雷射加工的控制方法
2023-07-19 17:27:56 2
專利名稱：雷射加工的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射加工的控制方法，尤其是涉及半導體材料的雷射加工，如矽晶片、砷化鎵、鍺化矽、銦的磷化物等。
業界也使用雷射束加工半導體基體。美國專利第5,214,261揭露了一種用深紫外線激發的雷射束切割半導體基體的方法。然而，在很多應用方面，激發雷射的加工速度不夠。
另一種雷射如釹-釔鋁石榴石雷射器(1064納米級)、二氧化碳雷射器等同樣被用在半導體基體的微加工上。這些雷射產生大量的碎屑並有很大的熱影響區。美國專利第4,224,101號揭露了用釹-釔鋁石榴石雷射器在半導體上加工凹槽，通常在加工凹槽之後會沿凹槽劈開並折斷，甚至要求通過化學浸蝕去除碎屑及在加工時落在晶片表面並熔合在該表面上的一些顆粒。
但這些雷射器尚均未在精加工方面得到較好的應用。主要原因是切削邊界形成的質量並不好。同時，在切削處產生了熱量，而這會導致破壞所加工的元件的電學性能，加熱基體材料在晶片中引起的熱應力可能導致微裂紋，從而對使用壽命及功能產生不利的影響。
美國專利第5,916,460號揭露了用散焦束及高壓輔助氣流來抑制微裂紋的產生。但一個散焦雷射束射在晶片表面產生一個裂紋並沿切割方向擴展是很難進行控制的。
因此，本發明目的在於改善半導體材料的加工方法，使得加工的產量及質量均能得到保障而實現元件的低成本加工，同時也能夠加工例如微射流設備等精密的微加工結構。
在第一實施例中，IB的值在一定範圍內，隨著強度IB的增加，材料去除率也增加。
在第二實施例中，IB的值在一個範圍內並增加，使得材料去除率以至少30％的幅度增加。
在第一實施例中，每一次掃描的偏移量在1微米與切痕寬度K之間。
在第二實施例中，每一次掃描的偏移量幅度一致地從1微米至切痕寬度K變化，直至最後的加工速度是最優的。
在第一實施例中，通過重複掃描N次(N≥1)，每一次掃描有多個步驟，從而依序自表面向下去除材料。
在第一實施例中，雷射束匯聚的尺寸是可控的，進而控制雷射束強度IB，使得掃描最少次數而形成所要求的結構。
在第一實施例中，雷射束是脈衝式的，脈衝循環頻率和掃描速度都預先選定，而使得一個脈衝交疊率在30％-98％之間。
在第二實施例中，雷射束也是脈衝式的，其脈衝交疊率在30％-85％之間，以控制並改善所加工形成的溝槽的側壁或所加工形成的槽的側壁及底面的結構及粗糙程度，並清除殘餘的碎屑。
在第一實施例中，溝槽的寬度(S)是選定的，以便在分別以最佳數量的平行雷射線加工特定寬度的溝槽時，最後加工速度與加工更寬些或更窄些的溝槽時的速度相比，是最快的。
在第一實施例中，雷射束的波長在350nm-550nm之間，頻率大於5KHz，雷射束的平均功率大於3W。
在另一實施例中，雷射束的波長在250nm-300nm之間，頻率大於1KHz，雷射束的平均功率大於1W。
在第一實施例中，掃描速率、雷射功率、脈衝交疊率都是選定的，以便於在每一次掃描中控制材料去除的深度。
在第二實施例中，該方法還包括一步驟，在加工完成之後，再進行最後一次雷射掃描，這次掃描中雷射束的尺寸大於寬度S；雷射束的強度低於開始加工時的強度；加工好的結構被清掃乾淨了。
在第一實施例中，利用本發明加工單個管芯的一個貫穿的溝槽。
在第二實施例中，半導體材料是作為微射流設備的基體使用的。
在第三實施例中，在基體的表面上形成一道溝槽，該溝槽可作為微射流設備的液體輸送通道。
在第一實施例中，掃描的次數、掃描的橫向偏移量是變化的，從而可在材料上形成錐型結構。
在第二實施例中，錐型結構是形成於一個圓孔或一個拉伸的孔中的。
在第三實施例中，加工了多個錐型結構以形成微射流設備上的井、漏鬥、穿孔等流道。
在第一實施例中，材料是先加工頂面，隨後加工底面，兩面的結構相連接形成一個貫穿的結構。
在第一實施例中，一個上方的照相機及一個下方的照相機相互對齊並校準以便轉換影射上方的照相機的坐標至下方的照相機坐標，該上下兩側的材料關於另一側的坐標也記錄下來以便在兩側加工時精確定位。
在第一實施例中，從材料的兩側進行加工能夠加工弧形或錐形拉伸的及圓形的壁結構。
在第二實施例中，一個煙霧吸取頭用來吸取材料的上下兩側的煙霧及固體碎屑，同時，輔助氣體吹向材料以控制碎屑的堆積並輔助加工處理。
在另一方面，本發明提供一種雷射加工設備，該設備包括一個雷射源、一個將雷射束投射在半導體材料上並以切痕寬度K加工寬度為S的結構的裝置、一個控制雷射束參數的控制器，其特徵在於該控制器包括一個在n條平行的路徑之間調整雷射束的裝置，該路徑是通過橫向偏移得到的，其中n大於或等於S/K。
在第一實施例中，控制器包括控制雷射束強度(IB)的裝置，以便讓強度值位於材料去除率隨著強度的增加而增加的範圍內。
在第一實施例中，雷射加工設備還包括一個煙霧吸取系統，該煙霧吸取系統包括分別位於材料支撐架的上下兩側的吸入口。
在第一實施例中，雷射加工設備還包括一個吹氣系統，其包括引導輔助氣流吹在被加工材料上的噴嘴。
在第二實施例中，雷射加工設備還一體組裝有一個顯示系統，該顯示系統由分別位於上方及下方並相互對齊的照相系統及一個控制器組成，該控制器包括一個利用照相機所獲得的圖片來確保材料翻轉後的精確定位的裝置。
本系統還包括一個混合的吹氣及碎屑吸取系統。碎屑吸取裝置確保碎屑不會附著在基準位置處以便實現精確的顯示及調整。吹氣裝置確保碎屑直接離開加工面並從晶片的上方進入碎屑吸取裝置。在氣體沿著切割方向噴出時還能提高加工速度。
在第一實施例中，使用一個平均功率大於4W的脈衝式紫外線雷射源來進行雷射加工。雷射束由一個絕緣鏡面反射而以適當的波長、功率、偏光度及入射角照射在晶片上。雷射束增大器可用來設定檢流計的入射雷射束的直徑。通過雷射束增大器的雷射束接著進入檢流計。連在檢流計上的是一個焦距f的平面掃描透鏡，以便將聚焦的雷射束均勻地照射在一個100mm×100mm的區域內。為了能加工晶片的整個區域，使用了一個X-Y工作檯，該X-Y工作檯上一體組合有一晶片支撐架。控制該X-Y工作檯將位於檢流計掃描視界外的區域依次移至檢流計掃描視界內從而可以加工貫穿整個晶片的長溝槽。一個固定機器臂用來根據要求將晶片加工面朝上或朝下地安置在X-Y工作檯上，這使得晶片的兩側均可加工。晶片支撐架是根據晶片的直徑設計的，它也容易變化以適應更大或更小直徑的晶片，如200mm、300mm的晶片。兩個高清晰度照相機裝在晶片的兩側，用來定位晶片及檢查已加工好的結構。一個吹氣及碎屑吸取系統輔助雷射加工處理的進行。
所有的控制系統、數據系統、移動系統、顯示系統及雷射束投射均是由處理器控制的。
圖1顯示了一個半導體晶片50的例子，晶片樣品分割成矩形。其他如陣列波導光柵的應用要求加工弧形結構。在圖2中，顯示了一個長的貫穿孔型溝槽的切割樣品的例子，可以看出，溝槽的加工混合使用了光柵式10及窗式11兩種切割方式。
從矽基體或其他半導體材料上去除材料的比率有一些限制因素。材料去除率的減小與進入基體的深度成函數關係。因此，用一大功率雷射束掃描基體表面時具有一個較大的材料去除率，而掃描更深入些導致材料去除率減小。
材料去除率的減小取決於幾個因素。空氣中的碎屑、聚合在溝槽側壁上導致形狀改變的碎屑均可使得雷射束衰減，雷射束的衰減促使了加工速度的減小。
為提高加工速度，本發明減弱了這些影響。減弱這些影響的有效途徑是是鑽孔過程中從上到下將溝槽全部加寬，使用輔助氣體，從兩側分開鑽孔這樣每一個溝槽的受影響率較低。
加工的一個目的是以儘可能快的速度加工整個晶片並能滿足所要求的邊緣光滑度及不會降低晶片或基體材料的機械強度。產生損害的原因之一是晶片過多的受熱。為進行高速微加工及成型，有必要控制雷射及掃描參數並提供一個受控的加工方式而只提高加工速度卻不會加熱晶片，也不會在晶片中產生碎屑和裂縫。最後，筆直的壁或弧形壁結構可以通過反覆地從上至下的切割而形成。一般的，用上下文所描述的加工方法微加工一個完整的3D外形的結構，晶片參數、雷射參數、硬體及雷射掃描參數均有助於改善加工處理及速度。
最後，為提供雷射功率影響加工速度的比例範圍，本發明在可利用的最大功率下對參數進行了最優化以便額外的功率可以用來提高加工速度而不會影響晶片最終的質量。
為描述這些內容，首先定義下列這些參數是很必要的晶片參數切痕寬度(K)切痕寬度是雷射束在晶片表面單次掃描所形成的溝槽的寬度。其數值隨著雷射器功率、雷射束直徑及其他一些參數的變化而變化。切痕寬度是由使用者測量的，在圖3及圖4中有舉例說明。溝槽寬度(S)是所加工的溝槽要達到的寬度(單位微米)，同樣在圖3及圖4中舉例說明。溝槽的寬度是通過計算機輔助設計輸入得到的，並與雷射束線數(n-laserlines)、雷射束的橫向偏移量(O-centre)及切痕寬度有關。在偏移量(O-centre)等於切痕寬度(K)時，其關係可簡化為S＝K×n-laserlines。雷射束通量(z-integer)為增加一區域的加工深度而在同一區域掃描的雷射線的數目，該雷射束通量將決定蝕刻出的溝槽的深度及外形。圖3舉例說明的一個加工過程中z-integer＝5。雷射束線數(n-laserlines)在溝槽寬度上的雷射束掃描次數。在圖5中，自上而下的五層的n-laserlines分別為6、6、6、5、5，而在圖3及圖4的情況下，n-laserlines分別為5、3。雷射束偏移量(O-centre)雷射束偏移量是沿溝槽蝕刻時，前後兩束雷射束的中心距。如圖3及圖4所示。在圖示中，O-centre接近於切痕寬度，但其也可取其他值。橫向偏移量O-centre、平行的雷射束線數n-laserlines及切痕寬度K共同決定了溝槽寬度S。在加工過程中，每一層上的偏移量可能不同以便加工諸如漏鬥的錐形結構、井、通孔、溝槽等。掃描速度(V-galvo)雷射束在基體上的掃描速度取決於檢流計的掃描運動。光學參數雷射束直徑雷射束直徑是指雷射空間輪廓的直徑寬度的1/e2。在矽材料上，切痕寬度K與雷射束的直徑成函數關係。雷射束的直徑可通過選擇調焦透鏡、掃描透鏡或通過使用電波望遠鏡來改變。雷射束直徑的改變會引起雷射匯聚後的能量密度的改變。
峰值能量密度(P.P.D.，強度IB)是指在單位面積上的最高能量。峰值能量取決於每秒的能量值。其關係式如下P.P.D＝E/(Δt×A)E是能量(焦耳)、Δt是脈衝時間差、A是面積(釐米2)，峰值能量密度單位是焦耳/釐米2。在說明書中雷射束的峰值能量密度用IB表示。能流密度(E.D.，Fluence)E.D.＝Fluence＝E/AE是能量(焦耳)、A是面積(釐米2)，能流密度單位是焦耳/釐米2。雷射能量及功率輸出一個典型的光量開關調製雷射系統在一個特定的重複頻率下具有一個最大的平均功率輸出。低於這個重複頻率，單個脈衝的能量可能高於最大的平均功率輸出時的脈衝能量。在高於這個重複頻率時，單個脈衝的能量較低但每秒發出的脈衝數要更多些，這些因素都對加工有影響。特別地，根據材料去除率而確定能量密度可以發現用給定的匯聚直徑的雷射束加工時，當重複頻率高於最大的平均功率輸出時的重複頻率可獲得最佳加工速度。因此，最佳的加工條件是平均功率輸出低於最大的平均功率輸出。焦點深度從釔鋁石榴石雷射器、YLF、釩酸鹽型的雷射器的第二、第三及第四級諧波發射的雷射束匯聚的焦點深度大於從多態型雷射器及具有較大的M2值的雷射器發射的雷射束的焦點深度。這主要是因為從釔鋁石榴石雷射器、YLF、釩酸鹽型的雷射器發射的空間輸出是呈高斯曲線。這在像通常加工一樣來加工厚晶片時是很有優勢的，晶片的厚度恰好使晶片能安置在距工作的透鏡固定的距離的位置上而不需重新配置以抵消散焦的影響。
此外，加工處相對於聚焦平面的位置也可通過移動樣品使之位於聚焦的雷射束上或手動或用自動聚焦系統調節光學聚焦來控制。在要求有一個較小的聚焦雷射束直徑時即需如此操作。交疊率交疊率是雷射束在特定的方向掃描時，前一雷射束與後一雷射束在空間上的交疊百分比。如圖5所示 空間交疊率是有助於提高加工速度的一個參數。加工速度及鑽孔方式光柵式加工所需的光柵式雷射束的數量及長度取決於所要求加工的微結構的寬度及長度。光柵式雷射束之間的距離取決於聚焦雷射束的尺寸。雷射束的掃描速度取決於聚焦雷射束的尺寸和雷射束的重複頻率。這些因素決定了每一個脈衝在空間上的交疊率。
提高加工速度的一個基本準則是所蝕刻的溝槽的寬度允許碎屑離開並強制去除碎屑，從而提高整體的切削速度。切削速度可以用如下表達式定義Vmachining＝V-galvo/(z-integer×n-laserlines)V-galvo是檢流計掃描速度，z-integer是加工深度已知的溝槽時的雷射束通量，n-laserlines是雷射束線數。
為加工位於同一半導體晶片上的兩個相鄰管芯之間的一個溝槽，溝槽內的材料必須去除。在這個過程中可實施的速度與雷射參數、雷射束的光學特性、材料特性及所採用的加工方式有關。加工方式的不同可能要求在加工過程中雷射的光學或掃描參數進行變化。
圖6用一組平面圖表明了材料去除率(切削深度)與雷射束能量的關係。從中可以發現，當雷射能量在低於140微焦時，切削深度隨著雷射能量的增加大致成線性增加。這一呈線性關係的區域用來加工。這些線性增加(接近線性或完全線性關係)也可能在較高的脈衝能量時發生。
用確定直徑的雷射束加工一個溝槽，溝槽的深度隨著雷射能量的增加而增加。在深度上的增量與依賴於實際能量密度的脈衝能量的增量呈函數關係。為了以最快的加工速度加工盲孔、通孔，當依賴於加工速度的能量密度並未達到飽和時，利用雷射束的直徑顯得非常關鍵。
圖6中，用脈衝時間為18納秒、355納米的光量開關調製雷射器加工矽晶片，有效的非飽和能量密度範圍是10焦/釐米2-62焦/釐米2，對應於峰值功率密度是5.5×109瓦/釐米2-3.4×109瓦/釐米2，增大脈衝能量超出上述範圍，在加工深度及相應的加工速度上的增加並不明顯。
在相似的條件下，結構的外形、加工所採用的能量密度及峰值功率密度均是朝最佳化變化的，因此，每次不同的加工所採用的波長也是不同的。
最後，導致最佳化能量密度及峰值功率密度的參數取決於雷射源的脈衝能量。雷射器平均輸出功率、具有一定重複頻率和脈衝時間的脈衝能量、雷射束直徑及加工材料的變化造成了雷射能量及功率密度的變化。
同樣的，存在一個最佳的脈衝交疊率以便於更有效的加工。在圖6中，最佳的交疊率是87％。一般地，加工一個通孔的較佳交疊率是70％-98％，在這一範圍內，受熱對加工的影響是值得注意的，然而，由於受熱是區域性的，對設備的機能只有一些小的影響。受熱確實對熔融碎屑的形成有影響。加工通孔或溝槽時，這些碎屑可以通過存在於高速掃描或較低功率情況下的清掃通徑來去除。一般的，高速更有利於消除溝槽內的碎屑，而低於80％的交疊率也可以得到更規範的溝槽。
在第二實施例中，上述的溝槽、通孔及微加工結構還要求有清掃或蝕刻步驟。典型的蝕刻機制包括溼式、乾式，使用KOH、TMAH、BHF、SF6、CF4/O2或其他蝕刻劑。利用雷射及化學乾式蝕刻技術時，雷射技術的通用性、簡便性及速度優勢與化學蝕刻技術的高加工質量相結合，在半導體及微射流設備加工技術方面提供了一種非常有效的、具有代表性的並有很好應用前景的加工手段。
在圖6所示的例子中，用355納米級的雷射束來加工時，能量範圍小於140微焦較好，因為雷射束是由一個100毫米焦距的電子透鏡匯聚而成的(理論上的雷射束直徑為17微米)，在加工矽晶片時，採用這一能量密度是最有效的。
為獲得最佳加工效果，雷射束掃描n-laserlines次以加工預定寬度S的溝槽，n-laserlines是大於或等於1的整數。當n-laserlines大於1，第二次及隨後各次均平行於前一次掃描橫向偏移。一般的，為加工寬度S的溝槽，n-laserlines≥S/K。偏移的程度O-centre決定了n-laserlines，而其本身又由雷射束的峰值功率密度(IB)和其他參數決定。同時，IB是在與特定的半導體材料的材料去除率成線性關係的範圍內選取的。
脈衝交疊率與V-galvo、雷射束的重複頻率、雷射束直徑成函數關係，其較佳的範圍是70-95％。
整體上的加工速度是V-galvo/n-laserlines×z-integer。為獲得最大加工速度，需要最大限度地提高檢流計的速度(V-galvo)並在能獲得較好的加工質量的前提下最大限度地減小n-laserlines、z-integer的值。
在加工的每一步驟中，橫向偏移(O-centre)同樣可以進行選擇以獲得期望的溝槽側壁輪廓。因而，當側壁是向內向下的錐形時，O-centre可能隨著加工該輪廓的每一步驟的完成而遞減。在圖3所示的例子中，這樣一個錐形的加工就是通過減小n-laserlines來實現的，但它同樣也可以通過減小O-centre來完成。雖然這種變化在幾何學上可能呈現為梯級狀，但實際得到的側壁可以通過選擇恰當的參數而加工成連續的。
當加工一個通孔並且通孔的上下兩側面要求加工出弧形的向內的錐形結構時，基體材料必須翻轉然後從相對的另一側進行加工，此時，需通過上下兩側的照相機來確保精確定位。
為保證精確定位，有必要通過校準來消除兩個照相系統之間的光線、放大倍率、曝光等差異。同樣還需校準不同的照相機之間的位置偏移及不對稱。這可以通過拍攝一個位置調整好的通孔並用適當的轉換在成像平面上成像來完成。一般地，散布在整個視界內的一組三個孔足以保證精確定位。
在第一實施例中，照相機偏離檢流計亦即雷射束位置一個固定距離。這種固定的偏移對熱波動及熱變化是很敏感的，為消除這種由熱變化導致的移位，有必要提供反饋信息。而通過測量一個已加工好的通孔相對於一個基準的特徵可提供這種反饋信息。通孔位置相對於預定位置的偏移將被反饋至系統作為修正依據。這種位置的測量是通過在照相機獲得的圖片上進行運算得到的。
在第二實施例中，顯示系統是與雷射發射頭排成一行。這要求為檢視信號波長而設計的光路與光譜感應傳感器相適合。
圖3及圖4顯示了採用不同的n-laserlines及z-integer的值完成大致相同尺寸的溝槽，此時，使用了具有不同切痕寬度值的雷射束。本發明的加工控制可用來加工半導體基體上的微射流結構。請參閱圖7，一個微射流設備100包括位於半導體基體103上的穿孔101和一網狀的微槽102，通孔101允許液體流過基體以構成一個流動網絡。微射流環路還包括一個漏鬥104及一井105。溝和孔的寬度在1-200微米的範圍內。溝的深度通過控制雷射及掃描參數來控制。溝的寬度可以由移動樣品通過聚焦平面以獲得較大或較小的切痕寬度來控制，也可通過使用同軸的雷射光學儀器來移動或改變雷射束的焦距。
能加工晶片兩面的能力與上下兩側的精確定位相結合，即可加工複雜的錐形結構及通孔，比如漏鬥。
從圖8-圖13的描述中可以更好的了解為加工這些結構所採用的鑽孔方式。圖8說明了加工一個具有一個凹入的錐面的盲孔或井110結構。該凹入的結構可以在每一側加工時，在每一個向下的步驟中通過改變前後兩次掃描的橫向偏移量O-centre、平行的雷射束線數n-laserlines來加工。同樣的，在圖9中描述了一個弧形外凸的井112的加工。
如果從晶片的兩側加工，損壞基體(產生碎屑的形式)的風險是最小的。
在圖10中，一個漏鬥形狀的結構通過選擇n-laserlines及O-centre即可加工得到。如果只從基體的一側加工，則可加工出外凸的漏鬥(如圖11所示)。
最後，一個雙側呈錐形的漏鬥115可以通過從兩側加工並調整在每一側加工時的n-laserlines及O-centre的值而得到(如圖12所示)。
圖13描述了一個削除一塊坯料120的簡單例子。在坯料的半徑明顯大於300微米的情況下，有必要採用窗式方式來切削除該坯料120。這相當於切削一個半導體管芯並且總的加工速度是由周長及加工溝槽的速度決定的。
隨後，在基體上在組合一個平板或晶片來覆蓋溝槽而讓溝槽成為內部結構。液體由基體或平板上的穿孔或漏鬥注入。這樣，即形成一個完整的微射流設備。
圖14及圖15描述了系統中的一個煙霧吸取及氣體輔助裝置150。雷射加工產生了微粒狀及氣體狀的碎屑，尤其是在使用高峰值功率的光量開關調製雷射器加工時，產生了大量的亞微米級、微米級的顆粒及各種各樣的氣體、化學物質。這些碎屑可用前述的裝置150從加工區域清除掉。
該裝置150包括兩個臂151。如圖14所示，晶片是裝載於兩臂151的右側。雷射束通過頂端的一個孔及上方的臂151上的一個孔而射在晶片上的。碎屑最初是從上方清除的，當雷射束割穿了晶片時，碎屑是從下方清除的。下方的臂將碎屑及氣體從晶片的下方輸送到一個出口153。上方的臂151將碎屑及氣體輸送至一個與下方的臂相交的貫通部155並一同輸送到出口153。氣體和碎屑被位於晶片上下兩側的吸入口157從加工處清除掉。吸入口157的吸力來自於煙霧吸取泵。該裝置150的一個特徵是當雷射束射到掃描表面時該裝置的運行不會減弱雷射束的作用。因而，吸入口154、157設計為當晶片位於規定的高度時，只有純氣流被吸入吸取系統中。這種吸取被用來阻止碎屑堆積在晶片表面或光學儀器起作用或敏感材料的表面上。這就防止了損壞並保證了碎屑不會阻礙調整時基準的檢查。最後，吸取系統也提供了一種輔助加工處理的手段。
該裝置150的另一個特徵是它能釋放出輔助氣體至加工處以輔助加工處理。該裝置150在支架156上安裝有一個氣體輔助系統160。在使用中，該氣體輔助系統160位於半導體的上方。圖15即揭示了該氣體輔助系統160的結構(翻轉狀態)。在沿n1-n2方向加工時，噴嘴n1、n2噴出平行於溝槽的輔助氣體並將碎屑從雷射的焦點移走。這些噴嘴是位於分別控制的通風管上並且每個噴嘴的氣流速度是可獨立控制的。
沿n1-n2在方向切削的例子中，四個噴嘴n3是從同一個通風管分出來的。這些形成了一個圍繞切割處的氣流罩同時也是為了抑制碎屑的飛濺。這些同樣對將碎屑吸入吸取系統的向上的氣流有利。為了沿著預定的方向切削，比如與n1-n1方向垂直的方向，可以另外增加些噴嘴並且將氣流轉換至切削所在的方向上。
再回到雷射束的控制上，下列這些是關於控制參數及得到的所加工結構的參數的特例。
例1在矽基體上加工一個200微米的溝槽圖16是用355納米級、功率水平確定的雷射系統加工一個寬度為200微米的溝槽時採用的鑽孔方式的圖例。先在晶片的底部切削掉大部分材料，然後再翻轉晶片從上方切削完成溝槽的加工。
這樣可以保證最快的速度及最高的切削質量。晶片在底部的切削分兩步，第一步是鑽出溝槽的主要部分，第二步是快速掃描溝槽以清除殘餘的材料。從上方切削晶片分三步。
上方第一步是鑽出溝槽的主要部分；上方第二步是用來去除從晶片底部加工後在溝槽內壁殘餘的材料；上方第三步是快速掃描溝槽以清掃及去除殘餘的材料。
圖17顯示了在底部和上方加工時雷射束所沿的路徑，在其他步驟中，路徑做相應地變化。
可以發現，為加工一個200微米的溝槽，雷射束沿著溝槽的長度方向掃描了六次，一共有30個小步驟。
在200微米溝槽的例子中，橫向偏移量O-centre＝30微米。這是因為在這種情況下，為獲得最大加工速度，這是最佳的橫向偏移量值。
平行的雷射束線數n-laserlines的值可以改變以便鑽出不同寬度的溝槽。為加工給定寬度S及最佳的O-centre的溝槽，n-laselines可以由以下的公式得到n-laselines＝|(S-kerf)/O-centre|+1豎括號是指取分數的較大的整數值(四捨五入)，kerf是此前所述的雷射的切痕寬度。如果溝槽寬度等於切痕寬度，n-laselines＝1。
在多數的例子中，(S-kerf)/O-centre不會是整數。既然這樣，不是一個O-centre的值必須更小，就是所有的O-centre必須減小以滿足雷射束線數的要求。新的O-centre的值可由以下的公式得到O-centre＝(S-kerf)/(n-laselines-1)圖18顯示的是矽基體上的一個200微米的溝槽的橫截面在掃描電鏡下的顯微圖。溝槽是採用圖16中所示的加工方式鑽空加工的。
該溝槽加工的鑽孔的一些參數如下脈衝能＝138微焦在底部的第一步、上方的第一、第二步時，檢流計的掃描速度＝111毫米/秒在底部的第二步、上方的第三步時，檢流計的掃描速度＝222毫米/秒O-center＝30微米底部第一步的n-laserlines＝6底部第一步的z-integer＝19底部第二步的n-laserlines＝2底部第二步的z-integer＝1上方第一步的n-laserlines＝6上方第一步的z-integer＝3上方第二步的n-laserlines＝4上方第二步的z-integer＝1上方第三步的n-laserlines＝2上方第三步的z-integer＝1最後，該溝槽的長度由光學掃描的視界決定的。重複上述過程並使視界連續及控制位置可以加工出很長的溝槽。
採用355納米級的雷射器在厚度為700微米的晶片上加工該溝槽，加工速度為0.8毫米/秒。
例2在矽基體上加工一個120微米的溝槽圖19是加工一個寬度為120微米的溝槽時採用的鑽孔方式的圖例。先在晶片的底部切削掉一半材料，然後再翻轉晶片從上方切削剩餘的材料而完成溝槽的加工。這樣可以保證最快的速度。晶片在底部的切削分兩步，第一步是鑽出溝槽直至晶片中央的主要部分，第二步是快速掃描溝槽以清除殘餘的材料。從上方切削晶片也分二步，上方第一步是鑽出溝槽的主要部分；上方第二步是快速掃描溝槽以清除殘餘的材料。
圖20顯示了在分別底部和上方加工的第一步時雷射束所沿的路徑，分別底部和上方加工的第二步時雷射束所沿的路徑在圖21中展示出來。
該溝槽加工的鑽孔的一些參數如下脈衝能＝138微焦在底部的第一步、上方的第一步時，檢流計的掃描速度＝111毫米/秒在底部的第二步、上方的第二步時，檢流計的掃描速度＝222毫米/秒O_center＝30微米底部第一步的n-laserlines＝4底部第一步的z-integer＝14底部第二步的n-laserlines＝2底部第二步的z-integer＝1上方第一步的n-laserlines＝4上方第一步的z-integer＝14上方第二步的n-laserlines＝2上方第二步的z-integer＝1加工速度是1毫米/秒。
在上述例子中加工速度依賴於雷射器的功率。為了能利用雷射器在功率上的增加，選擇雷射束匯聚的直徑以便與能量密度能位於如圖6所示的接近線性關係或穩定的區域是非常重要的。
為獲得加工一個通槽的最佳加工速度，雷射束直徑、脈衝重複速率及雷射器的平均輸出功率都經過選擇以獲得最快的加工速度。在這個例子中，這些參數控制著檢流計掃描速度、平行的雷射束線數n-laserlines、步驟數z-integer。
本發明的這一方面的特點使得利用較高功率的雷射系統來增加加工速度而不會影響所加工的基體的品質成為可能。例中120微米的溝槽是在700微米厚的晶片上的。在特定的雷射能條件下，達到了1毫米/秒的加工速度。使用該波長的雷射器增大三倍雷射功率可以獲得3毫米/秒的加工速度。
在加工較薄晶片時，加工速度會加快因為z-integer和n-laserlines將會減小。因而，加工500微米厚的晶片時，加工速度可能在1.4-1.5毫米/秒的範圍內。功率增大三倍可以得到約4.5毫米/秒的加工速度。
最後，這同樣可以在使用532納米級的雷射器加工時得到證明。尤其是，當用來加工形成頂壁及底壁時，碎屑能得到去除。532納米級的雷射源的功率水平明顯要高，因而可以明顯的提高速度。
本發明並不限於上述的實施例，而可能在一些解釋及細節方面有些變化。
權利要求
1.一種用強度為IB、切痕寬度為K的雷射束加工半導體材料以在該半導體材料上形成一寬度為S的結構的加工方法，其特徵在於雷射束掃描n次，n≥1，當n＞1時，每一次在後的掃描均平行於前一次掃描作橫向偏移，並且n≥S/K。
2.如權利要求1所述的加工方法，其中IB值存在一個範圍，在該範圍內材料去除率隨著IB值的增加而增加。
3.如權利要求2所述的加工方法，其中IB值是在材料去除率隨著IB值的增加而至少以30％的比率增加的範圍內。
4.如權利要求1所述的加工方法，其中相鄰兩次掃描之間的橫向偏移量在1微米至切痕寬度K的範圍內。
5.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該橫向偏移量是通過在加工步驟中將橫向偏移量從1微米至切痕寬度K的範圍內變化直至達到最佳的淨加工速度而選定的。
6.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中加工是通過在每一步中掃描n次(n≥1)而以連續的步驟從材料的表面向下去除材料來完成的。
7.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該雷射束匯聚後的尺寸是受控制的，以便具有以最少的掃描次數完成所要求的結構時所需的雷射束強度IB。
8.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該雷射束是脈衝式的，並且通過選擇其脈衝重複頻率及掃描速度使得脈衝交疊率在30％98％的範圍內。
9.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該雷射束是脈衝式的，並且其脈衝交疊率是從30％-85％的範圍內選取的以便能控制及改善所加工的溝槽的壁或所加工的水槽的壁及底面的結構和粗糙度，並且能清除殘餘的碎屑。
10.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該溝槽的寬度(S)是選定的，以便與使用各自最佳的平行雷射束線數加工更寬或更窄寬度的溝槽時的加工速度相比，寬度為S時的淨加工速度是最快的。
11.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中雷射束的波長在350納米至550納米之間，重複頻率大於5KHz，雷射束平均功率大於3瓦。
12.如權利要求1至10中的任意一項所述的加工方法，其中雷射束的波長在250納米至300納米之間，重複頻率大於1KHz，雷射束平均功率輸出大於1瓦。
13.如權利要求6至12中的任意一項所述的加工方法，其中通過選擇掃描速度、雷射器功率及脈衝交疊率來控制任一次掃描中材料的去除深度。
14.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其在加工完成後還包括一個進行最後一次雷射掃描的步驟，其中雷射束直徑大於寬度S；及雷射束的強度低於加工時的強度；由此，清掃所加工的結構。
15.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，該方法是用來加工一個管芯上的通槽。
16.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該半導體材料是微射流設備的基體。
17.如權利要求16所述的加工方法，其中在基體的表面形成一溝槽，該溝槽是作為微射流設備的液體輸送通道的。
18.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中掃描的次數及橫向偏移量是變化的以便在材料上加工形成一個錐形的結構。
19.如權利要求18所述的加工方法，其中該錐形結構是形成於一個圓形或拉伸的孔中的。
20.如權利要求18或19所述的加工方法，其中加工了多個錐形結構以形成微射流設備的井、漏鬥及通孔等通道。
21.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，其中該材料先從上方加工然後從底部加工，兩側的結構相連通而形成一個貫通的結構。
22.如權利要求21所述的加工方法，其中一個上方照相機及一個下方照相機相互對齊並校準以便轉換影射上方的照相機的坐標至下方的照相機坐標，該上下兩側的材料關於另一側的坐標也記錄下來以便在兩側加工時精確定位。
23.如權利要求21或22所述的加工方法，其中從兩側加工材料可以形成弧形、錐形的拉伸及圓形的井結構。
24.如以上任意一項權利要求所述的加工方法，使用一個煙霧吸取頭從材料的上方及下方吸取煙霧及固體碎屑，其中輔助氣體直接吹向材料以控制碎屑的堆積並輔助加工處理。
25.一種雷射加工設備，包括一個雷射源、一個將雷射束投射在半導體材料上並以切痕寬度K加工寬度為S的結構的裝置、一個控制雷射束參數的控制器，其特徵在於該控制器包括一個在n條平行的路徑之間調整雷射束的裝置，該路徑是橫向偏移得到的，其中n大於或等於S/K。
26.如權利要求25所述的雷射加工設備，其中該控制器包括控制雷射束強度(IB)的裝置，以便讓強度值位於材料去除率隨著強度的增加而增加的範圍內。
27.如權利要求25或26所述的雷射加工設備，其還包括一個煙霧吸取系統，該煙霧吸取系統包括分別位於材料支撐架的上下兩側的吸入口。
28.如權利要求25至27中任意一項所述的雷射加工設備，其還包括一個吹氣系統，該吹氣系統包括引導輔助氣流吹在被加工材料上的噴嘴。
29.如權利要求25至28中任意一項所述的雷射加工設備，其組合一個顯示系統，該顯示系統由分別位於上方及下方並相互對齊的照相系統及一個控制器組成，該控制器包括一個利用照相機所獲得的圖片來確保材料翻轉後的精確定位的裝置。
全文摘要
本發明提供了一種紫外線雷射束用於加工半導體。雷射束的強度(I
文檔編號B23K26/40GK1473088SQ01817957
公開日2004年2月4日 申請日期2001年10月26日 優先權日2000年10月26日
發明者愛德裡安·鮑耶爾, 加利·杜納, 瑪利亞·法薩利, 法薩利, 杜納, 愛德裡安 鮑耶爾 申請人:埃克賽爾技術有限公司