[发明专利]采用全光学方式的激光划片在线监测装置

说明书

本发明提供一种采用全光学方式的激光划片在线监测装置，用于对激光划片的全动态过程进行原位实时观测，包括：倍频晶体及半反射镜，所述倍频晶体将探测光倍频后经半反射镜反射至待测晶圆处；二向色镜，其位于半反射镜与待测晶圆之间的光路上，用于反射抽运光/划片光至与探测光合束；二向色物镜，其位于二向色镜与待测晶圆之间的光路上，用于将所述抽运光/划片光与所述探测光聚焦，焦点置于待测晶圆内部；第一探测器，其位于待测晶圆一侧中半反射镜的透射光路上且较之半反射镜远离待测晶圆，用于记录探测光的反射信息；第二探测器，位于待测晶圆的另一侧且设置在从二向色物镜往待测晶圆的光路延长线上，用于记录探测光的透射信息。

技术领域

本发明涉及激光划片的监测，特别涉及一种采用全光学方式的激光划片在线监测装置。

背景技术

在半导体制造中，晶圆是半导体产业链的上游核心，材料和设备是整个半导体产业的基石。更大晶片、更小晶粒(芯片)、更多功能是半导体行业未来的发展趋势。半导体生产流程由晶圆制造、晶圆测试、芯片封装和测试组成。其中，晶圆划片是半导体芯片封装过程中的一个重要环节，是将一整片晶圆沿预先设定的切割道分割成单个晶粒的过程，该环节对芯片的质量和寿命有着直接且重要的影响。晶圆划片的质量标准由芯片完整度、无微裂纹、界面无剥离、芯片边缘无毛刺、背面边界无崩裂、边角无脱落等等多个苛刻条件组成，这些条件都是在微米尺度下进行衡量。随着晶粒间距越来越小，预留给划片切割道的空间也越来越窄。因此，如何在丰富芯片功能的同时进一步缩小其尺寸，如何在不降低芯片良率的前提下进一步提高产率，如何在不导致缺陷的情况下切割出复杂的集成电路芯片，这些都与晶圆划片技术的革新密切相关。

机械划片是利用砂轮或刀片的高速旋转对晶圆进行强力切割。机械划片工艺成熟，典型划片速度100mm/s、切割道宽度60-80μm。但机械划片也存在着明显不足，比如机械划片为湿式划片，须采用冷却液冲洗和降温；刀片施加的下压力会导致晶圆产生机械形变；划片的切割道宽、速度慢，还有溅射、残留、崩边、膜层脱落、卷边缺陷等问题。特别是，对于高硬度脆性材料，如SiC，机械划片还必须在划切质量与划切速度之间做出妥协。

半导体制程的技术迭代对激光加工精度的要求越来越高，当切割道宽度、热影响区、崩边尺寸等多个要素都必须控制在几个微米以下时，超短脉冲成为激光精密加工的有效手段。因此，将超短脉冲与激光划片技术相结合成为提升晶圆划片产率和良率的重要突破点。超短脉冲隐形切割相较于纳秒脉冲划片有着较大不同，表现为高峰值功率超短脉冲引入的瞬态(飞秒/皮秒)时间效应、紧聚焦条件下产生的纳米尺度空间效应(非线性和热输运)等等。当近红外波段超短脉冲聚焦至半导体材料时，会由非线性吸收主导多光子电离和雪崩电离；当等离子体密度高于某临界值时，将类似金属一样强烈吸收激光并剧烈升温；进一步，当区域内正离子间的强大库伦排斥力超出瑞利不稳定极限值时，会产生强烈的库伦爆炸。了解这些超快动力学机制对改善半导体器件的性能至关重要。

最近，人们已经开始尝试采用超短脉冲对Si和Al2O3等传统衬底材料进行隐形切割。在产线现场验证过程中，设定切割速度为600mm/s，以厚度为110μm的Al2O3衬底LED晶圆为划切对象，通过优化皮秒脉冲的平均功率、脉冲能量、脉冲串内子脉冲数、光束质量等激光参数，获得了最高大于99.5％的良率，晶圆切割前后良率几乎无衰减。然而，对于SiC晶圆来说，机械划片和激光划片的发展都较为缓慢，原因在于SiC材料从晶棒生长到晶圆加工都存在着诸多需要解决的问题。如：一、SiC有多种同素异构体，而异构体元胞所含原子数目较大，计算工作复杂，对这些异构体能带结构的理论认识尚不充足；二、SiC单晶生长条件苛刻，生长周期长；三、由于SiC属于硬脆材料(莫氏硬度达到9.5，超过Al2O3，仅次于金刚石)，晶棒的切割、以及晶圆的研磨、减薄、抛光都有极大难度；四、由于加工难度大，SiC衬底(350-500μm厚度)相较Al2O3和Si衬底(100-200μm厚度)厚，引发出光学透过率这个制约隐形切割的关键问题；五、SiC禁带宽度约为3.4eV，是Si的3倍，是Al2O3的1/3，无法直接采用Al2O3和Si衬底的激光划片工艺。