[發明專利]采用全光學方式的激光劃片在線監測裝置

在審

• 申請號: 202010567920.7
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111604607A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 郝強;曾和平
• 申請（專利權）人: 郝強;曾和平
• 主分類號: B23K26/70
• 分類號: B23K26/70;B23K26/03;B23K26/55;H01L21/66;H01L21/67;B23K101/40
• 代理公司: 東莞市華南專利商標事務所有限公司 44215
• 代理人: 劉克寬

本發明提供一種采用全光學方式的激光劃片在線監測裝置，用于對激光劃片的全動態過程進行原位實時觀測，包括：倍頻晶體及半反射鏡，所述倍頻晶體將探測光倍頻后經半反射鏡反射至待測晶圓處；二向色鏡，其位于半反射鏡與待測晶圓之間的光路上，用于反射抽運光/劃片光至與探測光合束；二向色物鏡，其位于二向色鏡與待測晶圓之間的光路上，用于將所述抽運光/劃片光與所述探測光聚焦，焦點置于待測晶圓內部；第一探測器，其位于待測晶圓一側中半反射鏡的透射光路上且較之半反射鏡遠離待測晶圓，用于記錄探測光的反射信息；第二探測器，位于待測晶圓的另一側且設置在從二向色物鏡往待測晶圓的光路延長線上，用于記錄探測光的透射信息。

技術領域

本發明涉及激光劃片的監測，特別涉及一種采用全光學方式的激光劃片在線監測裝置。

背景技術

在半導體制造中，晶圓是半導體產業鏈的上游核心，材料和設備是整個半導體產業的基石。更大晶片、更小晶粒(芯片)、更多功能是半導體行業未來的發展趨勢。半導體生產流程由晶圓制造、晶圓測試、芯片封裝和測試組成。其中，晶圓劃片是半導體芯片封裝過程中的一個重要環節，是將一整片晶圓沿預先設定的切割道分割成單個晶粒的過程，該環節對芯片的質量和壽命有著直接且重要的影響。晶圓劃片的質量標準由芯片完整度、無微裂紋、界面無剝離、芯片邊緣無毛刺、背面邊界無崩裂、邊角無脫落等等多個苛刻條件組成，這些條件都是在微米尺度下進行衡量。隨著晶粒間距越來越小，預留給劃片切割道的空間也越來越窄。因此，如何在豐富芯片功能的同時進一步縮小其尺寸，如何在不降低芯片良率的前提下進一步提高產率，如何在不導致缺陷的情況下切割出復雜的集成電路芯片，這些都與晶圓劃片技術的革新密切相關。

機械劃片是利用砂輪或刀片的高速旋轉對晶圓進行強力切割。機械劃片工藝成熟，典型劃片速度100mm/s、切割道寬度60-80μm。但機械劃片也存在著明顯不足，比如機械劃片為濕式劃片，須采用冷卻液沖洗和降溫；刀片施加的下壓力會導致晶圓產生機械形變；劃片的切割道寬、速度慢，還有濺射、殘留、崩邊、膜層脫落、卷邊缺陷等問題。特別是，對于高硬度脆性材料，如SiC，機械劃片還必須在劃切質量與劃切速度之間做出妥協。

半導體制程的技術迭代對激光加工精度的要求越來越高，當切割道寬度、熱影響區、崩邊尺寸等多個要素都必須控制在幾個微米以下時，超短脈沖成為激光精密加工的有效手段。因此，將超短脈沖與激光劃片技術相結合成為提升晶圓劃片產率和良率的重要突破點。超短脈沖隱形切割相較于納秒脈沖劃片有著較大不同，表現為高峰值功率超短脈沖引入的瞬態(飛秒/皮秒)時間效應、緊聚焦條件下產生的納米尺度空間效應(非線性和熱輸運)等等。當近紅外波段超短脈沖聚焦至半導體材料時，會由非線性吸收主導多光子電離和雪崩電離；當等離子體密度高于某臨界值時，將類似金屬一樣強烈吸收激光并劇烈升溫；進一步，當區域內正離子間的強大庫倫排斥力超出瑞利不穩定極限值時，會產生強烈的庫倫爆炸。了解這些超快動力學機制對改善半導體器件的性能至關重要。

最近，人們已經開始嘗試采用超短脈沖對Si和Al2O3等傳統襯底材料進行隱形切割。在產線現場驗證過程中，設定切割速度為600mm/s，以厚度為110μm的Al2O3襯底LED晶圓為劃切對象，通過優化皮秒脈沖的平均功率、脈沖能量、脈沖串內子脈沖數、光束質量等激光參數，獲得了最高大于99.5％的良率，晶圓切割前后良率幾乎無衰減。然而，對于SiC晶圓來說，機械劃片和激光劃片的發展都較為緩慢，原因在于SiC材料從晶棒生長到晶圓加工都存在著諸多需要解決的問題。如：一、SiC有多種同素異構體，而異構體元胞所含原子數目較大，計算工作復雜，對這些異構體能帶結構的理論認識尚不充足；二、SiC單晶生長條件苛刻，生長周期長；三、由于SiC屬于硬脆材料(莫氏硬度達到9.5，超過Al2O3，僅次于金剛石)，晶棒的切割、以及晶圓的研磨、減薄、拋光都有極大難度；四、由于加工難度大，SiC襯底(350-500μm厚度)相較Al2O3和Si襯底(100-200μm厚度)厚，引發出光學透過率這個制約隱形切割的關鍵問題；五、SiC禁帶寬度約為3.4eV，是Si的3倍，是Al2O3的1/3，無法直接采用Al2O3和Si襯底的激光劃片工藝。