TWI510322B - Laser processing method - Google Patents

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Description

雷射加工方法
本發明係關於將具備GaAs基板的板狀的加工對象物沿著切斷預定線進行切斷的雷射加工方法。
習知的上述技術領域的雷射加工方法，是以聚光點對準具備Si基板的板狀的加工對象物的內部的方式照射雷射光，以沿著加工對象物的切斷預定線而在Si基板上形成作為切斷起點的改質區域(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，針對具備GaAs基板的板狀的加工對象物，期待能有更加提昇切斷的確實性的改質區域的形成技術。
於是，本發明是有鑑於上述事情而開發完成者，其目的是為了提供一種雷射加工方法，以對具備GaAs基板的板狀的加工對象物，形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域。
本發明人為了達成上述目的而進行深入探討的結果發現，為了對具備GaAs基板的板狀的加工對象物形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域，照射於加工對象物的脈衝雷射光的脈寬(pulse width)是相當重要的因素。亦即，從照射31ns~54ns脈寬的脈衝雷射光而形成於GaAs基板上的改質區域，較容易在加工對象物的厚度方向發生龜裂。另一方面，從照射脈寬比31ns短或比54ns長的脈衝雷射光而形成於GaAs基板上的改質區域，則不容易在加工對象物的厚度方向發生龜裂。本發明人根據此認知而進一步的探討，最終到達本發明的完成。
亦即，本發明之雷射加工方法，是以聚光點對準具備GaAs基板的板狀的加工對象物的內部的方式照射雷射光，藉此沿著加工對象物的切斷預定線而在GaAs基板形成作為切斷起點的改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：雷射光為脈衝雷射光，且雷射光的脈寬為31ns~54ns。
在該雷射加工方法，藉由照射脈寬31ns~54ns的雷射光，以沿著切斷預定線而在GaAs基板形成作為切斷起點的改質區域。藉此，沿著切斷預定線而在GaAs基板形成的改質區域，在加工對象物的厚度方向容易發生龜裂。因此，依據該雷射加工方法，對於具備GaAs基板的板狀的加工對象物，可形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域。
本發明的雷射加工方法較佳為，雷射光的脈衝節距(pitch)為7.5μm~10μm。這時，對於具備GaAs基板的板狀的加工對象物，可形成作為切斷起點的功能最佳的改質區域。雷射光的脈衝節距是指：將「雷射光的聚光點對加工對象物的掃描速度(移動速度)」除以「脈衝雷射光的重複頻率」的數值。
本發明的雷射加工方法較佳為，在形成改質區域後，以改質區域為起點而沿著切斷預定線將加工對象物切斷。這時，可沿著切斷預定線將加工對象物實施高精度的切斷。
在本發明之雷射加工方法，改質區域可包含熔融處理區域。
依據本發明，對於具備GaAs基板的板狀的加工對象物，可形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域。
以下，針對本發明的較佳實施形態，參照圖式做詳細的說明。在各圖中，對於相同或相當的部分賦予相同的符號，而省略其重複的說明。
本實施形態之雷射加工方法，是以聚光點對準板狀的加工對象物的方式照射雷射光，藉此沿著切斷預定線而在加工對象物形成改質區域。
於是，首先，針對本實施形態的雷射加工方法之改質區域的形成，參照第1圖至第9圖來做說明。
如第1圖所示，雷射加工裝置100係具備：用來脈衝振盪出雷射光(加工用雷射光)L之雷射光源101、配置成讓雷射光L的光軸方向改變90°之分光鏡103、用來讓雷射光L聚光之聚光用透鏡105。此外，雷射加工裝置100係具備：用來支承受雷射光L(經聚光用透鏡105聚光後)照射的加工對象物1之支承台107、讓支承台107朝X、Y、Z軸方向移動的載台111、為了調節雷射光L的輸出和脈寬等而控制雷射光源101的雷射光源控制部102、用來控制載台111的移動之載台控制部115。
在該雷射加工裝置100，從雷射光源101射出的雷射光L，經由分光鏡103使其光軸方向改變90°後，藉由聚光用透鏡105聚光於支承台107上的加工對象物1的內部。在此同時，載台111會移動，而使加工對象物1沿著切斷預定線5相對於雷射光L進行移動。藉此，沿著切斷預定線5，在加工對象物1形成作為切斷起點的改質區域。以下針對此改質區域做詳細的說明。
如第2圖所示，在板狀的加工對象物1，設定用來切斷加工對象物1之切斷預定線5。切斷預定線5，是直線狀延伸的假想線。在加工對象物1的內部形成改質區域的情況，如第3圖所示，是以聚光點P對準加工對象物1內部的狀態，使雷射光L沿著切斷預定線5(亦即朝第2圖的箭頭A方向)進行相對移動。藉此，如第4圖至第6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，而該沿著切斷預定線5所形成的改質區域7是成為切斷起點區域8。
聚光點P是指雷射光L聚光的部位。切斷預定線5不限於直線狀，也可以是曲線狀，並不限於假想線，也可以是實際畫在加工對象物1的表面3的線。又改質區域7是包括：連續形成的情況、斷續形成的情況。改質區域7只要至少形成於加工對象物1的內部即可。此外，能以改質區域7為起點來形成龜裂，龜裂及改質區域7，也能露出於加工對象物1的外表面(表面、背面、或外周面)。
附帶一提，在此，雷射光L會透過加工對象物1，並在加工對象物1的內部的聚光點附近被吸收，藉此來在加工對象物1形成改質區域7(亦即，內部吸收型雷射加工)。如此，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。一般而言，從表面3進行熔融除去而形成孔洞、溝槽等的除去部(表面吸收型雷射加工)的情況，加工區域是從表面3側逐漸朝背面側進展。
然而，本實施形態的雷射加工方法所形成之改質區域，是指密度、折射率、機械強度、和其他的物理性質與周圍的狀態不同的區域。例如包括：(1)熔融處理區域、(2)裂痕區域、絕緣破壞區域、(3)折射率變化區域等，也包括其等混合存在的區域。
本實施形態的雷射加工方法之改質區域，是藉由局部的雷射光吸收、多光子吸收現象來形成。多光子吸收是指，由於材料的吸收帶隙EG 比光子能量hv更小時光學上呈透明，故材料產生吸收的條件為hv>EG ，但即使是光學上呈透明，在雷射光L強度非常大之n hv>EG 的條件(n=2,3,4,…)下，材料會產生吸收的現象。利用多光子吸收來形成熔融處理區域的技術，例如記載於熔接學會全國大會演講概要第66集(2000年4月)的第72頁~第73頁「利用皮秒脈衝雷射之矽的加工特性評價」。
另外，如D.Du,X.Liu,G.Korn,J.Squier,and G.mourou,”Laser Induced Breakdown by impact Ionization in SiO2 with Pulse Widths from 7ns to 150fs”,Appl Phys Lett64(23),Jun.6,1994所記載，可利用脈寬數皮秒至飛秒的超短脈衝雷射光來形成改質區域。
(1)改質區域包含熔融處理區域的情況
以聚光點對準加工對象物(例如矽等的半導體材料)的內部的方式，以聚光點的電場強度為1×108 (W/cm2 )以上且脈寬為1μs以下的條件照射雷射光L。藉此，在聚光點附近吸收雷射光L而將加工對象物內部的局部加熱，藉由該加熱而在加工對象物的內部形成熔融處理區域。
熔融處理區域是包括：暫時熔融後再度固化的區域、處於熔融狀態的區域、從熔融狀態往再固化狀態進展的區域、產生相變化的區域、產生結晶構造變化的區域。再者，熔融處理區域也可以說是，在單結晶構造、非晶質構造、多結晶構造中，從某一構造變化成其他構造的區域。亦即，例如包括：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。在加工對象物為矽單結晶構造的情況，熔融處理區域例如為非晶質矽構造。
第7圖係照射雷射光後之矽晶圓(半導體基板)的一部分的截面的相片。如第7圖所示，在半導體基板11的內部形成熔融處理區域13。
接著說明，在對於射入的雷射光的波長具有透過性的材料內部形成熔融處理區域13的情況。第8圖係顯示雷射光波長和矽基板內部的透過率的關係。然而，這時是除去矽基板的表面側和背面側的反射成分，而僅顯示內部的透過率。對於矽基板厚度為50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm各個的情況顯示上述關係。
例如，在Nd：YAG雷射的波長1064nm、矽基板厚度500μm的情況下，在矽基板內部可透過80%以上的雷射光L。由於第7圖所示的半導體基板11厚度為350μm，故熔融處理區域13是形成於半導體基板11的中心附近，亦即從表面起算175μm的部分。這時的透過率，若以厚度200μm的矽晶圓為參考，則成為90%以上，因此雷射光L只有微量被半導體基板11的內部吸收，而幾乎都能透過。然而，將強度1×108 (W/cm2 )以上且脈寬1μs以下的條件的雷射光L聚光於矽晶圓內部時，在聚光點及其附近可局部地吸收雷射光，而在半導體基板11的內部形成熔融處理區域13。
又在矽晶圓，可能會以熔融處理區域為起點而產生龜裂。又龜裂可能會形成於熔融處理區域內，這時，龜裂可能是遍及熔融處理區域的全面來形成，也可能僅形成於一部分或形成於複數部分。再者，該龜裂可能是自然成長出，也可能是因為施加於矽晶圓的力量而成長出。又在從熔融處理區域自然成長出龜裂的情況，可能是從熔融處理區域的熔融狀態進行成長，也可能是在熔融處理區域從熔融狀態再度固化時進行成長。然而，不論是哪個情況，熔融處理區域都會形成於矽晶圓的內部，而從切斷面觀察，如第7圖所示會在內部形成熔融處理區域。
(2)改質區域包含裂痕區域的情況
以聚光點對準加工對象物(例如玻璃或LiTaO3 所構成的壓電材料)的方式，以聚光點的電場強度為1×108 (W/cm2 )以上且脈寬為1μs以下的條件照射雷射光L。該脈寬大小，是讓加工對象物的內部吸收雷射光L以產生裂痕區域的條件。藉此在加工對象物的內部產生光學損傷現象。利用該光學損傷來在加工對象物的內部引發熱應變，藉此在加工對象物的內部形成包含1或複數個裂痕之裂痕區域。裂痕區域也稱為絕緣破壞區域。
第9圖係顯示電場強度和裂痕大小的關係之實驗結果。橫軸代表峰值功率密度，由於雷射光L屬於脈衝雷射光，故電場強度是用峰值功率密度表示。縱軸代表藉由1脈衝的雷射光L來形成於加工對象物內部的裂痕部分(裂痕點)的大小。裂痕點的集合構成裂痕區域。裂痕點的大小是指，在裂痕點的形狀當中長度最長的部分的大小。圖式中的●代表聚光用透鏡(C)的倍率為100倍、數值孔徑(NA)為0.80的情況。另一方面，圖式中的○代表聚光用透鏡(C)的倍率為50倍、數值孔徑(NA)為0.55的情況。從峰值功率密度1011 (W/cm2 )程度起會在加工對象物的內部發生裂痕點，隨著峰值功率密度加大，裂痕點也會變大。
(3)改質區域包含折射率變化區域的情況
以聚光點對準加工對象物(例如玻璃或LiTaO3 所構成的壓電材料)的方式，以聚光點的電場強度為1×108 (W/cm2 )以上且脈寬為1μs以下的條件照射雷射光L。如此般，若在脈寬極短的狀態下讓加工對象物的內部吸收雷射光L，其能量不會轉變成熱能，而會在加工對象物的內部誘發離子價數變化、結晶化或極化配向等的持久的構造變化，藉此形成折射率變化區域。
又所稱的改質區域，是包含：熔融處理區域、絕緣破壞區域、折射率變化區域等以及其等混合存在的區域，對材料而言，改質區域是相較於非改質區域其密度產生變化的區域，或是形成有晶格缺陷的區域。這些可統稱為高密轉移區域。
此外，熔融處理區域、折射率變化區域、改質區域的密度相較於非改質區域的密度產生變化的區域、形成有晶格缺陷的區域，可能會在該等區域的內部或改質區域和非改質區域的界面包含龜裂(裂縫、微裂痕)。所包含的龜裂，可能會遍及改質區域的全面或僅形成於一部分或是形成於複數部分。
附帶一提的，考慮到加工對象物的結晶構造和其劈開性等，若以下述方式來形成改質區域可對加工對象物進行高精度地切斷。
亦即，在由矽等的金鋼石構造的單結晶半導體來構成基板的情況，較佳為在沿著(111)面(第1劈開面)、(110)面(第2劈開面)的方向來形成改質區域。而在由GaAs等的閃鋅礦型構造的III-V族化合物半導體來構成基板的情況，較佳為在沿著(110)面的方向形成改質區域。再者，在具有藍寶石(Al2 O3 )等的六方晶系結晶構造的基板的情況，較佳為以(0001)面(C面)為主面，而在沿著(1120)面(A面)或(1100)面(M面)的方向形成改質區域。
此外，只要在上述應形成改質區域的方向(例如，沿著單結晶矽基板之(111)面的方向)、或是沿著與應形成改質區域的方向正交的方向形成定向平面，以該定向平面為基準，可容易且正確地在基板形成改質區域。
接著說明本實施形態之雷射加工方法。
第10圖係顯示適用於本實施形態的雷射加工方法之加工對象物的俯視圖，第11圖係沿著第10圖的加工對象物的切斷預定線的局部截面圖。如第10圖、第11圖所示，板狀的加工對象物1係具備：GaAs基板12、含有複數個功能元件15且形成於GaAs基板12主面的功能元件層16。GaAs基板12是採用閃鋅礦型構造，以(100)面為主面，與定向平面6平行的面為(011)面或(0-1-1)面，與定向平面6垂直的面為(0-11)面或(01-1)面。功能元件15，例如包括：結晶成長出的半導體動作層、光二極體等的受光元件、雷射二極體等的發光元件、或是作為電路的電路元件等，在與GaAs基板12的定向平面6平行的方向及垂直的方向呈矩陣狀形成多數個。
對於上述構造的加工對象物1，應用本實施形態之雷射加工方法。
首先，如第12(a)圖所示，在加工對象物1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的支承台(未圖示)上。接著，如第10圖所示，沿著與定向平面6垂直的方向及平行的方向，將通過相鄰的功能元件15、15間之切斷預定線5設定成格子狀。
接著，如第12(b)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GaAs基板12內部的方式照射雷射光L，藉由移動支承台，沿著各切斷預定線5(在與定向平面6垂直的方向及平行的方向設定成格子狀)讓聚光點P進行相對移動。在此，雷射光L為脈衝雷射光，是以31ns~54ns的脈寬、7.5μm~10μm的脈衝節距進行照射。
對1根切斷預定線5，聚光點P沿著切斷預定線5的相對移動是進行複數次(例如2次)，且在每次改變聚光點P對準位置和表面3的距離，藉此對於1根切斷預定線5，在GaAs基板12內部從背面21側起依序逐列形成改質區域7。又對於1根的切斷預定線5，形成於GaAs基板12內部的改質區域7的列數，是按照GaAs基板12的厚度等來改變，並不限定於複數列，也包含1列的情況。
接著，如第13(a)圖所示，讓擴展膠帶23擴展。隨著擴展膠帶23的擴展，加工對象物1會被拉伸，而以改質區域7為起點將加工對象物1切斷成小片狀，如此獲得多數個半導體晶片25(具有1個功能元件15)。這時，由於擴展膠帶23處於擴展後的狀態，如第13(b)圖所示，各半導體晶片25會互相分離。
如以上所說明，在本實施形態的雷射加工方法，以31ns~54ns的脈寬、7.5μm~10μm的脈衝節距的條件，來照射脈衝雷射光之雷射光L，藉此在GaAs基板12上沿著切斷預定線5形成作為切斷起點的改質區域7。藉此，沿著切斷預定線5形成於GaAs基板12上之改質區域7，容易在加工對象物1的厚度方向發生龜裂。因此，依據本實施形態的雷射加工方法，對於具備GaAs基板12的板狀的加工對象物1，可形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域7。
此外，在本實施形態之雷射加工方法，在形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域7後，以該改質區域7為起點而沿著切斷預定線5將加工對象物1切斷，因此其切斷精度極佳。
此外，在本實施形態的雷射加工方法所形成的改質區域7，是包含熔融處理區域。再者，以改質區域為起點而有助於切斷的龜裂，可高精度地形成於與雷射光入射側的相反側的表面。
接著，針對實施例及比較例之雷射加工方法的實驗結果做說明。
表1係顯示雷射光的照射條件及各照射條件下的分割率(division ratio)。表1中，「脈寬」代表脈衝雷射光的脈寬。「脈衝節距」代表脈衝雷射光的聚光點的形成間隔。「分割率」代表：以外徑2吋、厚度100μm的GaAs基板的1/4為加工對象物1，依表1所示的照射條件及後述的加工條件照射脈衝雷射光而分割成外形1mm×1mm的小片時，實際獲得外形1mm×1mm的小片的比例。
此外，其他的加工條件說明如下。對於外徑2吋、厚度100μm的GaAs基板的1/4部分的加工對象物，在從雷射光入射面之表面起算70μm的位置聚光(結果，在從雷射光入射面起算57μm~80μm的位置形成改質區域)後，在從雷射光入射面之表面起算40μm的位置聚光(結果，在從雷射光入射面起算33μm~48μm的位置形成改質區域)，藉此對1根切斷預定線形成2列的改質區域。在從雷射光入射面之表面起算70μm的位置形成改質區域時，雷射光的聚光徑為0.86μm，聚光點之雷射光的能量密度為1.20×107 (W/cm2 )。此外，在從雷射光入射面之表面起算40μm的位置形成改質區域時，雷射光的聚光徑為0.86μm，聚光點之雷射光的能量密度為9.64×106 (W/cm2 )。又在形成改質區域後，對於加工對象物的背面全體，以擴展量15mm、擴展速度10mm/s的條件讓擴展膠帶進行擴展。
第14圖係顯示實施實施例及比較例之雷射加工方法時之脈寬和分割率的關係。第15圖係顯示實施實施例及比較例之雷射加工方法時之脈衝節距和分割率的關係。從表1、第14圖、第15圖可明顯看出，以31ns~54ns的脈寬、7.5μm~10μm的脈衝節距的條件來照射脈衝雷射光以形成改質區域的情況，分割率會超過90%。
第16圖至第20圖係顯示，表1的條件7~11的情況之分割後的加工對象物的表面的相片及切斷面的相片。第17圖至第19圖所示的改質區域(亦即，分割率超過90%的改質區域)，不同於第16圖、第20圖的改質區域，作為改質區域的起點而有助於切斷之龜裂，是精度良好地形成於與雷射光入射面的相反側的表面。
本發明並不限定於上述實施形態。
例如，在上述實施形態，是以加工對象物1的表面3作為雷射光入射面，但也能以加工對象物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況，例如是下述般將加工對象物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，在利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的保護膠帶固定於雷射加工裝置的支承台。接著，以加工對象物1的背面21作為雷射光入射面，以聚光點P對準加工對象物內部的方式照射雷射光L，藉此沿著各切斷預定線5在GaAs基板12上形成改質區域7。接著，讓固定於支承台上的保護膠帶和加工對象物1一起脫離。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，在讓擴展膠帶23擴展的狀態下，以改質區域7作為切斷起點而將加工對象物1沿著切斷預定線5進行切斷。
依據本發明，對於具備GaAs基板的板狀的加工對象物，可形成作為切斷起點的功能極佳的改質區域。
1．．．加工對象物
5．．．切斷預定線
7．．．改質區域
12．．．GaAs基板
13．．．熔融處理區域
L．．．雷射光
P．．．聚光點
第1圖係用來形成改質區域的雷射加工裝置的概略構造圖。
第2圖係改質區域的形成對象之加工對象物的俯視圖。
第3圖係沿著第2圖的加工對象物的III-III線的截面圖。
第4圖係雷射加工後的加工對象物的俯視圖。
第5圖係沿著第4圖的加工對象物的V-V線的截面圖。
第6圖係沿著第4圖的加工對象物的VI-VI線的截面圖。
第7圖係雷射加工後的矽晶圓的切斷面的相片。
第8圖係顯示雷射光的波長和矽基板內部的透過率的關係。
第9圖係顯示雷射光的峰值功率密度和裂痕點大小的關係。
第10圖係顯示適用於本實施形態的雷射加工方法之加工對象物的俯視圖。
第11圖係沿著第10圖的加工對象物的切斷預定線的局部截面圖。
第12(a)(b)圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法的加工對象物的局部截面圖。
第13(a)(b)圖係用來說明本實施形態的雷射加工方法的加工對象物的局部截面圖。
第14圖係顯示實施實施例及比較例之雷射加工方法時之脈寬和分割率的關係。
第15圖係顯示實施實施例及比較例之雷射加工方法時之脈衝節距和分割率的關係。
第16(a)(b)圖係顯示表1的條件7的情況之分割後的加工對象物表面的相片及切斷面的相片。
第17(a)(b)圖係顯示表1的條件8的情況之分割後的加工對象物表面的相片及切斷面的相片。
第18(a)(b)圖係顯示表1的條件9的情況之分割後的加工對象物表面的相片及切斷面的相片。
第19(a)(b)圖係顯示表1的條件10的情況之分割後的加工對象物表面的相片及切斷面的相片。
第20(a)(b)圖係顯示表1的條件11的情況之分割後的加工對象物表面的相片及切斷面的相片。
1．．．加工對象物
3．．．加工對象物的表面
5．．．切斷預定線
7．．．改質區域
12．．．GaAs基板
15．．．功能元件
16．．．功能元件層
21．．．加工對象物的背面
23．．．擴展膠帶
L．．．雷射光
P．．．聚光點

Claims (4)

  1. 一種雷射加工方法，是以聚光點對準具備GaAs基板的板狀的加工對象物的內部的方式照射雷射光，藉此沿著前述加工對象物的切斷預定線而在前述GaAs基板形成作為切斷起點的改質區域之雷射加工方法，其特徵在於：前述雷射光為脈衝雷射光，且前述雷射光的脈寬為31ns~48ns，前述雷射光的脈衝節距為7.5μm~12.5μm。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之雷射加工方法，其中，前述雷射光的脈衝節距為10μm~12.5μm。
  3. 如申請專利範圍第1或2項記載之雷射加工方法，其中，在形成前述改質區域後，以前述改質區域為起點而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，前述改質區域是包含熔融處理區域。
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