JP2010247214A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物の反りを抑制することができるレーザ加工方法を提供する
【解決手段】加工対象物１の内部に集光点を合わせ、切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを照射することにより改質領域７ａを形成する。その後、切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを再度照射することにより、加工対象物１において表面３と第１改質領域７ａとの間に改質領域７ｂを形成すると共に、改質領域７ｂから表面３に至る亀裂Ｃｂを発生させる。従って、加工対象物１において改質領域７ａを形成する際に生じる反る力Ｆ１を、亀裂Ｃｂによって解放して相殺することができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、加工対象物を切断するためのレーザ加工方法に関する。

従来のレーザ加工方法としては、板状の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、加工対象物に改質領域を切断予定ラインに沿って形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工方法では、改質領域が形成された後、加工対象物が改質領域を切断の起点として切断予定ラインに沿って切断され、複数のチップに離間されることになる。

特開２００３−３３８４６７号公報

しかし、上述したようなレーザ加工方法では、加工対象物に改質領域を形成すると、場合によっては加工対象物に反りが生じてしまうおそれがある。特に、加工対象物の厚さが１００μｍと薄く、且つ製造するチップサイズが１ｍｍ×１ｍｍ以下と微小である場合のレーザ加工（以下、「薄物微小チップ加工」という）においては、かかる反りの発生が顕著となる。その結果、例えば、加工対象物が意図に反して切断（フルカット）されてしまうことがある。

そこで、本発明は、加工対象物の反りを抑制することができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の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、加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、加工対象物に改質領域としての第１改質領域を一の切断予定ラインに沿って形成する工程と、第１改質領域を形成した後、加工対象物において一方の主面と第１改質領域との間に、改質領域としての第２改質領域を一の切断予定ラインに沿って形成することにより、該第２改質領域から一方の主面に至る亀裂を発生させる第２工程と、を含むことを特徴とする。

このレーザ加工方法では、加工対象物において第１改質領域を形成することで生じる反る力を、第２改質領域形成することで発生させた亀裂によって相殺することができる。よって、加工対象物の反りを抑制することが可能となる。

ここで、第２改質領域を形成した後、加工対象物に改質領域としての第３改質領域を、一の切断予定ラインに交差する他の切断予定ラインに沿って形成する第３工程を含むことが好ましい。この場合、第３改質領域を形成するに際しては、加工対象物の反りが抑制されるという上記作用効果が発揮されていることから、例えば加工対象物のレーザ光照射面を追従することでレーザ光の集光点位置を制御するオートフォーカスユニットを適当に機能させることができる。よって、第３改質領域を精度よく形成することが可能となる。

また、一方の主面は、レーザ光入射面であって、加工対象物は、一方の主面側に設けられた機能素子を含んでおり、第１工程においては、第１改質領域を形成することにより、該第１改質領域から加工対象物の他方の主面に至る亀裂を発生させることが好ましい。このように、一方の主面側に機能素子が設けられた加工対象物に対して一方の主面側からレーザ光を入射する場合（いわゆる、表面入射の場合）、加工対象物を容易且つ精度よく切断するため、他方の主面に至る亀裂を発生させる場合がある。

本発明によれば、加工対象物の反りを抑制することが可能となる。

本実施形態に係るレーザ加工方法を実施するレーザ加工装置の概略構成図である。 改質領域の形成の対象となる加工対象物の一例を示す平面図である。 図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。 レーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。 図４の加工対象物のVI−VI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の加工対象物を示す平面図である。 本実施形態のレーザ加工方法を説明するための工程図である。 図８の続きを示す図である。 図９の続きを示す図である。 レーザ加工が施された加工対象物における図７のXIーXI線に沿った断面図である。 レーザ加工が施された加工対象物の拡大平面図である。 本発明を適用しないレーザ加工方法によるレーザ加工が施された加工対象物を示す側面図である。

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。なお、各図において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ加工方法では、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って加工対象物に改質領域を形成する。そこで、まず、本実施形態のレーザ加工方法による改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工方法を実施するレーザ加工装置１００は、いわゆるＳＤＥ（ステルスダイシングエンジン：登録商標）と称されるものであり、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ（集光光学系）１０５と、を備えている。

また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動させ且つＺ軸回りθ方向に回転させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。

このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。

また、レーザ加工装置１００は、加工対象物１の表面形状に影響を受けずに加工対象物１の内部の所定位置に精度よくレーザ光Ｌを集光して改質領域を形成するため、図示しないオートフォーカスユニットを備えている。これにより、レーザ加工装置１００では、例えば加工対象物１の表面や裏面から一定位置に集光されるようレーザ光Ｌが制御される。

加工対象物１としては、半導体材料や圧電材料等が用いられ、図２に示すように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６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、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。

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の表面３に実際に引かれた線であってもよい。また、改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。また、改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。

ちなみに、ここでは、レーザ光Ｌが、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１の内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆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。一般的に、表面３から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面３側から徐々に裏面側に進行する。

ところで、本実施形態に係るレーザ加工装置にて形成される改質領域は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域としては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。さらに、改質領域としては、加工対象物の材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。

また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、及び格子欠陥が形成された領域は、それら領域の内部や改質領域と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。

次に、本実施形態のレーザ加工方法について、詳細に説明する。

本実施形態のレーザ加工方法は、例えば薄物微小チップ加工を実施するものであって、対象となる加工対象物１は、図７に示すように、シリコンウェハ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。

ここでの加工対象物１は、例えば厚さが１００μｍとされ、加工対象物１では、隣り合う機能素子１５間を通るような格子状の切断予定ライン５が設定されている。つまり、切断予定ライン５は、一方向に沿って延びる切断予定ライン（一の切断予定ライン）５ａと、この切断予定ライン５ｂと直交（交差）する方向に沿って延びる切断予定ライン（他の切断予定ライン）５ｂと、を含んで構成されている。

本実施形態のレーザ加工方法では、まず、加工対象物１の裏面２１にエキスパンドテープを貼り付け、この加工対象物１を支持台１０７上に載置する。そして、集光用レンズ１０５により加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせ、加工対象物１の表面（一方の主面）３をレーザ光入射面として、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ａに沿って往復するように照射する。

具体的には、図８（ａ）に示すように、図示の矢印Ｓ１の方向で切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１の内部において表面３から深い位置（裏面２１側）に改質領域（第１改質領域）７ａを形成する。これにより、図８（ｂ）に示すように、改質領域７ａから裏面（他方の主面）２１に至る亀裂Ｃａを発生させる。なお、この亀裂Ｃａは、バックサイドハーフカットとも称される。

その後、図９（ａ）に示すように、図示の矢印Ｓ２の方向で切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１において表面３と第１改質領域７ａとの間に改質領域７ｂ（第２改質領域）を形成する。これにより、図９（ａ）に示すように、改質領域７ｂから表面３に至る亀裂Ｃｂを発生させる。なお、この亀裂Ｃｂは、ハーフカットとも称される。

従って、改質領域７ａを形成する際においては、生じる亀裂Ｃａが裏面２１に至る（到達する）ことから、亀裂Ｃａが開くような方向に加工対象物１を反る力Ｆ１が発生するが（図８（ｂ）参照）、改質領域７ａを形成して該改質領域７ｂから発生させた亀裂Ｃｂによって、かかる力Ｆ１が解放されて相殺され、その結果、加工対象物１が上方及び下方にも反らない状態となる（図９（ｂ）参照）。

続いて、図１０（ａ）に示すように、上述した改質領域７ａ，７ｂの形成を全ての切断予定ライン５ａに沿って実施し、その後、支持台１０７をθ方向に回転させて加工対象物１を９０°回転させる。そして、図１０（ｂ）に示すように、集光用レンズ１０５により加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせ、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面として、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ｂに沿って往復するように照射し、加工対象物１の内部に厚さ方向に２列の改質領域（第３改質領域）７ｃ，７ｃ（図１１（ｂ）参照）を形成する。なお、支持台１０７をθ方向に回転させずに切断予定ライン５ａ，５ｂそれぞれに沿って移動させてもよい。

最後に、エキスパンドテープを拡張させることにより、改質領域７を切断の起点として、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って機能素子１５毎に切断する。これにより、例えばチップサイズが０．５ｍｍ×０．５ｍｍの複数の微小半導体チップが得られることになる。

ところで、本発明を適用しないレーザ加工方法（以下、「比較レーザ加工」という）では、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ａに沿って照射することにより、加工対象物１に改質領域７を形成すると共に改質領域７から裏面２１に至る亀裂Ｃａを発生させるのみである。そのため、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ｂに沿って照射する際には、図１３（ａ）に示すように、加工対象物１が反るように変形した状態となるおそれがある。特に、上述したように、加工対象物１は、エキスパンドテープが貼られ且つステージ１１１に吸着されている。そのため、図１３（ｂ）に示すように、チップサイズが小さいが故に小さなピッチで加工対象物１が凹凸状に変形してしまい、加工対象物１に部分的に（例えば矢印Ｆｃの箇所に）意図しないフルカットが生じることがある。

その結果、比較レーザ加工では、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ｂに沿って照射する際、加工対象物１の表面３に小さなピッチの凹凸形状が存在するため、加工対象物１の表面３を追従してレーザ光Ｌの集光点Ｐ位置を制御するオートフォーカスユニットが好適に機能せず、改質領域７ｃの形成位置精度が悪化（形成位置がずれる）おそれがある。よって、エキスパンドテープを拡張させても、加工対象物１を精度よく切断できなくなってしまう。

これに対し、本実施形態のレーザ加工方法では、上述したように、切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを照射して改質領域７ａを形成した後、切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを再度照射することで、加工対象物１において表面３と第１改質領域７ａとの間に改質領域７ｂを形成し、改質領域７ｂから表面３に至る亀裂Ｃｂを発生させている。従って、改質領域７ａを形成する際に生じる上記の反る力Ｆ１を、亀裂Ｃｂによって解放して相殺することができる。従って、加工対象物１においての「反り」、「凹凸状の変形」、及び、意図に反する「部分的なフルカットの発生」を抑制することが可能となる。

その結果、本実施形態のレーザ加工方法では、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ｂに沿って照射する際、オートフォーカスユニットで表面３を精度よく追従することができ、改質領域７ｃの形成位置精度を高めることができる。よって、エキスパンドテープを拡張させることで、加工対象物１を精度よく切断することが可能となる。なお、改質領域７ａ形成後の改質領域７ｂの形成直後において、フルカット（すなわち切断が完了）していないような改質領域７の形成条件とすることが重要である。

また、フルカットの発生を抑制できると、部分的なフルカットの発生に起因した次の問題を解決することができる。すなわち、形成される改質領域７が切断予定ライン５からずれるというインデックスずれ等の問題を解決することができる。加えて、エキスパンドテープを拡張させたとき、加工対象物１に力が好適に印加されずに精度よい切断が困難になるという問題を解決することができる。

図１１は、レーザ加工が施された加工対象物における図７のXIーXI線に沿った断面図である。図１１（ａ）は比較レーザ加工による加工対象物を示し、図１１（ｂ）は本実施形態のレーザ加工方法による加工対象物を示している。図１１に示すように、比較レーザ加工では、改質領域７ｃの形成深さがずれてしまっているのに対し、本実施形態では、正しい深さに改質領域７ｃが形成されているのを確認することができる。

以上、本実施形態によれば、加工対象物１の反り及び凹凸状の変形を抑制することができる。特に本実施形態のように、薄物微小チップ加工を実施する場合、隣接する切断予定ライン５が極めて狭いピッチで設定されることから、加工対象物１の反り及び凹凸状の変形が生じ易いため、かかる作用効果は顕著である。

また、本実施形態では、上述したように、表面３側からレーザ光Ｌを照射して加工対象物１に改質領域７ａを形成するいわゆる表面入射であり、改質領域７ａから裏面２１に至る亀裂Ｃａを発生させている。このように表面入射によるレーザ加工の場合、裏面２１に至る亀裂Ｃａを発生させることにより、加工対象物を容易且つ精度よく切断することができる。なお、本実施形態にように薄物微小チップ加工を行う場合、加工対象物１が切断され易い条件が特に必要となることから、亀裂Ｃａによる上記効果は効果的である。

また、本実施形態では、上述したように、裏面２１に至る亀裂Ｃａと表面３に至る亀裂Ｃｂとの双方を加工対象物１に形成していることから、切断面における表面３側の端部及び裏面２１側の端部を真っ直ぐな状態とすることができ、いわゆるスカートの発生を低減して品質を高めることが可能となる。

図１２は、レーザ加工が施された加工対象物の拡大平面図である。図１２（ａ）は比較レーザ加工による加工対象物を示し、図１２（ｂ）は本実施形態のレーザ加工方法による加工対象物を示している。図１２に示すように、本実施形態では、比較レーザ加工に対し、切断面Ｓが真っ直ぐな状態となっており、スカートの発生を低減できるのを確認することができる。

ちなみに、加工対象物１の反りを抑制するため、改質領域７ａを形成することのみによって該改質領域７ａから表面３及び裏面２１に至る亀裂を形成する（フルカットする）ことも考えられる。しかし、薄物微小チップ加工では、フルカットするよう改質領域７ａを形成することは例えば品質や直進性の制御の点で困難である。従って、この点においても、本実施形態は特に有効なものといえる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、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、上記実施形態では、表面３をレーザ光照射面としてレーザ光Ｌを入射する表面入射を行っているが、裏面２１をレーザ光照射面としてレーザ光Ｌを入射する裏面入射を行ってもよい。

例えば、裏面２１側からレーザ光Ｌを入射する場合、加工対象物１の表面（デバイス面）３を保護部材で保護した状態で加工対象物１の裏面２１からレーザ光Ｌを入射することで、表面３側の第１改質領域及び裏面２１側の第２改質領域を形成する。そして、これら改質領域の形成後、加工対象物１の裏面２１にエキスパンド（拡張）テープを貼り付けてから保護部材を剥がし、エキスパンドテープを拡張させてチップに分断し分離する。ここで、このような裏面入射方式の場合、良好に切断するためには第２改質領域の形成によって裏面２１側に到達する亀裂を発生させる必要があるが、この第２改質領域及び亀裂だけでは加工対象物１の「反り」や「凹凸状の変形」が生じてしまう。この点、本発明では、上記のように表面３側に第１改質領域が形成されるため、加工対象物１においての「反り」や「凹凸状の変形」を防止することができる。なお、この場合、加工対象物１の表面３側に形成される第１改質領域から表面３に至る亀裂を発生させなくともよい。

また、上記実施形態では、加工対象物１の内部において第１改質領域として改質領域７ａを形成し亀裂Ｃａを発生させた後、第２改質領域として改質領域７ｂを形成し亀裂Ｃｂを発生させたが、第１改質領域として改質領域７ｂを形成し亀裂Ｃｂを発生させた後、第２改質領域として改質領域７ａを形成し亀裂Ｃａを発生させてもよい。この場合、裏面２１が一方の主面を構成し、表面３が他方の主面を構成する。

また、上記実施形態では、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ｂに沿って往復するように照射し、加工対象物１の内部において厚さ方向に２列の改質領域７ｃを切断予定ライン５ｂに沿っても形成したが、１列の改質領域７ｃのみを形成してもよい。

なお、厚い加工対象物１においてレーザ光Ｌが入射するレーザ光入射面から深い位置にレーザ光Ｌを集光する場合、加工対象物１の透過率を高めることで、レーザ光Ｌを集光点Ｐにて有効に利用することが可能となる。また、加工対象物１としては、例えばシリコン、ガラス、ＬｉＴａＯ_３又はサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む、又はこれらからなるものでもよい。

１…加工対象物、３…表面（一方の主面，レーザ光入射面）、５ａ…切断予定ライン（一の切断予定ライン）、５ｂ…切断予定ライン（他の切断予定ライン）、７ａ…改質領域（第１改質領域）、７ｂ…改質領域（第２改質領域）、７ｃ…改質領域（第３改質領域）、１５…機能素子、２１…裏面（他方の主面）、Ｃａ，Ｃｂ…亀裂、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (3)

1. 板状の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、前記加工対象物に改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物に前記改質領域としての第１改質領域を一の切断予定ラインに沿って形成する工程と、
   前記第１改質領域を形成した後、前記加工対象物において一方の主面と前記第１改質領域との間に、前記改質領域としての第２改質領域を前記一の切断予定ラインに沿って形成することにより、該第２改質領域から前記一方の主面に至る亀裂を発生させる第２工程と、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記第２改質領域を形成した後、前記加工対象物に前記改質領域としての第３改質領域を、前記一の切断予定ラインと交差する他の切断予定ラインに沿って形成する第３工程を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記一方の主面は、レーザ光入射面であって、前記加工対象物は、前記一方の主面側に設けられた機能素子を含んでおり、
   前記第１工程においては、前記第１改質領域を形成することにより、該第１改質領域から前記加工対象物の他方の主面に至る亀裂を発生させ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。