[發明專利]電磁場控制等離子體調控裂紋擴展的激光切割裝置及方法

在審

• 申請號: 201911409787.6
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111055029A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 劉勝;張臣;王力恒;程佳瑞;劉鋒
• 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

公開了一種電磁場控制等離子體調控裂紋擴展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，用于產生匯聚至加工工件(14)內部使工件材料氣化電離形成等離子體的激光光束(15)；和電磁場發生裝置，用于產生施加在等離子體上的電場力和磁場力。等離子體在電場力和磁場力作用下加速運動，進一步沖擊已形成的裂紋，使裂紋擴展。通過控制電磁場的時空位置和場能大小，以實現基于電磁場控制等離子體調控裂紋擴展的超快激光隱形切割的目的。本發明在保持和提高超快激光隱形切割質量的同時，解決了隱形切割效率低下的瓶頸問題。

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，具體涉及一種電磁場控制等離子體調控裂紋擴展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

本發明提出一種電磁場控制等離子體調控裂紋擴展的激光切割裝置及方法。首先，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，沿切割方向，在加工工件的左右兩側通電入電流，使等離子體在電場力的作用下運動。同步地，產生磁場，使等離子體在洛倫茲力的作用下運動。由此，等離子體加速運動，進一步沖擊已形成的裂紋，使裂紋擴展。由于裂紋相較于未改進的隱形切割方法所得到的裂紋更長，因此對晶圓進行隱形切割的次數顯著降低，提高了加工效率；并且由于裂紋更長，因此晶圓的橫截面質量更好，更不容易產生碎片、崩邊等缺陷。

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；和電磁場發生裝置，用于產生施加在等離子體上使等離子體加速運動的電場力和磁場力。

在上述的激光切割裝置，所述隱形切割裝置產生的所述激光光束垂直于加工工件。