JP2005059071A - 加工用ビームを用いた加工方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
加工用ビーム照射によるサンプルの切断／分割を容易化する方法と装置の提供。
【解決手段】
加工用ビームを照射して、サンプルを切断するにあたり固定治具（１０２、１０３）を、サンプル（１００）の切断／分割方向に直交する方向に沿った対向辺に当接配置するとともに、サンプル（１００）の切断／分割方向に平行な対向辺には所定の間隙を保って固定治具（１０４、１０５）を配置する。
【選択図】
図５

Description

本発明は、単結晶のサンプルの加工方法と装置に関し、特に、サンプルの切断・分割等の加工に適用して好適な方法と装置に関する。

単結晶Ｓｉは、よく知られているように、チョクラルスキー法（ＣＺ法）等で作製される。この製法によれば、断面の径が２００ｍｍφ以上、長さが１ｍ以上の棒状の単結晶Ｓｉのインゴット（単結晶Ｓｉのインゴットを「シリコンインゴット」という）が作製される。このＣＺ法では、よく知られているように、石英るつぼ内で溶融された多結晶シリコンを、単結晶成長に適した温度に調整し、単結晶の種結晶を融液に浸す。このとき転位が生じるが、無転位成長のためのネッキングを行って無転位化し、種結晶の引き上げ速度と融液温度を制御しながら除々に直径を大きくしてゆき、肩部が形成され、所望の直径まで形成されると、一定直径の直胴部を形成し、除々に直径を小さくしながら、逆円錐状の尾部を形成して、引き上げを完了する。

スライス工程では、硬脆性のシリコンインゴットを、スライシングマシンで切断し、薄板のウェーハを作製している。あるいは回転薄刃ブレード（例えばブレードは１０〜数十μｍの厚さ）として、内周刃ブレードによる内周刃切断、外周刃ブレードによる外周刃切断が行われる。そして、ウェーハを、粗面研磨（ラッピング）、鏡面研磨（ポリシング）する。

なお、半導体ウェーハの母材である略円柱状のシリコンインゴットにおいて、円柱の高さ方向をｚ軸、ｚ軸に垂直な面を規定する２軸をｘ、ｙ軸とした場合、ｚ軸に垂直な面に単結晶の格子面（００１）面が一致するように単結晶を作製し、また円柱側面において（１００）面の切り出し（カット）が行われる。単結晶シリコンからなる半導体ウェーハの表面は（００１）面となる（通常（００１）面で使うことが多い）。この場合、シリコンインゴット１０はｚ軸に垂直な方向に多数輪切りにして、略円板状のウェーハが作製され、（１００）面を切り出し、切り出された面は、オリエンテーションフラットとも呼ばれる。

シリコンインゴットをウェーハに切断する場合には、ワイヤーソー（あるいは、内周刃式切断機、外周刃式切断機、インゴット回転式切断機、横型、縦型等の切断機）等で切断するため、切り代と厚さがある程度必要である。このため、ワイヤーソーの刃を薄くし（幅０.２ｍｍ〜１．０ｍｍ）、切り代を短くしている。また高速で切断するため、薄板にはある程度の厚さ（０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ）が必要である。ワイヤーソーは往復運動ではなく一方向運動とされる。

例えば１ｍの長さのシリコンインゴットから、５００枚（切り代＝１．０ｍｍ、厚さ＝１．０ｍｍとして）乃至２０００枚（切り代＝０．２ｍｍ、厚さ＝０．３ｍｍとして）のシリコンウェーハが切断される。このウェーハの切断には、長時間を要する。例えば、３００枚程度のウェーハの切断に、例えば８時間程度が必要とされる。

なお基板上の半導体素子を含む解析領域を決定し、解析領域を通る直線を想定し、直線の位置にレーザビームを照射し、損傷部分を基板に形成し、基板のいずれかの部位に力を加え、基板を割るようにした基板切断方法が知られている（例えば特許文献１）。

また、酸化物単結晶基板の切断予定面に短パルスレーザを照射し、切断予定面の酸化物単結晶基板を加熱し、酸化物単結晶基板を昇華・除去して酸化物単結晶基板の切断予定面に溝を形成すると同時に溝底部を蓄熱させ、蓄熱された溝の底部に発生する熱応力により酸化物単結晶基板を切断予定面に沿って割断する切断方法も知られている（例えば特許文献２）。特許文献２には、レーザ加工のメカニズムとして、レーザエネルギーの吸収、加熱（熱応力）、溶融／昇華、除去の相互関係が説明され、パルス幅の制御により熱応力を制御することも説明されている。

なお、半導体技術において、荷電粒子線を用いた加工工程において、チャージアップによる位置ずれ等を防止する技術は、従来より各種知られてる（例えば特許文献３、４等）。

特開２０００−２１６１１４号公報（第１及び第２頁、第３図） 特開平１１−２２４８６５号公報（第１及び第２頁、第３図） 特開２００２−５７１５１号公報（第１頁） 特開平１１−１５４４７９号公報（第１図） M. Neuberger and S. J. Welles, Silicon Data Sheet DS-162. 17 (Oct. 1969)

ところで、従来の切断方法は、切り代が必要とされること、切断後の表面粗さのため表面処理が必要とされること、切断時間を要する等の問題点を有している。また、ＳｉＣ、ダイヤモンド、サファイヤ等の切断は困難である。

したがって、本発明の目的は、加工用ビーム照射による被加工物の切断・分割を容易化する装置及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、加工時間の増大を抑止低減しながら、切断面、割断面の加工精度を向上する方法と装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、被加工物を加工精度を高く複数のダイ等に、分割することを可能とする方法と装置を提供することにある。

前記目的を達成する本発明は、加工用ビームを被加工物の切断／分割方向に照射して、サンプルを切断／分割するための方法において、サンプルを支持固定する固定治具を、加工用ビームのトレースに伴い前記サンプル内に生じる熱応力を緩和しないように配置している。

本発明によれば、固定治具を加工用ビームのトレース方向（被加工物の切断／分割方向）に直交する方向に沿った対向辺に配置するとともに、被加工物の切断／分割方向に平行な対向辺には所定の間隙を保って固定治具を配置している。本発明によれば、かかる構成により、被加工物の割れを容易に生じるようにしている。

本発明によれば、単結晶ウェーハの半導体素子形成面とは逆の面に、加工用ビームを照射して分割する。

本発明によれば、単結晶ウェーハの半導体素子形成面上にマスクパターンを形成し、開口部に加工用ビームを照射して分割する。

本発明によれば、加工用ビームは電子ビーム、レーザビーム、イオンビームのいずれかである。レーザビームは短パルスレーザである。

本発明によれば、荷電ビームに対してサンプルを接地し、帯電を防止する。

本発明によれば、加工用ビームの焦点が、サンプル上で線状となるように円柱レンズを用いる。

本発明によれば、レーザビームを光ファイバーで導波しサンプル面上で切断／分割方向に線状にレーザビームを照射するようにしてもよい。

本発明によれば、レーザビームを音響光素子で偏向させることで光ファイバーで導波しサンプル面上で切断／分割方向に線状にレーザビームを照射するようにしてもよい。

本発明によれば、レーザ・アブレーションを行ったのち、加工用ビームによる切断を行う。

本発明によれば、熱応力を緩和しない位置に、被加工物の固定治具を配置したことにより、加工用ビームの照射によって生じる熱応力による切断／分割を容易化するとともに、切断／分割の時間を短縮している。

また本発明によれば、半導体ウェーハの切断／分割を容易化するとともに、劈開等による切断を行うことで、ソー等による切り代がなくなり、また、切断／分割面の切断精度を向上することができる。

本発明を実施するための最良の形態について説明する。加工用ビームを切断方向に走査して、被加工物（サンプル）を切断／分割するための方法において、サンプルを支持固定する固定治具を、加工用ビームのトレースに伴い前記サンプル内に生じる熱応力を緩和しない位置に配置する。固定治具（図５の１０２、１０３）を加工用ビームのトレース方向に直交する方向に沿った対向辺に配置するとともに、サンプルの切断／分割方向に平行な対向辺には所定の間隙を保って固定治具（１０４、１０５）を配置する。

本発明に係る装置の実施形態は、加工用ビームを出力する手段（図１参照）と、サンプルを配置するサンプル台（図５の１０１）と、を備え、加工用ビームを前記被加工面の切断／分割方向に走査してサンプルを切断／分割する加工装置において、サンプル台（１０１）上に、前記加工用ビームの走査に伴い前記サンプル内に生じる熱応力を緩和しない位置に配置されている、前記サンプルを支持固定する、複数の固定治具を備えている。より詳細には、加工用ビームのトレース方向に直交する方向の対向辺に当接して対向配置されている第１及び第２の固定治具（図５の１０２、１０３）と、サンプル（１００）の加工用ビームのトレース方向（切断／分割方法）に平行な対向辺に対して、所定の間隙を保って対向配置されている第３及び第４の固定治具（図５の１０４、１０５）を備えている。

本発明の一実施形態において、サンプルは、単結晶シリコンウェーハであり、前記単結晶ウェーハ半導体素子形成面とは逆の面に、前記加工用ビームを照射して分割する。

あるいは、サンプルは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、サファイア、ＧａＮのうちの少なくとも１つである。

本発明の一実施形態において、単結晶ウェーハの半導体素子形成面上にマスクパターンを備え、前記マスクの開口部に前記加工用ビームを照射して分割するようにしてもよい。

本発明の一実施形態において、加工用ビームは電子ビーム、レーザビーム、イオンビームのいずれかである。本発明の一実施形態において、前記加工用ビームは、パルス状ビームである。熱応力の制御が行われる。

本発明の一実施形態において、サンプル台（例えばＸＹステージに載置される）は接地電位とされ、電子ビーム等荷電粒子よりなる前記加工用ビームによるサンプルの帯電を防止する。

本発明の一実施形態において、電子ビームを、所定の速度（走査周波数：例えば５ｋＨｚ）で前記サンプルの平面上を往復するように制御することで、単結晶材料を割断（劈開も含む）する。

あるいは、本発明の別の実施形態において、前記加工用ビームが入射され、出射ビームは前記サンプル上で線状となるような焦点の円柱レンズ（図１１の３０１）を備えている。

本発明の別の実施形態において前記加工用ビームをなすレーザビームを導波する光ファイバーを有し、前記被加工物の面上で、切断／分割方向に線状に、レーザビームが照射される構成としてもよい。

本発明において、前記加工用ビームをなすレーザビームを入力し偏向させて出力する音響光素子を備え、前記音響光素子からの前記レーザビームは、前記被加工物上で面上で切断／分割方向に線状に照射される構成（図１３参照）としてもよい。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。本実施例の電子ビームによる単結晶材料の劈開（割る）方法について説明する。図１に示すように電子ビームによって、シリコン、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、サファイアなどの単結晶を割る（劈開等を利用して切るだけではなく、割ること一般を含む）実験を行った。陰極２０１から電子が陽極２０２に印加された電圧で加速され真空中に飛び出し、集束コイル２０４でビームが焦点を持つように絞られ、偏向コイル２０５で必要な位置に電子ビームを導くように制御される。

実験条件としては、
電子ビーム・エネルギー：６０ｋｅＶ
ビームの振り幅： １６ｍｍ
周波数： ５ｋＨｚ（電子ビームの走査（scanning）周波数）
このように、電子ビームを高速で切断／分割方向に走査する。

図２は、電子ビームを単結晶材料に打ち込んた時に生じる現象について断面図を模式的に示す。電子ビームが浸透する深さは、電子ビームのエネルギーと材料によって決まる。例えば、シリコンでは電子ビームのエネルギーが６０ｋｅＶでは、２２ミクロン程度であり、１５０ｋｅＶでは２００ミクロン程度になることが今までの実験データを整理した経験式から計算で見積もることができる。出力電流が大きく取れる電子ビームの幅は、現在の実験装置では、１００ミクロンから３００ミクロン程度であり、電子ビームのエネルギーが６０ｋｅＶであるため、幅が広く深さは浅い状態で、電子ビームのエネルギーがシリコン中に吸収される。計算機シミュレーションによると、数十ｍｓの時間では熱伝導で温度分布が平坦化されるので、電子ビームの幅の数倍程度深さ方向にも幅方向にも温度の高い部分が発生する。すると、その部分の温度が上昇する。このため、当該部分は、熱膨張する。

さらに、温度分布が一様でないために、該部分の狭い幅に大きな熱応力が発生する。図２には、この力を膨脹力として模式的に示している。計算機シミュレーションによる熱応力の分布は３次元的になるが、図２では、簡単のため、おおよその状態を模式的に示している。

また、図２は、電子ビームと試料（サンプル：単結晶材料）の断面図であるが、実験では、紙面に対して垂直方向にビームを高速で走査している。したがって、温度の高い領域は、紙面に垂直方向に広がり、熱応力もその方向に分布する。このため、試料は、ビームの走査方向に割れる。

図２に示したように、電子ビームを高速で走査すると、走査方向に沿って、サンプルの断面に、垂直方向に熱応力が働き、劈開等、割れが生じることが実験的に確認されている。

電子ビームの高速走査（例えば走査周波数：５ｋＨｚ）を行わないと、サンプルにおいて、電子ビームの当たっている部分のみ温度が上昇して、サンプルには、線上の割れは生じない。

実験を行うには、試料（この実験では、単結晶ウェーハ）を固定する必要がある。図３は、ウェーハ・サンプル１００を、サンプル固定治具１０２、１０３で挟んで固定している。サンプル台１０１は、接地電位とされる。電子ビームは、この紙面に、垂直方向から線上に左右に高速で振動させて照射される。それのトレース位置１２２を図中に線で示している。サンプル１００には、図１に示した電子ビーム発生装置により電子ビームが照射される。

図４に示す例では、サンプル固定治具とサンプル１００の相対位置は同じであるが、電子ビームのトレースの方向が異なっており、これに対応させて、サンプル１００と、固定治具１０２、１０３とが配置されている。

図３及び図４ともに、電子ビームのトレース線に沿って、瞬時に割れることが、実験的に、確かめられた。特に、結晶軸と電子ビームのトレースが完全に揃っているときには、低い電子電流（低い電子ビーム・エネルギー）で、割れやすいことが確認された。

しかしながら、結晶軸と電子ビームのトレースは、完全に揃っていなくても、サンプルの膜厚が、ある程度薄い等の場合には、割れることが実験的に観測されている。

これら２つの固定治具の配置の比較を行った。以下説明する。

図３に示すように、サンプル１００を固定すると、割れの原因となる熱応力（電子ビーム照射によりサンプル内に生じる熱応力）を、固定治具が受け止める構成となる。このため、割れても、特に、サンプルは動かない。

一方、図４では、サンプル内に生じる熱応力の方向は、固定治具によって支持されていない。このため、電子ビームをサンプル１００に照射すると、割れるときに、内部応力や結晶を作っているための接合エネルギーを解放して、サンプル１００は、２つに割れて、図の左右に飛んでいくことが実験で観測されている。

そこで、電子ビームの電流値を下げていって、どこまで結晶（サンプルは単結晶材料）を割ることができるかなどの割れ易さについて、固定治具の違いによる差を解析した。すると、図３のように構成すると、確かにサンプル１００は割れて飛んでは行かないが、固定治具１０２、１０３がサンプル１００に当接して支持していることから、逆に、割れにくく、図４では、割れやすいことが分かった。

したがって、割れやすい構成は、図５のように、固定治具は、熱応力を緩和しないように設置すると好適とされる。更に、割れたサンプル片が、飛んでいかないようにするために、割れるために必要な僅かな距離だけサンプル１００の辺から、所定距離離間させて固定治具１０４、１０５を対向設置している。これにより、割れたサンプルが大きく飛び跳ねることは回避され、割れやすくしている。このように、本実施例によれば、サンプル１００が、割れたときに、大きくその位置を変化させないようにすることができる。なお、電子ビームの電流を最終的に流すために、サンプル１００もしくはサンプル台１０１は、接地電位としている。なお、サンプル１００の大きさあるいは切断部の長さ、電子ビーム・エネルギー等にもよるが、サンプル台１０１上に置かれたサンプル１００の上面を、電子ビームが照射される切断／分割線に対応して開口が設けられたマスク部材で覆い、割れたサンプル片が、衝撃等による上方への跳ね返りを抑制するようにしてもよい。また、固定治具１０４、１０５のサンプル対向面側に、衝撃吸収用の緩衝部材を設けてもよい。

ところで、近時、１０インチを越す大型のシリコンウェーハが使われるようになってきた。大口径のウェーハは一度にその研磨した面に、複数の独立した半導体集積回路（ＬＳＩ）を作り込むことができる。そして、一度に複数の独立したＬＳＩを１枚のウェーハに作り込んでからシリコンウェーハをそれぞれのＬＳＩ毎に切断する制作方法がとられている。この切断に本発明を適用するには、ＬＳＩの回路が製造される主面とは反対側の裏面に電子ビームを打ち込む。これは、高エネルギー電子ビームによってＬＳＩを破壊する可能性があるためである。

図６では、半導体素子、配線層のパタン及び層間絶縁膜等が組み込まれている半導体素子形成面（「主面」という）側とは反対側の裏面１２に電子ビームが打ち込まれている例を示している。図６では、更に、このような場合、裏側１２には、シリコンウェーハに薄い数ミクロンのウェーハシート１３（ウェーハ及びダイシングされたチップを保持するための粘着性樹脂テープ：ダイシング工程からマウンティング工程で用いられる）が貼り付けられている。ウェーハシート１３は、高分子材料などシリコン以外の材料よりなる。この部分も切断する必要がある。ウェーハシート１３の切断は、最初に、電子ビームを比較的ゆっくり走査すると同時に、電子ビーム加速電圧を下げる。これによって、薄い膜で電子ビームが吸収され、材料（粘着性樹脂）が、飛散する等して、その部分から除かれる。そして、次に高エネルギーの電子ビームをシリコンの劈開の条件に合わせて打ち込む。こうして切断を完了する。

また、両面に、ＬＳＩが組み込まれている場合や、ＬＳＩ側からビームを打ち込まざるを得ないときには、電子ビームの当たらない部分をエポキシ樹脂等で保護してから、ビームを打ち込んで切断することが望ましい。エポキシ樹脂は絶縁物であり、電流が流れ難い。もちろん、シート状の絶縁物で覆ってもよい。

半導体集積回路の配線層上の銅などによる配線を切断する必要がある場合、配線材料と配線層の膜厚さに適合させて、電子ビームの条件（加速電圧、電流、照射時間、走査周波数など）を設定し、事前に、切断部分を、電子ビーム溶接機等によって除去してから、シリコンの劈開条件に合わせて、ビームを２段、３段構えで打って、切断を行う。電子ビーム溶接機は、周知のように、表面処理として上記の条件で、運転することができる。

次に、劈開についての各種ビームの比較を行う。前記実施例では、実験で用いた電子ビームによるシリコンなどの劈開について説明を行った。

しかしながら、図２を参照して説明したように、プロセスで劈開を含む単結晶など（ガラスなどの非晶質材料も含む）を割ることへ適用する場合、レーザやイオンビームを用いてもよい。以下説明する。

荷電粒子の物質中の運動は、物質の電子や原子核との相互作用によってその運動エネルギーを失う。そして、周囲の物質から必要な数の電荷を得て中性になり、最後には止まる。

図７に、その様子を模式的に示す。なお、同じエネルギーであれば、電子の飛程のほうがはるかに長い（１００倍以上）。また、光では材料の特性によって決まる吸収率がある。厚いサンプルを劈開させるためには、ビームが材料深く浸透する必要がある。これは、劈開が生じるために、深い爪で材料を割るようなイメージとなるためである。

実際、電子ビームの厚い材料での実験では、サンプルが割れず、表面の一部分が割れる現象が観測されている。これは、爪が浅いので、浅い部分だけが割れるのである。

さて、電子ビームが深く材料の中に浸透するためには、電子ビームのエネルギー（＝加速電圧）が高い必要がある。更に、薄く精度良く割ることを制御するには電子ビームの幅が狭いことが重要である。しかしながら、図７に示したように、電子は極めて軽いため、物質中の電子や原子核と散乱して大きくその軌道を変える。

このため、図８に示したように、元々の電子ビーム幅よりも熱伝導による広がりを除いても、広い範囲で電子のエネルギーが吸収され、物質の温度上昇が生じる。したがって、割る位置の精度がビーム幅より広くなりやすい。

一方、レーザビームを用いると、単結晶など一様性が高い材料では物質中では散乱が生じなく、光は直進する。そして、その距離は波長と材料によって異なり、吸収係数を用いた形で表現される。したがって、レーザビームが座李両表面に対して垂直に入射する場合には、図９に示したように、元々、レーザビーム幅と同じ幅で物質中で吸収され、その部分の温度が上昇する。熱伝導分は除いている。レーザは、全てパルス運転を行うこととする。これは、今までの電子ビームによる実験でも、パルス状にビーム（短パルスレーザ）を照射することによって、大きな温度差が生じ、それが割れる原因になる、ためである。したがって、割る位置の精度は、ビーム幅と同程度になるものと思料され、制御が電子ビームに比べて行いやすい。更に、現状の電子ビームのパワーとレーザビームパワーは同程度であることから、ほぼ同様な効果が得られる。

なお、イオンビームの場合には、通常の加速電圧では、飛程が極めて短いため、ビームが材料の表面付近にのみ局在し、深く浸透しない。劈開などの割る現象には、加速電圧を大幅に上げるなどの対策が講じられる。

次に、各種材料による光の透過率について説明する。図１０は、厚さ２ｍｍに対する各種材料（スピネル、サファイア、弗化マグネシウム、シリコン）に対する光の透過率を示している。Ｓｉは１．１ミクロンから６．５ミクロンの波長まで２ｍｍ厚に対して５５％の透過率となる。

したがって、吸収係数αは、
α＝-（１/２）ｌｎ（０．５５）＝０．２９８ｎｍ^−１ …(1)
となり、赤外線の領域でほぼ２−３ｍｍ程度光が浸透することを表す。電子など、荷電粒子の飛程と関連する量であるが、電子飛程と比べると、電子エネルギーが１．５ＭｅＶ程度に相当し、高いエネルギー密度の電子ビームを打ち込んだことに相当する。

実験では、電子飛程と割れるＳｉウェーハの厚さの関係はおおよそ１００倍程度と想定されるので、２−３ｍｍの浸透厚を考えると、厚さ２００−３００ｍｍのＳｉを割ることができる可能性がある。ＳｉＣ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの材料は、それぞれ光の吸収が大幅にことなる。よって、サンプルの材料に、最適な光の波長が用いられる。これは、以下の理由による。光の吸収が大き過ぎると、表面付近だけでエネルギーが吸収され、サンプルを割るための大きな熱応力とならない。逆に、光の吸収が少な過ぎると、光の通う部分のサンプル全体の温度が上昇するので、熱応力が小さくなる。

次に、本実施例におけるレーザビームの焦点について説明する。図１１は、レーザビームの焦点構造と切断方向について説明するための模式図である。前記実施例では、図１に示したように、電子ビームでの切断実験では、切断方向に電子ビームを高速で振動させている。電子ビームの焦点が点状（スポット）であるため、電子ビームを切断方向に往復運動させている。これにより、切断予定線上に沿って温度を、ほぼ一様に上昇させていた。

加工用ビームをレーザビームとした場合、円柱レンズ３０１などの光学系を用いることで、サンプル面上での焦点を線状とすることができる。このため、ビームを高速で振動（往復運動）させる必要がない。ビームの種類によっては、光学素子（ミラーなど）を利用して高速で振動をさせてもよいことは勿論である。図１１に示す例では、レンズ３０１の１つが示されているが、サンプルの厚さによっては、焦点の長さを調整することが好ましい。この場合、複数の円柱レンズ３０１を用意してレンズ系を作製してもよい。レーザビームの断面は、通常、円形となる。これに、アパーチャーを用いて断面を長方形にする必要がある。また、レーザ発振自体を、円形から長方形状にするようにしてもよい。具体的には、炭酸ガスレーザなどの放電を利用するレーザでは、放電電極を長方形状にすると同時に共振器をつくるミラー系を長方形にする方法や、ＹＡＧレーザのような固体レーザでは発振部やアンプ部に用いる結晶やガラスを長方形に作ることによってレーザビーム断面が長方形になる。

なお、電子銃の構造を直線上にし、途中の電子ビームのレンズ系も、円柱レンズ系を用いることで、電子ビームにおいても高速で振動させる必要はない。

次に、レーザビーム用の光学ガイドについて説明する。図１２は、レーザビームを出力ファイバー４０３で導いてマイクロ溶接をする装置の公知の典型構成を示している。高精度の位置決めが必要とされ、ＣＣＤカメラ４０７を有し、ディスプレイ４１０で、操作者が溶接位置を確認する。

また、図１３には、一つのレーザビーム５２１を複数本に分けて照射する装置を示している。一つのレーザビームを複数本の光ファイバーに分けて加工する公知の構成が用いられる。

図１１で示したように、線状の焦点を作るためには、ビームを複数本に分けて光ファイバーで導いて、これを線状に並べて、照射する構成としてもよい。

また、図１３に示すようにレーザビーム５２１を、公知の音響光変調器（モジュレータ）５０１で複数ビームに分け、公知の音響光偏向器（デフレクター）５０２で偏向させ、サンプル面に線状にして照射するようにしてもよい。なお、これら公知の装置の位置精度は０．５ミクロン程度とされており、現状の装置で十分にその機能を果たすことができる。また、複数のレーザを線状に並べて、光学系やモジュレーターを用いないで線状にレーザビームを発振する機器も公知である。

図１４は、レーザビームアブレーションを示している。周知の通り、アブレーションは、高エネルギー密度をもつビームをサンプル表面に照射した場合、ビームを照射した物質が大きなエネルギーをもつフラグメントとして爆発的に飛散する現象をいい、材料表面は溶けて一部ガスになり、場合によっては、プラズマ化して飛散する。図１４（Ａ）から図１４（Ｃ）は、時間の経過にしたがって模式的に示した図であり、図１４（Ａ）は、レーザを、サンプル１００に短時間照射すると、照射部分１２３の温度が上昇する。照射されたサンプル表面部分の原子が高温になり、飛散する様子が、模式的に図１４（Ｂ）に示されている。そして、図１４（Ｃ）には、表面原子層が無くなっている状態を示している。レーザ照射時間は、１秒以内であり、短時間で行われる。そして、レーザ光の吸収係数にもよるが、表面の数十ミクロン程度は、容易に除去されることが知られている。電子ビームによる切断で、図６を参照して説明したように、大口径シリコンウェーハ等、表面に銅などの配線やプラスチックフィルムなどが設けられている場合、レーザアブレーションを用いて、当該部分が除去される。

以上、電子ビームとレーザ・ビームを用いた単結晶材料やガラス材の切断（割断）現象（劈開など）を用いて行う方法について説明した。これは、従来から行われてきた「のこぎり」を用いる方法と比べて、
・切断時間が短い、
・切り代がない、
・切断面の表面粗さが優れる、
・鋸を用いず、鋸のように刃が欠ける、すり減る等がない、
ことなどから、画期的な加工技術であるといえる。上記したように、実験でもほぼその効果が確認されてきている。

電子ビームを用いる場合とレーザビームを用いる場合について説明する。電子ビームを用いてシリコン単結晶を割る実験を行うと、ビームがサンプル上の狙ったところに行かず、更に、ビームが揺れる現象が実験で確認されている。これは、サンプルの電気絶縁性が高いために、サンプル表面が電荷が帯電し、それによる反発力でビームが狙った位置からずれたり直線では無く、揺れたりするものとと想定される。このため、サンプル表面に金などの導電性材料を塗布したり、コーティングしたり、サンプルの表面近傍まで電極を持っていく方法が採用される。特に、スリット状の窓を付けた金属をサンプル表面近傍に設置することは窓に隠れた部分は高エネルギーの電子ビームから保護されるので、極めて都合がよい。

レーザを用いる場合には、上記した電荷の帯電現象は生じない。但し、レーザビームを利用する時でも、プラズマが発生する場合もあることから、表面付近にスリット状の窓を持った金属製の保護板を設置することは有効である。

また、厚い材料を切断するときには、深くビームを入れる必要がある。サンプルの材料によるが、レーザが効果的である。Ｓｉでは、数ミクロンの波長の光を利用すると電子ビームのエネルギーにして１．５ＭｅＶにも対応し、このような高い電圧で電流を数十ｍＡも得ることはかなり技術的には困難であるため、レーザが使いやすい。

但し、現在切断（cuttinｇ）がシリコンに比べて堅いため困難とされる、ＳｉＣやサファイア、ＧａＮなどの材料では、可視光から赤外の領域で透過率が高いため、レーザ波長を良く選ぶ必要がある。但し、レーザ波長を変換する色々な光学素子が、製造販売されており、材料に応じて、波長を変えることが好ましい。

以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の原理に準ずる範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明は、インゴットをウェーハに切断する切断機、ダイシング装置、溝に沿って割れ目をいれ個々のダイに分割するブレーキング装置等のほか、ＳｉＣやサファイア、ＧａＮの切断加工に適用して好適とされる。

本発明の一実施例の構成を示す図である。 電子ビームを単結晶材料に照射したときの現象を説明する図である。 サンプル固定治具の配置の一例を示す図である。 サンプル固定治具の配置の一例を示す図である。 本実施例によるサンプル固定治具の配置の一例を示す図である。 半導体ウェーハを切断する様子を説明する図である。 劈開に用いられる各種ビームを比較する図である。 単結晶材料への電子ビーム照射による温度上昇を説明する図である。 単結晶材料へのレーザビーム照射による温度上昇を説明する図である。 各種材料の光（波長）の透過率を示す図である。 本実施例によるレーザビームの焦点構造を説明する図である。 公知のレーザ微細溶接装置の構成を示す図である。 公知のレーザビーム偏向の構成を示す図である。 レーザアブレーションを説明する図である。

符号の説明

１１ シリコンウェーハ（基板）
１２ 裏面
１３ ウェーハシート
２１ 電子ビーム
１００ サンプル
１０１ サンプル台
１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 固定治具
２０１ 陰極
２０２ 陽極
２０３ 電子ビーム
２０４ 集束コイル
２０５ 偏向コイル
２０６ サンプル
３０１ 円柱レンズ
４０１ レーザ光源
４０２ 照明光源
４０３ 光ファイバー
４０４ 加工ヘッド
４０６ ＸＹステージ
４０７ ＣＣＤカメラ
４０８ 監視光学系
４０９ 画像取り込み装置
４１０ 映像（ビデオ）ディスプレイ
４１１ ワーク
５０１ 音響光モジュレータ（変調器）
５０２ 音響光デフレクター
５１１ サンプル
５２１ レーザビーム

Claims (34)

1. 加工用ビームを用いた被加工物の加工方法において、
   前記被加工物を支持固定する固定治具を、前記加工用ビームの切断／分割方向への照射に伴い前記被加工物内に生じる熱応力を緩和しないように配置し、
   前記加工用ビームを、前記被加工物の切断／分割方向に照射して、前記被加工物を切断／分割する、ことを特徴とする加工方法。
2. 少なくとも１対の前記固定治具を、前記被加工物の切断／分割方向を間に挟んで、切断／分割方向に平行に、前記被加工物から、所定の距離離間させて対向配置する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
3. 少なくとも１対の前記固定治具を、前記被加工物の切断／分割方向に平行な対向辺に対して所定の距離離間させてそれぞれ配置する、ことを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
4. 少なくとも１対の前記固定治具を、前記被加工物の前記切断／分割方向に直交する方向に沿った対向辺に当接させてそれぞれ配置する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の加工方法。
5. 前記被加工物が、単結晶ウェーハであり、前記単結晶ウェーハ半導体素子形成面とは逆の面に、前記加工用ビームを照射して分割する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
6. 前記単結晶ウェーハの半導体素子形成面上にマスクパターンを形成し、マスクの開口部に前記加工用ビームを照射して分割する、ことを特徴とする請求項５に記載の加工方法。
7. 前記加工用ビームは電子ビーム、レーザビーム、イオンビームのいずれかである、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
8. 前記加工用ビームは、パルス状ビームであることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
9. 前記被加工物が接地電位とされ、荷電粒子よりなる前記加工用ビームによる帯電を防止する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
10. 前記加工用ビームが、所定の速度で前記被加工物の平面上を往復するように、走査する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
11. 前記加工用ビームが焦点となる照射位置で線状となるように制御される、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
12. 前記加工用ビームの焦点が、前記被加工物上で線状となるように円柱レンズを用いることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
13. 前記加工用ビームをなすレーザビームを光ファイバーで導波し、前記被加工物上で面上で切断／分割方向に線状にレーザビームを照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
14. 前記加工用ビームをなすレーザビームを音響光素子で複数に偏向させることで、前記被加工物の面上で切断／分割方向に線状にレーザビームを照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
15. レーザ照射による前記被加工物面のアブレーション後、前記加工用ビーム照射による切断を行うことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
16. 前記被加工物が劈開により切断されることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
17. 前記被加工物が、単結晶のシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、サファイア、ＧａＮのうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
18. 前記被加工物の表面に導電部材を設け、
    前記導電部材は接地され、
    前記被加工物表面の電荷を放電し、電子ビームを照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
19. 前記被加工物の表面に導電性のマスクを置き、
    前記マスクは接地され、
    前記被加工物表面の電荷を放電し、
    前記マスク窓から加工用ビームを照射する、ことを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
20. 被加工物に照射する加工用ビームを出力する装置と、
    被加工物を配置する台と、
    を備え、前記加工用ビームを、前記被加工物の切断／分割方向に照射して前記被加工物を切断／分割する装置において、
    前記台上に、前記加工用ビームの前記切断／分割方向の照射に伴い前記被加工物内に生じる熱応力を緩和しないように配置され、前記被加工物を支持固定する、複数の固定治具を備えている、ことを特徴とする加工装置。
21. 前記被加工物の切断／分割方向を間に挟んで、前記切断／分割方向に平行に、前記被加工物から、所定の距離離間させて少なくとも１対の固定治具を備えている、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
22. 前記被加工物の前記切断／分割方向に平行な対向辺と所定の距離離間させて対向配置された少なくとも１対の固定治具を備えている、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
23. 前記被加工物の前記切断／分割方向に直交する方向に沿った辺に当接してそれぞれ対向配置された少なくとも１対の固定治具を備えている、ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の加工装置。
24. 前記被加工物が、単結晶ウェーハであり、前記単結晶ウェーハ半導体素子形成面とは逆の面に、前記加工用ビームを照射して分割する、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
25. 前記被加工物が、単結晶のシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド、サファイア、ＧａＮのうちの少なくとも１つである、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
26. 前記単結晶ウェーハの半導体素子形成面上にマスクパターンを備え、前記マスクの開口部に前記加工用ビームを照射して分割する、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
27. 前記加工用ビームは電子ビーム、レーザビーム、イオンビームのいずれかである、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
28. 前記加工用ビームは、パルス状ビームであることを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
29. 前記台が接地電位とされ、前記被加工物の荷電粒子よりなる前記加工用ビームによる帯電を防止する、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
30. 前記加工用ビームが、所定の速度で前記被加工物の平面上を往復するように走査する手段を備えている、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
31. 前記加工用ビームが、前記被加工物上で線状となるような照射されるようにビームの行路を制御する手段を備えている、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
32. 前記加工用ビームが入射され、出射ビームは前記被加工物上で線状となるような焦点の円柱レンズを備えている、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
33. 前記加工用ビームをなすレーザビームを導波する光ファイバーを有し、
    前記被加工物上で面上で切断／分割方向に線状にレーザビームが照射される、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。
34. 前記加工用ビームをなすレーザビームを入力し偏向させて出力する音響光素子を備え、前記音響光素子からの前記レーザビームは、前記被加工物上で面上で切断／分割方向に線状に照射される、ことを特徴とする請求項２０に記載の加工装置。

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