JP2004343008A - レーザ光線を利用した被加工物分割方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充分に幅狭な分割ライン（１２）に沿って被加工物（２）を充分精密に分割することを可能にする、レーザ光線（４）を利用した被加工物分割方法を提供する。
【解決手段】被加工物（２）の片面側から照射するレーザ光線（４）を被加工物（２）の他面（１４）乃至その近傍に集光せしめて、他面（１４）から所定深さまでの部分で材料を変質せしめる。変質は実質上溶融及び再固化である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、それに限定されるものではないが、殊にサファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板、石英基板及びシリコン基板のうちのいずれかを含む薄板部材即ちウエーハを分割するのに適する、レーザ光線を利用した被加工物分割方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、周知の如く、サファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板、石英基板及びシリコン基板の如き基板を含むウエーハの表面上に多数の半導体回路を形成し、しかる後にウエーハを分割して個々の半導体回路にせしめている。そして、ウエーハを分割する方法として、レーザ光線を利用した種々の方法が提案されている。
【０００３】
下記特許文献１に開示された分割方法においては、ウエーハの片面乃至その近傍にレーザ光線を集光させて、レーザ光線とウエーハとを分割ラインに沿って相対的に移動せしめ、これによって分割ラインに沿ってウエーハの片面側の材料を溶融、除去してウエーハの片面上に溝を形成する。しかる後に、ウエーハに曲げモーメントを加えてウエーハを溝に沿って破断せしめる。
【０００４】
下記特許文献２及び３には、ウエーハの厚さ方向中間部にレーザ光線を集光させて、レーザ光線とウエーハとを分割ラインに沿って相対的に移動せしめ、これによって分割ラインに沿ってウエーハの厚さ方向中間部に変質部を生成し、しかる後にウエーハに外力を加えてウエーハを変質部に沿って破断せしめる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５，８２６，７７２号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，２１１，４８８号明細書
【特許文献３】
特開２００１−２７７１６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上記特許文献１に開示されている分割方法には、ウエーハの片面側において溶融、除去される材料（所謂デブリ）がウエーハの片面上に飛散、付着し、形成されている半導体回路を汚染してしまう、形成される溝の幅を充分に狭くすることが困難であり、従って分割ラインの幅を比較的広くすることが必要で半導体回路の形成に利用できる割合が比較的小さくなる、という問題がる。
【０００７】
一方、上記特許文献２及び３に開示されている分割方法には、次のとおりの問題が存在する。本発明者等の実験によれば、一般に、ウエーハの厚さ方向中間部において材料を変質せしめるには、所定パワー密度以上のパワー密度を有するレーザ光線をウエーハに照射することが必要であり、材料の変質はボイド（空隙）及びクラックの生成となる。クラックは任意の方向に延在し得る。それ故に、ウエーハに外力を加えた時に、ウエーハが分割ラインに沿って充分精密に破断されず、破断縁に多数の欠けが発生し或いは比較的大きなクラックが生成されてしまう傾向がある。
【０００８】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、充分に幅狭な分割ラインに沿って被加工物を充分精密に分割することを可能にする、レーザ光線を利用した新規且つ改良された被加工物分割方法を提供することである。
【０００９】
本発明者等は、鋭意研究及び実験の結果、驚くべきことに、レーザ光線が透過し得る被加工物の片面側から照射するレーザ光線を被加工物の他面乃至その近傍に集光せしめると、他面から所定深さまでの部分で材料を変質せしめることができ、そして材料の除去、従ってデブリの発生を実質上回避乃至充分に抑制して、またボイド及びクラックの発生を実質上回避乃至充分に抑制して、変質を実質上材料の溶融及び再固化からなるようにせしめることができ、かくして上記主たる技術的課題を達成することができることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を達成する被加工物分割方法として、レーザ光線が透過し得る被加工物の片面側からレーザ光線を照射することを含む被加工物分割方法において、
被加工物の該片面側から照射するレーザ光線を被加工物の他面乃至その近傍に集光せしめて、被加工物の該他面から所定深さまでの部分を変質せしめる、ことを含む被加工物分割方法が提供される。
【００１１】
被加工物の該変質は実質上溶融及び再固化であるのが好ましい。被加工物の該他面から厚さ方向内方に測定して＋２０乃至−２０μｍの位置にレーザ光線を集光せしめるのが好適である。好ましくは、レーザ光線は１５０乃至１５００ｎｍの波長を有するパルスレーザ光線であり、パルスレーザ光線の集光点即ち焦点におけるピークパワー密度は５．０×１０^８乃至２．０×１０^１１Ｗ／ｃｍ^２である。所定分割ラインに沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物を変質せしめるのが好適であり、該所定間隔はパルスレーザ光線の集光点におけるスポット径の３倍以下であるのが好ましい。所定分割ラインに沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物を変質せしめ、次いでレーザ光線の集光点を被加工物の厚さ方向内方に変位せしめて再び該所定ラインに沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物を変質せしめ、かくして変質された部分の深さを増大せしめることができる。該所定深さは被加工物の全厚さの１０乃至５０％であるのが好適である。被加工物はサファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板及び石英基板のうちのいずれかを含むウエーハでよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の被加工物分割方法の好適実施形態について更に詳細に説明する。
【００１３】
図１は、分割すべき被加工物２にレーザ光線４を照射する様式を模式的に示している。図示の被加工物２は薄板形態である基板６と多数の表面層８（図１にはそのうちの２個が部分的に図示されている）とから構成されたウエーハである。基板６は、例えばサファイア、炭化珪素、リチウムタンタレート、ガラス、石英或いはシリコンから形成されている。表面層８の各々は矩形状であり、基板６の片面１０上に行及び列をなして配列されて積層されている。各表面層８間には格子状に配列されたストリート即ち分割ライン１２が規定されている。
【００１４】
本発明の分割方法においては、被加工物２の片面側、即ち図１において上方からレーザ光線４が照射される。レ−ザ光線４は分割すべき基板６を透過し得るものであることが重要であり、基板６がサファイア、炭化珪素、リチウムタンタレート、ガラス或いは石英から形成されている場合、１５０乃至１５００ｎｍの波長を有するパルスレーザであるのが好都合である。特に、波長１０６４ｎｍであるＹＶＯ４パルスレーザ光線或いはＹＡＧパスルレーザ光線であるのが好適である。図１と共に部分拡大図である図２を参照して説明を続けると、本発明の分割方法においては、適宜の光学系（図示していない）を介して被加工物２の片面側から照射されるレーザ光線４を、被加工物２の他面（即ち図１及び図２において下面）１４乃至その近傍で集光せしめることが重要である。レーザ光線４の集光点１６は、被加工物２の他面１４上、或いは他面１４から厚さ方向内方、即ち図１及び図２において上方に測定して＋２０乃至−２０μｍ、特に＋１０乃至−１０μｍ、の範囲Ｘ内に位置せしめられているのが好ましい。図示の実施形態においては、基板６における表面層８が配設された片面１０を上方に向けて基板６の上方からレ−ザ光線４を照射しているが、所望ならば、基板６における表面層８が配設された片面１０を下方に向けた状態（片面１０と他面１４とを逆にした状態）にせしめて基板６の上方からレーザ光線４を照射し、かかるレーザ光線４を片面１０上或いはその近傍で集光せしめることもできる。
【００１５】
後述する実施例及び比較例の記載からも理解されるとおり、上記特許文献２及び３に開示されている方法に従って、図１に二点鎖線で示す如く、被加工物２の片面側から照射されるレーザ光線４を被加工物２の厚さ方向中間部にて集光せしめる場合には、レーザ光線４の集光点１６におけるピークパワー密度が所定値以下である時には被加工物２に何らの変化も発生しないが、レーザ光線４の集光点１６におけるピークパワー密度が所定値を超えるとレーザ光線４の集光点１６付近にて被加工物２内に急激にボイド及びクラックが生成される。これに対して、レーザ光線４を図１に実線で示す如く、被加工物２の他面１４乃至その近傍にて集光せしめる場合には、レーザ光線４の集光点１６におけるピークパワー密度が上記所定値よりも幾分低い値で、被加工物２の他面１４から所定深さまでの部分にて材料が溶融され、レーザ光線４の照射の終了により再固化されることが判明している。図１及び図２においては、溶融及び再固化される変質領域１８を多数の点を付して示している。かような溶融及び再固化においては、被加工物２から材料が除去されて飛散することを実質上回避乃至充分に抑制して、そしてまたボイド及びクラックの発生を実質上回避乃至充分に抑制して、所定幅及び深さの限定された変質領域１８で材料を溶融及び再固化せしめることができる。レーザ光線４の集光点１６の位置に応じて材料の挙動が変化する理由は必ずしも明白ではないが、本発明者等は次のとおりに推定している。被加工物２の厚さ方向中間部においては原子の拘束力が比較的大きく、所定パワー密度を超えたレーザ光線４を吸収して励起された原子が破裂を起こしてボイド乃至クラックを生成する。これに対して、被加工物２の他面１４乃至その近傍においては、レーザ光線４を吸収する原子の拘束力が比較的小さく、それ故に上記所定パワー密度よりも低いレーザ光線４を吸収した時に原子の破裂を起こすに至ることなく材料の溶融を生成せしめる。また、レーザ光線４は被加工物２内を透過して集光点１６に至り、従ってレーザ光線４のパワーは、被加工物２の片面に集光せしめる場合のように被加工物２から外方に分布するのではなくて、被加工物２の内方に向かって末広がり状に分布する故に、材料の溶融は他面１４から内方へと進行し、それ故に溶融された材料の飛散が充分に抑制されると推定される。被加工物２の他面１４乃至その近傍にて集光せしめられるパルスレーザ光線４の集光点１６におけるピークパワー密度は、被加工物２の材質にもよるが、一般に、５．０×１０^８乃至２．０×１０^１１Ｗ／ｃｍ^２程度であるのが好適である。
【００１６】
図１と共に図３を参照して説明を続けると、本発明の好適実施形態においては、被加工物２の片面側から照射したレーザ光線４を他面１４乃至その近傍で集光せしめた状態で、分割ライン１２に沿って被加工物２とレーザ光線４とを相対的に移動せしめ、かくして分割ライン１２に沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物２に実質上溶融、再固化である変質領域１８を生成する。被加工物２とレーザ光線４との相対的移動速度は、上記所定間隔がレーザ光線４の集光点１６におけるスポット径の３倍以下になるように設定するのが好適である。従って、図３に図示する如く、被加工物２の他面側には他面１４から所定深さＤの変質領域１８が分割ライン１２に沿って若干の間隔をおいて或いは実質上連続して生成される。変質領域１８は他の部分に比べて強度が局部的に低減せしめられている。従って、分割ライン１２の全長に沿って若干の間隔をおいて或いは実質上連続して変質領域１８を生成し、しかる後に例えば図１において分割ライン１２の両側部を上方に或いは下方に強制することによって分割ライン１２を中心として被加工物２に曲げモーメントを加えると、被加工物２を分割ライン１２に沿って充分精密に破断せしめることができる。被加工物２の破断の容易性の点から、変質領域１８の深さＤは被加工物２の切断ライン１２における全厚さＴの１０乃至５０％程度であるのが好ましい。
【００１７】
所要深さＤの変質領域１８を生成するために、所望ならばレーザ光線４の集光点１６の位置を変位せしめて複数回照射することもできる。図４は、最初はレーザ光線４の集光点１６を被加工物２の他面１４乃至その近傍に位置せしめて被加工物２に対してレーザ光線４を相対的に右方に移動せしめ、かくして分割ライン１２に沿って深さＤ１の変質領域１８−１を生成し、次いでレーザ光線４の集光点１６を被加工物２の厚さ方向内方（即ち図４において上方）に幾分変位せしめて被加工物２に対してレーザ光線４を左方に移動せしめ、かくして上記変質領域１８−１に積層せしめて深さＤ２の変質領域１８−２を生成し、そして更にレーザ光線４の集光点１６を厚さ方向内方（即ち図４において上方）に幾分変位せしめて被加工物２に対してレーザ光線４を相対的に右方に移動せしめ、かくして上記変質領域１８−２に積層せしめて深さＤ３の変質領域１８−３を生成する様式を図示している。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。
実施例１
被加工物として直径２ｉｎｃｈ（５．０８ｃｍ）、厚さ１００μｍのサファイア基板を使用し、図１乃至図３に図示する様式により被加工物の片面側から、即ち上方から、レーザ光線を照射して所定分割ラインに沿って変質領域を生成した。レーザ光線の照射は、集光点即ち焦点を被加工物の他面即ち下面に位置せしめて、次の条件で遂行した。

次いで、被加工物を手で把持して分割ラインを中心として曲げモーメントを加え、被加工物を分割ラインに沿って破断した。破断は分割ラインに沿って充分精密に遂行され、破断縁に顕著な欠け等は存在しなかった。図５は被加工物の破断縁の顕微鏡写真（倍率２００倍）をスケッチしたものである。図５から理解される如く、被加工物の他面側には深さ１０乃至２０μｍの変質領域１８が生成されており、かかる変質領域は実質上ボイド及びクラックを含んでいなかった。
【００１９】
実施例２
分割ラインに沿ってレーザ光線を被加工物に対して相対的に１回移動せしめる毎にレーザ光線の集光点の位置を上方に１０μｍ移動せしめて、レーザ光線を被加工物に対して相対的に４往復（従って４回）移動せしめたことを除いて、実施例１と同様にしてレーザ光線を照射した。
次いで、被加工物を手で把持して分割ラインを中心として曲げモーメントを加え、被加工物を分割ラインに沿って破断した。破断は分割ラインに沿って充分精密に遂行され、破断縁に顕著な欠け等は存在しなかった。図６は被加工物の破断縁の顕微鏡写真（倍率２００倍）をスケッチしたものである。図７から理解される如く、被加工物の他面側には深さ４０乃至５０μｍの変質領域１８が生成されており、かかる変質領域は実質上ボイド及びクラックを含んでいなかった。
【００２０】
比較例１
比較のためにレーザ光線の集光点を被加工物の厚さ方向中間部に位置せしめたことを除いて、実施例１と同様にしてレーザ光線を照射した。照射後に被加工物を観察したが変質領域の生成を認めることができなかった。
【００２１】
比較例２
レーザ光線の集光点のピークパワー密度を増大せしめて２．５×１０^１１Ｗ／ｃｍ^２にせしめたことを除いて、比較例１と同様にしてレーザ光線を照射した。次いで、被加工物を手で把持して分割ラインを中心として曲げモーメントを加え、被加工物を分割ラインに沿って破断した。破断は分割ラインに沿って充分精密に遂行されず、破断縁には欠け、比較的大きなクラックが多数存在した。図７は被加工物の破断縁の顕微鏡写真（倍率２００倍）をスケッチしたものである。図７から理解される如く、被加工物の厚さ方向中間部に生成された変質は多数のボイド２０及びクラック２２を含み、クラックは種々の方向に延在していることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の好適実施形態において被加工物にレーザ光線を照射する様式を示す簡略断面図。
【図２】図１におけるレーザ光線の集光点の近傍を拡大して示す簡略断面図。
【図３】図１に示す様式を分割ラインに沿った断面で示す簡略断面図。
【図４】変質領域を被加工物の厚さ方向に積層して生成しめる様式を示す図３と同様の簡略断面図。
【図５】実施例１における被加工物の破断縁の顕微鏡写真をスケッチして作成した簡略図。
【図６】実施例２における被加工物の破断縁の顕微鏡写真をスケッチして作成した簡略図。
【図７】比較例２における被加工物の破断縁の顕微鏡写真をスケッチして作成した簡略図。
【符号の説明】
２：被加工物
４：レーザ光線
６：基板
８：表面層
１０：基板の片面
１２：分割ライン
１４：被加工物（基板）の他面
１６：レーザ光線の集光点
１８：変質領域

Claims (10)

1. レーザ光線が透過し得る被加工物の片面側からレーザ光線を照射することを含む被加工物分割方法において、
   被加工物の該片面側から照射するレーザ光線を被加工物の他面乃至その近傍に集光せしめて、被加工物の該他面から所定深さまでの部分を変質せしめる、ことを含む被加工物分割方法。
2. 被加工物の該変質は実質上溶融及び再固化である、請求項１記載の被加工物分割方法。
3. 被加工物の該他面から厚さ方向内方に測定して＋２０乃至−２０μｍの位置にレーザ光線を集光せしめる、請求項１又は２記載の被加工物分割方法。
4. レーザ光線は１５０乃至１５００ｎｍの波長を有するパルスレーザ光線である、請求項１から３までのいずれかに記載の被加工物分割方法。
5. パルスレーザ光線の集光点におけるピークパワー密度は５．０×１０^８乃至２．０×１０^１１Ｗ／ｃｍ^２である、請求項４記載の被加工物分割方法。
6. 所定分割ラインに沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物を変質せしめる、請求項４又は５記載の被加工物分割方法。
7. 該所定間隔はパルスレーザ光線の集光点におけるスポット径の３倍以下である、請求項６記載の被加工物分割方法。
8. 所定分割ラインに沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物を変質せしめ、次いでレーザ光線の集光点を被加工物の厚さ方向内方に変位せしめて再び該所定ラインに沿って所定間隔をおいた多数の位置において被加工物を変質せしめ、かくして変質された部分の深さを増大せしめる、請求項４から７までのいずれかに記載の被加工物分割方法。
9. 該所定深さは被加工物の全厚さの１０乃至５０％である、請求項６から８までのいずれかに記載の被加工物分割方法。
10. 被加工物はサファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板及び石英基板のうちのいずれかを含むウエーハである、請求項１から９までのいずれかに記載の被加工物分割方法。

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