JP2008264843A

JP2008264843A - 加工微細粉末の影響を排除した微細加工方法

Info

Publication number: JP2008264843A
Application number: JP2007112844A
Authority: JP
Inventors: Takashi Arisawa; 孝有澤; Yasuo Shimizu; 康男清水
Original assignee: ALLIED LASER KK
Current assignee: ALLIED LASER KK
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】レンズなどの光学系を汚染しない、加工微細粉末の影響を排除した微細加工方法を提供する。
【解決手段】対物レンズ鏡筒先端にはフィルム押さえ板上部(4-2)とフィルム押さえ板下部(4-3)が取り付けられており間に設けられたスリット状の隙間(4-4)から、フィルム供給軸(4-5)に巻きつけられたフィルム(4-6)を対物レンズの直下を通過させて反対側においてフィルム(4-9)をモーターで駆動される巻取り軸(4-10)で巻き取る。したがって、加工粉末で汚染されたフィルム部分は少しずつ移動するために常に新しい面を供給して汚染によるレーザー光の損失や汚染膜のレーザー光による焼損を防止することができる。フィルム供給軸(4-5)はフィルム(4-6)が無くなる前にセンサー(4-7)を持つフィルム保持モニター(4-8)により警告を発するようになっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザーなどの光を用いて加工する場合において極めて長期にわたり加工粉による集光光学系への汚染を防止しながら装置を掃除などのごみ除去のために休止させることなく微細加工を行う技術に関するものである。

従来、半導体や液晶などに見られるように透明体基板上に電気回路などを設けることにより微細な素子を個片化する場合、あるいは、ガラスやニオブ酸リチウムなどの単体透明体の微細裁断においては、回転砥石などのダイシング装置を用いてこれを行っている。この場合には加工粉末を水などの液体で洗浄することによりごみの除去を行いながら運転を継続するが、レーザーを用いて乾式で加工する場合には微細な加工粉末が飛散するために、これらが素子に付着し残存することにより歩留まりが悪くなるなどの大きな問題が従来存在した。これを避けるために光学素子に空気の流れを作りながら加工粉末が光学素子に付着しないように配慮するが、レーザーの加工により噴出する加工粉は大きなエネルギーを有するために気体の流れだけで排除することは難しい。また、極めて高圧で排除しようとした場合には加工対象となる素子を粘着テープなどから吹き飛ばしてしまうなどの問題がある。さらに、物理的に接触させながらごみを除去しようとしてもこれらの粉末の一部はレーザーにより一旦蒸発したり溶かされたりしたものであるために簡単に除去することは不可能である。このために定期的に装置の掃除を行う必要があることや素子に固着した粉末のために後のプロセスにおいて製品歩留まりを低下させることから、極めて長時間にわたり乾式加工を実現することは極めて困難であった。

以下のような課題を解決する必要があった。
・レーザー光による加工を行ってもレーザー光により固体表面から高速で蒸発するごみが空中に放出されて光学素子を汚染したり、素子に付着して製品の品質を劣化させることの無い方法を実現すること。
・加工によりたとえごみが発生したとしてもごみにより集光光学系などの汚染が発生し長時間運転ができなくなることを排除すること。

上記課題を解決するために以下の発明を行った。

・透明体の表面回路を破損せずに裏側に溝加工を行うことのできるレーザー照射条件を求めること。透明体を通過する光は弱ければ何も反応を行うことなくそのまま通過するが、強い光では非線形的な反応を誘起して物質と光とは反応する。この条件を利用してレーザー光を加工物の表面でなく裏面付近の局所に集光させることにより加工を行うことが可能となる。ここに言う透明体とは使用するレーザー波長に対して透明ということであり、可視光である必要はなく、また特定の波長に対して透明ということではない。表面が加工されずに裏面近辺を加工するには光と物質との非線形反応を実現する必要があり、これを決めるには、レーザー光の条件として、波長、出力、繰り返し数、パルス幅、出力などがあり、また、光学系の条件としては、焦点距離、焦点位置、などがあり、さらに、ステージの速度などの条件を最適化する必要がある。種々の材質や厚さなどにおいてこれらの条件を求め実施した。

・透明体でなく吸収体の場合には表面加工をせざるを得なくなるためにごみが発生する。この場合、発生するごみからレンズなどの光学素子を防止するために、少ない損失を有する薄膜を設置し、しかもこれをゆっくりと移動させることにより、常に新規な面をレーザー光が通過するようにした。この際、薄膜とは言え屈折率の異なる媒質を出入りすることからレーザー光の損失が発せするため、薄膜内部に多層的に屈折率の異なる薄膜を多重に重ね合わせて使用するレーザー波長に対する損失を抑制した薄膜を使用した。

表面加工（不透明体加工）と裏面加工（透明体加工）との比較
表面加工では表面が熱的に変質していることが色の変化よりわかるが、同時に、加工粉が周囲に飛び散っており、電極の酸化やごみによる汚れは後の工程において製品の歩留まりを劣化させる。以下の試験ではサファイア基板のＧａＮ半導体の加工を行ったものである。当該加工対象については以下のような条件を定めた。
・厚さ：80μｍ
・ＧａＮ厚さ：約2μm
・素子の大きさ：240μm平方
・レーザー出力：１Ｗ
・レーザー波長：532nm
・ステージ速度：200mm/sec
・焦点深さ：50nm（レーザー光が裏面に到達する距離を透明体の屈折率データから割り出して求める。）
結果について簡単に説明する。

図3に示すように、直接表面を加工する場合にはごみの発生(左)や熱影響(右)のために素子が劣化するため製品の歩留まりが悪くなる。

図4に示すように、表面から加工した場合には表面に存在する回路がそのまま加工されるため、回路近辺に与える影響が大きい。

図5に示すように、表面からテープに貼り付けた裏面を加工した場合には表面には特段の変化は見られない(左上)し、表面から裏面に焦点を合わせて撮影した顕微鏡では裏面に加工できることが表面を通してわかる(右上)。裏から撮影すると加工が確実に行われていることがわかる(右下)。また、断面を見ると右側の裏面から加工が暑さの2/3程度行われているにもかかわらず、左側の回路の層が何らの影響を受けずに残っていることがわかる。(左下)
また、不透明体加工において表面のみを加工する場合には保護膜を用いることにより光の損失無く加工粉末からレンズを保護しながら200時間運転することができた。

以下に、本発明の方法を、一連の手順に従い説明する。
（１）粘着テープへの透明加工物の貼り付け
透明体表面に回路を形成した素子の厚さは通常50μm程度から500μm程度のものが多い。回路面を粘着テープ側に貼り付け、裏から加工すれば表面は正常に保たれるが、実際には回路を表にして張り付け加工することが後の一連のプロセスにとって必要となっている。
（2）透明加工物に対する焦点及び焦点深さの設定
レーザー光の集光により表面が加工されずに裏面が加工される条件を材料とレーザーの反応性がレーザー強度、波長、レーザービーム形状などに依存することを考慮しながら選定する。
（３）透明体の加工
レーザー光を裏面に集光する場合に表面の回路などは加工されないため、加工時に発生するごみは裏面のみである。裏面の加工により発生する粉末状のごみは加工により生ずる亀裂隙間と粘着テープの間に保持されるために、ごみは大気中には放出されない。
（４）吸収体の加工における光学系保護フィルムの設置
吸収体の加工においては多層膜薄膜をカバーにする。多層膜薄膜は屈折率の大きい透明体と屈折率の小さい透明体とを交互に重ねた膜であり、何回も素材を重ね合わせて延伸させることにより薄膜化して作製されたものであり、いわゆるブラッグの条件を満たすものとして使用するレーザーの波長に対して反射損失の無いものを選定する。
（５）保護フィルムの移動
保護フィルムを移動しながら常に新鮮な面をレーザー光が透過するようにする。移動速度が遅い場合には僅かの汚れが蓄積されてこれがレーザー光の吸収中心となり破損を引き起こすことになるため、保護フィルムの移動速度は汚れの度合いに応じてあらかじめ決定しておく必要がある。比較的汚れ易い物においては、膜を一直線上（Ｘ軸：薄膜の進行方向）に移動させるのではなくＸ軸と直角であるＹ軸方向に移動させることにより膜の全面積を有効に利用することを考える。

(実施例１)透明体加工の場合
図1に示す加工装置により実施した。レーザー光(1)はビーム偏光やマスク調整を行うユニット(2)で調整された後に集光系(5)を通して粘着テープ上に貼られた加工物(7)上に焦点を結ぶ。ステージ(8)の移動により加工物を切断する。焦点位置を加工物の厚さのどの部分に照射するかをビームスプリッター(4)で加工物からの反射光をカメラ(6)で確認しながら行う。図２はその装置写真である。
加工物は薄膜状であり一般には数10〜数100μｍの厚さである。

加工物は層状に形成されたものでも透明体単体のものについても同様であるが、ここでは1層目が薄膜回路、2層目が透明体の場合について説明する。図３［1］に示すようにその表面(3-1)に回路がリソグラフィーやコーティングなどにより作製されている。この回路部分は極めて薄くレーザーの波長を選ぶことによって加工物(3-2)の裏面にまでほとんど損失無く光を透過させることができる。図３の加工物質のエネルギーレベル図［3］に示すように一般に透明体の場合には価電子帯（3-6）に価電子が束縛されておりその動きが制限されている。これにレーザー光を照射してエネルギーギャップＥ_２を超えるエネルギーを与えれば伝導帯（3-7）に電子が励起されそれによりエネルギーが運搬され材料加工に結びつく。しかしながら通常エネルギーギャップは大きく短い波長を与えない限りエネルギーギャップを越えないエネルギーであるために、伝導帯にまで励起されることは無い。したがって通常のレーザー光はそのまま物質とは反応することなく透過する。ここで光を集光し強い光とすると光の電場により物質内の電子が力を受けるために一部の電子がトンネル効果により移動する。この電子の移動がトリガーとなって伝導帯が励起される。弱い光ではh₀のレベルまでしか与えられないのに対して強い光の場においては光子密度が高いためにh₀が同時に2個以上吸収されるような状態で伝導帯(3-7)に励起される。透明体中にイオンなどが含まれている場合にはより励起されるレベルが明らかとなり、レベルE₁が存在するために、このレベルを足場としてより共鳴に近い励起が行われるために1/(E₁-h₀)に比例するような形で光子を多数個同時に吸収して非線形効果によりエネルギーを得ることがより低いレーザー光強度で可能となる。励起を有効に誘導するイオンが無い場合にはより高い強度を必要とするために、表面で反応させずに裏面のみで反応させるレーザー光強度の条件はより範囲の狭いものとなる。

図３の［2］に示すように、集光されたレーザー光(3-5)はプリントされた表面の回路部分(3-1)を通過して透明体基板部分(3-2)に焦点を結び非線形効果によりこの点で加工が行われる。このとき回路部分でのレーザー光強度は十分に集光されずに単位面積当たりの強度が小さく非線形的な反応を生じない。加工物透明体はテープ(3-3)に貼られているために透明体内部とテープとの間に発生する亀裂(3-4)に発生した加工粉末を保持したまま外に出ることは無い。

(実施例2)吸収体加工の場合
吸収体の場合には図３の［2］の表面部分(3-1)から(3-2)の内部まで加工されるために加工粉末は表面に放出されることとなる。この放出速度は極めて高速であり、通常ガス体などで吹き飛ばすことはできない。また、極めて高圧ガスで吹き飛ばそうとすれば加工物が吹き飛ぶこととなり、加工自体が困難となる。この場合には図1の(5)の対物レンズを粉末から保護する必要がある。そのためには図４の対物レンズ鏡筒出口部(4-1)をレーザー光は通すが粉末は通さない光学薄膜で遮断する必要がある。対物レンズ鏡筒先端にはフィルム押さえ板上部(4-2)とフィルム押さえ板下部(4-3)が取り付けられており間に設けられたスリット状の隙間(4-4)から、フィルム供給軸(4-5)に巻きつけられたフィルム(4-6)を対物レンズの直下を通過させて反対側においてフィルム(4-9)をモーターで駆動される巻取り軸(4-10)で巻き取る。したがって、加工粉末で汚染されたフィルム部分は少しずつ移動するために常に新しい面を供給して汚染によるレーザー光の損失や汚染膜のレーザー光による焼損を防止することができる。フィルム供給軸(4-5)はフィルム(4-6)が無くなる前にセンサー(4-7)を持つフィルム保持モニター(4-8)により警告を発するようになっている。

(実施例2)保護膜の説明
図5に示すように、保護膜がレーザー光透過するような単純な1枚の膜を使用する場合には空気中の光が保護膜に入射する時と出る時では媒質の屈折率が大きく変わるために反射損失が発生する。このために図5の薄膜入射光(5-1)は入射時の反射(5-2)及び出射(5-3)において損失が発生するために出射する光(5-3)は損失を受けるとともに、薄膜移動時の変動などによっても影響を受ける。このために、使用するレーザー光の波長の半分の厚さの高屈折率物質(2-6)と同じ厚さの低屈折率物質(2-7)の薄膜を互い違いに積層させて作成した多層膜薄膜を用いる。膜の厚さは元の一体物の薄膜と同じ程度であり、強度などは同程度となる。これによって薄膜は反射損失を極めて小さな値に抑えることができる。

レーザーを薄膜透明体の厚さ方向に微小な焦点位置決めを行いながら加工するための装置レーザー微細加工装置の写真加工物となる透明薄膜の表面回路と基板の加工を示した図非吸収体で表面加工を行う場合に発生する加工粉末から対物レンズを保護しながら運転するための保護フィルム移動装置保護フィルムに単一の薄膜を用いる場合と同程度の厚さの多層膜薄膜を用いる場合の説明従来技術を用いた素子の加工を示した表面図図６の断面図本発明の効果を示す素子の加工を示す図

符号の説明

(図1の符号説明)
(1)レーザー光、(2)ビーム偏光やマスク調整を行う光学ユニット、（3）出力計、(4)ビームスプリッター、(5)集光系、(6)カメラ、 (7)加工物、(8)ステージ、
(図3の符号説明)
(3-1)回路などが印刷された加工物表面、(3-2)透明体加工物、(3-3)加工物を貼り付けるための粘着テープ、（3-4）レーザー光の照射により発生した亀裂(この部分に加工粉末が保持される)、(3-5)集光されたレーザー光、（3-6）価電子帯、（3-7）伝導帯、
Ｅ_２エネルギーバンドギャップ、ｈ₀ レーザー光子エネルギー、E₁透明体内部に含有されるイオンによるエネルギーレベル
(図4の符号説明)
(4-1)対物レンズ鏡筒出口部、(4-2)フィルム押さえ板上部、(4-3)フィルム押さえ板下部、(4-4)スリット状の隙間、(4-5)フィルム供給軸、(4-6)供給側防護フィルム、(4-7)フィルムセンサー、(4−8)センサーホルダー、(4−9)巻き取り側防護フィルム、(4−10)フィルム巻き取り軸
(図5の符号説明)
(5-1)薄膜入射光、(5-2)入射時の反射、(5-3)出射光、(5−4)単体防護フィルム、(5−5)出射光損失、 (5-6) 屈折率の低い材料で作られたレーザー光の波長の半分の厚さの薄膜,(5-7)屈折率の高い材料で作られたレーザー光の波長の半分の厚さの薄膜、(5-8)屈折率が高い薄膜の厚さ、(5-9)屈折率が低い薄膜の厚さ

Claims

透明体単体あるいは透明体を基盤としてその表面に微細回路などが形成された素材を表面からレーザー光を照射することによりスクライブして割断する場合に、レーザーの有する強い光強度により物質の持つエネルギー状態との非線形反応を用いて透明体の表面の回路には何らの損傷を与えることなく反対側の局所において高いエネルギー状態にまで物質の状態を引き上げ、これによって通常では透過する光を物質に効果的に吸収させることにより物質の微細な一部を破壊に導きながら、これを連続的に移動させ線状にスクライブ加工を行い、その際発生する加工粉末を粘着テープと加工物との間に発生する僅かの亀裂内に保持させることによりごみを発生させること無く加工することで長時間装置をノンストップで運転できると同時に素子にごみを固着させることも無く高い歩留まりを実現できることを特徴とする加工方法。
粘着テープに貼り付けた加工対象がレーザー光を吸収してしまう場合には裏面に光を集光させることができなくなるために、発生する微細な加工ごみによりレーザー光を集光させるための集光光学系を汚してしまい、それにより光学素子に光の吸収が発生し、レンズやミラーあるいはウインドウなどの光学素子を破損してしまうこととなるため、これらの光学系をレーザー光の出口と加工物との間に、薄膜、とりわけ、使用するレーザー波長を反射することのないように多層膜状に加工した薄膜を置き、これを順次移動させることにより長時間にわたり光学系がごみで汚染されることの無いことを特徴とする方法。