JP4791248B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物に対して透過性を有するパルスレーザー光線等のレーザー光線を照射し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザー加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、シリコン基板、サファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板の如き適宜の基板を含むウエーハの表面に格子状に形成されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等の回路（機能素子）を形成する。そして、ウエーハを分割予定ラインに沿って切断することにより機能素子が形成された領域を分割して個々の半導体デバイスを製造している。ウエーハを分割するための方法としては、レーザー光線を利用する種々の様式が提案されている。

半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有するパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する例えば波長が１０６４ｎｍのパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下した分割予定ラインに沿って外力を加えることにより、被加工物を分割するものである。（例えば、特許文献１参照。）
特許第３４０８８０５号公報

しかるに、ウエーハに外力を加えて分割予定ラインに沿って精密に破断せしめるためには、変質層の厚さ、即ちウエーハの厚さ方向における変質層の寸法を比較的大きくすることが必要である。上述したレーザー加工方法によって形成される変質層の厚さはパルスレーザー光線の集光点近傍において１０〜５０μmであるため、変質層の厚さを増大せしめるためにはパルスレーザー光線の集光点の位置をウエーハの厚さ方向に変位せしめて、パルスレーザー光線とウエーハとを分割予定ラインに沿って繰り返し相対的に移動せしめることが必要である。従って、特にウエーハの厚さが比較的厚い場合、ウエーハを精密に破断するのに必要な厚さの変質層の形成に長時間を要する。

上記問題解消するため、パルスレーザー光線の集光点を被加工物の厚さ方向に複数形成し、複数の変質層を同時に形成するレーザー加工装置が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
特開２００５−２８４３８号公報

上記公報に開示されたレーザー加工装置によれば、被加工物の厚さ方向に形成される複数の集光点の部位に変質層を同時に形成することができる。しかしながら、このレーザー加工装置は、複数の集光点を形成するための機構が比較的複雑であり、実用的には必ずしも満足し得るものではない。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、簡単な構成で被加工物の厚さ方向に２層の変質層を同時に形成することができるレーザー加工装置を提供することである。

上記主たる技術的課題を解決するために、本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有するレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段とを具備し、
該レーザー光線照射手段は、レーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線を伝送する光学伝送手段と、該光学伝送手段によって伝送されたレーザー光線を集光せしめる集光レンズとを含んでいる、レーザー加工装置において、
該光学伝送手段は、該レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線を常光と異常光に分離する複屈折レンズを備え、
該集光レンズは、該複屈折レンズによって分離された常光と異常光をそれぞれ集光せしめ、常光の集光点と異常光の集光点とを形成する、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

上記光学伝送手段は、上記レーザー光線発振手段と上記複屈折レンズとの間に配設された波長板を備えている。
上記複屈折レンズは、所定の曲率を有する凸面を備えたガラス体と、該ガラス体の該凸面と対応する曲率を有する凹面を備えた結晶体とからなり、ガラス体の凸面と結晶体の凹面が結合して構成されている。
上記複屈折レンズと上記集光レンズとの間には、集光レンズに入射するレーザー光線の光軸を加工送り方向に変位せしめる複屈折偏向板が配設されていることが望ましい。複屈折偏向板は、所定の傾斜角度を有する傾斜面を備えた結晶体と、該結晶体の該傾斜面と対応する傾斜面を備えたガラス体とからなり、結晶体の傾斜面とガラス体の傾斜面が結合して構成されている。
また、上記レーザー光線発振手段と上記複屈折レンズとの間には、上記集光レンズによるレーザー光線の集光点深さ位置を変位せしめる集光点深さ変位手段が配設されていることが望ましい。

本発明のレーザー加工装置においては、レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を複屈折レンズによって常光と異常光に分離し、この分離された常光と異常光を集光レンズによってそれぞれ集光せしめ、常光の集光点と異常光の集光点とを形成するので、２層の変質層を同時に形成することができる。このように本発明のレーザー加工装置は、複屈折レンズを配設した簡単な構成により、被加工物の厚さ方向に２層の変質層を同時に形成することができる。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の実施形態の概略構成図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、被加工物であるウエーハ２を保持するためのチャックテーブル３と全体を番号４で示すレーザー光線照射手段とを具備している。

チャックテーブル３は、例えば多孔質部材から形成され或いは複数個の吸引孔又は溝が形成された吸着チャック３１を具備しており、該吸着チャック３１が図示しない吸引手段に連通されている。従って、吸着チャック３１上に被加工物であるウエーハ２の回路面側に貼着された保護テープ２１側を載置し、図示しない吸引手段を作動することにより、ウエーハ２はチャックテーブル３上に吸引保持される。このように構成されたチャックテーブル３は、図示しない加工送り手段によって図１において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられるように構成されている。従って、チャックテーブル３とレーザー光線照射手段４は、矢印Ｘで示す加工送り方向に相対的に移動可能である。

レーザー光線照射手段４は、パルスレーザー光線発振手段５と、このパルスレーザー光線発振手段５が発振するパルスレーザーを伝送する光学伝送手段７と、該光学伝送手段７によって伝送されたレーザー光線を集光せしめる集光レンズ８を具備している。パルスレーザー光線発振手段５は、被加工物であるウエーハ２に対して透過性を有する直線偏光のパルスレーザー光線１０を発振する。このパルスレーザー光線発振手段５は、ウエーハ２がシリコン基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板を含むウエーハである場合、例えば波長が１０６４ｎｍであるパルスレーザー光線１０を発振するＹＶＯ４パルスレーザー発振器或いはＹＡＧパルスレーザー発振器を用いることができる。

光学伝送手段７は、パルスレーザー光線発振手段５から発振されたパルスレーザー光線１０を図１において下方に向けて９０度変換する方向変換ミラー７１と、該方向変換ミラー７１によって方向変換されたパルスレーザー光線１０を常光と異常光に分離する複屈折レンズ７２とを具備している。複屈折レンズ７２は、図示の実施形態においてはLASF35ガラス体７２１と、YVO4結晶体７２２とによって構成されている。LASF35ガラス体７２１は所定の曲率（例えば曲率半径が５８mm）を有する凸面７２１aを備え、YVO4結晶体７２２はガラス体７２１の凸面７２１aと対応する曲率を有する凹面７２２aを備えており、ガラス体７２１の凸面７２１aと結晶体７２２の凹面７２２aが結合して構成されている。このように構成された複屈折レンズ７２は、方向変換ミラー７１によって方向変換されたパルスレーザー光線１０がYVO4結晶体７２２の光学軸に対して所定の角度をもって入射されると、パルスレーザー光線１０を図において実線で示す常光１０aと破線で示す異常光１０bに分離する。即ち、複屈折レンズ７２は、常光１０aについては屈折させずにそのまま通過させ、異常光１０bについては凹面７２２aを備えた結晶体７２２によって外側に屈折させる。なお、パルスレーザー光線１０をYVO4結晶体７２２の光学軸に対して所定の角度をもって入射させるようにするには、複屈折レンズ７２を入射するパルスレーザー光線１０の光軸を中心として回動して調整してもよく、また、パルスレーザー光線発振手段５を発振するパルスレーザー光線の光軸を中心として回動して調整してもよい。

次に、パルスレーザー光線１０をYVO4結晶体７２２の光学軸に対して所定の角度をもって入射させる他の実施形態について、図２を参照して説明する。
図２に示す実施形態は、図１に示す実施形態における方向変換ミラー７１と複屈折レンズ７２との間に二分の一波長板７５を配設したものである。この二分の一波長板７５は、偏光面を回動することによりパルスレーザー光線１０のYVO4結晶体７２２の光学軸に対する入射角を変えることができる。このパルスレーザー光線１０のYVO4結晶体７２２の光学軸に対する入射角を４５度にすることにより、複屈折レンズ７２によって分離される常光１０aと異常光１０bとの比率をそれぞれ５０％にすることができる。

上記集光レンズ８は、複屈折レンズ７２によって分離された常光１０aと異常光１０bをそれぞれ集光せしめる。即ち、集光レンズ８は、常光１０aについては被加工物であるウエーハ２の内部における集光点Pａに集光せしめ、異常光１０bについては被加工物であるウエーハ２の内部における集光点Pbに集光せしめる。この集光点Pbは、異常光１０bが上述したように複屈折レンズ７２によって外側に屈折せしめられているので、常光１０aの集光点Pａより深い位置（図１および図２において下方位置）、即ち集光レンズ８から光軸方向に離れた位置となる。
なお、図１および図２に示す実施形態における複屈折レンズ７２はガラス体７２１が凸面７２１aを備え結晶体７２２が凹面７２２aを備えた例を示したが、ガラス体に凹面を備え結晶体に凸面を備えた構成にしてもよい。このこのように構成した場合には、異常光の集光点が常光の集光点より浅い位置（図１および図２において上方位置）、即ち光軸方向に集光レンズ８に近い位置となる。

上述したようにパルスレーザー光線１０の常光１０aが集光点Pａに集光せしめられると、これに起因して集光点Pａの近傍、通常は集光点Pａから上方に向かって厚さＴ１を有する領域で被加工物であるウエーハ２に変質層W１が形成される。また、パルスレーザー光―線１０の異常光１０bが集光点Pbに集光せしめられると、集光点Pb近傍、通常は集光点Pbから上方に向かって厚さＴ２を有する領域で被加工物であるウエーハ２に変質層W２が生成される。被加工物であるウエーハ２に形成される変質層はウエーハ２の材質或いは集光せしめられるパルスレーザー光線１０の常光１０aと異常光１０bの強度にも依存するが、通常は溶融再固化（即ち、パルスレーザー光線１０の常光１０aと異常光１０bが集光されている時に溶融されパルスレーザー光線１０の集光が終了した後に固化される）、ボイド或いはクラックである。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上述したようにパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３（従って、チャックテーブル３に保持された被加工物であるウエーハ２）を、図１および図２において例えば左方に移動せしめる。この結果、ウエーハ２の内部には、図３に示すように所定の分割予定ラインに沿って厚さＴ１およびＴ２を有する２個の変質層Ｗ１およびＷ２が同時に形成される。このように、図示の実施形態におけるレーザー加工装置によれば、複屈折レンズ７２を配設した簡単な構成により、被加工物であるウエーハ２にその厚さ方向に変位せしめられた２個の領域に厚さＴ１およびＴ２を有する変質層Ｗ１およびＷ２を同時に形成することができる。

なお、上記レーザー加工における加工条件は、例えば次のように設定されている。
光源 ：LD励起QスイッチNd：YAGパルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
パルス出力 ：２．５μJ
集光スポット径 ：φ１μｍ
パルス幅 ：４０ns
繰り返し周波数 ：１００ｋHｚ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒

なお、被加工物であるウエーハ２の厚さが厚く、厚さＴ１およびＴ２を有する変質層Ｗ１およびＷ２では分割ラインに沿ってウエーハ２を精密に分割するには不充分である場合には、レーザー光線照射手段４とチャックテーブル３とを光軸方向、即ち図１および図２において矢印Zで示す上下方向に相対的に所定距離移動せしめ、これによって集光点Pａおよび集光点Pbを光軸方向、従って被加工物であるウエーハ２の厚さ方向に変位せしめ、レーザー光線照射手段４からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３を図１および図２において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめる。この結果、被加工物であるウエーハ２には、上記変質層Ｗ１およびＷ２に加えて厚さ方向に変位した部位に厚さＴ１およびＴ２を有する変質層Ｗ１およびＷ２形成することができる。

次に、レーザー光線照射手段４における光学伝送手段７の他の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４に示す光学伝送手段７は、上記図１に示す実施形態における複屈折レンズ７２と集光レンズ８との間に集光レンズ８に入射するレーザー光線１０の常光１０aと異常光１０bの光軸を加工送り方向Xに変位せしめる複屈折偏向板７３を配設したものである。なお、図４に示す実施形態においては、複屈折偏向板７３以外は上記図１に示すレーザー光線照射手段４の各構成要素を同一の構成であるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
複屈折偏向板７３は、図示の実施形態においてはYVO4結晶体７３１とLASF35ガラス体７３２とからなっている。YVO4結晶体は所定の傾斜角度（例えば３．５度）を有する面７３１aを備え、LASF35ガラス体７３２はYVO4結晶体７３１の傾斜面７３１aと対応する傾斜面７３２aを備えており、YVO4結晶体７３１の傾斜面７３１aとLASF35ガラス体７３２傾斜面７３２aが結合して構成されている。このように構成された複屈折偏向板７３は、複屈折レンズ７２によって分離されたパルスレーザー光線１０の常光１０aについては屈折させずにそのまま通過させ、異常光１０bについては図４においてに左方に屈折させる。この結果、集光レンズ８は、常光１０aについては被加工物であるウエーハ２の内部における集光点Pａに集光せしめ、異常光１０bについては常光１０aの集光点Pａに対して図４において矢印Ｘで示す加工送り方向に距離Sだけ左方に変位して被加工物であるウエーハ２の内部における集光点Pbに集光せしめる。この集光点Pbは、異常光１０bが上述したように複屈折レンズ７２によって外側に屈折せしめられているので、常光１０aの集光点Pａより深い位置（図４において下方位置）、即ち集光レンズ８から光軸方向に離れた位置となる。

上述したようにパルスレーザー光線１０の常光１０aが集光点Pａに集光せしめられると、これに起因して集光点Pａの近傍、通常は集光点Pａから上方に向かって厚さＴ１を有する領域で被加工物であるウエーハ２に変質層W１が形成される。また、パルスレーザー光線１０の異常光１０bが集光点Pbに集光せしめられると、集光点Pb近傍、通常は集光点Pbから上方に向かって厚さＴ２を有する領域で被加工物であるウエーハ２に変質層W２が生成される。このとき、異常光１０bの集光点Pbは常光１０aの集光点Pａに対して図４において矢印Ｘで示す加工送り方向に距離Sだけ変位しているので、常光１０aの集光点Pａと異常光１０bの集光点Pbが干渉することはなく、集光点が浅い常光１０aによって集光点が深い異常光１０ｂが阻害されることはない。従って、常光１０aの集光点Pａ近傍および異常光１０bの集光点Pb近傍にそれぞれ所望の深さの変質層W１およびW２を形成することができる。

次に、レーザー光線照射手段４における光学伝送手段７の更に他の実施形態について、図５を参照して説明する。
図５に示す光学伝送手段７は、上記パルスレーザー光線発振手段５と方向変換ミラー７１との間に集光点深さ変位手段７４を配設したものである。なお、図５に示す実施形態においては、集光点深さ変位手段７４以外は上記図４に示すレーザー光線照射手段４の各構成要素を同一の構成であるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図５に示す集光点深さ変位手段７４は、間隔を置いて配設された第１の凸レンズ７４１および第２の凸レンズ７４２と、該第１の凸レンズ７４１と第２の凸レンズ７４２との間に配設された第１のミラー対７４３および第２のミラー対７４４とからなっている。第１のミラー対７４３は互いに平行に配設された第１のミラー７４３aと第２のミラー７４３bとからなり、該第１のミラー７４３aと第２のミラー７４３bは互いの間隔を維持した状態で図示しないミラー保持部材に固定されている。第２のミラー対７４４も互いに平行に配設された第１のミラー７４４aと第２のミラー７４４bとからなっており、該第１のミラー７４４aと第２のミラー７４４bは互いの間隔を維持した状態で図示しないミラー保持部材に固定されている。そして、図５に示す状態においては第１の凸レンズ７４１の焦点(f1)と第２の凸レンズ７４２の焦点(f2)が、第１のミラー対７４３の第２のミラー７４３bと第２のミラー対７４４の第１のミラー７４４aの間の集束点Dで一致するように構成されている。この状態においては、第２の凸レンズ７４２から方向変換ミラー７１に向けて照射されるパルスレーザー光線１０は平行となる。

このように構成された図５に示す集光点深さ変位手段７４においては、パルスレーザー光線発振手段５から発振されたパルスレーザー光線１０を、第１の凸レンズ７４１、第１のミラー対７４３の第１のミラー７４３aおよび第２のミラー７４３b、第２のミラー対７４４の第１のミラー７４４aおよび第２のミラー７４４b、第２の凸レンズ７４２を介して方向変換ミラー７１に導く。そして、図５に示す集光点深さ変位手段７４は、第１のミラー対７４３および第２のミラー対７４４をそれぞれ保持する図示しないミラー保持部材を、それぞれ第１のミラー７４３aと第２のミラー７４３bおよび第１のミラー７４４aと第２のミラー７４４bが点対称の位置となる点Q、Qを中心として回動し、各ミラーの設置角度を変更することにより第１の凸レンズ７４１の焦点(f1)および第２の凸レンズ７４２の焦点(f2)をそれぞれ図５において左右方向に変位することができる。このように構成された集光点深さ変位手段７４は、図５に示す状態においては上述したように第１の凸レンズ７４１の焦点(f1)と第２の凸レンズ７４２の焦点(f2)が集束点Dで一致し、第２の凸レンズ７４２から方向変換ミラー７１に向けて照射されるパルスレーザー光線１０を平行にする。一方、第１のミラー対７４３および第２のミラー対７４４を点Q、Qを中心として一方に回動し、第１の凸レンズ７４１の焦点(f1)を上記集束点Dより図５において左方に変位し、第２の凸レンズ７４２の焦点(f2)を上記集束点Dより図５において右方に変位すると、第２の凸レンズ７４２から方向変換ミラー７１に向けて照射されるパルスレーザー光線１０は末広がりとなる。この結果、方向変換ミラー７１を介して上記複屈折レンズ７２に入射するパルスレーザー光線１０も末広がりとなるため、複屈折レンズ７２によって分離され集光レンズ７３によって集光される常光１０aの集光点Pａと異常光１０bの集光点Pbは図示の状態より下方に変位する。他方、第１のミラー対７４３および第２のミラー対７４４を点Q、Qを中心として他方に回動し、第１の凸レンズ７４１の焦点(f1)を上記集束点Dより図５において右方に変位し、第２の凸レンズ７４２の焦点(f2)を上記集束点Dより図５において左方に変位すると、第２の凸レンズ７４２から方向変換ミラー７１に向けて照射されるパルスレーザー光線１０は末細りとなる。この結果、方向変換ミラー７１を介して上記複屈折レンズ７２に入射するパルスレーザー光線１０も末細りとなるため、複屈折レンズ７２によって分離され集光レンズ７３によって集光される常光１０aの集光点Pａと異常光１０bの集光点Pbは図示の状態より上方に変位する。

なお、光学伝送手段７は、曲率半径または結晶体の異なる複数の複屈折レンズおよび傾斜角または結晶体の異なる複数の複屈折偏向板を準備して適宜交換するように構成することにより、Z方向およびX方向に２つの集光点の距離を適宜変更することができる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の概略構成図。 図１のレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の他の実施形態を示す概略構成図。 図１のレーザー加工装置によって被加工物の内部に２個の変質層を同時に形成した状態を示す説明図。 図１のレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段を構成する光学伝送手段の他の実施形態を示す概略構成図。 図１のレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段を構成する光学伝送手段の更に他の実施形態を示す概略構成図。

符号の説明

２：ウエーハ（被加工物）
３：チャックテーブル
４：レーザー光線照射手段
５：パルスレーザー光線発振手段
７：光学伝送手段
７１： 方向変換ミラー
７２：複屈折レンズ
７２１：LASF35ガラス体
７２２：YOV4結晶体
７３：複屈折偏向板
７３１：YOV4結晶体
７３２：LASF35ガラス体
７４：集光点深さ変位手段
７４１：第１の凸レンズ
７４２：第２の凸レンズ
７４３：第１のミラー対
７４４：第２のミラー対
７５：二分の一波長板
８：集光レンズ

Claims (6)

1. 被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有するレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段とを具備し、
   該レーザー光線照射手段は、レーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線を伝送する光学伝送手段と、該光学伝送手段によって伝送されたレーザー光線を集光せしめる集光レンズとを含んでいる、レーザー加工装置において、
   該光学伝送手段は、該レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線を常光と異常光に分離する複屈折レンズを備え、
   該集光レンズは、該複屈折レンズによって分離された常光と異常光をそれぞれ集光せしめ、常光の集光点と異常光の集光点とを形成する、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 該光学伝送手段は、該レーザー光線発振手段と該複屈折レンズとの間に配設された波長板を備えている、請求項１記載のレーザー加工装置。
3. 該複屈折レンズは、所定の曲率を有する凸面を備えたガラス体と、該ガラス体の該凸面と対応する曲率を有する凹面を備えた結晶体とからなり、該ガラス体の該凸面と該結晶体の該凹面が結合して構成されている、請求項１又は２記載のレーザー加工装置。
4. 該複屈折レンズと該集光レンズとの間には、該集光レンズに入射するレーザー光線の光軸を加工送り方向に変位せしめる複屈折偏向板が配設されている、請求項１から３のいずれかに記載のレーザー加工装置。
5. 該複屈折偏向板は、所定の傾斜角度を有する傾斜面を備えた結晶体と、該結晶体の該傾斜面と対応する傾斜面を備えたガラス体とからなり、該結晶体の該傾斜面と該ガラス体の該傾斜面が結合して構成されている、請求項１から４のいずれかに記載のレーザー加工装置。
6. 該レーザー光線発振手段と該複屈折レンズとの間には、該集光レンズによるレーザー光線の集光点深さ位置を変位せしめる集光点深さ変位手段が配設されている、ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のレーザー加工装置。

Images