JP2008110400A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に改質領域を形成するに際し、フレームに加工用レーザ光を照射してフレームに損傷を与えるのを防止することができるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 切断予定ライン５を含むライン５０上に沿って集光用レンズ１０８を相対的に移動させ、加工対象物１とフレーム２２との間に外形を有する加工領域３０上にレンズ１０８が位置している際に、測定用レーザ光Ｌ２をレンズ１０８で集光して、加工対象物１の表面３で反射されたレーザ光Ｌ２の反射光を検出する。この検出により、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐが表面３から一定の距離の位置に合うように、表面３とレンズ１０８との距離を略一定に調整しながら、レーザ光Ｌ１をレンズ１０８で集光して、溶融処理領域１３を加工対象物１の内部に形成する。
【選択図】 図２０

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。

板状の加工対象物を切断予定ラインに沿って切断する技術として、ブレードダイシング法と称されるものがある（例えば、特許文献１参照）。ブレードダイシング法では、環状のフレームに張られた拡張可能シートに板状の加工対象物を貼り付けて、これを載置台上に固定し、高速回転する切削ブレードによって加工対象物を切断予定ラインに沿って切断する。このとき、加工対象物を包囲するフレームに損傷を与えるのを防止するために、フレームの内側の領域においてのみ、切削ブレードを加工対象物に対して相対的に移動させる。

一方、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として、環状のフレームに張られた拡張可能シートに板状の加工対象物を貼り付けて、これを載置台上に固定し、加工対象物の内部に集光用レンズで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、切断の起点となる改質領域を切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に形成するものがある（例えば、特許文献２参照）。

このようなレーザ加工方法では、ブレードダイシング法と異なり、フレームの外側の領域を含めて、集光用レンズを加工対象物に対して相対的に移動させる必要性がある。その理由は、次の通りである。すなわち、加工対象物に対する集光用レンズの相対的な移動速度が等速になった状態において加工対象物に加工用レーザ光を照射するためには、加工対象物に対する集光用レンズの相対的な移動距離に、相対的な移動速度が等速になるまでの加速距離を加える必要があるからである。更に、例えば、拡張可能シートを周囲に拡張させることで、改質領域を切断の起点として加工対象物を切断予定ラインに沿って切断する場合があるが、確実な切断を実現するためには、加工対象物に対してフレームを極力小さくする必要があるからである。
特開２００６−１３３１２号公報 特開２００４−２７３８９５号公報

ところで、上述したようなレーザ加工方法には、次のような問題が存在する。例えば、測定用レーザ光を集光用レンズで集光して、測定用レーザ光の反射光の光量を検出し、その光量が所定の閾値を越えている場合に、改質領域を加工対象物の内部に形成するために、加工用レーザ光を集光用レンズで集光することがある。このとき、フレームの外側の領域を含めて、集光用レンズを加工対象物に対して相対的に移動させるので、加工対象物と同様に高反射率を有するフレームを加工対象物と誤認識し、フレームに加工用レーザ光を照射してフレームに損傷を与えたり、延いては加工対象物に損傷を与えたりするおそれがある。

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、環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に改質領域を形成するに際し、フレームに加工用レーザ光を照射してフレームに損傷を与えるのを防止することができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に集光用レンズで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、加工対象物とフレームとの間に外形を有する加工領域を設定する工程と、切断予定ラインを含むライン上に沿って集光用レンズ及び加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、集光用レンズが加工領域上に位置している際に、測定用レーザ光を集光用レンズで加工領域に向けて集光して、加工対象物のレーザ光照射面で反射された測定用レーザ光の反射光を検出することにより、加工用レーザ光の集光点がレーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、レーザ光照射面と集光用レンズとの距離を調整しながら、加工用レーザ光を集光用レンズで加工対象物に向けて集光して、改質領域を加工対象物の内部に形成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に集光用レンズで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、加工対象物とフレームとの間に外形を有する加工領域を設定する工程と、切断予定ラインを含むライン上に沿って集光用レンズ及び加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、集光用レンズが加工領域上に位置している際に、測定用レーザ光を集光用レンズで加工領域に向けて集光して、加工対象物のレーザ光照射面で反射された測定用レーザ光の反射光を検出することにより、加工用レーザ光の集光点がレーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、レーザ光照射面と集光用レンズとの距離を調整し、その調整に関する調整情報を取得する工程と、切断予定ラインを含むライン上に沿って集光用レンズ及び加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、集光用レンズが加工領域上に位置している際に、調整情報に基づいて、レーザ光照射面と集光用レンズとの距離を調整しながら、加工用レーザ光を集光用レンズで加工対象物に向けて集光して、改質領域を加工対象物の内部に形成する工程と、を含むことを特徴とする。

これらのレーザ加工方法では、加工対象物の切断予定ラインを含むライン上に沿って集光用レンズ及び加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、加工対象物とフレームとの間に外形を有する加工領域上に集光用レンズが位置している際に、測定用レーザ光を集光用レンズで加工領域に向けて集光して、加工対象物のレーザ光照射面で反射された測定用レーザ光の反射光を検出する。そして、測定用レーザ光の反射光の検出結果に基づいて、加工用レーザ光の集光点がレーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、レーザ光照射面と集光用レンズとの距離を調整しながら、加工用レーザ光を集光用レンズで加工対象物に向けて集光して、改質領域を加工対象物の内部に形成する。以上のように、これらのレーザ加工方法では、加工対象物とフレームとの間に外形を有する加工領域上に集光用レンズが位置している際に、加工用レーザ光を集光用レンズで加工対象物に向けて集光して、改質領域を加工対象物の内部に形成する。そのため、フレームの外側の領域を含めて、集光用レンズを加工対象物に対して相対的に移動させても、フレームを加工対象物と誤認識し、フレームに加工用レーザ光を照射してフレームに損傷を与えるのを防止することができる。

なお、改質領域は、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、加工対象物の内部において多光子吸収その他の光吸収を生じさせることで形成される。

本発明に係るレーザ加工方法においては、集光用レンズが加工領域上に位置している際に、測定用レーザ光を集光用レンズで加工領域に向けて集光して、加工領域で反射された測定用レーザ光の反射光の光量を検出し、光量が所定の閾値を越えている場合に、加工用レーザ光の集光点がレーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、レーザ光照射面と集光用レンズとの距離を調整することが好ましい。これにより、レーザ光照射面を基準と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。

本発明に係るレーザ加工方法においては、集光用レンズが加工領域上に位置している際に、測定用レーザ光を集光用レンズで加工領域に向けて集光して、加工領域で反射された測定用レーザ光の反射光の光量を検出し、光量が所定の閾値を越えている場合に、非点収差が付加された測定用レーザ光の反射光の集光像が一定となるように、レーザ光照射面と集光用レンズとの距離を調整することが好ましい。これにより、加工対象物のレーザ光照射面が面振れを有していても、レーザ光照射面から一定の距離の位置に改質領域を精度良く形成することができる。

本発明に係るレーザ加工方法においては、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。

本発明に係るレーザ加工方法においては、加工対象物は半導体基板を備え、改質領域は溶融処理領域を含む場合がある。

本発明によれば、環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に改質領域を形成するに際し、フレームに加工用レーザ光を照射してフレームに損傷を与えるのを防止することができる。

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、厚さ１００μｍのシリコンウェハ（半導体基板）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。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を次のようにして機能素子１５毎に切断する。まず、図１６に示すように、円環状のフレーム２２に張られたエキスパンドテープ（拡張可能シート）２３上に加工対象物１の裏面２１を貼り付ける。そして、加工対象物１の表面３を上側に向けて、加工対象物１を保持したフレーム２２及びエキスパンドテープ２３をレーザ加工装置１００の載置台１０１上に固定する。続いて、隣り合う機能素子１５，１５間を通るように切断予定ライン５を格子状に設定する（図１４参照）。そして、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の内部に集光点Ｐを合わせて加工用レーザ光Ｌ１を照射することにより、各切断予定ライン５に沿って溶融処理領域１３をシリコンウェハ１１の内部に形成する。続いて、加工対象物１を保持したフレーム２２及びエキスパンドテープ２３をエキスパンドテープ拡張装置（図示せず）に装着し、エキスパンドテープ２３を周囲に拡張させることにより、溶融処理領域１３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を切断すると共に、切断により得られた多数の半導体チップを互いに離間させる。以上により、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。なお、溶融処理領域１３には、クラックが混在する場合もある。

ここで、レーザ加工装置１００について説明する。図１６に示すように、レーザ加工装置１００は、加工対象物１が水平に載置される載置台１０１と、レーザユニット１０２と、載置台１０１及びレーザユニット１０２のそれぞれと接続された移動制御部１０３と、を備えている。移動制御部１０３は、載置台１０１を水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させると共に、レーザユニット１０２を鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動させる。

レーザユニット１０２は、加工用レーザ光Ｌ１をパルス発振する加工用レーザ光源１０４を有している。加工用レーザ光源１０４から出射された加工用レーザ光Ｌ１は、加工用レーザ光Ｌ１の通過及び遮断を選択的に行うシャッタ１０５、ビームサイズを拡大するビームエキスパンダ１０６を順次に通過して、ダイクロイックミラー１０７を透過した後、集光用レンズ１０８により集光されて加工対象物１に照射される。なお、集光用レンズ１０８には、そのＺ軸方向の位置を微調整するピエゾ素子１０９が取り付けられている。

更に、レーザユニット１０２は、後述する加工領域３０に照射するための測定用レーザ光Ｌ２を出射する測定用レーザ光源１１１を有している。測定用レーザ光源１１１から出射された測定用レーザ光Ｌ２は、ミラー１１２、ハーフミラー１１３、ダイクロイックミラー１０７で順次に反射されて、加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を下方に向かって進行した後、集光用レンズ１０８により集光されて加工領域３０に照射される。

加工領域３０に照射された測定用レーザ光Ｌ２は、加工領域３０で反射され、その測定用レーザ光の反射光Ｌ３は、集光用レンズ１０８に再入射して加工用レーザ光Ｌ１の光軸上を上方に向かって進行した後、ダイクロイックミラー１０７で反射されてハーフミラー１１３を透過する。ハーフミラー１１３を透過した測定用レーザ光の反射光Ｌ３は、シリンドリカルレンズ及び平凸レンズからなる整形光学系１１４によって、非点収差が付加されて、フォトダイオードを４等分してなる４分割フォトダイオード１１５の受光面に集光される。このように、４分割フォトダイオード１１５の受光面には、非点収差が付加された測定用レーザ光の反射光Ｌ３の集光像が形成されるので、この集光像は、加工領域３０内に位置する加工対象物１の表面（レーザ光照射面）３に対する測定用レーザ光Ｌ２の集光点の位置で変化することになる。

４分割フォトダイオード１１５には、ピエゾ素子１０９と接続された集光用レンズ制御部１１６が接続されている。集光用レンズ制御部１１６は、加工領域３０で反射された測定用レーザ光の反射光Ｌ３の光量を検出し、その光量が所定の閾値を超えている場合に、４分割フォトダイオード１１５の受光面に形成された集光像を電圧値として取得し、この電圧値が一定となるように（すなわち、集光像が一定となるように）、ピエゾ素子１０９を駆動させて、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を略一定に調整すると共に、その際のピエゾ素子１０９の駆動信号を記録する機能を有している。

以上のように構成されたレーザ加工装置１００による溶融処理領域１３の形成について、より詳細に説明する。

まず、図１７に示すように、円環状のフレーム２２に張り渡されたエキスパンドテープ２３上に加工対象物１の裏面２１を貼り付ける。そして、加工対象物１の表面３を上側に向けて、加工対象物１を保持したフレーム２２及びエキスパンドテープ２３をレーザ加工装置１００の載置台１０１上に固定する。続いて、図１８に示すように、隣り合う機能素子１５，１５間を通るように切断予定ライン５を格子状に設定すると共に、加工対象物１及びフレーム２２の少なくとも一方を基準として、加工対象物１の外径より大きく且つフレーム２２の内径より小さい外径を有する加工領域３０を設定する。つまり、加工領域３０は、加工対象物１とフレーム２２との間に外形を有することになる。

続いて、図１９に示すように、オリエンテーションフラット６に平行な切断予定ライン５を含む各ライン５０と加工領域３０の外形との交点の座標を取得する。なお、オリエンテーションフラット６に垂直な切断予定ライン５に沿って溶融処理領域１３を形成する場合は、オリエンテーションフラット６に平行な切断予定ライン５に沿って溶融処理領域１３を形成する場合と同様であるため、以下、その説明を省略する。

続いて、図２０に示すように、オリエンテーションフラット６に平行な切断予定ライン５が延在する方向に載置台１０１を移動させることにより、加工対象物１に対して集光用レンズ１０８を矢印Ｂ方向に相対的に移動させる。このとき、次の理由により、フレーム２２の外側の領域を含めて、集光用レンズ１０８を加工対象物１に対して相対的に移動させる。すなわち、加工対象物１に対する集光用レンズ１０８の相対的な移動速度が等速になった状態において加工対象物１に加工用レーザ光Ｌ１を照射するためには、加工対象物１に対する集光用レンズ１０８の相対的な移動距離に、相対的な移動速度が等速になるまでの加速距離を加える必要があるからである。更に、エキスパンドテープ２３を周囲に拡張させることで、溶融処理領域１３を切断の起点として加工対象物１を切断予定ライン５に沿って確実に切断するためには、加工対象物１に対してフレーム２２を極力小さくする必要があるからである。

加工対象物１に対する集光用レンズ１０８の相対的な移動により、切断予定ライン５を含むライン５０と加工領域３０の外形との一方の交点α１上に集光用レンズ１０８が達すると、図２０（ａ）に示すように、測定用レーザ光源１１１の制御信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となり、測定用レーザ光源１１１から測定用レーザ光Ｌ２が出射されて集光用レンズ１０８で集光される。このとき、測定用レーザ光Ｌ２はエキスパンドテープ２３で反射されるが、エキスパンドテープ２３は加工対象物１の表面３に比べて低反射率であるため、図２０（ｂ）に示すように、測定用レーザ光の反射光Ｌ３の光量は閾値Ｔに達しない。なお、このとき、図２０（ｃ）に示すように、ピエゾ素子１０９の駆動信号は「ＯＦＦ」であり、集光用レンズ１０８は所定の位置に保持されている。

続いて、切断予定ライン５を含むライン５０と加工対象物１の外縁との一方の交点β１上に集光用レンズ１０８が達すると、測定用レーザ光Ｌ２が加工対象物１の表面３で反射されるため、図２０（ｂ）に示すように、測定用レーザ光の反射光Ｌ３の光量が閾値Ｔを越える。これにより、図２０（ｃ）に示すように、ピエゾ素子１０９の駆動信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となり、測定用レーザ光の反射光Ｌ３が４分割フォトダイオード１１５の受光面に形成する集光像に基づく電圧値が一定となるように、ピエゾ素子１０９が駆動させられて、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離が略一定に調整される。

同時に、図２０（ｄ）に示すように、シャッタ１０５の制御信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となり、加工用レーザ光源１０４から出射された加工用レーザ光Ｌ１がシャッタ１０５を通過して集光用レンズ１０８で集光される。これにより、加工対象物１の表面３が面振れを有していても、切断予定ライン５に沿って、加工対象物１の表面３から一定の距離の位置（シリコンウェハ１１の内部）に溶融処理領域１３を精度良く形成することができる。なお、シャッタ１０５の制御信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となって加工用レーザ光Ｌ１が加工対象物１に照射されるタイミングは、ピエゾ素子１０９の駆動信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となるタイミングと略同時でもよいし、そのタイミングより少し遅れてもよい。

続いて、切断予定ライン５を含むライン５０と加工対象物１の外縁との他方の交点β２上に集光用レンズ１０８が達すると、測定用レーザ光Ｌ２がエキスパンドテープ２３で反射されるため、図２０（ｂ）に示すように、測定用レーザ光の反射光Ｌ３の光量が閾値Ｔを下回る。これにより、図２０（ｃ）に示すように、ピエゾ素子１０９の駆動信号が「ＯＮ」から「ＯＦＦ」となり、集光用レンズ１０８が所定の位置に保持される。同時に、図２０（ｄ）に示すように、シャッタ１０５の制御信号が「ＯＮ」から「ＯＦＦ」となり、加工用レーザ光源１０４から出射された加工用レーザ光Ｌ１の通過が遮断される。

続いて、切断予定ライン５を含むライン５０と加工領域３０の外形との他方の交点α２上に集光用レンズ１０８が達すると、図２０（ａ）に示すように、測定用レーザ光源１１１の制御信号が「ＯＮ」から「ＯＦＦ」となり、測定用レーザ光源１１１からの測定用レーザ光Ｌ２の出射が停止させられる。

以上説明したように、本実施形態のレーザ加工方法では、加工対象物１の切断予定ライン５を含むライン５０上に沿って集光用レンズ１０８を加工対象物１に対して相対的に移動させ、加工対象物１とフレーム２２との間に外形を有する加工領域３０上に集光用レンズ１０８が位置している際に、測定用レーザ光Ｌ２を集光用レンズ１０８で加工領域３０に向けて集光して、加工対象物１の表面３で反射された測定用レーザ光の反射光Ｌ３を検出する。この測定用レーザ光の反射光Ｌ３の検出により、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐが加工対象物１の表面３から一定の距離の位置に合うように、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を略一定に調整しながら、加工用レーザ光Ｌ１を集光用レンズ１０８で加工対象物１に向けて集光して、溶融処理領域１３を加工対象物１の内部に形成する。このように、本実施形態のレーザ加工方法では、加工対象物１とフレーム２２との間に外形を有する加工領域３０上に集光用レンズ１０８が位置している際に、加工用レーザ光Ｌ１を集光用レンズ１０８で加工対象物１に向けて集光して、溶融処理領域１３を加工対象物１の内部に形成する。そのため、フレーム２２の外側の領域を含めて、集光用レンズ１０８を加工対象物１に対して相対的に移動させても、フレーム２２を加工対象物と誤認識し、フレーム２２に加工用レーザ光Ｌ１を照射してフレーム２２に損傷を与えるのを防止することができる。

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、フレーム２２を横切るライン５０上に沿って集光用レンズ１０８及び加工対象物１の少なくとも一方を相対的に移動させるに際し、測定用レーザ光Ｌ２の照射を実施したままで、次のようにレーザ加工装置１００における制御を実施してもよい。すなわち、一方の側からライン５０と加工領域３０の外形との一方の交点α１上に集光用レンズ１０８が達するまで、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を調整するための測定用レーザ光の反射光Ｌ３の光量に基づく演算処理（以下、「オートフォーカス演算処理」という）を停止し、加工対象物１の厚さ方向において一定の位置に集光用レンズ１０８を固定し、且つ加工用レーザ光Ｌ１の照射を停止する。そして、一方の交点α１上からライン５０と加工対象物１の外縁との一方の交点β１上に集光用レンズ１０８が達するまで、オートフォーカス演算処理を実施し、加工対象物１の厚さ方向において一定の位置に集光用レンズ１０８を固定し、且つ加工用レーザ光Ｌ１の照射を停止する。ここで、オートフォーカス演算処理を実施しても、加工対象物１の厚さ方向において一定の位置に集光用レンズ１０８が固定されるのは、測定用レーザ光の反射光Ｌ３の光量が所定の閾値を超えないからである。そして、一方の交点β１上からライン５０と加工対象物１の外縁との他方の交点β２上に集光用レンズ１０８が達するまで、オートフォーカス演算処理を実施し、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を調整し、且つ加工用レーザ光Ｌ１の照射を実施する。

また、加工対象物１とフレーム２２との間に外形を有する加工領域３０を設定した後に、次のように、加工対象物１の内部に溶融処理領域１３を形成してもよい。

すなわち、まず、切断予定ライン５を含むライン５０上に沿って集光用レンズ１０８を加工対象物１に対して相対的に移動させ、集光用レンズ１０８が加工領域３０上に位置している際に、測定用レーザ光Ｌ２を集光用レンズ１０８で加工領域３０に向けて集光して、加工対象物１の表面３で反射された測定用レーザ光の反射光Ｌ３を検出することにより、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐが加工対象物１の表面３から一定の距離の位置に合うように、ピエゾ素子１０９を駆動させて、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を略一定に調整すると共に、その際のピエゾ素子１０９の駆動信号（調整情報）を記録する。

続いて、切断予定ライン５を含むライン５０上に沿って集光用レンズ１０８を加工対象物１に対して相対的に移動させ、集光用レンズ１０８が加工領域３０上に位置している際に、記録した駆動信号を再生してピエゾ素子１０９を駆動させ、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を略一定に調整しながら、加工用レーザ光Ｌ１を集光用レンズ１０８で加工対象物１に向けて集光して、溶融処理領域１３を加工対象物１の内部に形成する。なお、シャッタ１０５の制御信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となって加工用レーザ光Ｌ１が加工対象物１に照射されるタイミングは、ピエゾ素子１０９の駆動信号が「ＯＦＦ」から「ＯＮ」となるタイミングと略同時でもよいし、そのタイミングより少し早くてもよい。

以上のような溶融処理領域１３の形成は、加工対象物１が比較的厚く、１本の切断予定ラインに対して複数列の溶融処理領域１３を加工対象物１の厚さ方向に並ぶように形成するような場合に有効である。

また、上記実施形態では、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐが加工対象物１の表面３から一定の距離の位置に合うように、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を調整したが、加工用レーザ光Ｌ１の集光点Ｐが加工対象物１の表面３を基準として所定の位置に合うように、加工対象物１の表面３と集光用レンズ１０８との距離を調整してもよい。この場合、加工対象物１の表面３を基準として所定の位置に溶融処理領域１３を精度良く形成することができ、加工対象物１の表面３からの距離が途中で変わる溶融処理領域１３や波線状の溶融処理領域１３等を切断予定ライン５に沿って形成することが可能となる。

また、上記実施形態では、加工対象物１の表面３で反射された測定用レーザ光の反射光Ｌ３を検出したが、加工対象物１の裏面２１等、他のレーザ光照射面で反射された測定用レーザ光の反射光Ｌ３を検出してもよい。

また、上記実施形態では、加工対象物１のシリコンウェハ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、他の材料からなるウェハの内部に、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。 本実施形態の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１４に示すXV−XV線に沿っての部分断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法が実施されるレーザ加工装置の構成図である。 本実施形態のレーザ加工方法の説明図である。 図１７に続く本実施形態のレーザ加工方法の説明図である。 図１８に続く本実施形態のレーザ加工方法の説明図である。 図１９に続く本実施形態のレーザ加工方法の説明図である。

符号の説明

１…加工対象物、３…表面（レーザ光入射面）、５…切断予定ライン、１１…シリコンウェハ（半導体基板）、１３…溶融処理領域（改質領域）、２２…フレーム、２３…エキスパンドテープ（拡張可能シート）、５０…ライン、１０８…集光用レンズ、Ｌ１…加工用レーザ光、Ｌ２…測定用レーザ光、Ｌ３…測定用レーザ光の反射光、Ｐ…集光点。

Claims (7)

1. 環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に集光用レンズで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、
   前記加工対象物と前記フレームとの間に外形を有する加工領域を設定する工程と、
   前記切断予定ラインを含むライン上に沿って前記集光用レンズ及び前記加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、前記集光用レンズが前記加工領域上に位置している際に、測定用レーザ光を前記集光用レンズで前記加工領域に向けて集光して、前記加工対象物のレーザ光照射面で反射された前記測定用レーザ光の反射光を検出することにより、前記加工用レーザ光の集光点が前記レーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整しながら、前記加工用レーザ光を前記集光用レンズで前記加工対象物に向けて集光して、前記改質領域を前記加工対象物の内部に形成する工程と、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 環状のフレームに張られた拡張可能シートに貼り付けられた板状の加工対象物の内部に集光用レンズで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、
   前記加工対象物と前記フレームとの間に外形を有する加工領域を設定する工程と、
   前記切断予定ラインを含むライン上に沿って前記集光用レンズ及び前記加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、前記集光用レンズが前記加工領域上に位置している際に、測定用レーザ光を前記集光用レンズで前記加工領域に向けて集光して、前記加工対象物のレーザ光照射面で反射された前記測定用レーザ光の反射光を検出することにより、前記加工用レーザ光の集光点が前記レーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整し、その調整に関する調整情報を取得する工程と、
   前記切断予定ラインを含むライン上に沿って前記集光用レンズ及び前記加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、前記集光用レンズが前記加工領域上に位置している際に、前記調整情報に基づいて、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整しながら、前記加工用レーザ光を前記集光用レンズで前記加工対象物に向けて集光して、前記改質領域を前記加工対象物の内部に形成する工程と、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
3. 前記集光用レンズが前記加工領域上に位置している際に、前記測定用レーザ光を前記集光用レンズで前記加工領域に向けて集光して、前記加工領域で反射された前記測定用レーザ光の反射光の光量を検出し、前記光量が所定の閾値を越えている場合に、前記加工用レーザ光の集光点が前記レーザ光照射面を基準として所定の位置に合うように、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整する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. 前記集光用レンズが前記加工領域上に位置している際に、前記測定用レーザ光を前記集光用レンズで前記加工領域に向けて集光して、前記加工領域で反射された前記測定用レーザ光の反射光の光量を検出し、前記光量が所定の閾値を越えている場合に、非点収差が付加された前記測定用レーザ光の反射光の集光像が一定となるように、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整する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。
5. 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ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
6. 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１〜５のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
7. 前記フレームを横切る前記ライン上に沿って前記集光用レンズ及び前記加工対象物の少なくとも一方を相対的に移動させ、
   一方の側から前記ラインと前記加工領域の外形との一方の交点上に前記集光用レンズが達するまで、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整するための前記測定用レーザ光の反射光の光量に基づく演算処理を停止し、前記加工対象物の厚さ方向において一定の位置に前記集光用レンズを固定し、且つ前記加工用レーザ光の照射を停止し、
   前記ラインと前記加工領域の外形との一方の交点上から前記ラインと前記加工対象物の外縁との一方の交点上に前記集光用レンズが達するまで、前記測定用レーザ光の反射光の光量に基づく演算処理を実施し、前記加工対象物の厚さ方向において一定の位置に前記集光用レンズを固定し、且つ前記加工用レーザ光の照射を停止し、
   前記ラインと前記加工対象物の外縁との一方の交点上から前記ラインと前記加工対象物の外縁との他方の交点上に前記集光用レンズが達するまで、前記測定用レーザ光の反射光の光量に基づく演算処理を実施し、前記レーザ光照射面と前記集光用レンズとの距離を調整し、且つ前記加工用レーザ光の照射を実施することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のレーザ加工方法。

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