レーザ加工法及び装置
【課題】半導体結晶などの脆性材料をチッピングやクラッキングの発生を抑制して除去加工するレーザ加工法及び装置を提供すること。
【解決手段】結晶性加工対象物６の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段２と、低フルーエンス照射手段２で照射された加工対象物の照射領域にパルスレーザ光を加工対象物６の表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段２と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【解決手段】結晶性加工対象物６の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段２と、低フルーエンス照射手段２で照射された加工対象物の照射領域にパルスレーザ光を加工対象物６の表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段２と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工法及び装置に関し、詳しくは、半導体結晶などの脆性材料をチッピングやクラッキングの発生を抑制して除去加工（穴あけ、みぞ切り、スクライビング、等）するレーザ加工法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス時間幅（以後単にパルス幅と記す）がナノ秒以上のパルスレーザ光、或いはｃｗレーザ光を加工対象物に集光照射することで、穴あけ加工、みぞ切り加工、切断加工が可能であることが古くから知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
最近、パルス幅がフェムト秒〜ピコ秒のオーダの短光パルスレーザ光を加工対象物に照射すると、フルーエンスが該加工対象物のアブレーション閾値以上の時、照射領域がアブレーションして除去されることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。レーザ光を走査するか加工対象物を走査することで、みぞ切り、切断といった除去加工を行うことができる。
【０００４】
また、半導体ウエハ上に形成された半導体素子を個々の半導体デバイスに組み立てるために、ウエハを分割して半導体チップにする必要があり、従来、ブレードによりウエハに切り込みを入れて割断していた。
【非特許文献１】稲場文男、他編「レーザーハンドブック」朝倉書店出版、１９７３年２月２０日、ｐ．６９５−６９９
【非特許文献２】J. Bovatsek, et. al. “Laser Ablation Threshold and Etch Rate Comparison Between the Ultrafast Yb Fiber-based FCPA Laser and a Ti:Sapphire Laser for Various Materials” Proceedings of the 5th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のレーザ光によるレーザ加工及びブレード等による機械加工では、加工対象物が結晶性脆性材料の場合、除去加工による熱的或いは／及び機械的応力によって、例えば、みぞ切りの場合、みぞの側壁や底部にクラックやチッピングが発生する。その結果、例えば、半導体チップ製造の場合、チップサイズが小さくなるにつれ、クラックやチッピングが半導体デバイスの性能低下をもたらし、不良率が増加する。
【０００６】
本発明は、上記従来のレーザ加工法及び機械加工の問題に鑑みてなされたものであり、半導体結晶などの脆性材料をチッピングやクラッキングの発生を抑制して除去加工するレーザ加工法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に前記パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法である。
【０００８】
結晶性加工対象物をアモルファス化して脆性を低下させてから除去加工するので、チッピングやクラッキングの発生を抑制することができる。
【０００９】
課題を解決するためになされた請求項２に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域を機械加工する機械加工工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法である。
【００１０】
除去加工を機械加工で行うので、加工コストを下げることができる。
【００１１】
課題を解決するためになされた請求項３に係る発明は、結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に第２パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法である。
【００１２】
アモルファス化と除去に別々のパルスレーザ光を用いるので、アモルファス化に適したレーザ特性（パルス幅、波長）、除去に適したレーザ特性を選定することができる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工法であって、前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴としている。
【００１４】
アモルファス化を引き起こす低フルーエンスの範囲が広く、アモルファス化工程でのフルーエンスの設定が容易になる。
【００１５】
課題を解決するためになされた請求項５に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００１６】
低フルーエンス照射手段で結晶性加工対象物がアモルファス化する所定の低フルーエンスでパルスレーザ光を照射することで、照射領域をアモルファス化することができ、高フルーエンス照射手段でそのアモルファス化した照射領域を除去加工するので、クラッキング及びチッピングの発生を抑制することができる。
【００１７】
また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載のレーザ加工装置であって、前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面に集光してできるスポット径を制御する集光光学系を共有することを特徴としている。
【００１８】
低フルーエンス照射手段と高フルーエンス照射手段とが集光光学系を共有するので、レーザ加工装置を小型化できる。
【００１９】
また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載のレーザ加工装置であって、前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光の時間軸パルス形状を制御するパルス形状制御手段を含むことを特徴としている。
【００２０】
パルス形状制御手段でパルスの立ち上がり部、立ち下がり部の強度分布を所定の低フルーエンスに、山部の強度分布を所定の高フルーエンスにすることで、シングルショット（単一パルス照射）でアモルファス化と除去加工を行うことができる。
【００２１】
課題を解決するためになされた請求項８に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域を機械加工する機械加工手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００２２】
除去加工を機械加工手段で行うので、加工コストを下げることができる。
【００２３】
課題を解決するためになされた請求項９に係る発明は、結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に第２パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００２４】
低フルーエンス照射手段と高フルーエンス照射手段のパルスレーザ光が異なるので、アモルファス化に適したレーザ特性（パルス幅、波長）、除去に適したレーザ特性を選定することができる。
【００２５】
また、請求項１０に係る発明は、請求項５、８、９のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴としている。
【００２６】
アモルファス化を引き起こす低フルーエンスの範囲が広く、低フルーエンス照射手段でのフルーエンスの設定が容易になる。
【発明の効果】
【００２７】
結晶性加工対象物をアモルファス化して脆性を低下させてから除去加工するので、チッピングやクラッキングの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２９】
（実施形態１）
本実施形態のレーザ加工装置は、同一のパルスレーザ光を順次照射するタイプで、図１に示すように、パルスレーザ光源１と、フルーエンス制御手段２と、加工対象物６を移動させるｘｙｚ３軸移動ステージ５と、を備えている。
【００３０】
パルスレーザ光源１としては、例えば、ファイバチャープパルス増幅（ＦＣＰＡ）光源を用いることができる。ＦＣＰＡ光源は、モードロックファイバレーザとチャープパルス増幅器を組み合わせた光源で、例えば、中心波長１５５８ｎｍ、典型的なパルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚのレーザ光を出力する。空間的なビームプロファイルは、ガウシアンである。
【００３１】
フルーエンス制御手段２は、パルスレーザ光のエネルギ調整器２１と集光光学系２２とを備えており、低フルーエンス照射手段及び高フルーエンス照射手段でもある。例えば、集光光学系２２でレーザ光を集光したとき、ビームウエストの位置が加工対象物６の表面に一致するようにｚ軸方向の位置を調整して集光光学系２２を固定する場合、エネルギ調整器２１でエネルギを減少させると、低フルーエンス照射手段として機能する。一方、エネルギ調整器２１でエネルギを増加させると高フルーエンス照射手段として機能する。エネルギ調整器２１としては、例えば、ＮＤフィルタ或いはλ／２板と偏光子を組み合わせたもの等を用いることができる。集光光学系２２としては、単レンズ或いは顕微鏡対物レンズなどを用いることができる。因みに本実施形態では、エネルギ調整器２１にλ／２板と偏光ビームスプリッタを組み合わせたものを、集光光学系２３にＮＡ０．８の１００倍対物レンズを、それぞれ用いている。
【００３２】
上記のように、低フルーエンス照射手段及び高フルーエンス照射手段でもあるフルーエンス制御手段２は、エネルギ調整器２１と集光光学系２２とを備えているが、エネルギ調整器２１を省いて、集光光学系２３だけにすることもできる。その結果、加工装置を小型化できる。集光光学系２２を点線矢印Ａのようにｚ軸方向に移動させるか或いは移動ステージ５で加工対象物６をｚ軸方向に移動させると、加工対象物６の表面での集光スポット径が変わるので、フルーエンスを変えることができる。すなわち、図２（Ａ）に示すように、集光光学系２２の集光点ｐを加工対象物６の表面６aから上方Ｄの位置に調節すると、表面６aでの集光スポット径が大きくなり、フルーエンスが低下する。集光スポット径は、Ｄに依存するので、Ｄを変えることで、フルーエンスを所定の低フルーエンスにすることができる。また、Ｄを小さく、すなわちＤ＝０にすれば、集光スポット径が最小になり（図２（Ｂ）参照）、フルーエンスが最大になる。したがって、Ｄを小さくすることで、フルーエンスを所定の高フルーエンスにすることができる。
【００３３】
なお、３は、偏光制御器で、例えばλ／４板であり、レーザ光が直線偏光の場合、円偏光に変えることで、偏光依存性をなくすことができる。４は、折り曲げミラーである。
【００３４】
加工対象物が除去加工されずにアモルファス化するためには、フルーエンスを除去加工閾値以下にしなければならない。除去加工閾値（アブレーション閾値を含む）は、加工対象物の材料とレーザ光の波長、パルス幅などと関係があるので、アモルファス化する低フルーエンスの範囲は、加工対象物の材料、レーザ光の波長、レーザ光のパルス幅などによって決まり、実験的に決められる必要がある。
【００３５】
そこで、まず、本実施形態のレーザ加工装置でアモルファス化する所定の低フルーエンス値を求めるために行った実験及び結果について説明する。加工対象物６を厚さ５４５μｍのＳｉ（１００）ウエハとし、パルスレーザ光源１を、中心波長１５５８ｎｍ、パルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚの前記ＦＣＰＡ光源とし、フルーエンス制御手段２でフルーエンスを変えて、フルーエンスとアモルファス化の関係を調べた。なお、繰り返し周波数が１７２．９ｋＨｚであるので、シングルショットになるように、加工対象物６を移動ステージ５でｘ軸方向に７５０ｍｍ／ｓの速度で走査した。シングルショットになるようにしたのは、本実施形態のレーザ加工装置ではフルーエンスを極端に小さくできないため、ダブルショットになると、フルーエンスが倍になり、アブレーションを起こすからである。
【００３６】
Ｄ＝０にして、エネルギ調整器２１だけでフルーエンスを低から高に変えてＳｉウエハにパルスレーザ光を照射すると、フルーエンスが低すぎる場合、内部はもちろん表面にも変化がないが、フルーエンスが高くなってくると、図３（Ａ）に示すように、集光スポット径に近い白っぽい円形パターンが観測される。さらにフルーエンスを高くすると、図３（Ｂ）に示すように、白っぽい円形パターンの中にアブレーションによるクレータが観測される。白く見えるのは、パルスレーザ照射領域の屈折率が変わるためと考えられる。図４は、図３（Ａ）の円形パターンの断面ＴＥＭ写真で、図４（Ａ）から、白っぽい変質層の深さが約０．０５μｍであることがわかる。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の中央付近を高倍率で観察したＴＥＭ写真である。白っぽい変質層の下の層には規則的な模様が観測されるのに対して、白っぽい変質層には観測されず、白っぽい変質層がアモルファス化していることがわかる。
【００３７】
アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲を求めるのに、上記のように、一々ＴＥＭ観察すると、膨大な実験量になるので、ＴＥＭ観察は適宜行うのに止めた。代わりに、以下のように、白っぽく変質する円形パターンの大きさとフルーエンスの関係から所定の低フルーエンスの下限を、アブレーション深さとフルーエンスの関係から所定の低フルーエンスの上限を、それぞれ求めた。
【００３８】
白っぽく変質する円形パターンの径をＤ、集光スポット径を２ω、集光スポットにおけるピークフルーエンスをＦ0、白っぽく変質させるフルーエンスの下限、すなわちアモルファス化する所定の低フルーエンス値の下限をＦｌｔｈ、とすると、次式の関係が成り立つ。
【００３９】
Ｄ２＝（２ω）２ｌｎ（Ｆ０／Ｆｌｔｈ） （１）
アブレーション深さをＬ、多光子吸収の次数をｎ、多光子吸収係数をαｎ、アブレーション閾値、すなわちアモルファス化する所定の低フルーエンス値の上限をＦuｔｈ、集光スポットのフルーエンスをＦ、パルス幅をτとすると、次式の関係が成り立つ。
【００４０】
Ｌ＝｛１／（ｎ−１）αｎ｝｛（Ｆuth／τ）１−ｎ−（Ｆ／τ）１−ｎ｝ （２）
図５は、縦軸に白っぽく変質する円形パターンの径の２乗すなわちＤ２をとり、横軸にピークフルーエンスＦ０をとって実験値をプロットした図である。実験データを結ぶ直線は、（１）式をフィッティングしたもので、これから、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の下限Ｆｌｔｈ＝０．５３Ｊ／ｃｍ２であることがわかる。
【００４１】
図６は、縦軸にアブレーション深さＬをとり、横軸にフルーエンスＦをとり、実験値をプロットした図である。実験データを結ぶ曲線は、（２）式をフィッティングしたもので、これから、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の上限Ｆuｔｈ＝０．７３Ｊ／ｃｍ２であることがわかる。
【００４２】
上記から、波長１５５８ｎｍのＦＣＰＡ光源の場合、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲は、０．５３〜０．７３Ｊ／ｃｍ２である。
【００４３】
一方、パルスレーザ光源１を波長だけが８００ｎｍと大きく異なるパルスレーザ光源にして、同様の実験を行ったところ、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲は、０．２６〜０．２９Ｊ／ｃｍ２であった。したがって、Ｓｉの場合、波長１５５８ｎｍのパルスレーザを照射してアモルファス化する所定の低フルーエンスの範囲が広く、制御が容易である。範囲が広いのは、Ｓｉのバンドギャップが１．１５ｅＶに対して、波長１５５８ｎｍのパルスレーザの光子エネルギが０．７９ｅＶと小さいことによる。
【００４４】
次に、本実施形態のレーザ加工装置でアモルファス化する所定の低フルーエンス値とそのレーザパルス幅依存性を求めるために行った実験及び結果について説明する。
【００４５】
加工対象物６を厚さ５４５μｍのＳｉ（１００）ウエハとし、パルスレーザ光源１を中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚのチタンサファイアレーザ光源とし、レーザ光源内蔵のパルス圧縮器を調整してパルス幅を１００ｆｓから５ｐｓまで変化させ、フルーエンス制御手段２でフルーエンスを変えて、パルス幅とフルーエンスとアモルファス化の関係を調べた。
【００４６】
パルス幅を設定した後にレーザ光を同一点に複数回照射し、レーザスポット内で白っぽく変質する領域を測定し、（１）式により所定の低フルーエンスの範囲を求めた。波長８００ｎｍのレーザ光を照射した場合、白っぽく変質する領域はリング状パターンとなった。したがって、白っぽく変質する領域がリング状となるか円になるかは、レーザ波長によって異なることがわかる。照射回数を増やすと、リングの幅が広くなり、アモルファス化する領域の成長が確認され、ある照射回数以上ではアブレーションが発生した。
【００４７】
観測された最も幅が狭いリングをＳ−リング、アブレーションに至る直前の最も幅が広いリングをＬ−リングと名付けて、それぞれのリングの内径と外径を測定し、その内径と外径に対応する箇所での照射フルーエンスを（１）式により評価した。同様の実験をパルス幅１００ｆｓ、４００ｆｓ、１ｐｓ、４ｐｓと変化させて行った。なお、アブレーションに至る照射回数は、パルス幅によって異なる。
【００４８】
図７は、縦軸にアモルファス化により白っぽく変質して生じたリング状パターンの内径と外径に対応する箇所のフルーエンスをとり、横軸にパルス幅をとって実験値をプロットした図である。図７は、両対数グラフ表示であるが、データ点を結ぶ直線は、パルス幅が８ｐｓ（８０００ｆｓ）で交わる。
【００４９】
したがって、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲は、パルス幅が長くなると狭くなり、パルス幅が８ｐｓ以上では安定なアモルファス化を実現できないことがわかる。このパルス幅の上限は、レーザ光の波長と加工対象物の物性値によって変化する。
【００５０】
上記の実験から、レーザ光の波長としては、２００〜２０００ｎｍの範囲が望ましい。加工対象物を半導体材料とすると、４００〜１６００ｎｍの範囲がより望ましい。また、レーザ光のパルス幅としては、１０ｆｓ〜８ｐｓの範囲が望ましい。したがって、アモルファス化するパルスレーザ光としては、短光パルスレーザ光が望ましい。
【００５１】
次に、加工対象物６を厚さ５４５μｍのＳｉ（１００）ウエハとし、パルスレーザ光源１を、中心波長１５５８ｎｍ、パルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚの前記ＦＣＰＡ光源としたときの、各工程について説明する。
【００５２】
＜準備工程＞
移動ステージ５に加工対象物６（Ｓｉウエハ）をセットして表面が、１００倍の対物レンズ２２のビームウエストの位置になるように調節する。
【００５３】
＜アモルファス化工程＞
まず、対物レンズ２２のビームウエスト（ウエスト径２ω）の位置でのフルーエンスをアモルファス化する所定の低フルーエンス、例えば、０．６Ｊ／ｃｍ２になるようにエネルギ調整器２１を調整し、図示しないシャッタをオフにする。次に、移動ステージ５を移動させながらシャッタをオンにしてパルスレーザ光を０．６Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射することで、幅約２ω、長さｈ、深さδの細長い領域がアモルファス化される。長さｈは、移動ステージ５の移動速度とシャッタをオンしている時間に依存する。深さδは、実験によれば、約０．０５μｍである。
【００５４】
＜除去工程＞
まず、移動ステージ５をアモルファス化工程の初期段階に戻す。次に、対物レンズ２２のビームウエストの位置でのフルーエンスをアブレーションする所定の高フルーエンス、例えば、０．９Ｊ／ｃｍ２（この場合、所定の高フルーエンスは、アブレーション閾値以上である。）になるようにエネルギ調整器２１を調整し、図示しないシャッタをオフにする。次に、移動ステージ５を移動させながらシャッタをオンにしてパルスレーザ光を０．９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスでアモルファス化工程でアモルファス化された領域にオーバラップ照射することで、幅２ω’（ω＞ω’）、長さｈ、深さδ’（δ＞δ’）の細長いみぞがきられる。
【００５５】
本実施形態では、結晶性加工対象物をアモルファス化して脆性を低下させてから除去加工するので、チッピングやクラッキングの発生を抑制することができる。
【００５６】
なお、所定の高フルーエンスは、アブレーション閾値近くに設定することが好ましい。アブレーション閾値を大きくオーバすると、ω＜ω’、δ＜δ’となり、アモルファス化領域よりアブレーション領域が大きくなる。その結果、みぞの周辺にクラックやチッピングが発生し易くなる。
【００５７】
クラックやチッピングを抑えて深いみぞを切るには、上記＜アモルファス化工程＞と＜除去工程＞とを繰り返せばよい。
【００５８】
次に、図８を参照しながら本実施形態の変形態様について説明する。図８において、図１に示す実施形態１のレーザ加工装置と同じ構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。２３は、例えば、２０％反射し、８０％透過する部分反射鏡である。２３′は、全反射鏡である。加工対象物６は、移動ステージ６で矢印Ｃ方向に移動させられ、最初、集光光学系２２で所定の低フルーエンスでパルスレーザ光が照射される。次に加工対象物６が点線で示す位置まで移動すると、集光光学系２２′で所定の高フルーエンスでパルスレーザ光が照射される。
【００５９】
＜準備工程＞
集光光学系２２、２２′による加工対象物６表面での集光スポット面積をそれぞれＳ、Ｓ′とし、部分反射鏡２３の反射率をＲ、透過率をＴ、部分反射鏡２３に入射するパルスレーザ光のエネルギをＥとすると、集光光学系２２、２２′による加工対象物６の集光照射領域のフルーエンスは、それぞれＥＲ／Ｓ、ＥＴ／Ｓ′である。したがって、まず、エネルギ調整器２１と集光光学系２２′の位置とを調整して、ＥＴ／Ｓ′が所定の高フルーエンス、すなわちＳｉのアブレーション閾値以上の例えば、０．９Ｊ／ｃｍ２に等しくなるようにする。次に、集光光学系２２を調整して、ＥＲ／Ｓが所定の低フルーエンス、例えば０．６Ｊ／ｃｍ２に等しくなるようにする。
【００６０】
＜アモルファス化工程＞
図８に示すように、実線で示す加工対象物６は、矢印Ｃ方向に移動しながら、先ず、集光光学系２２で、パルスレーザ光が０．６Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射され、照射された領域がアモルファス化される。
【００６１】
＜除去工程＞
加工対象物６が矢印Ｃ方向に移動して、集光光学系２２′の集光スポット領域に達すると、アモルファス化工程でアモルファス化された領域にパルスレーザ光が０．９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射され、みぞが切られる。
【００６２】
本変形態様では、加工対象物が移動するだけで、アモルファス化と除去加工が順次行われるので、実施形態１のように、一々加工対象物を戻す必要がない。その結果、加工時間を短縮することができる。
【００６３】
（実施形態２）
本実施形態のレーザ加工装置は、図１に示す実施形態１のレーザ加工装置と同じである。実施形態１で低フルーエンス照射手段及び高フルーエンス照射手段でもあるフルーエンス制御手段２が、実施形態２では、パルスレーザ光の時間軸パルス形状を制御するパルス形状制御手段となる。
【００６４】
図１で矢印Ｂ方向に進むパルスは、加工対象物６に到達するが、図９は、その到達するパルスを、時間を横軸にし、強度を縦軸にして、模式的に示したものである。すなわち、最初、パルスの立ち上がり部Ｅｒが到達し、次いで山部Ｅｍが到達し、最後に立ち下がり部Ｅｆが到達する。ＥｒとＥｆは、斜線部の面積であり、Ｅｍは、ハッチング部の面積であり、Ｅｒ、Ｅｍ、Ｅｆは、エネルギ（Ｊ）であるので、これらを集光スポットの面積Ｓ（ｃｍ２）で除すと、フルーエンスになる。したがって、加工対象物６の集光スポットは、最初、Ｅｒ／Ｓのフルーエンスになり、次いで、Ｅｍ／Ｓ、Ｅｆ／Ｓのフルーエンスになる。エネルギ調整器２１でエネルギを適当に調整することで、Ｅｒ／Ｓをアモルファス化する所定の低フルーエンスに、Ｅｍ／Ｓをアブレーションする所定の高フルーエンス（加工対象物のアブレーション閾値以上）に、することで、シングルショットでアモルファス化と、その後のアブレーション加工を連続して行うことができる。
【００６５】
エネルギ調整器２１だけで、Ｅｒ／Ｓをアモルファス化する所定の低フルーエンスに、Ｅｍ／Ｓをアブレーションする所定の高フルーエンスにすることには、限界がある。例えば、実施形態１で用いたＦＣＰＡ光源は、平均出力をポンプパワーを変えることで可変であり、平均出力を変えることで、１パルスのエネルギを変えることができる。したがって、ＦＣＰＡ光源１の平均出力を変えて、エネルギ調整器２１でエネルギを調整することで、限界を緩和することができる。ところで、ＦＣＰＡ光源は、モードロックファイバレーザからのレーザパルスを伸長器で伸長し、その後ファイバ増幅器で増幅し、圧縮器で圧縮する。ファイバ増幅器のポンプパワーを大きくすると、自己位相変調や誘導ラマン散乱などの非線形効果が顕著になり、図１０に示すようにペデスタル成分が生成される。図１０（イ）は、ポンピングパワーが最適な場合で、ペデスタルフリーのパルスであり、（ロ）はポンピングパワーを増大させてペデスタル成分をもつようにしたパルスである。したがって、ポンピングパワーを変えることで、前記限界をさらに緩和することができる。以上の説明からわかるように、請求項７のパルス形状制御手段は、例えば、ＦＣＰＡ光源１とエネルギ調整器２１を含む。
【００６６】
本実施形態では、パルス形状制御手段でパルスの立ち上がり部、立ち下がり部の強度分布を所定の低フルーエンスに、山部の強度分布を所定の高フルーエンスにすることで、シングルショット（単一パルス照射）でアモルファス化と除去加工を行うことができる。
【００６７】
（実施形態３）
本実施形態のレーザ加工装置は、パルスレーザ光を照射してアモルファス化した後に機械加工するタイプで、図１１に示すように、パルスレーザ光源１と、フルーエンス制御手段２と、加工対象物６を移動させるｘｙｚ３軸移動ステージ５と、ダイシングブレード７を備えている。
【００６８】
次に、本実施形態の各工程を説明する。
【００６９】
＜アモルファス化工程＞
アモルファス化工程は、実施形態１と同じであるので、省略する。
【００７０】
＜機械加工工程＞
上記アモルファス化工程でアモルファス化された領域をダイシングブレードで切削することで、みぞが切られる。
【００７１】
本実施形態では、除去加工を機械加工で行うので、加工コストを下げることができる。
【００７２】
（実施形態４）
本実施形態のレーザ加工装置は、異なるパルスレーザ光を順次照射するタイプで、図１２に示すように、結晶性加工対象物６の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段２と、低フルーエンス照射手段で照射された加工対象物６の照射領域に第２パルスレーザ光を加工対象物６の表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段２′と、第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光を切り換える切り換えミラー４′と、を備えている。
【００７３】
１は、第１パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源で、例えば、中心波長１５５８ｎｍ、典型的なパルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚのレーザ光を出力する。低フルーエンス照射手段２は、エネルギ調整器２１と集光光学系２２とを備え、パルスレーザ光源１から出力される第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスに調節して加工対象物６に照射する。
【００７４】
１′は、第２パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源で、例えば、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波発生器である。この光源１′は、例えば、波長３５５ｎｍ、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数５０ｋＨｚのレーザ光を出力する。高フルーエンス照射手段２′は、エネルギ調整器２２′と集光光学系２２′を備え、パルスレーザ光源１′から出力される第２パルスレーザ光を所定の高フルーエンスに調節して加工対象物６に照射する。
【００７５】
本実施形態では、アモルファス化と除去に別々のパルスレーザ光を用いるので、アモルファス化に適したレーザ特性（パルス幅、波長）、除去に適したレーザ特性を選定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
特に、電気産業の半導体デバイス作製に利用される可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図２】集光光学系と加工対象物間の距離による集光スポット径の変化を説明する図である。
【図３】Ｓｉウエハにフルーエンスを変えてパルスレーザを照射した後の表面顕微鏡写真である。
【図４】図３（Ａ）の円形パターンの断面ＴＥＭ写真である。
【図５】白っぽく変質する円形パターンの径の２乗Ｄ２とピークフルーエンスＦ０の関係を示す図である。
【図６】アブレーション深さＬとフルーエンスＦの関係を示す図である。
【図７】リング状パターンの内径と外径に対応する箇所のフルーエンスとパルス幅の関係を示す図である。
【図８】実施形態１の変形態様に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図９】レーザ光の時間軸パルス形状の模式図である。
【図１０】ペデスタル成分を有するレーザパルス形状とペデスタルフリーのレーザパルス形状を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図１２】本発明の実施形態４に係るレーザ加工装置の構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
２・・・・・・・・・・低フルーエンス照射手段
２、２′・・・・・・・高フルーエンス照射手段
２２、２２′・・・・・集光光学系
２或いは１と２１・・・パルス形状制御手段
７・・・・・・・・・・機械加工手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工法及び装置に関し、詳しくは、半導体結晶などの脆性材料をチッピングやクラッキングの発生を抑制して除去加工（穴あけ、みぞ切り、スクライビング、等）するレーザ加工法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス時間幅（以後単にパルス幅と記す）がナノ秒以上のパルスレーザ光、或いはｃｗレーザ光を加工対象物に集光照射することで、穴あけ加工、みぞ切り加工、切断加工が可能であることが古くから知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
最近、パルス幅がフェムト秒〜ピコ秒のオーダの短光パルスレーザ光を加工対象物に照射すると、フルーエンスが該加工対象物のアブレーション閾値以上の時、照射領域がアブレーションして除去されることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。レーザ光を走査するか加工対象物を走査することで、みぞ切り、切断といった除去加工を行うことができる。
【０００４】
また、半導体ウエハ上に形成された半導体素子を個々の半導体デバイスに組み立てるために、ウエハを分割して半導体チップにする必要があり、従来、ブレードによりウエハに切り込みを入れて割断していた。
【非特許文献１】稲場文男、他編「レーザーハンドブック」朝倉書店出版、１９７３年２月２０日、ｐ．６９５−６９９
【非特許文献２】J. Bovatsek, et. al. “Laser Ablation Threshold and Etch Rate Comparison Between the Ultrafast Yb Fiber-based FCPA Laser and a Ti:Sapphire Laser for Various Materials” Proceedings of the 5th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のレーザ光によるレーザ加工及びブレード等による機械加工では、加工対象物が結晶性脆性材料の場合、除去加工による熱的或いは／及び機械的応力によって、例えば、みぞ切りの場合、みぞの側壁や底部にクラックやチッピングが発生する。その結果、例えば、半導体チップ製造の場合、チップサイズが小さくなるにつれ、クラックやチッピングが半導体デバイスの性能低下をもたらし、不良率が増加する。
【０００６】
本発明は、上記従来のレーザ加工法及び機械加工の問題に鑑みてなされたものであり、半導体結晶などの脆性材料をチッピングやクラッキングの発生を抑制して除去加工するレーザ加工法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に前記パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法である。
【０００８】
結晶性加工対象物をアモルファス化して脆性を低下させてから除去加工するので、チッピングやクラッキングの発生を抑制することができる。
【０００９】
課題を解決するためになされた請求項２に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域を機械加工する機械加工工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法である。
【００１０】
除去加工を機械加工で行うので、加工コストを下げることができる。
【００１１】
課題を解決するためになされた請求項３に係る発明は、結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に第２パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法である。
【００１２】
アモルファス化と除去に別々のパルスレーザ光を用いるので、アモルファス化に適したレーザ特性（パルス幅、波長）、除去に適したレーザ特性を選定することができる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工法であって、前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴としている。
【００１４】
アモルファス化を引き起こす低フルーエンスの範囲が広く、アモルファス化工程でのフルーエンスの設定が容易になる。
【００１５】
課題を解決するためになされた請求項５に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００１６】
低フルーエンス照射手段で結晶性加工対象物がアモルファス化する所定の低フルーエンスでパルスレーザ光を照射することで、照射領域をアモルファス化することができ、高フルーエンス照射手段でそのアモルファス化した照射領域を除去加工するので、クラッキング及びチッピングの発生を抑制することができる。
【００１７】
また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載のレーザ加工装置であって、前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面に集光してできるスポット径を制御する集光光学系を共有することを特徴としている。
【００１８】
低フルーエンス照射手段と高フルーエンス照射手段とが集光光学系を共有するので、レーザ加工装置を小型化できる。
【００１９】
また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載のレーザ加工装置であって、前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光の時間軸パルス形状を制御するパルス形状制御手段を含むことを特徴としている。
【００２０】
パルス形状制御手段でパルスの立ち上がり部、立ち下がり部の強度分布を所定の低フルーエンスに、山部の強度分布を所定の高フルーエンスにすることで、シングルショット（単一パルス照射）でアモルファス化と除去加工を行うことができる。
【００２１】
課題を解決するためになされた請求項８に係る発明は、結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域を機械加工する機械加工手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００２２】
除去加工を機械加工手段で行うので、加工コストを下げることができる。
【００２３】
課題を解決するためになされた請求項９に係る発明は、結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に第２パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００２４】
低フルーエンス照射手段と高フルーエンス照射手段のパルスレーザ光が異なるので、アモルファス化に適したレーザ特性（パルス幅、波長）、除去に適したレーザ特性を選定することができる。
【００２５】
また、請求項１０に係る発明は、請求項５、８、９のいずれかに記載のレーザ加工装置であって、前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴としている。
【００２６】
アモルファス化を引き起こす低フルーエンスの範囲が広く、低フルーエンス照射手段でのフルーエンスの設定が容易になる。
【発明の効果】
【００２７】
結晶性加工対象物をアモルファス化して脆性を低下させてから除去加工するので、チッピングやクラッキングの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２９】
（実施形態１）
本実施形態のレーザ加工装置は、同一のパルスレーザ光を順次照射するタイプで、図１に示すように、パルスレーザ光源１と、フルーエンス制御手段２と、加工対象物６を移動させるｘｙｚ３軸移動ステージ５と、を備えている。
【００３０】
パルスレーザ光源１としては、例えば、ファイバチャープパルス増幅（ＦＣＰＡ）光源を用いることができる。ＦＣＰＡ光源は、モードロックファイバレーザとチャープパルス増幅器を組み合わせた光源で、例えば、中心波長１５５８ｎｍ、典型的なパルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚのレーザ光を出力する。空間的なビームプロファイルは、ガウシアンである。
【００３１】
フルーエンス制御手段２は、パルスレーザ光のエネルギ調整器２１と集光光学系２２とを備えており、低フルーエンス照射手段及び高フルーエンス照射手段でもある。例えば、集光光学系２２でレーザ光を集光したとき、ビームウエストの位置が加工対象物６の表面に一致するようにｚ軸方向の位置を調整して集光光学系２２を固定する場合、エネルギ調整器２１でエネルギを減少させると、低フルーエンス照射手段として機能する。一方、エネルギ調整器２１でエネルギを増加させると高フルーエンス照射手段として機能する。エネルギ調整器２１としては、例えば、ＮＤフィルタ或いはλ／２板と偏光子を組み合わせたもの等を用いることができる。集光光学系２２としては、単レンズ或いは顕微鏡対物レンズなどを用いることができる。因みに本実施形態では、エネルギ調整器２１にλ／２板と偏光ビームスプリッタを組み合わせたものを、集光光学系２３にＮＡ０．８の１００倍対物レンズを、それぞれ用いている。
【００３２】
上記のように、低フルーエンス照射手段及び高フルーエンス照射手段でもあるフルーエンス制御手段２は、エネルギ調整器２１と集光光学系２２とを備えているが、エネルギ調整器２１を省いて、集光光学系２３だけにすることもできる。その結果、加工装置を小型化できる。集光光学系２２を点線矢印Ａのようにｚ軸方向に移動させるか或いは移動ステージ５で加工対象物６をｚ軸方向に移動させると、加工対象物６の表面での集光スポット径が変わるので、フルーエンスを変えることができる。すなわち、図２（Ａ）に示すように、集光光学系２２の集光点ｐを加工対象物６の表面６aから上方Ｄの位置に調節すると、表面６aでの集光スポット径が大きくなり、フルーエンスが低下する。集光スポット径は、Ｄに依存するので、Ｄを変えることで、フルーエンスを所定の低フルーエンスにすることができる。また、Ｄを小さく、すなわちＤ＝０にすれば、集光スポット径が最小になり（図２（Ｂ）参照）、フルーエンスが最大になる。したがって、Ｄを小さくすることで、フルーエンスを所定の高フルーエンスにすることができる。
【００３３】
なお、３は、偏光制御器で、例えばλ／４板であり、レーザ光が直線偏光の場合、円偏光に変えることで、偏光依存性をなくすことができる。４は、折り曲げミラーである。
【００３４】
加工対象物が除去加工されずにアモルファス化するためには、フルーエンスを除去加工閾値以下にしなければならない。除去加工閾値（アブレーション閾値を含む）は、加工対象物の材料とレーザ光の波長、パルス幅などと関係があるので、アモルファス化する低フルーエンスの範囲は、加工対象物の材料、レーザ光の波長、レーザ光のパルス幅などによって決まり、実験的に決められる必要がある。
【００３５】
そこで、まず、本実施形態のレーザ加工装置でアモルファス化する所定の低フルーエンス値を求めるために行った実験及び結果について説明する。加工対象物６を厚さ５４５μｍのＳｉ（１００）ウエハとし、パルスレーザ光源１を、中心波長１５５８ｎｍ、パルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚの前記ＦＣＰＡ光源とし、フルーエンス制御手段２でフルーエンスを変えて、フルーエンスとアモルファス化の関係を調べた。なお、繰り返し周波数が１７２．９ｋＨｚであるので、シングルショットになるように、加工対象物６を移動ステージ５でｘ軸方向に７５０ｍｍ／ｓの速度で走査した。シングルショットになるようにしたのは、本実施形態のレーザ加工装置ではフルーエンスを極端に小さくできないため、ダブルショットになると、フルーエンスが倍になり、アブレーションを起こすからである。
【００３６】
Ｄ＝０にして、エネルギ調整器２１だけでフルーエンスを低から高に変えてＳｉウエハにパルスレーザ光を照射すると、フルーエンスが低すぎる場合、内部はもちろん表面にも変化がないが、フルーエンスが高くなってくると、図３（Ａ）に示すように、集光スポット径に近い白っぽい円形パターンが観測される。さらにフルーエンスを高くすると、図３（Ｂ）に示すように、白っぽい円形パターンの中にアブレーションによるクレータが観測される。白く見えるのは、パルスレーザ照射領域の屈折率が変わるためと考えられる。図４は、図３（Ａ）の円形パターンの断面ＴＥＭ写真で、図４（Ａ）から、白っぽい変質層の深さが約０．０５μｍであることがわかる。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の中央付近を高倍率で観察したＴＥＭ写真である。白っぽい変質層の下の層には規則的な模様が観測されるのに対して、白っぽい変質層には観測されず、白っぽい変質層がアモルファス化していることがわかる。
【００３７】
アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲を求めるのに、上記のように、一々ＴＥＭ観察すると、膨大な実験量になるので、ＴＥＭ観察は適宜行うのに止めた。代わりに、以下のように、白っぽく変質する円形パターンの大きさとフルーエンスの関係から所定の低フルーエンスの下限を、アブレーション深さとフルーエンスの関係から所定の低フルーエンスの上限を、それぞれ求めた。
【００３８】
白っぽく変質する円形パターンの径をＤ、集光スポット径を２ω、集光スポットにおけるピークフルーエンスをＦ0、白っぽく変質させるフルーエンスの下限、すなわちアモルファス化する所定の低フルーエンス値の下限をＦｌｔｈ、とすると、次式の関係が成り立つ。
【００３９】
Ｄ２＝（２ω）２ｌｎ（Ｆ０／Ｆｌｔｈ） （１）
アブレーション深さをＬ、多光子吸収の次数をｎ、多光子吸収係数をαｎ、アブレーション閾値、すなわちアモルファス化する所定の低フルーエンス値の上限をＦuｔｈ、集光スポットのフルーエンスをＦ、パルス幅をτとすると、次式の関係が成り立つ。
【００４０】
Ｌ＝｛１／（ｎ−１）αｎ｝｛（Ｆuth／τ）１−ｎ−（Ｆ／τ）１−ｎ｝ （２）
図５は、縦軸に白っぽく変質する円形パターンの径の２乗すなわちＤ２をとり、横軸にピークフルーエンスＦ０をとって実験値をプロットした図である。実験データを結ぶ直線は、（１）式をフィッティングしたもので、これから、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の下限Ｆｌｔｈ＝０．５３Ｊ／ｃｍ２であることがわかる。
【００４１】
図６は、縦軸にアブレーション深さＬをとり、横軸にフルーエンスＦをとり、実験値をプロットした図である。実験データを結ぶ曲線は、（２）式をフィッティングしたもので、これから、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の上限Ｆuｔｈ＝０．７３Ｊ／ｃｍ２であることがわかる。
【００４２】
上記から、波長１５５８ｎｍのＦＣＰＡ光源の場合、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲は、０．５３〜０．７３Ｊ／ｃｍ２である。
【００４３】
一方、パルスレーザ光源１を波長だけが８００ｎｍと大きく異なるパルスレーザ光源にして、同様の実験を行ったところ、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲は、０．２６〜０．２９Ｊ／ｃｍ２であった。したがって、Ｓｉの場合、波長１５５８ｎｍのパルスレーザを照射してアモルファス化する所定の低フルーエンスの範囲が広く、制御が容易である。範囲が広いのは、Ｓｉのバンドギャップが１．１５ｅＶに対して、波長１５５８ｎｍのパルスレーザの光子エネルギが０．７９ｅＶと小さいことによる。
【００４４】
次に、本実施形態のレーザ加工装置でアモルファス化する所定の低フルーエンス値とそのレーザパルス幅依存性を求めるために行った実験及び結果について説明する。
【００４５】
加工対象物６を厚さ５４５μｍのＳｉ（１００）ウエハとし、パルスレーザ光源１を中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚのチタンサファイアレーザ光源とし、レーザ光源内蔵のパルス圧縮器を調整してパルス幅を１００ｆｓから５ｐｓまで変化させ、フルーエンス制御手段２でフルーエンスを変えて、パルス幅とフルーエンスとアモルファス化の関係を調べた。
【００４６】
パルス幅を設定した後にレーザ光を同一点に複数回照射し、レーザスポット内で白っぽく変質する領域を測定し、（１）式により所定の低フルーエンスの範囲を求めた。波長８００ｎｍのレーザ光を照射した場合、白っぽく変質する領域はリング状パターンとなった。したがって、白っぽく変質する領域がリング状となるか円になるかは、レーザ波長によって異なることがわかる。照射回数を増やすと、リングの幅が広くなり、アモルファス化する領域の成長が確認され、ある照射回数以上ではアブレーションが発生した。
【００４７】
観測された最も幅が狭いリングをＳ−リング、アブレーションに至る直前の最も幅が広いリングをＬ−リングと名付けて、それぞれのリングの内径と外径を測定し、その内径と外径に対応する箇所での照射フルーエンスを（１）式により評価した。同様の実験をパルス幅１００ｆｓ、４００ｆｓ、１ｐｓ、４ｐｓと変化させて行った。なお、アブレーションに至る照射回数は、パルス幅によって異なる。
【００４８】
図７は、縦軸にアモルファス化により白っぽく変質して生じたリング状パターンの内径と外径に対応する箇所のフルーエンスをとり、横軸にパルス幅をとって実験値をプロットした図である。図７は、両対数グラフ表示であるが、データ点を結ぶ直線は、パルス幅が８ｐｓ（８０００ｆｓ）で交わる。
【００４９】
したがって、アモルファス化する所定の低フルーエンス値の範囲は、パルス幅が長くなると狭くなり、パルス幅が８ｐｓ以上では安定なアモルファス化を実現できないことがわかる。このパルス幅の上限は、レーザ光の波長と加工対象物の物性値によって変化する。
【００５０】
上記の実験から、レーザ光の波長としては、２００〜２０００ｎｍの範囲が望ましい。加工対象物を半導体材料とすると、４００〜１６００ｎｍの範囲がより望ましい。また、レーザ光のパルス幅としては、１０ｆｓ〜８ｐｓの範囲が望ましい。したがって、アモルファス化するパルスレーザ光としては、短光パルスレーザ光が望ましい。
【００５１】
次に、加工対象物６を厚さ５４５μｍのＳｉ（１００）ウエハとし、パルスレーザ光源１を、中心波長１５５８ｎｍ、パルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚの前記ＦＣＰＡ光源としたときの、各工程について説明する。
【００５２】
＜準備工程＞
移動ステージ５に加工対象物６（Ｓｉウエハ）をセットして表面が、１００倍の対物レンズ２２のビームウエストの位置になるように調節する。
【００５３】
＜アモルファス化工程＞
まず、対物レンズ２２のビームウエスト（ウエスト径２ω）の位置でのフルーエンスをアモルファス化する所定の低フルーエンス、例えば、０．６Ｊ／ｃｍ２になるようにエネルギ調整器２１を調整し、図示しないシャッタをオフにする。次に、移動ステージ５を移動させながらシャッタをオンにしてパルスレーザ光を０．６Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射することで、幅約２ω、長さｈ、深さδの細長い領域がアモルファス化される。長さｈは、移動ステージ５の移動速度とシャッタをオンしている時間に依存する。深さδは、実験によれば、約０．０５μｍである。
【００５４】
＜除去工程＞
まず、移動ステージ５をアモルファス化工程の初期段階に戻す。次に、対物レンズ２２のビームウエストの位置でのフルーエンスをアブレーションする所定の高フルーエンス、例えば、０．９Ｊ／ｃｍ２（この場合、所定の高フルーエンスは、アブレーション閾値以上である。）になるようにエネルギ調整器２１を調整し、図示しないシャッタをオフにする。次に、移動ステージ５を移動させながらシャッタをオンにしてパルスレーザ光を０．９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスでアモルファス化工程でアモルファス化された領域にオーバラップ照射することで、幅２ω’（ω＞ω’）、長さｈ、深さδ’（δ＞δ’）の細長いみぞがきられる。
【００５５】
本実施形態では、結晶性加工対象物をアモルファス化して脆性を低下させてから除去加工するので、チッピングやクラッキングの発生を抑制することができる。
【００５６】
なお、所定の高フルーエンスは、アブレーション閾値近くに設定することが好ましい。アブレーション閾値を大きくオーバすると、ω＜ω’、δ＜δ’となり、アモルファス化領域よりアブレーション領域が大きくなる。その結果、みぞの周辺にクラックやチッピングが発生し易くなる。
【００５７】
クラックやチッピングを抑えて深いみぞを切るには、上記＜アモルファス化工程＞と＜除去工程＞とを繰り返せばよい。
【００５８】
次に、図８を参照しながら本実施形態の変形態様について説明する。図８において、図１に示す実施形態１のレーザ加工装置と同じ構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。２３は、例えば、２０％反射し、８０％透過する部分反射鏡である。２３′は、全反射鏡である。加工対象物６は、移動ステージ６で矢印Ｃ方向に移動させられ、最初、集光光学系２２で所定の低フルーエンスでパルスレーザ光が照射される。次に加工対象物６が点線で示す位置まで移動すると、集光光学系２２′で所定の高フルーエンスでパルスレーザ光が照射される。
【００５９】
＜準備工程＞
集光光学系２２、２２′による加工対象物６表面での集光スポット面積をそれぞれＳ、Ｓ′とし、部分反射鏡２３の反射率をＲ、透過率をＴ、部分反射鏡２３に入射するパルスレーザ光のエネルギをＥとすると、集光光学系２２、２２′による加工対象物６の集光照射領域のフルーエンスは、それぞれＥＲ／Ｓ、ＥＴ／Ｓ′である。したがって、まず、エネルギ調整器２１と集光光学系２２′の位置とを調整して、ＥＴ／Ｓ′が所定の高フルーエンス、すなわちＳｉのアブレーション閾値以上の例えば、０．９Ｊ／ｃｍ２に等しくなるようにする。次に、集光光学系２２を調整して、ＥＲ／Ｓが所定の低フルーエンス、例えば０．６Ｊ／ｃｍ２に等しくなるようにする。
【００６０】
＜アモルファス化工程＞
図８に示すように、実線で示す加工対象物６は、矢印Ｃ方向に移動しながら、先ず、集光光学系２２で、パルスレーザ光が０．６Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射され、照射された領域がアモルファス化される。
【００６１】
＜除去工程＞
加工対象物６が矢印Ｃ方向に移動して、集光光学系２２′の集光スポット領域に達すると、アモルファス化工程でアモルファス化された領域にパルスレーザ光が０．９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射され、みぞが切られる。
【００６２】
本変形態様では、加工対象物が移動するだけで、アモルファス化と除去加工が順次行われるので、実施形態１のように、一々加工対象物を戻す必要がない。その結果、加工時間を短縮することができる。
【００６３】
（実施形態２）
本実施形態のレーザ加工装置は、図１に示す実施形態１のレーザ加工装置と同じである。実施形態１で低フルーエンス照射手段及び高フルーエンス照射手段でもあるフルーエンス制御手段２が、実施形態２では、パルスレーザ光の時間軸パルス形状を制御するパルス形状制御手段となる。
【００６４】
図１で矢印Ｂ方向に進むパルスは、加工対象物６に到達するが、図９は、その到達するパルスを、時間を横軸にし、強度を縦軸にして、模式的に示したものである。すなわち、最初、パルスの立ち上がり部Ｅｒが到達し、次いで山部Ｅｍが到達し、最後に立ち下がり部Ｅｆが到達する。ＥｒとＥｆは、斜線部の面積であり、Ｅｍは、ハッチング部の面積であり、Ｅｒ、Ｅｍ、Ｅｆは、エネルギ（Ｊ）であるので、これらを集光スポットの面積Ｓ（ｃｍ２）で除すと、フルーエンスになる。したがって、加工対象物６の集光スポットは、最初、Ｅｒ／Ｓのフルーエンスになり、次いで、Ｅｍ／Ｓ、Ｅｆ／Ｓのフルーエンスになる。エネルギ調整器２１でエネルギを適当に調整することで、Ｅｒ／Ｓをアモルファス化する所定の低フルーエンスに、Ｅｍ／Ｓをアブレーションする所定の高フルーエンス（加工対象物のアブレーション閾値以上）に、することで、シングルショットでアモルファス化と、その後のアブレーション加工を連続して行うことができる。
【００６５】
エネルギ調整器２１だけで、Ｅｒ／Ｓをアモルファス化する所定の低フルーエンスに、Ｅｍ／Ｓをアブレーションする所定の高フルーエンスにすることには、限界がある。例えば、実施形態１で用いたＦＣＰＡ光源は、平均出力をポンプパワーを変えることで可変であり、平均出力を変えることで、１パルスのエネルギを変えることができる。したがって、ＦＣＰＡ光源１の平均出力を変えて、エネルギ調整器２１でエネルギを調整することで、限界を緩和することができる。ところで、ＦＣＰＡ光源は、モードロックファイバレーザからのレーザパルスを伸長器で伸長し、その後ファイバ増幅器で増幅し、圧縮器で圧縮する。ファイバ増幅器のポンプパワーを大きくすると、自己位相変調や誘導ラマン散乱などの非線形効果が顕著になり、図１０に示すようにペデスタル成分が生成される。図１０（イ）は、ポンピングパワーが最適な場合で、ペデスタルフリーのパルスであり、（ロ）はポンピングパワーを増大させてペデスタル成分をもつようにしたパルスである。したがって、ポンピングパワーを変えることで、前記限界をさらに緩和することができる。以上の説明からわかるように、請求項７のパルス形状制御手段は、例えば、ＦＣＰＡ光源１とエネルギ調整器２１を含む。
【００６６】
本実施形態では、パルス形状制御手段でパルスの立ち上がり部、立ち下がり部の強度分布を所定の低フルーエンスに、山部の強度分布を所定の高フルーエンスにすることで、シングルショット（単一パルス照射）でアモルファス化と除去加工を行うことができる。
【００６７】
（実施形態３）
本実施形態のレーザ加工装置は、パルスレーザ光を照射してアモルファス化した後に機械加工するタイプで、図１１に示すように、パルスレーザ光源１と、フルーエンス制御手段２と、加工対象物６を移動させるｘｙｚ３軸移動ステージ５と、ダイシングブレード７を備えている。
【００６８】
次に、本実施形態の各工程を説明する。
【００６９】
＜アモルファス化工程＞
アモルファス化工程は、実施形態１と同じであるので、省略する。
【００７０】
＜機械加工工程＞
上記アモルファス化工程でアモルファス化された領域をダイシングブレードで切削することで、みぞが切られる。
【００７１】
本実施形態では、除去加工を機械加工で行うので、加工コストを下げることができる。
【００７２】
（実施形態４）
本実施形態のレーザ加工装置は、異なるパルスレーザ光を順次照射するタイプで、図１２に示すように、結晶性加工対象物６の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段２と、低フルーエンス照射手段で照射された加工対象物６の照射領域に第２パルスレーザ光を加工対象物６の表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段２′と、第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光を切り換える切り換えミラー４′と、を備えている。
【００７３】
１は、第１パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源で、例えば、中心波長１５５８ｎｍ、典型的なパルス幅８７０ｆｓ、繰り返し周波数１７２．９ｋＨｚのレーザ光を出力する。低フルーエンス照射手段２は、エネルギ調整器２１と集光光学系２２とを備え、パルスレーザ光源１から出力される第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスに調節して加工対象物６に照射する。
【００７４】
１′は、第２パルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源で、例えば、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波発生器である。この光源１′は、例えば、波長３５５ｎｍ、パルス幅３０ｎｓ、繰り返し周波数５０ｋＨｚのレーザ光を出力する。高フルーエンス照射手段２′は、エネルギ調整器２２′と集光光学系２２′を備え、パルスレーザ光源１′から出力される第２パルスレーザ光を所定の高フルーエンスに調節して加工対象物６に照射する。
【００７５】
本実施形態では、アモルファス化と除去に別々のパルスレーザ光を用いるので、アモルファス化に適したレーザ特性（パルス幅、波長）、除去に適したレーザ特性を選定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
特に、電気産業の半導体デバイス作製に利用される可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図２】集光光学系と加工対象物間の距離による集光スポット径の変化を説明する図である。
【図３】Ｓｉウエハにフルーエンスを変えてパルスレーザを照射した後の表面顕微鏡写真である。
【図４】図３（Ａ）の円形パターンの断面ＴＥＭ写真である。
【図５】白っぽく変質する円形パターンの径の２乗Ｄ２とピークフルーエンスＦ０の関係を示す図である。
【図６】アブレーション深さＬとフルーエンスＦの関係を示す図である。
【図７】リング状パターンの内径と外径に対応する箇所のフルーエンスとパルス幅の関係を示す図である。
【図８】実施形態１の変形態様に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図９】レーザ光の時間軸パルス形状の模式図である。
【図１０】ペデスタル成分を有するレーザパルス形状とペデスタルフリーのレーザパルス形状を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図１２】本発明の実施形態４に係るレーザ加工装置の構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
２・・・・・・・・・・低フルーエンス照射手段
２、２′・・・・・・・高フルーエンス照射手段
２２、２２′・・・・・集光光学系
２或いは１と２１・・・パルス形状制御手段
７・・・・・・・・・・機械加工手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、
前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に前記パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項２】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、
前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域を機械加工する機械加工工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項３】
結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、
前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に第２パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項４】
前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工法。
【請求項５】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、
前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面に集光してできるスポット径を制御する集光光学系を共有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光の時間軸パルス形状を制御するパルス形状制御手段を含むことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、
前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域を機械加工する機械加工手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、
前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に第２パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項５、８、９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、
前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に前記パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項２】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、
前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域を機械加工する機械加工工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項３】
結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射して該照射領域をアモルファス化するアモルファス化工程と、
前記アモルファス化工程でアモルファス化された前記照射領域に第２パルスレーザ光を所定の高フルーエンスで照射して該照射領域を除去する除去工程と、を有することを特徴とするレーザ加工法。
【請求項４】
前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工法。
【請求項５】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、
前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面に集光してできるスポット径を制御する集光光学系を共有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記低フルーエンス照射手段と前記高フルーエンス照射手段とは、前記パルスレーザ光の時間軸パルス形状を制御するパルス形状制御手段を含むことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
結晶性加工対象物の表面にパルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、
前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域を機械加工する機械加工手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
結晶性加工対象物の表面に第１パルスレーザ光を所定の低フルーエンスで照射する低フルーエンス照射手段と、
前記低フルーエンス照射手段で照射された前記加工対象物の照射領域に第２パルスレーザ光を前記加工対象物の前記表面形状が変化する所定の高フルーエンスで照射する高フルーエンス照射手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記加工対象物が半導体で、前記パルスレーザ光或いは前記第１パルスレーザ光の光子エネルギが該半導体のバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項５、８、９のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２３７２１０（Ｐ２００７−２３７２１０Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６１３６４（Ｐ２００６−６１３６４）
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（５９１１１４８０３）財団法人レーザー技術総合研究所 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月７日（２００６．３．７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（５９１１１４８０３）財団法人レーザー技術総合研究所 (36)
【Ｆターム（参考）】
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