[发明专利]用于劈开或切割基板的激光加工方法

说明书

本发明提供了一种用于分离形成在单个基板上的半导体器件或用于分离厚度大的硬质固体基板的有效快速激光加工方法。在准备用于劈开/破裂(切割)步骤的器件或基板的过程中，形成损伤区域，该损伤区域的特征在于是沿预期劈开线所形成的深且窄的损伤区域。该激光加工方法包括以下步骤：通过聚焦单元来调整脉冲激光束以在工件的主体中产生“长钉”状光束汇聚区，更具体地，产生高于工件材料光学损伤阈值注量(功率分布)的区域。在前述步骤中，构建调整区域(具有“长钉”状形状)。该激光加工方法还包括以下步骤：通过工件与激光束聚集点之间的相对平移沿预定破裂线构建多个这样的损伤结构。

技术领域

本方法属于激光材料加工。更具体地，本方法是关于一种使用特殊形状的激光束来劈开和/或切割硬质脆性材料的方法。本发明用于对形成在基板上的半导体器件进行分离。

背景技术

晶圆切割在半导体器件的制造中起到关键作用，而这些器件不断变小并越来越复杂。传统的切割方法是对于厚度大于100μm的硅晶圆使用金刚石锯，或者对于较薄的晶圆，则使用激光烧蚀。

金刚石圆盘锯技术受限于其低加工速度(对于硬质材料)。金刚石圆盘锯通常会产生宽的、带有碎裂划痕且低质量的边缘，进而降低器件产量和使用寿命。该技术由于金刚石圆盘会快速劣化而产生昂贵的费用，并由于需要水冷却和清洗而不实用。另外，当要切割的基板较薄时，该技术的性能受限。

另一传统激光加工技术(即，激光烧蚀)同样受限于其低加工速度和达到10-20μm的划痕宽度，该宽度对于大多数应用而言过宽。此外，激光烧蚀引发裂纹、留下熔融的残留物，并且通过碎片(debris)污染了切割区域。大面积的热影响区会减小半导体器件的使用寿命和效用。

烧蚀和金刚石圆盘锯技术都无法用于其上存在其他表面特征的特殊晶圆，比如，存在用于黏合堆栈的、附有染料的薄膜(dye-attached film)。这样的附加物使得传统的锯割工艺或烧蚀工艺更难以应对碎片并更易受到碎片的影响。为了提高所分离器件的质量，开发了其他基于激光加工的方法和设备。

其中之一是在2006年1月31日公布的美国专利US 6992026中所描述的激光加工方法和激光加工设备。该方法和设备使得能够在不产生融合痕迹以及不产生垂直延伸出工件表面上的预定切割线的裂纹的情况下，对该工件进行切割。使用脉冲激光束在足以导致多光子吸收的情况下沿预定切割线照射工件表面，激光束被对准以在工件主体内部产生焦斑(或聚集点：高能量区/高光子密度区)，从而通过在劈开平面(cleaving plain)中移动焦斑来沿预定劈开线形成调整区域(modified area)。创建调整区域之后，能够以相对小的力将工件机械分离。

目前，该加工方法及其变型在本领域中被称为“隐形切割(stealth dicing)”。其所有变型都基于通过一定波长(在该波长下，晶圆是透明的)的聚焦脉冲激光束所产生的内部穿孔，而聚焦脉冲激光束在焦点处被非线性处理所吸收，例如，像在经内部刻蚀的装饰性玻璃区块中那样。内部穿孔使得上下表面崭新如初。晶圆通常放置在被机械伸展的塑料胶带上，从而使得穿孔开裂。据称与现有工艺不同，该加工方法不会发生碎片、表面裂纹或热损伤。除了特殊晶圆和多层晶圆，微电子机械(microelectromechanical，MEM)系统也可以以这种方式分离。

隐形切割的不足之处是明显的，由于通常为了进行隐形切割，必须施加高数值孔径(NA)透镜，从而导致小的景深(depth of focus，DOF)，并且提供了严苛的聚焦条件。这导致多个裂纹向劈开表面上随机方向延伸，因而影响由该劈开晶圆生成的器件的使用寿命。当加工蓝宝石时，隐形切割也同样具有缺点。当晶圆和基板的厚度高达120-140μm，并且每个待切割的分脱机仅需要一个道次(pass)，这些具体的不足之处不明显。但是，对于较厚的晶圆(通常4、6蓝宝石晶圆的厚度>140μm至250μm或更厚)，每个分脱机需要多个道次。其后果是，材料暴露在激光辐射下的时段被延长，这对最终器件的性能和产量产生无益影响。此外，多道次加工减缓了总加工速度和降低了生产能力。