JP2007245173A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １枚の加工対象物の内部に種類の異なる改質領域を確実に形成することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することで、加工対象物１の厚さ方向の大きさが大きく、且つ加工対象物１の厚さ方向に割れ２４を発生させ易い溶融処理領域１３_１をシリコンウェハ１１_１の内部に形成すると共に、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することで、加工対象物１の厚さ方向の大きさが小さく、且つ加工対象物１の厚さ方向に割れ２４を発生させ難い溶融処理領域１３_２をシリコンウェハ１１_２の内部に形成する。
【選択図】 図２２

Description

本発明は、板状の加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来における上記分野の技術として、ウェハに対して透過性を有するレーザ光を分割予定ラインに沿ってウェハに照射することにより、ウェハの内部に分割予定ラインに沿って変質層を形成した後、ウェハの一方の面に貼着された伸張可能な保護テープを拡張することにより、ウェハを変質層に沿って分割するというウェハの分割方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１２９６０７号公報

しかしながら、板状の加工対象物には、形状、構造、材料、結晶方位等が相違する様々な種類のものが存在するので、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ためには、１枚の加工対象物の内部に種類（大きさ、割れの発生させ易さ等）の異なる改質領域を形成すべき場合がある。

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、１枚の加工対象物の内部に種類の異なる改質領域を確実に形成することができ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。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、加工対象物の内部に集光点を合わせて、パルス発振されたレーザ光を多光子吸収が生ずる条件で照射すると、そのパルス波形によって集光点近傍の温度分布が変化し、それによって集光点近傍で形成される改質領域の種類（大きさ、割れの発生させ易さ等）が変化することを突き止めた。これは、加工対象物に対してレーザ光が透過性を有していても、吸収係数の温度依存性により、加工対象物の温度が高くなるほどレーザ光が吸収され易くなることに起因している。本発明者らは、このような知見に基づいて更に検討を重ね、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の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加工対象物の厚さ方向に第１の距離だけ離れた第１の位置に集光点を合わせて、第１のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域を加工対象物の内部に形成すると共に、加工対象物の内部においてレーザ光入射面から加工対象物の厚さ方向に第２の距離だけ離れた第２の位置に集光点を合わせて、第２のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第２の改質領域を加工対象物の内部に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、加工対象物のレーザ光入射面から加工対象物の厚さ方向に第１の距離だけ離れた第１の位置、及び同レーザ光入射面から加工対象物の厚さ方向に第２の距離だけ離れた第２の位置のそれぞれに、切断予定ラインに沿って、種類の異なる第１の改質領域及び第２の改質領域を確実に形成することができる。

そして、このレーザ加工方法においては、第１及び第２の改質領域を切断の起点として切断予定ラインに沿って加工対象物を切断することが好ましい。これにより、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。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて、第１のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、加工対象物の第１の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域を加工対象物の内部に形成すると共に、加工対象物の内部に集光点を合わせて、第２のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、加工対象物の第２の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第２の改質領域を加工対象物の内部に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、第１の切断予定ライン及び第２の切断予定ラインのそれぞれに沿って、種類の異なる第１の改質領域及び第２の改質領域を確実に形成することができる。なお、第１の切断予定ラインと第２の切断予定ラインとは交差している場合がある。

そして、このレーザ加工方法においては、第１及び第２の改質領域を切断の起点として第１及び第２の切断予定ラインに沿って加工対象物を切断することが好ましい。これにより、加工対象物を第１及び第２の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。

更に、本発明に係るレーザ加工装置は、板状の加工対象物の内部に、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置であって、加工対象物が載置される載置台と、レーザ光をパルス発振するレーザ光源と、レーザ光源によりパルス発振されたレーザ光のパルス波形を変化させるパルス波形可変手段と、載置台に載置された加工対象物の内部に、レーザ光源によりパルス発振されたレーザ光を集光し、そのレーザ光の集光点の位置で改質領域を形成させる集光用レンズと、を備えることを特徴とする。

このレーザ加工装置によれば、レーザ光源によりパルス発振されたレーザ光のパルス波形をパルス波形可変手段が変化させることが可能であるため、１枚の加工対象物の内部に種類の異なる改質領域を確実に形成することができる。

本発明によれば、１枚の加工対象物の内部に種類の異なる改質領域を確実に形成することができる。

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。本実施形態に係るレーザ加工方法では、加工対象物の内部に改質領域を形成するために多光子吸収という現象も寄与している。そこで、最初に、多光子吸収を起因として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（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。ここで、切断起点領域８とは、加工対象物１が切断される際に切断（割れ）の起点となる領域を意味する。この切断起点領域８は、改質領域７が連続的に形成されることで形成される場合もあるし、改質領域７が断続的に形成されることで形成される場合もある。

本実施形態に係るレーザ加工方法では、加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させて加工対象物１の内部で多光子吸収を発生させ、これを起因として改質領域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、多光子吸収を起因として形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）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、多光子吸収を起因として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、多光子吸収を起因とした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）クラックが更に成長し、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を起因とし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が多光子吸収を起因として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、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、溶融処理領域１３が多光子吸収を起因として形成されたことを意味する。多光子吸収を起因とした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。尚、溶融処理領域は多光子吸収のみでなく、他の吸収作用を含む場合もある。

（３）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以下が更に好ましい。多光子吸収を起因とした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、多光子吸収を起因として形成される改質領域として（１）〜（３）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。

次に、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。

図１４に示すように、シリコンウェハ１１に対して透過性を有するレーザ光Ｌを、シリコンウェハ１１の内部に集光点Ｐを合わせて上記「（２）改質領域が溶融処理領域の場合」で記載した条件でパルス発振すると、集光点Ｐの位置で局所的に高温となる。そのため、吸収係数の温度依存性により集光点Ｐの位置で吸収係数が高まり、レーザ光Ｌの吸収が始まる。これにより、集光点Ｐに対してシリコンウェハ１１のレーザ光入射面１１ａと反対側に進行するレーザ光Ｌが減少し、集光点Ｐに対してレーザ光入射面１１ａ側の部分がレーザ光Ｌの光軸Ｚに沿って局所的に高温となる。その結果、吸収係数の温度依存性によりその部分で吸収係数が高まり、レーザ光Ｌが吸収されるため、その部分の温度が融点を超えて溶融処理領域１３が形成される。つまり、溶融処理領域１３は、レーザ光Ｌの多光子吸収のみでなく、吸収係数の温度依存性にも起因するレーザ光Ｌの吸収によって形成される。実際の加工においては、吸収係数の温度依存性によるレーザ光の吸収による加工や、多光子吸収による加工などの現象が重なり合っているものと推測される。そして、シリコンのような半導体材料においては、これらの内部での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とにより、上記「（２）改質領域が溶融処理領域の場合」で記載したように溶融処理領域を含んだ改質領域を形成することが可能である。

なお、レーザ光Ｌの吸収によって温度が融点を超える部分の光軸Ｚ方向の長さＲを「融点を超える範囲」という。また、レーザ光Ｌのパルス波形を表す指標として、図１５に示すように、レーザ光のガウシアンビームプロファイルを標準とした波形を考える。αはガウシアンビームプロファイルの変形度を表し、α＝１がガウシアンビームプロファイルであり、αが１より小さい場合、ピーク位置がα＝１より前側となるビームプロファイルとなり、αが１より大きい場合、ピーク位置がα＝１より後側となるビームプロファイルとなる。

図１５及び図１６に示すように、α＝０．１、α＝１．０、α＝１．９のパルス波形を有するレーザ光Ｌをシリコンウェハ１１に照射した場合、集光点Ｐ近傍での最高到達温度は、それぞれ１４５００Ｋ、１７０００Ｋ、９９００Ｋとなり、融点を超える範囲は、それぞれ２８．０μｍ、２７．５μｍ、２７．０μｍとなった。このとき、レーザ光Ｌの照射条件は、スキャン速度：３００ｍｍ／秒、繰り返し周波数：８０ｋＨｚ、パルス幅：１５０ｎｓ、パルスエネルギ：６．５μＪであった。ただし、この値はシミュレーションにより求めたものであるが、多光子吸収現象をシミュレーション結果に反映させることが困難であるために考慮していない。そのため実際の加工においてはこの限りではない。

一般に、０．７≦α≦１．３のパルス波形（以下、「標準のパルス波形」という）を有するレーザ光Ｌを照射した場合には、α＜０．７のパルス波形（以下、「前よりのパルス波形」という）を有するレーザ光Ｌや、α＞１．３のパルス波形（以下、「後よりのパルス波形」という）を有するレーザ光Ｌを照射した場合に比べ、集光点Ｐ近傍での最高到達温度が高くなる。これにより、周囲との温度勾配が急になるため、溶融処理領域１３からシリコンウェハ１１の厚さ方向に長い割れが発生し易くなる。

また、前よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射した場合には、標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌや、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射した場合に比べ、融点を超える範囲が大きくなる。これにより、溶融処理領域１３の大きさ（具体的には、シリコンウェハ１１の厚さ方向の大きさ）が大きくなる。

これらに対し、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射した場合には、標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌや、前よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射した場合に比べ、集光点Ｐ近傍での最高到達温度が低くなると共に、融点を超える範囲が小さくなる。これらにより、溶融処理領域１３からシリコンウェハ１１の厚さ方向に割れが発生し難くなると共に、溶融処理領域１３の大きさが小さくなる。

図１７は、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１１の切断面の写真を表した図であり、（ａ）はα＝０．３４のパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射した場合、（ｂ）はα＝０．７６のパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射した場合である。α＝０．３４のパルス波形（すなわち、前よりのパルス波形）を有するレーザ光Ｌを照射した場合（同図（ａ））の方が、α＝０．７６のパルス波形（すなわち、標準のパルス波形）を有するレーザ光Ｌを照射した場合（同図（ｂ））に比べ、溶融処理領域１３の大きさが大きくなっていることが分かる。また、α＝０．７６のパルス波形（すなわち、標準のパルス波形）を有するレーザ光Ｌを照射した場合（同図（ｂ））の方が、α＝０．３４のパルス波形（すなわち、前よりのパルス波形）を有するレーザ光Ｌを照射した場合（同図（ａ））に比べ、溶融処理領域１３からシリコンウェハ１１の厚さ方向に長い割れ２４が発生していることが分かる。

ここで、本実施形態に係るレーザ加工方法による板状の加工対象物１の切断について説明する。

図１８及び図１９に示すように、加工対象物１は、厚さ１００μｍのシリコンウェハ１１_１と、シリコンウェハ１１_１上に重ね合わされた厚さ５０μｍのシリコンウェハ１１_２と、複数の機能素子１５を含んでシリコンウェハ１１_２上に形成された機能素子層１６とを備えている。機能素子１５は、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成された回路素子等であり、シリコンウェハ１１_１，１１_２のオリエンテーションフラット６に平行な方向及び垂直な方向にマトリックス状に多数形成されている。

以上のように構成された加工対象物１を以下のようにして機能素子１５毎に切断する。まず、図２０に示すように、加工対象物１の裏面２１にエキスパンドテープ２３を貼り付け、機能素子層１６を上側にして加工対象物１をレーザ加工装置の載置台（図示せず）上に固定する。

続いて、図２１に示すように、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面としてシリコンウェハ１１_１の内部に集光点Ｐを合わせて、標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌを多光子吸収が生じる条件でパルス発振し、載置台の移動によって、隣り合う機能素子１５，１５間を通るように格子状に設定された切断予定ライン５（図１８の破線参照）に沿って集光点Ｐをスキャンする。この切断予定ライン５に沿った集光点Ｐのスキャンを、シリコンウェハ１１_１については１本の切断予定ライン５に対して２回行うが、集光点Ｐを合わせる位置の表面３からの距離を各回毎に変えることで、裏面２１側から順に、２列の溶融処理領域１３_１を切断予定ライン５に沿ってシリコンウェハ１１_１の内部に１列ずつ形成する。

続いて、図２２に示すように、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面としてシリコンウェハ１１_２の内部に集光点Ｐを合わせて、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを多光子吸収が生じる条件でパルス発振し、載置台の移動によって、切断予定ライン５に沿って集光点Ｐをスキャンする。この切断予定ライン５に沿った集光点Ｐのスキャンを、シリコンウェハ１１_２については１本の切断予定ライン５に対して１回行い、１列の溶融処理領域１３_２を切断予定ライン５に沿ってシリコンウェハ１１_２の内部に形成する。

図２２及び図２５に示すように、シリコンウェハ１１_１内の溶融処理領域１３_１は、標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌの照射により形成されたため、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌの照射により形成されたシリコンウェハ１１_２内の溶融処理領域１３_２に比べ、加工対象物１の厚さ方向の大きさが大きく、且つ加工対象物１の厚さ方向に割れ２４を発生させている。なお、溶融処理領域１３_１，１３_２には、クラックが混在する場合がある。

続いて、図２３に示すように、エキスパンドテープ２３を拡張させ、図２４に示すように、溶融処理領域１３_１，１３_２を切断の起点として切断予定ライン５に沿って加工対象物１を切断し、切断されることで得られた複数の半導体チップ２５を互いに離間させる。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工方法によれば、標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することで、加工対象物１の厚さ方向の大きさが大きく、且つ加工対象物１の厚さ方向に割れ２４を発生させ易い溶融処理領域１３_１をシリコンウェハ１１_１の内部に形成すると共に、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することで、加工対象物１の厚さ方向の大きさが小さく、且つ加工対象物１の厚さ方向に割れ２４を発生させ難い溶融処理領域１３_２をシリコンウェハ１１_２の内部に形成することができる。このように、加工対象物１の構造等に応じて、レーザ光Ｌのパルス波形を変化させ、種類の異なる溶融処理領域１３_１，１３_２を加工対象物１の内部に形成すれば、溶融処理領域１３_１，１３_２を切断の起点として加工対象物１を切断予定ライン５に沿って精度良く切断することが可能となる。

なお、加工対象物１が厚さ１２０μｍのシリコンウェハ１１_３を備えるような場合には、前よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することで、加工対象物１の厚さ方向の大きさがより一層大きい溶融処理領域１３_３をシリコンウェハ１１_３の内部に形成すれば、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って精度良く切断することが可能となる。

次に、本実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。

図２６に示すように、レーザ加工装置１００は、板状の加工対象物１の内部に、切断の起点となる改質領域７を形成するものであって、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、レーザ光Ｌの反射機能を有し、且つレーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを加工対象物１の内部に集光し、そのレーザ光Ｌの集光点Ｐの位置で改質領域７を形成させる集光用レンズ１０５と、を備えている。

レーザ加工装置１００は更に、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９と、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ１１１と、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ１１３と、ステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。

レーザ光Ｌの集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、加工対象物１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。Ｚ軸方向は、加工対象物１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、加工対象物１の内部の所望の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせることができる。

レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。

レーザ加工装置１００は更に、載置台１０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９と、を備えている。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有し、且つ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。

レーザ加工装置１００は更に、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備えている。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤカメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。

レーザ加工装置１００は更に、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９とを備えている。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点を加工対象物１の表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が加工対象物の表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部１２７で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。

全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。

レーザ加工装置１００は更に、レーザ光源１０１によりパルス発振されたレーザ光Ｌのパルス波形を変化させるパルス波形可変手段１５０を備えている。パルス波形可変手段１５０は、例えば、次のように構成されている。すなわち、パルス波形可変手段１５０は、例えばＥＯ変調器等のパルス波形変調器１５１と、レーザ光源制御部１０２の信号によりパルス波形変調器１５１を制御するパルス波形制御部１５２とを有している。標準のパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射する場合は、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌを、パルス波形をそのままでパルス波形変調器１５１を通過させる。前よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射する場合は、レーザ出射開始時間に対し、パルス波形制御部１５２により、パルス波形変調器１５１の開放タイミングを遅らせる。後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射する場合は、レーザ出射開始時間より前にパルス波形変調器１５１を開放し、レーザパルス照射中にパルス波形変調器１５１を閉じていく。なお、その他にパルス波形を制御する方法として、（１）レーザを２台使用し、作製するパルス波形に応じてタイミングを変化させて重ね合わせる方法や、（２）各々のパルス波形を出射するレーザを設ける方法がある。（２）の方法は、例えば、標準のパルス波形にはＮｄ：ＹＡＧレーザを使い、前よりのパルス波形にはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザを使う、ということでも実現できる。

以上のように構成されたレーザ加工装置１００によれば、レーザ光源１０１によりパルス発振されたレーザ光Ｌのパルス波形をパルス波形可変手段１５０が変化させることが可能であるため、１枚の加工対象物１の内部に種類の異なる改質領域７を確実に形成することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の厚さが略一定であったが、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の厚さが変化するような場合には、照射するレーザ光Ｌのパルス波形を切断予定ライン５の途中で変化させてもよい。

また、加工対象物１において、切断予定ライン５_１に沿った部分の厚さと切断予定ライン５_２に沿った部分の厚さとが異なるような場合には、切断予定ライン５_１に沿った部分と切断予定ライン５_２に沿った部分とで、照射するレーザ光Ｌのパルス波形を変化させて、切断予定ライン５_１に沿った部分に改質領域７_１を形成し、切断予定ライン５_２に沿った部分に改質領域７_１と種類が異なる改質領域７_２を形成してもよい。これにより、改質領域７_１，７_２を切断の起点として加工対象物１を切断予定ライン５_１，５_２に沿って精度良く切断することができる。なお、切断予定ライン５_１と切断予定ライン５_２とは、例えば略垂直というように交差していてもよいし、交差していなくてもよい。

また、加工対象物１の厚さが１００μｍ未満の場合には、後よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って照射することが好ましい。これにより、加工対象物１の表面３及び裏面２１へのダメージ（溶融痕）の発生を防いだ加工が可能となる。

また、加工対象物１が（１１１）ウェハ、（１１０）ウェハ、（１００）４５°回転ウェハ等であって、加工対象物１の劈開方向と加工対象物１の切断予定ライン５の方向とが一致しないような場合には、劈開方向と一致しない切断予定ライン５に沿っては、前よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することが好ましい。これにより、改質領域７の大きさ（具体的には、加工対象物１の厚さ方向の大きさ）が大きくなるため、劈開方向に逆らって、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って精度良く切断することができる。

また、加工対象物１がＯＦＦ角ウェハ等であって、加工対象物１の劈開面の方向と加工対象物１の厚さ方向とが一致しないような場合にも、前よりのパルス波形を有するレーザ光Ｌを照射することが好ましい。これにより、改質領域７の大きさ（具体的には、加工対象物１の厚さ方向の大きさ）が大きくなるため、劈開面に逆らって、加工対象物１をその厚さ方向に精度良く切断することができる。

また、上記実施形態では、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面としたが、加工対象物１の裏面２１をレーザ光入射面としてもよい。

また、上記実施形態では、シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３を形成したが、ガラスや圧電材料等、他の材料からなる加工対象物１の内部に、クラック領域や屈折率変化領域等、他の改質領域７を形成してもよい。

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に示す加工対象物の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に示す加工対象物のIV−IV線に沿っての断面図である。 図３に示す加工対象物の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ピークパワー密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の原理を説明するための図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における時間とパルス強度との関係を示す第のグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工方法における最高到達温度及び融点を超える範囲をパルス波形毎に示す表である。 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切断面の写真を表した図であり、（ａ）はα＝０．３４のパルス波形を有するレーザ光を照射した場合、（ｂ）はα＝０．７６のパルス波形を有するレーザ光を照射した場合である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。 図１８に示すXIX−XIX線に沿っての部分断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、加工対象物にエキスパンドテープを貼り付けた状態である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、加工対象物にレーザ光を照射している第１の状態である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、加工対象物にレーザ光を照射している第２の状態である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、エキスパンドテープを拡張させた状態である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、加工対象物が半導体チップに切断された状態である。 図２２に示すXXV−XXV線に沿っての部分断面図である。 本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、５，５_１，５_２…切断予定ライン、７…改質領域、１１，１１_１，１１_２…シリコンウェハ、１１ａ…レーザ光入射面、１３，１３_１，１３_２…溶融処理領域、２１…裏面、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (6)

1. 板状の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前記加工対象物の厚さ方向に第１の距離だけ離れた第１の位置に集光点を合わせて、第１のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域を前記加工対象物の内部に形成すると共に、
   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前記加工対象物の厚さ方向に第２の距離だけ離れた第２の位置に集光点を合わせて、第２のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、前記切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第２の改質領域を前記加工対象物の内部に形成することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記第１及び前記第２の改質領域を切断の起点として前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断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. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて、第１のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の第１の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域を前記加工対象物の内部に形成すると共に、
   前記加工対象物の内部に集光点を合わせて、第２のパルス波形を有するレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の第２の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第２の改質領域を前記加工対象物の内部に形成することを特徴とするレーザ加工方法。
4. 前記第１の切断予定ラインと前記第２の切断予定ラインとは交差していることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１及び前記第２の改質領域を切断の起点として前記第１及び前記第２の切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断することを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ加工方法。
6. 板状の加工対象物の内部に、切断の起点となる改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
   前記加工対象物が載置される載置台と、
   レーザ光をパルス発振するレーザ光源と、
   前記レーザ光源によりパルス発振されたレーザ光のパルス波形を変化させるパルス波形可変手段と、
   前記載置台に載置された前記加工対象物の内部に、前記レーザ光源によりパルス発振されたレーザ光を集光し、そのレーザ光の集光点の位置で前記改質領域を形成させる集光用レンズと、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
   

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