JP6231469B2 - バースト超高速レーザーパルスのフィラメンテーションによりシリコンをレーザー加工する方法および装置 - Google Patents

Description

本特許出願は、２０１３年１２月３日に提出された米国仮特許出願第６１９１１３４５号の優先権および利益を主張する。
２０１３年１２月３日に提出された米国仮特許出願第６１９１１３４５号の全体を本明細書にて引用により援用する。

本発明は、半導体基板をレーザー加工する方法および装置に関し、より詳細には、標準的な波長のレーザーを使用してカーフ幅がほぼゼロであり全体的な粗さが少なくなるように単結晶および多結晶のシリコンを高品質にレーザー切断することに関する。

シリコンは、波長が１．３μｍより大きい光に対して透過的である。
最も一般的なレーザー（ＹＡＧレーザー等）は、１０６４ｎｍの波長域で動作するため、シリコンによって部分的に吸収される光を生成する。
よって、これらのレーザーでは、レーザーパルスが大量に線形吸収されるため、バースト超高速パルスレーザーによるフィラメンテーション手法でシリコンをきれいに切断することはできない。
しかし、この波長でシリコンをアブレーションによりレーザー切断することは可能である。
同じレーザーのパラメータおよび装置を使用して、ガラスまたはサファイアをフィラメンテーションにより切断することができる。
密に集束されたレーザービームを基板の内部で使用して光学破壊を発生させて薄いＳｉウエハをダイシングする方法も、Ｈａｍａｍａｔｓｕによって発明および開発されたステルスダイシングとして知られている。特許文献１を参照されたい。

シリコンをフィラメンテーションにより切断するには、１．３μｍ超の波長で動作するレーザービームを作成する必要がある。
または、１０６４ｎｍの波長のレーザービームを適正な波長に修正または変更する方法を使用する必要がある。
方法の１つは、光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）、または、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）もしくは白色光発生を光学カー媒質で使用することである。

光パラメトリック発生では、特定の周波数の入力光ビームが、より低い周波数の２つの光ビームに変換される。
これら２つの低周波数ビームは、「シグナル」および「アイドラー」と呼ばれる。

シリコン等の材料のレーザー加工（オリフィスの穴あけ、または切断）に対する需要はきわめて大きい。
用途は、広範に及び、半導体、超小型電子技術、空気監視用フィルタ、粒子モニタ、細胞学、走化性、生物検定等を含み、通常は、直径数百ナノメートル〜数十マイクロメートルのきわめて清潔かつきわめて均一なオリフィスを必要とする。
先行技術の１．３μｍ未満の波長を有するレーザービームによるシリコンのアブレーション加工方法では、切断面がきわめて粗くなり、材料に微小亀裂が残り、表面に噴出土手（ｅｊｅｃｔａ ｍｏｕｎｄ）が形成され、応力領域が作成され、付帯的な熱損傷が広い領域にわたって生じがちである。
レーザービームによるアブレーション工程は、媒質によって強力に吸収される波長を有するレーザービーム（たとえば、遠紫外エキシマレーザーや遠赤外ＣＯ_２レーザー）を選択することで大幅に改善できるが、上述した欠点は、この物理的なアブレーション工程に特有の積極的な相互作用により、除去することはできない。
さらに、先行技術のレーザービームによるアブレーションシステムでは、スループット時間が劣り、本発明の方法で実現できるような加工公差を実現できない。

本発明の方法および装置は、１．３μｍ超の波長を出力する特殊なレーザービームを必要とせずに、バースト超高速レーザーパルスによるフィラメンテーションにより、特にシリコンのスクライビングおよび切断等の加工を改善する。
この新規な発明では、既知の技術と新規の技術とを独自かつ新規な構成で利用および組み合わせて、上述した問題に対処し、要求される波長で動作する新たなレーザーの構築に自信を持って投資することを可能にする。

米国特許第７３９６７４２号

以下に詳細に説明するように、本発明の１つの目的は、特に、Ｓｉ等の材料である透明基板に、１．３μｍで動作するように構築されたレーザービームを使用せずに、オリフィスおよび切断部を加工する装置および方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、レーザーパラメータを特別に調整した超高速レーザーパルスのバーストによるフィラメンテーションと、主焦点ウエストが対象物の内部または表面上に位置しないように複数の異なる焦点を作成する分散レンズ集束装置とを組み合わせて、光音響圧縮によりオリフィスを成長させるフィラメントを対象物内に作成し、そのオリフィスを利用して対象物と入射レーザービームとの間の相対的な移動によりスクライブ線または切断線を形成することである。
以下の発明は、レーザーからのバースト超高速レーザーパルスを使用する新規な方法を提供する。
本発明は、一般的な１０６４ｎｍの波長の超高速レーザーパルスを使用して説明されるが、他の波長を着信レーザービームに使用することも可能である。

Ｓｉウエハ等の透明材料の内部に、およびそれらの透明材料を貫通して、カーフ幅がほぼゼロの切断部と、ナノメートルからマイクロナノメートル規模のオリフィスとを作成する新規かつ独自の手法が開示される。
この手法は、上述した利点の多くと、材料にオリフィスを穴あけするための多数の新規な特徴とを備え、それによって、いかなる従来技術またはその組み合わせによっても予測されず、自明化されず、提案されず、暗示すらされない新規な方法を生み出す。
詳細には、この手法は、先行技術に比べて、オリフィスの側面がより滑らかになり、極小亀裂の伝搬が最小限に抑えられ、より長く／深いオリフィスを作成でき、オリフィスが先細りせず、非線形吸収が生じ、オリフィスの内径が一貫し、入口歪みが最小限に抑えられ、付帯的損害が減少し、カーフ幅がほぼゼロの線を高速でスクライブできることによるストリート幅（デバイス間の距離）の減少により半導体ウエハにより多くのデバイスを配置できるという利点を有する。

本発明の第１の実施形態は、波長１μｍのレーザービームをＯＰＧまたはＯＰＡを使用して１．３μｍ超に変換することである。
ＯＰＧのほうが容易かつ迅速に実装することができる。
１μｍの光源からの光パラメトリック発生時に、ＬｉＮｂＯ_３等のＯＰＧ結晶を調節して、１．３〜１．６μｍの任意の波長をシグナルとして得ることが可能であり、アイドラーは３〜５μｍのスペクトルで追従する。
本発明の目的の場合、シグナルおよびアイドラーの両方をフィラメント形成パルスとして使用できる。
これは、Ｓｉが両波長のスペクトルに対して透過的だからである。
ほとんどの用途では、シグナルまたはアイドラーを使用することができ、他のすべてのビームをダンプする必要がある。
両方の波長を使用することで、高い効率を実現することができる。

本発明の別の実施形態は、レーザーからのバースト超高速レーザーパルスの相互作用を利用する新規な方法を提供する。
この方法では、シリコンウエハの上位に位置するサファイアやホウケイ酸ガラス等の層または水の薄層を通じて伝搬し、それらの層の下にあるシリコンの内部にフィラメントを作成するように、レーザー光および集束パラメータを調節する。
フィラメントは、所望の始点および終点で、１０６４ｎｍの入射レーザービームよりも長い波長を利用して、指定された深さおよび幅のオリフィスを光音響圧縮により作成する。
超高速レーザーパルスとカー材料との相互作用により、スーパーコンティニウム（ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）または白色光を生成できることが知られている。
これにより、波長がシフトし、よってスペクトルの波長が長い部分がシリコンを貫通することが可能となる。

サファイア（白色光のソース）とシリコンとの間の距離がゼロであるため、白色光のバーストレーザーパルスは、依然として干渉性（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）を維持し、シリコンの下部からの退出後に発散するまで元のレーザービームの形状に従う。
白色光は、複数の二次的波長を生成する。
白色光のスペクトルのうちＳｉの内部に浸透できない部分は、Ｓｉの表面のアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ）を引き起こす。
波長１０６４ｎｍのレーザービームを使用して、スーパーコンティニウムを作成できる。
１０６４ｎｍ以外の波長を有する他の超高速レーザービームも、透明層を通じて方向付けられたときにスーパーコンティニウムを生成し、シリコン内にフィラメントを作成する１．３μｍ超の波長を有する光ビームが生成される。
フィラメンテーションにより、透明材料の下でＳｉの光圧縮工程が作り出される。

Ｓｉ自体は、三次非線形性がきわめて低いため、白色光変換効率がきわめて低い。
ピーク出力がはるかに高いレーザーパルスを使用すると、上述した上位層が不要になる。
上位層の使用は、必須ではなく、Ｓｉの上面で白色光を直接生成して、スペクトルの波長が高い部分をＳｉに浸透させることができる。

上述したすべての見解より、新しい超高速レーザービームは、バーストモードで２μｍの波長を持つものとして設計される。
超高速レーザーパルスは、Ｓｉウエハの内部に長いフィラメントを形成する。
細長い改質領域により、内部スクライブを形成して、ウエハをより小さい部分に分割することができる。

この方法の非限定的な例の１つは、シリコンインゴットをレーザー加工する方法であって、側面と平坦な上面とを有する円柱状のシリコンインゴットを提供するステップと、第１波長で動作するサブパルスを１〜５０個含むバーストエンベロープに少なくとも１つの超高速サブパルスが含まれるレーザービームを１．３μｍ超の波長を有するレーザー源から適用するステップと、超高速サブパルスを上面の下方で密に集束して光音響圧縮を発生させ空隙を形成するステップと、上面の下方のすべての領域を網羅するラスタースキャンを実行するステップと、上面の下方に薄いディスク状の損傷領域を作成するステップと、シリコンインゴットの側面に向けて分散レンズ集束装置を使用してシリコンインゴット内でフィラメントを作成するステップと、分散レンズ集束装置とシリコンインゴットとを相対的に移動させてシリコンインゴットの周囲にスクライブ線を作成するステップとを含む。
インゴットの周囲を環状にスクライブするフィラメントにより、シリコンの薄いウエハをインゴットから容易に分離することができる。

この方法の別の非限定的な例の１つは、シリコンをレーザー加工する方法であって、上面を有するシリコン基板を提供するステップと、カー材料を提供し、そのカー材料をシリコン基板の上面と係合するように配置してカー材料とシリコン基板との間に界面を形成するステップと、第１波長で動作する１〜５０個のサブパルスを含むバーストエンベロープに少なくとも１つのサブパルスが含まれたレーザービームをレーザー源から分散レンズ集束装置を通じてカー材料に適用するステップと、サブパルスがカー材料を通過するときに、そのサブパルスがカー材料とシリコン基板の上面との間の界面でカー材料から白色光である複数の第２波長で放射されるようにサブパルスの第１波長を変更するステップであって、サブパルスの複数の第２波長の一部が１．３μｍ以上であるステップと、界面を通じてシリコン基板に伝えられる複数の第２波長の１．３μｍ以上である一部によりカー効果の自己集束を開始し、その自己集束を前記シリコン基板に入力される追加のエネルギーによってシリコン基板に伝搬させてシリコン基板の内部にフィラメントを作成することにより光音響圧縮工程を作り出すステップとを含む方法である。

本発明の主題については、本明細書の末尾で具体的に指摘し、明確にクレームする。
ただし、動作の構成および方法と、それらのさらなる利点および目的とは、以下の説明を添付図面と共に参照することにより最良に理解される。
なお、同様の要素には、同様の符号を付している。
本発明のその他の目的、特徴、および態様については、以下で詳細に説明する。

本開示では、主としてシリコンのスクライビングに注目するが、本明細書で説明されるシステムおよび方法は他の基板の穴あけ、ダイシング、切断、およびスクライビングにも等価に適用できることが理解される。
基板は多様な形状でよい。

本発明の概略図。 図１のレーザー配置で穴あけされた２つのオリフィスの側面図。 本発明の別の概略図。 分散レンズ集束装置を利用した本発明の概略図。 分散レンズ集束装置を利用した本発明の別の概略図。 分散レンズ集束装置を利用し、主焦点が対象物の上方に位置するように焦点ウエストを分散させた図。 分散レンズ集束装置を利用し、主焦点が対象物の下方に位置するように焦点ウエストを分散させた図。 図６に示す本発明の、オリフィスが穴あけされた状態図。 分散レンズ集束装置を利用し、主焦点が複数の対象物の下方に位置するように焦点ウエストを分散させた本発明の別の概略図。 犠牲となるサファイア層およびテープを使用してシリコン基板を加工する本発明の別の概略図。 レーザー加工システムの概略図。 容易なスライシングのためのシリコンインゴットの側面スクライビングを示す図。 図１２の一部拡大図。 レーザーエネルギーの分散を示す図。 レーザーエネルギーの分散を示す図。

ここまでは、以下に示す本発明の詳細な説明をよりよく理解し、技術に対する本貢献をよりよく把握できるよう、本発明の重要な特徴を幾分広範に説明してきた。
もちろん、本発明には、以下に説明し、本発明の請求項を形成するその他の特徴もある。

本開示のさまざまな実施形態および態様について、以下に詳細に説明する。
以下の説明および図面は、本開示を例示するものであり、本開示を限定するものとは、理解されない。
本開示のさまざまな実施形態を詳しく理解できるよう、多数の具体的な詳細について、説明する。
ただし、場合によっては、本開示の実施形態を簡潔に説明するために、既知または従来の詳細事項については，説明しない。

この点に関し、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その用途において、以下の説明または図面に示される構造の詳細または構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。
本発明は、他の実施形態に対応し、さまざまな方法で実施および実行することができる。
また、本明細書で採用される表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定と捉えられるべきものではないことを理解されたい。

シリコンは、１．３μｍ以降の伝送帯域を有する。
そのような波長の短時間レーザーパルスが存在する場合、それらのパルスは、透明材料の内部で効率的に伝搬し、レンズの焦点位置で非線形吸収工程により体積の内部を局所的に改質する。
しかし、超高速レーザーパルス（ピーク出力が１ＭＷ超）のシリコン内での伝搬は、群速度分散（ＧＶＤ）、線形回析、自己位相変調（ＳＰＭ）、自己集束、価電子帯から伝導帯への電子の多光子イオン化／トンネルイオン化（ＭＰＩ／ＴＩ）、プラズマ集束解除、自己急峻化等の線形または非線形の効果の組み合わせを通じたレーザーパルスの時空的プロファイルの強力な再形成により複雑化する。
これらすべての物理的効果は、波長１μｍの超高速レーザーパルスをガラス等の光媒体で使用することにより観察される（ＳＬ Ｃｈｉｎ他、Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、８３、８６３−９０５（２００５年））。

シリコン（Ｓｉ）基板の使用に加えて、ＳｉＣ、ガラス、ホウケイ酸ガラス、化学強化ガラス、熱強化ガラス、サファイア、ＬｉＮｂＯ_３、チタンサファイア、ＬｉＴａＯ_３、透明セラミック、結晶ロッド、ＧａＮ等の他の材料を、本明細書で開示された方法により、加工することができる。
これらの材料は、任意の幾何学的形状をとる可能性があり、開示された方法は、これらの材料の任意の幾何学的形状に適用することができる。

シリコンの透過率スペクトルで動作することができる超高速バーストレーザーを使用することで、フィラメントが形成され、スクライブ線に沿って音響圧縮が内部的に行われて、きわめてきれいで滑らかなスクライビングが実現する。

この方法では、波長１μｍの超高速パルスのバースト（ポンプ）が、三次非線形性がきわめて高いＬｉＮｂＯ_３結晶を通過し、位相整合に基づいて、周波数の和がポンプ周波数と等価になるような２つの波長が作成される。
これら２つの波長は、シグナルおよびアイドラーと呼ばれる。
通常、シグナルは、効率がきわめて低く、アイドラーよりも速く発散する。
有利なことに、シグナルおよびアイドラーは、いずれもシリコンに対して透過的である。

焦点は、シグナルおよびアイドラーがシリコンの内部でフィラメンテーションを発生させるように調節される。
シグナルおよびアイドラーは、きわめて明白なフィラメントを作成し、それによって、開裂を簡素化する。
ＯＰＡを使用することで、シグナルまたはアイドラーがポンプを使用して増幅される。
ＯＰＡの使用には、ＯＰＧよりも複雑なセットアップが伴うが、出力レベルは、フィラメンテーションを実行するのに十分である。

超高速レーザーパルスが、ガラス、サファイア、水等の光学カー材料に伝搬すると、それらのレーザーパルスは、レーザーパルスの中心の光がパルスの縁部（側方）の光よりも遅く移動する非線形効果を受ける。
これにより、レーザーパルスの自己位相変調が起こり、結果として、パルス周波数が変化する。

基本的に、非線形工程は、元のレーザービームの激しいスペクトル拡幅を引き起こし、円滑な連続スペクトルを生成する。
結果として、白色光またはスーパーコンティニウムと呼ばれる、多数の異なる波長からなる光が作成される。
白色光のスペクトルは、ＵＶ域から始まり、数μｍまで延在する。
１．３μｍ未満の波長は、シリコンに吸収されるが、白色光のそれよりも長い波長は、シリコンの内部をそのまま通過する。
白色光は、複数の二次的波長を生成する。

好ましくは、厚さ５０μｍ〜５００μｍのサファイア（またはガラス）等のカー材料をシリコンウエハの上に置き、超高速レーザーパルスのバーストをサファイアに伝搬させた場合、ＵＶ域（波長２００ｎｍ）からＩＲ域（最大５μｍ）まで延在する白色光（スーパーコンティニウム）が生成される。
これをバースト超高速レーザーパルスのフィラメンテーションによりサファイアをスクライブまたは切断しながら行った場合、適切な集束がなされていれば、基になるシリコンウエハでもフィラメンテーションが発生する。
もちろん、サファイア層は、基になるシリコンと同じ幾何学的形状でスクライブする必要があるため、犠牲層となる。

所望の距離だけアブレーション加工を実行できるレーザーフルエンスレベルでオリフィスを開始し、アブレーション加工の臨界レベルより低いが光音響加工を材料の所望の深さまで実行できる臨界レベルよりも高いレーザーフルエンスレベルで穴あけを完了する作業を、レーザー源と対象物との間の相対的な移動と組み合わせることで、あらゆる切断を行うことが可能となる。

超高速白色光源を使用した光音響圧縮加工方法によるシリコンの切断は、以下のステップにより実行される。
１．シリコン対象物の少なくとも１つの面に、ガラスまたはサファイアの犠牲層を適用する。
２．レーザー源からのレーザーエネルギーパルスを、選択された分散レンズ集束装置に通す。
３．レーザー源に対する分散レンズ集束装置の相対的な距離および／または角度を、レーザーエネルギーパルスを分散焦点構成で集束して主焦点ウエストと少なくとも１つの副焦点ウエストとを作成するように調節する。
４．主焦点ウエストが犠牲層または加工される対象物の表面または内部に位置しないように、主焦点ウエストまたは対象物を調節する。
５．犠牲層および対象物の面のレーザーフルエンスのスポットが、主焦点ウエストの下方または上方に位置するように、焦点を調節する。
６．犠牲層および対象物の面のレーザーフルエンスのスポットを、犠牲層および対象物に形成されるフィラメントの直径よりも常に大きい直径を有するように調節する。
７．副焦点ウエストのフルエンスレベルが、犠牲層および対象物の所望の体積に光音響圧縮加工を確実に伝搬させるための十分な強度および数であることを確認する。
８．適切な波長、適切なバーストパルス繰り返し率、および適切なバーストパルスエネルギーを有するレーザーパルスの少なくとも１つのバーストを、レーザー源から選択された分散レンズ集束装置を通じて犠牲層に適用する。
ここで、レーザーパルスが犠牲層での加工の起点に接触するスポットで犠牲層に適用されるパルスエネルギーまたはフルエンスの総量は、犠牲層およびシリコン対象物を通じてフィラメンテーションおよび光音響圧縮加工を開始および伝搬するために必要な臨界エネルギーレベルよりも大きいが、アブレーション加工を開始するために必要なしきい値臨界エネルギーレベルよりも低い。
９．シリコン対象物とレーザー源とを相対的に移動させて、穴あけされたオリフィスを切断線へと成長させる。
１０．所望の加工が完了したときに、レーザーパルスのバーストおよびフィラメンテーションを停止する。

上述した工程は、犠牲層でアブレーション加工を実行し、光音響圧縮加工をシリコンのみで実行するように行うことも考えられる。
その場合、ステップ８は、以下のように変更される。
８．適切な波長、適切なバーストパルス繰り返し率、および適切なバーストパルスエネルギーを有するレーザーパルスの少なくとも１つのバーストを、レーザー源から選択された分散レンズ集束装置を通じて犠牲層に適用する。
ここで、レーザーパルスが犠牲層での加工の起点に接触するスポットで犠牲層に適用されるパルスエネルギーまたはフルエンスの総量は、アブレーション加工を所望の深さまで開始するために必要な臨界エネルギーレベルよりも大きく、その後、犠牲層にアブレーションで穴あけされたオリフィスの底部におけるフルエンスエネルギーは、残りの犠牲層およびシリコン対象物全体のフィラメンテーションおよび光音響圧縮加工を開始および伝搬するために必要な臨界エネルギーレベルよりも大きいが、アブレーション加工を開始するために必要なしきい値臨界エネルギーレベルよりも低い。

シリコン自体は、強いカー非線形性を持たないが、ピーク出力が高いパルスを使用した場合、Ｓｉで白色光を生成することができる。
この場合、超高速白色光パルスのバーストの長い波長のスペクトルを使用して、Ｓｉをスクライブすることができる。
この場合、サファイアまたはガラスの犠牲層をＳｉの上に適用する必要はない。

レーザー加工技術
別途定義しない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および科学的用語は、当業者に共通して理解されるものと同一の意味を持つものとして意図される。
コンテキスト等により別途指示しない限り、本明細書で使用される以下の用語は、以下の意味を持つものとして意図される。

本明細書で使用される「光音響圧縮による穴あけ」という用語は、アブレーションによる穴あけまたは切断の手法で使用されるパルスエネルギーよりも低いパルスエネルギーのレーザービームを対象物に照射することにより、対象物を加工する（通常は、固体の基板を切断または穴あけする）方法を意味する。
光吸収の工程とそれに続く熱弾性膨張により、放射された材料内に広帯域音響波が生成されて、ビーム伝搬軸（オリフィスの軸と共通）を中心に圧縮された材料の通路が材料内に形成される。
この方法には、オリフィスの壁が滑らかになり、噴出物が最小化または除去され、材料における極小亀裂の形成が最小化されるという特徴がある。

本明細書で使用される「フィラメント改質領域」（ｆｉｌａｍｅｎｔ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｚｏｎｅ）という用語は、基板内のフィラメント領域であって、光ビーム経路により画定される圧縮領域により特徴付けられる領域を示す。

本明細書で使用される「バースト」、「バーストモード」、または「バーストパルス」という用語は、レーザーの繰り返し周期よりも実質的に小さい相対時間間隔を有するレーザーパルス群を示す。
バースト内のパルス間の時間間隔は一定または可変であること、および、バースト内のパルスの増幅は、たとえば、対象材料の内部に最適化または事前に決定されたフィラメント改質領域を作成することを目的に、可変であることを理解されたい。
一部の実施形態では、パルスのバーストは、そのバーストを形成するパルスの強度またはエネルギーを変えて形成される。

本明細書で使用される「基板」という用語は、（波長に対して）透明な対象材料を意味し、シリコン、シリコンカーバイド、透明セラミック、ポリマー、透明導電体、バンドギャップの大きいガラス、結晶、結晶水晶、ダイヤモンド（天然または人工）、サファイア、希土類元素製剤、ディスプレイ用金属酸化物、およびコーティング有りまたはコーティング無しの研磨状態または非研磨状態のアモルファス酸化物からなる群より選択され、プレートやウエハを含むがこれらに限定されない任意の幾何学的形状を網羅するように意図されている。
また、基板は、バイオチップ、光センサ、平面光波回路、光ファイバ、シリコン、１１１−Ｖ半導体、超小型電子チップ、メモリチップ、センサチップ、電気工学レンズ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、および垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）からなる群より選択される。
対象物または対象材料は、通常は、基板より選択される。

本明細書で使用される「レーザーフィラメンテーション」（ｌａｓｅｒ ｆｉｌａｍｅｎｔａｔｉｏｎ）とは、レーザービームを使用して材料内にフィラメントを作成する行為であり、材料を「除去」するのではなく「移動」するだけの十分な強度を有するフィラメントの形成事象を利用した圧縮を通じて材料を改質することができる工程である。

本明細書で使用される「主焦点ウエスト」（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｆｏｃａｌ ｗａｉｓｔ）という用語は、最終集束後（光が対象物に入射する前の最後の光学要素装置を通過した後）のレーザービームが最も密に集束され、最も焦点強度が大きい部分を示す。
この用語はまた、「主焦点」という用語と同じ意味で使用される。
「副焦点ウエスト」（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｏｃａｌ ｗａｉｓｔ）という用語は、分散ビームの主焦点ウエストよりも強度が小さい他のすべての焦点を示す。
この用語は、「副焦点」という用語と同じ意味で使用され得る。

本明細書で使用される「犠牲層」（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）という用語は、対象材料に除去可能に適用することができる材料を示す。

本明細書で使用される「加工」または「改質」という用語は、対象物または基板の表面または内部のオリフィス穴あけ、切断、スクライビング、またはダイシングの工程を包含する。

本明細書で使用される「焦点分散」（ｆｏｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）という用語は、全体として正レンズであるレンズ装置を通過する入射光線の時空的分散を示す。
一般に、有用な強度のスポットの後続する収束は、集束レンズの中心からの距離に応じる。

本明細書で使用される「収差レンズ」（ａｂｅｒｒａｔｉｖｅ ｌｅｎｓ）という用語は、レンズを通過する入射光に対して分散した焦点パターンを作り出すために、ｘ面のレンズ曲線がｙ面のレンズ曲線と等価ではない不完全なレンズである集束レンズを示す。
正収差レンズは、収束レンズであり、負収差レンズは、発散レンズである。
材料をスクライビングおよびダイシングするために必要な線形のオリフィスアレイを作成したり、アレイ状ではない独立したオリフィスを作成したりするには、集束レンズおよび発散レンズの少なくとも一方、場合によっては、両方が必要である。

超短パルスレーザーは、多光子、トンネルイオン化、および電子雪崩の各工程を積極的に駆動することにより表面をきれいに微小加工、改質、および処理するための高い強度を提供する。
当面の問題は、対象の透明材料に、アブレーション穴あけで使用されるエネルギーよりも少なく、かつ光音響圧縮を開始および維持するための臨界エネルギーレベルよりも大きいエネルギーをどのように与えて、材料内の焦点における屈折率を修正し、（先行技術のアブレーション穴あけシステムで直面する）光学破壊に直面しないフィラメントを作成して、対象材料内でのレーザービームの継続的な再集束を長距離にわたって継続し、複数の積層した基板でも先細りを抑えてオリフィス壁を比較的滑らかにしつつ対象材料の上方、下方、または内部から同時に穴あけできるようにするかである。
作製ユニットの方向付け／ステアリングにより形成されたフィラメントは、オリフィスの穴あけ、対象物の表面もしくは内部の切断、スクライビング、またはダイシングに使用できる。

図１を参照すると、本開示は、レーザービームによる光音響圧縮により透明材料にオリフィスを加工する装置、システム、および方法を提供する。
既知のレーザー材料加工方法と異なり、本発明の実施形態では、入射レーザービーム２を長手方向のビーム軸に沿って分散させる光学構成を利用する。
これにより、主焦点８と副焦点２４とを直線的に並べて（オリフィスの直線軸に一致するが、主焦点８または焦点ウエストから垂直方向にずれている）、入射レーザービーム２が材料を通過するときに連続して再集束できるようにし、それによって材料内のビーム経路に沿った屈折率を修正し、かつ（初歩的または疑似的なフィラメンテーションを使用するものと使用しないものとを含む従来技術のアブレーション穴あけシステムに見られるような）光学破壊に直面しないフィラメントの作成を可能にし、対象材料におけるレーザービーム２の継続的な再集束を長距離にわたって続けられるようにする。

引き続き図１を参照すると、この分散集束方法では、分散レンズ集束装置２６により副焦点ウエスト２４を作成し、主焦点ウエスト８を材料（本事例の場合は、犠牲層の場合もあり）の表面または内部から外部に移動することにより、主焦点ウエスト８に存在する入射レーザービーム２の不要なエネルギー３２を「ダンピング」または低減することができる。
このようにビームフルエンスのダンピングと主焦点ウエスト８および副焦点ウエスト２４の線形配列とを組み合わせることで、これまで既知の方法を使用して可能だった距離を大幅に上回る（および１ｍｍを大幅に上回り、最大１０ｍｍまでの）距離にわたりフィラメントを形成しつつ、フィラメント領域の全長にわたり実際の改質および圧縮を行うための十分なレーザー強度（フルエンスμＪ／ｃｍ^２）を維持することができる。
この分散集束方法は、長さ１〜１０ミリメートルのフィラメントの形成をサポートし、かつエネルギー密度を材料の光学破壊しきい値よりも低く維持する。
これにより、複数の積層基板でも異種の材料（対象材料１０の層の間の空気またはポリマーの間隙など）にわたって同時に穴あけできるだけの十分な強度を保ち、穴あけ距離全体での先細りをごくわずかにし、比較的滑らかな壁のオリフィスを対象材料１０の上方、下方、または内部から形成できるようにする。図２を参照されたい。

レーザーパルスの光学密度により、自己集束現象が起こり、フィラメントの内部／近傍／周囲の領域で非アブレーション初期光音響圧縮を行うのに十分な強度のフィラメントが生成される。
これにより、フィラメントに一致する実質的に一定の直径の線形対称空洞が作成され、また、レーザーパルスの連続的な自己集束および集束解除と分散ビームの副焦点ウエスト２４により入力されるエネルギーとの組み合わせによって、対象材料１０の指定された領域を横断または貫通するオリフィスの形成を方向付ける／案内するフィラメントが形成される。
このオリフィスは、対象物から材料を除去するのではなく、形成されるオリフィス２２の周囲の対象材料１０を光音響圧縮することによって形成することができる。
形成されるオリフィス２２は、穴あけされるオリフィスの長さに沿って、または、連続的なオリフィス形成により作成されるスクライブ線に沿って、レーザー光を「案内」する役割も果たす。

対象物１０の表面でのフルエンスレベルは、入射レーザービーム２の強度と特定の分散レンズ集束装置２６とに依存することがわかっており、特定の対象材料、対象物の厚さ、所望の加工速度、オリフィス全体の深さ、およびオリフィスの直径に応じて調節される。
また、穴あけされるオリフィスの深さは、レーザーエネルギーが吸収される深さに依存する。
したがって、単一のレーザーパルスによって改質される材料の量は、材料の光学特性と、レーザービームの波長およびパルス長とに依存する。
このため、本明細書では、使用するシステムおよび材料で最適な結果を得るために経験的な判断を必要とする幅広い加工パラメータを各基板および対応する用途と共に示す。
よって、表面でのフルエンスレベルが一時的かつ局所的なアブレーション（蒸発）加工を開始するのに十分な高さである場合、対象物１０の入口点で最小限のアブレーション噴出土手２０が形成されることがある。
ただし、このプラズマ作成およびアブレーションは、本発明を実施するうえで必然ではない。
状況によっては、過渡的かつ一時的なアブレーション穴あけを実行するのに十分な強度のフルエンスレベルを対象物１０の表面で利用して幅広の傾斜した入口を作成しつつ、オリフィス２２の残りの部分は、同一の直径とするのが望ましい場合がある。
このようなオリフィス２２は、一時的なアブレーション手法とそれに続く継続的な光音響圧縮手法とを許容するエネルギーレベルを使用した分散焦点混合型穴あけ方法により作成される。
これは、本発明により、アブレーション加工に必要なフルエンスレベルが傾斜部（または他の形状構成）の所望の深さで消耗するように、材料におけるレーザービームの線形吸収と非線形吸収とをバランスさせたフルエンスレベルを対象物１０の表面で選択することにより実現できる。
この分散焦点混合型穴あけ手法では、小さな噴出土手２０ができるが、対象物１０の表面に犠牲層３０を適用することで除去できる。
一般的な犠牲層３０は、ガラス、人工酸化物（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ）、バンドギャップの大きい材料、サファイア、樹脂、またはポリマーであり、通常必要な厚さはわずか１〜５０００ミクロンである（ただし、透明材料の加工では１０〜３０ミクロンの範囲が利用される）。
犠牲層３０は、技術分野でよく知られているように、溶融したデブリが表面に付着するのを防ぎ、代わりに除去可能な犠牲材料に付着させることにより、対象物１０に噴出土手が形成されるのを防ぐ。

本開示は、対象物１０の内部で光音響圧縮を引き起こす超高速レーザーパルスのフィラメンテーションによって透明材料にオリフィス２２を加工する装置、システム、および方法を、以下の非限定的な例により提供する。

例１：
図１０を参照すると、複数のデバイス７９を含む半導体ウエハ７７のデバイス側がＵＶテープ７８で被覆されている。
図１０に示すように、半導体ウエハ７７の上面７７Ｂの上にサファイア７６が重ねられている。
サファイア７６は、カー媒質である。
公知のレーザー材料加工方法と異なり、本発明の実施形態では、入射レーザービーム２を半導体ウエハ７７の内部ではなく、半導体ウエハ７７の上部または下部で集束する光学構成を利用する。
レーザーパルスのピーク出力が５ＭＷ（サファイアでの自己集束に十分）を超える高さのため、レーザーパルスは、カー媒質であるサファイア７６で直ちに自己集束を開始する。
非線形効果は、レーザービーム２のレーザーパルスが回折限界を超えて集束し、サファイア７６からなる犠牲層でフィラメントを作成するのを支援する。
この工程により、白色光が生成されると共に、透明な半導体ウエハ７７の直下に円錐形放射７５が生成される。

白色光のスペクトルは、半導体ウエハ７７の上面７７Ｂで部分的に吸収されるが、スペクトルのうち半導体ウエハ７７に対して等価的な部分は、半導体ウエハ内のフィラメンテーション形状に追従し、結果として光音響圧縮を生成してオリフィスを形成する。
バーストパルスエンベロープは、きわめて重要な役割を果たすサブパルスを含む。
これらのサブパルスは、バーストの次のサブパルスが到達したときに半導体ウエハが弛緩されないようにし、蓄熱によってフィラメンテーションを固める。
サブパルスを連続して適用することで、オリフィスがより明白に形成される。
単一のレーザーパルスを使用した場合でも、フィラメントは形成されるが、複数のサブパルスの蓄熱により、より好ましい結果が得られる。

レーザービームまたは対象物を適切な方向に移動することで、オリフィスが相互に隣接して形成され、サファイア７６および半導体ウエハにスクライブ線が作成される。
スクライブ線の幅は、約１μｍである。
これは、ストリート幅（デバイス間の距離）を減らしてウエハに搭載するデバイスを増やすうえできわめて有益である。
ストリート幅は、現時点で約１００μｍであり、３０μｍに減らすことが望まれている。
バーストフィラメンテーションのスクライブでは、ストリート幅を１０μｍに設定できる。

光音響圧縮加工を実現するには、以下のシステムが必要である。
・バーストパルスエンベロープ内に１〜５０のサブパルスを含むプログラミング可能なパルス列を含むレーザービームを生成できるバーストパルスレーザーシステム。
さらに、このレーザーシステムは、利用する対象材料に応じて、５〜２００ワットの平均出力を生成できる必要がある。
・パルス持続時間が、少なくとも１５ｐｓであるが、１５ｐｓ〜１０ｆｓの任意の値に設定可能なバーストパルスレーザー。
・対象材料での入射フルエンスが、カー効果の自己集束および伝搬を引き起こすのに十分である弱収束の多焦点空間ビームプロファイルを生成できる分散レンズ集束装置（正レンズおよび負レンズを含む可能性があるが、全体として正集束効果を有する）。
・対象物にレーザービームを伝えることができる光学伝送システム。

商業運転では、光学系に対して材料（またはレーザービーム）を移動する（またはその逆で移動する）機能、またはシステム制御コンピュータにより駆動される協調／複合動作も必要である。

このシステムを使用して光音響圧縮によりオリフィスまたはビアを穴あけするには、特定の対象物に対して、分散レンズ集束装置の特性、バーストパルスレーザービームの特性、および主焦点の位置の各条件を操作する必要がある。

図１および図１０の分散レンズ集束装置２６は、非球面プレート、テレセントリックレンズ、非テレセントリックレンズ、非球面レンズ、環状ファセットレンズ（ａｎｎｕｌａｒｌｙ ｆａｃｅｔｅｄ ｌｅｎｓｅｓ）、カスタム研磨収差（不完全）レンズ、正レンズと負レンズとの組み合わせまたは一連の補正プレート（位相シフトマスキング）、アキシコンレンズ、入射ビームに対して傾斜した任意の光学要素、ビームの伝搬を操作できる能動補正光学要素、著しく非理想的な非ガウスビーム強度プロファイルを生成する任意の数の光学要素など、技術分野で一般的に採用されている多様な既知の集束要素でよく、必ずしもコマ収差に関連している必要はない。

上述した光学要素装置候補の主焦点ウエスト８は、通常は、主焦点ウエスト８において入射レーザービームのフルエンスが９０％を超えず、また、２０％を下回らない。
ただし、事例によっては、分散レンズ集束装置２６の光学効率が９９％に近づくことがある。
図３は、上述した工程で使用される非球面の収差レンズ３４を示す。
分散レンズ集束装置２６の実際の光学効率は、個別の用途ごとに微調節する必要がある。
利用者は、各透明材料、対象物１０の物理構成および特性、ならびに特定のレーザーパラメータに応じた一群の経験的テーブルを作成する。
これらのテーブルは、コンピュータ化し、集中型または分散型の制御アーキテクチャを通じてシステムを駆動するために使用できる。
炭化ケイ素、ガリウムリン、サファイア、強化ガラス等はそれぞれ独自の値を持つ。
このテーブルは、材料内にフィラメントを作成し（レーザー出力、繰り返し率、焦点位置、および収差レンズ３４の特性のパラメータを上述したように調節する）、亀裂面または光音響圧縮の軸を誘起してオリフィスを作成するのに十分なフルエンスが存在することを確認することにより実験的に決定される。
ホウケイ酸塩でできた厚さ２ｍｍの単一の平面対象物に、周波数（繰り返し率）が１ＭＨｚ域でパルスごとのエネルギーが１０μＪのバーストパルス（５パルス）を出力する波長１ミクロンの５０ワットレーザーを使用して、直径５ミクロンの貫通オリフィス（図４）を穴あけするためのサンプル光学効率は、レーザービームの主焦点ウエスト８が所望の起点から最大５００μｍ離れたところに位置する状態で６５％である。

この光音響圧縮穴あけ工程で満たす必要がある一群の物理パラメータも存在することに注目されたい。
図４および図５を参照すると、ビームスポット直径３８＞フィラメント直径４０＞オリフィス直径４２の関係であることがわかる。
さらに、分散レーザービームの主焦点ウエスト８は、フィラメントが作成される対象材料１０の内部または表面上に位置することはないが、対象材料１０の積層内に、ウエストが層の間の空隙等の空間に位置するかたちで配置させることができる。

主焦点ウエスト８の位置は、一般に所望の起点から最大で５００μｍ離れた範囲内である。
これは、エネルギーダンプ距離３２と呼ばれる。図１を参照されたい。
また、各透明材料に応じた経験的テーブルの作成により、対象物１０の物理構成および特徴と、レーザーのパラメータとが判断される。
これは、上述した方法により作成されたテーブルより推測される。

レーザービームのエネルギー特性は、次のとおりである。
すなわち、繰り返し率１Ｈｚ〜２ＭＨｚ（繰り返し率により、試料の移動速度と隣接フィラメント間の間隔とが画定される）で、レーザービームのパルスエネルギーは、５μＪ〜１００μＪである。
フィラメントの直径および長さは、各バーストエンベロープ内に存在する時間的エネルギー分散を変更することにより調節できる。
図１３および図１４は、バーストパルスレーザー信号の２つの異なる時間的エネルギー分散の例を示している。

図６乃至図９を参照すると、本発明の機構が最もよく示されている。
ここでは、バーストピコ秒パルス光を使用している。
これは、対象材料１０に堆積するエネルギーの総量が低く、光音響圧縮が材料を亀裂させずに進行できるからである。
また、対象材料１０で生成される熱が少ないため、効率的な小単位のエネルギーが対象材料１０に堆積し、よって、フィラメントの周囲で対象材料１０の完全性を損なうことなく対象材料１０を基底状態から最大励起状態に漸進的に高めることができるからである。

実際の物理工程は、本明細書で説明するように発生する。
パルスバーストレーザーの入射光ビームの主焦点ウエスト８が、分散レンズ集束装置を通じて、フィラメントが作成される対象材料１０の上方または下方（内部となることはない。
ただし、積層間の空気、ポリマー、または液体である間隙に位置する場合を除く）の空間の点に提供される。
これにより、対象物１０の表面にスポットが作成されるとともに、白色光が生成される。
対象物１０の表面のスポットの直径は、フィラメントの直径および所望の形状（オリフィス、スロット等）の直径を上回る。
したがって、表面のスポットに入射するエネルギーの量は、電気光学効果（カー効果―材料の屈折率の変化は、適用される電場に比例する）を生成するための臨界エネルギーよりも大きいが、アブレーション工程を誘起するために必要な臨界エネルギーよりは低く、より明確には、対象材料１０の光学破壊のしきい値を下回る。
自己集束条件とプラズマ集束解除条件との間のバランスを維持できるように、対象材料１０で必要な出力を時間的尺度にわたり維持した結果として、光音響圧縮が進行する。
この光音響圧縮は、均一で高出力なフィラメント形成伝搬工程の結果である。
これにより、材料は、アブレーション工程を介した除去よりも有利に転位される。
したがって、きわめて長いフィラメントの形成が、分散レンズ集束装置によって作成される空間拡張された副焦点によって誘発され、光学破壊に到達することなく自己集束効果が維持される。
この分散レンズ集束装置では、多数の周辺光線および近軸光線が、主焦点に対して相対的に異なる空間位置で収束する。
副焦点のエネルギーを基板表面よりも低いレベルであるがフィラメント事象の能動的な底面であるレベルに集束させることにより、これらの副焦点は、無限の空間に延在するが、対象物の厚さに経験的に対応する限られた範囲のみで有用な強度を持つ。
これにより、レーザーエネルギーがプラズマによる吸収とデブリによる散乱とを回避しながら、材料の大半にアクセスすることが可能となる。

分散レンズ集束装置は、不均等に分散しているように見える入射レーザービームの焦点を、主焦点ウエスト８と一連の直線的に配置された副焦点ウエスト（焦点）とを含む分散焦点ビーム経路に発展させるために、入射したレーザービームの経路に配置された単一の非理想焦点レンズでよい。
分散レンズ集束装置は、ビームウエストの内部または周囲で、非理想的な非ガウスビームスポット分散を作成する簡素なものでもよい。
通常は、単一の光学要素ではなく、レーザービームの伝搬軸に沿って配置された複数の光学要素である。

これらの焦点の配列は、オリフィス４２の直線軸と共線的である。
なお、主焦点ウエスト８は、対象物１０の表面上または内部に位置することはない。
図６では、主焦点ウエスト８が対象材料１０の上方にあり、図７では、主焦点ウエスト８が対象材料１０の下方にある。
これは、集束されたレーザービームの対称的かつ非線形の特性により、オリフィス４２が、主焦点ウエスト８の上方または下方から開始されるからである。
したがって、ビームスポット５２（約１０μｍ離れている）が対象物１０の表面に存在し、弱い副焦点ウエスト５０が対象物１０内に共線的に存在する。
これは、材料が最後の光学要素として機能して、レーザーの電場により対象物１０の屈折率が変化する際にこれらの焦点を作成するからである。
この分散焦点により、フィラメントラインまたはフィラメント領域６０を形成するようにレーザーエネルギーを材料に堆積させることができる。
複数の焦点を直線状に配置し、材料を最後のレンズとして機能させることにより、対象材料１０は、超高速バーストパルスレーザービームを照射されたときに、多数の連続する局所的な加熱を被る。
これにより、直線状に配列された焦点の経路に沿って、材料の局所的な屈折率の変化が熱的に誘起される。
これにより、長くて先細りのないフィラメント６０が対象物１０に発展し、それに続いて音響圧縮波が材料の所望の領域を環状に圧縮して、フィラメンテーション経路の周辺に空洞および圧縮された材料のリングが作成される。
次に、レーザービームが再集束し、再集束したレーザービームと副焦点ウエスト５０のエネルギーとの組み合わせによって臨界エネルギーレベルが維持され、この一連の事象が自動的に繰り返されて、縦横比（オリフィスの長さ／オリフィスの直径）が１５００：１で、先細りがほとんどまたは全くなく、オリフィスの入口サイズと出口サイズとが事実上同じ直径であるオリフィスが穴あけされる。
これは、エネルギーを対象材料１０の上面または内部に集束させ、結果としてフィラメンテーション距離が光学破壊に到達してフィラメンテーションが劣化または停止するまでの短いものとなる先行技術と異なる。

図９は、空隙を挟んだ３枚の積層構成の平坦な対象物１０のうちの下の２枚へのオリフィスの穴あけを示している。
ここで、主焦点ウエスト８は、最後の対象物１０の下方に位置している。
穴あけは、複数層の構成の上方、下方、または中間から行うことができるが、同じレンズセットおよび曲率を使用した場合は、穴あけ事象は、常に、主焦点ウエスト８から同じ距離で発生する。
焦点ウエストは、常に、材料の外部にあり、基板の表面に達することはない。

レーザー特性、主焦点ウエスト８の位置、ならびに最終的な集束レンズの配置および作成されるオリフィス２２の特徴のさまざまなパラメータを次の表に示す。
これらは、対象材料の種類、対象材料の厚さ、ならびに所望のオリフィスのサイズおよび位置によって値が大きく異なるため、範囲で表されていることに注意されたい。
次の表は、多様な透明材料のいずれかに均一のオリフィスを穴あけするために使用される、さまざまなシステム変数の範囲を詳細に示している。

＜レーザー特性＞
波長 ５ミクロン以下
パルス幅 １０ナノ秒以下
周波数（レーザーパルス繰り返し率） １Ｈｚ〜２ＭＨｚ
平均出力 ２００〜１ワット
バーストごとのサブパルス数 １〜５０
サブパルス間隔 １ナノ秒〜１０マイクロ秒
パルスエネルギー ５マイクロジュール（μＪ）〜５００マイクロ
ジュール（μＪ）
（平均出力／繰り返し率）
ワット／１／秒
＜オリフィス特性＞
最小オリフィス直径 ０．５ミクロン
最大オリフィス直径 ５０ミクロン
最大オリフィス深さ ホウケイ酸ガラスで１０ｍｍ
典型的な縦横比 １５００：１
最大縦横比 ３０００：１
収差レンズ比率 レンズのＣｘ：Ｃｙ比率が−５〜４，０００
オリフィス側壁の円滑性（材料非依存） ５ミクロン未満の平均粗さ（Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓ
ｉＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＰ等）
オリフィス側壁の先細り（材料非依存） 深さ１０，０００ミクロンで無視できる程度
＜ビーム特性＞
焦点分散 −５〜４，０００
Ｍ^２ １．００〜５．００

既に述べたように、上記パラメータは、対象物によって異なる。
利用可能な例として、透明基板に３ミクロンの穴を深さ２ｍｍで穴あけするには、装置およびパラメータとして、６５ワットの平均出力、８０μＪのパルスエネルギー、５０ＭＨｚでバーストごとに８個のサブパルス、および１００ｋＨｚの繰り返し率を使用する。
これを、２ｍｍの空間（フィラメント活性領域が長さ２ｍｍ）にわたって焦点を分散させる収差レンズで、材料に応じて上面の５〜５００ミクロン上方で集束させる。

多軸回転移動制御を備え、バースト超高速レーザーパルスによるフィラメンテーションを利用して光音響圧縮加工を実現する図１１の装置は、基板を切断するために、さまざまな焦点位置、非垂直の入射角、および可変のレシピ制御位置でビームをワークに与えてフィラメントアレイの曲線領域を作成する目的で利用できる。
当業者は、これらすべての軸がすべての用途に必要なわけではないこと、および一部の用途では簡素なシステム構成のほうが恩恵があることを理解する。

さらに、示された装置は、本開示の実施形態の例示的な実装の１つに過ぎないこと、およびそのような実施形態は、本開示の範囲から逸脱することなく、さまざまな基板、用途、および部品提供スキームのために変更、改良、または組み合わせられることが理解される。

本発明は、以上の説明または図面に示された構成要素の配置に用途が限定されるわけではないことを理解されたい。
本発明は、他の実施形態に対応し、さまざまな異なる順序のステップで実現および実行できる。
たとえば、本発明は、１．３μｍ超の適切な波長で動作するレーザービームによるＳｉの切断に対応するが、波長が材料に対して透過的であれば、同じ工程を使用してＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、および他の類似する材料を加工することができる。
さらに、波長が３μｍ超であれば、同じ工程を使用して骨を切断することができる。
本明細書に記載されたレーザービームは、白色光レーザーである必要はなく、本明細書に記載された１０６４ｎｍ以外の波長で動作することができる。

光音響圧縮は、プラスチップベースの材料の断裂または分離を引き起こさないため、ウエハのダイシングできわめて有利である。
通常、デバイスが基板上で形成され、保護および取扱いのためにＵＶテープで被覆される。

先行技術を参照すると、新しいチップを作成するステップは、以下のとおりである。
１．シリコン等の厚いウエハに、リソグラフィ手法を使用してチップを装着する。
２．ウエハのデバイス側をＵＶテープで被覆する。
３．ウエハが適切な厚さになるまで、ウエハの裏側を薄くする。
４．研磨（ウエハの薄化）後、ＵＶテープをクリーンルームで除去し、新しいＵＶテープを裏側に貼る。
５．ウエハをデバイス側からダイシングする。
この時点で、レーザーアブレーション、ステルスダイシング、またはダイヤモンドローラを使用する。
６．パッド領域のすべての配線を加工、切断する必要がある。
デバイスにデブリが飛び散る可能性がある。

光音響圧縮スクライビングによる新たな方法を使用することで、上述した手順を、図１０に示すように少ないステップで実行することができる。
１．シリコン等の厚いウエハ７７に、リソグラフィ手法を使用してデバイス７９を装着する。
２．デバイス側７７ＡをＵＶテープで被覆する。
３．ウエハ７７が適切な厚さになるまで、ウエハの裏側（上面）７７Ｂを薄くする。
４．ウエハ７７を裏側７７Ｂからスクライブする。超高速レーザーパルスを使用してスクライブすると同時に、配線で使用するパッド領域をアブレートする。
５．最初のＵＶテープ７８は引き続き使用されており、クリーンルームで加工を行う必要はない。デバイス側７７ＡはＵＶテープ７８で被覆されているので、デバイス側７７Ａからデブリが生じることはない。
６．ＵＶテープ７８はそのままの状態であり、レーザースクライビング工程後も損傷していない。
７．レーザービームに対向して設置された共焦のＩＲ顕微鏡または通常顕微鏡を通じて、ストリートに対するレーザーの調節を行うことができる。

図１１は、部品のシンギュレーションに適した例示的なレーザーシステムのレイアウトを示している。
レーザー２は、たとえば、パルスごとのエネルギーが約１μＪ〜５００μＪであるサブパルスのバーストを、最大約２ＭＨｚの繰り返し率で提供できる。

花崗岩ライザ１２８は、業界で一般に使用されているように、機械的な振動を緩衝する反応物質として設計されている。
これは、Ｘ−Ｙサーボ制御ステージ８４の上方の光学系がＸ−Ｙサーボ制御ステージ８４に対してＸまたはＹの１つの軸に沿って、Ｘ−Ｙサーボ制御ステージ８４と協調して移動できるようにするブリッジ等である。
花崗岩ベース１２０は、システムの任意またはすべての構成要素を支持できる反応物質を提供する。
一部の実施形態では、操作装置１２２は、安定性の理由により、システムから振動的に分離されている。

Ｚ軸モニタ駆動装置１２４は、光学系（調節、集束、および必要に応じて走査を行う光学系）をＸ−Ｙサーボ制御ステージ８４に対してＺ軸方向で移動するために設けられている。
この動きは、Ｘ−Ｙサーボ制御ステージ８４、オーバーヘッドの花崗岩ブリッジのＸ動作またはＹ動作、および加工する試料材料を保持する花崗岩ベース１２０上のＸ−Ｙサーボ制御ステージ８４のＸＹ動作と協調させることができる。

Ｘ−Ｙサーボ制御ステージ８４は、たとえば、傾斜軸ガンマ（「ヨー」）を備えたＸＹステージおよびシータステージを含む。
Ｘ−Ｙサーボ制御ステージ８４の動きは、大きなマザーシートから所望の部品形状を作成するために、たとえば、制御コンピューティングシステムによって調節される。
測定デバイス１０８は、たとえば、切削後の縁部品質のマッピング、サイズ設定、および／または確認のために、工程後もしくは工程前（または両方）の測定を行う。

例２：
シリコンインゴット９０からウエハの薄い層を作成するのは容易ではない。
現在、シリコンインゴット９０は、鋸を使用してスライスされており、大量の材料が無駄になっている。
ウエハの非常に薄い層を切断するために陽子ビームが使用されているが、陽子ビーム工程は、高価であり、製造環境で実行するのは困難である。

最近、対象物の上面より下の内部でビームを密に集束することによる光学破壊を利用して、切断線に沿って欠陥領域を作成できることが提案されている。
しかし、最初に初期スクライブ位置が存在しないため、薄い層を分離するのは容易ではない。

図１２に示すように、シリコンインゴット９０の縁部９０Ｅに沿って深さ２ｍｍのスクライブ線９１を作成し、シリコンインゴット９０から薄いシート９０Ｓ（ウエハ）を分離しやすくすることができる。
これも、例１で説明したように、１．３μｍ超の波長で実行される超高速バーストレーザーを使用するか、ＯＰＧを使用するか、シリコンインゴットの壁にカー層を適用し通常の波長を使用して超高速バースト白色光を生成することにより実行することができる。
図１２は、スクライブ線９１を示している。
図１２Ａは、図１２の一部拡大図であり、一連のオリフィス９１Ｈからなるスクライブ線９１を示している。
これらのオリフィス９１Ｈにより、薄いシート９０Ｓを開裂することができる。
亀裂９１Ｅは、オリフィス９１Ｈの間に存在し、開裂を助長する。
オリフィスは、直径１μｍにすることができ、オリフィスの間隔は、中心間で２〜１０μｍである。

例３：
この例は、超高速レーザーパルスのバーストによりシリコンに穴／オリフィスをあけるものである。
例１で説明したように超高速レーザーの単一のバーストを使用した場合、ミクロンまたはミクロン未満のサイズのオリフィスが生成される。
レーザーパルスの多数のバーストを単一の位置に発射することで、パーカッションドリルを実行することができる。
光音響圧縮により、材料が溶解してオリフィスの壁に向かって押しやられ、結果としてはるかに幅広い穴が生成される。
繰り返し率５０ｋＨｚで実行され、１つのバーストが５０ＭＨｚで実行される８つのレーザーパルスを含むバーストからの５００個のレーザーパルスを使用することで、直径２０μｍの穴／オリフィスを実現することができる。
犠牲層の使用は、波長シフトに有益であるが、シリコンでオリフィスが先細りするのを防ぐためにも役立つ。
シリコンに作成されたオリフィス／穴では先細りが生じず、犠牲層で先細りが生じる。
犠牲層からのデブリは、犠牲層に堆積し、シリコンの表面はクリーンに保たれる。
穴／オリフィスを約２〜２０μｍ離して作成／パンチングすれば、本方法を使用してきわめて厚いウエハ試料を切断することができる。

レーザー特性、主焦点ウエストの位置、ならびに最終的な集束レンズの配置および作成されるオリフィスの特徴のさまざまなパラメータを上記の表に示す。
これらは、対象材料の種類、対象材料の厚さ、ならびに所望のオリフィスのサイズおよび位置によって値が大きく異なるため、範囲で表されていることに注意されたい。
上記の表は、多様な透明材料のいずれかに均一のオリフィスを穴あけするために使用される、さまざまなシステム変数の範囲を詳細に示している。

また、本明細書で採用されている表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定とみなされるべきものではないことを理解されたい。
よって当業者は、本開示の基になっている概念が、本発明の複数の目的を実行するための他の構造、方法、およびシステムを設計するための基盤として容易に利用できることを理解する。
したがって、特許請求の範囲については、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、そのような等価の構造物を含んでいるとみなすことが重要である。

２ ・・・入射レーザービーム
８ ・・・主焦点ウエスト
１０ ・・・対象材料（透明な対象基板）
２０ ・・・最小化されたアブレーション噴出土手
２２ ・・・オリフィス
２４ ・・・副焦点ウエスト
２６ ・・・分散レンズ集束装置（最後の収差レンズ）
３０ ・・・犠牲層
３２ ・・・エネルギーダンプ距離
３８ ・・・スポット直径
４０ ・・・フィラメント直径
４２ ・・・オリフィス直径
４４ ・・・フィラメント
４６ ・・・分散焦点ビームパス
５０ ・・・副焦点ウエスト
５２ ・・・スポット
６０ ・・・フィラメント領域
７２ ・・・集束装置
７３ ・・・スクライブ線
７４ ・・・幾何学的焦点
７５ ・・・円錐形放射
７６ ・・・サファイア
７７ ・・・ウエハ
７８ ・・・ＵＶテープ
７９ ・・・デバイス
８４ ・・・Ｘ−Ｙステージ
１０８ ・・・計測
１１８ ・・・花崗岩
１２０ ・・・花崗岩
１２２ ・・・操作
１２４ ・・・Ｚ軸駆動

Claims (23)

1. 上面を有するシリコン基板を提供するステップと、
   カー材料を提供し、該カー材料を前記シリコン基板の上面に係合するように配置して該カー材料と該シリコン基板との間に界面を形成するステップと、
   ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが第１の波長を有するステップと、
   主焦点ウエストと、前記カー材料および前記シリコン基板内でフィラメントを形成するのに十分なフルエンスを有する複数の線形配置された副焦点ウエスト（焦点）とを作成する分散レンズ集束装置を通じて、前記カー材料および前記シリコン基板に前記レーザービームを伝えるステップと
   を含み、前記サブパルスが前記カー材料を通過するときに、白色光である複数の第２波長が生成され、
   前記サブパルスの前記複数の第２波長の一部が１．３μｍ以上であり、
   前記界面を通じて前記シリコン基板に伝えられる前記複数の第２波長の１．３μｍ以上である前記一部によりカー効果の自己集束を開始し、該自己集束を前記シリコン基板に入力される追加のエネルギーによって該シリコン基板に伝搬させて該シリコン基板の内部にフィラメントを作成することにより光音響圧縮工程を作り出す、
   シリコンをレーザー加工する方法。
2. 前記分散レンズ集束装置が、単一の非理想焦点レンズである請求項１記載のシリコンをレーザー加工する方法。
3. 前記分散レンズ集束装置が、前記レーザービームの伝搬軸に沿って配置された複数の光学要素を含む請求項１記載のシリコンをレーザー加工する方法。
4. 前記カー材料を、ガラス、サファイア、および水からなる群より選択するステップをさらに含む請求項１記載のシリコンをレーザー加工する方法。
5. 前記シリコン基板に内径が一定であるオリフィスを作成するステップをさらに含む請求項１記載のシリコンをレーザー加工する方法。
6. 上面を有するシリコン基板を提供するステップと、
   ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが第１の波長を有するステップと、
   主焦点ウエストと、前記シリコン基板内でフィラメントを形成するのに十分なフルエンスを有する複数の線形配置された副焦点ウエスト（焦点）とを作成する分散レンズ集束装置を通じて、前記シリコン基板に前記レーザービームを伝えるステップと
   を含み、前記サブパルスが前記シリコン基板を通過するときに、複数の第２波長を含む白色光が生成され、
   前記シリコン基板に伝えられる前記白色光のエネルギーによりカー効果の自己集束を開始し、該自己集束を前記シリコン基板に入力される追加のエネルギーによって該シリコン基板に伝搬させて該シリコン基板の内部にフィラメントを形成することにより光音響圧縮工程を作り出す、
   シリコンをレーザー加工する方法。
7. 前記分散レンズ集束装置が、単一の非理想焦点レンズである請求項６記載のシリコンをレーザー加工する方法。
8. 前記シリコン基板に内径が一定であるオリフィスを作成するステップをさらに含む請求項６記載のシリコンをレーザー加工する方法。
9. シリコン対象物の少なくとも１つの面に、面を有する犠牲層を適用するステップと、
   レーザー源からのレーザーエネルギーパルスを分散レンズ集束装置に通して、主焦点ウエストと、複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成するステップと、
   前記主焦点ウエストが前記犠牲層または前記シリコン対象物の表面または内部に位置しないように、該主焦点ウエスト、または該シリコン対象物の位置を調節するステップと、
   前記犠牲層の前記面のレーザーフルエンスのスポットが、前記主焦点ウエストの下方または上方に位置するように、焦点を調節するステップと、
   前記犠牲層の前記面のレーザーフルエンスの前記スポットを、前記犠牲層および前記シリコン対象物に形成されるフィラメントの直径よりも常に大きい直径を有するように調節するステップであって、前記副焦点ウエストが、前記犠牲層および前記シリコン対象物の所望の体積に光音響圧縮加工を確実に伝搬させるための十分な強度および数を有するステップと、
   レーザーパルスの少なくとも１つのバーストを前記レーザー源から前記分散レンズ集束装置を通じて前記犠牲層に適用するステップであって、該レーザーパルスが該犠牲層での加工の起点に接触する前記スポットで該犠牲層に適用されるパルスエネルギーまたはフルエンスの総量により、該犠牲層および前記シリコン対象物を通じてフィラメンテーションおよび光音響圧縮加工を開始および伝搬するステップと、
   前記シリコン対象物を前記レーザー源に対して相対的に移動させて、穴あけされたオリフィスを切断線へと成長させるステップと、
   所望の加工が完了したときに、レーザーパルスの前記バーストおよびフィラメンテーションを停止するステップと
   を含むシリコンをレーザー加工する方法。
10. シリコン対象物の少なくとも１つの面に、面を有する犠牲層を適用するステップと、
    レーザー源を提供するステップと、
    非球面プレート、テレセントリックレンズ、非テレセントリックレンズ、非球面レンズ、環状ファセットレンズ、カスタム研磨収差不完全レンズ、正レンズと負レンズとの組み合わせまたは一連の補正プレート位相シフトマスキング、アキシコンレンズ、入射ビームに対して傾斜した任意の光学要素、ビームの伝搬を操作できる能動補正光学要素、およびレーザービームの伝搬軸に沿って配置された著しく非理想的な非ガウスビーム強度プロファイルを生成する任意の数の光学要素からなる群より、複数の光学要素を有する分散レンズ集束装置を選択するステップと、
    前記レーザー源からのレーザーエネルギーパルスを前記分散レンズ集束装置に通して、主焦点ウエストと、複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成するステップと、
    前記主焦点ウエストが前記犠牲層または前記シリコン対象物の表面または内部に位置しないように、該主焦点ウエスト、または該シリコン対象物の位置を調節するステップと、
    前記犠牲層の前記表面のレーザーフルエンスのスポットが、前記主焦点ウエストの下方または上方に位置するように、前記分散レンズ集束装置の焦点を調節するステップと、
    前記犠牲層の前記表面のレーザーフルエンスの前記スポットを、前記犠牲層および前記シリコン対象物に形成されるフィラメントの直径よりも常に大きい直径を有するように調節するステップであって、前記副焦点ウエストが、前記犠牲層および前記シリコン対象物の所望の体積に光音響圧縮加工を確実に伝搬させるための十分な強度および数を有するステップと、
    レーザーパルスの少なくとも１つのバーストを前記レーザー源から前記選択された分散レンズ集束装置を通じて前記犠牲層に適用するステップであって、該レーザーパルスが該犠牲層での加工の起点に接触するスポットで該犠牲層に適用されるパルスエネルギーまたはフルエンスの総量により、該犠牲層および前記シリコン対象物を通じてフィラメンテーションおよび光音響圧縮加工を開始および伝搬するステップと、
    前記シリコン対象物を前記レーザー源に対して相対的に移動させて、穴あけされたオリフィスを切断線へと成長させるステップと、
    所望の加工が完了したときに、レーザーパルスの前記バーストおよびフィラメンテーションを停止するステップと
    を含むシリコンをレーザー加工する方法。
11. 前記シリコン対象物に内径が一定であるオリフィスを作成するステップをさらに含む請求項１０記載のシリコンをレーザー加工する方法。
12. 上面を有するシリコン基板を提供するステップと、
    光パラメトリック発生器を提供するステップと、
    ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが第１の波長を有するステップと、
    前記レーザービームを分散レンズ集束装置に通して主焦点ウエストと複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成すると共に前記光パラメトリック発生器に通し、前記光パラメトリック発生器により、着信する前記サブパルスの周波数をダウンコンバートし、前記第１波長を１．３μｍ以上の第２波長に増やす出力を前記光パラメトリック発生器から提供するステップと、
    前記第２の波長の前記出力を前記シリコン基板に伝え、それによってカー効果の自己集束を前記シリコン基板で開始し、前記シリコン基板に入力される追加のエネルギーによって該自己集束を伝搬させ、それによって前記シリコン基板の内部にフィラメントおよび光音響圧縮を作り出すステップと
    を含むシリコンをレーザー加工する方法。
13. 前記シリコン基板に内径が一定であるオリフィスを作成するステップをさらに含む請求項１２記載のシリコンをレーザー加工する方法。
14. 上面を有するシリコン基板を提供するステップと、
    ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが１．３μｍ超の波長を有するステップと、
    前記レーザービームを分散レンズ集束装置に通して、主焦点ウエストと、複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成するステップと、
    前記レーザービームを前記シリコン基板に伝えて、前記サブパルスによりカー効果の自己集束を開始し、それによって前記シリコン基板の内部にフィラメントを作成して、光音響圧縮とオリフィスの形成とを行うステップと、
    前記シリコン基板を前記分散レンズ集束装置に対して相対的に移動して、連続するバーストエンベロープにより形成される連続するオリフィスによりスクライブ線を形成するステップと
    を含むシリコンをレーザー加工する方法。
15. 前記スクライブ線に沿ったストリート幅が１０μｍ未満である請求項１４記載のシリコンをレーザー加工する方法。
16. デバイス側と裏側とを備えたシリコンウエハを提供するステップと、
    前記デバイス側を封止するために該デバイス側にテープを配置するステップと、
    該シリコンウエハが所望の厚さになるまで前記シリコンウエハの前記裏側を薄くするステップと、
    ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが１．３μｍ以上の波長を有するステップと、
    前記レーザービームを分散レンズ集束装置に通して、主焦点ウエストと、複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成するステップと、
    前記レーザービームを前記シリコンウエハに伝えてカー効果の自己集束を開始し、該自己集束を前記シリコンウエハに入力される追加のエネルギーによって該シリコンウエハに伝搬させて該シリコンウエハの内部にフィラメントを作成するステップと、
    サブパルスの複数のバーストエンベロープを使用して、前記シリコンウエハの前記デバイス側のデブリ汚染を防ぐＵＶテープを損傷せずに、前記シリコンウエハを前記裏側からスクライブするステップと
    を含むシリコンをレーザー加工する方法。
17. 前記デバイス側のストリート幅が１０μｍ未満である請求項１６記載のシリコンをレーザー加工する方法。
18. シリコン、シリコン炭化物（ＳｉＣ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムりん（ＧａＰ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる群より選択され、上面を有する基板を提供するステップと、
    ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが、４００ｎｍから３μｍまでの範囲の波長を有するステップと、
    前記レーザービームを分散レンズ集束装置に通して、主焦点ウエストと、複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成するステップと、
    前記レーザービームを前記基板に伝えてカー効果の自己集束を開始し、該自己集束を前記基板に入力される追加のエネルギーによって該基板に伝搬させて該基板の内部にフィラメントを作成するステップと
    を含む基板をレーザー加工する方法。
19. ＳｉＣ、ガラス、ホウケイ酸ガラス、化学強化ガラス、熱強化ガラス、サファイア、ＬｉＮｂＯ_３、チタンサファイア、ＬｉＴａＯ_３、透明セラミック、結晶ロッド、およびＧａＮからなる群より選択され、上面を有する基板を提供するステップと、
    ２〜５０個のサブパルスをバーストエンベロープ内に有するレーザービームを伝えるレーザー源を提供するステップであって、前記バーストエンベロープの前記サブパルスが１．３μｍ超の波長を有するステップと、
    前記レーザービームを分散レンズ集束装置に通して、主焦点ウエストと、複数の線形配置された副焦点ウエストとを作成するステップと、
    前記レーザービームを前記基板に伝えてカー効果の自己集束を開始し、それによって前記基板の内部にフィラメントを作成して、光音響圧縮とオリフィスの形成とを実行するステップと、
    前記基板を前記分散レンズ集束装置に対して相対的に移動して、連続するバーストエンベロープにより形成される連続するオリフィスによりスクライブ線を形成するステップと
    を含む基板をレーザー加工する方法。
20. 請求項１のシリコンをレーザー加工する方法で作成された製品。
21. 請求項６のシリコンをレーザー加工する方法で作成された製品。
22. 請求項１２のシリコンをレーザー加工する方法で作成された製品。
23. 請求項１４のシリコンをレーザー加工する方法で作成された製品。

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