[发明专利]一种利用时间分辨阴影成像技术辅助激光液相烧蚀切割硅晶圆的加工方法

说明书

本发明公开了激光技术领域的一种利用时间分辨阴影成像技术辅助激光液相烧蚀切割硅晶圆的加工方法，通过搭建的时间分辨阴影成像系统捕捉空化气泡和持续性气泡的阴影图像，建立空化气泡和持续性气泡的动态模型。根据空化气泡的动态模型优化烧蚀激光的重复频率，减轻空化气泡折射对硅晶圆表面造成的不良影响。根据持续性气泡的动态模型优化液体介质类型和浓度，调控持续性气泡滞留时间，避免长时间滞留在硅晶圆表面的持续性气泡与后续激光脉冲反应，减轻持续性气泡破溃冲击作用对硅晶圆表面带来的不良影响。利用本发明提出的加工方法加工硅晶圆，获得的切缝窄、热影响区小、微纳颗粒溅射沉积范围小、诱导气泡负面影响小。

技术领域

本发明属于激光加工领域，是一种通过捕捉、调控气泡动态来优化加工参数的方法，用于硅晶圆精密切割，特别涉及一种基于时间分辨阴影成像的方法。

背景技术

硅因其优异的电学性能和机械性能而被广泛应用于光伏电池、集成电路芯片等行业中。由于电子产品散热需求，单个芯片厚度逐渐减薄，薄硅片的抗压抗拉强度较低，对于外部施加的机械应力更加敏感，因此传统金刚石切割工艺不再适用于划切厚度小于200微米的硅晶圆。激光切割技术是一种非接触式的加工工艺，扩束再聚焦后的光束具有极高的峰值功率密度。目前，这种非接触式的切割工艺被广泛应用于硅片、陶瓷等硬脆材料的加工。

传统激光烧蚀切割工艺采用纳秒、皮秒或飞秒等多种脉宽的激光束聚焦到材料表面上，在无任何辅助的条件下对硅片多次扫描。然而，激光烧蚀切割常伴随一系列缺陷：(1)激光切割产生的飞溅颗粒大范围地再沉积，硅片表面受到污染，影响使用性能；(2)硅片表层存在回融现象，切割后原本分离的部分因激光烧蚀不完全而再次粘结，表面形成重铸层，降低生产效率、导致废品率提高。因此传统烧蚀切割工艺一般应用于一些对切割质量要求不高的产品领域。

为了减轻激光烧蚀切割中的热效应，水辅助切割是一种成本较低、效果较好的辅助加工方式。水下激光切割加工时，辅助水可以起到冷却、除屑的作用，降低激光的热效应，冷却熔融的材料，减轻表层回融现象。水下激光切割时激光与材料作用产生高温致密的等离子体，等离子体的热能向水传递，导致聚焦处的水瞬时蒸发，诱导产生空化气泡。空化气泡经历扩张、衰减、破溃、振荡阶段最终分裂为大量持续性子气泡。由激光诱导的空化气泡周期为数百微秒，而持续性气泡滞留时间长达数十秒。空化气泡与持续性气泡的动态影响切割质量，例如空化气泡可能造成后续激光折射，从而使激光束偏离加工路径；长时间滞留在硅晶圆表面的持续性气泡可能与回程时的激光反应，持续性气泡被激光击溃，破溃时的冲击作用将烧蚀产生的微纳颗粒冲击至切缝周围，冲击作用力还可能引起硅晶圆崩边、扩展裂纹等缺陷，严重影响切割质量和产品性能。为了解决上述问题，有研究人员搭建超声振动装置，通过振动将气泡雾化以减少硅片表面滞留气泡的数量，例如文献“Charee W,Tangwarodomnukun V, Dumkum C. Ultrasonic-assisted underwater lasermicromachining of silicon[J]. Journal of Materials Processing Technology,2016, 231:209-220”。有研究人员使用水射流辅助装置向加工区域注水，水流冲刷表面滞留的气泡，例如文献“Bao J, Long Y, Tong Y, et al. Experiment and simulationstudy of laser dicing silicon with water-jet [J]. Applied Surface Science,2016, 387:491-496”，然而水射流加工的液体表面是动态的，不利于焦点的稳定控制。另外，有研究人员发现使用乙醇等有机溶剂可以减轻气泡的不良影响，例如文献“Barcikowski S, Zhang D S, Gökce B, et al. Debris-free rear-side picosecondlaser ablation of thin germanium wafers in water with ethanol [J]. AppliedSurface Science: A Journal Devoted to the Properties of Interfaces inRelation to the Synthesis and Behaviour of Materials, 2016, 367:222-230”，然而对于液体介质的浓度难以掌握。