JP2009113095A - レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、単一のレーザー加工装置を用いて、加工可能な対象物の種類を増やすことができ、さらに加工速度および加工品質を向上させることができる、より汎用的なレーザー加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ウェーハＷの表面からレーザー光を入射させて前記ウェーハＷの内部に改質領域Ｐを形成し、前記ウェーハＷを個々のチップに分割するレーザー加工装置１０において、前記ウェーハＷに向けてレーザー光を照射するレーザーヘッド４０が設けられ、該レーザーヘッド４０は、レーザー発振器２１と、発振されたレーザー光を集光する複数の対物レンズ２４ａ〜２４ｃと、前記複数の対物レンズ２４ａ〜２４ｃを交換可能に備える対物レンズ交換手段２５と、を備えることを特徴とするレーザー加工装置１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー加工装置に係り、特にウェーハから半導体装置や電子部品などの個々のチップにレーザー光を用いて分割するレーザー加工装置に関する。

従来、表面に半導体装置や電子部品などが形成されたウェーハを個々のチップに分割するには、ダイシングブレードと呼ばれる砥石でウェーハに研削溝を入れて、ウェーハをカットするダイシング装置が用いられていた。ダイシングブレードは、微細なダイヤモンド砥粒をＮｉで電着したもので、厚さ３０μｍ程度の極薄のものが用いられる。

このダイシングブレードを３０，０００〜６０，０００ｒｐｍで高速回転させてウェーハに切込み、ウェーハを完全切断（フルカット）又は不完全切断（ハーフカット或いはセミフルカット）していた。ハーフカットはウェーハに厚さの半分程度切り込む方法で、セミフルカットは１０μｍ程度の肉厚を残して研削溝を形成する方法のことである。

しかし、このダイシングブレードによる研削加工の場合、ウェーハが高脆性材料であるため、脆性モード加工となり、ウェーハの表面や裏面にチッピングが生じ、このチッピングが分割されたチップの性能を低下させる要因になっていた。特に裏面に生じたチッピングはクラックが除々に内部に進行するため大きな問題となっていた。

このような問題に対して、従来のダイシングブレードによる切断に替えて、ウェーハの内部に集光点を合わせたレーザー光を入射し、ウェーハ内部に多光子吸収による改質領域を複数形成して引き離し、個々のチップに分割するレーザーダイシング装置及びダイシング方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１１９４６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているレーザーダイシング装置では、幅広い種類の加工対象物（以下、「ワーク」ともいう）の加工が困難であった。例えば、加工対象物の厚みが薄い薄物ワークに特化した光学系においては、厚みが厚い厚物ワークの加工には時間がかかっていた。逆に、厚物ワークに特化した光学系では、薄物ワークの加工が困難であった。また、どちらの加工も可能な光学系であっても、厚物ワークでは時間がかかり、薄物ワークでは品質が低下する問題があった。更に、厚物ワークに特化した光学系では、ワーク表面近傍の領域の加工において、表面にダメージを与えることがあった。

また、どのような加工対象においても単一の光学系で加工する必要があるため、加工品質には限界があった。例えば、厚物ワークであっても、表面近傍での加工は薄物用の光学系を用いたほうが良好な加工品質を得ることができるが、装置が厚物用の光学系であるため、適した装置を用いて加工を行うことが困難であった。さらに、光学系を変更した場合は、煩雑な光学系の調節が必要であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、単一のレーザー加工装置を用いて、複数の光学系を実現することが可能であり、加工可能な対象物の種類を増やすことができ、さらに、加工速度を上昇させ、加工品質を向上させることができ、より汎用的なレーザー加工装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は前記目的を達成するために、ウェーハの表面からレーザー光を入射させて前記ウェーハの内部に改質領域を形成し、前記ウェーハを個々のチップに分割するレーザー加工装置において、前記ウェーハに向けてレーザー光を照射するレーザーヘッドが設けられ、該レーザーヘッドは、レーザー発振器と、発振されたレーザー光を集光する複数の対物レンズと、前記複数の対物レンズを交換可能に備える対物レンズ交換手段と、を備えることを特徴とするレーザー加工装置を提供する。

請求項１によれば、複数の対物レンズを備えているため、加工対象物により対物レンズを変更することができ、１つのレーザー加工装置により複数の加工対象物の改質領域を形成することが可能である。また、対物レンズを変更することにより、最適な光学系で加工を行うことができるので、良好な品質で加工を行うことができる。

請求項２は請求項１において、前記複数の対物レンズは、前記対物レンズ交換手段により、前記ウェーハに適した対物レンズに自動で交換可能であることを特徴とする。

請求項２によれば、ウェーハの厚みに対して、適した光学系に自動で対物レンズが交換され、好ましい光学系で改質領域を形成することができ、良好な品質で加工を行うことができる。

請求項３は請求項１または２において、前記対物レンズ交換手段がリボルバーにより交換されることを特徴とする。

請求項３によれば、リボルバーにより対物レンズを交換することができるので、交換後、特定の位置に対物レンズを置き易くなるため、光軸の調節を行いやすくなる。

請求項４は請求項２または３において、前記交換後の対物レンズの光軸を自動で調節することを特徴とする。

請求項４によれば、変更した光学系の光軸を自動で調整することができるため、手動で行うという煩わしさをなくすことができる。

請求項５は請求項４において、光軸調整用ミラーおよび一対の調整ミラーを備え、前記対物レンズの交換後、該光軸調整用ミラーの反射光を、該一対の調整ミラーを調整することにより、ＣＣＤカメラに投影することを特徴とする。

請求項５は、変更した光学系の光軸を自動で調節するための装置について規定したものであり、加工用のレーザービームを光軸調整用ミラーに反射させ、その反射光を一対の調整ミラーにより調節することによりＣＣＤカメラに投影することを特徴とする。したがって、光軸の微調整を容易に行うことができる。

請求項６は請求項５において、前記一対の調整ミラーをピエゾ素子による振動により調節することを特徴とする。

請求項６によれば、一対の調整ミラーの調整をピエゾ素子による振動により行っているため、微調整を容易に行うことができる。

本発明によれば、単一のレーザー加工装置を用いても、複数の光学系を実現することが可能であり、加工可能な対象物の種類を増やすことができ、加工速度を上昇させることができる、より汎用的なレーザー加工装置を提供することができる。

以下、添付図面にしたがって本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。

図１は、本発明に係るレーザー加工装置の概略構成図である。レーザー加工装置１０は、図１に示すように、ウェーハ移動部１１、レーザー光学部２０と観察光学部３０とからなるレーザーヘッド４０、制御部５０、ウェーハアライメント用顕微鏡６０等から構成されている。

ウェーハ移動部１１は、レーザー加工装置１０の本体ベース１６に設けられたＸθテーブル１２、Ｘθテーブル１２に載置されテープＴを介してフレームＦにマウントされたウェーハＷを吸着保持する吸着ステージ１３等からなっている。このウェーハ移動部１１によって、ウェーハＷが図のＸθ方向に精密に移動される。

レーザー光学部２０は、レーザー発振器２１、コリメートレンズ２２、一対の調整ミラー２３ａ、２３ｂ、対物レンズ２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよびこの対物レンズ２４ａ〜２４ｃを移動可能に有する対物レンズ交換リボルバー２５、対物レンズ交換リボルバー２５を自動で移動可能なリボルバー駆動モーター２６等で構成されている。レーザー光学部２０は、ＹＺ方向に移動させる機構を有し、このＹＺ移動機構と、ウェーハ移動部１１に設けられたＸθテーブル１２により、ウェーハＷに対するレーザーの位置を調節する。

このレーザー光学部２０に設けられている複数の対物レンズ２４ａ〜２４ｃは、図１に示すように半球体状の対物レンズ交換リボルバー２５の球面側に所定の間隔を有し、配置されている。対物レンズ２４ａ〜２４ｃは、ウェーハの厚みに対応して対物レンズを交換することにより、最適な光学系で改質領域を形成することが可能である。なお、図１においては、対物レンズの数は３個であるが、対物レンズの数は特に限定されず、加工を行う対象物に応じて、複数設けることができる。

対物レンズ交換リボルバー２５は、リボルバー駆動モーター２６を備え、モーターにより自動でウェーハの厚みに対応する対物レンズ２４ａ〜２４ｃに交換される。このような構成とすることにより、１つのレーザー加工装置において、さまざまな種類の加工対象物に対して、最適の光学条件で加工を行うことができる。

なお、図１においては、対物レンズ交換手段として、対物レンズ交換リボルバーを用いているが、本発明はこれに限定されず、例えば、対物レンズを直線状に並べ、スライドさせることにより交換することも可能である。

ウェーハの厚みは、表面検出手段２７により測定することができる。表面検出手段２７としては、静電容量式検出器が用いられ、非接触でウェーハ表面の厚みを検出することができる。なお、表面検出手段２７としては、静電容量検出器の他に、種々の光学式検出器やエアーマイクロメータなどの既知の非接触検出器を用いることができる。ここで、検出されたウェーハの厚みに対応して、リボルバー駆動モーター２６により、対物レンズ交換リボルバー２５を駆動させ、最適の対物レンズ２４により、改質領域を形成することができる。

また、観察光学部３０は、ハーフミラー３３、コンデンスレンズ３４、観察手段としてのＣＣＤカメラ３５、画像処理装置３８、テレビモニタ３６等で構成されている。

レーザー光学部２０では、レーザー発振器２１から発振されたレーザー光はコリメートレンズ２２、調整ミラー２３、対物レンズ２４等の光学系を経てウェーハＷの内部に集光される。ここでは、集光点におけるピークパワー密度が１×１０^８(Ｗ／ｃｍ^２）以上でかつパルス幅が１μｓ以下の条件で、ダイシングシートに対して透過性を有するレーザー光が用いられる。

観察光学部３０は、光学系のアライメントに用いられる。対物レンズ交換リボルバー２５により最適の対物レンズが設定された後に、光軸のアライメントを行う必要がある。光軸のアライメントは、まず、本体ベース１６上に設けられたＸθテーブル１２と図示しないレーザー側のＹＺ移動機構の相対移動により、対物レンズ２４の下に、光軸調整ミラー３１を設置する。レーザー発振器２１から照射されたレーザー光はコリメートレンズ２２、調整ミラー２３ａ、２３ｂ、対物レンズ２４などの光学系を経て、光軸調整ミラー３１の表面を照射する。光軸調整ミラー３１の表面からの反射光は対物レンズ２４、調整ミラー２３ａ、２３ｂ、ハーフミラー３３およびコンデンスレンズ３４を経由して観察手段としてのＣＣＤカメラ３５に投影しレーザー光路のズレが撮像される。

この撮像データは画像処理装置３８に入力され、光軸のアライメントに用いられるとともに、制御部５０を経てテレビモニタ３６に写し出される。

制御部５０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路部等からなり、レーザー加工装置１０の各部の動作を制御する。

光軸のアライメントは、調整ミラー２３ａ、２３ｂ、リボルバー駆動モーター２６を調節することにより行われる。調整ミラー２３ａ、２３ｂの調節は、ピエゾ素子で調整ミラー２３ａ、２３ｂを駆動させて行う。具体的には、電圧印加によって伸縮する圧電素子を用い、この圧電素子の伸縮によって、調整ミラー２３ａ、２３ｂの位置を微小に調節する。また、リボルバー駆動モーター２６を極微小回転可能なものとし、この回転方向の微小移動も併用することができる。このように、レーザー光の集光点を精密に位置決めできるようになっている。

また、レーザーヘッド４０の外部には、ウェーハＷのアライメントを行うウェーハアライメント顕微鏡６０を備える。ウェーハアライメント顕微鏡６０は、対物レンズ６１、コリメートレンズ６２を有する、Ｘθテーブル１２により、対物レンズ６２の下にウェーハＷを移動し、ウェーハアライメント顕微鏡６０を用いて、ウェーハＷの表面画像を撮像し、ウェーハＷのアライメントを行う。

レーザー加工装置１０はこの他に、図示しないウェーハカセットエレベータ、ウェーハ搬送手段、操作板、および表示灯などから構成されている。ウェーハカセットエレベータは、ウェーハが格納されたカセットを上下移動して搬送位置に位置決めする。搬送手段はカセットと吸着ステージ１３との間でウェーハを搬送する。操作板には、レーザー加工装置１０の各部を操作するスイッチ類や表示装置が取り付けられている。表示灯は、レーザー加工装置１０の加工中、加工終了、非常停止などの稼動状況を表示する。

なお、図１は外部にウェーハアライメント顕微鏡６０を有する構成について記載したが、ウェーハアライメント６０を有さず、観察光学部３０によりウェーハＷのアライメントを行うこともできる。この場合、ウェーハＷの表面画像は、上述した光軸のアライメントと同様に、対物レンズ２４、調整ミラー２３ａ、２３ｂ、ハーフミラー３３およびコンデンスレンズ３４を経由して観察手段としてのＣＣＤカメラ３５にウェーハＷの表面画像を撮像し、ウェーハＷのアライメントを行うことができる。

また、図１は、ウェーハの移動部１１として、テーブルをＸθテーブル１２とし、レーザー側をＹＺに移動させる機構としてが、ウェーハの移動部１１のテーブルをＸＹＺθテーブルとして、移動部１１によりウェーハの位置を調整することも可能である。この場合、図１においては、光軸調整ミラー３１をスタンド３２により設置しているが、光軸調整ミラー３１においても、ＸＹＺθテーブルにより設置することが好ましい。

図２は、ウェーハ内部の集光点近傍に形成される改質領域を説明する概念図である。図２（ａ）は、ウェーハＷの内部に入射された加工用のレーザー光Ｌが集光点Ｐに改質領域Ｐを形成した状態を示し、図２（ｂ）は、パルス状の加工用レーザー光ＬをウェーハＷの表面に平行に走査して、内部に複数の不連続な改質領域Ｐ、Ｐ、・・・が並んで形成された状態を摸式的に表している。

この状態でウェーハＷは改質領域Ｐを起点として自然に、或いは僅かな外力を加えることによって改質領域Ｐ、Ｐ、・・・に沿って割断される。この場合、ウェーハＷは、表面や裏面には、チッピングが発生せずに容易にチップに分割される。

また、ウェーハＷは、裏面にテープＴが貼られダイシング用のフレームＦにマウントされているので、個々のチップに分割されても個々のチップがバラバラになることがない。

次に、本発明に係るレーザー加工装置１０の作用について説明する。ダイシングにあたって、最初に吸着ステージ１３に載置されたウェーハＷの厚みを表面検出手段２７により測定し、加工に適した対物レンズ２４に設定される。

次に対物レンズ２４を変更することにより、光軸がずれるため、光軸のアライメントを行う。光軸の調整はウェーハ移動部１１に載置された光軸調整ミラー３１を用いて行う。光軸調整ミラー３１は、ＣＣＤカメラ３５で表面の回路パターンやアライメントマークが撮影され、画像処理装置３８を有する観察光学部３０によってアライメントされる。具体的には、レーザーヘッド４０内に設けられた調整ミラー２３ａ、２３ｂを微動させることにより、調節を行う。調整ミラー２３ａ、２３ｂを微動させる方法としては、特に限定されないが、例えば、ピエゾ素子を用いて駆動させる方法をとることができる。また、リボルバー駆動モーター２６の回転方向の微小移動を併用し調節を行う。

次に、レーザー発振器２１からレーザー光Ｌが出射され、レーザー光Ｌはコリメートレンズ２２、調整ミラー２３ａ、２３ｂ、対物レンズ２４などの光学系を経由してウェーハＷの上面に照射される。

照射されるレーザー光の集光点のＺ方向の位置は、レーザー側のＹＺ方向移動機構あるいはＸＹＺθテーブルによるウェーハＷのＺ方向位置調整、および用いられる対物レンズ２４によって、ウェーハ内部の所定位置に正確に設定される。

この状態でＸＹＺθテーブル１２がダイシング方向であるＸ方向に加工送りされる。これにより、ウェーハ内部に多光子吸収による改質領域Ｐが１ライン形成される。

このとき対物レンズ交換リボルバー２５内に設けられたリニア微動手段によって対物レンズ２４が往復微小移動され、レーザー光がウェーハＷと平行にＸ方向、又は任意のＸＹ方向に振動され、レーザー光の集光点がウェーハ内部で微小振動しながら改質領域Ｐを形成していく。また、必要に応じ、Ｚ方向の振動を加えてもよい。

また、レーザー光を加工方向であるＸ方向にゆっくり往復微動送りさせながらウェーハＷをＸ方向に送ることにより、レーザー光をミシン目のように行きつ戻りつの状態で繰返し照射するようにしてもよい。

このようにレーザー光が振動しながらウェーハＷに繰返し照射されるので、一度形成された改質領域Ｐに更にエネルギーが加えられるため、ウェーハＷは、改質領域Ｐを起点により割断されやすくなる。

１ラインのレーザーダイシングが行われると、レーザー側のＹＺ方向移動機構あるいはＸＹＺθテーブルがＹ方向に１ピッチ割り出し送りされ、次のラインも同様にレーザーダイシングされる。全てのラインがレーザーダイシングされると、Ｘθテーブル１２あるいはＸＹＺθテーブルが９０°回転され、先ほどのラインと直交するラインも同様にして全てレーザーダイシングされ、ウェーハＷは個々のチップに分割されて１枚のウェーハＷのレーザーダイシングが完了する。

このように、加工前にウェーハＷの厚みを測定し、ウェーハＷの厚みに最適な光学系で改質領域を形成することができるので、加工可能な対象物の種類を増やすことができる。また、対象物に最適な対物レンズで加工を行うことができるので、加工品質を向上させ、スキャンの本数を減らすことができるので、加工速度も向上させることができる。

本発明に係るレーザー加工装置の概略構成図である。 ウェーハ内部に形成された改質層を表わす概念図である。

符号の説明

１０…レーザー加工装置、１１…ウェーハ移動部、１２…Ｘθテーブル、１３…吸着ステージ、１６…本体ベース、２０…レーザー光学部、２１…レーザー発振器、２２、６２…コリメートレンズ、２３ａ、２３ｂ…調整ミラー、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、６１…対物レンズ、２５…対物レンズ交換リボルバー、２６…リボルバー駆動モーター、３０…観察光学部、３１…光軸調整ミラー、３２…スタンド、３３…ハーフミラー、３４…コンデンスレンズ、３５…ＣＣＤカメラ、３６…テレビモニタ、３８…画像処理装置、４０…レーザーヘッド、５０…制御部、６０…ウェーハアライメント用顕微鏡、Ｆ…フレーム、Ｐ…改質領域、Ｔ…テープ、Ｗ…ウェーハ

Claims (6)

1. ウェーハの表面からレーザー光を入射させて前記ウェーハの内部に改質領域を形成し、前記ウェーハを個々のチップに分割するレーザー加工装置において、
   前記ウェーハに向けてレーザー光を照射するレーザーヘッドが設けられ、
   該レーザーヘッドは、
   レーザー発振器と、
   発振されたレーザー光を集光する複数の対物レンズと、
   前記複数の対物レンズを交換可能に備える対物レンズ交換手段と、を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
2. 前記複数の対物レンズは、前記対物レンズ交換手段により、前記ウェーハに適した対物レンズに自動で交換可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記対物レンズ交換手段がリボルバーにより交換されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー加工装置。
4. 前記交換後の対物レンズの光軸を自動で調節することを特徴とする請求項２または３に記載のレーザー加工装置。
5. 光軸調整用ミラーおよび一対の調整ミラーを備え、前記対物レンズの交換後、該光軸調整用ミラーの反射光を、該一対の調整ミラーを調整することによりＣＣＤカメラに投影することを特徴とする請求項４記載のレーザー加工装置。
6. 前記一対の調整ミラーをピエゾ素子による振動により調節することを特徴とする請求項５記載のレーザー加工装置。

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