СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СКРАЙБИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЗАГОТОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗДЕЛЕННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЛУЧЕЙ
LASER SCRIBING METHOD FOR SEMICONDUCTOR WORKPIECE USING SEPARATED LASER RAYS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящий способ относится к лазерной обработке материалов. Более конкретно, он относится к способам и системам для разделения твердых и хрупких полупроводниковых подложек или пластин.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Резка полупроводниковых пластин играет очень важную роль в изготовлении полупроводниковых устройств, которые становятся все меньше или все сложнее. В электронных устройствах нового поколения для высокочастотной (ВЧ) связи и преобразователей большой мощности используются подложки из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Изготовление таких устройств требует современных способов обработки пластин, чтобы минимизировать появление внутренних и внешних дефектов как в подложке, так и в разных функциональных слоях (покрытиях) во время резки (разделения) полупроводниковых пластин, поскольку карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) являются исключительно твердыми материалами. Этот процесс усложняется тем, что исходные пластины или подложки покрыты сложными системами функциональных слоев вместе с металлическими электродами, и материал подложек должен относиться к особенно твердым материалам, таким как карбид кремния (SiC). В таких случаях необходимы решения, которые помогают увеличить скорость обработки, поскольку функциональные поверхности обычно имеют свойства, отличающиеся от свойств подложки, и известная лазерная резка и ей подобные способы, которые используют наиболее часто, больше применять нельзя.
В патенте США US 8551792 (В2), опубликованном 08.10.2013, раскрыт способ резки полупроводниковой пластины. Этот способ включает скрайбирование по меньшей мере одного диэлектрического слоя по линиям резки, чтобы удалить материал с поверхности пластины, используя лазер с длительностью импульса от 1 пикосекунды до 1000 пикосекунд и с частотой повторения, соответствующей интервалам между импульсами короче чем время тепловой релаксации скрайбируемого материала. Затем пластину разрезают через металлический слой и, по меньшей мере частично, через подложку полупроводниковой пластины.
В патенте США US 6562698 (В2), опубликованном 13.05.2003, раскрыт способ разделения полупроводниковых пластин на кристаллы, который включает этапы направления первого и второго лазерного луча на верхнюю поверхность подложки, формирование линий скрайбирования в слое покрытия путем сканирования этого слоя первым лазерным лучом и резка подложки по линиям скрайбирования вторым лазерным лучом для получения соответствующего надреза. Устройство включает первый лазер, имеющий первую длину волны, которым действуют на слой покрытия подложки, и второй лазер, имеющий вторую длину волны, отличную от длины волны первого лазера, которым действуют на поверхность подложки. Слой покрытия имеет первый коэффициент поглощения относительно длины волны первого лазера, и полупроводниковая подложка имеет второй коэффициент поглощения, который меньше чем первый коэффициент поглощения. Энергия луча первого лазера поглощается слоем покрытия для формирования в нем линий скрайбирования, и луч второго лазера через подложку по линиям скрайбирования.
В патентной заявке Японии JP 2005116844 (А), опубликованной 28.04.2005, раскрыт способ изготовления полупроводникового устройства. Цель изобретения заключается в том, чтобы уменьшить образование сколов и устранить создание сколов и отслоений на поверхностном слое заготовки, даже если поверхностный слой выполнен из материала, отличного от материала полупроводниковой подложки. Способ включает процесс формирования канавки посредством сканирования поверхности линии скрайбирования, на которой полупроводниковые элементы выполняют на полупроводниковой подложке лучом первого лазера, сведенным на поверхности линии скрайбирования, и процесс формирования области, реформированной поглощением множества фотонов, посредством луча второго лазера, действующего на внутреннюю сторону полупроводниковой подложки по первой линии скрайбирования. Заявлено, что, поскольку канавку на поверхности выполняют по линии скрайбирования лучом первого лазера, создания сколов или трещин можно избежать независимо от поверхности полупроводниковой подложки, и последнюю можно легко разрезать после формирования реформированной области, применяя абсорбцию множества фотонов второго лазерного луча.
Известные способы имеют ограничения по толщине подложки, типу материала и качеству обработки при разделении полупроводниковых пластин. Для обработки твердых и хрупких материалов, таких как SiC или GaN, с несколькими функциональными покрытиями, такие способы требуют повышения мощности лазера или увеличения числа проходов лазерным лучом по линии разделения. Также в некоторых случаях необходимо модифицировать не только слои материала. Как следствие, это оказывает неблагоприятное воздействие как на характеристики полупроводникового устройства, так и на объем производства.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для устранения вышеуказанных недостатков настоящее изобретение предлагает эффективный и быстрый способ обработки лазером для разделения полупроводниковых устройств, выполненных на твердых сплошных подложках. Во время подготовки устройства или подложки для раскалывания/резки (разделения) область повреждения (также может называться "модификация") находится там, где тепловое напряжение индуцировало появление трещины или разлома, проходящего от первой поверхности предпочтительно плоской заготовки по намеченной траектории разделения. Это напряжение индуцируется локальным тепловым нагревом и последующим охлаждением материала в способе с одним проходом, за счет чего увеличивают объем производства. Ниже термин "заготовка" будет использоваться как включающий термины подложка, многослойная подложка, полупроводниковая пластина, лист полупроводниковой пластины, устройство (или устройства) и им подобные, которые подготовлены для обработки и последующего механического разделения (раскалывания по плоскостям резки) и будут использоваться взаимозаменяемо.
Изобретение раскрывает способ лазерного скрайбирования полупроводниковой заготовки, причем заготовка включает по меньшей мере один слой подложки из материала, имеющего запрещенную энергетическую зону в интервале от 2,5 до 4 эВ, и причем заготовка имеет первую и вторую параллельные поверхности, и используется источник лазерного излучения в виде импульсного луча, при этом заготовка или лазерные лучи относительно перемещаются по намеченной траектории скрайбирования. Способ отличается тем, что он включает следующие этапы: формирование по меньшей мере двух импульсных лучей (обрабатывающих импульсных лучей) из начального луча, подаваемого источником лазерного импульсного луча, которые включают по меньшей мере первичные и вторичные импульсы; подача упомянутых импульсов через средство конвергенции на и в заготовку, которая относительно перемещается по отношению к по меньшей мере одному первичному и вторичному импульсному лучу. Импульсы задерживаются на интервал времени, который немного превышает время электрон-фононной релаксации материала слоя подложки, другими словами время абсорбции фононов решеткой материала, при этом интервал времени устанавливают в пределах от десятков до сотен пикосекунд, и первичные импульсы в области скрайбирования используют для инициации и поддержания поверхностной абляции и аккумуляции тепла по меньшей мере в одной зоне, на которую влияет тепло, соответствующие вторичные импульсы перекрываются с упомянутой зоной воздействия тепла, так что из-за накопившейся энергии (тепла) и "подогретой" (испытывающей влияние тепла) зоны, индуцируемая вторичными импульсами абляция и абсорбция энергии становится гораздо более эффективной. "Подогрев" и последующая абляция вызывает появление структур повреждений на поверхности этого слоя подложки, и эти структуры повреждений действуют как прекурсор для больших разломов и трещин (проходящих в глубину слоя подложки), которые вызваны градиентом тепла и быстрым неравномерным охлаждением. Такие трещины и разломы созданы напряжениями в объеме материала слоя в плоскости разделения по траектории скрайбирования.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более лучшего понимания способа и оценки его практического применения представлены следующие чертежи, на которые делаются ссылки ниже. Фигуры чертежей даны только как примеры и никоим образом не должны ограничивать объем изобретения.
Фиг. 1 - изменения в реальном времени на поверхности заготовки, обрабатываемой конфигурация двух парных импульсов. Заготовка линейно перемещается в направлении 1.
Фиг. 2 - напряжения, создаваемые в объеме вследствие абсорбции энергии одной пары первичных и вторичных импульсов подложкой SiC.
Фиг. 3 - обобщенная базовая структура для лазерной обработки при реализации раскрытого способа.
Фиг. 4 - конкретная структура, необходимая для обработки с целью реализации раскрытого способа.
Фиг. 5 - поверхность подложки с золотым покрытием после скрайбирования.
Фиг. 6 - вид сбоку подложки с золотым покрытием после разделения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает способ лазерной обработки для разделения полупроводниковых устройств, выполненных на одной подложке, включающей по меньшей мере один слой твердого и хрупкого материала, предпочтительно SiC. Во время подготовки образца для резки/раскалывания/разделения получают объемную структуру повреждения, которая помогает разделить заготовку по намеченным плоскостям разделения с минимальными дефектами (способы разделения скрайбированной пластины на кристаллы ИС или чипы должны быть известны специалисту в данной области техники).
В наиболее предпочтительном варианте осуществления заготовка включает основной слой подложки из карбида кремния, политип 4Н (4H-SiC) (также можно использовать другие варианты), с металлическим, полупроводниковым или диэлектрическим покрытием. Заготовка имеет первую и вторую параллельные поверхности. Источник импульсного лазерного луча подает излучение с длиной волны в интервале от ближнего УФ до среднего ИК спектрального диапазона (например, 515 или 1030 нм) при продолжительности импульса меньше чем 1 пс, предпочтительно в интервале от 200 до 500 фс (длительность на уровне половины амплитуды / 1,41). Начальный луч направляется узлом манипуляции лучом, имеющим, например, по меньшей мере два оптических делителя луча и линию задержки по времени (два подвижных зеркала). Первый делитель луча разделяет начальный луч на первичный и вторичный импульсные лучи, тогда как второй делитель луча объединяет эти лучи на одном оптическом пути после введения контролируемой задержки по времени между первичными и вторичными импульсами. Специалист в данной области техники должен понимать, что узел манипуляции лучом может быть расположен по-разному, чтобы продуцировать первичные и вторичные импульсы. Оба импульсных луча направляют через средство для конвергенции лучей (фокусирующее зеркало, линза объектива и т.д.), предпочтительно имеющее цифровую апертуру в интервале от 0,1 до 0,4, в намеченную область скрайбирования по меньшей мере по одной траектории скрайбирования. Такой случай показан на Фиг. 1, где первичный и вторичный лучи 2 конвергированы на поверхности заготовки.
Заготовку линейно перемещают таким образом, чтобы подавать первичные и вторичные импульсы в намеченную область скрайбирования пачками импульсов от 2 до 8 импульсов на 1 микрометр. Каждый первичный импульс сопровождается по меньшей мере одним соответствующим вторичным импульсом, задержанным на более короткий интервал времени, немного превышающий время электрон-фононной релаксации основного материала подложки, в предпочтительном случае такая задержка составляет половину периода повторения импульсов в начальном лазерном источнике, установленном, например, на частоту 200 кГц. В других случаях она должна быть выбрана в интервале от 10 до 1000 пс. Первичные импульсы, подаваемые на область скрайбирования используют для инициации и поддержания поверхности, которая может соответствовать функциональному слою 3 или системе слоев, нанесенных на основной слой подложки, абляции и аккумуляции тепла (путем приложения дополнительного тепла - "подогрева"). Первичные импульсы также инициируют небольшие физические изменения на поверхности этого слоя подложки, что приводит к снижению порога повреждения для индуцируемых напряжениями механических повреждений, таким образом формируя прекурсор 4 трещины или разлома. Поскольку длительность импульса выбирают в диапазоне фемтосекунд и интервал времени межу поступлениями вторичных импульсов сравним с временем электрон-фононной релаксации SiC, формируется по меньшей мере одна локализованная область воздействия тепла. При последующих импульсах абляция и абсорбция энергии становятся гораздо более эффективными в пределах этой зоны теплового воздействия. Соответствующие вторичные импульсы, которые поступают после каждого последовательного первичного импульса, перекрываются с упомянутой областью теплового воздействия, так что возникает достаточно крутой градиент тепла и быстрое неравномерное охлаждение, которые создают высокие напряжение в объеме материала подложки и структуру повреждения 5 - систему распространяющихся механических повреждений, проходящих от поверхности слоя подложки. Следует понимать, что вторичные импульса служат не только для подачи тепла в зону теплового воздействия, но и могут поддерживать процесс абляции поверхности подложки и покрытий 3. Кроме того, поскольку принципы такого способа обработки основаны на кумулятивном эффекте больше чем одного импульса, и первичный импульс может функционировать как вторичный импульс для последующего первичного импульса. Этот процесс показан на Фиг. 1, где показаны: входящие импульсные лучи, подающие пары импульсов 2, слой покрытия 3, полупроводниковая подложка 6, прекурсор трещины 4, приблизительная линия 5 нижнего края роста трещины, пара первичного и вторичного импульсов, создающих профили напряжений 7 (пары профилей для пар импульсов), направление 1 движения заготовки. Напряжения, создаваемые в объеме вследствие абсорбции энергии одной пары первичного и вторичного импульса подложкой SiC, показаны на Фиг. 2. Для получения наилучших результатов энергия обрабатывающего импульса должна быть выбрана в интервале от 4 до 50 мкДж.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один первичный и вторичный импульсный луч направляют через элементы манипуляции лучом в узел манипуляции лучом, где модифицируются параметры по меньшей мере одного импульсного луча, такие как длина волны, длительность импульса, временная форма огибающей импульса или спектр, расходимость луча, пространственный спектр, временная или пространственная фазовая модуляция и т.д.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления для упомянутых первичного и вторичного импульсных лучей устанавливают идентичные параметры луча.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления заготовка включает слой подложки и два или больше слоев покрытия из разных материалов.
В еще одном варианте осуществления первичный импульсный луч фокусируют на первой поверхности заготовки или ниже (точку конвергенции или фокальную точку располагают/формируют под первой поверхностью заготовки), осуществляя абляцию слоев покрытия, при этом толщину слоя покрытия уменьшают или покрытие полностью удаляют, открывая упомянутый, по меньшей мере один, твердый и хрупкий слой подложки, создают зону воздействия тепла и точку конвергенции вторичного импульсного лазерного луча располагают ниже первой поверхности заготовки.
В еще одном варианте осуществления вторичный импульсный луч модифицируют для повышения расходимости перед тем, как сфокусировать на намеченной области скрайбирования, чтобы его фокальная точка была расположена ниже фокальной точки (или точек конвергенции лучей) первичного импульсного луча, и чтобы он перекрывался с зоной воздействия тепла, увеличивая количество тепла за счет многофотонной абсорбции, так как коэффициент поперечного сечения многофотонной абсорбции увеличивается с увеличением температуры материала.
В еще одном варианте осуществления материалом по меньшей мере одного слоя подложки в заготовке является нитрид галлия.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления заготовка включает слой подложки и два или больше слоев покрытия из разных материалов, далее генерируют лучи обработки для постепенного удаления упомянутых слоев и постепенного создания зоны аккумуляции тепла.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления заготовка включает неплоские поверхности, и во время обработки активно поддерживается постоянное расстояние между первой поверхностью заготовки и средством конвергенции.
Для того, чтобы специалист в данной области техники мог правильно реализовать раскрытое изобретение, представлены Фиг. 3 и Фиг. 4. На Фиг. 3 показана простая, наиболее обычная система, необходимая для получения результатов, связанных с раскрытым способом, в котором импульсный лазерный источник 8 используют для получения начального импульсного луча 11, который направляют через общий узел манипуляции лучом 9, в котором происходит разделение импульсного лазерного луча, и вводят задержку между по меньшей мере первичными и вторичными импульсами. Так как по меньшей мере один первичный и один вторичный импульсные лучи выходят из упомянутого узла манипуляции лучом 9, их направляют через средство 10 для конвергенции лучей. Средством для конвергенции лучей может служить сферическая линза, асферическая линза, линза объектива или изогнутое фокусирующее зеркало. Следует сказать, что начальный импульсный луч 11 в узле манипуляции лучом должен быть разделен так, чтобы получить два или больше первичных, вторичных и т.д. импульсов, поскольку импульсы обработки, которые содержатся в по меньшей мере одном первичном и вторичном обрабатывающем луче обработки 12 получают парами или пучками импульсов. Также, согласно способу, обрабатывающие лучи 12, или заготовка 13, или все они должны перемещаться в поперечном направлении, и наиболее простым способом осуществить это является установка заготовки 13 на моторизованный комплекс для ступенчатого линейного перемещения 14 во время обработки, или смещение самой обрабатывающей системы, или использование гальванометрического сканера и т.д.
На Фиг. 4 показано, как следует выбирать узел манипуляции импульсным лучом для способа, в котором начальный импульсный луч 11 разделяют в узле манипуляции импульсным лучом 9, содержащем два делителя луча 15 и линию задержки, состоящую по меньшей мере из двух подвижных зеркал 16, которые можно заменить подвижным отражателем или диэлектрической призмой, поскольку они являются стандартными решениями, известными в данной области техники. Другое решение, включающее использование электрооптического модулятора, акустооптического модулятора, дифракционной оптики, элементов, изготовленных из двоякопреломляющих материалов, можно использовать для разделения и задержки импульсов, не удаляя их с основной оптической оси начального импульсного луча 11. Также по меньшей мере один элемент или устройство 17 манипуляции лучом может быть включено в соответствующий оптический путь для изменения параметров импульсного луча, таких как длина волны, ширина импульса, временная огибающая, пространственное распределение интенсивности или фазовая модуляция, расходимость, поляризация, по меньшей мере одного из разделенных импульсных лучей. Элементом манипуляции 17 может служить дифракционный элемент для разделения луча на множественные параллельные лучи, фазовая пластинка, кристалл для генерации нелинейных гармоник, фокусирующая или рассеивающая линза, фазовый модулятор на жидком кристалле, адаптивный оптический элемент или любой другой элемент, изменяющий пространственные, временные или спектральные свойства по меньшей мере одного из импульсных лучей. Узел манипуляции лучом и средство для конвергенции также могут быть интегрированы в одном устройстве.
Для того, чтобы лучше раскрыть настоящее изобретение, представлены следующие примеры. Тем не менее, раскрытые примеры и упомянутые параметры представлены для помощи в понимании изобретения, а не для ограничения его объема. Эти параметры можно изменять в широком интервале с воспроизведением подобных или разных результатов, но при этом основная идея процесса разделения остается неизменной.
Пример 1.
Материалом подложки заготовки является SiC (4H-SiC) с одним металлическим золотым покрытием. Равнообъединенная энергия первичного и вторичного импульса составляет 10 микроджоулей. Лазерным источником является фемтосекундный лазер с длиной волны выходного излучения 1030 нм, шириной импульса меньше 300 фс (длительность на уровне половины амплитуды/1,41), установленный на частоту на выходе 200 кГц. Первичный и вторичный лучи изменяют с помощью кристалла для генерации нелинейной второй гармоники с длиной волны 515 нм. Задержка 100 пс установлена для первичных и вторичных импульсов. Фокусирующий блок снабжен фокусирующей линзой объектива 0.15 NA в качестве средства для конвергенции лучей с фокусным расстоянием 15 мм. Линейная скорость перемещения заготовки установлена на 100 мм/с. Результат такой обработки показан на Фиг. 5 и Фиг. 6.