JP2014124646A - レーザ加工方法および微粒子層形成剤 - Google Patents

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Abstract

【課題】アブレーション加工で生じるデブリが被加工物に付着するおそれを低減し、従来に比べて加工効率を向上させるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】被加工物1に照射するレーザビームLの波長に対して吸収性を有する微粒子で被加工物1のレーザビーム照射面である裏面1bを被覆して該裏面1bに微粒子層30を形成し(微粒子層形成ステップ)、この後、レーザビームLを微粒子層を介して被加工物1に照射して被加工物1にアブレーション加工を施す(加工ステップ)。微粒子層30AでレーザビームLを吸収することでエネルギーの拡散および反射を抑制し、被加工物1へのアブレーション加工を可能とする。
【選択図】図7

Description

本発明は、被加工物にレーザビームを照射してアブレーション加工を施すレーザ加工方法と、該レーザ加工方法で用いる微粒子層形成剤に関する。
例えば薄板状の半導体ウェーハやサファイア基板等からなる基板を細密なチップ状に分割加工するにあたり、被加工物に対しレーザビームを分割予定ラインに沿って照射してアブレーション加工を行うことで分割する技術が提案されている(特許文献1)。アブレーション加工は、被加工物に対して吸収性を有する波長のレーザビームを照射することで、被加工物で吸収されたレーザビームのエネルギーがバンドギャップエネルギーに達し、被加工物の原子の結合力が破壊されて起こるものである。
ところが、アブレーション加工にあっては、被加工物のレーザビームが入射する上面でレーザビームのエネルギーの拡散およびレーザビームの反射が起こり、照射されたレーザビームのエネルギーが充分にはアブレーション加工に利用されず、エネルギー損失が大きいという問題がある。また、エネルギーの拡散によって被加工物が溶融してデブリが発生し、このデブリが飛散して被加工物の表面を汚染するという問題もある。そこで、被加工物の表面に水溶性材料からなる保護膜剤を塗布して保護膜を形成し、デブリが被加工物の表面に直接付着することを防ぐ技術が知られている(特許文献2)。
特開平10−305420号公報 特開2006−140311号公報
しかし、被加工物の表面に保護膜を形成することでレーザビームのエネルギーがより一層拡散し、加工効率が低下するという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な技術的課題は、アブレーション加工で生じるデブリが被加工物に付着するおそれを低減することができるとともに、従来に比べて加工効率を向上させることができるレーザ加工方法および微粒子層形成剤を提供することにある。
本発明のレーザ加工方法は、被加工物にレーザビームを照射してアブレーション加工を施すレーザ加工方法であって、被加工物に照射するレーザビームの波長に対して吸収性を有する微粒子で被加工物の一面を被覆して被加工物の一面に微粒子層を形成する微粒子層形成ステップと、該微粒子層形成ステップを実施した後、被加工物に対してレーザビームを前記微粒子層を介して被加工物に照射して、被加工物の一面にアブレーション加工を施す加工ステップと、を備えることを特徴とする。
本発明のレーザ加工方法の前記微粒子層は、前記微粒子と、該微粒子の被加工物の一面に対する付着性を向上させる付着向上液体とからなることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工方法の前記微粒子層形成ステップは、被加工物を回転可能にスピンナテーブルで保持する保持ステップと、該保持ステップを実施した後、少なくとも水と前記付着向上液体とからなる溶液中に前記微粒子が分散された混合液を被加工物の一面に供給し、被加工物の一面を該混合液で被覆する被覆ステップと、該被覆ステップを実施した後、被加工物を回転させて被加工物の一面の前記混合液を乾燥させることで被加工物の一面に微粒子層を形成する乾燥ステップと、を有することを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工方法では、前記付着向上液体は、少なくとも界面活性剤を含むことを特徴とする。また、前記微粒子は、被加工物に照射される前記レーザビームに対して被加工物の一面よりも高い吸収性を有することを特徴とする。
次に、本発明の微粒子層形成剤は、被加工物の一面に微粒子層を形成する微粒子層形成剤であって、被加工物に照射するレーザビームの波長に対して吸収性を有する複数の微粒子と、該微粒子の被加工物の一面に対する付着性を向上させる付着向上液体と、水と、から少なくともなることを特徴とする。
本発明の微粒子層形成剤の前記付着向上液体は、少なくとも界面活性剤を含むことを特徴とする。また、前記微粒子は、被加工物に照射される前記レーザビームに対して被加工物の一面よりも高い吸収性を有することを特徴とする。
本発明のレーザ加工方法では、被加工物に照射するレーザビームの波長に対して吸収性を有する微粒子からなる微粒子層で被加工物を被覆した状態で、微粒子層側から被加工物にレーザビームを照射する。これにより被加工物に照射されたレーザビームは、微粒子層の微粒子に吸収されてバンドギャップエネルギーに達し、微粒子の原子の結合力が破壊される。すると、レーザビームは連鎖的に被加工物のバンドギャップエネルギーに達し、被加工物の一面にアブレーション加工が施される。レーザビームが微粒子層の微粒子に吸収されるため、レーザビームのエネルギーの拡散および反射が抑制され、その結果、従来に比べて加工効率が向上するものとなる。また、アブレーション加工で発生したデブリは微粒子層上に付着し、被加工物にデブリが付着するおそれを低減することができる。レーザ加工後に被加工物上から微粒子層をデブリとともに除去することで、被加工物へのデブリの付着を防ぐことができる。
従来の保護膜(上記特許文献2等に記載)は、PVA(Polyvinyl Alcohol)やPEG(Polyethylene Glycol)のような合成樹脂製であったのに対し、本発明は、レーザビームの波長に対して吸収性を有する微粒子からなる微粒子層をその保護膜とする。本発明の微粒子層形成剤はそのような微粒子層を形成するために好適なもので、特に被加工物に照射するレーザビームの波長に対して高い吸収性を有する微粒子を選択することで、従来に比べて加工性をより向上させることができる。また、微粒子や付着向上液体を適宜選択することにより、無機物のみで保護膜を形成することが可能となり、その場合には廃水処理が容易となるといった利点が得られる。
本発明によれば、アブレーション加工で生じるデブリが被加工物に付着するおそれを低減することができるとともに、従来に比べて加工効率を向上させることができるレーザ加工方法および微粒子層形成剤が提供されるといった効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る被加工物の斜視図である。 同被加工物を粘着テープを介して環状のフレームに支持した状態を示す(a)斜視図、(b)断面図である。 一実施形態のレーザ加工方法を実施する際に用いる被覆装置および同レーザ加工方法の保持ステップを示す側断面図である。 一実施形態のレーザ加工方法の微粒子層形成ステップ内の被覆ステップを示す側断面図である。 同微粒子層形成ステップ内の乾燥ステップを示す側断面図である。 一実施形態のレーザ加工方法の加工ステップを示す斜視図である。 同加工ステップを示す断面図である。 被覆装置で加工ステップ後の被加工物を洗浄する状態を示す側断面図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図1および図2の符号1は本実施形態でレーザ加工が施される被加工物1を示しており、図3〜図5は被加工物1のレーザビーム照射面である裏面1bに保護膜として微粒子層を形成する被覆装置10を示している。
[1]被加工物
図1に示す被加工物1は、厚さが例えば数百μm程度の円板状のサファイア基板であり、その表面1aにはエピタキシャル膜からなる複数の光デバイス2が形成されている。光デバイス2は、被加工物1の表面1aに設定された格子状の分割予定ライン3で区画された複数の矩形領域に対して形成されている。なお、実施形態では被加工物1をサファイア基板としているが、本発明の被加工物はサファイアに限定されず、例えば半導体ウェーハ、ガラス等からなる板状物等が被加工物として挙げられる。
被加工物1は、図2に示すように表面1a側が環状のフレーム8の内側に張られた粘着テープ9に貼着される。粘着テープ9は基材の片面に粘着層が形成されたもので、その外周部にフレーム8が貼着され、フレーム8の内側に被加工物1が同心状に位置付けられて貼着されている。被加工物1は粘着テープ9に裏面(一面)1bが露出した状態に貼着され、フレーム8によってハンドリングされて被覆装置10に搬入される。
[2]被覆装置
図3〜図5に示す被覆装置10は、装置ケース11内の円板状のスピンナテーブル14上に保持した被加工物1の裏面1bに供給ノズル18から液状の微粒子層形成剤30を滴下してスピンコートにより微粒子層30Aを形成するものである。また、被覆装置10は洗浄水を被加工物1に対して供給する洗浄ノズル19を有している。
装置ケース11は、上方に開口し、中心に孔12aが形成された円筒状のケース本体12と、ケース本体12の孔12aを塞ぐカバー13とからなり、カバー13には、下方からモータ16の駆動軸17が貫通して固定されている。スピンナテーブル14は、装置ケース11内に突出する駆動軸17の上端に同心状に固定され、モータ16の駆動により水平回転可能に支持されている。スピンナテーブル14は、被加工物1を負圧作用で吸引保持する負圧チャックである。
モータ16および駆動軸17は図示せぬ昇降手段で昇降可能に支持されており、スピンナテーブル14は、図3に示すケース本体12の上方開口付近の着脱位置と、図4および図5に示すケース本体12内の処理位置との間を昇降するようになされている。
被加工物1は、スピンナテーブル14上に粘着テープ11を介して同心状に載置され、吸引保持される。スピンナテーブル14の周縁部には、スピンナテーブル14の回転によって遠心力が生じるとフレーム8を上方から押さえ付けるように作動する複数の遠心クランプ15が取り付けられており、フレーム8はこれら遠心クランプ15によって保持される。
供給ノズル18と洗浄ノズル19は同一構造であって、ケース本体12の底部にそれぞれ旋回可能に支持されており、旋回モータ18b、19bでそれぞれ駆動されて、先端に下向きに形成された吐出口18a、19aが、スピンナテーブル14の中心の真上に位置付けられるようになっている。
[3]レーザ加工方法
以下、被加工物1に対しアブレーション加工を施す一実施形態に係るレーザ加工方法を説明する。本実施形態のアブレーション加工は、波長が355nmのレーザビームを分割予定ライン3に沿って照射し、溝を形成するものである。この波長355nmのレーザビームは、被加工物1のサファイアに対して吸収性をほとんど有さない波長である。また、本実施形態では、アブレーション加工に先立ち、被加工物1のレーザビーム照射面である裏面1bに微粒子層を形成する。微粒子層は、次の微粒子層形成剤によって形成される。
[3−1]微粒子層形成剤
微粒子層は、生成した微粒子層形成剤を供給ノズル18から被加工物1の裏面1bに供給することで形成される。微粒子層形成剤は、被加工物1に照射するレーザビームの波長に対して吸収性を有する複数の微粒子と、該微粒子の被加工物1の裏面1bに対する付着性を向上させる付着向上液体と、水と、から少なくともなる混合液である。
微粒子は、被加工物1に照射されるレーザビームに対して吸収性を有し、さらに、被加工物1のレーザビーム照射面である裏面1bよりも高い吸収性を有することものが好ましいとされる。上記のように被加工物1に照射するレーザビームの波長が355nmの場合には、例えばシリカ(SiO)、酸化チタン(TiO)、酸化鉄(II)(FeO)、酸化鉄(III)(Fe)、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、カーボン等がそのような微粒子として用いられる。また、これらの材料は、被加工物1や光デバイス2に対して金属汚染を生じるおそれがないものとして好適とされる。とりわけ安価なシリカを採用すると、製造コストを抑えることができ経済的である。
付着向上液体は、例えばPVA(ポリビニルアルコール)、PEG(ポリエチレングリコール)、PEO(ポリエチレンオキシド)、PVP(ポリビニルピロリドン)や、各種セルロース等が用いられる。付着向上液体は、たれ防止性を有する界面活性剤を含むと好ましく、界面活性剤の他には増粘剤やゲル化剤、安定剤として作用する合成樹脂、高分子化合物等が好ましく用いられる。
微粒子の粒径は、レーザビームの照射スポット径より小さいことが好ましく、例えば5〜30nmのものが用いられる。被加工物1にレーザ加工を行う際には、レーザビームを照射する分割予定ライン3を検出するアライメントを行うが、このアライメントは光を被加工物1に照射して撮像し、撮像した画像に基づいて行う。そこで、微粒子の粒径が30nmを超えるとアライメント時に可視光に対して不透明となり分割予定ライン3が検出しにくくなるため、微粒子の粒径は5〜30が好ましい。ただし、アライメントの際に微粒子を透過する波長の光を用いれば分割予定ライン3の検出は可能となり、その際には30nmを超える粒径の微粒子を採用することができる。
微粒子、付着向上液体および水の混合比率は、例えば、微粒子:5〜20vol%、付着向上液体:0.1〜10vol%、より好ましくは0.1〜7vol%、その他が水、という比率で生成される。このような比率で、例えばパウダー状の微粒子を水と付着向上液体との混合液に分散させて微粒子層形成剤を生成することができ、その場合、微粒子の凝集を防止する分散剤を適宜混合すると好ましい。微粒子層形成剤に無機物を用いると、有害物の処理等を行う必要がないため使用後の廃水処理が容易となるという利点がある。
微粒子層形成剤を生成する方法として、例えばアルコシキド法で生成されたゾル状またはコロイド溶液を微粒子として用い、ゾル状微粒子またはコロイド溶液と、上記付着向上液体と、水とを混合して微粒子層形成剤を生成する方法もある。この場合、微粒子をアルコシキド法で生成することで、均一な粒径、かつ、超微粒の微粒子の形成が可能となるとともに、混合液中に均一に微粒子を分散させることが可能となる。また、場合によってはゾル状またはコロイド溶液状の微粒子だけで微粒子層形成剤とすることが可能であり、その場合はゾルまたはコロイド溶液の液体が付着向上液体として作用する。なお、ゾル状またはコロイド溶液状の微粒子に水を加えることで塗布性を向上させてもよい。
[3−2]微粒子層形成ステップ
生成した液状の上記微粒子層形成剤を、上記被覆装置10を用いて被加工物1の裏面1bに供給して、該裏面1bをレーザビームの波長に対して吸収性を有する微粒子で被覆する。
以下、被覆装置10の作用を説明する。はじめに、図3に示すように、着脱位置に上昇させたスピンナテーブル14上に粘着テープ11を介して被加工物1を同心状に載置し、被加工物1の裏面1bを上方に露出させる。また、環状フレーム8をスピンナテーブル14上に載置する。
図4に示すように、スピンナテーブル14を処理位置まで下降させるとともに、被加工物1をスピンナテーブル14に吸引保持する(保持ステップ)。次いで供給ノズル18を旋回させて吐出口18aを被加工物1の中心の上方に位置付け、吐出口18aから被加工物1の上面すなわち裏面1bの中心に微粒子層形成剤(混合液)30を所定量滴下して供給する。続いて、スピンナテーブル14を低回転(例えば10rpm)で回転させて被加工物1を自転させる。これにより微粒子層形成剤30は遠心力の作用で裏面1b全面にスピンコートされ、裏面1bに均一に塗布された状態となる(被覆ステップ)。なお、予めスピンナテーブル14を回転させ、自転する被加工物1に微粒子層形成剤30を供給してもよい。
次に、図5に示すように、微粒子層形成剤30の供給を停止した供給ノズル18を退避させ、スピンナテーブル14の回転速度を上げ、高速で所定時間スピンナテーブル14を回転させることにより、微粒子層形成剤30の水分を飛ばして乾燥させる。この時にはフレーム8は遠心クランプ15で保持される。例えばスピンナテーブル14の回転速度は2000rpm、回転時間は60秒とされ、乾燥によって被加工物1の裏面1bには均一厚さの微粒子層30Aが形成される(乾燥ステップ)。
微粒子層30Aの厚さは必要に応じた厚さでよく、例えば2〜4μmとされる。なお、所望の厚さの微粒子層が得られるまで、被覆ステップと乾燥ステップを繰り返してもよく、例えば比較的厚い微粒子層を形成する場合には、一度で微粒子層を形成するよりも被覆ステップと乾燥ステップを複数回繰り返した方が均一厚さの微粒子層を得やすい。
[3−3]加工ステップ
被加工物1の裏面1bに所望厚さの微粒子層30Aが形成されたら、被加工物1を被覆装置10から搬出し、図6に示すレーザ加工手段20を有する加工装置に搬入して、レーザビームLを微粒子層30Aを介して分割予定ライン3に沿って被加工物1の裏面1bに照射し、該裏面1bに溝4を形成するアブレーション加工を施す。
図6に示すレーザ加工手段20は、レーザビームLを下方に向けて照射する照射部21と、照射部21に固定されたアライメント手段22を有している。アライメント手段22は被加工物1の分割予定ライン3を検出するもので、被加工物1を撮像するカメラ23を備えている。照射部21からは、上記の通り被加工物1のサファイアに対して吸収性をほとんど有さない波長355nmのレーザビームLが照射される。また、この他のレーザビームLの条件としては、例えば、平均出力:0.5〜1.5kw、繰り返し周波数:90kHzに設定される。
被加工物1は、レーザ加工手段20の下方に配設された図示せぬ回転可能な保持手段に裏面1bを上方に露出させて水平に保持され、また、フレーム8もその保持手段に保持される。レーザ加工手段20と保持手段に保持された被加工物1とは、図6に示すX方向の加工送り方向と、Y方向の割り出し送り方向に相対的に移動可能に設けられている。
レーザ加工は、まずアライメント手段22で被加工物1を撮像して分割予定ライン3を検出し、次いでその検出結果に基づき、保持手段を回転させて一方向に延びる分割予定ライン3を加工送り方向と平行にし、さらに、割り出し送りをしてレーザビームLを照射する分割予定ライン3を選択する。そして、図7に示すように、X方向に所定速度(例えば120mm/s)で加工送りしながら、被加工物1の裏面1bに微粒子層30Aを介して分割予定ライン3に沿ってレーザビームLを照射し、アブレーション加工を施して所定深さの溝4を形成する。1本の分割予定ライン3へのレーザビーム照射を終えたら、分割予定ライン3間の間隔である割り出し送り量に基づく割り出し送りと、加工送りとを交互に繰り返し、X方向に延びる分割予定ライン3に沿ってレーザビームLを照射し、裏面1bにアブレーション加工を施して溝4を形成する。
X方向に延びる全ての分割予定ライン3にレーザビームLを照射したら、保持手段を90°回転させて未加工の分割予定ライン3をX方向と平行に位置付け、同じ要領でそれらの分割予定ライン3にレーザビームLを照射し、アブレーション加工を施す。
アブレーション加工は上記の通り溝加工であり、全ての分割予定ライン3に沿って裏面1bに溝4が形成されたら加工ステップを終え、被加工物1を再び被覆装置10にセットする。そして、図8に示すように、洗浄ノズル19を旋回させて吐出口19aを被加工物1の中心の上方に位置付け、吐出口19aから被加工物1の裏面1bに被覆された微粒子層に洗浄水Wを供給するとともにスピンナテーブル14を回転させて微粒子層30Aを被加工物1上から除去する。この後、スピンナテーブル14の回転を続けることで、被加工物1を乾燥させる。例えば洗浄時にはスピンナテーブル14を800rpmで20秒回転させて洗浄を行い、次いで回転速度を2000rpmに上げて60秒回転させることで乾燥を終えるといった手順で洗浄・乾燥を行う。
洗浄・乾燥を終えたら被加工物1を被覆装置10から搬出し、この後、被加工物1Wは外力が与えられることにより、溝4が形成されることにより強度が低下した分割予定ライン3に沿って割断され、複数の光デバイス2に分割される。
[4]一実施形態の作用効果
上記レーザ加工方法では、被加工物1に照射するレーザビームLの波長に対して吸収性を有し、かつ、被加工物1の裏面1bよりも高い吸収性を有する微粒子からなる微粒子層30Aで被加工物1を被覆した状態で、微粒子層30A側から被加工物1にレーザビームLを照射する。これにより被加工物1に照射されたレーザビームLは、微粒子層30Aの微粒子に吸収されてバンドギャップエネルギーに達し、微粒子の原子の結合力が破壊される。すると、レーザビームLは連鎖的に被加工物1のバンドギャップエネルギーに達し、被加工物1のレーザビーム照射面すなわち裏面1bに、分割予定ライン3に沿ってアブレーション加工による溝4が形成される。
一般にサファイア基板の裏面1bは鏡面加工されているため、レーザビームを照射してもレーザビームが反射されてしまいレーザ加工が難しいとされている。しかし本実施形態のように波長が355nmのレーザビームLに対して吸収性を有する微粒子層30Aを形成しておくことで、微粒子層30Aを起点にアブレーション加工が施される。アブレーション加工の際にはレーザビームLが微粒子層30Aの微粒子に吸収されるため、レーザビームLのエネルギーの拡散および反射が抑制され、その結果、加工効率が向上するものとなる。
また、アブレーション加工で発生したデブリは微粒子層30A上に付着し、被加工物1にデブリが付着するおそれを低減することができる。レーザ加工後に被加工物1上から微粒子層30Aを洗浄して除去することでデブリは微粒子層30Aとともに除去され、被加工物1へのデブリの付着を防ぐことができる。
上記のように加工効率の向上が図られる本発明のレーザ加工方法を、特に酸化膜やTEG(Test Element Group)等が形成された半導体ウェーハのように加工に高エネルギーが必要な被加工物に採用すると、高エネルギーでレーザビームを照射する必要がなくなるため有効である。とりわけTEGが形成されているウェーハは高エネルギーでレーザビームを照射するとTEGが形成されていない部分が荒れて加工品質が低下するといった問題があったが、本発明ではそのような問題を防止することができる。
1…被加工物
1a…被加工物の表面
1b…被加工物の裏面(一面)
14…スピンナテーブル
30…微粒子層形成剤
30A…微粒子層
L…レーザビーム

Claims (8)

  1. 被加工物にレーザビームを照射してアブレーション加工を施すレーザ加工方法であって、
    被加工物に照射するレーザビームの波長に対して吸収性を有する微粒子で被加工物の一面を被覆して被加工物の一面に微粒子層を形成する微粒子層形成ステップと、
    該微粒子層形成ステップを実施した後、被加工物に対してレーザビームを前記微粒子層を介して被加工物に照射して、被加工物の一面にアブレーション加工を施す加工ステップと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 前記微粒子層は、前記微粒子と、該微粒子の被加工物の一面に対する付着性を向上させる付着向上液体とからなることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
  3. 前記微粒子層形成ステップは、
    被加工物を回転可能にスピンナテーブルで保持する保持ステップと、
    該保持ステップを実施した後、少なくとも水と前記付着向上液体とからなる溶液中に前記微粒子が分散された混合液を被加工物の一面に供給し、被加工物の一面を該混合液で被覆する被覆ステップと、
    該被覆ステップを実施した後、被加工物を回転させて被加工物の一面の前記混合液を乾燥させることで被加工物の一面に微粒子層を形成する乾燥ステップと、
    を有することを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ加工方法。
  4. 前記付着向上液体は、少なくとも界面活性剤を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ加工方法。
  5. 前記微粒子は、被加工物に照射される前記レーザビームに対して被加工物の一面よりも高い吸収性を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ加工方法。
  6. 被加工物の一面に微粒子層を形成する微粒子層形成剤であって、
    被加工物に照射するレーザビームの波長に対して吸収性を有する複数の微粒子と、該微粒子の被加工物の一面に対する付着性を向上させる付着向上液体と、水と、から少なくともなることを特徴とする微粒子層形成剤。
  7. 前記付着向上液体は、少なくとも界面活性剤を含むことを特徴とする請求項6に記載の微粒子層形成剤。
  8. 前記微粒子は、被加工物に照射される前記レーザビームに対して被加工物の一面よりも高い吸収性を有することを特徴とする請求項6または7に記載の微粒子層形成剤。
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