一种近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法和系统与流程

1.本发明涉及半导体激光加工技术领域，具体涉及一种近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法和系统。


背景技术：

2.集成电路制造工艺对晶圆片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出了很高要求。因此，在集成电路制造工艺中并不会从一开始就采用非常薄的晶圆片，而是采用一定厚度的晶圆片在制造工艺过程中传递、流传，然后在集成电路封装前从晶圆片的背面去除一定厚度的基体材料，即晶圆片减薄工艺。以减小后续形成的芯片的厚度。以改善芯片散热效果并有利于后期封装。
3.电子产品发展越来越趋向于多功能集成化和小型化，对便携的要求越来越高。这就要求电路芯片不断向高密度、高性能和轻薄短小方向发展，这需要不断地降低芯片封装的厚度。以存储器为例，其封装形式主要为叠层封装。随着存储容量的不断增大，封装的层数目前已达到96层以上，为满足ic先进封装要求，在封装整体厚度不变甚至减小的趋势下，堆叠中各层芯片的厚度就不可避免地需要减薄。一般来说，较为先进的多层封装所用的芯片厚度都在100μm以下甚至 30μm以下。
4.采用传统的研磨工艺，会先在晶圆的功能面上覆盖一层保护胶带，以避免在研磨晶圆背面的过程中产生的杂质造成晶圆面的污染，以及避免晶圆功能面直接与研磨设备直接接触而造成晶圆功能面受损，从而降低芯片的质量。
5.目前，采用激光对晶圆进行减薄变薄，因该方法在减薄过程中不需要与晶圆接触，减薄速度更快，与传统打磨工艺相比具有无与伦比的优势。但是，目前的激光减薄方法，因光子不均匀，能量低等原因，热影响作用大，只能通过水射流辅助完成对晶圆减薄，导致对晶圆加工面的打磨效果欠佳。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法，该方法可将晶圆减薄达到80
±
5um，粗糙度:3-15nm，平整度:
±
2um。
7.本发明提供的近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法，所述方法包括步骤：
8.1)将晶圆的功能面贴膜后吸附固定于真空吸附装置上；所述真空吸附装置水平固定于可移动承载台上；所述可移动承载台能够沿x轴、y轴和z轴移动，并可以自转；
9.2)设置紫外超快激光器发射的超快激光束，经光路系统后通过激光振镜减薄扫描头作用于需减薄的晶圆表面，
10.3)所述超快激光以近似垂直于减薄面的激光束在近似平行于减薄面方向的扫描
实现所述晶圆的减薄。
11.所述近似垂直是指激光束与晶圆面夹角为90
°±
45
°
范围；所述近似平行是扫描方向与晶圆面夹角为0
°±
45
°
范围。
12.进一步，所述激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，所述高重复频率为300khz-500khz，所述高能量单脉冲能量为10uj-20uj,所述单脉冲间能量差异≤
±
5％；锁定发射频率为 300khz-500khz之间的一定值。
13.进一步，所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后通过激光振镜减薄扫描头聚焦在可移动承载台上的晶圆表面；在软硬件控制器的控制下，设置激光发射参数，控制晶圆的旋转、平移及激光束的扫描，完成晶圆的激光减薄。
14.进一步，所述振镜转速为100-10000转/秒。
15.进一步，所述方法还包括步骤4)自动实时测量晶圆厚度并依据晶圆厚度数据实时调整振镜扫描速度，使晶圆达到要求的厚度。
16.进一步，所述激光器为全固态皮秒激光器，激光波长为355
±
5nm，所述单脉冲宽度为1-15ps。
17.进一步，所述激光器的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
18.进一步，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路，所述光束传输光路的传输距离为10-1000mm。
19.进一步，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。
20.本发明还提供实现上述超快激光束晶圆减薄方法的系统，所述系统包括操作台、激光光学系统和控制器，
21.所述操作台上设有可移动承载台，所述可移动承载台能够沿x轴、y轴和z 轴移动，并可以自转；所述可移动承载台上设有吸附晶圆的真空吸附装置；
22.所述激光光学系统包括激光器承载箱、导光机构和激光振镜减薄扫描头；
23.所述激光器承载箱中的激光器通过数据线与安装有激光减薄扫描系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光扫描光束和所述可移动承载台移动完成超快激光束晶圆减薄。
24.本发明的有益效果在于：
25.1.本发明通过近似垂直于晶圆面的锁定频率高能量单脉冲超快激光束水平扫描，实现对晶圆的减薄。激光分辨率更高，一致性好，与传统激光整理方法相比，加工精度大大提高。可将晶圆减薄达到80
±
5um，粗糙度:3-15nm，平整度:
ꢀ±
2um。
26.2.本发明方法通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现晶圆减薄，而不是通过热至熔化作用来实现，因此几乎没有热影响区出现、加工面几乎无挂渣、无裂纹、无崩边等现象。加工过程中无需使用冷却水。
27.3.本发明修复方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，加工时在晶圆减薄面的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，加工的质量非常好。
28.4.本发明激光晶圆简薄方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精
准。
29.5.在本发明单脉冲能量一致性高的超快激光设备照射下，光加工过程一致性好，减薄后晶圆表面的光学质量高，清晰明亮，不会出现涡状刀痕，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征参数。
30.6.本发明的激光晶圆减薄方法，效率更高，成本更低。
附图说明：
31.图1为本发明近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法工作原理示意图；
32.图2为本发明近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄系统结构示意图；
33.图3为本发明近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束从侧面打磨晶圆的示意图；
34.图4为本发明近似垂直于晶圆面的紫外超快激光振镜扫描激光束作用于晶圆面进行减薄的示意图；
35.其中：1.紫外超快激光器；2.光路；2-1.整形光路；2-2.光束传输光路；3. 振镜；4.场镜；5.晶圆；6.真空吸附装置；7.控制器，8.反射镜，9.操作台， 10.可移动承载台，11.激光器承载箱与电气控制柜，12.导光机构，13.光隔离器， 14.激光振镜减薄扫描头，15.ccd视觉系统,16.晶圆厚度测量装置，17.转台， 18.升降机构，19.激光振镜扫描激光束。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明提供的本发明一种近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法和系统进一步解释，而本发明并不局限于以下实施例。
37.本发明提供的近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法，所述方法包括步骤：
38.1)将晶圆5的功能面贴膜后吸附固定于真空吸附装置6上；所述真空吸附装置6水平固定于可移动承载台10上；所述可移动承载台10能够沿x轴、y 轴和z轴移动，并可以自转；
39.2)设置紫外超快激光器1发射的超快激光束，经光路2系统后通过激光振镜减薄扫描头14作用于需减薄的晶圆5表面，
40.3)所述超快激光以近似垂直于减薄面的激光束19在近似平行于减薄面方向的扫描实现所述晶圆5的减薄。
41.所述近似垂直是指激光束与晶圆面夹角为90
°±
45
°
范围；所述近似平行是扫描方向与晶圆面夹角为0
°±
45
°
范围。
42.进一步，所述激光器1为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，所述高重复频率为300khz-500khz，所述高能量单脉冲能量为10uj-20uj,所述单脉冲间能量差异≤
±
5％；锁定发射频率为 300khz-500khz之间的一定值。
43.进一步，所述激光器1发射的超快激光，经过整形光路2-1放大光束尺寸、再经过光束传输光路2-2输入到振镜3、再经过场镜4后通过激光振镜减薄扫描头14聚焦在可移动承载台10上的晶圆5表面；在软硬件控制器7的控制下，设置激光发射参数，控制晶圆5的旋转、
平移及激光束19的扫描，完成晶圆的激光减薄。
44.进一步，所述振镜3转速为100-10000转/秒。
45.进一步，所述方法还包括步骤4)自动实时测量晶圆厚度并依据晶圆厚度数据实时调整振镜扫描速度，使晶圆达到要求的厚度。
46.进一步，所述激光器为全固态皮秒激光器，激光波长为355
±
5nm，所述单脉冲宽度为1-15ps。
47.进一步，所述激光器1的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
48.进一步，所述整形光路2-1为放大倍率为1-8倍的扩束光路，所述光束传输光路2-2的传输距离为10-1000mm。
49.进一步，所述场镜4为f-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。
50.本发明提供实现上述紫外超快激光束晶圆减薄方法的系统，所述系统包括操作台9、激光光学系统和控制器7，
51.所述操作台9上设有可移动承载台10，所述可移动承载台10能够沿x轴、 y轴和z轴移动，所述可移动承载台10上设有转台17，所述转台17可以自转；所述转台17上设有吸附晶圆5的真空吸附装置6；
52.所述激光光学系统包括激光器承载箱11、导光机构12和激光振镜减薄扫描头14；所述激光器承载箱与电气控制柜11中的激光器1通过数据线与安装有激光减薄扫描系统软件的计算机控制器7相连，计算机控制器7将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器1，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光扫描光束21和所述可移动承载台10移动完成超快激光束晶圆减薄。
53.作为本发明的一个实施方案，所述光束传输光路2-2的传输距离为 100-1000mm；优选为100-800mm；更优选为500-800mm。
54.作为本发明的另一个实施方案，所述整形光路2-1为放大倍率为1-8倍的扩束光路；优选地，所述整形光路为放大倍率为2-6倍的扩束光路；更优选地，所述整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。
55.作为本发明的再一个实施方案，所述振镜的转速为100-10000转/秒；优选地，振镜的转速为400-5000转/秒；更优选地，振镜的转速为500-1000转/秒。
56.作为本发明的又一个实施方案，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜4，焦距为 30-300mm；优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为100-300mm；更优选地，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为150-250mm。
57.实施例1
58.如图2所示，所述操作台9上设置有可移动承载台10。可移动承载平台10 下设置升降机构18；可移动承载平台10上设有转台17，转台17能够自转，转台17上设有真空吸附装置6，真空吸附装置6用于吸附固定晶圆5。
59.激光器1为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，锁定发射频率为400khz，所述高能量单脉冲能量为20uj, 所述单脉冲间能量差异≤
±
5％。
60.振镜3转速为2000转/秒。
61.晶圆厚度测量装置16自动实时测量晶圆5厚度并依据晶圆厚度数据实时调整振镜
3扫描速度，使晶圆达到要求的厚度。
62.激光器1为全固态皮秒激光器，激光波长为355
±
5nm，所述单脉冲宽度为 10ps。
63.激光器1的窗口光斑为3mm，发散角为1.0mrad。
64.整形光路2-1为放大倍率为6倍的扩束光路，所述光束传输光路2-2的传输距离为500mm。
65.场镜4为远心场镜，焦距为200mm。
66.激光器1发射的超快激光，经过整形光路2-1放大光束尺寸、再经过光束传输光路2-2输入到振镜3、再经过场镜4后通过激光振镜减薄扫描头14聚焦在可移动承载台10上的晶圆5表面；在软硬件控制器7的控制下，设置激光发射参数，控制晶圆5的旋转、升降及激光束19的扫描，完成晶圆的激光减薄。
67.其中反射镜8在传输光路2-2中用来改变光束方向，光隔离器13防止激光返回。
68.激光器承载箱和电气控制柜11靠近晶圆的一边设有ccd视觉系统15和晶圆厚度测量装置16，可沿激光器承载箱和电气控制柜11高度方向移动，用于晶圆定位并实时检测晶圆厚度。
69.近似垂直于晶圆面的紫外超快激光振镜扫描激光束作用于晶圆面进行减薄过程如图4所示。
70.本发明近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束还可以从侧面打磨晶圆，如图3 所示。
71.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述方法包括步骤：1)将晶圆的功能面贴膜后吸附固定于真空吸附装置上；所述真空吸附装置水平固定于可移动承载台上；所述可移动承载台能够沿x轴、y轴和z轴移动，并可以自转；2)设置紫外超快激光器发射的超快激光束，经光路系统后通过激光振镜减薄扫描头作用于需减薄的晶圆表面，3)所述超快激光以近似垂直于减薄面的激光束在近似平行于减薄面方向的扫描实现所述晶圆的减薄。2.根据权利要求1所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的紫外超快激光器，所述高重复频率为300khz-500khz，所述高能量单脉冲能量为10uj-20uj,所述单脉冲间能量差异≤
±
5％；锁定发射频率为300khz-500khz之间的一定值。3.根据权利要求1所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述激光器发射的超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后通过激光振镜减薄扫描头聚焦在可移动承载台上的晶圆表面；在软硬件控制器的控制下，设置激光发射参数，控制晶圆的旋转、平移及激光束的扫描，完成晶圆的激光减薄。4.根据权利要求1所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述振镜转速为100-10000转/秒。5.根据权利要求4所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4)自动实时测量晶圆厚度并依据晶圆厚度数据实时调整振镜扫描速度，使晶圆达到要求的厚度。6.根据权利要求2所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述激光器为全固态皮秒激光器，激光波长为355
±
5nm，所述单脉冲宽度为1-15ps。7.根据权利要求1所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述激光器的窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。8.根据权利要求3所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路，所述光束传输光路的传输距离为10-1000mm。9.根据权利要求1所述的紫外超快激光束晶圆减薄方法，其特征在于，所述场镜为f-θ场镜或远心场镜，焦距为30-300mm。10.实现权利要求1所述紫外超快激光束晶圆减薄方法的系统，其特征在于，所述系统包括操作台、激光光学系统和控制器，所述操作台上设有可移动承载台，所述可移动承载台能够沿x轴、y轴和z轴移动，并可以自转；所述可移动承载台上设有吸附晶圆的真空吸附装置；所述激光光学系统包括激光器承载箱、导光机构和激光振镜减薄扫描头；所述激光器承载箱中的激光器通过数据线与安装有激光减薄扫描系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制激光扫描光束和所述可移动承载台移动完成超快激光束晶圆减薄。

技术总结
本发明提供一种近似垂直于晶圆面的紫外超快激光束晶圆减薄方法和系统，所述方法包括步骤：1)将晶圆的功能面贴膜后吸附固定于真空吸附装置上；所述真空吸附装置水平固定于可移动承载台上；所述可移动承载台能够沿X轴、Y轴和Z轴移动，并可以自转；2)设置紫外超快激光器发射的超快激光束，经光路系统后通过激光振镜减薄扫描头作用于需减薄的晶圆表面，3)所述超快激光以近似垂直于减薄面的激光束在近似平行于减薄面方向的扫描实现所述晶圆的减薄。本发明的晶圆减薄方法，通过高单脉冲能量的超快激光汽化材料加工面来实现晶圆减薄，采用一致性高的光子作用于晶圆，加工更精确，减薄效果更佳。更佳。更佳。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：北京赢圣科技有限公司
技术研发日：2022.01.30
技术公布日：2023/8/9