一种切割半导体晶圆片的激光光学系统和方法
阅读说明：本技术 一种切割半导体晶圆片的激光光学系统和方法 (Laser optical system and method for cutting semiconductor wafer ) 是由 洪觉慧 朱进东 魏少东 陆晓绵 侯效彬 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种切割半导体晶圆片的方法,其特征在于,所述方法包括：通过视觉系统确定晶圆体的切割位置和方向,使得激光抄表器放置在晶圆片之间的切割间隙上；由激光器发射的激光通过光学元件调整后进入激光振镜,所述晶圆片夹持在两维运动平台上,通过控制系统同时控制激光振镜和运动平台协作补偿运动,使激光按既定路径进行划线切割。本发明的激光切割方法消除了机械应力,并能够将整个晶片堆和半导体基质进行精确切割。激光处理还可以缩小切割间隔,减少晶圆体上晶片之间所需空间的浪费。节省下宝贵的空间可以用来进行晶片的二次加工。(The invention discloses a method for cutting a semiconductor wafer, which is characterized by comprising the following steps: determining the cutting position and direction of the wafer body through a vision system, and enabling a laser meter reader to be placed in a cutting gap between the wafers; the laser emitted by the laser enters the laser galvanometer after being adjusted by the optical element, the wafer is clamped on the two-dimensional moving platform, and the control system simultaneously controls the laser galvanometer and the moving platform to cooperatively compensate and move, so that the laser is scribed and cut according to a set path. The laser dicing method of the present invention eliminates mechanical stress and enables precise dicing of the entire wafer stack and semiconductor substrate. Laser processing also reduces dicing spacing and reduces waste of space required between wafers on a wafer body. Valuable space is saved and can be used for secondary processing of the wafer.)
技术领域
本发明属于激光加工工艺技术领域，特别涉及一种切割半导体晶圆片的激光光学系统和方法。
背景技术
半导体装置晶圆体是复杂的基质。硅胶晶圆体上堆积的装置是一种多层次混合的特殊属性的异质材料。在半导体晶片工厂整个生产过程完成之后，母体晶圆会被分割为单独的晶体切片。晶圆切割传统制作方法是使用锯子磨碎切片之间的材料将切片分开。当晶片几何形状变小时(如10nm及以下)，晶片密度会随之增加，并且晶片之间的间隙会变得极窄。此外，这种新型的复杂晶片结构使用了几种新材料，这些材料对晶片的性能有很高的要求。
现有的机械切片方法对这些晶片存在很大的破坏隐患，原因有以下几点：(a)随着芯片之间的间隙越来越窄，越来越难以准确和重复地将锯子放置在间隙中心。结果导致设计师在设计晶体时被迫保持一定的间隙宽度以适应锯切过程的限制。因此，提高晶片的封装密度是非常困难的。(b)复杂晶片堆中的新材料具有显著不同的机械性能，例如材料的硬度使得机械切割技术难以使用。常见的失败例子是在锯切过程中材料的撕裂/开裂，导致晶片中泄漏电流的增加。为了克服这一问题，制造商被迫在晶片周围使用“止裂”激光器，导致浪费宝贵的晶片资源的浪费。(c)切割锯必须非常缓慢地操作以尽量减少损害，导致生产效率下降。
基于以上，期待一种利用激光进行切割的生产线，以消除机械应力，并能够将整个晶片堆和半导体基质进行精确切割。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种切割半导体晶圆片的激光光学系统和方法，以增加切割精确度和切割效率。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明的一个实施例提供了一种切割半导体晶圆片的方法，所述方法包括：
通过视觉系统确定晶圆体的切割位置和方向，使得激光抄表器放置在晶圆片之间的切割间隙上；
由激光器发射的激光通过光学元件调整后进入激光振镜，所述晶圆片夹持在两维运动平台上，通过控制系统同时控制激光振镜和运动平台协作补偿运动，使激光按既定路径进行划线切割。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的方法，其特征在于，所述晶圆体包括器件层和半导体基质，所述划线切割过程包括对器件层的激光划线切割和对半导体基质的激光划线切割过程。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的方法，其特征在于，在通过视觉系统确定晶圆体的切割位置和方向之前还包括以下步骤：
将晶圆体装入到工作站中；
将一层薄的可移动的涂层涂覆于所述晶圆体上，所述涂层用于捕捉激光加工过程中产生的切屑粉尘或细小颗粒，以防它们破坏活动晶片区域。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的方法，其特征在于，使激光按既定路径进行划线切割之后还包括将晶圆体从工作站取出的过程。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的方法，其特征在于，将晶圆体从工作站取出后还包括对晶圆片进行清洗的过程。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的方法，其特征在于，通过视觉系统对所述晶圆片的特征点或在装载时预处理的多个标记点来进行定位并确定其方向。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的方法，其特征在于，所述特征点包括圆形点或十字架。
本发明的目的及解决其技术问题还通过采用以下技术方案来实现。
本发明的另一个实施例还提供了一种切割半导体晶圆片的激光光学系统，其特征在于，包括：
转运模块，用于将晶圆体装入工作台中或将晶圆片从工作台取出；
视觉定位模块，用于将一层薄的可移动的涂层涂覆于晶圆体上；
激光划线切割模块，用于多晶圆片的器材层和基质层进行激光划线切割。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的激光光学系统，其特征在于，所述视觉定位模块包括视觉相机和物镜，以及同轴补光结构件，视觉系统夹持结构件。
根据本发明的上述一个实施例提供的一种切割半导体晶圆片的激光光学系统，其特征在于，所述激光划线切割模块包括激光器，光学元件，以及用于激光切割的振镜、场镜，用于安装各光学元件和振镜的夹持结构件。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：本发明提供了一种切割半导体晶圆片的激光光学系统和方法，利用激光来完成所有的切割步骤。本发明的激光切割方法消除了机械应力，并能够将整个晶片堆和半导体基质进行精确切割。激光处理还可以缩小切割间隔，减少晶圆体上晶片之间所需空间的浪费。节省下宝贵的空间可以用来进行晶片的二次加工。此外，生产线的模块集成允许每个处理模块适当数量的集成，使生产线能够装载平衡，并提供高效的切割过程。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的激光切割方法的内联生产线流程图；
图2为本发明的激光切割方法的集群工具生产线流程图；
图3为本发明的激光切割方法的一种分布式模块生产线流程图；
图4为本发明的激光切割方法的另一种分布式模块生产线流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例及附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在本实施例中示出了内联生产线流程，具体包括：
装载：将晶圆体装入到工作站中；
涂层：通过将一层薄的可移动的涂层涂覆于所述晶圆体上，所述涂层用于捕捉激光加工过程中产生的切屑粉尘或细小颗粒，以防它们破坏活动晶片区域；
定位/定向：通过视觉系统确定晶圆体的切割位置和方向，使得激光抄表器放置在晶圆片之间的切割间隙上；
器件层划线：由激光器发射的激光通过光学元件调整后进入激光振镜，所述晶圆片夹持在两维运动平台上，通过控制系统的工控机及相关控制卡同时控制激光振镜和运动平台协作补偿运动，使激光按既定路径进行划线切割；
半导体基质划线：由激光器发射的激光通过光学元件调整后进入激光振镜，所述晶圆片夹持在两维运动平台上，通过控制系统工控机及相关控制卡同时控制激光振镜和运动平台协作补偿运动，使激光按既定路径进行划线切割；
卸载：通过将所述晶圆体从工作站取出；
清洗：对所述晶圆片进行清洗。
所述涂层为特殊材质的涂层，可以是水溶性的，也可以是非水溶性的；所述涂层在涂覆在基材表面后用以保护基材表面在激光加工时不被损失，同时捕捉在激光加工时产生的粉尘颗粒，并在完成加工后可以去除。
所述通过视觉系统确定晶圆体的切割位置和方向是通过视觉系统对晶圆片的特征点或在装载时预处理的多个标记点来进行定位并确定其方向，以便激光抄表器能够准确地放置在晶圆片之间的切割间隙上；可以单独用于每个激光处理模块，也可以在加工前位于一个通常可达的位置对晶圆体进行提前定向。
所述特征点包括圆形点或十字架。
所述器件层划线是同时划线穿过保护层和设备堆栈的激光加工过程。
所述半导体基质划线是用于划线或用于构造半导体基质以便进行分离的激光过程。
所述器件层划线与所述半导体基质划线过程中所使用的激光器和光路设计均不同。
实施例2
在本实施例中示出了一种集群工具生产线流程，具体包括：
装载：通过转运机构将晶圆体装入到工作站中；所述转运机构为非标自动化结构，利用各气动元件及机械加工件组成，将晶圆体进行搬运的自动化结构；
涂层：通过视觉定位将一层薄的可移动的涂层涂覆于所述晶圆体上，所述涂层用于捕捉激光加工过程中产生的切屑粉尘或细小颗粒，以防它们破坏活动晶片区域；所述视觉定位在硬件上包括：相机、物镜、补光结构、锁紧夹持结构等；在软件上包括：视觉定位算法及和设备控制软件的接口代码；
器件层划线：通过转运机构和视觉定位对器件层进行激光划线切割；
半导体基质划线：通过转运机构和视觉定位对半导体基质进行激光划线切割；
卸载：通过转运结构将所述晶圆体从工作站取出；
清洗：对所述晶圆片进行清洗。
所述涂层为特殊材质的涂层，可以是水溶性的，也可以是非水溶性的；所述涂层在涂覆在基材表面后用以保护基材表面在激光加工时不被损失，同时捕捉在激光加工时产生的粉尘颗粒，并在完成加工后可以去除。
所述器件层划线是同时划线穿过保护层和设备堆栈的激光加工过程。
所述半导体基质划线是用于划线或用于构造半导体基质以便进行分离的激光过程。
所述器件层划线与所述半导体基质划线过程中所使用的激光器和光路设计均不同。
实施例3
在本实施例中示出了一种集群工具生产线流程，具体包括：
涂层：通过视觉定位将一层薄的可移动的涂层涂覆于所述晶圆体上，所述涂层用于捕捉激光加工过程中产生的切屑粉尘或细小颗粒，以防它们破坏活动晶片区域；所述视觉定位在硬件上包括：相机、物镜、补光结构、锁紧夹持结构等；在软件上包括：视觉定位算法及和设备控制软件的接口代码；
装载：通过转运机构将晶圆体装入到工作站中；所述转运机构为非标自动化结构，利用各气动元件及机械加工件组成，将晶圆体进行搬运的自动化结构；
半导体基质划线：通过转运机构和视觉定位对半导体基质进行激光划线切割；
器件层划线：通过转运机构和视觉定位对器件层进行激光划线切割；
卸载：通过转运结构将所述晶圆体从工作站取出；
清洗：对所述晶圆片进行清洗。
所述涂层为特殊材质的涂层，可以是水溶性的，也可以是非水溶性的；所述涂层在涂覆在基材表面后用以保护基材表面在激光加工时不被损失，同时捕捉在激光加工时产生的粉尘颗粒，并在完成加工后可以去除。
所述半导体基质划线是用于划线或用于构造半导体基质以便进行分离的激光过程。
所述器件层划线是同时划线穿过保护层和设备堆栈的激光加工过程。
所述器件层划线与所述半导体基质划线过程中所使用的激光器和光路设计均不同。
实施例4
在本实施例中示出了另一种集群工具生产线流程，具体包括：
涂层：通过视觉定位将一层薄的可移动的涂层涂覆于所述晶圆体上，所述涂层用于捕捉激光加工过程中产生的切屑粉尘或细小颗粒，以防它们破坏活动晶片区域；所述视觉定位在硬件上包括：相机、物镜、补光结构、锁紧夹持结构等；在软件上包括：视觉定位算法及和设备控制软件的接口代码；
装载：通过转运机构将晶圆体装入到工作站中；所述转运机构为非标自动化结构，利用各气动元件及机械加工件组成，将晶圆体进行搬运的自动化结构；
完整划线：通过转运机构和视觉定位对器件层和半导体基质同时进行激光划线切割；
卸载：通过转运结构将所述晶圆体从工作站取出；
清洗：对所述晶圆片进行清洗。
所述涂层为特殊材质的涂层，可以是水溶性的，也可以是非水溶性的；所述涂层在涂覆在基材表面后用以保护基材表面在激光加工时不被损失，同时捕捉在激光加工时产生的粉尘颗粒，并在完成加工后可以去除。
所述半导体基质划线是用于划线或用于构造半导体基质以便进行分离的激光过程。
所述器件层划线是同时划线穿过保护层和设备堆栈的激光加工过程。
所述完整划线过程中在对所述器件层与所述半导体基质划线过程中所使用的激光器和光路设计均不同。
综上所述，本发明的切割半导体晶圆片的激光光学系统和方法，利用激光来完成所有的切割步骤。本发明的激光切割方法消除了机械应力，并能够将整个晶片堆和半导体基质进行精确切割。激光处理还可以缩小切割间隔，减少晶圆体上晶片之间所需空间的浪费。节省下宝贵的空间可以用来进行晶片的二次加工。此外，生产线的模块集成允许每个处理模块适当数量的集成，使生产线能够装载平衡，并提供高效的切割过程。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。