JP6625928B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物を保持する保持手段と、保持手段に保持された被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して被加工物の内部に改質層を形成するレーザー光線照射手段と、保持手段とレーザー光線照射手段とを相対的にＸ方向に移動させるＸ方向移動手段とを備えるレーザー加工装置に関する。

下記特許文献１には、分割予定ラインで複数の領域に表面が区画され、複数の領域のそれぞれにＩＣやＬＳＩ等のデバイスが形成されたシリコン（Ｓｉ）製ウエーハを分割予定ラインに沿って分割する方法が開示されている。この方法では、分割予定ラインに対応する領域の内部に集光点を位置付け、ウエーハと集光点とを相対的に移動させながら、シリコンに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線をウエーハの裏面側から照射することによって、周囲と比較して強度が低下した改質層を分割予定ラインに沿ってウエーハの内部に連続的に形成する。次いで、ウエーハに外力を付与することによって、分割予定ラインに沿ってウエーハを個々のデバイスに分割する。そして、分割された各デバイスは携帯電話やパソコン等の電気機器に利用されている。

シリコンの吸収端は光の波長に換算すると１０５０ｎｍ付近であるため、ウエーハの内部に改質層を形成する際は、シリコンの吸収端に近い波長（たとえば１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザーが一般的に使用される（特許文献２参照。）。しかし、シリコンの吸収端に近い波長のＹＡＧレーザーを使用すると、集光点を挟む領域においてレーザー光線の一部がウエーハに吸収されるので十分な改質層が形成されず、ウエーハを個々のデバイスに分割できない場合がある。この問題を解決するために本出願人は、研究及び実験を重ねた結果、１３００〜１４００ｎｍの範囲で設定された波長（たとえば１３４０ｎｍ）のＹＡＧレーザーを使用すると、集光点を挟む領域においてウエーハへのレーザー光線の吸収が軽減されて良好な改質層がウエーハの内部に形成されると共に、円滑にウエーハを個々のデバイスに分割できることを見出した（特許文献３参照。）。

特許第３４０８８０５号公報 特開２００５−９５９５２号公報 特開２００６−１０８４５９号公報

ところが、分割予定ラインに沿ってウエーハの内部に改質層を連続的に形成する際に、直前に形成した改質層に隣接してウエーハの内部に集光点を位置付けてレーザー光線を照射すると、レーザー光線の入射面（ウエーハの裏面）とは反対側の面（デバイスが形成されたウエーハの表面）にレーザー光線が散乱してデバイスをアタックし損傷させるという問題の存在が判明した。本出願人がこの問題を検証したところ、改質層が形成される際には改質層から微細なクラックがランダムに伝播しており、そのクラックが次に照射されるレーザー光線を屈折又は反射させることが分かった。

上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して被加工物の内部に改質層を形成する際に、被加工物におけるレーザー光線の入射面とは反対側の面にレーザー光線が散乱することを防止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。

上記課題を解決するために本発明が提供するのは、以下のレーザー加工装置である。すなわち、被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して被加工物の内部に改質層を形成するレーザー光線照射手段と、該保持手段と該レーザー光線照射手段とを相対的にＸ方向に移動させるＸ方向移動手段とを備え、該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したレーザー光線を集光する集光レンズと、該発振器と該集光レンズとの間に配置されたレベンソンマスクとを含み、該発振器が発振したレーザー光線は、該レベンソンマスクにおいて互いに位相が１８０度異なるレーザー光線にＸ方向において二分され、次いで該集光レンズを透過するとＸ方向に間隔をおいて一対の集光点に集光するレーザー加工装置である。

好ましくは、該発振器が発振するレーザー光線の波長は１３００〜１４００ｎｍである。

本発明が提供するレーザー加工装置では、発振器が発振したレーザー光線は、レベンソンマスクにおいて互いに位相が１８０度異なるレーザー光線にＸ方向において二分され、次いで集光レンズを透過するとＸ方向に間隔をおいて一対の集光点に集光するので、被加工物にレーザー光線を照射すると被加工物の内部に改質層がＸ方向において良好に形成される。このため集光点ピッチを十分広げることが可能となり、改質層が形成される際に微細なクラックがＸ方向に沿って伝播した場合でも、直前に形成されたクラックを避けて次の集光点を位置付けることによって、クラックが次に照射されるレーザー光線を屈折又は反射させることがない。したがって本発明のレーザー加工装置では、被加工物におけるレーザー光線の入射面とは反対側の面にレーザー光線が散乱することを防止することができる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図１に示すレーザー光線照射手段の構成を示す模式図。 図２に示すレベンソンマスクの平面図（ａ）及び正面図（ｂ）。 図２に示すレベンソンマスクの下流側の部分拡大図。 ウエーハの斜視図。 レーザー加工工程を実施している状態を示す模式図。 ウエーハに照射されるレーザー光線の集光点を示す模式図。

以下、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について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すレーザー加工装置２は、基台４と、ウエーハ等の被加工物を保持する保持手段６と、保持手段６を移動させる移動手段８と、レーザー光線照射手段１０と、撮像手段１２と、制御手段（図示していない。）とを備える。

保持手段６は、Ｘ方向において移動自在に基台４に搭載された矩形状のＸ方向可動板１４と、Ｙ方向において移動自在にＸ方向可動板１４に搭載された矩形状のＹ方向可動板１６と、Ｙ方向可動板１６の上面に固定された円筒状の支柱１８と、支柱１８の上端に固定された矩形状のカバー板２０とを含む。カバー板２０にはＹ方向に延びる長穴２０ａが形成されている。長穴２０ａを通って上方に延びる円形状のチャックテーブル２２が支柱１８の上端に回転自在に搭載されている。チャックテーブル２２の上面には、多孔質材料から形成され実質上水平に延在する円形状の吸着チャック２４が配置されている。吸着チャック２４は、支柱１８を通る流路によって吸引手段（図示していない。）に接続されている。チャックテーブル２２の周縁には、周方向に間隔をおいて複数個のクランプ２６が配置されている。なお、Ｘ方向は図１に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ方向は図１に矢印Ｙで示す方向であってＸ方向に直交する方向である。また図１には、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向を矢印Ｚで示している。Ｘ方向及びＹ方向が規定するＸＹ平面は実質上水平であり、Ｘ方向及びＺ方向が規定するＸＺ平面並びにＹ方向及びＺ方向が規定するＹＺ平面はそれぞれ実質上鉛直である。

移動手段８は、Ｘ方向移動手段２８と、Ｙ方向移動手段３０と、回転手段（図示していない。）とを含む。Ｘ方向移動手段２８は、基台４上においてＸ方向に延びるボールねじ３２と、ボールねじ３２の片端部に連結されたモータ３４とを有する。ボールねじ３２のナット部（図示していない。）は、Ｘ方向可動板１４の下面に固定されている。そしてＸ方向移動手段２８は、ボールねじ３２によりモータ３４の回転運動を直線運動に変換してＸ方向可動板１４に伝達し、基台４上の案内レール４ａに沿ってＸ方向可動板１４をＸ方向に進退させる。Ｙ方向移動手段３０は、Ｘ方向可動板１４上においてＹ方向に延びるボールねじ３６と、ボールねじ３６の片端部に連結されたモータ３８とを有する。ボールねじ３６のナット部（図示していない。）は、Ｙ方向可動板１６の下面に固定されている。そしてＹ方向移動手段３０は、ボールねじ３６によりモータ３８の回転運動を直線運動に変換してＹ方向可動板１６に伝達し、Ｘ方向可動板１４上の案内レール１４ａに沿ってＹ方向可動板１６をＹ方向に進退させる。回転手段は、支柱１８に内蔵されたモータ（図示していない。）を有し、支柱１８に対してチャックテーブル２２を回転させる。

レーザー光線照射手段１０は、基台４の上面から上方に延び次いで実質上水平に延びる枠体４０と、枠体４０に内蔵された発振手段４２と、枠体４０の先端下面に付設された集光器４４と、集光点位置調整手段（図示していない。）とを含む。図２に示すとおり、発振手段４２は、パルスレーザー光線ＬＢを発振する発振器４６と、発振器４６が発振したパルスレーザー光線ＬＢの出力を調整する調整器４８とを有する。集光器４４には、ミラー５０、レベンソンマスク５２及び集光レンズ５４の順に光路の上流側から配置されている。図３に示すとおり、全体として円盤状のレベンソンマスク５２は、Ｘ方向における片側半部５６と他側半部５８とが異なる厚みで形成されている。図４に示すとおり、片側半部５６と他側半部５８との境界部６０は集光レンズ５４の光軸６２とＸ方向において整合しているのが好ましい。

レベンソンマスク５２の片側半部５６と他側半部５８との厚み差αは、レベンソンマスク５２内におけるパルスレーザー光線ＬＢの波長λ_Ｌの半分に設定されている（α＝λ_Ｌ／２）。たとえば、屈折率ｎが１．５である石英（ＳｉＯ_２）からレベンソンマスク５２が形成され、かつ発振器４６が発振するパルスレーザー光線ＬＢの波長λが１３４０ｎｍである場合には、レベンソンマスク５２内におけるパルスレーザー光線ＬＢの波長λ_Ｌは
λ_Ｌ＝λ／ｎ＝１３４０ｎｍ／１．５＝８９３ｎｍ
となるため、厚み差αは
α＝λ_Ｌ／２＝８９３ｎｍ／２＝４４７ｎｍ
と設定される。また、屈折率が１．５である石英（ＳｉＯ_２）からレベンソンマスク５２が形成され、かつ発振器４６が発振するパルスレーザーの波長が１０６４ｎｍである場合には、レベンソンマスク５２内におけるパルスレーザー光線ＬＢの波長λ_Ｌは
λ_Ｌ＝１０６４ｎｍ／１．５＝７０９ｎｍ
となるため、厚み差αは
α＝λ_Ｌ／２＝７０９ｎｍ／２＝３５５ｎｍ
と設定される。

図２に示すとおり、発振器４６が発振したパルスレーザー光線ＬＢは、調整器４８によって出力が調整され、次いでミラー５０によって実質上鉛直方向に光路が変換された後、レベンソンマスク５２に入射する。レベンソンマスク５２の厚み差αは、レベンソンマスク５２内におけるパルスレーザー光線ＬＢの波長λ_Ｌの半分に設定されているため、図４に示すとおり、レベンソンマスク５２においては、片側半部５６を透過したパルスレーザー光線ＬＢ１と、他側半部５８を透過したパルスレーザー光線ＬＢ２とに、互いに位相が１８０度異なるパルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２にＸ方向において二分される。次いで、パルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２が集光レンズ５４を透過すると、パルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２は互いに位相が１８０度異なるから、集光レンズ５４の光軸６２を通るＹＺ平面において、パルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２が互いに打ち消し合うので、Ｘ方向に間隔Ｓをおいて一対の集光点ＦＰ１及びＦＰ２に集光する。

撮像手段１２は、図１に示すとおり、集光器４４とＸ方向に間隔をおいて枠体４０の先端下面に付設されている。撮像手段１２は、可視光線により撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）と、被加工物に赤外線を照射する赤外線照射手段と、赤外線照射手段により照射された赤外線を捕らえる光学系と、光学系が捕らえた赤外線に対応する電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含む（いずれも図示していない。）。コンピュータから構成される制御手段は、移動手段８、レーザー光線照射手段１０及び撮像手段１２に電気的に接続され、移動手段８、レーザー光線照射手段１０及び撮像手段１２の作動を制御する。

図５に示す被加工物としての円盤状シリコン（Ｓｉ）製ウエーハ６４の表面６４ａは、格子状の分割予定ライン６６で複数の領域に区画され、複数の領域のそれぞれにはデバイス６８が形成されている。ウエーハ６４の周縁には、結晶方位を示すノッチ７０が形成されている。

レーザー加工装置２を用いてウエーハ６４を加工する際は、まず、周縁が環状フレーム７２に固定された粘着テープ７４にデバイス６８が形成されたウエーハ６４の表面６４ａを貼り付けることによって、粘着テープ７４を介してウエーハ６４を環状フレーム７２に支持させる。次いで、吸着チャック２４の上面に裏面６４ｂを上側としてウエーハ６４を載せる。次いで、吸引手段を作動させることにより吸着チャック２４の上面に負圧を発生させ、ウエーハ６４の表面６４ａ側（粘着テープ７４側）を吸着チャック２４の上面に吸着させる。また、環状フレーム７２の外周縁部を複数のクランプ２６によって固定する。

ウエーハ６４を吸着チャック２４に固定した後、レーザー光線照射位置の位置合わせのためのアライメント工程を実施する。アライメント工程では、まず、移動手段８によってチャックテーブル２２を撮像手段１２の下方に移動させる。次いで、撮像手段１２によってウエーハ６４を撮像する。そして、撮像手段１２が撮像したウエーハ６４の画像に基づいて移動手段８を適宜作動させることによって、格子状の分割予定ライン６６をＸ方向及びＹ方向に整合させる。このとき、分割予定ライン６６が形成されている表面６４ａは下側に位置しているが、上述のとおり、撮像手段１２は、赤外線照射手段と、赤外線を捕らえる光学系と、赤外線に対応する電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含むので、ウエーハ６４の裏面６４ｂから透かして表面６４ａの分割予定ライン６６を撮像することができる。

アライメント工程を実施した後、レーザー加工工程を実施する。レーザー加工工程では、まず、移動手段８によって保持手段６を移動させ、所定の分割予定ライン６６の長手方向片端部を集光器４４の直下に位置付ける。次いで、図６（ａ）に示すとおり、集光点位置調整手段によって集光器４４をＺ方向に移動させ、パルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２の一対の集光点ＦＰ１及びＦＰ２をウエーハ６４の裏面６４ｂから所定深さの位置に調整する。次いで、チャックテーブル２２を所定の加工送り速度ＶでＸ方向移動手段２８によってＸ方向に移動させながら、シリコンに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２を集光器４４からウエーハ６４に照射する。そして図６（ｂ）に示すとおり、所定の分割予定ライン６６の長手方向他端部が集光器４４の直下に達したら、Ｘ方向移動手段２８及びレーザー光線照射手段１０を停止させる。これによって、所定の分割予定ライン６６に沿って改質層７６が形成される。次いで、チャックテーブル２２をＹ方向移動手段３０によってＹ方向にインデックス送りして所定の分割予定ライン６６と平行な他の分割予定ライン６６においもて同様に改質層７６を形成する。また、チャックテーブル２２を回転手段によって回転させ所定の分割予定ライン６６と交差する他の分割予定ライン６６においても同様に改質層７６を形成する。このようなレーザー加工工程は、たとえば以下の加工条件で実施することができる。
パルスレーザー光線の波長λ ：１３４０ｎｍ（１０６４ｎｍでもよい。）
繰り返し周波数Ｆ_ＲＥＰ ：９０ｋＨｚ
集光レンズの開口数（ＮＡ） ：０．７
平均出力 ：１Ｗ
加工送り速度Ｖ ：５００ｍｍ／ｓ
集光点の長径Ｄ１ ：１．８μｍ
集光点の短径Ｄ２ ：０．７〜１．２μｍ
集光点間隔Ｓ ：１〜２μｍ
集光点ピッチＰ ：５．６μｍ
図７に示すとおり集光点間隔Ｓは、集光点ＦＰ１及びＦＰ２の間の距離である。また集光点ピッチＰは、パルスレーザー光線ＬＢの繰り返し周波数Ｆ_ＲＥＰ（Ｈｚ）と、Ｘ方向移動手段２８のＸ方向への加工送り速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）で規定される（Ｐ＝Ｖ／Ｆ_ＲＥＰ）ものであり、たとえば図７に示すとおり、一方の集光点ＦＰ１の一端と、集光点ＦＰ１及びＦＰ２の次に照射されたパルスレーザー光線ＬＢ１’及びＬＢ２’の一方の集光点ＦＰ１’の一端との間の距離である。

レーザー加工装置２では、発振器４６が発振したパルスレーザー光線ＬＢは、レベンソンマスク５２において互いに位相が１８０度異なるパルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２にＸ方向において二分され、次いで集光レンズ５４を透過するとＸ方向に間隔Ｓをおいて一対の集光点ＦＰ１及びＦＰ２に集光するので、ウエーハ６４にパルスレーザー光線ＬＢ１及びＬＢ２を照射するとウエーハ６４の内部に改質層７６がＸ方向において良好に形成される。このため集光点ピッチＰを十分広げることが可能となり、改質層７６が形成される際に微細なクラックがＸ方向に沿って伝播した場合でも、直前に形成されたクラックを避けて次の集光点ＦＰ１’及びＦＰ２’を位置付けることによって、クラックが次に照射されるパルスレーザー光線ＬＢ１’及びＬＢ２’
を屈折又は反射させることがない。したがってレーザー加工装置２では、ウエーハ６４におけるレーザー光線の入射面（裏面６４ｂ）とは反対側の面（表面６４ａ）にレーザー光線が散乱することを防止することができる。この結果、ウエーハ６４の表面６４ａに形成されたデバイス６８がレーザー光線によって損傷することがない。

２：レーザー加工装置
６：保持手段
１０：レーザー光線照射手段
２８：Ｘ方向移動手段
４６：発振器
５２：レベンソンマスク
５４：集光レンズ
６４：ウエーハ（被加工物）
７６：改質層
ＬＢ：パルスレーザー光線
ＬＢ１：レベンソンマスクの片側半部を透過したパルスレーザー光線
ＬＢ２：レベンソンマスクの他側半部を透過したパルスレーザー光線
ＦＰ１、ＦＰ２：集光点

Claims (2)

1. 被加工物を保持する保持手段と、該保持手段に保持された被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射して被加工物の内部に改質層を形成するレーザー光線照射手段と、該保持手段と該レーザー光線照射手段とを相対的にＸ方向に移動させるＸ方向移動手段とを備え、
   該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したレーザー光線を集光する集光レンズと、該発振器と該集光レンズとの間に配置されたレベンソンマスクとを含み、
   該発振器が発振したレーザー光線は、該レベンソンマスクにおいて互いに位相が１８０度異なるレーザー光線にＸ方向において二分され、次いで該集光レンズを透過するとＸ方向に間隔をおいて一対の集光点に集光するレーザー加工装置。
2. 該発振器が発振するレーザー光線の波長は１３００〜１４００ｎｍである、請求項１記載のレーザー加工装置。