JP2009142832A - レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエーハの裏面に所定のストリートに沿ってレーザー光線を照射し、ウエーハの表面に損傷を与えることなくウエーハの裏面側にストリートに沿ってレーザー加工溝を形成することができるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】ウエーハを保持するチャックテーブルと、チャックテーブルに保持されたウエーハにレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段とを具備するレーザー加工装置であって、レーザー光線照射手段はレーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズを備えた集光器とを具備し、集光レンズはレーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光点において急峻な分布で集光し、集光点を通過したレーザー光線を空間強度分布が一様な分布で発散させるように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光デバイスウエーハ等のウエーハに所定のストリートに沿ってレーザー加工溝を形成するレーザー加工装置に関する。

サファイヤ基板等の表面に格子状に形成されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域に窒化ガリウム系化合物半導体層（EPI層）が積層された光デバイスが形成された光デバイスウエーハは、ストリートに沿って個々の発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。

このような光デバイスウエーハ等のウエーハのストリートに沿った切断は、通常、切削ブレードを高速回転して切削する切削装置によって行われている。しかしながら、サファイヤ等の基板はモース硬度が高く難削材であるため、加工速度を遅くする必要があり、生産性が悪いという問題がある。

一方、ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、被加工物に形成されたストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射することによりレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿ってメカニカルブレーキング装置によって割断する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開平１０−３０５４２０号公報

また、サファイヤ基板に該基板に対して吸収性を有する波長のパルスレーザー光線を照射してレーザー加工溝を形成する方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
特開２００４−９１３９号公報

サファイヤ基板等の表面に複数の光デバイスが形成された光デバイスウエーハにレーザー加工溝を形成する場合には、基板の表面に形成された光デバイスにレーザー加工時に発生するデブリが付着することによる損傷を防止するために、ウエーハの裏面側からレーザー光線を照射している。しかるに、レーザー光線は直進性があるため、ウエーハを構成する基板に対して吸収性を有する波長のレーザー光線を照射しても、レーザー光線の全てのエネルギーが基板に吸収されることはなく、吸収されなかったレーザー光線は入射側と反対側の面に放出される。従って、基板に吸収されなかったレーザー光線が基板の表面に至ると、基板の表面に形成されたデバイス層を損傷させ、光デバイスの品質を低下させるという問題がある。このような問題は、レーザー光線を集光する集光レンズがガウシアン分布によるエネルギー分布を形成するからである。即ち、図９に示すように球面レンズからなる一般の集光レンズＬは、集光点Pにおいてレーザー光線LBのエネルギーが最も高いガウシアン分布を形成する。また、集光レンズＬは、集光点Pを通過したレーザー光線LBのエネルギー分布もガウシアン分布を形成する。そして、集光点Pにおけるピークエネルギーを１とすると、集光点Pを例えば１００μm通過した位置Sにおけるピークエネルギーは０．０５程度である。従って、ウエーハ基板Wの厚みが１００μmの場合、集光点Pにおけるピークエネルギーの５％が基板の表面に形成されたデバイス層に至るため、デバイス層を損傷させることになる。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、ウエーハの裏面に所定のストリートに沿ってレーザー光線を照射し、ウエーハの表面に損傷を与えることなくウエーハの裏面側にストリートに沿ってレーザー加工溝を形成することができるレーザー加工装置を提供することである。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持されたウエーハにレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズを備えた集光器とを具備し、
該集光レンズは、該レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光点において急峻な分布で集光し、集光点を通過したレーザー光線を空間強度分布が一様な分布で発散させるように構成されている、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

本発明によれば、レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズは、集光点において急峻な分布で集光し、集光点を通過したレーザー光線を空間強度分布が一様な分布で発散させるように構成されているので、集光レンズによって集光されるレーザー光線の集光点をウエーハの裏面（入射側の面）付近に位置付けてストリートに沿って照射することにより、ウエーハの裏面側はレーザー光線のピークエネルギーによって加工される。一方、集光点を通過したレーザー光線のエネルギー分布は上述したように一様な分布で発散せしめられるので、ウエーハの表面（入射側と反対の面）付近におけるエネルギーが極めて低くなる。従って、ウエーハの表面に損傷を与えることなくウエーハの裏面側にストリートに沿ってレーザー加工溝を形成することができる。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示す加工送り方向に移動可能に配設されウエーハ等の被加工物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に上記矢印Ｘで示す方向と直角な矢印Ｙで示す割り出し方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構４と、該レーザー光線ユニット支持機構４に矢印Ｚで示す焦点位置調整方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット５とを具備している。

上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上に矢印Ｘで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上に矢印Ｘで示す方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上に矢印Ｙで示す方向に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持された支持テーブル３５と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成され被加工物保持面３６１を備えており、チャックテーブル３６上に板状の被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。また、チャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。

上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面に矢印Ｙで示す方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す方向に移動させるための加工送り手段３７を具備している。加工送り手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロッド３７１と、該雄ネジロッド３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロッド３７１を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿って矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられる。

上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、矢印Ｙで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す方向に移動させるための第１の割り出し送り手段３８を具備している。第１の割り出し送り手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロッド３８１と、該雄ネジロッド３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロッド３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。

上記レーザー光線照射ユニット支持機構４は、静止基台２上に矢印Ｙで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上に矢印Ｙで示す方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一側面に矢印Ｚで示す方向に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す方向に移動させるための第２の割り出し送り手段４３を具備している。第２の割り出し送り手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロッド４３１と、該雄ねじロッド４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロッド４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられたレーザー光線照射手段５２を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部４２２に設けられた一対の案内レール４２３、４２３に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝５１１、５１１が設けられており、この被案内溝５１１、５１１を上記案内レール４２３、４２３に嵌合することにより、矢印Ｚで示す方向に移動可能に支持される。

上記レーザー光線照射手段５２について、図１および図２を参照して説明する。
図示のレーザー光線照射手段５２は、上記ユニットホルダ５１に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング５２１と、該ケーシング５２１内に配設されたパルスレーザー光線発振手段５２２および出力調整手段５２３と、ケーシング５２１の先端に装着されパルスレーザー光線発振手段５２２から発振されたレーザー光線を集光する集光器５２４を具備している。

上記パルスレーザー光線発振手段５２２は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器５２２aと、これに付設された繰り返し周波数設定手段５２２bとから構成されている。上記出力調整手段５２３は、パルスレーザー光線発振手段５２２から発振されたパルスレーザー光線LBの出力を所定の出力に調整する。これらパルスレーザー光線発振手段５２２および出力調整手段５２３は、図示しない制御手段によって制御される。

上記集光器５２４は、図２に示すようにハウジング５２４aと、該ハウジング５２４a内に配設されパルスレーザー光線発振手段５２２から発振されたレーザー光線LBを下方に向けて方向変換する方向変換ミラー５２４bと、該方向変換ミラー５２４bによって方向変換されたレーザー光線を集光する集光レンズ５２４cを具備している。この集光レンズ５２４cは、レーザー光線発振手段５２２から発振されたレーザー光線LBを集光点において急峻な分布で集光し、集光点を通過したレーザー光線を空間強度分布が一様な分布で発散させるように構成されている。このよう構成された集光レンズ５２４cによって集光されるレーザー光線LBのエネルギー分布について、図３を参照して説明する。図３に示すように集光レンズ５２４cによって集光されウエーハWに照射されるレーザー光線LBのエネルギー分布は、集光点Pにおいて急峻なガウシアン分布を形成する。そして、集光レンズ５２４cによって集光され集光点Pを通過したレーザー光線LBのエネルギー分布は、空間強度分布が一様な分布で発散せしめられる。このようなエネルギー分布においては、集光点Pにおけるピークエネルギーを１とすると、集光点Pを例えば１００μm通過した位置Sにおけるピークエネルギーは０．０２（２％）程度である。従って、集光点Pを例えば１００μm通過した位置におけるピークエネルギーは、上記図９に示す従来一般に用いられている集光レンズLの集光点Pを１００μm通過した位置Sにおけるピークエネルギーと比較して２／５に低下する。このような集光レンズ５２４cは、非球面レンズ、回析光学素子またはマスク光学系によって構成することができる。

図１に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の前端部には、上記レーザー光線照射手段５２によってレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段６が配設されている。この撮像手段６は、図示の実施形態においては可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を図示しない制御手段に送る。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向に移動させるための移動手段５４を具備している。移動手段５４は、一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロッド（図示せず）と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ５４２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５４２によって図示しない雄ネジロッドを正転または逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１およびレーザー光線照射手段５２を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向に移動せしめる。なお、図示の実施形態においては、パルスモータ５４２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を上方に移動し、パルスモータ５４２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を下方に移動するようになっている。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
ここで、上記レーザー加工装置によって加工される被加工物であるウエーハとしての光デバイスウエーハについて、図４および図５を参照して説明する。図４には、光デバイスウエーハの斜視図が示されており、図５には図４に示す光デバイスウエーハの要部拡大断面図が示されている。
図４および図５に示す光デバイスウエーハ１０は、厚みが例えば１００μmのサファイヤ基板１１の表面に窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)等の窒化ガリウム系化合物半導体層（EPI層）が積層されたデバイス層１２によって複数の光デバイス１３がマトリックス状に形成されている。そして、各光デバイス１３は、格子状に形成されたストリート１４によって区画されている。
このように構成された光デバイスウエーハ１０の裏面１０bにレーザー加工を施すには、図６に示すように光デバイスウエーハ１０の表面１０aに保護テープ２０を貼着する（保護テープ貼着工程）。

上述した保護テープ貼着工程を実施したならば、光デバイスウエーハ１０の裏面１０bにストリート１４に沿ってレーザー加工溝を形成するレーザー光線照射工程を実施する。このレーザー光線照射工程は、先ず上述した図１に示すレーザー加工装置のチャックテーブル３６上に光デバイスウエーハ１０の保護テープ２０側を載置し、該チャックテーブル３６上に光デバイスウエーハ１０を吸着保持する。従って、光デバイスウエーハ１０は、裏面１０bを上側にして保持される。

上述したように光デバイスウエーハ１０を吸引保持したチャックテーブル３６は、加工送り手段３７によって撮像手段６の直下に位置付けられる。チャックテーブル３６が撮像手段６の直下に位置付けられると、撮像手段６および図示しない制御手段によって光デバイスウエーハ１０のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段６および図示しない制御手段は、光デバイスウエーハ１０の所定方向に形成されているストリート１４と、ストリート１４に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２の集光器５２４との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する。また、光デバイスウエーハ１０に形成されている上記所定方向に対して直角に延びるストリート１４に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。このとき、光デバイスウエーハ１０のストリート１４が形成されている表面１０ａは下側に位置しているが、撮像手段６が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成された撮像手段を備えているので、裏面１０ｂから透かしてストリート１４を撮像することができる。

以上のようにしてチャックテーブル３６上に保持された光デバイスウエーハ１０に形成されているストリート１４を検出し、レーザー光線照射位置のアライメントが行われたならば、図７(a)で示すようにチャックテーブル３６をレーザー光線照射手段５２の集光器５２４が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定のストリート１４を集光器５２４の直下に位置付ける。このとき、図７の（ａ）で示すように光デバイスウエーハ１０は、ストリート１４の一端(図７の(a)において左端)が集光器５２４の直下に位置するように位置付けられる。次に、集光器５２４からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３６を図７の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図７の（ｂ）で示すようにストリート１４の他端（図７(b)において右端）が集光器５２４の直下位置に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル３６の移動を停止する。このとき、集光器５２４から照射されるパルスレーザー光線の集光点Pを図７の(a)および図８の(a)に示すように光デバイスウエーハ１０の裏面１０b（入射側の面）付近に位置付ける。この結果、光デバイスウエーハの裏面１０b（入射側の面）側の集光点P付近においては図８の(a)に示すようにレーザー光線LBのエネルギーがガウシアン分布のピークエネルギーによって加工される。一方、集光点Pを通過したレーザー光線LBのエネルギー分布は上述したように一様な分布で発散せしめられ、厚みが１００μmの光デバイスウエーハ１０の表面１０b（入射側と反対の面）付近Sにおいてはピークエネルギーが上記ピークエネルギーの２％程度となる。従って、光デバイスウエーハ１０の裏面１０b側には図８の(b)に示すように所定のストリート１４に沿ってレーザー加工溝１５が形成されるが、サファイヤ基板１１の表面に形成されたデバイス層１２がレーザー光線のエネルギーによって損傷されることはない。

上記レーザー光線照射工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
レーザー光線の光源 ：ＹＶＯ４レーザーまたはＹＡＧレーザー
波長 ：３５５ｎｍ
出力 ：１Ｗ
繰り返し周波数 ：１００ｋＨｚ
集光スポット径 ：φ１０μm
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒

上述したレーザー光線照射工程を光デバイスウエーハ１０に所定方向に形成された全てのストリート１４に沿って実施したならば、チャックテーブル３６を９０度回動する。そして、光デバイスウエーハ１０に上記所定方向と直交する方向に形成された全てのストリート１４に沿って上述したレーザー光線照射工程を実施する。

以上のようにして光デバイスウエーハ１０に形成された全てのストリート１４に沿って上述したレーザー光線照射工程を実施したならば、光デバイスウエーハ１０は次工程である分割工程に搬送される。そして、分割工程においては、光デバイスウエーハ１０のストリート１４に沿って形成されたレーザー加工溝１５が容易に分割できる深さに形成されているので、メカニカルブレーキングによって容易に分割することができる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図１に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の構成を簡略に示すブロック図。 図２に示すレーザー光線照射手段の集光器を構成する集光レンズによって集光されるレーザー光線のエネルギー分布を示す説明図。 ウエーハとしての光デバイスウエーハの斜視図。 図４に示す光デバイスウエーハの要部拡大断面図。 図４に示す光デバイスウエーハの表面に保護テープを貼着した状態を示す斜視図。 図１に示すレーザー加工装置を用いて実施するレーザー光線照射工程の説明図。 図７に示すレーザー光線照射工程によってレーザー加工される光デバイスウエーハの要部拡大断面図。 従来用いられているレーザー光線照射手段の集光器を構成する集光レンズによって集光されるレーザー光線のエネルギー分布を示す説明図。

符号の説明

２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３８：第１の割り出し送り手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
５１：ユニットホルダ
５２：レーザー光線照射手段
５２２：パルスレーザー光線発振手段
５２３：出力調整手段
５２４：集光器
５２４c：集光レンズ
６：撮像手段
１０：光デバイスウエーハ
１１：サファイヤ基板
１２：デバイス層
１３：光デバイス
１４：ストリート
１５：レーザー加工溝
２０：保護テープ

Claims (1)

1. ウエーハを保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持されたウエーハにレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、を具備するレーザー加工装置において、
   該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光する集光レンズを備えた集光器とを具備し、
   該集光レンズは、該レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を集光点において急峻な分布で集光し、集光点を通過したレーザー光線を空間強度分布が一様な分布で発散させるように構成されている、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。

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