CN111055028A - 基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置及方法，所述装置包括：多轴移动平台(9)；成像系统，用于获取多轴移动平台(9)上加工工件(14)表面图像；隐形切割装置，用于产生激光光束(15)，激光光束(15)汇聚至待加工工件(14)内部使隐形切割激光焦斑(13)处工件材料气化电离，形成等离子体，等离子体扩张并冲击材料形成裂纹；和一个或多个辅助激光装置，用于产生辅助激光光束(16)，辅助激光光束(16)焦斑汇聚至加工工件(14)内部等离子体与裂纹区域，加速等离子体膨胀，进一步冲击已形成的裂纹，使裂纹扩展。本发明通过控制辅助激光光束(16)的位置及能量，实现裂纹扩展长度与方向可控。
Description
技术领域
本发明属于机械切割加工领域，涉及高精细超快激光隐形切割技术，具体涉及一种基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置及方法。
背景技术
目前，半导体行业广泛运用机械切割方法对晶圆进行切割。晶圆机械切割是利用高速旋转的切割刀片直接分割晶圆。机械切割的优点是操作简便，对切割仪器的要求不高。但是机械切割有诸多缺点。首先，机械切割容易造成晶圆崩边和破损；其次，机械切割的切割道比较大，造成不必要的浪费；最后，机械切割所用的刀片易磨损，需要频繁更换，成本较高。归根结底，这些缺点是由于刀片与材料的机械接触所导致。因此，近年来越来越多的半导体企业开始采用无机械接触的激光划线方法加工晶圆。
激光划线利用激光能量密度高于晶圆烧蚀阈值的特点，对晶圆表面进行划线处理，划线区域产生凹坑或者应力集中，后期通过分片机进行裂片处理，晶圆即按照划线路径分离，实现晶圆的切割。相较于机械切割，激光划线有诸多优点。激光划线是非机械式切割，可以完全避免晶圆破损和崩边；激光划线对晶圆的电学性能影响较小，可以提供更高的成品率；激光划线速度较快，加工效率较高。然而激光划线也存在缺点，在激光划线过程中，晶圆表面经常被液滴和烟雾所污染；另外，高能量激光作用于晶圆，会产生热影响区。
最近，半导体行业提出了一种新型的激光隐形切割工艺。激光隐形切割是，激光焦点被聚焦到晶圆内部，沿着切割路径移动，由于激光能量密度高于晶圆烧蚀阈值，晶圆内部会形成改性层，此位置形成应力集中；然后，晶圆进行裂片处理，在应力集中位置断裂，实现切割。由于激光隐形切割也是利用激光对晶圆进行切割，因此隐形切割也具备激光划线的各种优点。除此之外，隐形切割还具备激光划线所不具备的优点。首先，隐形切割的切割道极细，可以避免对晶圆的浪费；其次，由于切割过程是在晶圆内部进行，所以晶圆不会被液滴和烟雾污染；最后，晶圆内部也不会由于激光能量沉积形成热影响区。但是，随着对芯片需求量的增长，激光隐形切割的效率满足不了相关要求，因此提高激光隐形切割的效率是半导体行业亟待解决的问题。
一般来讲，半导体行业是通过增加激光能量形成较大的改性层以降低隐形切割次数来提高加工效率，但是这就导致了晶圆内部损伤区域扩大。因此，目前半导体行业亟待提出一种既可以提高切割效率又可以提高切割质量的新型工艺。
发明内容
本发明提出一种基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割切割装置及方法，激光光束汇聚至待加工工件内部，形成高能量焦斑，焦斑处工件材料吸收能量后气化电离，形成等离子体，等离子体扩张并冲击材料形成裂纹。同步地，在加工工件两侧引入辅助激光束，辅助激光光束焦点汇聚至加工工件内部等离子体与裂纹区域，等离子体吸收辅助激光光束能量后加速膨胀，进一步冲击已形成的裂纹，使裂纹扩展。通过控制辅助激光光束的时空位置及能量，以实现基于辅助激光增强等离子体调控裂纹扩展的超快激光隐形切割的目的。
根据本发明实施例的一方面，提供一种激光切割装置，包括：
多轴移动平台；
成像系统，用于获取多轴移动平台上加工工件表面图像；
隐形切割装置，用于产生汇聚至待加工工件内部使工件材料气化电离形成等离子体的激光光束；和
一个或多个辅助激光装置，用于产生辐照等离子体使其加速膨胀的辅助激光光束。
在上述的激光切割装置，所述一个或多个辅助激光装置产生的所述辅助激光光束的焦斑位置处于所述隐形切割装置产生的所述激光光束的隐形切割激光焦斑的周围或者与隐形切割激光焦斑重合。
在上述的激光切割装置，所述辅助激光光束在材料内部的能量密度小于加工工件的烧蚀阈值。
在上述的激光切割装置，所述隐形切割装置产生的所述激光光束垂直于加工工件。
在上述的激光切割装置，所述隐形切割装置包括：产生激光光束的超快激光器；激光扩束镜，扩大激光光束直径形成准直的激光光束；反射镜组，位于所述激光扩束镜之后将激光光束反射向加工工件；和聚焦物镜，对所述反射镜组反射的激光光束进行聚焦。
在上述的激光切割装置，所述成像系统包括：发出照明光束的照明光源；反射镜，将照明光束反射向所述隐形切割装置的所述反射镜组；成像镜头，将照明光束照射到加工工件表面后形成的逆向回路成像于CCD相机上。
在上述的激光切割装置所述辅助激光装置包括CO2激光或固体激光器。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种激光切割方法，包括所述的激光切割装置，所述方法包括：
步骤1，规划加工工件的加工轨迹；
步骤2，调节多轴移动平台的Z轴，使加工工件表面成像于成像系统中，当加工工件的表面清晰成像于成像系统中时，设定此时Z轴位置为基准参考点；
步骤3，将所述隐形切割装置产生的所述激光光束的隐形切割激光焦斑设定在加工工件内部；
步骤4，调节所述一个或多个辅助激光装置产生的所述辅助激光光束的焦斑位置，使其处于隐形切割激光焦斑的周围或者与隐形切割激光焦斑重合；
步骤5，调节多轴运动平台的X轴和Y轴，引导加工工件按照设定的加工轨迹移动，致使加工工件内部形成改性层；
步骤6，利用分片机按照预定的切割路径施加机械外力于加工工件表面，实现加工工件的完全分离。
在上述的激光切割方法，当加工工件按照设定的加工轨迹移动时，所述辅助激光光束的焦斑位置始终处于隐形切割激光焦斑的周围或者与隐形切割激光焦斑重合。
本发明的基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割切割装置及方法显著提高传统隐形切割的生产效率和生产质量，可以快速获得横截面平整度好的加工工件。相比于传统晶圆切割方法，本发明利用等离子体冲击裂纹，使裂纹可控扩展，如此即可让晶圆横截面的平整度得到显著提高，切割效率也会大幅提高，解决随着晶圆厚度变薄之后隐形切割遭遇的瓶颈问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置的结构示意图。
图3示出了根据本发明的又一个实施例的基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-超快激光器；
2-激光扩束镜；
3-照明光源；
4-CCD相机；
5-成像镜头；
6-反射镜；
7-激光反射镜；
8-聚焦物镜；
9-多轴移动平台；
10-基台；
11-激光器；
12-聚焦物镜；
13-隐形切割激光焦斑；
14-加工工件。
具体实施方式
基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割装置包括：多轴移动平台9；成像系统，用于获取多轴移动平台9上加工工件14表面图像；隐形切割装置，用于产生激光光束15，激光光束15汇聚至待加工工件14内部，形成高能量隐形切割激光焦斑13，焦斑处工件材料吸收能量后气化电离，形成等离子体，等离子体扩张并冲击材料形成裂纹；和一个或多个辅助激光装置，用于产生辅助激光光束16，辅助激光光束16焦点汇聚至加工工件14内部等离子体与裂纹区域，等离子体吸收辅助激光光束16能量后加速膨胀，进一步冲击已形成的裂纹，使裂纹扩展。由于裂纹相较于未改进的隐形切割方法所得到的裂纹更长，因此对晶圆进行隐形切割的次数显著降低，提高了加工效率；并且更长的裂纹会使晶圆的横截面质量更好，更不容易产生碎片、崩边等缺陷。
所述隐形切割装置放置在基台10上，包括超快激光器1、激光扩束镜2、激光反射镜7和聚焦物镜8。超快激光器1可为飞秒至纳秒级别，聚焦物镜8可以采用多焦点镜头。超快激光器1产生的激光光束15进入激光扩束镜2内，扩大光束直径，形成准直的激光光束，再经过激光反射镜7反射后进入聚焦物镜8(激光反射镜7反射后的光束可垂直于加工工件14)，通过聚焦物镜8的聚焦作用，形成高能量隐形切割激光焦斑13，作用于加工工件14内部。在此过程中，隐形切割激光焦斑13能量密度大于加工工件14的烧蚀阈值，而隐形切割激光焦斑13外的其他区域的能量密度要小于加工工件14的烧蚀阈值。在加工工件14内部，超快激光光束对隐形切割激光焦斑13附近的区域产生物理性损伤，发生熔融、气化、等离子化等光致损伤，形成改性点。而加工工件14内部隐形切割激光焦斑13周围区域没有受到超快激光器1产生的激光光束的作用。
所述辅助激光装置放置在基台10上，包括激光器11、聚焦物镜12。激光器11产生的辅助激光光束16经过反射镜组的反射和聚焦物镜12的聚焦作用，形成焦斑，作用在加工工件14内部。聚焦物镜12可以采用多焦点镜头。在此过程中，形成的焦斑量密度小于加工工件14的烧蚀阈值。为了使激光器11的波长易于被等离子体吸收，激光器11可采用波长较长具有较强逆韧致吸收系数的CO2激光器、固体激光器等。
此外，对所述辅助激光装置的辅助激光光束16传播方向无特殊要求，与所述隐形切割装置的激光光束15传播方向成任意角度均可。所述辅助激光装置的数量可以是一个或多个。如图1，两个所述辅助激光装置安装在加工工件14上方两侧。如图2，一个所述辅助激光装置放置在加工工件14正下方。如图3，两个所述辅助激光装置安装在加工工件14两侧，平行于XY面。
所述成像系统包括照明光源3、CCD相机4、成像镜头5、反射镜6。所述成像系统的成像光路为同轴成像光路，照明光源3发出照明光束17，光束经过反射镜6的反射，穿透激光反射镜7，进入聚焦物镜8，此时光束不会对加工工件14产生物理性破坏，只能照射加工工件14表面，接着此光束形成逆向回路，进入成像镜头5，并由其聚焦最终成像于CCD相机4上。
多轴移动平台9放置在基台10上，加工工件14利用夹具固定在多轴移动平台9上。利用同轴成像光路的特点，只需通过移动多轴运动平台9的Z轴，加工工件14的上表面即可清晰成像于CCD相机4上，并设定此时Z轴位置为基准参考即0坐标点。进一步通过移动Z轴，可在加工工件14内部形成要求的焦斑。另外，通过移动多轴运动平台9的X轴和Y轴，就可以实现加工工件14的二维平面的切割。
在示例性实施例中，还提供一种基于等离子体的扩展可控裂纹的激光切割方法，利用上述的激光切割装置对加工工件14进行切割，具体步骤如下。
步骤1，根据加工需求，规划加工工件14的加工轨迹，此加工轨迹是针对脆性材料合理规划的轨迹，并通过多轴移动平台9得以实现。
步骤2，调节多轴移动平台9的Z轴，使加工工件14表面成像于成像系统中，进而设定基准参考点以及为调节合适的进给量形成需要的隐形切割激光焦斑13做准备。
步骤3，继续调节多轴移动平台9的Z轴，当加工工件14的表面清晰成像于成像系统的CCD相机中时，设定此时Z轴位置为基准参考点。
步骤4，按照加工要求，将所述隐形切割装置产生的所述激光光束的隐形切割激光焦斑13设定在加工工件14内部。
步骤5，调节所述一个或多个辅助激光装置产生的所述辅助激光光束的焦斑位置，使其处于隐形切割激光焦斑13的周围或者与隐形切割激光焦斑13重合。
步骤6，调节多轴运动平台9的X轴和Y轴，引导加工工件14按照设定的加工轨迹移动，致使加工工件14内部形成改性层。在加工工件14在多轴运动平台9上移动的过程中，根据超快激光切割时等离子体扩展实际情况，所选辅助激光焦斑位置与超快激光导致的等离子体始终重合，由于隐切等离子体为长条形，具体的辅助激光与等离子体的相互作用位置根据工艺实验效果确定，等离子体吸收辅助激光后体积膨胀，迫使裂纹进一步扩展。
步骤7，利用分片机按照预定的切割路径施加机械外力于加工工件14表面，实现加工工件14的完全分离。
本发明中加工工件材料的选择范围可为玻璃、Si、Ge、SiC、AlN、GaN、ZnO、GaAs、InSb、GaAsAl、GaAsP、Ge-Si、GaAs-GaP、金刚石、蓝宝石、酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等半导体材料。下面以硅片为例，说明其切割方法。
1.将硅片放在多轴运动平台9上。
2.打开所述隐形切割装置，但不打开其超快激光器1，超快激光器1采用皮秒激光器，波长为1064nm，脉宽为200ps，脉冲能量为10uJ，频率为80kHz。
3.利用CCD相机4和测距仪寻找激光焦点。
4.操作多轴运动平台9，调整硅片在Z轴方向的位置，使激光焦点聚焦到硅片内部，距离硅片表面100um。
5.调整所述辅助激光装置，使得其焦斑与隐形切割激光焦斑13相重合。其中所述辅助激光装置的激光器11为二氧化碳激光器，波长为10.2um，输出功率为10W，频率为10kHz。
6.打开所述辅助激光装置。
7.打开所述隐形切割装置的激光器。
8.调节多轴运动平台9的X轴和Y轴，引导硅片按照设定的加工轨迹移动，致使硅片内部形成改性层。
9.经过以上步骤后，将硅片从多轴运动平台9上取下，利用分片机将硅片分片。
10.在扫描电子显微镜和原子力显微镜下观测切割后的硅片。
Claims (9)
1.一种激光切割装置，其特征在于，包括：
多轴移动平台；
成像系统，用于获取多轴移动平台上加工工件表面图像；
隐形切割装置，用于产生汇聚至待加工工件内部使工件材料气化电离形成等离子体的激光光束；和
一个或多个辅助激光装置，用于产生辐照等离子体使其加速膨胀的辅助激光光束。
2.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述一个或多个辅助激光装置产生的所述辅助激光光束的焦斑位置处于所述隐形切割装置产生的所述激光光束的隐形切割激光焦斑的周围或者与隐形切割激光焦斑重合。
3.根据权利要求2所述的激光切割装置，其特征在于，所述辅助激光光束在材料内部的能量密度小于加工工件的烧蚀阈值。
4.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述隐形切割装置产生的所述激光光束垂直于加工工件。
5.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述隐形切割装置包括：产生激光光束的超快激光器；激光扩束镜，扩大激光光束直径形成准直的激光光束；反射镜组，位于所述激光扩束镜之后将激光光束反射向加工工件；和聚焦物镜，对所述反射镜组反射的激光光束进行聚焦。
6.根据权利要求5所述的激光切割装置，其特征在于，所述成像系统包括：发出照明光束的照明光源；反射镜，将照明光束反射向所述隐形切割装置的所述反射镜组；成像镜头，将照明光束照射到加工工件表面后形成的逆向回路成像于CCD相机上。
7.根据权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述辅助激光装置包括CO2激光或固体激光器。
8.一种激光切割方法，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的激光切割装置，所述方法包括：
步骤1，规划加工工件的加工轨迹；
步骤2，调节多轴移动平台的Z轴，使加工工件表面成像于成像系统中，当加工工件的表面清晰成像于成像系统中时，设定此时Z轴位置为基准参考点；
步骤3，将所述隐形切割装置产生的所述激光光束的隐形切割激光焦斑设定在加工工件内部；
步骤4，调节所述一个或多个辅助激光装置产生的所述辅助激光光束的焦斑位置，使其处于隐形切割激光焦斑的周围或者与隐形切割激光焦斑重合；
步骤5，调节多轴运动平台的X轴和Y轴，引导加工工件按照设定的加工轨迹移动，致使加工工件内部形成改性层；
步骤6，利用分片机按照预定的切割路径施加机械外力于加工工件表面，实现加工工件的完全分离。
9.根据权利要求8所述的激光切割方法，其特征在于，当加工工件按照设定的加工轨迹移动时，所述辅助激光光束的焦斑位置始终处于隐形切割激光焦斑的周围或者与隐形切割激光焦斑重合。
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