KR20070084162A - 레이저 가공 방법 - Google Patents

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Abstract

가공용 레이저광의 입사면이 요철면인 판 형상의 가공 대상물의 고정밀도의 절단을 가능하게 하는 레이저 가공 방법을 제공한다.
이 레이저 가공 방법에서는, 판 형상의 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞추어 레이저광을 조사함으로써, 절단 예정 라인(5)을 따라, 절단의 기점이 되는 개질 영역(71~77)을 형성한다. 가공 대상물에 있어서의 레이저광의 입사면(r)은 요철면이다. 절단 예정 라인(5)은 입사면(r)의 오목영역면(r2) 및 볼록영역면(r1)에 걸쳐 있다. 개질 영역(71)은 오목영역면(r2)으로부터 소정 거리 내측에 형성된다. 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광을 조사할 때는, 가공 대상물의 외부에 집광점을 맞춘다. 개질 영역(72)은 볼록영역면(r1)으로부터 소정 거리 내측에 형성된다. 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광을 조사할 때에는 가공 대상물의 외부에 집광점을 맞춘다.
가공용 레이저광, 입사면, 요철면, 개질 영역, 집광점, 절단 예정 라인

Description

레이저 가공 방법{LASER BEAM MACHINING METHOD}
본 발명은 판 형상의 가공 대상물을 절단하기 위해 사용되는 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
레이저 가공에 의해 가공 대상물을 절단하는 방법으로서 하기 비특허문헌 1에 기재의 것이 있다. 이 비특허문헌 1에 기재의 레이저 가공 방법은 실리콘 웨이퍼를 절단하는 것으로서, 실리콘이 투과하는 1 μm 부근의 파장의 레이저광을 사용하고, 그 레이저광을 웨이퍼 내부에서 집광하여 개질층을 연속적으로 형성하고, 그것을 계기로서 절단하는 방법이다.
비특허문헌 1 : 아라이 카즈히사, 「반도체 웨이퍼에 있어서의 레이저 다이싱 가공」, 지립(砥粒)가공학회지, Vol-47, No.5, 2003 MAY. 229-231
발명이 해결하고자 하는 과제
상술한 바와 같은 레이저 가공 방법을 이용하여, 가공용 레이저광의 입사면이 요철면인 판 형상의 가공 대상물의 내부에 개질 영역을 형성하면, 입사면으로부터 소정 거리 내측에 개질 영역이 고정밀도로 형성되지 않는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 가공 대상물의 절단 정밀도는 저하하게 된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 가공용 레이저광의 입사면이 요철면인 판 형상의 가공 대상물의 고정밀도의 절단을 가능하게 하는 레이저 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상술의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 레이저 가공 방법은, 판 형상의 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞추어 가공용 레이저광을 조사함으로써, 가공 대상물의 절단 예정 라인을 따라, 절단의 기점이 되는 개질 영역을 가공 대상물의 내부에 형성하는 레이저 가공 방법으로서, 가공 대상물에 있어서의 가공용 레이저광의 입사면이 요철면이며, 절단 예정 라인이 입사면의 오목영역면 및 볼록영역면에 걸쳐 있는 경우에 있어서, 오목영역면으로부터 소정 거리 내측에 절단 예정 라인을 따라 제 1 개질 영역을 형성하는 제 1 공정과, 볼록영역면으로부터 소정 거리 내측에 절단 예정 라인을 따라 제 2 개질 영역을 형성하는 제 2 공정을 포함하고, 제 1 공정에서는 절단 예정 라인에 있어서의 볼록영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에 가공 대상물의 외부에 집광점을 맞추고, 제 2 공정에서는 절단 예정 라인에 있어서의 오목영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에 가공 대상물의 외부에 집광점을 맞추는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 가공 방법에서는, 가공 대상물에 있어서의 가공용 레이저광의 입사면의 오목영역면 및 볼록영역면으로부터 소정 거리 내측에, 각각 제 1 및 제 2 개질 영역을 다른 공정으로 형성한다. 이 때문에, 절단 예정 라인이 입사면의 오목영역면 및 볼록영역면에 걸쳐 있는 경우라도, 제 1 공정에서는 오목영역면으로부터 소정 거리 내측에 제 1 개질 영역을 고정밀도로 형성할 수 있으며, 제 2 공정에서는 볼록영역면으로부터 소정 거리 내측에 제 2 개질 영역을 고정밀도로 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 레이저 가공 방법에 의하면, 가공용 레이저광의 입사면이 요철면인 판 형상의 가공 대상물의 고정밀도의 절단이 가능해진다.
또한, 오목영역면과 제 1 개질 영역과의 사이의 소정 거리와, 볼록영역면과 제 2 개질 영역과의 사이의 소정 거리는 동일해도 되고, 서로 달라도 된다. 또, 제 1 공정 및 제 2 공정을 실시하는 순서는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 1 공정을 실시한 후에 제 2 공정을 실시해도 되고, 제 2 공정을 실시한 후에 제 1 공정을 실시해도 된다.
또, 제 1 공정에서는, 절단 예정 라인에 있어서의 오목영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 오목영역면으로부터 소정 거리 내측에 가공용 레이저광의 집광점이 위치하도록 가공용 레이저광의 조사 조건을 변화시키고, 절단 예정 라인에 있어서의 볼록영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 가공용 레이저광의 조사 조건을 고정하고, 제 2 공정에서는, 절단 예정 라인에 있어서의 볼록영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 볼록영역면으로부터 소정 거리 내측에 가공용 레이저광의 집광점이 위치하도록 가공용 레이저광의 조사 조건을 변화시키고, 절단 예정 라인에 있어서의 오목영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 가공용 레이저광의 조사 조건을 고정하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 제 1 공정에 있어서 절단 예정 라인에 있어서의 오목영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 가공용 레이저광의 집광점의 위치를, 가공 대상물의 두께 방향에 있어서의 입사면의 변위(예를 들면, 입사면의 요철이나 기복 등)에 추종시킬 수 있다. 또, 제 1 공정에 있어서 절단 예정 라인에 있어서의 볼록영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 가공용 레이저광의 집광점을 확실하게 가공 대상물의 외부에 위치시킬 수 있다. 마찬가지로, 제 2 공정에 있어서 절단 예정 라인에 있어서의 볼록영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 가공용 레이저광의 집광점의 위치를, 가공 대상물의 두께 방향에 있어서의 입사면의 변위(예를 들면, 입사면의 요철이나 기복 등)에 추종시킬 수 있다. 또, 제 2 공정에 있어서 절단 예정 라인에 있어서의 오목영역면상의 부분을 따라 가공용 레이저광을 조사할 때에, 가공용 레이저광의 집광점을 확실하게 가공 대상물의 외부에 위치시킬 수 있다.
또, 제 1 및 제 2 개질 영역을 형성한 후, 가공 대상물을 절단 예정 라인을 따라 절단하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 가공 대상물을 절단 예정 라인을 따라 고정밀도로 절단할 수 있다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 가공용 레이저광의 입사면이 요철면인 판 형상의 가공 대상물의 고정밀도의 절단을 가능하게 하는 레이저 가공 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 의한 레이저 가공중의 가공 대상물의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 가공 대상물의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다.
도 3은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 의한 레이저 가공후의 가공 대상물의 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 가공 대상물의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 가공 대상물의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따른 단면도이다.
도 6은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 의해 절단된 가공 대상물의 평면도이다.
도 7은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 있어서의 전기장 강도와 크랙 스폿의 크기와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법을 이용하여 가공 대상물을 절단할 때의 크랙 영역 형성 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 9는 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법을 이용하여 가공 대상물을 절단할 때의 크랙 성장 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 10은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법을 이용하여 가공 대상물을 절단할 때의 크랙 성장 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 11은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법을 이용하여 가공 대상물을 절단할 때의 절단 공정에 있어서의 가공 대상물의 단면도이다.
도 12는 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 의해 절단된 실리콘 웨이퍼의 일부에 있어서의 단면의 사진을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 있어서의 레이저광의 파장 과 실리콘 기판의 내부의 투과율과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 실시형태의 레이저 가공 방법에 있어서의 가공 대상물의 일례를 모식적으로 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14 중의 XV-XV 화살표를 따른 단면도이다.
도 16은 본 실시형태의 레이저 가공 방법의 제 1 공정에 있어서의 가공 대상물의 부분 단면도이다.
도 17은 본 실시형태의 레이저 가공 방법의 제 1 공정후에 있어서의 가공 대상물의 부분 단면도이다.
도 18은 본 실시형태의 레이저 가공 방법의 제 2 공정에 있어서의 가공 대상물의 부분 단면도이다.
도 19는 본 실시 형태의 레이저 가공 방법의 제 2 공정후에 있어서의 가공 대상물의 부분 단면도이다.
부호의 설명
1 … 가공 대상물, 5 … 절단 예정 라인, 51a … 절단 예정 라인에 있어서의 볼록영역면상의 부분, 51b … 절단 예정 라인에 있어서의 오목영역면상의 부분, 7 … 개질 영역, 71 … 제 1 개질 영역, 72 … 제 2 개질 영역, r … 입사면, r1 … 입사면의 볼록영역면, r2 … 입사면의 오목영역면, L … 가공용 레이저광, P … 집광점.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명 한다. 본 실시형태의 레이저 가공 방법에서는, 가공 대상물의 내부에 개질 영역을 형성하기 위해 다광자 흡수라고 하는 현상을 이용한다. 따라서, 맨 먼저 다광자 흡수에 의해 개질 영역을 형성하기 위한 레이저 가공 방법에 대해 설명한다.
재료의 흡수의 밴드 갭 EG보다 광자의 에너지 hν가 작으면 광학적으로 투명해진다. 따라서, 재료에 흡수가 발생기는 조건은 hν>EG이다. 그러나, 광학적으로 투명하더라도, 레이저광의 강도를 너무 크게 하면 nhν>EG의 조건(n=2, 3, 4,··· )에서 재료에 흡수가 발생한다. 이 현상을 다광자 흡수라고 한다. 펄스파의 경우, 레이저광의 강도는 레이저광의 집광점의 피크 파워 밀도(W/㎠)로 정해지며, 예를 들면 피크 파워 밀도가 1× 108(W/㎠) 이상의 조건에서 다광자 흡수가 발생한다. 피크 파워 밀도는 (집광점에 있어서의 레이저광의 1 펄스당의 에너지)÷ (레이저광의 빔 스폿 단면적× 펄스폭)에 의해 구해진다. 또, 연속파의 경우, 레이저광의 강도는 레이저광의 집광점의 전기장 강도(W/㎠)로 정해진다.
이와 같은 다광자 흡수를 이용하는 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법의 원리에 대해, 도 1~도 6을 참조하여 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 형상(판 형상)의 가공 대상물(1)의 표면(3)에는, 가공 대상물(1)을 절단하기 위한 절단 예정 라인(5)이 있다. 절단 예정 라인(5)은 직선 형상으로 연장된 가상선이다. 본 실시형태에 관한 가공 방법에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 다광자 흡수가 발생하는 조건에서 가공 대상물(1)의 내부에 집광점 P를 맞추어 레이저광 L을 조사하여 개질 영역(7)을 형성한다. 또한, 집광점 P란, 레이저광 L이 집광하는 개 소이다. 또, 절단 예정 라인(5)은 직선 형상에 한하지 않고 곡선 형상이어도 되며, 가상선에 한하지 않고 가공 대상물(1)에 실제로 그어진 선이어도 된다.
그리고, 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따른(즉, 도 1의 화살표 A 방향으로) 상대적으로 이동시킴으로써, 집광점 P를 절단 예정 라인(5)을 따라 이동시킨다. 이에 의해, 도 3~도 5에 도시한 바와 같이, 개질 영역(7)이 절단 예정 라인(5)을 따라 가공 대상물(1)의 내부에 형성되고, 이 개질 영역(7)이 절단 기점 영역(8)으로 된다. 여기서, 절단 기점 영역(8)이란, 가공 대상물(1)이 절단될 때에 절단(쪼개짐)의 기점이 되는 영역을 의미한다. 이 절단 기점 영역(8)은, 개질 영역(7)이 연속적으로 형성됨으로써 형성되는 경우도 있고, 개질 영역(7)이 단속적으로 형성됨으로써 형성되는 경우도 있다.
본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법은, 가공 대상물(1)이 레이저광 L을 흡수함으로써 가공 대상물(1)을 발열시켜 개질 영역(7)을 형성하는 것이 아니다. 가공 대상물(1)에 레이저광 L을 투과시켜 가공 대상물(1)의 내부에 다광자 흡수를 발생시켜 개질 영역(7)을 형성하고 있다. 따라서, 가공 대상물(1)의 표면(3)에서는 레이저광 L이 거의 흡수되지 않기 때문에, 가공 대상물(1)의 표면(3)이 용융하는 일은 없다.
가공 대상물(1)의 내부에 절단 기점 영역(8)을 형성하면, 이 절단 기점 영역(8)을 기점으로 하여 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, 도 6에 도시한 바와 같이, 비교적 작은 힘으로 가공 대상물(1)을 절단할 수 있다. 따라서, 가공 대상물(1)의 표면(3)에 절단 예정 라인(5)을 크게 이탈하는 불필요한 균열을 발생시키 지 않고, 가공 대상물(1)을 고정밀도로 절단하는 것이 가능해진다.
이 절단 기점 영역(8)을 기점으로 한 가공 대상물(1)의 절단에는, 다음의 2가지 방법을 생각할 수 있다. 하나는, 절단 기점 영역(8) 형성후, 가공 대상물(1)에 인위적인 힘이 인가됨으로써, 절단 기점 영역(8)을 기점으로 하여 가공 대상물(1)이 갈라져 가공 대상물(1)이 절단되는 경우이다. 이것은, 예를 들면 가공 대상물(1)의 두께가 큰 경우의 절단이다. 인위적인 힘이 인가된다는 것은, 예를 들면, 가공 대상물(1)의 절단 기점 영역(8)을 따라 가공 대상물(1)에 휨 응력이나 전단(剪斷) 응력을 가하거나, 가공 대상물(1)에 온도차를 부여함으로써 열응력을 발생시키거나 하는 것이다. 다른 하나는, 절단 기점 영역(8)을 형성함으로써, 절단 기점 영역(8)을 기점으로 하여 가공 대상물(1)의 단면 방향(두께 방향)을 향하여 자연스럽게 갈라져, 결과적으로 가공 대상물(1)이 절단되는 경우이다. 이것은, 예를 들면 가공 대상물(1)의 두께가 작은 경우에는, 1열의 개질 영역(7)에 의해 절단 기점 영역(8)이 형성됨으로써 가능해지고, 가공 대상물(1)의 두께가 큰 경우에는, 두께 방향으로 복수열 형성된 개질 영역(7)에 의해 절단 기점 영역(8)이 형성됨으로써 가능해진다. 또한, 이 자연스럽게 갈라지는 경우도, 절단하는 개소에 있어서, 절단 기점 영역(8)이 형성되어 있지 않은 부위에 대응하는 부분의 표면(3)상에까지 균열이 앞서 발생하지 않아, 절단 기점 영역(8)을 형성한 부위에 대응하는 부분만을 할단(割斷)할 수 있으므로 할단을 잘 제어할 수 있다. 근년, 실리콘 웨이퍼 등의 가공 대상물(1)의 두께는 얇아지는 경향에 있으므로, 이와 같은 제어성이 좋은 할단 방법은 매우 유효하다.
그런데, 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법에 있어서, 다광자 흡수에 의해 형성되는 개질 영역으로서는, 다음의 (1)~(3)의 경우가 있다.
(1) 개질 영역이 1개 또는 복수의 크랙을 포함하는 크랙 영역의 경우
가공 대상물(예를 들면 유리나 LiTaO3으로 이루어진 압전 재료)의 내부에 집광점을 맞추고, 집광점에 있어서의 전기장 강도가 1× 108(W/㎠) 이상이며 또한 펄스폭이 1 μs 이하의 조건에서 레이저광을 조사한다. 이 펄스폭의 크기는, 다광자 흡수를 일으키면서 가공 대상물의 표면에 불필요한 손상을 주지 않고, 가공 대상물의 내부에만 크랙 영역을 형성할 수 있는 조건이다. 이에 의해, 가공 대상물의 내부에는 다광자 흡수에 의한 광학적 손상이라고 하는 현상이 발생한다. 이 광학적 손상에 의해 가공 대상물의 내부에 열 변형이 유발되고, 이에 의해 가공 대상물의 내부에 크랙 영역이 형성된다. 전기장 강도의 상한치로서는, 예를 들면 1× 1012(W/㎠)이다. 펄스폭은 예를 들면 1 ns~200 ns가 바람직하다. 또한, 다광자 흡수에 의한 크랙 영역의 형성은, 예를 들면, 제45회 레이저열 가공연구회 논문집(1998년. 12월)의 제23페이지~제28페이지의 「고체 레이저 고주파에 의한 유리 기판의 내부 마킹」에 기재되어 있다.
본 발명자는, 전기장 강도와 크랙의 크기와의 관계를 실험에 의해 구하였다. 실험 조건은 다음과 같다.
(A) 가공 대상물 : 파이렉스(등록상표)유리(두께 700 μm)
(B) 레이저
광원 : 반도체 레이저 여기 Nd:YAG 레이저
파장 : 1064 nm
레이저 광스폿 단면적 : 3.14 × 10-8㎠
발진 형태 : Q 스위치 펄스
반복 주파수 : 100 kHz
펄스폭 : 30 ns
출력 : 출력< 1 mJ/ 펄스
레이저광 품질 : TEM
편광 특성 : 직선 편광
(C) 집광용 렌즈
레이저광 파장에 대한 투과율 : 60 퍼센트
(D) 가공 대상물이 얹어 놓여지는 재치대(載置臺)의 이동 속도 : 100 mm/초
또한, 레이저광 품질이 TEM00이라는 것은, 집광성이 높고 레이저광의 파장 정도까지 집광 가능을 의미한다.
도 7은 상기 실험의 결과를 나타내는 그래프이다. 가로축은 피크 파워 밀도이며, 레이저광이 펄스 레이저광이므로 전기장 강도는 피크 파워 밀도로 나타난다. 세로축은 1 펄스의 레이저광에 의해 가공 대상물의 내부에 형성된 크랙 부분(크랙 스폿)의 크기를 나타내고 있다. 크랙 스폿이 모여 크랙 영역이 된다. 크랙 스폿 크기는, 크랙 스폿의 형상 중 최대의 길이가 되는 부분의 크기이다. 그래프중의 검은색 동그라미로 나타내는 데이터는 집광용 렌즈(C)의 배율이 100배, 개구수(NA)가 0.80인 경우이다. 한편, 그래프중의 하얀색 동그라미로 나타내는 데이터는 집광용 렌즈(C)의 배율이 50배, 개구수(NA)가 0.55인 경우이다. 피크 파워 밀도가 1011(W/㎠) 정도부터 가공 대상물의 내부에 크랙 스폿이 발생하고, 피크 파워 밀도가 커짐에 따라 크랙 스폿도 커지는 것을 알 수 있다.
다음으로, 크랙 영역 형성에 의한 가공 대상물의 절단의 메커니즘에 대해, 도 8~도 11을 참조하여 설명한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 다광자 흡수가 발생하는 조건에서 가공 대상물(1)의 내부에 집광점 P를 맞추어 레이저광 L을 조사하여 절단 예정 라인을 따라 내부에 크랙 영역(9)을 형성한다. 크랙 영역(9)은 1개 또는 복수의 크랙을 포함하는 영역이다. 이와 같이 형성된 크랙 영역(9)이 절단 기점 영역이 된다. 도 9에 도시한 바와 같이, 크랙 영역(9)을 기점으로 하여(즉, 절단 기점 영역을 기점으로 하여) 크랙이 더욱 성장하고, 도 10에 도시한 바와 같이, 크랙이 가공 대상물(1)의 표면(3)과 이면(21)에 도달하고, 도 11에 도시한 바와 같이, 가공 대상물(1)이 균열됨으로써 가공 대상물(1)이 절단된다. 가공 대상물(1)의 표면(3)과 이면(21)에 도달하는 크랙은 자연스럽게 성장하는 경우도 있고, 가공 대상물(1)에 힘이 인가됨으로써 성장하는 경우도 있다.
(2) 개질 영역이 용융 처리 영역인 경우
가공 대상물(예를 들면 실리콘과 같은 반도체 재료)의 내부에 집광점을 맞추고, 집광점에 있어서의 전기장 강도가 1× 108(W/㎠) 이상이며, 또한 펄스폭이 1 μ s 이하의 조건에서 레이저광을 조사한다. 이에 의해 가공 대상물의 내부는 다광자 흡수에 의해 국소적으로 가열된다. 이 가열에 의해 가공 대상물의 내부에 용융 처리 영역이 형성된다. 용융 처리 영역이란 일단 용융후 재고체화한 영역이나, 완전히 용융 상태인 영역이나, 용융 상태로부터 재고체화하는 상태의 영역이며, 상변화(相變化)한 영역이나 결정 구조가 변화한 영역이라고 할 수도 있다. 또, 용융 처리 영역이란 단결정 구조, 비정질 구조, 다결정 구조에 있어서, 어느 구조가 다른 구조로 변화한 영역이라고 할 수도 있다. 즉, 예를 들면, 단결정 구조로부터 비정질 구조로 변화한 영역, 단결정 구조로부터 다결정 구조로 변화한 영역, 단결정 구조로부터 비정질 구조 및 다결정 구조를 포함하는 구조로 변화한 영역을 의미한다. 가공 대상물이 실리콘 단결정 구조인 경우, 용융 처리 영역은 예를 들면 비정질 실리콘 구조이다. 전기장 강도의 상한치로서는, 예를 들면 1× 1012(W/㎠)이다. 펄스폭은 예를 들면 1 ns~200 ns가 바람직하다.
본 발명자는, 실리콘 웨이퍼의 내부에서 용융 처리 영역이 형성되는 것을 실험에 의해 확인하였다. 실험 조건은 다음과 같다.
(A) 가공 대상물 : 실리콘 웨이퍼(두께 350 μm, 외경 4 인치)
(B) 레이저
광원 : 반도체 레이저 여기 Nd:YAG 레이저
파장 : 1064 nm
레이저 광스폿 단면적 : 3.14× 10-8㎠
발진 형태 : Q 스위치 펄스
반복 주파수 : 100 kHz
펄스폭 : 30 ns
출력 : 20 μJ/ 펄스
레이저광 품질 : TEM00
편광 특성 : 직선 편광
(C) 집광용 렌즈
배율 : 50배
N.A. : 0.55
레이저광 파장에 대한 투과율 : 60 퍼센트
(D) 가공 대상물이 얹어 놓여지는 재치대의 이동 속도 : 100 mm/초
도 12는, 상기 조건에서의 레이저 가공에 의해 절단된 실리콘 웨이퍼의 일부에 있어서의 단면의 사진을 나타낸 도면이다. 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에 용융 처리 영역(13)이 형성되어 있다. 또한, 상기 조건에 의해 형성된 용융 처리 영역(13)의 두께 방향의 크기는 100 μm 정도이다.
용융 처리 영역(13)이 다광자 흡수에 의해 형성된 것을 설명한다. 도 13은, 레이저광의 파장과 실리콘 기판의 내부의 투과율과의 관계를 나타내는 그래프이다. 단, 실리콘 기판의 표면측과 이면측 각각의 반사 성분을 제거하고, 내부만의 투과율을 나타내고 있다. 실리콘 기판의 두께 t가 50 μm, 100 μm, 200 μm, 500 μ m, 1000 μm의 각각에 대해 상기 관계를 나타내었다.
예를 들면, Nd:YAG 레이저의 파장인 1064 nm에 있어서, 실리콘 기판의 두께가 500 μm 이하인 경우, 실리콘 기판의 내부에서는 레이저광이 80 % 이상 투과하는 것을 알 수 있다. 도 12에 도시한 실리콘 웨이퍼(11)의 두께는 350 μm이므로, 다광자 흡수에 의한 용융 처리 영역(13)은 실리콘 웨이퍼(11)의 중심 부근, 즉 표면으로부터 175 μm의 부분에 형성된다. 이 경우의 투과율은, 두께 200 μm의 실리콘 웨이퍼를 참고로 하면, 90 % 이상이므로 레이저광이 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에서 흡수되는 것은 얼마 안 되며, 대부분이 투과한다. 이것은, 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에서 레이저광이 흡수되고, 용융 처리 영역(13)이 실리콘 웨이퍼(11)의 내부에 형성(즉, 레이저광에 의한 통상의 가열로 용융 처리 영역이 형성)된 것이 아니라, 용융 처리 영역(13)이 다광자 흡수에 의해 형성된 것을 의미한다. 다광자 흡수에 의한 용융 처리 영역의 형성은, 예를 들면, 용접학회전국대회강연개요 제66집(2000년 4월)의 제72페이지~제73페이지의 「피코초 펄스 레이저에 의한 실리콘의 가공 특성 평가」에 기재되어 있다.
또한, 실리콘 웨이퍼는, 용융 처리 영역에 의해 형성되는 절단 기점 영역을 기점으로 하여 단면 방향을 향하여 균열을 발생시키고, 그 균열이 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면에 도달함으로써, 결과적으로 절단된다. 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면에 도달하는 이 균열은 자연스럽게 성장하는 경우도 있고, 실리콘 웨이퍼에 힘이 인가됨으로써 성장하는 경우도 있다. 그리고, 절단 기점 영역으로부터 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면에 균열이 자연스럽게 성장하는 경우에는, 절단 기점 영역을 형 성하는 용융 처리 영역이 용융되어 있는 상태로부터 균열이 성장하는 경우와, 절단 기점 영역을 형성하는 용융 처리 영역이 용융되어 있는 상태로부터 재고체화할 때에 균열이 성장하는 경우 모두 있다. 단, 어느 쪽의 경우도 용융 처리 영역은 실리콘 웨이퍼의 내부에만 형성되고, 절단후의 절단면에는, 도 12와 같이 내부에만 용융 처리 영역이 형성되어 있다. 이와 같이, 가공 대상물의 내부에 용융 처리 영역에 의해 절단 기점 영역을 형성하면, 할단시, 절단 기점 영역 라인으로부터 이탈된 불필요한 균열이 발생하기 어려우므로, 할단 제어가 용이해진다.
(3) 개질 영역이 굴절률 변화 영역인 경우
가공 대상물(예를 들면 유리)의 내부에 집광점을 맞추고, 집광점에 있어서의 전기장 강도가 1× 108(W/㎠) 이상이며 또한 펄스폭이 1 ns 이하의 조건에서 레이저광을 조사한다. 펄스폭을 극히 짧게 하고, 다광자 흡수를 가공 대상물의 내부에 일으키면, 다광자 흡수에 의한 에너지가 열에너지로 변하지 않고, 가공 대상물의 내부에는 이온 가수 변화, 결정화 또는 분극 배향 등의 영속적인 구조 변화가 유발되어 굴절률 변화 영역이 형성된다. 전기장 강도의 상한치로서는, 예를 들면 1× 1012(W/㎠)이다. 펄스폭은 예를 들면 1 ns 이하가 바람직하고, 1 ps 이하가 더욱 바람직하다. 다광자 흡수에 의한 굴절률 변화 영역의 형성은, 예를 들면, 제42회 레이저열가공연구회논문집(1997년. 11월)의 제105페이지~제111페이지의 「펨토초 레이저 조사에 의한 유리 내부에의 광유발구조형성」에 기재되어 있다.
이상, 다광자 흡수에 의해 형성되는 개질 영역으로서 (1)~(3)의 경우를 설명 하였으나, 웨이퍼 형상의 가공 대상물의 결정 구조나 그 벽개성(劈開性) 등을 고려하여 절단 기점 영역을 다음과 같이 형성하면, 그 절단 기점 영역을 기점으로 하여, 한층 더 작은 힘으로, 게다가 정밀도 좋게 가공 대상물을 절단하는 것이 가능해진다.
즉, 실리콘 등의 다이아몬드 구조의 단결정 반도체로 이루어진 기판의 경우는, (111)면(제 1 벽개면)이나 (110)면(제 2 경개면)을 따른 방향으로 절단 기점 영역을 형성하는 것이 바람직하다. 또, GaAs 등의 섬아연광(閃亞鉛鑛)형 구조의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 기판의 경우는, (110)면을 따른 방향으로 절단 기점 영역을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 사파이어(Al2O3) 등의 육방정계의 결정 구조를 갖는 기판의 경우는, (0001)면(C면)을 메인 면으로 하여 (1120)면(A면) 혹은 (1100)면(M면)을 따른 방향으로 절단 기점 영역을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 절단 기점 영역을 형성해야 할 방향(예를 들면, 단결정 실리콘 기판에 있어서의 (111)면을 따른 방향), 혹은 절단 기점 영역을 형성해야 할 방향으로 직교하는 방향을 따라 기판에 오리엔테이션 플랫을 형성하면, 그 오리엔테이션 플랫을 기준으로 함으로써, 절단 기점 영역을 형성해야 할 방향을 따른 절단 기점 영역을 용이하고 또한 정확하게 기판에 형성하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명한다. 도 14는, 본 실시형태의 레이저 가공 방법에 있어서의 가공 대상물의 일례를 모식적으로 나타낸 평면도이다. 도 15는, 도 14 중의 XV-XV 화살표를 따른 단면도이다.
본 실시형태에 있어서, 가공 대상물(1)은 볼록부(4a)와 볼록부(4a, 4a) 사이에 위치하는 오목부(4b)를 갖는 기판(4)으로 이루어진다. 이와 같은 가공 대상물(1)로서는, 예를 들면, MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)를 들 수 있다. 기판(4)의 두께 d는, 볼록부(4a)가 존재하는 위치에 있어서 예를 들면 300 μm이며, 오목부(4b)가 존재하는 위치에 있어서 예를 들면 100 μm이다. 기판(4)으로서는, 예를 들면 실리콘 웨이퍼 등을 들 수 있다. 가공 대상물(1)에서는, 기판(4)의 볼록부(4a) 및 오목부(4b)의 표면이 레이저광 L(가공용 레이저광)의 입사면(r)으로 되어 있다. 입사면(r)은 볼록부(4a)의 꼭대기면인 볼록영역면(r1)과, 오목부(4b)의 바닥면인 오목영역면(r2)을 구비한 요철면이다. 볼록영역면(r1)은, 예를 들면 단면 직사각형의 볼록부(4a)의 꼭대기면에 상당한다. 오목영역면(r2)은, 예를 들면 단면 직사각형의 오목부(4b)의 바닥면에 상당한다. 오목영역면(r2)과 볼록영역면(r1)과의 사이에는, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 단차(r3)가 설치되어 있다. 볼록부(4a)의 높이(단차(r3)의 높이) △H는, 예를 들면 200 μm이다.
또한, 오목부(4b)는 실리콘 웨이퍼 등의 가공 대상물(1)을 에칭함으로써 형성되는 것도 된다. 또, 볼록부(4a)의 구성 재료는, 기판(4)에 있어서의 볼록부(4a) 이외의 부분의 구성 재료와 동일해도 달라도 된다. 예를 들면, 볼록부(4a)가 실리콘 산화물로 이루어지고, 기판(4)에 있어서의 볼록부(4a) 이외의 부분은 실리콘으로 이루어진 것도 된다.
입사면(r)에는, 오목영역면(r2) 및 볼록영역면(r1)에 걸쳐서, 격자 형상으로 다이싱 스트리트(dicing street)가 형성되고, 그 다이싱 스트리트상에 가상선으로서 절단 예정 라인(5)이 설정되어 있다. 절단 예정 라인(5)은, 볼록영역면(r1)상의 부분 51a와 오목영역면(r2)상의 부분 51b로 이루어진다. 또한, 절단 예정 라인(5)은 절단 개소를 상정하기 위한 것으로, 가공 대상물(1)상에 다이싱 스트리트가 형성되어 있지 않아도 된다. 절단 예정 라인(5)은, 예를 들면, 기판(4)의 오리엔테이션 플랫(6)과 평행한 선 및 수직인 선으로 구성된다.
계속해서, 이상과 같이 구성되는 가공 대상물(1)을 절단하기 위한 본 실시형태에 관한 레이저 가공 방법의 일례에 대해 설명한다. 도 16~도 19는, 본 실시형태의 레이저 가공 방법의 각 공정 또는 각 공정후에 있어서의 가공 대상물의 부분 단면도이다.
(제 1 공정)
제 1 공정에서는, 도 16(a)에 도시된 바와 같이, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때에, 기판(4)의 외부에 집광점 P를 맞추어 레이저광 L을 조사한다. 집광점 P는, 예를 들면, 기판(4)의 입사면(r)과는 반대측면의 아래쪽에 위치하고 있다. 이 경우, 기판(4)의 내부에 개질 영역은 형성되지 않는다.
한편, 도 16(b)에 도시된 바와 같이, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 기판(4)의 내부에 집광점 P를 맞추어 레이저광 L을 조사한다. 이에 의해, 도 17에 도시된 바와 같이, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라, 절단의 기점 이 되는 개질 영역(71)(제 1 개질 영역)이 기판(4)의 내부에 형성된다. 개질 영역(71)은, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서 오목영역면(r2)으로부터 거리 d1 내측에 형성된다.
또한, 도 16(a) 및 도 16(b)에 도시된 바와 같이, 레이저광 L은, 예를 들면, 피에조 소자 등으로 이루어진 액추에이터(32)에 의해 유지된 대물렌즈(30)에 의해 집광된다. 액추에이터(32)에는, 액추에이터(32)를 제어하기 위한 컨트롤러(39)가 접속되어 있다. 이 액추에이터(32)의 신축량을 컨트롤러(39)에 의해 조정함으로써, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 집광점 P의 위치를 조정할 수 있다. 이에 의해, 집광점 P의 위치를, 가공 대상물(1)의 내부로부터 외부로, 또는 가공 대상물(1)의 외부로부터 내부로 자유롭게 이동시킬 수 있다. 또한, 집광점 P의 위치는, 대물렌즈(30)로부터 출사되는 레이저광 L의 출사각, 기판(4)의 두께 d 및 기판(4)의 구성 재료의 굴절률에도 의존한다.
여기서, 도 16(a)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 레이저광 L의 조사 조건을 고정하는 것이 바람직하다. 또, 도 16(b)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 오목영역면(r2)으로부터 거리 d1 내측에 레이저광 L의 집광점 P가 위치하도록 레이저광 L의 조사 조건을 변화시키는 것이 바람직하다. 레이저광 L의 조사 조건으로서는, 예를 들면 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 대물렌즈(30)의 위치를 들 수 있다. 이 대물렌즈(30)의 위치는, 액추에이터(32)의 신축량을 컨트롤 러(39)에 의해 제어함으로써 조정된다.
구체적으로는, 예를 들면, 도 16(a)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1) 상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때에, 액추에이터(32)의 신축을 정지시켜 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 대물렌즈(30)의 위치를 일정 위치에 고정하고, 레이저광 L의 집광점 P의 위치를 확실하게 가공 대상물(1)의 외부에 위치시킨다. 또, 예를 들면, 도 16(b)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 대물렌즈(30)의 위치를 오목영역면(r2)의 미세한 요철이나 기복(모두 수 μm~ 수십 μm)에 추종하도록 변위시킨다. 이에 의해, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라, 오목영역면(r2)으로부터 거리 d1 내측의 일정 위치에 개질 영역(71)을 형성할 수 있다. 즉, 오목영역면(r2)의 내측에는, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 입사면(r)의 변위에 추종하도록 개질 영역(71)이 형성된다.
상술한 바와 같이, 오목영역면(r2)과 볼록영역면(r1)과의 사이, 즉 단차(r3)의 위치에 있어서, 레이저광 L의 조사 조건을 고정한 상태로부터 변화시킨 상태로, 또는 변화시킨 상태로부터 고정한 상태로 전환하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때에, 가공 대상물(1)의 외부에 집광점 P를 확실히 맞추는 것이 용이해진다. 이것은, 볼록부(4a)의 높이 △H가 100 μm 이상으로 큰 경우에 특히 유효하다. 또, 입사면(r)에 미세한 요철이나 기복(모두 수 μm~수십 μm)이 있는 경우, 개질 영역이 입사면(r)으로부터 일정 거리 내측의 위치에 형성되도록 입사면(r)의 변위에 맞추어 대물렌즈(30)의 위치를 조정(오토 포커스 기구)할 수 있다. 그러나, 볼록부(4a)의 높이 △H가 커지면 액추에이터(32)의 구동량이나 구동 시간이 커지기 때문에, 단차(r3)에 추종하여 대물렌즈(30)를 구동하는 것이 어려워진다. 이에 대해, 본 실시형태의 제 1 공정에서는, 오목영역면(r2)에서는 집광점 P의 위치가 가공 대상물(1)의 내부(더욱 바람직하게는 개질 영역(71)이 형성되는 위치 부근)가 되도록, 또한, 볼록영역면(r1)에서는 집광점 P의 위치가 가공 대상물(1)의 외부가 되도록 대물렌즈(30)의 위치가 설정되며, 이 위치가, 레이저광 L이 볼록영역면(r1)을 통과할 때의 대물렌즈(30)의 고정 위치이며, 또한, 액추에이터(32)에 의해 입사면(r)의 미세한 요철이나 기복에 추종시켜 오목영역면(r2)으로부터 일정 거리 내측의 위치에 개질 영역(71)을 형성하기 때문에 대물렌즈(30)를 구동시키기 위한 기준 위치가 된다. 이 때문에, 대물렌즈(30)를 오목영역면(r2)상으로부터 볼록영역면(r1)상으로 이동하는 경우, 또는, 대물렌즈(30)를 볼록영역면(r1)상으로부터 오목영역면(r2)으로 이동하는 경우 어느 것이라도, 단차(r3)의 위치에 있어서 대물렌즈(30)를 변동시키는 상태로부터 고정한 상태, 혹은 고정한 상태로부터 변동시키는 상태로 변화시킬 때에, △H가 크더라도 대물렌즈(30)의 위치를 크게 이동시킬 필요가 없다. 따라서, 대물렌즈(300)가 단차(r3)상을 통과할 때에, 대물렌즈(30)를 원활하게 이동시킬 수 있으므로, 가공 대상물(1)의 내부의 정확한 위치에 개질 영역(71)을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 공정에 있어서 1열의 개질 영역(71)을 영 역(72~77) 하였으나, 개질 영역의 열수는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 개질 영역은 2열 이상 형성되는 것도 된다.
(제 2 공정)
제 2 공정에서는, 도 18(a)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때에, 기판(4)의 내부에 집광점 P를 맞추어 레이저광 L을 조사한다. 이에 의해, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라, 절단의 기점이 되는 개질 영역(72)(제 2 개질 영역)이 기판(4)의 내부에 형성된다. 개질 영역(72)은, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서 볼록영역면(r1)으로부터 거리 d2 내측에 형성된다.
한편, 도 18(b)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 기판(4)의 외부에 집광점 P를 맞추어 레이저광 L을 조사한다. 집광점 P는, 예를 들면, 기판(4)의 입사면(r)의 위쪽에 위치하고 있다. ㅜ이 경우, 기판(4)의 내부에 개질 영역은 형성되지 않는다.
여기서, 도 18(a)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때, 볼록영역면(r1)으로부터 거리 d2 내측에 레이저광 L의 집광점 P가 위치하도록 레이저광 L의 조사 조건을 변화시키는 것이 바람직하다. 또, 도 18(b)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 레이저광 L의 조사 조건을 고정하는 것이 바람직하다. 레이저광 L의 조사 조건으로 서는, 예를 들면 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 대물렌즈(30)의 위치를 들 수 있다. 이 대물렌즈(30)의 위치는, 액추에이터(32)의 신축량을 컨트롤러(39)에 의해 제어함으로써 조정된다.
구체적으로는, 예를 들면, 도 18(a)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사할 때에는, 대물렌즈(30)의 위치를, 볼록영역면(r1)의 미세한 요철이나 기복(모두 수 μm~수십 μm)에 추종하도록 변위시킨다. 이에 의해, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라, 볼록영역면(r1)으로부터 거리 d2 내측의 일정 위치에 개질 영역(72)을 형성할 수 있다. 즉, 볼록영역면(r1)의 내측에는, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 입사면(r)의 변위에 추종하도록 개질 영역(72)이 형성된다. 또, 예를 들면, 도 18(b)에 도시된 바와 같이 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에, 액추에이터(32)의 신축을 정지시켜 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서의 대물렌즈(30)의 위치를 일정 위치에 고정하고, 레이저광 L의 집광점 P의 위치를 확실하게 가공 대상물(1)의 외부에 위치시킨다.
상술한 바와 같이, 오목영역면(r2)과 볼록영역면(r1)과의 사이, 즉 단차(r3)의 위치에 있어서, 레이저광 L의 조사 조건을 변화시킨 상태로부터 고정한 상태로, 또는, 고정한 상태로부터 변화시킨 상태로 전환하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사할 때에, 가공 대상물(1)의 외부에 집광점 P를 확실하게 맞추는 것이 용이해진 다. 이것은, 볼록부(4a)의 높이 △H가 100 μm 이상으로 큰 경우에 특히 유효하다. 또, 입사면(r)에 미세한 요철이나 기복(모두 수 μm~수십 μm)이 있는 경우, 개질 영역이 입사면(r)으로부터 일정 거리 내측의 위치에 형성되도록 입사면(r)의 변위에 맞추어 대물렌즈(30)의 위치를 조정(오토 포커스 기구)할 수 있다. 그러나, 볼록부(4a)의 높이 △H가 크면 액추에이터(32)의 구동량이나 구동 시간이 커지기 때문에, 단차(r3)에 추종하여 대물렌즈(30)를 구동하는 것이 어려워진다. 이에 대해, 본 실시형태의 제 2 공정에서는, 볼록영역면(r1)에서는 집광점 P의 위치가 가공 대상물(1)의 내부(더욱 바람직하게는 개질 영역(72)이 형성되는 위치 부근)가 되도록, 또한, 오목영역면(r2)에서는 집광점 P의 위치가 가공 대상물(1)의 외부가 되도록 대물렌즈(30)의 위치가 설정되고, 이 위치가 레이저광 L이 오목영역면(r2)을 통과할 때의 대물렌즈(30)의 고정 위치이며, 또한, 액추에이터(32)에 의해 입사면(r)의 미세한 요철이나 기복에 추종시켜 볼록영역면(r1)으로부터 일정 거리 내측의 위치에 개질 영역(72)을 형성하기 때문에 대물렌즈(30)를 구동시키기 위한 기준 위치가 된다. 이 때문에, 대물렌즈(30)를 오목영역면(r2)상으로부터 볼록영역면(r1)상으로 이동하는 경우, 또는, 대물렌즈(30)를 볼록영역면(r1)상으로부터 오목영역면(r2)상으로 이동하는 경우의 어느 경우라도, 단차(r3)의 위치에 있어서 대물렌즈(30)를 변동시키는 상태로부터 고정한 상태, 혹은 고정한 상태로부터 변동시키는 상태로 변화시킬 때에, △H가 크더라도 대물렌즈(30)의 위치를 크게 이동시킬 필요가 없다. 따라서, 대물렌즈(30)가 단차(r3)상을 통과할 때에, 대물렌즈(30)를 순조롭게 이동시킬 수 있으므로, 가공 대상물(1)의 내부의 정확한 위치에 개질 영 역(72)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 19에 도시된 바와 같이, 개질 영역(72)의 형성 방법과 동일한 방법으로, 개질 영역(73~77)을 입사면(r)측을 향하여 순서대로 형성한다. 개질 영역(73~77)은, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 형성되어 있다. 개질 영역(72~77)은, 가공 대상물(1)의 두께 방향에 있어서 서로 이간하여 배치되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 2 공정에 있어서 6열의 개질 영역(72~77)을 형성한다고 하였으나, 개질 영역의 열수는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 개질 영역은 1열만 형성되는 것도 되고, 2열 이상 형성되는 것도 된다. 개질 영역의 열수는, 볼록부(4a)의 높이 △H에 따라 적절히 설정되는 것이 바람직하다.
또, 개질 영역(71~77)은, 상술의 개질 영역(7)과 마찬가지로, 연속적으로 형성된 개질 영역으로 이루어진 것도 되며, 소정의 간격을 두고 단속적으로 형성된 개질 영역으로 이루어진 것도 된다.
(절단 공정)
개질 영역(71~77)을 형성한 후, 확장 테이프(도시하지 않음) 등의 확장 필름을 가공 대상물(1)에 붙이고, 확장 장치(도시하지 않음)에 의해 확장 필름을 확장함으로써 가공 대상물(1)을 절단 예정 라인(5)을 따라 절단하여, 가공 절편 끼리를 이간한다. 또한, 개질 영역(71~77)을 형성하기 전에 확장 필름을 가공 대상물(1)에 붙여도 된다. 또, 절단 공정에 있어서는, 확장 필름의 확장에 한하지 않고, 다른 응력 인가 수단을 사용하여 가공 대상물(1)을 절단하는 것도 된다. 또, 예를 들면, 형성한 개질 영역을 기점으로 한 균열이 가공 대상물(1)의 입사면(r) 및 입사면(r)은 반대측의 면에 연장되어 이미 절단이 완료되어 있는 경우, 확장 테이프 등의 확장 필름의 확장에 의해 가공 절편끼리의 간격을 넓히도록, 인접하는 가공 절편은 분리된다. 이와 같이 하여, 가공 대상물(1)을 절단 예정 라인(5)을 따라 고정밀도로 절단할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 레이저 가공 방법에서는, 입사면(r)의 오목영역면(r2) 및 볼록영역면(r1)에 있어서의 가공 대상물(1)의 내부에, 각각 개질 영역(71, 72)을 다른 공정으로 형성한다. 이 때문에, 절단 예정 라인(5)이 입사면(r)의 오목영역면(r2) 및 볼록영역면(r1)이 걸쳐 있는 경우에, 제 1 공정에서는 오목영역면(r2)으로부터 거리 d1 내측에 개질 영역(71)을 고정밀도로 형성할 수 있으며, 제 2 공정에서는 볼록영역면(r1)으로부터 거리 d2 내측에 개질 영역(72)을 고정밀도로 형성할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 레이저 가공 방법에 의하면, 레이저광 L의 입사면(r)이 요철면인 가공 대상물(1)의 고정밀도의 절단이 가능해진다.
또, 측정용 레이저광을 입사면(r)에 조사하고, 측정용 레이저광의 반사광으로부터 단차(r3)의 위치를 판단할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들면 비점수차법에 이용되는 4분할 위치 검출 소자에 의해 반사광의 비점신호 또는 전광량 신호를 검출한다. 반사광의 비점신호 또는 전광량 신호에 근거하여 단차(r3)의 위치를 판단할 수 있다. 예를 들면, 반사광의 비점신호가 소정의 문턱값을 넘은 경우, 또는, 반사광의 전광량 신호가 소정의 문턱값을 넘은 경우에, 단차(r3)의 위치에 도 달한 것을 판단할 수 있다. 또한, 측정용 레이저광의 집광점이 입사면(r)에 위치하는 경우에, 반사광의 비점신호는 대략 제로가 되고, 반사광의 전광량 신호는 최대가 된다.
단차(r3)의 위치를 알 수 있으면, 레이저광 L을 절단 예정 라인(5)을 따라 이동시킬 때에, 레이저광 L의 집광점 P의 위치를, 가공 대상물(1)의 내부로부터 외부로, 또는 가공 대상물(1)의 외부로부터 내부로 이동시키는 타이밍을 결정할 수 있다. 또, 액추에이터(32)에 의해 대물렌즈(30)의 위치를 가공 대상물(1)의 두께 방향으로 변화시키는 타이밍이나 고정하는 타이밍을 결정할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않는다.
예를 들면, 제 1 및 제 2 공정의 실시 순서는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 2 공정후에 제 1 공정을 실시하는 것도 된다. 개질 영역(72~77)을 형성한 후에 개질 영역(71)을 형성하는 것도 된다.
또, 제 1 및 제 2 공정의 중 어느 것에 있어서도, 레이저광 L의 이동하는 방향은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사한 후에, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사하는 것도 되며, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 오목영역면(r2)상의 부분 51b를 따라 레이저광 L을 조사한 후에, 절단 예정 라인(5)에 있어서의 볼록영역면(r1)상의 부분 51a를 따라 레이저광 L을 조사하는 것도 된다.
또, 제 1 및 제 2 공정 중 어느 것에 있어서도, 단차(r3)의 위치에 있어서 집광점 P의 위치를 가공 대상물(1)의 내부로부터 외부로, 또는 가공 대상물(1)의 외부로부터 내부로 이동시킬 때에, 예를 들면, 대물렌즈(30)를 가공 대상물(1)의 두께 방향으로 크게 이동시키는 것도 된다. 이것은, 볼록부(4a)의 높이 △H가 작은 경우에 특히 유효하다.
또, 제 1 및 제 2 공정 중 어느 것에 있어서도, 집광점 P의 위치가 가공 대상물(1)의 내부에 위치하는 경우에는 개질 영역이 형성되기 쉬운 에너지를 갖는 레이저광 L을 사용하고, 집광점 P의 위치가 가공 대상물(1)의 외부에 위치하는 경우에는 개질 영역을 형성하기 어려운 에너지를 갖는 레이저광 L을 사용하는 것도 된다. 이에 의해, 가공 대상물(1)의 내부 중 개질 영역이 형성되는 부분 이외의 부분에 있어서, 레이저광 L에 의한 손상을 더욱 저감하는 것이 가능해진다. 예를 들면 레이저광 L을 펄스 발진시킴으로써, 개질 영역이 형성되기 쉬운 에너지를 갖는 레이저광 L을 얻을 수 있다. 또, 예를 들면 레이저광 L을 연속 발진시킴으로써, 개질 영역을 형성하기 어려운 에너지를 갖는 레이저광 L을 얻을 수 있다.
또, 개질 영역(71~77)을 형성하는 순서는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 개질 영역(7, 76, 75, 74, 73, 72, 71)을 순서대로 형성하는 것도 된다. 또한, 개질 영역(72~77)을 입사면(r)측을 향하여 순서대로 형성하는 경우에는, 레이저광 L이 이미 형성된 개질 영역에 의해 차단되는 것을 방지할 수 있다.
또, 개질 영역(71~77)은, 가공 대상물(1)의 내부에서 발생하는 다광자 흡수에 의해 형성되는 것에 한정되지 않는다. 개질 영역(71~77)은, 다광자 흡수와 동 등한 광흡수를 가공 대상물(1)의 내부에서 발생시킴으로써 형성되는 것도 된다.
또, 오목영역면(r2)과 개질 영역(71)과의 사이의 거리 d1과, 볼록영역면(r1)과 개질 영역(72)과의 사이의 거리 d2는 동일해도 되고, 서로 달라도 된다.
또, 입사면(r)에 있어서의 단차(r3)의 위치는, 예를 들면, 미리 단차계(段差計)에 의해 측정되는 것도 된다. 또, 가공 대상물(1)의 설계값으로부터 단차(r3)의 위치를 산출할 수도 있다. 단차(r3)의 위치를 안 후, 가공 대상물(1)이 얹어 놓여지는 스테이지의 스케일 좌표를 레이저광 L의 제어 장치에 넣고, 단차(r3)의 위치에 있어서, 레이저광 L의 집광점 P를 가공 대상물(1)의 내부로부터 외부로 이동시키는 것도 되며, 레이저광 L의 집광점 P를 가공 대상물(1)의 외부로부터 내부로 이동시키는 것도 된다. 또, 단차(r3)의 위치에 있어서, 레이저광 L의 조사 조건을 변화시킨 상태로부터 고정한 상태로 전환하는 것도 되며, 레이저광 L의 조사 조건을 고정한 상태로부터 변화시킨 상태로 전환하는 것도 된다.
또, 절단 예정 라인(5)을 따라 개질 영역(71~77)을 형성하면서 측정용 레이저광을 입사면(r)에 조사하여 그 반사광을 측정하고, 반사광의 변화로부터 단차(r3)의 위치를 판단하는 것도 된다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 가공 대상물(1)로서 실리콘제의 반도체 웨이퍼를 사용하고 있으나, 반도체 웨이퍼의 재료는 이에 한정되는 것이 아니다. 반도체 웨이퍼의 재료로서는, 예를 들면, 실리콘 이외의 Ⅳ족 원소 반도체, SiC와 같은 Ⅳ족 원소를 포함하는 화합물 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 원소를 포함하는 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 원소를 포함하는 화합물 반도체, 또한 여러 가지의 도펀트(불순물)가 도프된 반도체 등을 들 수 있다. 또한, 가공 대상물(1)은, 반도체 디바이스와 지지 기판과의 사이에 절연층이 설치된 SOI(Silicon-on-insulator) 웨이퍼라도 된다.
본 발명에 의하면, 가공용 레이저광의 입사면이 요철면인 판 형상의 가공 대상물의 고정밀도의 절단을 가능하게 하는 레이저 가공 방법을 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 판 형상의 가공 대상물의 내부에 집광점을 맞추어 가공용 레이저광을 조사함으로써, 상기 가공 대상물의 절단 예정 라인을 따라, 절단의 기점이 되는 개질 영역을 상기 가공 대상물의 내부에 형성하는 레이저 가공 방법으로서,
    상기 가공 대상물에 있어서의 상기 가공용 레이저광의 입사면이 요철면이며, 상기 절단 예정 라인이 상기 입사면의 오목영역면 및 볼록영역면에 걸쳐 있는 경우에 있어서,
    상기 오목영역면으로부터 소정 거리 내측에, 상기 절단 예정 라인을 따라 제 1 개질 영역을 형성하는 제 1 공정과,
    상기 볼록 영역면으로부터 소정 거리 내측에, 상기 절단 예정 라인을 따라 제 2 개질 영역을 형성하는 제 2 공정을 포함하고,
    상기 제 1 공정에서는, 상기 절단 예정 라인에 있어서의 상기 볼록영역면상의 부분을 따라 상기 가공용 레이저광을 조사할 때에, 상기 가공 대상물의 외부에 상기 집광점을 맞추며,
    상기 제 2 공정에서는, 상기 절단 예정 라인에 있어서의 상기 오목영역면상의 부분을 따라 상기 가공용 레이저광을 조사할 때에, 상기 가공 대상물의 외부에 상기 집광점을 맞추는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 공정에서는, 상기 절단 예정 라인에 있어서의 상기 오목영역면상의 부분을 따라 상기 가공용 레이저광을 조사할 때에, 상기 오목영역면으로부터 소정 거리 내측에 상기 가공용 레이저광의 집광점이 위치하도록 상기 가공용 레이저광의 조사 조건을 변화시키고, 상기 절단 예정 라인에 있어서의 상기 볼록영역면상의 부분을 따라 상기 가공용 레이저광을 조사할 때에, 상기 가공용 레이저광의 조사 조건을 고정하고,
    상기 제 2 공정에서는, 상기 절단 예정 라인에 있어서의 상기 볼록영역면상의 부분을 따라 상기 가공용 레이저광을 조사할 때에, 상기 볼록영역면으로부터 소정 거리 내측에 상기 가공용 레이저광의 집광점이 위치하도록 상기 가공용 레이저광의 조사 조건을 변화시키고, 상기 절단 예정 라인에 있어서의 상기 오목영역면상의 부분을 따라 상기 가공용 레이저광을 조사할 때에, 상기 가공용 레이저광의 조사 조건을 고정하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 개질 영역을 형성한 후, 상기 가공 대상물을 상기 절단 예정 라인을 따라 절단하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
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