CN101342639B - 借助于激光将由易脆裂的材料制成的平面板分割成多个单块板的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来将由易脆裂的材料制成的平面板1分割成大量规定边长的单块板3的方法，其中借助于通过激光束产生的热感应应力产生沿规定的网状设置的分割线的分割裂缝，并在产生沿第一加工方向的分割裂缝后将形成的条形板4相互分开一定间距，这通过这样的方法实现，即通过一真空装置使装在框内的伸缩膜6拉伸，平面板1粘附地贴在伸缩膜6上。本发明还涉及一种带有专用夹紧工作台5的设备。

Description

借助于激光将由易脆裂的材料制成的平面板分割成多个单块板的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种方法，通过该方法通过借助于激光引入热感应应力将由易脆裂的材料如玻璃、陶瓷或单晶材料如硅、蓝宝石或砷化镓组成的平面板分割成多个单块板，以及涉及一种适合于该方法的设备。由专利文献DE 10041519C1已知一种这一类型的方法和设备。
背景技术
已知，可以通过借助于激光引入热感应应力分割脆性材料。为此沿希望的分割线(加工线)将一激光束射至材料表面上，接着对受热区施加冷却介质来，由此产生拉应力。如果所产生的应力差超过材料的碎裂应力并在加工线上存在一缺陷，那么便从缺陷出发形成材料裂缝。
如果这种缺陷不是由于存在微裂纹(例如从机械切割棱边出发)而存在，那么必须按要求产生一个初始缺陷，例如通过金刚石切割轮或高能量密度的可很好聚焦的激光。对于后者可采用加工激光器或第二个激光器。根据材料内部结构的不同既可以达到要求深度的裂缝，也可以达到安全穿透材料的分离缝。
为了例如在制造用于移动电话等等的显示屏或在制造芯片时将一块平面板分割成大量相同的矩形单块板，平面板首先沿许多相互平行分布的第一加工线，然后转过90°的切割角，沿许多平行分布的第二分割线切开。由此形成，通过相互成90°角相交的加工线的交叉点规定的矩形单块板，其边长通过加工线的间距确定。
这种方法不限于切割成矩形单块板，而且局限于网状模式的切割，其中矩形对于上述应用是一种有价值的形式。
在专利文献DE 100 41 519 C1中了解到在交叉点处产生初始缺陷的困难，作为这种方法的问题。按照这份资料平面板应该从平面板一条棱边开始沿第一加工方向毫无问题地切割成大量条形板，因为为了沿每条分割线形成必要的初始缺陷可以在平面板棱边上尺寸精确地安装一切割轮。而在在已形成的条形板棱边上形成初始缺陷时切割轮必须从上方精确地放在交叉点上，以便将相邻的条形板切割成单块板。这导致由方法造成的单块板相汇合的角部的损坏。
现在专利文献DE 10041519C1中建议，由平玻璃板切割成的条状板在其切割成单块板之前，以一规定的间距相互分开。因此切割轮也可以尺寸精确地装在条形板棱边上。为此平玻璃板平放在一切割工作台上，切割工作台由许多可相互移开的板块组成。切割工作台最好配设一用来夹紧平玻璃板和切开的部分的真空系统。如果每块分工作台配设一可单独控制的真空场，则特别有利。由此可以单独地固定和松开切下的条形板，从而避免通过真空可能扭曲的玻璃对随后的激光切割产生不利影响。
除了与所述类型的切割工作台有关的高的设备费用外，带这种切割工作台的设备有致命的缺点，即条形板的宽度不能任意选择，而由单个工作台分块的宽度决定，因此条形板的宽度只能选择等于工作台分块的宽度或其整数倍。它还局限于平玻璃板的最小厚度，就像它们通常直接放在切割工作台上的那样。
在100-300μm厚度范围内的平面板(例如由硅或砷化镓制成薄的晶片)通常仅仅贴在伸缩膜上。在加工完毕和分成芯片后拉长伸缩膜，使得一方面避免在运输期间芯片棱边的机械损坏，另一方面芯片可以从膜上单个取下，而不与相邻芯片接触。
按照目前的实践，芯片切割主要通过机械锯削进行。在专利申请DE 102005012144A1中介绍了一种设备，用该设备通过借助于激光切除材料在一保持在薄膜上的晶片上加工出网格形设置的分割线。但是材料切除始终蕴含着污染晶片表面的危险。
通过申请人自己进行了试验，通过借助于激光热感应应力将保持在一膜上的薄板切割成网状，如开头已经简单介绍的那样。这里在沿第一加工方向的加工线和沿第二方向的加工线之间的交叉点处显示出质量缺陷。但是这不归结于工具例如激光器或金刚石滚轮(如在专利文献DE 10041519C1中所述的那样)从上方在交叉点处作用在平面板表面上，而归结于在相邻条形板内形成的应力的相互影响。
超前于所产生的冷却剂斑的热斑在转移到下一个条形板时造成材料膨胀，由此使它向前一条形板挤压，条形板末端处的分割线偏离其预定的分割线，因此在两条相互错位90°的分割线的规定的交叉点处在单块板的角部形成不精确的直角。
由JP 10-268275A已知一种用来切割玻璃基质的方法和一种适合于此的设备。待切割的玻璃基质固定在一支座内，在它里面玻璃基质通过一可膨胀的多孔体吸住。通过这样的方法通过物体的膨胀改善切割性能，即在切割期间在玻璃基质表面上产生拉应力。
此方法不能用于所切割基质件的空间分割。
发明内容
本发明的目的是，在借助于激光感应热应力的基础上找到一种方法，它适合于将材料厚度小于1mm、特别是材料厚度为100-300μm的易脆裂材料平面板分割成单块板。这种方法还应该可用来将保持在薄膜上的薄板分割成大量芯片。
本发明的另一个目的是，提供一种设备，利用该设备可以实施本发明的方法，此外分割成矩形的、允许任意选择尺寸的芯片。
这个目的对于方法而言用权利要求1的特征，对于设备而言用权利要求5的特征实现。在从属权利要求中介绍优良的改进结构。
附图说明
下面借助于附图举例详细说明所述设备和方法：
图1a设备的原理草图；
图2a图1在一时刻t1的局部视图；
图2b图1在时刻t2的局部视图；
图3夹紧工作台连同放置在装在框内的伸缩膜上的平面板在时刻t0的俯视图；
图4a平面板的俯视图在时刻t1的局部视图；
图4b平面板的俯视图在时刻t2的局部视图；
图4c平面板的俯视图在时刻t3的局部视图。
具体实施方式
本发明的设备在图1和3中所示的优良实施形式主要包括一夹紧工作台5，工件亦即装在框内的伸缩膜6连同附着在伸缩膜上面的平面板1保持在此该工作台上；各个工具，亦即用来产生初始缺陷的装置12、一用来发射激光束的装置10、一用来喷射冷却剂束的装置11；以及用于起工具作用的装置10、11、12相对于表示为工件的平面板1运动的机构13。
作为相对运动必须强制地是沿一个方向的至少一个直线运动和一绕与该方向垂直的轴线的旋转运动，或者沿在一平面内的二个方向的直线运动，它们围成一加工角。
和由专利资料DE 10041519C1所知的设备一样，平面板1通过一可控制的真空场保持在夹紧工作台5上。这种真空场由一真空室8构成，该真空室在夹紧工作台5的支承平面内通过一多孔衬垫14封闭并与一真空泵9连接。放置在上方的、装在框内的伸缩膜6和因此附着在伸缩膜上的平面板1被紧贴地吸在多孔衬垫14上，从而被力锁合地保持。
在本说明书的意义上真空应该理解为比正常条件下的大气压力、亦即比标准压力PN小得多的压力，它足以保证功能。也就是说在本说明书的意义上紧邻这个第一真空场的负压应称为真空P1，该真空在加工期间可靠地保持所放置的平面板1。
真空腔8有利地用一例如由陶瓷组成的多孔衬垫14封闭，其相对于放在上面的平面板1具有一较小的或相同的周长。由此避免由于激光束越过平面板棱边而可能损坏多孔衬垫14。因此对于圆形的平面板，多孔衬垫14同样应该是一圆盘。在多孔衬垫14和槽7之间夹紧工作台5的表面有利地做成对于激光束是高反射的，因此激光束在越过平面板棱边时在夹紧工作台5上不引起损坏。装在框内的伸缩膜6由一种对于激光束透明的材料制成。
代替一个单个的、朝向夹紧工作台5的支承面方向封闭真空腔8的多孔衬垫14，原则上真空腔8也可以通过一气密性板封闭，多个多孔衬垫14配合入所述气密性板内，这样装在框内的伸缩膜6便点状平面地固定，这看起来不太有利。
与现有技术不同，平面板1不直接贴合在夹紧工作台5上，而是间接地通过一装在框内的伸缩膜6，这对于原先尚未加工的平面板1的保持几乎没有区别。
和现有技术一样，同样存在和构成称为工具的装置以及用于相对运动的机构13。相对运动允许引入热应力以及因此沿规定的成网状设置的分割线形成分割裂缝。
在通过产生沿第一加工方向的分割裂缝将平面板1分割成各单个条形板4之后，通过引入沿与第一加工方向围成一加工角的第二加工方向的分割裂缝将这些条形板4分割成各个单块板3。这个加工角最好是直角，但是也可以不同于直角，由此形成平行四边形的单块板。但是其实际应用可能性仅限于个别情况，因此在后面的说明中从以直角作为加工角并因此形成矩形的单块板出发。
在引入沿第二加工方向的分割裂缝之前，将还以分割棱边相互紧靠的条形板4相互分开。在这里所述设备和方法与现有技术根本不同。
除了如上所述的且仅仅用来在引入分割裂缝期间保持平面板1的第一真空场外，设备还包括一可控制的第二真空场，该第二真空场通过一包围第一真空场的槽7构成。在第一真空场是圆形的情况下，槽7相应地做成圆环形。
可以借助于图2a和2b详细说明两个真空场的工作原理。
随着撤消在第一真空场上的真空P1并且在槽7内建立一真空P2，位于上方的装在框内的伸缩膜6被吸住并被拉入槽7内。由于伸缩膜61张紧在一框62内，由此确定了装在框内的伸缩膜61，伸缩膜61在其在框62内的整个面积上被拉伸，其中伸缩膜61在槽7上方得到最大的拉伸。附着在装在框内的伸缩膜6上的条形板4被相互拉开一定间距。在伸缩膜61的拉伸状态下在第一真空场上重新建立真空P1，接着撤消槽7中的真空P2。因此条形板4按在它们之间形成的间距相互重新固定。
槽7内的真空P2也应该理解为一个负压，它足以使装在框内的伸缩膜6根据其材料性能充分拉伸，以促使条形板4相互离开一定间距，该间距排除在沿第二加工方向分割时对条形板4的影响。
为了在槽7上建立真空，槽7同样与一真空泵9连接。此真空泵9有利地是已经存在的用来产生第一真空场的真空泵9，它交替地在真空腔8或槽7内产生真空。
从通常是圆形的平面板出发在确定设备的尺寸时应该注意，框架62具有一大于槽7外径的内径。这样装在框内的伸缩膜6便径向向其中心拉伸。在理想情况下这样安放平面板1，使其中心与装在框内的伸缩膜6的中心重合，对于可重复的最大拉伸而言，不仅真空度因此还有拉力，而且真空所作用的可重复的面积尺寸是决定性的，因此框架在槽7之外应该贴合在夹紧工作台5上。槽的形状不太重要，但是其宽度和深度可能影响可能的拉伸。槽越宽，真空作用的面积便越大，槽太浅可能限制可以拉入槽7内的材料量。槽7的内棱边最好倒圆，多孔衬垫14的表面做得附着性尽可能小，从而使对拉伸起反作用的附着摩擦力尽可能小。
为了实施本方法将待加工的平面板1(例如直径为6″-12″的圆形的硅晶片)安放在装在框内的伸缩膜6上，如果晶片还没放在伸缩膜上面的话。如开头已经说明过的那样，晶片通常已经在这种伸缩膜上加工、储存和输送。
装在框内的伸缩膜6连同硅晶片这样安放在夹紧工作台5上，使晶片支承在第一真空场的多孔衬垫14的中心。在第一真空场上建立真空P1，亦即一这样低的负压，以使在随后的加工期间可靠地保持装在框内的伸缩膜6连同硅晶片。根据规定的分割线数量，例如按0.5-30mm的间距在第一加工方向分别产生一初始缺陷，接着由此出发产生分割裂缝。
例如用金刚石滚轮或激光器制成初始缺陷以及借助于激光束和随后的冷却剂来沿分割线产生分割裂缝对于专业人员可由现有技术得知，因此不必详细说明。
对于本发明重要的是，将切开的各条形板4以一间距分开，以便在将条形板4分割成单块板3时防止相互影响。这个间距为3-10μm就够了。
产生初始缺陷(这沿第二加工方向不仅在平面板棱边上实现，而且分别在条形板棱边上实现)可以在分开间距的工步之前或之后进行。对于在100-300μm厚度范围内的硅晶片而言，在该工步之前产生初始缺陷是有利的。也就是说在条形板4分开到一定间距前，用于沿第二加工方向的分割裂缝的所有初始缺陷便都加工好了。
在分开一定间距后，分别从一初始缺陷出发以0.5-30mm的间距分别产生沿第二加工方向的分割裂缝。单块板3最好是长方体形的，亦即在90°加工角的情况下制造。
在图4a-4b中表示硅晶片在分割的不同加工阶段的局部视图。在时刻t1(图4a)沿第一加工方向切割硅晶片。这时形成的条形板4还相互紧靠。在时刻t2(图4b)条形板4业已分开到一定间距，在时刻t3(图4c)条形板4已经在其部分长度上分割成单块板3。
附图标记清单
1  平面板                10  发射激光束的装置
2  分割线                15  11发射冷却剂束的装置
3  单块板                12  用来产生初始缺陷的装置
4  条形板                13  用于相对运动的机构
5  夹紧工作台            14  多孔衬垫
6  装在框内的伸缩膜      PN  标准压力
61 伸缩膜                20  P1通过第一真空场保持伸缩膜
62 框                        61的真空
7  槽                    P2  通过第二真空场使伸缩膜61
8  真空腔                    拉伸的真空
9  真空泵

Claims (7)

1.用来分割由易碎裂材料制成的平面板的方法，其中利用借助于用激光产生的热感应应力引入的网状设置的分割线将平面板分割成多个规定边长的单块板，
其中分别从一待产生的初始缺陷出发首先沿第一加工方向引入分割线，从而将平面板(1)分割成多个条形板(4)，并且
接着在条形板(4)相互移开一定间距后沿第二加工方向产生分割线，该第二加工方向与第一加工方向围成一加工角，从而将各个条形板(4)分割成单块板(3)，
其中通过真空(P1)将平面板(1)、条形板(4)和单块板(3)保持在一夹紧工作台(5)上，其特征为：
将平面板(1)粘附在一装在框内的伸缩膜(6)上，并且将所述装在框内的伸缩膜(6)至少沿垂直于第一加工方向的方向拉伸，而撤消保持平面板(1)的真空(P1)，以便在条形板(4)之间产生间距。
2.按权利要求1所述的方法，其特征为：
在装在框内的伸缩膜(6)拉伸之前，引入用于沿第二加工方向的分割线的初始缺陷。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述装在框内的伸缩膜(6)从粘附的平面板(1)的中心出发径向拉伸。
4.按权利要求3所述的方法，其特征为：
拉伸通过沿一围绕平面板(1)的槽(7)建立另外的真空(P2)实现。
5.用来分割由易脆裂材料制成的平面板(1)的设备，平面板粘附在一装在框内的伸缩膜(6)上，具有：
用来沿平面板(1)上的规定分割线发射激光束的装置(10)；
用来沿平面板(1)上的分割线喷射冷却剂束的装置(11)；
用来分别在分割线的起始点处产生初始缺陷的装置(12)；
夹紧工作台(5)，其具有一能被控制的第一真空场用来支承和保持平面板(1)；
以及用于所述各装置相对于夹紧装置沿网状设置的分割线相对运动的机构(13)，其特征为：
在夹紧装置上设置一能被独立控制的第二真空场，该第二真空场通过槽(7)构成，该槽如此设计，使该槽包围放在上面的平面板(1)，并且装在框内的伸缩膜(6)被拉入槽内，以便拉伸伸缩膜。
6.按权利要求5所述的设备，其特征为：槽的内棱边倒圆。
7.按权利要求5或6所述的设备，其特征为：第一真空场的支承面是一多孔衬垫(14)。
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