一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统及切割方法

摘要

本发明公开了一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统及切割方法，属于集成电路和微机电系统物联网传感器领域，它包括激光器、光学系统和样品位移系统；所述激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；所述光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为多焦点光斑并聚焦到硅基MEMS晶圆内部；所述样品位移系统，用于放置被切割硅基MEMS晶圆，并调整所述硅基MEMS晶圆的位置。使用该系统的切割方法相比现有技术具有操作灵活方便、技术先进，具有一次操作便能将硅基MEMS晶圆切割成型的特点，相比于现有技术更方便，效率极大提高。

权利要求

1.一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：包括激光器(11)、光学系统(12)和样品位移系统(13)；所述激光器(11)，用于发射激光，形成激光退火装置需要的光源；所述光学系统(12)，用于将所述激光器(11)发射的激光整形为多焦点光斑并聚焦到硅基MEMS晶圆内部；所述样品位移系统(13)，用于放置被切割硅基MEMS晶圆，并调整所述硅基MEMS晶圆的位置；所述样品位移系统(13)包括放置样品的夹持台(131)和位移平台(132)；

其硅基MEMS晶圆的激光切割方法，包括依次进行以下步骤：

步骤1、确定切割参数：根据激光器(11)参数、待切割硅基MEMS晶圆的参数确定单次切割晶圆分离所需的焦点数目、间距以及焦点直径；

步骤2、配置光学系统(12)：根据步骤1所确定的参数选择相应配套的光学系统(12)；

步骤3、夹持待切割硅基MEMS晶圆：将待切割的硅基MEMS晶圆贴附在有机蓝膜表面，而后放置于夹持台(131)表面；

步骤4、激光切割：控制激光器(11)发射激光，形成所述激光切割需要的光源；控制所述位移平台(132)带动硅基MEMS晶圆实现水平面内移动，通过选择适当的激光参数以及位移平台(132)参数，使经过光学系统(12)处理过的激光在待切割的硅基MEMS晶圆内部一次性形成多焦点光斑，使其内部形成足够深度且均匀的改性层；按照预设的划片槽分布，控制位移平台(132)移动使得改性层覆盖划片槽区域完成激光处理。

2.如权利要求1所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：所述激光器(11)包括固体激光器、光纤激光器或碟片激光器，所述激光器(11)的波长大于1300nm，脉宽小于100纳秒，功率范围为瓦级，激光光束空间模式TEM00模。

3.如权利要求1所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：所述样品位移系统(13)包括放置样品的夹持台(131)和位移平台(132)，所述夹持台(131)对硅基MEMS晶圆进行真空吸附固定；所述位移平台(132)与夹持台(131)固定并能够带动所述夹持台进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动。

4.如权利要求1至3任一所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：所述光学系统(12)包括沿光路方向依次设置的多焦点光学元件(121)和聚焦系统(122)；所述多焦点光学元件(121)对入射激光进行相位调制,以利于调制的激光束经过聚焦后在光轴方向形成多个焦点；所述聚焦系统(122)将经相位调制后的激光进行聚焦和缩小焦斑。

5.如权利要求4所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：它还包括依次设置在激光器(11)和光学系统(12)之间的扩束准直系统(14)、孔径光阑(16)和反射镜(15)；所述扩束准直系统(14)，用于将所述激光器(11)发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；所述孔径光阑(16)用于当所述激光器(11)发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统(14)形成的平行光源的中间部分；所述反射镜(15)，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源垂直射入所述多焦点光学元件(121)。

6.如权利要求5所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：所述激光的束腰的大小为3mm-20mm；所述孔径光阑(16)的门限值为1.3。

7.如权利要求1所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：在所述步骤

2中，所述光学系统(12)将所述激光器(11)发射的激光整形聚焦成所需的多焦点光斑，该多焦点光斑在垂直晶圆表面方向上依次排布于晶圆内部；所述待切割硅基MEMS晶圆厚度处于该光学系统(12)的第一个焦点和最后一个焦点之间。

8.如权利要求7所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：在所述步骤

4中，所述的激光正入射所述的光学系统(12)。

9.如权利要求7至8任一所述一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，其特征在于：它还包括步骤5、分离晶圆：将激光处理完的晶圆进行扩膜工艺，完成切割。

说明书

一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统及切割方法

技术领域

[0001] 本发明属于集成电路和微机电系统物联网传感器领域，尤其涉及一种硅基MEMS晶圆激光切割方法。

背景技术

[0002] 微机电系统(Micro-ElectroMechanical Systems，MEMS)包括微型移动结构、微型传感器、微型执行器以及配套的处理电路等几个部分。其制备技术基于微电子工艺，但由于涉及到微型移动结构，包括“微型悬臂梁”、“微型悬空薄膜”、“微型空腔”等。其制备技术与硅基集成电路制备相比难度更大，对制备过程可靠性、稳定性以及重复性的要求更高。

[0003] 近年来，随着消费电子尤其是智能手机的普及，对硅基微机电系统的需求迅速增加，其中主要包括：微麦克风、微型加速度计、微型陀螺仪等等。硅基MEMS芯片加工过程中的一个重要步骤是晶圆切割，即将硅基MEMS晶圆分割成分离的芯片，而后进行后续工艺。

[0004] 由于硅基MEMS晶圆包含大量的移动结构，因此，传统的刀片切割方法在应用于硅基MEMS晶圆切割时面临很大问题。刀片切割主要有以下问题：1，刀片切割需要冲水，易对移动结构造成损伤；2，刀片切割的划片槽宽度较宽，导致晶圆的有效利用效率存在极限；3，刀片切割时产生的粉尘、颗粒等会带来污染；4，刀片切割存在崩片、披锋等缺陷。

[0005] 为了解决传统刀片切割应用于MEMS晶圆切割面临的问题，业界引入了激光隐形切割技术，其实现方式为：将晶圆贴附在蓝膜上。激光器出射激光，硅材料对该波长激光无吸收，激光光束经过聚焦系统后聚焦在硅晶圆体内，选择合适的激光参数，可以使得激光照射区域的硅材料发生改性。

[0006] 按照晶圆划片槽的设计方案移动晶圆，使得改性层的分布与划片槽设计重合。而后进行扩膜工艺，扩膜时产生的拉伸力使得晶圆沿改性层发生分离，从而达到晶圆切割的目的。

[0007] 与传统的刀片切割相比，激光隐形切割具有无粉尘、不需冲水、零划片槽、无崩边披锋等缺陷的优点，对移动结构无任何损伤，从而成为目前硅基MEMS晶圆切割的最优方案。现有的激光隐形切割设备大多基于一个焦点进行切割，由于焦深不够，需要在同一位置处通过移动焦点才能实现足够深度的改性层，这导致切割效率较低、切割均匀性不高等问题。

发明内容

[0008] 本发明的内容在于，提供一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，它包括激光器、光学系统和样品位移系统。该系统中的元件互相配合使用，使激光器发射的切割激光一次性在晶圆体内形成多焦点光斑，并形成足够深度的改性层。使用该系统的切割方法相比现有技术具有操作灵活方便、技术先进，具有一次操作便能将硅基MEMS晶圆切割成型的特点，相比于现有技术更方便，效率极大提高。

[0009] 一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，它包括激光器、光学系统和样品位移系统；所述激光器，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；所述光学系统，用于将所述激光器发射的激光整形为多焦点光斑并聚焦到硅基MEMS晶圆内部；所述样品位移系统，用于放置被切割硅基MEMS晶圆，并调整所述硅基MEMS晶圆的位置。

[0010] 进一步的，所述激光器包括固体激光器、光纤激光器或碟片激光器，所述激光器的波长大于1300nm，脉宽小于100纳秒，功率范围为瓦级，激光光束空间模式TEM00模。

[0011] 由于采用上述设置，针对不同的材料，所选择的激光器波长不同。现有技术中经常选用的波长为1064nm的激光器，该波长激光器在玻璃、石英等透明材料中透过率超过90％，可以实现隐切效果，但在硅晶圆中透过率大幅下降，比如，在400微米后硅晶圆中1064nm激光器透过率＜20％，用于切割时效率较低。而本发明将使用1300nm-1500nm的激光器，该波段在400微米厚硅材料中透过率接近60％，从而可以大大提高切割效率。

[0012] 进一步的，所述样品位移系统包括放置样品的夹持台和位移平台，所述夹持台对硅基MEMS晶圆进行真空吸附固定；所述位移平台与夹持台固定并能够带动所述夹持平台进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动。

[0013] 其中，优选的为所述夹持台能够对4寸-12寸大小的样品进行真空吸附固定；所述位移平台够进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动，横轴和竖轴的移动使得所述激光能够扫描样品表面或者选取样品表面上的固定位置扫描。纵轴与光学系统联动，其作用是调节焦点使得多焦点光斑位于晶圆内部所需深度处。

[0014] 进一步的，所述光学系统包括沿光路方向依次设置的多焦点光学元件和聚焦系统；所述多焦点光学元件对入射激光进行相位调制，以利于调制的激光束经过聚焦后在光轴方向形成多个焦点；所述聚焦系统将经相位调制后的激光进行聚焦和缩小焦斑。

[0015] 所述聚焦系统为球面镜组合，含有聚焦功能和光斑缩小功能，其中聚焦功能的球面镜根据上述多焦点元件中的设计中应用的原始焦点位置来确定该聚焦镜的焦距值，且增加一到两片球面镜来实现光斑缩小功能，以期在焦点位置处得到更小的光斑从而提高能量密度和改善切割质量。

[0016] 由于采用上述技术方案，多焦点光学元件将入射光进行了相位调制后，使得激光通过多焦点透镜后相位发生了改变，便于后续对晶圆进行切割；所述聚焦系统作用为聚焦和缩小焦斑，使得切割的效果更好、效率更高。

[0017] 进一步的，它还包括依次设置在激光器和光学系统之间的扩束准直系统、孔径光阑和反射镜；所述扩束准直系统，用于将所述激光器发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；所述孔径光阑用于当所述激光器发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统形成的平行光源的中间部分；所述反射镜，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源垂直射入所述多焦点光学元件。

[0018] 进一步的，所述激光束腰的大小为3mm-20mm；所述孔径光阑的门限值为1.3。

[0019] 一种利用该硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统进行激光切割的方法，包括依次进行以下步骤：

[0020] 步骤1、确定切割参数：根据激光器参数、待切割硅基MEMS晶圆的参数确定单次切割晶圆分离所需的焦点数目、间距以及焦点直径；

[0021] 步骤2、配置光学系统：根据步骤1所确定的参数选择相应配套的光学系统；

[0022] 步骤3、夹持待切割硅基MEMS晶圆：将待切割的硅基MEMS晶圆贴附在有机蓝膜表面，而后放置于夹持台表面；

[0023] 步骤4、激光切割：控制激光器发射激光，形成所述激光切割需要的光源；所述控制位移平台带动硅基MEMS晶圆实现水平面内移动，通过选择适当的激光参数以及位移平台参数，使经过光学系统处理过的激光在待切割的硅基MEMS晶圆内部一次性形成多焦点光斑，使其内部形成足够深度且均匀的改性层；按照预设的划片槽分布，控制位移平台移动使得改性层覆盖划片槽区域完成激光处理。

[0024] 进一步的，在所述步骤2中，所述光学系统将所述激光器发射的激光整形聚焦成所需的多焦点光斑，该多焦点光斑在垂直晶圆表面方向上依次排布于晶圆内部；所述待切割硅基MEMS晶圆厚度处于该光学系统的第一个焦点和最后一个焦点之间。

[0025] 在上述步骤2中，一种优选的光学系统设计方案为，根据激光器参数，包括激光器波长、脉宽、重复频率、平均功率以及光束质量因子，以及所需切割材料的参数，包括晶圆厚度、折射率、划片区域硅表面是否直接暴露等，确定单次切割即可在在晶圆内部形成足够深度改性层从而保证后续扩膜工艺实现晶圆分离所需的焦点数目、间距以及焦点直径，即所需的多焦点光斑参数。

[0026] 根据激光器的波长，工作距离(聚焦镜的焦距)，焦点个数及焦点间的距离我们可以得到多焦点元件的设计焦距，从而推导出元件的制作参数。根据制作参数进行多焦点元件以及配套光学系统的设计、加工。

[0027] 进一步的，在所述步骤4中，所述的激光正入射所述的光学系统。

[0028] 进一步的，在上述切割方法中，它还包括步骤5、分离晶圆：将激光处理完的晶圆进行扩膜工艺，完成切割。

[0029] 综上所述，由于采用了上诉技术手段，本发明的有益效果为：

[0030] 1、结构简单、设计独特，针对硅基MEMS晶圆激光切割具有较大的实用性和良好的推广前景。

[0031] 2、操作简便，使用方便，进行一次多焦点定位操作便能在硅基MEMS晶圆内形成足够深度的改性层，利于切割成型，节省人力。

附图说明

[0032] 图1为本发明的系统原理示意图；

[0033] 图2为一种优选的系统示意图；

[0034] 图3为基于本发明的系统所使用的激光切割方法的原理示意图；

[0035] 图4为基于本发明的切割方法分离晶圆的原理示意图；

[0036] 图5为波长为400微米后硅晶圆中不同波段透过率示意图；

[0037] 图6为本发明的多焦点元件的设计原理示意图；

[0038] 图中标记：11、激光器；12、光学系统；13、样品位移系统；14、扩束准直系统；15、反射镜；16、孔径光阑；121、多焦点光学元件；122、聚焦系统；131、夹持台；132、位移平台。

具体实施方式

[0039] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1至图6对本发明的结构作详细的描述。

[0040] 实施例1：如图1、图2、图5所示，

[0041] 一种硅基MEMS晶圆多焦点激光切割系统，包括激光器11、光学系统12和样品位移系统13；

[0042] 所述激光器11，用于发射激光，形成所述激光退火装置需要的光源；

[0043] 优选的，所述激光器11包括固体激光器、光纤激光器或碟片激光器，所述激光器11的波长大于1300nm，脉宽小于100纳秒，功率范围为瓦级，激光光束空间模式TEM00模。

[0044] 如图5所示，所述激光器11的波长在1300nm-1500nm时，该波段在400微米厚硅材料中透过率接近60％，可以大大提高切割效率，便于该系统目的实现。

[0045] 所述光学系统12，用于将所述激光器11发射的激光整形为多焦点光斑并聚焦到硅基MEMS晶圆内部；

[0046] 优选的，所述光学系统12包括沿光路方向依次设置的多焦点光学元件121和聚焦系统122；

[0047] 所述多焦点光学元件121对入射激光进行相位调制，以利于调制的激光束经过聚焦后在光轴方向形成多个焦点；所述聚焦系统122将经相位调制后的激光进行聚焦和缩小焦斑。

[0048] 所述样品位移系统13，用于放置被切割硅基MEMS晶圆，并调整所述硅基MEMS晶圆的位置。

[0049] 所述样品位移系统13包括放置样品的夹持台131和位移平台132，所述夹持台131对硅基MEMS晶圆进行真空吸附固定；

[0050] 所述位移平台132与夹持台131固定并能够带动所述夹持平台进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动。

[0051] 一种优选的实施方案为，优选的所述夹持台131能够对4寸-12寸大小的样品进行真空吸附固定；所述位移平台132够进行横轴、竖轴和纵轴三轴移动，横轴和竖轴的移动使得所述激光能够扫描样品表面或者选取样品表面上的固定位置扫描。

[0052] 其纵轴与光学系统联动，其作用是调节焦点使得多焦点光斑位于晶圆内部所需深度处。

[0053] 如图2所示，一种优选的实施方案为，该系统还包括依次设置在激光器11和光学系统12之间的扩束准直系统14、孔径光阑16和反射镜15；

[0054] 所述扩束准直系统14，用于将所述激光器11发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；

[0055] 所述孔径光阑16用于当所述激光器11发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统14形成的平行光源的中间部分；

[0056] 所述反射镜15，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源垂直射入所述多焦点光学元件121。

[0057] 在上述设置中，所述激光束腰的大小为3mm-20mm；所述孔径光阑16的门限值为1.3。

[0058] 实施例2：如图1至4所示，

[0059] 一种硅基MEMS晶圆的激光切割方法，包括依次进行以下步骤：

[0060] 步骤1、确定切割参数：根据激光器11参数、待切割硅基MEMS晶圆的参数确定单次切割晶圆分离所需的焦点数目、间距以及焦点直径；

[0061] 步骤2、配置光学系统12：根据步骤1所确定的参数选择相应配套的光学系统12；

[0062] 步骤3、夹持待切割硅基MEMS晶圆：将待切割的硅基MEMS晶圆贴附在有机蓝膜表面，而后放置于夹持台131表面；

[0063] 步骤4、激光切割：控制激光器11发射激光，形成所述激光切割需要的光源；所述控制位移平台132带动硅基MEMS晶圆实现水平面内移动，通过选择适当的激光参数以及位移平台132参数，使经过光学系统12处理过的激光在待切割的硅基MEMS晶圆内部一次性形成多焦点光斑，使其内部形成足够深度且均匀的改性层；按照预设的划片槽分布，控制位移平台132移动使得改性层覆盖划片槽区域完成激光处理。

[0064] 在所述步骤2中，所述光学系统12将所述激光器11发射的激光整形聚焦成所需的多焦点光斑，该多焦点光斑在垂直晶圆表面方向上依次排布于晶圆内部；所述待切割硅基MEMS晶圆厚度处于该光学系统12的第一个焦点和最后一个焦点之间。

[0065] 在所述步骤4中，所述的激光正入射所述的光学系统12。其具体设置达成方式为如图2，所述扩束准直系统14，用于将所述激光器11发射的激光扩束、准直并放大，形成平行光源；所述孔径光阑16用于当所述激光器11发射的激光的M2因子超过门限值时，截取所述扩束准直系统14形成的平行光源的中间部分；所述反射镜15，用于改变所述平行光源方向，使所述平行光源垂直射入所述多焦点光学元件121。

[0066] 一种优选的方案为，上述硅基MEMS晶圆的激光切割方法还包括步骤5、分离晶圆：将激光处理完的晶圆进行扩膜工艺，完成切割。

[0067] 其具体实施原理方式如图3至图4，可利用机械外力进行分离，采用常规技术手段均可完成。

[0068] 实施例3：如图3、图6所示，

[0069] 如图3所示，光学系统12的作用为：通过多焦点元件及聚焦系统在晶圆内部形成多焦点光斑；此时无需移动样品位移系统Z轴，多焦点光斑在晶圆内部一次性形成满足深度要求的改性层，此时切割效率更高。

[0070] 如图6所示，本发明的多焦点元件的设计原理示意图：

[0071] 在图中，z轴方向为激光光轴传播方向，u，v为垂直于z轴的平面，X1，Y1，X2，Y2，XN，YN分别代表与z轴垂直的各焦点位置所在平面。

[0072] 对于普通的透镜，可以看成一种简单的相位调制，其调制的相位和聚焦镜的焦距有关，可以表示为：

[0073]

[0074] 为了实现多焦点聚焦效应，应采用如图6所示的光路结构：

[0075] 光束经过多焦点元件和聚焦镜之后，才产生不同轴向位置的聚焦点，而这一序列的焦点的中心是聚焦镜的焦距(原始焦点位置)，假设要得到的焦点间距为Δf，则将多焦点元件和聚焦镜看成一个整体之后的，在该焦点出产生的相位调制为：

[0076]

[0077] 为此，可以假设多焦点元件的虚拟焦距为F，则有如下的等式：

[0078]

[0079] 可求出多焦点的虚拟焦距F，接下来来求出元件在径向的断点。对于一维分束元件，其一个周期内的断点可以由模拟退火算法算出，而这些断点在光栅(一维分束元件)中分割的是一个光栅周期。依此，对应出在多焦点元件的一个相位调制周期内(2π空间)的断点。此时，根据上述计算结果可以得出多焦点元件的具体结构和尺寸。

[0080] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。