JP6804441B2 - 平面結晶性基板、特に半導体基板のレーザ加工方法及び装置 - Google Patents
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Description
1) 材料を実質的に透過するようなレーザの波長を選択する(具体的には、例えば、材料深さ1mmあたりの吸収率<<10%;ランベルトーベール吸収係数γ<<1/cm)。
2) 相互作用時間内において、インタラクション領域からの実質的な熱の伝達(熱拡散)が生じないようなレーザパルス幅を選択する(具体的には、例えば、τ<<F/α。但し、F:レーザビーム焦点面の面積、τ:レーザパルス幅、α:材料の熱拡散定数)。
3) インタラクション領域、即ち焦点面において、材料の局所過熱、別言すれば、材料に印加される熱応力により亀裂形成を引き起こす誘導吸収処理(induced absorption)を実現するエネルギ強度のレーザパルスエネルギを選択する。
4) さらに、除去や溶解ではなく、固体構造における亀裂形成のみが影響を受けるようなパルス時間中の強度、パルスエネルギ、及びレーザビーム焦点面の膨張量又はサイズを選択する。かかる要件は、サブナノ秒オーダのパルスレーザ、具体的には、例えば10から100psのパルス幅を用いることで、半導体や透明結晶といった従来の材料において最も容易に満たすことができる。
1. サファイアウェハを全体的に又は部分的に分割することによるサファイアLEDの分割。本発明に係る方法により、単一のステップで金属層が分割される。
2. テープを損傷させることなく半導体ウェハの分離が可能。そのために、焦点面は基板表面から(レーザとは逆側となる、基板の裏面側の)テープ膜部分までとし、焦点面の一部のみを基板材料の内側に配置する。例えば、材料の約10%は分割しない。上記の通り、焦点面は当該膜の前までとなるように配置されるため、当該膜はそのまま残る。その後、半導体ウェハの残りの10%に対しては、機械的な外力(例えばCO2レーザによる熱応力)により連続的に分割されても良い。
3. コーティング済み材料、例えば、ブラッグ反射器(DBR)や金属膜サファイアウェハの切断。活性金属や金属酸化物が既に塗布された加工済みシリコンウェハであっても、本発明によって切断することができる。
・焦点レンズ11に対するワーク片1の設置距離
・焦点レンズ11の焦点距離の変化
・アキシコン9への照射。
Claims (16)
- 基板を複数のパーツに分割するための平面結晶性基板のレーザ加工方法であって、
前記基板を加工するためのレーザのレーザビームを照射し、
前記レーザのビーム路に配置された光学配置において、前記光学配置に照射された前記レーザビームにより、前記光学配置のビーム出力側において、ビーム方向及び該ビーム方向に直交する第1方向の両方向から見て拡がる一方、前記第1方向及び前記ビーム方向の両方と直交する第2方向には拡がらないレーザビーム焦点面を形成し、
前記基板の内部において、前記レーザビーム焦点面によって前記基板の材料の膨張表面部位に沿って誘導吸収処理が発生するように前記基板と前記レーザビーム焦点面とを相対配置し、よって前記基板の材料において前記膨張表面部位に沿って誘導亀裂形成が実現されるものであって、
前記光学配置により前記レーザビーム焦点面が形成され、
円錐形プリズム又はアキシコンを、規定長さ、即ち前記ビーム方向において規定の膨張量を有する前記レーザビーム焦点面を形成するための非球形自由表面を備えた、前記光学配置の第1光学素子として用い、さらに、
前記第2方向における前記レーザビームの膨張を遮り、該レーザビームを前記第1方向における所望の方向に向かわせるダイアフラムを、前記非球形自由表面を備えた前記第1光学素子の前記ビーム出力側から所定距離z1離間して配置する
ことを特徴とする方法。 - 基板を複数のパーツに分割するための平面結晶性基板のレーザ加工方法であって、
前記基板を加工するためのレーザのレーザビームを照射し、
前記レーザのビーム路に配置された光学配置において、前記光学配置に照射された前記レーザビームにより、前記光学配置のビーム出力側において、ビーム方向及び該ビーム方向に直交する第1方向の両方向から見て拡がる一方、前記第1方向及び前記ビーム方向の両方と直交する第2方向には拡がらないレーザビーム焦点面を形成し、
前記基板の内部において、前記レーザビーム焦点面によって前記基板の材料の膨張表面部位に沿って誘導吸収処理が発生するように前記基板と前記レーザビーム焦点面とを相対配置し、よって前記基板の材料において前記膨張表面部位に沿って誘導亀裂形成が実現されるものであって、
前記光学配置により前記レーザビーム焦点面が形成され、
円錐形プリズム又はアキシコンを、規定長さ、即ち前記ビーム方向から見た規定膨張量を有する前記レーザビーム焦点面を形成するための非球形自由表面を備えた、前記光学配置の第1光学素子として用い、さらに、
前記レーザビームを前記第1方向にフォーカスする一方前記第2方向にはフォーカスさせない第2光学素子を、前記非球形自由表面を備えた前記第1光学素子の前記ビーム出力側から既定距離z2離間して配置する
ことを特徴とする方法。 - 基板を複数のパーツに分割するための平面結晶性基板のレーザ加工方法であって、
前記基板を加工するためのレーザのレーザビームを照射し、
前記レーザのビーム路に配置された光学配置において、前記光学配置に照射された前記レーザビームにより、前記光学配置のビーム出力側において、ビーム方向及び該ビーム方向に直交する第1方向の両方向から見て拡がる一方、前記第1方向及び前記ビーム方向の両方と直交する第2方向には拡がらないレーザビーム焦点面を形成し、
前記基板の内部において、前記レーザビーム焦点面によって前記基板の材料の膨張表面部位に沿って誘導吸収処理が発生するように前記基板と前記レーザビーム焦点面とを相対配置し、よって前記基板の材料において前記膨張表面部位に沿って誘導亀裂形成が実現されるものであって、
前記光学配置により前記レーザビーム焦点面が形成され、
前記第1方向から見て前記光学配置の光軸に対してそれぞれ反対側に位置する2つの半空間からビーム束を前記光軸に向けて平行に偏向させるダブルウェッジを、前記光学配置の第3光学素子として用い、さらに、
前記レーザビームを少なくとも前記第1方向にフォーカスさせる第4光学素子を、前記第3光学素子の前記ビーム出力側に配置する
ことを特徴とする方法。 - 前記平面結晶性基板が、
・半導体基板、
・絶縁基板、
・少なくとも1つの結晶性又は準結晶性構造の炭素系材料を含む基板、
及び
・少なくとも1つの結晶性又は準結晶性構造の炭素系材料からなる基板、
のいずれかである、あるいは、
前記平面結晶性基板が、
・半導体基板、
・絶縁基板、
・少なくとも1つの結晶性又は準結晶性構造の炭素系材料を含む基板、
及び
・少なくとも1つの結晶性又は準結晶性構造の炭素系材料からなる基板、
のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載された方法。 - 前記第1方向における前記レーザビーム焦点面の膨張量(幅b)が、前記第2方向における前記レーザビーム焦点面の膨張量Dに比して少なくとも5倍大きい、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載された方法。 - ビーム方向で見て、前記材料、即ち前記基板内部の、前記誘導吸収処理による前記膨張表面部位が、前記基板の表面と裏面の少なくともいずれか一方まで延びるように、前記基板と前記レーザビーム焦点面とを相対配置する、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載された方法。 - ビーム方向で見て、前記材料、即ち基板内部の、前記誘導吸収処理による前記膨張表面部位が、前記基板の表面と裏面の一方から、他方までは届かないものの、前記基板の内部に延びる、即ち前記基板の全層厚さd未満となるように、前記基板と前記レーザビーム焦点面とを相対配置する、
ことを特徴とする請求項6に記載された方法。 - 前記基板の材料の除去及び溶解が発生することなく前記基板の構造内に前記亀裂形成が実現されるように前記誘導吸収処理を発生させることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載された方法。
- 前記レーザとしてパルスレーザを用いる
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載された方法。 - 前記レーザのパルス幅τは、前記基板の材料との相互作用時間内で該材料の熱拡散が無視できるほど小さく設定され、
又は、
前記レーザのパルス繰返周波数が10kHzから1,000kHzの間であり、
又は、
前記レーザが単パルスレーザとして若しくはバーストパルスレーザであり、
又は、
前記レーザ出力側で測定した平均レーザ出力が、5ワットから100ワットの間である、
ことを特徴とする請求項9に記載された方法。 - 前記レーザビームが、前記基板の表面に対し、複数のパーツを得るために前記基板を分割するためのラインに沿って動かされ、よって、前記基板の内部において、前記誘導吸収処理による多数の膨張表面部位が該ラインに沿って生成される
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載された方法。 - 前記基板内部における前記誘導吸収処理による前記多数の膨張表面部位の生成中及び/又は生成後において、隣接する前記誘導吸収処理による膨張表面部位間で、機械的な力が前記基板に加えられ、及び/又は熱応力が前記基板内に加えられ、具体的には前記基板が不均一に熱せされた後に再び冷やされることで、前記基板を前記複数のパーツに分割するための亀裂形成を実現することを特徴とする請求項11に記載された方法。
- 基板を加工するためのレーザのレーザビームを用いて、前記基板を複数のパーツに分割するための平面結晶性基板のレーザ加工装置であって、
照射された前記レーザビームにより、出力側において、ビーム方向及び該ビーム方向に直交する第1方向の両方向から見て拡がる一方、前記第1方向及び前記ビーム方向の両方と直交する第2方向には拡がらないレーザビーム焦点表面が形成される、前記レーザのビーム路に配置された光学配置を有し、
前記基板の内部において、前記レーザビーム焦点面によって前記基板の材料の膨張表面部位に沿って誘導吸収処理が発生するように前記基板と前記レーザビーム焦点面とが相対配置可能又は相対配置され、よって前記基板の材料において前記膨張表面部位に沿って誘導亀裂形成が実現されるものであって、
前記ビーム方向と前記ビーム方向に直交する前記第1方向とにおいて膨張する一方、前記第2方向においては膨張しない前記レーザビーム焦点面を形成するための光学配置が、 前記光学配置が、規定長さ、即ちビーム方向において規定の膨張量を持つ前記レーザビーム焦点面を形成するための非球形自由表面を備えた第1光学素子としての円錐プリズム又はアキシコンと、
前記非球形自由表面を有する第1光学素子の出力側から所定距離z1の位置に、前記第2方向における前記レーザビームの膨張を遮る、即ち前記第1方向における所望の方向に向かわせるダイアフラムと、
を備えることを特徴とする装置。 - 基板を加工するためのレーザのレーザビームを用いて、前記基板を複数のパーツに分割するための平面結晶性基板のレーザ加工装置であって、
照射された前記レーザビームにより、出力側において、ビーム方向及び該ビーム方向に直交する第1方向の両方向から見て拡がる一方、前記第1方向及び前記ビーム方向の両方と直交する第2方向には拡がらないレーザビーム焦点表面が形成される、前記レーザのビーム路に配置された前記装置の光学配置を有し、
前記基板の内部において、前記レーザビーム焦点面によって前記基板の材料の膨張表面部位に沿って誘導吸収処理が発生するように前記基板と前記レーザビーム焦点面とが相対配置可能又は相対配置され、よって前記基板の材料において前記膨張表面部位に沿って誘導亀裂形成が実現されるものであって、
前記光学配置は、前記ビーム方向と前記ビーム方向に直交する前記第1方向とにおいて膨張する一方、前記第2方向においては膨張しない前記レーザビーム焦点面を形成するための光学配置であって、
規定長さ、即ちビーム方向において規定の膨張量を持つ前記レーザビーム焦点面を形成するための非球形自由表面を有する第1光学素子としての円錐プリズム又はアキシコンと、
前記非球形自由表面を有する第1光学素子の出力側から既定距離z2の位置に、前記レーザビームを前記第1方向にフォーカスする一方前記第2方向にはフォーカスしない第2光学素子と、
を備えることを特徴とする装置。 - 基板を加工するためのレーザのレーザビームを用いて、前記基板を複数のパーツに分割するための平面結晶性基板のレーザ加工装置であって、
照射された前記レーザビームにより、出力側において、ビーム方向及び該ビーム方向に直交する第1方向の両方向から見て拡がる一方、前記第1方向及び前記ビーム方向の両方と直交する第2方向には拡がらないレーザビーム焦点表面が形成される、前記レーザのビーム路に配置された前記装置の光学配置を有し、
前記基板の内部において、前記レーザビーム焦点面によって前記基板の材料の膨張表面部位に沿って誘導吸収処理が発生するように前記基板と前記レーザビーム焦点面とが相対配置可能又は相対配置され、よって前記基板の材料において前記膨張表面部位に沿って誘導亀裂形成が実現されるものであって、
前記光学配置は、前記ビーム方向と前記ビーム方向に直交する前記第1方向とにおいて膨張する一方、前記第2方向においては膨張しない前記レーザビーム焦点面を形成するための光学配置であって、
前記第1方向から見て前記光学配置の光軸に対してそれぞれ反対側に位置する2つの半空間からビーム束を前記光軸に向けて平行に偏向させる第3光学素子としてのダブルウェッジと、さらに、
前記第3光学素子の前記ビーム出力側に設けられた、前記レーザビームを少なくとも前記第1方向にフォーカスする光学素子と、
を備えることを特徴とする装置。 - 請求項13から15のいずれか1項に記載された装置の使用方法であって、
・半導体基板を分離し、
・絶縁基板を分離し、
・少なくとも1つの結晶性もしくは準結晶性構造の炭素系材料を含む基板を分離し、
又は
・少なくとも1つの結晶性もしくは準結晶性構造の炭素系材料からなる基板を分離する、
ことを特徴とする方法。
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