WO2008035679A1 - Procédé de traitement au laser et appareil de traitement au laser - Google Patents

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Takeshi Sakamoto
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Hamamatsu Photonics K. K.
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing method and a laser processing apparatus for cutting a plate-shaped workpiece along a planned cutting line.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-343008
  • a predetermined surface for example, the surface of the processing object facing the laser light incident surface (for example, the surface of the processing object) on which the laser light is incident on the processing object.
  • the modified region closest to the back surface is preferably formed in the immediate vicinity of the predetermined surface.
  • the modified region closest to the laser beam incident surface is preferably formed in the very vicinity of the laser beam incident surface. This is because when these modified regions are formed at a position away from a predetermined surface or laser light incident surface, each end of the cut surface in the thickness direction of the workpiece is cut when the workpiece is cut. This is because there is a risk that the tool will deviate greatly from the planned cutting line.
  • the modified region closest to the predetermined surface may be partially formed at a position away from the predetermined surface.
  • the laser light incident surface may be melted due to the temperature dependence of the absorption coefficient (details will be described later). May be damaged There is.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and the modified region closest to the predetermined surface is formed in the very vicinity of the predetermined surface, or the laser light incident surface is the most. It is an object of the present invention to provide a laser processing method and a laser processing apparatus capable of forming a near modified region in the immediate vicinity of a laser beam incident surface.
  • a laser processing method irradiates a plate-like processing object with laser light, thereby causing the processing object to be cut along a cutting line of the processing object.
  • a laser processing method in which a plurality of rows of modified regions, which are the starting points of cutting, are formed inside a workpiece so as to be aligned in the thickness direction, and laser light is incident on the workpiece.
  • a plurality of rows are formed by irradiating the processing object with the reflected light of the laser light reflected by a predetermined surface facing the laser light incident surface on which the laser light is incident on the processing object.
  • the modified regions one or a plurality of modified regions including at least one row of the modified region closest to the predetermined surface and the modified region closest to the laser light incident surface is formed.
  • Each modified region is formed by causing multi-photon absorption or other light absorption inside the workpiece by irradiating the workpiece with laser light.
  • the predetermined surface may be a surface on the laser light incident surface side in the metal film included in the object to be processed.
  • the object to be processed may include a semiconductor substrate, and the modified region may include a melt processing region.
  • the modified region closest to the predetermined surface with good controllability is formed in the very vicinity of the predetermined surface, or the modified region closest to the laser light incident surface is formed on the laser light incident surface.
  • the force S is formed in the vicinity of the pole.
  • FIG. 1 is a plan view of an object to be processed during laser processing by the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the workpiece shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of an object to be processed after laser processing by the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the workpiece shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line V—V of the workpiece shown in FIG.
  • FIG. 6 is a plan view of a processing object cut by the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the peak power density and the crack spot size in the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the object to be processed in the first step of the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of an object to be processed in a second step of the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an object to be processed in a third step of the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of an object to be processed in a fourth step of the laser processing method according to the present embodiment.
  • FIG. 12 shows a part of a silicon wafer cut by the laser processing method according to this embodiment.
  • FIG. 14 is a plan view of a workpiece to be processed by the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 15 is a partial sectional view taken along line XV—XV shown in FIG.
  • FIG. 16 is a partial cross-sectional view of an object to be processed for explaining the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 17 is a partial cross-sectional view of an object to be processed for explaining the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 18 is a partial cross-sectional view of an object to be processed for explaining the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 19 is a partial cross-sectional view of an object to be processed for explaining the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 20 is a partial sectional view taken along line XX—XX shown in FIG.
  • FIG. 21 is a view for explaining the first principle of the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining a second principle of the laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 23 is a partial cross-sectional view of an object to be processed for explaining another laser processing method of the present embodiment.
  • FIG. 24 is a partial sectional view taken along line XX—XX shown in FIG.
  • FIG. 25 is a partial sectional view taken along line XX—XX shown in FIG.
  • FIG. 26 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 27 is a partial cross-sectional view of an object to be processed for explaining another laser processing method of the present embodiment.
  • the energy of the photon is smaller than the absorption band gap E of the material, it is optically transparent.
  • the intensity of the laser beam is determined by the peak power density (W / cm 2 ) at the condensing point of the laser beam. For example, when the peak density is l X 10 8 (W / cm 2 ) or more. Multiphoton absorption occurs.
  • the peak power density is obtained by (the energy per pulse of the laser beam at the focal point) ⁇ (the laser beam beam spot cross-sectional area X the nose width).
  • the intensity of the laser beam is determined by the electric field intensity (W / cm 2 ) at the condensing point of the laser beam.
  • a surface 3 of a wafer-like (plate-like) workpiece 1 has a scheduled cutting line 5 for cutting the workpiece 1.
  • the planned cutting line 5 is a virtual line extending straight.
  • the modified region 7 is irradiated with the laser beam L with the focusing point P aligned inside the workpiece 1 under the condition that multiphoton absorption occurs.
  • the condensing point P is a part where the laser beam is condensed.
  • the planned cutting line 5 is not limited to a straight line but may be a curved line! /, And not only a virtual line but also a line actually drawn on the workpiece 1! /.
  • the laser beam L is moved along the planned cutting line 5 (ie, in the direction of arrow A in FIG. 1) to move the condensing point P along the planned cutting line 5. .
  • the modified region 7 is formed inside the workpiece 1 along the planned cutting line 5, and the modified region 7 becomes the cutting start region 8.
  • the cutting starting point region 8 means a region that becomes a starting point of cutting (cracking) when the workpiece 1 is cut.
  • This cutting starting point region 8 may be formed by continuously forming the modified region 7 or may be formed by intermittently forming the modified region 7.
  • the laser processing method according to this embodiment does not form the modified region 7 by causing the processing object 1 to generate heat by the processing object 1 absorbing the laser light L.
  • the modified region 7 is formed by allowing the laser beam L to pass through the workpiece 1 and causing multiphoton absorption inside the workpiece 1. Therefore, since the laser beam L is hardly absorbed by the surface 3 of the workpiece 1, the surface 3 of the workpiece 1 is not melted.
  • the modified regions formed by multiphoton absorption include the following cases (1) to (3). [0023] (1) When the modified region is a crack region including one or more cracks
  • the laser beam is irradiated under the condition that the electric field intensity at the focal point is 1 ⁇ 10 8 (W / cm 2 ) or more and the nose width is 1 ⁇ s or less.
  • the size of the Knoll width is a condition in which a crack region can be formed only inside the workpiece without causing extra damage to the surface of the workpiece while causing multiphoton absorption.
  • a phenomenon called optical damage due to multiphoton absorption occurs inside the workpiece.
  • This optical damage induces thermal strain inside the workpiece, thereby forming a crack region inside the workpiece.
  • the upper limit value of the electric field strength is, for example, 1 ⁇ 10 12 (W / cm 2 ).
  • the pulse width is preferably lns to 200 ns.
  • the present inventor obtained the relationship between the electric field strength and the size of the crack by experiment.
  • the experimental conditions are as follows.
  • Polarization characteristics linearly polarized light
  • FIG. 7 is a graph showing the results of the experiment.
  • the horizontal axis is the peak power density, which is the laser power S pulse laser light, so the electric field strength is expressed by the peak power density.
  • the vertical axis shows the size of the crack (crack spot) formed inside the workpiece by 1 pulse of laser light. Crack spot force S gathers to form a crack region. The size of the crack spot is the size of the maximum length of the crack spot shape.
  • the data indicated by the black circles in the graph are for the condenser lens (C) with a magnification of 100 and a numerical aperture (NA) of 0 ⁇ 80.
  • C condenser lens
  • NA numerical aperture
  • the data indicated by white circles in the graph is for the case where the magnification of the condenser lens (C) is 50 times and the numerical aperture (NA) is 0 ⁇ 55.
  • the peak power density is about 10 U (W / cm 2 )
  • a crack spot is generated inside the workpiece, and the crack spot increases as the peak power density increases.
  • FIG. 8 Under the condition that multiphoton absorption occurs, the condensing point P is aligned inside the workpiece 1 and the laser beam L is irradiated to form a crack region 9 along the planned cutting line.
  • the crack region 9 is a region including one or more cracks.
  • the crack region 9 thus formed becomes a cutting start region.
  • the crack grows further starting from the crack region 9 (that is, starting from the cutting start region), and as shown in FIG.
  • FIG. 11 when the workpiece 1 is cracked, the workpiece 1 is cut.
  • a crack that reaches the front surface 3 and the back surface 21 of the workpiece 1 may grow naturally, or may grow when a force is applied to the workpiece 1.
  • the focusing point is set inside the object to be processed (for example, a semiconductor material such as silicon), and the electric field strength at the focusing point is 1 X 10 8 (W / cm 2 ) or more and the pulse width is 1 ⁇ s or less. Irradiate laser light under certain conditions. As a result, the inside of the workpiece is locally heated by multiphoton absorption. By this heating, a melt processing region is formed inside the workpiece.
  • the melt processing area is the area that has been re-solidified after melting, the area in the melted state, It is a region that resolidifies from the state, and can also be referred to as a phase-change region or a region in which the crystal structure has changed.
  • the melt-processed region can also be referred to as a region in which one structure is changed to another in a single crystal structure, an amorphous structure, or a polycrystalline structure.
  • a region that has changed from a single crystal structure to an amorphous structure a region that has changed from a single crystal structure to a polycrystalline structure, and a region that has changed from a single crystal structure to a structure that includes an amorphous structure and a polycrystalline structure.
  • the melt processing region has, for example, an amorphous silicon structure.
  • the upper limit value of the electric field strength is, for example, 1 ⁇ 10 12 (W / cm 2 ).
  • the pulse width is preferably lns to 200 ns.
  • the inventor has confirmed through experiments that a melt-processed region is formed inside a silicon wafer.
  • the experimental conditions are as follows.
  • Polarization characteristics linearly polarized light
  • FIG. 12 is a view showing a photograph of a cross section of a part of a silicon wafer cut by laser processing under the above conditions.
  • a melt processing region 13 is formed inside the silicon wafer 11. It is.
  • the size in the thickness direction of the melt processing region 13 formed under the above conditions is about 100 m.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the wavelength of the laser beam and the transmittance inside the silicon substrate. However, the reflection component on the front side and the back side of the silicon substrate is removed to show the transmittance only inside. The above relationship was shown for each of the silicon substrate thickness t forces of 50 mm, 100 mm, 200 ⁇ m, 500 ⁇ m, and 1000 ⁇ m.
  • the thickness of a silicon substrate is 500 m or less at 1064 nm, which is the wavelength of an Nd: YAG laser
  • 1064 nm which is the wavelength of an Nd: YAG laser
  • the melt processing region 13 by multiphoton absorption is formed near the center of the silicon wafer 11, that is, at a portion of 175 111 from the surface.
  • the transmittance is 90% or more with reference to a silicon wafer having a thickness of 200 m. Therefore, the laser beam is hardly absorbed inside the silicon wafer 11, and almost all is transmitted.
  • melt processing region 13 is formed by multiphoton absorption.
  • the formation of the melt processing region by multiphoton absorption is, for example, “Evaluation of silicon processing characteristics by picosecond pulse laser” on pages 72 to 73 of the 66th Annual Meeting Summary (April 2000). It is described in.
  • the silicon wafer has a direction force in the cross-sectional direction starting from the cutting start region formed by the melt processing region, thus causing a crack, and the crack reaches the front surface and the back surface of the silicon wafer. As a result, it is cut.
  • the cracks that reach the front and back surfaces of the silicon wafer may grow spontaneously, or they may grow when force is applied to the silicon wafer.
  • the crack grows from a state where the melt processing region forming the cutting start region is melted, and the cutting start region In some cases, cracks grow when the solidified region is melted from the molten state.
  • the melt-processed area is formed only inside the silicon wafer, and the cut after cutting On the surface, as shown in FIG. 12, a melt processing region is formed only inside.
  • the formation of the melt-processed region may be caused by other absorption effects that are not only caused by multiphoton absorption.
  • the focusing point inside the workpiece eg glass
  • the pulse width is Ins or less.
  • the norm width is made extremely short and multiphoton absorption occurs inside the workpiece, the energy due to multiphoton absorption is not converted into thermal energy, and the ionic valence change, crystal Permanent structural changes such as conversion or polarization orientation are induced to form a refractive index changing region.
  • the upper limit value of the electric field strength is, for example, l X 10 12 (W / cm 2 ).
  • the Norse width is preferably less than Ins, more preferably less than lps.
  • the cases of (1) to (3) have been described as the modified regions formed by multiphoton absorption.
  • the cutting origin is considered in consideration of the crystal structure of the wafer-like workpiece and its cleavage property. If the region is formed as follows, it is possible to cut the workpiece with high accuracy and with a smaller force starting from the cutting start region.
  • a cutting origin region in a direction along the (111) plane (first cleavage plane) or the (110) plane (second cleavage plane) Is preferably formed.
  • a substrate made of a zinc-blende-type III-V compound semiconductor such as GaAs it is preferable to form the cutting origin region in the direction along the (110) plane.
  • the field of a substrate having a hexagonal crystal structure such as sapphire (Al 2 O 3).
  • the cutting origin region in the direction along the (1120) plane (eight plane) or! / (1100) plane (M plane) with the (0001) plane (C plane) as the main plane. .
  • the above-described cutting start region should be formed (for example, on a single crystal silicon substrate). If the orientation flat is formed on the substrate in the direction perpendicular to the direction in which the cutting start region is to be formed (or the direction along the (111) plane), the cutting start region can be determined by using the orientation flat as a reference. It is possible to easily and accurately form the cutting start region along the direction in which the film is to be formed on the substrate.
  • the workpiece 1 is a so-called MEMS wafer, and includes a silicon wafer having a thickness of 300 m, a (semiconductor substrate) 11, and a plurality of functional elements 15.
  • the functional element layer 16 formed on the front surface of the substrate 11 and the metal film 17 formed on the back surface of the silicon wafer 11 are provided.
  • the functional elements 15 are, for example, machine element parts, sensors, actuators, electronic circuits, and the like, and are formed in a matrix in a direction parallel to and perpendicular to the orientation flat 6 of the silicon wafer 11.
  • the metal film 17 is made of gold and has a thickness of 3 Hm.
  • the workpiece 1 configured as described above is cut for each functional element 15 as follows. First, as shown in FIG. 16, the expanded tape 23 is attached to the back surface 21 of the workpiece 1, that is, the back surface of the metal film 17. Then, the workpiece 1 is fixed on a mounting table (not shown) of the laser processing apparatus with the functional element layer 16 facing upward.
  • the surface 3 of the workpiece 1, that is, the surface of the functional element layer 16 is defined as a laser light incident surface, and the position of 320 m from the surface of the silicon wafer 11 (silicon wafer).
  • 11 is the position of the condensing lens that becomes the condensing point (laser light reflecting surface (here, surface 17a of metal film 17) facing the laser light incident surface (here, surface 3) of the workpiece)
  • the planned cutting line is set in a grid so that it passes between the adjacent functional elements 15 and 15 by moving the mounting table. 5 Scan the laser beam L along the line (see broken line in Fig. 14).
  • the laser beam L is reflected by the surface (predetermined surface) 17 a of the metal film 17 facing the surface 3 of the workpiece 1, that is, the surface on the laser beam incident surface side of the metal film 17.
  • the reflected light RL is irradiated onto the silicon wafer 11 and condensed near the back surface 21 inside the silicon wafer 11.
  • the melt-processed region 13 and the microcavity 14 are formed along the planned cutting line 5 in the vicinity of the back surface 21 inside the silicon wafer 11.
  • the laser light irradiation conditions are a no-less width of 150 ns and an energy of 15 J.
  • the above-mentioned “position 320 m from the surface of the silicon wafer 11” means V, which takes into account spherical aberration and the like, and the theoretical “position where the focal point P is aligned”!
  • the microcavity 14 will be described.
  • the laser beam is focused under the condition that the condensing point is aligned inside the silicon wafer 11 and the peak power density at the condensing point is 1 X 10 8 (W / cm 2 ) or more and the pulse width is 1 s or less.
  • the melt processing region 13 and the microcavity 14 may be formed in a pair inside the silicon wafer 11.
  • the microcavity 14 may be formed away from the melt processing region 13 or may be formed continuously with the melt processing region 13, but downstream of the melt processing region 13 in the laser beam traveling direction. Formed.
  • the reflected light RL contributes to the formation of the melt processing region 13 and the microcavity 14. It can be said that. Note that the principle of forming the melt processing region 13 and the microcavity 14 in pairs is described in detail in JP-A-2005-57257.
  • the surface 3 of the workpiece 1 is used as the laser beam incident surface, the focusing point P is set inside the silicon wafer 11 and the laser beam L is irradiated to move the mounting table.
  • the planned cutting line 5 which is set in a grid so that it passes between the adjacent functional elements 15 and 15.
  • the number of columns of the melt processing region 13 formed inside the silicon wafer 11 is the silicon wafer.
  • the expanded tape 23 is expanded, and the melting treatment area 13 is expanded.
  • 13 is the starting point of cutting, and the workpiece 1 is cut along the planned cutting line 5.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser light source 101 that emits a laser beam L, a dichroic mirror 103 that is arranged so as to change the direction of the optical axis of the laser beam L, and a laser beam.
  • the laser processing apparatus 100 also includes a mounting table 107 for supporting the workpiece 1 irradiated with the laser light L collected by the condensing lens 105, and the mounting table 107 in the X, ⁇ , and ⁇ axis directions.
  • a control unit 115 that controls the entire laser processing apparatus 100, such as adjusting the output and pulse width of the laser beam L, moving the stage 111, and the like.
  • the laser light L emitted from the laser light source 101 has its optical axis changed by 90 ° by the dichroic mirror 103 and is processed on the mounting table 107.
  • the light is condensed toward the object 1 by the condensing lens 105.
  • the stage 111 is moved, and the workpiece 1 is moved relative to the laser beam L along the planned cutting line 5.
  • a modified region serving as a starting point for cutting is formed on the workpiece 1 along the planned cutting line 5.
  • the reflected light RL of the laser light L reflected from the surface 17a of the metal film 17 facing the surface 3 that is the laser light incident surface of the workpiece 1 is used.
  • the melt processing region 13 closest to the surface 17a of 17 is formed.
  • the melting region 13 can be formed in the immediate vicinity of the surface 17a of the metal film 17.
  • the molten region 13 can be stably formed at a high density in the vicinity of the surface 17a of the metal film 17 along the planned cutting line 5. Can do. Therefore, when the workpiece 1 is cut, the end on the back surface 21 side of the cut surface is prevented from detaching from the planned cutting line 5, and the processing target 1 is accurately cut along the planned cutting line 5. Is possible.
  • the first principle estimated by the present inventor is as follows. As shown in FIG. 21, when the laser beam L is irradiated with the focusing point on the back surface of the silicon wafer 11, that is, in the vicinity of the front surface 17a of the metal film 17, the collection of the central ray and the surrounding ray is caused by the influence of spherical aberration. The light intensity deteriorates, and each light beam does not converge at one point, and each light beam, especially the condensing part of the surrounding light beam, shifts in the optical axis direction of the laser light L.
  • the condensing part of the light beam traveling so as to be condensed under the surface 17a of the metal film 17 is reflected by the reflection at the surface 17a of the metal film 17 so that the light beam condensed on the surface 17a of the metal film 17 is reflected. It is complemented by the condensing part. Accordingly, the melt processing region 13 is formed at a high density in the vicinity of the surface 17a of the metal film 17 along the planned cutting line 5. Theoretically, if the spherical aberration is not taken into consideration, the melt-processed region 13 should be formed on the back surface of the silicon wafer 11 which is the position of the condensing point. However, the formation position of the melt-processed region 13 is affected by reflection. Can be said to be shifted upward.
  • the second principle estimated by the present inventor is as follows. As shown in FIG. 22 (a), when the laser beam L is irradiated with the condensing point positioned below the surface 17a of the metal film 17, that is, the position of the condensing lens where the outside of the silicon wafer 11 becomes the condensing point.
  • the laser light L is reflected by the surface 17 a of the metal film 17, and the reflected light RL is collected inside the silicon wafer 11.
  • the laser beam L is hardly absorbed by the silicon wafer 11 before being reflected by the surface 17a of the metal film 17, so that the laser beam L is hardly absorbed by the silicon wafer 11, and the temperature of the reflected light RL is locally high at the position of the condensing point P. Become.
  • the absorption coefficient increases at the position of the condensing point P, and from the position of the condensing point P of the reflected light RL to the upstream side (reflecting surface) of the condensing point P in the traveling direction of the reflected light RL. 17a side), the reflected light RL is easily absorbed.
  • the melting region 13 is formed at a high density (that is, as a highly-divided modified region) in the vicinity of the surface 17a of the metal film 17 along the planned cutting line 5.
  • the absorption coefficient increases at the upper part of the focal point P, and the laser light L is absorbed.
  • the energy of the laser beam L that can be used to form the melt processing region 13 is reduced, so that the melt processing region 13 is slightly separated from (in the vicinity of) the surface 17a of the metal film 17 along the planned cutting line 5. It will be formed at a low density in the upper position. In a thick wafer, the deeper the position from the laser beam incident surface, the greater the effect of absorption, and the energy of the laser beam decreases.In order to exceed the processing threshold, the temperature-dependent effect of absorption can be ignored. It is guessed that it is from!
  • the silicon wafer 11 is irradiated with the reflected light RL of the laser light L reflected by the surface 17a of the metal film 17, so that the melting treatment is performed in the vicinity of the surface 17a of the metal film 17
  • the region 13 is formed, as shown in FIGS. 23 and 24, the melt-processed region 13 may be formed in the very vicinity of the surface 3 of the workpiece 1.
  • the surface 3 of the workpiece 1 is used as the laser light incident surface, and the focal point is set at a position 600 m from the surface of the silicon wafer 11 (outside of the silicon wafer 11).
  • Laser light L is irradiated under the condition of 15 J.
  • the surface 3 of the workpiece 1 is prevented from being damaged by melting due to the temperature dependence of the absorption coefficient described above, and the melting treatment is performed in the immediate vicinity of the surface 3 of the workpiece 1.
  • the ability to form region 13 is S.
  • the metal film 1 of the melt treatment region 13 closest to the surface 17a of the metal film 17 and the plurality of rows of melt treatment regions 13 connected only by the melt treatment region 13 closest to the surface 3 of the workpiece 1 is shown in FIG. 7 is closest to the surface 17a of the melt processing region 13 and the surface 3 of the workpiece 1 is closest to the surface 3.
  • a plurality of melt treatment regions 13 including at least one of the melt treatment regions 13 may be formed using the reflected light RL of the laser light L reflected by the surface 17 a of the metal film 17.
  • the weakened region 18 having a predetermined depth is formed on the back surface 21 of the workpiece 1. It may be formed along the planned cutting line 5.
  • the surface 3 of the workpiece 1 is used as the laser light incident surface
  • the focusing point is set at a position 305 m from the surface of the silicon wafer 11 (outside the silicon wafer 11), and a no-less width of 150 ns
  • Laser light L is irradiated under the condition of energy 15 J.
  • the back surface 21 of the workpiece 1 is a force that is the back surface of the metal film 17.
  • the weakened region 18 having a predetermined depth is formed on the metal film 17 along the planned cutting line 5. Therefore, the workpiece 1 can be accurately cut along the planned cutting line 5 with a relatively small external force. Moreover, since the melt processing region 13 is formed inside the silicon wafer 11, it is possible to prevent generation of particles from the force of the melt processing region 13.
  • the force that the surface that reflects the laser light L is the surface 17a of the metal film 17 does not include the metal film 17, and for example, the surface that reflects the laser light L is It may be the back side of the silicon wafer 11. In this case, the laser light L is partially reflected on the back surface of the silicon wafer 11 and the reflected light RL is irradiated onto the silicon wafer 11.
  • the functional element 15 may be, for example, a semiconductor operating layer formed by crystal growth, a light receiving element such as a photodiode, a light emitting element such as a laser diode, or a circuit element formed as a circuit.
  • the front surface 3 of the workpiece 1 is a laser light incident surface.
  • the back surface 21 of the workpiece 1 is lasered. It may be a light incident surface.
  • the workpiece 1 is cut into a plurality of semiconductor chips 25 as follows. That is, a protective tape is attached to the surface of the functional element layer 16, and the protective tape holding the workpiece 1 is fixed to the mounting table of the laser processing apparatus in a state where the functional element layer 16 is protected by the protective tape.
  • the plurality of semiconductor chips 25 obtained by the cutting are separated from each other.
  • melt processing regions 13 and 13 are formed inside the silicon wafer 11.
  • modified regions such as a crack region and a refractive index changing region may be formed inside a wafer made of another material such as glass or piezoelectric material.
  • the modified region 7 may be formed on the workpiece 1 as follows. First, as shown in Fig. 27 (a), the position near the laser light reflecting surface (here, the back surface 21) facing the laser light incident surface (here, the front surface 3) of the workpiece 1 is the condensing point. The modified region 7a is formed by irradiating the laser beam L so as to be P. Thereafter, as shown in FIG. 27 (b), when it is assumed that the laser beam is transmitted through the laser beam reflecting surface, the downstream side of the laser beam reflecting surface in the traveling direction of the laser beam L (the laser beam with respect to the laser beam reflecting surface).
  • the modified region 7b is formed by the reflected light RL.
  • the modified region 7 having a high density that is, having high splitting property
  • the plurality of rows of the modified regions 7 are arranged in the thickness direction of the workpiece 1 along the line 5 to be cut.
  • the present invention is not limited to the case where 1 is formed inside at least, and one line of modified region 7 may be formed at least inside the workpiece 1 along one line to be cut 5.
  • the modified region is formed closest to the predetermined surface with good controllability, or the modified region closest to the laser beam incident surface is formed near the predetermined surface.
  • the force S is formed in the vicinity of the entrance surface.

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Description

明 細 書
レーザ加工方法及びレーザ加工装置
技術分野
[0001] 本発明は、板状の加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するためのレーザ加 ェ方法及びレーザ加工装置に関する。
背景技術
[0002] 従来のレーザ加工方法として、板状の加工対象物にレーザ光を照射することにより 、加工対象物の切断予定ラインに沿って、加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切 断の起点となる複数列の改質領域を加工対象物の内部に形成する方法が知られて V、る (例えば、特許文献 1参照）。
特許文献 1 :特開 2004— 343008号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] ところで、上述したようなレーザ加工方法では、加工対象物においてレーザ光が入 射するレーザ光入射面（例えば、加工対象物の表面）に対向する所定の面（例えば、 加工対象物の裏面）に最も近い改質領域は、所定の面の極近傍に形成されることが 好ましい。また、レーザ光入射面に最も近い改質領域は、レーザ光入射面の極近傍 に形成されることが好ましい。なぜなら、これらの改質領域が所定の面やレーザ光入 射面から離れた位置に形成されると、加工対象物を切断した際に、加工対象物の厚 さ方向における切断面の各端部が切断予定ラインから大きく外れるおそれがあるから である。
[0004] しかしながら、上述したようなレーザ加工方法にあっては、所定の面に最も近い改 質領域を所定の面の極近傍に形成しょうとしても、例えば、加工対象物の厚さが切断 予定ラインに沿って変化していると、所定の面に最も近い改質領域が部分的に所定 の面から離れた位置に形成されるおそれがある。また、レーザ光入射面に最も近い 改質領域をレーザ光入射面の極近傍に形成しょうとしても、例えば、吸収係数の温 度依存性 (詳細は後述する）により、レーザ光入射面が溶融等の損傷を受けるおそれ がある。このように、所定の面に最も近い改質領域を所定の面の極近傍に形成しょう としても困難なことが多かった。
[0005] そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、所定の面に最も近 ぃ改質領域を所定の面の極近傍に形成したり、レーザ光入射面に最も近い改質領 域をレーザ光入射面の極近傍に形成したりすることができるレーザ加工方法及びレ 一ザ加工装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] 上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、板状の加工対象物 にレーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、加工対象 物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる複数列の改質領域を加工対象物の内 部に形成するレーザ加工方法であって、加工対象物においてレーザ光が入射するレ 一ザ光入射面に対向する所定の面で反射されたレーザ光の反射光を加工対象物に 照射することにより、複数列の改質領域のうち、所定の面に最も近い改質領域及びレ 一ザ光入射面に最も近い改質領域の少なくとも 1列を含む 1列又は複数列の改質領 域を形成することを特徴とする。
[0007] このレーザ加工方法では、加工対象物においてレーザ光が入射するレーザ光入射 面に対向する所定の面で反射されたレーザ光の反射光を加工対象物に照射するこ とで、複数列の改質領域のうち、所定の面に最も近い改質領域及びレーザ光入射面 に最も近い改質領域の少なくとも 1列を含む 1列又は複数列の改質領域を形成する。 これにより、所定の面に最も近い改質領域を所定の面の極近傍に形成したり、レーザ 光入射面に最も近い改質領域をレーザ光入射面の極近傍に形成したりすることが可 能となる。
[0008] なお、各改質領域は、加工対象物にレーザ光を照射することにより、加工対象物の 内部において多光子吸収その他の光吸収を生じさせることで形成される。
[0009] 本発明に係るレーザ加工方法にお!/、ては、所定の面は、加工対象物が備える金属 膜におけるレーザ光入射面側の面である場合がある。
[0010] 本発明に係るレーザ加工方法にお!/、ては、複数列の改質領域を切断の起点として 、切断予定ラインに沿って加工対象物を切断することが好ましい。これにより、加工対 象物を切断予定ラインに沿って精度良く切断することができる。
[0011] 本発明に係るレーザ加工方法においては、加工対象物は半導体基板を備え、改 質領域は溶融処理領域を含む場合がある。
発明の効果
[0012] 本発明によれば、制御性良ぐ所定の面に最も近い改質領域を所定の面の極近傍 に形成したり、レーザ光入射面に最も近い改質領域をレーザ光入射面の極近傍に形 成したりすること力 Sでさる。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の加工対象物の平面図 である。
[図 2]図 1に示す加工対象物の II II線に沿っての断面図である。
[図 3]本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の加工対象物の平面図 である。
[図 4]図 3に示す加工対象物の IV— IV線に沿っての断面図である。
[図 5]図 3に示す加工対象物の V— V線に沿っての断面図である。
[図 6]本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図であ
[図 7]本実施形態に係るレーザ加工方法におけるピークパワー密度とクラックスポット の大きさとの関係を示すグラフである。
[図 8]本実施形態に係るレーザ加工方法の第 1工程における加工対象物の断面図で ある。
[図 9]本実施形態に係るレーザ加工方法の第 2工程における加工対象物の断面図で ある。
[図 10]本実施形態に係るレーザ加工方法の第 3工程における加工対象物の断面図 である。
[図 11]本実施形態に係るレーザ加工方法の第 4工程における加工対象物の断面図 である。
[図 12]本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部にお ける断面の写真を表した図である。
園 13]本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の
Figure imgf000006_0001
[図 14]本実施形態のレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。
[図 15]図 14に示す XV— XV線に沿っての部分断面図である。
[図 16]本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図で ある。
[図 17]本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図で ある。
[図 18]本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図で ある。
[図 19]本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図で ある。
[図 20]図 14に示す XX— XX線に沿っての部分断面図である。
[図 21]本実施形態のレーザ加工方法の第 1の原理を説明するための図である。
[図 22]本実施形態のレーザ加工方法の第 2の原理を説明するための図である。
[図 23]本実施形態の他のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面 図である。
[図 24]図 14に示す XX— XX線に沿っての部分断面図である。
[図 25]図 14に示す XX— XX線に沿っての部分断面図である。
[図 26]本実施形態のレーザ加工装置の概略構成図である。
[図 27]本実施形態の他のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面 図である。
符号の説明
1 · · ·加工対象物、 3· · ·表面（レーザ光入射面）、 5· · ·切断予定ライン、 11 · · ·シリコンゥ ェハ（半導体基板）、 13 , 13…溶融処理領域 (改質領域）、 17· · ·金属膜、 17a…表
1 2
面（所定の面）、 L…レーザ光、 RL…反射光。
発明を実施するための最良の形態 [0015] 以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実 施形態のレーザ加ェ方法では、加ェ対象物の内部に改質領域を形成するために多 光子吸収という現象を利用する。そこで、最初に、多光子吸収により改質領域を形成 するためのレーザ加工方法について説明する。
[0016] 材料の吸収のバンドギャップ E よりも光子のエネルギー が小さいと光学的に透
G
明となる。よって、材料に吸収が生じる条件は >Eである。しかし、光学的に透明
G
でも、レーザ光の強度を非常に大きくすると nh v >E の条件（n = 2, 3, 4, · · · )で
G
材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。ノ ルス波の場合、レーザ光の強 度はレーザ光の集光点のピークパワー密度 (W/cm2)で決まり、例えばピークパヮ 一密度が l X 108 (W/cm2)以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度 は、（集光点におけるレーザ光の 1パルス当たりのエネルギー） ÷ (レーザ光のビーム スポット断面積 Xノ ルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度 はレーザ光の集光点の電界強度 (W/cm2)で決まる。
[0017] このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工方法の原理につい て、図 1〜図 6を参照して説明する。図 1に示すように、ウェハ状 (板状）の加工対象物 1の表面 3には、加工対象物 1を切断するための切断予定ライン 5がある。切断予定ラ イン 5は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレーザ加工方法では、図 2に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物 1の内部に集光点 Pを合わ せてレーザ光 Lを照射して改質領域 7を形成する。なお、集光点 Pとは、レーザ光しが 集光する箇所のことである。また、切断予定ライン 5は、直線状に限らず曲線状であつ てもよ!/、し、仮想線に限らず加工対象物 1に実際に引かれた線であってもよ!/、。
[0018] そして、レーザ光 Lを切断予定ライン 5に沿って（すなわち、図 1の矢印 A方向に）相 対的に移動させることにより、集光点 Pを切断予定ライン 5に沿って移動させる。これ により、図 3〜図 5に示すように、改質領域 7が切断予定ライン 5に沿って加工対象物 1の内部に形成され、この改質領域 7が切断起点領域 8となる。ここで、切断起点領 域 8とは、加工対象物 1が切断される際に切断 (割れ）の起点となる領域を意味する。 この切断起点領域 8は、改質領域 7が連続的に形成されることで形成される場合もあ るし、改質領域 7が断続的に形成されることで形成される場合もある。 [0019] 本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物 1がレーザ光 Lを吸収することに より加工対象物 1を発熱させて改質領域 7を形成するものではない。加工対象物 1に レーザ光 Lを透過させ加工対象物 1の内部に多光子吸収を発生させて改質領域 7を 形成している。よって、加工対象物 1の表面 3ではレーザ光 Lがほとんど吸収されない ので、加工対象物 1の表面 3が溶融することはない。
[0020] 加工対象物 1の内部に切断起点領域 8を形成すると、この切断起点領域 8を起点と して割れが発生し易くなるため、図 6に示すように、比較的小さな力で加工対象物 1を 切断すること力 Sできる。よって、加工対象物 1の表面 3に不必要な割れを発生させるこ となぐ加工対象物 1を高精度に切断することが可能になる。
[0021] この切断起点領域 8を起点とした加工対象物 1の切断には、次の 2通りが考えられ る。 1つは、切断起点領域 8形成後、加工対象物 1に人為的な力が印加されることに より、切断起点領域 8を起点として加工対象物 1が割れ、加工対象物 1が切断される 場合である。これは、例えば加工対象物 1の厚さが大きい場合の切断である。人為的 な力が印加されるとは、例えば、加工対象物 1の切断起点領域 8に沿って加工対象 物 1に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物 1に温度差を与えることにより 熱応力を発生させたりすることである。他の 1つは、切断起点領域 8を形成することに より、切断起点領域 8を起点として加工対象物 1の断面方向（厚さ方向）に向かって自 然に割れ、結果的に加工対象物 1が切断される場合である。これは、例えば加工対 象物 1の厚さが小さい場合には、 1列の改質領域 7により切断起点領域 8が形成され ることで可能となり、加工対象物 1の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成 された改質領域 7により切断起点領域 8が形成されることで可能となる。なお、この自 然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域 8が形成されていない部 位に対応する部分の表面 3上にまで割れが先走ることがなぐ切断起点領域 8を形成 した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすること 力できる。近年、シリコンウェハ等の加工対象物 1の厚さは薄くなる傾向にあるので、 このような制御性のよい割断方法は大変有効である。
[0022] さて、本実施形態に係るレーザ加工方法において、多光子吸収により形成される改 質領域としては、次の（1)〜（3)の場合がある。 [0023] (1)改質領域が 1つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
加工対象物（例えばガラスや LiTaO力 なる圧電材料）の内部に集光点を合わせ
3
て、集光点における電界強度が 1 X 108 (W/cm2)以上で且つノ レス幅が 1 μ s以下 の条件でレーザ光を照射する。このノ ルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつ つ加工対象物の表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラッ ク領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収によ る光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱 ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界 強度の上限値としては、例えば 1 X 1012 (W/cm2)である。パルス幅は例えば lns〜 200nsが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第 45回 レーザ熱加工研究会論文集（1998年. 12月）の第 23頁〜第 28頁の「固体レーザー 高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。
[0024] 本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は 次ぎの通りである。
[0025] (A)加工対象物：ノ ィレックス（登録商標）ガラス（厚さ 700 a m)
(B)レーザ
光源：半導体レーザ励起 Nd： YAGレーザ
波長： 1064nm
レーザ光スポット断面積： 3. 14 X 10— 8cm2
発振形態： Qスィッチノ ルス
繰り返し周波数： 100kHz
ノ ノレス幅： 30ns
出力：出力 < lmj/ノ ルス
レーザ光品質： TEM
00
偏光特性：直線偏光
(C)集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率： 60パーセント
(D)加工対象物が載置される載置台の移動速度： 100mm/秒 [0026] なお、レーザ光品質が TEM とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可
00
能を意味する。
[0027] 図 7は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レー ザ光力 Sパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は 1パ ルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット） の大きさを示している。クラックスポット力 S集まりクラック領域となる。クラックスポットの 大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ 中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（C)の倍率が 100倍、開口数（NA)が 0· 80 の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ (C)の倍率が 50 倍、開口数 (NA)が 0· 55の場合である。ピークパワー密度が 10U (W/cm2)程度 力、ら加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに 従いクラックスポットも大きくなること力分力、る。
[0028] 次に、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて、図 8〜図 1 1を参照して説明する。図 8に示すように、多光子吸収が生じる条件で加工対象物 1 の内部に集光点 Pを合わせてレーザ光 Lを照射して切断予定ラインに沿って内部に クラック領域 9を形成する。クラック領域 9は 1つ又は複数のクラックを含む領域である 。このように形成されたクラック領域 9が切断起点領域となる。図 9に示すように、クラッ ク領域 9を起点として (すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し 、図 10に示すように、クラックが加工対象物 1の表面 3と裏面 21とに到達し、図 11に 示すように、加工対象物 1が割れることにより加工対象物 1が切断される。加工対象物 1の表面 3と裏面 21とに到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象 物 1に力が印加されることにより成長する場合もある。
[0029] (2)改質領域が溶融処理領域の場合
加工対象物（例えばシリコンのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集 光点における電界強度が 1 X 108 (W/cm2)以上で且つパルス幅が 1 μ s以下の条 件でレーザ光を照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所 的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。 溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融 状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域 ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造 において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、 単結晶構造力 非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化し た領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を 意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶 質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば 1 X 1012 (W/cm2)であ る。パルス幅は例えば lns〜200nsが好ましい。
[0030] 本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により 確認した。実験条件は次の通りである。
[0031] (A)加工対象物：シリコンウエノ、（厚さ 350 m、外径 4インチ）
(B)レーザ
光源：半導体レーザ励起 Nd： YAGレーザ
波長： 1064nm
レーザ光スポット断面積： 3. 14 X 10— 8cm2
発振形態： Qスィッチノ ルス
繰り返し周波数： 100kHz
ノ ノレス幅： 30ns
出力： 20 J /パルス
レーザ光品質： TEM
00
偏光特性：直線偏光
(C)集光用レンズ
倍率： 50倍
N. A. : 0. 55
レーザ光波長に対する透過率： 60パーセント
(D)加工対象物が載置される載置台の移動速度： 100mm/秒
[0032] 図 12は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における 断面の写真を表した図である。シリコンウェハ 11の内部に溶融処理領域 13が形成さ れている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域 13の厚さ方向の大きさは 1 00 m程度である。
[0033] 溶融処理領域 13が多光子吸収により形成されたことを説明する。図 13は、レーザ 光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコ ン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示し てレヽる。シリコン基板の厚さ t力 50〃 m、 100〃 m、 200 μ m、 500 μ m、 1000 μ mの 各々について上記関係を示した。
[0034] 例えば、 Nd : YAGレーザの波長である 1064nmにおいて、シリコン基板の厚さが 5 00 m以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が 80%以上透過することが分 かる。図 12に示すシリコンウェハ 11の厚さは 350 111であるので、多光子吸収による 溶融処理領域 13はシリコンウェハ 11の中心付近、つまり表面から 175 111の部分に 形成される。この場合の透過率は、厚さ 200 mのシリコンウェハを参考にすると、 90 %以上なので、レーザ光がシリコンウェハ 11の内部で吸収されるのは僅かであり、ほ とんどが透過する。このことは、シリコンウェハ 11の内部でレーザ光が吸収されて、溶 融処理領域 13がシリコンウェハ 11の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱 で溶融処理領域が形成）されたものではなぐ溶融処理領域 13が多光子吸収により 形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶 接学会全国大会講演概要第 66集（2000年 4月 )の第 72頁〜第 73頁の「ピコ秒パル スレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。
[0035] なお、シリコンウェハは、溶融処理領域によって形成される切断起点領域を起点と して断面方向に向力、つて割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面と に到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達する この割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより 成長する場合もある。そして、切断起点領域からシリコンウェハの表面と裏面とに割れ が自然に成長する場合には、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融してい る状態から割れが成長する場合と、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融 している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、ど ちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断 面には、図 12のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。このように、加工 対象物の内部に溶融処理領域によって切断起点領域を形成すると、割断時、切断 起点領域ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。 ちなみに、溶融処理領域の形成は、多光子吸収が原因の場合のみでなぐ他の吸収 作用が原因の場合もある。
[0036] (3)改質領域が屈折率変化領域の場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強 度が 1 X 108 (W/cm2)以上で且つパルス幅が Ins以下の条件でレーザ光を照射す る。ノ ルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多 光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部には イオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率 変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば l X 1012 (W/cm2)で ある。ノ ルス幅は例えば Ins以下が好ましぐ lps以下がさらに好ましい。多光子吸収 による屈折率変化領域の形成は、例えば、第 42回レーザ熱加工研究会論文集（19 97年. 11月）の第 105頁〜第 111頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部へ の光誘起構造形成」に記載されている。
[0037] 以上、多光子吸収により形成される改質領域として（1)〜（3)の場合を説明したが、 ウェハ状の加工対象物の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次 のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精 度良く加工対象物を切断することが可能になる。
[0038] すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は 、 （111)面（第 1劈開面)や（110)面（第 2劈開面）に沿った方向に切断起点領域を 形成するのが好ましい。また、 GaAsなどの閃亜鉛鉱型構造の III V族化合物半導 体からなる基板の場合は、 (110)面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが 好ましい。さらに、サファイア (Al O )などの六方晶系の結晶構造を有する基板の場
2 3
合は、（0001)面（C面）を主面として（1120)面（八面）或!/、は（1100)面（M面）に沿 つた方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。
[0039] なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板にお ける（111)面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方 向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーション フラットを基準とすることで、切断起点領域を形成すべき方向に沿った切断起点領域 を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。
[0040] 次に、本発明の好適な実施形態について説明する。
[0041] 図 14及び図 15に示すように、加工対象物 1は、いわゆる MEMSウェハであり、厚さ 300 mのシリコンウエノ、（半導体基板） 11と、複数の機能素子 15を含んでシリコンゥ ェハ 11の表面に形成された機能素子層 16と、シリコンウェハ 11の裏面に形成された 金属膜 17と、を備えている。機能素子 15は、例えば、機械要素部品、センサ、ァクチ ユエータ、電子回路等であり、シリコンウェハ 11のオリエンテーションフラット 6に平行 な方向及び垂直な方向にマトリックス状に多数形成されている。金属膜 17は金から なり、その厚さは 3 H mである。
[0042] 以上のように構成された加工対象物 1を以下のようにして機能素子 15毎に切断す る。まず、図 16に示すように、加工対象物 1の裏面 21、すなわち金属膜 17の裏面に エキスパンドテープ 23を貼り付ける。そして、機能素子層 16を上側にして加工対象 物 1をレーザ加工装置の載置台（図示せず）上に固定する。
[0043] 続いて、図 17に示すように、加工対象物 1の表面 3、すなわち機能素子層 16の表 面をレーザ光入射面として、シリコンウェハ 11の表面から 320 mの位置（シリコンゥ ェハ 11の外部）が集光点となる集光用レンズの位置 (加工対象物のレーザ光入射面 (ここでは、表面 3)に対向するレーザ光反射面（ここでは、金属膜 17の表面 17a)を レーザ光が透過すると仮定した場合。以下、同様。）でレーザ光 Lを照射し、載置台 の移動によって、隣り合う機能素子 15, 15間を通るように格子状に設定された切断 予定ライン 5 (図 14の破線参照）に沿ってレーザ光 Lをスキャンする。
[0044] このとき、加工対象物 1の表面 3に対向する金属膜 17の表面（所定の面） 17a、すな わち金属膜 17におけるレーザ光入射面側の面でレーザ光 Lが反射され、その反射 光 RLがシリコンウェハ 11に照射されて、シリコンウェハ 11の内部における裏面 21の 極近傍に集光する。これにより、シリコンウェハ 11の内部における裏面 21の極近傍に 、溶融処理領域 13及び微小空洞 14が切断予定ライン 5に沿って形成される。なお、 この場合のレーザ光の照射条件は、ノ ノレス幅 150ns、エネルギー 15 Jである。また 、上述した「シリコンウェハ 11の表面から 320 mの位置」は、球面収差等を考慮しな V、理論上の「集光点 Pを合わせる位置」を意味して!/、る。
[0045] ここで、微小空洞 14について説明する。一般的に、シリコンウェハ 11の内部に集光 点を合わせて、集光点におけるピークパワー密度が 1 X 108 (W/cm2)以上で且つ ノ ルス幅が 1 s以下の条件でレーザ光を照射すると、シリコンウェハ 11の内部に、 溶融処理領域 13及び微小空洞 14が対になって形成される場合がある。微小空洞 1 4は、溶融処理領域 13と離れて形成される場合もあるし、溶融処理領域 13と連続し て形成される場合もあるが、レーザ光の進行方向において溶融処理領域 13の下流 側に形成される。上述した場合では、微小空洞 14が溶融処理領域 13に対して加工 対象物 1の表面 3側に形成されているため、溶融処理領域 13及び微小空洞 14の形 成に反射光 RLが寄与しているといえる。なお、溶融処理領域 13及び微小空洞 14が 対になって形成される原理については、特開 2005— 57257号公報に詳細に記載さ れている。
[0046] 更に、図 18に示すように、加工対象物 1の表面 3をレーザ光入射面としてシリコンゥ ェハ 11の内部に集光点 Pを合わせてレーザ光 Lを照射し、載置台の移動によって、 隣り合う機能素子 15, 15間を通るように格子状に設定された切断予定ライン 5に沿つ
[0047] この切断予定ライン 5に沿ったレーザ光 Lのスキャンを 1本の切断予定ライン 5に対 して 5回行うが、シリコンウェハ 11の表面と集光点 Pを合わせる位置との距離を各回毎 に変えることで、溶融処理領域 13とシリコンウェハ 11の表面との間に、 5列の溶融処 理領域 13を切断予定ライン 5に沿って形成する。なお、 1本の切断予定ライン 5に対
2
してシリコンウェハ 11の内部に形成される溶融処理領域 13の列数は、シリコンゥェ
2
ハ 11の厚さ等に応じて変化するものであり、 5列に限定されない。また、各溶融処理 領域 13に対して加工対象物 1の裏面 21側に、溶融処理領域 13と対になる微小空
2 2 洞 14が形成される場合がある。また、溶融処理領域 13 , 13には、クラックが混在す
1 2
る場合あある。
[0048] 続いて、図 19に示すように、エキスパンドテープ 23を拡張させ、溶融処理領域 13 , 13を切断の起点として、切断予定ライン 5に沿って加工対象物 1を切断する。この
2
とき、エキスパンドテープ 23が拡張させられているため、切断されることで得られた複 数の半導体チップ 25が互いに離間することになる。
[0049] なお、上述したレーザ加工方法は、図 26に示すレーザ加工装置によって実施され る。図 26に示すように、レーザ加工装置 100は、レーザ光 Lを出射するレーザ光源 1 01と、レーザ光 Lの光軸の向きを 90° 変えるように配置されたダイクロイツクミラー 10 3と、レーザ光 Lを集光するための集光用レンズ 105と、を備えている。また、レーザ 加工装置 100は、集光用レンズ 105で集光されたレーザ光 Lが照射される加工対象 物 1を支持するための載置台 107と、載置台 107を X、 Υ、 Ζ軸方向に移動させるため のステージ 111と、レーザ光 Lの出力やパルス幅等の調節やステージ 111の移動等 、レーザ加工装置 100の全体を制御する制御部 115と、を備えている。
[0050] このレーザ加工装置 100においては、レーザ光源 101から出射されたレーザ光 Lは 、ダイクロイツクミラー 103によってその光軸の向きを 90° 変えられ、載置台 107上に 載置された加工対象物 1に向かって集光用レンズ 105によって集光される。これと共 に、ステージ 111が移動させられ、加工対象物 1がレーザ光 Lに対して切断予定ライ ン 5に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン 5に沿って、切断の起 点となる改質領域が加工対象物 1に形成されることとなる。
[0051] 以上説明したように、上述したレーザ加工方法では、加工対象物 1のレーザ光入射 面である表面 3に対向する金属膜 17の表面 17aで反射されたレーザ光 Lの反射光 R Lをシリコンウェハ 11に照射することで、 6列の溶融処理領域 13 , 13 のうち、金属膜
1 2
17の表面 17aに最も近い溶融処理領域 13を形成している。これにより、図 20に示 すように、溶融処理領域 13を金属膜 17の表面 17aの極近傍に形成することができ る。シリコンウェハ 11の厚さが切断予定ライン 5に沿って変化している場合や、シリコ ンウェハ 11が高濃度ドープウェハ等で、レーザ光 Lの透過率が低い場合等で表面 1 7aの近傍で且つ同じ高さ位置を保って溶融処理領域 13を切断予定ライン 5に沿つ て形成することが困難であっても、このように、金属膜 17の表面 17aに最も近い溶融 処理領域 13の形成に反射光 RLを利用することで、切断予定ライン 5に沿って溶融 処理領域 13を金属膜 17の表面 17aの極近傍に高い密度で安定して形成すること ができる。そのため、加工対象物 1を切断した際に切断面の裏面 21側の端部が切断 予定ライン 5から外れるのを防止して、加工対象物 1を切断予定ライン 5に沿って精度 良く切断することが可能となる。
[0052] ここで、金属膜 17の表面 17aで反射されたレーザ光 Lの反射光 RLを利用した場合 に、溶融処理領域 13が金属膜 17の表面 17aの極近傍に形成される原理について 説明する。
[0053] 本発明者が推測する第 1の原理は、次の通りである。図 21に示すように、シリコンゥ ェハ 11の裏面、すなわち金属膜 17の表面 17a近傍に集光点を合わせてレーザ光 L を照射すると、球面収差の影響で、中心光線と周囲光線との集光度が劣化し、各光 線が一点に集光せず、各光線、特に周囲光線の集光箇所がレーザ光 Lの光軸方向 にずれる。これにより、金属膜 17の表面 17a下で集光するように進行する光線の集光 箇所が、金属膜 17の表面 17aでの反射によって、金属膜 17の表面 17a上で集光す る光線の集光箇所に補完される。従って、切断予定ライン 5に沿って溶融処理領域 1 3が金属膜 17の表面 17aの極近傍に高い密度で形成されることになる。球面収差を 考えなければ理論的には、溶融処理領域 13は集光点の位置であるシリコンウェハ 1 1の裏面上に形成されるはずであるが、反射による影響で溶融処理領域 13の形成 位置が上側にずれるともいえる。
[0054] 本発明者が推測する第 2の原理は、次の通りである。図 22 (a)に示すように、シリコ ンウェハ 11の外部が集光点となる集光用レンズの位置、すなわち金属膜 17の表面 1 7a下に集光点を合わせてレーザ光 Lを照射すると、金属膜 17の表面 17aでレーザ 光 Lが反射されて、その反射光 RLがシリコンウェハ 11の内部に集光する。金属膜 17 の表面 17aで反射される前には集光度が低!/、ためレーザ光 Lがシリコンウェハ 11に 殆ど吸収されず、反射光 RLの集光点 Pの位置で局所的に高温となる。そのため、吸 収係数の温度依存性により集光点 Pの位置で吸収係数が高まり反射光 RLの集光点 Pの位置から、反射光 RLの進行方向において集光点 Pの上流側（反射表面 17a側） で反射光 RLが吸収され易くなる。その結果、切断予定ライン 5に沿って溶融処理領 域 13が金属膜 17の表面 17aの極近傍に高い密度で (すなわち、分割性の高い改 質領域として）形成されることになる。 [0055] なお、図 22 (b)に示すように、シリコンウェハ 11の内部、すなわち金属膜 17の表面 17a上に集光点 Pを合わせてレーザ光 Lを照射すると、集光点 Pの上側の位置でも温 度が高くなる。そのため、吸収係数の温度依存性により集光点 Pの上側の位置で吸 収係数が高まり、レーザ光 Lの吸収が始まる。これにより、レーザ光 Lの進行方向にお V、て集光点 Pの近傍に進行するレーザ光 Lが減少し、集光点 Pの上側の部分がレー ザ光 Lの光軸に沿って局所的に高温となる。そのため、吸収係数の温度依存性によ り集光点 Pの上側の部分で吸収係数が高まり、レーザ光 Lが吸収される。その結果、 溶融処理領域 13の形成に利用し得るレーザ光 Lのエネルギーが減少するため、切 断予定ライン 5に沿って溶融処理領域 13が金属膜 17の表面 17a (の近傍)から若干 離れた上側の位置に低い密度で形成されることになる。これは、厚いウェハにおいて はレーザ光入射面から深い位置になるほど吸収の影響が大きくなつてレーザ光のェ ネルギ一が減少し、加工閾値を超えるためには吸収による温度依存の影響が無視で きな!/、からであると推測される。
[0056] 本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
[0057] 例えば、上記実施形態では、金属膜 17の表面 17aで反射されたレーザ光 Lの反射 光 RLをシリコンウェハ 11に照射することで、金属膜 17の表面 17aの極近傍に溶融処 理領域 13を形成したが、図 23及び図 24に示すように、加工対象物 1の表面 3の極 近傍に溶融処理領域 13を形成してもよい。この場合には、加工対象物 1の表面 3を レーザ光入射面として、シリコンウェハ 11の表面から 600 mの位置（シリコンウェハ 11の外部）に集光点を合わせて、ノ ノレス幅 150ns、エネルギー 15 Jの条件でレー ザ光 Lを照射する。これにより、上述した吸収係数の温度依存性に起因して加工対 象物 1の表面 3が溶融等の損傷を受けるのを防止して、加工対象物 1の表面 3の極近 傍に溶融処理領域 13を形成すること力 Sできる。し力、も、加工対象物 1を切断した際 に切断面の表面 3側の端部が切断予定ライン 5から外れるのを防止して、加工対象 物 1を切断予定ライン 5に沿って精度良く切断することが可能となる。
[0058] なお、金属膜 17の表面 17aに最も近い溶融処理領域 13や、加工対象物 1の表面 3 に最も近い溶融処理領域 13だけでなぐ複数列の溶融処理領域 13のうち、金属膜 1 7の表面 17aに最も近い溶融処理領域 13、及び加工対象物 1の表面 3に最も近い溶 融処理領域 13の少なくとも 1列を含む複数列の溶融処理領域 13を、金属膜 17の表 面 17aで反射されたレーザ光 Lの反射光 RLを利用して形成してもよい。
[0059] また、図 25に示すように、金属膜 17の表面 17aに最も近い溶融処理領域 13を形 成すると同時に、加工対象物 1の裏面 21に、所定の深さを有する弱化領域 18を切 断予定ライン 5に沿って形成してもよい。この場合には、加工対象物 1の表面 3をレー ザ光入射面として、シリコンウェハ 11の表面から 305 mの位置（シリコンウェハ 11の 外部）に集光点を合わせて、ノ ノレス幅 150ns、エネルギー 15 Jの条件でレーザ光 L を照射する。このとき、加工対象物 1の裏面 21は金属膜 17の裏面である力 この場 合であっても、所定の深さを有する弱化領域 18が切断予定ライン 5に沿って金属膜 1 7に形成されているため、比較的小さな外力で、切断予定ライン 5に沿って加工対象 物 1を精度良く切断することが可能となる。しかも、溶融処理領域 13がシリコンウェハ 11の内部に形成されているため、溶融処理領域 13力、らパーティクルが発生するの を防止すること力できる。
[0060] また、上記実施形態では、レーザ光 Lを反射する面が金属膜 17の表面 17aであつ た力 加工対象物 1が金属膜 17を備えず、例えば、レーザ光 Lを反射する面がシリコ ンウェハ 11の裏面であってもよい。この場合には、レーザ光 Lがシリコンウェハ 11の 裏面で一部反射されて、その反射光 RLがシリコンウェハ 11に照射されることになる。 そして、機能素子 15は、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダ ィオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成され た回路素子等であってもよレ、。
[0061] また、上記実施形態では、加工対象物 1の表面 3をレーザ光入射面としたが、加工 対象物 1が金属膜 17を備えない場合には、加工対象物 1の裏面 21をレーザ光入射 面としてもよい。加工対象物 1の裏面 21をレーザ光入射面とする場合には、一例とし て、次のように加工対象物 1を複数の半導体チップ 25に切断する。すなわち、機能 素子層 16の表面に保護テープを貼り付け、保護テープにより機能素子層 16を保護 した状態で、レーザ加工装置の載置台に、加工対象物 1を保持した保護テープを固 定する。そして、加工対象物 1の裏面 21をレーザ光入射面としてシリコンウェハ 11に レーザ光 Lを照射することにより、切断予定ライン 5に沿って溶融処理領域 13 , 13 を形成する。続いて、載置台に固定された保護テープを加工対象物 1と共に離隔さ せる。そして、加工対象物 1の裏面 21にエキスパンドテープ 23を貼り付けて、機能素 子層 16の表面から保護テープを剥がした後、エキスパンドテープ 23を拡張させて、 溶融処理領域 13 , 13を切断の起点として加工対象物 1を切断予定ライン 5に沿つ
1 2
て切断すると共に、切断されることで得られた複数の半導体チップ 25を互いに離間さ せる。
[0062] また、上記実施形態では、シリコンウェハ 11の内部に溶融処理領域 13 , 13を形
1 2 成したが、ガラスゃ圧電材料等、他の材料からなるウェハの内部に、クラック領域や屈 折率変化領域等、他の改質領域を形成してもよい。
[0063] また、次のようにして改質領域 7を加工対象物 1に形成してもよい。まず、図 27 (a) に示すように、加工対象物 1のレーザ光入射面（ここでは、表面 3)に対向するレーザ 光反射面（ここでは、裏面 21)の近傍の位置が集光点 Pとなるようにレーザ光 Lを照射 することで改質領域 7aを形成する。その後、図 27 (b)に示すように、レーザ光反射面 をレーザ光が透過すると仮定した場合にレーザ光 Lの進行方向においてレーザ光反 射面の下流側（レーザ光反射面に対してレーザ光源（レーザ光出射側）と反対側）の 位置が集光点 Pとなるようにレーザ光 Lを照射することでその反射光 RLにより改質領 域 7bを形成する。このように、改質領域 7aと改質領域 7bとを重ねて形成することで、 密度が高い（すなわち、分割性が高い）改質領域 7を加工対象物 1に形成することが できる。
[0064] 加工対象物 1にレーザ光 Lを照射することにより、 1本の切断予定ライン 5に沿って 加工対象物 1の厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域 7を加工対象物 1の少なくと も内部に形成する場合に限定されず、 1本の切断予定ライン 5に沿って 1列の改質領 域 7を加工対象物 1の少なくとも内部に形成してもよい。
産業上の利用可能性
[0065] 本発明によれば、制御性良ぐ所定の面に最も近!/、改質領域を所定の面の極近傍 に形成したり、レーザ光入射面に最も近い改質領域をレーザ光入射面の極近傍に形 成したりすること力 Sでさる。

Claims

請求の範囲
[1] 板状の加工対象物にレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定 ラインに沿って、前記加工対象物の厚さ方向に並ぶように、切断の起点となる複数列 の改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、 前記加工対象物においてレーザ光が入射するレーザ光入射面に対向する所定の 面で反射されたレーザ光の反射光を前記加工対象物に照射することにより、複数列 の前記改質領域のうち、前記所定の面に最も近!/、改質領域及び前記レーザ光入射 面に最も近い改質領域の少なくとも 1列を含む 1列又は複数列の改質領域を形成す ることを特徴とするレーザ加工方法。
[2] 前記所定の面は、前記加工対象物が備える金属膜における前記レーザ光入射面 側の面であることを特徴とする請求項 1記載のレーザ加工方法。
[3] 複数列の前記改質領域を切断の起点として、前記切断予定ラインに沿って前記加 ェ対象物を切断することを特徴とする請求項 1記載のレーザ加工方法。
[4] 前記加工対象物は半導体基板を備え、前記改質領域は溶融処理領域を含むこと を特徴とする請求項 1記載のレーザ加工方法。
[5] 板状の加工対象物にレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定 ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレ 一ザ加工方法であって、
前記加工対象物のレーザ光入射面に対向するレーザ光反射面をレーザ光が透過 すると仮定した場合に、レーザ光の進行方向において前記レーザ光反射面の下流 側の位置が、レーザ光を前記加工対象物に集光するための集光用レンズによって集 光されるレーザ光の集光点となるように、前記集光用レンズを配置し、前記加工対象 物にレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の少なくとも内部に前記改質領 域を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
[6] 板状の加工対象物にレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定 ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレ 一ザ加工装置であって、
前記加工対象物のレーザ光入射面に対向するレーザ光反射面をレーザ光が透過 すると仮定した場合に、レーザ光の進行方向において前記レーザ光反射面の下流 側の位置が、レーザ光を前記加工対象物に集光するための集光用レンズによって集 光されるレーザ光の集光点となるように、前記集光用レンズを配置し、前記加工対象 物にレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の少なくとも内部に前記改質領 域を形成する制御部を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
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