JP2006145810A - 自動焦点装置、レーザ加工装置およびレーザ割断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光による加工が行われている被照射面の光軸の中心を自動焦点の測距の基準位置とすると、正確な被照射面と対物レンズとの間の測距を行うことができない。
【解決手段】 被照射面に加工用レーザ光Ｌ１を照射する際に、加工用レーザ光Ｌ１の光軸の中心を除いた周囲に複数のレーザ光Ｌ２の光束が位置するように各光学系を配置し、
被照射面から反射したレーザ光Ｌ２の複数の光束それぞれに基づいた被照射面に対する集光状態に関する情報から、被照射面に対する対物レンズ５２ａの自動焦点調整を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源からの光束を被照射面に照射する光学系の自動焦点装置ならびにこれを用いてレーザ光の照射により被加工物を加工するレーザ加工装置および基板を割断するレーザ割断装置に関するものである。

従来、レーザ光を被加工物に照射して、その被照射面に何らかの加工を行う際に、レーザ光が照射されている箇所の位置の確認や加工の様子を観察したり、レーザ光を加工のために被加工物へ集光させることがあった。その際に、観察に用いる光学系あるいはレーザ加工用の光学系のレーザ光被照射面に対する焦点調整を行う必要があり、更には、加工の効率を上げるために、焦点を自動的に調整する自動焦点装置が設けられている。このような自動焦点装置として、光学系（対物レンズ）と被照射面との距離を直接測定する方法を採用する場合、レーザ光による加工が行われている箇所に極めて近い被照射面と光学系（対物レンズ）との距離を測る方が、より精度のよい自動焦点の調整を行うことができる。

更に、近年、基板表面の複数の領域を基板内部にレーザ光を集光させて基板を割断する加工方法も開発されてきている。一例として例えば、シリコンウエハ等の半導体基板をチップ状に精密切断する場合等、従来、幅数十〜数百μｍの円周形状のブレードを高速回転させ、ブレード表面の研磨材が基板を研削することによって切断するブレードダイシング法で行われていた。これでは、切断に伴う発熱や磨耗を低減させるために、切断面には冷却水を噴射するが、切断に伴って発生する基板自体の切屑や研磨材の微粒子、基板と加工テーブルを固定する粘着テープの粘着剤粒子等のゴミが冷却水に混ざって広範囲に飛散してしまう。特に、基板が半導体基板の場合には、その基板表面には微細な機能素子が多数形成されているので、機能素子そのものの信頼性に重大な影響を及ぼすおそれがある。

この問題を解決するためには、切断に冷却水を用いず、ドライな環境で実施できることが望ましい。そこで、基板に吸収性の高い波長のレーザ光を基板表面に集光させて、基板を切断する加工方法が用いられる。しかしこの方法では、基板表面で、切断部の周辺も熱溶融してしまうため、半導体基板上に設けられたロジック回路等を損傷させる問題があり、また、レーザ加工はレーザ入射側から出射側へ基板を溶融して進行するため、基板表面には溶融物の再凝固物が付着してゴミとなってしまう。従って、ブレードダイシングと同様、ゴミの問題が発生する。

また、このような問題を解決するための加工方法として、基板内部に吸収性の高いレーザ光を集光することによって基板を切断する加工方法、例えば特許文献１および特許文献２に開示された方法は、被加工材料である基板に対して透過性の高い特定波長のレーザ光を、基板の内部に集光して形成した内部加工領域を切断の起点とするもので、基板表面に溶融領域を形成しないため、ゴミの少ない切断を可能とするものである。

このような加工用レーザ光を照射して被加工物や基板を加工ないし割断する装置では、加工位置観察のための顕微鏡対物レンズを通して基板内部に集光する。レーザ加工は、その集光状態を保ちながら、基板を加工予定線や割断予定線に沿ってステージなどのアクチュエータで駆動しつつ行われる。

上述のようなレーザ光による被加工物の加工や基板等の割断をより正確、精緻に行うためには、レーザ光の照射を受ける被照射面（被照射領域）を加工中においても対物レンズ等を用いてレーザ光の基板表面への照射状態を観察し続けることが必要である。ところが、その対物レンズは、一方で被照射領域へのレーザ光の照射や集光にも用いられているので、加工位置の基板表面の観察とレーザ光の照射や集光という機能を同時に果たす必要があった。
特開２００２−１９２３７０号公報 特開２００２−２０５１８０号公報

しかしながら、上述の自動焦点装置やレーザ加工装置では、レーザ光による加工が行われている被照射面である加工用レーザ光の照射光学系の光軸の中心では、レーザ光の照射、加工により被照射面の材質が軟化、溶解、あるいは変形（開口や凹部、凹凸形状等）していることが多い。したがって、このような光軸の中心を含む位置を自動焦点の測距の基準位置とすると、正確な被照射面と光学系（対物レンズ）との間の測距を行うことができない。

また、上述のレーザ割断装置では、基板内部に内部加工領域を形成するものであって、直接基板表面自体の加工を目的として行うものではないものの、加工用レーザ光の光軸の中心を含む領域が基板内部に向かって集光するレーザ光によって照射され、何らかの加工を受けている。したがって、この光軸の中心部分を自動焦点調整のための基板側の測距基準位置とするのは好ましくなかった。

本発明の目的は、被照射領域に照射される光の光軸の中心が被照射領域に焦点を合わす際に光束の反射を用いて焦点調整するための測距基準とするには不適切な場合であっても、正確な測距を可能とする自動焦点装置を提供することにある。

また、他の本発明の目的は、共用される対物レンズを用いて加工用レーザ光と焦点調整用レーザ光とを被照射領域に照射する際に、より適切な自動焦点調整を行いつつレーザ加工を可能とするレーザ加工装置およびレーザ割断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の自動焦点装置は、光源からの光束を被照射面に照射する光学系であって、前記被照射面に照射する際に前記光学系の光軸の周囲に複数の光束が位置するように当該複数の光束の光路を配する第１の光学系と、前記被照射面から反射した前記光束を、当該光束を受光する受光手段へ案内する第２の光学系と、前記受光手段に受光された、前記被照射面から反射した前記複数の光束それぞれに基づいて、それぞれの光束の前記被照射面への集光状態に関する情報を出力する出力手段と、を有するものである。

また、上記目的を達成するための本発明は、被加工物に加工用レーザ光を照射して当該被加工物を加工するレーザ加工装置において、焦点調整用レーザ光を前記被照射面に照射するための光学系であって、前記被照射面に照射する際に当該光学系の光軸の周囲に前記焦点調整用レーザ光としての複数の光束が位置するように当該複数の光束の光路を配する第１の光学系と、前記被照射面から反射した前記複数の光束を、当該光束を受光する受光手段へ案内する第２の光学系と、前記加工用レーザ光を前記被加工物の被照射面に照射するための第３の光学系と、前記被照射面を観察するための第４の光学系と、前記第１の光学系と前記第２の光学系と前記第３の光学系と前記第４の光学系とに共有され、前記被照射面と対向する対物レンズと、前記受光手段に受光された、前記被照射面から反射した前記複数の光束それぞれに基づいて、それぞれの光束の前記被照射面への集光状態に関する情報を出力する出力手段と、を有するものである。

また、更に上記目的を達成するための本発明は、基板を割断する際に、基板表面から基板内部の所定の深度の集光点に加工用レーザ光を集光させて内部加工領域を形成するレーザ加工装置において、焦点調整用レーザ光を前記基板表面に照射するための光学系であって、前記基板表面に照射する際に当該光学系の光軸の周囲に前記焦点調整用レーザ光としての複数の光束が位置するように当該複数の光束の光路を配する第１の光学系と、前記基板表面から反射した前記複数の光束を、当該光束を受光する受光手段へ案内する第２の光学系と、前記内部加工領域を形成する前記加工用レーザ光を前記基板内部に集光するためのレーザ光集光位置調整機構を備えた第３の光学系と、前記基板表面を観察するための第４の光学系と、前記第１の光学系と前記第２の光学系と前記第３の光学系と前記第４の光学系とに共有され、前記被照射面と対向する対物レンズと、前記受光手段に受光された、前記基板表面から反射した前記複数の光束それぞれに基づいて、それぞれの光束の前記基板表面への集光状態に関する情報を出力する出力手段と、を有するものである。

本発明によれば、被照射領域に照射される光の光軸の中心が被照射領域に焦点を合わす際に光束の反射を用いて焦点調整するための測距基準とするには不適切な場合であっても、正確な測距を行うことができる。また、共用される対物レンズを用いて加工用レーザ光と焦点調整用レーザ光とを被照射領域に照射する装置においても、より適切な自動焦点調整を行いつつ、より正確なレーザ加工を行うことができる。

次に、本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。

図１（ａ）に示す加工装置５０は、光源５１、ビーム拡大系５１ａ、ミラー５１ｂ等を有する光源光学系と、顕微鏡対物レンズ５２ａ、ミラー５２ｂ、自動焦点機構５２ｃ等を有する集光光学系と、Ｘステージ５３ａ、Ｙステージ５３ｂ、微動調整ステージ５３ｃ等を有する自動ステージ機構５３と、を備えており、光源５１としてはパルスＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）を用いる。パルス幅は１５〜１０００ｎｓ前後で、その周波数は１０〜１００ＫＨｚである。

図１（ｂ）は、加工装置５０において、集光光学系、自動焦点光学系および観察光学系の詳細を示す模式図であり、図１（ｃ）は、自動焦点光学系を更に詳細に示す模式図である。

図１（ｂ）において、レーザＬ１は加工用レーザであるＹＡＧレーザであり、レーザＬ２は自動焦点用のレーザを示している。

ＹＡＧレーザである加工用レーザ光Ｌ１は、ミラー５１ｂ、５２ｂで反射してレンズユニット２０３、２０４からなるアフォーカル光学系５２ｅを通過する。ミラー５１ｂ、５２ｂは、おのおの独立した動きを行う。特にミラー５２ｂは、その他の光学素子と連動して微動するものとする。

アフォーカル系５２ｅは、レンズユニット２０３の光軸に平行に入った光束をレンズユニット２０４からその光軸に平行に射出する。レンズユニット２０３は光軸方向に微動可能であり、そのレンズユニット２０３の動きによって、レンズユニット２０４から射出される光束は、収束する方向にも発散する方向にも、その射出角度を変えるように制御されることが可能となる。これにより、レーザ光Ｌ１の集光位置（例えは、被照射面あるいは被照射面の直下の任意の深さの部位に集光する際の位置）を制御することが可能となる。

レンズユニット２０４から射出されたレーザ光Ｌ１は、補正レンズ２０５、ダイクロックミラー２０６、２０７を通って対物レンズ５２ａへ至る。対物レンズ５２ａによって、レーザ光Ｌ１は視野の中心に集光する。

観察光学系は、照明用光源２１８から射出された光がレンズ２１９を介してハーフミラー２１７とダイクロックミラー２０７を通過し、対物レンズ５２ａを通って基板表面（加工面）を照明するように構成されている。照明用光源２１８の射出面と対物レンズ５２ａの入射瞳とは共役となっているため、ケーラー照明系を構成している。

対物レンズ５２ａと結像レンズ２０９とは、無限遠顕微鏡系を構成している。この２つのレンズの作用により、カメラ２１５の受像面が基板表面のレーザ光被照射面と共役となっている。つまり、加工用レーザ光Ｌ１として用いるＹＡＧレーザ光の被正面上への照射状況が、カメラ２１５にて観察可能となる。このとき、注意しなくてはならないのは、観察対象物のレーザ光反射率である。このように加工用レーザ光Ｌ１で顕微鏡を用いた加工を行った場合、基板表面を加工するときには基板表面のレーザ光被照射面とカメラ２１５とが共役となるため、レーザ光被照射面の反射率によってはカメラ２１５が損傷してしまう場合がある。そのため、対物レンズ５２ａと結像レンズ２１６の間に加工用レーザ光Ｌに対するフィルターをいれる場合もある。特に、シリコンのような高屈折率部材では、反射率は３０％程度あり、損傷の可能性が高い。

加工用レーザ光Ｌ１の対物レンズ５２ａによる焦点位置とアフォーカル光学系５２ｅのレンズユニット２０３による集光点（レンズユニット２０３による入射光束に対する像）とは、共役となるように配置されている。

そのため、レンズユニット２０３をその光軸方向に沿って微動させることで、対物レンズ５２ａによる加工用レーザ光Ｌ１の集光位置を動かすことが可能である。つまり、アフォーカル光学系５２ｅのパワーを変えることで、対物レンズ５２ａによる加工用レーザ光Ｌ１の集光位置を変えることができる構成となっている。なお、アフォーカル光学系５２ｅは、本実施の形態のように、レンズユニット２０３、２０４を用いた構成の他に、３つ以上のレンズユニットを用いて構成された光学系であっても構わない。

また、対物レンズ５２ａは自動焦点機構５２ｃにより、対物レンズ５２ａにより集光されるレーザ光Ｌ１のレーザ光被照射面とカメラ２１５とが共役になるようにも設定された光学系を備えている。そして、自動焦点機構５２ｃは、加工用レーザ光Ｌ１の集光点調整機構のように、アフォーカル光学系５２ｅのレンズユニット２０３を光軸方向に沿って移動させる構成とは異なり、対物レンズ５２ａ、結像レンズ２１６、カメラ２１５を結ぶ光学系全体を動かすことで、焦点の調整を行う。本実施の形態では、図１（ｃ）に示す自動焦点光学系５２ｄを用いて対物レンズ５２ａと被照射面との間隔を測定して集光光学系および観察光学系の自動焦点調整動作を行う。そして、この自動焦点調整動作は、カメラ２１５で焦点が合った像として観察される被観察像の位置（基板表面のレーザ光被照射面）と加工用レーザ光Ｌ１の集光位置（被加工物の被照射面あるいは被照射面直下の任意の深度にある加工位置）とは、異なる集光構造の光学系により設定できることになる。しかし、それぞれの光学系の集光調整は、好ましくは、対物レンズ５２ａの基板表面のレーザ光被照射面に対して自動焦点機構５２ｃによる対物レンズ５２ａの変位によって観察光学系の焦点調整を行った後、レーザ光被照射面と対物レンズ５２ａとの位置関係（間隔）を維持したまま、アフォーカル光学系５２ｅのパワー変化を用いて加工用レーザ光Ｌ１を被加工物の表面ないし内部の所望の加工位置に集光するための集光位置調整を行うものとする。

次に、図１（ｃ）を用いて自動焦点光学系５２ｄを用いて詳述する。ここに示す自動焦点方法は、被照射面に照射して反射したレーザ光Ｌ２をセンサー２１２によって被照射面と対物レンズ５２ａとの間の距離を測定する方式であり、カメラ等で受像した観察面の象をデフォーカスさせて最良位置を求める焦点調整の方法ではない。また、得られた測定データを用いて、ミラー５１ｂを除く全ての光学素子（集光光学系、観察光学系および自動焦点光学系）をアクチュエータを用いて被照射面（被加工物）から遠ざけたりあるいは近づけたりする方向に移動させる。このときの移動により、加工用レーザ光Ｌ１の集光位置が移動する。そのため、自動焦点調整によって移動する、ミラー５１ｂを除く全ての光学素子の移動量から、加工用レーザ光Ｌ１の集光位置を維持するためのアフォーカル光学系５２ｅのレンズユニット２０３の移動量を計算し、自動焦点調整動作に加工用レーザ光Ｌ１の集光位置が依存しないようにアフォーカル光学系５２ｅを制御する。

まず、光源からのレーザＬ２を４分割して４つの光束にする。４分割する方法はいくつかあるが、ここでは波面分割方式を用い、特にフライアイレンズ２０９を使用している。フライアイレンズ２０９の焦点位置では４つのスポットがレーザ光Ｌ２の光軸の周囲にほぼ相互に対象な位置関係をもって形成される。このスポット像を結像レンズ２１０と対物レンズ５２ａで構成される無限遠顕微鏡系で被加工物の被照射面に投影する。

図１（ｄ）は、被照射面におけるレーザ光Ｌ２のスポットを示す模式図であり、自動焦点調整用レーザ光Ｌ２の４分割された各光束が作る被照射面上でのスポット位置は、被照射面（表面を加工する場合は加工面に相当）での視野において４分割しないときのレーザ光Ｌ２の光軸Ｌ２Ｃを中心とする４つの象限の各象限に１つのスポットＬ２Ｓ１〜Ｌ２Ｓ４が存在するように配置される。このため、視野の中心Ｌ２Ｃ（自動焦点調整用レーザ光Ｌ２の光軸位置であると同時に加工用レーザ光Ｌ１の光軸位置に相当）には、そのスポットは存在しないものとする。

被照射面（加工面）上の４つのスポットから反射した光束は、ダイクロックミラー２０７、２０６、ミラー２１１、２１４を経てセンサ２１２に到達する。レンズ２１３は球面レンズ２１３ａと円筒レンズ２１３ｂとの組合せレンズであり、このレンズ２１３によって得られた象はカメラ２１２に入射する。

図２は、球面レンズ２１３ａと円筒レンズ２１３ｂとの組合せレンズ２１３を用いた非点収差法を説明する模式図である。ここで、光軸方向をＸ軸、光軸と直交するとともに互いに直交する２軸をＹ軸、Ｚ軸とする。レンズ２１３に円筒レンズ２１３ｂが加わることで、組合せレンズ２１３は、ＸＹ面にパワーを有するがＸＺ面にはパワーを有さないものであり、ＸＹ面での結像位置とＸＺ面での結像位置とは異なっている。つまり、非点収差が発生する。図２のＢ位置に光軸に直交するようにＹＺ面にスクリーンを置くと円形の結像が得られる。この結像は、ＸＺ面にパワーを有する図２（ｂ）のＡ位置ではＺ軸方向に短径の楕円となり、ＸＹ面にパワーを有する図２（ａ）のＣ位置ではＹ軸方向に短径の楕円となる。センサ２１２をこのＢ位置に配置すると、ほぼ円形の４つのスポット像を得ることができる。しかし、被照射面Ｏが変位した場合、Ｂ位置に固定したスクリーン上での４つのスポット像は円形から楕円になり、それぞれの楕円の長径、短径の向きの変化で焦点から前側か後側かが分かるので、スポット像に対してモーメント演算を施し、各スポットの楕円の離心率を算出することで焦点位置を求める。このように、非点収差を持った光学系で結像した点像のひずみを検出することで、被照射面の光軸方向の変位を非接触で測定することができる。

この動作はステージ５３が移動している場合、あるいはステージ５３が静止している場合でも可能である。ステージ５３が移動している場合ではステージ移動速度、信号処理の時間から自動焦点調整の動作周期が決定されるが、本実施の形態では、２ｍｍ〜１０ｍｍごとに動作する。通常は４つの位置での焦点位置から被加工面（被照射面）を最小二乗法を用いて平面近似することで、平面の傾きおよび最良焦点位置からのオフセット値を算出する。モーメント演算の際、同時に０次，１次モーメント演算することで、各スポットの画面内での重心位置を求めておくことで、４つのスポットの中心（重心の重心）の基準位置からのずれをベクトル表現することでも、加工面の傾きを算出することが可能である。そして、本実施の形態では、ミラー５１ｂを除く全ての光学素子（集光光学系、観察光学系および自動焦点光学系）をアクチュエータを用いて被照射面（被加工物）に対して、得られたオフセット値だけ接近または離間するように動かす。

なお、本実施例の構成は、観察光学系のカメラ２１５の受像面と対物レンズ５２ａによるレーザ光Ｌ２の基板表面の集光位置（基板表面の被照射面）とが共役であり、自動焦点光学系のセンサ２１２と対物レンズ５２ａによるレーザ光Ｌ２の基板表面の集光位置（基板表面の被照射面）とが共役であり、さらに対物レンズ５２ａによる集光位置と集光光学系のアフォーカル光学系のレンズユニット２０３の入射光束に対する像とが共役である、という光学系を有するものである。したがって、これらの関係が維持されていれば、対物レンズ５２ａのみを動かして自動焦点調整を行う装置構成としてもよい。この場合には、対物レンズ５２ａの自動焦点調整に伴う焦点位置への移動により、自動焦点光学系のセンサ２１２と対物レンズ５２ａの焦点位置（基板表面の被照射面）との間でずれていた共役関係が回復するとともに、観察光学系のカメラ２１５の受像面と対物レンズ５２ａの焦点位置との間でずれていた共役関係も回復することになる。また、集光光学系は、レンズユニット２０３の移動によりレンズユニット２０３の入射光束に対する像と自動焦点調整により移動した後の対物レンズ５２ａの集光位置との共役関係を回復させる構成となる。このような構成の場合には、対物レンズ５２ａのみを動かして自動焦点調整を行うので、レスポンスの高い自動焦点調整を行うことができる。

ここで、被照射面が半導体基板として用いられる研磨されたシリコン基板のような場合には、被照射面の傾きは、通常、問題とはならない。これは、顕微鏡の視野はφ０．０２〜０．５ｍｍと狭く、研磨面の平坦度が数μｍであるので、この範囲では傾きはほぼ無視できるものとなっているためである。そのため、傾きは参考値として取扱い、必要以上の値となったら研磨不良と判定することとしている。また、４つのスポットから得られるデータのうち、いくつかが測定できない場合もあり得るが、このような場合は有効データの平均値を算出し、これをオフセット値と想定して光学系をアクチュエータにて被照射面（被加工物）に対して接近または離間するように移動させる。

被照射面における検出はフライアイレンズ２０９を用いて４分割された光束による４つのスポットで行われるが、被照射面の傾きを決定するには最低３つの検出データがあればよく、それ以上の分割数であればかまわない。また、視野内での傾きが影響なければ、検出位置が１点でもあれば十分である。

フライアイレンズ２０９は単レンズの組み合わせでなく、回折光学素子などを用いてもかまわない。また、センサ２１２の取り込み時間内で検出位置を動かす方式で複数の位置で検出する方式でもかまわない。

また、非点収差の検出には４分割フォトダイオードなどの素子を用いてもかまわない。

本実施の形態に表された本発明は、被加工物の照射される光束の光軸位置の材料が何らかの加工（例えば、表面の変形、軟化、溶解、結晶構造の変化）を受けるときに、自動焦点調整をより正確に行うことが求められる場合に、特に顕著に効果を奏するものである。

したがって、被加工物としては、その表面の加工を目的とする場合や、被加工物の内部の加工を目的とする場合、あるいは、被加工物の割断を目的とする場合にも、本発明は好適に用いることができる。

以下に、本発明が好適に用いられる実施例として、シリコン基板表面に碁盤の目状に多数のインクジェットヘッドチップが作りこまれたシリコンウエハに対して基板内部に加工用レーザ光を集光させることで、基板内部に亀裂等の内部加工領域を形成して基板割断を行う装置について、図面を用いて説明する。

本実施例では、図３に示すように、基板内部の所定の深度の集光点にレーザ光を集光させ、基板表面１１に到達しない内部加工領域（例えば、溶融、亀裂、結晶構造が変化した状態等をいう。）を形成する。ここでは、内部亀裂１２（１２ａ〜１２ｃ）を形成する。その際に、１つの対物レンズを用いて基板内部の所定の位置のレーザ加工と自動焦点された表面観察とを同時に行うことができるように、レーザ加工用集光位置調整と観察用自動焦点調整とを独立して調整可能に構成する。これにより、レーザ加工位置と観察位置とを任意に設定することが可能となり、割断予定線の直下の基板内部に、レーザ光による内部加工領域の形成といった内部加工が行われる。

また、内部加工領域形成のための加工用レーザ光の光学系にアフォーカル光学系を用い、このアフォーカル光学系は、光学系の光軸方向に当該アフォーカル光学系を構成するレンズを変位させることでアフォーカル光学系のパワーを変化させ、射出される光線の角度を変えて、基板内部のレーザ光集光位置を任意に設定することができるものである。

図４の（ａ）、（ｂ）に示すシリコン基板１０は、同図の（ｃ）に示すように、表面が（１００）面に形成された、厚み６２５μｍのシリコンウエハ１を基体とし、シリコンウエハ１の表面には、厚さ１μｍ程度の酸化膜２が形成され、その上には、インク等液体吐出用の機構、およびそれらを駆動するロジック素子、配線等を内蔵したエポキシ樹脂製の構造物であるノズル層３が配置され、各ロジック素子部１０ａを構成している。

このように液体吐出用の機構等を内蔵したノズル層３の直下に、開口部である液体供給口（インク供給口）４をシリコンウエハ１の異方性エッチングにより形成する。ノズル層３は、製造工程の最終段階でシリコンウエハ１を各素子チップに割断できるように、互いに割断予定線Ｃを挟んで配置される。割断予定線Ｃはシリコンウエハ１の結晶方位に沿って形成され、隣接するノズル層３の間隔Ｓは最小で４００μｍ程度である。

図５はシリコン基板１０を個々の素子チップとなるロジック素子部１０ａに分離する割断プロセスを説明するフローチャートであり、このプロセスは、ステップ１のテープマウント工程、ステップ２のウエハ補正工程、ステップ３の表面線状加工工程（表面加工工程）、ステップ４の内部亀裂形成工程（内部内部加工領域形成工程）、ステップ５の割断工程、ステップ６のリペア工程、ステップ７のピックアップ工程の７工程からなる。

図６に示すように、シリコン基板１０はまず、割断までの工程で素子が分離するのを防止するためのテープマウントを行う。テープマウントは、ダイシングフレームＭが貼り付けられた、粘着性を有するダイシングテープＴをシリコン基板１０の裏面に貼り付けることによりなる。

ダイシングテープとしては、紫外線硬化型あるいは感圧型粘着剤が塗工された粘着テープや、自己粘着層を有する粘着テープを用いる。

上述のようにシリコン基板１０の表面に形成される樹脂層であるノズル層３は硬化時に熱収縮を起こすため、シリコン基板１０の全体が図７（ａ）に示すように変形している。このように変形した状態で、後述のレーザ照射を行うと基板表面１１で局部的に入射角度が異なり、精度よく加工することができない。したがって予めこの変形を矯正しておく必要がある。そこで、図７（ｂ）に示すように、ダイシングテープＴの側からシリコン基板１０を吸着ステージＤにて吸引することで、シリコン基板１０を平坦化し変形を矯正する。

続いてシリコン基板１０の各ロジック素子部１０ａの割断を精度よく行うために、基板表面１１において割断予定線Ｃに亀裂の伝播を誘導する表面加工痕１１ａを形成する。すなわち、割断予定線Ｃに沿って表面加工痕１１ａを形成することで、後の工程で外力による割断の際に応力集中が起こり、割れが表面加工痕１１ａへ誘導される。または表面加工痕１１ａが起点となり割れが内部に進行する。従って、ロジック回路等を破壊するような不必要な割れを生じることがない。

表面加工痕１１ａの形成は図８に示すように、割断予定線Ｃに沿って超硬刃、ダイヤモンド刃等の工具４０を用いたスクライバーにてケガキを入れればよい。表面加工痕１１ａは、幅２μｍ以上、深さ１μｍ以上が好ましい。ただし、内部亀裂１２を加工するレーザ光Ｌ１の光路を妨げない大きさにする必要がある。加工深さは、割断時に表面加工痕１１ａと亀裂間において応力集中を起こす深さが適している。その加工深さであれば、図８に示すようにシリコン基板１０の表面層である酸化膜２の厚さより小さくてもよいし、酸化膜２の厚さと同じか若しくはそれ以上の深さとなっても問題はない。

また、表面加工痕１１ａは少なくともロジック素子部１０ａを有する基板表面１１に対しては必須であるが、シリコン基板１０の表面側と裏面側の双方に形成してもよい。

また、工具を用いたケガキ加工にて表面加工痕を形成する場合、本実施例のように後述の内部亀裂形成前に表面加工痕を形成することで、加工負荷による不必要な割れを回避することができる。また、表面加工痕を先に形成することにより、加工痕自体が後工程でのレーザ照射時の加工位置を示す基準（線）とすることができ、レーザ照射の作業効率を向上することができる。

なお、表面加工痕１１ａは、レーザ光Ｌ１による内部亀裂形成工程の後に形成してもよく、この場合は内部亀裂形成時にレーザ光のケラレの影響（表面加工痕ができた表面の凹部斜面が照射されたレーザ光を反射することで、基板内部へ到達するレーザ光量が減少する現象）が無いため、より効率良く内部亀裂形成を行うことができる。

レーザ光の選定は、シリコン基板の分光透過率より決定される。そのため、集光点にて強電界が形成可能でシリコン透過性がある波長域の光であれば、どれでもかまわない。

集光光学系の顕微鏡対物レンズ５２ａは、シリコンの屈折率を考慮し、基板表面の顕微鏡観察にも適用可能な、シリコン内部加工に最適な集光レンズを用いる。

内部加工を行う際の光学条件は、基板表面１１に表面加工痕１１ａが存在してもかまわないように設定される。すなわち、表面加工痕１１ａによる加工用レーザ光Ｌのエネルギー損失を考慮してパワーを上げるか、表面加工痕１１ａを避けて入射するように光束を選定する等の方策をとる。このようにして、基板表面１１から入射した光束はシリコン基板１０内を屈折して、内部の所定の深度（ａ）の集光点Ａ（図３）に集光して内部亀裂１２を生じる。

実験によれば、図３に示す最上端の内部亀裂１２ｃの亀裂先端は基板表面１１より１０μｍ以上離れるように、集光位置や酸化膜２の膜構成、使用するレーザ波長等に応じて加工条件を設定することが望ましい。加工中に不用意に内部亀裂１２ｃと基板表面１１との連結が生じたり、レーザ照射条件によっては基板表面１１が損傷してしまうことがあり、これを防ぐためである。

集光点Ａの深さ（ａ）はシリコン基板１０であるワークＷあるいは少なくともレーザ光集光光学系（レーザ光による内部加工領域形成のための加工用光学系）のいずれかを光軸方向に移動させ、集光位置をずらすことで制御できる。しかしながら、本実施例では、基板表面のレーザ光の被照射面を観察する必要性から、レーザ光集光光学系にあるアフォーカル光学系５２ｅのレンズユニット２０３を光軸方向に沿って移動させる構成としている。

シリコン基板１０の波長１０６４ｎｍに対する屈折率をｎとし、機械的な移動量（シリコン基板１０あるいはレーザ光集光光学系のいずれかを光軸方向に移動させたときの移動量）をｄとした時、集光点Ａの光学的な移動量はｎｄである。シリコン基板１０の屈折率ｎは波長１．１〜１．５μｍで３．５近傍であり、実際に実験で測定したした屈折率の値とも比較すると、ｎは３．５に近いものであった。つまり、機械的な移動量が１００μｍであると、レーザ光の集光点は表面より３５０μｍの深さの位置に形成される。

また、屈折率が３．５近傍であるということは反射率が大きいことを示している。一般に垂直入射での反射は（（ｎ−１）／（ｎ＋１））^２であるから、シリコン基板では３０％程度となる。残りのエネルギーが内部に到達するが、シリコン基板自体による光吸収も考慮すると、集光点での最終的なエネルギーはさらに小さくなる。厚さ６２５μｍのシリコン基板にて実測したところ、２０％程度の透過率であった。

集光点Ａにレーザ光Ｌ１が集光すると、部分的にシリコン基板の材質が変化する内部加工領域が形成される。本実施例では、集光部分のシリコン基板の結晶状態が変化し、その結果、内部亀裂１２が走ることになる。実験結果では集光点Ａに加わる応力による相違はあるものの、レーザ光Ｌ１の入射側の基板表面に近づく方向及び遠ざかる方向（基板表面に対する深さ方向）に走ることを確認し、その亀裂長さ（ｂ）は２〜１００μｍ程度であった。

このようにシリコン基板１０の内部の一点から内部亀裂１２を形成し、集光点Ａを割断予定線Ｃに沿いつつ基板表面に沿って相対移動させることで、割断予定線Ｃの直下の内部加工を行う。

以上、説明したように、内部加工領域を形成するレーザ光Ｌ１を基板内部の任意の位置に集光するためのレーザ光集光位置調整機構を備えた光学系としては、レーザ光集光位置調整機構としてのレンズユニット２０３、２０４を備えたアフォーカル光学系５２ｅと対物レンズ５２ａとを有するものであり、更に本実施例のような構成においては、補正レンズ２０５とミラー（ダイクロックミラー）２０７とを有している。また、これに、光源５１、ビーム拡大系５１ａ、ミラー５１ｂ、５２ｂを加えてもよいが、レーザ光集光位置調整に直接関与するものではない。

また、基板表面を観察するための光学系としては、対物レンズ５２ａ、結像レンズ２１６、カメラ２１５を結ぶ光学系全体をワークＷである基板１０に対して接近方向と離間方向とのいずれにも変位可能とする自動焦点機構５２ｃに加え、観察用照射系と、対物レンズ５２ａと結像レンズ２１６とカメラ２１５とを有するものである。なお、観察照射系としては、本実施例では、光源２１８、照明レンズ２１９、ハーフミラー２１７を有している。

シリコン基板１０であるワークＷは、ＸＹ方向に移動可能な自動ステージ５３に載置されることで、ＸＹ方向の位置の調整を行うことができる。一方、ワークＷの光軸方向（深さ方向、Ｚ方向）の位置調整は、ワークＷを搭載してＺ方向に自動ステージ５３を変位可能とする構成としてもよいが、本実施例では、Ｚ方向に移動可能なＺステージとしての自動焦点機構５２ｃを設けることにより、対物レンズ５２ａとワークＷとの間の間隔を可変としている。ここで、自動焦点機構５２ｃの変位により、アフォーカル光学系５２ｅと対物レンズ５２ａとを結ぶ光学系と、対物レンズ５２ａと観察像を視認するためのカメラ２１５とを結ぶ光学系と、を同時に変位する構成となっている。

次に、具体的なレーザ光Ｌによる基板内部の内部加工領域形成のための内部加工について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１０の割断予定線Ｃには、オリエンテーションフラット１０ｂを基準にして互いに直交する２方向の割断予定線Ｃ_１、Ｃ_２があり、加工を開始するに当り以下の点に留意する。

図９に示すように、ワークＷであるシリコン基板１０の端点よりレーザ加工をはじめるが、端点付近は中央部より加工し難い状態であるため、端点近傍を加工するときはレーザエネルギーをワークＷの中央部より上げる等の加工条件の変更が必要である。このとき、本実施例の構成によると、加工用レーザ光Ｌ１が集中して照射されている被照射面の観察視野の中央領域を除く視野内の周辺にスポット状の４箇所（上述したように少なくとも１箇所でも可能である。）の自動焦点測定位置を設定するので、端点近傍の表面を焦点の合った良好な画面を介して観察しつつ、レーザ光Ｌ１の基板内部の任意の位置への集光を行うことができる。

また、図１０に示すように、長方形の形状の異形チップを加工する場合は、より確実に異形チップを分離するために、まずその長辺側の割断予定線Ｃ_１ を第一割断方向として内部亀裂１２を形成し、その次に第二割断方向として短辺側の割断予定線Ｃ_２沿った内部亀裂１２を形成する。このとき、本実施例の構成によると、割断予定線Ｃ_１、Ｃ_２の線上に加工用レーザ光Ｌ１が光束の径を狭めながら照射されて被照射位置が平滑な面ではなくなっている場合でも、加工用レーザ光Ｌ１の光束の周囲にスポット状の自動焦点調整の測定用のレーザ光Ｌ２を照射するので、適切なる自動焦点調整を行うことができる。更に、本実施例の構成によると、加工用レーザ光Ｌ１の基板内部の任意の位置への集光と、基板表面の観察の焦点調整と、を同時に達成しながら、所望の加工を行うことが可能である。つまり、ｍｍ単位以下の視野内の加工を、目視で確認しながらも基板内部の任意の深さに設定した内部加工領域にレーザ光Ｌ１を集光することができる。

上述のように、１つの集光点で形成される亀裂長さは２〜１００μｍであり、対象となるシリコン基板の厚みは６２５μｍであるので、このシリコン基板を割断するためには複数回の内部加工を行うことが必要となる。また、１つのポイントでの内部加工の順番は基板表面から遠い側（奥側）よりはじめて、表面に近づけてゆく。また、内部亀裂を形成する内部加工時には、基板表面の近傍で形成される内部亀裂が表面加工痕１１ａを有する基板表面へ到達するような加工は行わないものとする。また、集光点近くの既存の内部亀裂が、レーザ照射による熱などの影響で成長し、基板表面へ到達するような加工条件は選択しないものとする。

しかし、基板内部においてはその限りではなく、図３に示すように内部亀裂１２ａ〜１２ｃが深度方向に分断されていてもよいし、あるいは連結していてもよい。また、基板表面１１に最も近い内部亀裂１２ｃは、シリコン基板の基板表面１１から１０〜１００μｍの深度で、しかも表面加工痕１１ａと連通しない位置に設けられる。

次に、各亀裂群の加工順序を説明する。

第１の方法は図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、複数あるいは全ての割断予定線Ｃに対して、表面よりある高さの亀裂群、例えば実質的に同じ深度の内部亀裂１２ａの亀裂群の形成を終了した後、深度の異なる内部亀裂１２ｂの亀裂群を形成する。各深さごとの亀裂群の形成がシリコン基板１０の内部で段階的に行われるため、隣接する割断予定線Ｃによる影響を低減できる。

第２の方法は、図１１（ｃ）に示すように、１つの割断予定線Ｃの直下の基板内部において、深さの異なる内部亀裂１２ａ、１２ｂ、１２ｃの亀裂群をそれぞれ形成した後、他の割断予定線Ｃの同様の亀裂群を形成する。この方法は、シリコン基板１０の平面性に対する焦点位置の補正が必要な場合、加工開始点における基板表面への自動焦点動作回数を減らすことができる。

また第１の方法は、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、集光点を割断予定線に沿って片方向に移動させる場合と、図１１（ｃ）に示すように集光点を割断予定線に沿って往復移動させる場合がある。後者は、総動作距離が短くなるため、加工時間を短縮することができる。

本実施例では後者の方を選択しているが、対象物の状態（シリコン基板の平行度、うねり）などから総合的に判断して決定するものである。

いずれにしても、このようなレーザ加工を行う場合においては、本実施例の構成によることで、必ずしも平面ではない基板表面に対しても、いずれのＸＹ面内位置でもレーザ光被照射面に焦点を自動的に合せた被照射面の観察を行うことができるので、割断予定線に沿ったＸＹ面内でのレーザ光照射位置移動を行うことができる。同時に、被照射面に観察用の焦点を合せながらも、基板内部の任意の深さでのレーザ光Ｌの集光を行うことができるので、図１１（ａ）〜（ｄ）に示したようなμｍオーダーの細かな加工を正確に行うことができる。

なお、図１０に示したように、２つ割断方向を有する割断予定線Ｃ_１、Ｃ_２ではそれらが交差する点（交差点Ｃ_１２）が存在する。交差点Ｃ_１２付近では第一割断方向に沿って形成された内部加工帯に第二割断方向での同じ深度の内部加工のためのレーザ光束がさえぎられてしまう。これは、第二割断方向の内部加工帯全体に発生するものではなく、局部的な現象であるが、エネルギー損失を考慮して、加工条件を交差点Ｃ_１２の近傍で変更するか、第二割断方向に移行するときに加工条件を変更し、第二割断方向全体にわたって第一割断方向とは異なる加工条件で加工するのが望ましい。このような加工に対しても、本実施例の構成によることで、交差点Ｃ_１２の位置を正確に視認しつつ、任意の深さの内部加工領域の形成を正確に行うことができる。

ここで、各割断予定線Ｃごとに表面加工痕１１ａおよび複数の内部亀裂１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成したシリコン基板１０は、少なくとも表面加工痕１１ａと表面直下の内部亀裂１２ｃとは連結しておらず、従って、レーザ加工後のシリコン基板１０の個々のロジック素子部１０ａは割断されていない。そこで、以下のような方法によって、この状態のシリコン基板１０を素子チップに割断する。

表面加工痕１１ａと内部亀裂１２の形成後のシリコン基板１０を、ダイシングテープＴにマウントしたまま、シリコン基板１０の裏面が上となるように、割断装置のシリコーンゴムあるいはフッ素ゴムなどの弾力性のあるゴムシート上に置き、ステンレスのローラー等でダイシングテープＴを介してシリコン基板１０を圧迫することで、シリコン基板１０の素子チップへの割断がなされる。

この結果、表面加工痕１１ａを起点として亀裂が発生し、亀裂は基板内部のレーザ照射による内部亀裂１２ａ、１２ｂ、１２ｃを連結することで基板裏面へ進行して、基板裏面に至り、割断予定線Ｃ_１に沿ってシリコン基板１０が割断される。この亀裂の進行はシリコン基板１０の結晶方位に沿って起こるが、割断は表面加工痕１１ａとの連結により行われるため、基板表面１１上の割断予定線Ｃ_１から大きくずれることはない。

本発明に係る実施形態としての加工装置であり、（ａ）は加工装置の模式図、（ｂ）は集光光学系、自動焦点光学系および観察光学系の詳細を示す模式図、（ｃ）は自動焦点光学系を更に詳細に示す模式図であり、（ｄ）は、被照射面におけるレーザ光Ｌ２のスポットを示す模式図である。 非点収差法を説明する模式図であり、（ａ）はＸＹ面での組合せレンズによる結像の様子を示す模式図、（ｂ）はＸＺ面での組合せレンズによる結像の様子を示す模式図である。 実施例の基板内部の亀裂を示す模式図である。 基板としての一例であるシリコン基板を説明する模式図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）の一部分を拡大して示す部分拡大斜視図、（ｃ）は（ｂ）の断面を示す部分断面図である。 実施例による割断プロセスを示すフローチャートである。 テープマウント工程を説明する図である。 ウエハ補正工程を説明する図である。 表面加工痕を形成する表面線状加工を説明する図である。 基板の端部における内部亀裂形成を説明する図である。 異形の素子チップを切り出す場合を説明する図である。 深度の異なる亀裂群を形成するときのレーザ光の走査方法を説明する図である。

符号の説明

１ シリコンウエハ
２ 酸化膜
２ａ 溝
３ ノズル層
４ 液体供給口
１０ シリコン基板
１０ａ ロジック素子部
１１ 基板表面
１１ａ 表面加工痕
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 内部亀裂

Claims (13)

1. 光源からの光束を被照射面に照射する光学系であって、前記被照射面に照射する際に前記光学系の光軸の周囲に複数の光束が位置するように当該複数の光束の光路を配する第１の光学系と、
   前記被照射面から反射した前記光束を、当該光束を受光する受光手段へ案内する第２の光学系と、
   前記受光手段に受光された、前記被照射面から反射した前記複数の光束それぞれに基づいて、それぞれの光束の前記被照射面への集光状態に関する情報を出力する出力手段と、
   を有することを特徴とする自動焦点装置。
2. 被加工物に加工用レーザ光を照射して当該被加工物を加工するレーザ加工装置において、
   焦点調整用レーザ光を前記被照射面に照射するための光学系であって、前記被照射面に照射する際に当該光学系の光軸の周囲に前記焦点調整用レーザ光としての複数の光束が位置するように当該複数の光束の光路を配する第１の光学系と、
   前記被照射面から反射した前記複数の光束を、当該光束を受光する受光手段へ案内する第２の光学系と、
   前記加工用レーザ光を前記被加工物の被照射面に照射するための第３の光学系と、
   前記被照射面を観察するための第４の光学系と、
   前記第１の光学系と前記第２の光学系と前記第３の光学系と前記第４の光学系とに共有され、前記被照射面と対向する対物レンズと、
   前記受光手段に受光された、前記被照射面から反射した前記複数の光束それぞれに基づいて、それぞれの光束の前記被照射面への集光状態に関する情報を出力する出力手段と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 前記被照射面には、前記第１の光学系の光軸の中心位置に、前記第３の光学系による加工用レーザ光が照射されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記出力手段から出力された前記情報に基づいて、前記第３の光学系に係る前記被照射面への焦点を調整することを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第３の光学系は、光路の途中に設けられたアフォーカル光学系から射出される光線の角度を変えることで、前記加工用レーザ光の前記被照射面への焦点を調整することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記アフォーカル光学系は、前記第３の光学系の光路の光軸方向に、当該アフォーカル光学系を構成するレンズを変位させることで前記射出される光線の角度を変えることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記出力手段から出力された前記情報に基づいて、前記第４の光学系に係る前記基板表面への焦点を調整することを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載のレーザ加工装置。
8. 基板を割断する際に、基板表面から基板内部の所定の深度の集光点に加工用レーザ光を集光させて内部加工領域を形成するレーザ加工装置において、
   焦点調整用レーザ光を前記基板表面に照射するための光学系であって、前記基板表面に照射する際に当該光学系の光軸の周囲に前記焦点調整用レーザ光としての複数の光束が位置するように当該複数の光束の光路を配する第１の光学系と、
   前記基板表面から反射した前記複数の光束を、当該光束を受光する受光手段へ案内する第２の光学系と、
   前記内部加工領域を形成する前記加工用レーザ光を前記基板内部に集光するためのレーザ光集光位置調整機構を備えた第３の光学系と、
   前記基板表面を観察するための第４の光学系と、
   前記第１の光学系と前記第２の光学系と前記第３の光学系と前記第４の光学系とに共有され、前記被照射面と対向する対物レンズと、
   前記受光手段に受光された、前記基板表面から反射した前記複数の光束それぞれに基づいて、それぞれの光束の前記基板表面への集光状態に関する情報を出力する出力手段と、
   を有することを特徴とするレーザ割断装置。
9. 前記基板表面には、前記第１の光学系の光軸の中心位置に、前記第３の光学系による加工用レーザ光が照射されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ割断装置。
10. 前記レーザ光集光位置調整機構は、前記出力手段から出力された前記情報に基づいて、前記第３の光学系に係る前記基板内部の集光位置を調整することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザ割断装置。
11. 前記レーザ光集光位置調整機構は、前記第３の光学系の光路の途中に設けられたアフォーカル光学系から射出される光線の角度を変えることで、前記レーザ光集光位置を変位させることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ割断装置。
12. 前記アフォーカル光学系は、前記第３の光学系の光路の光軸方向に、当該アフォーカル光学系を構成するレンズを変位させることで前記射出される光線の角度を変えることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ割断装置。
13. 前記出力手段から出力された前記情報に基づいて、前記第４の光学系に係る前記基板表面への焦点を調整する自動焦点機構を有することを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載のレーザ割断装置。
    

Images