JP6549014B2 - 光デバイスウエーハの加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、サファイア基板の表面に発光層が形成され格子状の複数の分割予定ライン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光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割する光デバイスウエーハの加工方法に関する。
光デバイス製造工程においては、略円板形状であるサファイア基板の表面にn型窒化ガリウム半導体層およびp型窒化ガリウム半導体層からなる発光層(エピ層)が積層され格子状に形成された複数の分割予定ラインによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイス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光デバイスが形成された領域を分割して個々の光デバイスを製造している。
上述した光デバイスウエーハの分割予定ラインに沿った切断は、通常、ダイサーと呼ばれている切削装置によって行われている。この切削装置は、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を切削するための切削手段と、チャックテーブルと切削手段とを相対的に移動せしめる切削送り手段とを具備している。切削手段は、回転スピンドルと該スピンドルに装着された切削ブレードおよび回転スピンドルを回転駆動する駆動機構を含んでいる。切削ブレードは円盤状の基台と該基台の側面外周部に装着された環状の切れ刃からなっており、切れ刃は例えば粒径3μm程度のダイヤモンド砥粒を電鋳によって基台に固定し厚さ20μm程度に形成されている。
しかるに、光デバイスウエーハを構成するサファイア基板はモース硬度が高いため、上記切削ブレードによる切断は必ずしも容易ではない。更に、切削ブレードは20μm程度の厚さを有するため、デバイスを区画する分割予定ラインとしては幅が50μm程度必要となる。このため、分割予定ラインの占める面積比率が高くなり、生産性が悪いという問題がある。
上述した問題を解消するために、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って分割する方法として、サファイア基板に対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を分割予定ラインに沿って照射することにより破断の起点となるレーザー加工溝を形成し、この破断の起点となるレーザー加工溝が形成された分割予定ライン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、光デバイスウエーハを構成するサファイア基板の表面に形成された分割予定ライン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デブリと呼ばれる溶融物が付着するため輝度が低下し、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、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の集光点を内部に位置付けて分割予定ラインに沿って照射し、サファイア基板の内部に分割予定ラインに沿って改質層を形成することにより、サファイア基板を改質層が形成されることによって強度が低下せしめられた分割予定ラインに沿って分割する加工方法が下記特許文献2に開示されている。
しかるに、サファイア基板の内部に分割予定ラインに沿って改質層を形成すると、光デバイスの側面が改質層で覆われ光デバイスの抗折強度が低下するとともに、裏面から表面に亘って垂直に分割することはできないという問題がある。
このような問題を解消するために、パルスレーザー光線を集光する集光レンズの開口数(NA)を単結晶基板の屈折率(N)で除した値が0.05〜0.2の範囲で集光レンズの開口数(NA)を設定し、この集光レンズによって集光したパルスレーザー光線を照射して単結晶基板に位置付けられた集光点とパルスレーザー光線が入射された側との間に細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成するレーザー加工方法が下記特許文献3に開示されている。
特開平10−305420号公報 特許第3408805号公報 特開2014−221483号公報
上記特許文献3に記載されたレーザー加工方法によって光デバイスウエーハを構成するサファイア基板に分割予定ラインに沿ってレーザー加工を施すことにより、サファイア基板の裏面から表面に亘って細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを形成することができるため、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って垂直に分割することができるとともに、デブリの飛散による光デバイスの品質および抗折強度の低下を防ぐことができる。
しかるに、上記特許文献3に記載されたレーザー加工方法によって光デバイスウエーハを構成するサファイア基板に分割予定ラインに沿ってレーザー加工を施しシールドトンネルを形成すると、図8に示すようにサファイア基板の厚み方向中間部に抉れ(エグレ)が生じて、分割された光デバイスの側面に凹凸が形成されるという新たな問題が生じた。
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、側面に抉れ(エグレ)による凹凸が形成されることなく光デバイスウエーハを個々の光デバイスに分割することができる光デバイスウエーハの加工方法を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、サファイア基板の表面に発光層が形成され格子状の複数の分割予定ライン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光デバイスウエーハを個々の光デバイスに分割する光デバイスウエーハの加工方法であって、
サファイア基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点をサファイア基板の裏面側から内部に位置付けて分割予定ラインに対応する領域に沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成するシールドトンネル形成工程と、
該シールドトンネル形成工程が実施された光デバイスウエーハに外力を付与し、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割する分割工程と、を含み、
該シールドトンネル形成工程は、集光点を生成する集光レンズにパルスレーザー光線を拡がり角を持って入光させることにより球面収差を生成せしめる、
ことを特徴とする光デバイスウエーハの加工方法が提供される。
上記シールドトンネル形成工程は、集光レンズの上流側に配設された凹レンズによってパルスレーザー光線に拡がり角を持たせる。
また、上記凹レンズの焦点距離は、−0.1〜−5mに設定されている。
本発明による光デバイスウエーハの加工方法においては、サファイア基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点をサファイア基板の裏面側から内部に位置付けて分割予定ラインに対応する領域に沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成するシールドトンネル形成工程と、該シールドトンネル形成工程が実施された光デバイスウエーハに外力を付与し、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割する分割工程とを含み、シールドトンネル形成工程は、集光点を生成する集光レンズにパルスレーザー光線を拡がり角を持って入光させることにより球面収差を生成せしめたパルスレーザー光線を照射するので、サファイア基板の裏面から表面に亘って均一に形成されるため、サファイア基板の厚み方向中間部に抉れ(エグレ)が生じることがなく、分割された光デバイスの側面に凹凸が形成されることはない。
本発明による光デバイスウエーハの加工方法によって加工される光デバイスウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図。 本発明による光デバイスウエーハの加工方法における保護テープ貼着工程の説明図。 本発明による光デバイスウエーハの加工方法におけるシールドトンネル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。 図3に示す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ブロック構成図。 本発明による光デバイスウエーハの加工方法におけるシールドトンネル形成工程の説明図。 本発明による光デバイスウエーハの加工方法におけるウエーハ支持工程の説明図。 本発明による光デバイスウエーハの加工方法における分割工程の説明図。 従来の加工方法によって光デバイスウエーハが個々に分割された光デバイスの斜視図。
以下、本発明による光デバイスウエーハの加工方法について添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
図1の(a)および(b)には、本発明による光デバイスウエーハの加工方法によって加工される光デバイスウエーハの斜視図が示されている。
図1の(a)および(b)に示す光デバイスウエーハ2は、厚みが500μmのサファイア(Al)基板20の表面20aにn型窒化ガリウム半導体層およびp型窒化ガリウム半導体層からなる発光層21がエピタキシャル成長法によって10μmの厚みで積層して形成されている。なお、発光層21には、格子状に形成された複数の分割予定ライン211によって区画された複数の領域に光デバイス212が形成されている。
上述した光デバイスウエーハ2を分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割する光デバイスウエーハの加工方法においては、先ず、光デバイスウエーハ2を構成する発光層21の表面21aに形成された光デバイス212を保護するために、発光層21の表面21aに保護テープを貼着する保護テープ貼着工程を実施する。即ち、図2に示すように光デバイスウエーハ2を構成する発光層21の表面21aに保護テープ3を貼着する。なお、保護テープ3は、図示の実施形態においては厚さが100μmのアクリル系樹脂シートの表面にアクリル系樹脂粘着層が厚さ5μm程度敷設されている。
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パルスレーザー光線の集光点をサファイア基板20の裏面側から内部に位置付けて分割予定ライン211に対応する領域に沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成するシールドトンネル形成工程を実施する。このシールドトンネル形成工程は、図示の実施形態においては図3に示すレーザー加工装置4を用いて実施する。図3に示すレーザー加工装置4は、被加工物を保持するチャックテーブル41と、該チャックテーブル41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42と、チャックテーブル41上に保持された被加工物を撮像する撮像手段43を具備している。チャックテーブル41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42は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング421を含んでいる。レーザー光線照射手段42は、図4に示すように上記ケーシング421内に配設されたパルスレーザー光線発振手段422と、該パルスレーザー光線発振手段422から発振されたパルスレーザー光線の出力を調整する出力調整手段423と、該出力調整手段423によって出力が調整されたパルスレーザー光線を集光してチャックテーブル41の上面である保持面に保持された被加工物としての光デバイスウエーハ2に照射する集光器424を具備している。パルスレーザー光線発振手段422は、パルスレーザー光線発振器422aと、パルスレーザー光線発振器422aが発振するパルスレーザー光線の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定手段422b、およびパルスレーザー光線発振器422aが発振するパルスレーザー光線のパルス幅を設定するパルス幅設定手段422cとから構成されている。このように構成されたパルスレーザー光線発振手段422は、図示の実施形態においては波長が1030nmのパルスレーザー光線LBを発振する。なお、パルスレーザー光線発振手段422および上記出力調整手段423は、図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
上記集光器424は、パルスレーザー光線発振手段422から発振され出力調整手段423によって出力が調整されたパルスレーザー光線LBを図4において下方に向けて方向変換する方向変換ミラー424aと、該方向変換ミラー424aによって方向変換されたパルスレーザー光線LBを集光してチャックテーブル41の上面である保持面に保持された被加工物に照射する集光レンズ424bと、該集光レンズ424bの上流側に配設されパルスレーザー光線LBに拡がり角を持たせる凹レンズ424cとからなっている。この集光器424の集光レンズ424bは、開口数(NA)が次のよう設定されている。即ち、集光レンズ424bの開口数(NA)は、開口数(NA)をサファイア(Al)基板の屈折率で除した値が0.05〜0.2の範囲に設定される。従って、サファイア(Al)基板の屈折率が1.7であるので、集光レンズ424bの開口数(NA)は0.085〜0.34の範囲に設定されている。なお、上記レーザー光線照射手段42は、集光器424の集光レンズ424bによって集光されるパルスレーザー光線の集光点位置を調整するための集光点位置調整手段(図示せず)を備えている。
上記集光レンズ424bの上流側に配設された凹レンズ424cは、図4において破線で示すように方向変換ミラー424aによって方向変換されたパルスレーザー光線を拡がり角を持って集光レンズ424bに導く。従って、凹レンズ424cを配設することにより、
図4に示すように集光レンズ424bによって集光されるパルスレーザー光線にはP1からP2の範囲で球面収差が生成される。なお、球面収差の範囲は凹レンズ424cの焦点距離(f)によって調整することができ、凹レンズ424cの焦点距離(f)は−0.1〜−5mに設定することが望ましい。
なお、上述した実施形態においては、球面収差を生成する手段としてパルスレーザー光線を拡がり角を持って集光レンズ424bに導くための凹レンズ424cを用いた例を示したが、パルスレーザー光線発振手段422から発振されるパルスレーザー光線自体が所定の拡がり角を持っている場合には、必ずしも凹レンズ等の球面収差生成手段を必ずしも設ける必要はない。
上記レーザー光線照射手段42を構成するケーシング421の先端部に装着された撮像手段43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。
以上のように構成されたレーザー加工装置4を用いて、上記保護テープ貼着工程が実施された光デバイスウエーハ2に上述したシールドトンネル形成工程を実施するには、図3に示すレーザー加工装置4のチャックテーブル41上に光デバイスウエーハ2が貼着された保護テープ3側を載置する。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3を介して光デバイスウエーハ2をチャックテーブル41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41に保持された光デバイスウエーハ2は、サファイア基板20の裏面20bが上側となる。このようにして、光デバイスウエーハ2を吸引保持したチャックテーブル41は、図示しない加工送り手段によって撮像手段43の直下に位置付けられる。
チャックテーブル41が撮像手段43の直下に位置付けられると、撮像手段43および図示しない制御手段によって光デバイスウエーハ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43および図示しない制御手段は、光デバイスウエーハ2の所定方向に形成されている分割予定ライン211と、分割予定ライン211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42の集光器424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、光デバイスウエーハ2に上記所定方向と直交する方向に形成された分割予定ライン211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を遂行する。なお、アライメント工程においては、光デバイスウエーハ2の分割予定ライン211および光デバイス212が形成された発光層21は下側に位置しているが、撮像手段43が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および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)等で構成された撮像手段を備えているので、サファイア基板20側から透過して分割予定ライン211を撮像することができる。
上述したアライメント工程を実施したならば、図5の(a)で示すようにチャックテーブル41をレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段42の集光器424が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定の分割予定ライン211を集光器424の直下に位置付ける。このとき、図5の(a)で示すように光デバイスウエーハ2は、分割予定ライン211の一端(図5の(a)において左端)が集光器424の直下に位置するように位置付けられる。そして、図5の(c)に示すように集光器424の集光レンズ424bから照射されるパルスレーザー光線LBの球面収差の範囲であるP1からP2の中間点P0がサファイア基板20の裏面20bから厚み方向の所望の位置に位置付けられるように図示しない集光点位置調整手段を作動して集光器424を光軸方向に移動する(位置付け工程)。なお、図示の実施形態においては、集光レンズ424bから照射されるパルスレーザー光線LBの球面収差の範囲であるP1からP2の中間点P0は、光デバイスウエーハ2におけるパルスレーザー光線が入射されるサファイア基板20の裏面20bから所望位置(例えば裏面20bから76μm表面20a側の位置)に設定されている。
上述したように位置付け工程を実施したならば、レーザー光線照射手段42を作動して集光器424からパルスレーザー光線LBを照射して光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板20に位置付けられた集光レンズ424bから照射されるパルスレーザー光線LBの球面収差の範囲(P1〜P2)付近(裏面20b側)から表面20aに向けて細孔と該細孔をシールドする非晶質とを形成させてシールドトンネルを形成するシールドトンネル形成工程を実施する。即ち、集光器424から光デバイスウエーハ2を構成するサファイア(Al)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LBを照射しつつチャックテーブル41を図5の(a)において矢印X1で示す方向に所定の送り速度で移動せしめる(シールドトンネル形成工程)。そして、図5の(b)で示すようにレーザー光線照射手段42の集光器424のレーザー光線照射位置に分割予定ライン211の他端(図5の(b)において右端)が達したら、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41の移動を停止する。
なお、上記のシールドトンネル形成工程は、次に示す加工条件に設定されている。
波長 :1030nm
繰り返し周波数 :40kHz
パルス幅 :10ps
平均出力 :0.5W
スポット径 :φ5μm
加工送り速度 :400mm/秒
集光レンズの開口数 :0.25
上述したシールドトンネル形成工程を実施することにより、光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板20の内部には、図5の(c)に示すように収差集光点P付近(裏面20b)から表面20aに向けて細孔231と該細孔231の周囲に形成された非晶質232が成長し、分割予定ライン211に沿って所定の間隔(図示の実施形態においては10μmの間隔(加工送り速度:400mm/秒)/(繰り返し周波数:40kHz))で非晶質のシールドトンネル23が形成される。このように形成されたシールドトンネル23は、図5の(d)および(e)に示すように中心に形成された直径がφ1μm程度の細孔231と該細孔231の周囲に形成された直径がφ10μmの非晶質232とからなり、図示の実施形態においては互いに隣接する非晶質232同士がつながるように連接して形成される形態となっている。なお、シールドトンネル形成工程においては、集光レンズ424bから照射されるパルスレーザー光線LBが上述したように球面収差が生成された状態でサファイア基板20に照射されるので、シールドトンネル23はサファイア基板20の裏面から表面に亘って均一に形成されるため、厚み方向中間部に抉れ(エグレ)が生じることがない。
以上のようにしてシールドトンネル形成工程を実施したならば、光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板20の裏面20bにダイシングテープを貼着し該ダイシングテープの外周部を環状のフレームによって支持するウエーハ支持工程を実施する。即ち、図6に示すように、環状のフレーム5の内側開口部を覆うように外周部が装着されたダイシングテープ6の表面に光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板20の裏面20bを貼着する。そして、光デバイスウエーハ2を構成する発光層21の表面21aに貼着されている保護テープ3を剥離する。従って、ダイシングテープ6の表面に貼着された光デバイスウエーハ2は、発光層21の表面21aが上側となる。
次に、光デバイスウエーハ2に外力を付与し、光デバイスウエーハ2を分割予定ライン211に沿って個々の光デバイス212に分割する分割工程を実施する。この分割工程は、図7の(a)に示す分割装置7を用いて実施する。即ち、上記ウエーハ支持工程が実施された光デバイスウエーハ2をダイシングテープ6を介して支持する環状のフレーム5を円筒状のベース71の載置面71a上にダイシングテープ6側を上にして載置し、円筒状のベース71の外周に配設されたクランプ72によって固定する。そして、光デバイスウエーハ2を構成する側を曲げ荷重付与手段73を構成する平行に配設された円柱状の複数の支持部材731上に載置する。このとき、図7の(b)に示すように支持部材731と731との間に上記分割予定ライン211に沿って形成されたシールドトンネル23が位置付けられるように載置する。そして、光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板20の裏面20bに貼着されたダイシングテープ6における図7の(a)において支持部材731と731との間に支持された最右端の分割予定ライン211と対応する位置に押圧部材732を位置付けて押圧する(分割工程)。この結果、光デバイスウエーハ2には図7の(a)において最右端の分割予定ライン211に沿って形成されたシールドトンネル23に沿って曲げ荷重が作用してサファイア基板20の表面20a側に露出されているシールドトンネル23側に引っ張り荷重が発生し、図7の(c)に示すように分割予定ライン211に沿って形成されたシールドトンネル23が分割の起点となって分割予定ライン211に沿って分割される。この分割工程を支持部材731と731との間に支持された分割予定ライン211に沿って図7の(a)において最左端の分割予定ライン211まで順次実施する。
なお、上記分割の起点となるサファイア基板20に形成されたシールドトンネル23は、上述した図5に示すシールドトンネル形成工程において集光レンズ424bから照射されるパルスレーザー光線LBが上述したように球面収差が生成された状態でサファイア基板20に照射されるので、サファイア基板20の裏面から表面に亘って均一に形成されるため、厚み方向中間部に抉れ(エグレ)が生じることがなく、図7の(c)に示すように分割された光デバイス212の側面に上記図8に示す従来の加工方法のように抉れ(エグレ)に基づく凹凸が形成されることはない。
以上のようにして、光デバイスウエーハ2を構成するサファイア基板20の内部に所定方向に延びる分割予定ライン211に沿って形成されたシールドトンネル23に沿って分割したならば、円筒状のベース71を90度回動せしめて、上記所定方向と直交する方向に延びる分割予定ライン211に沿って形成されたシールドトンネル23に沿って上記分割工程を実施することにより、光デバイスウエーハ2は個々の光デバイス212に分割することができる。
2:光デバイスウエーハ
20:サファイア基板
21:発光層(エピ層)
211:分割予定ライン
212:光デバイス
23:シールドトンネル
3:保護テープ
4:レーザー加工装置
41:レーザー加工装置のチャックテーブル
42:レーザー光線照射手段
424:集光器
424b:集光レンズ
424c:凹レンズ
7:分割装置

Claims (3)

  1. サファイア基板の表面に発光層が形成され格子状の複数の分割予定ライン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光デバイスウエーハを個々の光デバイスに分割する光デバイスウエーハの加工方法であって、
    サファイア基板に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点をサファイア基板の裏面側から内部に位置付けて分割予定ラインに対応する領域に沿って照射し、細孔と該細孔をシールドする非晶質とを成長させてシールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成するシールドトンネル形成工程と、
    該シールドトンネル形成工程が実施された光デバイスウエーハに外力を付与し、光デバイスウエーハを分割予定ラインに沿って個々の光デバイスに分割する分割工程と、を含み、
    該シールドトンネル形成工程は、集光点を生成する集光レンズにパルスレーザー光線を拡がり角を持って入光させることにより球面収差を生成せしめる、
    ことを特徴とする光デバイスウエーハの加工方法。
  2. 該シールドトンネル形成工程は、該集光レンズの上流側に配設された凹レンズによってパルスレーザー光線に拡がり角を持たせる、請求項1記載の光デバイスウエーハの加工方法。
  3. 該凹レンズの焦点距離は、−0.1〜−5mに設定されている、請求項2記載の光デバイスウエーハの加工方法。
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