JP2007136481A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工対象物内の任意の位置に改質層を形成し得るレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ加工装置２０では、レーザ光源からウェハＷに向けて出射されるレーザ光Ｌの光軸Ｌｏ上に、レンズ移動機構により相対距離を連続的に可変可能な集光レンズＣＶ１および集光レンズＣＶ２が設けられる。これにより、これらの集光レンズＣＶ１、ＣＶ２により集光されたレーザ光Ｌ”は、その集光点の形成位置を任意に可変することができるので、ウェハＷの内部においても、集光点Ｐａ（比較的浅い位置）や集光点Ｐｃ（比較的深い位置）の形成位置を任意の位置に連続的に設定することができる。したがって、ウェハＷ内の任意の位置、例えば比較的浅い位置Ｐａ、ほぼ中間の位置Ｐｂ、比較的深い位置Ｐｃに、それぞれ改質層を形成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物の表面からレーザ光を入射し当該加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成し得るレーザ加工装置に関するものである。

加工対象物の表面からレーザ光を入射し当該加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成し得るレーザ加工装置では、通常、図５(A) に示すように、図略のレーザ光源から出射されるレーザ光Ｌを集光レンズＣＶにより集光して予め設定された範囲で加工対象物ｗ内に集光点Ｐａを形成し、これにより改質層を形成している。

ところが、当該加工対象物ｗの表面に形成される構造物Ｒ（例えば加工対象物ｗが半導体ウェハの場合には配線パターン（Ａｌ）等）同士の隙間d1を通してレーザ光Ｌ’を照射する場合には、図５(B) に示すように、当該加工対象物ｗの深い位置に集光点Ｐｃを合わせようとすると当該隙間d1を形成する構造物Ｒがレーザ光Ｌ’の入射を遮る場合がある。

すると、本来予定したレーザ光LLは構造物Ｒによって遮断されるため、それよりも狭い範囲を通過するレーザ光LL’によって集光点Ｐｂができ、その位置で改質層が形成される。つまり、予定した深度よりも浅い位置に集光点Ｐｂが合ってしまうため、予定外の位置に改質層が形成されることになる。

したがって、このような場合には、図５(C) に示すように、当該加工対象物ｗの表面に形成される構造物Ｒ同士の間隔d1を、間隔d2に拡げた構造物Ｒ’を設けない限り、予定した深度に集光点Ｐｃを合わせて改質層を形成することは難しい。

つまり、所定の集光レンズＣＶを用いた場合、それにより集光されたレーザ光Ｌ’が通る光路上に対向する構造物Ｒが存在すると、その隙間d1の間隔によって改質層を形成可能な深さが制限されてしまうという問題が生じる。また、レーザ光Ｌ’の入射に要する範囲の最大幅（以下「加工幅」という）dnは、レーザエネルギーの損失を最小限に抑える観点から可能な限り狭い方が望ましい。

そこで、このような問題を解決可能な先行技術として、例えば、下記、特許文献１に開示される「レーザ加工装置」がある。このレーザ加工装置では、開口数の異なる集光レンズを複数備え、所定の選択手段によりこれら複数の集光レンズを適宜選択可能にすることで、加工対象物の異なる位置（深さ）に集光点を合わせ得るものである。
特開２００３−１４４８号公報

しかしながら、このような開示技術によると、所定の選択手段により選択可能な集光レンズは複数枚ではあるが、その枚数には構造的に制限がある。そのため、集光点の位置を大きく変化させたり、また微調整したい場合には、その分だけ集光レンズを装備しなければならず、装置構成の複雑化やその体格の大型化を招き得る。また、たとえ集光レンズを多数装備したとしても、その数には限度があるため、必ずしも必要な集光点を得られるとは限らず、また連続的に集光点を可変させることは難しい。

つまり、上記特許文献１に開示される技術では、集光点をディジタル（不連続）的に変更することはできても、それをアナログ（連続）的に変更することはできない。このため、加工対象物内の任意の位置（深さ）に改質層を形成しようとすると、上記特許文献１の開示技術では困難になるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、加工対象物内の任意の位置に改質層を形成し得るレーザ加工装置を提供することである。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１のレーザ加工装置では、加工対象物［Ｗ］の表面［Ｗａ］からレーザ光［Ｌ’］を入射し当該加工対象物［Ｗ］の内部に多光子吸収による改質領域［α］を形成し得るレーザ加工装置であって、所定波長のレーザ光［Ｌ］を所定出力で出射可能なレーザ光源と、前記レーザ光源から前記加工対象物［Ｗ］に向けて出射されるレーザ光［Ｌ］の光軸［Ｌｏ］上に設けられる第１の集光レンズ［ＣＶ１］と、前記第１の集光レンズ［ＣＶ１］の屈折率［ｎ１］と異なった屈折率［ｎ２］に設定され、前記光軸［Ｌｏ］上で前記第１の集光レンズ［ＣＶ１］よりも前記加工対象物［Ｗ］側に設けられる第２の集光レンズ［ＣＶ２］と、前記第１の集光レンズ［ＣＶ１］および前記第２の集光レンズ［ＣＶ２］の相対距離を連続的に可変可能なレンズ移動機構と、を備えることを技術的特徴とする。なお、［ ］内の数字等は、［発明を実施するための最良の形態］の欄で説明する符号に対応し得るものである（以下同じ）。

特許請求の範囲に記載の請求項２のレーザ加工装置では、請求項１記載のレーザ加工装置において、前記第２の集光レンズ［ＣＶ２］の屈折率［ｎ２］は、前記第１の集光レンズ［ＣＶ１］の屈折率［ｎ１］よりも大きく設定されていることを技術的特徴とする。

請求項１の発明では、レーザ光源から加工対象物［Ｗ］に向けて出射されるレーザ光［Ｌ］の光軸［Ｌｏ］上には、レンズ移動機構により相対距離を連続的に可変可能な第１の集光レンズ［ＣＶ１］および第２の集光レンズ［ＣＶ２］が設けられている。これにより、これらの集光レンズ［ＣＶ１］、［ＣＶ２］により集光されたレーザ光［Ｌ”］は、その集光点の形成位置を任意に可変することができるので、加工対象物［Ｗ］の内部においても、集光点［Ｐａ、Ｐｃ］の形成位置を任意の位置に連続的に設定することができる。したがって、加工対象物［Ｗ］内の任意の位置に改質層［Ｋａ,Ｋｂ,Ｋｃ］を形成することができる。

請求項２の発明では、第２の集光レンズ［ＣＶ２］の屈折率［ｎ２］は、第１の集光レンズ［ＣＶ１］の屈折率［ｎ１］よりも大きく設定されていることから、加工対象物［Ｗ］に入射するレーザ光［Ｌ”］の入射角が鋭角になる。これにより、当該レーザ［Ｌ”］の入射に要する加工幅［dn］を狭くすることができ、しかも加工対象物［Ｗ］の深い位置に集光点［Ｐｃ］を形成することができる。したがって、加工対象物［Ｗ］の表面［Ｗａ］に構造物［Ｒ］が形成されていても、狭い隙間［d1］があればそれを通して加工対象物［Ｗ］の深い位置に集光点［Ｐｃ］を形成できるので、当該位置に改質層［Ｋｃ］を形成することができる。また、加工幅［dn］を狭くできるので、レーザエネルギーの損失も少なくすることが可能となる。

以下、本発明のレーザ加工装置をシリコンウェハ（以下「ウェハ」という）のダイシングに適用した一実施形態を各図に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置２０は、ウェハＷの表面Ｗａからレーザ光を入射し該ウェハＷの内部に多光子吸収による改質領域αを形成し得るもので、主に、所定波長のレーザ光Ｌを所定出力で出射可能な図略のレーザ光源と、このレーザ光源からウェハＷに向けて出射されるレーザ光Ｌの光軸Ｌｏ上に設けられる集光レンズＣＶ１と、この集光レンズＣＶ１の屈折率ｎ１と異なった屈折率ｎ２に設定され、光軸Ｌｏ上で集光レンズＣＶ１よりもウェハＷ側に設けられる集光レンズＣＶ２と、集光レンズＣＶ１および集光レンズＣＶ２の相対距離を連続的に可変可能な図略のレンズ移動機構と、を備える。

レーザ光源は、「多光子吸収」と呼ばれる物質の相互作用の発生に適した超短パルスを所定出力で発生可能な、例えばフェムト秒レーザシステムである。なお、「多光子吸収」とは、物質が複数個の同種もしくは異種の光子を吸収することをいい、この多光子吸収によって集光点およびその近傍では光学的損傷という現象が発生する。これにより熱歪みが誘起され、その部分においてクラックが生じ、このクラックが集合した範囲を一般に「改質領域」または「改質層」と呼んでいる。なお、本明細書では、「改質層」の集まりを「改質領域」と称することにする。

集光レンズＣＶ１は、光学系で、視野光線を集めこれらの集めた光線を次の光学素子に曲げて進ませるのに用いる凸または正のレンズで、レーザ光源からウェハＷに向けて出射されるレーザ光Ｌの光軸Ｌｏ上に設けられている。この集光レンズＣＶ１の屈折率ｎ１は、集光レンズＣＶ２の屈折率ｎ２よりも小さく設定されている。なお、この集光レンズＣＶ１は、特許請求の範囲に記載の「第１の集光レンズ」に相当し得るものである。

集光レンズＣＶ２も、集光レンズＣＶ１と同様に凸または正のレンズで、集光レンズＣＶ１の屈折率ｎ１よりも大きな屈折率ｎ２を有するように設定されている。この集光レンズＣＶ２は、レーザ光Ｌの光軸Ｌｏ上で集光レンズＣＶ１よりもウェハＷ側に位置するように設けられている。なお、この集光レンズＣＶ２は、特許請求の範囲に記載の「第２の集光レンズ」に相当し得るものである。

レンズ移動機構は、集光レンズＣＶ１および集光レンズＣＶ２をそれぞれ光軸Ｌｏでそｎ位置を自在に可変し得る機構で、例えば、ラックアンドピニオンのような回転運動を往復運動に変換可能な機構によりモータやハンドルの回転によって両集光レンズＣＶ１、ＣＶ２の相対距離を連続的に可変可能に構成している。

このようにレーザ加工装置２０を構成することにより、これらの集光レンズＣＶ１、ＣＶ２により集光されたレーザ光Ｌ”は、その集光点の形成位置を任意に可変することができる。例えば、図１(A) に示すように、ウェハＷ内の比較的浅い位置において集光点Ｐａを設定したり、また図１(B) に示すように、ウェハＷ内の比較的深い位置において集光点Ｐｃを設定したり、その中間の位置に集光点Ｐｂを設定したりすることができる。つまり、ウェハＷの厚さ（深さ）方向に任意の位置に集光点を連続的に設定することができる。

したがって、図２(A) および図２(B) に示すように、ウェハＷ内の任意の位置に改質層Ｋａ（比較的浅い位置）、Ｋｂ（ほぼ中間の位置）、Ｋｃ（比較的深い位置）を形成することができるので、比較的厚いウェハＷにおいてもその厚さ（深さ）方向のほぼ全域に亘って改質領域αを形成することができる（改質工程）。これにより、図２(C) に示すように、当該改質領域αを起点にウェハＷを適正に割断することができる（割断工程）。なお、図２(A) においてウェハＷの平面方向に表されている複数の太実線は、改質層を示すもので、この集まりを改質領域αとしている。

また、集光レンズＣＶ２の屈折率ｎ２は、集光レンズＣＶ１の屈折率ｎ１よりも大きく設定されているので、ウェハＷに入射するレーザ光Ｌ”の入射角が鋭角になる。これにより、当該レーザＬ”の入射に要するウェハＷの表面Ｗａの加工幅dnを狭くすることができるので、例えば、図１や図２(B) に示すように、ウェハＷ上に対向する構造物Ｒが形成されており、その隙間間隔がd1というような狭いものであっても、ウェハＷの深い位置（エキスパンドテープＴが貼着されている裏面の近傍）まで集光点Ｐｃを合わせることができ、改質層Ｋｃを形成することができる。なお、この構成部材Ｒの隙間d1については、［背景技術］の欄で図５を参照して説明した構成部材Ｒ’の隙間d2よりも狭いもので、同図の隙間d1と同等の広さである。

このようにレーザ加工装置２０では、ウェハＷの表面Ｗａに構造物Ｒが形成されていても、狭い隙間d1があればそれを通してウェハＷの深い位置に集光点Ｐｃを形成できるので、ウェハＷの深い位置にも改質層Ｋｃを形成することができる。また、加工幅dnを狭くできることから、レーザエネルギーの損失も少なくすることができる。

ここで、レーザ照射に必要な加工幅と集光点位置との関係およびこの関係による具体的なウェハＷの厚さに対する加工幅dnの例を図３および図４を参照して説明する。
図４に示すように、集光点位置Ｘ、即ちウェハＷの表面Ｗａから集光点Ｐまでの距離Ｘとレーザ照射に必要な加工幅dnとの関係は、屈折率ｎ１の媒質から入射角θ1 で入射した光が屈折率ｎ２の媒質に屈折角θ2 で屈折するときにはｎ１×sinθ1＝ｎ２×sinθ2の関係式が成り立つことから、図３に示す比例関係となる。なお、ＮＡは、屈折率ｎ１の光学系物質に入射角θ1で光が入射した場合において、ＮＡ＝ｎ１×sinθ1で与えられる。

この図３に示す比例関係から、レーザ光の入射角θ1 の値が最大９０度の範囲で大きくなるほどＮＡが増大することから（ＮＡ＝ｎ１×sinθ1）、(1) 入射角θ1 の増加が加工幅dnの増大を招くこと、(2) また集光点位置Ｘが深くなるほど入射角θ1 の増加が加工幅dnの増大を招くこと、がそれぞれわかる。例えば、集光レンズＣＶ２のＮＡが０．８（図３に示す一点鎖線の特性）の場合、ウェハＷの厚さにより６００μｍの深さ（距離）に集光点位置を設定する必要があるときには、同図からほぼ３００μｍの加工幅dnが必要になることがわかる（前記(2) の原因）。

通常、図２(C) に示す割断工程では、高々３μｍ〜５μｍの幅で改質層が形成されていれば適正なエキスパンド（割断）が可能となるが、このような図３に示す関係から、本来必要とする改質層の幅の数十倍〜１００倍程度の加工幅dnをウェハＷの表面Ｗａに確保せざるを得なくなっている。つまり、この加工幅dnの大半は、レーザ光Ｌの照射時以外には必要にならない領域であることから、ウェハＷを有効利用する観点からはその妨げとなっている。

そこで、本実施形態に係るレーザ加工装置２０では、ウェハＷに最も近い集光レンズＣＶ２の屈折率ｎ２をその前段の集光レンズＣＶ１の屈折率ｎ１との兼ね合いから大きく設定することによって、ウェハＷの入射角θ1 を極力小さくする（前記(1) の原因に対する対策）。これにより、加工幅dnを狭くすることが可能になるので、１枚のウェハＷから得られる半導体チップの収量を増加させることができ、当該半導体チップの製造コストを削減することができる。

なお、以上説明した実施形態では、レーザ加工装置２０では、２枚の集光レンズＣＶ１、ＣＶ２を用いて構成したが、複数枚であれば、３枚以上の集光レンズを用いて構成して良い。これにより、集光レンズを２枚用いた場合に比べ、さらにレーザ光の入射角を小さくすることができるので（前記(1) の原因に対する対策）、より一層加工幅dnを狭くすることが可能になる。また、ウェハ厚が厚いウェハＷでも、深い位置に改質層を形成することができる。

また、以上説明した実施形態では、レーザ加工装置２０の加工対象物として、シリコンウェハの場合を例示して説明したが、本発明のレーザ加工装置により割断可能な加工対象物はこれに限られることはなく、例えば、シリコン以外の半導体材料、ガラス、クリスタル、あるいはプラスチック等の樹脂材料、等の各種の物質その対象に挙げられ、これらについても、上記と同様の作用および効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置を構成する各レンズの位置関係を示す説明図で、図１(A) はウェハ内の浅い位置に集光点を合わせた場合、図１(B) はウェハ内の深い位置に集光点を合わせた場合、をそれぞれ示すものである。 本実施形態に係るレーザ加工装置によるレーザダイシング工程を示すもので、図２(A) は改質工程を示すもの、図２(B) は図２(A) に示すウェハをその周方向に９０度回転させた場合を示すもの、図２(C) は割断工程を示すものである。 レーザ照射に必要な加工幅と集光点位置との関係を示す特性図である。 図３の特性を導くために用いられる説明図である。 従来のレーザ加工装置によるレーザダイシングの例を示すものである。

符号の説明

２０…レーザ加工装置
ＣＶ１…集光レンズ（第１の集光レンズ）
ＣＶ２…集光レンズ（第２の集光レンズ）
d1、d2…隙間
Ｋａ、Ｋｂ、Ｋｃ…改質層
Ｌ、Ｌ’…レーザ光
Ｌｏ…光軸
ｎ１…屈折率（第１の集光レンズの屈折率）
ｎ２…屈折率（第２の集光レンズの屈折率）
Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ…集光点
Ｒ…構造物
Ｗ…ウェハ（加工対象物）
Ｗａ…表面
α…改質領域

Claims (2)

1. 加工対象物の表面からレーザ光を入射し当該加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成し得るレーザ加工装置であって、
   所定波長のレーザ光を所定出力で出射可能なレーザ光源と、
   前記レーザ光源から前記加工対象物に向けて出射されるレーザ光の光軸上に設けられる第１の集光レンズと、
   前記第１の集光レンズの屈折率と異なった屈折率に設定され、前記光軸上で前記第１の集光レンズよりも前記加工対象物側に設けられる第２の集光レンズと、
   前記第１の集光レンズおよび前記第２の集光レンズの相対距離を連続的に可変可能なレンズ移動機構と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第２の集光レンズの屈折率は、前記第１の集光レンズの屈折率よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。

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