JP4640945B2 - レーザー加工方法 - Google Patents
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Description
本発明は、被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザー加工方法に関する。
半導体デバイス製造工程においては、シリコン基板、サファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板の如き適宜の基板を含むウエーハの表面に格子状に配列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ＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、ウエーハを分割予定ラインに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体デバイスを製造している。
近年、半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する赤外光領域のパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下した分割予定ラインに沿って外力を加えることにより、被加工物を分割するものである。（例えば、特許文献１参照。）
特許第３４０８８０５号公報
而して、上述したレーザー加工方法においては、被加工物の厚さが１００μｍ以下の場合には被加工物の内部に所定深さの変質層を比較的容易に形成することができるが、被加工物の厚さが例えば５００μｍと厚くなると被加工物の内部に所定厚さの変質層を形成することが困難となる。
通常の対物集光レンズによる集光では、レーザー光線は対物集光レンズから焦点距離だけ離れた位置に集光されるが、シリコンウエーハなどの屈折率の高い部材の内部に集光点を持たせる場合、集光点の位置は屈折率倍だけ深くなることが一般的に知られている。例えば、シリコンウエーハ等の屈折率の高い被加工物の内部にレーザー光線が対物集光レンズを通して集光されると、中心部に近い低入射角成分と、対物集光レンズのNA（開放数）に近い外側の高入射角成分では、被加工物の表面での屈折角が異なることに起因して集光点位置が変調する。この変調効果は、レーザー光線が空気層から屈折率の高い物質に侵入したことによる光線の歪み効果と解釈することができる。このため、レーザー光線の集光点の位置を被加工物の深い位置に設定すると、集光点位置の変調によって所定厚さの変質層を形成することが困難となる。
通常の対物集光レンズによる集光では、レーザー光線は対物集光レンズから焦点距離だけ離れた位置に集光されるが、シリコンウエーハなどの屈折率の高い部材の内部に集光点を持たせる場合、集光点の位置は屈折率倍だけ深くなることが一般的に知られている。例えば、シリコンウエーハ等の屈折率の高い被加工物の内部にレーザー光線が対物集光レンズを通して集光されると、中心部に近い低入射角成分と、対物集光レンズのNA（開放数）に近い外側の高入射角成分では、被加工物の表面での屈折角が異なることに起因して集光点位置が変調する。この変調効果は、レーザー光線が空気層から屈折率の高い物質に侵入したことによる光線の歪み効果と解釈することができる。このため、レーザー光線の集光点の位置を被加工物の深い位置に設定すると、集光点位置の変調によって所定厚さの変質層を形成することが困難となる。
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、被加工物の内部にレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができるレーザー加工方法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、レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を対物集光レンズを通して被加工物の内部に集光し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザー加工方法であって、
該レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の該対物集光レンズによる蹴られ損失が２５〜３５％になるように調整してレーザー光線を該対物集光レンズに入光せしめる、
ことを特徴とするレーザー加工方法が提供される。
該レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の該対物集光レンズによる蹴られ損失が２５〜３５％になるように調整してレーザー光線を該対物集光レンズに入光せしめる、
ことを特徴とするレーザー加工方法が提供される。
上記蹴られ損失を３０％に設定することが望ましい。
本発明によるレーザー加工方法は、レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の対物集光レンズによる蹴られ損失が２５〜３５％になるように調整してレーザー光線を対物集光レンズに入光せしめるので、屈折率の高い被加工物であってもレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができる。即ち、ガウシアン分布を有するレーザー光線におけるエネルギーが弱い外周部領域のレーザー光線がカットされ、対物集光レンズの有効領域の外周部に比較的強いエネルギーを有するレーザー光線が入光されて焦点深度の短い焦点に集光されるので、屈折率の高い被加工物であってもレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができる。
以下、本発明によるレーザー加工方法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、本発明によるレーザー加工方法を実施するためのレーザー加工装置の概略構成図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、被加工物であるウエーハ２を保持するためのチャックテーブル３と全体を番号４で示すレーザー光線照射手段とを具備している。
ウエーハ２は、図８に示すように例えば厚さが５００μmのシリコンウエーハからなっており、表面２ａには複数の分割予定ライン２１が格子状に形成されている。そして、ウエーハ２の表面２aには、複数の分割予定ライン２１によって区画された複数の領域に機能素子としての回路２２が形成されている。このように形成されたウエーハ２にレーザー加工を施すには、図９に示すようにウエーハ２の表面２aに回路２２を保護するための保護テープ２０が貼着される。
図１に戻って説明を続けると、チャックテーブル３は、例えば多孔質部材から形成され或いは複数個の吸引孔又は溝が形成された吸着チャック３１を具備しており、該吸着チャック３１が図示しない吸引手段に連通されている。従って、吸着チャック３１上に被加工物であるウエーハ２の表面２aに貼着された保護テープ２０側を載置し、図示しない吸引手段を作動することにより、ウエーハ２はチャックテーブル３上に吸引保持される。このように構成されたチャックテーブル３は、図示しない加工送り手段によって図１において矢印Ｘで示す加工送り方向に移動せしめられるように構成されている。従って、チャックテーブル３とレーザー光線照射手段４は、矢印Ｘで示す加工送り方向に相対的に移動可能である。
レーザー光線照射手段４は、パルスレーザー光線発振手段４１と、出力調整手段４２と、加工ヘッド４３および光路長調整手段４４を具備している。パルスレーザー光線発振手段４１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と繰り返し周波数設定手段とから構成されている。このパルスレーザー光線発振手段４１は、光路長調整手段４４によって図１において左右方向に移動調整可能に構成されている。即ち、パルスレーザー光線発振手段４１が図１において実線で示す位置から２点鎖線で示すように右方に移動すると、パルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の後述する対物集光レンズまでの光路長が増大せしめられる。出力調整手段４２は、上記パルスレーザー光線発振手段４１から発振されたパルスレーザー光線LBの出力を調整する。上記加工ヘッド４３は、図示の実施形態においては方向変換ミラー４３１と集光レンズ４３２とからなっている。方向変換ミラー４３１は、上記出力調整手段４２によって所定の出力に調整されたパルスレーザー光線LBを対物集光レンズ４３２に向けて方向変換する。対物集光レンズ４３２は、方向変換ミラー４３１を経由したパルスレーザー光線LBを集光し、チャックテーブル３に保持されたウエーハ２に向けて照射する。
以上のように構成されたレーザー光線照射手段４は、図２に示すように対物集光レンズ４３２に入光するパルスレーザー光線LBの径Dが、対物集光レンズ４３２の瞳と呼ばれる焦点を結ぶ領域（有効領域）Eより大きくなるように設定されている。従って、パルスレーザー光線LBは、対物集光レンズ４３２の有効領域Eの外側の領域Fが蹴られ損失となる。即ち、パルスレーザー光線LBは、図３に示すようにガウシアン分布の裾野の部分が蹴られ、比較的強い光が対物集光レンズ４３２の有効領域Eの外周部から集光される。なお、図示の実施形態においては、上記蹴られ損失が２５〜３５％となるように設定されている。
上記蹴られ損失の割合を調整するには、パルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の対物集光レンズ４３２までの光路長を変更することによって調整することができる。即ち、パルスレーザー光線発振手段４１から発振されるパルスレーザー光線LBは、下流側に行くに従って僅かに（０．０５度程度）末広がりになる性質があるため、光路長が長くなるほど径が増大する。従って、図１に示す実施形態においては、パルスレーザー光線発振手段４１を図１において右方に移動すると光路長が長くなるので対物集光レンズ４３２に入光するパルスレーザー光線LBの径Dが大きくなり、蹴られ損失が増大する。
パルスレーザー光線発振手段４１から対物集光レンズ４３２までの光路長を変更する光路長調整手段の他の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４に示す光路長調整手段４５は、第１の方向変換ミラー４５１と、第２の方向変換ミラー４５２と、第３の方向変換ミラー４５３と、第４の方向変換ミラー４５４と、第１の方向変換ミラー４５１と第２の方向変換ミラー４５２との間に配設された第１の光路調整ミラー手段４５５と、第３の方向変換ミラー４５３と第４の方向変換ミラー４５４との間に配設された第２の光路調整ミラー手段４５６とからなっている。第１の方向変換ミラー４５１は、上記パルスレーザー光線発振手段４１から発振され出力調整手段４２によって所定の出力に調整されたパルスレーザー光線LBを第１の光路調整ミラー手段４５５に向けて方向変換する。
図４に示す光路長調整手段４５は、第１の方向変換ミラー４５１と、第２の方向変換ミラー４５２と、第３の方向変換ミラー４５３と、第４の方向変換ミラー４５４と、第１の方向変換ミラー４５１と第２の方向変換ミラー４５２との間に配設された第１の光路調整ミラー手段４５５と、第３の方向変換ミラー４５３と第４の方向変換ミラー４５４との間に配設された第２の光路調整ミラー手段４５６とからなっている。第１の方向変換ミラー４５１は、上記パルスレーザー光線発振手段４１から発振され出力調整手段４２によって所定の出力に調整されたパルスレーザー光線LBを第１の光路調整ミラー手段４５５に向けて方向変換する。
上記第１の光路調整ミラー手段４５５は第１のミラー４５５aと第２のミラー４５５bとからなっており、図４において上下方向に移動調整可能に構成されている。このように構成された第１の光路調整ミラー手段４５５は、第１の方向変換ミラー４５１によって方向変換されたパルスレーザー光線LBを第１のミラー４５５aによって第２のミラー４５５bに向けて方向変換し、更に第２のミラー４５５bによって上記第２の方向変換ミラー４５２に向けて方向変換する。なお、第１の光路調整ミラー手段４５５は、図４において実線で示す位置から２点鎖線で示す位置に移動することによりパルスレーザー光線LBの光路長を長くすることができる。
上記第２の方向変換ミラー４５２は、上記第１の光路調整ミラー手段４５５を経由したパルスレーザー光線LBを第３の方向変換ミラー４５３に向けて方向変換する。第３の方向変換ミラー４５３は、第２の方向変換ミラー４５２を経由したパルスレーザー光線LBを第２の光路調整ミラー手段４５６に向けて方向変換する。第３の光路調整ミラー手段４５６は上記第１の光路調整ミラー手段４５５と同様に第１のミラー４５６aと第２のミラー４５６bとからなっており、図４において上下方向に移動調整可能に構成されている。このように構成された第２の光路調整ミラー手段４５６は、第３の方向変換ミラー４５３を経由したパルスレーザー光線LBを第１のミラー４５６aによって第２のミラー４５６bに向けて方向変換し、更に第２のミラー４５６bによって上記第４の方向変換ミラー４５４に向けて方向変換する。なお、第２の光路調整ミラー手段４５６は、図４において実線で示す位置から２点鎖線で示す位置に移動することによりパルスレーザー光線LB光路長を長くすることができる。
上記第４の方向変換ミラー４５４は、上記第２の光路調整ミラー手段４５６を経由したパルスレーザー光線LBを上記加工ヘッド４３に向けて方向変換する。
次に、図１に示すようにチャックテーブル３に保持されたウエーハ２の内部に分割予定ライン２１に沿って変質層を形成する変質層形成工程について説明する。
ウエーハ２を保持したチャックテーブル３を図示しない加工送り手段によってレーザー光線照射手段４の加工ヘッド４３が位置するレーザー光線照射領域に移動し、図５の（ａ）に示すように所定の分割予定ライン２１の一端（図５の（ａ）において左端）を加工ヘッド４３の直下に位置付ける。そして、加工ヘッド４３からウエーハ２に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３即ちウエーハ２を図５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５の（ｂ）で示すように加工ヘッド４３の照射位置がウエーハ２の他端（図５の（b）において右端）の位置に達したら、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３即ちウエーハ２の移動を停止する。この変質層形成工程においては、パルスレーザー光線の集光点Ｐをウエーハ２の表面１０ａ（下面）付近に合わせる。この結果、ウエーハ２の表面２ａ（下面）に露出するとともに表面２ａから内部に向けて変質層２１０が形成される。この変質層２１０は、溶融再固化層として形成される。
ウエーハ２を保持したチャックテーブル３を図示しない加工送り手段によってレーザー光線照射手段４の加工ヘッド４３が位置するレーザー光線照射領域に移動し、図５の（ａ）に示すように所定の分割予定ライン２１の一端（図５の（ａ）において左端）を加工ヘッド４３の直下に位置付ける。そして、加工ヘッド４３からウエーハ２に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３即ちウエーハ２を図５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５の（ｂ）で示すように加工ヘッド４３の照射位置がウエーハ２の他端（図５の（b）において右端）の位置に達したら、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３即ちウエーハ２の移動を停止する。この変質層形成工程においては、パルスレーザー光線の集光点Ｐをウエーハ２の表面１０ａ（下面）付近に合わせる。この結果、ウエーハ２の表面２ａ（下面）に露出するとともに表面２ａから内部に向けて変質層２１０が形成される。この変質層２１０は、溶融再固化層として形成される。
上記変質層形成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。
波長： １０６４nm
出力： １W
繰り返し周波数： １００kHz
パルス幅： ４０ns
集光スポット： およそφ１μｍ
対物集光レンズのNA： ０．７
対物集光レンズの焦点距離： ２mm
レーザー光線LBの出射時の径： φ５００μm
加工送り速度： １００ｍｍ／秒
波長： １０６４nm
出力： １W
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集光スポット： およそφ１μｍ
対物集光レンズのNA： ０．７
対物集光レンズの焦点距離： ２mm
レーザー光線LBの出射時の径： φ５００μm
加工送り速度： １００ｍｍ／秒
ここで、上記蹴られ損失と変質層の厚さとの関係について説明する。
厚さ６００μmのシリコンウエーハにレーザー光線LBの出力を一定とする条件で、パルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置をシリコンウエーハにおけるレーザー光線LBの入射面（上面）から５３０μmの位置に設定し、上述した変質層形成工程同様の加工条件で上記蹴られ損失の割合を変えて変質層を形成する実験を実施した。この実験においては、パルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の集光レンズ４３２までの光路長を４００〜９００mmの範囲で変化させることにより、パルスレーザー光線LBにおける対物集光レンズ４３２の瞳（有効領域）から外側の蹴られ割合を調整した。図６は、この実験によって形成された変質層の厚さを測定した結果を示すグラフである。図６において、横軸は蹴られ損失（％）、縦軸は変質層の厚さ（μm）である。
厚さ６００μmのシリコンウエーハにレーザー光線LBの出力を一定とする条件で、パルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置をシリコンウエーハにおけるレーザー光線LBの入射面（上面）から５３０μmの位置に設定し、上述した変質層形成工程同様の加工条件で上記蹴られ損失の割合を変えて変質層を形成する実験を実施した。この実験においては、パルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の集光レンズ４３２までの光路長を４００〜９００mmの範囲で変化させることにより、パルスレーザー光線LBにおける対物集光レンズ４３２の瞳（有効領域）から外側の蹴られ割合を調整した。図６は、この実験によって形成された変質層の厚さを測定した結果を示すグラフである。図６において、横軸は蹴られ損失（％）、縦軸は変質層の厚さ（μm）である。
図６に示す実験結果から、対物集光レンズ４３２での蹴られ損失が０％では変質層が形成されず、蹴られ損失が１０％付近から変質層の厚さが急激に増大し、蹴られ損失が３０％付近で変質層の厚さが６０μmを超え最大となり飽和する傾向を示すことが判った。従って、蹴られ損失を２５〜３５％に設定することにより、略６０μmの厚さの変質層を形成することができる。一方、蹴られ損失が０％の条件で変質層の厚さを６０μm形成するには、レーザー光線LBの出力を２．５Wにまで高める必要があることが判った。このことは、蹴られによる損失よりも、高入射角成分の割合を増大させることによる集光点付近の集光性能の向上の効果が勝ることを示唆している。即ち、蹴られ損失を３０％程度に設定すると、ガウシアン分布を有するレーザー光線におけるエネルギーが弱い外周部領域のレーザー光線がカットされ、対物集光レンズ４３２の有効領域の外周部に比較的強いエネルギーを有するレーザー光線が入光されて焦点深度の短い焦点に集光されるので、屈折率の高い被加工物であってもレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができる。
次に、上記蹴られ損失とパルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置に対する変質層の厚さとの関係について説明する。
図７は、上記蹴られ損失を３０％にした場合と、蹴られ損失が１０％の場合におけるパルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置とシリコンウエーハに形成される変質層の厚さを実験的に測定した結果を示すグラフである。なお、蹴られ損失が３０％の場合におけるパルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の集光レンズ４３２までの光路長は９００mm、蹴られ損失が１０％の場合におけるパルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の集光レンズ４３２までの光路長は４５０mmであった。この実験においてパルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置は、対物集光レンズ４３２とチャックテーブル３の間隔を変化させることにより調整した。なお、パルスレーザー光線LBの照射条件は、上述した変質層形成工程と同様とした。
図７は、上記蹴られ損失を３０％にした場合と、蹴られ損失が１０％の場合におけるパルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置とシリコンウエーハに形成される変質層の厚さを実験的に測定した結果を示すグラフである。なお、蹴られ損失が３０％の場合におけるパルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の集光レンズ４３２までの光路長は９００mm、蹴られ損失が１０％の場合におけるパルスレーザー光線発振手段４１から加工ヘッド４３の集光レンズ４３２までの光路長は４５０mmであった。この実験においてパルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置は、対物集光レンズ４３２とチャックテーブル３の間隔を変化させることにより調整した。なお、パルスレーザー光線LBの照射条件は、上述した変質層形成工程と同様とした。
図７に示すように、上記蹴られ損失が３０％の場合には、パルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置に関係なく略６０μmの厚さの変質層が形成されることが判った。一方、上記蹴られ損失が１０％の場合、パルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置が入射面から１００μm程度の位置では９０μm程度の厚さの変質層が形成されるが、パルスレーザー光線LBの集光点Ｐ位置が入射面から４００μm程度になると殆ど変質層が形成されないことが判った。
２：ウエーハ
２０：保護テープ
３：チャックテーブル
４：レーザー光線照射手段
４１：パルスレーザー光線発振手段
４２：出力調整手段
４３：加工ヘッド
４３１：方向変換ミラー
４３２：対物集光レンズ
４４：光路長調整手段
４５：光路長調整手段
４５１：第１の方向変換ミラー
４５２：第２の方向変換ミラー
４５３：第３の方向変換ミラー
４５４：第４の方向変換ミラー
４５５：第１の光路調整ミラー手段
４５６：第２の光路調整ミラー手段
２０：保護テープ
３：チャックテーブル
４：レーザー光線照射手段
４１：パルスレーザー光線発振手段
４２：出力調整手段
４３：加工ヘッド
４３１：方向変換ミラー
４３２：対物集光レンズ
４４：光路長調整手段
４５：光路長調整手段
４５１：第１の方向変換ミラー
４５２：第２の方向変換ミラー
４５３：第３の方向変換ミラー
４５４：第４の方向変換ミラー
４５５：第１の光路調整ミラー手段
４５６：第２の光路調整ミラー手段
Claims (2)
- レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を対物集光レンズを通して被加工物の内部に集光し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザー加工方法であって、
該レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の該対物集光レンズによる蹴られ損失が２５〜３５％になるように調整してレーザー光線を該対物集光レンズに入光せしめる、
ことを特徴とするレーザー加工方法。 - 該蹴られ損失を３０％に設定する、請求項１記載のレーザー加工装置。
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