JP2015032794A - ウエーハの加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】単結晶基板の表面に形成された分割予定ラインによって区画された光デバイスが形成された光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って効率よく個々の光デバイスに分割することができるとともに、光デバイスの品質を低下させないレーザー加工方法を提供する。
【解決手段】パルスレーザー光線ＬＢを集光する集光レンズ４２２ａの開口数(NA)を単結晶基板２０の屈折率(N)で除した値が０．０５〜０．２の範囲で設定し、単結晶基板の裏面２０ｂ側からパルスレーザー光線の集光点Ｐを発光層２１近傍に位置付けて照射することにより、発光層を除去する発光層除去工程を実施した後に、単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の表面２０ａ近傍に位置付けて照射し、単結晶基板の表面から裏面に渡り細孔２４１と細孔をシールドする非晶質２４２とを成長させてシールドトンネル２４を形成するシールドトンネル形成工程を実施する。
【選択図】図５

Description

本発明は、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板等の単結晶基板の表面に発光層が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスが形成された光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割するウエーハの加工方法に関する。
光デバイス製造工程においては、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板等の単結晶基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる発光層が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイス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光デバイスが形成された領域を分割して個々のチップを製造している。
上述した光デバイスウエーハを分割する方法として、ウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法が試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って改質層を連続的に形成し、この改質層が形成されることによって強度が低下したストリートに沿って外力を加えることにより、ウエーハを分割する技術である（例えば、特許文献１参照）。
また、光デバイス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アブレーション加工を施してレーザー加工溝を形成し、この破断起点となるレーザー加工溝が形成された分割予定ラインに沿って外力を付与することにより割断する技術が実用化されている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３４０８８０５号公報 特開平１０―３０５４２０号公報
而して、ウエーハの内部にレーザー光線の集光点を位置付けて改質層を形成するためには開口数(NA)が０．８前後の集光レンズを用いる必要があり、例えば厚みが３００μmのウエーハを個々のデバイスに分割するためには改質層を数段重ねて形成しなければならず生産性が悪いという問題がある。
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、デブリが飛散して光デバイスの品質を低下させ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、サファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板等の単結晶基板の表面に発光層が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスが形成された光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って効率よく個々の光デバイスに分割することができるとともに、光デバイスの品質を低下させないレーザー加工方法を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、単結晶基板の表面に発光層が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスが形成された光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割するウエーハの加工方法であって、
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、
単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を発光層近傍に位置付けて分割予定ラインに沿って照射することにより、分割予定ラインに沿って発光層を除去する発光層除去工程と、
該発光層除去工程が実施された光デバイスウエーハの単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の表面近傍に位置付けて分割予定ラインに沿って照射し、単結晶基板の表面から裏面に渡り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、
該シールドトンネル形成工程が実施された光デバイスウエーハに外力を付与して個々の光デバイスに分割する分割工程と、を含み、
該発光層除去工程は、該シールドトンネル形成工程においてシールドトンネルを形成するパルスレーザー光線のエネルギーより小さいエネルギーで且つ集光スポットが重なるようにパルスレーザー光線を照射する、
ことを特徴とするウエーハの加工方法が提供される。
上記発光層除去工程において照射するパルスレーザー光線は１パルス当たりのエネルギーが２μＪ〜６μＪに設定され、上記シールドトンネル形成工程において照射するパルスレーザー光線は１パルス当たりのエネルギーが３０μＪ以上に設定される。
本発明によるウエーハの加工方法においては、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)を設定し、単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を発光層近傍に位置付けて分割予定ラインに沿って照射することにより、分割予定ラインに沿って発光層を除去する発光層除去工程を実施した後に、光デバイスウエーハの単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の表面近傍に位置付けて分割予定ラインに沿って照射し、単結晶基板の表面から裏面に渡り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を実施するので、シールドトンネル形成工程を実施する際には単結晶基板の表面に積層された分割予定ライン上の発光層は分割予定ラインに沿って除去されているため、分割予定ラインに隣接する光デバイスの発光層に損傷を与えることはない。また、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ので、厚みが例えば３００μmの単結晶基板であっても入射面（上面）から下面に亘ってシールドトンネルを形成することができるため、単結晶基板の厚みが厚くてもパルスレーザー光線を１回照射すればよいため、生産性が極めて良好となる。また、シールドトンネル形成工程においてはデブリが飛散しないので、デバイスの品質を低下させるという問題も解消される。
本発明によるウエーハの加工方法によって加工されるウエーハとしての光デバイスウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図。 図１に示す光デバイスウエーハを環状のフレームに装着したダイシングテープに貼着した状態を示す斜視図。 本発明によるウエーハの加工方法における発光層除去工程およびシールドトンネル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。 本発明によるウエーハの加工方法における発光層除去工程の説明図。 本発明によるウエーハの加工方法におけるシールドトンネル形成工程の説明図。 集光レンズの開口数(NA)と光デバイスウエーハの屈折率(N)と開口数(NA)を屈折率(N)で除した値（S＝ＮＡ／Ｎ）との関係を示す図。 サファイア基板(Al2O3)と炭化珪素（SiC）基板においてシールドトンネルが形成された状態におけ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関係を示すグラフ。 本発明によるウエーハの加工方法における分割工程を実施するための分割装置の斜視図。 本発明によるウエーハの加工方法における分割工程の説明図。
以下、本発明によるウエーハの加工方法について添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
図１の（a）および(b)には、本発明によるウエーハの加工方法によって個々の光デバイスに分割される光デバイスウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図が示されている。図１の（a）および(b)に示す光デバイスウエーハ２は、厚みが３００μmの単結晶基板であるサファイア基板２０の表面２０aに窒化物半導体からなる発光層（エピ層）２１が積層されている。そして、発光層（エピ層）２１が格子状に形成された複数の分割予定ライン２２によって区画され、この区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイス２３が形成されている。
上述した光デバイスウエーハ２を分割予定ライン２２に沿って分割するためには、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の発光層（エピ層）２１の表面２１ａ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、サファイア基板２０の裏面２０bが露出される。
図３には、上述したウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ２の分割予定ライン２２に沿ってレーザー加工を施すレーザー加工装置が示されている。図３に示すレーザー加工装置４は、被加工物を保持するチャックテーブル４１と、該チャックテーブル４１上に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段４２と、チャックテーブル４１上に保持された被加工物を撮像する撮像手段４３を具備している。チャックテーブル４１は、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で示す加工送り方向に移動せしめられるとともに、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で示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。
上記レーザー光線照射手段４２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング４２１を含んでいる。ケーシング４２１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４２１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レンズ４２２aを備えた集光器４２２が装着されている。この集光器４２２の集光レンズ４２２aは、開口数(NA)が次のよう設定されている。即ち、集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、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の範囲に設定される（開口数設定工程）。なお、レーザー光線照射手段４２は、集光器４２２の集光レンズ４２２aによって集光されるパルスレーザー光線の集光点位置を調整するための集光点位置調整手段（図示せず）を備えている。
上記レーザー光線照射手段４２を構成するケーシング４２１の先端部に装着された撮像手段４３は、可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、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４を用いて、上述したウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ２の分割予定ライン２２に沿ってレーザー加工を施すには、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、サファイア基板２０の裏面２０b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。
チャックテーブル４１が撮像手段４３の直下に位置付けられると、撮像手段４３および図示しない制御手段によって光デバイスウエーハ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４３および図示しない制御手段は、光デバイスウエーハ２の所定方向に形成されている分割予定ライン２２と、該分割予定ライン２２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４２の集光器４２２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、光デバイスウエーハ２に上記所定方向と直交する方向に形成された分割予定ライン２２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。このとき、光デバイスウエーハ２の分割予定ライン２２が形成されている発光層（エピ層）２１の表面２１ａは下側に位置しているが、撮像手段４３が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成された撮像手段を備えているので、単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０bから透かして分割予定ライン２２を撮像することができる。
上述したアライメント工程を実施したならば、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０b側からパルスレーザー光線の集光点を発光層２１の近傍に位置付けて分割予定ライン２２に沿って照射することにより、分割予定ライン２２に沿って発光層２１を除去する発光層除去工程を実施する。即ち、図４の（ａ）で示すようにチャックテーブル４１をレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段４２の集光器４２２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２２を集光器４２２の直下に位置付ける。このとき、図４の（ａ）で示すように光デバイスウエーハ２は、分割予定ライン２２の一端(図４の（ａ）において左端)が集光器４２２の直下に位置するように位置付けられる。そして、図示しない集光点位置調整手段を作動して集光器４２２を光軸方向に移動し、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０b側からパルスレーザー光線LBの集光点Pをサファイア基板２０の表面２０a側（発光層（エピ層）２１側）の近傍に位置付ける（集光点位置付け工程）。
上述したように集光点位置付け工程を実施したならば、レーザー光線照射手段４２を作動して集光器４２２からパルスレーザー光線LBを照射して、上記発光層除去工程を実施する。即ち、集光器４２２から光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板としてのサファイア基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線LBを照射しつつチャックテーブル４１を図４の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の送り速度で移動せしめる（発光層除去工程）。そして、図４の（ｂ）で示すようにレーザー光線照射手段４２の集光器４２２の照射位置に分割予定ライン２２の他端(図４の（ａ）において右端)が達したら、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４１の移動を停止する。
上記発光層除去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 ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数 ：５０ｋＨｚ
１パルス当たりのエネルギー ：２μＪ〜６μＪ
集光スポット径 ：φ１０μｍ
加工送り速度 ：２５０ｍｍ／秒
上記加工条件によって発光層除去工程を実施することにより、パルスレーザー光線の集光スポットの重なり率が５０％となり、図４の（c）に示すように単結晶基板であるサファイア基板２０の表面に積層された分割予定ライン２２上の発光層２１は、分割予定ライン２２に沿って連続的に破壊され除去溝２１１が形成される。
上述したように所定の分割予定ライン２２に沿って上記発光層除去工程を実施したら、チャックテーブル４１を矢印Ｙで示す方向に光デバイスウエーハ２に形成された分割予定ライン２２の間隔だけ割り出し移動し（割り出し工程）、上記発光層除去工程を遂行する。このようにして所定方向に形成された全ての分割予定ライン２２に沿って上記発光層除去工程を実施したならば、チャックテーブル４１を９０度回動せしめて、上記所定方向に形成された分割予定ライン２２に対して直交する方向に延びる分割予定ライン２２に沿って上記発光層除去工程を実行する。
なお、上記発光層除去工程において照射するパルスレーザー光線は、１パルス当たりのエネルギーを２μＪ〜６μＪに設定することが望ましい。この発光層除去工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギーについては、後で詳細に説明する。
上述したように発光層除去工程を実施したならば、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板であるサファイア基板２０の表面近傍に位置付けて分割予定ライン２２に沿って照射し、単結晶基板であるサファイア基板２０の表面から裏面に渡り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を実施する。このシールドトンネル形成工程を実施するには、上記発光層除去工程が実施された光デバイスウエーハ２を保持したチャックテーブル４１を図５の（ａ）で示すようにレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段４２の集光器４２２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２２を集光器４２２の直下に位置付ける。このとき、図５の（ａ）で示すように光デバイスウエーハ２は、分割予定ライン２２の一端(図５の（ａ）において左端)が集光器４２２の直下に位置するように位置付けられる。そして、図示しない集光点位置調整手段を作動して集光器４２２を光軸方向に移動し、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０b側からパルスレーザー光線LBの集光点Pをサファイア基板２０の表面２０a近傍に位置付ける（集光点位置付け工程）。
上述したように集光点位置付け工程を実施したならば、レーザー光線照射手段４２を作動して集光器４２２からパルスレーザー光線LBを照射して、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の表面２０a近傍に位置付けられた集光点Pからパルスレーザー光線が入射された側（サファイア基板２０の裏面２０b側）に細孔と該細孔をシールドする非晶質とを形成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を実施する。即ち、集光器４２２から光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板としてのサファイア基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線LBを照射しつつチャックテーブル４１を図５の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の送り速度で移動せしめる（シールドトンネル形成工程）。そして、図５の（ｂ）で示すようにレーザー光線照射手段４２の集光器４２２の照射位置に分割予定ライン２２の他端(図５の（ａ）において右端)が達したら、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４１の移動を停止する。
上記シールドトンネル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 ：１０３０ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数 ：５０ｋＨｚ
１パルス当たりのエネルギー ：３０μＪ以上
集光スポット径 ：φ１０μｍ
加工送り速度 ：５００ｍｍ／秒
上述したシールドトンネル形成工程を実施することにより、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の内部には、図５の（c）に示すようにパルスレーザー光線LBの集光点Pが位置付けられた単結晶基板２０の表面２０a側から入射面である単結晶基板２０の裏面２０bに亘って細孔２４１と該細孔２４１の周囲に形成された非晶質２４２が成長し、分割予定ライン２２に沿って所定の間隔（図示の実施形態においては１０μｍの間隔（加工送り速度：５００ｍｍ／秒）／（繰り返し周波数：５０ｋＨｚ）で非晶質のシールドトンネル２４が形成される。このシールドトンネル２４は、図５の（d）および(e)に示すように中心に形成された直径がφ１μm程度の細孔２４１と該細孔２４１の周囲に形成された直径がφ１０μmの非晶質２４２とからなり、図示の実施形態においては隣接する非晶質２４２同士がつながるように形成される形態となっている。なお、上述したシールドトンネル形成工程において形成される非晶質のシールドトンネル２４は、光デバイスウエーハ２を構成する単結晶基板であるサファイア基板２０の表面２０a側から入射面である単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０bに渡って成長させて形成することができるため、ウエーハの厚みが厚くてもパルスレーザー光線を１回照射すればよいので、生産性が極めて良好となる。このように光デバイスウエーハ２の厚みが例えば３００μmと厚くてもサファイア基板２０の表面２０a側から入射面である裏面２０bに亘ってシールドトンネル２４を形成することができるので、光デバイスウエーハ２に反りが生じることはない。また、シールドトンネル形成工程においてはデブリが飛散しないので、デバイスの品質を低下させるという問題も解消される。なお、シールドトンネル形成工程を実施する際には、上述したように単結晶基板であるサファイア基板２０の表面に積層された分割予定ライン２２上の発光層２１は分割予定ライン２２に沿って除去されているので、分割予定ライン２２に隣接する光デバイス２３の発光層に損傷を与えることはない。
上述したように所定の分割予定ライン２２に沿って上記シールドトンネル形成工程を実施したら、チャックテーブル４１を矢印Ｙで示す方向に光デバイスウエーハ２に形成された分割予定ライン２２の間隔だけ割り出し移動し（割り出し工程）、上記シールドトンネル形成工程を遂行する。このようにして所定方向に形成された全ての分割予定ライン２２に沿って上記シールドトンネル形成工程を実施したならば、チャックテーブル４１を９０度回動せしめて、上記所定方向に形成された分割予定ライン２２に対して直交する方向に延びる分割予定ライン２２に沿って上記シールドトンネル形成工程を実行する。
上述したシールドトンネル形成工程において、良好なシールドトンネル２４を形成するには、上述したように集光レンズ４２２aの開口数(NA)は、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の範囲に設定されていることが重要である。
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６を参照して説明する。図６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。
[実験１−１]
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。
[実験１−２]
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。
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。
上述した実験１−１、実験１−２から、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ことが確認できた。
次に、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について検討する。
[実験２]
厚みが１０００μmのサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）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
１ なし なし
２ なし なし
３ なし なし
４ なし なし
５ なし なし
６ なし なし
８ なし なし
９ なし なし
１０ ７５ ８５
２０ １２５ １１５
３０ １５０ １５５
４０ １７５ １８５
５０ １９０ ２３０
６０ ２１０ ２６５
７０ ２４５ ２９０
８０ ２６０ ３３０
９０ ３１５ ３７０
１００ ３４０ ３９５
１１０ ３６５ ４３０
１２０ ４００ ４７０
１３０ ４２５ ５００
１４０ ４５５ ５３５
１５０ ４９０ ５７０
１６０ ５２５ ６１０
１７０ ５５０ ６４０
１８０ ５７５ ６７５
１９０ ６１０ ７１５
２００ ６４０ ７４０
上述したサファイア(Al2O3)基板、炭化珪素（SiC）基板においてシールドトンネルが形成された状態における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）とは図７に示すグラフの通り表され、パルスレーザー光線のエネルギーが５μJ／１パルス以上であること、および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ことが判った。従って、厚み５００μmのサファイア(Al2O3)基板の場合、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設定されるパルスレーザー光線のエネルギーは１６０μJ／１パルス以上となる。
次に、パルスレーザー光線の波長とシールドトンネルの形成状況について検討する。
[実験３−１]
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。
[実験３−２]
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。
上述した実験３−１、実験３−２から、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。
次に、上記発光層除去工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギーについて説明する。
パルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギーが１０μJ以上であれば上記実験２の結果からシールドトンネルを形成することができるが、光デバイスウエーハを個々の光デバイスに分割するにはシールドトンネルの長さが１５０μm以上必要であり、１パルス当たりのエネルギーが３０μJ以上となる。
しかるに、上記発光層除去工程が実施されていない状態で、１パルス当たりのエネルギーが３０μJ以上のパルスレーザー光線を光デバイスウエーハ２の単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０b側から表面２０a近傍に集光点を位置付けて分割予定ライン２２に沿って照射すると、サファイア基板２０の表面２０aに積層された分割予定ライン２２上の発光層２１と分割予定ライン２２に隣接する光デバイス２３の発光層が連鎖的に破壊され、光デバイス２３の品質を低下させる。
そこで本発明者等は、上述したようにシールドトンネル形成工程を実施する前に上記発光層除去工程を実施し、分割予定ライン２２上の発光層のみを除去することにより、シールドトンネルを形成する際に光デバイス２３の発光層が連鎖的に破壊されることが防げると推測し、分割予定ライン２２上の発光層のみを除去するための実験を行った。
[実験４−１]
シールドトンネルを形成することができる１パルス当たりのエネルギーが１０μJ、２０μJのエネルギーを有するパルスレーザー光線を光デバイスウエーハ２の単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０b側から表面２０a近傍に集光点を位置付けて分割予定ライン２２に沿って照射すると、分割予定ライン２２上の発光層を破壊することができなかった。これは、パルスレーザー光線のエネルギーの殆どがシールドトンネルの形成に使用されたものと考えられる。
[実験４−２]
シールドトンネルを形成することができない１パルス当たりのエネルギーが１μJ〜９μJのエネルギーを有するパルスレーザー光線を光デバイスウエーハ２の単結晶基板であるサファイア基板２０の裏面２０b側から表面２０a近傍に集光点を位置付けて分割予定ライン２２に沿って照射すると、１パルス当たりのエネルギーが２μJ〜６μJの範囲において分割予定ライン２２上の発光層のみを破壊することができた。
なお、１パルス当たりのエネルギーが７μJ〜９μJにおいては、分割予定ライン２２上の発光層２１と分割予定ライン２２に隣接する光デバイス２３の発光層が連鎖的に破壊された。
従って、発光層除去工程において照射するパルスレーザー光線の１パルス当たりのエネルギーは、２μJ〜６μJに設定されることが重要である。
上述したシールドトンネル形成工程を実施したならば、光デバイスウエーハ２に外力を付与し細孔２４１と該細孔２４１の周囲に形成された非晶質２４２とからなるシールドトンネル２４が連続して形成された分割予定ライン２２に沿って光デバイスウエーハ２を個々の光デバイス２３に分割するウエーハ分割工程を実施する。ウエーハ分割工程は、図８に示す分割装置６を用いて実施する。図８に示す分割装置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に装着された光デバイスウエーハ２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に装着されたダイシングテープ３０に貼着される光デバイスウエーハ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９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９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分割装置６を用いて実施するウエーハ分割工程について図９を参照して説明する。即ち、光デバイスウエーハ２が貼着されているダイシングテープ３０が装着された環状のフレーム３を、図９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９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９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９の（ｂ）に示すように環状のフレーム３に装着されたダイシングテープ３０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、ダイシングテープ３０に貼着されている光デバイスウエーハ２には放射状に引張力が作用するため、上述したシールドトンネル２４が連続して形成され強度が低下せしめられた分割予定ライン２２に沿って個々の光デバイス２３に分離されるとともに光デバイス２３間に間隔Sが形成される。
次に、図９の（c）に示すようにピックアップコレット６３を作動して光デバイス２３を吸着し、ダイシングテープ３０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、上述したようにダイシングテープ３０に貼着されている個々の光デバイス２３間の隙間Sが広げられているので、隣接する光デバイス２３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：光デバイスウエーハ
２１：発光層
２２：分割予定ライン
２３：光デバイス
２４：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 (2)

  1. 単結晶基板の表面に発光層が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスが形成された光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割するウエーハの加工方法であって、
    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、
    単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を発光層近傍に位置付けて分割予定ラインに沿って照射することにより、分割予定ラインに沿って発光層を除去する発光層除去工程と、
    該発光層除去工程が実施された光デバイスウエーハの単結晶基板の裏面側からパルスレーザー光線の集光点を単結晶基板の表面近傍に位置付けて分割予定ラインに沿って照射し、単結晶基板の表面から裏面に渡り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、
    該シールドトンネル形成工程が実施された光デバイスウエーハに外力を付与して個々の光デバイスに分割する分割工程と、を含み、
    該発光層除去工程は、該シールドトンネル形成工程においてシールドトンネルを形成するパルスレーザー光線のエネルギーより小さいエネルギーで且つ集光スポットが重なるようにパルスレーザー光線を照射する、
    ことを特徴とするウエーハの加工方法。
  2. 該発光層除去工程において照射するパルスレーザー光線は１パルス当たりのエネルギーが２μＪ〜６μＪに設定され、該シールドトンネル形成工程において照射するパルスレーザー光線は１パルス当たりのエネルギーが３０μＪ以上に設定される、請求項１記載のウエーハの加工方法。
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