CN1572452A - 利用激光束的工件分割方法 - Google Patents

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Abstract

一种工件分割方法包括从可透过激光束的工件的一个表面侧施加激光束。将从工件所述一个表面侧所施加的激光束聚焦到工件另一侧上面或其附近以退化从工件的所述另一表面到预定深度范围的区域。工件的退化基本上是融化和再凝固。

Description

利用激光束的工件分割方法
技术领域
本发明涉及一种利用激光束的工件分割方法，其特别地适用于分割薄板构件，即晶片，包括但不局限于蓝宝石基片，碳化硅基片，钽酸锂基片，玻璃基片，石英基片，及硅基片中的任何一个。
发明背景
在半导体器件的生产中，正如所众所周知，许多半导体电路被形成在包括基片如蓝宝石基片，碳化硅基片，钽酸锂基片，玻璃基片，石英基片或硅基片的晶片的表面，且然后所述晶片被分割以形成单独的半导体电路。利用激光束的各种方法已经被提议用于分割晶片。
在美国专利号5,826,772所公开的分割方法中，激光束被聚焦到晶片的一个表面上，或其附近，并且激光束和晶片相对地沿着分割线被移动。通过这种动作，在晶片一个表面侧上的材料沿着分割线被融化以在晶片的一个表面上形成凹槽。然后，弯曲力矩被施加到晶片上以沿着所述凹槽折断晶片。
美国专利6,211,488及日本专利申请公开号2001-277163中的每个均公开了分割方法，所述方法包括将激光束聚焦到晶片厚度方向上的中间部分，沿着分割线相对地移动激光束和晶片，由此沿着分割线在晶片厚度方向上的中间部分上产生影响或退化区，且然后向晶片施加外力以沿着退化区折断晶片。
在上述提到的美国专利号5,826,772所公开的分割方法提出这样的问题，即在晶片一个表面侧上被融化的材料(被称为碎片)散布在晶片的一个表面上且附着到其上，由此沾污了最后所得到的半导体电路；并且难以使最后所形成的凹槽的宽度足够小，因此需要相对大的分割线宽度，从而有必要导致相对低的可用于形成半导体电路的面积的百分比。
美国专利6,211,488及日本专利申请公开号2001-277163中所公开的分割方法具有下述问题：根据由本申请发明者所进行的实验，在晶片厚度方向上的中间部分处的材料退化总体上要求具有不小于预定功率密度的功率密度的激光束被导引在晶片处。材料的退化导致空隙和裂纹的形成。裂纹可以在任意方向上延伸。因此，当外力被施加到晶片上时，晶片存在沿着分割方向不被足够精确地分割的趋势，其结果是在折断边缘可出现许多裂痕或可引起相对大的裂纹。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种利用激光束的新颖且经改善的工件分割方法，其可以沿着足够窄的分割线足够精确地分割工件。
我们，即发明者进行了深入研究和实验，且惊奇地发现下述事实：激光束从可透过激光束的工件的一个表面侧被施加，且被聚焦到工件的另一表面上面或其附近。通过如此做法，工件的材料可以在从另一表面到预定深度范围的区域中被退化。此外，所述退化可以基本上包括材料的融化和再凝固，而无需去除材料，因而造成碎片的出现基本上被避免或被足够抑制，并且造成空隙或裂纹的出现基本上被避免或被足够抑制。因此，可以取得上述提到的主要目的。
根据本发明，为了解决上述说明的原理性技术挑战，提供有一种工件分割方法，其包括从可透过激光束的工件的一个表面侧施加激光束，
进一步包括将被从工件一个表面侧所施加的激光束聚焦到工件另一侧上面或其附近以退化从工件的所述另一表面到预定深度范围的区域。
优选地是工件的退化基本上为融化和再凝固。优选地是，当在厚度方向上向内测量时，激光束被聚焦到距工件另一表面+20至-20μm的位置上。优选地，激光束是具有波长为150至1500nm的脉冲激光束，且在所述脉冲激光束的聚斑，即焦点处的峰值功率密度是5.0×108至2.0×1011W/cm2。优选地是工件沿着预定分割线在被隔开预定距离的许多位置处被退化，并且所述预定距离优选地不大于脉冲激光束焦斑处的斑直径的三倍。工件可以沿着预定分割线在被隔开预定距离的许多位置处被退化，然后激光束的焦斑可以在工件厚度方向上向内移置，并且工件沿着预定分割线在被隔开预定距离的许多位置处可以再次被退化，由此可以增加被退化区域的深度。预定深度优选地为工件总厚度的10至50％。工件可以是包括蓝宝石基片，碳化硅基片，钽酸锂基片，玻璃基片和石英基片当中任何一个的晶片。
附图说明
图1是示出在本发明优选实施例中将激光束施加到工件的模式的示意性断面图。
图2是以放大方式示出图1中激光束的焦斑附近的示意性断面图。
图3是通过沿着分割线的断面示出图1中的模式的示意性断面图。
图4是类似于图3的示意性断面图，其示出产生被重叠在工件厚度方向上的退化区域的模式。
图5是通过勾画实例1中工件折断边缘的显微照片而准备的示意图。
图6是通过勾画实例2中工件折断边缘的显微照片而准备的示意图。
图7是通过勾画比较实例2中工件折断边缘的显微照片而准备的示意图。
具体实施方式
现在通过参考所附的附图，将较详细地说明根据本发明的工件分割方法的优选实施例。
图1示意性地示出将激光束4施加到即将被分割的工件2的模式。所示例的工件2是由薄板形式的基片6和许多表面层8(它们中的两个在图1中被局部地加以示例)组成的晶片。基片6例如由蓝宝石，碳化硅，钽酸锂，玻璃，石英或硅形成。表面层8的每个的形状为矩形，并且以排和列被堆叠在基片6的一个表面10上。以格子图案被设置的道(即分割线)12被限定在表面层8之间。
在本发明的分割方法中，激光束4被从工件2的一个表面侧，即从图1的上面被施加。对于激光束4重要地是能够透过即将被分割的基片6。如果基片6由蓝宝石，碳化硅，钽酸锂，玻璃或石英形成，则激光束4有利地是具有波长为150至1500nm的脉冲激光束。尤其地，激光束4优选地是具有1064nm波长的YAG脉冲激光束或YVO4脉冲激光束。参考为局部放大图的图2，以及图1，在本发明的分割方法中重要地是经由适合光学系统(未示出)从工件2的一个表面侧被施加的激光束4被聚焦到工件2的另一表面(即图1和2的较低表面)上或其附近。激光束4的焦斑16优选地位于工件2的另一表面14上，或在当在厚度方向上向内测量时距另一表面14的X内，所述X在+20至-20μm范围之间，特别地在+10至-10μm范围之间。在所示例的实施例中，基片6的一个表面10被朝上，且激光束从基片6上面被施加，其中表面层8被放置在表面10上面。然而，如果需要的话，基片6的一个表面10可被向下(即一个表面10和另一个表面14被颠倒)，并且激光束4可被聚焦到一个表面10上或其附近，其中表面层8被放置在表面10上面。
即将在后面被提供的实例和比例实例说明示出了本发明的分割方法和上述提到的美国专利6,211,488及日本专利申请公开号2001-277163所公开的分割方法的执行。根据这些专利文件的方法，当从工件2的一个表面侧所施加的如图1中虚双点线所指示的激光束4被聚焦到工件2厚度方向上的中间部分上时，如果在激光束4的焦斑16处的峰值功率密度不大于预定值，则在工件2中没有变化出现。如果在激光束4的焦斑16处的峰值功率密度超过预定值，则在靠近激光束4的焦斑16的工件2内突然产生空隙和裂纹。另一方面根据本发明的方法，如图1中的实线所指示，当激光束4被聚焦在工件2的另一表面14上或其附近时，已经发现发生下述现象：工件2的材料被融化在从工件2的另一表面14到预定深度的范围的区域中，使激光束4焦斑16处的峰值功率密度略微低于上述预定值。刚一完成激光束4的施加，则被融化的材料被再次凝固。在图1和2中，示出经受融化和再凝固的退化区域18被标记有许多点。在这样的融化和再凝固中，可以基本上避免或足够地抑制材料从工件2中的去除或散布，并且可以基本上避免或足够地抑制空隙和裂纹的出现。在具有预定宽度和限制深度的退化区域18中，材料可以被融化和再凝固。为什么材料的性能根据激光束4焦斑16的位置而变化的原因并不必要清楚，但是我们假设如下：在工件2厚度方向上的中间部分中，在原子上的约束力相对大，这样通过吸收超出预定功率密度的激光束而已经被激励的原子被猝发产生空隙或裂纹。相对照地，，在工件2的另一表面14上或其附近，在吸收了激光束4的原子上的约束力相对低。因此，当吸收功率密度小于预定功率密度的激光束4时，原子并不猝发，但是引起材料的融化。此外，激光束4透过工件2的内部且到达焦斑16。因而，激光束4的功率并不被从工件2向外分配，如在将束聚焦到工件2的一个表面上的期间那样，但是在成扇形向工件2内部同时被分配。因此，材料的融化从另一表面14继续向内进行。因此被融化材料的散射被认为被足够地加以抑制。在被聚焦到工件2另一表面14上面或其附近的脉冲激光束4的焦斑16处的峰值功率密度取决于工件2的材料。总体上，优选地是峰值功率密度处于5.0×108至2.0×1011W/cm2的数量级。
参考图3以及图1，在本发明的优选实施例中，从工件2一个表面侧被施加的激光束4被聚焦到另一表面14上或其附近。在这个条件下，工件2及激光束4被相对地沿着分割线12移动，由此基本上已经经历融化和再凝固的退化区域18沿着分割线12在工件2中的被隔开预定距离的许多位置处被产生。工件2和激光束4的相对移动速度优选地被如此设定，以便于预定距离并不大于激光束4的焦斑16的斑直径的三倍。因此，如图3所示，距所述另一表面14具有预定深度D的退化区域18以若干间隔或基本上连续地沿着分割线12被产生在工件2的另一表面侧上。与其它部分相比较，退化区域18在强度上局部地被减少。因此，退化区域18以若干间隔或基本上连续地沿着分割线12的整个长度而产生，并且然后，例如在实例1中，分割线12的两侧被迫使向上或向下以将弯曲力矩施加到分割线12周围的工件2上。通过这个程序，工件2可以足够精确地沿着分割线12被折断。为了便利于工件2的折断，退化区域18的深度D优选地大约为在工件2分割线12处的总厚度T的10至50％。
为了产生所要求深度D的退化区域18，如果需要则激光束4可以被施加多次，使激光束4的焦斑16的位置被移置。图4示出以下述方式被加以执行的这种到被移置位置的激光束施加模式：最初，激光束4相对于工件2向右移动，使激光束4的焦斑16位于工件2的另一表面14上或其附近，由此沿着分割线12产生深度D1的退化区域18-1。然后，激光束4相对于工件2向左移动，使激光束4的焦斑16在工件2的厚度方向上向内(即在图4中向上)被略微移置，由此在退化区域18-1的顶部产生深度D2的退化区域18-2。此外，激光束4相对于工件2向右移动，使激光束4的焦斑16在工件2的厚度方向上向内(即在图4中向上)被略微移置，由此在退化区域18-2的上部产生深度D3的退化区域18-3。
接下来，将说明本发明的实例和比较实例。
实例1
具有2英寸(5.08cm)直径及100μm厚度的蓝宝石基片被用作工件。根据图1至3所示例的模式，激光束被从所述工件的一个表面侧，即从上面被施加以沿着预定的分割线产生退化区域。在下述条件下激光束的施加被执行，使激光束的焦斑即焦点位于工件的另一表面，即下部表面：
激光器
YVO4脉冲激光器
波长：1064nm
焦斑的斑直径：1μm
脉冲宽度：25ns
焦斑的峰值功率密度：2.0×1011W/cm2
脉冲重复频率：100kHz
激光束的相对移动(相对于工件的移动)速度：100mm/秒
然后，工件被人工地紧握，并且弯曲力矩被施加到分割线周围，以沿着分割线折断工件。折断沿着分割线被足够精确地执行，并且在折断边缘不存在明显的裂痕等。图5是工件折断边缘的显微照片(放大率×200)的草图。从图5中可理解到，在工件的另一表面上产生深度为10至20μm的退化区域18。这样的退化区域基本上没有空隙或裂纹。
实例2
除了在激光束相对于工件沿着分割线的每个移动之后，激光束焦斑的位置被向上移置10μm以外，激光束以与实例1同样的方式被施加，并且在这个状态下，激光束相对于工件往复两次(因而，被移动四次)。
然后，工件被人工地紧握，并且弯曲力矩被施加到分割线周围，以沿着分割线折断工件。折断沿着分割线被足够精确地执行，并且在折断边缘不存在明显的裂痕等。图6是工件折断边缘的显微照片(放大率×200)的草图。从图6中可理解到，在工件的另一表面上产生深度为40至50μm的退化区域18。这样的退化区域基本上没有空隙或裂纹。
比较实例1
为了比较的目的，除了激光束的焦斑位于工件厚度方向上的中间部分处以外，激光束以与实例1相同的方式被施加。在激光束施加之后工件被加以观察，但是没有注意到退化区域的产生。
比较实例2
除了激光束焦斑的峰值功率密度被增加到2.5×1011W/cm2以外，激光束以与比较实例1相同的方式被施加。
然后，工件被人工地紧握，并且弯曲力矩被施加到分割线周围，以沿着分割线折断工件。沿着分割线未能足够精确地执行折断，并且在折断边缘存在许多裂痕和相对大的裂纹。图7是工件折断边缘的显微照片(放大率×200)的草图。从图7中可理解到，在工件厚度方向上的中间部分中所产生的退化区域包含许多空隙20和裂纹22。经发现裂纹在各个方向上延伸。

Claims (10)

1.一种工件分割方法，包括从可透过激光束的工件的一个表面侧施加激光束，
进一步包括将从工件所述一个表面侧所施加的激光束聚焦到工件另一侧上面或其附近以退化从工件的所述另一表面到预定深度范围的区域。
2.根据权利要求1的工件分割方法，其中工件的退化基本上是融化和再凝固。
3.根据权利要求1的工件分割方法，其中当在厚度方向上向内测量时，激光束被聚焦在距工件所述另一表面+20至-20μm的位置上。
4.根据权利要求1的工件分割方法，其中激光束是具有波长为150至1500nm的脉冲激光束。
5.根据权利要求4的工件分割方法，其中在脉冲激光束聚斑处的峰值功率密度是5.0×108至2.0×1011W/cm2。
6.根据权利要求4的工件分割方法，其中工件沿着预定分割线在被隔开预定距离的许多位置处被退化。
7.根据权利要求6的工件分割方法，其中所述预定距离不大于脉冲激光束焦斑处的斑直径的三倍。
8.根据权利要求4的工件分割方法，进一步包括：
沿着预定分割线在被隔开预定距离的许多位置处退化工件；
然后在工件厚度方向上向内移置激光束的焦斑；以及
沿着预定分割线在被隔开预定距离的许多位置处再次退化工件，由此增加被退化区域的深度。
9.根据权利要求6的工件分割方法，其中所述预定深度为工件总厚度的10至50％。
10.根据权利要求1的工件分割方法，其中工件是包括蓝宝石基片，碳化硅基片，钽酸锂基片，玻璃基片和石英基片当中任何一个的晶片。
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