用于分割透明工件的方法

技术领域

一种通过脉冲激光辐射分割透明工件的方法，通过在工件的体积中产生光束汇聚区，其中激光辐射的强度超过非线性吸收的阈值，其中，光束汇聚区和工件相对于彼此移动，从而在工件中产生沿着预定分离线延伸的二维弱化，并且其中，随后沿着分离线分割工件。

背景技术

将晶圆基板分割成芯片，即所谓的晶圆切割，在半导体器件的制造中起重要作用，半导体器件变得更小和更复杂。传统的切割方法是基于对于厚度大于100μm的晶圆使用金刚石锯。对于较薄的晶圆，越来越多地使用基于激光的方法。

WO 2016/059449 A1描述了一种切割方法，其中使用脉冲激光辐射在该工件(即半导体基板)的体积中产生光束汇聚区，激光辐射的强度局部超过非线性吸收阈值。在光束汇聚区中，多光子工艺相应地发生，例如以多光子电离或雪崩电离的形式，这导致等离子体的形成。等离子体形成速率急剧增加超过阈值，该阈值取决于工件的材料和激光辐射的参数。因此，这也称为“光学击穿”。所得的工件的改性以及由此而来的加工表现出高精度，因为在空间上局部的、可再现的少量的能量被引入材料中。良好的空间定位主要通过使用尽可能无像差的高数值孔径光学探头聚焦激光辐射来实现。在所引用的印刷品中，光束汇聚区是在激光束轴的方向上以延伸的“尖(spiky)”聚焦体积的形式生成的。该光束汇聚区相对于工件移动，从而在工件中产生沿着预定分离线延伸的二维弱化。由于引入的改性引起的可能的弱化机制是空隙和/或裂纹形成、工件材料的结构变化、在每种情况下耦接到改性区的裂纹、瞬态或永久应力、热机械应力、由于局部体积增加或减小引起的应力、固化裂纹等……。最后，通过施加小的机械力或应力，发生工件的实际分模，这使得工件在弱化区域中，即，沿着分模线断裂。

至关重要的是材料在工件的给定深度之上和进入工件的给定深度的均匀改性。这提高了可分割性，诸如碎裂或材料变形的生产缺陷被最小化，并且实现了更高的边缘强度。在已知的方法中，工件中的改性是在脉冲持续时间在100-15000fs范围内的激光脉冲在500nm至2000nm波长和10kHz至2MHz重复率下产生的。在已知方法中，基于工件体积中的激光辐射的未受干扰线性传播来设计用于产生光束汇聚区的光束成形。然而，在产生使材料能够碎裂的弱化所需的通量时，激光辐射在工件内的传播经受在上述脉冲持续时间范围内的非线性效应。在低脉冲持续时间及高能量密度下，激光辐射在工件的体积中的传播受到非线性效应(例如自聚焦以及已经在光束汇聚区之外的双光子吸收)的强烈干扰，从而在很大程度上防止有效能量耦合到光束汇聚区的期望区域中。能量沉积的限定定位和工件的材料的所得改性不能在辐射的高峰值强度下实现，因为其以短脉冲持续时间存在。

在长脉冲持续时间(例如，＞1ns)以及因此较低峰值强度的情况下，可以使材料改性，但是由于典型地需要较高的能量并且扩散效应变得有效，所以接受由于增加的热负载体积而引起的更大的损伤。因此，分离过程的结果在断裂线的质量方面是令人不满意的。

发明内容

针对这种背景，本发明所基于的目的是提供一种用于分割透明工件的改进方法。要避免已知方法的上述缺点。

本发明基于开篇处所示类型的方法，通过选择由脉冲激光辐射在光束汇聚区中的非线性吸收产生的和/或由空间光束成形产生的能量输入的持续时间来抑制激光辐射在工件的光束汇聚区外部的体积中的非线性传播而实现此目的。

本发明的核心是考虑将弱化引入工件的非线性传播特性。为了抑制(即，显著减少)激光辐射在光束汇聚区外的非线性传播，关于能量输入的持续时间和/或光束成形限定可能最优的工艺参数，由此实现能量沉积的改进控制。在此背景下，工件体积中的局部能量密度最终由能量输入的持续时间控制并且改进光束汇聚区内的能量耦合。周围体积(即，光束汇聚区外部)的损伤被最小化。本发明实现了在外部、特别是在光束汇聚区前方的激光辐射的传播方向上实现最低可能的相互作用，以便使干涉非线性效应(例如，自聚焦、非线性吸收)或其他传播干扰最小化。还确保在光束汇聚区中的非线性吸收持续时间期间，在光束方向上首先发生的高电子密度的改性或区不屏蔽来自光束汇聚区的稍后在光束方向上到达的部分的入射能量的多于50％、优选地不屏蔽多于20％、特别优选地不屏蔽多于10％。

通过最小化非线性传播，可以通过在光束汇聚区中的光束聚焦以有针对性和限定的方式实现合适的通量。因此，期望的改性仅发生在该区域中。时间和空间光束成形的组合导致在整个指定光束汇聚区上的均匀定制的能量沉积。结果，方便了分割处理。碎裂或材料应力被最小化。与现有技术相比，改善了断裂线边缘的质量。

换言之，根据本发明，通过定向选择工艺参数(能量输入的量和持续时间及空间光束成形)实现了：

a)在光束汇聚区内超过非线性吸收的强度阈值；

b)光束汇聚区域外的不期望的非线性效应的功率或强度阈值降低；

c)以受控的、局部化的方式引入期望改性所需的能量，从而产生期望几何形状中表面的期望弱化。

理想地，激光辐射的波长应被选择使得激光辐射在工件的材料中的线性吸收在激光束方向上在一厘米长度上低于20％、更好地低于10％、特别优选地低于5％。此外，激光辐射的波长应根据以下条件选择：在该波长下，工件体积中的非线性折射率如此低，以致非线性效应不妨碍光束汇聚区中的足够能量沉积。同时，波长应该处于确保良好的聚焦性能的范围内。

根据本发明，通过脉冲激光辐射在光束汇聚区中(即，在工件沿分离线的特定位置处)的非线性诱导吸收来适当选择能量输入的持续时间是至关重要的。能量输入的持续时间可例如由脉冲激光辐射的脉冲持续时间指定。持续时间的上限是由热扩散造成的热损伤区的可容许尺寸造成的。此外，持续时间的上限由光束汇聚区中所吸收的最大可容忍能量给定。当强度高于非线性吸收阈值时，持续时间越长，能量输入越大。太多能量和/或在太长时间段内引入的能量将防止对光束汇聚区的弱化的局部限制。就避免激光辐射在光束汇聚区外的非线性传播而言，能量输入持续时间的下限是重要的。特别地，脉冲持续时间应大于临界值，其中临界值例如为脉冲能量与材料特定临界功率的商，高于该商时，非线性传播(特别是自聚焦)在工件的体积中发生。这确保能量沉积不会受到非线性效应的过度干扰，因此确保在光束汇聚区中的足够高且局部化的能量沉积。

适当地，应根据以下条件选择脉冲事件中的能量输入的持续时间(例如，脉冲持续时间)和能量输入的量(例如，脉冲能量)：通过单个激光脉冲或由预定数量的激光脉冲的序列组成的激光脉冲群(burst)发生损伤(即，光束汇聚区内的工件的体积的期望改性)。例如，合适的单个脉冲可以是具有特定脉冲持续时间的高斯时间轮廓的激光脉冲。该群包括具有小的时间间隔(在GHz或THz范围内的脉冲重复频率)的预定数量的激光脉冲。如果群彼此间的时间间隔比单个群的持续时间大至少100倍，则这样的群也被认为是脉冲事件。在单个这种“脉冲事件”(单个脉冲或群)期间，应当完全产生在工件上的特定位置处的改性。因此，在本发明的背景下的能量输入是指在单脉冲事件期间通过在光束汇聚区中的非线性诱导吸收的能量输入。能量输入的持续时间相应地由脉冲持续时间或群持续时间产生。应注意，激光脉冲不一定必须具有高斯形状、“平顶”形状或任何其他常见形状。可以想到任何脉冲形状。决定性的是能量输入的有效持续时间。在根据本发明的方法中，这优选是20-500ps。

然后，通过从脉冲事件到脉冲事件沿着分模线相对于光束汇聚区逐渐地移动工件，重复地产生二维弱化。如果可能，在沿分模线的单个运动事件期间产生弱化。这样，可以实现高加工速度，并且工件沿着分离线以高质量的分割边缘可靠地断裂。

优选地，确定能量输入的最短可能持续时间，在该最短可能持续时间处，以至少80％、优选地至少90％、更优选地至少95％的概率发生所期望的改性。然后，在引入弱化时的能量输入的持续时间被选择为大于或等于这个确定的最短可能值，这可以取决于许多因素(波长、脉冲形状、光束汇聚区的材料、尺寸和几何形状等)。例如，所选择的能量输入的持续时间可以高于所确定的最短可能值的10倍、优选5倍、特别优选2倍。理想地，该倍数在1.1至5的范围内。这对所期望的弱化生成的能量输入提供了良好控制。

进一步优选地，光束汇聚区应具有垂直于工件表面的细长形状。类似于以上引用的WO 2016/059449 A1，光束汇聚区应在光束方向上伸长并且因此在工件的整个厚度的大部分上延伸，以确保合适的弱化。例如，光束汇聚区在光束方向上的长度可以比光束汇聚区垂直于所期望的二维弱化的范围大至少10倍、优选地至少50倍、特别优选地100倍。激光束最初可具有高斯轮廓或任何其他可行的输入光束形状。特别适合的是高斯-贝塞尔(Gauss-Bessel)光束或其他基本上可以被描述为非衍射光束的光束形状。光束汇聚区中的定制空间强度分布适当地通过合适的光学组件来实现，诸如与光束成形光学元件组合的聚焦光学元件以及与自适应光束成形组件(诸如空间光调制器(SLM)或压电镜)组合的聚焦光学组件。可以通过与深度有关的像差校正来实现改进。空间光束成形的目标是实现可能进入所期望光束汇聚区的最不受干扰的能量输入，所述能量输入从工件表面(光束进入表面)到分离处理所需的进入工件的深度。

同时，该光束汇聚区横向于该光束轴线的范围在平行于该弱化平面的方向上应该大于垂直于该弱化平面的方向。这最小化了在光束汇聚区和工件的相对移动的情况下重复引入改性期间受上述引入的改性影响(屏蔽)的激光辐射部分。

如上所述，本发明旨在实现外部，特别是在光束汇聚区前方的激光辐射的传播方向上，最低可能的相互作用，以便使干扰非线性效应最小化。此外，应确保在光束汇聚区中的脉冲事件期间，首先出现的高电子密度的改性或区仅屏蔽来自随后到达的光束汇聚区的部分的尽可能小的入射能量的一部分。合适的光束成形可有助于此。光束成形可以有利地以如下方式进行：与在工件的体积中更远离工件表面汇聚的那些光束分量相比，在工件的体积中更靠近工件表面汇聚的激光辐射的(由单独的光束或单独的光束的束组成的)那些光束分量与光束轴线形成相等或更小的角度。这在任何情况下都应适用于在光束汇聚区中汇聚的大多数光束分量；只要非线性效应被充分抑制，可在个别情况下容许光束分量的一小部分与该几何形状的偏差。

根据本发明的方法特别适合于将半导体晶圆切割成芯片。本发明提出的时间和空间光束成形防止或至少最小化对切割过程有害的激光辐射的非线性传播。因此，激光辐射在基板材料中的传播未受干扰，并且可以随着每个脉冲事件引入细长的改性区。通过用激光束和基板的相对移动重复该过程，沿着预定的分离线产生二维弱化。这在通过随后施加的拉伸应力的压裂过程中用作预定的断裂点。由此，一方面薄但另一方面甚至厚的半导体基板可以以具有最小的热应力或受损的断裂点的方式被有效地分离。由于该改性区横向于弱化平面的小延伸，有可能在该进给方向上引入彼此紧密相邻的改性，而该光束传播不受上述引入的改性的显著干扰。分离线的轮廓精度特别高。生产误差和次品被最小化。同时，可以实现高处理速度。

根据本发明的方法还适用于分割平坦的玻璃制品或陶瓷和水晶工件。

附图说明

本发明的进一步的特征、细节和优点从权利要求的措辞和基于附图的示范性实施例的以下描述中是显而易见的。附图示出：

图1是根据本发明的用于分开或分割透明工件的方法的示意图；

图2是根据本发明的空间光束成形的示意图；

图3是具有不同间距的改性区的重复引入；

图4是优化方法参数的过程作为流程图；

图5是优化脉冲持续时间的过程作为流程图；

图6是优化脉冲能量的过程作为流程图；以及

图7是示出了方法参数与改性区的重复引入的相互关系的示图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明用于(例如在半导体制造中)分开或分割工件1(例如晶圆)的方法的基本步骤。脉冲激光辐射形式的激光束2从上方辐射到工件上。以在工件1的体积内产生在光束方向上延长的光束汇聚区3的方式来(例如，通过与空间光调制器组合的聚焦光学组件，未示出)使激光束2成形。在光束汇聚区3内，激光辐射的强度超过非线性吸收的阈值，使得发生工件1的材料的对应空间受限改性。光束汇聚区3相对于工件(箭头方向)逐渐地移动。在该过程中，在工件1的体积内产生沿着分离线4彼此相邻的多个改性区5，这些改性区一起形成弱化平面。随后，通过施加小的机械力沿着分离线4将工件1断裂成两个部件1a、1b。分离线不必是直的，如图1所示。还可以想到沿着弯曲的分离线分离工件部件1a、1b。

本发明的核心是考虑用于将改性区5引入到工件1中的激光辐射2的非线性传播特性。激光辐射2在工件1的体积中的传播将受到非线性效应(例如，自聚焦以及已经在光束汇聚区之外的双光子吸收)的强烈干扰，以致在很大程度上阻止有效能量耦合，该有效能量耦合一方面受限于光束汇聚区3的期望区域，但另一方面也尽可能完全地填充它。为了抑制(即，减少)激光辐射2在光束汇聚区3外部的这种非线性传播，根据本发明关于能量输入的持续时间和光束成形限定可能的最佳工艺参数，从而使得能够广泛控制能量沉积。周围体积(即，光束汇聚区3之外)的损伤减小到最小。

图2示意性示出了根据本发明的通过穿过工件1的截面的空间光束成形。在图2的左侧描述中，从上方入射的激光辐射2(图1)的两个光束分量6、7汇聚在远低于工件表面(光束入射表面)的光束汇聚区3中。光束分量6、7与光束轴线8形成锐角，从而产生细长的光束汇聚区3。光束分量6、7与光束轴线8成角度地传播穿过工件1的体积，确保光束分量6、7的重叠仅在光束汇聚区3中发生。在光束汇聚区之外，工件体积中的激光辐射的通量保持如此低，以致尽可能少地发生非线性效应。在图2的中间描述中，增加了激光辐射2(图1)的另外的光束分量9、10、11、12，其“填充”最低光束汇聚区3与另外的光束汇聚区3'、3”之间的区域。为了防止激光辐射2在光束汇聚区3、3'、3”之外的非线性传播，激光辐射2的在工件1的体积中更靠近工件表面汇聚的那些光束分量9、10、11、12与光束轴线8具有一定的角度，该角度与在工件1的体积中更远离工件表面汇聚的那些光束分量6、7相同(如图2所示)或更小。这排除了不同的光束分量6、7、9、10、11、12在光束汇聚区3、3'、3”之外重叠的可能性，从而产生实现非线性效应的通量。在图2的右侧描述的示例中，各个光束分量6、7、9和10、11、12分别在两个较宽的光束分量13、14中彼此合并，从而形成单个细长光束汇聚区3。光束成形确保在光束汇聚区3中的脉冲事件(单个激光脉冲或脉冲群)期间，首先发生(即，在图2中更向上)的改性(或高电子密度区)仅屏蔽来自光束汇聚区3的稍后到达(更向下)的部分的入射能量的一小部分。这通常可以通过入射激光辐射的光束分量6、7、9、10、11、12、13、14相对于光束轴线8的最窄的可能角度光谱(angular spectrum)来实现。

图3进而通过工件1的剖视图(上部绘图)和俯视图(下部绘图)示出了通过激光辐射2的汇聚光束分量13、14连续引入多个改性区5。在该过程中，如上所述，工件1相对于光束汇聚区3(在图3中向右侧)移动。在左边的描述中，改性区5被非常靠近地引入。在该过程中，激光辐射2的一部分被预先已经引入的相应改性区5屏蔽。相应的屏蔽角段(angularsegment)在图3的下部绘图中示出。可以看出，与更宽间隔的改性区5(中间图示)相比，紧密间隔的改性区5(左边图示)的角段更大。在右侧绘图中，改性区再次紧密相邻。然而，在此，光束成形发生的方式使得，光束汇聚区3的范围以及相应地在每种情况下示出的改性区5的范围在平行于弱化平面(即，沿着分离线4)的方向上横向于光束轴线8的比垂直于光束轴线8的更大。因此，减少了在重复引入改性区5期间被各个上述已经引入的改性区5屏蔽的激光辐射2的部分。在右下绘图中，可以看到屏蔽角段小于左下图中的屏蔽角段。因此，改性区5的横向于分模线4的较小延伸允许紧密间隔的改性区，从而总体而言可以弱化更大比例的区域，从而可以改善压裂质量。

图4示出了根据本发明的优化工艺参数的过程的示例。首先，基于工件1的条件(材料和厚度)指定激光辐射的波长。理想地，激光辐射的波长应被选择成使得激光辐射在工件的材料中的线性吸收在激光束方向上在一厘米长度上低于20％、更好地低于10％、特别优选地低于5％。此外，应选择激光辐射的波长，条件是工件体积中的非线性折射率在此波长下尽可能低。例如，较长的波长减少了光束汇聚区外的双光子吸收。同时，波长应在确保良好的聚焦性能的范围内，并且从该观点来看，较短的波长是优选的。基于不同的优化标准，指定合适的波长。在下一步骤中，根据上面解释的标准，还考虑工件的厚度和材料(折射率)来确定光束成形。然后，执行脉冲持续时间和脉冲能量的迭代优化，条件仍是避免或至少减少激光辐射2通过工件1在光束汇聚区3外部的体积传播的非线性效应。下面参照图5和图6说明关于这一点的更多细节。

为了实现对能量沉积的最佳可能控制，确定通过脉冲激光辐射的非线性吸收所产生的能量输入的最短可能持续时间，即，在这种情况下，确定在工件1中期望实现改性的最短可能脉冲持续时间。这取决于已经预先确定的参数，即光束汇聚区3的材料、几何形状(即，光束形状和波长)。图5中所示的优化步骤用于发现最佳脉冲持续时间。迭代优化的可能起始点可由一方面用于工件1的材料的改性的必要能量密度和另一方面在工件1的体积中传播的激光辐射2的自聚焦发生的相应临界功率引起。必须选择至少足够长的脉冲持续时间，使得所实现的激光辐射的峰值功率低于对于自聚焦关键的材料特定参数。例如，根据ISO 21254(“激光器和激光相关设备-用于激光诱导损伤阈值的测试方法”)进行图5和图6所示序列中具有至少95％概率的成功改性的验证。以通过单个激光脉冲或由预定的激光脉冲序列组成的激光脉冲群的改性可靠(至少95％的概率)地发生的方式来通过优化确定脉冲激光辐射2的脉冲持续时间和脉冲能量。同时，选择改性仍然可靠地发生的最小必要脉冲持续时间。在根据图5的脉冲持续时间的优化之后，如果可以实现改进的结果和/或增加的过程稳定性，则脉冲持续时间可以任选地根据结果向上调整。上限进一步由激光照射过程中的热损伤范围确定。根据图6，然后根据类似程序通过增加或减少脉冲能量来调节期望改性范围中的通量(＞95％概率)。图5和6的优化步骤确保最佳脉冲持续时间和脉冲能量用于选择的光束成形，(即，用于改性区5的期望的几何形状)。

在本发明的实际实现方式中，用1960nm波长的脉冲激光辐射照射525μm厚的硅晶片。可以在20ps脉冲持续时间下观察到非线性传播的显著减少以及因此第一次发生的改性。通过单个激光脉冲确定改性概率表明，在25ps脉冲持续时间下达到＞95％的概率。在这种情况下，脉冲能量为15μJ。因此，可以通过空间脉冲成形来产生在光束方向上具有5μm的直径和350μm的长度的改性区。通过相对于晶圆移动激光辐射的焦点(即，光束汇聚区)，以10μm的间隔对准改性区。随后，可以用小的机械力使晶圆以直角断裂。形成精确的断裂线。沿着断裂线的热影响区域较小。表面的粗糙度小于5μm。

为了在工件1的材料中产生连续的弱化，激光束2和工件1的相对移动的速度可以降低到在工件1的体积内存在改性区5的重叠的程度。图7的示意图示出了进给速度v、改性概率P和输入脉冲能量E