JP2009172633A - 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、幅広い厚みの加工対象物に対して、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Ｌを照射するレーザーヘッド３１が設けられ、該レーザーヘッド３１は、レーザー発信器６０と、前記レーザー光Ｌの強度分布を均一にするレーザー光均一手段６３と、前記レーザー光の断面形状を方形にするレーザー形状変換手段６３と、前記レーザー光を線状に集光するレーザー光線状集光手段６５と、前記レーザー光Ｌの前記ウェーハＷに対する入射角θを変更する入射角変更手段６６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２

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市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、改質層の厚さ方向の幅が小さいため、厚い加工対象物（以下、「ワーク」ともいう）を加工する際には、複数回の操作を行う必要があり、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、幅広い厚みの加工対象物に対して、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、レーザー発信器と、前記レーザー光の強度分布を均一にするレーザー光均一手段と、前記レーザー光の断面形状を方形にするレーザー形状変換手段と、前記レーザー光を線状に集光するレーザー光線状集光手段と、前記レーザー光の前記ウェーハに対する入射角を変更する入射角変更手段と、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、まず、レーザー発振器から照射されたレーザーの強度分布を均一にするためのレーザー光均一手段およびレーザー光の断面形状を方形にするレーザー形状変形手段を備える。これにより、次のレーザー光線状集光手段により、ビームを線状に集光した際に、強度分布に差が生じないように、することができ、ウェーハに対して、均一な強度でレーザー光を照射することができる。したがって、ウェーハに対して、線状に均一に改質領域を形成することができる。

また、レーザー光を線状に集光するレーザー光線状集光手段を備える。レーザー光を線状に集光させることにより、この線状となったレーザー光を屈折させ、内部に改質領域を形成することができる。また、入射角変更手段を備えることにより、さまざまな厚みのウェーハに対して、ウェーハの内部まで改質領域の形成を行うことができる。

請求項２は請求項１において、前記レーザー光均一手段、前記レーザー形状変形手段および前記レーザー光線状集光手段が非球面レンズであることを特徴とする。

請求項２によれば、レーザー光均一手段、レーザー形状変形手段およびレーザー光線状集光手段として、非球面レンズを使用しているため、レーザー発振器から照射されたレーザー光線のレーザーの形状を容易に変更させることができる。

請求項３は請求項１または２において、前記レーザー光均一手段がビームホモジナイザーであることを特徴とする。

請求項３は、レーザー光均一手段として用いられる具体的な手段を規定したものであり、請求項３によれば、ビームホモジナイザーであることが好ましい。

請求項４は請求項１から３いずれかにおいて、前記レーザー光線状集光手段がシリンドリカルレンズであることを特徴とする。

請求項４は、レーザー光線状集光手段として用いられる具体的な手段を規定してものであり、請求項４によれば、シリンドリカルレンズであることが好ましい。

請求項５は請求項１から３いずれかにおいて、前記レーザー光のウェーハに対する入射角が０°以上であることを特徴とする。

請求項５によれば、レーザー光のウェーハに対する入射角を０°以上とすることにより、レーザー光の入射角がウェーハに対して、斜めになるため、ウェーハの厚さ方向に改質領域を形成することができる。

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、レーザーヘッドから照射されたレーザー光の強度分布を均一にするレーザー光均一工程と、前記レーザー光の断面形状を方形にするレーザー形状変換工程と、前記レーザー光を線状に集光するレーザー光線状集光工程と、前記レーザー光の前記ウェーハに対する入射角を変更する入射角変更工程と、を有する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は、請求項１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によれば請求項１と同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、レーザー光の強度分布を一定にし、レーザー光の断面形状を方形にして、レーザー光を線状に集光することにより、形成された線状のレーザー光の強度を一定にすることができる。また、この形成された線状のレーザー光を屈折させることにより、ウェーハ内部の厚み方向に改質領域を形成することができるので、幅広い厚みのウェーハに対して、一括で改質領域を形成することができ、加工時間を短縮することができ、品質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１０の概略を示す上面図である。レーザー加工装置１０は、本体１９内部に、チャックテーブル１２、Ｘガイドベース１５、Ｙガイドベース４１、Ｚガイドベース５１、エレベータ１３、待機テーブル１４、レーザーヘッド３１、測定手段１６、制御手段２１、及び記録手段２２が備えられている。

チャックテーブル１２は、ウェーハＷを吸着載置し、不図示のθ回転軸により、矢印θ方向に回転されるとともに、Ｘガイドベース上に取り付けられた不図示のＸテーブルにより矢印Ｘ方向に加工送りされる。

チャックテーブル１２の上方にはＹガイドベース４１が設けられている。Ｙガイドベース４１には、図示しない２個のＹテーブルが設けられ、夫々のＹテーブルには、Ｚガイドベース５１、５１が取り付けられている。

夫々のＺガイドベース５１、５１には、不図示のＺテーブルが設けられ、夫々のＺテーブルには、ホルダ３２を介してレーザーヘッド３１が取付けられており、２個のレーザーヘッド３１、３１は夫々独立してＺ方向に移動されるとともに、独立してＹ方向に割り出し送りされるようになっている。

エレベータ１３は、ウェーハＷが格納されたカセットを収納して上下に移動し、ウェーハＷを不図示の搬送装置によりＸガイドベース（待機テーブル）１５へ供給する。待機テーブルは、チャックテーブル１２と同等の高さに設けられ、待機テーブル上に載置されたウェーハＷには、加工前後に必要な各種処理が行われる。

測定手段１６は、接触、又は非接触式の変位測定器であり、ウェーハＷの高さを変位量から測定する。測定手段として接触式の変位量測定器を用いる場合は、エアシリンダなどにより、測定子をＺ方向へ上下に移動させ、測定時以外は、測定子を測定面より退避するようにしている。また、測定手段として、非接触式の測定手段を用いる場合は、レーザー変位計、ＩＲカメラなどを用いることができる。測定されたウェーハＷの厚みは、制御手段２１へ送られて処理される。

本体１９内部に収納された制御手段２１は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路部などからなる。制御手段２１は、同じく本体１９内部に収納された記録手段２２に保存されているデータベースより、加工に必要な情報を呼び出しレーザー加工装置１０の各部の動作を制御する。

レーザー加工装置１０はこの他に、図示しないウェーハ搬送手段、操作板、テレビモニタ、および表示灯などから構成されている。

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付けられている。テレビモニタは、図示しないＣＣＤカメラで撮像したウェーハ画像の表示、又はプログラム内容や各種メッセージなどを表示する。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。

図２は、レーザーヘッドの構成を摸式的に示した側面図である。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。レーザーヘッドは、レーザー加工装置１０に設けられたチャックテーブル１２にダイシングテープＴにより載置されたウェーハＷにレーザー光Ｌを照射するよう、ウェーハＷの上方に位置付けられる。

レーザー発振器６０から発振されたレーザー光Ｌは、コリメートレンズ６１、ビームエキスパンダ６２を構成する平凹レンズ、平凸レンズ、ビームホモジナイザー６３、シリンドリカルレンズ６５を通過し、ウェーハＷに照射される。

図２に示すように、レーザー発振器６０から発振されたレーザー光Ｌは、コリメートレンズ６１で水平方向に平行光線とされ、ビームエキスパンダ６２により、ビーム径が拡張される。次にミラー６６によりビームホモジナイザー６３の方向に反射され、ビームホモジナイザー６３を通過する。この時、ビームホモジナイザー６３の通過前（図２中のＡ点）においては、レーザー光Ｌは、ビーム形状は円形で、ビーム断面強度はガウシアン分布である。そして、ビームホモジナイザー６３を通過することにより、ビームエネルギーが平均化されるため、Ｂ点においては、ビーム形状は方形で、ビーム断面強度がトップハット分布に変形する。

さらに、レーザー光Ｌは、ミラー６６によりウェーハＷの方向に反射され、しぼり６４でレーザー光Ｌの幅が所望の範囲であるｗ_０からからｗ_１に削られる（図２中Ｃ点）。次に、シリンドリカルレンズ６５を通過させることにより、レーザー光Ｌを一方向に集光させ、ビームの断面強度も集光点において上げることができる（図２中Ｄ点）。

この、シリンドリカルレンズ６５により線状に集光されたレーザー光ＬをウェーハＷに照射することにより、ｗ_２の幅でウェーハ内に改質領域を形成することができ、ウェーハＷの垂直方向に対して膜厚ｗ_ｆの改質領域Ｐを形成することができる。

このように、ビームエネルギーが平均化され、ビームプロファイルが、方形でトップハット分布に変形させるレーザー光均一手段としては、図２に示すようなビームホモジナイザーの他に、マイクロレンズアレイなどの非球面レンズを挙げることができる。

また、レーザー光Ｌを線状に集光するレーザー光線状集光手段としては、シリンドリカルレンズの他に、一軸方向凹面鏡などを挙げることができる。

また、図２のレーザー加工装置１０においては、レーザー光Ｌの断面形状を方形にするレーザー形状変換手段を、ビームホモジナイザーを用いてレーザー光均一手段と同時に行っているが、別々に行うことも可能である。

このように、本発明のレーザー加工装置は、レーザー光線状集光手段により、線状に集光されるため、図２に示すように、ウェーハＷ内部に入射されたレーザー光Ｌは、深さ方向に幅広く改質領域Ｐを形成することができる。この改質領域Ｐの厚さは、レーザー光ＬのウェーハＷの入射角θ_１により調節が可能である。

したがって、ミラー６６は入射角変更手段として、レーザー発振器６０から発振されたレーザー光Ｌを反射させる角度を変更可能に配置する。ミラー６６により、レーザー光Ｌを反射させることにより、ウェーハ面に対して、レーザー光Ｌの入射角θ_１を変更することができる。この場合、ビームホモジナイザー６３、しぼり６４およびシリンドリカルレンズ６５にレーザー光Ｌが垂直に当たるように、ビームホモジナイザー６３、しぼり６４およびシリンドリカルレンズ６５の傾斜も調節する必要がある。なお、本発明において、入射角とは、ウェーハＷの垂線とレーザー光Ｌのなす角度を指し、図中θ_１で表わし、屈折角とは、レーザー光Ｌが、ウェーハＷ内に入ることにより屈折した角度であり、ウェーハＷの垂線とウェーハＷ内のレーザー光Ｌとのなす角度を指し、図中θ_２で表わす。

例えば、膜厚の薄いウェーハに対しては、レーザー光ＬのウェーハＷに対する入射角を小さくする。入射角を小さくすることにより、レーザー光ＬがウェーハＷ内の厚み方向に接触する部分が小さくなるため、厚みの薄い改質領域を形成することができる。逆に膜厚の厚いウェーハに対しては、レーザー光Ｌの入射角を大きくする。これにより、ウェーハの厚み方向に接触する部分が大きくなるため、厚みの厚い改質領域Ｐを形成することができる。

なお、レーザー光Ｌの入射角としては、光軸がウェーハＷに対して斜入射となるため０°以上であることが好ましい。具体的に対象物がシリコン単結晶の場合、入射角が０°のとき、深さ方向ｗ_ｆは０となり、入射角が２２°のとき、ｗ_ｆはｗ_１の約１０％、同３８°のとき、ｗ_ｆはｗ_１の約２０％、同５０°のとき、ｗ_ｆはｗ_１の約３０％となる。

このように本発明のレーザー加工装置においては、深さ方向に幅の広い改質領域を形成することができるため、スキャンの回数を減らすことができる。従来のレーザー加工装置では、集光点を起点として、改質領域が形成されるため、改質層の深さ方向の厚みには限界があった。そのため、改質領域を深さ方向に形成するためには、１本の加工ラインに対して、焦点位置をずらしながらスキャンを複数回行う必要があった。しかしながら、本発明においては、この問題点を解消することができる。

ただし、１回のスキャンで充分な改質領域が形成できない場合は、複数回行うことも可能である。

改質領域Ｐは、ウェーハＷの厚み方向に形成され、ウェーハＷは改質領域Ｐを起点として自然に割断するか、或いは僅かな外力を加えることによって、改質領域Ｐを起点として割断される。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。

以上より、ウェーハＷの各厚さに対応して、レーザー光ＬのウェーハＷに対する入射角を変更することにより、ウェーハＷの各厚さに最適な改質領域を形成して、ウェーハＷを割断することができる。したがって、一回の走査で深さ方向に改質領域を形成することができるので、幅広い厚みのウェーハに対して一括、または数回の走査で改質領域を形成することができるため、加工時間を短縮することができる。また、ウェーハＷの厚さ方向に改質領域が形成されているため、チップの割断の失敗による不良などの発生を減らすことができる。

本発明に係るレーザー加工装置の構成を摸式的に示した上面図である。 レーザーヘッドの構成を摸式的に示した側面図である。

符号の説明

１０…レーザー加工装置、１２…チャックテーブル、１３…エレベータ、１４…待機テーブル、１５…Ｘガイドベース、１６…測定手段、１９…本体、２１…制御手段、２２…記録手段、３１…レーザーヘッド、３２…ホルダ、４１…Ｙガイドベース、５１…Ｚガイドベース、６０…レーザー発振器、６１…コリメートレンズ、６２…ビームエキスパンダ、６３・・・ビームホモジナイザー、６４…しぼり、６５…シリンドリカルレンズ、６６…ミラー、Ｌ…レーザー光、Ｐ…改質領域、Ｔ…ダイシングテープ、Ｗ…ウェーハ、θ_１…入射角、θ_２…屈折角、

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、
   レーザー発信器と、
   前記レーザー光の強度分布を均一にするレーザー光均一手段と、
   前記レーザー光の断面形状を方形にするレーザー形状変換手段と、
   前記レーザー光を線状に集光するレーザー光線状集光手段と、
   前記レーザー光の前記ウェーハに対する入射角を変更する入射角変更手段と、を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
2. 前記レーザー光均一手段、前記レーザー形状変換手段および前記レーザー光線状集光手段が非球面レンズ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. 前記レーザー光均一手段がビームホモジナイザー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. 前記レーザー光線状集光手段がシリンドリカルレンズであ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. 前記レーザー光のウェーハに対する入射角が０°以上であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のレーザー加工装置。
6. ウェーハ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、
   レーザーヘッドから照射されたレーザー光の強度分布を均一にするレーザー光均一工程と、
   前記レーザー光の断面形状を方形にするレーザー形状変換工程と、
   前記レーザー光を線状に集光するレーザー光線状集光工程と、
   前記レーザー光の前記ウェーハに対する入射角を変更する入射角変更工程と、を有することを特徴とするレーザー加工方法。

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