JP2006140356A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハ状の加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断を可能にするレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 本レーザ加工方法では、加工対象物１の内部において表面３からの深さが切断予定ライン５に沿って変化した改質領域７を形成する。そのため、改質領域７によって形成された切断起点領域８は、加工対象物１の厚さに対して広範囲に渡ったものとなる。加工対象物１の内部に切断起点領域８が形成されると、自然に或いは比較的小さな力で切断起点領域８を起点として割れが発生するが、切断起点領域８は加工対象物１の厚さに対して広範囲に渡っているため、例え加工対象物１の厚さが大きくても、切断起点領域８を起点として発生した割れは切断予定ライン５に沿って精度良く加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達することになる。
【選択図】 図１９

Description

本発明は、ウェハ状の加工対象物を切断するために使用されるレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来におけるこの種の技術を開示する文献として、下記の特許文献１を例示することができる。この特許文献１には、レーザ光を照射することにより加工対象物の内部に切断予定ラインに沿って改質領域を形成し、その改質領域を起点として加工対象物を切断する技術が記載されている。
特開２００２−１９２３７０号公報

この特許文献１記載の技術は、加工対象物を切断予定ラインに沿って精度良く切断することができる極めて有効な技術であるため、主に加工対象物の厚さが大きい場合に、改質領域を起点として加工対象物をより一層精度良く切断する技術が望まれていた。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウェハ状の加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断を可能にするレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の内部において加工対象物のレーザ光入射面からの深さが加工対象物の切断予定ラインに沿って変化するように改質領域を形成し、当該改質領域によって切断予定ラインに沿って切断起点領域を形成することを特徴とする。

このレーザ加工方法によれば、加工対象物の内部においてレーザ光入射面からの深さが切断予定ラインに沿って変化した改質領域が形成される。そのため、改質領域によって形成された切断起点領域は、加工対象物の厚さに対して広範囲に渡ったものとなる。このように加工対象物の内部に切断起点領域が形成されると、自然に或いは比較的小さな力で切断起点領域を起点として割れが発生するが、切断起点領域は加工対象物の厚さに対して広範囲に渡っているため、例え加工対象物の厚さが大きくても、切断起点領域を起点として発生した割れは切断予定ラインに沿って精度良く加工対象物の表面と裏面とに到達することになる。従って、加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断が可能になる。

また、加工対象物の内部においてレーザ光入射面からの深さが切断予定ラインに沿って連続的に変化するように改質領域を形成することが好ましい。これにより、切断予定ラインに沿って制御性良く改質領域を形成することが可能になる。

また、加工対象物の内部においてレーザ光入射面からの深さが切断予定ラインに沿って周期的に変化するように改質領域を形成することが好ましい。これにより、切断予定ラインに沿ってより一層制御性良く改質領域を形成することが可能になる。

なお、加工対象物は半導体基板を含み、当該半導体基板の内部に形成される改質領域は溶融処理領域を含む場合がある。この溶融処理領域は上述した改質領域の一例であるため、この場合にも、加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断が可能になる。

また、加工対象物は半導体基板を含み、当該半導体基板の内部に形成される改質領域は、溶融処理領域と、その溶融処理領域に対してレーザ光入射面の反対側に位置する微小空洞とを含む場合がある。この溶融処理領域及び微小空洞は上述した改質領域の一例であるため、この場合にも、加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断が可能になる。

更に、上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、ウェハ状の加工対象物の内部に当該加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域による切断起点領域を形成するレーザ加工装置であって、改質領域が形成されるように加工対象物の内部にレーザ光の集光点を合わせる集光手段と、切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、集光手段と加工対象物との距離を変化させる距離変化手段と、切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させながら、集光手段と加工対象物との距離を変化させるように、移動手段及び距離変化手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

このレーザ加工装置においては、切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点が相対的に移動させられながら、加工対象物の内部にレーザ光の集光点を合わせる集光手段と加工対象物との距離が変化させられる（つまり、加工対象物の内部において加工対象物の厚さ方向に集光点の位置が変化する）。これにより、加工対象物の内部には、レーザ光入射面からの深さが切断予定ラインに沿って変化した改質領域が形成されることになる。従って、上述したレーザ加工方法と同様の理由から、加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断が可能になる。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、ウェハ状の加工対象物の内部に当該加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域による切断起点領域を形成するレーザ加工装置であって、改質領域が形成されるように加工対象物の内部にレーザ光の集光点を合わせる集光手段と、切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、加工対象物に対するレーザ光の屈折率を変化させる屈折率変化手段と、切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させながら、加工対象物に対するレーザ光の屈折率を変化させるように、移動手段及び屈折率変化手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

このレーザ加工装置においては、切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点が相対的に移動させられながら、加工対象物に対するレーザ光の屈折率が変化させられる（つまり、加工対象物の内部において加工対象物の厚さ方向に集光点の位置が変化する）。これにより、加工対象物の内部には、レーザ光入射面からの深さが切断予定ラインに沿って変化した改質領域が形成されることになる。従って、上述したレーザ加工方法と同様の理由から、加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断が可能になる。

本発明によれば、加工対象物の厚さに拘わらず、加工対象物の精度良い切断が可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。後述する第１及び第２実施形態では、レーザ光による多光子吸収を利用して加工対象物の内部に改質領域を形成する。そこで、第１及び第２実施形態の説明に先立って、多光子吸収により改質領域を形成するためのレーザ加工方法について説明する。

材料の吸収のバンドギャップＥ_Ｇよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Ｇである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞Ｅ_Ｇの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まる。

このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工方法の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１に示すように、ウェハ状（平板状）の加工対象物１の表面３には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレーザ加工方法では、図２に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射して改質領域７を形成する。なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、仮想線に限らず加工対象物１に実際に引かれた線であってもよい。

そして、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図１の矢印Ａ方向に）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、この改質領域７が切断起点領域８となる。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Ｌを吸収することにより加工対象物１を発熱させて改質領域７を形成するものではない。加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。

加工対象物１の内部に切断起点領域８を形成すると、この切断起点領域８を起点として割れが発生し易くなるため、図６に示すように、比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れを発生させることなく、加工対象物１を高精度に切断することが可能になる。

この切断起点領域８を起点とした加工対象物１の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断起点領域８形成後、加工対象物１に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域８を起点として加工対象物１が割れ、加工対象物１が切断される場合である。これは、例えば加工対象物１の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物１の切断起点領域８に沿って加工対象物１に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物１に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断起点領域８を形成することにより、切断起点領域８を起点として加工対象物１の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物１が切断される場合である。これは、例えば加工対象物１の厚さが小さい場合には、１列の改質領域７により切断起点領域８が形成されることで可能となり、加工対象物１の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域７により切断起点領域８が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域８が形成されていない部位に対応する部分の表面３上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域８を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の加工対象物１の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。

さて、本実施形態に係るレーザ加工方法において、多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（４）の場合がある。

（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ_３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物の表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。

本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。

（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

なお、レーザ光品質がＴＥＭ_００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。

図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０^１１（Ｗ／ｃｍ^２）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。

次に、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて、図８〜図１１を参照して説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このように形成されたクラック領域９が切断起点領域となる。図９に示すように、クラック領域９を起点として（すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すように、クラックが加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達し、図１１に示すように、加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物１に力が印加されることにより成長する場合もある。

（２）改質領域が溶融処理領域の場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。

（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。

溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。

例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハ１１の中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。

なお、シリコンウェハは、溶融処理領域によって形成される切断起点領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。そして、切断起点領域からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。このように、加工対象物の内部に溶融処理領域によって切断起点領域を形成すると、割断時、切断起点領域ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。

（３）改質領域が溶融処理領域及び微小空洞の場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。これにより、加工対象物の内部には溶融処理領域と微小空洞とが形成される場合がある。なお、電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

図１４に示すように、シリコンウェハ１１の表面３側からレーザ光Ｌを入射させた場合、微小空洞１４は、溶融処理領域１３に対して裏面２１側に形成される。図１４では、溶融処理領域１３と微小空洞１４とが離れて形成されているが、溶融処理領域１３と微小空洞１４とが連続して形成される場合もある。つまり、多光子吸収によって溶融処理領域１３及び微小空洞１４が対になって形成される場合、微小空洞１４は、溶融処理領域１３に対してシリコンウェハ１１におけるレーザ光入射面の反対側に形成されることになる。

このように、シリコンウェハ１１にレーザ光Ｌを透過させシリコンウェハ１１の内部に多光子吸収を発生させて溶融処理領域１３を形成した場合に、それぞれの溶融処理領域１３に対応した微小空洞１４が形成される原理については必ずしも明らかではない。ここでは、溶融処理領域１３及び微小空洞１４が対になった状態で形成される原理に関して本発明者らが想定する２つの仮説を説明する。

本発明者らが想定する第１の仮説は次の通りである。すなわち、図１５に示すように、シリコンウェハ１１の内部の集光点Ｐに焦点を合わせてレーザ光Ｌを照射すると、集光点Ｐの近傍に溶融処理領域１３が形成される。従来は、このレーザ光Ｌとして、レーザ光源から照射されるレーザ光Ｌの中心部分の光（図１５中、Ｌ４及びＬ５に相当する部分の光）を使用することとしていた。これは、レーザ光Ｌのガウシアン分布の中心部分を使用するためである。

本発明者らはレーザ光Ｌがシリコンウェハ１１の表面３に与える影響をおさえるためにレーザ光Ｌを広げることとした。その一手法として、レーザ光源から照射されるレーザ光Ｌを所定の光学系でエキスパンドしてガウシアン分布の裾野を広げて、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）のレーザ強度を相対的に上昇させることとした。このようにエキスパンドしたレーザ光Ｌをシリコンウェハ１１に透過させると、既に説明したように集光点Ｐの近傍では溶融処理領域１３が形成され、その溶融処理領域１３に対応した部分に微小空洞１４が形成される。つまり、溶融処理領域１３と微小空洞１４とはレーザ光Ｌの光軸（図１５中の一点鎖線）に沿った位置に形成される。微小空洞１４が形成される位置は、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）が理論上集光される部分に相当する。

このようにレーザ光Ｌの中心部分の光（図１５中、Ｌ４及びＬ５に相当する部分の光）と、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）とがそれぞれ集光される部分がシリコンウェハ１１の厚さ方向において異なるのは、レーザ光Ｌを集光するレンズの球面収差によるものと考えられる。本発明者らが想定する第１の仮説は、この集光位置の差が何らかの影響を及ぼしているのではないかというものである。

本発明者らが想定する第２の仮説は、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）が集光される部分は理論上のレーザ集光点であるから、この部分の光強度が高く微細構造変化が起こっているためにその周囲が実質的に結晶構造が変化していない微小空洞１４が形成され、溶融処理領域１３が形成されている部分は熱的な影響が大きく単純に溶解して再固化したというものである。

ここで、溶融処理領域１３は上記（２）で述べた通りのものであるが、微小空洞１４は、その周囲が実質的に結晶構造が変化していないものである。シリコンウェハ１１がシリコン単結晶構造の場合には、微小空洞１４の周囲はシリコン単結晶構造のままの部分が多い。

本発明者らは、シリコンウェハ１１の内部で溶融処理領域１３及び微小空洞１４が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。

（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ１００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数：４０ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓｅｃ
パルスピッチ：７μｍ
加工深さ：８μｍ
パルスエネルギー：５０μＪ／パルス
（Ｃ）集光用レンズ
ＮＡ：０．５５
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：２８０ｍｍ／ｓｅｃ

図１６は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハ１１の切断面の写真を表した図である。図１６において（ａ）と（ｂ）とは同一の切断面の写真を異なる縮尺で示したものである。同図に示すように、シリコンウェハ１１の内部には、１パルスのレーザ光Ｌの照射により形成された溶融処理領域１３及び微小空洞１４の対が、切断面に沿って（すなわち、切断予定ラインに沿って）所定のピッチで形成されている。

なお、図１６に示す切断面の溶融処理領域１３は、シリコンウェハ１１の厚さ方向（図中の上下方向）の幅が１３μｍ程度で、レーザ光Ｌを移動する方向（図中の左右方向）の幅が３μｍ程度である。また、微小空洞１４は、シリコンウェハ１１の厚さ方向の幅が７μｍ程度で、レーザ光Ｌを移動する方向の幅が１．３μｍ程度である。溶融処理領域１３と微小空洞１４との間隔は１．２μｍ程度である。

（４）改質領域が屈折率変化領域の場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。

以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（４）の場合を説明したが、ウェハ状の加工対象物の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く加工対象物を切断することが可能になる。

すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。さらに、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。

なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、切断起点領域を形成すべき方向に沿った切断起点領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態について説明する。図１７に示すように、第１実施形態に係るレーザ加工装置３０は、ウェハ状の加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射することで、加工対象物１の内部に多光子吸収による改質領域７を形成し、この改質領域７によって切断起点領域８を形成する装置である。ここで、加工対象物１はシリコンウェハ等の半導体基板であり、改質領域７は溶融処理領域である。

このレーザ加工装置３０は、加工対象物１が載置されるステージ（移動手段）３１を有しており、このステージ３１は、上下方向をＺ軸方向としてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各方向に移動可能となっている。ステージ３１の上方には、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源３２等を収容した筐体３３が配置されている。このレーザ光源３２は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザであり、真下に位置するステージ３１上の加工対象物１に向けてパルス幅１μｓ以下のパルスレーザ光であるレーザ光Ｌを出射する。

筐体３３の下端面には電動レボルバ３４が取り付けられており、この電動レボルバ３４には、加工対象物１を観察するための観察用対物レンズ３６と、レーザ光Ｌを集光するための加工用対物レンズ３７とが装着されている。各対物レンズ３６，３７の光軸は、電動レボルバ３４の回転によってレーザ光Ｌの光軸に一致させられる。なお、加工用対物レンズ３７と電動レボルバ３４との間には、ピエゾ素子を用いたアクチュエータ（距離変化手段）３８が介在されており、このアクチュエータ３８によって加工用対物レンズ３７の位置がＺ軸方向（上下方向）に変化させられる。

図１８に示すように、加工用対物レンズ３７は円筒形状のレンズホルダ３９を有し、このレンズホルダ３９は、その内部において複数のレンズを組み合わせてなる開口数「０．８０」の集光レンズ（集光手段）４１を保持している。そして、レンズホルダ３９の上端部には、集光レンズ４１に対するレーザ光Ｌの入射瞳として入射開口４２が形成され、レンズホルダ３９の下端部にはレーザ光Ｌの出射開口４３が形成されている。このように構成された加工用対物レンズ３７によってレーザ光Ｌが集光され、集光レンズ４１による集光点Ｐでのレーザ光Ｌのピークパワー密度は１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上となる。

また、筐体３３内におけるレーザ光Ｌの光軸上には、図１７に示すように、レーザ光源３２で発生したレーザ光Ｌのビームサイズを拡大するビームエキスパンダ４４と、レーザ光Ｌの出力や偏光を調整するレーザ光調整光学系４６と、レーザ光Ｌの通過及び遮断を行う電磁シャッタ４７と、レーザ光Ｌのビームサイズを絞る絞り部材４８とが上から下にこの順序で配置されている。

図１８に示すように、絞り部材４８は、加工用対物レンズ３７の入射開口４２の上方に位置して筐体３３に取り付けられており、レーザ光Ｌの光軸上においてこのレーザ光Ｌを絞って通過させるアパーチャ４９を有している。このアパーチャ４９の開口径は、加工用対物レンズ３７の入射開口４２と同径若しくは小さい径に形成されており、アパーチャ４９の中心軸は、絞り部材４８に設けられた調節ネジ４５によって入射開口４２の中心軸に正確に一致させることができる。

このように構成された絞り部材４８をビームエキスパンダ４４と加工用対物レンズ３７との間に配置することで、次のような作用・効果を奏する。すなわち、ビームエキスパンダ４４によりビームサイズを拡大されたレーザ光Ｌは、絞り部材４８によってアパーチャ４９より大きいレーザ光Ｌの外周部分がカットされ、これにより、アパーチャ４９を通過したレーザ光Ｌの径は、加工用対物レンズ３７の入射開口４２の径と略同等になる。そのため、入射開口４２の周囲部分によるレーザ光Ｌのカット量を殆どなくして、レーザ光Ｌの照射によるレンズホルダ３９の加熱を防止することができる。従って、レーザ加工中におけるレンズホルダ３９の加熱を主原因としたレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置変動を小さく抑えることが可能になる。

更に、図１７に示すように、レーザ加工装置３０は、ステージ３１上に載置された加工対象物１を観察すべく、観察用可視光を発生する観察用光源５１を筐体３３外に有し、ＣＣＤカメラ５２を筐体３３内に有している。

すなわち、観察用光源５１で発せられた観察用可視光は、光ファイバからなるライトガイド５３により筐体３３内に導かれ、視野絞り５４、開口絞り５６、ダイクロイックミラー５７等を順次通過した後、絞り部材４８と加工用対物レンズ３７の入射開口４２との間に配置されたダイクロイックミラー５８により反射される。反射された観察用可視光は、レーザ光Ｌの光軸上を下方に向かって進行し、電動レボルバ３４の回転によってレーザ光Ｌの光軸上に配置された観察用対物レンズ３６を通過して加工対象物１に照射される。なお、レーザ光Ｌはダイクロイックミラー５８を透過する。

そして、加工対象物１の表面３で反射された観察用可視光の反射光は、観察用対物レンズ３６内に再入射してレーザ光Ｌの光軸上を上方に向かって進行し、ダイクロイックミラー５８により反射される。このダイクロイックミラー５８により反射された反射光は、ダイクロイックミラー５７により更に反射されて、フィルタ５９、結像レンズ６１、リレーレンズ６２を順次通過し、ＣＣＤカメラ５２に入射することになる。

このＣＣＤカメラ５２により撮像された撮像データは全体制御部（制御手段）６３に取り込まれ、この全体制御部６３によってＴＶモニタ６４に加工対象物１の表面３等の画像が映し出される。なお、全体制御部６３は、各種処理を実行すると共に、ステージ３１の移動、電磁レボルバ３４の回転、アクチュエータ３８の駆動、電磁シャッタ４７の開閉、ＣＣＤカメラ５２による撮像等の他、レーザ加工装置３０の全体の動作を制御するものである。

以上のように構成されたレーザ加工装置３０によるレーザ加工方法について説明する。まず、図１７及び図１８に示すように、ステージ３１上に加工対象物１が載置されると、加工対象物１における改質領域７の形成開始位置とレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置とを一致させるように、全体制御部６３がステージ３１の移動制御を行う。このステージ３１の初期位置は、加工対処物１の厚さや屈折率、加工用対物レンズ３７の集光レンズ４１の開口数等に基づいて決定される。

続いて、レーザ光源３２からレーザ光Ｌが出射されると、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させながら、集光レンズ４１と加工対象物１との距離を変化させるように、全体制御部６３がステージ３１の移動制御及びアクチュエータ３８の駆動制御を行う。より具体的には、全体制御部６３は、ステージ３１をＸ軸方向やＹ軸方向に移動させることで、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させると同時に、アクチュエータ３８を駆動して集光レンズ４１を上下方向（すなわち、加工対象物１の厚さ方向）に往復動させることで、集光レンズ４１と加工対象物１との距離を変化させる。

これにより、図１９に示すように、加工対象物１の内部において表面（レーザ光入射面）３からの深さが切断予定ライン５に沿って正弦波状（或いはウェーブ状）に変化した改質領域７が形成され、この改質領域７によって切断予定ライン５に沿って切断起点領域８が形成される。

以上のように、第１実施形態に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物１の内部において表面３からの深さが切断予定ライン５に沿って正弦波状に変化した改質領域７が形成される。そのため、改質領域７によって形成された切断起点領域８は、加工対象物１の厚さに対して広範囲に渡ったものとなる。このように加工対象物１の内部に切断起点領域８が形成されると、自然に或いは比較的小さな力で切断起点領域８を起点として割れが発生するが、切断起点領域８は加工対象物１の厚さに対して広範囲に渡っているため、例え加工対象物１の厚さが大きくても、切断起点領域８を起点として発生した割れは切断予定ライン５に沿って精度良く加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達することになる。従って、加工対象物１の厚さに拘わらず、加工対象物１の精度良い切断が可能になる。

また、正弦波状の改質領域７は、加工対象物１の内部において表面３からの深さが切断予定ライン５に沿って連続的且つ周期的に変化しているため、切断予定ライン５に沿って極めて制御性良く改質領域７を形成することが可能になる。ここで、「連続的に変化する」とは、１パルスのレーザ光Ｌの照射により形成される改質領域７が隣り合うもの同士で離れて連続的に変化する場合や、隣り合うもの同士で接触し或いは重なって連続的に変化する場合等を含む意味である。

なお、全体制御部６３によるステージ３１の移動制御の仕方及びアクチュエータ３８の駆動制御の仕方を適宜変更することによって、次のような改質領域７の形成も可能である。まず、上述した正弦波状の改質領域７と同様に、表面３からの深さが連続的且つ周期的に変化する改質領域７の例として、図２０に示すように三角波状（或いはジグザグ状、鋸刃状）の改質領域７の形成が可能である。

また、表面３からの深さが不連続的且つ周期的に変化する改質領域７の例として、図２１に示すように台形を組み合わせたような改質領域７や、図２２に示すように厚さ方向において２段階に渡るような改質領域７の形成も可能である。このような不連続的且つ周期的に変化する改質領域７によっても、切断起点領域８は加工対象物１の厚さに対して広範囲に渡ったものとなるため、加工対象物１の厚さに拘わらず、加工対象物１の精度良い切断が可能になる。しかも、表面３からの改質領域７の深さは不連続的ではあるものの周期的に変化するため、切断予定ライン５に沿って制御性良く改質領域７を形成することが可能になる。

更に、表面３からの深さが不連続的且つ非周期的に変化する改質領域７の例として、図２３に示すようにランダム状の改質領域７の形成も可能である。このような不連続的且つ非周期的に変化する改質領域７によっても、切断起点領域８は加工対象物１の厚さに対して広範囲に渡ったものとなるため、加工対象物１の厚さに拘わらず、加工対象物１の精度良い切断が可能になる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２４に示すように、第２実施形態に係るレーザ加工装置７０は、レーザ光Ｌの光軸上において電磁シャッタ４７と絞り部材４８との間に回転自在に配置された１／２波長板（屈折率変化手段）７１と、この１／２波長板７１をレーザ光Ｌの光軸を中心として回転させる駆動手段である駆動モータ７２とを有している点で、第１実施形態に係るレーザ加工装置３０と異なっている。

このように構成されたレーザ加工装置７０によるレーザ加工方法について説明する。まず、図２４及び図１８に示すように、ステージ３１上に加工対象物１が載置されると、加工対象物１における改質領域７の形成開始位置とレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置とを一致させるように、全体制御部６３がステージ３１の移動制御を行う。

続いて、レーザ光源３２からレーザ光Ｌが出射されると、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させながら、加工対象物１に対するレーザ光Ｌの屈折率を変化させるように、全体制御部６３がステージ３１の移動制御及び１／２波長板７１の回転制御を行う。より具体的には、全体制御部６３は、ステージ３１をＸ軸方向やＹ軸方向に移動させることで、切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させる。それと同時に、全体制御部６３は、駆動モータ７２を駆動して１／２波長板７１を回転させることで、直線偏光のレーザ光Ｌの偏光方向を変化させて加工対象物１に対するレーザ光Ｌの屈折率を変化させる。

これにより、図１９に示すように、加工対象物１の内部において表面（レーザ光入射面）３からの深さが切断予定ライン５に沿って正弦波状（或いはウェーブ状）に変化した改質領域７が形成され、この改質領域７によって切断予定ライン５に沿って切断起点領域８が形成される。

以上のように、第２実施形態に係るレーザ加工方法によれば、加工対象物１の内部において表面３からの深さが切断予定ライン５に沿って正弦波状に変化した改質領域７が形成される。そのため、第１実施形態に係るレーザ加工方法と同様の理由から、例え加工対象物１の厚さが大きくても、切断起点領域８を起点として発生した割れは切断予定ライン５に沿って精度良く加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達することになる。従って、加工対象物１の厚さに拘わらず、加工対象物１の精度良い切断が可能になる。

本発明は、上述した第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば、第１及び第２実施形態は、加工対象物１の内部で多光子吸収を生じさせて改質領域７を形成した場合であったが、加工対象物１の内部で多光子吸収と同等の光吸収を生じさせて改質領域７を形成することができる場合もある。

また、第１及び第２実施形態は、シリコンウェハ等の半導体基板の内部に改質領域７として溶融処理領域を形成する場合であったが、改質領域７として溶融処理領域及び微小空洞を形成してもよい。

また、第１実施形態では、アクチュエータ３８を駆動して集光レンズ４１を上下方向に往復動させることで、集光レンズ４１と加工対象物１との距離を変化させたが、加工対象物１が載置されたステージ３１を上下方向に往復動させることで、集光レンズ４１と加工対象物１との距離を変化させてもよい。

更に、第２実施形態では、１／２波長板７１を回転させることで、直線偏光のレーザ光Ｌの偏光方向を変化させて加工対象物１に対するレーザ光Ｌの屈折率を変化させたが、波長可変レーザによりレーザ光Ｌの波長を変化させることで、加工対象物１に対するレーザ光Ｌの屈折率を変化させてもよい。

本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の加工対象物の平面図である。 図１に示すII−II線に沿っての断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図３に示すIV−IV線に沿っての断面図である。 図３に示すV−V線に沿っての断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成されたシリコンウェハの断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成される原理を説明するためのシリコンウェハの断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成されたシリコンウェハの切断面の写真を表した図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の加工用対物レンズ周辺の拡大構成図である。 正弦波状の改質領域が形成された加工対象物の断面図である。 三角波状の改質領域が形成された加工対象物の断面図である。 台形を組み合わせたような改質領域が形成された加工対象物の断面図である。 厚さ方向において２段階に渡るような改質領域が形成された加工対象物の断面図である。 ランダム状の改質領域が形成された加工対象物の断面図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置の構成図である。

符号の説明

１…加工対象物、３…表面（レーザ光入射面）、５…切断予定ライン、７…改質領域、８…切断起点領域、３０，７０…レーザ加工装置、３１…ステージ（移動手段）、３８…アクチュエータ（距離変化手段）、４１…集光レンズ（集光手段）、６３…全体制御部（制御手段）、７１…１／２波長板（屈折率変化手段）、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (7)

1. ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、前記加工対象物の内部において前記加工対象物のレーザ光入射面からの深さが前記加工対象物の切断予定ラインに沿って変化するように改質領域を形成し、当該改質領域によって前記切断予定ラインに沿って切断起点領域を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記加工対象物の内部において前記レーザ光入射面からの深さが前記切断予定ラインに沿って連続的に変化するように前記改質領域を形成することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工対象物の内部において前記レーザ光入射面からの深さが前記切断予定ラインに沿って周期的に変化するように前記改質領域を形成することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
4. 前記加工対象物は半導体基板を含み、当該半導体基板の内部に形成される前記改質領域は溶融処理領域を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
5. 前記加工対象物は半導体基板を含み、当該半導体基板の内部に形成される前記改質領域は、溶融処理領域と、その溶融処理領域に対して前記レーザ光入射面の反対側に位置する微小空洞とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
6. ウェハ状の加工対象物の内部に当該加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域による切断起点領域を形成するレーザ加工装置であって、
   前記改質領域が形成されるように前記加工対象物の内部にレーザ光の集光点を合わせる集光手段と、
   前記切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
   前記集光手段と前記加工対象物との距離を変化させる距離変化手段と、
   前記切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させながら、前記集光手段と前記加工対象物との距離を変化させるように、前記移動手段及び前記距離変化手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
7. ウェハ状の加工対象物の内部に当該加工対象物の切断予定ラインに沿って改質領域による切断起点領域を形成するレーザ加工装置であって、
   前記改質領域が形成されるように前記加工対象物の内部にレーザ光の集光点を合わせる集光手段と、
   前記切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させる移動手段と、
   前記加工対象物に対するレーザ光の屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
   前記切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点を相対的に移動させながら、前記加工対象物に対するレーザ光の屈折率を変化させるように、前記移動手段及び前記屈折率変化手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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