JP4354376B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被加工物に対して透過性を有するパルスレーザ光線等のレーザ光線を照射し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザ加工装置に関する。
半導体デバイス製造工程においては、シリコン基板、サファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板の如き適宜の基板を含むウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等の回路（機能素子）を形成する。そして、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回路が形成された領域を分割して個々の半導体デバイスを製造している。ウエーハを分割するための方法としては、レーザ光線を利用する種々の様式が提案されている。
下記特許文献１および２には、ウエーハの厚さ方向中間部にパルスレーザ光線を集光させてパルスレーザ光線とウエーハとを分割予定ラインに沿って相対的に移動せしめ、これによって分割予定ラインに沿ってウエーハの厚さ方向中間部に変質層を形成し、しかる後にウエーハに外力を加えてウエーハを変質層に沿って破断せしめる、ウエーハ分割方法が開示されている。
米国特許第６，２１１，４８８号明細書 特許第３４０８８０５号公報
しかるに、ウエーハの厚さ方向中間部に変質層を形成することのみならず、ウエーハの厚さ方向中間部に代えて或いはこれに加えて裏面から所定深さまでの部分或いは表面から所定深さの部分に分割ラインに沿って変質領域を成形することも意図され得るが、いずれの場合においても、ウエーハに外力を加えて分割ラインに沿って精密に破断せしめるためには、変質層の厚さ、即ちウエーハの厚さ方向における変質層の寸法を比較的大きくすることが必要である。変質層の厚さはパルスレーザ光線の集光点近傍において１０〜５０μmであるため、変質層の厚さを増大せしめるためにはパルスレーザ光線の集光点の位置をウエーハの厚さ方向に変位せしめて、パルスレーザ光線とウエーハとを分割予定ラインに沿って繰り返し相対的に移動せしめることが必要である。従って、特にウエーハの厚さが比較的厚い場合、ウエーハを精密に破断するのに必要な厚さの変質層の形成に長時間を要する。
上述した問題を解決するために本出願人は、パルスレーザ光線を光軸方向に変位せしめられた少なくとも２個の集光点に集光せしめるように構成したレーザ加工装置を特願２００３−２７３３４１号として提案した。このレーザ加工装置によれば、被加工物即ちウエーハの厚さ方向に変位せしめられている少なくとも２個の集光点の部位に変質層を同時に形成することができる。しかしながら、このレーザ加工装置は、レーザ光線がウエーハの厚さ方向において同一光軸上に集光点を変位して照射されるため、集光点が浅いレーザ光線が集光点が深いレーザ光線の照射を阻害し、所望の変質層を形成することができないという問題がある。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、集光点が浅いレーザ光線が集光点が深いレーザ光線の照射を阻害することなく、複数の変質層を所望の厚さで同時に形成することができるレーザ加工装置を提供することである。
上記主たる技術的課題を解決するために、本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有するレーザ光線を照射するレーザ光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザ光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段とを具備し、
該レーザ光線照射手段は、レーザ光線発振手段と、該レーザ光線発振手段が発振するレーザ光線を伝送する光学伝送手段と該光学伝送手段によって伝送されたレーザ光線を集光せしめる一つの集光レンズを備えた伝送・集光手段とを含んでいる、レーザ加工装置において、
該伝送・集光手段は、該レーザ光線発振手段から発振されたレーザ光線を該一つの集光レンズを通して該加工送り方向および該チャックテーブルに保持された被加工物の厚さ方向に変位せしめられた少なくとも２個の集光点に集光せしめる、
ことを特徴とするレーザ加工装置が提供される。
上記光学伝送手段は、レーザ光線発振手段が発振するレーザ光線を第１のレーザ光線と第２のレーザ光線とに分けるビームスプリッタと、第１のレーザ光線の集光点と第２のレーザ光線の集光点を加工送り方向に変位せしめる集光点位置変位手段と、第１のレーザ光線と第２のレーザ光線の一方の集光点を上記チャックテーブルに保持された被加工物の厚さ方向に変位せしめる集光点深さ変位手段とを具備している。集光点位置変位手段は複数個のミラーを含んでおり、該複数個のミラーの設置角度を変更することにより第１のレーザ光線の集光点と第２のレーザ光線の集光点との加工送り方向の変位量を変更する。また、集光点深さ変位手段は、レーザ光線のビーム広がり角を変更する。
本発明のレーザ加工装置においては、レーザ光線発振手段から発振されたレーザ光線を光軸方向および加工送り方向に変位せしめられた少なくとも２個の集光点に集光せしめるので、一方の集光点に生成された変質が他方の集光点におけるレーザ光線の照射を阻害することはなく、所望の厚さを有する複数の変質層を同時に形成することができる。
以下、本発明に従って構成されたレーザ加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１には、本発明に従って構成されたレーザ加工装置の概略構成図が示されている。図示の加工装置は、被加工物であるウエーハ２を保持するためのチャックテーブル３と全体を番号４で示すレーザ光線照射手段とを具備している。
チャックテーブル３は、例えば多孔質部材から形成され或いは複数個の吸引孔又は溝が形成された吸着チャック３１を具備しており、該吸着チャック３１が図示しない吸引手段に連通されている。従って、吸着チャック３１上に被加工物であるウエーハ２のウエーハ回路面側に貼着された保護テープ２１側を載置し、図示しない吸引手段を作動することにより、ウエーハ２はチャックテーブル３上に吸引保持される。このように構成されたチャックテーブル３は、図示しない加工送り手段によって図１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ように構成されている。従って、チャックテーブル３とレーザ光線照射手段４は、矢印Ｘで示す加工送り方向に相対的に移動可能である。
レーザ光線照射手段４は、パルスレーザ光線発振手段５と、このパルスレーザ光線発振手段５が発振するパルスレーザを伝送し集光せしめる伝送・集光手段６とを含んでいる。パルスレーザ光線発振手段５は、被加工物であるウエーハ２に対して透過性を有するパルスレーザ光線１０を発振する。このパルスレーザ光線発振手段５は、ウエーハ２がシリコン基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板を含むウエーハである場合、例えば波長が１０６４ｎｍであるパルスレーザ光線１０を発振するＹＶＯ４パルスレーザ発振器或いはＹＡＧパルスレーザ発振器を用いることができる。
図１を参照して説明を続けると、レーザ光線照射手段４における伝送・集光手段６は、パルスレーザ光線発振手段５とチャックテーブル３上に保持された被加工物であるウエーハ２との間に配設されている。図示の実施形態における伝送・集光手段６は、パルスレーザ光線発振手段５が発振するパルスレーザ光線を伝送する光学伝送手段７と、該光学伝送手段７によって伝送されたパルスレーザ光線を集光せしめる対物レンズ等の集光レンズ８を含んでいる。光学伝送手段７は、ビームスプリッタ７１と、レーザ光線の集光点を上記チャックテーブル３に保持された被加工物であるウエーハ２の厚さ方向（図１において矢印Zで示す方向）に変位せしめる集光点深さ変位手段７２と、該集光点深さ変位手段７２を通過したレーザ光線の集光点を図１において矢印Ｘで示す加工送り方向に変位させるための集光点位置変位手段７３を含んでいる。集光点深さ変位手段７２は、図示の実施形態においては凸レンズ７２１からなっている。また、集光点位置変位手段７３は、第１のミラー７３１と第２のミラー７３２とビームスプリッタ７３３を含んでいる。
上述したレーザ加工装置においては、パルスレーザ光線発振手段５から発振されたパルスレーザ光線１０は、ビームスプリッタ７１によって２本のパルスレーザ光線１０ａと１０ｂに、即ちビームスプリッタ７１を透過して直進する第１のパルスレーザ光線１０ａとビームスプリッタ７１によって反射されて実質上直角に方向変換される第２のパルスレーザ光線１０ｂとに分離される。第１のパルスレーザ光線１０ａは、ビームスプリッタ７３３を透過し、そして集光レンズ８によって被加工物であるウエーハ２の内部における集光点Pａに集光せしめられる。
一方、第２のパルスレーザ光線１０ｂは、集光点深さ変位手段７２としての凸レンズ７２１を通過することによってビーム広がり角が変更せしめられる。図示の実施形態においては、第２のパルスレーザ光線１０ｂは凸レンズ７２１を通過することによってその広がり角が凸レンズ７２から遠ざかるに従って径が漸次減少される。凸レンズ７２を通過することによってビーム広がり角が変更せしめられ第２のパルスレーザ光線１０ｂは、第１のミラー７３１と第２のミラー７３２の設置角度に対応して反射し、ビームスプリッタ７３３の設置角度に対応して反射される。そして、ビームスプリッタ７３３の設置角度に対応して反射された第２のパルスレーザ光線１０ｂは、その光軸L２が上記第１のパルスレーザ光線１０ａの光軸Ｌ１に対して所定の角度θをもって集光レンズ８に至る。なお、集光レンズ８に入射される第２のパルスレーザ光線１０ｂは、上記集光点深さ変位手段７２としての凸レンズ７２１を通過することによってビーム広がり角が変更せしめられているので、ビーム径も変更されている。そして、集光レンズ８を通過した第２のパルスレーザ光線１０ｂは、被加工物であるウエーハ２の内部における集光点Pbに集光せしめられる。
第２のパルスレーザ光線１０ｂの集光点Pbは、上述したように集光レンズ８に入光する第２のパルスレーザ光線１０ｂの光軸L２が第１のパルスレーザ光線１０ａの光軸Ｌ１に対して所定の角度θをもっているので、第１のパルスレーザ光線１０ａの集光点Pａに対して図１において矢印Ｘで示す加工送り方向に距離Sだけ変位する。この変位量Sは、第１のミラー７３１と第２のミラー７３２の設置角度を変更することによって適宜変更することができる。また、対物集光レンズ８に入射する第２のパルスレーザ光線１０ｂは、集光点深さ変位手段７２としての凸レンズ７２１を通過することによってビーム広がり角が変更せしめられ、第１のミラー７３１と第２のミラー７３２およびビームスプリッタ７３３を介して集光レンズ８に向けてビーム径が漸次増大せしめられているので、集光点Pbは第１のパルスレーザ光線１０ａの集光点Pａより深い位置（図１において下方位置）、即ち対物集光レンズ８から光軸方向に離れた位置となる。この集光点Pbの深さ位置は、集光点深さ変位手段７２としての凸レンズ７２１を光軸方向に移動せしめることによって適宜に調整することができる。
第１のパルスレーザ光線１０ａが集光点Pａに集光せしめられると、これに起因して集光点Pａの近傍、通常は集光点Pａから上方に向かって厚さＴ１を有する領域で被加工物であるウエーハ２に変質層W１が形成される。また、第２のパルスレーザ光線１０ｂが集光点Pbに集光せしめられると、集光点Pb近傍、通常は集光点Pbから上方に向かって厚さＴ２を有する領域で被加工物であるウエーハ２に変質層W２が生成される。このとき、第２のパルスレーザ光線１０ｂの集光点Pbは第１のパルスレーザ光線１０ａの集光点Pａに対して図１において矢印Ｘで示す加工送り方向に距離Sだけ変位しているので、第１のパルスレーザ光線１０ａと第２のパルスレーザ光線１０ｂが干渉することはなく、集光点が浅い第１のパルスレーザ光線１０ａによって集光点が深い第２のパルスレーザ光線１０ｂが阻害されることはない。従って、第１のパルスレーザ光線１０ａの集光点Pａ近傍および第２のパルスレーザ光線１０ｂの集光点Pb近傍にそれぞれ所望の深さの変質層W１およびW２を形成することができる。被加工物であるウエーハ２に形成される変質層はウエーハ２の材質或いは集光せしめられるパルスレーザ光線１０ａおよび１０ｂの強度にも依存するが、通常は溶融再固化（即ち、パルスレーザ光線１０aおよび１０ｂが集光されている時に溶融されパルスレーザ光線１０ａおよび１０ｂの集光が終了した後に固化される）、ボイド或いはクラックである。
図示の実施形態におけるレーザ加工装置は、上述したようにパルスレーザ光線を照射しつつチャックテーブル３（従って、チャックテーブル３に保持された被加工物であるウエーハ２）を、図１において例えば左方に移動せしめる。この結果、ウエーハ２の内部には、図２に示すように所定の分割予定ラインに沿って厚さＴ１およびＴ２を有する２個の変質層Ｗ１およびＷ２が同時に形成される。このように、図示の実施形態におけるレーザ加工装置によれば、単一のレーザ光線照射手段４によって、被加工物であるウエーハ２にその厚さ方向に変位せしめられた２個の領域に厚さＴ１およびＴ２を有する変質層Ｗ１およびＷ２を同時に形成することができる。なお、変質層Ｗ１とＷ２を厚さ方向に連続して形成させたい場合には、例えば集光点深さ変位手段７２としての凸レンズ７２１を図１において左方に移動し、第２のパルスレーザ光線１０ｂの集光点Pbを上方に移動させる。そして、集光点Pbを第１のパルスレーザ光線１０ａの集光点Pａより厚さＴ２だけ下方位置に合わせる。
なお、上記レーザ加工における加工条件は、例えば次のように設定されている。
光源 ：LD励起QスイッチNd：YVO4パルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
パルス出力 ：２．５μJ
集光スポット径 ：φ１μｍ
パルス幅 ：４０ns
繰り返し周波数 ：１００ｋHｚ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
なお、被加工物であるウエーハ２の厚さが厚く、厚さＴ１およびＴ２を有する変質層Ｗ１およびＷ２では分割ラインに沿ってウエーハ２を精密に分割するには不充分である場合には、レーザ光線照射手段４とチャックテーブル３とを光軸方向、即ち図１において矢印Zで示す上下方向に相対的に所定距離移動せしめ、これによって集光点Pａおよび集光点Pbを光軸方向、従って被加工物であるウエーハ２の厚さ方向に変位せしめ、レーザ光線照射手段４からパルスレーザ光線を照射しつつチャックテーブル３を図１において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめる。この結果、被加工物であるウエーハ２には、上記変質層Ｗ１およびＷ２に加えて厚さ方向に変位した部位に厚さＴ１およびＴ２を有する変質層Ｗ１およびＷ２形成することができる。
次に、集光点深さ変位手段７２の他の実施形態について、図３を参照して説明する。
図３に示す集光点深さ変位手段７２は、光軸方向に間隔を置いて配設された第１の凸レンズ７２２と第２の凸レンズ７２３とからなっている。図３に示す集光点深さ変位手段７２においては、第２のパルスレーザ光線１０ｂは第１の凸レンズ７２２および第２の凸レンズ７２３を通過することにより、その広がり角が第２の凸レンズ７２３から遠ざかるに従ってビーム径が漸次増大する構成となっている。なお、第２のパルスレーザ光線１０ｂの広がり角および上記集光レンズ８入射時のビーム径、即ち集光点深さ変位手段７２を通過し上記集光レンズ８によって集光される第２のパルスレーザ光線１０ｂの集光点Pbの深さ位置は、第１の凸レンズ７２２または第２の凸レンズ７２３を光軸方向に移動せしめることによって適宜に調整することができる。
次に、集光点深さ変位手段７２の更に他の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４に示す集光点深さ変位手段７２は、間隔を置いて配設された第３の凸レンズ７２４および第４の凸レンズ７２５と、該第３の凸レンズ７２４と第４の凸レンズ７２５との間に配設された第１のミラー対７２６および第２のミラー対７２７とからなっている。第１のミラー対７２６は互いに平行に配設された第１のミラー７２６aと第２のミラー７２６bとからなり、該第１のミラー７２６aと第２のミラー７２６bは互いの間隔を維持した状態で図示しないミラー保持部材に固定されている。第２のミラー対７２７も互いに平行に配設された第１のミラー７２７aと第２のミラー７２７bとからなっており、該第１のミラー７２７aと第２のミラー７２７bは互いの間隔を維持した状態で図示しないミラー保持部材に固定されている。このように構成された図４に示す集光点深さ変位手段７２においては、第２のパルスレーザ光線１０ｂは第３の凸レンズ７２４、第１のミラー対７２６の第１のミラー７２６aおよび第２のミラー７２６b、第２のミラー対７２７の第１のミラー７２７aおよび第２のミラー７２７b、第４の凸レンズ７２５を通過することにより、第２のパルスレーザ光線１０ｂの広がり角が第４の凸レンズ７２５から遠ざかるに従ってビーム径が漸次増大せしめられる構成となっている。なお、第２のパルスレーザ光線１０ｂの広がり角および上記集光レンズ８の入射時のビーム径、即ち集光点深さ変位手段７２を通過し上記集光レンズ８によって集光される第２のパルスレーザ光線１０ｂの集光点Pbの深さ位置は、第１のミラー対７２６および第２のミラー対７２７の設置角度を変更して光路長を変更することにより適宜に調整することができる。この設置角度の調整は、第１のミラー対７２６および第２のミラー対７２７をそれぞれ保持する図示しないミラー保持部材を、それぞれ第１のミラー７２６aと第２のミラー７２６bおよび第１のミラー７２７aと第２のミラー７２７bが点対称の位置となる点を中心として回動する。
以上、本発明を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で種々の変形は可能である。例えば、図示の実施形態においては、集光点深さ変位手段としての凸レンズ７２を第２のパルスレーザ光線１０ｂの経路に配設した例を示したが、集光点深さ変位手段は第１のパルスレーザ光線１０ａの経路に配設してもよい。また、集光点深さ変位手段としてのレンズは、凹レンズまたは組み合わせレンズを用いてもよい。更に、図示の実施形態においてはパルスレーザ光線を用いた例を示したが、本発明はＣＯ2レーザ光線のような連続波レーザ光線を用いてもよい。
本発明に従って構成されたレーザ加工装置の概略構成図。 図１のレーザ加工装置によって被加工物の内部に２個の変質層を同時に形成した状態を示す説明図。 図１のレーザ加工装置に装備される集光点深さ変位手段の他の実施形態を示す概略構成図。 図１のレーザ加工装置に装備される集光点深さ変位手段の更に他の実施形態を示す概略構成図。
符号の説明
２：ウエーハ（被加工物）
３：チャックテーブル
３１：吸着チャック
４：レーザ光線照射手段
５：パルスレーザ光線発振手段
６：伝送・集光手段
７：光学伝送手段
７１：ビームスプリッタ
７２：集光点深さ変位手段
７２１：凸レンズ
７２２：第１の凸レンズ
７２３：第２の凸レンズ
７２４：第３の凸レンズ
７２５：第４の凸レンズ
７２６：第１のミラー対
７２７：第２のミラー対
７３：集光点位置変位手段
７３１：第１のミラー
７３２：第２のミラー
７３３：ビームスプリッタ
８：集光レンズ

Claims (4)

  1. 被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有するレーザ光線を照射するレーザ光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザ光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段とを具備し、
    該レーザ光線照射手段は、レーザ光線発振手段と、該レーザ光線発振手段が発振するレーザ光線を伝送する光学伝送手段と該光学伝送手段によって伝送されたレーザ光線を集光せしめる一つの集光レンズを備えた伝送・集光手段とを含んでいる、レーザ加工装置において、
    該伝送・集光手段は、該レーザ光線発振手段から発振されたレーザ光線を該一つの集光レンズを通して該加工送り方向および該チャックテーブルに保持された被加工物の厚さ方向に変位せしめられた少なくとも２個の集光点に集光せしめる、
    ことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 該光学伝送手段は、該レーザ光線発振手段が発振するレーザ光線を第１のレーザ光線と第２のレーザ光線とに分けるビームスプリッタと、該第１のレーザ光線の集光点と該第２のレーザ光線の集光点を該加工送り方向に変位せしめる集光点位置変位手段と、該第１のレーザ光線と該第２のレーザ光線の一方の集光点を該チャックテーブルに保持された被加工物の厚さ方向に変位せしめる集光点深さ変位手段とを具備している、請求項１記載のレーザ加工装置。
  3. 集光点位置変位手段は複数個のミラーを含んでおり、該複数個のミラーの設置角度を変更することにより該第１のレーザ光線の集光点と該第２のレーザ光線の集光点との該加工送り方向の変位量を変更する、請求項２記載のレーザ加工装置。
  4. 該集光点深さ変位手段は、レーザ光線のビーム広がり角を変更する、請求項２記載のレーザ加工装置。
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