JP2014510398A

JP2014510398A - 光電素子の改良されたレーザスクライビングのための方法及び装置

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Publication number: JP2014510398A
Application number: JP2013554478A
Authority: JP
Inventors: チャシーン，ジュアン; シュール，アービング; ハルダーマン，ジョナサン
Original assignee: エレクトロサイエンティフィックインダストリーズインコーポレーテッド
Priority date: 2011-02-20
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2014-04-24
Also published as: US20120211477A1; KR20130142175A; EP2676289A4; CN103443908A; US8735772B2; WO2012112342A3; WO2012112342A2; EP2676289A2; TW201235143A

Abstract

裏面コーティングを有する半導体基板をレーザスクライビングするためのレーザスクライビングシステムが開示される。特に、これらのレーザスクライビングシステムは、効率的な製造を維持しつつ光電素子に対するダメージを避けるように、裏面反射コーティングを有する光電半導体ウェハをレーザスクライビングする。より詳細には、これらのレーザスクライビングシステムは、可視領域以下の波長のマルチパスの超高速パルスレーザを用いて裏面コーティングを除去し、ウェハをスクライビングする。
【選択図】図２

Description

本発明は、サファイアウェハのような基板上に構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光電素子をレーザスクライビングすることに関するものである。特に、本発明は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）のような裏面コーティングを有する基板上に構成される光電素子をスクライビングすることに関するものである。より詳細には、本発明は、光電素子又は基板に対するダメージを防ぐために、裏面コーティングを有する基板上に構成される光電素子を複数のパスでレーザスクライビングすることに関するものである。

発光ダイオードのような光電素子は、典型的には、基板上にある素子と同一の複数の複製を平行に形成することにより製造される。光電素子を製造するために典型的に使用される基板としては、サファイア、ガリウムヒ素、リン化インジウム、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、又はセラミックからなるウェハがある。典型的には、これらの基板を個々の素子に個片化（シンギュレーション）する必要がある。シンギュレーションは、まずダイアモンドソー又はレーザを用いて基板をスクライビングすることにより行うことができる。スクライビングは、基板の表面上又は基板の容積中に改質領域を生成してクラッキングを促進しスクライブに近接する基板の分離を促進することと定義される。２００３年６月１７日に発行された発明者Kuo-Ching Liu、Pei Hsien Fang、Dan Dere、Jenn Liu、Jih-Chuang Huang、Antonio Lucero、Scott Pinkham、Steven Oltrogge、及びDuane Middlebusherによる米国特許第6,580,054号「SCRIBING SAPPHIRE SUBSRATES WITH A SOLID STATE UV LASER」は、基板をスクライビングしてクレービングによるシンギュレーションの準備をする基本プロセスについて述べており、スクライビングされた基板はスクライブの位置で局所的な応力を受け、基板にクラックが生成されてこれらが基板の厚さを貫通するように伝播し、これによりスクライブに沿ってウェハが分離される。シンギュレーション中は、分離された場合にも個片化された素子を適切な位置に維持するために、ダイアタッチフィルムや、テープフレームと呼ばれる周囲のフレームに取り付けられたプラスチックシートに基板を接着することが多い。レーザスクライビングは、クレービング工程を行わずにシンギュレーションを行うべく、レーザ又は鋸を用いて基板を完全に又はほぼ完全に切断するレーザダイシングとは区別される。

レーザスクライビングにおける問題としては、レーザエネルギー吸収特性が広範囲に変化する材料を加工するためのレーザパラメータを選択すること、基板や素子へのダメージを避けること、許容できるシステムスループットを維持することが挙げられる。光電素子は、素子の性能が素子の個片化される方法に依存し得るので、特にレーザスクライブしたりダイシングしたりすることが難しい。特に、素子からの迷光を反射して戻すことによってアンペア当たりのカンデラで測定される素子出力効率を高める裏面コーティングを有する構成の光電素子もある。著者S.J. Chang、C.F. Shen、M.H. Hsieh、C.T. Kuo、T.K. Ko、W.S. Chen 及び S.C. Sheiによる論文「Nitride-Based LEDs With a Hybrid Al Mirror + Tio2/SIo2 DBR Backside Reflector」では、このようなタイプの光電素子の構成が述べられている。スクライブに隣接した箇所に望ましくない熱影響部を生じるレーザスクライビング技術は、反射コーティングを基板から「剥離」又は分離させるようなダメージを与える可能性があるのと同様に、素子出力効率を低下させる可能性がある。２０１０年９月２８日に発行された発明者Tan Deshiによる米国特許第7,804,043号「METHOD AND APPARATUS FOR DICING OF THIN AND ULTRA THIN SEMICONDUCTOR WAFER USING ULTRAFAST PULSE LASER」では、超高速レーザを用いてウェハをスクライビングすることについて述べられているが、ＤＢＲのようなコーティングを除去する必要性については考慮されていない。２００６年１月３１日に発行された発明者福世文嗣、福満憲志、内山直己、和久田敏光による米国特許第6,992,026号「LASER PROCESSING METHOD AND LASER PROCESSING APPARATUS」では、スクライビング中にパルスレーザにより生じる基板へのダメージについて議論されている。この特許は、基板内の深い位置に焦点が合わされるレーザビームを用いてウェハの表面又は裏面のいずれかに接続されていない改質領域を生成し、基板へのダメージを防ぎつつクレービングを可能にすることを教示している。２００９年２月２４日に発行された発明者Richard S. Harris 及びHo W. Loによる米国特許第7,494,900号「BACKSIDE WAFER DICING」では、基板の裏面加工をすることの利点について議論されているが、コーティングの存在下でのスクライビングについても、スクライビング中の基板へのダメージの防止方法についても議論されていない。２００６年１０月５日に公開された発明者淺井誠、田村宗生、杉浦和彦、藤井哲夫による米国特許出願公開第2006/0220183号「SEMICONDUCTOR WAFER HAVING MULTIPLE SEMICONDUCTOR ELEMENTS AND METHOD FOR DICING THE SAME」では、使用されるレーザ波長に対して異なる屈折率を有する２つの層を有するウェハをスクライビングするための２ステッププロセスについて述べられている。この出願では、裏面スクライビングではなく表面スクライビングについてのみ議論されており、加工される層が屈折率を有していないが、実際には問題としている波長に対して不透明であるような適用例については議論されていない。さらに、この出願では、照射されたレーザエネルギーの結果として生じる個片化された素子へのダメージを回避する方法については議論されていない。

基板にダメージを与えることなく、反射コーティングされている光電素子基板の裏面を効率的な方法で超高速レーザパルスを用いてスクライビングすることができるレーザスクライビングプロセスが依然として必要とされている。

本発明の態様は、まずスクライビングされる領域においてレーザを用いて裏面コーティングを除去した後、基板をスクライビングすることにより、裏面コーティングの存在下での基板上の光電素子のスクライビングを改善する。複数のパスを用いて単位時間当たりのレーザフルエンスを低下させて裏面コーティングを除去したり基板をスクライビングすることにより、基板又は隣接した能動回路へのダメージを避けることができる。光電素子基板は、典型的には、ストリートを有する表面と、コーティングを有する面のある裏面とを備えている。このコーティングは、素子により発された迷光を反射する。この迷光は、反射されなていければ吸収されて光出力を低下させるとともに動作温度を上昇させ素子の寿命を短くするものである。本発明の態様は、第１及び第２のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを備えたレーザスクライビングシステムを含んでいる。このレーザスクライビングシステムは、基板に対して大きなダメージを与えることなく、第１のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを用いて、一般に基板の表面のストリートに対して位置合わせされた領域において基板の裏面からコーティングを除去する。そして、レーザスクライビングシステムは、第２のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを用いて、一般に表面素子に対して位置合わせされた領域において基板をスクライビングする。

発光ダイオードのような光電素子は、典型的には、基板上に多数の同一の素子の複製を平行に作ることにより製造される。光電素子を含む典型的な基板が図１に示されている。これらの基板は、典型的には、個々の素子に個片化する必要がある。まずダイアモンドソーやレーザを使って素子間のストリートに沿って基板をスクライビングすることによりシンギュレーションを行うことができる。光電素子は、典型的には、表面にある能動回路と、素子の光出力を促進する裏面コーティングとを備えた構成となっている。裏面からウェハをスクライビングすることは、より高いフルエンスのレーザパルスを許容し、これにより能動回路に対してダメージを引き起こすことなく、スループットを高めることができる。しかしながら、レーザフルエンスを注意深く制御していない場合には、基板の裏面に向けられたレーザパルスでさえ基板を貫通して表面上にダメージを生じ得る。レーザフルエンスは、ジュール/cm²として定義され、レーザにより基板に照射される単位面積当たりの総エネルギーの単位である。スクライビングされた後の光電素子に対する所望の特性は、レーザスクライブによりいくらかのテクスチャを有するもののデブリや再堆積した材料が生じていない綺麗で平坦な側壁を有することであろう。素子は、無傷で綺麗にスクライビングされ、素子に均一に付着した裏面コーティングを有し、表面上の能動回路にはダメージがないであろう。

これらの基板をスクライビングするために使用されるレーザは、レーザパルス持続時間が約１００ps以下の超高速パルスレーザである。レーザ材料除去は、一般的に、熱プロセス又はアブレーティブプロセスが混ざり合ったものである。熱プロセスは、材料が加熱され、融解するか、蒸発するか、あるいはガスに直接昇華するプロセスである。その領域から材料が蒸気、液体、又は固体粒子として噴出する。アブレーティブプロセスは、光電作用、典型的には、材料をプラズマに解離させる多光子を介して材料を変質させるものである。超高速パルスは、材料内部にエネルギーを結合させ、熱が隣接する材料に実質的に伝達し得るよりも速くプラズマを生成し、これにより基板又は素子に対して好ましくないダメージを与え得る熱的作用を最小限にしつつ、材料中に変質を生じる。材料の変質は、基板の表面の完全に内部で生じてもよい。典型的には、クラッキングや次のシンギュレーションを促進するために、材料を除去したり、基板の表面にトレンチや他の特徴部を作ったりする必要はない。材料における応力破壊（stress fractures）を促進し誘導するのに十分な程度に材料が変質されればよいだけである。

改良レーザスクライビングシステムを用いて基板がレーザスクライビングされる。この改良には、所望のレーザパルスパラメータを有するレーザパルスを生成するようにレーザを適合させることが含まれる。これらのレーザパルスパラメータは、波長、パルスエネルギー、パルス持続時間、パルス繰り返し率、焦点スポットサイズ、焦点スポット位置、及びビーム速度を含んでいる。このレーザスクライビングシステムは、選択されたパルスエネルギー及びパルス持続時間を有するパルスを選択されたパルス繰り返し率で発するレーザを有するレーザパルスを生成する。レーザ加工システムは、レーザパルスを選択し、オプションとして空間的及び時間的にレーザパルスを整形するレーザ光学系を使用する。十分に小さな領域に十分なレーザエネルギーを集中させて所望の方法で材料を変質させるために、レーザパルスは非常に小さなスポットサイズに焦点が合わされる。焦点スポットは、レーザパルスがパルスの伝播方向に垂直な断面が最小になる空間上の位置として定義される。レーザスクライビングシステムは、基板の表面の上方、下方、又は表面上の選択された高さに焦点スポットを正確に位置づける運動制御ステージを有している。また、レーザ加工システムは、ビームステアリング光学系と、レーザをパルス状にした状態でレーザパルスに対して基板を移動させる運動制御ステージとの組み合わせを有しており、これにより相対運動により決定されるパターンで材料を除去し、あるいは変質させることができる。基板に対してレーザパルスが移動する速度はビーム速度と呼ばれ、ミリメートル毎秒で計測される。本発明の態様を実施するように改良され得る例示のレーザスクライビングシステムは、図２に示される、ポートランド97239のElectro Scientific Industries社により製造されるAccuScribe 2600 LEDレーザスクライビングシステムである。

本発明の態様は、まず基板表面をダイアタッチフィルム（ＤＡＦ）でテープフレームに取り付け、取り付けられた基板をシステム内に挿入することにより基板をスクライビングする。システムは、基板の表面上のストリートに対するアライメントを維持しつつ、基板の裏面をスクライビングするようにレーザを向けられるように基板の位置合わせを行う。レーザスクライビングシステムは、典型的には、ウェハに対してレーザビームを移動させつつ、パルスレーザビームを基板に向けて、相対運動の速度及び方向によって決定される経路に沿ってレーザパルスを基板に当てることによって基板を加工する。効率化のため、典型的には、基板を複数のパスで加工することが最もよく、その場合には、システムは、比較的連続的して（典型的にはパスごとに開始及び停止して）基板に対してレーザビームの相対的な位置を移動させつつ、パルスレーザビームを用いて加工を開始する。曲線又は直線からなる任意のパターンをスクライビングすることができるが、本発明の態様は、基板の裏面上に複数の直線状パスを表面ストリートに位置合わせされた直交方向に形成することによって基板をスクライビングする。

本発明の態様は、スクライブごとに１つ以上のパスを用いて基板をスクライビングする。場合によっては、基板の厚さ及び表面上の能動回路のレイアウトによって、基板の裏面に伝達される単位時間当たりのレーザフルエンスを十分なものにして裏面コーティングを除去し単一パスでスクライブを形成することができる。しかしながら、多くの場合、裏面コーティングを除去し単一パスでスクライブを形成するのに十分なレーザエネルギーを照射すると、基板又は素子に好ましくないダメージを与える。この場合において、裏面コーティングを除去するか、あるいはスクライブを形成するかによってレーザパルスパラメータを変更するので２つ以上のパスが必要である。本発明の態様は、裏面コーティングを除去するのに１以上のパスを使用した後、スクライブを形成するのに１つ以上のパスを使用する。

本発明の態様は、基板又は素子にダメージを生ずることなく基板を効率的に加工するレーザパルスパラメータを予め決定する。決定され得るレーザパルスパラメータには、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、レーザパワー、パルス繰り返し率、焦点スポットサイズ、焦点スポット位置、及びビーム速度が含まれる。これらのパラメータは、基板又は素子に対するダメージを避けつつ最大のスループットで基板を加工するために、特定の基板や素子のタイプに対して経験的に決定される。

最適なレーザパルスパラメータが選択されると、パス数が決定される。許容されるレーザエネルギーによっては、図３及び図４に示されるように１つのパスで裏面コーティングを除去してもよく、あるいは、図７に示されるような裏面コーティングや図８に示されるような複雑なパターンを除去するために２つ以上のパスが必要とされる場合もある。図８は、直線運動をビームステアリング光学系と組み合わせて複雑なパターンの裏面コーティングを除去する裏面コーティング除去を示している。これらの場合において、裏面コーティングの表面の上方に位置する焦点スポットに隣接して水平にあるいは蛇行パターンで２つ以上のパスが形成され、後続の１つ以上のパス上でスクライビングが可能となるように十分な裏面コーティングが除去されるように、少しレーザパルスの焦点がずれ、フルエンスが減少し、加工面積が増加する。他の場合においては、裏面コーティングが除去されると、基板をスクライビングするために単一のパス又はマルチパスが必要とされ得る。この場合においては、水平に同一の線に沿って２つ以上のパスが形成され得るが、基板又は素子にダメージを与えることなくスクライブを形成するために、焦点スポット位置が変化して基板内でレーザパルスの焦点が合う深さが増加する。

図１（従来技術）は、光電素子を含む基板の図である。図２は、改良レーザスクライビングシステムの図である。図３は、裏面コーティング除去の図である。図４は、裏面コーティング除去の図である。図５は、スクライブの図である。図７は、スクライブを用いたマルチパス裏面コーティング除去の図である。図８は、スクライブを用いたマルチパス裏面コーティング除去の図である。

本発明の実施形態は、まずスクライビングされる領域においてレーザを用いて裏面コーティングを除去した後、基板をスクライビングすることにより、裏面コーティングの存在下での基板上の光電素子のスクライビングを改善するものである。複数のパスを用いることにより、単位時間当たりのレーザフルエンスが低下し、基板又は隣接した能動回路へのダメージを避けることができる。光電素子基板は、典型的には、ストリートを有する表面と、コーティングを有する面のある裏面とを備えている。このコーティングは、素子により発された迷光を反射する。この迷光は、反射されなていければ吸収されて光出力を低下させるとともに動作温度を上昇させ素子の寿命を短くするものである。本発明の実施形態は、第１及び第２のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを備えたレーザスクライビングシステムを含んでいる。このレーザスクライビングシステムは、基板に対して大きなダメージを与えることなく、第１のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを用いて、一般に基板の表面のストリートに対して位置合わせされた領域において基板の裏面からコーティングを除去する。そして、レーザスクライビングシステムは、第２のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを用いて、一般に表面に対して位置合わせされた領域において基板をスクライビングする。

発光ダイオードのような光電素子は、典型的には、基板上に多数の同一の素子の複製を平行に作ることにより製造される。光電素子を含む典型的な基板が図１に示されている。ウェハ１０はその上にいくつかの素子を有しており、そのうちの１つが１２で示されている。これらの素子は、水平ストリート１４及び垂直ストリート１６により分離されている。「ストリート」という語は、能動素子回路を含んでいない基板の領域を意味する。基板をスクライビングしたりダイシングしたりして個々の素子に個片化できるように、これらのストリートには能動回路が置かれていない。まずダイアモンドソーやレーザを使って素子間のストリートに沿って基板をスクライビングすることによりシンギュレーションを行うことができる。光電素子は、典型的には、表面にある能動回路と、素子の光出力を促進する裏面コーティングとを備えた構成となっている。裏面からウェハをスクライビングすることは、より高いフルエンスのレーザパルスを許容し、これにより能動回路に対してダメージを引き起こすことなく、スループットを高めることができる。しかしながら、レーザフルエンスを注意深く制御していない場合には、基板の裏面に向けられたレーザパルスでさえ基板を貫通して表面上にダメージを生じ得る。レーザフルエンスは、ジュール/cm²として定義され、レーザにより基板に照射される単位面積当たりの総エネルギーの単位である。スクライビングされた後の光電素子に対する所望の特性は、レーザスクライブによりいくらかのテクスチャを有するもののデブリや再堆積した材料が生じていない綺麗で平坦な側壁を有することであろう。素子は、無傷で綺麗にスクライビングされ、素子に均一に付着した裏面コーティングを有し、表面上の能動回路にはダメージがないであろう。

これらの基板をスクライビングするために使用されるレーザは、レーザパルス持続時間が約２００ps以下の超高速パルスレーザである。レーザ材料加工は、一般的に、熱プロセス又はアブレーティブプロセスが混ざり合ったものである。熱プロセスは、材料が加熱され、融解するか、蒸発するか、あるいはガスに直接昇華するプロセスである。その領域から材料が蒸気、液体、又は固体粒子として噴出する。アブレーティブプロセスは、光電作用、典型的には、材料をプラズマに解離させる多光子を介して材料を変質させるものである。超高速パルスは、材料内部にエネルギーを結合させ、熱が隣接する材料に実質的に伝達し得るよりも速くプラズマを生成し、これにより基板又は素子に対して好ましくないダメージを与え得る熱的作用を最小限にしつつ、材料中に変質を生じる。材料の変質は、基板の表面の完全に内部で生じてもよい。典型的には、クラッキングや次のシンギュレーションを促進するために、材料を除去したり、基板の表面にトレンチや他の特徴部を作ったりする必要はない。材料における応力破壊を促進し誘導するのに十分な程度に材料が変質されればよいだけである。

改良レーザスクライビングシステムを用いて基板がレーザスクライビングされる。この改良には、所望のレーザパルスパラメータを有するレーザパルスを生成するようにレーザを適合させることが含まれる。これらのレーザパルスパラメータは、レーザパワー、波長、パルスエネルギー、パルス持続時間、パルス繰り返し率、焦点スポットサイズ、焦点スポット位置、及びビーム速度を含んでいる。レーザパワーは、約０．１Ｗ〜約２０Ｗの範囲、より好ましくは約０．５Ｗ〜約１．５Ｗの範囲にある。波長は、約５６０nm〜約１５０nmの範囲、又はより好ましくは約３５５nmの紫外線領域にある。パルスエネルギーは、約０．１μJ〜約１．０mJの範囲、又はより好ましくは１．０μJ〜１０μJの範囲にある。パルス繰り返し率（繰り返し率）は、約７５kHz〜約１MHzの範囲、又はより好ましくは約１００kHz〜約８００kHzの範囲にある。焦点スポットサイズは、典型的には、１μm未満から約５μmの範囲にある。焦点スポット位置は、表面下方約１００μmから表面上方約１００μmまで、あるいはより好ましくは表面下方約３０μmから表面上方約３０μmの範囲で変動し得る。ビーム速度は、典型的には、約１０mm/s〜約５００mm/sの範囲、又はより好ましくは約１２０mm/s〜約３８０mm/sの範囲にある。

本発明の実施形態は、レーザを使用して選択されたパルスエネルギー及びパルス持続時間を有するパルスを選択されたパルス繰り返し率で発するレーザスクライビングシステムを用いるものである。レーザ加工システムは、レーザパルスを選択し、オプションとして空間的及び時間的にレーザパルスを整形するレーザ光学系を使用する。十分に小さな領域に十分なレーザエネルギーを集中させて所望の方法で材料を変質させるために、レーザパルスは非常に小さなスポットサイズに焦点が合わされる。焦点スポットは、レーザパルスがパルスの伝播方向に垂直な断面が最小になる空間上の位置として定義される。レーザスクライビングシステムは、基板の表面の上方又は下方の選択された高さに焦点スポットを正確に位置づける、運動制御ステージの一部としてのｚ軸ステージを含んでいる。また、レーザ加工システムは、ビームステアリング光学系と、レーザをパルス状にした状態でレーザパルスに対して基板を移動させる運動制御ステージとの組み合わせを有しており、これにより相対運動により決定されるパターンで材料を除去し、あるいは変質させることができる。基板に対してレーザパルスが移動する速度はビーム速度と呼ばれ、ミリメートル毎秒で計測される。

本発明の態様を実施するように改良され得る例示のレーザスクライビングシステムは、図２に示される、ポートランド97239のElectro Scientific Industries社により製造されるAccuScribe 2600 LEDレーザスクライビングシステムである。レーザスクライビングシステム１８は、レーザビーム光路に沿ってレーザパルス２２を発するレーザ２０を含んでいる。レーザパルス２２は、レーザパルス２２を選択し整形するレーザビーム光学系２４により処理される。レーザビーム光学系２４は、レーザパルスを選択し案内する電気光学要素又は音響光学要素を含み得る。また、レーザビーム光学系は、レーザパルスを空間的及び時間的に整形する光学要素を含み得る。そして、レーザパルス２２は、基板３０に対してレーザパルスのステアリングを高速かつ限定された動きの中で行うビームステアリング光学系２６を通過する。そして、レーザパルス２２の焦点が、典型的には、フィールド光学系２８により基板３０上に合わされる。レーザ２０、レーザビーム光学系２４、ビームステアリング光学系２６、及びアライメントカメラ３４の動作を調整するコントローラ３６の指示の下で基板３０を保持し、レーザパルス２２に対して基板３０を移動させる運動制御チャック３２上に基板３０が固定される。アライメントカメラ３４は、レーザパルス２２に対して基板３０の位置を視覚的に合わせる。

なし得る改良の１つは、スイス連邦CH-8005チューリッヒにあるTime-Bandwidth Products社により製造される固体ＩＲレーザモデルDuettoを取り付けることである。このレーザは、固体調波発生器を用いて５３２nmの波長に対して二逓倍し、オプションとして固体調波発生器を用いて３５５nmの波長に対して三逓倍した１０６４nmの波長で１０psのパルスを発する。これらのレーザは、０．１〜１．５ワットの出力パワーを有している。

本発明の態様は、まず基板表面をダイアタッチフィルム（ＤＡＦ）でテープフレームに取り付け、取り付けられた基板３０をシステム１８内に挿入することにより基板をスクライビングする。システムは、基板３０の表面上のストリートに対するアライメントを維持しつつ、基板３０の裏面をスクライビングするようにレーザパルス２２を向けられるように、アライメントカメラ３４を用いて基板３０の位置を合わせる。レーザスクライビングシステム１８は、典型的には、運動制御ステージ３２及びビームステアリング光学系２６を用いてウェハ３０に対してレーザパルス２２を移動させつつ、パルスレーザビーム２２を基板３０に向けて、相対運動の速度及び方向によって決定される経路に沿ってレーザパルス２２を基板３０に当てることによって基板３０を加工する。効率化のため、典型的には、基板を複数のパスで加工することが最もよく、その場合には、システムは、比較的連続的して（典型的にはパスごとに開始及び停止して）基板に対してレーザビームの相対的な位置を移動させつつ、パルスレーザビームを用いて加工を開始する。曲線又は直線からなる任意のパターンをスクライビングすることができるが、本発明の態様は、基板の裏面上に複数の直線状パスを表面ストリートに位置合わせされた直交方向に形成することによって基板をスクライビングする。

本発明の態様は、スクライブごとに１つ以上のパスを用いて基板をスクライビングする。場合によっては、基板の厚さ及び表面上の能動回路のレイアウトによって、基板の裏面に伝達される単位時間当たりのレーザフルエンスを十分なものにしてダメージを生ずることなく裏面コーティングを除去し単一パスでスクライブを形成することができる。しかしながら、多くの場合、裏面コーティングを除去し単一パスでスクライブを形成するのに十分なレーザエネルギーを照射すると、基板又は素子に好ましくないダメージを与える。この場合において、裏面コーティングを除去するか、あるいはスクライブを形成するかによってレーザパルスパラメータを変更するので２つ以上のパスが必要である。本発明の実施形態は、裏面コーティングを除去するのに１以上のパスを使用した後、スクライブを形成するのに１つ以上のパスを使用する。

レーザパルスパラメータは、基板又は素子にダメージを生ずることなく基板を効率的に加工できるように予め決定される。予め決定され得るレーザパラメータには、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、レーザパワー、パルス繰り返し率、焦点スポットサイズ、焦点スポット位置、及びビーム速度が含まれる。これらのパラメータは、典型的には、基板又は素子に対するダメージを避けつつ最大のスループットで基板を加工するために、特定の基板や素子のタイプに対して経験的に決定される。最適なレーザパルスパラメータとともに、基板を加工するために使用されるパス数が決定される。基板又は素子に対するダメージを生ずることなく単位時間当たりに使用可能なレーザフルエンスの量によってパス数が決定される。許容されるレーザエネルギーによっては、図３及び図４に示されるように１つのパスで裏面コーティングを除去してもよい。図３は、裏面コーティング４２を有する基板４０を示している。レンズ４４によりレーザパルス４６の焦点が裏面コーティング４２の表面で方向付けられる焦点スポット４８に合わされており、特定の位置５０で裏面コーティング４２が除去される。図４は、裏面コーティング６２を有する基板６０を示している。レンズ６４によりレーザパルス６６の焦点が基板６０及び裏面コーティング６２の上方の位置に方向付けられた焦点スポット６８に合わされており、領域７０における裏面コーティング６２が除去される。基板の表面の上方又は下方でレーザパルス６６の焦点が合わされる（６８）と、レーザパルスの焦点がずれてレーザパルスエネルギーをより広い領域に広げる効果がある。これにより、パルス当たりに除去される材料の領域が増加してプロセスの速度が増すだけではなく、単位時間当たりのレーザフルエンスを減少させてダメージを避けることができる。図５は、裏面コーティング８２を有する基板８０を示している。レンズ８４によりレーザパルス８６の焦点が基板８０内に位置する焦点スポット８８に合わされており、領域９０における裏面コーティング８２が除去される。図４と同様に、基板８０の表面の下方に焦点スポット８８を移動させることにより、レーザパルスの焦点がずれてエネルギーをより広い範囲に広げ、これによりフルエンスを減少させて好ましくないダメージを制限することができる。

表１は、厚さ１４０μmのサファイア基板から裏面コーティングを除去するために、本発明の一実施形態により使用される例示レーザパラメータを示すものである。この基板は、スクライビングされる領域の近傍に能動回路を有しておらず、表面に窒化ガリウム（ＧａＮ）層を有していない。このため、十分なエネルギーで裏面コーティングを加工することができ、１つのパスで裏面コーティングを除去することができる。この実施形態は、裏面コーティングの表面の下方３０ミクロンにレーザパルスの焦点を合わせることにより、１つのパスで裏面コーティングを除去する。

他の場合においては、表面に例えばＧａＮが存在する例では、マルチパスが必要とされ得る。表２は、厚さが１２０〜１４０μmの基板上の裏面コーティングを除去するために使用されるレーザパラメータを示している。使用されるレーザパワーは、厚さ１２０μmの基板に対しては０．７Ｗ、厚さ１４０μmの基板に対しては０．８Ｗである。ステージ速度は、厚さ１４０μmの基板に対しては１２０mm/s、厚さ１２０μmの基板に対しては１８０mm/sである。この実施形態は、裏面コーティングの表面、表面の下方７μm、及び表面の下方１５μmで焦点が合わされた同じ経路に沿った３パスで裏面コーティングを除去する。

図６は、２つのレーザパルスビームを用いて基板１００を１パスで加工する本発明の一実施形態を示している。裏面コーティング１０２を有する基板１００には、共通のレンズ１０４により共通の光軸上に焦点が合わされた２つのレーザパルスビーム１０６が照射される。第１のレーザビームパルス１０８の焦点は基板１１２上方の点に合わされて領域１１６の裏面コーティング１０２を除去する。第２のレーザパルス１１０の焦点は基板１１４の表面に合わされてスクライブが形成される。これら２つのレーザパルスビームが予め選択された速度で経路に沿って一緒に移動すると、基板又は能動回路にダメージを生じることなく、裏面コーティングを有する基板を単一パスでスクライビングすることができる。

図７は、レーザパルスによって単一パスの幅よりも大きな領域において裏面コーティングを除去するための直線運動を用いた裏面コーティング除去を示すものである。この場合において、裏面コーティングを有する基板では、基板に対して同一の高さの１つ以上のパスで直線状の領域に沿って裏面コーティングが除去される。図７において、裏面コーティング（図示せず）を有する基板は、線１２８に沿ってスクライビングされる。スクライビング前に、破線１２０に沿って基板上にパスを形成することにより表面ストリート（図示せず）と反対側で重なり合うレーザパルス１２２により描かれる直線状の領域１３９において裏面コーティングが除去され、重なり合うレーザパルス（そのうちの１つが１２２で示されている）を用いて、被覆された基板にダメージを生じることなくコーティングを除去するフルエンスで衝撃を与える。そして、基板は運動制御ステージ（図示せず）によって割り出され、破線１２４に沿った別のパスを形成することができる。破線１２４では、レーザパルスが、重なり合うパルス（そのうちの１つが１２６で示されている）を用いて、被覆された基板に再び衝撃を与える。これらの２つパスは、基板又は能動回路にダメージを与えることなく裏面コーティングを除去する。そして、基板がレーザパルスビームに対して移動されると、線１２８に沿ってレーザパルスが基板に衝撃を与える位置に基板が割り出される。裏面コーティングを除去するのではなくスクライビングするようにレーザパラメータが調整され、第３のパスが線１２８に沿って形成される。これにより、その下にある基板や能動回路にダメージを生ずることなく基板をスクライビングすることができる。この実施形態の典型的なレーザパルスパラメータは、表３及び表４で与えられる。レーザパワーは、厚さ１２０μmの基板に対しては０．７Ｗ、厚さ１４０μmのサファイア基板に対しては０．８Ｗである。ステージ速度は、厚さ１２０μmのサファイア基板に対しては１８０mm/s、厚さ１４０μmのサファイア基板に対しては１２０mm/sである。

このような裏面コーティング除去に続いて、表４に示されるパラメータを用い、基板の表面の下方２０ミクロンに焦点が合わされたレーザパルスを用いて基板を単一のパスでスクライビングしてもよい。複数のスクライビングパスを使用してもよい。

表５は、裏面コーティングの除去後にマルチパスを用いて基板をスクライビングする、本発明の実施形態のレーザパルスパラメータを示している。これは、１パスで基板をスクライビングするのに十分なエネルギーを用いると基板又は能動回路にダメージを生じ得るような場合に使用される。この場合、基板の表面に対して焦点スポット位置を変化させつつ同じパスに沿って２つ以上のパスを形成することによって基板がスクライビングされる。このように基板をスクライビングすることにより、後のクレービングを促進し誘導する変質領域が基板の表面から内部にわたって生成される。

図８は、高速ビームステアリング光学系を用いて裏面コーティングを効果的に除去するパターンでレーザパルスを基板に伝達する本発明の一実施形態を示すものである。この実施形態では、基板に対するレーザパルスの複合相対運動によって決定される破線１３０に沿ってレーザパルス（そのうちの１つが１３２で示されている）が基板（図示せず）に向けられる。この複合相対運動は、レーザビームステアリング光学系を用いてレーザパルスを移動させつつ、運動制御ステージを用いて基板を直線状に移動させることによって生じる。図８においては、レーザパルス１３２が基板に伝達されるとき、複合運動制御／ビームステアリング光学系（図示せず）によりレーザが破線１３０で示されるパターンで移動される。基板や能動回路にダメージを生ずることなく、重なり合うパルス１３２により描かれた表面ストリートと反対側の直線状の領域１３６において裏面コーティングを完全に除去するために、１つ以上のパスが必要である場合がある。裏面コーティング除去の後、裏面コーティングが除去された領域１３６で基板がスクライビング（１３４）される。基板又は能動回路にダメージを与えることなく基板をスクライビングするためには１つ以上のパスが必要な場合がある。

本発明の上述した実施形態の詳細に対して、その基本的な原理から逸脱することなく多くの変更がなされてもよいことは、当業者には明白であろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。

Claims

レーザスクライビングシステムを用いて基板上に光電素子をスクライビングするための改良された方法であって、前記基板は、ストリートを有する表面と、コーティングのある表面を有する裏面とを備え、前記改良は、
前記レーザスクライビングシステムには、第１及び第２のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを備え、
前記超高速パルスレーザと前記第１のレーザパルスパラメータを用いて、前記基板に対して実質的なダメージを与えることなく、前記基板の前記表面のストリートに対して一般的に位置合わせされた領域において前記基板の前記裏面から前記コーティングを除去し、
前記超高速パルスレーザ及び前記第２のレーザパルスパラメータを用いて、前記基板の前記表面のストリートに対して一般的に位置合わせされた領域において前記基板をスクライビングすること、
を有している方法。
前記基板は、サファイア、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、又はセラミックのうちの１つである、請求項１の方法。
前記超高速パルスレーザは、ファイバレーザ、ダイオード励起固体レーザ、又はガスレーザのうちの１つである、請求項１の方法。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約５６０nm以下の波長を含む、請求項１の方法。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約０．５Ｗから約１０Ｗのレーザパワーを含む、請求項１の方法。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約７５kHzから約１０００kHzのパルス繰り返し率を含む、請求項１の方法。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約７５mm/sから約５００mm/sの走査速度を含む、請求項１の方法。
前記第１のレーザパルスパラメータは、約０pmの焦点スポットオフセットと１パスを含む、請求項１の方法。
前記第２のレーザパルスパラメータは、約０から約−３０pmの焦点スポットオフセットと２パスを含む、請求項１の方法。
前記第１のレーザパルスパラメータは、約１５pmから約５０pmの焦点スポットオフセットと２パスを含む、請求項１の方法。
前記第２のレーザパルスパラメータは、約０pmから約−３０pmの焦点スポットオフセットと１パスを含む、請求項１の方法。
レーザスクライビングシステムを用いて基板上に光電素子をスクライビングするための改良されたシステムであって、前記基板は、ストリートを有する表面と、コーティングのある表面を有する裏面とを備え、前記改良は、
第１及び第２のレーザパルスパラメータを有する超高速パルスレーザを備え、前記第１のレーザパルスパラメータは、前記基板の前記表面のストリートに対して一般的に位置合わせされた領域において前記基板の前記裏面から前記コーティングを除去し、前記第２のレーザパルスパラメータは、前記基板の前記表面のストリートに対して一般的に位置合わせされた領域において前記基板をスクライビングすること、
を有しているシステム。
前記基板は、サファイア、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、又はセラミックのうちの１つである、請求項１２のシステム。
前記超高速パルスレーザは、ファイバレーザ、ダイオード励起固体レーザ、又はガスレーザのうちの１つである、請求項１２のシステム。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約５６０nm以下の波長を含む、請求項１２のシステム。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約０．１Ｗから約１０Ｗのレーザパワーを含む、請求項１２のシステム。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約７５kHzから約１０００kHzのパルス繰り返し率を含む、請求項１２のシステム。
前記第１及び第２のレーザパルスパラメータは、約２０mm/sから約５００mm/sの走査速度を含む、請求項１２のシステム。
前記第１のレーザパルスパラメータは、約０pmの焦点スポットオフセットと１パスを含む、請求項１２のシステム。
前記第２のレーザパルスパラメータは、約０から約−３０pmの焦点スポットオフセットと２パスを含む、請求項１２のシステム。
前記第１のレーザパルスパラメータは、約１５pmから約５０pmの焦点スポットオフセットと２パスを含む、請求項１２のシステム。
前記第２のレーザパルスパラメータは、約０pmから約−３０pmの焦点スポットオフセットと１パスを含む、請求項１２のシステム。