CN101218664A - 加工对象物切断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加工对象物切断方法，即使在基板较厚的情况下，也能够在短时间内沿着切断预定线将包括基板以及具有多个功能元件并设置在基板的表面上的叠层部的加工对象物切断成各个功能元件。通过将聚光点(P)对准基板(4)的内部并从叠层部(16)侧照射激光(L)，从而沿着切断预定线，在基板(4)的内部形成从基板(4)的厚度方向的中心位置(CL)偏向基板(4)的背面(21)侧的第1改质区域(71)和从基板(4)的厚度方向的中心位置(CL)偏向基板(4)的表面(3)侧的第2改质区域(72)，并从第2改质区域(72)向基板(4)的表面(3)产生裂缝(24)。然后，在使贴于基板(4)的背面(21)的扩张带(23)扩张的状态下，使加工对象物(1)内产生应力以使裂缝(24)打开。

Description

加工对象物切断方法
技术领域
本发明涉及沿着切断预定线将包括基板以及具有多个功能元件并设置在基板的表面上的叠层部的加工对象物切断成各个功能元件的加工对象物切断方法。
背景技术
作为现有的这种技术，有一种激光加工方法，通过将聚光点对准晶片状的加工对象物的内部，照射激光，从而在加工对象物的内部形成多列沿着切断预定线的改质区域，并以该改质区域作为切断的起点(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2002-205180号公报
发明内容
上述的激光加工方法，是当加工对象物较厚时特别有效的技术。这是因为，即使加工对象物较厚时，通过增加沿着切断预定线的改质区域的列数，也能够精度良好地沿着切断预定线切断加工对象物。于是，关于这种技术，期望在维持切断品质的同时缩短加工时间。
因此，本发明鉴于这种情况而提出，目的在于，提供一种即使在基板较厚的情况下，也能够在短时间内沿着切断预定线将包括基板以及叠层部的加工对象物精度良好地切断成各个功能元件的加工对象物切断方法，其中，叠层部具有多个功能元件并设置在基板的表面上。
为了达到上述目的，本发明涉及的加工对象物切断方法，其特征在于，沿着切断预定线将包括基板以及叠层部的加工对象物切断成各个功能元件，其中叠层部具有多个功能元件并设置在基板的表面上，包括：通过将聚光点对准基板的内部并从叠层部侧照射激光，从而沿着切断预定线，在基板的内部形成从基板的厚度方向的中心位置偏向基板的背面侧的第1改质区域的工序；通过将聚光点对准基板的内部并从叠层部侧照射激光，从而沿着切断预定线，在基板的内部形成从基板的厚度方向的中心位置偏向基板的表面侧的第2改质区域，并从第2改质区域向基板的表面产生裂缝的工序；形成第1和第2改质区域后，在使安装于基板的背面的可扩张部件进行扩张的状态下，使加工对象物内产生应力以使裂缝打开的工序。
在该加工对象物切断方法中，从基板的厚度方向的中心位置偏向基板的背面侧的第1改质区域和从基板的厚度方向的中心位置偏向基板的表面侧的第2改质区域，被沿着切断预定线在基板的内部形成，同时从第2改质区域向基板的表面产生裂缝。然后，由于在该状态下，使加工对象物内产生应力以使裂缝打开，因而该裂缝向着叠层部以及第1改质区域伸展，从而沿着切断预定线精度良好地切断加工对象物。而且，这时，由于安装在基板的背面的可扩张部件被扩张，因而加工对象物刚被切断后，相对的切断面就立刻分离开来，从而防止了因相对的切断面彼此之间的接触而导致的切削(chipping)或破裂(cracking)的发生。由此，例如，在基板较厚的情况下，与通过增加沿着切断预定线的改质区域的列数来沿着切断预定线切断加工对象物的技术相比，能够在维持切断品质的同时实现加工时间的缩短。所以，根据该加工对象物切断方法，即使在基板较厚的情况下，也能够精度良好地沿着切断预定线在短时间内将包括基板以及具有多个功能元件并设置于基板表面的叠层部的加工对象物切断成各个功能元件。
这里，功能元件是指，例如由晶体生长而形成的半导体动作层、光电二极管等的受光元件、激光二极管等的发光元件、作为电路形成的电路元件等。而且，“从基板的厚度方向的中心位置偏向基板的背面侧的第1改质区域”是指，相对于基板的厚度方向的中心位置，第1改质区域的全部的部分位于基板的背面侧。而，“从基板的厚度方向的中心位置偏向基板的表面侧的第2改质区域”是指，相对于基板的厚度方向的中心位置，第2改质区域的全部的部分位于基板的表面侧。另外，第1以及第2改质区域是通过将聚光点对准基板的内部照射激光并在基板的内部产生多光子吸收或其他的光吸收而产生。
再者，优选在基板中的沿着切断预定线的部分中，相对于基板的厚度方向的中心位置而位于基板表面侧的部分中的第2改质区域的形成密度，高于相对于基板的厚度方向的中心位置而位于基板背面侧的部分中的第1改质区域的形成密度。进一步优选在基板中的沿着切断预定线的部分中，第2改质区域的列数多于第1改质区域的列数。由此，即使在基板较厚的情况下，也能够沿着切断预定线进一步精度良好地将包括基板以及具有多个功能元件并设置于基板表面的叠层部的加工对象物切断成各个功能元件。
这里，相对于基板的厚度方向的中心位置而位于基板背面侧的部分的第1改质区域的形成密度，是指第1改质区域相对于该部分所占的比例。同样，相对于基板的厚度方向的中心位置而位于基板表面侧的部分的第2改质区域的形成密度，是指第2改质区域相对于该部分所占的比例。
另外，优选在基板的内部形成第1改质区域后，在基板的内部形成第2改质区域，从第2改质区域向基板的表面产生裂缝。这种情况下，在形成各改质区域时，在激光所入射的表面和激光的聚光点之间不存在改质区域和裂缝，因此不会发生因已经形成的改质区域等而导致的激光的散射、吸收等。所以，能够可靠地形成各改质区域。
此外，优选通过介由可扩张部件对基板的背面顶压按压部件，从而在加工对象物内产生应力以使裂缝打开。由此，能够容易且可靠地在加工对象物内产生使裂缝打开的应力。
另外，基板是半导体基板，第1以及第2改质区域有时包括熔融处理区域。如果基板是半导体基板，那么有时形成包括熔融处理区域的改质区域作为第1以及第2改质区域。
根据本发明，即使在基板较厚的情况下，也能够沿着切断预定线在短时间内精度良好地将包括基板以及具有多个功能元件并设置于基板表面的叠层部的加工对象物切断成各个功能元件。
附图说明
图1是根据本实施方式涉及的激光加工方法进行激光加工中的加工对象物的平面图。
图2是沿着图1所示的加工对象物的II-II线的截面图。
图3是根据本实施方式涉及的激光加工方法进行激光加工后的加工对象物的平面图。
图4是沿着图3所示的加工对象物的IV-IV线的截面图。
图5是沿着图3所示的加工对象物的V-V线的截面图。
图6是利用本实施方式涉及的激光加工方法而被切断的加工对象物的平面图。
图7是表示本实施方式涉及的激光加工方法中的电场强度和龟裂点的大小的关系的图。
图8是本实施方式涉及的激光加工方法的第1工序中的加工对象物的截面图。
图9是本实施方式涉及的激光加工方法的第2工序中的加工对象物的截面图。
图10是本实施方式涉及的激光加工方法的第3工序中的加工对象物的截面图。
图11是本实施方式涉及的激光加工方法的第4工序中的加工对象物的截面图。
图12是表示利用本实施方式涉及的激光加工方法所切断的硅晶片的一部分的截面的照片的图。
图13是表示本实施方式涉及的激光加工方法中的激光的波长和硅基板的内部透过率的关系的图。
图14是利用本实施方式涉及的激光加工方法形成了熔融处理区域以及微小空洞的硅晶片的截面图。
图15是用于说明利用本实施方式涉及的激光加工方法形成了熔融处理区域以及微小空洞的原理的硅晶片的截面图。
图16是表示利用本实施方式涉及的激光加工方法形成了熔融处理区域以及微小空洞的硅晶片的切断面的照片的图。
图17是作为本实施方式的加工对象物切断方法的对象的加工对象物的平面图。
图18是沿着图17所示的加工对象物的XVIII-XVIII线的部分截面图。
图19是用于说明本实施方式的加工对象物切断方法的加工对象物的部分截面图，(a)是在加工对象物上安装了扩张带的状态，(b)是向加工对象物照射激光的状态。
图20是用于说明本实施方式的加工对象物切断方法的加工对象物的部分截面图，(a)是使扩张带扩张的状态，(b)是将刀刃顶压向加工对象物的状态。
图21是用于说明本实施方式的加工对象物切断方法的加工对象物的部分截面图，是加工对象物被切断成半导体芯片的状态。
图22是安装在用于本实施方式的加工对象物切断方法中的加工对象物切断装置上的加工对象物支撑单元的立体图。
图23是用于本实施方式的加工对象物切断方法的加工对象物切断装置的立体图。
图24是安装有加工对象物支撑单元的加工对象物切断装置的立体图。
图25是用于说明加工对象物切断装置的动作的加工对象物支撑单元以及加工对象物切断装置的截面图。
图26是用于说明加工对象物切断装置的动作的加工对象物支撑单元以及加工对象物切断装置的截面图。
图27是实施例中的加工对象物的部分截面图。
符号的说明
1…加工对象物，5…切断预定线，3…表面，4…基板，15…功能元件，16…叠层部，21…背面，23…扩张带(可扩张部件)，24…裂缝，41…刀刃(按压部件)，71…第1改质区域，72…第2改质区域，L…激光，P…聚光点，CL…中心位置。
具体实施方式
下面，参照附图，详细地说明本发明的优选实施方式。本实施方式的激光加工方法中，为了在加工对象物的内部形成改质区域，利用多光子吸收的现象。因此，最先对利用多光子吸收以形成改质区域的激光加工方法进行说明。
如果光子的能量hv小于材料的吸收的能带间隙EG，那么其在光学上变得透明。因此，在材料中发生吸收的条件为hv＞EG。但是，即使在光学上透明，如果激光的强度非常大，那么，在nhv＞EG(n＝2，3，4，…)的条件下，材料中就会发生吸收。这种现象被称为多光子吸收。在脉冲波的情况中，激光的强度由激光的聚光点的峰值功率密度(W/cm2)决定，例如，在峰值功率密度为1×108(W/cm2)以上的条件下，发生多光子吸收。峰值功率密度，通过(聚光点上的激光的每1个脉冲的能量)÷(激光的光束斑点截面积×脉冲宽度)求出。另外，对于连续波而言，激光的强度由激光的聚光点的电场强度(W/cm2)决定。
参照图1～图6，对利用这种多光子吸收的本实施方式所涉及的激光加工方法的原理进行说明。如图1所示，在板状的加工对象物1的表面3上，具有用于切断加工对象物1的切断预定线5。切断预定线5是直线状延伸的假想线。本实施方式涉及的激光加工方法中，如图2所示，在多光子吸收发生的条件下，将聚光点P对准加工对象物1的内部，照射激光L，形成改质区域7。并且，聚光点P是激光L聚光的地方。而且，切断预定线5，不限于直线状，也可以是曲线状，不限于假想线，也可以是实际在加工对象物1上画的线。
于是，通过沿着切断预定线5(即，沿着图1的箭头A方向)相对地移动激光L，从而使聚光点P沿着切断预定线5移动。由此，如图3～图5所示，改质区域7在加工对象物1的内部沿着切断预定线5形成，该切断区域7成为切断起点区域8。这里，切断起点区域8，是指在切断加工对象物1时成为切断(裂缝)的起点的区域。该切断起点区域8，有时通过连续地形成改质区域7而形成，有时通过断续地形成改质区域7而形成。
本实施方式涉及的激光加工方法，并不是通过加工对象物1吸收激光L来使加工对象物1发热而形成改质区域7。而是使激光L透过加工对象物1，在加工对象物1的内部发生多光子吸收，从而形成改质区域7。因而，在加工对象物1的表面3，激光L几乎不被吸收，因此加工对象物1的表面3不熔融。
如果在加工对象物1的内部形成切断起点区域8，那么，由于容易以该切断起点区域8为起点而产生裂缝，因此，如图6所示，能够以比较小的力切断加工对象物1。因而，不会在加工对象物1的表面3上产生不必要的裂缝就能够高精度地切断加工对象物1。
对于以该切断起点区域8为起点的加工对象物1的切断，考虑有如下两种情况。一种情况是在切断起点区域8形成后，通过向加工对象物1施加人为的力，加工对象物1以切断起点区域8为起点裂开，于是加工对象物1被切断。这是，例如加工对象物1的厚度大时的切断。施加人为的力是指例如，沿着加工对象物1的切断起点区域8向加工对象物1施加弯曲应力或剪切应力，或者通过给与加工对象物1温度差以产生热应力。另一种情况是通过形成切断起点区域8，以切断起点区域8为起点，向着加工对象物1的截面方向(厚度方向)自然地裂开，结果加工对象物1被切断。这在例如加工对象物1的厚度较小的情况下，可以通过由1列改质区域7形成切断起点区域8来进行，在加工对象物1的厚度较大的情况下，可以通过由在厚度方向上形成的多列改质区域7形成切断起点区域8来进行。并且，在自然裂开的情况下，在切断的地方，由于裂纹不会延伸到与不形成切断起点区域8的部位相对应的部分的表面3上而能够仅切断与形成切断起点区域8的部位相对应的部分，因此能够控制性良好地进行切断。近年来，硅晶片等的加工对象物1的厚度有变薄的倾向，因此这种控制性良好的切断方法非常有效。
在本实施方式涉及的激光加工方法中，作为通过多光子吸收而形成的改质区域，有下面的(1)～(4)的情况。
(1)改质区域为含有1个或多个裂纹的裂纹区域的情况。
将聚光点对准加工对象物(例如由玻璃或LiTaO3构成的压电材料)的内部，在聚光点的电场强度为1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下，照射激光。该脉冲宽度的大小，是能够使多光子吸收产生且不会给加工对象物的表面造成额外的损伤，仅在加工对象物的内部形成裂纹区域的条件。因此，在加工对象物的内部发生因多光子吸收而导致的光学损伤的现象。由该光学的损伤而在加工对象物的内部引起热形变，并由此在加工对象物的内部形成裂纹区域。作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度，例如优选为1ns～200ns。并且，基于多光子吸收的裂纹区域的形成，被记载于例如第45届激光热加工研究会论文集(1998年.12月)的第23页～第28页的《利用固体激光高次谐波进行的玻璃基板的内部标记》。
本发明人通过实验求出了电场强度和裂纹的大小的关系。实验条件如下。
(A)加工对象物：Pyrex(注册商标)玻璃(厚度700μm)
(B)激光
光源：半导体激光激发Nd:YAG激光器
波长：1064nm
激光斑点截面积：3.14×10-8cm2
振荡形态：Q开关脉冲
重复频率：100kHz
脉冲宽度：30ns
输出：输出＜1mJ/脉冲
激光品质：TEM00
偏振特性：线偏振光
(C)聚光用透镜
相对于激光波长的透过率：60％
(D)载置加工对象物的载置台的移动速度：100mm/秒
另外，激光品质为TEM00是指，聚光性高，能够聚光到激光的波长左右。
图7是表示上述实验结果的图。横轴是峰值功率密度，由于激光是脉冲激光，因此电场强度用峰值功率密度表示。纵轴表示由1个脉冲的激光而在加工对象物的内部形成的裂纹部分(龟裂点)的大小。龟裂点聚集后，成为裂纹区域。龟裂点的大小是龟裂点的形状中作为最大长度的部分的大小。图中以黑点标示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为100倍，数值孔径(NA)为0.80的情况。另一方面，图中以白点标示的数据是聚光用透镜(C)的倍率为50倍，数值孔径(NA)为0.55的情况。可知从峰值功率密度为1011(W/cm2)左右起在加工对象物的内部产生龟裂点，随着峰值功率密度增大，龟裂点也变大。
接着，参照图8～图11，对通过裂纹区域形成而进行的加工对象物的切断的机理进行说明。如图8所示，在发生多光子吸收的条件下，将聚光点P对准加工对象物1的内部，照射激光L，在内部沿着切断预定线形成裂纹区域9。裂纹区域9是包括1个或多个裂纹的区域。这样形成的裂纹区域9成为切断起点区域。如图9所示，裂纹以裂纹区域9为起点(即，以切断起点区域为起点)进一步生长，如图10所示，裂纹到达加工对象物1的表面3和背面21，如图11所示，通过使加工对象物1裂开而切断加工对象物1。到达加工对象物1的表面3和背面21的裂纹有自然生长的情况，也有通过向加工对象物1施加力而生长的情况。
(2)改质区域为熔融处理区域的情况
将聚光点对准加工对象物(例如硅这样的半导体材料)的内部，在聚光点的电场强度达到1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下，照射激光。因此，加工对象物的内部因多光子吸收而被局部地加热。由于该加热，在加工对象物的内部形成熔融处理区域。熔融处理区域，既可以是暂时熔融后又再次固化的区域、或正处于熔融状态的区域、或处于从熔融状态再次固化的状态的区域，也可以是相变区域或结晶结构发生变化的区域。此外，熔融处理区域也可以指在单晶结构、非晶结构、多晶结构中，某个结构变化到另外的结构的区域。即，是指例如从单晶结构变化到非晶结构的区域，从单晶结构变化到多晶结构的区域，从单晶结构变化到含有非晶结构以及多晶结构的结构的区域。在加工对象物为硅单晶结构的情况下，熔融处理区域例如为非晶硅结构。作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度，例如优选为1ns～200ns。
本发明人通过实验确认了在硅晶片的内部形成了熔融处理区域。实验条件如下。
(A)加工对象物：硅晶片(厚度350μm、外径4英寸)
(B)激光
光源：半导体激光激发Nd:YAG激光器
波长：1064nm
激光斑点截面积：3.14×10-8cm2
振荡形态：Q开关脉冲
重复频率：100kHz
脉冲宽度：30ns
输出：20μJ/脉冲
激光品质：TEM00
偏振特性：线偏振光
(C)聚光用透镜
倍率：50倍
N.A.0.55
相对于激光波长的透过率：60％
(D)载置了加工对象物的载置台的移动速度：100mm/秒
图12是利用在上述条件下的激光加工而切断的硅晶片的一部分的截面的照片的图。在硅晶片11的内部形成了熔融处理区域13。另外，利用上述条件形成的熔融处理区域13的厚度方向的大小为100μm左右。
接下来说明因多光子吸收而形成熔融处理区域13的情况。图13是表示激光波长和硅基板内部的透过率的关系的图。但是，除去了硅基板的表面侧和背面侧的各个反射成分，仅显示了内部的透过率。显示了硅基板的厚度t分别为50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm时的上述关系
例如，可知，在Nd:YAG激光的波长为1064nm的情况下，当硅基板的厚度为500μm以下时，在硅基板的内部，透过80％以上的激光。由于图12所示的硅晶片11的厚度为350μm，因此，因多光子吸收而形成的熔融处理区域13形成于硅晶片11的中心附近，即距表面175μm的部分。这时的透过率，如果以厚度200μm的硅晶片为参考，那么为90％以上，因此，激光在硅晶片11的内部被吸收得非常少，几乎都透过。这意味着，熔融处理区域13因多光子吸收而形成，而不是激光在硅晶片11的内部被吸收而在硅晶片11的内部形成熔融处理区域13(即因通常的激光加热而形成熔融处理区域)。基于多光子吸收的熔融处理区域的形成，被记载于例如熔接学会全国大会演讲概要第66集(2000年4月)的第72页～第73页的《利用皮秒脉冲激光进行的硅加工的特性评价》。
另外，通过以由熔融处理区域形成的切断起点区域作为起点，使裂缝向着截面方向产生，该裂缝到达硅晶片的表面和背面，结果切断硅晶片。到达硅晶片的表面和背面的该裂纹有时自然地生长，有时通过在硅晶片上施加力而生长。并且，在裂缝从切断起点区域自然地生长到硅晶片的表面和背面的情况中，既包括裂缝从形成切断起点区域的熔融处理区域处于熔融的状态开始生长的情况，也包括裂缝在形成切断起点区域的熔融处理区域从熔融的状态开始再次固化时生长的情况。但是，无论哪种情况，熔融处理区域均仅在硅晶片的内部形成，如图12所示，在切断后的切断面上，仅在内部形成熔融处理区域。如此，如果由熔融处理区域在加工对象物的内部形成切断起点区域，那么在切断时，由于在切断起点区域线之外不容易产生不必要的裂缝，因而切断控制变得容易。
(3)改质区域为熔融处理区域以及微小空洞的情况
将聚光点对准加工对象物(例如硅这样的半导体材料)的内部，在聚光点的电场强度为1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下，照射激光。因此，有时在加工对象物的内部形成熔融处理区域和微小空洞。另外，作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度例如优选为1ns～200ns。
如图14所示，在从硅晶片11的表面3侧入射激光L的情况下，微小空洞14相对于熔融处理区域13形成于背面21侧。图14中，虽然熔融处理区域13和微小空洞14分离地形成，但是也有时熔融处理区域13和微小空洞14连续地形成。即，在因多光子吸收而使熔融处理区域13以及微小空洞14成对地形成时，微小空洞14相对于熔融处理区域13，形成于硅晶片11的激光入射面的相反侧。
如此，在使激光L透过硅晶片11，在硅晶片11的内部产生多光子吸收，从而形成熔融处理区域13的情况中，对于形成与各个熔融处理区域13相对应的微小空洞14的原理，还未必明确。这里，关于熔融处理区域13以及微小空洞14以成对的状态形成的原理，说明发明人设想的两种假说。
发明人设想的第1种假说如下所述。即，如图15所示，如果将焦点对准硅晶片11的内部的聚光点P而照射激光L，那么在聚光点P的附近形成熔融处理区域13。目前，使用从激光光源照射出的激光L的中心部分的光(图15中，相当于L4以及L5的部分的光)作为该激光L。这是为了使用激光L的高斯分布的中心部分。
发明人为了抑制激光L对硅晶片11的表面3带来的影响，扩展了激光L。作为其一个方法，以规定的光学系统扩展从激光源照射出的激光L，扩展高斯分布的底端，相对地提升激光L的周边部分的光(图15中，相当于L1～L3以及L6～L8的部分的光)的激光强度。如果使被如此扩展了的激光L透过硅晶片11，那么如前所述，在聚光点P的附近形成熔融处理区域13，在与该熔融处理区域13相对应的部分形成微小空洞14。即，熔融处理区域13和微小空洞14形成于沿着激光L的光轴(图15中的点划线)的位置。形成微小空洞14的位置，相当于激光L的周边部分的光(图15中，相当于L1～L3以及L6～L8的部分的光)在理论上被聚光的部分。
这样的激光L的中心部分的光(图15中相当于L4以及L5的部分的光)和激光L的周边部分的光(图15中相当于L1～L3以及L6～L8的部分的光)被分别聚光了的部分在硅晶片11的厚度方向上有所不同，被认为是由使激光L聚光的透镜的球面像差引起的。发明者们设想的第1种假说，是说该聚光位置的差是否带来什么影响。
发明人设想的第2种假说是说，由于激光L的周边部分的光(图15中相当于L1～L3以及L6～L8的部分的光)被聚光的部分是理论上的激光聚光点，因而，该部分的光强度高，发生细微结构变化，所以，其周围形成了实质上结晶结构没有发生变化的微小空洞14，形成了熔融处理区域13的部分，由于热影响大，单纯地溶解然后再固化。
这里，熔融处理区域13如上述(2)所述，但是微小空洞14，其周围实质上结晶结构没有发生变化。在硅晶片11是硅单晶结构的情况下，微小空洞14的周围大部分是原样的硅单晶结构的部分。
发明人通过实验确认了，在硅晶片11的内部形成有熔融处理区域13以及微小空洞14。实验条件如下。
(A)加工对象物：硅晶片(厚度100μm)
(B)激光
光源：半导体激光激发Nd:YAG激光器
波长：1064nm
重复频率：40kHz
脉冲宽度：30ns
脉冲间距(pulse pitch)：7μm
加工深度：8μm
脉冲能量：50μJ/脉冲
(C)聚光用透镜
NA：0.55
(D)载置了加工对象物的载置台的移动速度：280mm/秒
图16是表示利用在上述条件下的激光加工所切断的硅晶片11的切断面的照片的图。图16中，(a)和(b)是以不同的比例尺显示同一切断面的照片的图。如该图所示，在硅晶片11的内部，通过1个脉冲的激光L的照射而形成的熔融处理区域13和微小空洞14的对，沿着切断面(即沿着切断预定线)按照规定的间距形成。
另外，图16所示的切断面的熔融处理区域13，在硅晶片11的厚度方向(图中的上下方向)上的宽度为13μm左右，在移动激光L的方向(图中的左右方向)上的宽度为3μm左右。而且，微小空洞14，在硅晶片11的厚度方向上的宽度为7μm左右，在移动激光L的方向上的宽度为1.3μm左右。熔融处理区域13和微小空洞14的间隔为1.2μm左右。
(4)改质区域为折射率变化区域的情况
将聚光点对准加工对象物(例如玻璃)的内部，在聚光点的电场强度为1×108(W/cm2)以上且脉冲宽度为1ns以下的条件下，照射激光。如果脉冲宽度极短，且在加工对象物的内部发生多光子吸收，那么因多光子吸收而产生的能量不会转变为热能，而在加工对象物的内部，诱发离子价数变化、结晶化或极化取向等的永久性的结构变化，从而形成折射率变化区域。作为电场强度的上限值，例如为1×1012(W/cm2)。脉冲宽度，例如优选为1ns以下，进一步优选为1ps以下。基于多光子吸收的折射率变化区域的形成，被记载于例如第42届激光热加工研究会论文集(1997年.11月)的第105页～第111页的《利用飞秒激光照射的在玻璃内部的光诱发结构的形成》。
以上，作为因多光子吸收而形成的改质区域说明了(1)～(4)的情况，而如果考虑到晶片状的加工对象物的结晶结构和其解理性，如下地形成切断起点区域，那么以其切断起点区域作为起点，能够以更小的力且精度良好地切断加工对象物。
即，对硅等的由金刚石结构的单晶半导体构成的基板而言，优选在沿着(111)面(第1解理面)和(110)面(第2解理面)的方向上形成切断起点区域。另外，对GaAs等的由闪锌矿型结构的III-V族化合物半导体构成的基板而言，优选在沿着(110)面的方向上形成切断起点区域。而且，对于蓝宝石(Al2O3)等的具有六方晶系的结晶结构的基板而言，优选以(0001)面(C面)作为主面，在沿着(1120)面(A面)或(1100)面(M面)的方向上形成切断起点区域。
另外，如果沿着应形成上述切断起点区域的方向(例如，沿着单晶硅基板的(111)面的方向)或与应形成切断起点区域的方向相垂直的方向，在基板上形成定向平面(orientation flat)，那么通过以该定向平面为基准，能够容易且准确地在基板上沿着应形成切断起点区域的方向形成切断起点区域。
接着，对本发明的优选的实施方式进行说明。图17是作为本实施方式的加工对象物切断方法的对象的加工对象物的平面图，图18是沿着图17所示的加工对象物的XVIII-XVIII线的部分截面图。
如图17以及图18所示，加工对象物1包括，由硅构成的基板4、以及具有多个功能元件15且形成于基板4的表面3上的叠层部16。功能元件15具有，层叠在基板4的表面3上的层间绝缘膜17a、配置在层间绝缘膜17a上的配线层19a、层叠在层间绝缘膜17a上以覆盖配线层19a的层间绝缘膜17b、配置在层间绝缘膜17b上的配线层19b。配线层19a和基板4通过贯通层间绝缘膜17a的导电性插塞(plug)20a电相连，配线层19b和配线层19a通过贯通层间绝缘膜17b的导电性插塞(plug)20b电相连。
另外，在基板4的表面3上，沿着平行于以及垂直于基板4的定向平面6的方向呈矩阵状形成多个功能元件15，而层间绝缘膜17a、17b形成于相邻的功能元件15、15之间以覆盖基板4的整个表面3。
将如上述构成的加工对象物1如下地切断为各个功能元件15。首先，如图19(a)所示，在基板4的背面21上贴上扩张带(可扩张部件)23。接着，如图19(b)所示，将加工对象物1固定在激光加工装置的载置台上(未图示)，叠层部16朝上。
然后，对加工对象物1设定格子状的切断预定线5(参照图17的虚线)，以通过相邻的功能元件15、15之间。接着，将聚光点P对准基板4的内部，在发生多光子吸收的条件下，从叠层部16侧照射激光L，同时通过载置台的移动沿着切断预定线5扫描聚光点P。
对于1条切断预定线5进行3次沿着该切断预定线5的聚光点P的扫描。通过每次变化从基板4的表面3到聚光点P的距离，在基板4的内部沿着切断预定线5从基板4的背面21侧开始依次逐列形成从基板4的厚度方向的中心位置CL偏向基板4的背面21侧的1列的第1改质区域71，以及从中心位置CL偏向基板4的表面3侧的2列的第2改质区域72。然后，通过2列第2改质区域72的形成，从第2改质区域72向基板4的表面3产生沿着切断预定线5的裂缝24。另外，由于基板4是由硅构成的半导体基板，因此各改质区域71、72是熔融处理区域。
如此，通过按照距离基板4的表面3远近的顺序逐列形成各改质区域71、72，从而在形成各改质区域71、72时，在激光L入射的表面3和激光L的聚光点P之间不存在改质区域71、72和裂缝24，因此不会发生因已经形成的改质区域71、72等而导致的激光L的散射、吸收等。所以，能够可靠地在基板4的内部沿着切断预定线5形成各改质区域71、72。并且，通过将聚光点P对准基板4的内部而从叠层部16侧照射激光L，能够从第2改质区域72向基板4的表面3可靠地形成裂缝24。
形成各改质区域71、72后，如图20(a)所示，使扩张带23扩张。于是，在该状态下，如图20(b)所示，介由扩张带23对基板4的背面21顶压刀刃(按压部件)41，并使其沿着箭头B方向移动。由此，在加工对象物1内产生使裂缝24打开的应力，因此裂缝24向着叠层部16以及第1改质区域71伸展，加工对象物1沿着切断预定线5被切断。
并且，这时，由于贴在基板4的背面21的扩张带23处于扩张的状态，因而如图21所示，加工对象物1刚被切断后，切断后得到的各半导体芯片25互相分离。
这里，对用于本实施方式的加工对象物切断方法的加工对象物切断装置进行说明。
图22是安装在加工对象物切断装置中的加工对象物支撑单元的立体图。如该图所示，加工对象物支撑单元30具有由板材构成的环状支撑框31。从背面侧将扩张带23设置在支撑框31上以覆盖其开口部31a，在该扩张带23上，贴有加工对象物1，位于开口部31a的中央，叠层部16向上。
此外，在加工对象物1中，沿着对加工对象物1设定的通过相邻的功能元件15、15之间的格子状的切断预定线5，在基板4的内部形成第1以及第2改质区域71、72，同时从第2改质区域72向基板4的表面3产生裂缝24。
图23是加工对象物切断装置的立体图。如该图所示，加工对象切断装置40具有圆筒状的基座42，在该基座42的端面42a上，配置有加工对象物支撑单元30的支撑框31。在基座42上，设置有多个用于固定配置在端面42a上的支撑框31。
在基座42的内侧，配置有内径大于加工对象物1的外径的圆筒状的扩张部件44。该扩张部件44，能够在z轴方向(上下方向)上移动。而且，在扩张部件44的内侧，配置有宽度大于加工对象物1的外径的刀刃41。该刀刃41，既能够在x轴方向、y轴方向以及z轴方向上移动，又能绕着z轴旋转。
对如上构成的加工对象物切断装置40的动作进行说明。首先，如图24所示，在基座42的端面42a上配置加工对象物支撑单元30的支撑框31，由夹具43进行固定，并使对加工对象物1设定的格子状的切断预定线5与x轴方向以及y轴方向一致。在该状态下，如图25所示，扩张部件44上升，加工对象物1与扩张带23一起被向上推。因此，扩张带23处于被扩张的状态。
接着，如图26所示，刀刃41上升，介由扩张带23而顶压加工对象物1。然后，刀刃41在其宽度方向与x轴方向一致的状态下在y轴方向上移动。由此，在加工对象物1上产生使裂缝24打开的应力，沿着在x轴方向上延伸的切断预定线5将加工对象物1切断成长方形状。
接着，刀刃41下降，绕着z轴旋转90°。然后，刀刃41再次上升，介由扩张带23而顶压加工对象物1。然后，刀刃41在其宽度方向与y轴方向一致的状态下在x轴方向上移动。由此，在加工对象物1中产生使裂缝24打开的应力，沿着在y轴方向上延伸的切断预定线5将加工对象物1切断成芯片状。
如上所示，在本实施方式的加工对象物切断方法中，从中心位置CL偏向基板4的背面21侧的第1改质区域71和从中心位置CL偏向基板4的表面3侧的第2改质区域72，沿着切断预定线5在基板4的内部形成，同时从第2改质区域72向基板4的表面3产生裂缝24。于是，由于在该状态下，在加工对象物1内产生应力使裂缝24打开，因而裂缝24向着叠层部16以及第1改质区域71伸展，从而沿着切断预定线5精度良好地切断加工对象物1。而且，这时，由于贴在基板4的背面21的扩张带23被扩张，因而加工对象物1刚被切断后，相邻的半导体芯片25、25的相对的切断面25a、25a就分离开来(参照图21)，从而防止了因相对的切断面25a、25a彼此之间的接触而导致的切削(chipping)或破裂(cracking)的发生。
由此，例如，在基板4较厚的情况下，与通过增加沿着切断预定线5的改质区域71、72的列数来沿着切断预定线5切断加工对象物1的技术相比，能够在维持切断品质的同时实现加工时间的缩短。所以，根据本实施方式的加工对象物切断方法，即使在基板4较厚的情况下，也能够在短时间内精度良好地沿着切断预定线5，将包括基板4、以及具有多个功能元件15并形成于基板4的表面3上的叠层部16的加工对象物1切断成各个功能元件15。
作为实施例，说明将包括厚度为300μm、外径为8英寸的硅制的基板4的加工对象物1切断成5mm×5mm的芯片的情况。
如图27所示，在基板4的表面3和第1改质区域71的表面侧端部71a的距离约为245μm的位置，形成了在基板4的厚度方向上的宽度为约45μm的第1改质区域71。而且，在基板4的表面3和第2改质区域72的表面侧端部72a的距离约为82μm的位置，形成了在基板4的厚度方向上的宽度约为27μm的第2改质区域72，同时，在基板4的表面3和第2改质区域72的表面侧端部72a的距离约为39μm的位置，形成了在基板4的厚度方向上的宽度约为24μm的第2改质区域72，从第2改质区域72向基板4的表面3产生裂缝24。
在该状态下，如果使加工对象物1内产生应力以使裂缝24打开，那么加工对象物1沿着被设定为格子状的切断预定线5被完全地切断。而且，沿着切断预定线5的蜿蜒被控制在4μm以下，切断面25a的凹凸被控制在5μm以下。而且，形成第1以及第2改质区域71、72所需要的时间被控制在4分钟以下(作为参考，对于1条切断预定线形成5列改质区域需要6分钟以上的时间)。
如以上的实施例所述，优选在基板4中的沿着切断预定线5的部分中，相对于中心位置CL而位于基板4的表面3侧的部分4a中的第2改质区域72的形成密度，高于相对于中心位置CL而位于基板4的背面21侧的部分4b中的第1改质区域71的形成密度，或者第2改质区域72的列数多于第1改质区域71的列数。由此，即使在厚度为300μm这样基板4较厚的情况下，也能够沿着切断预定线5进一步精度良好地切断加工对象物1。
本发明并不限于上述的实施方式。
例如，虽然在上述实施方式中，在基板4的背面21上贴上扩张带23后，在基板4的内部形成第1以及第2改质区域71、72，但是也可以在基板4的内部形成第1以及第2改质区域71、72后，再在基板4的背面21上贴上扩张带23。
并且，也可以使用轧辊(roller)作为用于使加工对象物1内产生应力以使裂缝24打开的按压部件。利用轧辊，也和刀刃41同样，能够容易且可靠地在加工对象物1中产生使裂缝24打开的应力。并且，在使用刀刃41作为按压部件的情况下，可以对加工对象物1重复地进行沿着切断预定线5的上顶。
并且，第1改质区域71的列数，只要满足从基板4的厚度方向的中心位置CL偏向基板4的背面21侧的条件，不限于1列。同样地，第2改质区域72的列数，只要满足从基板4的厚度方向的中心位置CL偏向基板4的表面3侧的条件，不限于2列。
并且，虽然在上述实施方式中，使激光L穿过切断预定线5上的绝缘膜(层间绝缘膜17a、17b)后对其进行了聚光，但是如果除去基板4的激光入射面上的绝缘膜，那么，能够使激光强度不衰减而将激光L聚光在基板4的内部。
产业上的可利用性
根据本发明，即使在基板较厚的情况下，也能够精度良好地在短时间内沿着切断预定线将包括基板、以及具有多个功能元件并设置在基板的表面上的叠层部的加工对象物切断成各个功能元件。

Claims (6)

1.一种加工对象物切断方法，其特征在于：
沿着切断预定线将包括基板以及叠层部的加工对象物切断成各个功能元件，其中所述叠层部具有多个所述功能元件且设置在所述基板的表面上，包括：
通过将聚光点对准所述基板的内部并从所述叠层部侧照射激光，从而沿着所述切断预定线，在所述基板的内部形成从所述基板的厚度方向的中心位置偏向所述基板的背面侧的第1改质区域的工序；
通过将聚光点对准所述基板的内部并从所述叠层部侧照射激光，从而沿着所述切断预定线，在所述基板的内部形成从所述基板的厚度方向的中心位置偏向所述基板的表面侧的第2改质区域，并从所述第2改质区域向所述基板的表面产生裂缝的工序；
在形成所述第1以及所述第2改质区域后，在使安装于所述基板的背面的可扩张部件进行扩张的状态下，在所述加工对象物内产生应力以使所述裂缝打开的工序。
2.根据权利要求1所述的加工对象物切断方法，其特征在于：
在所述基板中的沿着所述切断预定线的部分中，相对于所述基板的厚度方向的中心位置而位于所述基板的表面侧的部分中的所述第2改质区域的形成密度，高于相对于所述基板的厚度方向的中心位置而位于所述基板的背面侧的部分中的所述第1改质区域的形成密度。
3.根据权利要求1所述的加工对象物切断方法，其特征在于：
在所述基板中的沿着所述切断预定线的部分中，所述第2改质区域的列数多于所述第1改质区域的列数。
4.根据权利要求1所述的加工对象物切断方法，其特征在于：
在所述基板的内部形成所述第1改质区域后，在所述基板的内部形成所述第2改质区域，从所述第2改质区域向所述基板的表面产生裂缝。
5.根据权利要求1所述的加工对象物切断方法，其特征在于：
通过介由所述可扩张部件对所述基板的背面顶压按压部件，从而在所述加工对象物内产生应力以使所述裂缝打开。
6.根据权利要求1所述的加工对象物切断方法，其特征在于：
所述基板是半导体基板，所述第1和所述第2改质区域包括熔融处理区域。
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