一种硬脆薄晶圆激光加工系统及方法

本发明涉及半导体激光精密加工，尤其是涉及一种硬脆薄晶圆激光加工系统及方法。

背景技术：

1、硬脆薄晶圆（如砷化镓、单晶硅、碳化硅、蓝宝石等半导体材料晶圆）在半导体器件制造中应用广泛。随着半导体器件向小型化、高集成度方向发展，晶圆厚度不断减薄，厚度为100 μm乃至更薄的晶圆在实际生产中日益普遍。然而，硬脆材料具有高硬度、高脆性、低断裂韧性的特性，在划片加工过程中极易产生崩边、裂纹、碎片等缺陷，导致芯片良率下降，这对晶圆划片工艺提出了更高的要求。

2、传统的金刚石砂轮切割方式采用机械接触式加工，切割时产生较大的机械应力和热应力，对于薄晶圆极易造成碎裂；同时切割道宽、材料损耗大，难以满足窄划道、高精度的加工需求。激光加工技术因其非接触、热影响区小、加工精度高等优势，逐渐成为硬脆薄晶圆划片的重要手段。

3、目前，常规的激光划片多采用高斯光束聚焦于晶圆表面进行烧蚀切割，或聚焦于晶圆内部进行隐形切割（即改质层切割）。隐形切割技术通过将激光聚焦于晶圆内部形成改质层，再施加外力使晶圆沿改质层裂片分离，具有切割道窄、无材料烧蚀损耗、加工洁净度高等优点。然而，高斯光束的焦深较短，在薄晶圆内部形成的改质层沿厚度方向的连续性不足，往往需要沿同一划道进行多次扫描才能形成贯穿晶圆厚度方向的改质层，降低了加工效率。

4、近年来，贝塞尔光束因其具有无衍射传输特性（焦深长）和自修复特性，在激光加工领域受到关注。采用贝塞尔光束进行表切，有望实现单次扫描即可完成划片加工。然而，贝塞尔光束在实际产生过程中不可避免伴随有旁瓣结构，这些旁瓣的能量分布在中心主瓣周围，在加工过程中会对改质层周围的晶圆材料造成非期望的热损伤或应力影响，尤其对于厚度小于100 μm的薄晶圆，旁瓣效应可能导致改质层周围微裂纹扩展失控，进而影响划片质量和芯片可靠性。

5、现有技术中，产生贝塞尔光束的衍射光学元件（doe）的相位分布通常采用常规算法设计，对旁瓣抑制效果有限，难以同时满足高加工效率和低加工损伤的双重要求。因此，亟需一种能够有效抑制贝塞尔光束旁瓣、适用于硬脆薄晶圆的高质量划片加工系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硬脆薄晶圆激光加工系统，旨在解决现有贝塞尔光束加工中旁瓣效应导致晶圆损伤、以及薄晶圆划片时改质层连续性不足的技术问题。

2、本发明的第一方面，提供一种硬脆薄晶圆激光加工系统，包括依次布设的激光源、衍射光学元件（doe）、扫描振镜、远心透镜和三轴位移台；所述激光源用于产生超快激光脉冲，所述超快激光脉冲在空间传播形成高斯分布激光束；所述衍射光学元件用于将入射的高斯分布激光束转换为贝塞尔光束，所述衍射光学元件的相位分布通过gerchberg-saxton迭代优化算法计算得到；所述扫描振镜用于控制所述贝塞尔光束的扫描路径；所述远心透镜用于将所述贝塞尔光束聚焦至待加工晶圆表面，贝塞尔光束焦深覆盖晶圆厚度；所述三轴位移台用于承载并驱动所述待加工晶圆运动。

3、优选的，所述gerchberg-saxton迭代优化算法将旁瓣抑制作为直接约束条件纳入代价函数，使所述衍射光学元件形成的贝塞尔光束在形成中心主瓣的同时对旁瓣区域的高强度进行罚函数处理。

4、优选的，所述激光源与衍射光学元件之间还包括依次布设的扩束镜、第一反射镜、衰减器、第二反射镜；所述扩束镜用于对激光源输出的超快激光脉冲进行扩束匀化；所述第一反射镜用于第一次转折光路以适配整机结构布局；所述衰减器用于调节入射激光脉冲能量；所述第二反射镜用于第二次转折光路，将能量调节后的激光脉冲光束导入后续衍射光学元件。

5、优选的，还包括：4f系统；所述4f系统设置于衍射光学元件与扫描振镜之间，用于对贝塞尔光束进行整形与传输校准。

6、优选的，所述激光源产生的超快激光脉冲的脉冲宽度为420~500 fs，波长为515nm，平均功率为20~40 w，重复频率在200 khz至2000 khz范围内可调，超快激光脉冲的单脉冲能量为100~200 μj；当所述重复频率为200 khz时，单脉冲能量为200 μj。

7、优选的，所述激光源输出的激光束为线偏振激光束。

8、优选的，所述远心透镜的有效焦距为60~115 mm。

9、优选的，所述扫描振镜的扫描速度为100 mm/s~2000 mm/s。

10、优选的，所述待加工晶圆为厚度小于150 μm的硬脆薄晶圆。

11、本发明的第二方面，提供一种硬脆薄晶圆激光加工方法，采用所述的硬脆薄晶圆激光加工系统对硬脆薄晶圆进行划片加工，包括如下步骤：

12、将待加工晶圆放置于三轴位移台上；

13、控制激光源输出超快激光脉冲，所述超快激光脉冲在空间传播形成高斯分布激光束；

14、高斯分布激光束经衍射光学元件整形转换为贝塞尔光束；所述衍射光学元件的相位分布通过gerchberg-saxton迭代优化算法计算得到；

15、整形后的贝塞尔光束经由扫描振镜控制扫描路径，并通过远心透镜聚焦至待加工晶圆表面，使贝塞尔光束焦深覆盖晶圆厚度；

16、通过扫描振镜与三轴位移台协同配合，控制贝塞尔光束聚焦位置与晶圆的相对运动；

17、沿预设划片轨迹对晶圆进行单次或多次扫描加工，在晶圆厚度方向形成贯穿式切割道，完成晶圆激光划片加工。

18、相较于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

19、（1）旁瓣抑制效果好，加工损伤低：本发明采用gerchbergsaxton迭代优化算法设计doe的相位分布，并将旁瓣抑制作为直接约束条件纳入代价函数，使产生的贝塞尔光束旁瓣能量显著降低。对于厚度仅为100±2 μm的薄晶圆，旁瓣的有效抑制避免了改质层周围微裂纹的失控扩展，减少了非期望的热损伤和应力影响，显著提升了划片质量和芯片可靠性。

20、（2）单次扫描完成划片，加工效率高：本发明采用贝塞尔光束的长焦深特性，结合优化的激光参数（重复频率、单脉冲能量、覆盖晶圆厚度的聚焦深度、扫描速度等），能够在100±2 μm厚的硬脆薄砷化镓晶圆内部单次扫描即形成贯穿厚度方向的连续改质层，无需沿同一划道多次扫描，大幅提高了加工效率。

21、（3）精度高，适用于窄划道切割：本发明采用贝塞尔光束进行表切，改质层宽度窄，切割道损耗小，适用于窄划道、高精度的划片需求，有利于提高晶圆单位面积上的芯片出数。

22、（4）适用范围广：本发明不限于特定材料的晶圆加工，可广泛应用于砷化镓、单晶硅、碳化硅、蓝宝石等各种硬脆薄晶圆的划片加工，具有良好的通用性。

1.一种硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，包括依次布设的激光源、衍射光学元件、扫描振镜、远心透镜和三轴位移台；所述激光源用于产生超快激光脉冲，所述超快激光脉冲在空间传播形成高斯分布激光束；所述衍射光学元件用于将入射的高斯分布激光束转换为贝塞尔光束，所述衍射光学元件的相位分布通过gerchberg-saxton迭代优化算法计算得到；所述扫描振镜用于控制所述贝塞尔光束的扫描路径；所述远心透镜用于将所述贝塞尔光束聚焦至待加工晶圆表面，贝塞尔光束焦深覆盖晶圆厚度；所述三轴位移台用于承载并驱动所述待加工晶圆运动。

2.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述gerchberg-saxton迭代优化算法将旁瓣抑制作为直接约束条件纳入代价函数，使所述衍射光学元件形成的贝塞尔光束在形成中心主瓣的同时对旁瓣区域的高强度进行罚函数处理。

3.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述激光源与衍射光学元件之间还包括依次布设的扩束镜、第一反射镜、衰减器、第二反射镜；所述扩束镜用于对激光源输出的超快激光脉冲进行扩束匀化；所述第一反射镜用于第一次转折光路以适配整机结构布局；所述衰减器用于调节入射激光脉冲能量；所述第二反射镜用于第二次转折光路，将能量调节后的激光脉冲光束导入后续衍射光学元件。

4.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，还包括：4f系统；所述4f系统设置于衍射光学元件与扫描振镜之间，用于对贝塞尔光束进行整形与传输校准。

5.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述激光源产生的超快激光脉冲的脉冲宽度为420~500 fs，波长为515 nm，平均功率为20~40 w，重复频率在200khz至2000 khz范围内可调。

6.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述激光源输出的激光束为线偏振激光束。

7.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述远心透镜的有效焦距为60~115 mm。

8.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述扫描振镜的扫描速度为100 mm/s~2000 mm/s。

9.根据权利要求1所述的硬脆薄晶圆激光加工系统，其特征在于，所述待加工晶圆为厚度小于150 μm的硬脆薄晶圆。

10.一种硬脆薄晶圆激光加工方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的硬脆薄晶圆激光加工系统对硬脆薄晶圆进行划片加工，包括如下步骤：