TWI641045B - 蝕刻方法、蝕刻裝置及半導體晶圓分割方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種蝕刻方法、蝕刻裝置及半導體晶圓分割方法。其中一種半導體晶圓分割方法包括如下步驟：提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積體電路之間設有間隙；利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述多個積體電路之間的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。本發明提出了利用利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體進行蝕刻的方法及裝置，從而可利用該方法及裝置實現半導體晶圓的分割。本發明的半導體晶圓分割方法避免了採用傳統切割刀劃片造成的應力，有效減少了劃片造成的崩邊、碎片等問題，適用于薄晶圓的劃片分割，並且方法簡單、快速、高效。

Description

蝕刻方法、蝕刻裝置及半導體晶圓分割方法

本發明係關於微電子技術領域，特別是關於一種蝕刻方法、蝕刻裝置及半導體晶圓分割方法。

在一片半導體晶圓上，通常製作有幾百個至數千個裸芯(Die)，這些裸芯之間留有一定間隙，需要進行劃片切割(Dicing Saw)將它們分離出來。然而，傳統的劃片切割很容易產生應力使邊緣崩裂，從而導致裸晶片的碎裂，特別是對於形成在薄晶圓上器件，如功率器件和BSI型CMOS圖像感測器等，這種器件的晶圓厚度通常薄至50μm，在劃片切割中非常容易碎裂。

目前一些解決方案採用了圖形化光阻結合習知乾法蝕刻進行劃片。另外，日本專利申請案JP2003257896A揭露一種半導體晶圓的分割方法，該方法利用研磨膠帶和乾法蝕刻方式實現晶圓的劃片；藉由在晶圓頂面粘貼膠帶，然後切割膠帶露出劃道區域，再於膠帶的保護下採用乾法蝕刻將晶圓分割。美國專利申請案US20110312157A1揭露一種半導體晶圓的切割方法，該方法利用飛秒雷射與電漿蝕刻實現晶圓劃片；藉由在晶圓表面形成遮罩，然後利用飛秒雷射切割遮罩露出劃道，再利用電漿蝕刻在 遮罩的保護下將晶圓分割。

然而，習知解決方案的製程步驟都較為複雜，生產效率也較低。因此，實有必要尋求一種更為高效、簡便的針對薄晶圓的劃片技術。

鑒於以上所述現有技術，本發明目的在於提供一種蝕刻方法、蝕刻裝置及半導體晶圓分割方法，用於解決現有技術中薄晶圓的劃片切割容易碎裂的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種蝕刻方法，包括如下步驟：利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對標的材料需要蝕刻的區域進行蝕刻。

較佳地，所述電漿蝕刻氣體為所述標的材料的乾法蝕刻氣體。

較佳地，所述電漿蝕刻氣體被所述雷射啟動。

較佳地，所述雷射為紫外飛秒雷射。

更佳地，所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為10-500飛秒，波長為200-1570nm，脈衝重複頻率為200kHz-10MHz，脈衝能量為0.5-100μJ，焦點的直徑為3-15μm。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明還提供一種蝕刻裝置，包括：氣腔、進氣口、噴嘴和雷射發射單元；所述氣腔包括頂部、與所述頂部相對的底部、以及連接所述頂部與所述底部的側壁；所述進氣口位於所述氣腔的側壁；所述噴嘴位於所述氣腔的底部； 所述雷射發射單元位於所述氣腔的頂部，發射雷射將所述氣腔內的氣體啟動為電漿狀態，並使發射的雷射通過所述氣腔後從所述噴嘴射出。

較佳地，所述雷射發射單元為紫外飛秒雷射發射裝置。

較佳地，所述噴嘴口徑為10-80μm。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明還提供一種半導體晶圓分割方法，包括如下步驟：提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積體電路之間設有間隙；利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述多個積體電路之間的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。

較佳地，所述半導體晶圓為矽晶圓，所述電漿蝕刻氣體為矽的乾法蝕刻氣體。

更佳地，所述矽的乾法蝕刻氣體包括蝕刻反應氣體ClF₃、Cl₂、HCl中的一種或多種，以及選自He、Ar、N2之一種或多種攜帶氣體。

較佳地，所述雷射為紫外飛秒雷射。

更佳地，所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為10-500飛秒，波長為200-1570nm，脈衝重複頻率為200kHz-10MHz，脈衝能量為0.5-100μJ，焦點的直徑為3-15μm。

更佳地，所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為100-400飛秒，波長為200-540nm，脈衝重複頻率為500kHHz-5MHz，脈衝能量為1-5μJ，焦點的直徑為5-10μm。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明還提供一種半導體晶圓分割方法，包括如下步驟：提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積 體電路之間設有間隙；在所述半導體晶圓上形成遮罩層，所述遮罩層覆蓋並保護所述積體電路；利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體圖形化所述遮罩層，以露出所述半導體晶圓上多個積體電路之間的間隙；通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割。

較佳地，所述遮罩層為氧化矽層，圖形化所述遮罩層的電漿蝕刻氣體為氧化矽的乾法蝕刻氣體。

更佳地，所述氧化矽的乾法蝕刻氣體包括蝕刻反應氣體HF或H₂O，以及選自He、Ar、N2之一種或多種攜帶氣體。

較佳地，所述雷射為紫外飛秒雷射。

更佳地，所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為10-500飛秒，波長為200-1570nm，脈衝重複頻率為200kHz-10MHz，脈衝能量為0.5-100μJ，焦點的直徑為3-15μm。

更佳地，所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為100-400飛秒，波長為200-540nm，脈衝重複頻率為500kHHz-5MHz，脈衝能量為1-5μJ，焦點的直徑為5-10μm。

較佳地，通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，是在圖形化所述遮罩層後將所述半導體晶圓置於乾法蝕刻設備中對所述遮罩層露出的間隙進行乾法蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。

較佳地，通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，是在圖形化所述遮罩層後利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述遮罩層露出的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。

如上所述，本發明的蝕刻方法、蝕刻裝置及半導體晶圓分割方法，具有以下有益效果： 本發明提出了利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體進行蝕刻的方法及裝置，從而可利用該方法及裝置實現半導體晶圓的分割。本發明的半導體晶圓分割方法避免了採用傳統切割刀劃片造成的應力，有效減少了劃片造成的崩邊、碎片等問題，適用于薄晶圓的劃片分割，其中，發射的雷射一方面可以啟動電漿蝕刻氣體，另一方面可以加快蝕刻效率，相對于現有技術，本發明方法更加簡單、快速和高效。此外，本發明還提供了利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體圖形化遮罩層，再在遮罩層保護下劃片的技術方案，可以有效的保護薄晶圓，提高生產良率。

S101~S102、S201~S204‧‧‧步驟

101‧‧‧氣腔

102‧‧‧進氣口

103‧‧‧噴嘴

104‧‧‧雷射發射單元

1‧‧‧蝕刻裝置

2‧‧‧半導體晶圓

3‧‧‧膠帶

第1圖顯示為本發明實施例一提供的蝕刻裝置的示意圖。

第2圖顯示為本發明實施例二提供的半導體晶圓分割方法的示意圖。

第3圖顯示為本發明實施例二利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體進行半導體晶圓分割的示意圖。

第4圖顯示為本發明實施例三提供的半導體晶圓分割方法的示意圖。

以下結合圖式和具體實施例對本發明進一步詳細說明。根據本案說明書及申請專利範圍，本發明的優點及特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式，且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

實施例

實施例一

本實施例提供一種蝕刻方法，包括如下步驟：利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對標的材料需要蝕刻的區域進行蝕刻。

具體地，所述電漿蝕刻氣體為所述標的材料的乾法蝕刻氣體。所述電漿蝕刻氣體被所述雷射啟動。所述雷射為紫外飛秒雷射。

所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度可以為10-500飛秒，波長可以為200-1570nm，脈衝重複頻率可以為200kHz-10MHz，脈衝能量可以為0.5-100μJ。發射所述紫外飛秒雷射時，可將雷射聚焦到需要蝕刻的區域表面，雷射的焦點直徑可以為3-15μm。具體的紫外飛秒雷射的參數可以根據不同的蝕刻氣體和蝕刻效果的需要進行調整。

本蝕刻方法在雷射與電漿蝕刻氣體的共同作用下，可以實現高效率的快速蝕刻和切割，根據需要蝕刻的線條路徑或圖案移動噴嘴，可以實現簡單線條或圖案的快速蝕刻。

為了實現上述蝕刻方法，本實施例還提供一種帶有噴嘴的蝕刻裝置。請參閱圖1，該蝕刻裝置，包括：氣腔101、進氣口102、噴嘴103和雷射發射單元104；所述氣腔101包括頂部、與所述頂部相對的底部、以及連接所述頂部與所述底部的側壁；所述進氣口102位於所述氣腔101的側壁；所述噴嘴103位於所述氣腔101的底部；所述雷射發射單元104位於所述氣腔101的頂部，發射雷射將所述氣腔101內的氣體啟動為電漿狀態，並使發射的雷射通過所述氣腔101後從所述噴嘴103射出。

作為本實施例的較佳方案，所述雷射發射單元104為紫外飛秒雷射發射裝置。發射雷射的波長、功率、脈衝能量等參數可以通過所述 雷射發射單元進行調整。所述噴嘴口徑可以為10-80μm，噴嘴口徑尺寸的設計需要使雷射能夠通過，同時尖銳的噴嘴可以蝕刻出較細的線條。

該蝕刻裝置工作時，位於所述氣腔101側壁的進氣口102向所述氣腔101通入氣體，位於所述氣腔101頂部的雷射發射單元104發射所需參數的雷射，發射的雷射穿過氣腔101將所述氣腔101內的氣體啟動為電漿狀態，然後經由噴嘴103射出；氣腔101內被啟動的電漿蝕刻氣體也從噴嘴103噴出。

在進行蝕刻時，待蝕刻材料可以放置在帶有真空或靜電吸盤的操作臺上。

實施例二

請參閱圖2，本實施例提供一種半導體晶圓分割方法，包括如下步驟：S101提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積體電路之間設有間隙；S102利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述多個積體電路之間的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。

本實施例中，所述半導體晶圓為矽晶圓，所述電漿蝕刻氣體為矽的乾法蝕刻氣體，即在進行乾法蝕刻矽材料時所用的氣體。本實施例較佳地，所述矽的乾法蝕刻氣體包括蝕刻反應氣體ClF₃、Cl₂、HCl中的一種或多種，以及選自He、Ar、N₂之一種或多種攜帶氣體。

作為本實施例的較佳方案，步驟S102中，所述雷射為紫外飛秒雷射。所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度可以為10-500飛秒，較佳為 100-400飛秒，波長可以為200-1570nm，較佳為200-540nm，脈衝重複頻率可以為200kHz-10MHz，較佳為500kHHz-5MHz，脈衝能量可以為0.5-100μJ，較佳為1-5μJ。發射所述紫外飛秒雷射時，可將雷射聚焦到需要蝕刻的區域表面，雷射的焦點直徑可以為3-15μm，較佳為5-10μm。

作為本實施例的較佳方案，步驟S102中，利用的噴嘴的口徑可以為10-80μm，以形成較細的分割線條。

如圖3所示，具體操作時可以在半導體晶圓2上粘貼膠帶3，以固定半導體晶圓2的位置，避免出現分割後的單片晶片移位等狀況。粘貼了膠帶3的半導體晶圓2可以放置在帶有真空或靜電吸盤的操作臺上，利用帶有噴嘴的蝕刻裝置1進行蝕刻，並根據需要的切割路徑移動蝕刻裝置1，例如沿著半導體晶圓2上設有的劃道移動，從而實現晶圓的劃片。採用本實施例方法分割晶圓時，切割速度，即移動噴嘴的速度可以為500mm/sec-5m/sec，較佳為600mm/sec to 2m/sec。

實施例三

請參閱圖4，本實施例提供一種利用遮罩層保護的半導體晶圓分割方法，包括如下步驟：S201提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積體電路之間設有間隙；S202在所述半導體晶圓上形成遮罩層，所述遮罩層覆蓋並保護所述積體電路；S203利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體圖形化所述遮罩層，以露出所述半導體晶圓上多個積體電路之間的間隙； S204通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割。

步驟S203中，圖形化所述遮罩層主要是在所述遮罩層上依據所述半導體晶圓的劃道位置蝕刻線條，從而可以露出所述半導體晶圓上的劃道，即所述的多個積體電路之間的間隙。本實施例中，所述遮罩層為氧化矽層，圖形化所述遮罩層的電漿蝕刻氣體為氧化矽的乾法蝕刻氣體。其中，氧化矽的乾法蝕刻氣體是指在進行乾法蝕刻氧化矽材料時所用的氣體。本實施例較佳地，所述氧化矽的乾法蝕刻氣體包括蝕刻反應氣體HF或H₂O，以及選自He、Ar、N₂之一種或多種攜帶氣體。

作為本實施例的較佳方案，步驟S203中，所述雷射為紫外飛秒雷射。所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度可以為10-500飛秒，較佳為100-400飛秒，波長可以為200-1570nm，較佳為200-540nm，脈衝重複頻率可以為200kHz-10MHz，較佳為500kHHz-5MHz，脈衝能量可以為0.5-100μJ，較佳為1-5μJ。發射所述紫外飛秒雷射時，可將雷射聚焦到需要蝕刻的區域表面，雷射的焦點直徑可以為3-15μm，較佳為5-10μm。

步驟S204通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，可以採用習知的乾法蝕刻方式，例如，在圖形化所述遮罩層後將所述半導體晶圓置於乾法蝕刻設備中對所述遮罩層露出的間隙進行乾法蝕刻，從而使所述多個積體電路一一分離。具體地乾法蝕刻參數為本領域技術人員所習知，在此不作贅述。

作為本實施例的較佳方案，步驟S204通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，也可以採用本發明的蝕刻方法進行，例如，可以採用實施例二中所述的半導體晶圓分割方法。具體地，在圖形化所述遮罩 層後利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述遮罩層露出的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。利用的雷射較佳為紫外飛秒雷射，所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度可以為10-500飛秒，較佳為100-400飛秒，波長可以為200-1570nm，較佳為200-540nm，脈衝重複頻率可以為200kHz-10MHz，較佳為500kHHz-5MHz，脈衝能量可以為0.5-100μJ，較佳為1-5μJ。發射所述紫外飛秒雷射時，可將雷射聚焦到需要蝕刻的區域表面，雷射的焦點直徑可以為3-15μm，較佳為5-10μm。

具體蝕刻時，可以利用實施例一所述的蝕刻裝置，首先通入氧化矽的乾法蝕刻氣體，調整好雷射參數進行遮罩層的圖形化，然後停止通入氧化矽的乾法蝕刻氣體，改為通入矽的乾法蝕刻氣體，調整好雷射參數，再在遮罩層的保護下蝕刻半導體晶圓，實現晶圓的劃片分割。為了節省時間，也可以採用兩個蝕刻裝置，分別用於進行遮罩層的圖形化和半導體晶圓的劃片分割。

綜上所述，本發明提出了利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體進行蝕刻的方法及裝置，從而可利用該方法及裝置實現半導體晶圓的分割。本發明的半導體晶圓分割方法避免了採用傳統切割刀劃片造成的應力，有效減少了劃片造成的崩邊、碎片等問題，適用于薄晶圓的劃片分割，其中，發射的雷射一方面可以啟動電漿蝕刻氣體，另一方面可以加快蝕刻效率，相對于現有技術，本發明方法更加簡單、快速和高效。此外，本發明還提供了利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體圖形化遮罩層，再在遮罩層保護下劃片的技術方案，可以有效的保護薄晶圓，提高生產良率。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述特定實施例之內容係為了詳細說明本發明，然而，該等實施例係僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下針對本發明所進行之各種變化或修改係落入本發明之一部分。

Claims (16)

1. 一種蝕刻方法，其特徵在於，包括以下步驟：利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對標的材料需要蝕刻的區域進行蝕刻，其中所述雷射為紫外飛秒雷射，且所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為10-500飛秒，波長為200-1570nm，脈衝重複頻率為200kHz-10MHz，脈衝能量為0.5-100μJ，焦點的直徑為3-15μm。
2. 如申請專利範圍第1項的蝕刻方法，其特徵在於：所述電漿蝕刻氣體為所述標的材料的乾法蝕刻氣體。
3. 如申請專利範圍第1項的蝕刻方法，其特徵在於：所述電漿蝕刻氣體被所述雷射啟動。
4. 一種蝕刻裝置，其特徵在於，包括：氣腔、進氣口、噴嘴和雷射發射單元；所述氣腔包括頂部、與所述頂部相對的底部、以及連接所述頂部與所述底部的側壁；所述進氣口位於所述氣腔的側壁；所述噴嘴位於所述氣腔的底部；所述雷射發射單元位於所述氣腔的頂部，發射雷射將所述氣腔內的氣體啟動為電漿狀態，並使發射的雷射通過所述氣腔後從所述噴嘴射出。
5. 如申請專利範圍第4項的蝕刻裝置，其特徵在於：所述雷射發射單元為紫外飛秒雷射發射裝置。
6. 如申請專利範圍第4項的蝕刻裝置，其特徵在於：所述噴嘴口徑為10-80μm。
7. 一種半導體晶圓分割方法，其特徵在於，包括以下步驟：提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積體電路之間設有間隙；利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述多個積體電路之間的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離，其中所述雷射為紫外飛秒雷射，且所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為10-500飛秒，波長為200-1570nm，脈衝重複頻率為200kHz-10MHz，脈衝能量為0.5-100μJ，焦點的直徑為3-15μm。
8. 如申請專利範圍第7項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：所述半導體晶圓為矽晶圓，所述電漿蝕刻氣體為矽的乾法蝕刻氣體。
9. 如申請專利範圍第8項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：所述矽的乾法蝕刻氣體包括選自ClF₃、Cl₂、HCl之一種或多種蝕刻反應氣體，以及選自He、Ar、N₂之一種或多種攜帶氣體。
10. 如申請專利範圍第7項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為100-400飛秒，波長為200-540nm，脈衝重複頻率為500kHz-5MHz，脈衝能量為1-5μJ，焦點的直徑為5-10μm。
11. 一種半導體晶圓分割方法，其特徵在於，包括以下步驟：提供一半導體晶圓，所述半導體晶圓上形成有多個積體電路，所述多個積體電路之間設有間隙；在所述半導體晶圓上形成遮罩層，所述遮罩層覆蓋並保護所述積體電路；利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體圖形化所述遮罩層，以露出所述半導體晶圓上多個積體電路之間的間隙；通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，其中所述雷射為紫外飛秒雷射，且所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為10-500飛秒，波長為200-1570nm，脈衝重複頻率為200kHz-10MHz，脈衝能量為0.5-100μJ，焦點的直徑為3-15μm。
12. 如申請專利範圍第11項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：所述遮罩層為氧化矽層，圖形化所述遮罩層的電漿蝕刻氣體為氧化矽的乾法蝕刻氣體。
13. 如申請專利範圍第12項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：所述氧化矽的乾法蝕刻氣體包括蝕刻反應氣體HF或H₂O，以及選自He、Ar、N₂之一種或多種攜帶氣體。
14. 如申請專利範圍第11項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：所述紫外飛秒雷射的脈衝寬度為100-400飛秒，波長為200-540nm，脈衝重複頻率為500kHz-5MHz，脈衝能量為1-5μJ，焦點的直徑為5-10μm。
15. 如申請專利範圍第11項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，是在圖形化所述遮罩層後將所述半導體晶圓置於乾法蝕刻設備中對所述遮罩層露出的間隙進行乾法蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。
16. 如申請專利範圍第11項的半導體晶圓分割方法，其特徵在於：通過露出的間隙對所述半導體晶圓進行分割，是在圖形化所述遮罩層後利用噴嘴發射雷射並噴出電漿蝕刻氣體對所述遮罩層露出的間隙進行蝕刻，使所述多個積體電路一一分離。