JP6653454B2 - レーザーダイシング装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置や電子部品等が形成されたウェーハを個々のチップに分割するレーザーダイシング装置に関するものである。

従来、表面に半導体装置や電子部品等が形成されたウェーハを個々のチップに分割するには、細かなダイヤモンド砥粒で形成された厚さ３０μｍ程度の薄い砥石により、ウェーハに研削溝を入れてウェーハをカットするダイシング装置が用いられていた。

ダイシング装置では、薄い砥石（以下、ダイシングブレードと称する）を例えば３０，０００〜６０，０００ｒｐｍで高速回転させてウェーハを研削し、ウェーハを完全切断（フルカット）又は不完全切断（ハーフカット或いはセミフルカット）を行う。

しかし、このダイシングブレードによる研削加工の場合、ウェーハが高脆性材料であるため脆性モード加工となり、ウェーハの表面や裏面にチッピングが生じ、このチッピングが分割されたチップの性能を低下させる要因になっていた。

このような問題に対して、従来のダイシングブレードによる切断に替えて、ウェーハの内部に集光点を合わせてレーザー光を入射し、ウェーハ内部に多光子吸収による改質領域を形成して個々のチップに分割する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような技術では、ウェーハの内部に形成する改質領域をウェーハの表面から一定の深さに形成するため、オートフォーカス機構を用いてウェーハの表面の高さ位置（厚み方向位置）を検出してレーザー光の集光点の位置を高精度に制御する必要がある。

特許文献１に開示された技術では、ウェーハ内部の所定深さに均一に改質領域（変質層）を形成するために、ウェーハの表面に検出用レーザー光（ＡＦ用レーザー光）を照射し、その反射光に基づいてウェーハの表面の高さ位置を検出し、ウェーハの表面の高さ位置に応じて加工用レーザー光の集光点位置を制御しながら加工を行っている。

また、特許文献１に開示された技術では、検出用レーザー光の集光点位置を変位させる集光点位置変位手段を備えており、ウェーハの表面から深い位置に改質領域を形成する場合には、検出用レーザー光の集光点位置と加工用レーザー光の集光点位置との距離を調整することができるようになっている。これにより、ウェーハの表面に照射される検出用レーザー光の照射面積（スポット面積）を小さくすることができるので、ウェーハの表面で反射された検出用レーザー光の反射光の単位面積あたりの光量を低下させることなく、ウェーハの表面の高さ位置を正確に検出することが可能となる。

特開２００９−２６９０７４号公報

しかしながら、上述したような技術では、一般に開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が高い集光レンズ（高ＮＡレンズ）が用いられるため、オートフォーカス機構の感度がきわめて高く、高精度検出の範囲が合焦位置の近傍に限られる。そのため、ウェーハの表面の高さ位置を検出可能な測定範囲（引き込み範囲）が極めて狭く、例えば通常数μｍの範囲でのみ測定が可能である。また、ウェーハの内部に形成される改質領域のウェーハの表面からの深さ（以下、「加工深さ」という。）に応じてオートフォーカス特性が異なると、オートフォーカス機構の安定性や応答性に影響を及ぼしてしまい、ウェーハの表面の高さ位置の検出を迅速にかつ精度よく安定して行うことができない問題がある。

特許文献１には、検出用レーザー光の集光点位置を変位させる集光点位置変位手段の開示はあるが、これらの課題についての示唆や解決手段は何ら示されていない。

また、特許文献１に開示された技術では、検出光（ウェーハの表面で反射した検出用レーザー光の反射光）の一部を破棄しており、検出光を効率的に利用するものではなかった。このため、ウェーハの表面の検出精度の向上には限界がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、改質領域の加工深さによらずウェーハの表面の高さ位置の検出を迅速にかつ精度よく安定して行うことができるレーザーダイシング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１態様に係るレーザーダイシング装置は、ウェーハを保持するテーブルと、テーブルに保持されたウェーハの内部に改質領域を形成するための加工用レーザー光を出射する加工用レーザー光源と、加工用レーザー光源から出射された加工用レーザー光をウェーハの内部に集光する集光レンズと、集光レンズを加工用レーザー光の光軸方向に移動させることにより集光レンズによって集光される加工用レーザー光の集光点をウェーハ厚み方向に変位させる集光レンズ駆動手段と、テーブルに保持されたウェーハの表面の高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、高さ位置検出手段からの検出信号に基づいて集光レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を備えるレーザーダイシング装置であって、高さ位置検出手段は、ウェーハの表面に対して反射可能な波長を有する検出用レーザー光を出射する検出用レーザー光源と、検出用レーザー光源から出射された検出用レーザー光を集光レンズに導く検出用レーザー光照射経路と、検出用レーザー光照射経路を介して集光レンズからテーブルに保持されたウェーハに照射され反射した検出用レーザー光の反射光を導く検出用レーザー光反射経路と、検出用レーザー光反射経路に配設されウェーハに照射され反射した検出用レーザー光の反射光を検出する検出器と、検出器から出力される出力信号に基づき、ウェーハの表面の変位を示す変位信号を制御手段に送る変位信号生成手段と、検出用レーザー光照射経路に配設され検出用レーザー光の集光点をウェーハ厚み方向に調整する集光点調整光学系と、を備える。

本発明の第２態様に係るレーザーダイシング装置は、第１態様において、集光レンズと集光点調整光学系との間に４ｆ光学系が配設される。

本発明の第３態様に係るレーザーダイシング装置は、第１態様又は第２態様において、集光レンズと集光点調整光学系との光学的距離が５０ｍｍ未満である。

本発明の第４態様に係るレーザーダイシング装置は、第１〜３態様のいずれかにおいて、集光レンズにより集光されウェーハの表面に照射される検出用レーザー光の集光像の直径が０．００２ｍｍより大きく、かつ０．３ｍｍより小さい。

本発明の第５態様に係るレーザーダイシング装置は、第１〜４態様のいずれかにおいて、高さ位置検出手段は、ナイフエッジ法を用いてウェーハの表面の高さ位置を検出する。

本発明の第６態様に係るレーザーダイシング装置は、第１〜４態様のいずれかにおいて、高さ位置検出手段は、非点収差法を用いてウェーハの表面の高さ位置を検出する。

本発明によれば、改質領域の加工深さによらず、ウェーハの表面の高さ位置を迅速にかつ精度よく安定して検出することができる。その結果、ウェーハの表面にばらつきがあっても、ウェーハの表面から所定の加工深さに改質領域を精度よく形成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るレーザーダイシング装置の構成例を示した概略図 フレームにテープを介してマウントされたウェーハを示した斜視図 ウェーハ内部の集光点近傍に形成される改質領域を説明する概念図 ２分割フォトダイオードの受光面に形成される集光像の様子を示した図 ＡＦ用レーザー光の集光点とウェーハの表面との位置関係を示した図 ＡＦ信号の出力特性を示したグラフ ＡＦ用レーザー光の集光点がウェーハ厚み方向に変化する様子を示した図 本実施形態のレーザーダイシング装置を用いたダイシング方法の流れを示したフローチャート 図８に示すキャリブレーション動作の詳細な流れを示したフローチャート 図８に示すリアルタイム加工動作の詳細な流れを示したフローチャート シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図 シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図 シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図 シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図 レーザーダイシング装置の他の構成例を示した概略図 ４分割フォトダイオードの受光面を示した図 シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図 シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図 シミュレーションによる評価結果（加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性）を示した図

以下、添付図面に従って本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザーダイシング装置の構成例を示した概略図である。図１に示すように、レーザーダイシング装置１０は、ステージ１２、レーザーヘッド２０、制御部５０等で構成されている。

ステージ１２は、ＸＹＺθ方向に移動可能に構成され、ウェーハＷを吸着保持する。ウェーハＷは、図２に示すように、一方の面に粘着材を有するダイシングシートＳが貼付され、このダイシングシートＳを介してフレームＦと一体化された状態でステージ１２に載置される。

レーザーヘッド２０は、ウェーハＷの内部に改質領域を形成するための加工用レーザー光Ｌ１をウェーハＷに対して照射する。

制御部５０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路部等からなり、レーザーダイシング装置１０の各部の動作を制御する。

レーザーダイシング装置１０はこの他に、図示しないウェーハ搬送手段、操作板、テレビモニタ、及び表示灯等から構成されている。

操作板には、レーザーダイシング装置１０の各部の動作を操作するスイッチ類や表示装置が取り付けられている。テレビモニタは、図示しないＣＣＤカメラで撮像したウェーハ画像の表示、又はプログラム内容や各種メッセージ等を表示する。表示灯は、レーザーダイシング装置１０の加工中、加工終了、非常停止等の稼働状況を表示する。

次に、レーザーヘッド２０の詳細構成について説明する。

図１に示すように、レーザーヘッド２０は、加工用レーザー光源１００、コリメートレンズ１０２、ダイクロイックミラー１０４、集光レンズ１０６、ＡＦ装置（オートフォーカス装置）２００等で構成されている。

加工用レーザー光源１００は、ウェーハＷの内部に改質領域を形成するための加工用レーザー光Ｌ１を出射する。例えば、加工用レーザー光源１００は、パルス幅が１μｓ以下であって、集光点におけるピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上となるレーザー光を出射する。

加工用レーザー光Ｌ１の第１光路上には、加工用レーザー光源１００側から順に、コリメートレンズ１０２、ダイクロイックミラー１０４、集光レンズ１０６が配置される。ダイクロイックミラー１０４は、加工用レーザー光Ｌ１を透過し、かつ後述するＡＦ装置２００から出射されるＡＦ用レーザー光Ｌ２を反射する。なお、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の第２光路は、ダイクロイックミラー１０４により加工用レーザー光Ｌ１の第１光路と一部光路を共有するように屈曲され、その共有光路上に集光レンズ１０６が配置される。

加工用レーザー光源１００から出射された加工用レーザー光Ｌ１は、コリメートレンズ１０２でコリメートされ、ダイクロイックミラー１０４を透過した後、集光レンズ１０６によりウェーハＷの内部に集光される。加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置（ウェーハ厚み方向位置）は、第１アクチュエータ１０８によって集光レンズ１０６をＺ方向（加工用レーザー光Ｌ１の光軸方向）に微小移動させることにより調節される。第１アクチュエータ１０８は、集光レンズ駆動手段の一例である。なお、詳細は後述するが、第１アクチュエータ１０８は、集光レンズ１０６とウェーハＷの表面との距離が一定となるように、制御部５０によって駆動が制御される。

図３は、ウェーハ内部の集光点近傍に形成される改質領域を説明する概念図である。図３（ａ）は、ウェーハＷの内部に入射された加工用レーザー光Ｌ１が集光点に改質領域Ｐを形成した状態を示し、図３（ｂ）は断続するパルス状の加工用レーザー光Ｌ１の下でウェーハＷが水平方向に移動され、不連続な改質領域Ｐ、Ｐ、…が並んで形成された状態を表している。図３（ｃ）は、ウェーハＷの内部に改質領域Ｐが多層に形成された状態を示している。

図３（ａ）に示すように、ウェーハＷの表面から入射した加工用レーザー光Ｌ１の集光点がウェーハＷの厚さ方向の内部に設定されていると、ウェーハＷの表面を透過した加工用レーザー光Ｌ１は、ウェーハＷの内部の集光点でエネルギーが集中し、ウェーハＷの内部の集光点近傍に多光子吸収によるクラック領域、溶融領域、屈折率変化領域等の改質領域が形成される。図３（ｂ）に示すように、断続するパルス状の加工用レーザー光Ｌ１をウェーハＷに照射して複数の改質領域Ｐ、Ｐ、…をダイシングストリートに沿って形成することで、ウェーハＷは分子間力のバランスが崩れ、改質領域Ｐ、Ｐ、…を起点として自然に割断するか、或いは僅かな外力を加えることによって割断される。

また、厚さの厚いウェーハＷの場合は、改質領域Ｐの層が１層では割断できないので、図３（ｃ）に示すように、ウェーハＷの厚さ方向に加工用レーザー光Ｌ１の集光点を移動し、改質領域Ｐを多層に形成させて割断する。

なお、図３（ｂ）、（ｃ）に示した例では、断続するパルス状の加工用レーザー光Ｌ１で不連続な改質領域Ｐ、Ｐ、…を形成した状態を示したが、加工用レーザー光Ｌ１の連続波の下で連続的な改質領域Ｐを形成するようにしてもよい。不連続の改質領域Ｐを形成した場合は、連続した改質領域Ｐを形成した場合に比べて割断され難いので、ウェーハＷの厚さや搬送中の安全等の状況によって、加工用レーザー光Ｌ１の連続波を用いるか、断続波を用いるかが適宜選択される。

ＡＦ装置２００は、ＡＦ用レーザー光（検出用レーザー光）Ｌ２をウェーハＷに対して照射し、ウェーハＷの表面で反射したＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光を受光し、その受光した反射光に基づいて、ウェーハＷの表面の高さ位置（Ｚ方向位置）を検出する。ＡＦ装置２００は、高さ位置検出手段の一例である。

ＡＦ装置２００は、ＡＦ用光源（検出用レーザー光源）２０２、コリメートレンズ２０４、ナイフエッジ２０５、フォーカス光学系２０６、４ｆ光学系２１４、ハーフミラー２２０、結像レンズ２３６、検出器２３８、ＡＦ信号処理部２５０等で構成されている。

ＡＦ用光源２０２は、例えばＬＤ（Laser Diode）光源やＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源等からなり、加工用レーザー光Ｌ１とは異なる波長であってウェーハＷの表面で反射可能な波長を有するＡＦ用レーザー光Ｌ２を出射する。

ＡＦ用光源２０２から出射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２は、コリメートレンズ２０４でコリメートされ、ナイフエッジ２０５によってその一部が遮光される。そして、ナイフエッジ２０５によって遮光されることなく進行した光は、フォーカス光学系２０６を経由して、ハーフミラー２２０にて反射される。そして、４ｆ光学系２１４を経由し、ダイクロイックミラー１０４で反射され、集光レンズ１０６により集光されてウェーハＷに照射される。

ウェーハＷの表面で反射したＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光は、集光レンズ１０６により屈折され、ダイクロイックミラー１０４で反射され、４ｆ光学系２１４を経由し、ハーフミラー２２０を透過する。更に、この反射光は、結像レンズ２３６により集光され、検出器２３８上に照射され、検出器２３８の受光面に集光像を形成する。

なお、ＡＦ用光源から出射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２を集光レンズ１０６に導くための経路をＡＦ用レーザー光照射経路２４２（検出用レーザー光照射経路に相当）とする。また、ウェーハＷの表面で反射したＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光を検出器２３８に導くための経路をＡＦ用レーザー光反射経路２４４（検出用レーザー光反射経路に相当）とする。

検出器２３８は、２分割された受光素子（光電変換素子）を有する２分割フォトダイオードからなり、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光の集光像を分割して受光し、それぞれの光量に応じた出力信号（電気信号）をＡＦ信号処理部２５０に出力する。

ＡＦ信号処理部２５０は、検出器２３８の各受光素子から出力された出力信号に基づいて、ウェーハＷの表面の基準位置からのＺ方向の変位（デフォーカス距離）を示す変位信号（検出信号）としてのＡＦ信号（オートフォーカス信号）を生成して制御部５０に出力する。なお、ＡＦ信号処理部２５０は、変位信号生成手段の一例である。

ここで、ウェーハＷの表面の変位の検出原理について説明する。

図４は、検出器２３８を構成する２分割フォトダイオード２４０の受光面に形成される集光像の様子を示した図である。なお、図４（ａ）〜（ｃ）は、図５においてウェーハＷの表面がそれぞれｈ１、ｈ２、ｈ３で示す位置にあるときに、２分割フォトダイオード２４０の受光面に形成される集光像の様子を示している。

まず、ウェーハＷの表面がｈ２の位置にある場合、すなわち、ウェーハＷの表面とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点とが一致している場合、図４（ｂ）に示すように、２分割フォトダイオード２４０の受光面には真ん中にシャープな像（真円）が形成される。このとき、２分割フォトダイオード２４０の受光素子２４０Ａ、２４０Ｂで受光される光量は共に等しくなり、ウェーハＷの表面は合焦位置にあることが分かる。

一方、ウェーハＷの表面がｈ１の位置にある場合、すなわち、ウェーハＷの表面がＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点よりも集光レンズ１０６に近い位置にある場合、図４（ａ）に示すように、２分割フォトダイオード２４０の受光面には、受光素子２４０Ａ側に半円状の集光像が形成され、その大きさ（ぼけ量）はウェーハＷと集光レンズ１０６との距離に応じて変化する。

また、ウェーハＷの表面がｈ３の位置にある場合、すなわち、ウェーハＷの表面がＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点よりも集光レンズ１０６から遠い位置にある場合、図４（ｃ）に示すように、２分割フォトダイオード２４０の受光面には、受光素子２４０Ｂ側に半円状の集光像が形成され、その大きさ（ぼけ量）はウェーハＷと集光レンズ１０６との距離に応じて変化する。

このように、２分割フォトダイオード２４０の受光素子２４０Ａ、２４０Ｂで受光される光量は、ウェーハＷの表面の変位に応じて変化する。したがって、このような性質を利用してウェーハＷの表面の変位を検出することができる。

ＡＦ信号処理部２５０では、２分割フォトダイオード２４０の受光素子２４０Ａ、２４０Ｂから出力された出力信号をそれぞれＡ、Ｂとしたとき、ＡＦ信号Ｅを、次式（１）に従って求める。

Ｅ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ） ・・・（１）
図６は、ＡＦ信号の出力特性を示したグラフであり、横軸はウェーハＷの表面の基準位置からＺ方向（ウェーハ厚み方向）の変位（デフォーカス距離）を示し、縦軸はＡＦ信号の出力値を示している。なお、ウェーハＷの表面の基準位置（原点）にＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点が一致するように予め調整されているものとする。

図６に示すように、ＡＦ信号の出力特性は、ウェーハＷの表面の基準位置（原点）をゼロクロス点としたＳ字状の曲線となる。また、ウェーハＷの表面の位置が、図中に矢印で示した範囲、すなわち、ウェーハＷの表面の変位を検出可能な測定範囲（引き込み範囲）内にあるとき、ウェーハＷの表面の変位とＡＦ信号の出力との関係は、原点を通る単調増加曲線（又は単調減少曲線）となり、その大部分で略直線的な変化を示している。つまり、ＡＦ信号の出力がゼロであれば、ウェーハＷの表面がＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点と一致する合焦位置にあることが分かり、ＡＦ信号の出力がゼロでなければ、ウェーハＷの表面の変位方向及び変位量を知ることができる。

このような出力特性を有するＡＦ信号は、ウェーハＷの表面の基準位置からＺ方向の変位を示すウェーハ変位情報としてＡＦ信号処理部２５０で生成され、制御部５０に出力される。

制御部５０は、ＡＦ信号処理部２５０から出力されたＡＦ信号に基づいて、集光レンズ１０６とウェーハＷの表面との距離が一定となるように、第１アクチュエータ１０８の駆動を制御する。これにより、ウェーハＷの表面の変位に追従するように集光レンズ１０６がＺ方向（ウェーハ厚み方向）に微小移動され、ウェーハＷの表面から一定の距離（深さ）に加工用レーザー光Ｌ１の集光点が位置するようになるので、ウェーハＷの内部の所望の位置に改質領域を形成することができる。なお、制御部５０は、制御手段の一例である。

ところで、本実施形態のように、加工用レーザー光Ｌ１の第１光路とＡＦ用レーザー光Ｌ２の第２光路との共有光路上に集光レンズ１０６が配置される構成においては、改質領域の加工深さを変えるために集光レンズ１０６とウェーハＷとの相対的な距離が変化すると、加工用レーザー光Ｌ１の集光点とともにＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点もウェーハＷに対するＺ方向位置が変化する。

例えば、図７（ａ）に示すように、ウェーハＷの表面から浅い位置に改質領域を形成する場合において、ウェーハＷの表面にＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点が一致していたとする。このような場合、図７（ｂ）に示すように、ウェーハＷの表面から深い位置に改質領域を形成するために、集光レンズ１０６とウェーハＷとの相対的な距離を変化させると、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点がウェーハＷの表面からＺ方向（ウェーハ厚み方向）に大きくずれてしまう。そして、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点とウェーハＷの表面との距離が測定範囲（引き込み範囲）を超えてしまうと、ウェーハＷの表面の変位を検出することができなくなってしまう。特に、集光レンズ１０６は高ＮＡレンズが用いられるため、ウェーハＷの表面の変位を検出可能な測定範囲がＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点（合焦位置）の近傍に限られるため、上記問題はより顕著なものとなる。

そこで、本実施形態のＡＦ装置２００は、加工用レーザー光Ｌ１の集光点とは独立してＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点をＺ方向（ウェーハ厚み方向）に調整するフォーカス光学系２０６を備えている。フォーカス光学系２０６は、集光点調整光学系の一例である。

フォーカス光学系２０６は、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の第２光路上であって加工用レーザー光Ｌ１の第１光路との共有光路とは独立した位置に配置される。具体的には、ＡＦ用レーザー光照射経路２４２においてコリメートレンズ２０４とハーフミラー２２０との間に配設される。

フォーカス光学系２０６は、少なくとも第２光路（ＡＦ用レーザー光照射経路２４２）に沿って移動可能に構成された移動レンズを含む複数のレンズからなり、本例では、被写体側（ウェーハＷ側）から順に、第２光路に沿って移動不能に設けられた固定レンズ（正レンズ）２０８と、第２光路に沿って移動可能に設けられた移動レンズ（負レンズ）２１０とから構成される。

第２アクチュエータ２１２は、移動レンズ２１０を第２光路に沿って移動させる。移動レンズ２１０が第２光路に沿って移動すると、加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置は固定された状態で、移動レンズ２１０の移動方向及び移動量に応じてＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点のＺ方向位置が変化する。すなわち、加工用レーザー光Ｌ１の集光点とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点との相対的な距離が変化する。

制御部５０は、ＡＦ信号処理部２５０から出力されるＡＦ信号に基づいて、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点がウェーハＷの表面に一致するように（具体的には、ＡＦ信号の出力がゼロとなるように）、第２アクチュエータ２１２の駆動を制御する。

これにより、図７（ａ）に示した状態から図７（ｂ）に示した状態のように、改質領域の加工深さを変化させるために集光レンズ１０６とウェーハＷとの相対的な距離が変化する場合においても、上記のようにフォーカス光学系２０６の移動レンズ２１０を第２光路に沿って移動させることにより、図７（ｃ）に示した状態のように、加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置を固定した状態で、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点をウェーハＷの表面に一致させることが可能となる。

したがって、改質領域の加工深さが変化する場合においても、加工用レーザー光Ｌ１の集光点とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点との間隔を調整することができるので、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点をウェーハＷの表面に一致させることができ、ウェーハＷの表面で反射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光の単位面積あたりの光量が低下することなく、ウェーハＷのＺ方向位置（高さ位置）を正確に検出することが可能となる。

また、本実施形態では、図１に示すように、フォーカス光学系２０６と集光レンズ１０６との間には４ｆ光学系２１４が配置される。４ｆ光学系２１４は、第１リレーレンズ２１６と第２リレーレンズ２１８とから構成されており、第１リレーレンズ２１６と集光レンズ１０６との距離が第１リレーレンズ２１６の焦点距離ｆ１と等しい位置に配され、第２リレーレンズ２１８とフォーカス光学系２０６との距離が第２リレーレンズ２１８の焦点距離ｆ２と等しい位置に配され、第１リレーレンズ２１６と第２リレーレンズ２１８との距離がこれらの焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）に等しい位置に配される。

このような構成によれば、集光レンズ１０６の射出瞳と共役な面を集光レンズ１０６から物理的に離れた位置に配置することが可能となるので、集光レンズ１０６とフォーカス光学系２０６との光学的距離を所望の範囲に容易に設定することが可能となる。

次に、本実施形態のレーザーダイシング装置１０を用いたダイシング方法について説明する。図８は、本実施形態のレーザーダイシング装置１０を用いたダイシング方法の流れを示したフローチャートである。

図８に示すように、レーザーダイシング装置１０は、後述するリアルタイム加工動作に先立って、ＡＦ信号の出力特性を測定するキャリブレーション動作を実行する（ステップＳ１０）。

キャリブレーション動作が完了した後、レーザーダイシング装置１０は、ウェーハＷの表面の変位に追従するように加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置を調整しながらウェーハＷの内部に改質領域を形成するリアルタイム加工動作を実行する（ステップＳ１２）。

図９は、図８に示すキャリブレーション動作の詳細な流れを示したフローチャートである。

まず、制御部５０は、第２アクチュエータ２１２の駆動を制御して、フォーカス光学系２０６の移動レンズ２１０を改質領域の加工深さに応じた位置に移動させる（ステップＳ２０）。なお、制御部５０のメモリ部（不図示）には、改質領域の加工深さとフォーカス光学系２０６の移動レンズ２１０の位置との対応関係が保持されている。

続いて、制御部５０は、ステージ１２の移動を制御して、ウェーハＷの表面の基準位置を集光レンズ１０６の直下に移動させる（ステップＳ２２）。なお、ウェーハＷの表面の基準位置は、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点を一致させる位置であって、ウェーハＷの表面のＺ方向の変位の基準となる位置なので、ウェーハＷの表面の段差が少ない部分（平滑面）であることが望ましく、例えば、ウェーハＷの外周部を除く中央部分の所定位置を基準位置とする。

続いて、制御部５０は、第２アクチュエータ２１２の駆動を制御して、ＡＦ信号処理部２５０から出力されるＡＦ信号がゼロとなるように、フォーカス光学系２０６の移動レンズ２１０を第２光路に沿って移動させる（ステップＳ２４）。これにより、図７（ｂ）に示すように、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点とウェーハＷの表面の基準位置とにずれがある場合でも、図７（ｃ）に示すように、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点がウェーハＷの表面の基準位置と一致するように集光点調整が行われる。なお、制御部５０は、メモリ部（不図示）に保持されているフォーカス光学系２０６の移動レンズ２１０の位置を、集光点調整後の移動レンズ２１０の位置（補正位置）に書き換える。

続いて、制御部５０は、第１アクチュエータ１０８の駆動を制御して、集光レンズ１０６をＺ方向に沿って移動可能範囲の全体にわたって移動させながらＡＦ信号処理部２５０から出力されるＡＦ信号の出力特性を測定して、その出力特性をルックアップテーブルとしてメモリ部（不図示）に保持しておく（ステップＳ２６）。

なお、ウェーハＷの内部に改質領域の層を複数形成する場合には、ステップＳ２０からステップＳ２６までの処理を改質領域の加工深さ毎に実行する。

以上の処理により、制御部５０は、図８のステップＳ１２のリアルタイム加工動作において、メモリ部（不図示）に保持されたルックアップテーブルを参照することにより、ＡＦ信号処理部２５０から出力されるＡＦ信号の出力値からウェーハＷの表面の基準位置からのＺ方向の変位（デフォーカス距離）を簡単に求めることができるので、リアルタイム加工動作における加工効率（スループット）を向上させることが可能となる。

図１０は、図８に示すリアルタイム加工動作の詳細な流れを示したフローチャートである。

まず、制御部５０は、図９のステップＳ２０と同様に、第２アクチュエータ２１２の駆動を制御して、フォーカス光学系２０６の移動レンズ２１０を改質領域の加工深さに応じた位置に移動させる（ステップＳ３０）。このとき、制御部５０は、メモリ部（不図示）に保持されている移動レンズ２１０の位置（補正位置）に移動させる。これにより、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点がウェーハＷの表面の基準位置と一致し、ＡＦ装置２００は、ウェーハＷの表面の基準位置を基準としたＺ方向の変位を検出することが可能となる。

続いて、制御部５０は、ステージ１２の移動を制御して、ステージ１２に吸着保持されたウェーハＷを所定の加工開始位置に移動させる（ステップＳ３２）。

続いて、制御部５０は、加工用レーザー光源１００をＯＮとした後、ウェーハＷを水平方向（ＸＹ方向）に移動させながら、加工用レーザー光源１００から出射された加工用レーザー光Ｌ１により、ダイシングストリートに沿ってウェーハＷの内部に改質領域を形成する（ステップＳ３４）。

このとき、制御部５０は、加工用レーザー光源１００をＯＮにするタイミングと略同時、或いはそれよりも先のタイミングで、ＡＦ用光源２０２をＯＮとする。これにより、加工用レーザー光Ｌ１とＡＦ用レーザー光Ｌ２が集光レンズ１０６によりウェーハＷに向かって集光される。ＡＦ用光源２０２から出射されたＡＦ用レーザー光Ｌ２はウェーハＷの表面で反射され、その反射光は検出器２３８の受光面に集光像を形成する。ＡＦ信号処理部２５０は、検出器２３８から出力された出力信号に基づいて、ウェーハＷの表面の基準位置からのＺ方向の変位を示すＡＦ信号を生成して制御部５０に出力する。

そして、制御部５０は、ＡＦ信号処理部２５０から出力されるＡＦ信号に基づいて、第１アクチュエータ１０８の駆動を制御することによって、加工用レーザー光Ｌ１の集光点のＺ方向位置を調整しながら、ウェーハＷの内部に改質領域を形成する。

続いて、制御部５０は、ウェーハＷの全てのダイシングストリートに対して改質領域の形成が終了しているか否かを判断する（ステップＳ３６）。全てのダイシングストリートに対して改質領域の形成が終了していない場合（Ｎｏの場合）、次のダイシングストリートに移動し（ステップＳ３８）、そのダイシングストリートについてステップＳ３４からステップＳ３６までの処理を繰り返す。一方、全てのダイシングストリートに対して改質領域の形成が終了した場合（Ｙｅｓの場合）、次のステップＳ４０に進む。

続いて、制御部５０は、全ての加工深さについて改質領域の形成が終了しているか否かを判断する（ステップＳ４０）。全ての加工深さについて改質領域の形成が終了していない場合には、次の加工深さに移動し（ステップＳ４２）、ステップＳ３０からステップＳ４０までの処理を繰り返す。一方、全ての加工深さについて改質領域の形成が終了した場合には、リアルタイム加工動作を終了する。

このようにして、ウェーハの内部の所望の位置に改質領域を形成することにより、改質領域を起点としてウェーハＷを複数のチップに分割することが可能となる。

ところで、本発明者が鋭意検討したところによれば、加工深さによらず安定したオートフォーカス特性（ＡＦ特性）を得る上で、集光レンズ１０６の射出瞳とフォーカス光学系２０６との光学的距離Ｄ０、集光レンズ１０６により集光されウェーハＷの表面に照射されるＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光像の直径（スポット径）Ｎが重要なパラメータであることを見出した。具体的には、光学的距離Ｄ０を５０ｍｍ未満（すなわち、Ｄ０＜５０）とすることで、加工深さによらず安定したＡＦ特性を得ることができる。また、スポット径Ｎを０．００２ｍｍより大きく、かつ０．３ｍｍより小さく（すなわち、０．０２＜Ｎ＜０．３）することで、ＡＦ感度が高く、引き込み範囲を広くすることが可能となる。

ここで、上述した本実施形態のレーザーダイシング装置１０と実質的に等価なモデルを用いてシミュレーションを行い、加工深さ毎のＡＦ特性の変化について評価した結果について図１１〜図１４を参照して説明する。

図１１〜図１４は、光学的距離Ｄ０とスポット径Ｎをそれぞれ所定値に設定したときの加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性を示したものである。なお、Ｄ０、Ｎの単位はｍｍとする（以下、同様とする）。

図１１は、Ｄ０＝０、Ｎ＝０．０１とした場合のＡＦ信号の出力特性である。この場合、図１１に示すように、加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性のカーブは略揃ったものとなり、折り返し現象も見られない。

図１２は、Ｄ０＝５０、Ｎ＝０．０１とした場合のＡＦ信号の出力特性である。この場合、図１２に示すように、折り返し現象は見られないが、加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性の変化が大きくなっている。また、加工深さが大きくなると感度が低下しており、適用範囲が限定的になる。

図１３は、Ｄ０＝０、Ｎ＝０．００２とした場合のＡＦ信号の出力特性である。この場合、図１３に示すように、加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性のカーブは略揃ったものとなるが、引き込み範囲が狭くなっている。

図１４は、Ｄ０＝０、Ｎ＝０．３とした場合のＡＦ信号の出力特性である。この場合、図１４に示すように、各加工深さにおけるＡＦ感度が全体的に低下している。

これらの結果から分かるように、集光レンズ１０６の射出瞳とフォーカス光学系２０６との光学的距離Ｄ０と、集光レンズ１０６によるＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光像の直径（スポット径）Ｎとを上述した所望の範囲に設定することにより、ＡＦ感度が高く、引き込み範囲を広く、加工深さによらず安定したＡＦ特性を得ることが可能となる。

以上のとおり、本実施形態によれば、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点のＺ方向（ウェーハ厚み方向）に調整する集光点調整光学系としてフォーカス光学系２０６がＡＦ用レーザー光照射経路２４２上に配置される。これにより、加工用レーザー光Ｌ１の集光点とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点との相対的な距離を調整することができる。また、集光レンズ１０６の射出瞳とフォーカス光学系２０６との光学的距離Ｄ０や、集光レンズ１０６によるＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光像の直径（スポット径）Ｎを所望の範囲に設定することにより、ＡＦ感度が高く、引き込み範囲が広く、加工深さによらず安定したＡＦ特性を得ることが可能となる。したがって、改質領域の加工深さによらず、ウェーハＷの表面の高さ位置を迅速にかつ精度よく安定して検出することができる。その結果、ウェーハＷの表面にばらつきがあっても、ウェーハＷの表面から所定の加工深さに改質領域を精度よく形成することが可能となる。

また、本実施形態では、ナイフエッジ法を用いてウェーハＷの表面の変位を検出しているので、上述した特許文献１に開示される方法（ＡＦ用レーザー光の反射光を２つの検出器に分配し、一方の検出器では反射光の全体を受光し、他方の検出器では反射光の一部を受光する方法）に比べて、検出光（ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光）を効率良く利用することができ、ウェーハＷの表面の高さ位置を安定かつ精度よく検出することが可能となる。

なお、本実施形態では、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光を受光する手段としての検出器２３８が２分割フォトダイオードで構成される例を示したが、これに限らず、光量バランスを測定できるもの（例えば、４分割フォトダイオード、２次元撮像素子等）を用いてもよい。

また、本実施形態では、ウェーハＷの表面の変位を検出する方法としてナイフエッジ法を用いたが、これに限らず、例えば、非点収差法等を用いることも可能である。

図１５は、レーザーダイシング装置１０の他の構成例を示した概略図である。なお、図１５において、図１と共通又は類似する構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１５に示す構成例では、ＡＦ装置２００は、非点収差法を用いてウェーハＷの表面の変位を検出するものである。ＡＦ装置２００は、図１に示したナイフエッジ２０５に代えて、ＡＦ用レーザー光反射経路２４４上であって結像レンズ２３６と検出器２３８との間に、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光に非点収差を付与する非点収差付与手段としてシリンドリカルレンズ２４６が配置される。また、検出器２３８は、４分割フォトダイオードによって構成される。

非点収差法によるウェーハＷの表面の変位の検出原理については公知であるため（例えば特開２００９−１５２２８８号公報参照）、ここでは詳細な説明は省略するが、簡単に説明すれば、検出器２３８を構成する４分割フォトダイオードの受光面上に形成されるＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光の集光像は、ウェーハＷの表面とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点が一致している場合には真円となる。一方、ウェーハＷの表面とＡＦ用レーザー光Ｌ２の集光点がずれている場合には、ウェーハＷの表面の変位方向に応じて集光像が縦方向又は横方向に引き伸ばされた楕円となり、その大きさはウェーハＷの表面の変位量に依存する。したがって、この性質を利用することで、ウェーハＷの表面の変位を検出することができる。

図１６は、４分割フォトダイオードの受光面を示した図である。同図に示すように、４分割フォトダイオード２４８は、４つの受光素子（光電変換素子）２４８Ａ〜２４８Ｄを有し、各受光素子２４８Ａ〜２４８Ｄは、ＡＦ用レーザー光Ｌ２の反射光の集光像を分割して受光し、それぞれの光量に応じた出力信号（電気信号）をＡＦ信号処理部２５０に出力する。

ＡＦ信号処理部２５０では、各受光素子２４８Ａ〜２４８Ｄからそれぞれ出力される出力信号をＡ〜Ｄとしたとき、ＡＦ信号Ｅを、次式（２）に従って求める。

Ｅ＝{（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）}／{（Ａ＋Ｃ）＋（Ｂ＋Ｄ）} ・・・（２）
制御部５０は、ＡＦ信号処理部２５０から出力されるＡＦ信号に基づいて、上述した実施形態と同様に、第１アクチュエータ１０８や第２アクチュエータ２１２の駆動を制御することにより、改質領域の加工深さに対する変更に影響を受けることなく、ウェーハＷの表面の変位を追従するように加工用レーザー光Ｌ１の集光点を高精度に制御することができ、ウェーハＷの内部の所望の位置に改質領域を高精度に形成することが可能となる。

なお、検出器２３８は、４分割フォトダイオードに限らず、光量バランスを測定できるものであればよく、例えば、２次元撮像素子等を用いてもよい。

ここで、ウェーハＷの表面の変位を検出する方法として非点収差法を用いた場合の加工深さ毎のＡＦ特性について評価した結果について図１７〜図１９を参照して説明する。なお、この評価では、図１５に示した構成例と実質的に等価なモデルを用いてシミュレーションを行ったものである。なお、集光レンズ１０６の射出瞳と結像レンズ２３６との光学的距離をＤ１とし、その単位はｍｍとする。

図１７〜図１９は、光学的距離Ｄ０、Ｄ１をそれぞれ所定値に設定したときの加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性を示したものである。

図１７は、Ｄ０＝０、Ｄ１＝０とした場合であり、加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性のカーブは略一致したものとなる。

図１８は、Ｄ０＝０、Ｄ１＝５０とした場合であり、デフォーカス距離が０．０１３付近で折り返しが発生しており、図１６に示した場合に比べて引き込み範囲が狭くなっている。

図１９は、Ｄ０＝３０、Ｄ１＝０とした場合であり、加工深さ毎のＡＦ信号の出力特性のカーブにばらつきがでてきている。

これらの結果から分かるように、非点収差法を用いてウェーハＷの表面の変位を検出する場合には、Ｄ０、Ｄ１はそれぞれ５０ｍｍ未満であることが好ましい。このような範囲に設定することで、ＡＦ感度が高く、引き込み範囲を広く、加工深さによらず安定したＡＦ特性を得ることが可能となる。したがって、改質領域の加工深さによらず、ウェーハＷの表面の高さ位置を迅速にかつ精度よく安定して検出することができる。その結果、ウェーハＷの表面にばらつきがあっても、ウェーハＷの表面から所定の加工深さに改質領域を精度よく形成することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…レーザーダイシング装置、１２…ステージ、２０…レーザーヘッド、５０…制御部、１００…加工用レーザー光源、１０２…コリメートレンズ、１０４…ダイクロイックミラー、１０６…集光レンズ、１０８…第１アクチュエータ、２００…ＡＦ装置、２０２…ＡＦ用光源、２０４…コリメートレンズ、２０５…ナイフエッジ、２０６…フォーカス光学系、２１２…第２アクチュエータ、２１４…４ｆ光学系、２２０…ハーフミラー、２３６…結像レンズ、２３８…検出器、２４２…ＡＦ用レーザー光照射経路、２４４…ＡＦ用レーザー光反射経路、２４６…シリンドリカルレンズ、２５０…ＡＦ信号処理部、Ｌ１…加工用レーザー光、Ｌ２…ＡＦ用レーザー光

Claims (4)

1. ウェーハを保持するテーブルと、前記テーブルに保持されたウェーハの内部に改質領域を形成するための加工用レーザー光を出射する加工用レーザー光源と、前記加工用レーザー光源から出射された前記加工用レーザー光をウェーハの内部に集光する集光レンズと、前記集光レンズを前記加工用レーザー光の光軸方向に移動させることにより前記集光レンズによって集光される前記加工用レーザー光の集光点をウェーハ厚み方向に変位させる集光レンズ駆動手段と、前記テーブルに保持された前記ウェーハの表面の高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、前記高さ位置検出手段からの検出信号に基づいて前記集光レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を備えるレーザーダイシング装置であって、
   前記高さ位置検出手段は、
   前記ウェーハの表面に対して反射可能な波長を有する検出用レーザー光を出射する検出用レーザー光源と、
   前記検出用レーザー光源から出射された前記検出用レーザー光を前記集光レンズに導く検出用レーザー光照射経路と、
   前記検出用レーザー光照射経路を介して前記集光レンズから前記テーブルに保持された前記ウェーハに照射され反射した前記検出用レーザー光の反射光を導く検出用レーザー光反射経路と、
   前記検出用レーザー光反射経路に配設され前記ウェーハに照射され反射した前記検出用レーザー光の反射光を検出する検出器と、
   前記検出器から出力される出力信号に基づき、前記ウェーハの表面の変位を示す変位信号を前記制御手段に送る変位信号生成手段と、
   前記検出用レーザー光照射経路に配設され前記検出用レーザー光の集光点を前記ウェーハ厚み方向に調整する集光点調整光学系と、
   を備え、
   前記集光レンズの射出瞳と前記集光点調整光学系との光学的距離が５０ｍｍ未満であり、
   前記集光レンズと前記集光点調整光学系との間に４ｆ光学系が配設される、
   レーザーダイシング装置。
2. 前記集光レンズにより集光され前記ウェーハの表面に照射される前記検出用レーザー光の集光像の直径が０．００２ｍｍより大きく、かつ０．３ｍｍより小さい請求項１に記載のレーザーダイシング装置。
3. 前記高さ位置検出手段は、ナイフエッジ法を用いて前記ウェーハの表面の高さ位置を検出する請求項１又は２に記載のレーザーダイシング装置。
4. 前記高さ位置検出手段は、非点収差法を用いて前記ウェーハの表面の高さ位置を検出する請求項１又は２に記載のレーザーダイシング装置。

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