(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン、GaAs、リン化インジウム、炭化珪素、窒化珪素、Ge：Si又は単結晶サファイア基板をレーザによりスクライビング、カッティング又は孔形成処理するレーザ処理方法において、
５ｋHzよりも大きいパルス繰返し周波数で１００μＪよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第１レーザシステム出力を４００ｎｍよりも短い波長で発生させる工程と、
前記第１レーザシステム出力を前記基板上の目標位置に指向させ、この目標位置における基板材料を、この基板材料の表面上で２５μｍよりも小さい直径の第１スポット面積をもって除去する工程と、
５ｋHzよりも大きいパルス繰返し周波数で１００μＪよりも大きい出力パルスエネルギーを有する第２レーザシステム出力を発生させる工程と、
前記第２レーザシステム出力を、前記基板材料の表面上で２５μｍよりも小さい直径の第２スポット面積をもって第２目標位置に当るように指向させ、第２スポット面積は第１スポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップするようにする工程と、
前記基板材料内に５０μｍ又はそれよりも深い深さまで構造上の特徴を形成するのに少なくとも前記第１及び第２レーザシステム出力を採用する工程と
を有するレーザ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ処理方法において、基板材料中に貫通カッティングを形成するように進行する前記第１及び第２レーザシステム出力の双方又はいずれか一方に対し殆ど非反射性の表面材料を有するチャックにより基板材料を支持するレーザ処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ処理方法において、前記基板材料が裏面を有し、前記チャックの表面材料が、前記基板材料中にカッティング形成するように進行するレーザシステム出力による基板材料の裏面へのレーザ損傷を殆ど生ぜしめないようにするレーザ処理方法。
【請求項４】
請求項２に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料は、前記基板材料中にカッティング形成するように進行する前記第１及び第２レーザシステム出力の双方又はいずれか一方をほぼ完全に透過するようにするレーザ処理方法。
【請求項５】
請求項２に記載のレーザ処理方法において、チャックの表面材料は、前記基板材料中にカッティング形成するように進行する第１及び第２レーザシステム出力の双方又はいずれか一方のレーザ波長に対しほぼ完全な吸収性を呈するようにするレーザ処理方法。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力は双方とも同じレーザにより発生させるレーザ処理方法。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力は互いに異なるレーザにより発生させるレーザ処理方法。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力は互いに異なる波長を有するようにするレーザ処理方法。
【請求項９】
請求項１に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力の流束量を２０Ｊ／cm2 よりも大きくするレーザ処理方法。
【請求項１０】
請求項１に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力の流束量を１００Ｊ／cm2 よりも大きくするレーザ処理方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ処理方法において、基板材料の厚さを３００μｍよりも厚くするレーザ処理方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力の双方又はいずれか一方が３６０μＪよりも大きい出力パルスエネルギーを有するようにするレーザ処理方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力の双方又はいずれか一方を１０ｋHzよりも大きいパルス繰返し周波数で発生させるレーザ処理方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、更に、
低速及び高速運動制御信号を位置決め信号プロセッサから生ぜしめる工程と、
低速運動制御信号に応答して低速ポジショナドライバを用い、並進ステージの大きな相対運動範囲を制御する工程と、
高速運動制御信号に応答して高速ポジショナドライバを用い、高速ポジショナの小さな相対運動範囲を制御して基板材料の表面上でのカッテイングプロファイルを有効にする工程と
を具えるレーザ処理方法。
【請求項１５】
請求項１〜８，１２，１３のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、更に、
少なくとも５０μｍの厚さの基板材料を通る貫通孔を形成し、この貫通孔のアスペクト比を２０：１よりも大きくするレーザ処理方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力の双方又はいずれか一方が少なくとも５つのレーザパルスを有するようにするレーザ処理方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載のレーザ処理方法において、基板材料の前面上にレーザシステム出力を照射し、その裏面に至る貫通孔を形成し、このレーザ処理方法は更に、
基板の裏面における貫通孔を用いて、基板材料の裏面上のスクライビング、カッティング、スライシング又はダイシングのレーザ処理を実行するための、基板に対する後のレーザシステム出力のアライメントを行なう工程
を有するレーザ処理方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載のレーザ処理方法において、少なくとも２つの貫通孔を形成し、これら双方の貫通孔を用いて他の処理のための基板材料の裏面のアライメントを行なうレーザ処理方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載のレーザ処理方法において、基板の前面上にレーザシステム出力を照射し、その裏面に至る貫通孔を形成し、この際、孔を開けた表面材料を有するチャックにより基板を支持し、前記孔の上で貫通孔処理を行なうレーザ処理方法。
【請求項２０】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、更に、
長さ方向のサイズがスポットサイズよりも大きな切溝を形成する工程
を有するレーザ処理方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、溶融によるリップ部の形成を抑止する特性とするレーザ処理方法。
【請求項２２】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、スラグの形成を抑止する特性とするレーザ処理方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、切溝のエッジのピールバックを抑止する特性とするレーザ処理方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、レーザシステム出力は、切溝のエッジに沿う損傷を抑止する特性とするレーザ処理方法。
【請求項２５】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、更に、
５ｋHzよりも大きいパルス繰返し周波数で１００μＪよりも大きい出力パルスエネルギーを有する順次のレーザシステム出力を、４００ｎｍよりも短い波長で発生させる工程と、
前記順次のレーザシステム出力を、基板材料の表面上で２５μｍよりも小さい直径のスポット面積をもって順次の目標位置に当るように指向させ、順次のスポット面積はそれぞれ前のスポット面積を少なくとも部分的にオーバーラップさせて、切溝を形成するようにする工程と
を具えるレーザ処理方法。
【請求項２６】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、前記切溝は曲線状のプロファイルを有するようにするレーザ処理方法。
【請求項２７】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、基板材料には底部を有する深い切溝を形成し、これら深い切溝によりマイクロ回路装置を分割するがこれら深い切溝の底部に充分な厚さの基板材料を保ってマイクロ回路装置を連結し、更に、レーザシステム出力を採用してマイクロ回路装置を分断する工程を有するレーザ処理方法。
【請求項２８】
請求項２０に記載のレーザ処理方法において、基板材料をチャックにより支持し、基板材料が有する厚さを貫通させて切溝を延在させ、この際、チャックに孔を開け、この孔の上で貫通切溝処理を行なうレーザ処理方法。
【請求項２９】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、更に、
ワークピースの第１表面上の光学的に識別可能な構造上の第１特徴を識別する工程と、
この第１表面上の光学的に識別可能な構造上の第１特徴に対するレーザシステムの第１目標位置のアライメントを行ない、この第１目標位置が前記第１表面上でワークピースの素子の意図する側に近接するようにするアライメント工程と、
第１目標位置で第１表面をこれと直線的に照射するように１つ以上の第１レーザシステム出力を指向させ、第１切溝を基板材料の厚さよりも浅い切溝深さまで形成する工程と、
第１表面又は第２表面上の光学的に識別可能な構造上の第２特徴に対するレーザシステムの第２目標位置のアライメントを行ない、この第２目標位置が前記第２表面上でワークピースの素子の意図する側に近接するとともに第１目標位置と同じ平面内にあるようにするアライメント工程と、
第２目標位置で第２表面をこれと直線的に照射するように１つ以上の第２レーザシステム出力を指向させ、第２切溝を第１切溝と同じ平面内で形成し、ワークピースの素子の意図する側を規定する貫通カッティングを形成する工程と
を具えるレーザ処理方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載のレーザ処理方法において、光学的に識別可能な構造上の前記第１及び第２特徴は、それぞれ基板材料の厚さ全体に亙ってレーザにより孔開けされて第１及び第２表面の双方に現れた貫通孔を有するようにするレーザ処理方法。
【請求項３１】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力が、０．１〜１０μｍのバイトサイズを生じるようにするレーザ処理方法。
【請求項３２】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、前記第１及び第２レーザシステム出力の出力パルスエネルギーを１５００μＪよりも少なくするレーザ処理方法。
【請求項３３】
請求項２に記載のレーザ処理方法において、前記チャックがMgＦ2 又はCaＦ2 を有するようにするレーザ処理方法。
【請求項３４】
請求項１５に記載のレーザ処理方法において、前記基板の厚さを５００μｍよりも厚くするレーザ処理方法。
【請求項３５】
請求項１〜３４のいずれか一項に記載のレーザ処理方法において、前記カッティングによりマイクロ回路装置をシンギュレーション処理するレーザ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この特許出願は、２００１年１月３１日に出願された米国特許暫定出願第60/265,556号及び２００１年３月９日に出願された米国特許出願第09/803,382号を優先権主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、紫外線（ＵＶ）レーザのパルス出力を用いて半導体、特にシリコンをアブレーション処理することにより微細寸法の構造上の特徴を高速形成する方法及び装置の双方又はいずれか一方に関するものである。
【発明の背景】
【０００３】
半導体工業では、電子装置が形成されている半導体ウェーハから、しばしば半導体ダイと称されている個々のこれら電子装置を分断する種々の技術が用いられている。このような分断を達成する一般的な方法はダイヤモンドソーを用いる方法である。有効な半導体ダイに対するウェーハの利用面積を増大させ、これによりウェーハ当りの半導体ダイの歩留りを高めうるようにするために、ソーの通路に割当てる必要のある半導体ウェーハ上の面積を減少させる方法が多く望まれている。レーザ技術は、半導体ウェーハのダイシング通路の寸法を減少させる機会を提供するものである。
【０００４】
シリコンをレーザ処理するのにＱスイッチ１０６４ｎｍＮｄ：ＹＡＧレーザのような赤外線レーザを使用することは当業者にとって周知である。しかし、シリコンは１０６４ｎｍの波長では弱い波長吸収体である為、この波長で又はその付近で動作するレーザダイシング処理では重大な問題に遭遇した。代表的に、ウェーハ表面及びカッティング壁面に沿ってシリコンが再体積されることによりカッティング品質が損なわれることが確かめられている。
【０００５】
米国特許第 4,541,035号明細書及び第 4,589,190号明細書には、型番ESI Model 25のレーザスクライビングシステムに一体化された音響光学のＱスイッチ赤外線（ＩＲ）Ｎｄ：ＹＡＧレーザから生じるような１０６４ｎｍの波長のパルス出力を用いて、シリコン装置に構造上の特徴を形成する方法が開示されている。（１９８２年１２月に発行された雑誌“Applied Physics”Vol.53の９１５４〜９１６４頁に記載されたT.R. Anthony氏の論文“Diodes Formed by Laser Drilling and Diffusion ”をも参照されたい。）米国特許第 4,618,380号明細書にも、レーザでシリコン装置を処理することによりイメージングスペクトロメータを製造する方法が開示されている。
【０００６】
米国特許第 5,543,365号明細書には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから生じるような、１０６４ｎｍの波長でパルス幅が４ナノ秒よりも広いパルス出力を用いてシリコンウェーハにポリシリコンの縞を形成する目的のレーザスクライビング装置が開示されている。或いはまた、この米国特許明細書には、周波数を２倍とした５３２ｎｍの波長を用いることができるということを開示している。
【０００７】
“1992 IEEE/CHMT Int’l Electronics Manufacturing Technology Symposium”と称する国際シンポジウムで用いた論文“Excimer VS Nd:YAG laser Creation of Silicon Viasfor 3D Interconnctions ”において、Lee 氏等は、マルチチップモジュールの製造を可能にする目的でシリコンウェーハの表面に孔を形成するのに１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ波長を用いることを報告している。又、Lee 氏等は、シリコン中に貫通孔を１０６４ｎｍの波長でレーザ孔開け（レーザドリリング）すると、かなりの深さに達した際に溶融材料がしばしば孔の壁面に凝縮することを報告している。このようにシリコンが明らかに再堆積されることにより、孔を他の処理に不適切にする。Lee 氏等は、孔の品質を改善するために、１０６４ｎｍの波長での二重の孔開け処理を採用することを報告している。Lee 氏等は、直径が４ミル（約１００ミクロン（μｍ））である孔をシリコン中にカッティングするために、到来するレーザビームに対しオフセットさせた回転レンズを用いてトレパニング処理するのに、ランプポンプＱスイッチＮｄ：ＹＡＧから生じる５３２ｎｍの波長の周波数２倍パルスレーザ出力を用いることを開示している。更に、Lee 氏等は、パルス幅が７０ナノ秒でパルス繰返し周波数が３ｋHzのパルス当り８３３μＪとして用いる処理パラメータを報告している。レーザ孔開けした孔の周辺に又は孔の壁面に沿ってシリコンが再堆積されることが依然として観察され、孔を清浄とするのに化学的なエッチング処理が用いられた。
【０００８】
Lee 氏等は、更に、シリコン中に孔開けするのに波長が２４８ｎｍのエキシマーレーザを用いることに関し報告している。採用するパルスエネルギーが極めて高い為に、孔の側壁は極めて平滑であることが報告された。Lee 氏等は、シリコンウェーハに３０秒で孔開けするのに、パルス繰返し周波数を２５０Hzとし、集束スポットサイズ（直径であるが、用語“直径”には、正確に円形でない場合の長軸の寸法を含むものとする）を５ミル（約１２５μｍ）とし、パルス当りのエネルギーを２９０ｍＪとすることを報告している。Lee 氏等は、この孔開け時間を、彼等の５３２ｎｍの波長を用いるＮｄ：ＹＡＧトレパニング技術を用いて孔開けするのに必要とする３秒と比較した。Lee 氏等は、プロジェクション技術を用いる２４８ｎｍの波長のエキシマーレーザによりシリコンに孔を開けるのに必要とする孔開け時間を減少させる方法を提案している。当業者は認識しているように、このような技術を用いて形成すべき孔の各パターンに対し適切なアパーチュアマスクを用いると、このような技術は信頼できるものとなる。
【０００９】
米国特許第 5,870,421号明細書において、Dahm氏は、シリコンウェーハをダイシングする目的で近赤外線レーザを使用する問題を議論している。Dahm氏は、近赤外線レーザを用いた際に再堆積によりカッティング品質が悪くなる主たる原因は、約１ナノ秒を超えるレーザパルス幅を用いることにあるということを述べている。Dahm氏は更に、シリコン中への近赤外線波長の深い吸収深さを解決するには約１ナノ秒よりも短いパルス幅の近赤外線レーザを使用することを述べており、このような短いパルス幅により、高吸収層として作用しうる表面プラズマを生ぜしめうるということを述べている。Dahm氏は更に、ＵＶレーザは高速度でシリコンを処理するのに充分なエネルギーを生ぜしめることができず、１０６４ｎｍ波長のＮｄ：ＹＡＧレーザのような近赤外線レーザはＵＶレーザよりも大きなエネルギーを生ぜしめることができるために、近赤外線レーザは高速度の分野に用いられるということを述べている。
【００１０】
米国特許第 5,593,606号明細書において、Owen氏等は、多重層装置の少なくとも２つの層を貫通する孔を形成するのに有利なパラメータ範囲内のレーザ出力パルスを発生させるのにＵＶレーザシステムを用いる利点を述べている。これらのパラメータは一般に、瞬時的なパルス幅を１００ナノ秒よりも短くし、スポット領域のスポット直径を１００μｍよりも小さくし、繰返し周波数を２００Hzよりも大きくした際のスポット領域に亙る平均強度又は放射照度を１００ｍＷよりも大きくした、非エキシマーレーザ（エキシマーレーザ以外のレーザ）の出力パルスを含んでいる。
【００１１】
米国特許第 5,841,099号明細書において、Owen氏等は、上述したパラメータに類似のパラメータの範囲内でＵＶレーザ出力を変化させて、エネルギー密度を異ならせるとともに異なる材料を加工している。Owen氏等は、レーザの繰返し周波数を変化させることにより強度を変化させてワークピースに照射するレーザスポットのエネルギー密度を変化させるか、又はスポットサイズを変化させるか、又はこれらの双方を行なっている。
【００１２】
米国特許第 5,751,585号明細書において、Cutler氏等は、ワークピース上の目標に対してレーザビームを位置決めするような、種々のツールを正確に且つ急速に位置決めする高速高精度マルチステージ位置決めシステムを開示している。Cutler氏等は、ワークピース目標位置決め命令を処理して、これらを低速及び高速ポジショナに対する命令に変換するマルチレートポジショナシステムを採用している。これらのポジショナは、位置決めデータの流れに応答して必ずしも停止することなく移動する。一例においては、この技術により、大きなワークピースにおいて小さな構造上の特徴のパターンをレーザにより微細加工しうるようにし、これによりレーザ微細加工部品の処理能力を高める。
【発明の概要】
【００１３】
本発明の目的は、シリコン、ヒ化ガリウム（GaAs）、炭化珪素（SiＣ）、窒化珪素（SiＮ）及びGe：Siの何れか又は任意の組合せを含む半導体や、このような半導体を後に、半導体ウェーハを含む半導体基板上に有効な電子回路及び光電子回路を形成する目的で追加の層を含めるために、当業者に周知なホトリソグラフィー技術及びエッチング処理を含む（しかしこれらに限定されない）半導体処理で処理したものに、微細流れ構造上の特徴を形成するのにレーザを用いる改善した方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高パルス繰返し周波数で高パルスエネルギー出力を生じるように動作しうる、信頼性の高い非エキシマーＵＶレーザを採用する上述した方法を提供することにある。
【００１５】
本発明は、紫外線レーザによるアブレーションを用いて半導体ワークピースに５０μｍよりも小さい寸法の構造上の特徴を有するパターンを直接且つ迅速に形成する方法を提供する。高パルス繰返し周波数でパルス出力当り高エネルギーを放出しうる非エキシマーＵＶレーザの集束出力をワークピースに迅速に位置決めするのに合成ビームポジショナを用いる。上述したパターンには、集積回路の接続のための貫通孔又はブラインドホールのような、アスペクト比が極めて大きな円柱状の孔の形成や、シリコンウェーハ上に設けられた処理済み半導体ダイの曲線状又は方形状シンギュレーション（切断）や、半導体ワークピース内に形成されたマイクロ回路をペアレントウェーハから分離するマイクロタブカッティングや、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）又はマイクロエレクトロニクマシーンシステム（ＭＥＭＳ）のような光導波路中への曲線状又は方形状の構造上の特徴の形成や、ウェーハ表面へのアライメントマーク、識別マーク又はその他のマークのスクライビングを含めることができる。
【００１６】
本発明は３９０ｎｍよりも短いレーザ波長を用い、そのために、シリコンの光吸収係数を、米国特許第 4,541,035号、第 4,589,190号及び第 5,543,365号で用いられている１０６４ｎｍの波長における光吸収係数の１０００倍よりも大きくする。Ｑスイッチ周波数３倍Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ4 又はＮｄ：ＹＬＦダイオードポンプレーザは好適なアブレーション用の紫外線出力源となる。レーザの光学システムによれば約１０μｍのガウススポットサイズが得られる。或いはまた、トップハットビームプロファイルを生じる光学システムを用いることができる。この集束されたスポットサイズを用いてシリコンを高速アブレーション処理するための例示的パルスエネルギーは、５ｋHz、好ましくは１５ｋHzよりも大きいパルス繰返し周波数でパルス当り２００μＪよりも大きくする。半値全幅点で測定したレーザパルス幅は８０ナノ秒（ｎｓ）よりも狭くするのが好ましい。
【００１７】
ＵＶ波長を用いることの利点は、これよりも長い波長のレーザ源で得られるスポットサイズよりもかなり小さいスポットサイズを発生させることができるということにある。このように小さなスポットサイズを形成しうることにより、微細寸法の構造上の特徴をシリコンに形成しうるようにする。通常のガウス集束技術により達成しうるある固定のスポットサイズの場合、波長を短くすると、紫外線波長で焦点深度が大きくなることによりアスペクト比を大きくした構造上の特徴を形成しうるようになる。
【００１８】
本発明は、殆ど反射しない材料を用い、ワークピース支持構造体のための新規な製造技術を用いることにより、ウェーハチャックのようなワークピース支持構造体からの紫外線処理ビームの漂遊反射の為に生じる処理済み半導体ワークピースの損傷を低減させる方法をも提供する。
【００１９】
本発明のその他の目的及び利点は、図面に関する以下の好適実施例の詳細な説明から明らかとなるであろう。
好適実施例の詳細な説明
【００２０】
図１は、シリコンの光吸収係数を波長の関数として示す。この図１を参照するに、シリコンは紫外線の波長で光吸収係数の極めて急峻な上昇を呈する。本発明は、３９０ｎｍよりも短いレーザ波長を有効に利用し、且つシリコンの光吸収係数が紫外線で増大することをうまく利用し、シリコンを効率よく侵食除去し、これにより種々の有効なパターン又は構造をシリコン中に直接形成する。この光吸収特性は、従来技術で教えられてきたような５３２ｎｍ又は１０６４ｎｍ波長のパルス出力を用いて形成した構造に比べて紫外線では熱的に悪影響を受ける領域を著しく低減させてシリコンを極めて容易に侵食除去するものである。
【００２１】
図２は、GaAsの光吸収係数を波長の関数として示す。この図２を参照するに、GaAsは紫外線の波長で光吸収係数の極めて急峻な上昇を呈する。GaAsとシリコンとの光吸収係数は３５５ｎｍで極めて近似している。GaAsは、ダイオードレーザー及び検出器のようなオプトエレクトロニク装置における主要材料である。
【００２２】
図３及び４は、半導体ワークピース１２に微細構造を紫外線レーザにより侵食パターニングするために採用しうるウェーハチャックアセンブリ１４０を具える複合ビーム位置決めシステム３０を用いる本発明によるレーザ処理システム１０ａ及び１０ｂをそれぞれ示す（これらレーザ処理システムを代表的に１０で示す）。これらの図３及び４を参照するに、レーザシステム１０の好適実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＮｄ：ＹＶＯ4 のような固体レーザ材料（lasant）を含むのが好ましいＱスイッチダイオードポンプ（ＤＰ）固体（ＳＳ）ＵＶレーザ１４を用いる。このレーザ１４は、主としてＴＥＭ00の空間モードプロファイルを有する３５５ｎｍ（周波数３逓倍Ｎｄ：ＹＡＧ）、２６６ｎｍ（周波数４逓倍Ｎｄ：ＹＡＧ）又は２１３ｎｍ（周波数５逓倍Ｎｄ：ＹＡＧ）のような波長での１つ以上のレーザパルスのＵＶレーザ出力１６を、調和的に発生させるのが好ましい。
【００２３】
レーザ出力１６の放射照度プロファイルを表わすのに、ガウス関数を用いることができるが、当業者は、殆どのレーザ１４はＭ2 ＝１の値を有する完全なガウス出力１６を放出しないことを理解している。ここに、ガウス関数とは、Ｍ2 の値が１．３又は１．２よりも小さいのが好ましいが、約１．５以下であるプロファイルを含むものとして便宜上用いる。
【００２４】
好適実施例では、レーザ１４は、約３５５ｎｍで動作するLightwave Electronics 社により市販されている型番Model 210-V06 のＱスイッチ周波数３逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザを有する。このレーザはオレゴン州ポートランドのElectro Scientific Industries 社により市販されている型番ESI Model 2700のマイクロビアドリリングシステムに採用されている。他の実施例では、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）を高く、パルス当りのエネルギーを高くするために、約３５５ｎｍで動作するLightwave Electronics 社により市販されている型番Model 210-V09 のＱスイッチ周波数３逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。当業者にとって明らかなように、他のレーザを採用することができ、リストアップされる他のレーザ材料から他の波長を得ることができる。レーザキャビティの構成、高調波の発生、Ｑスイッチ動作や、位置決めシステムはすべて当業者にとって周知であるが、これらのうちの幾つかの詳細は好適実施例の説明に導入する。
【００２５】
ＵＶレーザ出力１６は、随意ではあるが、種々の周知の拡大及び平行化の双方又はいずれか一方の光学系１８を通過させ、光路２０に沿って伝播させ、ビーム位置決めシステム３０により指向させてレーザシステム出力パルス３２がワークピース１２上の所望のレーザ目標位置３４を照射するようにする。ビーム位置決めシステム３０は並進ステージポジショナを有するのが好ましく、このポジショナは、例えばＸ、Ｙ及びＺの任意の組合せの方向の位置決めミラー４２及び４４を支持し且つ同一の又は異なるワークピース１２上の複数の目標位置間の迅速な移動を達成する少なくとも２つの横方向並進ステージ３６及び３８を採用するのが好ましい。
【００２６】
好適実施例では、並進ステージポジショナは、代表的にリニアモータによりレール４６に沿って移動されるＹ方向並進ステージ３６がワークピース１２を支持及び移動させ、代表的にリニアモータによりレール４８に沿って移動されるＸ方向並進ステージ３８が高速ポジショナ５０及びこれに関連する集束レンズを支持及び移動させようにした軸線分離システムである。Ｘ方向並進ステージ３８及びＹ方向並進ステージ３６間のＺ方向の寸法も可調整としうる。位置決めミラー４２及び４４は、レーザ１４と、光路２０に沿って配置される高速ポジショナ５０との間のいかなる方向転換部をも介して光路２０を整列させる（アライメント処理）。高速ポジショナ５０には、例えば、与えられた検査データ又は設計データに基づいた１回又は繰返しの処理動作を行いうる高分解能リニアモータ又は一対のガルバノメータモータを採用しうる。Ｘ方向並進ステージ３８及びＹ方向並進ステージ３６や、高速ポジショナ５０は、パネル化データ又は非パネル化データに応答して互いに独立して制御して移動させるか、又は協同して移動させることができる。
【００２７】
高速ポジショナ５０には、ワークピース１２の表面上の１つ以上の基準点に整列しうるビジョンシステムを含めるのも好ましい。ビーム位置決めシステム３０は、対物レンズ３６か又は別のカメラに対するオフアクシスを介して動作する、当業者にとって周知の通常のビジョン又はビーム‐ワークアライメントシステムを採用することができる。１実施例では、Electro Scientific Industries 社により市販されている位置決めシステム３０における、フリーダムライブラリソフトウェアを用いたＨＲＶＸビジョンボックスを採用して、レーザシステム１０とワークピース１２上の目標位置３４との間のアライメントを実行する。他の適切なアライメントシステムも市販されている。アライメントシステムは、特にラッピング又はポリッシングしたウェーハのような鏡面反射性のワークピースに対して明視野でオンアクシスの照明を採用するのが好ましい。
【００２８】
更に、ビーム位置決めシステム３０は、線形目盛エンコーダ又はレーザ干渉計のようなオンアクシス位置インジケータにより表示されないＸ方向並進ステージ３８及びＹ方向並進ステージ３６のピッチ、ヨー又はロールの揺れによるアッベ誤差を決定するのに、無接点型の小変位センサを採用するのも好ましい。アッベ誤差補正システムは、補正がセンサの読みの絶対精度に依存せずにセンサの読みで検知される小さな変化のみに依存するように、正確な基準ゲージに対し校正することができる。このようなアッベ誤差補正システムは国際公開パンフレットＷＯ01/52004及び米国特許公開第2001-0029674号明細書に詳細に説明されている。この米国特許公開明細書に対応する米国特許出願第09/755,950号（特許第 6,430,465号）明細書の関連部分を参考のために導入する。
【００２９】
位置決めシステム３０の多くの変形例が当業者にとって周知であり、位置決めシステム３０の幾つかの実施例が、米国特許第 5,751,585号明細書に詳細に説明されている。オレゴン州ポートランドのElectro Scientific Industries 社により市販されている型番ESI Model 5320のマイクロビアドリリングシステが位置決めシステム３０の好適構成例であり、電子産業に対する樹脂被覆銅パッケージのレーザドリリングに用いられている。オレゴン州ポートランドのElectro Scientific Industries 社により製造されている型番２７ｘｘ、４３ｘｘ、４４ｘｘ又は５３ｘｘのような他の好適な位置決めシステムも採用しうる。ワークピース１２を移動させるＸ‐Ｙリニアモータ及び走査レンズを移動させるＸ‐Ｙ方向並進ステージを用いるこれら位置決めシステムの幾つかは、長い直線状のカッティングを行うための費用的に有効な位置決めシステムである。当業者にとっては、固定のビーム位置に対しワークピースを位置決めする単一のＸ‐Ｙ方向並進ステージと、ビーム位置決め用の固定のガルバノメータとの双方又はいずれか一方を有するシステムを代りに採用することができることも明らかである。このようなシステムは、ＵＶレーザシステムの集束された出力パルス３２を高速度で動的に位置決めして、周期的にも非周期的にもしうる種々の有効なパターンを生ぜしめるツールパスファイルを用いるようにプログラミングしうることを当業者は認識している。又、当業者は、このようにすることにより、投射結像装置を用いてシリコン中に孔（バイアホール）を形成する前記のLee 氏等による提案よりも優れた多くの利点がえられることも認識している。
【００３０】
半波長板の偏光子のような光学的なレーザ出力コントローラ５２を光路２０に沿って配置することができる。更に、ホトダイオードのような１つ以上のビーム検出装置５４を、レーザ出力１６の波長に対し部分的に透過性とした位置決めミラー４４と整列されるようにレーザ出力コントローラ５２の下流に配置することができる。ビーム検出装置５４は、レーザ出力コントローラ５２の効果を変更する信号を生じるビーム診断電子装置と組合せるのが好ましい。
【００３１】
図４を参照するに、レーザシステム１０ｂは、横方向で直線偏光されたレーザ出力１６ａ及び１６ｂをそれぞれ放出する少なくとも２つのレーザ１４ａ及び１４ｂを採用し、これらレーザ出力を、それぞれ反射装置４２ａ及び４２ｂに向けて光路２０ａ及び２０ｂに沿って伝播させるようにするのが好ましい。光路２０ｂに沿っては随意の波長板５６を配置することができる。好ましくは、反射装置４２ａを偏光感応ビーム合成器とし、光路２０ａ及び２０ｂの双方に沿って配置し、レーザ出力１６ａ及び１６ｂを合成して共通光路２０に沿って伝播させる。
【００３２】
レーザ１４ａ及び１４ｂは、互いに同じ又は異なる種類のレーザとすることができ、同じ又は異なる波長のレーザ出力１６ａ及び１６ｂを生じうる。例えば、レーザ出力１６ａが約２６６ｎｍの波長を有し、レーザ出力１６ｂが約３５５ｎｍの波長を有するようにしうる。当業者にとって明らかなように、レーザ１４ａ及び１４ｂは横に又は上下に並べて配置し、これらの双方を一方の並進ステージ３６又は３８に取付けることができる。レーザシステム１０ｂは、エネルギーが極めて高いレーザ出力パルス３２ｂを生ぜしめることができる。図４に示す構成の特別な利点は、パルス当りのエネルギーが増大された合成レーザ出力をワークピース上に当てることができるということであり、このようなレーザ出力を通常の単一のレーザヘッドから生ぜしめるのは困難である。このようにパルス当りのエネルギーを増大させることは、深い溝又は深い円柱状の孔を肉厚のシリコンウェーハ内に侵食形成するのに特に有利である。
【００３３】
レーザ出力パルス３２の形状がほぼ円形であるにもかかわらず、残留非点収差、又は楕円やその他の形状特性のような不所望なビーム特性を空間的に濾波する随意の結像光学モジュール６２によりビーム形状品質を改善させることができる。図５を参照するに、結像光学モジュール６２は、光学素子６４と、レンズ６６と、光学素子６４により形成されるビームウェストの位置又はその付近に配置され、ビームのいかなる不所望なサイドローブ及び周辺部分を阻止し、その後正確な形状としたスポットプロファイルをワークピース上に結像させるようにするアパーチュアマスク６８とを有するのが好ましい。好適実施例では、光学素子６４を集束レンズとし、レンズ６６をコリメータレンズとして、レーザシステム１０の構成に融通性を与えるようにする。
【００３４】
アパーチュアの大きさを変えることにより、スポット形状のエッジの鮮明さを制御し、小さくてより鮮明なエッジのビーム強度プロファイルを生ぜしめ、これによりアライメント精度を高めるようにすることができる。更に、この構成によれば、アパーチュアの形状を正確に円形にするか、又はカッティング方向に対し平行又は垂直に整列させうる方形形状、楕円形状又はその他の非円形形状に変えることができる。アパーチュアマスク６８のアパーチュアは、随意ではあるが、その光出射側で外側に向けてフレア状に拡開させることができる。結像光学モジュール６２では、アパーチュアマスク６８がＵＶ反射又はＵＶ吸収材料を有するようにしうるが、多層で高ＵＶ反射性の被膜又はその他の耐ＵＶ被膜で被覆されたサファイア又はＵＶグレード石英ガラスのような誘電体材料でアパーチュアマスク６８を形成するのが好ましい。当業者にとって明らかなように、アパーチュアマスク６８は光学素子６４及び６６を設けずに用いることができる。
【００３５】
他の好適実施例では、光学素子６４が光学素子６４の下流のアパーチュアマスク６８の付近に１つ以上のビーム整形素子を有し、このビーム整形素子により原ガウス放射照度プロファイルを有するレーザパルスを、ほぼ均一な“トップハット”プロファイル又は特にスーパーガウス放射照度プロファイルを有する整形した（及び集束させた）パルスに変換するようにする。このようなビーム整形素子は非球面光学系又は回折光学系を有しうる。好適実施例では、レンズ６６がビーム寸法及び発散度を制御するのに有効な結像光学系を有する。当業者にとって明らかなように、結像用の１つの又は複数のレンズ素子を採用しうる。更に、整形したレーザ出力はアパーチュアマスク６８を用いることなしに採用しうることも当業者にとって明らかである。
【００３６】
一好適例では、ビーム整形素子が、高効率及び高精度で複雑なビーム整形を達成しうる回折光学素子（ＤＯＥ）を有する。ビーム整形素子はガウス放射照度プロファイルをほぼ均一な放射照度プロファイルに変換するばかりではなく、整形された出力を特定なスポットサイズに集束させる。回折光学素子ＤＯＥは１つであるのが好ましいが、当業者にとって明らかなように、回折光学素子ＤＯＥは、米国特許第 5,864,430号明細書に開示された位相板及び変換素子のような複数の別々の素子を有することができる。この米国特許明細書は、ビーム整形の目的で回折光学素子ＤＯＥを設計する技術も開示している。上述した整形及び結像技術は、国際公開パンフレットＷＯ00/73013において詳細に説明されている。この国際公開パンフレットに対応する米国特許出願第09/580,396（特許第 6,433,301号）号明細書の関連部分を参考のために導入する。
【００３７】
パルス当りのエネルギーのダイナミックレンジの融通性を高める目的のために、音響光学変調器又は電気光学変調器のような高速応答振幅制御機構を採用し、順次のパルスのパルスエネルギーを変調することができる。この高速応答振幅制御機構に代え、又はこれと組み合わせて、パルス繰返し周波数を増大又は減少させることにより、順次のパルスのパルスエネルギーを変化させることができる。図６は、本発明の実施中に採用するレーザ１４のパルスエネルギー及びパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）間の特性関係を示す。この図６に示すように、レーザ“Lightwave 210-V06 ”から２００μＪよりも大きなパルスエネルギーが得られる。更に、他のレーザ“Lightwave 210-V09L”及び“Lightwave 210-V09H”に対するパルスエネルギー及びＰＲＦ間の特性関係も示してある。当業者にとって明らかなように、図６は上述した原理を表わしているものであり、レーザシステム１０の変形例により、パルスエネルギー当業者パルス繰返し周波数との間の特性関係を異ならせることができる。
【００３８】
ＵＶレーザシステム１０の上述した性能特性は、半導体、特にシリコンをレーザアブレーションすることによりミクロンスケールの構造上の特性を高速形成するのに用いることができる。これらの構造上の特性の形成は、シリコン又はその他のシリコンワークピース１２を完全に貫通するか又はこれに部分的に入り、アスペクト比を極めて大きくした円柱状の孔１００の形成と、シリコンウェーハ又はシリコンワークピース１２上の処理済み半導体ダイをシンギュレーション（切断）する目的で複雑な幾何学的形状の完全に貫通する又は部分的に入り込んだ溝の形成と、シリコン中に形成された超小型回路をペアレントウェーハから分離するマイクロタブ構造の形成と、ＡＷＧ上への構造の形成及びレーザシンギュレーションの形成の双方又はいずれか一方と、ＭＥＭＳ中への構造の形成とを含むが、これらに限定されるものではない。更に、本発明は、溶融による著しいリップ部の形成や、著しいスラグの形成や、構造上の特性部エッジのピールバックの形成を生じることなく、構造上の特性の形成を容易にする。
【００３９】
図７は、０．５μｍ厚のSiＯ2 表面安定化層（図示せず）が被覆された５００μｍ厚の真性シリコン基板７０のようなシリコンワークピース１２に紫外線アブレーションによるパターニングにより形成した円柱状の孔を示す。当業者にとって明らかなように、シリコンワークピース及び表面安定化層の厚さは変更しうる。
【００４０】
円柱状の孔１００は、レーザシステム１０の焦平面におけるシリコンワークピース１２のレーザ目標位置３４を位置決めし、一連のレーザシステム出力パルス３２をこのシリコンワークピース１２上のレーザ目標位置３４に当てることによりパターン化するのが好ましい。本例では、シリコンワークピース１２をＸ及びＹ軸方向に移動させ、円柱状の孔１００に対する所望の位置であるコンピュータプログラミングされた中心目標位置３４にレーザシステム１０を向ける。一連のレーザシステム出力パルス３２の各々はプログラミングされた中心目標位置３４に入射される。
【００４１】
シリコンワークピースにおける円柱状の孔１００の、順次の重複パルスによるアブレーションパターニング（ここではパンチングと称する）の場合、パルス当りのエネルギー、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）及び集束されたスポットサイズを含む好適範囲の合成処理パラメータが、有効な円柱状の孔１００を急速パンチングする上で特に有利である。
【００４２】
パンチング処理では、ワークピース１２をＸ及びＹ軸方向で固定させて、レーザシステムの順次の各出力パルス３２を、プログラミングされた中心目標位置３４に入射させる。本例のアブレーションによるシリコンパターニング処理の場合、パルス当りの好適なエネルギー範囲は約１００μＪ〜１５００μＪであり、更に好ましくは約２００μＪ〜１０００μＪであり、更に好ましくは約３００μＪ〜８００μＪであり、最も好ましくは約３６０μＪを超えた値である。好ましいＰＲＦの範囲は約５ｋHz〜１００ｋHzであり、更に好ましくは約７ｋHz〜５０ｋHzであり、更に好ましくは１０ｋHz〜３０ｋHzである。集束された好ましいスポットサイズの範囲は約１μｍ〜２５μｍであり、更に好ましくは約３μｍ〜２０μｍであり、最も好ましくは約８μｍ〜１５μｍである。当業者にとって明らかなように、図６に示すレーザ性能により、上述した最も好ましい範囲内のＰＲＦでパルス出力当りのエネルギーを達成しうる。具体的には、最も好ましい処理パラメータを以て動作するように型番ESI Model 2700のマイクロビアドリリングシステムをプログラミングすることにより、７５０μｍ厚のシリコンウェーハワークピースに３５μｍの直径とした円柱状の孔を形成する場合、１秒当り１００個の円柱状の孔を形成する処理能力が得られる。
【００４３】
他の実施例では、順次の各レーザシステム出力パルス３２に対応させてレーザの焦点位置を高さ方向Ｚで移動させ、レーザ焦点をシリコンワークピース１２中で順次深い位置に位置させ、これにより、集束されたスポットが残りのシリコン表面により一層一致する位置に保持されるようにする。
【００４４】
好適実施例では、３００マイクロジュール（μＪ）よりも大きなエネルギーとしたレーザ１４からの出力パルスエネルギーを用い、レーザシステムの約１００個の順次の出力パルス３２を用いることにより、円柱状の孔１００がワークピース１２の厚さ１０２を完全に突き抜けた。レーザシステムの出力パルス３２は、その集束されたスポットサイズ（１／ｅ2 ）直径を約１２μｍとして加工表面に入射させる。本例で得られる円柱状の孔１００は代表的に、約２０μｍの頂面開口直径（ｄt ）１０４と約１３μｍの出口直径（ｄb ）とを有し、これによりこの貫通孔である円柱状の孔のアスペクト比を約３０：１とし、孔のテーパー角を０．４°とする。
【００４５】
当業者にとって明らかなように、パルス当りのエネルギー、集束されたスポットサイズ、高品質の円柱状の孔１００をシリコン中に有効に形成するのに要するパルス数の正確な値は、シリコンワークピース１２の厚さ１０２や、被覆層（その一例はSiＯ2 ）の相対的な厚さ及び組成や、採用する正確な紫外線波長に応じて変えることができる。例えば、シリコン半導体ダイ上にパターン化された集積回路をプリント回路に直接導電接続する個所として用いるためにシリコン中に貫通孔である円柱状の孔を形成するには、シリコンを例えば、ほんの５０μｍの厚さにすることができる。本例では、所望の貫通孔である円柱状の孔１００を形成するのにわずか約１０個のパルスを用いればすむ。当業者は、上述したパラメータを適切に選択することにより、シリコンの全厚さ１０２を完全に貫通しない円柱状の孔（ブラインドバイア）を形成することができる。
【００４６】
当業者にとって明らかなように、アスペクト比を大きく、テーパー角を極めて小さくしてシリコンに形成したこのような円柱状の孔は電子装置のパッケージ及び相互接続分野にとって極めて有利である。更に、これら小さな貫通孔である円柱状の孔１００の１つ以上の群を、ワークピース１２、回路又は半導体ダイの周辺付近で、或いはスクライブ通路、スライス通路又はダイシング通路内の上面上に配置し、ワークピース１２の裏面又は底面を上面上の構造上の特性に対し正確に整列させうるようにすることができる。このような整列によれば、レーザスクライビング又はレーザソーイングのような裏面処理を容易にして処理速度又は性能を高める。表面及び裏面の双方又はいずれか一方におけるウェーハスライシング又はダイシング技術は、２００１年３月９日に出願された米国特許出願第09/803,382号（特許第2002-0033558号）明細書及び２００１年６月２８日に出願された米国特許暫定出願第60/301,701号明細書に詳細に説明されている。
【００４７】
図８は、溝１１０を紫外線アブレーションによりシリコンワークピース１２にパターニングした状態を示す。溝１１０は、シリコンワークピース１２をレーザシステム１０の焦平面に配置し、ビーム位置決めシステム３０によりシリコンワークピース１２をそのＸ及びＹ軸の双方又はいずれか一方に沿って移動させながら、重なり合う一連の順次のレーザシステム出力パルス３２をシリコンワークピース１２に向けることによりパターン化するのが好ましい。
【００４８】
シリコンに溝を形成するアブレーションによるパターニング処理の場合、パルス当りの好ましいエネルギー範囲は約１００μＪ〜１５００μＪであり、更に好ましくは約２００μＪ〜１０００μＪであり、更に好ましくは約３００μＪ〜８００μＪであり、最も好ましくは約３６０μＪを超えた値である。好ましいＰＲＦの範囲は約５ｋHz〜１００ｋHzであり、更に好ましくは約７ｋHz〜５０ｋHzであり、更に好ましくは１０ｋHz〜３０ｋHzである。集束された好ましいスポットサイズの範囲は約１μｍ〜２５μｍであり、更に好ましくは約３μｍ〜２０μｍであり、最も好ましくは約８μｍ〜１５μｍである。好ましいバイトサイズの範囲は約０．１μｍ〜１０μｍであり、更に好ましくは約０．３μｍ〜５μｍであり、最も好ましくは約０．５μｍ〜３μｍである。レーザビーム位置決めシステムの一方又は双方のステージの速度を制御し、レーザの繰返しレート及びレーザ発射に対し移動速度を調整することにより、バイトサイズを調整することができる。
【００４９】
好適実施例では、約３６０μＪのレーザ１４からの出力パルスエネルギーを用い、１μｍのバイトサイズを用い、１０ｍｍ／秒のステージ速度でワークピース１２上に１８０回通過させることにより、２．０μｍの厚さのSiＯ2 表面安定化層が被覆された７５０μｍの厚さの真性シリコンを完全に貫通する直線状の溝１１０をカッティング形成する。これらのレーザパルスは、集束されたスポットサイズ（１／ｅ2 ）直径を１２μｍとして加工表面に入射させる。当業者にとって明らかなように、処理中にシリコンワークピース１２をＸ及びＹ軸に沿って位置決めする位置決めシステム３０及びレーザシステム１０が用いるツールパスファイルのプログラミングにより、正方形、長方形、楕円形、らせん形又はこれらの任意の組合せを含む（しかし、これらに限定されるものではない）可変の幾何学的形状の種々のパターンを生ぜしめることができる。レーザカッティングの場合、ビーム位置決めシステム３０を通常の代表的なソーカッティング或いはウェーハ表面上のその他の規準又はパターンに整列させるのが好ましい。ウェーハに既に機械的にノッチが形成されている場合には、ソーイングの誤差及びアライメント誤差をなくすためにカッティングエッジへのアライメントが好ましい。
【００５０】
レーザカッティング（その切り口幅は５０μｍよりも狭く、好ましくは２５μｍよりも狭くする）により破壊する材料は機械的なカッティング（スライシングレーンは約３００μｍとなり、ダイシング通路は約１５０μｍとなる）により破壊する材料よりも著しく少ない為、ウェーハ上の装置を互いに著しく接近させて製造でき、従って、各ウェーハ上により多くの装置を製造しうる。従って、レーザカッティング処理は行間ピッチ及び装置間ピッチを最小にする。
【００５１】
機械的なカッティングが無くなることによっても、ワークピース１２上への装置の製造が簡単となる。特に、機械的なカッティングは装置に大きな機械的応力を及ぼし、これら装置をこれらのキャリア（担持体）からずらしてしまうおそれがある。行を失わないようにするために、装置の製造者は行とキャリアとの間に強力な接着剤又はエポキシ樹脂を採用しうる。あらゆるレーザ処理は、行をキャリア上に固定するために用いる接着剤の機械的な強さに関する条件を著しく低減させる。従って、レーザカッティングによれば、行をキャリアに固定するのに用いる強力な接着剤又はエポキシ樹脂や、これらを除去するのに必要とする強力な薬品を使用しないですむ。その代わり、剥離時間を減少でき、場合によっては腐食性とする薬品へさらす時間を減少できるように剥離を容易にするとともに、ＵＶレーザ処理への順応性があり、装置に対する損傷のおそれを著しく減少させ、これにより歩留りを高めるようにする接着剤を選択しうる。
【００５２】
レーザによる行スライスは行の曲がりを減少させる。その理由は、レーザスライシングは機械的なスライシングのように大きな機械的な応力を及ぼさない為である。しかし、行の曲がり又はその他の行欠陥が現れる場合には、行をレーザによりダイスカットし（及び再びスライシングし）、臨界的な装置の場合に、機械的なダイシングに対し行間に必要とする装置のアライメントに関連することなく、これらの欠陥を補償するようにしうる。便宜上、一般的に、言葉“（スルー）カッティング”を（しばしばウェーハの行分離と関連する）スライシング又は（しばしばウェーハの行からの部品へのシンギュレーションと関連する）ダイシングを含んで用いることができ、スライシング及びダイシングは本発明の文中で入れ替えて用いることができる。
【００５３】
ビーム位置決めシステム３０は貫通孔１００又は規準に対するアライメントを行ないうる為、レーザシステム１０は各行及び各装置の双方又はいずれか一方を独立に処理することができる。斜めの行に対しては、レーザスポットにより、所望の方形の又は曲線の波形パターンを得る各カッティング間でのステージ及びビームの双方又はいずれか一方の並進運動を行なう装置の外側エッジに対する適切な位置で、斜めの行を横切る横断カッティングを行なうことができる。従って、レーザダイシングにより、行固定による欠陥を補償できるとともに、機械的なダイシングによると破壊されるおそれのある装置の全行を保護しうるであろう。
【００５４】
シリコンや同様な材料に対するＵＶレーザカッティングの処理能力は、長いカッティング通路を短いセグメントに分割することにより高めることができる。厚肉のシリコン中に貫通孔をカッティングするか又は溝をカッティングするには、これらのセグメントを好ましくは、例えば、約１０μｍ〜１ｍｍの範囲に、より好ましくは約１００μｍ〜１０００μｍの範囲に、最も好ましくは２００μｍ〜５００μｍの範囲とする。レーザビームは第１の短いセグメントにおいて予め決定した通過回数だけ走査し、その後第２の短いセグメントに移ってこの第２の短いセグメントにおいて予め決定した通過回数だけ走査する。バイトサイズ、セグメントサイズ及びセグメントのオーバーラップ量は、溝の埋め戻し量等が最少となるように調整しうる。
【００５５】
図９は、セグメント化したカッティングプロファイル１１２ａの一例を簡単化して示している。この図９を参照するに、便宜上、カッティング通路方向が左から右方向で、個別のカッティングセグメント１１６ｋ1 〜１１６ｒ3 （一般にカッティングセグメント１１６）が右から左に形成されているカッティングプロファイル１１２ａを示している。カッティングセグメント１１６ｋ1 〜１１６ｒ3 は図９では便宜上平行に示してあるが、これらのカッティングセグメント１１６ｋ1 〜１１６ｒ3 は実際には同一線上にある。図９は複数のセグメント組１１４ａを示しており、各組は最初のセグメント１１６ｋと、徐々に長くなり且つオーバーラップしている複数のセグメント１１６ｍ〜１１６ｒとを有し、これらのセグメントはアルファベットの順に処理するのが好ましい。各組１１４ａは、次の組が処理される前に、選択した中間の深さまで又は完全に貫通するカッティングが形成されるまで処理するのが好ましい。各組１１４ａに対して５つのみのオーバーラップするセグメントを示してあるが、目的とする材料の厚さに適合して必要となるかなり多数のオーバーラップするセグメントを採用することができ、特に順次の長さの増大が僅かとなるようにすることができること、当業者にとって明らかである。カッティングプロファイル１１２ａに用いるセグメント１１６の何れか又は全てを、図９に示すように単一方向で処理するのではなく、双方向で処理しうることも当業者にとって明らかである。
【００５６】
図１０は、セグメント化したカッティングプロファイル１１２ｂの一例を簡単化して示しており、このプロファイルはプロファイル１１２ａに幾分類似している。この図１０を参照するに、プロファイル１１２ｂはプロファイル１１２ａを開始するのと同じセグメント組１１４ａから開始される。しかし、セグメント組１１４ｂにはセグメント１１６ｋがなく、このセグメント組１１４ｂは、前に処理したセグメント組を順次増大するように６０％オーバーラップさせる。本例では、セグメント１１６ｋ1 を３０回の通過でカッティングし、その長さを２００μｍとする。次に、セグメント１１６ｍ1 を６回の通過（３０回の通過の１／５）でカッティングし、その長さを２４０μｍ（２００μｍとセグメント１１６ｋ1 の長さの２／５との合計）とする。次に、セグメント１１６ｎ1 を６回の通過でカッティングし、その長さを２８０μｍ（２００μｍとセグメント１１６ｋ1 の長さの２／５との合計）とする。この手順を、所定のセグメント組１１４ｂが完了されるまで続ける。本例では、ダイシング速度を８．５ｍｍ／分以上としうる。
【００５７】
カッティングが既に終了されているカッティング通路の部分を再走査するおそれを減少させるのに、実時間モニタリングを採用することもできる。更に、レーザビームの偏光方向をカッティング方向に応じて補正し、処理能力を更に高めるようにすることができる。セグメント化されたこれらのカッティング技術は、２００１年６月８日に出願された米国特許暫定出願第60/297,218号明細書に開示されている。
【００５８】
本発明の紫外線アブレーションによるパターニング方法の他の適用は、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロニクマシーンシステム）装置１２０を形成することにある。図１１は、ＭＥＭＳ装置１２０の、紫外線アブレーションによるパターニング方法線図的に示す。一好適例では、上述した方法を用いてシリコン中に貫通溝１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ及び１２２ｅ（代表的に溝１２２と称する）を形成するように、ＭＥＭＳ装置１２０をパターン化する。当業者にとって明らかなように、レーザ位置決めシステム３０のＸ及びＹの双方又はいずれか一方の軸をコンピュータ制御することにより、指向性のあるレーザシステム出力パルス３２を加工表面に向けて、オーバーラップされたパルスにより、複雑ないかなる曲線的幾何学形状をも表わすパターンを形成しうるようになる。この制御能力を紫外線アブレーションによるパターニング方法と組合せて用いることにより、種々のＭＥＭＳ装置１２０を効率的に製造するのに有効なシリコン中の複雑な曲線形状パターンを形成することができる。図１１には、隣接する溝のパターンにより形成された方形の孔をも示してある。
【００５９】
本発明の紫外線アブレーションによるパターニング方法の更に他の適用は、半導体ウェーハワークピース１２上に形成するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）装置１３０のような光学集積回路を処理することにある。図１２は、ＡＷＧ装置１３０の紫外線アブレーションによるパターニング方法を線図的に示す。一好適例では、上述した方法を用いて、例えば、部分１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ及び１３２ｅを有する曲線溝１３２をシリコン中に形成するようにＡＷＧ１３０をパターン化した。溝１３２は対称となるように示してあるが、当業者にとって明らかなように、レーザ位置決めシステム３０のＸ及びＹの双方又はいずれか一方の軸をコンピュータ制御することにより、指向性のあるレーザシステム出力パルス３２を加工表面に向けて、オーバーラップされたパルス３２により、複雑ないかなる曲線的プロファイル又は幾何学形状をも表わすパターンを形成しうるようになる。この制御能力を紫外線アブレーションによるパターニング方法と組合せて用いることにより、種々のＡＷＧ装置１３０を効率的に製造するのに有効なシリコン中の複雑な曲線形状パターンを形成することができる。
【００６０】
シリコンワークピース１２を貫通処理するのにアルミニウムから形成されたような通常の金属チャックを採用するのは有利でない。その理由は、これらの従来の金属材料の反射率は紫外線において高いことにより、シリコンワークピース１２にバックサイドダメージを導入するおそれがある為である。貫通処理が終了された後、金属チャックのトップから起こる反射エネルギーにより円柱状の貫通孔１００又は貫通溝１１０の周囲にバックサイドダメージが生じる著しい痕跡を実験により確かめた。しかし、思いがけなくも金属チャックトップの規準孔（ツーリングホール）上で孔開け形成した円柱状貫通孔１００又は貫通溝１１０の付近にはバックサイドダメージが見いだされなかった。
【００６１】
図１３は、紫外線アブレーションによるパターニング方法を用いて貫通処理を行なうのに好ましいようにシリコンワークピース１２が配置されるチャックアセンブリ１４０を線図的に示す。チャックアセンブリ１４０は真空チャックベース１４２と、チャックトップ１４４と、随意の保持用キャリア１４６とを有するのが好ましい。真空チャックベース１４２は、通常の金属材料から形成するのが好ましく、追加のプレート１４８（図４）にボルト留めするのが好ましい。プレート１４８は、ステージ３６及び３８の少なくとも一方に容易に連結しうるように且つこれから容易に分離しうるようになっている。係合機構は機械的とするのが好ましく、互いに対向する条溝及びリッジを有し且つ鎖錠機構を有するようにしうる。当業者にとって明らかなように、ベース１４２はステージ３６又は３８に直接固着するようにもすることができる。
【００６２】
チャックトップ１４４は、特定のパターニング分野に対し選択される紫外線波長で反射率が低い誘電体材料から形成するのが好ましい。周波数３倍ＱスイッチダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザからの３５５ｎｍ出力を採用する一好適例では、ＵＶに対し透明なチャックトップ１４４を紫外線級又はエキシマー級の石英ガラス、MgＦ2 又はCaＦ2 から形成する。他の例では、上述したことに代え又は加え、ＵＶに対し透明なチャックトップ１４４を液体で冷却し、シリコンワークピース１２の温度安定性を維持させる手助けをすることができる。当業者にとって明らかなように、石英ガラスは、非晶質の二酸化シリコンより成る紫外線透過材料であり、シリコンと酸素との化学結合物より成っている。
【００６３】
図１３を再び参照するに、シリコンワークピース１２を支持するとともにこれを紫外線アブレーションによるパターニングの後に保持する目的のために保持用キャリア１４６をチャックトップ１４４上に配置することができる。バックサイド反射が、貫通処理されるワークピース１２を損傷させないようにするために、この保持用キャリア１４６も紫外線透過材料から形成するのが好ましい。この保持用キャリア１４６は、貫通処理作業後にこの処理されたシリコンワークピース１２を収める浅い凹所を有するように機械加工するのが好ましい。
【００６４】
他の例では、チャックトップ１４４又は保持用キャリア１４６をAl又はCuのような紫外線吸収材料から形成し、レーザシステム１０がワークピース１２内に孔開け形成すべき浅い凹所のパターンのツールパスファイルを用いて対応するパターンをチャックトップ１４４又は保持用キャリア１４６の材料内にカッティングしうるようにすることができる。これらの凹所は例えば、意図して開ける孔又はエッジパターンに対応させ、貫通カッティング処理中のワークピース１２へのバックサイドダメージを防止しうるようにする。更に、処理により得られるいかなる残骸破片もワークピース１２の裏面から離れた凹所内に収めることができる。一好適例では、浅い凹所のパターンは、処理後のワークピース１２の寸法よりも僅かに大きな寸法を有するようにし、これにより処理済みのワークピース１２を保持用キャリア１４６の凹所内に収めうるようにする。他の例では、保持用キャリア１４６を光学的な製造又はエッチング処理のような他の手段により紫外線透過材料から形成し、その後にこの保持用キャリアをチャックトップ１４４上に整列及び固定させる。上述した例のチャックアセンブリ１４０は、ポリアミドのような他の材料にＵＶにより孔開けするのにも有効に適用しうる。
【００６５】
当業者にとって明らかなように、窒素、アルゴン、ヘリウム及び乾燥空気のようなパージガスを有効に用いて、廃棄ヒュームをワークピース１２から除去する手助けをしうる。このようなパージガスは、レーザシステム１０に取付けた排出ノズルを用いて加工表面のすぐ近辺に排出しうる。
【００６６】
紫外線アブレーションによるパターニング方法を用いて処理したシリコンワークピース１２の表面品質を改善するためには、水、アセトン、メタノール及びエタノール（これらに限定されない）を入れた超音波浴を用いて処理済みワークピース１２を洗浄することができる。当業者にとって明らかなように、処理済みワークピース１２をフッ化水素酸中で洗浄することは、不所望な酸化物層を除去する上で有益となりうる。
【００６７】
上述したことは殆ど、シリコン及びGaAsを処理する方向に向けられたが、上述した方法は一般に、ワークピース１２に対する基板７０として用いられる他の半導体、例えば、SiＣ、SiＮ又はリン化インジウムにも適用しうる。
【００６８】
本発明は上述した実施例に限定されず、種々に変更を加えうること明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】シリコンの光吸収係数を波長の関数として示すグラフ線図である。
【図２】ヒ化ガリウム（GaAs）の光吸収係数を波長の関数として示すグラフ線図である。
【図３】本発明により、紫外線レーザアブレーションを用いて半導体中に微細構造をパターニングする好適なレーザシステムを簡単化して線図的に示す斜視図である。
【図４】紫外線レーザアブレーションを用いて半導体中に微細構造をパターニングする他の好適なレーザシステムを簡単化して線図的に示す斜視図である。
【図５】紫外線レーザアブレーションを用いて半導体中に微細構造をパターニングするレーザシステムに用いうる結像光学モジュールを簡単化して示す線図である。
【図６】本発明の実行（アブレーションによる半導体のパターニング）中に用いるレーザ（高平均出力ダイオードポンプ３５５ｎｍレーザ）のパルスエネルギー及びパルス繰返し周波数間の特性関係を示すグラフ線図である。
【図７】紫外線アブレーションによりシリコン中に円柱状の孔をパターニングした状態を示す線図である。
【図８】紫外線アブレーションによりシリコン中に溝パターンをパターニングした状態を示す線図である。
【図９】半導体材料中に長いカッティングを行なうためのセグメント化したカッティングプロファイルの一例を簡単化して示す線図である。
【図１０】半導体材料中に長いカッティングを行なうためのセグメント化したカッティングプロファイルの他の例を簡単化して示す線図である。
【図１１】半導体ウェーハ上へのＭＥＭＳ装置の、紫外線アブレーションによるパターニングを示す線図である。
【図１２】紫外線アブレーションによりＡＷＧ装置を半導体ウェーハ上にパターニングした状態を示す線図である。
【図１３】紫外線アブレーションによるパターニング方法を用いて処理する間半導体ワークピースが載せられる紫外線透過チャックを示す線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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