JP5597051B2

JP5597051B2 - レーザ加工方法

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Publication number: JP5597051B2
Application number: JP2010164063A
Authority: JP
Inventors: 剛志坂本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-07-21
Also published as: TWI510321B; WO2012011446A1; JP2012028450A; TW201210732A

Description

本発明は、板状の加工対象物から複数の有効部を切り出すためのレーザ加工方法に関する。

上記技術分野のレーザ加工方法として、ウェハにレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿ってウェハの内部に改質領域を形成し、その改質領域から発生した亀裂をウェハの表面及び裏面に到達させることにより、切断予定ラインに沿ってウェハを切断し、複数のチップを取得するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３４３００８号公報

ところで、１枚のウェハからのチップの取得数を増加させる観点では、チップに対応する有効部をウェハに対してマトリックス状に配置するよりも、例えば列方向においてジグザグ状に配置するほうが有利な場合がある。また、例えば六角形等、四角形以外の有効部をウェハに対して複数設定すべき場合がある。これらの場合には、隣り合う第１の有効部及び第２の有効部において、第２の有効部の外縁に沿う第２の切断予定ラインが、第１の有効部に向かって、第１の有効部の外縁に沿う第１の切断予定ラインに突き当たる状態が生じ得る。このような状態においては、第２の切断予定ラインに沿って改質領域を形成した際に、その改質領域から発生した亀裂が第１の有効部内に至り、第１の有効部に損傷が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、第２の有効部の外縁に沿う第２の切断予定ラインが、第１の有効部に向かって、第１の有効部の外縁に沿う第１の切断予定ラインに突き当たっている場合において、第１の有効部に損傷が生じるのを防止しつつ、各切断予定ラインに沿って改質領域を形成することができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工方法は、板状の加工対象物から少なくとも第１の有効部及び第２の有効部を切り出すためのレーザ加工方法であって、第１の有効部の外縁に沿う第１の切断予定ラインに沿って、レーザ光の集光点を相対的に移動させることにより、第１の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に第１の改質領域を形成する第１の工程と、第１の工程の後に、第２の有効部の外縁に沿いかつ第１の有効部に向かって第１の切断予定ラインに突き当たる第２の切断予定ラインに沿って、レーザ光の集光点を相対的に移動させることにより、第２の切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に第２の改質領域を形成する第２の工程と、を備え、第２の工程においては、第２の切断予定ラインのうち第１の切断予定ラインから所定の距離の部分を除いた部分に、第２の改質領域を形成し、かつ、第２の改質領域の形成に伴って発生し第２の切断予定ラインに沿って伸展する亀裂を、第１の改質領域又は第１の改質領域の形成に伴って発生する亀裂が受け止められる位置に、第１の改質領域及び第２の改質領域を形成し、さらに、第１の切断予定ラインが有効部と非有効部との境界に沿うもので、第２の切断予定ラインが非有効部に向かって第１の切断予定ラインに突き当たる場合には、第２の切断予定ラインには改質領域を形成しない部分を設けずに、第１の改質領域に対して第２の改質領域を交差させることを特徴とする。

このレーザ加工方法では、まず、第１の切断予定ラインに沿って第１の改質領域を形成し、その後に、第２の切断予定ラインに沿って第２の改質領域を形成する。そのため、第２の改質領域の形成に伴って、第２の改質領域から亀裂が発生し、その亀裂が第１の有効部に向かって伸展しそうになっても、その亀裂の伸展は、既に形成された第１の改質領域及び第１の改質領域から発生した亀裂の少なくとも一方によって受け止められる。よって、このレーザ加工方法によれば、第２の有効部の外縁に沿う第２の切断予定ラインが、第１の有効部に向かって、第１の有効部の外縁に沿う第１の切断予定ラインに突き当たっている場合において、第１の有効部に損傷が生じるのを防止しつつ、各切断予定ラインに沿って改質領域を形成することができる。

ここで、第２の工程においては、第２の切断予定ラインのうち第１の切断予定ラインから所定の距離の部分を除いた部分に、第２の改質領域を形成する。これによれば、第２の切断予定ラインのうち第１の切断予定ラインから所定の距離の部分には改質領域が形成されない。従って、第２の改質領域の形成に伴って、第１の切断予定ラインの近傍で第２の改質領域から亀裂が発生するのを防止し、第２の改質領域から発生した亀裂が第１の有効部に向かって伸展するのを抑制することができる。

また、第１の切断予定ライン及び第２の切断予定ラインのそれぞれに対して、加工対象物の厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域を形成する場合には、少なくとも加工対象物のレーザ光入射面に最も近い改質領域を第１の改質領域及び第２の改質領域として形成すればよい。改質領域の形成に伴う亀裂の発生は、レーザ光入射面から遠い改質領域よりもレーザ光入射面に近い改質領域で起こり易い。従って、少なくともレーザ光入射面に最も近い改質領域を、上述した第１の改質領域及び第２の改質領域として形成すれば、第１の有効部に損傷が生じるのを防止することができる。

また、第２の工程の後に、第１の改質領域及び第２の改質領域から発生した亀裂を加工対象物の表面及び裏面に到達させることにより、第１の切断予定ライン及び第２の切断予定ラインに沿って加工対象物を切断する第３の工程を更に備えることが好ましい。これによれば、第１の有効部及び第２の有効部を加工対象物から精度良く切り出すことができる。

本発明によれば、第２の有効部の外縁に沿う第２の切断予定ラインが、第１の有効部に向かって、第１の有効部の外縁に沿う第１の切断予定ラインに突き当たっている場合において、第１の有効部に損傷が生じるのを防止しつつ、各切断予定ラインに沿って改質領域を形成することができる。

改質領域の形成に用いられるレーザ加工装置の概略構成図である。改質領域の形成の対象となる加工対象物の平面図である。図２の加工対象物のIII−III線に沿っての断面図である。レーザ加工後の加工対象物の平面図である。図４の加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。図４の加工対象物のVI−VI線に沿っての断面図である。本発明の一実施形態のレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。本発明の一実施形態のレーザ加工方法が実施されている加工対象物の一部断面図である。本発明の一実施形態のレーザ加工方法が実施されている加工対象物の一部断面図である。本発明の一実施形態のレーザ加工方法が実施されている加工対象物の平面図である。本発明の一実施形態のレーザ加工方法が実施された加工対象物の概念図である。亀裂が形成された加工対象物の平面写真を示す図である。切断された加工対象物の平面写真を示す図である。切断された加工対象物の切断面の写真を示す図である。本発明の他の実施形態のレーザ加工方法が実施された加工対象物の概念図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明の一実施形態のレーザ加工方法では、切断予定ラインに沿って加工対象物にレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に改質領域を形成する。そこで、まず、この改質領域の形成について、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌをパルス発振するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの光軸（光路）の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、レーザ光Ｌを集光するための集光用レンズ１０５と、を備えている。また、レーザ加工装置１００は、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射される加工対象物１を支持するための支持台１０７と、支持台１０７を移動させるためのステージ１１１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、ステージ１１１の移動を制御するステージ制御部１１５と、を備えている。

このレーザ加工装置１００においては、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光Ｌは、ダイクロイックミラー１０３によってその光軸の向きを９０°変えられ、支持台１０７上に載置された加工対象物１の内部に集光用レンズ１０５によって集光される。これと共に、ステージ１１１が移動させられ、加工対象物１がレーザ光Ｌに対して切断予定ライン５に沿って相対移動させられる。これにより、切断予定ライン５に沿った改質領域が加工対象物１に形成されることとなる。

加工対象物１としては、半導体材料や圧電材料等が用いられ、図２に示すように、加工対象物１には、加工対象物１を切断するための切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、直線状に延びた仮想線である。加工対象物１の内部に改質領域を形成する場合、図３に示すように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせた状態で、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図２の矢印Ａ方向に）相対的に移動させる。これにより、図４〜図６に示すように、改質領域７が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部に形成され、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７が切断起点領域８となる。

なお、集光点Ｐとは、レーザ光Ｌが集光する箇所のことである。また、切断予定ライン５は、直線状に限らず曲線状であってもよいし、仮想線に限らず加工対象物１の表面３に実際に引かれた線であってもよい。また、改質領域７は、連続的に形成される場合もあるし、断続的に形成される場合もある。また、改質領域７は列状でも点状でもよく、要は、改質領域７は少なくとも加工対象物１の内部に形成されていればよい。また、改質領域７を起点に亀裂が形成される場合があり、亀裂及び改質領域７は、加工対象物１の外表面（表面、裏面、若しくは外周面）に露出していてもよい。

ちなみに、ここでのレーザ光Ｌは、加工対象物１を透過すると共に加工対象物１の内部の集光点近傍にて特に吸収され、これにより、加工対象物１に改質領域７が形成される（すなわち、内部吸収型レーザ加工）。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌが殆ど吸収されないので、加工対象物１の表面３が溶融することはない。一般的に、表面３から溶融され除去されて穴や溝等の除去部が形成される（表面吸収型レーザ加工）場合、加工領域は表面３側から徐々に裏面側に進行する。

ところで、本実施形態で形成される改質領域は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なる状態になった領域をいう。改質領域としては、例えば、溶融処理領域、クラック領域、絶縁破壊領域、屈折率変化領域等があり、これらが混在した領域もある。更に、改質領域としては、加工対象物の材料において改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域や、格子欠陥が形成された領域がある（これらをまとめて高密転移領域ともいう）。

また、溶融処理領域や屈折率変化領域、改質領域の密度が非改質領域の密度と比較して変化した領域、格子欠陥が形成された領域は、更に、それら領域の内部や改質領域と非改質領域との界面に亀裂（割れ、マイクロクラック）を内包している場合がある。内包される亀裂は改質領域の全面に渡る場合や一部分のみや複数部分に形成される場合がある。加工対象物１としては、例えばシリコン、ガラス、ＬｉＴａＯ_３又はサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む、又はこれらからなるものが挙げられる。

また、本実施形態においては、切断予定ライン５に沿って改質スポット（加工痕）を複数形成することによって、改質領域７を形成している。改質スポットとは、パルスレーザ光の１パルスのショット（つまり１パルスのレーザ照射：レーザショット）で形成される改質部分であり、改質スポットが集まることにより改質領域７となる。改質スポットとしては、クラックスポット、溶融処理スポット若しくは屈折率変化スポット、又はこれらの少なくとも１つが混在するもの等が挙げられる。

この改質スポットについては、要求される切断精度、要求される切断面の平坦性、加工対象物の厚さ、種類、結晶方位等を考慮して、その大きさや発生する亀裂の長さを適宜制御することが好ましい。

次に、本発明の一実施形態のレーザ加工方法について詳細に説明する。図７は、本発明の一実施形態のレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。図７に示すように、加工対象物１は、シリコンウェハ１１と、複数の機能素子１５を含んでシリコンウェハ１１上に形成された機能素子層１６と、を備えている。加工対象物１は、機能素子層１６側の面を表面３とし、機能素子層１６と反対側の面を裏面４とする板状のものである。機能素子１５は、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、或いは回路として形成された回路素子等である。

機能素子１５は、長方形状の有効部１８ごとに形成されている。各有効部１８は、加工対象物１の切断によって取得される半導体チップに対応する。有効部１８は、シリコンウェハ１１のオリエンテーションフラット６に平行な方向が長辺の方向となるように（すなわち、オリエンテーションフラット６に垂直な方向が短辺の方向となるように）配置されている。更に、有効部１８は、行方向（オリエンテーションフラット６に平行な方向）においては一列に配置されている一方で、列方向（オリエンテーションフラット６に垂直な方向）においてはジグザグ状に配置されている。これは、１枚のシリコンウェハ１１からの半導体チップの取得数を増加させるためである。

これにより、列方向において隣り合う２つの有効部１８では、一方の有効部１８の短辺に沿う切断予定ライン５２が、他方の有効部１８に向かって、その他方の有効部１８の長辺に沿う切断予定ライン５１の中間部分に突き当たることになる。なお、加工対象物１の外縁部において有効部１８を配置し得ない部分は、非有効部１９となっている。

以上の加工対象物１から、次のように、複数の有効部１８を切り出す。まず、加工対象物１の裏面４にエキスパンドテープを貼り付けて、その加工対象物１をレーザ加工装置１００の支持台１０７上に載置する。そして、加工対象物１の表面３から所定距離だけ内側にレーザ光Ｌの集光点Ｐが位置するようにステージ１１１を制御する。

続いて、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面として、切断予定ライン５１に沿って加工対象物１にレーザ光Ｌを照射する。つまり、有効部１８の長辺に沿う切断予定ライン５１に沿って、レーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動（スキャン）させる。ここでは、ステージ１１１を制御してレーザ光Ｌのスキャンを行う。このレーザ光Ｌの照射によって、図８に示すように、切断予定ライン５１に沿って加工対象物１の内部に改質領域７１を形成する。

切断予定ライン５１に沿って改質領域７１を形成した後、加工対象物１の表面３をレーザ光入射面として、切断予定ライン５２に沿って加工対象物１にレーザ光Ｌを照射する。つまり、有効部１８の短辺に沿う切断予定ライン５２に沿って、レーザ光Ｌの集光点Ｐを相対的に移動させる。このレーザ光Ｌの照射によって、図９に示すように、切断予定ライン５２に沿って加工対象物１の内部に改質領域７２を形成する。

このとき、レーザ光Ｌの照射をＯＮ／ＯＦＦ切替えすることにより、切断予定ライン５２のうち切断予定ライン５１から所定の距離の端部分５２ａを除いた中間部分５２ｂに、改質領域７２を形成するようにする。その所定の距離に相当する端部分５２ａの長さは、改質領域７２の形成に伴って（すなわち、改質領域７２の形成と略同時に）、改質領域７２から発生した亀裂が切断予定ライン５２の方向に伸展する距離の範囲とすることが好ましく、例えば１０μｍ程度である。なお、有効部１８と非有効部１９との境界に沿う切断予定ライン５１に対しては、改質領域７２を形成しない端部分５２ａを設けずに、改質領域７１に対して改質領域７２を交差させる。

切断予定ライン５２に沿って改質領域７２を形成した後、加工対象物１の裏面４に貼り付けられているエキスパンドテープを拡張させて、改質領域７１，７２から発生した亀裂を加工対象物１の表面３及び裏面４に到達させることにより、切断予定ライン５１，５２に沿って加工対象物１を切断する。これにより、図１０に示すように、加工対象物１から複数の有効部１８が切り出されて、機能素子１５を有する複数の半導体チップ２５が得られる。

以上説明したように、一方の有効部１８の短辺に沿う切断予定ライン５２が、他方の有効部１８に向かって、その他方の有効部１８の長辺に沿う切断予定ライン５１の中間部分に突き当たっている場合には、まず、長辺に沿う切断予定ライン５１に沿って改質領域７１を形成し、その後に、短辺に沿う切断予定ライン５２に沿って改質領域７２を形成する。これにより、図１１に示すように、改質領域７２の形成に伴って、改質領域７２から亀裂１７が発生し、その亀裂１７が他方の有効部１８に向かって伸展しそうになっても、その亀裂１７の伸展は、既に形成された改質領域７１や、改質領域７１から発生した亀裂１７によって受け止められる。よって、各有効部１８に損傷が生じるのを防止しつつ、各切断予定ライン５１，５２に沿って改質領域７１，７２を形成することができる。

なお、ここでの亀裂１７は、改質領域７１，７２の形成に伴って（加工対象物１に何ら外力を作用させなくても）、改質領域７１，７２から加工対象物１の厚さ方向及び切断予定ライン５１，５２の方向に発生するものである。

また、図１１に示すように、短辺に沿う切断予定ライン５２に沿って改質領域７２を形成するときには、切断予定ライン５２の中間部分５２ｂに改質領域７２を形成し、切断予定ライン５２の端部分５２ａには、改質領域７２を形成しない。これにより、改質領域７２の形成に伴って、長辺に沿う切断予定ライン５１の近傍で改質領域７２から亀裂１７が発生するのを防止し、改質領域７２から発生した亀裂１７が他方の有効部１８に向かって伸展するのを抑制することができる。

また、改質領域７１，７２から発生した亀裂１７を加工対象物１の表面３及び裏面４に到達させることにより、切断予定ライン５１，５２に沿って加工対象物１を切断するので、各有効部１８を加工対象物１から精度良く切り出すことができる。このとき、有効部１８と非有効部１９との境界に位置する有効部１８の角部では、改質領域７１と改質領域７２とが交差しているので、その有効部１８の角部に損傷が生じるのを防止することができる。

図１２は、切断予定ライン５１，５２に沿って改質領域７１，７２を形成した後、かつ加工対象物１の裏面４に貼り付けられているエキスパンドテープを拡張させる前における加工対象物１の平面写真を示す図である。図１２に示すように、この場合には、改質領域７１，７２の形成に伴って改質領域７１，７２から発生した亀裂１７が加工対象物１の表面３に達したが、切断予定ライン５２に沿った亀裂１７の伸展は、切断予定ライン５１に沿った改質領域７１や亀裂１７によって受け止められた。

図１３は、図１２の加工対象物１の裏面４に貼り付けられているエキスパンドテープを拡張させた後の加工対象物の平面写真を示す図である。図１３に示すように、各有効部１８に損傷が生じるものを防止して、複数の半導体チップ２５を加工対象物１から精度良く切り出すことができた。図１４は、半導体チップ２５の切断面２５ａの写真を示す図である。図１４に示すように、切断予定ライン５２の中間部分５２ｂには改質領域７２を形成し、切断予定ライン５２の端部分５２ａには改質領域７２を形成しなかったが、加工対象物１が切断予定ライン５２に沿って精度良く切断された。なお、図１２において、改質領域７２が形成されていない端部分５２ａの長さは、約１０μｍである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、各切断予定ライン５１，５２に対して形成される改質領域７１，７２の列数は、１列に限定されず、複数列であってもよい。その列数は、加工対象物１の厚さ等に応じて適宜決定することができる。

図１５に示すように、各切断予定ライン５１，５２に対して、加工対象物１の厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域７１，７２を形成する場合にも、まず、長辺に沿う切断予定ライン５１に沿って複数列の改質領域７１を形成し、その後に、短辺に沿う切断予定ライン５２に沿って複数列の改質領域７２を形成すればよい。そして、短辺に沿う切断予定ライン５２に沿って改質領域７２を形成するときには、切断予定ライン５２の中間部分５２ｂに改質領域７２を形成し、切断予定ライン５２の端部分５２ａには、改質領域７２を形成しなければよい。これらにより、各有効部１８に損傷が生じるのを防止しつつ、各切断予定ライン５１，５２に沿って改質領域７１，７２を形成することができる。

ただし、少なくとも加工対象物１のレーザ光入射面（ここでは、表面３）に最も近い改質領域７１，７２について、改質領域７１を形成した後に改質領域７２を形成し、更に、切断予定ライン５２の端部分５２ａに改質領域７２を形成しなければ、各有効部１８に損傷が生じるのを防止しつつ、各切断予定ライン５１，５２に沿って改質領域７１，７２を形成することができる場合もある。改質領域７１，７２の形成に伴う亀裂１７の発生は、レーザ光入射面から遠い改質領域７１，７２よりもレーザ光入射面に近い改質領域７１，７２で起こり易いからである。これは、次のような形成順序をとる場合に有効である。すなわち、まず、加工対象物１のレーザ光入射面から最も遠い改質領域７１，７２を全ての切断予定ライン５１，５２について形成し、その後、加工対象物１のレーザ光入射面からの距離ごとに改質領域７１，７２を全ての切断予定ライン５１，５２について形成していくような場合である。

また、上記実施形態では、エキスパンドテープの拡張により加工対象物１に外力を作用させて、亀裂１７を加工対象物１の表面３及び裏面４に到達させたが、これに限定されない。各切断予定ライン５１，５２に対する１列又は複数列の改質領域７１，７２の形成と共に（加工対象物１に何ら外力を作用させずに）、加工対象物１の表面３及び裏面４に亀裂１７を到達させて、それにより、切断予定ライン５１，５２に沿って加工対象物１を切断する場合もある。

１…加工対象物、３…表面、４…裏面、１７…亀裂、１８…有効部、５１，５２…切断予定ライン、５２ａ…端部分、５２ｂ…中間部分、７１，７２…改質領域、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims

板状の加工対象物から少なくとも第１の有効部及び第２の有効部を切り出すためのレーザ加工方法であって、
前記第１の有効部の外縁に沿う第１の切断予定ラインに沿って、レーザ光の集光点を相対的に移動させることにより、前記第１の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に第１の改質領域を形成する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記第２の有効部の外縁に沿いかつ前記第１の有効部に向かって前記第１の切断予定ラインに突き当たる第２の切断予定ラインに沿って、レーザ光の集光点を相対的に移動させることにより、前記第２の切断予定ラインに沿って前記加工対象物の内部に第２の改質領域を形成する第２の工程と、を備え、
前記第２の工程においては、前記第２の切断予定ラインのうち前記第１の切断予定ラインから所定の距離の部分を除いた部分に、前記第２の改質領域を形成し、
かつ、前記第２の改質領域の形成に伴って発生し前記第２の切断予定ラインに沿って伸展する亀裂を、前記第１の改質領域又は前記第１の改質領域の形成に伴って発生する亀裂が受け止められる位置に、前記第１の改質領域及び前記第２の改質領域を形成し、
さらに、前記第１の切断予定ラインが有効部と非有効部との境界に沿うもので、前記第２の切断予定ラインが非有効部に向かって前記第１の切断予定ラインに突き当たる場合には、前記第２の切断予定ラインには改質領域を形成しない部分を設けずに、前記第１の改質領域に対して前記第２の改質領域を交差させることを特徴とするレーザ加工方法。
前記第１の切断予定ライン及び前記第２の切断予定ラインのそれぞれに対して、前記加工対象物の厚さ方向に並ぶように複数列の改質領域を形成する場合には、少なくとも前記加工対象物のレーザ光入射面に最も近い前記改質領域を前記第１の改質領域及び前記第２の改質領域として形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
前記第２の工程の後に、前記第１の改質領域及び前記第２の改質領域から発生した亀裂を前記加工対象物の表面及び裏面に到達させることにより、前記第１の切断予定ライン及び前記第２の切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する第３の工程を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。