JP5073485B2 - 工作物のレーザ加工 - Google Patents

Description

本発明は、液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法であって、レーザ放射を含む液体ジェットが工作物の表面上に送られて工作物の作業点が加工される、液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法に関する。本発明はさらに、工作物の表面に送ることができるレーザ放射を用いて工作物を加工する装置であって、工作物の作業点を加工することができ、レーザ放射を液体ジェット中に入射させ案内する、工作物の表面に送ることができるレーザ放射を用いて工作物を加工する装置に関する。

［従来技術］
レーザ放射は、特に工業において、多くの異なる方法で、例えば金属、プラスチック、さらにはセラミックス等の多種多様な材料を加工するのに用いることができる。加工は、切断、穴あけ、及び溶接から材料の除去又はマーキングに及ぶ。

通常、レーザ放射による工作物の加工では、工作物から材料が除去される。この場合、噴出物として知られる小さな材料粒子が生じ、これらは工作物の表面において再び定着又は溶融する。工作物及び／又は工作物表面の、又は噴出物の性質に応じて、これらが再び互いに緊密に結合する可能性がある。工作物の表面上のこれらの堆積物は、最終製品の特性に悪影響を及ぼす可能性があるため、通常は望ましくない。したがって、可能な限り、続いて再び高額をかけてこれらを除去しなければならない。さらに、レーザ放射による加工中、通常は工作物が加熱されるが、これも同様に工作物にとって望ましくない結果を伴う可能性がある。

ＷＯ／９５３２８３４は、光ガイドとしての役割を果たす液体ジェットにレーザ放射を入射させる装置を開示している。結果として、レーザ放射のエネルギーを作業点に送ることができるだけでなく、それと同時に液体が工作物の加工領域を効率的に冷却する冷却液としての役割を果たす。さらに、レーザ放射による加工中に生じる蒸気、粒子、及びエアロゾルを拘束又は防止することができる。しかしながら、レーザ放射を入射させる液体ジェットの液体量は、加工中に生じる噴出物を完全に洗い落とすには不十分である。

米国特許第３，９９１，２９６号は、レーザを用いてウェハを加工及び分割するさらなる装置を開示している。加工残渣がウェハに付着するのを防止するために、透明ガラス板を用いてウェハの真上に、脱イオン水が流れる閉じた隙間が形成される。ウェハに送られるレーザ光線は、ガラス板及び水層を透過してからウェハを切断し、その一方で水は、この場合に生じる残渣を冷却することで、残渣がウェハに付着するのを防止することが意図される。すると、切断後にこれらの残渣は単に洗い落とされ、これには低い超音波を用いるだけでよい。

この装置の欠点は、レーザ光線が鋭さ及びエネルギーの両方を失うようにウェハ上の水層がレーザ放射を妨害する（屈折、拡散、減衰）ため、工作物を効率的に加工することができないか又はできなくなることである。さらに、記載の方法では、ガラス板が切断ガスの使用を不可能にするため、加工中に生じた溶融物を加工領域から排出することが困難であるか、又は不可能でさえもある。最後に、水層があるにもかかわらず、最終製品のその後の洗浄が必要である。

米国特許出願第２００３／１２９８１４号は、レーザ光線を用いて半導体素子を加工するさらなる方法を記載している。残渣上でレーザ光が拡散しないようにするために、シリコン基板が斜めに傾けられて水で洗い流される。結果として、作業点の周りの残渣が洗い落とされ、同時に基板の冷却が行われる。

この方法でも、レーザ光線が水層によって拡散及び減衰されるため、シリコン基板の加工を実行することが困難になるか、又は不可能にさえなる。さらに、この場合も、溶融物を押し退ける切断ガスを用いることができないため、溶融物をシリコン基板上の加工領域から排出することが不可能である。

［発明の提示］
本発明の目的は、既知の方法の上記欠点を回避し、特に、レーザ放射を用いて工作物を効率的に加工すること、及び主に加工中に生じる噴出物が工作物表面上に堆積するのを防止することを可能にする、冒頭に述べた技術分野に属する方法を提供することである。

この目的を果たすための解決手段は、「液体ジェット（７）中に入射及び案内されるレーザ放射（６）を用いて工作物（２）を加工する方法であって、該レーザ放射を含む該液体ジェット（７）が該工作物の表面（５）に送られて該工作物の作業点（８）が加工され、流動液体層（９）が、液体を用いて該工作物の該表面上に、該作業点（８）の周りの作業領域（１０）において１ミリメートル未満、特に０．０１ミリメートル乃至０．５ミリメートルの厚さを有するように生成されることを特徴とする、液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法」という特徴によって定義される。液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法であって、レーザ放射を含む液体ジェットが工作物の表面上に送られて工作物の作業点が加工される、液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法において、本発明によれば、流動液体層が、液体、例えば水を用いて工作物の表面上に、作業点の周りの作業領域において１ミリメートル（ｍｍ）未満、特に０．０１ｍｍ乃至０．５ｍｍの厚さを有するように生成される。

レーザ放射は、レーザ放射用の光線ガイドとしての役割を果たす液体ジェット中に入射されるため、レーザ放射を用いて工作物表面上の薄い液体層を妨げられずに透過することが初めて可能になる。ＷＯ／９５３２８３４から既知であるように、液体ジェットは高速である。結果として、液体ジェットの周囲及びジェットの表面上にある空気は、ジェットに連行される。液体ジェットが工作物の表面上の薄い液体層に衝突すると、続いてジェットが、連行空気とともに作業点の液体層を変位させることにより、工作物の表面上にレーザ放射を案内する。結果として、レーザ放射は鋭いままであり、薄い液体層によって屈折させられることもなければ、拡散も減衰もさせられることがなく、工作物を効率的に加工することができる。この液体層の厚さが最大でも１ｍｍの指定値を超える場合、液体ジェットがあったとしても、レーザ放射が妨げられることなく液体層を透過することは困難である。その場合、工作物の効率的且つ正確な加工はもはや不可能である。工作物表面上の液体層は、作業点の周り全体で、レーザ放射による工作物の加工中に生じる噴出物を冷却して工作物表面上に定着できなくするという効果を有する。液体層は、冷却された噴出物を即座に洗い落とす。さらに、液体ジェットは、加工中に生じる溶融物を加工領域から効率的に押し退けるため、切断ガスの使用が不要になる。同時に、それにより、加工物の作業点、特に切断縁のさらに良好な冷却を得ることができる。液体ジェットが適切に形成されると、最長１００ミリメートルの長くコンパクトなレーザ光線長をこのように得ることができる。この技法により、レーザ放射の焦点を辿らずに、事実上垂直な側壁を有するさらに狭く深い切断部及び穴が可能になる。蒸気及び臭気もより効果的に拘束することができる。

工作物表面上の液体層が低速で流れるか、さらには静止している場合、噴出物が十分に冷却されて完全に洗い落とされる保証はなくなる。さらに、液体層の厚さは、１ｍｍ未満の所望の範囲で制御することが困難にならざるを得ない。したがって、工作物表面上の液体層は、作業領域において射流状態で流れるように生成されることが好ましい。これにより、１ｍｍ未満の厚さを有する安定した薄い液体層を得ることが可能になる。さらに、液体層の厚さをより効果的に制御することができ、高く安定した流速により、噴出物を効率的に冷却して洗い流すことができるため、清浄な工作物表面が得られるとともに、その後の洗浄が不要になる。

「射流」という用語は、液体の流体力学で明確に定義されている。これは、フルード数ＦＲに関連し、フルード数は、流動（平坦）液体の場合、液体の流速ｖ対重力波すなわち液体表面上の表面波の伝播速度（波速）ｃの比として定義され、ＦＲ＝ｖ／ｃである。波速ｃ自体は、重力加速度ｇと液体高さｈとの積の平方根として表され、ｃ＝√(ｇ×ｈ)である。したがって、フルード数は、ＦＲ＝ｖ／√(ｇ×ｈ)となる。すなわち、液体は、フルード数が１よりも大きい場合に射流状態で移動する。フルード数が０乃至１である場合、液体は常流状態で流れる。したがって、停滞水では、フルード数は０に等しい。

しかしながら、液体層の生成では、流動条件に従わなければならない。一方では、作業点における液体層の厚さは、すでに述べたように厚すぎてはならない。それは、正確には、厚すぎると、レーザ放射を入射させる液体ジェットが液体層を通過している途中で妨害され、レーザ放射が液体ジェットから分離されるため、大きく拡散しすぎるからである。他方では、工作物表面のいかなる領域も乾燥しないことで、溶融材料粒子又は外殻が溶融した粒子が液体層を貫通しないように、液体層の厚さは薄すぎてもならない。

実際の用途に応じて、液体層に関する上記の要件は相互排他的であり得る。正確には、液体層の全厚がほぼ同じである場合、レーザ放射が依然として通過するような液体層の最大許容厚さは、工作物表面が所々で乾燥しないようにするのに必要な最小厚さよりも薄い。正確には、堆積物が生じ得ないことを確実にするのに十分な厚さの液体層を生成した場合、レーザ放射は液体層を通過しなくなる。しかしながら、レーザ放射が十分なパワーで通過することを確実にするほど十分に薄くなるように液体層の厚さが選択される場合、作用を受ける工作物の表面領域が液体で常に洗い流されることは保証されなくなる。

したがって、液体層は、その厚さが全体にわたって等しくないように生成することが有利である。本発明の好ましい一実施の形態では、液体層は、以下で作業領域と呼ぶ作業点の周りの領域の厚さが作業領域の外側における厚さよりも薄いように生成される。作業領域における液体層の厚さは、以下では第１の厚さと呼び、さらに上述したように、１ｍｍ未満である。作業領域の外側における液体層の厚さは、第２の厚さと呼び、１ｍｍを超える、特に１ｍｍ乃至５ｍｍであることが好ましい。

このとき、工作物の表面上には、作業領域の外側よりも加工点の領域の方が薄い液体層が形成されるため、両方の要件を同時に的確に満たすことができる。作業領域、特に作業点では、液体層の厚さは、十分なレーザパワーを工作物表面に施すことができるように選択される。作業領域の外側における液体層の厚さは、工作物表面のいかなる領域も乾燥しないように、また部分的に液体又は固体状態の液体中のいかなる材料粒子も液体層を透過できないように選択される。同時に、工作物を冷却する液体層が、工作物の表面上の加工される領域に常に位置することも確実になる。工作物の加工中に生じる蒸気及び臭気も同様に、効果的に拘束することができる。作業領域における液体層の厚さが薄いため、光マッピング条件は、影響を受けることも損なわれることもなく、そのようなことがあったとしてもわずかである。

例えば油、特にシリコン群からの油、又は液体繊維で用いられるような液体等、多種多様な液体を、液体層を生成するために用いることができる。通常、レーザ放射を入射させる液体ジェットと同じ液体が、液体層を生成するのに用いられる。有利には、事実上どこでも入手可能であり、得やすく、且つ油とは異なり通常、環境的に中性であるとみなされる水が用いられる。

液体層を生成するのに用いられる水は、加工の材料又はタイプに応じて浄化及び／又は脱イオン処理することもできる。これにより、水、又は例えば溶解塩等の水中の任意の成分によって工作物が汚染されるのを防止することも可能になる。例えば炭酸ガス（ＣＯ_２）を導入することで、水を（例えば、浄水及び／又は脱イオン水も）導電性にすることも可能になる。これは特に、噴出物が帯電している場合、及び／又は逃がすべき静電電圧が材料の加工中に生じる場合に有用である。

例えば導電性の水等の導電性液体の使用にはさらなる利点がある。静電電圧に敏感な部品、例えば、ウェハから切り出された超小型電子チップは、正確には、導電性液体の使用によって静電荷から保護され得る。これは、このような電荷が液体層によって消滅させられるからである。

本発明による方法は、ウェハの加工に用いられることが好ましい。本方法は、通常は複数の個別チップが製造されるシリコン・ウェハから個別チップを切り出すために用いられることが特に好ましい。鋸を用いるウェハの分割と比較して、水ジェット中に案内されるレーザによる加工中にウェハが受ける熱応力及び機械応力を大幅に減らすことができる。これにより、不良品の数が減り、製造の効率を高めることができる。

しかしながら、本発明は、任意の他の工作物の加工にも適している。加工の種類は、材料の切断及び穴あけからマーキング、材料の除去、又は例えば粗面仕上げ、構造化、又は工作物表面の薄層の除去等の表面処理まで及ぶ。半導体材料に加えて、例えば金属（鋼、合金鋼、非鉄金属材料）だけでなく、プラスチック、セラミックス、又は生物材料及び織物等、事実上全ての他の材料も加工に適している。

工作物が乾燥しないようにするためには、液体層の十分な厚さ、すなわち特定の最小厚さを確保すれば基本的に十分であろう。できる限り効果的に工作物の乾燥を防止するために、本発明の有利な設計の変形形態では、例えば供給され且つ／又は流出する液体量を変えることで、液体層の第２の厚さが調節される。流出する水量に影響を及ぼすために、例えば、工作物ホルダ、さらには工作物自体が特殊形状を有する場合がある。工作物ホルダは、例えば、その縁が工作物よりも高い位置にあるように設計され得るため、流出する液体は所望の高さで堰き止められる（凸状表面）。対照的に、表面が凹状形態を有する場合、液体の流出はより急速になり、液体層は薄くなる。

しかしながら、用途に応じて、液体に加えられる表面張力に影響を及ぼす、すなわち表面張力を増減させる物質を液体に含むことで、液体層の厚さに影響を及ぼすことも好ましい。液体層の厚さは、表面張力が増大すると厚くなる。用いられる液体に応じて、これらは様々な物質であり得る。例えば、水が用いられる場合、表面張力を減少させるために界面活性剤が加えられ得る。

液体層の生成は、基本的に様々な方法で行うことができる。これは例えば、まず規則的な厚い層を生成して、例えば作業点の領域に空気ジェットを送ることによってその領域の厚さを薄くすることで、行うことができる。空気ジェットの流速及び圧力が適切に選択されている場合、これによって液体のうち作業点における部分が変位することにより、作業領域においてより薄い液体層が得られる。しかしながら、この変形形態では、このようにして生成された薄い液体層は不規則性を有する場合があり、これは工作物の望ましくない不規則な加工につながる可能性がある。液体が、作業領域、特に作業点において射流状態で流れるという保証も同様に少なくなる。さらに、液体ジェット及びそれに入射するレーザ放射も、このような空気流によって妨害される可能性がある。

好ましい一変形形態では、液体層は、第１の液体供給装置、例えばノズル又は管を用いて生成される。液体層は、液体が工作物の作業点の付近に当てられるように生成される。これに関連して、当てられる液体ジェットについて後述するが、この用語は、任意の断面を有する個別の液体ジェット又は複数の個別ジェットを包含するものとする。すなわち、この用語は、円形断面を有する液体ジェットのみを意味するのではないと理解すべきである。例えば噴出ノズル又は扇形ノズルによって生成されるような液体カーテンも、この用語に包含されるものとする。

このような液体ジェットが工作物表面に衝突すると、表面上の液体が半径方向に流出し、衝突点からの距離が遠くなるにつれて流速が低下する。層は、衝突点付近で最高の流速及び最小の層厚を有する。衝突点からの距離が遠くなって流速が臨界速度を下回った場合、液体層の厚さは厚くなる。

本発明のさらなる好ましい実施の形態では、第２の液体供給装置、例えば１つ又は複数のノズルが、液体層を生成するのに用いられる。第２の液体供給装置は、第２の厚さの緩慢で規則的な液体層が工作物の表面上で生じるように設計され、「緩慢」という用語は、この文脈では、この液体層が流れてはいるが低い流速を有することを意味する。２つの液体供給装置は、個別に用いても組み合わせて用いてもよい。これらが個別に用いられる場合、大抵の場合、均一な厚い液体層が生成される。

しかしながら、有利には、２つの液体供給装置が同時に用いられる。すなわち、第２の液体供給装置を用いて第２の厚さの緩慢な液体層が生成され、それと同時に第１の液体供給装置を用いて、液体層の厚さを作業領域における第１の厚さまで減らすために上述のように工作物の作業点の付近に液体ジェットが当てられる。この液体ジェットは、液体層の流れが作業領域の外側よりも作業領域において高速になるように、液体層の流動挙動に影響を及ぼす。再び、この結果として、作業領域の外側では液体層が本質的に影響を受けないまま、作業領域における液体層の高さが低くなる。

この場合、液体ジェットの特性、特に工作物表面に対するその衝突角度及びその貫流量は、液体が作業点の周りの作業領域では射流状態で、この領域の外側では常流状態で移動するように液体層の流動挙動に影響を及ぼすように選択される。液体ジェットが液体層に衝突するため、この領域では液体層の流動平衡が妨害され、液体が、工作物表面上の液体ジェットの衝突点の周りに射流状態で流出する。この射流状態の移動は、衝突点の周りの特定の領域で維持された後で、事実上急激に液体の常流状態の移動に移行する。射流状態の移動から常流状態の移動への、又はその逆のこの多少急激な変化は、跳水と呼ばれる。

液体ジェットの特性、したがって作業領域のサイズ及び作業領域における液体層の第１の厚さに影響を及ぼすパラメータは数多くある。この目的に適したパラメータは、特に、その直径、緩慢な液体層に対するその衝突角度、又は断面にわたって液体ジェットの速度及び入口圧力に関連付けられるその貫流量である。作業領域のサイズ及び作業領域における液体層の第１の厚さを調節するために、これらのパラメータの基本的に全てを所望に応じて実際に変えることができる。

しかしながら、通常、液体ジェットの断面は、工作物の加工中に不変に維持されるため、常流と射流との間の液体の移行、したがって作業領域のサイズ及び液体の第１の厚さも、液体ジェットの衝突角度及び貫流量を変えることによって調節されることが好ましい。

液体ジェットの断面は、当然ながら、例えば加工中断中にノズル又は管を断面の大きさの異なる別のノズル又は別の管と交換することで、変えることもできる。

すでに述べたように、上述のパラメータは、原理上ほぼ所望に応じて変えることができる。液体ジェットの衝突角度、すなわち液体層の通常は水平な表面と液体ジェットとの間の衝突点に形成される角度は、事実上所望に応じて、例えば０°乃至９０°で選択することができる。（緩慢な）液体層がすでに存在する場合、原理上、液体ジェットを液体層に上方から当てるのではなく、事実上表面の下方に供給することさえ可能である。しかしながら、これらの例では、作業領域において所望の射流を得ることが困難である。

水ジェットの貫流量（単位時間当たりの液体量として定義される）も、事実上所望に応じて、例えば１ミリリットル／分等の非常に少ない貫流量から例えば１０リットル／分等の非常に多い貫流量まで選択することができる。液体ジェットの断面も、原理上、非常に小さな直径、例えば０．０１ミリメートルから非常に大きな直径、例えば最大５０ミリメートル、さらには１００ミリメートルまで選択することができる。

しかしながら、液体の射流状態及び常流状態の移動を伴う所望の流動条件を得るために、本発明の好ましい一実施の形態では、貫流量が２０ミリリットル／分乃至５００ミリリットル／分である場合に直径が０．５ミリメートル乃至４ミリメートルであると同時に、４５°乃至９０°の衝突角度で上方から液体層に当てられるように、液体ジェットが生成される。

本発明による装置は、「工作物（２）の表面（５）に送ることができるレーザ放射（６）を用いて該工作物を加工する装置（１）であって、該工作物の作業点（８）を加工することができ、該レーザ放射を液体ジェット（７）中に入射させ案内し、該工作物の該表面上に流動液体層（９）を生成する手段（２１）を備え、該手段は、該液体層（９）が該作業点（８）の周りの作業領域（１０）において１ミリメートル未満、特に０．０１ミリメートル乃至０．５ミリメートルの厚さを有するように設計されることを特徴とする、工作物の表面に送ることができるレーザ放射を用いて工作物を加工する装置」という特徴によって定義される。工作物の表面上に送られるとともに液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を生成する手段に加えて、本発明による装置は、工作物の表面上に流動液体層を生成する手段を備え、当該手段は、液体層が作業点の周りの作業領域において１ミリメートル未満、特に０．０１ミリメートル乃至０．５ミリメートルの厚さを有するように設計される。

すでに述べたように、これらの液体層を生成する手段は、これにより生成された液体層が作業領域において射流状態で流れ、液体層の厚さが１ｍｍの最大厚さ未満であるように設計されることが好ましい。

これらの液体層を生成する手段は、さらに、好ましくは、作業点の周りの作業領域において生成された液体層の第１の厚さが、この作業領域の外側の液体層の第２の厚さよりも薄いように設計される。すでに述べたように、第２の厚さは１ｍｍを超え、好ましくは１ｍｍ乃至５ｍｍである。

本発明による装置のさらなる好ましい実施の形態では、本発明は第２の液体供給装置を備える。これは、工作物の表面上に第２の厚さを有する緩慢な液体層を生成する役割を果たす。このようにして生成された液体層は、本質的に等しい全厚を有する液体層として不変に維持されるか、又はすでに上述したように、液体層の射流領域が、上記液体ジェットが作業点の付近における液体層に当てられることで生成される。

本装置は、複数の材料を加工するように、且つ複数の加工タイプを実行するように設計することができる。しかしながら、この種の装置の好ましい使用分野は、ウェハの加工、特にシリコン・ウェハからの複数のチップの切り出しである。

液体層を生成するために、本装置は、好ましくは、液体を工作物の作業点の付近に当てることができるように設計される第１の液体供給装置を備える。この第１の液体供給装置もまた、一方では工作物表面上に均一な厚い又は薄い液体層を生成するのに用いることができる。他方では、これは、第２の液体供給装置とともに、上述のように作業領域及びその外側において異なる厚さを有する液体層を生成するのに用いることもできる。

この第１の液体供給装置は、工作物表面に対する衝突角度及び貫流量を変えることができる液体ジェットを生成することができるように設計されることが有利である。結果として、液体ジェットは、作業領域では射流状態であり作業領域の外側では常流状態であるように流動移動する液体層を生成することができるように変えることができる。

本発明のさらなる有利な実施の形態及び特徴の組み合わせは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲全体から得ることができる。

図中、同一の部品には基本的に同じ参照符号が付してある。

［発明の実施の方法］
図１は、工作物、本例ではウェハ２を加工する、本発明による装置１の一部の概略図を示す。ウェハは、複数の集積回路が既知の方法で製造されたシリコンディスクである。この場合、ウェハ２の加工は、チップ３とも呼ばれる回路をウェハ２から切り出すことを含む。この種のウェハは一般に、円形であり、約数十乃至数百ミリメートルの直径及び数十乃至数百マイクロメートルの範囲の厚さを有する。

ウェハ２は、支持台４上に固定される。ウェハ２は、例えば差圧を用いて、支持台４の上下で支持台に保持される。例えば、支持台４の上には雰囲気圧又は大気圧がある。支持台４の下では、多少の負圧を発生させる。支持台４自体には通気性が与えられる、例えば多孔質であるため、ウェハ２はいわばその表面に吸着されて保持される。それに加えて、又はその代わりに、接着フィルムを用いてウェハ２を支持台４に接着してもよく、その場合、フィルムにも適切な場合は通気性が与えられる。

ウェハ２の切断には、レーザ光線６、例えば波長が１．０６マイクロメートルでパワーが１００ワットのＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。実際の用途に応じて、レーザパワーは、当然ながら数ワットからキロワットの範囲まで変えることもできる。用途のタイプに応じて、異なるレーザを同様に用いてもよい。レーザ光線６は、ウェハ２の表面５上の作業点８に送られ、これにより、既知の方法で作業点８におけるウェハ材料が除去され、所望であれば最終的にウェハ２が完全に切断される。ウェヘア２を切断するために、レーザ光線６及びウェハ２を互いに対して移動させるが、これは、ウェハ２を固定してレーザ光線６を変位させるか、レーザ光線６を固定してウェハ２を変位させるか、又はレーザ光線６及びウェハ２の両方を変位させることによって行われ得る。

図１に示す例では、レーザ光線６は、レーザ光線６用の光ガイドとしての役割を果たす液体ジェット７中に既知の方法で入射させる。液体ジェット７は、数バール乃至数千バールの範囲、好ましくは５０バール乃至１０００バールの範囲の圧力で発生される。液体ジェット７の直径は、サブミリメートル範囲、通常は５マイクロメートル乃至５００マイクロメートル、好ましくは２０マイクロメートル乃至１００マイクロメートルである。

特にＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる場合、液体ジェット７は、水を用いて発生させることが好ましく、適切な場合、ジェット特性に影響を及ぼすためにこれに他の物質を混合させる。しかしながら、水のほかに、他の導電性又は非導電性液体を用いることもできる。油、特にシリコン油も、例えば液体ジェット７を発生させるのに適している。

レーザ放射の吸収は、液体のタイプに厳密に応じて変わり得るため、液体の選択は用いられるレーザにも関連する。すなわち、液体ジェット７に用いられる液体が、用いられるレーザ放射を全く又はわずかにしか吸収しないことを確実にするよう配慮しなければならない。

次に、本発明によれば、ウェハ２又はチップ３の表面５上に液体層９が生成され、これは、作業領域１０として知られる作業点８の周りの領域の方が作業領域１０の外側よりも薄い。作業領域１０における液体層９は、以下では厚さ１４を有する作業層１２と呼び、作業領域１０の外側における液体層９の領域は、厚さ１５を有する洗浄層１３と呼ぶ。

異なる厚さを有する液体層９は、例えば管２１を用いてウェハ２の表面５に当てられる液体ジェット２０によって生成される。液体ジェット２０は、ウェハ２の作業点１０の付近に当てられ、作業点１０からの選択距離２４は、長すぎても短すぎてもならない。しかしながら、距離２４の実際の選択幅は比較的大きい。すなわち、選択される距離２４は、非常に短くすることも非常に長くすることもできる。作業点８が作業領域１０内に、すなわち厚さ１４を有する液体層の領域内にあることが確実であるよう配慮するだけでよい。レーザ光線６とウェハ２との相対移動の速度も、距離２４の選択に影響を及ぼし得るため、作業点８はいかなる場合も作業領域１０内にある。

当てられる液体の流れは、矢印で示される。液体ジェット２０の衝突角度２３及び貫流量は、変えることができる。これらは、液体が作業層１２では射流状態（１よりも大きいフルード数）で、洗浄層１３では常流状態（１よりも小さいフルード数）で移動するように選択され、作業層１２から洗浄層１３への移行は多少急激に行われる。

２００ミリメートル乃至３００ミリメートルの直径を有する円形ウェハ２の場合、選択距離２４は、約５ミリメートル乃至５０ミリメートルの範囲である。管２１は、液体ジェット２０の直径２２が０．５ミリメートル乃至５ミリメートルとなるように設計される。衝突角度２３が４５°乃至９０°であり、液体ジェット２０の貫流量が２０ミリリットル／分乃至５００ミリリットル／分である場合、作業層１２の厚さ１４は、０．０１ミリメートル乃至０．５ミリメートルの範囲にあり、洗浄層１３の厚さ１４は０．５ミリメートル乃至５ミリメートルの範囲にある。

図２は、ウェハ２の作業点８の領域の細部の図を示す。液体ジェット７中に入射されるレーザ光線６は、液体ジェット７を完全に満たし、これは破線で示される。液体ジェット７の表面上に空気が連行されることを確実にするよう配慮しなければならない。液体ジェット７に連行される空気は、矢印２７で示される。この連行空気は、液体ジェット７とともに、作業層１２に衝突すると作業層１２の液体のうち作業点８の周りの部分を変位させるため、レーザ光線６が入射している液体ジェット７が事実上延びて、ウェハ２の表面上に実際に案内される。液体ジェット７は、いわば、作業領域１２内に突入し、工作物表面とほぼ同じところまで下方に延びる。これにより、レーザ光線６が液体ジェット７中に案内される長さを長くすることができるため、レーザ光線６のエネルギー損失が少なくなる。

したがって、レーザ光線６は、作業層１２を通過してウェハ２の表面に衝突し、レーザ光線６が供給するエネルギーにより材料が溶融することで、そこから材料を除去する。これにより、噴出物として知られる小さな粒子２６が生じるが、これは溶融したウェハ材料から成り得るとともに、射流状態で流れる作業層１２によって即座に冷却されて洗い落とされる。これにより、粒子２６がウェハ２の表面５に定着して再びそこでウェハ２に結合されるのが防止される。これらの粒子２６は、作業層１２によって洗浄層１３までウェハから洗い落とされてから、洗浄層１３によって洗い落とされる。洗浄層１３の選択された厚さ１５は、ウェハ表面のいかなる領域も乾燥するのではなく液体の層によって常に覆われることを確実にする。ウェハ２の外側領域にある粒子２６の定着さえも、これによって効果的に防止することができる。その結果、ウェハ２の表面５が完全に清浄になる。その後の洗浄は必要なくなる。

図３は、本発明による装置１．１のさらなる一例の幾分範囲を広げた図を示す。液体ジェット７中に入射させるレーザ光線６は、従来技術において既知のジェット発生装置３０を用いて生成する。これは、所望の波長範囲及び所要エネルギーを有するレーザ放射、したがってレーザ光線６を発生させる手段（図示せず）を備えるだけでなく、所望の特性を有する液体ジェット７を発生させる手段（図示せず）及びレーザ光線６を液体ジェット７中に入射させる手段（図示せず）も備える。

この例では、ウェハ２の表面５上に液体層９を生成するために、管２１を有する液体供給装置３５に加えて、例えばパイプ、ホース、又は特殊ノズル等の１つ又は複数の水出口を備えるさらなる液体供給装置が設けられ、図４には２つのノズル３２が示される。ノズル３２は洗浄層１３を生成する。洗浄層１３の厚さ１５は、支持台４の一部として又は装置１．１の個別部品として設計され得る縁取り３４の高さによって制御される。縁取り３４は、例えば、余剰液体が特殊な流出口を通って、又は縁取り３４の縁を越えて流出するように設計される。より薄い厚さ１４を有する作業層１２を生成するために、装置１．１は、液体ジェット２０を発生させて管２１を用いてウェハ表面に当てることができる、液体供給装置３５も備える。液体ジェット２０が洗浄層１３に衝突すると、これは再び、液体が射流状態で移動する薄い作業層１２が液体ジェット２０の衝突点の周りに形成されるように、液体層９の流動条件に影響を及ぼす。ここでも、この領域は、作業領域として知られるものを定義する。液体ジェット２０の特性に影響を及ぼすために、液体供給装置３５は、例えば、液体ジェット２０の貫流量と、液体ジェット２０の水平位置及び垂直位置並びに衝突角度２３との両方を変えることができるように設計される。これは、矢印３６で示される。液体供給装置３５は、移動に関してジェット発生装置３０に関連付けられることが好ましいため、液体ジェット２０の衝突点は、作業点８に対して本質的に一定のままである。

ノズル２又は管２１を用いて様々な液体がウェハ２に当てられることが完璧に可能である。しかしながら、通常は同じ液体が用いられる。

ウェハ表面上に液体層を生成するのに必要な液体は、別の方法でウェハに当ててもよい。例えば、複数の個別のジェットを用いて、射流状態で流れる作業領域を生成する液体ジェット２０を発生させることが可能であろう。例えば、レーザ光線の周りの特定の距離に施される環状の液体ジェットを発生させる装置も想定することができる。洗浄層１３を生成するために、ノズル３２の代わりに、例えば複数のノズルを縁取り３４に一体化させることもできる。

要約すると、本発明は、レーザ放射による工作物の加工中に生じる噴出物を、十分に厚い液体層を用いて洗い落とすことを可能にすると同時に、作業点の領域における液体層が十分に薄いことを確実にすることで、工作物の加工に十分なレーザ放射エネルギー量を工作物に当てることができることを確実にすることを可能にする。

本発明による装置の概略図を示す。 図１の装置の細部の図を示す。 本発明のさらなる例示的な実施形態の概略図を示す。

Claims (20)

1. 液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法であって、
   該レーザ放射を含む液体ジェットが該工作物の表面に送られて該工作物の作業点が加工され、
   該作業点の周りの作業領域において、液体を用いて該工作物の該表面上においてフルード数が１より大きく、射流状態を有し、１ミリメートル未満の第１の厚さを有する第１の液体層を生成し、
   該作業領域の外側において、該工作物の該表面上においてフルード数が１より小さく、常流状態の流れを有し、１ミリメートルより大きい第２の厚さを有する第２の液体層を生成する、
   ことを特徴とする、液体ジェット中に入射及び案内されるレーザ放射を用いて工作物を加工する方法。
2. 前記第１及び第２の液体層は、同一の液体によって前記表面上に生成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１及び第２の液体層は、水を用いて前記工作物の前記表面上に生成されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の厚さは、０．０１ミリメートル乃至０．５ミリメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記第２の厚さは、１ミリメートルより大きく５ミリメートル以下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. ウェハが加工されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. シリコン・ウェハが複数のチップに切断されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記第２の液体層の前記第２の厚さは、表面張力に影響を及ぼす物質が前記液体に加えられることで、且つ／又は、供給される液体量且つ／又は流出する液体量を変えることで、調節されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の液体層が、第２の液体供給装置を用いて生成され、
   第１の液体供給装置によって前記作業領域に供給された液体は、該作業領域の該液体層の厚さを減少させ、前記第１の厚さを有する前記第１の液体層を生成することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の液体層の前記第１の厚さ及び／又は前記作業領域のサイズは、前記ジェットの衝突角度及び／又は貫流量を変えることで調節されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記貫流量は、２０ミリリットル／分乃至５００ミリリットル／分であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の液体供給装置は、前記液体をジェットで前記工作物に当てることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
13. 前記第１の液体層は、前記液体が第１の液体供給装置を用いて前記作業領域の前記工作物に当てられることで生成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 液体ジェット中に入射させて案内し工作物の表面に送ることができるレーザ放射を用いて該工作物の作業点を加工する装置であって、
    該作業点の周りの作業領域において、液体を用いて該工作物の該表面上においてフルード数が１より大きく、１ミリメートル未満の第１の厚さを有する、射流状態を有する第１の液体層を生成し、該作業領域の外側において、該工作物の該表面上においてフルード数が１より小さく、１ミリメートルより大きい第２の厚さを有する、常流状態の流れを有する第２の液体層を生成する、手段を有する、
    装置。
15. 前記手段は、第２の厚さを有する前記第２の液体層を生成する第２の液体供給装置を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. ウェハを加工するように設計されることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
17. シリコン・ウェハを複数のチップに切断するように設計されることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
18. 前記手段は、液体を用いて前記第１の液体層を生成するために、該液体を前記工作物の前記作業点の付近に当てることができるように構成される第１の液体供給装置を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
19. 前記第１の液体供給装置は、衝突角度及び貫流量が可変である前記液体のジェットを発生させることができるように構成されることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
20. 前記第１の厚さは、０．０１ミリメートル乃至０．５ミリメートルであり、前記第２の厚さは、１ミリメートルより大きく５ミリメートル以下であることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。

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