JP2011240644A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア基板を分断する際に、分断面に傷が生じるのを抑え、かつ容易に分断できるようにする。
【解決手段】このレーザ加工方法は、レーザ光を照射して脆性材料基板を分断する加工方法であって、スクライブライン形成工程と、分断工程と、を備えている。スクライブライン形成工程はスクライブ予定ラインに沿って脆性材料基板の第１主面にスクライブラインを形成する。分断工程は、スクライブラインに対して、第１主面とは逆側の第２主面からパルスレーザ光を照射し、脆性材料基板をスクライブラインに沿って分断する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ加工方法、特に、レーザ光を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法に関する。

発光ダイオード等の発光素子は、サファイア基板上に窒化物半導体を積層することによって形成されている。このようなサファイア基板等から構成される半導体ウェハには、複数の発光ダイオード等の発光素子が、スクライブ予定ラインにより区画されて形成されている。そして、このような半導体ウェハをスクライブ予定ラインに沿って分断する方法の１つとして、レーザ加工が用いられている。

特許文献１に、サファイア基板等の脆性材料基板を分断するレーザ加工方法が示されている。この特許文献１に示された方法は、サファイア基板のスクライブ予定ラインに沿ってレーザ光を照射して加熱溶融を進行させ、これによりスクライブ溝が形成される。その後、サファイア基板を折り曲げることによりスクライブ溝に沿って分断され、複数の素子が得られる。

特許文献２には、別のレーザ加工方法が示されている。この特許文献２に示された方法は、基板の内部にレーザ光の集光点を合わせ、集光点をスクライブ予定ラインに沿って走査し、基板の内部に多光子吸収による改質領域を形成して分断するものである。

特許文献３には、さらに別のレーザ加工方法が示されている。ここでは、半導体ウェハに対して、透過性を有するレーザ光がウェハ表面からスクライブ予定ラインに沿って照射され、これにより、ウェハ内部に、ウェハ裏面に露出する変質層が形成される。その後、変質層が露出したウェハに対して、その変質層が露出した側からレーザ光が照射される。これにより、スクライブ予定ラインに沿って熱応力が生じ、ウェハはスクライブ予定ラインに沿って分断される。

特開昭５８−４４７３８号公報 特開２００２−１９２３７１号公報 特開２００５−１２３３２９号公報

特許文献１に示されたレーザ加工方法では、レーザ光を基板に照射することによって、基板表面にスクライブ溝が形成される。このため、スクライブ溝が形成された後は抗折強度が低くなり、後工程で分断するための力が小さくて良いという利点がある。しかし、分断面に傷が生じやすく、端面強度が低くなるという問題がある。このような問題は特許文献３においても同様である。

また、特許文献２に示されたレーザ加工方法では、基板内部に改質領域が形成されるが、基板表面にスクライブ溝が形成されない。このため、後の分断工程において大きな力が必要になる。

本発明の課題は、サファイア基板等の脆性材料基板を分断する際に、分断面に傷が生じるのを抑え、かつ容易に分断できるようにすることにある。

第１発明に係るレーザ加工方法は、レーザ光を照射して脆性材料基板を分断する加工方法であって、スクライブライン形成工程と、分断工程と、を備えている。スクライブライン形成工程はスクライブ予定ラインに沿って脆性材料基板の第１主面にスクライブラインを形成する。分断工程は、スクライブラインに対して、第１主面とは逆側の第２主面からパルスレーザ光を照射し、脆性材料基板をスクライブラインに沿って分断する。

この方法では、脆性材料基板の第１主面にスクライブラインが形成される。次に、脆性材料基板の逆側の第２主面からパルスレーザ光が照射される。このパルスレーザ光の照射により、パルス周期ごとにスクライブラインが加熱及び冷却される。その結果、パルスピーク付近において、スクライブラインが形成された部分に瞬間的な熱応力が生じ、脆性材料基板はスクライブラインに沿って分断される。

ここでは、パルスレーザ光の照射によってスクライブラインに熱応力を生じさせ、これにより脆性材料基板が分断される。このため、分断面に傷が生じにくく、端面強度が低くなるのを抑えることができる。

第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明のレーザ加工方法において、スクライブライン形成工程は、脆性材料基板に、第２主面から脆性材料基板の厚みに対して３９％以上５８％以下の範囲に亀裂先端が存在するスクライブ溝を形成する。

ここでは、スクライブライン形成工程において、亀裂の先端が、パルスレーザ光が照射される面から脆性材料基板の厚みに対して３９％以上５８％以下の範囲に存在するように形成される。このため、分断工程において、容易に、かつ傷を抑えつつ分断することができる。なお、亀裂の先端とレーザ光照射面との距離が前述の範囲外の場合は、スクライブラインとは異なる部分から分断される場合が多い。

第３発明に係るレーザ加工方法は、第１又は第２発明において、スクライブライン形成工程は、改質層形成工程と、レーザ光走査工程と、を含む。改質層形成工程は、パルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射し、脆性材料基板の内部に改質層を形成する。レーザ光走査工程はパルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査する。そして、脆性材料基板の厚みｔに対して、厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで改質層から脆性材料基板の第１主面に向かって亀裂を進展させる。

ここでは、脆性材料基板の表面は溶融されない。また、比較的透過率の高いパルスレーザ光が、その集光点が基板内部に位置するように照射され、基板内部に改質層が形成される。このとき、改質層形成と同時に、第１主面まで貫通する亀裂と第２主面に向かって延びる亀裂が形成される。その結果、脆性材料基板の厚みｔに対して、厚みｔの１５％以上５５％以下の長さの亀裂が形成される。このため、スクライブラインの形成に際して溶融物が他の領域に飛散することがない。また、後工程である分断工程において、分断が容易になる。

第４発明に係るレーザ加工方法は、第１から第３発明のいずれかにおいて、脆性材料基板はサファイア基板である。

サファイアは熱伝導率が比較的大きい。このため、分断工程においてパルスレーザ光を照射すると、パルス周期ごとに基板は加熱及び冷却され、パルスピーク付近で瞬間的な熱応力が生じる。この熱応力によってスムーズに分断されることになる。

以上のような本発明では、サファイア基板等の脆性材料基板を分断する際に、分断面に傷が生じるのを抑え、かつ容易に分断することができる。

本発明の一実施形態による加工方法によって分断される半導体ウェハの外観斜視図。 本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成図。 ウェハに形成される改質領域を説明するための模式図。 改質層及び亀裂進展層が形成された基板の断面を模式的に示した図。 レーザ出力及びレーザ光の相対速度をパラメータとして実験した亀裂進展の結果を示す図。 パルスレーザ光を仮定した二次元解析モデルの基板とその物性値を示す図。 二次元解析モデルの熱伝導解析結果を示す図。 二次元解析モデルの熱応力解析結果を示す図。 亀裂先端までの距離と分断の可否及び分断端面の関係を示す図。

図１は、本発明の一実施形態による加工方法が適用される半導体ウェハの一例である。この図１に示す半導体ウェハ１は、サファイア基板２上に窒化物半導体が積層され、複数の発光ダイオード等の発光素子３がスクライブ予定ライン４によって区画されて形成されたものである。

［レーザ加工装置］
図２は、本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置５の概略構成を示したものである。レーザ加工装置５は、レーザ光線発振器や制御部を含むレーザ光線発振ユニット６と、レーザ光を所定の方向に導くための複数のミラーを含む伝送光学系７と、伝送光学系７からのレーザ光をウェハ１の内部において集光させるための集光レンズ８と、を有している。なお、ウェハ１はテーブル９に載置されており、レーザ光とウェハ１が載置されるテーブル９とは、相対的に上下方向に移動が可能であるとともに、水平面内で相対移動が可能となっている。

［レーザ加工方法］
以上のようなレーザ加工装置５を用いたレーザ加工方法は以下の通りである。

まず、スクライブライン形成工程では、レーザ光線発振ユニット６において、レーザ光の出力パワー等の加工条件を多光子吸収が生じる条件に制御し、ウェハ１のサファイア基板の内部に集光点Ｐを合わせる（図３参照）。そして、このパルスレーザ光をウェハ１の第２主面１ｂ側から照射して、サファイア基板内部に改質領域１０を形成する。

その後、パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って相対的に移動させることにより、集光点Ｐをスクライブ予定ラインに沿って走査する。これにより、顕微鏡写真を図式化した図４に示すように、改質領域１０がスクライブ予定ラインに沿って移動し、サファイア基板の内部のみに改質された領域からなる改質層１２が形成される。このとき、ウェハ１の表面（第２主面１ｂ）ではパルスレーザ光はほとんど吸収されないので、ウェハ１の表面が溶融することはない。また、レーザ加工条件を制御することによって、図４に示すように、改質層１２から、ウェハ１の第１主面１ａまで貫通する亀裂と、ウェハ１の第２主面１ｂに向かって延びる亀裂が形成される。すなわち、改質層１２のウェハ表面側に、改質層１２から亀裂が延びた亀裂進展層１３が形成される。この亀裂は、改質層１２の上下に熱応力が作用することによって生じるものである。

次に、分断工程では、改質層１２及び亀裂進展層１３が形成された領域（スクライブライン）に対して、ウェハ１の第２主面１ｂ側からパルスレーザ光を照射し、スクライブラインに沿って走査する。このとき、パルス周期ごとの加熱及び冷却により、改質層１２及び亀裂進展層１３が形成された領域に熱応力が生じる。この熱応力によって、ウェハ１は改質層１２及び亀裂進展層１３の部分で分断される。

［実施例］
＜スクライブラインの形成＞
スクライブライン形成工程における実験条件は以下の通りである。なお、ここでは、半導体ウェハ１としてサファイア基板を分断対象としている。

基板：サファイア 厚みｔ＝３３０μｍ
走査回数：１回
パルスレーザ繰り返し周波数：５ＭＨｚ
集光位置：基板内部１７０μｍ
以上のような条件のもとに、レーザ出力及び走査速度を種々変化させた場合の亀裂進展の有無及びその長さを図５に示している。図５において、「○」は亀裂進展が観察されたことを示している。また、「○」の欄に並べて記載している数値が亀裂進展の長さである。この結果から、以上の実験では、基板厚みｔに対して、この厚みｔの１５％以上５５％以下の長さの亀裂進展が観察されたことがわかる。なお、「１５％」の値は「５４．６μm（１７％）」から、「５５％」の値は「１７９．４μm（５４％）」から導き出したものである。なお、「亀裂進展の長さ」とは、亀裂の最大長さをいう。

＜分断＞
(i) 解析
まず、パルスレーザ光をサファイア基板に照射した場合のシミュレーション結果について説明する。ここでは、二次元解析モデルとして、図６に示すようなモデルを想定している。そして、図６に示す解析面を、有限要素法によって解析した。

ここで、解析対象としての基板は、厚みが３３０μmのサファイア基板であり、その物性値は図６に示す通りである。なお、図６において楕円で示しているのがパルスレーザ光であり、矢印の方向に走査される。また、この場合のレーザ光照射条件は、以下の通りである。

繰り返し周波数：１kHz
パルス幅 ：２５０μs
出力 ：２２０W
走査速度 ：３００mm/s
また、各パルス波形において、1サイクルあたり８個所の解析タイミングを設定している。

解析結果を図７及び図８に示している。図７は１パルス間の熱伝導解析結果を示し、図８は１パルス間の熱応力解析結果を示している。各結果の解析タイミングは、パルス波形において「○」で示した時刻である。これらの解析結果から、以下のことがわかる。

パルスレーザ光を照射した場合、図７（ａ）〜（ｅ）から明らかなように、十分な熱拡散が起こる前に加熱が終了するので、パルス波のピーク付近のみ（図７（ｂ）〜（ｄ））に比較的大きな深さ方向の温度勾配が生じる。この温度勾配は、次のパルスが照射される時刻（図７（ｉ））には、熱拡散によって解消する。このため、パルス周期ごとに基板内部に引張応力を誘起できると考えられる。

なお、連続発振のレーザ光についても同様の解析を行ったが（ここでは解析結果は省略する）、サファイア基板では熱伝導率が大きいために、連続発振のレーザ光の照射によって加熱しても、深さ方向の大きな温度勾配が生じない。このため、連続発振のレーザ光でサファイア基板に引張応力を誘起するのは難しいと考えられる。

(ii) 実験
次に、前述の解析モデルを確認するために、実際にCO₂パルスレーザ光を照射して分断した実験結果を図９（ａ）〜（ｅ）に示す。ここで、分断対象としての基板は、解析モデルと同様に、厚みが３３０μmのサファイア基板である。また、レーザ照射条件についても解析モデルの条件と同様の条件である。

図９において、「１６９μm・・・１８７μm」の数値は、パルスレーザを照射した面から亀裂先端までの距離である。パルスレーザを照射する面から亀裂先端までの距離が１２８μm〜１８７μmであれば、スクライブ線に沿って基板を分断できた。これらの実験結果において、第２主面からパルスレーザを照射しているものは、（ａ）（ｂ）である。第１主面からパルスレーザを照射しているものは（ｃ）（ｄ）（ｅ）である。

以上の実験結果から、まず、レーザ光を照射する表面から亀裂先端までの距離が、１３０μm以上１９０μm以下（図１１の実験結果では、１２８μm〜１８７μm）でないと、分断そのものができないことがわかる。また、実験結果（ａ），（ｂ）から明らかなように、スクライブラインを形成した側と逆側の面からパルスレーザ光を照射して分断することによって、分断面の傷を低減することができる。

なお、レーザ光を照射する表面から亀裂先端までの距離が１３０μｍ以下及び１９０μｍ以上（基板の厚み３３０μｍに対して、３９％以上５８％以下）の場合は、分断そのものは可能であるが、スクライブラインとは別の部分から分断される。

［特徴］
（ａ）スクライブライン形成工程において、亀裂先端が、パルスレーザ光が照射される面から１３０μm以上１９０μm以下（基板の厚みに対して、３９％以上５８％以下）の範囲に存在するように形成されるので、分断工程において、レーザ照射によって容易に分断することができる。

（ｂ）スクライブラインが形成された側とは逆側からパルスレーザ光を照射し、分断しているので、分断面の傷を低減できる。このため端面強度を高く維持することができる。

（ｃ）スクライブライン形成工程において、基板表面は溶融されない。このため、溶融飛散物による素子の損傷を避けることができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、スクライブライン形成工程において、改質層及び亀裂進展層を形成したが、従来のレーザ加工方法と同様にレーザ光によるアブレーション加工によってスクライブ溝を形成したり、あるいはソーブレードを用いたメカニカルツールによってスクライブ溝を形成してもよい。

前記実施形態では、ウェハを構成する基板として、サファイア基板を例にとって説明したが、シリコン基板などの他の熱伝導率の大きい脆性材料基板においても本発明を同様に適用することができる。

２ サファイア基板
４ スクライブ予定ライン
１２ 改質層
１３ 亀裂進展層

Claims (4)

1. レーザ光を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法であって、
   スクライブ予定ラインに沿って前記脆性材料基板の第１主面にスクライブラインを形成するスクライブライン形成工程と、
   前記スクライブラインに対して、前記第１主面とは逆側の第２主面からパルスレーザ光を照射し、前記脆性材料基板を前記スクライブラインに沿って分断する分断工程と、
   を備えたレーザ加工方法。
2. 前記スクライブライン形成工程は、前記脆性材料基板に、前記第２主面から前記脆性材料基板の厚みに対して３９％以上５８％以下の範囲に亀裂先端が存在するスクライブ溝を形成する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記スクライブライン形成工程は、
   パルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射し、脆性材料基板の内部に改質層を形成する改質層形成工程と、
   パルスレーザ光をスクライブ予定ラインに沿って走査するレーザ光走査工程と、
   を含み、
   脆性材料基板の厚みｔに対して、前記厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで前記改質層から前記脆性材料基板の第１主面に向かって亀裂を進展させる、
   請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記脆性材料基板はサファイア基板である、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。