JP4751319B2 - ２焦点への光ビームの集束 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームを２つの焦点に集束させる装置および方法に関する。本発明は、特に、レーザ切削加工（ただし、それには限定されない）に使用され、さらに具体的に言えば、シリコン・ウェーハのレーザ・ダイシングに使用される。

厚い金属薄板を切削加工するのに、単一のレーザ光源から２つの焦点を用いるレーザ切削加工が知られている。２つの焦点は、ＦＯＲＣＥ研究所（デンマーク）にて発明されたデュアル・フォーカス・レンズを用いて、単一のレーザ光源から生み出される。レーザビームは、中央部分の焦点距離が他の部分の焦点距離よりも長いレンズを用いて、集束する。このようなデュアル・フォーカス・レンズ系は、厚い金属薄板を切削加工するために、例えば、ＷＯ０３／０１８２４６およびＵＳ６，１７５，０９６に開示されている。このデュアル・フォーカス・レンズは、切削加工のスループットおよび品質を向上させるが、ただし、このレンズの寿命が短い点と、費用が高いという点で制限を受ける。特にシリコン・ウェーハのダイシングに対して、さらに重要なことには、この手法の主な欠点は、公知のデュアル・フォーカス・レンズがテレセントリックでないことであり、したがって、レーザビームを、切削加工される加工物（ワーク）の全域にわたって、ガルバノメータ・ミラーを用いてスキャンすることはできないが、ただし、並進テーブルを用いてのみスキャンできる。なぜなら、スキャニングの間、このデュアル・フォーカス・レンズの正方形視野域の全域にわたって、一様なビーム焦点が得られなくなるからである。このことは、半導体ウェーハのダイシング用の現行デュアル・フォーカス手法に、重大なスループット制限を負わせる。さらに、このデュアル・フォーカス・レンズでは、半導体ウェーハのダイシングに必要とされるこれら２つの焦点間のミクロン・レンジの間隔は与えられない。ＥＰ０７０６０７２は、ビーム分割と差分収束の部品から単一の集光レンズを切り離すことで、有利な製造費とメンテナンス費が要求されるシステムを開示している。焦点が並んでいる２つのビームを加工物上でスキャンすることが制限されることも、開示されている。しかしながら、少なくともいくつかの実施形態では、ＥＰ０７０６７２は、曲率の異なる区分（セグメント）を持つミラーを用いて、複数の焦点を生み出すことを開示している。この手段により、この単一ビームが、開き角の異なるビームの断片に分けられる。このように区分（セグメント）を持つミラーは、標準の光学部品ではなく、特別に製造される必要があろう。さらに、この手段により、ガウス輪郭（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）がもう維持されなくなり、この開示された装置は、厚さ数ｍｍという厚い加工物のレーザ加工にのみ適している。同一光軸上で異なる焦点が加工物中の上下にあるビーム・スキャニングは、開示されていない。

シリコン・ウェーハのダイシングは、目下、半導体集積回路の製造において不可欠なプロセスである。製造の間に、シリコンの集積回路またはチップは、常態では、多数のチップから成るウェーハから、ダイヤモンド刃を付けたソー・ブレード（ｓａｗ ｂｌａｄｅ）を用いて、切り離される。しかしながら、このような研摩ダイシングの使用は、精度を上げ、切溝（カーフ）幅を小さくし、ダイシング品質を高めるのに、半導体業界の要件を満たしていない。ソー・ダイシングの問題には、次のものがある：
１．ブレード摩耗による一定のダイシング品質の欠如。
２．ソー・ブレードの減損が大きいことによる高コスト。
３．ダイのチッピング。
４．ダイ中の機械的応力とクラック形成。
５．非常に薄いウェーハに適していないこと。
６．直線以外の輪郭にカットすることができないこと。

上述の問題は、パルス・レーザ・ダイシングを用いれば、解決できる。しかしながら、レーザ・ダイシングは、ストリート幅とダイシング品質の点からソー・ブレード・ダイシングと対抗できるとはいえ、レーザ・ダイシングは、ウェーハ基板が約１００μｍよりも厚い場合に、ダイシング速度の点から競えず、それゆえ、レーザ・ダイシングは、厚さが１００μｍより小さな薄いウェーハだけをダイシングするために、現在使用されている。図１は、ウェーハ厚さの関数として、機械式ソー・ダイシング用のダイシング速度（曲線１１）とレーザ・ダイシング用のダイシング速度（曲線１２）をグラフで示している。このグラフは、１００μｍを超えるウェーハ厚さでは、レーザ・ダイシングが、ダイシング速度において、ソー・ブレード・ダイシングとは対抗できないことを示している。レーザ・ダイシングのダイシング速度がきわめて遅いと、スループットが不充分となり、それにより、レーザ・ウェーハ・ダイシングの適用範囲が制限される。レーザ・ダイシングを、さらに厚いウェーハまで広げるためには、１００μｍよりも厚いウェーハ厚さでのダイシング速度を高めなければならない。

本発明の目的は、少なくとも、従来技術の上記欠陥を改善することである。

本発明の第１の面により、偏光した入射レーザビームを分割して、第１のレーザビームと第２のレーザビームを形成するプレート型偏光ビーム・スプリッタ手段、第２のレーザビームのものとは異なる発散または収束を持つ第１のレーザビームを提供する円弧状の反射手段を含む光ビーム修正手段、第１の焦点と第２の焦点の少なくとも１つが集光手段の焦点にないように、第１のレーザビームを、ほぼ集光手段の光軸上の第１の焦点に集束させ、また、第２のレーザビームを、この光軸上の第２の焦点に集束させる集光手段、および、第１のレーザビーム（２４）と第２のレーザビーム（２５）を、加工物（４５）の全域にわたってスキャンして、加工物を切削加工するガルバノメータ手段（４４）を備えるレーザ切削加工装置が提供される。

有利には、この円弧状の反射手段は、凸面鏡から成っている。

好ましくは、第１の焦点と第２の焦点との間隔は、この円弧状の反射手段の曲率半径を選択することで選択できる。

有利には、第１の焦点と第２の焦点との間隔は、数ミリメートル〜数十分の１ミクロンである。

好都合にも、レーザ切削加工装置はさらに、入射レーザビームを発生させるレーザビーム発生手段も含む。

有利には、プレート型偏光ビーム・スプリッタ手段は、第１の偏光部品を用いて第１のビームをほぼ反射させ、かつ、第２の偏光部品を用いて第２のビームをほぼ透過させる偏光依存層を含む。

好都合にも、偏光した入射レーザビームは、ほぼコリメートされる。

好都合にも、第１のレーザビームは、ほぼコリメートされ、また第２のレーザビームは、光ビーム修正手段により、修正後に発散する。

好ましくは、偏光した入射レーザビームは、パルス状である。

有利には、レーザ切削加工装置はさらに、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームに対して、加工物を移動させる並進テーブル手段を含む。

好都合にも、第１のレーザビームと第２のレーザビームが干渉して干渉縞を形成する場合に、この装置はさらに、干渉縞の像を利用して、ガルバノメータ手段に関連するスキャニング・レンズの光軸上に第１の焦点と第２の焦点を置く結像手段および関連制御手段を含む。

好ましくは、レーザ切削加工装置はさらに、加工物の切削加工の間、入射レーザビーム・パワー、パルス繰返し数、ガルバノメータ・スキャニング速度の少なくとも１つを制御するスキャニング戦略制御手段を含む。

有利には、レーザ切削加工装置はさらに、切削加工速度を向上させる処置、切削屑の除去を向上させる処置、および、切削加工された加工物の強度を高める処置の少なくとも１つのために、ガス補助手段（ｇａｓ ａｓｓｉｓｔ ｍｅａｎｓ）を含む。

有利には、レーザ切削加工装置はさらに、レーザ切削加工の間に生み出される切削屑（破片、ｄｅｂｒｉｓ）から加工物の表面を保護し、さらに、レーザ切削加工の後で、加工物の表面から切削屑の除去を容易ならしめるために、レーザ切削加工の前に、加工物の表面に保護犠牲膜を塗布するための塗布手段を含む。

好ましくは、レーザ切削加工装置は、レーザ切削加工の後で、保護犠牲膜を除去する塗膜除去手段を含む。

好都合にも、レーザ切削加工装置は、シリコン・ウェーハをダイシングするように配置されている。

有利には、レーザビームの有効焦点深度が拡大される。

好都合にも、レーザ切削加工装置は、ダイシング切溝（カーフ）を減らし、それにより、１ウェーハ当たりのダイの最大数を増やすように構成されている。

好都合にも、アスペクト比を大きくしたビアのマイクロマシニング（微細機械加工）と、向上したスループットのために、レーザビームの有効切削加工焦点深度が拡大される。

有利には、レーザ切削加工装置は、ウェーハをスクライブして、材料を除去するように構成されている。

本発明の第２の面により、偏光した入射光ビームを分割して、第１の光ビームと第２の光ビームを形成する光学プレート型偏光ビーム・スプリッタ手段、第１の光ビームのものとは異なる発散または収束を持つ第２の光ビームを提供する円弧状の反射手段を含む光ビーム修正手段、および、第１の焦点と第２の焦点の少なくとも１つが集光手段の焦点にないように、第１の光ビームを、集光手段の光軸上の第１の焦点に集束させ、また、第２の光ビームを、この光軸上の第２の焦点に集束させる集光手段を含む、この偏光した入射光ビームを集束させる集光装置が提供される。

好都合にも、この円弧状の反射手段は、凸面鏡から成っている。

好ましくは、プレート型偏光ビーム・スプリッタ手段は、第１の偏光部品を用いて第１の光ビームをほぼ反射させ、かつ、第２の偏光部品を用いて第２の光ビームをほぼ透過させる偏光依存層を含む。

本発明の第３の面により、プレート型偏光ビーム・スプリッタを用いて、偏光した入射レーザビームを分割して、第１のレーザビームと第２のレーザビームを形成するステップ、円弧状の反射手段を用いて、第１のレーザビームのものとは異なる発散または収束を持つ第２のレーザビームを提供するように、少なくとも第２のレーザビームを修正するステップ、集光手段を提供するステップ、第１の焦点と第２の焦点の少なくとも１つが集光手段の焦点にないように、集光手段を使用して、第１のレーザビームを、集光手段の光軸上の第１の焦点に集束させ、また、第２のレーザビームを、この光軸上の第２の焦点に集束させるステップ、および、ガルバノメータ手段を使用して、第１のレーザビームと第２のレーザビームを、加工物の全域にわたってスキャンして、加工物を切削加工するステップを含む、レーザで加工物を切削加工する方法が提供される。

好ましくは、この方法は、ガルバノメータ手段を使用して、第１のレーザビームと第２のレーザビームを、加工物の全域にわたってスキャンするさらなるステップを含む。

好都合にも、この円弧状の反射手段は、凸面鏡から成っている。

好ましくは、入射レーザビームを分割するステップは、第１の偏光部品を用いて第１のレーザビームをほぼ反射させ、かつ、第２の偏光部品を用いて第２のレーザビームをほぼ透過させるための偏光依存層を使用するステップを含む。

好ましくは、この方法は、並進テーブル手段を用いて、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームに対して加工物を移動させるさらなるステップを含む。

有利には、この方法は、第１のレーザビームと第２のレーザビームの干渉により形成される干渉縞の像を利用する結像手段および関連制御手段を用いて、ガルバノメータ手段に関連するスキャニング・レンズの光軸上に第１の焦点と第２の焦点を置くさらなるステップを含む。

好ましくは、この方法は、加工物の切削加工の間、入射レーザビーム・パワー、パルス繰返し数、ガルバノメータ・スキャニング速度の少なくとも１つを制御するさらなるステップを含む。

好ましくは、この方法は、切削加工速度を向上させる処置、切削屑の除去を向上させる処置、および、切削加工された加工物の強度を高める処置の少なくとも１つのために、ガス補助手段を提供するさらなるステップを含む。

有利には、この方法は、レーザ切削加工の前に、加工物の表面に保護犠牲膜を塗布するさらなるステップを含む。

好ましくは、この方法は、レーザ切削加工の後で、保護犠牲膜を除去するさらなるステップを含む。

有利には、この方法は、シリコン・ウェーハをダイシングするように配置されている。

好都合にも、第１の焦点と第２の焦点との間隔は、数ミリメートル〜数十分の１ミクロンである。

有利には、第１の焦点と第２の焦点との間隔は、この円弧状の反射手段の曲率半径を選択することで選択できる。

好都合にも、このレーザビームの焦点深度は、高アスペクト比のマイクロマシニングに充分である。

有利には、ダイシング切溝は、１ウェーハ当たりのダイの最大数を増やすのに充分減らされる。

好都合にも、この方法は、シリコン・ウェーハに、高アスペクト比のマイクロ・ビアを穴明けするように構成されている。

有利には、この方法は、ウェーハをスクライブして、ウェーハから材料を除去するように構成されている。

本発明の第４の面により、プレート型偏光ビーム・スプリッタを用いて、偏光した入射光ビームを分割して、第１の光ビームと第２の光ビームを形成するステップ、円弧状の反射手段を用いて、第１の光ビームのものとは異なる発散または収束を持つ第２の光ビームを提供するように、少なくとも第２の光ビームを修正するステップ、集光手段を提供するステップ、および、第１の焦点と第２の焦点の少なくとも１つが集光手段の焦点にないように、集光手段を使用して、第１の光ビームを、集光手段の光軸上の第１の焦点に集束させ、また、第２の光ビームを、この光軸上の第２の焦点に集束させるステップを含む、この偏光した入射光ビームを集束させる方法が提供される。

有利には、この円弧状の反射手段は、凸面鏡から成っている。

好ましくは、入射光ビームを分割するステップは、第１の偏光部品を用いて第１の光ビームをほぼ透過させ、かつ、第２の偏光部品を用いて第２の光ビームをほぼ反射させるための偏光依存層を使用するステップを含む。

次に、例示として添付図面を参照して、本発明を説明する。

これらの図において、同じ参照数字は、同じ部分を示している。

単一の入射光ビームから２つの焦点を生成する本発明の第１の面による装置が、図２に示されている。コリメートされた直線偏光、円偏光、または楕円偏光のレーザビーム２１は、プレート型偏光ビーム・スプリッタ２２の第１の面２２１に、傾斜角で入射する。図３にもっともよく示さているように、楕円偏光のレーザビーム２１が第１の面２２１に入射角θで入射する場合には、プレート型偏光ビーム・スプリッタ２２は、レーザビーム２１を分割して、反射する第１のレーザビーム２４と、透過する第２のレーザビーム２５を形成する。好ましくは、第１の面２２１は、第１の面２２１にてエネルギー損失を減らすために、反射防止膜（図示されてない）を持っている。ｓ偏光した光を反射させて、反射する第１のレーザビーム２４を形成する一方で、ｐ偏光した光を透過させて、透過する第２のレーザビーム２５を形成するように、第２の面２２２は、ｓ型の偏光膜２２３を持っている。ｐ型の偏光膜を使用する場合には、透過するビームと反射するビームの偏光が逆にされるはずである。再び、図２を参照すると、プレート型偏光ビーム・スプリッタ２２を透過する第２のレーザビーム２５は、Ｒの曲率半径を持つ凸面鏡２３に入射して、発散する第２のレーザビームとして、正反射して、ビーム・スプリッタ２２を経て戻る。それゆえ、プレート型偏光ビーム・スプリッタ２２と凸面鏡２３を組み合わせたものからの出力は、開き角が異なる２つの共線的（コリニア、ｃｏｌｌｉｎｅａｒ）レーザビーム２４、２５である。これら２つのビームは干渉して、干渉縞を形成することがある。図２に示される実施形態では、入射レーザビーム２１がコリメートされるから、コリメートされたレーザビーム２１の反射である反射する第１のレーザビーム２４もコリメートされるが、一方、第２のレーザビーム２５は、θ”の開き角を持っている。ここで、θ”＝Ｄ／Ｒであり、また、Ｄは、レーザビーム２１の直径である。

プレート型偏光ビーム・スプリッタ２２から出射する第１のレーザビーム２４と第２のレーザビーム２５は、スキャニング・レンズ２６にほぼ垂直に入射する。第１のレーザビーム２４と第２のレーザビーム２５は、テレセントリック・スキャニング・レンズ２６および／またはｆ−θスキャニング・レンズ２６により、それぞれ第１の焦点２７と第２の焦点２８に集束する。第１の焦点２７は、第２の焦点２８よりも、レンズ２６により近い。第１の焦点２７と第２の焦点２８との間隔は、凸面鏡２３の曲率半径Ｒによって決まる。それゆえ、これらの焦点間の間隔は、半径の異なる別のミラーを代用することで、変更できる。例えば、半導体ウェーハをダイシングするのに、数ミリメートル〜数十分の１ミクロンの間隔が適切であることがわかる。第１の焦点が加工物の第１の面上に図示され、また、第２の焦点が、第１の焦点と、加工物の対向する第２の面との間に図示されているが、これは、必ずしも、好ましい切削加工法とは限らない。例えば、第１の焦点は、第１の面から離れた所にあるかもしれない。第１のレーザビームと第２のレーザビームのいずれかがコリメートされる場合には、そのビームは、それらのスキャニング・レンズの焦点に集束することになる。そうでなければ、どちらの焦点も、スキャニング・レンズの焦点にはないであろう。

第１の焦点２７のスポット・サイズω_{０ ｆｉｒｓｔ}は、次式として書き表すことができる。

ω_{０ ｆｉｒｓｔ}＝２λｆ／Ｄ’（１）

ここで、ｆは、レンズ２６の有効焦点距離である。

ビーム・スプリッタは偏光に左右されると述べられてきたが、必ずしも偏光に左右されない他の形式のビーム・スプリッタ（例えば、半鍍銀のミラー）が、効率を下げる可能性があっても、使用される場合があることが明らかであろう。

同様に、第２のビームの発散を変更するために、凸面鏡の使用が述べられてきたが、ビーム・スプリッタからの一方の出射ビームの発散または収束を、他方の出射ビームに対して変更して、双方のビームを、同一経路に沿って集光レンズまたは集光系に戻す任意の光学部品または光学部品の任意の組合せ（例えば、レンズまたは凹面鏡）が使用されることもある。

図４は、本発明の第１の面の集光装置を用いてシリコン・ウェーハのダイシングを行うための２焦点レーザ・アブレーション用の総合光学系を示しているが、ただし、本発明は、同様に、他のタイプの半導体、あるいは、他の材料、加工物、基板、またはウェーハをダイシングするか、あるいは切削加工するのに適していると理解されよう。レーザ光源４１は、パルス・レーザビーム２１を発生させる。一般に、このレーザは、ナノ秒、ピコ秒、またはフェムト秒のパルスを生じさせる。本発明の一実施形態では、このレーザビームは、好都合にも、７Ｗ〜１５Ｗの平均パワー、５０〜１００ｋＨｚの繰返し数、および、数１０ナノ秒の範囲内のパルス幅を持っている。レーザ光源４１から送り出されるレーザビーム２１は、直線偏光される。必要であれば、デュアル・フォーカス光学機構の前に波長板（ウェーブ・プレート）を配置して、レーザビームの偏光を楕円偏光または円偏光に変換することがある。レーザビーム２１が入射角θにてプレート型偏光ビーム・スプリッタ２２に入射するように、レーザビーム２１に対して第１の平面鏡４２を傾斜させることで、レーザビーム２１が、図２に示されるビーム分割光学素子２２、２３に入射するように向けられる。

プレート型偏光ビーム・スプリッタ２２、２３から出射する第１のレーザビーム２４と第２のレーザビーム２５は、互いに異なる発散で、第２の傾斜平面鏡４３に入射し、そこで、第１のレーザビーム２４と第２のレーザビーム２５が反射して、一対のガルバノメータ・ミラー４４上に至る。ガルバノメータ・ミラー４４をスキャニング・レンズ２６の光学的に上流に位置づけて、第１のレーザビーム２４および第２のレーザビーム２５とほぼ垂直なウェーハ４５上で、第１のレーザビーム２４および第２のレーザビーム２５の高速ビーム・スキャニングを実現する。スキャニング・レンズ２６は、好ましくは、テレセントリックおよび／またはｆ−θのレンズである。このウェーハは、例えばシリコン、金属、または非金属でできていることがある。ウェーハ４５は、ダイシング・テープとテープ・リング４８に取り付けられる。ダイシングの間、レーザビームはウェーハを切り進むが、一方、ダイシング・テープは、カットされないか、あるいは、わずかにカットされるにすぎない。

平面鏡４２、４３は、コンパクトなレーザ切削加工システムを提供するためにだけ使用される。平面鏡４２、４３は、本発明の用途の要件により、他のやり方で配置されることがある。用途により、平面鏡４２、４３のいずれか、または双方を省くこともある。別法として、必要に応じて、このレーザ切削加工システムにミラーを追加することもある。

切削加工プロセスの間、ウェーハ４５を支持するＸＹ並進ステージ４６にウェーハ４５を取り付けて、ＸＹ並進ステージ４６を用いて、ウェーハ４５を、ダイシングの間、またスキャニング・レンズの視野により画成されるエリアのレーザ・ダイシングの後で、第１のレーザビーム２４および第２のレーザビーム２５に対して並進運動させる。

ＣＣＤカメラ４７は、ビーム・スプリッタ２２、２３から出射する第１のレーザビーム２４および第２のレーザビーム２５の光軸上において、部分反射および部分透過の第２の平面鏡４３の光学的に下流に位置づけられる。ＣＣＤカメラ４７は、第１のレーザビーム２４と第２のレーザビーム２５との干渉により形成された干渉縞の像を取り込む。この像を使用して、第１の焦点と第２の焦点を一直線上に置いて、これらの焦点が両方とも、スキャニング・レンズ２６の光軸上にくるようにする。すなわち、２つのレーザビームおよび焦点は、凸面鏡を回転させることにより、また、部分反射のミラー４３を通る光を、ＣＣＤカメラを用いて眺めることで、この光学系の光軸に揃えられる。部分反射のミラー４３により透過したこの光は、第１のレーザビームと第２のレーザビームの干渉により発生する干渉縞パターンを形成する。これらのビームが揃えられると、同心円のリング・パターンが生じ、また、ビームが揃えられないと、不規則な干渉縞パターンが生じる。これら２つの焦点が揃えられなければ、アブレーション速度が大幅に低下する。

このダイシング・プロセスの間、第１の焦点２７は、ウェーハ４５の上面に位置づけられるが、一方、第２の焦点２８は、図２に示されるように、ウェーハ材料のバルク中で、かつウェーハ４５の下面近くに位置づけられる。

ウェーハ・ダイシング用のカッティング戦略が用いられる。高速のカッティング速度と許容できる品質を得るために、レーザビーム２４とレーザビーム２５は、高速にて複数のサイクルの間、ダイシング・レーンに沿ってウェーハをスキャンする。適切なスキャニング速度は、数百ｍｍ／秒〜数千ｍｍ／秒である。このカッティング戦略の一例は、図５に示されている。高速のスキャニング速度にて、ウェーハ５２中のダイシング・レーン５１から、少量のシリコン材料を除去して、図５（ａ）に示されるように、ダイシング・レーン５１に沿って、浅い溝を形成する。ダイシング・レーン５１に沿ってさらに切り進むことにより、さらなるシリコンが、ウェーハ５２から、図５（ｂ）と図５（ｃ）に示されるように、一層ずつ（層５３、層５４、層５５）除去される。貫通カットを得るために、ｎサイクルの反復スキャニングが必要になると仮定すると、スキャニング速度ｖ_{ｓｃａｎｎｉｎｇ}を用いて、このダイシング・プロセスの切削加工速度ｖ_{ｍａｃｈｉｎｉｎｇ}が、次式から得られる。

Ｌ／ｖ_{ｍａｃｈｉｎｉｎｇ}＝ｎＬ／ｖ_{ｓｃａｎｎｉｎｇ}＋（ｎ−１）Ｔ

ここで、Ｌは、ダイシング・レーンの長さであり、また、Ｔは、それぞれのスキャニング・サイクルの終了時のスキャニング・ミラーの遅延時間を表わしている。それゆえ、最高切削加工速度を得るために、Ｔを極力短くしなければならない。それぞれのサイクルのスキャニング方向は、前回のスキャニング・サイクルの終了点が次回のサイクルの開始点であるようなやり方で配置される。図６に示されるように、ＡとＢがダイシング・レーン６０の２つの対向する両端を表わす場合、レーザビーム２４とレーザビーム２５が、第１サイクル６１において、ＡからＢにスキャンすると、このレーザビーム２４とレーザビーム２５は、第２サイクル６２において、ＢからＡにスキャンするといった具合である。このスキャニング速度とサイクル数は、最高の切削加工速度を得るために、試験により最適化される。

ウェーハ・ダイシング用の別のカッティング戦略は、２つのステップをともなう。第１に、レーザビーム２４とレーザビーム２５は、低速ｖ_{ｌｏｗｓｐｅｅｄ}にて、一度、ダイシング・レーンをスキャンして、ウェーハのバルクを切り進む。適切なスキャニング速度は、ウェーハの厚さに応じて、数ｍｍ／秒〜数十ｍｍ／秒の範囲内にある。この速度では、溶融材料または蒸発材料は、ダイシング・レーンに切削された溝から完全に逃げ出すことができない。大量の溶融材料または蒸発材料が、この溝の中に再び被着する。障害物のないカットを、ダイシング・レーンに沿って得るためには、レーザビームは、前段落に述べられたダイシング戦略を使用して、ウェーハの全域にわたって、ｎサイクルの間、スキャンする。この場合も、スキャニング速度とサイクル数は、最高の切削加工速度を得るために、試験により最適化されなければならない。このようなカッティング戦略では、総合切削加工速度は、次式により決定される。

Ｌ／ｖ_{ｍａｃｈｉｎｉｎｇ}＝Ｌ／ｖ_{ｌｏｗｓｐｅｅｄ}＋ｎＬ／ｖ_{ｓｃａｎｎｉｎｇ}＋ｎＴ

本発明は、主として半導体ウェーハのダイシングに応用されるものとして述べられてきたが、本発明は、他の用途もある。例えば、高アスペクト比のマイクロマシニングのために、レーザビームの焦点深度が拡大されることがある。同様に、本発明は、例えばシリコン・ウェーハへの高アスペクト比マイクロ・ビア穴明けに使用されることもある。

ダイシングの用途では、本発明の２つの焦点を使用することにより、幅を短くした切溝をダイ間に使用することができる。これは、所与のサイズのウェーハ上に収められるダイの数が増やせることを意味する。

本発明はまた、誘電率が低い（Ｋが小さい）材料をスクライブするためにも使用される場合がある。

切削加工されるウェーハまたは加工物が、集積回路チップ・パッケージ、マルチモジュールまたは高密度の相互接続回路基板などの多層電子デバイスを含む場合には、ハイ・パワーのレーザビームにじかに当てることにより、多層加工物の層への損傷が発生することがある。これは、これらの層が非常に薄いかもしれないからである。例えば、標準の金属成分層は、一般に５μｍの厚さを持ち、また、標準の有機誘電体層は、一般に３０μｍの厚さを持っている。ハイ・パワーのレーザビームがダイシングする多層ウェーハに損傷が発生することになれば、スクライビング・ダイシングのプロセスを使用して、多層ウェーハ上の層への損傷を排除する。ダイシングよりも前に、レーザビーム２４とレーザビーム２５が高速でウェーハをスクライブして、図６に示されるように、スクライブされた線７１を、ダイシング・レーン７２の両側に形成する。このスクライビングの切削加工速度は、ダイシングに用いられるものよりも速い。このような高速の切削加工速度では、シリコン・ウェーハ上の薄い層は、それらのエッジにまったく損傷を起こすことなく、シンギュレーション（分離、ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）が行われる。上述のダイシング・プロセスを使用して、このシリコン・ウェーハのうち、これらの薄い表面層の真下の残りの部分を分離する。

ガス補助装置または空気補助装置は、ダイシング速度をさらに向上させ、切削屑を減らし、ダイ強度を高めることがわかっている。それゆえ、ウェーハ表面に付けられるアルゴン、ＳＦ６、ＣＦ４、ＨＦＣ、ヘリウム、あるいは、クロロフルオロカーボン（フロンガス）またはハロカーボン・ガスの１つなどのガスが、ダイシング速度とダイシング品質をさらに高める。

切削加工の前に、この加工物に保護犠牲膜を塗布して、切削加工の間に生み出される切削屑から表面を保護することがある。この保護犠牲膜は、切削加工の後に除去されて、そのような切削屑の除去を容易ならしめる。

本発明は、単一入射ビームを持つビーム・スプリッタを使用するものが述べられてきたが、発散または収束の異なる複数の独立レーザビームを使用して、加工物に入射するこれらの組み合わされたビームの焦点深度を、事実上、複数の焦点の生成により拡大すれば、同一の利点が得られることが明らかになろう。

本発明は、以下に列挙される利点の少なくとも一部を与えることがある。
１．単一の焦点を用いて切り進むことが困難な厚い基板をカットできる利点。
集束スポットの焦点深度は、単一の焦点を持つレーザビームが切り進むことのできる最大の厚さを制限する。追加の焦点を取り入れることは、切削加工スポットの焦点深度を広げ、それにより、ダイシングの深度を拡大することと同等である。
２．アブレーション・レートを高める利点。
焦点を、ウェーハの上面ではなくて、ウェーハのバルク中に深く集束させる場合には、さらに高いアブレーション効率が得られることがわかっている。しかしながら、レーザビームを、厚いウェーハのバルク中に深く集束させるときには、その上面に入射するレーザ・エネルギーは、アブレーションを開始するアブレーションしきい値に打ち勝つほどではないかもしれない。２つの焦点を持つアブレーションにより、一方のレーザビームを、ウェーハのバルク中に深く集束させることができるが、しかるに、他方のレーザビームを、ウェーハの上面に集束させて、このアブレーション・プロセスが、難なく開始できるようにしている。このようにして、アブレーション・レートが大きくなる。これら２つの焦点の高アブレーション・レートは、Ｗｉｔａｎａｃｈｃｈｉが研究してきたデュアル・レーザ・アブレーションで生じるプルーム（ｐｌｕｍｅ）の高ダイナミックス（「ダイヤモンド状の炭素被膜成長のためのデュアル・レーザ・アブレーションによる高イオン化炭素プラズマ発生」、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｖｏｌ．６１７、Ｊ３．６．１−Ｊ３．６．６，２０００）を使って、さらに詳しく説明できる。Ｗｉｔａｎａｃｈｃｈｉの研究により、デュアル・レーザ・アブレーションは、２つのプルームを生じさせるが、一方、単一焦点レーザ・アブレーションは、１つのプルームを生じさせる。さらに、デュアル・レーザ・アブレーションは、これらのプルームのイオン成分を、単一焦点でアブレートされるプルームのものと比較して、少なくとも５倍増やす。この追加プルームの存在と、これらのプルーム中のイオン成分のさらに高い密度の結果として、さらに多くの材料が同時に蒸発し、言い替えれば、材料が、さらに速い速度で除去される。Ｗｉｔａｎａｃｈｃｈｉの研究から、二重焦点アブレーションのアブレーション・レートは、従来の単一焦点アブレーションのものよりも数倍速くなると予測される。アブレーション・レートは、二重焦点アブレーションを用いると、数倍速くなることがわかる。この倍数は、ウェーハの厚さと材料、およびレーザのパワーによって決まる。
３．切削屑を減らす利点
レーザ・アブレーションは、熱融解とイオン化を組み合わせた効果である。アブレーションの開始時には、融解が、このプロセスを支配し、切削加工スポットから排出されて、再び被着する溶融材料を発生させる。レーザビームからの熱エネルギーは、切削加工スポットの温度を上昇させる。所定の温度に達すると、イオン化のプロセスが、このアブレーション・プロセスを支配する。材料をイオン化すると、大きな斑点クラスタ（ｍａｃｕｌａｒ ｃｌｕｓｔｅｒ）はまったく生ぜず、したがって、生み出される切削屑が少なくなる。単一レーザ・アブレーションよりも、デュアル・レーザ・アブレーションの方が、さらにイオン化に支配され、それゆえ、二重焦点アブレーションを用いると、さらにきれいな仕上がりが得られる。これらのデュアル・プルームと、これらのプルーム中に存在するイオンのさらに高い密度に加えて、これらのイオンの運動エネルギーも、Ｗｉｔａｎａｃｈｃｈｉの試験により、デュアル・レーザ・アブレーションのプロセスでは、６倍増す。運動エネルギーがさらに大きくなると、イオンが、切削加工スポットから、さらに速く放出され、つぎに、切削屑の被着が少なくなる。
４．チッピング／クラッキングを減らす利点。
半導体や一部の透過材料などの脆性材料のアブレーションにレーザビームを使用するときに、チッピングとクラッキングが発生する。チッピングとクラッキングの主要原因は、加熱効果により、レーザ・アブレーションの間に発生する衝撃波である。二重焦点のアブレーションは、単一焦点のアブレーションと比較して、融解による支配よりも、イオン化による支配の方が多いから、２焦点のアブレーションを用いて、チッピング／クラッキングを減らすことが予想できる。
５．高アスペクト比を得ることができる利点。
前述のように、二重焦点は、切削加工レーザ・スポットの焦点深度を拡大する。それゆえ、二重焦点アブレーションを用いて、例えば半導体ウェーハ中のマイクロ・ビアの切削加工を用いて、切削加工される溝または穴のアスペクト比をさらに大きくすることができる。
６．切溝の幅を小さくする利点。
同一のシステム・セッティングにおいて、二重焦点アブレーションにより生み出される切溝の幅は、単一焦点アブレーションにより生み出される切溝の幅よりも小さいことがわかる。これは、所与の半導体ウェーハ上に収められるダイの数を増やして、それにより、費用の恩恵が与えられるという利点がある。
７．どんな輪郭でもカットできる利点。
機械式ダイシング・ツールと違って、レーザ・ツールは、どんな輪郭でもダイシングできる利点を持っており、直線カットに限定されない。
８．スキャニング。
前に本明細書で説明されたように、単一のレーザ光源から２つの焦点を用いるレーザ切削加工は、デュアル・フォーカス・レンズを用いて、単一レーザ光源から２つの焦点を厚い金属薄板中に生成して、その金属薄板を切削加工するために知られている。このデュアル・フォーカス・レンズは、切削加工のスループットおよび品質を向上させるが、ただし、このレンズの寿命が短い点と、費用が高いという点で制限を受ける。特にシリコン・ウェーハの加工に対して、さらに重要なことには、この手法の主な欠点は、公知のデュアル・フォーカス・レンズがテレセントリックでないことであり、したがって、レーザビームを、切削加工される加工物の全域にわたって、ガルバノメータ・ミラーを用いて高速にてスキャンすることはできないが、ただし、比較的に遅い速度にて、並進テーブルを用いてのみスキャンできる。なぜなら、スキャニングの間、このデュアル・フォーカス・レンズの正方形視野域の全域にわたって、一様なビーム焦点が得られなくなるからである。このことは、半導体ウェーハのダイシング用の公知のマルチ・フォーカス手法に、重大なスループット制限を負わせる。さらに、このデュアル・フォーカス・レンズでは、半導体ウェーハの加工に必要とされるこれら２つの焦点間のミクロン・レンジの間隔は与えられない。さらに、本発明は、特別の光学部品を製造する必要もなく、標準の光学部品を使用できるという費用面での利点がある。

それゆえ、要約すると、本発明は、単一レーザビームから生成された２つの焦点を用いて、例えばシリコン・ウェーハ上に、マイクロメートル・レンジの間隔で２つ以上の焦点を生成することで、アブレション速度を向上させるレーザ・アブレーションの技法を提供する。本発明の利点には、速いアブレーション・レートと、従来のレーザ・アブレーション・プロセスで容易に得られる厚さよりも厚いウェーハをダイシングできる能力がある。追加の利点には、チッピングの排除、切削屑の削減、切溝の幅の縮小、どんな輪郭でもダイシングできる能力がある。本発明は、従来のソー・ダイシングのプロセスを直接に取り替えるものとして使用でき、ダイシング前およびダイシング後のプロセスは、元のままである。

従来技術のソー・ブレード・ダイシングとレーザ・ダイシング用の切削加工速度とウェーハ厚さのグラフである。 本発明による単一光ビームから２つの焦点を生成する光学部品の略図である。 図２の光学構造のビーム・スプリッタの略図である。 図２の光学構造を組み入れている、本発明の一面による装置の光学素子の略図である。 ウェーハ中で切削されたダイシング・レーンの垂直断面であって、本発明に有用なダイシング戦略を図示している。 本発明に有用なダイシング・レーンのシーケンシャル・スキャンのスキャニング方向を示す図である。 本発明に有用なスクライビング・ダイシング手順を示す図である。

符号の説明

２１ 偏光した入射レーザビーム
２２ プレート型偏光ビーム・スプリッタ手段
２３ 円弧状のリフレクタ
２４ 第１のレーザビーム
２５ 第２のレーザビーム
２６ 集光手段、スキャニング・レンズ
２７ 第１の焦点
２８ 第２の焦点
４１ レーザビーム発生手段
４４ ガルバノメータ手段
４５ 加工物
４６ 並進テーブル手段
４７ 結像手段
２２３ 偏光依存層

Claims (43)

1. 偏光した入射レーザビームを、第１のレーザビームを形成する第１の偏光成分と、第２のレーザビームを形成するための第２の偏光成分と、に分割するプレート型偏光ビーム・スプリッタ手段と、
   前記第２の偏光成分に、前記第１のレーザビームのものとは異なる発散または収束を持たせて前記第２のレーザビームを提供する円弧状の反射手段と、
   を含む光ビーム修正手段と、
   前記第１のレーザビームを光軸上の第１の焦点に集束させ、前記第２のレーザビームを前記第１の焦点とは異なる距離に位置する光軸上の第２の焦点に集束させる集光手段と、
   前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを、加工物の全域にわたってスキャンして、前記加工物を切削加工するガルバノメータ手段と、
   を備えるレーザ切削加工装置。
2. 前記円弧状の反射手段が、凸面鏡から成っている請求項１に記載のレーザ切削加工装置。
3. 前記第１の焦点と前記第２の焦点との間隔が、前記円弧状の反射手段の曲率半径を選択することで選択できる請求項１または２に記載のレーザ切削加工装置。
4. 前記第１の焦点と前記第２の焦点との間隔が、数ミリメートル〜数十分の１ミクロンである請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
5. 前記偏光した入射レーザビームを発生させるレーザビーム発生手段をさらに備える請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
6. 前記プレート型偏光ビーム・スプリッタ手段は、
   前記入射レーザビームを反射して前記第１の偏光成分を形成し、
   前記入射レーザビームを透過して前記第２の偏光成分を形成する偏光依存層を含んでいる請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
7. 前記偏光した入射レーザビームがコリメートされる請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
8. 前記第１のレーザビームがコリメートされ、また前記第２のレーザビームが、前記光ビーム修正手段により、修正後に発散する請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
9. 前記偏光した入射レーザビームがパルス状である請求項１ないし８のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
10. 前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームに対して、前記加工物を移動させる並進テーブル手段をさらに備える請求項１ないし９のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
11. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとの干渉によって形成される干渉縞を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段が撮像した前記干渉縞の像を利用して、前記ガルバノメータ手段に関連するスキャニング・レンズの光軸上に、前記第１の焦点及び前記第２の焦点を集束させる関連制御手段と、
    を備える請求項１ないし１０のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
12. 加工物の切削加工の間、入射レーザビーム・パワー、パルス繰返し数、ガルバノメータ・スキャニング速度の少なくとも１つを制御するスキャニング制御手段をさらに備える請求項１ないし１１のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
13. 切削加工速度を向上させる処置、切削屑の除去を向上させる処置、および、切削加工された加工物の強度を高める処置、の少なくとも１つのために、ガス補助手段をさらに備える請求項１ないし１２のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
14. レーザ切削加工の間に生み出される切削屑から前記加工物の表面を保護し、さらに、レーザ切削加工の後で、前記加工物の表面から切削屑の除去を容易ならしめるために、レーザ切削加工の前に、前記加工物の前記表面に保護犠牲膜を塗布するための塗布手段をさらに備える請求項１ないし１３のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
15. レーザ切削加工の後で、前記保護犠牲膜を除去する塗膜除去手段をさらに備える請求項１４に記載のレーザ切削加工装置。
16. シリコン・ウェーハをダイシングするように配置されている請求項１ないし１５のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
17. 前記レーザビームの有効焦点深度が拡大される請求項１ないし１６のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
18. ダイシング切溝幅を減らし、それにより、１ウェーハ当たりのダイの最大数を増やすように構成されている請求項１６に記載のレーザ切削加工装置。
19. 第一のレーザビームの焦点と、第２のレーザビームの焦点とを分離することにより有効焦点深度を拡大させて、アスペクト比を大きくしたビアのマイクロマシニングと、切削加工におけるスループット向上と、を実現する請求項１ないし１８のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
20. ウェーハをスクライブして、材料を除去するように構成されている請求項１ないし１９のいずれかに記載のレーザ切削加工装置。
21. 偏光した入射レーザビームを、第１のレーザビームを形成する第１の偏光成分と、第２のレーザビームを形成するための第２の偏光成分と、に分割するプレート型偏光ビーム・スプリッタ手段と、
    前記第２の偏光成分に、前記第１のレーザビームのものとは異なる発散または収束を持たせて前記第２のレーザビームを提供する円弧状の反射手段と、
    を含む光ビーム修正手段と、
    前記第１のレーザビームを光軸上の第１の焦点に集束させ、前記第２のレーザビームを前記第１の焦点とは異なる距離に位置する光軸上の第２の焦点に集束させる集光手段と、
    を備える、前記偏光した入射レーザビームを集束させる集光装置。
22. 前記第１の焦点と前記第２の焦点が、前記集光手段の共通の光軸上にある請求項２１に記載の集光装置。
23. 前記円弧状の反射手段が、凸面鏡から成っている請求項２１に記載の集光装置。
24. 前記光学プレート型偏光ビーム・スプリッタ手段が、前記入射レーザビームを反射して前記第１の偏光成分を形成し、前記入射レーザビームを透過して前記第２の偏光成分を形成する偏光依存層を含んでいる請求項２１ないし２３のいずれかに記載の集光装置。
25. ａ．プレート型偏光ビーム・スプリッタを用いて、偏光した入射レーザビームを、第１のレーザビームを形成する第１の偏光成分と、第２のレーザビームを形成するための第２の偏光成分と、に分割するステップと、
    ｂ．円弧状の反射手段を用いて、前記第２の偏光成分に、前記第１のレーザビームのものとは異なる発散または収束を持たせて前記第２のレーザビームを提供するように修正するステップと、
    ｃ．集光手段を提供するステップと、
    ｄ．前記集光手段が、前記第１のレーザビームを光軸上の第１の焦点に集束させ、前記第２のレーザビームを前記第１の焦点とは異なる距離に位置する光軸上の第２の焦点に集束させるステップと、
    ｅ．ガルバノメータ手段を使用して、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを、加工物の全域にわたってスキャンして、前記加工物を切削加工するステップと、
    を含む、レーザで前記加工物を切削加工する方法。
26. 撮像手段が、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとの干渉によって形成される干渉縞を撮像するステップと、
    制御手段が、前記撮像手段が撮像した前記干渉縞の像を利用して、前記ガルバノメータ手段に関連するスキャニング・レンズの光軸上に、前記第１の焦点と前記第２の焦点とを集束させるステップと、
    をさらにステップを含む請求項２５に記載の方法。
27. 加工物の切削加工の間、入射レーザビーム・パワー、パルス繰返し数、ガルバノメータ・スキャニング速度の少なくとも１つを制御するさらなるステップを含む請求項２５または２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記円弧状の反射手段が凸面鏡から成っている請求項２５ないし２７のいずれかに記載の方法。
29. 前記第１のレーザビームと第２のレーザビームを形成するステップは、前記入射レーザビームを反射して前記第１の偏光成分を形成し、前記入射レーザビームを透過して前記第２の偏光成分を形成する偏光依存層使用する請求項２１ないし２３のいずれかに記載の集光装置。
30. 並進テーブル手段を用いて、前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームに対して前記加工物を移動させるさらなるステップを含む請求項２５ないし２９のいずれかに記載の方法。
31. 切削加工速度を向上させる処置、切削屑の除去を向上させる処置、および、前記切削加工された加工物の強度を高める処置の少なくとも１つのために、ガス補助手段を提供するさらなるステップを含む請求項２５ないし３０のいずれかに記載の方法。
32. レーザ切削加工の前に、前記加工物の表面に保護犠牲膜を塗布するさらなるステップを含む請求項２５ないし３１のいずれかに記載の方法。
33. レーザ切削加工の後で、保護犠牲膜を除去するさらなるステップを含む請求項３２に記載の方法。
34. シリコン・ウェーハをダイシングするように配置されている請求項２５ないし３３のいずれかに記載の方法。
35. 前記第１の焦点と前記第２の焦点との間隔が、数ミリメートル〜数十分の１ミクロンである請求項２５ないし３４のいずれかに記載の方法。
36. 前記第１の焦点と前記第２の焦点との間隔が、前記円弧状の反射手段の曲率半径を選択することで選択できる請求項２５ないし３５のいずれかに記載の方法。
37. 第一のレーザビームの焦点と、第２のレーザビームの焦点とを分離することにより、高アスペクト比のマイクロマシニングに許容される有効焦点深度を実現する請求項２５ないし３６のいずれかに記載の方法。
38. ダイシング切溝が、１ウェーハ当たりのダイの最大数を増やすのに充分減らされる請求項３４に記載の方法。
39. 第一のレーザビームの焦点と、第２のレーザビームの焦点とを分離することにより、シリコン・ウェーハに、高アスペクト比のマイクロ・ビアの穴明けに許容される有効焦点深度を実現する請求項２５ないし３８のいずれかに記載の方法。
40. ウェーハをスクライブして、前記ウェーハから材料を除去するように構成されている請求項２５ないし３９のいずれかに記載の方法。
41. ａ．プレート型偏光ビーム・スプリッタを用いて、偏光した入射レーザビームを、第１のレーザビームを形成する第１の偏光成分と、第２のレーザビームを形成するための第２の偏光成分と、に分割するステップと、
    ｂ．円弧状の反射手段を用いて、前記第２の偏光成分に、前記第１のレーザビームのものとは異なる発散または収束を持たせて前記第２のレーザビームを提供するように修正するステップと、
    ｃ．集光手段を提供するステップと、
    ｄ．前記集光手段が、前記第１のレーザビームを光軸上の第１の焦点に集束させ、前記第２のレーザビームを前記第１の焦点とは異なる距離に位置する光軸上の第２の焦点に集束させるステップと、
    を含む、前記偏光した入射光ビームを集束させる方法。
42. 前記円弧状の反射手段が、凸面鏡から成っている請求項４１に記載の方法。
43. 前記第１のレーザビームと第２のレーザビームを形成するステップは、
    前記入射レーザビームを反射して前記第１の偏光成分を形成し、前記入射レーザビームを透過して前記第２の偏光成分を形成する偏光依存層を使用する請求項４１または４２に記載の方法。

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