JP2015519722A - 工作物中への高深度作用を伴うレーザスクライビング加工 - Google Patents

Abstract

レーザスクライビング加工を行うためのシステムおよび方法は、導波管の自己集束効果を利用してビームが工作物中を通過するようにレーザビームを集束することにより、工作物中に延在するチャネルに沿って内部結晶損傷を引き起こすことによって、基板または工作物中に高深度作用をもたらす。工作物の材料中における多光子吸収、工作物の材料の透過性、および集束レーザの収差などの、種々の光学効果が、導波管の自己集束効果を促進するために利用され得る。レーザビームは、例えば、材料中の透過および材料内における多光子吸収を実現するためなどの、波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギーを有してもよい。また、収差された集束レーザビームは、工作物中への有効な被写界深度（ＤＯＦ）を拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を実現するために使用されてもよい。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、２００９年１２月７日に出願された米国特許仮出願第６１／２６７，１９０号に基づく利益を主張する、２０１０年１２月７日に出願された米国特許出願第１２／９６２，０５０号の一部継続出願である。これらの両特許文献は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、レーザ加工に関し、より詳細には、工作物中への高深度作用を伴うレーザスクライビング加工に関する。

レーザは、基板または半導体ウェーハなどの工作物を切削またはスクライビング加工するために一般的に使用される。例えば、半導体製造において、レーザは、半導体ウェーハから製造される個々のデバイス（またはダイ）が相互に分離されるように、半導体ウェーハをダイシングするプロセスにおいてしばしば使用される。ウェーハ上のダイは、ストリート（street）により分離され、レーザは、これらのストリートに沿ってウェーハを切削するために使用され得る。レーザは、ウェーハを完全に貫通して切削するために、または部分的に貫通するように切削してウェーハの残りの部分が穿刺点にてウェーハを破断することによって分離されるようにするために、使用され得る。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する場合には、ウェーハ上の個々のダイが、ＬＥＤに相当する。

米国特許出願第１２／９６２，０５０号明細書 米国特許第７，３８８，１７２号明細書

半導体デバイスのサイズが縮小するにつれて、単一のウェーハ上に製造され得るこれらのデバイスの個数は増加する。ウェーハごとのデバイス密度がより高いことにより、歩留まりが上昇し、また同様にデバイスあたりの製造コストが低下する。この密度を上昇させるためには、これらのデバイス同士を可能な限り共に近接させて作製することが望ましい。半導体ウェーハ上においてデバイス同士をより近接させて位置決めする結果として、デバイス間のストリートはより幅狭になる。したがって、レーザビームは、これらのより幅狭なストリート内に正確に位置決めされ、デバイスに対する損傷を最小限にまたはゼロに抑えつつウェーハをスクライビング加工しなければならない。

１つの技術によれば、レーザは、材料のアブレーションを引き起こすためにおよび部分的切削を実施するために、基板またはウェーハの表面に集束され得る。レーザスクライビング加工は、例えばウェーハ上に形成されたデバイスを有するウェーハの表側において（表側面スクライビング加工（ＦＳＳ：front-side scribing）と呼ばれる）、またはウェーハの裏側において（裏側面スクライビング加工（ＢＢＳ：back-side scribing）と呼ばれる）など、半導体ウェーハ上において実施され得る。これらの技術は、有効であるが、欠点も存在する。これらの両プロセスは、著しいデブリの発生をしばしば引き起こし、デブリを排除または減少させるための被覆プロセスおよびリンスプロセスをしばしば必要とする。裏側面スクライビング加工は、より幅広なカーフおよびより幅広な熱作用ゾーン（ＨＡＺ：heat affected zone）をしばしば利用するため、結果として熱が発生し、これが表面損傷および光損失を引き起こす場合がある。

ステルススクライビング加工（stealth scribing）としばしば呼ばれる別の技術によれば、レーザは、高開口数（ＮＡ）レンズ（例えばＮＡ＞０．８）を用いてウェーハの内部に集束されて、材料内にて多光子吸収を引き起こさせ得る。高ＮＡレンズは、非常に短い作動距離および非常に小さな被写界深度（ＤＯＦ：depth of field）をもたらす。また、このプロセスは、複数の欠点を有する。特にステルススクライビング加工は、複数の通過が分離を引き起こすために必要とされ得るため、ウェーハの厚さを制限し、反ったウェーハにおいては困難となり、より厚いウェーハに対してははるかにより遅いものとなり得る。また、ステルススクライビング加工は、ウェーハの表面において比較的大きなスポットサイズをもたらすため、これは、ダイ間の幅狭のストリートにおける表側面スクライビングの妨げとなり得る、またはウェーハあたりのダイの個数の減少が不可避となる。また、ステルススクライビング加工技術は、ＤＢＲまたは金属反射フィルムを用いてウェーハを機械加工する場合には、ウェーハの内部に所望の焦点を得ることができないため、問題が生じる。また、ステルススクライビング加工は、高額なレンズおよび厳格な焦点許容誤差を必要とし、ステルススクライビング加工設備は、より高い設備コストおよび年間メンテナンスコストを一般的に伴う。

図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより、これらのおよび他の特徴ならびに利点がよりよく理解されよう。

本開示の実施形態による、工作物中への高深度作用を実現するレーザスクライビング加工システムの概略図である。 本開示の実施形態による、回折制限領域の外部に球面収差を伴いレーザビームを集束するための焦点レンズの概略図である。 球面収差を伴わない近軸集束レーザビームを実現するレンズの概略図である。 制限された横方向球面収差範囲を有しつつ工作物中への被写界深度を拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を有して収差された集束レーザビームを実現するために、回折制限領域を越えてオーバーフィルされたレンズ（lens overfilled）の概略図である。 さらに大きな長手方向および横方向球面収差範囲を有して収差された集束レーザビームを実現するため、回折制限範囲をさらに越えてオーバーフィルされたレンズの概略図である。 工作物の表面に対するある焦点オフセットで収差された集束レーザビームの概略図である。 工作物の表面に対するある焦点オフセットで収差された集束レーザビームの概略図である。 工作物の表面に対するある焦点オフセットで収差された集束レーザビームの概略図である。 図５Ａ〜図５Ｄは、ある焦点オフセットを伴う、およびある量の球面収差を伴う、６０ｍｍ焦点距離トリプレットレンズから２５０ミクロン厚サファイア中への集束レーザビームの概略図である。 図６Ａ〜図６Ｄは、ある焦点オフセットを伴う、およびある量の球面収差を伴う、５４ｍｍ焦点距離ダブレットレンズから２５０ミクロン厚サファイア中への集束レーザビームの概略図である。 図７Ａ〜図７Ｄは、ある焦点オフセットを伴う、およびある量の球面収差を伴う、２５ｍｍ焦点距離トリプレットレンズから１２０ミクロン厚サファイア中への集束レーザビームの概略図である。 本開示の一実施形態による方法により形成された一連のアブレーションホールを有するサファイア基板の表面を示す写真である。 本開示の一実施形態による方法により形成されたアブレーションホールから延在する一連の高作用部を伴うサファイア基板の側部を示す写真である。 本開示の一実施形態による、工作物位置決めステージが位置合わせ位置にある状態のレーザ加工システムの概略図である。 本開示の一実施形態による、工作物位置決めステージがレーザ加工位置にある状態のレーザ加工システムの概略図である。 本開示の一実施形態による、半導体ウェーハ上のストリートにレーザビームを対向側から位置合わせすることによる裏側面スクライビング加工の側面概略図である。 本開示の一実施形態による、より浅い裏側面スクライブにレーザビームを対向側から位置合わせすることによる両面スクライビング加工の側面概略図である。 本開示の一実施形態による、より浅い裏側面スクライブにレーザビームを対向側から位置合わせすることによる両面スクライビング加工の側面概略図である。 本開示の別の実施形態による、高深度作用および延長ビームスポットでスクライビング加工するためのレーザスクライビング加工システムの概略図である。

本開示の一実施形態によるレーザスクライビング加工用のシステムおよび方法は、導波管の自己集束効果を利用してビームが工作物中に通過することにより、工作物中に延在するチャネル（channel）に沿って内部結晶損傷が引き起こされるように、レーザビームを収束することによって、基板または工作物中に高深度作用（extended depth affectation）を実現する。工作物の材料中における多光子吸収、工作物の材料の透過性、および集束レーザビームの光学収差などの、種々の光学効果が、導波管の自己集束効果を促進するために利用され得る。レーザビームは、例えば材料の少なくとも部分的な透過と材料中における多光子吸収とを実現するためなどの、波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギーを有してもよい。また、収差された集束レーザビームは、工作物中への有効な被写界深度（ＤＯＦ）を拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を実現するために使用されてもよい。

高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、例えばダイの分離を実現するためになど、基板または半導体ウェーハなどの工作物をスクライビング加工するために利用され得る。１つの用途によれば、本明細書において説明されるレーザ加工システムおよびレーザ加工方法は、半導体ウェーハを機械加工することにより発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成するダイを分離させるために利用され得る。高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、様々な厚さの半導体ウェーハの裏側面スクライビング加工および／または表側面スクライビング加工を行うために利用され得る。種々の材料が、材料の少なくとも部分的な透過および材料中における多光子吸収を結果的にもたらすレーザパラメータおよび光学的性質を選択することにより、高深度作用を伴ってスクライビング加工され得る。特に、本明細書において説明される方法は、サファイアと、シリコンと、ガラスと、レーザビームが結晶損傷を引き起こすのに十分に吸収されつつ材料を少なくとも部分的に通過するのを可能にし得る他の基板または材料と、をスクライビング加工するために利用され得る。また、高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、例えば不透過性コーティングを有する工作物に対して有利に利用され得る。なぜならば、初期アブレーションが、不透過性コーティングを切削し得るからである。

本明細書において使用される場合に、「機械加工」は、工作物を変化させるためにレーザエネルギーを利用する任意の行為を指し、「スクライビング加工」は、工作物中にわたってレーザを走査することにより工作物を機械加工する行為を指す。機械加工は、工作物の表面における材料のアブレーションおよび／または工作物の内部における材料の結晶損傷を含み得るがそれらに限定されない。スクライビング加工は、一連のアブレーションまたは結晶損傷領域を含み得るが、連続する一連のアブレーションまたは結晶損傷を必要とはしない。本明細書において使用される場合に、「高深度作用」は、工作物内におけるレーザエネルギーと光子材料との相互作用の結果として工作物の内部に延在するチャネルに沿って引き起こされる結晶損傷を指す。

高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、材料の外方部分をアブレーションし、次いでビームを内部に集束することにより内部破損または結晶損傷（すなわち高深度作用）を引き起こすことによって、例えばウェーハダイ分離などのためのスクライビング加工またはダイシングを結果としてもたらし得るまたは促進し得る。初期アブレーションは、屈折率の変化を引き起こし得るため、これにより、切削部中への導波管すなわちレーザの自己集束効果が促進されて、材料結晶構造内における収斂を引き起こし、これによって結晶損傷が引き起こされる点へと高電界エネルギーが効果的に集束される。レーザパラメータは、以下においてさらに詳細に説明されるように、自己集束効果を促進するクリーンアブレーションを（すなわち最小限のデブリを伴って）実現するように最適化されてもよい。さらに、他の実施形態においては、高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、工作物の表面のアブレーションを伴わずに実施され得る。

高深度作用は、材料の結晶構造を乱すのに十分な材料中への少なくとも部分的な透過と多光子吸収とを実現するようにレーザパラメータ（例えば、波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギー）を調節することにより実現され得る。特に、レーザビームは、工作物の材料中への透過が可能な波長（例えば、赤外、緑色、または紫外）を有してもよく、多光子吸収を引き起こすピークパワーをもたらす超短パルス（例えば１ｎｓ未満）または短パルス（例えば２００ｎｓ未満）を有するパルスレーザビームを含んでもよい。したがって、実質的に透過性の標的材料および高エネルギー超高速レーザを使用することにより、放射照度と拡大されたＤＯＦとの間のバランスが、標的材料との間における深い体積範囲の相互作用を可能にする。

レーザ波長は、赤外（ＩＲ）範囲ならびに第１高調波〜第５高調波におけるものであってもよく、より具体的には、例えば約１．０４〜１．０６μｍ（ＩＲ）、５１４〜５３２ｎｍ（緑色）、３４２〜３５５ｎｍ（ＵＶ）、または２６１〜２６６ｎｍ（ＵＶ）などの範囲であってもよい。例えば、サファイアにおいては、高深度作用を伴うスクライビング加工は、ＵＶ範囲（例えば２６６ｎｍ、３４３ｎｍ、または３５５ｎｍ）内のレーザ波長で達成され得る。シリコンにおいては、高深度作用を伴うスクライビング加工は、例えば１．２μｍを上回る長さの（シリコンが伝達を開始する波長）、およびさらに具体的には約１．５μｍなどの、ＩＲ範囲内のレーザ波長で達成され得る。可視範囲内のレーザ波長は、高深度作用を伴ってガラスをスクライビング加工するために使用され得る。また、本明細書において開示されるように、高深度作用を伴うスクライビング加工は、それらの材料を透過するレーザ波長を利用することにより、ＧａＡｓおよび他のＩＩＩ−Ｖ族材料、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ならびにダイヤモンドを含むがそれらに限定されない、バンドギャップを有する半導体材料および誘電体材料と共に利用され得る。

より短いパルスと共により長い波長（例えば従来のスクライビング加工技術と比較した場合に）を利用することにより、特にサファイアなどの高透過性材料において、より良好なカップリング効率およびレーザエネルギー吸収が可能となる。パルス持続時間は、熱拡散時間スケールよりも短くてもよく、これにより、材料の急速な蒸発、すなわち固体から蒸気への直接的な遷移を伴う蒸発アブレーションが引き起こされる。例えば、ある材料における溶融を最小限に抑えるために、パルス持続時間が、ピコ秒未満であってもよい。例えば、サファイアを機械加工する場合には、約１０ｐｓ未満の超短パルス持続時間が利用されてもよい。また、他の例においては、１ｎｓ超またはさらには１００ｎｓ超のより長いパルス持続時間が利用されてもよい（例えば、１５０〜２００ｎｓパルスがシリコンにおいて利用され得る）。

超高速レーザは、例えば、ピコ秒またはフェムト秒の超短パルスを発生させるためなどに利用されてもよい。いくつかの実施形態においては、超高速レーザは、種々の波長（例えば、約０．３５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、１．３μｍ、１．５μｍ、２μｍ、またはそれらの間の任意の増分）にて、および種々の超短パルス持続時間（例えば約１０ｐｓ未満）にて、原レーザビーム（raw laser beam）を生成することが可能であってもよい。超高速レーザの一例は、ＴＲＵＭＰＦから市販のＴｒｕＭｉｃｒｏシリーズ５０００ピコ秒レーザの中の１つを備える。また、このレーザは、約１０〜１０００ｋＨｚの範囲内の繰り返し率にて約１μＪ〜１０００μＪの範囲内のパルスエネルギーを供給してもよい。

高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、一般的には、より長い作動距離の光学部品（例えば、ステルススクライビング加工用に使用される高ＮＡレンズに比べてより低いＮＡのレンズ）を使用する。このより長い作動距離およびより低いＮＡ光学部品には、例えば、０．８未満の、さらに具体的には０．５未満または０．４未満のＮＡを有する焦点レンズなどが含まれてもよい。また、高深度作用を伴うレーザスクライビング加工は、工作物中へと有効ＤＯＦを拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を伴う球面収差をもたらしてもよい。より長い作動距離を有しより低いＮＡを有するレンズは、一般的には、より高いＮＡを有するレンズに比べてより長いＤＯＦを有する。球面収差をもたらすレンズを使用することにより、有効ＤＯＦがさらに拡大され得るため、導波管の自己集束効果によって拡大ゾーンを越えて工作物中に進むエネルギーが増加する。

以下においてさらに詳細に論じるように、高深度作用の深度は、レーザパラメータ（例えば、波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギー）、処理パラメータ（例えばパルス間隔）、ならびに光学的性質（例えば、動作ＮＡおよび焦点深さ）を調節することによって制御され得る。

図１を参照すると、高深度作用を伴うレーザスクライビング加工のためのレーザ加工システム１００の一実施形態は、半導体ウェーハのサファイア基板などの工作物１０２をスクライビング加工するために使用され得る。レーザ加工システム１００のこの実施形態は、原レーザビームを発生させるためのレーザ１１０と、レーザビームを集束し、工作物１０２の表面１０４に対して集束レーザビームを送るためのビーム送達システム１２０とを備える。ビーム送達システム１２０は、レーザ１１０からの原レーザビーム１１２を拡大することにより拡大ビーム１１４を形成するためのビームエキスパンダ１２２と、拡大ビーム１１４を集束することにより集束レーザビーム１１６を形成するための集束レンズ１２４と、を備える。また、ビーム送達システム１２０は、オートフォーカスシステム（図示せず）を備えてもよいが、それは必須でなくてもよい。

図示する実施形態においては、レーザ加工システム１００は、集束レーザビーム１１６のエネルギー密度が、アブレーションゾーン１０６における工作物１０２の表面１０４をアブレーションするのに十分なものとなるように、およびこのビームが、導波管自己集束効果を利用してアブレーションゾーン１０６を通過し工作物１０２中に進むように、拡大レーザビーム１１４を集束する。したがって、導波管自己集束効果により、アブレーションゾーン１０６から、工作物１０２内に延在する内部位置１０８へと集束レーザビーム１１６を送り、その位置において、結晶損傷が、衝撃、電界、および／または圧力により引き起こされる。集束レーザビーム１１６の各パルスは、工作物１０２上にビームスポットを形成し、導波管の自己集束効果を利用して工作物１０２中に延在することにより、大きな深さにわたり高エネルギーを供給し、内部位置１０８にてチャネルに沿って結晶損傷を引き起こす。集束レーザビーム１１６の単一のパルスが、各位置において十分となり得るが、複数パルスプロセスが、後続のパルスと共に利用されることにより、より深くより強力な材料破損を実現してもよい。

集束レーザビーム１１６は、一連のアブレーションゾーン１０６および結晶損傷を被った内部位置１０８（すなわち高作用部）が、一連のレーザパルスによりスクライブラインに沿って形成されるように、工作物１０２中にわたって走査されてもよい。レーザビーム１１６は、例えば、多様な深さおよび間隔を達成するために単一の通過または複数の通過を使用して走査されてもよい。工作物１０２は、例えば一連のアブレーションゾーン１０６および結晶損傷を被った内部位置１０８を形成するために集束レーザビーム１１６に対して移動されてもよい。次いで、アブレーションゾーン１０６および結晶損傷を被った内部位置１０８は、スクライブラインに沿った工作物１０２の分離を助長し得る。図示する実施形態は、ＬＥＤダイを有する半導体ウェーハ上の表側面スクライビング加工を示すが、レーザ加工システム１００は、以下においてさらに詳細に説明されるように、裏側面スクライビング加工または両面スクライビング加工のために使用されてもよい。

材料のタイプによっては、レーザ１１０は、工作物１０２の材料を少なくとも部分的に通過することが可能な波長にて短パルス（例えば約２００ｎｓ未満）または超短パルス（例えば約１ｎｓ未満）を放出することが可能であり得る。高深度作用を伴ってサファイアをスクライビング加工するための一例によれば、レーザ１１０は、約１０ｐｓ未満のパルス持続時間および約６０μＪのパルスエネルギーを有するＵＶ範囲（例えば、約２６６ｎｍ、３４３ｎｍ、または３５５ｎｍ）内の波長にて原レーザビームを放出する超高速レーザである。かかるレーザは、サファイアを通過することが可能な波長と、サファイア内の内部位置の結晶を損傷させるのに十分な高ピークパワーと、を供給する。レーザ１１０は、ある特定の走査速度にて所望のスクライブを実現するための繰り返し率にて動作され得る。サファイアの機械加工の一例によれば、約６０μＪのパルスエネルギーを有するＵＶレーザは、約３３．３ｋＨｚの繰り返し率と、約７０ｍｍ／ｓ〜９０ｍｍ／ｓの範囲内の走査速度で動作され得る。別の例においては、繰り返し率は、約１００ｋＨｚであり、約１００ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓの走査速度を伴い得る。他の実施形態においては、より低出力のレーザ（例えば約８Ｗ）が、低パルスエネルギー（例えば約４０μＪ）およびより高い繰り返し率（例えば約２００ｋＨｚ）で使用され得る。

ビームエキスパンダ１２２は、２ｘ拡大テレスコープであってもよく、集束レンズ１２４は、約４００μｍの焦点深度および約３μｍの所望のカーフ幅を有する有効集束性を実現するために、６０ｍｍトリプレットであってもよい。ビームエキスパンダ１２２は、例えば、非コート負レンズ（例えばｆ＝−１００ｍｍ）および正レンズ（例えばｆ＝２００ｍｍ）の組合せを含むビーム拡大テレスコープであってもよい。集束レンズ１２４は、０．８未満の、さらに具体的には０．５未満または０．４未満のＮＡを有してもよく、これにより、より長い動作距離およびより長いＤＯＦが実現される。また、集束レンズ１２４は、以下においてさらに詳細に説明されるように、工作物１０２中へとさらに有効ＤＯＦを拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を有して収差された集束レーザビーム１１６を生成する球面収差をもたらしてもよい。

超短パルスまたは短パルスと集束レーザビームとの組合せにより、工作物の表面１０４上において除去される材料（例えばデブリ）体積を最小限に抑えつつ、工作物１０２の内部位置１０８において結晶損傷をもたらす高い集束性（より低いＮＡ光学）が得られる。レーザ１１０およびビーム送達システム１２０は、材料がスクライビング加工されるような表面アブレーションおよび自己集束効果と所望のカーフ幅とを実現する、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、ピークパワー、繰り返し率、走査速度、ならびにビームの長さおよび幅などのレーザ加工パラメータを有して構成されてもよい。

図２にさらに詳細に示すように、高深度作用は、焦点レンズ２２４のレンズ収差を利用して収差された集束レーザビーム２１６の有効ＤＯＦを拡大することによって、促進され得る。レンズ収差は、近軸光学により予測される理想経路からのレンズを通過する光線の逸脱である。特に、球面収差は、レンズを通過する光線がレンズの光軸からさらに遠方に逸脱する結果として得られる。

この実施形態においては、一般的には、焦点レンズ２２４の一部分が、収差を本質的に含まない回折制限能力を実現する（すなわち、回折による性能に対する影響が収差による性能に対する影響を上回る）回折制限領域（diffraction-limited region）２２３を備える。回折制限領域２２３内においてレンズ２２４を照明するレーザビーム２１４の光線２１３は、近軸焦点面２２６にて集束されて、集束レーザビーム２１６のこの領域内に高分解能集束ビームスポットをもたらす。回折制限領域２２３の外部においては、焦点レンズ２２４は、収差された集束レーザビーム２１６中に球面収差をもたらす。回折制限領域２２３の外部においてレンズ２２４を照明する光線２１５は、近軸焦点から逸脱し、近軸焦点面２２６の後方の延長焦点にて集束される（すなわちレンズ２２４の光軸に交差する）。したがって、球面収差は、近軸焦点から連続的に、収差された集束レーザビーム２１６の焦点を効果的に延長させる。

収差された光線２１５の焦点が近軸焦点面２２６を越えてレンズ２２４の光軸に沿って延在する距離が、長手方向球面収差（ＬＳＡ）範囲であり、収差された光線２１５が近軸焦点面２２６に沿って延在する距離が、横方向球面収差（ＴＳＡ）範囲となる。ＬＳＡ範囲は、以下においてさらに詳細に説明されるように、近軸焦点面２２６を越えて集束レーザビーム２１６の有効ＤＯＦ２２８を拡大させ、工作物中への高深度作用を促進する。

したがって、本開示の実施形態は、従来の見識とは逆の方法において焦点レンズの欠点を利用する。レーザスクライビング加工用に使用されるレンズシステムにおいては、レンズ収差の回避または補正が、十分に集束されたビームスポットを実現するためにしばしば望ましいものとなる。しかし、本開示の実施形態によれば、レンズ収差は、ＤＯＦを拡大させる光学効果を生成することにより、高深度作用を伴って工作物をスクライビング加工するために、意図的に利用される。さらに、本明細書において説明されるような高深度作用を伴うレーザスクライビング加工のために使用されるレンズは、ステルススクライビング加工に必要とされる高ＮＡレンズよりも安価である場合がある。

焦点レンズ２２４は、回折制限領域２２３内の収差を補正するが、レンズ２２４の全有効口径にわたっては補正しない、レンズダブレットまたはレンズトリプレットなどのマルチエレメントレンズを含み得る。また、焦点レンズ２２４は、比較的長い作動距離と、約０．８未満の、およびより具体的には約０．５未満または約０．４未満の低ＮＡとを実現し得る。種々の基板材料および基板厚さが、波長、パルス持続時間、動作ＮＡ、長手方向球面収差範囲、および脱焦を含む、高深度作用を伴うスクライビング加工に対する個別の最適なパラメータの組合せを有し得る。したがって、レンズの正確な光学パラメータは、スクライビング加工すべき材料のタイプに応じて決定されることとなる。

図３Ａ〜図３Ｃに示すように、焦点レンズ２２４は、制限された横方向球面収差範囲を有しつつ有効ＤＯＦを拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲をもたらすように設計および／または照明されてもよい。例えば、レンズ２２４の作動ＮＡまたは動作ＮＡ（すなわちＦ♯）は、工作物２０２の表面２０４上における集束ビームスポットが過剰に大きくならないように横方向球面収差範囲を制限しつつ、工作物２０２内に所望の高作用をもたらすこととなる長手方向球面収差範囲を実現するように選択されてもよい。工作物の表面２０４上における所望のビームスポットサイズは、その特定の用途に応じて決定され、半導体ウェーハのスクライビング加工およびダイ分離のためには約２０μｍ未満となり得る。

この実施形態においては、レンズ２２４の作動ＮＡまたは動作ＮＡは、ビームエキスパンダ２２２を使用して原レーザビーム２１２を拡大することにより、レンズ２２４の開放口の可変部分を照明する拡大レーザビーム２１４を生成するように調節され得る。拡大レーザビーム２１４が、図３Ａに示すように回折制限領域２２３内のレンズ２２４の開口のみを照明する場合には、集束ビーム２１６は、近軸焦点面に対して集束する近軸光線のみを含み、これは、工作物２０２の表面２０４上に示される。これは、工作物２０２中への有効ＤＯＦの拡大により高深度作用をもたらす長手方向球面収差範囲を形成しない。

拡大レーザビーム２１４が、図３Ｂに示すように回折制限領域２２３をちょうど越えてレンズ２２４の開口を照明する場合には、集束ビーム２１６は、工作物２０２中にＤＯＦ２２８を拡大させる長手方向球面収差範囲を有して近軸焦点面を越えて集束する収差光線をさらに含む。レンズが、回折制限に近いが厳密には回折制限されずに動作している場合に、長手方向球面収差が、優勢である場合には、集束ビーム２１６の収差光線の横方向球面収差範囲は、制限され得る。したがって、長手方向球面収差範囲は、横方向スポットサイズを依然として制御下に維持しつつ、ＤＯＦを拡大させる。

拡大レーザビーム２１４が、図３Ｃに示すようにレンズ２２４の全有効口径を照明する場合には、集束ビーム２１６は、横方向球面収差範囲をさらに拡大させる収差光線を含み、工作物２０２の表面２０４上におけるビームスポットサイズをさらに拡大する。この例においては、拡大された横方向球面収差範囲により、長手方向球面収差によって実現される拡大されたＤＯＦの効果が無効にされる。

したがって、レンズ２２４は、長手方向球面収差範囲が工作物中へのＤＯＦを十分に拡大させることにより、所望の高深度作用を引き起こし、しかし制限された横方向球面収差範囲を伴うように、動作ＮＡにより照明され得る。ビームサイズは、最適なサイズによって工作物２０２の材料の内部に高深度作用が発生されることが判明するまで、レンズ２２４にて徐々に拡大され得る（例えば動作ＮＡを上昇させる）。横方向球面収差範囲を制限することにより、有効ＤＯＦを拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を依然として可能にしつつ、工作物の表面におけるビームスポットサイズのさらなる縮小と、レーザゾーンのさらなる縮小と、アブレーションゾーンのさらなる縮小とが可能となる。一実施形態においては、横方向球面収差範囲は、約２０μｍ未満のおよびさらに具体的には１０〜２０μｍのレーザゾーンと、約１０μｍ未満のおよびさらに具体的には約５μｍのアブレーションゾーンとを結果としてもたらすように十分に制限され得る。

所与の材料、波長、およびパルス持続時間に対して、最適なＮＡおよびパルスエネルギーは、材料厚さに応じて決定されることとなる。薄い材料（例えば９０μｍ〜１１０μｍのサファイア）の場合には、所望の高深度作用の深度は、約０．１５〜０．２の動作ＮＡと約１０〜５０μＪの範囲内のパルスエネルギーとにより達成され得る。例えば、１８ｍｍの開放口を有する２５ｍｍ焦点距離トリプレットを使用する場合には、９０μｍ〜１１０μｍの材料厚さにおいて高深度作用を実現するのに十分な長手方向球面収差範囲を有する適切なスポットサイズは、２５ｍｍトリプレットの１８ｍｍ開口の約８ｍｍを照明することにより実現され得る。例えば、ピコ秒３５５ｎｍレーザを用いて薄いサファイアを機械加工するためには、２５ｍｍ焦点距離トリプレットレンズが、約０．１６ＮＡにて動作されることにより、所望の深度までの高深度作用を達成することができる。この例においては、Ｚｅｍａｘ分析によれば、長手方向収差係数は、約０．０１３３であり、横方向収差係数は、約０．００２４である。

より厚い材料（例えば２５０μｍ〜５００μｍのサファイア）の場合には、より厚い材料を機械加工する所望の高深度作用は、約０．０５〜０．１のより低い動作ＮＡと、約３０〜７０μＪの範囲内のより高いパルスエネルギーとにより実現され得る。ピコ秒３５５ｎｍレーザを用いて厚いサファイアを機械加工するためには、６０ｍｍ焦点距離トリプレットが、約０．０７ＮＡにて動作されることにより、所望の深度までの高深度作用を実現することができる。パルスエネルギーは、所望の深度を達成するためにパルス間隔に応じてより高くてもまたはより低くてもよい。例えば、より低いパルスエネルギーは、より短いパルス間隔と共に使用され得る、およびより高いパルスエネルギーは、より長いパルス間隔の場合に必要とされ得る。

また、他の技術が、過剰な横方向球面収差を軽減または解消するために利用されてもよい。例えば、開口が、レンズ２２４中への最大ビーム径２１４を制限するためにレンズ２２４の前に配置されてもよく、これにより最大ＮＡが制限される。

上述のように、種々の材料が、種々のレーザパラメータおよび光学を利用して、様々な深度における高深度作用を伴ってスクライビング加工され得る。例えば、サファイアにおいては、超高速ＵＶレーザと共に用いられる２５ｍｍ焦点距離トリプレットレンズが、１００ミクロン超の深度の高深度作用を実現することができる。より長いレンズとより高い出力を有するＩＲレーザとによるシリコンの場合には、さらなる深度の高深度作用が実現され得る（例えば３００ミクロン）。

また、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、工作物２０２の表面２０４に対する収差された集束レーザビーム２１６の焦点オフセットは、例えば工作物２０２中へ拡大されたＤＯＦ２２８および／または工作物２０２の表面２０４におけるビームスポットサイズおよびエネルギー密度を変更するためなどに、選択または調節され得る。焦点オフセットは、例えば、工作物２０２中への高深度作用の深さを最適化するため、および表面損傷もしくはデブリを最小限に抑えるためなどに、選択され得る。したがって、高深度作用は、焦点オフセットならびにレーザパルスエネルギーなどの他のレーザパラメータおよび光学パラメータを調節することにより調節可能な深度制御を有し得る。焦点オフセットは、例えば工作物２０２に対する焦点レンズ２２４の位置を調節することなどにより調節され得る。

図４Ａは、近軸光線が焦点オフセットを伴わずに工作物２０２の表面２０４にて集束される状態にある、収差された集束レーザビーム２１６を示す。すなわち、近軸焦点面２２６は、表面２０４と実質的に一致する。図４Ｂは、近軸光線が表面２０４と近軸焦点面２２６との間に焦点オフセットδ_ｆを有して工作物２０２の表面２０４の下方において集束され、これにより有効ＤＯＦ２２８が工作物２０２中へとさらに拡大された状態の、収差された集束レーザビーム２１６を示す。図４Ｃは、近軸光線が表面２０４と近軸焦点面２２６との間にさらに大きな焦点オフセットδ_ｆを有して工作物２０２の表面２０４の下方において集束され、これにより有効ＤＯＦ２２８が工作物２０２中へとよりさらに一層拡大された状態の、収差された集束レーザビーム２１６を示す。

最適な焦点オフセットは、基板材料（例えばスクライビング加工波長における屈折率）および基板厚さに応じて、ならびにレンズの動作ＮＡおよびレンズが動作している条件に対して結果的に得られる収差係数に応じて変化し得る。また、焦点オフセットは、プロセスのタイプ（例えば表側面または裏側面など）に応じて決定され得る。例えば、１０ｐｓ３５５ｎｍレーザで０．１６ＮＡにて２５ｍｍトリプレットを使用して９０μｍ〜１１０μｍのサファイア基板をスクライビング加工するためには、最適な焦点オフセットは、裏側面スクライビング加工の場合には２０μｍ〜４０μｍの範囲内となり得る。

図５Ａ〜図５Ｄは、２０ミクロンの増分幅における、種々の球面収差量および種々の焦点オフセットによる、２５０ミクロン厚サファイアにおける６０ｍｍ焦点距離トリプレットレンズを使用した集束レーザビームの光線ジオメトリを示す。図６Ａ〜図６Ｄは、１５ミクロンの増分幅における、種々の球面収差量および種々の焦点オフセットによる、２５０ミクロン厚サファイアにおける５４ｍｍ焦点距離ダブレットレンズを使用した集束レーザビームの光線ジオメトリを示す。図７Ａ〜図７Ｄは、１０ミクロンの増分幅における、種々の球面収差量および種々の焦点オフセットによる、１２０ミクロン厚サファイアにおける２５ｍｍ焦点距離トリプレットレンズを使用した集束レーザビームの光線ジオメトリを示す。

完全なレンズは、図５Ａ、図６Ａ、および図７Ａに示す近軸光線ジオメトリを実現する。本明細書において説明される実施形態による回折制限領域を有する実際のレンズは、図５Ｂ〜図５Ｄ、図６Ｂ〜図６Ｄ、および図７Ｂ〜図７Ｄに示すような球面収差をもたらす。図５Ｂ、図６Ｂ、および図７Ｂは、全有効口径にて均一なレーザビームで照明された実際のレンズにより実現される収差ビームの光線ジオメトリを示す。図５Ｃ、図６Ｃ、および図７Ｃは、全有効口径にてガウスレーザビームで照明された実際のレンズにより実現される収差ビームの光線ジオメトリを示す。図５Ｄ、図６Ｄ、および図７Ｄは、有効口径の一部にてガウスレーザビームで照明された実際のレンズにより実現される収差ビームの光線ジオメトリを示す。

図示する例においては、有効口径が過剰に大きな場合（図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ｂ、図６Ｃ、図７Ｂ、および図７Ｃ）には、横方向球面収差範囲は過剰に大きくなり、収差された集束ビームは失敗に終わる。有効口径の一部においては（図５Ｄ、図６Ｄ、および図７Ｄ）、収差された集束ビームは、近軸のまたは完全なレンズ（図５Ａ、図６Ａ、および図７Ａ）と比較すると、拡大された有効ＤＯＦを伴って比較的緊密な焦点を有する。したがって、一例によれば、ある特定の基板材料および基板厚さに対する所望のレンズおよびＮＡの組合せは、結果としてほぼ回折制限された横方向スポットサイズをもたらすが、材料厚さに合致するように有効ＤＯＦを拡大するのに十分な長手方向球面収差範囲を伴う。

具体的な例が、２５ｍｍ、５４ｍｍ、および６０ｍｍの焦点距離を有するレンズを用いて説明されるが、他の焦点距離を有するレンズが、所望のＮＡおよび球面収差を実現するために使用されてもよい。例えば、焦点距離は、２５ｍｍ未満または６０ｍｍ超であってもよい。

図８および図９は、サファイア基板８０２中への高深度作用を伴う一連のレーザパルスによってスクライビング加工されたサファイア基板８０２の写真を示す。各レーザパルスは、アブレーションゾーンまたはアブレーションホール８０６を形成し、この位置において、レーザは、アブレーションホール８０６の周囲のレーザゾーン８０５とアブレーションホール８０６から基板８０２の材料中に延在する高深度作用チャネル（extended depth affectation channel）８０８と、を有するサファイア基板８０２に進入する。したがって、基板８０２は、一連のアブレーションホール８０６および高深度作用チャネル８０８により形成されたスクライブラインに沿って分離され得る。

図示する実施形態においては、アブレーションホール８０６は、２０ミクロンのレーザゾーン８０５と約１５ミクロンの間隔とを有する約５ミクロン幅のものであり、高深度作用チャネル８０８は、１５０ミクロン厚のサファイア基板８０２中に約１００ミクロンにわたり延在する。したがって、本明細書において説明される実施形態による高深度作用を伴うスクライビング加工は、２０ミクロン未満のスクライブ部位をもたらす。したがって、より小さなスクライブ部位（例えばステルススクライビング加工と比べた場合）は、ＬＥＤを有する半導体ウェーハをスクライビング加工する場合に著しい損傷およびデブリを伴わずに、より幅狭なストリート（street）（例えば＜２５ミクロン）およびより近いダイ間隔をもたらす。高深度作用チャネル８０８のこの深度は、スクライブ部位間の間隔がさらに大きい場合でも、スクライブラインに沿った破断を向上させる。また、高深度作用チャネル８０８のこの深さは、例えばステルススクライビング加工により必要とされるように、基板内の種々の焦点におけるレーザの複数の通過を伴わずに、より厚い基板のスクライビング加工を可能にする。スクライブ部位のこの間隔により、例えば重畳パルスと比較した場合に、スクライブ部位ごとに単一のパルスを使用したより高速なスクライビング加工が可能となる。

他のスクライブ部位サイズ、深さ、および間隔は、例えばパルス間隔および深さを制御することなどにより、種々のレーザパラメータで実現され得る。部位ごとに単一のパルスが可能であるが、スクライブ部位ごとに複数のパルスを使用して、例えばレーザの複数の通過を利用することなどによって深度を制御してもよい。図示する実施形態は、約１５ミクロンの間隔および約１００ミクロンの深度を示すが、この間隔は、重畳から２０ミクロン以上までで制御されてもよく、深度は１００ミクロン未満から２００ミクロン超までで制御されてもよい。

他の変形例においては、種々の深度が、パルス列内の種々のパルスに対して利用されてもよい。パルス列が、例えばより高頻度の一連のより浅いパルス（例えば５〜１０ミクロンだけ離間された１０〜２０ミクロン深度）を備え、より深いパルス（例えば５０〜１００ミクロン）が、より低い頻度（例えば１５〜５０ミクロン毎）で離間されてもよい。換言すれば、一連のより深いパルスが、これらのより深いパルス間により浅いパルスを有してより長い距離を置いて離間されることにより、破断特性が上昇し得る。したがって、破断特性および破断発生率を改善することにより、高深度作用ならびに制御可能な深度および間隔を伴うスクライビング加工は、ＬＥＤからの光の伝搬効果がサファイア側壁部の底部または中間部に対してより高くなるＬＥＤを作製する場合には特に有利となり得る。より近くより深い間隔は、シリコンウェーハにおいてなど光損失があまり問題にならない場合には使用されてもよい。

図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、別の実施形態によるレーザ加工システム１０００が、高深度作用を伴うスクライビング加工のために工作物１００２を支持および位置決めする空気軸受Ｘ−Ｙ位置決めステージ１０３０を備える。レーザ加工システム１０００は、一方の側（例えば頂部側または表側面側）に取り付けられたレーザビーム送達システム１０２０と、対向側（例えば底部側または裏側面側）に取り付けられた対向側カメラ１０４０とを備える。位置決めステージ１０３０の少なくとも工作物支持部分１０３４は、対向側カメラ１０４０が工作物１００２に対面する位置合わせ位置（図１０Ａ）と、レーザビーム送達システム１０２０が工作物１００２に対面する機械加工位置（図１０Ｂ）との間において摺動するように構成される。レーザビーム送達システム１０２０は、支持部分１０３４上の工作物支持表面の平面１００１の上方に位置し、対向側カメラ１０４０は、支持部分１０３４上の工作物支持表面の平面１００１の下方に位置する。空気軸受Ｘ−Ｙ位置決めステージの一例が、特許文献１においてさらに詳細に説明されており、この特許出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれる。

位置合わせ位置においては、対向側カメラ１０４０は、カメラ１０４０に対面する工作物１００２の側部１００５上のフィーチャを撮像し、このフィーチャを表す画像データを生成する。対向側カメラ１０４０により生成された画像データは、レーザビーム送達システム１０２０が例えば当業者には公知であるマシンビジョンシステムおよび位置合わせ技術などを使用して、工作物１００２の対向側面部１００５において撮像されたフィーチャに対して位置合わせされるように、工作物１００２を位置決めするために使用される。この機械加工位置決めにおいては、レーザビーム送達システム１０２０は、ビーム送達システム１０２０に対面する工作物１００２の側部１００３に向けて集束レーザビーム１０１６（例えば拡大されたＤＯＦを有する収差された集束レーザビーム）を送り、上述のような高深度作用を伴うスクライビング加工を利用して工作物１００２を機械加工する。

また、レーザ加工システム１０００は、工作物１００２の位置合わせおよび／または機械加工の最中に位置決めステージ１０３０の動作を制御する動作制御システム１０５０を備える。動作制御システム１０５０は、対向側カメラ１０４０により生成された画像データから位置合わせデータを生成することができ、位置合わせデータに応答して位置決めステージ１０３０の動作を制御する。

レーザビーム送達システム１０２０は、例えば上述のようにレーザにより生成された原レーザビームを修正および集束させるレンズおよび他の光学素子を備えてもよい。レーザ（図示せず）は、例えばレーザ加工システム１０００のプラットフォーム上などに配置されてもよく、レーザにより生成された原レーザビームは、レーザビーム送達システム１０２０中に送られ得る。

また、レーザ加工システム１０００は、表側面部において工作物１００２を撮像するための表側面側カメラ１０４４を備えてもよい。表側面側カメラ１０４４は、ビーム送達システム１０２０または他の適切な位置に対して取り付けられてもよい。表側面側カメラ１０４４は、動作制御システム１０５０が表側面側カメラ１０４４から生成された画像データを利用して位置合わせを実現し得るように、同様に動作制御システム１０５０に対して結合されてもよい。したがって、レーザ加工システム１０００により、レーザビームの対向側の裏側面部からの、または表側面部もしくはレーザビームと同一側からの位置合わせが可能となり得る。対向側カメラ１０４０および表側面側カメラ１０４４は、レーザ加工用途において半導体ウェーハを位置合わせすることで当業者において公知である高分解能カメラであってもよい。

したがって、レーザ加工システム１０００は、半導体ウェーハ上のダイ間のストリートにビーム送達システム１０２０および集束レーザビーム１０１６を位置合わせするために使用され得る。適切に位置合わせされると、Ｘ−Ｙ位置決めステージ１０３０は、一連のパルスにより例えばウェーハ上のダイ間のストリートに沿ってまたはストリートの対向側のウェーハの側部に沿って工作物１００２をスクライビング加工するように、工作物１００２中にわたりレーザビームを走査させるために工作物１００２を移動させ得る。次いで、Ｘ−Ｙ位置決めステージ１０３０は、スクライビング加工のために別のストリートへと割り送るために工作物を移動させ得る。この位置合わせプロセスは、他のストリート内またはストリートに沿ったスクライビング加工のために、必要に応じて繰り返され得る。

図１１を参照すると、対向側面部位置合わせが、複数の半導体ダイ（例えばＬＥＤ）の分離のために半導体ウェーハ１１０１の裏側面スクライビング加工を助長するために利用され得る。半導体ウェーハ１１０１は、基板１１０２（例えばサファイア）と、ストリート１１０７により分離されたセクション１１０９中に形成された半導体材料（例えばＧａＮ）の１つまたは複数の層とを備えてもよい。セクション１１０９を有する半導体ウェーハ１１０１の側部は、表側面部１１０３と呼ばれ、対向側面部は、裏側面部１１０５と呼ばれる。また、基板１１０２は、セクション１１０９の対向側の裏側面部１１０５上に１つまたは複数の層１１０４（例えば金属）を有してもよい。

上述のものなどのレーザ加工システムは、ダイセクション１１０９間のストリート１１０７に沿って半導体ウェーハ１１０１をスクライビング加工することにより、半導体ウェーハ１１０１を個々のダイへと分離させるために使用され得る。したがって、半導体ウェーハ１１０１は、レーザビーム１１１６がストリート１１０７間において半導体ウェーハ１１０１に送られるように位置合わせされ、これによりレーザビーム１１１６に対するダイセクション１１０９の位置合わせが実現される。上述のように、半導体ウェーハ１１０１は、高深度作用部１１０８により一連のアブレーションゾーン１１０６を形成することによってスクライビング加工され得る。高深度作用およびアブレーションを伴うスクライビング加工は、層１１０４が不透過性である場合には、特に有利である。なぜならば、アブレーションは、層１１０４を除去し、レーザビーム１１１６が基板１１０２中に通過するのを可能にするからである。別の変形例においては、第１のレーザ通過が、層１１０４のアブレーションおよび除去のために利用されてもよく、第２のレーザ通過が、高深度作用を実現する。

半導体ウェーハ１１０１の裏側面部１１０５をレーザ加工する場合には、半導体ウェーハ１１０１は、ウェーハ１１０１の表側面部１１０３上のダイセクション１１０９が対向側カメラ１１４０に対面するように、位置決めされ得る。したがって、対向側カメラ１１４０は、セクション１１０９間のストリート１１０７を検査するために、およびレーザビーム１１１６の位置に対するストリート１１０７の位置合わせを行うために、使用され得る。対向側カメラ１１４０を使用した位置合わせは、裏側面部層１１０４が、不透過性（例えば金属）であり、機械加工側からの位置合わせを妨げる場合には、特に有利となる。かかる位置合わせを実現するために、ウェーハ１１０１は、ウェーハ１１０１の裏側面部１１０５上にレーザビーム１１１６により形成されたスクライブが、表側面部１１０３上のストリート１１０７の幅内に配置されるように、レーザビーム送達システム（図示せず）に対してＹ軸に沿って位置決めされる。

図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、対向側面部位置合わせが、両面スクライビング加工を助長するために利用され得る。一般的には、両面スクライビング加工は、スクライブの中の一方が、スクライブの中の他方に対して実質的に位置合わせされる状態で、工作物の両面に比較的浅いスクライブを形成することを伴う。浅いスクライブの形成により、より深いスクライブにより引き起こされ得る損傷が最小限に抑えられるまたは回避される一方で、両面上にスクライブを有することにより、クラックがスクライブ間に伝播する可能性がより高くなるため、破断発生率が改善され得る。

１つの例示的な方法によれば、半導体ウェーハ１２０１は、初めに、裏側面部１２０５がレーザビーム送達システム（図示せず）に対面し、表側面部１２０３が対向側カメラ１２４０に対面する状態において（図４）、位置決めされ得る（例えば工作物サポート上に）。ウェーハ１２０１がこの位置にある状態で、対向側カメラ１２４０は、セクション１２０９間のストリート１２０７の中の１つを撮像するために使用され得ることによって、ウェーハ１２０１は、裏側面部１２０５側のレーザビーム１２１６が表側面部１２０３上のストリート１２０７に位置合わせされるように位置決めされ得る。半導体ウェーハ１２０１が、位置合わせされている場合には、レーザビーム１２１６は、裏側面部１２０５をスクライビング加工するために使用されて、比較的浅い裏側面スクライブ１２０６ａ（例えば２０ミクロン以下）を形成し得る。

次いで、半導体ウェーハ１２０１は、表側面部１２０３がレーザビーム送達システムに対面し、裏側面部１２０５が対向側カメラ１２４０（図４Ｂ）に対面するように、反転され得る。ウェーハ１２０１がこの位置にある状態で、対向側カメラ１２４０は、裏側面スクライブ１２０６ａを撮像するために使用され得ることにより、ウェーハ１２０１は、レーザビーム１２１６が裏側面スクライブ１２０６ａに位置合わせされるように位置決めされ得る。半導体ウェーハ１２０１が、位置合わせされている場合には、レーザビーム１２１６は、セクション１２０９間のストリート１２０７内において表側面部１２０３をスクライビング加工することにより、裏側面スクライブ１２０６ａと実質的に位置合わせされた表側面スクライブ１２０６ｂを形成するために使用され得る。表側面スクライブ１２０６ｂは、例えば上述のように高深度作用部１２０８を有する一連のアブレーションゾーンを備えてもよい。位置合わせを実現する対向側カメラ１２４０に加えて、またはその代わりに、機械加工側カメラ１２４４が、ストリート１２０７との間におけるレーザビーム１２１６の位置合わせを実現するために、ストリート１２０７を撮像してもよい。

次いで、ウェーハ１２０１は、クラックが、高深度作用部１２０８により助長されるスクライブ１２０６ａ、１２０６ｂ間に伝播するように、スクライブ１２０６ａ、１２０６ｂの位置に沿って破断することによって個別のダイへと分離され得る。例えば、セクション１２０９が、ＬＥＤに相当する場合には、ＬＥＤがより均一になり、破断発生率が改善されるように（例えば一方の側部上のみに浅いスクライブがある場合と比較して）、表側面スクライブ１２０６ｂは、ＬＥＤのエッジをより良好に画定する。さらに、ＬＥＤ光および電気特性は、スクライブ１２０６ａ、１２０６ｂが著しい熱損傷を引き起こすのに十分な深さのものではないため、悪影響を被る可能性がより低くなる。

別の代替的な方法によれば、高深度作用部１２０８を有する表側面スクライブ１２０６ｂは、初めに表側面部１２０３上に形成され得る（例えばストリート１２０７に対する位置合わせを実現するために機械加工側カメラ１２４４を使用して）。次いで、ウェーハ１２０１が、反転されてもよく、裏側面スクライブ１２０６ａが、裏側面部１２０５上に形成され得る（例えば表側面スクライブ１２０６ｂおよび／またはストリート１２０７に対する位置合わせを実現するために対向側カメラ１２４０を使用して）。スクライブの一方は、他方のスクライブよりも浅くてもよい。例えば、より浅いスクライブ（例えば２０ミクロン以下）が、初めに形成され、第２のより浅くないスクライブが、このより浅いスクライブに位置合わせされ得る。両面スクライビング加工方法の別の変形例によれば、裏側面スクライブ１２０６ａが、高深度作用部１２０８と共に形成され得る。

図１３を参照すると、高深度作用を伴って半導体ウェーハのサファイア基板などの工作物１３０２をスクライビング加工するためのレーザ加工システム１３００の別の実施形態が、さらに詳細に説明される。レーザ加工システム１３００は、材料中を少なくとも部分的に通過することが可能な波長にて超短パルス（例えば１ｎｓ未満）を放出することが可能な超高速レーザ１３１０と、十分に集束されたラインビーム１３１６を供給することが可能なビーム送達システム１３２０と、を備えてもよい。ビーム送達システム１３２０の一実施形態は、超高速レーザ１３１０からの原レーザビーム１３２１を拡大することにより拡大ビーム１３２３を形成するためのビームエキスパンダ１３２２と、拡大ビーム１３２３を形成することにより楕円形状ビーム１３２５を形成するためのビームシェイパ１３２６と、楕円形状ビーム１３２５を集束することにより、工作物１３０２上にラインビームスポットを形成し工作物１３０２内に拡大ＤＯＦを有する十分に集束されたラインビーム１３１６を供給する集束レンズ１３２４と、を備える。また、ビーム送達システム１３２０は、必要に応じてレーザビームを反射および再配向するために１つまたは複数の反射器１３２８を備えてもよい。

前述のように、高深度作用スクライビング加工は、アブレーションゾーン１３０６内における工作物１３０２の表面１３０４上の材料のレーザアブレーション加工と、導波管自己集束効果を利用したアブレーションゾーン１３０６から工作物１３０２内に延在する内部位置１３０８へのレーザビーム１３１６の配向とを伴い、この内部位置１３０８において、結晶損傷が、衝撃、電界、および／または圧力によって引き起こされる。集束レンズ１３２４は、工作物１３０２中に有効ＤＯＦを拡大するのに十分な長手方向球面収差範囲を伴う上述のような球面収差をもたらし得る。

ビーム送達システム１３２０は、例えば特許文献２においてさらに詳細に説明されるように、可変延長非点焦点ビームスポットを形成することが可能なビーム成形光学部品を備えてもよい。特許文献２は、参照により本明細書に完全に組み込まれる。延長非点焦点ビームスポットは、集束軸における幅よりも長い非点収差軸における長さを有する。かかるビーム送達システムは、スポットの長さが変更されることにより、可変非点焦点ビームスポットのエネルギー密度を制御することが可能である。例えば、ビームシェイパ１３２６は、円筒状平凹レンズ１３２６ａおよび円筒状平凸レンズ１３２６ｂを備えるアナモルフィックレンズシステムを備えてもよく、これにより、これらのレンズ間の距離を変更することによって、工作物上におけるビームスポットの長さおよびエネルギー密度が変更される。

さらに、レーザ加工システム１３００は、用途に応じてスクライブの品質を改善させるためにビームを変更してもよい。例えば、いくつかの用途（例えば裏側面スクライビング加工）における表面層剥離の問題を回避するために、レーザ加工システム１３００は、ビームのエッジにて空間フィルタリングを実施することによりビームの幅狭方向における点像分布関数を除去してもよい。

したがって、ビームエキスパンダ１３２６は、工作物１３０２上のビームスポットのエネルギー密度を変更することにより、ある特定の材料またはスクライビング加工動作に対するフルエンスおよびカップリング効率を最適化するために使用され得る。例えば、ＧａＮ被覆されたサファイア基板に対して両面スクライビング加工を実施する場合には、ビームスポットのエネルギー密度は、ベアサファイアのスクライビング加工（すなわち裏側面スクライビング加工）を最適化するためにはより高く調節され、ＧａＮ被覆されたサファイアのスクライビング加工（すなわち表側面スクライビング加工）を最適化するためにはより低く調節され得る。換言すれば、工作物の一方の側部は、レーザビームスポットがその側部に対して最適化された状態でスクライビング加工され、工作物は、反転され、他方の側部は、レーザビームスポットがその側部に対して最適化された状態でスクライビング加工され得る。したがって、ビームシェイパ１３２６は、エネルギー密度を変更しフルエンスを最適化するためにレーザ出力を調節しなければならない事態を回避する。

他の実施形態においては、ＢＢＯ結晶またはｂｅｔａ−ＢａＢ_２Ｏ_４などの非線形光学結晶が、ビームシェイパとして使用され得る。ＢＢＯ結晶は、周波数倍増結晶としてレーザと共に使用することで知られている。ＢＢＯ結晶は、他の結晶（例えばＣＬＢＯ）よりも大きなウォークオフをもたらすため、結晶に進入する実質的に円形のビームは、結晶を出る際には楕円ビームとなり得る。ウォークオフは、多くの用途において望ましいものではない場合があるが、ＢＢＯ結晶の本特徴は、楕円形状ビームが望ましい用途においては独自の利点をもたらす。

したがって、高深度作用を伴うスクライビング加工のためのレーザ加工システムおよびレーザ加工方法は、従来のアブレーションスクライビング加工技術およびステルススクライビング加工技術を上回る複数の利点をもたらす。特に、高深度作用を伴うスクライビング加工により、最小限のまたは大幅に低減された熱およびデブリを伴った、半導体ウェーハのサファイア基板などの工作物のスクライビング加工が可能となる。発生する熱およびデブリを低減させるまたは最小限に抑えることにより、ＬＥＤは、低い電気損傷および光損失を有して、および追加の被覆プロセスおよび洗浄プロセスを必要とすることなく、作製され得る。また、高深度作用を伴うスクライビング加工により、より厚い工作物または不透過性のコーティングもしくはフィルムを有する工作物のスクライビング加工が容易となる。また、高深度作用を伴うスクライビング加工により、従来のステルススクライビング加工システムにおける複雑かつ高価な高ＮＡレンズおよび集束システムを使用する必要性が回避される。本明細書において説明されるように、高深度作用を伴うスクライビング加工は、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、および光学などの処理パラメータを調節することにより、様々なタイプの材料において実現され得る。

一実施形態によれば、工作物をレーザスクライビング加工する方法は、１ｎｓ未満のパルス持続時間を有する超短パルスでレーザビームを発生させることと、エネルギー密度が、アブレーションゾーンにおいて基板の表面をアブレーションし、工作物中における屈折率を変化させるのに十分なものとなるように、レーザビームを集束することとを含む。ビームは、導波管自己集束効果を利用することによりアブレーションゾーンを通過して工作物内の内部位置まで進むことによって内部位置にて工作物の材料に対して結晶損傷を引き起こす。

別の実施形態によれば、工作物をレーザスクライビング加工する方法は、工作物の材料内において非線形多光子吸収をもたらすのに十分な波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギーを有するレーザビームを発生させることと、レーザビームの単一パルスにより工作物内において高深度作用が引き起こされるように、工作物内において拡大された被写界深度（ＤＯＦ）を実現するのに十分な長手方向球面収差範囲を伴う球面収差をもたらすレンズを使用して、レーザビームを集束させることと、一連の高深度作用が工作物に沿った一連の位置において一連のパルスにより引き起こされるように、レーザビームを用いて工作物を走査することとを含む。

さらなる一実施形態によるレーザ加工システムは、工作物の材料内において非線形多光子吸収を実現するのに十分な波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギーを有するレーザビームを発生させるためのレーザと、レーザビームを集束させ、工作物に向かってレーザビームを送るための、ビーム送達システムとを備える。ビーム送達システムは、レーザビームを拡大するためのビームエキスパンダと、レーザビームの単一パルスにより工作物内において高作用が引き起こされるように、工作物内において拡大された被写界深度（ＤＯＦ）を実現するのに十分な長手方向球面収差範囲を伴う球面収差をもたらすレンズとを備える。レーザ加工システムは、一連のパルスにより工作物内に一連の高作用部が形成されるように、工作物中においてレーザビームを走査させるために工作物を移動させるための工作物位置決めステージをさらに備える。

本明細書においては、本発明の原理を説明したが、本説明は、例としてのものに過ぎず、本発明の範囲と同等の限定としてなされたものではない点を、当業者には理解されたい。他の実施形態が、本明細書において図示および説明された例示の実施形態に加えて、本発明の範囲内において予期される。当業者による変更および代替は、以下の特許請求の範囲以外のものによっては限定されない本発明の範囲内に含まれるものと見なされる。

１００ レーザ加工システム
１０２ 工作物
１０４ 表面
１０６ アブレーションゾーン
１０８ 内部位置
１１０ レーザ
１１２ 原レーザビーム
１１４ 拡大ビーム
１１６ 集束レーザビーム
１２０ ビーム送達システム
１２２ ビームエキスパンダ
１２４ 集束レンズ
２０２ 工作物
２０４ 表面
２１２ 原レーザビーム
２１３ 光線
２１４ 拡大レーザビーム
２１５ 光線
２１６ 集束ビーム
２２３ 回折制限領域
２２４ レンズ
２２６ 近軸焦点面
２２８ ＤＯＦ
８０２ サファイア基板
８０５ レーザゾーン
８０６ アブレーションホール
８０８ 高深度作用チャネル
１０００ レーザ加工システム
１００１ 平面
１００２ 工作物
１００３ 側部
１００５ 側部
１０１６ 集束レーザビーム
１０２０ レーザビーム送達システム
１０３０ 位置決めステージ
１０３４ 支持部分
１０４０ 対向側カメラ
１０４４ 表側面側カメラ
１０５０ 動作制御システム
１１０１ 半導体ウェーハ
１１０２ 基板
１１０３ 表側面部
１１０４ 層
１１０５ 裏側面部
１１０６ アブレーションゾーン
１１０７ ストリート
１１０８ 高深度作用部
１１０９ セクション
１１１６ レーザビーム
１１４０ 対向側カメラ
１２０１ 半導体ウェーハ
１２０３ 表側面部
１２０５ 裏側面部
１２０６ａ 比較的浅い裏側面スクライブ
１２０６ｂ 表側面スクライブ
１２０７ ストリート
１２０８ 高深度作用部
１２０９ セクション
１２１６ レーザビーム
１２４０ 対向側カメラ
１２４４ 機械加工側カメラ
１３００ レーザ加工システム
１３０２ 工作物
１３０４ 表面
１３０６ アブレーションゾーン
１３０８ 内部位置
１３１０ 超高速レーザ
１３１６ ラインビーム
１３２０ ビーム送達システム
１３２１ 原レーザビーム
１３２２ ビームエキスパンダ
１３２３ 拡大ビーム
１３２４ 集束レンズ
１３２５ 楕円形状ビーム
１３２６ ビームシェイパ
１３２６ａ 円筒状平凹レンズ
１３２６ｂ 円筒状平凸レンズ
１３２８ 反射器

Claims (43)

1. 工作物をレーザスクライビング加工する方法であって、
   １ｎｓ未満のパルス持続時間を有する超短パルスでレーザビームを発生させるステップと、
   エネルギー密度が、アブレーションゾーンにて基板の表面をアブレーションするのに、および前記工作物における屈折率を変更するのに、十分なものとなるように、前記レーザビームを集束させるステップと、
   を含み、前記レーザビームは、導波管の自己集束効果を利用して前記アブレーションゾーンを通過して前記工作物中の内部位置まで進むことにより、前記内部位置において前記工作物の材料に対して結晶損傷を引き起こす、方法。
2. 前記レーザビームを集束させるステップは、０．８未満の開口数を有するレンズを用いて行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記レンズは、レンズトリプレットである、請求項２に記載の方法。
4. 前記レンズは、少なくとも２５ｍｍの焦点距離を有する、請求項２に記載の方法。
5. 前記レンズは、約４００μｍの焦点深度および約３μｍのカーフ幅を有する有効集束性を実現する、請求項２に記載の方法。
6. 前記レーザビームは、前記工作物の材料内において非線形多光子吸収を実現するための波長を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記材料は、サファイアであり、前記波長は、ＵＶ範囲内である、請求項６に記載の方法。
8. 前記レーザビームを発生させるステップは、約６０μＪのパルスエネルギーおよび約１０ｐｓ未満のパルス持続時間を有する少なくとも１つのパルスを発生させることを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記レーザビームを発生させるステップは、約３３．３ｋＨｚの繰り返し率にて複数のパルスを発生させるステップを含み、約７０ｍｍ／ｓ〜９０ｍｍ／ｓの範囲内の走査速度で前記工作物中にわたり前記レーザビームを走査させるステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記波長は、ＩＲ範囲内である、請求項６に記載の方法。
11. 前記材料は、サファイアであり、前記波長は、約３５５ｎｍであり、前記レーザビームを集束させるステップは、約０．１５〜０．２の範囲内の動作開口数を有する２５ｍｍレンズトリプレットを用いて行われる、請求項６に記載の方法。
12. 前記材料は、サファイアであり、前記波長は、約３５５ｎｍであり、前記レーザビームを集束させるステップは、約０．０５〜０．１の範囲内の動作開口数を有する６０ｍｍレンズトリプレットを用いて行われる、請求項６に記載の方法。
13. 一連のアブレーションゾーンおよび結晶損傷された内部位置が、スクライブラインに沿った前記レーザビームの一連のパルスにより形成されるような走査速度で、前記工作物中にわたって前記レーザビームを走査させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記レーザビームを集束させるステップは、約０．５未満の開口数を有するレンズを用いて行われる、請求項１に記載の方法。
15. 前記レーザビームを集束させるステップは、拡大された被写界深度を実現することにより、前記工作物中に少なくとも約１００μｍの深度を有する結晶損傷を引き起こさせる、請求項１に記載の方法。
16. 前記レーザビームは、前記工作物中に拡大された被写界深度で、前記工作物の表面に集束される、請求項１に記載の方法。
17. 前記レーザビームは、前記工作物中へとさらに拡大された被写界深度で、前記工作物の表面の下方の焦点オフセットで集束される、請求項１に記載の方法。
18. 前記レーザビームを集束させるステップは、前記工作物中への被写界深度を拡大させるのに十分な長手方向球面収差範囲を有する球面収差をもたらす、請求項１に記載の方法。
19. 前記レーザビームは、前記工作物の表面の下方の焦点オフセットで集束される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記レーザビームを集束させるステップは、回折制限領域を有するレンズの有効口径を、前記球面収差が前記回折制限領域の外部にもたらされるように、オーバーフィルするステップを含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記レンズは、横方向球面収差範囲を制限しつつ、前記工作物中への前記被写界深度を拡大する前記長手方向球面収差範囲を実現するのに十分にオーバーフィルされる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記工作物の表面における前記レーザビームのスポットサイズが、約２０μｍ未満の幅を有する、請求項１８に記載の方法。
23. 前記レーザビームは、前記工作物の表面に約１０〜２０μｍの範囲内の寸法を有するレーザゾーンを形成し、前記工作物の表面におけるアブレーションゾーンは、約１０μｍ未満である、請求項１に記載の方法。
24. 前記基板の表面に可変延長焦点ビームスポットを形成するために前記レーザビームを成形するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
25. 工作物をレーザスクライビング加工する方法であって、
    前記工作物の材料内において非線形多光子吸収を実現するのに十分な波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギーを有するレーザビームを発生させるステップと、
    前記レーザビームの単一パルスにより前記工作物内に高深度作用が引き起こされるように、前記工作物内に拡大された被写界深度（ＤＯＦ）を実現するのに十分な長手方向球面収差範囲を有する球面収差をもたらすレンズを使用して前記レーザビームを集束させるステップと、
    一連の高深度作用が前記工作物に沿った一連の位置において一連のパルスにより引き起こされるように、前記レーザビームで前記工作物を走査するステップと、
    を備える、方法。
26. 前記レーザビームは、１ｎｓ未満のパルス持続時間を有する超短パルスを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記レンズは、回折制限領域を備え、前記レーザビームを集束させる前記ステップは、前記球面収差が前記回折制限領域の外部においてもたらされるように、前記レンズの有効口径をオーバーフィルするステップを含む、請求項２５に記載の方法。
28. 前記レンズは、横方向球面収差範囲を制限しつつ、前記工作物中への前記被写界深度を拡大する前記長手方向球面収差範囲を実現するのに十分にオーバーフィルされる、請求項２７に記載の方法。
29. 前記工作物の表面における前記レーザビームのスポットサイズが、約２０μｍ未満の幅を有する、請求項２７に記載の方法。
30. 前記高深度作用は、前記工作物中に少なくとも１００μｍ延在する、請求項２９に記載の方法。
31. 前記レンズは、約０．５未満の開口数を有する、請求項２５に記載の方法。
32. 前記レーザビームは、前記工作物の表面に近軸焦点を有して集束される、請求項２５に記載の方法。
33. 前記レーザビームは、前記工作物の表面の下方の焦点オフセットで近軸焦点を有して集束される、請求項２５に記載の方法。
34. 前記レーザビームは、エネルギー密度がアブレーションゾーンにて前記工作物の表面をアブレーションするのに十分なものとなるように、集束される、請求項２５に記載の方法。
35. 前記レーザビームは、前記工作物の表面に約１０〜２０μｍの範囲内の寸法を有するレーザゾーンを形成し、前記工作物の表面におけるアブレーションゾーンは、約１０μｍ未満である、請求項３４に記載の方法。
36. 前記材料は、サファイアであり、前記波長は、ＵＶ範囲内である、請求項２５に記載の方法。
37. 前記材料は、シリコンであり、前記波長は、ＩＲ範囲内である、請求項２５に記載の方法。
38. 前記材料は、ガラスであり、前記波長は、可視範囲内である、請求項２５に記載の方法。
39. 前記工作物は、前記一連の高深度作用が各位置において一連の単一パルスにより引き起こされるように、前記レーザビームで走査される、請求項２５に記載の方法。
40. 工作物の材料内において非線形多光子吸収を実現するのに十分な波長、パルス持続時間、およびパルスエネルギーを有するレーザビームを発生させるためのレーザと、
    前記レーザビームを集束し、かつ工作物に向かって前記レーザビームを送るための、ビーム送達システムであって、前記レーザビームを拡大するためのビームエキスパンダ、および前記レーザビームの単一パルスにより前記工作物内において高作用が引き起こされるように前記工作物内において拡大された被写界深度（ＤＯＦ）を実現するのに十分な長手方向球面収差範囲を有する球面収差をもたらすレンズを含む、ビーム送達システムと、
    一連のパルスが前記工作物内に一連の高作用部を形成するように、前記工作物中にわたり前記レーザビームを走査させるために前記工作物を移動させるための工作物位置決めステージと、
    を備える、レーザ加工システム。
41. 前記レーザは、１ｎｓ未満のパルス持続時間を有する超短パルスを含むレーザビームを発生させるように構成された、請求項４０に記載のレーザ加工システム。
42. 前記レンズは、約０．５未満の開口数を有する、請求項４０に記載のレーザ加工システム。
43. 前記レンズは、少なくとも約２５ｍｍの焦点距離および約０．５未満の開口数を有するレンズトリプレットを備える、請求項４０に記載のレーザ加工システム。

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