JP2005101413A - 薄板状被加工物の分割方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスレーザ光線（７８）を利用する薄板状被加工物（３４）の分割方法及び装置を改良して、分割ライン（３６）に沿って充分精密に且つ充分容易に被加工物を分割することができるようにせしめる。
【解決手段】薄板状被加工物に照射されるパルスレーザ光線の、分割ラインに沿ったスポットピッチ即ちスポット間隔を所定範囲に、即ち０．８≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．５、ここで、Ｙ（Ｈｚ）は該パルスレーザ光線の繰り返し周波数であり、Ｄ（ｍｍ）は該パルスレーザ光線のスポット径であり、Ｖ（ｍｍ／秒）は該被加工物と該パルスレーザ光線との相対的移動速度である、に設定する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体ウエーハの如き薄板状被加工物をパルスレーザ光線を利用して分割する方法及び装置に関する。

例えば半導体ウエーハの製造においては、周知の如く、シリコン基板の如き基板を含む半導体ウエーハの表面を、格子状に配列された多数のストリート即ち分割ラインによって多数の矩形領域に区画し、かかる矩形領域の各々に回路を形成する。しかる後に、半導体ウエーハを分割ラインに沿って分割し、矩形領域の各々を半導体回路にせしめている。そして、半導体ウエーハを分割ラインに沿って分割する様式として、パルスレーザ光線を利用する様式が提案されている。

下記特許文献１及び２には、薄板状被加工物にパルスレーザ光線を照射すると共に、被加工物の分割ラインに沿って被加工物とパルスレーザ光線とを相対的に移動せしめ、かくして被加工物にその分割ラインに沿って変質領域を生成し、しかる後に被加工物に外力を加えて分割ラインに沿って破断せしめる分割方法及び装置が開示されている。
米国特許第６，２１１，４８８号明細書 特開２００１−２７７１６３号公報

而して、パルスレーザ光線を利用する上述したとおりの従来の分割方法及び装置には、分割ラインに沿って充分精密に且つ充分容易に被加工物を分割することができない場合が少なくなく、特に被加工物に加えなければならない外力が大きくなると、被加工物の破断の際にチッピングが生成される、或いは被加工物の破断が分割ラインから逸れてしまう、ことが少なくないことが判明している。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、パルスレーザ光線を利用する薄板状被加工物の分割方法及び装置を改良して、破断強度が充分に低減せしめられた変質領域を分割ラインに沿って形成し、分割ラインに沿って充分精密に且つ充分容易に被加工物を分割することができるようにせしめることである。

本発明者等は、パルスレーザ光線照射条件と変質領域の破断強度との関係に特に着目して鋭意研究及び実験を重ねた結果、薄板状被加工物に照射されるパルスレーザ光線の、分割ラインに沿ったスポットピッチ即ちスポット間隔を所定範囲に設定することによって、上記主たる技術的課題を達成することができることを見出した。

即ち、本発明の一局面によれば、上記主たる技術的課題を達成することができる薄板状被加工物の分割方法として、薄板状被加工物に、該被加工物を透過することができるパルスレーザ光線を照射すること、及び該被加工物の分割ラインに沿って該被加工物と該パルスレーザ光線とを相対的に移動せしめることを含む分割方法において、
０．８≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．５に設定する、
ここで、Ｙ（Ｈｚ）は該パルスレーザ光線の繰り返し周波数であり、Ｄ（ｍｍ）は該パルスレーザ光線のスポット径であり、Ｖ（ｍｍ／秒）は該被加工物と該パルスレーザ光線との相対的移動速度である、
ことを特徴とする分割方法が提供される。

本発明の他の局面によれば、上記主たる技術的課題を達成することができる薄板状被加工物の分割装置として、薄板状被加工物を保持する保持手段、該被加工物を透過することができるパルスレーザ光線を該保持手段に保持された該被加工物に照射するためのパルスレーザ光線照射手段、及び該被加工物の分割ラインに沿って該保持手段と該パルスレーザ光線とを相対的に移動せしめる移動手段を含む分割装置において、
０．８≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．５に設定されている、
ここで、Ｙ（Ｈｚ）は該パルスレーザ光線の繰り返し周波数であり、Ｄ（ｍｍ）は該パルスレーザ光線のスポット径であり、Ｖ（ｍｍ／秒）は該被加工物と該パルスレーザ光線との相対的移動速度である、
ことを特徴とする分割装置が提供される。

１．０≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．０、殊に１．２≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦１．８、であるのが好適である。

本発明の方法及び装置においては、後に更に詳述する如く、望ましくない高強度化部を局部的に発生せしめることなく分割ラインに沿って実質上連続して変質領域が生成され、かくして分割ラインに沿って充分精密に且つ充分容易に被加工物を分割することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の分割方法及び装置の好適実施形態について、更に詳細に説明する。

図１には、本発明に従って構成された分割装置の好適実施形態の主要部が図示されている。図示の分割装置は支持基台２を有し、この支持基台２上にはＸ軸方向に延びる一対の案内レール４が配設されている。かかる案内レール４上には第一の滑動ブロック６がＸ軸方向に移動自在に装着されている。一対の案内レール４間にはＸ軸方向に延びるねじ軸８が回転自在に装着されており、かかるねじ軸８にはパルスモータ１０の出力軸が連結されている。第一の滑動ブロック６は下方に垂下する垂下部（図示していない）を有し、かかる垂下部にはＸ軸方向に貫通する雌ねじ孔が形成されており、かかる雌ねじ孔にねじ軸８が螺合せしめられている。従って、パルスモータ１０が正転せしめられると第一の滑動ブロック６が矢印１２で示す方向に移動せしめられ、パルスモータ１０が逆転せしめられると第一の滑動ブロック６が矢印１４で示す方向に移動せしめられる。後の説明から明らかになるとおり、パルスモータ１０及びこれによって回転せしめられるねじ軸８は（レーザビーム加工手段に対して相対的に）被加工物を移動せしめる移動手段を構成する。

第一の滑動ブロック６上にはＹ軸方向に延びる一対の案内レール１６が配設されており、かかる案内レール１６上には第二の滑動ブロック１８がＹ軸方向に移動自在に装着されている。一対の案内レール１６間にはＹ軸方向に延びるねじ軸２０が回転自在に装着されており、かかるねじ軸２０にはパルスモータ２２の出力軸が連結されている。第二の滑動ブロック１８にはＹ軸方向に貫通する雌ねじ孔が形成されており、かかる雌ねじ孔にねじ軸２０が螺合されている。従って、パルスモータ２２が正転せしめられると第二の滑動ブロック１８が矢印２４で示す方向に移動せしめられ、パルスモータ２２が逆転せしめられると第一の滑動ブロック１８が矢印２６で示す方向に移動せしめられる。第二の滑動ブロック１８には、円筒部材２５を介して支持テーブル２７が固定されていると共に、保持手段２８が装着されている。保持手段２８は実質上鉛直に延びる中心軸線を中心として回転自在に装着されており、円筒部材２５内には保持手段２８を回転せしめるためのパルスモータ（図示していない）が配設されている。図示の実施形態における保持手段２８は、多孔性材料から形成されたチャック板３０と一対の把持手段３２とから構成されている。

図２には被加工物である半導体ウエーハ３４が図示されている。かかる半導体ウエーハ３４はシリコン基板から構成されており、その表面上にはストリート即ち分割ライン３６が格子状に配設されており、分割ライン３６によって複数個の矩形領域３８が区画されている。矩形領域３８の各々には半導体回路が形成されている。図示の実施形態においては、半導体ウエーハ３４は装着テープ４０を介してフレーム４２に装着されている。適宜の金属或いは合成樹脂から形成することができるフレーム４２は中央部に比較的大きな円形開口４４を有し、半導体ウエーハ３４は開口４４内に位置せしめられている。装着テープ４０はフレーム４２及び半導体ウエーハ３４の下面側においてフレーム４２の開口４４を跨いで延在せしめられており、フレーム４２の下面及び半導体ウエーハ３４の下面に貼着されている。半導体ウエーハ３４にパルスレーザ光線を照射する際には、上記保持手段２８におけるチャック板３０上に半導体ウエーハ３４を位置せしめてチャック板３０を真空源（図示していない）に連通せしめ、かくしてチャック板３０上に半導体ウエーハ３４を真空吸着する。保持手段２８の一対の把持手段３２はフレーム４２を把持する。保持手段２８自体並びに装着テープ４０を介してフレーム４２に装着された半導体ウエーハ３４自体は当業者には周知の形態でよく、従ってこれらについての詳細な説明は本明細書においては省略する。特に半導体ウエーハ３４の表面における分割ライン３６上に金属膜（所謂ｔｅｇ膜）或いは低誘電率絶縁膜（所謂ｌｏｗ−ｋ膜）が形成されている場合には、半導体ウエーハ３６の表裏を反転せしめて半導体ウエーハ３６をフレーム４２に装着する（従って、半導体ウエーハ２４の裏面側からパルスレーザ光線を照射する）のが好都合である。

再び図１を参照して説明を続けると、上記支持基台２上にはＹ軸方向に延びる一対の案内レール４４も配設されており、かかる一対の案内レール４４上には第三の滑動ブロック４６がＹ軸方向に移動自在に装着されている。一対の案内レール４４間にはＹ軸方向に延びるねじ軸４７が回転自在に装着されており、かかるねじ軸４７にはパルスモータ４８の出力軸が連結されている。第三の滑動ブロック４６は略Ｌ字形状であり、水平基部５０とこの水平基部５０から上方に延びる直立部５２とを有する。水平基部５０には下方に垂下する垂下部（図示していない）が形成されており、かかる垂下部にはＹ軸方向に貫通する雌ねじ孔が形成されており、かかる雌ねじ孔にねじ軸４７が螺合せしめられている。従って、パルスモータ４８が正転せしめられると第三の滑動ブロック４６が矢印２４で示す方向に移動せしめられ、パルスモータ４８が逆転せしめられると第三の滑動ブロック４６が矢印２６で示す方向に移動せしめられる。

第三の滑動ブロック４６の直立部５２の片側面にはＺ軸方向に延びる一対の案内レール５４（図１にはその一方のみを図示している）が配設されており、かかる一対の案内レール５４には第四の滑動ブロック５６がＺ軸方向に移動自在に装着されている。第三の滑動ブロック４６の片側面上にはＺ軸方向に延びるねじ軸（図示していない）が回転自在に装着されており、かかるねじ軸にはパルスモータ５８の出力軸が連結されている。第四の滑動ブロック５６には直立部５２に向けて突出せしめられた突出部（図示していない）が形成されており、かかる突出部にはＺ軸方向に貫通する雌ねじ孔が形成されており、かかる雌ねじ孔に上記ねじ軸が螺合せしめられている。従って、パルスモータ５８が正転せしめられると第四の滑動ブロック５６が矢印６０で示す方向に移動即ち上昇せしめられ、パルスモータ５８が逆転せしめられると第四の滑動ブロック５６が矢印６２で示す方向に移動即ち下降せしめられる。

第四の滑動ブロック５６には全体を番号６４で示すパルスレーザ光線照射手段が装着されている。図示のパルスレーザ光線照射手段６４は、第四の滑動ブロック５６に固定され実質上水平に前方（即ち矢印２４で示す方向）に延出する円筒形状のケーシング６６を含んでいる。図１と共に図３を参照して説明を続けると、ケーシング６６内にはパルスレーザ光線発振手段６８及び伝送光学系７０が配設されている。発振手段６８は、ＹＡＧレーザ発振器或いはＹＶＯ４レーザ発振器であるのが好都合であるレーザ発振器７２とこれに付設された繰り返し周波数設定手段７４から構成されている。伝送光学系７０はビームスプリッタの如き適宜の光学要素を含んでいる。ケーシング６６の先端には照射ヘッド７６が固定されており、かかる照射ヘッド７６内には集光光学系７７が配設されている。

発振手段６８から発振されるパルスレーザ光線７８は伝送光学系７０を介して集光光学系７７に到り、集光光学系７７から上記保持手段２８上に保持されている半導体ウエーハ３４に所定スポット径Ｄで照射される。半導体ウエーハ３４に照射されるパルスレーザ光線７８のスポット径Ｄは、例えば図４に図示する如くガウス分布を示すパルスレーザ光線７８が対物レンズ７９を通して半導体ウエーハ３４に照射される場合、Ｄ（μｍ）＝４×λ×ｆ／（π×Ｗ）、ここでλはパルスレーザ光線７８の波長（μｍ）で、Ｗは対物レンズ７９に入射されるパルスレーザ光線７８の直径（ｍｍ）で、ｆは対物レンズ７９の焦点距離（ｍｍ）である、で規定される。

図１と共に図５を参照して説明を続けると、パルスレーザ光線７８は分割ライン３６において半導体ウエーハ３４に照射される。半導体ウエーハ３４を透過するパルスレーザ光線７８を、例えば図５に図示する如くパルスレーザ光線７８を半導体ウエーハ３４の裏面乃至その近傍に集光せしめると、半導体ウエーハ３４はその裏面から厚さｘの部位で変質される。この変質は、半導体ウエーハ３４の基板材料及びパルスレーザ光線７８のピークパワー密度に依存するが、通常は材料の溶融である。従って、半導体ウエーハ３４を保持している保持手段２８を矢印１２（或いは１４）で示す方向に移動せしめることによって、半導体ウエーハ３４を分割ライン３６に沿って移動せしめると、半導体ウエーハ３４には厚さｘで分割ライン３６に沿って延びる変質領域８０が生成される。変質領域８０においては、パルスレーザ光線７８の照射によって材料が溶融され、そしてパルスレーザ光線７８の照射終了後材料が再固化される。かような変質領域８０においては、通常、材料強度が局部的に低下せしめられ、従って半導体ウエーハ３４に適宜の外力を加えることによって半導体ウエーハ３４を分割ライン３６に沿って破断せしめることができる。必要ならば、パルスレーザ光線照射手段６４が固定されている第四の滑動ブロック５６を矢印６０で示す方向に例えば上記厚さｘだけ移動せしめてパルスレーザ光線７８の集光点位置を上記厚さｘだけ上昇せしめた後に、再び半導体ウエーハ３４とパルスレーザ光線７８とを分割ライン３６に沿って移動せしめ、かくして変質領域８０の厚さを２×ｘにせしめる、或いは更にパルスレーザ光線７８の上昇と半導体ウエーハ３４の分割ライン３６に沿った移動とを繰り返すことによって変質領域８０の厚さを更に増大する、所望ならば半導体ウエーハ３４の基板厚さ全体に渡って変質領域８０を生成する、こともできる。図示の実施形態においては、半導体ウエーハ３４を移動せしめることによって半導体ウエーハ３４とパルスレーザ光線７８とを分割ライン３６に沿って相対的に移動せしめているが、これに代えて或いはこれに加えてパルスレーザ光線７８を移動せしめて半導体ウエーハ３４とパルスレーザ光線７８とを分割ライン３６に沿って相対的に移動せしめることもできる。また、図示の実施形態においてはパルスレーザ光線７８を上昇（或いは下降）せしめてパルスレーザ光線７８の集光点位置を半導体ウエーハ３４の厚さ方向に相対的に移動せしめているが、これに代えて或いはこれに加えて半導体ウエーハ３４をその厚さ方向に移動せしめてパルスレーザ光線７８の集光点位置を半導体ウエーハ３４の厚さ方向に相対的に移動せしめることもできる。

而して、本発明においては、パルスレーザ光線７８の繰り返し周波数Ｙ（Ｈｚ）、パルスレーザ光線７８のスポット径Ｄ（ｍｍ）、及び被加工物である半導体ウエーハ３４とパルスレーザ光線７８との相対的移動速度Ｖ（ｍｍ／秒）によって規定される係数ｋ、ｋ＝Ｖ／（Ｙ×Ｄ）、を０．８乃至２．５、好ましくは１．０乃至２．０、特に好ましくは１．２乃至１．８、に設定することが重要である。換言すれば、繰り返し周波数Ｙ、スポット径Ｄ及び相対的移動速度Ｖの関係を、０．８≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．５、好ましくは１．０≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．０、特に好ましくは１．２≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦１．８、に設定することが重要である。

更に詳述すると、繰り返し周波数Ｙのパルスレーザ光線７８をスポット径Ｄで半導体ウエーハ３４に照射し、半導体ウエーハ３４とパルスレーザ光線７８とを分割ライン３６に沿って相対的に移動せしめる場合、上記係数ｋが１である場合には、図６に図示する如く、パルスレーザ光線７８のスポットのピッチｐはスポット径Ｄと同一、従ってパルスレーザ光線７８のスポットは相互に接した状態（即ち重なり合うことなく且つ両者間に間隙を介在せしめることがない状態）で、分割ライン３６に沿って連続して照射されることになる。上記係数ｋが１未満になると、図７に図示する如く、パルスレーザ光線７８のスポットは相互に重なり合って、分割ライン３６に沿って連続して照射されることになる。上記係数ｋが１より大きくなると、図８に図示する如く、パルスレーザ光線７８のスポットは隣接するスポット間に隙間を介在せしめて、分割ライン３６に沿って連続して照射されることになり、上記係数ｋが２になると隣接するスポット間の間隔の長さｓはＤとなる。分割ライン３６に沿って半導体ウエーハ３４を充分精密に且つ充分容易に分割するためには、上記係数ｋを０．８乃至２．５、好ましくは１．０乃至２．０、特に好ましくは１．２乃至１．８に設定することが重要である理由は、必ずしも明確ではないが、本発明者等は次のとおりに推定している。上記係数ｋが過大になる、従って隣接するスポット間の隙間が過大になると、スポット間に非変質部が残留せしめられる。それ故に、分割ライン３６に沿って断続的に、弱化されていない非変質部が残留し、かかる非変質部に起因して分割ライン３６に沿った破断に過大な外力が必要になり、或いは非弱化部において破断が分割ライン３６から逸れてしまう。他方、上記係数ｋが過小になると、パルスレーザ光線７８の照射によって加熱され変質され、次いで冷却された部分が、パルスレーザ光線７８が再び照射されることによって加熱され、金属における焼入れの如き効果が生成され、破断強度が減少ではなくて増大された部分が生成され、かかる強度増大部に起因して分割ライン３６に沿った破断に過大な外力が必要になり、或いは強度増大部において破断が分割ライン３６から逸れてしまう。上記係数ｋが１．０乃至２．０、特に１．２乃至１．８、である場合には、既に変質された部分に隣接して新たに変質部が生成される際に、新たに変質される部分の高温に誘引されて変質の発生が既に変質された部分から新たに変質される部分まで延び、かくして変質され破断強度が低下された領域が、非変質部を介在せしめることなく且つ強度増大部を生成せしめることなく、分割ライン３６に沿って実質上連続して生成される。

実験例
図１に図示するとおりの形態の分割装置を使用して、直線状に延在する分割ラインに沿って半導体ウエーハにパルスレーザ光線を照射した。半導体ウエーハはシリコンから形成され、オリエンテーションフラットと称される直線縁以外の縁は直径８インチの円弧であり、厚さは６００μｍであった。パルスレーザ光線照射手段の発振手段はＹＶＯ４パルスレーザ発振器であり、波長は１０６４ｎｍで、パルスエネルギーは１０μＪで、集光点の直径即ちスポット径Ｄは１μｍで、集光点のエネルギー密度は１．０×１０^１０Ｗ／ｃｍ^２以上で、繰り返し周波数Ｙは１００ｋＨｚであった。パルスレーザ光線の集光点を半導体ウエーハの裏面に位置せしめて分割ラインに沿って半導体ウエーハを移動せしめ、かくして半導体ウエーハの裏面から厚さ約６０μｍの部位に分割ラインに沿って変質領域を形成し、更に集光点を６０μｍだけ上昇せしめる集光点上昇と分割ラインに沿って半導体ウエーハを移動せしめる半導体ウエーハ移動とを９回に渡って繰り返し（従って全部で１０回）、かくして半導体ウエーハの厚さ全体に渡って分割ラインに沿って変質領域を生成した。半導体ウエーハの移動速度Ｖを１０から４００ｍｍ／秒の範囲で変化、従って係数ｋを０．１から４．０の範囲で変化せしめて、夫々の場合の分割ラインに沿って半導体ウエーハを破断せしめるのに要した応力を測定した。応力の測定の際には、半導体ウエーハの裏面を分割ラインから両側に夫々２.０ｍｍ離れた部位にて分割ラインに沿って支持し、半導体ウエーハの表面に分割ラインに沿って荷重を加えることによって遂行し、測定された応力は半導体ウエーハが破断したときの荷重に基づいたものである。測定結果は図９に図示するとおりであり、係数ｋが０．８乃至２．５、特に１．０乃至２．０、殊に１．２乃至１．８である場合に、半導体ウエーハを破談するのに要する外力が小さいことが理解される。

本発明に従って構成された分割装置の好適実施形態の主要部を図示する斜面図。 被加工物の一例である半導体ウエーハをフレームに装着した状態を示す斜面図。 パルスレーザ照射手段を示す簡略線図。 パルスレーザ光線のスポット径を説明するための簡略図。 半導体ウエーハにパルスレーザ光線を照射して分割ラインに沿って変質領域を生成している状態を示す部分断面図。 係数ｋが１の場合の、半導体ウエーハに照射されるスポット配列を示す図式図。 係数ｋが１未満の場合の、半導体ウエーハに照射されるスポット配列を示す図式図。 係数ｋが１を超える場合の、半導体ウエーハに照射されるスポット配列を示す図式図。 係数ｋの変動による、被加工物の破断に要する外力の変化を示す線図。

符号の説明

１０：パルスモータ（移動手段）
２８：保持手段
３４：半導体ウエーハ（被加工物）
３６：分割ライン
６４：パルスレーザ照射手段
７８：パルスレーザ光線
８０：変質領域

Claims (6)

1. 薄板状被加工物に、該被加工物を透過することができるパルスレーザ光線を照射すること、及び該被加工物の分割ラインに沿って該被加工物と該パルスレーザ光線とを相対的に移動せしめることを含む分割方法において、
   ０．８≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．５に設定する、
   ここで、Ｙ（Ｈｚ）は該パルスレーザ光線の繰り返し周波数であり、Ｄ（ｍｍ）は該パルスレーザ光線のスポット径であり、Ｖ（ｍｍ／秒）は該被加工物と該パルスレーザ光線との相対的移動速度である、
   ことを特徴とする分割方法。
2. １．０≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．０に設定する、請求項１記載の分割方法。
3. １．２≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦１．８に設定する、請求項２記載の分割方法。
4. 薄板状被加工物を保持する保持手段、該被加工物を透過することができるパルスレーザ光線を該保持手段に保持された該被加工物に照射するためのパルスレーザ光線照射手段、及び該被加工物の分割ラインに沿って該保持手段と該パルスレーザ光線とを相対的に移動せしめる移動手段を含む分割装置において、
   ０．８≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．５に設定されている、
   ここで、Ｙ（Ｈｚ）は該パルスレーザ光線の繰り返し周波数であり、Ｄ（ｍｍ）は該パルスレーザ光線のスポット径であり、Ｖ（ｍｍ／秒）は該被加工物と該パルスレーザ光線との相対的移動速度である、
   ことを特徴とする分割装置。
5. １．０≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦２．０に設定されている、請求項４記載の分割装置。
6. １．２≦Ｖ／（Ｙ×Ｄ）≦１．８に設定されている、請求項５記載の分割装置。

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