CN112008251A - 一种激光切割硅晶圆的方法及激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光切割硅晶圆的方法及激光切割装置，其中一种激光切割硅晶圆的方法，具体步骤如下：将硅晶圆片的下表面粘贴到蓝膜上方；将所述硅晶圆片的上表面涂覆光刻胶涂覆层；通过双光点激光装置发出激光光束，并在所述硅晶圆片上表面聚焦为两个聚焦光点，用以切割硅晶圆，将硅晶圆片切割为多个晶粒；去除硅晶圆片上表面的光刻胶涂覆层；通过扩张蓝膜将所述多个晶粒分离。以上方案中的一种激光切割硅晶圆的方法，在获得优良切割质量优良的同时，也保证了切割效率。在硅晶圆切割，尤其是对表面具有low‑k层、金属层或胶体材料的晶圆切割时，具有广阔的应用空间。

Description

一种激光切割硅晶圆的方法及激光切割装置

技术领域

本发明涉及一种激光切割方法及装置，特别是涉及一种激光切割硅晶圆的方法及激光切割装置。

背景技术

在半导体器件制备时，需要使用硅晶圆作为衬底材料，将集成电路芯片制备于晶圆表面。此外，在红光和黄光LED制备时，通常会将发光材料(如磷化铝铟、铟氮化镓、铝砷化镓等)沉积到硅晶圆衬底上。在上述器件中，功能芯片均以格子状分布在整个硅晶圆表面。在对芯片进行封装前，需要对将芯片从晶圆上切割分离，成为独立器件。目前常用的激光切割方法中，选择对硅材料透明或半透明的红外光，在晶圆内部聚焦形成改质层。通过引导改质层中的裂纹的延展，可以对硅晶圆进行无损切割，即激光隐形切割。

但是，上述切割方法对掺杂浓度较高或表面具有膜层(金属、胶体、low-k层或发光层等)的硅衬底，由于红外光无法透射进入材料内部形成改质层，因此无法实现激光切割。

传统的激光表切方案，通常采用高功率的紫外激光进行切割。切割过程中回融及切口堆积严重。并且对于部分low-k材料，采用紫外激光切割时会产生大面积炸裂，影响切割质量。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种激光切割硅晶圆的方法及激光切割装置，能够解决现有激光隐形切割方法对高掺杂浓度硅晶圆和表面镀膜硅晶圆失效的问题。以及现有表切方案切割low-k晶圆时的材料炸裂问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种激光切割硅晶圆的方法，具体步骤如下：

将硅晶圆片的下表面粘贴到蓝膜上方；

将所述硅晶圆片的上表面涂覆光刻胶涂覆层；

通过双光点激光装置发出激光光束，并在所述硅晶圆片上表面聚焦为两个聚焦光点，用以切割硅晶圆，将硅晶圆片切割为多个晶粒；

去除硅晶圆片上表面的光刻胶涂覆层；

通过扩张蓝膜将所述多个晶粒分离。

其中，激光为绿光激光，波长为532nm，偏振态为线偏振态；

激光为脉冲激光，脉冲宽度为0.5～500ps，频率为50～1000kHz，单个聚焦光点的能量为10～100μJ。

其中，硅晶圆片的损伤阈值为P0，单个聚焦光点的功率略高于P0。

其中，一个聚焦光点于硅晶圆片上两次打点的距离为2×d，且两个聚焦光点的点间距为d，则有2×d＝2×v/f；

其中，2×v为硅晶圆片与聚焦光点的相对移动速度，f为激光脉冲的频率。

其中，两个聚焦光点之间的连线方向与激光切割硅晶圆片的方向一致。

其中，还包括通过调整硅晶圆片与聚焦光点的相对移动速度v与为激光脉冲的频率f提高激光切割速度。

其中，硅晶圆片上设有预定切割划线，激光通过沿所述预定切割划线进行切割，将所述硅晶圆片切割为多个晶粒，激光的切割深度等于或小于硅晶圆片的厚度。

其中，光刻胶涂覆层为水溶性光刻胶层。

为解决上述技术问题，本发明还采用的一个技术方案是：提供一种硅晶圆表面的激光切割装置，包括，

激光器，用于发射激光；

扩束镜，用于改变光斑直径及发散角；

半波片，用于调节偏振方向不同的两束激光的能量比例；

第一偏振分光晶体，用于将偏振方向不同的两束激光分离；

第一45°反射镜，用于反射其中一束激光；

第二45°反射镜，用于反射另一束激光；

第二偏振分光晶体，用于汇聚偏振方向不同的两束激光，且两束激光之间具有间隔；

聚焦透镜，用于将两束激光聚焦到硅晶圆片上表面；

平移载台，用于承载硅晶圆片，使得硅晶圆片能够沿X轴和Y轴方向平移，该X轴和Y轴垂直于聚焦前的两束激光。

其中，还包括，胶水滴涂装置；

所述胶水滴涂装置包括，旋转载台和胶水储存容器，所述胶水储存容器位于旋转载台的上方。

以上方案中的一种激光切割硅晶圆的方法，采用绿光激光进行切割，避免了现有采用红外光切割即激光隐形切割方法对高掺杂浓度硅晶圆和表面镀膜硅晶圆失效的问题，以及紫外激光切割部分low-k材料时材料炸裂问题；并且利用双光点***进行进行晶圆切割，可以有效提升切割效率；同时，还可以获得良好的切割质量，切割道边缘无明显的回融物及堆积物；

本发明的方法操作简单、普适性高，在获得优良切割质量优良的同时，也保证了切割效率。实现了硅晶圆及以硅为衬底的low-k材料或LED材料的切割分离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种激光切割硅晶圆的方法的流程图；

图2为图1实施例中的硅晶圆片表面上表面涂覆光刻胶涂覆层的原理图；

图3为图1实施例中的去除硅晶圆片上表面的光刻胶涂覆层的原理图；

图4为图1实施例中的硅晶圆片上设有预定切割划线的原理图；

图5为图1实施例中的激光将硅晶圆片切割为多个晶粒的原理图；

图6为本发明的一种硅晶圆表面的激光切割装置的光路结构图；

图7为图6实施例中的聚焦透镜与硅晶圆片的配合结构示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

请参阅图1～图5，为本发明的一种激光切割硅晶圆的方法的流程图，图2为图1实施例中的硅晶圆片表面上表面涂覆光刻胶涂覆层的原理图，图3为图1实施例中的去除硅晶圆片上表面的光刻胶涂覆层的原理图，图4为图1实施例中的硅晶圆片上设有预定切割划线的原理图，图5为图1实施例中的激光将硅晶圆片切割为多个晶粒的原理图。

需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图1所示的流程顺序为限，该方法包括如下步骤：

如图1所示，本具体实施方式的一种激光切割硅晶圆的方法，具体步骤如下：

S01：将硅晶圆片210的下表面粘贴到蓝膜211上方；

具体地，又叫绷片，是一个切割硅晶圆片210前的固定工序，在硅晶圆片210的背面贴上一层蓝膜211，并固定在一个金属框架上，以利于后面切割。

蓝膜211可以把清洁干净的硅晶圆片210通过贴膜机固定，保护硅晶圆片210不受外力碰伤的问题发生，同时方便放入晶圆提篮载具后进入下一道工序进行切割晶粒，提升车间的生产效率以及产品的品质。

S02：将所述硅晶圆片210的上表面涂覆光刻胶涂覆层212；

具体地，将硅晶圆片210与蓝膜211固定到旋转载台220上，利用胶水储存容器230，向硅晶圆上表面上滴涂水溶性的胶水，然后通过高速转动的旋转载台220，使得胶水均匀平铺在整个硅晶圆表面上，形成胶水涂覆层。

S03：通过双光点激光装置发出激光光束，并在所述硅晶圆片210上表面聚焦为两个聚焦光点，用以切割硅晶圆，将硅晶圆片210切割为多个晶粒310；

S04：去除硅晶圆片210上表面的光刻胶涂覆层212；

具体地，如图3所示，使用喷水装置向光刻胶涂覆层212喷水，同时转动旋转载台220。冲水的过程中，随着水溶性的光刻胶涂覆层212的消失，光刻胶涂覆层212表面的飞溅物及熔渣会逐渐脱离，并伴随水流冲击及旋转载台220转动的离心力脱离硅晶圆片210表面。根据实验结果光刻胶涂覆层212厚度越大，清洗后硅晶圆片210表面的清洁度越高。

S05：通过扩张蓝膜211将所述多个晶粒310分离。

进一步地，激光为绿光激光，波长为532nm，偏振态为线偏振态；

激光为脉冲激光，脉冲宽度为0.5～500ps，频率为50～1000kHz，单个聚焦光点的能量为10～100μJ。

进一步地，硅晶圆片210的损伤阈值为P0，单个聚焦光点的功率略高于P0。

进一步地，一个聚焦光点于硅晶圆片210上两次打点的距离为2×d，且两个聚焦光点的点间距为d，则有2×d＝2×v/f；

其中，2×v为硅晶圆片210与聚焦光点的相对移动速度，f为激光脉冲的频率。

具体地，本发明采用激光对硅晶圆片210材料进行去除，在硅晶圆片210材料表面形成凹槽，对于特定波长的激光，去除硅晶圆片210材料，并且保证切割效率，需要选用的加工功率P通常需要远大于晶圆的损伤阈值P0，如果将P分成2个光点，使P＝P1+P2(通常，P1＝P2)，并且将每个光点能量都大于材料损伤阈值P0。两个光点依次作用于材料，同样可以使材料去除。由于每个光点的功率是总功率P的1/2，对材料的热影响减小，与总功率P相比，回融问题可以很好的解决。

进一步地，两个聚焦光点之间的连线方向与激光切割硅晶圆片210的方向一致。

进一步地，还包括通过调整硅晶圆片210与聚焦光点的相对移动速度v与为激光脉冲的频率f提高激光切割速度。

具体地，对于一定波长的脉冲激光，本发明切割直线，在特定的峰值功率P可以达到损伤阈值的条件下，激光的点间距需要达到一定的值才能实现直线切割，点间距(一个聚焦光点于硅晶圆片210上两次打点的距离)d＝v/f，v为硅晶圆片210与聚焦光点的相对移动速度，在激光不移动时为平移载台移动的速度，f为激光脉冲的频率。如果引入双光点，并且使两个聚焦光点的点间距设置为d，则可以将一个聚光点两次打点间距增加为2×d。此时，由于使用了双光点，相邻两点之间的距离依然为d。这时激光的切割速度为2×d/f＝2×v，加工速度理论上提高了2倍。

进一步地，硅晶圆片210上设有预定切割划线311，激光通过沿所述预定切割划线311进行切割，将所述硅晶圆片210切割为多个晶粒310，激光的切割深度等于或小于硅晶圆片210的厚度。

具体地，如图4所示，所述硅晶圆由格子状的多条预定切割划线311(或切割道312)划分成若干方形晶粒310，单个晶粒310周期性排布布满整个硅晶圆片210表面。按照上述的激光切割方法对硅晶圆片210进行切割，双光点激光沿着预定切割划线311逐条进行划线。对每条预定切割划线311可以使用激光划线一次，也可以反复划线多次，具体次数由硅晶圆片210的厚度决定。所需要达到的切割深度要等同或略小于硅晶圆片210的厚度，同时不能损伤蓝膜211。

切割完成后，如图5所示，通过扩张蓝膜211，使众多晶粒310沿着激光切割线分离成为单独个体，以备后续封装使用。

进一步地，光刻胶涂覆层212为水溶性光刻胶层。

具体地，水溶性光刻胶为一种极性聚合物材料，主要成分是聚乙烯醇，聚乙二醇，聚氧化乙烯等热塑性的水溶性聚合物，这些聚合物无毒，并可溶于水。

并且，在激光切割的过程中，产生的飞溅物和熔渣会附着在涂覆层表面。切割完成后，需要用清水冲洗以去除胶水。具体过程为：使用喷水装置向光刻胶涂覆层212喷水，同时转动旋转载台220。冲水的过程中，随着水溶性的光刻胶涂覆层212的消失，光刻胶涂覆层212表面的飞溅物及熔渣会逐渐脱离，并伴随水流冲击及旋转载台220转动的离心力脱离硅晶圆片210表面。根据实验结果光刻胶涂覆层212厚度越大，清洗后硅晶圆片210表面的清洁度越高。

上述的一种激光切割硅晶圆的方法，可以获得平直的切割道312，并且硅晶圆表面没有熔渣及飞溅物。激光入射面为平面。激光入射面平整、没有堆积物，切割效果良好。

参照图6～图7，图6为本发明的一种硅晶圆表面的激光切割装置的光路结构图；图7为图6实施例中的聚焦透镜与硅晶圆片的配合结构示意图。

如图5所示，本具体实施例的一种硅晶圆表面的激光切割装置，包括，

激光器110，用于发射激光；

扩束镜120，用于改变光斑直径及发散角；

半波片130，用于调节偏振方向不同的两束激光的能量比例；半波片130是由双折射的材料加工而成。用于调整光束的偏振状态。常见的波片由单轴晶体(如石英晶体)制作而成，其表面与光轴平行，垂直于光轴的偏振分量(e光)与平行于光轴的偏振分量(o光)在晶体中不发生双折射，但传播速度不同，因而通过波片后它们仍然沿着原有的方向传播，且会产生相位偏移。相移量取决于波片的厚度，材料和工作波长。偏振光通过半波片后，仍为线偏振光，但是，其合振动的振动面与入射线偏振光的振动面转过2θ。若θ＝45°，则出射光的振动面与原入射光的振动面垂直，也就是说，当θ＝45°时，半波片可以使偏振态旋转90°

第一偏振分光晶体140，用于将偏振方向不同的两束激光分离；

第一45°反射镜150，用于反射其中一束激光；

第二45°反射镜151，用于反射另一束激光；

第二偏振分光晶体141，用于汇聚偏振方向不同的两束激光，且两束激光之间具有间隔；

聚焦透镜160，用于将两束激光聚焦到硅晶圆片170上表面；

平移载台180，用于承载硅晶圆片170，使得硅晶圆片170能够沿X轴和Y轴方向平移，该X轴和Y轴垂直于聚焦前的两束激光。

切割硅晶圆的速度可以达到10～1000mm/s，即平移载台180相对于双聚焦光点的移动速度为10～1000mm/s。

如图5所示，还包括第三个45°反射镜和第四个45°反射镜。

硅晶圆片170平放在平移载台180上，第四个45°反射镜和聚焦透镜160依次由上至下同轴位于硅晶圆片170上方；第三个45°反射镜沿水平方向同轴位于第四个45°反射镜右侧；第三个45°反射镜、第二偏振分光晶体141和第一45°反射镜150在竖直方向同轴放置；第二45°反射镜151在水平方向上与第二偏振分光晶体141同轴，同时，在竖直方向上与第一偏振分光晶体140同轴；激光器110、扩束镜120、半波片130和第一偏振分光晶体140沿着水平方向由左至右同轴放置。

但是，根据需要选用第三45°反射镜152和第四个45°反射镜153，激光可以通过第二偏振分光晶体141直接通过聚焦透镜160聚焦于硅晶圆片170上方。

激光器110发出激光光束，所述的激光光束经过扩束镜120后，改变光斑直径及发散角；接着依次通过半波片130和第一偏振分光晶体140。经过第一偏振分光晶体140后，激光光束按照偏振方向不同分为两束，两束光分别沿着水平方向和竖直方向进行传播。通过调节半波片130的角度，可以调控两束激光的能量比例，通常调节两束光能量相等，即能量为1：1。竖直(水平)方向的光束经过第一45°反射镜150(第二45°反射镜151)反射后，通过第二偏振分光晶体141汇聚到一起。汇聚的光束经过第三个45°反射镜和第四个45°反射镜后，被聚焦透镜160聚焦，在硅晶圆片170表面形成双光点光束，从而切割硅晶圆片170。硅晶圆片170被固定于平移载台180上，平移载台180可以控制硅晶圆片170在水平面内沿X轴和Y轴两个方向运动。

在切割完毕后通过扩张蓝膜172将所述多个晶粒分离。

进一步地，还包括，胶水滴涂装置；

所述胶水滴涂装置包括，旋转载台和胶水储存容器，所述胶水储存容器位于旋转载台的上方。

具体地，将硅晶圆片170与蓝膜固定到载台上，利用胶水储存容器，向硅晶圆上表面上滴涂水溶性的胶水，然后通过高速转动的旋转载台，使得胶水均匀平铺在整个硅晶圆片上表面上，形成光刻胶涂覆层171。

上述一种硅晶圆表面的激光切割装置中，双光点的引入可以提高加工速度，并且可以减小激光烧蚀引起的飞溅物及回融物。硅晶圆片170在X方向上运动切割。双光点连线方向与切割方向一致。双光点间距可以通过第一45°反射镜150进行调节，如图5所示，两束激光经过聚焦透镜160的聚焦后，在硅晶圆片170上形成双聚焦光点A和B，该双聚焦光点A和B之间的间距调节可以通过第一45°反射镜150进行调节，通过将第一45°反射镜150进行调节向上或向下调节，令该第一45°反射镜150进行调节所反射的激光在经过第二偏振分光晶体141的反射后能够远离或靠近另一束激光，从而达到双聚焦光点A和B重合、紧邻和任意大于光斑直径的间距。

如图7所示，A点和B点调整为重合、紧邻(即双聚焦光点间距等于光斑直径)、或任意大于光斑直径的间距。根据实验结果，双聚焦光点间距越小、切割效率越高，但切割产生的飞溅物及回融物也会更多。

双光点的能量比例可以通过半波片130进行调节。根据实验结果，双光点能量相差越大，切割效率越高，但切割深度一致性也越差，即深度上会产生波纹状起伏。通常调节双光点能量相等，即能量比1：1，以获得均匀的切割深度。

实际上，双光点并非唯一选择，可以根据激光器110最大功率，在图5的基础上加以改动，调节为4光点、8光点等多种光路，进一步提升加工效率。这一改动，可以通过在激光器110的激光出射端增设分光器等装置将激光器110的出射激光分为2路、4路等，在依次经过后面的扩束镜120、半波片130、第一偏振分光晶体140、第一45°反射镜150、第二45°反射镜151、第二偏振分光晶体141以及聚焦透镜160后，形成4光点或8光点。

上述一种硅晶圆表面的激光切割装置的使用方法为：将硅晶圆片170粘贴到蓝膜172上，并将硅晶圆片170与蓝膜172固定于旋转载台；利用胶水储存容器，向硅晶圆片170表面滴涂水溶性光刻胶；然后通过高速转动旋转载台，使得光刻胶均匀平铺在硅晶圆片170上表面；采用双光点激光装置发出激光光束，并在硅晶圆片170上表面获得两个聚焦光点，用以切割硅晶圆片。

硅晶圆片170切割完成后，使用喷水装置向硅晶圆片170上表面喷水，同时转动旋转载台，用以去除硅晶圆片170上残留光刻胶涂覆层171。加工完成后，通过蓝膜172扩张实现晶粒分离。

本发明提供的切割方法适用于具有不同掺杂浓度及不同表面膜层(如，金属、胶体、low-k材料或发光材料等)的硅晶圆，能够解决激光隐形切割方法对高掺杂浓度硅晶圆和表面镀膜硅晶圆失效的问题。采用绿光激光切割，还可以有效避免紫外激光切割时引起的材料炸裂问题。同时，采用双光点激光加工，加工效果更加优良，表面切割线条更加均匀，且无熔渣、飞溅物、烧蚀等现象。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，具体步骤如下：

将硅晶圆片的下表面粘贴到蓝膜上方；

将所述硅晶圆片的上表面涂覆光刻胶涂覆层；

通过双光点激光装置发出激光光束，并在所述硅晶圆片上表面聚焦为两个聚焦光点，用以切割硅晶圆，将硅晶圆片切割为多个晶粒；

去除硅晶圆片上表面的光刻胶涂覆层；

通过扩张蓝膜将所述多个晶粒分离。

2.根据权利要求1所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，激光为绿光激光，波长为532nm，偏振态为线偏振态；

激光为脉冲激光，脉冲宽度为0.5～500ps，频率为50～1000kHz，单个聚焦光点的能量为10～100μJ。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，硅晶圆片的损伤阈值为P0，单个聚焦光点的功率略高于P0。

4.根据权利要求3所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，一个聚焦光点于硅晶圆片上两次打点的距离为d，且两个聚焦光点的点间距为d，则有2×d＝2×v/f；

其中，2×v为硅晶圆片与聚焦光点的相对移动速度，f为激光脉冲的频率。

5.根据权利要求4所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，两个聚焦光点之间的连线方向与激光切割硅晶圆片的方向一致。

6.根据权利要求4或5所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，还包括

通过调整硅晶圆片与聚焦光点的相对移动速度v与为激光脉冲的频率f提高激光切割速度。

7.根据权利要求1、2、4或5所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，硅晶圆片上设有预定切割划线，激光通过沿所述预定切割划线进行切割，将所述硅晶圆片切割为多个晶粒，激光的切割深度等于或小于硅晶圆片的厚度。

8.根据权利要求1所述的一种激光切割硅晶圆的方法，其特征在于，光刻胶涂覆层为水溶性光刻胶层。

9.一种硅晶圆表面的激光切割装置，其特征在于，包括，

激光器，用于发射激光；

扩束镜，用于改变光斑直径及发散角；

半波片，用于调节偏振方向不同的两束激光的能量比例；

第一偏振分光晶体，用于将偏振方向不同的两束激光分离；

第一45°反射镜，用于反射其中一束激光；

第二45°反射镜，用于反射另一束激光；

第二偏振分光晶体，用于汇聚偏振方向不同的两束激光，且两束激光之间具有间隔；

聚焦透镜，用于将两束激光聚焦到硅晶圆片上表面；

平移载台，用于承载硅晶圆片，使得硅晶圆片能够沿X轴和Y轴方向平移，该X轴和Y轴垂直于聚焦前的两束激光。

10.根据权利要求9所述的一种硅晶圆表面的激光切割装置，其特征在于，还包括，胶水滴涂装置；

所述胶水滴涂装置包括，旋转载台和胶水储存容器，所述胶水储存容器位于旋转载台的上方。

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