JP2009124035A - レーザー加工装置およびレーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、厚み方向に幅を持つ加工対象物の走査の回数を減らすことができ、加工時間の短縮が可能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Ｌを入射させてウェーハＷの内部に改質領域Ｐを形成し、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、ウェーハＷに向けてレーザー光Ｌを照射するレーザーヘッド４０が設けられ、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Ｌを集光する集光レンズ２４と、レーザー光ＬをウェーハＷに対して、垂直に微小運動させる振動発生手段２７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、クラックが徐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り切断に替えて、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）
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、改質層の深さ方向の厚さが決まっているため、厚い加工対象物（以下、「ワーク」ともいう）を加工する際には、複数回の走査を行う必要があり、加工に時間がかかっていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、厚み方向に幅を持つ加工対象物の走査の回数を減らすことができ、加工時間の短縮が可能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集光レンズと、前記レーザー光を前記ウェーハに対して、垂直に微小運動させる振動発生手段と、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、振動発生手段を設け、レーザー光をウェーハに対して垂直に微小運動させている。したがって、ウェーハの厚み方向に対して異なる深さで改質領域を形成することができる。したがって、ウェーハ全体として、厚い改質領域を形成することができるので、ウェーハの走査回数を減らすことができる。

本発明の請求項２は前記目的を達成するために、ウェーハを吸着ステージに吸着保持した状態で、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集光レンズを備え、前記吸着ステージを前記レーザー光と同方向に微小運動させる振動発生手段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２によれば、レーザー光と同方向に、吸着ステージを微小運動させる振動発生手段を備えているため、請求項１と同様に、ウェーハの厚み方向に対して異なる深さ方向で改質領域を形成することができるので、擬似的に厚みのある改質領域を形成することができる。したがって、ウェーハの走査回数を減らすことができる。

請求項３は請求項１または２において、前記振動発生手段が、ピエゾ素子であることを特徴とする。

請求項３によれば、振動発生手段としてピエゾ素子を用いているため、微調整を容易に行うことができる。

請求項４は請求項１から３いずれかにおいて、前記振動発生手段による振動周波数および振幅、前記ウェーハの送り速度を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

請求項４によれば、振動周波数および振幅、ウェーハの送り速度を制御する制御手段を備えるため、制御手段により、最適な条件で改質領域の形成を行うことができる。

本発明の請求項５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方法において、振動発生手段により前記レーザー光を前記ウェーハに対して垂直に微小振動させながら、前記ウェーハを移動させることにより、レーザー加工を行うことを特徴とするレーザー加工方法を提供する。

本発明の請求項６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方法において、前記ウェーハが吸着保持された吸着ステージを、振動発生手段により前記レーザー光と同方向に微小振動させながら、前記ウェーハを移動させることにより、レーザー加工を行うことを特徴とするレーザー加工方法を提供する。

請求項５および６は、請求項１および２に記載のレーザー加工装置をレーザー加工方法として展開したものであり、請求項５および６によれば請求項１および２と同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、レーザー光、または、ウェーハを吸着させる吸着ステージを振動手段により振動させることで、ウェーハに形成される改質領域の位置を厚さ方向に変更させることができるので、擬似的に幅の広い改質領域を形成することができる。したがって、従来より幅の広い改質領域を形成することができるので、走査回数を従来より減らすことができ、タクトタイムを減らすことができる。また、吸着ステージを振動させた場合は、この振動によって亀裂の進展が促進されるため、分断性を向上させることができる。

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などから構成されている。

ウェーハ移動部１１は、レーザーダイシング装置１０の本体ベース１６に設けられたＸＹＺθテーブル１２、ＸＹＺθテーブル１２に載置されたダイシングシートＳ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などからなっている。このウェーハ移動部１１によって、ウェーハＷの図のＸＹＺθ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、ハーフミラー２３、コンデンスレンズ（集光レンズ）２４、レーザー光をウェーハＷに対して平行に微小移動させる駆動手段２５などで構成されている。

また、観察光学部３０は、観察用光源３１、コリメートレンズ３２、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などで構成されている。

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、ハーフミラー２３、コンデンスレンズ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１×１０８(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では、観察用光源３１から出射された照明光がコリメートレンズ３２、ハーフミラー３３、コンデンスレンズ２４等の光学系を経てウェーハＷの表面を照射する。ウェーハＷの表面からの反射光はコンデンスレンズ２４、ハーフミラー２３及び３３、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に入射し、ウェーハＷの表面画像が撮像される。

この撮像データは画像処理部３８に入力され、ウェーハＷ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。具体的には、振動制御手段による振動の周波数、ウェーハの厚み、ウェーハの送り速度を制御し、最適な条件で各部の動作を制御し、改質領域の形成を行うことができる。

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、及び表示灯等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、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付けられている。表示灯は、ダイシング装置１０の加工中、加工終了、非常停止等の稼動状況を表示する。

図２は、駆動手段２５の細部を説明する概念図である。駆動手段２５は、コンデンスレンズ２４を保持するレンズフレーム２６、レンズフレーム２６の上面に取り付けられレンズフレーム２６を図のＺ方向に微小振動させる振動制御手段２７、振動制御手段２７を保持する保持フレーム２８、保持フレーム２８をウェーハＷと平行に微小移動させるリニア微動手段であるＰＺ１、ＰＺ２などからなっている。

振動制御手段としては、ピエゾ素子などの電圧印加によって伸縮する圧電素子を用いることができる。この圧電素子の伸縮によってコンデンスレンズ２４がＺ方向に微小に移動し、レーザー光の焦光点のＺ方向（厚さ方向）の位置をＺ方向に変更させることができる。なお、本実施例においてはピアゾ素子を用いて振動制御を行っているが、本発明はこれに限らず、リニアモータなどの種々のリニアアクチュエーターを用いることができる。

保持フレーム２８は、図示しない４本のピアノ線からなる２対の平行バネで支持され、ＸＹ方向には移動自在で、Ｚ方向の移動が拘束されている。なお、保持フレーム２８の支持方法はこれに限定されず、例えば、複数のボールで上下に挟み込み、Ｚ方向の移動を拘束するとともにＸＹ方向に移動自在に支持してもよい。

リニア移動手段ＰＺ１、ＰＺ２は、振動制御手段２７と同じくピアゾ素子により微動調節が行われており、一端がレーザーヘッド４０のケース本体に固定され、多端が保持フレーム２８の側面に当接している。また、リニア微動手段ＰＺ１、ＰＺ２のうちどれか一方にピエゾ素子を用い、他方をバネ材などの弾性部材にしてもよい。

次に、本発明に係るレーザー加工装置の別の実施形態について説明する。図３および図４はこの別の実施形態の駆動手段２５Ａを表わしたものである。図３は駆動手段２５Ａの平面図で、図４は図３のＡ−Ｏ−Ｂ断面図である。

駆動手段２５Ａは、図３および図４に示すように、コンデンスレンズ２４を保持するレンズフレーム２６Ａ，下端がレーザーヘッド４０のケース本体に固定されるとともに、上端がレンズフレーム２６Ａの鍔部下面にフレキシブルに連結され、レンズフレーム２６Ａを支持する３個のリニア微動手段であるＰＺ６、ＰＺ７、およびＰＺ８などからなっている。

この３個のリニア微動手段であるＰＺ６、ＰＺ７、およびＰＺ８は、図３に示すように、円周上等間隔に配置されたピエゾ素子が用いられている。このピエゾ素子の伸縮によってコンデンスレンズ２４がＺ方向に微小送りされて、レーザー光の集光点のＺ方向の位置を変更させることができる。本実施形態においては、リニア微動手段ＰＺ６、ＰＺ７、ＰＺ８が振動制御手段を構成している。

また、この３個のリニア移動手段であるＰＺ６、ＰＺ７、およびＰＺ８の伸縮を個別に夫々関連付けながら制御することによって、レンズフレーム２６Ａに取り付けられたコンデンスレンズ２４を任意の方向に所定量傾斜させることができる。また、レーザー光ＬをウェーハＷに対して平行な任意の方向に微小移動させることができる。

このようにして、３個のリニア微動手段ＰＺ６、ＰＺ７、およびＰＺ８によってレーザー光Ｌを往復微小移動させることにより、レーザー光Ｌの集光点をウェーハＷ内部で微小振動させながら改質領域Ｐを形成していくことができる。

このように、本発明の別の実施形態においても、レーザー光Ｌを振動させながら繰返し照射するため、Ｚ方向に擬似的に厚みのある改質領域Ｐを形成することができるので、走査回数を減らすことができ、安定して割断され、チッピングなどのほとんど生じない高品質なダイシングを行うことができる。

次に、本発明に係るレーザー加工装置のさらに別の実施形態について説明する。図５はこの別の実施形態の駆動手段２５Ｂを表わしたウェーハ移動部１１Ｂの断面図である。

駆動手段２５Ｂは、図５に示すように、吸着テーブル１３と試料載置ステージ１４との間にフレキシブルに連結され、吸着ステージ１３を支持するリニア微動手段ＰＺ９などからなっている。

このリニア微動手段であるＰＺ９はピエゾ素子が用いられており、このピエゾ素子の伸縮によって吸着テーブル１３をＺ方向に微小送りさせることができ、レーザー光の集光点のＺ方向の位置を変更させることができる。本実施形態においては、リニア移動手段ＰＺ９が振動制御手段を構成している。

このようにして、リニア移動手段ＰＺ９によって吸着ステージ１３をＺ方向に微小振動させることができるので、レーザー光Ｌの集光点をウェーハＷ内部で微小振動させながら改質領域Ｐを形成していくことができる。したがって、ウェーハＷ内部において、擬似的に厚みのある改質領域を形成することができるので、走査回数を減らすことができる。

図６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６は、パルス状の加工用のレーザー光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が並んで形成された状態を摸式的に表わしている。

本発明においては振動制御手段により、レーザー光Ｌは、ウェーハＷの厚み方向に振動して照射される。したがって、図６に表わすように滑らかな曲線を描きながら改質領域Ｐが形成され、振動の幅に応じて、通常の改質層の幅Ｔ_１から擬似的に厚みＴ_２に広がった改質領域を形成することができる。

このように、厚みの広がった改質領域を形成することにより、走査回数を従来よりも減少させることができ、タクトタイムを減少させることができる。なお、上記はレーザー光Ｌを振動させた場合について説明をしたが、吸着ステージ１３を振動させた場合についても同様に改質領域を形成することができる。

そして、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。

次に、本発明に係るレーザー加工装置１０の作用に説明する。加工に当たって、最初に吸着ステージ１３に載置されたウェーハＷ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を有するアライメント手段によってアライメントされる。

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、ハーフミラー２３、コンデンスレンズ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。

この状態でＸＹＺθテーブル１２が加工方向である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。

この時、レーザーヘッド４０に設けられた振動制御手段２７によってコンデンスレンズ２４が微小振動し、レーザー光Ｌの焦点点がウェーハＷのＺ方向に微小振動しながら、改質領域Ｐを形成していく。

また、レーザー光Ｌを加工方向であるＸ方向にゆっくり往復運動送りを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Ｌ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Ｌ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ラインのレーザー加工が行われると、ＸＹＺθテーブル１２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加工される。

全てのラインがレーザー加工されると、ＸＹＺθテーブルが９０°回転され、先程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のレーザー加工が完了する。

このように、レーザー光Ｌが振動しながら照射されるため、厚いウェーハＷであっても、安心して割断され、チッピングなどのほとんど生じない高品質な加工を行うことができる。

本発明に係るレーザー加工装置の概略構成図である。 駆動手段の構成を表わす概念図である。 別の実施形態における駆動手段の構成を表わす平面図である。 別の実施形態における駆動手段の構成を表わす断面図である。 さらに別の実施形態における駆動手段の構成を表わす断面図である。 ウェーハ内部に形成された改質領域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…ＸＹＺθテーブル、１３…吸着ステージ、１４…試料載置ステージ、１６…本体ベース、２０…レーザー光学部、２１…レーザー発振器、２２、３２…コリメートレンズ、２３、３３…ハーフミラー、２４、３４…コンデンスレンズ、２５…駆動手段、２６…レンズフレーム、２７…振動制御手段、２８…保持フレーム、３０観察光学部、３１…観察用光源、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、Ｆ…フレーム、Ｌ…レーザー光、Ｐ…改質領域、ＰＺ１、ＰＺ２、ＰＺ６、ＰＺ７、ＰＺ８、ＰＺ９…リニア微動手段、Ｓ…ダイシングシート、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集光レンズと、
   前記レーザー光を前記ウェーハに対して、垂直に微小運動させる振動発生手段と、を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
2. ウェーハを吸着ステージに吸着保持した状態で、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集光レンズを備え、
   前記吸着ステージを前記レーザー光と同方向に微小運動させる振動発生手段を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
3. 前記振動発生手段が、ピエゾ素子であ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. 前記振動発生手段による振動周波数および振幅、前記ウェーハの送り速度を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のレーザー加工装置。
5. 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方法において、
   振動発生手段により前記レーザー光を前記ウェーハに対して垂直に微小振動させながら、前記ウェーハを移動させることにより、レーザー加工を行うことを特徴とするレーザー加工方法。
6. 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方法において、
   前記ウェーハが吸着保持された吸着ステージを、振動発生手段により前記レーザー光と同方向に微小振動させながら、前記ウェーハを移動させることにより、レーザー加工を行うことを特徴とするレーザー加工方法。

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