[发明专利]使用激光脉冲进行的材料切割

说明书

一种通过使用激光能量照射半导体材料来切割所述半导体材料的方法，包括：提供激光源，所述激光源被适配为发射连续激光束脉冲，每个激光束脉冲的脉冲宽度为100皮秒或更小；从所述激光源发射激光束脉冲，引导所发射的激光束脉冲照射待切割的半导体材料；以及相对于照射激光束脉冲移动所述半导体材料，以便沿切割线切割所述半导体材料。由脉冲重复频率在0.1GHz至5000GHz的范围内的多个激光束脉冲照射所述半导体材料。

技术领域

本发明涉及一种切割半导体材料的方法和激光切割装置。

背景技术

分割和划片是半导体行业中众所周知的工艺，在半导体行业中，切割机用于加工工件或衬底（如半导体晶片），所述工件或衬底例如可以包括硅，但不限于此。贯穿本说明书，术语“晶片”用于包含所有这些产品。在分割（例如也被称为切片、切断、劈开）工艺中，完全切穿晶片，如将晶片分割成单独芯片。在划片（例如也被称为开槽、刻痕、刨削或开沟）工艺中，将沟道或沟槽切割成晶片。接着，可以应用其他工艺，例如，通过沿着切割沟道使用机械锯来进行的完整分割。可替代地或附加地，可以使用钻孔工艺在晶片上形成孔。贯穿本说明书，术语“切割”将用于包含分割、划片和钻孔。

然而，半导体技术小型化的总体趋势是减小晶片的厚度，并且随着晶片厚度的减小，已经表明，与使用机械锯相比，激光技术在分割方面变得更加有利。与机械对应工艺（如钻孔和锯切）相比，将大功率激光用于此类材料加工具有显著优势，并且激光加工在应对小巧而精致的工件方面具有良好的通用性。

半导体材料的激光去除由于激光束聚焦的较小区域的温度快速增加而发生，从而使局部材料熔化、剧烈沸腾、蒸发和烧蚀。激光分割面临挑战包括加工产量和工件（芯片）质量之间的微妙平衡。激光参数（如能量密度、脉冲宽度、重复率、偏振以及偏振分布、波前形状以及其相位修正和波长）决定了加工质量和产量。例如在WO 1997/029509 A1中，已经提出了使用多光束激光切割方法，其中聚焦激光束（其可以以线性激光光斑阵列排列）的线性簇用于沿着划片线对衬底材料进行烧蚀，从而沿着烧蚀线对衬底进行照射刻痕。以这种方式使用多光束而不是单个（功率更大）光束可以提供各种优点，特别是降低了在切割过程中产生的缺陷密度。

激光加工质量的定量评估之一是芯片或晶片断裂强度，其决定晶片断裂时的拉应力。单轴挠曲测试通常用于测定脆性材料的断裂强度并且已被用于测量晶片强度。这些测试包括通常用于测量断裂强度的三点弯曲测试和四点弯曲测试。

据信，通过激光分离的晶片的断裂强度取决于在晶片中进行激光分割工艺后出现的激光诱发缺陷（如微裂纹和切屑）的程度。这些缺陷由主体半导体材料和局部激光加工区之间的界面处的高应力产生。所述高应力是由于在芯片的加工侧的壁的工艺和化学转变期间出现的声冲击波引起的主体和受加工区之间的高的温度梯度而产生的。包含此类缺陷的半导体材料区域通常被称为“热影响区”。晶片的前侧和后侧的断裂强度通常不同，并且事实上，存在可以使后侧和上侧强度显著不同的技术、工艺和晶片布局。

超短脉冲（“USP”）激光的最新进展使晶片加工能够进行的更加精确，由于那些激光的时间脉冲宽度比固体中电子-声子弛豫的典型时间短，造成光激发电子到晶格的热传递，所以小于1-10ps的脉冲宽度取决于被加工的特定材料。USP激光虽然可以提高材料的芯片强度，但使用这类USP激光的晶片加工系统的生产率由于各种原因（例如包括热扩散诱发交互体积较小）而降低了。

为了提高激光加工速度并且由此提高生产率，提出了对激光脉冲装置，在此装置中，存在由激光源发射的激光脉冲的两个重复周期或“脉冲串”，使得连续脉冲之间的时间t₁短于连续脉冲串之间的时间t₂（即连续脉冲串的第一脉冲p₁之间的时间），但是长于激光脉冲宽度Δτ。脉冲串是在周期t₂内分组的整数（n）个激光脉冲p_n。