JP2012096274A

JP2012096274A - レーザー加工装置

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Publication number: JP2012096274A
Application number: JP2010247233A
Authority: JP
Inventors: Keiji Nomaru; 圭司能丸
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-24
Also published as: TW201221264A; KR20120047786A; US20120111840A1; CN102528289A

Abstract

【課題】被加工物の厚み方向に複数の変質層を同時に形成することができるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】被加工物を保持するチャックテーブルと、チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、チャックテーブルとレーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段とを具備するレーザー加工装置であって、レーザー光線照射手段はレーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光せしめる集光レンズと、レーザー光線発振手段と集光レンズとの間に配設された多焦点回折光学素子とを備え、レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を多焦点回折光学素子によって複数の拡散角に分離し、複数の拡散角に分離されたレーザー光線を集光レンズによって集光することにより光軸上に複数の集光点を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物に対して透過性を有するレーザー光線を照射し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザー加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、シリコン基板、サファイア基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板、ガラス基板或いは石英基板の如き適宜の基板を含むウエーハの表面に格子状に形成されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスを形成する。そして、ウエーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割して個々の半導体デバイスを製造している。ウエーハを分割するための方法としては、レーザー光線を利用する種々の様式が提案されている。

半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する例えば波長が１０６４ｎｍのパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部にストリートに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下した分割予定ラインに沿って外力を加えることにより、被加工物を分割するものである。（例えば、特許文献１参照。）

しかるに、ウエーハに外力を加えてストリートに沿って精密に破断せしめるためには、ウエーハの内部にストリートに沿って形成される変質層の厚み、即ちウエーハの厚み方向における変質層の割合を大きくすることが必要である。上述したレーザー加工方法によって形成される変質層の厚みはパルスレーザー光線の集光点近傍において３０〜５０μmであるため、変質層の厚みを増大せしめるためにはウエーハの内部に変質層を積層して形成する必要がある。ウエーハの内部に変質層を積層して形成するには、パルスレーザー光線の集光点の位置をウエーハの厚み方向に変位せしめて、パルスレーザー光線とウエーハとをストリートに沿って繰り返し相対的に移動させることが必要であり、特にウエーハの厚みが厚い（例えば６００μm）場合、ウエーハを精密に破断するのに必要な厚みの変質層を形成するために長時間を要する。

上記問題解消するため、レーザー光線発振手段が発振するレーザー光線を常光と異常光に分離する複屈折レンズを備え、該複屈折レンズによって分離された常光と異常光を集光レンズで集光せしめて常光の集光点と異常光の集光点との２個の集光点を形成し、２個の集光点を被加工物の厚み方向にずらせて位置付けることにより、２層の変質層を同時に形成するレーザー加工装置が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）

特許第３４０８８０５号特開２００７−９３１号公報

上記特許文献２に開示されたレーザー加工装置によれば、被加工物の厚み方向に２層の変質層を同時に形成することができるが、３層以上の変質層を同時に形成することはできないため、被加工物の厚みが厚い場合にはレーザー光線をストリートに沿って繰り返し照射する必要があり、生産性の面で必ずしも満足し得るものではない。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、被加工物の厚み方向に複数の変質層を同時に形成することができるレーザー加工装置を提供することである。

上記主たる技術的課題を解決するために、本発明によれば、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光せしめる集光レンズと、該レーザー光線発振手段と該集光レンズとの間に配設された多焦点回折光学素子とを備え、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を該多焦点回折光学素子によって複数の拡散角に分離し、該複数の拡散角に分離されたレーザー光線を該集光レンズによって集光することにより光軸上に複数の集光点を形成する、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

本発明のレーザー加工装置においては、チャックテーブルに保持された被加工物にレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段が、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光せしめる集光レンズと、該レーザー光線発振手段と該集光レンズとの間に配設された多焦点回折光学素子とを備え、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を該多焦点回折光学素子によって複数の拡散角に分離し、該複数の拡散角に分離されたレーザー光線を該集光レンズによって集光することにより光軸上に複数の集光点を形成するので、被加工物の厚み方向に複数の変質層を同時に形成することができる。

本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。図１に示すレーザー加工装置に装備されるレーザー光線照射手段の概略構成図。図２に示すレーザー光線照射手段を構成する多焦点回折光学素子の機能を説明するための説明図。被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。図４に示す半導体ウエーハを環状のフレームに装着された保護テープの表面に貼着した状態を示す斜視図。図１に示すレーザー加工装置を用いて図４に示す半導体ウエーハに変質層を形成する変質層形成工程の説明図。

以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工装置は、静止基台２と、該静止基台２に矢印Ｘで示す加工送り方向（X軸方向）に移動可能に配設され被加工物を保持するチャックテーブル機構３と、静止基台２に加工送り方向（X軸方向）と直交する矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構４と、該レーザー光線照射ユニット支持機構４に後述するチャックテーブルの保持面に対して垂直な矢印Ｚで示す集光点位置調整方向（Z軸方向）に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット５とを具備している。

上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上に矢印Ｘで示す加工送り方向（X軸方向）に沿って平行に配設された一対の案内レール３１、３１と、該案内レール３１、３１上にX軸方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック３２と、該第１の滑動ブロック３２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動可能に配設された第２の滑動ブロック３３と、該第２の滑動ブロック３３上に円筒部材３４によって支持されたカバーテーブル３５と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル３６を具備している。このチャックテーブル３６は多孔性材料から形成された吸着チャック３６１を具備しており、被加工物保持面としての吸着チャック３６１上に被加工物である例えば円板状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。このように構成されたチャックテーブル３６は、円筒部材３４内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。なお、チャックテーブル３６には、後述する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。

上記第１の滑動ブロック３２は、その下面に上記一対の案内レール３１、３１と嵌合する一対の被案内溝３２１、３２１が設けられているとともに、その上面にY軸方向に沿って平行に形成された一対の案内レール３２２、３２２が設けられている。このように構成された第１の滑動ブロック３２は、被案内溝３２１、３２１が一対の案内レール３１、３１に嵌合することにより、一対の案内レール３１、３１に沿ってX軸方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第１の滑動ブロック３２を一対の案内レール３１、３１に沿ってX軸方向に移動させるためのボール螺子機構からなる加工送り手段３７を具備している。加工送り手段３７は、上記一対の案内レール３１と３１の間に平行に配設された雄ネジロッド３７１と、該雄ネジロッド３７１を回転駆動するためのパルスモータ３７２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３７１は、その一端が上記静止基台２に固定された軸受ブロック３７３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３７２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３７１は、第１の滑動ブロック３２の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３７２によって雄ネジロッド３７１を正転および逆転駆動することにより、第１の滑動ブロック３２は案内レール３１、３１に沿ってX軸方向に移動せしめられる。

上記第２の滑動ブロック３３は、その下面に上記第１の滑動ブロック３２の上面に設けられた一対の案内レール３２２、３２２と嵌合する一対の被案内溝３３１、３３１が設けられており、この被案内溝３３１、３３１を一対の案内レール３２２、３２２に嵌合することにより、Y軸方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構３は、第２の滑動ブロック３３を第１の滑動ブロック３２に設けられた一対の案内レール３２２、３２２に沿ってY軸方向に移動させるためのボール螺子機構からなる第１の割り出し送り手段３８を具備している。第１の割り出し送り手段３８は、上記一対の案内レール３２２と３２２の間に平行に配設された雄ネジロッド３８１と、該雄ネジロッド３８１を回転駆動するためのパルスモータ３８２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド３８１は、その一端が上記第１の滑動ブロック３２の上面に固定された軸受ブロック３８３に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ３８２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド３８１は、第２の滑動ブロック３３の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ３８２によって雄ネジロッド３８１を正転および逆転駆動することにより、第２の滑動ブロック３３は案内レール３２２、３２２に沿ってY軸方向に移動せしめられる。

上記レーザー光線照射ユニット支持機構４は、静止基台２上に矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に沿って平行に配設された一対の案内レール４１、４１と、該案内レール４１、４１上にY軸方向に移動可能に配設された可動支持基台４２を具備している。この可動支持基台４２は、案内レール４１、４１上に移動可能に配設された移動支持部４２１と、該移動支持部４２１に取り付けられた装着部４２２とからなっている。装着部４２２は、一側面に矢印Ｚで示す集光点位置調整方向（Z軸方向）に延びる一対の案内レール４２３、４２３が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構４は、可動支持基台４２を一対の案内レール４１、４１に沿ってY軸方向に移動させるためのボール螺子機構からなる第２の割り出し送り手段４３を具備している。第２の割り出し送り手段４３は、上記一対の案内レール４１、４１の間に平行に配設された雄ネジロッド４３１と、該雄ネジロッド４３１を回転駆動するためのパルスモータ４３２等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド４３１は、その一端が上記静止基台２に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ４３２の出力軸に伝動連結されている。なお、雄ネジロッド４３１は、可動支持基台４２を構成する移動支持部４２１の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ４３２によって雄ネジロッド４３１を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台４２は案内レール４１、４１に沿ってY軸方向に移動せしめられる。

図示の実施形態のおけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられたレーザー光線照射手段６を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部４２２に設けられた一対の案内レール４２３、４２３に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝５１１が設けられており、この被案内溝５１１を上記案内レール４２３、４２３に嵌合することにより、矢印Ｚで示す集光点位置調整方向（Z軸方向）に移動可能に支持される。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿って上記チャックテーブル３６の被加工物保持面に垂直な方向であるZ軸方向に移動させるための集光点位置調整手段５３を具備している。集光点位置調整手段５３は、上記加工送り手段３７や第１の割り出し送り手段３８および第２の割り出し送り手段４３と同様にボール螺子機構からなっている。この集光点位置調整手段５３は、一対の案内レール４２３、４２３の間に配設された雄ネジロッド（図示せず）と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ５３２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５３２によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ５１およびレーザー光線照射手段６を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す集光点位置調整方向に移動せしめる。なお、図示の実施形態においてはパルスモータ５３２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段６を上方に移動し、パルスモータ５３２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段６を下方に移動するようになっている。

図示のレーザー光線照射手段６は、上記ユニットホルダ５１に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング６１を具備している。この円筒形状のケーシング６１の前端部には、上記レーザー光線照射手段６によってレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段７が配設されている。この撮像手段７は、可視光線によって撮像する通常の撮像素子（ＣＣＤ）の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子（赤外線ＣＣＤ）等で構成されており、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段６は、図２に示すように上記ケーシング６１内に配設されパルスレーザー光線LBを発振するパルスレーザー光線発振手段６２と、該パルスレーザー光線発振手段６２によって発振されたパルスレーザー光線を集光して上記チャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射する集光器６３とを具備している。上記パルスレーザー光線発振手段６２は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器６２１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段６２２とから構成されている。パルスレーザー光線発振器６２１は、繰り返し周波数設定手段６２２によって設定された所定周波数のパルスレーザー光線LBを発振する。繰り返し周波数設定手段６２２は、パルスレーザー光線発振器６２１が発振するパルスレーザー光線の繰り返し周波数を設定する。

上記集光器６３は、ケーシング６１の先端に装着されており、上記パルスレーザー光線発振手段６２によって発振されたパルスレーザー光線LBを下方に向けて方向変換する方向変換ミラー６３１と、該方向変換ミラー６３１によって方向変換されたレーザー光線を集光してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射する集光レンズ６３２と、方向変換ミラー６３１と集光レンズ６３２との間に配設された多焦点回折光学素子(DOE：Diffractive Optic Element)６３３とを具備している。多焦点回折光学素子６３３は、図２および図３に示すように上記パルスレーザー光線発振手段６２によって発振され方向変換ミラー６３１によって方向変換されたパルスレーザー光線を複数（図２および図３に示す実施形態においては３個）の拡散角LB1、LB2、LB3に分離して集光レンズ６３２に入光せしめる。集光レンズ６３２は、複数（図２に示す実施形態においては３個）の拡散角に分離されたパルスレーザー光線を集光することにより光軸上に複数（図２に示す実施形態においては３個）の集光点Pa、Pb、Pcを形成する。

図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図４には、上述したレーザー加工装置によって加工される被加工物としての半導体ウエーハの斜視図が示されている。図４に示す半導体ウエーハ１０は、例えば厚みが６００μmのシリコン基板の表面１０aに格子状に形成された複数のストリート１０１によって区画された複数の領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス１０２が形成されている。このように形成された半導体ウエーハ１０の内部にストリート１０１に沿って変質層を形成するには、図５に示すように環状のフレームFに装着されたポリオレフィン等の合成樹脂シートからなる保護テープTの表面に表面１０a側を貼着する（保護テープ貼着工程）。従って、保護テープTの表面に貼着された半導体ウエーハ１０は、裏面１０bが上側となる。

上述したレーザー加工装置を用いて、上記半導体ウエーハ１０の内部にストリート１０１に沿って変質層を形成するには、上述した図１に示すレーザー加工装置のチャックテーブル３６上に半導体ウエーハ１０が貼着された保護テープTを載置する。そして、図示しない吸引手段を作動することにより、保護テープTを介して半導体ウエーハ１０をチャックテーブル３６上に吸引保持する（ウエーハ保持工程）。従って、チャックテーブル３６に吸引保持された半導体ウエーハ１０は、裏面１０bが上側となる。そして、半導体ウエーハ１０が貼着されている保護テープTを装着した環状のフレームＦは、チャックテーブル３６に配設されたクランプ３６２によって固定される。このようにして、半導体ウエーハ１０を吸引保持したチャックテーブル３６は、加工送り手段３７によって撮像手段７の直下に位置付けられる。

チャックテーブル３６が撮像手段７の直下に位置付けられると、撮像手段７および図示しない制御手段によって半導体ウエーハ１０のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段７および図示しない制御手段は、半導体ウエーハ１０の所定方向に形成されているストリート１０１と、該ストリート１０１に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段６の集光器６３との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する（アライメント工程）。また、半導体ウエーハ１０に上記所定方向と直交する方向に形成されたストリート１０１に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。このとき、半導体ウエーハ１０におけるストリート１０１が形成されている表面１０aは下側に位置しているが、撮像手段７が上述したように赤外線ＣＣＤからなる撮像素子を備えているので、裏面１０ｂから透かしてストリート１０１を撮像することができる。

以上のようにしてチャックテーブル３６上に吸引保持された半導体ウエーハ１０の表面１０aに形成されているストリート１０１を検出し、レーザー光線照射位置のアライメントを実施したならば、加工送り手段３７および第１の割り出し送り手段３８を作動して図６の（ａ）で示すようにチャックテーブル３６をレーザー光線照射手段６の集光器６３が位置するレーザー光線照射領域に移動し、所定のストリート１０１の一端（図６の（ａ）において左端）をレーザー光線照射手段６の集光器６３の直下に位置付ける。次に、集光点位置調整手段５３を作動して図６の（a）に示すように集光器６３から照射されるパルスレーザー光線の３個の集光点Pa、Pb、Pcを半導体ウエーハ１０の内部の所定位置に位置けるように調整する。次に、レーザー光線照射手段６のパルスレーザー光線発振手段６２を作動し、集光器６３からシリコン基板によって形成された半導体ウエーハ１０に対して透過性を有する波長のパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３６を図６の（ａ）において矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図６の（b）で示すようにレーザー光線照射手段６の集光器６３の照射位置がストリート１０１の他端（図６の（b）において右端）の位置に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル３６の移動を停止する。この結果、半導体ウエーハ１０の内部には、図６の（b）に示すようにストリート１０１に沿って３層からなる変質層S1、S2、S3が同時に形成される（変質層形成工程）。

なお、上記変質層形成工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
光源：LD励起QスイッチNd：YAGパルスレーザー
波長：１０６４ｎｍ
平均出力：１．０W
繰り返し周波数：１００ｋHｚ
集光スポット径：φ１〜１．５μｍ
加工送り速度：１００ｍｍ／秒

上述した変質層形成工程を、半導体ウエーハ１０の所定方向に形成された全てのストリート１０１に沿って実施する。次に、半導体ウエーハ１０を吸引保持したチャックテーブル３６を９０度回動した位置に位置付ける。そして、半導体ウエーハ１０の上記所定方向と直交する方向に形成された全てのストリート１０１に沿って上記変質層形成工程を実施する。

以上のようにして、全てのストリート１０１に沿って変質層形成工程が実施され内部にストリート１０１に沿って変質層S1、S2、S3が形成された半導体ウエーハ１０は、ストリート１０１に沿って外力を付与し、変質層S1、S2、S3が形成されたストリート１０１に沿って破断するウエーハ分割工程に搬送される。

以上、本発明を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で種々の変形は可能である。例えば、上述した実施形態においては、多焦点回折光学素子６３３はパルスレーザー光線を３個の拡散角に分離する機能を備えたものを用いた例を示したが、４個以上の拡散角に分離する機能を備えたものを用いることにより、４層以上の変質層を同時に形成することができる。

２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３８：第１の割り出し送り手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４２：可動支持基台
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
５３：集光点位置調整手段
６：レーザー光線照射手段
６２：パルスレーザー光線発振手段
６３：集光器
６３１：方向変換ミラー
６３２：集光レンズ
６３３：多焦点回折光学素子
７：撮像手段

Claims

被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物に該被加工物に対して透過性を有する波長のレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを相対的に加工送りする加工送り手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該レーザー光線照射手段は、レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を集光せしめる集光レンズと、該レーザー光線発振手段と該集光レンズとの間に配設された多焦点回折光学素子とを備え、該レーザー光線発振手段が発振したレーザー光線を該多焦点回折光学素子によって複数の拡散角に分離し、該複数の拡散角に分離されたレーザー光線を該集光レンズによって集光することにより光軸上に複数の集光点を形成する、
ことを特徴とするレーザー加工装置。