JP5183892B2 - 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予定ラインに沿って切断するためのレーザ加工方法に関する。

従来のレーザ加工方法として、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、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１２９８５１号公報

しかしながら、上述したようなレーザ加工方法においては、加工対象物の内部に改質領域が形成されることにより、以下の問題がレーザ加工時に発生し得る。すなわち、加工対象物の内部に改質領域が形成されると、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して垂直な方向に内部応力が発生し、加工対象物に反りが生じることがある。この加工対象物の反りの度合いは、例えばディスクリートデバイス等の極小チップを製造する場合や、１本の切断予定ラインに対して複数列の改質領域を形成する場合に特に顕著となる。その結果、加工対象物の表面の変位が、レーザ加工装置に搭載されてレーザ光の集光点位置を制御するオートフォーカス機能の追従可能域から外れてしまったり、加工対象物が意図に反して切断されてしまったりするおそれがある。

そこで、本発明は、レーザ加工時における加工対象物の反りを抑制することができるレーザ加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、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、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、第１の改質領域を加工対象物の内部に形成し、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に延びる第１の割れを第１の改質領域から発生させる工程と、第２の改質領域を加工対象物の内部に形成し、第１の割れと連結するように、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に延びる第２の割れを第２の改質領域から発生させる工程と、を含むことを特徴とする。

このレーザ加工方法では、加工対象物の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第１の改質領域及び第２の改質領域を加工対象物の内部に形成する。これにより、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に第１の改質領域から延びる第１の割れが発生させられると共に、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に第２の改質領域から延びる第２の割れが発生させられ、第１の割れと第２の割れとが連結することになる。すなわち、レーザ加工時に、加工対象物における切断予定ラインを挟んだ両側の部分がそれぞれ噛み合い、よって、改質領域が形成されることで発生する加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して垂直な方向の内部応力を低減させることが可能となる。その結果、レーザ加工時における加工対象物の反りを抑制することができる。

ここで、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、切断予定ラインに沿って、切断の起点となる第３の改質領域を加工対象物の内部に形成し、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に延びる第３の割れを第３の改質領域から発生させる工程を含み、第２の改質領域を形成すると共に第２の割れを発生させる工程では、第３の割れと連結するように、第２の割れを第２の改質領域から発生させることが好ましい。

この場合、レーザ加工時において、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に延びる第３の割れが第３の改質領域から発生させられ、第２の割れと第３の割れとが連結することになる。すなわち、レーザ加工時において、第第１の割れ、第２の割れ及び第３の割れにより、加工対象物の切断予定ラインを挟んだ両側の部分がそれぞれ噛み合い、よって、改質領域が形成されることで発生する加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して垂直な方向の内部応力をより一層低減させることが可能となる。その結果、レーザ加工時における加工対象物の反りをより一層抑制することができる。なお、第１改質領域を形成すると共に第１の割れを発生させる工程と、第３改質領域を形成すると共に第３の割れを発生させる工程とは順不同である。

また、加工対象物は、加工対象物の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に沿った劈開面を有する結晶構造体であることが好ましい。この加工対象物は、その厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に沿って割れ易いため、改質領域を形成して当該方向に割れを確実に発生させることができる。

また、加工対象物が半導体基板を備え、改質領域が溶融処理領域を含む場合がある。

また、改質領域を切断の起点として切断予定ラインに沿って加工対象物を切断する工程をさらに含むことが好ましい。これにより、加工対象物を切断予定ラインに沿って精度良く切断することができる。

本発明によれば、レーザ加工時における加工対象物の反りを抑制することができる。

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（半導体基板）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。ちなみに、溶融処理領域は多光子吸収のみでなく、他の吸収作用を含む場合もある。

（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。
［第１実施形態］

図１４及び図１５に示すように、加工対象物１は、直径６インチ、厚さ１３２μｍのシリコンウェハ１１と、複数の機能素子１５を含んでシリコンウェハ１１の表面１１ａに形成された機能素子層１６とを備えている。シリコンウェハ１１は、その厚さ方向ｔ（以下、単に「厚さ方向」という。）と異なる方向に割れが延び易い結晶方位を有するものである。具体的には、シリコンウェハ１１は、その厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ライン５を含む面に対して傾斜する方向に沿った劈開面を有する結晶構造体であり、例えば、シリコンウェハ１１の表面１１ａが（１１１）面になっている。

機能素子１５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、或いは回路として形成された回路素子等であり、シリコンウェハ１１のオリエンテーションフラット６に平行な方向及び垂直な方向にマトリックス状に多数形成されている。このような加工対象物１は、隣り合う機能素子間を通るように格子状に設定された切断予定ライン５（図１４の破線参照）に沿って、レーザ加工により切断され、微小チップであるディスクリートデバイス等となるものである。

この加工対象物１を切断する場合の一例について説明する。まず、加工対象物１の裏面２１に、例えばエキスパンドテープを貼り付ける。続いて、シリコンウェハ１１の表面３をレーザ光照射面としてシリコンウェハ１１の内部に集光点を合わせて多光子吸収が生じる条件でレーザ光を照射し、各切断予定ライン５に沿って改質領域を形成する（レーザ加工）。そして、エキスパンドテープを拡張させる。これにより、改質領域を切断の起点として、加工対象物１が切断予定ライン５に沿って切断され、複数の半導体チップが互いに離間することになる。なお、改質領域は、溶融処理領域の他に、クラック領域等を含む場合がある。

ここで、上述したレーザ加工方法について、切断予定ライン５に沿ったスキャンを例にしてより詳細に説明する。

まず、図１６（ａ）に示すように、シリコンウェハ１１の内部における裏面２１近傍に集光点を合わせて、レーザ光出力０．９２Ｗでレーザ光を加工対象物１に照射し、裏面２１から厚さ方向に４μｍ〜３２μｍの位置に改質領域Ｍ１を形成する。そして、例えば加工速度３００ｍｍ／ｓｅｃで集光点を切断予定ライン５に沿ってスキャンして、改質領域Ｍ１をシリコンウェハ１１の内部に一列形成する。これにより、シリコンウェハ１１の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ライン５を含む面に対して傾斜する方向に沿って延びる割れａ１，ｂ１を、改質領域Ｍ１の上端及び下端からそれぞれ発生させる。

このとき、シリコンウェハ１１は、上述のような劈開面を有する結晶構造体であるため、その厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ライン５を含む面に対して傾斜する方向に沿って割れ易い。従って、改質領域Ｍ１を形成する際に当該方向に割れａ１，ｂ１が好適に発生される。ここでは、割れａ１は、シリコンウェハ１１の第１劈開方向に延びるものであり、具体的には、５４．７°の角度を有する方向に延びている。また、割れｂ１は、シリコンウェハ１１の第２劈開方向に延びるものであり、具体的には、１９．５°の角度を有する方向に延びている。

次に、図１６（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１１の内部における表面１１ａ近傍に集光点を合わせて、レーザ光出力０．４０Ｗでレーザ光を加工対象物１に照射し、シリコンウェハ１１の表面１１ａから厚さ方向に１６μｍ〜３４μｍの位置に改質領域Ｍ２を形成する。そして、例えば加工速度３００ｍｍ／ｓｅｃで集光点を切断予定ライン５に沿ってスキャンして、改質領域Ｍ２をシリコンウェハ１１の内部に一列形成する。これにより、シリコンウェハ１１の第１劈開方向に延びる割れａ２及び第２劈開方向に延びる割れｂ２を、改質領域Ｍ２の上端及び下端からそれぞれ発生させる。なお、ここでは、改質領域Ｍ２の上端から延びる割れａ２がシリコンウェハ１１の表面３にまで達するように、換言すると割れａ２が表面３の切断予定ライン５に沿って露出（いわゆる、ハーフカット）するように改質領域Ｍ２を形成している。これにより、例えばエキスパンドテープを拡張させて加工対象物１を複数の半導体チップに切断する際に、切断予定ライン５に沿って精度良く切断することができる。

次に、図１６（ｃ）に示すように、シリコンウェハ１１の内部における改質領域Ｍ１と改質領域Ｍ２との間に集光点を合わせて、レーザ光出力０．８０Ｗでレーザ光を加工対象物１に照射し、シリコンウェハ１１の表面１１ａから厚さ方向に５９μｍ〜６９μｍの位置に改質領域Ｍ３を形成する。そして、例えば加工速度３００ｍｍ／ｓｅｃで集光点を切断予定ライン５に沿ってスキャンして、改質領域Ｍ２をシリコンウェハ１１の内部に一列形成する。これにより、改質領域Ｍ２の下端から延びる割れｂ２と連結するように、シリコンウェハ１１の第１劈開方向に延びる割れａ３を改質領域Ｍ３の上端から発生させ、さらに、改質領域Ｍ１の上端から延びる割れａ１と連結するように、シリコンウェハ１１の第２劈開方向に延びる割れｂ３を改質領域Ｍ３の下端から発生させる。なお、改質領域Ｍ３を形成する際に、レーザ光が入射する表面３とレーザ光の集光点との間に改質領域Ｍ２が存在するため、既に形成された改質領域Ｍ２によるレーザ光の散乱や吸収等するおそれがあるが、本実施形態では上述のようにして、切断予定ライン５に沿ってシリコンウェハ１１の内部に確実に改質領域Ｍ３を形成している。

以上説明したように、改質領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を形成することにより、シリコンウェハ１１が有する少なくとも２方向の劈開方向を利用しつつ、割れが既に発生した割れの方向に延び易いことを利用し、割れａ３，ｂ３を割れａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２と連結するように改質領域Ｍ３から発生させている。すなわちシリコンウェハ１１が有する劈開方向に割れを誘導させ、これらの割れにより、当該割れに沿った凹凸状の面を形成させている。

なお、改質領域Ｍ１を第１の改質領域と捉えると、改質領域Ｍ３が第２の改質領域に相当し、改質領域Ｍ２が第３の改質領域に相当する。この場合には、割れａ１，ｂ１が第１の割れに相当し、割れａ３，ｂ３が第２の割れに相当し、割れａ２，ｂ２が第３の割れに相当する。一方、改質領域Ｍ２を第１の改質領域と捉えると、改質領域Ｍ３が第２の改質領域に相当し、改質領域Ｍ１が第３の改質領域に相当する。この場合には、割れａ２，ｂ２が第１の割れに相当し、割れａ３，ｂ３が第２の割れに相当し、割れａ１，ｂ１が第３の割れに相当する。

ここで、レーザ加工時においては、図１７（ａ）に示すように、シリコンウェハ１１の内部に集光点を合わせてレーザ光を加工対象物１に照射し、その内部に改質領域を形成することにより、シリコンウェハ１１の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して垂直な方向Ｈに内部応力が発生し、加工対象物１に反りが生じることがある。そのため、従来のレーザ加工方法では、図１７（ｂ）に示すように、例えばレーザ光の集光点を切断予定ライン５に沿ってスキャンしているときに、加工対象物１が意図に反して切断されてしまう場合がある。

そこで、本実施形態のレーザ加工方法では、上述のように、シリコンウェハ１１の内部に集光点を合わせて加工対象物１にレーザ光を照射し、切断予定ライン５に沿って、切断の起点となる改質領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を加工対象物の内部に形成し、シリコンウェハ１１の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ライン５を含む面に対して傾斜する方向に割れａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３が連結するように発生させられる。従って、図１７（ｃ）に示すように、レーザ加工時に、これらの割れにより、シリコンウェハ１１における切断予定ライン５を挟んだ両側の部分がそれぞれ噛み合い、改質領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が形成されることで生じる内部応力を低減させることが可能となる。換言すると、割れａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３により割れに沿った凹凸状の面をシリコンウェハ１１に形成させており、当該面に作用するせん断力でもって、内部応力を低減させることができる。その結果、レーザ加工時において、加工対象物１の反りを抑制すると共に加工対象物１が意図に反して切断してしまうことを防止することが可能となる。これにより、レーザ加工装置に搭載されているレーザ光の集光点位置を制御するオートフォーカス機能も加工対象物１の表面を確実に追従することができ、よって、精度良く加工対象物１をレーザ加工することが可能となる。

ところで、シリコンウェハ１１は、上述のように、その表面３の結晶方位が（１１１）面であり、その厚さ方向と異なる方向に割れが延び易い、すなわち厚さ方向と異なる方向に劈開方向を有する結晶構造体である。従って、このような結晶構造体にレーザ加工を施す際、従来のレーザ加工方法では、加工対象物１をその劈開方向によらずに精度良く切断するために、一つの切断予定ラインに沿って改質領域が厚さ方向に重ね合うようにスキャンする場合がある。しかし、この場合、スキャン本数が増加してしまい、また、劈開方向と切断面とが異なるために、加工対象物１を複数の半導体チップに切断するための切断力が大きくなってしまい、製造できるチップサイズが限定されてしまう。

さらに、このような結晶構造体にレーザ加工を施す際、従来のレーザ加工方法では、改質領域をシリコンウェハの表面近傍又は裏面近傍に形成し外力を加えて切断する場合がある。この場合、スキャン回数を低減させることができるが、少なくとも２方向の劈開方向を利用していないため、換言すると厚さ方向と異なる１つの劈開方向のみによって切断されてしまうため、切断したときに、割れがこの１つの劈開方向に大きく成長し、切断面が厚さ方向に対し大きく傾斜したものになってしまう。

これに関し、本実施形態のレーザ加工方法では、シリコンウェハ１１が有する少なくとも２方向の劈開方向を利用し、切断の起点となる改質領域Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３をシリコンウェハ１１の内部に形成する際に、その厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ライン５を含む面に対して傾斜する方向に割れａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３が連結するように発生させている。従って、切断面を劈開方向と一致させ、比較的小さい外力により加工対象物１を切断することができ、その切断面の品質も良好なものとすることが可能である。

図１８は、本実施形態のレーザ加工方法により切断した加工対象物１の切断面の状態を示す断面図である。本実施形態によれば、加工対象物１を切断したとき、その切断面を凹凸状にすることができ、さらに、この切断面における最大凹部深さから最大凸部高さまでは１２〜１３μｍとなり、例えば一般的なディスクリートデバイスの規格値である２０μｍ以下を十分満足することが可能となる。

図１９は、本実施形態のレーザ加工方法による任意の一つの切断予定ライン５に沿ったスキャンの他の例である。この他の例が、図１６に示した上記の例と異なる点は、改質領域Ｍ２を形成したときに、その下端からシリコンウェハ１１の第１劈開方向に延びる割れａ４を発生させ、改質領域Ｍ３を形成したときに、その上端から第２劈開方向に延びる割れｂ４を発生させて、割れａ１，ａ２，ａ４，ｂ１，ｂ２，ｂ４が連結している点である。

この他の例であっても、シリコンウェハ１１の劈開方向に割れを誘導させ、これらの割れにより割れに沿った凹凸状の面を形成しており、レーザ加工時に、シリコンウェハ１１における切断予定ライン５を挟んだ両側の部分をそれぞれ噛み合わせて、加工対象物１の反りを抑制すると共に加工対象物１が意図に反して切断してしまうことを防止するという上記と同様の効果を奏する。このように、割れの方向は、図１６に示した例に限定されるものではなく、シリコンウェハ１１の第１劈開方向及び第２劈開方向のいずれの方向に延びてもよい。さらに、割れの方向は、シリコンウェハ１１が有するその他の劈開方向（すなわち、第１劈開方向及び第２劈開方向と異なる方向であって、シリコンウェハ１１の厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ライン５を含む面に対して傾斜する方向に沿った方向）に延びるものでも勿論良い。ちなみに、この割れの方向については、後述の割れにおいても同様である。

なお、改質領域Ｍ１を第１の改質領域と捉えると、改質領域Ｍ３が第２の改質領域に相当し、改質領域Ｍ２が第３の改質領域に相当する。この場合には、割れａ１，ｂ１が第１の割れに相当し、割れｂ３，ｂ４が第２の割れに相当し、割れａ２，ａ４が第３の割れに相当する。一方、改質領域Ｍ２を第１の改質領域と捉えると、改質領域Ｍ３が第２の改質領域に相当し、改質領域Ｍ１が第３の改質領域に相当する。この場合には、割れａ２，ａ４が第１の割れに相当し、割れｂ３，ｂ４が第２の割れに相当し、割れａ１，ｂ１が第３の割れに相当する。
［第２実施形態］

第２実施形態のレーザ加工方法は、加工対象物として、図１４及び図１５に示したシリコンウェハ１１の厚さを９６μｍとしたシリコンウェハ５１を備えた加工対象物５０としている。そして、シリコンウェハの内部に集光点を合わせて多光子吸収が生じる条件でレーザ光を照射し、切断予定ラインに沿って改質領域を形成する際に、図１６（ｃ）に示した改質領域Ｍ３をシリコンウェハの内部における改質領域Ｍ１と改質領域Ｍ２との間に形成しない点で、第１実施形態のレーザ加工方法と異なっている。

すなわち、図２０（ａ）に示すように、改質領域Ｍ５をシリコンウェハ５１の内部における裏面５１ｂ近傍に形成し、シリコンウェハ５１の第１劈開方向に延びる割れａ５及び第２劈開方向に延びる割れｂ５を改質領域Ｍ５の上端及び下端からそれぞれ発生させる。そして、図２０（ｂ）に示すように、改質領域Ｍ６をシリコンウェハ５１の内部における表面５１ａ近傍に形成し、シリコンウェハ５１の第１劈開方向に延びる割れａ６を改質領域Ｍ６の上端から発生させると共に、割れａ５と連結するように、シリコンウェハ５１の第２劈開方向に延びる割れｂ６を改質領域Ｍ６の下端から発生させる。これにより、割れａ５，ａ６，ｂ５，ｂ６が連結されることになり、これらの割れに沿った凹凸状の面が形成される。

この第２実施形態のレーザ加工方法によっても、レーザ加工時に、シリコンウェハ５１における切断予定ライン５を挟んだ両側の部分をそれぞれ噛み合わせて、加工対象物１の反りを抑制すると共に加工対象物５０が意図に反して切断してしまうことを防止するという上記と同様の効果を奏する。

なお、改質領域Ｍ５が第１の改質領域に相当し、改質領域Ｍ６が第２の改質領域に相当する。割れａ５，ｂ５が第１の割れに相当し、割れａ６，ｂ６が第２の割れに相当する。
［第３実施形態］

第３実施形態のレーザ加工方法は、加工対象物として、図１４及び図１５に示したシリコンウェハ１１の厚さを１６９μｍとしたシリコンウェハ６１を備えた加工対象物６０としている。そして、シリコンウェハの内部に集光点を合わせて多光子吸収が生じる条件でレーザ光を照射し、切断予定ラインに沿って改質領域を形成する際、図１６（ｃ）に示した改質領域Ｍ３をシリコンウェハの内部における改質領域Ｍ１と改質領域Ｍ２との間に形成した後、シリコンウェハの内部における改質領域Ｍ２と改質領域Ｍ３との間に改質領域をさらに形成した点で、第１実施形態のレーザ加工方法と異なっている。

すなわち、図２１（ａ）に示すように、シリコンウェハ６１の内部における裏面６１ｂ近傍に改質領域Ｍ７を形成し、シリコンウェハ６１の第１劈開方向に延びる割れａ７及び第２劈開方向に延びる割れｂ７を改質領域Ｍ７の上端及び下端からそれぞれ発生させる。続いて、図２１（ｂ）に示すように、シリコンウェハ６１の内部における前面６１ａ近傍に改質領域Ｍ８を形成し、シリコンウェハ６１の第１劈開方向に延びる割れａ８及び第２劈開方向に延びる割れｂ８を、改質領域Ｍ８の上端及び下端からそれぞれ発生させる。

次に、図２１（ｃ）に示すように、シリコンウェハ６１の内部における改質領域Ｍ７と改質領域Ｍ８との間の改質領域Ｍ７側に改質領域Ｍ９形成し、シリコンウェハ６１の第１劈開方向に延びる割れａ９を改質領域Ｍ９の上端から発生させ、さらに、改質領域Ｍ７の上端から延びる割れａ７と連結するように、シリコンウェハ６１の第２劈開方向に延びる割れｂ９を改質領域Ｍ９の下端から発生させる。

続いて、図２１（ｄ）に示すように、シリコンウェハ６１の内部における改質領域Ｍ７と改質領域Ｍ８との間の改質領域Ｍ８側に、換言すると、改質領域Ｍ８と改質領域Ｍ９との間に改質領域Ｍ１０形成し、改質領域Ｍ８の下端から延びる割れｂ８と連結するように、シリコンウェハ６１の第１劈開方向に延びる割れａ１０を改質領域Ｍ１０の上端から発生させ、さらに、改質領域Ｍ９の上端から延びる割れａ９と連結するように、シリコンウェハ６１の第２劈開方向に延びる割れｂ１０を改質領域Ｍ１０の下端から発生させる。以上により、割れａ７，ａ８，ａ９，ａ１０，ｂ７，ｂ８，ｂ９，ｂ１０が連結されることになり、これらの割れに沿った凹凸状の面が形成される。

従って、この第３実施形態のレーザ加工方法によれば、レーザ加工時に、シリコンウェハ６１における切断予定ライン５を挟んだ両側の部分をそれぞれ噛み合わせて、改質領域Ｍ７，Ｍ８，Ｍ９，Ｍ１０が形成されることで生じる内部応力を低減させることが可能となる。さらに、本実施形態では、シリコンウェハにおける切断予定ラインを挟んだ両側の部分が噛み合う領域が上記実施形態よりも広いものとなり、内部応力をより一層低減させている。その結果、レーザ加工時において、加工対象物６０の反りをより一層抑制すると共に加工対象物６０が意図に反して切断してしまうことをより一層防止する。

なお、改質領域Ｍ８を第１の改質領域と捉えると、改質領域Ｍ１０が第２の改質領域に相当し、改質領域Ｍ９が第３の改質領域に相当する。この場合には、割れａ８，ｂ８が第１の割れに相当し、割れａ１０，ｂ１０が第２の割れに相当し、割れａ９，ｂ９が第３の割れに相当する。一方、改質領域Ｍ９を第１の改質領域と捉えると、改質領域１０が第２の改質領域に相当し、改質領域Ｍ８が第３の改質領域に相当する。この場合には、割れａ９，ｂ９が第１の割れに相当し、割れａ１０，ｂ１０が第２の割れに相当し、割れａ８，ｂ８が第３の割れに相当する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、加工対象物として、その表面が（１１１）面であるシリコンウェハを用いているが、厚さ方向に異なる方向に劈開面を有するウェハであればよい。さらに、厚さ方向に平行であり、且つ切断予定ラインを含む面に対して傾斜する方向に割れを発生させる場合、厚さ方向に異なる方向に劈開面を有するシリコンウェハでなくともよい。

また、シリコンウェハでなくとも、例えば、ガリウム砒素等の半導体化合物材料、圧電材料、サファイヤ等の結晶性を有する材料でもよい。

本実施形態に係るレーザ加工装置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線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置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線に沿った断面図である。 図３に示す加工対象物のV−V線に沿った断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置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装置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装置の第１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装置の第２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装置の第３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装置の第４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装置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す図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置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。 本発明の第１実施形態に係るレーザ加工方法の対象となる加工対象物をしめす正面図である。 図１４中のXV−XV線に沿っての部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための図である。 図１６に示すレーザ加工方法の作用を説明するための図である。 図１６に示すレーザ加工方法により切断した加工対象物の切断面の状態を示す断面図である。 図１６に示すレーザ加工方法の他の例を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザ加工方法を説明するための図である。 図２１に示すレーザ加工方法の続きを説明するための図である。

符号の説明

１，５０，６０…加工対象物、５…切断予定ライン、ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６，ａ８，ａ９，ａ１０，ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｂ５，ｂ６，ｂ８，ｂ９，ｂ１０…割れ、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ８，Ｍ９，Ｍ１０…改質領域、Ｐ…集光点。

Claims (5)

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、前記加工対象物の切断予定ラインに沿って、切断の起点となる改質領域を前記加工対象物の内部に形成するレーザ加工方法であって、
   前記切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点をスキャンすることにより、前記加工対象物の厚さ方向に平行であり且つ前記切断予定ラインを含む面、に沿って第１の改質領域を前記加工対象物の内部に形成し、前記加工対象物の厚さ方向に平行であり且つ前記切断予定ラインを含む面、に対して傾斜する方向に延びる第１の割れを前記第１の改質領域から発生させる工程と、
   当該切断予定ラインに沿ってレーザ光の集光点をスキャンすることにより、前記加工対象物の厚さ方向に平行であり且つ前記切断予定ラインを含む面、に沿って第２の改質領域を前記加工対象物の内部に形成し、前記第１の割れと交差して連結するように、前記加工対象物の厚さ方向に平行であり且つ前記切断予定ラインを含む面、に対して傾斜する方向に延びる第２の割れを前記第２の改質領域から発生させる工程と、を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 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の改質領域を前記加工対象物の内部に形成し、前記加工対象物の厚さ方向に平行であり且つ前記切断予定ラインを含む面、に対して傾斜する方向に延びる第３の割れを前記第３の改質領域から発生させる工程をさらに含み、
   前記第２の改質領域を形成すると共に前記第２の割れを発生させる工程では、前記第３の割れと連結するように、前記第２の割れを前記第２の改質領域から発生させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工対象物は、その厚さ方向に平行であり且つ前記切断予定ラインを含む面、に対して傾斜する方向に沿った劈開面を有する結晶構造体であることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
4. 前記加工対象物は半導体基板を備え、前記改質領域は溶融処理領域を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のレーザ加工方法。
5. 前記改質領域を切断の起点として前記切断予定ラインに沿って前記加工対象物を切断する工程を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のレーザ加工方法。

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