CN102308372A - 晶片切割方法及其*** - Google Patents

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Abstract

提供了一种通过在晶片内生成裂缝来切割半导体晶片的方法及***。该方法包括朝着所述晶片的表面照射激光束；以及会聚所述激光束以形成焦点，从而形成聚焦体积，所述聚焦体积由所述焦点和所述晶片内的所述激光束的边界限定。所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片收缩得更快，从而在所述晶片内生成裂缝。

Description

晶片切割方法及其***
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年12月5日提交的第200809032-6号新加坡专利申请以及2009年6月12日提交的第200904047-8号新加坡专利申请的优先权，二者的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种通过在晶片内生成裂缝来切割或切分半导体晶片的方法，以及通过在晶片内生成裂缝来切割或切分半导体晶片的***。更具体地，本方法涉及利用激光束切割晶片。
背景技术
本发明的背景技术的下面讨论旨在有助于本发明的理解。然而，应理解，在任何司法权中，截止本申请的优先权日，该讨论不认可或承认所涉及的任何材料都是公开、已知或作为公知常识的一部分。
半导体晶片切割或切分是将半导体晶片(通常但不必要总是硅晶片)分离成单个的较小半导体芯片的切割操作。将晶片切割为分离的芯片可以通过多种方法完成，诸如利用片锯。然而，这种传统方法存在一些问题。第一，刀片易随时间磨损。因此使用同一个刀片会随着时间影响切割质量。操作者必须预知刀片的使用寿命并需要在其使用寿命的末期更换新的刀片。过早的刀片更换导致高昂的设备成本。第二，切割条件(诸如施加的力、切割速度、切割深度和切割角度)必须精确控制，以防晶片表面上出现任何断裂或破裂。此外，切割过程常常沿着切割路径的边缘产生颗粒或碎片。随着技术进步和对微型半导体装置的需求的增加，对更薄晶片的需要也增加了。这对传统片锯切割方法形成严峻的挑战，因为薄晶片的直接机械切割不可避免地将机械应力引入薄晶片，而且薄晶片出现断裂的可能比较厚晶片大。
相对于片锯切割，可选的广泛采用的切割方法是激光切割，激光切割是一种非接触式切割方法。不同于片锯切割工艺，在使用非接触式激光切割方法的情况下，没有机械应力引入晶片。不同激光(诸如1064nm的Q-开关Nd:YAG激光及其谐波(harmonics)，UV激光，以及具有用于高光学吸收或与硅进行多光子作用的短脉冲，以用于硅晶片的激光处理)的使用对于本领域技术人员来说是已知的。通常，激光束在相对短的时间内聚焦在目标上并同时释放能量。激光束的光化学作用使目标材料中的化学键断裂并可以通过使扫描激光束或工作台运动以产生所需的形状来完成切割，以产生期望的形状。由于激光束的光化学作用使硅晶片中的键断裂，故在晶片表面产生了包括硅沉积的碎屑。碎屑的存在极大地降低了晶片的质量。必须彻底去除碎屑，以避免在后续封装操作中出现故障。
在去除由激光切割产生的碎屑的尝试中，已经提出了辅助气体的使用，辅助气体包括氮气、氩气、空气、氧气或其混合。例如，在第一切割阶段期间向晶片表面供应第一辅助气体，并且随后在第二后续切割阶段期间向晶片表面供应第二辅助气体。硅沉积在形成时将通过辅助气体快速去除，从而使晶片表面上的硅的沉积最小化。
在另一种尝试中，在存在包括六氟化硫(SF6)的辅助气体的情况下执行硅晶片的切割。激光束以高于硅的熔蚀阈值的功率密度聚焦在硅晶片表面上，使得辅助气体与硅反应，以形成气态四氟化硅(SiF4)。因此使晶片表面上的硅的沉积最小化。然而，辅助气体的使用导致更高的操作和材料成本，这使得该方案不具有吸引力。
水喷射引导的激光束的使用是另一种被提出的切割硅晶片的方法。水喷射引导激光主要基于在精细的水喷射内引导激光束。由于水和空气的反射系数的不同，故激光束在水喷射表面完全反射，类似于光纤的工作原理。水喷射引导的激光束组合优于传统激光切割的优点是，由于高压水喷射的冲刷，激光切割期间所产生的碎屑被同时从切割路径中去除。这消除了对辅助气体的需要。然而，当切割具有集成电路的晶片时，水的存在是不期望的。实际上，常常需要在硅晶片的激光切割期间避免(不然就最小化)水的存在。
迄今为止，相比于机械片锯切割方法，用于将半导体晶片分离成单个半导体芯片的激光切割方法依然是一种满意和方便的选择。尽管如此，现有激光切割方法存在的问题是，在切割之后，碎屑污染物沉积在晶片表面，该沉积最终导致最终产生的半导体装置性能下降。此外，附加的或后续处理过程常常需要从晶片表面去除碎屑，这可能是复杂且耗时的。
电子装置的趋势是朝着更高的速度、更集成的功能和更紧凑的体积发展。传统的集成电路结构不足以满足日渐增长的、对更高性能的需求。更好表现的集成电路要求更薄的硅衬底以及向电子装置引入新材料或结构。因为多种原因而需要薄硅晶片。更薄的晶片有助于电路的堆叠，这直接导致电路密度的增加。通过降低硅体积的厚度，使装置更加靠近金属热池，使得热量远离作用区域更有效地传导，这对于高频操作是至关重要的。对于柔性***，诸如智能卡、纸上芯片和无触点标签，薄晶片的机械柔性是理想的。现今，芯片厚度小于250μm，并将进一步减小。传统上，使用金刚石锯片来切分晶片。由于这种技术的接触性质，故不可能降低机械损伤而不显著牺牲切分速度。所有切割条件(诸如施加的力、切割速度、切割深度和切割角度)必须正确且良好地控制，以防硅晶片表面上出现任何断裂或破裂。随着衬底厚度的减少，新的材料和结构被引入，以获得所需的高性能，包括具有低介电常数的中间层电介质、聚酰亚胺涂层和铜互连。与传统硅相比，这些新材料或结构具有更低的弹性模量、更低的机械强度和更差的层间粘附性，这给晶片切分带来了严重的困难。
因此，需要提供一种克服或至少减轻上述问题的晶片切割方法和***。
发明内容
在本文件中，除非另有相反的指示，术语“包括(comprising)”，“由……构成(consisting of)”等，将被解释为非穷尽的，换言之，将被解释为“包括但不限于”的含义。
在本发明的第一方面，提供了一种通过在晶片内生成裂缝来切割半导体晶片的方法。所述方法包括：朝着所述晶片的表面照射激光束；以及会聚所述激光束以形成焦点，从而形成聚焦体积，所述聚焦体积由所述焦点和所述晶片内的所述激光束的边界限定。所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片收缩得更快，从而在所述晶片内生成裂缝。优选地，该照射步骤包括照射激光功率密度低于晶片熔蚀的汽化阈值的激光束。
在本发明的第二方面，提供了一种通过在晶片内生成裂缝来切割半导体晶片的***。所述***包括：激光束源，用于朝着所述晶片的表面照射激光束；以及会聚透镜，用于会聚所述激光束，以形成焦点，从而形成聚焦体积，所述聚焦体积由所述焦点和所述晶片内的所述激光束的边界限定。所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片收缩得更快，从而在所述晶片内生成裂缝。
附图说明
在仅通过实施例示出本发明的实施方式的附图中：
图1示出了根据本发明的第一方面的激光切割晶片的***的示意图。
图2示出根据本发明的激光束的聚焦，其中(I)焦点形成于晶片表面下方并位于晶片内，(II)焦点形成于晶片下方并位于晶片外，(III)焦点形成于晶片表面上方并位于晶片外。
图3示出根据本发明的晶片内部生成裂缝的现象。
图4示出根据本发明的激光引发的裂缝的传播。
图5示出根据本发明的第二方面的激光切割晶片的***的示意图。
图6示出根据本发明激光束通过光束整形器的聚焦。
图7示出根据本发明激光束通过光束扩展器的扩展。
具体实施方式
本发明涉及通过在晶片内生成裂缝来切割或切分半导体晶片的方法以及通过在晶片内生成裂缝来切割或切分半导体晶片的***。半导体晶片包括但不限于硅(Si)，涂覆有氧化物薄层、氮化物薄层、碳化物薄层或金属薄层的硅，砷化镓(GaAs)，碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，以及磷化铟(InP)。优选地，晶片是硅。
根据图1所示的发明的第一实施方式，提供了平台1，平台1用于保持和移动将要被切割为分离的硅芯片的硅晶片2。平台1能够通过操纵控制装置8(诸如计算机)在x-y轴上运动。
激光束源4被设置为将激光束7照射至保持在平台1上的晶片2的表面上。激光束源4包括但不限于，准分子激光器、Nd:YAG激光器、二氧化碳激光器、光纤激光器、以及任何其它近红外激光器。优选地，激光束源4是光纤激光器。
可选地，激光束引导器6被设置为引导从激光束源4朝着晶片2表面照射的激光束7，激光束7穿过聚焦透镜3。激光束引导器6可以是平面反射镜，其以一定角度设置，以反射激光束7的方向。
聚焦透镜3被设置为会聚从激光束源4照射或从激光束引导器6反射的激光束7，以在晶片2的表面下方形成焦点9，从而形成聚焦体积，聚焦体积由焦点9和晶片2内的激光束7的边界限定。在该实施方式中示出，焦点位于晶片表面下方并位于晶片内。应明白和理解，焦点的位置并不受此限制，焦点的其他位置也是可能的，这将在后面描述。
有利地，监视装置5(诸如CCD监视器)被设置为观察晶片2上的激光束7和晶片2表面下方的焦点9的定位。监视装置5所进行的观察被报告给控制装置8，从而任何校正动作(诸如通过使平台1在x-y方向上运动来重新调整晶片2保持在平台1上的位置的需要，或通过使聚焦透镜3在z方向上运动来重新调整激光束7的聚焦长度的需要)被执行，以获得晶片2上的激光束7和焦点9的所需的预定位置。
图2示出了激光束7的聚焦，其中(I)焦点9形成于晶片2表面下方并位于晶片2内，(II)焦点9形成于晶片2下方并位于晶片2外，(III)焦点9形成于晶片2表面上方并位于晶片2外。只要由焦点9和激光束7的边界所限定的聚焦体积形成于晶片2内以生成裂缝，那么焦点9的任何位置都是合适的。典型地，晶片2具有范围从100μm至1500μm的厚度。在一个优选实施方式中，焦点9形成于晶片2表面下方的晶片2厚度的一半或多于一半位置处。更优选地，当晶片2的厚度为500μm时，焦点9形成于晶片2表面下方150μm至200μm处。
图3示出根据本发明的实施方式在硅晶片2内生成裂缝的现象。在对应于图2所示的情况(I)的这个实施方式中，使激光束7聚焦，以形成位于晶片2表面下方并位于晶片2内的焦点9(未示出)，从而聚焦体积内包含的能量使位于聚焦体积周缘处的晶片2比位于聚焦体积内的晶片2熔化得更慢但凝固得更快并因此收缩得更快，从而在晶片2内生成裂缝。当焦点9形成于晶片2表面上方并位于晶片2外(对应于图2的情形(III))时，将发生热致加热-冷却现象，而不是优选的熔化-凝固现象。形成于晶片2内的聚焦体积内包含较少的能量来启动熔化过程。该能量不足以引起熔化但足以引发位于聚焦体积周缘处的晶片2的加热，从而使得位于聚焦体积周缘处的晶片2比位于聚焦体积内的晶片2加热得更慢但冷却的更快，并因此收缩得更快，从而在晶片2内生成裂缝。当焦点9形成于晶片2下方并位于晶片2外(对应于图2的情形(II))时，或者发生熔化-凝固现象或者发生热致加热-冷却现象，这依赖于聚焦体积内包含的能量的总量，该能量进而依赖于激光束的工作参数。熔化(或加热)槽10限定了晶片2内发生硅的优选的熔化-凝固(或加热-冷却)的区域。照射激光的功率密度小于106W/cm2(例如，500W/cm2的激光功率密度)，该值被预定和控制为低于晶片材料熔蚀的汽化阈值密度。在一个实施方式中，第一，光纤激光是具有1090nm波长的红外光束，其比UV激光和可见激光更具穿透力。合适的红外波长还包括1064nm至1550nm。第二，光纤激光具有40μs至42μs的长脉冲持续时间以及工作在12kHz的脉冲重复率。合适的脉冲持续时间还包括20μs至80μs，并且合适的脉冲重复率还包括5kHz至50kHz。这些激光束参数有助于激光束引发熔化或热致加热而不是汽化熔蚀。例如，硅对UV波长具有高吸收性，并且短脉冲和/或超短脉冲常常导致较少热处理而主要是汽化。因此，由于低的激光功率密度或低的脉冲能量，晶片的材料汽化过程被限制。避免了现有技术中所教导的液相排出，这是因为不需要气体喷射。因此，避免了通过激光熔蚀在晶片表面上生成碎屑。
由激光束源4照射的激光束7在功率密度方面典型地具有高斯分布。由于聚焦体积包含的大多数能量沿着中央平面集中，故激光引发的熔化或热致加热最初沿着聚焦体积的中央平面(并因此沿着熔化或加热槽10)发生。能量以能量的量递减的方式径向地传递。因此，根据凝固(或加热-冷却)理论的基本原理，位于聚焦体积周缘处的硅比位于聚焦体积的中央平面内和沿着聚焦体积的中央平面的硅熔化得更慢但凝固得更快(或加热得更慢但冷却得更快)并因此收缩得更快。换言之，硅熔化(或加热)的速度在径向上向外增加，而硅凝固(或冷却)的速度在径向上向内增加。作为这种优选熔化-凝固(或加热-冷却)的结果，在凝固(或冷却)的最终阶段期间，当熔化的(或加热的)硅在径向上向内凝固(冷却)时，位于沿着聚焦体积的中央平面的硅的强度不足以承受相邻的、熔化的(或加热的)硅所产生的收缩应力。因此，在熔化-凝固过程(或加热-冷却过程)中，产生了裂缝11，该过程最初自晶片2的表面传播并随后蔓延至晶片2的底部，从而允许将硅晶片切割或切分为分离的硅芯片。沿其产生裂缝的平面对应于聚焦体积的中央平面。此外，由于晶片2相对于激光束7的快速运动，热效应区域被控制在经过的单次扫描宽度内。
图3示出在不移动平台1的情况下在局部点12(未示出)处生成裂缝的现象。另一方面，图4示出根据本发明的实施方式沿着熔化轨迹中线的激光引发的裂缝的定向传播。激光束7从晶片2的一个边缘扫描，并通过能够由控制装置8(未示出)控制的平台1(未示出)的运动而朝着另一个相对的边缘运动。在局部点12处生成的初始局部裂缝随着运动点12的定向运动而逐渐发展成传播裂缝。对应于熔化轨迹的裂缝线11遵循前面描述的优选熔化-凝固(或加热-冷却)现象。
由于晶片2相对于激光束7的快速运动，热效应区域被控制在激光扫描经过的单次扫描宽度内。包括热效应区域的激光引发的熔化轨迹的总宽度W是激光束7的单次扫描经过的熔化带宽度。除了熔化带以外，其它热效应区域在激光束7的照射轨迹中明显不可见，即仅仅使限制在熔化带内的晶片熔化(或加热)、凝固(冷却)和开裂。
宽度W主要取决于切割过程中工作激光的参数。在一个实施方式中，当具有50mm聚焦长度的图1所示聚焦透镜被应用时，对于500μm的晶片厚度，在重复率为12kHz，占空比为50％，扫描速度为40mm/s，且激光功率为200W的工作情况下，所获得的宽度W是120μm。对于相同的晶片厚度，通过增大扫描速度和降低激光功率来减小宽度W。相比之下，在重复率为12kHz，占空比为50％(脉冲持续时间41.6μs)，扫描速度为60mm/s，激光功率为200W的工作情况下，所获得的宽度W是80μm。在重复率为12kHz，占空比为50％，扫描速度为60mm/s，激光功率为140W的工作情况下，所获得的宽度W是60μm。激光功率、扫描速度和脉冲频率是激光束源的输出参数并因此是决定切割速度和熔化带宽度W的相互作用参数。晶片的运动速度与激光束的输出功率相关联。也就是说，当输出功率恒定且运动速度较低时，熔化带宽度W变得更宽。并且当运动速度恒定且输出功率较高时，熔化带宽度W变得更宽。在低的激光脉冲频率(例如3kHz)下，由于在40mm/s的扫描速度和200W的激光功率下的激光熔化点12的不连续连接，获得了熔化带的粗糙边缘。在甚至更低的激光脉冲频率(例如1kHz)下，由于在40mm/s的扫描速度和200W的激光功率下的激光熔化点12的不连续连接，不能获得熔化带。此外，在后一种情况下，产生了在径向上的横向裂缝。因此，这说明应当认真选择激光束参数，如果选择不当，则可能导致失败的用于分离晶片的切割操作。通常，例如，对于运动速度为100mm/s厚度为500μm的晶片，小于104W/cm2的低激光功率密度不足以获得熔化槽。结果，而是产生了横向裂缝。
根据图5所示的本发明第二实施方式，提供了一种用于保持和移动要被切割为分离的硅芯片的硅晶片2的平台1。平台1能够通过控制装置8(诸如计算机)的操纵在x-y轴上运动。
激光束源4被设置为将激光束7照射至保持在平台1上的晶片2的表面上。激光束源4包括但不限于，准分子激光器、Nd:YAG激光器、二氧化碳激光器、光纤激光器、以及任何其它近红外激光器。优选地，激光束源4是光纤激光器。
可选地，激光束引导器6被设置为引导从激光束源4朝着晶片2表面照射的激光束7，激光束7穿过聚焦透镜3(图6)。激光束引导器6可以是平面反射镜，其以一定角度设置，以反射激光束7的方向。
光束整形器29被设置为使从激光束源4照射或从激光束引导器6反射的激光束7会聚，以在晶片2表面下方形成焦点9，从而形成聚焦体积，聚焦体积由焦点9和晶片2内的激光束7的边界限定。图6示出光束整形器29，光束整形器29包括孔28和聚焦透镜3。孔直径能够调整，以过滤激光束7的外部，使得仅激光束7的有限的内部可以穿过孔28。因此激光束7的尺寸在穿过孔28之后减小为较小直径尺寸的激光束7。较小直径尺寸的激光束7随后穿过聚焦透镜3并会聚，以在晶片2(未示出)表面下方形成焦点9。被聚焦的激光束7现在沿着激光束7的传播方向在晶片2(未示出)表面上具有较小的会聚直径。使用光束整形器29的优点是提供在晶片2(未示出)的表面上具有更加均匀和集中的功率分布的较小激光束尺寸，从而产生最小的切口和热效应。因此，通过光束整形器29能够获得可变的光束空间分布。激光束7通过光束整形器29整形，以使晶片2(未示出)的各种厚度(100μm至1500μm)匹配最窄的切口。
再次参照图5，有利地，监视装置5(诸如CCD监视器)被设置为观察晶片2上的激光束7和晶片2表面下方的焦点9的定位。监视装置5所进行的观察被报告给控制装置8，从而使得任何校正动作(诸如通过使平台1在x-y方向上运动来重新调整晶片2保持在平台1上的位置的需要，或通过使聚焦透镜3(图6)在z方向上运动来重新调整激光束7的聚焦长度的需要)被执行，以获得晶片2上的激光束7和焦点9的所需的预定位置。
优选地，激光脉冲生成器或调制器20连接至激光束源4，以生成或调制激光束7的脉冲频率。激光脉冲调制器20用于调谐脉冲形状、持续时间和重复率。因此可以通过激光脉冲调制器20控制沉积至晶片2上的热，以用于晶片分离。
优选地，光束扩展器21(2至8倍扩展)放置在激光束源4与激光束引导器6之间的激光束7的路径上。光束扩展器21使来自激光束源4的输出激光束7扩展。参照图7，从激光束源4出来并进入光束扩展器21的激光束7的直径被扩展为2至8倍大，以形成从光束扩展器21出来的激光束7。光束扩展比为D2/D1，其中D1是从激光束源4出来的激光束7的直径，D2是从光束扩展器21出来的激光束7的直径。光束扩展比在2至8之间变化。优选地，光束扩展器21包括入口光学平凹透镜26和出口光学消色差透镜27。
再次参照图5，优选地，防护板22设置在聚焦透镜3(图6)与晶片2之间。在防护板22中设置有直径为0.3mm至1mm的孔，从而使得从聚焦透镜3出来的聚焦激光束穿过防护板22中的孔并照射至晶片2上。
优选地，真空抽吸***被设置为抽吸切割过程中产生的蒸汽和悬浮微粒。更优选地，真空抽吸***包括真空抽吸器23、管24和嘴25。真空抽吸***和防护板22放置在待照射的晶片2表面上方。在防护板22与晶片2之间保留例如0.5mm的微小间隙。蒸汽(诸如SiO2)和由熔化带内的激光引发的熔化液滴在产生时被抽出，并且等离子体加热被降低。
晶片内生成裂缝的现象类似于图3中所示的第一方面描述的现象。在对应于图2所示的情况(I)的一个实施方式中，激光束7被聚焦，以形成位于晶片2表面下方并位于晶片2内的焦点9(未示出)，从而聚焦体积内包含的能量使位于聚焦体积周缘处的晶片2比位于聚焦体积内的晶片2熔化得更慢但凝固得更快，并因此收缩得更快，从而在晶片2内生成裂缝。当焦点9形成于晶片2表面上方并位于晶片2外(对应于图2的情形(III))时，发生热致加热-冷却现象，而不是优选的熔化-凝固现象。形成于晶片2内的聚焦体积内包含较少的能量以启动熔化过程。该能量不足以引起熔化但足以引发位于聚焦体积周缘处的晶片2的加热，从而使得位于聚焦体积周缘处的晶片2比位于聚焦体积内的晶片2加热得更慢但冷却的更快，并因此收缩得更快，从而在晶片2内生成裂缝。当焦点9形成于晶片2下方并位于晶片2外(对应于图2的情形(II))时，或者发生熔化-凝固现象或者发生热致加热-冷却现象，这依赖于聚焦体积内包含的能量的量，该能量进而依赖于激光束的工作参数。熔化(或加热)槽10限定了晶片2内发生硅的优选的熔化-凝固(或加热-冷却)的区域。照射激光的功率密度小于106W/cm2，该值被预定和控制为低于晶片材料熔蚀的汽化阈值密度。在一个实施方式中，第一，光纤激光是具有1090nm波长的红外光束，其比UV激光和可见激光更具穿透力。合适的红外波长还包括1064nm至1550nm。第二，光纤激光具有40μs至42μs的长的脉冲持续时间以及工作在12kHz的脉冲重复率。合适的脉冲持续时间还包括20μs至80μs，并且合适的脉冲重复率还包括5kHz至50kHz。这些激光束参数有助于激光束引发熔化而不是汽化熔蚀。例如，硅对UV波长具有较高吸收性，并且短脉冲和/或超短脉冲常常导致较少的热处理而主要是汽化。因此，由于低的激光功率密度或低的脉冲能量，晶片的材料汽化过程被限制。避免了现有技术中所教导的液相排出，这是因为不需要气体喷射。因此，避免了激光熔蚀在晶片表面上生成的碎屑。
由激光束源4照射的激光束7在功率密度方面典型地具有高斯分布。由于聚焦体积包含的大多数能量沿着中央平面集中，故激光引发的熔化或热致加热最初沿着聚焦体积(并因此沿着熔化或加热槽10)的中央平面发生。能量以能量的量递减的方式径向地传递。因此，根据凝固(或冷却)理论的基本原理，位于聚焦体积周缘处的硅比位于聚焦体积的中央平面内和沿着聚焦体积的中央平面的硅熔化(或加热)得更慢但凝固(或冷却)得更快。换言之，硅熔化(或加热)的速度在径向上向外增加，而硅凝固(或冷却)的速度在径向上向内增加。作为这种优选熔化-凝固的结果，在凝固(或冷却)的最终阶段期间，当熔化(或加热)的硅在径向上向内凝固(冷却)时，沿着聚焦体积的中央平面的硅的强度不足以承受相邻的、熔化的(或加热的)硅所产生的收缩应力。因此，在熔化-凝固(或加热-冷却)过程中，产生了裂缝11，裂缝11最初自晶片2的表面传播并随后蔓延至晶片2的底部，从而允许将硅晶片切割或切分为分离的硅芯片。沿其产生裂缝的平面对应于聚焦体积的中央平面。此外，由于晶片2相对于激光束7的快速运动，热效应区域被控制在经过的单次扫描宽度内。
在穿过光束整形器29之后，照射和沉积在晶片2表面上的激光束7直径减小。因此，晶片2表面上的槽10的熔化宽度W类似地减小。因此，在激光引发的晶片切分中获得最小化的切口和热效应的效果。在优选实施方式中，真空抽吸***工作，以将包括等离子体加热的蒸汽和悬浮微粒抽离切口。因此，晶片2表面上方产生的羽辉在它们产生时被快速地去除。更优选地，防护板22设置在晶片2表面上方，晶片2与防护板22之间留有间隙，以在切割过程中进一步保护具有干净表面的切割晶片2。来自激光产生的羽辉的热致加热被减少，并且在激光扫描期间获得干净的切口侧壁。
如图4所示，激光束7从晶片2的一个边缘扫描并通过能够由控制装置8(未示出)控制的平台1(未示出)的运动而朝着另一个相对的边缘运动。在局部点12处产生的初始局部裂缝随着运动点12的定向动而逐渐发展成传播裂缝。对应于熔化轨迹的裂缝线11遵循前面描述的优选熔化-凝固现象。
由于晶片2相对于激光束7的快速运动，热效应区域被控制在激光扫描经过的单次扫描宽度内。包括热效应区域的激光引发的熔化轨迹的总体宽度W是激光束7的单次扫描经过的熔化带宽度。除了熔化带以外，其它热效应区域在激光束7的照射轨迹中明显不可见，即仅仅使限制在熔化带内的晶片熔化(或加热)、凝固(或冷却)和开裂。
宽度W主要取决于切割过程中工作激光的参数。在一个实施方式中，当具有100mm聚焦长度的图5所示聚焦透镜(图6)被应用时，对于500μm的晶片厚度，在重复率为12kHz，占空比为50％，扫描速度为60mm/s，且激光功率为160W的工作情况下，所获得的宽度W是50μm。对于相同的晶片厚度，通过增大扫描速度和降低激光功率来减小宽度W。相比之下，在重复率为12kHz，占空比为50％(脉冲持续时间41.6μs)，扫描速度为300mm/s，激光功率为180W的工作情况下，所获得的宽度W是50μm。激光功率、扫描速度和脉冲频率是激光束源的输出参数，并因此是决定切割速度和熔化带宽度W的相互作用参数。脉冲频率、脉冲宽度和占空比可以由脉冲调制器20调谐。晶片的运动速度与激光束的输出功率相关联。也就是说，当输出功率恒定且运动速度较低时，熔化带宽度W变得更宽。并且当运动速度恒定且输出功率较高时，熔化带宽度W变得更宽。在低的激光脉冲频率(例如3kHz)下，由于在60mm/s的扫描速度和150W的激光功率下的激光熔化点12的不连续连接，获得了熔化带的粗糙边缘。在甚至更低的脉冲频率(例如1kHz)下，由于在60mm/s的扫描速度和150W的激光功率下的激光熔化点12的不连续连接，不能获得熔化带。此外，在后一种情况下，生成在径向上的横向裂缝。因此，这说明应当认真选择激光束参数，如果选择不当，则可能导致失败的用于分离晶片的切割操作。
前述方法和***提供超越现有技术的多个优点。激光引发的熔化-凝固(或加热-冷却)过程导致从晶片顶部到底部的裂缝。同时，裂缝沿着熔化轨迹的中线、从晶片的一个初始边缘朝着相对的边缘、随着激光束朝着该方向的扫描而定向传播。晶片通过裂缝随着单程激光束扫描的传播而自动分离，而不会在晶片表面上产生碎屑。
通过激光脉冲调制器、光束整形器和抽吸装置的应用，获得了具有干净切口侧壁的最小化切口和最小热效应。
在本发明的实施方式中，多程扫描对于晶片的激光切割并不是必须，因此节省了操作时间和成本。
在本发明的实施方式中，在激光照射之后无需施加外力来分离晶片。此外，在本发明的实施方式中，通过激光束照射显著降低了(如果没有完全消除)与使用辅助气体、水喷射、保护膜、干燥处理或外力相关的高成本。
通过替换长脉冲光纤或具有1064nm至1550nm波长的固体激光器，降低了与使用昂贵的UV激光相关的高成本。
虽然为了理解的清楚，已经通过图示和示例并参考一个或多个实施方式相当详细地描述了前面提到的发明，但对本领域普通技术人员显而易见的是，在不背离如所附权利要求所描述的本发明的精神和范围的情况下，可以根据本发明的教导对本发明进行特定改变、变化和修改。

Claims (33)

1.一种通过在晶片内生成裂缝来切割半导体晶片的方法，所述方法包括：
-朝着所述晶片的表面照射激光束；以及
-会聚所述激光束以形成焦点，从而形成聚焦体积，所述聚焦体积由所述焦点和所述晶片内的所述激光束的边界限定；
其中，所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片收缩得更快，从而在所述晶片内生成裂缝。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述焦点形成于所述晶片的所述表面下方并位于所述晶片内。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述焦点形成于所述晶片下方并位于所述晶片外。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述焦点形成于所述晶片的所述表面上方并位于所述晶片外。
5.如权利要求2或3所述的方法，其中所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的所述周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片熔化得更慢但凝固得更快，并因此收缩得更快。
6.如权利要求3或4所述的方法，其中所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的所述周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片加热得更慢但冷却得更快，并因此收缩得更快。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中照射步骤包括照射激光功率密度低于晶片熔蚀的汽化阈值的激光束。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在会聚所述激光束以形成所述焦点之前，朝着所述晶片的所述表面引导所述激光束。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在会聚所述激光束之前，扩展所述激光束。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括对所述激光束进行整形并同时进行会聚，以在所述晶片的所述表面上形成具有集中的功率分布的会聚激光束。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括提供真空抽吸***，以去除所述晶片熔化时产生的蒸汽和熔化液滴。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在所述晶片的所述表面之上提供防护板，以保持干净的表面。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括使所述晶片在预定方向上运动，从而使得所述晶片内生成的所述裂缝在与所述晶片的运动方向相对应的方向上传播。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中照射步骤包括照射脉冲持续时间在20μs与80μs之间的激光束。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中照射步骤包括照射脉冲重复率在5kHz与50kHz之间的激光束。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中照射步骤包括照射红外波长在1064nm与1550nm之间的激光束。
17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中照射步骤包括照射激光功率至多为400W的激光束。
18.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述晶片选自由硅(Si)，涂覆有氧化物薄层、氮化物薄层、碳化物薄层或金属薄层的硅，砷化镓(GaAs)，碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，磷化铟(InP)及其混合物构成的组。
19.如权利要求12所述的方法，其中所述晶片是硅。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述晶片的厚度在100μm与1500μm之间。
21.一种通过在晶片内生成裂缝来切割半导体晶片的***，所述***包括：
-激光束源，用于朝着所述晶片的表面照射激光束；以及
-会聚透镜，用于会聚所述激光束，以形成焦点，从而形成聚焦体积，所述聚焦体积由所述焦点和所述晶片内的所述激光束的边界限定；
其中，所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片收缩得更快，从而在所述晶片内生成裂缝。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述焦点形成于所述晶片的所述表面下方并位于所述晶片内。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述焦点形成于所述晶片下方并位于所述晶片外。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述焦点形成于所述晶片的所述表面上方并位于所述晶片外。
25.如权利要求22或23所述的方法，其中所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的所述周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片熔化得更慢但凝固得更快，并因此收缩得更快。
26.如权利要求23或24所述的方法，其中所述聚焦体积内包含的能量使位于所述聚焦体积的所述周缘处的晶片比位于所述聚焦体积内的晶片加热得更慢但冷却得更快，并因此收缩得更快。
27.如权利要求21至26中任一项所述的***，还包括激光束引导器，用于在会聚所述激光束以形成所述焦点之前，朝着所述晶片的所述表面引导或反射所述激光束。
28.如权利要求21至27中任一项所述的***，还包括光束扩展器，用于在会聚所述激光束之前，扩展所述激光束。
29.如权利要求21至28中任一项所述的***，还包括光束整形器，用于对所述激光束同时进行整形和会聚，以在所述晶片的所述表面上形成具有集中的功率分布的会聚激光束。
30.如权利要求21至29中任一项所述的***，还包括真空抽吸***，用于去除所述晶片熔化时产生的蒸汽和熔化液滴。
31.如权利要求21至30中任一项所述的***，还包括防护板，所述防护板位于所述晶片的所述表面之上，以保持干净的表面。
32.如权利要求21至31中任一项所述的***，还包括控制装置，所述控制装置连接至所述晶片，以使所述晶片在预定方向上运动，从而使得在所述晶片内生成的裂缝在与所述晶片的运动方向相对应的方向上传播。
33.如权利要求21至32中任一项所述的***，还包括激光脉冲生成器或调制器，其连接至所述激光束源，以生成或调制所述激光束的脉冲频率。
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