JP2011216913A - 切断起点領域の形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 チッピングやクラッキングの発生を防止して、基板を薄型化し且つ基板を分割することのできる切断起点領域の形成方法を提供する。
【解決手段】 基板３の内部に集光点を合わせて、集光点でのピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上となるようにしてレーザ光を照射し、基板３の内部に切断予定ラインに沿った改質領域１３を形成し、この改質領域１３を切断起点領域として、基板３を分割するための当該切断起点領域の形成方法であって、切断予定ラインは格子状に設定されており、切断起点領域を、基板３の厚さ方向における中心位置から基板のレーザ光照射面側に偏倚して形成し、切断起点領域を起点として格子状の切断予定ラインに沿って発生する割れを基板３のレーザ光照射面には到達するが、基板３の反対側面には到達しないようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図２３

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程等において半導体基板等の基板を分割するために使用される切断起点領域の形成方法に関する。
近年の半導体デバイスの小型化に伴い、半導体デバイスの製造工程において、半導体基板が数１０μｍ程度の厚さにまで薄型化されることがある。このように薄型化された半導体基板をブレードにより切断し分割すると、半導体基板が厚い場合に比べてチッピングやクラッキングの発生が増加し、半導体基板を分割することで得られる半導体チップの歩留まりが低下するという問題がある。
このような問題を解決し得る半導体基板の分割方法として、特許文献１や特許文献２に記載された方法が知られている。
すなわち、これらの文献１及び文献２に記載された方法は、表面に機能素子が形成されている半導体基板に対して当該表面側からブレードにより溝を形成し、その後に、当該表面に粘着シートを貼り付けて半導体基板を保持し、予め形成された溝に達するまで半導体基板の裏面を研磨することで、半導体基板を薄型化する共に半導体基板を分割するというものである。
特開昭６４−３８２０９号公報 特開昭６２−４３４１号公報
しかしながら、上記文献１及び文献２に記載された方法にあっては、半導体基板の裏面の研磨を平面研削により行うと、平面研削面が、半導体基板に予め形成された溝に達した際に、当該溝の側面でチッピングやクラッキングが発生するおそれがある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、チッピングやクラッキングの発生を防止して、基板を薄型化し且つ基板を分割することのできる切断起点領域の形成方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る切断起点領域の形成方法は、基板の内部に集光点を合わせて、集光点でのピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上となるようにしてレーザ光を照射し、基板の内部に切断予定ラインに沿った改質領域を形成し、この改質領域を切断起点領域として、基板を分割するための当該切断起点領域の形成方法であって、 切断予定ラインは格子状に設定されており、切断起点領域を、基板の厚さ方向における中心位置から基板のレーザ光照射面側に偏倚して形成し、切断起点領域を起点として格子状の切断予定ラインに沿って発生する割れを基板のレーザ光照射面には到達するが、基板の反対側面には到達しないようにしたことを特徴とする。
この切断起点領域の形成方法によれば、切断起点領域を形成する工程においては、基板の内部に集光点を合わせて、集光点でのピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上となるようにしてレーザ光を照射レーザ光を照射し、基板の内部に改質領域を形成するため、この改質領域でもって、基板を切断すべき格子状の切断予定ラインに沿うよう基板の内部に切断起点領域を形成することができる。
そして、切断起点領域を、基板の厚さ方向における中心位置から基板のレーザ光照射面側に偏倚して形成することで、切断起点領域を起点として格子状の切断予定ラインに沿って発生する割れを基板のレーザ光照射面には到達するが、基板の反対側面には到達しないようにしている。
ここで、集光点とは、レーザ光が集光した箇所のことである。また、研磨とは、切削、研削及びケミカルエッチング等を含む意味である。さらに、切断起点領域とは、基板が切断される際に切断の起点となる領域を意味する。したがって、切断起点領域は、基板において切断が予定される切断予定部である。そして、切断起点領域は、改質領域が連続的に形成されることで形成される場合もあるし、改質領域が断続的に形成されることで形成される場合もある。
なお、基板としては、シリコン基板やＧａＡｓ基板等の半導体基板や、サファイア基板やＡｌＮ基板等の絶縁基板がある。
本発明によれば、チッピングやクラッキングの発生を防止して、基板を分割することのできる切断起点領域の形成方法を提供することができる。
本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の加工対象物の平面図である。 図１に示す加工対象物のII−II線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。 図３に示す加工対象物のIV−IV線に沿った断面図である。 図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。 実施例１に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 実施例１に係るレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。 実施例１に係る切断起点領域を形成する工程後の半導体基板を示す図である。 実施例１に係る保護フィルムを貼り付ける工程を説明するための図である。 実施例１に係る半導体基板を研磨する工程を説明するための図である。 実施例１に係る拡張フィルムを貼り付ける工程を説明するための図である。 実施例１に係る保護フィルムを剥がす工程を説明するための図である。 実施例１に係る拡張フィルムをエキスパンドし半導体チップをピックアップする工程を説明するための図である。 実施例１に係る半導体基板を研磨する工程後の半導体チップの切断面の裏面側のエッジ部に形成された面取りを示す図である。 実施例１に係る半導体基板を研磨する工程後の半導体チップの切断面内に溶融処理領域が残存する場合を説明するための図である。 実施例１に係る半導体基板を研磨する工程後の半導体チップの切断面内に溶融処理領域が残存しない場合を説明するための図である。 実施例１に係る半導体基板を研磨する工程後の半導体チップの切断面の裏面側のエッジ部に溶融処理領域が残存する場合を説明するための図である。 実施例１に係る半導体基板を研磨する工程前の半導体基板の周縁部の断面図である。 実施例２に係るサファイア基板の平面図である。 実施例２に係る切断起点領域を形成する工程を説明するための断面図である。 実施例２に係る機能素子を形成する工程を説明するための断面図である。 実施例２に係る保護フィルムを貼り付ける工程を説明するための断面図である。 実施例２に係るサファイア基板を研磨する工程を説明するための断面図である。 実施例２に係る拡張フィルムを貼り付ける工程を説明するための断面図である。 実施例２に係る保護フィルムに紫外線を照射する工程を説明するための断面図である。 実施例２に係る保護フィルムを剥がす工程を説明するための断面図である。 実施例２に係る拡張フィルムをエキスパンドし半導体チップを分離する工程を説明するための断面図である。
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係る基板の分割方法は、基板の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、基板の内部に多光子吸収による改質領域を形成することで切断起点領域を形成する工程と、切断起点領域を形成する工程後、基板が所定の厚さとなるよう基板を研磨する工程とを備えている。
まず、切断起点領域を形成する工程において実施されるレーザ加工方法、特に多光子吸収について説明する。
材料の吸収のバンドギャップＥＧよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞ＥＧである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞ＥＧの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ２）で決まる。
このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１はレーザ加工中の基板１の平面図であり、図２は図１に示す基板１のII−II線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の基板１の平面図であり、図４は図３に示す基板１のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は図３に示す基板１のV−V線に沿った断面図であり、図６は切断された基板１の平面図である。
図１及び図２に示すように、基板１の表面３には、基板１を切断すべき所望の切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である（基板１に実際に線を引いて切断予定ライン５としてもよい）。本実施形態に係るレーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で基板１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを基板１に照射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。
レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように改質領域７が切断予定ライン５に沿って基板１の内部にのみ形成され、この改質領域７でもって切断起点領域（切断予定部）８が形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、基板１がレーザ光Ｌを吸収することにより基板１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。基板１にレーザ光Ｌを透過させ基板１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、基板１の表面３ではレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、基板１の表面３が溶融することはない。
基板１の切断において、切断する箇所に起点があると基板１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で基板１を切断することができる。よって、基板１の表面３に不必要な割れを発生させることなく基板１の切断が可能となる。
なお、切断起点領域を起点とした基板の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断起点領域形成後、基板に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域を起点として基板が割れ、基板が切断される場合である。これは、例えば基板の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、基板の切断起点領域に沿って基板に曲げ応力やせん断応力を加えたり、基板に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断起点領域を形成することにより、切断起点領域を起点として基板の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に基板が切断される場合である。これは、例えば基板の厚さが小さい場合には、１列の改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となり、基板の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域が形成されていない部位に対応する部分の表面上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の基板の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。
さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）がある。
（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合 基板（例えばガラスやＬｉＴａＯ３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ基板の表面に余計なダメージを与えずに、基板の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、基板の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により基板の内部に熱ひずみが誘起され、これにより基板の内部にクラック領域が形成される。
電界強度の上限値としては、例えば１×１０１２（Ｗ／ｃｍ２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。
本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
（Ａ）基板：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０−８ｃｍ２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）基板が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
なお、レーザ光品質がＴＥＭ００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。
図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により基板の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０１１（Ｗ／ｃｍ２）程度から基板の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。
次に、本実施形態に係るレーザ加工において、クラック領域形成による基板の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で基板１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを基板１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このクラック領域９でもって切断起点領域が形成される。図９に示すようにクラック領域９を起点として（すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが基板１の表面３と裏面２１に到達し、図１１に示すように基板１が割れることにより基板１が切断される。基板の表面と裏面に到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、基板に力が印加されることにより成長する場合もある。
（２）改質領域が溶融処理領域の場合
基板（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。これにより基板の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により基板の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。基板がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば１×１０１２（Ｗ／ｃｍ２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。
本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。
（Ａ）基板：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０−８ｃｍ２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）基板が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。
溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
なお、シリコンウェハは、溶融処理領域でもって形成される切断起点領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。なお、切断起点領域からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。基板の内部に溶融処理領域でもって切断起点領域を形成すると、割断時、切断起点領域ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。
（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
基板（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を基板の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、基板の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０１２（Ｗ／ｃｍ２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。
以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（３）の場合を説明したが、基板の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く基板を切断することが可能になる。
すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。さらに、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）などの六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。
なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、切断起点領域を形成すべき方向に沿った切断起点領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。
以下、実施例により、本発明についてより具体的に説明する。
［実施例１］
本発明に係る基板の分割方法の実施例１について説明する。実施例１では、基板１をシリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）とし（以下、実施例１では「基板１」を「半導体基板１」という）、デバイス製作プロセスにおいて半導体基板１の表面３に複数の機能素子がマトリックス状に形成されたものを対象とする。ここで、機能素子とは、フォトダイオード等の受光素子や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を意味する。
まず、半導体基板１の内部に切断起点領域を形成する工程について説明するが、その説明に先立って、切断起点領域を形成する工程において使用されるレーザ加工装置について、図１４を参照して説明する。図１４はレーザ加工装置１００の概略構成図である。
レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１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、レーザ光Ｌの反射機能を有しかつレーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを集光する集光用レンズ１０５と、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される半導体基板１が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９と、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ１１１と、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ１１３と、これら３つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５とを備える。
Ｚ軸方向は半導体基板１の表面３と直交する方向なので、半導体基板１に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、半導体基板１の内部にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせることができる。また、この集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、半導体基板１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。
レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。溶融処理領域を形成する場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを用いるのが好適である。実施例１では、半導体基板１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。
レーザ加工装置１００はさらに、載置台１０７に載置された半導体基板１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９とを備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、半導体基板１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。
レーザ加工装置１００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤカメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。
レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９とを備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点を表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。
全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。
続いて、上述したレーザ加工装置１００を使用した場合の切断起点領域を形成する工程について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１５は、切断起点領域を形成する工程を説明するためのフローチャートである。
半導体基板１の光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、半導体基板１に対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１を選定する（Ｓ１０１）。続いて、半導体基板１の厚さを測定する。厚さの測定結果及び半導体基板１の屈折率を基にして、半導体基板１のＺ軸方向の移動量を決定する（Ｓ１０３）。これは、レーザ光Ｌの集光点Ｐを半導体基板１の内部に位置させるために、半導体基板１の表面３に位置するレーザ光Ｌの集光点Ｐを基準とした半導体基板１のＺ軸方向の移動量である。この移動量は全体制御部１２７に入力される。
半導体基板１をレーザ加工装置１００の載置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて半導体基板１を照明する（Ｓ１０５）。照明された切断予定ライン５を含む半導体基板１の表面３を撮像素子１２１により撮像する。切断予定ライン５は、半導体基板１を切断すべき所望の仮想線である。ここでは、半導体基板１をその表面３に形成された機能素子毎に分割して半導体チップを得るため、切断予定ライン５は、隣り合う機能素子間を走るよう格子状に設定される。撮像素子１２１により撮像された撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点データを演算する（Ｓ１０７）。
この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向の移動させる（Ｓ１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が半導体基板１の表面３に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、切断予定ライン５を含む半導体基板１の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の拡大画像が表示される。
全体制御部１２７には予めステップＳ１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Ｌの集光点Ｐが半導体基板１の内部となる位置に、Ｚ軸ステージ１１３により半導体基板１をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１１１）。
続いて、レーザ光源１０１からレーザ光Ｌを発生させて、レーザ光Ｌを半導体基板１の表面３の切断予定ライン５に照射する。レーザ光Ｌの集光点Ｐは半導体基板１の内部に位置しているので、溶融処理領域は半導体基板１の内部にのみ形成される。そして、切断予定ライン５に沿うようにＸ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させて、切断予定ライン５に沿うよう形成された溶融処理領域でもって切断予定ライン５に沿う切断起点領域を半導体基板１の内部に形成する（Ｓ１１３）。
以上により切断起点領域を形成する工程が終了し、半導体基板１の内部に切断起点領域が形成される。半導体基板１の内部に切断起点領域が形成されると、自然に或いは比較的小さな力によって、切断起点領域を起点として半導体基板１の厚さ方向に割れが発生する。
実施例１では、上述した切断起点領域を形成する工程において、半導体基板１の内部の表面３側に近い位置に切断起点領域が形成され、この切断起点領域を起点として半導体基板１の厚さ方向に割れが発生している。図１６は切断起点領域形成後の半導体基板１を示す図である。図１６に示すように、半導体基板１において切断起点領域を起点として発生した割れ１５は、切断予定ラインに沿うよう格子状に形成され、半導体基板１の表面３にのみ到達し、裏面２１には到達していない。すなわち、半導体基板１に発生した割れ１５は、半導体基板１の表面にマトリックス状に形成された複数の機能素子１９を個々に分割している。また、この割れ１５により切断された半導体基板１の切断面は互いに密着している。
なお、「半導体基板１の内部の表面３側に近い位置に切断起点領域が形成される」とは、切断起点領域を構成する溶融処理領域等の改質領域が、半導体基板１の厚さ方向における中心位置（厚さの半分の位置）から表面３側に偏倚して形成されることを意味する。つまり、半導体基板１の厚さ方向における改質領域の幅の中心位置が、半導体基板１の厚さ方向における中心位置から表面３側に偏倚して位置している場合を意味し、改質領域の全ての部分が半導体基板１の厚さ方向における中心位置に対して表面３側に位置している場合のみに限る意味ではない。
次に、半導体基板１を研磨する工程について、図１７〜図２１を参照して説明する。図１７〜２１は、半導体基板を研磨する工程を含む各工程を説明するための図である。なお、実施例１では、半導体基板１が厚さ３５０μｍから厚さ５０μｍに薄型化される。
図１７に示すように、上記切断起点領域形成後の半導体基板１の表面３に保護フィルム２０が貼り付けられる。保護フィルム２０は、半導体基板１の表面３に形成されている機能素子１９を保護すると共に、半導体基板１を保持するためのものである。続いて、図１８に示すように、半導体基板１の裏面２１が平面研削され、この平面研削後に裏面２１にケミカルエッチングが施されて、半導体基板１が５０μｍに薄型化される。これにより、すなわち半導体基板１の裏面２１の研磨により、切断起点領域を起点として発生した割れ１５に裏面２１が達して、機能素子１９それぞれを有する半導体チップ２５に半導体基板１が分割される。なお、上記ケミカルエッチングとしては、ウェットエッチング（ＨＦ・ＨＮＯ３）やプラズマエッチング（ＨＢｒ・Ｃｌ２）等が挙げられる。
そして、図１９に示すように、すべての半導体チップ２５の裏面を覆うよう拡張フィルム２３が貼り付けられ、その後、図２０に示すように、すべての半導体チップ２５の機能素子１９を覆うよう貼り付けられていた保護フィルム２０が剥がされる。続いて、図２１に示すように、拡張フィルム２３がエキスパンドされて各半導体チップ２５が互いに離間され、吸着コレット２７により半導体チップ２５がピックアップされる。
以上説明したように、実施例１に係る基板の分割方法によれば、デバイス製作プロセスにおいて機能素子１９を半導体基板１の表面３に形成した後に、半導体基板１の裏面２１を研磨することができる。そして、切断起点領域を形成する工程及び半導体基板を研磨する工程のそれぞれが奏する以下の効果により、半導体デバイスの小型化に対応するよう薄型化された半導体チップ２５を歩留まりよく得ることが可能となる。
すなわち、切断起点領域を形成する工程によれば、半導体基板１を切断すべき所望の切断予定ラインから外れた不必要な割れや溶融が半導体基板１の表面３に生じるのを防止することができ、半導体基板１を分離して得られる半導体チップ２５に不必要な割れや溶融が生じるのを防止することが可能となる。
また、切断起点領域を形成する工程によれば、切断予定ラインに沿う半導体基板１の表面３は溶融しないため、隣り合う機能素子１９の間隔を狭くすることができ、１枚の半導体基板１から分離される半導体チップ２５の数を増加させることが可能となる。
一方、半導体基板を研磨する工程においては、半導体基板１の内部に切断起点領域を形成した後に半導体基板１が所定の厚さとなるよう半導体基板１の裏面２１を平面研削するが、このとき、裏面２１が、切断起点領域を起点として発生した割れ１５に達しても、この割れ１５により切断された半導体基板１の切断面は互いに密着しているため、平面研削による半導体基板１のチッピングやクラッキングを防止することができる。したがって、チッピングやクラッキングの発生を防止して、半導体基板１を薄型化し且つ半導体基板１を分割することが可能となる。
上述した半導体基板１における切断面の密着は、平面研削により生じる研削屑の割れ１５内への入り込みを防止し、半導体基板１を分割することで得られる半導体チップ２５の研削屑汚染を防止するという効果をも奏する。同じく半導体基板１における切断面の密着は、各半導体チップ２５が互いに離間している場合に比べて平面研削による半導体チップ２５のチップ飛びを減少させるという効果をも奏する。すなわち、保護フィルム２０として保持力を抑えたものを使用することができる。
また、半導体基板を研磨する工程においては、半導体基板１の裏面２１にケミカルエッチングを施すため、半導体基板１を分割することで得られる半導体チップ２５の裏面をより平滑化することができる。さらに、切断起点領域を起点として発生した割れ１５による半導体基板１の切断面が互いに密着しているため、図２２に示すように、当該切断面の裏面側のエッジ部のみが選択的にエッチングされ面取り２９が形成される。したがって、半導体基板１を分割することで得られる半導体チップ２５の抗折強度を向上させることができる共に、半導体チップ２５におけるチッピングやクラッキングの発生を防止することが可能となる。
なお、半導体基板を研磨する工程後の半導体チップ２５と溶融処理領域１３との関係としては、図２３（ａ）〜図２５（ｂ）に示すものがある。各図に示す半導体チップ２５には、後述するそれぞれの効果が存在するため、種々様々な目的に応じて使い分けることができる。ここで、図２３（ａ）、図２４（ａ）及び図２５（ａ）は、半導体基板を研磨する工程前に割れ１５が半導体基板１の表面３に達している場合であり、図２３（ｂ）、図２４（ｂ）及び図２５（ｂ）は、半導体基板を研磨する工程前に割れ１５が半導体基板１の表面３に達していない場合である。図２３（ｂ）、図２４（ｂ）及び図２５（ｂ）の場合にも、半導体基板を研磨する工程後には、割れ１５が半導体基板１５の表面３に達する。
図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すように、溶融処理領域１３が切断面内に残存する半導体チップ２５は、その切断面が溶融処理領域１３により保護されることとなり、半導体チップ２５の抗折強度が向上する。
図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に示すように、溶融処理領域１３が切断面内に残存しない半導体チップ２５は、溶融処理領域１３が半導体デバイスに好影響を与えないような場合に有効である。
図２５（ａ）及び図２５（ｂ）に示すように、溶融処理領域１３が切断面の裏面側のエッジ部に残存する半導体チップ２５は、当該エッジ部が溶融処理領域１３により保護されることとなり、半導体チップ２５のエッジ部を面取りした場合と同様に、エッジ部におけるチッピングやクラッキングの発生を防止することができる。
また、図２３（ａ）、図２４（ａ）及び図２５（ａ）に示すように、半導体基板を研磨する工程前に割れ１５が半導体基板１の表面３に達している場合に比べ、図２３（ｂ）、図２４（ｂ）及び図２５（ｂ）に示すように半導体基板を研磨する工程前に割れ１５が半導体基板１の表面３に達していない場合の方が、半導体基板を研磨する工程後に得られる半導体チップ２５の切断面の直進性がより向上する。
ところで、半導体基板を研磨する工程前に割れ１５が半導体基板１の表面３に到達するか否かは、溶融処理領域１３の表面３からの深さに関係するのは勿論であるが、溶融処理領域１３の大きさにも関係する。すなわち、溶融処理領域１３の大きさを小さくすれば、溶融処理領域１３の表面３からの深さが浅い場合でも、割れ１５は半導体基板１の表面３に到達しない。溶融処理領域１３の大きさは、例えば切断起点領域を形成する工程におけるパルスレーザ光の出力により制御することができ、パルスレーザ光の出力を上げれば大きくなり、パルスレーザ光の出力を下げれば小さくなる。
また、半導体基板を研磨する工程において薄型化される半導体基板１の所定の厚さを考慮して、予め（例えば切断起点領域を形成する工程前に）、少なくとも当該所定の厚さの分だけ半導体基板１の周縁部（外周部）に、面取り加工により丸みをつけておくことが好ましい。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、実施例１に係る半導体基板を研磨する工程の前後における半導体基板１の周縁部の断面図である。半導体基板を研磨する工程前における図２６（ａ）に示す半導体基板１の厚さは３５０μｍであり、半導体基板を研磨する工程後における図２６（ｂ）に示す半導体基板１の厚さは５０μｍである。図２６（ａ）に示すように、半導体基板１の周縁部には、予め、厚さ５０μｍ毎に面取りによる丸みが複数（ここでは７つ）形成され、すなわち、半導体基板１の周縁部の断面形状は波型に形成される。これにより、図２６（ｂ）に示すように、半導体基板１を研磨する工程後の半導体基板１の周縁部は、面取りにより丸みをつけた状態となるため、当該周縁部におけるチッピングやクラッキングの発生を防止することができ、ひいては、機械的な強度の向上によってハンドリングを容易とすることができる。
［実施例２］
本発明に係る基板の分割方法の実施例２について、図２７〜図３５を参照して説明する。実施例２は、基板１を絶縁基板であるサファイア基板（厚さ４５０μｍ、外径２インチ）とし（以下、実施例２では「基板１」を「サファイア基板１」という）、発光ダイオードとなる半導体チップを得る場合である。なお、図２８〜図３５は、図２７に示すサファイア基板１のXX−XXに沿った断面図である。
まず、図２８に示すように、サファイア基板１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、サファイア基板１の内部に改質領域７を形成する。このサファイア基板１の表面３上には、後の工程において複数の機能素子１９をマトリックス状に形成し、この機能素子１９毎にサファイア基板１の分割を行う。そのため、各機能素子１９のサイズに合わせて表面３側から見て格子状に切断予定ラインを設定し、この切断予定ラインに沿って改質領域７を形成して、この改質領域７を切断起点領域とする。
なお、集光点Ｐにおけるピークパワー密度が１×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でサファイア基板１にレーザ光を照射すると、改質領域７としてクッラク領域が形成される（溶融処理領域が形成される場合もある）。また、サファイア基板１の（０００１）面を表面３として、（１１２０）面に沿った方向と当該方向に直交する方向とに改質領域７を形成すれば、後の工程において、この改質領域７による切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く基板を切断することが可能になる。このことは、（１１００）面に沿った方向と当該方向に直交する方向とに改質領域７を形成しても同様である。
改質領域７による切断起点領域の形成後、図２９に示すように、サファイア基板１の表面３上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下「ｎ型層」という）３１を厚さ６μｍとなるまで結晶成長させ、さらに、ｎ型層３１上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下「ｐ型層」という）３２を厚さ１μｍとなるまで結晶成長させる。そして、格子状に形成された改質領域７に沿ってｎ型層３１及びｐ型層３２をｎ型層３１の途中までエッチングすることで、ｎ型層３１及びｐ型層３２からなる複数の機能素子１９をマトリックス状に形成する。
なお、サファイア基板１の表面３上にｎ型層３１及びｐ型層３２を形成した後に、サファイア基板１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、サファイア基板１の内部に改質領域７を形成してもよい。また、レーザ光Ｌの照射は、サファイア基板１の表面３側から行ってもよいし、裏面２１側から行ってもよい。ｎ型層３１及びｐ型層３２の形成後に表面３側からレーザ光Ｌの照射を行う場合にも、レーザ光Ｌはサファイア基板１、ｎ型層３１及びｐ型層３２に対して光透過性を有するため、ｎ型層３１及びｐ型層３２が溶融するのを防止することができる。
ｎ型層３１及びｐ型層３２からなる機能素子１９の形成後、図３０に示すように、サファイア基板１の表面３側に保護フィルム２０を貼り付ける。保護フィルム２０は、サファイア基板１の表面３に形成された機能素子１９を保護すると共に、サファイア基板１を保持するためのものである。続いて、図３１に示すように、サファイア基板１の裏面２１を平面研削して、サファイア基板１を厚さ１５０μｍとなるまで薄型化する。このサファイア基板１の裏面２１の研磨により、改質領域７による切断起点領域を起点として割れ１５が発生し、この割れ１５がサファイア基板１の表面３と裏面２１とに達して、ｎ型層３１及びｐ型層３２からなる機能素子１９それぞれを有する半導体チップ２５にサファイア基板１が分割される。
そして、図３２に示すように、すべての半導体チップ２５の裏面を覆うよう、拡張可能な拡張フィルム２３を貼り付けた後、図３３に示すように、保護フィルム２０に紫外線を照射することで、保護フィルム２０の粘着層であるＵＶ硬化樹脂を硬化させて、図３４に示すように保護フィルム２０を剥がす。続いて、図３５に示すように、拡張フィルム２３を外方側にエキスパンドして各半導体チップ２５を互いに分離し、吸着コレット等により半導体チップ２５をピックアップする。この後、半導体チップ２５のｎ型層３１及びｐ型層３２に電極を取り付けて発光ダイオードを作製する。
以上説明したように、実施例２に係る基板の分割方法によれば、切断起点領域を形成する工程においては、サファイア基板１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、サファイア基板１の内部に多光子吸収という現象を発生させて改質領域７を形成するため、この改質領域７でもって、サファイア基板１を切断すべき所望の切断予定ラインに沿うようサファイア基板１の内部に切断起点領域を形成することができる。サファイア基板１の内部に切断起点領域が形成されると、自然に或いは比較的小さな力によって、切断起点領域を起点としてサファイア基板１の厚さ方向に割れ１５が発生する。
そして、サファイア基板１を研磨する工程においては、サファイア基板１の内部に切断起点領域を形成した後に、サファイア基板１が所定の厚さとなるようサファイア基板１を研磨するが、このとき、研磨面が、切断起点領域を起点として発生した割れ１５に達しても、この割れ１５により切断されたサファイア基板１の切断面は互いに密着した状態であるため、研磨によるサファイア基板１のチッピングやクラッキングを防止することができる。
したがって、チッピングやクラッキングの発生を防止して、サファイア基板１を薄型化し且つサファイア基板１を分割することができ、サファイア基板１が薄型化された半導体チップ２５を歩留まりよく得ることが可能となる。
なお、サファイア基板１に換えてＡｌＮ基板やＧａＡｓ基板を用いた場合の基板の分割においても、上記同様の効果を奏する。
１…基板、３…表面、５…切断予定ライン、７…改質領域、８…切断起点領域、２０…保護フィルム、２１…裏面、２３…拡張フィルム、２５…半導体チップ（チップ）、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (3)

  1. 基板の内部に集光点を合わせて、集光点でのピークパワー密度が１×１０８Ｗ／ｃｍ２以上となるようにしてレーザ光を照射し、前記基板の内部に切断予定ラインに沿った改質領域を形成し、この改質領域を切断起点領域として、基板を分割するための当該切断起点領域の形成方法であって、
    前記切断予定ラインは格子状に設定されており、
    前記切断起点領域を、前記基板の厚さ方向における中心位置から前記基板のレーザ光照射面側に偏倚して形成し、前記切断起点領域を起点として前記格子状の切断予定ラインに沿って発生する割れを前記基板のレーザ光照射面には到達するが、前記基板の反対側面には到達しないようにしたことを特徴とする基板の分割のための切断起点領域の形成方法。
  2. 前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の基板の分割のための切断起点領域の形成方法。
  3. 前記基板は、サファイア又はＡｌＮの絶縁基板であることを特徴とする請求項１に記載の基板の分割のための切断起点領域の形成方法。
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