特開 2024-136181 レーザ加工方法、レーザ加工装置及びレーザ光源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136181

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】レーザ加工方法、レーザ加工装置及びレーザ光源

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/301 20060101AFI20240927BHJP

   B23K 26/53 20140101ALI20240927BHJP

   B23K 26/0622 20140101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01L21/78 B

B23K26/53

B23K26/0622

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047206

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】植木原 明

(72)【発明者】

【氏名】大村 悦二

【テーマコード（参考）】

4E168

5F063

【Ｆターム（参考）】

4E168CA06

4E168CA13

4E168CB07

4E168DA02

4E168DA24

4E168DA52

4E168HA01

4E168JA12

5F063AA05

5F063AA22

5F063BA45

5F063DD27

5F063DD32

(57)【要約】

【課題】内部集光加工の加工性能を維持しつつ低いパルスエネルギー（パワー）での内部集光加工が可能になるレーザ加工方法、レーザ加工装置及びレーザ光源を提供する。
【解決手段】被加工物（ウェーハＷ）の内部にレーザ加工領域Ｐを形成するパルスレーザ光Ｌのパルス波形Ｆが、パルスレーザ光Ｌのパワーが最大値（ピークパワーＰｍａｘ）まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形ＳＴ１と、パワーが基準値（ベースパワーＰｂ）まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形Ｓｔ２と、パワーが基準値を下回ることなく所定の変動範囲内で維持される第３段階波形ＳＴ３と、を含み、基準値が最大値の３０％から６０％の範囲内であり、時間ｔ０がパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、時間ｔ１がパルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、最大値の半値に対応する時間ｔｐがパルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内である。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被加工物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を前記被加工物に照射して、前記被加工物のストリートに沿って前記被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工方法において、
前記パルスレーザ光のパルス波形が、
前記パルスレーザ光のパワーが最大値まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形と、
前記第１段階波形の後で前記パワーが前記最大値から前記最大値よりも低い基準値まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形と、
前記第２段階波形の後で前記パワーが前記基準値を下回ることなく前記基準値に対して予め定められた変動範囲内で維持される第３段階波形と、
を含み、
前記基準値が前記最大値の３０％から６０％の範囲内であり、
前記時間ｔ０が前記パルス波形のパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、
前記時間ｔ１が前記パルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、
前記パルス波形において前記最大値の半値に対応する第１半値幅に相当する時間ｔｐが前記パルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内であるレーザ加工方法。

【請求項2】

前記パルス波形において前記最大値の半値になる半値位置の一方が前記第１段階波形に含まれて前記半値位置の他方が前記第２段階波形に含まれており、
前記第２段階波形では、前記最大値から前記半値位置の他方までの前記パワーの減少率が、前記半値位置の他方から前記基準値までの前記パワーの減少率よりも大きくなる請求項１に記載のレーザ加工方法。

【請求項3】

前記第３段階波形では、前記パワーが前記基準値で一定に維持される請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。

【請求項4】

前記パルス幅ｔｅは、前記パルス波形において前記基準値の半値に対応する第２半値幅である請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。

【請求項5】

被加工物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を前記被加工物に照射して、前記被加工物のストリートに沿って前記被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工装置において、
前記パルスレーザ光を出射するレーザ光源を備え、
前記パルスレーザ光のパルス波形が、
前記パルスレーザ光のパワーが最大値まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形と、
前記第１段階波形の後で前記パワーが前記最大値から前記最大値よりも低い基準値まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形と、
前記第２段階波形の後で前記パワーが前記基準値を下回ることなく前記基準値に対して予め定められた変動範囲内で維持される第３段階波形と、
を含み、
前記基準値が前記最大値の３０％から６０％の範囲内であり、
前記時間ｔ０が前記パルス波形のパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、
前記時間ｔ１が前記パルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、
前記パルス波形において前記最大値の半値に対応する第１半値幅に相当する時間ｔｐが前記パルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内であるレーザ加工装置。

【請求項6】

被加工物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を前記被加工物に照射して、前記被加工物のストリートに沿って前記被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工装置に用いられ、前記パルスレーザ光を出射するレーザ光源において、
前記パルスレーザ光のパルス波形が、
前記パルスレーザ光のパワーが最大値まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形と、
前記第１段階波形の後で前記パワーが前記最大値から前記最大値よりも低い基準値まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形と、
前記第２段階波形の後で前記パワーが前記基準値を下回ることなく前記基準値に対して予め定められた変動範囲内で維持される第３段階波形と、
を含み、
前記基準値が前記最大値の３０％から６０％の範囲内であり、
前記時間ｔ０が前記パルス波形のパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、
前記時間ｔ１が前記パルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、
前記パルス波形において前記最大値の半値に対応する第１半値幅に相当する時間ｔｐが前記パルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内であるレーザ光源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工方法及びレーザ加工装置と、このレーザ加工装置に用いられるレーザ光源とに関する。

【背景技術】

【0002】

被加工物であるシリコンウェーハ（以下、ウェーハと略す）は、複数のデバイスが格子状のストリート（加工ライン、切断予定ラインともいう）によって格子状に区画されており、ウェーハをストリートに沿って分割（割断）することで個々のデバイスが製造される。ウェーハを複数のデバイス（チップ）に分割する分割工程の前工程として、レーザ加工装置によるウェーハのレーザ加工が実行される。

【0003】

例えば特許文献１に記載のレーザ加工装置は、レーザ加工として、レーザエンジンの対物レンズの焦点位置をウェーハの内部に合わせた状態でこのレーザエンジンからパルスレーザ光をストリートに沿って照射する内部集光加工を実行することで、ストリートに沿ってウェーハの内部に切断の起点となるレーザ加工領域を形成する。これにより、レーザ加工領域からウェーハの厚さ方向に亀裂（クラックともいう）が伸展するので、分割工程においてウェーハが各デバイスに割断される。

【0004】

ここで一般的なパルスレーザ光のパルス波形（パルス形状）は山型又は台形型であるが、特許文献１に記載のレーザ加工装置では、分割工程でウェーハを分割する際の分割力（亀裂の延び易さ）を高めるためにパルス波形を最適化している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１－２５１３１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

内部集光加工でパルスレーザ光をウェーハの内部に集光すると、ウェーハの内部にボイドが形成され、そのボイド上部からパルスレーザ光の入射方向に向けてレーザ加工領域が形成される。この際に、ボイドの形成に必要なエネルギーとレーザ加工領域の形成に必要なエネルギーとはそれぞれ必要とされる順序が異なり、さらにエネルギー量も異なる。このため、一般的な山型のパルス波形のパルスレーザ光を使用して内部集光加工を実行した場合には、ボイド形成およびレーザ加工領域形成に寄与しない余分なエネルギーが発生してしまう。その結果、その余分なエネルギーがレーザ加工領域形成の妨げになったり、内部集光加工で使用されずにウェーハ表面（ウェーハ裏面からのパルスレーザ光の入射の場合）に形成されている電極層に熱ダメージを与えたり、ウェーハ裏面に熱ダメージを与えたりするおそれがある。さらにパルスレーザ光のエネルギー（パワー）が高くなると、レーザエンジンの寿命が短くなるおそれがある。なお、発明者は２枚のウェーハを密着させて、ボイドとレーザ加工領域が、それぞれ異なるウェーハ内に形成できることを確認している。これはボイドがレーザ加工領域形成に必須ではないことを示唆していると考えられる。

【0007】

上記特許文献１に記載のレーザ加工装置では、既述の分割力を高めるためにパルス波形を最適化しているが、内部集光加工で発生する上述の余分なエネルギーについては一切考慮してはいない。このため、特許文献１に記載のレーザ加工装置においても、余分なエネルギーに起因してレーザ加工領域の形成が妨げられたり、電極層及びウェーハ裏面に熱ダメージが与えられたり、或いはレーザエンジンの寿命が短くなったりするおそれがある。

【0008】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、内部集光加工の加工性能を維持しつつ低いパルスエネルギー（パワー）での内部集光加工が可能になるレーザ加工方法、レーザ加工装置及びレーザ光源を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の目的を達成するためのレーザ加工方法は、被加工物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を被加工物に照射して、被加工物のストリートに沿って被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工方法において、パルスレーザ光のパルス波形が、パルスレーザ光のパワーが最大値まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形と、第１段階波形の後でパワーが最大値から最大値よりも低い基準値まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形と、第２段階波形の後でパワーが基準値を下回ることなく基準値に対して予め定められた変動範囲内で維持される第３段階波形と、を含み、基準値が最大値の３０％から６０％の範囲内であり、時間ｔ０がパルス波形のパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、時間ｔ１がパルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、パルス波形において最大値の半値に対応する第１半値幅に相当する時間ｔｐがパルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内である。

【0010】

このレーザ加工方法によれば、被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するのに要するエネルギーを減少させつつ、従来と同様にレーザ加工領域を形成することができる。

【0011】

本発明の他の態様に係るレーザ加工方法において、パルス波形において最大値の半値になる半値位置の一方が第１段階波形に含まれて半値位置の他方が第２段階波形に含まれており、第２段階波形では、最大値から半値位置の他方までのパワーの減少率が、半値位置の他方から基準値までのパワーの減少率よりも大きくなる。

【0012】

本発明の他の態様に係るレーザ加工方法において、第３段階波形では、パワーが基準値で一定に維持される。これにより、レーザ加工領域の形成に最適なパルス波形でレーザ加工領域を形成することができる。

【0013】

本発明の他の態様に係るレーザ加工方法において、パルス幅ｔｅは、パルス波形において基準値の半値に対応する第２半値幅である。

【0014】

本発明の目的を達成するためのレーザ加工装置は、被加工物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を被加工物に照射して、被加工物のストリートに沿って被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工装置において、パルスレーザ光を出射するレーザ光源を備え、パルスレーザ光のパルス波形が、パルスレーザ光のパワーが最大値まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形と、第１段階波形の後でパワーが最大値から最大値よりも低い基準値まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形と、第２段階波形の後でパワーが基準値を下回ることなく基準値に対して予め定められた変動範囲内で維持される第３段階波形と、を含み、基準値が最大値の３０％から６０％の範囲内であり、時間ｔ０がパルス波形のパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、時間ｔ１がパルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、パルス波形において最大値の半値に対応する第１半値幅に相当する時間ｔｐがパルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内である。

【0015】

本発明の目的を達成するためのレーザ光源は、被加工物の内部に集光点を合わせてパルスレーザ光を被加工物に照射して、被加工物のストリートに沿って被加工物の内部にレーザ加工領域を形成するレーザ加工装置に用いられ、パルスレーザ光を出射するレーザ光源において、パルスレーザ光のパルス波形が、パルスレーザ光のパワーが最大値まで時間ｔ０で立ち上がる第１段階波形と、第１段階波形の後でパワーが最大値から最大値よりも低い基準値まで時間ｔ１で立ち下がる第２段階波形と、第２段階波形の後でパワーが基準値を下回ることなく基準値に対して予め定められた変動範囲内で維持される第３段階波形と、を含み、基準値が最大値の３０％から６０％の範囲内であり、時間ｔ０がパルス波形のパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内であり、時間ｔ１がパルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内であり、パルス波形において最大値の半値に対応する第１半値幅に相当する時間ｔｐがパルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内である。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、内部集光加工の加工性能を維持しつつ低いパルスエネルギーでの内部集光加工が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】レーザ加工装置の概略図である。

【図2】レーザ加工装置による加工対象のウェーハの平面図である。

【図3】図２に示したウェーハの一部の断面図である。

【図4】制御装置の機能ブロック図である。

【図5】符号５Ａは内部集光加工中にウェーハの内部に形成されるレーザ加工領域を説明するための説明図であり、符号５Ｂは内部集光加工後のウェーハの裏面の一部を示した説明図である。

【図6】ウェーハの内部への複数層のレーザ加工領域の形成を説明するための説明図である。

【図7】パルスレーザ光の１パルス分の波形を示すパルス波形の一例を示したグラフである。

【図8】第１評価試験を説明するための説明図であって、ウェーハの裏面をその正面側から見た図である。

【図9】符号９Ａは比較例の内部集光加工を説明するため説明図であり、符号９Ｂは比較例の内部集光加工後のウェーハの裏面の拡大図である。

【図10】符号ＸＡは本実施例の内部集光加工を説明するため説明図であり、符号ＸＢは本実施例の内部集光加工後のウェーハの裏面の拡大図である。

【図11】本実施例及び比較例におけるパルスレーザ光Ｌのパワー（Ｗ）と、レーザ加工領域Ｐの形成の有無（ＯＫ／ＮＧ）との関係を示した表である。

【図12】本実施例及び比較例において、パルスレーザ光のパワーを０．４Ｗ、０．２５Ｗ及び０．１１Ｗに設定して内部集光加工を実行した後のウェーハの断面図である。

【図13】シミュレーションでのパルスレーザ光の集光位置を示した図である。

【図14】シミュレーションで用いられる標準的なパルスレーザ光Ｌのパルス形状（パルス波形）を示した図である。

【図15】一例のシミュレーション結果をグラフ化した図である。

【図16】シミュレーションに適用した２つのパルスレーザ光のパルス形状（パルス波形）を比較した図である。

【図17】従来の台形パルス形状によるシミュレーション解析結果を示した図である。

【図18】最適パルス形状によるシミュレーション解析結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１は、レーザ加工装置１０の概略図である。図１に示すように、レーザ加工装置１０は、本発明の被加工物に相当するウェーハＷ（例えばシリコンウェーハ）を複数のチップ４（図２参照）に分割する分割プロセスの前工程として、ウェーハＷに対して内部集光加工（レーザ加工）を施す。なお、図中のＸＹＺ方向は互いに直交し、このうちＸ方向及びＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向（ウェーハＷの厚み方向）である。またθ方向は、Ｚ方向を回転軸とする回転方向である。

【0019】

図２は、レーザ加工装置１０による加工対象のウェーハＷの平面図である。図３は、図２に示したウェーハＷの一部の断面図である。図２及び図３に示すように、ウェーハＷには、複数のストリートＣＨが格子状に形成されている。これにより、ウェーハＷは、各ストリートＣＨにより複数の領域に区画されている。この区画された各領域にはチップ４を構成するデバイス層６（電極層）が設けられている。

【0020】

レーザ加工装置１０は、レーザ加工により、ストリートＣＨごとにストリートＣＨに沿ってウェーハＷの内部にレーザ加工領域Ｐ（図５参照）を形成する。

【0021】

ベース１２上には、ＸＹＺθステージ１４が設けられている。ＸＹＺθステージ１４は、ベース１２上においてＸＹＺ方向に移動自在で且つθ方向に回転自在に設けられている。このＸＹＺθステージ１４は、アクチュエータ及びモータ等により構成される移動機構２４（図４参照）によりＸＹＺ方向に移動されると共にθ方向に回転される。

【0022】

吸着ステージ１６は、ＸＹＺθステージ１４上に設けられている。この吸着ステージ１６は、バックグラインドテープ１７等を介して、ウェーハＷのデバイス層６が設けられている側の表面を吸着保持する。これにより、ウェーハＷは、その表面とは反対側の裏面が後述のレーザエンジン１８と対向するようにＸＹＺθステージ１４に保持される。移動機構２４によりＸＹＺθステージ１４をＸＹＺθ方向に移動させることで、吸着ステージ１６上のウェーハＷに対してレーザエンジン１８がＸＹＺθ方向に相対移動される。

【0023】

レーザエンジン１８は、レーザ光学系２５及び観察光学系３０を備える。このレーザエンジン１８は、吸着ステージ１６のＺ方向上方側においてウェーハＷの裏面に対向する位置に配置されており、後述の制御装置２２により制御される。

【0024】

レーザ光学系２５は、ウェーハＷの裏面に向けてパルスレーザ光Ｌを照射する。このレーザ光学系２５は、レーザ光源２６（レーザ発振器ともいう）、コリメートレンズ２７、ハーフミラー２８、及び集光レンズ２９を含む。

【0025】

レーザ光源２６は、ウェーハＷの内部集光加工用のパルスレーザ光Ｌをコリメートレンズ２７に向けて出射する。パルスレーザ光Ｌの条件としては、例えば、光源が半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、波長が波長：１．１μｍ、レーザ光スポット断面積が３．１４×１０^－８ｃｍ^２、発振形態がＱスイッチパルス、繰り返し周波数が８０～１２０ｋＨｚである。なお、パルスレーザ光Ｌのパルス幅及びパワーについては後述する。

【0026】

コリメートレンズ２７は、レーザ光源２６から入射したパルスレーザ光Ｌを平行光束に変換した後、このパルスレーザ光Ｌをハーフミラー２８に向けて出射する。

【0027】

ハーフミラー２８は、集光レンズ２９の光軸上に配置されており、コリメートレンズ２７から入射したパルスレーザ光Ｌの一部を集光レンズ２９に向けて反射する。また、ハーフミラー２８は、後述のハーフミラー３３から入射した後述の照明光ＩＬの一部を透過して集光レンズ２９に向けて出射すると共に、集光レンズ２９から入射した照明光ＩＬの反射光の一部を透過してハーフミラー３３に向けて出射する。

【0028】

集光レンズ２９は、ハーフミラー２８から入射したパルスレーザ光Ｌ及び照明光ＩＬをウェーハＷに集光させる。なお、集光レンズ２９のピントは、ウェーハＷの内部集光加工時にはその深さ位置に調整され、ウェーハＷに対するレーザエンジン１８のアライメント検出時にはウェーハＷの中で任意のアライメント基準が形成されている位置に調整される。

【0029】

観察光学系３０は、レーザ光学系２５と同軸に設けられており、ウェーハＷの内部集光加工前にはウェーハＷに形成されているアライメント基準を撮影する。また、観察光学系３０は、ウェーハＷの内部集光加工中にはその加工位置を撮影する。

【0030】

観察光学系３０は、ハーフミラー２８及び集光レンズ２９をレーザ光学系２５と共用する他に、照明光源３１、コリメートレンズ３２、ハーフミラー３３、集光レンズ３４及び赤外線カメラ３５等を備える。

【0031】

照明光源３１は、ウェーハＷを透過する波長域の照明光ＩＬ［例えば赤外光（近赤外光）］をコリメートレンズ３２に向けて出射する。

【0032】

コリメートレンズ３２は、照明光源３１から入射した照明光ＩＬを平行光束に変換した後、この照明光ＩＬをハーフミラー３３に向けて出射する。

【0033】

ハーフミラー３３は、集光レンズ２９の光軸上に配置されており、コリメートレンズ３２から入射した照明光ＩＬの一部をハーフミラー２８に向けて反射する。これにより、照明光ＩＬが、ハーフミラー２８及び集光レンズ２９を介して、ウェーハＷの裏面或いは内部に集光される。また、ハーフミラー３３は、ウェーハＷから集光レンズ２９及びハーフミラー２８を介して入射した照明光ＩＬの反射光の一部を透過して集光レンズ３４に向けて出射する。

【0034】

集光レンズ３４は、ハーフミラー３３から入射した照明光ＩＬの反射光を赤外線カメラ３５に集光させる。

【0035】

赤外線カメラ３５は、赤外光である照明光ＩＬの波長域に対して感度を有する撮像素子（不図示）を備えている。なお、赤外線カメラ３５としては、例えばＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）カメラに代表される近赤外領域（１μｍ以上の波長領域）で高い感度を有するカメラが好ましく用いられる。

【0036】

赤外線カメラ３５は、集光レンズ３４により集光された照明光ＩＬの反射光を撮像してウェーハＷの観察像（撮影画像データ）を制御装置２２へ出力する。ウェーハＷの内部に集光レンズ２９の焦点を合わせた状態で赤外線カメラ３５によりウェーハＷを撮影した観察像に基づいて、ウェーハＷの内部の状態を確認可能である。また、ウェーハＷの裏面又は表面に集光レンズ２９の焦点を合わせた状態で赤外線カメラ３５によりウェーハＷを撮影した観察像に基づいて、ウェーハＷの裏面又は表面の状態を確認可能である。

【0037】

モニタ２０は、赤外線カメラ３５から入力された観察像、及びレーザ加工装置１０の各設定画面等を表示する。

【0038】

制御装置２２は、移動機構２４、レーザ光学系２５及び観察光学系３０等のレーザ加工装置１０の各部の動作を統括的に制御して、レーザエンジン１８のアライメント及びストリートＣＨごとの内部集光加工（レーザ加工）を実行する。

【0039】

図４は、制御装置２２の機能ブロック図である。図４に示すように、制御装置２２には、既述のモニタ２０、移動機構２４、レーザ光学系２５、及び観察光学系３０の他に、操作部３８が接続されている。なお、操作部３８は、公知のキーボード、マウス、及び操作ボタン等が用いられ、オペレータによる各種操作の入力を受け付ける。

【0040】

制御装置２２は、例えばパーソナルコンピュータのような演算装置により構成され、各種のプロセッサ（Processor）及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、及びプログラマブル論理デバイス［例えばＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Devices）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）］等が含まれる。なお、制御装置２２の各種機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。

【0041】

制御装置２２は、不図示の制御プログラムを実行することで、検出制御部４０、レーザ加工制御部４２、撮影制御部４４、及び表示制御部４６として機能する。以下、本実施形態において「～部」として説明するものは「～回路」、「～装置」、又は「～機器」であってもよい。すなわち、「～部」として説明するものは、ファームウェア、ソフトウェア、及びハードウェアまたはこれらの組み合わせのいずれで構成されていてもよい。

【0042】

検出制御部４０は、レーザ加工装置１０の各部を制御して、吸着ステージ１６に保持されているウェーハＷの各ストリートＣＨの位置（ＸＹ面内での向きを含む）を検出するアライメント検出を実行する。

【0043】

最初に検出制御部４０は、移動機構２４及び観察光学系３０を制御して、赤外線カメラ３５をウェーハＷのアライメント基準を撮影可能に位置に相対移動させる。この移動後に検出制御部４０は、赤外線カメラ３５によるアライメント基準の撮影を実行させる。これにより、赤外線カメラ３５によりアライメント基準の観察像が取得されて、この観察像が赤外線カメラ３５から検出制御部４０に出力される。次いで、検出制御部４０は、アライメント基準の観察像に基づいて、この観察像内のアライメント基準を公知の画像認識法で検出することにより、ウェーハＷの各ストリートＣＨの位置を検出する。

【0044】

レーザ加工制御部４２は、移動機構２４及びレーザ光学系２５を制御して、ストリートＣＨごとに、ストリートＣＨに沿ってウェーハＷの内部にレーザ加工領域Ｐ（図５参照）を形成する内部集光加工を実行する。

【0045】

具体的にレーザ加工制御部４２は、検出制御部４０によるアライメント検出結果に基づき、移動機構２４を駆動してＸＹＺθステージ１４のＸＹＺ方向の位置を調整したり或いはθ方向に回転させたりすることで、集光レンズ２９の光軸を第１番目のストリートＣＨの一端に位置合わせするアライメントを実行する。

【0046】

図５の符号５Ａは内部集光加工中にウェーハＷの内部に形成されるレーザ加工領域Ｐを説明するための説明図であり、符号５Ｂは内部集光加工後のウェーハＷの裏面の一部を示した説明図である。

【0047】

図５の符号５Ａに示すように、レーザ加工制御部４２は、上述のアライメント完了後、レーザ光学系２５を制御して、パルスレーザ光Ｌの集光点をウェーハＷの裏面から所定の深さ位置Ｄ１（例えば３８０μｍ）に調整、換言するとウェーハＷの表面から所定の深さ位置Ｄ２（例えば２０μｍ）に調整する。これにより、ウェーハＷの内部の深さ位置Ｄ１（深さ位置Ｄ２）にボイドＶが形成されて、このボイドＶからパルスレーザ光Ｌの入射方向に向けてレーザ加工領域Ｐが形成される。その結果、このレーザ加工領域Ｐを起点としてウェーハＷの厚さ方向（Ｚ方向）に亀裂Ｋが発生（伸展）する。

【0048】

そして、レーザ加工制御部４２は、移動機構２４を駆動して、ＸＹＺθステージ１４をＸ方向（図中の矢印Ａ１参照）に移動させる。これにより、深さ位置Ｄ１にパルスレーザ光Ｌを集光させた状態で、ウェーハＷに対してレーザ光学系２５がＸ方向に相対移動される。その結果、ストリートＣＨに沿ってウェーハＷの内部に複数のレーザ加工領域Ｐが形成されて、さらに図５の符号５Ｂに示すように各レーザ加工領域Ｐから伸展した亀裂ＫがウェーハＷの裏面に到達する。なお、図５の符号５Ｂでは図面の煩雑化を防止するために亀裂Ｋを簡略的（直線状）に図示している。

【0049】

図６は、ウェーハＷの内部への複数層のレーザ加工領域Ｐの形成を説明するための説明図である。図６の符号VIA,VIBに示すように、レーザ加工制御部４２は、ウェーハＷが厚い場合には、ストリートＣＨに沿ってウェーハＷの内部に複数層（２層以上）のレーザ加工領域Ｐを形成する。これにより、ウェーハＷが厚い場合であってもウェーハＷの裏面まで亀裂Ｋを到達可能である。

【0050】

以下同様にレーザ加工制御部４２は、全てのストリートＣＨに沿ってウェーハＷの内部に１層又は複数層のレーザ加工領域Ｐを形成する。

【0051】

このような内部集光加工を実行する場合には、パルスレーザ光Ｌのパワー（エネルギー）が高すぎると、余分なエネルギーがレーザ加工領域Ｐの形成を妨げたり、デバイス層６及びウェーハＷの裏面に熱ダメージ１０２（図８参照）が生じたりするおそれがある。そこで、本実施形態のレーザ加工装置１０では、レーザ光源２６から出射されるパルスレーザ光Ｌのパルス波形Ｆ（パルス形状ともいう、図７参照）を最適化するレーザ加工方法を採用して、内部集光加工（レーザ加工）の加工性能を維持しつつ低いパルスエネルギーでの内部集光加工を可能にする。

【0052】

図７は、パルスレーザ光Ｌの１パルス分の波形を示すパルス波形Ｆの一例を示したグラフである。なお、このグラフの横軸は時間（ｎｓｅｃ）であり、縦軸はパルスレーザ光Ｌのパワー（Ｗ）である。

【0053】

図７に示すように、パルス波形Ｆは、第１段階波形ＳＴ１、第２段階波形ＳＴ２及び第３段階波形ＳＴ３の計３つの段階（区間又は領域ともいう）の波形を含む。第１段階波形ＳＴ１及び第２段階波形ＳＴ２は、ボイドＶの形成に最適な波形であり、ボイドＶの形成に寄与する。また、第３段階波形ＳＴ３は、レーザ加工領域Ｐの形成に最適な波形であり、レーザ加工領域Ｐの形成に寄与する。

【0054】

第１段階波形ＳＴ１は、パルスレーザ光Ｌのパワーが初期値（ここではゼロ）からピークパワーＰｍａｘ（本発明の最大値に相当）まで時間ｔ０（ｎｓｅｃ）で立ち上がる波形である。なお、この初期値はゼロよりも大きくてもよい。パルス波形Ｆでは、ピークパワーＰｍａｘが半値になる半値位置（後述の時間ｔｐ参照）の一方が第１段階波形ＳＴ１に含まれて、この半値位置の他方（符号Ｑ参照）が後述の第２段階波形ＳＴ２に含まれる。

【0055】

第２段階波形ＳＴ２は、第１段階波形ＳＴ１の後で、パルスレーザ光ＬのパワーがピークパワーＰｍａｘからこのピークパワーＰｍａｘよりも低いベースパワーＰｂ（本発明の基準値に相当）まで時間ｔ１（ｎｓｅｃ）で立ち下がる波形である。

【0056】

また、第２段階波形ＳＴ２は、既述の通りピークパワーＰｍａｘの半値位置の他方（符号Ｑ参照）を含み、ピークパワーＰｍａｘから半値位置の他方までのパワーの減少率がこの半値位置の他方からベースパワーＰｂまでのパワーの減少率よりも大きくなる。すなわち、半値位置の他方を境にパワーの減少率が低下する。

【0057】

第３段階波形ＳＴ３は、第２段階波形ＳＴ２の後で、パルスレーザ光ＬのパワーがベースパワーＰｂを下回ることなく、ベースパワーＰｂに対して予め定められた変動範囲内で維持される波形である。例えば第３段階波形ＳＴ３は、実線で示す理想形状ではベースパワーＰｂで一定（略一定を含む）に維持されるが、点線（符号Ｕ参照）で示す実形状では上述の変動範囲内で変動する。なお、第３段階波形ＳＴ３の実形状には、最終段階でベースパワーＰｂを下回る立下り区間（第４段階）が含まれる。

【0058】

ベースパワーＰｂは、ピークパワーＰｍａｘの３０％から６０％の範囲内の大きさに設定される。また、パルス波形ＦにおいてベースパワーＰｂの半値に対応する半値幅をパルス幅ｔｅ（ｎｓｅｃ、本発明の第２半値幅に相当）とした場合には、時間ｔ０がパルス幅ｔｅの１％から２０％の範囲内の長さに設定されて、時間ｔ１がパルス幅ｔｅの３％から４０％の範囲内の長さに設定される。なお、パルス幅ｔｅを、パルスレーザ光Ｌの１周期（１パルス）に相当する長さに設定してもよい。

【0059】

さらに、パルス波形ＦにおいてピークパワーＰｍａｘの半値に対応する半値幅を第１半値幅とした場合に、この第１半値幅に相当する時間ｔｐがパルス幅ｔｅの２％から４０％の範囲内の長さに設定される。

【0060】

図７に示したパルス波形Ｆは、例えばパルス幅ｔｅを３００ｎｓｅｃとした場合に、時間ｔ０＝１０ｎｓｅｃ及び時間ｔｐ＝２５ｎｓｅｃを満たす。また、このパルス波形ＦのベースパワーＰｂは、Ｐｍａｘの３０％に設定されている。

【0061】

このようにパルス波形Ｆは、第１段階波形ＳＴ１でパルスレーザ光ＬのパワーをピークパワーＰｍａｘまで急峻に立ち上げて、第２段階波形ＳＴ２でパワーをピークパワーＰｍａｘから急峻に降下させて、第３段階波形ＳＴ３でパワーを下げ過ぎずにベースパワーＰｂ程度で緩やかに一定値（略一定値を含む）を保つ。これにより、ウェーハＷによるパルスレーザ光Ｌの吸収率の温度依存性を利用して特に第３段階波形ＳＴ３ではパルスレーザ光Ｌの吸収率を向上させられる。その結果、ボイドＶ及びレーザ加工領域Ｐを形成するために従来必要としていた内部集光加工のエネルギー（パルスレーザ光Ｌのパワー）を最小化することができる。

【0062】

以上のように本実施形態では、パルス波形Ｆを有するパルスレーザ光Ｌを使用することで、内部集光加工のエネルギーを減少させたのにも関わらず、従来と同様にボイドＶ及びレーザ加工領域Ｐを形成して、さらにレーザ加工領域Ｐからの亀裂Ｋの伸展量が従来よりも低下することが防止される。その結果、内部集光加工の加工性能を維持しつつ低いパルスレーザ光Ｌのパワーでの内部集光加工が可能になる。さらにまた、パルスレーザ光Ｌのパワーを従来よりも下げることで、レーザエンジン１８の寿命を延ばすことができる。

【0063】

以下、本実施形態の効果を実証するための「第１評価試験」及び「第２評価試験」について説明する。

【0064】

図８は、第１評価試験を説明するための説明図であって、ウェーハＷの裏面をその正面側から見た図である。図８に示すように、第１評価試験では、試験用のウェーハＷの裏面に融点の低い金属薄膜１００を設けた状態で、「本実施例」及び「比較例」でそれぞれウェーハＷに対する内部集光加工を実行して、ウェーハＷの裏面の熱ダメージ１０２を評価した。

【0065】

第１評価試験では、ウェーハＷとしてシリコンウェーハ（厚み４００μｍ、サイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ）を用いた。また、第１評価試験では、パルスレーザ光Ｌとして、波長を１０８５ｎｍ（１０００ｎｍ～１６００ｎｍであれば可）、周波数１００ｋＨｚのものを用いた。また、第１評価試験における内部集光加工の加工送り速度（ＸＹＺθステージ１４のＸ方向の移動速度）は８００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。さらに内部集光加工は、深さ位置Ｄ１を３８０μｍに設定した場合に、ウェーハＷの裏面に亀裂Ｋが到達する加工条件で実行した。

【0066】

図９の符号９Ａは「比較例」の内部集光加工を説明するため説明図であり、符号９Ｂは「比較例」の内部集光加工後のウェーハＷの裏面の拡大図である。図９の符号９Ａに示すように、「比較例」では、従来の山型波形のパルスレーザ光Ｌを用いて内部集光加工を実行した。またこの場合に、ウェーハＷの裏面に亀裂Ｋが到達する加工条件としてパルスレーザ光Ｌのパワーを「２．４Ｗ」に設定した。そして、図９の符号９Ｂに示すように、「比較例」の内部集光加工後のウェーハＷの裏面（金属薄膜１００）の撮影を実行した。

【0067】

図１０の符号ＸＡは「本実施例」の内部集光加工を説明するため説明図であり、符号ＸＢは「本実施例」の内部集光加工後のウェーハＷの裏面の拡大図である。図１０の符号ＸＡに示すように、「本実施例」では、パルス波形Ｆを有するパルスレーザ光Ｌを用いて内部集光加工を実行した。またこの場合に、「比較例」よりも低いパワー（１．２Ｗ）でウェーハＷの裏面に亀裂Ｋが到達することが確認されたので、加工条件としてパルスレーザ光Ｌのパワーを「１．２Ｗ」に設定した。そして、図１０の符号ＸＢに示すように、「本実施例」の内部集光加工後のウェーハＷの裏面（金属薄膜１００）の撮影を実行した。

【0068】

「本実施例」及び「比較例」を比較した結果、「本実施例」では、パルスレーザ光Ｌの波形及びパワー以外は「比較例」と同じ条件下において、パワーを２．４Ｗから１．２Ｗに弱めても亀裂ＫがウェーハＷの裏面に到達することが確認された。その結果、「本実施例」では「比較例」と同等の加工性能を維持しつつ、熱ダメージ１０２が低減されることが確認された。

【0069】

第２評価試験では、「本実施例」及び「比較例」において、ウェーハＷに対する内部集光加工を実行した場合のボイドＶ及びレーザ加工領域Ｐの形成に必要なパルスレーザ光Ｌの限界値（最低値）を評価した。この第２評価試験では、パルスレーザ光Ｌのパワー以外の条件は第１評価試験と同じ条件に設定した。そして、第２評価試験では、「本実施例」及び「比較例」においてパルスレーザ光Ｌのパワーを段階的に下げながら内部集光加工を実行して、レーザ加工領域Ｐ（ボイドＶを含む）の形成の有無を評価した。

【0070】

図１１は、「本実施例」及び「比較例」におけるパルスレーザ光Ｌのパワー（Ｗ）と、レーザ加工領域Ｐの形成の有無（ＯＫ／ＮＧ）との関係を示した表である。図１２は、「本実施例」及び「比較例」において、パルスレーザ光Ｌのパワーを０．４Ｗ、０．２５Ｗ及び０．１１Ｗに設定して内部集光加工を実行した後のウェーハＷの断面図である。

【0071】

図１１及び図１２に示すように、「比較例」ではレーザ加工領域Ｐの形成に必要なパルスレーザ光Ｌのパワーの限界値が０．２９Ｗであり、このパワーが０．２５Ｗではレーザ加工領域Ｐが形成されないことが確認された（図１２中の深さ位置Ｄ１に対応する領域Ｇ参照）。

【0072】

これに対して、「本実施例」ではパルスレーザ光Ｌのパワーの限界値を０．１１Ｗまで下げられることが確認された。これにより、「本実施例」ではパルスレーザ光Ｌのパワーを従来よりも下げられるので、熱ダメージ１０２の発生が抑えられると共に、従来よりもレーザ加工領域Ｐの縦幅を小さく形成することができる。このようにレーザ加工領域Ｐの縦幅を小さく形成することで、より微細な内部集光加工が可能になる。

【0073】

次に本実施形態の効果についてより具体的に説明する。なお、図１３は、シミュレーションでのパルスレーザ光Ｌの集光位置を示した図である。図１４は、シミュレーションで用いられる標準的なパルスレーザ光Ｌのパルス形状（パルス波形）を示した図である。図１５は、一例のシミュレーション結果をグラフ化した図である。図１６から図１８は、シミュレーション解析を、従来のパルス形状と本実施形態の最適パルス形状で行った結果を説明するための図である。

【0074】

本実施形態のウェーハＷ（ここでシリコンウェーハ：Ｓｉ）内部でのパルスレーザ加工におけるパルス形状最適化は、熱衝撃波を基にシミュレーションした結果である。単結晶シリコンは、固体から液体へ相変化する際、体積が減少することが知られているが、レーザ加工領域Ｐにおいては、単結晶中の転位が観察されるのに対し、アモルファスシリコンや多結晶シリコンが観察されないことから、本シミュレーションでは溶融しないことを前提としたシミュレーションを行っている。このシミュレーション結果を基に最適パルス形状のパルスレーザ光Ｌを試作して加工評価したところ、台形パルス形状に比べて少ないエネルギーで同等の加工が可能であることが確認され、シミュレーション結果の効果を実際に確認することが出来た。

【0075】

シミュレーション結果を以下に示す。Ｓｉ厚さ７７５μｍに対し、レーザ入射面側からＳｉ内の深さ約７４５μｍパルスレーザ光Ｌが理想的に集光されるもの（図１３）として、時間経過のシミュレーション解析を行った。シミュレーションは光線追跡と熱伝導解析に光伝播解析を加えて行っている。図１４は標準的なパルスレーザ光Ｌのパルス形状を台形として考え、パルス形状の中心をｔ＝０としたものとなっている。またパルスの始まりからｔ＝０までを予加熱時間としている。一例のシミュレーション結果（光軸上の温度分布）をグラフ化したものを図１５に示す。横軸にＳｉ内部の深さｚ（μｍ）、縦軸に温度Ｔ（Ｋ）、凡例に経過時間（ｎｓ）を示している。グラフは左側からパルスレーザ光Ｌが入射され、集光点７４５μｍ付近で急激な温度上昇によるボイド生成、その後レーザ入射方向（グラフ左側）へ熱衝撃波が発生するが、パルスレーザ光Ｌは熱衝撃波の先端で吸収されるため時間と共に温度上昇分布がグラフの様に推移しているのが確認出来る。グラフの予加熱時間が９４ｎｓ（ｔ＝－１０６ｎｓなので、凡例のｔ＝－１００ｎｓ付近）で温度がピークとなっている。

【0076】

このシミュレーション解析を、従来のパルス形状と本実施形態の最適パルス形状で行った結果を図１６から図１８に示す。なお、両者のパルスエネルギーは同一とした。

【0077】

図１６はシミュレーションに適用した２つのパルスレーザ光Ｌのパルス形状（パルス波形）を比較した図である。なお、与えるエネルギーは等価とするため面積は同じとなっている。図１７は従来の台形パルス形状によるシミュレーション解析結果を示した図であり、図１８は最適パルス形状によるシミュレーション解析結果を示した図である。

【0078】

２つの結果を比較すると、まず最高温度到達の予加熱時間が台形パルス形状は９０．５ｎｓに対し最適パルス形状は７ｎｓとなっており、予加熱時間が短いほどボイド生成が早く、その後のエネルギーがレーザ加工領域Ｐの形成に効率よく使われると考えられる。最高到達温度は台形パルス形状の８０８５．９Ｋに対し、最適パルス形状の方が高い１１８３６Ｋとなっている。またレーザ加工領域Ｐ（ボイドＶからレーザ入射方向側の温度上昇している位置までの区間をレーザ加工領域Ｐとしている）の成長に関しても、台形パルス形状は５９．８μｍに対し、最適パルス形状は６３μｍと長い結果となっている。

【0079】

［その他］
上実施形態では、ＸＹＺθステージ１４及び移動機構２４を用いてウェーハＷに対してレーザエンジン１８を相対移動させているが、レーザエンジン１８とウェーハＷとを相対移動可能であればその構成は特に限定はされない。

【0080】

上記実施形態では、レーザ光学系２５の照射光軸と観察光学系３０の観察光軸とが同軸であるが、照明光軸と観察光軸とが異なっていてもよい。すなわち、レーザ光学系２５と観察光学系３０とが別体に設けられていてもよい。

【0081】

上記実施形態では、ウェーハＷの裏面側からパルスレーザ光Ｌを照射しているが、ウェーハＷの表面側からパルスレーザ光Ｌを照射してもよい。

【0082】

上記実施形態では本発明の被加工物としてシリコンウェーハを例に挙げて説明を行ったが、被加工物の種類は特に限定はされない。

【符号の説明】

【0083】

４…チップ、６…デバイス層、１０…レーザ加工装置、１２…ベース、１４…ＸＹＺθステージ、１６…吸着ステージ、１７…バックグラインドテープ、１８…レーザエンジン、２０…モニタ、２２…制御装置、２４…移動機構、２５…レーザ光学系、２６…レーザ光源、２７…コリメートレンズ、２８…ハーフミラー、２９…集光レンズ、３０…観察光学系、３１…照明光源、３２…コリメートレンズ、３３…ハーフミラー、３４…集光レンズ、３５…赤外線カメラ、３８…操作部、４０…検出制御部、４２…レーザ加工制御部、４４…撮影制御部、４６…表示制御部、１００…金属薄膜、１０２…熱ダメージ、ＣＨ…ストリート、Ｄ１…深さ位置、Ｄ２…深さ位置、Ｆ…パルス波形、ＩＬ…照明光、Ｋ…亀裂、Ｌ…パルスレーザ光、Ｎｄ…半導体レーザ励起、Ｐ…レーザ加工領域、Ｐｂ…ベースパワー、Ｐｍａｘ…ピークパワー、ＳＴ１…第１段階波形、ＳＴ２…第２段階波形、ＳＴ３…第３段階波形、Ｖ…ボイド、Ｗ…ウェーハ、ｔｅ…パルス幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】