JP4640945B2 - Laser processing method - Google Patents
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Description
本発明は、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方法に関する。 The present invention relates to a laser processing method for irradiating a workpiece with a pulsed laser beam having a wavelength having transparency, thereby forming a deteriorated layer inside the workpiece.
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配列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、ウエーハを分割予定ライン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。 In the semiconductor device manufacturing process, divided division lines called streets arranged in a lattice pattern on the surface of a wafer including an appropriate substrate such as a silicon substrate, a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a lithium tantalate substrate, a glass substrate, or a quartz substrate. A plurality of regions are partitioned by this, and devices such as ICs and LSIs are formed in these partitioned regions. Then, each semiconductor device is manufactured by dividing the region in which the device is formed by cutting the wafer along the planned dividing line.
近年、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赤外光領域のパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ライン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。)
而して、上述したレーザー加工方法においては、被加工物の厚さが100μm以下の場合には被加工物の内部に所定深さの変質層を比較的容易に形成することができるが、被加工物の厚さが例えば500μmと厚くなると被加工物の内部に所定厚さの変質層を形成することが困難となる。
通常の対物集光レンズによる集光では、レーザー光線は対物集光レンズから焦点距離だけ離れた位置に集光されるが、シリコンウエーハなどの屈折率の高い部材の内部に集光点を持たせる場合、集光点の位置は屈折率倍だけ深くなることが一般的に知られている。例えば、シリコンウエーハ等の屈折率の高い被加工物の内部にレーザー光線が対物集光レンズを通して集光されると、中心部に近い低入射角成分と、対物集光レンズのNA(開放数)に近い外側の高入射角成分では、被加工物の表面での屈折角が異なることに起因して集光点位置が変調する。この変調効果は、レーザー光線が空気層から屈折率の高い物質に侵入したことによる光線の歪み効果と解釈することができる。このため、レーザー光線の集光点の位置を被加工物の深い位置に設定すると、集光点位置の変調によって所定厚さの変質層を形成することが困難となる。
Thus, in the laser processing method described above, when the thickness of the workpiece is 100 μm or less, an altered layer having a predetermined depth can be formed relatively easily inside the workpiece. When the thickness of the workpiece becomes as thick as 500 μm, for example, it becomes difficult to form a deteriorated layer having a predetermined thickness inside the workpiece.
In the case of focusing with a normal objective condenser lens, the laser beam is focused at a position away from the objective condenser lens by a focal length. However, when a condensing point is provided inside a member having a high refractive index such as a silicon wafer. It is generally known that the position of the condensing point is deepened by the refractive index times. For example, when a laser beam is focused through an objective condenser lens inside a workpiece with a high refractive index, such as a silicon wafer, the low incident angle component near the center and the NA (open number) of the objective condenser lens. In the near outside high incident angle component, the condensing point position is modulated due to the difference in the refraction angle on the surface of the workpiece. This modulation effect can be interpreted as a light beam distortion effect caused by a laser beam entering a substance having a high refractive index from the air layer. For this reason, when the position of the condensing point of the laser beam is set to a deep position of the workpiece, it becomes difficult to form a deteriorated layer having a predetermined thickness by modulating the condensing point position.
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、被加工物の内部にレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができるレーザー加工方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned facts, and a main technical problem thereof is a laser capable of forming an altered layer having a predetermined thickness in a deep position from a light incident surface of a laser beam inside a workpiece. It is to provide a processing method.
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、レーザー光線発振手段から発振されたレーザー光線を対物集光レンズを通して被加工物の内部に集光し、被加工物の内部に変質層を形成するレーザー加工方法であって、
該レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の該対物集光レンズによる蹴られ損失が25〜35%になるように調整してレーザー光線を該対物集光レンズに入光せしめる、
ことを特徴とするレーザー加工方法が提供される。
In order to solve the above-mentioned main technical problem, according to the present invention, the laser beam oscillated from the laser beam oscillation means is condensed inside the workpiece through the objective condenser lens, and the altered layer is formed inside the workpiece. A laser processing method,
By changing the optical path length from the laser beam oscillating means to the objective condenser lens, the laser beam is adjusted so that the loss of kicking by the objective condenser lens is 25 to 35%, and the laser beam is adjusted to the objective condenser lens. Shine in
A laser processing method is provided.
上記蹴られ損失を30%に設定することが望ましい。 It is desirable to set the kicking loss to 30%.
本発明によるレーザー加工方法は、レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の対物集光レンズによる蹴られ損失が25〜35%になるように調整してレーザー光線を対物集光レンズに入光せしめるので、屈折率の高い被加工物であってもレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができる。即ち、ガウシアン分布を有するレーザー光線におけるエネルギーが弱い外周部領域のレーザー光線がカットされ、対物集光レンズの有効領域の外周部に比較的強いエネルギーを有するレーザー光線が入光されて焦点深度の短い焦点に集光されるので、屈折率の高い被加工物であってもレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができる。 In the laser processing method according to the present invention, the laser beam is adjusted by changing the optical path length from the laser beam oscillation means to the objective condenser lens so that the loss of the laser beam by the objective condenser lens is 25 to 35%. Is incident on the objective condenser lens, so that a deteriorated layer having a predetermined thickness can be formed at a deep position from the incident surface of the laser beam even for a workpiece having a high refractive index. In other words, the laser beam in the outer peripheral region where the energy of the laser beam having a Gaussian distribution is weak is cut, and the laser beam having a relatively strong energy is incident on the outer peripheral portion of the effective region of the objective condenser lens and is collected at a focal point with a short focal depth. Since the light is emitted, an altered layer having a predetermined thickness can be formed at a deep position from the incident surface of the laser beam even for a workpiece having a high refractive index.
以下、本発明によるレーザー加工方法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。 Hereinafter, a preferred embodiment of a laser processing method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1には、本発明によるレーザー加工方法を実施するためのレーザー加工装置の概略構成図が示されている。図1に示すレーザー加工装置は、被加工物であるウエーハ2を保持するためのチャックテーブル3と全体を番号4で示すレーザー光線照射手段とを具備している。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus for carrying out a laser processing method according to the present invention. The laser processing apparatus shown in FIG. 1 includes a chuck table 3 for holding a
ウエーハ2は、図8に示すように例えば厚さが500μmのシリコンウエーハからなっており、表面2aには複数の分割予定ライン21が格子状に形成されている。そして、ウエーハ2の表面2aには、複数の分割予定ライン21によって区画された複数の領域に機能素子としての回路22が形成されている。このように形成されたウエーハ2にレーザー加工を施すには、図9に示すようにウエーハ2の表面2aに回路22を保護するための保護テープ20が貼着される。
As shown in FIG. 8, the
図1に戻って説明を続けると、チャックテーブル3は、例えば多孔質部材から形成され或いは複数個の吸引孔又は溝が形成された吸着チャック31を具備しており、該吸着チャック31が図示しない吸引手段に連通されている。従って、吸着チャック31上に被加工物であるウエーハ2の表面2aに貼着された保護テープ20側を載置し、図示しない吸引手段を作動することにより、ウエーハ2はチャックテーブル3上に吸引保持される。このように構成されたチャックテーブル3は、図示しない加工送り手段によって図1において矢印Xで示す加工送り方向に移動せしめられるように構成されている。従って、チャックテーブル3とレーザー光線照射手段4は、矢印Xで示す加工送り方向に相対的に移動可能である。
Returning to FIG. 1, the description will be continued. The chuck table 3 includes, for example, a
レーザー光線照射手段4は、パルスレーザー光線発振手段41と、出力調整手段42と、加工ヘッド43および光路長調整手段44を具備している。パルスレーザー光線発振手段41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と繰り返し周波数設定手段とから構成されている。このパルスレーザー光線発振手段41は、光路長調整手段44によって図1において左右方向に移動調整可能に構成されている。即ち、パルスレーザー光線発振手段41が図1において実線で示す位置から2点鎖線で示すように右方に移動すると、パルスレーザー光線発振手段41から加工ヘッド43の後述する対物集光レンズまでの光路長が増大せしめられる。出力調整手段42は、上記パルスレーザー光線発振手段41から発振されたパルスレーザー光線LBの出力を調整する。上記加工ヘッド43は、図示の実施形態においては方向変換ミラー431と集光レンズ432とからなっている。方向変換ミラー431は、上記出力調整手段42によって所定の出力に調整されたパルスレーザー光線LBを対物集光レンズ432に向けて方向変換する。対物集光レンズ432は、方向変換ミラー431を経由したパルスレーザー光線LBを集光し、チャックテーブル3に保持されたウエーハ2に向けて照射する。
The laser beam irradiation unit 4 includes a pulse laser
以上のように構成されたレーザー光線照射手段4は、図2に示すように対物集光レンズ432に入光するパルスレーザー光線LBの径Dが、対物集光レンズ432の瞳と呼ばれる焦点を結ぶ領域(有効領域)Eより大きくなるように設定されている。従って、パルスレーザー光線LBは、対物集光レンズ432の有効領域Eの外側の領域Fが蹴られ損失となる。即ち、パルスレーザー光線LBは、図3に示すようにガウシアン分布の裾野の部分が蹴られ、比較的強い光が対物集光レンズ432の有効領域Eの外周部から集光される。なお、図示の実施形態においては、上記蹴られ損失が25〜35%となるように設定されている。
In the laser beam irradiation means 4 configured as described above, the diameter D of the pulse laser beam LB entering the
上記蹴られ損失の割合を調整するには、パルスレーザー光線発振手段41から加工ヘッド43の対物集光レンズ432までの光路長を変更することによって調整することができる。即ち、パルスレーザー光線発振手段41から発振されるパルスレーザー光線LBは、下流側に行くに従って僅かに(0.05度程度)末広がりになる性質があるため、光路長が長くなるほど径が増大する。従って、図1に示す実施形態においては、パルスレーザー光線発振手段41を図1において右方に移動すると光路長が長くなるので対物集光レンズ432に入光するパルスレーザー光線LBの径Dが大きくなり、蹴られ損失が増大する。
The ratio of the kicking loss can be adjusted by changing the optical path length from the pulse laser beam oscillation means 41 to the
パルスレーザー光線発振手段41から対物集光レンズ432までの光路長を変更する光路長調整手段の他の実施形態について、図4を参照して説明する。
図4に示す光路長調整手段45は、第1の方向変換ミラー451と、第2の方向変換ミラー452と、第3の方向変換ミラー453と、第4の方向変換ミラー454と、第1の方向変換ミラー451と第2の方向変換ミラー452との間に配設された第1の光路調整ミラー手段455と、第3の方向変換ミラー453と第4の方向変換ミラー454との間に配設された第2の光路調整ミラー手段456とからなっている。第1の方向変換ミラー451は、上記パルスレーザー光線発振手段41から発振され出力調整手段42によって所定の出力に調整されたパルスレーザー光線LBを第1の光路調整ミラー手段455に向けて方向変換する。
Another embodiment of the optical path length adjusting means for changing the optical path length from the pulse laser beam oscillation means 41 to the
The optical path length adjusting means 45 shown in FIG. 4 includes a first
上記第1の光路調整ミラー手段455は第1のミラー455aと第2のミラー455bとからなっており、図4において上下方向に移動調整可能に構成されている。このように構成された第1の光路調整ミラー手段455は、第1の方向変換ミラー451によって方向変換されたパルスレーザー光線LBを第1のミラー455aによって第2のミラー455bに向けて方向変換し、更に第2のミラー455bによって上記第2の方向変換ミラー452に向けて方向変換する。なお、第1の光路調整ミラー手段455は、図4において実線で示す位置から2点鎖線で示す位置に移動することによりパルスレーザー光線LBの光路長を長くすることができる。
The first optical path adjustment mirror means 455 includes a
上記第2の方向変換ミラー452は、上記第1の光路調整ミラー手段455を経由したパルスレーザー光線LBを第3の方向変換ミラー453に向けて方向変換する。第3の方向変換ミラー453は、第2の方向変換ミラー452を経由したパルスレーザー光線LBを第2の光路調整ミラー手段456に向けて方向変換する。第3の光路調整ミラー手段456は上記第1の光路調整ミラー手段455と同様に第1のミラー456aと第2のミラー456bとからなっており、図4において上下方向に移動調整可能に構成されている。このように構成された第2の光路調整ミラー手段456は、第3の方向変換ミラー453を経由したパルスレーザー光線LBを第1のミラー456aによって第2のミラー456bに向けて方向変換し、更に第2のミラー456bによって上記第4の方向変換ミラー454に向けて方向変換する。なお、第2の光路調整ミラー手段456は、図4において実線で示す位置から2点鎖線で示す位置に移動することによりパルスレーザー光線LB光路長を長くすることができる。
The second
上記第4の方向変換ミラー454は、上記第2の光路調整ミラー手段456を経由したパルスレーザー光線LBを上記加工ヘッド43に向けて方向変換する。
The fourth
次に、図1に示すようにチャックテーブル3に保持されたウエーハ2の内部に分割予定ライン21に沿って変質層を形成する変質層形成工程について説明する。
ウエーハ2を保持したチャックテーブル3を図示しない加工送り手段によってレーザー光線照射手段4の加工ヘッド43が位置するレーザー光線照射領域に移動し、図5の(a)に示すように所定の分割予定ライン21の一端(図5の(a)において左端)を加工ヘッド43の直下に位置付ける。そして、加工ヘッド43からウエーハ2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3即ちウエーハ2を図5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5の(b)で示すように加工ヘッド43の照射位置がウエーハ2の他端(図5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3即ちウエーハ2の移動を停止する。この変質層形成工程においては、パルスレーザー光線の集光点Pをウエーハ2の表面10a(下面)付近に合わせる。この結果、ウエーハ2の表面2a(下面)に露出するとともに表面2aから内部に向けて変質層210が形成される。この変質層210は、溶融再固化層として形成される。
Next, a deteriorated layer forming step of forming a deteriorated layer along the
The chuck table 3 holding the
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。
波長: 1064nm
出力: 1W
繰り返し周波数: 100kHz
パルス幅: 40ns
集光スポット: およそφ1μm
対物集光レンズのNA: 0.7
対物集光レンズの焦点距離: 2mm
レーザー光線LBの出射時の径: φ500μm
加工送り速度: 100mm/秒
The processing conditions in the deteriorated layer forming step are set as follows, for example.
Wavelength: 1064nm
Output: 1W
Repeat frequency: 100kHz
Pulse width: 40ns
Condensing spot: Approximately φ1μm
NA of objective condenser lens: 0.7
Focal length of objective condenser lens: 2mm
Diameter when laser beam LB is emitted: φ500μm
Processing feed rate: 100mm / sec
ここで、上記蹴られ損失と変質層の厚さとの関係について説明する。
厚さ600μmのシリコンウエーハにレーザー光線LBの出力を一定とする条件で、パルスレーザー光線LBの集光点P位置をシリコンウエーハにおけるレーザー光線LBの入射面(上面)から530μmの位置に設定し、上述した変質層形成工程同様の加工条件で上記蹴られ損失の割合を変えて変質層を形成する実験を実施した。この実験においては、パルスレーザー光線発振手段41から加工ヘッド43の集光レンズ432までの光路長を400〜900mmの範囲で変化させることにより、パルスレーザー光線LBにおける対物集光レンズ432の瞳(有効領域)から外側の蹴られ割合を調整した。図6は、この実験によって形成された変質層の厚さを測定した結果を示すグラフである。図6において、横軸は蹴られ損失(%)、縦軸は変質層の厚さ(μm)である。
Here, the relationship between the kicking loss and the thickness of the altered layer will be described.
On the condition that the output of the laser beam LB is constant on a silicon wafer having a thickness of 600 μm, the focal point P of the pulse laser beam LB is set at a position 530 μm from the incident surface (upper surface) of the laser beam LB on the silicon wafer, An experiment was conducted in which a deteriorated layer was formed by changing the ratio of the kicked loss under the same processing conditions as the layer forming step. In this experiment, the pupil (effective area) of the
図6に示す実験結果から、対物集光レンズ432での蹴られ損失が0%では変質層が形成されず、蹴られ損失が10%付近から変質層の厚さが急激に増大し、蹴られ損失が30%付近で変質層の厚さが60μmを超え最大となり飽和する傾向を示すことが判った。従って、蹴られ損失を25〜35%に設定することにより、略60μmの厚さの変質層を形成することができる。一方、蹴られ損失が0%の条件で変質層の厚さを60μm形成するには、レーザー光線LBの出力を2.5Wにまで高める必要があることが判った。このことは、蹴られによる損失よりも、高入射角成分の割合を増大させることによる集光点付近の集光性能の向上の効果が勝ることを示唆している。即ち、蹴られ損失を30%程度に設定すると、ガウシアン分布を有するレーザー光線におけるエネルギーが弱い外周部領域のレーザー光線がカットされ、対物集光レンズ432の有効領域の外周部に比較的強いエネルギーを有するレーザー光線が入光されて焦点深度の短い焦点に集光されるので、屈折率の高い被加工物であってもレーザー光線の入光面から深い位置に所定の厚さの変質層を形成することができる。
From the experimental results shown in FIG. 6, when the kick loss at the
次に、上記蹴られ損失とパルスレーザー光線LBの集光点P位置に対する変質層の厚さとの関係について説明する。
図7は、上記蹴られ損失を30%にした場合と、蹴られ損失が10%の場合におけるパルスレーザー光線LBの集光点P位置とシリコンウエーハに形成される変質層の厚さを実験的に測定した結果を示すグラフである。なお、蹴られ損失が30%の場合におけるパルスレーザー光線発振手段41から加工ヘッド43の集光レンズ432までの光路長は900mm、蹴られ損失が10%の場合におけるパルスレーザー光線発振手段41から加工ヘッド43の集光レンズ432までの光路長は450mmであった。この実験においてパルスレーザー光線LBの集光点P位置は、対物集光レンズ432とチャックテーブル3の間隔を変化させることにより調整した。なお、パルスレーザー光線LBの照射条件は、上述した変質層形成工程と同様とした。
Next, the relationship between the kicking loss and the thickness of the deteriorated layer with respect to the focal point P position of the pulse laser beam LB will be described.
FIG. 7 shows experimentally the condensing point P position of the pulse laser beam LB and the thickness of the altered layer formed on the silicon wafer when the kicking loss is 30% and when the kicking loss is 10%. It is a graph which shows the measurement result. When the kick loss is 30%, the optical path length from the pulse laser beam oscillation means 41 to the
図7に示すように、上記蹴られ損失が30%の場合には、パルスレーザー光線LBの集光点P位置に関係なく略60μmの厚さの変質層が形成されることが判った。一方、上記蹴られ損失が10%の場合、パルスレーザー光線LBの集光点P位置が入射面から100μm程度の位置では90μm程度の厚さの変質層が形成されるが、パルスレーザー光線LBの集光点P位置が入射面から400μm程度になると殆ど変質層が形成されないことが判った。 As shown in FIG. 7, when the above-mentioned kick loss is 30%, it has been found that an altered layer having a thickness of about 60 μm is formed regardless of the position P of the pulse laser beam LB. On the other hand, when the kicking loss is 10%, an altered layer having a thickness of about 90 μm is formed when the condensing point P position of the pulse laser beam LB is about 100 μm from the incident surface. It was found that the deteriorated layer was hardly formed when the position of the point P was about 400 μm from the incident surface.
2:ウエーハ
20:保護テープ
3:チャックテーブル
4:レーザー光線照射手段
41:パルスレーザー光線発振手段
42:出力調整手段
43:加工ヘッド
431:方向変換ミラー
432:対物集光レンズ
44:光路長調整手段
45:光路長調整手段
451:第1の方向変換ミラー
452:第2の方向変換ミラー
453:第3の方向変換ミラー
454:第4の方向変換ミラー
455:第1の光路調整ミラー手段
456:第2の光路調整ミラー手段
2: Wafer 20: Protective tape 3: Chuck table 4: Laser beam irradiation means 41: Pulse laser beam oscillation means 42: Output adjustment means 43: Processing head 431: Direction conversion mirror 432: Objective condenser lens 44: Optical path length adjustment means 45: Optical path length adjusting means 451: first direction conversion mirror 452: second direction conversion mirror 453: third direction conversion mirror 454: fourth direction conversion mirror 455: first optical path adjustment mirror means 456: second Optical path adjusting mirror means
Claims (2)
該レーザー光線発振手段から該対物集光レンズまでの光路長を変更することにより、レーザー光線の該対物集光レンズによる蹴られ損失が25〜35%になるように調整してレーザー光線を該対物集光レンズに入光せしめる、
ことを特徴とするレーザー加工方法。 A laser processing method of condensing a laser beam oscillated from a laser beam oscillation means through an objective condensing lens into a workpiece and forming a deteriorated layer inside the workpiece,
By changing the optical path length from the laser beam oscillating means to the objective condenser lens, the laser beam is adjusted so that the loss of kicking by the objective condenser lens is 25 to 35%, and the laser beam is adjusted to the objective condenser lens. Shine in
The laser processing method characterized by the above-mentioned.
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