CN1986140A - 用于分割由脆性材料制成的盘片尤其是晶片的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于分割由脆性材料制成的盘片尤其是晶片的方法和装置。在该方法中，由脆性材料制成的盘片尤其是晶片借助于激光器通过施加热应力而被沿着分割线分割。为此，使盘片首先从其底面出发至少沿着计划的分割线直至盘片顶面冷透，接下来将激光射线沿着计划的分割线施加于盘片的顶面，从而产生所需的温度梯度和由此引起的压应力和拉应力。所介绍的装置用于实施此方法。
Description
借助于激光器通过热应力感应来分割由脆性材料如玻璃、陶瓷、硅、石英、砷化镓或蓝宝石制成的盘片(Scheibe，圆片)是已知的。
对此重要的是，准确地沿着计划的直线走向产生分割边缘(下面描述为分割线的精确性)，以及，通过足够高的温度梯度起作用的应力场尽可能精确地定位于所计划的分割边缘。
由DE 69304194 T2已知这种方法，其中，射线束在表面上沿着所期望的分割线相对于工件移动，跟随着冷却剂射束(水-空气混合物)，所述冷却剂射束与所述射线束的命中点保持一定间距，精确定位地对准加热的分割线的一个点。
如同在原理上对于借助激光射线感应应力用以导致裂纹形成的所有方法那样，按下述方式来控制射线束的能量，即，在考虑相关工艺及工件参数的情况下，使得工件表面区域的实体材料被加热到材料软化点以下的温度，用于在实体材料中产生高的压应力。
为了快速地达到很高的能量输入，提出，使射线束的射线斑椭圆地构成，在这里已经认识到，横向于切割方向使加热区显著变窄能提高切割精度。
同时已经认识到，必需通过有限的作用时间和射线斑长度来限定射线斑的最小宽度，以便产生所需的压应力。
0.2至2.0倍的材料厚度被认为是横向延展尺寸的最佳值。
在DE 69304194 T2中没有述及冷却剂射束的横截面。按照经验，这种冷却剂射束的直径为1-2mm2。
按照DE 69304194 T2的一种实施例，通过所描述的方法，例如由1.2mm厚的玻璃板，切割直径为31.2mm的盘片。
实际的尝试已经表明，利用这种方法在将盘片分割成非常窄的条或片时，例如小于500μm，所能达到的分割边缘的精度是不够的。
由WO 03/018276 A1的摘要同样已知一种用于分割易碎材料的方法，其中，激光射线在工件表面上沿着计划的分割线相对运动。同时，整个表面由冷却剂膜覆盖，在该冷却剂膜中，在激光射线的相应命中点上借助于气流产生一个孔。对应于激光射线，必需使气体喷射位置同样沿着分割线移动。
与DE 69304194 T2不同，通过在激光器辐射期间全表面的表面冷却，首先在表面上产生拉应力，具体而言，不是限制在局部部位，而是均匀地分布在整个工件表面。直接通过施加激光射线来实现分割裂纹的构成，而不是象DE 69304194 T2那样在由射线束的命中与冷却剂射束之间的偏差所引起的一段时间延迟以后形成分割裂纹。因此，通过激光射线输入能量导致产生的压应力的区域，要窄于利用按照起先所述文献的方法可能实现的区域。因为不存在用于热传导的时间，故而所产生的温度梯度不仅更强地集中到分割线上，而且也更高。从而改善了所能达到的切割边缘精度，这尤其对于分割成非常小的单个部分是很有意义的。
按照WO 03/018276的方法的缺陷是，在这里还必须要用液态的冷却剂。与借助于激光器切削的分割方法相比，以施加热应力为基础的分割方法的优点在于，基本上不产生废料，因此不会导致工件表面的脏污。而如同上述两种方法那样，使液态冷却剂与工件表面接触的话，则这个优点自然也就无从谈起。
在设备技术方面，还附加地需要用于涂覆、保持和去除冷却剂膜的技术措施，以及用于在工件上产生和导引气流的措施。
与按照DE 69304194 T2的方法相比，按照WO 03/018276的方法也存在缺陷，即，拉应力及压应力仅仅在表面上形成，分割裂纹因此经常是作为盲裂纹终结于材料实体内。
本发明的目的是，提供一种分割方法，它以借助于激光器的热应力感应原理为基础，其中，要被分割的盘片1不与液态冷却剂接触，并且可以高精度地切割分割边缘。
对于按照权利要求1前序部分所述的方法，这个目的通过下述方式得以实现，即，通过冷却工件保持架3的支承面2，在激光射线5作用之前从盘片1的底面进行冷却，并且冷却至少一直持续到盘片1在其材料厚度上冷透。
对于按照权利要求13前序部分所述的装置，这个目的通过下述方式得以实现，即，在工件保持架3中存在用于冷却支承面2的机构。
本发明的有利实施形式分别在各从属权利要求中描述。
对于本发明重要的是，用于分割盘片1所需的温度梯度和与此相关的应力由此得到，即，在对盘片1的顶面如由现有技术已知的那样沿着分割线施加激光射线5以前，使盘片1首先至少沿着所期望的分割线从其底面出发被冷透。
至少沿着分割线在整个材料厚度上首先产生拉应力，接着在材料表面产生压应力。
如同例如由DE 69304194 T2已知的那样，射线宽度非常狭窄地定位在分割线上，沿着所期望的分割线来进行材料表面、确切地说是盘片1顶面的加热。
在DE 69304194 T2中，在激光射线与冷却剂射束之间的时间偏差由激光射线与冷却剂射束之间的最小距离所决定，它导致：首先，由于热传导加热区不只在盘片深度中而且在其宽度上延展，其次，温度沿着分割线又下降，而在按照本发明的方法中则不存在在吸热与散热之间的时间偏差。因此，可以产生一种非常高的温度梯度，它可以根据激光射线5的射线宽度非常狭窄地定位到分割线上。尤其是对于非常薄的盘片1，例如蓝宝石晶片，它们可以非常迅速地沿着分割线冷透到所期望的冷却温度并且对于它们来说切割间距是非常小的，故可以有利地采用本方法。
通过在底面与受冷却的支承面2之间的热传导实现了放置在工件保持架3支承面2上的盘片1底面的冷却，由此，不需要如同由DE 69304194 T2和WO 03/018276已知的那样通过液态冷却剂对流来进行散热，从而使盘片1不与冷却液体直接接触。
由工艺上对于以后的芯片分离的要求，所述盘片1可以粘接在一拉伸膜4上，从而，盘片1间接地通过拉伸膜4放置在受冷却的支承面2上。这个拉伸膜应该不对其本身功能产生不利影响，尽可能薄并且能良好地导热。
所述盘片1或拉伸膜4可以材料结合、形锁合或者力锁合地固定在支承面2上。与本发明方法或本发明装置相关的两种有利的固定方案在下文中具体述及。
是否所述盘片1在放置于支承面2的表面上被全表面地冷却，即，是盘片1的整个实体被冷透还是盘片1仅仅沿着所期望的分割线在盘片厚度上被冷却，主要是施加能量的问题、冷却时间的问题以及对于非常狭窄的分割线局部冷却的技术极限的问题。
如果有利地还在激光射线5作用期间进行冷却，则通过局部限定的散热得到的温度梯度也不再由于盘片1内部的热传导而减小，从而，对于实施本方法，狭窄地限于分割线上的冷却是足够的。
不过，对整个盘片实体进行冷却具有下述优点：通过接触式或者非接触式温度传感器可以测得盘片1的温度，以便这样地控制冷却，即，使得在加工盘片1时可以调定一个总是相同的可重复的工艺温度。
尤其是考虑到盘片1的几何尺寸，要测得仅仅局部冷却部位的温度实际上是很困难的。
在整个表面上的冷却，其例如通过环流气体实施，也可以在面冷却或者局部限定的部分冷却之前进行。由此可以减少盘片1位于支承面2上的实际有效的工艺时间，尤其是对于较厚的盘片1，由于脆性材料的不良热传导性，在盘片厚度上的均匀冷却进展得相当缓慢。为此目的，盘片1可以在分割工艺之前冷却地存放或者经由一前置的冷却室输送给工件保持架3。
下面借助于附图所示的实施例详细描述本发明。附图中：
图1示出按照本发明的装置，具有其主要结构组件。
在第一实施例中，欲将一盘片1，这里是单面用结构元件覆层的90μm厚的直径为2″的蓝宝石晶片，细分成例如边缘长度为280μm×280μm的单个元件(芯片)。也就是说，计划的分割线的网栅包括两组直的分割线，它们分别按照所谓的沟的形式相互间以仅仅280μm的间隔延伸，其中，两组分割线相互转过90°布置。
在将蓝宝石晶片1置于工件保持架3的支承面2上之前，它以覆层的结构元件侧粘接到一拉伸膜4上。拉伸膜的作用是：在各芯片通过拉伸膜4的伸展故而相互间在空间上间隔开以便将其取出之前，使得在分割工艺后已被细分的各芯片仍保持在一起。
在与蓝宝石晶片粘接的拉伸膜4放置到工件保持架3的支承面2上以后，将拉伸膜4固定。在第一实施例中，这一点是力锁合地通过将拉伸膜4吸到支承面2上实现的。为此目的，所述支承面2由多孔材料制成，它优选具有高的导热性。代替多孔材料，在支承面2中在各沟之间也可以存在用于抽吸的通口，尤其是当所述沟具有较大的沟间距的时候，例如对于硅晶片和通常芯片尺寸为3至10mm时所给定的那样。在多孔材料或具有通口的支承面2下面产生负压，由此使拉伸膜4通过孔或通口被吸到支承面2上。通过抽吸，不仅使盘片1固定，而且也被置于一个平面中，这对于高精度分割是有利的。
所述支承面2的冷却可以利用本领域技术人员公知的各种不同措施实现。因此，可以在支承面2下面导引液态或气态的冷却剂，或者使支承面2通过珀耳帖元件(Pelltierelement)冷却。根据支承面2是均匀地进行冷却还是网栅状地对应于分割线网栅进行冷却，规定使放置的盘片1均匀地或者仅仅沿着各沟在其分割线中冷透。
有利地，例如借助于红外传感器，在盘片1顶面上监控其温度。一旦温度降低到某一预定的温度，就使激光射线5对准顶面，开始进行实际的分割过程。通常，先使一个方向上的所有分割线受激光辐射，此后，在盘片1转动之后，剩下的分割线被激光射线5划过。在实际的分割过程期间，保持盘片1的温度。
如果不存在温度传感器，则在一定的时间上进行冷却，该时间是事先作为最佳冷却时间通过实际试验求得的。
在第二实施例中，所述盘片1是直径为300mm、厚度为200μm的硅晶片。欲将该硅晶片分割成边缘长度为10×10mm的芯片。
硅晶片的固定和冷却在这里是材料结合地通过使晶片在其底面“冻结”在工件保持架3的支承面2上实现的。为此目的，在支承面2中存在着与计划的分割线相同地成网栅分布的缝隙，这些缝隙充有液体，例如水。在硅晶片粘接于一拉伸膜4之后，将拉伸膜4这样地放置到支承面2上，即，使晶片的各沟放置在各缝隙上并且使拉伸膜4在这些部位与水相接。现在将水冷冻，从而冻结了拉伸膜4并由此将其固定。
也可以使整个支承面2由一液体膜覆盖，该液体膜在放置了配有盘片1的拉伸膜4之后被固化。
再者，在这个实施例中，晶片这样长时间地被冷却，直到它至少沿着分割线在其顶面上达到所期望的温度。继续冷却不再用于继续降低温度，而是保持已下降的温度。怎样的温度在这里是最佳的，以此达到足够高的温度梯度，尤其取决于晶片材料和激光器6的工艺参数。
为了使实际的工作过程，从盘片1放置到支承面2上开始，保持尽可能地短，可以使盘片1已经预冷却地放置。为此，可将盘片1存放于一冷却室中，或者在去往工件保持架3的路径上被输送通过一冷却的区域。
如同由现有技术已知的相同类型装置，按照本发明的装置至少具有一激光器6；一工件保持架3，在其上固定工件，这里是盘片1；以及一移动装置，通过它使激光射线5相对于盘片1相对移动。
不同之处尤其是，在工件保持架3上，盘片1不仅仅是被固定，而且盘片1还经由其支承面2被预冷却并且有利地也在工艺过程期间被冷却。
为进行冷却，可以在支承面2下面构造冷却通道，通过它们通流液态或气态的冷却剂。为了尽可能均匀地冷却支承面2，使冷却通道尽可能紧密地并排布置。对于只沿着计划的分割线施行的局部冷却，可以使冷却通道成网栅设计，该网栅与计划的分割线的网栅相同。支承面2本身也可以通过冷却通道构成。在对方法实施进行说明时，提到将盘片1吸到支承面2上，这可以通过在各冷却通道之间构成的中间空间实现。
代替在支承面2下面或内部的封闭的冷却通道，也可以使支承面2具有许多槽，它们与分割线网栅相同地成网栅布置。这些槽填充有冷却液体，冷却液体被冷却到其冰点以下，这样，通过材料结合固定了放置的拉伸膜4，同时冷却了盘片1。
如同已经在文中不同位置所提到的那样，为了使晶片在分离成单个芯片期间和以后保持就位，特别地需要拉伸膜4。就此而言，对于按照本发明的方法，该拉伸膜4的优点在于，能够通过抽吸实现固定，以及在一种可选择的固定中通过冷冻，待要冻结的冷却液体不与晶片接触。但是，在盘片1底面与工件保持架3支承面2之间存在拉伸膜4并不是实现本方法之预定目的所必需的。
附图标记清单
1 盘片
2 支承面
3 工件保持架
4 拉伸膜
5 激光射线
6 激光器
Claims (18)
1.用于分割由脆性材料制成的盘片(1)的方法，其中，借助于激光器(6)通过施加热机械应力而形成裂纹，裂纹沿着所期望的分割线方向延伸，从盘片(1)的顶面向底面至少延伸到盘片(1)内，方式是：使盘片(1)以其底面固定在一工件保持架(3)的支承面(2)上，并使激光射线(5)在盘片表面(敞露的表面)上沿着所期望的分割线相对于盘片(1)移动，以及，沿着所期望的分割线将盘片(1)冷却，其特征在于，通过冷却工件保持架(3)的支承面(2)，在激光射线(5)作用之前从盘片(1)的底面进行冷却，并且冷却至少一直持续到盘片(1)在其材料厚度上冷透。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沿着所期望的分割线定位于界限狭窄的位置范围进行冷却。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，全表面地进行冷却。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述盘片(1)间接地固定在支承面(2)上。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述盘片(1)直接地固定在支承面(2)上。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述盘片(1)粘附于一拉伸膜(4)而放置在支承面(2)上。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述盘片(1)被吸持地固定。
8.如权利要求1、5或6所述的方法，其特征在于，所述盘片(1)通过结冰的液体进行固定。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述液体形成一个覆盖支承面(2)的膜。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述液体在支承面(2)内部位于槽里面，这些槽具有对应于所期望的分割线的网栅。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光射线(5)作用期间继续进行冷却。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盘片(1)在放置到工件保持架(3)上之前预冷却。
13.用于分割由脆性材料制成的盘片(1)的装置，包括：一激光器(6)，它对准盘片(1)的表面发出激光射线(5)；一工件保持架(3)，它具有支承面(2)，盘片(1)以其底面放置和固定在所述支承面上，并且有一个移动装置用于使激光射线(5)在盘片(1)表面上沿着计划的分割线相对移动，其特征在于，在所述工件保持架(3)中存在用于冷却所述支承面(2)的机构。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述用于冷却的机构具有通流液态或气态冷却剂的冷却通道，它们设置在支承面(2)下面。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述用于冷却的机构具有通流液态或气态冷却剂的冷却通道，它们构成所述支承面(2)。
16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述冷却通道成网栅设置，其与计划的分割线的网栅相同。
17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，在工件保持架(3)中存在用于产生负压的机构，并且平放在支承面(2)上的盘片(1)通过在各通道之间留有的间距被吸持。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述用于冷却的机构是在支承面(2)中充满结冰液体的槽，盘片(1)也通过它们固定在支承面(2)上。
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