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CN102057480A - 切割半导体晶片 - Google Patents

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Abstract

一种切割半导体晶片的方法，包括使用脉冲宽度介于1皮秒至1000皮秒，且重复频率对应于比待划片材料的热弛豫时间短的脉冲之间的时间的激光，沿着切割带对至少一个电介质层进行划片以从晶片的表面去除材料。然后该晶片被切割穿透金属层且至少部分地切割穿透半导体晶片的基板。

Description

切割半导体晶片
技术领域
本发明涉及一种切割半导体晶片的方法。
背景技术
激光划片是公知的，其中在使用锯、激光或蚀刻器来切割晶片之前，通过部分地或完全地切割穿透切割带中的晶片，从晶片表面上的至少部分切割带去除材料。该过程典型地涉及晶片表面上的不同位置处切割穿透不同的材料，包括金属、低k电介质材料和其他电介质。
US 2006/088984描述了一种使用激光脉冲切割晶片的方法，该激光脉冲具有小于被划片材料的电子-光子相互作用时间的短(皮秒)脉冲宽度，以及大于材料的热弛豫时间(thermal relaxation time)或大于羽辉寿命(plume lifetime)的激光脉冲的重复频率，有效地去除材料而不对工作表面产生热损坏。在实施例中，小于100皮秒(即小于0.1纳秒)的脉冲长度或优选地小于1皮秒(0.001纳秒)的脉冲长度与小于1MHz的脉冲重复频率一起使用。然而，使用这种短脉冲宽度和相对长的脉冲重复频率的适宜激光是相对较昂贵的。
发明内容
本发明的目的是至少改善现有技术中的上述缺点。
根据本发明，提供一种用于切割半导体晶片的方法，其包含：使用脉冲宽度介于1皮秒至1000皮秒且重复频率对应于比待划片材料的热弛豫时间短的脉冲之间的时间的激光，沿着切割带对至少一个电介质层进行划片以从晶片的表面去除材料；以及切割穿透金属层且至少部分地切割穿透半导体晶片的基板。
有利地，重复频率大于500kHz。
合宜地，重复频率大于1MHz。
有利地，激光发射波长小于400nm的UV激光束。
合宜地，激光发射波长小于600nm的可见激光束。
合宜地，该方法包含对半导体晶片的表面上的分层结构进行划片。
有利地，该方法包含对分层结构中的电介质材料进行划片。
有利地，该方法包含对分层结构中的低k电介质材料进行划片。
有利地，该方法包含对分层结构中的高k电介质材料进行划片。
合宜地，使用重复频率在500KHz至1MHz范围的激光切割金属层。
合宜地，切割步骤包括使用具有重复频率低于用于划片的频率的UV或可见波长纳秒脉冲激光执行切割。
备选地，该方法包含对电介质层进行激光划片，然后锯穿金属层，以及至少部分地锯穿半导体晶片的基板。
合宜地，激光参数在运行中被修改，以便加工晶片表面上不同点的不同材料。
合宜地，从供应有晶片的CAD数据或通过机器视像(machine vision)手段检测晶片上被加工的位置。
合宜地，加工的激光以较低功率操作，且反射信号被监控以从照射表面的反射率判断待划片的材料改变的位置，使得加工参数在该位置上改变。
合宜地，切割步骤是机械锯切割处理。
备选地，切割步骤是蚀刻处理。
有利地，该方法包括使用比最终切割带宽度更大的宽度对划片槽进行划片，以防止损坏从切割带传播进入晶片。
有利地，该方法包括使用锁模激光(mode-locked laser)进行划片。
有利地，该方法包括使用固态种子激光(solid state seed laser)或具有半导体或光纤放大器的光纤激光源进行划片。
有利地，该方法包括使用光纤激光或光纤放大器进行划片。
有利地，该方法包括使用能量在0.1μJ至10μJ范围内的激光脉冲进行划片。
有利地，该方法包括以50mm/s至1000mm/s的速度进行划片。
合宜地，该方法包括以200mm/s至600mm/s的速度进行划片。
附图说明
现在参考附图以举例的方式描述本发明，附图中：
图1是根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
激光划片是在使用锯、激光或蚀刻器执行全厚度或部分切割之前使用激光从晶片的切割带的表面去除多层的处理。该处理典型地涉及在晶片表面上的不同位置处划透多种材料，包括金属、低k电介质材料和其他电介质。
本发明具有至少两个特征。
首先，优选地使用锁模激光，使用短脉冲的脉冲链对晶片进行划片处理，其中短脉冲的脉冲链的脉冲宽度为1纳秒或更小，脉冲间隔小于1微秒，即，脉冲重复频率大于1MHz。这些参数可以得到对于晶片表面上的很多材料的有效划片处理，以及在大多数情况中得到对切割带中的所有材料进行有效地加工的处理。
然而，在半导体处理中使用的特定材料会随时间改变，且存在仅通过一组激光参数不能有效地加工一些材料的可能性。在这种情形下，使用锁模激光，可以改变激光参数，这些激光参数是晶片上位置的函数。该位置可以通过包括机器视像的晶片检查步骤或通过设置有的CAD数据的晶片来进行确定。加工激光还可以被调节到低功率且被反射的信号可被监控以提供具有变化的反射率的材料的位置，在此位置上可能需要改变加工参数。
参考图1，在本发明的一个实施例中，其中绝缘体材料通过所描述的重复频率＞500MHz且尤其大于1MHz的激光有效地被划片11，金属可以在晶片的后续激光切割处理12中被切割。这种激光切割处理包括对UV和可见纳秒激光以及较低重复频率和较短脉冲激光的使用。简而言之，在这种情况下，划片处理通过在使用激光锯12或机械锯13完成金属层和半导体基板的切割之前在划片处理中去除了切割带中的绝缘体和其他材料，启动了两步骤(或更多步骤)的切割处理。备选地，半导体晶片可以通过蚀刻14被部分地切割。
典型的激光参数是重复频率＞500kHz，脉冲宽度为20ps(即，0.2纳秒)且平均功率＞1W。这些功率值可以从光纤锁模和光纤放大激光获得。另外，因为一般这些激光是为电信或显微镜应用而研制的，它们具有的相干性和低时间抖动(timing jitter)的程度并不是关键的。因此，诸如分布式反馈和外腔二极管激光的较低成本种子激光潜在地可以用作源，该源可放大到所需的功率水平。
本发明的优点在于，当这些脉冲以小于材料的热弛豫时间的脉冲重复被引导到晶片上的位置时，令人惊奇地，对该处理的热贡献可以改善材料去除的效率，并且/或者减小所需的脉冲能量，并且/或者减小激光所需的平均功率。该处理的益处尤其在于，用于制造执行该处理所需的激光的成本明显低于较低重复频率激光的成本。尤其是，该处理可以与固态二极管种子激光、光纤激光源和半导体或光纤放大器一起使用。
示例1——电介质划片
根据现有技术，使用500kHz的脉冲重复频率以100mm/s的速度加工的1μJ脉冲对电介质进行划片，显示出碎屑。
根据本发明，使用5MHz的脉冲重复频率以600mm/s的速度加工的1μJ脉冲对电介质进行划片，不显示碎屑。
因而发现，大于1MHz的重复频率给出了100mm/s或更大馈入速度的无碎屑划片。
示例2——金属划片
使用5MHz的脉冲重复频率以400mm/s的速度加工的1μJ脉冲对金属层进行划片，显示出熔化。
根据本发明，使用1MHz的脉冲重复频率以200mm/s的速度加工的1μJ脉冲对金属层进行划片，不显示熔化。
因而，如果过度能量在短时间周期内被放置到金属区域上，金属将熔化且烧灼。使用1MHz或更低的较低重复频率被发现导致了金属层的干净的划片，对于周围区域没有损坏。
示例3——金属和电介质划片
依赖于晶片图形和晶片上金属和电介质的数量，可以使用相同的参数组加工所有区域。
晶片叠层由薄金属层顶部上的电介质层组成。如果使用纳秒激光，太多的热将被传送给底层金属，导致金属膨胀且因而使电介质层破碎/剥离。使用本发明的方法，高重复频率的光纤激光被用于干净地对伴随薄金属层的玻璃材料进行划片，而没有碎屑、剥离或熔化。
可以观察到，使用本发明的方法，与纳秒处理相比，残余物数量较少，且颗粒一般较小/较精细。
在使用单独的划片和切割步骤的一些实施例中，划片道被设置为比实际的切割槽宽以便于对准，而且尽管在晶片上的一些区域上的纳秒划片之后可以观察到一些介质的碎屑，但是碎屑绝不延伸到划片宽度之外。换句话说，划片可被用于容纳与切割处理相关的任意碎屑。
和一些其他短脉冲激光系统相比，锁模在20MHz且随后被脉冲采集并因此在重复频率方面非常灵活的适宜的光纤激光可以从Fianium Ltd购得，地址是20 Compass Point，Ensign Way，Southampton，SO31 4RA，United Kingdom。这有利于在运行中改变激光参数，以用于加工晶片上不同位置处的不同材料。

Claims (24)

1.一种用于切割半导体晶片的方法，其包括：
a.使用脉冲宽度介于1皮秒至1000皮秒之间且重复频率对应于比待划片材料的热弛豫时间短的脉冲之间的时间的激光，沿着切割带对至少一个电介质层进行划片，以从晶片的表面去除材料；以及
b.切割穿透金属层且至少部分地切割穿透半导体晶片的基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述重复频率大于500kHz。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述重复频率大于1MHz。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光发射波长小于400nm的UV激光束。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述激光发射波长小于600nm的可见激光束。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括对半导体晶片的表面上的分层结构进行划片。
7.根据权利要求6所述的方法，包括对分层结构中的电介质材料进行划片。
8.根据权利要求7所述的方法，包括对分层结构中的低k电介质材料进行划片。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，包括对分层结构中的高k电介质材料进行划片。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用在500KHz至1MHz范围内的重复频率的激光切割金属层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述切割步骤包括使用具有重复频率的低于用于划片的频率的UV或可见波长的纳秒脉冲激光执行切割。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括对电介质层进行激光划片，然后锯穿金属层且至少部分地锯穿半导体晶片的基板。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中激光参数在运行中被修改，以便加工晶片表面上不同点的不同材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中从供应有晶片的CAD数据或通过机器视像手段确定晶片上被加工的位置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中加工的激光以较低功率操作且被反射的信号被监控以从照射表面的反射率确定待划片的材料改变的位置，使得加工参数在该位置上改变。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述切割步骤是机械锯切割处理。
17.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述切割步骤是蚀刻处理。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用比最终切割带宽度更大的宽度对划片槽进行划片，以防止损坏从切割带传播进入晶片。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用锁模激光进行划片。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用固态种子激光或具有半导体或光纤放大器的光纤激光源进行划片。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用光纤激光或光纤放大器进行划片。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用能量在0.1μJ至10μJ范围内的激光脉冲进行划片。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以50mm/s至1000mm/s的速度进行划片。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以200mm/s至600mm/s的速度进行划片。
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