JP2012195472A - 非線形結晶基板のレーザー加工方法 - Google Patents

非線形結晶基板のレーザー加工方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板であってもクラックが発生することなくレーザー加工溝を形成することができる非線形結晶基板のレーザー加工方法を提供する。
【解決手段】非線形結晶基板の被加工面に分割予定ラインに沿ってパルスレーザー光線を照射し、レーザー加工溝を形成する非線形結晶基板のレーザー加工方法であって、パルスレーザー光線は、パルス幅が２００ps以下に設定され、繰り返し周波数が５０kHz以下に設定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、リチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板にレーザー加工溝を形成するレーザー加工方法に関する。
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状であるシリコン基板の表面に格子状に形成された分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。このように形成された半導体ウエーハを分割予定ラインに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々のデバイスを製造している。また、サファイヤ基板や炭化珪素基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハも分割予定ラインに沿って分割することにより個々の発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。
上述したウエーハを分割予定ラインに沿って分割する方法として、ウエーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射することにより破断の起点となるレーザー加工溝を形成し、この破断の起点となるレーザー加工溝が形成されたストリートに沿って外力を付与することにより割断する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特許第３４０８８０５号公報
近年、弾性表面波素子と呼ばれるSAWデバイスが開発され、振動子や熱感知素子として実用化されている。この弾性表面波素子と呼ばれるSAWデバイスはリチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板に形成されており、レーザー光線を分割予定ラインに沿って照射すると、結晶構造が複雑な非線形結晶基板にはクラックが発生して、SAWデバイスの品質保証が困難となるという問題がある。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、リチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板であってもクラックが発生することなくレーザー加工溝を形成することができる非線形結晶基板のレーザー加工方法を提供することにある。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、非線形結晶基板の被加工面に分割予定ラインに沿ってパルスレーザー光線を照射し、レーザー加工溝を形成する非線形結晶基板のレーザー加工方法であって、
該パルスレーザー光線は、パルス幅が２００ps以下に設定され、繰り返し周波数が５０kHz以下に設定されている、
ことを特徴とする非線形結晶基板のレーザー加工方法が提供される。
上記パルスレーザー光線の繰り返し周波数は、２５〜５０kHzに設定することが望ましい。
また、上記パルスレーザー光線は、波長が５５０nm以下に設定されている。
本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法においては、非線形結晶基板に照射するパルスレーザー光線は、パルス幅が２００ps以下に設定され、繰り返し周波数が５０kHz以下に設定されているので、クラックを発生させることなくレーザー加工溝を形成することができる。
また、パルスレーザー光線の繰り返し周波数を２５〜５０kHzに設定することにより、非線形結晶基板であっても加工効率を低下させことなくクラックを発生させずにレーザー加工溝を形成することができる。
本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法によって加工されるSAWデバイスウエーハを示す斜視図。 本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法におけるウエーハ貼着工程が実施され環状のフレームに装着された接着テープにSAWデバイスウエーハが貼着された状態を示す斜視図。 本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法におけるレーザー加工溝形成工程を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。 本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法におけるレーザー加工溝形成工程の説明図。 厚みが１００μmのリチウムタンタレート(LiTaO3)およびリチウムナイオベート(LiNbO3)にパルスレーザー光線を照射し、貫通させるのに必要なパルス数を示す実験データ。 本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法におけるピックアップ工程を実施するためのピックアップ装置の斜視図。 本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法におけるピックアップ工程の説明図。
以下、本発明による非線形結晶基板のレーザー加工方法の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１には、被加工物である弾性表面波素子と呼ばれるSAWデバイスウエーハの斜視図が示されている。図１に示すSAWデバイスウエーハ２は、例えば厚みが１００μmのリチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板の表面２aに格子状に形成された複数の分割予定ライン２１によって区画された複数の領域に弾性表面波素子と呼ばれるSAWデバイス２２が形成されている。このように形成されたSAWデバイスウエーハ２に分割予定ライン２１に沿ってパルスレーザー加工溝を形成するには、図２に示すように環状のフレーム３に装着された接着テープ４の表面にSAWデバイスウエーハ２の裏面２bを貼着する（ウエーハ貼着工程）。従って、接着テープ４の表面に貼着されたSAWデバイスウエーハ２は、表面２aが上側となる。
上述したウエーハ貼着工程を実施したならば、SAWデバイスウエーハ２の表面２aに形成された複数の分割予定ライン２１に沿ってパルスレーザー光線を照射し、SAWデバイスウエーハ２に分割予定ライン２１に沿ってレーザー加工溝を形成するレーザー加工溝形成工程を実施する。このレーザー加工溝形成工程は、図示の実施形態においては図３に示すレーザー加工装置５を用いて実施する。図３に示すレーザー加工装置５は、被加工物を保持するチャックテーブル５１と、該チャックテーブル５１上に保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２と、チャックテーブル５１上に保持された被加工物を撮像する撮像手段５３を具備している。
上記チャックテーブル５１は、上面である保持面に被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り手段によって図３において矢印Ｘで示す方向に加工送りされるとともに、図示しない割り出し送り手段によって図３において矢印Ｙで示す方向に割り出し送りされるようになっている。
上記レーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。ケーシング５２１内には図示しないパルスレーザー光線発振器や繰り返し周波数設定手段を備えたパルスレーザー光線発振手段が配設されている。上記ケーシング５２１の先端部には、パルスレーザー光線発振手段から発振されたパルスレーザー光線を集光するための集光器５２２が装着されている。
また、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部に装着された撮像手段５３は、顕微鏡やＣＣＤカメラ等の光学手段によって構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。
上述したレーザー加工装置５を用いて上記SAWデバイス２２に分割予定ライン２１に沿ってレーザー加工溝を形成する方法について、図３および図４を参照して説明する。
上記SAWデバイスウエーハ２に分割予定ライン２１に沿ってレーザー加工溝を形成するには、先ず上述した図３に示すレーザー加工装置５のチャックテーブル５１上にSAWデバイスウエーハ２が貼着された接着テープ４側を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、チャックテーブル５１上に接着テープ４を介してSAWデバイスウエーハ２を吸引保持する（ウエーハ保持工程）。従って、チャックテーブル５１に保持されたSAWデバイスウエーハ２は、表面２aが上側となる。なお、図４においては、接着テープ４が装着された環状のフレーム３を省いて示しているが、環状のフレーム３はチャックテーブル５１に配設された適宜のフレーム保持手段に保持されている。
上述したようにチャックテーブル５１上にSAWデバイスウエーハ２を吸引保持したならば、図示しない加工送り手段を作動してSAWデバイスウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル５１を撮像手段５３の直下に移動する。チャックテーブル５１が撮像手段５３の直下に位置付けられると、撮像手段５３および図示しない制御手段によってSAWデバイスウエーハ２のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段５３および図示しない制御手段は、SAWデバイスウエーハ２の所定方向に形成されている分割予定ライン２１と、分割予定ライン２１に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５２２との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する（アライメント工程）。また、SAWデバイスウエーハ２に形成されている上記所定方向に対して直交する方向に延びる分割予定ライン２１に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。
上述したアライメント工程を実施したならば、図４の（ａ）で示すようにチャックテーブル５１をパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５２２が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定の分割予定ライン２１を集光器５２２の直下に位置付ける。このとき、図４の（ａ）に示すようにSAWデバイスウエーハ２は、分割予定ライン２１の一端(図４の（ａ）において左端)が集光器５２２の直下に位置するように位置付けられる。そして、集光器５２２から照射されるパルスレーザー光線の集光点Ｐを図４の(a)に示すようにSAWデバイスウエーハ２の表面２a(上面)付近に合わせる。次に、レーザー光線照射手段５２の集光器５２２からパルスレーザー光線を照射しつつ図示しない加工送り手段を作動してチャックテーブル５１を図４の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる（レーザー加工溝形成工程）。そして、図４の（ｂ）で示すように分割予定ライン２１の他端（図４の（ｂ）において右端）が集光器５２２の直下位置に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル５１の移動を停止する。この結果、図４の（ｂ）に示すようにSAWデバイスウエーハ２には、分割予定ライン２１に沿ってレーザー加工溝２１０が形成される。
なお、上記レーザー加工溝形成工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
波長 ：５３２ｎｍ
繰り返し周波数：５０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ps
平均出力 ：2Ｗ
集光スポット径：φ１５μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
上記加工条件においては、パルスレーザー光線を分割予定ライン２１に沿って１回照射することにより、８μｍ程度のレーザー加工溝を形成することができる。従って、SAWデバイスウエーハ２を完全切断するには、パルスレーザー光線を１ラインに複数回照射すればよい。
以上のようにして、SAWデバイスウエーハ２の所定方向に延在する全ての分割予定ライン２１に沿って上記レーザー加工溝形成工程を実施したならば、チャックテーブル５１を９０度回動せしめて、上記所定方向に対して直交する方向に形成された各分割予定ライン２１に沿って上記レーザー加工溝形成工程を実施する。
ここで、リチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板からなるSAWデバイスウエーハ２の分割予定ライン２１に沿って照射するパルスレーザー光線について検討する。
本発明者等の実験によると、リチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の厚みが５０〜３００μｍの非線形結晶基板にパルスレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成するレーザー加工を実施すると、パルス幅が１〜３００nsの範囲では、波長が２６６〜１０６４nm、繰り返し周波数が２０〜２００ｋＨｚ、平均出力が０．５〜４Wの範囲で試したが、全てクラックが発生した。これは、パルス幅が１〜３００nsのように長いと、１パルス内に発生する熱エネルギーによりクラックが生ずるものと考えられる。従って、加工時に発生する温度上昇を抑えながら加工する必要がある。この加工時に発生する温度上昇を抑えながら加工するには、パルスレーザー光線の繰り返し周波数が重要な要件となる。即ち、パルスレーザー光線の繰り返し周波数が高いとパルス間隔が短く、１パルス照射後の冷却時間が短くなり、熱エネルギーが蓄積されてクラック発生の原因となる。一方、パルスレーザー光線の繰り返し周波数が低いとパルス間隔が長く、１パルス照射後の冷却時間が長くなり、クラックの発生が抑えられる。しかるに、パルスレーザー光線の繰り返し周波数が低いと、１パルス照射後の冷却時間が長くなるため、加工効率が低下して加工時間が増大するという問題がある。
図５には、本発明者等が実施した厚みが１００μmのリチウムタンタレート(LiTaO3)およびリチウムナイオベート(LiNbO3)にパルスレーザー光線を照射し、貫通させるのに必要なパルス数の実験結果が示されている。図５において横軸は照射するパルスレーザー光線の繰り返し周波数(kHz)、縦軸は貫通させるのに必要なパルス数である。なお、照射するパルスレーザー光線は、波長が５２３nm、平均出力が２Wであった。図５から判るようにパルスレーザー光線の繰り返し周波数が２００〜２５kHzの範囲では、２０〜３０パルス照射することにより厚みが１００μmのリチウムタンタレート(LiTaO3)およびリチウムナイオベート(LiNbO3)を貫通させることができる。しかるに、パルスレーザー光線の繰り返し周波数が２０kHzになると、厚みが１００μmのリチウムタンタレート(LiTaO3)およびリチウムナイオベート(LiNbO3)を貫通させるために２００パルス照射する必要がある。一方、パルスレーザー光線の繰り返し周波数を５０kHzより高くすると、クラックが発生することも判った。従って、加工効率を低下させことなくクラックを発生させずに加工するためには、パルスレーザー光線の繰り返し周波数を２５〜５０kHzに設定することが望ましい。
［実験例１］
リチウムタンタレート(LiTaO3)基板に、次の加工条件でパルスレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成した。
波長 ：５３２ｎｍ以上
繰り返し周波数：５０ｋＨｚ以上
パルス幅 ：２００ps以上
平均出力 ：０．５〜４W
集光スポット径：φ１５μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒

上述した実験の結果、波長が５３２ｎｍ、パルス幅が２００psで繰り返し周波数が５０ｋＨｚの場合には、いずれの平均出力においてもクラックは確認されなかった。
しかし、波長を変化させて波長が６００nm以上になるとクラックが発生した。また、繰り返し周波数を変化させて繰り返し周波数が６０ｋＨｚ以上になるとクラックが発生した。更に、パルス幅を変化させてパルス幅が２５０ps以上になるとクラックが発生した。
［実験例２］
リチウムナイオベート(LiNbO3)基板に、次の加工条件でパルスレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成した。
波長 ：５３２ｎｍ以上
繰り返し周波数：７０ｋＨｚ以上
パルス幅 ：２００ps以上
平均出力 ：０．５〜４W
集光スポット径：φ１５μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒

上述した実験の結果、波長が５３２ｎｍ、パルス幅が２００psで繰り返し周波数が７０ｋＨｚの場合には、いずれの平均出力においてもクラックは確認されなかった。
しかし、波長を変化させて波長が６００nm以上になるとクラックが発生した。また、繰り返し周波数を変化させて繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以上になるとクラックが発生した。更に、パルス幅を変化させてパルス幅が２５０ps以上になるとクラックが発生した。
上述した実験結果を総合すると、クラックを発生させずにリチウムタンタレート(LiTaO3)やリチウムナイオベート(LiNbO3)等の非線形結晶基板にレーザー加工溝を形成するには、照射するパルスレーザー光線のパルス幅を２００ps以下、繰り返し周波数を５０ｋＨｚ以下に設定することが重要である。また、照射するパルスレーザー光線の波長を５５０nm以下に設定することが望ましい。そして、加工効率を低下させことなくクラックを発生させずに加工するためには、パルスレーザー光線の繰り返し周波数を２５〜５０kHzに設定することが望ましい。
上述したようにレーザー加工溝形成工程を実施したならば、SAWデバイスウエーハ２の分割予定ライン２１に沿って形成されたレーザー加工溝２１０が分割予定ライン２１を完全切断していない場合には、接着テープ４を拡張（エキスパンド）してSAWデバイスウエーハ２をレーザー加工溝２１０に沿って破断することにより個々のデバイスに分割する。また、SAWデバイスウエーハ２が分割予定ライン２１に沿って形成されたレーザー加工溝２１０によって完全切断され個々のデバイスに分割されている場合には、接着テープ４を拡張（エキスパンド）することにより各デバイス間を拡げて個々のデバイスをピックアップするピックアップ工程を実施する。このピックアップ工程は、図６に示すピックアップ装置６を用いて実施する。
図６に示すピックアップ装置６は、上記環状のフレーム３を保持するフレーム保持手段６１と、該フレーム保持手段６１に保持された環状のフレーム３に装着された接着テープ４を拡張するテープ拡張手段６２と、ピックアップコレット６３を具備している。フレーム保持手段６１は、環状のフレーム保持部材６１１と、該フレーム保持部材６１１の外周に配設された固定手段としての複数のクランプ６１２とからなっている。フレーム保持部材６１１の上面は環状のフレーム３を載置する載置面６１１ａを形成しており、この載置面６１１ａ上に環状のフレーム３が載置される。そして、載置面６１１ａ上に載置された環状のフレーム３は、クランプ６１２によってフレーム保持部材６１１に固定される。このように構成されたフレーム保持手段６１は、テープ拡張手段６２によって上下方向に進退可能に支持されている。
テープ拡張手段６２は、上記環状のフレーム保持部材６１１の内側に配設される拡張ドラム６２１を具備している。この拡張ドラム６２１は、環状のフレーム３の内径より小さく該環状のフレーム３に装着された接着テープ４に貼着されるSAWデバイスウエーハ２の外径より大きい内径および外径を有している。また、拡張ドラム６２１は、下端に支持フランジ６２２を備えている。図示の実施形態におけるテープ拡張手段６２は、上記環状のフレーム保持部材６１１を上下方向に進退可能な支持手段６２３を具備している。この支持手段６２３は、上記支持フランジ６２２上に配設された複数のエアシリンダ６２３aからなっており、そのピストンロッド６２３bが上記環状のフレーム保持部材６１１の下面に連結される。このように複数のエアシリンダ６２３aからなる支持手段６２３は、図７の（ａ）に示すように環状のフレーム保持部材６１１を載置面６１１ａが拡張ドラム６２１の上端と略同一高さとなる基準位置と、図７の（ｂ）に示すように拡張ドラム６２１の上端より所定量下方の拡張位置の間を上下方向に移動せしめる。
以上のように構成されたピックアップ装置６を用いて実施するピックアップ工程について図７を参照して説明する。即ち、SAWデバイスウエーハ２が貼着されている接着テープ４が装着された環状のフレーム３を、図７の（ａ）に示すようにフレーム保持手段６１を構成するフレーム保持部材６１１の載置面６１１ａ上に載置し、クランプ６１２によってフレーム保持部材６１１に固定する（フレーム保持工程）。このとき、フレーム保持部材６１１は図７の（ａ）に示す基準位置に位置付けられている。次に、テープ拡張手段６２を構成する支持手段６２３としての複数のエアシリンダ６２３ａを作動して、環状のフレーム保持部材６１１を図７の（ｂ）に示す拡張位置に下降せしめる。従って、フレーム保持部材６１１の載置面６１１ａ上に固定されている環状のフレーム３も下降するため、図７の（ｂ）に示すように環状のフレーム３に装着された接着テープ４は拡張ドラム６２１の上端縁に接して拡張せしめられる（テープ拡張工程）。この結果、接着テープ４に貼着されているSAWデバイスウエーハ２には放射状に引張力が作用するため、SAWデバイスウエーハ２の分割予定ライン２１に沿って形成されたレーザー加工溝２１０が分割予定ライン２１を完全切断していない場合にはSAWデバイスウエーハ２はレーザー加工溝２１０に沿って破断され、個々のSAWデバイス２２に分割されるとともにSAWデバイス間に間隔Sが形成される。一方、SAWデバイスウエーハ２が分割予定ライン２１に沿って形成されたレーザー加工溝２１０によって完全切断され個々のデバイスに分割されている場合には、SAWデバイス２２間が広がり、間隔Sが拡大される。次に、図７の（c）に示すようにピックアップコレット６３を作動してSAWデバイス２２を吸着し、接着テープ４から剥離してピックアップし、図示しないトレーまたはダイボンディング工程に搬送する。なお、ピックアップ工程においては、上述したように接着テープ４に貼着されている個々のSAWデバイス２２間の隙間Sが広げられているので、隣接するSAWデバイス２２と接触することなく容易にピックアップすることができる。
上述したピックアップ工程において、接着テープ４は上述したようにレーザー加工溝形成工程を実施した際に切断されていないので、拡張されても破断することはなく、SAWデバイス２２間を隙間Sに広げることができる。従って、隣接するSAWデバイス２２と接触することなく容易にピックアップすることができる。
２：SAWデバイスウエーハ
２１：分割予定ライン
２２：SAWデバイス
３：環状のフレーム
４：接着テープ
５：レーザー加工装置
５１：レーザー加工装置のチャックテーブル
５２：レーザー光線照射手段
５２２：集光器
６：ピックアップ装置
６１：フレーム保持手段
６２：テープ拡張手段
６３：ピックアップコレット

Claims (3)

  1. 非線形結晶基板の被加工面に分割予定ラインに沿ってパルスレーザー光線を照射し、レーザー加工溝を形成する非線形結晶基板のレーザー加工方法であって、
    該パルスレーザー光線は、パルス幅が２００ps以下に設定され、繰り返し周波数が５０kHz以下に設定されている、
    ことを特徴とする非線形結晶基板のレーザー加工方法。
  2. 該パルスレーザー光線の繰り返し周波数は、２５〜５０kHzに設定されている、請求項１記載の非線形結晶基板のレーザー加工方法。
  3. 該パルスレーザー光線は、波長が５５０nm以下に設定されている、請求項１又は２記載の非線形結晶基板のレーザー加工方法。
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