一种半导体晶圆及其激光加工方法、系统
阅读说明：本技术 一种半导体晶圆及其激光加工方法、系统 (Semiconductor wafer and laser processing method and system thereof ) 是由 谢小柱 欧德亿 刘子银 龙江游 胡伟 任庆磊 黄亚军 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及激光加工技术领域,更具体地,涉及一种半导体晶圆及其激光加工方法、系统,包括晶圆本体,所述晶圆本体包括基板层和设置于所述基板层上表面的low-k层,所述low-k层上排列有多个芯片,相邻的芯片之间具有预定的切割道,所述晶圆本体底部设置垫层,所述low-k层上沿切割道的延伸方向设有隔离道,所述隔离道不与基板层相通；所述隔离道内沿其延伸方向设有分割道,所述分割道与low-k层、基板层、垫层均相通。本发明能够有效避免切割过程中low-k层产生裂纹、崩角或剥离的问题,防止芯粒性能受影响,提高半导体晶圆的加工质量与加工效率。(The invention relates to the technical field of laser processing, in particular to a semiconductor wafer and a laser processing method and a laser processing system thereof, wherein the semiconductor wafer comprises a wafer body, the wafer body comprises a substrate layer and a low-k layer arranged on the upper surface of the substrate layer, a plurality of chips are arranged on the low-k layer, a preset cutting channel is arranged between the adjacent chips, a cushion layer is arranged at the bottom of the wafer body, an isolation channel is arranged on the low-k layer along the extending direction of the cutting channel, and the isolation channel is not communicated with the substrate layer; and a dividing channel is arranged in the isolation channel along the extension direction of the isolation channel, and the dividing channel is communicated with the low-k layer, the substrate layer and the cushion layer. The invention can effectively avoid the problems of cracks, corner collapse or peeling of the low-k layer in the cutting process, prevent the performance of the core particles from being influenced and improve the processing quality and the processing efficiency of the semiconductor wafer.)
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，更具体地，涉及一种半导体晶圆及其激光加工方法、系统。
背景技术
在半导体制程中，low-k材料是相对于二氧化硅具有小的相对介电常数的材料，由于分布电容影响芯片速度、威胁工作可靠性，因此使用low-k电介质作为层间电介质可有效降低分布电容，从而使芯片总体性能提升。
在半导体晶圆中，由金属布线和low-k材料层叠在硅等基板上形成格子状的半导体芯片，需要在后续沿着格子状芯片间的切割道将晶圆切割为多个独立的芯粒。传统的加工方法为采用机械接触式的金刚石砂轮切割，但由于low-k层脆性大，直接切割容易造成low-k层产生裂纹，或发生崩角，甚至是剥离；同时low-k层缺陷易延展至金属层中，最终影响成品率以及芯片的性能和可靠性。
公开号为CN107378259B的中国专利文献，公开了一种Low-k材料的激光加工装置及方法，采用激光器发射出激光光束，依次经过半波片和第一偏振片后分成光束A和光束B；光束A依次经过第一45度反射镜、第一光闸和第二45度反射镜之后，经过第二光闸并选择性地进入光束整形器，之后依次进入第二偏振片和第三45度反射镜后，最后进入聚焦镜后聚焦于被加工材料上；光束B依次经过第三光闸、棱镜后、第二偏振片和第45度反射镜后，最后进入聚焦镜后也聚焦于被加工材料上。本发明利用激光沿着切割道切割Low-k层，在切割道形成一个凹槽，去除Low-k材料的同时保证激光不影响硅衬底，其加工效果好，加工后的凹槽均匀、无明显崩边、波浪纹等问题。
但上述方案仍无法解决low-k层在切割过程中易剥离的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种半导体晶圆及其激光加工方法、系统，能够有效避免切割过程中low-k层产生裂纹、崩角或剥离的问题，防止芯粒性能受影响，提高半导体晶圆的加工质量与加工效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种半导体晶圆，包括晶圆本体，所述晶圆本体包括基板层和设置于所述基板层上表面的low-k层，所述low-k层上排列有多个芯片，相邻的芯片之间具有预定的切割道，所述晶圆本体底部设置垫层，所述low-k层上沿切割道的延伸方向设有隔离道，所述隔离道不与基板层相通；所述隔离道内沿其延伸方向设有分割道，所述分割道与low-k层、基板层、垫层均相通。
本发明还提供一种半导体晶圆的激光加工方法，所述方法包括如下步骤：
S1.在所述晶圆本体底部设置垫层，然后将所述晶圆本体放置于加工平台上；
S2.向所述晶圆本体发射第一激光，所述第一激光沿所述切割道扫描并在所述low-k层上形成隔离道；其中，所述隔离道不与基板层相通；
S3.向所述晶圆本体的表面涂覆水溶性保护层，然后对所述水溶性保护层进行烘干处理；
S4.向所述晶圆本体发射第二激光，所述第二激光在所述隔离道内沿其延伸方向进行切割形成分割道；其中，所述分割道与水溶性保护层、low-k层、基板层、垫层均相通；
S5.去除所述水溶性保护层，然后通过拉伸所述垫层将多个芯片分离，完成加工。
进一步地，在步骤S2中，所述第一激光为平顶条状光束。
进一步地，所述第一激光的宽度为所述切割道宽度的2/3～3/4。
进一步地，在步骤S2中，所述隔离道的高度为所述low-k层高度的1/3～1/2。
进一步地，在步骤S3中，所述水溶性保护层的厚度为2～5μm。
进一步地，在步骤S4中，所述第二激光为高斯光束。
进一步地，所述第二激光的聚焦直径为15～30μm。
进一步地，在步骤S4中，所述第二激光沿所述隔离道延伸方向的中心线进行切割。
本发明还提供一种半导体晶圆的激光加工系统，所述激光系统包括用于出射所述第一激光的第一加工光路，还包括用于出射所述第二激光的第二加工光路；
所述第一加工光路包括顺次设置的激光器、扩束镜、半波片，第一偏振片、第一光闸、光束整形器、第二偏振片、第一反射镜、聚焦镜；
所述第二加工光路包括顺次设置的所述激光器、所述扩束镜、所述半波片，所述第一偏振片、第二光闸、第二反射镜、第三反射镜、所述第二偏振片、所述第一反射镜、所述聚焦镜；所述聚焦镜位于所述加工平台的上方。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为一种半导体晶圆及其激光加工方法、系统，通过在晶圆本体底部设置垫层，使得当将晶圆本体放置于加工平台上时，能够避免晶圆本体与加工平台直接接触；接着，通过第一激光在low-k层上形成不与基板层相通的隔离道，隔离道的设置，为后续水溶性保护层的填充提供空间，第一激光不切割至基板层的设置，能够避免low-k层因切割而出现崩角或剥离的现象；水溶性保护层的设置也能够用于抑制后续切割时造成的low-k层边缘剥离，防止low-k层发生翘起等现象；再有，通过第二激光在晶圆本体上切割形成分割道，分割道不将垫层切断的设置，能够防止芯片散落导致丢失；最后，通过拉伸垫层使相邻的芯片之间的距离增大，能够便于后续快速取用。
附图说明
图1为本发明一种半导体晶圆的结构示意图。
图2为本发明一种半导体晶圆的激光加工方法的流程图。
图3为本发明晶圆本体的结构示意图。
图4为本发明晶圆本体的内部结构示意图。
图5为本发明实施步骤S2时晶圆本体的结构示意图。
图6为本发明实施步骤S3时晶圆本体的结构示意图。
图7为本发明实施步骤S4时晶圆本体的结构示意图。
图8为本发明一种半导体晶圆的激光加工系统的结构示意图。
图示标记说明如下：
1-晶圆本体，11-基板层，12-low-k层，13-芯片，14-切割道，2-垫层，3-隔离道，4-水溶性保护层，5-分割道，6-激光系统，61-激光器，62-扩束镜，63-半波片，641-第一偏振片，642-第二偏振片，651-第一光闸，652-第二光闸，66-光束整形器，671-第一反射镜，672-第二反射镜，673-第三反射镜，68-聚焦镜，7-加工平台，8-第一激光，9-第二激光。
图8中的两个箭头分别表示从第一偏振片射出的光束α和光束β的出射方向。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示为本发明一种半导体晶圆的实施例，包括晶圆本体1，晶圆本体1包括基板层11和设置于基板层11上表面的low-k层12，low-k层12上排列有多个芯片13，相邻的芯片13之间具有预定的切割道14，晶圆本体1底部设置垫层2，low-k层12上沿切割道14的延伸方向设有隔离道3，隔离道3不与基板层11相通；隔离道3内沿其延伸方向设有分割道5，分割道5与low-k层12、基板层11、垫层2均相通。
实施例2
如图1至图7所示为本发明一种半导体晶圆的激光加工方法的实施例，包括晶圆本体1，晶圆本体1包括基板层11和设置于基板层11上表面的low-k层12，low-k层12上排列分布有多个芯片13，相邻的芯片13之间具有预定的切割道14，如图1所示。本实施例中激光加工方法包括如下步骤：
S1.在基板层11底部设置垫层2，然后将晶圆本体1放置于加工平台7上；垫层2的设置使得当将晶圆本体1放置于加工平台7上时，能够避免晶圆本体1与加工平台7直接接触。
具体地，如图4所示，垫层2为可延展垫层，本实施例中垫层2为蓝膜，在步骤S1中，将蓝膜与基板层11底部相粘合。
S2.利用激光系统6向晶圆本体1发射第一激光8，加工平台7带动晶圆本体1沿切割道14的延伸方向移动，使第一激光8能够沿着切割道14扫描并在low-k层12上形成隔离道3；其中，隔离道3不与基板层11相通，即第一激光8的切割厚度小于low-k层12的厚度，low-k层12没有被切断。
具体地，如图5所示，第一激光8为平顶条状光束，平顶条状光束的宽度为切割道14宽度的2/3～3/4，避免第一激光8损坏芯片13。本实施例中隔离道3的高度为low-k层12高度的1/3～1/2。需要说明的是，高度方向指的是与晶圆本体1表面垂直的方向。
S3.向晶圆本体1的上表面涂覆水溶性保护层4，然后对水溶性保护层4进行烘干处理，使水溶性保护层4有效固化并在晶圆本体1上表面形成平整的保护层。
具体地，如图6所示，通过旋涂的方式在low-k层上涂覆水溶性保护层4，使得芯片13表面以及隔离道3处均被覆盖。本实施例中水溶性保护层4选用主要成分为聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚乙烯醇等热塑性的水溶性聚合物；需要说明的是，水溶性保护层4也可以根据实际情况选用其他材料。涂覆时，控制水溶性保护层4的厚度为2～5μm。
S4.利用激光系统6向晶圆本体1发射第二激光9，加工平台7带动晶圆本体1沿隔离道3的延伸方向移动，使第二激光9能够在隔离道3内沿着隔离道3的延伸方向进行切割，形成分割道5；其中，分割道5与水溶性保护层4、low-k层12、基板层11、垫层2均相通。需要说明的是，在步骤S4中，第二激光9将基板层11完全切割，但不将垫层2切断，保持芯片13之间的粘连，能够防止芯片13因散落导致丢失。
具体地，如图7所示，第二激光9为高斯光束，第二激光9的聚焦直径为15～30μm。还有，第二激光9沿隔离道3延伸方向的中心线进行切割。如图6所示，高斯光束为一种具有中间能量大、边缘能量小的能量分布形态的激光光束。隔离道3的形成以及水溶性保护层4的覆盖设置，能够共同抑制第二激光9在切割过程中的应力转移，避免low-k层12出现剥离、崩角等现象，且不影响芯片13的性能。
S5.去除水溶性保护层4，然后通过拉伸垫层2使相邻的芯片13之间的距离增大，完成加工。
具体地，通过清洗的方式去除水溶性保护层4，完成加工，如图1所示。
本发明通过在晶圆本体1底部设置垫层2，使得当将晶圆本体1放置于加工平台7上时，能够避免晶圆本体1与加工平台7直接接触；接着，通过第一激光8在low-k层12上形成不与基板层11相通的隔离道3，隔离道3的设置，为后续水溶性保护层4的填充提供空间，第一激光8不切割至基板层11的设置，能够避免low-k层12因切割而出现崩角或剥离的现象；水溶性保护层4的设置也能够用于抑制后续切割时造成的low-k层12边缘剥离，防止low-k层12发生翘起等现象；再有，通过第二激光9在晶圆本体1上切割形成分割道5，分割道5不将垫层2切断的设置，能够防止芯片13散落导致丢失；最后，通过拉伸垫层2使相邻的芯片13之间的距离增大，能够便于后续快速取用。
实施例3
如图8所示为本发明一种半导体晶圆的激光加工系统的实施例，激光系统6包括用于出射第一激光8的第一加工光路，还包括用于出射第二激光9的第二加工光路；
第一加工光路包括顺次设置的激光器61、扩束镜62、半波片63，第一偏振片641、第一光闸651、光束整形器66、第二偏振片642、第一反射镜671、聚焦镜68；
第二加工光路包括顺次设置的所述激光器61、扩束镜62、半波片63，第一偏振片641、第二光闸652、第二反射镜672、第三反射镜673、第二偏振片642、第一反射镜671、聚焦镜68；聚焦镜68位于加工平台4的上方。
具体地，本实施例中第一反射镜671、第二反射镜672、第三反射镜673均为45度反射镜。
在步骤S2中，安装第一加工光路，激光器61发射激光光束，当光束经过扩束镜62、半波片63以及第一偏振片641后分束为光束α和光束β，打开第一光闸651，并关闭第二光闸652，此时只有光束β能够向前传输并经过光束整形器66，而后依次经过第二偏振片642、第一反射镜671、聚焦镜68后形成第一激光8，即平顶条状光束，聚焦于晶圆本体1的切割道14上；随即沿着切割道14移动加工平台7，实现隔离道3的切割。光束整形器66能够用于调整光束的整形效果，平顶条状光束的宽度能够通过光束整形器66得到调整。
在步骤S4中，安装第二加工光路，打开第二光闸652，并关闭第一光闸651，此时只有光束α能够向前传输并依次经过第二反射镜672、第三反射镜673、第二偏振片642、第一反射镜671、聚焦镜68后形成第二激光9，即高斯光束，聚焦于隔离道3的中心线上；随即沿着该中心线移动加工平台7，实现分割道5的切割。
还有，本实施例中激光器61为紫外皮秒激光器，激光器61发射激光波长为355nm，脉冲宽度为10ps，光束偏振态为线偏振，激光频率为50～800kHz。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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