JP5554378B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザ加工によって加工対象物を切断する方法として下記非特許文献１に記載のものがある。この非特許文献１に記載のレーザ加工方法はシリコンウェハを切断するものであって、シリコンが透過する１μｍ近辺の波長を使用し、ウェハ内部で集光して改質層を連続的に形成し、それをきっかけとして切断する方法である。

荒井一尚、「半導体ウェハにおけるレーザダイシング加工」、砥粒加工学会誌、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．５、２００３ ＭＡＹ．２２９−２３１

上述のレーザ加工方法で加工したシリコンウェハを切断する場合にはウェハを曲げる方向に力を加えて内部亀裂を進展させる必要がある。従って、シリコンウェハの裏面に貼り付けたテープをシリコンウェハに並行に引き離して切断する方法（エキスパンド法）を採用すると歩留まりが悪くなる。

そこで本発明では、シリコンウェハ等の半導体基板を容易に切断するためのレーザ加工装置を提供することを課題とする。

本発明のレーザ加工装置は、半導体基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射し、パルスレーザ光を半導体基板の切断予定ラインに沿って相対的に移動させることにより、切断予定ラインに沿って半導体基板の内部に溶融処理領域を形成すると共に、半導体基板の内部であって溶融処理領域を挟んでパルスレーザ光の入射側とは反対側に、切断予定ラインに沿って相互に離隔するように複数の微小空洞を形成するレーザ加工装置であって、半導体基板が載置される載置台と、パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光源で発生されたパルスレーザ光を、集光点のピークパワー密度が１×１０ ⁸ （Ｗ／ｃｍ ² ）以上となるように、載置台に載置された半導体基板の内部に集光する集光用レンズと、半導体基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射し、パルスレーザ光を切断予定ラインに沿って相対的に移動させる場合に、パルスレーザ光のパルス幅が１００ｎｓｅｃ〜５００ｎｓｅｃとなり、且つパルスレーザ光のパルスピッチが２．００μｍ〜７．００μｍとなるように、載置台、レーザ光源及び集光用レンズの少なくとも１つを制御する制御部と、を備える。

このレーザ加工装置によれば、半導体基板にパルスレーザ光を照射して、溶融処理領域と微小空洞とを半導体基板内部に形成できる。そして、溶融処理領域と微小空洞とからなる改質領域を起点として、切断予定ラインに沿って半導体基板を容易に切断できる。

本発明によれば、半導体基板を容易に切断ることが可能となる。

本実施形態のレーザ加工方法によってレーザ加工を行う加工対象物の平面図である。 図１に示す加工対象物のＩＩ−ＩＩ断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法によってレーザ加工を行った加工対象物の平面図である。 図３に示す加工対象物のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図３に示す加工対象物のＶ−Ｖ断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法によって切断された加工対象物の平面図である。 本実施形態のレーザ加工方法に使用できるレーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態のレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。 本実施形態のレーザ加工方法によって切断されたシリコンウェハの断面の写真を表した図である。 本実施形態のレーザ加工方法によって切断されたシリコンウェハの断面の写真を表した図である。 図９及び図１０に示す断面の全体を示す写真である。 本実施形態のレーザ加工方法の条件を検討した図である。 本実施形態のレーザ加工方法によって切断されたシリコンウェハの断面の写真を表した図である。 本実施形態のレーザ加工方法によって切断されたシリコンウェハの断面の写真を表した図である。 図１４の模式図である。 本実施形態のレーザ加工方法によってレーザ加工を行った加工対象物の断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法によってレーザ加工を行った加工対象物の断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法によってレーザ加工を行った加工対象物の断面図である。

本発明の知見は、例示のみのために示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解することができる。引き続いて、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態のレーザ加工方法について説明する。本実施形態のレーザ加工方法は、多光子吸収により被処理部（溶融処理領域）を形成すると共に、その被処理部に対応する所定の位置にその周囲が実質的に結晶構造が変化していない微小空洞を形成している。多光子吸収はレーザ光の強度を非常に大きくした場合に発生する現象である。まず、多光子吸収について簡単に説明する。

材料の吸収のバンドギャップＥ_Gよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Gである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞Ｅ_Gの条件（ｎ＝２，３，４，・・・である）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ²）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ²）で決まる。

このような多光子吸収を利用する本実施形態のレーザ加工方法について図１〜図６を用いて説明する。図１はレーザ加工中の加工対象物１（半導体基板）の平面図であり、図２は図１に示す加工対象物１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の加工対象物１の平面図であり、図４は図３に示す加工対象物１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、図５は図３に示す加工対象物１のＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、図６は切断された加工対象物１の平面図である。

図１及び図２に示すように、加工対象物１の表面３には切断予定ライン５がある。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線である。本実施形態に係るレーザ加工方法は、多光子吸収が生じる条件で加工対象物１の内部に集光点Ｆを合わせてレーザ光Ｌを加工対象物１に照射して被処理部７を形成する。なお、集光点とはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。

レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に所定のピッチＰで移動させることにより、集光点Ｆを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように被処理部７及び微小空洞８からなる改質領域が切断予定ライン５に沿って加工対象物１の内部にのみ形成される。また、被処理部７及び微小空洞８は、図５に示すようにレーザ光Ｌを移動させた所定のピッチＰで形成される。このピッチＰはレーザ光Ｌのパルスピッチに相当する。加工対象物１の厚みＢに対して、微小空洞８は加工深さＣの位置に形成される。図５に示すように、微小空洞８はレーザ光Ｌの照射方向からみて被処理部７とは反対側に形成される。図５においては、被処理部７と微小空洞８とは所定の間隔が空いているけれども、被処理部７と微小空洞８とが連続して形成される場合もある。本実施形態に係るレーザ加工方法は、加工対象物１がレーザ光Ｌを吸収することにより加工対象物１を発熱させて被処理部７を形成するのではない。加工対象物１にレーザ光Ｌを透過させ加工対象物１の内部に多光子吸収を発生させて被処理部７を形成している。よって、加工対象物１の表面３ではレーザ光Ｌがほとん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。

加工対象物１の切断においては上述のように加工対象物１に被処理部７及び微小空洞８を形成して加工処理物とし、例えば加工対象物１の裏面にテープを貼り付けて、そのテープを加工対象物１の切断予定ライン５に垂直な方向に引き離して切断することができる（図６参照）。また、切断する箇所に起点があると加工対象物１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１の表面３に不必要な割れ、すなわち切断予定ラインを大きく外れる割れ、を発生させることなく加工対象物１の切断が可能となる。

本実施形態において多光子吸収により形成される被処理部の一つの例として、溶融処理領域がある。この場合には、レーザ光を加工対象物（例えばシリコンウェハのような半導体材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０⁸（Ｗ／ｃｍ²）以上でかつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射する。これにより加工対象物の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により加工対象物の内部に溶融処理領域が形成される。

溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する。また、溶融処理領域は相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。

つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。なお、電界強度の上限値としては、例えば１×１０¹²（Ｗ／ｃｍ²）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

一方、本実施形態において形成される微小空洞は、その周囲が実質的に結晶構造が変化していないものである。加工対象物がシリコン単結晶構造の場合には、微小空洞の周囲はシリコン単結晶構造のままの部分が多い。

引き続いて、本実施形態のレーザ加工方法の具体例について説明する。図７に本発明の実施形態であるレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置１００を示す。図７に示すレーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１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、レーザ光Ｌの反射機能を有しかつレーザ光Ｌの光軸の向きを９０度変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを集光する集光用レンズ１０５と、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が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９（制御手段）と、載置台１０７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ１１１（制御手段）と、載置台１０７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ１１３（制御手段）と、これら三つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５（制御手段）と、を備える。また、図示はしていないが、レーザ光源１０１と集光用レンズ１０５との間には、レーザ光のガウシアン分布を広げるための光学系が配置されている。本実施形態の場合は加工対象物１はシリコンウェハであるから、加工対象物１の裏面にはエキスパンドテープ１０６が貼り付けられている。

Ｚ軸方向は加工対象物１の表面３と直交する方向なので、加工対象物１に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、加工対象物１の内部にレーザ光Ｌの集光点Ｆを合わせることができる。また、この集光点ＦのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、加工対象物１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。Ｘ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）が移動手段の一例となる。

レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。被処理部が溶融処理領域であるものを形成する場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを用いるのが好適である。改質領域が屈折率変化領域であるものを形成する場合、チタンサファイアレーザを用いるのが好適である。

加工対象物１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。なお、本発明においてレーザ光はレーザビームを含む意味である。集光用レンズ１０５は集光手段の一例である。Ｚ軸ステージ１１３はレーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせる手段の一例である。集光用レンズ１０５をＺ軸方向に移動させることによっても、レーザ光の集光点を加工対象物の内部に合わせることができる。

レーザ加工装置１００はさらに、載置台１０７に載置された加工対象物１を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９と、を備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０度変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、加工対象物１の切断予定ライン５等を含む表面３を照明する。

レーザ加工装置１００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラがある。切断予定ライン５等を含む表面３を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。

レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９と、を備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点が表面３上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点が表面３に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面３の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。

全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。

引き続いて、図７及び図８を用いて、本実施形態に係るレーザ加工方法を具体的に説明する。図８は、このレーザ加工方法を説明するためのフローチャートである。加工対象物１はシリコンウェハである。

まず、加工対象物１の光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、加工対象物１に対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１を選定する（Ｓ１０１）。次に、加工対象物１の厚さを測定する。厚さの測定結果及び加工対象物１の屈折率を基にして、加工対象物１のＺ軸方向の移動量を決定する（Ｓ１０３）。これは、レーザ光Ｌの集光点Ｆが加工対象物１の内部に位置させるために、加工対象物１の表面３に位置するレーザ光Ｌの集光点を基準とした加工対象物１のＺ軸方向の移動量である。この移動量が全体制御部１２７に入力される。

加工対象物１をレーザ加工装置１００の載置台１０７に載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させて加工対象物１を照明する（Ｓ１０５）。照明された切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３を撮像素子１２１により撮像する。この撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置するような焦点データを演算する（Ｓ１０７）。

この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向の移動させる（Ｓ１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点が表面３に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、切断予定ライン５を含む加工対象物１の表面３の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に切断予定ライン５付近の拡大画像が表示される。

全体制御部１２７には予めステップＳ１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Ｌの集光点Ｆが加工対象物１の内部となる位置に、Ｚ軸ステージ１１３により加工対象物１をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１１１）。

続いて、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５を設定する。切断予定ライン５の設定は、加工対象物１を所望の位置で切断するためのレーザスキャン位置を設定するものである。切断予定ライン５の設定は、設計データ等で予め判っているダイシングストリート（切断予定ライン）の位置情報を利用しても良いし、表面を観察したり表面情報を計測したり等して設定しても良い。つまり、切断予定ラインの設定とは、加工対象物の所望の位置にレーザ光を照射するようにレーザ加工装置が制御されるようにすることである。次に、レーザ光源１０１からレーザ光Ｌを発生させて、レーザ光Ｌを加工対象物１の表面３の切断予定ライン５に照射する。レーザ光Ｌの集光点Ｆは加工対象物１の内部に位置しているので、改質領域としての溶融処理領域は加工対象物１の内部にのみ形成される。そして、切断予定ライン５に沿うようにＸ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を所定のピッチＰで移動させて、溶融処理領域を所定のピッチＰで切断予定ライン５に沿うように加工対象物１の内部に形成する。このように溶融処理領域を形成すると、それぞれに対応するように微小空洞が形成される（Ｓ１１３）。そして、加工対象物１の裏面に貼られているエキスパンドテープ１０６をウェハの周縁方向に拡張して、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って分離して切断する（Ｓ１１５）。これにより、加工対象物１をシリコンチップ（加工生産物）に分割する。

なお、半導体基板であるシリコンウェハは、切断予定ラインに沿って形成される溶融処理領域と微小空洞からなる改質領域でもって形成される切断予定部を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。なお、切断予定部からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断予定部を形成する改質領域の溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合や、切断予定部を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合や、溶融処理領域と微小空洞により割断面に生じる応力分布による歪により割れが成長する場合のいずれもある。ただし、どの場合も溶融処理領域や微小空洞はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、内部にのみ溶融処理領域が形成されている。半導体基板の内部に溶融処理領域と微小空洞でもって切断予定部を形成すると、割断時、切断予定部ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。また、微小空洞を形成することにより、溶融処理領域や溶融処理領域と微小空洞との間に応力分布を生じることにより、より容易に割断することができる。

このレーザ加工方法によって切断したシリコンウェハの切断面写真を図９及び図１０に示す。図９及び図１０に示す切断面写真は同一の切断面の写真を異なる縮尺で示したものである。図９及び図１０に示す切断面を形成した際の詳細条件は以下の通りである。

（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ１００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
ビーム径：３．９９ｍｍ
広がり角２．３４ｍｒａｄ
繰り返し周波数：４０ｋＨｚ
パルス幅：２００ｎｓｅｃ
パルスピッチ：７μｍ
加工深さ：１３μｍ
パルスエネルギー：２０μＪ／パルス
（Ｃ）集光用レンズ
ＮＡ：０．８
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：２８０ｍｍ／ｓｅｃ

図９及び図１０に示す切断面の溶融処理領域（被処理部）１３は、シリコンウェハの厚み方向（図中の上下方向）の幅が１３μｍ程度で、レーザを移動する方向（図中の左右方向）の幅が３μｍ程度である。また、微小空洞８は、シリコンウェハの厚み方向（図中の上下方向）の幅が７μｍ程度で、レーザを移動する方向（図中の左右方向）の幅が１．３μｍ程度である。溶融処理領域１３と微小空洞８との間は１．２μｍ程度である。図９及び図１０に示す切断面の全体を現す写真を図１１に示す。

引き続いて、図９及び図１０に示す切断面をラマン分析した結果を説明する。測定装置と測定方法は以下の通りである。

（１）装置：Ｒａｍａｎｏｒ Ｕ−１０００（Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ）（ＩＩ）
（２）測定モード：マイクロプローブ 顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＨ−２型）
Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅ：照射系、Ｒ＝２５％
集光系、Ｒ＝１００％
対物レンズ ：×９０（長焦点）
（３）光源：Ａｒ⁺レーザ ４５７．９ｎｍ
（４）偏光：入射光 Ｐ、散乱光 Ｓ＋Ｐ
（５）分光器：Ｕ−１０００（回折格子 Ｐｌａｎｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ １８００ｇｒ／ｍｍ）
（６）検出器：ＣＣＤ Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ

このラマン分析を、溶融処理領域１３の近傍の測定位置１、微小空洞８の近傍の測定位置２、溶融処理領域１３及び微小空洞８の間の測定位置３、溶融処理領域１３の上方の測定位置４について行った。（アモルファスＳｉの評価）

いずれの位置からもアモルファスＳｉ由来のラマン線は明確に観測されなかった。アモルファスＳｉが存在しないか、または存在量が検出限界以下である可能性が考えられる。（結晶性の評価）

測定位置２、３、４のスペクトルの半値幅は、同程度である。また、リファレンスＳｉ（１１０）と比較しても同程度であることから、測定位置２、３、４は、いずれも結晶性の高い単結晶Ｓｉであると考えられる。一方、測定位置１では、ブロードなラマン線が観測された。測定位置１に関しては、多結晶Ｓｉである可能性が考えられる。（応力の評価）

測定位置１は、かなり大きな圧縮応力が生じている可能性が考えられる。また、測定位置３では、圧縮応力が生じている可能性が考えられる。測定位置２及び４では、検出限界程度のわずかな応力が生じているものと考えられる。

ここで、６インチの大きさで厚みが１００μｍのシリコンウェハを用いて、オリエンテーションフラットに対して並行及び垂直方向に５ｍｍピッチで改質領域を形成し、複数の５ｍｍ×５ｍｍのチップに分割されるようにパルスピッチと加工深さとを変化させて、エキスパンダ分離した場合の切断性について評価した結果を図１２を用いて説明する。

この評価は、パルスピッチを固定して加工深さ（微小空洞のできる位置の深さ）を、厚さ１００μｍウェハにおいて、４５μｍ〜９０μｍまで変化させたときの表面状態と切断性とを評価したものである。図１２中で、「ＨＣ、山」とあるのは「ハーフカット、山うっすら」という意味であり、シリコンウェハのレーザ入射側の表面に亀裂等が見えるものを示している。「ＳＴ、谷」とあるのは「ステルス、谷うっすら」という意味であり、レーザ入射側とは反対側の表面に亀裂等が見えるものを示している。「ＳＴ」とあるのは、「ステルス」の意味であり、いずれの表面にも亀裂等が確認できないものを示す。また、丸印はシリコンウェハの裏面に張ってあるテープを引っ張ってエキスパンダ分離した場合に全数切断できたものを示し、三角印は全数切断できなかったものを示す。

図１２によれば、パルスピッチは４．００μｍ近傍が好適であることがわかる。また、加工深さ（微小空洞のできる位置の深さ）は深い方が好ましい。パルスピッチはあまり広げない方が好ましい。これらを総合的に評価すると、パルスピッチは１．００μｍ〜７．００μｍであることが好ましく、３．００μｍ〜５．００μｍであることが好ましい。また、加工深さ（微小空洞のできる位置の深さ）は、厚さ１００μｍウェハにおいて、４５μｍ〜９０μｍであることが好ましく、６５μｍ〜８５μｍであることが好ましい。

例えば、シリコンウェハが３００μｍといった厚いものである場合には、上述のレーザ加工工程を、加工深さを変えて数回繰り返して行うことが好ましく、少なくとも一段が溶融処理領域と微小空洞との組合せとなることが好ましい。

厚いシリコンウェハに対してレーザ加工を複数回行ったものの断面写真の例を、図１３及び図１４に示す。図１３に示す断面写真の場合は、シリコンウェハ２の裏面２１から表面２０に向かって複数回のレーザ加工を行っている。その結果、改質領域２０１〜２０６が形成されている。改質領域２０３に対応する部分は、近接した部分で複数回のレーザ加工が行われているために微小空洞が視認できない状態となっている。その他の改質領域２０１、２０２、２０４、２０５、２０６においては微小空洞が形成されている。微小空洞を形成することにより、溶融処理領域や溶融処理領域と微小空洞との間に応力分布が生じ、より容易に割断することができる。また、外部から力を印加した場合に微小空洞も割断の起点となり易い。そして、内部に改質領域を形成した半導体基板を固定したテープを拡張することで半導体基板の割断・分離を行うには、容易に割断できる条件が必要であり、微小空洞の形成によりその条件が実現できる。以上のように溶融処理領域と共に微小空洞を形成することは、テープの拡張により内部に改質領域を形成した半導体基板を割断・分離する場合に特に有効である。

図１４に示す断面写真は、図１３と同様のレーザ加工を行ったシリコンウェハ２ａを示している。図１４に示すシリコンウェハ２ａの模式図を図１５に示す。シリコンウェハ２ａには改質領域２１１及び２１２が形成されている。改質領域２１１は、溶融処理領域２１１ａ及び微小空洞２１１ｂを有している。改質領域２１２は、溶融処理領域２１２ａ及び微小空洞２１２ｂを有している。微小空洞２１２ｂは、一様に空洞が形成されている。一方、微小空洞２１１ｂには、空洞が形成されていない領域２１１ｃがある。微小空洞はレーザ入射面の表面状態（凹凸やレーザ光の透過率の差異）により、形成され難い部分が生じる。このような場合、図１４のように溶融処理領域２１１ａは切断予定ラインに沿って連続的に形成されているが、微小空洞２１２ｂはところどころに形成されている。このような場合でも、微小空洞があることにより割断し易くなっている。これは溶融処理領域２１１ａがほぼ連続的に形成されていることにより、切断の起点となる領域は切断予定ラインほぼ全てに形成されている。そして、切断予定ライン全てに微小空洞２１２ｂが形成されていなくても、より割断し易くするための微小空洞２１２ｂがあることにより、割断時には溶融処理領域と微小空洞がある領域の亀裂の進展が溶融処理領域のみの領域に対しても割断し易く作用しているものと考えられる。要は、加工対象物（半導体基板）の内部に被処理部（溶融処理領域）が切断予定ラインに沿って形成される被処理領域（第１のゾーン）と、微小空洞が切断予定ラインに沿って形成される微小空洞領域（第２のゾーン）が形成されることにより、これらを切断の起点として加工対象物（半導体基板）を容易に割断することが可能となる。そして、これらの領域は切断予定ライン全てに形成されなくても（切断予定ラインのところどころに存在するような場合でも）、微小空洞があることにより割断し易くなっている。尚、ＧａＡｓなどのように劈開性の良好な半導体基板の場合、切断予定ライン全てに改質領域を形成する必要は無く、切断予定ラインの一部分に改質領域を形成しても良い。また、割断精度を上げたい部分のみに改質領域を形成しても良い。

本実施形態においては、シリコンウェハの表面にパターンが形成されている場合には、パターンが形成されている面の反対側の面からレーザ光を入射させることが好ましい。微小空洞側の割断面は溶融処理領域側の割断面に比べて割断面がきれいになる傾向になるので、パターン形成面側に微小空洞を形成すると良品率がより向上する。より具体的には、図１６に示すように、表面に電子回路や半導体発光部等の光デバイスやＭＥＭＳのような微小電気機械システム等の機能素子（機能デバイス）１８１を形成したシリコンウェハ１８０において、機能素子１８１が形成されている側に微小空洞１８２を形成することにより、機能素子１８１側の割段精度をより向上させることができる。従って、良品率を向上させることが可能となり、生産効率を向上させることができる。また、内部に改質領域を形成した半導体基板を固定したテープを拡張することで半導体基板の割断・分離を行うには、容易に割断できる条件が必要であるが、微小空洞によりその条件が実現できる。溶融処理領域と共に微小空洞を形成することは、テープの拡張により内部に改質層を形成した半導体基板を割断・分離する場合に有効である。図１６に示すシリコンウェハ１８０を割断・分離する場合には、図１７に示すようにシリコンウェハ１８０をテープ１８３に固定する。その後、図１８に示すようにテープ１８３を拡張してシリコンウェハ１８０を割断・分離する。尚、割断・分離工程として、半導体基板の内部に改質領域を形成した後にテープ（エキスパンドテープ、ダイシングフィルム）を貼り付けて拡張する場合も、半導体基板にテープを貼り付けてから半導体基板の内部に改質領域を形成してからテープを拡張する場合のどちらでも可能である。

レンズ口径に対してガウシアン分布を広げてレンズ入射ビームをトップハットのように使うことが好ましい（ＮＡの大きな光線のエネルギーを高くすることが好ましい。）。ＮＡは０．５〜１．０であることが好ましい。

パルス幅は５００ｎｓｅｃ以下であることが好ましい。より好ましくは１０ｎｓｅｃ〜５００ｎｓｅｃである。より好ましくは１０ｎｓｅｃ〜３００ｎｓｅｃである。また、より好ましくは１００ｎｓｅｃ〜２００ｎｓｅｃである。

溶融処理領域と微小空洞がペアで、それぞれの深さが厚みに対して所定の関係にあると考えられる。特に、ＮＡに応じて溶融処理領域と微小空洞とが所定の関係にあるとよい。

切断方向は、オリエンテーションフラット（オリフラ）に対して並行、垂直だと好ましい。結晶方向に沿って溶融処理領域を形成していくことが好ましい。

本実施形態においては、加工対象物としてシリコン製の半導体ウェハを用いているが、半導体ウェハの材料はこれに限られるものではない。例えば、シリコン以外のＩＶ族元素半導体、ＳｉＣのようなＩＶ族元素を含む化合物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族元素を含む化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族元素を含む化合物半導体、更に種々のドーパント（不純物）をドープした半導体を含む。

本実施形態の効果を説明する。これによれば、多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内部に集光点Ｆを合わせて、パルスレーザ光Ｌを切断予定ライン５に照射している。そして、Ｘ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させることにより、集光点Ｆを切断予定ライン５に沿って所定のピッチＰで移動させている。これにより、被処理部を切断予定ライン５に沿うように加工対象物１の内部に形成すると共に、微小空洞を形成している。これにより、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れを発生させることなく加工対象物１を切断することができる。

また、加工対象物１に多光子吸収を起こさせる条件でかつ加工対象物１の内部に集光点Ｆを合わせて、パルスレーザ光Ｌを切断予定ライン５に照射している。よって、パルスレーザ光Ｌは加工対象物１を透過し、加工対象物１の表面３ではパルスレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、改質領域形成が原因で表面３が溶融等のダメージを受けることはない。

以上説明したように、加工対象物１の表面３に切断予定ライン５から外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、加工対象物１を切断することができる。よって、加工対象物１が例えば半導体ウェハの場合、半導体チップに切断予定ラインから外れた不必要な割れや溶融が生じることなく、半導体チップを半導体ウェハから切り出すことができる。表面に電極パターンが形成されている加工対象物や、圧電素子ウェハや液晶等の表示装置が形成されたガラス基板のように表面に電子デバイスが形成されている加工対象物についても同様である。よって、加工対象物を切断することにより作製される製品（例えば半導体チップ、圧電デバイスチップ、液晶等の表示装置）の歩留まりを向上させることができる。

また、加工対象物１の表面３の切断予定ライン５は溶融しないので、切断予定ライン５の幅（この幅は、例えば半導体ウェハの場合、半導体チップとなる領域同士の間隔である。）を小さくできる。これにより、一枚の加工対象物１から作製される製品の数が増え、製品の生産性を向上させることができる。

また、加工対象物１の切断加工にレーザ光を用いるので、ダイヤモンドカッタを用いたダイシングよりも複雑な加工が可能となる。

ところで、上記レーザ加工方法（切断方法）が実施されるレーザ加工装置は、レーザ光源と、加工対象物を戴置する戴置台と、レーザ光源と戴置台との相対的な位置関係を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、加工対象物の内部に集光点が合うようにレーザ光源と戴置台との間隔を制御すると共に、レーザ光源からレーザ光が出射されると、レーザ光源及び戴置台を加工対象物の切断予定ラインに沿って相対的に移動させて、切断予定ラインに沿って加工対象物の内部に多光子吸収による被処理部を形成すると共に、加工対象物の内部であって被処理部に対応する所定の位置に微小空洞を形成する。

このレーザ加工装置によれば、被処理部に対応させて微小空洞を形成するので、一対の被処理部と微小空洞とを加工対象物内部に形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）が実施されるレーザ加工装置は、レーザ光源と、半導体基板を戴置する戴置台と、レーザ光源と戴置台との相対的な位置関係を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、半導体基板の内部に集光点が合うようにレーザ光源と戴置台との間隔を制御すると共に、レーザ光源からレーザ光が出射されると、レーザ光源及び戴置台を半導体基板の切断予定ラインに沿って相対的に移動させて、切断予定ラインに沿って半導体基板の内部に溶融処理領域を形成すると共に、半導体基板の内部であって溶融処理領域に対応する所定の位置に微小空洞を形成する。

このレーザ加工装置によれば、溶融処理領域に対応させて微小空洞を形成するので、一対の溶融処理領域と微小空洞とを加工対象物内部に形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）が実施されるレーザ加工装置は、レーザ光源と、半導体基板を戴置する戴置台と、レーザ光源と戴置台との相対的な位置関係を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、半導体基板の内部に集光点が合うようにレーザ光源と戴置台との間隔を制御すると共に、レーザ光源からパルスレーザ光が出射されると、レーザ光源及び戴置台を半導体基板の切断予定ラインに沿って相対的に移動させて、切断予定ラインに沿って半導体基板の内部に溶融処理領域を形成すると共に、半導体基板の内部であって溶融処理領域に対応する所定の位置に微小空洞を形成する際に、パルスレーザのパルス幅が５００ｎｓｅｃ以下である。

このレーザ加工装置によれば、パルス幅が５００ｎｓｅｃ以下のパルスレーザ光を半導体基板に照射するので、より的確に微小空洞を形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）が実施されるレーザ加工装置は、レーザ光源と、半導体基板を戴置する戴置台と、レーザ光源と戴置台との相対的な位置関係を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、半導体基板の内部に集光点が合うようにレーザ光源と戴置台との間隔を制御すると共に、レーザ光源からパルスレーザ光が出射されると、レーザ光源及び戴置台を半導体基板の切断予定ラインに沿って相対的に移動させて、切断予定ラインに沿って半導体基板の内部に溶融処理領域を形成すると共に、半導体基板の内部であって溶融処理領域に対応する所定の位置に微小空洞を形成する際に、パルスレーザのパルスピッチが１．００〜７．００μｍである。

このレーザ加工装置によれば、パルスピッチが１．００〜７．００μｍのパルスレーザ光を半導体基板に照射するので、より的確に微小空洞を形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）が実施されるレーザ加工装置では、微小空洞を切断予定ラインに沿って複数形成し、それぞれの微小空洞が相互に離隔するように形成することも好ましい。微小空洞が相互に離隔して形成されるので、より効率的に微小空洞を形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物は、加工対象物をレーザ加工によって切断して生産される加工生産物であって、切断によって形成された主面に沿った部分に多光子吸収によって改質されている被処理部と、切断によって形成された主面であって被処理部に対応する所定の位置に開口部を有する微小空洞と、が形成されている。

この加工生産物は、加工対象物に被処理部と微小空洞とを対応させて形成して加工処理物とし、その加工処理物を被処理部及び微小空洞が形成されている部分で切断して生産される。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物では、加工対象物が半導体基板であって、被処理部は溶融処理領域であることも好ましい。加工対象物としての半導体基板にレーザ光を照射するので、溶融処理領域と微小空洞とを形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物では、微小空洞は切断予定ラインに沿って複数形成され、それぞれの微小空洞は相互に離隔していることも好ましい。微小空洞が相互に離隔して形成されるので、より効率的に微小空洞を形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物では、微小空洞相互の間隔が１．００〜７．００μｍとなるように形成されていることも好ましい。微小空洞の間隔が１．００〜７．００μｍなので、より的確に微小空洞を形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物では、被処理部は切断予定ラインに沿った第１のゾーンに形成され、複数の微小空洞は第１のゾーンと所定の間隔を空けた第２のゾーンに形成されていることも好ましい。被処理部及び微小空洞がそれぞれのゾーンごとに形成されているので、一群のものとして形成できる。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物は、加工対象物をレーザ加工によって切断して生産される加工生産物であって、切断によって形成された主面には被処理部が形成された被処理領域と、切断によって形成された主面に開口部を有する微小空洞が形成された微小空洞領域と、が形成されている。

また、上記レーザ加工方法（切断方法）による加工生産物では、加工対象物は半導体基板であって、被処理部は溶融処理領域であることも好ましい。

２ａ…シリコンウェハ、２１１…改質領域、２１１ａ…溶融処理領域、２１１ｂ…微小空洞。

Claims (3)

1. 半導体基板の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を照射し、前記パルスレーザ光を前記半導体基板の切断予定ラインに沿って相対的に移動させることにより、前記切断予定ラインに沿って前記半導体基板の内部に溶融処理領域を形成すると共に、前記半導体基板の内部であって前記溶融処理領域を挟んで前記パルスレーザ光の入射側とは反対側に、前記切断予定ラインに沿って相互に離隔するように複数の微小空洞を形成するレーザ加工装置であって、
   前記半導体基板が載置される載置台と、
   前記パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源で発生された前記パルスレーザ光を、前記集光点のピークパワー密度が１×１０ ⁸ （Ｗ／ｃｍ ² ）以上となるように、前記載置台に載置された前記半導体基板の内部に集光する集光用レンズと、
   前記半導体基板の内部に前記集光点を合わせて前記パルスレーザ光を照射し、前記パルスレーザ光を前記切断予定ラインに沿って相対的に移動させる場合に、前記パルスレーザ光のパルス幅が１００ｎｓｅｃ〜５００ｎｓｅｃとなり、且つ前記パルスレーザ光のパルスピッチが２．００μｍ〜７．００μｍとなるように、前記載置台、前記レーザ光源及び前記集光用レンズの少なくとも１つを制御する制御部と、を備える、レーザ加工装置。
2. 前記集光用レンズのＮＡは０．５〜１．０である、請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記半導体基板はシリコンウェハである、請求項１又は２記載のレーザ加工装置。

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