JP2008087053A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工用レーザ光の集光点を加工対象物のレーザ光照射面に精度良く追従させる方法を提供する。
【解決手段】切断予定ライン５に沿って測定用レーザ光を照射し、加工対象物１において測定用レーザ光が照射される表面３で反射する反射光に非点収差を付加し、非点収差が付加された反射光の集光像に応じた変位センサ信号を検出し、変位センサ信号が反射光の光量に応じたフィードバック基準値となるようにすることで、加工用レーザ光の集光点を表面３に対して所定の位置に合わせる。これにより、測定用レーザ光の反射率の極端に低い領域が表面３に部分的に存在し測定用レーザ光の反射光の光量が低下しても、加工用レーザ光の集光点を加工対象物１の表面３に確実且つ精度良く追従させることができる。
【選択図】図１

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に関する。

従来のレーザ加工方法として、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて加工用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、切断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１５０５３７号公報

ところで、上述のようなレーザ加工方法においては、切断予定ラインに沿って測定用レーザ光を照射し、加工対象物のレーザ光照射面で反射する測定用レーザ光の反射光に非点収差を付加し、非点収差が付加された反射光の集光像に応じた検出値を検出し、当該検出値が一定となるようにすることで、加工用レーザ光の集光点をレーザ光照射面に追従させることが一般的である。しかしながら、このようなレーザ加工方法では、測定用レーザ光の反射率の極端に低い領域がレーザ光照射面に部分的に存在する場合、当該領域において検出値に誤差が生じてしまい、加工用レーザ光の集光点をレーザ光照射面に精度良く追従させることができないおそれがある。

そこで、本発明は、加工用レーザ光の集光点を加工対象物のレーザ光照射面に精度良く追従させることができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、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加工用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、切断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、切断予定ラインに沿って測定用レーザ光を照射し、加工対象物において測定用レーザ光が照射するレーザ光照射面で反射する測定用レーザ光の反射光に非点収差を付加し、非点収差が付加された反射光の集光像に応じた検出値を検出し、検出値が反射光の光量に応じた所定値となるようにすることで、加工用レーザ光の集光点をレーザ光照射面に対して所定の位置に合わせることを特徴とする。

このレーザ加工方法では、測定用レーザ光の照射によって取得された検出値が測定用レーザ光の反射光の光量に応じた所定値となるようにすることで、加工用レーザ光の集光点がレーザ光照射面から所定の位置に合わせられる。そのため、例えば、測定用レーザ光の反射率の極端に低い領域がレーザ光照射面に部分的に存在し、測定用レーザ光の反射光の光量が低下しても、加工用レーザ光の集光点を加工対象物のレーザ光照射面に精度良く追従させることが可能となる。

ここで、測定用レーザ光の集光点をレーザ光照射面から所定の距離に位置させた状態において検出値と光量との対応関係を予め取得し、対応関係に基づいて検出値が反射光の光量に応じた所定値となるようにすることで、加工用レーザ光の集光点をレーザ光照射面から所定の位置に合わせることが好ましい。この場合、検出値を測定用レーザ光の反射光の光量に応じた所定値となるようにすることを容易且つ確実に実現することができる。

また、加工対象物が半導体基板を備え、改質領域が溶融処理領域を含む場合がある。

また、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工程を含むことが好ましい。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。

本発明によれば、加工用レーザ光の集光点を加工対象物のレーザ光照射面に精度良く追従させることが可能となる。

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。本実施形態の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を利用する。そこで、最初に、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（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は、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）〜（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（半導体基板）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。ちなみに、溶融処理領域の形成は多光子吸収が原因の場合のみでなく、他の吸収作用が原因の場合もある。

（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）〜（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。

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。

次に、本発明の好適な実施形態について説明する。

図１４及び図１５に示すように、加工対象物１は、シリコンウェハ１１と、複数の機能素子１５を含んでシリコンウェハ１１の表面１１ａに形成された機能素子層１６とを備えている。この加工対象物１は、いわゆるＭＥＭＳ（MicroElectro-Mechanical Systems）ウェハであり、エッチング耐性の向上のために酸化膜（不図示）が表面３に厚く形成されている。

機能素子１５は、例えば、機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路部品等であり、シリコンウェハ１１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。このような加工対象物１は、隣り合う機能素子間を通るように格子状に設定された切断予定ライン５に沿って切断され、多数の半導体チップとなる。

次に、この加工対象物１を切断する場合の一例について説明する。まず、加工対象物１の裏面２１に、エキスパンドテープを貼り付けて当該加工対象物１を載置台上に載置する。続いて、集光用レンズによりシリコンウェハ１１の内部に集光点を合わせ、加工対象物１の表面３側から加工用レーザ光を照射し、各切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域を加工対象物１の内部に形成する。そして、エキスパンドテープを拡張させることにより、改質領域を切断の起点として、加工対象物１が切断予定ライン５に沿って機能素子１５毎に精度良く切断され、複数の半導体チップが互いに離間することになる。なお、改質領域は、溶融処理領域の他に、クラック領域等を含む場合がある。

次に、上述した改質領域の形成についてより詳細に説明する。なお、ここでは、図１９に示すように、加工対象物１の切断予定ライン５に沿った方向をＸ軸方向（Ｘ座標）、加工対象物１の厚さ方向をＺ軸方向（Ｚ座標）とし、Ｘ軸方向においては加工対象物１の左端から右端に向けた方向を正方向、Ｚ軸方向においては裏面２１から表面３に向けた方向を正方向として説明する。

［ハイトセット］
まず、切断予定ライン５上で、表面３を例えばＣＣＤカメラにより集光用レンズを介して撮像し、投影されるレチクルパターンのコントラストが最大になるように載置台をＺ軸方向に相対移動させる。このときの表面３のＺ方向位置をピント位置（表面３の変位が０μｍ）とする。

続いて、測定用レーザ光を集光用レンズを介して照射し、表面３で反射した反射光を例えば４分割フォトダイオードで受光する。この反射光は、例えばシリンドリカルレンズと平凸レンズとからなる整形光学系により非点収差が付加され、４分割フォトダイオードの受光面に集光されて、当該受光面に集光像を形成する。そのため、この集光像は、加工対象物１の表面３の変位（表面３に対する測定用レーザ光の集光点の位置）に応じて変化するようになっている。よって、このように４分割フォトダイオードで反射光を受光することにより、表面３の変位が非点収差信号として取得されると共に、反射光の全光量値に相当する全光量信号が取得される。

続いて、例えばコントローラにより、非点収差信号と全光量信号とから変位センサ信号を求め、この変位センサ信号をフィードバック基準値Ｖ０（ここでは、−０．４Ｖ）として保存する。つまり、ピント位置での変位センサ信号をフィードバック基準値として保存する。なお、ここでは、全光量信号が０．５Ｖ以上であるＸ座標にてフィードバック基準値Ｖ０を求めている。これは、全光量信号の値が０．５Ｖ未満のＸ座標では、フィードバック基準値を全光量信号に応じて変化させるためである（詳しくは後述）。ちなみに、変位センサ信号とは、非点収差信号を全光量信号で除算したものであり、受光した全光量に対する非点収差信号の相対値である。これにより、光量の変化量が比較的少ない場合には、表面３の変位を安定して検出することができる。

［トレース記録］
次に、切断予定ライン５に沿うように、例えば３００ｍｍ／秒の速度で載置台を相対移動させながら測定用レーザ光を照射し、上述のようにして変位センサ信号を算出し、当該変位センサ信号がフィードバック基準値Ｖ０を維持するように、すなわち、表面３と集光用レンズとの離間距離がピント位置での離間距離になるように、例えばピエゾ素子により集光用レンズのＺ軸方向位置を制御する（トレース；図１６のＳ１）。ここでは、位置の制御は、サンプリング周期を０．０５ｍ秒とするフィードバック制御としている。

ここで、一般に、加工対象物１のようなＭＥＭＳウェハでは、上述したように形成される酸化膜が厚いことから、その膜厚にむらが生じ易く、測定用レーザ光の反射率の極端に低い領域が表面３に部分的に存在し易い。図１９に示すように、加工対象物１では、切断予定ライン５に沿った右側端部で反射率が低くなっているために全光量信号が極端に低くなっている。

このように全光量信号が極端に低くなると、Ｓ／Ｎ比が極端に悪くなり、非点収差信号に誤差成分が多く含まれてしまうことがある。そのため、加工対象物１の表面３の変位を全光量の相対値（変位センサ信号）として測定する場合でも、変位センサ信号にかかる誤差成分が大きく現れてしまう。すなわち、表面３の変位が同じであっても、全光量信号が極端に低いときの変位センサ信号が他の変位センサ信号と異なることがある。

特に、本実施形態では、図１７に示すように、測定用レーザ光の集光点Ｃの位置を表面３とせずに、表面３よりも加工対象物１の内部（表面３の変位が負となる位置）に合わせた位置としている。これは、一般に、集光点Ｃの位置が表面３であると、４分割フォトダイオードの受光面での集光像が円形状となり、全光量信号が変化しても全光量信号が異なり難い点で好ましいが、集光点Ｃの位置が表面３よりも加工対象物１の内部に合わせた位置である場合には、以下の点でより一層好ましいからである。

すなわち、上述のように、表面３の変位が測定用レーザ光の反射光の集光像の変化により非点収差信号として取得されることから、その取得可能レンジが測定用レーザ光の集光点を中心として対称な一定範囲となるため、かかる場合では変位センサ信号の取得可能レンジが加工対象物１の内部に向かう方向に全体的に移動し、よって、より深い位置に改質領域を形成し易い（すなわち、厚い加工対象物に改質領域を形成し易い）点でより一層好ましいからである。さらに、測定用レーザ光の集光点を表面３よりも加工対象物１の内部に合わせると、表面３での測定用レーザ光の集光像の面積が大きくなることから、例えば表面３に切削痕等が多く存在しても、当該切削痕が集光像に占める割合が小さくなるため、測定用レーザ光の反射光の散乱が抑制され、精度良い変位センサ信号を取得することができる点でもより一層好ましいからである。

そこで、この全光量信号と変位センサ信号との関係について、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、以下の技術的思想を見出した。

図１８は、変位が等しいレーザ光照射面における全光量信号とフィードバック基準値との関係を示す線図である。実測値Ｓより、全光量信号が所定値（ここでは、０．５V）以上の領域では、フィードバック基準値も略一定値（ここでは、−０．４Ｖ）であることがわかる。そして、全光量信号が所定値よりも低い領域では、全光量信号に応じてフィードバック基準値が所定の対応関係で変化していることがわかる。具体的には、全光量信号が０．５Ｖ未満のＸ座標では、表面３の変位が同じであっても、全光量信号が減少するにつれて変位センサ信号が増加していることがわかる。これらより、全光量信号が所定値よりも低い領域では、全光量信号に応じてフィードバック基準値を逐次に所定の対応関係で変化させればよいという技術的思想を見出した。

従って、本実施形態では、トレースに際して全光量信号をモニターし、０．５Ｖ未満の全光量信号が検出されるかどうか判断する（図１６のＳ２）。０．５Ｖ未満の全光量信号が検出されない場合には、そのまま制御信号の記録を続行する（Ｓ２→Ｓ７）。すなわち、この場合には、切断予定ライン５に沿って測定用レーザ光を照射することにより、変位センサ信号を算出し、当該変位センサ信号がフィードバック基準値Ｖ０を維持するように集光用レンズのＺ軸方向位置を制御すると共に、当該制御の制御信号（例えば、集光用レンズを駆動するピエゾの駆動信号）を記録する。

他方、０．５Ｖ未満の全光量信号が検出された場合には、以下の動作を実行する（Ｓ２→Ｓ３）。すなわち、トレースすることにより変位センサ信号を算出した後、全光量信号が０．５Ｖ未満であるＸ座標の位置に載置台を移動させる。そして、このときのＸ座標にてハイトセットを再度行って変位センサ値と全光量値を取得し、これらの取得した値を再設定基準値として記録する（Ｓ４）。

続いて、この移動及び記録を０．５Ｖ未満であるＸ座標の異なる位置にて複数回繰り返し行う。そして、記録された複数の再設定基準値に基づいて、全光量が所定値よりも低い領域においてのフィードバック基準値と全光量信号との所定の対応関係を導出する（Ｓ５）。すなわち、全光量信号が０．５Ｖ未満のＸ座標（図１９中の矢印Ｒの範囲）において全光量信号を変数とするフィードバック基準値の関数Ｕ（図１８参照）を求める。ここでは、全光量信号が０．５Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖでの各Ｘ座標にてハイトセットを行って再設定基準値をそれぞれ求め、これらを１次直線近似することにより関数Ｕとして下記（１）式を求めている。
フィードバック基準値＝−１×全光量信号＋０．１ ・・・（１）
但し、全光量信号＜０．５［Ｖ］

続いて、上記（１）式に従って再びトレースを行い（Ｓ６）、切断予定ライン５に沿って制御信号を記録する（Ｓ７）。具体的には、図１９に示すように、全光量信号が０．５Ｖ以上のＸ座標では、フィードバック基準値Ｖ０でフィードバック制御を行うと共に当該制御の制御信号を記録する一方、全光量信号が０．５Ｖ未満のＸ座標（矢印Ｒの範囲）では、上記（１）によりフィードバック基準値を全光量信号に応じて算出し、算出されたフィードバック基準値でフィードバック制御を行うと共に当該制御の制御信号を記録する。

［改質領域形成］
次に、記録した制御信号をピエゾ素子で再生し、集光用レンズを動作させると共に、シリコンウェハ１１の内部に集光点を合わせて加工用レーザ光を加工対象物１に照射する。これにより、シリコンウェハ１１の内部に改質領域を形成されることとなる。

以上、本実施形態は、上述したように、測定用レーザ光の反射光の光量が部分的に極端に減少してしまう加工対象物１に対して、変位センサ信号に誤差成分が大きく現れない領域に相当する全光量信号が０．５Vよりも高い領域にてハイトセットし、そして、全光量信号をモニターしつつトレースを行った後、モニターした全光量信号が０．５Ｖ以上である場合には、そのままトレース記録を行う一方、モニターした全光量信号において誤差成分が現れ易い領域に相当する０．５Ｖ未満の全光量信号が存在する場合には、全光量信号が０．５Ｖ未満の領域にてフィードバック基準値と全光量信号との対応関係を求め、この対応関係に従ってトレース記録をやり直す。

従って、本実施形態では、上述したように、変位センサ信号が測定用レーザ光の反射光の光量に応じた所定値となるようにすることで、加工用レーザ光の集光点が表面３から所定の位置に合わせられるため、測定用レーザ光の反射率の極端に低い領域が表面３に部分的に存在し測定用レーザ光の反射光の光量が低下しても、加工用レーザ光の集光点を加工対象物１の表面３に確実且つ精度良く追従させることが可能となり、表面３に対して所定の位置に改質領域を精度良く形成することができる。つまり、酸化膜が形成された加工対象物であって当該酸化膜にむらがあるものにおいても、加工用レーザ光の集光点を表面３に安定して追従することが可能となる。その結果、改質領域が表面３にまで達してしまったり、表面３に加工用レーザ光の集光点が近づいて機能素子１５にダメージを与えてしまったりするのを防止することができる。

さらに、本実施形態では、上述したように、上記（１）式を予め導出し、この関係式に従って加工用レーザ光の集光点を合わせている。つまり、上述した技術的思想、すなわち全光量信号が所定値よりも低い領域では、全光量信号に応じてフィードバック基準値を逐次に所定の対応関係で変化させればよいという技術的思想を最適にレーザ加工方法に適用させており、よって、変位センサ信号が全光量信号に応じたフィードバック基準値となるようにすることを容易且つ確実に実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記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、上記（１）式を１次直線近似で求めたが、曲線近似、最小二乗近似等の種々の近似解法により求めてもよい。

また、上記実施形態では、トレース記録の際に、全光量信号が０．５Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖでの各Ｘ座標にてハイトセットを行い、上記（１）式を導出したが、全光量信号とフィードバック基準値との関係式を、加工対象物の種類や特性等によって共通して用いる場合もある。なお、この場合には、レーザ光照射面の変位を測定すると同時に改質領域を形成するいわゆるリヤルタイム加工を好適に実施することができる。

また、上記実施形態では、全光量信号が０．５Ｖ未満の領域にてフィードバック基準値と全光量信号との対応関係を求め、この対応関係に従ってトレース記録をやり直したが、全光量信号が０．５Ｖ未満の領域にて集光用レンズのＺ軸方向位置を固定して、換言すると、全光量信号が０．５Ｖ未満のＸ座標では制御信号を一定値にして、トレース記録をやり直してもよい。なお、このように制御信号を一定値する場合には、リヤルタイム加工を好適に実施することができる。

また、シリコンウェハ１１でなくとも、例えば、ガリウム砒素等の半導体化合物材料、圧電材料、サファイヤ、ガラス等でもよい。また、本実施形態では、レーザ光の照射条件は、パルスピッチ幅や出力等により限定されるものではなく様々な照射条件とすることができる。

本実施形態に係るレーザ加工装置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線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置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線に沿った断面図である。 図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置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装置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装置の第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装置の第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装置の第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装置の第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装置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す図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置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。 本発明の一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を示す正面図である。 図１４中のXV−XV線に沿った部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法のフローを示す図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法における全光量信号と変位センサ信号との関係を示す線図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法における全光量信号とフィードバック基準値との関係を説明するための線図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法におけるトレース記録を説明するための図１４中のXIX−XIX線に沿った図である。

符号の説明

１…加工対象物、３…表面（レーザ光照射面）、５…切断予定ライン、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (4)

1. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて加工用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、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
   前記切断予定ラインに沿って測定用レーザ光を照射し、
   前記加工対象物において前記測定用レーザ光が照射されるレーザ光照射面で反射する前記測定用レーザ光の反射光に非点収差を付加し、
   非点収差が付加された前記反射光の集光像に応じた検出値を検出し、
   前記検出値が前記反射光の光量に応じた所定値となるようにすることで、前記加工用レーザ光の集光点を前記レーザ光照射面に対して所定の位置に合わせることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記測定用レーザ光の集光点を前記レーザ光照射面から所定の距離に位置させた状態において前記検出値と前記光量との対応関係を予め取得し、
   前記対応関係に基づいて前記検出値が前記反射光の光量に応じた所定値となるようにすることで、前記加工用レーザ光の集光点を前記レーザ光照射面に対して前記所定の位置に合わせることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工対象物は半導体基板を備え、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又は２記載のレーザ加工方法。
4. 前記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工程を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ加工方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images