CN102317030B - 激光加工装置以及激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

激光加工装置(100)具有射出激光(L)的激光光源(101)和控制激光(L)的脉冲宽度的激光光源控制部(102)，通过使聚光点(P)对准加工对象物(1)的内部并照射激光(L)，从而沿着加工对象物(1)的切断预定线(5)，在加工对象物(1)形成改质区域，并且，伴随着改质区域的形成，从该改质区域产生沿着加工对象物(1)的厚度方向延伸的龟裂。在该激光加工装置(100)中，由激光光源控制部(102)，对应于由使“龟裂长度”、“加工对象物(1)的厚度”、“激光(L)的脉冲宽度”相互附加关联所成的数据表，改变激光(L)的脉冲宽度。即，基于从改质区域所产生的龟裂长度，改变脉冲宽度。因此，根据激光加工装置(100)，能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂。

Description

激光加工装置以及激光加工方法
技术领域
本发明涉及用于将加工对象物切断的激光加工装置以及激光加工方法。
背景技术
作为现有的激光加工装置，众所周知有通过使聚光点对准板状的加工对象物的内部并照射激光，从而沿着加工对象物的切断预定线，在加工对象物形成改质区域的装置(例如，参照专利文献1)。
专利文献
专利文献1：日本特开2006-108459号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在上述那样的激光加工装置中，存在伴随着改质区域的形成而从该改质区域产生沿着加工对象物的厚度方向延伸的龟裂(以下，单单称作“龟裂”)的情况。而且，在近年来的激光加工装置中，从切断后的加工对象物的切断面状态以及加工速度等的观点出发，期望能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂。
因此，本发明以提供一种能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂的激光加工装置以及激光加工方法作为课题。
用于解决课题的技术手段
为了解决上述课题，在本发明人们反复努力研究后，结果发现了例如通过增大激光的脉冲宽度而使龟裂的长度变长，并得到了在激光的脉冲宽度与龟裂的长度之间存在相关关系的知识。因此，想到了若能够根据该关系则能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂，从而完成了本发明。
即，本发明所涉及的激光加工装置，其特征在于，是通过使聚光点对准板状的加工对象物的内部并照射激光，从而沿着加工对象物的切断预定线，在加工对象物形成改质区域，并且伴随着改质区域的形成而从该改质区域产生沿着加工对象物的厚度方向延伸的龟裂的激光加工装置，具备射出激光的激光光源和控制激光的脉冲宽度的控制单元，控制单元基于从改质区域所产生的龟裂的长度来改变脉冲宽度。
在该激光加工装置中，基于从改质区域所产生的龟裂的长度，来改变脉冲宽度。因此，能够合适地利用在脉冲宽度与龟裂的长度之间所发现的上述关系，而能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂。
此时，会有控制单元以随着增加所产生的龟裂的长度而增大脉冲宽度的方式，改变脉冲宽度的情况。
在此，优选，控制单元对应于与龟裂的长度相关的输入值，改变脉冲宽度。在此情况下，例如在想从改质区域产生长的龟裂的情况下，对应于与该龟裂的长度相关的输入值，增大脉冲宽度。
另外，优选，控制单元对应于与加工对象物的厚度相关的输入值，改变脉冲宽度。例如，在预先把握所产生的龟裂的长度的情况下，由于能够在预先考虑(基于)该龟裂的长度的基础上实施激光加工，因此，能够对应于与加工对象物的厚度相关的输入值，改变脉冲宽度。
另外，优选，控制单元对应于与激光的聚光点位置相关的输入值，改变脉冲宽度。例如，在预先把握所产生的龟裂的长度以及加工对象物的厚度的情况下，由于能够在预先考虑了这些的基础上实施激光加工，因此，能够对应于与激光的聚光点位置相关的输入值，改变脉冲宽度。
另外，作为合适地得到上述作用效果的构成，具体而言，可以列举激光光源为光纤激光的构成。另外，可以列举加工对象物为硅基板、由激光光源所射出的激光的波长为1064nm～3000nm、由控制单元所进行的脉冲宽度的可变宽度为100nsec～1500nsec的构成。
一种激光加工方法，其特征在于，是通过使聚光点对准板状的加工对象物的内部并照射激光，从而沿着加工对象物的切断预定线，在加工对象物形成改质区域的激光加工方法，激光具有大致矩形的脉冲波形。根据该激光加工方法，能够精度良好地形成改质区域。
发明的效果
根据本发明，能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的激光加工装置的概略构成图。
图2是表示成为改质区域的形成的对象的加工对象物的一个例子的平面图。
图3是沿着图2的加工对象物的III-III线的剖面图。
图4是激光加工后的加工对象物的平面图。
图5是沿着图4的加工对象物的V-V线的剖面图。
图6是沿着图4的加工对象物的VI-VI线的剖面图。
图7是表示本实施方式所涉及的加工对象物的平面图。
图8是用于对从改质区域产生的龟裂进行说明的剖面图。
图9是沿着图7的加工对象物的B-B线的剖面图。
图10是表示数据表的一个例子的图。
图11是表示激光的脉冲宽度的图。
图12是表示施加有由本实施方式所进行的激光加工的加工对象物的例子的剖面图。
图13是表示与图12不同的例子的剖面图。
图14是表示与图12不同的另外的例子的剖面图。
图15是表示施加有由本实施方式所进行的激光加工的加工对象物的其它的例子的剖面图。
图16是表示施加有由本实施方式所进行的激光加工的加工对象物的另外其它的例子的剖面图。
图17是表示数据表的其它的例子的图。
符号的说明
1…加工对象物、5…切断预定线、7、7a、7b…改质区域、100…激光加工装置、101…激光光源、102…激光光源控制部(控制单元)、C…龟裂、CL…龟裂长度(龟裂的长度)、L…激光、P…聚光点。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在各图中，对相同或相当的要素标记相同的符号，并省略重复的说明。另外，“上”、“下”、“左”、“右”的各用语是根据附图中所示的状态而简易说明的用语。
在本实施方式所涉及的激光加工装置中，通过使聚光点对准加工对象物的内部并照射激光，从而在加工对象物形成改质区域。因此，首先，针对由本实施方式的激光加工装置所进行的改质区域的形成，参照图1～图6进行说明。
如图1所示，激光加工装置100是称作所谓的SDE(Stealth DicingEngine：注册商标)的装置，具备将激光L脉冲振荡的激光光源101、以将激光L的光轴(光路)的方向改变90°的方式配置的分色镜(dichroic mirror)103、以及用于将激光L聚光的聚光用透镜(聚光光学系统)105。在此，作为激光光源101，使用偏波保持型的光纤激光，射出其波长为1064nm～3000nm的激光L。
另外，激光加工装置100具备用于支撑照射由聚光用透镜105聚光的激光L的加工对象物1的支撑台107、用于使支撑台107在X、Y、Z轴方向上移动的平台111、为了调节激光L的输出以及脉冲宽度等而控制激光光源101的激光光源控制部(控制单元)102、以及控制平台111的移动的平台控制部115。
在该激光加工装置100中，从激光光源101所射出的激光L，由分色镜103而使其光轴的方向改变90°，并由聚光用透镜105而聚光于载置在支撑台107上的加工对象物1的内部。与此同时，平台111移动，加工对象物1相对于激光L沿着切断预定线5相对移动。由此，在加工对象物1形成沿着切断预定线5的改质区域。
加工对象物1使用半导体材料或压电材料，如图2所示，在加工对象物1设置有用于将加工对象物1切断的切断预定线5。切断预定线5是以直线状延伸的假想线。在加工对象物1的内部形成改质区域的情况下，如图3所示，在使聚光点P对准加工对象物1的内部的状态下，使激光L沿着切断预定线5(即，图2的箭头A方向)相对移动。由此，如图4～图6所示，改质区域7沿着切断预定线5而被形成于加工对象物1的内部，沿着切断预定线5形成的改质区域7，成为切断起点区域8。
还有，所谓聚光点P，是指激光L聚光的场所。另外，切断预定线5，并不限定于直线状，也可以为曲线状，并不限定于假想线，也可以为在加工对象物1的表面3上实际画出的线。另外，改质区域7，有连续地形成的情况，也有断续地形成的情况。另外，改质区域7可以为列状，也可以为点状，总之，改质区域7也可以至少形成在加工对象物1的内部。
附带说一下，在此，激光L透过加工对象物1并且特别在加工对象物1的内部的聚光点附近被吸收，由此，在加工对象物1形成有改质区域7(即内部吸收型激光加工)。因此，在加工对象物1的表面3，由于激光L几乎不被吸收，因此，加工对象物1的表面3不会熔融。一般而言，在从表面3熔融并被除去而形成有孔或槽等的除去部(表面吸收型激光加工)的情况下，加工区域从表面3侧逐渐向背面侧进行。
然而，通过本实施方式所涉及的激光加工装置所形成的改质区域，是指成为密度、折射率、机械强度或其它的物理特性与周围不同的状态的区域。作为改质区域，例如，有熔融处理区域、裂纹区域、绝缘破坏区域、折射率变化区域等，也有混合存在这些区域的区域。进而，作为改质区域，存在有在加工对象物的材料中改质区域的密度与非改质区域的密度相比较发生变化的区域以及形成有晶格缺陷的区域(将这些统称为高密度转移区域)。
另外，熔融处理区域及折射率变化区域、改质区域的密度与非改质区域的密度相比较变化了的区域、形成有晶格缺陷的区域，进而会有在这些区域的内部或改质区域与非改质区域的界面内包龟裂(割裂、微裂纹)的情况。内包的龟裂会有遍及改质区域的整个面的情况、以及仅形成于一部份或形成于多个部分的情况。
如图7所示，加工对象物1为硅基板，具备硅晶圆11、和包含多个功能元件15并形成于硅晶圆11的表面11a上的功能元件层16。功能元件15，例如为通过结晶成长所形成的半导体动作层、光电二极管等的受光元件、激光二极管等的发光元件、或者作为电路形成的电路元件等，并在与硅晶圆11的定向平面6相平行的方向以及相垂直的方向上以矩阵状形成有多个。
在使用该激光加工装置100将加工对象物1切断的情况下，在加工对象物1的背面21，贴附延伸胶带并将该加工对象物1载置于支撑台107上。接着，通过聚光用透镜105而使聚光点P对准加工对象物1的内部，并从加工对象物1的表面3侧照射激光L，沿着以通过相邻的功能元件15之间的方式设定为格子状的各切断预定线5，在加工对象物1的内部形成成为切断的起点的改质区域7。然后，通过使延伸胶带扩张，将改质区域7作为切断的起点，沿着切断预定线5，在每个功能元件15将加工对象物1精度良好地切断。其结果，能够得到例如芯片尺寸为1mm×1mm的多个半导体芯片。
特别是在本实施方式的激光加工装置100中，通过将聚光点p对准加工对象物1的内部并照射激光L，从而伴随着改质区域7的形成，从该改质区域7产生沿着加工对象物1的厚度方向延伸的龟裂(也称为割裂或裂纹)。
图8(a)、(b)为用于对从改质区域所产生的龟裂进行说明的剖面图。在图8中，左侧的图为与沿着图7的A-A线的剖面相对应的剖面图(沿着龟裂C的龟裂剖面图)，在此，龟裂C作为龟裂痕而出现(对于后面所述的图12～16，也相同)。另外，右侧的图为与沿着图7的B-B线的剖面相对应的剖面图。
如图8(a)所示，伴随着该改质区域7的形成所产生的龟裂C，在加工对象物1形成一列改质区域7的情况下，是指在第1次扫描(即，在第1列的改质区域7的形成时)时所产生的龟裂。另一方面，如图8(b)所示，在形成多列改质区域7的情况下，是指在激光L的第多(最终)次扫描时所产生的龟裂。这是因为，由于在形成多列改质区域7的情况下，通常，由激光L的照射而积蓄的热影响和应力等在最终扫描时容易释放，因此龟裂C主要产生在最终扫描时。另外，龟裂C的长度CL(以下，称为“龟裂长度CL”)，是指从龟裂C的一端(上端)到另一端(下端)为止的距离。
该龟裂C，从所形成的改质区域7，沿着加工对象物1的厚度方向延伸。特别是关于龟裂C，在改质区域7的形成位置接近于背面21的情况下，容易成为朝向背面21侧延伸的背面侧龟裂，另外，在改质区域7的形成位置接近于表面3的情况下，容易成为朝向表面3侧延伸的表面侧龟裂。在图示的例子中，龟裂C，成为到达背面21的龟裂(所谓的BHC)。还有，此处的龟裂C，由于未被改质，因此不被包含于改质区域7中。
在此，如图9所示，从加工对象物1的表面3(或者背面21)照射激光L而形成的改质区域7，成为在加工对象物1的厚度方向上细长的形状。而且，在改质区域7的上端部以及下端部，作用有压缩应力F1与拉张应力F2。因此，得到了下述的知识：在形成改质区域1时，若控制激光L的脉冲宽度以控制改质区域7的大小，则能够控制该应力F1、F2的作用，其结果，能够自由地控制从改质区域7所产生的龟裂C的长度。
因此，在本实施方式的激光光源控制部102中，基于从改质区域7所产生的龟裂C的长度，改变激光L的脉冲宽度。即，激光光源控制部102，为了从改质区域7产生所期望的长度的龟裂C，以随着增加所产生的龟裂长度CL而增大脉冲宽度的方式(或者，以随着缩短所产生的龟裂长度CL而减小脉冲宽度的方式)，对脉冲宽度进行控制。
具体而言，激光光源控制部102，具有将“龟裂长度CL”、“加工对象物1的厚度”、“激光L的脉冲宽度”相互附加关联而成的数据表Tb(参照图10)。而且，激光光源控制部102，对应于该数据表Tb，改变激光L的脉冲宽度。在此的由激光光源控制部102所进行的脉冲宽度的可变宽度，作为合适地实现激光加工的条件，为100nsec～1500nsec。
图10为表示数据表的一个例子的图。如图10所示，数据表Tb的数值表示“脉冲宽度”，并构成为若设定了“龟裂长度CL”以及“加工对象物1的厚度”，则对应于这些而进行选择并决定。还有，在图中，加工对象物1的厚度为300μm和600μm的数据列，表示第2次扫描的数据。
因此，根据本实施方式，若在激光光源控制部102输入“加工对象物1的厚度”与“龟裂长度CL”则这些输入值与数据表Tb对照，选择与对应于加工对象物1的厚度而想产生的龟裂C的长度适合的“脉冲宽度”。然后，控制激光光源101，使得以该脉冲宽度射出激光L。即，对应于“加工对象物1的厚度”与“龟裂长度CL”的输入值，改变“脉冲宽度”。
还有，关于加工对象物1中的激光L的聚光点P的位置(即，改质区域7的形成位置)，也可以在上述数据表Tb作为其它的参数而进行附加关联。在此情况下，对应于“聚光点P的位置”也改变脉冲宽度，并且对应于数据表Tb，通过平台控制部115对平台111的位置(或者，聚光用透镜105的位置)进行控制。
附带说一下，也可以使平台控制部115分开地具有与激光L的聚光点P的位置相关的数据表Tb。例如，在形成多列改质区域7的情况下，由于邻接的改质区域7的影响波及至龟裂长度CL(龟裂C的伸展)，因此，激光L的聚光点P的位置为重要的参数。
以上，在本实施方式的激光加工装置中，由激光光源控制部102，对应于将“龟裂长度CL”、“加工对象物1的厚度”、“激光L的脉冲宽度”相互附加关联而成的数据表Tb，改变激光L的脉冲宽度。即，基于从改质区域7所产生的龟裂长度CL，改变脉冲宽度。因此，能够适当地利用在脉冲宽度与龟裂长度CL中所得到的上述知识，并能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂C。
其结果，例如在想提高加工速度(加工时间，tact time)的情况下，为了减少激光L的扫描根数，可以通过增大脉冲宽度而增加龟裂长度CL。另外，例如在为了提高加工品质而形成多列改质区域7的情况下，可以通过减小脉冲宽度而减小龟裂长度CL。
图11为表示激光的脉冲宽度的图。在图中，横轴表示时间。如图11所示，所谓脉冲宽度(半值宽度)H，是指从波形的上扬Up起直到下挫Dw为止的时间宽度，根据施加在激光光源101的电流值和反复频率等而改变。即，在改变脉冲宽度H中，包含改变电流值和反复频率等。还有，脉冲宽度H，在高斯分布的情况下，设为FWHM(Full Widthat Half Maximum：半宽度)。
另外，图11(a)所示的脉冲波形P1，呈现大致矩形状，图11(b)、(c)所示的脉冲波形P2、P3，其上扬Up呈现陡峭的大致锯齿状。通过这些的任意的脉冲波形P1～P3的激光L，均能够精度良好地形成改质区域7。还有，在脉冲波形P1～P3中，上扬Up成为陡峭(垂直状)，可以认为该陡峭的上扬Up有助于改质区域7的精度良好的形成。
图12～14为表示施加有由本实施方式所进行的激光加工的加工对象物的例子的剖面图。在各图中，对厚度为100μm的加工对象物1，从表面3侧照射激光L而形成改质区域7以及龟裂C。
在图12(a)所示的例子中，为了产生龟裂长度CL为40μm的作为BHC的龟裂C，将脉冲宽度H设为150nsec(图10的E1)，将聚光点P的位置设为距离表面3为95μm的位置。在图12(b)所示的例子中，为了产生龟裂长度CL为50μm的作为BHC的龟裂C，将脉冲宽度H设为300nsec(图10的E2)，将聚光点P的位置设为距离表面3为95μm的位置。
在图13(a)所示的例子中，为了产生龟裂长度CL为70μm的作为BHC的龟裂C，将脉冲宽度H设为400nsec(图10的E3)，将聚光点P的位置设为距离表面3为85μm的位置。在图13(b)所示的例子中，为了产生龟裂长度CL为90μm的作为BHC的龟裂C，将脉冲宽度H设为500nsec(图10的E4)，将聚光点P的位置设为距离表面3为80μm的位置。在图14所示的例子中，为了产生龟裂长度CL为100μm的作为FC(全切割：龟裂C为从表面3到达背面21的龟裂)的龟裂C，将脉冲宽度H设为550nsec(图10的E5)，将聚光点P的位置设为距离表面3为60μm的位置。
图15为表示施加有由本实施方式进行的激光加工的加工对象物的其它的例子的剖面图。在该图中，对厚度为300μm的加工对象物1，从表面3侧照射激光L而形成改质区域7a、7b，并且，从上段的改质区域7b形成龟裂C。具体而言，在图15所示的例子中，使聚光点P对准距离表面3为240μm的位置而形成改质区域7a，之后，使聚光点P对准距离表面3为155μm的位置而形成改质区域7b。另外，在形成改质区域7b时，为了产生龟裂长度CL为300μm的作为FC的龟裂C，将脉冲宽度H设为650nsec(图10的E6)。
图16为表示施加有由本实施方式进行的激光加工的加工对象物的另外的其它的例子的剖面图。在该图中，对厚度为600μm的加工对象物1，从表面3侧照射激光L而形成改质区域7a、7b，并且，从上段的改质区域7b形成龟裂C。具体而言，在图16所示的例子中，使聚光点P对准距离表面3为591μm的位置而形成改质区域7a，之后，使聚光点P对准距离表面3为541μm的位置而形成改质区域7b。另外，在形成改质区域7b时，为了产生龟裂长度CL为140μm的作为BHC的龟裂C，将脉冲宽度H设为500nsec(图10的E7)。
根据图12～16所示的剖面图，能够确认下述的作用效果：通过改变激光L的脉冲宽度，能够从改质区域7产生所期望的龟裂长度CL的龟裂C。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是，本发明所涉及的激光加工装置，并不限定于实施方式所涉及的激光加工装置100，在不变更各权利要求所述的要旨的范围内可以进行变形，或者也可以应用在其它的装置中。
例如，在上述实施方式中，将“龟裂长度CL”、“加工对象物1的厚度”以及“激光L的脉冲宽度”相互附加关联而构成数据表Tb(参照图10)，但是，只要是能够基于从改质区域7所产生(要产生)的龟裂长度CL而改变脉冲宽度，则并不限定于此。
即，在预先把握加工对象物1的厚度的情况下，由于能够在考虑了该厚度的基础上实施激光加工，因此，也可以仅将“龟裂长度CL”以及“激光L的脉冲宽度”附加关联而构成数据表Tb。即，也可以仅对应于与龟裂长度CL相关的输入值，改变脉冲宽度。
另外，在预先把握所形成的龟裂长度CL的情况下，由于能够在考虑(基于)该龟裂长度CL的基础上实施激光加工，因此，也可以如图18(a)所示，仅将“加工对象物1的厚度”以及“激光L的脉冲宽度”相互附加关联而构成数据表Tb。即，也可以仅对应于与加工对象物1的厚度相关的输入值，改变脉冲宽度。此时，如图18(b)所示，也可以将包含例如作为重视品质的条件的加工条件1与作为重视加工速度的条件的加工条件2的“加工条件”进一步附加关联，而构成数据表Tb。在该情况下，能够适当地对应于多种类的量产制品的制造。
另外，在预先把握所形成的龟裂长度CL以及加工对象物1的厚度的情况下，由于能够在考虑了这些的基础上实施激光加工，因此，也可以如图18(c)所示，仅将“聚光点P的位置”以及“激光L的脉冲宽度”相互附加关联而构成数据表Tb。即，也可以仅对应于与聚光点P的位置相关的输入值，改变脉冲宽度。
另外，在上述实施方式中，数据表Tb预先输入至激光光源控制部102中，但是，也可以经由因特网等的线路而由激光光源控制部102读出数据表Tb。
还有，在加工对象物1中将激光L聚光在距离激光L所入射的激光入射面较深的位置的情况下，通过提高加工对象物1的透过率，从而能够在聚光点P有效地利用激光L。附带说一下，作为加工对象物1，例如，包含硅、玻璃、LiTaO3或者蓝宝石(Al2O3)，或者也可以为由这些所构成的物质。
产业上的利用可能性
能够从改质区域产生所期望的长度的龟裂。

Claims (7)

1.一种激光加工装置，其特征在于，
通过使聚光点对准板状的加工对象物的内部并照射激光，从而沿着所述加工对象物的切断预定线，在所述加工对象物形成改质区域，并且，伴随着所述改质区域的形成，从该改质区域产生沿着所述加工对象物的厚度方向延伸的龟裂，
所述激光加工装置具备：
激光光源，射出所述激光；以及
控制单元，控制所述激光的脉冲宽度，
所述控制单元，基于从所述改质区域所产生的所述龟裂的长度，改变所述脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制单元，以随着增加所产生的所述龟裂的长度而增加所述脉冲宽度的方式，改变所述脉冲宽度。
3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制单元，对应于与所述龟裂的长度相关的输入值，改变所述脉冲宽度。
4.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制单元，对应于与所述加工对象物的厚度相关的输入值，改变所述脉冲宽度。
5.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述控制单元，对应于与所述激光的所述聚光点的位置相关的输入值，改变所述脉冲宽度。
6.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述激光光源为光纤激光。
7.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
所述加工对象物为硅基板，
由所述激光光源所射出的所述激光的波长为1064nm～3000nm，
由所述控制单元所控制的所述脉冲宽度的可变宽度为100nsec～1500nsec。
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