JP5213112B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を使用して半導体ウエハなどのワークを加工する方法及び装置に関する。より詳しくは、ワークに改質領域を形成する技術に関する。

発光ダイオードなどの光デバイスは、近年、電子機器などに広く利用されている。この光デバイスの製造工程においては、サファイヤなどからなる基板上に、窒化ガリウムなどの窒化化合物系半導体層からなる発光素子をマトリクス状に形成し、その後、この複数の素子が形成された基板を、所定のストリート（分割予定ライン）に沿って格子状に切断することにより、各素子を分離してチップ化している。

このようなウエハ又は基板の切断には、通常、切削ブレードを高速回転して被加工材を切削する切削装置が利用されているが、光デバイスに使用されているサファイヤ基板は、モース硬度が高い難削材であり、更に、光デバイスのチップは１ｍｍ角以下と小さいため、不良が発生しやすい。このため、光デバイスウエハを切断する際は、一般に、シリコン基板を使用した半導体ウエハを切断する場合よりも、速度を遅くして加工しており、生産性が低いという問題点がある。

そこで、従来、レーザ光を使用してサファイヤ基板を切断する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、特許文献１に記載の半導体素子の製造方法では、サファイヤ基板内部の分割予定面に沿ってパルスレーザを集光させて、破断線状に改質（変質）領域を形成し、その後、外力を加えることにより分割予定面で基板を分割している。

また、レーザ光により基板内に改質領域を形成して切断する方法は、サファイヤ基板以外にも種々の材料への適用が検討されており、例えば、この方法を利用した水晶基板の切断方法が提案されている（特許文献２参照）。更に、本出願人は、レーザ光を使用して、表面に低誘電率絶縁体被膜が形成されたシリコンウエハの分割方法を提案している（例えば、特許文献３参照。）。

一方、基板などのワーク内に改質領域を形成して切断する方法においては、品質の高い加工を行うためには、ワーク表面からの加工位置を一定にする必要がある。そこで、従来、主面に凹凸があるワークを加工する際に、予め、例えば投光器と反射光受光器とを備える平面度測定器などを使用して、加工を施す部分の全ての平面度を測定し、その測定結果に基づいて加工を行う方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

また、従来、レーザ光照射面におけるうねり又は凹凸などの変位とワークの厚さを測定し、その結果から表面及び裏面の変位を求め、表面側の改質領域を形成する場合は、表面の変位を基準にレーザ光の集光点位置を調整し、裏面側の改質領域を形成する場合は、裏面の変位を基準にレーザ光の集光点位置を調整する加工方法も提案されている（特許文献５参照）。

更に、測定用レーザ光に対する反射率が低い領域が存在している場合でも、加工用レーザ光の集光点をワークのレーザ光照射面に精度良く追従させるために、測定用レーザ光を照射して得られる反射光に非点収差を付加し、反射光の光量に応じてフィードバックした値を基準に、加工用レーザの焦点位置を調整する加工方法も提案されている（特許文献６参照）。

特開２００６−２４５０６２号公報 特開２００７−１３０７６８号公報 特開２００７−１７３４７５号公報 特開２００５−１９３２８６号公報 特開２００８−１２５４２号公報 特開２００８−８７０５３号公報

しかしながら、前述した特許文献４〜６に記載された加工方法は、測定用レーザ光などによって全てのストリートを走査する必要があるため、平面度測定に時間を要するという問題点がある。

そこで、本発明は、効率よく加工用レーザ光の焦点位置を決定することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを主目的とする。

本発明に係るレーザ加工方法は、ワークを透過する波長のレーザ光を、前記ワーク内部に集光点を合わせて照射することにより、該ワークの分割予定ラインに改質領域を形成するレーザ加工方法であって、前記ワークにおける複数の分割予定ラインのうち、一の分割予定ラインの表面変位を測定する工程と、前記一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、この一の分割予定ラインの次に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測する工程と、実測又は予測した表面変位に基づいて前記レーザ光の集光点位置を調整しながら、前記ワークに前記レーザ光を照射する工程とを有する。

本発明においては、一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、この一の分割予定ラインの次に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測するため、全ての分割予定ラインの表面変位を実測する必要がない。このため、従来の加工方法に比べて、表面変位の測定に要する時間を大幅に短縮することができる。

このレーザ加工方法では、例えば半導体ウエハなどのように一の分割予定ラインの長さと他の分割予定ラインの長さが相互に異なる場合には、前記一の分割予定ラインの長さと前記他の分割予定ラインの長さとの比に基づいて、前記他の分割予定ラインの表面変位を予測することができる。

また、前記一の分割予定ラインに改質領域を形成した後、前記他の分割予定ラインの表面変位を予測することもできる。

更に、前記一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、その後に加工を行う複数の分割予定ラインの表面変位を予測してもよい。

一方、本発明に係るレーザ加工装置は、ワークの分割予定ラインに改質領域を形成するレーザ加工装置であって、前記ワークを保持する保持手段と、前記ワークの分割予定ラインにおける表面変位を測定する表面変位検出手段と、前記表面変位検出手段で測定された一の分割予定ラインの表面変位から、この一の分割予定ラインよりも後に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測する解析手段と、前記ワークにレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、を有し、前記保持手段と前記レーザ光照射手段とを相対的に移動させると共に、実測又は予測した表面変位に基づいて前記レーザ光の集光点位置を調整しながら、前記ワークの内部に、該ワークを透過する波長のレーザ光を照射するものである。

本発明においては、表面変位検出手段で測定された一の分割予定ラインの表面変位から、この一の分割予定ラインよりも後に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測する解析手段を備えているため、表面変位検出手段によりワーク内の全ての分割予定ラインを実測する必要がない。これにより、分割予定ラインの表面変位の測定に要する時間が短縮されるため、短時間で加工用レーザ光の焦点位置を決定することができる。

また、前記解析手段は、前記一の分割予定ラインの長さと前記他の分割予定ラインの長さとの比に基づいて、前記他の分割予定ラインの表面変位を予測することができる。

更に、前記解析手段は、前記一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、その後に加工を行う複数の分割予定ラインの表面変位を予測してもよい。

本発明によれば、一の分割予定ライン実測値から次に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測するため、表面変位の測定に要する時間を短縮し、効率よく加工用レーザ光の焦点位置を決定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。図１は本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。また、図２は加工対象のワークを示す斜視図であり、図３はワークの表面変位を模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１は、ワーク１０を保持する保持手段２と、ワーク１０の所定位置にレーザ光を照射するレーザ光照射手段３と、ワーク１０の表面変位を測定する表面変位検出手段４と、表面変位検出手段４で測定された一の分割予定ラインの表面変位から、この一の分割予定ラインよりも後に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測する解析手段５１を備えている。

本実施形態のレーザ加工装置１における保持手段２は、例えば、負圧を利用してワークを吸着保持するチャックテーブルなどであり、送り手段によってｘ方向及びこのｘ方向に直交するｙ方向に移動可能となっている。具体的には、台座２１上に相互に平行に配置された１対の案内レール２２ａ，２２ｂ間にボールねじ２３ａが配置され、このボールねじ２３ａの一方の端部にはモータ２３ｂが取り付けられており、他方の端部は軸受けブロック２３ｃに回転可能に支持されている。

また、案内レール２２ａ，２２ｂ及びボールねじ２３ａの上には、滑動ブロック２４が載置されており、この滑動ブロック２４上に、１対の案内レール２５ａ，２５ｂ及びボールねじ２６ａが相互に平行に配置されている。このボールねじ２６ａも、一方の端部にモータ２６ｂが取り付けられ、他方の端部は軸受けブロック２６ｃに回転可能に支持されている。更に、案内レール２５ａ，２５ｂ及びボールねじ２６ａの上には、滑動ブロック２７が載置されており、この滑動ブロック２７上に保持手段２が設置されている。

そして、これらの部材により構成される送り手段においては、モータ２３ｂによりボールねじ２３ａを駆動させると、滑動ブロック２４が案内レール２２ａ，２２ｂによって案内されて移動し、これにより保持手段２がｘ方向に移動する。一方、モータ２６ｂによりボールねじ２６ａを駆動させると、滑動ブロック２７が案内レール２５ａ，２５ｂによって案内されて移動し、これにより保持手段２がｙ方向に移動する。

また、本実施形態のレーザ加工装置１におけるレーザ光照射手段３は、保持手段２の上方に配置されており、例えばＹＡＧレーザ発振器又はＹＶＯレーザ発振器などのようにワーク１０を透過する波長のレーザ光を発振可能な発振器と、発振したレーザ光をワーク１０に照射するためのミラー及び集光レンズなどの光学部品を備えている。

更に、表面変位検出手段４は、ワーク１０の表面のうねり又は凹凸を示す表面変位を検出することができればその構成及び方法は特に限定するものではないが、例えば、保持手段２の上方に、レーザ発振器などを備えたレーザ光照射部とセンサなどからなるレーザ光検出部とを設置し、ワーク１０の表面で反射される波長のレーザ光をワーク１０に照射して、その反射光を検出する構成とすることができる。その場合、レーザ光検出部において反射光の光量を測定し、その値の変化からワーク１０の表面からレーザ光検出部までの距離の変動、即ち、ワーク１０の表面変位を求めることができる。

本実施形態のレーザ加工装置１における解析手段５１は、入力インターフェイス５２、制御プログラムなどを格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）５３、表面変位の測定及び予測結果などを格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）からなる記憶手段５４、カウンタ５５及び出力インターフェイス５６などと共に、制御部５に設けられ、表面変位検出手段４に接続されている。なお、この制御部５は、例えばコンピュータにより構成することができる。

この解析手段５１は、表面変位検出手段４で測定された一の分割予定ラインの表面変位のデータが入力され、その値から、一の分割予定ラインよりも後に加工を行う１又は複数の分割予定ラインの表面変位を予測する。表面変位の予測方法としては、例えば、一の分割予定ラインにおける表面変位の実測値を、この一の分割予定ライン長さと、その後に加工を行う他の分割予定ラインの長さとの比に基づいて、拡大又は縮小する方法などを適用することができる。なお、解析手段５１において予測する分割予定ラインは、実測した一の分割予定ラインの次に加工する分割予定ラインに限定されるものではなく、一の分割予定ラインよりも後に加工を行う複数の分割予定ラインについても、同様の方法で表面変位を予測することができる。

上述したレーザ加工装置１が加工対象とするワーク１０としては、例えば、半導体ウエハ、ＤＡＦ（Die Attach Film）などの粘着テープ、ガラス、シリコン及びサファイヤなどの無機材料、金属材料又はプラスチックなどからなる各種基板、半導体製品のパッケージ、並びにミクロンオーダーの精度が要求される各種加工材料などが挙げられる。これらのワーク１０は、図２に示すように、リングフレーム１１の開口部に粘着テープ１２を介して支持され、その状態で保持手段２上に載置される。

次に、本実施形態のレーザ加工装置１の動作、即ち、レーザ加工装置１を使用してワーク１０を加工する方法について説明する。本実施形態のレーザ加工方法においては、先ず、リングフレーム１１に支持されたワーク１０を、加工面を上にして保持手段２上に載置する。次に、表面変位検出手段４により、一の分割予定ラインの表面変位を測定する。例えば、ワーク１０が図２に示す半導体ウエハの場合は、ワーク１０に対して反射性を有する例えば波長が６３５ｎｍの測定用レーザ光を、分割予定ライン１０ａに沿って照射し、その反射光の光量の変化を測定する。

この測定結果は、制御部５に設けられた解析手段５１に入力され、解析手段５１において分割予定ライン１０ａの表面変位を算出する。更に、解析手段５１においては、分割予定ライン１０ａの表面変位に基づき、分割予定ライン１０ｂの表面変位を求める。具体的には、図３に示すように、分割予定ライン１０ａの長さと分割予定ライン１０ｂの長さとの比に基づいて、分割予定ライン１０ａの表面変位の実測値を比例配分する。

その際、分割予定ライン１０ａよりも分割予定ライン１０ｂが長い場合は、比例配分により表面変位の実測値を拡大する。例えば、５個の測定データを９個に拡大する場合は、実測値（ａ_１，ａ_２，ａ_３，ａ_４，ａ_５）の間に、それぞれ新たな値（ａ_１２，ａ_２３，ａ_３４，ａ_４５）を補完し、（ａ_１，ａ_１２，ａ_２，ａ_２３，ａ_３，ａ_３４，ａ_４，ａ_４５，ａ_５）とする。この補完する値ａ_１２，ａ_２３，ａ_３４，ａ_４５は、その前後の実測値及び分割予定ライン１０ａの長さと分割予定ライン１０ｂの長さとの比に基づいて算出する。

なお、補完する値ａ_１２，ａ_２３，ａ_３４，ａ_４５は、その前後各１点の実測値に基づいて算出することもできるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、前後の各２点の実測値から算出してもよい。具体的には、補完する値ａ_２３を算出する場合であれば、その前の実測値ａ_１，ａ_２と、その後の実測値ａ_３，ａ_４の計４点から算出することができる。

一方、分割予定ライン１０ａよりも分割予定ライン１０ｂが短い場合は、比例配分により表面変位の実測値を縮小する。例えば、５個の測定データ（ａ_１，ａ_２，ａ_３，ａ_４，ａ_５）を、３個に縮小する場合は（ａ_１，ａ_３，ａ_５）となり、実測値を所定間隔で間引く。実測値を縮小する際にデータを間引く間隔は、分割予定ライン１０ａの長さと分割予定ライン１０ｂの長さとの比に基づいて決定する。

図４は横軸に分割予定ライン中の位置、縦軸に表面変位をとって、分割予定ラインの表面変位の実測値及び予測値を示すグラフ図である。なお、図４に示す値は、直径７６．２ｍｍ（３インチ）のウエハに、０．２４ｍｍ間隔で設けられた分割予定ラインから任意で選択した一の分割予定ラインについて、実際に測定した値、及び隣り合う他の分割予定ラインの実測値から予測した値である。図４に示す実測値と予測値を比較すると、上述した方法で予測した分割予定ラインの表面変位は、実測値と同様の傾向を示し、その差も１μｍ以下であった。即ち、本実施形態の方法によれば、分割予定ラインの表面変位を精度良く予測することができる。

また、この方法を適用することにより、加工時間も大幅に短縮することができる。具体的には、３インチのウエハに、ｘ方向は０．２４ｍｍピッチ、ｙ方向は０．４８ｍｍピッチで分割予定ラインが設けられているワークを、送り速度を６００ｍｍ／秒にして、１ラインにつき表面変位測定を１パス、レーザ光照射を３パス行う場合、表面変位の実測間隔を９ラインにすることにより、全てのラインを実測する場合に比べて加工に要する時間を２０５秒／枚程度短縮することができる。

この解析手段５１で予測された分割予定ライン１０ｂの表面変位は、表面変位検出手段４で実測された分割予定ライン１０ａの表面変位と共に、記憶手段５４に記憶される。その後、分割予定ライン１０ｂの次に加工を行う分割予定ラインについて、その表面変位を、表面変位検出手段４で実測するか、又は分割予定ライン１０ａの実測値に基づいて予測する。この工程を複数回繰り返し、全ての分割予定ラインの表面変位を求める。

このとき、分割予定ライン１０ａの表面変位を実測した後、その後に加工を行う複数の分割予定ラインを予測する場合は、分割予定ライン１０ａの実測値から予測した分割予定ライン１０ｂの表面変位の値に基づいて、その次に加工を行う分割予定ラインの表面変位を予測してもよい。また、分割予定ライン１０ａの実測値に基づいて、各分割予定ラインの表面変位をそれぞれ個別に予測することもできる。

なお、分割予定ラインを実測する間隔は、各分割予定ライン間のピッチ、許容される誤差範囲、ワーク１０の平坦度及びワーク１０内の位置などに応じて適宜設定することができる。例えば、半導体ウエハのように略円形のワークは、端部付近では隣り合う分割予定ラインの長さの差が大きいが、中心部付近では隣り合う分割予定ラインの差が小さくなっている。このようなワークを加工する場合、端部の分割予定ラインについては全て表面変位を実測し、中心部分の分割予定ラインのみ表面変位を予測することも可能である。

その後、実測又は予測した表面変位に基づいて焦点位置を調整しながら、ワーク１０の分割予定ラインに、ワークに対して透過性を有する例えば波長が１０６４ｎｍの加工用パルスレーザ光を照射する。これにより、分割予定ラインに改質領域が形成され、この改質領域を起点としてワーク１０が分割される。

なお、本実施形態のレーザ加工方法では、全ての分割予定ラインの表面変位を測定した後、レーザ光を照射しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、表面変位の実測又は予測とレーザ光照射とを１ライン毎に行ってもよい。具体的には、分割予定ライン１０ａの表面変位を実測し、その値に基づきレーザ照射を行った後、分割予定ライン１０ｂの表面変位を予測することもできる。更には、レーザ光照射手段３により一の分割予定ラインにレーザ光を照射している間に、解析手段５１において、その後に加工する１又は複数の分割予定ラインの表面変位を予測し、複数の分割予定ラインに対して連続してレーザ光を照射することもできる。

また、上述した各工程、具体的には、一の分割予定ラインの表面変位を測定する工程、一の分割予定ラインの表面変位の実測値から次に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測する工程、及び実測又は予測した表面変位に基づいてレーザ光の集光点位置を調整しつつワーク１０にレーザ光を照射する工程は、例えば、制御部５のＲＯＭ５３に格納された測定・解析プログラム及び制御プログラムなどを実行することにより自動で実施される。

上述の如く、本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、この一の分割予定ラインの次に加工を行う１又は複数の分割予定ラインの表面変位を算出しているため、全ての分割予定ラインの表面変位を実測する必要がない。これにより、従来の加工方法に比べて、表面変位の測定に要する時間を短縮することができる。また、本実施形態のように、分割予定ラインの長さに応じて実測値を比例配分することにより、精度よくかつ効率的に表面変位を予測することができる。その結果、加工用レーザ光の焦点位置決定に関する作業効率を大幅に向上させることができる。

更に、本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、前述した各種ワークの加工に適用することができる。特に、本実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、分割予定ラインの間隔が狭い程、表面変位の予測精度が高くなるため、サファイヤ基板に微小な素子が多数形成されている光デバイスウエハのように、分割予定ラインの数が多く、各分割予定ラインの間隔が狭いワークの加工に好適である。

なお、本実施形態においては、レーザ加工装置１によりレーザ加工を行う場合を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、分割予定ラインの表面変位を測定することができ、一の分割予定ラインよりも後に加工を行う他の分割予定ラインの表面変位を予測するコンピュータなどの解析手段と接続可能であり、実測又は予測した表面変位に基づいてレーザ光の焦点位置を調整可能な各種レーザ加工装置を使用することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 加工対象のワークを示す斜視図である。 ワークの表面変位を模式的に示す図である。 横軸に分割予定ライン中の位置、縦軸に表面変位をとって、分割予定ラインの表面変位の実測値及び予測値を示すグラフ図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
２ 保持手段
３ レーザ光照射手段
４ 表面変位検出手段
５ 制御部
１０ ワーク
１０ａ、１０ｂ 分割予定ライン
１１ リングフレーム
１２ 粘着テープ
２１ 台座
２２ａ、２２ｂ、２５ａ、２５ｂ 案内レール
２３ａ、２６ａ ボールねじ
２３ｂ、２６ｂ モータ
２３ｃ、２６ｃ 軸受けブロック
２４、２７ 滑動ブロック
５１ 解析手段
５２ 入力インターフェイス
５３ リードオンリメモリ（ＲＯＭ）
５４ 記憶手段
５５ カウンタ
５６ 出力インターフェイス

Claims (5)

1. ワークを透過する波長のレーザ光を、前記ワーク内部に集光点を合わせて照射することにより、該ワークの分割予定ラインに改質領域を形成するレーザ加工方法であって、
   前記ワークにおける複数の分割予定ラインのうち、一の分割予定ラインの表面変位を測定する工程と、
   前記一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、前記一の分割予定ラインの長さとこの一の分割予定ラインの次に加工を行う他の分割予定ラインの長さとの比に基づいて、前記他の分割予定ラインの表面変位を予測する工程と、
   実測又は予測した表面変位に基づいて前記レーザ光の集光点位置を調整しながら、前記ワークに前記レーザ光を照射する工程と、
   を有するレーザ加工方法。
2. 前記一の分割予定ラインに改質領域を形成した後、前記他の分割予定ラインの表面変位を予測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。
3. 前記一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、その後に加工を行う複数の分割予定ラインの表面変位を予測す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。
4. ワークの分割予定ラインに改質領域を形成するレーザ加工装置であって、
   前記ワークを保持する保持手段と、
   前記ワークの分割予定ラインにおける表面変位を測定する表面変位検出手段と、
   前記表面変位検出手段で測定された一の分割予定ラインの表面変位から、前記一の分割予定ラインの長さとこの一の分割予定ラインよりも後に加工を行う他の分割予定ラインの長さとの比に基づいて、前記他の分割予定ラインの表面変位を予測する解析手段と、
   前記ワークにレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、を有し、
   前記保持手段と前記レーザ光照射手段とを相対的に移動させると共に、実測又は予測した表面変位に基づいて前記レーザ光の集光点位置を調整しながら、前記ワークの内部に、該ワークを透過する波長のレーザ光を照射するレーザ加工装置。
5. 前記解析手段は、前記一の分割予定ラインの表面変位の実測値から、その後に加工を行う複数の分割予定ラインの表面変位を予測することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。

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