CN100444326C - 晶片分割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种沿着预定分割线分割晶片的方法，包括以下步骤：损坏层形成步骤，用于沿着所速分割线施加能够穿过晶片的脉冲激光束，以沿着所述分割线在所述晶片的内部形成损坏层；可扩展的保护带附着步骤，用于在所述损坏层形成步骤之前或之后将可扩展的保护带附着到所述晶片的一侧；以及分割步骤，用于在所述损坏层形成步骤之后，通过扩展附着到所述晶片上的保护带，沿着损坏层分割所述晶片。

Description

晶片分割方法
技术领域
本发明涉及沿分割线分割晶片的方法，其中所述分割线形成在晶片的前表面上.
背景技术
在半导体器件制造工艺中，通过在基本上是圆盘状的半导体晶片(例如硅晶片)的前表面上以格状图案设置的称之为“切割道”的分割线，分割为多个矩形区域，诸如IC或LSI的电路形成在每个矩形区域中。通过沿着分割线分割其上形成有大量电路的半导体晶片，制造单个的半导体芯片.半导体芯片广泛应用于诸如移动电话、个人电脑等电子设备。通常使用称之为“切块机”的切割机器沿着分割线进行分割。这种切割机器包括：吸盘台，用于保持诸如半导体晶片的盘状工件；切割装置，用于切割保持在吸盘台上的工件；以及移动装置，用于使吸盘台和切割工具彼此相对移动.切割装置具有高速旋转的旋转轴，切割刀片安装在旋转轴上.切割刀片包括盘状基体和环状切割刀刃，环状切割刀刃安装在基体的侧壁外周部分，通过电铸将直径约为3μm的金刚石砂粒固定到基体上形成厚度约为20μm的环状切割刀刃.
同时，作为切割诸如半导体晶片等的切割盘状工件的方法，已经尝试激光束处理方法，将能够穿过工件的脉冲激光束施加到工件上，其焦点位于待被切割的区域的内部，例如JP-A 2002-192367中所披露的。在使用激光束处理技术的切割方法中，通过从工件一侧将红外线范围的、能够穿透工件的脉冲激光束施加到工件上，其焦点位于工件内部，沿着分割线在工件的内部连续形成损坏层，沿着分割线施加外力，由于损坏层的形成而减小了分割线的强度。
根据上述JP-A 2002-192367所披露的技术，在脉冲激光束的脉冲宽度设置为1μs或更小、处理部分的峰值功率强度设置为1×108(W/cm2)或更高的条件下，形成损坏层.上述公开文献披露了，在激光束波长为1.06μm、脉冲宽度为30μs、脉冲重复频率为100kHz、以及处理供给速率为100mm/sec的处理条件下，能够形成损坏层。
但是，上述切割方法有着生产效率方面的问题，因为仅仅沿着切割道在晶片的内部形成损坏层，不能沿着切割线切割晶片，在已经沿着分割线形成损坏层后，需要施加外力给每条分割线.
发明内容
本发明的目的在于提供一种分割晶片的方法，包括：沿着分割线施加激光束给晶片，在晶片的内部形成损坏层；以及沿着损坏层高效地分割晶片.
为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种沿着预定分割线分割晶片的方法，包括以下步骤：
损坏层形成步骤，用于沿着分割线施加能够穿过晶片的脉冲激光束，以沿着分割线在晶片的内部形成损坏层；
可扩展的保护带附着步骤，用于在损坏层形成步骤之前或之后将保护带附着到晶片的一侧；以及
分割步骤，用于在损坏层形成步骤之后，通过扩展附着到晶片上的保护带，沿着损害层分割晶片.
优选地，在上述损坏层形成步骤中，处理条件被设定为满足1.0≤V/(Y×D)≤2.5，其中Y是脉冲激光束的重复频率(Hz)，D是脉冲激光束的焦点直径(mm)，以及V是处理供给速度(晶片和脉冲激光束的相对移动速度)(mm/sec).优选地，在损坏层形成步骤中的脉冲激光束的频率被设定为200kHz或更高.另外，优选地是，在损坏层形成步骤中形成的损坏层是熔化的重新凝固层并从晶片的一侧延伸到另一侧.
另外，在可扩展的保护带附着步骤中，附着到晶片一侧的保护带的外周部分安装在环形分割框架上.
在本发明中，通过将能穿过晶片的脉冲激光束沿分割线施加给晶片，损坏层在晶片内部沿分割线形成，且通过扩展附着到其中具有损坏层的晶片一侧的可扩展的保护带，沿损坏层分割晶片.因此，可有效地分割晶片.
附图简要说明
图1是待通过本发明的晶片分割方法分割的半导体晶片的立体图；
图2是用于执行本发明的晶片分割方法中的损坏层形成步骤的激光束处理机的主截面的立体图；
图3示意性地示出设置在图2所示激光束处理机中的激光束应用装置的构造的框图；
图4是用于说明脉冲激光束的焦点直径的示意图；
图5(a)和5(b)示出本发明的晶片分割方法中的损坏层形成步骤的说明图；
图6示出在图5(a)和5(b)所示损坏层形成步骤中损坏层在晶片内部中层叠的状态；
图7示出在图5(a)和5(b)所示损坏层形成步骤中当系数k等于1时施加给晶片的脉冲激光束的焦点顺序的图示；
图8示出在图5(a)和5(b)所示损坏层形成步骤中当系数k小于1时施加给晶片的脉冲激光束的焦点顺序的图示；
图9示出在图5(a)和5(b)所示损坏层形成步骤中当系数k大于1时施加给晶片的脉冲激光束的焦点顺序的图示；
图10示出分割晶片所需要的外力的变化与系数k的变化的曲线图；
图11示出本发明的晶片分割方法中的保护带附着步骤的说明图；
图12是用于执行本发明的晶片分割方法中的分割步骤的拾取装置的立体图；
图13(a)和13(b)示出本发明的晶片分割方法中的分割步骤的说明图；
图14是通过本发明的晶片分割方法获得的半导体芯片的立体图；
图15示出在损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率和在本发明的晶片分割方法中通过沿损坏层分割晶片而获得的芯片的成品率之间的关系的图表；
图16示出在损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率和在本发明的晶片分割方法中用于折断损坏层所需要的弯曲应力之间的关系的图表.
具体实施方式
下面将参看附图详细描述根据本发明的优选实施例的晶片分割方法。
图1是待根据本发明分割的半导体晶片(作为晶片)的立体图.图1所示半导体晶片2举例来说是300μm厚的硅晶片，具有在正面2a上形成为格状图案的多条分割线21和在由该多条分割线21分成的多个区域中形成的电路22.下面将描述将所述半导体晶片2分成单独的半导体芯片的方法.
为了将半导体晶片2分成单独的半导体芯片，执行通过沿分割线施加能穿过晶片的激光束沿分割线在晶片内部中形成损坏层的步骤.通过使用图2至图4所示的激光束处理机执行所述损坏层形成步骤.图2至图4所示的激光束处理机包括用于保持工件的吸盘台31、用于将激光束施加给保持在吸盘台31上的工件的激光束应用装置32、和用于拾取保持在吸盘台31上的工件图像的图像拾取装置33。吸盘台31设计为用吸力保持工件，并通过未示出的移动机构向图2中用箭头X表示的处理供给方向和箭头Y表示的移位进给方向移动.
上述激光束应用装置32包括大致水平延伸的圆柱形壳体321。在壳体321中，安装有脉冲激光束振荡装置322和传输光学系统323，如图3中所示。脉冲激光束振荡装置322由脉冲激光束振荡器322a(由YAG激光振荡器或YV04激光振荡器构成)和与脉冲激光束振荡器322a相连的重复频率设置装置322b构成.传输光学系统323具有诸如分光器或类似物等适合的光学器件.容纳由传统上公知的一组透镜构成的聚光镜(未示出)的聚光器324与上述壳体321的末端相连.从上述脉冲激光束振荡装置322振荡的激光束通过传输光学系统323到达聚光器324，并在预定的焦点直径D处从聚光器324施加给保持在上述吸盘台31上的工件。如图4所示，当通过聚光器324的物镜324a施加具有高斯分布的脉冲激光束时，所述焦点直径D由表达式D(μm)＝4×λ×f/(π×W)定义(λ是脉冲激光束的波长(μm)，W是投射到物镜324a的脉冲激光束的直径(mm)，且f是物镜324a的焦距)。
安装到壳体321前端(构成上述激光束应用装置32)的图像拾取装置33由用于将红外辐射施加给工件的红外光照射装置、用于捕捉由红外光照射装置施加的红外辐射的光学系统、用于输出相应于由光学系统捕捉的红外辐射的电信号的图像拾取装置(红外CCD)，以及使用所示出的实施例中的可见辐射拾取图像的普通图像拾取装置(CCD)构成。图像信号传输到将稍后进行描述的控制装置。
将参看图2、5、和6描述通过上述激光束处理机3形成损坏层的步骤.
在所述损坏层形成步骤中，首先以使半导体晶片2背面2b朝上且用吸力保持在图2所示激光束处理机3的吸盘台31上的方式，将半导体晶片2放置在吸盘台31上.通过未示出的移动机构使以吸力保持半导体晶片2的吸盘台31处于图像拾取装置33正下方。
在将吸盘台31设置在图像拾取装置33正下方后，通过图像拾取装置33和未示出的控制装置执行用于检测待由半导体晶片2的激光束处理的处理区的对准工作.即，图像拾取装置33和控制装置执行例如图案匹配等图像处理，以使在预定方向上形成的分割线21与用于沿分割线21应用激光束的激光束应用装置32的聚光器324对准，从而执行激光束应用位置的对准。类似地，在半导体晶片10上在垂直于上述预定方向的方向上形成的分割线21上执行激光束应用位置的对准.如上所述，虽然在这里形成半导体晶片2的分割线21的正面2a面朝下，但由于图像拾取装置33包括红外光照射装置、用于捕捉红外辐射的光学系统、和用于输出相应于红外辐射的电信号的图像拾取装置(红外CCD)，分割线21可从背面2b成像.
在检测到在半导体晶片2上形成的分割线21和执行激光束应用位置的对准后，将吸盘台31移动到用于施加激光束的激光束应用装置32的聚光器324所处的激光束应用范围，以使预定分割线21的一端(图5(a)的左端)处于激光束应用装置32的聚光器324正下方的位置，如图5(a)所示.吸盘台31，更确切地说，半导体晶片2以预定进给速度向图5(a)中的箭头X1表示的方向移动，同时从聚光器324施加能穿过半导体晶片2的脉冲激光束.然后，当激光束应用装置32的聚光器324的应用位置到达图5(b)所示分割线21的另一端时，脉冲激光束的应用暂停，且吸盘台31，更确切地说，半导体晶片2的移动停止。在所述损坏层形成步骤中，可通过将脉冲激光束的焦点P设置到半导体晶片2的正面附近(下面)，损坏层210暴露于正面2a(下面)，且从正面2a向内部形成.所述损坏层210形成为熔化-再固化层.
例如，在上述损坏层形成步骤中的处理条件设定为如下所述.
光源：LD激励Q开关Nd：YV04激光
波长：波长为1064nm的脉冲激光
脉冲输出：10μJ
焦点直径：1μm
脉冲宽度：100ns
焦点的峰值功率密度：1.3×1010W/cm2
重复频率：200到400kHz
处理供应速度：200到400mm/sec
当半导体晶片2较厚时，通过逐步改变焦点P执行上述损坏层形成步骤几次，以形成如图6所示的多个损坏层210.由于在上述处理条件下每次形成的损坏层厚度约为50μm，在所示出的实施例中的300μm厚的晶片中形成六个损坏层.结果，沿分割线21从正面2a延伸到背面2b的损坏层210在半导体晶片2的内部中形成.
在上述处理条件下，由表达式k-V/(Y×D)(Y是脉冲激光束的重复频率(Hz)，D是脉冲激光束的焦点直径(mm)，V是处理进给速度(mm/sec))定义的系数k理想地设定为1.0到2.5.换句话说，重复频率Y、焦点直径D、和处理供应速度V理想地满足表达式1.0≤V/(Y×D)≤2.5。
更具体地说，当按照焦点直径D将重复频率为Y的脉冲激光束从激光束应用装置32的聚光器324施加到半导体晶片2，且吸盘台31即半导体晶片2沿处理供应方向移动时，在上述系数k为1的情形下，脉冲激光束的焦点的节距(pitch)p与焦点直径D相同，即，脉冲激光束以使得脉冲激光束彼此接触的状态(即，以使得焦点彼此不重叠且邻近焦点之间没有间隙的状态)沿分割线21连续施加，如图7所示.如图8所示，当上述系数k小于1时，脉冲激光束以使得脉冲激光束的焦点彼此重叠的方式沿分割线21连续施加.如图9所示，当上述系数k大于1时，脉冲激光束以使得间隙在脉冲激光束的邻近焦点之间形成的方式沿分割线21连续施加。当上述系数k为2时，邻近焦点之间的间隔“s”变得与焦点直径D相等.
[实验的实例1]
在上述处理条件下，通过在从0.1到4.0的范围内改变上述系数k，上述损坏层在直径为6英寸厚度为300μm的半导体晶片中形成，且沿每条分割线分割半导体晶片所要求的应力在每种情形下被测量.为了测量应力，执行三点弯曲试验，其中半导体晶片背面在离两侧的分割线2.0mm的位置处支撑，且将负载沿分割线施加给半导体晶片的正面.根据半导体晶片被分割时的负载，所测量的应力施加在截面上。测量结果在图10中示出.可以理解，当系数k为1.0到2.5时，分割半导体晶片所需要的应力较小.
在上述损坏层形成步骤中，当损坏层210沿分割线21在半导体晶片2内部中形成后，执行将可伸展的保护带附着到晶片一侧的步骤.即，如图11所示，外周缘部分安装在环形分割框架41上以覆盖其内开口的可伸展的保护带42的正面附着到半导体晶片2的背面2b.在上述保护带42中，将厚度约为5μm的丙烯酸树脂基胶(paste)涂覆到在所示出的实施例中由聚氯乙烯(PVC)制成的70μm厚的薄片衬底.使用一种粘合强度通过外界刺激(例如紫外线辐射)减少的胶.保护带附着步骤可在上述损坏层形成步骤之前执行。即，通过以使得背面2b朝上的方式将保护带42附着到半导体晶片2的正面2a上，在半导体晶片2支承在分割框架41上的状态下执行损坏层形成步骤.
在已经执行上述损坏层形成步骤和保护带附着步骤后，通过扩展(expand)附着到半导体晶片2的保护带，执行沿损坏层210分割半导体晶片2的步骤.所述分割步骤通过使用图12和图13(a)和13(b)所示的拾取装置5执行所述分割步骤.拾取装置5将在下文描述.所示出的拾取装置5包括：柱状底座51，具有用于放置上述分割框架41的表面511；以及扩展装置52，同心安装在底座51中，用于扩展安装在分割框架41上的保护带42.扩展装置52具有用于支承上述保护带42中的晶片2所处的区域421的柱状扩展件521.所述扩展件521构造为通过未示出的提升装置在标准位置上方图13(a)中所示的扩展位置和图13(b)所示的扩展位置之间向上下方向(沿柱状底座51的轴向)移动.在所示出的实施例中，紫外线灯53安装在扩展件521中.
将参看图12和图13(a)和13(b)描述通过上述拾取装置执行的分割步骤.
将安装如上所述附着到半导体晶片2背面的保护带42的分割框架41放置在柱状底座51的放置表面511上，并通过如图12和图13(a)所示的灯54固定在底座51上.然后，通过未示出的提升装置将支承上述保护带42中的晶片2所处的区域421的扩展装置52的扩展件521从图13(a)所示的标准位置往上移到图13(b)所示的扩展位置.结果，可扩展的保护带42被扩展，使得张力径向作用在附着保护带42的半导体晶片2上。当如上所述张力径向作用在附着保护带42的半导体晶片2上时，随着沿分割线形成的损坏层210的强度的减小，将半导体晶片2沿损坏层210分成单独的半导体芯片20.可通过扩展件521的上移量调整上述分割步骤中的扩展量(即保护带的伸长量).根据本发明的发明人所做的实验，当将保护带42扩展约20mm时，可将半导体晶片2沿损坏层210分割.
[实验的实例2]
通过上述方法将直径为6英寸厚度为300μm的半导体晶片(硅晶片)分割成2mm×2mm的半导体芯片.图15示出半导体芯片的成品率，其中当将在上述损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率设定为100kHz、150kHz、200kHz、300kHz、或400kHz(在此实例中，上述系数k为1)时，通过执行上述分割步骤(下文称之为“带扩展方法”)，沿损坏层分割半导体晶片获得所述半导体芯片.在图15中，水平轴示出在上述损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率，垂直轴示出芯片成品率，其中通过除以通过执行上述带扩展方法从半导体晶片获得的半导体芯片数量、除以在上述半导体晶片上形成的半导体芯片的数量、并将所获得的值乘以100而获得所述芯片成品率.
从图15可理解，当在损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率为100kHz时，通过上述带扩展方法仅将在半导体晶片上形成的芯片的一半分离为单独的芯片，而另一半没有被分离.即使在为了不能被分离的芯片而增加保护带42的张力时，损坏层也不会被折断.然而，当将弯曲负载施加给损坏层以产生弯曲应力时，损坏层易于被折断。当在上述损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率为150kHz时，通过上述带扩展方法可将芯片的95％分离。应当理解，当在上述损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率为200kHz或更高时，芯片成品率达到100％.
下面将说明当在上述损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率为150kHz或更低时，芯片成品率下降的原因.当观察通过施加具有上述重复频率的脉冲激光束形成的损坏层的横截面时，损坏层形成在所有半导体芯片的整个厚度.这种现象的原因在于当有一部分没有形成损坏层时，用于分割的应力显著增加，结果导致芯片成品率下降.
图16示出了通过三点弯曲法测量折断上述损坏层所需要的弯曲应力的试验的结果。在图16中，水平轴示出用于形成损坏层的脉冲激光束的重复频率(kHz)，垂直轴示出了用于折断损害层所需要的弯曲应力(MPa).从图16中可以看到的，当用于形成损坏层的脉冲激光束的重复频率变成150kHz或更低时，折断损坏层所需的弯曲应力增加.然而，当用于形成损坏层的脉冲激光束的重复频率变成200kHz或更高时，折断损坏层所需的弯曲应力是2Mpa或更低.折断损坏层所需要的应力和上述带扩展法中获得的芯片成品率之间存在联系.也就是，当应力增加时，上述带扩展法中获得的芯片成品率下降。然而，当应力变成预定值或更低时，上述带扩展法中获得的芯片成品率变成100％。因此，在上述损坏层形成步骤中施加的脉冲激光束的重复频率最好被设定在200kHz或更高。
如上所述，通过使用带扩展法执行分割步骤，在保护带42和半导体芯片20之间形成间隙，以减少它们之间粘合强度，从而使得其可能容易地从保护带42拾取半导体芯片20，并在邻近的单个半导体芯片20之间形成空间，如图13(b)所示.
接着，如图12所示，在上述拾取装置5上设置的拾取夹头6被激活，以从保护带42拾取单个的半导体芯片20，并运载到未示出的托盘.此时，在扩展件521中的紫外灯53被打开，向保护带42照射紫外射线，以降低保护带42的粘合强度，从而，使得能更容易地从保护带42拾取半导体芯片20.获得了如图14所示的从保护带42拾取的半导体芯片20。

Claims (5)

1.一种沿着预定分割线分割晶片的方法，包括以下步骤：
损坏层形成步骤，用于沿着所述分割线施加能够穿过晶片的脉冲激光束，以沿着所述分割线在所述晶片的内部形成损坏层；
可扩展的保护带附着步骤，用于在所述损坏层形成步骤之前或之后将可扩展的保护带附着到所述晶片的一侧；以及
分割步骤，用于在所述损坏层形成步骤之后，通过扩展附着到所述晶片上的保护带，沿着损坏层分割所述晶片；
其中，在所述损坏层形成步骤中，处理条件被设定为满足1.0≤V/(Y×D)≤2.5，其中Y是所述脉冲激光束的重复频率，单位Hz，D是所述脉冲激光束的焦点直径，单位mm，以及V是所述损坏层形成步骤中的处理供应速度，即所述晶片和所述脉冲激光束的相对移动速度，单位mm/sec。
2.根据权利要求1所述的沿着预定分割线分割晶片的方法，其中，在所述损坏层形成步骤中的所述脉冲激光束的频率被设定为200kHz或大于200kHz。
3.根据权利要求1所述的沿着预定分割线分割晶片的方法，其中，在所述损坏层形成步骤中形成的所述损坏层是熔化再固化层。
4.根据权利要求1所述的沿着预定分割线分割晶片的方法，其中，在所述损坏层形成步骤中形成的所述损坏层从所述晶片的一侧延伸到另一侧。
5.根据权利要求1所述的沿着预定分割线分割晶片的方法，其中，在所述可扩展的保护带附着步骤中附着到所述晶片的一侧的保护带的外周部分装配在环形分割框架上。
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