CN105658373B - 用于将平坦的工件分离成多个部段的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过使用热激光束分离（TLS）技术来将平坦的工件（1）分离为多个部段（7）的方法和设备。在所述方法中，在所述TLS步骤之前，通过使用又一激光器，借助于局部材料处理，沿着所述工件（1）中的一条或多条预定义分离线产生至少一条改性材料线（2），这使得所述工件（1）沿着所述分离线的断裂应力减小。在这种情况下，在与所述工件（1）的表面相距一定距离处，完全地或至少部分地产生所述线（2）。借助于所述方法实现了分离开的部段的边缘的更高质量。

Description

用于将平坦的工件分离成多个部段的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于将平坦的工件分离为多个部段的方法，其中，在第一步骤中，借助于通过使用穿过工件的表面的激光束进行的局部材料处理，沿工件中的一条或多条预定义分离线产生一条或多条改性材料线，这导致工件沿分离线的断裂应力减小，并且在第二步骤中，借助于热激光束分离沿着分离线将工件分为部段。本发明还涉及一种设计用于执行该方法的设备。
在许多技术领域中，有必要将较大工件分为多个大体上形状相同的部段或者从工件分离出多个均匀的结构。其中一个示例是半导体产业或者诸如太阳能或光学微机电系统（MEMS）等相关产业中的部件或芯片的单个化。在这种情况下，在公共基板上生产多个部件。一旦已经完全地处理了部件，就必须使部件互相分离以便可以进一步单独地处理这些部件。可以使用所提出的方法和所提出的设备来执行该分离过程和部件的单个化。
单个化过程有多种要求，例如，高吞吐量、高质量以及所产生的部件边缘的几何路线足够精确、不同材料的层堆叠的清洁分离、部件的质量无损失、以及每个单个化步骤的成本低。本方法和设备还可以按照相同的方式用在其他技术领域中，例如，用在玻璃和陶瓷产业中。
背景技术
下文基于在半导体产业中的应用对当将平坦的工件分离为多个部段时存在的问题进行解释，在半导体产业的应用中存在多种用于单个化过程的方法和设备。目前，通常是在机械或基于激光的技术的帮助下对在基板上生产的部件进行分离。
此外，还存在如下技术：机械和基于激光的方法的组合、等离子蚀刻方法、以及借助于通过研磨而进行打薄处理的分离方法。
所提到的后两种方法和组合方法目前仅处于第二重要的地位。
独立于所选择的分离技术，通常，在分离过程之前将待分离的基板固定在托架上，使得基板在处理期间不会滑动，可以按照受控制的方式来分离部件，并且不会丢失已经分离的部件。根据待处理的基板来选择固定类型。例如，在微电子学中，通常选择在单面胶膜和托架的帮助下固定基板。
在材料去除激光方法中，在一个或多个脉冲激光束的帮助下，沿着划线框去除基板材料，直到所有部件都已被分离。
没有去除或没有切口的激光方法是基于发起并且引导裂纹通过基板。这种没有去除的分离方法的示例是所谓的隐形划片（SD）和热激光束分离（TLS）。
在隐形划片中，诸如，例如在EP 1 716 960 B1中用于分离工件的隐形划片，具有高脉冲强度的脉冲激光束借助于非线性吸收在工件中产生材料弱化，随后通过机械作用使工件在所述材料弱化处断裂。然而，分离具有200 μm的厚度或者更厚的基板需要激光束多次沿着分离线穿过。这增加了处理时间并且因此降低了吞吐量。
此外，在该技术中，为了能够在工件中的足够深度处产生非线性效应，工件不可过度地吸收激光辐射。因此，不能够分离高度掺杂的基板，这是因为激光辐射的吸收发生得太过于接近基板。
热激光束分离涉及：通过使用由工件充分吸收的激光束产生高热应力来分离工件。借助于所述热应力进行的分离需要借助于在工件上或在工件中的适合的材料弱化来发起破裂。为此，已知的是在待分离工件的边缘处或者沿着分离线将凹口引入到工件的表面中，然后在通过激光束进行的随后的高度局部加热期间借助于该凹口发起裂纹。
EP 1 924 392 B1在本文中公开了一种根据专利权利要求1的序文的方法。在所述方法中，在TLS步骤之前，借助于通过使用脉冲激光在工件的表面上进行的材料改性，沿着分离线产生改性材料的轨道，这导致工件沿着分离线的断裂应力减小。所述轨道代替之前引入的凹口并且还可以沿着分离线形成有不同的深度，以便补偿工件可能的不同厚度。然而，在表面处的凹口或者引入以代替凹口的材料改性可能使分离的部段或部件的边缘的质量降低。
发明内容
本发明解决的问题是指定一种用于将平坦的工件分离为多个部段的方法和设备，该方法和设备可以在高速下进行分离并且所产生的部段的边缘的质量比之前的热激光束分离的要高。
借助于根据专利权利要求书1至19中所述的方法和设备来解决该问题。所述方法和所述设备的有利的配置是从属专利权利要求的主题或能够由以下描述和示例性实施例获悉。
所提出的方法是一种基于激光的分离方法，其按照没有切口的方式操作。该方法利用热激光束分离（TLS）的技术，其中，通过组合激光束并且沿着分离线进行冷却来将高热应力引入到工件中，这导致该工件沿着分离线断裂。在这种情况下，按照如下方式来选择激光辐射的能量和强度：使工件材料不会被激光束改性，尤其是熔化。优选地使用CW激光（CW：连续波）来用于此目的。在所提出的方法中，通过使用通过工件的表面的又一激光束（尤其是脉冲激光束）进行的局部材料处理来实现需要用于在TLS中发起破裂的材料弱化。在这种情况下，沿分离线产生一条或多条改性材料线。所提出的方法通过如下事实来区分：所述一条或多条线不是唯一地沿着表面产生，而是完全地或至少部分地在工件中与表面相距一定距离处延伸。这可能涉及一条连续地线或者多条分离线，多条分离线也可能沿着分离线相对于彼此相距一定距离。线的厚度或直径也可以在其长度上不同。
尤其有利地是，按照如下路线产生各条线：在路线中，线始于工件的表面处，并且随后远离表面移动并且在工件中与表面相距一定距离延伸，该距离也可以在线的长度上不同。因此，待分别分离的部段或部件的边缘的质量仅在破裂的起始位置处的表面处受到材料改性的影响，因此部件或部段边缘的剩余路线可以产生有较高质量。在这种情况下，“较高质量”应理解为主要意味着边缘沿着期望的分离线的几何路线尽可能地精确，没有波动或散裂。
通过利用TLS技术，使用所提出的方法可以在分离部段时实现高吞吐量。改性材料线（改性材料线用于在相对于工件的表面相距一定距离处至少部分地发起和引导破裂）的产生同时实现了分离部段或部件的边缘的较高质量，这是因为相对于表面相距一定距离的线段不会对部段或部件边缘有不良影响。在这种情况下，相对于表面相距一定距离的线段或多条线段的长度应尽可能长，但优选地比在表面上前进的线段或多条线段的长度长。
所提出的方法的另一个优点是：也可以在首先局部地去除可能存在于在划线框的区域中的工件和/或大量PCM结构（PCM：过程控制监控）的表面上的金属化之前，利用产生线的第一步骤，以便能够充分吸收在工件中的用于随后的TLS的激光辐射，或者以便去除诸如，例如在安全RFID（无线射频识别）中的安全相关结构。因此，方法允许如下两种分离：在划线框中具有大量PCM结构的工件的分离以及存在薄正面金属的分离。
此外，该方法还可以用于：例如，在各条分离线上方的激光仅在一次通道（即，仅通过一次）的情况下，分离具有相当大的基板厚度（例如，在硅基板的情况下具有至少925 μm的厚度或者在碳化硅的情况下具有450 μm的厚度）的基板，同时使分离边缘具有良好的直线性。该方法还能够分离高度掺杂的半导体薄片，同时使分离边缘具有直线性。还可以借助于所提出的方法来分离不同材料的堆叠层。尤其，可以借助于该方法完全地分离堆叠基板，例如，硅与玻璃堆叠，同时使分离边缘具有良好的直线性。
沿着在第一个方法步骤中产生的分离线的改性材料线可以遵循几何函数或者相对于与表面相距一定距离的任意轮廓。示例性几何函数是：例如，正弦函数、抛物线、线性函数、锯齿函数或三角函数。在这种情况下，各个距离函数还可以固定地与待分离的部段的结构或尺寸相关，尤其取决于待分别分离的部段的长度。
在距离轮廓中，各段线位于分离线的起始和交叉点处，并且在工件中相对于表面以可能地不同的距离在这些点之间延伸，这种距离轮廓是尤其有利的。线还可以按照相同的方式沿着在表面上的划线框中具有表面金属化和/或PCM结构的区域前进。
在所提出的方法中，两条或多条线还可以沿着定义的分离线上下叠置，与表面相距不同的距离，即，在从表面看时沿着分离线完全地或者部分地重叠或者垂直投射到表面上。
优选地通过调节用于产生线的激光束在工件的深度方向上的焦点位置（即，焦点相对于待分离的工件的表面的z值）来实现线与表面相距的距离的变化。可以通过多种技术来实现焦点位置的这种变化。就此而言，可以，例如，在致动器（例如，压电元件或磁性致动器）的帮助下在对相对焦点位置有影响的元件上实施焦点位置。就此而言，借助于在工件的表面之前的激光束的聚焦光学单元的最后一个凸透镜的正弦曲线移动，可以在工件中产生线的相应的正弦曲线距离函数。当然，借助于致动器产生的变化不限于这种正弦函数，而是可以遵循任意限定的轮廓或者任意几何函数的叠加。
还可以在激光束从工件通过期间针对性地接通和切断激光，以便产生线的其他形状。
用于使焦点位置在工件的深度方向上变化的另一种可能性在于：使用移动的光学元件或者具有可变焦距的光学元件（诸如，例如在多面扫描器上的具有可变焦距的镜子元件），或者通过使用自适应镜子。
当然，工件本身也可以相对于激光处理头在距离方向上进行适合地移动，或者反之亦然。
在所提出的方法中，可以使用用于产生线的脉冲激光束的能量输入来产生线，沿着线的能量输入不同。例如，这可以借助于脉冲能量/激光功率的变化和/或同样通过脉冲间隔的变化来实现。可以按照如下方式来实现变化：与待分离的工件的结构或者待分离的部段固定地相关。就此而言，在每种情况下，例如，在与介于中间的区域中相比，在起始和交叉点处，可以引入较高的脉冲能量/激光功率和/或可以选择较小的脉冲间隔。
对于所提出的方法的所有变体，可以使用具有传感器系统的控制器，控制器在第一个方法步骤中用于激光束的焦点位置。如果必要的话，传感器系统使得能够使线的深度位置（即，线相对于结构的距离）与待分离的工件或部段的结构同步。在这种情况下，传感器系统用于识别待分离的工件的表面相对于激光焦点的相对位置，以及用于识别可能存在于表面上的结构，诸如金属化层，例如，必须在脉冲激光辐射的帮助下去除接近表面的金属化层，以便使激光辐射能够穿透以进行第二个处理步骤。在这种情况下，每次当检测到这种结构时控制器均将焦点引导至表面，以便去除扰乱结构。
可以在尚未被单独地预处理的基板上执行第一步骤。然而，在某些方法变体中，在第一步骤之前，执行与第一步骤分离开的预处理步骤，借助于预处理步骤，消除位于工件的表面上的一条或多条设想的预定分离线的区域中的材料，尤其是金属化和/或PCM结构，和/或制备表面以便在第一步骤中耦合在激光束中。因此，若适当，可以提高随后的步骤的效率和精度。
预处理步骤可以包括：例如，借助于预处理激光束进行的选择性激光烧蚀，预处理激光束具有束能量，该束能量比用于位于表面上的材料的烧蚀阈值高并且比用于工件的材料的烧蚀阈值低。这可以用于，例如，消除金属化和/或PCM结构。可替代地或者此外，预处理步骤可以包括：借助于通过激光辐射进行的局部重熔化对基板表面进行的平滑处理。因此，可以对粗糙表面进行平滑处理，以便，例如，与在未平滑处理的基板处进行的耦合相比，激光束在随后的第一步骤中的耦合得以改进。
在局部激光处理的第一步骤中，在许多情况下，如果在表面的长度的主要比例上在与工件的表面相距30 μm至150 μm的距离，尤其是40 μm至60 μm的距离处，产生最靠近表面的改性材料线，那么这是有利的。如果该最上层轨道非常接近表面，那么通常可以实现的是：随后产生的裂纹保留在材料中，从而表面不会被裂纹残留物所污染。而且，可以在随后的TLS步骤的应力场中充分精确地预定义裂纹位置，以便使裂纹不能迁移或者几乎不能迁移并且可实现精确的边缘路线。如果在至少两条线产生为沿着分离线上下叠置的区域中，线之间的深度距离至少为200 μm，那么仅仅使用几条线就可以精确地预先损坏甚至是相当厚的基底，并且使随后的裂纹平面保持准确地定义。优选地，在这种情况下，首先产生远离表面的线，并且然后产生靠近表面的线，以便使激光束总是耦合通过未损坏的材料。
对于分离基板，优选地，在热激光分离的第二步骤中，将用于产生加热区的第二激光束引导到工件上，并且在接近加热区或者部分地与加热区重叠处，将冷却介质应用至表面以便产生冷却区。在这种情况下，如果取决于至少一个工件参数和/或分离速率来设置在加热区的中心与冷却区的中心之间的沿着分离线的距离，则已经证明这是有利的。因此，可以实现对裂纹几何结构的改进。
在某些方法变体中，在第二步骤中，将第二激光束的聚焦设置为使焦点位置处于与在工件的内部中的表面相距一定距离处。接着，热量可以加热区域，将从内部区向外加热区域。与加热射束聚焦在基板表面上的情况相比，这使得能够进行更深度的加热，尤其是在材料的吸收系数极大地取决于温度的情况下。深度加热与冷却的联合实现强烈而良好定位的应力场，强烈而良好定好的应力场则实现精确的裂纹扩展。相对于表面有利的距离在，例如，50 μm至500 μm的范围内，尤其在100 μm至400 μm的范围内。
激光束的这种聚焦适合用于加热而不会使工件的内部熔化，这被视为所有TLS方法的独立的有用方面，包括在前一步骤中在表面处产生分离线的TLS方法。
用于执行方法的设备相应地包括：第一激光单元，可以借助于第一激光单元在工件中产生一条或多条改性材料线；第二激光单元，该第二激光单元设计用于沿着分离线对工件执行热激光束分离；以及控制器，该控制器驱动第一和第二激光束单元以执行方法。在这种情况下，第一激光单元具有用于更改激光束在工件的深度（z-方向）上的焦点位置的装置。控制器设计为：控制器通过使焦点位置发生变化来驱动第一激光单元或用于更改焦点位置的装置，以便在工件中与表面相距不同距离处产生一条或多条线。
在一种配置中，该设备还包括冷却单元，在沿着分离线进行热激光束分离期间，可以通过使用冷却单元将冷却介质局部地应用至工件的表面。例如，可以将水、水-空气混合物、空气、二氧化碳或氮气作为冷却介质并且可以借助于喷雾嘴将其引导至工件的表面上，以便连同激光束产生在工件中进行分离所需要的机械应力。还可以使用其他冷却介质。
在这种情况下，控制器可以具有多种操作模式，以便驱动第一激光单元根据所提出的方法的不同配置产生分离线的不同路线。
该方法和设备可以用于在广泛技术领域中分离平坦的易碎工件，尤其用于分离在薄基板或薄片上产生的部件。就此而言，在微电子学或纳电子学领域中，可以分离不同组成部分的关于待分离的基板材料和层堆叠的半导体薄片。在这里，所有同样可以由来自现有技术的已知方法处理的基板均是恰当的。这些基板是：例如，用于光电伏打等中的单晶和多晶半导体、复合半导体、非晶形半导体。还可以根据所提出的方法来处理包括组合的电气、机械、化学和/或生物组成部分的系统，例如，微电机系统（MEMS）或纳电机系统（NEMS）。在玻璃产业中，该方法可以用于，例如，生产显示器、花砖等。当然，该方法和设备不限于上文通过示例所呈现的应用。
附图说明
下文基于示例性实施例和附图再次更加详细地解释所提出的方法和相关的设备，在附图中：
图1在平面图中示出了具有部件的基板的一部分的示意图；
图2是根据所提出的方法的基板的一部分的示意截面图，在基板中产生了正弦曲线线；
图3示出了根据本方法的通过两个具有产生的改性材料线的示例性部件或部段的示意截面图；
图4示出了根据所提出的方法的基板的一部分的示意截面图，在基板中，产生了多条改性材料线段（在示例中有其中两条）；
图5示出了根据所提出的方法的基板的一部分的另一示意截面图，在基板中，产生了多条改性材料线段（在示例中有其中两条）；
图6示出了设备的一个实施例的示意图，设备用于将平坦的工件分离为部段（在图6A中）和细节视图（在图6B至图6D中）；
图7示出了用于产生上下叠置的改性材料线的过程的示意图；
图8示出了第二激光束在工件的内部的聚焦，以便在热激光分离期间进行加热；以及
图9示出了第二激光处理的细节视图，以便在热激光分离期间及时在连续的点处加热工件。
具体实施方式
图1在平面图中示出了基板1的摘录部分，基板1具有待分离为部件的芯片1，以便阐明出现在本文的术语。在该图中，除了芯片101外，还标出了当执行分离步骤时的划线框102、划线框宽度103、切口104、切口宽度105和移动方向203、204（x-和y-方向）。
图2示出了通过相应的基板1的横截面，基板1意在单个化为单个的部段或部件。在这种情况下，所提出的方法使用两个独立的处理步骤。在第一步骤中，沿着定义的分离线产生一条或多条改性材料线2，以确定TLS裂纹开始的位置以及通过脉冲激光束5的适当聚焦来将TLS裂纹引导至待分离的基板1之上和/或之中。在图2中的示例中，借助于激光束5产生的改性材料线2与基板1的表面相距一段在正弦曲线上不同的距离并且同样与后侧相距一段相应的距离。在本示例中，遵守相对于表面的最小距离4和相对于基板1的后侧的最小距离3。通过更改激光束5的焦点6在基板1中的深度位置来产生距离的变化。在所提出的方法中，最小距离3、4也可以变为零，从而使线2也可以在基板1的表面和/或后侧上的部分中前进。在所提出的方法中，优选地仅在表面上的特定位置处产生路线（例如，以便发起裂纹）或者在分离线的交叉点处产生路线，以便使所分离的部件的部件边缘的质量不会受到该材料改性的负面影响。
图3示出了示例，在该示例中，所产生的线2的距离函数定期地从表面处前进并且适应于待分离的部件7的尺寸。在本示例中，图3示出了通过基板的两个示例性部件7的横截面。在这种情况下，按照如下方式来选择线2的路线：使线2位于部件7的相应边缘或边界区处的表面上，同时延伸到其间的深度中。因此在这里，在表面上选择了相应线的用于在单个化部件7期间定位和引导TLS裂纹的起点和终点8。
最后，图4示出了线2在基板1中的可能路线的另一个示例。在该配置中，在基板1的在横截面中示出的部分中产生两条沿着分离线前后相连的线2，所述线2在区域9中按特定值重叠。该重叠通过这两条线2的不同的距离而实现，在本示例中，两条线2在重叠区域9中从表面处弯曲。
最后，图5示出了线2的变体的另一个示例，在本示例中，线2弯曲，在这种情况下不重叠，而是在相应分离线的方向上彼此相距相应的距离10。
取决于分离部件（取决于工件材料和工件厚度来进行）的要求和期望的结果来选择线2的几何路线（可能重叠或者可能相距距离）。在第一步骤中引入了相应的线之后，在第二步骤中执行TLS过程以便完全分离基板（分裂步骤）。借助于热诱导机械应力来执行该分裂步骤，热诱导机械应力是通过沿着分离线使又一激光和冷却组合而引入。
就此而言，举例来说，对于将具有400 μm的厚度的硅基板分离为单个芯片，可以使用具有1.2 W的平均功率的脉冲Nd: YAG激光来在第一步骤中分离该线。接着可以将具有130 W的连续波功率和250 mm/s的进给速率的Yb: YAG连续波激光用于随后的TLS步骤。
为了进一步解释本方法和设备的变体，图6示出了用于将平坦的工件1分离为多个部段（在子图6A中）的设备600的示意图。该设备以生产线的方式来构造并且包括多个处理单元，工件相继地通过这些多个处理单元，并且在多个处理单元中，在每种情况下，在工件上临时地相继执行不同的处理步骤。
在上述的第一步骤（用于产生改性材料线）之前，预处理单元PRE配置用于执行至少一个预处理步骤，例如，可以借助于至少一个预处理步骤消除位于工件的表面上的在划线框的区域中的一条或多条设想的预定义分离线的区域中的材料，诸如金属化和/或PCM结构，和/或，若适当，还可以借助于至少一个预处理步骤来制备表面以用于在随后的第一步骤中耦合在激光束中。预处理可以包括：例如，借助于局部重熔化对基板表面进行平滑处理，局部重熔化在这里也称为“激光抛光”。
在预处理步骤之后，将工件运输至下游第一激光处理单元DC，在下游第一激光处理单元DC中，执行用于产生至少一条改性材料线LM的第一步骤。由于所述线产生为至少部分地处于工件1的表面S下方的一定距离处在材料中的特定深度处，所以该单元也称为深度划线单元（简写为DS）。所述单元包含第一激光单元L1，使用第一激光单元L1，借助于通过工件1的表面S的激光束5，可以通过局部材料处理沿着工件中的一条或多条预定义分离线产生一条或多条改性材料线LM。在这里，按照如下方式来实现激光处理：使改性材料线导致工件的沿着分离线的断裂应力减小。
随后将工件运输至下游单元，下游单元配置用于热激光束分离并且在这里也称为TLS单元TLS。TLS单元包括：第二激光单元L2，第二激光单元L2设计用于沿着分离线对工件执行热激光束分离；以及还包括冷却单元CL，借助于该冷却单元CL，在沿着分离线进行热激光束分离期间，可以将冷却介质局部地应用至工件的表面，结果是由于温度差而在工件中产生热诱导机械应力，所述机械应力导致工件材料的沿着预定义分离线的精确裂纹。每个所述单元均连接至控制器ST，控制器ST根据过程的规定控制单个方法步骤。
预处理单元PRE的激光单元L0设计为：例如，借助于激光束50使位于在划线框102的区域中的工件的表面S上的材料（诸如PCM结构PCM和/或金属化）发生选择性激光烧蚀。在这种情况下，按照如下方式来配置散射调节器DIV0和下游凸透镜LS0：使激光束50聚焦到表面上的待消除的结构上。激光束的射束特性设置为：用于位于表面上的待消除的材料的烧蚀阈值AS2大大地超过，而用于工件1的材料的烧蚀阈值AS1则远远不足（图6C）。因此，实际上在工件材料上未发生材料去除，而位于表面上的结构的受到辐射的材料则以其他方式蒸发掉或者被消除。
借助于预处理单元PRE，可以清洁划线框102（即，在部段101上的期望结构之间的区域）或者划线框的至少一个定义的部分。可能地是，还可以使表面改性，以便促进激光在随后的第一步骤中更好的耦合。优选地将短脉冲激光，尤其是纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光，用作预处理激光。优选地按照如下方式来选择激光波长：实际上没有将激光辐射吸收到工件材料中，而在上覆盖层或结构的材料中则具有较高吸收。
可替换地或者此外，例如，可以借助于具有在，例如，几纳秒（ns）至几微秒（ms）范围内的激光波长的激光来实现基板材料的局部重熔化。该预处理过程（在这里也称为“激光抛光”）在如下情况下可以是有利的：例如，在非常粗糙的表面的情况下，在这种情况下，由于激光分布极其广泛，所以激光束在下游DS站中的耦合（即，当产生改性材料线时）由于高表面粗糙度而受到干扰。借助于重熔化进行的平滑处理可以降低短频粗糙度并且因此使得能够更好的耦合和/或减少广泛分布幅度。在某些情况下，典型的重熔化深度可以是几微米（μm），例如，高达5 μm，但也可以更大，例如，高达几百微米，例如，200 μm。
第一激光单元L1在材料流动方向上布置在预处理单元的下游，包括第一激光单元L1的深度划线单元DS用于产生改性材料线LM。在这种情况下，激光束的聚焦必须是：使线辗过较大或较小程度的长区域，处于工件1的材料内的表面S下方的一定距离处，在预定义深度处。为了实现耦合以及在期望深度处聚焦，提供了用于更改激光束5在工件的深度中的焦点位置的装置。在该示例的情况下，所述装置包括可变设置的散射调节器DIV1和下游凸透镜L1。该凸透镜是固定地，即是说不需要移动。可变散射调节器DIV1配置用于：根据控制器ST的控制信号使出现在凸透镜1的方向上的射束的散射发生变化。在这种情况下，与较小的散射角度或辐射平行入射相比，散射的增加导致焦点位置更深。在本申请中描述的用于更改焦点位置的其他方法同样是可能的。
在某些方法变体中，按照如下方式控制该部分过程：使改性材料线LM（即，用于裂纹引导的损坏轨道）大约出现在工件的上部三分之一处（从表面S角度看），尤其是在与表面S相距30 μm至150 μm的距离D1相对应的深度范围中。例如，如果相对于表面S的距离D1在40μm与60 μm之间，那么通常可确保：在深度划线步骤中，裂纹保持在材料中并且不会向上逃离表面。另一方面，该深度又足以小，以便确保：在随后的热激光分离期间，裂纹出现在热激光分离的热应力场内的正确位置处并且保持在那里。
在参照图6描述的方法变体中，在特定情况下，将许多改性材料线LM应用到基板之上和/或之中，从上方看（参见图1），所述线在交叉点的区域中还不可避免地会互相交叉。由于借助于激光进行的处理或辐射在交叉点处至少发生两次，所以交叉点可能潜在地引起更多损坏，所以在某些变体中，规定对线的深度位置进行预定义，以便使在一个方向和其他方向上横贯彼此的线位于该交叉点的区域中的不同深度处。
在第一激光单元L1的帮助下已经产生改性材料线或者具有工件材料的减小的断裂应力的区域，在这之后，在已经将工件运输至TLS单元TLS后，执行第二步骤，即，通过热激光束分离沿着分离线分离工件。为此，第二激光单元L2使用激光束60，按照如下方式来选择激光束60的波长、能量和强度：使工件材料不被激光束改性，尤其是熔化，而只是在加热区HZ中发生对工件材料的局部加热（图6D，从上方看工件表面）。与此同时，在冷却单元CL的帮助下，在冷却区CZ的区域中对在接近表面的区域中的工件材料进行局部冷却。为此，冷却单元具有冷却剂喷嘴CD，冷却剂喷嘴CD可用于向工件表面S上喷射或射击流体冷却介质。例如，可以将冷却气体（例如，空气）和水滴的混合物用作冷却剂。
尤其处于从加热区向冷却区的过渡区处的较高热诱导应力导致裂纹R，裂纹R以高精度主要在垂直于表面的裂纹平面中前进并且在热激光分离期间以受控方式按照工件的进给速率扩展。
TLS单元TLS的一个特殊特征在于：可以按照连续可变的方式将在加热区的中心与冷却区的中心之间的距离HC调节为，例如，大约在1 mm至5 mm的距离范围中，若适合，也可以调节为在上述范围之上或之下。这可以借助于，例如，如下事实来实现：冷却剂喷嘴CD可以相对于激光单元L2线性地布置并且可以借助于设置单元锁定在不同的位置处。结果是，热应力场的特性可以最佳地适应于分离过程的过程参数，诸如，例如工件的进给速率、工件材料等。
将参照图7对工件材料内的第一步骤（即，产生改性线）的其他变体进行解释。该图示出了以固定方式安装的最后一个凸透镜L1和布置在其上游的散射调节器DIV1，散射调节器DIV1使得能够以连续可变的方式设置射束散射。在该示例的情况下，在具有超过400 μm的厚度的工件1中，意在沿着分离线垂直地产生上下叠置的多条改性材料线，以便在随后的热激光分离期间准确地定义垂直于表面S的分离平面的路线。在第一操作模式中，按照如下方式设置第一激光束：使激光束通过表面S聚焦至平面的第一焦点F1处，第一焦点F1位于，例如，表面下方相距4 μm至60 μm的距离D1处，以便产生第一改性材料线LM1。第一改性材料线LM1在其长度的大部分上大约平行于表面S前进并且可以前进至远至边界区中的表面。在这种情况下，边界区也可以是仅在后来由于在正交方向上进行分离而变成的部段的边界区。
在第二操作模式中，第二次沿着所期望的分离线横跨划线框的同一区域，其中，来自散射调节器DIV1的射束设置有较高的散射，从而使激光束的第二焦点F2的平面随后位于材料中更深的深度处，具体地在与第一线LM1相距深度距离D2处。已经发现，数量级为200 m或更大的垂直距离D2足以确保：在随后的热激光分离期间，裂纹基本上精确地沿着分离线在所期望的分离平面中前进。在这里，利用了热激光分离的一个优点，该优点在于：材料中高度局部集中的应力场使得裂纹基本上垂直于工件表面进展，从而使损坏线之间的相当大的距离足以预定义所期望的分离平面。
在某些变体中，首先产生较深的线LM2，并且然后产生接近表面的线LM1。在较厚的基板中，还可以产生三条或者三条以上的在深度中上下叠置的线。
作为所图示的分配和连续执行的预处理步骤（PRE）的替换，还可以使用其他方法实施和系统配置，在所图示的分配和连续执行的预处理步骤（PRE）中，在每种情况下，产生用于整个基板的改性材料线（借助于第一激光处理单元DS在第一激光处理步骤（深度划线）中）以及随后的热激光分离（TLS）。例如，可以一个紧接着另一个地来布置用于预处理步骤（PRE）、产生改性材料线（DS）和热激光分离的模块，从而在每种情况下，在处理了平行于分离线或垂直于分离线的下一个分离线之前，沿着分离线一个接一个地执行这些步骤。可以将这些模块组合到组合模块中，从而在每种情况下，对于每个切割步骤（分离步骤）来说，都能一个接一个地执行所有的操作。通过，例如，仅仅将预处理单元（PRE）与用于产生改性材料线的单元DS组合起来以形成组合模块，还可以仅使用单个模块来实现这点。在这里，在某些情况下，可以通过来自共同激光源的激光束保存激光源，借助于分束器单元将该共同激光源分为用于对表面预处理的第一部分射束和用于产生改性材料线的第二部分射束。还可以将分束提供在单个模块内，以便产生两个或更多部分射束，例如，在预处理期间和/或在第一激光处理步骤期间，所述部分射束沿着彼此平行的分离线同步地处理基板。
鉴于在许多情况下必须以比之前步骤更慢地或者更低的进给速度来执行热激光分离的步骤，尤其是第一激光处理步骤，所以可以规定在第一激光处理单元的下游布置两个或更多第二激光处理单元和冷却单元，这两个或更多第二激光处理单元和冷却单元可以短暂地平行操作，并且可以规定在第一激光处理步骤结束后，借助于分配单元沿着下游TLS站分配基板。
将参照图8和图9解释在热激光分离期间（即，在第二步骤中）在基于激光束加热中的特殊特征。可以使用于加热的第二激光束单元按照如下方式聚焦：使激光束的焦点区域位于工件的表面S上或者接近工件的表面S。然而，调查显示，可能有利的是将焦点区域F3定位在材料内，即，处于相对于工件1的表面S相距一定垂直距离处。焦点位置与表面之间的最佳距离D3可以取决于材料变化并且在，例如，100 μm至500 μm之间的范围中。此外，可以按照适应于工件的材料的方式来选择第二激光束的波长，以便在材料中发生充分吸收，从而加热材料。对于硅的处理，例如，已经证明大约为1070 nm的波长尤其适合。通常，对于加热半导体材料而言，有利地是选择能量低于相应材料的带隙的激光波长。第二激光束60的聚焦方式优选的是：使激光束与表面S之间的交叉区域完全位于划线框内，相对于相邻的部段结构STR具有侧向安全距离，从而使激光束不会碰撞表面S。
如果最高能量强度的区域，即，焦点区域，转移至工件材料内，那么可以实现的是，受热区向下到达比聚焦在表面处的情况下更深的深度处。因此，可以实现的是，努力追求的热诱导应力场也在材料内延伸至比聚焦在表面的情况下更深的深度处。反过来，这又使得可以比在仅加热接近表面处的情况下更好地控制裂纹平面（理想地垂直于表面）的路线。
在第二步骤中在工件内聚焦激光束使得可以在表面的方向上从工件的内部产生期望的加热。对于如下工件而言：即，工件材料针对在第二步骤中的激光束具有极大地取决于温度的吸收系数，也可以使得在与表面相距更大距离的较深区中进行加热，聚焦在工件材料中，在这种情况下，激光束的穿透深度随着温度的增加或辐射时长的增加而变化。就此而言，图9示意性地示出了在用于加热工件材料的辐射期间的不同时间的工件的部分，以进行解释。在加热阶段开始的时间t1的点处，在与表面相距较大距离的位于材料内的焦点的区域中，出现最大比例的热量。随着加热的增加，工件材料的吸收也增加，从而在随后的时间t2＞t1点处，激光束的穿透深度已经减小。在更随后的时间t3＞t2点处，由于吸收再次增加，所以激光束几乎只能勉强穿透到材料中。用这种方式能够实现的是：即使在没有基于机器调节焦点位置的情况下，在设想的分离区域中也能将工件加热至较大的深度处，该深度足以使得产生向下延伸至材料的深度中的应力场。圆形和椭圆形、方形或非方形、延长矩形射束横截面可以用于该目的。
独立于本申请中描述的发明的其他特征，这种变体在热激光束分离的其他方法中也可以是有利的，并且被视为独立的发明。尤其，如果在之前的第一步骤中，仅沿着工件的表面产生损坏的材料线，那么该过程在加热期间也可以使用。
在随后的清洁步骤中，未图示更多具体细节，可以在清洁操作中对具有现在已经互相分离的部件的处理工件进行清洁。为此，例如，可以借助于压缩空气或某些其他压缩气体来吹扫表面，以便消除可能的残渣。为了通过使用离心力来清洁表面，还可以迅速地旋转整个工件。这些措施可以进行组合。
所提出的方法具有沿着工件的表面的划线边缘或线，因此与已知的隐形划片（SD）和迄今为止已知的热激光束分离（TLS）的方法相比，所提出的方法具有多个优点，如可以从如下表格中所得出的：
# 特征 所提出的方法 SD TLS
1 对薄后侧金属进行无烧蚀分离 是 否 是
2 对在划线框中的大量PCM结构进行分离 是 否 有限制
3 对薄前侧金属进行分离 是 否 否
4 对于高达925 μm（硅）或450 μm（碳化硅）的厚度的基板执行组合的“单通过程” 是 否 是
5 对高达掺杂的薄片进行分离 是 否 是
6 分离片的直线性 良好 良好 不那么好
7 侧表面的质量 改变几微米（μm），独立于基板厚度，剩余部分平滑 改变了约为基板厚度的50%，剩余部分平滑
8 划线框宽度对于薄片厚度的依赖性 低 高 低
9 对于堆叠基板的选择性分离 良好且平直 否 良好，不那么平直
10 对于堆叠基板的完全分离 良好且平直 否 良好，不那么平直
11 对于对振动和/或冲击灵敏的部件（例如，MEMS）的分离 是 有限制 有限制

Claims (26)

1.一种用于将工件（1）分离成多个部段（7）的方法，其中，
在第一步骤中，借助于使用穿过所述工件的表面的激光束（5）的局部材料处理，沿所述工件（1）中的一条或多条预定义分离线产生改性材料的一条或多条线（2），这导致所述工件（1）沿所述分离线的断裂应力减小，以及
在第二步骤中，所述工件（1）借助于热激光束分离沿所述分离线被分成部段（7），
其特征在于：
在每种情况下，产生所述一条或多条线（2），使得它们始于所述工件（1）的表面处，并且随后沿所述工件（1）中的所述分离线相对于所述表面以不同的距离延伸，
其中在每种情况下，所述一条或多条线（2）在所述分离线上的会妨碍用于所述热激光束分离的激光辐射耦合至所述工件（1）中的表面结构或表面金属化的区域中被引导至所述表面，以便使用所述激光束（5）来局部地去除所述分离线上的所述表面结构或表面金属化，
其中所述一条或多条线（2）完全地或至少部分地在所述工件（1）中与所述表面相距一定距离处产生，其中在所述第二步骤中，用于产生加热区（HZ）的第二激光束（60）被导引到所述工件上，并且在接近所述加热区或部分地与所述加热区重叠处，冷却介质被应用于所述表面用于产生冷却区（CZ）。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征在于：
在每种情况下，产生所述一条或多条线（2），使得它们始于每个部段（7）在所述表面处的边界位置处，并且随后沿所述工件（1）中的所述分离线相对于所述表面以不同的距离延伸。
3.如权利要求1所述的方法，
其特征在于：
在每种情况下，产生所述一条或多条线（2），使得它们始于每个部段（7）在所述表面处的第一边界位置处，然后沿所述工件（1）中的所述分离线相对于所述表面以不同的距离延伸，并且在与所述部段（7）上的所述第一边界位置相对定位的第二边界位置处再次到达所述表面。
4.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
所述一条或多条线（2）被产生为熔融材料和/或无定形材料和/或在所述表面处去除的材料的线。
5.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
产生所述线（2）中的至少两条线，所述至少两条线沿所述分离线部分地一个位于另一个之上。
6.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
所述一条或多条线（2）利用沿所述线（2）变化的所述激光束（5）的能量输入来产生。
7.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
所述一条或多条线（2）使用脉冲式的激光束（5）来产生。
8.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
所述一条或多条线（2）与所述工件的表面的不同距离通过所述激光束（5）在所述工件（1）的厚度方向上的焦点位置的变化产生。
9.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
在所述第一步骤之前，执行与所述第一步骤分离的预处理步骤，借助于所述预处理步骤，位于所述工件的表面上的一条或多条设想的预定义分离线的区域中的材料被消除，和/或所述表面被制备用于在所述第一步骤中耦合在所述激光束中。
10.如权利要求9所述的方法，
其特征在于：
借助于所述预处理步骤，金属化和/或PCM结构被消除。
11.如权利要求9所述的方法，
其特征在于：
所述预处理步骤包括借助于预处理激光束进行的选择性激光烧蚀，所述预处理激光束具有比位于所述表面上的材料的烧蚀阈值高并且比所述工件的材料的烧蚀阈值低的束能量，和/或所述预处理步骤包括借助于局部重熔化对基板表面进行的平滑处理。
12.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
在与所述工件（1）的表面相距30 μm至150 μm的距离（D1）处，在所述表面的长度的主要比例上产生最靠近所述表面的改性材料的线。
13.如权利要求12所述的方法，
其特征在于：
在与所述工件（1）的表面相距40 μm至60 μm的距离处，在所述表面的长度的主要比例上产生最靠近所述表面的改性材料的线。
14.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
在产生沿所述分离线一个位于另一个之上的所述线（2）中的至少两条的区域中，所述线之间的深度距离（D2）为至少200 μm，和/或在产生沿所述分离线一个位于另一个之上的所述线（2）中的至少两条的区域中，首先产生较远离所述表面的线，并且然后产生较靠近所述表面的线。
15.如权利要求1所述的方法，
其特征在于：
所述加热区（HZ）的中心与所述冷却区（CZ）的中心之间的沿所述分离线的距离（HC）取决于至少一个工件参数和/或取决于分离速率来设置。
16.如权利要求1或2所述的方法，
其特征在于：
在所述第二步骤中，所述第二激光束的聚焦被设置成使得焦点位置处于在所述工件的内部中相对于所述表面距离（D3）处。
17.如权利要求16所述的方法，
其特征在于：
所述距离（D3）在50 μm至500 μm的范围中。
18.如权利要求17所述的方法，
其特征在于：
所述距离（D3）在100 μm至400 μm的范围中。
19.一种用于将工件（1）分离成多个部段的设备，所述设备至少包括：
第一激光单元，利用所述第一激光单元，借助于使用穿过工件的表面的激光束（5）的局部材料处理，改性材料的一条或多条线（2）能够沿所述工件（1）中的一条或多条预定义分离线产生，这导致所述工件（1）沿所述分离线的断裂应力减小，
第二激光单元，其被设计用于所述工件的沿所述分离线的热激光束分离，以及
用于所述第一激光束单元和所述第二激光束单元的控制器，所述控制器用于在所述工件（1）中产生所述一条或多条线（2）以及用于随后执行所述热激光束分离，
其中，所述第一激光单元包括用于改变所述激光束（5）在所述工件（1）的深度上的焦点位置的装置，并且所述控制器通过所述焦点位置的变化来驱动所述第一激光单元，以便在所述工件（1）中与所述表面不同距离处产生所述一条或多条线（2），
在每种情况下，产生所述一条或多条线（2），使得它们始于所述工件（1）的表面处，并且随后沿所述工件（1）中的所述分离线相对于所述表面以不同的距离延伸，
其中在每种情况下，所述一条或多条线（2）在所述分离线上的会妨碍用于所述热激光束分离的激光辐射耦合至所述工件（1）中的表面结构或表面金属化的区域中被引导至所述表面，以便使用所述激光束（5）来局部地去除所述分离线上的所述表面结构或表面金属化，其中设置了冷却单元，所述冷却单元能够通过所述控制器驱动，并且利用所述冷却单元，冷却介质能够在沿所述分离线的所述热激光束分离期间被局部地应用于所述工件的表面。
20.如权利要求19所述的设备，
其特征在于：
所述第一激光单元包括脉冲激光，并且所述第二激光单元包括连续波激光。
21.如权利要求19或20所述的设备，
其特征在于：
所述控制器具有操作模式，在所述操作模式中，它驱动所述第一激光单元用于产生所述一条或多条线（2），使得所述线（2）始于每个部段（7）在所述表面处的为所述控制器预定义的边界位置处，并且随后沿所述工件（1）中的所述分离线相对于所述表面以不同的距离延伸。
22.如权利要求19或20所述的设备，
其特征在于：
所述控制器具有操作模式，在所述操作模式中，它驱动所述第一激光单元用于产生所述一条或多条线（2），使得所述线（2）始于每个部段（7）在所述表面处的为所述控制器预定义的第一边界位置处，然后沿所述工件（1）中的所述分离线相对于所述表面以不同的距离延伸，并且在与所述部段（7）上的所述第一边界位置相对定位的为所述控制器预定义的第二边界位置处再次到达所述表面。
23.如权利要求19或20所述的设备，
其特征在于：
所述控制器被设计成使得它能够驱动所述第一激光单元用于利用沿所述线（2）变化的所述激光束（5）的能量输入来产生所述一条或多条线（2）。
24.如权利要求19或20所述的设备，
其特征在于：
所述控制器被连接至传感器布置，所述传感器布置识别在所述分离线的区域中存在于所述工件的表面上的结构，并且所述控制器被设计成使得当在所述分离线上检测到这样的结构时，所述控制器在所述一条或多条线（2）的产生期间控制所述激光束（5）的焦点位置，使得借助于所述激光束（5）去除所述结构。
25.如权利要求19或20所述的设备，
其特征在于：
设置了具有激光单元（L0）的预处理单元（PRE），所述预处理单元（PRE）被配置成在用于产生改性材料的线的第一步骤之前，执行至少一个预处理步骤，通过所述至少一个预处理步骤，位于所述工件的表面上的一条或多条预定义分离线的区域中的材料能够被消除，和/或通过所述至少一个预处理步骤，所述表面能够被制备用于在后续的第一步骤中耦合在所述激光束中。
26.如权利要求25所述的设备，
其特征在于：
通过借助于局部重熔化的基板表面的平滑处理，所述表面能够被制备用于在后续的第一步骤中耦合在所述激光束中。
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