CN103537804B - 激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光加工方法，即便将脉冲激光光线的重复频率设定为20kHz以上也不会产生裂纹，并且即便是比形成被加工物的材料的吸收端长的波长的脉冲激光光线也能够实施烧蚀加工。该激光加工方法将重复频率为20kHz以上的脉冲激光光线照射到被加工物来实施激光加工，以被加工物的吸收端的波长为基准，通过实验求出激光光线的波长与不产生裂纹的脉冲宽度之间的关系，设定加工条件。而且，将脉冲激光光线的波长作为纵轴，将脉冲宽度作为横轴，生成描绘有各波长与脉冲宽度的极限点之间的关系的曲线图，照射连接各波长处的脉冲宽度的极限点而成的曲线的下侧的区域的脉冲激光光线来实施激光加工。

Description

激光加工方法
技术领域
本发明涉及对被加工物照射脉冲激光光线来实施激光加工的激光加工方法。
背景技术
在半导体器件制造工序中，在大致圆板形状的硅基板的表面通过呈格子状地排列的、被称作间隔道的分割予定线划分多个区域，在该划分的区域形成IC（IntegratedCircuit：集成电路），LSI（Large Sale Integration：大规模集成电路）等电路。然后，通过沿着间隔道将半导体晶片切断来对形成有电路的区域进行分割，从而制造出一个个的半导体器件。此外，还通过沿着间隔道将在蓝宝石基板、碳化硅基板、钽酸锂基板、铌酸锂基板的表面上层叠氮化镓系化合物半导体等而成的光器件晶片来分割成一个个发光二极管、激光二极管等光器件，广泛利用于电气设备。
近年来，作为沿着间隔道分割半导体晶片等晶片的方法，提出了以下方法：沿着在晶片上形成的间隔道照射相对于晶片具有吸收性的波长（例如532nm，355nm，266nm）的脉冲激光光线，通过烧蚀加工形成激光加工槽，沿着该激光加工槽使晶片断开（例如，参照专利文献1）。
专利文献1：日本特开2005-353935号公报
在照射脉冲激光光线，通过烧蚀加工来形成激光加工槽时，通过提高脉冲激光光线的重复频率能够提高生产率。但是存在如下问题：当将脉冲激光光线的重复频率设定为20kHz以上时，会由于热蓄积而产生裂纹，使器件的质量降低。
此外，为了进行烧蚀加工，优选使用相对于被加工物具有吸收性的波长的脉冲激光光线以提高加工效率，更优选使用比吸收端附近短的波长的脉冲激光光线。但是存在如下问题：在以蓝宝石这样具有吸收端为155nm这样短的吸收端的材料形成被加工物的情况下，难以使用比吸收端附近短的波长的脉冲激光光线。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其主要的技术课题在于提供一种激光加工方法，即便将脉冲激光光线的重复频率设定为20kHz以上也不会产生裂纹，并且即便是比形成被加工物的材料的吸收端长的波长的脉冲激光光线也能够实施烧蚀加工。
为了解决上述主要的技术课题，根据本发明，提供一种激光加工方法，将重复频率为20kHz以上的脉冲激光光线照射到被加工物来实施激光加工，该激光加工方法的特征在于，在照射与被加工物的吸收端相同的波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为10ps以下，在照射被加工物的吸收端的9/10波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为100ps以下，在照射被加工物的吸收端的8/10波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为1ns以下，在照射被加工物的吸收端的7/10波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为10ns以下，在照射被加工物的吸收端的6/10波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为100ns以下，在照射被加工物的吸收端的2倍波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为100fs以下，在照射被加工物的吸收端的4倍波长的脉冲激光光线的情况下，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为10fs以下，在以脉冲激光光线的波长为纵轴、脉冲宽度为横轴，描绘了所述各波长与脉冲宽度之间的关系的曲线图中，照射如下曲线的下侧区域的脉冲激光光线来实施激光加工，其中，该曲线是连接该各波长处的脉冲宽度的极限点而成的。
根据本发明的激光加工方法，在照射重复频率为20kHz以上的脉冲激光光线来对被加工物实施烧蚀加工时，以被加工物的材料的吸收端为基准通过实验求出并设定了不产生裂纹的波长和脉冲宽度的条件，因此即便将重复频率设定为20kHz以上，也能够抑制热蓄积而不产生裂纹，能够以较高的加工效率对被加工物进行烧蚀加工。
此外，即便由蓝宝石这样具有吸收端为150nm的比较短的吸收端的材料形成晶片，也能够实验比吸收端长的波长的激光光线来实施烧蚀加工。
附图说明
图1是用于实施本发明的激光加工方法的激光加工装置的立体图。
图2是简略地示出图1所示的激光加工装置所装备的激光光线照射构件的结构的框图。
图3是图1所示的激光加工装置所装备的控制构件的模块结构图。
图4是作为通过本发明的激光加工方法加工的被加工物的晶片的立体图。
图5是示出将图4所示的晶片粘贴到了在环状框架上安装的切割带上的状态的立体图。
图6是本发明的激光加工方法中的激光加工槽形成工序的说明图。
图7是示出在蓝宝石（Al2O3）、钽酸锂（LT）、碳化硅（SiC）、硅（Si）基板上照射的脉冲激光光线的波长与脉冲宽度之间的关系的曲线图。
标号说明
1：激光加工装置
2：静止基座
3：卡盘台机构
36：卡盘台
37：加工进给构件
38：第1分度进给构件
4：激光光线照射单元支撑机构
43：第2分度进给构件
5：激光光线照射单元
52：激光光线照射构件
522：脉冲激光光线振荡构件
523：输出调整构件
524：聚光器
6：摄像构件
8：控制构件
10：晶片
F：环状框架
T：切割带
具体实施方式
以下，参照附图更详细地对本发明的晶片的激光加工方法的优选实施方式进行说明。
图1中示出用于实施本发明的激光加工方法的激光加工装置的立体图。图1所示的激光加工装置1具有：静止基座2；卡盘台机构3，其以能够在由箭头X示出的加工进给方向（X轴方向）上移动的方式配设在该静止基座2上，保持被加工物；激光光线照射单元支撑机构4，其以能够在与上述X轴方向正交的由箭头Y示出的分度进给方向（Y轴方向）上移动的方式配设在静止基座2上；以及激光光线照射单元5，其以能够在由箭头Z示出的聚光点位置调整方向（Z轴方向）上移动的方式配设在该激光光线照射单元支撑机构4上。
上述卡盘台机构3具有：在静止基座2上沿着X轴方向平行地配设的一对导轨31、31；在该导轨31、31上以能够在X轴方向上移动的方式配设的第1滑动块32；在该第1滑动块32上以能够在由箭头Y示出的分度进给方向上移动的方式配设的第2滑动块33；在该第2滑动块33上被圆筒部件34支撑的覆盖台35；以及作为被加工物保持构件的卡盘台36。该卡盘台36具有由多孔性材料形成的吸附卡盘361，作为被加工物的例如圆盘状的半导体晶片由未图示的抽吸构件保持在吸附卡盘361上。通过配设于圆筒部件34内的未图示的脉冲马达使这样构成的卡盘台36旋转。另外，在卡盘台36上配设有用于固定后述的环状框架的夹持件362。
上述第1滑动块32在其下表面设有与上述一对导轨31、31嵌合的一对被引导槽321、321，并且在其上表面设有沿着Y轴方向平行地形成的一对导轨322、322。这样构成的第1滑动块32构成为，通过被引导槽321、321与一对导轨31、31嵌合，能够沿着一对导轨31、31在X轴方向上移动。卡盘台机构3具有用于使第1滑动块32沿着一对导轨31、31在X轴方向上移动的加工进给构件37。加工进给构件37包括在上述一对导轨31与31之间平行地配设的外螺纹杆371，以及用于驱动该外螺纹杆371旋转的脉冲马达372等驱动源。外螺纹杆371的一端旋转自如地支撑于被固定在上述静止基座2上的轴承块373，其另一端与上述脉冲马达372的输出轴连接以进行传动。另外，外螺纹杆371与在第1滑动块32的中央部下表面上突出地设置的未图示的内螺纹块中形成的贯通内螺纹孔螺合。因此，通过脉冲马达372驱动外螺纹杆371正转和反转，由此使第1滑动块32沿着导轨31、31在X轴方向上移动。
上述第2滑动块33在其下表面设有一对被引导槽331、331，该一对被引导槽331、331与设于上述第1滑动块32的上表面的一对导轨322、322嵌合，上述第2滑动块33构成为通过将该被引导槽331、331与一对导轨322、322嵌合，可以在由箭头Y示出的分度进给方向上移动。卡盘台机构3具有用于使第2滑动块33沿着设于第1滑动块32的一对导轨322、322在Y轴方向上移动的第1分度进给构件38。第1分度进给构件38包括在上述一对导轨322与322之间平行地配设的外螺纹杆381，以及用于驱动该外螺纹杆381旋转的脉冲马达382等驱动源。外螺纹杆381的一端旋转自如地支撑于被固定在上述第1滑动块32的上表面上的轴承块383，其另一端与上述脉冲马达382的输出轴连接以进行传动。另外，外螺纹杆381与在第2滑动块33的中央部下表面上突出地设置的未图示的内螺纹块中形成的贯通内螺纹孔螺合。因此，通过脉冲马达382驱动外螺纹杆381正转和反转，由此使第2滑动块33沿着导轨322、322在Y轴方向上移动。
上述激光光线照射单元支撑机构4具有在静止基座2上沿着由箭头Y示出的分度进给方向平行地配设的一对导轨41、41，以及在该导轨41、41上以能够在Y轴方向上移动的方式配设的可动支撑基座42。该可动支撑基座42由以能够在导轨41、41上移动的方式配设的移动支撑部421和安装于该移动支撑部421上的安装部422构成。安装部422在一方的侧面上平行地设有在Z轴方向上延伸的一对导轨423、423。激光光线照射单元支撑机构4具有第2分度进给构件43，用于使可动支撑基座42沿着一对导轨41、41在Y轴方向上移动。第2分度进给构件43包括在上述一对导轨41、41之间平行地配设的外螺纹杆431，以及用于驱动该外螺纹杆431旋转的脉冲马达432等驱动源。外螺纹杆431的一端旋转自如地支撑于被固定在上述静止基座2上的未图示的轴承块上，其另一端与上述脉冲马达432的输出轴连接以进行传动。另外，外螺纹杆431与在构成可动支撑基座42的移动支撑部421的中央部下表面突出地设置的未图示的内螺纹块中形成的内螺纹孔螺合。因此，通过脉冲马达432驱动外螺纹杆431正转和反转，由此使可动支撑基座42沿着导轨41、41在Y轴方向上移动。
激光光线照射单元5具有单元支架51和安装于该单元支架51的激光光线照射构件52。单元支架51设有能够滑动地与设于上述安装部422的一对导轨423、423嵌合的一对被引导槽511、511，该被引导槽511、511与上述导轨423、423嵌合，由此被可移动地支撑于Z轴方向上。
激光光线照射单元5具有聚光点位置调整构件53，用于使单元支架51沿着一对导轨423、423在Z轴方向上移动。聚光点位置调整构件53包括在一对导轨423、423之间配设的外螺纹杆（未图示），以及用于驱动该外螺纹杆旋转的脉冲马达532等驱动源，通过脉冲马达532驱动未图示的外螺纹杆正转和反转，由此使单元支架51和激光光线照射构件52沿着导轨423、423在Z轴方向上移动。另外，在本实施方式中，通过驱动脉冲马达532正转而使激光光线照射构件52向上方移动，通过驱动脉冲马达532反转而使激光光线照射构件52向下方移动。
参照图1和图2对上述激光光线照射构件52进行说明。图示的激光光线照射构件52具有被固定于上述单元支架51并实质上水平地延伸的圆筒形状的壳体521、配设于该壳体521内的脉冲激光光线振荡构件522、对通过该脉冲激光光线振荡构件522振荡出的脉冲激光光线LB的输出进行调整的输出调整构件523、以及对由该输出调整构件523调整了输出后得到的脉冲激光光线LB进行会聚并照射到被保持在卡盘台36上的被加工物W的聚光器524。
上述脉冲激光光线振荡构件522由以下构件构成：由YAG激光振荡器或者YVO4激光振荡器构成的脉冲激光光线振荡器522a；对脉冲激光光线振荡器522a振荡出的脉冲激光光线的波长进行调整的波长调整构件522b；对脉冲激光光线振荡器522a振荡出的脉冲激光光线的重复频率进行设定的重复频率设定构件522c；以及对脉冲激光光线振荡器522a振荡出的脉冲激光光线的脉冲宽度进行调整的脉冲宽度调整构件522d。上述输出调整构件523将由脉冲激光光线振荡构件522振荡出的脉冲激光光线LB的输出调整为预定的输出。脉冲激光光线振荡构件522的这些脉冲激光光线振荡器522a、波长调整构件522b、重复频率设定构件522c、脉冲宽度调整构件522d以及输出调整构件523由后述的控制构件控制。
上述聚光器524具有：方向转换镜524a，其将由脉冲激光光线振荡构件522振荡并通过输出调整构件523调整了输出后的脉冲激光光线LB朝向卡盘台36的保持面进行方向转换；以及聚光透镜524b，其对被该方向转换镜524a进行了方向转换后的脉冲激光光线进行会聚，并照射到被保持在卡盘台36上的被加工物W。如图1所示，这样构成的聚光器524被安装在壳体521的前端。
返回图1继续说明，在构成上述激光光线照射构件52的壳体521的前端部上配设有摄像构件6，该摄像构件6检测待由激光光线照射构件52进行激光加工的加工区域。该摄像构件6除了通过可见光线进行摄像的通常的摄像元件（CCD）以外，还由对被加工物照射红外线的红外线照明构件、捕获由该红外线照明构件照射的红外线的光学系统、输出与由该光学系捕获的红外线对应的电信号的摄像元件（红外线CCD）等构成，将摄像得到的图像信号发送到后述的控制构件。
激光加工装置1具有图3所示的控制构件8。控制构件8由计算机构成，具有依照控制程序进行运算处理的中央处理装置（CPU）81、存储控制程序等的只读存储器（ROM）82、存储运算结果等的可读写的随机存取存储器（RAM）83、输入接口84以及输出接口85。在控制构件8的输入接口84中被输入来自上述摄像构件6和输入构件80等的检测信号。而且，从控制构件8的输出接口85向上述脉冲马达372、脉冲马达382、脉冲马达432、脉冲马达532、脉冲激光光线振荡构件522的脉冲激光光线振荡器522a、波长调整构件522b、重复频率设定构件522c、脉冲宽度调整构件522d、输出调整构件523等输出控制信号。
激光加工装置1如以上那样构成，下面对其作用进行说明。图4中示出了作为按照本发明的激光加工方法被加工的被加工物的晶片的立体图。图4所示的晶片10在例如厚度为100μm的基板的表面10a上通过形成为格子状的多个间隔道101划分的多个区域中形成有器件102。以下，对使用上述激光加工装置1在晶片10上沿着间隔道101形成激光加工槽的激光加工方法进行说明。
首先，实施将晶片10的背面10b粘贴至安装于环状框架的切割带的表面上的晶片支撑工序。即，如图5的（a）和（b）所示，以覆盖环状框架F的内侧开口部的方式将上述晶片10的背面10b粘贴在安装了外周部的切割带T的表面上。
在实施了上述的晶片支撑工序后，在图1所示的激光加工装置的卡盘台36上载置晶片10的切割带T侧。然后，通过使未图示的抽吸构件动作，经由切割带T将晶片10在卡盘台36上抽吸保持（晶片保持工序）。因此，被保持在卡盘台36上的晶片10的表面10a成为上侧。另外，安装于切割带T的环状框架F通过配设于卡盘台36的夹持件362被固定。
如上所述，对晶片10进行抽吸保持的卡盘台36通过加工进给构件37而位于摄像构件6的正下方。在使卡盘台36位于摄像构件6的正下方后，通过摄像构件6和未图示的控制构件执行检查晶片10的待激光加工的加工区域的校准作业。即，摄像构件6和控制构件8执行模式匹配等的图像处理，以将在晶片10的预定方向上形成的间隔道101与沿着间隔道101照射激光光线的激光光线照射构件52的聚光器524对准，执行激光光线照射位置的校准。此外，对在晶片10上形成的、在与上述预定方向正交的方向上延伸的间隔道101，也同样地执行激光光线照射位置的校准。
由此，检测在被保持于卡盘台36上的晶片10上形成的间隔道101，进行激光光线照射位置的校准，然后，如图6的（a）所示，将卡盘台36向激光光线照射构件52的聚光器524所处的激光光线照射区域移动，使预定的间隔道101的一端（图6的（a）中为左端）位于聚光器524的正下方。然后，将通过聚光器524照射的脉冲激光光线的聚光点P位于晶片10的表面10a（上表面）附近。
接着，使激光光线照射构件52工作，通过聚光器524照射脉冲激光光线，并且使卡盘台36在图6的（a）中由箭头X1示出的方向上以预定的加工进给速度移动。另外，如后述那样，根据构成晶片10的材料设定由激光光线照射构件52的脉冲激光光线振荡构件522振荡出的脉冲激光光线LB的重复频率、波长、脉冲宽度，并与输出一起从输入构件80输入。因此，控制构件依照从输入构件80输入的指示，控制脉冲激光光线振荡构件522的脉冲激光光线振荡器522a、波长调整构件522b、重复频率设定构件522c、脉冲宽度调整构件522d以及输出调整构件523。然后，如图6的（b）所示，在激光光线照射构件52的聚光器524的照射位置到达间隔道101的另一端（图6的（b）中为右端）的位置后，停止脉冲激光光线的照射并且停止卡盘台36的移动（激光加工槽形成工序）。其结果是，如图6的（b）和（c）所示，在晶片10上沿着间隔道101形成激光加工槽110。
如上所述，在沿着在晶片10的第1方向上延伸的全部间隔道101实施了上述激光加工槽形成工序后，使卡盘台36转动90度，沿着在与上述第1方向正交的第2方向上形成的各间隔道101实施上述激光加工槽形成工序。
在此，对在上述激光加工槽形成工序中照射的脉冲激光光线进行说明。本发明者针对作为被加工物的材料的蓝宝石（Al203）、钽酸锂（LT）、碳化硅（SiC）、硅（Si），通过实验调查了进行照射的脉冲激光光线的波长与脉冲宽度之间的关系。在本发明者的实验中得知，当将重复频率设定为20kHz，并照射具有被加工物的材料的吸收端的波长（蓝宝石（Al2O3）：155nm，钽酸锂（LT）：246nm，碳化硅（SiC）：433nm，硅（Si）：1033nm）的脉冲激光光线时，当脉冲宽度为10ps以下时不产生裂纹。此外还得知，当脉冲宽度为10ps以下时，即便将重复频率设定为50kHz也不产生裂纹。基于该发现，以下面的步骤进行了实验。
（1）将重复频率设定为50kHz、脉冲宽度设定为10ns，照射接近被加工物的材料的吸收端（蓝宝石（Al2O3）：155nm，钽酸锂（LT）：246nm，碳化硅（SiC）：433nm，硅（Si）：1033nm）的波长的脉冲激光光线，求出不产生裂纹而能够烧蚀加工的输出。
（2）使脉冲激光光线的波长变化为上述4种材料（Al2O3、LT、SiC以及Si）的吸收端的波长的9/10、8/10、7/10、6/10，并且使脉冲宽度变化为100ps、1ms、10ns、100ns，求出在烧蚀加工时不产生裂纹的极限点。
（3）使脉冲激光光线的波长变化为上述4种材料的吸收端的波长的2倍、4倍，并且使脉冲宽度变化为100fs、10fs，求出能够进行烧蚀加工并不产生裂纹的极限点。
图7中示出用曲线连接通过上述实验求出的关于蓝宝石（Al2O3）、钽酸锂（LT）、碳化硅（SiC）、硅（Si）在上述各波长处的脉冲宽度的极限点而得到的曲线图。在图7中，纵轴表示脉冲激光光线的波长，横轴表示脉冲激光光线的脉冲宽度。由图7所示的曲线图可知，与被加工物的材料的种类无关，而脉冲激光光线的波长与脉冲宽度之间存在一定的关系。即，由图7所示的曲线图中可知，通过照射连接脉冲宽度的极限点而成的曲线的下侧区域的脉冲激光光线，在将重复频率设定为50kHz的情况下，不会产生裂纹而能够对被加工物进行烧蚀加工，其中，该脉冲宽度的极限点是使以各材料的吸收端的波长为基准照射的脉冲激光光线的波长向短波侧和长波侧变化并且使脉冲宽度阶段性的变化来实施激光加工时的脉冲宽度的极限点。因此，当将重复频率设定为20kHz以上且50kHz以下时，能够抑制热蓄积不会产生裂纹，能够以高加工效率对被加工物进行烧蚀加工。此外可以预见，即便由蓝宝石这样具有吸收端的波长为150nm的比较短的吸收端的材料形成晶片，也能够使用比吸收端长的波长的激光光线实施烧蚀加工而不会产生裂纹。

Claims (1)

1.一种激光加工方法，将重复频率为20kHz以上的脉冲激光光线照射到被加工物来实施激光加工，该激光加工方法的特征在于，
将在照射与被加工物的吸收端相同的波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为10ps，
将在照射被加工物的吸收端的9/10波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为100ps，
将在照射被加工物的吸收端的8/10波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为1ns，
将在照射被加工物的吸收端的7/10波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为10ns，
将在照射被加工物的吸收端的6/10波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为100ns，
将在照射被加工物的吸收端的2倍波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为100fs，
将在照射被加工物的吸收端的4倍波长的脉冲激光光线的情况下不产生裂纹的脉冲激光光线的脉冲宽度的极限点设定为10fs，
在设定实施对该被加工物照射脉冲激光光线的激光加工的激光加工条件时，选择达到被划分在相对于如下曲线为下侧的区域的波长及脉冲宽度的加工条件，该曲线是将以脉冲激光光线的波长为纵轴、脉冲宽度为横轴时的、该各波长处的脉冲宽度的极限点连接而成的，该极限点是使以各材料的吸收端的波长为基准照射的脉冲激光光线的波长向短波侧和长波侧变化并且使脉冲宽度阶段性地变化来实施激光加工时的脉冲宽度的极限点。
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