(57)【要約】      （修正有）【課題】サファイア基板等の脆性材料基板を、飛散物なしに、かつ比較的厚みが厚い基板においても容易に分断できるようにするとともに、取扱いが容易であり、しかもこの基板に形成された素子の特性を損なわないようにする。【解決手段】このレーザ加工方法は、パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断する加工方法であって、第１工程及び第２工程を含んでいる。第１工程では、所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射して脆性材料基板の内部に改質層１２を形成するとともに、パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査し、改質層１２から脆性材料基板の第１主面に向かって第１主面に到達しない長さの亀裂を進展させる。第２工程では亀裂を残して脆性材料基板の第２主面側を研磨し、改質層１２を除去する。【選択図】図４
2012033668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法であって、
所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射して脆性材料基板の内部に改質層を形成するとともに、パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査し、前記改質層から脆性材料基板の第１主面に向かって前記第１主面に到達しない長さの亀裂を進展させる第１工程と、
前記亀裂を残して脆性材料基板の第２主面側を研磨する第２工程と、
を含むレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１工程は、脆性材料基板の厚みｔに対して、前記厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで前記改質層から前記基板の第１表面に向かって亀裂を進展させ、
前記第２工程は、前記改質層を除去する、
請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記亀裂進展幅は、５０μｍ以上で前記基板表面に到達しない長さである、請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記第１工程におけるレーザ光の走査速度は、２５ｍｍ／ｓ以下５００ｍｍ／ｓ以上である、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記第１工程におけるレーザ光の出力は、４．２Ｗ以上である、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記脆性材料基板はサファイア基板である、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工方法、特に、パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード等の発光素子は、サファイア基板上に窒化物半導体を積層することによって形成されている。このようなサファイア基板等から構成される半導体ウェハには、複数の発光ダイオード等の発光素子が、分断予定ラインにより区画されて形成されている。そして、このような半導体ウェハを分断予定ラインに沿って分断する際には、レーザ加工が用いられている。
【０００３】
サファイア基板等の脆性材料基板を分断するレーザ加工方法のひとつが特許文献１に示されている。この特許文献１に示された方法は、サファイア基板の分断予定ラインに対応する領域にレーザ光線を照射して加熱溶融を進行させ、これにより分断溝を形成して個々の発光素子に分割するものである。
【０００４】
また、別のレーザ加工方法が特許文献２に示されている。この特許文献２に示された方法は、基板の内部にレーザ光線の集光点を合わせ、集光点を分断予定ラインに沿って走査し、基板の内部に多光子吸収による改質領域を形成して分断するものである。
【０００５】
さらに、特許文献３には、レーザ光を基板に照射することによって基板内部に改質層（切断起点領域）を形成し、その後基板が所定の厚さとなるように基板を研磨して基板を分割する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−４４７３８号公報
【特許文献２】特開２００２−１９２３７１号公報
【特許文献３】再公表特許WO２００３／０７７２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されたレーザ加工方法では、基板表面に分断溝が形成される。このため、分断溝が形成された後は抗折強度が低くなり、後工程で分断するための力が小さくて良いという利点がある。しかし、基板表面が加熱溶融されるために、溶融された飛散物が素子領域に付着する場合があり、不良品が生じやすい。
【０００８】
また、特許文献２及び特許文献３に示されたレーザ加工方法では、基板内部に改質領域が形成されるために、飛散物が素子領域に付着するといった問題はない。しかし、特許文献２では、基板表面に分断溝が形成されないために、後の分断工程において大きな力が必要になる。また、特許文献３では、研磨することによって基板が分割されるが、基板が分割されてしまうと、後工程で基板を一体的に取り扱うことができない。したがって、研磨する表面とは逆側の表面にフィルム等を貼り付けなければならない。
【０００９】
ここで、特に発光ダイオード素子が形成された基板では、改質層が発光ダイオードの発光効率を下げることが知られている。したがって、改質層は極力薄いあるいはない方が好ましい。
【００１０】
なお、特許文献３に示されるように、基板に改質領域を形成した後に、基板を所定の厚さまで研磨することで、改質層を形成することが可能である。しかし、前述のように、特許文献３の方法では、研磨によって基板が分割されてしまい、後工程での取扱いが非常に不便になる。また、この不便さを解消するために、フィルムを貼り付ける等の別の工程が必要になる。
【００１１】
本発明の課題は、サファイア基板等の脆性材料基板を、飛散物なしに、かつ比較的厚みが厚い基板においても容易に分断できるようにするとともに、取扱いが容易であり、しかもこの基板に形成された素子の特性を損なわないようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１発明に係るレーザ加工方法は、パルスレーザ光線を照射して脆性材料基板を分断する加工方法であって、第１工程及び第２工程を含んでいる。第１工程では、所定の繰り返し周波数のパルスレーザ光を、集光点が脆性材料基板の内部に位置するように照射して脆性材料基板の内部に改質層を形成するとともに、パルスレーザ光を分断予定ラインに沿って走査し、改質層から脆性材料基板の第１主面に向かって第１主面に到達しない長さの亀裂を進展させる。第２工程では亀裂を残して脆性材料基板の第２主面側を研磨する。
【００１３】
ここでは、脆性材料基板の表面は溶融されない。また、基板内部に改質層が形成され、この改質層から基板の第１表面に向かって第１表面に到達しない長さの亀裂が形成される。その後、亀裂を残して基板の第２主面側に研磨される。
【００１４】
この方法では、改質層から基板表面に向かって亀裂が形成されるので、後工程である分断工程において、比較的小さな力で分断することができる。また、改質層が形成された側の基板表面が研磨されるので、改質層を少なく、あるいは除去することができ、この基板によって発光ダイオード等の素子を形成した場合に、改質層による特性の劣化を少なくすることができる。さらに、亀裂は基板の第１表面に到達していないので、第２主面側を研磨しても、基板が分割されることはない。したがって、後工程において、基板を一体的に取り扱うことができ、取扱いが容易になる。
【００１５】
第２発明に係るレーザ加工方法は、第１発明のレーザ加工方法において、第１工程は、脆性材料基板の厚みｔに対して、厚みｔの１５％以上５５％以下の長さで改質層から基板の第１表面に向かって亀裂を進展させる。また、第２工程は改質層を除去する。
【００１６】
ここでは、第１発明と同様に、分断工程において比較的小さな力で分断することができる。また、改質層の存在による素子への悪影響をなくすことができる。
【００１７】
第３発明に係るレーザ加工方法は、第２発明のレーザ加工方法において、亀裂進展幅は、５０μｍ以上で基板表面に到達しない長さである。
【００１８】
ここでは、亀裂進展幅が基板表面に到達しないので、確実に飛散物をなくすことができる。また、第２工程での研磨後も、基板が分割されない。
【００１９】
第４発明に係るレーザ加工方法は、第１から第３発明のいずれかのレーザ加工方法において、第２工程におけるレーザ光の走査速度は、２５ｍｍ／ｓ以下５００ｍｍ／ｓ以上である。
【００２０】
このような走査速度でレーザ光を走査することにより、レーザ光が適切な範囲でオーバーラップし、適切な長さの亀裂を進展させることができる。
【００２１】
第５発明に係るレーザ加工方法は、第１から第４発明のいずれかのレーザ加工方法において、第１工程におけるレーザ光の出力は、４．２Ｗ以上である。
【００２２】
第６発明に係るレーザ加工方法は、第１から第５発明のいずれかのレーザ加工方法において、脆性材料基板はサファイア基板である。
【発明の効果】
【００２３】
以上のような本発明では、サファイア基板等の脆性材料基板を、飛散物なしに、かつ比較的厚みが厚い基板においても容易に分断することができる。また、基板表面を研磨することによって改質層を薄く、あるいは除去するので、この基板に形成される素子の特性劣化を抑えることができる。さらに、基板研磨後においても基板が分割されないので、基板の取扱いが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態による加工方法によって分断される半導体ウェハの外観斜視図。
【図２】本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置の概略構成図。
【図３】ウェハに形成される改質領域を説明するための模式図。
【図４】改質層及び亀裂進展層が形成された基板の顕微鏡写真を図面にしたもの。
【図５】レーザ出力及びレーザ光線の相対速度をパラメータとして実験した亀裂進展の結果を示す図。
【図６】レーザ光線の相対速度と改質幅の関係を示す図。
【図７】レーザ光線の相対速度と亀裂進展幅の関係を示す図。
【図８】レーザ光線の出力と改質幅の関係を示す図。
【図９】レーザ光線の出力と亀裂進展幅の関係を示す図。
【図１０】レーザ光線の出力と亀裂進展幅／改質幅の関係を示す図。
【図１１】レーザ光線の各出力におけるレーザ光の走査速度と分断荷重との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［加工対象］
図１は、本発明の一実施形態による加工方法が適用される半導体ウェハの一例である。この図１に示す半導体ウェハ１は、サファイア基板２上に窒化物半導体が積層され、複数の発光ダイオード等の発光素子３が分割予定ライン４によって区画されて形成されたものである。
【００２６】
［レーザ加工装置］
図２は、本発明の一実施形態による加工方法を実施するためのレーザ加工装置５の概略構成を示したものである。レーザ加工装置５は、レーザ光線発振器や制御部を含むレーザ光線発振ユニット６と、レーザ光を所定の方向に導くための複数のミラーを含む伝送光学系７と、伝送光学系７からのレーザ光をウェハ１の内部において集光させるための集光レンズ８と、を有している。なお、ウェハ１はテーブル９に載置されており、このテーブル９とレーザ光とは、相対的に上下方向に移動が可能であるとともに、水平面内で相対移動が可能となっている。
【００２７】
［レーザ加工方法］
以上のようなレーザ加工装置５を用いたレーザ加工方法は以下の通りである。
【００２８】
まず、レーザ光線発振ユニット６において、レーザ光の出力パワー等の加工条件を多光子吸収が生じる条件に制御し、ウェハ１のサファイア基板の内部に集光点Ｐを合わせる（図３参照）。そして、このレーザ光をウェハ１に照射して、サファイア基板内部に改質領域１０を形成する。
【００２９】
その後、レーザ光を分断予定ラインに沿って相対的に移動させることにより、集光点Ｐを分断予定ラインに沿って走査する。これにより、顕微鏡写真を図で示した図４に示すように、改質領域１０が分断予定ラインに沿って移動し、サファイア基板の内部のみに改質された領域からなる改質層１２が形成される。このとき、ウェハ１の表面ではレーザ光はほとんど吸収されないので、ウェハ１の表面が溶融することはない。また、レーザ加工条件を制御することによって、図４に示すように、改質層１２からウェハ１の第１表面（第１主面）１ａに向かって延びる、分断予定ラインに沿って連続した亀裂が形成される。すなわち、改質層１２のウェハ第１表面１ａ側に、改質層１２から亀裂が延びた亀裂進展層１３が形成される。この亀裂は、改質層１２の上下に熱応力が作用することによって生じるものである。
【００３０】
次に、ウェハ１の第２表面（第２主面）１ｂ側を研磨する。このとき、亀裂進展層１３が残り、かつ改質層１２が除去されるように研磨する。図４において、研磨量（研磨する厚み）を二点差線で示している。なお、ここで、研磨によって改質層１２が除去されても、亀裂進展層１３はウェハ１の表面まで到達していないので、研磨によってウェハ１が自動的に分断されることはない。
【００３１】
以上のようにして、ウェハ１の内部に改質層１２及び亀裂進展層１３が形成され、さらに改質層１２が除去された後は、分断予定ラインの両側に曲げ応力を加えることによって、ウェハ１を容易に分断することができる。
【００３２】
以下に、改質層１２及び亀裂進展層１３を形成するレーザ加工方法の参考例及び実施例を示す。
【００３３】
［実験条件］
各参考例及び実施例に共通の実験条件は以下の通りである。なお、ここでは、半導体ウェハ１を構成するサファイア基板を分断対象としている。
【００３４】
基板：サファイア  厚みｔ＝３３０μｍ
走査回数：１回
パルスレーザ繰り返し周波数：５ＭＨｚ
集光位置：基板内部１７０μｍ
＜参考例１＞
レーザ出力２．８Ｗで、レーザ光線の基板に対する相対走査速度（以下、単に走査速度と記す）を２５ｍｍ／ｓ、５０ｍｍ／ｓ、１００ｍｍ／ｓ、２００ｍｍ／ｓ、５００ｍｍ／ｓと変化させて観察したが、改質層及び亀裂進展層は見られなかった。
【００３５】
＜参考例２＞
レーザ出力３．３Ｗで、走査速度を同様に２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓまで変化させて観察したが、改質層及び亀裂進展層は見られなかった。
【００３６】
＜参考例３＞
レーザ出力３．８４Ｗで、走査速度を同様に２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓまで変化させて観察したが、一部で改質層は観察されたものの、亀裂進展層は見られなかった。
【００３７】
＜実施例１＞
レーザ出力４．２７Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。
【００３８】
２５ｍｍ／ｓ：１６５μｍ−−−−−（５０％）
５０ｍｍ／ｓ：１５９．５μｍ−−−（４８％）
１００ｍｍ／ｓ：１５８．９μｍ−−−（４８％）
２００ｍｍ／ｓ：１８９．９μｍ−−−（５８％）
３００ｍｍ／ｓ：  ９３．６μｍ−−−（２８％）
＜実施例２＞
レーザ出力４．６２Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜４００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。
【００３９】
２５ｍｍ／ｓ：１２８．２μｍ−−−（３９％）
５０ｍｍ／ｓ：  ８６．８μｍ−−−（２６％）
１００ｍｍ／ｓ：  ７１．４μｍ−−−（２２％）
２００ｍｍ／ｓ：１０４．３μｍ−−−（３２％）
３００ｍｍ／ｓ：１１３．１μｍ−−−（３４％）
４００ｍｍ／ｓ：  ５４．６μｍ−−−（１７％）
＜実施例３＞
レーザ出力４．９５Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。
【００４０】
２５ｍｍ／ｓ：１３７．９μｍ−−−（４２％）
５０ｍｍ／ｓ：１３０．５μｍ−−−（４０％）
１００ｍｍ／ｓ：１０５μｍ−−−−−（３２％）
２００ｍｍ／ｓ：  ８４μｍ−−−−−（２５％）
３００ｍｍ／ｓ：１１１．９μｍ−−−（３４％）
４００ｍｍ／ｓ：  ７５μｍ−−−−−（２３％）
５００ｍｍ／ｓ：７８．７μｍ−−−−（２４％）
＜実施例４＞
レーザ出力６．６２Wで、走査速度を２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓまで変化させた場合、走査速度が２５ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓにおいて以下に示すような長さの亀裂進展が観察できた。なお、亀裂進展長さとともに、基板に対する比率を示している。
【００４１】
２５ｍｍ／ｓ：１７９．４μｍ−−−（５４％）
５０ｍｍ／ｓ：１６５μｍ−−−−−（５０％）
１００ｍｍ／ｓ：１５２．７μｍ−−−（４６％）
２００ｍｍ／ｓ：１３４．２μｍ−−−（４１％）
３００ｍｍ／ｓ：１４０μｍ−−−−−（４２％）
４００ｍｍ／ｓ：１２５．４μｍ−−−（３８％）
５００ｍｍ／ｓ：１０７．４μｍ−−−（３３％）
以上の実験結果をまとめた表を図５に示す。図５において、「×」は亀裂進展が見られなかったもの、「○」は亀裂進展が観察されたことを示している。また、「○」の欄に並べて記載している数値が亀裂進展の長さである。この結果から、以上の実験では、基板厚みｔに対して、この厚みｔの１５％以上５５％以下の長さの亀裂進展が観察されたことがわかる。また、レーザ光の繰り返し周波数については、すべての加工条件で実験がなされたわけではないが、例えば出力５．５W、走査速度３００ｍｍ／ｓにおいては、２ＭＨｚ〜５ＭＨｚで所望の亀裂進展が観察できた。
【００４２】
なお、以上の実施例において、「亀裂進展の長さ」とは、亀裂の最大長さをいう。
【００４３】
また、以上の実験データを基に、図６に出力毎の走査速度と改質幅との関係を示し、図７に出力毎の走査速度と亀裂進展幅との関係を示している。これらの図から、走査速度を下げてレーザスポットのオーバーラップ率を高くすると、改質幅が大きくなることが分かる。また、亀裂進展幅も同様の傾向を示していることが分かる。特に、図７から、走査速度を１００ｍｍ／ｓ以下にしたときに、出力によっては基板の半分程度の長さの亀裂が生じることがわかる。なお、図９に関して後述するように、亀裂進展幅は出力の大きさに比例して大きくなるわけではない。
【００４４】
また、図８に走査速度毎の出力に対する改質幅を、図９に走査速度毎の出力に対する亀裂進展幅を示している。図８からは、出力を増加させることによって改質幅が大きくなることが分かる。また、図９から、出力に対して亀裂進展幅は極小値を持つことが分かる。
【００４５】
図１０は、出力に対して、改質幅と亀裂進展幅の割合（亀裂進展幅／改質幅）がどのように変化するかを示している。この図１０から、走査速度が２５〜５００ｍｍ／ｓ、出力が４．２〜７Ｗの範囲では、亀裂進展幅／改質幅は１．４〜３．６であることがわかる。
【００４６】
図１１は、レーザ出力を変えて、レーザ光の走査速度と分断荷重との関係を測定した結果を示している。この図から明らかなように、各出力ともに、走査速度が遅いほど、すなわち、レーザ光が照射される領域のオーバーラップ範囲が大きいほど、分断強度が小さくなる傾向にあることがわかる。
【００４７】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００４８】
前記実施形態では、ウェハを構成する基板として、サファイア基板を例にとって説明したが、他の脆性材料基板においても本発明を同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
２  サファイア基板
４  分断予定ライン
１２  改質層
１３  亀裂進展層
【図１】
2012033668.tif 000003
【図２】
2012033668.tif 000004
【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】
2012033668.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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