切割形成有金屬層的半導體晶片的激光加工方法和激光加工裝置與流程

本發明涉及激光加工方法和激光加工裝置，更特別地，涉及使用激光切割形成有金屬層的半導體晶片的激光加工方法以及用于其的激光加工裝置。

背景技術：

激光加工裝置使用光學系統將從激光振蕩器發射的激光束照射到加工對象上，以通過照射的激光束在加工對象上進行諸如標記、曝光、蝕刻、沖孔、劃線(scribing)、切割(dicing)等的激光加工操作。

近來，為了防止對加工對象的表面的損壞，通過在可透過激光束的加工對象內部形成聚焦點并產生裂紋以對加工對象進行加工的方法受到關注。例如，當使具有高輸出功率的激光束在半導體晶片內聚焦以形成聚焦點時，在聚焦點周圍形成改性區域，使得從改性區域產生裂紋。此外，激光束沿著半導體晶片的預定加工線移動以在加工對象內部產生裂紋行，然后裂紋自然地或通過使用外力而延伸到半導體晶片的外表面，使得半導體晶片能夠被切割。

然而，存在的缺點是不可能使用激光加工方法切割具有金屬層的半導體晶片。由于金屬層形成為具有約10μm的厚度，所以激光束不能透過具有該厚度的金屬層，因此，不能在金屬層或半導體晶片內部形成切割所需的裂紋。此外，由于形成在半導體晶片的表面上的金屬層具有高韌性，所以缺點在于在半導體晶片的切割操作期間產率下降。

技術實現要素：

技術問題

一個或多個示例性實施方式提供了使用激光束切割形成有金屬層的半導體晶片的激光加工方法以及激光加工裝置。

技術效果

在根據實施方式的激光加工方法中，為了切割具有形成在半導體晶片的表面上的金屬層的加工對象，通過使沿著同軸路徑行進的多個激光束透過半導體晶片，使激光束分別在金屬層的與半導體晶片交界的表面處，以及在與半導體晶片的表面(與金屬層交界的表面)鄰近的位置處聚焦，以分別形成聚焦點，從而可以容易地切割加工對象。此外，因為不需要進行涂覆保護層以保護芯片的預處理，并且不需要在切割工藝之后進行清潔工藝以除去污染物，所以激光加工方法能夠更簡單。

附圖說明

圖1至圖4是示出加工具有金屬層的半導體晶片的一般激光加工方法的圖。

圖5是示出根據本發明的示例性實施方式的激光加工裝置的框圖。

圖6是圖5的光束擴展單元和聚光透鏡的放大圖。

圖7是示出相對于時間軸，從圖5的激光加工裝置射出以入射到加工對象的第一激光束和第二激光束的波形的圖。

圖8a至圖12是示出根據本發明的另一示例性實施方式的另一激光加工方法的圖。

具體實施方式

現在將詳細參考其示例在附圖中示出的實施方式。這里闡述的實施方式并非意在限制本發明的范圍。而是，提供這些實施方式是為了向本領域普通技術人員解釋本發明的各方面。在附圖中，相同的附圖標記始終表示相同的元件，并且為了解釋清楚，可以夸大元件的尺寸或厚度。應當理解，當表示材料層在基板或另一層“上”時，材料層可以直接在基板或另一層上，或者可以在其之間存在另一第三層。此外，所述用于形成各層的材料僅僅是示例，且也可以使用另一種材料。

圖1至圖4是示出對形成有金屬層20的半導體晶片10進行加工的一般激光加工方法的圖。

如圖1所示，加工對象30由半導體晶片10和形成在半導體10的頂表面上的金屬層20制成。這里，半導體晶片10可以是可用于一般半導體工藝中的基板，并且可以包括例如硅(Si)、碳化硅(Sic)、砷化鎵(GaAs)或藍寶石(Sappire)。半導體晶片10可以包括各種半導體材料中的一種。金屬層20可以是可用于一般半導體工藝中的導電材料，并且可以包括例如銅(Cu)、鉬(Mo)或金(Au)。金屬層20可以包括具有高導電性的各種金屬成分中的一種。使用激光加工裝置(未示出)將激光束L聚焦在金屬層20的表面上以形成聚焦點P。因此，由于激光燒蝕，可以在金屬層20的表面的聚焦點P周圍形成溝槽。

參考圖2，當加工對象30沿著預定加工線S移動時，聚焦點P移動，因此沿著預定加工線S在金屬層20的表面上形成具有深度的溝槽線50。參考圖3，刀片70位于溝槽線50上，然后沿著溝槽線50移動以進行鋸切操作，使得加工對象30分割成如圖4所示的多個芯片30’和30”。

上述激光加工方法使用激光束L形成溝槽線50，然后使用諸如刀片70的機械裝置切割加工對象30。然而，該激光加工方法需要進行涂覆保護層(未示出)的預處理以保護芯片30’和30”。此外，在切割操作之后需要另外的清潔工藝以去除污染物。因此，存在使激光加工方法變得復雜的問題。

圖5是示出根據本發明的示例性實施方式的激光加工裝置的框圖。

參考圖5，根據本實施方式的激光加工裝置可以包括用于發射多個激光束L1和L2的多個激光光源201和202，以及用于控制多個激光束L1和L2沿著同軸路徑入射到加工對象上(更具體地，半導體晶片110內)的光學系統。加工對象100包括半導體晶片110和形成在半導體晶片110的一個表面(即，圖5中半導體晶片110的下表面)上的金屬層120。這里，半導體晶片110可以是可用于一般半導體工藝中的基板，并且可以包括例如硅(Si)、碳化硅(Sic)、砷化鎵(GaAs)或藍寶石。半導體晶片10可以包括各種半導體材料中的一種。金屬層20可以是可用于一般半導體工藝中的導電材料，并且可以包括例如銅(Cu)、鉬(Mo)或金(Au)。金屬層20可以包括具有高導電性的各種金屬成分中的一種。

多個激光光源201和202可以包括用于發射脈沖型的第一激光束L1的第一激光光源201和用于發射脈沖型的第二激光束L2的第二激光光源202。第一激光束L1和第二激光束L2可以具有在約900nm至約1700nm之間的波長，然而，本發明不限于此。如稍后所述，第一激光束L1在金屬層120的與半導體晶片110的交界的的表面上形成第一聚焦點P1。而第二激光束L2在與半導體晶片110的一個表面(與金屬層120交界的表面，即圖5中半導體的下表面)鄰近的位置處形成第二聚焦點P2。第一激光光束L1可以具有比第二激光束L2小的脈沖寬度。例如，第一激光束L1可以具有毫微微秒(fs)范圍的脈沖寬度，而第二激光束L2可以具有納秒(ns)范圍的脈沖寬度。更具體地，第一激光束L1可以具有在約50fs至200fs之間的范圍內的脈沖寬度，而第二激光束L2可以具有在約300ns至800ns之間的范圍內的脈沖寬度。然而，本發明不限于此。第一激光束L1和第二激光束L2可以具有不同的脈沖寬度。

從第一激光光源201發射的第一激光束L1可以沿著預定路徑行進，由反射鏡210反射，透過分束器220，然后入射到光束擴展單元(BET)230上。這里，如果需要，可以在第一激光光源201和反射鏡210之間的光路上設置另外的光學單元，例如半波片、偏振分束器(PBS)等。從第二激光光源202發射的第二激光束L2可以沿著預定路徑行進，由分束器220反射，然后入射到光束擴展單元230上。這里，如果需要，可以在第二激光光源202和分束器220之間的光路上設置另外的光學單元。

從分束器220發射的第一激光束L1和第二激光束L2通過光束擴展單元230和聚光透鏡240，透過半導體晶片110，然后聚焦形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2。圖6示出了圖5的光束擴展單元230和聚光透鏡240的細節。參見圖6，光束擴展單元230可以包括多個透鏡231、232和233，并且聚焦點P1和P2的位置可以根據透鏡231、232和233之間的距離而改變。因此，入射到光束擴展單元230上的第一激光束L1和第二激光束L2可以由光束擴展單元230控制，以調節在加工對象100內形成的第一聚焦點P1和第二聚焦點P2的位置。

如上所述，在激光加工裝置中，從第一激光光源201發射的第一激光束L1被反射鏡210反射以被傳輸到分束器220，并且從第二激光光源202發射的第二激光束L2被分束器220反射。因此，已經通過分束器220的第一激光束L1和第二激光束L2沿著同軸路徑行進。然后，已經沿著同軸路徑行進的第一激光束L1和第二激光束L2穿過光束擴展單元230和聚光透鏡240而在加工對象100中的預定位置處聚焦，以形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2。這里，可以根據光束擴展單元230的透鏡231、232和233之間的距離來控制聚焦點P1和P2的位置。

同時，第一激光束L1和第二激光束L2以時間滯差入射在加工對象100中。圖7是示出相對于時間軸，從圖1的激光加工裝置射出的第一激光L1和第二激光L2入射到加工對象100上的波形的圖。參考圖7，在從第一激光光源201發射的脈沖型的第一激光束L1入射到加工對象100上之后經過預定時間Δt，從第二激光光源202發射的脈沖型的第二激光束L2入射在加工對象100上。盡管圖7示出了第一激光束L1和第二激光束L2彼此不重疊并且彼此不干涉的波形，但是第一激光束L1和第二激光束L2可以部分重疊，使得第一激光束L1和第二激光束L2彼此干涉。可以使具有預定時間差Δt的一組第一激光束L1和第二激光束L2聚焦在加工對象100內部，使得能夠形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2，然后在加工對象100移動預定距離后，使下一組第一激光束L1和第二激光束L2入射在加工對象100內部，使得第一聚焦點P1和第二聚焦點P2能夠移動。

在下文中，將參考圖8a至圖12解釋使用圖5和圖6中所示的激光加工裝置切割形成有半導體晶片110和金屬層120的加工對象100的工藝。

圖8a示出通過從激光加工裝置發射的第一激光束L1和第二激光束L2在加工對象100內部形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2的情況，圖8b是圖8a的側視圖。

參考圖8a和8b，準備加工對象100。加工對象100由半導體晶片110和形成在半導體晶片110的下表面上的金屬層120制成。這里，半導體晶片110和金屬層120可以包括可用于上述半導體制造工藝中的材料。并且，已經通過圖5的激光加工裝置的聚光透鏡240的脈沖型第一激光束L1和第二激光束L2，透射到半導體晶片110的內部，以分別形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2。第一激光束L1和第二激光束L2入射到半導體晶片110的沒有形成金屬層120的上表面上，并透過半導體晶片110。

如上所述，從激光加工裝置發射的第一激光束L1和第二激光束L2沿著同軸路徑行進以入射到半導體晶片110上。第一激光束L1和第二激光束L2可以具有在例如大約900nm至大約1700nm的范圍內的波長，然而，本發明不限于此。這里，第一激光束L1可以具有比第二激光束L2小的脈沖寬度。例如，第一激光束L1可以具有毫微微秒范圍(例如，大約50fs至200fs)的脈沖寬度，而第二激光束L2可以具有納秒范圍的脈沖寬度(例如，大約300ns～800ns)。然而，本發明不限于此，因此第一激光束L1和第二激光束L2可以具有與上述脈沖寬度不同的脈沖寬度。

第一激光束L1和第二激光束L2以一定時間差入射到可透射的半導體晶片110上，以分別形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2。如圖7所示，在第一激光束L1入射到半導體晶片110上形成以第一聚焦點P1之后經過預定時間Δt，第二激光束L2入射到半導體晶片110上以形成第二聚焦點P2。因此，一組第一激光束L1和第二激光束L2以時間差入射到半導體晶片110上，使得第一聚焦點P1和第二聚焦點P2分別形成在加工對象100內部的預定位置處。

當第一激光束L1透過半導體晶片110，然后聚焦在金屬層120的與半導體晶片110形成邊界的表面上時，形成第一聚焦點P1。因此，當第一聚焦點P1形成在金屬層120的表面上時，由于激光燒蝕，能夠在金屬層120的表面上形成溝槽線。并且，當沿著與第一激光束L2的同軸路徑行進的第二激光束L2透過半導體晶片110并且在與半導體晶片110的下表面(與金屬層120形成邊界的表面)鄰近的位置處聚焦時，形成第二聚焦點P2。這樣，當在與半導體晶片110的下表面鄰近的位置處形成第二聚焦點P2時，在第二聚焦點P2周圍形成改性區域，使得裂紋能夠從該改性區域到半導體晶片110的表面形成并延伸。這里，第二聚焦點P2可以形成在比第一聚焦點P1更高的位置處，因此可以形成第二聚焦點P2而不干擾由于形成第一聚焦點P1而產生的溝槽。

圖9a示出在加工對象100內部形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2之后，第一聚焦點P1和第二聚焦點P2的移動狀態。圖9b是沿圖9a的線I-I’的剖視圖。

參考9a和9b，在第一聚焦點P1和第二聚焦點P2分別形成在金屬層120的表面和與半導體晶片110的下側相鄰的位置處的狀態下，如圖8a和8b所示，加工對象100沿著預定的加工線S移動，然后另一組第一激光束L1和第二激光束L2以時間差Δt入射到加工對象100上。因此，在沿著預定方向(即，與加工對象100的移動相反的方向)移動的同時形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2。同時，第一聚焦點P1和第二聚焦點P2的移動可以通過移動激光加工裝置而非移動加工對象100來進行。當第一激光束L1和第二激光束L2重復地入射到加工對象100內部同時如上所述移動加工對象100時，第一聚焦點P1和第二聚焦點P2沿著加工對象100內部的預定加工線S移動。

在該工藝中，當移動第一聚焦點P1時，通過激光燒蝕除去一部分金屬層120，以在金屬層120的與半導體層110交界的表面上沿著預定加工線S形成內部溝溝槽線。并且，在與半導體晶片110的與金屬層120交界的下表面鄰近的位置處，裂紋行根據第二聚焦點P2的移動而沿著預定加工線S形成并延伸到半導體晶片110的下表面。因此，當加工對象100停止移動時，如圖10所示，在加工對象100的內部形成內部溝槽線125和裂紋行111。

參考圖11，在半導體晶片110較厚的情況下，在加工對象100中形成內部溝槽線125和裂紋行111，然后，第二激光束L2在半導體晶片110內部聚焦以形成另一個聚焦點，使得通過移動加工對象100另外形成至少一個內部裂紋行112和113。同時，當形成內部溝槽線125和裂紋行時，可以通過使用一個或多個另外的激光束(未示出)同時形成內部裂紋行112和113。這樣，能夠根據一個或多個內部裂紋行112和113更容易地切割加工對象100。同時，通過使用第一激光束L1重復加工，與單次加工比可以使內部溝槽線125形成得更深。

參考圖12，在沿著如圖11所示的加工對象100內部的預定加工線S形成內部溝槽線125和裂紋行111(以及內部裂紋行112、113)的狀態下，加工對象100可以通過自然斷裂或根據對加工對象100的外部沖擊而被分割成多個芯片100’和100”。

如上所述，在根據本實施方式的激光加工方法中，通過透射沿著同軸路徑行進的多個激光束L1和L2，以切割具有形成在半導體晶片110的表面上的金屬層120的加工對象100；使激光束L1和L2在金屬層120的與半導體晶片110交界的表面和與半導體晶片110的與金屬層120交界的表面鄰近的位置處聚焦；并分別形成第一聚焦點P1和第二聚焦點P2，可以容易地切割加工對象100。此外，因為不需要進行涂覆保護層以保護芯片100’和100”的預處理，并且不需要在切割工藝之后進行清潔工藝以除去污染物，所以激光加工方法能夠更簡單。

盡管已經參考附圖描述了一個或多個示例性實施方式，但是本領域普通技術人員將理解，可以在其中進行形式和細節上的各種改變。

實施方式

根據示例性方面，一種使用激光加工包括半導體晶片和形成在半導體晶片的一個表面上的金屬層的加工對象的激光加工方法包括：使沿著同軸路徑行進的多個激光束透過半導體晶片，以分別在金屬層的與半導體晶片形成邊界的表面處，以及在與半導體晶片的一個表面鄰近的位置處形成聚焦點。

多個激光束可以包括脈沖型的第一激光束和第二激光束，且所述方法還可以包括：通過第一激光束在金屬層的與半導體晶片形成邊界的表面上形成第一聚焦點，以及通過第二激光束在與半導體晶片的一個表面鄰近的位置處形成第二聚焦點，，其中，所述半導體晶片的所述一個表面是與所述金屬層形成邊界的表面。

第二激光束可以相對于所述第一激光束以預定時間滯差入射到所述半導體晶片上。這里，第一激光束與第二激光束可以相互干涉或不相互干涉。第一激光束可以具有比所述第二激光束更小的脈沖寬度。例如，第一激光束可以具有毫微微秒范圍的脈沖寬度；而第二激光束具有納秒范圍的脈沖寬度。

所述方法還可以還包括：可以沿加工對象的預定加工線移動第一聚焦點和第二聚焦點。根據第一聚焦點的移動在金屬層的表面上形成內部溝槽線，且可以根據第二聚焦點的移動在與半導體晶片的表面鄰近的位置上形成裂紋行。

多個激光束可以入射到所述半導體晶片的不與所述金屬層形成邊界的另一表面上。多個激光束可以具有在900nm至1700nm的范圍內的波長。半導體晶片可以包括Si、Sic、GaAs或藍寶石；且金屬層可以包括Cu、Mo或Au。

根據另一示例性方面，一種使用激光對包括半導體晶片和形成在半導體晶片的一個表面上的金屬層的加工對象進行加工的激光加工裝置包括：多個激光光源，用于發射多個激光束；和光學系統，用于使多個激光束沿著同軸路徑行進以透過半導體晶片，并用于分別在金屬層的、與半導體晶片形成邊界的表面處以及在與半導體晶片的一個表面鄰近的位置處形成聚焦點。

多個激光光源可以包括：第一激光光源，用于發射脈沖型的第一激光束以在金屬層的表面上形成第一聚集點；和第二激光光源，用于發射脈沖型的第二激光束以在與半導體晶片的表面鄰近的位置上形成第二聚集點。