JP4634089B2 - 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。

従来におけるこの種の技術として、ウェハ状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することで、切断予定ラインに沿った改質領域を加工対象物の内部に複数列形成し、その改質領域を切断の起点とするというレーザ加工方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０５１８０号公報

上述のようなレーザ加工方法を用いて、板状の加工対象物を格子状に切断しようとする場合、例えば、図２０(Ａ)及び図２０(Ｂ)に示されるように加工対象物の内部に改質領域を形成する。図２０(Ａ)及び図２０(Ｂ)は、加工対象物１０１の内部に改質領域１７１，１７２を形成する際の順序の一例を説明するための模式図であり、図２１は図２０(Ｂ)に示す加工対象物のXXI−XXI線に沿った断面図である。

改質領域１７１，１７２は以下のような順序で形成される。まず、図２０(Ａ)に示されるように、厚さ１００ｄの加工対象物１０１の内部に集光点を合わせてレーザ光１００Ｌを照射することで、切断予定ライン１０５ａに沿った改質領域１７１を加工対象物１０１の内部に形成する。次に、図２０(Ｂ)に示されるように、加工対象物１０１の内部に集光点を合わせてレーザ光１００Ｌを照射することで、切断予定ライン１０５ａに交差する切断予定ライン１０５ｂに沿った改質領域１７２を加工対象物１０１の内部に形成する。改質領域１７１，１７２は、加工対象物１０１の厚さ方向に並設された複数列の改質領域からなり、これら複数列の改質領域は、レーザ光１００Ｌの入射面１０１ａから遠い順に形成される。

上述の順序で改質領域１７１，１７２を形成すると、図２１に示されるように、改質領域１７１と改質領域１７２とが交差する場所に、改質領域１７２が形成されていない未改質領域（トライアングルエリア）１０１ｂが残存してしまう。この未改質領域１０１ｂの幅Ｗ１は、レーザ光１００Ｌの入射面１０１ａから遠くなるに連れて広くなっている。このような未改質領域１０１ｂは、加工対象物１０１の厚さ１００ｄが大きい場合に顕著に確認される。続いて、図２１中の領域Ａ１を撮影した写真の例を図２２に示し、図２１中の領域Ｂ１を撮影した写真の例を図２３(Ａ)及び図２３(Ｂ)に示す。図２２、図２３(Ａ)及び図２３(Ｂ)は、上述の順序で改質領域１７１，１７２を形成することにより切断された加工対象物１０１の切断面の写真を表した図である。なお、図２２、図２３(Ａ)及び図２３(Ｂ)には、加工対象物１０１の厚さ１００ｄが３００μｍ以上と大きい場合の例が示されている。

図２２中の領域Ｐ１内には、改質領域１７２が形成されていない未改質領域１０１ｂが確認される。未改質領域１０１ｂが形成された加工対象物１０１をエキスパンド装置により切断すると、未改質領域１０１ｂに起因して加工対象物１０１が高精度に切断されないおそれがある。例えば、図２３(Ａ)中の領域Ｐ２内にはチッピングが確認され、図２３(Ｂ)中の領域Ｐ３内にはスカート（切断面１７１ｓから突出した部分）が確認される。

このように、上述の順序で改質領域を形成することにより加工対象物を格子状に切断する場合、その切断精度には未だ改善の余地があるといえる。

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、本発明者らは、未改質領域１０１ｂが形成されるメカニズムについて詳細に検討した。その検討結果について、図２４を用いて説明する。図２４は、上述の順序で改質領域１７１，１７２を形成するときの一工程における加工対象物１０１の概略断面図である。図２４には、改質領域１７２を形成する工程が示されている。改質領域１７２の一部となる改質領域１７２ａは、レンズ１００ＬＬによって集光されるレーザ光１００Ｌをスキャンさせることにより加工対象物１０１の内部に形成される。このとき改質領域１７１が既に形成されているので、改質領域１７２ａを形成する位置が入射面１０１ａから遠くなるほどレーザ光１００Ｌは改質領域１７１によって遮られる傾向にある。その結果、未改質領域１０１ｂの幅Ｗ１は入射面１０１ａから遠くなるに連れて広くなると考えられる。

そこで、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レーザ光を照射することにより、加工対象物の第１の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域を加工対象物の内部に形成すると共に、第１の切断予定ラインと交差する第２の切断予定ラインに沿って、第１の改質領域の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる第２の改質領域を加工対象物の内部に形成する第１の工程と、第１の工程の後、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、第１の改質領域とレーザ光が入射する加工対象物の入射面との間における加工対象物の内部に、第１の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第３の改質領域を形成すると共に、第２の改質領域と入射面との間における加工対象物の内部に、第２の切断予定ラインに沿って、第３の改質領域の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる第４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。

このレーザ加工方法では、第１及び第３の改質領域を形成した後に第２及び第４の改質領域を形成する方法に比べて、レーザ光を照射する際に当該レーザ光を遮る改質領域の加工対象物の厚さ方向における高さが低くなる。このため、改質領域が形成されていない未改質領域が生じ難くなるので、加工対象物の高精度な切断が可能となる。

なお、第１の工程において、第１及び第２の改質領域を形成する順序は特に限定されない。また、第２の工程において、第３及び第４の改質領域を形成する順序も特に限定されない。

また、第１の工程では、第１の改質領域を形成した後に第２の改質領域を形成し、第２の工程では、第３の改質領域を形成した後に第４の改質領域を形成することが好ましい。

また、第１の工程では、第１の改質領域を形成した後に第２の改質領域を形成し、第２の工程では、第４の改質領域を形成した後に第３の改質領域を形成することが好ましい。

このレーザ加工方法では、第２及び第４の改質領域を形成するときに、いずれも第２の切断予定ラインに沿ってレーザ光を移動させる。このため、第１の工程と第２の工程との間でレーザ光の移動方向を変える必要がない。よって、第４の改質領域を短時間で且つ高精度に形成することができる。

また、第１の改質領域を形成するときに入射面の第１の入射面情報を記録し、その第１の入射面情報を用いて第３の改質領域を形成し、第２の改質領域を形成するときに入射面の第２の入射面情報を記録し、その第２の入射面情報を用いて第４の改質領域を形成することが好ましい。ここで、「入射面情報」とは、例えば入射面に存在する凹凸の加工対象物の厚さ方向における高さ情報をいう。

この場合、第３の改質領域を、入射面の凹凸やうねりに合わせて第１の改質領域と略同じ形状で形成することができる。同様に、第４の改質領域を、入射面の凹凸やうねりに合わせて第２の改質領域と略同じ形状で形成することができる。

また、第１〜第４の改質領域の少なくとも１つは、加工対象物の厚さ方向に並設された複数列の改質領域からなることが好ましい。

この場合、加工対象物の厚さ方向における第１〜第４の改質領域の高さをいずれも高くすることができる。

また、第１及び第２の改質領域、又は、第３及び第４の改質領域、の少なくとも一方が、加工対象物の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなることが好ましい。例えば、（ｉ）第１及び第２の改質領域が加工対象物の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなる場合、（ii）第３及び第４の改質領域が加工対象物の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなる場合、（iii）第１及び第２の改質領域が加工対象物の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなり、且つ、第３及び第４の改質領域が加工対象物の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなる場合が挙げられる。

上記（ｉ）の場合、加工対象物の厚さ方向における第１及び第２の改質領域の高さをそろえ易くなる。また、上記（ii）の場合、加工対象物の厚さ方向における第３及び第４の改質領域の高さをそろえ易くなる。また、上記（iii）の場合、加工対象物の厚さ方向における第１及び第２の改質領域の高さをそろえ易くなると共に、加工対象物の厚さ方向における第３及び第４の改質領域の高さをそろえ易くなる。

本発明によれば、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(Ａ)〜図１４(Ｃ)及び図１５(Ａ)〜図１５(Ｃ)は、本実施形態に係るレーザ加工方法の各工程の一例を模式的に示す斜視図である。本実施形態に係るレーザ加工方法では、図１４(Ａ)〜図１４(Ｃ)及び図１５(Ａ)〜図１５(Ｃ)に示されるように、以下の第１〜第３の工程が順に実施されると好ましい。

（第１の工程）
まず、厚さｄの板状の加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、加工対象物１の第１の切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを移動させる（図１４(Ａ)参照）。これにより、加工対象物１の内部で多光子吸収が生じ、切断予定ライン５ａに沿って、切断の起点となる第１の改質領域７１を加工対象物１の内部に形成することができる。具体的には、例えば、加工対象物１が載置されるステージ（図示せず）を移動させることにより、レーザ光Ｌを加工対象物１に対して相対移動させる。

加工対象物１としては、シリコンウェハ等の基板、機能素子を含む積層部が表面に形成された基板等が挙げられる。機能素子としては、例えば、結晶成長により形成された半導体動作層、フォトダイオード等の受光素子、レーザダイオード等の発光素子、回路として形成された回路素子等が挙げられる。また、機能素子は加工対象物１の入射面１ａに形成されるとしてもよいし、入射面１ａとは反対側の面に形成されるとしてもよい。

改質領域７１を形成した後、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、切断予定ライン５ａと交差する第２の切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌを移動させる（図１４(Ｂ)参照）。これにより、加工対象物１の内部で多光子吸収が生じ、切断予定ライン５ｂに沿って、改質領域７１の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる第２の改質領域７２を加工対象物１の内部に形成することができる。レーザ光Ｌの移動方向は、例えば、加工対象物１が載置されるステージ（図示せず）を９０°回転させることにより変えられる。

（第２の工程）
改質領域７２を形成した後、改質領域７２と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌを移動させる（図１４(Ｃ)参照）。これにより、加工対象物１の内部で多光子吸収が生じ、改質領域７２と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に、切断予定ライン５ｂに沿って、切断の起点となる第４の改質領域７３を形成することができる。すなわち、改質領域７３は改質領域７２上に設けられている。なお、改質領域７２，７３は互いに分離して配置されるとしてもよい。

改質領域７３を形成した後、改質領域７１と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを移動させる（図１５(Ａ)参照）。これにより、加工対象物１の内部で多光子吸収が生じ、改質領域７１と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に、切断予定ライン５ａに沿って、改質領域７３の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる第３の改質領域７４を形成することができる。すなわち、改質領域７４は改質領域７１上に設けられている。なお、改質領域７１，７４は互いに分離して配置されるとしてもよい。

（第３の工程）
改質領域７４を形成した後、改質領域７４と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、切断予定ライン５ａに沿ってレーザ光Ｌを移動させる（図１５(Ｂ)参照）。これにより、加工対象物１の内部で多光子吸収が生じ、改質領域７４と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に、切断予定ライン５ｂに沿って、切断の起点となる改質領域７５を形成することができる。すなわち、改質領域７５は改質領域７４上に設けられている。なお、改質領域７４，７５は互いに分離して配置されるとしてもよい。

改質領域７５を形成した後、改質領域７３と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを照射し、切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌを移動させる（図１５(Ｃ)参照）。これにより、加工対象物１の内部で多光子吸収が生じ、改質領域７３と入射面１ａとの間における加工対象物１の内部に、切断予定ライン５ｂに沿って、改質領域７５の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる改質領域７６を形成することができる。すなわち、改質領域７６は改質領域７３上に設けられている。なお、改質領域７３，７６は互いに分離して配置されるとしてもよい。

また、改質領域７１〜７６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。また、切断予定ライン５ａ，５ｂは上述の切断予定ライン５と同様に、直線状又は曲線状の仮想線であってもよいし、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。

上記第１〜第３の工程を経ることにより改質領域７１〜７６を形成した後、例えば、エキスパンドテープ（図示せず）を加工対象物１に貼り付け、エキスパンド装置（図示せず）を用いて、切断予定ライン５ａ，５ｂに沿って加工対象物１を切断することができる。なお、エキスパンドテープは、改質領域７１〜７６を形成する前に予め加工対象物１に貼り付けられているとしてもよい。

図１６は、図１５(Ｃ)に示す加工対象物１のXVI−XVI線に沿った断面図である。図１６に示されるように、加工対象物１には未改質領域１０１ｂが残存しない。図１６中の領域Ｃ１を撮影した写真の例を図１７に示す。図１７は、本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて改質領域７１〜７６を形成することにより切断された加工対象物１の切断面の一実施例についての写真を表した図である。図１７中には、図２２の領域Ｐ１内で確認された未改質領域１０１ｂに相当する領域が見られない。

本実施形態に係るレーザ加工方法では、図２０(Ａ)及び図２０(Ｂ)のように改質領域１７１を形成した後に改質領域１７２を形成する方法に比べて、レーザ光Ｌを照射する際にレーザ光Ｌを遮る改質領域の加工対象物１の厚さ方向における高さが低くなる。このため、図２１に示されるような未改質領域１０１ｂが生じ難くなるので、チッピングやスカートの発生を防止して加工対象物１の高精度な切断が可能となる。したがって、加工対象物１の割断品質を向上させることができる。また、加工対象物１の厚さｄが３００μｍ以上の場合には、本実施形態に係るレーザ加工方法による効果が顕著となる。以下、図１８を用いて詳細に説明する。

図１８は、本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて改質領域７１〜７６を形成するときの一工程における加工対象物１の概略断面図である。図１８には、一例として改質領域７２を形成する工程が示されている。改質領域７２の一部となる改質領域７２ａは、レンズＬＬによって集光されるレーザ光Ｌをスキャンさせることにより加工対象物１の内部に形成される。このとき、加工対象物１の厚さ方向における改質領域７１の高さは、図２４に示される改質領域１７１に比べて低い。このため、図１８では、図２４に示される未改質領域１０１ｂが殆ど残存しない。

また、本実施形態では、第１の工程において改質領域７１を形成した後に改質領域７２を形成し、第２の工程において改質領域７３を形成した後に改質領域７４を形成する。このような順序で改質領域７１〜７４を形成する場合、改質領域７２，７３を形成するときにいずれも切断予定ライン５ｂに沿ってレーザ光Ｌを移動させるので、第１の工程と第２の工程との間でレーザ光Ｌの移動方向を変える必要がない（図１４(Ｂ)及び図１４(Ｃ)参照）。よって、改質領域７３を短時間で且つ高精度に形成することができる。

同様に、第２の工程において改質領域７３を形成した後に改質領域７４を形成し、第３の工程において改質領域７５を形成した後に改質領域７６を形成するため、改質領域７５を短時間で且つ高精度に形成することができる（図１５(Ａ)及び図１５(Ｂ)参照）。

また、改質領域７１を形成するときに入射面１ａの第１の入射面情報を記録し、その第１の入射面情報を用いて改質領域７４を形成することが好ましい。第１の入射面情報は、例えば、入射面１ａに存在する凹凸の加工対象物１の厚さ方向における高さ情報を切断予定ライン５ａに沿って順に収集することにより得られる。第１の入射面情報を用いると、改質領域７４，７５を、切断予定ライン５ａに沿った入射面１ａの凹凸やうねりに合わせて改質領域７１と略同じ形状で形成することができる。

同様に、改質領域７２を形成するときに入射面１ａの第２の入射面情報を記録し、その第２の入射面情報を用いて改質領域７３を形成することが好ましい。第２の入射面情報は、例えば、入射面１ａに存在する凹凸の加工対象物１の厚さ方向における高さ情報を切断予定ライン５ｂに沿って順に収集することにより得られる。第２の入射面情報を用いると、改質領域７３，７６を、切断予定ライン５ｂに沿った入射面１ａの凹凸やうねりに合わせて改質領域７２と略同じ形状で形成することができる。

上述の高さ情報は、例えば、次のようにして測定される。すなわち、まず、測定用レーザ光をレンズで集光して入射面１ａに照射し、当該測定用レーザ光の反射光を検出する。そして、検出した反射光に基づいて、測定用レーザ光の集光点が入射面１ａ上に位置するように、ピエゾ素子を用いたアクチュエータでレンズを変位させる。この変位量を高さ情報として取得する。

また、図１９に示されるように、例えば改質領域７１は、加工対象物１の厚さ方向に並設された複数列の改質領域７１ａ〜７１ｆからなるとしてもよい。図１９は、改質領域７１の一例を示す斜視図である。同様に、改質領域７２〜７６も、加工対象物１の厚さ方向に並設された複数列の改質領域（図示せず）からなるとしてもよい。この場合、加工対象物１の厚さ方向における改質領域７１〜７６の高さをいずれも高くすることができると共に、その高さを制御できる。なお、既に形成された改質領域によりレーザ光Ｌが遮られることを防止するために、改質領域７１ａ〜７１ｆは入射面１ａから遠い順に形成されることが好ましい。また、改質領域７１ａ〜７１ｆ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。

なお、改質領域７１〜７６の少なくとも１つが複数列の改質領域からなるとしてもよいし、全ての改質領域７１〜７６が複数列の改質領域からなるとしてもよい。

また、改質領域７１と改質領域７２とが加工対象物１の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなるとしてもよい。これにより、加工対象物１の厚さ方向における改質領域７１及び改質領域７２の高さをそろえ易くなる。例えば、図１９に示されるように改質領域７１が６列の改質領域７１ａ〜７１ｆからなる場合、改質領域７２も６列の改質領域（図示せず）からなることが好ましい。

同様に、改質領域７３と改質領域７４とが加工対象物１の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなるとしてもよいし、改質領域７５と改質領域７６とが加工対象物１の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなるとしてもよい。なお、（ａ）改質領域７１，７２、（ｂ）改質領域７３，７４、及び、（ｃ）改質領域７５，７６、のうち少なくとも１つが同数列の改質領域からなるとしてもよい。例えば、改質領域７１と改質領域７２とは同数列の改質領域からなるが、改質領域７３と改質領域７４とは互いに異なる列数の改質領域からなり、改質領域７５と改質領域７６とも互いに異なる列数の改質領域からなる場合が挙げられる。

他の例としては、改質領域７１と改質領域７２とが同数列（列数ａ）の改質領域からなり、改質領域７３と改質領域７４とが同数列（列数ｂ）の改質領域からなり、改質領域７５と改質領域７６とが同数列（列数ｃ）の改質領域からなる場合が挙げられる。この場合、列数ａ、列数ｂ及び列数ｃは、同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。

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７１，７２を形成する順序は特に限定されない。また、第２の工程において、改質領域７３，７４を形成する順序も特に限定されない。さらに、第３の工程において、改質領域７５，７６を形成する順序も特に限定されない。具体的には、第１の工程において改質領域７１を形成した後に改質領域７２を形成してもよい。また、第２の工程において改質領域７４を形成した後に改質領域７３を形成するとしてもよい。さらに、第３の工程において改質領域７６を形成した後に改質領域７５を形成するとしてもよい。

また、第１〜第３の工程を更に繰り返すことによって、加工対象物１の厚さ方向に更なる改質領域を形成するとしてもよい。例えば、第３の工程の後、更に、切断予定ライン５ａに沿った改質領域と切断予定ライン５ｂに沿った改質領域とを、加工対象物１の厚さ方向に交互に形成するとしてもよい。これにより、加工対象物１の厚さに応じて加工対象物１の厚さ方向における改質領域の高さを調整することができる。

また、改質領域７１〜７６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７１〜７６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、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。

ここで、上述の図１７に示された一実施例における加工対象物１の切断手順について詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されない。この実施例では、加工対象物１は厚さ７２５μｍのシリコンウェハである。また、例えば改質領域７１は、加工対象物１の厚さ方向に並設された６列の改質領域７１ａ〜７１ｆから形成されている（図１９参照）。すなわち、改質領域７１は、レーザ光Ｌを切断予定ライン５ａに沿って移動させるスキャン工程を６回行うことにより形成される（図１５(Ａ)参照）。各スキャン工程は、集光点Ｐの位置を入射面１ａに近付く向きに順に６段階移動させて行われる。

同様に、改質領域７２〜７４は、加工対象物１の厚さ方向に並設された６列の改質領域から形成されており、改質領域７５，７６は、加工対象物１の厚さ方向に並設された７列の改質領域から形成されている。したがって、改質領域７１，７４，７５は合計で１９列の改質領域からなり、改質領域７２，７３，７６も合計で１９列の改質領域からなる（図１６参照）。

かかる改質領域７１〜７６を形成した後、加工対象物１にエキスパンドテープを貼り付け、当該エキスパンドテープと共に加工対象物１をエキスパンド装置により切断する。このようにして切断された加工対象物１の切断面を撮影した写真が、図１７に図として示されている。

続いて、上記実施例において改質領域７１〜７６を形成する際のレーザ加工条件について説明する。レーザ光Ｌのパルス幅は１８０ｎｓであり、レーザ光Ｌの照射位置間隔（パルスピッチ）は４μｍであり、レーザ光Ｌの周波数は７５ｋＨｚである。また、加工対象物１が載置されたステージの移動速度は３００ｍｍ／ｓである。さらに、入射面１ａから集光点Ｐまでの距離（集光点位置）とレーザ光Ｌのエネルギーとの関係は、表１に示される通りである。

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。 本実施形態に係るレーザ加工方法の各工程の一例を模式的に示す斜視図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法の各工程の一例を模式的に示す斜視図である。 図１５(Ｃ)に示す加工対象物のXVI−XVI線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて改質領域を形成することにより切断された加工対象物の切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を用いて改質領域を形成するときの一工程における加工対象物の概略断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法を用いて形成される改質領域の一例を示す斜視図である。 加工対象物の内部に改質領域を形成する際の順序の一例を説明するための模式図である。 図２０(Ｂ)に示す加工対象物のXXI−XXI線に沿った断面図である。 図２０(Ａ)及び図２０(Ｂ)に示される順序で改質領域を形成することにより切断された加工対象物の切断面の写真を表した図である。 図２０(Ａ)及び図２０(Ｂ)に示される順序で改質領域を形成することにより切断された加工対象物の切断面の写真を表した図である。 図２０(Ａ)及び図２０(Ｂ)に示される順序で改質領域を形成するときの一工程における加工対象物の概略断面図である。

符号の説明

１…加工対象物、１ａ…入射面、３…表面、４ａ…切断面（側面）、５…切断予定ライン、５ａ…第１の切断予定ライン、５ｂ…第２の切断予定ライン、７…改質領域、７１…第１の改質領域、７１ａ〜７１ｆ…複数列の改質領域、７２…第２の改質領域、７３…第４の改質領域、７４…第３の改質領域、８…切断起点領域、１３…溶融処理領域、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (6)

1. 板状の加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記加工対象物の第１の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域を前記加工対象物の内部に形成すると共に、前記第１の切断予定ラインと交差する第２の切断予定ラインに沿って、前記第１の改質領域の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる第２の改質領域を前記加工対象物の内部に形成する第１の工程と、
   前記第１の工程の後、前記加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射することにより、前記第１の改質領域と前記レーザ光が入射する前記加工対象物の入射面との間における前記加工対象物の内部に、前記第１の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第３の改質領域を形成すると共に、前記第２の改質領域と前記入射面との間における前記加工対象物の内部に、前記第２の切断予定ラインに沿って、前記第３の改質領域の少なくとも一部と交差するように、切断の起点となる第４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レーザ加工方法。
2. 前記第１の工程では、前記第１の改質領域を形成した後に前記第２の改質領域を形成し、
   前記第２の工程では、前記第３の改質領域を形成した後に前記第４の改質領域を形成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. 前記第１の工程では、前記第１の改質領域を形成した後に前記第２の改質領域を形成し、
   前記第２の工程では、前記第４の改質領域を形成した後に前記第３の改質領域を形成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。
4. 前記第１の改質領域を形成するときに前記入射面に存在する凹凸の前記加工対象物の厚さ方向における第１の高さ情報を取得し、該第１の高さ情報を用いて前記第３の改質領域を形成し、
   前記第２の改質領域を形成するときに前記入射面に存在する凹凸の前記加工対象物の厚さ方向における第２の高さ情報を取得し、該第２の高さ情報を用いて前記第４の改質領域を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１〜第４の改質領域の少なくとも１つは、前記加工対象物の厚さ方向に並設された複数列の改質領域からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記第１及び第２の改質領域、又は、前記第３及び第４の改質領域、の少なくとも一方が、前記加工対象物の厚さ方向に配置された同数列の改質領域からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
   

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