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CN103934578A - 激光加工方法 - Google Patents

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CN103934578A
CN103934578A CN201410109769.7A CN201410109769A CN103934578A CN 103934578 A CN103934578 A CN 103934578A CN 201410109769 A CN201410109769 A CN 201410109769A CN 103934578 A CN103934578 A CN 103934578A
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

本发明涉及激光加工方法。在31ns～54ns的脉冲宽度且7.5μm～10μm的脉冲间距下照射作为脉冲激光的激光（L），从而沿着切断预定线（5）在GaAs基板（12）上形成作为切断的起点的改质区域（7）。由此，沿着切断预定线（5）形成于GaAs基板（12）上的改质区域（7），易于在加工对象物（1）的厚度方向上产生龟裂。因此，对于具备GaAs基板（12）的板状的加工对象物（1），能够形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域（7）。

Description

激光加工方法
本申请是申请日为2008年10月27日、申请号为200880103871.9、发明名称为激光加工方法的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于沿着切断预定线将具备GaAs基板的板状的加工对象物切断的激光加工方法。
背景技术
作为现有的上述技术领域的激光加工方法，已知有使聚光点对准具备Si基板的板状的加工对象物的内部并照射激光，沿着加工对象物的切断预定线，在Si基板上形成作为切断的起点的改质区域（例如参照专利文献1）。
专利文献1：日本特开2004-343008号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，针对具备GaAs基板的板状的加工对象物，期待可使切断的可靠性进一步提高的改质区域的形成技术。
因此，本发明有鉴于上述的问题，其目的在于，提供一种对于具备GaAs基板的板状的加工对象物、能够形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域的激光加工方法。
解决问题的方法
本发明者为了达成上述目的而进行了深入探讨，结果发现：对于具备GaAs基板的板状的加工对象物，为了形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域，照射于加工对象物的脉冲激光的脉冲宽度是相当重要的因素。即从通过在31ns～54ns的脉冲宽度下照射脉冲激光而在GaAs基板上形成的改质区域，易于在加工对象物的厚度方向上产生龟裂。另一方面，从通过在比31ns短的脉冲宽度或者比54ns长的脉冲宽度下照射脉冲激光而在GaAs基板上形成的改质区域，难以在加工对象物的厚度方向上产生龟裂。本发明者基于该认知而进一步进行了探讨，直至完成本发明。
即本发明所涉及的激光加工方法，其特征在于，是使聚光点对准具备GaAs基板的板状的加工对象物的内部并照射激光，从而沿着加工对象物的切断预定线，在GaAs基板上形成将成为切断的起点的改质区域的激光加工方法，激光为脉冲激光，且激光的脉冲宽度为31ns～54ns。
在该激光加工方法中，通过在31ns～54ns的脉冲宽度下照射激光，从而沿着切断预定线在GaAs基板上形成作为切断的起点的改质区域。由此，沿着切断预定线而在GaAs基板上形成的改质区域，易于在加工对象物的厚度方向上产生龟裂。因此，根据该激光加工方法，对于具备GaAs基板的板状的加工对象物，能够形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域。
在本发明所涉及的激光加工方法中，优选，激光的脉冲间距（pitch）为7.5μm～10μm。在该情况下，对于具备GaAs基板的板状的加工对象物，能够形成作为切断的起点的功能进一步更佳的改质区域。在此，激光的脉冲间距是指：将“激光的聚光点相对于加工对象物的扫描速度（移动速度）”除以“脉冲激光的重复频率”的数值。
在本发明所涉及的激光加工方法中，优选，在形成改质区域后，以改质区域为起点，沿着切断预定线将加工对象物切断。在该情况下，能够沿着切断预定线高精度地切断加工对象物。
在本发明所涉及的激光加工方法中，改质区域可以包含熔融处理区域。
发明的效果
根据本发明，对于具备GaAs基板的板状的加工对象物，能够形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域。
附图说明
图1是用来形成改质区域的激光加工装置的大致构成图。
图2是作为改质区域的形成对象的加工对象物的平面图。
图3是沿着图2的加工对象物的III-III线的截面图。
图4是激光加工后的加工对象物的平面图。
图5是沿着图4的加工对象物的V-V线的截面图。
图6是沿着图4的加工对象物的VI-VI线的截面图。
图7是表示激光加工后的硅片的切断面的照片的图。
图8是表示激光的波长和硅基板的内部的透过率之间的关系的图。
图9是表示激光的峰值功率密度和裂纹点的大小之间的关系的图。
图10是表示适用于本实施方式所涉及的激光加工方法的加工对象物的平面图。
图11是沿着图10的加工对象物的切断预定线的部分截面图。
图12是用来说明本实施方式所涉及的激光加工方法的加工对象物的部分截面图。
图13是用来说明本实施方式所涉及的激光加工方法的加工对象物的部分截面图。
图14是表示实施实施例以及比较例所涉及的激光加工方法时的脉冲宽度和分割率的关系的图。
图15是表示实施实施例以及比较例所涉及的激光加工方法时的脉冲间距和分割率的关系的图。
图16是表示表1的条件7的情况下的分割后的加工对象物的表面的照片以及切断面的照片的图。
图17是表示表1的条件8的情况下的分割后的加工对象物的表面的照片以及切断面的照片的图。
图18是表示表1的条件9的情况下的分割后的加工对象物的表面的照片以及切断面的照片的图。
图19是表示表1的条件10的情况下的分割后的加工对象物的表面的照片以及切断面的照片的图。
图20是表示表1的条件11的情况下的分割后的加工对象物的表面的照片以及切断面的照片的图。
符号的说明
1…加工对象物
5…切断预定线
7…改质区域
12…GaAs基板
13…熔融处理区域
L…激光
P…聚光点
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的最佳实施方式进行详细的说明。在此，在各图中，对相同或相当的部分赋予相同的符号，省略重复的说明。
在本实施方式所涉及的激光加工方法中，使聚光点对准板状的加工对象物并照射激光，从而沿着切断预定线，在加工对象物形成改质区域。
因此，首先，参照图1～图9，对本实施方式所涉及的激光加工方法的改质区域的形成进行说明。
如图1所示，激光加工装置100具备：使激光（加工用激光）L脉冲振荡的激光光源101、配置成使激光L的光轴的方向改变90°的分色镜（dichroic mirror）103、用来使激光L聚光的聚光用透镜105。另外，激光加工装置100具备：用来支承被由聚光用透镜105聚光了的激光L照射的加工对象物1的支承台107、用来使支承台107沿着X、Y、Z轴方向移动的可动台111、为了调节激光L的输出和脉冲宽度等而控制激光光源101的激光光源控制部102、用来控制可动台111的移动的可动台控制部115。
在该激光加工装置100中，从激光光源101射出的激光L通过分色镜103而使其光轴的方向改变90°，并通过聚光透镜105而被聚光于被载置在支承台107上的加工对象物1的内部。与此同时，使可动台111移动，加工对象物1相对于激光L而沿着切断预定线5相对移动。由此，沿着切断预定线5在加工对象物1中形成作为切断的起点的改质区域。以下，对该改质区域进行详细的说明。
如图2所示，在板状的加工对象物1中设置有用于切断加工对象物1的切断预定线5。切断预定线5是延伸为直线状的假想线。在加工对象物1的内部形成改质区域的情况下，如图3所示，在使聚光点P对准加工对象物1的内部的状态下，使激光L沿着切断预定线5（即沿着图2的箭头A方向）相对地移动。由此，如图4～图6所示，改质区域7沿着切断预定线5而被形成于加工对象物1的内部，沿着切断预定线5形成的改质区域7作为切断起点区域8。
在此，所谓聚光点P是指激光L聚光的地方。另外，切断预定线5不限于直线状，可以是曲线状，并且不限于假想线，可以是在加工对象物1的表面3上实际引出的线。另外，改质区域7可以被连续地形成，也可以被间断地形成。另外，改质区域7可以至少被形成于加工对象物1的内部。另外，存在以改质区域7为起点而形成有龟裂的情况，龟裂以及改质区域7可以露出于加工对象物1的外表面（表面、背面、或者是外周面）。
在此，激光L在透过加工对象物1的同时，在加工对象物1的内部的聚光点附近被特别吸收，由此，在加工对象物1中形成改质区域7（即内部吸收型激光加工）。因而，由于在加工对象物1的表面3激光L几乎不被吸收，因此加工对象物1的表面3不会熔融。一般而言，在通过从表面3被熔融而被除去从而形成有孔或槽等的除去部（表面吸收型激光加工）的情况下，加工区域从表面3侧逐渐地向背面侧进展。
然而，通过本实施方式所涉及的激光加工方法形成的改质区域是指作为密度、折射率、机械强度或者其它的物理特性与周围不同的状态的区域。例如存在（1）熔融处理区域、（2）裂纹区域、绝缘破坏区域、（3）折射率变化区域等，也存在混合存在有这些区域的区域。
本实施方式所涉及的激光加工方法的改质区域是通过激光的局部吸收或者多光子吸收等现象而被形成的。所谓多光子吸收是指下述现象：如果光子的能量hν比材料的吸收的能带隙（bandgap）EG小则成为光学透明，因此在材料中产生吸收的条件为hν>EG，但是即使是光学透明的，如果使激光L的强度足够大，则在nhν>EG的条件（n＝2、3、4、…）下在材料中产生吸收。通过多光子吸收而形成熔融处理区域例如被记载于熔接学会全国大会演讲概要第66集（2000年4月）的第72～73页的“由皮秒脉冲激光而得到的硅的加工特性评价”中。
另外，也可以利用如“D.Du,X.Liu,G.Korn,J.Squier,and G.Mourou,‘Laser Induced Breakdown by Impact Ionization in SiO2with Pulse Widthsfrom7ns to150fs’,Appl Phys Lett64(23),Jun.6,1994”中所记载的那样通过使用脉冲宽度为从几皮秒到飞秒（femto second）的超短脉冲激光从而形成的改质区域。
（1）改质区域包含熔融处理区域的情况
使聚光点对准加工对象物（例如硅那样的半导体材料）的内部，并在聚光点的电场强度为1×108（W/cm2）以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下照射激光L。由此，在聚光点附近激光L被吸收从而加工对象物的内部被局部地加热，通过该加热而在加工对象物的内部形成熔融处理区域。
所谓熔融处理区域是一旦熔融后再固化的区域、或是熔融状态中的区域、或是从熔融状态再固化的状态的区域，也能够指相变化区域或是结晶构造变化的区域。另外，所谓熔融处理区域也能够指在单结晶构造、非晶质构造、多结晶构造中、某一构造变化成另一构造的区域。即例如指从单结晶构造变化成非晶质构造的区域、从单结晶构造变化成多结晶构造的区域、从单结晶构造变化成包含非晶质构造及多结晶构造的构造的区域。在加工对象物为单晶硅构造的情况下，熔融处理区域是例如非晶硅构造。
图7为表示激光所照射的硅片（半导体基板）的一部分中的截面的照片的图。如图7所示，在半导体基板11的内部形成有熔融处理区域13。
对于在相对入射的激光的波长具有透过性的材料的内部形成熔融处理区域13的情况进行说明。图8为表示激光的波长与硅基板的内部的透过率之间的关系的曲线图。在此，去除了硅基板的表面侧和背面侧的各自的反射成分，仅表示内部的透过率。对于硅基板的厚度t分别为50μm、100μm、200μm、500μm、1000μm表示上述关系。
例如，在作为Nd：YAG激光的波长的1064nm中，硅基板的厚度为500μm以下的情况下，已知在硅基板的内部80%以上的激光L透过。图7所示的半导体基板11的厚度为350μm，因此熔融处理区域13形成在半导体基板11的中心附近，即距离表面175μm的部分。该情况下的透过率，参考厚度200μm的硅片，则为90%以上，因此激光L只有一些会在半导体基板11的内部被吸收，绝大部分会透过。但是，通过在1×108（W/cm2）以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下使激光L聚光在硅片内部，从而激光在聚光点及其附近被局部吸收，在半导体基板11的内部形成熔融处理区域13。
在此，在硅片中有时会以熔融处理区域为起点产生龟裂。另外，有时会使龟裂包含在熔融处理区域中而形成龟裂，在该情况下，该龟裂有时是遍及熔融处理区域中的整个面而形成，有时是仅在一部分或多个部分上形成。再者，该龟裂有时会自然成长，有时也会因为对硅片施加力而成长。龟裂从熔融处理区域自然成长的情况存在：从熔融处理区域熔融的状态成长的情况、以及在从熔融处理区域熔融的状态再固化时成长的情况中的任意一个。在此，无论何种情况，熔融处理区域形成在硅片的内部，在切断面上，如图7所示，在内部形成有熔融处理区域。
（2）改质区域包含裂纹区域的情况
向加工对象物（例如玻璃或是由LiTaO3构成的压电材料）的内部对准聚光点，并在聚光点的电场强度为1×108（W/cm2）以上且脉冲宽度为1μs以下的条件下照射激光L。该脉冲宽度的大小是激光L被吸收而在加工对象物的内部形成裂纹区域的条件。由此，在加工对象物的内部会产生所谓光学损伤的现象。由于该光学损伤会在加工对象物的内部引起热应变，因此在加工对象物的内部会形成包含一个或多个裂纹的裂纹区域。裂纹区域也可称为绝缘破坏区域。
图9是表示电场强度与裂纹的大小之间的关系的实验结果的图。横轴为峰值功率密度，由于激光L为脉冲激光，因此电场强度以峰值功率密度来表示。纵轴表示由于1脉冲的激光L而形成在加工对象物的内部的裂纹部分（裂纹点）的大小。裂纹点就是集中裂纹区域。裂纹点的大小是裂纹点的形状中长度最长的部分的大小。图表中以黑色圆点表示的数据是聚光用透镜（C）的倍率为100倍、数值孔径（NA）为0.80的情况。另一方面，图表中以白色圆点表示的数据是聚光用透镜（C）的倍率为50倍、数值孔径（NA）为0.55的情况。已知峰值功率密度从1011（W/cm2）左右就会开始在加工对象物的内部产生裂纹点，并且随着峰值功率密度越大，裂纹点也就越大。
（3）改质区域包含折射率变化区域的情况
向加工对象物（例如玻璃）的内部对准聚光点，并且在聚光点的电场强度为1×108（W/cm2）以上且脉冲宽度为1ns以下的条件下照射激光L。这样，在脉冲宽度极短的状态下，如果激光L在加工对象物的内部被吸收，则该能量不会转化成热能，而是会在加工对象物的内部引起离子价数变化、结晶化或极化配向等的永远的构造变化，并形成折射率变化区域。
在此，所谓改质区域是包含熔融处理区域、绝缘破坏区域、折射率变化区域等或是混合存在有这些区域的区域，是在该材料中改质区域的密度相比于非改质区域的密度发生变化的区域，或是形成有晶格缺陷的区域。也能够将这些统称为高密度转移区域。
另外，熔融处理区域或折射率变化区域、改质区域的密度相比于非改质区域的密度发生变化的区域、形成有晶格缺陷的区域，进而可能会在这些区域的内部或在改质区域与非改质区域的界面包含（内包）龟裂（割裂、微裂纹）。所内包的龟裂可能会遍及改质区域的整个面或是仅在一部分或多个部分形成。
此外，如果考虑加工对象物的结晶构造及其劈开性等，并且如以下所述形成改质区域，则可以高精度地将加工对象物切断。
即在由硅等的钻石构造的单结晶半导体构成的基板的情况下，优选，在沿着（111）面（第1劈开面）或（110）面（第2劈开面）的方向上形成改质区域。另外，由GaAs等的闪锌矿型结构的III-V族化合物半导体构成的基板的情况下，优选，在沿着（110）面的方向上形成改质区域。再者，在具有蓝宝石（Al2O3）等的六方晶系的结晶构造的基板的情况下，优选，以（0001）面（C面）为主面，在沿着（1120）面（A面）或（1100）面（M面）的方向上形成改质区域。
另外，如果沿着为了形成上述改质区域的方向（例如沿着单晶硅基板中的（111）面的方向）或是沿着与为了形成改质区域的方向垂直的方向在基板上形成定向平面（Orientation Flat），则通过以该定向平面为基准，可以容易且正确地在基板上形成改质区域。
接着对本实施方式所涉及的激光加工方法进行说明。
图10是表示适用于本实施方式所涉及的激光加工方法的加工对象物的平面图，图11是沿着图10的加工对象物的切断预定线的部分截面图。如图10、11所示，板状的加工对象物1具备：GaAs基板12、含有多个功能元件15且形成于GaAs基板12的主面的功能元件层16。GaAs基板12采用闪锌矿型结构，以（100）面为主面，与定向平面6平行的面为（011）面或者（0-1-1）面，与定向平面6垂直的面为（0-11）面或者（01-1）面。功能元件15，例如是通过结晶成长而形成的半导体动作层、光电二极管等的受光元件、激光二极管等的发光元件、或者是作为电路而形成的电路元件等，在与GaAs基板12的定向平面6平行的方向以及垂直的方向上以矩阵状而形成为多个。
对于如以上所述构成的加工对象物1，适用本实施方式所涉及的激光加工方法。
首先，如图12（a）所示，在加工对象物1的背面21贴合扩展胶带23。接着，使功能元件层16为上侧，将加工对象物1固定于激光加工装置的支承台（图中没有表示）上。然后，如图10所示，沿着与定向平面6垂直的方向以及平行的方向，将通过相邻的功能元件15、15间的切断预定线5设定成格子状。
接着，如图12（b）所示，以加工对象物1的表面3为激光入射面，使聚光点P对准GaAs基板12的内部并照射激光L，并移动支承台，从而沿着在与定向平面6垂直的方向以及平行的方向上设定成格子状的各切断预定线5使聚光点P相对移动。在此，激光L为脉冲激光，在31ns～54ns的脉冲宽度且7.5μm～10μm的脉冲间距下进行照射。
使沿着该各切断预定线5的聚光点P的相对移动相对于1根切断预定线5进行多次（例如2次），但是，通过在每次改变聚光点P对准的位置离开表面3的距离，从而相对于1根切断预定线5，从背面21侧开始依次在GaAs基板12内部逐列形成多列改质区域7。在此，相对于1根的切断预定线5而形成于GaAs基板12内部的改质区域7的列数，根据GaAs基板12的厚度等而进行改变，并不限于多列，也包含1列的情况。
接着，如图13（a）所示，使扩展胶带23扩展。随着扩展胶带的扩展，加工对象物1也会被拉伸，从而以改质区域7为起点将加工对象物1切断成芯片状，得到多个具有1个功能元件15的半导体芯片25。此时，由于扩展胶带23处于扩展的状态，如图13（b）所示，各半导体芯片25会互相分离。
如以上所说明的那样，在本实施方式所涉及的激光加工方法中，在31ns～54ns的脉冲宽度且7.5μm～10μm的脉冲间距下，照射作为脉冲激光的激光L，从而沿着切断预定线5在GaAs基板12上形成作为切断的起点的改质区域7。由此，沿着切断预定线5形成于GaAs基板12上的改质区域7，易于在加工对象物1的厚度方向上产生龟裂。因此，根据本实施方式所涉及的激光加工方法，对于具备GaAs基板12的板状的加工对象物1，能够形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域7。
另外，在本实施方式所涉及的激光加工方法中，在形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域7后，以该改质区域7为起点，沿着切断预定线5将加工对象物1切断，因此能够使该切断精度极高。
在此，在本实施方式所涉及的激光加工方法中所形成的改质区域7，包含熔融处理区域。另外，以改质区域的形成为起点并有助于切断的龟裂，高精度地形成于与激光入射相反的一侧的表面。
接着，对实施例以及比较例所涉及的激光加工方法的实验结果进行说明。
表1表示激光的照射条件以及各照射条件下的分割率。表1中，“脉冲宽度”是脉冲激光的脉冲宽度。“脉冲间距”表示脉冲激光的聚光点的形成间隔。“分割率”是：以外径为2英寸、厚度为100μm的GaAs基板的1/4部分为加工对象物1，在表1所示的照射条件以及后述的加工条件下照射脉冲激光从而分割成外形为1mm×1mm的芯片时，实际得到的外形为1mm×1mm的芯片的比例。
[表1]
在此，其它的加工条件如以下所述。对于作为外径为2英寸、厚度为100μm的GaAs基板的1/4部分的加工对象物，在距离作为该激光入射面的表面70μm的位置聚光（其结果，在距离激光入射面57μm～80μm的位置形成改质区域）后，在距离作为激光入射面的表面40μm的位置聚光（其结果，在距离激光入射面33μm～48μm的位置形成改质区域），从而相对于1根切断预定线形成2列改质区域。在形成位于离开加工对象物的表面70μm的距离的位置的改质区域时，激光的聚光直径为0.86μm，聚光点的激光的能量密度为1.20×107（W/cm2）。另外，在形成位于离开加工对象物的表面40μm的距离的位置的改质区域时，激光的聚光直径为0.86μm，聚光点的激光的能量密度为9.64×106（W/cm2）。然后，在形成改质区域后，对于加工对象物的整个背面，以扩展量为15mm、扩展速度为10mm/s使扩展胶带扩张。
图14是表示实施实施例以及比较例所涉及的激光加工方法时的脉冲宽度和分割率之间的关系的图。图15是表示实施实施例以及比较例所涉及的激光加工方法时的脉冲间距和分割率之间的关系的图。由表1以及图14、15可知，在31ns～54ns的脉冲宽度且7.5μm～10μm的脉冲间距下照射脉冲激光而形成改质区域的情况下，分割率超过90%。
图16～20是表示表1的条件7～11的情况下的分割后的加工对象物的表面的照片以及切断面的照片的图。图17～19所示的改质区域（即分割率超过90%的改质区域），与图16、20所示的改质区域不同，以改质区域的形成为起点而有助于切断的龟裂，高精度地形成于与激光入射面相反的一侧的表面。
本发明并不限于上述的实施方式。
例如，在上述实施方式中，以加工对象物1的表面3为激光入射面，但是，也可以以加工对象物1的背面21为激光入射面。在以加工对象物1的背面21为激光入射面的情况下，作为一个例子，例如如下所述将加工对象物1切断成多个半导体芯片25。即在功能元件层16的表面贴合保护胶带，在利用保护胶带保护功能元件层16的状态下，将保持加工对象物1的保护胶带固定于激光加工装置的支承台。然后，以加工对象物1的背面21为激光入射面，使聚光点P对准加工对象物1的内部并照射激光L，从而沿着各切断预定线5，在GaAs基板12上形成改质区域7。接着，使固定于支承台上的保护胶带与加工对象物1一起隔离。然后，在加工对象物1的背面21贴合扩展胶带23，从功能元件层16的表面剥离保护胶带后，在使扩展胶带23扩展的状态下，以改质区域7为切断的起点而沿着切断预定线5将加工对象物1切断。
根据本发明，对于具备GaAs基板的板状的加工对象物，能够形成作为切断的起点的功能极佳的改质区域。

Claims (3)

1.一种激光加工方法，其特征在于，
是使聚光点对准具备GaAs基板的板状的加工对象物的内部而照射激光，从而沿着所述加工对象物的切断预定线，在所述GaAs基板形成成为切断的起点的改质区域的激光加工方法，
所述激光为脉冲激光，并且所述激光的脉冲宽度为31ns～48ns，所述激光的脉冲间距为10μm～12.5μm。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，
在形成所述改质区域后，以所述改质区域为起点，沿着所述切断预定线切断所述加工对象物。
3.如权利要求1或者2所述的激光加工方法，其特征在于，
所述改质区域包含熔融处理区域。
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