CN110480192A - 脆性材料的切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脆性材料的切割方法，包括以下步骤：工件的表面设有若干预切割线，在所述工件的周缘形成若干浅沟槽，所述浅沟槽与所述预切割线的起始端相交；采用加热激光束照射所述工件的待切割区域，以对所述工件进行加热，并使所述加热激光束和所述工件沿所述预切割线相对移动；使所述工件上的加热区域快速冷却。上述切割方法，通过在工件的周缘加工出若干与预切割线的起始端相交的浅沟槽，在切割过程中，该浅沟槽能够防止偏离预切割线的裂纹进一步扩展。由于浅沟槽与预切割线相交，当裂纹扩展至浅沟槽所在区域时，浅沟槽能够对裂纹扩展方向起到引导作用，使得裂纹扩展方向最终回归至预切割线，提高切割良率。

Description

脆性材料的切割方法

技术领域

本发明涉及晶圆切割技术领域，特别是涉及一种脆性材料的切割方法。

背景技术

目前常见的晶圆切割技术主要包括刀轮切割和激光隐形切割。刀轮切割虽然有速度快、适用叠层结构以及不受材料限制的优点，但切割过程中会产生大量微粒污染，需搭配湿式清洁装置带走微粒，并且切割过程中也容易造成表面刮伤问题。

随着激光技术的发展，有研究人员提出使用激光隐形切割的方式。将激光聚焦在晶圆内部，造成局部张压应力差异，使得晶圆内部发生裂断。但对于较厚的晶圆可能需要在不同深度下进行多次聚焦，很容易造成切断面侧向的伤害，导致晶圆的强度降低。而另一种使用激光在晶圆表面进行热裂断的方式，是使用CO₂ Laser进行加热，同时采用水雾进行冷却，使晶圆由于温差造成应力集中而进行裂断。然而，采用该种热裂断切割方式对晶圆进行加工时，容易出现切割线偏移的问题。

发明内容

基于此，有必要针对切割线容易偏移的问题，提供一种脆性材料的切割方法。

一种脆性材料的切割方法，包括以下步骤：

工件的表面设有若干预切割线，在所述工件的周缘形成若干浅沟槽，所述浅沟槽与所述预切割线的起始端相交；

采用加热激光束照射所述工件的待切割区域，以对所述工件进行加热，并使所述加热激光束和所述工件沿所述预切割线相对移动；

使所述工件上的加热区域快速冷却。

上述切割方法，通过在工件的周缘加工出若干与预切割线的起始端相交的浅沟槽，在切割过程中，该浅沟槽能够防止偏离预切割线的裂纹进一步扩展。由于浅沟槽与预切割线相交，当裂纹扩展至浅沟槽所在区域时，浅沟槽能够对裂纹扩展方向起到引导作用，使得裂纹扩展方向最终回归至预切割线，提高切割良率。

在其中一个实施例中，所述浅沟槽与所述预切割线的夹角大于0°，且小于90°。

在其中一个实施例中，所述浅沟槽与所述预切割线的夹角大于或等于10°，且小于或等于30°。

在其中一个实施例中，所述采用加热激光束照射所述工件的待切割区域的步骤中，所述加热激光束聚焦于所述工件的内部。

在其中一个实施例中，所述在工件的周缘形成若干浅沟槽的步骤包括：采用切割刀或激光束在所述工件表面形成所述浅沟槽。

在其中一个实施例中，所述在工件的周缘形成若干浅沟槽的步骤之前还包括：采用切割刀或激光束沿所述预切割线形成导引槽；

或，采用切割刀或激光束在所述预切割线的起始端形成导引槽。

在其中一个实施例中，所述使所述工件上被加热的区域快速冷却的步骤包括：采用低温流体对所述工件的加热区域进行冷却。

在其中一个实施例中，所述工件由脆性材料制成，所述脆性材料包括硅、砷化镓、氮化镓、蓝宝石、陶瓷及玻璃。

在其中一个实施例中，在对所述工件进行加热步骤中，加热的温度低于所述脆性材料的塑性形变温度。

在其中一个实施例中，所述加热激光束和所述工件的相对移动速度为20mm/s～100mm/s。

附图说明

图1为一实施例中待切割的工件的示意图；

图2a、图2b、图2c分别为一实施例中采用本发明切割方法对工件进行切割过程中不同阶段裂纹扩展的示意图；

图3为另一实施例中采用本发明切割方法对硅晶圆进行切割的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明切割方法适用于包括脆性材料的工件的切割，脆性材料是指能够吸收激光而产生热裂纹的材料，工件具体可以是硅、砷化镓、氮化镓、蓝宝石、陶瓷、玻璃等材质的工件。

为更好地理解本发明方案，以工件为硅晶圆的切割为例进行说明，但本发明实施例不限于此。

一种脆性材料的切割方法，包括以下步骤：

S100：请参阅图1，工件10的表面设有若干预切割线11，在工件10的周缘形成若干浅沟槽12，浅沟槽12与预切割线11的起始端相交。

以工件10为硅晶圆为例，硅晶圆的表面设有若干预切割线，该预切割线即后续需要进行切割的位置，可通过马克笔在硅晶圆表面划线作为预切割线。例如，采用激光对硅晶圆进行切割时，激光的焦点沿预切割线移动，激光照射位置产生裂纹，裂纹沿预切割线延伸方向和厚度方向扩展，最终在预切割线所在位置形成切断面。

在工件10的周缘形成若干浅沟槽12的步骤具体为：采用切割刀或激光束在工件10表面形成浅沟槽12。

可以理解的，浅沟槽12形成于工件10的表面，无须贯穿整个工件10。

可采用钻石刀通过机械方式在工件10表面形成浅沟槽12，通过控制钻石刀的压力在硅晶圆的表面形成浅沟槽，以避免形成晶界裂纹。也可以采用紫外激光束照射工件10的表面，形成浅沟槽12。

S200：采用加热激光束照射工件10的待切割区域，以对工件10进行加热，并使加热激光束和工件10沿预切割线11相对移动。

S300：使工件10上的加热区域快速冷却。

在对工件10进行切割前，设定若干横向和纵向分布的预切割线11。请参阅图2a，当预切割线11与工件10的对称轴不重合时，在切割起始点，工件10表面被激光A照射的区域被预切割线11分割成第一区域10a和第二区域10b。第一区域10a和第二区域10b的面积不相等，因而第一区域10a和第二区域10b内由于受热而产生的应力不对称。在切割的初始阶段，在应力作用下形成的裂纹未在工件10厚度方向完全贯穿，即还未形成连续断面。在未形成连续断面前，第一区域10a和第二区域10b内的应力分布不对称，容易导致裂纹偏离预切割线11，影响切割良率。

上述切割方法，通过在工件10的周缘加工出若干与预切割线11的起始端相交的浅沟槽12，在切割过程中，该浅沟槽12能够防止偏离预切割线11的裂纹13进一步扩展。请参阅图2a-2c，由于浅沟槽12与预切割线11相交，当裂纹13扩展至浅沟槽12所在区域时，浅沟槽12能够对裂纹13扩展方向起到引导作用，使得裂纹13的扩展方向最终回归至预切割线11，改善切断面偏移的情况，有效提高切割良率。

加热激光束照射于工件10表面并沿预切割线11相对工件10移动。在激光照射位置，工件10表层的温度高于内部的温度，工件10表层产生压应力，工件10内部产生张应力。加热激光束后紧跟着一低温流体喷注至工件10表面，此时，工件10表面的温度迅速降低，从而工件10表层温度低于内部温度，工件10表层产生张应力，内部产生压应力。工件10表层至内部产生不同的张应力和压应力，产生热震而在工件10厚度方向形成裂纹。随着加热激光束以及低温流体的移动，裂纹沿预切割线11延伸方向逐渐扩展，最终沿预切割线11形成切断面，实现对工件10的切割加工。

需要说明的是，浅沟槽12与预切割线11的夹角θ大于0°，且小于90°。θ不应超过90°，以避免裂纹在偏离预切割线11的区域扩展路径过长而影响切割效率。

在一实施例中，浅沟槽12与预切割线11的夹角θ大于或等于10°，且小于或等于30°。当θ取值的取值小于10°时，在加工浅沟槽12的过程中容易对预切割线11所在区域造成损伤，因此θ取值不应小于10°。同时，θ取值不应超过30°，确保裂纹在偏离预切割线11的区域扩展路径不会过长，以提高切割效率。

采用加热激光束照射工件10的待切割区域的步骤中，加热激光束聚焦于工件10的内部，以使得工件10的待切割区域的内部膨胀而形成压应力。而后在工件10表面进行快速冷却，待切割区域的表面收缩形成拉应力，使得工件10发生脆性断裂，并形成光滑切口，适用于对厚度较大的工件10进行切割加工。

在工件10的周缘形成若干浅沟槽12的步骤之前还包括：采用切割刀或紫外激光束沿预切割线11形成导引槽，导引槽可以是连续的，也可以是间断的。在其他实施例中，也可仅在预切割线的起始端形成导引槽。

导引槽位于工件10的表层，在一些实施例中，导引槽的深度不超过工件10厚度的三分之一。

当工件10的厚度较大时，在工件10表面预先加工出导引槽，能够引导裂纹随其延伸方向扩展而不会发生偏移。

使工件10上被加热的区域快速冷却的步骤包括：采用低温流体对工件10的加热区域进行冷却。该低温流体可以是液态低温惰性气体、气态低温惰性气体、低温空气、液态二氧化碳、水等。

在对工件10进行加热步骤中，加热的温度低于脆性材料的塑性形变温度，以避免工件10的待切割区域快速加热后发生塑性形变而使得切断面不光滑。

加热激光束和工件10的相对移动速度为1.2m/min～1.4m/min。当加热激光束相对工件10移动速度过低时，热量会滞留于距离工件10表面数毫米的区域内，容易在工件10的切割面产生条纹，而影响切割品质。同时，考虑加热激光束的功率限制，移动速度不宜过快，避免加热不充分。

实施例1

请参阅图3，对一晶圆片20进行切割加工，分别沿第一预切割线21、第二预切割线22、第三预切割线23、第四预切割线24、第五预切割线25及第六预切割线进行切割，再沿横向进行切割。其中，第五预切割线25的切割起始端加工有浅沟槽25a，第六预切割线26的切割起始端加工有浅沟槽26a。第一预切割线21、第二预切割线22、第三预切割线23、第四预切割线的切割起始端未设置浅沟槽。

选取切割后的若干晶粒样品L1、L2、L3、C1、C2、C3、R1、R2、R3，各晶粒样品在晶圆片20上的位置如图3所示，测试出各晶粒样品的切断面与底面的夹角，如下表所示：

由上表分析可知，沿第五预切割线25、第六预切割线26切割后形成的切断面近似垂直于晶粒样品的底面，显著改善了切断面的垂直度。因此，上述切割方法能够改善切割线偏移问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种脆性材料的切割方法，其特征在于，包括以下步骤：

工件的表面设有若干预切割线，在所述工件的周缘形成若干浅沟槽，所述浅沟槽与所述预切割线的起始端相交；

采用加热激光束照射所述工件的待切割区域，以对所述工件进行加热，并使所述加热激光束和所述工件沿所述预切割线相对移动；

使所述工件上的加热区域快速冷却。

2.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述浅沟槽与所述预切割线的夹角大于0°，且小于90°。

3.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述浅沟槽与所述预切割线的夹角大于或等于10°，且小于或等于30°。

4.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述采用加热激光束照射所述工件的待切割区域的步骤中，所述加热激光束聚焦于所述工件的内部。

5.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述在工件的周缘形成若干浅沟槽的步骤包括：采用切割刀或激光束在所述工件表面形成所述浅沟槽。

6.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述在工件的周缘形成若干浅沟槽的步骤之前还包括：采用切割刀或激光束沿所述预切割线形成导引槽；

或，采用切割刀或激光束在所述预切割线的起始端形成导引槽。

7.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述使所述工件上被加热的区域快速冷却的步骤包括：采用低温流体对所述工件的加热区域进行冷却。

8.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述工件由脆性材料制成，所述脆性材料包括硅、砷化镓、氮化镓、蓝宝石、陶瓷及玻璃。

9.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，在对所述工件进行加热步骤中，加热的温度低于所述脆性材料的塑性形变温度。

10.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述加热激光束和所述工件的相对移动速度为20mm/s～100mm/s。