CN112496572A - 一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备及方法 - Google Patents

一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备。包括激光器、扩束镜、第一反射镜、λ/2波片、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜、翻转镜、第三透镜、CCD相机、切割头、运动平台、安装在运动平台上的陶瓷吸片台、晶圆片和电脑。本发明还涉及晶圆开槽切割方法，包括7个步骤。本发明利用空间光调制器波前调制特性，结合波前反馈技术，使用灵活，适应性广，加工效率高，是一种高效、高质量的晶圆切割技术。

Description

一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备及方法
技术领域
本发明涉及一种晶圆开槽切割设备及方法，具体指，一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备及方法，属于晶圆开槽切割技术领域。
背景技术
随着半导体技术的发展，高性能、高集成度半导体芯片的需求量越来越大，芯片的制作难度也越来越高。半导体芯片通常是在整片的衬底晶圆上进行集成电路元件结构沉积，然后进行晶圆切割，最后将切割后得到的各个晶粒进行封装。因此，晶圆切割的效果对芯片封装的性能和经济效益有着极大的影响。
晶圆切割最早使用的是刀片切割技术，即利用高速旋转的刀片对晶圆进行强力的磨削。但随着晶圆不断变薄、脆性增加，刀片切割技术的弱点愈发明显。在新一代半导体晶圆中，为了降低高集成度条件下的耦合及串扰，在制作过程中加入了低k材料。但低k材料与衬底材料的附着力较低，使用刀片切割时非常容易出现薄膜脱离和破碎等现象，大大降低产品的良品率。同时，伴随着晶圆的生长，中段和后段的所有的薄膜会累积在划片槽中，包含的典型材料有：Poly、Si3N4、SiO2、Ti(N)、W、SiCN、BD、Ta(N)、Cu、Al等。这些薄膜的存在进一步增加了晶圆切割的复杂度和难度。
激光由于具有一致性好、能量集中、自动化程度高和便于实现大规模生产等特点，在晶圆切割领域得到了广泛的应用，如激光隐形切割和激光开槽切割。激光隐形切割技术裂片质量好、加工效率高，在MEMS硅衬底晶圆或者碳化硅功率器件中有着广泛的应用。但是由于隐形切割需要将激光透过晶圆表面，聚焦在晶圆内部，导致激光隐形切割的适应性窄，只适用于切割道纯净的晶圆片或光片。对于生长完成的晶圆，切割道中存在不透光的沉积薄膜，因此无法使用激光隐形切割技术。
激光开槽切割适应性更广，但是当前采用的是单焦点的聚焦方式，单个焦点扫描产生的蚀除层深度浅，加工时需要重新调整焦点的深度进行多次扫描，会造成切割速度明显降低。而通过提高脉冲激光能量密度来加快晶圆的切割速度会导致熔渣喷溅、热影响区过大等缺陷，影响芯片的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，能够根据晶圆片中切割道的特征，通过多束激光灵活调整切割方式。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，包括激光器、扩束镜、第一反射镜、λ/2波片、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜、翻转镜、第三透镜、CCD相机、切割头、运动平台、安装在运动平台上的陶瓷吸片台、晶圆片和电脑；
所述激光器发出的激光束入射到扩束镜中进行扩束，然后经过第一反射镜进入λ/2波片调整偏振角度，出射光束再经过第二反射镜调整入射角度后入射到加载了全息图的空间光调制器上，光束经过空间光调制器后发生衍射，衍射光经过第一透镜和第二透镜进行成像传递，然后再经过翻转镜形成两路切换光路，翻转镜打开时光束经翻转镜反射到第三透镜中聚焦，并入射到CCD相机中，翻转镜关闭时光束透过翻转镜进入切割头中聚焦，用于切割放置在陶瓷吸片台上的晶圆片；
所述激光器、空间光调制器、翻转镜、CCD相机及运动平台由电脑统一控制。
进一步，所述激光器发射激光波长为100nm～1200nm，脉冲宽度为100ns～10fs，脉冲频率为1～2000KHz，偏振类型为线偏振光。
进一步，所述第一透镜与第二透镜构成4f***，第一透镜的焦距f1和第二透镜的焦距f2均为30～1000mm。
进一步，所述空间滤波器位于第一透镜后一倍焦距处。
进一步，所述翻转镜由分束镜替换，所述分束镜的能量透过率为99％，反射率为1％。
进一步，所述切割头工作距离为5～50mm，孔径数值为0.09～0.65mm。
本发明还提供一种多光束晶圆开槽切割方法，通过上述基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备实现，包括以下步骤：
S1、晶圆片背面贴膜保护固定后将贴膜面放置在安装在运动平台上的陶瓷吸片台上吸附固定，然后进行定位，确定切割轨迹；
S2、根据实际切割需求，确定激光束数量、空间分布以及每束光束的能量占比，再利用空间光调制器的控制软件中GS算法初步生成与之对应的全息图并加载到空间光调制器上；
S3、调节λ/2波片角度，使入射到空间光调制器上的光束为水平偏振，光束经过空间光调制器后发生衍射，使用空间滤波器去除零阶光；
S4、打开翻转镜，使衍射光反射到CCD相机中，提取每束光束的能量占比信息，再利用GS算法进行反馈迭代，直至每束光束的能量占比满足设定值，停止算法迭代，保存全息图；
S5、关闭翻转镜，使优化后的光束入射到切割头中并聚焦在晶圆切割道表面，开始晶圆切割，切割深度至芯片制作要求深度；
S6、切割完成后取下晶圆片，去除背面的保护膜，在晶圆正面贴膜，并将晶圆贴膜面固定在晶圆减薄机中进行磨削减薄，当晶圆片厚度减薄至芯片制作要求深度时停止磨削；
S7、取下减薄后的晶圆片，去除正面的保护膜，收集晶粒，切割结束。
进一步，为了保证蚀除层深度符合设计要求，在上述方案的步骤S2中，所述全息图对应的各激光束沿着切割方向排列分布，激光束的焦点扫描深度沿着切割方向由浅至深逐渐向下延伸。
进一步，当切割道比较宽时，在上述方案的步骤S2中，所述全息图对应的各激光束的排列分布与切割方向垂直，位于中间的激光束处于离焦状态，两边激光束处于对焦加工状态。
进一步，在上述方案的步骤S2中，所述全息图中加入菲涅尔透镜对应的数字信息，用于分离零阶光和衍射光的焦点位置。
进一步，上述方案的在步骤S5中，所述切割深度大于芯片制作要求深度1～50μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的晶圆切割设备利用空间光调制器波前调制特性，结合波前反馈技术，使用灵活，适应性广，适用于切割道复杂的多种类型的晶圆切割。
2、本发明的晶圆开槽切割方法中使用了多光束，光束数量和空间分布根据切割要求灵活调整，切割效率高，热效应小，有效提高了切割效率和切割质量。
3、本发明的晶圆开槽切割方法中使用了GS算法进行反馈迭代，光束的能量占比可控，进一步提升了晶圆切割的灵活性。
附图说明
图1为本发明基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备的原理示意图。
图2为本发明所涉及多光束晶圆开槽切割方法的步骤S2中，多光束沿切割方向分布的示意图。
图3为本发明所涉及多光束晶圆开槽切割方法的步骤S2中，多光束垂直于切割方向分布的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。
结合图1所示，一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，包括：激光器1、扩束镜2、第一反射镜3、λ/2波片4、第二反射镜5、空间光调制器6、第一透镜7、空间滤波器8、第二透镜9、翻转镜10、第三透镜11、CCD相机12、切割头13、晶圆片14、陶瓷吸片台15、运动平台16和电脑17，所述陶瓷吸片台15安装在运动平台16上，所述晶圆片14放置在陶瓷吸片台15上。
所述激光器1发出的激光束入射到扩束镜2中进行扩束，然后经过第一反射镜3进入λ/2波片4调整偏振角度，出射光束再经过第二反射镜5调整入射角度后入射到加载了全息图的空间光调制器6上。光束经过空间光调制器6后发生衍射，衍射光经过第一透镜7和第二透镜9进行成像传递，然后再经过翻转镜10形成两路切换光路，翻转镜10打开时光束经过翻转镜反射到第三透镜11中聚焦，并入射到CCD相机12中，翻转镜10关闭时光束透过翻转镜10进入切割头13中聚焦，用于切割放置在工作台16上的晶圆14，所述激光器1、空间光调制器6、翻转镜10、CCD相机12及运动平台16由电脑17统一协同控制。
所述激光器发射激光波长为355nm或532nm，脉冲宽度为10ps～10fs，激光器频率为400～600KHz。所述激光器1优选采用EdgeWave公司生产的紫外皮秒激光器，激光波长为355nm，脉冲宽度为12ps，脉冲频率为1～2000KHz，偏振类型为水平偏振的线偏振光。所述空间光调制器6优选为液晶空间光调制器，可采用Hamamatsu生产的纯相位空间光调制器，型号为X10468-02，帧速率为60Hz。所述λ/2波片4替换成起偏器。可将翻转镜10替换成分束镜，分束镜的能量透过率为99％，反射率为1％。所述第二反射镜5调整光束入射到空间光调制器6上的角度＜10°，以获得最大的相位调制量。
所述第一透镜7与第二透镜9构成4f***，第一透镜7的焦距f1和第二透镜9的焦距f2相同，均为200mm，第一透镜7位于空间光调制器6后200mm处，第二透镜9位于第一透镜7后400mm处，空间滤波器8位于第一透镜7后200mm处，第三透镜11焦距f3为500mm，第三透镜11位于第二透镜9后700mm处，CCD相机12位于第三透镜11后500mm处，切割头13的工作距离为34mm，数值孔径为0.14mm，有效焦距EFL＝40mm，切割头13位于第二透镜9后240mm处，晶圆片14位于切割头13后40mm处。
本发明还提供一种多光束晶圆开槽切割方法，通过上述基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备实现，包括以下步骤：
S1、晶圆片14背面贴膜保护固定后将贴膜面放置在安装在运动平台16上的陶瓷吸片台15上吸附固定，然后利用上下料的机械手上料，实现晶圆片14的预定位，再利用高精度的定位相机提取晶圆片14中切割道的特征点，以此确定切割轨迹；
S2、根据实际切割需求，确定激光束数量、空间分布以及每束光束的能量占比，再利用空间光调制器6的控制软件中GS算法初步生成与之对应的全息图并加载到空间光调制器6上；
以激光束数量为3束进行说明，根据切割需要，可选择激光束的排列分布与切割方向一致，如图2所示，各激光束的焦点扫描深度沿着切割方向逐渐向下延伸，也就是说，后一束激光的焦点扫描深度大于前一束激光的焦点扫描深度；当晶圆片的切割道比较宽时，也可选择激光束的排列分布方向与切割方向相垂直，如图3所示，位于中间的激光束处于离焦状态，离焦量为±2mm，两边激光束处于对焦加工状态。
S3、调节λ/2波片4角度，使入射到空间光调制器6上的光束为水平偏振，光束经过空间光调制器6后发生衍射，使用空间滤波器8去除零阶光；
S4、打开翻转镜10，使衍射光反射到CCD相机12中，提取每束光束的能量占比信息，再利用GS算法进行反馈迭代，直至每束光束的能量占比满足设定值，停止算法迭代，保存全息图；
S5、关闭翻转镜10，使优化后的光束入射到切割头13中并聚焦在晶圆切割道表面，开始切割晶圆片14，以CMOS芯片为例，芯片厚度为100μm，则切割深度为100～110μm；
S6、切割完成后取下晶圆片14，去除背面的保护膜，在晶圆片14正面贴膜，并将晶圆片14贴膜面固定在晶圆减薄机中进行磨削减薄，当晶圆片14厚度减薄至100μm时停止磨削；
S7、取下减薄后的晶圆片14，去除正面的保护膜，收集晶粒，切割结束。
本发明利用空间光调制器波前调制特性，结合波前反馈技术，使用灵活，适应性广，加工效率高，是一种高效、高质量的晶圆切割技术，适宜于在本行业推广运用。
以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
包括激光器、扩束镜、第一反射镜、λ/2波片、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜、翻转镜、第三透镜、CCD相机、切割头、运动平台、安装在运动平台上的陶瓷吸片台、晶圆片和电脑；
所述激光器发出的激光束入射到扩束镜中进行扩束，然后经过第一反射镜进入λ/2波片调整偏振角度，出射光束再经过第二反射镜调整入射角度后入射到加载了全息图的空间光调制器上，光束经过空间光调制器后发生衍射，衍射光经过第一透镜和第二透镜进行成像传递，然后再经过翻转镜形成两路切换光路，翻转镜打开时光束经翻转镜反射到第三透镜中聚焦，并入射到CCD相机中，翻转镜关闭时光束透过翻转镜进入切割头中聚焦，用于切割放置在陶瓷吸片台上的晶圆片；
所述激光器、空间光调制器、翻转镜、CCD相机及运动平台由电脑统一控制。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
所述激光器发射激光波长为100nm～1200nm，脉冲宽度为100ns～10fs，脉冲频率为1～2000KHz，偏振类型为线偏振光。
3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
所述第一透镜与第二透镜构成4f***，第一透镜的焦距f1和第二透镜的焦距f2均为30～1000mm。
4.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
所述空间滤波器位于第一透镜后一倍焦距处。
5.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
所述翻转镜由分束镜替换，所述分束镜的能量透过率为99％，反射率为1％。
6.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
所述切割头工作距离为5～50mm，孔径数值为0.09～0.65mm。
7.一种多光束晶圆开槽切割方法，通过如权1至权6任一权利要求所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1、晶圆片背面贴膜保护固定后将贴膜面放置在安装在运动平台上的陶瓷吸片台上吸附固定，然后进行定位，确定切割轨迹；
S2、根据实际切割需求，确定激光束数量、空间分布以及每束光束的能量占比，再利用空间光调制器的控制软件中GS算法初步生成与之对应的全息图并加载到空间光调制器上；
S3、调节λ/2波片角度，使入射到空间光调制器上的光束为水平偏振，光束经过空间光调制器后发生衍射，使用空间滤波器去除零阶光；
S4、打开翻转镜，使衍射光反射到CCD相机中，提取每束光束的能量占比信息，再利用GS算法进行反馈迭代，直至每束光束的能量占比满足设定值，停止算法迭代，保存全息图；
S5、关闭翻转镜，使优化后的光束入射到切割头中并聚焦在晶圆切割道表面，开始晶圆切割，切割深度至芯片制作要求深度；
S6、切割完成后取下晶圆片，去除背面的保护膜，在晶圆正面贴膜，并将晶圆贴膜面固定在晶圆减薄机中进行磨削减薄，当晶圆片厚度减薄至芯片制作要求深度时停止磨削；
S7、取下减薄后的晶圆片，去除正面的保护膜，收集晶粒，切割结束。
8.根据权利要求7所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
在步骤S2中，所述全息图对应的各激光束沿着切割方向排列分布，激光束的焦点扫描深度沿着切割方向由浅至深逐渐向下延伸。
9.根据权利要求7所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
在步骤S2中，所述全息图对应的各激光束的排列分布与切割方向垂直，位于中间的激光束处于离焦状态，两边激光束处于对焦加工状态。
10.根据权利要求7所述的基于空间光调制器的多光束晶圆开槽切割设备，其特征在于：
在步骤S2中，所述全息图中加入菲涅尔透镜对应的数字信息，用于分离零阶光和衍射光的焦点位置。
11.根据权利要求7所述的一种多光束晶圆开槽切割方法，其特征在于：
在步骤S5中，所述切割深度大于芯片制作要求深度1～50μm。
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