JP2004268104A

JP2004268104A - レーザ加工方法

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Publication number: JP2004268104A
Application number: JP2003063838A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fukumitsu; 憲志福満; Fumitsugu Fukuyo; 文嗣福世; Naoki Uchiyama; 直己内山; Toshimitsu Wakuta; 敏光和久田; Kazuhiro Atsumi; 一弘渥美; Kenichi Muramatsu; 憲一村松
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP4167094B2

Abstract

【課題】切断予定ラインに沿って加工対象物を確実且つ高精度に切断することのできるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】多光子吸収により形成される改質領域７によって、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に切断起点領域８を形成する。その後、加工対象物１の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光Ｌ２を切断予定ライン５に沿って加工対象物１に照射することで、切断起点領域５を起点として加工対象物１に割れ２４を発生させ、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を精度良く切断することができる。しかも、加工対象物１が固定された拡張フィルム１９を拡張させることで、各チップ２５が離間することになるため、切断予定ライン５に沿った加工対象物１の切断の確実性をより一層向上させることができる。
【選択図】図１８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料基板、圧電材料基板やガラス基板等の加工対象物の切断に使用されるレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来におけるこの種の技術を開示する文献として、下記の特許文献１を例示することができる。この特許文献１の明細書には、レーザ光を照射することにより加工対象物の内部に切断予定ラインに沿って改質領域を形成し、この改質領域を起点として加工対象物を切断する技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
国際公開第０２／２２３０１号パンフレット
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この特許文献１記載の技術は、加工対象物を切断予定ラインに沿って精度良く切断することのできる極めて有効な技術であるため、改質領域を起点として加工対象物をより一層確実に且つ高精度に切断する技術が望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、切断予定ラインに沿って加工対象物を確実且つ高精度に切断することのできるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、拡張可能な保持部材の表面に固定されたウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の内部に改質領域を形成し、この改質領域によって、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物のレーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する工程と、切断起点領域を形成する工程後、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を改質領域に照射することで、切断予定ラインに沿って加工対象物を切断する工程と、加工対象物を切断する工程後、保持部材を拡張させることで、切断された加工対象物のそれぞれの部分を離間させる工程とを備えることを特徴とする。
【０００７】
このレーザ加工方法においては、多光子吸収により形成される改質領域によって、加工対象物を切断すべき所望の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に切断起点領域を形成することができる。そして、非改質領域（加工対象物における改質領域以外の部分）に対して透過性を有するレーザ光を切断予定ラインに沿って加工対象物に照射することで、切断起点領域を起点として加工対象物に割れを発生させ、切断予定ラインに沿って加工対象物を精度良く切断することができる。しかも、加工対象物が固定された保持部材を拡張させることで、加工対象物のそれぞれの部分が離間することになるため、切断予定ラインに沿った加工対象物の切断の確実性をより一層向上させることができる。
【０００８】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、拡張可能な保持部材の表面に固定されたウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の内部に改質領域を形成し、この改質領域によって、加工対象物の切断予定ラインに沿って加工対象物のレーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する工程と、切断起点領域を形成する工程後、加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を改質領域に照射する工程と、加工対象物に照射する工程後、保持部材を拡張させることで、加工対象物を切断し、かつ切断された加工対象物のそれぞれの部分を離間させる工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
このレーザ加工方法においては、上述したレーザ加工方法と同様に、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に切断起点領域を形成することができる。そして、非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を切断予定ラインに沿って加工対象物に照射することで、このような照射を行わない場合に比べて小さな力によって、切断起点領域を起点とした割れを加工対象物の表面と裏面とに到達させることができる。したがって、加工対象物が固定された保持部材をより小さな力で拡張させることができ、切断予定ラインに沿って加工対象物を精度良く切断することが可能になる。しかも、この保持部材を拡張させることで、加工対象物のそれぞれの部分が離間することになるため、切断予定ラインに沿った加工対象物の切断の確実性をより一層向上させることができる。
【００１０】
なお、集光点とは、レーザ光が集光した箇所のことである。また、切断起点領域とは、加工対象物が切断される際に切断の起点となる領域を意味する。したがって、切断起点領域は、加工対象物において切断が予定される切断予定部である。そして、切断起点領域は、改質領域が連続的に形成されることで形成される場合もあるし、改質領域が断続的に形成されることで形成される場合もある。また、加工対象物は半導体材料により形成され、改質領域は溶融処理領域である場合がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係るレーザ加工方法における切断起点領域を形成する工程（以下、「切断起点領域形成工程」という）では、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する。そこで、このレーザ加工方法、特に多光子吸収について最初に説明する。
【００１２】
材料の吸収のバンドギャップＥ_Ｇよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Ｇである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞Ｅ_Ｇの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まる。
【００１３】
このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１の平面図であり、図２は図１に示す加工対象物１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象物１のＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、図６は切断された加工対象物１の平面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には、加工対象物１を切断すべき所望の切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である（加工対象物１に実際に線を引いて切断予定ライン５としてもよい）。本実施形態に係るレーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。
【００１５】
レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部にのみ形成され、この改質領域７でもって切断起点領域（切断予定部）８が形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Ｌを吸収することにより加工対象物１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。
【００１６】
加工対象物１の切断において、切断する箇所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れを発生させることなく加工対象物１の切断が可能となる。
【００１７】
なお、切断起点領域を起点とした加工対象物の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断起点領域形成後、加工対象物に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域を起点として加工対象物が割れ、加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物の切断起点領域に沿って加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断起点領域を形成することにより、切断起点領域を起点として加工対象物の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚さが小さい場合には、１列の改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となり、加工対象物の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域が形成されていない部位に対応する部分の表面上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の加工対象物の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。
【００１８】
さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）がある。
【００１９】
（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ_３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物の表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。
【００２０】
本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
【００２１】
（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
【００２２】
なお、レーザ光品質がＴＥＭ_００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。
【００２３】
図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０^１１（Ｗ／ｃｍ^２）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。
【００２４】
次に、本実施形態に係るレーザ加工において、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このクラック領域９でもって切断起点領域が形成される。図９に示すようにクラック領域９を起点として（すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが加工対象物１の表面３と裏面２１に到達し、図１１に示すように加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物の表面と裏面に到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合もある。
【００２５】
（２）改質領域が溶融処理領域の場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。
【００２６】
本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。
【００２７】
（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
【００２８】
図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。
【００２９】
溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。
【００３０】
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
【００３１】
なお、シリコンウェハは、溶融処理領域でもって形成される切断起点領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。なお、切断起点領域からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。加工対象物の内部に溶融処理領域でもって切断起点領域を形成すると、割断時、切断起点領域ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。
【００３２】
（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。
【００３３】
以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（３）の場合を説明したが、ウェハ状の加工対象物の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く加工対象物を切断することが可能になる。
【００３４】
すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。さらに、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。
【００３５】
なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、切断起点領域を形成すべき方向に沿った切断起点領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。
【００３６】
次に、上述したレーザ加工方法に使用されるレーザ加工装置について、図１４を参照して説明する。図１４はレーザ加工装置１００の概略構成図である。
【００３７】
レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、レーザ光Ｌの反射機能を有しかつレーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを集光する集光用レンズ１０５と、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９と、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ１１１と、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ１１３と、これら３つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５とを備える。
【００３８】
この集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、加工対象物１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。Ｚ軸方向は、加工対象物１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、加工対象物１の内部にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせることができる。これにより、例えば、加工対象物１が多層構造を有しているような場合に、加工対象物１の基板や或いは当該基板上の積層部等、所望の位置に集光点Ｐを合わせることができる。
【００３９】
レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。本実施形態では、加工対象物１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。
【００４０】
レーザ加工装置１００はさらに、載置台１０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９とを備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。なお、加工対象物１の裏面が集光用レンズ１０５側となるよう加工対象物１が載置台１０７に載置された場合は、ここでいう「表面」が「裏面」となるのは勿論である。
【００４１】
レーザ加工装置１００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤカメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。
【００４２】
レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９とを備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点を加工対象物１の表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が加工対象物の表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。
【００４３】
全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。
【００４４】
次に、上述したレーザ加工装置１００を使用した場合の切断起点領域形成工程について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１５は、本実施形態に係る切断起点領域形成工程を説明するためのフローチャートである。
【００４５】
加工対象物１の光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、加工対象物１に対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１を選定する（Ｓ１０１）。続いて、加工対象物１の厚さを測定する。厚さの測定結果及び加工対象物１の屈折率を基にして、加工対象物１のＺ軸方向の移動量を決定する（Ｓ１０３）。これは、レーザ光Ｌの集光点Ｐを加工対象物１の基板の内部に位置させるために、加工対象物１の表面３に位置するレーザ光Ｌの集光点Ｐを基準とした加工対象物１のＺ軸方向の移動量である。この移動量は全体制御部１２７に入力される。
【００４６】
加工対象物１をレーザ加工装置１００の載置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて加工対象物１を照明する（Ｓ１０５）。照明された切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３を撮像素子１２１により撮像する。撮像素子１２１により撮像された撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点データを演算する（Ｓ１０７）。
【００４７】
この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向の移動させる（Ｓ１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が加工対象物１の表面３に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の拡大画像が表示される。
【００４８】
全体制御部１２７には予めステップＳ１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の基板の内部となる位置に、Ｚ軸ステージ１１３により加工対象物１をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１１１）。
【００４９】
続いて、レーザ光源１０１からレーザ光Ｌを発生させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の表面３の切断予定ライン５に照射する。レーザ光Ｌの集光点Ｐは加工対象物１の基板の内部に位置しているので、改質領域は加工対象物１の基板の内部にのみ形成される。そして、切断予定ライン５に沿うようにＸ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させて、切断予定ライン５に沿って改質領域を形成し、この改質領域によって、加工対象物１の基板の内部に切断予定ライン５に沿った切断起点領域を形成する（Ｓ１１３）。
以下、実施例により、本発明についてより具体的に説明する。
【００５０】
［実施例１］
本発明の実施例１について説明する。なお、図１７〜図２０は、図１６に示す加工対象物１のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った部分断面図である。
【００５１】
図１６及び図１７に示すように、加工対象物１の裏面２１に拡張可能な拡張フィルム（保持部材）１９を貼り付けて、この拡張フィルム１９の表面１９ａ上に加工対象物１を固定する。拡張フィルム１９は、その外周部分がリング状のフィルム固定枠２０に貼り付けられて、このフィルム固定枠２０に固定されている。なお、この加工対象物１は、厚さ２００μｍのシリコンウェハである。
【００５２】
このように、加工対象物１、拡張フィルム１９及びフィルム固定枠２０からなるユニットＵを、例えば上述のレーザ加工装置１００の載置台１０７上に、加工対象物１の表面３側が集光用レンズ１０５に対面するように載置する。そして、押え部材１０７ａによりフィルム固定枠２０を載置台１０７に固定すると共に、拡張フィルム１９を載置台１０７に真空吸着する。
【００５３】
続いて、図１６に示すように、加工対象物１のオリエンテーションフラット１６に平行な方向と垂直な方向とに延在する切断予定ライン５を格子状に設定する。この切断予定ラインはウェハ上に形成されている回路素子や受光面などの機能素子からなるデバイス形成面７００の間に設定されている。尚、図面では簡略してデバイス形成面７００は一部のみに記載している。そして、図１７に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐ１を合わせてレーザ光Ｌ１を照射し、その集光点Ｐ１を切断予定ライン５に沿って移動させることで、加工対象物１の内部に改質領域７を形成する。この改質領域７によって、加工対象物１の表面（レーザ光入射面）３から所定距離内側に切断起点領域８が切断予定ライン５に沿って形成される。なお、加工対象物１がシリコンウェハであるため、改質領域７としては溶融処理領域が形成される。
【００５４】
続いて、図１８に示すように、加工対象物１の改質領域７内に集光点Ｐ２を合わせて、加工対象物１の非改質領域（加工対象物１における改質領域７以外の部分）に対して透過性を有し、さらに望ましくは非改質領域に比べ改質領域７に対して高い吸収性を有するレーザ光Ｌ２を照射し、その集光点Ｐ２を切断予定ライン５に沿って移動させる。このレーザ光Ｌ２の照射によって、切断起点領域８を起点として割れ２４が発生し、この割れ２４が加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達する。これにより、加工対象物１は、切断予定ライン５に沿って複数のチップ２５に分割される。なお、実施例１では、レーザ光Ｌ２として波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いた。
【００５５】
このような割れ２４の主な発生原因としては、レーザ光Ｌ２の照射により切断予定ライン５に沿って加工対象物１が加熱されて、加工対象物１に熱応力が生じることが挙げられる。一例として、レーザ光Ｌ２を照射すると、改質領域と非改質領域との界面は例えば図１２のように連続した凹凸状となり平滑面ではないので、改質領域７と非改質領域との界面でレーザ光Ｌ２が散乱されて改質領域７の周囲部分が加熱される。この加熱により、改質領域７と非改質領域との界面に微細な亀裂や歪みが生じ、これらの亀裂や歪みを起点として引張応力が生じることで、改質領域７から表面３又は裏面２１へと割れ２４が発生する。
【００５６】
加工対象物１を複数のチップ２５に切断した後、ユニットＵをフィルム拡張装置２００に搬送する。図１９に示すように、ユニットＵは、そのフィルム固定枠２０がリング状の受け部材２０１とリング状の押え部材２０２とで挟持されて、フィルム拡張装置２００に固定される。そして、受け部材２０１の内側に配置された円柱状の押圧部材２０３をユニットＵの下側から拡張フィルム１９の裏面１９ｂに押し当て、さらに、図２０に示すように押圧部材２０３を上昇させる。これにより、拡張フィルム１９における各チップ２５の接触部分が外方側に拡張されて、各チップ２５が互いに離間することになり、各チップ２５を容易且つ確実にピックアップすることが可能になる。
【００５７】
以上の実施例１に係るレーザ加工方法においては、多光子吸収により形成される改質領域７によって、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に切断起点領域８を形成することができる。そして、加工対象物１の非改質領域に対して透過性を有する（望ましくは非改質領域に比べ改質領域７に対して高い吸収性を有する）レーザ光Ｌ２を切断予定ライン５に沿って加工対象物１に照射することで、切断起点領域５を起点として加工対象物１に割れ２４を発生させ、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を精度良く切断することができる。しかも、加工対象物１が固定された拡張フィルム１９を拡張させることで、各チップ２５が離間することになるため、切断予定ライン５に沿った加工対象物１の切断の確実性をより一層向上させることができる。
【００５８】
［実施例２］
本発明の実施例２について説明する。実施例２は、レーザ光Ｌ２を照射した際に発生する割れ２４が加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達しない点で、実施例１と異なる。以下、この実施例１との相異点を中心に説明する。なお、図２１は、図１６に示す加工対象物１のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った部分断面図である。
【００５９】
実施例１と同様に、加工対象物１、拡張フィルム１９及びフィルム固定枠２０からなるユニットＵを用意し、例えば上述のレーザ加工装置１００を用いて加工対象物１の内部に改質領域７を形成し、この改質領域７によって、加工対象物１の表面３から所定距離内側に切断起点領域８を切断予定ライン５に沿って形成する。なお、加工対象物１は、厚さ３００μｍのシリコンウェハである。
【００６０】
続いて、図２１に示すように、加工対象物１の改質領域７内に集光点Ｐ２を合わせて、加工対象物１の非改質領域に対して透過性を有し、さらに望ましくは非改質領域に比べ改質領域７に対して高い吸収性を有するレーザ光Ｌ２を照射し、その集光点Ｐ２を切断予定ライン５に沿って移動させる。このレーザ光Ｌ２の照射によって、切断起点領域８を起点として割れ２４が発生する。ただし、実施例２の加工対象物１の厚さ（３００μｍ）は実施例１の加工対象物１の厚さ（２００μｍ）に比べて厚いため、割れ２４は、加工対象物１の表面３と裏面２１とには到達せず、加工対象物１の内部に留まる。なお、レーザ光Ｌ２の照射条件は実施例１と同様である。
【００６１】
続いて、実施例１と同様に、ユニットＵをフィルム拡張装置２００に搬送する。そして、フィルム拡張装置２００において、ユニットＵの下側から拡張フィルム１９の裏面１９ｂに押圧部材２０３押し当て、さらに、この押圧部材２０３を上昇させる。これにより、拡張フィルム１９における加工対象物１の接触部分が外方側に拡張される。この拡張フィルム１９の拡張に伴い、加工対象物１内の割れ２４の先端が加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達して、加工対象物１が切断予定ライン５に沿って複数の各チップ２５に分割され、各チップ２５が互いに離間することになる。
【００６２】
なお、レーザ光Ｌ２の照射条件によっては、レーザ光Ｌ２の照射時に割れ２４が発生しない場合がある。このような場合であっても、レーザ光Ｌ２を照射しない場合に比べれば、拡張フィルム１９の拡張によって、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って容易且つ高精度に分割することができる。
【００６３】
以上の実施例２に係るレーザ加工方法においては、上述した実施例１に係るレーザ加工方法と同様に、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に切断起点領域８を形成することができる。そして、加工対象物１の非改質領域に対して透過性を有する（望ましくは非改質領域に比べ改質領域７に対して高い吸収性を有する）レーザ光Ｌ２を切断予定ライン５に沿って加工対象物１に照射することで、このような照射を行わない場合に比べて小さな力によって、切断起点領域８を起点とした割れ２４を加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達させることができる。したがって、加工対象物１が固定された拡張フィルム１９をより小さな力で拡張させることができ、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を精度良く切断することが可能になる。しかも、この拡張フィルム１９を拡張させることで、各チップ２４が離間することになるため、切断予定ライン５に沿った加工対象物１の切断の確実性をより一層向上させることができる。
【００６４】
本発明は、上述した実施例１及び実施例２には限定されない。
【００６５】
例えば、加工対象物１の材料、及びその加工対象物１の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域７に対して高い吸収性を有するレーザ光Ｌ２の種類としては、次のようなものが好ましい。すなわち、加工対象物１がシリコンウェハやＧａＡｓ系ウェハの場合は、レーザ光Ｌ２として、波長が９００ｎｍ〜１１００ｎｍのレーザ光を用いることが好ましい。具体的には、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）がある。
【００６６】
また、レーザ光Ｌ２の照射により発生する割れ２４を加工対象物１の表面３又は裏面２１のいずれか一方に到達させてもよい。このような制御は、加工対象物１の厚さ方向における中心位置から表面３又は裏面２１のいずれか一方に偏倚させて改質領域７を形成することで可能になる。特に、レーザ光Ｌ２の照射により割れ２４を加工対象物１の拡張フィルム１９側の面に到達させると、拡張フィルム１９の拡張による加工対象物１の割断精度をより一層向上させることができる。
【００６７】
なお、「加工対象物１の厚さ方向における中心位置から加工対象物１の表面３側に偏倚させて改質領域７を形成する」とは、切断起点領域８を構成する改質領域７が、加工対象物１の厚さ方向における厚さの半分の位置から表面３側に偏倚して形成されることを意味する。つまり、加工対象物１の厚さ方向における改質領域７の幅の中心位置が、加工対象物１の厚さ方向における中心位置から表面３側に偏倚して位置している場合を意味し、改質領域７の全ての部分が加工対象物１の厚さ方向における中心位置に対して表面３側に位置している場合のみに限る意味ではない。加工対象物１の裏面２１側に偏倚させて改質領域７を形成する場合についても同様である。
【００６８】
また、上述したレーザ光Ｌ２の集光点Ｐ２の位置は加工対象物１の改質領域７内であったが、レーザ光Ｌ２が改質領域７に照射されれば、改質領域７の近傍であってもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、切断予定ラインに沿って加工対象物を確実且つ高精度に切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の加工対象物の平面図である。
【図２】図１に示す加工対象物のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図４】図３に示す加工対象物のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図３に示す加工対象物のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。
【図９】本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。
【図１０】本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。
【図１１】本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。
【図１２】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。
【図１３】本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。
【図１４】本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１５】本実施形態に係る切断起点領域形成工程を説明するためのフローチャートである。
【図１６】実施例１に係る加工対象物の平面図である。
【図１７】実施例１に係る加工対象物に切断起点領域を形成している様子を示す断面図である。
【図１８】実施例１に係る加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を照射している様子を示す断面図である。
【図１９】実施例１に係る加工対象物をフィルム拡張装置にセットした様子を示す断面図である。
【図２０】実施例１に係る加工対象物が固定された拡張フィルムを拡張させた様子を示す断面図である。
【図２１】実施例２に係る加工対象物の非改質領域に対して透過性を有しかつ非改質領域に比べ改質領域に対して高い吸収性を有するレーザ光を照射している様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１…加工対象物、３…加工対象物の表面（レーザ光入射面）、５…切断予定ライン、７…改質領域、８…切断起点領域、１９…拡張フィルム（保持部材）、１９ａ…拡張フィルムの表面、２５…チップ、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…レーザ光、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…集光点。

Claims

拡張可能な保持部材の表面に固定されたウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に改質領域を形成し、この改質領域によって、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物のレーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する工程と、
前記切断起点領域を形成する工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射することで、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する工程と、
前記加工対象物を切断する工程後、前記保持部材を拡張させることで、切断された前記加工対象物のそれぞれの部分を離間させる工程とを備えることを特徴とするレーザ加工方法。
拡張可能な保持部材の表面に固定されたウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部に改質領域を形成し、この改質領域によって、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物のレーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する工程と、
前記切断起点領域を形成する工程後、前記加工対象物の非改質領域に対して透過性を有するレーザ光を前記改質領域に照射する工程と、
前記加工対象物に照射する工程後、前記保持部材を拡張させることで、前記加工対象物を切断し、かつ切断された前記加工対象物のそれぞれの部分を離間させる工程とを備えることを特徴とするレーザ加工方法。
前記加工対象物は半導体材料により形成され、前記改質領域は溶融処理領域であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。