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JP2019125688A - 被加工物のレーザー加工方法 - Google Patents

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JP2019125688A
JP2019125688A JP2018005053A JP2018005053A JP2019125688A JP 2019125688 A JP2019125688 A JP 2019125688A JP 2018005053 A JP2018005053 A JP 2018005053A JP 2018005053 A JP2018005053 A JP 2018005053A JP 2019125688 A JP2019125688 A JP 2019125688A
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Naotoshi Kirihara
直俊 桐原
昇 武田
Noboru Takeda
昇 武田
幸弘 桐林
Yukihiro Kiribayashi
幸弘 桐林
洋司 森數
Yoji Morikazu
洋司 森數
太朗 荒川
Taro Arakawa
太朗 荒川
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Abstract

【課題】厚い被加工物でも良好な分割性を保ちつつ効率的に分割することのできる被加工物のレーザー加工方法を提供する。【解決手段】板状の被加工物11を分割予定ラインに沿って分割する被加工物のレーザー加工方法であって、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームをその集光領域を被加工物の内部に位置付け照射することで、細孔と細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを形成する第1のシールドトンネル15a形成ステップと、集光領域の位置を被加工物の厚み方向に変更するステップと、第1のシールドトンネルと並ぶように第2のシールドトンネル15bを形成するステップとを備える。第1のシールドトンネルの長さと第2のシールドトンネルの長さを足し合わせた長さが、被加工物の厚さと略同等になるまで集光領域位置変更ステップ及び該第2のシールドトンネル形成ステップを繰り返す。【選択図】図6

Description

本発明はガラス板等の比較的厚みの厚い板状被加工物のレーザー加工方法に関する。
ウェーハを個々のデバイスチップに分割するには、従来はダイシングソーと呼ばれる切削装置が使用されてきたが、光デバイスウェーハ等の結晶成長用基板(エピタキシー基板)となるサファイア、SiC等の硬質脆性材料の切削はダイシングソーでは困難であるため、近年になりレーザー加工装置によるレーザー加工によりウェーハを複数のデバイスチップに分割する技術が注目されている。
このレーザー加工装置を使用したレーザー加工方法の一つに、ウェーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザービームを使用してウェーハの内部に改質層を形成し、強度が低下した改質層に沿ってエキスパンド装置等でウェーハに外力を付与することにより、ウェーハを複数のデバイスチップへと分割する技術が例えば特開2005−129607号公報に開示されている。
しかし、ウェーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザービームを照射してウェーハ内部に改質層を形成するSD(Stealth Dicing)加工方法では、1本の分割ラインに対して複数回パルスレーザービームを照射しなければならず、更なる生産性の向上が要望されている。
そこで、特許第6151557号公報では、比較的開口数の小さい集光レンズを使用してサファイア基板、SiC基板等の単結晶基板からなるウェーハに基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームを照射して、基板の内部に細孔とこの細孔をシールドする非晶質とからなる複数のシールドトンネルを直線的に間欠的に形成した後、ウェーハに外力を付与することにより、ウェーハを個々のデバイスチップに分割する加工方法が記載されている。
特開2005−129607号公報 特許第6151557号公報
しかし、特許文献2に開示されたレーザー加工方法では、板状被加工物の厚みがより厚くなるとシールドトンネルの長さが被加工物の厚みと比較して短くなってしまい、被加工物の分割性が悪い、或いは分割できないという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、厚い被加工物でも良好な分割性を保ちつつ効率的に分割することのできる被加工物のレーザー加工方法を提供することである。
本発明によると、板状の被加工物を分割予定ラインに沿って分割する被加工物のレーザー加工方法であって、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームをその集光領域を被加工物の内部に位置付け該分割予定ラインに沿って照射することで、細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを該分割予定ラインに沿って形成する第1のシールドトンネル形成ステップと、該第1のシールドトンネル形成ステップを実施した後、該被加工物に照射するパルスレーザービームの集光領域の位置を該被加工物の厚み方向に変更する集光領域位置変更ステップと、該集光領域位置変更ステップを実施した後、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームをその集光領域を被加工物の内部に位置付けて該分割予定ラインに沿って照射し、該パルスレーザービームの入射方向に沿って該第1のシールドトンネルと並ぶように第2のシールドトンネルを形成する第2のシールドトンネル形成ステップと、を備え、該第1のシールドトンネルの長さと該第2のシールドトンネルの長さを足し合わせた長さが、被加工物の厚さと略同等になるまで該集光領域位置変更ステップ及び該第2のシールドトンネル形成ステップを繰り返すことを特徴とする被加工物のレーザー加工方法が提供される。
好ましくは、第1のシールドトンネル形成ステップで形成される第1のシールドトンネルの一端は、被加工物の表面或いは裏面のどちらかに表出している。好ましくは、被加工物の厚さ方向に並んで形成される第1のシールドトンネルと第2のシールドトンネルのレーザービーム入射方向における重なりは±20μm以下である。
本発明によると、従来の方法では分割できないか或いは分割性の悪かった比較的厚みの厚い板状被加工物を効率的に分割することができ、生産性の向上を図ることができる。
本発明第1実施形態のレーザービーム照射ユニットを模式的に示すブロック図である。 本発明第2実施形態のレーザービーム照射ユニットを模式的に示すブロック図である。 図3(A)は第2実施形態のレーザービーム照射ユニットのレーザー発振器から発振されたパルスレーザービームを模式的に示す図、図3(B)は第1の間引き手段通過後のパルスレーザービームを模式的に示す図、図3(C)は増幅器で増幅された後のパルスレーザービームを模式的に示す図、図3(D)は第2の間引き手段により生成されたバーストパルスレーザービームを模式的に示す図である。 第1及び第2のシールドトンネル形成ステップを実施するのに適したレーザー加工装置の要部斜視図である。 図5(A)は第1実施形態のシールドトンネル形成ステップを示す側面図、図5(B)は第1実施形態のシールドトンネル形成ステップ終了後の一部断面側面図である。 図6(A)はシールドトンネルを被加工物の下面側から形成する第1実施形態の第1のシールドトンネル形成ステップ実施後の被加工物の模式的断面図、図6(B)は第2のシールドトンネル形成ステップ実施後の被加工物の模式的断面図、図6(C)は第3のシールドトンネル形成ステップ(第2のシールドトンネル形成ステップの繰り返し)実施後の被加工物の模式的断面図である。 図7(A)は第2実施形態のシールドトンネル形成ステップを示す側面図、図7(B)は第2実施形態のシールドトンネル形成ステップ実施後の一部断面側面図である。 図8(A)は被加工物の上面側からシールドトンネルを形成する第2実施形態の第1のシールドトンネル形成ステップ実施後の被加工物の模式的断面図、図8(B)は第2のシールドトンネル形成ステップ実施後の被加工物の模式的断面図、図8(C)は第3のシールドトンネル形成ステップ(第2のシールドトンネル形成ステップの繰り返し)実施後の被加工物の模式的断面図である。 図9(A)は第1及び第2のシールドトンネルの重なりを説明する被加工物の模式的断面図、図9(B)は図9(A)のP部分の拡大断面図であり、重なりが生じていない(重なりがマイナス)の場合を示しており、図9(C)は図9(A)のP部分の拡大断面図であり、重なりが生じている場合を示している。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図1を参照すると、本発明第1実施形態のレーザービーム照射ユニット3のブロック図が示されている。レーザービーム照射ユニット3は、パルスレーザービーム発生ユニット5とパルスレーザービーム発生ユニット5から出射したパルスレーザービームを集光してチャックテーブル14に保持された板状の被加工物11に照射する集光器8とを含んでいる。
パルスレーザービーム発生ユニット5は、YAG又はYVO4等のパルスレーザー発振器2を含んでおり、パルスレーザー発振器2からは例えば1030nm又は1064nm等の波長を有するパルスレーザーが発振される。
このパルスレーザーの繰り返し周波数は、例えば数十メガヘルツ(MHz)等の非常に高周波であり、レーザー発振器2から出射されるパルスレーザービームLB1は、非常に高い繰り返し周波数を有している。
パルスレーザービームLB1は間引き手段4に入射され、間引き手段4により所定間隔で間引かれて、10kHz〜50kHzの繰り返し周波数に変換される。間引き手段4は、例えば音響光学変調器(AOM)によるシャッタリングにより構成される。
間引き手段4から出射されたパルスレーザービームLB2は増幅器6に入射されて増幅され、増幅されたパルスレーザービームLB2´は集光器8に入射される。集光器8は、ミラー10と集光レンズ12を含んでいる。
増幅器6により増幅されたパルスレーザービームLB2´は集光器8のミラー10により鉛直方向に反射されて集光レンズ12に入射する。好ましくは、集光レンズ12としては比較的開口数(NA)が小さく且つ球面収差を有するレンズを使用するのが好ましい。
板状の被加工物11は比較的厚みの厚い(1mm以上の厚み)被加工物であり、本実施形態では厚みが3mmのガラス板を採用した。しかし、被加工物11はガラスに限定されるものではなく、集光器8から照射されるパルスレーザービームが透過性を有する比較的厚い被加工物であればどのようなタイプの被加工物でも採用可能である。
図2を参照すると、本発明第2実施形態のレーザービーム照射ユニット7のブロック図が示されている。レーザービーム照射ユニット7は、バーストパルスレーザービーム発生ユニット16と、集光器8とを含んでいる。
バーストパルスレーザービーム発生ユニット16は、YAG又はYVO4等のパルスレーザー発振器2を含んでおり、パルスレーザー発振器2からは例えば1030nm又は1064nm等の波長を有するパルスレーザーが発振される。
このパルスレーザーの繰り返し周波数は、例えば数十メガヘルツ(MHz)等の非常に高周波であり、レーザー発振器2から出射されるパルスレーザービームLB1は、図3(A)に示されるように、非常に高い繰り返し周波数を有している。
パルスレーザービームLB1は第1の間引き手段18に入射され、第1の間引き手段18により所定間隔で間引かれて、図3(B)に示すような、数MHz〜数10MHzの繰り返し周波数に変換される。第1の間引き手段18は、例えば音響光学変調器(AOM)によるシャッタリングにより構成される。
第1の間引き手段18から出射されたパルスレーザービームLB3は増幅器6に入射され、増幅器6により増幅されて、図3(C)に示すような、増幅されたパルスレーザービームLB3´が増幅器6から出射され第2の間引き手段20に入射される。この第2の間引き手段20も、例えば音響光学変調器(AOM)のシャッタリングにより構成される。
第2の間引き手段20では、所定間隔で連続して且つ間欠的にパルスレーザービームLB3´を間引いて、図3(D)に示すような、バーストパルス22を有するバーストパルスレーザービームLB4が第2の間引き手段20から出射される。
図3(D)に示す互いに隣接するバーストパルス22の間の間隔tは例えば50〜100μsである。第2の間引き手段20により生成されたバーストパルスレーザービームLB4は集光器8のミラー10により反射され、集光レンズ12を介してチャックテーブル14に保持された被加工物11に照射される。
上述した図1に示した第1実施形態のレーザービーム照射ユニット3と同様に、本実施形態のレーザービーム照射ユニット7でも、板状の被加工物11は厚みが比較的厚い被加工物であり、本実施形態でも厚みが3mmのガラス板を採用した。
図4を参照すると、本発明のレーザー加工方法を実施するのに適したレーザー加工装置の要部斜視図が示されている。3又は7はレーザービーム照射ユニットであり、ハウジング26中に図1に示したレーザービーム発生ユニット5又は図2に示したレーザービーム発生ユニット16が収容されている。
レーザービーム発生ユニット5又は16から出射されたパルスレーザービームは、集光器8により被加工物11の内部に集光されて後で詳細に説明するシールドトンネル15を形成する。
28は集光器8でパルスレーザービームを集光するためのアライメントを実施する顕微鏡及びカメラを有する撮像ユニットであり、集光器8とX軸方向に整列するようにレーザービーム照射ユニット3(7)のハウジング26に取り付けられている。
被加工物11の内部にシールドトンネル15を形成する際には、被加工物11をレーザー加工装置のチャックテーブル14で吸引保持し、集光器8からパルスレーザービーム又はバーストパルスレーザービームを照射して被加工物1の内部にシールドトンネル15を形成する。チャックテーブル14は回転可能であると共に、X軸方向及びY軸方向に移動可能である。
次に、図5乃至図9を参照して、本発明実施形態のレーザー加工方法について詳細に説明する。まず、図5及び図6を参照して、本発明第1実施形態のレーザー加工方法について説明する。
第1実施形態のレーザー加工方法では、図5(A)に示すように、集光器8で集光するパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域を被加工物11の下面11b近辺に設定する。
ここで、パルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域という用語を使用しているのは、集光レンズ12が球面収差を有するため、集光レンズ12を通過するパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光される位置が集光レンズ12の光軸方向に異なるためであり、集光領域は被加工物11の厚み方向に延在する。
図5(A)に示すように、集光器8から照射するパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域を被加工物11の下面11b付近に合わせてパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4を照射しつつ、チャックテーブル14を矢印X1方向に加工送りすると、図5(B)に示すように、被加工物11の下面11bから上面11aに向けて伸長する複数の第1のシールドトンネル15aが形成される。各第1のシールドトンネル15aは特許第6151557号公報に記載されているように、細孔とこの細孔を囲繞する非晶質とから構成される。
第1実施形態のレーザー加工方法を、図6を参照して更に詳細に説明する。被加工物11の厚みが薄い場合、例えば400μm以下の被加工物では、1回のレーザービーム走査により、被加工物11の下面11bから上面11aまで伸長するシールドトンネル15を形成可能である。
しかし、被加工物11の厚みが厚い場合には、1回のレーザービーム走査で形成可能な第1のシールドトンネル15aは被加工物11の下面11bから被加工物11の厚み方向の途中までしか伸長しない。
そこで、第1実施形態のレーザー加工方法では、パルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域を被加工物11の厚み方向に変更しながら、シールドトンネル形成ステップを複数回繰り返す。第1実施形態のレーザー加工方法を、図6を参照して更に詳細に説明する。
図6(A)は第1のシールドトンネ形成ステップを示す模式的断面図である。第1のシールドトンネル形成ステップでは、被加工物11に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域を被加工物11の下面11b側に位置付けてパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4を照射して、それぞれ細孔とこの細孔を囲繞する非晶質とからなる第1のシールドトンネル15aを分割予定ラインに沿って複数形成する。
第1のシールドトンネル形成ステップを実施した後、集光器8から照射するパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域を被加工物11の厚み方向に変更して第1のシールドトンネル15a形成時よりも集光領域を被加工物の11の上方に位置付ける(集光領域位置変更ステップ)。
集光領域位置変更ステップを実施した後、図6(B)に示すように、被加工物に対して透過性を有するパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4を被加工物11に照射し、被加工物11の内部にレーザービームの入射方向に沿って即ち被加工物11の厚み方向に第1のシールドトンネル15aと並ぶように複数の第2のシールドトンネル15bを形成する(第2のシールドトンネル形成ステップ)。ここで、第1のシールドトンネル15aと第2のシールドトンネル15bは加工送り方向X1に沿って整列させる必要は必ずしもない。
第1のシールドトンネル形成ステップ及び第2のシールドトンネル形成ステップで被加工物11の厚さ方向に積層して形成した複数のシールドトンネルの長さを足し合わせた長さが被加工物11の厚み未満の場合、即ち、第2のシールドトンネル15bの上端が被加工物11の上面11aに届かない場合には、集光領域位置変更ステップ及び第2のシールドトンネル形成ステップを繰り返す。
即ち、第1のシールドトンネル形成ステップ及び第2のシールドトンネル形成ステップで被加工物11の厚さ方向に複数形成されたシールドトンネルの長さを足し合わせた長さが被加工物11の厚さと略同等になるまで集光領域位置変更ステップと第2のシールドトンネル形成ステップを繰り返す。
本実施形態では、図6(C)に示すように、集光領域を被加工物11内で上方に変更した後、第2のシールドトンネル形成ステップを再度実施して、第3のシールドトンネル15cを形成する。
第1及び第2のシールドトンネル形成ステップのレーザー加工条件は、例えば次のように設定されている。
被加工物 :厚さ3mmのガラス板
レーザー発振器 :LD励起Qスイッチ Nd:YAGパルスレーザー
波長 :1030nm
繰り返し周波数 :10kHz
パルスエネルギー :60μJ
パルス幅 :600fs
加工送り速度 :100mm/s
尚、繰り返し周波数10kHzは、照射するパルスレーザービームがバーストパルスレーザービームLB4の場合には、隣接するバーストパルス22間の周波数が10kHzであり、各バーストパルス22の繰り返し周波数は図2に示す第1の間引き手段18通過後の周波数であり、数MHz〜数10MHzの周波数である。
次に、図7及び図8を参照して、本発明第2実施形態のレーザー加工方法について説明する。この第2実施形態のレーザー加工方法では、図7(A)に示すように、集光器8から照射される被加工物11に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4の集光領域を被加工物11の上面11a付近に位置付けて、パルスレーザービームLB2´又はバーストパルスレーザービームLB4を被加工物11に照射しながら、チャックテーブル14を矢印X1方向に加工送りすることにより、図7(B)に示すように、被加工物11の上面11aから下面11b方向に伸長する第1のシールドトンネル15aを分割予定ラインに沿って複数形成する。
この第2のレーザー加工ステップの詳細は図8(A)〜図8(C)に示されているが、基本的には図6に示された第1のレーザー加工ステップを被加工物11の上面11aから実施するものであり、集光領域位置変更ステップ及び第2のシールドトンネル形成ステップを複数回繰り返す点は第1のレーザー加工方法と略同一であるため、その詳細な説明は省略する。
次いで、図9を参照して、シールドトンネルのレーザービーム入射方向における、即ち被加工物11の厚み方向における重なりについて考察する。図9(A)でXは加工送り方向を示し、Tは被加工物11の厚み方向を示している。
図9(B)は図9(A)でPで示す部分の拡大断面図であり、第1のシールドトンネル15aと第2のシールドトンネル15bの間は20μm開いている。これを重なり−20μmと表現する。図9(C)は図9(B)と同様に、図9(A)のPで示す部分の拡大断面図であり、第1のシールドトンネル15aと第2のシールドトンネル15bとは20μmの重なりを有している。
このように第1のシールドトンネル15aと第2のシールドトンネル15bとの重なり具合を種々変更しながら被加工物11に外力を加えて被加工物11を分割予定ラインに沿って割断する実験をした所、被加工物11の厚さ方向に複数形成されるシールドトンネルのレーザービーム入射方向、即ち被加工物11の厚み方向における重なりが±20μmの範囲内の場合に、良好な割断性を得ることができた。
被加工物11の各分割予定ラインに沿って上面11aから下面11bにわたりシールドトンネルを形成した後、被加工物11を分割予定ラインに沿って分割する分割ステップを実施するが、分割ステップには従来公知のエッチング、被加工物11をエキスパンドテープに貼着した後、エキスパンドテープを拡張して被加工物11を分割するエキスパンド、楔によるブレーキング、ローラを転動することにより分割するローラブレーキング等の各種方法を採用可能である。
尚、シールドトンネルの形成には、パルスレーザービームの集光領域を被加工物の厚み方向に延在するように形成するのが好ましいが、照射するレーザービームは、図1に示したパルスレーザービームLB2´又は図2に示したバーストパルスレーザービームLB4の何れの場合にも、被加工物の内部にシールドトンネルを形成可能である。
しかし、被加工物の割断性を考慮すると、レーザービームとしてバーストパルスレーザービームを被加工物に照射すると、割断性が優れていることが実験により判明した。
上述した実施形態では被加工物11としてガラス板を採用した例について説明したが、被加工物はガラス板に限定されるものではなく、照射するパルスレーザービームの波長に対して透過性を有する所定以上の厚みのある被加工物を採用可能である。
2 レーザー発振器
3,7 レーザービーム照射ユニット
4 間引き手段
5,16 レーザービーム発生ユニット
6 増幅器
8 集光器
11 被加工物
12 集光レンズ
14 チャックテーブル
15a 第1のシールドトンネル
15b 第2のシールドトンネル
15c 第3のシールドトンネル
18 第1の間引き手段
20 第2の間引き手段
22 バーストパルス

Claims (3)

  1. 板状の被加工物を分割予定ラインに沿って分割する被加工物のレーザー加工方法であって、
    被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームをその集光領域を被加工物の内部に位置付け該分割予定ラインに沿って照射することで、細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを該分割予定ラインに沿って形成する第1のシールドトンネル形成ステップと、
    該第1のシールドトンネル形成ステップを実施した後、該被加工物に照射するパルスレーザービームの集光領域の位置を該被加工物の厚み方向に変更する集光領域位置変更ステップと、
    該集光領域位置変更ステップを実施した後、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザービームをその集光領域を被加工物の内部に位置付けて該分割予定ラインに沿って照射し、該パルスレーザービームの入射方向に沿って該第1のシールドトンネルと並ぶように第2のシールドトンネルを形成する第2のシールドトンネル形成ステップと、を備え、
    該第1のシールドトンネルの長さと該第2のシールドトンネルの長さを足し合わせた長さが、被加工物の厚さと略同等になるまで該集光領域位置変更ステップ及び該第2のシールドトンネル形成ステップを繰り返すことを特徴とする被加工物のレーザー加工方法。
  2. 該第1のシールドトンネル形成ステップで形成される該第1のシールドトンネルの一端が、該被加工物の表面或いは裏面のどちらかに表出していることを特徴とする請求項1記載の被加工物のレーザー加工方法。
  3. 被加工物の厚さ方向に並んで形成される該第1のシールドトンネルと該第2のシールドトンネルのパルスレーザービームの入射方向における重なりは±20μm以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の被加工物のレーザー加工方法。
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