JP2014221483A - レーザー加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】単結晶基板にパルスレーザー光線を照射して加工を施すレーザー加工方法であって、パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値が0.05〜0.2の範囲で集光レンズの開口数(NA)を設定する開口数設定工程と、パルスレーザー光線の集光点が単結晶基板の厚み方向の所望の位置に位置付けられるように集光レンズと単結晶基板とを相対的に光軸方向に位置付ける位置付け工程と、パルスレーザー光線を照射して単結晶基板に位置付けられた集光点とパルスレーザー光線が入射された側との間に細孔と細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程とを含む。
【選択図】図4
Description
また、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照射すると、ウエーハの入射面近傍でアブレーション加工が施されてエネルギーがウエーハの内部まで浸透しないため、分割予定ラインに沿って複数回パルスレーザー光線を照射しなければならず生産性が悪いとともに、デブリが飛散してチップの品質を低下させるという問題がある。
パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値が0.05〜0.2の範囲で集光レンズの開口数(NA)を設定する開口数設定工程と、
パルスレーザー光線の集光点が単結晶基板の厚み方向の所望の位置に位置付けられるように集光レンズと単結晶基板とを相対的に光軸方向に位置付ける位置付け工程と、
パルスレーザー光線を照射して単結晶基板に位置付けられた集光点とパルスレーザー光線が入射された側との間に細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程と、を含む、
ことを特徴とするレーザー加工方法が提供される。
上記シールドトンネル形成工程において、単結晶基板に設定された分割予定ラインに沿って複数のシールドトンネルを形成する。この複数のシールドトンネルは、隣接する非晶質同士がつながるように形成されることが望ましい。
上記シールドトンネルの長さは、単結晶基板の厚みとなるようにパルスレーザー光線のエネルギーが設定される。
パルスレーザー光線のエネルギーとシールドトンネルの長さとの相関関係を生成し、形成したい該シールドトンネルの長さに対応したパルスレーザー光線のエネルギーを設定する。パルスレーザー光線のエネルギーが5μJ/1パルス以上であり、シールドトンネルの長さをY(μm)とし、パルスレーザー光線のエネルギーをX(μJ/1パルス)とした場合、Y=(3.0〜4.0μm/μJ)X+50μmの相関関係を有する。
パルスレーザー光線の波長は、単結晶基板のバンドギャップに対応する波長の2倍以上に設定される。
上記開口数設定工程においては、単結晶基板がサファイア(Al2O3)基板の場合には集光レンズの開口数(NA)は0.1〜0.35に設定され、単結晶基板が炭化珪素(SiC)基板の場合には集光レンズの開口数(NA)は0.15〜0.55に設定され、単結晶基板が窒化ガリウム(GaN)基板の場合には集光レンズの開口数(NA)は0.1〜0.5に設定される。
先ず、光デバイスウエーハ2を環状のフレームに装着されたダイシングテープの表面に貼着するウエーハ支持工程を実施する。即ち、図2に示すように、環状のフレーム3の内側開口部を覆うように外周部が装着されたダイシングテープ30の表面に光デバイスウエーハ2の表面2aを貼着する。従って、ダイシングテープ30の表面に貼着された光デバイスウエーハ2は、裏面2bが上側となる。
先ず、上述した図3に示すレーザー加工装置4のチャックテーブル41上に光デバイスウエーハ2が貼着されたダイシングテープ30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、ダイシングテープ30を介して光デバイスウエーハ2をチャックテーブル41上に保持する(ウエーハ保持工程)。従って、チャックテーブル41に保持された光デバイスウエーハ2は、裏面2bが上側となる。なお、図3においてはダイシングテープ30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41に配設された適宜のフレーム保持手段に保持される。このようにして、光デバイスウエーハ2を吸引保持したチャックテーブル41は、図示しない加工送り手段によって撮像手段43の直下に位置付けられる。
ここで、開口数(NA)と屈折率(N)と開口数(NA)を屈折率(N)で除した値(S=NA/N)との関係について、図5を参照して説明する。図5において集光レンズ422aに入光したパルスレーザー光線LBは光軸に対して角度(θ)をもって集光される。このとき、sinθが集光レンズ422aの開口数(NA)である(NA=sinθ)。集光レンズ422aによって集光されたパルスレーザー光線LBが単結晶基板からなる光デバイスウエーハ2に照射されると、光デバイスウエーハ2を構成する単結晶基板は空気より密度が高いのでパルスレーザー光線LBは角度(θ)から角度(α)に屈折して集光点Pに集光される。このとき、光軸に対する角度(α)は、光デバイスウエーハ2を構成する単結晶基板の屈折率(N)によって異なる。屈折率(N)は(N=sinθ/sinα)であるから、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)はsinαとなる。従って、sinαを0.05〜0.2の範囲(0.05≦sinα≦0.2)に設定することが重要である。
以下、集光レンズ422aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定された理由について説明する。
厚みが1000μmのサファイア(Al2O3)基板(屈折率:1.7)を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
集光レンズの開口数(NA) シールドトンネルの良不良 S=NA/N
0.05 なし
0.1 やや良好 0.058
0.15 良好 0.088
0.2 良好 0.117
0.25 良好 0.147
0.3 良好 0.176
0.35 やや良好 0.205
0.4 不良
0.45 不良:ボイドができる
0.5 不良:ボイドができる
0.55 不良:ボイドができる
0.6 不良:ボイドができる
以上のようにサファイア基板(屈折率:1.7)においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)が、開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、サファイア基板(屈折率:1.7)においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)は、0.1〜0.35に設定することが重要である。
厚みが1000μmの炭化珪素(SiC)基板(屈折率:2.63)を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
集光レンズの開口数(NA) シールドトンネルの良不良 S=NA/N
0.05 なし
0.1 なし
0.15 やや良好 0.057
0.2 良好 0.076
0.25 良好 0.095
0.3 良好 0.114
0.35 良好 0.133
0.4 良好 0.153
0.45 良好 0.171
0.5 良好 0.19
0.55 やや良好 0.209
0.6 不良:ボイドができる
以上のように炭化珪素(SiC)基板(屈折率:2.63)においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、炭化珪素(SiC)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)は、0.15〜0.55に設定することが重要である。
厚みが1000μmの窒化ガリウム(GaN)基板(屈折率:2.3)を次の加工条件でシールドトンネルを形成し、シールドトンネルの良不良を判定した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
集光レンズの開口数(NA) シールドトンネルの良不良 S=NA/N
0.05 なし
0.1 やや良好 0.043
0.15 良好 0.065
0.2 良好 0.086
0.25 良好 0.108
0.3 良好 0.130
0.35 良好 0.152
0.4 良好 0.173
0.45 良好 0.195
0.5 やや良好 0.217
0.55 不良:ボイドができる
0.6 不良:ボイドができる
以上のように窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値(S=NA/N)が0.05〜0.2の範囲に設定することにより、シールドトンネルが形成される。従って、窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線を集光する集光レンズ422aの開口数(NA)は、0.1〜0.5に設定することが重要である。
なお、シールドトンネルは集光点Pからレーザー光線が照射された側に形成されることから、パルスレーザー光線の集光点はパルスレーザー光線が入射される側と反対側の面に隣接する内側に位置付けられる必要がある。
厚みが1000μmのサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板に次の加工条件でパルスレーザー光線を照射し、パルスレーザー光線のエネルギー(μJ/1パルス)とシールドトンネルの長さ(μm)との関係を求めた。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
平均出力を0.05W(1μJ/1パルス)間隔でシールドトンネルが形成されるまで平均出力を上昇させ、シールドトンネルが形成された後は0.5W(10μJ/1パルス)間隔で10W(200μJ/1パルス)まで平均出力を上昇させ、シールドトンネルの長さ(μm)を計測した。
パルスエネルギー(μJ/1パルス) シールドトンネルの長さ(μm)
サファイア 炭化珪素 窒化ガリウム
1 なし なし なし
2 なし なし なし
3 なし なし なし
4 なし なし なし
5 65 65 70
10 75 85 85
20 125 115 125
30 150 155 170
40 175 185 205
50 190 230 250
60 210 265 295
70 245 290 330
80 260 330 365
90 315 370 415
100 340 395 450
110 365 430 485
120 400 470 530
130 425 500 565
140 455 535 610
150 490 570 650
160 525 610 685
170 550 640 735
180 575 675 770
190 610 715 815
200 640 740 850
厚みが1000μmのサファイア基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を2940nm、1550nm、1030nm、515nm、343nm、257nm、151nmと下げていき、バンドギャップ8.0eV(波長換算:155nm)のサファイア基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
2940 良好
1550 良好
1030 良好
515 良好
343 良好
257 不良
151 入射面でアブレーション不良
以上のようにサファイア基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ8.0eVに対応する波長(波長換算:155nm)の2倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
厚みが1000μmの炭化珪素(SiC)基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を2940nm、1550nm、1030nm、515nm、257nmと下げていき、バンドギャップ2.9eV(波長換算:425nm)の炭化珪素(SiC)基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
2940 良好
1550 良好
1030 良好
515 入射面でアブレーション不良
257 入射面でアブレーション不良
以上のように炭化珪素(SiC)基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ2.9eVに対応する波長(波長換算:425nm)の2倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
厚みが1000μmの窒化ガリウム(GaN)基板を次の加工条件でパルスレーザー光線の波長を2940nm、1550nm、1030nm、515nm、257nmと下げていき、バンドギャップ3.4eV(波長換算:365nm)の窒化ガリウム(GaN)基板にシールドトンネルが形成できるか否かを検証した。
加工条件
波長 :1030nmのパルスレーザー
繰り返し周波数 :50kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :3W
集光スポット径 :φ10μm
加工送り速度 :500mm/秒
波長(nm) シールドトンネル良不良
2940 良好
1550 良好
1030 良好
515 不良
257 入射面でアブレーション不良
以上のように窒化ガリウム(GaN)基板においては、パルスレーザー光線の波長はバンドギャップ3.4eVに対応する波長(波長換算:365nm)の2倍以上に設定するとシールドトンネルが形成されることが確認できた。
21:光デバイス
22:分割予定ライン
23:シールドトンネル
3:環状のフレーム
30:ダイシングテープ
4:レーザー加工装置
41:レーザー加工装置のチャックテーブル
42:レーザー光線照射手段
422:集光器
6:分割装置
Claims (9)
- 単結晶基板にパルスレーザー光線を照射して加工を施すレーザー加工方法であって、
パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値が0.05〜0.2の範囲で集光レンズの開口数(NA)を設定する開口数設定工程と、
パルスレーザー光線の集光点が単結晶基板の厚み方向の所望の位置に位置付けられるように集光レンズと単結晶基板とを相対的に光軸方向に位置付ける位置付け工程と、
パルスレーザー光線を照射して単結晶基板に位置付けられた集光点とパルスレーザー光線が入射された側との間に細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程と、を含む、
ことを特徴とするレーザー加工方法。 - 該位置付け工程において集光点は、単結晶基板におけるパルスレーザー光線が入射される側と反対側の面に隣接する内側に位置付けられる、請求項1記載のレーザー加工方法。
- 該シールドトンネル形成工程において、単結晶基板に設定された分割予定ラインに沿って複数のシールドトンネルを形成する、請求項1又は2記載のレーザー加工方法。
- 該複数のシールドトンネルは、隣接する非晶質同士がつながるように形成される、請求項3記載のレーザー加工方法。
- 該シールドトンネルの長さが単結晶基板の厚みとなるようにパルスレーザー光線のエネルギーが設定される、請求項1から4のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- パルスレーザー光線のエネルギーと該シールドトンネルの長さとの相関関係を生成し、形成したい該シールドトンネルの長さに対応したパルスレーザー光線のエネルギーを設定する、請求項1から5のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- パルスレーザー光線のエネルギーが5μJ/1パルス以上であり、該シールドトンネルの長さをY(μm)とし、パルスレーザー光線のエネルギーをX(μJ/1パルス)とした場合、Y=(3.0〜4.0μm/μJ)X+50μmの相関関係を有する、請求項6記載のレーザー加工方法。
- パルスレーザー光線の波長は、単結晶基板のバンドギャップに対応する波長の2倍以上に設定される、請求項1から7のいずれかに記載のレーザー加工方法。
- 該開口数設定工程においては、単結晶基板がサファイア(Al2O3)基板の場合には集光レンズの開口数(NA)は0.1〜0.35に設定され、単結晶基板が炭化珪素(SiC)基板の場合には集光レンズの開口数(NA)は0.15〜0.55に設定され、単結晶基板が窒化ガリウム(GaN)基板の場合には集光レンズの開口数(NA)は0.1〜0.5に設定される、請求項1から8のいずれかに記載のレーザー加工方法。
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