CN106938370B - 一种激光加工***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工***及方法，该激光加工***包括：激光器，提供加工所需的激光；光学***，设于工件台的上方，调整激光的光斑尺寸，并将调整后的激光光斑投射至工件台上；传感器，设于工件台的上方，采集工件材料的参数信息；处理器，与传感器连接，接收并处理传感器采集的参数信息，得到工件材料所需激光的光斑尺寸；控制器，与处理器连接，接收处理器的信息对光学***进行控制。通过传感器实时采集工件材料的参数信息，并通过处理器计算出所需的光斑尺寸，采用控制器控制光学***改变激光的光斑大小来实时调整激光脉冲能量密度，实时性好，切割效率高；在切割过程中，激光器始终以额定激光功率输出，提高了激光能量的利用率。

Description

一种激光加工***及方法

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，具体涉及一种激光加工***及方法。

背景技术

在半导体加工领域，半导体器件通常在晶圆上批量制造完成，且加工完成后，需要将晶圆上的器件分离成一个一个的芯片，因此需要对晶圆进行切割。

针对晶圆工件通常采用机械式切割，主要包括砂轮刀，激光切割和离子刻蚀三种切割方式，其中砂轮刀的切割道较宽，在切割减薄晶圆工件时容易引起崩边及裂纹。此外，由于半导体器件越来越多的使用低介电常数(low-k介电)材料，由于该材料的延展性及较低的粘附性使得切割非常困难，容易造成切割区域的裂纹及分层，甚至会包裹刀刃而引起断刀，因此砂轮刀切割的适应性较差。离子刻蚀的成本较高，且工序比较复杂，需要先将表层的材料划开露出基材，然后用离子进行深度刻蚀。

激光切割是将激光束聚焦到工件材料的表面或者内部，材料吸收光子后通过熔化，气化和改性等方式使自身断开。使用长脉冲宽度(如纳秒级别)激光切割时，工件材料经熔化、气化，在材料上形成切割道，然而由于长脉宽激光作用时间较长，热效应比较明显，容易在材料表层形成热影响区(Heat affected zone，HAZ)，从而引起材料性质改变，降低材料强度。因此，通常选择超快激光对工件材料进行切割。

在半导体加工领域，通常会使用不同的材料来制造IC器件，如铜、low-k介电材料。不同材料的厚度不同，这些材料被一层一层覆盖到工件基底上，在进行切割时需要将这些材料以及基底全部切开，由于不同材料对激光的吸收不同，其烧蚀阈值也不同，烧蚀阈值是指：激光作用在材料上，使材料发生相变致使材料去除所需的最小激光能量密度。因此切割不同材料所需的激光脉冲能量密度也不同。而过高的激光能量密度会转化成热能，使材料升温，甚至会破坏已加工好的IC电路。因此选用不同的激光脉冲能量密度对工件上不同的材料层，以及工件不同的区域进行切割非常重要。

现有技术中给出了一种切割基片时所形成可变像散聚焦光斑的方法。该方法首先扩展激光束，然后改型扩展光束，使光束沿着像散轴准直而沿着聚焦轴汇聚，在基板面形成像散聚焦光斑，该光斑具有伸长形状，且沿所述像散轴为长度，沿所述聚焦轴为宽度，且宽度小于长度。通过调整像散聚焦光斑的尺寸，从而使得工件基底上的能量密度处于最佳状态。所述像散聚焦光斑沿长度方向相对工件基底移动，形成光斑烧蚀达到切割效果。然而该技术中并未揭示如何调整光斑尺寸以达到最佳切割效果，且只通过一种方法来调整激光能量密度，具有很大局限性。

之后，现有技术中又提出了一种可改变时间脉冲剖面的激光划片工件的方法。所述方法包括第一时间脉冲剖面和第二时间脉冲剖面，使用第一时间脉冲剖面的激光序列切割基底的一层，使用第二时间脉冲剖面的激光序列切割工件剩下部分。其第一时间脉冲剖面和第二时间脉冲剖面是指激光脉冲的强度随时间变化，形成不同的剖面形貌，如高斯型时间脉冲剖面、方形时间脉冲剖面和三角形时间脉冲剖面等。根据基底材料的不同特定，定制激光时间脉冲剖面以达到最佳切割效果。然而该方法中依然存在以下不足：一是通过调整时间脉冲剖面的方法不可避免地降低了激光能量的利用率，并且需要一套复杂的激光输出控制***调整输出光强随时间的变化，成本高；二是该方法仅适用于纳秒脉冲激光，而对于皮秒量级激光脉冲调整效果大大降低，因此未能切实满足实际需求。

发明内容

本发明提供了一种激光加工***及方法，以解决以上技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种激光加工***，用于对工件台上的工件材料进行加工，包括：激光器，提供加工所需的激光；光学***，设于所述工件台的上方，调整所述激光的光斑尺寸，并将调整后的激光光斑投射至工件台上；传感器，设于所述工件台的上方，采集所述工件材料的参数信息；处理器，与所述传感器连接，接收并处理所述传感器采集的参数信息，得到工件材料所需激光的光斑尺寸；控制器，与所述处理器连接，接收所述处理器的信息控制所述光学***形成所需的光斑尺寸。

进一步的，所述激光器为脉冲激光器。

进一步的，所述光学***包括沿光路依次排列的激光透镜和准直透镜，所述准直透镜与电机连接，所述电机连接至所述控制器，所述电机带动所述准直透镜相对所述激光透镜运动。

进一步的，所述光学***包括转盘机构，所述转盘机构上设有若干通孔，所述通孔内设有衍射光学元件，所述通孔内的衍射光学元件的形貌不同。

进一步的，所述传感器为光电探测器，测量所述工件材料的反射率。

进一步的，所述传感器为激光位移传感器，测量所述工件材料的厚度以及切割后材料的剩余厚度。

进一步的，所述传感器为高速相机，测量工件材料的切缝宽度。

本发明还提供一种激光加工***的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：激光器发出激光，经过光学***后照射至工件台的工件材料上；所述光学***在工件面形成不同尺寸的加工光斑，从而得到切割不同工件材料所需的激光能量密度；

S2：传感器实时采集所述工件材料的参数信息，并将采集到的参数信息发送至处理器；

S3：所述处理器接收所述参数信息，对其进行处理，并根据切割所述工件材料所需的激光脉冲能量密度计算出所述工件材料所需激光的光斑尺寸，并将包括该光斑尺寸的信息发送至控制器；

S4：所述控制器根据接收的光斑尺寸的信息控制所述光学***形成所需的光斑尺寸，达到工件材料所需的激光脉冲能量密度；

S5：所述工件材料与激光的光斑相对移动形成加工轨迹，对工件材料进行加工。

进一步的，所述步骤S2中，所述参数信息包括工件材料的反射率、工件材料的厚度和切割后材料的剩余厚度以及工件材料的切缝宽度。

本发明提供一种激光加工***及方法，该激光加工***包括：激光器，提供加工所需的激光；光学***，设于所述工件台的上方，调整所述激光的光斑尺寸，并将调整后的激光光斑投射至工件台上；传感器，设于所述工件台的上方，采集所述工件材料的参数信息；处理器，与所述传感器连接，接收并处理所述传感器采集的参数信息，得到工件材料所需激光的光斑尺寸；控制器，与所述处理器连接，接收所述处理器的信息对所述光学***进行控制。通过传感器实时采集工件材料的参数信息，并通过处理器计算出所需的光斑尺寸，采用控制器控制光学***改变激光的光斑大小来实时调整激光脉冲能量密度，实时性好，切割效率高；在切割过程中，激光器始终以额定激光功率输出，最大程度利用激光能量用于切割，并且不受激光脉冲宽度的限制，适用性较广，大大提高了激光能量的利用率。

附图说明

图1是本发明激光加工***实施例1的结构示意图；

图2a、2b分别是本发明激光加工***实施例1中工件的俯视图和主视图；

图3是本发明激光加工***实施例1中光学***的结构示意图；

图4a是本发明激光加工***实施例2中一类衍射光学元件对应的光学***的结构示意图；

图4b是图4a中四个衍射光学元件形成的光斑示意图；

图5a是本发明激光加工***实施例2中另一类衍射光学元件对应的光学***的结构示意图；

图5b是图5a中四个衍射光学元件形成的光斑示意图。

图中所示：1、工件台；2、工件材料；201、器件层；202、工件基底；203、保护胶层；204、芯片；3、激光器；301、激光；4、光学***；401、激光透镜；402、准直透镜；403、转盘机构；404a～404d、衍射光学元件；302、405a～405d、椭圆光斑；406a～406d、圆形光斑；5、传感器；6、处理器；7、控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

如图1-3所示，本发明一种激光加工***，用于对工件台1上的工件材料2进行加工(即切割)，包括：激光器3，提供加工所需的激光301，优选的，所述激光器3为脉冲激光器，其脉冲的宽度不受限制，如可以是超短脉冲宽度的激光器3，有利于控制切割过程中的热影响；光学***4，设于所述工件台1的上方，调整所述激光301的光斑尺寸，并将调整后的激光301的光斑投射至工件台1上；传感器5，设于所述工件台1的上方，采集所述工件材料2的参数信息；处理器6，与所述传感器5连接，接收并处理所述传感器5采集的参数信息，得到工件材料2所需激光301的光斑尺寸；控制器7，与所述处理器6连接，接收所述处理器6的信息控制所述光学***4形成所需的光斑尺寸。需要说明的是，如图2a-2b所示为工件材料2的结构示意图，由上至下包括器件层201、工件基底202和保护胶层203，其中器件层201由多层不同材料复合而成，且经过切割后形成若干个芯片204，保护胶层203是切割前贴在工件基底202底面的，可防止切割后的芯片204散落。通过传感器5实时采集工件材料2的参数信息，并通过处理器6计算出所需的光斑尺寸，采用控制器7控制光学***4改变激光301的光斑大小来实时调整激光脉冲能量密度，实时性好，切割效率高；在切割过程中，激光器3始终以额定激光功率输出，最大程度利用激光能量用于切割，并且不受激光脉冲宽度的限制，适用性较广，大大提高了激光能量的利用率。

如图3所示，所述光学***4连续或非连续地调整作用在工件面的激光光斑形貌及尺寸。所述光学***4包括沿光路依次排列的激光透镜401和准直透镜402，所述准直透镜402与电机(图中未标出)连接，所述电机连接至所述控制器7，所述电机带动所述准直透镜402相对所述激光透镜401运动。具体的，激光301入射到激光透镜401的入射端面，并经过出射端面后投射到准直透镜402上使激光301的光束进行准直，本实施例中，在沿竖直方向上，即图中的Y方向，激光301的光斑尺度得到拉伸，在水平方向上，即图中的Z方向，光斑的尺寸保持不变，最终在工件材料2表面形成椭圆光斑302，其Y向经激光透镜401拉伸成长轴，而Z向没有拉伸，为短轴。此时可以通过电机带动准直透镜402相对所述激光透镜401水平运动，以调整激光透镜401和准直透镜402之间的距离L。可以实现上述功能的光学***4的激光透镜401有很多种，例如可以是柱面镜，而且不限于拉伸某一方向的光斑尺寸，也可以采用压缩光斑尺寸的方式；本实施例也不限于只调整一个方向的光斑尺寸，可以对两个方向同时进行调整；该激光301的形状也不限于圆形，可以是其它形状，比如长方形。

优选的，所述传感器5为光电探测器，测量所述工件材料2的反射率。具体的，处理器6通过传感器5获得的反射率确定当前切割最表层的是何种材料，根据该材料的烧蚀阈值确定所需的激光脉冲能量密度，通过该激光脉冲能量密度计算出所需的光斑面积，通常激光脉冲能量密度可以选择为烧蚀阈值的4～10倍。如Si在15ps，532nm激光脉冲下的烧蚀阈值为0.15J/cm²，激光器单个脉冲能量为10uJ，可以将光斑的长轴调整为100um，短轴调整为20um，则单脉冲能量密度为0.64J/cm²，约4倍烧蚀阈值。

本发明还提供了一种如上所述激光加工***的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：激光器3发出激光301，经过光学***4后照射至工件台1的工件材料2上，激光301可以为任意宽度的激光脉冲，所述光学***4在工件面形成不同尺寸的加工光斑，从而得到切割不同工件材料2所需的激光能量密度。

S2：传感器5实时采集所述工件材料2的参数信息，并将采集到的参数信息发送至处理器6；该参数信息包括工件材料2的反射率、工件材料2的厚度和切割后材料的剩余厚度以及工件材料2的切缝宽度。

S3：所述处理器6接收所述参数信息，对其进行处理，并根据切割该工件材料2所需的激光脉冲能量密度计算出所需激光301的光斑尺寸，并将包括该光斑尺寸的信息发送至控制器7；当参数信息为工件材料2的反射率时，处理器6通过该反射率确定当前切割最表层的是何种材料，根据该材料的烧蚀阈值确定所需的激光脉冲能量密度，通常激光脉冲能量密度可以选择为烧蚀阈值的4～10倍；当参数信息为工件材料2的厚度和切割后材料的剩余厚度时，处理器6计算出工件材料2的切割深度以及与目标切割深度的偏差，控制器7根据该偏差即可计算出所需的光斑面积，具体的，通过切割深度的变化调整激光脉冲能量密度来调整切割深度，其中减少光斑面积可以增大激光能量脉冲密度以获得更大的切深，增大光斑面积可以减小激光能量脉冲密度来减小切深，如该工件材料2的目标切割深度为L，处理器6计算出当前的切割深度为L1，则偏差ΔL＝L1–L，此时控制器7运行PID控制算法可得出当前所需的光斑面积，并通过控制器7进行控制，使实际切深与目标切深趋于一致；当参数信息为工件材料2的切缝宽度时，处理器6将该切缝宽度与目标切割宽度进行对比，获得切割宽度差值，并通过控制器7根据该切割宽度的差值计算出所需的光斑面积，控制光学***4对激光301沿切缝宽度方向的尺寸进行调整，如短轴尺寸，以使得切割宽度与目标切割宽度相同。

S4：所述控制器7根据接收的光斑尺寸的信息控制光学***4形成所需的光斑尺寸，达到工件材料2所需的激光脉冲能量密度，工件材料2所需的激光脉冲能量密度F可以通过调整光斑尺寸，也即光斑面积S实现，F＝P/S，P表示激光脉冲能量。通过调整光斑的尺寸来实现工件材料2所需的激光脉冲能量密度，在切割过程中始终保持激光器3以最大功率输出，使激光使用效率最大化，以达到最快切割速度，提高了***的工作效率。另外，不同的光学***4对应的光斑形状不同，处理器6可根据具体的光学***4计算出对应的光斑形状。

S5：所述工件台1带动工件材料2相对激光301的光斑进行移动形成加工轨迹，对工件材料2进行加工，即将其切割形成若干独立的芯片204。

在S5中，只要保证工件材料与激光的光斑相对移动形成加工轨迹即可，本发明并不局限于上述由工件台带动工件材料移动的方式。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例2中，所述光学***4包括转盘机构403，所述转盘机构403上设有若干通孔，所述通孔的数量为3～5个，本实施例中，通孔设有4个，所述通孔内设有衍射光学元件，所述4个通孔内的衍射光学元件的形貌各不同，激光301通过不同的衍射光学元件得到的光斑形状和尺寸不同，如图4a所示，404a～404d为转盘机构403上安装的不同的衍射光学元件，当激光301入射到所述衍射光学元件上时会形成不同的衍射光斑405a～405d，如图4b所示，其中405a是404a形成的具有长轴l1和短轴m2的椭圆光斑，假设激光脉冲能量为u，其对应的激光脉冲能量密度为4u/(π*l1*m1)；405a～405d均具有不同的长轴和短轴，因此可以形成共4种激光脉冲能量密度。通过旋转转盘机构403可以将不同的衍射光学元件切入激光光路，可实现对激光光斑的调整，得到所需的激光脉冲能量密度。如图5a所示为另一类衍射光学元件对应的光学***，激光301通过该类衍射光学元件后产生一行排开的N个直径为R的圆形光斑，如图5b所示，光斑离散化后的优点是使工件材料2在前一个光斑与后一个光斑之间有一定间隔时间，可以使其释放应力及散热，利于切割。404a～404d分别对应形成406a～406d所示的1～4个直径为R的圆形光斑，其光斑面积依次增大，所对应的脉冲能量密度依次递减。通过旋转转盘机构403可以将不同的衍射光学元件切入激光光路，可实现对激光光斑的调整，得到所需的激光脉冲能量密度。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中，所述传感器5为激光位移传感器，测量所述工件材料2的厚度以及切割后材料的剩余厚度，从而得到工件材料2的切割深度，处理器6根据切割深度的变化调整激光脉冲能量密度来调整切割深度，其中减少光斑面积可以增大激光能量脉冲密度以获得更大的切深，增大光斑面积可以减小激光能量脉冲密度来减小切深，如该工件材料2的目标切割深度为L，处理器6计算出当前的切割深度为L1，则偏差ΔL＝L1–L，此时控制器7运行PID控制算法可得出当前所需的光斑面积，并通过控制器7进行控制，使实际切深与目标切深趋于一致，通过该方法对光斑面积进行连续调整，以达到最佳的切割效果。

实施例4

与实施例1不同的是，本实施例中，所述传感器5为高速相机，测量工件材料的切缝宽度，处理器6将该切缝宽度与目标切割宽度进行对比，获得切割宽度差值，并通过控制器7根据该切割宽度的差值计算出所需的光斑面积，控制光学***4对激光301沿切缝宽度方向的尺寸进行调整，如短轴尺寸，以使得切割宽度与目标切割宽度相同，通过该方法也可以对光斑面积进行连续多次调整，以达到最佳的切割效果。

综上所述，本发明提供一种激光加工***及方法，该激光加工***用于对工件台1上的工件材料2进行加工，包括：激光器3，提供加工所需的激光301；光学***4，设于所述工件台1的上方，调整所述激光301的光斑尺寸，并将调整后的激光301的光斑投射至工件台1上；传感器5，设于所述工件台1的上方，采集所述工件材料2的参数信息；处理器6，与所述传感器5连接，接收并处理所述传感器5采集的参数信息，得到工件材料2所需激光301的光斑尺寸；控制器7，与所述处理器6连接，接收所述处理器6的信息对所述光学***4进行控制。通过传感器5实时采集工件材料2的参数信息，并通过处理器6计算出所需的光斑尺寸，采用控制器7控制光学***4改变激光光斑4大小来实时调整激光脉冲能量密度，实时性好，切割效率高；在切割过程中，激光器3始终以额定激光功率输出，最大程度利用激光能量用于切割，并且不受激光脉冲宽度的限制，适用性较广，大大提高了激光能量的利用率。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光加工***，用于对工件台上的工件材料进行加工，其特征在于，包括：激光器，提供加工所需的激光；光学***，设于所述工件台的上方，调整所述激光的光斑尺寸，并将调整后的激光光斑投射至工件台上；传感器，设于所述工件台的上方，采集所述工件材料的参数信息；处理器，与所述传感器连接，接收并处理所述传感器采集的参数信息，当参数信息为工件材料的反射率时，处理器通过该反射率确定当前切割最表层的是何种材料，根据该材料的烧蚀阈值确定所需的激光脉冲能量密度，当参数信息为工件材料的厚度和切割后材料的剩余厚度时，处理器计算出工件材料的切割深度以及与目标切割深度的偏差，当参数信息为工件材料的切缝宽度时，处理器将该切缝宽度与目标切割宽度进行对比，获得切割宽度差值，得到工件材料所需激光的光斑面积；控制器，与所述处理器连接，接收所述处理器的信息控制电机运动形成所需的光斑尺寸；通过切割深度的变化调整激光脉冲能量密度来调整切割深度，其中减少光斑面积以增大激光能量脉冲密度以获得更大的切深，增大光斑面积以减小激光能量脉冲密度来减小切深，处理器计算出当前的切割深度，则偏差为当前的切割深度与目标切割深度之差，此时控制器运行PID控制算法得出当前所需的光斑面积，并通过控制器进行控制，使实际切深与目标切深趋于一致。

2.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述激光器为脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述光学***包括沿光路依次排列的激光透镜和准直透镜，所述准直透镜与电机连接，所述电机连接至所述控制器，所述电机带动所述准直透镜相对所述激光透镜运动。

4.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述光学***包括转盘机构，所述转盘机构上设有若干通孔，所述通孔内设有衍射光学元件，所述通孔内的衍射光学元件的形貌不同。

5.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述传感器为光电探测器。

6.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述传感器为激光位移传感器。

7.根据权利要求1所述的激光加工***，其特征在于，所述传感器为高速相机。

8.一种激光加工***的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光器发出激光，经过光学***后照射至工件台的工件上；所述光学***在工件面形成不同尺寸的加工光斑，从而得到切割不同工件材料所需的激光能量密度；

S2：传感器实时采集所述工件材料的参数信息，并将采集到的参数信息发送至处理器；

S3：所述处理器接收所述参数信息，对其进行处理，并根据切割该工件材料所需的激光脉冲能量密度计算出所述工件材料所需激光的光斑尺寸，或根据切割该工件材料所需的切割深度偏差或切割宽度差值，计算出所述工件材料所需激光的光斑面积，并将包括该光斑面积的信息发送至控制器，当参数信息为工件材料的反射率时，处理器通过该反射率确定当前切割最表层的是何种材料，根据该材料的烧蚀阈值确定所需的激光脉冲能量密度，当参数信息为工件材料的厚度和切割后材料的剩余厚度时，处理器计算出工件材料的切割深度以及与目标切割深度的偏差，当参数信息为工件材料的切缝宽度时，处理器将该切缝宽度与目标切割宽度进行对比，获得切割宽度差值；

通过切割深度的变化调整激光脉冲能量密度来调整切割深度，其中减少光斑面积以增大激光能量脉冲密度以获得更大的切深，增大光斑面积以减小激光能量脉冲密度来减小切深，处理器计算出当前的切割深度，则偏差为当前的切割深度与目标切割深度之差；

S4：所述控制器根据接收的光斑面积的信息实时控制所述光学***形成所需的光斑尺寸，达到工件材料所需的激光脉冲能量密度、目标切割深度或目标切割宽度，此时控制器运行PID控制算法得出当前所需的光斑面积，并通过控制器进行控制，使实际切深与目标切深趋于一致；

S5：所述工件材料与激光的光斑相对移动形成加工轨迹，对工件材料进行加工。

9.根据权利要求8所述的激光加工***的激光加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述参数信息包括工件材料的反射率、工件材料的厚度和切割后材料的剩余厚度以及工件材料的切缝宽度。