TWI488230B - Brittle material substrate breaking device - Google Patents

Description

脆性材料基板分斷裝置

本發明係關於一種使半導體基板等脆性材料基板分斷之脆性材料基板分斷裝置。

半導體晶片係藉由將形成於半導體晶圓上之元件區域沿著該區域之邊界位置進行切斷而製造。作為半導體晶圓等之基板之切斷裝置，切割裝置比較常見，然而，根據目的不同，亦使用劃線裝置、分斷裝置。於使預先利用劃線而施加裂痕之半導體晶圓等之基板分斷時，使用基板分斷裝置。另外，所謂分斷為包括如下情形之概念，即，結晶性材料之基板中於容易切斷之結晶之特定方位切割基板之解理之情形，與結晶之方位無關地切割基板之情形，及切割多晶或者非晶質材料等之不具有朝特定方位之結晶性之基板之情形。

先前，於將半導體基板例如矽晶圓切斷成晶片之情形時，藉由切割裝置使刮片刀旋轉，且藉由切削將半導體基板切斷得較小。然而，需要用於排出切削而產生之排出碎屑之水，為了不使該水或者排出碎屑對半導體晶片之性能造成不良影響，而需要進行對半導體晶片實施保護且用於清洗水或者排出碎屑之前後步驟。因此，存在步驟變得複雜、且無法實現成本減少或者縮短加工時間之缺點。而且，於低介電質層等機械性之脆弱層成膜而成之半導體基板中，會出現因使用了刮片刀之切削而使膜剝落、或者產 生碎片等問題，而於具有微小之機械結構之MEMS(microelectromechanical system，微機電系統)基板中，水之表面張力會引起結構之破壞，因而會產生原本就無法使用水、且無法應用切割步驟之問題。

而且，專利文獻1、2中提出如下之基板分斷裝置，即，藉由對形成有劃線之半導體基板，自形成有劃線之面之背面開始沿著劃線而與面垂直地進行推壓以使其分斷。圖1A係表示上述基板分斷裝置之主要部分之圖。本圖中，底刀101A、101B係僅以微小距離而隔開配置之一對基板保持部。於底刀101A、101B上隔著保護用之薄片102而將例如半導體基板103與黏著性薄片104黏接而加以安裝。於半導體基板103上預先以特定間隔形成有劃線105a~105c。於進行分斷時，於底刀101A、101B之正中間配置應分斷之劃線、該情形時為劃線105b，使刀片106自該劃線105b之上部對準劃線105b下降，從而推壓半導體基板103。如此進行利用一對底刀101A、101B及刀片106之三點彎曲之分斷。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2004-39931號公報

[專利文獻2]日本專利特開2010-149495號公報

於具有如上上述之構成之基板分斷裝置中，在進行分斷 時自形成於半導體基板103之下表面之劃線105b之正上方，如圖1B所示般壓低刀片106進行推壓之情形時，因半導體基板103稍微撓曲，故應力集中於半導體基板103與底刀101A、101B之前緣接觸之部分。該撓曲於劃線105b之裂痕前端部引起應力集中，裂痕朝向經由黏著性薄片104而接觸之刀片106與半導體基板103之接觸部進展，最終半導體基板103被切成晶片狀。此時，於刀片106之壓低速度或壓入量等條件不適當之情形時，會產生以下問題：半導體基板103因使其分斷時之力而與刀片106分離，無法以底刀101A、101B及刀片106之3點充分保持半導體基板103，從而分斷面相對於基板之表面不垂直而不規則地傾斜。如此，於分斷面傾斜之情形時，對半導體晶片之品質等方面造成影響。

尤其於利用三點彎曲之分斷中，於如單晶矽基板般在某特定方位具有解理性之結晶性材料之晶圓之情形時，且於除具有最強之解理性之結晶方位以外之方位進行分斷之情形時，晶圓多會以被朝向表現更強之解理性之方向拖拽之方式分斷。又，由於以下影響而難以於預期之劃線位置垂直地且以平坦之剖面進行分斷，即，由底刀101A、101B之前緣與劃線105b、刀片106之各部分之定位誤差所引起之分斷面之傾斜；半導體基板103與黏著性薄片104因受到推壓而變形，從而導致半導體基板103於底刀上沿著y方向以微小間距移動；於如上述般刀片106與半導體基板103分離之狀況下推壓力暫時地變動等。

本發明係為了解決上述問題而完成者，其目的在於提供一種基板分斷裝置，該基板分斷裝置不論對在特定之單一或者多個方位具有解理面之結晶基板、還是對不具有解理性之多晶、非晶質之基板，均能夠沿著劃線垂直地進行分斷。

為了解決該問題，本發明之脆性材料基板分斷裝置係藉由對形成有劃線之脆性材料之基板施加力而沿著上述劃線進行分斷者，且包括：一對底刀，其以使由各自之上表面及對向面構成之各自之脊線平行且相對向之方式配置，且於上表面載置上述基板；一對支持構件，其自與上述基板之抵接面之相反側之面各自支持上述一對底刀；開閉機構，其以能夠在上述一對底刀之相對向之前緣為一致且成為中心線之接近位置、與遠離上述接近位置之遠離位置之間移動之方式，使上述一對支持構件相互於反方向平行移動；刀片，其沿著上述劃線之背面線狀地抵接於上述基板之形成有劃線側之背面；及刀片驅動機構，其使上述刀片以對上述一對底刀接近之方式相對移動，而對基板之面垂直地施加力；且上述一對支持構件各自以上表面彈性地保持上述底刀，使該底刀能夠沿與基板之面垂直之方向僅以微小距離移動。

此處，為了將上述基板分斷，亦可於使刀片以對一對底刀接近之方式相對移動時，在以上述一對底刀之相對向之前緣接觸或者大致接觸之方式而靠近之狀態下，進行對基 板之面垂直地施加力之動作。

此處，上述一對底刀及一對支持構件亦可具有如下結構，即，具有各自抵接之圓形狀，且藉由使該圓形狀彼此滑動，而使上述底刀以能夠於與基板之面垂直之方向轉動之方式彈性地固定。

此處，亦可於上述一對底刀與一對支持構件之各自之間，具有如下結構，即，內含因分斷時之負載而收縮之橡膠材料或者彈簧材料之構成，且使上述底刀以能夠於與基板之面垂直之方向下沉移動之方式彈性地固定。

此處，上述脆性材料基板亦可為具有解理性之結晶結構之基板。

如以上詳細地所說明般，根據本發明，若於分斷時使一對底刀之相對向之前緣以接觸或者大致接觸之方式靠近，並且若施加推壓力，則能夠使底刀沿與基板之面垂直之方向僅以微小距離移動，因而能夠使對基板之分斷機構之不均一、不規則之移動或者變動消失，其結果，於完全切斷基板之前之期間，能夠對所意向之部位持續施加推壓力，因而能夠使基板沿著劃線垂直地分斷。尤其即便將要實現分斷之基板為具有結晶結構、且於特定之單一或者多個方位具有解理面之基板，則不論解理面之方位如何，均可於所需之位置與方位垂直地進行分斷。

圖2及圖3係自與表示本發明第一實施形態之脆性材料基 板之分斷裝置之正面不同之方向觀察的立體圖。該等圖中，分斷裝置10係由4根支柱12將支持台11保持於平台13上。支持台11支持Y平台14，且於Y平台14上設置有轉台15。Y平台14係使轉台15沿著y方向移動之平台，轉台15係使下述之基板旋轉之平台。於支持台11之上表面，除了轉台15以外並立設有4根圓柱狀之升降導件17，且以架設於升降導件17之上端之方式設置座架18。於支持台11與座架18之間設置著以僅沿z軸方向自如移動之方式而由升降導件17予以升降導引之升降台19。

於座架18上經由支持構件20而設置有步進馬達21。於步進馬達21之旋轉軸上連結有以相對於座架18能夠自如旋轉之方式貫穿之滾珠螺桿22，且滾珠螺桿22與升降台19螺合。因此，升降台19藉由步進馬達21之驅動而沿z軸方向升降。於升降台19之下表面經由支持構件24而安裝有於分斷時藉由推壓基板而將基板分斷之刀片23。

於支持台11上設置有步進馬達25及藉由該步進馬達25之驅動而旋轉之滾珠螺桿26，受到滾珠螺桿26之驅動，使Y平台14沿著y軸方向移動。馬達27、旋轉機構28係使轉台15旋轉者。

於支持台11上設置有作為本發明之特徵部分之支持機構30。支持機構30保持半導體基板等(以下簡稱為基板)，且以於分斷時經由基板而受到來自刀片23之推壓力從而能夠使基板以特定之剖面分斷之方式進行保持。關於支持機構30之詳細情況將在下文中加以敍述。

於支持台11之下方設置有相機31。相機31例如為CCD(charge-coupled device，電荷耦合器件)相機，用於經由形成於支持台11上之開口部及設置於支持機構30上之長孔部來觀察底刀之前緣部及刀片23。而且，藉由對基板40進行攝像，檢測形成於基板40上之劃線或者晶片之位置，由此可對基板40之位置進行微調整。

再者，於支持台11之下方設置有使相機31沿著x軸方向移動之移動機構。如圖3所示，該移動機構包括步進馬達32及與步進馬達32之軸連結之滾珠螺桿33，且藉由沿著導軌34使相機支持部35沿x方向移動，而使相機支持部35之上部之相機31沿著x軸方向移動。

圖4表示被保持於支持機構30上之基板40。圖4中，環狀之環構件41上拉伸張貼著黏著膜42，於該黏著膜42之中心部分貼附圓形之基板40。於基板40上格子狀地形成有多個晶片，於其下表面預先格子狀地形成有劃線，以能夠將各晶片之間分離。

再者，作為由該基板分斷裝置而分斷之基板，包括如下基板：矽單晶基板等具有結晶結構之基板，藍寶石基板或者鑽石基板這樣之高硬度基板，碳化矽(SiC)基板，氮化鋁(AlN)基板等。另外，亦可為玻璃基板等各種脆性材料基板。

此處，升降導件17、座架18、升降台19、支持構件24、步進馬達25及滾珠螺桿26構成使刀片23沿著z軸方向上下移動之刀片驅動機構。而且，Y平台14、轉台15及其驅動 機構構成使支持機構30上之基板40沿其面移動之移動機構。而且，步進馬達32、滾珠螺桿33及導軌34構成使相機31沿x軸方向移動之相機移動機構。

圖5係底刀與支持構件周邊之放大剖面圖。一對支持構件53A、53B及旋轉軸56A、56B利用螺釘等分別剛性地固定，且將底刀54A、54B以自上下夾持之形態支持。於底刀54A、54B與支持構件53A、53B之間分別插入2根壓縮彈簧62，且朝使旋轉軸56A、56B與底刀54A、54B相互靠近之方向賦能。而且，底刀54A、54B使用使支持構件53A、53B相互朝反方向平行移動之開閉機構，而能夠朝y方向開閉移動。而且，於底刀54A、54B與支持構件53A、53B之間設置有旋轉時之負載調整彈簧64。

其次，利用表示底刀及支持構件之圖5~圖7對利用上述基板分斷裝置分斷時之動作進行說明。於使基板40分斷時，最初，底刀之脊線54Aa、54Ba與刀片23之前端不論在x軸方向之哪個位置均為平行，將刀片23調整為位於該脊線54Aa與54Ba之中央。藉此，能夠將一對底刀54A、54B之前緣定位。

其次，如圖4所示，利用黏著性膜42使基板40與環構件41貼合。而且，使基板40之形成有劃線43側之面朝下，經由保護用之薄片44而將該環構件41安裝於圖1所示之轉台11上。然後，調整轉台11之旋轉角度位置，以基板40之劃線位置對準基板分斷裝置23之前端之方式，進行基板40之角度定位。於以此方式進行定位之情形時，底刀54A、 54B之間之中心線與刀片23之前端之脊線及基板40之劃線於z軸方向上配置在一條直線上。

然後，朝使一對底刀54A、54B之間隔閉合之方向使該底刀54A、54B移動。而且，如圖6所示，於底刀之脊線54Aa、54Ba完全接觸或者大致接觸之狀態下結束定位。再者，該狀態下之脊線之位置成為中心線。

然後，執行分斷。分斷係利用步進馬達21使升降台19下降，使刀片23沿z方向移動，從而如圖7所示，對由一對底刀54A、54B支持之基板40自劃線之正上方利用刀片23進行推壓。

若刀片23推壓基板40，則基板40之劃線以與刀片23一致之方式配置，因此刀片23自基板40之上表面推壓劃線43之背面。被推壓之基板40推壓一對底刀54A、54B。

一對底刀54A、54B之與基板40抵接之各面雙方均加工成較為平坦，且以於z方向上相同之高度而位於與z方向垂直之平面。因此，相對於基板40，底刀54A、54B以具有面狀擴展之區域承受來自基板40之推壓力。進而，若刀片23推壓基板40，則底刀54A因負載調整彈簧64收縮而如圖7所示般，以旋轉軸56A之中心軸為中心朝逆時針方向略微轉動。同樣地，底刀54B因負載調整彈簧64收縮而如圖7所示般，以旋轉軸56B之中心軸為中心朝順時針方向略微轉動。該等之轉動角度例如為1°以下，通常為0.1°左右。如此，當達到刀片23之朝基板40之推壓力超過負載調整彈簧64之彈簧常數之狀態時，基板40成為一方面受到彎曲應力 但仍於底刀54A、54B各自之上表面以面而受到支持之狀態。因而，能夠對基板40施加彎曲應力，而不像利用先前之三點彎曲分斷法般僅對底刀54A、54B之脊線54Aa、54Ba部分施加推壓力。而且，刀片23與基板40亦不會因為分斷時之力順勢分離，而能夠以沿著劃線之垂直之剖面進行切斷。

藉由以上動作進行基板40之分斷後，使刀片23上升，且於步進馬達25之作用下使Y平台14僅移動與半導體晶片之寬度相當之距離後，繼續進行相同之分斷作業。

本發明中因底刀軸略微轉動，故即便施加推壓力而使基板產生撓曲，亦可將基板於底刀上表面以面加以保持，且能夠於完全切斷基板之前確實地進行保持。即便為具有結晶性之解理面之矽基板等半導體晶片，亦可對準劃線且垂直於基板之面地進行切斷。因此，能夠應用於具有結晶性之解理面之各種基板之切斷裝置。

再者，上述實施形態中，採用了藉由使刀片23升降而對基板40賦予推壓力並將基板40分斷之構成，然而，亦可代替使刀片23升降，而採用使一對底刀54A、54B升降並將基板40分斷之構成。

其次對本發明之其他實施形態進行說明。於以下之實施形態中僅對主要部分進行說明，因整體之構成與圖5~圖7大致相同，故省略詳細之說明。

圖8表示本發明之第二實施形態。圖8中，底刀台71A、71B以能夠左右開閉之方式構成，於其上部分別設置支持 構件72A、72B。又，於其上部分別設置底刀73A、73B。底刀73A、73B係藉由一對旋轉軸74A、74B轉動自如地被保持。而且，於底刀73A、73B與支持構件72A、72B之間，於旋轉軸之外側分別設置著拉伸彈簧75A、75B，且沿旋轉軸74A、74B轉動自如。另外，於底刀73A、73B之旋轉軸之內側具有使凸肩螺栓76A、76B貫穿之貫穿孔，凸肩螺栓76A、76B之前端之螺釘部螺固在支持構件72A、72B上。故，底刀73A、73B雖受到拉伸彈簧75A、75B之張力，但由凸肩螺栓76A、76B之頭部而規定其上限位置。此處，於凸肩螺栓76A、76B與底刀73A、73B之貫穿孔之間設置著微小間隙。此外，以凸肩螺栓76A、76B之頭部上表面設定為比底刀73A、73B之上表面略低。

在該狀態下，於底刀73A、73B之上部配置基板40，使劃線對準底刀73A、73B相切之切線位置，而自上部利用刀片23進行推壓。由此，底刀73A、73B相切之前緣部分以略微降低之方式而以旋轉軸74A、74B為中心略微旋轉。此時，即便基板40被施加推壓力，亦不會自底刀73A、73B之上表面分離，而可沿著劃線之垂直之剖面進行切斷。

其次，利用圖9對本發明之第三實施形態進行說明。本實施形態中，於凸肩螺栓76A、76B之外周部分中之底刀73A、73B與支持構件72A、72B之邊界部分，為了調整沉入時之電阻值而分別設置了壓縮彈簧77A、77B。如此，藉由使壓縮彈簧77A、77B之強度變化，能夠在進行分斷 時適當調整底刀73A、73B之邊界部分之沉入之電阻值。

下面利用圖10對本發明之第四實施形態進行說明。本實施形態中，於凸肩螺栓76A、76B之外周部分中之底刀73A、73B與支持構件72A、72B之邊界部分，分別配置著圓筒形之橡膠板78A、78B。於這種情形時，藉由使用彈性係數不同之橡膠板，亦能夠於進行分斷時選擇底刀73A、73B之邊界部分之沉入之電阻值。

圖11表示第五實施形態，具有使底刀台71A與支持構件72A、以及底刀台71B與支持構件72B一體化而成為底刀台79A、79B之構成。於此情形時，將拉伸彈簧80A、80B設置於底刀73A、73B與底刀台79A、79B之下方之間。於此情形時，藉由將基板40配置在該底刀台79A、79B之上表面，且利用刀片23進行推壓，亦可使基板40以垂直之剖面分斷。

圖12係表示第六實施形態之底刀部之詳細情況之剖面圖。本實施形態中，具有使底刀與旋轉軸一體化之構成，且將底刀81A、81B之下表面設為圓柱狀。進而，形成為將支持構件72A、72B之上表面設為圓弧狀之溝槽之構成。如此，藉由採用使旋轉軸大徑化之結構，能夠將底刀之下表面之大致半圓形之旋轉中心軸設定成與底刀81A、81B之上表面高度一致、或者比上表面靠上部。尤其於基板40為較厚或者較脆之材質之情形時，有時會因為對基板施加過大之推壓力，而於刀片23與基板40接觸之基板表面引起意外之破壞，然而藉由使旋轉中心軸與底刀上表面高 度(較為理想的事基板與刀片之接觸面高度)一致，能夠將來自刀片之推壓力高效地轉換為朝使基板之劃線之裂痕前端裂開之方向之彎曲應力，且能夠避免基板表面之破壞。當然，亦可如第一實施形態般將底刀、支持構件及旋轉軸分別設為不為一體之結構。

[工業上之可利用性]

本發明能夠適合用作脆性材料基板分斷裝置，即便為於特定之單一或者多個方位具有解理面之基板或者非晶質、多晶基板，亦可沿著劃線垂直地進行分斷，從而使矽半導體基板等各種半導體基板分斷。

10‧‧‧分斷裝置

14‧‧‧Y平台

15‧‧‧轉台

19‧‧‧升降台

21、25、32‧‧‧步進馬達

23‧‧‧刀片

30‧‧‧支持機構

31‧‧‧相機

40‧‧‧半導體基板

41‧‧‧環構件

42‧‧‧黏著性膜

43‧‧‧劃線

53A、53B‧‧‧支持構件

54A、54B‧‧‧底刀

56A、56B‧‧‧旋轉軸

62‧‧‧壓縮彈簧

64‧‧‧負載調整彈簧

71A、71B‧‧‧底刀台

72A、72B‧‧‧支持構件

73A、73B、81A、81B‧‧‧底刀

74A、74B‧‧‧旋轉軸

75A、75B、80A、80B‧‧‧拉伸彈簧

76A、76B‧‧‧凸肩螺栓

77A、77B‧‧‧壓縮彈簧

78A、78B‧‧‧橡膠板

圖1A係表示先前之基板分斷裝置之主要部分之一例之圖。

圖1B係表示先前之基板分斷裝置之主要部分分斷時之動作之圖。

圖2係本發明第一實施形態之基板分斷裝置之正面方向之立體圖。

圖3係本發明第一實施形態之基板分斷裝置之正面方向之立體圖。

圖4係表示將基板安裝於上述基板分斷裝置之脆性材料基板之俯視圖。

圖5係表示本實施形態之基板分斷裝置進行分斷前之底刀、支持構件及刀片之圖。

圖6係表示本實施形態之基板分斷裝置進行分斷時之底 刀、支持構件及刀片之圖。

圖7係表示本實施形態之基板分斷裝置進行分斷後之底刀、支持構件及刀片之圖。

圖8係表示本發明第二實施形態之基板分斷裝置進行分斷前之底刀、支持構件及刀片之圖。

圖9係表示本發明第三實施形態之基板分斷裝置進行分斷前之底刀、支持構件及刀片之圖。

圖10係表示本發明第四實施形態之基板分斷裝置進行分斷前之底刀、支持構件及刀片之圖。

圖11係表示本發明第五實施形態之基板分斷裝置進行分斷前之底刀、支持構件及刀片之圖。

圖12係表示本發明第六實施形態之基板分斷裝置進行分斷前之底刀、支持構件及刀片之圖。

23‧‧‧刀片

40‧‧‧半導體基板

42‧‧‧黏著性膜

43‧‧‧劃線

44‧‧‧薄片

53A、53B‧‧‧支持構件

54A、54B‧‧‧底刀

62‧‧‧壓縮彈簧

64‧‧‧負載調整彈簧

Claims (5)

1. 一種脆性材料基板分斷裝置，其係藉由對形成有劃線之脆性材料之基板施加力而沿著上述劃線進行分斷者，且包括：一對底刀，其以使由各自之上表面及對向面構成之各自之脊線平行且相對向之方式配置，且於上表面載置上述基板；一對支持構件，其自與上述基板之抵接面相反側之面各自支持上述一對底刀；開閉機構，其以能夠在上述一對底刀之相對向之前緣為一致且成為中心線之接近位置、與遠離上述接近位置之遠離位置之間移動之方式，使上述一對支持構件相互於反方向平行移動；刀片，其沿著上述劃線之背面線狀地抵接於上述基板之形成有劃線側之背面；及刀片驅動機構，其使上述刀片以對上述一對底刀接近之方式相對移動，而對基板之面垂直地施加力；且上述一對支持構件各自以上表面彈性地保持上述底刀，使該底刀能夠沿與基板之面垂直之方向僅以微小距離移動。
2. 如請求項1之脆性材料基板分斷裝置，其中為了將上述基板分斷，於使刀片以對一對底刀接近之方式相對移動時，在以上述一對底刀之相對向之前緣接觸或者大致接觸之方式而靠近之狀態下，進行對基板之面垂直地施加 力之動作。
3. 如請求項1或2之脆性材料基板分斷裝置，其中上述一對底刀及一對支持構件具有如下結構，即，具有各自抵接之圓形狀，且藉由使該圓形狀彼此滑動，而使上述底刀以能夠於與基板之面垂直之方向轉動之方式彈性地固定。
4. 如請求項1之脆性材料基板分斷裝置，其中於上述一對底刀與一對支持構件之各自之間，具有如下結構，即，內含因分斷時之負載而收縮之橡膠材料或者彈簧材料之構成，且使上述底刀以能夠於與基板之面垂直之方向下沉移動之方式彈性地固定。
5. 如請求項1之脆性材料基板分斷裝置，其中上述脆性材料基板為具有解理性之結晶結構之基板。