JP5518755B2 - 可変非点焦点ビームスポットを用いたカッティング装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザーカッティング又はレーザー加工に関するものであり、特に、半導体ウェハーを描画（スクライブ）するために非点収差ビーム照射システムを有する固体レーザーを用いて可変非点焦点ビームスポットを形成する装置及びその方法に関するものである。
本願は、２００３年２月１９日に出願された共係属中の米国仮出願シリアル番号６０／４４８５０３の優先権の利益を享受するものである。

化合物半導体装置に対する世界的な要求の増大は、高スループット、コスト効率がよく、信頼性の高い製造技術及び装置の開発に拍車をかけている。化合物半導体は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＴｉのようなＩＩＩ族元素と、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、及びＢｉのようなＶ族元素との組み合わせから成る。ＩＩＩ−Ｖ族半導体装置の典型的な例は、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、及びＧａＮを用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

これらのＬＥＤの中で、ブルーのＬＥＤは窒化シリコン又はサファイアウェハー基板上でエピタキシャルに成長した窒化ガリウムベース（母材）の多層から成る。窒化シリコンウェハーは高精度のソー（切断機）を用いてダイシング（四角く切断）されてきた。サファイアウェハーのダイシング分離はダイアモンド工具を用いた機械的描画によって実施されてきた。ブルーＬＥＤ基板の極端な堅さ及び小型のＬＥＤダイサイズは、低ダイ収率、低スループット、及び高作動コストを含む、ソーダイシング及び機械的描画の両方について大きな問題を生み出している。ＧａＰ及びＧａＡｓのような脆弱な基板も、機械的描画、壊れ、及びソーダイシング工程による過度なエッジチッピングによって低生産性を示す。さらに、従来の工程はウェハー上の装置の数を低減することにつながるが、比較的大きな切断領域を要する。

紫外線（ＵＶ）レーザーを用いた描画は、化合物半導体ウェハーを分離する他の方法である。エキシマレーザー及びダイオードポンプされる固体（ＤＰＳＳ）レーザーはＵＶレーザー描画のための２つの主要な光源である。短継続時間ＵＶレーザー光パルスはウェハー面に確実に合焦（フォーカス）され、各パルスはサブミクロン厚の表面層に吸収され、蒸発が生ずる。蒸発する材料は相互作用エネルギーを持ち去り、周囲材料への熱の移動を最小にする。この工程は光（フォト）アブレーションとして知られている。深いカットを形成するために、何百ものレーザーパルスが表面に合焦される。

迅速にパルス化され、合焦されたレーザービームの下でウェハーを移動することによって、非常に狭い‘Ｖ’字形状のカットが形成される。このカットの深さは走査速度によって制御される。典型的には、これらのカットはウェハーの厚さの３０〜５０％に終端される。レーザー描画の後、ウェハーは標準の劈開装置を用いて割られる。Ｖ’字形状レーザーカットは応力コンセントレータ（集中化装置）として作用し、優れたダイ収率（歩留まり）を有する十分に制御された割りを可能とする。

効率的な光アブレーションはレーザー描画に対しては好適であり、ＵＶレーザー光の２つの特性に強く依存している：波長とパルス継続時間。一般に、光アブレーションは光学的及び熱的理由のために、短いレーザー波長及び短いパルス継続時間から恩恵を受ける。公式Ｅ＝ｈ（ｃ／λ）において、フォトンエネルギーＥは、フォトンの波長λに逆比例する。波長が短いほど１フォトン当たりのエネルギーが大きくなる。短いレーザー波長によって得られる利点には、光の吸収の改善、吸収深さの低減、アブレーションに要する放射照度（照射量）の低減、及び、カット幅の低減が含まれる。公式Ｉ＝Ｅ／Ａｔにおいて、放射照度ＩはパルスエネルギーＥに比例し、ビーム領域Ａ及びパルス継続時間ｔに逆比例する。結果として、短いパルス継続時間によって、所定のスポットサイズ及びパルスエネルギーに対してより高い放射照度が得られる。また、短いパルスによって、ターゲット上により大きなスポットサイズでアブレーションを起こさせ、これによりより迅速なカッティングが可能とする。短いレーザーパルス継続時間による利点には、ターゲット上での放射照度の増大、より迅速な吸収及びアブレーションによる基板への熱移動の低減が含まれる。

窒化シリコンには、３７０ｎｍ以下の光波長は材料のバンドギャップを越えるフォトンエネルギーを有し、これによって直接フォトンアブレーションが可能となる。例えば、ＤＰＳＳ３５５ｎｍ固体レーザービーム（３．５ｅＶ）のフォトンエネルギーは、窒化シリコンの最大バンドエネルギー（４Ｈポリタイプに対して３．２７ｅＶ）より高く、このため、アブレーションにより強い吸収が生ずる。他方、サファイアは、市販のＵＶレーザーのフォトンエネルギー、例えば、Ｆ_２レーザーの１５７ｎｍ（７．９ｅＶ）より高いバンドギャップ（９．９ｅＶ）を有する。このような場合に、マルチフォトン（多光子）吸収は効率的な光吸収を誘起でき、マルチフォトン吸収に要する放射照度（Ｗ／ｃｍ^２）は非常に高くあり得る。サファイアにおけるマルチフォトン吸収の効率は強い波長依存性を有する。サファイアでは短い波長ほどより完全に吸収され、バルク材料へ入力される熱が少なくなる。生ずるフォトアブレーションについて、吸収される光は材料を蒸発するのに十分なエネルギーを付与しなければならない。アブレーションに対するしきい値の放射照度もまた、強い波長依存性を有する。フォトンエネルギーが高いほど、短い光波長の吸収深さが小さいほど、低い放射照度レベルでアブレーションを生ずる。

サファイアと比較すると、化合物半導体基板は通常、例えば、ＧａＮ（３．３ｅＶ）、ＧａＰ（２．２６ｅＶ）、ＧａＡｓ（１．４２ｅＶ）のようにバンドギャップが小さい。２６６ｎｍでのＵＶレーザーのカップリングはこれらの基板上で効率的ではあるが、この強い吸収の下での過大な光エネルギーのために基板に不必要な熱伝導が生じ得て、これによって熱に関連した損傷が生じ得る。これに比して、不十分なレーザーエネルギー密度のために、強い吸収さえ伴う不適当なアブレーションが生じる。最適なレーザーエネルギー密度又は放射照度はレーザー描画において重要な因子であり、高描画速度及び／又は最大生産性につながる。

ＵＶレーザーの間には、エキシマレーザーは遠ＵＶ範囲で１００ワット近くの最大出力を生成する。これらの利点のために、エキシマレーザーは固いＬＥＤウェハー描画に唯一適したものにしている。エキシマレーザー技術を用いた描画には、所望の方向にダイシングされる制御された移動ステージによって並進されるＬＥＤウェハー上へのラインビーム若しくはラインビーム群の照射（デリバリー）を含む。例えば、ＫｒＦ２４８ｎｍ光出力を用いたエキシマレーザー描画は、ニアフィールドイメージング技術を利用する。ここで、この技術を介してパターン化されたレーザービームがマスクから投影される。ラインビームの照射はラインパターン化されたマスク投影（プロジェクション）によって実施される。エキシマレーザーパターン化投影の使用の一例が特許文献１に開示されており、この内容はこの明細書に参考として組み込まれている。この特許では、単一のラインビーム及びマルチラインビームがブルーＬＥＤを用いてサファイアウェハー上に投影される。

エキシマレーザー投影技術においてマスクを用いるときは、パターン化されたビームの加工（変更、モディファイ）は比較的簡単ではあり、マスクの形状を変えることによって実行される。例えば、描画のための狭いラインビーム（例えば、通常数１０μｍ）をスリットマスクによって投影する。しかしながら、スリットマスクはマスクの開口領域を通ってだけレーザービームを通過させる。ビームデリバリーシステム（ＢＤＳ）におけるマスクの導入によって、ビーム利用因子（ＢＵＦ）を低くするレーザービームの主要部を遮断する。描画速度は主に、描画並進方向の投影ビームのサイズに比例するので、この低ビーム利用因子は描画工程の速度を制限する。

近年、ＵＶ固体レーザー技術の進展によって、堅い化合物半導体例えば、サファイア及び窒化シリコンから成るものの描画のために考えられている十分な平均パワーを用いたＤＰＳＳレーザーが開発された。いくつかのレーザーメーカーが、イットリウム＼結晶マトリックス（Ｎｄ：ＹＶＯ_４又はＮｄ：ＹＡＧ）にドープされたＮｄ^３＋イオンに対するゲイン媒体を有する、第３の共振（３５５ｎｍ）及び第４の共振（２６６ｎｍ）ＤＰＳＳレーザーを開発した。これらの周波数多重化ＤＰＳＳレーザーは、パルス継続時間、周波数及びパワー出力を大きく改善した。例えば、第３の共振（３５５ｎｍ）で照射するＵＶ固体レーザーは５ワットを超える平均パワーを達成し、第４の共振（２６６ｎｍ）で照射するＵＶ固体レーザーは２．５ワットを超える平均パワーを達成する。また、これらのレーザーは、例えば２０ナノ秒以下の短いパルス継続時間を提供する。短波長及び短パルス継続時間（例えば、２０ナノ秒以下）のＵＶ固体レーザーは例えば、１０^９Ｗ／ｃｍ^２を越える極端に高い放射照度を生成し、これによって光衝撃による不安定な蒸発を生み出す。周波数多重化ＤＰＳＳレーザーのこの極端な放射照度は堅い基板を分離を可能とする。例えば、サファイアはＵＶ波長に対して高い光透過率を有するが、フォトンのこの極端な時間的及び空間的濃度によってアブレーションを引き起こす有効なマルチフォトン吸収が生じる。

一般的に、ＵＶ固体レーザーはＴＥＭ_００モードの円形ガウシアンビームを生成し、ＵＶ固体レーザー描画の現行の方法は合焦された円形ビームスポットを用いる。エキシマレーザーＢＤＳとは異なり、ＤＰＳＳレーザーは、パターン化されたマスクイメージングを必要としないファーフィールドイメージングを利用する。ファーフィールドイメージングを用いるレーザー描画の例は、参考文献としてこの明細書に組み込まれている特許文献２及び特許文献３に開示されている。レーザー共振器からの未加工（ロー）ビームはビームフォーカスレンズによって直接合焦され、ターゲットに照射される。ＤＰＳＳレーザー用のＢＤＳはフルビーム（ビーム全部）を利用するので、ＢＵＦは高めである。ＤＰＳＳの大量生産への適用の一の欠点である合焦されたビームスポットの小さなサイズのために、描画速度は遅めである。また、ＤＰＳＳレーザーで使用される従来のビームデリバリーシステムは、レーザー加工パラメータの調整を制御するための能力が限定的である。ＤＰＳＳレーザーを用いる従来の描画技術においては、レーザー加工パラメータはレーザー出力パワーを調整することによって制御され、方向づけられたレーザー光は加工（変更、モディファイ）されない。

米国特許第６４１３８３９号明細書 米国特許第５６３１１９０号明細書 米国特許第６５８００５４号明細書

一般に、レーザービームはレーザー材料加工（プロセッシング）への応用としては合焦する必要がある。合焦されたレーザービームは２つの重要な特性を有する；１）ターゲット材料に対する最適レーザー強度（通常、レーザーエネルギー密度Ｊ／ｃｍ^２で表される）、２）合焦スポット又はビームウェスト径の最小サイズ。過大又は不十分なレーザー強度は工程に不完全性を持ち込むために、所望の加工結果を得るためには最適レーザー強度が重要である。加えて、最適強度は特別のターゲット材料の光吸収特性によって決定されるので、合焦されたビームスポットはその強度を調整するのに十分なフレキシビリティを有するべきである。レーザー材料加工は精細な解像度に対して鋭く合焦されたビームを要するときは、ビームウェスト径が最小サイズであることが重要である。

レーザー描画工程に関する他の問題は、カット（切断）の跡に沿って生成されたアブレーションで生じた破片（屑）に起因する。半導体ダイ又はＬＥＤダイ上の破片はそのパフォーマンス及びパッケージングのいずれにとっても不都合である。破片を防止する保護コーティング用に、リソグラフィ用のフォトレジストが基板表面上に付けられてきたが、フォトレジストはレーザー誘起プラズマから熱によって炭化される傾向にある。炭化フォトレジストは特にレーザーカット近傍で除去が困難である。付着テープも保護のために提案されてきたが、各単一方向の描画の後の付着テープの変更のような関連手順は大量生産にはつながらない。また、接着剤と併せたテープの厚い厚さのため、レーザー描画の後に過剰な残留物が残っている。

したがって、短めの波長及びパルス継続時間を用いることができ、かつ、レーザー強度を最適化し、ビームウェスト径を最小化することができる現行の技術の欠点を回避するするレーザー描画システム及びその方法の必要性がある。

本発明の一態様では、基板を切断するための可変非点（収差）合焦ビームスポットを形成する方法を提供する。この方法は、未加工レーザービームを生成し、未加工レーザービームを拡大し（エキスパンドし）、拡大されたビームを加工（変更、モディファイ）する段階を含む。ここで、加工されたビームは一の主経線にコリメートされ、他の主経線に収束される。細長形状を有する非点焦点ビームスポットを生成し、基板において少なくとも部分的なカットを得るために基板で非点焦点ビームスポットを方向付ける２個の分離した（離れた、独立の、別個の）焦点を生成するように、加工されたビームを合焦する。

本発明の他の態様では、レーザーを用いた半導体ウェハーを描画する方法を提供する。この方法では、レーザービームが生成され、非点焦点ビームスポットはレーザービームを加工することによって形成される。ここで加工されたビームスポットは２個の独立の焦点を有し、非点焦点ビームスポットは細長形状を有するようにされている。非点焦点ビームスポット半導体ウェハーの表面に方向付けられる。一又は二以上の部分カットが半導体ウェハー内に得られるまで、非点焦点ビームスポットは一組のパラメータを持って適用される。

本発明の他の態様では、半導体ウェハーをダイに分離する方法を提供する。この方法では、レーザービームが生成され、非点焦点ビームがレーザービームを加工することによって形成される。ここで加工されたビームスポットは２個の独立の焦点を有し、非点焦点ビームスポットは細長形状を有するようにされている。非点焦点ビームスポット半導体ウェハーの表面に方向付けられる。一又は二以上の部分カットが半導体ウェハー内に得られるまで、可変非点焦点ビームスポットが一組のパラメータを持って適用される。次いで、半導体ウェハーはカットを用いてダイに分離される。

本発明の他の態様では、ビーム照射システムはレーザーからの未加工レーザーを受けかつ拡大（エキスパンドされた）ビームを生成するビーム拡大（エキスパンディング）テレスコープを備える。ビーム照射システムはさらに、拡大ビームを受けて、一の主経線においてコリメートされかつ他の主経線において収束（集光）する加工されたビームを生成するために、円筒型平凹レンズ及び円筒型平凸レンズを備えた少なくとも一の可変アナモルフィック・レンズを備える。ビーム照射システムはさらに、加工されたレーザービームを受けかつ加工されたビームを合焦するためのビームフォーカスレンズを備える。ここで、合焦されたビームは２個の独立の焦点を有する。焦点の一つはビームフォーカスレンズの公称の焦点距離より短く、焦点の他の一つは一般的にビームフォーカスレンズの公称の焦点距離に形成される。

本発明の他の態様では、ＧａＮ層を有するサファイア基板を描画する方法を提供する。この方法は、固体レーザーを用いてサファイア基板上のＧａＮの表面で非点焦点ビームスポットを形成し、サファイア基板に描画線をカットするためにある描画パターンでサファイア基板にパルスを当てるように、レーザーエネルギーパルスを方向付ける段階を備える。パルスはレーザーエネルギーをＧａＮ層に結合して（カップルして）サファイア基板のアブレーションを誘起する。

本発明の一の実施形態であって、非点焦点点光学系を有するビーム照射システム（ＢＤＳ）の概略構成図である。 レーザーからターゲットへのレーザービームの連続的な加工を示す図１で示したＢＤＳの概略構成図である。 各主経線において独立に２個の焦点の形成を示すビームの断面図である。 ビームフォーカスレンズを通過する高圧縮ビームの“ｙ成分”を示す、図１で示したＢＤＳのビームフォーカスレンズの断面図である。 ビームフォーカスレンズを通過する高圧縮ビームの“ｘ成分”を示す、図１で示したＢＤＳのビームフォーカスレンズの断面図である。 一の主経線における２個の分離した焦点の形成を示す、図１で示したＢＤＳの断面図である。 他の主経線における２個の分離した焦点の形成を示す、図１で示したＢＤＳの断面図である。 ＢＤＳにおけるプロセッシングパラメータを調整するフレキシビリティを示す図１で示したＢＤＳの断面図である。 ＢＤＳにおけるプロセッシングパラメータを調整するフレキシビリティを示す図１で示したＢＤＳの断面図である。 ２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いてＢＤＳから可変非点焦点ビームスポットを用いて描画されたサファイア母材ＬＥＤウェハーの一例の平面図を示す写真である。 可変非点焦点ビームスポットを用いて描画されたサファイア母材ＬＥＤウェハーの一例の平面図を示す写真である。 ２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いてＢＤＳから可変非点焦点ビームスポットを用いて描画されたシリコンウェハーの一例の平面図を示す写真である。 ２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いてＢＤＳから可変非点焦点ビームスポットを用いて描画されたＧａＰウェハーの一例の平面図を示す写真である。 ２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いてＢＤＳから可変非点焦点ビームスポットを用いて描画されたモリブデンウェハーの一例の平面図を示す写真である。 保護コーティングを用いない場合のレーザー描画されたラインの一例を示す写真である。 保護コーティングを用いた場合のレーザー描画されたラインの一例を示す写真である。

本発明の以上の及び他の特徴及び利点は図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるだろう。

図１に、アナモフィックビーム照射システム（ＢＤＳ）１０の一実施形態を詳細に示す。アナモフィックＢＤＳ１０は、種々の材料から成る基板をカット（切断）又は加工（マシーニング）するのに用いることができる非点焦点ビームスポットを生成する。一の例示的な応用（用途）において、ＢＤＳ１０の好適な実施形態は、描画速度を最大にし、ウェハー上の描画関連の場所（領域）の消費を最小にする高分解能調整可能の非点焦点ビームスポットを形成することによってＬＥＤダイ分離（セパレーション）の生産性を改善する。ＢＤＳ１０はまた、他の描画又はカッティングの用途においても使用できる。

示した実施形態では、好適にはダイオードポンピングの、固体レーザー１２は、ＵＶ範囲内の、好適には第３共振３５５ｎｍ又は第４共振２６６ｎｍのレーザービームを生成する。未加工レーザービームは通常ガウシアン分布を有するＴＥＭ_００であり、ビーム拡大テレスコープ（ＢＥＴ）１４によって拡大される。ＢＥＴ１４の実施形態の例は球形平凹レンズ１６と球形平凸レンズ１８とから成る。ＢＥＴ１４の倍率は各レンズの焦点距離によって、一般的に、Ｍ＝（｜ｆ_ｓｘ｜／｜ｆ_ｓｖ｜）によって決定される（ここで、Ｍは倍率、ｆ_ｓｘは球形平凸レンズ１８の焦点距離、ｆ_ｓｖは球形平凹レンズ１６の焦点距離）。コリメートされたビーム拡大を実施するために、球形平凹レンズ１６と球形平凸レンズ１８との間の距離は一般的な式Ｄ_ｃ＝ｆ_ｓｘ＋ｆ_ｓｖによって決定される（ここで、Ｄ_ｃはコリメーション距離）。倍率及びコリメーションの設計値を満足させるために、ｆ_ｓｘとｆ_ｓｖの組み合わせを用いることができる。Ｍの範囲は例示のＢＤＳ１０では約２倍、２０倍であり得、好適には２，５倍である。この好適な倍率に基づくと、このＢＤＳ１０ではｆ_ｓｘ＝２５０ｍｍ、ｆ_ｓｖ＝−１００ｍｍ、Ｄ_ｃ＝１５０ｍｍの組み合わせを用いるのが好ましい。

好適な実施形態では、拡大されたビームは１００％ミラー２０ａによって反射され、次いで、ビーム成形（シェーピング）アイリス絞り２２に向けられる。ビーム成形アイリス絞り２２は、ガウシアンプロファイルのビームの低強度エッジを対称的に生じさせ、アイリス絞り２２を通過する高強度部を残す。次いでビームを可変アナモフィックレンズ系２４の中心に向ける。

例示の可変アナモフィックレンズ系２４は円筒型平凹レンズ２６と円筒型平凸レンズ２８とから成る。可変アナモフィックレンズ系２４の構成は、条件｜ｆ_ｃｘ｜＝｜ｆ_ｃｖ｜（ここで、ｆ_ｃｘは円筒型平凸レンズ２８の焦点距離、ｆ_ｃｖは円筒型平凹レンズ２６の焦点距離）を満たすのが好ましい。可変アナモフィックレンズ系２４では、入射ビームは、図１の水平方向に現れている２個の主経線のうちの一つで非対称に加工される。アナモフィックレンズ系２４では、Ｄ＜Ｄ_ｃ（ここで、Ｄは円筒型平凹レンズ２６と円筒型平凸レンズ２８との間の距離、Ｄ_ｃはコリメーション距離）のとき、平行な入射ビームはアナモフィックレンズ系２４の後に発散する。これに対して、Ｄ＞Ｄ_ｃのときは、平行な入射ビームはアナモフィックレンズ系２４の後に収束する。図１で示したアナモフィックレンズ系２４の好適な実施形態では、コリメーション距離はＤ_ｃ＝ｆ_ｃｘ＋ｆ_ｃｖ＝０である。というのは、｜ｆ_ｃｘ｜＝｜ｆ_ｃｖ｜であり、ｆ_ｃｘは正の値であり、ｆ_ｃｖは負の値であり、Ｄ≧Ｄ_ｃであるからである。したがって、Ｄ＞０のときは、コリメート（平行に）された入射ビームはアナモフィックレンズ系２４の後に収束する。

アナモフィック系２４の収束若しくは結合焦点距離（ｆ_ａｓ）の程度は距離Ｄに支配され、一般的には２つのレンズの原理によって表される：ｆ_ａｓ＝ｆ_ｃｘｆ_ｃｖ／（ｆ_ｃｘ＋ｆ_ｃｖ−Ｄ）。すなわち、距離Ｄが大きければ大きいほど、焦点距離ｆ_ａｓは短くなる。距離Ｄが増大するとき、収束の程度はコリメートされた入射ビームの一つの主経線だけにおいて増大する。入射ビームの一の主経線は可変アナモフィックレンズ系２４の後に、その平行性（コリメーション）が失われ、収束する：しかしながら、他の主経線は影響されず、そのビームの平行性は保持される。結果として、可変アナモフィックレンズ系２４の後のビームサイズは、可変アナモフィックレンズ系２４において２個のレンズ間の距離を調整することによって一つの主経線だけにおいて変化する。アナモフィックＢＤＳ１０は２つの主経線、すなわち、垂直及び水平に分離された焦点を生成するために非点を意図的に導入する。異なる焦点距離又は収束におけるアナモフィックレンズ群は可変非点ビームスポットを提供するのに好適ではあるが、可変アナモフィックレンズ系は固定収束に対して単一のアナモフィックレンズに置換することができる。

可変アナモフィックレンズ系２４後に、他の１００％ミラー２０ｂによって反射され、次いで、次いでビームフォーカスレンズ３０の中心に向けられる。例示のビームフォーカスレンズ３０は、約＋２０ｍｍから＋１００ｍｍの間の焦点距離範囲を有する収差補正された球形マルチエレメント（多構成要素）レンズである。ＢＤＳ１０の一実施形態では、＋５０ｍｍ焦点距離を有するエッジ接触ダブレット（接合レンズ）が用いられる。ビームフォーカスレンズ３０の後、非点焦点の一つは半導体ウェハーのような基板３２上に鋭く合焦される。一の好適な実施形態では、基板３２は描画のためにコンピュータ制御されたｘ−ｙ移動ステージによって並進する。半導体ウェハーは正方形若しくは矩形ダイを含むところの半導体描画用途においては、半導体ウェハーは、ｘ方向及びｙ方向の両方における描画のために回転ステージ３６によって９０°回転することができる。

ＢＥＴ１４とマルチエレメントビームフォーカスレンズ３０との好適な組み合わせは、最小の収差及び最小にされたビームウェスト径を有する、高分解された調整可能非点焦点ビームスポットを生成する。一般に、ガウシアンビームの最小ビームウェスト径（ｗ_０）は、ｗ_０＝λｆ／πｗ_ｉによって表すことができる。ここで、λは入射レーザービームの波長、ｆはビームフォーカスレンズの焦点距離、πは円周率、ｗ_ｉは入射ビーム径である。図示のビームフォーカスレンズ３０では、最小ビームウェスト径（ｗ_０）又はサイズ合焦スポットは入射ビーム径（ｗ_ｉ）に逆比例する。本発明の例示の実施形態では、ＢＥＴ１４は、最小のビームウェスト径として合焦ビームスポットを生成する高分解されたマルチエレメントビームフォーカスレンズ３０によって合焦された入射ビーム径（ｗ_ｉ）をアナモフィックに増大する。これによって、半導体ウェハー上の約５μｍ若しくはそれ以下の描画切り口幅を提供することができる鋭く合焦された描画ビームスポットを提供する。結果として、最小にされた描画切り口幅は、ウェハー上により多くのダイを可能として生産性を改善することを可能とする、描画によるウェハー上での使用領域を大きく低減する。

可変アナモフィックレンズ系２４と高解像度ビームフォーカスレンズ３０との組み合わせによって、入射ビームの各主経線において２個の分離した焦点が形成される。可変アナモフィックレンズ系２４からのビーム収束の変化のフレキシビリティによって、ターゲット半導体ウェハー上のレーザーエネルギー密度の即時（インスタント）加工を提供する。最適なレーザーエネルギー密度は特別なターゲット半導体ウェハーの光吸収特性によって決定されるので、可変アナモフィックレンズ系２４は種々の半導体ウェハーによって決定される最適プロセッシング条件に即時適合を可能とする。

アナモフィックＢＤＳ１０の実施形態の一例を示し、説明したが、本発明の範囲内で他の実施形態も考えられる。特に、アナモフィックＢＤＳ１０は非点焦点ビームスポットを形成するために異なるコンポーネントを使用でき、又は、アナモフィックＢＤＳ１０はビームをさらに加工するために新たなコンポーネントを使用できる。

他の一の実施形態では、バイプリズム３８又はバイプリズム群をアナモフィックレンズ系２４とＢＥＴ１４との間に挿入できる。バイプリズムはＢＥＴ１４から拡大されかつコリメートされたビームを等しく分割し、２つの分割されたビームを交差して半ガウシアンプロファイルの逆転（倒置）を生成する。バイプリズム群を使用すると、２つの分割ビーム間の距離はバイプリズム群の間の距離を変えることによって調整することができる。言い換えると、バイプリズム３８は半円によってガウシアンビームを分割し、２つの分割された半円を反転する。これらの２個の半円の重ね合わせによって、弱い強度のガウシアンプロファイルのエッジの重ね合わせを形成する。ガウシアンプロファイルのこの反転及び強度の再分布によって、均一なビームプロファイルを形成し、ガウシアン強度プロファイルの欠点を除去する。

他の実施形態では、ＢＤＳ１０は、点線と同様に、分離した非点“ビームレット（小ビーム”の小さなセグメントを形成するのに用いられるアナモフィックレンズ系２４のアレイを含むことができる。非点ビームレットは、積極的に描画結果を変更するレーザー誘起プラズマの有効な逃げ（エスケープ）を可能とする。アナモフィックレンズ系のアレイにおけるレンズ間の距離によって、ビームレットの各セグメントの長さを制御する。ビームレットのセグメント間の距離は、アナモフィックレンズ系のアレイの前に円筒型の平凸レンズを導入することによって制御することができる。

〈可変非点焦点ビームスポットの形成〉
図２に、可変非点焦点ビームスポットを形成する一方法を詳細に示す。レーザーからの未加工ビーム５０のプロファイルは一般にガウシアン分布に約０．５ｍｍから３ｍｍの径を有する。未加工ビーム５０はＢＥＴ１４によって拡大し、拡大されたビーム５２は直径で約２．５倍である。拡大されたビーム５２はエッジの切り取り（クロッピング）のためのビーム成形アイリス絞り２２を通過し、拡大されエッジが切り取れたビーム５４はアナモフィックレンズ系２４の中心に向ける。アナモフィックレンズ系２４は、一の主経線においてだけ拡大されエッジが切り取れたビーム５４を加工し、わずかに圧縮されたビーム形状５６が形成される。わずかに圧縮されたレーザービーム５６はビームフォーカスレンズ３０へ進むので、非点収差の程度はビーム形状で増大する。なぜなら、可変アナモフィックレンズ系２４はビームを一の主経線だけにおいて収束するからである。続いて、高圧縮されたビーム５７はビームフォーカスレンズ３０を通過して非点焦点ビームスポット５８を形成する。高圧縮ビーム５７は一の主経線においてビーム特性を収束し、他方の主経線においてビーム特性を平行にするので、焦点はビームフォーカスレンズ３０の後に各主経線において独立に形成される。非点焦点ビームスポット５８を形成するこの方法は例示のＢＤＳ１０との関連において説明したが、これはこの方法における制限ではない。

図３の３次元図は、高圧縮ビーム５７が（図示しない）ビームフォーカスレンズを通過するときに、各主経線における独立の２個の焦点の形成を詳細に示す。一の主経線（以下、“ｙ成分”）における高圧縮ビーム５７が収束特性を有するので、ｙ成分は短距離焦点６０を示す。これに対して、他の主経線（以下、“ｘ成分”）はビーム特性を平行化するので、ｘ成分は長距離焦点６２を示す。ｘ及びｙ成分の組み合わせによって非点ビームスポット５８を形成する。

図４は、ビームフォーカスレンズ３０を通過して焦点６０を形成する、高圧縮ビーム５７のｙ成分を示す。焦点６０の後、ビームは発散し、ビームスポット５８の非点収差側を形成する。

図５は、ビームフォーカスレンズ３０を通過して焦点６０を形成する、高圧縮ビーム５７のｘ成分を示す。高圧縮ビーム５７のコリメートされたｘ成分は焦点６０で鋭く合焦し、非点ビームスポット５８の鋭く合焦した側を形成する。

図６及び図７はさらに、各主経線における２個の独立した焦点６０，６２の形成を示す。図６及び図７における模式的なビームの軌跡（トレーシング）には、簡単さのために１００％ミラー２０ａ，２０ｂ及びビーム成形アイリス絞り２２を省略している図１に示したＢＤＳ１０の２次元のレイアウトを含む。図６には、固体レーザー１２からの未加工ビームはＢＥＴ１４によって拡大され、次いでコリメートされる。可変アナモフィックレンズ系２４はこの主経線においてコリメートされたビームを加工し、ビームを収束する。収束ビームはビームフォーカスレンズ３０によって合焦される。可変アナモフィックレンズ系２４からのその収束のために、このビームはビームフォーカスレンズ３０の公称の焦点距離より短い焦点６０を形成する。図６におけるビームトレーシングは、図４のｙ成分の図に類似している。

これに対して、図７において、ＢＥＴ１４からの拡大されコリメートされたビームは、この主経線においては可変アナモフィックレンズ系２４によっては影響されない。ビームのコリメーションは可変アナモフィックレンズ系２４の後でこの主経線においては維持できる。ビームフォーカスレンズ３０の通過後、コリメートされたビームは、ビームフォーカスレンズ３０の公称焦点距離で形成される焦点６０で合焦される。図７におけるビームトレーシングは図５のｘ成分の図に類似している。図７において、ＢＥＴ１４は、マルチエレメントビームフォーカスレンズ３０によって合焦される入射ビーム径を増大し、ビームウェスト径の最小化及び高解像された合焦ビームスポットを形成する。結果として、ターゲット基板３２（例えば、半導体ウェハー）は一の主経線において広く、合焦されていない非点ビームを、また、他の主経線において狭く、シャープに合焦されたビームを受ける。

図３に示したように、これらの２個の独立な焦点６０，６２の組み合わせは、合焦されていない及び圧縮された外周（周辺）を有する一側と、シャープに合焦され短い外周を有する他の側を有する非点ビームスポットを生成する。

〈非点焦点ビームスポットを用いた描画への応用〉
基板を描画するために、非点焦点ビームスポットは基板に向けられ、描画される材料に依存するパラメータ群（例えば、波長、エネルギー密度、パルス繰り返し率、ビームサイズ）を有して適用される。一の方法に従うと、非点焦点ビームスポットは、例えばウェハー分離又はダイシング応用において、半導体ウェハーを描画するために用いすることができる。この方法では、ウェハーは、合焦されたレーザービームの下で少なくとも一のカッティング方向に移動若しくは並進して、一又は二以上のレーザー描画カットを形成できる。半導体ウェハーからダイを切り出すために、ｘ方向にウェハーを移動し、次いでウェハーを９０°回転した後にｙ方向にウェハーを移動することによって、複数の描画カットを作製することができる。ｘ方向及びｙ方向に描画するとき、ウェハーを回転してｘ及びｙ方向にカットを提供するので、非点ビームスポットは一般的には偏光因子に対して鈍感である。描画カットを作製後、当業者に公知の技術を用いてダイを作製するために描画カットに沿って半導体ウェハーを分離することができる。

非点ビームスポットは、より速い描画速度を可能とすることによって描画用途において利点を有する。描画速度は、Ｓ＝（ｌ_ｂ・ｒ_ｐ）／ｎ_ｄ（ここで、Ｓは描画速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｌ_ｂは合焦された描画ビームの長さ（ｍｍ）、ｒ_ｐはパルス繰り返し速度（パルス／ｓｅｃ）、ｎ_ｄは最適描画カット深さを達成するのに要するパルス数）によって表すことができる。パルス繰り返し速度ｒ_ｐは、使用されるレーザーの種類に依存する。１秒あたり数パルスから１秒あたり１０^５パルスを有する固体レーザーは市販されている。パルス数ｎ_ｄはターゲットウェハーの材料特性及び所望のカット深さによって決定される材料プロセッシングパラメータである。パルス繰り返し速度ｒ_ｐ及びパルス数ｎ_ｄを与えると、ビーム長ｌ_ｂはカットの速度を決定する制御因子である。上述の方法によって形成された合焦された非点ビームスポットはビーム長ｌ_ｂを増大し、より大きな描画速度になる。

好適なＢＤＳ１４は、最適条件を達成するためのプロセッシングパラメータを調整するより大きなフレキシビリティを提供する。レーザー材料プロセッシングにおいては例えば、プロセッシングパラメータは、ターゲットの材料特性に基づく最適な条件へ調整すべきであることが好ましい。レーザーエネルギー密度のオーバーフローはターゲットに決定的な熱的損害を与えることになり得、レーザーエネルギー密度の不足は不適当なアブレーション又は他の所望の結果を生じ得る。図８及び図９は本発明におけるＢＤＳのプロセッシングパラメータのフレキシビリティを示している。

図８において、可変アナモフィックレンズ系２４のレンズ２６，２８は接近して配置され、これによってコリメートされた入射ビームの収束性（収束の程度、コンバージャンス）が低くなる。この低収束性によってビームフォーカスレンズ３０からの比較的遠い距離において焦点６０を形成する。結果として、ビームスポット５８の長さは比較的短い。

これに対して、図９においては、可変アナモフィックレンズ系２４のレンズ２６，２８はより離間して配置され、これによってコリメートされた入射ビームの収束性が高くなる。この増大した収束性によってビームフォーカスレンズ３０からの比較的近い距離において焦点６０を形成する。結果として、ビームスポット５８の長さは比較的長い。

描画の一例において、非点焦点ビームスポットはブルーＬＥＤについて使用されるサファイア基板を描画するのに用いることができる。ＬＥＤ用のサファイア基板の最適プロセッシングは一般に、約１０Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を要する。ブルーＬＥＤウェハーは一般に分離のための個々のダイの間の約５０μｍのギャップを有するように設計されるので、最適レーザービームサイズはレーザー描画のために約２０μｍより小さいのが好ましい。５０ｋＨｚパルス繰り返しでターゲット出力上で３ワットの現在市販されているレーザーを用いるときは、１５μｍ径で合焦する従来のビームは３４Ｊ／ｃｍ^２のレーザーエネルギー密度となる。従来のビームスポット合焦を有するシステムにおいて、ターゲット上のエネルギー密度は、オーバーフローを避けるために最適プロセッシングのためにレーザーのパワー出力を低減することによって調整しなければならない。こうして、レーザーパワー出力は描画速度若しくは生産性を最大にするように十分に利用することはできない。

これに対して、ＢＤＳ１０の好適な実施形態は、レーザーからのパワー出力を低減することなく、１０Ｊ／ｃｍ^２のための最適レーザーエネルギー密度を維持するために、圧縮されたビームスポットのサイズを調整することができる。非点ビームのサイズは、非点収差軸において約１５０μｍで、合焦軸において約５μｍを有するように調整できる。非点収差軸が描画並進方向に並ぶので、ビーム長のこの増加は上述のように描画速度を比例的に増大する。この例では、非点ビームスポットは従来のビーム合焦のものより約１０倍速いプロセッシング速度を提供することができる。

他の描画例では、サファイアに直接結合する代わりに、サファイア基板上の一又は二以上のＧａＮ層（例えば、サファイア基板上に約４〜７μｍ）で結合（カップリング）することによってサファイア基板を描画するのに、非点焦点ビームスポットを用いることができる。ＧａＮの低いバンドギャップは入射ビームスポットへのより効率的な結合を提供し、レーザーエネルギー密度のための約５Ｊ／ｃｍ^２しか要求しない。一旦、レーザービームがＧａＮと結合すると、サファイア基板を介したアブレーションはサファイアとの直接結合よりもはるかに容易である。従って、非点ビームのサイズは非点軸で約３００μｍ、合焦軸で約５μｍを有するように調整できる。こうすると、プロセッシング速度は従来のファーフィールドイメージング又はスポットフォーカシング技術より２０倍速い。

合焦軸における最小にされたスポットサイズは描画切り口幅を大きく低減し、その後にウェハーの場所の消費を大きく低減することになる。さらに、全除去材料体積を低減することによって、狭い描画カットは傍の材料ダメージ及びアブレーション起因の破片（残りかす）を低減する。図１０は、５０ｋＨｚで約１．８ワットのオン（ｏｎ）ターゲットパワーの２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いてＢＤＳ１０から非点焦点ビームスポットによって描画されたサファイア母材のＬＥＤウェハーの例を示している。非点ビームのサイズは非点軸において約１８０μｍ、合焦軸において約５μｍを有するように調整した。上から見て、図１０は約５μｍのカット幅を示す。３０μｍ深さの描画に基づくと、ＢＤＳ１０は５０ｍｍ／ｓｅｃより大きな描画速度でできる。図１１に示すように、レーザーカットは、描画の後の十分制御された割りを容易にする鋭いＶ字形状溝を形成する。調整可能ＢＤＳ１０からの可変非点焦点ビームスポットは、プロセッシング速度を直接増大するレーザーからの最大パワー出力を活用する。ストリート幅を低減し、割り収率を増大し、これによって１枚のウェハーあたりの使用可能なダイを増加するために、正面描画を用いることができる。

非点焦点ビームスポットは、他の種類の半導体ウェハーを描画するのに好都合に使用することができる。非点焦点ビームスポットは、バンドギャップ及び表面粗さのようなターゲット材料の吸収特性に基づいて、最適値のためのレーザーエネルギー密度を容易に調整することができる。図１２は、５０ｋＨｚで約１．８ワットのオンターゲットパワーの２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いてＢＤＳ１０から非点焦点ビームスポットによって描画されたシリコンウェハーの例を示している。非点ビームのサイズは非点軸において約１７０μｍ、合焦軸において約５μｍを有するように調整した。これによって、約４０ｍｍ／ｓｅｃの速度で７５μｍ深さの描画となる。

ＧａＰウェハーで同じレーザー及びオンターゲットパワーを用いた比較例を図１３に示す。非点ビームのサイズは、非点軸において約３００μｍ、合焦軸において約５μｍを有するように調整した。これによって、約１００ｍｍ／ｓｅｃの速度の６５μｍ深さの描画となる。同様な結果は、ＧａＡｓやＧｅのような他の化合物半導体ウェハーで得られた。描画できる他の基板としては、限定するものではないが、ＩｎＰ、アルミナ、ガラス及びポリマーを含む。

非点焦点ビームスポットは金属膜を描画若しくは加工（マシーニング）するのに好都合に用いることができる。高い熱伝導度のために、従来技術を用いた金属膜のレーザーカッティングは、レーザーカットの跡に沿った熱の影響を過大に受けたゾーンを示している。非点焦点ビームスポットの応用では、合焦軸における５μｍビーム幅はレーザーカッティング切り口幅を大きく低減し、熱影響ゾーン、傍らの材料ダメージ及びアブレーション起因（生成）の残りかすを大きく低減する。例として、図１４はモリブデン上の狭くシャープに解像されたカットラインを示す。非点ビームのサイズは、非点軸において約２００μｍ、合焦軸において約５μｍを有するように調整した。これによって、２５ｋＨｚで約２．５ワットのオンターゲットパワーの２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いて、約２０ｍｍ／ｓｅｃの速度の５０μｍ深さの描画となる。他の種類の金属をカットすることもできる。

例は基板に描画したラインを示すが、非点焦点ビームスポットは、他の形状を描画するために、又は、他の種類の加工（マシーニング）又はカッティング応用を実施するために使用することもできる。ＬＥＤウェハーを描画するために、上の例で与えられたもの以外の作動パラメータも考えられる。ＬＥＤ描画用途のために例えば、３５５ｎｍＤＰＳＳレーザーを用いることができるが、ＬＥＤのより低い光出力を生じ得る熱ダメージを最小するのには２６６ｎｍＤＰＳＳレーザーが好ましい。

他の描画方法では、ウェハー可溶保護コーティングを用いることによって基板上に表面保護を備えることができる。保護コーティングの好適な組成は、水溶性液体グリセリンに少なくとも一の界面活性剤を備え、この組成的な条件を満たすいかなる種類の一般的な液体洗剤でもあり得る。液体グリセリンにおける界面活性剤は高湿潤性のために薄い保護層を形成する。薄膜層が乾燥した後、グリセリンはレーザー誘起プラズマから熱に効果的に耐え、レーザー起因の残りかすが表面上に付着するのが防止される。図１４は、表面保護なしでＬＥＤウェハー上のレーザー描画を示すもので、レーザーカットに沿って蓄積した大量の残りかすを示している。これに対して、図１５は、ＬＥＤ面上のレーザー起因の残りかすを防止した、液体洗剤を用いた保護コーティングを有するＬＥＤ上のレーザー描画を示している。

従って、本発明の好適な実施形態は、パターン化されたレーザー保護を用いた従来のシステム、及び、ファーフィールドイメージングを用いた従来のシステムを越えた利点を提供する。簡単なファーフィールドイメージングと異なり、本発明は、非点焦点ビームスポットを生成するために、アナモフィックＢＤＳを用いることによってレーザービームを加工する際により大きなフレキシビリティを提供する。従来のパターン化されたレーザー保護と異なり、アナモフィックＢＤＳはレーザー共振器からの実質的にビーム全体をターゲットに送り（デリバリーし）、これによって非常に高いビーム利用を維持する。非点焦点ビームスポットによって、レーザービームは最適強度及びビームウェスト径の両方における優れた特性を有することができるようになる。特に、可変アナモフィックレンズ系の好適な実施形態によって、レーザービームの調整可能な一平面上の圧縮を可能とし、これにより、最適レーザー強度の迅速な調整のための可変合焦ビームスポットとなる。ビームスポットの適切な加工及び未加工ビームの最大化利用によって、非点焦点ビームスポットの形成は、高速描画速度、狭い描画切り口幅、低減されたレーザー残りかす及び低減された傍らのダメージを含む、種々の半導体ウェハーの分離において多くの利点を有する。

以上、本発明の原理を記載したが、当業者はこの記載は例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではないことは理解されたい。ここに示した例示の実施形態に加えて、他の実施形態も、本発明の範囲内で考えられる。本発明の範囲内において、当業者は特許請求の範囲によってのみ制限される変形や置換を考えることができるだろう。

１０ ＢＤＳ
１２ 固体レーザー
１４ ＢＥＴ
１６ 球形平凹レンズ
１８ 球形平凸レンズ
２２ ビーム成形アイリス絞り
２４ 可変アナモフィックレンズ系
２６ 円筒型平凹レンズ
２８ 円筒型平凸レンズ
３０ ビームフォーカスレンズ
５８ ビームスポット
６０ 焦点

Claims (15)

1. ＧａＮ層を有するサファイア基板を溝加工する方法であって、
   固体レーザーを用いて前記サファイア基板上の前記ＧａＮ層の表面に、非点焦点ビームスポットを形成するレーザーエネルギーのパルスを向ける段階であって、レーザーのパルスが有するエネルギーを前記ＧａＮ層に印加して前記サファイア基板のアブレーションを誘起するところの段階と、
   前記サファイア基板に溝加工ラインをカットするように、前記パルスを溝加工パターンで前記サファイア基板にあてる段階と、を備えた方法。
2. 前記非点焦点ビームスポットが、第一の焦点を有する合焦軸と前記第一の焦点から独立した第二の焦点を有する非点収差軸とを備えた細長形状を有し、前記非点焦点ビームスポットが、前記非点収差軸に沿った長さと前記合焦軸に沿った幅とを有し、該幅が該長さよりも短い、請求項１に記載の方法。
3. 前記非点焦点ビームスポットを形成するレーザーエネルギーのパルスを向ける段階が、
   未加工レーザービームを生成する段階と、
   前記未加工レーザービームを拡大する段階と、
   該拡大ビームを加工する段階であって、該加工ビームが一の主経線においてコリメートされ、他の主経線において収束するように加工する段階と、
   前記加工ビームについてビームフォーカシングレンズを通過させる段階と、を備え、
   前記第二の焦点が前記ビームフォーカシングレンズの公称焦点距離より短く、前記第一の焦点がほぼ前記ビームフォーカシングレンズの前記公称焦点距離に形成される、請求項１に記載の方法。
4. 前記拡大ビームを加工する段階が、前記拡大ビームについて円筒型平凹レンズと円筒型平凸レンズとを備えたアナモフィックレンズ系を通過させることを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記非点焦点ビームスポットによって提供されるエネルギー密度を調節するために前記加工ビームの収束性を変更する段階をさらに備えた請求項３に記載の方法。
6. 前記非点焦点ビームスポットが２０μｍより狭い幅を有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記非点焦点ビームスポットが約５μｍの幅を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記非点焦点ビームスポットが、前記基板に対するターゲットエネルギー密度で前記ＧａＮ層の表面に向けられる、請求項１に記載の方法。
9. 前記ターゲットエネルギー密度が約１０Ｊ／ｃｍ^２である、請求項８に記載の方法。
10. 前記ターゲットエネルギー密度が約５Ｊ／ｃｍ^２である、請求項８に記載の方法。
11. 前記非点焦点ビームスポットが、固体レーザーを用いて約４００ｎｍより小さなＵＶ範囲内で生成されるレーザービームから形成される、請求項１に記載の方法。
12. 前記レーザービームが略４０ｎｓより短いパルス継続時間を有するように生成される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記パルスを溝加工パターンで前記サファイア基板にあてる段階が、前記基板において少なくとも一つの部分的カットを得るために前記非点焦点ビームスポットが前記基板のアブレーションを生じさせるように、前記非点焦点ビームスポットの前記長さに沿ったカッティング方向に前記基板を移動する段階を含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記基板が前記基板上のデバイス層を含む半導体ウェハーの一部であり、前記非点焦点ビームスポットの前記長さに沿って前記半導体ウェハーを移動する段階が前記半導体ウェハーに少なくとも一つの溝加工線を形成する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記非点焦点ビームスポットが、レーザービームについて円筒型平凹レンズと円筒型平凸レンズとを備えたアナモフィックレンズ系を通過させることによって形成される、請求項１に記載の方法。