CN105189024A - 用于分离基板的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助激光束(3)分离基板(2)的方法和装置。在此，选择极短的激光束(3)的作用时间，以使基板(2)的改性仅同心围绕所述激光束的光轴(Z)来进行，而不损坏基板材料。在激光束(3)作用于基板(2)的期间内，基板(2)相对于激光加工头(10)移动，使得沿待引入的分离面(5)产生多个丝状的改性。激光束(3)首先通过具有比空气更大的、取决于强度的折射率的透射介质(8)然后射至基板(2)。由于所使用的脉冲激光的强度并不是恒定的而是在单脉冲的时间进程内具有先上升至最大然后再下降的强度，因而所述折射率也会改变。由此，激光束(3)的聚焦点(9a)在基板(2)的外表面(11,12)之间沿光轴(Z)迁移，从而获得所需的沿光轴(Z)的改性而无须在光轴(Z)上追踪激光加工头(10)。

Description

用于分离基板的方法和装置
本发明涉及借助激光束分离、特别是分割用作例如内插器(Interposer)或微型元件的基板(特别是玻璃基板)的方法和装置。本发明还涉及以这种方式制造的具有穿孔的基板。
这样的方法和用来实施所述分离过程的特定的装置在实践中例如被用来分离或切割晶片、玻璃基板和板材。这种类型的基板还例如被用作所谓的用于电连接多个同质或异质的微芯片终端的内插器。
在实践中，通过切割来进行的分离在处理晶片或玻璃基板的过程中是一个关键性的处理步骤，通常基于使用金刚石刀具并且例如在显示器中以速度为30cm/sec来实施所述处理步骤。然而，使用该方法实现的边缘质量不是能令人满意的，并且会导致在产品的耐用性、质量和可靠性方面的显著缺点而且还产生了清洁成本。
此处，将基板加工成可用的元件是具有挑战性的。特别是现有技术尚未解决例如在制造晶片的过程中将多个分离面经济地引入基板。
由US2013/126573A1已知有一种用于制造基板的分离方法，其中使用经聚焦的激光束的一个或多个脉冲来照射基板。这种情况下，所述基板对于经聚焦的激光束透明，然而其中在能量和脉冲长度方面这样来选择激光脉冲，使得在基板内部形成通道状的丝。通过基板相对于经聚焦的激光束的推移引入更多的、位置上相间隔的丝，从而所述丝定义了分离面。所述基板例如包含玻璃、水晶、石英、金刚石或蓝宝石。在适当的基板材料厚度下，如此选择经聚焦的激光束的聚焦点，以便于在两个或多个层中的至少一个中形成所述丝。此处，由经聚焦的激光束在第一层中形成的丝应在至少一个的其它层中扩散并在那里形成所述其它层中的第二丝。此外，还可提供的是，在第二层中形成第二光束焦点。在所述方法中被证明的缺点是，相比较而言昂贵的飞秒或皮秒激光器的使用和复杂的配置，其中按照一定的规定来设置单脉冲的脉冲序列以及特定的脉冲序列的重复率。特别地，脉冲序列中相继的脉冲之间的延时短于消除材料改性的应力(EntspannungeinerMaterialmodifikation)的持续时间。
术语“隐形切割”(，，StealthDicing“)是已知的激光加工方法，其中在第一步骤中使激光束作用于基板内的层。在第二步骤中施加拉伸应力以沿层中的作用点来分离基板。所述层是晶片中的内表面，其被激光在基板内部于处理期间所改性并且在加工的过程中形成用来分离基板的起始点。然后，所述拉伸应力使基板分离成小的部分。
这样的在制造半导体组件或类似物的过程中用于分离基板(例如半导体基板)的方法由US8,518,800B2而已知。在此，使用激光这样来照射所述基板，以便于在这种情况下于基板内部产生多光子吸收现象，其中在基板内部形成聚光灯并由此产生改性区域。通过在基板内部形成切割切入点区域(Schnittansatzpunktbereich)，从作用为起点的切割切入点区域开始在没有外部作用力或不施加力的情况下于基板中在其厚度尺寸的方向上形成断裂。
此外，由EP2503859A1已知一种提供具有通孔的玻璃基板的方法，其中所述玻璃基板由绝缘体，如玻璃(例如硅酸盐玻璃)、蓝宝石、塑料或陶瓷，和半导体(如硅)制成。使用激光，例如飞秒激光来照射所述基板，所述激光聚焦至玻璃基板内所需位置处的聚焦点。使用以下方法来制造通孔，将具有经由激光改性的区域的玻璃基板浸渍在蚀刻液中并由此从玻璃基板中除去经改性的区域。蚀刻所利用的效果是，相比于玻璃基板的未被改性的区域，经改性的区域能被很快的蚀刻。以这种方式可制造盲孔或通孔。铜溶液适用于通孔的填充。为了实现所需的“深度效应”("Tiefenwirkung")，即基板外侧之间的通孔，必须在持续照射期间相应地移动聚焦点，即在Z轴的方向上追踪(校正)(nachführen)聚焦点。
在一般情况下，选择性激光处理与随后的蚀刻处理的组合作为选择性激光诱导蚀刻，亦以名称ISLE(In-volumeselectivelaser-inducedetching)而已知。
另外，由DE102010025966B4已知由一种方法，在其第一步骤中聚焦的激光脉冲被集中在玻璃基底上，所述激光脉冲的照射强度是如此之强，使得在玻璃中沿丝状通道出现了局部的非透热的破坏。在第二方法步骤中，通过向对立电极供给高压电源将所述丝状通道扩展成孔，这导致了沿丝状通道穿过基板的介电击穿(dielektrischeDurchbrüchen)。通过电热式加热和蒸发穿孔材料来扩大所述击穿直至获得所需的孔径后通过切断电源来停止上述过程。可替代地或额外地，还可通过喷嘴将反应性气体集中至穿孔位置处来扩展所述通道。击穿点又可通过所提供的蚀刻气体被拓宽。以下相对复杂的过程被证明是不利的，即首先必须通过非透热的破坏来击穿基板并在接下来的步骤中必须将丝状通道的直径扩宽为孔。
此外，由US6,400,172B1已知能借助于激光将穿孔引入半导体材料。
本发明所要解决的技术问题在于，提供显著简化用于分离基板的方法和装置的可行方案，特别是减少实施所需的时间。
根据本发明，上述问题通过根据权利要求1所述特征的方法得以解决。本发明的其它实施方式由从属权利要求来限定。
根据本发明提供了一种方法，其中激光束通过在单脉冲的脉冲长度内非线性的自聚焦、借助不变的光学***、利用与原始焦距不同的焦距被聚焦。为此，本发明利用以下事实，即脉冲激光的强度对于单脉冲不是恒定的，而是在单脉冲的时长中具有先上升至最大然后再下降的强度，由于增大的强度和折射率增大至最大(相对于单脉冲在时间进程中按照正态分布)，从而所述光学***的焦距会改变，亦即与激光加工头或透镜的距离会改变并且不依赖于由聚焦透镜所确定的几何聚焦位置。
当最大和最小强度间的聚焦位置的距离至少对应于所需的纵向延伸，即分割线区域的厚度时，利用所述非线性的自聚焦效果。由此以极为简单的方式在单脉冲的持续时间内形成了光轴方向上的局部位移，其在光轴方向上于整个主延伸的区域内形成了所需的改性。由此，可省略如在现有技术中所不能避免的聚焦位置的追踪。特别是因此无须对穿过基板的激光聚焦的移动进行控制。以这种方式，所述基板的经改性的区域沿切割线在该基板中形成分离面或预定断裂面从而，根据本发明不仅取消了为此所须的操作成本还显著减少了处理时间，例如将处理时间缩短为单脉冲的持续时间。这种情况下所述透射介质的非线性的折射率与强度线性相关，从而在合适的材料以及合适的尺寸方面的选择取决于所使用的激光束的强度。
这种情况下，以如此短的时间将激光束集中至基板，使得基板的改性仅沿该激光束的光轴来进行，而不会导致穿透基板的损坏，其中于接下来的步骤中例如在所述基板的那些之前已借助激光束经受改性的区域中进行各向异性的材料消除，从而可选地结合支持性的外力作用来实施所述分离。
在此，激光能量的输入用于激发或引发由转变而导致的反应和改性，其效用仅在接下来的方法步骤中导致或用于所需的材料消除。
通过基于改性和必要时接下来的各向异性的材料消除(通过蚀刻工艺)进行分离过程，因而对于分离过程来说不使用连续的消除方法而使用对工艺仅有非常低的要求的区域或面状作用(einwirkendes)的消除方法。更确切的说，在作用时间期间内对所有以上述方式预处理并相应被改性的区域同时定量且定性地进行材料消除，从而使制造多个凹部或穿孔所需的时间总体上大幅减少。
在强度最小的情况下将聚焦点集中至基板的外表面。然而，已证明特别有利的是，当激光束在基板的背侧与其间隔地聚焦时，这样来调整激光束的聚焦点，使得所述聚焦点位于背离激光束的背侧与基板的表面相间隔。因此，以这种方式首先将激光束集中至位于基板外侧的聚焦点。然后，因强度的增加而改变的折射率导致聚焦点沿光轴穿过基板的局部位移。由此确保以足以产生改性的高强度在基板内施加各个聚焦点。
当然，在激光加工头相对于基板的相对位置不变的情况下照射作用的持续时间可包括多个脉冲长度，以例如进一步优化基本材料的改性。然而，特别有利的是，针对单脉冲的持续时间将激光束集中至相应的聚焦点。因此，将之前以及随后的激光束的脉冲集中至基板平面中的间隔开的位置，以使相邻的聚焦点在基板平面中具有间距。
优选地，沿切割线这样来选择相邻的待引入基板中的改性的间距，使得经改性的区域直接邻接或彼此具有非常小的间距。
通过激光加工可引入所述改性，其中交替进行激光加工头的定位和激光加工。然而，优选在将激光束集中至基板时进行激光束或激光加工头与基板间的稳定的相对移动，使得激光束连续地以“飞行式”("fliegenden")的移动被引导通过基板，从而相对位置的连续变化导致极快速的基板处理时间。特别地，所述基板的相对位置可相对于激光束以恒定的速度改变，使得在恒定的脉冲频率下待形成的改性的间距符合预定的间距。
特别优选的是，所述激光具有对基板透明的波长，从而确保穿透基板。特别地，由此确保基本为圆柱形的与激光轴同轴的改性区域，这导致了穿孔或凹部的恒定的直径。
此外，还有利的是，通过激光额外地消除表面区域，从而能这样来设计作用区域，以便于形成穿孔的锥形入口区域。以这种方式可简化之后的分离过程。为此，在该区域例如聚集蚀刻剂的效用。
在所述方法的另一项同样也是特别有利的实施方式中，在激光处理前使用抗蚀刻剂在至少一个表面上对基板进行表面涂覆。通过激光束的作用同时在点状的作用区域中消除至少表面的抗蚀刻剂并在基板中形成改性。以这种方式使非改性区域在随后的蚀刻过程中免受不希望的作用并由此使表面不受损害。这种情况下，抗蚀刻剂并不妨碍位于其下的基板的改性。更确切的说，对于激光束来说抗蚀刻剂要么是可穿透的要么以接近点状的形式被该激光束消除，例如蒸发掉。此外，不排除所述抗蚀刻剂包含那些对改性起支持作用，例如加快改性过程的物质。
基本上，该方法并不局限于特定的基板材料组成。然而，特别有效的是，基板包含铝硅酸盐、特别是硼铝硅酸盐作为主要的材料成分。
沿经改性的区域可产生所限定的分离面，其中可选地通过额外的外力作用或热后处理来优化所述分离，从而接下来的蚀刻过程可以是不必要的。
在基板的经改性的区域中优选通过借助于液体蚀刻干蚀刻或气相蚀刻的各向异性的材料消除或者任选还通过借助于高电压或高频的蒸发在来实现材料的分离。还可任选通过外力作用、特别是拉伸力或推力来促进所述分离过程。可替代地，当基板因固有应力而预紧(vorspannen)时，还可以在无外力作用的情况下很容易地实现分离过程。
根据本发明，第二技术问题是利用具有用于将激光束转移至基板的激光加工头的装置通过以下来解决的，即所述装置配备有特别设有至少一个平坦表面或例如被设计成平板的透射介质，其具有比空气更大的取决于强度的折射率，特别地，在激光加工头和基板之间这样来布置所述透射介质，使得激光束可穿过该透射介质转移至基板。根据本发明，以这种方式来利用该透射介质的取决于强度的折射率或取决于强度的折射量，用以结合各个单脉冲长度内的脉冲激光和所述单脉冲期间随之而来的强度变化来产生聚焦位置的轴向变化。因此，与现有技术不同，所述聚焦位置至少在单脉冲的持续时间内不是不变的，而是基于单脉冲的总持续时间沿光轴上的线路位移。容易理解的是，本发明的主要优势在于，在不追踪激光加工头的聚焦光学***的情况下聚焦位置能发生位移。特别地，由此显著缩短了处理时间并且还减少了操作成本。例如，对于平面基板来说可省去Z轴的追踪。为了形成所需的分离面，在基板中引入多个彼此相邻的激光脉冲。
在此，基本上还可设想一项变化，其中在光束路径的方向上于激光加工头的聚焦光学***前布置所述透射介质，使得激光束首先穿过该透射介质，然后穿过所述聚焦光学***集中至基板。
当然，取决于强度的光折射效果可例如由此而适用于特定的用途，即对所述透射介质进行相应的调整或更换或使激光束穿过多个透射介质或多次穿过同一透射介质。
可将聚焦点集中至背离激光加工头的基板的背侧并且如此来设计透射介质，使得取决于强度的聚焦点在强度最大的情况下到达朝向激光加工头的前侧。然而，特别实用的是，激光束可偏转至与背离激光加工头的基板的背侧相间隔的聚焦点，从而不在强度最小的情况下到达基板的背侧而是仅在强度增加的过程中到达基板的背侧。由此在基板内确保总能满足待实现的改性的激光束的强度。
原则上各种脉冲激光均是适用于加工的，其中具有小于50ps，优选小于5ps的脉冲长度的激光已被证明是特别有用的。
此外，特别有利的是，用于聚焦的激光加工头包括具有大于0.3，特别是大于0.4的数值孔径(numerischenApertur)(NA)的聚焦光学***。
通过以下还实现了本发明装置的一项特别有利的设计，即所述聚焦光学***包括梯度指数透镜(Gradienten-Index-Linse)。通过使用这样的亦被已知为GRIN透镜的透镜，沿径向减小的折射率导致在很大程度上补偿了在透镜的边缘区域的以其它方式存在的强度的衰减。
此外，被证明有利的是，透射介质由玻璃，特别是石英玻璃构成，以实现显著取决于强度的折射率。
这种情况下，所述透射介质优选连接至激光加工头并与其一起可移动地布置以及特别地将所述透射介质可替换地布置在所述激光加工头上。为此，例如快速定影是适用的。
所述装置优选除脉冲激光器之外还配备连续发射的激光器，其中所述透射介质对所述连续发射的激光的波长透明，并且所述连续发射的激光穿过所述介质集中至基板或者在绕过所述透射介质的情况下集中至基板。在此，脉冲激光的波长可不同于所述连续发射的激光的波长。此外，不同激光光源的激光束可从不同侧被集中至基板。
本发明允许各种实施方式。为了进一步阐明其基本原理，其中的一项在附图中被示出并描述如下。附图示出了：
图1示出了根据现有技术的方法的原理图；
图2示出了包括多个方法步骤的流程图，该方法步骤用于将多个穿孔引入基板；
图3示出了单脉冲期间取决于强度的聚焦位置；
图4示出了单脉冲的持续时间内的随时间的强度分布的示意图。
在图1中已知为“隐形切割”的激光加工的示意图被示出。可以看出，这种情况下激光束被集中至基板内特定的中间层，其由激光束改性为接下来分离基板的起始点。然后，外部的拉伸力使得基板的分离在部分区域内沿所述层中的作用点进行。
图2示出了在具有基板2的特定的内插器1中引入多个穿孔的过程中的各个方法步骤，所述内插器1在印刷电路板生产中用作接触元件。为此，将激光束3集中至基板2的表面。基板2包括硼铝硅酸盐作为主要的材料成分，以确保热膨胀与硅的热膨胀相似。在此，基板2的材料厚度为50μm至500μm。这种情况下，选择极短的激光束3的作用时间，以使基板2的改性仅同心围绕所述激光束的光轴来进行，而不会导致基板材料的显著的损坏或显著的材料消除。特别地，作用时长限定为单脉冲。为此，操作具有就基板2而言透明的波长的激光。在图2b中示出了这样的经改性的区域4。在接下来的于图2c中示出的方法步骤中，基板2的经改性的区域4(该区域之前就通过激光束3而经受了改性)在基板2中沿经改性的区域4的线形的邻接排列(Aneinanderreihung)形成了分离面5。
依据图3和4，下文将对基板2的激光处理期间的显著效果加以详述。此处涉及单脉冲P期间的取决于强度的聚焦位置。这种情况下，本发明基于以下认知，激光束3的单脉冲P的强度I不是恒定的，而是如图4所示，例如根据正态分布在单脉冲的时间进程内从最小值Ia经过中间值Ib上升至最大值然后下降。同时，折射率、特别还有透射介质8的折射率因强度I的变化而变化，基于单脉冲P在时间进程t的范围内。由此，在图3a至3c中所示的激光束3的取决于强度的聚焦位置9a、9b、9c也会发生改变，其独立于由激光加工头10的聚焦光学***所确定的几何聚焦位置。通过布置在激光加工头10和基板2之间的、例如由玻璃构成的、具有比空气更大的并取决于强度的折射率的透射介质8这样来增强所述效果，使得最大强度Ic和最小强度Ia之间的焦点位置9a、9c的距离至少对应于所需的纵向延伸，也就是说，待引入的凹部或如图中情况的待引入的分离面5的深度对应于基板2的材料厚度d。从而，取决于强度的聚焦点9a、9b、9c沿光轴Z从与基板2的背侧11相间隔的、图3a所示的位置处起在激光加工头10的方向上移动，并且在稳定的移动中到达沿光轴Z的在背侧11和面向激光加工头10的前侧12之间的所有位置，从而在之后待引入的凹部的整个主延伸的区域中产生所需的改性。
作为补充，在图3a中仅示意性地示出了一个附加的激光加工头13，通过该激光加工头，除与激光加工头10连接的连续发射的激光光源之外，脉冲激光的激光束3有选择性地穿过透射介质8或绕过该透射介质集中至基板2。由此，通过所述连续发射的激光光源的强度增强了在图4中示出的激光束3的单脉冲P的强度I。

Claims (18)

1.一种借助光学***和具有脉冲长度(t)的脉冲激光束(3)分离特定的平面基板(2)的方法，其中基板(2)在分离线的区域中的厚度不超过2mm，其中基板(2)的基板材料对激光的波长至少部分透明，并且借助于焦距(f1)的光学***使激光束(3)聚焦，以及激光束(3)的强度导致沿该激光束(3)的光轴(Z)的基板(2)的改性，但并不导致连续的材料消除，并且脉冲激光束(3)沿与基板(2)的主延伸面平行的任意分离线移动，由此沿所述分离线进行接下来的分离过程，其特征在于，激光束(3)通过在单脉冲(P)的脉冲长度(t)内的非线性的自聚焦、借助相同的、本身不变的光学***、以不同于原始焦距(f1)的焦距(f2)聚焦。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，焦距(f2)小于原始焦距(f1)。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，焦距(f2)与原始焦距(f1)之间的差值大于所述在待引入的分离线的区域中的基板(2)的厚度，但所述差值至少是20μm。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，激光束(3)的脉冲长度(t)小于50ps，优选小于5ps。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，基板(2)包括玻璃、蓝宝石和/或硅作为主要的材料成分。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，沿所述分离线由基板(2)的内部应力来实现所述接下来的分离过程。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述内部应力由基板(2)上的外力作用引起。
8.根据权利要求6或7的方法，其特征在于，所述内部应力由热应力，特别是由强烈的温差引起。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，通过各向异性的消除基本上沿所述分离线进行所述接下来的分离过程。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，通过蚀刻来进行所述各向异性的材料消除。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在氢氟酸中进行所述蚀刻。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述激光处理之前使用抗蚀刻剂(7)涂覆基板(2)的至少一侧。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，基板(2)的一侧具有厚度分别小于10μm的一个或多个抗蚀刻剂涂层(7)。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在激光束(3)作用于基板(2)期间，基板(2)相对于激光束(3)和/或激光加工头(10)尤其不间断地移动。
15.一种具有用于实施根据前述权利要求中的至少一项所述的方法的光学***的装置，该光学***具有用于将激光束(3)转移至具有基板(2)的激光加工头(10)，其特征在于，所述光学***的数值孔径(NA)大于0.3。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于，所述激光束(3)被引导穿过所述光学***的强聚焦的子***和所述光学***的对于激光束(3)的波长可透射的材料，所述透射材料具有比空气大的取决于强度的折射率(n2)。
17.根据权利要求16的装置，其特征在于，使用平面平行的片作为所述透射材料。
18.根据权利要求16或17的装置，其特征在于，所述透射材料包含蓝宝石作为主要的材料成分。
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