JP6831253B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー光線の集光点をインゴットの内部に位置付けて照射しウエーハを分離するための剥離層を形成するレーザー加工装置に関する。
ＩＣ、ＬＳＩ、ＬＥＤ等のデバイスは、シリコン（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）等を素材としたウエーハの表面に機能層が積層され分割予定ラインによって区画されて形成される。そして、切削装置、レーザー加工装置によってウエーハの分割予定ラインに加工が施されて個々のデバイスに分割されて携帯電話、パソコン等の電気機器に利用される。
また、パワーデバイス、ＬＥＤ等は、単結晶ＳｉＣを素材としたウエーハの表面に機能層が積層され分割予定ラインによって区画されて形成される。このデバイスが形成されるウエーハは、一般的にインゴットをワイヤーソーでスライスして生成され、スライスされたウエーハの表裏面を研磨して鏡面に仕上げられることが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
しかし、単結晶ＳｉＣのインゴットをワイヤーソーで切断し、表裏面を研磨してウエーハを生成するとインゴットの７０〜８０％を捨てることになるため、不経済であるという問題があり、特に単結晶ＳｉＣは、硬度が高くワイヤーソーでの切断が困難であり、切断に相当の時間を要し生産性が悪く、効率よくウエーハを生成することに課題を有している。そこで、近年では、単結晶ＳｉＣに対して透過性を有するレーザー光線の集光点をインゴットの内部に位置付けて照射し、切断予定面に剥離層を形成しウエーハを分離する技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。
特開２０００−０９４２２１号公報 特開２０１３−０４９４６１号公報
インゴットの内部にレーザー光線の集光点を位置付けて剥離層を形成し、所定の厚さのウエーハを効率よく正確に分離するためには、インゴットの上側の端面の高さを考慮する必要があるが、インゴットの端面の高さは、インゴットからウエーハを分離する毎に変化するものであり、分離したウエーハの厚さのみならず、分離後にインゴットの表面を研磨することによっても変化する。このようなインゴットの端面の高さが不明確なままウエーハを分離する加工をしようとすると、レーザー光線の集光点をインゴットの端面から深さ方向のどの位置に位置付ければよいのか曖昧になり、剥離すべきウエーハの厚みにばらつきが出るなどのおそれもある。
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、インゴットの内部にレーザー光線の集光点を位置付けて照射し、適正な厚みのウエーハを分離することができる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、インゴットの端面からインゴット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内部に位置付けて照射し剥離層を形成するレーザー加工装置であって、インゴットを保持しインゴットの上面を構成する端面と平行な方向に移動する保持手段と、該保持手段に保持されたインゴットにレーザー光線を照射する該端面に対し直角方向に集光点を移動する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該保持手段に保持されたインゴットの該端面を上方から撮像して該端面の外径形状及びその位置を検出する撮像手段と、インゴットの端面の高さを検出する高さ検出手段と、該高さ検出手段の検出値に基づいて、該集光器の集光点をインゴットの端面からウエーハの厚みに対応する位置に位置付ける集光点位置付け手段と、から少なくとも構成され、該高さ検出手段は、接触端子と、該接触端子を該保持手段に保持されたインゴットの端面に接触するまで移動する移動部と、該接触端子の位置を検出するスケールとを備えるレーザー加工装置が提供される。
好ましくは、該接触端子は該撮像手段に隣接して配設され、該スケールと該移動部は該撮像手段を構成するスケールと移動部が用いられる。
本発明のレーザー加工装置は、インゴットを保持しインゴットの上面を構成する端面と平行な方向に移動する保持手段と、該保持手段に保持されたインゴットにレーザー光線を照射する該端面に対し直角方向に集光点を移動する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該保持手段に保持されたインゴットの該端面を上方から撮像して該端面の外径形状及びその位置を検出する撮像手段と、インゴットの端面の高さを検出する高さ検出手段と、該高さ検出手段の検出値に基づいて、該集光器の集光点をインゴットの端面からウエーハの厚みに対応する位置に位置付ける集光点位置付け手段と、から少なくとも構成され、該高さ検出手段は、接触端子と、該接触端子を該保持手段に保持されたインゴットの端面に接触するまで移動する移動部と、該接触端子の位置を検出するスケールとを備えるので、正確なインゴットの端面の高さを基準にしてレーザー光線の集光点を所望の位置に位置付けることが可能になり、分離されるウエーハの厚みにばらつきが生じるという問題が解消されると共に、高さ検出手段を容易に構成することができる。さらに、該接触端子を該撮像手段に隣接して配設し、該スケールと該移動部を該撮像手段を構成するスケールと移動部を用いることにより、撮像手段に使用される構成をそのまま転用することができ、レーザー加工装置が高価になることを抑制することができる。
本発明に基づき構成されるレーザー加工装置の全体斜視図である。 図１に示されるレーザー加工装置の撮像手段及び高さ検出手段を説明するための説明図である。 図２に示す高さ検出手段の動作を説明するための説明図である。 レーザー光線照射手段により集光点を所定の深さに位置付ける工程を説明するための説明図である。 図１に示されるレーザー加工装置において剥離層形成工程を実施する動作を説明するための説明図である。
以下、本発明によって構成されたレーザー加工装置の実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すレーザー加工装置２は、基台４と、被加工物を保持する保持手段６と、保持手段６を、保持されるインゴット６０の端面方向に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、高さ検出手段１３と、表示手段１４とを備えており、各手段を制御する図示しない制御手段を備えている。
保持手段６は、図中に矢印Ｘで示す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２０と、図中に矢印Ｙで示すＹ方向において移動自在にＸ方向可動板２０に搭載された矩形状のＹ方向可動板２２と、Ｙ方向可動板２２の上面に図示しない回転駆動手段により回転自在に構成されたチャックテーブル２４が配設されている。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８は、保持手段６をＸ方向、Ｙ方向で規定される平面と平行な方向に移動させる手段であり、Ｘ方向移動手段２６と、Ｙ方向移動手段２８と、チャックテーブル２４を図中矢印２４ｂで示す方向に回転させる図示しない回転駆動手段を含む。Ｘ方向移動手段２６は、モータ３２の回転運動を、ボールねじ３０を介して直線運動に変換してＸ方向可動板２０に伝達し、基台４上の案内レール４ａ、４ａに沿ってＸ方向可動板２０をＸ方向において進退させる。Ｙ方向移動手段２８は、モータ３６の回転運動を、ボールねじ３４を介して直線運動に変換し、Ｙ方向可動板２２に伝達し、Ｘ方向可動板２０上の案内レール２０ａ、２０ａに沿ってＹ方向可動板２２をＹ方向において進退させる。なお、図示は省略するが、Ｘ方向移動手段２０、Ｙ方向移動手段２２、該回転駆動手段には、それぞれ位置検出手段が配設されており、チャックテーブル２４のＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、周方向の回転位置が正確に検出され、図示しない制御手段から指示される信号に基づいてＸ方向移動手段２０、Ｙ方向移動手段２２、及び該回転駆動手段が駆動され、任意の位置および角度にチャックテーブル２４を位置付けることが可能になっている。
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３８に内蔵されたパルスレーザー光線を発振するレーザー光線発振手段（図示していない）と、枠体３８の先端下面に配置された集光器４０と、該集光器４０の集光点の高さ位置を調整する集光点位置付け手段と（図示していない）、該レーザー光線の出力を調整する出力調整手段（図示していない）と、レーザー光線の繰り返し周波数を設定するための設定手段（図示していない）等を備える。集光器４０は、レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光するための集光レンズ（図示していない）を内蔵している。
撮像手段１２は、レーザー光線照射手段１０に配設された集光器４０とＸ方向に間隔をおいて枠体３８の先端角部に付設されており（図１を参照。）、図２に示されているように、チャックテーブル２４に保持されるインゴット６０の端面方向の位置、すなわち外形形状を撮像するための対物レンズ器１２ａと、対物レンズ器１２ａを保持する撮像ハウジング１２ｂと、撮像ハウジング１２ｂを介して対物レンズ器１２ａが捕えた光が導かれる撮像素子（ＣＣＤ）１２ｃと、撮像ハウジング１２ｂを上下方向（図中矢印Ｚで示すＺ方向）で移動させることで対物レンズ器１２ａ及び撮像素子１２ｃをＺ方向に移動させる移動部１２ｄと、を備えている。
移動部１２ｄは、撮像ハウジング１２ｂを支持すると共にＺ方向に移動させる駆動機構（図示しない）を内蔵した移動部ケース１２１と、移動部ケース１２１に内蔵された駆動機構を駆動する駆動モータ１２２とから構成されている。また、移動部ケース１２１には、撮像ハウジング１２ｂのＺ方向の移動量を検出するためのスケール１２ｅが設けられており、撮像ハウジング１２ｂの外側面のスケール１２ｅに対向する位置に、スケール１２ｅの目盛を読み取ることにより該撮像ハウジング１２ｂの位置を検出する検出端子１２ｆが配設されている。撮像手段１２により被加工物を撮像する場合は、スケール１２ｅ及び検出端子１２ｆにより撮像ハウジング１２ｂの高さ位置を測定しながら該移動部１２ｄを作動させて対物レンズ１２ａのＺ方向の位置を調整し焦点位置の調整が行われる。なお、移動部ケース１２１に内蔵される駆動機構としては、上述したＸ方向移動手段２６、Ｙ方向移動手段２８と同様の、案内レール及びボールねじ機構等により構成することができる。
高さ検出手段１３は、図２に示すように、撮像手段１２を構成する撮像ハウジング１２ｂと一体的に構成することができる。高さ検出手段１３は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面として示す図２（ｂ）から理解されるように、接触端子１３ａと、接触端子１３ａを保持するケース１３ｂと、ケース１３ｂに内蔵され該接触端子１３ａを下方に向け押圧するスプリング１３ｃと、ケース１３ｂの内部空間の上端部に配設されたスイッチ１３ｄとから構成されており、接触端子１３ａが撮像手段１２に隣接して配設されている。
接触端子１３ａは、先端部１３１が形成された下方側がケース１３ｂの下端面から下方に延びており、ケース１３ｂの内部空間内に位置する部位に該スプリング１３ｃの押圧力を受けるフランジ部１３２が形成されている。また、ケース１３ｂの内部空間の上端には、図２（ｂ）に示す定常状態において接触端子１３ａの上方側に位置する後端部１３３に対して若干の隙間をもってスイッチ１３ｄが配設されている。該スイッチ１３ｄは、接触端子１３ａがケース１３ｂ内を上方に移動して後端部１３３が当接した場合にＯＮ信号を発し、該ＯＮ信号を図示しない制御手段に送信するようになっている。
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（詳細についての図示は省略する。）。
本実施形態におけるレーザー加工装置２は、概ね以上のように構成されており、該レーザー加工装置２を用いたウエーハの生成方法、及び高さ検出手段１３の作用について、以下に説明する。
本発明のレーザー加工装置２によって加工されるインゴット６０は、六方晶単結晶ＳｉＣであり、図２に示されているように、周面６２と、円形状の上側の端面６４及び下側の端面６６とを備える略円柱形状である。周面６２には、結晶方位を示す側方視矩形状の第１のオリエンテーションフラット６８及びインゴット６０のＣ軸の傾き方向と直角をなす方向を示す第２のオリエンテーションフラット７０が形成されている。なお、第１、第２のオリエンテーションフラットは、両者が容易に区別されるように、その長さが異なるように形成されている。
本実施形態のレーザー加工装置２においては、インゴット６０をチャックテーブル２４に載置して加工を開始する前に、図３（ａ）に示すように、高さ検出手段１３を用いてチャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１を検出する。より具体的には、先ず、高さ検出手段１３を、接触端子１３ａの先端部１３１が、チャックテーブル２４よりも所定距離上方に位置付けられる待機位置に撮像手段１２と共に移動しておく。次いで、撮像手段１２、高さ検出手段１３が該待機位置にある状態で、移動手段８を作動させることで、チャックテーブル２４の中心が、高さ検出手段１３の接触端子１３ａの先端部１３１の直下になるようにチャックテーブル２４を移動させる。該先端部１３１の直下にチャックテーブル２４の中心が位置付けられたならば、移動部１２ｄの駆動モータ１２２を作動して高さ検出手段１３を下降させる。この際、該接触端子１３ａの先端部１３１がチャックテーブル２４に急激に衝突し破損等しないように低速度で下降させられる。
該接触端子１３ａは、図２（ｂ）に基づき説明したように、ケースの内部に配設されたスプリング１３ｄによって下方側に押圧されており、接触端子１３ａが下降してチャックテーブル２４に達すると接触端子１３ａの下降は停止する。その後、接触端子１３ａの後端部１３３とスイッチ１３ｃとの間に設定されていた隙間の分だけスイッチ１３ｄが下降し、該後端部１３３に達すると該スイッチ１３ｄからＯＮ信号が発生する。該ＯＮ信号が図示しない制御手段に送られると、即座に該駆動モータ１２２に対し停止信号が送られて該駆動モータ１２２が停止し、高さ検出手段１３の下降も停止する。
該制御手段がスイッチ１３ｄからのＯＮ信号を受け、駆動モータ１２２が停止させられると（図３（ａ）を参照）、スケール１２ｅの目盛を検出端子１２ｆにより読み取り、接触端子１３の先端部１３１の位置が計測される。このときに読み取られた値（Ｚ１）が制御手段に送信されてチャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１として記憶される。このようにしてチャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１が検出されて記憶されたならば、駆動モータ１２２を駆動して今度は高さ検出手段１３を上昇させて上記した待機位置に移動させる。
上記したようにチャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１が検出され、高さ検出手段１３が待機位置とされたならば、チャックテーブル２４の上面２４ａと、ウエーハを形成するインゴット６０の下側の端面６６との間に接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤）を介在させて、インゴット６０の中心がチャックテーブル２４の中心と一致するようにチャックテーブル２４上に載置する。なお、本発明はこれに限定されず、チャックテーブル２４の上面２４ａを、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とし、図示しない吸引手段に接続して、インゴット６０を吸引固定するようにしてもよい。
インゴット６０がチャックテーブル２４上に載置されたならば、上述したチャックテーブル２４の高さを検出する動作と同様の作動を実施する。すなわち、図３（ｂ）に示すように、チャックテーブル２４上に載置されたインゴット６０に向けて高さ検出手段１３を下降させて、インゴット６０の上方の端面６４に接触端子１３ａの先端部１３１を接触させて、接触端子１３の先端部１３１の位置、すなわち、インゴット６０の端面の高さ位置（Ｚ２）を検出し、制御手段にて記憶する。このようにして、チャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１と、インゴット６０の端面の高さ位置Ｚ２が検出されたならば、インゴット６０の厚さ（Ｚ２−Ｚ１）が算出される。なお、スケール１２ｅの基準位置（原点）は、検出端子１２ｆにより検出される値が負の値にならないようにチャックテーブル２４の高さに対して所定量下方側になるように設定されている。
チャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１、インゴット６０の高さ位置Ｚ２が検出されたならば、インゴット６０に対する加工位置と、レーザー光線照射手段１０の集光器４０との位置合わせを行うアライメント工程を実施する。該アライメント工程では、先ず、移動手段８を作動してチャックテーブル２４を撮像手段１２の下方に移動させ、撮像手段１２によってインゴット６０全体を上方から撮像する。この時、上記したスケール１２ｅと検出端子１２ｆとにより撮像手段１２の高さ位置を検出しながら、移動部１２ｄの駆動モータ１２２を作動させることにより、撮像手段１２を撮像に適した位置に位置付ける。撮像手段１２によって撮像されたインゴット６０の画像は表示手段１４に表示され、該画像に基づいて、インゴット６０の端面形状を把握し、第１のオリエンテーションフラット６８、第２のオリエンテーションフラット７０の位置、及びその方向を検出する。なお、上述したように、第１のオリエンテーションフラット６８、第２のオリエンテーションフラット７０は、その長さが異なるように設定されており、容易に区別することが可能に設定されている。そして、第１のオリエンテーションフラット６８、第２のオリエンテーションフラット７０が検出されたならば移動手段８を作動させることにより、第２のオリエンテーションフラット７０をＸ方向に整合させると共に、インゴット６０の加工開始位置と集光器４０との位置合わせを行う。次いで、レーザー光線照射手段１０に備えられた図示しない集光点位置付け手段を作動して集光器４０をＺ方向で移動させ、レーザー光線の集光点位置を、剥離させるウエーハの厚みに合わせてインゴット６０の端面６４から所定深さ（例えば、１００μｍ）位置に調整する。この時、上述したようにチャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１、インゴット６０の高さ位置Ｚ２が検出されているので、これを基準に集光点位置を設定する。すなわち、図４に示すように、集光器４０のＺ方向の位置を集光点が、チャックテーブ２４の上面から［Ｚ２−Ｚ１−１００μｍ］の位置になるように位置付ける。
上記したようにアライメント工程が実施されたならば、剥離層を形成する剥離層形成工程を実施する。剥離層形成工程は、図４、５に示すとおり、チャックテーブル２４を所定の加工送り速度でＸ方向移動手段２６によってＸ方向（すなわち、第２のオリエンテーションフラット７０に対して平行な方向）に移動させながら、単結晶ＳｉＣに対して透過性を有する波長のレーザー光線を集光器４０からインゴット６０に照射することによって実施される。より具体的には、インゴット６０の端面６４から１００μｍの深さ位置に直線状の強度低下部７４を形成する強度低下部形成加工を行うものであり、該強度低下部形成加工は、Ｙ方向移動手段２８によってチャックテーブル２４をＹ方向に所定量インデックス送りすることにより、第２のオリエンテーションフラットに対して垂直な方向に間隔をおいて複数回実施される。このような強度低下部形成加工は、例えば、以下のような加工条件で実施することができる。
レーザー光線の種類及び波長 ：１０６４ｎｍのパルスレーザー光線
繰り返し周波数 ：８０ｋＨｚ
平均出力 ：３．２Ｗ
パルス幅 ：３ｎｓ
集光スポット径 ：φ１０μｍ
集光レンズの開口数（ＮＡ） ：０．６５
インデックス量 ：５００μｍ
加工送り速度 ：１５０ｍｍ／ｓ
デフォーカス ：１００μｍ
上記した剥離層形成工程を実施したならば、ウエーハ剥離工程を実施して、該剥離層形成工程により形成された剥離層を境にして略１００μｍの厚さのウエーハを分離させる。なお、ウエーハ剥離工程については、本発明の主要部をなすものではないため、その詳細については省略するが、インゴット６０の端面６４側を吸着する吸着片を密着させて吸引手段を作動させて吸着し、吸着片側から超音波振動を付与することにより剥離層形成工程において形成した剥離層を成長させて、該剥離層を界面としてインゴット６０の上端に形成されるウエーハを分離させることができる。
該ウエーハ剥離工程を実施した結果、インゴット６０からウエーハが分離されたならば、基台４上に配設された図示しない研磨手段によってインゴット６０の上面を研磨することにより、再びインゴット６０からウエーハを生成できる状態とする。そして、改めて図３（ｂ）に示すように、チャックテーブル２４上に載置されたインゴット６０に向けて高さ検出手段１３を下降させて、インゴット６０の端面６４に接触端子１３ａの先端部１３１を接触させて、インゴット６０の端面６４の新たな高さ位置（Ｚ２）を検出し、制御手段に記憶し、上述したようなウエーハ剥離工程に至る工程を再度実施する。これらの工程を繰り返すことにより、インゴット６０から効率よく複数のウエーハを生成することができ、生産性の向上が図られる。なお、チャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１は、インゴット６０からウエーハが剥離されても変化するものではないため、高さ位置Ｚ１を改めて検出する必要はない。よって、チャックテーブル２４の高さ位置Ｚ１の検出作業は、例えば、１日の作業の開始時、或いは、レーザー加工装置２を立ち上げた際に実施して記憶しておけばよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的範囲に含まれる限り、種々の実施形態を想定することができる。例えば、本実施形態では、高さ検出手段１３を、撮像手段１２に隣接した配置したが、これに限定されるわけではなく、撮像手段１２とは独立して枠体３８の先端部に配置するようにしてもよい。また、上述した実施形態では、インゴット６０の端面６４の高さ位置Ｚ２の検出は、インゴット６０の中心部１点の高さ位置を１点計測することにより検出したが、これに限定されず、複数点の高さ位置を検出してその平均値を採用するようにしてもよい。
２：レーザー加工装置
４：基台
４ａ：案内レール
６：保持手段
８：移動手段
１０：レーザー光線照射手段
１２：撮像手段
１２ａ：対物レンズ
１２ｂ：撮像ハウジング
１２ｃ：撮像素子（ＣＣＤ）
１２ｄ：移動部
１２ｅ：スケール
１２ｆ：検出端子
１２１：移動部ケース
１２２：駆動モータ
１３：高さ検出手段
１３ａ：接触端子
１３ｂ：ケース
１３ｃ：スイッチ
１３ｄ：スプリング
１４：表示手段
２０：Ｘ方向可動板
２０ａ：案内レール
２２：Ｙ方向可動板
２４：チャックテーブル
２６：Ｘ方向移動手段
２８：Ｙ方向移動手段
３８：枠体
４０：集光器
６０：インゴット
６８：第１のオリエンテーションフラット
７０：第２のオリエンテーションフラット

Claims (2)

  1. インゴットの端面からインゴット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内部に位置付けて照射し剥離層を形成するレーザー加工装置であって、
    インゴットを保持しインゴットの上面を構成する端面と平行な方向に移動する保持手段と、該保持手段に保持されたインゴットにレーザー光線を照射する該端面に対し直角方向に集光点を移動する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該保持手段に保持されたインゴットの該端面を上方から撮像して該端面の外径形状及びその位置を検出する撮像手段と、インゴットの端面の高さを検出する高さ検出手段と、該高さ検出手段の検出値に基づいて、該集光器の集光点をインゴットの端面からウエーハの厚みに対応する位置に位置付ける集光点位置付け手段と、
    から少なくとも構成され、
    該高さ検出手段は、接触端子と、該接触端子を該保持手段に保持されたインゴットの端面に接触するまで移動する移動部と、該接触端子の位置を検出するスケールとを備えるレーザー加工装置。
  2. 該接触端子は該撮像手段に隣接して配設され、該スケールと該移動部は該撮像手段を構成するスケールと移動部が用いられる請求項１に記載のレーザー加工装置。
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