JP6755705B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、シリコン、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム等からなるウエーハにレーザー加工を施すレーザー加工装置に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ、ＬＥＤ、ＳＡＷデバイス、パワーデバイス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ウエーハは、レーザー加工装置によって分割起点が形成されると共に、個々のデバイスに分割され、携帯電話、パソコン、照明機器等の電気機器に利用される（例えば、特許文献１を参照。）。
レーザー加工装置は、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レーザー光線を照射する集光器を備えた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加工送りする加工送り手段と、から概ね構成されていて、ウエーハの分割予定ラインに沿って高精度にレーザー光線を照射することにより、個々のデバイスに分割するための分割起点を形成する分割加工を施すことができる。
該分割起点を形成するレーザー加工装置としては、該特許文献１に開示されているが如く被加工物に対して吸収性を有する波長のレーザー光線を照射してアブレーション加工を施すタイプのものと、被加工物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被加工物の内部に位置付けて照射して改質層を形成するタイプ（例えば、特許文献２を参照）に分けられる。しかし、いずれのタイプにおいてもウエーハを完全切断するためには、分割予定ラインに沿って複数回レーザー光線を照射する必要があり、生産性が悪いという問題がある。
そこで、本出願人は、被加工物であるウエーハに対して透過性を有するレーザー光線を集光して照射する集光レンズの開口数を、ウエーハを形成する材料の屈折率に応じて適宜設定することにより、分割予定ラインの表面から裏面に至る細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるいわゆるシールドトンネルを形成し、該シールドトンネルを分割予定ラインに沿って形成し分割起点とする技術を開発し、既に提案している（例えば、特許文献３を参照。）。なお、特許文献１〜３に開示された技術では、レーザー光線照射手段の集光器に配設される集光レンズとして、非球面レンズを採用し凹凸面の形状を調整したり、或いは、複数枚のレンズの組み合わせにより構成したりする等して、ウエーハにおける被加工点を通る光軸上の１点にレーザー光線が集光されるように設定される。
特開平１０−３０５４２０号公報 特許第３４０８８０５号公報 特開２０１４−２２１４８３号公報
ところで、該特許文献３に開示されたレーザー加工装置により形成される従来のシールドトンネルによれば、同一の加工点に複数回レーザー光線を照射することなく、脆弱な分割起点を形成することが可能であるものの、ウエーハの材料や厚みの変化に対応しつつ分割予定ラインに沿って所望の均質なシールドトンネルを形成することは容易ではない。特に、分割予定ラインに沿って形成される該シールドトンネルの強度（＝脆弱性）は、ウエーハに照射するレーザー光線のパワーに大きく影響を受けるため、形成されるシールドトンネルが分割予定ラインに沿って所定の一定の強度になるようにレーザー光線のパワーを適切に調整することが必要になる。しかし、薄化されたウエーハの内部の１点に集光点を設定することによってシールドトンネルを形成する場合、分割予定ラインの全体にわたって均質なシールドトンネルを形成することが難しく、結果として、シールドトンネルを形成した後、外力を付加することによって基板を個々のデバイスに分割するには、比較的大きな力（例えば、４０Ｎ）が必要であるという問題がある。
本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、大きな力を要することなく基板を分割することができるシールドトンネルを形成可能なレーザー加工装置を提供することにある。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、ウエーハを保持する保持手段と、該保持手段に保持されたウエーハにレーザー光線を照射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加工送りする加工送り手段と、から少なくとも構成されるレーザー加工装置であって、該レーザー光線照射手段は、パルスレーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したパルスレーザー光線を集光し、該保持手段に保持されたウエーハに照射する集光器と、から少なくとも構成され、該集光器は、該集光器の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置を、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より該保持手段側に延在するように位置付ける球面収差の機能を備え、該集光器の最も内側を通るレーザー光線によって形成される集光点が保持手段側のウエーハ裏面近傍に位置付けられ、該集光器の最も外側を通るレーザー光線によって形成される集光点がウエーハの表面近傍に位置付けられて、該集光器によって形成されるレーザー光線によって形成される集光点が、ウエーハの裏面から表面まで延在するようにウエーハの内部に位置付けられて細孔と、該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを形成するレーザー加工装置が提供される。
該球面収差の機能は、集光レンズにより、又は、集光レンズと、該集光レンズに対して保持手段側に配置され該集光レンズによって集光されるレーザー光線の集光点位置を補正する集光点補正板とにより備えられるようにすることができる。さらに、該外側のレーザー光線によって形成される集光点から該内側のレーザー光線によって形成される集光点まで延在する長さは５０μｍ〜２０００μｍで設定することが好ましい。
本発明によるレーザー加工装置は、レーザー光線照射手段が、パルスレーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したパルスレーザー光線を集光し、該保持手段に保持されたウエーハに照射する集光器と、から少なくとも構成され、該集光器は、該集光器の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置を、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より該保持手段側に延在するように位置付ける球面収差の機能を備え、該集光器の最も内側を通るレーザー光線によって形成される集光点が保持手段側のウエーハ裏面近傍に位置付けられ、該集光器の最も外側を通るレーザー光線によって形成される集光点がウエーハの表面近傍に位置付けられて、該集光器によって形成されるレーザー光線によって形成される集光点が、ウエーハの裏面から表面まで延在するようにウエーハの内部に位置付けられて細孔と、該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを形成することから、ウエーハに照射されたレーザー光線のエネルギーが有効に使用されて、良好なシールドトンネルを形成することに寄与する。したがって、照射するレーザー光線の出力を格別に大きくすることなく、均質なシールドトンネルが形成されて分割起点として形成されるシールドトンネルの強度を低下させることができるため、従来に比して弱い力で基板を個々のデバイスに分割することが可能になる。
本発明に基づき構成されたレーザー加工装置の全体斜視図。 図１に記載されたレーザー加工装置に配設されたレーザー光線照射手段の概略を説明するための説明図。 図２に記載されたレーザー光線照射手段によりシールドトンネルを形成する際の集光点位置を説明するための説明図。 図１に開示された本発明のレーザー加工装置によりシールドトンネルを形成する工程を説明するための説明図。
以下、本発明に基づいて構成されるウエーハのレーザー加工装置について添付図面を参照して説明する。
図１には、本発明のレーザー加工装置４０の全体斜視図が示されている。該レーザー加工装置４０は、基台４１と、該被加工物を保持する保持機構４２と、保持機構４２を移動させる移動手段４３と、保持機構４２に保持される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４４と、撮像手段４５と、コンピュータにより構成される図示しない制御手段を備え、制御手段により各手段が制御されるように構成されている。
保持機構４２は、Ｘ方向において移動自在に基台４１に搭載された矩形状のＸ方向可動板５１と、Ｙ方向において移動自在にＸ方向可動板５１に搭載された矩形状のＹ方向可動板５３と、Ｙ方向可動板５３の上面に固定された円筒状の支柱５０と、支柱５０の上端に固定された矩形状のカバー板５２とを含む。カバー板５２にはＹ方向に延びる長穴５２ａが形成されている。長穴５２ａを通って上方に延びる円形状の被加工物を保持する保持手段としてのチャックテーブル５４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５６が配置されている。吸着チャック５６は、支柱５０を通る流路によって図示しない吸引手段に接続されている。チャックテーブル５４の周縁には、周方向に間隔をおいて複数個のクランプ５８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。Ｘ方向、Ｙ方向で規定される平面は実質上水平である。
移動手段４３は、Ｘ方向移動手段６０と、Ｙ方向移動手段６５と、図示しない回転手段とを含む。Ｘ方向移動手段６０は、基台４１上においてＸ方向に延びるボールねじ６０ｂと、ボールねじ６０ｂの片端部に連結されたモータ６０ａとを有する。ボールねじ６０ｂの図示しないナット部は、Ｘ方向可動板５１の下面に固定されている。そしてＸ方向移動手段６０は、ボールねじ６０ｂによりモータ６０ａの回転運動を直線運動に変換してＸ方向可動板５１に伝達し、基台４１上の案内レール４３ａに沿ってＸ方向可動板５１をＸ方向において進退させる。Ｙ方向移動手段６５は、Ｘ方向可動板５１上においてＹ方向に延びるボールねじ６５ｂと、ボールねじ６５ｂの片端部に連結されたモータ６５ａとを有する。ボールねじ６５ｂの図示しないナット部は、Ｙ方向可動板５３の下面に固定されている。そして、Ｙ方向移動手段６５は、ボールねじ６５ｂによりモータ６５ａの回転運動を直線運動に変換し、Ｙ方向可動板５３に伝達し、Ｘ方向可動板５１上の案内レール５１ａに沿ってＹ方向可動板５３をＹ方向において進退させる。回転手段は、支柱５０に内蔵され支柱５０に対して吸着チャック５６を回転させる。
レーザー光線照射手段４４は、基台４１の上面から上方に延び、次いで実質上水平に延びる枠体４６に内蔵されている。図２（ａ）にその概略をブロック図で示すように、本実施形態のレーザー光線照射手段４４は、被加工物であるウエーハ１０の分割予定ラインに沿って細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを形成するための波長（例えば、１０３０ｎｍ）のレーザー光線を発振するレーザー発振器４４ｂと、レーザー発振器４４ｂから発振されたレーザー光線の出力を調整するためのアッテネータ４４ｃと、アッテネータ４４ｃで出力が調整されたレーザー光線ＬＢを、集光レンズ４４ｄを備えた集光器４４ａに向けて反射させる反射板４４ｆを含んでいる。
本実施形態におけるレーザー加工装置４０は、図示しない制御手段を備えており、該制御手段は、コンピュータにより構成され、制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、検出した検出値、演算結果等を一時的に格納するための読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、入力インターフェース、及び出力インターフェースとを備えている。該制御手段の入力インターフェースには、撮像手段４５からの画像信号の他、保持機構４２の図示しないＸ方向、Ｙ方向の位置検出手段からの信号等が入力される。また、該出力インターフェースからは、レーザー発振器４４ｂ、Ｘ方向移動手段６０、Ｙ方向移動手段６５等に向けて作動信号が送信される。
撮像手段４５は、枠体４６の先端下面に付設されており、案内レール４３ａの上方に位置し、チャックテーブル５４を案内レール４３ａに沿って移動させることによりチャックテーブル５４に載置された被加工物を撮像することが可能になっている。なお、本実施形態の撮像手段４５は、可視光線によって撮像する図示しない撮像素子（ＣＣＤ）によって構成されているが、この他に被加工物に赤外線を照射するための赤外線光源と、赤外線に対応した電気信号を出力する赤外線用撮像素子（赤外線ＣＣＤ）を備えていてもよい。
ここで、本発明の集光器４４ａについて、図３も参照しながら、さらに説明する。集光器４４ａは、少なくとも集光レンズ４４ｄを備えており、当該集光レンズ４４ｄは、本発明の技術思想に基づき、該集光器４４ａの内側（光軸Ｏ側）を通過したレーザー光線ＬＢ１によって光軸Ｏ上に形成される集光点Ｐ１の位置を、外側を通過したレーザー光線ＬＢｎによって光軸Ｏ上に形成される集光点Ｐｎの位置よりチャックテーブル５４（保持手段）側に延在するように位置付ける球面収差の機能を備えている。該球面収差の機能は、一般的に知られた球面レンズにより構成することが可能であるが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、非球面レンズ、或いは複数の球面、非球面レンズの組み合わせによっても構成することが可能であり、ウエーハ１０の内部においてレーザー光線が入射される方向に該集光点Ｐ１〜Ｐｎが延在するように位置づけることが可能であれば、どのような構成であってもよい。さらに、該集光点Ｐ１〜Ｐｎまで集光点が延在する長さは、５０μｍ〜２０００μｍの間で設定されることが好ましい。当該長さは、必ずしも被加工物であるウエーハ１０の厚みよりも大きく設定する必要はないが、例えばウエーハ１０の厚みが３００μｍの場合は、表面から裏面までの全体、すなわち３００μｍにわたって集光点Ｐ１〜Ｐｎが延在するように設定されることで、より良好にシールドトンネルを形成することが可能となる。
本発明に基づいて構成されるレーザー加工装置４０の作用について、図１〜４を参照しながら、順を追って説明する。先ず、格子状に形成された複数の分割予定ライン１２で区画された各領域にＳＡＷデバイス１４が形成され、粘着テープＴを介して環状のフレームＦに保持されたリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）からなるウエーハ１０を用意する。
チャックテーブル５４の吸着チャック５６上に、粘着テープＴ側を下にして該ウエーハ１０を載置し、クランプ５８によりその環状のフレームＦを保持すると共に、図示しない吸引手段を作動して負圧を吸着チャック５６に作用させてウエーハ１０を吸引保持する。
吸着チャック５６上にウエーハ１０を吸引保持したならば、Ｘ方向移動手段６０、Ｙ方向移動手段６５を作動して、チャックテーブル５４を移動してウエーハ１０を撮像手段４５の直下に位置付ける。チャックテーブル５４が撮像手段４５の直下に位置付けられると、撮像手段４５、および図示しない制御手段によって、ウエーハ１０のレーザー加工すべき領域を検出するアライメント工程を実行する。即ち、撮像手段４５、および図示しない制御手段は、ウエーハ１０の所定方向に形成されている分割予定ライン１２と、分割予定ライン１２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４４の集光器４４ａ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てレーザー光線照射位置のアライメントを行う。なお、該所定方向と直交する方向に形成される分割予定ライン１２に沿っても同様のアライメント工程を遂行する。
上記したアライメント工程を実行したならば、チャックテーブル５４を、集光器４４ａが位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定の方向に形成された分割予定ライン１２の一端が集光器４４ａの直下になるように位置付ける。そして、図示しない集光点位置調整手段を作動して集光器４４ａを光軸方向に移動し、ウエーハ１０を構成するリチウムタンタレート基板の内部の所定位置に集光点を位置付ける。このとき、集光器４４ａの最も内側を通るレーザー光線ＬＢ１によって形成される集光点Ｐ１の位置を、ウエーハ１０の内部であって、ウエーハ１０のチャックテーブル５４側、すなわち、裏面近傍に位置付け、集光レンズ４４ｄの最も外側を通るレーザー光線ＬＢｎによって形成される集光点Ｐｎの位置を、ウエーハ１０のデバイスが形成された表面側に位置付けるように設定する。これにより、集光器４４ａの集光レンズ４４ｄを通過するレーザー光線ＬＢによって形成される集光点は、ウエーハ１０の裏面から表面まで延在するようになっている。なお、図３、４には、便宜上、レーザー光線ＬＢをＬＢ１〜ＬＢｎに、集光点ＰをＰ１〜Ｐｎに、分解して説明しているが、実際には、このように分解された状態で見えるわけではない。
上述した集光点の位置付けを行ったならば、図４（ａ）に示すように、レーザー光線照射手段４４を作動し、レーザー光線発振器４４ｂによりウエーハ１０内にシールドトンネル１００を形成するパルスレーザー光線を発振する。レーザー光線発振器４４ｂから発振されたパルスレーザー光線ＬＢはアッテネータ４４ｃに導かれ、アッテネータ４４ｃの作用によりその出力が所定の値に調整され、集光器４４ａにより集光されて、ウエーハ１０の分割予定ライン１２の一端部に照射される。レーザー光線ＬＢの照射が開始されると、Ｘ方向移動手段６０を作動して、チャックテーブル５４を図４の矢印Ｘで示す方向に移動することにより、該レーザー光線ＬＢが分割予定ライン１２に沿って照射される。これにより、分割予定ライン１２に沿って、上下方向に延びる細孔１０２と、該細孔をシールドする非晶質１０４とが形成されたシールドトンネル１００が連続的に形成される（図４（ｂ）を参照）。該レーザー光線照射手段４４と、チャックテーブル５４、Ｘ方向移動手段６０、Ｙ方向移動手段６５とを作動して、ウエーハ１０の表面に格子状に形成された全ての分割予定ライン１２に沿って該シールドトンネル１００を形成する。このようにして、シールドトンネル形成工程が完了したら、ウエーハ１０に外力を付与して個々のデバイス１４に分離する分離工程に搬送する。なお、当該分離工程については、本発明の要部を構成せず、また周知の分離手段を用いることができる（例えば、上述した特許文献３の図８及びその説明を参照）ため、その詳細な説明は省略する。
上記シールドトンネル形成工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
波長 ：１０３０ｎｍ
平均出力 ：３Ｗ
繰り返し周波数 ：５０ｋＨｚ
パルス幅 ：１０ｐｓ
スポット径 ：φ１０μｍ
集光レンズの開口数／ウエーハの屈折率 ：０．０５〜０．２０
Ｘ方向加工送り速度 ：５００ｍｍ／秒
シールドトンネル寸法 ：φ１μｍの細孔、φ１０μｍの非晶質
上述したように、本実施形態のレーザー加工装置における集光器は、集光器の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置を、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より該保持手段側に延在するように位置付ける球面収差の機能を備え、該集光器の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点がウエーハの内部に位置付けられ、細孔と該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを形成する。これにより、レーザー光線のエネルギーがシールドトンネルの形成に有効に使用されるので、良好なシールドトンネルが分割予定ライン全体に渡って形成される。そして、該シールドトンネルが形成された分割予定ラインが、全体にわたって十分に脆弱になっているため、該分離工程において、比較的小さな外力で個々のデバイスに分割することができる。
なお、本実施形態では、該集光器４４ａの内側を通るレーザー光線ＬＢ１によって形成される集光点Ｐ１の位置を、外側を通るレーザー光線ＬＢｎによって形成される集光点Ｐｎの位置より該チャックテーブル５４（保持手段）側に延在するように位置付ける球面収差の機能を、集光器４４ａに配設された集光レンズ４４ｄに備えさせることとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図２（ｂ）に示すように、集光器４４ａ´に配設された集光レンズ４４ｅのチャックテーブル５４側の位置に、集光点補正板４４ｇを配設することとしてもよい。該集光レンズ４４ｅは、ウエーハ１０内部の１点に集光点が形成されるようにそのレンズ面が形成されているのに対し、該集光点補正板４４ｇは、集光レンズ４４ｅとウエーハ１０との間に配設され、集光レンズ４４ｅを通過したレーザー光線に対して、内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置を、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より該保持手段側に延在するように補正する機能を備えている。
集光点補正板４４ａに対して上記した機能を持たせるためには、例えば、集光点補正板４４ｇをガラス素材で形成し、入射面が球面形状となる凸面を形成することで実現することができる。このような集光点補正板４４ｇを上記位置に配設することにより、集光レンズ４４ｅを通過したレーザー光線ＬＢにおける内側、及び外側の進行方向が、集光点補正板４４ｇを通過することにより補正され、集光器４４ａ´の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置を、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より該保持手段側に延在するようにする。そして、集光器の内側を通るレーザー光線による集光点がウエーハの内部に位置付けられてシールドトンネルが形成される。結果として、前述した実施形態と同様に、レーザー光線のエネルギーがシールドトンネルの形成に有効に使用され、良好なシールドトンネルが分割予定ライン全体に渡って形成される。
なお、本発明において「球面収差の機能を備える」とは、完全な球面形状からなる凸レンズによって得られる収差を生じさせる場合のみを意味するものではない。要すれば、該集光器の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置が、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より保持手段側に延在するように位置付ける機能を奏するものすべてが含まれる。また、上述した実施形態では、ＳＡＷデバイスが形成された表面側からレーザー光線を照射する例を示したが、本発明はこれに限定されず、表裏を反転して、ウエーハの裏面側からレーザー光線を照射するように構成してもよい。
１０：ウエーハ
１２：分割予定ライン
１４：デバイス
４０：レーザー加工装置
４１：基台
４２：保持機構
４３：移動手段
４４：レーザー光線照射手段
４４ａ：集光器
４４ｄ、４４ｅ：集光レンズ
４４ｇ：集光点補正板
４５：撮像手段
１００:シールドトンネル
１０２：細孔
１０４：非晶質

Claims (4)

  1. ウエーハを保持する保持手段と、該保持手段に保持されたウエーハにレーザー光線を照射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加工送りする加工送り手段と、から少なくとも構成されるレーザー加工装置であって、
    該レーザー光線照射手段は、パルスレーザー光線を発振する発振器と、該発振器が発振したパルスレーザー光線を集光し、該保持手段に保持されたウエーハに照射する集光器と、から少なくとも構成され、
    該集光器は、該集光器の内側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置を、外側を通るレーザー光線によって形成される集光点の位置より該保持手段側に延在するように位置付ける球面収差の機能を備え、
    該集光器の最も内側を通るレーザー光線によって形成される集光点が保持手段側のウエーハ裏面近傍に位置付けられ、該集光器の最も外側を通るレーザー光線によって形成される集光点がウエーハの表面近傍に位置付けられて、該集光器によって形成されるレーザー光線によって形成される集光点が、ウエーハの裏面から表面まで延在するようにウエーハの内部に位置付けられて細孔と、該細孔を囲繞する非晶質とからなるシールドトンネルを形成するレーザー加工装置。
  2. 該球面収差の機能は、集光レンズにより備えられる請求項１に記載のレーザー加工装置。
  3. 該球面収差の機能は、集光レンズと、該集光レンズに対して保持手段側に配置され該集光レンズによって集光されるレーザー光線の集光点位置を補正する集光点補正板とで備えられる請求項１に記載のレーザー加工装置。
  4. 該外側のレーザー光線によって形成される集光点から該内側のレーザー光線によって形成される集光点まで延在する長さは５０μｍ〜２０００μｍである請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザー加工装置。
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