JP2011200926A

JP2011200926A - レーザ加工方法及び脆性材料基板

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Publication number: JP2011200926A
Application number: JP2010072480A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Hata; 強之畑; Seiji Shimizu; 政二清水
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13
Also published as: CN102248283A; KR20110108258A; TW201141650A; KR101312284B1

Abstract

【課題】サファイア基板等の脆性材料基板を分断する際に、飛散物なしに、かつ比較的厚みが厚い基板においても走査数を少なくして容易に分断できるようにする。
【解決手段】このレーザ加工方法は、パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法であって、第１及び第２工程を含んでいる。第１工程は、所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射し、脆性材料基板の内部に改質層を形成する。第２工程はパルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査する。そして、以上の工程によって、脆性材料基板の厚みｔに対して、厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで改質層から基板の表面に向かって亀裂を進展させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工方法、特に、パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法に関する。また、本発明は、レーザ加工によって得られた脆性材料基板に関する。

発光ダイオード等の発光素子は、サファイア基板上に窒化物半導体を積層することによって形成されている。このようなサファイア基板等から構成される半導体ウェハには、複数の発光ダイオード等の発光素子が、分断予定ラインにより区画されて形成されている。そして、このような半導体ウェハを分断予定ラインに沿って分断する際には、レーザ加工が用いられている。

サファイア基板等の脆性材料基板を分断するレーザ加工方法のひとつが特許文献１に示されている。この特許文献１に示された方法は、サファイア基板の分断予定ラインに対応する領域にレーザ光線を照射して加熱溶融を進行させ、これにより分断溝を形成して個々の発光素子に分割するものである。

また、別のレーザ加工方法が特許文献２に示されている。この特許文献２に示された方法は、基板の内部にレーザ光線の集光点を合わせ、集光点を分断予定ラインに沿って走査し、基板の内部に多光子吸収による改質領域を形成して分断するものである。

特開昭５８−４４７３８号公報特開２００２−１９２３７１号公報

特許文献１に示されたレーザ加工方法では、基板表面に分断溝が形成される。このため、分断溝が形成された後は抗折強度が低くなり、後工程で分断するための力が小さくて良いという利点がある。しかし、基板表面が加熱溶融されるために、溶融された飛散物が素子領域に付着する場合があり、不良品が生じやすい。

また、特許文献２に示されたレーザ加工方法では、基板内部に改質領域が形成されるために、飛散物が素子領域に付着するといった問題はない。しかし、この場合は、基板表面に分断溝が形成されないために、後の分断工程において大きな力が必要になる。

そこで、基板内部における集光点の深さ位置を変更し、先に形成された改質領域の層とは異なる深さ位置に別の改質層を形成することも行われている。しかし、この場合は、複数回の走査が必要になり、タクトタイムが長くなってしまう。また、分断力を小さくするためには、改質層を基板表面近くに形成する必要があるが、飛散物なしに基板表面近くに改質層を形成することは困難である。

本発明の課題は、サファイア基板等の脆性材料基板を分断する際に、飛散物なしに、かつ比較的厚みが厚い基板においても走査数を少なくして容易に分断できるようにすることにある。

請求項１に係るレーザ加工方法は、パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断する方法であって、第１工程及び第２工程を含んでいる。第１工程では、所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射し、脆性材料基板の内部に改質層を形成する。第２工程では、パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査する。そして、脆性材料基板の厚みｔに対して、厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで改質層から基板の表面に向かって亀裂を進展させる。

ここでは、脆性材料基板の表面は溶融されない。また、基板内部に改質層が形成されるが、この改質層から基板表面に向かって所定の長さの亀裂が形成される。このため、後工程である分断工程において、比較的小さな力で分断することができる。

請求項２に係るレーザ加工方法は、請求項１のレーザ加工方法において、亀裂進展幅は、５０μｍ以上で基板表面に到達しない長さである。

ここでは、亀裂進展幅が基板表面に到達しないので、確実に飛散物をなくすことができる。

請求項３に係るレーザ加工方法は、請求項１又は２のレーザ加工方法において、第２工程におけるレーザ光の走査速度は、２５ｍｍ／ｓ以下５００ｍｍ／ｓ以上である。

このような走査速度でレーザ光を走査することにより、レーザ光が適切な範囲でオーバーラップし、適切な長さの亀裂を進展させることができる。

請求項４に係るレーザ加工方法は、請求項１から３のいずれかのレーザ加工方法において、第１工程におけるレーザ光の出力は、４．２Ｗ以上である。

請求項５に係るレーザ加工方法は、請求項１から４のいずれかのレーザ加工方法において、第２工程の後に、分断予定ラインの両側に力を加えて脆性材料基板を分断する第３工程をさらに含む。

ここでは、比較的小さい力で分断することができる。

請求項６に係るレーザ加工方法は、請求項５のレーザ加工方法において、分断加重は６０Ｎ以下である。

請求項７に係る脆性材料基板は、パルスレーザ光線を照射してレーザ加工されるものであって、改質層と、亀裂進展層と、を有している。改質層は、所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を照射することによって内部に形成された層である。亀裂進展層は、パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査することによって形成され、改質層から表面に向かって延びる亀裂が形成された層である。そして、亀裂進展層の基板厚み方向の幅は、脆性材料基板の厚みｔの１５％以上５５％以下である。

請求項８に係る脆性材料基板は、請求項７の脆性材料基板において、亀裂進展層の幅は、５０μｍ以上で基板表面に到達しない長さである。

請求項９に係る脆性材料基板は、請求項７又は８の脆性材料基板において、脆性材料はサファイアである。

以上のような本発明では、基板内部に改質層を形成するとともに、この改質層から基板表面に向かって亀裂を進展させるようにしたので、飛散物なしに、かつ走査数を少なくして容易に分断を行うことができる。

本発明の一実施形態による加工方法によって分断される半導体ウェハの外観斜視図。本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成図。ウェハに形成される改質領域を説明するための模式図。改質層及び亀裂進展層が形成された基板の顕微鏡写真を図面にしたもの。レーザ出力及びレーザ光線の相対速度をパラメータとして実験した亀裂進展の結果を示す図。レーザ光線の相対速度と改質幅の関係を示す図。レーザ光線の相対速度と亀裂進展幅の関係を示す図。レーザ光線の出力と改質幅の関係を示す図。レーザ光線の出力と亀裂進展幅の関係を示す図。レーザ光線の出力と亀裂進展幅／改質幅の関係を示す図。レーザ光線の各出力におけるレーザ光の走査速度と分断荷重との関係を示す図。

図１は、本発明の一実施形態による加工方法が適用される半導体ウェハの一例である。この図１に示す半導体ウェハ１は、サファイア基板２上に窒化物半導体が積層され、複数の発光ダイオード等の発光素子３が分割予定ライン４によって区画されて形成されたものである。

また、図２は、本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置５の概略構成を示したものである。レーザ加工装置５は、レーザ光線発振器や制御部を含むレーザ光線発振ユニット６と、レーザ光線を所定の方向に導くための複数のミラーを含む伝送光学系７と、伝送光学系７からのレーザ光線をウェハ１の内部において集光させるための集光レンズ８と、を有している。なお、ウェハ１はテーブル９に載置されており、レーザ光線とウェハ１が載置されるテーブル９とは、相対的に上下方向に移動が可能であるとともに、水平面内で相対移動が可能となっている。

以上のようなレーザ加工装置５を用いたレーザ加工方法は以下の通りである。

まず、レーザ光線発振ユニット６において、レーザ光の出力パワー等の加工条件を多光子吸収が生じる条件に制御し、ウェハ１のサファイア基板の内部に集光点Ｐを合わせる（図３参照）。そして、このレーザ光線をウェハ１に照射して、サファイア基板内部に改質領域１０を形成する。

その後、レーザ光線を分断予定ラインに沿って相対的に移動させることにより、集光点Ｐを分断予定ラインに沿って走査する。これにより、顕微鏡写真である図４に示すように、改質領域１０が分断予定ラインに沿って移動し、サファイア基板の内部のみに改質された領域からなる改質層１２が形成される。このとき、ウェハ１の表面ではレーザ光線はほとんど吸収されないので、ウェハ１の表面が溶融することはない。また、レーザ加工条件を制御することによって、図４に示すように、改質層１２からウェハ１の表面に向かって延びる亀裂が形成される。すなわち、改質層１２のウェハ表面側に、改質層１２から亀裂が延びた亀裂進展層１３が形成される。この亀裂は、改質層１２の上下に熱応力が作用することによって生じるものである。

以上のようにして、ウェハ１の内部に改質層１２及び亀裂進展層１３が形成された後は、これらの層１２，１３が形成された部分に曲げ応力を加えることによって、分断溝を境に容易にウェハ１を分断することができる。

以下に、改質層１２及び亀裂進展層１３を形成するレーザ加工方法の参考例及び実施例を示す。

［実験条件］
各参考例及び実施例に共通の実験条件は以下の通りである。なお、ここでは、半導体ウェハ１を構成するサファイア基板を分断対象としている。

基板：サファイア厚みｔ＝３３０μｍ
走査回数：１回
パルスレーザ繰り返し周波数：５ＭＨｚ
集光位置：基板内部１７０μｍ
＜参考例１＞
レーザ出力２．８Ｗで、レーザ光線の基板に対する相対走査速度（以下、単に走査速度と記す）を２５ｍｍ／ｓ、５０ｍｍ／ｓ、１００ｍｍ／ｓ、２００ｍｍ／ｓ、５００ｍｍ／ｓと変化させて観察したが、改質層及び亀裂進展層は見られなかった。

＜参考例２＞
レーザ出力３．３Ｗで、走査速度を同様に２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓまで変化させて観察したが、改質層及び亀裂進展層は見られなかった。

＜参考例３＞
レーザ出力３．８４Ｗで、走査速度を同様に２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓまで変化させて観察したが、一部で改質層は観察されたものの、亀裂進展層は見られなかった。

＜実施例１＞
レーザ出力４．２７Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。

２５ｍｍ／ｓ：１６５μｍ−−−−−（５０％）
５０ｍｍ／ｓ：１５９．５μｍ−−−（４８％）
１００ｍｍ／ｓ：１５８．９μｍ−−−（４８％）
２００ｍｍ／ｓ：１８９．９μｍ−−−（５８％）
３００ｍｍ／ｓ：９３．６μｍ−−−（２８％）
＜実施例２＞
レーザ出力４．６２Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜４００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。

２５ｍｍ／ｓ：１２８．２μｍ−−−（３９％）
５０ｍｍ／ｓ：８６．８μｍ−−−（２６％）
１００ｍｍ／ｓ：７１．４μｍ−−−（２２％）
２００ｍｍ／ｓ：１０４．３μｍ−−−（３２％）
３００ｍｍ／ｓ：１１３．１μｍ−−−（３４％）
４００ｍｍ／ｓ：５４．６μｍ−−−（１７％）
＜実施例３＞
レーザ出力４．９５Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。

２５ｍｍ／ｓ：１３７．９μｍ−−−（４２％）
５０ｍｍ／ｓ：１３０．５μｍ−−−（４０％）
１００ｍｍ／ｓ：１０５μｍ−−−−−（３２％）
２００ｍｍ／ｓ：８４μｍ−−−−−（２５％）
３００ｍｍ／ｓ：１１１．９μｍ−−−（３４％）
４００ｍｍ／ｓ：７５μｍ−−−−−（２３％）
５００ｍｍ／ｓ：７８．７μｍ−−−−（２４％）
＜実施例４＞
レーザ出力６．６２Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。

２５ｍｍ／ｓ：１７９．４μｍ−−−（５４％）
５０ｍｍ／ｓ：１６５μｍ−−−−−（５０％）
１００ｍｍ／ｓ：１５２．７μｍ−−−（４６％）
２００ｍｍ／ｓ：１３４．２μｍ−−−（４１％）
３００ｍｍ／ｓ：１４０μｍ−−−−−（４２％）
４００ｍｍ／ｓ：１２５．４μｍ−−−（３８％）
５００ｍｍ／ｓ：１０７．４μｍ−−−（３３％）
以上の実験結果をまとめた表を図５に示す。図５において、「×」は亀裂進展が見られなかったもの、「○」は亀裂進展が観察されたことを示している。また、「○」の欄に並べて記載している数値が亀裂進展の長さである。この結果から、以上の実験では、基板厚みｔに対して、この厚みｔの１５％以上５５％以下の長さの亀裂進展が観察されたことがわかる。また、レーザ光の繰り返し周波数については、すべての加工条件で実験がなされたわけではないが、例えば出力５．５W、走査速度３００ｍｍ／ｓにおいては、２ＭＨｚ〜５ＭＨｚで所望の亀裂進展が観察できた。

なお、以上の実施例において、「亀裂進展の長さ」とは、亀裂の最大長さをいう。

また、以上の実験データを基に、図６に出力毎の走査速度と改質幅との関係を示し、図７に出力毎の走査速度と亀裂進展幅との関係を示している。これらの図から、走査速度を下げてレーザスポットのオーバーラップ率を高くすると、改質幅が大きくなることが分かる。また、亀裂進展幅も同様の傾向を示していることが分かる。特に、図７から、走査速度を１００ｍｍ／ｓ以下にしたときに、出力によっては基板の半分程度の長さの亀裂が生じることがわかる。なお、図９に関して後述するように、亀裂進展幅は出力の大きさに比例して大きくなるわけではない。

また、図８に走査速度毎の出力に対する改質幅を、図９に走査速度毎の出力に対する亀裂進展幅を示している。図８からは、出力を増加させることによって改質幅が大きくなることが分かる。また、図９から、出力に対して亀裂進展幅は極小値を持つことが分かる。

図１０は、出力に対して、改質幅と亀裂進展幅の割合（亀裂進展幅／改質幅）がどのように変化するかを示している。この図１０から、走査速度が２５〜５００ｍｍ／ｓ、出力が４．２〜７Ｗの範囲では、亀裂進展幅／改質幅は１．４〜３．６であることがわかる。

図１１は、レーザ出力を変えて、レーザ光の走査速度と分断荷重との関係を測定した結果を示している。この図から明らかなように、各出力ともに、走査速度が遅いほど、すなわち、レーザ光が照射される領域のオーバーラップ範囲が大きいほど、分断強度が小さくなる傾向にあることがわかる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、ウェハを構成する基板として、サファイア基板を例にとって説明したが、他の脆性材料基板においても本発明を同様に適用することができる。

２サファイア基板
４分断予定ライン
１２改質層
１３亀裂進展層

Claims

パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法であって、
所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射し、脆性材料基板の内部に改質層を形成する第１工程と、
パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査する第２工程と、
を含み、
脆性材料基板の厚みｔに対して、前記厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで前記改質層から前記基板の表面に向かって亀裂を進展させる、
レーザ加工方法。
前記亀裂進展幅は、５０μｍ以上で前記基板表面に到達しない長さである、請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記第２工程におけるレーザ光の走査速度は、２５ｍｍ／ｓ以下５００ｍｍ／ｓ以上である、請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
前記第１工程におけるレーザ光の出力は、４．２Ｗ以上である、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
前記第２工程の後に、前記分断予定ラインの両側に力を加えて脆性材料基板を分断する第３工程をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
前記分断加重は６０Ｎ以下である、請求項５に記載のレーザ加工方法。
パルスレーザ光線を照射してレーザ加工された脆性材料基板であって、
所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を照射することによって内部に形成された改質層と、
パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査することによって形成され、前記改質層から表面に向かって延びる亀裂が形成された亀裂進展層と、
を有し、
前記亀裂進展層の基板厚み方向の幅は、脆性材料基板の厚みｔの１５％以上５５％以下である、
脆性材料基板。
前記亀裂進展層の幅は、５０μｍ以上で前記基板表面に到達しない長さである、請求項７に記載の脆性材料基板。
前記脆性材料はサファイアである、請求項７又は８に記載の脆性材料基板。