JP2007168436A - 脆性材料のディスク、特にウェーハの切断方法および切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脆性材料のディスク、特にウェーハの切断方法および切断装置を提供する。
【解決手段】本発明は、熱応力を導入することによりレーザを用いて脆性材料のディスク、特にウェーハを切断予定線に沿って切断する方法に関する。この方法に必要となる温度勾配を発生させ、それにより圧縮応力および引張り応力を発生させるものであり、まずディスクをその下面から上面に向かって少なくとも切断予定線に沿って冷却し、レーザビームによりディスクの上面を切断予定線に沿って加工する。また、本明細書は、当該方法を実施するための装置にも関する。
【選択図】図１

Description

ガラス、セラミック、シリコン、石英、ガリウム砒素、あるいはサファイアなどの脆性材料で形成されたディスクを、熱応力を誘発することでレーザを用いて切断するのは公知のことである。

このためには、切断縁が予定の線に沿って正確に形成されること（以下、切断線の精度と呼ぶ）、十分に高い温度勾配によって発生する応力場が予定の切断縁の上に極力正確に位置していることが不可欠である。

特許文献１が上記の種類の方法を開示しており、光束を加工物に対してその面上を所望の切断線に沿って移動させた後、光束の入射点から離れた位置にある加熱された切断線のうち一点に範囲を細く定めて冷却剤（水／空気混合物）を噴射する。

レーザ照射により応力を誘発して亀裂を形成するという方法のすべてにおいて基本的なことであるが、加工物の表面領域における体積部分で高圧縮応力を発生させるため、関連する方法パラメータおよび加工物パラメータを考慮しながら、この体積部分を材料の軟化点に至らない温度まで加熱するように光束エネルギーを制御する。

高速で高エネルギーを入射するために光束のビームスポットを楕円形にすることが提案されており、切断方向に交差する加熱帯を大幅に狭くすることにより切断精度が高まることがすでに示されている。

これと同時に、限られた作業時間およびビームスポットの長さのために、ビームスポットの幅を極力小さくすることが必要な圧縮応力を引き起こすのに必要であることがわかった。

横の長さの寸法は、材料の厚さの０．２倍から２．０倍であると示されている。

特許文献１では、冷却剤の噴射の断面について言及されていない。本発明によれば、この種の冷却剤の噴射の直径は１から２ｍｍ^２である。

特許文献１の実施形態例によれば、ここに記載の方法は、例えば１．２ｍｍ厚の板ガラスから直径３１．２ｍｍのディスクを切断するのに用いることができる。

ディスクを切断して非常に細い、例えば５００μｍよりも細いストリップまたはチップにする場合、この方法により達成できる切断縁の精度は不十分であることが実用試験により示されている。

また、特許文献２からの抜粋には、レーザビームを加工物の表面で切断予定線に沿って相対的に移動させるという脆性材料の切断方法が同様に開示されている。同時に、その全面が、気体流によってレーザビームの各照射点に孔部が形成される冷却剤膜によって覆われている。この気体の吹き付け位置についても、レーザビームに対応する切断線に沿って移動させる必要がある。

特許文献１とは対照的に、レーザの照射中に加工物の全面を冷却することにより、まず引張り応力が局部的にではなくその全面に均一に発生する。レーザ照射により直ちに切断亀裂が形成されるが、これは特許文献１のように、光束の入射と冷却剤の噴射との間の間隔による遅れの後に形成されるものではない。このため、レーザ照射によるエネルギーの導入により圧縮応力が発生する領域は、上記第１の引例に相当する方法によって達成される領域よりも細いものとなる。熱伝導に与えられる時間がないため、発生した温度勾配は切断線上に集中してさらに鋭くなるだけでなく高まることになる。このため、達成可能な切断縁の精度が高まり、これは特に極小片に切断する場合に重要である。

特許文献２による方法は、液体状冷却剤が不可欠であるという点で不利である。レーザを用いて材料を取り除く切断方法と比較すると、熱応力の導入に基づいた切断方法は、基本的に廃棄物を発生させないことから加工物の表面が汚れないという利点がある。当然ながらこの利点は、上記の二つの方法によるように、液体状冷却剤が加工物の表面と接触した際に打ち消されてしまう。

装置については、冷却剤膜を設け、保持し、除去することに加えた技術的な手段のみでなく、加工物に対して気体流を発生させ誘導する手段も必要となる。

また、特許文献１の方法と比較すると、特許文献２の方法は、引張り応力および圧縮応力が表面で形成されるのみであることから、材料の体積部分では切断亀裂が盲亀裂として終わってしまうことが多いという欠点を有している。

ＤＥ ６９３ ０４ １９４ Ｔ２号明細書 国際公開第０３／０１８２７６Ａ１号パンフレット

本発明の目的は、レーザによって熱応力を誘発する原理に基づき、切断しようとするディスク１が液体状冷却剤と接触することなく高精度に切断縁を切断できる切断方法を見出すことにある。

本目的は、請求項１の前文に記載の方法によって達成されるものであり、レーザビーム５の照射前に下面から冷却を開始するものであり、加工物ホルダ３の支持面２を冷却し、少なくともディスク１がその厚さにわたって完全に冷却されるまでこの冷却を継続する。

上記の目的は、請求項１３の前文に記載の装置により達成されるものであり、支持面２を冷却する手段が加工物ホルダ３に設けられる。

本発明の有利な構成については従属項に記載してある。

ディスク１を切断するのに必要となる温度勾配およびこれにより発生する応力が本発明に不可欠であり、従来技術から公知のように、レーザビーム５をディスク１の上面の切断線に沿って照射する前に、まずディスク１をその下面から少なくとも所望の切断線に沿って冷却する。まず、引張り応力が少なくとも切断線に沿って材料の厚さ全体にわたって発生し、その後圧縮応力が材料の表面で発生する。

材料の表面の加熱、すなわち正確に言うと、ディスク１の上面の所望の切断線に沿った加熱は、例えばＤＥ６９３０４１９４Ｔ２号明細書（特許文献１）から公知のように、ビーム幅を用いて切断線の上に範囲を大幅に狭めて行うことができる。

ＤＥ６９３０４１９４Ｔ２号明細書（特許文献１）では、レーザビームと冷却剤の噴射との間の最小の間隔により発生するレーザビームと冷却剤の噴射との間の遅れ時間によって、加熱帯がディスクの深さにわたって広がるだけでなく熱伝導によってその幅にわたっても広がり、その後温度は切断線に沿って再び低下する。しかし、本発明の方法では、熱の導入と除去との間に遅れ時間がない。このため、非常に高い温度勾配を発生させることができ、レーザビーム５のビーム幅によって切断線の上に非常に細く集中させることができる。この方法は、極薄ディスク１、例えば、切断線に沿って所望の冷却温度まで非常に迅速に冷却できかつ切断間の距離が非常に短いサファイアウェーハに対して特に有利に適用できる。

加工物ホルダ３の支持面２に支持されたディスク１の下面の冷却は、この下面と冷却された支持面２との間の熱伝導により行うことから、ＤＥ６９３０４１９４Ｔ２号明細書（特許文献１）および国際公開第０３／０１８２７６号パンフレット（特許文献２）から公知のような冷却剤を用いた対流による熱の除去を行う必要がないため、ディスク１が冷却剤液と直接接触することはない。

続いてチップの分離に対処しなければならないという技術的理由から、ディスク１が冷却された支持面２に伸縮性フォイル４を挟んで配置されるように、伸縮性フォイル４にディスク１を接着してもよい。この支持面２は、その本来の機能を弱めることなく極力薄くし、高い熱伝導を有している必要がある。

ディスク１および伸縮性フォイル４は、材料係合、確動係合、または摩擦係合によって支持面２に固定できる。固定に関して、本発明の方法および本発明の装置に関連して有利な二つの可能性を以下に詳述する。

ディスク１を支持面２に支持された面のすべてにわたって冷却するかどうか、つまり、ディスク１の全体積部分を冷却するかどうか、または所望の切断線に沿ってのみディスク１の厚さにわたって冷却するかどうかは、本質的には、照射エネルギー、冷却時間、相互に非常に隣接した切断線に対する部分冷却の技術的限界により決まるものである。

レーザビーム５の照射中に冷却を都合よく行う場合、局部的な熱の除去により発生した温度勾配もディスク１内の熱伝導によって再度低下することはないため、本方法の実施には、冷却を切断線に厳密に限定すれば十分である。

しかし、ディスクの全体積部分の冷却には、ディスク１を加工する際に常に同じように再現される加工温度を調節できるように冷却を調整するために、接触型温度計または非接触型温度計を用いてディスク１の温度を検出できるという利点がある。

部分的にのみ冷却された領域の温度検出は、特にディスク１の幾何学的寸法からみて、実際には困難である。

表面冷却または局部的部分冷却は、例えば気体を循環させることによって全面を冷却してから行ってもよい。これにより、特に、脆性材料の熱伝導率が低いためにディスクの厚みにわたる均一な冷却が比較的ゆっくりと進行する厚めのディスク１の場合、ディスク１が支持面２に配置される実際の加工時間を短縮できる。このために、ディスク１は、切断工程前に冷却した貯蔵庫の中に保持しておくかまたは控えの冷却室を介して加工物ホルダ３に供給してもよい。

以下、図示した実施例を参照して、本発明をさらに完全に説明する。

第１の実施形態例において、この場合には一方の面に素子を備えた厚さ９０μｍ、直径２インチのサファイアウェーハであるディスク１が、例えば縁の長さが２８０μｍ×２８０μｍとなるように個々の部品（チップ）に区分けされている。これは、切断予定線の格子が、いわゆる溝部に配置された二組の直線状の切断線を有していること、相互に２８０μｍのみの距離を置いて延びていることを意味しており、このような組が相互に９０゜回転したように配置されている。

加工物ホルダ３の支持面２にサファイアウェーハ１を配置する前に、伸縮性フォイル４にその素子面を接着する。この伸縮性フォイル４は、これを伸張することにより切断工程後の個別化されたチップを相互に空間的に分離して取り外す前に、当該チップを共に保持するのに役立つものである。

加工物ホルダ３の支持面２にサファイアウェーハに接着した伸縮性フォイル４を配置した後、伸縮性フォイル４を固定する。第１の実施形態例では、この固定を摩擦係合によって行い、支持面２に伸縮性フォイル４を吸着させる。これを行うために、支持面２は、高熱伝導率を有する多孔質材料で形成されることが好ましい。多孔質材料の代わりに、特に、例えばシリコンウェーハのように溝部の間隔が大きく、３ｍｍから１０ｍｍという従来のチップサイズを有する場合には、支持面２の吸着用溝部の間に開口部を設けてもよい。多孔質材料または開口部を有する支持面２の下方に真空を発生させ、伸縮性フォイル４を孔部または開口部によって支持面２に引き寄せる。この吸着は、ディスク１を固定するだけでなくこれを引き寄せて平面状にするものであり、高精度に切断するのに有利である。

支持面２の冷却は、当業者に公知の多種の方法により行うことができる。例えば、支持面２の下方に液体状冷却剤または気体状冷却剤を流すか、またはペルチエ素子により支持面２を冷却する。支持面２を均一に冷却するかまたは切断線の格子に対応させて格子状に冷却するかによって、支持面２上のディスク１を均一に冷却するかまたは切断線が設けられた溝部に沿ってのみ冷却する。

ディスク１の温度を、例えば赤外線センサを用いてその上面において監視すると有利である。この温度が所定の温度まで低下すると、直ちに実際の切断工程が開始され、レーザビーム５がその上面に向けられる。通常、まず一方向の切断線がすべて照射され、ディスク１が回転し、レーザビーム５が残りの切断線を通過する。実際の切断工程の際、ディスク１の温度は維持される。

温度センサを設けていない場合、実用試験によって最適な冷却時間として予め決定された一定の時間、冷却を行う。

第２の実施形態例では、ディスク１は、直径３００ｍｍ、厚さ２００μｍのシリコンウェーハとする。このシリコンウェーハを縁の長さが１０×１０ｍｍのチップに切断する。

シリコンウェーハの固定および冷却は、この場合には、ウェーハの下側を加工物ホルダ３の支持面２に凍り付けることによる材料係合により行う。このために、スリットを支持面２内に切断予定線と同一の格子状に設け、このスリットに液体、例えば水を充填する。シリコンウェーハを伸縮性フォイル４に接着した後、ウェーハの溝部がスリットに接し、この領域の伸縮性フォイル４が水に接するように、支持面２に伸縮性フォイル４を配置する。水を凍結させ、伸縮性フォイル４がその上で凍結することにより固定される。また、ディスク１を取り付けた伸縮性フォイル４を配置した後、硬化する液膜で支持面２の全体を覆ってもよい。

また、本実施形態例のウェーハについても、所望の温度に達するまで少なくともその表面の切断線に沿って冷却する。さらに冷却すると、温度は低下せずむしろ低下した温度を維持するようになる。十分に高い温度勾配を達成するのに最適な温度は、特にウェーハの材料およびレーザ６の加工パラメータによって決まる。

極力短時間で支持面２にディスク１を支持して実際の作業工程を開始するために、ディスク１を支持面２に配置する前に冷却しておいてもよい。このために、ディスク１を冷却室に保管しておいてもよく、加工物ホルダ３への移動途中に冷却領域を通って搬送してもよい。

従来技術から公知である装置と同様に、本発明の装置は少なくとも、レーザ６と、加工物、この場合はディスク１を保持する加工物ホルダ３と、ディスク１に対してレーザビーム５を移動させる移動装置とを有する。

従来技術との違いは、特に、ディスク１が加工物ホルダ３に固定されるだけでなく、その支持面２に沿って工程前と工程中に有利に冷却されることである。

冷却用の支持面２の下方に、液体状冷却剤または気体状冷却剤が流れる冷却通路を形成してもよい。支持面２を極力均一に冷却するため、この冷却通路を共に極力隣接させて配置する。切断予定線に沿ってのみ部分的に冷却するために、この冷却通路を切断予定線の格子と同一の格子状に形成してもよい。

支持面２自体を冷却通路によって形成してもよい。この場合、当該方法の実施についての説明で述べたように、冷却通路間に形成された中間空間によって支持面２にディスク１を吸着できる。

支持面２の下方または内側に冷却通路を隣接させて形成する代わりに、支持面２が、切断線の格子と同一の格子状に配置された複数の溝部を有していてもよい。この溝部に冷却剤液を充填して凝固点よりも低く冷却することにより、その上に配置された伸縮性フォイル４を材料係合によって保持すると同時にディスク１を冷却する。

すでに何度か言及したように、伸縮性フォイル４は、特に個々のチップに分離する際とその後にウェーハを適所に保持するのに必要なものである。伸縮性フォイル４は、吸着によって保持されるものである限り、本発明の方法には有利なものであり、凍結による代替方法で保持した場合は、凍結用の冷却剤液がウェーハと接触することがない。しかし、ディスク１の下面と加工物ホルダ３の支持面２との間の伸縮性フォイル４の存在が、当該方法の達成に必ずしも必要であるというわけではない。

本発明の装置の主要構成要素を示すものである。

符号の説明

１ ディスク
２ 支持面
３ 加工物ホルダ
４ 伸縮性フォイル
５ レーザビーム
６ レーザ

Claims (18)

1. レーザ（６）を用いて熱機械応力を導入することによりディスク（１）の上面から少なくとも前記ディスク（１）内へその下面に向かって所望の切断線の方向に延びる亀裂を形成する、脆性材料のディスク（１）を切断する方法にして、前記ディスク（１）の下面を加工物ホルダ（３）の支持面（２）に固定し、レーザビーム（５）を前記ディスク（１）に対してその上面（フリー表面）で所望の切断線に沿って移動させ、前記ディスク（１）を前記所望の切断線に沿って冷却する、切断方法において、
   前記レーザビーム（５）の照射前に前記冷却を前記ディスク（１）の下面から行うものであり、前記加工物ホルダ（３）の前記支持面（２）を冷却して、少なくとも前記ディスク（１）がその厚さにわたって冷却されるまで前記冷却を継続することを特徴とする、脆性材料のディスク（１）の切断方法。
2. 前記冷却が、前記所望の切断線に沿って範囲を狭く限定するように行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記冷却が全面にわたって行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ディスク（１）が前記支持面（２）に間接的に固定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ディスク（１）が前記支持面（２）に直接固定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ディスク（１）が、伸縮性フォイル（４）に接着するように前記支持面（２）に配置されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記ディスク（１）が吸着により保持されることを特徴とする請求項１または請求項６に記載の方法。
8. 前記ディスク（１）が凍結した液体によって保持されることを特徴とする請求項１、５または６に記載の方法。
9. 前記液体が前記支持面（２）を覆う膜を形成することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記液体が、前記支持面（２）の内部で前記所望の切断線に対応した格子状の溝部内に位置することを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記冷却が、前記レーザビーム（５）の照射中に継続されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記ディスク（１）が、前記加工物ホルダ（３）に配置される前に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. ディスク（１）の上面にレーザビーム（５）を向けるレーザ（６）と、前記ディスク（１）がその下面で配置固定される支持面（２）を有する加工物ホルダ（３）と、前記レーザビーム（５）を前記ディスク（１）の表面で切断予定線に沿って相対移動させる移動装置とを備える脆性材料のディスク（１）を切断する装置において、
    前記支持面（２）を冷却する手段が前記加工物ホルダ（３）に設けられることを特徴とする、切断装置。
14. 前記冷却手段が、液体状冷却剤または気体状冷却剤が流れる冷却通路であり、前記支持面（２）の下方に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記冷却手段が、液体状冷却剤または気体状冷却剤が流れる冷却通路であり、前記支持面（２）を形成することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 前記冷却通路が、前記切断予定線の格子と同一の格子となるように配置されることを特徴とする請求項１４または１５に記載の装置。
17. 前記加工物ホルダ（３）に真空を発生させる手段が設けられ、前記支持面（２）に支持されたディスク（１）が前記通路間に残存する空間によって吸着されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 前記冷却手段が、凍結した液体が充填される前記支持面（２）の溝部であり、当該溝部により前記ディスク（１）がまた支持面（２）に固定されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。

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