KR101243543B1 - 다이싱 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 금속막을 제거하고, 그 후, 펄스 레이저 빔의 조사를 함으로써, 저비용이고, 우수한 커팅 특성을 실현하는 다이싱 방법을 제공하는 것이다. 복수의 소자가 형성되어, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며, 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고, 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하여 홈부를 형성하고, 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고, 클럭 신호를 발생하고, 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 피가공 기판의 홈부에 출사하고, 피가공 기판과 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키고, 피가공 기판으로의 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를, 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 광펄스 단위로 전환하여, 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성하는 다이싱 방법이다.

Description

다이싱 방법{DICING METHODS}
본 출원은, 2010년 6월 24일자로 출원된 일본 특허 출원 제2010-144223호 및 2011년 4월 18일자로 출원된 일본 특허 출원 제2011-091811호를 기초로 이루어졌으며 이들 일본 특허 출원을 우선권으로서 주장하고, 본 명세서 전반에 걸쳐 참조한다.
본 발명은 다이싱 방법에 관한 것이다.
IC, LSI 등의 반도체 디바이스(소자)가 표면에 복수 형성된 반도체 웨이퍼는, 이면 연삭되어 원하는 두께로 형성된 후에, 다이싱 라인(또는 스트리트)이라고 불리는 분할 예정 라인을 따라서 개개의 반도체 칩으로 분할되어, LED, MEMS 등으로서, 각종 전자 기기에 이용된다.
반도체 웨이퍼를 개개의 디바이스(칩)로 분할하는 다이싱 방법으로서는, 이하와 같은 방법을 들 수 있다.
(1) 예를 들어, 두께가 20 내지 40㎛ 정도의 절삭날을 갖는 절삭 블레이드로 반도체 웨이퍼를 다이싱 라인을 따라서 절삭을 행하여 분할하는 다이싱 방법.
(2) 주판알 형상의 다이아몬드 휠이나 다이아몬드 날붙이를, 반도체 웨이퍼에 접촉시켜, 글래스 절삭과 같이, 흠집을 내어 브레이커로 벽개하는 스크라이빙을 사용한 다이싱 방법.
(3) 반도체 웨이퍼에 대해 YAG 레이저 등의 레이저 빔을 사용하여, 미소한 에어리어에 극히 단시간에 레이저 에너지를 집중시킴으로써, 고체를 승화시키는 애블레이션을 사용한 다이싱 방법.
(4) 반도체 웨이퍼에 대해 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 빔을 조사하는 다이싱 방법.
상기 (4)의 방법에서는, 반도체 웨이퍼 내부에 집광점을 맞추어 다이싱 라인을 따라서 웨이퍼에 대해 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 빔을 조사한다. 그리고, 반도체 웨이퍼 내부에 변질층을 연속적으로 형성하여, 변질층이 형성됨으로써, 강도가 저하된 다이싱 라인을 따라서 외력을 가함으로써, 반도체 웨이퍼를 개개의 칩으로 분할한다(예를 들어, 일본 특허 제3408805호 공보).
한편, 표면에 파워 트랜지스터 등의 디바이스가 형성된 반도체 웨이퍼는, 그 이면에 금, 은, 티탄 등의 금속막이 수㎜의 두께로 피복된 전극이 형성되는 것이 일반적이다. 또한, LED에 사용되는 사파이어 기판에 있어서도, 휘도 상승을 목적으로 하여, 반사막으로서, 웨이퍼 이면에 금, 알루미늄 등의 금속막이 수㎛의 두께로 피복되어 있다.
이와 같이, 웨이퍼 이면에 금속막이 있는 경우의 다이싱 방법으로서는, 예를 들어 상기 (1), (2), (3)의 다이싱 방법이 사용된다. 또는, 상기 (4)의 방법 이후에 반도체 웨이퍼의 이면에 금속막을 성막하는 방법도 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2009-200140호 공보).
무엇보다, 금속막은 점도가 있으므로, 이면에 금속막이 피복된 반도체 웨이퍼를, 상기 (1)의 방법과 같이 절삭 블레이드로 절삭하면, 분할된 반도체 칩의 이면 외주에 버어가 발생한다. 또한, 절삭 블레이드에 금속 칩이 부착되어 막힘이 발생하여, 절삭 블레이드의 수명이 저하된다고 하는 문제가 있다.
또한, 상기 (2)의 방법에 있어서는, 주판알 형상의 다이아몬드 휠이나, 다이아몬드 날붙이는 소모품으로 되고, 예를 들어, 2인치의 사파이어 기판에서는, 2매 가공하고나면 교환하지 않으면 안될만큼 소모가 심하다. 이 교환을 위한 기계 정지 시간은 처리량의 저하로 이어진다. 또한, 교환용 날붙이는 오퍼레이션 코스트의 증가, 나아가서는 제품 가격의 상승으로 이어진다.
또한, 상기 (3)의 방법은 레이저 빔을 금속 표면에 집광시켜 집광점의 금속을 용융하는 방법이나, 기화ㆍ플라즈마화시키는 방법이다. 그러나, 모두 융해물이나 잔여물이라고 불리는 가공 칩이 발생하고, 가공 칩을 기피하는 반도체 칩의 제조에는 부적합하다.
그리고, 상기 (4)의 방법에서는, 투과성을 갖는 파장의 펄스 레이저 빔을 사용하지만, 금속막 레이저 빔을 투과하는 경우가 없으므로, 금속막 하부의 기판에 변질층을 형성할 수 없다. 이로 인해, 이면 금속을 에칭으로 제거하고, 금속막을 제거한 부분으로부터 레이저 광을 조사하여 커팅하는 방법이 있다. 이 경우, 고액의 에칭 가공용 장치가 필요로 되어, 제품 가격의 상승으로 이어진다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 금속막을 제거하고, 그 후, 펄스 레이저 빔의 조사를 함으로써, 저비용이고, 우수한 커팅 특성을 실현하는 다이싱 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태의 다이싱 방법은, 복수의 소자가 형성되고, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며, 상기 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고, 상기 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하여 홈부를 형성하고, 상기 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고, 클럭 신호를 발생하고, 상기 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 상기 피가공 기판의 상기 홈부에 출사하고, 상기 피가공 기판과 상기 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키고, 상기 피가공 기판으로의 상기 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를, 상기 클럭 신호에 동기하고, 펄스 피커를 사용하여 상기 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 광펄스 단위로 전환하여, 상기 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 상기 펄스 레이저 빔의 가공점 깊이 및 상기 펄스 레이저 빔의 조사 비조사의 간격을 제어함으로써, 상기 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 연속하도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 대략 직선적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 크랙을 형성한 후에, 외력을 가하는 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 금속 가공이 플래너 가공법 또는 프라이 커트 가공법인 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 금속 가공 시에, 상기 피가공 기판 표면을 절삭하는 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 피가공 기판의 위치와 상기 펄스 피커의 동작 개시 위치가 동기하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 스테이지를 상기 클럭 신호에 동기시켜 이동함으로써, 상기 피가공 기판과 상기 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키는 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 피가공 기판이 사파이어 기판인 것이 바람직하다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 조사 에너지를 30 내지 150㎽로 하고, 상기 펄스 레이저 빔의 통과를 1 내지 4 광펄스 단위, 차단을 1 내지 4 광펄스 단위로 함으로써 조사의 간격을 1 내지 6㎛로 하는 것이 바람직하다.
상기 조사 에너지를 50±5㎽로 하고, 상기 가공점 깊이를 25.0±2.5㎛로 하고, 상기 펄스 레이저 빔의 통과를 1 광펄스 단위, 차단을 2 광펄스 단위로 함으로써 조사의 간격을 3.6±0.4㎛로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태의 다이싱 방법은 복수의 소자가 형성되어, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며, 상기 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고, 상기 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하고, 상기 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고, 클럭 신호를 발생하고, 상기 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 출사하고, 상기 피가공물 표면에, 펄스 피커와 레이저 빔 스캐너를 사용하여, 상기 클럭 신호에 동기하여 상기 펄스 레이저 빔을 통과와 차단을 전환하면서 1차원 방향으로 주사하고, 상기 1차원 방향으로 상기 펄스 레이저 빔을 주사한 후에, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향으로 상기 스테이지를 이동하고, 또한 상기 클럭 신호에 동기하여 상기 펄스 레이저 빔을 상기 1차원 방향으로 주사하고, 상기 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성하는 다이싱 방법이며, 상기 레이저 빔 스캐너로부터의 주사 위치 신호에 기초하여, 상기 펄스 피커에 있어서의 상기 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 주사마다의 가공 원점 위치를 보정하는 것을 특징으로 한다.
상기 형태의 방법에 있어서, 상기 제2 스테이지는 상기 레이저 빔 스캐너의 주사 위치 신호에 기초하여, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향의 이동 제어가 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 금속막을 제거하고, 그 후, 펄스 레이저 빔의 조사를 함으로써, 저비용이고, 우수한 커팅 특성을 실현하는 다이싱 방법을 제공하는 것이 가능해진다.
도 1a - 도 1d는 제1 실시 형태의 다이싱 방법의 공정 개념도.
도 2a, 도 2b는 제1 실시 형태에 있어서 피가공 기판의 예로서 도시한 반도체 웨이퍼의 개념도.
도 3은 제1 실시 형태의 레이저 다이싱 방법으로 사용되는 레이저 다이싱 장치의 일례를 도시하는 개략 구성도.
도 4는 제1 실시 형태의 레이저 다이싱 방법의 타이밍 제어를 설명하는 도면.
도 5는 제1 실시 형태의 레이저 다이싱 방법의 펄스 피커 동작과 변조 펄스 레이저 빔의 타이밍을 도시하는 도면.
도 6은 제1 실시 형태의 레이저 다이싱 방법의 조사 패턴의 설명도.
도 7은 제1 실시 형태의 사파이어 기판 상에 조사되는 조사 패턴을 도시하는 상면도.
도 8은 도 7의 AA 단면도.
도 9a - 도 9d는 제1 실시 형태의 작용의 설명도.
도 10은 제1 실시 형태의 스테이지 이동과 다이싱 가공의 관계를 설명하는 도면.
도 11a, 도 11b는 상이한 가공점 깊이의 펄스 레이저 빔을 복수회 기판의 동일 주사선 상을 주사하여 크랙을 형성하는 경우의 설명도.
도 12a, 도 12b는 도 11a, 도 11b의 조건으로 커팅한 경우의 커팅면의 광학 사진.
도 13은 제1 실시예의 조사 패턴을 도시하는 도면.
도 14a - 도 14e는 제1 실시예 내지 제4 실시예, 제1 비교예의 레이저 다이싱의 결과를 나타내는 도면.
도 15는 제1 실시예의 레이저 다이싱의 결과를 나타내는 단면도.
도 16a - 도 16f는 제5 실시예 내지 제10 실시예의 레이저 다이싱의 결과를 나타내는 도면.
도 17a - 도 17e는 제11 실시예 내지 제15 실시예의 레이저 다이싱의 결과를 나타내는 도면.
도 18a - 도 18f는 제16 실시예 내지 제21 실시예의 레이저 다이싱의 결과를 나타내는 도면.
도 19a - 도 19c는 제22 실시예 내지 제24 실시예의 레이저 다이싱의 결과를 나타내는 도면.
도 20은 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 구성도.
도 21은 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 레이저 빔 스캐너의 설명도.
도 22는 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 레이저 빔 스캐너의 주사의 설명도.
도 23은 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 가공 제어부의 설명도.
도 24는 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 가공 패턴 생성부의 설명도.
도 25는 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 가공 패턴 신호 생성부의 설명도.
도 26a, 도 26b는 제2 실시 형태의 레이저 가공 장치의 타이밍 제어를 설명하는 신호 파형도.
도 27은 제2 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 펄스 피커 동작의 타이밍 제어를 설명하는 신호 파형도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 중, 가공점이라 함은, 펄스 레이저 빔의 피가공 기판 내에서의 집광 위치(초점 위치) 근방의 점이고, 피가공 기판의 개질 정도가 깊이 방향에서 최대로 되는 점을 의미한다. 그리고, 가공점 깊이라 함은, 펄스 레이저 빔의 가공점의 피가공 기판 표면으로부터의 깊이를 의미하는 것으로 한다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태의 다이싱 방법은 복수의 소자가 형성되고, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며, 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고, 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하여 홈부를 형성하고, 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고, 클럭 신호를 발생하고, 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 피가공 기판의 상기 홈부에 출사하고, 피가공 기판과 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키고, 피가공 기판으로의 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를, 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 광펄스 단위로 전환하여, 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성한다.
상기 구성에 의해, 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱에 있어서, 높은 처리량이고, 우수한 커팅 특성을 실현하는 다이싱 방법을 제공하는 것이 가능해진다. 그리고, 펄스 레이저 빔의 가공에 있어서는, 피가공 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙을 형성함으로써, 특히 사파이어 기판과 같이 경질인 기판의 다이싱이 용이해진다. 또한, 좁은 다이싱 폭에서의 다이싱이 실현된다. 여기서, 우수한 커팅 특성이라 함은, (1) 직선성 좋게 커팅되는 것, (2) 다이싱한 소자의 수율이 향상되도록 작은 커팅력으로 커팅할 수 있는 것, (3) 크랙 형성 시에 조사하는 레이저의 영향으로 기판 상에 설치되는 소자, 예를 들어 기판 상의 에피택셜층에서 형성되는 LED 소자의 열화가 발생하지 않는 것 등을 들 수 있다.
도 2a, 도 2b는 본 실시 형태에 있어서 피가공 기판의 예로서 도시하는 반도체 웨이퍼의 개념도이다. 도 2a는 상면도, 도 2b는 도 2a의 A-A 단면도이다.
이 반도체 웨이퍼(1)에는, 예를 들어 사파이어 기판(2) 상의, 예를 들어 GaN계 반도체층(3)에, 예를 들어 복수의 고휘도 LED 소자(4)가 형성되어 있다. 그리고, 고휘도 LED 소자(4)가 형성되는 면의 다른 쪽의 면에는, 예를 들어 금(Au) 또는 알루미늄(Al)의 반사막이 금속막(5)으로서 형성되어 있다.
또한, 각 고휘도 LED 소자(4) 사이는 다이싱을 위해 일정한 폭을 갖고, 소자가 형성되지 않는 다이싱 라인(도 2a 중 실선)으로 구획되어 있다. 다이싱 시에는, 이 다이싱 라인 상과 그 연장선(도 2a 중 파선) 상에서 웨이퍼를 커팅함으로써, 개개의 칩인 LED로 분할한다.
도 1a - 도 1d는 본 실시 형태의 다이싱 방법의 공정 개념도이다.
우선, 도 1a에 도시한 바와 같이, 반도체 웨이퍼의 고휘도 LED 소자(4)가 형성되어 있는 면측에, 다이싱에 의해 반도체 웨이퍼가 칩으로 분할될 때에, 개개의 칩을 묶어 놓는 점착 테이프(6)가 형성되어 있다.
이 반도체 웨이퍼를, 금속 가공 장치의 스테이지(제1 스테이지) 상에 적재한다. 이 금속 가공 장치는 다이아몬드 바이트(7)를 사용하여 금속을 가공 가능한 공지의 장치이다. 그리고, 도 1b에 도시한 바와 같이, 스테이지 상에 적재된, 반도체 웨이퍼의 금속막(5)을, 다이아몬드 바이트(7)를 사용한 금속 가공에 의해 다이싱 라인을 따라서 제거하여 홈부를 형성한다.
이때, 금속 가공 방법은, 예를 들어 스테이지에 대해 다이아몬드 바이트가 직선적으로 이동하는 플래너 가공법, 또는 스테이지 대해 다이아몬드 바이트가 회전 이동하는 프라이 커트 가공법을 채용하는 것이 가능하다. 또한, 금속막(5)의 가공 정밀도를 올리는 관점으로부터는, 플래너 가공의 쪽이 바람직하다.
또한, 홈부의 저부의 금속막(5)은 모두 제거해도, 일부 남겨도 상관없다. 홈부의 저부의 금속막(5)을 전부 제거한 후, 홈부의 사파이어 기판(2)의 표면을 절삭함으로써, 이후에, 반도체 웨이퍼를 커팅할 때의 외력을 작게 하는 것도 가능하다. 한편, 금속막(5)을 레이저 광이 투과할 정도의 두께만큼 남김으로써, 다이아몬드 바이트(7)에 의한 사파이어 기판(2)의 절삭 칩의 발생을 억제하거나, 이후의 레이저 가공의 크랙 형성을 안정화시키는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 피가공 기판이나 금속막의 재료나 두께 등에 따라서 최적의 프로세스를 선택하여 실시할 수 있다고 하는 이점이 있다.
또한, 금속 가공일 때에는, 발생하는 절삭 칩을 다이아몬드 바이트(7) 근방에 설치되는 흡입 노즐에 의해 흡입하는 것이 바람직하다.
다음에, 반도체 웨이퍼를, 펄스 레이저 가공 장치의 스테이지(제2 스테이지) 상에 적재한다. 그리고, 펄스 레이저 가공 장치 내에서 클럭 신호를 발생하고, 도 1C에 도시한 바와 같이, 이 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔(8)을 반도체 웨이퍼의 홈부에 출사한다. 이때, 펄스 레이저 빔(8)의 초점 위치는 사파이어 기판(2)의 내부의 소정의 위치로 한다.
그리고, 반도체 웨이퍼와 펄스 레이저 빔(8)을 상대적으로 이동시킨다. 그리고, 반도체 웨이퍼로의 펄스 레이저 빔(8)의 조사와 비조사를, 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 광펄스 단위로 전환한다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼에 금속막(5)측의 웨이퍼 표면에 도달하는 크랙을 형성한다.
이후에, 상세하게 서술하는 바와 같이, 레이저 가공 시, 펄스 레이저 빔(8)의 조사 에너지, 펄스 레이저 빔(8)의 가공점 깊이 및 펄스 레이저 빔(8)의 조사 비조사의 간격을 제어함으로써, 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 연속하도록 형성한다.
다음에, 도 1d에 도시한 바와 같이, 브레이킹 장치의 브레이커(9)에 의해, 외력을 가함으로써, 반도체 웨이퍼를 개개의 고휘도 LED의 칩으로 분할한다. 이때, 브레이킹 장치 대신에, 점착 테이프를 신장시킴으로써 외력을 가해도 상관없다. 또한, 브레이킹 장치와 점착 테이프의 양쪽을 사용하여, 외력을 인가하는 것이라도 상관없다.
본 실시 형태의 다이싱 방법에 따르면, 처리량이 높고, 저비용, 고수율이고, 고정밀도인 다이싱 방법을 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 여기서는, 금속 가공 장치에서 웨이퍼 상의 다이싱 라인의 금속막을 모두 제거한 후, 레이저 다이싱 가공을 행하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 금속 가공 장치와 펄스 레이저 가공 장치의 2대의 장치를 사용하는 경우에는 필연적으로 이 프로세스로 된다. 당연히, 하나하나의 다이싱 라인마다, 금속막 제거와, 펄스 레이저 빔의 조사에 의한 레이저 가공을 한 쌍으로 하여 실시하는 방법이라도 상관없다. 이 경우에는, 다이싱 라인에 따른 주사 횟수를 반감시킬 수 있으므로 처리량이 향상된다고 하는 이점이 있다. 또한, 금속 가공과 레이저 가공의 맞춤 정밀도가 향상되어, 보다 정밀도가 높은 다이싱이 실현된다고 하는 이점도 있다.
금속 가공과 레이저 가공이 일체화되어, 다이아몬드 바이트의 위치와 레이저 광의 조사 위치가, 반도체 웨이퍼와의 상대 이동과의 관계로 일직선 상을 타도록 설계된 가공 장치를 사용함으로써, 상기 방법이 실현된다. 이 장치의 경우, 제1 스테이지와 제2 스테이지는 동일하다.
다음에, 본 실시 형태의 레이저 다이싱 가공에 대해 상세하게 서술한다.
상기 다이싱 방법에 있어서, 레이저 가공을 실현하는 본 실시 형태의 레이저 다이싱 장치는 피가공 기판을 적재 가능한 스테이지와, 클럭 신호를 발생하는 기준 클럭 발진 회로와, 펄스 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기와, 펄스 레이저 빔을 클럭 신호에 동기시키는 레이저 발진기 제어부와, 레이저 발진기와 스테이지 사이의 광로에 설치되어, 펄스 레이저 빔의 피가공 기판으로의 조사와 비조사를 전환하는 펄스 피커와, 클럭 신호에 동기하여, 광펄스 단위로 펄스 레이저 빔의 펄스 피커에 있어서의 통과와 차단을 제어하는 펄스 피커 제어부를 구비한다.
도 3은 본 실시 형태의 레이저 다이싱 장치의 일례를 도시하는 개략 구성도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 레이저 다이싱 장치(10)는 그 주요한 구성으로서, 레이저 발진기(12), 펄스 피커(14), 빔 정형기(16), 집광 렌즈(18), XYZ 스테이지부(20), 레이저 발진기 제어부(22), 펄스 피커 제어부(24) 및 가공 제어부(26)를 구비하고 있다. 가공 제어부(26)에는 원하는 클럭 신호(S1)를 발생하는 기준 클럭 발진 회로(28) 및 가공 테이블부(30)가 구비되어 있다.
레이저 발진기(12)는 기준 클럭 발진 회로(28)에서 발생하는 클럭 신호(S1)에 동기한 주기(Tc)의 펄스 레이저 빔(PL1)을 출사하도록 구성되어 있다. 조사 펄스광의 강도는 가우시안 분포를 나타낸다. 클럭 신호(S1)는 레이저 다이싱 가공의 제어에 사용되는 가공 제어용 클럭 신호이다.
여기서 레이저 발진기(12)로부터 출사되는 레이저 파장은 피가공 기판에 대해 투과성의 파장을 사용한다. 레이저로서는, Nd: YAG 레이저, Nd:YVO4 레이저, Nd:YLF 레이저 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 피가공 기판이 사파이어 기판인 경우에는, 파장 532㎚의, Nd:YVO4 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
펄스 피커(14)는 레이저 발진기(12)와 빔 정형기(16) 사이의 광로에 설치된다. 그리고, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔(PL1)의 통과와 차단(온/오프)을 전환함으로써 피가공 기판으로의 펄스 레이저 빔(PL1)의 조사와 비조사를, 광펄스수 단위로 전환하도록 구성되어 있다. 이와 같이, 펄스 피커(14)의 동작에 의해 펄스 레이저 빔(PL1)은 피가공 기판의 가공으로 인해 온/오프가 제어되고, 변조된 변조 펄스 레이저 빔(PL2)으로 된다.
펄스 피커(14)는, 예를 들어 음향 광학 소자(AOM)로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어 라만 회절형의 전기 광학 소자(EOM)를 사용해도 상관없다.
빔 정형기(16)는 입사한 펄스 레이저 빔(PL2)을 원하는 형상으로 정형된 펄스 레이저 빔(PL3)으로 한다. 예를 들어, 빔 직경을 일정한 배율로 확대하는 빔 익스팬더이다. 또한, 예를 들어 빔 단면의 광강도 분포를 균일하게 하는 호모지나이저와 같은 광학 소자가 구비되어 있어도 좋다. 또한, 예를 들어 빔 단면을 원형으로 하는 소자나, 빔을 원편광으로 하는 광학 소자가 구비되어 있어도 상관없다.
집광 렌즈(18)는 빔 정형기(16)로 정형된 펄스 레이저 빔(PL3)을 집광하고, XYZ 스테이지부(20) 상에 적재되는 피가공 기판(W), 예를 들어 LED가 하면에 형성되는 사파이어 기판에 펄스 레이저 빔(PL4)을 조사하도록 구성되어 있다.
XYZ 스테이지부(20)는 피가공 기판(W)을 적재 가능하고, XYZ 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 XYZ 스테이지(이후, 단순히 스테이지라고도 함), 그 구동 기구부, 스테이지의 위치를 계측하는, 예를 들어 레이저 간섭계를 가진 위치 센서 등을 구비하고 있다. 여기서, XYZ 스테이지는 그 위치 결정 정밀도 및 이동 오차가 서브 마이크론의 범위의 고정밀도로 되도록 구성되어 있다. 그리고, Z방향으로 이동시킴으로써 펄스 레이저 빔의 초점 위치를 피가공 기판(W)에 대해 조정하여, 가공점 깊이를 제어하는 것이 가능하다.
가공 제어부(26)는 레이저 다이싱 장치(10)에 의한 가공을 전체적으로 제어한다. 기준 클럭 발진 회로(28)는 원하는 클럭 신호(S1)를 발생한다. 또한, 가공 테이블부(30)에는 다이싱 가공 데이터를 펄스 레이저 빔의 광펄스수로 기술한 가공 테이블이 기억된다.
다음에, 상기 레이저 다이싱 장치(10)를 사용한 레이저 다이싱 방법에 대해, 도 3 내지 도 10을 사용하여 설명한다.
우선, 피가공 기판(W), 예를 들어 사파이어 기판을 XYZ 스테이지부(20)에 적재한다. 이 사파이어 기판은, 예를 들어 하면에 에피택셜 성장된 GaN층을 갖고, 이 GaN층에 복수의 LED가 패턴 형성되어 있는 웨이퍼이다. 웨이퍼에 형성되는 노치 또는 오리엔테이션 플랫을 기준으로 XYZ 스테이지에 대한 웨이퍼의 위치 정렬이 행해진다. 또한, 이면에 형성된 금속막의 다이싱 라인부는 이미 제거되어 있는 것으로 하여, 이하에 설명한다.
도 4는 본 실시 형태의 레이저 다이싱 방법의 타이밍 제어를 설명하는 도면이다. 가공 제어부(26) 내의 기준 클럭 발진 회로(28)에 있어서, 주기(Tc)의 클럭 신호(S1)가 생성된다. 레이저 발진기 제어부(22)는 레이저 발진기(12)가 클럭 신호(S1)에 동기한 주기(Tc)의 펄스 레이저 빔(PL1)을 출사하도록 제어한다. 이때, 클럭 신호(S1)의 상승과 펄스 레이저 빔(PL1)의 상승에는 지연 시간(t1)이 발생한다.
레이저 광은 피가공 기판에 대해 투과성을 갖는 파장의 것을 사용한다. 여기서, 피가공 기판 재료의 흡수의 밴드 갭(Eg)으로부터, 조사하는 레이저 광의 광자의 에너지(hν)가 큰 레이저 광을 사용하는 것이 바람직하다. 에너지(hν)가 밴드 갭(Eg)보다 매우 크면, 레이저 광의 흡수가 발생한다. 이를 다광자 흡수라고 하고, 레이저 광의 펄스 폭을 극히 짧게 하여, 다광자 흡수를 피가공 기판의 내부에 일으키게 하면, 다광자 흡수의 에너지가 열에너지로 전화되지 않고, 이온 가수 변화, 결정화, 비정질화, 분극 배향 또는 미소 크랙 형성 등의 영속적인 구조 변화가 유기되어 컬러 센터가 형성된다.
이 레이저 광(펄스 레이저 빔)의 조사 에너지(조사 파워)는 피가공 기판 표면에 연속적인 크랙을 형성하기 위한 최적의 조건을 선택한다.
그리고, 피가공 기판 재료에 대해, 투과성을 갖는 파장을 사용하면, 기판 내부의 초점 부근에 레이저 광을 도광, 집광이 가능해진다. 따라서, 국소적으로 컬러 센터를 만드는 것이 가능해진다. 이 컬러 센터를, 이후, 개질 영역이라고 칭한다.
펄스 피커 제어부(24)는 가공 제어부(26)로부터 출력되는 가공 패턴 신호(S2)를 참조하여, 클럭 신호(S1)에 동기한 펄스 피커 구동 신호(S3)를 생성한다. 가공 패턴 신호(S2)는 가공 테이블부(30)에 기억되어, 조사 패턴의 정보를 광펄스 단위로 광펄스수로 기술하는 가공 테이블을 참조하여 생성된다. 펄스 피커(14)는 펄스 피커 구동 신호(S3)에 기초하여, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔(PL1)의 통과와 차단(온/오프)을 전환하는 동작을 행한다.
이 펄스 피커(14)의 동작에 의해, 변조 펄스 레이저 빔(PL2)이 생성된다. 또한, 클럭 신호(S1)의 상승과 펄스 피커 구동 신호(S3)의 상승, 하강에는 지연 시간(t2, t3)이 발생한다. 또한, 펄스 피커 구동 신호(S3)의 상승, 하강과, 펄스 피커 동작에는 지연 시간(t4, t5)이 발생한다.
피가공 기판의 가공 시에는 지연 시간(t1 내지 t5)을 고려하여, 펄스 피커 구동 신호(S3) 등의 생성 타이밍이나, 피가공 기판과 펄스 레이저 빔의 상대 이동 타이밍이 결정된다.
도 5는 본 실시 형태의 레이저 다이싱 방법의 펄스 피커 동작과 변조 펄스 레이저 빔(PL2)의 타이밍을 도시하는 도면이다. 펄스 피커 동작은 클럭 신호(S1)에 동기하여 광펄스 단위로 전환된다. 이와 같이, 펄스 레이저 빔의 발진과 펄스 피커의 동작을, 동일한 클럭 신호(S1)에 동기시킴으로써, 광펄스 단위의 조사 패턴을 실현할 수 있다.
구체적으로는, 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사가, 광펄스수로 규정되는 소정의 조건에 기초하여 행해진다. 즉, 조사광 펄스수(P1)와, 비조사광 펄스수(P2)를 기초로 펄스 피커 동작이 실행되어, 피가공 기판으로의 조사와 비조사가 전환된다. 펄스 레이저 빔의 조사 패턴을 규정하는 P1값이나 P2값은, 예를 들어 가공 테이블에 조사 영역 레지스터 설정, 비조사 영역 레지스터 설정으로서 규정된다. P1값이나 P2값은 피가공 기판의 재질, 레이저 빔의 조건 등에 의해, 다이싱 시의 크랙 형성을 최적화하는 소정의 조건으로 설정된다.
변조 펄스 레이저 빔(PL2)은 빔 정형기(16)에 의해 원하는 형상으로 정형된 펄스 레이저 빔(PL3)으로 한다. 또한, 정형된 펄스 레이저 빔(PL3)은 집광 렌즈(18)로 집광되어 원하는 빔 직경을 갖는 펄스 레이저 빔(PL4)으로 되어, 피가공 기판인 웨이퍼 상에 조사된다.
웨이퍼를 X축 방향 및 Y축 방향으로 다이싱하는 경우, 우선, 예를 들어 XYZ 스테이지를 X축 방향으로 일정 속도로 이동시켜, 펄스 레이저 빔(PL4)을 주사한다. 그리고, 원하는 X축 방향의 다이싱이 종료된 후, XYZ 스테이지를 Y축 방향으로 일정 속도로 이동시켜, 펄스 레이저 빔(PL4)을 주사한다. 이에 의해, Y축 방향의 다이싱을 행한다.
상기한 조사광 펄스수(P1)와, 비조사광 펄스수(P2) 및 스테이지의 속도로, 펄스 레이저 빔의 조사 비조사의 간격이 제어된다.
Z축 방향(높이 방향)에 대해서는, 집광 렌즈의 집광 위치(초점 위치)가 웨이퍼 내의 소정 깊이에 위치하도록 조정한다. 이 소정 깊이는 다이싱 시에 크랙이 원하는 형상으로 형성되도록 설정된다.
이때,
피가공 기판의 굴절률:n
피가공 기판 표면으로부터의 가공 위치:L
Z축 이동 거리:Lz
로 하면,
Lz＝L/n
으로 된다. 즉, 집광 렌즈에 의한 집광 위치를 피가공 기판의 표면을 Z축 초기 위치로 했을 때, 기판 표면으로부터 깊이 「L」의 위치에 가공하는 경우, Z축을 「Lz」 이동시키면 좋다.
도 6은 본 실시 형태의 레이저 다이싱 방법의 조사 패턴의 설명도이다. 도면과 같이, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔(PL1)이 생성된다. 그리고, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 변조 펄스 레이저 빔(PL2)이 생성된다.
그리고, 스테이지의 횡방향(X축 방향 또는 Y축 방향)의 이동에 의해, 변조 펄스 레이저 빔(PL2)의 조사광 펄스가 웨이퍼 상에 조사 스폿으로서 형성된다. 이와 같이, 변조 펄스 레이저 빔(PL2)을 생성함으로써, 웨이퍼 상에 조사 스폿이 광펄스 단위로 제어되어 단속적으로 조사된다. 도 6의 경우에는 조사광 펄스수(P1)＝2, 비조사광 펄스수(P2)＝1로 하고, 조사광 펄스(가우시안광)가 스폿 직경의 피치로 조사와 비조사를 반복하는 조건이 설정되어 있다.
여기서,
빔 스폿 직경:D(㎛)
반복 주파수:F(㎑)
의 조건으로 가공을 행하는 것으로 하면, 조사광 펄스가 스폿 직경의 피치로 조사와 비조사를 반복하기 위한 스테이지 이동 속도(V)(m/sec)는,
V＝D×10－6×F×103
으로 된다.
예를 들어,
빔 스폿 직경:D＝2㎛
반복 주파수:F＝50㎑
의 가공 조건으로 행하는 것으로 하면,
스테이지 이동 속도:V＝100㎜/sec
로 된다.
또한, 조사광의 파워를 P(와트)로 하면, 펄스당 조사 펄스 에너지(P/F)의 광펄스가 웨이퍼에 조사되게 된다.
펄스 레이저 빔의 조사 에너지(조사광의 파워), 펄스 레이저 빔의 가공점 깊이 및 펄스 레이저 빔의 조사 비조사의 간격의 파라미터가, 크랙이 피가공 기판 표면에 있어서 연속해서 형성되도록 결정된다.
도 7은 사파이어 기판 상에 조사되는 조사 패턴을 도시하는 상면도이다. 조사면 상으로부터 볼 때, 조사광 펄스수(P1)＝2, 비조사광 펄스수(P2)＝1이고, 조사 스폿 직경의 피치로 조사 스폿이 형성된다. 도 8은 도 7의 AA 단면도이다. 도면에 도시한 바와 같이 사파이어 기판 내부에 개질 영역이 형성된다. 그리고, 이 개질 영역으로부터, 광펄스의 주사선 상을 따라서 기판 표면에 도달하는 크랙이 형성된다. 그리고, 이 크랙이 피가공 기판 표면에 있어서 연속해서 형성된다.
도 9a - 도 9d는 본 실시 형태의 작용의 설명도이다. 예를 들어, 설정할 수 있는 최대의 펄스 레이저 빔의 레이저 주파수이고, 또한 설정할 수 있는 최고속의 스테이지 속도로, 펄스 레이저를 조사하는 경우의 조사 가능 위치를, 도 9a의 점선 원으로 나타낸다. 도 9b는 조사/비조사＝1/2인 경우의 조사 패턴이다. 실선 원이 조사 위치이고, 점선 원이 비조사 위치이다.
여기서, 조사 스폿의 간격(비조사 영역의 길이)을 보다 짧게 한 쪽이, 커팅성이 좋다고 가정한다. 이 경우에는, 도 9c에 도시한 바와 같이, 스테이지 속도를 변경하지 않고 조사/비조사＝1/1로 함으로써 대응이 가능하다. 가령 본 실시 형태와 같이, 펄스 피커를 사용하지 않으면, 동일한 조건을 현출시키기 위해서는 스테이지 속도를 저하시키는 것이 필요해져 다이싱 가공의 처리량이 저하된다고 하는 문제가 발생한다.
여기서, 조사 스폿을 연속시켜 조사 영역의 길이를 보다 길게 한 쪽이, 커팅성이 좋다고 가정한다. 이 경우에는, 도 9d에 도시한 바와 같이, 스테이지 속도를 변경하지 않고 조사/비조사＝2/1로 함으로써 대응이 가능하다. 가령 본 실시 형태와 같이, 펄스 피커를 사용하지 않으면, 동일한 조건을 현출시키기 위해서는 스테이지 속도를 저하시키고, 또한 변동시키는 것이 필요해져 다이싱 가공의 처리량이 저하되는 동시에 제어가 극히 곤란해진다고 하는 문제가 발생한다. 도 9b의 조사 패턴으로 조사 에너지를 올림으로써, 도 9d에 가까운 조건으로 하는 것도 생각되지만, 이 경우, 1점에 집중하는 레이저 파워가 커져, 크랙 폭의 증대나 크랙의 직선성에 열화가 우려된다. 또한, 사파이어 기판에 LED가 형성되어 있는 경우에는, 크랙과 반대측의 LED 영역에 도달하는 레이저량이 증대되어, LED 소자의 열화가 발생한다고 하는 우려도 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 예를 들어 레이저 빔의 조건이나 스테이지 속도 조건을 변화시키지 않아도 다양한 커팅 조건을 실현하는 것이 가능하고, 생산성이나 소자 특성을 열화시키는 일 없이 최적의 커팅 조건을 발견하는 것이 가능해진다.
또한, 본 명세서 중, 「조사 영역의 길이」 「비조사 영역의 길이」는 도 9d에 도시하는 길이로 한다.
도 10은 스테이지 이동과 다이싱 가공의 관계를 설명하는 도면이다. XYZ 스테이지에는 X축, Y축 방향으로 이동 위치를 검출하는 위치 센서가 설치되어 있다. 예를 들어, 스테이지의 X축 또는 Y축 방향으로의 이동 개시 후, 스테이지 속도가 속도 안정 영역에 들어가는 위치를 미리 동기 위치로서 설정해 둔다. 그리고, 위치 센서에 있어서 동기 위치를 검출했을 때, 예를 들어 이동 위치 검출 신호(S4)(도 3)가 펄스 피커 제어부(24)로 보내짐으로써 펄스 피커 동작이 허가되어, 펄스 피커 구동 신호(S3)에 의해 펄스 피커(14)를 동작시키도록 한다. 동기 위치를, 예를 들어 피가공 기판의 단부면으로 하고, 이 단부면을 위치 센서로 검출하는 것으로 해도 좋다.
이와 같이,
SL:동기 위치로부터 기판까지의 거리
WL:가공 길이
W1:기판 단부로부터 조사 개시 위치까지의 거리
W2:가공 범위
W3:조사 종료 위치로부터 기판 단부까지의 거리
가 관리된다.
이와 같이 하여, 스테이지 위치와 펄스 피커의 동작 개시 위치가 동기한다. 즉, 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사와, 스테이지의 위치의 동기가 취해진다. 그로 인해, 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사 시, 스테이지가 일정 속도로 이동하는(속도 안정 영역에 있는) 것이 담보된다. 따라서, 조사 스폿 위치의 규칙성이 담보되어, 안정된 크랙의 형성이 실현된다.
여기서, 두꺼운 기판을 가공하는 경우에, 상이한 가공점 깊이의 펄스 레이저 빔을 복수회(복수층) 기판의 동일 주사선 상을 주사하여 크랙을 형성함으로써, 커팅 특성을 향상시키는 것이 생각된다. 이와 같은 경우, 스테이지 위치와 펄스 피커의 동작 개시 위치가 동기함으로써, 상이한 깊이의 주사에 있어서, 펄스 조사 위치의 관계를 임의로 고정밀도로 제어하는 것이 가능해지고, 다이싱 조건의 최적화가 가능해진다.
도 11a, 도 11b는 상이한 가공점 깊이의 펄스 레이저 빔을, 복수회 기판의 동일 주사선 상을 주사하여 크랙을 형성하는 경우의 설명도이다. 기판 단면에 있어서의 조사 패턴의 모식도이다. ON(칠해진 부분)이 조사, OFF(백색)가 비조사 영역이다. 도 11a는 조사의 주사의 1층째와 2층째가 동상(同相)인 경우, 즉 1층째와 2층째에서 조사 펄스 위치의 상하 관계가 정렬되어 있는 경우이다. 도 11b는 조사의 주사의 1층째와 2층째가 이상(異相)인 경우, 즉, 1층째와 2층째에서 조사 펄스 위치의 상하 관계가 어긋나 있는 경우이다.
도 12a, 도 12b는 도 11a, 도 11b의 조건으로 커팅한 경우의 커팅면의 광학 사진이다. 도 12a가 동상, 도 12b가 이상인 경우이다. 각각 상측의 사진이 저배율, 하측의 사진이 고배율로 되어 있다. 이와 같이, 스테이지 위치와 펄스 피커의 동작 개시 위치가 동기함으로써, 조사의 주사의 1층째와 2층째의 관계를 고정밀도로 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 도 12a, 도 12b에 도시한 피가공 기판은 두께 150㎛의 사파이어 기판이다. 이 경우, 커팅에 필요로 한 커팅력은 동상인 경우가 0.31N, 이상인 경우가 0.38N으로, 동상의 쪽이 커팅 특성이 우수했다.
또한, 여기서는 조사/비조사의 펄스수를, 1층째와 2층째와 동일하다고 하는 경우를 예로 들었지만, 1층째와 2층째에서 다른 조사/비조사의 펄스수로서 최적의 조건을 발견하는 것도 가능하다.
또한, 예를 들어, 스테이지의 이동을 클럭 신호에 동기시키는 것이, 조사 스폿 위치의 정밀도를 한층 향상시키기 때문에 바람직하다. 이는, 예를 들어, 가공 제어부(26)로부터 XYZ 스테이지부(20)로 보내지는 스테이지 이동 신호(S5)(도 3)를 클럭 신호(S1)에 동기시킴으로써 실현 가능하다.
본 실시 형태의 레이저 다이싱 방법과 같이, 기판 표면까지 도달하고, 또한 피가공 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙을 형성함으로써, 이후의 기판의 커팅이 용이해진다. 따라서, 다이싱의 생산성이 향상된다. 또한, 크랙 형성 후의 최종적인 기판의 커팅, 즉 개개의 LED 칩으로의 분할은, 크랙 형성 후에 자연스럽게 분할되는 것이라도, 인위적인 힘을 더욱 인가함으로써 분할되는 것이라도 상관없다.
종래와 같이, 펄스 레이저 빔을 연속적으로 기판에 조사하는 방법에서는, 가령, 스테이지 이동 속도, 집광 렌즈의 개구수, 조사광 파워 등을 최적화하였다고 해도, 기판 표면에 연속해서 형성하는 크랙을 원하는 형상으로 제어하는 것은 곤란했다. 본 실시 형태와 같이, 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를, 광펄스 단위로 단속적으로 전환하여 조사 패턴을 최적화함으로써, 기판 표면에 도달하는 크랙의 발생이 제어되어, 우수한 커팅 특성을 구비한 레이저 다이싱 방법이 실현된다.
즉, 예를 들어, 기판 표면에 레이저의 주사선을 따른 대략 직선적으로 연속되는 폭이 좁은 크랙의 형성이 가능해진다. 이와 같은 대략 직선적인 연속되는 크랙을 형성함으로써, 다이싱 시에, 기판에 형성되는 LED 등의 디바이스에 미치는 크랙의 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 예를 들어, 직선적인 크랙의 형성이 가능해지므로, 기판 표면에 크랙이 형성되는 영역의 폭을 좁게 할 수 있다. 이로 인해, 설계상의 다이싱 폭을 좁히는 것이 가능하다. 따라서, 동일 기판 혹은 웨이퍼 상에 형성되는 디바이스의 칩수를 증대시키는 것이 가능해져, 디바이스의 제조 비용 삭감에도 기여한다.
[실시예]
이하, 본 실시 형태의 레이저 가공 부분에 대한 실시예를 설명한다.
(제1 실시예)
실시 형태에 기재한 방법에 의해, 하기 조건으로 레이저 다이싱을 행하였다.
피가공 기판:사파이어 기판, 기판 두께 100㎛
레이저 광원:Nd:YVO4 레이저
파장:532㎚
조사 에너지:50㎽
레이저 주파수:20㎑
조사광 펄스수(P1):1
비조사광 펄스수(P2):2
스테이지 속도:25㎜/sec
가공점 깊이:피가공 기판 표면으로부터 25.2㎛
도 13은 제1 실시예의 조사 패턴을 도시하는 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, 광펄스를 1회 조사한 후, 광펄스 단위로 2펄스분을 비조사로 한다. 이 조건을 이후, 조사/비조사＝1/2이라고 하는 형식으로 기술한다. 또한, 여기서는 조사ㆍ비조사의 피치는 스폿 직경과 동등하게 되어 있다.
제1 실시예의 경우, 스폿 직경은 약 1.2㎛였다. 따라서, 조사의 간격은 약 3.6㎛로 되어 있었다.
레이저 다이싱의 결과를 도 14a에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다. 상측의 광학 사진은 기판 내부의 개질 영역에 초점을 맞추어 촬영하고 있다. 하측의 광학 사진은 기판 표면의 크랙에 초점을 맞추어 촬영하고 있다. 또한, 도 15는 크랙의 방향으로 수직인 기판의 단면 SEM 사진이다.
피가공 기판은 폭 약 5㎜의 스트립 형상이고, 스트립의 신장 방향에 수직으로 펄스 레이저 빔을 조사하여, 크랙을 형성하였다. 크랙을 형성한 후, 브레이커를 사용하여 커팅에 필요로 하는 커팅력을 평가하였다.
(제2 실시예)
조사/비조사＝1/1로 하는 것 이외는, 제1 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 14b에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제3 실시예)
조사/비조사＝2/2로 하는 것 이외는, 제1 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 14c에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제4 실시예)
조사/비조사＝2/2로 하는 것 이외는, 제1 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 14e에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제1 비교예)
조사/비조사＝1/3로 하는 것 이외는, 제1 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 14d에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
제1 실시예 내지 제4 실시예에서는 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 가공점 깊이 및 조사 비조사의 간격을 상기와 같이 설정함으로써, 도 14a - 도 14e 및 도 15에서 도시된 바와 같이, 피가공 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙을 형성할 수 있었다.
특히, 제1 실시예의 조건에서는, 극히 직선적인 크랙이 피가공 기판 표면에 형성되어 있었다. 그리고, 제1 실시예의 조건이 가장 작은 커팅력으로 기판을 커팅하는 것이 가능했다. 따라서, 피가공 기판이 사파이어 기판인 경우에는, 각 조건의 제어성도 고려하면, 조사 에너지를 50±5㎽로 하고, 가공점 깊이를 25.0±2.5㎛로 하고, 펄스 레이저 빔의 통과를 1 광펄스 단위, 차단을 2 광펄스 단위로 함으로써 조사의 간격을 3.6±0.4㎛로 하는 것이 바람직하다.
한편, 제3 실시예와 같이, 개질 영역이 접근하여, 개질 영역 사이의 기판 내부에 크랙이 형성되면 표면의 크랙이 사행되어, 크랙이 발생하는 영역의 폭이 넓어지는 경향이 보여졌다. 이는, 좁은 영역에 집중하는 레이저 광의 파워가 지나치게 크기 때문이라고 생각된다.
제1 비교예에서는 조건이 최적화되어 있지 않고, 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙은 형성되지 않았다. 따라서, 커팅력의 평가도 불가능했다.
(제5 실시예)
실시 형태에 기재한 방법에 의해, 하기 조건으로 레이저 다이싱을 행하였다.
피가공 기판:사파이어 기판, 기판 두께 100㎛
레이저 광원:Nd:YVO4 레이저
파장:532㎚
조사 에너지:90㎽
레이저 주파수:20㎑
조사광 펄스수(P1):1
비조사광 펄스수(P2):1
스테이지 속도:25㎜/sec
레이저 다이싱의 결과를 도 16a에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다. 상측의 광학 사진은 기판 내부의 개질 영역에 초점을 맞추어 촬영하고 있다. 하측의 광학 사진은 기판 표면의 크랙에 초점을 맞추어 촬영하고 있다.
(제6 실시예)
조사/비조사＝1/2로 하는 것 이외는, 제5 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 16b에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제7 실시예)
조사/비조사＝2/2로 하는 것 이외는, 제5 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 16c에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제8 실시예)
조사/비조사＝1/3로 하는 것 이외는, 제5 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 16d에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제9 실시예)
조사/비조사＝2/3로 하는 것 이외는, 제5 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 16e에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
(제10 실시예)
조사/비조사＝2/3로 하는 것 이외는, 제5 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 16f에 도시한다. 상측이 기판 상면의 광학 사진, 하측이 상측보다 저배율의 기판 상면의 광학 사진이다.
제5 실시예 내지 제10 실시예에서는 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 가공점 깊이 및 조사 비조사의 간격을 상기와 같이 설정함으로써, 도 16a - 도 16f에서 도시된 바와 같이, 피가공 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙을 형성할 수 있었다.
특히, 제8 실시예의 조건에서는, 비교적 직선적인 크랙이 피가공 기판 표면에 형성되어 있었다. 또한, 제8 실시예의 조건은 커팅력도 작았다. 당연히, 제1 실시예 내지 제4 실시예의 조사 에너지가 50㎽인 경우에 비해, 표면의 크랙이 사행되어, 크랙이 발생하는 영역의 폭이 넓어지는 경향이 보여졌다. 이는, 90㎽인 경우에는, 50㎽에 비해 좁은 영역에 집중하는 레이저 광의 파워가 지나치게 크기 때문이라고 생각된다.
(제11 실시예)
실시 형태에 기재한 방법에 의해, 하기 조건으로 레이저 다이싱을 행하였다.
피가공 기판:사파이어 기판
레이저 광원:Nd:YVO4 레이저, 기판 두께 100㎛
파장:532㎚
조사 에너지:50㎽
레이저 주파수:20㎑
조사광 펄스수(P1):1
비조사광 펄스수(P2):2
스테이지 속도:25㎜/sec
가공점 깊이:피가공 기판 표면으로부터 약 15.2㎛
제1 실시예로부터 가공점 깊이가 10㎛ 얕은 조건, 즉 제1 실시예보다도 펄스 레이저 빔의 집광 위치가 보다 피가공 기판 표면에 가까운 조건으로 다이싱 가공을 행하였다.
레이저 다이싱의 결과를 도 17a에 도시한다. 기판 내부의 개질 영역에 초점을 맞추어 촬영하고 있다. 사진에 있어서, 우측의 선(＋10㎛)이 제11 실시예의 조건이다. 비교를 위해, 가공점 깊이만 다른 제1 실시예의 조건(0)이 좌측에 도시되어 있다.
(제12 실시예)
조사/비조사＝1/1로 하는 것 이외는, 제11 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 17b에 도시한다.
(제13 실시예)
조사/비조사＝2/2로 하는 것 이외는, 제11 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 17c에 도시한다.
(제14 실시예)
조사/비조사＝1/3로 하는 것 이외는, 제11 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 17d에 도시한다.
(제15 실시예)
조사/비조사＝2/3로 하는 것 이외는, 제11 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 17e에 도시한다.
제11 실시예 내지 제15 실시예에서는 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 가공점 깊이 및 조사 비조사의 간격을 상기와 같이 설정함으로써, 도 17a - 도 17e에서 도시된 바와 같이, 피가공 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙을 형성할 수 있었다.
당연히, 제1 실시예 내지 제4 실시예의 경우에 비해, 표면에 개질 영역의 큰 균열이 노출되었다. 그리고, 표면의 크랙이 사행되어, 크랙이 발생하는 영역의 폭이 넓어지는 경향이 보여졌다.
상기 실시예에 의해, 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 펄스 레이저 빔의 가공점 깊이 및 펄스 레이저 빔의 조사 비조사의 간격을 제어함으로써, 크랙이 피가공 기판 표면에 있어서 연속하도록 형성하는 것이 가능해지고, 커팅성이 우수한 레이저 다이싱 방법을 제공할 수 있는 것이 명백해졌다.
(제16 실시예)
실시 형태에 기재한 방법에 의해, 하기 조건으로 레이저 다이싱을 행하였다.
피가공 기판:사파이어 기판, 기판 두께 100㎛
레이저 광원:Nd:YVO4 레이저
파장:532㎚
조사 에너지:90㎽
레이저 주파수:20㎑
조사광 펄스수(P1):1
비조사광 펄스수(P2):1
스테이지 속도:25㎜/sec
제5 실시예로부터 가공점 깊이가 10㎛ 얕은 조건, 즉 제5 실시예보다도 펄스 레이저 빔의 집광 위치가 보다 피가공 기판 표면에 가까운 조건으로 다이싱 가공을 행하였다.
레이저 다이싱의 결과를 도 18a에 도시한다. 기판 내부의 개질 영역에 초점을 맞추어 촬영하고 있다. 사진에 있어서, 우측의 선(＋10㎛)이 제16 실시예의 조건이다. 비교를 위해, 가공점 깊이만 다른 제5 실시예의 조건(0)이 좌측에 도시되어 있다.
(제17 실시예)
조사/비조사＝1/2로 하는 것 이외는, 제16 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 18b에 도시한다.
(제18 실시예)
조사/비조사＝2/2로 하는 것 이외는, 제16 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 18c에 도시한다.
(제19 실시예)
조사/비조사＝1/3로 하는 것 이외는, 제16 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 18d에 도시한다.
(제20 실시예)
조사/비조사＝2/3로 하는 것 이외는, 제16 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 18e에 도시한다.
(제21 실시예)
조사/비조사＝1/4로 하는 것 이외는, 제16 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 18f에 도시한다.
제16 실시예 내지 제21 실시예에서는 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 가공점 깊이 및 조사 비조사의 간격을 상기와 같이 설정함으로써, 도 18a - 도 18f에서 도시된 바와 같이, 피가공 기판 표면에 있어서 연속되는 크랙을 형성할 수 있었다.
당연히, 제5 실시예 내지 제10 실시예의 경우에 비해, 표면에 개질 영역의 큰 균열이 노출되었다. 그리고, 표면의 크랙이 사행되어, 크랙이 발생하는 영역의 폭이 넓어지는 경향이 보여졌다. 따라서, 커팅 후의 커팅부도 사행이 보여줬다.
이상, 제1 실시예 내지 제21 실시예, 제1 비교예의 평가로부터, 피가공 기판의 두께가 100㎛인 경우에는, 크랙의 직선성이 우수하기 때문에 커팅부의 직선성도 우수하고, 커팅력도 작은 제1 실시예의 조건이 최적인 것이 명백해졌다.
(제22 실시예)
실시 형태에 기재한 방법에 의해, 하기 조건으로 레이저 다이싱을 행하였다.
피가공 기판:사파이어 기판, 기판 두께 150㎛
레이저 광원:Nd:YVO4 레이저
파장:532㎚
조사 에너지:200㎽
레이저 주파수:200㎑
조사광 펄스수(P1):1
비조사광 펄스수(P2):2
스테이지 속도:5㎜/sec
가공점 깊이:피가공 기판 표면으로부터 약 23.4㎛
제1 실시예 내지 제21 실시예의 피가공 기판 두께가 100㎛인 사파이어 기판이었던 것에 비해, 본 실시예는 피가공 기판 두께가 150㎛인 사파이어 기판이다. 레이저 다이싱의 결과를 도 19a에 도시한다. 상측이 기판의 커팅면의 광학 사진, 하측이 기판 단면에 있어서의 조사 패턴의 모식도이다. ON(칠해진 부분)이 조사, OFF(백색)가 비조사 영역이다.
피가공 기판은 폭이 약 5㎜인 스트립 형상이고, 스트립의 신장 방향에 수직으로 펄스 레이저 빔을 조사하여 크랙을 형성하였다. 크랙을 형성한 후, 브레이커를 사용하여 커팅에 필요로 하는 커팅력을 평가하였다.
(제23 실시예)
조사/비조사＝2/4로 하는 것 이외는, 제22 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 19b에 도시한다.
(제24 실시예)
조사/비조사＝3/5으로 하는 것 이외는, 제22 실시예와 동일한 방법으로 레이저 다이싱을 행하였다. 레이저 다이싱의 결과를 도 19c에 도시한다.
크랙의 직선성은 제22 실시예 내지 제23 실시예 모두 동일한 정도이고, 커팅 후의 커팅부의 직선성도 동일한 정도였다. 또한, 제22 실시예의 커팅에 필요로 하는 커팅력은 2.39N 내지 2.51N, 제23 실시예는 2.13N 내지 2.80N, 제24 실시예는 1.09N 내지 1.51N이었다. 이 결과, 커팅에 필요로 하는 커팅력은 조사/비조사＝3/5으로 한 제24 실시예의 조건이 가장 적은 것을 알 수 있었다. 따라서, 피가공 기판의 두께가 150㎛인 경우에는, 제24 실시예의 조건이 최적인 것이 명백해졌다.
이상, 실시예로부터, 피가공 기판의 두께가 바뀐 경우라도, 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 펄스 레이저 빔의 가공점 깊이 등에 추가하여, 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를, 펄스 레이저 빔이 동기하면 동일한 가공 제어용 클럭 신호에 동기하여 제어하고, 광펄스 단위로 전환함으로써, 최적의 커팅 특성을 실현할 수 있는 것이 명백해졌다.
또한, 실시예에서는 피가공 기판이 100㎛와 150㎛인 경우에 대해 예시하였지만, 더욱 두꺼운 200㎛, 250㎛의 피가공 기판에서도 최적의 커팅 특성을 실현할 수 있다.
(제2 실시 형태)
본 실시 형태의 다이싱 방법은 복수의 소자가 형성되고, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며, 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고, 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하고, 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고, 클럭 신호를 발생하고, 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 출사하고, 피가공물 표면에, 펄스 피커와 레이저 빔 스캐너를 사용하여, 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔을 통과와 차단을 전환하면서 1차원 방향으로 주사하고, 1차원 방향으로 펄스 레이저 빔을 주사한 후에, 1차원 방향에 직교하는 방향으로 제2 스테이지를 이동하고, 또한 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔을 1차원 방향으로 주사하고, 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성하는 다이싱 방법이며, 레이저 빔 스캐너로부터의 주사 위치 신호에 기초하여, 펄스 피커에 있어서의 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 주사마다의 가공 원점 위치를 보정하는 것을 특징으로 한다.
본 실시 형태의 다이싱 방법은 레이저 빔 스캐너를 갖는 펄스 레이저 가공 장치를 사용하는 가공 방법인 것 이외는, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 따라서, 제1 실시 형태와 중복되는 내용에 대해서는 기재를 생략한다.
본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치는 레이저 발진기의 펄스, 레이저 빔 스캐너의 주사 및 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을, 동일한 클럭 신호에 직접 또는 간접적으로 동기시킨다. 이와 같이, 레이저계와 빔 주사계의 동기를 유지함으로써, 펄스 레이저 빔의 조사 스폿의 위치 결정 정밀도를 향상시킨다.
그리고, 또한, 펄스 레이저 빔의 광펄스수에 기초하여, 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어하는 것을 가능하게 한다. 이에 의해, 레이저 발진기의 펄스, 레이저 빔 스캐너의 주사 및 펄스 레이저 빔의 통과와 차단의 동기 유지가 용이해진다. 또한, 제어 회로의 구성을 간략화할 수 있다. 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치는 펄스 레이저 빔의 조사 스폿의 위치 결정 정밀도를 한층 향상시키는 동시에, 피가공물 표면의 안정된 미세 가공과 그 고속화를 용이하게 실현한다.
도 20은 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 구성도이다. 펄스 레이저 가공 장치(10)는 그 주요한 구성으로서, 레이저 발진기(12), 펄스 피커(14), 빔 정형기(16), 레이저 빔 스캐너(19), XY 스테이지부(20), 펄스 피커 제어부(24) 및 가공 제어부(26)를 구비하고 있다. 가공 제어부(26)에는 원하는 클럭 신호(S1)를 발생하는 기준 클럭 발진 회로(28)가 구비되어 있다.
레이저 발진기(12)는 기준 클럭 발진 회로(28)에서 발생하는 클럭 신호(S1)에 동기한 펄스 레이저 빔(PL1)을 출사하도록 구성되어 있다. 이 레이저 발진기(12)는 초단 펄스인 ps(피코초) 레이저 빔 혹은 fs(펨트초) 레이저 빔을 발진하는 것이 바람직하다.
여기서, 레이저 발진기(12)로부터 사출되는 레이저 파장은 피가공물(피가공 기판)의 광흡수율, 광반사율 등을 고려하여 선택된다.
펄스 피커(14)는 레이저 발진기(12)와 레이저 빔 스캐너(19) 사이의 광로에 설치된다. 그리고, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔(PL1)의 통과와 차단(온/오프)을 전환함으로써 피가공물[워크(W)]의 가공과 비가공을 전환하도록 구성되어 있다. 이와 같이, 펄스 피커(14)의 동작에 의해 펄스 레이저 빔(PL1)은 피가공물의 가공을 위해 온/오프가 제어되어 변조된 변조 펄스 레이저 빔(PL2)으로 된다.
펄스 피커(14)는, 예를 들어 음향 광학 소자(AOM)로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어 라만 회절형의 전기 광학 소자(EOM)를 사용해도 상관없다.
빔 정형기(16)는 입사한 펄스 레이저 빔(PL2)을 원하는 형상으로 정형된 펄스 레이저 빔(PL3)으로 한다. 예를 들어, 빔 직경을 일정한 배율로 확대한 빔 익스팬더이다. 또한, 예를 들어, 빔 단면의 광강도 분포를 균일하게 하는 호모지나이저와 같은 광학 소자가 구비되어 있어도 좋다. 또한, 예를 들어 빔 단면을 원형으로 하는 소자나, 빔을 원편광으로 하는 광학 소자가 구비되어 있어도 상관없다.
레이저 빔 스캐너(19)는 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔(PL4)을, 1차원 방향으로만 주사하도록 구성되어 있다. 이와 같이, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔(PL4)을 주사함으로써, 펄스 레이저 빔의 조사 스폿의 위치 결정 정밀도가 향상된다.
또한, 1차원 방향만의 주사로 함으로써도, 펄스 레이저 빔의 조사 스폿의 위치 결정 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 왜냐하면, 2차원 방향의 주사를 행하는 레이저 빔 스캐너는 구조상 1차원 방향만 주사하는 레이저 빔 스캐너에 비해 빔의 위치 정밀도가 열화되기 때문이다.
레이저 빔 스캐너(19)로서는, 예를 들어 1축 스캔 미러를 구비한 갈바노미터ㆍ스캐너를 들 수 있다. 도 21은 갈바노미터ㆍ스캐너를 사용한 레이저 빔 스캐너의 설명도이다.
갈바노미터ㆍ스캐너는 1축 스캔 미러(29), 갈바노미터(31), 레이저 빔 스캐너 제어부(32)를 갖고 있다. 여기서, 갈바노미터(31)는, 예를 들어 주사각 센서(36)로부터의 피드백에 의한 서보 제어와 같은 스캔 미러 회전의 구동 기구를 구비하고 있다.
가공 제어부(26)로부터는 클럭 신호(S1)에 동기한 주사 지령 신호(S2)가 보내진다. 그리고, 갈바노미터(31)는 주사 지령 신호(S2)에 기초하는 레이저 빔 스캐너 제어부(32)로부터의 구동 신호(S3)에 의해 구동 제어되도록 구성되어 있다. 갈바노미터ㆍ스캐너는 1축 스캔 미러(29)에 의해 전반사하는 펄스 레이저 빔(PL3)을, 도 21의 화살표로 나타낸 바와 같이 스캔 미러의 회전 운동(진동)을 따라서 주사한다.
레이저 빔 스캐너(19)에는 주사각 센서(36)가 구비되어 있다. 갈바노미터ㆍ스캐너의 경우에는, 그 1축 스캔 미러(28)의 회전 위치를 로터리 인코더 등에 의해 검출하는 구조로 되어 있다. 그리고, 주사각 센서(36)는 검출한 주사각 검출 신호(S4)를 레이저 빔 스캐너 제어부(32)로 보내고, 갈바노미터(31)의 구동 제어용으로서 사용한다. 또한, 레이저 빔 스캐너 제어부(32)는 주사각 검출 신호(S4)에 기초하여 주사 위치 신호인 주사각 신호(S5)를 가공 제어부(26)로 송신한다.
그리고, 상기 1축 스캔 미러(29)로 반사한 펄스 레이저 빔(PL3)은, fθ 렌즈(34)를 통해, 1차원 방향으로, 예를 들어 일정한 속도(V)로 병행하여 주사되는 상 높이 H＝fθ의 펄스 레이저 빔(PL4)으로 된다. 그리고, 이 펄스 레이저 빔(PL4)이, XY 스테이지부(20) 상에 보유 지지되는 피가공물(W)의 표면을 미세 가공하는 조사 펄스광으로서, 피가공물(W) 상에 투사된다.
레이저 빔 스캐너(19)에는 갈바노미터ㆍ스캐너 외에, 예를 들어 폴리건ㆍ스캐너, 피에조ㆍ스캐너, 또는 레조난트ㆍ스캐너 등을 적용하는 것도 가능하다.
상기 어떤 레이저 빔 스캐너라도, 가공을 행하는 범위에서 일정한 주사 속도(V)를 확보할 수 있도록 제어하도록 구성되는 것이, 가공 정밀도를 올리는 관점으로부터 중요하다. 도 22는 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 레이저 빔 스캐너의 주사를 설명하는 도면이다. 도 22에 도시한 바와 같이, 스캔 미러의 주사각 범위의 주사 개시 위치로부터 주사 종료 위치에 대응하는 위치 범위에는 가속 기간, 안정 영역, 감속 기간이 있다. 가공 정밀도를 올리기 위해서는, 실제의 가공 범위가 포함되는 안정 영역 내에서 주사 속도(V)가 일정해지도록 제어하도록 장치가 구성되는 것이 중요하다.
XY 스테이지부(20)는 피가공물(W)을 적재 가능하고, 펄스 레이저 빔이 주사되는 1차원 방향으로 직교하는 방향을 포함하는 XY 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 XY 스테이지, 그 구동 기구부, XY 스테이지의 위치를 계측하는, 예를 들어 레이저 간섭계를 가진 위치 센서 등을 구비하고 있다. 여기서, XY 스테이지는 2차원의 광범위, 예를 들어 1m 정도의 X방향 및 Y방향의 거리 범위에서, 연속 이동 혹은 스텝 이동할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 그 위치 결정 정밀도 및 이동 오차가 서브 마이크론의 범위의 고정밀도로 되도록 구성되어 있다.
가공 제어부(26)는 반도체 집적 회로로 이루어지는 마이크로 컴퓨터(MCU), 마이크로프로세서(MPU), 디지털 시그널 프로세서(DSP), 반도체 메모리, 회로 기판 등의 하드웨어 또는 이들 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 구성되어 있다. 펄스 레이저 가공 장치에 의한 가공을 통합하여 제어한다.
도 23은 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 가공 제어부의 설명도이다. 가공 제어부(26)는 레이저계ㆍ빔 주사계 제어부(37), 가공 데이터 설정부(38) 및 가공 패턴 생성부(40)를 구비하고 있다.
레이저계ㆍ빔 주사계 제어부(37)는 레이저 발진기(12)나 펄스 피커(14) 등의 레이저계 및 레이저 빔 스캐너(19) 등의 빔 주사계를 제어한다. 레이저계ㆍ빔 주사계 제어부(37)에는 레이저계나 빔 주사계의 조건을 설정하는 레이저ㆍ빔 조건 설정부(68), 레이저계나 빔 주사계의 동기를 유지하기 위한 클럭 신호(S1)를 발생하는 기준 클럭 발진 회로(28)를 구비하고 있다. 또한, 레이저계나 빔 주사계의 동기를 유지하기 위해, 위상 동기 처리 회로(42), 레이저 빔 스캐너 제어 회로(32), 동기 위치 설정부(44), 동기 검출 회로(46) 등을 구비하고 있다.
가공 패턴 생성부(40)에서는, 예를 들어 외부로부터 가공 데이터 설정부(40)로 입력되는 가공 데이터를, 실제의 가공에 입각한 파라미터의 데이터로 변환한다. 가공 데이터 설정부(40)에 입력되는 가공 데이터는, 예를 들어 3차원 형상의 지정, 치수, 형상의 수, 배치, 워크의 재료명, 워크의 치수 등으로 구성되어 있다.
도 24는 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 가공 패턴 생성부의 설명도이다. 가공 패턴 생성부(40)에는 가공 데이터 설정부(38)에 입력되는 가공 데이터를 해석하는 가공 데이터 해석부(48)가 구비된다. 또한, 가공 데이터 해석부(48)에서의 해석을 기초로, 가공 테이블 및 스테이지 이동 테이블을 생성하는 테이블 생성부(49)를 구비하고 있다. 가공 테이블은 가공 패턴에 대해, 대기 길이, 가공 길이나 비가공 길이를 펄스 레이저 빔의 광펄스수에 기초하여 기재한다. 즉, 테이블 생성부(49)는 가공 데이터의 가공 길이 및 비가공 길이와, 펄스 레이저 빔의 스폿 직경을 기준으로 가공 테이블을 생성한다. 스테이지 이동 테이블은 가공 패턴에 대해, XY 스테이지부의 이동 거리 등을 기재한다.
또한, 가공 패턴 생성부(40)는 가공 테이블을 구비하는 펄스 피커 가공 테이블부(50)를 구비하고 있다. 또한, 스테이지 이동 테이블을 구비하는 스테이지 이동 테이블부(52)를 구비하고 있다. 또한, 가공 테이블이나 스테이지 이동 테이블에 대해서는, 상기와 같이 가공 패턴 생성부(40)의 내부에서 생성되는 장치 구성이라도, 가공 패턴 생성부(40)나 펄스 레이저 가공 장치(10)의 외부에서 생성되는 장치 구성이라도 상관없다.
그리고, 가공 패턴 생성부(40)에는 펄스 피커 가공 테이블부(50)로부터 출력되는 가공 원점에 관한 정보가 입력되는 가공 원점(SYNC) 레지스터(54)(이하, 단순히 가공 원점 레지스터라고도 기재)를 구비한다. 또한, 펄스 피커 가공 테이블부(50)로부터 출력되는 대기 길이, 가공 길이나 비가공 길이에 관한 정보가 입력되는 대기 길이 레지스터(56), 가공 길이 레지스터(58) 및 비가공 길이 레지스터(60)가 구비되어 있다.
가공 패턴 신호 생성부(62)에는 가공 원점 레지스터(54), 대기 길이 레지스터(56), 가공 길이 레지스터(58) 및 비가공 길이 레지스터(60)의 값이 입력되어, 펄스 피커 제어부(24)로 보내진다. 이동 신호 생성부(64)는 스테이지 이동 테이블부(52)로부터의 데이터에 기초하여, 스테이지 이동 신호(S15)를 생성하여, 스테이지 제어부(66)로 출력하도록 구성되어 있다.
가공 패턴 생성부(40)에서 생성된 데이터는 레이저계ㆍ빔 주사계 제어부(37)로도 출력되어, 레이저계와 빔 주사계의 동기 유지에 사용된다.
도 25는 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 가공 패턴 신호 생성부의 설명도이다. 가공 패턴 신호 생성부(62)는 가공 원점 카운터(70), 대기 길이 카운터(72), 가공 길이 카운터(74) 및 비가공 길이 카운터(76)를 구비하고 있다. 이들 카운터는 타이밍 형성 회로(88)로부터 출력되는 카운터 제어 신호(S8)에 의해, 카운트를 개시하도록 구성되어 있다.
또한, 레지스터와 카운터의 값을 비교하는 기능을 갖는 가공 원점 비교기(80), 대기 길이 비교기(82), 가공 길이 비교기(84) 및 비가공 길이 비교기(86)를 구비하고 있다. 이들 비교기는 레지스터와 카운터의 값이 일치한 경우에는, 일치 신호(a 내지 신호 d)를 타이밍 형성 회로(88)로 출력하도록 구성되어 있다.
그리고, 타이밍 형성 회로(88)는 입력되는 동기 검출 신호(S9), 일치 신호(a 내지 d), 주사 종료 코드에 기초하여, 가공 패턴 출력 회로(90)로 출력 제어 신호(S10)를 출력하도록 구성되어 있다.
가공 패턴 출력 회로(90)는 가공 길이 비교기(84)로부터의 출력과, 타이밍 형성 회로(88)로부터의 출력 제어 신호(S10)에 의해 가공 패턴 신호(S7)를 발생하도록 구성되어 있다.
상기 가공 제어부(26)는 기준 클럭 발진 회로에 있어서, 펄스 레이저 빔의 반복 주파수 입력 데이터에 기초하여 레이저 발진기(12)에 부여하는 발진기 클럭(클럭 신호)(S1)을 생성한다. 그리고, 레이저 발진기(12)는 그 발진기 클럭(S1)에 의해 펄스 레이저 빔을 생성한다. 즉, 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔이 출사된다.
가공 개시 지시가 행해지면, 내장하는 셔터를 개방으로 함으로써 펄스 레이저 빔(PL1)을 출사한다. 이와 같이 하여, 펄스 레이저 빔(PL1)이 출사될 때에는 퍼스트 펄스는 존재하지 않고, 안정 출력 에너지가 유지된다.
또한, 가공 제어부(26)는 상술한 2차원 가공 데이터로부터 가공 패턴 신호(S7)를 생성한다. 그리고, 펄스 피커 제어부(24)는 이 가공 패턴 신호(S7)를 따라서, 클럭 신호(S1)에 의해 펄스 레이저 빔(PL1)과의 동기를 확보한 펄스 피커 구동 신호(S6)를 펄스 피커(14)에 공급한다. 이와 같이 하여, 클럭 신호(S1)에 동기하여, 펄스 피커(14)가 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 전환한다.
또한, 가공 제어부(26)는 레이저 빔 스캐너(19)의 주사 개시 시에 클럭 신호(S1)와의 동기를 확보한 주사 지령 신호(S2)를 생성한다. 그리고, 레이저 빔 스캐너(19)의 레이저 빔 스캐너 제어부(32)가 상기 주사 지령 신호(S2)를 받아서 레이저 빔 스캐너(19)의 구동 제어를 행한다. 이와 같이 하여, 클럭 신호에 동기하여, 레이저 빔 스캐너(19)가 펄스 레이저 빔을 1차원 방향으로만 주사한다.
또한, 가공 제어부(26)는 레이저 빔 스캐너(19)로부터의 주사 위치 신호인 주사각 신호(S5)에 기초하여 XY 스테이지부(20)의 이동 타이밍을 판정하고, 상기 2차원 가공 데이터와 상기 이동 타이밍에 의해 스테이지 이동 신호(S15)를 생성한다. 이 경우의 주사각 신호(S5)는 도 22에서 설명한 가공이 종료되는 가공 종단부 위치, 혹은 스캐너 주사가 종료되는 주사 종료 위치를 주사각 센서(36)로 검출한 주사각 검출 신호(S4)로부터의 것이다. 그리고, X-Y 스테이지부(20)는 상기 스테이지 이동 신호(S15)에 지시되어 동작한다.
이와 같이, X-Y 스테이지는 레이저 빔 스캐너의 주사 위치 신호에 기초하여, 예를 들어 레이저 빔 스캐너의 주사 방향과는 직교하는 방향의 이동 제어로 된다. 이에 의해, 다음 주사로의 시간이 단축되어, 레이저 빔 가공의 가일층의 고속성이 실현된다.
그리고, 본 실시 형태에 있어서, 레이저 빔 스캐너로부터의 주사 위치 신호에 기초하여, 주사마다의 가공 원점 위치를 보정하는 보정 기구를 갖는 것이 바람직하다. 이 보정 기구를 가짐으로써, 각 주사마다의 레이저 빔 스캐너의 가속 기간(도 22 참조)에 있어서의 주사 속도 편차가 보상되고, 또한 고정밀도인 가공이 가능해지기 때문이다.
또한, 도 20에 있어서, 가공 제어부(26)가 빔 정형기(14)도 제어하는 구성으로 되어 있어도 좋다. 이 경우에는, 특히, 빔 정형기(14)에 있어서 빔 직경을 자동 제어하거나 빔 단면의 광강도 분포를 자동 조정하는 경우에 유효해진다.
다음에, 펄스 레이저 가공 장치(10)의 주요한 동작에 대해 설명한다. 워크(W)의 레이저 가공 동작에 있어서는, 레이저 발진기(12)는 그 내장하는 제어부에 의해 레이저 발진의 대부분이 제어되어 자율적으로 동작하고 있다. 당연히, 상술한 기준 클럭 발진 회로(28)에 의해 펄스 발진의 타이밍 등의 제어가 이루어진다. 이에 대해 도 26a, 도 26b를 참조하여 설명한다.
레이저 빔 스캐너의 예로서, 도 21에 도시한 갈바노미터ㆍ스캐너의 1축 스캔 미러(29)는 주사 기동 신호에 의해 도 22에서 설명한 바와 같은 주사 개시 위치(주사 원점)에서 주사 기동한다. 이때, 레이저 빔 스캐너(19)는, 도 26a에 도시한 바와 같이 클럭 신호(S1)의, 예를 들어 상승(하강이라도 좋음)에 동기한 주사 지령 신호(S2)에 의해 지시를 받고, 그 레이저 빔 스캐너 제어부(32)가 갈바노미터(31)의 구동 제어를 행한다. 여기서, 주사 지령 신호(S2)는 XY2-100프로토콜에 대응함으로써, 예를 들어 100㎑(Ts＝10μsec)에서의 절대 주사각 지령을 따른다.
또한, 도 26a는 펄스 레이저의 발진 주파수를 500㎑(Tp＝2μsec), 펄스 레이저 빔의 빔 직경을 16㎛, 주사 속도(V)를 4000㎜/sec로 한 경우의, 주사 기동 시의 클럭 신호(S1)의 상승에 동기한 주사 지령 신호(S2)의 예를 나타내고 있다. 이와 같은 동작이, 펄스 레이저 빔의 주사마다 행해진다.
여기서, 도 22의 가속 기간에서는, 스캐너 속도가 빠른 시기에 안정된 주사 속도(V)로 되도록, 주사 지령 신호(S2)에 의해 레이저 빔 스캐너 제어부(32)는 갈바노미터(31)의 구동 제어를 행한다. 이때, 최적 조건에서의 1축 스캔 미러(29)의 주사각 반복 재현성은, 안정 영역에서는 10μrad/p-p 정도가 경험적으로 얻어지는 것이 확인되어 있다. 이 값은 초점 거리가 100㎜인 fθ 렌즈로 한 경우, 1㎛/p-p의 주사 위치 재현성으로 된다.
그러나, 상기 가속 기간의 반복 안정성은 장기 주사에 있어서 10배 정도까지 악화되기 때문에, 가공 개시 위치에 있어서 주사마다 변동이 발생한다. 따라서, 보정 기구에 의해, 레이저 빔 스캐너로부터의 주사 위치 신호[주사각 신호(S5)]에 기초하여, 주사마다의 가공 원점 위치를 보정한다.
예를 들어, 가속 기간 종료 후, 충분한 안정 영역(예를 들어, 경험적으로는 가속 기간이 1msec 내지 1.5msec이고, 초점 거리가 100㎜인 fθ 렌즈로 한 경우, 그 주사각 범위는 약 2.3도 내지 3.4도임)에 도달한 후, 도 26b에 도시한 바와 같이 미리 설정되어 있는 동기각(θsy)을 검출 신호로서 주사각 센서(36)에 의해 검출할 때, 주사 지령 신호(θo:주사 개시 위치로부터의 주사각)와의 차분을 위상차(θi)로 하고, 이 위상차에 의해 주사 지령 신호(S2)에 대한 가공 원점까지의 거리를 보정한다.
상기 가공 원점까지의 거리 보정값은 가공 시의 제1회째 주사(i＝1)를 기준 보정값으로서 기억하고, 이후의 i＝n으로 되는 제n회째의 주사 개시 위치로부터의 주사 시마다, 위상차(θn)와 위상차(θ1)의 차분을 제n회째 주사의 제1회째 주사에 대한 주사 지령 신호에 대한 가공 원점까지의 거리 보정값으로 하여, 제1회째 주사 시와 제n회째 주사 시의 가공 원점 위치를 일치시킨다.
도 27에 도시한 가공 패턴 신호(S7)는 가공 원점으로부터의 거리 데이터를 포함시켜 3차원 비트맵으로부터 부여되어 있다. 이로 인해, 주사마다 가공 원점 위치가 일치하면, 가공 패턴 신호(S7)의 가공 개시 위치도 일치하여, 펄스 피커 구동 신호(S6)도 원하는 타이밍에서 생성된다.
레이저 빔 스캐너(19)가 도 21에 설명한 갈바노미터ㆍ스캐너로 이루어지는 경우, 스캐너 클럭 신호가 레이저 빔 스캐너 제어부(32)로부터의 구동 신호로서 서보 제어 모터를 구동시킨다. 그러나, 레이저 빔 스캐너(19)도 그 자율적인 동작에 의해 그 위상 어긋남이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 상기 스캔 동작의 반복마다 발생하는 주사 위치 신호로 되는 동기각 검출 신호에 의해, 발진 펄스광의 통과/차단과 빔의 스캔 동작의 동기화, 즉 타이밍을 맞춤으로써, 극히 안정된 레이저 가공이 가능해진다.
레이저 빔 스캐너로부터의 주사 위치 신호에 기초하여, 펄스 피커에 있어서의 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들어, 보정 기구가, 주사 위치 신호[주사각 신호(S5)]에 기초하여, 펄스 피커에 있어서의 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어한다. 즉, 상기 스캔 미러의 회전 위치의 동기 위치(각) 검출의 주사 위치 신호로부터 검출한 위상차에 기초하여, 펄스 피커(14)의 구동 신호의 타이밍을 지정한다. 이에 의해, 펄스 레이저 빔의 주사마다의 가공 원점 위치를 보정한다.
혹은, 예를 들어 보정 기구가, 주사 위치 신호로부터 검출한 위상차로부터 얻어지는 거리 보정값을, 주사 개시 위치로부터의 주사각(θ0)에 대한 레이저 빔 스캐너로의 주사 지령 신호 이후의 주사 지령 신호에 부여함으로써, 펄스 레이저 빔의 주사마다의 가공 원점 위치를 보정한다.
펄스 피커 동작에 의해 펄스 레이저 빔은 펄스 주파수 변조되어 소요의 변조 펄스광이 생성된다. 이에 대해 도 27을 참조하여 설명한다.
도 27에 도시한 바와 같이, 주파수(Tp)의 클럭 신호(S1)로부터의 t1 지연의 펄스 레이저 빔(PL1)은 펄스 피커 구동 신호(S6)에 의해 차단/통과의 동작이 이루어진다. 예를 들어, 그 펄스 피커 구동 신호(S6)는 가공 패턴 신호(S7)를 클럭 신호(S1)의 상승에 의해 샘플링하고, 클럭 신호(S1)의 1 클럭의 상승으로부터 t2 시간 지연되어 상승하고, 소요수 클럭 후의 다른 클럭의 상승으로부터 t3 시간 지연되어 하강하는 패턴 신호로 된다. 그리고, 이 펄스 피커 구동 신호에 의해 펄스 피커(14)의 동작이 그 지연 시간(t4 및 t5)에 따라서 발생하고, 그 동작 사이의 펄스 레이저 빔(PL1)이 변조 펄스 레이저 빔(PL2)으로서 추출된다. 여기서, 상기 지연 시간(t2, t3, t4 및 t5)은 펄스 피커(14)에 맞추어 설정된다.
또한, 펄스 피커(14)가 음향 광학 소자(AOM)를 사용하는 경우, 상기 펄스 피커 구동 신호(S6)의 반전 패턴 신호가, 초음파 발생 제어부에 있어서의 발진의 ON/OFF를 제어하는 드라이버 신호로 된다. 그리고, 이 반전 패턴의 드라이버 신호에 의해 소요의 발진 펄스광이 추출되게 된다.
또한, 상술한 바와 같이 레이저 빔 스캐너(19)로부터의 주사 위치 신호[주사각 신호(S5)], 예를 들어 그 스캔 미러의 회전 위치에 있어서의 가공 종단부 위치의 주사 위치 신호가, X-Y 스테이지 이동부(20)의 이동 타이밍을 지시한다. 레이저 빔 스캐너(19)의 1차원 주사 방향을 X축 방향으로 하면, 상기 이동 타이밍에 의해, Y축 방향의 소정 폭의 스텝 이동 혹은 연속 이동이 이루어진다. 혹은, X-Y 스테이지의 X축 방향의 소정 거리의 연속 이동 혹은 스텝 이동이 행해진다. 이와 같이 하여, X-Y 스테이지의 미리 정해져 있는 이동 패턴의 이동 제어가 행해진다.
예를 들어, 펄스 피커 동작 패턴에 의해 생성된 변조 펄스 레이저 빔(PL2)은 각 펄스광이 빔 정형기(16)에 있어서 소요의 형상으로 정형된다. 그리고, 상기 레이저 빔 스캐너(19)에 의한 X축 방향의 주사와 XY 스테이지부(20)에 의한 워크(W) 위치의 Y축 방향의 이동에 의해, 워크(W)의 소요 위치에 조사 펄스광이 투사되어, 워크(W) 표면의 고정밀도의 미세 가공이 이루어진다. 펄스 피커 동작 패턴에 있어서의 각 펄스 피커 동작의 시간 폭 및 각 동작의 시간 간격은 각각 다르게 되어 있어도 좋다.
다음에, 상기 펄스 레이저 가공 장치(10)를 사용한 펄스 레이저 가공 방법에 대해 설명한다. 이 펄스 레이저 가공 방법은 스테이지에, 금속막이 제거된 피가공물(피가공 기판, 워크)을 적재하고, 클럭 신호를 발생하고, 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 출사하고, 피가공물 표면에, 상기 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔을 1차원 방향으로 주사하고, 1차원 방향으로 펄스 레이저 빔을 주사한 후에, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향으로 스테이지를 이동하고, 또한 상기 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔을 상기 1차원 방향으로 주사하는 펄스 레이저 가공 방법이다. 그리고, 펄스 레이저 빔을 상기 1차원 방향으로 주사할 때에, 펄스 레이저 빔의 광펄스수에 기초하여, 상기 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를 전환한다.
도 26a, 도 26b는 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 타이밍 제어를 설명하는 신호 파형도이다. 스테이지에 적재되는 워크(W)를 가공할 때, 레이저 발진기(12)는 내장하는 제어부에 의해 레이저 발진의 대부분이 제어되어 자율적으로 동작한다. 당연히, 도 26a에 도시한 바와 같이 기준 클럭 발진 회로에 의해 생성되는 주기(Tp)의 클럭 신호(S1)에 의해, 펄스 발진의 타이밍의 제어가 행해지고, 클럭 신호(S1)에 동기한 주기(Tp)의 펄스 레이저 빔(PL1)을 출사한다.
레이저 빔 스캐너(19)는 주사 기동 신호(S11)에 기초하여 도 18에 도시하는 주사 개시 위치(주사 원점)에서 주사 기동한다. 이때, 레이저 빔 스캐너(19)는 도 26a에 도시한 바와 같이, 클럭 신호(S1)의 상승(하강이라도 좋음)에 동기한, 가공 제어부(26)에서 생성되는 주기(Ts)의 주사 지령 신호(S2)에 의해 지시를 받는다. 그리고, 이 주사 지령 신호(S2)에 기초하여, 레이저 빔 스캐너 제어부(32)가 갈바노미터(31)의 구동 제어를 행한다.
이와 같이, 레이저 빔 스캐너(19)에 의해, 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔을 1차원 방향으로 주사한다. 이때, 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를 전환함으로써, 워크(W) 표면에 패턴을 가공한다. 또한, 주사 지령 신호(S2)는 XY2-100프로토콜에 대응함으로써, 예를 들어 100㎑(Ts＝10μsec)에서의, 갈바노미터(31)의 주사각 「0도」 위치를 기준으로 하는 절대 주사각 지령을 따른다.
또한, 도 26a는 펄스 레이저 빔의 발진 주파수를 500㎑(Tp＝2μsec), 펄스 레이저 빔의 빔 직경을 16㎛, 주사 속도(V)를 4000㎜/sec로 한 경우의, 주사 기동 시의 클럭 신호(S1)의 상승에 동기한 주사 지령 신호(S2)의 예를 나타내고 있다.
1차원 방향으로 펄스 레이저 빔을 주사한 후에, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향으로 스테이지를 이동하고, 또한 상기 클럭 신호에 동기하여 펄스 레이저 빔을 상기 1차원 방향으로 주사한다. 이와 같이, 펄스 레이저 빔의 1차원 방향의 주사와, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향으로 스테이지의 이동이 교대로 행해진다.
여기서, 레이저 빔 스캐너(19)로부터의 주사 위치 신호인 주사각 신호(S5)가, XY 스테이지부의 이동 타이밍을 지시한다. 레이저 빔 스캐너(19)의 1차원 주사 방향을 X축 방향으로 하면, 상기 이동 타이밍에 의해, Y축 방향의 소정 폭의 스텝 이동 혹은 연속 이동이 이루어진다. 그 후, 펄스 레이저 빔을 X방향으로 주사한다.
여기서, 도 22의 가속 기간에서는, 주사 속도가 조기에 안정된 주사 속도(V)로 되도록, 주사 지령 신호(S2)에 의한 레이저 빔 스캐너(19)의 제어를 행한다. 최적 조건에서의 1축 스캔 미러(29)의 주사각 반복 재현성은, 안정 영역에서는 10μrad/p-p 정도가 얻어지는 것이 경험적으로 명백하다. 이 값은 초점 거리가 100㎜인 fθ 렌즈로 한 경우, 1㎛/p-p의 주사 위치 재현성으로 된다.
당연히, 가속 기간에 있어서의 주사 속도(V)의 반복 안정성은 장기간의 주사에 있어서 10배 정도까지 악화된다. 이로 인해, 도 22에 있어서의 가공 원점의 위치가 주사마다 변동될 우려가 있다. 따라서, 가속 기간 종료 후, 충분히 안정된 영역에서, 펄스 레이저 빔(PL1)의 발진과, 빔 주사의 동기를 취하기 위한 동기각(θsy)을 설정한다. 충분히 안정된 영역에 도달할 때까지의 주사각 범위는, 예를 들어 가속 기간이 1msec 내지 1.5msec이고, 초점 거리가 100㎜인 fθ 렌즈로 한 경우, 약 2.3도 내지 3.4도이다.
그리고, 도 26b에 도시한 바와 같이, 이 동기각을 주사각 센서(36)가 검출한다. 그리고, 동기각을 검출할 때에 주사 개시 위치로부터의 주사각(θ0)에 대응하는 주사 지령 신호(S2)와의 위상차(θi)를 구한다. 그리고, 이 위상차(θi)에 기초하여, 주사 지령 신호(S2)에 대한 가공 원점까지의 거리를 보정한다.
상기 가공 원점까지의 거리의 보정값은 가공 시의 제1회째의 주사(i＝1)를 기준 보정값으로서 기억시킨다. 그리고, 이후의 i＝n으로 되는 제n회째의 주사 개시 위치로부터의 주사 시마다, 위상차(θn)와 위상차(θ1)의 차분을 제n회째 주사의 제1회째 주사에 대한 주사 지령 신호(S2)에 대한 가공 원점까지의 거리 보정값으로 한다. 구해진 거리 보정값은 주사 개시 위치로부터의 주사각(θ0)에 대한 주사 지령 신호(S2:절대 주사각 지령) 이후의 주사 지령 신호(S2)에 부여함으로써, 가공 원점 위치가 보정된다. 이와 같이 하여, 레이저 빔 스캐너(19)의 가속 기간에 있어서의 주사 속도가 변동되었다고 해도, 제1회째 주사 시와 제n회째 주사 시의 가공 원점 위치를 일치시키는 것이 가능해진다.
이상과 같이, 1차원 방향으로 펄스 레이저 빔을 주사한 후에, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향으로 스테이지를 이동하고, 또한 상기 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔을 상기 1차원 방향으로 주사하는 경우에 있어서, 주사마다의 가공 원점 위치가 일치하여, 가공 정밀도가 향상된다.
상기, 1차원 방향으로 펄스 레이저 빔을 주사할 때에, 펄스 레이저 빔의 광펄스수에 기초하여, 상기 클럭 신호(S1)에 동기하여 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를 전환한다. 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사는 펄스 피커를 사용하여 행해진다.
도 18에 도시한 바와 같이,
SL:동기각 검출 위치로부터 워크까지의 거리
WL:워크 길이
W1:워크 단부로부터 가공 원점까지 거리
W2:가공 범위
W3:가공 종단부로부터 워크 단부까지의 거리
로 한다.
여기서,
가공 원점＝동기각 검출 위치＋SL＋W1
로 되고, 워크는 스테이지 상에 고정 위치에서 설치되므로, SL도 고정 거리로 된다. 또한, 동기각 검출 위치를 기준으로 하는 워크 상의 가공 원점[이하, 가공 원점(SYNC)이라고도 표기]은,
가공 원점(SYNC)＝SL＋W1
로 된다. 이 가공 원점(SYNC)은 상술한 바와 같은 보정을 행함으로써 관리되어, 주사마다 항상 안정된 위치로부터 가공이 개시된다. 또한, 도 18에 도시한 바와 같이, 실가공은 가공 범위(W2)로 제한하는 범위에서 행해진다.
예를 들어, 빔 스폿 직경(D)(㎛), 빔 주파수(F)(㎑)의 가공 조건으로 주사를 행하는 경우, 가공 속도:V(m/sec)는 스폿 직경의 1/n씩, 빔의 조사 위치를 어긋나게 하는 경우,
V＝D×10-6×F×103/n
으로 된다.
펄스 피커에 의해 광펄스를 제어하여 가공을 행하는 경우, 펄스 피커에서 작성하는 펄스 피커 구동 신호(S6)는 실가공을 행하는 영역을 가공 길이에 의해 정의하고, 반복 가공 피치를 비가공 길이에 의해 정의하는 것이 가능하다. 여기서, 가공 길이를 L1로 하고, 비가공 길이를 L2로 하면, 펄스 레이저 빔의 광펄스수에 기초하여, 가공 길이 레지스터 설정은,
가공 펄스수＝[L1/(D/n)]－1
비가공 길이 레지스터 설정은,
비가공 펄스수＝[L2/(D/n)]＋1
로 할 수 있다.
또한, 가공 원점(SYNC)으로부터 실가공을 개시하는 위치를 대기 길이로서 정의함으로써, 가공 형상마다의 개시 위치를 설정한다. 여기서, 대기 길이를 LW로 하면, 가공 원점(SYNC) 레지스터 설정은,
가공 원점(SYNC) 광펄스수＝(SL＋W1)/(D/n)
대기 길이 레지스터 설정은,
대기 길이 광펄스수＝LW/(D/n)
으로 할 수 있다.
또한, 가공 길이, 비가공 길이, 대기 길이, 가공 원점(SYNC)에 대한 각 레지스터로의 설정값은 각각에 대응하는 광펄스수이다. 그리고, 이 광펄스수는 사용되는 빔 프로파일에 기초하여 미리 결정되는 보정을 위한 광펄스수를 가미한 값으로 된다.
상기한 레지스터 설정값은 조사하는 광펄스수로 관리된다. 또한, 동기각 검출 후의 가공 대기 구간에 대해서도 광펄스수로 관리된다. 이와 같이 펄스 피커의 관리를 광펄스수로 행함으로써, 기준이 되는 클럭 신호(S1)와 펄스 피커의 동기를 용이하게 유지할 수 있어, 안정된 반복성이 유지된다. 그리고, 클럭 신호(S1)와 펄스 피커(14)의 동기를 유지함으로써, 고정밀도인 레이저 가공이 간이하게 실현된다.
도 27은 본 실시 형태의 펄스 레이저 가공 장치의 펄스 피커 동작의 타이밍 제어를 설명하는 신호 파형도이다. 가공 데이터로부터 생성되어, 광펄스수로 관리되는 가공 패턴 신호(S7)는 가공 패턴 신호 생성부(40)의 가공 패턴 출력 회로(62)로부터 출력된다.
도 27에 도시한 바와 같이, 주기(Tp)의 클럭 신호(S1)로부터 t1 지연된 펄스 레이저 빔(PL1)은 펄스 피커 구동 신호(S6)에 기초하여 차단/통과가 제어된다. 또한, 레이저 빔 스캐너(19)의 주사와, 펄스 레이저 빔의 차단/통과의 동기는 주사 지령 신호(S2) 생성 타이밍을 클럭 신호(S1)에 동기시킴으로써 행하고 있다.
예를 들어, 펄스 피커 구동 신호(S6)는 가공 패턴 신호(S7)를 클럭 신호(S1)의 상승에 의해 샘플링한다. 그리고, 클럭 신호(S1)의 1 클럭의 상승으로부터 t2 시간 지연되어 상승한다. 그리고, 소요의 펄스수에 상당하는 클럭수 후, 가공 패턴 신호(S7)가 인액티브로 된 상태를 클럭 신호(S1)의 상승으로 샘플링하고, t3 시간 지연되어 하강한다.
그리고, 이 펄스 피커 구동 신호(S6)에 의해, 펄스 피커(14)의 동작이 지연 시간(t4 및 t5) 경과 후에 발생한다. 이 펄스 피커(14)의 동작에 의해, 펄스 레이저 빔(PL1)이, 변조 펄스 레이저 빔(PL2)으로서 추출된다.
이상, 구체예를 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이들 구체예로 한정되는 것은 아니다. 실시 형태에 있어서는, 다이싱 방법, 다이싱 장치 등에서, 본 발명의 설명에 직접 필요로 하지 않는 부분에 대해서는 기재를 생략하였지만, 필요로 하는 다이싱 방법, 다이싱 장치 등에 관한 요소를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
그 밖의, 본 발명의 요소를 구비하여, 당업자가 적절하게 설계 변경할 수 있는 모든 다이싱 방법은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위 및 그 균등물의 범위에 의해 정의되는 것이다.
예를 들어, 실시 형태에서는 피가공 기판으로 하고, LED가 형성되는 사파이어 기판을 예로 들어 설명하였다. 사파이어 기판과 같이 경질이고 벽개성이 부족해 커팅이 곤란한 기판에 본 발명은 유용하지만, 피가공 기판은 그 밖에, SiC(탄화규소) 기판 등의 반도체 재료 기판, 압전 재료 기판, 글래스 기판 등이라도 상관없다.
또한, 실시 형태에 있어서는, 조사광 펄스수(P1)＝2, 비조사광 펄스수(P2)＝1로 하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, P1과 P2의 값은 최적 조건으로 하기 위해 임의의 값을 취하는 것이 가능하다. 또한, 실시 형태에 있어서는, 조사광 펄스가 스폿 직경의 피치로 조사와 비조사를 반복하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 펄스 주파수 혹은 스테이지 이동 속도를 바꿈으로써, 조사와 비조사의 피치를 바꾸어 최적 조건을 발견하는 것도 가능하다. 예를 들어, 조사와 비조사의 피치를 스폿 직경의 1/n이나 n배로 하는 것도 가능하다.
특히, 피가공 기판이 사파이어 기판인 경우에는 조사 에너지를 30 내지 150㎽ 이하로 하고, 펄스 레이저 빔의 통과를 1 내지 4 광펄스 단위, 차단을 1 내지 4 광펄스 단위로 하고 조사의 간격을 1 내지 6㎛로 함으로써, 피가공 기판 표면에 있어서 연속성 및 직선성이 양호한 크랙을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 다이싱 가공의 패턴에 대해서는, 예를 들어 조사 영역 레지스터, 비조사 영역 레지스터를 복수 설치하거나, 리얼 타임으로 조사 영역 레지스터, 비조사 영역 레지스터값을 원하는 타이밍으로, 원하는 값으로 변경함으로써 다양한 다이싱 가공 패턴으로의 대응이 가능해진다.
또한, 레이저 다이싱 장치로서, 다이싱 가공 데이터를 펄스 레이저 빔의 광펄스수로 기술한 가공 테이블을 기억하는 가공 테이블부를 구비하는 장치를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 반드시, 이와 같은 가공 테이블부를 구비하지 않아도, 광펄스 단위로 펄스 레이저 빔의 펄스 피커에 있어서의 통과와 차단을 제어하는 구성을 갖는 장치이면 좋다.
또한, 소자에 대해서는 Au 등의 반사막을 갖는 고휘도 LED를 예로 들어 설명허였지만, 이면에 금, 은, 알루미늄 등의 금속막을 전극 재료로서 갖는 파워 트랜지스터 등, 그 밖의 소자라도 상관없다.

Claims (19)

  1. 복수의 소자가 형성되어, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며,
    상기 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고,
    상기 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하여 홈부를 형성하고,
    상기 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고,
    클럭 신호를 발생하고,
    상기 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 상기 피가공 기판의 상기 홈부에 출사하고,
    상기 피가공 기판과 상기 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키고,
    상기 피가공 기판으로의 상기 펄스 레이저 빔의 조사와 비조사를, 상기 클럭 신호에 동기하고, 펄스 피커를 사용하여 상기 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 광펄스 단위로 전환하고,
    상기 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성하는, 다이싱 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 상기 펄스 레이저 빔의 가공점 깊이 및 상기 펄스 레이저 빔의 조사 영역 및 비조사 영역의 길이를 제어함으로써, 상기 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 연속하도록 형성하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 직선적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 크랙을 형성한 후에, 외력을 가함으로써 상기 피가공 기판을 커팅하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 가공이 플래너 가공법 또는 프라이 커트 가공법인 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 가공 시에 상기 피가공 기판 표면을 절삭하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 피가공 기판의 위치와 상기 펄스 피커의 동작 개시 위치가 동기하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 스테이지를 상기 클럭 신호에 동기시켜 이동함으로써, 상기 피가공 기판과 상기 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 피가공 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  10. 복수의 소자가 형성되어, 한쪽의 면에 금속막을 갖는 피가공 기판의 다이싱 방법이며,
    상기 피가공 기판을 제1 스테이지에 적재하고,
    상기 금속막을, 다이아몬드 바이트를 사용한 금속 가공에 의해 제거하고,
    상기 피가공 기판을 제2 스테이지에 적재하고,
    클럭 신호를 발생하고,
    상기 클럭 신호에 동기한 펄스 레이저 빔을 출사하고,
    상기 피가공물 표면에, 펄스 피커와 레이저 빔 스캐너를 사용하여, 상기 클럭 신호에 동기하여 상기 펄스 레이저 빔을 통과와 차단을 전환하면서 1차원 방향으로 주사하고,
    상기 1차원 방향으로 상기 펄스 레이저 빔을 주사한 후에, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향으로 상기 스테이지를 이동하고, 또한 상기 클럭 신호에 동기하여 상기 펄스 레이저 빔을 상기 1차원 방향으로 주사하고,
    상기 피가공 기판에, 기판 표면에 도달하는 크랙을 형성하는 다이싱 방법이며,
    상기 레이저 빔 스캐너로부터의 주사 위치 신호에 기초하여, 상기 펄스 피커에 있어서의 상기 펄스 레이저 빔의 통과와 차단을 제어함으로써, 주사마다의 가공 원점 위치를 보정하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 스테이지는 상기 레이저 빔 스캐너의 주사 위치 신호에 기초하여, 상기 1차원 방향에 직교하는 방향의 이동 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 펄스 레이저 빔의 조사 에너지, 상기 펄스 레이저 빔의 가공점 깊이 및 상기 펄스 레이저 빔의 조사 영역 및 비조사 영역의 길이를 제어함으로써, 상기 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 연속하도록 형성하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 크랙이 상기 피가공 기판 표면에 있어서 직선적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 크랙을 형성한 후에, 외력을 가함으로써 상기 피가공 기판을 커팅하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 금속 가공이 플래너 가공법 또는 프라이 커트 가공법인 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 금속 가공 시에, 상기 피가공 기판 표면을 절삭하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 피가공 기판의 위치와 상기 펄스 피커의 동작 개시 위치가 동기하는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 스테이지를 상기 클럭 신호에 동기시켜 이동함으로써, 상기 피가공 기판과 상기 펄스 레이저 빔을 상대적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
  19. 제10항에 있어서, 상기 피가공 기판이 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는, 다이싱 방법.
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