JP4776994B2 - 加工対象物切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板と、複数の機能素子を有して基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を切断予定ラインに沿って機能素子毎に切断する加工対象物切断方法に関する。

従来におけるこの種の技術として、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することで、切断予定ラインに沿った改質領域を加工対象物の内部に複数列形成し、その改質領域を切断の起点とするというレーザ加工方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０５１８０号公報

上述したようなレーザ加工方法は、加工対象物が厚い場合に特に有効となる技術である。それは、加工対象物が厚い場合でも、切断予定ラインに沿った改質領域の列数を増やすことによって、加工対象物を切断予定ラインに沿って精度良く切断することができるからである。そして、このような技術に関しては、切断品質を維持した上での加工時間の短時間化が望まれている。

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、基板と、複数の機能素子を有して基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を、その基板が厚い場合であっても、切断予定ラインに沿って機能素子毎に短時間で精度良く切断することが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。

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、複数の機能素子を有して基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延在するように格子状に設定された切断予定ラインに沿って機能素子毎に切断する加工対象物切断方法であって、基板の内部に集光点を合わせて積層部側からレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って、基板の厚さ方向の中心位置から基板の裏面側に偏倚した第１の改質領域を基板の内部に形成する工程と、基板の内部に集光点を合わせて積層部側からレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って、基板の厚さ方向の中心位置から基板の表面側に偏倚した第２の改質領域を基板の内部に形成し、第２の改質領域から基板の表面に割れを生じさせる工程と、第１及び第２の改質領域を形成した後に、基板の裏面に取り付けられた拡張可能部材を拡張させる工程と、拡張可能部材を拡張させた状態で、拡張可能部材を介して基板の裏面に対し、ｘ軸方向に延在する切断予定ラインに沿って順次に押圧部材を押し当てることにより、割れが開くように加工対象物に応力を生じさせ、ｘ軸方向に延在する切断予定ラインに沿って加工対象物を短冊状に切断する工程と、加工対象物を短冊状に切断した後に、拡張可能部材を拡張させた状態で、拡張可能部材を介して基板の裏面に対し、ｙ軸方向に延在する切断予定ラインに沿って順次に押圧部材を押し当てることにより、割れが開くように加工対象物に応力を生じさせ、ｙ軸方向に延在する切断予定ラインに沿って加工対象物をチップ状に切断する工程と、を含むことを特徴とする。ここで、拡張可能部材は、リング状の支持フレームの開口部を覆い且つ加工対象物が開口部に位置するように支持フレームに張られており、拡張可能部材を拡張させる工程では、支持フレームをベースに固定した状態で、ベースの内側に配置された拡張部材をｚ軸方向に移動させることにより、拡張可能部材を拡張させ、加工対象物を短冊状に切断する工程では、拡張部材をｚ軸方向に移動させた状態で、拡張部材の内側に配置された押圧部材をｚ軸方向に移動させた後、ｙ軸方向に移動させることにより、ｘ軸方向に延在する切断予定ラインに沿って順次に押圧部材を押し当て、加工対象物をチップ状に切断する工程では、拡張部材をｚ軸方向に移動させた状態で、拡張部材の内側に配置された押圧部材をｚ軸方向に移動させた後、ｘ軸方向に移動させることにより、ｙ軸方向に延在する切断予定ラインに沿って順次に押圧部材を押し当てるようにしてもよい。

この加工対象物切断方法においては、基板の厚さ方向の中心位置から基板の裏面側に偏倚した第１の改質領域と、基板の厚さ方向の中心位置から基板の表面側に偏倚した第２の改質領域とが切断予定ラインに沿って基板の内部に形成されると共に、第２の改質領域から基板の表面に割れが生じさせられる。そして、この状態でその割れが開くように加工対象物に応力が生じさせられるため、その割れが積層部及び第１の改質領域に向かって伸展することになり、加工対象物が切断予定ラインに沿って精度良く切断される。しかも、このとき、基板の裏面に取り付けられた拡張可能部材が拡張させられているため、加工対象物が切断された直後に対向する切断面が離間することになり、対向する切断面同士の接触によるチッピングやクラッキングの発生が防止される。これにより、例えば、基板が厚い場合に、切断予定ラインに沿った改質領域の列数を増やすことによって、加工対象物を切断予定ラインに沿って切断する技術に比べ、切断品質を維持した上での加工時間の短時間化を図ることができる。従って、この加工対象物切断方法によれば、基板と、複数の機能素子を有して基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を、その基板が厚い場合であっても、切断予定ラインに沿って機能素子毎に短時間で精度良く切断することが可能になる。そして、基板の裏面に対し、拡張可能部材を介して押圧部材を押し当てることにより、割れが開くように加工対象物に応力を生じさせるので、容易且つ確実に、割れが開くような応力を加工対象物に生じさせることができる。

ここで、機能素子とは、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、回路として形成された回路素子等を意味する。また、「基板の厚さ方向の中心位置から基板の裏面側に偏倚した第１の改質領域」とは、第１の改質領域の全ての部分が基板の厚さ方向の中心位置に対して基板の裏面側に位置していることを意味する。一方、「基板の厚さ方向の中心位置から基板の表面側に偏倚した第２の改質領域」とは、第２の改質領域の全ての部分が基板の厚さ方向の中心位置に対して基板の表面側に位置していることを意味する。なお、第１及び第２の改質領域は、基板の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射して、多光子吸収或いは他の光吸収を基板の内部で生じさせることにより形成される。

また、基板において切断予定ラインに沿った部分では、基板の厚さ方向の中心位置に対して基板の表面側の部分における第２の改質領域の形成密度は、基板の厚さ方向の中心位置に対して基板の裏面側の部分における第１の改質領域の形成密度より高いことが好ましい。更に、基板において切断予定ラインに沿った部分では、第２の改質領域の列数は、第１の改質領域の列数より多いことが好ましい。これらによれば、基板と、複数の機能素子を有して基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を、その基板が厚い場合であっても、切断予定ラインに沿って機能素子毎に、より一層精度良く切断することが可能になる。

ここで、基板の厚さ方向の中心位置に対して基板の裏面側の部分における第１の改質領域の形成密度とは、その部分に対して第１の改質領域が占める割合を意味する。同様に、基板の厚さ方向の中心位置に対して基板の表面側の部分における第２の改質領域の形成密度とは、その部分に対して第２の改質領域が占める割合を意味する。

また、第１の改質領域を基板の内部に形成した後に、第２の改質領域を基板の内部に形成し、第２の改質領域から基板の表面に割れを生じさせることが好ましい。この場合、各改質領域を形成するに際し、レーザ光が入射する基板の表面とレーザ光の集光点との間には改質領域や割れが存在しないため、既に形成された改質領域等によるレーザ光の散乱、吸収等が起こることはない。従って、各改質領域を確実に形成することが可能になる。

また、基板は半導体基板であり、第１及び第２の改質領域は溶融処理領域を含む場合がある。基板が半導体基板であると、第１及び第２の改質領域として、溶融処理領域を含む改質領域が形成される場合がある。

本発明によれば、基板と、複数の機能素子を有して基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を、その基板が厚い場合であっても、切断予定ラインに沿って機能素子毎に短時間で精度良く切断することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態のレーザ加工方法では、加工対象物の内部に改質領域を形成するために多光子吸収という現象を利用する。そこで、最初に、多光子吸収により改質領域を形成するためのレーザ加工方法について説明する。

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／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）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／ｃｍ^２）で決まる。

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方法の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１に示すように、板状の加工対象物１の表面３には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン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。本実施形態に係るレーザ加工方法では、図２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を照射して改質領域７を形成する。なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、仮想線に限らず加工対象物１に実際に引かれた線であってもよい。

そして、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図１の矢印Ａ方向に）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の内部に形成され、この改質領域７が切断起点領域８となる。ここで、切断起点領域８とは、加工対象物１が切断される際に切断（割れ）の起点となる領域を意味する。この切断起点領域８は、改質領域７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７が断続的に形成されることで形成される場合もある。

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を形成するものではない。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。

加工対象物１の内部に切断起点領域８を形成すると、この切断起点領域８を起点として割れが発生し易くなるため、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を高精度に切断することが可能になる。

この切断起点領域８を起点とした加工対象物１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８形成後、加工対象物１に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域８を起点として加工対象物１が割れ、加工対象物１が切断される場合である。これは、例えば加工対象物１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１の切断起点領域８に沿って加工対象物１に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物１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８を形成することにより、切断起点領域８を起点として加工対象物１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１が切断される場合である。これは、例えば加工対象物１の厚さが小さい場合には、１列の改質領域７により切断起点領域８が形成されることで可能となり、加工対象物１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７により切断起点領域８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８が形成されていない部位に対応する部分の表面３上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域８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１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。

さて、本実施形態に係るレーザ加工方法において、多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（４）の場合がある。

（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ＬｉＴａＯ_３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１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）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１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）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。

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。

（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）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^−８ｃｍ^２
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：ＴＥＭ_００
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

なお、レーザ光品質がＴＥＭ_００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。

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１０^１１（Ｗ／ｃｍ^２）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。

次に、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を参照して説明する。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。このように形成されたクラック領域９が切断起点領域となる。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とに到達し、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１の表面３と裏面２１と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１に力が印加されることにより成長する場合もある。

（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１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）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１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

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。

（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^−８ｃｍ^２
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：ＴＥＭ_００
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

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。

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。

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１１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。

なお、シリコンウェハは、溶融処理領域によ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。そして、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。このように、加工対象物の内部に溶融処理領域によ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。

（３）改質領域が溶融処理領域及び微小空洞の場合
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１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）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、加工対象物の内部には溶融処理領域と微小空洞とが形成される場合がある。なお、電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

図１４に示すように、シリコンウェハ１１の表面３側からレーザ光Ｌを入射させた場合、微小空洞１４は、溶融処理領域１３に対して裏面２１側に形成される。図１４では、溶融処理領域１３と微小空洞１４とが離れて形成されているが、溶融処理領域１３と微小空洞１４とが連続して形成される場合もある。つまり、多光子吸収によって溶融処理領域１３及び微小空洞１４が対になって形成される場合、微小空洞１４は、溶融処理領域１３に対してシリコンウェハ１１におけるレーザ光入射面の反対側に形成されることになる。

このように、シリコンウェハ１１にレーザ光Ｌを透過させシリコンウェハ１１の内部に多光子吸収を発生させて溶融処理領域１３を形成した場合に、それぞれの溶融処理領域１３に対応した微小空洞１４が形成される原理については必ずしも明らかではない。ここでは、溶融処理領域１３及び微小空洞１４が対になった状態で形成される原理に関して本発明者らが想定する２つの仮説を説明する。

本発明者らが想定する第１の仮説は次の通りである。すなわち、図１５に示すように、シリコンウェハ１１の内部の集光点Ｐに焦点を合わせてレーザ光Ｌを照射すると、集光点Ｐの近傍に溶融処理領域１３が形成される。従来は、このレーザ光Ｌとして、レーザ光源から照射されるレーザ光Ｌの中心部分の光（図１５中、Ｌ４及びＬ５に相当する部分の光）を使用することとしていた。これは、レーザ光Ｌのガウシアン分布の中心部分を使用するためである。

本発明者らはレーザ光Ｌがシリコンウェハ１１の表面３に与える影響をおさえるためにレーザ光Ｌを広げることとした。その一手法として、レーザ光源から照射されるレーザ光Ｌを所定の光学系でエキスパンドしてガウシアン分布の裾野を広げて、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）のレーザ強度を相対的に上昇させることとした。このようにエキスパンドしたレーザ光Ｌをシリコンウェハ１１に透過させると、既に説明したように集光点Ｐの近傍では溶融処理領域１３が形成され、その溶融処理領域１３に対応した部分に微小空洞１４が形成される。つまり、溶融処理領域１３と微小空洞１４とはレーザ光Ｌの光軸（図１５中の一点鎖線）に沿った位置に形成される。微小空洞１４が形成される位置は、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）が理論上集光される部分に相当する。

このようにレーザ光Ｌの中心部分の光（図１５中、Ｌ４及びＬ５に相当する部分の光）と、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）とがそれぞれ集光される部分がシリコンウェハ１１の厚さ方向において異なるのは、レーザ光Ｌを集光するレンズの球面収差によるものと考えられる。本発明者らが想定する第１の仮説は、この集光位置の差が何らかの影響を及ぼしているのではないかというものである。

本発明者らが想定する第２の仮説は、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）が集光される部分は理論上のレーザ集光点であるから、この部分の光強度が高く微細構造変化が起こっているためにその周囲が実質的に結晶構造が変化していない微小空洞１４が形成され、溶融処理領域１３が形成されている部分は熱的な影響が大きく単純に溶解して再固化したというものである。

ここで、溶融処理領域１３は上記（２）で述べた通りのものであるが、微小空洞１４は、その周囲が実質的に結晶構造が変化していないものである。シリコンウェハ１１がシリコン単結晶構造の場合には、微小空洞１４の周囲はシリコン単結晶構造のままの部分が多い。

本発明者らは、シリコンウェハ１１の内部で溶融処理領域１３及び微小空洞１４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。

（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ１００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数：４０ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
パルスピッチ：７μｍ
加工深さ：８μｍ
パルスエネルギー：５０μＪ／パルス
（Ｃ）集光用レンズ
ＮＡ：０．５５
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：２８０ｍｍ／秒

図１６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１１の切断面の写真を表した図である。図１６において（ａ）と（ｂ）とは同一の切断面の写真を異なる縮尺で示したものである。同図に示すように、シリコンウェハ１１の内部には、１パルスのレーザ光Ｌの照射により形成された溶融処理領域１３及び微小空洞１４の対が、切断面に沿って（すなわち、切断予定ラインに沿って）所定のピッチで形成されている。

なお、図１６に示す切断面の溶融処理領域１３は、シリコンウェハ１１の厚さ方向（図中の上下方向）の幅が１３μｍ程度で、レーザ光Ｌを移動する方向（図中の左右方向）の幅が３μｍ程度である。また、微小空洞１４は、シリコンウェハ１１の厚さ方向の幅が７μｍ程度で、レーザ光Ｌを移動する方向の幅が１．３μｍ程度である。溶融処理領域１３と微小空洞１４との間隔は１．２μｍ程度である。

（４）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１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）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１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）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。

以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（４）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。

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（Ａｌ_２Ｏ_３）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。

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。

次に、本発明の好適な実施形態について説明する。図１７は、本実施形態の加工対象物切断方法の対象となる加工対象物の平面図であり、図１８は、図１７に示す加工対象物のXVIII−XVIII線に沿っての部分断面図である。

図１７及び図１８に示すように、加工対象物１は、シリコンからなる基板４と、複数の機能素子１５を有して基板４の表面３に形成された積層部１６とを備えている。機能素子１５は、基板４の表面３に積層された層間絶縁膜１７ａと、層間絶縁膜１７ａ上に配置された配線層１９ａと、配線層１９ａを覆うように層間絶縁膜１７ａ上に積層された層間絶縁膜１７ｂと、層間絶縁膜１７ｂ上に配置された配線層１９ｂとを有している。配線層１９ａと基板４とは、層間絶縁膜１７ａを貫通する導電性プラグ２０ａによって電気的に接続され、配線層１９ｂと配線層１９ａとは、層間絶縁膜１７ｂを貫通する導電性プラグ２０ｂによって電気的に接続されている。

なお、機能素子１５は、基板４の表面３に、基板４のオリエンテーションフラット６に平行な方向及び垂直な方向にマトリックス状に多数形成されているが、層間絶縁膜１７ａ，１７ｂは、基板４の表面３全体を覆うように隣り合う機能素子１５，１５間に渡って形成されている。

以上のように構成された加工対象物１を以下のようにして機能素子１５毎に切断する。まず、図１９（ａ）に示すように、基板４の裏面２１にエキスパンドテープ（拡張可能部材）２３を貼り付ける。続いて、図１９（ｂ）に示すように、積層部１６を上方に向けて加工対象物１をレーザ加工装置の載置台（図示せず）上に固定する。

そして、隣り合う機能素子１５，１５間を通るように、加工対象物１に対して切断予定ライン５を格子状に設定する（図１７の破線参照）。続いて、基板４の内部に集光点Ｐを合わせて積層部１６側からレーザ光Ｌを多光子吸収が生じる条件で照射しながら、載置台の移動により切断予定ライン５に沿って集光点Ｐをスキャンする。

この切断予定ライン５に沿った集光点Ｐのスキャンを１本の切断予定ライン５に対して３回行うが、基板４の表面３から集光点Ｐまでの距離を各回毎に変えることで、基板４の裏面２１側から順に、基板４の厚さ方向の中心位置ＣＬから基板４の裏面２１側に偏倚した１列の第１の改質領域７１、及び中心位置ＣＬから基板４の表面３側に偏倚した２列の第２の改質領域７２を切断予定ライン５に沿って基板４の内部に１列ずつ形成する。そして、２列の第２の改質領域７２の形成によって、切断予定ライン５に沿った割れ２４を第２の改質領域７２から基板４の表面３に生じさせる。なお、基板４はシリコンからなる半導体基板であるため、各改質領域７１，７２は溶融処理領域である。

このように、各改質領域７１，７２を基板４の表面３から遠い順に一列ずつ形成することで、各改質領域７１，７２を形成するに際し、レーザ光Ｌが入射する表面３とレーザ光Ｌの集光点Ｐとの間には改質領域７１，７２や割れ２４が存在しないため、既に形成された改質領域７１，７２等によるレーザ光Ｌの散乱、吸収等が起こることはない。従って、各改質領域７１，７２を切断予定ライン５に沿って基板４の内部に確実に形成することができる。また、基板４の内部に集光点Ｐを合わせて積層部１６側からレーザ光Ｌを照射することで、第２の改質領域７２から基板４の表面３に割れ２４を確実に生じさせることができる。

各改質領域７１，７２を形成した後、図２０（ａ）に示すように、エキスパンドテープ２３を拡張させる。そして、この状態で、図２０（ｂ）に示すように、基板４の裏面２１に対し、エキスパンドテープ２３を介してナイフエッジ（押圧部材）４１を押し当てて、矢印Ｂ方向に移動させる。これにより、加工対象物１には、割れ２４が開くような応力が生じさせられるため、割れ２４が積層部１６及び第１の改質領域７１に向かって伸展することになり、加工対象物１が切断予定ライン５に沿って切断される。

そして、このとき、基板４の裏面２１に貼り付けられたエキスパンドテープ２３が拡張させられた状態にあるため、図２１に示すように、加工対象物１が切断された直後に、切断されて得られた各半導体チップ２５が互いに離間することになる。

ここで、本実施形態の加工対象物切断方法に用いられる加工対象物切断装置について説明する。

図２２は、加工対象物切断装置に装着される加工対象物支持ユニットの斜視図である。同図に示すように、加工対象物支持ユニット３０は、板材からなるリング状の支持フレーム３１を有している。支持フレーム３１には、その開口部３１ａを覆うように裏面側からエキスパンドテープ２３が張られており、このエキスパンドテープ２３上には、開口部３１ａの中央に位置するように、積層部１６を上方に向けて加工対象物１が貼り付けられている。

なお、加工対象物１においては、隣り合う機能素子１５，１５間を通るように加工対象物１に対して格子状に設定された切断予定ライン５に沿って、第１及び第２の改質領域７１，７２が基板４の内部に形成されていると共に、第２の改質領域７２から基板４の表面３に割れ２４が生じさせられている。

図２３は、加工対象物切断装置の斜視図である。同図に示すように、加工対象物切断装置４０は、円筒状のベース４２を有しており、このベース４２の端面４２ａ上に、加工対象物支持ユニット３０の支持フレーム３１が配置される。ベース４２には、端面４２ａ上に配置された支持フレーム３１を固定するためのクランプ４３が複数設けられている。

ベース４２の内側には、加工対象物１の外径より大きい内径を有する円筒状の拡張部材４４が配置されている。この拡張部材４４は、ｚ軸方向（上下方向）に移動可能となっている。更に、拡張部材４４の内側には、加工対象物１の外径より大きい幅を有するナイフエッジ４１が配置されている。このナイフエッジ４１は、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に移動可能となっていると共に、ｚ軸回りに回転可能となっている。

以上のように構成された加工対象物切断装置４０の動作について説明する。まず、図２４に示すように、加工対象物１に対して格子状に設定された切断予定ライン５がｘ軸方向及びｙ軸方向に一致するように、ベース４２の端面４２ａ上に加工対象物支持ユニット３０の支持フレーム３１を配置し、クランプ４３によって固定する。この状態で、図２５に示すように、拡張部材４４が上昇し、加工対象物１がエキスパンドテープ２３と共に押し上げられる。これにより、エキスパンドテープ２３が拡張させられた状態となる。

続いて、図２６に示すように、ナイフエッジ４１が上昇して、エキスパンドテープ２３を介して加工対象物１に押し当てられる。そして、ナイフエッジ４１がその幅方向をｘ軸方向に一致させた状態でｙ軸方向に移動する。これにより、加工対象物１には、割れ２４が開くような応力が生じさせられ、ｘ軸方向に延在する切断予定ライン５に沿って加工対象物１が短冊状に切断される。

続いて、ナイフエッジ４１が下降し、ｚ軸回りに９０°回転する。その後、再びナイフエッジ４１が上昇して、エキスパンドテープ２３を介して加工対象物１に押し当てられる。そして、ナイフエッジ４１がその幅方向をｙ軸方向に一致させた状態でｘ軸方向に移動する。これにより、加工対象物１には、割れ２４が開くような応力が生じさせられ、ｙ軸方向に延在する切断予定ライン５に沿って加工対象物１がチップ状に切断される。

以上説明したように、本実施形態の加工対象物切断方法においては、中心位置ＣＬから基板４の裏面２１側に偏倚した第１の改質領域７１と、中心位置ＣＬから基板４の表面３側に偏倚した第２の改質領域７２とが切断予定ライン５に沿って基板４の内部に形成されると共に、第２の改質領域７２から基板４の表面３に割れ２４が生じさせられる。そして、この状態で割れ２４が開くように加工対象物１に応力が生じさせられるため、割れ２４が積層部１６及び第１の改質領域７１に向かって伸展することになり、加工対象物１が切断予定ライン５に沿って精度良く切断される。しかも、このとき、基板４の裏面２１に貼り付けられたエキスパンドテープ２３が拡張させられているため、加工対象物１が切断された直後に、隣り合う半導体チップ２５，２５の対向する切断面２５ａ，２５ａが離間することになり（図２１参照）、対向する切断面２５ａ，２５ａ同士の接触によるチッピングやクラッキングの発生が防止される。

これにより、例えば、基板４が厚い場合に、切断予定ライン５に沿った改質領域７１，７２の列数を増やすことによって、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って切断する技術に比べ、切断品質を維持した上での加工時間の短時間化を図ることができる。従って、本実施形態の加工対象物切断方法によれば、基板４と、複数の機能素子１５を有して基板４の表面３に形成された積層部１６とを備える加工対象物１を、基板４が厚い場合であっても、切断予定ライン５に沿って機能素子１５毎に短時間で精度良く切断することが可能になる。

実施例として、厚さ３００μｍ、外径８インチのシリコン製の基板４を備える加工対象物１を５ｍｍ×５ｍｍのチップに切断する場合について説明する。

図２７に示すように、基板４の表面３と第１の改質領域７１の表面側端部７１ａとの距離が約２４５μｍとなる位置に、基板４の厚さ方向における幅が約４５μｍの第１の改質領域７１を形成した。更に、基板４の表面３と第２の改質領域７２の表面側端部７２ａとの距離が約８２μｍとなる位置に、基板４の厚さ方向における幅が約２７μｍの第２の改質領域７２を形成すると共に、基板４の表面３と第２の改質領域７２の表面側端部７２ａとの距離が約３９μｍとなる位置に、基板４の厚さ方向における幅が約２４μｍの第２の改質領域７２を形成し、第２の改質領域７２から基板４の表面３に割れ２４を生じさせた。

この状態で割れ２４が開くように加工対象物１に応力を生じさせると、加工対象物１は、格子状に設定された切断予定ライン５に沿って完全に切断された。また、切断予定ライン５に沿っての蛇行は４μｍ以下に抑えられ、切断面２５ａの凹凸は５μｍ以下に抑えられた。更に、第１及び第２の改質領域７１，７２を形成するのに要した時間は４分以下に抑えられた（参考として、１本の切断予定ラインに対して改質領域を５列形成するためには６分以上の時間を要する）。

以上の実施例のように、基板４において切断予定ライン５に沿った部分では、中心位置ＣＬに対して基板４の表面３側の部分４ａにおける第２の改質領域７２の形成密度を、中心位置ＣＬに対して基板４の裏面２１側の部分４ｂにおける第１の改質領域７１の形成密度より高くしたり、第２の改質領域７２の列数を、第１の改質領域７１の列数より多くしたりすることが好ましい。これらによれば、厚さ３００μｍというように基板４が厚い場合であっても、加工対象物１を切断予定ライン５に沿ってより一層精度良く切断することが可能になる。

本発明は、上述した実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態では、基板４の裏面２１にエキスパンドテープ２３を貼り付けた後に、基板４の内部に第１及び第２の改質領域７１，７２を形成したが、基板４の内部に第１及び第２の改質領域７１，７２を形成した後に、基板４の裏面２１にエキスパンドテープ２３を貼り付けてもよい。

また、割れ２４が開くように加工対象物１に応力を生じさせるための押圧部材としてローラを用いてもよい。ローラによっても、ナイフエッジ４１と同様に、容易且つ確実に、割れ２４が開くような応力を加工対象物１に生じさせることができる。なお、押圧部材としてナイフエッジ４１を用いる場合、加工対象物１に対し、切断予定ライン５に沿っての突き上げを繰り返してもよい。

また、第１の改質領域７１の列数は、基板４の厚さ方向の中心位置ＣＬから基板４の裏面２１側に偏倚しているという条件を満たせば、１列に限定されない。同様に、第２の改質領域７２の列数は、基板４の厚さ方向の中心位置ＣＬから基板４の表面３側に偏倚しているという条件を満たせば、２列に限定されない。

また、上記実施形態では、切断予定ライン５上の絶縁膜（層間絶縁膜１７ａ，１７ｂ）を介して、レーザ光Ｌを集光しているが、基板４のレーザ光入射面上の絶縁膜を除去すれば、レーザ光強度を減衰させずに基板４の内部にレーザ光Ｌを集光することが可能になる。

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１に示す加工対象物のII−II線に沿っての断面図である。 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３に示す加工対象物のIV−IV線に沿っての断面図である。 図３に示す加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成されたシリコンウェハの断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成される原理を説明するためのシリコンウェハの断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成されたシリコンウェハの切断面の写真を表した図である。 本実施形態の加工対象物切断方法の対象となる加工対象物の平面図である。 図１７に示す加工対象物のXVIII−XVIII線に沿っての部分断面図である。 本実施形態の加工対象物切断方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、（ａ）は加工対象物にエキスパンドテープを貼り付けた状態、（ｂ）は加工対象物にレーザ光を照射している状態である。 本実施形態の加工対象物切断方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、（ａ）はエキスパンドテープを拡張させた状態、（ｂ）は加工対象物にナイフエッジを押し当てている状態である。 本実施形態の加工対象物切断方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、加工対象物が半導体チップに切断された状態である。 本実施形態の加工対象物切断方法に用いられる加工対象物切断装置に装着される加工対象物支持ユニットの斜視図である。 本実施形態の加工対象物切断方法に用いられる加工対象物切断装置の斜視図である。 加工対象物支持ユニットが装着された加工対象物切断装置の斜視図である。 加工対象物切断装置の動作を説明するための加工対象物支持ユニット及び加工対象物切断装置の断面図である。 加工対象物切断装置の動作を説明するための加工対象物支持ユニット及び加工対象物切断装置の断面図である。 実施例における加工対象物の部分断面図である。

符号の説明

１…加工対象物、５…切断予定ライン、３…表面、４…基板、１５…機能素子、１６…積層部、２１…裏面、２３…エキスパンドテープ（拡張可能部材）、２４…割れ、４１…ナイフエッジ（押圧部材）、７１…第１の改質領域、７２…第２の改質領域、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点、ＣＬ…中心位置。

Claims (6)

1. 基板と、複数の機能素子を有して前記基板の表面に設けられた積層部とを備える加工対象物を、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延在するように格子状に設定された切断予定ラインに沿って前記機能素子毎に切断する加工対象物切断方法であって、
   前記基板の内部に集光点を合わせて前記積層部側からレーザ光を照射することにより、前記切断予定ラインに沿って、前記基板の厚さ方向の中心位置から前記基板の裏面側に偏倚した第１の改質領域を前記基板の内部に形成する工程と、
   前記基板の内部に集光点を合わせて前記積層部側からレーザ光を照射することにより、前記切断予定ラインに沿って、前記基板の厚さ方向の中心位置から前記基板の表面側に偏倚した第２の改質領域を前記基板の内部に形成し、前記第２の改質領域から前記基板の表面に割れを生じさせる工程と、
   前記第１及び前記第２の改質領域を形成した後に、前記基板の裏面に取り付けられた拡張可能部材を拡張させる工程と、
   前記拡張可能部材を拡張させた状態で、前記拡張可能部材を介して前記基板の裏面に対し、前記ｘ軸方向に延在する前記切断予定ラインに沿って順次に押圧部材を押し当てることにより、前記割れが開くように前記加工対象物に応力を生じさせ、前記ｘ軸方向に延在する前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を短冊状に切断する工程と、
   前記加工対象物を短冊状に切断した後に、前記拡張可能部材を拡張させた状態で、前記拡張可能部材を介して前記基板の裏面に対し、前記ｙ軸方向に延在する前記切断予定ラインに沿って順次に前記押圧部材を押し当てることにより、前記割れが開くように前記加工対象物に応力を生じさせ、前記ｙ軸方向に延在する前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物をチップ状に切断する工程と、を含むことを特徴とする加工対象物切断方法。
2. 前記拡張可能部材は、リング状の支持フレームの開口部を覆い且つ前記加工対象物が前記開口部に位置するように前記支持フレームに張られており、
   前記拡張可能部材を拡張させる工程では、前記支持フレームをベースに固定した状態で、前記ベースの内側に配置された拡張部材をｚ軸方向に移動させることにより、前記拡張可能部材を拡張させ、
   前記加工対象物を短冊状に切断する工程では、前記拡張部材を前記ｚ軸方向に移動させた状態で、前記拡張部材の内側に配置された前記押圧部材を前記ｚ軸方向に移動させた後、前記ｙ軸方向に移動させることにより、前記ｘ軸方向に延在する前記切断予定ラインに沿って順次に前記押圧部材を押し当て、
   前記加工対象物をチップ状に切断する工程では、前記拡張部材を前記ｚ軸方向に移動させた状態で、前記拡張部材の内側に配置された前記押圧部材を前記ｚ軸方向に移動させた後、前記ｘ軸方向に移動させることにより、前記ｙ軸方向に延在する前記切断予定ラインに沿って順次に前記押圧部材を押し当てることを特徴とする請求項１記載の加工対象物切断方法。
3. 前記基板において前記切断予定ラインに沿った部分では、前記基板の厚さ方向の中心位置に対して前記基板の表面側の部分における前記第２の改質領域の形成密度は、前記基板の厚さ方向の中心位置に対して前記基板の裏面側の部分における前記第１の改質領域の形成密度より高いことを特徴とする請求項１又は２記載の加工対象物切断方法。
4. 前記基板において前記切断予定ラインに沿った部分では、前記第２の改質領域の列数は、前記第１の改質領域の列数より多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の加工対象物切断方法。
5. 前記第１の改質領域を前記基板の内部に形成した後に、前記第２の改質領域を前記基板の内部に形成し、前記第２の改質領域から前記基板の表面に割れを生じさせ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。
6. 前記基板は半導体基板であり、前記第１及び前記第２の改質領域は溶融処理領域を含む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。

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