激光加工装置和方法、加工掩模、半导体装置及制造方法.pdf

本发明涉及激光加工装置和方法、加工掩模、半导体装置及制造方法。该激光加工装置包括：被构造成沿从加工对象物的第一端到所述加工对象物的另一端的扫描方向移动所述加工对象物的扫描系统；被构造成沿所述扫描方向在垂直于所述激光光束光轴的平面上将激光光束变换成非对称加工激光光束的光束成形单元；以及被构造成把从光束成形单元发射的加工激光光束照射到加工对象物上的照射光学系统。

1.  一种激光加工装置，它包括：
被构造成沿从加工对象物的第一端到所述加工对象物的另一端的扫描方向移动所述加工对象物的扫描系统；
被构造成在垂直于激光光束的光轴的平面上沿所述扫描方向将所述激光光束变换成非对称加工激光光束的光束成形单元；以及
被构造成把从所述光束成形单元发射的所述加工激光光束照射到所述加工对象物上的照射光学系统。

2.  依照权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述光束成形单元包括部分地衰减所述加工激光光束的强度的光衰减器。

3.  依照权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述光束成形单元包括沿所述光轴的方向倾斜的加工掩模。

4.  依照权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述照射光学系统包括被构造成限定沿所述扫描方向倾斜的焦点位置的物镜。

5.  依照权利要求1中所述的装置，其特征在于，它还包括被构造成向所述加工对象物的前表面供给液体的液体供给系统。

6.  一种用于通过在垂直于用于加工对象物的激光加工的激光光束的光轴的平面上扫描所述激光光束而变换所述用于加工对象物的激光加工的激光光束的形状的加工掩模，它包括：
具有垂直于所述光轴设置的垂直遮光部和倾斜于所述垂直遮光部的平面的倾斜遮光部的遮光部；
在所述垂直遮光部中设置开口的第一加工开口；以及
以沿与所述第一加工开口相反的方向延伸的方式在所述倾斜遮光部中设置与所述第一加工开口相连接的开口的第二加工开口。

7.  依照权利要求6中所述的加工掩模，其特征在于，所述第一加工开口沿与所述激光光束的扫描方向对应的方向具有非对称形状。

8.  一种激光加工方法，它包括：
沿第一方向将激光光束变换成非对称加工激光光束；
将所述加工激光光束投影到加工对象物上；以及
沿与所述第一方向对应的扫描方向在所述加工对象物的表面上扫描所述加工激光光束。

9.  依照权利要求8中所述的方法，其特征在于，所述加工对象物是半导体基片并且切割沟槽通过所述加工激光光束形成在所述半导体基片中，所述加工激光光束被构造成使得投影成像位置沿所述扫描方向从所述半导体基片的前表面朝向所述半导体基片的后表面倾斜。

10.  依照权利要求8中所述的方法，其特征在于，所述加工对象物是半导体基片并且切割沟槽通过所述加工激光光束形成在所述半导体基片中，所述加工激光光束具有：在所述扫描方向的前方部中的矩形形状的第一沟槽加工激光光束；
沿所述扫描方向从垂直于所述第一沟槽加工激光光束的所述扫描方向的后侧的每端处延伸的梯形形状的第二沟槽加工激光光束；以及
具有与所述第二沟槽加工激光光束的梯形的后端部的宽度相同的宽度并且沿所述扫描方向延伸的矩形形状的第三沟槽加工激光光束。

11.  依照权利要求8中所述的方法，其特征在于，所述加工对象物是其前表面上沉积有绝缘膜的半导体基片，并且所述加工激光光束在所述扫描方向的前方部和后方部中分别包括用以通过去除所述绝缘膜形成切割区域的区域加工激光光束和用以在所述半导体基片中形成切割沟槽的沟槽加工激光光束。

12.  一种用于制造半导体装置的方法，它包括：
在半导体基片的前表面上沉积绝缘膜；
将加工激光光束投影到所述半导体基片上，所述加工激光光束是通过将激光光束沿第一方向变换成非对称形状获得的；
沿与所述第一方向对应的扫描方向在所述半导体基片的所述前表面上扫描所述加工激光光束；以及
通过去除所述绝缘膜沿所述扫描方向形成切割区域。

13.  依照权利要求12中所述的方法，其特征在于，所述绝缘膜包括多个层间绝缘膜，所述层间绝缘膜具有配线并且具有设在所述层间绝缘膜之间的扩散防止膜，所述扩散防止膜防止所述配线中所含的金属的扩散。

14.  依照权利要求13中所述的方法，其特征在于，所述层间绝缘膜具有低介电常数。

15.  依照权利要求13中所述的方法，其特征在于，所述扩散防止膜是碳化硅、氮化硅以及氮碳化硅中的一种。

16.  依照权利要求12中所述的方法，其特征在于，去除所述绝缘膜的所述加工激光光束包括被构造成用以形成其宽度比所述扫描方向前方部中的所述切割区域的宽度窄的窄切割区域的第一区域加工激光光束和被构造成用以在所述扫描方向后方部中通过增大由所述第一区域加工激光光束形成的所述窄切割区域而形成所述切割区域的第二区域加工激光光束。

17.  依照权利要求13中所述的方法，其特征在于，去除所述绝缘膜的所述加工激光光束包括被构造成用以形成所述切割区域的区域加工激光光束和被构造成用以在用于所述区域加工激光光束的所述扫描方向的前方部中沿垂直于所述扫描方向的第二方向使所述切割区域的外侧的所述扩散防止膜改质的改质加工激光光束。

18.  依照权利要求17中所述的方法，其特征在于，与所述区域加工激光光束相比较，所述改质加工激光光束的激光光束的能量级减小。

19.  依照权利要求16中所述的方法，其特征在于，所述加工激光光束还包括沿所述扫描方向延伸到所述第二区域加工激光光束的后方部的沟槽加工激光光束，所述方法还包括通过所述沟槽加工激光光束在所述半导体基片中的所述切割区域的一部分中加工切割沟槽。

20.  依照权利要求19中所述的方法，其特征在于，所述切割沟槽是通过利用脉冲宽度为1ps或小于1ps的加工激光光束形成的。

21.  依照权利要求12中所述的方法，其特征在于，将液体供给到其上投影有所述加工激光光束的所述半导体基片的前表面上。

22.  一种半导体装置，它包括：
半导体基片；
沉积在所述半导体基片的表面上的多个层间绝缘膜；以及
沉积在所述多个层间绝缘膜之间的扩散防止膜，所述扩散防止膜具有被改质以便在芯片周边附近增大所述扩散防止膜和所述层间绝缘膜之间的粘附强度的区域。

23.  依照权利要求22中所述的半导体装置，其特征在于，所述扩散防止膜是碳化硅、氮化硅以及氮碳化硅中的一种。

24.  依照权利要求22中所述的半导体装置，其特征在于，所述改质区域包括非晶态硅和非晶态碳中的至少一种。

25.  依照权利要求22中所述的半导体装置，其特征在于，所述层间绝缘膜具有低介电常数。

激光加工装置和方法、加工掩模、半导体装置及制造方法
相关申请的交叉参考
本申请基于2003年9月1日提交的日本专利申请P2003-309338，并要求所述专利申请P2003-309338的优先权；其全部内容引用在此作为参照。
技术领域
本发明涉及激光加工，更具体地说，本发明涉及通过激光光束的形状控制切割的激光加工装置、加工掩模、半导体装置(器件)、激光加工方法以及用于制造半导体装置的方法。
背景技术
近年来，在半导体装置中，已使用低介电常数(low-k)的绝缘膜(电介质膜)以便于可通过减小配线(布线、互连)间容量而进行高速下的操作。然而，当使用刀片在具有low-k绝缘膜作为层间绝缘膜的半导体装置上执行切割时，层间绝缘膜会被剥离。
例如，在其上制造半导体装置的硅(Si)基片(基底、基板)上，堆积有多层结构，所述结构包括诸如有机二氧化硅膜和多孔二氧化硅膜的low-k绝缘膜、通过使用诸如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、氮碳化硅(SiCN)、氧化硅(SiO₂)膜、聚酰亚胺膜等防止铜(Cu)扩散的扩散防止膜。当使用刀片切割具有形成于其上的所述多层膜的Si基片时，由于弱粘附力，因此易于出现从SiC膜、Si₃N₄膜、SiCN膜等的分界面处剥离的情况。而且，由于low-k绝缘膜的机械强度较弱，因此在诸如有机二氧化硅膜和多孔二氧化硅膜的low-k绝缘膜中会出现裂缝。
为了防止绝缘膜的剥离，存在这样一种已知加工方法，通过所述加工方法，在通过激光照射去除层间绝缘膜之后使用刀片切割Si基片。而且，还公开这样一种方法，其中通过激光加工不仅切割绝缘膜而且还切割Si基片(参照日本专利公开No.2002-224878)。
在现有激光加工装置中要处理的加工对象物(要加工物体)的目标表面上的激光光束具有环形形状、正方形形状等，所述形状沿激光光束的扫描方向对称。在激光加工中，通过用脉冲振动激光光束扫描加工对象物而在所述加工对象物中形成加工沟槽。
例如，通过激光加工切割Si基片并且制造半导体芯片。在具有形成于其上的包括low-k绝缘膜和扩散防止膜的多层膜的Si基片中，照射激光光束通过low-k绝缘膜被传输并在扩散防止膜、low-k绝缘膜与扩散防止膜或Si基片之间的分界面处被吸收。扩散防止膜或Si基片被吸收的激光光束溶融并且上层low-k绝缘膜被去除。
然而，在现有激光加工中，扩散防止膜或Si基片的溶融在low-k绝缘膜上提供了应力，并且在low-k绝缘膜中产生了裂缝。
由于扫描方向前方部的low-k绝缘膜已被激光加工去除，因此在照射激光光束的扫描方向前方部产生的裂缝不会造成问题。然而，在激光加工之后，在垂直于扫描方向的方向中形成的裂缝留在半导体芯片中。
如上所述，使用现有激光加工方法，可抑制绝缘膜的剥离。然而，无法抑制low-k绝缘膜中裂缝的产生，从而导致如此制造的装置低可靠性的问题。而且，在切割线上，使用绝缘膜下面的金属等形成对准标记。当去除对准标记上的绝缘膜时，对准标记的周围会出现绝缘膜的剥离。
而且，当使用刀片切割Si基片时，难于抑制Si基片中裂缝的产生。因此，产生的裂缝可导致与半导体芯片的变薄相关的芯片强度降低。而且，为了通过激光加工在高精度下执行Si基片的加工，需要提供大于Si基片厚度的照射激光光束的焦点深度。然而，如果增加焦点深度，则激光光束窄化就会受限并且激光加工会变得困难。
而且，当使用刀片切割具有半导体发光元件的磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等的半导体基片或蓝宝石基片时，在切割区域周围形成破碎层。所述破碎层吸收从半导体发光元件中发射出的光线并且降低发光效率。因此，通过湿法蚀刻去除该破碎层。通过湿法蚀刻去除破碎层增加用于基片的有效面积的损失并且降低半导体发光元件的产出率。而且，为了提高发光效率，可使用有角刀片使得半导体发光元件的侧壁在上层和下层电极形成层之间倾斜。因此，对于半导体发光元件来说，需要多级切割步骤，因此效率较低。
发明内容
本发明的第一方面涉及激光加工装置，所述装置包括：被构造成沿从加工对象物的第一端到所述加工对象物的另一端的扫描方向移动加工对象物的扫描系统；被构造成沿扫描方向在垂直于所述激光光束光轴的平面上将激光光束变换成非对称加工激光光束的光束成形单元；以及被构造成从光束成形单元发射的加工激光光束照射到加工对象物上的照射光学系统。
本发明的第二方面涉及用于通过在垂直于用于加工对象物的激光加工的激光光束的光轴的平面上扫描激光光束而变换用于加工对象物的激光加工地激光光束的形状的加工掩模，所述加工掩模包括：具有垂直于所述光轴设置的垂直遮光部和倾斜于垂直遮光部的平面的倾斜遮光部的遮光部；在垂直遮光部中设置开口的第一加工开口；以及以沿与所述第一加工开口相反的方向延伸的方式在倾斜遮光部中设置与第一加工开口相连接的开口的第二加工开口。
本发明的第三方面涉及激光加工方法，所述方法包括：沿第一方向将激光光束变换成非对称加工激光光束；将所述加工激光光束投影到加工对象物上；沿与第一方向对应的扫描方向在加工对象物的表面上扫描所述加工激光光束。
本发明的第四方面涉及用于制造半导体装置的方法，所述方法包括：在半导体基片的前表面上沉积绝缘膜；将加工激光光束投影到半导体基片上，所述加工激光光束是通过将激光光束沿第一方向变换成非对称形状而获得的；沿与第一方向对应的扫描方向在半导体基片的表面上扫描所述加工激光光束；以及通过去除绝缘膜而沿扫描方向形成切割区域。
本发明的第五方面涉及半导体装置，所述半导体装置包括：半导体基片；沉积在所述半导体基片表面上的多个层间绝缘膜；以及沉积在多个层间绝缘膜之间的扩散防止膜，所述扩散防止膜具有被改质以便在芯片周边附近增大扩散防止膜和层间绝缘膜之间的粘附强度的区域。
附图说明
图1是本发明一个实施例涉及的激光加工装置的示意性框图；
图2是示意性地示出本发明第一实施例涉及的加工掩模的一个示例的平面图；
图3是示出本发明第一实施例涉及的半导体基片的一个示例的截面结构的视图；
图4是示意性地示出在本发明第一实施例涉及的半导体基片的激光加工之前加工激光光束的位置的平面图；
图5是示意性地示出在本发明第一实施例涉及的半导体基片中通过激光加工形成切割区域的情况的平面图；
图6是图5的截面VI-VI的示意图，在所述截面VI-VI处在本发明第一实施例涉及的半导体基片中通过激光加工形成切割区域；
图7是图5中VII-VII线处的截面的示意图，在所述截面处在本发明第一实施例涉及的半导体基片中通过激光加工形成切割区域；
图8是图5中VIII-VIII线处的截面的示意图，在所述截面处在本发明第一实施例涉及的半导体基片中通过激光加工形成切割区域；
图9是图5中IX-IX线处的截面的示意图，在所述截面处在本发明第一实施例涉及的半导体基片中通过激光加工形成切割区域；
图10A到10E是示意性地示出本发明第一实施例涉及的加工掩模的其它示例的平面图；
图11是示出本发明第二实施例涉及的加工掩模的示例的示意图；
图12A和12B是示出本发明第二实施例涉及的光束成形单元的示例的示意图；
图13是示出本发明第二实施例涉及的激光加工的加工激光光束的投影图像的示例的视图；
图14到图16是本发明第二实施例涉及的用于解释用于半导体基片的激光加工的截面图的示例；
图17A到17F是示意性地示出本发明第二实施例涉及的加工掩模的其它示例的平面图；
图18是示意性地示出本发明第三实施例涉及的加工掩模的示例的平面图；
图19是示出本发明第三实施例涉及的激光加工的加工激光光束的投影图像的示例的视图；
图20到图22是本发明第三实施例涉及的用于解释用于半导体基片的激光加工的截面图的示例；
图23是本发明第三实施例涉及的使用加工掩模激光加工另一个半导体基片之后的截面的示意图；
图24是示意性地示出本发明第四实施例涉及的加工掩模的示例的平面图；
图25是示出本发明第四实施例涉及的激光加工装置中加工掩模位置与焦点位置之间的关系的视图；
图26是示出本发明第四实施例涉及的加工掩模的沉积的示例的示意图；
图27是示出本发明第四实施例涉及的激光加工的加工激光光束的投影图像的位置的视图；
图28到图31是本发明第四实施例涉及的用于解释用于半导体基片的激光加工的截面图的示例；
图32是示出本发明第四实施例的变型涉及的照射光学系统的示例的示意图；
图33是示出本发明第四实施例的变型涉及的激光加工的加工激光光束的投影图像的位置的视图；
图34是示意性地示出本发明第五实施例涉及的加工掩模的示例的平面图；
图35是示出本发明第五实施例涉及的激光加工的加工激光光束的投影图像的示例的视图；以及
图36到图39是本发明第五实施例涉及的用于解释用于半导体基片的激光加工的截面图的示例。
具体实施方式
下面将参照附图说明本发明的各个实施例。应该注意的是，在所有附图中相同或相似的部件或元件使用相同或相似的附图标记，并且将省略或简化对于相同或相似的部件或元件的说明。
(第一实施例)
如图1中所示，本发明第一实施例涉及的激光加工装置包括扫描系统9，扫描系统9被构造成使得布置于保持器8上的要加工的加工对象物20沿从加工对象物20的一端朝向其另一端的扫描方向移动。光束成形单元4包括具有在垂直于来自于加工光源2的激光光束的光轴方向的平面上沿与扫描系统9的扫描方向对应的方向延伸的非对称形状开口的加工掩模，并且还包括用以输出变换成非对称形状的激光光束的光学系统。照射光学系统6被构造成将从光束成形单元4处通过半透明反射镜5入射的激光光束透过透明窗7照射在加工对象物20上。扫描系统9设在架台10上。
在第一实施例中，例如使用Q开关掺杂有钕的钇铝石榴石(Nd：YAG)激光的第三谐波作为加工光源2，该第三谐波具有355nm的波长、约30ns的脉冲宽度以及最大值为50kHz的振动频率。具有50mm焦距的物镜用作照射光学系统6。物镜与光束成形单元4之间的光学距离约为300mm。照射光学系统6的缩小投影比为1/5。
而且，在加工对象物20的目标表面与透明窗7之间设有液体供给系统11，所述液体供给系统11通过喷嘴12供给诸如水等液体13。在处理绝缘膜等期间产生的加工尘屑被液体13的流动去除。这样，可在不会出现加工尘屑粘附在加工对象物20表面的另一部分上的情况下处理绝缘膜。在激光加工之后通过洗涤器清洗等执行清洗步骤的情况中，尤其不必执行液体13中的激光加工。可在大气环境中执行激光加工。而且，液体13可防止激光照射产生的热量在加工对象物20的目标表面上扩散。在图1中，液体13流过加工对象物20的表面并沿不同的方向分散。然而，液体13可引入到具有适合出口孔的容器中。而且，液体13可从所述出口孔通过过滤器循环到液体供给系统11。除了水以外，含气水、臭氧水、氨(NH3)水溶液、甘氨酸(C₂H₅NO₂)和过氧化氢(H₂O₂)的混合液等也可用作液体13。
而且，激光加工装置包括：观察光源14(诸如卤素灯)，以便于通过半透明反射镜15和用于检测加工对象物20加工位置的半透明反射镜5将观察光照射到加工对象物20的目标表面上；校正光学系统16，它被构造成执行通过半透明反射镜5、15入射的从加工对象物20的目标表面反射的观察光的焦距调节；以及观察系统17，被构成得可观察经过校正光学系统16的焦距调节的加工对象物20的位置。
加工控制系统3控制加工光源2以便于通过从观察系统17中提供的加工对象物20的位置信息输出激光光束。而且，通过从观察系统17中提供的位置信息，加工控制系统3可微调光束成形单元4在加工对象物20的目标表面上的投影位置。
例如，使用诸如Si基片的半导体基片20作为加工对象物20。在其上形成有电路图案(印刷电路)的半导体基片20上形成有诸如low-k绝缘膜、扩散防止膜、氧化硅(SiO₂)膜、聚酰亚胺膜等绝缘膜。在第一实施例中，将给出通过去除沉积在半导体基片20上的绝缘膜而形成切割区域的情况的说明。
如图2中所示，在设在光束成形单元4中的加工掩模21中设有区域加工开口26，所述加工开口26包括在由不锈钢等制成的遮光部22中设置开口的狭缝23和具有比狭缝23的宽度宽的侧部并且与狭缝23的一端相连接的矩形透明区域25。加工掩模21可通过光刻法在沉积在石英基片上的由铬(Cr)等制成的不透明膜上形成图案而制成。
加工掩模21例如垂直于激光光束的光轴布置在光束成形单元4中以使得狭缝23位于图2中的上侧。另外，加工掩模21布置在光束成形单元4中以使得通过加工掩模21的狭缝23传输的激光光束的投影图像的前端可照射半导体基片20，并且可面对半导体基片20的扫描方向。
加工掩模21具有例如50μm的厚度。在半导体基片20上，狭缝23的宽度为10μm并且透明区域25的宽度为与切割区域宽度对应的50到80μm。在半导体基片20上狭缝23和透明区域25的长度都是10μm到100μm。应该注意的是，除非另作说明，下面将根据半导体基片20上的经过缩小投影的尺寸说明加工掩模21上的图案尺寸。
用于半导体基片20的扫描系统9的扫描速度是100mm/s。来自于加工光源2的激光光束的振动频率50kHz并且照射积分通量为0.6J/cm²/脉冲。在此，“照射积分通量”是指每一脉冲的照射能量密度。应该注意的是，半导体基片20的扫描速度、激光光束的振动频率、照射积分通量等都被适当地控制以便根据半导体基片20的膜结构溶融绝缘膜。
在第一实施例中，如图3中所示，例如，第一绝缘膜41、第一扩散防止膜44、第二绝缘膜42、第二扩散防止膜45和第三绝缘膜43被相继地层压在形成有切割区域的半导体基片20的表面上。例如，第一到第三绝缘膜41到43可用作在半导体基片上制造的半导体装置的层间绝缘膜。
如图4中所示，通过加工掩模21的区域加工开口26，激光光束形成包括具有与狭缝23相对应的窄带形状的第一区域加工激光光束33和具有与透明区域25相对应的矩形形状的第二区域加工激光光束35的加工激光光束36。通过加工控制系统3，加工激光光束36被设置成可将第一区域加工激光光束33的前端布置在半导体基片20的面对扫描方向的端部处。当扫描系统9使得半导体基片20沿扫描方向移动时，加工激光光束36被投影到半导体基片20上。
在此，第一到第三绝缘膜41到43为具有约为3.4或小于3.4的相对介电常数并且可透过激光光束的low-k绝缘膜。而且，激光光束的照射积分通量为0.6J/cm²，因此第一和第二扩散防止膜44、45可被溶融。另外，在半导体基片20溶融的情况中，为了溶融而进行的熔化只发生在半导体基片20表面附近。因此，在半导体基片20中基本不形成沟槽。
首先，如图2和图3中所示，通过第一区域加工激光光束33的激光光束通过第三绝缘膜43，第二扩散防止膜45被溶融并且溶融的第二扩散防止膜45上的第三绝缘膜43也一起被去除。随后，在第二扩散防止膜45已被溶融的部分中，第一区域加工激光光束33的激光光束通过第二绝缘膜42照射到第一扩散防止膜44上。之后，第一扩散防止膜44被溶融并且溶融的第一扩散防止膜44上的第二绝缘膜42也被去除。在第一扩散防止膜44已被溶融的部分中，第一区域加工激光光束33的激光光束通过第一绝缘膜4照射到半导体基片20的表面上。之后，半导体基片20被溶融并且溶融的半导体基片20上的第一绝缘膜41也被去除。
由于溶融产生的热量以及由于汽化的第一和第二扩散防止膜44、45或半导体基片20的气体压力，第一到第三绝缘膜41到43经受应力。因此，第一到第三绝缘膜41到43中的应力在第一区域加工激光光束33的照射区域周围产生裂缝。在扫描方向前方部产生的裂缝可通过半导体基片20的扫描而被激光加工去除。沿垂直于扫描方向的方向在第一区域加工激光光束33的照射区域周围产生的裂缝被宽度大于第一区域加工激光光束33的第二区域加工激光光束35去除。在由第二区域加工激光光束35执行的溶融过程中，窄沟槽已通过第一区域加工激光光束33形成。因此，第一到第三绝缘膜41到43的low-k绝缘膜上的应力减小并且可抑制沿垂直于扫描方向的方向产生裂缝。
在本发明第一实施例涉及的激光加工装置中，使用加工掩模21，所述加工掩模21包括区域加工开口26，所述开口26具有用于加工窄沟槽的狭缝23和用于去除由low-k绝缘膜中的窄沟槽加工形成的裂缝的透明区域25。因此，通过去除沉积在半导体基片20上的半导体装置的层间绝缘膜可形成切割区域，因此可抑制在层间绝缘膜中出现剥离和裂缝。
接下来，将结合图1到图9说明本发明第一实施例涉及的激光加工方法。首先，使用切割带等将图3中所示的半导体基片(加工对象物)20固定在图1中所示的激光加工装置的保持器8上。观察光源14的观察光被照射以便于通过校正光学系统调节聚焦并通过观察系统17检测半导体基片20的位置。从来自于观察系统17的半导体基片20的位置信息中，加工控制系统3控制扫描系统9以使得半导体基片20移动，从而使得半导体基片20的边缘部分处于观察系统17的视野内。图2中所示的加工掩模21布置在光束成形单元4中并且由加工控制系统3执行加工光源2的振动。照射光学系统6使得穿过光束成形单元4的加工掩模21的激光光束投影在保持器8上。在通过观察系统17观察投影的加工激光光束36时，扫描系统9被加工控制系统3操纵以便于将半导体基片20的边缘部分布置在第一区域加工激光光束33的前端处，如图4中所示。
如图5中所示，通过扫描半导体基片20，通过激光加工逐渐形成切割区域38。如图6中所示，附图的沿从加工激光光束36的第一区域加工激光光束33的前端到加工的切割区域38的扫描方向的线VI-VI处的截面被形成为阶形形状。这是因为由第一区域加工激光光束33的照射导致的溶融沿扫描方向相继去除了第一到第三绝缘膜41到43以及第一和第二扩散防止膜44、45。例如，在第一区域加工激光光束33的前端附近，第三绝缘膜43被去除并且第二扩散防止膜45部分地露出。沿扫描方向在第二扩散防止膜45的端部中，第二绝缘膜42露出。而且，沿扫描方向在第二绝缘膜42的端部中，第一扩散防止膜44露出。沿扫描方向在第一扩散防止膜44的端部中，第一绝缘膜41露出。在第二区域加工激光光束35的一部分处的第一区域加工激光光束33中，半导体基片20的表面露出。在第一到第三绝缘膜41到43的经过加工的端部中，由于与分别位于第一到第三绝缘膜41到43之下的第一和第二扩散防止膜44、45和半导体基片20相接触的部分处的溶融导致的应力产生第一裂缝51。
而且，与上述第一区域加工激光光束33相似，如图7中所示，附图的沿从第二区域加工激光光束35的前端朝向加工的切割区域38的扫描方向的线VII-VII处的截面也被形成为阶形形状。这是因为由第二区域加工激光光束35的照射导致的溶融沿扫描方向相继地去除第三绝缘膜43、第二扩散防止膜45、第二绝缘膜42、第一扩散防止膜44和第一绝缘膜41。因此，半导体基片20的表面露出。如图7中所示，在第一到第三绝缘膜41到43的经过加工的端部中，由于与分别位于第一到第三绝缘膜41到43之下的第一和第二扩散防止膜44、45和半导体基片20相接触的部分处的溶融导致的应力同样产生第一裂缝51a。由于第一区域加工激光光束33去除了第一到第三绝缘膜41到43和第一和第二扩散防止膜44、45以便于形成加工的区域，因此减小溶融导致的应力。因此，第一裂缝51a小于图6中所示的第一裂缝51。
如图8中所示，在附图的沿垂直于扫描方向的方向在远离第一区域加工激光光束33的前端并且靠近第二区域加工激光光束35的区域中的线VIII-VIII处的截面中，形成有窄切割区域37，在该区域处露出半导体基片20的表面。这是因为由第一区域加工激光光束33的照射导致的溶融去除第三绝缘膜43、第二扩散防止膜45、第二绝缘膜42、第一扩散防止膜44和第一绝缘膜41。该溶融从第二扩散防止膜45、第一扩散防止膜44到半导体基片20的表面相继地发生。因此，窄切割区域37具有在第三绝缘膜43的表面处较宽的倾斜开口。另外在垂直于图8扫描方向的方向中，在第一到第三绝缘膜41到43的经过加工的端部中，由于与分别位于第一到第三绝缘膜41到43之下的第一和第二扩散防止膜44、45和半导体基片20相接触的部分处的溶融导致的应力同样产生第二裂缝52。
如图9中所示，在附图的沿垂直于扫描方向的方向位于第二区域加工激光光束35的下部的线IX-IX处的截面中，形成有切割区域38，在该区域处露出半导体基片20的表面。这是因为由第二区域加工激光光束35的照射导致的第一扩散防止膜44和第二扩散防止膜45以及半导体基片20的表面的溶融去除第三绝缘膜43、第二扩散防止膜45、第二绝缘膜42、第一扩散防止膜44和第一绝缘膜41。在第二区域加工激光光束35的激光加工中，已经形成窄切割区域37并且在第一到第三绝缘膜41到43中产生第二裂缝52。在第二区域加工激光光束35中的通过溶融去除的区域中，应力已被减小到一定程度。而且，第一到第三绝缘膜41到43被去除以便于具有开口端。因此，由于溶融导致的汽化压力可从开口端选出并且可抑制应力。因此，通过切割区域38的激光加工，邻近于第一到第三绝缘膜41到43的窄切割区域37产生的第二裂缝52可被去除并且可在没有裂缝的情况下形成加工端部。
如上所述，通过使用第一实施例涉及的激光加工装置，可在抑制第一到第三绝缘膜41到43的加工端部中产生裂缝的同时形成切割区域38，所述第一到第三绝缘膜41到43为low-k绝缘膜。在形成切割区域38之后，使用具有比切割区域的宽度窄的刀片切割半导体基片20。因此，可抑制层间绝缘膜的剥离和绝缘膜中产生的裂缝，并且可制造出具有高可靠性的半导体装置。而且，勿庸置疑，使用该激光加工装置也可执行半导体基片20的切割。
而且，在层间绝缘膜的加工期间，如果液体13(诸如水)从液体供给系统11供给到半导体基片20的目标表面，不仅加工尘屑可去除而且还可防止激光加工区域中产生的热量的分散。因此，可有效降低激光加工期间供给液体13的应力。
第一实施例涉及的加工掩模21在具有狭缝23和透明区域25的区域加工开口26中执行加工激光光束的成形，以便减小层间绝缘膜的应力。然而，对于用于减小层间绝缘膜的应力的加工掩模21的区域加工开口26来说，各种形状都是适用的。例如，如图10A中所示，在加工掩模21a中，设有区域加工开口26a，所述区域加工开口26a包括狭缝23和透明区域25之间的中间透明部24。中间透明部24的宽度比狭缝23的宽度宽而比透明区域25的宽度窄。因此，通过穿过中间透明部24和透明区域25的激光光束分阶段地实现由于第一区域加工激光光束33在穿过狭缝23后照射导致的溶融而在层间绝缘膜中沿垂直于扫描方向的方向产生的裂缝和应力部分的去除。因此，可形成切割区域38从而进一步有效抑制在层间绝缘膜的加工端部中产生裂缝。
可只通过去除窄切割区域37中的中层间绝缘膜的加工端部而形成中间透明部24。例如，在加工掩模21b中，如图10B中所示，设有区域加工开口26b，所述区域加工开口26b包括形成窄切割区域37的狭缝23a、具有彼此面对的狭缝27a和27b的中间透明部24a以及透明区域25a。中间透明部24a的彼此面对的狭缝27a和27b的内部边缘沿纵向位于狭缝23a两个边缘的直线上。而且，彼此面对的狭缝27a和27b的外部边缘之间的宽度比透明区域25a的宽度窄。中间透明部24a的狭缝27a和27b中的每一个都部分地去除由于穿过狭缝23a的第一区域加工激光光束33的照射导致的溶融而在层间绝缘膜中沿垂直于扫描方向的方向产生的裂缝和应力部分。在层间绝缘膜中沿垂直于扫描方向的方向产生的裂缝和应力部分被穿过中间透明部24a和透明区域25a的激光光束逐步地去除。
而且，在加工掩模21c中，如图10C中所示，设有区域加工开口26c，所述区域加工开口26c包括狭缝23a、具有狭缝27a和27b的中间透明部24a以及具有狭缝27c和27d的透明区域25b。透明区域25b的彼此面对的狭缝27c和27d的内部边缘被设置成与中间透明部24a的狭缝27a和27b的外部边缘成一直线。由于穿过狭缝23a的第一区域加工激光光束33的照射导致的溶融而在层间绝缘膜中沿垂直于扫描方向的方向产生的裂缝和应力部分被中间透明部24a和透明区域25b逐步去除。在狭缝27a和27b之间以及在狭缝27c和27d之间，狭缝23a和中间透明部24a已经使得半导体基片20的表面露出。因此，可容易地形成切割区域38。
在加工掩模21d中，如图10D中所示，通过从图10B中的加工掩模21b中省略狭缝23a，设有包括中间透明部24a和透明区域25a的区域加工开口26d。由于穿过中间透明部24a的激光光束的照射导致的溶融而在层间绝缘膜中沿垂直于扫描方向的方向产生的裂缝和应力部分被透明区域25a去除。
此外，在加工掩模21e中，如图10E中所示，设有包括三角形中间透明部28和矩形透明区域25c的区域加工开口26e。中间透明部28例如与图10A中所示的加工掩模21a的狭缝23和中间透明部24对应。由于在扫描方向的前端穿过中间透明部28的顶点附近的激光光束的照射导致的溶融而在层间绝缘膜中沿垂直于扫描方向的方向产生的裂缝和应力部分被中间透明部28和透明区域25c逐步地去除，其中中间透明部28的宽度沿扫描方向以三角形的形状增加。
如上所述，根据层间绝缘膜的结构，从加工掩模21和21a到21e中适当地选择用于将激光光束变换成最佳形状的加工掩模。因此，切割区域38可形成为抑制在使用low-k绝缘膜的层间绝缘膜的加工端部中裂缝的产生。
(第二实施例)
如图11中所示，本发明第二实施例所示的加工掩模21f包括具有位于遮光部22中的彼此面对的狭缝27e和27f的改质加工开口29的开口，以及矩形形状区域加工开口26f。狭缝27e、27f的纵向与扫描方向对应并且狭缝27e、27f布置在用于区域加工开口26f的扫描方向的前部中。另外，狭缝27e、27f沿垂直于扫描方向的方向布置在区域加工开口26f边缘的外侧并布置在与层间绝缘膜的具有裂缝和应力的部分对应的位置处，所述裂缝和应力可由于穿过区域加工开口26f的激光光束导致的溶融而产生。
例如，当激光光束在低于溶融SiC、Si3N4、SiCN等的扩散防止膜所需的能量级的照射积分通量下照射时，扩散防止膜或扩散防止膜与相邻层间绝缘膜之间的分界面被改质。因此，基本不存在层间绝缘膜的剥离。因此，通过照射穿过加工掩模21f的改质加工开口29的具有低照射积分通量的激光光束，层间绝缘膜与扩散防止膜之间的粘合强度增加。因此，在随后穿过区域加工开口26f的激光光束所执行的溶融过程中，可抑制层间绝缘膜的剥离和裂缝。
在第二实施例中，为了形成切割区域，使用加工掩模21f在改质加工开口29中增加由于溶融而导致应力减小的部分中的层间绝缘膜与扩散防止膜之间的粘合强度，之后，执行切割区域的加工。该结构的其余部分与第一实施例中相同，因此省略重复的说明。
在第二实施例中涉及的光束成形单元4中，如图12A中所示，加工掩模21f和光衰减器30在在用于发射激光光束的一侧覆盖改质加工开口29。在加工掩模21f和光衰减器30的附图的线XIIB-XIIB的截面图中，如图12B中所示，加工掩模21f和光衰减器30垂直于激光光束的光轴布置。在此，如图13中所示，通过图1中所示的半透明反射镜5和照射光学系统6投影到加工对象物20上的加工激光光束36a包括具有彼此面对沿扫描方向投影到加工激光光束36a前面的第一和第二衰减激光光束34a、34b的改质加工激光光束34，以及沿扫描方向投影到改质加工激光光束34后面的区域加工激光光束35a。在此，第一和第二衰减激光光束34a、34b的激光光束的强度被光衰减器30衰减并且其照射积分通量减小。通过提供例如中性密度(ND)滤光片作为光衰减器30，与区域加工激光光束35a的照射积分通量相比较，改质加工激光光束34的照射积分通量减小。通过溶融第一和第二衰减激光光束34a、34b之间的扩散防止膜，区域加工激光光束35a去除层间绝缘膜。
例如，当SiCN膜用作扩散防止膜时，SiCN膜通过0.6J/cm²的照射积分通量被溶融。当照射积分通量减小到例如一半即0.3J/cm²时，不会发生溶融。然而，SiCN膜被改质以便产生非晶态硅(Si)和非晶态碳(C)。非晶态硅(Si)和非晶态碳(C)有助于相邻层间绝缘膜(诸如low-k绝缘膜)的分界面处粘合强度的改进。因此，如果通过在扩散防止膜改质的区域处溶融扩散防止膜而去除层间绝缘膜，可加工其中层间绝缘膜的裂缝和剥离被抑制的切割区域。
应该注意的是，在第二实施例中，ND滤光片作为光衰减器30。然而，在使用通过在不透明膜诸如沉积在石英基片上的铬(Cr)膜上形成图案而制成的加工掩模的情况中，可通过在与改质加工开口对应的区域中留下不透明膜的薄层作为光衰减器而控制透光率。
接下来，将参照图14到图16说明第二实施例涉及的激光加工方法。穿过区域加工开口26f的激光光束的照射积分通量为0.6J/cm²。具有50％透光率的ND滤光片用作光衰减器30。因此，穿过改质加工开口29的激光光束的照射积分通量为0.3J/cm²。
如图14中所示，在半导体基片(加工对象物)20的表面上，相继地层压有第一绝缘膜41、第一扩散防止膜44、第二绝缘膜42、第二扩散防止膜45和第三绝缘膜43。
使用真空夹盘、静电夹盘等将半导体基片20固定在图1中所示的保持器8上。根据以下工序可使用切割带将半导体基片20固定在保持器8上。当半导体基片20被扫描系统9扫描时，首先，加工激光光束36a的改质加工激光光束34被照射。照射的改质加工激光光束34具有由光衰减器30减小的照射积分通量。因此，如图15中所示，第一和第二改质扩散防止膜44a和45a被形成在改质加工激光光束34在第一和第二扩散防止膜44和45中被照射的区域中。由于在第一改质扩散防止膜44a中激光光束的透光率增加以便于使得激光光束从中传输，因此第一改质扩散防止膜44a被形成在第二改质扩散防止膜45a下面。
半导体基片20被扫描系统9扫描并且区域加工激光光束35a在形成有第一和第二改质扩散防止膜44a和45a的区域中被照射。区域加工激光光束35a的照射区域分别位于第一改质扩散防止膜44a之间和第二改质扩散防止膜45a之间，从而沿垂直于扫描方向的方向彼此面对。因此，第一改质扩散防止膜44a之间和第二改质扩散防止膜45a之间的第一和第二扩散防止膜44和45被溶融。因此，如图16中所示，第二和第三绝缘膜42和43去除。而且，通过半导体基片20表面附近中的溶融使得第一绝缘膜41去除，因此，形成切割区域38a。
在第二实施例中，第一和第二改质扩散防止膜44a和45a与第一到第三绝缘膜41到43之间在切割区域38a每端处的分界面的粘合强度增强。因此，获得通过溶融所引起的应力的耐受性。如上所述，通过使用相对于扫描方向非对称的加工掩模21f，第一和第二扩散防止膜44和45在通过激光加工而形成的切割区域38a周围的区域中被改质，因此可抑制层间绝缘膜的裂缝和剥离的产生。在形成切割区域38a之后，使用其宽度窄于切割区域的刀片将半导体基片20切割成芯片。因此，可制造其中层间绝缘膜的剥离和裂开被抑制的半导体装置。而且，在切割半导体基片20之后，随后对获得的半导体芯片执行诸如密封步骤和装配步骤的步骤。在这种情况下，获得高度可靠的半导体装置，所述装置防止层间绝缘膜从芯片的外围剥离和裂开。
在上述说明中，在加工掩模21f中使用矩形区域加工开口26f。然而，区域加工开口不局限于矩形形状，而是各种形状都可适用。例如，如图17A到17F中所示，与第一实施例中说明的区域加工开口26和26a到26e相结合，可进一步有效地抑制层间绝缘膜的剥离和裂缝。图17A的加工掩模21g使用图2的区域加工开口26。而且，图17B的加工掩模21h使用图10A的区域加工开口26a。此外，图17C到17F的加工掩模21i到21l分别使用图10B到10E的区域加工开口26b到26e。
当使用17A到17F中的加工掩模21g到21l时，改质扩散防止膜44和45被能够抑制扩散防止膜44和45之间的层间绝缘膜产生裂缝的区域加工开口26和26a到26e去除。因此，层间绝缘膜去除。因此，通过在激光加工形成的切割区域38a周围的区域中使扩散防止膜44和45改质，可更有效地抑制层间绝缘膜的裂缝和剥离。
(第三实施例)
在本发明的第三实施例中，使用图1中所示的激光加工装置，不仅可加工层间绝缘膜而且还可加工诸如硅(Si)的半导体基片(加工对象物)20。在第一和第二实施例中，在通过激光加工方法去除上层中的层间绝缘膜之后，适用通过使用刀片切割半导体基片20而将半导体装置分离成芯片的方法。然而，如果使用刀片切割半导体基片20，芯片的半导体基片20被损坏并且其中产生裂缝。芯片的半导体基片20的损坏和裂缝降低半导体装置的芯片强度。因此，随着芯片的减薄，要求不会出现损坏和裂缝的加工技术。
作为不会损坏半导体基片20并且不会产生任何裂缝的加工方法，列举了以下两种方法。一种方法为湿法激光加工方法，所述方法在至少向加工区域供给液体13(诸如水)的同时执行激光加工。另一种方法为超短脉冲激光加工方法，所述方法通过照射具有1ps或小于1ps的脉冲宽度的激光光束执行激光加工。在湿法激光加工方法中，可使用具有几ns到数十ns脉冲宽度的激光光束，诸如氟化氪(KrF)准分子激光器、Q开关Nd：YAG激光的第二谐波或者其第三谐波。而且，在超短脉冲激光加工方法中，可使用具有波长为785nm和脉冲宽度约为120fs的蓝宝石钛激光器的第二谐波的激光光束。在第三实施例中，使用波长为355nm的Q开关Nd：YAG激光的第三谐波作为图1中所示的激光加工装置的加工光源2。
如图18中所示，本发明第三实施例涉及的加工掩模21m具有用于区域加工开口26g的矩形开口和位于遮光部22中的沟槽加工开口66。沟槽加工开口66与区域加工开口26g的端部相连接并且沿与扫描方向对应的方向延伸。沟槽加工开口66被设置成要形成的沟槽位于要由区域加工开口26g形成的切割区域的中心。例如，用于去除绝缘膜的区域加工开口26g沿与扫描方向对应的方向相垂直的方向具有80μm的宽度和50μm的长度。用于加工半导体基片20的切割沟槽的沟槽加工开口66沿与扫描方向对应的方向相垂直的方向具有30μm的宽度和600μm的长度。
如图19中所示，加工激光光束36b，即，加工掩模21m投影在半导体基片20表面上的投影图像包括第二区域加工激光光束35b和沟槽加工激光光束32，所述第二区域加工激光光束35b是通过区域加工开口26g投影的激光光束，所述沟槽加工激光光束32与第二区域加工激光光束35b相连接并且沿扫描方向延伸。在第三实施例中，加工激光光束36b的照射积分通量被均匀地设置。然而，根据绝缘膜或要加工的层间绝缘膜的状况，与沟槽加工激光光束32的照射积分通量相比较，可使用光衰减器减少第二区域加工激光光束35b的照射积分通量。
在第三实施例涉及的加工掩模21m中，通过第二区域加工激光光束35b将切割区域设置在半导体基片20上的绝缘膜中。接下来，使用湿法激光加工方法，通过沟槽加工激光光束32形成其宽度比切割区域的宽度窄的切割沟槽。因此，可在没有出现绝缘膜的剥离或半导体基片20的损坏裂开的情况下进行加工。
接下来，将参照图20到22说明第三实施例涉及的激光加工方法。所述激光光束具有例如2.2J/cm²的照射积分通量和50kHz的振动频率。为简单起见，使用诸如其前表面上沉积有SiO₂膜的Si的半导体基片20，在所述半导体基片20中沟槽加工的照射积分通量不会产生裂缝。半导体基片20具有100μm的厚度。而且，图1中所示的扫描系统9扫描半导体基片20的扫描速度为50mm/s。
如图20中所示，诸如SiO₂的的绝缘膜46沉积在半导体基片20的前表面上。在半导体基片20的后表面上，设有切割带50，通过切割带50将半导体基片20固定在激光加工装置的保持器8上。
在半导体基片20和透明窗7之间，液体13(诸如水)从液体供给系统11中供给。穿过设在光束成形单元4中的加工掩模21m的加工激光光束36b透过半透明反射镜5和照射光学系统6照射在半导体基片20上。
半导体基片20被扫描系统9扫描。首先，加工激光光束36b的第二区域加工激光光束35b造成半导体基片20表面附近的溶融并且绝缘膜46被选择性地去除。因此，如图21中所示，形成切割区域38b。由于第二区域加工激光光束35b短至50μm，通过第二区域加工激光光束35b扫描激光光束期间的照射积分通量不足以在半导体基片20中形成沟槽。
半导体基片20被进一步扫描并且沟槽加工激光光束32造成在切割区域38b中心处其宽度窄于切割区域38b宽度的区域中的溶融。沟槽加工激光光束32被设定为600μm，这足以长得可提供用于在半导体基片20中形成沟槽的照射积分通量。当沟槽加工激光光束32被完全扫描时，如图22中所示，形成延伸到半导体基片20后表面的切割沟槽39。因此，制造出半导体芯片70。由于在切割沟槽加工期间供给液体13，因此可抑制加工产生的热量的散布。因此，可形成不会损坏或裂开基片层的切割沟槽。
如上所述，使用第三实施例涉及的激光加工方法，可在没有出现绝缘膜46的剥离或没有出现半导体基片20的损坏和裂缝的情况下形成切割沟槽。因此，可制造出用于高度可靠半导体装置的半导体芯片70。
当在半导体基片20上形成具有弱粘合强度或弱机械强度的绝缘膜诸如low-k绝缘膜、扩散防止膜等时，可使用图2、图10A到10E、图11和图17A到17F中的任何形状的加工掩模21和21a到21l。特别是，使用沿扫描方向具有非对称开口的加工掩模并且根据经过改质以便于提高粘合强度或去除的绝缘膜控制每个区域的照射积分通量。因此，可在不会出现半导体基片的剥离和损坏的情况下执行切割沟槽的加工。
(第四实施例)
在本发明第四实施例涉及的激光加工方法中，将对半导体基片20比第三实施例中加工的半导体基片20厚的情况进行说明。当厚于100μm的半导体基片20在与第三实施例相同的照射积分通量下被加工时，即使根据要加工的沟槽的深度控制扫描速度和沟槽加工开口的长度，加工的沟槽的深度也是有限的。例如，假定半导体基片20的厚度为600μm。除沟槽加工开口的长度之外，假定加工掩模与图18中所示的加工掩模21m相同。从第三实施例的结果中，将沟槽加工开口的长度设定为1800μm，这是第三实施例中的长度的三倍，并且扫描速度减至一半并被设定为25mm/s。上述照射条件相当于第三实施例六倍的激光光束照射的量，这足以用于厚度为600μm的半导体基片20的激光加工。然而，如图23中所示，切割沟槽39具有大约200μm的深度并且不会延伸到半导体基片20的后表面。图1中所示的激光加工装置的焦点深度的实际测量为200μm并且加工的临界深度受该焦点深度限制。因此，半导体20可具有200μm或小于200μm的厚度以便于可通过具有与加工掩模21m相似结构的加工掩模在其中设置切割沟槽。在第四实施例中，将对加工掩模和用于在比激光加工装置的焦点深度厚的半导体基片20中形成切割沟槽的激光加工方法进行说明。
如图24中所示，第四实施例涉及的加工掩模21n的遮光部22包括垂直于所述光轴设置的垂直遮光部22a和倾斜于垂直遮光部22a的平面的倾斜遮光部22b。在垂直遮光部22a中设置作为开口的区域加工开口26h(第一加工开口)。在倾斜遮光部22b中设置作为开口的沟槽加工开口66a(第二加工开口)，所述沟槽加工开口66a在位于垂直遮光部22a与倾斜遮光部22b之间的边界中的一端处与区域加工开口26h相连接，并且沿与扫描方向相对应的方向延伸。假定沿垂直于垂直遮光部22a的方向从垂直遮光部22a与倾斜遮光部22b之间的边界到沿与扫描方向对应的方向延伸的沟槽加工开口66a另一端的长度是开口深度H，沿平行于垂直遮光部22a的方向的长度是开口长度L。
第四实施例不同于第三实施例之处在于，使用具有设在倾斜遮光部22b中的沟槽加工开口66a的加工掩模21n。其结构的其余部分与第三实施例相同，因此将省略重复的说明。
图25示出沿图1中所示的激光加工装置的光束成形单元4中的光轴的加工掩模位置与垂直于光轴的缩小投影平面的焦点位置之间的关系。如图25中所示，例如，当附图的水平轴中所示的加工掩模位置移动15mm时，附图的垂直轴中所示的缩小投影平面的焦点位置移动600μm。因此，通过调节沟槽加工开口66a的开口深度H，可根据半导体基片20的厚度控制穿过沟槽加工开口66a的激光光束的焦点深度。
如图26中所示，加工掩模21n设置在光束成形单元4中以使得垂直遮光部22a被布置成垂直于光轴并且倾斜遮光部22b的倾斜部分被布置成靠近于半透明反射镜5。从光束成形单元4中的加工掩模21n中发射的激光光束通过半透明反射镜5和照射光学系统6照射在图1中所示的保持器8上的半导体基片20上。
如图27中所示，从照射光学系统6投影和成像的加工激光光束36c包括照射在半导体基片20前表面上的第二区域加工激光光束35c，以及沿扫描方向以倾斜的方式从第二区域加工激光光束35c延伸的沟槽加工激光光束32a，其具有加工光束长度LB和加工光束深度HB。特别是，沟槽加工激光光束32a的投影成像平面从半导体基片20的前表面朝向其后表面沿扫描方向变得更深。因此，可为其厚度近似为沟槽加工激光光束32a的加工光束深度HB的半导体基片20加工切割沟槽。
接下来，将参照附图28到31说明第四实施例涉及的激光加工方法。加工掩模21n的区域加工开口26h沿垂直于扫描方向的方向具有80μm的宽度以及沿扫描方向具有50μm的长度。而且，关于加工掩模21n上的实际尺寸，沟槽加工开口66a的开口深度H为15mm并且其开口长度L为9mm。半导体基片20上的沟槽加工激光光束32a沿垂直于扫描方向的方向具有30μm的宽度并且其加工光束长度LB为1800μm。而且，从图25中所示的关系中，加工光束深度HB采用600μm。激光光束的照射积分通量为例如2.2J/cm²并且振动频率为50kHz。为简单起见，使用诸如具有SiO₂膜的Si的半导体基片20作为加工对象物20，在所述半导体基片20中沟槽加工的照射积分通量不会产生裂缝。该半导体基片20具有600μm的厚度。而且，图1中所示的扫描系统9扫描半导体基片20的扫描速度为25mm/s。
如图28中所示，绝缘膜46a(诸如SiO₂)沉积在半导体基片20的表面上。在半导体基片20的后表面上，设有切割带50，通过切割带50将半导体基片20固定在激光加工装置的保持器8上。
在半导体基片20和透明窗7之间，液体13(诸如水)从液体供给系统11中被供给。穿过设在光束成形单元4中的加工掩模21n的加工激光光束作为加工激光光束36c通过半透明反射镜5和照射光学系统6照射在半导体基片20上。
半导体基片20被扫描系统9扫描。首先，加工激光光束36c的第二区域加工激光光束35c造成半导体基片20前表面附近的溶融并且绝缘膜46a被去除。因此，如图29中所示，形成切割区域38c。由于第二区域加工激光光束35c短至50μm，在半导体基片20中没有形成沟槽。
半导体基片20被进一步扫描并且其宽度窄于切割区域38c的沟槽加工激光光束32a造成切割区域38c中心处的溶融。沟槽加工激光光束32a的加工光束长度LB被设定为1800μm，这足以长得可在半导体基片20中形成沟槽。而且，沟槽加工激光光束32a的投影成像平面从半导体基片20的前表面朝向其后表面沿扫描方向变得更深。如图30中所示，在沟槽加工激光光束32a中间，具有从半导体基片20的前表面到其后表面一半深度的切割沟槽39a被形成在切割区域38c的中央部分中。沟槽加工激光光束32a的加工光束深度HB为600μm，这相当于半导体基片20的厚度。因此，当沟槽加工激光光束32a在半导体基片20上被完全扫描时，如图31中所示，形成延伸到半导体基片20的后表面的切割沟槽39b。因此，制造出半导体芯片70a。在切割沟槽39b的激光加工中，由于供给液体13，因此可抑制加工产生的热量的散布。因此，在半导体基片中可形成没有损坏和裂缝的切割沟槽。
在第四实施例涉及的激光加工方法中，沟槽加工激光光束32a的投影成像平面朝向半导体基片20的后表面变得更深。因此，甚至在使用厚半导体基片20的半导体装置中，也可在没有绝缘膜46a剥离或者没有半导体基片20的损坏和裂缝的情况下形成切割沟槽39b。因此可制造出高度可靠的半导体装置的半导体芯片70a。
在第四实施例中，加工掩模21n的区域加工开口26h设在垂直遮光部22a中从而与半导体基片20的前表面平行。然而，在没有设置垂直遮光部22a的情况下，区域加工开口26h也可设在倾斜的遮光部22b中。在这种情况下，区域加工激光光束也是倾斜的。然而，由于区域加工激光光束的倾斜深度小于激光加工装置的焦点深度，因此可进行切割区域的加工。
而且，当在半导体基片20上形成具有弱粘合强度或弱机械强度的绝缘膜诸如low-k绝缘膜、扩散防止膜等时，如第一和第二实施例中已说明的，当然可使用图2、图10A到10E、图11和图17A到17F中的任何形状的加工掩模21和21a到21l。
(第四实施例的变型)
在本发明第四实施例的变型中，将对照射光学系统6和用于通过第三实施例中所述的加工掩模21m在比激光加工装置的焦点深度厚的半导体基片20中形成切割沟槽的激光加工方法进行说明。
如图32中所示，在第四实施例的变型涉及的照射光学系统6中，布置有物镜60诸如圆筒透镜，以使得其前部沿扫描方向被升高到倾斜深度HL。本发明第四实施例的变型不同于第三和第四实施例之处在于，照射光学系统6的物镜60设在倾斜位置中。其结构的其余部分与第三和第四实施例相同，因此将省略重复的说明。
穿过区域加工开口26g和设在光束成形单元4中的加工掩模21m的沟槽加工开口66的激光光束通过半透明反射镜5进入到照射光学系统中。如图33中所示，倾斜的物镜60投影具有倾斜成像平面的加工激光光束36d。加工激光光束36d的第二区域加工激光光束35d被布置在扫描方向的前部中并且加工激光光束36d的照射位置沿光轴从第二区域加工激光光束35d到沟槽加工激光光束32b被更深地倾斜。例如，第二区域加工激光光束35d的照射位置与半导体基片20的前表面基本对齐。因此，沟槽加工激光光束32b的投影成像表面的位置沿扫描方向朝向半导体基片20的后表面变得更深。通过调节物镜60的倾斜深度HL，由于物镜60的倾斜焦点位置，加工光束深度HB可与半导体基片20的厚度相一致。因此，使用加工掩模21m，可在比激光加工装置的焦点深度厚的半导体基片20中执行切割沟槽的加工。
在第四实施例的变型中，使用加工掩模21m，并且通过提供照射光学系统6的倾斜物镜60，沟槽加工激光光束32b的投影成像表面朝向半导体基片20的后表面变得更深。因此，甚至在使用厚半导体基片20的半导体装置中，也可在没有绝缘膜剥离或者没有半导体基片20的损坏和裂缝的情况下形成切割沟槽。因此可制造出高度可靠的半导体装置的半导体芯片。
(第五实施例)
在本发明的第五实施例中，将对用于在半导体基片诸如GaP和GaN、蓝宝石基片等中形成切割沟槽的激光加工进行说明，所述半导体基片具有制造于其中的半导体发光元件。使用在向加工区域中供给液体13(诸如水)的同时执行激光加工的湿法激光加工方法和通过具有1ps或小于1ps的脉冲宽度的激光光束的照射执行激光加工的超短脉冲激光加工方法，可在没有损坏加工对象物20以及没有产生裂缝的情况下执行加工。
如图34中所示，第五实施例涉及的加工掩模21o在遮光部22中具有沟槽加工开口66b。沟槽加工开口66b沿与扫描方向相对应的方向包括矩形形状第一透明部分56a的开口、与第一透明部分56a相连接的梯形形状第二透明部分56b的开口、以及与第二透明部分56b的后部相连接的矩形形状第三透明部分56c的开口。第一和第三透明部分56a和56c沿扫描方向的中心位置基本相互对齐。第一透明部分56a沿垂直于扫描方向的方向的宽度比第三透明部分56c的宽度宽。第二透明部分56b被设置成第一和第三透明部分56a、56c沿垂直于扫描方向的方向的相对侧部的每个端部相互连接。
加工掩模21o被布置成垂直于图1中所示的光束成形单元4中的光轴。具有足以用于半导体基片20的溶融的照射积分通量的激光光束穿过加工掩模21o的沟槽加工开口66b以便于变换激光光束的形状。因此，如图35中所示，加工激光光束36e通过照射光学系统6投影在半导体基片20上。加工激光光束36e包括扫描方向前部中的矩形形状第一沟槽加工激光光束32c；梯形形状第二沟槽加工激光光束32d，所述第二沟槽加工激光光束32d延伸以使得沿垂直于扫描方向的方向的宽度从垂直于扫描方向的第一沟槽加工激光光束32c后侧的每端朝向扫描方向的后方部逐渐变窄；以及矩形形状第三沟槽加工激光光束32e，所述第三沟槽加工激光光束32e与第二沟槽加工激光光束32d的梯形的后端部分相连接并且具有与第二沟槽加工激光光束32d的后端部分相同的宽度。由于半导体基片20被扫描，因此通过加工激光光束36e的第一到第三沟槽加工激光光束32c到32e形成切割沟槽。特别是，切割沟槽具有这样的侧壁，所述侧壁在半导体基片20前表面附近中是垂直的，朝向半导体基片20的后表面连续地倾斜并且在其后表面附近中是窄的并且是垂直的。第五实施例不同于第一到第四实施例之处在于，使用在开口的中间区域中具有梯形形状的加工掩模21o进行切割沟槽的激光加工。其结构的其余部分与第一到第四实施例相同，因此将省略重复的说明。
接下来，将参照图36到39说明第五实施例涉及的激光加工方法。例如使用波长为355nm的Q开关Nd：YAG激光的第三谐波作为图1中所示的激光加工装置的加工光源2。激光光束的照射积分通量为例如2.2J/cm²并且振动频率为50kHz。使用诸如GaP和GaN的半导体基片20作为加工对象物20。该半导体基片20具有100μm的厚度。扫描系统9扫描半导体基片20的扫描速度为50mm/s。
如图36中所示，在半导体基片20的后表面上，设有切割带50，通过切割带50将半导体基片20固定在激光加工装置的保持器8上。
在半导体基片20的前表面和透明窗7之间，液体13(诸如水)从液体供给系统11中被供给。穿过设在光束成形单元4中的加工掩模21o的激光光束通过半透明反射镜5和照射光学系统6照射在半导体基片20上。
半导体基片20被扫描系统9扫描以便于通过加工激光光束36e的第一沟槽加工激光光束32c溶融半导体基片20前表面附近的半导体基片20。因此，如图37中所示，形成具有基本垂直的侧壁的第一切割沟槽59a。
之后，半导体基片20被连续地扫描以便于通过第二沟槽加工激光光束32d溶融半导体基片20。因此，如图38中所示，从第一切割沟槽59a的底部形成具有以与第二沟槽加工激光光束32d的梯形形状投影成像平面对应的台形形状形成的侧壁的第二切割沟槽59b。
半导体基片20被进一步扫描以便于通过穿过第三沟槽加工激光光束32e的激光光束溶融半导体基片20。因此，如图39中所示，从第二切割沟槽59b的底部形成具有基本垂直的侧壁的第三切割沟槽59c。当加工激光光束36e被完全扫描时，如图39中所示，形成延伸到半导体基片20后表面的切割沟槽59。因此，制造出半导体芯片70b。
依照第五实施例，在加工切割沟槽59的过程中，由于液体13被供给，因此可抑制加工产生的热量的散布。这样，可构成没有对半导体基片20造成损坏和裂缝的切割沟槽59。由于加工掩模21o的第二透明部分56b具有梯形形状，因此在半导体基片20的前表面和后表面之间的区域中可形成台形形状的侧壁。在半导体发光元件中，通过在光发射区域中提供台形形状的侧壁，可提高光线的提取效率。
因此，在通过激光加工切割之后不再需要去除损坏层和裂开层的湿法蚀刻步骤。这样，可避免半导体发光元件的有效面积的损失和产出率的减小。而且，通过一个切割工序可在电极形成层之间形成用以提高发光效率的台形形状侧壁。因此，可有效地制造半导体发光元件。
在第五实施例中，湿法激光加工方法用于切割沟槽59的形成。然而，毫无疑问，能够抑制在半导体基片20中产生损坏和裂缝的方法例如超短脉冲激光加工方法等也是可用的。而且，在上述说明中，半导体基片20的厚度被设定为100μm。然而，如果其厚度比激光加工装置的焦点深度厚，则可使用图32中所示的照射光学系统6的物镜60。而且，如第四实施例中所述，当加工掩模21o在光束成形单元4中倾斜时，可在其厚度比激光加工装置的焦点深度厚的半导体基片20中执行切割沟槽的加工。
(其它实施例)
在本发明的第一到第五实施例中，已通过使用Si、GaP、GaN等的半导体基片作为加工对象物20进行了说明。然而，毫无疑问也可使用其它基片，包括：诸如锗化硅(SiGe)或SiC以及其混合晶体的IV-IV化合物半导体；诸如砷化镓(GaAs)、铝镓砷化物(Al_1-xGa_xAs)或铟铝镓磷化物(In_1-x-yAl_yGa_xP)以及其混合晶体的III-V化合物半导体；诸如硒化锌(ZnSe)或硫化锌(ZnS)以及其混合晶体的II-VI化合物半导体；蓝宝石基片；SOI基片等。
在接收本发明的教导之后，在不脱离其保护范围的情况下，本领域技术人员可对本发明作出各种修正。