本發(fā)明涉及半導體加工領域，具體涉及一種激光加工系統(tǒng)及方法。

背景技術：

在半導體加工領域，半導體器件通常在晶圓上批量制造完成，且加工完成后，需要將晶圓上的器件分離成一個一個的芯片，因此需要對晶圓進行切割。

針對晶圓工件通常采用機械式切割，主要包括砂輪刀，激光切割和離子刻蝕三種切割方式，其中砂輪刀的切割道較寬，在切割減薄晶圓工件時容易引起崩邊及裂紋。此外，由于半導體器件越來越多的使用低介電常數(shù)(low-k介電)材料，由于該材料的延展性及較低的粘附性使得切割非常困難，容易造成切割區(qū)域的裂紋及分層，甚至會包裹刀刃而引起斷刀，因此砂輪刀切割的適應性較差。離子刻蝕的成本較高，且工序比較復雜，需要先將表層的材料劃開露出基材，然后用離子進行深度刻蝕。

激光切割是將激光束聚焦到工件材料的表面或者內部，材料吸收光子后通過熔化，氣化和改性等方式使自身斷開。使用長脈沖寬度(如納秒級別)激光切割時，工件材料經熔化、氣化，在材料上形成切割道，然而由于長脈寬激光作用時間較長，熱效應比較明顯，容易在材料表層形成熱影響區(qū)(heataffectedzone，haz)，從而引起材料性質改變，降低材料強度。因此，通常選擇超快激光對工件材料進行切割。

在半導體加工領域，通常會使用不同的材料來制造ic器件，如銅、low-k介電材料。不同材料的厚度不同，這些材料被一層一層覆蓋到工件基底上，在進行切割時需要將這些材料以及基底全部切開，由于不同材料對激光的吸收不 同，其燒蝕閾值也不同，燒蝕閾值是指：激光作用在材料上，使材料發(fā)生相變致使材料去除所需的最小激光能量密度。因此切割不同材料所需的激光脈沖能量密度也不同。而過高的激光能量密度會轉化成熱能，使材料升溫，甚至會破壞已加工好的ic電路。因此選用不同的激光脈沖能量密度對工件上不同的材料層，以及工件不同的區(qū)域進行切割非常重要。

現(xiàn)有技術中給出了一種切割基片時所形成可變像散聚焦光斑的方法。該方法首先擴展激光束，然后改型擴展光束，使光束沿著像散軸準直而沿著聚焦軸匯聚，在基板面形成像散聚焦光斑，該光斑具有伸長形狀，且沿所述像散軸為長度，沿所述聚焦軸為寬度，且寬度小于長度。通過調整像散聚焦光斑的尺寸，從而使得工件基底上的能量密度處于最佳狀態(tài)。所述像散聚焦光斑沿長度方向相對工件基底移動，形成光斑燒蝕達到切割效果。然而該技術中并未揭示如何調整光斑尺寸以達到最佳切割效果，且只通過一種方法來調整激光能量密度，具有很大局限性。

之后，現(xiàn)有技術中又提出了一種可改變時間脈沖剖面的激光劃片工件的方法。所述方法包括第一時間脈沖剖面和第二時間脈沖剖面，使用第一時間脈沖剖面的激光序列切割基底的一層，使用第二時間脈沖剖面的激光序列切割工件剩下部分。其第一時間脈沖剖面和第二時間脈沖剖面是指激光脈沖的強度隨時間變化，形成不同的剖面形貌，如高斯型時間脈沖剖面、方形時間脈沖剖面和三角形時間脈沖剖面等。根據(jù)基底材料的不同特定，定制激光時間脈沖剖面以達到最佳切割效果。然而該方法中依然存在以下不足：一是通過調整時間脈沖剖面的方法不可避免地降低了激光能量的利用率，并且需要一套復雜的激光輸出控制系統(tǒng)調整輸出光強隨時間的變化，成本高；二是該方法僅適用于納秒脈沖激光，而對于皮秒量級激光脈沖調整效果大大降低，因此未能切實滿足實際需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種激光加工系統(tǒng)及方法，以解決以上技術問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種激光加工系統(tǒng)，用于對工件臺上的工件材料進行加工，包括：激光器，提供加工所需的激光；光學系統(tǒng)，設于所述工件臺的上方，調整所述激光的光斑尺寸，并將調整后的激光光斑投射至工件臺上；傳感器，設于所述工件臺的上方，采集所述工件材料的參數(shù)信息；處理器，與所述傳感器連接，接收并處理所述傳感器采集的參數(shù)信息，得到工件材料所需激光的光斑尺寸；控制器，與所述處理器連接，接收所述處理器的信息控制所述光學系統(tǒng)形成所需的光斑尺寸。

進一步的，所述激光器為脈沖激光器。

進一步的，所述光學系統(tǒng)包括沿光路依次排列的激光透鏡和準直透鏡，所述準直透鏡與電機連接，所述電機連接至所述控制器，所述電機帶動所述準直透鏡相對所述激光透鏡運動。

進一步的，所述光學系統(tǒng)包括轉盤機構，所述轉盤機構上設有若干通孔，所述通孔內設有衍射光學元件，所述通孔內的衍射光學元件的形貌不同。

進一步的，所述傳感器為光電探測器，測量所述工件材料的反射率。

進一步的，所述傳感器為激光位移傳感器，測量所述工件材料的厚度以及切割后材料的剩余厚度。

進一步的，所述傳感器為高速相機，測量工件材料的切縫寬度。

本發(fā)明還提供一種激光加工系統(tǒng)的激光加工方法，包括以下步驟：

s1：激光器發(fā)出激光，經過光學系統(tǒng)后照射至工件臺的工件材料上；所述光學系統(tǒng)在工件面形成不同尺寸的加工光斑，從而得到切割不同工件材料所需的激光能量密度；

s2：傳感器實時采集所述工件材料的參數(shù)信息，并將采集到的參數(shù)信息發(fā)送至處理器；

s3：所述處理器接收所述參數(shù)信息，對其進行處理，并根據(jù)切割所述工件材料所需的激光脈沖能量密度計算出所述工件材料所需激光的光斑尺寸，并將 包括該光斑尺寸的信息發(fā)送至控制器；

s4：所述控制器根據(jù)接收的光斑尺寸的信息控制所述光學系統(tǒng)形成所需的光斑尺寸，達到工件材料所需的激光脈沖能量密度；

s5：所述工件材料與激光的光斑相對移動形成加工軌跡，對工件材料進行加工。

進一步的，所述步驟s2中，所述參數(shù)信息包括工件材料的反射率、工件材料的厚度和切割后材料的剩余厚度以及工件材料的切縫寬度。

本發(fā)明提供一種激光加工系統(tǒng)及方法，該激光加工系統(tǒng)包括：激光器，提供加工所需的激光；光學系統(tǒng)，設于所述工件臺的上方，調整所述激光的光斑尺寸，并將調整后的激光光斑投射至工件臺上；傳感器，設于所述工件臺的上方，采集所述工件材料的參數(shù)信息；處理器，與所述傳感器連接，接收并處理所述傳感器采集的參數(shù)信息，得到工件材料所需激光的光斑尺寸；控制器，與所述處理器連接，接收所述處理器的信息對所述光學系統(tǒng)進行控制。通過傳感器實時采集工件材料的參數(shù)信息，并通過處理器計算出所需的光斑尺寸，采用控制器控制光學系統(tǒng)改變激光的光斑大小來實時調整激光脈沖能量密度，實時性好，切割效率高；在切割過程中，激光器始終以額定激光功率輸出，最大程度利用激光能量用于切割，并且不受激光脈沖寬度的限制，適用性較廣，大大提高了激光能量的利用率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明激光加工系統(tǒng)實施例1的結構示意圖；

圖2a、2b分別是本發(fā)明激光加工系統(tǒng)實施例1中工件的俯視圖和主視圖；

圖3是本發(fā)明激光加工系統(tǒng)實施例1中光學系統(tǒng)的結構示意圖；

圖4a是本發(fā)明激光加工系統(tǒng)實施例2中一類衍射光學元件對應的光學系統(tǒng)的結構示意圖；

圖4b是圖4a中四個衍射光學元件形成的光斑示意圖；

圖5a是本發(fā)明激光加工系統(tǒng)實施例2中另一類衍射光學元件對應的光學系統(tǒng)的結構示意圖；

圖5b是圖5a中四個衍射光學元件形成的光斑示意圖。

圖中所示：1、工件臺；2、工件材料；201、器件層；202、工件基底；203、保護膠層；204、芯片；3、激光器；301、激光；4、光學系統(tǒng)；401、激光透鏡；402、準直透鏡；403、轉盤機構；404a～404d、衍射光學元件；302、405a～405d、橢圓光斑；406a～406d、圓形光斑；5、傳感器；6、處理器；7、控制器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

如圖1-3所示，本發(fā)明一種激光加工系統(tǒng)，用于對工件臺1上的工件材料2進行加工(即切割)，包括：激光器3，提供加工所需的激光301，優(yōu)選的，所述激光器3為脈沖激光器，其脈沖的寬度不受限制，如可以是超短脈沖寬度的激光器3，有利于控制切割過程中的熱影響；光學系統(tǒng)4，設于所述工件臺1的上方，調整所述激光301的光斑尺寸，并將調整后的激光301的光斑投射至工件臺1上；傳感器5，設于所述工件臺1的上方，采集所述工件材料2的參數(shù)信息；處理器6，與所述傳感器5連接，接收并處理所述傳感器5采集的參數(shù)信息，得到工件材料2所需激光301的光斑尺寸；控制器7，與所述處理器6連接，接收所述處理器6的信息控制所述光學系統(tǒng)4形成所需的光斑尺寸。需要說明的是，如圖2a-2b所示為工件材料2的結構示意圖，由上至下包括器件層201、工件基底202和保護膠層203，其中器件層201由多層不同材料復合而成，且經過切割后形成若干個芯片204，保護膠層203是切割前貼在工件基底202底面的，可防止切割后的芯片204散落。通過傳感器5實時采集工件材料2的參數(shù)信息，并通過處理器6計算出所需的光斑尺寸，采用控制器7控制光學系統(tǒng)4改變激光301的光斑大小來實時調整激光脈沖能量密度，實時性好，切割效率高；在 切割過程中，激光器3始終以額定激光功率輸出，最大程度利用激光能量用于切割，并且不受激光脈沖寬度的限制，適用性較廣，大大提高了激光能量的利用率。

如圖3所示，所述光學系統(tǒng)4連續(xù)或非連續(xù)地調整作用在工件面的激光光斑形貌及尺寸。所述光學系統(tǒng)4包括沿光路依次排列的激光透鏡401和準直透鏡402，所述準直透鏡402與電機(圖中未標出)連接，所述電機連接至所述控制器7，所述電機帶動所述準直透鏡402相對所述激光透鏡401運動。具體的，激光301入射到激光透鏡401的入射端面，并經過出射端面后投射到準直透鏡402上使激光301的光束進行準直，本實施例中，在沿豎直方向上，即圖中的y方向，激光301的光斑尺度得到拉伸，在水平方向上，即圖中的z方向，光斑的尺寸保持不變，最終在工件材料2表面形成橢圓光斑302，其y向經激光透鏡401拉伸成長軸，而z向沒有拉伸，為短軸。此時可以通過電機帶動準直透鏡402相對所述激光透鏡401水平運動，以調整激光透鏡401和準直透鏡402之間的距離l?？梢詫崿F(xiàn)上述功能的光學系統(tǒng)4的激光透鏡401有很多種，例如可以是柱面鏡，而且不限于拉伸某一方向的光斑尺寸，也可以采用壓縮光斑尺寸的方式；本實施例也不限于只調整一個方向的光斑尺寸，可以對兩個方向同時進行調整；該激光301的形狀也不限于圓形，可以是其它形狀，比如長方形。

優(yōu)選的，所述傳感器5為光電探測器，測量所述工件材料2的反射率。具體的，處理器6通過傳感器5獲得的反射率確定當前切割最表層的是何種材料，根據(jù)該材料的燒蝕閾值確定所需的激光脈沖能量密度，通過該激光脈沖能量密度計算出所需的光斑面積，通常激光脈沖能量密度可以選擇為燒蝕閾值的4～10倍。如si在15ps，532nm激光脈沖下的燒蝕閾值為0.15j/cm²，激光器單個脈沖能量為10uj，可以將光斑的長軸調整為100um，短軸調整為20um，則單脈沖能量密度為0.64j/cm²，約4倍燒蝕閾值。

本發(fā)明還提供了一種如上所述激光加工系統(tǒng)的激光加工方法，包括以下步驟：

s1：激光器3發(fā)出激光301，經過光學系統(tǒng)4后照射至工件臺1的工件材料2上，激光301可以為任意寬度的激光脈沖，所述光學系統(tǒng)4在工件面形成不同尺寸的加工光斑，從而得到切割不同工件材料2所需的激光能量密度。

s2：傳感器5實時采集所述工件材料2的參數(shù)信息，并將采集到的參數(shù)信息發(fā)送至處理器6；該參數(shù)信息包括工件材料2的反射率、工件材料2的厚度和切割后材料的剩余厚度以及工件材料2的切縫寬度。

s3：所述處理器6接收所述參數(shù)信息，對其進行處理，并根據(jù)切割該工件材料2所需的激光脈沖能量密度計算出所需激光301的光斑尺寸，并將包括該光斑尺寸的信息發(fā)送至控制器7；當參數(shù)信息為工件材料2的反射率時，處理器6通過該反射率確定當前切割最表層的是何種材料，根據(jù)該材料的燒蝕閾值確定所需的激光脈沖能量密度，通常激光脈沖能量密度可以選擇為燒蝕閾值的4～10倍；當參數(shù)信息為工件材料2的厚度和切割后材料的剩余厚度時，處理器6計算出工件材料2的切割深度以及與目標切割深度的偏差，控制器7根據(jù)該偏差即可計算出所需的光斑面積，具體的，通過切割深度的變化調整激光脈沖能量密度來調整切割深度，其中減少光斑面積可以增大激光能量脈沖密度以獲得更大的切深，增大光斑面積可以減小激光能量脈沖密度來減小切深，如該工件材料2的目標切割深度為l，處理器6計算出當前的切割深度為l1，則偏差δl＝l1–l，此時控制器7運行pid控制算法可得出當前所需的光斑面積，并通過控制器7進行控制，使實際切深與目標切深趨于一致；當參數(shù)信息為工件材料2的切縫寬度時，處理器6將該切縫寬度與目標切割寬度進行對比，獲得切割寬度差值，并通過控制器7根據(jù)該切割寬度的差值計算出所需的光斑面積，控制光學系統(tǒng)4對激光301沿切縫寬度方向的尺寸進行調整，如短軸尺寸，以使得切割寬度與目標切割寬度相同。

s4：所述控制器7根據(jù)接收的光斑尺寸的信息控制光學系統(tǒng)4形成所需的光斑尺寸，達到工件材料2所需的激光脈沖能量密度，工件材料2所需的激光脈沖能量密度f可以通過調整光斑尺寸，也即光斑面積s實現(xiàn)，f＝p/s，p 表示激光脈沖能量。通過調整光斑的尺寸來實現(xiàn)工件材料2所需的激光脈沖能量密度，在切割過程中始終保持激光器3以最大功率輸出，使激光使用效率最大化，以達到最快切割速度，提高了系統(tǒng)的工作效率。另外，不同的光學系統(tǒng)4對應的光斑形狀不同，處理器6可根據(jù)具體的光學系統(tǒng)4計算出對應的光斑形狀。

s5：所述工件臺1帶動工件材料2相對激光301的光斑進行移動形成加工軌跡，對工件材料2進行加工，即將其切割形成若干獨立的芯片204。

在s5中，只要保證工件材料與激光的光斑相對移動形成加工軌跡即可，本發(fā)明并不局限于上述由工件臺帶動工件材料移動的方式。

實施例2

與實施例1不同的是，本實施例2中，所述光學系統(tǒng)4包括轉盤機構403，所述轉盤機構403上設有若干通孔，所述通孔的數(shù)量為3～5個，本實施例中，通孔設有4個，所述通孔內設有衍射光學元件，所述4個通孔內的衍射光學元件的形貌各不同，激光301通過不同的衍射光學元件得到的光斑形狀和尺寸不同，如圖4a所示，404a～404d為轉盤機構403上安裝的不同的衍射光學元件，當激光301入射到所述衍射光學元件上時會形成不同的衍射光斑405a～405d，如圖4b所示，其中405a是404a形成的具有長軸l1和短軸m2的橢圓光斑，假設激光脈沖能量為u，其對應的激光脈沖能量密度為4u/(π*l1*m1)；405a～405d均具有不同的長軸和短軸，因此可以形成共4種激光脈沖能量密度。通過旋轉轉盤機構403可以將不同的衍射光學元件切入激光光路，可實現(xiàn)對激光光斑的調整，得到所需的激光脈沖能量密度。如圖5a所示為另一類衍射光學元件對應的光學系統(tǒng)，激光301通過該類衍射光學元件后產生一行排開的n個直徑為r的圓形光斑，如圖5b所示，光斑離散化后的優(yōu)點是使工件材料2在前一個光斑與后一個光斑之間有一定間隔時間，可以使其釋放應力及散熱，利于切割。404a～404d分別對應形成406a～406d所示的1～4個直徑為r的圓形光斑，其光斑面積依次增大，所對應的脈沖能量密度依次遞減。通過旋轉轉盤機構403可 以將不同的衍射光學元件切入激光光路，可實現(xiàn)對激光光斑的調整，得到所需的激光脈沖能量密度。

實施例3

與實施例1不同的是，本實施例中，所述傳感器5為激光位移傳感器，測量所述工件材料2的厚度以及切割后材料的剩余厚度，從而得到工件材料2的切割深度，處理器6根據(jù)切割深度的變化調整激光脈沖能量密度來調整切割深度，其中減少光斑面積可以增大激光能量脈沖密度以獲得更大的切深，增大光斑面積可以減小激光能量脈沖密度來減小切深，如該工件材料2的目標切割深度為l，處理器6計算出當前的切割深度為l1，則偏差δl＝l1–l，此時控制器7運行pid控制算法可得出當前所需的光斑面積，并通過控制器7進行控制，使實際切深與目標切深趨于一致，通過該方法對光斑面積進行連續(xù)調整，以達到最佳的切割效果。

實施例4

與實施例1不同的是，本實施例中，所述傳感器5為高速相機，測量工件材料的切縫寬度，處理器6將該切縫寬度與目標切割寬度進行對比，獲得切割寬度差值，并通過控制器7根據(jù)該切割寬度的差值計算出所需的光斑面積，控制光學系統(tǒng)4對激光301沿切縫寬度方向的尺寸進行調整，如短軸尺寸，以使得切割寬度與目標切割寬度相同，通過該方法也可以對光斑面積進行連續(xù)多次調整，以達到最佳的切割效果。

綜上所述，本發(fā)明提供一種激光加工系統(tǒng)及方法，該激光加工系統(tǒng)用于對工件臺1上的工件材料2進行加工，包括：激光器3，提供加工所需的激光301；光學系統(tǒng)4，設于所述工件臺1的上方，調整所述激光301的光斑尺寸，并將調整后的激光301的光斑投射至工件臺1上；傳感器5，設于所述工件臺1的上方，采集所述工件材料2的參數(shù)信息；處理器6，與所述傳感器5連接，接收并處理 所述傳感器5采集的參數(shù)信息，得到工件材料2所需激光301的光斑尺寸；控制器7，與所述處理器6連接，接收所述處理器6的信息對所述光學系統(tǒng)4進行控制。通過傳感器5實時采集工件材料2的參數(shù)信息，并通過處理器6計算出所需的光斑尺寸，采用控制器7控制光學系統(tǒng)4改變激光光斑4大小來實時調整激光脈沖能量密度，實時性好，切割效率高；在切割過程中，激光器3始終以額定激光功率輸出，最大程度利用激光能量用于切割，并且不受激光脈沖寬度的限制，適用性較廣，大大提高了激光能量的利用率。

雖然說明書中對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發(fā)明的保護范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內進行各種省略、置換和變更均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。