JP6935314B2

JP6935314B2 - レーザー加工方法

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Publication number: JP6935314B2
Application number: JP2017231488A
Authority: JP
Inventors: 圭司能丸
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: JP2019098365A

Description

本発明は、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射し改質層を形成するレーザー加工方法に関する。

シリコン基板等の表面にＩＣ、ＬＳＩ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て形成されたウエーハは、ウエーハに対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点が裏面側から分割予定ラインに対応する内部に位置づけられてパルスレーザー光線が照射され改質層が連続的に形成された後、分割予定ラインに付与された外力によって個々のデバイスに分割され、分割された各デバイスは携帯電話、パソコン等の電気機器に利用される（たとえば特許文献１参照。）。

特許第３４０８８０５号公報

しかし、レーザー光線によって改質層が形成された後、改質層の形成に寄与しなかった残余のレーザー光線が飛散して分割予定ラインに隣接するデバイスに照射されてデバイスが損傷するという問題がある。

上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、改質層の形成に寄与しなかった残余のレーザー光線の飛散によるデバイスの損傷を防止することができるレーザー加工方法を提供することである。

上記課題を解決するために本発明が提供するのは以下のレーザー加工方法である。すなわち、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射し改質層を形成するレーザー加工方法であって、被加工物の屈折率とパルスレーザー光線の波長とからブラッグ反射を生成する被加工物内における音波の波長を算出する音波波長算出工程と、被加工物内の音速と該音波波長算出工程で算出した音波の波長とから音波の周波数を算出する周波数算出工程と、該周波数算出工程で算出した音波の周波数から、連続して発生する音波が干渉して強め合う時間間隔を算出する時間間隔算出工程と、該時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔でパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射しブラッグ反射によって等方性のバリアを集光点の周りに生成してレーザー加工を施す加工工程と、を少なくとも含むレーザー加工方法である。

好ましくは、該音波波長算出工程において、音波の波長をλａ、パルスレーザー光線の波長をλｏ、被加工物の屈折率をｎとした場合、音波の波長をλａ＝λｏ／２ｎで算出し、該周波数算出工程において、音波の周波数をｆとし、被加工物内の音速をｖとした場合、音波の周波数をｆ＝ｖ／λａで算出し、該時間間隔算出工程において、時間間隔をｔとした場合、時間間隔をｔ＝１／ｆで算出する。被加工物は、複数の分割予定ラインによって区画され複数のデバイスがシリコン基板の表面に形成されたウエーハであり、パルスレーザー光線の波長は１０６４ｎｍであり、シリコンの内部における音速は９６２０ｍ／ｓであり、シリコンの屈折率は３．６であり、該加工工程において、ウエーハの裏面から分割予定ラインに対応する内部にパルスレーザー光線の集光点を位置づけてパルスレーザー光線をウエーハに照射し、分割予定ラインに沿って改質層を形成するのが好適である。分割予定ラインの内部に改質層が形成されたウエーハに外力を付与して個々のデバイス毎のチップに分割する分割工程を含むのが好都合である。

本発明が提供するレーザー加工方法は、被加工物の屈折率とパルスレーザー光線の波長とからブラッグ反射を生成する被加工物内における音波の波長を算出する音波波長算出工程と、被加工物内の音速と該音波波長算出工程で算出した音波の波長とから音波の周波数を算出する周波数算出工程と、該周波数算出工程で算出した音波の周波数から、連続して発生する音波が干渉して強め合う時間間隔を算出する時間間隔算出工程と、該時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔でパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射しブラッグ反射によって等方性のバリアを集光点の周りに生成してレーザー加工を施す加工工程と、を少なくとも含むので、改質層の形成に寄与しなかった残余のレーザー光線はバリアによって飛散が抑制され分割予定ラインに隣接するデバイスに照射されることがなく、デバイスの損傷を防止することができる。

ウエーハ及び環状フレームの斜視図。レーザー加工装置の斜視図。加工工程が実施されている状態を示すウエーハの斜視図。加工工程においてブラッグ反射によって等方性のバリアが集光点の周りに生成されている状態を示すウエーハの模式図。従来のレーザー加工方法によってウエーハの内部に改質層を形成している状態を示すウエーハの模式図。分割工程が実施されている状態を示す分割装置の断面図。

以下、本発明のレーザー加工方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明のレーザー加工方法によって加工が施され得る被加工物としてのウエーハ２が示されている。シリコン基板から形成され得る円盤状のウエーハ２の表面２ａは、格子状の複数の分割予定ライン４によって複数の矩形領域に区画され、複数の矩形領域のそれぞれにはデバイス６が形成されている。図示の実施形態では図１及び図３に示すとおり、周縁が環状フレーム８に固定された粘着テープ１０にウエーハ２の表面２ａが貼り付けられ、ウエーハ２の裏面２ｂが上を向いている。

図示の実施形態では、まず、被加工物の屈折率とパルスレーザー光線の波長とからブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射を生成する被加工物内における音波の波長を算出する音波波長算出工程を実施する。音波波長算出工程においては、ブラッグ反射を生成する被加工物内における音波の波長をλａ、パルスレーザー光線の波長をλｏ、被加工物の屈折率をｎとした場合、音波の波長をλａ＝λｏ／２ｎで算出する。たとえば、パルスレーザー光線の波長λｏが１０６４ｎｍであり、被加工物としてのウエーハ２が屈折率ｎ＝３．６であるシリコンから形成されている場合の音波の波長λａは、
λａ＝λｏ／２ｎ
＝１０６４（ｎｍ）／（２×３．６）
＝１４７．８（ｎｍ）
となる。

音波波長算出工程を実施した後、被加工物内の音速と音波波長算出工程で算出した音波の波長とから音波の周波数を算出する周波数算出工程を実施する。周波数算出工程においては、音波の周波数をｆとし、被加工物内の音速をｖとした場合、音波の周波数をｆ＝ｖ／λａで算出する。たとえば、シリコンから形成されているウエーハ２の内部における音速ｖが９６２０ｍ／ｓであり、音波波長算出工程で算出した音波の波長λａが上記の１４７．８ｎｍである場合の音波の周波数ｆは、
ｆ＝ｖ／λａ
＝９６２０（ｍ／ｓ）／１４７．８（ｎｍ）
＝９６２０（ｍ／ｓ）／（１４７．８×１０^−９（ｍ））
＝６５．０９×１０^９（Ｈｚ）
となる。

周波数算出工程を実施した後、周波数算出工程で算出した音波の周波数から、パルスレーザー光線の照射により被加工部内において連続して発生する音波が干渉して強め合う時間間隔を算出する時間間隔算出工程を実施する。時間間隔算出工程においては、時間間隔をｔとした場合、時間間隔をｔ＝１／ｆで算出する。たとえば、音波の周波数ｆが上記の６５．０９×１０^９Ｈｚである場合の時間間隔ｔは、
ｔ＝１／ｆ
＝１／（６５．０９×１０^９（Ｈｚ））
＝１５．４×１０^−１２（ｓ）
＝１５．４（ｐｓ）
となる。

時間間隔算出工程を実施した後、時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔でパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射しブラッグ反射によって等方性のバリアを集光点の周りに生成してレーザー加工を施す加工工程を実施する。加工工程は、たとえば図２示すレーザー加工装置１２を用いて実施することができる。レーザー加工装置１２は、ウエーハ２等の被加工物を保持する保持手段１４と、保持手段１４に保持された被加工物にパルスレーザー光線ＬＢを照射するレーザー光線照射手段１６とを備える。保持手段１４は、Ｘ軸方向に移動自在に基台１８に搭載されたＸ軸方向可動板２０と、Ｙ軸方向に移動自在にＸ軸方向可動板２０に搭載されたＹ軸方向可動板２２と、Ｙ軸方向可動板２２の上面に固定された支柱２４と、支柱２４の上端に回転自在に搭載されたチャックテーブル２６とを含む。Ｘ軸方向可動板２０は、Ｘ軸方向に延びるボールねじ２８とボールねじ２８に連結されたモータ３０とを有するＸ軸方向移動手段３２によって、基台１８上の案内レール１８ａに沿ってＸ軸方向に移動される。Ｙ軸方向可動板２２は、Ｙ軸方向に延びるボールねじ３４とボールねじ３４に連結されたモータ３６とを有するＹ軸方向移動手段３８によって、Ｘ軸方向可動板２０上の案内レール２０ａに沿ってＹ軸方向に移動される。チャックテーブル２６は、支柱２４に内蔵された回転手段（図示していない。）によって回転される。チャックテーブル２６の上面には、吸引手段に接続された多孔質の吸着チャック４０が配置されている。そして、チャックテーブル２６は、吸引手段で吸着チャック４０の上面に吸引力を生成することにより、被加工物を吸着して保持することができる。図２に示すとおり、チャックテーブル２６の周縁には周方向に間隔をおいて複数のクランプ４２が配置されている。なお、Ｘ軸方向は図２に矢印Ｘで示す方向であり、Ｙ軸方向は図２に矢印Ｙで示す方向であってＸ軸方向に直交する方向である。Ｘ軸方向及びＹ軸方向が規定する平面は実質上水平である。

図２を参照してレーザー加工装置１２についての説明を続ける。レーザー光線照射手段１６は、基台１８の上面から上方に延び次いで実質上水平に延びる枠体４４を含む。枠体４４にはパルスレーザー光線ＬＢを発振する発振器（図示していない。）が内蔵されている。枠体４４の先端下面には、チャックテーブル２６に保持された被加工物にパルスレーザー光線ＬＢを照射する集光器４６と、チャックテーブル２６に保持された被加工物を撮像してレーザー加工すべき領域を検出するための撮像手段４８とがＸ軸方向に間隔をおいて装着されている。集光器４６は、発振器が発振したパルスレーザー光線ＬＢを集光する集光レンズ５０を含む。撮像手段４８は、可視光線により被加工物を撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）と、被加工物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り照射された赤外線を捕らえる光学系と、光学系が捕らえた赤外線に対応する電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含む（いずれも図示していない。）。

図２と共に図３を参照して説明する。加工工程では、まず、ウエーハ２の裏面２ｂを上に向けて、レーザー加工装置１２のチャックテーブル２６の上面にウエーハ２を吸着させると共に、環状フレーム８を複数のクランプ４２で固定する。次いで、撮像手段４８で上方からウエーハ２を撮像し、撮像手段４８で撮像したウエーハ２の画像に基づいて、Ｘ軸方向移動手段３２、Ｙ軸方向移動手段３８及び回転手段でチャックテーブル２６を移動及び回転させることにより、分割予定ライン４をＸ軸方向に整合させると共に、Ｘ軸方向に整合させた分割予定ライン４の片端部の上方に集光器４６を位置づける。このとき、ウエーハ２の裏面２ｂが上を向き、分割予定ライン４が形成されている表面２ａは下を向いているが、上述のとおり、撮像手段４８は、赤外線照射手段と、赤外線を捕らえる光学系と、赤外線に対応する電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）とを含むので、ウエーハ２の裏面２ｂから透かして表面２ａの分割予定ライン４を撮像することができ、したがって、分割予定ライン４の片端部の上方に集光器４６を位置づけることができる。次いで、レーザー加工装置１２の集光点位置調整手段（図示していない。）によってウエーハ２の裏面２ｂから分割予定ライン４に対応する領域の内部に集光点を位置づける。次いで、チャックテーブル２６を所定の送り速度でＸ軸方向移動手段３２によってＸ軸方向に移動させながら、時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔で、ウエーハ２に対して透過性を有するパルスレーザー光線ＬＢを集光器４６から照射する改質層形成加工を施す。そうすると、ウエーハ２の内部には、周囲よりも強度が低下した改質層５２が分割予定ライン４に沿って形成されると共に音波が連続して発生する。上述のとおり、時間間隔算出工程で算出した時間間隔は、パルスレーザー光線ＬＢの照射によりウエーハ２内において連続して発生する音波が干渉して強め合う時間間隔であるので、図４に示すとおり、ブラッグ反射によって等方性のバリア５４が集光点の周りに生成される。隣接するバリア５４とバリア５４の間隔は、音波波長算出工程において算出した音波の波長と同一であり、たとえば上記の１４７．８ｎｍである。隣接する外側のバリア５４の位置に手前のバリア５４が移動するまでの時間は、時間間隔算出工程で算出した時間と同一であり、たとえば上記の１５．４ｐｓである。そして、改質層５２の形成に寄与しなかった残余のパルスレーザー光線の飛散がバリア５４によって抑制される（音響光学効果）ため、ウエーハ２の表面２ａに形成されているデバイス６に残余のパルスレーザー光線が照射されることがなく、デバイス６の損傷が防止される。図４では、改質層５２の形成に寄与しなかった残余のパルスレーザー光線がバリア５４によって飛散が抑制されている状態を、改質層５２に向かってバリア５４の内側に延びる複数の矢印で模式的に示している。なお、時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔でパルスレーザー光線ＬＢの照射を行わない場合には、図５に示すとおり、改質層５２の形成に寄与しなかった残余のパルスレーザー光線ＬＢ’が飛散して、ウエーハ２の表面２ａに形成されているデバイス６が損傷してしまうこととなる。

図２と共に図３を参照して加工工程についての説明を続ける。改質層形成加工を実施した後は分割予定ライン４の間隔の分だけチャックテーブル２６をＹ軸方向移動手段３８でＹ軸方向にインデックス送りする。そして、改質層形成加工とインデックス送りとを交互に繰り返すことにより、Ｘ軸方向に整合させた分割予定ライン４のすべてに改質層形成加工を施す。また、回転手段でチャックテーブル２６を９０度回転させた上で、改質層形成加工とインデックス送りとを交互に繰り返すことにより、先に改質層形成加工を施した分割予定ライン４と直交する分割予定ライン４のすべてにも改質層形成加工を施す。これによって、デバイス６を損傷することなく、格子状の分割予定ライン４のすべてに沿って改質層５２を形成することができる。このような改質層形成加工は、たとえば以下の加工条件で実施することができる。なお、以下の加工条件では、繰り返し周波数６５．０９ＧＨｚ、パルスの時間間隔１５．４ｐｓ、パルス幅１００ｆｓで発振器が発振したパルスレーザー光線の１０００パルスを１パルスとして見た場合に、見た目１パルスのパルスレーザー光線が１００ｋＨｚの繰り返し周波数で被加工物に照射されるように、ＡＯＤ（音響光学素子）等から構成され得る間引き手段（図示していない。）でパルスレーザー光線を間引く場合を示している。すなわち、発振器が発振したパルスレーザー光線の１０００パルスが被加工物に照射されてから、次の１０００パルスが被加工物に照射されるまでの間のパルスレーザー光線を間引き手段で間引いている。したがって、下記の見た目の繰り返し周波数とは、間引いた後のパルスレーザー光線の１０００パルスを１パルスとして見た場合の繰り返し周波数である。また、下記の見た目のパルス幅とは、間引いた後のパルスレーザー光線の１０００パルスを１パルスとして見た場合のパルス幅であり、パルスの時間間隔１５．４ｐｓを１０００倍した数値である（１５．４ｐｓ×１０００パルス）。
パルスレーザー光線の波長：１０６４ｎｍ（ＹＡＧレーザー）
繰り返し周波数：６５．０９ＧＨｚ
パルスの時間間隔：１５．４ｐｓ
パルス幅：１００ｆｓ
見た目の繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
見た目のパルス幅：１５．４ｎｓ
開口数（ＮＡ）：０．８
スポット径：φ２．５μｍ
平均出力：１Ｗ
送り速度：５００ｍｍ／ｓ

加工工程を実施した後、分割予定ライン４の内部に改質層５２が形成されたウエーハ２に外力を付与して個々のデバイス６毎のチップに分割する分割工程を実施する。分割工程は、たとえば図６に示す分割装置６０を用いて実施することができる。分割装置６０は、上下方向に延びる円筒状の拡張ドラム６２と、拡張ドラム６２の径方向外方において昇降自在に配置された環状の保持部材６４と、拡張ドラム６２に対して相対的に保持部材６４を昇降させる複数のエアシリンダ６６と、保持部材６４の外周縁に周方向に間隔をおいて付設された複数のクランプ６８とを含む。拡張ドラム６２の外径は、ウエーハ２の直径よりも大きく、かつ環状フレーム８の内径よりも小さい。保持部材６４の内径は拡張ドラム６２の外径よりも大きく、保持部材６４の内周面と拡張ドラム６２の外周面との間には間隙が存在する。また、保持部材６４の内径及び外径は環状フレーム８の内径及び外径に対応して形成されており、保持部材６４の上面に環状フレーム８が載置され得るようになっている。図６に示すとおり、上下方向に延びる複数のエアシリンダ６６の上端部は、保持部材６４の周方向に間隔をおいて保持部材６４の下面に連結されている。そして複数のエアシリンダ６６は、保持部材６４の上面が拡張ドラム６２の上端とほぼ同じ高さの基準位置（図６において実線で示す位置）と、保持部材６４の上面が拡張ドラム６２の上端よりも下方に位置する拡張位置（図６において二点鎖線で示す位置）との間で、拡張ドラム６２に対して相対的に保持部材６４を昇降させる。なお、分割装置６０においては、エアシリンダ６６に代えて電動シリンダを含んでいてもよい。

図６を参照して説明を続けると、分割工程では、まず、各エアシリンダ６６を作動させ、保持部材６４を基準位置に位置づける。次いで、分割予定ライン４の内部に改質層５２が形成されたウエーハ２を上に向けて、粘着テープ１０を介してウエーハ２を保持している環状フレーム８を保持部材６４の上面に載せ、環状フレーム８を複数のクランプ６８で固定する。次いで、各エアシリンダ６６を作動させ、保持部材６４を基準位置から拡張位置まで下降させる。そうすると、保持部材６４と共に環状フレーム８も下降するので、図６に二点鎖線で示すとおり、環状フレーム８に周縁が固定されている粘着テープ１０が拡張してウエーハ２には放射状張力が作用する。これによって、分割予定ライン４の内部に改質層５２が形成されたウエーハ２に外力を付与して、ウエーハ２を個々のデバイス６毎のチップに分割することができる。

以上のとおり図示の実施形態では、時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔でパルスレーザー光線ＬＢの集光点をウエーハ２の内部に位置づけてパルスレーザー光線ＬＢをウエーハ２に照射しブラッグ反射によって等方性のバリア５４を集光点の周りに生成してレーザー加工を施すので、改質層５２の形成に寄与しなかった残余のパルスレーザー光線はバリア５４によって飛散が抑制され分割予定ライン４に隣接するデバイス６に照射されることがなく、デバイス６の損傷を防止することができる。

２：ウエーハ（被加工物）
２ａ：表面
２ｂ：裏面
４：分割予定ライン
６：デバイス
５２：改質層
５４：バリア
ＬＢ：パルスレーザー光線

Claims

被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射し改質層を形成するレーザー加工方法であって、
被加工物の屈折率とパルスレーザー光線の波長とからブラッグ反射を生成する被加工物内における音波の波長を算出する音波波長算出工程と、
被加工物内の音速と該音波波長算出工程で算出した音波の波長とから音波の周波数を算出する周波数算出工程と、
該周波数算出工程で算出した音波の周波数から、連続して発生する音波が干渉して強め合う時間間隔を算出する時間間隔算出工程と、
該時間間隔算出工程で算出した時間間隔と同じ時間間隔でパルスレーザー光線の集光点を被加工物の内部に位置づけてパルスレーザー光線を被加工物に照射しブラッグ反射によって等方性のバリアを集光点の周りに生成してレーザー加工を施す加工工程と、
を少なくとも含むレーザー加工方法。
該音波波長算出工程において、音波の波長をλａ、パルスレーザー光線の波長をλｏ、被加工物の屈折率をｎとした場合、音波の波長をλａ＝λｏ／２ｎで算出し、
該周波数算出工程において、音波の周波数をｆとし、被加工物内の音速をｖとした場合、音波の周波数をｆ＝ｖ／λａで算出し、
該時間間隔算出工程において、時間間隔をｔとした場合、時間間隔をｔ＝１／ｆで算出する請求項１記載のレーザー加工方法。
被加工物は、複数の分割予定ラインによって区画され複数のデバイスがシリコン基板の表面に形成されたウエーハであり、
パルスレーザー光線の波長は１０６４ｎｍであり、
シリコンの内部における音速は９６２０ｍ／ｓであり、
シリコンの屈折率は３．６であり、
該加工工程において、ウエーハの裏面から分割予定ラインに対応する内部にパルスレーザー光線の集光点を位置づけてパルスレーザー光線をウエーハに照射し、分割予定ラインに沿って改質層を形成する請求項１又は２記載のレーザー加工方法。
分割予定ラインの内部に改質層が形成されたウエーハに外力を付与して個々のデバイス毎のチップに分割する分割工程を含む請求項３記載のレーザー加工方法。