一种激光加工晶圆的方法及系统与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种激光加工晶圆的方法及系统。

背景技术：

近年来，随着半导体器件特征尺寸的不断减小以及芯片集成度的不断提高，金属互连线之间、多层布线之间的寄生电容以及金属导线的电阻急剧增大，导致了rc延迟、功耗增加等一系列问题，限制了高速电子元器件的发展。当器件特征尺寸小于90nm后，晶圆必须使用低介电常数材料来代替传统的sio2层(k＝3.9～4.2)，常用的low-k材料有道康宁公司的fox及多孔silk材料、应用材料公司的黑金刚石系列低k薄膜材料、novellussystem的coral、英特尔的cdo以及nec公司的fcn+有机层等等。

low-k材料的使用也带来了一些问题。不论是机械强度还是粘附性，low-k材料都远远不如sio2，这对划片工艺提出了挑战。最为常见的问题是，在划片过程中由于较低的机械强度及粘附力，使得low-k材料粘连在划片刀上，这不仅降低了划片的效率，同时也带来了绝缘层从金属层表面被剥离以及产生碎屑并扩散到其它功能区域等严重影响良率的后果。激光加工具有非接触、精度高、适用材料范围广、加工路径灵活可控等优点，是用来对晶圆划片以及解决上述问题的有力方案。据了解，苹果公司已经强制要求供应商提供的晶圆必须采用激光切割low-k材料的工艺(即：lasergrooving工艺)，这使得封测厂对此类工艺技术及设备的需求大为提升。严格地说，激光束不是“切割”low-k材料，而是依靠激光能量产生的高温融化金属层及层间介质层，这样的激光切割产生械应力很小，因而不会发生分层或剥离等问题。另外，滨松光子学株式会社还发明了“隐形切割”的技术，这种技术是利用对晶圆具有透射性波长的激光聚焦在晶圆内部形成改质层，再借助外力使晶圆沿着改质层裂开为单独的芯片。利用隐形切割技术，可以避免在划片过程中产生碎屑对芯片功能区造成污染，但是当晶圆上面覆盖有隔离层或其它功能层时，这将会影响激光的透过，从而影响改质层的形成。因此，在使用隐形切割时，也应首先使用激光去除晶圆上表面low-k层等材料。

但是，当半导体晶片的板状工件具有波浪形表面且厚度不均匀，或晶圆加工位置发生微位移时，导致施加激光束时的折射率而不能均匀地形成预定深度的失效层，以及无法对晶圆的目标位置进行精准切割以及可定制形沟槽结构，进而影响晶圆的加工成品率。

技术实现要素：

本发明提供的激光加工晶圆的方法及系统，能够通过对晶圆上表面low-k层的厚度进行实时检测并获取厚度信息，并通过相控型硅基液晶根据所述厚度信息对激光光束进行调制，进而通过对激光光束的精确控制实现晶圆上表面low-k层加工得到可定制形沟槽结构，并提高了所述方法的工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

第一方面，本发明提供一种激光加工晶圆的方法，包括：

获取晶圆上表面low-k层的厚度信息；

根据厚度信息控制相控型硅基液晶对激光光束进行调制，以使激光光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀。

可选地，所述获取晶圆上表面low-k层的厚度信息包括：

向晶圆上表面low-k层发射一检测光束；

获取检测光束的反射光；

根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息。

可选地，所述根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息是根据所述反射光的反射率计算得出所述晶圆上表面low-k层的厚度信息；其中，

所述反射光的反射率与晶圆上表面low-k层的厚度相对应，其对应关系储存在系统中。

可选地，所述根据厚度信息控制相控型硅基液晶对激光光束进行调制，以使激光光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀，包括：

根据厚度信息调整激光光束的激光参数；

控制相控型硅基液晶按所述激光参数对激光光束进行调制并形成定制化激光光束；

改变所述定制化激光光束与晶圆上表面的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽，用以对晶圆上表面low-k层实现刻蚀。

可选地，所述激光参数包括波前相位、发散角、激光照射方位角、光束能量分布和激光光斑形状中一种或者任意组合。

可选地，所述定制化激光光束为具有特定图案分布的光斑组合、或多束激光子光束的阵列组合；其中，

所述具有特定图案分布的光斑组合包括方形，圆形，菱形和可定制形多边型中一种或者任意组合：

所述多束激光子光束的阵列组合包括1*n阵列，或n*m阵列，或具有特定拓扑图案分布的阵列组合，其中n＝2、3……，m大于等于2。

可选地，在根据厚度信息调整激光光束的波前相位之前，包括：

获取激光光束的焦点信息；

根据焦点信息判断激光光束的激光焦点是否出现像散或畸变，如果否，则保持激光光束的波前相位；如果是，则根据所述厚度信息确定激光光束的波前相位，并控制相控型硅基液晶调制激光光束的波前相位。

可选地，所述方法还包括：

根据厚度信息确定所述发散角；

控制相控型硅基液晶按所述发散角调制激光光束；

通过与聚焦元件的配合改变激光光束的激光焦点在晶圆上表面low-k层的深度方向上的位置。

可选地，所述方法还包括：

获取晶圆的实时位置信息和目标位置信息，并得出激光偏移量；

根据激光偏移量确定激光光束的激光照射方位角；

通过控制相控型硅基液晶调制激光光束的激光照射方位角，以使激光光束调整至目标位置。

可选地，所述通过控制相控型硅基液晶调制激光光束的激光照射方位角为通过控制在相控型硅基液晶上加载的闪耀光栅周期用以调制激光光束的激光照射方位角。

第二方面，本发明提供一种激光加工晶圆的系统，包括：

激光器，用于发射激光光束；

扩束准直元件，用于将所述激光光束扩束、准直，形成平行光束；

厚度检测单元，用于获取晶圆上表面low-k层的厚度信息；

相控型硅基液晶，用于根据厚度信息对平行光束进行调制；

激光加工单元，用于将经调制的平行光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀。

可选地，所述系统还包括：

第一分束器，用于将平行光束分为加工光束和检测光束，并分别将检测光束发射至晶圆上表面low-k层，将加工光束发射至相控型硅基液晶；

确定单元，用于根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息。

可选地，所述系统还包括：

参数调整单元，用于根据厚度信息调整激光光束的激光参数。

可选地，所述系统还包括：

光束检测单元，用于获取激光光束的焦点信息；

第二分束器，用于将加工光束分为至少两束，并分别射入相控型硅基液晶、光束检测单元。

可选地，所述激光加工单元包括：

聚焦元件阵列，用于将所述平行光束进行聚焦处理并发射到所述晶圆上以使激光加工晶圆上表面；

晶圆夹持平台，用于夹持住所述晶圆；

三轴位移装置，用于改变所述激光光束与晶圆上表面的相对位置以在晶圆上上表面形成凹槽；

位移检测装置，用于获取晶圆的实时位置信息和目标位置信息，并得出激光偏移量。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法及系统解决了晶圆加工过程中缺少检测系统对其进行调整，导致降低激光加工晶圆的精度，以及加工沟槽结构不稳定的问题。本发明实施例中通过实时对晶圆上表面的low-k层进行检测并获取厚度信息，进而能够根据厚度信息反映所述晶圆上表面的low-k层均匀度，其中，所述厚度信息所述晶圆上表面的low-k层均匀度相对应，其对应关系储存在系统中。然后，本实施例由于晶圆上表面的low-k层厚度不均匀，降低了激光光束加工晶圆上表面的low-k层的质量，例如，当采用具有设定能量分布的激光光束加工晶圆上表面的low-k层时，由于，不同厚度处所吸收的能量具有差异，进而形成预定深度的失效层。因此，本实施例中能够根据需要加工位置的厚度调整所述激光光束的激光参数，使得由经调制后的激光光束在加工晶圆上表面low-k层时，能够精确的控制加工后的沟槽结构。本实施例所述方法一方面能够通过对low-k层的厚度实时检测，并对激光光束的实时调制，达到提高激光加工的精度；另一方面，还能够针对不同的高度对激光光束进行调整，保证加工后的沟槽结构稳定，进而提高了分离晶圆的均匀性。

附图说明

图1为本发明一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；

图2为本发明另一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；

图3为本发明另一实施例激光加工晶圆的方法的流程图；

图4为本发明一实施例相位补偿后lcos相位分布示意图；

图5为本发明一实施例lcos上加载菲涅尔透镜控制改变焦点示意图；

图6为本发明一实施例不同发散角对应不同的焦点示意图；

图7为本发明一实施例激光加工晶圆的系统的结构示意图；

其中，1、激光器，2、光纤准直器，3、起偏器，4、扩束准直元件，5、第二分束器，6、相控型硅基液晶，7、聚焦元件，8、可调光阑，9、晶圆夹持平台，10、三轴位移装置，11、反射镜，12、平凸透镜，13、检测装置，14、温度检测装置，15、控制器，16、位移检测装置，21、第一分束器，22、厚度检测单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光加工晶圆的方法，如图1所示，所述方法包括：

s1、获取晶圆上表面low-k层的厚度信息；

s2、根据厚度信息控制相控型硅基液晶对激光光束进行调制，以使激光光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的方法能够解决了晶圆加工过程中缺少检测系统对其进行调整，导致降低激光加工晶圆的精度，以及加工沟槽结构不稳定的问题。本发明实施例中通过实时对晶圆上表面的low-k层进行检测并获取厚度信息，进而根据厚度信息反映所述晶圆上表面的low-k层均匀度，其中，所述厚度信息与所述晶圆上表面的low-k层均匀度相对应，其对应关系储存在系统中。然后，本实施例由于晶圆上表面的low-k层厚度不均匀，降低了激光光束加工晶圆上表面的low-k层的质量，例如，当采用具有设定能量分布的激光光束加工晶圆上表面的low-k层时，由于，不同厚度处所吸收的能量具有差异，进而形成预定深度的失效层。因此，本实施例中能够根据需要加工位置的厚度调整所述激光光束的激光参数，使得由经调制后的激光光束在加工晶圆上表面low-k层时，能够精确的控制加工后的沟槽结构。本实施例所述方法一方面能够通过对low-k层的厚度实时检测，并对激光光束的实时调制，达到提高激光加工的精度；另一方面，还能够针对不同的高度对激光光束进行调整，保证加工后的沟槽结构稳定，进而提高了分离晶圆的均匀性。

其中，如图4所示，本实施例中所使用的相控型硅基液晶选为相位补偿后的相控型硅基液晶。lcos显示器是一种“夹心结构”——包含cmos工艺的硅基底片和镀有ito膜的玻璃片“夹”(封装)一层液晶材料。通过把视频转换电路、行扫描驱动电路和像素矩阵制作在硅基底上，而ito膜用作公共电极，通过不同强度的电信号驱动液晶材料的翻转，对入射光产生相位延迟的作用，实现出射光的光强再分布。具体地，通过加载相位全息信息图，调整lcos每个像素的电信号大小对入射光进行相位延迟的处理，最终实现反射光的光强、分束、整形等一系列电磁波传输的形式。由于器件的制作工艺复杂，因此导致了lcos普遍存在着光学响应均一性不足的问题，这严重影响了光束控制的精度和光衍射效率。因此，如图4所示，本实施例中所选用的lcos为相位补偿优化后器件，即通过对“液晶层空间分布的不均匀性”分析确定光控系统精度和光衍射效率的影响；再通过光学补偿方法提高器件液晶层“空间相位变化”的均一性，最终实现光控系统的精度和光衍射效率的优化。

同时，本实施例中通过计算机实现相位型菲涅耳透镜图并加载于lcos器件上，实现代替传统透镜的过程，构造一幅特定焦距的相位型菲涅耳透镜图，如图5所示，菲涅耳透镜的作用是取代传统相关器中普通透镜的功能，使用普通的凸透镜图，会出现边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。菲涅耳透镜就是采用这种原理的。菲涅尔透镜看上去像一片有无数多个同心圆纹路(即菲涅耳带)的玻璃，却能达到凸透镜的效果，如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致，这样有利于提高加工效果，加深对槽形的控制。

当在lcos上加载相位型菲涅耳透镜图，激光的发散角发生改变，因此配合加工所用平凸透镜可以实现对焦点的精确控制，如图6所示。按照透镜的聚焦公式，如下：

1/f＝1/u+1/v

f是透镜的焦距，这个是选择的透镜的本身固有属性。u是物距，是物体距离透镜光心o点的距离。v是像距，是成像以后的像距离透镜光心o点的距离。因此，当激光的发散角改变，所对应的物距亦发生变化，而透镜的焦距不变，从而导致像距发生变化，也就是焦点的移动。如图6所示，当激光发散角从准直状态开始聚集时，焦点也会随之慢慢向上移动。然后当激光由菲涅耳透镜的作用焦距越来越小时，并会聚于lcos和平凸透镜之间，这时焦点开始随着菲涅耳透镜焦距的变小而随之慢慢向下移动。

因此，所述相控型硅基液晶能够根据厚度信息实现对激光光束的微调整，进而提高了激光加工的精确性。

综上所述，本实施例能够通过对晶圆上表面low-k层的厚度进行实时检测并获取厚度信息，并通过相控型硅基液晶根据所述厚度信息对激光光束进行调制，进而通过对激光光束的精确控制实现晶圆上表面low-k层加工得到可定制形沟槽结构，并提高了所述方法的工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

可选地，如图2和3所示，所述获取晶圆上表面low-k层的厚度信息包括：

向晶圆上表面low-k层发射一检测光束；

获取检测光束的反射光；

根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息。

具体的，本实施例中晶圆上表面low-k层为透明材质，因此，本实施例中采用检测晶圆上表面low-k层的反射情况，实现对晶圆上表面low-k层厚度的检测，具体是向晶圆上表面low-k层发射一光强较弱的检测光束，并经所述晶圆上表面low-k层反射后，形成一反射光，并通过对该反射光进行计算并得出所述晶圆上表面low-k层对应的厚度。其中，所述晶圆上表面low-k层的厚度将对反射光的射程、角度、光强等有影响，因此，可通过所述反射光得出所述晶圆上表面low-k层的厚度。例如，当厚度增加时，所述反射光的射程增加，激光能量损失增大。因此通过四象限功率计测得的光强能量值以及角度均随之发生改变，根据能量变化的差值和角度的偏移量可以推算出low-k材料的厚度。

可选地，所述根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息是根据所述反射光的反射率计算得出所述晶圆上表面low-k层的厚度信息；其中，

所述反射光的反射率与晶圆上表面low-k层的厚度相对应，其对应关系储存在系统中。

可选地，所述根据厚度信息控制相控型硅基液晶对激光光束进行调制，以使激光光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀，包括：

根据厚度信息调整激光光束的激光参数；

控制相控型硅基液晶按所述激光参数对激光光束进行调制并形成定制化激光光束；

改变所述定制化激光光束与晶圆上表面的相对位置以在所述晶圆上表面形成凹槽，用以对晶圆上表面low-k层实现刻蚀。

可选地，所述激光参数包括波前相位、发散角、激光照射方位角、光束能量分布和激光光斑形状中一种或者任意组合。

可选地，所述定制化激光光束为具有特定图案分布的光斑组合、或多束激光子光束的阵列组合；其中，

所述具有特定图案分布的光斑组合包括方形，圆形，菱形和可定制形多边型中一种或者任意组合：

所述多束激光子光束的阵列组合包括1*n阵列，或n*m阵列，或具有特定拓扑图案分布的阵列组合，其中n＝2、3……，m大于等于2。

可选地，在根据厚度信息调整激光光束的波前相位之前，包括：

获取激光光束的焦点信息；

根据焦点信息判断激光光束的激光焦点是否出现像散或畸变，如果否，则保持激光光束的波前相位；如果是，则根据所述厚度信息确定激光光束的波前相位，并控制相控型硅基液晶调制激光光束的波前相位。

可选地，所述方法还包括：

根据厚度信息确定所述发散角；

控制相控型硅基液晶按所述发散角调整激光光束；

通过与聚焦元件的配合改变激光光束的激光焦点在晶圆上表面low-k层的深度方向上的位置。

可选地，所述方法还包括：

获取晶圆的实时位置信息和目标位置信息，并得出激光偏移量；

根据激光偏移量确定激光光束的激光照射方位角；

通过控制相控型硅基液晶调制激光光束的激光照射方位角，以使激光光束调整至目标位置。

可选地，所述通过控制相控型硅基液晶调制激光光束的激光照射方位角为通过控制在相控型硅基液晶上加载的闪耀光栅周期用以调制激光光束的激光照射方位角。

可选地，在根据厚度信息控制相控型硅基液晶对激光光束进行调制，以使激光光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀之前，还包括：

检测相控型硅基液晶6的环境温度；

接收相控型硅基液晶6的设定环境温度；

判断环境温度与设定环境温度是否一致，如果是，则保持所述环境温度；如果否，则调节至设定环境温度。

具体的，本实施例中由于环境温度对相控型硅基液晶6的光学响应有影响，因此，本实施例中在采用所述相控型硅基液晶6对激光光束进行微调整之前，需对相控型硅基液晶6的环境温度进行检测，并调节至设定的环境温度使得相控型硅基液晶6能够在最佳的环境温度下对激光光束进行微调整。同时，设定环境温度与相控型硅基液晶6相对应，其对应关系储存在控制器15内。当相控型硅基液晶6为反射型液晶的相控型硅基液晶6时，则所述设定环境温度与相控型硅基液晶相对应，使得相控型硅基液晶可以在最优的环境温度下进行工作，从而进一步的相控型硅基液晶的光学响应。同时，提高了所述方法的在预定切割道内的精确刻蚀。

本发明实施例还提供一种激光加工晶圆的系统，如图7所示，所述装置包括：

激光器，用于发射激光光束；

扩束准直元件，用于将所述激光光束扩束、准直，形成平行光束；

厚度检测单元，用于获取晶圆上表面low-k层的厚度信息；

相控型硅基液晶，用于根据厚度信息对平行光束进行调制；

激光加工单元，用于将经调制的平行光束对晶圆上表面low-k层进行刻蚀。

本发明实施例提供的激光加工晶圆的系统由激光器发射的激光光束，经光纤准直器2、起偏器3、扩束准直元件4形成平行光束，由分束器5将平行光束分为加工光束和检测光束，并将检测光束倾斜发射至所述晶圆上表面low-k层并反射至厚度检测单元，进而对晶圆上表面low-k层的厚度进行实时检测并获取厚度信息；将加工光束发射至相控型硅基液晶并通过相控型硅基液晶根据所述厚度信息对激光光束进行调制，最后将经调制后的激光光束发射至激光加工单元用以加工晶圆上表面low-k层，进而通过对激光光束的精确控制实现晶圆上表面low-k层加工得到可定制形沟槽结构，并提高了所述方法的工作效率、激光加工精度以及分离晶圆的均匀性。

或者，本实施例中还能够通过激光器分别发射一加工光束和一检测光束，并分别将检测光束倾斜发射至所述晶圆上表面low-k层并反射至厚度检测单元，将加工光束发射至相控型硅基液晶并通过相控型硅基液晶根据所述厚度信息对激光光束进行调制。

综上所述，本实施例中所述系统能够通过实现对晶圆上表面low-k层的厚度实时检测并得到实时厚度信息，根据实时厚度信息对激光光束进行调制，并使用调制后的激光光束对晶圆上表面low-k层进行加工，使得所述系统能够对晶圆上表面low-k层加工出可定形沟槽结构，并提高了所述系统的加工精度。

可选地，所述系统还包括：

第一分束器，用于将平行光束分为加工光束和检测光束，并分别将检测光束发射至晶圆上表面low-k层，将加工光束发射至相控型硅基液晶；

确定单元，用于根据所述反射光得出晶圆上表面low-k层的厚度信息。

可选地，所述系统还包括：

参数调整单元，用于根据厚度信息调整激光光束的激光参数。

可选地，所述系统还包括：

光束检测单元，用于获取激光光束的焦点信息；

第二分束器，用于将加工光束分为至少两束，并分别射入相控型硅基液晶、光束检测单元。

具体的，本实施例中通过第二分束器将加工光束分为至少两束，其中一束射入反射镜11反射至所述光束检测单元，所述光束检测单元包括平凸透镜和检测装置，主要是由平凸透镜将经反射镜11反射的光束聚焦至检测装置实现检测。

可选地，所述激光加工单元包括：

聚焦元件阵列，用于将所述平行光束进行聚焦处理并发射到所述晶圆上以使激光加工晶圆上表面；

晶圆夹持平台，用于夹持住所述晶圆；

三轴位移装置，用于改变所述激光光束与晶圆上表面的相对位置以在晶圆上上表面形成凹槽；

位移检测装置，用于获取晶圆的实时位置信息和目标位置信息，并得出激光偏移量。

可选地，所述系统还包括：

控制器，包括确定单元、参数调整单元，并用于实现对系统各个部分的控制。

所述控制器还可用于根据激光偏移量确定激光光束的激光照射方位角。

本实施例的装置，可以用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。