JP4473715B2

JP4473715B2 - 積層体切断方法及び積層体

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Publication number: JP4473715B2
Application number: JP2004344330A
Authority: JP
Inventors: 寿一古井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: US7838796B2; US20060113286A1; JP2006150499A; DE102005010087B3

Description

本発明は、積層体を切断する方法及び積層体に関し、より詳細には、異種材料からなる積層体のレーザによる切断方法に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスをはじめとする最先端デバイスは、シリコンだけでなく、ＬｉＴａＯ３、サファイア、耐熱ガラス等の多種多様な材料の層が積層された構造になっている。ＭＥＭＳデバイスには、加速度センサのようなセンサあるいは機械的なスイッチ等があり、微細な機構部を有している。このようなＭＥＭＳデバイスは、通常シリコンウェハに多数形成され、そのシリコンウェハを２枚のガラスでサンドイッチして、ＭＥＭＳデバイスを真空封止する構造となっている。

一般に、シリコンウェハ基板に形成された多数のデバイスあるいは回路素子をチップに分離する方法としては、ダイヤモンド砥粒を含有したブレードをもつ円盤状のホイールを高速回転させて切断する方法が用いられている。しかしながら、この方法で、ＭＥＭＳデバイスのような微細な機構部をもつ素子を多数のチップに切断すると、切断時に大きな振動が発生し、デバイスの微細な機構部が破損してしまうおそれがあった。

このような微細な機構部をもつデバイスに振動を与えないための方法として、非接触でウェハを切断するレーザ切断方法がある。従来、２層構造の積層基板に対して、２つのレーザ発振機を搭載して、除去すべき層の材料に対応する波長のレーザを用いることが提案され（特許文献１参照）、同様に、積層された層ごとに波長吸収帯が異なる多層構造の対象物に対して、積層された層と同数のレーザ光源を用いて切断することが提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、いずれもレーザ発振機を複数設備内に設ける必要があり、装置が大型化し高価なものとなる。

また、ガラスは可視光を透過するので、遠赤外線レーザあるいは紫外線レーザのような高価なレーザビーム装置を用いないとガラスを切断することはできない。さらに、遠赤外線レーザでは、レーザを細く収束することができず、デバイスを焼損するおそれがあり、また、紫外線レーザではウェハの切断に非常に時間がかかる、という問題があった。

本発明者らは、２層構造の積層体を単一のレーザを使用して切断する切断方法を提案した（特願２００４−１６８３１２号）。その方法は、第１の基板及び第２の基板の一方に溝を形成し、該溝を形成した一方の基板を該溝が他方の基板に向くように該他方の基板に重ね合わせ、第１の基板及び第２の基板に該溝を形成した該一方の基板の側から該溝に沿ってレーザを照射し、第１の基板及び第２の基板からなる積層体切断するものである。しかしながら、この方法は、３層以上の積層体を切断するためのものではない。

特開２００３−３７２１８号公報特開２００４−１８１４６３号公報

本発明は、前記のような異種材料の積層体を切断する際の問題点に鑑み、単一波長のレーザビームを用いて、２層はもとより３層以上の積層体の切断をも可能にするレーザ切断方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様である積層体切断方法は、レーザを透過する少なくとも１枚のレーザ透過部材とレーザを吸収する少なくとも１枚のレーザ吸収部材とを積層してなる積層体であって、前記レーザ透過部材の前記レーザ吸収部材に接する面に、前記積層体を切断するための切断線に沿って溝が形成された積層体を形成するステップと、前記レーザ透過部材の溝を貫通するように前記レーザ透過部材の側から前記レーザ吸収部材にレーザを照射するステップと、前記レーザ透過部材のレーザ照射点にガスを吹き付けるステップとを有することを特徴とする。

前記レーザ透過部材の数をｎ（ｎ≧２）とし、前記レーザ吸収部材の数が（ｎ−１）とすることができる。

前記ガスは、該ガスと前記レーザ吸収部材との反応生成物がレーザ吸収物質となるように、選択してもよい。

また、本発明の第２の態様である積層体は、レーザを透過するｎ（ｎ≧２）個のレーザ透過部材と、レーザを吸収する（ｎ−１）個のレーザ吸収部材とを交互に積層した積層体であって、前記ｎ個のレーザ透過部材は、前記レーザ吸収部材に接する面に、前記積層体を切断するための切断線に沿った溝を有することを特徴とする。

さらに、本発明の第３の態様である積層体切断方法は、少なくともレーザ透過部材とレーザ吸収部材とが積層された層を有し、前記レーザ透過部材の前記レーザ吸収部材に接する面に溝が形成された積層体に対して、前記レーザ吸収部材側から該レーザ吸収部材にレーザを照射するとともに前記レーザ照射点にガスを吹き付け、前記レーザ照射により前記レーザ吸収部材から除去された材料を、前記レーザ吸収部材に形成される貫通孔を通して、前記ガスによって前記レーザ透過部材の溝に充填し、該充填された材料を前記レーザにより加熱することにより、前記レーザ透過部材を切断することを特徴とする。

本発明によると、レーザを透過する部材とレーザを吸収する部材とを積層してなる積層体の切断を、単一波長のレーザビームを用いて、振動を発生させずに実行することができる。また、レーザビームの照射とともにガスを噴射しているので、レーザ吸収部材に形成される貫通孔を通って、レーザ吸収部材から除去された材料を移動させることができる。除去された材料は、レーザ吸収部材の下に配置されているレーザ透過部材の溝に充填され、該レーザ透過部材の割断を引き起こすことができる。

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の効果を明確にするために、ウェハを多数のチップへ分割するための公知の切断方法を、図１０を参照して説明する。図１０に示す５１及び５３は、ガラスであり、５２は、多数のＭＥＭＳデバイスを形成したシリコンウェハである。ガラス５１、５３によりシリコンウェハ５２をサンドイッチして接合あるいは接着し、３層構造の積層体５０を形成した後、ダイヤモンド砥粒を含有した円盤状のホイールを高速回転させて、ウェハ５２をＭＥＭＳデバイスを有する多数の部分に分割し、多数のチップ５７を形成していた。先にも説明したが、このようなダイシング工程により発生する振動がデバイスの機構部に悪影響を与えるおそれがある。以下に説明するように、本発明によれば、３層以上の層からなる積層体に対しても、単一波長のレーザビームを用いて、振動を発生させることなく積層体を切断できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１及び２は、本実施形態による積層体の製造工程を説明する図である。図１に積層体の製造の概略を斜視図で示す。図１によると、多数のＭＥＭＳデバイスを形成したシリコンウェハすなわちシリコン基板１４と、ウェハに形成されたデバイスの切断線１９に対応して、溝１３と溝１７をそれぞれ形成した第１のガラス１２と第２のガラス１６とを積み重ねて積層体１０が形成される。

図２に部分断面図を示して、積層体１０の製造工程をさらに詳しく説明する。まず、多数のＭＥＭＳデバイスを形成したシリコンウェハすなわちシリコン基板１４と、第１のガラス１２と第２のガラス１６とを用意する。シリコン基板１４は、厚さ５００μｍであり、ウェハ１４を挟むことになるガラス１２と１６の厚さは各々３００μｍである。

次に、ウェハに形成されたデバイスの切断線に対応して、第１のガラス１２と第２のガラス１６のそれぞれに溝１３と溝１７を形成する。本実施形態では、研削によってＶ字型に２００μｍの深さの溝を形成したが、溝の形成方法および形状は適宜選択できる。例えば、エッチングで形成しても良いし、断面半円状の溝でもよい。溝を形成した後は、各溝１３、１７がウェハ１４に対向するようにして、第１のガラス１２と第２のガラス１６でウェハ１４をサンドイッチして接合あるいは接着する。本実施形態では、陽極接合により、ガラス１２と１６をウェハ１４に接合し、３層の積層体１０を形成した。なお、接合あるいは接着方法は、陽極接合に限らず、また、第１のガラス１２と第２のガラス１６とは、ウェハ１４に対して同時あるいは順次に接合あるいは接着できる。

図３には、積層体１０のレーザによる切断に用いるパルスＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ加工機２０を示す。ＹＡＧレーザ出射ヘッド２２は、１０６４ｎｍの波長のレーザを出射する。レーザ出射端には、レーザ出射端を取り囲んで内径０．８ｍｍのガスノズル２６を備え、ガス導入口２８から導入されるＮ_２ガスをノズル２６から噴出させる。ノズル２６は、切断後の貫通孔あるいは間隙にガスを吹き込むことができるように、積層体１０表面に近接して例えば５０μｍの距離に配置されている。

積層体１０は、ＸＹステージ２４上に搭載し、ノズル２６からＮ_２ガスを１０Ｌ／分の流量で噴出させた状態で、積層体１０のシリコン基板１４の板厚中心付近に集光するようにレーザを照射する。レーザの条件は、パルス幅０．１ｍｓ、パルス繰り返し３００ｐｐｓ、パルスエネルギー６０ｍＪである。また、ステージ送り速度は３０ｍｍ／分とした。なお、使用波長は１０６４ｎｍに限らず、ガラスを透過し、シリコンで吸収される波長であれば、使用可能である。

図４〜７に、レーザ照射による積層体１０の切断工程を示す。図４に示すように、第１のガラス１２の上方から溝１３に向けて照射されるレーザビーム２３は、第１のガラス１２を吸収されることなく透過し、溝１３に面するシリコン基板１４を照射する。レーザビーム２３は、シリコン基板１４の照射点で吸収され、照射点のシリコンが溶融又は蒸発して、シリコン基板１４の切断が進行する。同時に、シリコン基板１４から溶融または蒸発により分離したシリコン粒子は、溝１３内に飛散して第１のガラス１２の内面に被着する。ガラス１２内面に被着したシリコンは、レーザビーム２３が照射されると、エネルギーを吸収し、第１のガラス１２を内面から切断してゆく。すなわち、第１のガラス１２は、溝１３からレーザビームの通過路に沿って上方に切断される。そして、積層体を搭載しているステージの移動とともに、ガラス１２はレーザ径の幅で移動方向に切断される。ここで、溝１３が形成されていない場合には、ガラス１２の切断ができないだけでなく、溶融し蒸発するシリコンの逃げ場所がないため、ガラス１２とシリコン基板１４の界面に大きな応力が生じ、界面の剥離が生じることになる。溝１３はこのような不具合を防止する役目も果たしている。

なお、本実施形態では、Ｖ字形の溝を切削によって形成したが、溝の形状はＶ字状に限定されるものではない。例えばＵ字状その他の形状の溝であってもよい。第１のガラス１２は、レーザに照射されるシリコンの熱によって切断されるので、溝の形状にかかわらず、レーザビームの通過路に沿って切断される。

このとき、同時にＮ_２ガス２７が、ノズル２６から１０Ｌ／分の量でレーザビーム２３の照射箇所に吹き付けている。したがって、図５に示すように、第１のガラス１２が切断され、貫通孔あるいは間隙がガラス１２の表面と溝１３に亘って形成されると、Ｎ_２ガスは、第１のガラス１２の貫通孔から、溝１３に吹き込む。さらにシリコン基板１４が溝１７に達するまで切断されると、Ｎ_２ガスは、その貫通孔あるいは間隙１８から溝１７に吹き込む。このガスにより、レーザビームの照射により溶融したシリコンは、シリコン基板１４の貫通孔１８を通って流入し、溝１７に充填される。

次に、図１６に示すように、第２のガラスに設けられた溝１７に充填されたシリコンは、溝１７内でさらにレーザのエネルギーを吸収する。その結果、第２のガラス１６は、溝１７のシリコンに接している箇所で温度上昇が生じ、ガラス１６の板厚方向に熱応力の分布が生じる。これにより、第２のガラス１６は、レーザ照射部付近から割断され、図１７に示すように３層の積層体が分離される。図１７では、説明のために、第２のガラス１６は完全に分離しているように示したが、実際には、個々のチップは、完全に分離しておらず、わずかに横方向に引っ張るようにして分離することができる。

本例では、Ｎ_２ガスを吹き付けているが、例えば、Ｏ₂あるいは空気などのガスでも使用可能である。しかしながら、Ｏ_２ガスを用いると、Ｏ_２ガスとシリコンが反応して、ＳｉＯ_２を生成し、これがＹＡＧレーザの波長１０６４ｎｍを吸収せず、第２のガラス１６の割断の進行を妨げるということがわかった。したがって、吹き付けるガスは、レーザを吸収する材料と反応しないか、たとえ反応しても反応生成物がレーザ光を吸収するものであるほうが望ましい。Ｎ_２ガスの場合はシリコンの窒化物を生成するが、シリコンの窒化物は、レーザを吸収するので好適である。Ｎ_２ガス以外には、例えばＡｒなどの不活性ガスを用いてもよい。

なお、レーザのエネルギーを強くして、反応生成物がレーザ光の吸収を妨げるようなものであっても、熱エネルギーにより第２のガラスを完全に切断して分離することも考えられるが、レーザのエネルギーを増すとデバイスへ悪影響を与えるおそれが生じるので、好ましくない。本実施形態も、レーザ強度を必要最小限の大きさにして、第２のガラスを割断するようにしている。割断の後、積層体１０を水平方向にわずかに引っ張って個々のチップに分離する必要があるのは、このためである。

本実施形態では、３層構造の積層体の切断方法を示したが、本発明は、レーザを吸収する材料とレーザを透過する材料との２層の構造のものでも適用できる。２層構造の積層体に本発明を適用すると、本発明者らの発明（特願２００４−１６８３１２号）にレーザビームの照射点近傍へのガス噴射を付加したものとなり、さらに安定した積層体の切断が可能である。すなわち、本実施形態の積層体で第２のガラス１６を省略したものを切断するとすると、レーザビームの照射とＮ_２ガスの噴射とを併用するので、レーザビームの照射により溶融したシリコンが、Ｎ_２ガスによってシリコン基板の貫通孔あるいは間隙を通って除去される。したがって、Ｎ_２ガスの噴射がない場合には、いったん溶融したシリコンが、例えばレーザの発振が不安定である等の条件によっては、再融着して、シリコン基板の切断が妨げられる可能性があるが、Ｎ_２ガスをレーザ照射点付近に噴出させることにより、再融着することなく、確実な切断が可能となる。

さらに、積層体の層は、２層あるいは３層に限定されず、４層以上の数の層を有することもできる。図８に示す例は、５層の積層体であって、レーザ吸収部材１４と３４とが、レーザ透過部材１２、１６及び３６でサンドイッチされている。レーザ透過部材１２に、溝１３が形成され、レーザ透過部材１６に、溝１７、３５が形成され、レーザ透過部材３６に溝３７が形成されている。溝１３と溝１７とは、レーザ吸収部材１４に面しており、溝３５と溝３７とは、レーザ吸収部材３４に面している。このような５層構造でも、先に説明した切断工程と同様にして、切断可能である。ただし、積層体の全体の厚みが厚くなりすぎると、レーザビームを必要な箇所すべてにフォーカスすること、及びスポット径を長い距離に亘って絞ることが困難になり、積層体の切断を困難にするかもしれない。その場合は、工程が増えることになっても、積層体の板厚の半分程度を切断した後、ＸＹステージ上の積層体を上下逆に配置して、レーザ照射するようにしてもよい。

図８の例及び上記実施形態は、ｎ個のレーザ透過部材に対して（ｎ−１）個のレーザ吸収部材を積層した例であるが、ｎ個のレーザ透過部材に対してｎ個のレーザ吸収部材を積層した積層体もあり得る。例えば図８のレーザ透過部材３６を省略すると、４層の積層体が考えられる。この場合も当然、先に説明した切断工程を適用できる。

なお、本発明によれば、レーザ吸収部材と切断線に沿って溝を有するレーザ透過部材とを積層した積層体に対して、ガスを吹き付けながらレーザ吸収部材側からレーザを照射するようにしても、積層体を切断することができる。図９に示すように、レーザ吸収部材であるシリコン基板１４と溝１７を有するレーザ透過部材であるガラス１６との積層体に対して、シリコン基板１４側からレーザビーム２３を照射するとともに、Ｎ_２ガスをシリコン基板１４の照射点に吹き付ける。シリコン基板１４が切断されて形成される貫通孔１８
が、ガラス１６の溝１７に達すると、吹き付けるＮ_２ガスによって、溶融したシリコンがその貫通孔１８に流入して溝１７に充填される。充填されたシリコンは、レーザビームの照射により加熱され、ガラス１６の板厚方向に熱応力の分布が形成されて、ガラス１６が割断されることになる。

さらに、本実施形態では、レーザを透過する両側の部材は、同一材料のガラス１２と１４を用いているが、レーザを透過する材料であれば、異なる材料であってよい。また、本発明は、レーザを吸収する材料とレーザを透過する材料とを積層する構造の積層体であれば、どのような材料に対しても適用できる。本実施形態では、レーザビームによる切断を例にとって説明したが、積層体の切断に限定されることなく、本発明は、穴あけなどを含むレーザ加工一般に適用できる。

以上述べた本発明の実施の態様は、以下の付記のとおりである。

（付記１）
レーザを透過する少なくとも１枚のレーザ透過部材とレーザを吸収する少なくとも１枚のレーザ吸収部材とを積層してなる積層体であって、前記レーザ透過部材の前記レーザ吸収部材に接する面に、前記積層体を切断するための切断線に沿って溝が形成された積層体を形成するステップと、
前記レーザ透過部材の溝を貫通するように前記レーザ透過部材の側から前記レーザ吸収部材にレーザを照射するステップと、
前記レーザ透過部材のレーザ照射点にガスを吹き付けるステップとを有することを特徴とする積層体切断方法。

（付記２）
前記レーザ透過部材の数がｎ（ｎ≧２）であり、前記レーザ吸収部材の数が（ｎ−１）であることを特徴とする付記１に記載の積層体切断方法。

（付記３）
前記レーザ透過部材の数が２であり、前記レーザ吸収部材の数が１であることを特徴とする付記２に記載の積層体切断方法。

（付記４）
前記レーザ透過部材の数がｎ（ｎ≧１）であり、前記レーザ吸収部材の数がｎであることを特徴とする付記１に記載の積層体切断方法。

（付記５）
前記ガスは、該ガスと前記レーザ吸収部材との反応生成物がレーザ吸収物質となるように、選択されることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の積層体切断方法。

（付記６）
前記ガスは、Ｎ２ガス及び不活性ガスのうちから選択されることを特徴とする付記５に記載の積層体切断方法。

（付記７）
さらに、前記積層体は、前記切断線に沿って移動するステップを有する付記１〜６に記載の積層体切断方法。

（付記８）
レーザを透過するｎ（ｎ≧２）個のレーザ透過部材と、レーザを吸収する（ｎ−１）個のレーザ吸収部材とを交互に積層した積層体であって、
前記ｎ個のレーザ透過部材は、前記レーザ吸収部材に接する面に、前記積層体を切断するための切断線に沿った溝を有することを特徴とする積層体。

（付記９）
少なくともレーザ透過部材とレーザ吸収部材とが積層された層を有し、前記レーザ透過部材の前記レーザ吸収部材に接する面に溝が形成された積層体に対して、前記レーザ吸収部材側から該レーザ吸収部材にレーザを照射するとともに前記レーザ照射点にガスを吹き付け、
前記レーザ照射により前記レーザ吸収部材から除去された材料を、前記レーザ吸収部材に形成される貫通孔を通して、前記ガスによって前記レーザ透過部材の溝に充填し、該充填された材料を前記レーザにより加熱することにより、前記レーザ透過部材を切断することを特徴とする積層体切断方法。

本発明の一実施形態に使用する積層体の一例を示す図である。図１の積層体の積層工程を説明する図である。本発明の一実施形態に使用するパルスＹＡＧレーザ加工機である。本発明の一実施形態である積層体のレーザ切断工程（その１）を示す図である。本発明の一実施形態である積層体のレーザ切断工程（その２）を示す図である。本発明の一実施形態である積層体のレーザ切断工程（その３）を示す図である。本発明の一実施形態である積層体のレーザ切断工程（その４）を示す図である。本発明の一実施形態に使用する積層体の他の例を示す図である。本発明の他の実施形態を説明する図である。従来の積層体の切断方法を説明する図である。

符号の説明

１０積層体
１２第１のガラス
１３第１のガラスの溝
１４シリコン基板
１６第２のガラス
１７第２のガラスの溝
１８貫通孔
１９切断線
２０パルスＹＡＧレーザ加工機
２２レーザ出射ヘッド
２３レーザビーム
２６ガスノズル
２８ガス導入孔

Claims

レーザを透過する少なくとも１枚のレーザ透過部材とレーザを吸収する少なくとも１枚のレーザ吸収部材とを積層してなる積層体であって、前記レーザ透過部材の前記レーザ吸収部材に接する面に、前記積層体を切断するための切断線に沿って溝が形成された積層体を形成するステップと、
前記レーザ透過部材の溝を貫通するように前記レーザ透過部材の側から前記レーザ吸収部材にレーザを照射するステップと、
前記レーザ透過部材のレーザ照射点にガスを吹き付けるステップとを有することを特徴とする積層体切断方法。
前記レーザ透過部材の数がｎ（ｎ≧２）であり、前記レーザ吸収部材の数が（ｎ−１）であることを特徴とする請求項１に記載の積層体切断方法。
前記ガスは、該ガスと前記レーザ吸収部材との反応生成物がレーザ吸収物質となるように、選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層体切断方法。
少なくともレーザ透過部材とレーザ吸収部材とが積層された層を有し、前記レーザ透過部材の前記レーザ吸収部材に接する面に溝が形成された積層体に対して、前記レーザ吸収部材側から該レーザ吸収部材にレーザを照射するとともに前記レーザ照射点にガスを吹き付け、
前記レーザ照射により前記レーザ吸収部材から除去された材料を、前記レーザ吸収部材に形成される貫通孔を通して、前記ガスによって前記レーザ透過部材の溝に充填し、該充填された材料を前記レーザにより加熱することにより、前記レーザ透過部材を切断することを特徴とする積層体切断方法。