[發明專利]基于等離子體的擴展可控裂紋的激光切割裝置及方法

在審

• 申請號: 201911404219.7
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111055028A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 張臣;劉勝;王力恒;程佳瑞
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B23K26/53
• 分類號: B23K26/53;B23K26/08;B23K26/06;B23K26/03;B23K26/70;B23K101/40
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 鄭勤振

公開了一種基于等離子體的擴展可控裂紋的激光切割裝置及方法，所述裝置包括：多軸移動平臺(9)；成像系統，用于獲取多軸移動平臺(9)上加工工件(14)表面圖像；隱形切割裝置，用于產生激光光束(15)，激光光束(15)匯聚至待加工工件(14)內部使隱形切割激光焦斑(13)處工件材料氣化電離，形成等離子體，等離子體擴張并沖擊材料形成裂紋；和一個或多個輔助激光裝置，用于產生輔助激光光束(16)，輔助激光光束(16)焦斑匯聚至加工工件(14)內部等離子體與裂紋區域，加速等離子體膨脹，進一步沖擊已形成的裂紋，使裂紋擴展。本發明通過控制輔助激光光束(16)的位置及能量，實現裂紋擴展長度與方向可控。

技術領域

本發明屬于機械切割加工領域，涉及高精細超快激光隱形切割技術，具體涉及一種基于等離子體的擴展可控裂紋的激光切割裝置及方法。

背景技術

目前，半導體行業廣泛運用機械切割方法對晶圓進行切割。晶圓機械切割是利用高速旋轉的切割刀片直接分割晶圓。機械切割的優點是操作簡便，對切割儀器的要求不高。但是機械切割有諸多缺點。首先，機械切割容易造成晶圓崩邊和破損；其次，機械切割的切割道比較大，造成不必要的浪費；最后，機械切割所用的刀片易磨損，需要頻繁更換，成本較高。歸根結底，這些缺點是由于刀片與材料的機械接觸所導致。因此，近年來越來越多的半導體企業開始采用無機械接觸的激光劃線方法加工晶圓。

激光劃線利用激光能量密度高于晶圓燒蝕閾值的特點，對晶圓表面進行劃線處理，劃線區域產生凹坑或者應力集中，后期通過分片機進行裂片處理，晶圓即按照劃線路徑分離，實現晶圓的切割。相較于機械切割，激光劃線有諸多優點。激光劃線是非機械式切割，可以完全避免晶圓破損和崩邊；激光劃線對晶圓的電學性能影響較小，可以提供更高的成品率；激光劃線速度較快，加工效率較高。然而激光劃線也存在缺點，在激光劃線過程中，晶圓表面經常被液滴和煙霧所污染；另外，高能量激光作用于晶圓，會產生熱影響區。

最近，半導體行業提出了一種新型的激光隱形切割工藝。激光隱形切割是，激光焦點被聚焦到晶圓內部，沿著切割路徑移動，由于激光能量密度高于晶圓燒蝕閾值，晶圓內部會形成改性層，此位置形成應力集中；然后，晶圓進行裂片處理，在應力集中位置斷裂，實現切割。由于激光隱形切割也是利用激光對晶圓進行切割，因此隱形切割也具備激光劃線的各種優點。除此之外，隱形切割還具備激光劃線所不具備的優點。首先，隱形切割的切割道極細，可以避免對晶圓的浪費；其次，由于切割過程是在晶圓內部進行，所以晶圓不會被液滴和煙霧污染；最后，晶圓內部也不會由于激光能量沉積形成熱影響區。但是，隨著對芯片需求量的增長，激光隱形切割的效率滿足不了相關要求，因此提高激光隱形切割的效率是半導體行業亟待解決的問題。

一般來講，半導體行業是通過增加激光能量形成較大的改性層以降低隱形切割次數來提高加工效率，但是這就導致了晶圓內部損傷區域擴大。因此，目前半導體行業亟待提出一種既可以提高切割效率又可以提高切割質量的新型工藝。

發明內容

本發明提出一種基于等離子體的擴展可控裂紋的激光切割切割裝置及方法，激光光束匯聚至待加工工件內部，形成高能量焦斑，焦斑處工件材料吸收能量后氣化電離，形成等離子體，等離子體擴張并沖擊材料形成裂紋。同步地，在加工工件兩側引入輔助激光束，輔助激光光束焦點匯聚至加工工件內部等離子體與裂紋區域，等離子體吸收輔助激光光束能量后加速膨脹，進一步沖擊已形成的裂紋，使裂紋擴展。通過控制輔助激光光束的時空位置及能量，以實現基于輔助激光增強等離子體調控裂紋擴展的超快激光隱形切割的目的。

根據本發明實施例的一方面，提供一種激光切割裝置，包括：

多軸移動平臺；

成像系統，用于獲取多軸移動平臺上加工工件表面圖像；

隱形切割裝置，用于產生匯聚至待加工工件內部使工件材料氣化電離形成等離子體的激光光束；和

一個或多個輔助激光裝置，用于產生輻照等離子體使其加速膨脹的輔助激光光束。