TWI415706B - Laser processing method and laser processing device - Google Patents

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TWI415706B TW096134905A TW96134905A TWI415706B TW I415706 B TWI415706 B TW I415706B TW 096134905 A TW096134905 A TW 096134905A TW 96134905 A TW96134905 A TW 96134905A TW I415706 B TWI415706 B TW I415706B
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Description

雷射加工方法及雷射加工裝置
本發明係關於用來將板狀的加工對象物沿著切斷預定線切斷之雷射加工方法以及雷射加工裝置。
以往之雷射加工方法，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著加工對象物之切斷預定線，以在加工對象物的厚度方向並排的方式，於加工對象物的內部形成作為切斷起點之複數列的改質區域(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1：日本特開2004－343008號公報
然而，上述之雷射加工方法較佳為，最靠近既定面(例如，加工對象物之背面)之改質區域係形成極接近既定面；該既定面係和加工對象物之供雷射光入射的雷射光入射面(例如，加工對象物之表面)相對向。又較佳為，最靠近雷射光入射面之改質區域，係形成極接近雷射光入射面。其理由在於，若這些改質區域形成在和既定面或雷射光入射面距離較遠的位置，當切斷加工對象物時，在加工對象物的厚度方向之切斷面之各端部可能會大幅偏離切斷預定線。
然而，在上述的雷射加工方法中，即使想讓最靠近既定面之改質區域形成極接近既定面，例如當加工對象物的厚度沿著切斷預定線改變時，最靠近既定面之改質區域可能一部分會形成於和既定面距離較遠的位置。此外，即使想讓最靠近雷射光入射面之改質區域形成極接近雷射光入射面，例如基於吸收係數之溫度依存性(詳細如後述)，雷射光入射面可能遭受熔融等的損傷。因此，即使想讓最靠近既定面之改質區域形成極接近既定面，仍會遭遇許多困難。
於是，本發明係有鑑於如此般的情事而構成，其目的在於提供一種雷射加工方法及雷射加工裝置，其能讓最靠近既定面之改質區域形成極接近既定面，又能讓最靠近雷射光入射面之改質區域形成極接近雷射光入射面。
為了達成上述目的，本發明之雷射加工方法，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著加工對象物之切斷預定線，以在加工對象物的厚度方向並排的方式，於加工對象物的內部形成作為切斷起點之複數列的改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：將被既定面(和加工對象物之供雷射光入射之雷射光入射面相對向)反射之雷射光的反射面照射於加工對象物，以在複數列的改質區域中，形成包含最靠近既定面的改質區域及最靠近雷射光入射面之改質區域中至少1列之1列或複數列的改質區域。藉此，能讓最靠近既定面之改質區域形成極接近既定面，又能讓最靠近雷射光入射面之改質區域形成極接近雷射光入射面。
各改質區域，係藉由對加工對象物照射雷射光，經由在加工對象物的內部產生多光子吸收等的吸收而形成出。
本發明之雷射加工方法中，該既定面，可為加工對象物所具備之金屬膜之雷射光入射面側的面。
本發明之雷射加工方法較佳為，以複數列之改質區域作為切斷起點，沿著切斷預定線將加工對象物切斷。藉此，能高精度地將加工對象物沿著切斷預定線予以切斷。
本發明之雷射加工方法中，加工對象物係具備半導體基板，改質區域可包含熔融處理區域。
依據本發明，具有良好的控制性，而能讓最靠近既定面之改質區域形成極接近既定面，又能讓最靠近雷射光入射面之改質區域形成極接近雷射光入射面。
以下，針對本發明之較佳實施形態，參照圖式來做詳細的說明。本實施形態之雷射加工方法，為了在加工對象物的內部形成改質區域，係利用多光子吸收現象。於是，首先說明利用多光子吸收來形成改質區域之雷射加工方法。
當材料之吸收帶隙EG 小於光子的能量hv時，在光學上呈透明。因此，材料產生吸收之條件為hv>EG 。然而，雖然光學上呈透明，當雷射光強度非常大之n hv>EG 的條件(n＝2,3,4…)下材料仍會產生吸收。這個現象就是多光子吸收。在脈衝波的情形，雷射光強度是取決於雷射光的聚光點之峰值功率密度(W/cm2 )，例如在峰值功率密度1×108 (W/cm2 )以上的條件會產生多光子吸收。峰值功率密度，係由(聚光點之每一雷射光脈衝的能量)÷(雷射光之光束點截面積×脈衝寬)來求出。此外，在連續波的情形，雷射光強度係取決於雷射光之聚光點的電場強度(W/cm2 )。
關於利用多光子吸收之本實施形態的雷射加工方法之原理，參照第1圖~第6圖來做說明。如第1圖所示，在晶圓狀(板狀)的加工對象物1的表面3，形成有用來切斷加工對象物1之切斷預定線5。切斷預定線5係呈直線狀延伸之假想線。在本實施形態之雷射加工方法，如第2圖所示，在產生多光子吸收的條件下，以聚光點P對準加工對象物1的內部的方式照射雷射光L來形成改質區域7。聚光點P乃雷射光L聚光的部位。切斷預定線5不限於直線狀，也能呈曲線狀，其不限於假想線，也能是實際畫在加工對象物1上的線。
接著，使雷射光L沿著切斷預定線5(亦即沿第1圖之箭頭A方向)相對地移動，藉此使聚光點P沿著切斷預定線5移動。藉此如第3圖~第5圖所示，沿著切斷預定線5在加工對象物1的內部形成改質區域7，而該改質區域7成為切斷起點區域8。在此，切斷起點區域8代表著，在切斷加工對象物1時構成切斷(切割)起點的區域。該切斷起點區域8，可能藉由改質區域7之連續形成來形成，也可能藉由改質區域7之斷續形成來形成。
本實施形態之雷射加工方法，並不是藉由加工對象物1之吸收雷射光L來使加工對象物1發熱而形成改質區域7。而是讓雷射光L透過加工對象物1而在加工對象物1的內部產生多光子吸收以形成改質區域7。由於在加工對象物1的表面3幾乎不會吸收雷射光L，故加工對象物1的表面3不會發生熔融。
若在加工對象物1的內部形成切斷起點區域8，將容易以該切斷起點區域8為起點而發生龜裂，因此如第6圖所示，能用較小的外力來切斷加工對象物1。因此，加工對象物1的表面3不致發生不必要的龜裂，可高精度地將加工對象物1予以切斷。
以該切斷起點區域8為起點來進行之加工對象物1的切斷，可考慮以下兩個方式。第一方式，係在形成切斷起點區域8後，藉由施加人為的力量於加工對象物1，以切斷起點區域8為起點使加工對象物1裂開，而將加工對象物1予以切斷。此方式適用於例如加工對象物1的厚度大時的切斷。所謂施加人為的力量，例如沿著加工對象物1的切斷起點區域8對加工對象物1施加彎曲應力、剪切應力，或對加工對象物1賦予溫度差來產生熱應力。另一方式，係藉由形成切斷起點區域8，以切斷起點區域8為起點使加工對象物1朝向截面方向(厚度方向)自然裂開，結果將加工對象物1予以切斷。此方式，在例如加工對象物1的厚度小的情形，可藉由1列改質區域7來形成切斷起點區域8；在加工對象物1的厚度大的情形，可藉由在厚度方向形成複數列的改質區域7來形成切斷起點區域8。在此自然裂開的情形也是，在待切斷的部位，在未形成切斷起點區域8的部位之對應部分的表面上3不會搶先形成龜裂，僅在形成有切斷起點區域8的部位之對應部分會進行割斷，因此容易控制割斷。近年來，矽晶圓等的加工對象物1的厚度有變薄的傾向，因此這種控制性良好的割斷方法特別有效。
在本實施形態之雷射加工方法，利用多光子吸收所形成之改質區域包含以下(1)~(3)的情形。
(1)改質區域為含有1或複數個龜裂之龜裂區域的情形
以聚光點對準加工對象物(例如玻璃、LiTaO3 所構成之壓電材料)內部的方式，以聚光點之電場強度1×108 (W/cm2 )以上且脈衝寬1 μ s以下的條件來照射雷射光。這種脈衝光的大小的條件，係能產生多光子吸收且不致對加工對象物的表面造成不必要的損傷，而僅在加工對象物的內部形成龜裂區域。藉此，在加工對象物的內部產生，多光子吸收所造成之光學損傷現象。該光學損傷會在加工對象物的內部誘發熱應變，而在加工對象物的內部形成龜裂區域。電場強度之上限值例如為1×1012 (W/cm2 )。脈衝寬較佳為例如1ns~200ns。利用多光子吸收來形成龜裂區域，例如記載於第45次雷射熱加工研究會論文集(1998年12月)的第23頁~第28頁的「利用固態雷射高次諧波之玻璃基板的內部標記」。
本案發明人，係經由實驗求出電場強度和龜裂大小的關係。實驗條件如下。
(A)加工對象物：Pyrex(登記商標)玻璃(厚700 μm)(B)雷射光源：半導體雷射激發Nd：YAG雷射波長：1064nm雷射光點截面積：3.14×10－8 cm2 振盪形態：Q開關脈衝重複頻率：100kHz脈衝寬：30ns輸出：輸出<1mJ/脈衝雷射光品質：TEM00 偏光特性：直線偏光(C)聚光用透鏡對雷射光波長之透過率：60%(D)載置加工對象物之載置台之移動速度：100mm/秒
雷射光品質為TEM00 是指，高聚光性而能進行雷射光的波長程度之聚光。
第7圖顯示上述實驗的結果。橫軸為峰值功率密度，由於雷射光為脈衝雷射光，故電場強度用峰值功率密度代表。縱軸為1脈衝的雷射光形成於加工對象物的內部之龜裂部分(龜裂點)的大小。龜裂點之集合成為龜裂區域。龜裂點的大小，係龜裂點的形狀中長度最長的部分之大小。圖中實心圓代表的數據，為聚光用透鏡(C)的倍率100倍、數值孔徑(NA)0.80的情形。另一方面，圖中空心圓代表的數據，為聚光用透鏡(C)的倍率50倍、數值孔徑(NA)0.55的情形。根據第7圖可知，由峰值功率密度1011 (W/cm2 )程度起，在加工對象物的內部會發生龜裂點，隨著峰值功率密度變大，龜裂點也會變大。
其次，關於形成龜裂區域來進行加工對象物的切斷之機制，參照第8圖~第11圖來做說明。如第8圖所示，在產生多光子吸收的條件下，以聚光點P對準加工對象物1的內部的方式照射雷射光L，俾沿著切斷預定線在內部形成龜裂區域9。龜裂區域9係含有1或複數個龜裂之區域。如此般形成之龜裂區域9係成為切斷起點區域。如第9圖所示，以龜裂區域9為起點(亦即以切斷起點區域為起點)龜裂會進一步成長，如第10圖所示，龜裂會到達加工對象物1的表面3和背面21，如第11圖所示，加工對象物1會分裂開而完成加工對象物1之切斷。到達加工對象物1的表面3和背面21之龜裂，可能是自然進行成長，也可能是對加工對象物1施加力量而使其成長。
(2)改質區域為熔融處理區域的情形
以聚光點對準加工對象物(例如矽等的半導體材料)內部的方式，以聚光點之電場強度1×108 (W/cm2 )以上且脈衝寬1 μ s以下的條件來照射雷射光。藉此在加工對象物的內部，會因多光子吸收而產生局部加熱。利用該加熱會在加工對象物的內部形成熔融處理區域。熔融處理區域是包含：一旦熔融後再固化的區域，處於熔融狀態的區域，從熔融狀態變成再固化狀態的區域而產生變相化或結晶構造變化的區域。熔融處理區域也包含：在單結晶構造、非晶質構造、多結晶構造下，某個構造變成其他構造之區域。例如代表著：從單結晶構造變化成非晶質構造的區域，從單結晶構造變化成多結晶構造的區域，從單結晶構造變化成包含非晶質構造及多結晶構造的區域。當加工對象物為矽單結晶構造的情形，熔融處理區域例如為非晶質矽構造。電場強度之上限值例如為1×1012 (W/cm2 )。脈衝寬較佳為例如1ns~200ns。
本案發明人，係經由實驗確認出在矽晶圓的內部形成熔融處理區域。實驗條件如下。
(A)加工對象物：矽晶圓(厚350 μm，外徑4吋)(B)雷射光源：半導體雷射激發Nd：YAG雷射波長：1064nm雷射光點截面積：3.14×10－8 cm2 振盪形態：Q開關脈衝重複頻率：100kHz脈衝寬：30ns輸出：20mJ/脈衝雷射光品質：TEM00 偏光特性：直線偏光(C)聚光用透鏡倍率：50倍N.A.：0.55對雷射光波長之透過率：60%(D)載置加工對象物之載置台之移動速度：100mm/秒
第12圖顯示以上述條件之雷射加工進行切斷後之矽晶圓的一部分之截面照片。在矽晶圓11的內部形成有熔融處理區域13。上述條件所形成之熔融處理區域13之厚度方向大小為100 μm左右。
接著說明該熔融處理區域13係利用多光子吸收所形成出。第13圖顯示雷射光的波長和矽基板內部的透過率之關係。然而，係將矽基板表面側和背面側的反射成分除去，而顯示內部單獨的透過率。針對矽基板的厚度為50 μm、100 μm、200 μm、500 μm、1000 μm的情形，分別顯示上述關係。
例如在Nd：YAG雷射波長1064nm下，矽基板厚度500 μm以下的情形，可知80%以上的雷射光可透過矽基板內部。第12圖所示之矽晶圓11厚度為360 μm，因此多光子吸收所產生之熔融處理區域13係形成於矽晶圓11之中心附近，亦即和表面距離175 μm的部分。這時之透過率，例如厚度200 μm之矽晶圓為90%以上，亦即僅有微量的雷射光在矽晶圓11內部被吸收，而幾乎全部透過。這代表著，並不是因為在矽晶圓11內部吸收雷射光而在矽晶圓11內部形成熔融處理區域13(亦即通常利用雷射光之加熱來形成熔融處理區域)，而是利用多光子吸收來形成熔融處理區域13。關於利用多光子吸收來形成熔融處理區域，例如記載於熔接學會全國大會演講概要第66集(2000年4月)第72頁~第73頁之「微微(pico)秒脈衝雷射之矽加工性能評價」。
矽晶圓，係以熔融處理區域所形成之切斷起點區域為起點而朝向截面方向產生龜裂，當該龜裂到達矽晶圓之表面和背面的結果就完成矽晶圓之切斷。到達矽晶圓之表面和背面的龜裂，可能是自然進行成長的，也可能是藉由對矽晶圓施加力量來成長。當龜裂是從切斷起點區域自然成長至矽晶圓的表面和背面的情形，可能是從形成切斷起點區域之熔融處理區域之熔融狀態開始進行龜裂的成長，也可能是在形成切斷起點區域之熔融處理區域從熔融狀態再固化時才開始進行龜裂的成長。然而，不管那個情形，熔融處理區域都只形成在矽晶圓的內部，切斷後之切斷面上，如第12圖所示只有內部會形成熔融處理區域。如此般在加工對象物的內部藉由熔融處理區域來形成切斷起點區域，在割斷時，不容易產生偏離切斷起點區域線之不必要的龜裂，因此容易控制割斷作業。附帶一提，熔融處理區域之形成原因，不僅限於多光子吸收的情形，也可能是其他吸收作用所造成。
(3)改質區域為折射率變化區域的情形
以聚光點對準加工對象物(例如玻璃)內部的方式，以聚光點之電場強度1×108 (W/cm2 )以上且脈衝寬1ns以下的條件來照射雷射光。將脈衝寬設定成極短，而在加工對象物的內部產生多光子吸收時，多光子吸收之能量不會轉化成熱量，而在加工對象物的內部會誘發離子價數變化、結晶化或極化配向等的持續性構造變化，藉此形成折射率變化區域。電場強度之上限值例如為1×1012 (W/cm2 )。脈衝寬較佳為例如1ns以下，更佳為1ps以下。關於利用多光子吸收來形成折射率變化區域，例如記載於第42次雷射熱加工研究會論文集(1997年，11月)的第105頁~第111頁之「利用飛秒雷射照射在玻璃內部形成光誘發構造」。
以上係說明多光子吸收所形成的改質區域為(1)~(3)的情形，若考慮晶圓狀的加工對象物之結晶構造及其劈開性等而如下述般形成切斷起點區域，以該切斷起點區域作為起點，能用更小的力量且更高精度地切斷加工對象物。
亦即，矽等的鑽石構造之單結晶半導體所構成的基板的情形，較佳為在沿著(111)面(第1劈開面)或(110)面(第2劈開面)的方向形成切斷起點區域。此外，在GaAs等的閃鋅礦型構造之III－V族化合物半導體構成的基板的情形，較佳為在沿著(110)面的方向形成切斷起點區域。另外，在藍寶石(Al2 O3 )等的六方晶系結晶構造的基板的情形，較佳為以(0001)面(C面)為主面而在沿著(1120)面(A面)或(1100)面(M面)的方向形成切斷起點區域。
此外，若沿著上述待形成切斷起點區域的方向(例如，單結晶基板之沿著(111)面的方向)、或沿著與待形成切斷起點區域的方向正交的方向，在基板上形成定向平面，以該定向平面為基準，能容易且正確地沿著待形成切斷起點區域的方向形成切斷起點區域。
然後說明本發明之較佳實施形態。
如第14圖及第15圖所示，加工對象物1係具備：所謂MEMS晶圓之厚度300 μm的矽晶圓(半導體基板)11、包含複數個功能元件15之形成於矽晶圓11表面的功能元件層16、形成於矽晶圓11背面之金屬膜17。功能元件15，例如為機械要素構件、感測器、致動器、電路等等，係呈陣列狀而沿著與矽晶圓11的定向平面6平行的方向及垂直的方向形成多數個。金屬膜17由金構成，厚度為3 μm。
上述構造之加工對象物1，係如下述般切斷成各個功能元件15。首先，如第16圖所示，在加工對象物1的背面(另一面)21、亦即金屬膜17的背面貼合擴展膠帶23。接著，以功能元件層16位於上側的方式，將加工對象物1固定於雷射加工裝置之載置台(未圖示)。
接著，如第17圖所示，以加工對象物1的表面3、亦即功能元件層16的表面作為雷射光入射面，以聚光點(聚光用透鏡)對準和矽晶圓11表面距離320 μm的位置(矽晶圓11的外部)的方式(假定讓雷射光透過和加工對象物的雷射光入射面(表面3)相對向之雷射光反射面(金屬膜17的表面17a)的情形，以下相同)來照射雷射光L，藉由移動載置台，沿著切斷預定線5(參照第14圖的虛線，係以通過相鄰的功能元件15、15間的方式設定成格子狀)，進行雷射光L之掃描。
這時，在和加工對象物1的表面3相對向之金屬膜17的表面(既定面)17a、亦即金屬膜17之雷射光入射側的面會反射雷射光L，其反射光RL會照射於矽晶圓11，而聚光於矽晶圓11內部之極端接近背面21處。藉此，在矽晶圓11內部之極端接近背面21處，會沿著切斷預定線5而形成熔融處理區域131 及微小空洞14。又這時之雷射光照明條件為脈衝寬150ns、能量15 μ J。上述「和矽晶圓11的表面距離320 μm的位置」，係代表不考慮球面像差等之理論上的「對準聚光點P的位置」。
在此說明微小空洞14。一般，使聚光點對準矽晶圓11的內部，以聚光點之峰值功率密度1×108 (W/cm2 )以上且脈衝寬1 μ s以下的條件照射雷射光，可在矽晶圓11的內部，形成成對之熔融處理區域13及微小空洞14。微小空洞14，可能和熔融處理區域13形成分離，也可能和熔融處理區域13形成連續，其在雷射光之行進方向上係形成於熔融處理區域13之下游側。在上述的情形，由於微小空洞14相對於熔融處理區域131 係形成於加工對象物1的表面3側，故反射光有助於熔融處理區域131 及微小空洞14之形成。關於熔融處理區域13及微小空洞14會成對形成之原理，其詳細說明記載於日本特開2005－57257號公報。
接著，如第18圖所示，以加工對象物1的表面3為雷射光入射面，以聚光點P對準矽晶圓11內部的方式照射雷射光P，並藉由移動載置台，沿著切斷預定線5(以通過相鄰的功能元件15、15間的方式設定成格子狀)進行雷射光L之掃描。
該沿著切斷預定線5進行之雷射光L的掃描，係對1根切斷預定線5進行5次，且每次都改變矽晶圓11表面和聚光點P對準位置的距離，藉此在熔融處理區域131 和矽晶圓11的表面之間，沿著切斷預定線5形成5列的熔融處理區域132 。對於1根切斷預定線5，形成於矽晶圓11內部之熔融處理區域132 的列數，可按照矽晶圓11的厚度等來改變，並不限於5列。此外，熔融處理區域131 、132 ，可能會混合存在有龜裂。
然後，如第19圖所示，將擴展膠帶23擴展，以熔融處理區域131 、132 及弱化區域18為切斷起點，沿著切斷預定線5將加工對象物1切斷。這時，由於擴展膠帶23被擴展開，故切斷所得之複數個半導體晶片25會互相分離。
上述雷射加工方法，係藉由第26圖所示的雷射加工裝置來實施。如第26圖所示，雷射加工裝置100係具備：用來射出雷射光L之光源101、使雷射光L的光軸方向改變90°之分光鏡103、使雷射光L聚光用之聚光用透鏡105。雷射加工裝置100係具備：用來支承加工對象物1(經聚光用透鏡105聚光後之雷射光L之照射對象)之載置台107、用來使載置台107朝X、Y、Z軸方向移動之載台111、用來控制雷射加工裝置100全體之控制部115(調節雷射光L之輸出、脈衝寬等，控制載台111之移動等)。
在該雷射加工裝置100，從雷射光源101射出之雷射光L，經由分光鏡103將其光軸方向改變90°後，藉由聚光用透鏡105朝向載置台107上所載置之加工對象物1進行聚光。在此同時，使載台111移動，而相對於雷射光L，使加工對象物1沿著切斷預定線5進行相對移動。藉此，沿著切斷預定線5，在加工對象物1形成作為切斷起點之改質區域。
如以上所說明，在上述雷射加工方法，係將被金屬膜17的表面17a(和加工對象物1之作為雷射光入射面的表面3相對向)反射後之雷射光L的反射光RL照射於矽晶圓11，以在6列的熔融處理區域131 、132 中，形成最靠近金屬膜17的表面17a之熔融處理區域131 。如此般，如第20圖所示，可讓熔融處理區域131 形成極接近金屬膜17的表面17a。當矽晶圓11的厚度沿著切斷預定線5產生變化的情形，或矽晶圓11屬於高濃度摻雜晶圓等而造成雷射光L透過率低的情形等，要在表面17a附近且在同樣高度的位置沿著切斷預定線5來形成熔融處理區域131 雖很困難，但如此般利用反射光RL來形成最靠近金屬膜17的表面17a之熔融處理區域131 ，即可沿著切斷預定線5在極接近金屬膜17的表面17a處，以高密度來穩定地形成熔融處理區域131 。因此，在將加工對象物1切斷時，能防止切斷面之背面21側的端部偏離切斷預定線5，而能沿著切斷預定線5將加工對象物1予以高精度的切斷。
在利用被金屬膜17的表面17a反射後的雷射光L之反射光RL的情形，針對可讓熔融處理區域131 形成極接近金屬膜17的表面17a之原理，在此作說明。
本案發明人推測之第1原理如下所述。如第21圖所示，若以聚光點P對準矽晶圓11之背面、亦即金屬膜17的表面17a附近的方式來照射雷射光L，基於球面像差的影響，中心光線和周圍光線的聚光度會變差，各光線無法聚光於同一點，各光線、特別是周圍光線之聚光部位會在雷射光L的光軸方向產生偏差欲。金屬膜17的表面17a下方進行聚光的光線聚光部位，利用金屬膜17的表面17a之反射，會將在金屬膜17的表面17a上方進行聚光的光線聚光部位加以補強。因此，沿著切斷預定線5，熔融處理區域131會以高密度形成於極接近金屬膜17的表面17a處。在不考慮球面像差下，理論上，熔融處理區域131 應形成於聚光點的位置(矽晶圓11的背面上)，而受到反射的影響，熔融處理區域131 的形成位置會朝上側移動。
本案發明人所推測之第2原理如下所述。如第22(a)圖所示，若將聚光用透鏡配置成聚光點位於矽晶圓11的外部，亦即以聚光點對準金屬膜17的表面17a下的方式照射雷射光L，金屬膜17的表面17a會反射雷射光L，其反射光RL會聚光於矽晶圓11的內部。在被金屬膜17的表面17a反射前，由於聚光度低，雷射光L幾乎不會被矽晶圓11吸收，故在反射光RL之聚光點P的位置會形成局部高溫。因此，基於吸收係數之溫度依存性，在聚光點P的位置吸收係數增高，因此以反射光RL之聚光點P的位置為基準，在反射光RL的行進方向上之聚光點P的上游側(反射表面17a側)反射光RL容易被吸收。結果，沿著切斷預定線5，在極接近金屬膜17的表面17a處形成高密度的熔融處理區域131 (亦即，高分割性的改質區域)。
另外，如第22(b)圖所示，若將聚光點P對準矽晶圓11的內部、亦即金屬膜17的表面17a上來照射雷射光L，連聚光點P上側的位置的溫度也會變高。因此，基於吸收係數之溫度依存性，在聚光點P的上側位置吸收係數增高，而開始進行雷射光L之吸收。如此一來，在雷射光L的行進方向上行進至聚光點P附近之雷射光L減少，聚光點P的上側部分，沿著雷射光L之光軸會形成局部高溫。因此，基於吸收係數之溫度依存性，在聚光點P的上側部分吸收係數增高，而進行雷射光L之吸收。結果，由於可用來形成熔融處理區域13之雷射光L的能量減少，沿著切斷預定線5，在比金屬膜17的表面17a(的附近)若干上側的位置，會形成低密度的熔融處理區域13。據推測其原因在於：在較厚的晶圓，相對於雷射光入射面，在越深入的位置吸收的影響越大，故雷射光的能量減少而會超過加工臨限值，如此將無法忽視溫度依存的影響。
本發明並不限於上述實施形態。
例如，在上述實施形態，係將被金屬膜17的表面17a反射後之雷射光L的反射光RL照射於矽晶圓11，以在極接近金屬膜17的表面17a處形成熔融處理區域131 ，但如第23圖及第24圖所示，也能在極接近加工對象物1的表面3處形成熔融處理區域131 。這時，係以加工對象物1的表面3作為雷射光入射面，以聚光點對準和矽晶圓11的表面距離600 μm的位置(矽晶圓11的外部)之方式，用脈衝寬150ns、能量15 μ J的條件來照射雷射光L。藉此，能防止起因於上述吸收係數之溫度依存性而造成加工對象物1的表面3遭受熔融等的損傷，而能在極接近加工對象物1的表面3處形成熔融處理區域131 。且在切斷加工對象物1時，能防止切斷面的表面3側的端部偏離切斷預定線5，而沿著切斷預定線5將加工對象物1予以高精度的切斷。
另外，除了最靠近金屬膜17的表面17a之熔融處理區域13、最靠近加工對象物1的表面3之熔融處理區域13以外，利用被金屬膜17的表面17a反射後之雷射光L的反射光RL也能形成：複數列的熔融處理區域13中，包含最靠近金屬膜17的表面17a之熔融處理區域13以及最靠近加工對象物1的表面3之熔融處理區域13中至少1列之複數列的熔融處理區域13。
另外，如第25圖所示，在形成最靠近金屬膜17的表面17a之熔融處理區域13的同時，可在加工對象物1的背面21，沿著切斷預定線5形成具有既定深度之弱化區域18。這時，係以加工對象物1的表面3作為雷射光入射面，以聚光點對準和矽晶圓11的表面距離305 μm的位置(矽晶圓11的外部)之方式，用脈衝寬150ns、能量15 μ J的條件來照射雷射光L。這時，雖然加工對象物1的背面2為金屬膜17的背面，但即使是這種情形，仍能沿著切斷預定線5在金屬膜17形成具有既定深度之弱化區域18，因此能用較小的外力，沿著切斷預定線5將加工對象物1予以高精度地切斷。且由於熔融處理區域131 是形成於矽晶圓11的內部，故能防止來自熔融處理區域131 之粒子發生。
在上述實施形態，雷射光L反射面為金屬膜17的表面17a，但加工對象物1也能不具備金屬膜17，例如雷射光L反射面可為矽晶圓11之背面。這時，雷射光L是被矽晶圓11背面予以部分反射，而將其反射光RL照射於矽晶圓11。又功能元件15，例如也能使用：結晶成長所形成之半導體動作層、光二極體等的受光元件、雷射二極體等的發光元件、或以電路的形態形成之電路元件等等。
另外，在上述實施形態，係以加工對象物1的表面3作為雷射光入射面，但在加工對象物1不具備金屬膜17的情形，也能以加工對象物1的背面21作為雷射光入射面。在以加工對象物1的背面21作為雷射光入射面的情形，例如係如下所述般將加工對象物1切斷成複數個半導體晶片25。亦即，在功能元件層16的表面貼合保護膠帶，在用保護膠帶保護功能元件層16的狀態下，將保持著加工對象物1之保護膠帶固定於雷射加工裝置之載置台。接著，以加工對象物1的背面21作為雷射光入射面，對矽晶圓11照射雷射光L，藉此沿著切斷預定線5來形成熔融處理區域131 、132 。接著，使保護膠帶和加工對象物1一起離開載置台。然後，在加工對象物1的背面21貼合擴展膠帶23，從功能元件層16的表面剝離保護膠帶後，將擴展膠帶23擴展，以熔融處理區域131 、132 作為切斷起點而將加工對象物1沿著切斷預定線5切斷，並使切斷所得之複數個半導體晶片25互相分離。
又在上述實施形態，雖是在矽晶圓11的內部形成熔融處理區域131 、132 ，但也能在玻璃或壓電材料等其他材料所構成之晶圓內部，形成龜裂區域、折射率變化區域等之其他的改質區域。
另外，也能如下所述在加工對象物1形成改質區域7。首先，如第27(a)圖所示，以聚光點P對準和加工對象物1的雷射光入射面(表面3)相對向之雷射光反射面(背面21)附近的位置之方式，照射雷射光L以形成改質區域7a。之後，如第27(b)圖所示，假定雷射光可透過雷射光反射面的情形，以聚光點P對準雷射光L行進方向上的雷射光反射面之下游側(對於雷射光反射面，係與雷射光源(雷射光入射面)之相反側)的方式，照射雷射光L，利用其反射光RL來形成改質區域7b。如此般，藉由重疊形成改質區域7a和改質區域7b，以在加工對象物1形成高密度(亦即，分割性高)之改質區域7。
藉由對加工對象物1照射雷射光L，除沿著1根切斷預定線5，以在加工對象物1的厚度方向並排的方式在加工對象物1的至少內部形成複數列的改質區域7的情形以外，也能沿著1根切斷預定線5，而在加工對象物1之至少內部形成1列的改質區域7。
依據本發明，具有良好的控制性，而能讓最靠近既定面之改質區域形成極接近既定面，又能讓最靠近雷射光入射面之改質區域形成極接近雷射光入射面。
1．．．加工對象物
3．．．表面(雷射光入射面)
5．．．切斷預定線
11．．．矽晶圓(半導體基板)
131 、132 ．．．熔融處理區域(改質區域)
17．．．金屬膜
17a．．．表面(既定的面)
L．．．雷射光
RL．．．反射光
第1圖係本實施形態之雷射加工方法之雷射加工中的加工對象物之俯視圖。
第2圖係第1圖所示的加工對象物之II－II線之截面圖。
第3圖係本實施形態之雷射加工方法之雷射加工後的加工對象物之俯視圖。
第4圖係第3圖所示的加工對象物之IV－IV線之截面圖。
第5圖係第3圖所示的加工對象物之V－V線之截面圖。
第6圖係藉由本實施形態之雷射加工方法切斷後之加工對象物的俯視圖。
第7圖係顯示本實施形態之雷射加工方法之峰值功率密度和龜裂點大小的關係。
第8圖係本實施形態之雷射加工方法之第1步驟的加工對象物之截面圖。
第9圖係本實施形態之雷射加工方法之第2步驟的加工對象物之截面圖。
第10圖係本實施形態之雷射加工方法之第3步驟的加工對象物之截面圖。
第11圖係本實施形態之雷射加工方法之第4步驟的加工對象物之截面圖。
第12圖係藉由本實施形態之雷射加工方法切斷後之矽晶圓的一部分之截面相片。
第13圖係顯示本實施形態之雷射加工方法之雷射光的波長和矽基板內部的透過率之關係。
第14圖係本實施形態之雷射加工方法的對象之加工對象物的俯視圖。
第15圖係第14圖之XV－XV線之局部截面圖。
第16圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法之加工對象物的局部截面圖。
第17圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法之加工對象物的局部截面圖。
第18圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法之加工對象物的局部截面圖。
第19圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法之加工對象物的局部截面圖。
第20圖係第14圖之XX－XX線之局部截面圖。
第21圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法的第1原理之圖。
第22圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法的第2原理之圖。
第23圖係用來說明本實施形態的其他雷射加工方法之加工對象物的局部截面圖。
第24圖係第14圖之XX－XX線之局部截面圖。
第25圖係第14圖之XX－XX線之局部截面圖。
第26圖係本實施形態的雷射加工裝置之概略構成圖。
第27圖係用來說明本實施形態的其他雷射加工方法之加工對象物的局部截面圖。
1．．．加工對象物
3．．．表面(一面)
5．．．切斷預定線
11．．．矽晶圓(半導體基板)
131 、132 ．．．熔融處理區域(改質區域)
14．．．微小空洞
15．．．功能元件
16．．．功能元件層
17．．．金屬膜
17a．．．表面(既定的面)
21．．．背面(另一面)
23．．．擴展膠帶
L．．．雷射光
P．．．聚光點

Claims (24)

  1. 一種雷射加工方法，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著前述加工對象物之切斷預定線，以在前述加工對象物的厚度方向並排的方式，於前述加工對象物的內部形成作為切斷起點之複數列的改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：將被既定面(和前述加工對象物之供雷射光入射之雷射光入射面相對向)反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物，以在複數列的前述改質區域中，形成包含最靠近前述既定面的改質區域及最靠近前述雷射光入射面之改質區域中至少1列之1列或複數列的改質區域。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，前述既定面，係前述加工對象物所具備之金屬膜之前述雷射光入射面側的面。
  3. 如申請專利範圍第1或2項記載之雷射加工方法，其中，以複數列之前述改質區域作為切斷起點，沿著前述切斷預定線將前述加工對象物切斷。
  4. 如申請專利範圍第1或2項記載之雷射加工方法，其中，前述加工對象物係具備半導體基板，前述改質區域係包含熔融處理區域。
  5. 如申請專利範圍第3項記載之雷射加工方法，其中，前述加工對象物係具備半導體基板，前述改質區域係包含熔融處理區域。
  6. 一種雷射加工方法，係對板狀的加工對象物照射雷 射光，藉此沿著前述加工對象物之切斷預定線，於前述加工對象物的內部形成作為切斷起點之改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：假定雷射光可透過和前述加工對象物的雷射光入射面相對向之雷射光反射面的情形，以雷射光的行進方向上前述雷射光反射面之下游側的位置，成為聚光用透鏡(用來將雷射光聚光於前述加工對象物)所聚光之雷射光的聚光點的方式，配置前述聚光用透鏡，並對前述加工對象物照射雷射光，藉此在前述加工對象物之至少內部形成前述改質區域。
  7. 一種雷射加工裝置，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著前述加工對象物之切斷預定線，於前述加工對象物的內部形成作為切斷起點之改質區域之雷射加工裝置，其特徵在於：係具備控制部；該控制部，假定雷射光可透過和前述加工對象物的雷射光入射面相對向之雷射光反射面的情形，係以雷射光的行進方向上前述雷射光反射面之下游側的位置，成為聚光用透鏡(用來將雷射光聚光於前述加工對象物)所聚光之雷射光的聚光點的方式，配置前述聚光用透鏡，並對前述加工對象物照射雷射光，藉此在前述加工對象物之至少內部形成前述改質區域。
  8. 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，藉由將被前述既定面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物，以形成作為改質區域之成對的熔融處理區 域及微小空洞，前述微小空洞相對於前述熔融處理區域是形成在前述雷射光入射面側。
  9. 如申請專利範圍第8項記載之雷射加工方法，其中，將被前述既定面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物時，在不考慮球面像差下，理論上讓前述雷射光的聚光點對準前述加工對象物。
  10. 如申請專利範圍第6項記載之雷射加工方法，其中，藉由將被前述雷射光反射面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物，以形成作為改質區域之成對的熔融處理區域及微小空洞，前述微小空洞相對於前述熔融處理區域是形成在前述雷射光入射面側。
  11. 如申請專利範圍第10項記載之雷射加工方法，其中，將被前述雷射光反射面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物時，在不考慮球面像差下，理論上讓前述雷射光的聚光點對準前述加工對象物。
  12. 一種雷射加工方法，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著前述加工對象物之切斷預定線，以在前述加工對象物的厚度方向並排的方式，於前述加工對象物的內部形成作為切斷起點之複數列的改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：將被既定面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物，該既定面和前述加工對象物之供雷射光入射之雷射光入射面相對向、且是前述加工對象物所具備的金屬膜之前述雷射光入射面側的面，以在複數列的前述改質區域 中，形成包含最靠近前述既定面的改質區域及最靠近前述雷射光入射面之改質區域中至少1列之1列或複數列的改質區域；當形成最靠近前述既定面的前述改質區域的情況，在形成該改質區域的同時，沿著前述切斷預定線在前述金屬膜形成弱化區域。
  13. 如申請專利範圍第12項記載之雷射加工方法，其中，前述弱化區域，形成於前述金屬膜之與前述雷射光入射面側相反側的面。
  14. 如申請專利範圍第12或13項記載之雷射加工方法，其中，以複數列之前述改質區域作為切斷起點，沿著前述切斷預定線將前述加工對象物切斷。
  15. 如申請專利範圍第12或13項記載之雷射加工方法，其中，前述加工對象物係具備半導體基板，前述改質區域係包含熔融處理區域。
  16. 如申請專利範圍第14項記載之雷射加工方法，其中，前述加工對象物係具備半導體基板，前述改質區域係包含熔融處理區域。
  17. 一種雷射加工方法，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著前述加工對象物之切斷預定線，以在加工對象物的厚度方向並排的方式，於前述加工對象物的內部形成作為切斷起點之複數列的改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：假定雷射光可透過和前述加工對象物的雷射光入射面 相對向之雷射光反射面的情形，該雷射光反射面是前述加工對象物所具備的金屬膜之前述雷射光入射面側的面，以雷射光的行進方向上前述雷射光反射面之下游側的位置，成為聚光用透鏡(用來將雷射光聚光於前述加工對象物)所聚光之雷射光的聚光點的方式，配置前述聚光用透鏡，並對前述加工對象物照射雷射光，以在複數列的前述改質區域中，形成包含最靠近前述既定面的改質區域及最靠近前述雷射光入射面之改質區域中至少1列之1列或複數列的改質區域；當形成最靠近前述既定面的前述改質區域的情況，在形成該改質區域的同時，沿著前述切斷預定線在前述金屬膜形成弱化區域。
  18. 一種雷射加工裝置，係對板狀的加工對象物照射雷射光，藉此沿著前述加工對象物之切斷預定線，以在加工對象物的厚度方向並排的方式，於前述加工對象物的內部形成作為切斷起點之複數列的改質區域之雷射加工裝置，其特徵在於：係具備控制部；該控制部，假定雷射光可透過和前述加工對象物的雷射光入射面相對向之雷射光反射面的情形，該雷射光反射面是前述加工對象物所具備的金屬膜之前述雷射光入射面側的面，係以雷射光的行進方向上前述雷射光反射面之下游側的位置，成為聚光用透鏡(用來將雷射光聚光於前述加工對象物)所聚光之雷射光的聚光點的方式，配置前述聚光用透鏡，並對前述加工對象物照射雷射光，以在複數 列的前述改質區域中，形成包含最靠近前述既定面的改質區域及最靠近前述雷射光入射面之改質區域中至少1列之1列或複數列的改質區域；當形成最靠近前述既定面的前述改質區域的情況，在形成該改質區域的同時，沿著前述切斷預定線在前述金屬膜形成弱化區域。
  19. 如申請專利範圍第12項記載之雷射加工方法，其中，藉由將被前述既定面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物，以形成作為改質區域之成對的熔融處理區域及微小空洞，前述微小空洞相對於前述熔融處理區域是形成在前述雷射光入射面側。
  20. 如申請專利範圍第19項記載之雷射加工方法，其中，將被前述既定面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物時，在不考慮球面像差下，理論上讓前述雷射光的聚光點對準前述加工對象物。
  21. 如申請專利範圍第17項記載之雷射加工方法，其中，藉由將被前述雷射光反射面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物，以形成作為改質區域之成對的熔融處理區域及微小空洞，前述微小空洞相對於前述熔融處理區域是形成在前述雷射光入射面側。
  22. 如申請專利範圍第21項記載之雷射加工方法，其中，將被前述雷射光反射面反射後之雷射光的反射光照射於前述加工對象物時，在不考慮球面像差下，理論上讓前述雷射光的聚光點對準前述加工對象物。
  23. 如申請專利範圍第17項記載之雷射加工方法，其中，前述弱化區域，形成於前述金屬膜之與前述雷射光入射面側相反側的面。
  24. 如申請專利範圍第18項記載之雷射加工裝置，其中，前述弱化區域，形成於前述金屬膜之與前述雷射光入射面側相反側的面。
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