用于激光加工半导体衬底的方法和系统与流程

改进总体上涉及半导体衬底制造，尤其涉及这类半导体衬底的激光切割。

背景技术：

1、本领域存在多种不同的半导体衬底切割技术。这类技术的实例包括但不限于常规划切、激光切割等。例如，划切涉及旋转划片刀将半导体衬底切割成多个所需的衬底部分。已知的是，划切在半导体衬底较厚的情形中常常更为适用。然而，划切的速度通常被限制在250mm/s，除非切割的质量会受到显著影响。此外，激光切割涉及沿着给定衬底路径进行窄聚焦激光束的照射，该激光束使半导体衬底内的一个区域弱化。然后，可以沿着弱化区域使半导体衬底断裂或者以其他方式分离，以形成所需的衬底部分。因此，当寻求更高的切割速度时，激光切割是一个有吸引力的选择。对于较薄的衬底，仅激光束的一次通过就可能足以产生充分弱化的路径，而对于较厚的衬底，可能需要许多后续的通过来形成弱化的路径。在多道切割中，已知的是较浅的通过不如较深的通过那样具有挑战性，因为每当在较深通过期间激光束聚焦在半导体衬底的底部时，衬底的较大面积在半导体衬底的顶面附近暴露于激光束。如此大的暴露面积进而导致所产生的切割在宽度上更大，这会增加材料损失并降低总产量。同时，激光束也会被衬底中的一些部件截短，导致较少的能量沉积到用于切割的聚焦区域中。因此，对于厚度超过200µm的半导体衬底，会发现激光切割不太实用或太慢。虽然现有的半导体衬底切割技术在一定程度上是适用的，但是仍然存在改进的空间。

技术实现思路

1、现有的激光切割技术通常涉及使用在电磁波谱的近红外区域中（尤其是在800nm至1.5µm范围内）工作的常用激光源。然而，已发现，在电磁波谱的这些区域中，例如在激光波长低于或接近半导体衬底的带隙波长（这可能有利于直接单光子吸收）的情况下，自限光-物质相互作用机制通常对激光束的功率赋予了上限。例如，在使用1064nm下工作的nd:yag激光器来切割硅的应用中，在低至1.5w的激光平均功率下观察到了饱和。在一些情形中，使用超过该限制的激光功率会引起聚焦前等离子体屏蔽和/或自限效应，阻止了激光束传播通过半导体衬底内的给定深度。附加地或备选地，使用饱和激光功率会引起不利的裂纹围绕弱化路径传播，进而增加其宽度。由于对于所需的路径宽度而言激光功率受到限制，能够进行通行的速度也受到限制。通过探索在电磁波谱的更深红外区域中（例如，从大于半导体衬底的带隙波长且更具体地为2.4µm或更大的波长）工作的非常规脉冲激光源，找到了对这些挑战的解决方案。在这些更大的波长下，已发现所描述的不利自限光-物质相互作用机制的影响被大大降低（例如，由于多光子吸收和多种光-物质机制有利地随更高波长按比例变化），从而能够以更高的速度对更厚的半导体衬底进行激光切割，因为能够以更细长的轮廓产生改性长度且激光功率饱和阈值能够被显著提高。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种用于加工半导体衬底的方法，该半导体衬底具有带隙波长，该方法包括：利用中红外脉冲激光束照射半导体衬底，该中红外脉冲激光束的中心波长大于半导体衬底的带隙波长，该中红外脉冲激光束的中心波长为2.4µm或更大，所述照射包括进行中红外脉冲激光束的焦点与半导体衬底之间的相对移动，该移动使中红外脉冲激光束的焦点沿着在半导体衬底内延伸的路径移动并沿着该路径形成弱化区域，半导体衬底能够在对半导体衬底施加分离力时分离成衬底部分。

3、进一步根据本公开的第一方面，中心波长可以例如在2.4µm至5µm之间的范围内。

4、仍然进一步根据本公开的第一方面，中心波长可以例如在2.7µm至3.0µm之间的范围内。

5、仍然进一步根据本公开的第一方面，半导体衬底可以例如是单晶硅衬底。

6、仍然进一步根据本公开的第一方面，所述照射可以例如包括焦点沿着路径的单次通过，该单次通过形成弱化区域。

7、仍然进一步根据本公开的第一方面，中红外脉冲激光束的功率可以例如约为0.75w或更大。

8、仍然进一步根据本公开的第一方面，半导体衬底可以例如是硅衬底。

9、仍然进一步根据本公开的第一方面，半导体衬底的厚度可以例如在约200µm至1000µm之间的范围内。

10、仍然进一步根据本公开的第一方面，可以例如以在10mm/s至45mm/s之间的范围内的有效线速度进行相对移动。

11、仍然进一步根据本公开的第一方面，所述照射可以例如包括中红外脉冲激光束沿着路径的多于一次通过，以形成弱化区域。

12、仍然进一步根据本公开的第一方面，所述半导体衬底可以例如具有第一表面、与第一表面相反的第二表面以及在第一表面与第二表面之间延伸的厚度，可以例如通过第一表面进行所述照射。

13、仍然进一步根据本公开的第一方面，所述照射可以例如包括所述中红外脉冲激光束沿着路径的一次或更多次通过，以形成弱化区域，其中该一次或更多次通过中最深的一次通过可以例如具有对应于半导体衬底的厚度的约75%（优选为半导体衬底的厚度的约60%，最优选为半导体衬底的厚度的约50%）的深度。

14、仍然进一步根据本公开的第一方面，弱化区域可以例如具有沿着半导体衬底的平面延伸的第一尺寸和垂直于半导体衬底的平面延伸的第二尺寸，该第二尺寸在200µm至500µm之间的范围内。

15、仍然进一步根据本公开的第一方面，第一尺寸可以例如低于50µm（优选地低于40µm，最优选地低于30µm）。

16、仍然进一步根据本公开的第一方面，在相对移动期间，中红外脉冲激光束的焦点可以例如位于距半导体衬底的表面的给定深度处，该给定深度在200µm至500µm之间的范围内。

17、仍然进一步根据本公开的第一方面，该方法可以例如进一步包括：对半导体衬底施加分离力，半导体衬底在所述施加时分离成衬底部分，衬底部分具有分离界面，该分离界面具有以下项中的至少一者：约30µm或以下的峰-峰粗糙度和约5µm或以下的rms粗糙度。

18、仍然进一步根据本公开的第一方面，中红外脉冲激光束可以例如包括脉冲持续时间在纳秒范围内的激光脉冲。

19、仍然进一步根据本公开的第一方面，中红外脉冲激光束可以例如具有脉冲宽度在皮秒范围内的激光脉冲。

20、仍然进一步根据本公开的第一方面，可以例如以超过40mm/s的有效线速度来形成弱化区域，该有效线速度定义为中红外脉冲激光束的焦点相对于半导体衬底行进的总距离除以中红外脉冲激光束沿着路径进行一次或更多次单独通过所需的总时间段，该总距离涵盖中红外脉冲激光束沿着路径的一次或更多次单独通过。

21、仍然进一步根据本公开的第一方面，激光脉冲的脉冲持续时间可以例如在约20fs至1µs之间的范围内。

22、仍然进一步根据本公开的第一方面，可以例如以在约20mm/s至2m/s之间的范围内的有效线速度来进行相对移动。

23、仍然进一步根据本公开的第一方面，半导体衬底的厚度可以例如大于100µm（优选地大于300µm，最优选地大于500µm）。

24、仍然进一步根据本公开的第一方面，中红外脉冲激光束的功率可以例如约为2w或更大（更优选地高于5w，最优选地至少为10w）。

25、仍然进一步根据本公开的第一方面，中红外脉冲激光束可以例如由光纤激光源发射。

26、应当注意的是，在本公开中，术语“中红外”意在涵盖电磁波谱中波长在约2.4µm至20µm之间的范围内的区域。因此，“中红外激光束”意在指的是波长在约2.4µm至20µm之间的范围内的激光束。“中红外激光源”是能够发射中红外激光束的激光源。

27、根据本公开的第二方面，提供了一种用于加工半导体衬底的系统，该半导体衬底具有带隙波长，该系统包括：框架，具有接纳半导体衬底的衬底支撑件；中红外激光源，安装至框架并被配置用于发射中红外激光束，该中红外激光束的中心波长大于半导体衬底的带隙波长，中红外脉冲激光束的中心波长为2.4µm或更大；以及扫描头，光学耦合至中红外激光源，中红外激光源和扫描头通过中红外激光束的焦点沿着在半导体衬底内延伸的路径照射半导体衬底并沿着该路径形成弱化区域，半导体衬底能够在对半导体衬底施加分离力时分离成衬底部分。

28、进一步根据本公开的第二方面，中红外激光源可以例如是中红外光纤激光源。

29、仍然进一步根据本公开的第二方面，中红外光纤激光源可以例如包括光学放大器，该光学放大器具有：一段光纤，包括低声子能量玻璃，该段光纤具有掺杂有激光活性掺杂剂的激光活性掺杂区；以及激光泵浦源，适于泵浦该段光纤的激光活性掺杂区。

30、仍然进一步根据本公开的第二方面，低声子能量玻璃可以例如是氟化物玻璃。

31、关于本发明的特定方面所描述的所有技术实施细节和优点在作必要的修改后显然适用于本发明的所有其他方面。

32、在阅读了本公开之后，对于本领域的技术人员而言，关于本改进的许多进一步特征及其组合将会变得显而易见。