JP4409840B2

JP4409840B2 - 加工対象物切断方法

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Publication number: JP4409840B2
Application number: JP2003060324A
Authority: JP
Inventors: 文嗣福世; 憲志福満
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: JP2003334675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の表面に積層部が設けられて構成された加工対象物を切断するための加工対象物切断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ応用の一つに切断があり、レーザによる一般的な切断は次の通りである。例えば半導体ウェハやガラス基板のような基板の切断する箇所に、基板が吸収する波長のレーザ光を照射し、レーザ光の吸収により切断する箇所において基板の表面から裏面に向けて加熱溶融を進行させて基板を切断する。ところが、この方法では基板の表面のうち切断する箇所となる領域周辺も溶融される。よって、基板が半導体ウェハの場合、半導体ウェハの表面に形成された半導体素子のうち、上記領域周辺に位置する半導体素子が溶融する恐れがある。
【０００３】
このような基板の表面の溶融を防止する方法として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されたレーザによる切断方法がある。これらの文献１，２記載の切断方法では、基板の切断する箇所をレーザ光により加熱し、そして基板を冷却することにより、基板の切断する箇所に熱衝撃を生じさせて基板を切断する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２１９５２８号公報
【特許文献１】
特開２０００−１５４６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの文献１，２記載の切断方法では、基板に生じる熱衝撃が大きいと、基板の表面に、切断予定ラインから外れた割れやレーザ照射していない先の箇所までの割れ等の不必要な割れが発生することがある。よって、これらの切断方法では精密切断をすることができない。特に、基板が半導体ウェハ、液晶表示装置が形成されたガラス基板、電極パターンが形成されたガラス基板の場合、この不必要な割れにより半導体チップ、液晶表示装置、電極パターンが損傷することがある。また、これらの切断方法では平均入力エネルギーが大きいので、半導体チップ等に与える熱的ダメージも大きい。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板の表面に積層部が設けられて構成された加工対象物を精度良く切断することのできる加工対象物切断方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る加工対象物切断方法は、基板と基板の表面に設けられた積層部とを有する加工対象物の基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射することにより、加工対象物のレーザ光入射面を溶融させずに、１パルスのパルスレーザ光の照射に応じて多光子吸収によって形成される部分としての溶融処理領域を加工対象物の切断予定ラインに沿って基板の内部のみに複数形成し、この溶融処理領域によって、切断予定ラインに沿ってレーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する切断起点領域形成工程と、加工対象物の表面側に第１のシートを貼り付ける第１の貼付工程と、第１のシートを介して押圧手段で加工対象物を押圧することにより、第１のシートを切断せずに、切断起点領域を起点として発生した割れを加工対象物の表面と裏面とに到達させて、切断予定ラインに沿って加工対象物を切断する押圧工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この加工対象物切断方法においては、多光子吸収により形成される改質領域によって、加工対象物を切断すべき所望の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に切断起点領域を形成する。このとき、多光子吸収は基板の内部で局所的に発生し、加工対象物のレーザ光入射面やその反対側の面ではレーザ光がほとんど吸収されないため、レーザ光の照射による積層部の溶融を防止することができる。そして、第１のシートを介して加工対象物を押圧すると、切断起点領域を起点として加工対象物に割れが発生するため、切断予定ラインから外れた不必要な割れの発生を防止して加工対象物を切断することができる。しかも、積層部は第１のシートにより覆われているため、押圧による積層部の損傷を防止することができる。したがって、基板の表面に積層部が設けられて構成された加工対象物を精度良く切断することが可能になる。なお、切断起点領域形成工程と第１の貼り付け工程とについては、どちらの工程が先に実施されてもよい。すなわち、それらの実施順序は問わない。
【０００９】
ここで、基板の表面に設けられた積層部とは、基板の表面に堆積されたもの、基板の表面に貼り合わされたもの、或いは基板の表面に取り付けられたもの等をいい、基板に対し異種材料であるか同種材料であるかは問わない。そして、基板の表面に設けられた積層部には、基板に密着して設けられるものや、基板と間隙を取って設けられるもの等がある。例としては、基板上に結晶成長により形成された半導体動作層、基板上に形成された機能素子（フォトダイオード等の受光素子やレーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成された回路素子等を意味する）、ガラス基板上に貼り合わされた他のガラス基板等があり、積層部は異種材料を複数層形成したものも含む。また、シートとは、薄い膜状の部材を意味し、テープやフィルム等を含む意味である。また、基板の内部とは、積層部が設けられている基板の表面上をも含む意味である。また、集光点とは、レーザ光が集光した箇所のことである。さらに、切断起点領域とは、基板が切断される際に切断の起点となる領域を意味する。したがって、切断起点領域は、基板において切断が予定される切断予定部である。そして、切断起点領域は、改質領域が連続的に形成されることで形成される場合もあるし、改質領域が断続的に形成されることで形成される場合もある。
【００１０】
また、切断起点領域形成工程では、基板の厚さ方向における中心位置から基板の裏面側に偏倚させて改質領域を形成することが好ましい。切断起点領域形成後の加工対象物の押圧は加工対象物の表面側から行われるが、基板の厚さ方向における中心位置に改質領域が形成されている場合に比べ、基板の裏面側に偏倚して改質領域が形成されている場合の方が、より一層小さな押圧力で加工対象物を切断することができる。これにより、加工対象物の切断をより一層精度良く行うことが可能になると共に、押圧による積層部への影響をより一層軽減することが可能になる。
【００１１】
なお、「基板の厚さ方向における中心位置から基板の裏面側に偏倚させて改質領域を形成する」とは、切断起点領域を構成する改質領域が、基板の厚さ方向における厚さの半分の位置から裏面側に偏倚して形成されることを意味する。つまり、基板の厚さ方向における改質領域の幅の中心位置が、基板の厚さ方向における中心位置から裏面側に偏倚して位置している場合を意味し、改質領域の全ての部分が基板の厚さ方向における中心位置に対して裏面側に位置している場合のみに限る意味ではない。
【００１２】
また、押圧工程では、切断予定ラインに沿って加工対象物を押圧することが好ましい。例えば、基板の表面に積層部として機能素子をマトリックス状に形成してなる加工対象物をその機能素子毎に切断するような場合、隣り合う機能素子間に切断予定ラインを設定し、この切断予定ラインに沿って加工対象物を押圧すれば、機能素子毎に正確に加工対象物を切断することができる。しかも、機能素子への押圧力の作用をほぼなくすことができる。
【００１３】
また、切断起点領域形成工程では、加工対象物に対する切断予定ラインの位置データを記憶し、押圧工程では、位置データに基づいて、切断予定ラインに沿って加工対象物を押圧することが好ましい。これにより、加工対象物の内部に形成された切断起点領域に対して容易且つ正確に押圧力を作用させることが可能になる。
【００１４】
また、加工対象物の裏面側に第２のシートを貼り付ける第２の貼付工程を押圧工程前に備え、第２のシートを拡張させる拡張工程を押圧工程後に備えることが好ましい。これにより、切断された加工対象物を互いに離間させることができ、チップのピックアップの容易化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係る加工対象物切断方法の切断起点領域形成工程では、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の内部に多光子吸収による改質領域を形成する。そこで、このレーザ加工方法、特に多光子吸収について最初に説明する。
【００１６】
材料の吸収のバンドギャップＥ_Gよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Gである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞Ｅ_Gの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ²）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ²）で決まる。
【００１７】
このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１の平面図であり、図２は図１に示す加工対象物１のII−II線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象物１のV−V線に沿った断面図であり、図６は切断された加工対象物１の平面図である。
【００１８】
図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には、加工対象物１を切断すべき所望の切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である（加工対象物１に実際に線を引いて切断予定ライン５としてもよい）。本実施形態に係るレーザ加工は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して改質領域７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。
【００１９】
レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部にのみ形成され、この改質領域７でもって切断起点領域（切断予定部）８が形成される。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Ｌを吸収することにより加工対象物１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。
【００２０】
加工対象物１の切断において、切断する箇所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れを発生させることなく加工対象物１の切断が可能となる。
【００２１】
なお、切断起点領域を起点とした加工対象物の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断起点領域形成後、加工対象物に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域を起点として加工対象物が割れ、加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物の切断起点領域に沿って加工対象物に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断起点領域を形成することにより、切断起点領域を起点として加工対象物の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物が切断される場合である。これは、例えば加工対象物の厚さが小さい場合には、１列の改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となり、加工対象物の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域が形成されていない部位に対応する部分の表面上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の加工対象物の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。
【００２２】
さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）がある。
【００２３】
（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ₃からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物の表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０¹²（Ｗ／ｃｍ²）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。
【００２４】
本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
【００２５】
（Ａ）加工対象物：パイレック（登録商標）スガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^-8ｃｍ²
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ₀₀
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
【００２６】
なお、レーザ光品質がＴＥＭ₀₀とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。
【００２７】
図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０¹¹（Ｗ／ｃｍ²）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。
【００２８】
次に、本実施形態に係るレーザ加工において、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このクラック領域９でもって切断起点領域が形成される。図９に示すようにクラック領域９を起点として（すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが加工対象物１の表面３と裏面２１に到達し、図１１に示すように加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物の表面と裏面に到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物に力が印加されることにより成長する場合もある。
【００２９】
（２）改質領域が溶融処理領域の場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば１×１０¹²（Ｗ／ｃｍ²）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。
【００３０】
本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。
【００３１】
（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^-8ｃｍ²
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ₀₀
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒
【００３２】
図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。
【００３３】
溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。
【００３４】
例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
【００３５】
なお、シリコンウェハは、溶融処理領域でもって形成される切断起点領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。なお、切断起点領域からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。加工対象物の内部に溶融処理領域でもって切断起点領域を形成すると、割断時、切断起点領域ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。
【００３６】
（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０¹²（Ｗ／ｃｍ²）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。
【００３７】
以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（３）の場合を説明したが、ウェハ状の加工対象物の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く加工対象物を切断することが可能になる。
【００３８】
すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。さらに、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）などの六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。
【００３９】
なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、切断起点領域を形成すべき方向に沿った切断起点領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。
【００４０】
次に、上述したレーザ加工方法に使用されるレーザ加工装置について、図１４を参照して説明する。図１４はレーザ加工装置１００の概略構成図である。
【００４１】
レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、レーザ光Ｌの反射機能を有しかつレーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを集光する集光用レンズ１０５と、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９と、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ１１１と、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ１１３と、これら３つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５とを備える。
【００４２】
この集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、加工対象物１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。Ｚ軸方向は、加工対象物１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、加工対象物１の内部にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせることができる。これにより、例えば、加工対象物１が多層構造を有しているような場合に、加工対象物１の基板や或いは当該基板上の積層部等、所望の位置に集光点Ｐを合わせることができる。
【００４３】
レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。本実施形態では、加工対象物１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。
【００４４】
レーザ加工装置１００はさらに、載置台１０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９とを備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。なお、加工対象物１の裏面が集光用レンズ１０５側となるよう加工対象物１が載置台１０７に載置された場合は、ここでいう「表面」が「裏面」となるのは勿論である。
【００４５】
レーザ加工装置１００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤカメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。
【００４６】
レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９とを備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点を加工対象物１の表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が加工対象物の表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。
【００４７】
全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。
【００４８】
次に、上述したレーザ加工装置１００を使用した場合の切断起点領域形成工程について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１５は、本実施形態に係る切断起点領域形成工程を説明するためのフローチャートである。
【００４９】
加工対象物１の光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、加工対象物１に対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１を選定する（Ｓ１０１）。続いて、加工対象物１の厚さを測定する。厚さの測定結果及び加工対象物１の屈折率を基にして、加工対象物１のＺ軸方向の移動量を決定する（Ｓ１０３）。これは、レーザ光Ｌの集光点Ｐを加工対象物１の基板の内部に位置させるために、加工対象物１の表面３に位置するレーザ光Ｌの集光点Ｐを基準とした加工対象物１のＺ軸方向の移動量である。この移動量は全体制御部１２７に入力される。
【００５０】
加工対象物１をレーザ加工装置１００の載置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて加工対象物１を照明する（Ｓ１０５）。照明された切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３を撮像素子１２１により撮像する。撮像素子１２１により撮像された撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点データを演算する（Ｓ１０７）。
【００５１】
この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向の移動させる（Ｓ１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が加工対象物１の表面３に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の拡大画像が表示される。
【００５２】
全体制御部１２７には予めステップＳ１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Ｌの集光点Ｐが加工対象物１の基板の内部となる位置に、Ｚ軸ステージ１１３により加工対象物１をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１１１）。
【００５３】
続いて、レーザ光源１０１からレーザ光Ｌを発生させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の表面３の切断予定ライン５に照射する。レーザ光Ｌの集光点Ｐは加工対象物１の基板の内部に位置しているので、改質領域は加工対象物１の基板の内部にのみ形成される。そして、切断予定ライン５に沿うようにＸ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させて、切断予定ライン５に沿って改質領域を形成し、この改質領域によって、加工対象物１の基板の内部に切断予定ライン５に沿った切断起点領域を形成する（Ｓ１１３）。
【００５４】
次に、本実施形態に係る加工対象物切断方法について、図１６〜図２５を参照して説明する。なお、図１７〜図２４は、図１６に示す加工対象物１のXVII−XVII線に沿った部分断面図である。
【００５５】
図１６及び図１７に示すように、シリコンウェハである基板１５の表面１５ａに、基板１５のオリエンテーションフラット１６と平行に複数の機能素子（積層部）１７をマトリックス状に形成して、加工対象物１を作製する。続いて、図１８に示すように、加工対象物１の裏面１５ｂ側に拡張可能な拡張フィルム（第２のシート）１９を貼り付ける（第２の貼付工程）。
【００５６】
拡張フィルム１９が貼り付けられた加工対象物１を、例えば上述のレーザ加工装置１００の載置台１０７に載置し、図１９に示すように、加工対象物１の基板１５の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、基板１５の内部に改質領域７を形成し、この改質領域７によって、加工対象物１のレーザ光照射面（すなわち、基板１５の表面１５ａ）から所定距離内側に切断予定ライン５に沿って切断起点領域８を形成する（切断起点領域形成工程）。なお、基板１５がシリコンウェハであるため、改質領域７としては溶融処理領域が形成される。
【００５７】
この切断起点領域形成工程では、レーザ光Ｌが切断予定ライン５上を走査されるが、この切断予定ライン５は、隣り合う機能素子１７，１７間を通るように格子状に設定される（図１６参照）。そして、この加工対象物１に対する切断予定ライン５の位置データは、例えばレーザ加工装置１００の全体制御部１２７内の記憶部に記憶される。なお、この切断予定ライン５が設定される基板１５の表面１５ａ上にも、通常はＳｉＯ₂等の絶縁膜が積層部として形成されている。
【００５８】
切断起点領域８を形成した後、図２０に示すように、加工対象物１の表面１５ａ側に保護フィルム（第１のシート）２０を貼り付け、この保護フィルム２０により機能素子１７を覆う（第１の貼付工程）。そして、図２１に示すように、保護フィルム２０を介して加工対象物１に押圧手段としてのナイフエッジ２３を押し当て、切断起点領域８を起点として割れ２４を発生させて、この割れ２４を基板１５の表面１５ａと裏面１５ｂとに到達させる（押圧工程）。これにより、加工対象物１は、機能素子１７を１つ有する個々の半導体チップ２５に分割されていく。
【００５９】
この押圧工程では、記憶部に記憶されていた切断予定ライン５の位置データが読み出され、この位置データに基づいてナイフエッジ２３が制御されて、切断予定ライン５に沿って加工対象物１にナイフエッジ２３が押し当てられ、これにより、切断予定ライン５に沿って加工対象物１が押圧されることになる。
【００６０】
このように、切断起点領域形成工程において、加工対象物１に対する切断予定ライン５の位置データを記憶し、押圧工程において、その位置データに基づいて切断予定ライン５に沿って加工対象物１を押圧することで、基板１の内部に形成された切断起点領域８に対して容易且つ正確に押圧力を作用させることができる。そして、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を押圧することで、機能素子１７毎に正確に加工対象物１を切断することができ、しかも、機能素子１７への押圧力の作用をほぼなくすことができる。
【００６１】
加工対象物１を押圧した後、図２２に示すように、保護フィルム２０に紫外線を照射して保護フィルム２０の粘着剤である紫外線硬化樹脂を硬化させ、図２３に示すように、保護フィルム２０を剥がし取る。続いて、図２４に示すように、拡張フィルム１９を外方側にエキスパンドして各半導体チップ２５を互いに離間させる（拡張工程）。このように拡張フィルム１９を用いて各半導体チップ２５を互いに離間させることで、半導体チップ２５のピックアップの容易化を図ることができる。なお、保護フィルム２０の剥離は拡張フィルム１９のエキスパンド後に行ってもよい。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態に係る加工対象物切断方法においては、多光子吸収により形成される改質領域７によって、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に切断起点領域８を形成する。このとき、多光子吸収は基板１の内部で局所的に発生し、加工対象物１の周囲面ではレーザ光Ｌの吸収がほとんど起こらないため、レーザ光Ｌの照射による機能素子１７の溶融を防止することができる。そして、保護フィルム２０を介した加工対象物１の押圧により、切断起点領域８を起点として割れ２４が発生するため、切断予定ライン５から外れた不必要な割れの発生を防止して加工対象物１を割断することができる。しかも、機能素子１７は保護フィルム２０により覆われているため、押圧工程での機能素子１７の損傷を防止することができる。したがって、基板１５の表面１５ａに機能素子１７を形成してなる加工対象物１を精度良く切断することが可能になる。
【００６３】
また、図２５に示すように、切断起点領域形成工程において、基板１５の厚さ方向における中心位置を通る中心線ＣＬから、基板１５の裏面１５ｂ側に偏倚させて改質領域７を形成すれば、偏倚させずに改質領域７を形成した場合や表面１５ａ側に偏倚させて改質領域７を形成した場合に比べ、より一層小さな押圧力で加工対象物１を切断することができる。これは、押圧工程においてナイフエッジ２３の押し当てが基板１５の表面１５ａ側から行われるため（図２１参照）、ナイフエッジ２３の押し当てにより基板１５に生じる曲げ応力のうち大きな引張応力が改質領域７に作用するからである。これにより、加工対象物１の切断をより一層精度良く行うことが可能になると共に、押圧工程での機能素子１７への影響をより一層軽減することが可能になる。
【００６４】
本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態の押圧工程では、切断予定ライン５に沿って加工対象物１の表面１５ａ側を押圧したが、ローラ等を用いて加工対象物１の表面１５ａ側の全体を押圧してもよい。この場合にも、切断起点領域８を起点として割れ２４が発生するため、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を効率良く切断することができる。また、加圧ニードル等を用いて加工対象物１の表面１５ａ側の一部分（例えば機能素子１７毎の部分）を順次押圧していってもよい。なお、切断予定ライン５に沿って加工対象物１を押圧する手段としては、上述のナイフエッジ２３の他にカッタ等がある。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る加工対象物切断方法によれば、基板の表面に積層部が設けられて構成された加工対象物を精度良く切断することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の加工対象物の平面図である。
【図２】図１に示す加工対象物のII−II線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図である。
【図４】図３に示す加工対象物のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係るレーザ加工方法の第１工程における加工対象物の断面図である。
【図９】本実施形態に係るレーザ加工方法の第２工程における加工対象物の断面図である。
【図１０】本実施形態に係るレーザ加工方法の第３工程における加工対象物の断面図である。
【図１１】本実施形態に係るレーザ加工方法の第４工程における加工対象物の断面図である。
【図１２】本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。
【図１３】本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。
【図１４】本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【図１５】本実施形態に係る切断起点領域形成工程を説明するためのフローチャートである。
【図１６】本実施形態に係る加工対象物切断方法における加工対象物の平面図である。
【図１７】本実施形態に係る加工対象物切断方法における加工対象物の作製工程を示す断面図である。
【図１８】本実施形態に係る加工対象物切断方法における第２の貼付工程を示す断面図である。
【図１９】本実施形態に係る加工対象物切断方法における切断起点領域形成工程を示す断面図である。
【図２０】本実施形態に係る加工対象物切断方法における第１の貼付工程を示す断面図である。
【図２１】本実施形態に係る加工対象物切断方法における押圧工程を示す断面図である。
【図２２】本実施形態に係る加工対象物切断方法における紫外線照射工程を示す断面図である。
【図２３】本実施形態に係る加工対象物切断方法における保護フィルムの剥離工程を示す断面図である。
【図２４】本実施形態に係る加工対象物切断方法における拡張工程を示す断面図である。
【図２５】図１６に示す加工対象物のXXV−XXV線に沿った部分断面図である。
【符号の説明】
１…加工対象物、３…（加工対象物の）表面、５…切断予定ライン、７…改質領域、８…切断起点領域、１５…基板、１５ａ…（基板の）表面、１５ｂ…（基板の）裏面、２１…（加工対象物の）裏面、１７…機能素子（積層部）、１９…拡張フィルム（第２のシート）、２０…保護フィルム（第１のシート）、２３…ナイフエッジ（押圧手段）、ＣＬ…中心線、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims

基板と前記基板の表面に設けられた積層部とを有する加工対象物の前記基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象物のレーザ光入射面を溶融させずに、１パルスの前記パルスレーザ光の照射に応じて多光子吸収によって形成される部分としての溶融処理領域を前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記基板の内部のみに複数形成し、この溶融処理領域によって、前記切断予定ラインに沿って前記レーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する切断起点領域形成工程と、
前記加工対象物の前記表面側に第１のシートを貼り付ける第１の貼付工程と、
前記第１のシートを介して押圧手段で前記加工対象物を押圧することにより、前記第１のシートを切断せずに、前記切断起点領域を起点として発生した割れを前記加工対象物の表面と裏面とに到達させて、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する押圧工程とを備えることを特徴とする加工対象物切断方法。
基板と前記基板の表面に設けられた積層部とを有する加工対象物の前記基板の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象物のレーザ光入射面を溶融させずに、１パルスの前記パルスレーザ光の照射に応じて形成される部分としての溶融処理領域を前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記基板の内部のみに複数形成し、この溶融処理領域によって、前記切断予定ラインに沿って前記レーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する切断起点領域形成工程と、
前記加工対象物の前記表面側に第１のシートを貼り付ける第１の貼付工程と、
前記第１のシートを介して押圧手段で前記加工対象物を押圧することにより、前記第１のシートを切断せずに、前記切断起点領域を起点として発生した割れを前記加工対象物の表面と裏面とに到達させて、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する押圧工程とを備えることを特徴とする加工対象物切断方法。
半導体材料からなる基板と前記基板の表面に設けられた積層部とを有する加工対象物の前記基板の内部に集光点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象物のレーザ光入射面を溶融させずに、１パルスの前記パルスレーザ光の照射に応じて形成される部分としての溶融処理領域を前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記基板の内部のみに複数形成し、この溶融処理領域によって、前記切断予定ラインに沿って前記レーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する切断起点領域形成工程と、
前記加工対象物の前記表面側に第１のシートを貼り付ける第１の貼付工程と、
前記第１のシートを介して押圧手段で前記加工対象物を押圧することにより、前記第１のシートを切断せずに、前記切断起点領域を起点として発生した割れを前記加工対象物の表面と裏面とに到達させて、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する押圧工程とを備えることを特徴とする加工対象物切断方法。
半導体材料からなる基板と前記基板の表面に設けられた積層部とを有する加工対象物の前記基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象物のレーザ光入射面を溶融させずに、１パルスの前記パルスレーザ光の照射に応じて形成される部分としての溶融処理領域を前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記基板の内部のみに複数形成し、この溶融処理領域によって、前記切断予定ラインに沿って前記レーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する切断起点領域形成工程と、
前記加工対象物の前記表面側に第１のシートを貼り付ける第１の貼付工程と、
前記第１のシートを介して押圧手段で前記加工対象物を押圧することにより、前記第１のシートを切断せずに、前記切断起点領域を起点として発生した割れを前記加工対象物の表面と裏面とに到達させて、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する押圧工程とを備えることを特徴とする加工対象物切断方法。
前記切断起点領域形成工程では、前記基板の厚さ方向における中心位置から前記基板の裏面側に偏倚させて前記溶融処理領域を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の加工対象物切断方法。
前記押圧工程では、前記切断予定ラインに沿って押圧手段を前記加工対象物に押し当てることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の加工対象物切断方法。
前記切断起点領域形成工程では、前記加工対象物に対する前記切断予定ラインの位置データを記憶し、
前記押圧工程では、前記位置データに基づいて、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を押圧することを特徴とする請求項６記載の加工対象物切断方法。
前記加工対象物の裏面側に拡張可能な第２のシートを貼り付ける第２の貼付工程を前記押圧工程前に備え、
前記第２のシートを拡張させることにより、切断された前記加工対象物を互いに離間させる拡張工程を前記押圧工程後に備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の加工対象物切断方法。
基板と前記基板の表面に設けられた積層部とを有する加工対象物の前記基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射することにより、前記加工対象物のレーザ光入射面を溶融させずに、１パルスの前記パルスレーザ光の照射に応じて形成される部分としての溶融処理領域を前記加工対象物の切断予定ラインに沿って前記基板の内部のみに複数形成し、この溶融処理領域によって、前記切断予定ラインに沿って前記レーザ光入射面から所定距離内側に切断起点領域を形成する切断起点領域形成工程と、
前記切断起点領域形成工程後に、前記加工対象物の前記表面側に第１のシートを貼り付け、前記加工対象物の裏面側に拡張可能な第２のシートを貼り付けた状態で、前記第１のシート及び前記第２のシートを切断せずに、前記切断起点領域を起点として発生した割れを前記加工対象物の表面と裏面とに到達させて、前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する切断工程と、
前記切断工程後に、前記第１のシートを剥がす剥離工程と、
前記剥離工程後に、前記第２のシートを拡張させることにより、切断された前記加工対象物を互いに離間させる拡張工程とを備えることを特徴とする加工対象物切断方法。