以是集成的电子电路，也可以是光学波导电路。
晶片需要足够厚以使其机械上稳固。对于大尺寸晶片，例如300mm的晶片，典型的厚度可以在500微米到800微米范围内。迄今为止，通过划片机完成晶片的切割，生产量受机械速度、对准时间和成品率的作用。
本发明采用一种利用激光凹槽加工和背面晶片削薄组合的可选技术。
在第一步中，用激光在凹槽区域中划割出具有深度d和宽度w的沟槽8(图2)。为了获得高加工速度，高功率Q-开关激光器在以266nm为中心的约10nm的波带内工作，355nm或532nm也可以使用。利用激光、扫描和光学参数的适当设置，可以在不影响器件性能的情况下以高速度在有源区4中加工凹槽。典型地，可以通过适当的激光设置以达到80mm/s的速度加工具有20到100微米深度的沟槽8。如图2所示，沟槽8在第一表面和预定的深度之间具有基本平坦的相对侧壁和在预定深度下的基本成弓形的相对壁。
当凹槽3加工到需要的深度时，通过研磨抛光、化学蚀刻、等离子蚀刻或激光切除将晶片的支撑区5削薄。这种削薄提供如图3所示的最终隔开的芯片2。结果获得切割的晶片。最终支撑层6支撑有源电路层7。
在图4(a)到4(c)所示的本发明的另一实施例中，使用Q-开关激光束9钻出微通孔部件10，穿过有源电路层7和支撑衬底层6直到支撑结构5，如图4(a)所示。然后用金属11将微通孔10金属化，以促进有源电路层7的电连接。
利用脉冲激光的微通孔10的打孔可以优选采用以下两种方法之一。在第一种方法中采用固定束(像素通孔)。采用这种技术，将若干激光脉冲施加到衬底上的一个点上。达到某一深度所需要的脉冲数取决于它们的能量、波长和持续时间。这种技术适用于通孔直径小于约100微米。精确的通孔直径取决于激光束直径、光学和激光参数以及材料特性。在第二种方法中，束沿着通孔的外轮廓扫描。这种技术适用于通孔直径大于约100微米。
激光以圆形图形移动，如以单个圆或多个同心圆。达到所需的深度可能需要若干循环。通孔直径受最外层圆的半径和束的直径的作用。这样的通孔称为扫描通孔或钻孔通孔。
通过在晶片材料中加工像素通孔或钻孔通孔的微通孔10到所需的深度，随后填满金属11，形成封闭的微通孔结构，以提供导电通路，如图4(b)所示。在金属化之前可以将微通孔氧化。然后通过研磨抛光、化学蚀刻或等离子蚀刻将晶片的背面削薄(图4(c))，以便露出激光加工的微通孔中的金属，从而允许有源电路层中的器件到电源和地线的电连接。
参考图5(a)和5(b)，其上设置有源器件的晶片很薄(典型地＜300微米)，用激光加工出通孔，穿过有源层20并完全穿过支撑衬底21。然后，将通孔22氧化后用金属23将其金属化，以便促进电连接(图5(b))。
参考图6(a)到6(c)，在本发明的又一实施例中，有源器件由一系列交替的硅层32和金属层33构成，如图6(a)所示。使用Q-开关激光器钻出微通孔结构34，该微通孔结构从有源器件35的表面穿过有源器件层进入支撑衬底36中(图6(b))。然后用金属37将微通孔34金属化。
然后，通过研磨抛光、化学蚀刻、等离子蚀刻或激光切除将晶片的背面削薄(图6(c))，以便露出激光加工的微通孔中的金属层，从而允许器件层到电源和地线的电连接。
激光加工可以在受控于气体处理系统的非大气的气体环境中进行。在激光加工之前、期间以及之后控制气体参数，例如流速、浓度、温度、气体类型和气体混合。可以在激光加工之前、期间和/或之后接连使用一系列气体。
所使用的气体可以是惰性的，或是与半导体衬底和/或要加工的半导体衬底中的层反应的。惰性气体(例如氩气和氦气)防止激光加工期间氧化物的生长。与硅反应的气体(例如含氯氟甲烷和卤化碳)可以在激光加工之前、期间和/或之后使用，以降低激光加工的侧壁的表面粗糙度，并减少激光加上过程中产生的碎屑。
含氯氟烃基的气体和/或卤化碳基的气体可以在芯片侧壁的激光扫描期间使用，以便除去位于激光加工的沟槽或通孔的侧壁上的碎屑。
含氯氟烃基的气体和/或卤化碳基的气体可以在所加工的沟槽或通孔的外缘激光扫描期间使用，以便从激光加工表面的顶部除去碎屑。
可以用保护层旋涂激光入射到的衬底表面，以便防止碎屑从激光加工或机械加工步骤中落到有源器件层4上。
可以用带覆盖激光入射到的衬底表面，以便作为保护层防止碎屑从激光加工或机械加工步骤中落到有源器件层4上。
激光加工后，可以用背面研磨的带、芯片粘接带或切割带涂敷激光加工过的衬底表面，以便在机械加工工艺之后促进芯片的固定。
本发明不限于所描述的实施例，但可以在结构和细节上加以改变。
权利要求
1.一种加工衬底的方法，包括以下步骤(a)利用激光器发射的可见光或紫外线，在衬底的第一表面自该第一表面到预定深度加工一种结构，该预定深度小于该衬底的总深度；以及(b)从与该第一表面相反的该衬底的第二表面去除预定深度的材料，该预定深度是从该第一表面到与该结构相通。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括用发射约266nm、355nm和532nm之一波长辐射的激光器进行激光加工。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中加工该结构的步骤包括加工沟槽，步骤(b)在沟槽处穿过衬底完成切割。
4.如权利要求3所述的方法，其中步骤(a)包括加工沟槽，该沟槽在第一表面和自第一表面的预定深度之间具有基本平坦的相对侧壁，且在该预定深度下具有基本成弓形的相对侧壁。
5.如权利要求3所述的方法，其中步骤(a)包括加工网格状沟槽，步骤(b)沿该网格状沟槽完成衬底的切割。
6.如权利要求1所述的方法，其中加工该结构的步骤(a)包括加工通孔并用金属使该通孔金属化，步骤(b)包括在第二表面露出该通孔中的金属的一部分。
7.如权利要求6所述的方法，其中该加工通孔的步骤包括以形成单个圆或多个同心圆的路线加工，形成以该圆或该多个同心圆的圆心为中心的通孔。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中该金属化通孔的步骤包括氧化该通孔的在前步骤。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中步骤(a)在非大气的受控气体环境中进行，在激光加工之前、期间和之后的至少一个阶段中使用反应气体和惰性气体中的至少一种。
10.如权利要求9所述的方法，其中该使用反应气体和惰性气体中至少一种的步骤包括使用一种对衬底基本上不起化学作用的惰性气体，以防止激光加工期间衬底的氧化。
11.如权利要求10所述的方法，其中该使用一种惰性气体的步骤包括使用氩气或氦气中的一种。
12.如权利要求9所述的方法，其中该使用反应气体和惰性气体中至少一种的步骤包括使用与衬底反应的气体，以降低在步骤(a)中形成的激光加工表面的粗糙度。
13.如权利要求9所述的方法，其中该使用反应气体和惰性气体中至少一种的步骤包括使用与衬底反应的气体，以除去在步骤(a)中产生的碎屑。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中使用与衬底反应的气体包括使用含氯氟烃基的气体和卤化碳基气体中的至少一种。
15.如前述任一项权利要求所述的方法，其中步骤(b)通过机械去除材料完成，特别是通过研磨抛光。
16.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中步骤(b)通过化学蚀刻完成。
17.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中步骤(b)通过等离子体蚀刻完成。
18.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中步骤(b)通过激光切除完成。
19.如权利要求3至5中任一项所述的方法，其中步骤(b)包括对衬底施加机械压力，以使衬底沿该沟槽断开。
20.如前述任一项权利要求所述的方法，其中为了使第一表面防御至少在步骤(a)和步骤(b)之一中形成的碎屑，步骤(a)包括提供保护层的又一步骤。
21.如权利要求20所述的方法，包括提供旋涂保护层。
22.如权利要求20所述的方法，包括提供带作为保护层。
23.如前述任一项权利要求所述的方法，其中该衬底为硅材料。
24.如权利要求1至22中任一项所述的方法，其中该衬底为光电材料。
25.如权利要求1至22中任一项所述的方法，其中该衬底包括半导体和金属材料各层。
26.如前述任一项权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括用Q-开关激光器进行激光加工。
27.一种衬底加工系统，包括用于发射可见光或紫外线的激光加工装置，该装置在衬底的第一表面中自该第一表面到预定深度加工一种结构，该预定深度小于该衬底的总深度；以及用于除去材料的材料去除装置，该装置从与该第一表面相反的该衬底的第二表面除去预定深度的材料，该预定深度是从该第一表面到与该加工的结构相通。
28.如权利要求27所述的系统，其中该激光加工装置用于加工沟槽，该材料去除装置用于在沟槽处穿过衬底完成切割。
29.如权利要求28所述的系统，其中该激光加工装置用于加工沟槽，该沟槽在第一表面和自第一表面的该预定深度之间具有基本平坦的相对侧壁，且在该预定深度外具有基本成弓形的相对侧壁。
30.如权利要求27所述的系统，其中该激光加工装置用于加工网格状沟槽，该材料去除装置用于沿该网格状沟槽完成衬底的切割。
31.如权利要求27所述的系统，其中该激光加工装置用于加工通孔，该系统还包括用于金属化该通孔的金属化装置，该材料去除装置用于在第二表面露出该通孔中的金属。
32.如权利要求31所述的系统，还包括用于在金属化之前氧化该通孔的氧化装置。
33.如权利要求27至32中任一项所述的系统，还包括气体处理装置，该气体处理装置用于在激光加工之前、期间和之后中的至少一个阶段中向衬底提供反应气体环境和惰性气体环境中的至少一种。
34.如权利要求27到33中任一项所述的系统，其中该材料去除装置是机械去除装置，特别是研磨抛光装置。
35.如权利要求27到33中任一项所述的系统，其中该材料去除装置是化学蚀刻装置。
36.如权利要求27到33中任一项所述的系统，其中该材料去除装置是等离子体蚀刻装置。
37.如权利要求27到33中任一项所述的系统，其中该材料去除装置是激光切除装置。
38.如权利要求27到37中任一项所述的系统，用于加工硅材料。
39.如权利要求27到37中任一项所述的系统，用于加工包含半导体和金属材料各层的衬底。
40.如权利要求27到37中任一项所述的系统，用于加工包含光电材料的衬底。
41.如权利要求27到40中任一项所述的系统，其中该激光加工装置包括Q-开关激光器。
42.如权利要求27到41中任一项所述的系统，其中该激光加工装置用于发射具有约266nm、355nm和532nm之一波长的辐射。
43.一种切割平面的方法，特别是半导体晶片，包括以下步骤(a)在该平面上表面激光加工沟槽；(b)从该平面的背面蚀刻去除材料，直至至少到达该沟槽的深度，以便通过沟槽将各部分切割开。
44.一种加工衬底的方法，包括以下步骤(a)在该衬底中加工出小于该衬底总深度的结构；以及(b)从衬底的相反侧除去材料直到该加工的结构。
全文摘要
通过紫外线或可见光辐射激光在衬底的第一表面中加工出一种具有小于衬底总深度的预定深度的结构(3)；以及从与第一表面相反的该衬底的第二表面去除预定深度的材料(5)，该预定深度是从第一表面到与该结构相通。材料可以通过例如研磨抛光、化学蚀刻、等离子体蚀刻或激光切除的方法除去。本发明适用于，例如切割半导体晶片或在晶片中形成金属化通孔。
文档编号H01L21/78GK1620713SQ02819370
公开日2005年5月25日 申请日期2002年10月1日 优先权日2001年10月1日
发明者爱德里安·鲍耶尔, 翁纳哥·麦戈汉 申请人:埃克赛尔技术有限公司