JP6632467B2 - レーザー加工装置及びレーザー加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハや光デバイスウェーハ等の被加工物にレーザービームを照射してアブレーション加工を施すレーザー加工装置及びレーザー加工方法に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ、ＬＥＤ等の複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたシリコンウェーハ、サファイアウェーハ等のウェーハは、加工装置によって個々のデバイスチップに分割され、分割されたデバイスチップは携帯電話、パソコン等の各種電子機器に広く利用されている。

ウェーハの分割には、ダイシングソーと呼ばれる切削装置を用いたダイシング方法が広く採用されている。ダイシング方法では、ダイヤモンド等の砥粒を金属や樹脂で固めて厚さ３０μｍ程度とした切削ブレードを、３００００ｒｐｍ等の高速で回転させつつウェーハへ切り込ませ、ウェーハを保持したチャックテーブルを加工送りすることによりウェーハを分割予定ラインに沿って切削し、ウェーハを個々のデバイスチップへと分割する。

一方、近年では、ウェーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザービームをウェーハに照射することで分割予定ラインに沿ってレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿ってブレーキング装置でウェーハを割断して個々のデバイスチップへと分割する方法が実用化されている。

レーザー加工装置によるレーザー加工溝の形成は、ダイシングソーによるダイシング方法に比較して加工速度を速くすることができると共に、サファイアやＳｉＣ等のモース硬度の高い素材からなるウェーハであっても比較的容易に加工することができる。

また、レーザー加工溝を例えば１０μｍ以下等の狭い幅とすることができるので、ダイシング方法で切削加工する場合に比較してウェーハ１枚当たりのデバイス取り量を増やすことができる。

しかし、ウェーハにパルスレーザービームを照射して所望深さのレーザー加工溝を形成するには、同じ分割予定ラインに対して何回もパルスレーザービームを照射しなければならないという問題と、レーザーにより溶融したデブリがレーザー加工溝を塞いだり、集光スポットがレーザー加工溝の底に追随して位置付けられず、所望深さのレーザー加工溝を効率よく形成できないという問題がある。

この問題を解決する一つの方法として、特開２００６−５１５１７号公報には、ウェーハに照射する集光スポットの形状を楕円形状にすることによって効率よくレーザー加工溝が形成可能なレーザー加工方法が開示されている。

一方、近年半導体パッケージ技術の一つとして半導体デバイスチップがそのままチップサイズパッケージとなるＷＬ−ＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）技術が開発され実用に供されている。

このＷＬ−ＣＳＰ技術は、半導体パッケージの小型化・軽量化にメリットがある。そのため、１枚のウェーハ当たりの半導体パッケージの生産個数を増やすために、分割予定ラインの幅は非常に狭くなっている。

特開２００６−５１５１７号公報

幅の狭い分割予定ラインにレーザー加工溝を形成するために、特許文献１に開示された集光スポットの形状が楕円形状を有するパルスレーザービームをウェーハに照射してレーザー加工溝を形成することが試みられている。

然し、ビーム形状が楕円形状のパルスレーザービームの場合、加工範囲が広くなるもののパルスレーザービームのピークエネルギー強度が低下してしまうので、加工溝形成が不十分となってしまうという問題がある。加工溝を十分形成できるようにパルスレーザービームのパワーを上げると、レーザー加工溝は十分に形成できるがレーザー加工溝の幅が広くなってしまうという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工速度を上げることができ、且つ幅が狭いレーザー加工溝を形成できるレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することである。

請求項１記載の発明によると、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レーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、該チャックテーブルと該レーザービーム照射手段とを加工送り方向に相対的に移動させる加工送り手段と、該レーザービーム照射手段及び該加工送り手段を制御する制御手段と、を備えたレーザー加工装置であって、該レーザービーム照射手段は、レーザービームを発生するレーザービーム発生手段と、該レーザービーム発生手段から発生されたパルスレーザービームのスポット形状を楕円形に整形し、楕円形に整形した該スポットの長軸を加工送り方向に位置付ける楕円スポット整形手段と、該楕円スポット整形手段で楕円形に整形したスポットを有するパルスレーザービームを該加工送り方向に対して複数のパルスレーザービームに分岐する回折光学素子と、該回折光学素子によって複数に分岐されたパルスレーザービームの複数の楕円スポットの互いの長軸の一部が重なるように被加工物に集光する集光レンズと、を備えたことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

好ましくは、楕円スポット整形手段はシリンドリカルレンズによって構成される。

請求項３記載の発明によると、請求項１又は２記載のレーザー加工装置を用いて互いに直交する複数の分割予定ラインを有する被加工物の該分割予定ラインにレーザー加工溝を形成するレーザー加工方法であって、該チャックテーブルで被加工物を保持する保持ステップと、加工送り方向に対してそれぞれの楕円スポットを有する複数のレーザービームに分岐された各レーザービームを、複数の該楕円スポットの互いの長軸の一部が重なるように被加工物の該分割予定ラインに整列して位置付ける位置付けステップと、該位置付けステップを実施した後、複数に分岐された該レーザービームと該チャックテーブルとを該分割予定ラインに沿って相対的に加工送りする加工送りステップと、を備えたことを特徴とするレーザー加工方法が提供される。

本発明によると、パルスレーザービームのスポット形状を楕円形に整形し、更に比較的パワーの大きいパルスレーザービームを複数本に分岐して、分岐レーザービームの楕円形状の集光スポットを被加工物の加工送り方向に対して互いの長軸の一部が重なるように分割予定ラインに沿って位置付けて、分岐レーザービームと被加工物とを加工送りして被加工物にレーザー加工溝を形成するので、加工送り方向に対して所定の強度分布を有する１本の細長い楕円スポットとしてレーザービームを被加工物に照射できる。

従って、比較的パワーの強いレーザービームを使用してもパワーの低下した複数本のレーザービームに分岐して、楕円形状の集光スポットとして被加工物に照射されるので、従来のようにレーザー加工溝の幅が広くなってしまうことを防止でき、幅の狭い分割予定ラインに対しても幅の狭いレーザー加工溝を形成することができ、更に複数本の分岐レーザービームとして被加工物に照射されるため、レーザー加工速度を上げることができるという効果を奏する。

レーザー加工装置の斜視図である。 レーザービーム発生ユニットのブロック図である。 第１実施形態の加工ヘッドの模式図である。 第２実施形態の加工ヘッドの模式図である。 第３実施形態の加工ヘッドの模式図である。 ブレーズ型回折光学素子（ＤＯＥ）の模式図である。 ウェーハユニットの斜視図である。 レーザー加工方法を説明する斜視図である。 図９（Ａ）は楕円形の複数の集光スポットの位置付け方法を示す模式的平面図、図９（Ｂ）は複数の集光スポットのエネルギー強度の分布を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明実施形態のレーザー加工装置の外観斜視図が示されている。レーザー加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第１スライドブロック６を含んでいる。

第１スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り手段１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。

第１スライドブロック６上には第２スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。すなわち、第２スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り手段２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し方向、すなわちＹ軸方向に移動される。

第２スライドブロック１６上には円筒支持部材２６を介してチャックテーブル２８が搭載されており、チャックテーブル２８は加工送り手段１２及び割り出し送り手段２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。チャックテーブル２８には、チャックテーブル２８に吸引保持された半導体ウェーハをクランプするクランプ３０が設けられている。

静止基台４にはコラム３２が立設されており、このコラム３２にレーザービーム照射ユニット３４が取り付けられている。レーザービーム照射ユニット３４は、ケーシング３３中に収容された図２に示すレーザービーム発生ユニット３５と、ケーシング３３の先端に取り付けられた加工ヘッド３７とを含んでいる。

レーザービーム発生ユニット３５は、図２に示すように、ＹＡＧレーザー又はＹＶＯ４レーザーを発振するレーザー発振器６２と、繰り返し周波数設定手段６４と、パルス幅調整手段６６と、パワー調整手段６８とを含んでいる。特に図示しないが、レーザー発振器６２はブリュースター窓を有しており、レーザー発振器６２から出射するレーザービームは直線偏光のレーザービームである。

再び図１を参照すると、ケーシング３３の先端部には、加工ヘッド３７とＸ軸方向に整列してレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段３９が配設されている。撮像手段３９は、可視光によって半導体ウェーハの加工領域を撮像する通常のＣＣＤ等の撮像素子を含んでいる。

撮像手段３９は更に、半導体ウェーハ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って照射された赤外線を捕らえる光学系と、この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赤外線ＣＣＤ等の赤外線撮像素子から構成される赤外線撮像手段を含んでおり、撮像した画像信号はコントローラ（制御手段）４０に送信される。

コントローラ４０はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）４２と、制御プログラム等を格納するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）４４と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４６と、カウンタ４８と、入力インターフェイス５０と、出力インターフェイス５２とを備えている。

５６は案内レール１４に沿って配設されたリニアスケール５４と、第１スライドブロック６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される加工送り量検出手段であり、加工送り量検出手段５６の検出信号はコントローラ４０の入力エンターフェイス５０に入力される。

６０はガイドレール２４に沿って配設されたリニアスケール５８と第２スライドブロック１６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される割り出し送り量検出手段であり、割り出し送り量検出手段６０の検出信号はコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。

撮像手段３９で撮像した画像信号もコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。一方、コントローラ４０の出力インターフェイス５２からパルスモータ１０、パルスモータ２０、レーザービーム照射ユニット３４等に制御信号が出力される。

図３を参照すると、本発明第１実施形態の加工ヘッド３７の模式図が示されている。図２に示すように、レーザービーム発生ユニット３５のパワー調整手段６８で所定のパワーに調整されたパルスレーザービーム６９は伝送光学系７０を介して加工ヘッド３７に入射される。

加工ヘッド３７は、入射されたパルスレーザービームを反射するミラー７２と、パルスレーザービームのスポット形状を楕円形に整形し、楕円形に整形した集光スポットの長軸を加工送り方向に位置付ける楕円スポット整形手段７８を含んでいる。

本実施形態の楕円スポット整形手段７８は、平凹シリンドリカルレンズ７４と平凸シリンドリカルレンズ７６とから構成される。平凹シリンドリカルレンズ７４で線状に集光されてから発散するパルスレーザービームは平凸シリンドリカルレンズ７６で楕円形状のスポットを有するコリメートビーム（平行光線）７１に変換される。

楕円形状のコリメートビーム７１は回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）８０で複数のパルスレーザービーム（本実施形態では４個）に分岐される。

分岐されたパルスレーザービームは、集光レンズ８２を介してチャックテーブル２８に保持されたウェーハ１１に照射され、チャックテーブル２８を矢印Ｘ１方向に加工送りすることにより、ウェーハ１１の分割予定ラインにアブレーション加工によりレーザー加工溝を形成する。

平凹シリンドリカルレンズ７４及び平凸シリンドリカルレンズ７６からなる本実施形態の楕円スポット整形手段７８では、楕円形に整形した集光スポットの長軸をウェーハ１１の加工送り方向に位置付けることが重要である。

さらに、ＤＯＥ８０により複数に分岐されたパルスレーザービームの各楕円スポットの互いの長軸の一部が重なるように集光レンズ８２によりウェーハ１１の分割予定ラインに沿って集光される。

ＤＯＥ８０は、例えば図６に示すようなブレーズ型ＤＯＥから構成される。ブレーズ型ＤＯＥ（回折光学素子）８０は、透明プレート９０の一面にのこぎり刃状の断面構造９２を微細加工して構成されている。ｄ１の寸法は数十〜数百μｍである。

このブレーズ型ＤＯＥ８０によると、入射されたパルスレーザービームは０次光、１次光、２次光、３次光に分岐され、ブレーズ型ＤＯＥ８０からは４つに分岐されたパルスレーザービームが出射される。尚、図６においては、ＤＯＥ８０による分岐角度は誇張して示されている。

図４を参照すると、本発明第２実施形態の加工ヘッド３７Ａの模式図が示されている。本実施形態では、楕円スポット整形手段として、楕円形状のスリット８３を有するマスク８４を使用する。

円形のビームスポットを有するパルスレーザービーム６９は、マスク８４のスリット８３を通過することによりビームスポットの長軸が加工送り方向に向いた楕円スポットに整形される。

図５を参照すると、本発明第３実施形態の加工ヘッド３７Ｂの模式図が示されている。本実施形態では、楕円スポット整形手段として、２個の直角プリズム８６，８８を使用する。２個の直角プリズム８６，８８を互いに最適な関係で配設することにより、断面円形のパルスレーザービーム６９を断面楕円形に整形し、且つ、集光スポットの長軸を加工送り方向に位置付けることができる。

図７を参照すると、外周部が環状フレームＦに貼着されたダイシングテープＴにウェーハ１１の裏面を貼着したウェーハユニット１７の斜視図が示されている。本実施形態のレーザー加工方法では、ウェーハユニット１７の形態でウェーハ１１はレーザー加工装置２のチャックテーブル２８に保持される。

ウェーハ１１は、ＩＣ、ＬＳＩ、ＬＥＤ等の複数のデバイス１５が互いに直交して形成された分割予定ライン（ストリート）１３によって区画されて表面に形成されたシリコンウェーハ、サファイアウェーハ等のウェーハである。

然し、本発明のレーザー加工装置の加工対象となる被加工物は、ウェーハに限定されるものではなく、表面に分割予定ラインを有するセラミック基板等の他の被加工物を含むものである。

次に図８及び図９を参照して、上述した加工ヘッド３７を有するレーザー加工装置２でウェーハ１１の分割予定ライン１３に沿ってレーザー加工溝を形成するレーザー加工方法について説明する。

図８に示すように、ウェーハ１１に対して吸収性を有する波長のパルスレーザービームを加工ヘッド３７で集光してウェーハ１１の表面の分割予定ラインに照射しつつ、チャックテーブル２８を図８において矢印Ｘ１方向に所定の加工送り速度で移動することにより、ウェーハ１１の分割予定ライン１３に沿ってパルスレーザービームのアブレーション加工によりレーザー加工溝１９を形成する。

本実施形態のレーザー加工装置及びレーザー加工方法では、よく知られたアライメントステップを実施してウェーハ１１の加工すべき分割予定ライン１３をＸ軸方向に整列して加工ヘッド３７の直下に位置付けると、図９（Ａ）に示すように、楕円スポット整形手段７８でビーム断面が楕円形に整形され、更にＤＯＥ８０により４つに分岐され、集光レンズ８２でウェーハ１１上に集光された４つの楕円形状の集光スポット７１ａ〜７１ｄが互いの長軸の一部が重なるように分割予定ライン１３に沿って位置付けられる。

楕円形状の集光スポット７１ａ〜７１ｄの寸法は、長軸が１０μｍ〜１０００μｍ、短軸が５μｍ〜１２μｍが好ましく、更に好ましくは、長軸が２０μｍ〜２００μｍ、短軸が５μｍ〜９μｍの範囲内である。

また、楕円形状の集光スポット７１ａ〜７１ｄの重なり条件は、長軸長さをＬ１とし、集光スポットのピッチをＰ１とすると、Ｌ１：Ｐ１＝１：０．２５〜１：０．８が好ましく、より好ましくは１：０．２５〜１：０．５である。

図９（Ｂ）を参照すると、４つに分岐されたパルスレーザービームの楕円形状の集光スポット７１ａ〜７１ｄのエネルギー強度分布が示されている。この図から明らかなように、加工送り方向Ｘ１に対してエネルギー強度分布が略一定の１本の細長い楕円スポットとしてパルスレーザービームをウェーハ１１に照射することができる。

本実施形態によると、比較的パワーの大きいパルスレーザービーム６９を照射しても、ＤＯＥ８０により４つに分岐されるため、４つに分岐された個々のパルスレーザービームのエネルギー強度が低減され、この低減されたエネルギー強度で加工送り方向に対して強度分布が略一定の細長い楕円スポットとして、ウェーハ１１の分割予定ライン１３に照射してチャックテーブル２８を加工送り方向（矢印Ｘ１方向）に加工送りしながらアブレーション加工により分割予定ライン１３に幅の狭いレーザー加工溝１９を形成することができる。

好ましい実施形態のレーザー加工条件は以下の通りである。

光源 ：ＹＡＧパルスレーザー
波長 ：３５５ｎｍ（ＹＡＧレーザーの第３高調波）
出力 ：６．０Ｗ
繰り返し周波数 ：２０ｋＨｚ
送り速度 ：４００ｍｍ／秒
加工回数 ：３パス

ウェーハ１１を保持したチャックテーブル２８をＹ軸方向に加工送りしながら、第１の方向に伸長する分割予定ライン１３に対して次々とレーザー加工溝１９を形成する。次いで、チャックテーブル２８を９０°回転してから、第１の方向に直交する第２の方向に伸長する全ての分割予定ライン１３に対しても同様なレーザー加工溝１９を形成する。

上述した実施形態のレーザー加工方法によると、比較的パワーの強いレーザービームを複数に分岐し、加工送り方向に対して強度分布が略一定の細長い楕円スポットとしてウェーハ１１の分割予定ライン１３に照射してアブレーション加工によりレーザー加工溝１９を形成できるため、レーザー加工速度を上げることができると共に、分割予定ライン１３に対して幅の狭いレーザー加工溝を形成することができる。

２ レーザー加工装置
１１ 半導体ウェーハ
１３ 分割予定ライン
１５ デバイス
１７ ウェーハユニット
１９ レーザー加工溝
２８ チャックテーブル
３４ レーザービーム照射ユニット
３５ レーザービーム発生ユニット
３７ 加工ヘッド
７４ 平凹シリンドリカルレンズ
７６ 平凸シリンドリカルレンズ
７８ 楕円スポット整形手段
８０ 回折光学素子（ＤＯＥ）
８２ 集光レンズ
８４ マスク
７１ａ〜７１ｄ 楕円形状の集光スポット（楕円スポット）
７３ エネルギー強度
８６，８８ 直角プリズム

Claims (3)

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レーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、該チャックテーブルと該レーザービーム照射手段とを加工送り方向に相対的に移動させる加工送り手段と、該レーザービーム照射手段及び該加工送り手段を制御する制御手段と、を備えたレーザー加工装置であって、
   該レーザービーム照射手段は、
   レーザービームを発生するレーザービーム発生手段と、
   該レーザービーム発生手段から発生されたパルスレーザービームのスポット形状を楕円形に整形し、楕円形に整形した該スポットの長軸を加工送り方向に位置付ける楕円スポット整形手段と、
   該楕円スポット整形手段で楕円形に整形したスポットを有するパルスレーザービームを該加工送り方向に対して複数のパルスレーザービームに分岐する回折光学素子と、
   該回折光学素子によって複数に分岐されたパルスレーザービームの複数の楕円スポットの互いの長軸の一部が重なるように被加工物に集光する集光レンズと、
   を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 該楕円スポット整形手段はシリンドリカルレンズによって構成される請求項１記載のレーザー加工装置。
3. 請求項１又は２記載のレーザー加工装置を用いて互いに直交する複数の分割予定ラインを有する被加工物の該分割予定ラインにレーザー加工溝を形成するレーザー加工方法であって、
   該チャックテーブルで被加工物を保持する保持ステップと、
   加工送り方向に対してそれぞれの楕円スポットを有する複数のレーザービームに分岐された各レーザービームを、複数の該楕円スポットの互いの長軸の一部が重なるように被加工物の該分割予定ラインに整列して位置付ける位置付けステップと、
   該位置付けステップを実施した後、複数に分岐された該レーザービームと該チャックテーブルとを該分割予定ラインに沿って相対的に加工送りする加工送りステップと、
   を備えたことを特徴とするレーザー加工方法。