JP4732063B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、板状の加工対象物を切断するために使用されるレーザ加工方法に関する。

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。

また、加工対象物に超短パルスレーザを照射して加工始点を形成し、亀裂を熱源により発生させ、さらに切断予定ラインに沿って進展させて、加工対象物を切断するレーザ加工方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５４５１７号公報 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

上述のようなレーザ加工方法を用いて、加工用レーザ光の入射面が凹凸面である板状の加工対象物の内部に改質領域を形成する場合、加工用レーザ光の集光点の位置が凹凸面に追従できないために、入射面にダメージが生じる場合がある。このようなダメージが残存したまま加工対象物を切断すると、その切断精度が低下してしまうと共に加工対象物を切断して得たものの品質が低下する。以下、入射面にダメージが生じる場合について、図１９を用いて詳細に説明する。

図１９は、加工用レーザ光１００Ｌの入射面ｒ１００が凹凸面である板状の加工対象物１０１の断面図である。入射面ｒ１００は凸領域面ｒ１０１及び凹領域面ｒ１０２を有しており、加工対象物１０１の切断予定ライン１０５は凸領域面ｒ１０１及び凹領域面ｒ１０２に渡っている。この場合において、加工用レーザ光１００Ｌの集光点１００Ｐを加工対象物１０１の内部に合わせて、切断予定ライン１０５に沿って加工用レーザ光１００Ｌを照射すると、加工対象物１０１の内部に切断予定ライン１０５に沿った改質領域１０７が形成される。

加工用レーザ光１００Ｌは、アクチュエータ１３２によって保持された加工用対物レンズ１３０によって集光される。このアクチュエータ１３２を動作させることによって、集光点１００Ｐの位置を加工対象物１０１の厚さ方向に移動させることができる。また、アクチュエータ１３２に接続されたコントローラ１３９により集光点１００Ｐが一定の位置となるように制御されている。しかしながら、凸領域面ｒ１０１と凹領域面ｒ１０２との間には、加工対象物１０１の厚さ方向の段差ｒ１０３が設けられているので、集光点１００Ｐが段差ｒ１０３を通過する際に、集光点１００Ｐの位置が段差ｒ１０３に追従することができない場合がある。この時、段差ｒ１０３の近傍において凹領域面ｒ１０２上にダメージＤＭが生じてしまう。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工用レーザ光の入射面が凹凸面である板状の加工対象物の高精度な切断を可能にするレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明のレーザ加工方法は、板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて加工用レーザ光を照射することにより、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、加工対象物における加工用レーザ光の入射面が凹凸面であり、切断予定ラインが入射面の凹領域面及び凸領域面に渡っている場合において、凹領域面から所定距離内側に、切断予定ラインに沿って第１の改質領域を形成する第１の工程と、凸領域面から所定距離内側に、切断予定ラインに沿って第２の改質領域を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法では、入射面の凹領域面及び凸領域面における加工対象物の内部に、それぞれ第１及び第２の改質領域を別の工程で形成する。このため、切断予定ラインが入射面の凹領域面及び凸領域面に渡っている場合に、凹領域面と凸領域面との間付近において加工用レーザ光の照射により生じる入射面のダメージを低減できる。したがって、本発明のレーザ加工方法によれば、加工用レーザ光の入射面が凹凸面である板状の加工対象物の高精度な切断が可能となる。

なお、凹領域面と第１の改質領域との間の所定距離と、凸領域面と第２の改質領域との間の所定距離とは同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。また、第１の工程及び第２の工程を実施する順序は特に限定されない。例えば、第１の工程の後に第２の工程を実施してもよいし、第２の工程を実施した後に第１の工程を実施するとしてもよい。また、第１の工程と第２の工程とを同時に実施するとしてもよい。

また、第１の工程では、切断予定ラインにおける凹領域面上の部分に沿って加工用レーザ光を照射する際に、凹領域面から所定距離内側に加工用レーザ光の集光点が位置するように加工用レーザ光の照射条件を変化させ、切断予定ラインにおける凸領域面上の部分に沿って加工用レーザ光を照射する際に、加工用レーザ光の照射条件を固定することが好ましい。

これにより、第１の工程において、凹領域面の内側には加工対象物の厚さ方向における入射面の変位に追従した改質領域を形成することができると共に、凸領域面の内側にも改質領域を形成することができる。

また、第２の工程では、切断予定ラインにおける凸領域面上の部分に沿って加工用レーザ光をパルス発振させ、切断予定ラインにおける凹領域面上の部分に沿って加工用レーザ光を連続発振させることが好ましい。

加工用レーザ光をパルス発振させると、加工用レーザ光を連続発振させる場合に比べて加工対象物の内部に改質領域を確実に形成することができる。このため、第２の工程において、凸領域面では加工用レーザ光をパルス発振させ、凹領域面では加工用レーザ光を連続発振させることにより、切断予定ラインにおける凸領域面上の部分に沿って、改質領域を選択的に形成することができる。

なお、切断予定ライン上にＡｌ又はＡｌ−Ｓｉからなる金属膜が位置する場合には、加工用レーザ光が透過せずに金属膜によって殆ど反射されるため、加工対象物の内部に改質領域が形成されない。また、金属膜の表面においてレーザ光が集光されるような場合には、金属膜の表面に損傷を与えてしまう場合がある。このような場合には、加工用レーザ光を連続発振させることによって、金属膜の表面の損傷を防止することが可能になる。

本発明によれば、加工用レーザ光の入射面が凹凸面である板状の加工対象物の高精度な切断を可能にするレーザ加工方法を提供することができる。

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。本実施形態のレーザ加工方法では、加工対象物の内部に改質領域を形成するために多光子吸収という現象を利用する。そこで、最初に、多光子吸収により改質領域を形成するためのレーザ加工方法について説明する。

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／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）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／ｃｍ^２）で決まる。

このような多光子吸収を利用する本実施形態に係るレーザ加工方法の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１に示すように、ウェハ状（板状）の加工対象物１の表面３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では、図２に示すように、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Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射して改質領域７を形成する。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に実際に引かれた線であってもよい。

そして、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち、図１の矢印Ａ方向に）相対的に移動させることにより、集光点Ｐ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、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、この改質領域７が切断起点領域８となる。ここで、切断起点領域８とは、加工対象物１が切断される際に切断（割れ）の起点となる領域を意味する。この切断起点領域８は、改質領域７が連続的に形成されることで形成される場合もあるし、改質領域７が断続的に形成されることで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を発熱させて改質領域７を形成するものではない。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改質領域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の内部に切断起点領域８を形成すると、この切断起点領域８を起点として割れが発生し易くなるため、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に切断予定ライン５を大きく外れる不必要な割れを発生させることなく、加工対象物１を高精度に切断することが可能になる。

この切断起点領域８を起点とした加工対象物１の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断起点領域８形成後、加工対象物１に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域８を起点として加工対象物１が割れ、加工対象物１が切断される場合である。これは、例えば加工対象物１の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、加工対象物１の切断起点領域８に沿って加工対象物１に曲げ応力やせん断応力を加えたり、加工対象物１に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断起点領域８を形成することにより、切断起点領域８を起点として加工対象物１の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に加工対象物１が切断される場合である。これは、例えば加工対象物１の厚さが小さい場合には、１列の改質領域７により切断起点領域８が形成されることで可能となり、加工対象物１の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域７により切断起点領域８が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域８が形成されていない部位に対応する部分の表面３上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域８を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、シリコンウェハ等の加工対象物１の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。

さて、本実施形態に係るレーザ加工方法において、多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）の場合がある。

（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
加工対象物（例えばガラスやＬｉＴａＯ_３からなる圧電材料）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ加工対象物の表面に余計なダメージを与えずに、加工対象物の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、加工対象物の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により加工対象物の内部に熱ひずみが誘起され、これにより加工対象物の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。なお、多光子吸収によるクラック領域の形成は、例えば、第４５回レーザ熱加工研究会論文集（１９９８年．１２月）の第２３頁〜第２８頁の「固体レーザー高調波によるガラス基板の内部マーキング」に記載されている。

本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。

（Ａ）加工対象物：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

なお、レーザ光品質がＴＥＭ_００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。

図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により加工対象物の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０^１１（Ｗ／ｃｍ^２）程度から加工対象物の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。

次に、クラック領域形成による加工対象物の切断のメカニズムについて、図８〜図１１を参照して説明する。図８に示すように、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Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このように形成されたクラック領域９が切断起点領域となる。図９に示すように、クラック領域９を起点として（すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すように、クラックが加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達し、図１１に示すように、加工対象物１が割れることにより加工対象物１が切断される。加工対象物１の表面３と裏面２１とに到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、加工対象物１に力が印加されることにより成長する場合もある。

（２）改質領域が溶融処理領域の場合
加工対象物（例えばシリコン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１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。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や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、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。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。

（Ａ）加工対象物：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。

溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。

例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍであるので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハ１１の中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。多光子吸収による溶融処理領域の形成は、例えば、溶接学会全国大会講演概要第６６集（２０００年４月）の第７２頁〜第７３頁の「ピコ秒パルスレーザによるシリコンの加工特性評価」に記載されている。

なお、シリコンウェハは、溶融処理領域によって形成される切断起点領域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。そして、切断起点領域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、切断起点領域を形成する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と、切断起点領域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とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域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、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。このように、加工対象物の内部に溶融処理領域によって切断起点領域を形成すると、割断時、切断起点領域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。

（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
加工対象物（例えばガラス）の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を加工対象物の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、加工対象物の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。多光子吸収による屈折率変化領域の形成は、例えば、第４２回レーザ熱加工研究会論文集（１９９７年．１１月）の第１０５頁〜第１１１頁の「フェムト秒レーザー照射によるガラス内部への光誘起構造形成」に記載されている。

以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（３）の場合を説明したが、ウェハ状の加工対象物の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く加工対象物を切断することが可能になる。

すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。さらに、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などの六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。

なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラットを形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、切断起点領域を形成すべき方向に沿った切断起点領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。

次に、本発明の好適な実施形態について説明する。図１４は、本実施形態のレーザ加工方法における加工対象物の一例を模式的に示す平面図である。図１５は、図１４中のXV−XV矢印に沿った断面図である。

本実施形態において、加工対象物１は、基板４と基板４の外周に設けられた凸部４ａとを備える。基板４としては、例えばシリコンウェハ等が挙げられる。凸部４ａは、例えばシリコン酸化物又はシリコンからなる。加工対象物１は、レーザ光Ｌ（加工用レーザ光）の入射面ｒを有している。入射面ｒは凹凸面であり、凹領域面ｒ２と凸領域面ｒ１とを備える。なお、凹領域面ｒ２はシリコンウェハ等の加工対象物１をエッチングすることにより形成されるとしてもよい。凸領域面ｒ１は、例えば断面矩形の凸部４ａの頂面に相当する。凹領域面ｒ２は、凸部４ａ，４ａ間に位置する例えば断面矩形の凹部の底面に相当する。凹領域面ｒ２と凸領域面ｒ１との間には、加工対象物１の厚さ方向における段差ｒ３が設けられている。段差ｒ３の高さ（凸部４ａの高さ）は、例えば１６μｍ程度である。入射面ｒには、凹領域面ｒ２及び凸領域面ｒ１に渡って、格子状にダイシングストリートが形成され、そのダイシングストリート上に仮想線として切断予定ライン５が設定されている。なお、切断予定ライン５は切断箇所を想定するためのものであり、加工対象物１上にダイシングストリートが形成されていなくてもよい。切断予定ライン５は、例えば、基板４のオリエンテーションフラット６と平行な線及び垂直な線から構成される。また、凸領域面ｒ１上には、Ａｌ又はＡｌ−Ｓｉからなる金属膜４ｂが３箇所に配置されていてもよい。これらの金属膜４ｂは、例えば、シリコンウェハ等の加工対象物１を保持する爪が露光時の光を遮ることによって形成される。

続いて、以上のように構成される加工対象物１を切断するための本実施形態に係るレーザ加工方法の一例について説明する。図１６(ａ)及び図１６(ｂ)〜図１８(ａ)及び図１８(ｂ)は、本実施形態のレーザ加工方法の各工程における加工対象物の断面図である。

（第１の工程）
まず、図１６(ａ)及び図１６(ｂ)に示されるように、基板４の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射することにより、切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域７１を基板４の内部に形成する。改質領域７１は、加工対象物１の厚さ方向において入射面ｒから所定距離内側に形成される。また、レーザ光Ｌは、例えば、ピエゾ素子等からなるアクチュエータ３２により保持された対物レンズ３０によって集光される。アクチュエータ３２には、アクチュエータ３２を制御するためのコントローラ３９が接続されている。

図１６(ａ)に示されるように、切断予定ライン５における凹領域面ｒ２上の部分５１ｂに沿ってレーザ光Ｌを照射する際には、レーザ光Ｌの集光点Ｐが凹領域面ｒ２から距離ｄ１内側に位置するようにレーザ光Ｌの照射条件を変化させる。レーザ光Ｌの照射条件としては、例えば加工対象物１の厚さ方向における対物レンズ３０の位置が挙げられる。この対物レンズ３０の位置は、アクチュエータ３２の伸縮量をコントローラ３９により制御することで調整され、凹領域面ｒ２の凹凸やうねりに追従するように変位する。これにより、切断予定ライン５における凹領域面ｒ２上の部分５１ｂに沿って、凹領域面ｒ２から距離ｄ１内側の一定位置に改質領域７１ｂを形成することができる。つまり、凹領域面ｒ２の内側には、加工対象物１の厚さ方向における入射面ｒの変位に追従するように改質領域７１ｂが形成される。

一方、図１６(ｂ)に示されるように、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿ってレーザ光Ｌを照射する際には、レーザ光Ｌの照射条件を固定する。具体的には、例えば、加工対象物１の厚さ方向における対物レンズ３０の位置を固定する。このとき、集光点Ｐの位置は、加工対象物１の厚さ方向における凸領域面ｒ１と凹領域面ｒ２との高さの差（凸部４ａの高さ）ΔＨに応じて改質領域７１ｂより下側（凸領域面ｒ１から遠ざかる側）に形成される。例えば、対物レンズ３０で集光されるレーザ光Ｌの内、最外の光線で考えると、原理的には、空気中（屈折率ｎ＝１）から加工対象物１への入射角をθ、加工対象物１（屈折率＝ｎ’）での屈折角をθ’としたとき、凸部４ａと基板４とが同一材料からなる場合、入射面ｒから｛ｄ１＋ΔＨ・ｎ’・（ｃｏｓθ’／ｃｏｓθ）｝だけ下側に改質領域７１ａが形成される。ただし、ｓｉｎθ＝ｎ’・ｓｉｎθ’である。また、凸部４ａと基板４とが互いに異なる材料からなる場合には、各々の材料の屈折率を更に考慮する必要がある。

このように、本実施形態における第１の工程では、凹領域面ｒ２の内側には加工対象物１の厚さ方向における入射面ｒの変位に追従した改質領域７１ｂを形成することができると共に、凸領域面ｒ１の内側にも改質領域７１ａを形成することができる。このような場合、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿ってレーザ光Ｌを照射する際にレーザ光Ｌの照射条件を固定するので、凹領域面ｒ２と凸領域面ｒ１との間付近においてレーザ光Ｌの照射により生じる入射面ｒのダメージを低減できる。

また、凸領域面ｒ１上に位置する金属膜４ｂ上においては、レーザ光Ｌをパルス発振から連続発振に切り替えることにより、金属膜４ｂの表面がダメージを受けないようにすることが好ましい。その結果、切断予定ライン５における金属膜４ｂ上の部分に沿って改質領域７１ａは形成されない。

次に、図１７(ａ)及び図１７(ｂ)に示されるように、改質領域７１の形成方法と同じ方法で、改質領域７２及び改質領域７３（第１の改質領域）を入射面ｒ側に向けて順に形成する。改質領域７２を形成する際には、図１７(ａ)に示されるように、切断予定ライン５における凹領域面ｒ２上の部分５１ｂに沿って改質領域７２ｂを形成し、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿って改質領域７２ａを形成する。改質領域７２ｂは、加工対象物１の厚さ方向において凹領域面ｒ２から距離ｄ２内側に形成される。改質領域７３を形成する際には、図１７(ｂ)に示されるように、切断予定ライン５における凹領域面ｒ２上の部分５１ｂに沿って改質領域７３ｂを形成し、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿って改質領域７３ａを形成する。改質領域７３ｂは、加工対象物１の厚さ方向において凹領域面ｒ２から距離ｄ３内側に形成される。

また、凸領域面ｒ１上に位置する金属膜４ｂ上においては、レーザ光Ｌをパルス発振から連続発振に切り替えることにより、金属膜４ｂの表面がダメージを受けないようにすることが好ましい。その結果、切断予定ライン５における金属膜４ｂ上の部分に沿って改質領域７２ａ，７３ａは形成されない。

なお、本実施形態では、第１の工程において３列の改質領域７１〜７３を形成するとしたが、改質領域の列数はこれに限定されない。例えば、改質領域は１列だけ形成されるとしてもよいし、４列以上形成されるとしてもよい。

（第２の工程）
次に、図１８(ａ)及び図１８(ｂ)に示されるように、加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射する。これにより、凸領域面ｒ１から距離ｄ４内側に、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿って改質領域７４を形成する。続いて、凸領域面ｒ１から距離ｄ５内側に、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿って改質領域７５（第２の改質領域）を形成する。改質領域７５は凸部４ａの内部、すなわち凸領域面ｒ１より下側且つ凹領域面ｒ２より上側に形成される。改質領域７４，７５を形成する際には、図１８(ａ)に示されるように、例えば、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿ってレーザ光Ｌをパルス発振させ、切断予定ライン５における凹領域面ｒ２上の部分５１ｂに沿ってレーザ光Ｌを連続発振させる。レーザ光Ｌを連続発振させると、レーザエネルギーが低くなるために多光子吸収が起きず、加工対象物１の内部に改質領域が形成され難くなる。また、レーザ光Ｌを連続発振させる場合にはレーザエネルギーが低いため、レーザエネルギーが加工対象物１の加工に必要なエネルギー閾値を超えない。このため、加工対象物１の入射面ｒにダメージが発生することを防止できる。

また、凸領域面ｒ１上に位置する金属膜４ｂ上においては、レーザ光Ｌをパルス発振から連続発振に切り替えることにより、金属膜４ｂの表面がダメージを受けないようにすることが好ましい。その結果、切断予定ライン５における金属膜４ｂ上の部分に沿って改質領域７４，７５は形成されない。

レーザ光Ｌをパルス発振させると、レーザ光Ｌを連続発振させる場合に比べて加工対象物１の内部に改質領域を確実に形成することができる。このため、凸領域面ｒ１ではレーザ光Ｌをパルス発振させ、凹領域面ｒ２ではレーザ光Ｌを連続発振させることにより、図１８(ｂ)に示されるように、切断予定ライン５における凸領域面ｒ１上の部分５１ａに沿って、改質領域７４，７５を選択的に形成することができる。

なお、本実施形態では、第２の工程において２列の改質領域７４，７５を形成するとしたが、改質領域の列数はこれに限定されない。例えば、改質領域は１列だけ形成されるとしてもよいし、３列以上形成されるとしてもよい。改質領域の列数は、凸部４ａの高さΔＨに応じて適宜設定されることが好ましい。

また、改質領域７１〜７５は、上述の改質領域７と同様に、連続的に形成された改質領域からなるとしてもよいし、所定の間隔をおいて断続的に形成された改質領域からなるとしてもよい。

（切断工程）
改質領域７１〜７５を形成した後、エキスパンドテープ（図示せず）等の拡張フィルムを加工対象物１に貼り付け、エキスパンド装置（図示せず）により拡張フィルムを拡張することで、加工対象物１を切断予定ライン５に沿って切断且つ加工切片同士を離間する。なお、切断工程においては、拡張フィルムの拡張に限らず、他の応力印加手段を用いて加工対象物１を切断するとしてもよい。また、例えば、形成した改質領域を起点とした亀裂が加工対象物１の表裏面に延びて既に切断が完了している場合、エキスパンドテープ等の拡張フィルムの拡張により加工切片同士の間隔を広げるように、隣り合う加工切片は分離される。

以上説明したように、本実施形態のレーザ加工方法では、入射面ｒの凹領域面ｒ２及び凸領域面ｒ１における加工対象物１の内部に、それぞれ改質領域７３，７４を別の工程で形成する。このため、切断予定ライン５が入射面ｒの凹領域面ｒ２及び凸領域面ｒ１に渡っている場合に、凹領域面ｒ２と凸領域面ｒ１との間に設けられた段差ｒ３付近においてレーザ光Ｌの照射により生じる入射面ｒのダメージを低減できる。したがって、本実施形態のレーザ加工方法によれば、レーザ光Ｌの入射面ｒが凹凸面である加工対象物１の高精度な切断が可能となる。

また、測定用レーザ光を入射面ｒに照射し、測定用レーザ光の反射光から段差ｒ３の位置を判断することもできる。具体的には、例えば非点収差法に用いられる４分割位置検出素子により反射光の非点信号又は全光量信号を検出する。測定用レーザ光の集光点位置に対して反射光の非点信号がゼロになる位置、又は、全光量信号が最大となる位置で段差ｒ３の位置を判断することができる。

また、測定用レーザ光の反射光の全光量信号の大きさの違いから、凸領域面ｒ１上に設けられた金属膜４ｂの位置を判断することもできる。

段差ｒ３の位置が分かると、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って移動させる際に、改質領域７１〜７５を形成するタイミングを決定できる。例えば、第２の工程において、レーザ光Ｌをパルス発振させるタイミングや連続発振させるタイミングを決定できる。また、第１の工程において、アクチュエータ３２によって対物レンズ３０の位置を加工対象物１の厚さ方向に変化させるタイミングや固定するタイミングを決定できる。

また、金属膜４ｂの位置が分かると、レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って移動させる際に、レーザ光Ｌをパルス発振させるタイミングや連続発振させるタイミングを決定できる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、第１の工程において、改質領域７１ｂ，７２ｂ，７３ｂを形成する際に、加工対象物１の厚さ方向においてレーザ光Ｌの照射条件を固定するとしてもよい。

また、改質領域７１ａ，７２ａ，７３ａを形成する際に、加工対象物１の厚さ方向においてレーザ光Ｌの照射条件を変化させるとしてもよい。この場合、対物レンズ３０の位置は、アクチュエータ３２の伸縮量によって調整され、凸領域面ｒ１の凹凸やうねりに追従するように変位する。よって、凸領域面ｒ１では、加工対象物１の厚さ方向における入射面ｒの変位に追従するように改質領域７１ａ，７２ｂ，７３ｂが形成される。

また、第１の工程において、改質領域７１ａ，７２ａ，７３ａを形成しなくてもよい。つまり、切断予定ライン５における凹領域面ｒ２上の部分５１ｂに沿って、改質領域７１ｂ，７２ｂ，７３ｂを選択的に形成するとしてもよい。そのためには、レーザ光Ｌを照射する際に、パルス発振と連続発振とを選択的に切り替えてもよいし、レーザ光Ｌをシャッター等により選択的に遮断してもよいし、レーザ光Ｌの発振を選択的に停止させてもよい。

また、１列の改質領域を形成することによって加工対象物１の切断が十分に可能な場合には、第１の工程において改質領域７１，７２を形成しないとしてもよい。

また、第２の工程において、改質領域７４，７５を選択的に形成する際に、レーザ光Ｌをシャッター等により選択的に遮断するとしてもよいし、レーザ光Ｌの発振を選択的に停止させるとしてもよい。これらの場合、レーザ光Ｌが加工対象物１に照射されている間だけ選択的に改質領域７４が形成される。

また、改質領域７１〜７５は、加工対象物１の内部で生じる多光子吸収により形成されることに限定されない。改質領域７１〜７５は、多光子吸収と同等の光吸収を加工対象物１の内部で生じさせることにより形成されるとしてもよい。

また、凹領域面ｒ２と改質領域７３との間の距離ｄ３と、凸領域面ｒ１と改質領域７５との間の距離ｄ５とは同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。また、改質領域７１〜７５の形成順序は特に限定されない。例えば、改質領域７５，７４，７３，７２，７１を入射面ｒ側から順に形成するとしてもよい。

また、入射面ｒにおける段差ｒ３の位置は、例えば、予め段差計により測定されるとしてもよい。また、加工対象物１の設計値から段差ｒ３の位置を算出することもできる。段差ｒ３の位置が分かった後、加工対象物１が載置されるステージのスケール座標をレーザ光Ｌの制御装置に取り込んで、段差ｒ３の位置において、パルス発振と連続発振とを選択的に切り替えてもよいし、レーザ光Ｌをシャッター等により選択的に遮断してもよいし、レーザ光Ｌの発振を選択的に停止させてもよい。また、段差ｒ３の位置において、レーザ光Ｌの照射条件を変化させた状態から固定した状態に切り替えるとしてもよいし、レーザ光Ｌの照射条件を固定した状態から変化させた状態に切り替えるとしてもよい。

また、本実施形態においては、加工対象物１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。半導体ウェハの材料としては、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）がドープされた半導体等が挙げられる。さらに、加工対象物１は、半導体デバイスと支持基板との間に絶縁層が設けられたＳＯＩ（Silicon-on-insulator）ウェハでもよい。

本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工中の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線に沿っての断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法によるレーザ加工後の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線に沿っての断面図である。 図３に示す加工対象物のV−V線に沿っての断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により切断された加工対象物の平面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加工対象物を切断する際のクラック領域形成工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加工対象物を切断する際のクラック成長工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加工対象物を切断する際のクラック成長工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて加工対象物を切断する際の切断工程における加工対象物の断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。 本実施形態のレーザ加工方法における加工対象物の一例を模式的に示す平面図である。 図１４中のXV−XV矢印に沿った断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法の各工程における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の各工程における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の各工程における加工対象物の断面図である。 加工用レーザ光の入射面が凹凸面である板状の加工対象物の断面図である。

符号の説明

１…加工対象物、５…切断予定ライン、５１ａ…切断予定ラインにおける凸領域面上の部分、５１ｂ…切断予定ラインにおける凹領域面上の部分、７…改質領域、７３…第１の改質領域、７５…第２の改質領域、ｒ…入射面、ｒ１…入射面の凸領域面、ｒ２…入射面の凹領域面、Ｌ…加工用レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (3)

1. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて加工用レーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物における前記加工用レーザ光の入射面が凹凸面であり、前記切断予定ラインが前記入射面の凹領域面及び凸領域面に渡っている場合において、
   前記凹領域面から所定距離内側及び前記凸領域面の内側に、前記切断予定ラインに沿って第１の改質領域を形成する第１の工程と、
   前記加工対象物の厚み方向における前記凸領域面と前記凹領域面との間において、前記凸領域面から所定距離内側に、前記切断予定ラインに沿って第２の改質領域を選択的に形成する第２の工程と、
   を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて加工用レーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物における前記加工用レーザ光の入射面が凹凸面であり、前記切断予定ラインが前記入射面の凹領域面及び凸領域面に渡っている場合において、
   前記凹領域面から所定距離内側に、前記切断予定ラインに沿って第１の改質領域を形成する第１の工程と、
   前記凸領域面から所定距離内側に、前記切断予定ラインに沿って第２の改質領域を形成する第２の工程と、
   を含み、
   前記第１の工程では、前記切断予定ラインにおける前記凹領域面上の部分に沿って前記加工用レーザ光を照射する際に、前記凹領域面から所定距離内側に前記加工用レーザ光の集光点が位置するように前記加工用レーザ光の照射条件を変化させ、前記切断予定ラインにおける前記凸領域面上の部分に沿って前記加工用レーザ光を照射する際に、前記加工用レーザ光の照射条件を固定することを特徴とする、レーザ加工方法。
3. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせて加工用レーザ光を照射することにより、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物における前記加工用レーザ光の入射面が凹凸面であり、前記切断予定ラインが前記入射面の凹領域面及び凸領域面に渡っている場合において、
   前記凹領域面から所定距離内側に、前記切断予定ラインに沿って第１の改質領域を形成する第１の工程と、
   前記凸領域面から所定距離内側に、前記切断予定ラインに沿って第２の改質領域を形成する第２の工程と、
   を含み、
   前記第２の工程では、前記切断予定ラインにおける前記凸領域面上の部分に沿って前記加工用レーザ光をパルス発振させ、前記切断予定ラインにおける前記凹領域面上の部分に沿って前記加工用レーザ光を連続発振させることを特徴とする、レーザ加工方法。

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