JP4490883B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関し、特に、加工対象物を切断するのに好適なレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

近年のエレクトロニクスやフォトニクスなどの先端技術分野の急速な発展に伴い、これらを支える各種デバイス素子の更なる微細化が大きく望まれている。従来、半導体デバイスを微細化する手段として、ダイヤモンドブレードなどによる機械的な切断技術が用いられてきた。これらは十分成熟した技術である反面、「切りしろ」による材料の歩留まりの低下や、微細化の加工分解能といった本質的な限界に行き当たりつつある。一方、これらの機械的な加工技術に代わり、急速に発展しつつある微細加工技術として、レーザ加工方法が挙げられる。

これは、加工対象物に高輝度のパルスレーザ光を照射し、焦点位置の微少な領域における物質の構造破壊や改質により発生する損傷（クラック）を起点として、加工対象物を切断する方法である。この方法では、レーザ照射で形成される損傷を切断予定ラインに沿って配列形成（スクライビング）させた後、加工対象材料に機械的応力を印加し、当該材料を微細なチップ状に切断（ダイシング）する。

加工対象物のうち、実用上特に重要なものとして、機能性半導体層（例えば、シリコンやガリウム砒素）をコーティングした誘電体基板（例えば、サファイアやガラス）からなる薄い板状のデバイスが挙げられる。

ところで、レーザ加工においては、レーザの集光照射により形成される損傷のサイズが小さい程、「切りしろ」が小さくなって材料の歩留まりが向上し、また、スクライビングラインの幅が小さくなって加工分解能が向上する。従って、レーザ加工においては、常に、上記損傷のサイズの微細化が大きな課題となってきた。

さらに、損傷のサイズだけでなく、損傷の形状も、レーザ加工の質の向上において重要な因子となる。例えば、損傷の形状が乱れている場合において、その損傷を整列させたスクライビングラインに沿って加工対象物を切断すると、切断面は、乱れた損傷の形状をそのまま反映した乱れた形状になってしまう。

従来のレーザ加工方法として、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されているものがある。

特許文献１記載の方法では、ガラスなどの基板材料に対し、これに透明な波長（例えば、１０６４ｎｍ）を有する（つまり、吸収されない）パルスレーザ光を、対物レンズを用いて加工対象物の内部に集光し、この集光位置において、大きさが数１０μｍ程度の乱れた形状を有する損傷を形成させ、配列された損傷を起点として、応力を印加して基板を切断するようにしている。

また、特許文献２記載の方法では、特許文献１に開示されたような、加工対象物の内部集光型ではなく、加工対象物の表面集光型の光学配置によって、サファイアなどの透明誘電体材料に対し、切断起点（損傷を配列させた溝）を材料表面に形成するようにしている。
特開２００２−１９２３７０号公報 特開２００４−１１４０７５号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術においては、加工対象物の光学バンドギャップエネルギに比して、加工に使用するレーザ光の光子エネルギが１／３以下と小さいために、損傷は、バンドギャップ間の光学的多光子吸収によるものではなく、むしろいわゆる光学的絶縁破壊（ブレイクダウン）により形成されていると考えられ、従って、損傷のサイズが比較的大きくなってしまい（数１０μｍ）、加工分解能／精度には一定の限界があるという問題がある。

また、特許文献２記載の技術においては、集光位置におけるレーザ光のエネルギ密度は、１パルスあたり１００Ｊ／ｃｍ^２から著しくは１００ｋＪ／ｃｍ^２にまで及ぶ。このような極めて高い光エネルギ強度においては、いかなる材料においても照射部位においてプラズマが生起されると考えられる。プラズマが生起されれば、高温プラズマ熱拡散や高い運動エネルギを有する自由電子の衝突過程などにより、損傷のサイズは、所望の損傷のサイズを大きく上回ってしまい、かつ、損傷の形状も大きく乱れてしまうと考えられる。すなわち、損傷のサイズおよび形状を制御することができないため、精緻なスクライビングやダイシングには好ましくないという問題がある。

また、上記のように、レーザ加工においては、加工対象物の表面近傍に損傷を形成し、この損傷を切断予定ラインに沿って配列形成させ、微細な損傷の溝を刻み（スクライビング）、機械的応力を印加して切断（ダイシング）を行う。この際、所望の加工予定ラインからの逸脱および「切りしろ」をできるだけ少なくする精密なダイシングを達成するためには、損傷の形状、つまり、スクライビングの溝の断面が鋭利な、いわば「Ｖ字型」の形状を有することが望ましい。

ここで、鋭利なＶ字型の形状とは、Ｖ字型の損傷形状（スクライビング溝の断面）のアスペクト比ｒで評価される。アスペクト比ｒとは、Ｖ字型損傷の水平（横）方向の長さＴと垂直（縦）方向の高さＬの比で表される（ｒ＝Ｌ／Ｔ）。本明細書では、特に、鋭利なＶ字型の形状のことを、ｒ＞＞１となるような高いアスペクト比を有するＶ字型の形状という。

以上のように、レーザ加工においては、アスペクト比が高い損傷、つまり、鋭利なＶ字型の損傷を形成することが、高精度なダイシングを実現するために有効である。しかし、その一方で、最新のエレクトロニクス／フォトニクステクノロジにおけるデバイス微細加工に対する要求水準は、日に日に高くなり、時としてユニークな形状を有する微細加工が必要になる場合も少なくない。

例えば、鋭利なＶ字型の形状とは反対に、幅広のＶ字型の損傷を形成することも要求されている。このような、幅広のＶ字型の断面形状を有するスクライビング溝を起点にし、加工対象物を切断すれば、切断端には、所定の角度を有する２つの斜面が形成され、角が面取りされた状態となるため、デバイス動作における性能向上に好適な場合があるからである。本明細書では、特に、幅広のＶ字型の形状のことを、ｒ≦１となるような低いアスペクト比を有するＶ字型の形状という。

しかしながら、アスペクト比が低い損傷、つまり、幅広のＶ字型の損傷を形成するための技術的課題と、従来のレーザ加工における課題であるアスペクト比が高い損傷、つまり、鋭利なＶ字型の損傷を形成するための技術的課題とは全く異なるものである。従って、アスペクト比が低い損傷、つまり、幅広のＶ字型の損傷を形成するための技術の要求に対して、応えられない状況が続いてきた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板に所望のアスペクト比を有する損傷ラインを形成し、更に、当該損傷ラインを起点にして材料基板を切断することにより、切断端に、所定の角度を有する２つの斜面が形成され、角が面取りされた状態となるように当該材料基板を切断することができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、パルスレーザ光を加工対象物に対して集光させて線状の第１焦点を形成し、前記第１焦点を中心に前記加工対象物に損傷を与えるエネルギを有する加工領域を形成する光学系と、前記加工領域と前記加工対象物とを、前記第１焦点の軸と交差する方向に相対移動させて前記加工対象物に損傷ラインを形成する走査手段と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板に所望のアスペクト比を有する損傷ラインを形成し、更に、当該損傷ラインを起点にして材料基板を切断することにより、切断端に、所定の角度を有する２つの斜面が形成され、角が面取りされた状態となるように当該材料基板を切断することができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明者は、加工対象物の切断端に、所定の角度を有する２つの斜面が形成され、角が面取りされた状態となるように当該材料基板を切断する（図１（Ｂ）参照）ためには、加工対象物の表面に微細かつアスペクト比が低い幅広のＶ字型の断面形状を有する損傷ラインを形成する（図１（Ａ）参照）必要があることを見出した。また、加工対象物の表面に微細かつアスペクト比が低い幅広のＶ字型の断面形状を有する損傷を形成するためには、集光ビームスポットの形状を、２次元（光軸に対する断面方向）空間的だけでなく、光軸方向をも含めた３次元空間的に整形／制御する必要があることを見出した。さらに、光軸方向をも含めた３次元空間的な整形／制御を行うためには、レーザパルスエネルギやレーザパルス繰り返し周波数、レーザ波長等の基本パラメータを制御して、光学系における非点収差性を積極的に利用することが必要であることを見出したのである。

まず、本発明の原理を説明する。

本発明の特徴は、光学系における非点収差性、つまり、非点収差による焦点位置の空間的ズレを積極的に利用することである。非点収差とは、光軸外の物点の像が１つの像点として結ばず、互いに直交する一対の線状の焦点として、異なる焦点面に結像するレンズ系の収差のことである。非点収差がある光学系においては、レンズの焦点距離が光軸を含む直交する二つの断面で異なる値をもつため、光軸に直交する２つの平面方向、つまり、水平方向および垂直方向は、同一平面内に焦点を結ぶことはできない。すなわち、光軸中心に対して、放射状の線と同心状の線のいずれかは焦点が合わないことになる。

また、非点収差が発生する原因は、水平方向の光線と垂直方向の光線がレンズに入射するときの入射角度が異なるため、そこで発生する収差量が異なることである。従って、非点収差を顕著に発生させるには、光軸を含む直交する２つの平面内における光線、つまり、光線の垂直方向と水平方向との広がり角度が異なるようにすればよい。

本実施の形態においては、上記非点収差を発生させるために、シリンドリカルレンズを使用する。シリンドリカルレンズとは、直交する１方向のみがレンズとして働き、他方向は、単なるウインドウズとしてしか働かない、つまり、像の１方向のみの倍率を変更することができるレンズである。従って、例えば、円形のビーム形状を持つ光線を１枚のシリンドリカルレンズで集光結像させると、ビーム断面形状を直線状の像に変換することができる。

次に、シリンドリカルレンズを用いたレーザ加工の概略を図２（Ａ）〜（Ｆ）を用いて説明する。図２（Ａ）〜（Ｂ）は、シリンドリカルレンズに入射したレーザビームの成分を示す斜視図、平面図であり、図２（Ｃ）は、四面体型集光スポットの一例を示す図であり、図２（Ｄ）〜（Ｅ）は、四面体型集光スポットの他の一例を示す図であり、図２（Ｆ）は、四面体型集光スポットが形成される光学系における光線軌跡を示す図である。なお、説明の都合上、図２（Ａ）〜（Ｂ）における空間座標軸を以下のように定める。すなわち、レーザビーム１の進行方向（光軸方向という）をｚ軸とし、ｚ軸に直交する平面上で互いに直交する２つの軸をｘ軸（水平方向という）およびｙ軸（垂直方向という）とする。

図２（Ａ）における光学系には、凹型シリンドリカルレンズ２、凸型シリンドリカルレンズ３および円形レンズ４が配置されている。上記のように、シリンドリカルレンズは、像の１方向のみの倍率を変更することができるレンズであり、凹型シリンドリカルレンズ２は、入射するレーザビーム１の断面形状を水平方向に発散するが、垂直方向には影響を与えず、また、凸型シリンドリカルレンズ３は、入射するレーザビーム１の断面形状を水平方向に縮小するが、垂直方向には影響を与えない。

従って、図２（Ｂ）のように、入射するレーザビーム１は、凹型シリンドリカルレンズ２を通過すると、水平方向に発散するレーザビーム５の成分を有し、かつ、垂直方向に直進するレーザビーム６の成分を有する。さらに、垂直方向に直進するレーザビーム６は、凸型シリンドリカルレンズ３および円形レンズ４を通過すると、水平方向に縮小し、焦点位置において垂直方向（ｙ）に伸張した直線状の垂直方向集光ビームスポット７を形成する。一方、水平方向に発散するレーザビーム５は、凸型シリンドリカルレンズ３および円形レンズ４を通過すると、その広がり角度、つまり、非点収差性によりレーザビーム５の垂直方向集光ビームスポット７の位置よりも遠方の焦点位置において水平方向に伸張した直線状の水平方向集光ビームスポット８を形成する。ここで、垂直方向集光ビームスポット７および水平方向集光ビームスポット８は、非点収差により異なる焦点面に結像された互いに直交する一対の線状の焦点である。

また、図２（Ｃ）のように、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８とは、互いに空間的にねじれて直交している。従って、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との間に相互に働く力により仮想的に形成される加工領域である四面体型集光スポット９が形成されているとみなすことができる。

なお、上記四面体型集光スポット９の形状は、シリンドリカルレンズの焦点距離や配置距離、傾け角度等を調整することにより変更させることができ、それによって損傷ラインの形状を所定の範囲内で制御することができる。例えば、図２（Ｄ）のように、垂直方向集光ビームスポット７を水平方向集光ビームスポット８に対して平行移動させ、水平方向集光ビームスポット８を四面体集光スポット８の走査方向に突出させることにより、損傷ラインの底部を鋭利な形状にすることができる場合がある。また、逆に、垂直方向集光ビームスポット７を四面体集光スポット８の走査方向に突出させることにより、損傷ラインの幅を明確に形成することができる場合がある。さらに、図２（Ｅ）のように、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との距離を長くすることにより、損傷ラインの深さを大きくすることができ、また、逆に、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との距離を短くすることにより、損傷ラインの深さを小さくすることができる。この場合、勿論、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との距離が近づくほど、四面体型集光スポット９のレーザパワは増加し、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との距離が離れるほど、四面体型集光スポット９のレーザパワは減少する。

以上より、図２（Ａ）のような光学系（以下「非点収差発生用光学系」という）を介したレーザビームを対物レンズに導けば、対物レンズの焦点位置において、微小な四面体型集光スポット９が形成され、所望の加工を実現することができる。また、四面体型集光スポット９が形成される非点収差発生用光学系における光線軌跡は、図２（Ｆ）のようになる。

なお、ここでは、凹型および凸型の２枚のシリンドリカルレンズを用いるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図２（Ａ）において、凸型シリンドリカルレンズ３の代わりに集光用の対物レンズである凸型の円形レンズを用いるようにしてもよい。すなわち、非点収差を顕著に得ることができ、つまり、光軸に直交する互いに異なる平面上に位置し、且つ、互いに直交する一対の線状の焦点を得ることができる非点収差発生用光学系であればどのような構成でもよい。

また、ここでは、光軸に直交する互いに異なる平面上に位置し、且つ、互いに直交する一対の線状の焦点の間に相互に働く力により仮想的に形成した加工領域を用いるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、非点収差発生用光学系に、３枚以上のシリンドリカルレンズを使用して形成した３つ以上の線状焦点を集光スポットとするようにしてもよいし、これらの線状焦点と点状焦点とを組み合わせて、集光スポットとするようにしてもよい。この場合、複数の線状焦点を組み合わせた集光スポットを用いることにより、加工対象物に複雑な形状の損傷ラインを形成することができる。また、互いにねじれて直交関係以外の関係にある複数の線上焦点により得た集光スポットを用いるようにしてもよいし、これらの線状焦点と点状焦点とを組み合わせて、集光スポットとするようにしてもよい。この場合、互いに直行する一対の線状の焦点により形成した四面体集光スポット８よりも、鋭利または幅広なＶ字型の損傷ラインを形成することができる。このように、非点収差発生用光学系の構成を変えて種々の集光スポットを形成することにより、加工対象物に対して所望の損傷を与えることが可能になる。

なお、非点収差発生用光学系を用いて、垂直方向集光ビームスポット７と点状ビームスポットを形成し、これらを中心として損傷ラインを形成するようにしてもよい。この場合、四面体型集光スポット９を用いる場合には及ばないが、例えば、比較的硬度が低い加工対象物に対しては、十分な精度の損傷ラインを形成することができ、硬度が高い加工対象物に対しても、損傷ライン形成に一定の効果を得ることができる。

次に、四面体型集光スポット９を用いて加工対象物１０上に損傷ラインを形成する工程について図３および図４（Ａ）〜（Ｃ）を用いて具体的に説明する。図３は、四面体型集光スポットを用いて加工対象物上に損傷ラインを形成する工程を示す概念図であり、図４（Ａ）は、四面体型集光スポットを加工対象物の上方に集光した図であり、図４（Ｂ）は、四面体型集光スポットを加工対象物の表面と略同一面に集光した図であり、図４（Ｃ）は、四面体型集光スポットを加工対象物の内部に集光した図である。

図３において、レーザビーム１は、ｚ軸（光軸）上方から入射し、互いにねじれて直交する垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８を形成する。そして、これらの間に相互に働く力により仮想的に形成した加工領域である四面体型集光スポット９が形成される。ここで、垂直方向集光ビームスポット７は、加工対象物１０と略同一面にあり、水平方向集光ビームスポット８は、加工対象物１０の内部にあるものとする。また、切断予定ライン１１は、ｘ軸に平行であるものとして、四面体型集光スポット９は、切断予定ライン１１（矢印方向）に沿って走査される。従って、垂直方向集光ビームスポット７は、切断予定ライン１１に対して垂直であり、水平方向集光ビームスポット８は、切断予定ライン１１に対して平行である。なお、本明細書において、垂直方向集光ビームスポット７と加工対象物１０とが「略同一面」とは、垂直方向集光ビームスポット７が加工対象物１０の表面から表面上方５マイクロメートルの範囲内に位置する状態をいう。

ここで、垂直方向集光ビームスポット７の長さをＷとし、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との距離をｄとすると、四面体型集光スポット９が走査されて形成されるスクライビング溝の幅はほぼＷに等しくなり、その深さはｄと相関を持つ。また、例えば、スクライビング溝の幅をＬに所望する場合、上記非点収差発生用光学系のパラメータ（例えば、レンズの焦点距離やレンズ間の配置距離、レンズの傾け角度等）を調整して、垂直方向集光ビームスポット７の長さＷ＝Ｌとなるように制御することが可能になる。

なお、ここでは、非点収差発生用光学系のパラメータを調整してスクライビング溝の幅を制御するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４（Ａ）〜（Ｃ）のように、垂直方向集光ビームスポット７が、例えば、加工対象物１０の上方（図４（Ａ））、表面と略同一面（図４（Ｂ））または内部（図４（Ｃ））に位置するように四面体型集光スポット９の集光位置を調整することにより、スクライビング溝の幅を制御して、所望の加工形態を得るようにしてもよい。

以上のように、所望のスクライビング溝の形成は、加工態様に応じて制御することができる。例えば、上記のように、幅広のＶ字型の損傷を形成させる際に、当該「Ｖ字」の幅および高さを制御するためには、垂直方向集光ビームスポット７の長さＷ、垂直方向集光ビームスポット７と水平方向集光ビームスポット８との距離ｄ、または、四面体型集光スポット９の集光位置を調整すればよい。すなわち、レーザビーム１の照射パラメータや非点収差発生用光学系のパラメータを最適化すればよいのである。

上記の損傷ライン形成過程において、懸念されるのは加工形状の乱れである。固体における本質的なレーザ損傷機構としては、１）電子なだれ、２）多光子吸収、の２つが考えられる。ここにいう「電子なだれ」とは、「電気絶縁破壊」や「プラズマ発生」とほぼ同義である。どちらの機構が支配的かを判断する目安として、以下のような基準が考えられる。すなわち、レーザの周波数が高くなり（つまり、波長が短くなり）、または、材料の禁止帯幅（バンドギャップ）Ｅｇが狭くなり、光子エネルギｈνとバンドギャップＥｇとの関係がｈν＞Ｅｇ／３となると（つまり、３光子のエネルギがバンドギャップを越えると）破壊機構は「電子なだれ」よりもむしろ「多光子吸収」になると考えられる。逆にいえば、純粋な多光子吸収過程での破壊は３光子吸収過程以上ではほとんど重要ではなく、４光子吸収や５光子吸収は、実際はほとんど無視することができる。

また、電子なだれ（電気絶縁破壊やプラズマ発生を含む）による加工対象物内部の改質・破壊は、加工対象物周辺領域に不規則な凹凸が発生し、領域制御に困難を伴う場合が多いため、精密微細な加工・改質には不適である。従って、本発明が最大の効力を発揮するのは、レーザ損傷機構が多光子吸収によるものである場合である。しかし、レーザ損傷機構が電子なだれによるものである場合においても、一定の効果を得ることができる。

次に、上記の原理を適用したレーザ加工を実現するレーザ加工装置について、図５を用いて説明する。図５は、一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。

このレーザ加工装置１００は、上記の原理に基づき、特定のレーザ光を利用して加工対象物を切断する装置であって、例えば、レーザ光源１０１、テレスコープ光学系１０３、非点収差発生用光学系１０５、ダイクロイックミラー１０７、対物レンズ１０９、保護用窓プレート１１１、ステージ１１３、計測用光源１１５、ビーム整形器１１７、ハーフミラー１１９、光検出器１２１、コントローラ１２３、照明用光源１２５、ＣＣＤカメラ１２７、コンピュータ１２９およびモニタ１３１を有する。このレーザ加工装置１００による加工対象物１０は、例えば、サファイア／ＧａＮ層からなる二層構造体やシリコンウエハである。

レーザ光源１０１は、加工用のレーザ光を発生させる。レーザ光源１０１としては、サファイアに対して効率的に多光子吸収を起こすことができるフェムト秒〜ナノ秒パルス発振のパルスレーザを用いる。例えば、レーザ光源１０１は、波長３５５ｎｍ、パルス幅１０ナノ秒（１〜５０ナノ秒で可変）、発振繰り返し周波数５０〜３００ｋＨｚのパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。サファイアは、波長３５５ｎｍのレーザ光に対して透明である（つまり、サファイアはレーザ光を吸収しない）。また、例えば、レーザ光源１０１は、波長７００〜２０００ｎｍ（可変）、パルス幅１５０フェムト秒、発振繰り返し周波数１ｋＨｚの光パラメトリック増幅器付きのチタンファイアレーザである。シリコンは、波長１２００ｎｍ以上の光に対して透明である（つまり、シリコンはレーザ光を吸収しない）。

なお、レーザ光源１０１に用いることができるレーザとしては、上記のＮｄ：ＹＡＧレーザやチタンファイアレーザ以外に、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザやＮｄ：ＹＬＦレーザなどがある。また、使用する波長としては、サファイアに対して３光子吸収を誘起する３５５ｎｍ以外に、サファイアに対して２光子吸収を誘起する２６６ｎｍでもよいし、加工対象物によっては、可視光（例えば、５３２ｎｍ）であってもよいし、シリコンウエハに対しては、近赤外光（例えば、１２３０ｎｍ）であってもよい。すなわち、加工対象物の種類に応じて、波長３００ｎｍ以下の紫外光から波長１０００ｎｍ以上の近赤外光で発振するレーザを使用することができる。

テレスコープ光学系１０３は、好ましい加工形状を得るために、レーザ光源１０１から出力された加工用レーザ光のビーム径を最適化する。

非点収差発生用光学系１０５は、非点収差性を利用して、テレスコープ光学系１０３を通過した加工用レーザ光から、四面体型集光スポット９を形成する。

ダイクロイックミラー１０７は、テレスコープ光学系１０３、非点収差発生用光学系１０５を通過した加工用レーザ光をほぼ１００％反射し、計測用光源１１５からの計測用レーザ光をほぼ１００％透過する。

対物レンズ１０９は、顕微鏡用の対物レンズであって、ダイクロイックミラー１０７で反射された加工用レーザ光を集光する。対物レンズ１０９の集光特性は、対物レンズ１０９の開口数（ＮＡ）によって異なる。対物レンズ１０９は、例えば、倍率２０〜１００倍、開口数０.３〜１.３のものを使用する。また、集光位置は、加工対象物１０の上方、表面と略同一面または内部のいずれでもよい。

保護用窓プレート１１１は、加工対象物１０の表面を加工する場合に、加工によって表面から飛散する微小な破片などから対物レンズ１０９を保護するために設けられる。

ステージ１１３は、図示しない載置台を有し、この載置台の上に、対物レンズ１０９によって集光されたレーザ光が照射される加工対象物１０が載置される。また、ステージ１１３は、載置台をＸＹＺ軸方向に移動させるとともにＸＹＺ軸の回りに回転させることができる駆動機構（図示せず）を有する。この駆動機構によって、ステージ１１３は、ステージ１１３上の加工対象物１０に対して加工予定ライン（ＸＹ軸方向）および加工予定位置（Ｚ軸方向）に沿って損傷ラインが形成されるように、ＸＹＺ軸方向に駆動（平行移動および回転）される。

具体的には、Ｚ軸方向は、加工対象物１０の表面に直交する方向、つまり、加工対象物１０に入射するレーザ光に対して平行な方向（加工対象物１０の深さ方向）であるため、ステージ１１３をＺ方向に移動させることによって加工対象物１０に対するレーザ光の集光位置を所定のＺ軸方向の位置に合わせることができる。また、加工対象物１０に対するレーザ光の照射位置の操作は、ステージ１１３をＸＹ軸方向（つまり、水平方向）に移動させることによって行う。ステージ１１３の傾き制御は、ステージ１１３をＸＹＺ軸の回りに回転させることによって行う。このようなステージ１１３によって加工対象物１０の位置と姿勢が３次元制御される。

計測用光源１１５は、ステージ１１３上の加工対象物１０の表面の位置を計測するためのレーザ光を発生させる。

ビーム整形器１１７は、計測用レーザ光を最適化するために、計測用光源１１５から出力されたレーザ光のビーム形状を調整する。

ハーフミラー１１９は、計測用レーザ光を半透明に反射／透過する。ビーム整形器１１７を通過した計測用レーザ光は、ハーフミラー１１９、ダイクロイックミラー１０７および対物レンズ１０９を透過して加工対象物１０の表面に到達して反射される。この反射光は、再び対物レンズ１０９およびダイクロイックミラー１０７を透過し、反射光の一部がハーフミラー１１９で反射されて光検出器１２１に到達する。

光検出器１２１は、加工対象物１０の表面からの反射光を検出して加工対象物１０の表面位置を検出する。検出結果は、コントローラ１２３に出力される。

コントローラ１２３は、フィードバック回路を有し、光検出器１２１によって得られた加工対象物１０の表面位置の情報に基づいて、加工用レーザ光の集光位置が加工予定ライン（ＸＹ軸方向）および加工予定位置（Ｚ）方向に合うように、ステージ１１３をフィードバック制御する。

照明用光源１２５は、ステージ１１３の下方に配置され、ステージ１１３上の加工対象物１０の加工部位を観察するための照明光を発生させる。

ＣＣＤカメラ１２７は、照明用光源１２５から放射され加工対象物１０を透過した照明光を取り込んで、加工対象物１０の加工部位を撮像し、撮像データをコンピュータ１２９に出力する。

コンピュータ１２９は、レーザ光源１０１、計測用光源１１５、コントローラ１２３およびＣＣＤカメラ１２７に接続されており、これら各部を総合的に制御する。また、コンピュータ１２９は、例えば、所定のプログラムに従って、コントローラ１２３によるフィードバック制御を通じてステージ１１３を駆動させることにより、レーザ光の集光位置を任意の加工予定ラインおよび加工予定位置に沿って走査させる。

モニタ１３１は、コンピュータ１２９を介して、ＣＣＤカメラ１２７が撮像した映像を表示する。すなわち、加工対象物１０の加工部位（表面に形成されたＶ字型損傷ライン）は、ＣＣＤカメラ１２７およびモニタ１３１によって観察される。

加工対象物１０としては、サファイア／ＧａＮ層からなる二層構造体やシリコンウエハ以外にも、シリカガラス（Ｅｇ≒９ｅＶ）やパイレックス（登録商標）ガラスなどのガラス類およびダイヤモンド（Ｅｇ≒５.５ｅＶ）などでもよい。

次に、上記構成を有するレーザ加工装置１００を用いた加工工程について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本発明の一実施の形態におけるレーザ加工工程を示すフローチャートであり、図７は、本発明の一実施の形態における加工工程を示す工程別概略図である。ここでは、加工対象物は、例えば、サファイア／ＧａＮ層からなる二層構造体であるものとする。また、レーザは、例えば、ナノ秒パルス発振のＮｄ：ＹＡＧレーザであるものとする。

まず、ステップＳ１０００では、加工対象物１０に対するレーザ光源１０１の最適なレーザ強度を決定する。上記のように、波長３５５ｎｍのレーザ光は多光子吸収を効率よく誘起することができる。また、上記のように、サファイアに対しては１パルスあたり２０μＪ以下のエネルギ（対物レンズ通過後に測定）を有するレーザ光を用いることにより、プラズマを生起することなく、加工対象物の切断に好適な損傷ラインを形成することができる。このような光学配置とパルスエネルギが低いレーザ光を用いることにより、半導体層（ＧａＮ層１０ｂ）に与える光学的損傷を大幅に回避することができる。

そして、ステップＳ１１００では、加工用レーザの集光位置を決定する。アスペクト比が低い幅広のＶ字型の損傷ラインを形成するために、加工対象物１０の表面と略同一面にレーザ光の焦点を結ばせる。特に、走査方向と直交する垂直方向集光ビームスポット７が加工対象物表面と略同一面に位置し、走査方向と平行な水平方向集光ビームスポット８が加工対象物内部に位置するように、且つ、加工対象物１０の一端に焦点を結ばせる（図７（Ａ）参照）。

なお、ここでは、加工対象物１０の表面と略同一面にレーザ光の焦点を結ばせるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、加工用レーザの波長が加工対象物１０に対して透明である（つまり、吸収されない）場合においては、加工用レーザは加工対象物１０内を透過可能であるため、加工対象物１０の裏面と略同一面にレーザ光の焦点を結ばせるようにしても同様の効果を得ることができる。

そして、ステップＳ１２００では、コンピュータ１２９に対して切断予定ラインのプログラミングを行う。

そして、ステップＳ１３００では、加工対象物１０をステージ１１３の載置台に載置して位置決めを行う。このとき、計測用光源１１５および照明用光源１２５をオンする。

そして、ステップＳ１４００では、レーザ光源１０１をオンして、例えば、波長３５５ｎｍのレーザ光を加工対象物１０の切断予定ライン１１に照射する。そして、切断予定ライン１１に沿うようにステージ１１３を走査して、加工対象物１０の一端から、切断予定ライン１１に沿って、損傷ラインを形成する（図７（Ｂ）参照）。

そして、ステップＳ１５００では、切断を確実なものとするため、ステップＳ１４００でレーザ光を照射した切断予定ライン１１に沿って、２回目のレーザ照射を行う。このとき、集光位置を、ステップＳ１４００の集光位置よりも僅かに加工対象物１０の表面側に変更する。これにより、Ｖ字型損傷のアスペクト比を変化させることができる。後述する実施例３によれば、２回の照射走査を行うことにより、シリコンウエハに対して、Ｖ字型損傷の底部から、さらに垂直に損傷を成長させた「Ｙ字型」の損傷を形成することも可能になる。

なお、ステップＳ１５００の操作はオプションであって、常に行う必要はない。ただし、加工対象物１０の厚さによっては、本処理を追加することにより、確実な切断を行うことが可能になる。

そして、ステップＳ１６００では、ステップＳ１４００およびステップＳ１５００を通じて、加工対象物１０の表面に切断予定ライン１１に沿って損傷ラインを配列形成する（図７（Ｃ）参照）。そして、形成した当該損傷ラインに機械的応力を印可して切断を行う。これにより、加工対象物（ここでは、サファイア基板／ＧａＮ層からなるデバイスの板）９は、切断端に所定の角度を有する２つの斜面１１ａおよび１１ｂが形成され、角が面取りされた微小なチップに切断（ダイシング）される（図７（Ｄ）参照）。

このように、本実施の形態によれば、確実かつ効率的に多光子吸収を誘起可能なレーザ光により形成した四面体型集光スポット９を利用してスクライビングを行うため、サファイアなどの硬質結晶体に対しても、アスペクト比が低い幅広のＶ字型損傷ラインを形成することができる。また、２回目の照射走査を行うことにより、上記Ｖ字型損傷の底部から、さらに垂直に損傷を成長させた「Ｙ字型」の損傷を形成することができる。さらに、加工対象物１０の種類によっては、形成した損傷ラインに応力を加えることなく（２回のレーザ照射のみで）、加工対象物１０を切断することもできる。

次に、本発明者が行った本発明の効果および優位性を実証するための実験結果について説明する。図８は、サファイア／ＧａＮに対して、１回のレーザ照射を行った実験結果を示す図であり、図９は、シリコンウエハ／ＴｉＮに対して、１回のレーザ照射を行った実験結果を示す図であり、図１０は、シリコンウエハ／ＴｉＮに対して、２回のレーザ照射を行った実験結果を示す図である。なお、本発明は、次の実施例に限定して解釈されるものではない。

実施例１では、本発明のレーザ加工方法を用いてサファイア／ＧａＮの表面に、レーザを１回照射して、アスペクト比が低い幅広のＶ字型となる損傷ラインを形成して切断する実験を行った。条件は、次の通りである。
・加工対象物：サファイア／ＧａＮ（サファイア側からレーザ照射）
・レーザ：波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ、パルス幅１０ナノ秒
・レーザ出力：１７μＪ（１パルスあたり、対物レンズ通過後の試料位置において測定）
・レーザ発振繰り返し周波数：５０ｋＨｚ
・テレスコープ倍率：３倍
・シリンドリカルレンズ光学系：焦点距離１００ｍｍの凹型、凸型の２枚のシリンドリカルレンズを使用。２枚のシリンドリカルレンズの距離は１７５ｎｍ。
・対物レンズ：倍率２０倍
・四面体型集光スポットにおける線状集光スポットの長さ：２０μｍ
・四面体型集光スポットにおける２つの線状集光スポット間の距離：２４μｍ
・ビーム走査回数：１回
・試料ステージ駆動速度：１０ｍｍ／ｓ
・照射集光位置：走査方向と直交する垂直方向集光ビームスポットが加工対象物表面と略同一面に位置し、走査方向と平行な水平方向集光ビームスポットが加工対象物内部に位置する。

図８（Ａ）は、上記条件で形成された損傷ラインの断面を示す顕微鏡写真であり、図８（Ｂ）は、その損傷機構の上面（サファイア側）を示す顕微鏡写真であり、図８（Ｃ）は、加工対象物の裏側（ＧａＮ側）を示す顕微鏡写真である。図８（Ａ）から分かるように、実施例１では、アスペクト比が低い幅広のＶ字形の断面を有する損傷ラインが観測されており、その幅は２６μｍであり、深さは２４μｍであった（つまり、アスペクト比ｒ＜１）。また、図８（Ｂ）からは、このような断面を有する損傷ラインがサファイア基板に刻まれ、スクライビングが達成されていることが分かった。また、図８（Ｃ）からは、照射側の裏面、つまり、ＧａＮデバイス層には全く損傷がないことが分かった。

また、形成された損傷ラインを起点にして、加工対象物であるサファイア／ＧａＮを切断したところ、切断端は、所定の角度を有する２つの斜面が形成され、角が面取りされた状態となっていた。さらに、切断したデバイスに対してエレクトロルミネッセンス発光試験を行ったところ、発光の取り出し（抽出）効率は、損傷ラインを有しないデバイスと比較して、３０％以上の向上を示した。

実施例１によれば、本発明のレーザ加工方法により刻まれた損傷ライン以外の箇所には、クラック（損傷）の成長や破壊などは全く観測されなかった。従って、本発明のレーザ加工方法が、高い加工精度と加工形状制御性を有しており、サファイアに対して、所望の形状およびサイズの損傷を１回のビーム走査で正確に刻むことが可能であることが分かった。さらに、当該レーザ加工方法で切断したデバイスの動作性能が向上することが分かった。

実施例２では、本発明のレーザ加工方法を用いてシリコンウエハ／ＴｉＮの表面にレーザを１回照射して、アスペクト比が低い幅広のＶ字型となる損傷ラインを形成して切断する実験を行った。条件は、次の通りである。
・加工対象物：シリコンウエハ／ＴｉＮ（シリコン側からレーザ照射）
・レーザ：波長１２３０ｎｍのチタンファイアレーザの光パラメトリック増幅光、パルス幅１５０フェムト秒
・レーザ出力：４μＪ（１パルスあたり、対物レンズ通過後の試料位置において測定）
・レーザ発振繰り返し周波数：１ｋＨｚ
・テレスコープ倍率：１〜５倍
・シリンドリカルレンズ光学系：焦点距離２００ｍｍの凹型シリンドリカルレンズを１枚使用。
・対物レンズ：倍率５０倍、ＮＡ＝０.４２
・四面体型集光スポットにおける線状集光スポットの長さ：４０μｍ
・四面体型集光スポットにおける２つの線状集光スポット間の距離：５０μｍ
・ビーム走査回数：１回
・試料ステージ駆動速度：２０μｍ／ｓ
・照射集光位置：走査方向と直交する垂直方向集光ビームスポットが加工対象物表面と略同一面に位置し、走査方向と平行な水平方向集光ビームスポットが加工対象物内部に位置する。

図９（Ａ）は、上記条件で形成された損傷ラインの断面を示す顕微鏡写真であり、図９（Ｂ）は、その拡大写真である。図９（Ａ）〜（Ｂ）から分かるように、実施例２でも、アスペクト比が低い幅広のＶ字形の断面を有する損傷が観測されており、その幅は４６μｍであり、深さは２１μｍであった（つまり、アスペクト比ｒ＜０.５）。また、照射面の裏側、つまり、ＴｉＮデバイス層には全く損傷がないことが分かった。

実施例２によれば、本発明のレーザ加工方法により刻まれた損傷ライン以外の箇所には、クラック（損傷）の成長や破壊などは全く観測されなかった。従って、本発明のレーザ加工方法が、高い加工精度と加工形状制御性を有しており、シリコンウエハに対しても、所望の形状およびサイズの損傷を１回のビーム走査で正確に刻むことが可能であることが分かった。

実施例３では、本発明のレーザ加工方法を用いてシリコンウエハ／ＴｉＮの表面に、レーザを２回照射し、アスペクト比が低い幅広のＹ字型となる損傷ラインを形成して切断する実験を行った。条件は次の通りである。
・加工対象物：シリコンウエハ／ＴｉＮ（シリコン側からレーザ照射）
・レーザ：波長１２３０ｎｍのチタンファイアレーザの光パラメトリック増幅光、パルス幅１５０フェムト秒
・レーザ出力：６μＪ（１パルスあたり、対物レンズ通過後の試料位置において測定）
・レーザ発振繰り返し周波数：１ｋＨｚ
・テレスコープ倍率：１〜５倍
・シリンドリカルレンズ光学系：焦点距離２００ｍｍの凹型シリンドリカルレンズを１枚使用。
・対物レンズ：倍率５０倍、ＮＡ＝０.４２
・四面体型集光スポットにおける線状集光スポットの長さ：５０μｍ
・四面体型集光スポットにおける２つの線状集光スポット間の距離：５０μｍ
・ビーム走査回数：２回
・試料ステージ駆動速度：２０μｍ／ｓ
・照射集光位置：１回目の照射においては、走査方向と直交する垂直方向集光ビームスポットが加工対象物表面より下方７０μｍに位置し、走査方向と平行な水平方向集光ビームスポットが上記垂直方向集光ビームスポットよりもさらに下方内部に位置する。また、２回目の照射においては、走査方向と直交する垂直方向集光ビームスポットが加工対象物表面と略同一面に位置し、走査方向と平行な水平方向集光ビームスポットが加工対象物内部に位置する。

図１０（Ａ）は、上記条件で形成された損傷ラインの断面を示す顕微鏡写真であり、図１０（Ｂ）は、その拡大写真である。図１０（Ａ）〜（Ｂ）から分かるように、実施例３では、アスペクト比が低い幅広のＹ字形の断面を有する損傷が観測されており、その幅は５３μｍであり、Ｙ字型損傷の上下の深さは９０μｍであった。また、照射面の裏側、つまり、ＴｉＮデバイス層には全く損傷がないことが分かった。

実施例３によれば、本発明のレーザ加工方法が、高い加工精度と加工形状制御性を有しており、シリコンウエハに対して、所望の形状およびサイズの損傷、例えば、Ｖ字型だけでなくＹ字型の損傷を２回のビーム走査で正確に刻むことが可能であることが分かった。

本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、例えば、代表的な半導体デバイス用基板であるサファイアなどの透明誘電体材料基板に所望のアスペクト比を有する損傷ラインを形成し、更に、当該損傷ラインを起点にして材料基板を切断することにより、切断端に、所定の角度を有する２つの斜面が形成され、角が面取りされた状態となるように当該材料基板を切断することができるため、加工対象物を切断するのに好適なレーザ加工装置およびレーザ加工方法として有用である。

（Ａ）本発明に係るレーザ加工方法により形成された損傷ラインを示す図、（Ｂ）損傷ラインを起点として切断した加工対象物の切断端を示す図 （Ａ）シリンドリカルレンズに入射したレーザビームの成分を示す斜視図、（Ｂ）シリンドリカルレンズに入射したレーザビームの成分を示す平面図、（Ｃ）四面体型集光スポットの一例を示す図、（Ｄ）四面体型集光スポットの他の一例を示す図、（Ｅ）四面体型集光スポットの他の一例を示す図、（Ｆ）四面体型集光スポットが形成される光学系における光線軌跡を示す図 四面体型集光スポットを用いて加工対象物上に損傷ラインを形成する工程を示す概念図 （Ａ）四面体型集光スポットを加工対象物の上方に集光した図、（Ｂ）四面体型集光スポットを加工対象物の表面と略同一面に集光した図、（Ｃ）四面体型集光スポットを加工対象物の内部に集光した図 本発明の一実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態におけるレーザ加工工程を示すフローチャート 本発明の一実施の形態における加工工程を示す工程別概略図 （Ａ）本発明の実施例１における損傷の断面を示す顕微鏡写真、（Ｂ）その損傷機構の上面（サファイア側）を示す顕微鏡写真、（Ｃ）加工対象物の裏側（ＧａＮ側）を示す顕微鏡写真 （Ａ）本発明の実施例２における損傷の断面を示す顕微鏡写真、（Ｂ）その拡大写真 （Ａ）本発明の実施例３における損傷の断面を示す顕微鏡写真、（Ｂ）その拡大写真

符号の説明

１ レーザビーム
２ 凹型シリンドリカルレンズ
３ 凸型シリンドリカルレンズ
４ 円形レンズ
５ 水平方向に発散するレーザビーム
６ 垂直方向に直進するレーザビーム
７ 垂直方向集光ビームスポット
８ 水平方向集光ビームスポット
９ 四面体型集光スポット
１０ 加工対象物
１１ 切断予定ライン
１００ レーザ加工装置
１０１ レーザ光源
１０３ テレスコープ光学系
１０５ 非点収差発生用光学系
１０７ ダイクロイックミラー
１０９ 対物レンズ
１１１ 保護用窓プレート
１１３ ステージ
１１５ 計測用光源
１１７ ビーム整形器
１１９ ハーフミラー
１２１ 光検出器
１２３ コントローラ
１２５ 照明用光源
１２７ ＣＣＤカメラ
１２９ コンピュータ
１３１ モニタ

Claims (4)

1. 加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物にＶ字状の損傷領域を形成するレーザ加工装置であって、
   前記加工対象物を透過可能なパルスレーザ光をシリンドリカルレンズを通して集光させて、非点収差により線状の第１焦点および線状の第２焦点を形成し、前記第１焦点および前記第２焦点近傍に損傷領域を形成する光学系と、
   前記第１焦点および前記第２焦点と前記加工対象物とを、前記切断予定ラインに沿って相対移動させる走査手段と、を有し、
   前記第１焦点を、前記第２焦点よりも前記光学系側に、かつ前記加工対象物の表面と略同一面に形成し、
   前記第２焦点を、前記加工対象物の内部に形成し、
   前記第１焦点の軸を、前記パルスレーザ光の光軸に直交させ、かつ前記切断予定ラインに直交させ、
   前記第２焦点の軸を、前記パルスレーザ光の光軸に直交させ、かつ前記切断予定ラインに平行にする、
   レーザ加工装置。
2. 前記光学系は、開口数が０.３〜１.３の範囲内の対物レンズをさらに有し、
   前記パルスレーザ光は、前記シリンドリカルレンズを通過した後、前記対物レンズを通過する、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 加工対象物の切断予定ラインに沿って前記加工対象物にＶ字状の損傷領域を形成するレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物を透過可能なパルスレーザ光をシリンドリカルレンズを通して集光させて、非点収差により線状の第１焦点および線状の第２焦点を形成し、前記第１焦点および前記第２焦点近傍に損傷領域を形成する工程と、
   前記第１焦点および前記第２焦点と前記加工対象物とを、前記切断予定ラインに沿って相対移動させる工程と、を有し、
   前記第１焦点を、前記第２焦点よりも前記シリンドリカルレンズ側に、かつ前記加工対象物の表面と略同一面に形成し、
   前記第２焦点を、前記加工対象物の内部に形成し、
   前記第１焦点の軸を、前記パルスレーザ光の光軸に直交させ、かつ前記切断予定ラインに直交させ、
   前記第２焦点の軸を、前記パルスレーザ光の光軸に直交させ、かつ前記切断予定ラインに平行にする、
   レーザ加工方法。
4. 前記パルスレーザ光は、前記シリンドリカルレンズを通過した後、対物レンズを通過し、
   前記対物レンズは、開口数が０.３〜１.３の範囲内である、
   請求項３に記載のレーザ加工方法。