JP5443104B2

JP5443104B2 - ウエーハの加工方法

Info

Publication number: JP5443104B2
Application number: JP2009211569A
Authority: JP
Inventors: 純前原
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-09-14
Also published as: CN102024886B; JP2011061129A; TWI489587B; CN102024886A; TW201133715A

Description

本発明は、サファイア基板の表面に窒化物半導体からなる発光層が積層され所定の方向に延びる複数の第１のストリートと該複数の第１のストリートと交差して形成された複数の第２のストリートによって区画された複数の領域に光デバイスが形成されたウエーハの内部に、第１のストリートおよび第２のストリートに沿って変質層を形成するウエーハの加工方法に関する。

光デバイスの製造工程においては、サファイア基板の表面に窒化物半導体からなる発光層（エピ層）が積層され所定の方向に延びる複数の第１のストリートと該複数の第１のストリートと交差して形成された複数の第２のストリートによって区画された複数の領域に光デバイスが形成される。この複数の光デバイスが形成されたウエーハは、第１のストリートおよび第２のストリートに沿って切断することにより個々の発光ダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。

このようなウエーハのストリートに沿った切断は、通常、環状の切削ブレードを高速回転して切削する切削装置によって行われている。しかしながら、サファイア基板はモース硬度が高く難削材であるため、加工速度を遅くする必要があり、生産性が悪いという問題がある。

近年、ウエーハをストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに対して吸収性を有するパルスレーザー光線をストリートに沿って照射することによりレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿って外力を付与することにより割断する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）

しかるに、サファイア基板の表面に形成されたストリートに沿ってレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成すると、発光ダイオード等の光デバイスの外周がアブレーションされて輝度が低下し、光デバイスの品質が低下するという問題がある。

このような問題を解消するために、窒化物半導体からなる発光層（エピ層）が形成されていないサファイア基板の裏面側からサファイア基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光点を内部に位置付けてストリートに沿って照射し、サファイア基板の内部にストリートに沿って変質層を形成することにより、サファイア基板を変質層が形成されたストリートに沿って分割するサファイア基板の加工方法が下記特許文献２に開示されている。

特開平１０−３０５４２０号公報特開２００８−６４９２号公報

上記特許文献２に開示されたサファイア基板の加工方法においては、光デバイスの輝度の低下はある程度改善されるものの、サファイア基板の裏面側からサファイア基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光点を内部に位置付けてストリートに沿って照射すると、窒化物半導体からなる発光層（エピ層）に抜けるレーザー光線によって発光層がダメージを受け光デバイスの発光機能を低下させるという問題がある。
また、シリコン基板の表面にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスが積層して形成された半導体ウエーハの裏面側からシリコン基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光点を内部に位置付けてストリートに沿って照射し、シリコン基板の内部にストリートに沿って変質層を形成する場合にも、デバイス層に抜けるレーザー光線によってデバイスがダメージを受けるという問題がある。

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、基板の表面に形成されたデバイス層にダメージを与えることなく基板の内部にストリートに沿って変質層を形成することができるウエーハの加工方法を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、基板の表面にデバイス層が積層され格子状に形成された複数のストリートによって区画された複数の領域にデバイスが形成されたウエーハの内部に、ストリートに沿って変質層を形成するウエーハの加工方法であって、
基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を基板の裏面側から集光点を基板の内部に位置付けてストリートに沿って照射し、基板の内部にストリートに沿って第１の変質層を形成する第１の変質層形成工程と、
該第１の変質層形成工程を実施した後に、基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を基板の裏面側から集光点を該第１の変質層の上側に位置付けてストリートに沿って照射し、基板の内部にストリートに沿って第２の変質層を該第１の変質層に積層して形成する第２の変質層形成工程と、を含み、
該第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は、該第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度より低く基板に変質層を加工することができる下限付近に設定されており、該第１の変質層形成工程において形成される該第１の変質層は該第２の変質層形成工程において照射され基板の表面に形成されたデバイス層側に抜けるパルスレーザー光線を吸収するとともに散乱して減衰する、
ことを特徴とするウエーハの加工方法が提供される。

基板がサファイア基板の場合には、上記第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は３〜１２J／cm²に設定され、上記第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は１００〜４００J／cm²に設定されている。
また、基板がシリコン基板の場合には、上記第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は１５〜６０J／cm²に設定され、上記第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は４００〜１５００J／cm²に設定されている。

本発明によるウエーハの加工方法においては、基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を基板の裏面側から集光点を基板の内部に位置付けてストリートに沿って照射し基板の内部にストリートに沿って第１の変質層を形成する第１の変質層形成工程と、基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を基板の裏面側から集光点を第１の変質層の上側に位置付けてストリートに沿って照射し基板の内部にストリートに沿って第２の変質層を第１の変質層に積層して形成する第２の変質層形成工程とを含み、第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度が第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度より低く基板に変質層を加工することができる下限付近に設定されており、該第１の変質層形成工程において形成される該第１の変質層は該第２の変質層形成工程において照射され基板の表面に形成されたデバイス層側に抜けるパルスレーザー光線を吸収するとともに散乱して減衰するので、第１の変質層形成工程においてデバイス層に抜けるパルスレーザー光線のエネルギーが極めて小さいため、デバイス層がダメージを受けることはない。また、第２の変質層形成工程においては、第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度より高いエネルギー密度のパルスレーザー光線が照射されるが、デバイス層側に抜けるパルスレーザー光線は第１の変質層によって吸収されるとともに散乱して減衰するので、デバイス層にダメージを与えることなく、効果的に第２の変質層を形成することができる。

本発明によるウエーハの加工方法によって加工されるウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図。図１に示すウエーハを環状のフレームに装着された保護テープの表面に貼着した状態を示す斜視図。本発明によるウエーハの加工方法における第１の変質層形成工程および第２の変質層形成工程を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。本発明によるウエーハの加工方法における第１の変質層形成行程の説明図。本発明によるウエーハの加工方法における第２の変質層形成行程の説明図。

以下、本発明によるウエーハの加工方法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の(a)および(b)には、本発明によるウエーハの加工方法に従って加工されるウエーハの斜視図が示されている。図１の(a)および(b)に示すウエーハ２は、例えば厚さが１００μmのサファイア基板２０の表面２０aに窒化物半導体からなるデバイス層としての発光層（エピ層）２１が積層されている。そして、発光層（エピ層）２１が格子状に形成された複数のストリート２２によって区画された複数の領域に光デバイス２３が形成されている。

上記図１に示すウエーハ２は、図２に示すように環状のフレーム３に装着されたポリオレフィン等の合成樹脂シートからなる保護テープ４に発光層（エピ層）２１の表面側を貼着する（保護テープ貼着工程）。従って、ウエーハ２は、サファイア基板２０の裏面２０bが上側となる。

上述した保護テープ貼着工程を実施したならば、サファイア基板２０に対して透過性を有する波長のレーザー光線をサファイア基板２０の裏面側から集光点をサファイア基板２０の内部に位置付けて所定方向に形成されたストリート２２に沿って照射し、サファイア基板２０の内部にストリート２２に沿って第１の変質層を形成する第１の変質層形成工程を実施する。この第１の変質層形成工程は、図３に示すレーザー加工装置５を用いて実施する。図３に示すレーザー加工装置５は、被加工物を保持するチャックテーブル５１と、該チャックテーブル５１上に保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２と、チャックテーブル５１上に保持された被加工物を撮像する撮像手段５３を具備している。チャックテーブル５１は、被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り手段によって図３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とともに、図示しない割り出し送り手段によって図３において矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられるようになっている。

上記レーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。ケーシング５２１内には図示しないパルスレーザー光線発振器や繰り返し周波数設定手段を備えたパルスレーザー光線発振手段が配設されている。上記ケーシング５２１の先端部には、パルスレーザー光線発振手段から発振されたパルスレーザー光線を集光するための集光器５２２が装着されている。

上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部に装着された撮像手段５３は、図示の実施形態においては可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。

上述したレーザー加工装置５を用いて、上記ウエーハ２を構成するサファイア基板２０に対して透過性を有する波長のレーザー光線をサファイア基板２０の裏面側から集光点をサファイア基板２０の内部に位置付けてストリート２２に沿って照射し、サファイア基板２０の内部にストリート２２に沿って第１の変質層を形成する第１の変質層形成工程について、図３および図４を参照して説明する。
先ず、上述した図３に示すレーザー加工装置５のチャックテーブル５１上にウエーハ２が貼着された保護テープ４を載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、保護テープ４を介してウエーハ２をチャックテーブル５１上に保持する（ウエーハ保持工程）。従って、チャックテーブル５１に保持されたウエーハ２は、サファイア基板２０の裏面２０bが上側となる。なお、図３においては、保護テープ４が装着された環状のフレーム３を省いて示しているが、環状のフレーム３はチャックテーブル５１に配設された適宜のフレーム保持手段に保持されている。このようにして、ウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル５１は、図示しない加工送り手段によって撮像手段５３の直下に位置付けられる。

チャックテーブル５１が撮像手段５３の直下に位置付けられると、撮像手段５３および図示しない制御手段によってウエーハ２のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段５３および図示しない制御手段は、ウエーハ２の所定方向に形成されているストリート２２と、該ストリート２２に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５２２との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する（アライメント工程）。また、ウエーハ２に上記所定方向と直交する方向に形成されたストリート２２に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。このとき、ウエーハ２におけるストリート２２が形成されている発光層（エピ層）２１の表面は下側に位置しているが、ウエーハ２を構成するサファイア基板２０は透明体であるため、サファイア基板２０の裏面側からストリート２２を撮像することができる。なお、ウエーハがシリコン基板のように透明体でない材料によって構成されている場合には、撮像手段５３は赤外線照明手段から赤外線を照射して、シリコン基板の裏面から透かしてストリートを撮像する。

以上のようにしてチャックテーブル５１上に保持されたウエーハ２を構成する発光層（エピ層）２１の表面に形成されているストリート２２を検出し、レーザー光線照射位置のアライメントが行われたならば、図４の（ａ）で示すようにチャックテーブル５１をレーザー光線照射手段５２の集光器５２２が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定のストリート２２の一端（図４の（ａ）において左端）をレーザー光線照射手段５２の集光器５２２の直下に位置付ける。そして、集光器５２２からサファイア基板２０に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル５１を図４の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図４の（ｂ）で示すようにレーザー光線照射手段５２の集光器５２２の照射位置がストリート２２の他端（図４の（b）において右端）の位置に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル５１の移動を停止する。この第１の変質層形成工程においては、パルスレーザー光線の集光点Ｐをウエーハ２を構成するサファイア基板２０の表面（下面）から例えば１０〜２０μm上側の位置に合わせる。この結果、ウエーハ２を構成するサファイア基板２０には、内部にストリート２２に沿って連続した第１の変質層２１０が形成される。この第１の変質層形成工程においては、レーザー光線照射手段５２から照射するパルスレーザー光線のエネルギー密度を、サファイア基板２０に変質層を加工することができる下限付近に設定することが重要である。このようにパルスレーザー光線のエネルギー密度をサファイア基板２０に変質層を加工することができる下限付近（例えば３〜１２J／cm²）に設定することにより、発光層（エピ層）２１に抜けるパルスレーザー光線のエネルギーが極めて小さいため、発光層（エピ層）２１がダメージを受けることはない。

上記第１の変質層形成工程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：Ybレーザー：イッテリビウムドープトファイバーレーザー
波長：１０４５ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均出力：０．０１W
集光スポット径：φ１〜２μｍ
エネルギー密度：３〜１２J／cm²
加工送り速度：４００ｍｍ／秒

上述したように第１の変質層形成工程を実施したならば、サファイア基板２０に対して透過性を有する波長のレーザー光線をサファイア基板２０の裏面側から集光点を第１の変質層２１０の上側に位置付けてストリート２２に沿って照射し、サファイア基板２０の内部にストリート２２に沿って第２の変質層を第１の変質層２１０に積層して形成する第２の変質層形成工程を実施する。この第２の変質層形成工程は、図５の（ａ）で示すように上記第１の変質層形成工程を実施した状態でレーザー光線照射手段５２の集光器５２２から照射するパルスレーザー光線の集光点Ｐを第１の変質層２１０の上側に位置付ける。次に、集光器５２２からサファイア基板２０に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル５１を図５の（ａ）において矢印Ｘ２で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図５の（ｂ）で示すようにレーザー光線照射手段５２の集光器５２２の照射位置がストリート２２の一端（図５の（b）において左端）の位置に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル５１の移動を停止する。この結果、ウエーハ２を構成するサファイア基板２０には、内部にストリート２２に沿って第２の変質層２２０が第１の変質層２１０に積層して形成される。この第２の変質層形成工程においては、レーザー光線照射手段５２から照射するパルスレーザー光線のエネルギー密度が、上記第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度より高くサファイア基板２０に効果的に変質層を加工することができる値（例えば１００〜４００J／cm²）に設定されている。このように第２の変質層形成工程においては、エネルギー密度が比較的高いパルスレーザー光線が照射されるが、発光層（エピ層）２１側に抜けるパルスレーザー光線は第１の変質層２１０によって吸収されるとともに散乱して減衰するので、発光層（エピ層）２１にダメージを与えることなく、効果的に第２の変質層２２０を形成することができる。

上記第２の変質層形成工程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：Ybレーザー：イッテリビウムドープトファイバーレーザー
波長：１０４５ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均出力：０．３W
集光スポット径：φ１〜２μｍ
エネルギー密度：１００〜４００J／cm²
加工送り速度：４００ｍｍ／秒

上述したように、ウエーハ２の所定方向に形成された全てのストリート２２に沿って上記第１の変質層形成工程および第２の変質層形成工程を実施したならば、ウエーハ２を保持したチャックテーブル５１を９０度回動した位置に位置付ける。そして、ウエーハ２の上記所定方向と直交する方向に形成された全てのストリート２２に沿って上記第１の変質層形成工程および第２の変質層形成工程を実施する。

以上のようにして、第１の変質層形成工程および第２の変質層形成工程が全てのストリート２２に沿って実施されたウエーハ２は、ストリート２２に沿って外力を付与し、第１の変質層２１０および第２の変質層２２０が形成されたストリート２２に沿って破断するウエーハ分割工程に搬送される。

次に、シリコン基板からなるウエーハに本発明による加工方法を適用する場合の加工条件について説明する。
シリコン基板からなるウエーハに上述した第１の変質層２１０および第２の変質層２２０が形成するには、上述した第１の変質層形成工程における加工条件を例えば次のように設定する。
光源：YVO４レーザー
波長：１３４２ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均出力：０．０５W
集光スポット径：φ１〜２μｍ
エネルギー密度：１５〜６０J／cm²
加工送り速度：３００ｍｍ／秒

また、上述した第２の変質層形成工程における加工条件を例えば次のように設定する。
光源：YVO４レーザー
波長：１３４２ｎｍのパルスレーザー
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均出力：１．２W
集光スポット径：φ１〜２μｍ
エネルギー密度：４００〜１５００J／cm²
加工送り速度：３００ｍｍ／秒

２：ウエーハ
２０：サファイア基板
２１：発光層（エピ層）
２２：第１の分割予定ライン
２３：第２の分割予定ライン
２４：デバイス
２１０：第１の変質層
２２０：第２の変質層
３：環状のフレーム
４：保護テープ
５：レーザー加工装置
５１：レーザー加工装置のチャックテーブル
５２：レーザー光線照射手段
５３：撮像手段

Claims

基板の表面にデバイス層が積層され格子状に形成された複数のストリートによって区画された複数の領域にデバイスが形成されたウエーハの内部に、ストリートに沿って変質層を形成するウエーハの加工方法であって、
基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を基板の裏面側から集光点を基板の内部に位置付けてストリートに沿って照射し、基板の内部にストリートに沿って第１の変質層を形成する第１の変質層形成工程と、
該第１の変質層形成工程を実施した後に、基板に対して透過性を有する波長のレーザー光線を基板の裏面側から集光点を該第１の変質層の上側に位置付けてストリートに沿って照射し、基板の内部にストリートに沿って第２の変質層を該第１の変質層に積層して形成する第２の変質層形成工程と、を含み、
該第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は該第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度より低く基板に変質層を加工することができる下限付近に設定されており、該第１の変質層形成工程において形成される該第１の変質層は該第２の変質層形成工程において照射され基板の表面に形成されたデバイス層側に抜けるパルスレーザー光線を吸収するとともに散乱して減衰する、
ことを特徴とするウエーハの加工方法。
基板がサファイア基板の場合には、該第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は３〜１２J／cm²に設定され、該第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は１００〜４００J／cm²に設定されている、請求項１記載のウエーハの加工方法。
基板がシリコン基板の場合には、該第１の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は１５〜６０J／cm²に設定され、該第２の変質層形成工程において照射されるレーザー光線のエネルギー密度は４００〜１５００J／cm²に設定されている、請求項１記載のウエーハの加工方法。