JP4781661B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断予定ラインに沿って切断す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、複数の機能素子を含む積層部が形成された基板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改質領域を基板の内部に形成し、その改質領域を起点として基板及び積層部を切断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２００３−３３４８１２号公報

上述したようなレーザ加工方法は、基板及び積層部を高精度に切断することができる点で有効な技術である。このような技術に関連し、複数の機能素子を含む積層部が形成された基板の内部に切断予定ラインに沿って改質領域を形成した場合に、その改質領域を起点として、特に積層部のより高精度な切断を可能にする技術が望まれていた。

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、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断するに際し、特に積層部を高精度に切断することができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断予定ラインに沿って切断するレーザ加工方法であって、切断予定ラインに沿って切断すべき低誘電率膜を含む積層部の表面に保護部材を取り付ける工程と、保護部材を取り付けた後に、基板の裏面をレーザ光入射面として基板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、切断の起点となる改質領域を基板の内部に形成し、改質領域から基板の裏面に達せず、かつ改質領域の表面側端部から基板の表面に達すると共に積層部の表面に達しない亀裂を生じさせる工程と、亀裂を生じさせた後に、基板の裏面に拡張可能部材を取り付ける工程と、拡張可能部材を取り付けた後に、拡張可能部材を拡張させることで加工対象物を切断予定ラインに沿って切断す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、積層部の表面に保護部材を取り付けた状態で、基板の裏面をレーザ光入射面とし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改質領域を基板の内部に形成し、改質領域の表面側端部から少なくとも基板の表面に達する亀裂を生じさせる。そして、このような亀裂が生じている状態で、拡張可能部材を基板の裏面に取り付けて拡張させると、基板だけでなく、特に積層部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。従って、このレーザ加工方法によれば、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断するに際し、特に積層部を高精度に切断することができる。そして、低誘電率膜は、機械的強度が低く、他の材料と馴染み難い性質を一般的に有しているため、引き千切れや膜剥がれを起こし易いが、このレーザ加工方法によれば、引き千切れや膜剥がれを防止して、基板と共に低誘電率膜を高精度に切断することができる。

なお、機能素子とは、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を意味する。また、改質領域は、基板の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射して、多光子吸収或いはそれと同等の光吸収を基板の内部で生じさせることにより形成される。

また、上記レーザ加工方法においては、改質領域の表面側端部から積層部の内部に達する亀裂を生じさせてもよい。

また、基板の厚さ方向において、改質領域の中心が基板の中心より基板の表面側に位置するように改質領域を形成することが好ましい。このように改質領域を形成することで、改質領域の表面側端部から少なくとも基板の表面に達する亀裂を生じさせ易くすることができる。

ここで、基板は半導体基板であり、改質領域は溶融処理領域を含む場合がある。この溶融処理領域は上述した改質領域の一例であるため、この場合にも、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断するに際し、特に積層部を高精度に切断することができる。

また、基板は半導体基板であり、改質領域は、溶融処理領域と、その溶融処理領域に対して基板の表面側に位置する微小空洞とを含む場合がある。この溶融処理領域及び微小空洞は上述した改質領域の一例であるため、この場合にも、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断するに際し、特に積層部を高精度に切断することができる。

本発明によれば、基板と、機能素子を含んで基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断するに際し、特に積層部を高精度に切断することができる。

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、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）〜（４）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）改質領域が溶融処理領域及び微小空洞の場合
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、加工対象物の内部には溶融処理領域と微小空洞とが形成される場合がある。なお、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。

図１４に示すように、シリコンウェハ１１の表面３側からレーザ光Ｌを入射させた場合、微小空洞１４は、溶融処理領域１３に対して裏面２１側に形成される。図１４では、溶融処理領域１３と微小空洞１４とが離れて形成されているが、溶融処理領域１３と微小空洞１４とが連続して形成される場合もある。つまり、多光子吸収によって溶融処理領域１３及び微小空洞１４が対になって形成される場合、微小空洞１４は、溶融処理領域１３に対してシリコンウェハ１１におけるレーザ光入射面の反対側に形成されることになる。

このように、シリコンウェハ１１にレーザ光Ｌを透過させシリコンウェハ１１の内部に多光子吸収を発生させて溶融処理領域１３を形成した場合に、それぞれの溶融処理領域１３に対応した微小空洞１４が形成される原理については必ずしも明らかではない。ここでは、溶融処理領域１３及び微小空洞１４が対になった状態で形成される原理に関して本発明者らが想定する２つの仮説を説明する。

本発明者らが想定する第１の仮説は次の通りである。すなわち、図１５に示すように、シリコンウェハ１１の内部の集光点Ｐに焦点を合わせてレーザ光Ｌを照射すると、集光点Ｐの近傍に溶融処理領域１３が形成される。従来は、このレーザ光Ｌとして、レーザ光源から照射されるレーザ光Ｌの中心部分の光（図１５中、Ｌ４及びＬ５に相当する部分の光）を使用することとしていた。これは、レーザ光Ｌのガウシアン分布の中心部分を使用するためである。

本発明者らはレーザ光Ｌがシリコンウェハ１１の表面３に与える影響をおさえるためにレーザ光Ｌを広げることとした。その一手法として、レーザ光源から照射されるレーザ光Ｌを所定の光学系でエキスパンドしてガウシアン分布の裾野を広げて、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）のレーザ強度を相対的に上昇させることとした。このようにエキスパンドしたレーザ光Ｌをシリコンウェハ１１に透過させると、既に説明したように集光点Ｐの近傍では溶融処理領域１３が形成され、その溶融処理領域１３に対応した部分に微小空洞１４が形成される。つまり、溶融処理領域１３と微小空洞１４とはレーザ光Ｌの光軸（図１５中の一点鎖線）に沿った位置に形成される。微小空洞１４が形成される位置は、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）が理論上集光される部分に相当する。

このようにレーザ光Ｌの中心部分の光（図１５中、Ｌ４及びＬ５に相当する部分の光）と、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）とがそれぞれ集光される部分がシリコンウェハ１１の厚さ方向において異なるのは、レーザ光Ｌを集光するレンズの球面収差によるものと考えられる。本発明者らが想定する第１の仮説は、この集光位置の差が何らかの影響を及ぼしているのではないかというものである。

本発明者らが想定する第２の仮説は、レーザ光Ｌの周辺部分の光（図１５中、Ｌ１〜Ｌ３及びＬ６〜Ｌ８に相当する部分の光）が集光される部分は理論上のレーザ集光点であるから、この部分の光強度が高く微細構造変化が起こっているためにその周囲が実質的に結晶構造が変化していない微小空洞１４が形成され、溶融処理領域１３が形成されている部分は熱的な影響が大きく単純に溶解して再固化したというものである。

ここで、溶融処理領域１３は上記（２）で述べた通りのものであるが、微小空洞１４は、その周囲が実質的に結晶構造が変化していないものである。シリコンウェハ１１がシリコン単結晶構造の場合には、微小空洞１４の周囲はシリコン単結晶構造のままの部分が多い。

本発明者らは、シリコンウェハ１１の内部で溶融処理領域１３及び微小空洞１４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１００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数：４０ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
パルスピッチ：７μｍ
加工深さ：８μｍ
パルスエネルギー：５０μＪ／パルス
（Ｃ）集光用レンズ
ＮＡ：０．５５
（Ｄ）加工対象物が載置される載置台の移動速度：２８０ｍｍ／秒

図１６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１１の切断面の写真を表した図である。図１６において（ａ）と（ｂ）とは同一の切断面の写真を異なる縮尺で示したものである。同図に示すように、シリコンウェハ１１の内部には、１パルスのレーザ光Ｌの照射により形成された溶融処理領域１３及び微小空洞１４の対が、切断面に沿って（すなわち、切断予定ラインに沿って）所定のピッチで形成されている。

なお、図１６に示す切断面の溶融処理領域１３は、シリコンウェハ１１の厚さ方向（図中の上下方向）の幅が１３μｍ程度で、レーザ光Ｌを移動する方向（図中の左右方向）の幅が３μｍ程度である。また、微小空洞１４は、シリコンウェハ１１の厚さ方向の幅が７μｍ程度で、レーザ光Ｌを移動する方向の幅が１．３μｍ程度である。溶融処理領域１３と微小空洞１４との間隔は１．２μｍ程度である。

（４）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）〜（４）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１７は、本実施形態のレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図であり、図１８は、図１７に示す加工対象物のXVIII−XVIII線に沿っての部分断面図である。図１７を参照すると、ウェハである加工対象物１は、平板状であり略円盤状を呈している。この加工対象物１の表面には、縦横に交差する複数の切断予定ライン５が設定されている（格子状の切断予定ライン）。切断予定ライン５は、加工対象物１を複数のチップ状の部分に切断するために想定される仮想線である。

図１７及び図１８に示すように、加工対象物１は、３０μｍ〜１５０μｍの厚さを有するシリコン製の基板４と、複数の機能素子１５を含んで基板４の表面４ａに形成された積層部１６とを備えている。機能素子１５は、基板４の表面４ａに積層された層間絶縁膜１７ａと、層間絶縁膜１７ａ上に形成された配線層１９ａと、配線層１９ａを覆うように層間絶縁膜１７ａ上に積層された層間絶縁膜１７ｂと、層間絶縁膜１７ｂ上に形成された配線層１９ｂとを有している。配線層１９ａと基板４とは、層間絶縁膜１７ａを貫通する導電性プラグ２０ａによって電気的に接続され、配線層１９ｂと配線層１９ａとは、層間絶縁膜１７ｂを貫通する導電性プラグ２０ｂによって電気的に接続されている。

なお、機能素子１５は、基板４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が、層間絶縁膜１７ａ，１７ｂは、基板４の表面４ａ全体を覆うように隣り合う機能素子１５，１５間に渡って形成されている。

以上のように構成された加工対象物１を以下のようにして機能素子１５毎に切断する。まず、図１９（ａ）に示すように、各機能素子１５を覆うように積層部１６の表面１６ａに保護テープ（保護部材）２２を貼り付ける。続いて、図１９（ｂ）に示すように、基板４の裏面４ｂを上方に向けて加工対象物１をレーザ加工装置の載置台（図示せず）上に固定する。このとき、積層部１６が載置台に直接接触することが保護テープ２２によって避けられるため、各機能素子１５を保護することができる。

そして、隣り合う機能素子１５，１５間を通るように切断予定ライン５を格子状に設定し（図１７の破線参照）、基板４の裏面４ｂをレーザ光入射面として基板４の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを多光子吸収が生じる条件で照射しながら、載置台の移動により切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐをスキャンする。これにより、切断の起点となる改質領域７を、その表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離（特に断りがない限り、基板４の厚さ方向における距離を意味する）が３μｍ〜４０μｍとなるように基板４の内部に形成する。このような条件で改質領域７を形成すると、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４が生じることになる。

このように、加工対象物１にレーザ光Ｌを照射するに際して、基板４の裏面４ｂをレーザ光入射面とするため、積層部１６の切断予定ライン５上にレーザ光Ｌを反射する部材（例えば、ＴＥＧ）が存在しても、改質領域７を切断予定ライン５に沿って基板４の内部に確実に形成することができる。なお、基板４はシリコンからなる半導体基板であるため、改質領域７は溶融処理領域１３である。また、ここでは、１本の切断予定ライン５に対して１列の割合で基板４の内部に改質領域７を形成する。

改質領域７を形成して亀裂２４を生じさせた後、図２０（ａ）に示すように、基板４の裏面４ｂにエキスパンドテープ（拡張可能部材）２３を貼り付ける。続いて、図２０（ｂ）に示すように、保護テープ２２に紫外線を照射して、その粘着力を低下させ、図２１（ａ）に示すように積層部１６の表面１６ａから保護テープ２２を剥がす。

保護テープ２２を剥がした後、図２１（ｂ）に示すように、エキスパンドテープ２３を拡張させて、改質領域７を起点として割れを生じさせ、基板４及び積層部１６を切断予定ライン５に沿って切断すると共に、切断されて得られた各半導体チップ２５を互いに離間させる。これにより、基板４と、機能素子１５を含んで基板４の表面４ａに形成された積層部１６とを備え、表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離が３μｍ〜４０μｍとなるように改質領域７が基板４の側面４ｃに形成された半導体チップ２５を得ることができる。

以上説明したように、上記レーザ加工方法においては、積層部１６の表面１６ａに保護テープ２２を貼り付けた状態で、基板４の裏面４ｂをレーザ光入射面としてレーザ光Ｌを照射することにより、切断予定ライン５に沿って改質領域７を基板４の内部に形成し、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせる。そして、このような亀裂２４が生じている状態で、エキスパンドテープ２３を基板４の裏面４ｂに貼り付けて拡張させると、基板４だけでなく、切断予定ライン５上の積層部１６、すなわち層間絶縁膜１７ａ，１７ｂを切断予定ライン５に沿って精度良く切断することができる。つまり、切断されて得られた半導体チップ２５は、図２１（ｂ）に示すように、改質領域７が形成された基板４の側面４ｃに対応する積層部１６の端部１６ｃも高精度に切断されたものとなる。

また、上記加工対象物１においては、基板４が３０μｍ〜１５０μｍの厚さを有するが、このように基板４の厚さが３０μｍ〜１５０μｍであると、１列の改質領域７を起点として、積層部１６だけでなく、基板４をもより高精度に切断することができる。

なお、上記レーザ加工方法においては、切断予定ライン５に沿って改質領域７を基板４の内部に形成することにより、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせたが、図２２に示すように、改質領域７の表面側端部７ａから積層部１６の内部に達する亀裂２４を生じさせてもよいし、図２３に示すように、改質領域７の表面側端部７ａから積層部１６の表面１６ａに達する亀裂２４を生じさせてもよい。つまり、切断予定ライン５に沿って改質領域７を基板４の内部に形成することにより、改質領域７の表面側端部７ａから少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせれば、基板４と、機能素子１５を含んで基板４の表面４ａに形成された積層部１６とを備える加工対象物１を切断するに際し、特に積層部１６を高精度に切断することができる。

また、上記レーザ加工方法においては、表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離が３μｍ〜４０μｍとなるように改質領域７を基板４の内部に形成したが、基板４の厚さ方向において、改質領域７の中心が基板４の中心より基板４の表面４ａ側に位置するように改質領域７を形成してもよい。このように改質領域７を形成することで、改質領域７の表面側端部７ａから少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせ易くすることができる。

次に、改質領域７の表面側端部７ａから少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた場合に積層部１６を高精度に切断することができる理由について説明する。なお、ここでは、シリコン製の基板４の表面４ａに積層部１６として低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）が積層されているものとする。

（１）改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた場合
図２４は、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた場合に低誘電率膜２６を高精度に切断することができる第１の理由を説明するための加工対象物１の部分断面図である。

図２４（ａ）に示すように、改質領域７の裏面側端部７ｂから基板４の裏面４ｂに達する亀裂２４を生じさせた状態でエキスパンドテープ２３を拡張させると、非常にスムーズに亀裂２４が基板４の表面４ａ側に延びる。そのため、改質領域７の裏面側端部７ｂから基板４の裏面４ｂに達する亀裂２４を生じさせた状態は、基板４を切断し易い状態であるといえる。

一方、図２４（ｂ）に示すように、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた状態は、改質領域７の裏面側端部７ｂから基板４の裏面４ｂに達する亀裂２４を生じさせた状態に比べ、基板２４を切断し難い状態であるといえる。

改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた状態、すなわち基板２４を切断し難い状態でエキスパンドテープ２３を拡張させると、エキスパンドテープ２３の拡張に伴って徐々にではなく、一気に基板４が切断されることになる。これにより、低誘電率膜２６は、機械的強度が低く、他の材料と馴染み難い性質を一般的に有しているため、引き千切れや膜剥がれを起こし易いものの、それらを防止して、低誘電率膜２６を基板４と共に高精度に切断することができると考えられる。

図２５は、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた場合に低誘電率膜２６を高精度に切断することができる第２の理由を説明するための加工対象物１の部分断面図である。

図２５（ａ）に示すように、改質領域７の裏面側端部７ｂから基板４の裏面４ｂに達する亀裂２４を生じさせた状態でエキスパンドテープ２３を拡張させると、エキスパンドテープ２３の拡張に伴って徐々に基板４が切断される。そのため、亀裂２４が低誘電率膜２６に達した際には、低誘電率膜２６は谷折り方向に反り、そのままの状態で引き裂かれることになる。

一方、図２５（ｂ）に示すように、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた状態でエキスパンドテープ２３を拡張させると、基板４に所定の拡張力が作用した時点で一気に基板４が切断される。そのため、低誘電率膜２６が谷折り方向に反った状態で引き裂かれることが防止される。

従って、改質領域７の裏面側端部７ｂから基板４の裏面４ｂに達する亀裂２４を生じさせた状態よりも、改質領域７の表面側端部７ａから基板４の表面４ａに達する亀裂２４を生じさせた状態の方が、低誘電率膜２６を基板４と共に高精度に切断することができると考えられる。

（２）改質領域７の表面側端部７ａから低誘電率膜２６の表面２６ａに達する亀裂２４を生じさせた場合
図２６は、改質領域７の表面側端部７ａから低誘電率膜２６の表面２６ａに達する亀裂２４を生じさせた場合に低誘電率膜２６を高精度に切断することができる理由を説明するための加工対象物１の部分断面図である。同図に示すように、この場合、切断予定ライン５に沿って改質領域７を基板４の内部に形成した時点で、低誘電率膜２６が切断されていることになる。従って、引き千切れや膜剥がれを防止して、低誘電率膜２６を高精度に切断することができると考えられる。

上記（１），（２）の各場合における切断結果は次の通りである。図２７に示すように、基板４の表面４ａに亀裂２４が達していた場合、及び低誘電率膜２６の表面２６ａに亀裂２４が達していた場合共に、低誘電率膜２６を極めて高精度に切断することができた（下段の写真参照）。そして、切断予定ライン５上にＡｌパッド２７が形成されていた部分においても、低誘電率膜２６の引き千切れを５μｍ未満に抑制することができた（中断の写真参照）。

なお、改質領域７の表面側端部距離とは、改質領域７の表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離を意味し、改質領域７の裏面側端部距離とは、改質領域７の裏面側端部７ｂの位置と基板４の裏面４ｂとの距離を意味する。また、改質領域７の幅とは、改質領域７の表面側端部７ａの位置と裏面側端部７ｂの位置との距離を意味する。そして、改質領域７の表面側端部７ａの位置とは、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７の「基板４の表面４ａ側の端部」の「基板４の厚さ方向における平均的位置」を意味し、改質領域７の裏面側端部７ｂの位置とは、切断予定ライン５に沿って形成された改質領域７の「基板４の裏面４ｂ側の端部」の「基板４の厚さ方向における平均的位置」を意味する（図２７の上段の写真参照）。

次に、改質領域７の表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離と、基板４の状態との関係について説明する。

図２８〜図３１は、それぞれ厚さ３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍの基板４についての「改質領域７の表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離と、基板４の状態との関係」を示す図である。

各図において、（ａ）は切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐを１回スキャンした場合であり、（ｂ）は切断予定ライン５に沿ってレーザ光Ｌの集光点Ｐを２回スキャンした場合である。また、基板４の状態ＤＭは、基板４の表面４ａに点々とダメージが現れた状態であり、基板４の状態ＦＬは、基板４の表面４ａに亀裂２４が達した状態である。更に、基板４の状態ＳＴは、基板４の表面４ａにも裏面４ｂにも何ら変化が現れなかった状態であり、基板４の状態ＨＣは、基板４の裏面４ｂに亀裂２４が達した状態である。

なお、「改質領域７の表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離と、基板４の状態との関係」を検証するに際しては、基板４としてシリコン製のベアウェハを用いた。また、切断予定ライン５に沿ったレーザ光Ｌの照射条件は次の通りである。
繰り返し周波数：８０ｋＨｚ
パルス幅：１５０ｎｓ
パルスエネルギー：１５μＪ
加工速度（基板４に対する集光点Ｐの移動速度）：３００ｍｍ／秒

図２８（ａ）〜図３１（ａ）から明らかなように、切断予定ライン５に沿ったレーザ光Ｌの照射が１回の場合には、改質領域７の表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離が３μｍ〜３５μｍとなるように改質領域７を形成すると、改質領域７の表面側端部７ａから少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４を確実に生じさせることができる（基板４の状態ＦＬ）。

また、図２８（ｂ）〜図３１（ｂ）から明らかなように、切断予定ライン５に沿ったレーザ光Ｌの照射が２回の場合には、改質領域７の表面側端部７ａの位置と基板４の表面４ａとの距離が３μｍ〜４０μｍとなるように改質領域７を形成すると、改質領域７の表面側端部７ａから少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４を確実に生じさせることができる（基板４の状態ＦＬ）。

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、図３２に示すように、改質領域７の表面側端部７ａが基板４の表面４ａに筋状に延びるように、切断予定ライン５に沿って改質領域７を基板４の内部に形成してもよい（図３２において（ａ）と（ｂ）とは同一の切断面の写真を異なる縮尺で示したものである）。このように改質領域７を形成すると、改質領域７の表面側端部７ａから少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４が生じることになる。そして、このような亀裂２４が生じている状態で、エキスパンドテープ２３を基板４の裏面４ｂに貼り付けて拡張させると、基板４だけでなく、特に積層部１６（図３２では、低誘電率膜２６）を切断予定ライン５に沿って精度良く切断することができる。なお、積層部１６において切断予定ライン５上に、レーザ光Ｌを反射する部材（例えば、金属配線や金属パッド等）が存在していると、改質領域７の表面側端部７ａが基板４の表面４ａに筋状に延びることが多い。

また、上記実施形態は、シリコンウェハ等の半導体基板の内部に改質領域７として溶融処理領域１３を形成する場合であったが、改質領域７として、溶融処理領域１３と、その溶融処理領域１３に対して基板４の表面４ａ側に位置する微小空洞１４とを形成してもよい。このように、溶融処理領域１３に対して基板４の表面４ａ側に微小空洞１４が形成されると、少なくとも基板４の表面４ａに達する亀裂２４の直進性が向上し、その結果として、特に積層部１６を切断予定ライン５に沿ってより精度良く切断することができる。

また、上記実施形態は、基板４の内部で多光子吸収を生じさせて改質領域７を形成した場合であったが、基板４の内部で多光子吸収と同等の光吸収を生じさせて改質領域７を形成することができる場合もある。

また、切断予定ライン上に形成される積層部として、有機絶縁膜や無機絶縁膜、それらの複合膜、低誘電率膜、ＴＥＧや金属配線や電極等の導電膜等が考えられ、それらが１層以上形成されているものを含む。

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方法の第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方法の第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方法の第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により溶融処理領域及び微小空洞が形成されたシリコンウェハの断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成される原理を説明するためのシリコンウェハの断面図である。 本実施形態に係るレーザ加工方法により溶融処理領域及び微小空洞が形成されたシリコンウェハの切断面の写真を表した図である。 本実施形態のレーザ加工方法の対象となる加工対象物の平面図である。 図１７に示す加工対象物のXVIII−XVIII線に沿っての部分断面図である。 本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、（ａ）は加工対象物に保護テープを貼り付けた状態、（ｂ）は加工対象物にレーザ光を照射している状態である。 本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、（ａ）は加工対象物にエキスパンドテープを貼り付けた状態、（ｂ）は保護テープに紫外線を照射している状態である。 本実施形態のレーザ加工方法を説明するための加工対象物の部分断面図であり、（ａ）は加工対象物から保護テープを剥がした状態、（ｂ）はエキスパンドテープを拡張させた状態である。 改質領域の表面側端部から積層部の内部に達する亀裂が生じた加工対象物の部分断面図である。 改質領域の表面側端部から積層部の表面に達する亀裂が生じた加工対象物の部分断面図である。 改質領域の表面側端部から基板の表面に達する亀裂を生じさせた場合に低誘電率膜を高精度に切断することができる第１の理由を説明するための加工対象物の部分断面図である。 改質領域の表面側端部から基板の表面に達する亀裂を生じさせた場合に低誘電率膜を高精度に切断することができる第２の理由を説明するための加工対象物の部分断面図である。 改質領域の表面側端部から低誘電率膜の表面に達する亀裂を生じさせた場合に低誘電率膜を高精度に切断することができる理由を説明するための加工対象物の部分断面図である。 基板の表面に亀裂が達していた場合、及び低誘電率膜の表面に亀裂が達していた場合の加工対象物の切断結果を示す写真を表した図である。 厚さ３０μｍの基板についての「改質領域の表面側端部の位置と基板の表面との距離と、基板の状態との関係」を示す図である。 厚さ５０μｍの基板についての「改質領域の表面側端部の位置と基板の表面との距離と、基板の状態との関係」を示す図である。 厚さ１００μｍの基板についての「改質領域の表面側端部の位置と基板の表面との距離と、基板の状態との関係」を示す図である。 厚さ１５０μｍの基板についての「改質領域の表面側端部の位置と基板の表面との距離と、基板の状態との関係」を示す図である。 改質領域の表面側端部が基板の表面に筋状に延びるように改質領域が形成された基板の切断面の写真を表した図である。

符号の説明

１…加工対象物、４…基板、４ａ…基板の表面、４ｂ…基板の裏面、４ｃ…基板の側面、５…切断予定ライン、７…改質領域、７ａ…改質領域の表面側端部、１３…溶融処理領域、１４…微小空洞、１５…機能素子、１６…積層部、１６ａ…積層部の表面、２２…保護テープ（保護部材）、２３…エキスパンドテープ（拡張可能部材）、２４…亀裂、２５…半導体チップ、２６…低誘電率膜、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (5)

1. 基板と、機能素子を含んで前記基板の表面に形成された積層部とを備える加工対象物を切断予定ラインに沿って切断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切断すべき低誘電率膜を含む前記積層部の表面に保護部材を取り付ける工程と、
   前記保護部材を取り付けた後に、前記基板の裏面をレーザ光入射面として前記基板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、切断の起点となる改質領域を前記基板の内部に形成し、前記改質領域から前記基板の裏面に達せず、かつ前記改質領域の表面側端部から前記基板の表面に達すると共に前記積層部の表面に達しない亀裂を生じさせる工程と、
   前記亀裂を生じさせた後に、前記基板の裏面に拡張可能部材を取り付ける工程と、
   前記拡張可能部材を取り付けた後に、前記拡張可能部材を拡張させることで前記加工対象物を前記切断予定ラインに沿って切断する工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記改質領域の表面側端部から前記積層部の内部に達する前記亀裂を生じ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. 前記基板の厚さ方向において、前記改質領域の中心が前記基板の中心より前記基板の表面側に位置するように前記改質領域を形成す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. 前記基板は半導体基板であり、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のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
5. 前記基板は半導体基板であり、前記改質領域は、溶融処理領域と、その溶融処理領域に対して前記基板の表面側に位置する微小空洞とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工方法。

Images