CN110064840B - 激光切片装置及激光切片方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光切片装置及激光切片方法，该激光切片装置及激光切片方法能够不使裂纹或裂缝产生而分离加工对象物。该激光切片装置利用激光将加工对象物分离，该激光切片装置具备：遮光区域检测部，其检测存在于所述加工对象物的第一表面侧的遮光区域；以及控制部，其以对所述加工对象物的所述第一表面的整个面进行扫描的方式从所述第一表面侧照射第一激光，从而在所述加工对象物的内部的预定切片面上形成第一改质层，并且从所述第一表面的背面侧的第二表面，对所述加工对象物的所述遮光区域照射第二激光，从而在所述预定切片面上与所述第一改质层连续地形成第二改质层。

Description

激光切片装置及激光切片方法
技术领域
本发明涉及激光切片装置及激光切片方法。
背景技术
以往，已知有以硅晶片为代表的由脆性材料构成的基板(以下，也称为“晶片”)。
通常，在制造这种晶片时，在进行了以下步骤以后，用线锯将块状化了的晶锭切片来制造晶片(基板)：使硅从在石英坩埚内熔融的硅熔液中结晶并生长从而生成凝固了的圆柱形的晶锭的步骤；将晶锭切成适当的长度的晶块的步骤；以及磨削晶块的周缘部使晶块成为目标直径的步骤。
但是，此时，需要线锯的粗细尺寸以上的切削余量，因此制造厚度0.1mm以下的较薄的晶片非常困难，存在合格率无法提高的问题。
因此，作为能够消除上述问题的方法，存在激光切片方法。激光切片方法是如下的方法：通过聚光透镜，使激光的聚光点对准脆性材料(例如，块状化了的晶锭)的内部，利用该激光对脆性材料的内部进行扫描，从而在脆性材料的内部形成由多光子吸收而成的面状的改质区域，以该改质区域为剥离面将脆性材料的一部分作为晶片剥离。这种激光切片方法不仅应用于硅(Si)，还应用于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等各种材料。
然而，例如，在将激光切片方法应用于氮化镓(GaN)等的情况下，在晶锭内，在结晶生长时产生被称为凹坑(pit)的缺陷，存在这样的缺陷有时导致问题的发生。作为代表性的缺陷，存在起因于晶体结构而产生的六角锥状的孔，该孔多为黑色，在作为晶体生长面的被称为N面的极性面上存在很多。
图8A、图8B、图8C是用于说明常规的激光切片方法中的脆性材料中的缺陷部(瑕疵、凹坑)的问题的图。
图8A示出激光照射前的脆性材料的状态，图8B示出通过激光照射形成了改质区域后的脆性材料的状态。并且，图8C示出在通过激光照射形成了改质区域后，欲分离脆性材料时的脆性材料的状态。
在图8A、图8B、图8C中，脆性材料1例如是由GaN等晶体材料构成厚膜的基板。激光3是从激光振荡器照射的光束，通过使用聚光透镜，能够对材料内部进行聚光照射。改质层是通过聚光透镜将激光3聚光照射于脆性材料内部时形成的改质区域。聚光点Q是激光3的聚光点。缺陷部P是脆性材料所具有的缺陷，例如若是GaN，则是被称为凹坑的缺陷。
未改质区域R是在使用聚光透镜聚光照射激光3时，由于在缺陷部P的下方，激光3被缺陷部P遮挡而无法进行加工，因而未形成改质层的区域。为了分离脆性材料1，需要整个面被改质，在存在未改质区域R的情况下，夹着改质层的、上面的和下面的脆性材料1在未改质区域R相连，因此在使脆性材料以改质层为起点分离时，以未改质区域R为起点在脆性材料1产生裂缝或裂纹。
另外，在图8C中示出在存在未改质区域R的情况下，在欲以改质层为起点剥离脆性材料1时，产生裂缝W的状态。
在专利文献1中，记载了在上述使用激光的激光切片方法中，为了防止在脆性材料1内产生未改质区域而使用具有圆环状的强度分布的激光的方法。
在专利文献1中，脆性材料例如是由切片前的晶体材料构成的板状体。改质层例如是使用XY平台，使脉冲激光的位置相对于脆性材料相对地移动，从而使改质区域在线上延伸而形成的层。在该改质层内，存在裂纹、熔融处理、或折射率变化等状况中的至少一种状况混合存在的情况。遮光区域是以在与预定切断线交叉的方向上延伸的方式设置的条纹状的高密度缺陷区域。
专利文献1：国际公开第2017/126506号公报
发明内容
但是，在专利文献1的现有技术中，为了对遮光区域的下方进行加工，需要使脉冲激光具有比遮光区域大的光束直径，而聚光点处的能量密度与之成比例地变大。
因此，在专利文献1的现有技术的激光切片方法中，在缺陷部(瑕疵或凹坑)的尺寸大的情况下，脉冲激光的能量密度过大，有可能导致分离后的基板内部的裂缝或裂纹的增加。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够不使裂缝或裂纹产生而分离加工对象物的激光切片装置及激光切片方法。
为了解决上述问题，本发明的激光切片装置利用激光将加工对象物分离，该激光切片装置具备：遮光区域检测部，其检测存在于所述加工对象物的第一表面侧的遮光区域；以及控制部，其以对所述加工对象物的所述第一表面的整个面进行扫描的方式从所述第一表面侧照射第一激光，从而在所述加工对象物的内部的预定切片面上形成第一改质层，并且从所述第一表面的背面侧的第二表面，对所述加工对象物的所述遮光区域照射第二激光，从而在所述预定切片面上以与所述第一改质层连续的方式形成第二改质层。
此外，本发明另一个方面的激光切片方法是利用激光将加工对象物分离的方法，该激光切片方法的特征在于，包括以下步骤：检测存在于所述加工对象物的第一表面侧的遮光区域；以及以对所述加工对象物的所述第一表面的整个面进行扫描的方式从所述第一表面侧照射第一激光，从而在所述加工对象物的内部的预定切片面上形成第一改质层，并且从所述第一表面的背面侧的第二表面，对所述加工对象物的所述遮光区域照射第二激光，从而在所述预定切片面上以与所述第一改质层连续的方式形成第二改质层。
根据本发明的激光切片装置，即使在脆性材料内部存在缺陷部的情况下，也能够不使裂缝或裂纹产生而分离加工对象物。
附图说明
图1是第一实施方式的激光切片装置的结构的概要图，
图2是表示第一实施方式的激光切片装置的激光照射的扫描方法的概要图，
图3A是表示使用常规的激光切片装置对脆性材料进行加工的流程的概要图，
图3B是表示使用常规的激光切片装置对脆性材料进行加工的流程的概要图，
图3C是表示使用常规的激光切片装置对脆性材料进行加工的流程的概要图，
图3D是表示使用常规的激光切片装置对脆性材料进行加工的流程的概要图，
图4A是用于说明第一实施方式的激光切片方法的图，
图4B是用于说明第一实施方式的激光切片方法的图，
图5是第二实施方式的激光切片装置的装置概要图，
图6A是表示第二实施方式的激光切片装置的扫描方法的概要图，
图6B是表示第二实施方式的激光切片装置的扫描方法的概要图，
图6C是表示第二实施方式的激光切片装置的扫描方法的概要图，
图7A是用于说明第二实施方式的激光切片方法的图，
图7B是用于说明第二实施方式的激光切片方法的图，
图8A是用于说明常规的激光切片方法中的脆性材料内部的缺陷部(瑕疵、凹坑)的问题的图，
图8B是用于说明常规的激光切片方法中的脆性材料内部的缺陷部(瑕疵、凹坑)的问题的图，
图8C是用于说明常规的激光切片方法中的脆性材料内部的缺陷部(瑕疵、凹坑)的问题的图。
附图标记说明
1：脆性材料
2：激光振荡器
3：激光
4：反射镜
5：聚光透镜
6：Z平台
7：XY平台
8：旋转平台
9：固定夹具
10：控制用计算机
11：相位调制元件
12：固定夹具
13：激光光路切换装置
14：摄像机
17：第一改质层
18：第二改质层
19：第一表面(正面)
20：第二表面(背面)
A：第一改质层上表面
B：第一改质层中面
C：第一改质层下表面
D：宽度
F：第二改质层上表面
G：第二改质层中面
H：第二改质层下表面
S：开始点
E：终点
R：未改质区域
P：缺陷部
Q：聚光点
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。另外，在本说明书和附图中，对于实质上具有相同功能的构成要素，通过标注相同的附图标号而省略重复说明。
(第一实施方式)
<激光切片装置的结构>
图1是第一实施方式的激光切片装置U的结构的概要图。
本实施方式的激光切片装置U具备激光振荡器2、反射镜4、聚光透镜5、Z平台6、XY平台7、固定夹具9、控制用计算机10、相位调制元件11、固定夹具12、激光光路切换装置13、以及摄像机14。
本实施方式的激光切片装置U将基板1S从固定于固定夹具9的脆性材料1(相当于本发明的“加工对象物”)分离。
典型地，脆性材料1是形成为板状的半导体材料(例如，Si、SiC或GaN等)。例如，使用直径2英寸的GaN晶锭等作为脆性材料1。但是，也可以使用除半导体材料以外的其他脆性的材料作为脆性材料1。
为了抑制照射激光3时在正面以及反面的反射，作为脆性材料1，制备事先对正面以及反面进行了平坦化加工使其达到规定的表面粗糙度(例如，均方根(RMS，Root MeanSquare)值为数微米(μm))以下的材料。
对于脆性材料1的厚度或直径没有特别的限定，但优选厚度为50μm以上且10mm以下、直径为10英尺以下。
激光振荡器2是射出激光3的装置。选择能够在脆性材料1的内部通过多光子吸收而形成改质层的波长作为激光振荡器2射出的激光3的波长。此外，优选还考虑对加工材料的透过率来选择激光振荡器2射出的激光3的波长。由此，能够进行效率良好的加工。
激光振荡器2射出的激光3例如是光束直径6mm的平行光，但只要是具有能够入射到聚光透镜5的光束直径的激光就可以任意选择。
激光振荡器2射出的激光3优选使用在100nm以上且10000nm以下的范围内的、相对于脆性材料1能够透过30％以上的波长。另外，激光3的波长较短时，能够使聚光时的光点直径较小，能够降低对脆性材料1的热影响，因此是优选的。从激光振荡器2射出的激光3的脉冲宽度只要是在50ps以下的范围内、且能够进行基于多光子吸收的内部加工即可，没有其他限制。在考虑生产效率的情况下，重复频率越高越好，但由于产生热影响，因此使用在1Hz以上且10MHz以下的范围内的、性能均衡的频率。
典型地，激光振荡器2射出的激光3设为：波长为532nm以下、脉冲宽度为50ps以下、频率为10Mhz以下、数值孔径(NA)为0.95以下、脉冲间距以及线间距在聚光光点直径以下。由此可以使脆性材料1不产生裂缝而形成改质层。
反射镜4将从激光振荡器2射出的激光3朝向载置有脆性材料1的位置反射。反射镜4例如为相对于激光3的波长具有90％以上的反射率。
聚光透镜5是将在反射镜4被反射的激光3聚光的透镜。例如，选择数值孔径(NA)为0.95以下的透镜作为聚光透镜5。另外，只要相对于激光3的波长的数值孔径(NA)为0.1以上且为0.95以下，就可以作为聚光透镜5适用。
作为聚光透镜5，优选是具有像差校正功能的聚光透镜。由此，对脆性材料1的内部的规定厚度的位置，在从正面侧照射激光3的情况以及从背面侧照射激光3的情况中的任一情况下，都能够容易地进行聚光。换言之，由此，在从正面侧照射激光3的情况以及从背面侧照射激光3的情况中的任一情况下，都能够抑制由透镜的球面像差引起的聚光点向激光3的入射方向的延伸，因此能够提高在聚光点处的激光3的能量密度。
但是，作为修正像差的方法，除了使用聚光透镜5的方法以外，也可以是使用相位调制元件11的方法。
Z平台6是将载置有脆性材料1的固定夹具9在Z方向(脆性材料1的厚度方向。下同)上移动的移动单元。作为Z平台6，例如使用移动精度至少为间距在1μm以内且可冲程量为10mm以上的平台。
XY平台7是使载置有脆性材料1的固定夹具9在X方向、Y方向(与脆性材料1的基板面平行的两个相互正交的方向。下同)上移动的移动单元。XY平台7例如配置在Z平台上。作为XY平台7，例如使用移动精度至少为间距在1μm以内、且可冲程量在X方向、Y方向均为200mm以上的平台。另外，作为XY平台7，例如使用扫描速度在0.1mm/s以上且3mm/s以下的范围内可变的平台。
固定夹具9是固定脆性材料1的夹具。固定夹具9利用Z平台6以及XY平台7，以可使脆性材料1的位置移动的状态固定脆性材料1。本实施方式的固定夹具9例如以如下方式形成：经由固定夹具12与XY平台7连接，能够通过该XY平台7，使脆性材料1的位置在X方向、Y方向上移动。此外，本实施方式的固定夹具9例如以如下方式形成：经由固定夹具12及XY平台7与Z平台6连接，能够通过该Z平台6，使脆性材料1的位置在Z方向上移动。
固定夹具9以能够对脆性材料1的正面以及背面照射激光3的方式形成。作为固定夹具9，例如，只要是载置脆性材料1的底面部分由相对于激光3透明的材料构成、或者是以将脆性材料1的正面和背面露出的方式夹持脆性材料1的侧面部分而进行固定的结构即可。另外，相对于激光3透明的材料例如可以是玻璃等，只要是能够入射激光3、且透过率为90％以上的材料即可。
相位调制元件11将激光3分支成多个光束。作为相位调制元件11，没有特别的限定，例如可以使用衍射光栅(Diffractive Optical Elements，DOE)等。
固定夹具12是将固定脆性材料1的固定夹具9与XY平台7连结的夹具。
激光光路切换装置13是变更由激光振荡器2出射的激光3的光路的装置。优选激光光路切换装置13以如下方式形成：能够在控制用计算机10的控制下，将激光3照射到脆性材料1的背面侧的适当位置上。
作为激光光路切换装置13，例如可以使用半快门、反射镜、电光调制器或声光元件等。但是，由于激光3的频率高，因此优选激光光路切换装置13为使用了能够高速切换的电光调制器或声光元件的装置。例如，将使用了声光元件的装置作为激光光路切换装置13使用，从而瞬时变更激光3的光路。
摄像机14对脆性材料1的表面状态进行拍摄。摄像机14例如在通过激光3在脆性材料1的内部形成改质层之前，通过确认脆性材料1的表面状态，从而检测出脆性材料1的正面的缺陷部P，并向控制用计算机10传输与该脆性材料1中的缺陷部P的位置有关的信息。
另外，作为摄像机14，可以使用：常规的可见光摄像机、红外摄像机、利用超声波等的摄像装置。另外，摄像机14也可以对脆性材料1的内部状态进行摄像，以代替对脆性材料1的表面状态进行摄像。
控制用计算机10是对激光切片装置U的各部件进行总括控制的控制装置。控制用计算机10例如与激光振荡器2、激光光路切换装置13、Z平台6、XY平台7以及摄像机14进行数据通信，并对从脆性材料1分离半导体晶片的处理(详细情况后述)进行总括控制。
控制用计算机10具备控制部10a以及遮光区域检测部10b。
控制部10a以对脆性材料1的一侧的正面(以下也称为“第一表面”)的整个面进行扫描的方式，从第一表面侧照射激光3(以下也称为“第一激光”)，从而在脆性材料1内部的预定切片面上形成改质层(以下也称为“第一改质层”)。
另外，控制部10a对脆性材料1的遮光区域(后述)，从脆性材料1的背面(以下也称为“第二表面”)照射激光3(以下也称为“第二激光”)，从而在预定切片面上以与第一改质层连续的方式形成改质层(以下也称为“第二改质层”)。另外，控制部10a是根据遮光区域检测部10b的检测结果，来检测出该遮光区域。
另外，控制部10a控制激光振荡器2、激光光路切换装置13、Z平台6以及XY平台7等，从而实现上述功能。
“预定切片面”是最终分离脆性材料1的边界面，是脆性材料1内部的处于厚度方向(±Z方向)上的规定高度的位置的一面。通常，控制部10a在该预定切片面的整个面无间隙地形成第一改质层。但是，控制部10a也可以以如下方式形成：在预定切片面的整个面中的一部分(例如，预定切片面中的存在缺陷部P的区域)不形成第一改质层。
遮光区域检测部10b根据从摄像机14取得的脆性材料1的正面的表面状态，检测存在于脆性材料1的正面侧的遮光区域(从脆性材料1的正面侧照射激光3时，阻碍该激光3到达预定切片面的区域。下同)。
脆性材料1的遮光区域通常即是存在于脆性材料1的正面侧的缺陷部P的位置。由于存在第一改质层17的部分颜色发生变化，而未改质区域(即遮光区域)则仍是脆性材料1本来的颜色，因此能够利用摄像机14容易地确定位置。但是，遮光区域检测部10b不一定需要识别遮光区域是由脆性材料1的缺陷部P引起的，还是由其他附着物引起的。
遮光区域检测部10b检测缺陷部P的定时可以是执行控制部10a的处理之前的定时，也可以是与执行控制部10a的处理的同时的、与激光3的每个扫描位置分别对应的定时。另外，也可以是在脆性材料1的正面侧的整个面上进行了激光3的照射之后的定时。
另外，作为上述控制用计算机10，例如可以使用包括CPU(Central ProcessingUnit，中央处理单元)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、输入端口以及输出端口等而构成的微电脑。控制用计算机10的控制部10a以及遮光区域检测部10b的功能例如是通过CPU参照存储于ROM或RAM的控制程序或各种数据来实现。但是，该功能不仅限于由软件进行的处理来实现，当然也可以通过专用的硬件电路或软件与硬件电路的组合来实现。另外，控制用计算机10当然也可以由多个计算机来实现。
(激光切片装置的动作)
图2是表示本实施方式的激光切片装置U的激光照射的扫描方法的概要图。
在图2中，作为一个典型的示例，示出了由激光3以线性扫描的方式进行激光照射的扫描方法。本实施方式的激光切片装置U通过使载置有脆性材料1的XY平台7移动，使脆性材料1相对于激光3的相对位置移动，从而对脆性材料1的正面侧的整个区域照射激光3。
本实施方式的激光切片装置U使XY平台7从开始点S起，在Y方向上呈直线状地移动，从而使其从脆性材料1的正面的一端侧到达另一端侧。并且，本实施方式的激光切片装置U使XY平台7在X方向上移动宽度D(即间距宽度)之后，使其以同样的方式呈直线状地从脆性材料1的正面的另一端侧移动至一端侧。本实施方式的激光切片装置U反复进行该扫描，从而依次扫描脆性材料1的正面的整个区域，直至扫描到图2的终点E。终点E是激光3的照射结束位置。另外，间距宽度D设定为与激光3在脆性材料1的正面上的光束直径相对应的间距。
由此，在脆性材料1内部的预定切片面的整个面上，形成改质层17。另外，“改质层”是指在通过聚光透镜5聚光的激光3照射到脆性材料1的内部时，脆性材料1的化合物分解而形成的层。在改质层17中，例如，如果脆性材料1的材料是GaN，则其以如下方式分解：2GaN→2Ga+N2。
此外，在激光扫描中，必须将脆性材料1在进行改质时产生的气体(例如，如果材料为GaN，则为N2气体)排出，因此，优选从脆性材料1的一端侧到另一端侧连续地形成改质层17。
另外，可以通过激光扫描时的扫描速度、激光3的频率(或激光3的脉冲间的间隔)、或间距宽度D等来改变改质层17的形成量(典型地是改质层17的高度方向上的尺寸)。
脆性材料1内部的预定切片面的深度被设定为，即使在切片后基板1S的切片面被磨削、研磨，也能够确保所要求的晶片厚度的值。
图3A、图3B、图3C、图3D是表示使用常规的激光切片装置U对脆性材料1进行加工的流程的概要的图。
图3A示出处于在脆性材料1的内部形成改质层17的过程中的状态。图3B示出在脆性材料1内部的预定切片面上的改质层17的形成已经完成的状态。图3C示出以脆性材料1内部的预定切片面为边界面，将基板材料(半导体晶片)1S从脆性材料1分离了的状态。图3D示出由脆性材料1制成的半导体晶片。
在图3A、图3B、图3C、图3D中，附图标记19表示脆性材料1的正面，附图标记20表示脆性材料1的背面，附图标记17表示形成于脆性材料1内部的改质层，附图标记Q表示激光3的聚光点。另外，聚光点(加工点)Q是激光3通过聚光透镜5在脆性材料1的内部聚光的点，并且是实际进行加工的点。
在本实施方式的激光切片装置U中，使用Z平台6，以在距离脆性材料1的表面指定深度之处形成聚光点Q的方式，对脆性材料1和聚光透镜5的高度方向上的相对位置关系进行调整。并且，激光切片装置U从激光振荡器2射出激光3，由反射镜4反射，使之透过聚光透镜5，从而对脆性材料1的基板面垂直地照射激光3，在脆性材料1的内部形成聚光点Q。由此，在脆性材料1内部的聚光点Q，脆性材料1由于多光子吸收而发生改质(图3A)。
激光切片装置U使用XY平台7如上所述地扫描激光3，由此在脆性材料1内部的预定切片面的整个区域上形成改质层17(图3B)。激光切片装置U然后以改质层17的上表面(预定切片面)为起点，将脆性材料1分离成上层侧和下层侧(图3C、图3D)。此时，如果在脆性材料1内部的预定切片面的整个区域形成有改质层17，则脆性材料1以该脆性材料1的预定切片面为起点，在几乎不施加力的情况下剥离，从而分离成上层侧和下层侧。
另外，分离后的基板1S例如经过作为后续步骤的研磨步骤，成为完成品(例如半导体晶片)。
然而，如图3A所示，当仅从正面19侧形成改质层17时，存在于脆性材料1中的缺陷部(例如凹坑或瑕疵)妨碍激光3入射到脆性材料1的内部，因而该缺陷部的下方区域成为未改质区域。其结果，由于该未改质区域，在图3C的剥离步骤中，在分离的基板1S(半导体晶片)上会产生裂缝或裂纹。
图4A、图4B是用于说明本实施方式的激光切片方法的图。图4A、图4B是从与激光照射方向垂直的方向观察的脆性材料1的侧面剖视图。
本实施方式的激光切片方法包括以下两个步骤：从脆性材料1的正面19侧照射激光3第一照射步骤、以及从脆性材料1的背面20侧照射激光3的第二照射步骤。图4A示出本实施方式的激光切片方法的第一照射步骤，图4B示出本实施方式的激光切片方法的第二照射步骤。
在图4A、图4B中，缺陷部P是存在于脆性材料1内的缺陷，例如，如果是GaN，则开孔有被称为凹坑的、形状各式各样、但以六角锥状为具有代表性的形状的孔，其中多数是黑色的孔。另外，关于缺陷部P的大小，存在从数微米(μm)至数毫米(mm)的缺陷部P。在缺陷部P，由于与其他区域之间的形状和折射率的差异等，无法良好地聚光，因而形成未改质区域。
在此，例如，若脆性材料1是GaN，则以N面侧成为正面19侧的方式，换言之，以Ga面侧成为背面20侧的方式进行配置。在以下说明的激光切片方法中，对以N面侧成为正面19侧的方式进行配置的状态进行说明。但是，也可以以Ga面侧成为正面19侧的方式，换言之，以N面侧成为背面20侧的方式配置。这种情况是凹坑形成在Ga面侧的情况等。
在本实施方式的激光切片方法中，在第一照射步骤中(图4A)，如图2所示，从脆性材料1的一侧的表面，即正面19，在脆性材料1内部的预定切片面的整个面上形成第一改质层17。然后，在第二照射步骤中(图4B)，从脆性材料1的另一侧的表面，即背面20，仅在存在缺陷部P的区域，以在预定切片面上与第一改质层17连续的方式形成第二改质层18。
在本实施方式的激光切片方法中，例如，相对于每个扫描位置形成第一改质层17，而对于缺陷部P的位置，则通过激光光路切换装置13从第二表面20侧入射激光3，从而形成第二改质层18。
此外，第一照射步骤(图4A)和第二照射步骤(图4B)可以相对于每个扫描位置进行，也可以在通过第一照射步骤(图4A)对正面侧的整个面进行扫描后进行第二照射步骤(图4B)。相反地，也可以在通过第二照射步骤(图4B)仅对存在缺陷部P的区域进行改质后，通过第一照射步骤(图4A)对正面侧的整个面进行扫描。
在图4A中，第一改质层上表面A表示作为第一改质层17的上表面的、剥离脆性材料1时成为起点的剥离面、即预定切片面。第一改质层上表面A是通过激光3的聚光点Q扫描而形成的。
第一改质层中面B是从第一改质层17的第一改质层上表面A开始的形成有改质区域并且改质部切实存在的区域的下表面。可以根据改质条件而使厚度方向上的A-B的尺寸(即从第一改质层上表面A到第一改质层中面B的距离)变化，可以使其具有1μm至300μm的厚度，但是如果该尺寸大，则材料损失也变大，因此优选使该尺寸尽可能地小。
第一改质层下表面C是与通过内部的聚光照射而形成的第一改质层17中最深的位置对应的面，厚度方向上的A-C的尺寸(即从第一改质层上表面A到第一改质层下表面C的距离)成为表面的粗糙度的指标。另外，如果该尺寸大，则会导致材料损失以及研磨步骤花费时间，因此优选使该尺寸尽可能地小。
未改质区域R是在使用聚光透镜5聚光照射激光3时，由于在缺陷部P的下方激光3被缺陷部P遮挡而无法进行加工，因而未形成改质层的区域。在该未改质区域R大的情况下，在以改质层为起点分离GaN时，会在GaN基板1S上以未改质区域R为起点产生裂缝。
在图4B中，第二改质层18表示从第一表面19的背面的第二表面20的方向，通过聚光透镜5将激光3聚焦照射到脆性材料1的内部而形成的改质区域。在存在缺陷部P的位置，使用激光光路切换装置13来变更光路，形成第二改质层18。
第二改质层上表面F是第二改质层18的上表面，该第二改质层上表面F与激光3的聚光点Q的高度位置相当。换言之，第二改质层上表面F是在剥离脆性材料1时成为起点的剥离面。
第二改质层中面G是从第二改质层18的第二改质层上表面F上开始的形成有改质区域并且改质部切实存在的区域的下表面。可以根据改质条件而使厚度方向上的F-G的尺寸(即从第二改质层上表面F到第二改质层中面G的距离)变化，可以使其具有1μm至300μm的厚度。
第二改质层下表面H是与通过内部的聚光照射而形成的第二改质层18中的形成有改质层的最深的位置对应的面，厚度方向上的F-H的尺寸成为表面的粗糙度的指标。
在本实施方式的激光切片装置U中，在形成第一改质层17或形成第二改质层18的任一种情况下，都以使脆性材料1内部的激光3的聚光点成为预定切片面的高度位置的方式进行控制。通常，优选由从第二表面20侧入射的激光3经聚光透镜5聚光而成的聚光点Q所形成的第二改质层上表面F，与第一改质层上表面A为大致为同一面。
这样，通过进行第一照射步骤(图4A)和第二照射步骤(图4B)，在脆性材料1内部的预定切片面的整个面上形成第一改质层17和第二改质层18，由此，脆性材料1以该预定切片面为起点而分离。
此外，通常，以这种方式分离的脆性材料1的正面19侧被用作半导体晶片1S。但是，也可以通过对脆性材料1预先进行平坦化加工而使其厚度为2张左右，从而在正面19侧之外，将背面20侧也用作半导体晶片1S。
另外，优选在以第一改质层17上表面A为起点剥离脆性材料1时，不存在未改质区域R。为此，第二改质层18需要与第一改质层17连续。即，优选由从第二表面20侧入射的激光3经聚光透镜5聚光的聚光点Q所形成的第二改质层上表面F与第一改质层上表面A大致为同一面。
另外，对于将第一改质层17和第二改质层18的聚光点Q的高度位置对齐的方法，没有特别的限定，例如可以采用预先测定脆性材料1的厚度，根据脆性材料1的折射率改变聚光位置的方法，或者也可以采用通过在脆性材料1的内部形成改质层时的颜色的变化来检测改质位置，使聚焦位置对齐的方法。
然而，如果难以使聚光点Q对齐，则以使第二改质层上表面F形成于第一改质层17的上表面A和中面B之间的范围内的方式进行加工也可以。由于通过这样的结构也能够在不存在未改质区域R的状态下使脆性材料1剥离，因此能够防止裂缝。
另外，虽然在缺陷部P的下方形成的第二改质层18至少形成在比第一改质层17的中面B更靠第一表面19侧，但由于存在缺陷部P的部分是不能作为器件使用的部分，因此不会引起问题。
但是，在脆性材料1的正面19和背面20中，优选将露出的缺陷部P多的一侧的表面设为作为第一照射步骤(图4A)的对象的表面。
例如，在使用GaN作为脆性材料1的情况下，优选将N面侧的表面作为第一照射步骤(图4A)的对象。通常称为功能面的是GaN晶体的Ga极性面侧，该GaN通过在制成的GaN基板的Ga面上进行外延生长，从而作为LED或器件被利用。因此，优选在Ga面侧尽量减小其改质区域或改质区域周边的受到热影响的区域。另外，在照射激光3时，由于以聚光点Q为起点，改质区域向激光入射方向延伸，因此激光3的入射侧容易受到改质或热的影响，改质面变粗糙。即，对于GaN内部，通过将N面侧的表面作为第一照射步骤(图4A)的对象，能够降低对于作为功能面的Ga面的改质或热的影响，并且能够缩短研磨步骤。由此，能够降低基板成本或材料损失。
另外，在第一照射步骤中，优选在脆性材料1的第一表面19上的缺陷部P的直径大于激光3的光束直径的情况下，不对缺陷部P照射激光3。由此，能够在不改变激光3的条件的情况下进行第一照射步骤中对于整个面的加工。
(效果)
如上所述，本实施方式的激光切片装置U具有遮光区域检测部10b，其检测存在于脆性材料1的第一表面侧的遮光区域；以及控制部10a，其以对脆性材料1的第一表面的整个面进行扫描的方式从第一表面侧照射第一激光3，从而在脆性材料1的内部的预定切片面上形成第一改质层17，并且从第二表面，对脆性材料1的遮光区域照射第二激光，从而在预定切片面上以与第一改质层17连续的方式形成第二改质层18。
因此，根据该激光切片装置U，即使在脆性材料1内存在缺陷部P的情况下，也能够在脆性材料1内部的预定切片面的整个面上进行改质。由此，在形成改质层(第一改质层17和第二改质层18)后，在从脆性材料1剥离基板1S(例如半导体晶片)时，能够抑制由于脆性材料1内部的未改质区域而在基板1S上产生裂缝或裂纹。换言之，由此，能够实现由裂缝或裂纹所导致的基板1S的不良率的降低、即成品率的提高。
(第二实施方式)
接着，参照图5、图6A、图6B、图6C、图7A、图7B，对第二实施方式的激光切片装置U进行说明。本实施方式的激光切片装置U，在激光照射的扫描方法这一点、以及相对于脆性材料1的背面20侧的激光3的照射方法这一点上，与第一实施方式的激光切片装置U不同。另外，对于与第一实施方式相同的结构，省略其说明。
图5是本实施方式的激光切片装置U的装置概要图。
本实施方式的激光切片装置U具有旋转平台8。旋转平台8配置在XY平台7上。另外，旋转平台8的旋转速度例如设为在0.1rpm以上且2000rpm以下的范围内可变。本实施方式的激光切片装置U使用控制用计算机10对Z平台6、XY平台7或旋转平台8进行控制，从而一边进行扫描一边对脆性材料1的内部进行聚光照射。
另一方面，本实施方式的激光切片装置U，由于构成为在从脆性材料1的背面20照射激光3时使脆性材料1在XY平台7上翻转，因此不具有激光光路切换装置13。
图6A、图6B、图6C是表示本实施方式的激光切片装置U的扫描方法的概要图。
图6A、图6B、图6C分别示出使用了本实施方式的激光切片装置U的三种扫描方法。
图6A是与图2所示的第一实施方式的激光切片装置U的扫描方法相同的、由激光3以线性扫描的方式进行激光照射的扫描方法。此时，由于不使旋转平台8移动，因此作为扫描方法，与第一实施方式的激光切片装置U的扫描方法是相同的。
图6B是对一张脆性材料1进行圆周状加工时的激光照射的扫描方法。此时，以如下方式使XY平台7移动：使旋转平台8旋转，同时使激光3从旋转平台8的径向的外侧区域的开始点S朝向旋转中心的终点E进行扫描。此时，通过控制用计算机10考虑到旋转平台8的在聚光点Q的旋转速度，而控制激光3在XY平台7上的扫描速度，来进行使激光3的脉冲14等间隔照射的控制。
图6C是对多张脆性材料1进行圆周状加工时的激光照射的扫描方法。在图6B的扫描方法中，在使激光3朝向中心方向扫描时，由于随着接近中心部，角速度降低，因此有可能发生在终点E附近激光3照射过度的情况。在图6C中，通过配置多个脆性材料1，避免在中心部附近照射，能够防止激光3的照射过度。
另外，在图6C的扫描方法中，与图6B同样地，使旋转平台8旋转，从开始点S朝向终点E，从脆性材料1的外缘部朝向旋转平台8的中心方向进行激光3的照射。此时，通过控制用计算机10考虑到旋转平台8的在聚光点Q的旋转速度，而控制激光3在XY平台7上的扫描速度，来进行使激光3的脉冲14等间隔照射的控制。
图7A、图7B是用于说明本实施方式的激光切片方法的图。图7A、图7B是从与激光照射方向垂直的方向观察的脆性材料1的侧面剖视图。
本实施方式的激光切片方法与第一实施方式的激光切片方法相同，包括第一照射步骤和第二照射步骤这两个步骤。图7A示出本实施方式的激光切片方法的第一照射步骤，图7B示出本实施方式的激光切片方法的第二照射步骤。
在本实施方式的第一照射步骤(图7A)中，使用Z平台6，以在距离脆性材料1的表面指定深度之处形成聚光点Q的方式，对脆性材料1和聚光透镜5的高度方向上的相对位置关系进行调整。然后，使用XY平台7，移动至脆性材料1的外缘部中的照射的开始点S，从激光振荡器2使激光3振荡，由反射镜4反射，使之透过聚光透镜5对脆性材料1垂直地照射，在脆性材料1的内部形成聚光点Q，从而脆性材料1由于多光子吸收而发生改质，形成第一改质层17。然后，进行加工直至终点E。
在本实施方式的第二照射步骤(图7B)中，在第一照射步骤(图7A)之后，取出脆性材料1，以使激光3能够从第一表面19的背面的第二表面20入射的方式将脆性材料1翻转，使激光3从第二表面20通过聚光透镜5聚光并照射缺陷部P的位置。
在这种情况下，也可以是事先通过摄像机14获得缺陷部P的位置，并在将脆性材料1翻转之后进行加工的方式，或者是在形成第一改质层17之后使用摄像机14检测未改质区域R，然后进行加工的方法。
另外，如果是后者，则也能够检测出由于脆性材料1的正面19的污垢或异物等而无法加工因而没有被加工的位置。如果是前者，优选不从第一表面19对缺陷部P照射激光3。这是为了抑制热影响以使热影响最小化。
如上所述，根据本实施方式的激光切片装置U，与第一实施方式的激光切片装置U同样地，在形成改质层(第一改质层17及第二改质层18)后，在从脆性材料1剥离基板1S(例如半导体晶片)时，能够抑制起因于脆性材料1内部的未改质区域而在基板1S上产生裂缝或裂纹的情况。
以上，详细说明了本发明的具体例，但这些只不过是例示，并不限定权利要求。在权利要求所记载的技术中，包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更而得到的技术。
工业实用性
根据本发明的激光切片装置，即使在脆性材料内部存在缺陷部的情况下，也能够不使裂缝或裂纹产生而分离加工对象物。

Claims (13)

1.一种激光切片装置，其利用激光将加工对象物分离，该激光切片装置的特征在于，具备：
遮光区域检测部，其检测存在于所述加工对象物的第一表面侧的遮光区域；以及
控制部，其以对所述加工对象物的所述第一表面的整个面进行扫描的方式从所述第一表面侧照射第一激光，从而在所述加工对象物的内部的预定切片面上形成第一改质层，并且从所述第一表面的背面侧的第二表面，对所述加工对象物的所述遮光区域照射第二激光，从而在所述预定切片面上与所述第一改质层连续地形成第二改质层，
在形成了所述第一改质层及所述第二改质层后，通过剥离步骤，所述加工对象物以所述预定切片面为起点被分离成所述第一表面侧和所述第二表面侧。
2.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
将基板材料从所述加工对象物分离。
3.如权利要求2所述的激光切片装置，其中，
所述加工对象物为板状体。
4.如权利要求3所述的激光切片装置，其中，
所述加工对象物是进行了平坦化加工、且加工至所述第一表面以及所述第二表面达到规定的表面粗糙度以下的板状的部件。
5.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
所述遮光区域是存在于所述加工对象物的所述第一表面侧的缺陷部。
6.如权利要求5所述的激光切片装置，其中，
所述第一表面为，所述加工对象物的正面和背面中，露出的所述缺陷部多的一侧的表面。
7.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
所述加工对象物是半导体材料。
8.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
所述加工对象物是氮化镓。
9.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
所述加工对象物为脆性的材料。
10.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
所述控制部将所述第一激光的聚光点设定于与所述预定切片面的高度相同的位置来形成所述第一改质层，并且将所述第二激光的聚光点设定于与所述预定切片面的高度相同的位置来形成所述第二改质层。
11.如权利要求10所述的激光切片装置，其中，
所述控制部切换从激光振荡器射出的激光的激光光路，对所述加工对象物照射所述第一激光和所述第二激光。
12.如权利要求1所述的激光切片装置，其中，
所述遮光区域检测部根据来自摄像机的信息检测所述遮光区域，该摄像机对所述加工对象物的所述第一表面的表面状态进行拍摄。
13.一种激光切片方法，其为利用激光将加工对象物分离的方法，该激光切片方法的特征在于，包括以下步骤：
检测存在于所述加工对象物的第一表面侧的遮光区域的步骤；
以对所述加工对象物的所述第一表面的整个面进行扫描的方式从所述第一表面侧照射第一激光，从而在所述加工对象物的内部的预定切片面上形成第一改质层，并且从所述第一表面的背面侧的第二表面，对所述加工对象物的所述遮光区域照射第二激光，从而在所述预定切片面上与所述第一改质层连续地形成第二改质层的步骤；以及
在形成了所述第一改质层及所述第二改质层后，以所述预定切片面为起点，将所述加工对象物分离成所述第一表面侧和所述第二表面侧的剥离步骤。
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