專利名稱：硅晶片激光加工方法和激光束加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過沿形成于硅晶片上的分割線照射激光束而沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層的激光加工方法和一種激光束加工裝置。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件的制造過程中，通過在大致為盤形的半導(dǎo)體晶片前表面上以格子形狀設(shè)置的、稱為“跡線”的分割線而分割出多個區(qū)域，并且電路，如IC或LSI形成于各分割區(qū)域中。通過沿分割線切割該半導(dǎo)體晶片以將其分割成具有電路形成于其上的區(qū)域而制造單獨的半導(dǎo)體芯片。
沿上述半導(dǎo)體晶片分割線的切割通常通過使用稱為“切塊機(jī)”的切割裝置完成。因為這種切割裝置采用具有大約20μm厚度的切割刀片切割半導(dǎo)體晶片，因此形成于半導(dǎo)體晶片上的分割線必定具有大約50μm的寬度。因此，分割線與半導(dǎo)體芯片的面積比率就很高，由此降低了生產(chǎn)率。
作為分割板狀工件，如半導(dǎo)體晶片的手段，至今仍然在嘗試一種應(yīng)用對工件具有穿透性的脈沖激光束并使其聚光點設(shè)定在待分割區(qū)域內(nèi)部的激光加工方法，并且在日本專利No.3408805中公開了這種方法。在使用該激光加工技術(shù)的分割方法中，工件通過下面方式分割從工件的一個表面作用對工件具有穿透性、具有1064nm波長的脈沖激光束并且使其聚光點設(shè)定在內(nèi)部，以至沿分割線在工件內(nèi)部形成一個變質(zhì)層，并且沿著因變質(zhì)層的形成而強度降低的分割線施加外力。
但是，該脈沖激光束的波長(1064nm)對應(yīng)于從對硅晶片具有吸收性的波長范圍到對硅晶片具有穿透性的波長范圍的中間范圍。因此，當(dāng)沿著硅晶片的分割線作用具有1064nm波長的脈沖激光束以至在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層時，在硅晶片內(nèi)部不能完全實現(xiàn)多光子吸收，因此并不總能形成良好的變質(zhì)層，由此使得難以沿分割線平滑地分割硅晶片。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成良好變質(zhì)層的硅晶片激光加工方法和激光束加工裝置。
為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明，它提供了一種硅晶片激光加工方法，其通過沿著形成于硅晶片上的分割線照射激光束而沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層，其中激光束的波長設(shè)定為1100至2000nm。
優(yōu)選的是，激光束的波長設(shè)定為1300至1600nm。
根據(jù)本發(fā)明，它還提供了一種激光束加工裝置，包括一個用于保持晶片的卡盤臺、一個用于將激光作用于保持在卡盤臺上的晶片的激光束照射裝置和一個用于相對于彼此移動卡盤臺和激光束照射裝置的加工進(jìn)給裝置，其中激光束照射裝置包括一個用于振蕩產(chǎn)生具有1100至2000nm波長的激光束的激光束振蕩裝置。
根據(jù)本發(fā)明，由于沿著硅晶片的分割線作用具有1100至2000nm波長的激光束，它對硅晶片的穿透性很高，由此使得有可能在硅晶片內(nèi)部有效地形成變質(zhì)層。


圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的激光束加工裝置的一個透視圖；圖2是一個框圖，示意性地顯示了設(shè)置在圖1所示激光束加工裝置中的激光束照射裝置的構(gòu)成；圖3是顯示脈沖激光束聚光點直徑的一個示意圖；圖4是將要通過本發(fā)明的激光加工方法加工的半導(dǎo)體硅晶片的一個透視圖；圖5(a)和5(b)是顯示本發(fā)明的激光加工方法中變質(zhì)層形成過程的說明圖；和圖6是三點彎曲試驗法的說明圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖來詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的硅晶片激光加工方法和激光束加工裝置的優(yōu)選實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的激光束加工裝置的一個透視圖。圖1中所示的激光束加工裝置包括一個固定基座2、一個用于保持以某種方式安裝在固定基座2上，以至于可以沿箭頭X所示加工進(jìn)給方向移動的工件的卡盤臺機(jī)構(gòu)3、一個以某種方式安裝在固定基座2上，以至于可以沿著與箭頭X所示方向垂直的箭頭Y所示分度進(jìn)給方向移動的激光束照射單元支承機(jī)構(gòu)4和一個以某種方式安裝在激光束照射單元支承機(jī)構(gòu)4上，以至于可以沿箭頭Z所示方向移動的激光束照射單元5。
上述卡盤臺機(jī)構(gòu)3具有一對安裝在固定基座2上并且沿箭頭X所示加工進(jìn)給方向平行于彼此設(shè)置的導(dǎo)軌31和31、一個以某種方式安裝在導(dǎo)軌31和31上，以至于可以沿箭頭X所示加工進(jìn)給方向移動的第一滑塊32、一個以某種方式安裝在第一滑塊32上，以至于可以沿箭頭Y所示分度進(jìn)給方向移動的第二滑塊33、一個由圓柱構(gòu)件34支承在第二滑塊33上面的支承臺35和一個作為工件保持裝置的卡盤臺36。該卡盤臺36具有一個由多孔性材料制成的吸附卡盤361，以至于作為工件的盤形半導(dǎo)體晶片由一個未示出的吸力裝置保持在吸附卡盤361上?？ūP臺36由一個安裝在圓柱構(gòu)件34中的脈沖電機(jī)(未示出)轉(zhuǎn)動。
上述第一滑塊32在其底面具有一對與上述成對導(dǎo)軌31和31配合的導(dǎo)槽321和321，并且在頂面具有一對沿箭頭Y所示分度進(jìn)給方向平行于彼此形成的導(dǎo)軌322和322。如上述方式構(gòu)成的第一滑塊32構(gòu)成為通過分別配合導(dǎo)槽321和321與成對導(dǎo)軌31和31而沿著成對導(dǎo)軌31和31在箭頭X所示加工進(jìn)給方向移動。所述實施例中的卡盤臺機(jī)構(gòu)3具有用于在箭頭X所示加工進(jìn)給方向沿著成對導(dǎo)軌31和31移動第一滑塊32的加工進(jìn)給裝置37。加工進(jìn)給裝置37包括一個與其平行地設(shè)置在上述成對導(dǎo)軌31和31之間的陽螺桿371和一個用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動陽螺桿371的驅(qū)動源，如脈沖電機(jī)372。陽螺桿371在其一端可旋轉(zhuǎn)地支承在固定于上述固定基座2上的軸承座373上面，并且在另一端傳動連接至上述脈沖電機(jī)372的輸出軸。陽螺桿371旋入形成于從第一滑塊32中間部分的底面伸出的螺母塊(未示出)中的螺紋通孔中。因此，通過使用脈沖電機(jī)372沿正常方向或相反方向驅(qū)動陽螺桿371，第一滑塊32就在箭頭X所示加工進(jìn)給方向沿著導(dǎo)軌31和31移動。
上述第二滑塊33在其底面具有一對與形成于上述第一滑塊32頂面的成對導(dǎo)軌322和322配合的導(dǎo)槽331和331，并且構(gòu)成為通過分別配合導(dǎo)槽331和331與成對導(dǎo)軌322和322而在箭頭Y所示分度進(jìn)給方向移動。所述實施例中的卡盤臺機(jī)構(gòu)3具有用于沿著形成于第一滑塊32上的成對導(dǎo)軌322和322在箭頭Y所示分度進(jìn)給方向移動第二滑塊33的第一分度進(jìn)給裝置38。第一分度進(jìn)給裝置38包括一個與其平行地設(shè)置在上述成對導(dǎo)軌322和322之間的陽螺桿381和一個用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動陽螺桿381的驅(qū)動源，如脈沖電機(jī)382。陽螺桿381在其一端可旋轉(zhuǎn)地支承在固定于上述第一滑塊32頂面的軸承座383上面，并且在另一端傳動連接至上述脈沖電機(jī)382的輸出軸。陽螺桿381旋入形成于從第二滑塊33中間部分的底面伸出的螺母塊(未示出)中的螺紋通孔中。因此，通過使用脈沖電機(jī)382沿正常方向或相反方向驅(qū)動陽螺桿381，第二滑塊33就在箭頭Y所示分度進(jìn)給方向沿著導(dǎo)軌322和322移動。
上述激光束照射單元支承機(jī)構(gòu)4具有一對安裝在固定基座2上并且沿箭頭Y所示分度進(jìn)給方向平行于彼此設(shè)置的導(dǎo)軌41和41以及一個以某種方式安裝在導(dǎo)軌41和41上，以至于可以沿箭頭Y所示方向移動的活動支承座42。該活動支承座42包括一個活動安裝在導(dǎo)軌41和41上的活動支承部分421和一個安裝在活動支承部分421上的安裝部分422。安裝部分422設(shè)置有一對在其側(cè)面上沿箭頭Z所示方向平行延伸的導(dǎo)軌423和423。所述實施例中的激光束照射單元支承機(jī)構(gòu)4包括用于在箭頭Y所示分度進(jìn)給方向沿著成對導(dǎo)軌41和41移動活動支承座42的第二分度進(jìn)給裝置43。第二分度進(jìn)給裝置43包括一個與其平行地設(shè)置在上述成對導(dǎo)軌41和41之間的陽螺桿431和一個用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動陽螺桿431的驅(qū)動源，如脈沖電機(jī)432。陽螺桿431在其一端可旋轉(zhuǎn)地支承在固定于上述固定基座2上面的軸承座(未示出)上面，并且在另一端傳動連接至上述脈沖電機(jī)432的輸出軸。陽螺桿431旋入形成于從構(gòu)成活動支承座42的活動支承部分421的中間部分的底面伸出的螺母塊(未示出)中的螺紋通孔中。因此，通過使用脈沖電機(jī)432沿正常方向或相反方向驅(qū)動陽螺桿431，活動支承座42就在箭頭Y所示分度進(jìn)給方向沿著導(dǎo)軌41和41移動。
所述實施例中的激光束照射單元5具有一個單元支架51和一個固定到單元支架51上的激光束照射裝置52。單元支架51具有一對與安裝于上述安裝部分422上的成對導(dǎo)軌423和423可滑動地配合的導(dǎo)槽511和511，并且通過分別配合導(dǎo)槽511和511與上述導(dǎo)軌423和423而以某種方式支承，以至于它可沿箭頭Z所示方向移動。
所述激光束照射裝置52包括一個固定到上述單元支架51上并且基本上水平延伸的圓柱外殼521。在外殼521中，安裝有一個脈沖激光束振蕩裝置522和一個透射光學(xué)系統(tǒng)523，如圖2所示。脈沖激光束振蕩裝置522通過一個由YAG激光振蕩器或YVO4激光振蕩器構(gòu)成的脈沖激光束振蕩器522a和一個與脈沖激光束振蕩器522a相連的重復(fù)頻率設(shè)定裝置522b構(gòu)成。脈沖激光束振蕩器522a設(shè)計為振蕩具有1100至2000nm波長的脈沖激光束。上述透射光學(xué)系統(tǒng)523包括合適的光學(xué)元件，如電子束分裂器等。一個容納有由透鏡組合構(gòu)成的聚光透鏡(未示出)的聚光器524與上述外殼521的端部相連，透鏡組合可以具有本身已知的構(gòu)成。
經(jīng)過上述脈沖激光束振蕩裝置522振蕩的激光束通過透射光學(xué)系統(tǒng)523到達(dá)聚光器524并且從聚光器524以預(yù)定的聚光點直徑D作用于保持在卡盤臺36上的工件。當(dāng)顯示高斯分布的脈沖激光束通過聚光器524的物鏡524a作用時，該聚光點直徑D由表達(dá)式D(μm)＝4×λ×f/(π×W)確定(其中，λ是脈沖激光束的波長(μm)，W是作用于物鏡524a的脈沖激光束的直徑(mm)，并且f是物鏡524a的焦距(mm))，如圖3所示。
回到圖1，一個圖像拾取裝置6安裝在構(gòu)成上述激光束照射裝置52的外殼521的前端。除了用于拾取可見光輻射圖像的普通圖像拾取器件(CCD)之外，該圖像拾取裝置6由一個用于作用紅外輻射于工件的紅外照明裝置、一個用于捕捉由紅外照明裝置作用的紅外輻射的光學(xué)系統(tǒng)和一個用于相應(yīng)于由光學(xué)系統(tǒng)捕捉的紅外輻射輸出電信號的圖像拾取器件(紅外CCD)。圖像信號被傳送到一個未示出的控制裝置。
所述實施例中的激光束照射單元5具有用于在箭頭Z所示方向沿著成對導(dǎo)軌423和423移動單元支架51的移動裝置53。移動裝置53包括一個設(shè)置在成對導(dǎo)軌423和423之間的陽螺桿(未示出)和一個用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動該陽螺桿的驅(qū)動源，如脈沖電機(jī)532。通過使用脈沖電機(jī)532沿正常方向或相反方向驅(qū)動陽螺桿(未示出)，單元支架51和激光束照射裝置52在箭頭Z所示方向沿著導(dǎo)軌423和423移動。在所述實施例中，激光束照射裝置52通過沿正常方向驅(qū)動脈沖電機(jī)532而向上移動，并且通過沿相反方向驅(qū)動脈沖電機(jī)532而向下移動。
所述實施例中的激光束加工裝置如上述方式構(gòu)成，下面將說明其功能。
圖4是作為待加工工件的半導(dǎo)體晶片的一個透視圖。圖4中所示半導(dǎo)體晶片10是一個硅晶片，并且通過以格子形狀形成于前表面10a上的很多分割線101分割成很多區(qū)域，并且電路102，如IC或LSI形成于各分割區(qū)域中。
下面將說明通過使用上述激光束加工裝置2沿上述半導(dǎo)體晶片10的分割線101照射激光束而沿著分割線101在半導(dǎo)體晶片10內(nèi)部形成一個變質(zhì)層的激光加工。
首先將半導(dǎo)體晶片10以某種方式放在圖1所示的上述激光束加工裝置的卡盤臺36上，以至于背面10b朝上，并且被吸力保持在卡盤臺36上。吸力保持半導(dǎo)體晶片10的卡盤臺36被加工進(jìn)給裝置37帶入正好位于圖像拾取裝置6下面的一個位置。
在卡盤臺36正好位于圖像拾取裝置6下面之后，通過使用圖像拾取裝置6和未示出的控制裝置進(jìn)行檢測半導(dǎo)體晶片10待加工區(qū)域的對正操作。也就是說，圖像拾取裝置6和控制裝置(未示出)進(jìn)行圖像處理，如模式匹配等，以對正沿半導(dǎo)體晶片10的預(yù)定方向形成的分割線101與用于沿分割線101照射激光束的激光束照射裝置52的聚光器524，由此進(jìn)行激光束照射位置的對正。此外，激光束照射位置的對正也同樣在沿與預(yù)定方向垂直的方向上形成于半導(dǎo)體晶片10上的分割線101上進(jìn)行。盡管其上面形成分割線101的半導(dǎo)體晶片10前表面10a在該點處朝下，由于圖像拾取裝置6如上所述包括紅外照明裝置和由一個用于捕捉紅外輻射的光學(xué)系統(tǒng)與一個用于相應(yīng)于紅外輻射輸出電信號的圖像拾取器件(紅外CCD)構(gòu)成的圖像拾取裝置，因此分割線101的圖像可以透過背面10b而獲取。
在如上所述檢測卡盤臺36上保持的半導(dǎo)體晶片10上形成的分割線101并且完成激光束照射位置的對正之后，卡盤臺36被移動到激光束照射區(qū)域，在這里用于照射激光束的激光束照射裝置52的聚光器524位于如5(a)所示位置，以至于將預(yù)定分割線101的一端(圖5(a)中左端)帶至正位于激光束照射裝置52的聚光器524下面的一個位置。在具有例如1100至2000nm波長、對硅晶片具有穿透性的脈沖激光束從聚光器524作用的同時，卡盤臺36，也就是半導(dǎo)體晶片10然后以預(yù)定加工進(jìn)給速度沿著圖5(a)中箭頭X1所示方向移動。然后，當(dāng)激光束照射裝置52的聚光器524的作用位置到達(dá)分割線101的另一端時，如圖5(b)中所示，脈沖激光束的作用中止并且卡盤臺36，也就是半導(dǎo)體晶片10的移動中止。在該激光加工過程中，脈沖激光束的聚光點P設(shè)定在接近半導(dǎo)體晶片10的前表面10a(底面)的一個位置。結(jié)果，一個變質(zhì)層110暴露于半導(dǎo)體晶片10的前表面10a(底面)并且從前表面10a向內(nèi)部形成。該變質(zhì)層110形成為一個熔化并且再固化的層(也就是一個當(dāng)脈沖激光束會聚時熔化一次然后在脈沖激光束會聚之后再固化的層)以至降低半導(dǎo)體晶片10的強度。
上述變質(zhì)層110可以不暴露于前表面10a和背面10b而僅僅在內(nèi)部形成，或者可以通過逐級改變上述聚光點P多次進(jìn)行上述激光加工而形成多個變質(zhì)層。
在沿著沿半導(dǎo)體晶片10的預(yù)定方向延伸的所有分割線101進(jìn)行上述激光加工之后，將卡盤臺36旋轉(zhuǎn)90°以沿著沿與上述預(yù)定方向垂直的方向延伸的分割線101進(jìn)行上述激光加工。具有沿所有分割線101形成的變質(zhì)層110的半導(dǎo)體晶片10可以通過沿分割線101施加外力而輕松破裂。
(實驗例1)分割線在具有200mm直徑和600μm厚度的硅晶片上以格子形狀以5mm間距形成，并且激光加工通過使用具有1064nm波長的脈沖激光束在下面加工條件下沿著分割線進(jìn)行，以至沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層。一個變質(zhì)層具有大約50μm的厚度，并且形成由該變質(zhì)層構(gòu)成的12個層，以至于它們暴露于硅晶片的兩個表面。
光源LD激勵Q開關(guān)NdYVO4激光器波長具有1064nm波長的脈沖激光束重復(fù)頻率40kHz脈沖寬度20ns平均輸出4W聚光點直徑1.0μm加工進(jìn)給速度40mm/sec對具有在上述加工條件下沿分割線形成的變質(zhì)層的硅晶片進(jìn)行分割試驗，以沿著分割線將其分割。在該分割試驗中，一種三點彎曲試驗通過如下方式進(jìn)行將具有變質(zhì)層形成于其上的硅晶片分割成具有芯片寬度的帶狀形式，用一對放在以預(yù)定間距形成于晶片上的變質(zhì)層兩側(cè)的支承輥A和A支承該帶狀晶片，在位于晶片頂面的變質(zhì)層上面放置一個壓力輥B，施加負(fù)載W至壓力輥B以獲得分割所需的負(fù)載W，如圖6中所示。在該分割試驗中，通過將形成于帶狀晶片中的變質(zhì)層分割而收集100個測量數(shù)據(jù)，然后獲得數(shù)據(jù)的平均值。
作為上述試驗的結(jié)果，分割所需負(fù)載W的平均值為3.7N(牛頓)。
(實驗例2)分割線在具有200mm直徑和600μm厚度的硅晶片上以格子形狀以5mm間距形成，并且激光加工通過使用具有1340nm波長的脈沖激光束在下面加工條件下沿著分割線進(jìn)行，以至沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層。如同上述實驗例1，一個變質(zhì)層具有大約50μm的厚度，并且形成由該變質(zhì)層構(gòu)成的12個層，以至于它們暴露于硅晶片的兩個表面。
光源LD激勵Q開關(guān)NdYVO4激光器波長具有1340nm波長的脈沖激光束重復(fù)頻率40kHz脈沖寬度20ns平均輸出4W聚光點直徑1.3μm加工進(jìn)給速度40mm/sec對具有在上述加工條件下沿分割線形成的變質(zhì)層的硅晶片按照與上述實驗例1相同的方式進(jìn)行分割試驗以獲得100個測量數(shù)據(jù)的平均值。結(jié)果，分割所需負(fù)載W的平均值為0.5N(牛頓)。
(實驗例3)分割線在具有200mm直徑和600μm厚度的硅晶片上以格子形狀以5mm間距形成，并且激光加工通過使用具有1550nm波長的脈沖激光束在下面加工條件下沿著分割線進(jìn)行，以至沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層。如同上述實驗例1和2，一個變質(zhì)層具有大約50μm的厚度，并且形成由該變質(zhì)層構(gòu)成的12個層，以至于它們暴露于硅晶片的兩個表面。
光源LD激勵Q開關(guān)NdYVO4激光器波長具有1550nm波長的脈沖激光束重復(fù)頻率40kHz脈沖寬度20ns平均輸出4W
聚光點直徑1.5μm加工進(jìn)給速度40mm/sec對具有在上述加工條件下沿分割線形成的變質(zhì)層的硅晶片按照與上述實驗例1相同的方式進(jìn)行分割試驗以獲得100個測量數(shù)據(jù)的平均值。結(jié)果，分割所需負(fù)載W的平均值為0.7N(牛頓)。
從上述試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)通過使用具有1340nm波長的脈沖激光束形成變質(zhì)層時分割所需負(fù)載W為使用具有1064nm波長的脈沖激光束時所需負(fù)載W的1/7或更小。還可以看出，當(dāng)通過使用具有1550nm波長的脈沖激光束形成變質(zhì)層時分割所需負(fù)載W為使用具有1064nm波長的脈沖激光束時所需負(fù)載W的1/5或更小。盡管具有2000至6500nm波長的脈沖激光束對硅晶片也具有很高的穿透性，但隨著波長變長其聚光點直徑變大。當(dāng)聚光點直徑超過3.0μm時，分割線的寬度必定變大并且脈沖激光束的平均輸出必定增加，從生產(chǎn)率上看所有這些都很不利。因此，為了使用具有1.0至3.0μm范圍內(nèi)聚光點直徑的脈沖激光束形成具有很小的分割所需負(fù)載W的良好變質(zhì)層，具有1100至2000nm波長的脈沖激光束為優(yōu)選的，并且具有1300至1600nm波長的脈沖激光束為更優(yōu)選的。
形成上述變質(zhì)層的加工條件為0.5至10W的脈沖激光束平均輸出、10至800kHz的重復(fù)頻率、10至1000ns的脈沖寬度、1.0至3.0μm的聚光點直徑和10至1000mm/sec的加工進(jìn)給速度。
權(quán)利要求
1.一種硅晶片激光加工方法，其通過沿著形成于硅晶片上的分割線照射激光束而沿分割線在硅晶片內(nèi)部形成變質(zhì)層，其中激光束的波長設(shè)定為1100至2000nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，激光束的波長設(shè)定為1300至1600nm。
3.一種激光束加工裝置，包括用于保持晶片的卡盤臺，用于將激光作用于保持在卡盤臺上的晶片的激光束照射裝置，以及用于將卡盤臺和激光束照射裝置相對于彼此移動的加工進(jìn)給裝置，其中激光束照射裝置包括用于振蕩產(chǎn)生具有1100至2000nm波長的激光束的激光束振蕩裝置。
全文摘要
一種通過沿著分割線照射激光束而在硅晶片內(nèi)部沿著形成于硅晶片上的分割線形成變質(zhì)層的硅晶片激光加工方法，其中激光束的波長設(shè)定為1100至2000nm。
文檔編號H01L21/301GK1779914SQ200510108610
公開日2006年5月31日 申請日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月7日
發(fā)明者永井祐介, 森重幸雄, 渡邊陽介 申請人:株式會社迪斯科