JP6781649B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工品質の向上が図られるレーザー加工装置に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ等の複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたウエーハは、レーザー加工装置によって個々のデバイスに分割され、分割された各デバイスは携帯電話、パソコン等の電気機器に利用される。

レーザー加工装置は下記（１）ないし（３）のタイプのものが存在し、被加工物の種類、加工条件を考慮して適正なレーザー加工装置が選択される。
（１）被加工物に対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を照射してアブレーション加工を施し分割予定ラインに溝を形成して個々のデバイスに分割するタイプ（たとえば特許文献１参照。）
（２）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光線の集光点を分割予定ラインの内部に位置づけてパルスレーザー光線をウエーハに照射して分割予定ラインの内部に改質層を形成して個々のデバイスに分割するタイプ（たとえば特許文献２参照。）
（３）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光線の集光点を分割予定ラインに位置づけてパルスレーザー光線をウエーハに照射して分割予定ラインの表面から裏面に至る細孔と細孔を囲繞する非晶質を形成し個々のデバイスに分割するタイプ（たとえば特許文献３参照。）

特開平１０−３０５４２０号公報 特許第３４０８８０５号公報 特開２０１４−２２１４８３号公報

レーザー加工の品質は、発振器が発振するレーザー光線の出力、繰り返し周波数、パルス幅、スポット径、に加え被加工物の送り速度を含む各加工要素に依存しており、各加工要素が適宜調整され加工条件が設定される。しかし、レーザー加工の品質の更なる向上を図るためには、前記した加工要素の従来の調整では限界がある。

上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、レーザー加工の品質の更なる向上が図られるレーザー加工装置を提供することである。

上記課題を解決するために本発明が提供するのは以下のレーザー加工装置である。すなわち、被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、を含むレーザー加工装置であって、該レーザー光線照射手段は、被加工物にレーザー光線を照射することによって生じる電子励起の時間よりも短いパルス幅を有するパルスレーザー光線を発振すると共に該電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線を発振するように繰り返し周波数が設定された発振器と、該発振器が発振したパルスレーザー光線を該保持手段に保持された被加工物に照射する集光器と、該発振器と該集光器との間に配設されパルスレーザー光線を所定の周期で間引き捨てることで加工に必要なパルスレーザー光線を該集光器に導く間引き手段と、該間引き手段と該集光器との間に配設され加工に必要なパルスレーザー光線の出力を増大させる増幅器と、を少なくとも備えたレーザー加工装置である。

好ましくは、該間引き手段は、少なくとも２個のパルスレーザー光線を照射してから次の少なくとも２個のパルスレーザー光線を照射するまでの時間が、前の少なくとも２個のパルスレーザー光線を照射した後に被加工物に生じる熱が放出する時間以上となるようにパルスレーザー光線を間引く。

本発明が提供するレーザー加工装置は、被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、を含むレーザー加工装置であって、該レーザー光線照射手段は、被加工物にレーザー光線を照射することによって生じる電子励起の時間よりも短いパルス幅を有するパルスレーザー光線を発振すると共に該電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線を発振するように繰り返し周波数が設定された発振器と、該発振器が発振したパルスレーザー光線を該保持手段に保持された被加工物に照射する集光器と、該発振器と該集光器との間に配設されパルスレーザー光線を所定の周期で間引き捨てることで加工に必要なパルスレーザー光線を該集光器に導く間引き手段と、該間引き手段と該集光器との間に配設され加工に必要なパルスレーザー光線の出力を増大させる増幅器と、を少なくとも備えて構成されるので、被加工物を構成する原子を取り巻く電子が最初のパルスレーザー光線で活性化された状態で次のパルスレーザー光線が照射され加工が促進してレーザー加工の品質の向上が図られる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図１に示すレーザー光線照射手段のブロック図。 ウエーハの斜視図。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すレーザー加工装置１００は、基台４と、被加工物を保持する保持手段６と、保持手段６を移動させる移動手段８と、保持手段６に保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段１０２と、保持手段６に保持された被加工物を撮像する撮像手段１２とを備える。

図１に示すとおり、保持手段６は、Ｘ方向において移動自在に基台４に搭載された矩形状のＸ方向可動板１４と、Ｙ方向において移動自在にＸ方向可動板１４に搭載された矩形状のＹ方向可動板１６と、Ｙ方向可動板１６の上面に固定された円筒状の支柱１８と、支柱１８の上端に固定された矩形状のカバー板２０とを含む。カバー板２０にはＹ方向に延びる長穴２０ａが形成され、長穴２０ａを通って上方に延びる円形状のチャックテーブル２２が支柱１８の上端に回転自在に搭載されている。チャックテーブル２２の上面には、多孔質材料から形成され実質上水平に延在する円形状の吸着チャック２４が配置され、吸着チャック２４は流路によって吸引手段（図示していない。）に接続されている。そして、チャックテーブル２２においては、吸引手段によって吸着チャック２４の上面に吸引力を生成することにより、吸着チャック２４の上面に載置された被加工物を吸着して保持することができる。また、チャックテーブル２２の周縁には、周方向に間隔をおいて複数個のクランプ２６が配置されている。なお、Ｘ方向は図１に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ方向は図１に矢印Ｙで示す方向であってＸ方向に直交する方向である。Ｘ方向及びＹ方向が規定する平面は実質上水平である。

移動手段８は、チャックテーブル２２をＸ方向に移動させるＸ方向移動手段２８と、チャックテーブル２２をＹ方向に移動させるＹ方向移動手段３０と、上下方向に延びる軸線を中心としてチャックテーブル２２を回転させる回転手段（図示していない。）とを含む。Ｘ方向移動手段２８は、基台４上においてＸ方向に延びるボールねじ３２と、ボールねじ３２の片端部に連結されたモータ３４とを有する。ボールねじ３２のナット部（図示していない。）は、Ｘ方向可動板１４の下面に固定されている。そしてＸ方向移動手段２８は、ボールねじ３２によりモータ３４の回転運動を直線運動に変換してＸ方向可動板１４に伝達し、基台４上の案内レール４ａに沿ってＸ方向可動板１４をＸ方向に進退させ、これによってチャックテーブル２２をＸ方向に進退させる。Ｙ方向移動手段３０は、Ｘ方向可動板１４上においてＹ方向に延びるボールねじ３６と、ボールねじ３６の片端部に連結されたモータ３８とを有する。ボールねじ３６のナット部（図示していない。）は、Ｙ方向可動板１６の下面に固定されている。そしてＹ方向移動手段３０は、ボールねじ３６によりモータ３８の回転運動を直線運動に変換してＹ方向可動板１６に伝達し、Ｘ方向可動板１４上の案内レール１４ａに沿ってＹ方向可動板１６をＹ方向に進退させ、これによってチャックテーブル２２をＹ方向に進退させる。回転手段は、支柱１８に内蔵されたモータ（図示していない。）を有し、上下方向に延びる軸線を中心として支柱１８に対してチャックテーブル２２を回転させる。

レーザー光線照射手段１０２は、基台４の上面から上方に延び次いで実質上水平に延びる枠体４０と、枠体４０の先端下面に配置された集光器４２と、集光点位置調整手段（図示していない。）とを含む。集光器４２には、保持手段６のチャックテーブル２２に保持された被加工物にレーザー光線を集光して照射するための集光レンズ４２ａが内蔵されている。また、撮像手段１２は、集光器４２とＸ方向に間隔をおいて枠体４０の先端下面に付設されている。

図２を参照して説明すると、レーザー光線照射手段１０２は、ウエーハ等の被加工物にレーザー光線を照射することによって生じる電子励起の時間（以下「電子励起時間」という。）よりも短いパルス幅を有するパルスレーザー光線ＬＢ’を発振すると共に電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を発振するように繰り返し周波数が設定された発振器１０４と、発振器１０４と集光器４２の集光レンズ４２ａとの間に配設されパルスレーザー光線ＬＢ’を所定の周期で間引き捨てることで加工に必要なパルスレーザー光線ＬＢ’を集光器４２の集光レンズ４２ａに導く間引き手段１０６と、間引き手段１０６と集光器４２の集光レンズ４２ａとの間に配設され加工に必要なパルスレーザー光線ＬＢ’の出力を増大させる増幅器１０８と、増幅器１０８で増幅されたパルスレーザー光線ＬＢ’の光路を変換して集光器４２の集光レンズ４２ａにパルスレーザー光線ＬＢ’を導くミラー１１０とを含む。

発振器１０４が発振するパルスレーザー光線ＬＢ’のパルス幅は、電子励起時間より短く、たとえば、電子励起時間が約８ｐｓ（８×１０^−１２秒）であるサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）が被加工物である場合には約１ｐｓに設定されるのが好ましい。発振器１０４が発振するパルスレーザー光線ＬＢ’の波長は、３５５ｎｍ、１０６４ｎｍ等、加工の種類に応じて適宜決定される。また、発振器１０４が発振するパルスレーザー光線ＬＢ’の繰り返し周波数は、電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を発振するように設定され、たとえば、電子励起時間が約８ｐｓであるサファイアが被加工物である場合には２５０ＧＨｚ（２５０×１０^９Ｈｚ）に設定されるのが好都合であり、これによってパルスレーザー光線ＬＢ’の発振間隔が４ｐｓとなり、発振器１０４はサファイアの電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を発振可能となる。このように発振器１０４においては、電子励起時間よりも短いパルス幅を有するパルスレーザー光線ＬＢ’を発振すると共に電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を発振するように繰り返し周波数が設定されているので、レーザー光線照射手段１０２は、被加工物に第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’を照射して発生する電子励起の時間内に次の第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’を被加工物に照射可能になっている。

図示の実施形態では図２に示すとおり、間引き手段１０６は、印加される電圧信号に応じて光軸角度を変更するＡＯＤ（音響光学素子）１１２と、光軸角度が変更されたパルスレーザー光線ＬＢ’を吸収するダンパー１１４とから構成されている。ＡＯＤ１１２は、電圧信号が印加されていないと発振器１０４が発振したパルスレーザー光線ＬＢ’を増幅器１０８に導き、所定の電圧信号が印加されると発振器１０４が発振したパルスレーザー光線ＬＢ’をダンパー１１４に導くようになっている。間引き手段１０６は、少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を被加工物に照射してから次の少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を被加工物に照射するまでの時間が、前の少なくとも２個のパルスレーザー光線ＬＢ’を被加工物に照射した後に被加工物に生じる熱が放出する時間以上となるようにパルスレーザー光線ＬＢ’を間引くのが好ましい。これによって、レーザー加工による熱影響を被加工物に与えることが抑制され、レーザー加工の品質の向上が図られる。たとえば、レーザー光線の照射によって被加工物に生じる熱が放出する時間（以下「熱放出時間」という。）が約１μｓ（１×１０^−６秒）であるサファイアが被加工物である場合、図２に示すとおり、第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’及び第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’を被加工物に照射してから、次の第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’及び第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’を被加工物に照射するまでの時間が、サファイアの熱放出時間（約１μｓ）以上となるように間引き手段１０６によってパルスレーザー光線ＬＢ’を間引くのが好適である。図２には間引き手段１０６によって間引かれたパルスレーザー光線ＬＢ’が点線で示されている。また、図示の実施形態では、発振器１０４が発振するパルスレーザー光線ＬＢ’の大部分が間引き手段１０６によって間引かれるところ、間引き手段１０６と集光レンズ４２ａとの間にパルスレーザー光線ＬＢ’の出力を増大させる増幅器１０８が配設されていることから、発振器１０４が発振するパルスレーザー光線ＬＢ’の出力は比較的小さくてよく、したがってエネルギー効率の低下が抑制されている。

図３に示す円盤状のウエーハ７０の表面７０ａは、格子状の分割予定ライン７２によって複数の矩形領域に区画され、複数の矩形領域のそれぞれにはＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス７４が形成されている。図示の実施形態では、周縁が環状フレーム７６に固定された粘着テープ７８にウエーハ７０の裏面が貼り付けられている。なお、ウエーハ７０の表面７０ａが粘着テープ７８に貼り付けられていてもよい。

レーザー加工装置１００を用いてウエーハ７０にレーザー加工を施す際は、まず、ウエーハ７０の表面７０ａを上に向けてチャックテーブル２２の上面にウエーハ７０を保持させると共に、環状フレーム７６の外周縁部を複数のクランプ２６で固定するウエーハ保持工程を実施する。次いで、撮像手段１２で上方からウエーハ７０を撮像し、撮像手段１２で撮像したウエーハ７０の画像に基づいて、移動手段８でチャックテーブル２２を移動及び回転させることにより格子状の分割予定ライン７２をＸ方向及びＹ方向に整合させるアライメント工程を実施する。次いで、Ｘ方向に整合させた分割予定ライン７２の片端部の上方に集光器４２を位置づけ、集光点位置調整手段で集光器４２を昇降させることにより集光点の上下方向位置を調整する集光点位置調整工程を実施する。なお、集光点の直径は、φ１〜２０μｍ等、加工の種類に応じて適宜決定される。

次いで、ウエーハ７０にレーザー光線を照射することによって生じる電子励起の時間より短いパルス幅を有する第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’を照射する第一の照射工程と、ウエーハ７０の電子励起時間内に次の第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’を照射する第二の照射工程とを実施する。上述のとおりレーザー加工装置１００においては、発振器１０４が発振するパルスレーザー光線ＬＢ’のパルス幅が被加工物の電子励起時間よりも短く設定されていると共に、被加工物に第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’を照射して発生する電子励起の時間内に次の第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’を被加工物に照射可能になっているので、レーザー加工装置１００を用いることにより第一の照射工程と第二の照射工程とを実施することができる。第一の照射工程と第二の照射工程とを実施することで、ウエーハ７０を構成する原子を取り巻く電子が第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’で活性化された状態で次の第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’が照射され加工が促進してレーザー加工の品質の向上が図られる。たとえば、ウエーハ７０に対して透過性を有するレーザー光線を照射して分割予定ライン７２の内部に改質層を形成する改質層形成加工を行う場合において、第一の照射工程と第二の照射工程とを実施することによりレーザー光線の入射方向において分割予定ライン７２の内部に比較的長い改質層を形成することができる。最初の第一の照射工程と第二の照射工程とを実施した後は、図３に示すとおり、集光点に対してチャックテーブル２２を所定の加工送り速度（たとえば５００ｍｍ／ｓでよいが、繰り返し周波数を考慮して適宜決定される。）でＸ方向移動手段２８によってＸ方向に加工送りしながら、第一の照射工程と第二の照射工程とを交互に繰り返す分割加工を分割予定ライン７２に沿って実施する。分割加工は、分割予定ライン７２の間隔の分だけ集光点に対してチャックテーブル２２をＹ方向移動手段３０によってＹ方向にインデックス送りしつつ、Ｘ方向に整合させた分割予定ライン７２のすべてに施す。また、回転手段によってチャックテーブル２２を９０度回転させた上で、インデックス送りしつつ分割加工を行い、先に分割加工を施した分割予定ライン７２と直交する分割予定ライン７２のすべてにも分割加工を施す。これによって、加工品質が向上したレーザー加工によってウエーハ７０を個々のデバイス７４に分割することができる。

分割加工を施す際は、第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’及び第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’をウエーハ７０に照射してから、次の第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’及び第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’をウエーハ７０に照射するまでの時間が、前の第一のパルスレーザー光線ＬＢ１’及び第二のパルスレーザー光線ＬＢ２’をウエーハ７０に照射した後にウエーハ７０に生じる熱が放出する時間以上となるようにパルスレーザー光線ＬＢ’を間引き手段１０６により間引くのが好都合である。これによって、レーザー加工による熱影響をウエーハ７０に与えることが抑制され、レーザー加工の品質の向上が図られる。

なお、電子励起時間及び熱放出時間は被加工物によって異なり、たとえば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコン（Ｓｉ）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）及び銅（Ｃｕ）のそれぞれの電子励起時間及び熱放出時間は以下のとおりである。
被加工物 電子励起時間 熱放出時間
サファイア ８ｐｓ １μｓ
シリコン ２０ｐｓ ５μｓ
リチウムタンタレート ５０ｐｓ ５０μｓ
リチウムナイオベート ５０ｐｓ ５０μｓ
銅 ２０ｐｓ ５μｓ

６：保持手段
４２：集光器
４２ａ：集光レンズ
１００：レーザー加工装置
１０２：レーザー光線照射手段
１０４：発振器
１０６：間引き手段
１０８：増幅器
ＬＢ’：パルスレーザー光線
ＬＢ１’：第一のパルスレーザー光線
ＬＢ２’：第二のパルスレーザー光線

Claims (2)

1. 被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、を含むレーザー加工装置であって、
   該レーザー光線照射手段は、
   被加工物にレーザー光線を照射することによって生じる電子励起の時間よりも短いパルス幅を有するパルスレーザー光線を発振すると共に該電子励起時間内に少なくとも２個のパルスレーザー光線を発振するように繰り返し周波数が設定された発振器と、
   該発振器が発振したパルスレーザー光線を該保持手段に保持された被加工物に照射する集光器と、
   該発振器と該集光器との間に配設されパルスレーザー光線を所定の周期で間引き捨てることで加工に必要なパルスレーザー光線を該集光器に導く間引き手段と、
   該間引き手段と該集光器との間に配設され加工に必要なパルスレーザー光線の出力を増大させる増幅器と、
   を少なくとも備えたレーザー加工装置。
2. 該間引き手段は、少なくとも２個のパルスレーザー光線を照射してから次の少なくとも２個のパルスレーザー光線を照射するまでの時間が、前の少なくとも２個のパルスレーザー光線を照射した後に被加工物に生じる熱が放出する時間以上となるようにパルスレーザー光線を間引く請求項１記載のレーザー加工装置。