激光加工设备和激光加工方法.pdf

激光加工设备具有能够同时发射具有两个波长(λa和λb)的激光束(La和Lb)的一个激光源(SLa)。激光束(La和1b)在晶片(10)中的聚焦点(Pa和Pb)的深度位置逐渐改变。三组改质区群(Ga1、Gb1、Ga2、Gb2、Ga3、Gb3)即六层改质区群连续形成。改质区群的一组构成两层并且一次形成。改质区群从晶片的表面(10b)开始沿着晶片的预定切割线(K)顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。

1.  一种向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
用于同时产生和发射具有多个波长的激光束的一个激光源；和
用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，
其中，具有多个波长的激光束同时从晶片表面向内部的多个聚焦点发射，以同时沿着晶片的预定切割线形成多个改质区，这些改质区从晶片表面沿深度方向间隔布置。

2.  一种向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
用于产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源；和
用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，
其中，聚焦点设定在通过从晶片表面开始划分深度得到的多个部分的每一部分内，用于发射具有适合于每一部分的波长的激光束，从而沿着晶片的预定切割线在每一部分形成至少一个改质区。

3.  一种向具有多个晶片层的多层晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
用于产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源；和
用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，
其中，聚焦点设定在多层晶片中的每一晶片层内，用于从多层晶片的顶部晶片层的表面发射具有适合于每一晶片层的波长的激光束，从而沿着多层晶片的预定切割线在每一晶片层形成至少一个改质区。

4.  一种向两层晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收形成改质区的激光加工设备，所述两层晶片通过使具有第一侧和第二侧的第二层层叠在具有第一侧和第二侧的第一层上并且使第二层的第二侧面向第一层的第一侧而形成，该设备包括：
用于产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源；和
用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，
其中，聚焦点设定在第二层中，用于从第二层的第一侧发射具有适合于第二层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第二层内形成至少一个改质区，并且
其中，聚焦点设定在第一层中，用于从第一层的第二侧发射具有适合于第一层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第一层内形成至少一个改质区。

5.  如权利要求1至4中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，
通过在以脉冲方式发射激光束的同时相对于晶片移动聚焦点从而通过晶片中的多光子吸收沿着晶片的预定切割线形成改质区来形成一层的改质区群，该一层的改质区群包括相对于晶片的表面和反面水平地间隔形成的多个改质区，以及
其中晶片中的聚焦点的深度位置被逐步改变，从而从晶片的表面开始沿着深度方向间隔地连续形成多层的改质区群。

6.  一种激光加工方法，其通过使用(i)用于同时产生和发射具有多个波长的激光束的一个激光源和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区，
该方法包括：
选择适合于晶片中的多个聚焦点的激光束的多个波长；和
具有多个波长的激光束同时从晶片表面向内部的多个聚焦点发射，从而同时沿着晶片的预定切割线形成多个改质区，这些改质区从晶片表面沿深度方向间隔布置。

7.  一种激光加工方法，其通过使用(i)用于同时产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区，
该方法包括：
在通过从晶片表面开始划分深度而得到的多个部分的每一部分内设定聚焦点；和
发射具有适合于每一部分的波长的激光束从而沿着晶片的预定切割线在每一部分处形成至少一个改质区。

8.  一种激光加工方法，其通过使用(i)用于同时产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，向具有多个晶片层中的多层晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区，
该方法包括：
在多层晶片中的每一晶片层内设定聚焦点；和
从多层晶片的顶部晶片层的表面发射具有适合于每一晶片层的波长的激光束，从而沿着多层晶片的预定切割线在每一晶片层形成至少一个改质区。

9.  一种激光加工方法，其通过使用(i)同时产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源和(ii)使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜，向通过使具有第一侧和第二侧的第二层层叠在具有第一侧和第二侧的第一层上并且第二层的第二侧面向第一层的第一侧而形成的两层的晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区，
该方法包括：
在第二层内设定聚焦点；
从第二层的第一侧发射具有适合于第二层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第二层内形成至少一个改质区；
在第一层内设定聚焦点；并且
从第一层的第二侧发射具有适合于第一层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第一层内形成至少一层改质区。

10.  如权利要求6至9中任意一项所述的激光加工方法，其特征在于，还包括：
通过在以脉冲方式发射激光束的同时相对于晶片移动聚焦点从而通过晶片中的多光子吸收沿着晶片的预定切割线形成改质区来形成一层的改质区群，该一层的改质区群包括相对于晶片的表面和反面水平地间隔形成的多个改质区；并且
逐步改变晶片中的聚焦点的深度位置，从而从晶片的表面开始沿着深度方向间隔地连续形成多层的改质区群。

11.  一种向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
多个激光头，每一激光头包括
用于产生和发射激光束的激光源，和
用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜，
其中同时从多个激光头产生的多个激光束聚焦在彼此不同的多个聚焦点上，从而从晶片的表面开始沿着深度方向间隔地同时形成多个改质区，
其中多层的多个改质区群通过在在沿着晶片的预定切割线以脉冲的方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个聚焦点而同时形成，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面沿水平方向间隔形成的多个改质区，
其中多个激光束允许垂直地入射晶片的表面，
其中多个聚焦点的运动方向相对于晶片来设置，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区，并且
其中多个聚焦点的深度位置设置在晶片中。

12.  一种向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
多个激光头，每一激光头包括
用于产生和发射激光束的激光源，和
用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜；和
水平移动构件，用于沿着与晶片的多个平行预定切割线正交的水平方向移动多个激光头，以便使同时从多个激光头产生的多个激光束的光轴之间的间隔与预定切割线之间的间隔对齐，
其中多层的多个改质区群通过在沿着多个预定切割线以脉冲的方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个聚焦点而同时形成，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面沿水平方向间隔形成的多个改质区，
其中多个激光束允许垂直地入射晶片的表面，
其中多个聚焦点的运动方向相对于晶片来设置，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区，并且
其中多个聚焦点的深度位置设置在晶片中。

13.  如权利要求11所述的激光加工设备，其特征在于，
调节(i)激光束的波长和(ii)聚光透镜的数值孔径中的至少一个来设置晶片中的多个聚焦点的深度位置。

14.  如权利要求11所述的激光加工设备，其特征在于，还包括：
用于相对于晶片表面沿垂直方向移动多个激光头的垂直移动构件，
其中垂直移动构件是用来移动多个激光头从而设置晶片中的多个聚焦点的深度位置。

15.  如权利要求11至14中任一项所述的激光加工设备，其特征在于，
多个激光头设置为一个激光头组，并且设置了多个激光头组，以及
其中通过在以脉冲方式发射多个激光束同时沿着相对于晶片的表面和反面位于水平方向上的彼此正交的两个方向移动同时从多个激光头组中产生的多个激光束的聚焦点，沿着晶片的网格状线中的多条预定切割线同时形成多个改质区群，其中每一改质区群包括多个改质区。

16.  一种通过使用多个激光头向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，每一激光头包括(i)用于产生和发射激光束的激光源(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜，
该方法包括：
该方法包括：
将同时从多个激光头产生的多个激光束聚焦在彼此不同的多个聚焦点上，从而从晶片的表面开始沿着深度方向间隔地同时形成多个改质区；
通过在沿着晶片的预定切割线以脉冲方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个聚焦点而同时形成多个改质区群，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面在水平方向上间隔形成的多个改质区；
允许多个激光束垂直地入射晶片的表面；
相对于晶片来设置多个聚焦点的运动方向，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区；并且
多个聚焦点的深度位置设置在晶片中。

17.  一种通过使用多个激光头向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，每一激光头包括(i)用于产生和发射激光束的激光源(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜，
该方法包括：
沿着与晶片的多个平行预定切割线正交的水平方向移动多个激光头，以便使同时从多个激光头产生的多个激光束的光轴之间的间隔与预定切割线之间的间隔对齐；
通过在沿着晶片的预定切割线以脉冲方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个激光束的多个聚焦点而同时形成多个改质区群，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面在水平方向上间隔形成的多个改质区；
允许多个激光束垂直地入射晶片的表面；
相对于晶片来设置多个聚焦点的运动方向，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区；并且
在晶片中设置多个聚焦点的深度位置。

18.  如权利要求16所述的激光加工方法，其特征在于，
调节(i)激光束的波长和(ii)聚光透镜的数值孔径中的至少一个来设置晶片中的多个聚焦点的深度位置。

19.  如权利要求16所述的激光加工方法，其特征在于，
相对于晶片表面沿垂直方向移动多个激光头，从而设置晶片中的多个聚焦点的深度位置。

20.  如权利要求16至19中任意一项所述的激光加工方法，其特征在于，
多个激光头设置为一个激光头组，并且设置了多个激光头组，以及
其中通过在以脉冲方式发射多个激光束的同时沿着相对于晶片的表面和反面位于水平方向上的彼此正交的两个方向移动同时从多个激光头组中产生的多个激光束的聚焦点，沿着晶片的网格状线中的多条预定切割线同时形成多个改质区群，其中每一改质区群包括多个改质区。

21.  一种通过多光子吸收在晶片中形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
多个激光头，它们布置在与晶片表面平行的线上，并且各自包括：(i)用于发射激光束的激光源和(ii)用于使激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜，其中聚焦点在晶片内部的虚拟平面上以从晶片表面开始逐步加深，该虚拟平面垂直于晶片的表面并且包括所述线；以及
移动装置，用于相对于与所述线平行的晶片移动激光头，在发射激光束形成多个改质区群的同时，使聚焦点中最深的聚焦点在先生成，其中多个改质区群在平面上成多层，并且每个改质区群包括与每个聚焦点对应的改质区。

22.  一种通过多光子吸收在晶片中形成改质区的激光加工设备，该设备包括：
多个激光头，它们布置在与晶片表面平行的线上，并且各自包括：(i)用于发射激光束的激光源和(ii)用于使激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜，其中聚焦点在晶片内部的虚拟平面上以从晶片表面开始逐步加深，该平面垂直于晶片的表面并且包括所述线；
第一移动装置，用于相对于与线平行的晶片移动激光头，使聚焦点中最深的聚焦点在先生成而不发射激光束；以及
第二移动装置，用于在发射激光束的同时相对于与平面正交的晶片移动激光头从而形成多个改质区群，其中每一个改质区群包括多个改质区并且包含在晶片的每一预定切割线中。

激光加工设备和激光加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工设备和激光加工方法。更具体地，本发明涉及用于向晶片发射激光束并且在其中依照多光子吸收形成改质区的激光加工设备及其加工方法。
背景技术
依照近期的尝试，在专利文献1至4中公开的激光切割技术用于在晶片(半导体晶片)中形成改质区(改质层)以制造半导体衬底。改质区用作裂纹的切割起始点以将晶片切割和分隔撕裂成芯片(半导体芯片)。
例如，专利文献1中提出了下面的技术。激光束发射至晶片形加工对象中的聚焦点。在加工对象中，多光子吸收形成改质区(即，包含裂缝区域的改质区、包含熔融处理区的改质区和包含具有改变折射率的区域的改质区)。改质区用于形成一个区域，该区域作为沿着加工对象的预定切割线从加工对象的激光束入射面向内某一特定距离的切割起始点。加工对象通过基于作为起始点的区域撕裂而进行切割。
专利文献1公开了从多个激光源沿不同的方向朝加工对象中的聚焦点发射激光束(参见专利文献1中的权利要求7和图17)。使用多个激光源可以向激光束的聚焦点提供足够大以产生多光子吸收的电场强度。连续波激光束提供了一种比脉冲激光束更小的瞬时功率，但是仍然可以形成改质区。
专利文献1还公开了提供光源装置，其中在阵列中沿着预定切割线布置了多个激光源(参见专利文献1中的权利要求10和图18)。该技术权利要求沿着预定切割线同时形成多个聚焦点并且提高加工速度。
然而，依照专利文献1的技术沿晶片表面的深度方向仅形成一层改质区。当晶片很厚时，在技术上很难沿着预定切割线精确地切割和分开晶片。当专利文献1的技术沿不同的方向从多个激光源向加工对象中的聚焦点发射激光束时，沿着晶片表面的深度方向仅形成一层改质区。该技术显示了降低的加工效率和较低的生产能力(每单位时间的产率)并且不适于批量生产。
如上所述，专利文献1的技术沿不同的方向从多个激光源向加工对象中的聚焦点发射激光束。当激光束从晶片表面发射时，激光束倾斜地入射到晶片表面上。半导体装置可能会由于激光束发射到在晶片表面上形成半导体装置的区域上而损坏。考虑到这一点，预定切割线需要足够宽以发射激光束。加宽预定切割线会减少从一个晶片切割得到的芯片的数目。芯片产量是有限的从而增大芯片的制造成本。
专利文献2提出向位于加工对象中的激光束的聚焦点的加工对象发射激光束的技术。改质区会在加工对象中沿着加工对象的预定切割线形成。另外，通过沿入射方向朝加工对象改变激光束的聚焦点的位置以沿入射方向形成多个改质区，可将激光束发射至加工对象。
专利文献2的技术沿入射方向形成多个改质区以增加起始点从而切割加工对象。即使很厚的加工对象也可以进行切割。
依照专利文献3的技术提出一种激光加工设备以使用晶片形加工对象中的多光子吸收形成改质区。激光加工设备设置有聚光透镜和移动装置。聚光透镜聚集将具有不同波长的第一和第二激光束聚集到加工对象内部。聚光透镜生成基于第一激光束的聚焦点位置和第二激光束的聚焦点位置的多光子吸收。移动装置沿着加工对象的预定切割线相对地移动第一和第二激光束的聚焦点。
因为专利文献3的技术使用具有不同波长的第一和第二激光束，色差等就导致激光束聚集到从加工对象表面朝聚光透镜的具有不同深度的位置中。每个激光束的聚焦点沿着预定切割线相对移动。沿着预定切割线的单个扫描可以形成对应于第一和第二激光束的两个改质区。依照专利文献3的公开，一个聚光透镜会聚集具有不同波长的三或更多激光束并将激光束发射至加工对象。沿预定切割线的单个扫描可以形成三个或更多改质区。
专利文献2或3的技术会从晶片表面沿深度方向形成多个改质区。甚至很厚的晶片也可以增加作为切割晶片起始点的位置。因此就可以沿着预定切割线精确地切割以将晶片分开。
然而，专利文献2的技术会逐步地改变激光束的聚焦点在晶片的激光束入射方向中的位置。加工效率会降低，因为一次会形成一个改质区且从晶片表面沿深度方向具有间隔。形成多个改质区会很耗费时间。该技术显示了低的生产能力(每单位时间的产率)并且不适于批量生产。
相比之下，专利文献3的技术向晶片发射具有不同波长的多个激光束以同时形成具有对应于激光束的不同深度的多个改质区。与专利文献2的技术相比，专利文献3的技术会提高加工效率并且可以在短时间内形成多个改质区。然而，专利文献3的技术使用单个激光源来发射具有一种类型波长的激光束。针对具有不同波长的每个激光束需要提供单独的激光源，这就增加了激光源的数目。因此，激光加工设备变成很大并且增大了安装空间。另外，激光加工设备变得复杂从而增加了零件数目并因此增加了制造成本。
专利文献2的技术使用具有一种类型波长的激光束来形成改质区。当晶片非常厚时，在晶片表面的浅部和深部即激光束的入射面就难以可靠地形成正常的改质区。
例如，假定激光束波长设置为在晶片表面的浅部中可靠地形成正常的改质区。在这种情形下，很难在晶片表面的深部可靠地形成正常的改质区。相反地，假定激光束波长设置为在晶片表面的深部中可靠地形成正常的改质区。在这种情形下，很难在晶片表面的浅部可靠地形成正常的改质区。
近来已经提出了半导体衬底多层技术。已经做的一种尝试是将专利文献1至3中公开的激光切割技术用于多层晶片并切割以将它分开。半导体衬底多层技术涵盖例如包括结合技术和SIMOX(注入氧分离)技术的SOI(绝缘体上的硅)技术、用于衬底例如蓝宝石上的III-V复合半导体层的晶体生长技术和使用阳极结合以结合硅衬底和玻璃衬底的技术。
因为依照专利文献1或2的技术使用具有一种类型的波长的激光束以形成改质区，所以很难在多层晶片中可靠地形成正常的改质区。其原因如下所述。多层中的层具有不同的光学特性。每一层指示激光束的特定折射率。激光束在层之间的边界面上部分地发生反射。反射光与入射光相干扰从而被消除。激光束能量在激光束入射面的深部处极大地减弱。深部缺少激光束L产生多光子吸收所需的能量。改质区不能形成。
当晶片不能可靠地设置有正常的改质区时，晶片就会在切割分开过程中不必要地裂开。很难通过沿着预定切割线切割而形成精确的分开，这就降低了由晶片切割和分开得到的芯片的产量和质量。
专利文献4中提出的技术提供了一种激光切割设备，该激光切割设备从晶片表面应用激光束并且在晶片中形成改质区。该设备设置有多个激光头和卡盘台。激光头向晶片发射激光束。卡盘台安装晶片并且相对于激光头向X方向即加工方向移动。激光头配置成沿与X方向正交的Y方向独立地移动。
依照专利文献4的技术，多个激光头可以沿Y方向独立地移动。多个线可以同时在晶片上以不同的加工间距加工。这可以导致提高的加工效率。
专利文献4公开了设置了多个激光头从而沿与X和Y方向正交的Z方向独立地移动。可以为从多个激光头发射的激光束指定沿Z方向的不同的聚焦点。一个加工行程可以在晶片中形成多层改质区，即使对于很厚的晶片也可以很容易地撕裂。
依照专利文献4的技术，改质区可以首先在晶片表面的浅部然后在深部形成作为入射面。在这种情形下，在浅部形成的改质区阻碍激光束的入射以在深部形成改质区。很难在深部可靠地形成正常的改质区。
-专利文献1：JP-3408805B
-专利文献2：JP-2002-205180A
-专利文献3：JP-2004-337903A
-专利文献4：JP-2004-111946A
发明内容
考虑到前述问题得出了本发明，本发明的目的如下，(1)一个目的是提供了一种小而成本低的激光加工设备，该激光加工设备能够在一段较短的时间内可靠地形成正常的改质区，以便从晶片表面开始沿深度方向形成多个改质区，(2)另一个目的是提供了一种成本低的激光加工方法，该方法能够在一段较短的时间内可靠地形成正常的改质区，以便从晶片表面开始沿深度方向形成多个改质区。
依照本发明的一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括用于同时产生和发射具有多个波长的激光束的一个激光源。包括用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜。具有多个波长的激光束同时从晶片表面向内部的多个聚焦点发射，从而同时沿着晶片的预定切割线形成多个改质区，这些改质区从晶片表面沿深度方向间隔布置。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括用于产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源。包括用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜。聚焦点设定在距离晶片表面划分深度得到的多个部分的每一部分内，便于发射具有适合于每一部分的波长的激光束，从而沿着晶片的预定切割线在每一部分形成至少一个改质区。
依照本发明的另一个方面，通过向具有多个晶片层的多层晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括用于产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源。包括用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜。聚焦点设定在多层晶片中的每一晶片层内，用于从多层晶片的顶部晶片层的表面发射具有适合于每一晶片层的波长的激光束，从而沿着多层晶片的预定切割线中的每一晶片层形成至少一个改质区。
依照本发明的另一个方面，激光加工设备设置如下。向两层的晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区。通过使具有第一侧和第二侧的第二层层叠在具有第一侧和第二侧的第一层上，并且使第二层的第二侧面向第一层的第一侧而形成两层的晶片。包括用于产生和发射具有从多个波长中选取的一个波长的激光束的一个激光源。包括用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜。聚焦点设定在第二层中，便于从第二层的第一侧发射具有适合于第二层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第二层内形成至少一个改质区。聚焦点设定在第一层中，便于从第一层的第二侧发射具有适合于第一层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第一层内形成至少一个改质区。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，设置如下：使用(i)用于同时产生和发射具有多个波长的激光束的一个激光源，和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜；选择适合于晶片中的多个聚焦点的激光束的多个波长；并且同时从晶片表面向内部的多个聚焦点发射具有多个波长的激光束，从而同时沿着晶片的预定切割线形成多个改质区，这些改质区从晶片表面沿着深度方向间隔布置。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，设置如下：使用(i)用于产生和发射具有从多个波长中选取一个波长的激光束的一个激光源，和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜；设定通过从晶片表面开始划分深度而得到的多个部分的每一部分中的聚焦点；并且发射具有适合于每一部分的波长的激光束从而沿着晶片的预定切割线在每一部分处形成至少一个改质区。
依照本发明的另一个方面，通过向具有多个晶片层的多层晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，设置如下：使用(i)用于产生和发射具有从多个波长中选取一个波长的激光束的一个激光源，和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜；在多层晶片中的每一晶片层中设定聚焦点；并且从多层晶片的顶部晶片层的表面发射具有适合于每一晶片层的波长的激光束，从而沿着多层晶片的预定切割线中的每一晶片层形成至少一个改质区。
依照本发明的另一个方面，向两层的晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，其中，两层的晶片通过使具有第一侧和第二侧的第二层层叠在具有第一侧和第二侧的第一层上并且使第二层的第二侧面向第一层的第一侧而得到，该激光加工方法设置如下：使用(i)用于产生和发射具有从多个波长中选取一个波长的激光束的一个激光源，和(ii)用于使激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的一个聚光透镜；在第二层中设置聚焦点；从第二层的第一侧发射具有适合于第二层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第二层内形成至少一个改质区；在第一层中设置聚焦点；并且从第一层的第二侧发射具有适合于第一层的波长的激光束，从而沿着两层的晶片的预定切割线在第一层内形成至少一层改质区。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括多个激光头。每一激光头用于产生和发射激光束的激光源和用于使从激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜。同时从多个激光头产生的多个激光束聚焦在彼此不同的多个聚焦点上，从而从晶片的表面开始沿着深度方向间隔地同时形成多个改质区。通过在沿着晶片的预定切割线以脉冲的方式同时发射多个激光束的同时，相对于晶片移动多个聚焦点来形成为多层的多个改质区群。每个改质区群包括相对于晶片的表面和反面水平地(X方向)位于特定间隔处的多个改质区。多个激光束允许垂直地入射晶片的表面。相对于晶片来设置多个聚焦点的运动方向，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区。多个聚焦点的深度位置设置在晶片中。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括多个激光头。每一个头部包括用于产生和发射激光束的激光源和用于使从激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜。包括水平移动构件，用于沿着与晶片的多个平行预定切割线正交的水平方向移动多个激光头，以便使同时从多个激光头产生的多个激光束的光轴之间的间隔与预定切割线之间的间隔对齐。通过在沿着多个预定切割线以脉冲的方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个聚焦点而同时形成多层的多个改质区群，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面沿水平方向间隔形成的多个改质区。多个激光束允许垂直地入射晶片的表面。相对于晶片来设置多个聚焦点的运动方向，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区。多个聚焦点的深度位置设置在晶片中。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，设置如下：使用多个激光头，每一激光头包括(i)用于产生和发射激光束的激光源和(ii)用于将从激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜；同时从多个激光头产生的多个激光束聚焦在彼此不同的多个聚焦点上，从而从晶片的表面开始沿着深度方向在间隔处同时形成多个改质区；通过在沿着晶片的预定切割线以脉冲方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个聚焦点而同时形成多个改质区群，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面在水平方向上间隔形成的多个改质区；多个激光束允许垂直地入射晶片的表面；相对于晶片来设置多个聚焦点的运动方向，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区；并且在晶片中设置多个聚焦点的深度位置。
依照本发明的另一个方面，通过向晶片中的聚焦点发射激光束从而通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工方法，设置如下：使用多个激光头，每一激光头包括(i)用于产生和发射激光束的激光源和(ii)用于将从激光源发射的激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜；沿着与晶片的多个平行预定切割线正交的水平方向移动多个激光头，以便使同时从多个激光头产生的多个激光束的光轴之间的间隔与预定切割线之间的间隔对齐；通过在沿着多个预定切割线以脉冲的方式发射多个激光束的同时相对于晶片移动多个聚焦点而同时形成多个改质区群，每一改质区群包括相对于晶片的表面和反面在水平方向上的间隔形成的多个改质区；多个激光束允许垂直地入射晶片的表面；相对于晶片来设置多个聚焦点的运动方向，从而始终从距离晶片表面最深的地方开始首先形成多个改质区中的第一个改质区；并且在晶片中设置多个聚焦点的深度位置。
依照本发明的另一个方面，通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括多个激光头，这些激光头布置在与表面平行的线上。激光头各自包括(i)用于发射激光束的激光源和(ii)用于使激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜。聚焦点在晶片内部的虚拟平面上以从晶片表面开始逐步加深，该平面垂直于晶片的表面并且包括所述线。包括移动装置，用于相对于与所述线平行的晶片移动激光头，在发射激光束形成多个改质区群的同时，使聚焦点中最深的聚焦点在先生成，其中多个改质区群是在平面上的多层，并且每个改质区群包括与每个聚焦点对应的改质区。
依照本发明的另一个方面，通过晶片中的多光子吸收而形成改质区的激光加工设备，设置如下。包括多个激光头，这些激光头布置在与表面平行的线上。激光头各自包括(i)用于发射激光束的激光源和(ii)用于使激光束会聚在聚焦点上的聚光透镜。聚焦点在晶片内部的虚拟平面上以从晶片表面开始逐步加深，该平面垂直于晶片的表面并且包括所述线。包括第一移动装置，用于相对于与线平行的晶片移动激光头，从而使聚焦点中最深的聚焦点在先生成而不发射激光束。包括第二移动装置，用于在发射激光束形成多个改质区群的同时相对于与平面正交的晶片移动激光头，其中每一改质区群包括多个改质区并且包括在晶片的每一预定切割线中。
附图说明
通过如下参照附图所做的详细说明，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会更加显而易见。附图中：
图1A是晶片的平面图，图1B是图1A沿着线X-X剖开的剖视图，用于解释依照第一实施例通过将激光束射在晶片上来形成改质区的过程；
图2是沿着图1A的相当于预定切割线K的线Y-Y剖开的剖视图；
图3是沿着图1A的相当于预定切割线K的线Y-Y剖开的剖视图；
图4是沿着图1A的相当于预定切割线K的线Y-Y剖开的剖视图；
图5和6示意性地显示了依照第二实施例的晶片的纵向剖视图；
图7和8示意性地显示了依照第三实施例的两层的晶片的纵向剖视图；
图9和10示意性地显示了依照第四实施例的两层的晶片的纵向剖视图；
图11是显示了激光加工设备的概要构造的透视图；
图12A依照第五实施例的激光照射设备的底视图，图12B是用于解释依照第五实施例的激光照射设备的概要构造的局部纵向剖视图；
图13A是依照第五实施例的晶片的平面图，图13B是沿着图13A的线V-V剖开的剖视图；
图14是沿着图13A的相当于预定切割线K的线W-W剖开的剖视图；
图15A是依照第六实施例的激光照射设备的底视图，图15B是用于解释依照第六实施例的激光照射设备的概要构造的局部纵向剖视图；
图16A是依照第六实施例的晶片的平面图，图16B是沿着图16A的线V-V剖开的剖视图；
图17是沿着图16A的相当于预定切割线K的线W-W剖开的剖视图；
图18A是依照第七实施例的激光照射设备的底视图，图18B是晶片的局部透视图；
图19A是依照第八实施例的激光照射设备的底视图，图19B是晶片的局部透视图；
图20是依照第九实施例的晶片的局部透视图；并且
图21A和21B是依照第十实施例的激光照射设备的底视图。
具体实施方式
1.第一实施例
图1A、1B和2至4显示了依照第一实施例使激光束照射晶片10形成改质区的过程。图1A显示了晶片10的平面图。图1B和2至4示意性地显示了晶片10的纵向剖视图。图1B是沿着图1A的线X-X剖开的剖视图。图2至4是沿着图1A的相当于预定切割线K的线Y-Y剖开的剖视图。
晶片(批量硅晶片)10是由批量单晶硅材料制成的。晶片10的反面10a连接有切割膜(切割薄板、切割带和扩张带)11。切割膜11由在受热或沿扩张方向施加力时能够扩张的扩张塑料膜材料制成。切割膜11使用粘合剂(未显示)粘结至晶片10的整个反面上。
<过程1：参见图2>
激光加工设备设置有一个激光源SLa和一个聚光透镜CV。激光源SLa同时生成具有两个波长λa和λb的激光束La和Lb并且发射这两个激光束。
激光束La和Lb的光轴OA保持垂直于晶片10的表面10b。在这种状态下，激光束La和Lb透过聚光透镜CV发射至晶片10的表面10b(激光束La和Lb的入射面)。激光束L在聚焦点(焦点)Pa和Pb上会聚。然后这些聚焦点对准晶片10中的特定位置。因此，激光束La和Lb的照射在晶片10的聚焦点Pa和Pb处形成了改质区(改质层)R。
增大激光束的波长会加深晶片中的聚焦点的深度位置。改质区R在远离晶片10的表面10b处形成。换句话说，增大激光束的波长还可以增大激光束的入射面(晶片10的表面10b)至聚焦点的距离。改质区R在晶片10中形成在远离激光束的入射面的位置上。晶片10中的聚焦点Pa和Pb的深度位置等于从晶片10的表面10b(激光束La和Lb的入射面)到聚焦点Pa和Ph的距离。
当激光束La的波长λa设置成大于激光束Lb的波长λb(λb＜λa)，激光束La的聚焦点Pa的深度位置比激光束Lb的聚焦点Pb深。例如，假定钇铝石榴石激光器用于产生激光束La和Lb。在这种情形下，仅仅需要设置激光束La的波长λa等于1319nm并且激光束Lb的波长λb等于1064nm。
改质区R包括主要由于激光束La和Lb的照射产生的多光子吸收而形成的熔融处理区。即，由于激光束La和Lb局部加热晶片10中与聚焦点Pa和Pb对应的位置而产生的多光子吸收。加热位置一旦熔融就使之再度硬化。通过这种方式，晶片10中的熔融然后再度硬化的区域就变成改质区R。熔融处理区表示其中物相或晶体结构发生了改变的区域。换句话说，熔融处理区是晶片10中发生下列变化的区域之一，即：单晶硅变成无定形硅的区域；单晶硅变成多晶硅的区域；以及单晶硅变成包含非晶硅和多晶硅的结构的区域。因为晶片10是批量硅晶片，所以熔融处理区主要由多晶硅形成。
熔融处理区主要通过多光子吸收而形成，而不是通过吸收晶片10中的激光束La和Lb(即激光束的常规加热)形成。因此，晶片10中除了聚焦点Pa和Pb之外的位置几乎不吸收激光束La和Lb。这可以防止晶片10的表面10b发生熔融或变形。
激光加工设备通过使晶片10中的聚焦点Pa和Pb保持恒定的深度位置而发射用于扫描的脉冲激光束La和Lb。激光加工设备沿着晶片10的直的预定切割线K顺着图2的箭头α的方向移动聚焦点Pa和Pb。
另外，激光加工设备可以在没有扫描这些激光束的情况下保持恒定的位置来发射激光束La和Lb。在这种状态下，可以沿着与激光束La和Lb的发射方向正交的方向移动安装晶片10的安装基座(未显示)。该方向相当于激光束La和Lb关于晶片10的表面10b的入射方向。即，激光加工设备可以扫瞄激光束La和Lb或移动晶片10从而相对于晶片10沿着晶片10的预定切割线K移动聚焦点Pa和Pb。
通过这种方式，激光加工设备就在晶片10的反面10a附近设定了晶片10中的聚焦点Pa和Pb的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束La和Lb并且相对于晶片10移动聚焦点Pa和Pb。激光加工设备同时在距离晶片10的表面10b的恒定深度位置处形成一组2层的改质区群Ga1和Gb1。深度位置对应于激光束La和Lb的入射面至内部的给定距离。每个改质区群包括相对于晶片10的表面10b和反面10a水平地相距特定间隔的多个改质区R。
<过程2：参见图3>
然后激光加工设备就在大约为晶片10的表面10b和反面10a之间的中部设定聚焦点Pa和Pb的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束La和Lb并且相对于晶片10移动聚焦点Pa和Pb。激光加工设备同时形成一组2层的改质区群Ga2和Gb2。每个改质区群包括相对于晶片10的表面10b和反面10a水平地相距特定间隔的多个改质区R。
<过程3：参见图4>
然后激光加工设备就在晶片10的表面10b附近设定晶片10的聚焦点Pa和Pb的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束La和Lb并且相对于晶片10移动聚焦点Pa和Pb。激光加工设备同时形成一组2层的改质区群Ga3和Gb3。每个改质区群包括相对于晶片10的表面10b和反面10a水平地相距特定间隔的多个改质区R。
多个改质区R在激光束La的聚焦点Pa处形成并且构成改质区群Ga1、Ga2和Ga3。多个改质区R在激光束Lb的聚焦点Pb处形成并且构成改质区群Gb1、Gb2和Gb3。改质区群的这些组包括改质区群Ga1和Gb1的底部组、改质区群Ga2和Gb2的中部组和改质区群Ga3和Gb3的顶部组。改质区群的这些组相对于晶片10的表面10b的深度方向彼此分开、邻接或重叠。深度方向相当于晶片10的厚度方向、晶片10的剖面方向以及与晶片10的表面10b和反面10e正交的方向。
<过程4：参见图1B>
激光加工设备在晶片10中形成6层的改质区群Ga1、Gb1、Ga2、Gb2、Ga3和Gb3的三个组。设备通过靠着预定切割线使切割膜11沿着水平方向(箭头β和β’指示的方向)扩张而向每个改质区群施加张应力。
因此，在晶片10中产生切应力。裂缝首先沿着晶片10的深度方向在底部层改质区群Ga1处产生以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片10的深度方向在Ga1上方的改质区群Gb1处产生以作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片10的深度方向在Gb1上方的改质区群Ga2处产生以作为起始点。同样地，裂纹沿着深度方向在晶片10的改质区群Ga1至Gb3处产生以作为多个起始点。在改质区群Ga1至Gb3处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片10的表面10b和反面10a从而切割并且分开晶片10。
改质区群Ga1至Gb3沿着预定切割线K形成。使切割膜11扩张并且向改质区群Ga1至Gb3适当地施加张应力是良好的习惯做法。这使每个改质区R处的裂纹构成三个组或者6层的改质区群Ga1至Gb3。改质区R作为切割的起始点。通过这种方式，就可以使用相对较小的力在不会导致晶片10中产生不需要的裂缝的条件下精确地切割并且分开晶片10。
许多芯片(未显示)展示在大约为盘形的薄晶片10的表面10b上的网格状线中。预定切割线设置在芯片之间。即，多个预定切割线展示在晶片10的表面10b上的网格状线中。在对于每个预定切割线形成改质区群Ga1至Gb3之后，扩张切割膜11就可以使晶片10切割并且分成芯片。
<第一实施例的操作和工作效果>
第一实施例可以提供如下的操作和工作效果。
<1-1>第一实施例使用一个可以同时产生和发射分别具有波长λa和λb的激光束La和Lb的激光源SLa。第一实施例逐渐改变晶片10中的激光束La和Lb的聚焦点Pa和Pb的深度位置。随后第一实施例形成三个组或6层的改质区群Ga1至Gb3。改质区群的一个组构成两层并且一次形成。改质区群从表面10b开始沿着晶片10的预定切割线K顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。
换句话说，第一实施例沿着入射方向(深度方向)对这晶片10向晶片10以逐步改变聚焦点Pa和Pb的多个位置(深度位置)的方式发射激光束La和Lb。第一实施例形成多个构成三个组或6层的改质区群Ga1至Gb3的改质区R，从而沿着入射方向彼此分开、邻接或重叠。
第一实施例同时向晶片10发射具有波长λa和λb的激光束La和Lb。通过这种方式，第一实施例在对应于激光束La和Lb的不同深度处同时形成构成两层的改质区群(Ga1和Gb1、Ga2和Gb2以及Ga3和Gb3)的改质区R。因此，第一实施例比专利文献2中的技术提供了一种较高的加工效率，在文献2中一次形成了具有不同深度的一个改质区。该实施例可以在一段较短的时间内可靠地形成多层正常的改质区群Ga1至Gb3。该实施例可以提供较高的吞吐量并且适合于批量生产。
第一实施例仅仅使用一个激光源SLa。该实施例可以比专利文献3中的技术进一步使激光加工设备小型化，其中专利文献3对于具有不同波长的每个激光束提供了一个激光源。该实施例可以减小安装空间。另外，该实施例可以简化激光加工设备，从而减小零件的数目并且减小制造成本。
<1-2>第一实施例形成六层改质区群Ga1至Gb3。改质区群的层的数目可以根据晶片10的厚度适当地指定。可以优选形成具有四层或更少层或者八层或更多层的改质区群。
<1-3>第一实施例使用能够同时发射具有波长λa以及λb的激光束La和Lb的激光源SLa(激光源能够同时以两个波长振荡)。该实施例同时形成构成两层的改质区群(Ga1和Gb1、Ga2和Gb2或Ga3和Gb3)的改质区R。另外，该实施例可以使用能够同时产生并且发射具有三个或更多波长的激光束的激光源。该实施例可以同时形成构成具有三层或更多层的改质区群的改质区R。
激光束La和Lb的波长λa和λb并不限于如上所提到的λa为1319nm、λb为1064nm。可以优选用实验方法以试验性的手段发现能够完全提供上述操作和工作效应的最佳值。
<1-4>优选如上所述那样以Ga1和Gb1、Ga2和Gb2、以及Ga3和Gb3的顺序形成6层的改质区群Ga1至Gb3。即，该优选从距离晶片10的表面10b(激光束La和Lb的入射面)最远的改质区群开始，其中激光束La和Lb从表面10b入射。
例如，假定首先形成改质区群Ga3和Gb3，然后形成改质区群Ga1和Gb1。改质区群Ga3和Gb3位于晶片10的表面10b的附近，其中激光束La和Lb从晶片10的表面10b入射。Ga1和Gb1位于远离表面10b的地方。首先形成的改质区群Ga3和Gb3分散在形成改质区群Ga1和Gb1期间发射的激光束La和Lb。这使不规则的尺寸的改质区R构成改质区群Ga1和Gb1。改质区群Ga1和Gb1不能均一地形成。
相比之下，第一实施例从距离晶片10的表面10b(激光束La和Lb的入射面)最远的位置开始顺次形成改质区群Ga1至Gb3，其中，激光束La和Lb从表面10b入射。可以形成新的改质区R，其中在入射表面10b和聚焦点Pa和Pb之间不存在改质区R。已经形成的改质区R不分散激光束La和Lb。因此可以均一地形成6层的改质区群Ga1至Gb3。
另外，当6层的改质区群Ga1至Gb3从晶片10的表面10b最近的位置开始顺次(即以Ga3和Gb3、Ga2和Gb2以及Ga1和Gb1的顺序)或随机形成时，6层的改质区群Ga1至Gb3可以在一定程度上均一地形成。通过用实验方法确认实际形成的改质区群以适当地确定形成改质区群的顺序是良好的习惯做法。
如下的方法对于通过改变晶片10中的聚焦点Pa和Pb的深度位置来形成多层改质区群Ga1至Gb3是可用的：<a>相对于晶片10的表面10b和反面10a沿垂直方向上下移动用于发射激光束La和Lb的激光源SLa和包括聚光透镜CV的头部(激光头)；<b>相对于晶片10的表面10b和反面10a沿垂直方向上下移动用于放置晶片10的安装基座；和<c>组合方法<a>和<b>，使头部和安装基座彼此相对地上下移动。该方法可以比方法<a>和<b>更快地形成多层改质区群Ga至Gc。
2.第二实施例
图5和6显示了依照第二实施例向晶片10发射激光束并且形成改质区的过程。图5和6示意性地显示了依照第二实施例的晶片的纵向剖视图。
<过程1：参见图5>
激光加工设备设置有一个激光源SLb和一个聚光透镜CV。激光源SLb选择具有波长λc的激光束Lc和具有波长λd的激光束Ld这两者之一。然后激光源SLb产生并发射具有所选波长的激光束。
激光加工设备允许激光源SLb发射具有波长λc的激光束Lc。激光束Lc的光轴OA保持垂直于晶片10的表面10b。在这种状态下，激光束Lc透过聚光透镜CV发射到晶片10的表面10b(激光束Lc的入射面)。激光束Lc会聚在聚焦点Pc即晶片10中的特定位置上。由于激光束Lc的照射，在晶片10中的聚焦点Pc处形成改质区R。
激光加工设备就在晶片10的反面10a附近设定了晶片10中的聚焦点Pc的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束Lc并且相对于晶片10移动聚焦点Pc。激光加工设备在距离晶片10的表面10b的特定深度位置处(即内部的距离激光束Lc的入射面特定位置处)形成一层的改质区群Gc1。改质区群Gc1包括相对于晶片10的表面10b和反面10a水平地相距特定间隔处产生的多个改质区R。
激光加工设备逐渐改变晶片10中的聚焦点Pc的深度位置。随后激光加工设备从晶片10的反面10a附近开始往上形成3层的改质区群Gc1至Gc3。改质区群从晶片10的表面10b开始沿着晶片10的预定切割线K顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。
<过程2：参见图6>
激光加工设备允许激光源SLb发射具有波长λd的激光束Ld。激光束Ld的光轴OA保持垂直于晶片10的表面10b。在这种状态下，激光束Ld透过聚光透镜CV发射到晶片10的表面10b(激光束Ld的入射面)。激光束Ld会聚在聚焦点Pd即晶片10中的特定位置上。由于激光束Ld的照射，在晶片10中的聚焦点Pd处形成改质区R。
激光加工设备在改质区群Gc3上方的特定位置处设定晶片10中的聚焦点Pd的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束Ld并且相对于晶片10移动聚焦点Pd。激光加工设备在距离晶片10的表面10b的特定深度位置处(即内部的距离激光束Ld的入射面的特定位置处)形成一层的改质区群Gd1。改质区群Gd1包括相对于晶片10的表面10b和反面10a水平地相距特定间隔处产生的多个改质区R。
激光加工设备逐渐改变晶片10中的聚焦点Pd的深度位置。随后激光加工设备从改质区群Gc3上方开始朝向晶片10的表面10b形成3层的改质区群Gd1至Gd3。改质区群从表面10b开始沿着晶片10的预定切割线K顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。
<过程3>
与第一实施例中的过程3类似，切割膜11相对于预定切割线K水平地扩张。张应力施加到晶片10中的改质区群Gc1至Gc3和Gd1至Gd3上。
因此，在晶片10中产生切应力。裂缝首先沿着晶片10的深度方向在底部层改质区群Gc1处生成以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片10的深度方向在Gc1上方的改质区群Gc2处产生以作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片10的深度方向在Gc2上方的改质区群Gc3处产生以作为起始点。同样地，裂纹沿着深度方向在晶片10的改质区群Gd1至Gc3处产生作为多个起始点。在改质区群Gc1至Gd3处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片10的表面10b和反面10a从而切割并且分开晶片10。
改质区群Gc1至Gd3沿着预定切割线K形成。使切割膜11扩张并且向改质区群Gc1至Gd3适当地施加张应力是良好的习惯做法。这使每个改质区R处的裂纹构成6层的改质区群Gc1至Gd3。改质区R作为切割的起始点。通过这种方式，就可以使用相对较小的力在不会导致晶片10中产生不需要的裂缝的条件下精确地切割并且分开晶片10。
<第二实施例的操作和工作效果>
第二实施例可以提供如下的操作和工作效果。
<2-1>第二实施例使用一个激光源SLb，该激光源SLb可以选择具有波长λc和λd的激光束Lc和Ld这两者之一并且发射所选的激光束。过程1(图5)在距离晶片10的表面10b的最深位置处形成改质区R。该实施例从晶片10的表面10b向内部的聚焦点Pc发射具有波长λc的激光束Lc。该实施例形成能够构成3层的改质区群Gc1至Gc3的每个改质区R。过程2(图6)在距离晶片10的表面10b的最较浅的位置处形成改质区R。该实施例从晶片10的表面10b向内部的聚焦点Pd发射具有波长λd的激光束Ld。该实施例形成能够构成3层的改质区群Gd1至Gd3的每个改质区R。
将激光束Lc的波长λc设置成充分大的值可以向距离晶片10的表面10b深位置处应用波长λc。正常的改质区R可以可靠地在深位置处形成。将激光束Ld的波长λd设置成充分较小的值可以向距离晶片10的表面10b的浅位置处应用波长λd。正常改质区R可以可靠地在浅位置处形成。波长λc变成大于λd(λc＞λd)。在考虑到晶片10的材料和厚度时，优选用实验方法通过试验性的手段发现波长λc和λd的最佳值。
第二实施例仅仅使用一个激光源SLb。该实施例可以比专利文献3中的技术进一步使激光加工设备小型化，其中专利文献3对于具有不同波长的每个激光束提供了一个激光源。该实施例可以减小安装空间。另外，该实施例可以简化激光加工设备，从而减小零件的数目并且减小制造成本。
<2-2>第二实施例形成六层改质区群Gc1至Gd3。改质区群的层的数目可以根据晶片10的厚度适当地指定。可以优选形成具有四层或更少层或者八层或更多层的改质区群。
<2-3>第二实施例使用能够可选择地发射具有波长λc和λd的激光束Lc和Ld的激光源SLb(激光源能够以两个可选择的波长进行振荡)。该实施例针对距离晶片10的表面10b的两个位置即深位置和浅位置选择最佳波长λc或λd。
另外，可以优选使用能够产生和发射可选择的三个波长的激光束的激光源。最佳波长能够可选择地施加给距离晶片10的表面10b的三个位置即深位置、浅位置和中间位置。此外，可以优选使用能够产生和发射可选择的四种或更多波长的激光束的激光源。最佳波长能够可选择地施加到由距离晶片10的表面10b的一个深度处分开的多个部分上。
<2-4>优选如上所述那样按照Gc1、Gc2、Gc3、Gd1、Gd2和Gd3的顺序形成6层的改质区群Gc1至Gd3。即，该形成优选从距离晶片10的表面10b(激光束Lc和Ld的入射面)最远的改质区群开始，其中激光束Lc和Ld从表面10b入射。原因与第一实施例的<1-4>所描述的相同。
另外，当6层的改质区群Gc1至Gd3从晶片10的表面10b最近的地方开始顺次(即以Gd3、Gd2、Gd1、Gc3、Gc2和Gc1的顺序)或随机形成时，6层的改质区群Gc1至Gd3可以在一定程度上均一地形成。通过用实验方法确认实际形成的改质区群以适当地确定形成改质区群的顺序是良好的习惯做法。
3.第三实施例
图7和8显示了依照第三实施例向晶片12和13发射激光束并且形成改质区的过程。图7和8示意性地显示了依照第三实施例的晶片12和13的纵向剖视图。
晶片(批量硅晶片)12和13是由批量单晶硅材料制成的。切割膜11粘结到晶片12的反面12a。晶片13层压在晶片12的表面12b上。晶片12的表面12a和晶片13的反面13a粘结以形成两层结构。
<过程1：参见图7>
激光加工设备设置有一个激光源SLc和一个聚光透镜CV。激光源SLc选择具有波长λe的激光束Le和具有波长λf的激光束Lf之一。然后激光源SLc产生并发射具有所选波长的激光束。
激光加工设备允许激光源SLc发射具有波长λe的激光束Le。激光束Le的光轴OA保持垂直于晶片13的表面13b。在这种状态下，激光束Le透过聚光透镜CV照射到晶片13的表面13b(激光束Le的入射面)。激光束Le会聚在聚焦点Pe即晶片12中的特定位置上。由于激光束Le的照射，在晶片12中的聚焦点Pe处形成改质区R。
激光加工设备就在晶片12的反面12a附近设定了晶片12中的聚焦点Pe的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束Le并且相对于晶片12移动聚焦点Pe。激光加工设备在距离晶片12的表面12b的特定深度位置处(即，内部的距离激光束Le的入射面的特定位置处)形成一层的改质区群Ge1。改质区群Ge1包括相对于晶片12的表面12b和反面12a水平地相距特定间隔处产生的多个改质区R。
激光加工设备逐渐改变晶片12中的聚焦点Pe的深度位置。随后激光加工设备沿着晶片12的预定切割线K形成3层的改质区群Ge1至Ge3。改质区群从晶片12的表面12b开始沿着深度方向布置，从而彼此分开、邻接或重叠。
<过程2：参见图8>
激光加工设备允许激光源SLc发射具有波长λf的激光束Lf。激光束Lf的光轴OA保持垂直于晶片13的表面13b。在这种状态下，激光束Lf透过聚光透镜CV照射到晶片13的表面13b(激光束Lf的入射面)。激光束Lf会聚在聚焦点Pf即晶片13中的特定位置上。由于激光束Lf的照射，在晶片13中的聚焦点Pf处形成改质区R。
激光加工设备就在晶片13的反面13a附近设定了晶片13中的聚焦点Pf的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束Lf并且相对于晶片13移动聚焦点Pf。激光加工设备在距离晶片13的表面13b的特定深度位置处(即，内部的距离激光束Lf的入射面的特定位置处)形成一层的改质区群Gf1。改质区群Gf1包括相对于晶片13的表面13b和反面13a水平地相距特定间隔处产生的多个改质区R。
激光加工设备逐渐改变晶片13中的聚焦点Pf的深度位置。随后激光加工设备沿着晶片13的预定切割线K形成3层的改质区群Gf1至Gf3。改质区群从晶片13的表面13b开始沿着深度方向布置，从而彼此分开、邻接或重叠。
<过程3>
切割膜11相对于预定切割线K水平地扩张从而向晶片10中的改质区群Ge1至Ge3和Gf1至Gf3施加张应力。依照图7和图8中的实例，切割膜11在从相应的页面上观察时垂直地扩张。
因此，在晶片12中产生切应力。裂缝首先沿着晶片12的深度方向在底部层改质区群Ge1处产生以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片12的深度方向在Ge1上方的改质区群Gc2处产生以作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片12的深度方向在Ge2上方的改质区群Ge3处产生以作为起始点。在改质区群Ge1至Ge3处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片12的表面12b和反面12a从而切割并且分开晶片12。
因此，在晶片13中产生切应力。裂缝首先沿着晶片13的深度方向在底部层改质区群Gf1处产生以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片13的深度方向在Gf1上方的改质区群Gf2处以产生作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片13的深度方向在Gf2上方的改质区群Gf3处产生以作为起始点。在改质区群Gf1至Gf3处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片13的表面13b和反面13a从而切割并且分开晶片13。
改质区群Ge1至Gf3沿着预定切割线K形成。使切割膜11扩张并且向改质区群Ge1至Gf3适当地施加张应力是良好的习惯做法。这使每个改质区R处的裂纹构成6层的改质区群Ge1至Gf3。改质区R作为切割的起始点。通过这种方式，就可以使用相对较小的力在不会导致晶片12和13中产生不需要的裂缝的条件下精确地切割并且分开晶片12和13。
<第三实施例的操作和工作效果>
第三实施例可以提供如下的操作和工作效果。
<3-1>第三实施例使用一个激光源SLe，该激光源SLe可以选择具有波长λe和λf的激光束Le和Lf这两者之一并且发射所选的激光束。在过程1(图7)中，该实施例从两层的结构的上部晶片13的表面13b向下部晶片12的聚焦点Pe发射具有波长λe的激光束Le。通过这种方式，该实施例形成能够构成3层的改质区群Ge1至Ge3的每个改质区R。在过程2(图8)中，该实施例从晶片13的表面13b向它的聚焦点Pf发射具有波长λe的激光束Le。通过这种方式，该实施例形成能够构成3层的改质区群Gf1至Gf3的每个改质区R。
晶片12和13被给定不同的光学特性因此对于激光束Le指示不同的折射率。部分激光束Le在晶片12和13之间的边界面上发生反射。反射光与入射光干涉从而被消除。对于激光束Le，激光束Le的能量在距离入射面(晶片13的表面13b)的深部处大大减弱了。深部缺少激光束Le产生多光子吸收所需的能量。因此不能形成改质区R。
当指定激光束Le的波长λe一个适合于晶片12和13的材料的值时，激光束Le就不会在晶片12和13之间的边界面上发生反射。对于激光束Le，在晶片12的距离入射面(晶片13的表面13b)的深部可以正常地并且可靠地形成能够构成改质区群Ge1至Ge3的改质区R。当对激光束Lf的波长λf指定适合于晶片13的材料的值时，就可以在晶片13中正常并且可靠地形成能够构成改质区群Gf1至Gf3的改质区R。在考虑到晶片12和13的材料和厚度时，优选用实验方法通过试验性的手段发现波长λc和λd的最佳值。
第三实施例仅仅使用一个激光源SLc。该实施例可以比专利文献3中的技术进一步使激光加工设备小型化，其中专利文献3对于具有不同波长的每个激光束提供了一个激光源。该实施例可以减小安装空间。另外，该实施例可以简化激光加工设备，从而减小零件的数目并且减小制造成本。
粘合的SOI晶片包括单晶硅衬底Si层、埋藏氧化(BOX)层和单晶硅SOI层。这些层按照从底部到顶部的顺序形成。提供了一种SOI结构，其中衬底Si层在氧化物埋层上形成作为绝缘层。例如，通过两个晶片在每个粘合表面(反射表面)上加热氧化形成氧化膜来制造粘合的SOI晶片。两个晶片经由氧化膜粘合。然后，晶片之一抛光到预计的厚度。抛光晶片变成SOI层。未抛光的晶片变成衬底Si层。氧化膜变成氧化物埋层。
由于衬底Si层、氧化物埋层和SOI层的不同光学特性，根据层材料，粘合的SOI晶片对激光束显示了不同的折射率。激光束在具有不同折射率的衬底Si层和氧化物埋层之间的边界面上以及具有不同折射率的氧化物埋层和SOI层之间的边界面上部分发生反射。反射光干扰入射光而被消除从而减弱激光束能量。另外，入射激光束被吸收在晶片中。由于激光束变得远离晶片表面(激光束的入射面)，所以激光束能量减弱。因此，甚至粘合的SOI晶片也会遇到第三实施例中所描述的问题。距离粘合的SOI晶片的表面较深的部分还缺乏能够产生多光子吸收所需的激光束能量。因此不能形成改质区R。
然而，可以通过将第三实施例应用到粘合的SOI晶片上并且向激光束波长提供适合于衬底Si层和SOI层的值来解决这个问题。在边界面上不发生激光束的反射。在晶片的距离激光束的入射面(晶片表面)的深部可以正常地并且可靠地形成能够构成多层改质区群的改质区。
<3-2>第三实施例在晶片12中形成了3层的改质区群Ge1至Ge3，在晶片13中形成了3层的改质区群Gf1至Gf3。晶片12和13中的改质区群的层数能够根据晶片12和13的材料和厚度适当地指定。可以优选在每个晶片中形成两层或更少层或者四层或更多层的改质区群。
<3-3>第三实施例使用能够可选择地发射具有波长λe和λf的激光束Le和Lf的激光源SLc(激光源能够以两个可选择的波长进行振荡)。该实施例从波长λe和λf中选择针对两层的晶片12和13为最佳波长的一个波长。
另外，可以优选使用能够产生和发射可选择的三种型式或更多波长的激光束的激光源。最佳波长可以可选择地施加到每个三层或更多层的多层晶片上。
<3-4>优选如上所述形成顺序为Ge1、Ge2、Ge3、Gf1、Gf2和Gf3的6层的改质区群Ga1至Gf3。即，该形成优选从距离晶片13的表面13b(激光束Le和Lf的入射面)最远的改质区群开始，其中激光束Le和Lf从表面13b入射。原因与第一实施例的<1-4>所描述的相同。
另外，当6层的改质区群Ge1至Gf3从晶片13的表面13b最近的地方开始顺次(即以Gf3、Gf2、Gf1、Ge3、Ge2和Ge1的顺序)或随机形成时，6层的改质区群Ge1至Gf3可以在一定程度上均一地形成。通过用实验方法确认实际形成的改质区群以适当地确定形成改质区群的顺序是良好的习惯做法。
4.第四实施例
图9和10显示了依照第四实施例向晶片12和13发射激光束并且形成改质区的过程。图9和10示意性地显示了依照第四实施例的晶片12和13的纵向剖视图。
<过程1：参见图9>
与第三实施例的过程2(图8)类似，激光源SLc产生具有波长λf的激光束Lf。激光源SLc向晶片13的表面13b发射激光束Lf，随后在晶片13中形成3层的改质区群Gf1至Gf3。
<过程2：参见图10>
切割膜11粘合到晶片13的表面13b。然后晶片12和13的两层的结构反向。晶片12和13安装在激光加工设备的安装基座上，其中晶片12的反面12a向上。
激光加工设备允许激光源SLc发射具有波长λe的激光束Le。激光束Le的光轴OA保持垂直于晶片12的反面12a。在这种状态下，激光束Le透过聚光透镜CV照射到晶片12的反面12a(激光束La的入射面)。激光束Le会聚在聚焦点Pa即晶片12中的特定位置上。由于激光束La的照射，在晶片12中的聚焦点Pe处形成改质区R。
激光加工设备就在晶片12的表面12b附近设定了晶片12中的聚焦点Pe的深度位置。在这种状态下，激光加工设备发射脉冲激光束Le并且相对于晶片12移动聚焦点Pe。激光加工设备在距离晶片12的反面12a的特定深度位置处(即，内部的距离激光束La的入射面的特定位置处)形成一层的改质区群Ge3。改质区群Ge3包括相对于晶片12的表面12b和反面12a水平地相距特定间隔处产生的多个改质区R。
激光加工设备逐渐改变晶片12中的聚焦点Pe的深度位置。随后激光加工设备沿着晶片12的预定切割线K形成3层的改质区群Ge3至Ge1。改质区群从晶片12的反面12a开始沿着深度方向布置，从而彼此分开、邻接或重叠。
<过程3>
切割膜11相对于预定切割线K水平地扩张从而向晶片10中的改质区群Gf1至Gf3和Ge1至Ge3施加张应力。依照图9和图10所示的实例，切割膜11在从相应的页面上观察时垂直地扩张。
因此，在晶片13中产生切应力。裂缝首先沿着晶片13的深度方向在底部层改质区群Gf3处产生以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片13的深度方向在Gf3上方的改质区群Gf2处产生以作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片13的深度方向在Gf2上方的改质区群Gf1处产生以作为起始点。在改质区群Gf3至Gf1处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片13的表面13b和反面13a从而切割并且分开晶片13。
在晶片12中产生切应力。裂缝首先沿着晶片12的深度方向在底部层改质区群Ge3处产生以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片12的深度方向在Ge3上方的改质区群Ge2处以产生作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片12的深度方向在Ge2上方的改质区群Ge1处产生以作为起始点。在改质区群Ge3至Ge1处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片12的表面12b和反面12a从而切割并且分开晶片12。
<第四实施例的操作和工作效果>
第四实施例可以提供与第三实施例的<3-2>至<3-4>中所述的相同的操作和工作效果。
与第三实施例类似的是，第四实施例使用可以从具有波长λe和λf的激光束Le和Lf中选择其一并且发射所选激光束的一个激光源SLc。在过程1(图9)中，该实施例从两层的结构的上部晶片13的表面13b向下部晶片13的聚焦点Pf发射具有波长λf的激光束Lf。通过这种方式，该实施例形成能够构成3层的改质区群Gf1至Gf3的每个改质区R。
第四实施例与第三实施例的不同之处如下。在过程2(图10)中，该实施例从晶片12的反面12a向它的聚焦点Pe发射具有波长λe的激光束Le。通过这种方式，该实施例形成能够构成3层的改质区群Ge1至Ge3的每个改质区R。
依照第四实施例，过程1(图9)在晶片13中形成改质区群Gf1至Gf3。然后晶片12和13的两层的结构反向。过程2(图10)在晶片12中形成改质区群Ge3至Ge1。因此，激光束Le在晶片12和13之间的边界面上不发生反射。
当对激光束Le的波长λe指定适合于晶片12的材料的值时，就可以在晶片12中正常并且可靠地形成能够构成改质区群Ge3至Ge1的改质区R。当对激光束Lf的波长λf指定适合于晶片13的材料的值时，就可以在晶片13中正常并且可靠地形成能够构成改质区群Gf1至Gf3的改质区R。在考虑到晶片12和13的材料和厚度时，优选用实验方法通过试验性的手段发现波长λc和λd的最佳值。
在第四实施例中，过程1和2能够按照如下方式反相。与过程2(图10)类似的是，该实施例从晶片12的反面12a向它的聚焦点Pe发射激光束Le。通过这种方式，该实施例形成改质区群Ge3至Ge1。切割膜11结合到晶片12的反面12a。然后一组晶片12和13反向。与过程1(图9)类似的是，该实施例从晶片13的表面13b向聚焦点Pf发射激光束Lf。通过这种方式，该实施例形成了改质区群Gf1至Gf3。与第一实施例中的过程3类似的是，切割膜11扩张从而切割和分开晶片12和13。
5.第五实施例
图11是显示了依照第五实施例的用于向晶片14发射激光束的激光加工设备的概要构造的透视图。激光加工设备20包括晶片安装设备21、激光照射设备22和控制设备23。
晶片安装设备21包括回转工作台(载物台或试件支架)31和载运工作台32。晶片10安装在盘形回转工作台31上。晶片10的反面10a被吸收并且固定到回转工作台31的上表面上。回转工作台31沿轴向支承在载运工作台32上。载运工作台32包含驱动设备(未显示)。该驱动设备沿着方向θ在平行于晶片10的表面10b和反面10a的水平面内旋转回转工作台31。激光加工设备20的主体基座(未显示)包含驱动设备(未显示)。该驱动设备沿着方向X和Y在平行于晶片10的表面10b和反面10a的水平面内移动载运工作台32。
激光照射设备22布置在回转工作台31上。激光加工设备20设置有驱动设备(未显示)。该驱动设备在平行于晶片10的表面10b和反面10a的水平面内沿着X和Y方向移动激光照射设备22。另外，激光照射设备22沿着Z方向垂直于晶片10的表面10b和反面10a移动激光照射设备22。激光照射设备22含有三个激光头HLa至HLc。这些激光头沿着X方向布置。
控制设备23控制驱动设备从而控制工作台31和32以及激光照射设备22沿着X、Y和Z方向运动。X、Y和Z方向彼此正交。
图12A是依照第五实施例的激光照射设备22的底视图。图12B是用于说明依照第五实施例的激光照射设备22的概要构造的局部纵向剖视图。激光照射设备22设置有底部开启的箱形外壳22a。三个激光头HLa至HLc固定在外壳22a内部。激光头HLa具有激光源SL1a和聚光透镜CVa。激光源SL1a发射具有波长λa的激光束L1a。激光束L1a在聚焦点P1a会聚。聚焦点P1a的位置通过波长λa和聚光透镜CVa的数值孔径NAa来确定。激光头HLb具有激光源SL1b和聚光透镜CVb。激光源SL1b发射具有波长λb的激光束L1b。激光束L1b在聚焦点P1b会聚。聚焦点P1b的位置通过波长λb和聚光透镜CVb的数值孔径NAa来确定。激光头HLc具有激光源SL1c和聚光透镜CVc。激光源SL1c发射具有波长λc的激光束L1c。激光束L1c在聚焦点P1c会聚。聚焦点P1c的位置通过波长λc和聚光透镜CVc的数值孔径NAc来确定。
激光束L1a至L1c的光轴OAa至OAc指向Z方向并且沿着X方向布置。控制设备23控制激光头HLa至HLc的激光束L1a至L1c的照射。
图13A、13B和14显示了依照第五实施例向晶片10发射激光束L1a至L1c并且形成改质区R的过程。图13A显示了晶片10的平面图。图13B和14示意性地显示了依照第二实施例的晶片10的纵向剖视图。图13B是图13A沿着线V-V剖开的剖视图。图14是沿着图13A的相当于预定切割线K的线W-W剖开的剖视图。
晶片(批量硅晶片)10是由批量单晶硅材料制成的。晶片10的反面10a连接有切割膜(切割薄板、切割带和扩张带)11。切割膜11由受热或沿扩张方向施加力能够扩张的扩张塑料膜材料制成。切割膜11使用粘合剂(未显示)粘结至晶片10的整个反面上。
晶片10放置成使它的表面10b向上并且反面10a向下。切割膜11结合到反面10a。在这种状态下，晶片10安装在回转工作台31上(参见图11)。切割膜11与回转工作台31的上表面接触。
激光加工设备20控制激光束L1a至L1c的光轴OAa至OAc垂直于晶片10的表面10b并且对准预定切割线K。激光加工设备20透过聚光透镜CVa至CVc向晶片10的表面10b(激光束L1a至L1c的入射面)发射激光束L1a至L1c。激光加工设备20使激光束L1a至L1c聚集在晶片10中的特定位置，这些位置作为不同的聚焦点(焦点)P1a至P1c。因此，激光加工设备20向晶片10中的不同聚焦点P1a至P1c发射激光束Lfa至L1c从而形成改质区(改质层)R。
增大激光束的波长会加深晶片中的聚焦点的深度位置。改质区R在距离晶片10的表面10b的深部处形成。换句话说，增大激光束的波长还可以增大激光束的入射面(晶片10的表面10b)至聚焦点的距离。在晶片10中，改质区R在距离激光束的入射面的深部处形成。
减小聚光透镜的数值孔径可以加深晶片10聚焦点的深度位置。改质区R在距离晶片10的表面101b的深部处形成。换句话说，减小聚光透镜的数值孔径可以增大激光束的入射面(晶片10的表面10b)至聚焦点的距离。改质区R在晶片10中形成在远离激光束的入射面的位置上。晶片10中的聚焦点P1a至P1c的深度位置等于从晶片10的表面10b(激光束L1a至L1c的入射面)到聚焦点P1a至P1c的距离。
当激光束L1a至L1c指定的波长λa至λc为增大的顺序(λa＜λb＜λc)时，聚焦点P1a至P1c的深度位置可以逐步按照这个顺序加深。当聚光透镜CVa至CVc指定的数值孔径NAa至NAc为减少的顺序(NAa＞NAb＞NAc)时，聚焦点P1a至P1c的深度位置可以按照这个顺序增加。即使当波长λa至λc以及数值孔径NAa至NAc按照如上所述指定时，聚焦点P1a至P1c的深度位置可以按照这个顺序增加。
改质区R包括主要由于激光束L1a至L1c的照射产生的多光子吸收而产生的熔融处理区。即，由于激光束L1a至L1c局部加热晶片10中与聚焦点P1a至P1c对应的位置而产生的多光子吸收。加热位置一旦熔融就使之再度硬化。通过这种方式，晶片10中的熔融然后再度硬化的区域就变成改质区R。熔融处理区表示其中物相或晶体结构发生了改变的区域。换句话说，熔融处理区是晶片10中发生下列变化的区域之一，即：单晶硅变成非晶硅的区域；单晶硅变成多晶硅的区域；以及单晶硅变成包含非晶硅和多晶硅的结构的区域。因为晶片10是批量硅晶片，所以熔融处理区主要由多晶硅形成。因为晶片10是批量硅晶片，所以熔融处理区主要由多晶硅形成。
熔融处理区主要通过多光子吸收而形成，而不是通过吸收晶片10中的激光束L1a至L1c(即激光束的常规加热)形成。因此，晶片10中除了聚焦点P1a和P1b之外的位置几乎不吸收激光束L1a至L1c。这可以防止晶片10的表面10b变成熔融或变形。
激光加工设备20保持晶片10中的聚焦点P1a至P1c为恒定的深度位置。在这种状态下，激光加工设备沿着X方向移动激光照射设备22并且发射用于扫描的脉冲激光束L1a至L1c。通过这种方式，激光加工设备20就沿着晶片10的直的预定切割线K顺着X方向移动聚焦点P1a至P1c。
在上面的说明中，移动激光照射设备22来扫描激光束L1a至L1c。在此取而代之的是激光照射设备22固定。工作台31和32能够沿着与激光束L1a至L1c的照射方向正交的方向旋转或移动。该方向相当于激光束L1a至L1c关于晶片10的表面10b的入射方向。即激光照射设备22移动并且扫描激光束L1a至L1c。工作台31和32旋转并且移动从而移动晶片10。通过这种方式，聚焦点P1a至P1c仅仅需要相对于晶片10沿着晶片10的预定切割线K移动。
激光加工设备20保持晶片10中的聚焦点P1a至P1c为恒定的深度位置。在这种状态下，激光加工设备20发射脉冲激光束L1a至L1c并且相对于晶片10移动聚焦点P1a至P1c。激光加工设备20同时在距离晶片10的表面10b的特定深度位置处形成一组3层的改质区群G1a至G1c。深度位置对应于激光束L1a至L1c的入射面至内部的特定距离。每个改质区群包括相对于晶片10的表面10b和反面10a水平地(X方向)位于特定间隔处的多个改质区R。
需要按照G1c、G1b和G1a的顺序形成3层的改质区群G1c至G1a。即，该形成需要从距离晶片10的表面10b(激光束L1a至L1c的入射面)最远的改质区群开始，其中激光束L1a至L1c从表面10b入射。例如，假定首先形成改质区群G1a然后是G1c。改质区群G1a位于晶片10的表面10b的附近，其中激光束L从晶片10的表面10b入射。改质区群G1c位于远离表面10b的地方。首先形成的改质区群G1a在形成改质区群G1c的期间分散照射的激光束L。这使不规则的尺寸的改质区R构成改质区群G1c。因此改质区群G1c就不能均一地形成。
相比之下，第五实施例从距离晶片10的表面10b(激光束L的入射面)最远的位置开始顺次形成改质区群G1c至G1a，其中，激光束L从表面10b入射。因此可以形成新的改质区R，其中在入射表面10b和聚焦点P之间不存在改质区R。已经形成的改质区R不分散激光束L。因此就可以均一地形成3层的改质区群G1a至G1c。
图14显示了沿着预定切割线K相对地移动聚焦点P1a至P1c的实例。这可以是其中聚焦点P1c至P1a按照P1c、P1b和P1a的顺序移动的情形。即，首先是聚焦点P1c。然后是聚焦点P1b。最后是聚焦点P1c。聚焦点P1c至P1a需要设置成使它们的相应的深度位置按照P1c、P1b和P1a的顺序依次变浅。即，聚焦点P1c所需的深度位置最深。聚焦点P1a所需的深度位置最浅。聚焦点P1b所需的深度位置位于聚焦点P1a和P1c之间。
通过这种方式，顶部层就可以含有由聚焦点P1a构成的改质区群G1a。中间层可以包含聚焦点P1b形成的改质区群G1b。底部层可以包含聚焦点P1c形成的改质区群G1c。可以从距离晶片10的表面10b(激光束L的入射面)最远的位置开始按照G1c、G1b和G1a的顺序顺次形成改质区群G1c至G1a，其中，激光束L1a至L1c从表面10b入射。
如上所述，改质区群G1a至G1c在晶片10中形成。然后切割膜11靠着预定切割线水平地(图13A和13B中的箭头β和β’指示的方向即Y方向)扩张。张应力施加到改质区群G1a至G1c上。
因此，在晶片10中产生切应力。裂缝首先沿着晶片10的深度方向在底部层改质区群G1c处产生以作为相距切割膜11最近的起始点。然后另一个裂缝沿着晶片10的深度方向在中间层改质区群G1b处产生以作为起始点。然后另一个裂缝沿着晶片10的深度方向在顶部间层改质区群G1a处产生以作为起始点。在改质区群G1a至G1c处作为起始点的这些裂纹扩展以连接在一起。扩展的裂缝到达晶片10的表面10b和反面10a从而切割并且分开晶片10。
改质区群G1a至G1c沿着预定切割线K形成。使切割膜11扩张并且向改质区群G1a至G1c适当地施加张应力是良好的习惯做法。这使每个改质区R处的裂纹构成改质区群G1a至G1c。改质区R作为切割的起始点。通过这种方式，就可以使用相对较小的力在不会导致晶片10中产生不需要的裂缝的条件下精确地切割并且分开晶片10。
许多芯片(未显示)展示在大约为盘形的薄晶片10的表面10b上的网格状线中。预定切割线K设置在芯片之间。即，多个预定切割线K展示在晶片10的表面10b上的网格状线中。在对于每个预定切割线K形成改质区群G1a至G1c之后，扩张切割膜11就可以使晶片10切割并且分成芯片。
<第五实施例的操作和工作效果>
第五实施例使用三个激光头HLa至HLc来发射激光束L1a至L1c。该实施例调节至少一个激光束L1a至L1c的波长λa至λc或者聚光透镜CVa至CVc的至少一个数值孔径NAa至NAc。该实施例适当地设置晶片10中的激光束L1a至L1c的聚焦点P1a至P1c的深度位置。通过这种方式，该实施例同时形成能够构成一组3层的改质区群G1a至G1c的每个改质区R。改质区群从表面10b开始沿着晶片10的预定切割线K顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。
换句话说，第五实施例向晶片10发射激光束L1a至L1c。该实施例指定激光束L1a至L1c的聚焦点P1a至P1c沿着晶片10上的入射方向(晶片10的深度方向)的不同位置(深度位置)。该实施例形成多个构成3层的改质区群G1a至G1c的改质区R，从而沿着入射方向彼此分开、邻接或重叠。
换句话说，第五实施例同时向晶片10发射激光束L1a至L1c。通过这种方式，该实施例就形成了能够构成3层的对应于激光束L1a至L1c的不同深度的改质区群G1a至G1c的改质区R。与专利文献1公开的技术相比，该实施例具有下面的优点，其中在文献1中沿着晶片表面的深度方向形成了仅仅一层的改质区。即使当晶片10比较厚时，该实施例也能增大作为切割晶片10的起始点的改质区R的数目。因此就可以沿着预定切割线K精确地切割并且分开晶片10。
第五实施例同时形成了改质区群G1a至G1c，因而提高了加工效率。该实施例可以在一段较短的时间内可靠地形成多层正常的改质区群G1a至G1c。该实施例可以提供较高的吞吐量并且适合于批量生产。
依照第五实施例，激光束L1a至L1c沿垂直方向从晶片10的表面10b入射。可以使激光束L1a至L1c照射的预定切割线K变窄。这样从一个晶片10上切出的芯片可以比通过扩宽预定切割线K得到的更多。芯片制造成本就可以减少。
另外，第五实施例相对于晶片10设计聚焦点P1a至P1c的运动方向和深度位置。目的是随后从距离晶片10的表面10b(激光束L1a的入射面)最远的位置开始形成构成改质区群G1a至G1c的改质区R。在距离晶片10的表面1Ob较浅的部分出形成的改质区R不阻碍用于在深部形成改质区R的激光束的入射。正常的改质区R可以可靠地在深部分处形成。
第五实施例使用三个激光头HLa至HLc来形成3层的改质区群G1a至G1c。另外，能够用两个或四个或更多激光头来形成两层或四层或更多的改质区群。
6.第六实施例
图15A是依照本发明的第六实施例的激光照射设备22的底视图。图15B是用于说明依照第六实施例的激光照射设备22的概要构造的局部纵向剖视图。
图16A、16B和17显示了依照第六实施例向晶片10发射激光束L1a至L1c并且形成改质区R的过程。图16A显示了晶片10的平面图。图16B和17示意性地显示了晶片10的纵向剖视图。图16B是图16A沿着线V-V剖开的剖视图。图17是图16A沿着相当于预定切割线K的线W-W剖开的剖视图。
第六实施例与第五实施例的不同之处如下。
<6-1>激光照射设备22包含三个驱动设备41a至41c。
<6-2>驱动设备41a沿着光轴OAa顺着Z方向前后移动激光头HLa。驱动设备41b沿着光轴OAb顺着Z方向前后移动激光头HLb。驱动设备41c沿着光轴OAc顺着Z方向前后移动激光头HLc。驱动设备41a至41c能够通过例如齿条和小齿轮或滚珠丝杆这些任意机构来实现。
<6-3>控制设备23控制驱动设备41a至41c从而沿着Z方向控制激光头HLa至HLc的运动。
<6-4>激光束L1a至L1c的波长设置为相同的值。聚光透镜CVa至CVc的数值孔径设置为相同的值。
第六实施例使用驱动设备41a至41c来沿着Z方向调节激光头HLa至HLc的位置。与第五实施例类似的是，第六实施例适当地设置晶片10中的激光束L1a至L1c的聚焦点P1a至P1c的深度位置。通过这种方式，该实施例同时形成能够构成一组3层的改质区群G1a至G1c。改质区群从表面10b开始沿着晶片10的预定切割线K顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。第六实施例可以提供与第五实施例相同的操作和工作效应。
7.第七实施例
图18A是依照本发明的第七实施例的激光照射设备22的底视图。图18B是晶片10的局部透视图，显示了依照第七实施例的向晶片10发射激光束L1a至L1c形成改质区R的过程。
第七实施例与第五实施例的不同之处如下。
<7-1>激光照射设备22包含发射激光束L1a至L1c的激光头HLa至HLc。激光束L1a至L1c的光轴OA指向Z方向并且沿着Y方向布置。
<7-2>激光照射设备22包含三个驱动设备51a至51c。
<7-3>驱动设备51a至51c沿着Y方向前后移动激光头HLa至HLc。驱动设备51a至51c能够通过例如齿条和小齿轮或滚珠丝杆这些任意机构来实现。
<7-4>控制设备23控制驱动设备51a至51c从而控制激光头HLa至HLc沿着Y方向运动。控制设备23使光轴OAa至OAc之间的间隔t与预定切割线Ka至Kc之间的间隔对齐。如上所述，预定切割线置于芯片之间用于切割和分离晶片10。预定切割线Ka至Kc之间的间隔(光轴OAa至OAc之间的间隔t)等于一个芯片的宽度或深度。预定切割线Ka至Kc沿着X方向延伸并且沿着Y方向布置，激光头HLa至HLc沿着Y方向前后移动。Y方向相当于与预定切割线Ka至Kc正交的水平方向。
激光加工设备20保持激光束L1a至L1c的光轴OAa至OAc垂直于晶片10的表面10b并且使光轴OAa至OAc分别对准预定切割线Ka至Kc。在这种状态下，激光束L1a至L1c透过聚光透镜CVa至CVc向晶片10的表面10b照射。激光束L会聚在聚焦点P1a至P1c即晶片10中的特定位置上。由于激光束L1a至L1c的照射，在晶片10中的聚焦点P1a至P1c处形成改质区R。
激光加工设备20保持晶片10中的聚焦点P1a至P1c为恒定的深度位置。在这种状态下，激光加工设备20发射脉冲激光束L1a至L1c并且相对于晶片10沿着X方向移动聚焦点P1a至P1c。激光加工设备20同时形成三个改质区群G2a至G2c，这些改质区群包括沿着预定切割线Ka至Kc顺着X方向在特定间隔处的多个改质区R。与第五实施例类似的是，激光加工设备20调节至少一个激光束L1a至L1c的波长λa至λc或者聚光透镜CVa至CVc的至少一个数值孔径NAa至NAc。以这种方式，激光加工设备20设置聚焦点P1a至P1c的深度位置。
<7-6>激光加工设备20逐渐改变晶片10中的聚焦点P1a至P1c的深度位置。随后激光加工设备20连续形成能够构成多层改质区群的改质区R。改质区群从表面10b开始沿着晶片10的预定切割线Ka至Kc顺着深度方向彼此分开、邻接或重叠。深度方向相当于晶片10的厚度方向、晶片10的剖面方向以及与晶片10的表面10b和反面10a正交的方向。
在图18B的实例中，三层的改质区群G2a沿着预定切割线Ka形成。两层的改质区群G2b沿着预定切割线Kb形成。一层的改质区群G2c沿着预定切割线Kc形成。在形成的每个层完成之后，激光头HLa至HLc相对于晶片10沿着Y方向向前(图8B中的向右)移动间隔t。
与第五实施例类似的是，第七实施例相对于晶片10设计聚焦点P1a至P1c的运动方向和深度位置。目的是始终从距离晶片10的表面10b最远的位置(即最深的位置)开始形成改质区R，其中晶片10的表面10b作为激光束L的入射面。
第七实施例使用驱动设备51a至51c来调节激光头HLa至HLc沿Y方向的位置。该实施例使光轴OAa至OAc之间的间隔t与预定切割线Ka至Kc之间的间隔对齐。该实施例与第五实施例类似地设置激光束L1a至L1c的聚焦点P1a至P1c的深度位置。第七实施例沿着预定切割线Ka至Kc顺着X方向移动聚焦点P1a至P1c。
第七实施例可以同时沿着预定切割线Ka至Kc形成三个改质区群G2a至G2c，从而提高了加工效率。该实施例使用三个激光头HLa至HLc来形成三个改质区群G2a至G2c。可以优选使用两个或四个或更多激光头来形成两个或四个或更多改质区群。
依照第七实施例，与第五实施例类似，激光束L1a至L1c沿垂直方向入射晶片10的表面10b。可以使激光束L1a至L1c照射的预定切割线K变窄。这样从一个晶片10上切出的芯片可以比通过扩宽预定切割线K得到的更多。芯片制造成本就可以减少。
另外，与第五实施例类似的是，第七实施例相对于晶片10设计聚焦点P1a至P1c的运动方向和深度位置。目的是随后从距离晶片10的表面10b(激光束L的入射面)最远的位置开始形成构成改质区群G2a至G2c的改质区R。在距离晶片10的表面10b较浅的部分出形成的改质区R不阻碍用于在深部形成改质区R的激光束的入射。正常的改质区R可以可靠地在深部分处形成。
8.第八实施例
图19A是依照本发明的第八实施例的激光照射设备22的底视图。图19B是晶片10的局部透视图，显示了依照第八实施例的向晶片10发射激光束L1a至L1c而形成改质区R的过程。
第八实施例与第七实施例的不同之处如下。第八实施例设置有与第六实施例中<6-1>至<6-4>中描述的相同的构造。第八实施例使用驱动设备41a至41c来调节激光头HLa至HLc沿Z方向的位置。第八实施例以这种方式在晶片10中设置激光束L1a至L1c的聚焦点P1a至P1c的深度位置。第八实施例可以提供与第七实施例相同的操作和工作效果。
9.第九实施例
图20是晶片10的局部透视图，显示了依照第九实施例的向晶片10发射激光束L1d至L1g而形成改质区R的过程。
第九实施例与第七或第八实施例的不同之处如下。
<9-1>第九实施例设置有构造类似于三个激光头HLa至HLc的一组三个激光头HLd至HLf。
与第七或第八实施例类似的是，第九实施例允许激光头HLa至HLc发射激光束L1a至L1c并且使激光束的光轴OAa至OAc朝向Z方向。该实施例相对于晶片10沿着X方向移动聚焦点P1a至P1c。该实施例形成改质区R，该改质区R能够沿着平行于设置在晶片10上的预定切割线Ka至Kc构成三个改质区群G2a至G2c。该实施例允许激光头HLd至HLf发射激光束L1d至L1f，并且使激光束的光轴OAd至OAf朝向Z方向定向。该实施例相对于晶片10沿着X方向移动聚焦点P1d至P1f。该实施例形成改质区R，该改质区R能够沿着平行于设置在晶片10上的预定切割线Kd至Kf构成三个改质区群G2d至G2f。预定切割线Ka至Kc沿着X方向设置。预定切割线Kd至Kf沿着Y方向设置。预定切割线Ka至Kf设置在网格状线中。
第九实施例设置了两组激光头HLa至HLc和HLd至HLf。两组激光头同时发射六个脉冲激光束L1a至L1f。该实施例沿着与晶片10的表面10b和反面10a水平地正交的两个方向(X和Y方向)移动激光束Lfa至L1f的聚焦点P1a至P1f。该实施例同时形成六个改质区群G2a至G2f，其包括沿着设置在晶片10上的网格状线中的六条预定切割线Ka至Kf的多个改质区R。
第九实施例可以同时形成改质区R，改质区R沿着X和Y方向分别形成三个改质区群。第九实施例可以比第七或第八实施例更高地提高加工效率。该实施例使用一组三个激光头HLa至HLc和另一组三个激光头HLd至HLf来形成六个改质区群G2a至G2f。可以优选使用三个或更多组的两个或四个或更多激光头来形成多个改质区群。
10.第十实施例
图21A和21B是依照第十实施例的激光照射设备22的底视图。第十实施例与第七或第八实施例的不同之处如下。激光头HLa至HLc设置在激光照射设备22中。每个激光头沿X方向移动的距离至少为其宽度。
第十实施例可以通过使用驱动设备51a至51c来调节激光头HLa至HLc的Y方向的位置来使光轴OAa至OAc之间的间隔t最小化至零。该实施例可以提供比第七或第八实施例更小的间隔t。可以很容易地从晶片10上切割和分开更小的芯片。
11.其它实施例
本发明并不限于上述实施例并且能够通过如下的实施例体现。在这种情形下，本发明可以提供与上述实施例等效或更优的操作和工作效应。
(1)虽然第三和第四实施例可以应用到具有晶片12和13层叠的两层的晶片上，但本发明并不限于此。本发明可以应用到由用于制造任何多层的半导体衬底的半导体材料制成的晶片上。
例如，多层的晶片包括如下。一层是SOI(绝缘体上的硅)晶片。另一层是SIMOX(注入氧分离)晶片。另外一层是绝缘衬底上的多晶硅或非晶硅形成的SOI晶片，例如通过固相增长方法或熔融再结晶方法得到的玻璃。再一层是用于半导体光发射设备的晶片，半导体光发射设备由衬底例如蓝宝石上的III-V复合半导体层的晶体生长得到。再又一层是利用阳极粘合使硅衬底和玻璃衬底粘合而形成的晶片。
(2)虽然上述实施例可以应用到批量硅晶片10、12和13上，但本发明并不限于此。本发明可以应用到由制造半导体衬底(例如砷化镓)的半导体材(例如砷化镓)材料制成的任何晶片上。本发明可以应用到用于制造半导体衬底的半导体材料制成的晶片上，而且可以应用到由包括玻璃在内的各种材料制成的晶片上。在第三和第四实施例中，晶片12和13可以由不同的材料制成，例如玻璃和硅。
在这种情形下，通过多光子吸收形成的改质区R并不限于那些包括如上述实施例中描述的熔融处理区的改质区R，而是还可以适当地依照晶片形成材料。例如，当晶片形成材料包含玻璃时，通过多光子吸收形成的改质区R可以包含裂缝区或具有修改的折射率的区域。专利文献1公开了包含裂缝区或具有修改的折射率的区域的改质区，故其详细说明在此省略以便简化。
(3)虽然第五至第十实施例可以应用到批量硅晶片上，但本发明并不限于此。本发明可以应用到由用于制造任何多层的半导体衬底的半导体材料制成的晶片上。在这种情形下，如下的晶片是可用的。一是粘合的SOI晶片。另一种是SIMOX晶片。另一层是绝缘衬底上的多晶硅或非晶硅形成的SOI晶片，例如通过固相增长方法或熔融再结晶方法得到的玻璃。另外一层是用于半导体光发射设备的晶片，半导体光发射设备由衬底例如蓝宝石上的III-V复合半导体层的晶体生长得到。再一层是利用阳极粘合使硅衬底和玻璃衬底粘合而形成的晶片。
一个激光加工设备20设置有多个激光头HLa至HLf。当多层的晶片由不同材料的多层晶片制成时，多层的晶片的每一层所用的材料可以针对激光头HLa至HLf发射的激光束L1a至L1f设置最佳波长和数值孔径。最佳激光束可以照射到每个层。对于每个层可以可靠地形成正常的改质区R。
下面显示了传统技术如何在包括材料不同的多层晶片的多层的晶片的每一层中形成改质区R。其中提供了一种具有激光头的激光加工设备，激光头用于对应于多层的晶片的每一层的材料发射激光束。每当在一层中形成了改质区R时，晶片都需要转移到另一个激光加工设备。当将上述实施例应用到多层晶片的加工时，仅仅一个激光加工设备20就可以用来对应于多层晶片的每一层的材料发射最佳激光束。晶片不需要转移到另一个激光加工设备。对于每一层，改质区R可以同时形成或者相继形成。因此，提高了加工效率。与安装多个激光加工设备相比，可以减小设备的安装空间。
(4)上述实施例扩张切割膜11从而切割和分开晶片10、12和13。另外，可以通过靠着晶片10、12和13的预定切割线K挤压具有弯曲部分的对象(例如半球体)的曲面(凸出表面)来施加压力。这会使构成多个层改质区群的改质区R中产生切应力，从而切割和分开晶片10、12和13。
对本领域的技术人员而言，很明显，可以在本发明的上述实施例中做出各种改变。然而，本发明的范围应该由下面的权利要求来确定。