JP2006167804A - レーザ割断方法およびレーザ割断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ加工によって形成された内部亀裂を起点とする割れを基板表面の割断予定線に確実に誘導するために、内部亀裂の長さを制御する。
【解決手段】 シリコン基板１０の内部にレーザ光を集光させて複数の内部亀裂１２ａ〜１２ｃを発生させるが、亀裂の長さは基板の深さ方向の位置によって適切な長さに変えるように、時間的、空間的に集光位置をずらしたレーザ光束を用いる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、被割断部材内部にレーザ光を集光させて、被割断部材表面が複数の領域に分離されるように被割断部材を割断するレーザ割断方法およびレーザ割断装置に関するものである。

従来より、被割断部材内部にレーザ光を集光させて割断することで被割断部材の表面を複数の領域に分離する技術がある。例えば、シリコンウエハ等の半導体基板をチップ状に精密切断する等の場合に、従来、幅数十〜数百μｍの円周形状のブレードを高速回転させ、ブレード表面の研磨材が基板を研削することによって切断するブレードダイシング法が知られている。この方法では、切断に伴う発熱や磨耗を低減させるために、切断面には冷却水を噴射する。このとき、切断に伴って発生する基板自体の切屑や研磨材の微粒子、基板と加工テーブルを固定する粘着テープの粘着剤粒子等のゴミが冷却水に混ざって広範囲に飛散する。特に、基板が半導体基板の場合には、その基板表面には微細な機能素子が多数形成されているので、機能素子そのものの信頼性に重大な影響を及ぼすおそれがある。

この問題を解決するためには、切断に冷却水を用いず、ドライな環境で実施できることが望ましい。そこで、基板に吸収性の高い波長のレーザ光を基板表面に集光させて、基板を切断する加工方法が用いられる。しかしこの方法では、基板表面で、切断部の周辺も熱溶融してしまうという問題がある。特に、基板が半導体基板の場合には基板上に設けられたロジック回路等を損傷させる問題がある。また、レーザ加工はレーザ入射側から出射側へ基板を溶融して進行するため、基板表面には溶融物の再凝固物が付着してゴミとなってしまう。従って、ブレードダイシングと同様、ゴミに起因する問題が発生する。

また、基板内部に吸収性の高いレーザ光を集光することによって基板を切断する加工方法として、例えば特許文献１および特許文献２に開示された方法がある。これは、被加工材料である基板に対して透過性の高い特定波長のレーザ光を、基板の内部に集光して形成した内部加工領域を切断の起点とするもので、基板表面に溶融領域を形成しないため、ゴミの少ない切断を可能とするものである。
特開２００２−１９２３７０号公報 特開２００２−２０５１８０号公報

しかし、上記の方法では、切断の起点は被割断部材内部の内部加工領域のみに限定されるため、切断の起点から被割断部材表面に到達する亀裂の方向や位置を精密に制御するのは困難である。

また、被割断部材内部に形成された内部加工領域の深さ方向の長さが長過ぎて表面に亀裂が届いてしまった場合には、表面に現れた亀裂により、塵の噴出、あるいは表面に機能素子が形成されている場合にはその機能素子がダメージを受けることになる。

特に、被割断部材がシリコンウエハの場合では、亀裂の進展が結晶方位に影響され易い。そのため、シリコン基板および素子形成の際の工業的誤差等により、割断予定線と結晶方位との間にズレが存在する場合は、上記のレーザ加工方法では、表面に進行する過程で割断予定線を逸脱した亀裂が素子部のロジック回路等を破壊することもあり得る。

これを図１５を用いて説明する。表面が（１００）面の単結晶シリコンからなるシリコン基板１０１の内部の所定の深度に特定波長のレーザ光を集光させて改質層１０２を形成した場合、表面近傍の改質層１０２の先端１０２ａを起点とする亀裂１０３ａが表面まで達することがある。この場合、レーザ加工による改質層１０２の先端部１０２ａには高次結晶方位面が形成されているため、実際の亀裂１０３ａは、理想的な亀裂１０３とはならずに単結晶シリコンのへき開面である（１１０）面や（１１１）面に沿った方向に傾いてしまう。図１５は、表面が（１００）面でへき開面が（１１１）面である場合を模式的に示したものである。その結果、シリコン基板１０１の表面における割断予定線Ｃから大きくずれた位置で基板表面が分断されることになる。また、改質層１０２が基板内部深く形成された場合には、先端１０２ａと基板表面との距離が長すぎて、基板の割断・分離ができない場合もある。

特に、インクジェットノズル等の吐出口が形成された液体吐出ヘッドの素子基板では、吐出口の下にインク等液体を供給するための開口構造が存在するため、亀裂がそれらに進展し、基板を破壊するという問題がある。そしてこの傾向は、内部の改質層に対して基板の厚さが大きい場合に、より顕著となる。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、レーザ光を基板内部に集光させて内部加工領域を形成しながらも、その内部加工領域（特に内部加工領域として亀裂や加工痕）が基板表面に達することのないレーザ割断方法およびレーザ割断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、本発明のレーザ割断方法は、被割断部材表面から被割断部材内部の所定の深度の集光点にレーザ光を集光させて内部加工領域を形成し、前記被割断部材表面が複数の領域に分離されるように当該被割断部材を割断するレーザ割断方法であって、前記集光点に複数のレーザ光束を集光させて照射パルス列を生成し、該照射パルス列の合成時間幅を変化させることで、前記内部加工領域の大きさを変化させることを特徴とする。

また、本発明のレーザ割断装置は、被割断部材表面から所定の深さの集光点にレーザ光を集光させて内部加工領域を形成することで、前記被割断部材表面をレーザ光によって複数の領域に分離するためのレーザ割断装置であって、前記被割断部材表面を照射するレーザ光束を複数のレーザ光束で形成する光学系を有し、該光学系により前記集光点に複数のレーザ光束を集光させて生成した照射パルス列の合成時間幅を変化させることで、前記内部加工領域の大きさを変化させることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光を被割断部材内部に集光させて内部加工領域（例えば亀裂）を形成する際に、被割断部材の表面からの深さ方向の位置に応じて内部加工領域の大きさを変化させることができるので、表面に達するような内部加工領域を形成することを避けることができる。そのため、ブレードダイシングや従来の基板表面から切り込むレーザ加工のように非割断部材表面を汚染するおそれがない。

また、表面近傍では小さい内部加工領域を形成することができ、このような小さい内部加工領域を多数形成することで割断時の亀裂の連結が確実となり、割断予定線からはずれた亀裂伝搬の形成を避けることができる。

図１（ａ）に示すように、被割断部材としての実施例として、表面に複数の半導体素子部であるロジック素子部１０ａが形成されたシリコン基板１０を用い、そのロジック素子１０ａを個々の素子チップに分離する割断方法について説明する。

図２に示すようにシリコン基板１０の内部の所定の深度の集光点にレーザ光を集光させ、シリコン基板１０のロジック回路等が形成された基板表面１１に到達しない内部加工領域（例えば、溶融、亀裂、結晶構造が変化した状態等をいう。）を形成する。シリコン基板１０を用いた場合には、内部加工領域として視認できるとして代表的な現象は亀裂である。このようにして、シリコン基板１０の内部に内部亀裂１２（１２ａ〜１２ｃ）を形成し、各集光点を割断予定線Ｃに沿って走査（相対移動）させることで、割断予定線Ｃに沿ってバンド状の亀裂群を形成する。

このような亀裂群の形成後またはその前に、割断予定線Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）に沿って基板表面１１に凹部を形成する。具体的には、ケガキ等による線状加工部である表面加工痕１１ａを形成する表面加工を行う。

表面加工痕１１ａの形成とレーザ光による亀裂群の内部加工後に、割断のための外力を作用させると、表面加工痕１１ａに応力が集中して内部亀裂１２ｃと連結するため、基板表面１１に発生する実際の割断線が割断予定線Ｃからずれることがない。

図１（ａ）、（ｂ）に示す厚さ６２５μｍのシリコン基板１０は、図１（ｃ）に示すように、表面が（１００）面に形成されたシリコンウエハ１の表面に、厚さ１μｍ程度の酸化膜２が形成されている。その上には、インク等液体吐出用の構造、およびそれらを駆動するロジック素子、配線等を内蔵したエポキシ樹脂製の構造物であるノズル層３が配置され、それらは、各ロジック素子部１０ａを構成している。

このように液体吐出用の構造等を内蔵したノズル層３の直下に、開口部である液体供給口（インク供給口）４をシリコンウエハ１の異方性エッチングにより形成する。ノズル層３は、製造工程の終盤でシリコンウエハ１を各素子チップに割断できるように、互いに割断予定線Ｃを挟んで配置される。割断予定線Ｃはシリコンウエハ１の結晶方位に沿って形成され、隣接するノズル層３の間隔Ｓは最小で４００μｍ程度である。

図３ははシリコン基板１０を個々の素子チップとなるロジック素子部１０ａに分離する割断プロセスを説明するフローチャートである。このフローチャートに示されたプロセスは、順にテープマウント工程、ウエハ補正工程、表面線状加工工程（表面加工工程）、内部亀裂形成工程（内部加工領域形成工程）、割断工程、リペア工程、ピックアップ工程の７工程からなる。

以下に各工程を順に説明する。

〔テープマウント工程〕
図４に示すように、シリコン基板１０は、まず、割断までの工程で素子が分離するのを防止するためのテープマウントを行う。テープマウントは、ダイシングフレームＭが貼り付けられた、粘着性を有するダイシングテープＴをシリコン基板１０の裏面に貼り付けることによりなる。

ダイシングテープとしては、紫外線硬化型あるいは感圧型粘着剤が塗工された粘着テープや、自己粘着層を有する粘着テープを用いる。

〔ウエハ補正（ソリ矯正）工程〕
上述のようにシリコン基板１０の表面に形成される樹脂層であるノズル層３は硬化時に熱収縮を起こすため、シリコン基板１０の全体が図５（ａ）に示すように変形している。このように変形した状態で、後述のレーザ照射を行うと基板表面１１で局部的に入射角度が異なり、精度よく加工することができない。従って、予めこの変形を矯正しておく必要がある。そこで、図５（ｂ）に示すように、ダイシングテープＴの側からシリコン基板１０を吸着ステージＤにて吸引することで、シリコン基板１０を平坦化し変形を矯正する。

〔表面凹部加工工程〕
続いてシリコン基板１０の各ロジック素子部１０ａの割断を精度よく行うために、割断予定線Ｃに亀裂の伝播を誘導する凹部である表面加工痕１１ａを基板表面１１に形成する。すなわち、割断予定線Ｃに沿って表面加工痕１１ａを形成することで、後の工程で外力により割断を行なう際に、表面加工痕１１ａに応力集中が起こり、割れが表面加工痕１１ａへ誘導される。または表面加工痕１１ａが起点となり、割れが内部に進行する。従って、ロジック回路等を破壊するような不必要な割れを生じることがない。

表面加工痕１１ａの形成は図６に示すように、割断予定線Ｃに沿って超硬刃、ダイヤモンド刃等の工具４０を用いたスクライバーにてケガキを入れればよい。表面加工痕１１ａは、幅２μｍ以上、深さ１μｍ以上が好ましい。ただし、内部亀裂１２を加工するレーザ光Ｌの光路を妨げない大きさにする必要がある。加工深さは、割断時に表面加工痕１１ａと亀裂１２間において応力集中を起こす深さが適している。その加工深さであれば、図６に示すようにシリコン基板１０の表面層である酸化膜２の厚さより小さくてもよいし、酸化膜２の厚さと同じか若しくはそれ以上の深さとなっても問題はない。

また、表面加工痕１１ａは少なくともロジック素子部１０ａを有する基板表面１１に対しては必須であるが、シリコン基板１０の表側表面と裏側表面の双方に形成してもよい。

また、工具４０を用いたケガキ加工にて表面加工痕１１ａを形成する場合、本実施例のように後述の内部亀裂形成前に表面加工痕を形成することで、加工負荷による不必要な割れを回避することができる。逆に、表面加工痕を先に形成する場合には、加工痕自体が後工程でのレーザ照射時の加工位置を示す基準（線）とすることができ、レーザ照射の作業効率を向上することができる。

なお、表面加工痕１１ａは、レーザ光Ｌによる内部亀裂形成工程の後に形成してもよい。この場合は内部亀裂形成時にレーザ光のケラレの影響（表面加工痕ができた表面の凹部斜面が照射されたレーザ光を反射して基板内部へ到達するレーザ光量が減少する現象）が無いため、より効率良く内部亀裂形成を行うことができる。

〔内部亀裂形成工程〕
図７（ａ）に示す加工装置５０を用いて図２に示した内部亀裂１２を形成する。この加工装置５０は、光源光学系と、集光光学系５２と、自動ステージ機構５３と、を備えている。ここで、光源光学系は、光源５１、ビーム拡大系５１ａ、ミラー５１ｂ等を有する。また、集光光学系５２は、顕微鏡対物レンズ５２ａ、ミラー５２ｂ、自動焦点機構５２ｃ等を有する。また、自動ステージ機構５３は、Ｘステージ５３ａ、Ｙステージ５３ｂ、微動調整ステージ５３ｃ等を有する。その他、ワークＷであるシリコン基板１０のオリエンテーションフラット１０ｂ（図１（ａ）参照）によるアライメントを行う図示しないアライメント光学系も備えている。

光源５１としては、パルスＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）を使用する。パルス幅は１５ｎｓ〜１０００ｎｓ前後で、周波数は１０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚである。このレーザの励起源は半導体レーザであり、レーザのパワーは半導体レーザへの注入電流で変化させることができる。この注入電流の電流量、周波数を変化させることでパルス幅を変えることが可能である。

レーザ光の選定は、シリコン基板の分光透過率より決定される。そのため、集光点にて強電界が形成可能でシリコン透過性がある波長域の光であれば、いずれでもかまわない。

光源５１から出射したレーザ光Ｌはビーム拡大系５１ａ等を経て集光光学系５２に入射する。集光光学系５２の顕微鏡対物レンズ５２ａは、例えば倍率２０ ＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）０．４２あるいは倍率５０ ＮＡ０．５５のものを用いる。また、シリコンの屈折率を考慮し、顕微鏡観察にも適用可能なシリコン内部加工に最適な集光レンズを用いることもできる。集光光学系５２によってワークＷに集光されたレーザ光Ｌは、図７（ｂ）に示すように、自動ステージ５３上のワークＷであるシリコン基板１０のロジック素子部１０ａを有する基板表面１１から入射する。

このときの光学条件は、基板表面１１に表面加工痕１１ａが存在してもかまわないように設定される。すなわち、表面加工痕１１ａによるエネルギー損失を考慮してパワーを上げるか、表面加工痕１１ａを避けて入射するように光束を選定する等の方策をとる。基板表面１１から入射した光束はシリコン基板１０内を屈折して、内部の所定の深度（ａ）の集光点Ａに集光して内部亀裂１２を生じる。この内部亀裂１２は、レーザ光の集光点から基板表面に近づく方向及び離れる方向に延在する亀裂であって、集光点の材料を改質（溶解、結晶構造の変化、亀裂を含む。）した内部加工領域に形成されたものである。

実験によれば、図２に示す最上端の内部亀裂１２ｃの亀裂先端は基板表面１１より１０μｍ以上離れるように、集光位置や酸化膜２の膜構成、使用するレーザ波長等に応じて加工条件を設定することが望ましい。加工中に不用意に内部亀裂１２ｃと基板表面１１との連結が生じたり、レーザ照射条件によっては基板表面１１が損傷してしまうことがあるので、これらの発生を防ぐためである。

集光点Ａの深さ（ａ）はシリコン基板１０であるワークＷあるいは集光光学系５２のいずれかを光軸方向に移動させ、集光位置をずらすことで制御できる。シリコン基板１０の、波長１０６４ｎｍに対する、屈折率をｎとし、機械的な移動量（シリコン基板１０あるいは集光光学系５２のいずれかを光軸方向に移動させた時の移動量）をｄとした時、集光点Ａの光学的な移動量はｎｄである。シリコン基板１０の屈折率は波長１．１μｍ〜１．５μｍで３．５近傍であり、実際に実験で測定した屈折率の値とも比較すると、ｎは３．５に近いものであった。つまり、機械的な移動量が１００μｍであると、レーザ光Ｌの集光点は表面より３５０μｍの位置に形成される。

また、屈折率が３．５近傍であるということは反射率が大きいことを示している。一般に垂直入射での反射は（（ｎ−１）／（ｎ＋１））^２であるからシリコン基板では３０％程度となる。残りのエネルギーが内部に到達するが、シリコン基板の光吸収も存在するので、集光点での最終的なエネルギーはさらに小さくなる。厚さ６２５μｍのシリコン基板にて実測したところ、２０％程度の透過率であった。

集光点Ａにレーザ光Ｌが集光すると、部分的にシリコンの結晶状態が変化し、その結果、内部亀裂１２が走ることになる。実験結果では、その亀裂長さ（ｂ）（図７Ｂ）は２μｍ〜１００μｍ程度であった。ここで、レーザ光による基板内部の内部加工領域の大きさ、例えば、亀裂長さ（ｂ）は、レーザ光の発振パルス幅を変化させることで、変えることができる。半導体レーザ励起ＹＡＧレーザでは、半導体レーザへの注入電流および発振周波数を変化させることで、亀裂長さ（ｂ）を変えることができる。実験結果より、レーザのパルスエネルギーを２μＪ〜１００μＪ、パルス幅を１５ｎｓｅｃ〜１０００ｎｓｅｃの範囲内で変化させたとき、２μｍ〜１００μｍの範囲内でその長さを変えた亀裂を形成することが可能である。

ここで、亀裂の長さは、レーザ光の集光点付近の部位の昇温に伴う圧縮応力と、その部位のアモルファス化による体積膨張に伴う引っ張り応力とのバランスで決まるものと考えられる。そこで、亀裂の長さを拡大するためには、圧縮応力を小さくするとともに、体積膨張を拡大することが望ましい。これは、エネルギー一定でパルス幅を長くすることでも実現可能である。しかしながら、単にパルス幅の長いレーザ光を照射しても、パルス幅が長くなれば、それに応じてピークパルスの尖頭値も小さくなってしまう。この場合には、アモルファスへの相転移に必要な一定の閾値以上の電解強度が得られない。そのため、レーザ光の集光点でのアモルファスへの相転移が発生しないので、亀裂の形成ができないことになる。例えば、パルス幅１７ｎｓｅｃ〜１１００ｎｓｅｃの範囲での閾値は２μＪ〜５μＪである。他方、亀裂の形成に必要なピークパルスの尖頭値を確保するとパルス幅の方が短くなり、所望の長さの亀裂を得ることができないことになる。

そこで、亀裂の形成に必要なピークパルスの尖頭値を得ながら、実質的に単一のパルスの幅の長さを選択することができれば、そのパルス長に応じた長さの亀裂を形成することが可能となる。本実施例の擬似パルス法は、上述のように、亀裂の形成に必要なピークパルスの尖頭値を確保したパルスを、その一部が重なるように連続して照射するものである。これにより、短パルスが重畳して、実質的に短パルスのパルス幅より長いパルス幅の単一パルスを得ることができ、この擬似パルスのパルス長を短パルスの数により調整する等により所望の長さの亀裂を形成するものである。

図８（ａ）に、集光光学系５２（図７（ａ））に入射した１つのレーザ光束を用いて、長短異なるパルス幅を生成したり、集光位置を変化させることの可能な光学系５６を示す。この光学系５６では、同一パルスのレーザ光束を振幅分割して、複数のパルスを形成することで擬似合成パルスを形成することも可能である。

ビームエクスパンダー５１ａから出射光束をビーム分割系５２ｅへ入射させる。ビーム分割系５２ｅでは、レーザ光Ｌは、ビームスプリッターＢＳで振幅分割され、２つの光束に分岐される。このとき、ビームスプリッターＢＳは、偏光ビームスプリッターでもかまわない。透過した光束は、そのまま集光光学系５２の対物レンズ５２ａにより集光される。

ビームスプリッターＢＳで反射した光束は、ミラーＭ１〜Ｍ４介して再度ビームスプリッターＢＳへ戻されるループ光学系５６により、ビームスプリッターＢＳに至る。ループ光学系５６の光路内には、レンズＬＥ１、ＬＥ２を配置する。レンズＬＥ１、ＬＥ２はアフォーカル光学系５７を構成し、レンズＬＥ１へ平行光束を入射すると、レンズＬＥ２から平行光束を出射する。対物レンズ５２ａとレンズＬＥ１、ＬＥ２との関係は、レンズＬＥ１の集光点がレンズＬＥ２と対物レンズ５２ａとで形成される光学系の物体面位置に対応する。そのため、レンズＬＥ２から射出される光束は、レンズＬＥ１の集光点の空間的な位置に依らず、開口効率が１００％となるように配置される。ビームスプリッターＢＳが偏光ビームスプリッターであれば、ループ光学系５６の光路内に波長板を入れて、円偏光にしておく必要がある。

ビームスプリッターＢＳに戻された光束は、先と同様に振幅分割され、今度は反射光が対物レンズ５２ａの方へ向かう光路を辿り、他方、透過光は再度ループ光学系５６内の光路を辿り、再々度、ビームスプリッターＢＳに戻って来る。そして、光学系を通過する間の損失などから、ループ光学系５６を循環する回数が決定される。

この結果、対物レンズ５２ａで形成される集光位置は、空間的には一致して例えばＰ１となるが、時間的にはループ光学系５６を通過した回数に応じて遅延して集光位置Ｐ１に到達する。この時間的に遅延するパルスを図８（ｂ）に模式的に示す。もともと１つのパルスレーザ光束Ｌから時間的にずれて集光位置Ｐ１に至る複数のパルスからなるパルス列は遅延時間相当のパルス幅を有する合成パルス化された１つの擬似パルスとみなせる。光速度は３×１０^８ｍ／ｓｅｃであるから１ｍの光路が長くなると、３ｎｓｅｃ程度の遅れが生じる。適当な長さの光路を形成することにより、所望のパルス幅の擬似パルスが得られる。

また、アフォーカル光学系５７のレンズＬＥ１を光軸方向であるＸ方向、あるいは光軸とは交差する方向であるＹ方向へ微動させると、光路内のアフォーカル光学系５７の状態が変化する。この変化による対物レンズ５２ａによる各光束の集光位置は、Ｐ１からは空間的にずれた位置であるＰ２、Ｐ３となる。空間的なずれの大きさは、アフォーカル光学系５７を通過する回数に応じて増大する。図８（ｃ）に示す亀裂Ｃ１〜Ｃ３は、レーザ光束がアフォーカル光学系５７を通過した回数に応じたものを示している。Ｃ１がアフォーカル系５７を通過しなかった時の亀裂、Ｃ２、Ｃ３と順にアフォーカル光学系５７を通過した回数の多いレーザ光束の集光によって形成した亀裂をそれぞれ表している。

レンズＬＥ１をＸ方向に動かしたときの亀裂Ｃ１〜Ｃ３を表したものが図８（ｃ）の上２つの図であり、同じくＹ方向に動かしたときの亀裂Ｃ１〜Ｃ３を表したものが図８（ｃ）の下２つの図である。

図８（ｄ）には、レンズＬＥ１を、Ｘ方向とＹ方向とを同時に組み合わせて動かしたときの亀裂Ｃ１〜Ｃ３の様子を示す。例えば、図８（ｃ）の上から下へ順にＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２と表記する。すると、図８（ｄ）の上から下へ順にＸ１の変位とＹ２の変位の合成変位、Ｘ２の変位とＹ２の変位の合成変位、Ｘ２の変位とＹ１の変位の合成変位、Ｘ１の変位とＹ１の変位の合成変位の様子を示す。

これらの集光点列は、形成される亀裂長さを実験で確認し、基板の割断に最適な大きさと位置の亀裂を形成するように空間的、時間的なずれを生じさせるように、ループ光学系５６を設計することで得ることができる。また、基板の端部のように、割断場所に応じて１つのシリコン基板の中で亀裂の状態を変えることは、基板表面の割断予定線からはずれない、あるいはゴミ等を生じない、より好ましい割断を行うことができる。

なお、パルス幅を拡大するために、複数のレーザ光源を用いて擬似的に長いパルス幅のレーザ光束を生成したものを用いてもよい。また、１つのレーザを光学素子にて分割することで複数生成してもよい。また、時間的、空間的に集光点をずらすことができる光学系を用いてもよい。

次に内部加工領域を形成するレーザ光の基板表面への照射位置を基板表面に沿って相対移動させ、内部加工領域を基板表面に沿った方向に形成する。具体的には、シリコン基板１０の内部の一点から内部亀裂１２を形成し、集光点Ａを割断予定線Ｃに沿って相対移動させることで割断予定線Ｃの直下の内部加工を行う。なお、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０の割断予定線Ｃには、オリエンテーションフラット１０ｂを基準にして互いに直交する２方向の割断予定線Ｃ１、Ｃ２がある。

シリコン基板１０であるワークＷは、ＸＹ方向に移動可能な自動ステージ５３に載置され、ワークＷを乗せた自動ステージ側または集光光学系側に光軸方向（深さ方向）に移動可能なＺステージ（自動焦点機構）５２ｃを設け、集光光学系５２とワークＷの間隔を可変とする。

ＸＹ方向の移動速度はレーザ発振周波数と亀裂形状などを考えて決定され、通常周波数１０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚでは移動速度は１０ｍｍ／ｓｅｃ〜１００ｍｍ／ｓｅｃが目安となっている。移動速度が１００ｍｍ／ｓｅｃ以上であると、内部加工は移動方向に対してとびとびになり、同じ割断予定線上の隣接する亀裂の間隔が著しく広くなる等、後の割断に影響を与える。

また、集光光学系５２は、ワーク照射点と共役になるように観察用カメラ５２ｆを有し、一方シリコン基板１０の反射率は３０％程度あるため、これを無視しては観察用カメラ５２ｆの素子が損傷してしまう。そのため、レーザの出力に応じたフィルターを配置している。観察用の照明は、ケーラー照明が形成できるように集光に使用している顕微鏡対物レンズ５２ａの入射瞳の位置に光源を形成できるようにリレーレンズを用いる。また、照明もフィルターを通して行い、照明用光学素子の損傷を極力排除するものである。

上記の観察光学系以外にもＡＦ光学系（不図示）を導入し、ワークＷとの間隔を測定する。ＡＦ光学系は、観察用カメラ５２ｆで得られた画像のコントラストを求めその値から、ピントや傾きを計測するものである。実際にはこのコントラストを測定するためにワークＷまでの距離を微小送りしながら計測し、最良位置を決定する。なお、ＡＦ動作はシリコン基板１０であるワークＷの平行度など見て動作するか否かを判定する。このＡＦ動作に関する情報は、上述のレーザの発振条件を設定変更する際のデータとなる。

なお、１つの集光点で形成される亀裂長さは２μｍ〜１００μｍであり、対象となるシリコン基板の厚みは６２５μｍであるので、このシリコン基板を割断するためには複数回の内部加工を行うことが必要となる。また、１つのポイントでの内部加工の順番は基板表面から遠い側（奥側）よりはじめて、表面に近づけてゆく。その際、図９に示すように、加工位置情報を用いてレーザの発振条件を設定し、表面近傍は形成される亀裂長さを短くするとともにその密度を上げて加工するとよい。これにより、基板を割断するときに表面近傍の亀裂が容易に相互連絡するので、より精密な割断を行うことが可能となる。さらに、基板近傍を除く内部の亀裂長さ（内部加工領域の大きさ）は、厚さ方向（深さ方向）に長い（大きい）単一の亀裂を形成するように形成することで、より効率のよい割断を行うことも可能となる。

内部亀裂を形成する内部加工時には、基板表面の近傍で形成される内部亀裂が表面加工痕を有する基板表面へ到達するような加工は行わないものとする。また、集光点近くの既存の内部亀裂が、レーザ照射による熱などの影響で成長し、基板表面へ到達するような加工条件は選択しないものとする。そのために、表面近傍での亀裂形成ではパルス幅を長くし、同時にパルスエネルギーを亀裂形成閾値に近い大きさに下げて設定にする。光学系としては、表面近傍での加工はＮＡの大きなものが好ましく、表面より５０μｍまではＮＡを０．５５以上に上げる。

しかし、基板内部においてはその限りではなく、図２（図９）に示すように、内部亀裂１２ａ〜１２ｃが深さ方向（基板の厚み方向或いは基板の表面に交差する方向）に分断されていてもよいし、あるいは連結していてもよい。

また、基板表面１１に最も近い内部亀裂１２ｃは、シリコン基板の基板表面１１から１０μｍ〜１００μｍの深さで、しかも表面加工痕１１ａと連通しない位置に設けられる。

次に、各亀裂群の加工順序を説明する。

第１の方法は、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、複数あるいは全ての割断予定線Ｃに対して、表面よりある高さの亀裂群、例えば実質的に同じ深度の内部亀裂１２ａの亀裂群の形成を終了した後、深度の異なる内部亀裂１２ｂの亀裂群を加工する。各深度ごとの亀裂群の形成がシリコン基板１０の内部で段階的に行われるため、隣接する割断予定線Ｃによる影響を低減できる。

第２の方法は、図１０（ｄ）に示すように、１つの割断予定線Ｃの直下において、深度の異なる内部亀裂１２ａ、１２ｂ、１２ｃの亀裂群をそれぞれ形成した後、他の割断予定線Ｃの同様の亀裂群を加工する。この方法は、シリコン基板１０の平面性に対する焦点位置の補正が必要な場合、加工開始点におけるＡＦ動作回数を減らすことができる。

また、第１の方法には、図１０（ａ）に示すように、集光点を割断予定線に沿って片方向に移動させる場合と、図１０（ｃ）に示すように集光点を割断予定線に沿って往復移動させる場合とがある。後者は、移動距離の全長が短くなるため、加工時間を短縮することができる。

本実施例では後者の方を選択しているが、対象物の状態（シリコン基板の平行度、うねり）などから総合的に判断して決定するものである。

〔割断工程〕
各割断予定線Ｃごとに表面加工痕１１ａおよび複数の内部亀裂１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成したシリコン基板１０は、少なくとも表面加工痕１１ａと表面直下の内部亀裂１２ｃとは連結していない。従って、レーザ加工後のシリコン基板１０の個々のロジック素子部１０ａは割断されていない。この状態のシリコン基板１０を素子チップに割断する手順は以下のように行う。

図１１（ａ）に示すように、表面加工痕１１ａと内部亀裂１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）とを形成した後のシリコン基板１０を、ダイシングテープＴにマウントしたまま、シリコン基板１０の裏面が上となるように、割断装置のゴムシート６０上に置く。このゴムシート６０は、シリコーンゴムあるいはフッ素ゴムなどの弾力性のある材料でできている。なお、シリコン基板１０の基板表面１１がゴムシート６０に接することで表面側に汚れが付着することを避けるために、内部亀裂形成後のシリコン基板１０の表面側にバックグラインドなどに用いられる市販の保護テープＲを貼付してもよい。

割断は、ステンレスのローラー６１でダイシングテープＴを介してシリコン基板１０を圧迫することでなされる。まず、シリコン基板１０の割断予定線Ｃの１つ、好ましくは第一割断方向がローラー軸と略平行になるようにシリコン基板１０をゴムシート６０上に置く。ローラー６１を転がしながらシリコン基板１０を圧迫すると、ローラー６１の直下のゴムシート６０は沈み込むように変形する。シリコン基板１０は、ゴムシート６０側すなわち表面側に伸び方向の応力が作用する。この応力は、基板表面１１の最も弱い個所、すなわち割断予定線Ｃ１上の表面加工痕１１ａを広げるように作用する。

この結果、図１１（ｂ）に示すように、表面加工痕１１ａを起点として亀裂が発生する。この亀裂は基板内部のレーザ照射による内部亀裂１２ａ、１２ｂ、１２ｃを連結することで基板裏面へ進行して、基板裏面に至り、割断予定線Ｃ１に沿ってシリコン基板１０が割断される。亀裂の進行はシリコン基板１０の結晶方位に沿って起こるが、割断は表面加工痕１１ａとの連結により行われるため、基板表面１１上の割断予定線Ｃ１から大きくずれることはない。ローラー６１の進行に伴い、第一割断方向の割断予定線Ｃ１に沿ってシリコン基板１０は順次割断が終了する。ローラー６１の進行は、シリコン基板１０の端部から他方の端部へ向けて行う方法や、シリコン基板１０の中央付近をローラー６１の圧迫の開始点としてシリコン基板１０の端部へ向けて行う方法などいずれでもよい。

次に、シリコン基板１０を９０°回転し、第二割断方向の割断予定線Ｃ２とローラー６１の軸とが略平行となるようにする。第１割断方向と同様にローラー６１でシリコン基板１０を圧迫し、第二割断方向にて表面加工痕１１ａを起点とする亀裂を生じさせ、裏面へ到達させる。

以上の工程により、シリコン基板１０は個々の素子チップに分離される。

図１１（ａ）、（ｂ）に示した割断工程は、硬質のローラーによるゴムシートの変形に伴う応力をシリコン基板の表面に作用させるものであるが、ロジック素子やノズル層が破壊されてはいけない。そのため、ローラーによるシリコン基板の圧迫荷重やゴムシートの厚み、ゴム硬度を選ぶことが必要である。また、併せて適切なダイシングテープや表面の保護テープの材質、厚さを選定することも必要である。

割断予定線に沿って作用する外力により、表面加工痕と内部亀裂を有するシリコン基板を割断する方法は以下の２つの方法のいずれかでもよい。

第１の方法は、図１２に示すように、シリコン基板１０のロジック素子部１０ａ間の割断予定線Ｃに曲げ応力を与え、割断予定線Ｃに沿って素子を分離する。割断されるロジック素子部１０ａの表面側をコレット６２ａで、裏面側をピン６３で挟持した状態で、１〜１０μｍ程度、上方に押し上げる。このとき、隣接するロジック素子部１０ａが上方に押し上げられないように、他のコレット６２ｂにより隣接するロジック素子部１０ａの一部が抑えられる。この結果、割断予定線Ｃ上の表面加工痕１１ａが広がるような応力が作用し、表面加工痕１１ａを起点とする亀裂が生じ、内部亀裂１２と連結して、シリコン基板１０の裏面まで到達する。

第２の方法は、図１３に示すように、割断予定線Ｃに沿って、シリコン基板１０の表面側に直接機械的な衝撃を与える方法である。表面加工痕１１ａと内部亀裂１２の形成後のシリコン基板１０はシングルポイントボンダーに搬送され、基板表面１１、好ましくは表面加工痕１１ａの近傍を微小で硬い工具６４で連続的な打撃を与えることで、表面加工痕１１ａを起点に割れを形成する。

また、レーザ加工後の基板へ新たに熱衝撃を与えて割断することも考えられる。

〔リペア工程〕
割断工程にて表面加工痕１１ａと内部亀裂１２による亀裂が新たな亀裂で連結されるとともに、更に亀裂は裏面側へも到達し、シリコン基板１０は各素子チップに分離される。

しかし、偶発的に完全分離が成されていない場合は再割断する必要がある。再割断の方法としては例えば図１４（ａ）、（ｂ）に示した機構を用いて割断が成されていないロジック素子部１０ａのみ個別に応力を加え完全に割断する。

〔ピックアップ工程〕
割断工程およびリペア工程にて分離された素子チップ１０ａであるロジック素子部は、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように吸着コレット６５およびピックアップピン６６によって搬出され、個別に収納される。この際，エキスパンダーなどにより素子の間隙を広げてピックアップすることは、ピックアップの作業をより容易に行うことができる。また、ピックアップの際に発生する微小な粉塵を吸引除去することは素子チップ１０ａの信頼性向上にとって有効である。

なお、上述の実施例においては、空間的に異なる亀裂長さを形成するために、レーザはシリコン基板に対して透過である波長をもつパルス幅の異なる複数のレーザを用いることができる。あるいは、シリコン基板に対して透過である波長をもつパルス列の中の少なくとも１つが同じようにシリコン基板を透過する波長を持った連続発振レーザを組み合わせたレーザシステムを用いることができる。また、１つのレーザを用いて複数の光束を生成するため、分割手段として振幅、波面および偏光などを利用することもできる。

以上のような本実施例によれば、レーザ光を被割断部材内部に集光させて内部加工領域（例えば亀裂）を形成する際に、被割断部材の表面からの深さ方向の位置に応じて内部加工領域の大きさを変化させることができる。そのため、表面に達するような内部加工領域を形成することを避けることができ、ブレードダイシングや従来の基板表面から切り込むレーザ加工のように非割断部材表面を汚染するおそれがない。

また、表面近傍では小さい内部加工領域を形成することができ、このような小さい内部加工領域を多数形成することで割断時の亀裂の連結が確実となり、割断予定線からはずれた亀裂伝搬の形成を避けることができる。

一実施の形態によるシリコン基板を説明するもので、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大斜視図、（ｃ）は（ｂ）の断面を示す部分断面図である。 実施例を説明する模式図である。 実施例による割断プロセスを示すフローチャートである。 テープマウント工程を説明する図である。 ウエハ補正工程を説明する図である。 表面加工痕を形成する表面凹部加工を説明する図である。 内部亀裂形成工程を説明するもので、（ａ）はレーザ光を照射する加工装置を示す模式図、（ｂ）は内部亀裂が発生するメカニズムを示す図である。 同一パルスを振幅分割し、分割光束の集光を説明する図である。 基板深さ方向（厚み方向）における亀裂を説明する図である。 各深度の亀裂群を形成するときのレーザ走査方法を説明する図である。 ローラーによる割断工程を説明する図である。 コレットによる割断工程を説明する図である。 工具による打撃を与えることで割断する場合を説明する図である。 リペア工程を説明する図である。 一従来例による基板割断方法を説明する図である。

符号の説明

１ シリコンウエハ
２ 酸化膜
２ａ 溝
３ ノズル層
４ 液体供給口
１０ シリコン基板
１０ａ ロジック素子部
１１ 基板表面
１１ａ 表面加工痕
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 内部亀裂

Claims (11)

1. 被割断部材表面から被割断部材内部の所定の深度の集光点にレーザ光を集光させて内部加工領域を形成し、前記被割断部材表面が複数の領域に分離されるように当該被割断部材を割断するレーザ割断方法であって、
   前記集光点に複数のレーザ光束を集光させて照射パルス列を生成し、該照射パルス列の合成時間幅を変化させることで、前記内部加工領域の大きさを変化させることを特徴とするレーザ割断方法。
2. 被割断部材表面から被割断部材内部の所定の深度の集光点にレーザ光を集光させて内部加工領域を形成し、前記被割断部材表面が複数の領域に分離されるように当該被割断部材を割断するレーザ割断方法であって、
   前記集光点に複数のレーザ光束を集光させて照射パルス列を生成し、該照射パルス列の合成時間幅の変化と各レーザ光束の集光位置の変位との組み合わせを用いることで、前記内部加工領域の大きさを変化させることを特徴とするレーザ割断方法。
3. 内部加工領域の被割断部材の表面からの深さ方向の大きさを、被割断部材表面に近い位置にある内部加工領域よりも遠い位置にある内部加工領域の方を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ割断方法。
4. 被割断部材内部に内部加工領域を形成する前に、被割断部材を割断する際に応力を集中させるための凹部を被割断部材表面に形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ割断方法。
5. 被割断部材内部に内部加工領域を形成した後に、基板を割断する際に応力を集中させるための凹部を被割断部材表面に形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ割断方法。
6. 被割断部材に外力を与えることによって内部加工領域と被割断部材表面の凹部とに至る亀裂が形成されることを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ割断方法。
7. 内部加工領域を形成するレーザ光の被割断部材への照射位置を被割断部材表面に沿って相対移動させ、前記内部加工領域を前記被割断部材表面に沿った方向に形成することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ割断方法。
8. 被割断部材表面から所定の深さの集光点にレーザ光を集光させて内部加工領域を形成することで、前記被割断部材表面をレーザ光によって複数の領域に分離するためのレーザ割断装置であって、
   前記被割断部材表面を照射するレーザ光束を複数のレーザ光束で形成する光学系を有し、該光学系により前記集光点に複数のレーザ光束を集光させて生成した照射パルス列の合成時間幅を変化させることで、前記内部加工領域の大きさを変化させることを特徴とするレーザ割断装置。
9. 被割断部材表面から所定の深さの集光点にレーザ光を集光させて内部加工領域を形成することで、前記被割断部材表面をレーザ光によって複数の領域に分離するためのレーザ割断装置であって、
   前記被割断部材表面を照射するレーザ光束を複数のレーザ光束で形成する光学系を有し、該光学系により前記集光点に複数のレーザ光束を集光させて生成した照射パルス列の合成時間幅の変化と各レーザ光束の集光位置の変位との組み合わせを用いることで、前記内部加工領域の大きさを変化させることを特徴とするレーザ割断装置。
10. レーザ光を被割断部材表面へパルス照射する光学系がレーザ光の一部をループ状に分岐して循環させるループ光学系を有し、該ループ状光学系を経由したレーザ光のパルスが集光点に至る時間と、前記ループ状光学系を経由しないレーザ光のパルスが集光点に至る時間と、の間にずれを生じさせることで照射パルス列の合成時間幅を変化させることを特徴とする請求項８または９に記載のレーザ割断装置。
11. レーザ光の一部をループ状に分岐して循環させるループ光学系を経由したレーザ光の集光位置を、前記ループ光学系を経由しないレーザ光の集光位置とずらすことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ割断装置。
    

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