JP2013524521A

JP2013524521A - 脆性材料のレーザシンギュレーションのための改良された方法及び装置

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Publication number: JP2013524521A
Application number: JP2013502858A
Authority: JP
Inventors: 康大迫; フィン，ダラ
Original assignee: エレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-06-17
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: WO2011123673A3; CN102844844A; CN102844844B; US8383984B2; US8679948B2; EP2553717B1; JP5823490B2; KR101754186B1; US20130237035A1; KR20130051435A; WO2011123673A2; EP2553717A4; EP2553717A2; US20110240616A1; TW201201945A; TWI532559B

Abstract

電子基板６０のダイスへのシンギュレーションのための改良された方法は、レーザ７０を用いて最初に基板６０に切断部６２を形成し、レーザパラメータを変更することによって切断部６２の縁部６３の面取り６６，６７を行う。面取り６６，６７は、追加の処理工程、追加の機器又は消耗品を必要とすることなく、残留損傷を低減することによりダイ破断強さを増加させ、最初のレーザ切断部６２により生ずるデブリを除去する。

Description

本発明は、脆性材料の加工の特徴のための改良された方法及び装置に関する。特に、本発明は、デバイスの複数のコピーが共通の基板上に構築される電子デバイスを含むワークピースの加工のための改良された方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、レーザを使用した、個々のデバイスへの半導体ウェハのデバイスシンギュレーション又は分離に関する。

電子デバイスは、典型的には、同一デバイスの複数の複製を基板又はワークピース上に形成することによって製造される。特に、半導体デバイスは、シリコン、ガリウムヒ化物、サファイア又は半導体デバイスを作成する様々な工程をサポートできる他の材料などの材料からなる薄い円板であるウェハと呼ばれる基板上に製造される。これらのデバイスは、製造工程におけるある時点で、後段のパッケージング及び利用のために個々のデバイスに分離される必要がある。この個々のデバイスへの分離は「シンギュレーション」と呼ばれている。シンギュレーションは、ダイアモンドで被覆した鋸刃を用いて機械的に、マスキング及びエッチングすることによって化学的に、レーザエネルギーをウェハ又は基板に照射することによって光学的に、あるいはこれらの方法を組み合わせて行うことができる。シンギュレーションは、ウェハ又は基板を完全に切断することにより、あるいはウェハ又は基板の一つ以上の表面に部分的に１以上の切り込みを入れた後、ウェハ又は基板を機械的に個々のダイスに切り離すことによって行うことができる。ウェハ又は基板を完全に切断することは一般的に「ダイシング」と呼ばれ、後に切り離すためにウェハ又は基板を部分的に切断することは一般的に「スクライビング」と呼ばれる。一般に、デバイスは、矩形形状を有し、ウェハ又は基板の格子パターン上に配置され、図１に示されるように、デバイス間に、第１の方向１６に沿って、そして第１の方向に対して９０度をなす方向１４に沿って一連の切り込みを基板に貫通させるか（ダイシング）、あるいは一連の切り込みを部分的に基板に入れるか（スクライビング）することにより、デバイスが分離可能となる。図１を参照すると、基板上のデバイスのシンギュレーションは、一般的に、一方向、例えばデバイスの各行間のＸ方向に沿って一連の切り込みを形成した後、デバイスの各列間の直交Ｙ方向に沿って一連の切り込みを形成し、これによりウェハ上の他のデバイスからそれぞれのデバイスを切り離すことにより進められる。

デバイスシンギュレーションに関連した問題は、場所、素子損傷、コスト、複雑さ及びシステムスループットを含んでいる。場所とは、デバイスに損傷なくシンギュレーションを行うためには、能動デバイスを切断することなく切断用空間を確保できるようにデバイス間に空間を残しておかなければならないことをいう。能動デバイス間の領域は「ストリート」として知られている。図１においては、ウェハ１０上の能動デバイス１２の間にストリート１４，１６が示されている。ウェハ又は基板を処理するコストは一般に一定であるため、基板当たりのデバイス数をより多くできれば、製造者にとってより大きな利益となる。これにより、ウェハ又は基板上にできるだけ多くの能動デバイスを詰め込むために、できるだけ狭いストリートを作ることが重視される。狭いストリートに対して不利に働く要因としては、切溝のサイズや切断部に隣接する損傷領域の幅がある。典型的には、レーザは、機械的鋸又は化学的エッチングよりも狭い切溝を切り込むことができるが、レーザはまた、典型的には、ウェハ又は基板を切断するために要求される強いエネルギー量によって生成される熱により、切溝に隣接して熱影響部（ＨＡＺ）を生成する。このＨＡＺは、能動デバイス領域と重なってはならず、そうでなければ直ちに部品の故障を起こすか、部品の有効寿命が制限され得る。また、ＨＡＺは、デバイスが使用されるときに、ＨＡＺにおけるクラックやチップからデバイス故障を生じさせ、これがＨＡＺからデバイスの能動デバイス領域まで伝搬し得る。

ウェハ又は基板のレーザシンギュレーションに関連する他の問題は、切溝から除去された材料の再堆積である。レーザは、典型的には、切除及び熱手段の両方によって、基板又はウェハから材料を除去して切溝を形成する。レーザビームは、ビーム中心の近くに当たる材料を切除するのに十分なほど高いエネルギーを持ち得るが、これは、ビームが切溝から出るときに材料がイオン化されてプラズマ雲を形成することを意味している。ビームの周囲に近い場所又はビームに直接隣接する場所では、基板の材料は、材料を切除するのに十分なエネルギーを受け得ず、むしろ蒸発又は溶解して沸騰する。この場合には、材料が蒸発又は沸騰するときに、その材料が切溝から放出される。材料が切溝から放出されてレーザビームから遠くに離れるにつれて、材料は冷えて切溝の縁部近くにデブリとして再固化する。このデブリがデバイスの能動回路領域に到達すると、好ましくない電子的誤動作を生じることがあるため、デバイスのパッケージングの前に除去しておく必要がある。

ウェハからダイシング又はスクライビングされた半導体ダイの信頼性を予測するための１つの手段は、ダイ破断強さをテストすることである。このテストにおいては、半導体ダイは破損点までの曲げを受ける。ダイ破断強さの変化により半導体構成要素の故障を予測でき、したがって、ダイ破断強さを改善するウェハダイシング又はスクライビング方法は、構成要素の信頼性も改善することとなる。ダイ破断強さを低減するとして知られているものとして、機械的又はレーザ切断で生じる切断部の縁部に沿ったチップ又はクラックがある。加えて、レーザにより蒸発又は液化した材料からの切断部の縁部に沿って再堆積したデブリは、回路に損傷が生じさせ、また信頼性を低下させ得る。

特に、所望の切断速度及び切溝のサイズと形状を提供するレーザパラメータは、切断部の上縁部でＨＡＺを生じ、更に、切断部の縁部に再堆積する、切溝を除去した材料からデブリを生じる傾向がある。図２は、レーザを用いて切断されたシリコンウェハの断面図であり、熱影響部と切溝からの材料の再堆積によって生じるデブリを示している。図２は、切断ウェハ２０の断面図であり、切断ウェハ２０は、上面２２、底面２４及びアタッチフィルム２６（ＤＡＦ）を有している。切溝２８の一方の側が示されている。また、再堆積したデブリ３０とＨＡＺ３２も示されている。ＨＡＺはダイ破断強さの低減を引き起こす可能性があり、再堆積したデブリはデバイス故障を引き起こす可能性がある。このシンギュレーションを行うための例示的なレーザ加工デバイスは、アメリカ合衆国オレゴン州９７２２９，ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッドにより製造されるESI Cignis Laser Singulation装置である。この装置は、ピコ秒レーザを使用してシリコン及び他の基板材料を個片化する。

基板又はウェハのレーザシンギュレーションに伴う他の問題は、システムスループットを改善することにある。特に、より高い切断速度を提供するレーザパラメータは、より多くのＨＡＺと再堆積デブリを生成するが、これは好ましいことではない。また、高い切断速度を提供するレーザパラメータは、切断部分でデブリ群も生成することにも留意されたい。このデブリ群は、レーザパルスによって生成されるプラズマと、レーザパルスによって生成されるガス状、液状及び固体状デブリを含み、ワークピースから放出される。レーザパルスによって生成されるデブリ群は、後続のレーザパルスからエネルギーを吸収する可能性があることが知られている。図３は、例示的なレーザ基板熱切断工程における切断部の深さとパルス数とを示すグラフである。これは、４ワットＮｄ：ＹＶＯ₄レーザを用いて５ＫＨｚの繰り返し率で１０ナノ秒のパルスを単一の点に向けて切断した状態を示している。図３からわかるように、この例では、切断は約１０パルスで飽和する。この飽和は、第１のレーザパルスによって生成されるデブリ群によって引き起こされると考えられる。このように生成されるデブリ群は、レーザ放射がワークピースに到達することを阻止し、材料除去を妨げるだけでなく、さらにプラズマを加熱しているレーザエネルギーも吸収する。プラズマがエネルギーを吸収すると、温度が上がり、ワークピースに近いがために、その熱の一部が、加工されている特徴の側壁を含むワークピースの一部に伝達される。加えて、デブリ群における蒸気状、液状もしくは固体状の材料が、デブリ群から放出され、ワークピースに堆積する場合がある。この伝達されたエネルギーと材料は、クラックと、特徴である側壁の劣化と、デブリの増加を引き起こす。加えて、デブリ群を介してワークピースにより多くのエネルギーを伝達するために、より高いエネルギーのパルス又はより多くのパルスをワークピースに照射し、材料の加工を継続する場合には、より多くのエネルギーがデブリ群に結びつき、クラック、劣化及びデブリの問題が悪化する。ピコ秒又はフェムト秒範囲の短い持続時間パルスを使用して、材料が熱を隣接領域に伝達する前に材料を切除する超高速プロセスであっても、デブリ群へエネルギーが結びつくことを避けられない。使用される材料とレーザパラメータによって、このエネルギーにより結果としてワークピースへの損傷が生じる。

ウェハ又は基板のダイシング又はスクライビングに関連した問題は、以前の研究の主題であった。２００１年８月７日の発明者Donald W. Brouillette、Robert F. Cook、Thomas G. Ference、Wayne J.
Howell、Eric G. Liniger、及びRonald L. Mendelsonによる米国特許第６，２７１，１０２号「METHOD AND SYSTEM FOR DICING WAFERS, AND SEMICONDUCTOR STRUCTURES
INCORPORATING THE PRODUCTS THEREOF」は、ダイ破断強さを改善するために、表面及び裏面からレーザ切断する前に鋸刃で縁部を面取りした切断ウェハについて記載している。この場合、レーザ又は鋸による直線状切断部に代えて面取りされた切断部が生成されている。２００６年１０月３１日の発明者Salman Akramによる米国特許第７，１２９，１１４号「METHODS RELATING TO SINGULATING SEMICONDUCTOR WAFERS AND WAFER SCALE
ASSEMBLIES」は、レーザ切断部に隣接してトレンチをスクライブして、該トレンチを保護材料で覆うことによりダイ破断強さの問題を解決しようとしている。２００６年１１月９日の発明者Adrian Boyleによる米国特許公開第２００６／０２４９４８０号「LASER
MACHINING USING AN ACTIVE ASSIST GAS」は、補助ガスを使用して切断部の縁部の損傷部をエッチングしてダイ破断強さを改善することについて記載している。２００８年６月５日の発明者Kali Dunne及びFallon O’BriainによるWIPO特許公開第２００８／０６４８６３「LASER MACHINING」は、複数のパスを有して切断される経路に沿って間隔を空けられたレーザパルスの特定のパターンを使用してデブリ群を避けることを述べている。

これらの文献に共通していることは、ダイ破断強さ及びレーザ切断によって生じるデブリに関する問題を解決しようとすることによって、ダイシング又はスクライビング後のダイ品質を改善したいという要求である。これらの方法は、ウェハの上部及び底部の双方から切断がなされ、レーザと機械的鋸切断の組合せによって切断がなされることを必要とするか、あるいは化学的エッチングのような追加の処理工程及び機器を必要とするか、あるいはレーザによる複数のパスを必要とする。そして、必要なことは、追加の処理工程、パス又は機器を必要とせずに、ウェハのダイ破断強さを改善し、レーザ加工によって生じるデブリ群を避けることによってデブリを減らした、レーザを用いてウェハを効率的にダイシングする方法である。

本発明は、脆性材料をレーザ加工するための改良された方法及び装置である。本発明の態様は、レーザパラメータを有するレーザを用意し、第１のレーザパラメータを使用して前記レーザで前記ワークピースに第１の切断部を形成し、第２のレーザパラメータを使用して前記レーザで前記ワークピースに第２の切断部を形成し、前記第２の切断部は、前記第１のレーザ切断部により生成されるデブリ群を避けつつ、前記第１の切断部に隣接する。本発明の態様は、以前の切断部によって生成されたデブリ群を避けるために、レーザがワークピースと交差する位置を移動し、第２のレーザパラメータを用いてレーザで切断部を形成することをさらに含む。本発明の態様は、熱影響部やデブリの再堆積などのレーザに関連した問題を排除し、これによりダイ破断強さを増大させつつ、スループットを増加させ、ストリートサイズを小さくし、消費コストを低減するなどのレーザ処理の利点を得ることができる。

本発明の実施形態は、既存のレーザウェハシンギュレーションシステム、アメリカ合衆国オレゴン州９７２２９，ポートランドのエレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッドにより製造されるESI Cignis Laser Singulationシステムを適合させることによって実現できる。この装置は、ピコ秒レーザを使用して半導体ウェハのダイシング又はスクライビングを行う。動作中、ウェハはシステム上に固定され、レーザがパルス化されているときにレーザビームが運動ステージによりウェハに対して移動され、これにより、ウェハを個片化するために必要な線形切断部を形成する。このシステムは、採用されるレーザのタイプを含む、使用するレーザパラメータを変えることによって本発明の態様を実現するように適合される。加えて、それぞれの切断部間でレーザパラメータを変更するために、レーザパラメータはプログラム可能に制御される必要がある。本システムは、デブリ群を避けつつ、後続のレーザ切断部を前の切断部に隣接して又は近くに形成できるように適合される必要がある。本発明のこの態様においては、レーザパルスは、その位置を飽和させるのに必要なパルス数により予め定められる限界まで多数のパルスで特定の領域を加工し、飽和していない位置で加工を継続するために、デブリ群から離れた隣接位置に素早く移動する。飽和とは、パルス数の関数としての、デブリ群によるレーザエネルギーの吸収によって生じる一連のレーザパルスの加工効率の低減をいう。

本発明の態様は、最初に基板又はウェハにレーザ切断部を作ることによって基板又はウェハを個片化する。レーザパラメータは、所望の切断速度及び切溝サイズ及び形状を提供するように調整される。このレーザ切断部は、ウェハ又は基板を貫通しない部分的なものである。この切断部に関連するレーザパラメータは、クラック及び再堆積デブリを最小限にするために選択される。低いフルエンスのレーザパラメータは、切断時間を増やすが、この切断部はウェハ又は基板を貫通しない部分的なものなので、システムスループットに対する影響は大きくない。また、これらの最初のレーザ切断部は、切断部を所望の深さにするために、レーザビームの複数のパスを必要とすることがあり、切断中にレーザビームがウェハの基板上の様々な位置に当たるようにレーザビームを向けることができることに留意されたい。

最初の切断部に続いて、本発明の態様は、ウェハ又は基板の表面でレーザフルエンスを増やすようにレーザパラメータを調整し、以前の切断部に隣接してウェハ又は基板内にスルーカットを加工するようにレーザビームを向ける。レーザパラメータは、ウェハ又は基板へのさらなる損傷を最小限にしつつ、レーザビームがウェハから材料を除去できるように調整される。これは、第２の切断部を形成するレーザパルスによって生成されたデブリ群が、以前の切断部によって作られた空間に広がる可能性があるからである。このようにして、デブリ群はより早く拡散し、クラック及び再堆積デブリを低減しつつ、スループットの改善を裏付ける、より高いエネルギーのパルスとし、繰り返し率を上げることができる。これにより、ダイ破断強さを増やしつつ、スループットを上げることができる。また、本発明の態様は、ウェハ又は基板を繰り返し処理することができ、切断部がウェハ又は基板の中をより深く進んでいくときに、第１のレーザパラメータの切断と第２のパラメータの切断とを交互に行うことができる。材料中へのより深い加工を可能とするようにより深い位置でレーザパルスの焦点が合わされる。

本発明の態様による基板又はウェハの処理の利点は、第１の切断部処理を、第２の切断部を形成したのと同一のレーザ処理システム上で行うことができることである。最初の切断部を形成したESI Cignis Laser Singulationシステムは、レーザ処理ビームに関連するレーザパラメータを変更して、ＨＡＺやデブリを生成することなく、レーザによりウェハの基板から材料を除去することによって、ウェハの基板にさらなる損傷を与えることなく切断部を形成するように適合される。これは、単位時間当たりにはるかに少ない材料が除去されているため、レーザフルエンスを低くできるからである。また、このシステムは、隣接した位置を効率的に加工できるように適合される。

本発明の他の実施形態は、最初に、特定のレーザパラメータを用いて、それらのレーザパラメータによる特定の材料に対する飽和限度まで、多数のレーザパルスにより一の位置で加工をすることにより、基板又はウェハを個片化する。そして、レーザパルスは、レーザ処理システムにより第１の位置に隣接する位置又は第１の位置の近傍の位置に素早く照射され、加工が第２のレーザパラメータを用いて第２の飽和限度まで多数のレーザパルスにより継続される。この実施形態は、ワークピース上の所望の位置にレーザパルスを照射して所望のシステムスループットを達成できるように複合ビーム位置決めを使用している。

本発明のこれらの態様の利点は、基板又はウェハを別個の装置上で移動させたり再配置させたりする必要がないこと、また、基板又はウェハをひっくり返して異なる側からレーザ処理用の装置に戻す必要がないこと、また、基板又はウェハを両面から処理するように装置を設計する必要がないことにある。加えて、ウェハ又は基板上に付加的な材料層を堆積させるような化学物質や追加の処理工程は、本発明の態様には必要ない。これにより、ウェハ又は基板に単一の切断部を形成するために少なくとも２つのパスが必要となるが、パスの数は、隣接位置を省いた手法が必要とするパスよりも実質的に少ない。本発明の態様によるウェハ又は基板の処理により、追加の機器、処理工程又は消耗品を必要とすることなく、ダイ破断強さを改善し、個片化されたデバイスから再堆積された材料を除去することができる。

図１は、半導体ウェハの平面図である。図２は、ウェハ切断部の断面図である図３は、切断深さとパルス数を示すグラフである。図４ａは、第１の切断部を有するウェハの側面図である。図４ｂは、第１及び第２の切断部を有するウェハの側面図である。図５は、切断深さとパルス数を示すグラフである。図６は、適応化されたレーザ処理システムのブロック図である。

本発明は、基板又はウェハに実装される電子デバイスのレーザシンギュレーションのための改良された方法である。本発明の一実施形態は、レーザパラメータを有するレーザを備えたレーザ処理システムを含んでいる。この実施形態は、このレーザを使用して第１セットのレーザパラメータを使用して基板又はウェハを部分的に切断する。これらのパラメータによって、レーザは、許容できないＨＡＺ又は再堆積デブリを生じることなく、許容できる切溝幅を有し、許容できる速度で、ウェハ又は基板に所望の切断部を形成することができる。そして、本実施形態は、第２セットのレーザパラメータを使用してレーザによりウェハ又は基板に第１の切断部に隣接して切断部を形成する。第１の切断部に隣接して第２の切断部を形成することによって、切断される基板又はウェハからのデブリ群が第１の切断部の量に分散し、これにより、後続のレーザパルスでデブリ群を加熱することに関連した有害な効果を低減することができる。このように加工されたワークピースは、ダイ破断強さが改善され、デブリが減少される。この実施形態は、熱影響部やデブリの再堆積などのレーザに関連した問題を排除しつつ、スループットを増加させ、ストリートサイズを小さくし、消費コストを低減するなどのレーザ処理の利点を得ることができる。

本発明の一実施形態は、第１の切断部に隣接した第２の切断部を形成する後段のスルーカットの準備のために、基板又はウェハを部分的にレーザ切断することにより基板を個片化する。図１を参照すると、ウェハ１０は、ウェハ１０の表面に実装された電子デバイス１２を有している。これらの電子デバイスは、水平ストリート１４及び垂直ストリート１６によって分離されている。ストリートは、能動デバイスを傷つけることなくシンギュレーションを行うための空間を確保するため、能動デバイス間に形成されたウェハ又は基板の領域である。基板上のデバイスのシンギュレーションは、一般に、一方向、例えばデバイスの各行間のＸ方向（水平ストリート１４）に沿って一連の切断部を形成した後、デバイスの各列間の直交Ｙ方向（垂直ストリート１６）に沿って一連の切断部を形成し、これによりウェハ上の他のデバイスからそれぞれのデバイスを切り離すことにより進められる。レーザパラメータは、所望の切断速度及び切溝サイズ及び形状を提供するように調整される。これらの最初のレーザ切断部は、所望の深さに切断部を作成するために、複数のレーザビームのパスを要求する場合があり、あるいは、切断中に、様々な位置でウェハの基板に当たるようにレーザビームが照射される。

ウェハ又は基板への最初の切断部の形成は、図４ａに示されている。図４ａにおいて、レーザビーム４２は、ワークピース４０に照射され、ウェハ４０から材料を除去して最初の切断部５０を形成する。レーザパラメータは、ＨＡＺ及びデブリを最小限にするとともに、許容できる速度でワークピースから材料を除去できるように選定される。最初の切断部を形成するために本発明の実施形態で使用される例示的なレーザパラメータを表１に示す。

最初の切断の後に、本発明の一実施形態は、レーザパラメータを、許容可能なスループットのレーザ加工スルーカットに適したパラメータに変える。このプロセスは、図４ｂに示されている。図４ｂにおいて、ワークピース４０は、レーザパルス５２によってレーザ加工され、スルーカット４４が形成される。レーザパルス５２がスルーカット４４を加工しているとき、スルーカット４４からのデブリ群（図示せず）は、現在加工されている部分から前段階においてできた切断部５０に逃れ、これにより、レーザパルス５２が作成中の切断部４４の底に到達することを阻止するデブリ群の密度及び体積を減らすことができる。ワークピース４０上にトラフ切断部４４を形成するために使用される例示的な第２のレーザパルスパラメータを表２に示す。

第２のレーザパラメータは、レーザパルスが、許容可能なスループットでスルーカットをレーザ加工できるように選択される。本発明の一実施形態がこれを実現可能な一つの方法は、ワークピースでのレーザパルスフルエンスを増加させることである。レーザパルスフルエンスは、レーザパルス出力を増やすか、パルス持続時間を増やすか、スポットサイズを減らすか、焦点高さを変えるか、又はパルス繰り返し率を減らすことによって増やすことができる。特に、これらの変化の一部又は全部により、ワークピースでのレーザフルエンスを増加させることができ、より高速な材料除去が可能となる。これはＨＡＳやデブリを増やさずに可能であり、これにより、第１の切断部によってデブリ群を拡散させ、後続のパルスがワークピースに到達することを阻止する傾向を低減することができるので、ダイ破断強さを低減することができる。

本発明の他の実施形態は、最初に、特定のレーザパラメータを用いて、それらのレーザパラメータによる特定の材料に対する飽和限度まで、多数のレーザパルスにより一の位置で加工をすることにより、基板又はウェハを個片化する。そして、レーザパルスは、レーザ処理システムにより第１の位置に隣接する位置又は第１の位置の近傍の位置に素早く照射され、加工が第２のレーザパラメータを用いて第２の飽和限度まで多数のレーザパルスにより継続される。この実施形態は、ワークピース上の所望の位置にレーザパルスを照射して所望のシステムスループットを達成できるように複合ビーム位置決めを使用している。図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、本発明の三段階の実施形態を示している。図５ａにおいて、ワークピース６０には、第１の特徴６２を加工するレーザパルス６１が当たる。レーザパルスの数は、使用される特定のレーザパラメータに対する材料の所定の飽和限度未満である。これらのレーザパラメータは、加工速度を増やすために、特徴６２に隣接したワークピース６３に損傷を与えるようにすることもできることに留意されたい。図５ｂに示されるプロセスの第２工程においては、第２レーザパラメータを有するレーザパルス６４が、飽和限度未満の数のレーザパルスでワークピース６０に当たり、第１の特徴６２に隣接した付加的な特徴６６，６７を加工する。第２のレーザパラメータは、隣接領域に損傷を与えずに材料を除去できるように選択される。図５ｃに示される第３工程においては、第３レーザパラメータを有するレーザパルス６８が、レーザによりワークピース６０に当てられ、スルーカット６９の加工を完了する。隣接する特徴６６及び６７は、レーザパルス６８によって生じたデブリ群の逃げ場を提供し、これによりデブリ群が分散することを促進し、飽和限度が上がる。

これらの特定のレーザパラメータは例示的なものである。レーザパラメータは、切断している特定の基板又はウェハに適合するように変更可能である。レーザタイプは、要求される波長、エネルギー、パルス幅及び繰り返し率を有するパルスを生成できるレーザであればどのようなものであってもよい。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＬＦ及びファイバレーザすべてが、このような用途に利用できる。これらのレーザは、元の原レーザパルスの２次、３次、又は４次の高調波を生成してレーザパルスの波長を短くするために非線形光学素子がレーザ（図７、７０）内で使用される高調波発生によって適合されていてもよい。加えて、持続波（ＣＷ）レーザは、ＣＷビームをチョッパー波にするか、あるいはパルス形状とするレーザビーム光学系（図７、７４）を使用することによって、この用途に適合されてもよい。波長選択は、切断される材料に依存する。パルス持続時間は、各パルス長であり、基本ガウス形パルスについては、パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）又は１／ｅ²幅を計算することにより測定される。長い持続時間を有するパルスは、材料を短時間で切断するが、過度の熱エネルギーをウェハに結びつける傾向があり、これにより大きなＨＡＺが生じて、多くのデブリを生成する。短い持続時間を有するパルスは、この点では良い傾向を示すものの、ワークピースを切断するにはより多くの時間がかかり、非常に高価なレーザが必要となり得る。パルスの時間的分布は、レーザと材料との相互作用の仕方に影響を及ぼし得る。代表的なガウス分布を変更することによって、レーザパルスからのエネルギーが基板又はウェハに伝達される方法。例えば、電気光学要素をレーザビームの光路に配置し、パルス立ち上がり時間、立ち下り時間を制御し、一つ以上の「出力スパイク」を付加するように、レーザパルスを時間的に整形することができる。この出力スパイクは、狭いスパイクがパルスの平均出力の２５％より大きな出力を有するようにレーザ出力が上げられたレーザパルスの一部であり、これによりパルスを「特別に調整」する。また、これらのパルスは、一時的に「方形」パルスを生成するために、レーザビーム光学系によってチョッパー波にするか、あるいは変更することができる。非ガウス形パルスは、そのパルス時間がＦＷＨＭ又は１／ｅ²とは異なる基準で測定されなければならず、例えば、平方の積分を積分の平方で割る積分二乗法によりパルス時間を計算することが必要である。迅速な立ち上がり時間は、熱移動が熱を隣接領域に伝達するよりも早くワークピースにレーザエネルギーを結びつけて切除を行う。したがって、迅速な立ち上がり時間は、ＨＡＺを減少させることを促進する。

レーザ出力は、切断を行うためにどれだけの平均エネルギーをウェハ又は基板に入力できるかを示すものである。パルスレーザに関して、典型的には、平均出力は、どれだけのエネルギーが単位時間あたりウェハに入力されているかを正確に評価するため、多くのパルスを包含する期間、例えば１秒間にわたって計算される。繰り返し率は、所定のエネルギーのパルスが連続的にレーザから発される比率である。速度とは、レーザがパルス化されているときに、レーザビームがウェハ又は基板に対して移動される速度をいう。所定のレーザパルスエネルギー、パルスサイズ及び繰り返し率について、ビームがウェハ又は基板に対して移動される速度は、レーザパルスによってウェハ又は基板に伝達される線量又はフルエンスを決定する。ピッチは速度に類似し、ウェハ又は基板に伝達される連続的なパルス間の距離として定義される。ピッチは、繰り返し率と速度の関数である。スポットサイズは、レーザパルスがウェハ又は基板に当たるときのレーザパルスのサイズの測定値である。スポットサイズは焦点スポットサイズに関連するものであり、この焦点スポットサイズは、ワークピースにビームを照射している光学系の焦点距離で測定されるレーザビームウェストの最小直径である。レーザビーム焦点距離がワークピースの表面からどの程度遠くにあるかによって、スポットサイズは焦点スポットサイズと異なってくる。レーザビーム焦点距離がワークピースの表面から移動すると、レーザビームの焦点が合わなくなり、スポットサイズは大きくなって、それによりレーザフルエンスは減少する。スポット形状は、レーザビームの空間的形状を記述したものである。ビームが様々な断面分布をとるように光学素子がレーザビームの光路に配置される。例えば、基本ガウス断面から、ガウス分布のようにレーザエネルギーがエッジ部で下がるのではなくレーザエネルギーが焦点スポットにわたって均一に分布している「トップハット」分布に至るまで、レーザビームを変更するために回析光学素子が用いられる。また、スポット形状は非対称であってもよい。非対称スポット形状の一例としては、楕円形のスポットがあり、その場合には、レーザビーム光路の光学素子は、レーザビームに一つの軸が他の軸よりも大きな楕円形の断面を持たせる。また、このスポットは、焦点スポットが例えば円形又は方形の断面を持つように、レーザビーム光学系により開口されていてもよい。焦点高さは、焦点距離とワークピースの表面との間の距離の測定値である。焦点高さがゼロと異なるときは、レーザスポットの焦点が合わなくなるので、所定の組のレーザ光学系に対して、焦点高さはワークピース上のスポットサイズを決定する。

図６は、本発明の一実施形態を用いてレーザでワークピースを加工した結果を示すグラフである。図６は、１ステッププロセス（菱形）及び２ステッププロセス（四角）についてミクロン単位の切断深さとパルス数をグラフにしたものである。グラフから分かるように、部分的な特徴を切り込んで、第１の切断部に隣接して第２の切断部を形成することにより、第１の切断部を形成しなかった場合に可能な速度よりも速く材料をレーザパルスにより除去することが可能となる。これは、ワークピースに照射される１０個のパルスの前に単一ステップによって切断深さが飽和し、１２個のパルスの後も２ステップによって切断深さが増え続けていることによって示されている。このことは、切断の効率が上がり、これによりレーザ加工によって生成されるＨＡＺ及びデブリの量が減ることを示している。

図７は、本出願に適合したレーザ加工システムの図を示す。レーザ７０は、レーザビーム光学系７４によって整形され、ビームステアリング光学系７６及びフィールド光学系７７によってワークピース７８に照射されるレーザパルス７２を出射する。ワークピース７８は、運動ステージ８０上に取り付けられる。レーザ７０、レーザビーム光学系７４、ビームステアリング光学系７６、フィールド光学系７７及び運動ステージ８０は、すべてコントローラ８２によって制御される。レーザ７０は、ここで述べたタイプのレーザのいずれであってもよい。レーザ７０は、持続波（ＣＷ）レーザ又はパルスレーザとすることができる。持続波レーザの場合、レーザビーム光学系７４は、効果的に持続波レーザを刻んで所望のパルス時間及び繰り返し率を有するパルスにするシャッタ機能を付加するのに適合している。レーザビーム光学系７４は、レーザパルスを正しいサイズ及び形状にコリメートし、その焦点を合わせる役割を有し、偏光子、電気光学変調器又はアコースティック光変調器などの電気光学要素を選択的に使用して、時間的にパルスを整形する。また、レーザビーム光学系７４は、反射したレーザエネルギーがレーザ７０に戻され、これによりレーザ処理能力が悪化してしまうのを防止する偏光型ビームブロッカを含んでいてもよい。ビームステアリング光学系７６は、レーザパルスをワークピース上の点にプログラム可能に照射する電気光学要素であってもよい。例示的なビームステアリング要素は、検流計、圧電素子、高速ステアリングミラー又は電気的若しくは音響的光変調器を含んでいる。また、ビームステアリング光学系７６は、ズーム光学系焦点高さ調整器も含んでいる。フィールド光学系７７は、典型的には、ワークピース７８に対してレーザパルス７２が実質的に垂直となるように維持しつつ、レーザパルス７２をワークピース７８の様々な点に向ける視野レンズを含んでいる。また、フィールド光学系７７は、空間的にレーザパルス７２を整形可能とする開口及び補助光学系を含み得る。コントローラ８２は、ワークピース７８に対してレーザパルス７２を位置決めするように運動ステージ８０及びビームステアリング光学系７６に指示する。本発明の実施形態は、相対位置の変化を実現するためにレーザパルス７２又はワークピース７８のいずれかを移動できる点に留意されたい。

この実施形態も、システムスループットを上げるために複合ビーム位置決めを利用している。これは、運動ステージ８０によりワークピースがレーザパルス７２に対して運動するようにビームステアリング光学系７６に対して運動ステージ８０を調整し、その場所がレーザパルス７２に対して動いていても、レーザパルス７２がワークピース７８の単一の位置に当たるようにビームステアリング光学系７６が運動ステージ８０の運動を補償することでスループットを上げる。

本発明の主題がここに開示されており、それらの教示から種々の本発明の修正、置換、及び変形が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明は、具体的に説明されたのとは異なる方法で実施されてもよく、その幅及び範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されることが理解される。

Claims

脆性ワークピースをレーザ加工するための改良された方法であって、
レーザパラメータを有するレーザを用意し、
第１のレーザパラメータを使用して前記レーザで前記ワークピースに第１の切断部を形成し、
第２のレーザパラメータを使用して前記レーザで前記ワークピースに第２の切断部を形成し、
前記第２の切断部は、前記第１のレーザ切断部により生成されるデブリ群を一般的に避けつつ、実質的に前記第１の切断部に隣接する、
方法。
前記第１及び第２のレーザパラメータは、レーザタイプ、波長、パルス持続時間、パルス時間形状、レーザ出力、フルエンス、繰り返し率、速度、ピッチ、スポットサイズ、スポット形状及び焦点高さを含む、請求項１に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのレーザタイプは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＮｄ：ＹＶＯ₄又はファイバレーザのうちの１つを含む、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの波長は、約２５５ｎｍから約２ミクロンの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのパルス持続時間は、約１０フェムト秒から約１００マイクロ秒である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのパルス時間形状は、ガウス、特別調整又は方形のうちの１つである、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのレーザ出力は、約０．１マイクロジュールから約１．０ミリジュールの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのフルエンスは、０．１マイクロジュール／ｃｍ²から約２００ジュール／ｃｍ²の範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの繰り返し率は、約１ｋＨｚ以上である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの速度は、約１０ｍｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのピッチは、０ミクロンから約５０ミクロンの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのスポットサイズは、約２ミクロン以上である、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのスポット形状は、ガウス、トップハット（円形）又はトップハット（方形）のうちの１つである、請求項２に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの焦点高さは、−１０ｍｍから＋１０ｍｍの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのレーザタイプが、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＮｄ：ＹＶＯ₄又はファイバレーザのうちの１つを含む、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの波長は、約２５５ｎｍから約２ミクロンの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのパルス持続時間は、約１０フェムト秒から約１００マイクロ秒である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのパルス時間形状は、ガウス、特別調整又は方形のうちの１つである、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのレーザ出力は、約０．１マイクロジュールから約１．０ミリジュールの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのフルエンスは、０．１マイクロジュール／ｃｍ²から約２００ジュール／ｃｍ²の範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの繰り返し率は、約１ｋＨｚ以上である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの速度は、約１０ｍｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのピッチは、０ミクロンから約５０ミクロンの範囲である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのスポットサイズは、約２ミクロン以上である、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのスポット形状は、ガウス、トップハット（円形）又はトップハット（方形）のうちの１つである、請求項２に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの焦点高さは、−１０ｍｍから＋１０ｍｍの範囲である、請求項２に記載の方法。
脆性ワークピースをレーザ加工するための改良された装置であって、
レーザパルス及びレーザパルスパラメータを有するレーザと、
前記レーザパルスを前記ワークピースに照射可能なレーザ光学系と、
前記コントローラの指令で前記レーザパルスに対して前記ワークピースを移動可能な運動ステージと、
前記レーザパルスパラメータと、前記運動ステージと、前記レーザ光学系とを制御可能なコントローラと、
を備え、
前記レーザは、前記レーザ、レーザ光学系及び運動ステージと協動して、前記コントローラにより第１のレーザパラメータを使用して第１の位置で前記ワークピースを加工可能であり、前記レーザは、前記第１の位置での加工により生成されるデブリ群を避けつつ、第２のレーザパラメータを使用して前記第１の位置に隣接した第２の位置で前記ワークピースを加工可能である、
装置。
前記第１及び第２のレーザパラメータは、レーザタイプ、波長、パルス持続時間、パルス時間形状、レーザ出力、フルエンス、繰り返し率、速度、ピッチ、スポットサイズ、スポット形状及び焦点高さを含む、請求項２７に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのレーザタイプは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＮｄ：ＹＶＯ₄又はファイバレーザのうちの１つを含む、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの波長は、約２５５ｎｍから約２ミクロンの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのパルス持続時間は、約１０フェムト秒から約１００マイクロ秒である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのパルス時間形状は、ガウス、特別調整又は方形のうちの１つである、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのレーザ出力は、約０．１マイクロジュールから約１．０ミリジュールの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのフルエンスは、０．１マイクロジュール／ｃｍ²から約２００ジュール／ｃｍ²の範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの繰り返し率は、約１ｋＨｚ以上である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの速度は、約１０ｍｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのピッチは、０ミクロンから約５０ミクロンの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのスポットサイズは、約２ミクロン以上である、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータのスポット形状は、ガウス、トップハット（円形）又はトップハット（方形）のうちの１つである、請求項２８に記載の方法。
前記第１のレーザパラメータの焦点高さは、−１０ｍｍから＋１０ｍｍの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのレーザタイプが、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＮｄ：ＹＶＯ₄又はファイバレーザのうちの１つを含む、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの波長は、約２５５ｎｍから約２ミクロンの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのパルス持続時間は、約１０フェムト秒から約１００マイクロ秒である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのパルス時間形状は、ガウス、特別調整又は方形のうちの１つである、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのレーザ出力は、約０．１マイクロジュールから約１．０ミリジュールの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのフルエンスは、０．１マイクロジュール／ｃｍ²から約２００ジュール／ｃｍ²の範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの繰り返し率は、約１ｋＨｚ以上である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの速度は、約１０ｍｍ／秒から約１０ｍ／秒の範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのピッチは、０ミクロンから約５０ミクロンの範囲である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのスポットサイズは、約２ミクロン以上である、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータのスポット形状は、ガウス、トップハット（円形）又はトップハット（方形）のうちの１つである、請求項２８に記載の方法。
前記第２のレーザパラメータの焦点高さは、−１０ｍｍから＋１０ｍｍの範囲である、請求項２８に記載の方法。