JP2010214428A - 光学系及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位面積当たり加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーが限られていても、レーザ発振器の効力を十分に活用できる光学系及びレーザ加工装置を提供できる。
【解決手段】パルスレーザを発振する発振器１１と、前記パルスレーザを断面形状が楕円形状の楕円パルスレーザに変換する第１のアナモリフィック光学素子１２と、前記楕円パルスレーザの断面内において前記発振器１１からワークＷまでの光路長に差を生じさせる光路長差生成部１６と、光路長差生成部１６の回折光学素子に入射するパルスレーザと前記回折光学素子から反射したパルスレーザの光路を変化させるオプティカルアイソレータ１３と、光路長差を与えられた前記楕円パルスレーザを前記ワークＷに対して集光させる集光レンズ１８とを具備した光学系である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ微細加工を含む各種レーザ加工プロセスで利用されるレーザ加工装置においてパルスレーザビームを生成する光学系及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

半導体デバイス製造工程においては、半導体ウェーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域に集積回路等のデバイスが形成される。この半導体ウェーハをストリートに沿って切断することによりデバイスが形成された領域を分割し、個々の半導体チップを製造している。

半導体ウェーハ等の板状をなす被加工物に形成したストリートに沿った分割は、ダイサーと呼ばれる切削装置によって行われていたが、近年は被加工物に形成されたストリートに沿ってパルスレーザ光線を照射することによりレーザ加工溝を形成し、このレーザ加工溝に沿ってメカニカルブレーキング装置によって割断する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−３０５４２０号公報 特開２００４−２６８１４４号公報

ところで、パル幅がピコ秒領域の短パルスレーザを用いた加工では、ナノ秒領域の短パルスレーザを用いた場合に比べ、高い抗折強度や加工面品質を実現できることが分かってきた。また、ピコ秒領域の短パルスレーザの平均出力として、ナノ秒領域の短パルスレーザ出力に匹敵する出力（１５Ｗ以上）を実現できるようになったので、高いスループットの加工が期待できる。

しかしながら、加工プロセスの特性上、単位面積当たりの加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーは限られており、レーザ発振器の出力を十分に活かし切れていなかった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、単位面積当たり加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーが限られていても、レーザ発振器の効力を十分に活用できる光学系及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の光学系は、パルスレーザを発振する発振器と、前記パルスレーザを断面形状が楕円形状の楕円パルスレーザに変換するアナモリフィック光学手段と、前記楕円パルスレーザの断面内において前記発振器から対象物までの光路長に差を生じさせる光路長差生成部と、光路長差を与えられた前記楕円パルスレーザを前記対象物に対して集光させる集光レンズとを具備したことを特徴とする。

この構成によれば、光路長差の与えられた楕円パルスレーザが、光路長が最短となる長径方向の一端部から光路長が最長となる長径方向の他端部に向けて対象物に順次到達するのに伴い、エネルギーピーク位置が時間経過とともに楕円ビームの長径方向へシフトする。したがって、この楕円パルスレーザを被加工物に照射した場合、先に被加工物に照射されたレーザによる励起が予備励起となり、後に照射されるレーザは予備励起によってエネルギー吸収効率を上げることができる。

上記光学系において、前記アナモリフィック光学手段は、前記発振器と前記光路長差生成部との間に光路上に配置することが望ましい。長い楕円形状のパルスレーザを光路長差生成部へ入射できるので、パルスレーザの断面において、大きな光路長差を与えることができる。

上記光学系において、前記光路長差生成部は、光軸に対して傾斜して配置された回折光学素子を有することとしても良い。この構成によれば、回折光学素子の傾斜角度で光路長差を調整することができる。

上記光学系において、前記光路長差生成部は、前記回折光学素子に入射するパルスレーザと前記回折光学素子から反射したパルスレーザの光路を変化させるオプティカルアイソレータを含み、前記オプティカルアイソレータは、ファラデー回転子を含む構成とすることができる。

この構成によれば、ファラデー回転子を含むオプティカルアイソレータを用いることでエネルギーロスをなくすることができると共に、反射型の回折光学素子とオプティカルアイソレータを組み合わせることで小型化を図ることができる。

上記光学系において、前記アナモリフィック光学手段は、プリズム体で構成されても良い。これにより、非曲面光学素子を用いることで光軸合わせを容易にすることができる。
上記光学系を備えたレーザ加工装置を構成し、前記光学系で生成された楕円パルスレーザを被加工物に照射してアブレーション加工することを特徴とする。

本発明によれば、単位面積当たり加工に寄与できるレーザパルスのエネルギーが限られていても、レーザ発振器の効力を十分に活用できる。

一実施の形態に係る光学系の全体構成図 図１の光学系において加工点付近でのレーザ断面を示す図 ビームプロファイルに対応して集光点におけるエネルギーピーク位置と時間との関係を示す図 図１において光源側のアナモルフィック光学素子にプリズム体を用いた光学系を示す図 図１においてワーク側のアナモルフィック光学素子を除いた光学系を示す図 レーザ加工装置の外観図

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る光学系の構成図である。発振部１１は、レーザ光源であり、レーザ波長が１００〜１５００ｎｍの短パルスレーザを発振することができる。発振部１１が発振する短パルスレーザは断面円形をなす短パルスレーザ光として出射される。発振部１１から出射する短パルスレーザの伝搬路上に第１のアナモルフィック光学素子１２が配置されている。

第１のアナモルフィック光学素子１２は、断面円形の短パルスレーザを光軸と直交する１軸方向（Ｚ方向）に拡張した楕円形状のビーム形状に変換する。第１のアナモルフィック光学素子１２から出射するレーザビームは断面楕円形状となる。第１のアナモルフィック光学素子１２を透過したレーザビームはオプティカルアイソレータ１３へ入射する。

オプティカルアイソレータ１３は、光源側の光路上に配置された偏光ビームスプリッタ１４と、偏光ビームスプリッタ１４の透過側の光路上に配置されたファラデー回転子１５とから構成される。偏光ビームスプリッタ１４は、光源側から入射する断面楕円形状のパルスレーザのうちＰ偏光成分を透過させる。ファラデー回転子１５は、偏光ビームスプリッタ１４を透過したレーザビーム（Ｐ偏光成分）の偏光面を４５゜回転させて出射する。

オプティカルアイソレータ１３に光源側から入射して透過した楕円形状をなすパルスレーザが進行する光路上に、光路長差生成部１６が配置されている。本例では光路長差生成部１６を反射型回折格子で構成している。反射型回折格子を光軸と直交する面に対して所定角度θだけ傾けて配置している。かかる反射型回折格子の最下点〜中間点〜最上点に入射してそれぞれ反射する光は光路長が最下点側から最上点に掛けて徐々に長くなる。このように、光路長差生成部１６は、Ｚ方向に伸びた楕円形状のレーザビームの光路長を、当該パルスレーザの長径方向（Ｚ方向）の一端側の最外側光から他端側の最外側光にかけて光路長を連続的に変化させる作用を与える。

ここで、反射型回折格子の傾斜角度θが大きいほど、楕円ビームの光路長差をより大きくすることができるが、傾斜角度θには限界がある。本実施の形態では、事前にレーザビームを楕円形状に変形することで、レーザビームにより大きな光路長差を持たせるようにしている。

なお、光路長差生成部１６として透過型の回折格子を用いることも可能である。透過型の回折格子を用いた場合は、透過型の回折格子を透過したレーザビームをオプティカルアイソレータ１３又は集光レンズへ導く導光光学系を備える必要がある。

図１に示す光学系では、傾斜角度θの反射型回折格子で反射したレーザビームが、再びオプティカルアイソレータ１３へ入射する。オプティカルアイソレータ１３へ入射したレーザビームは再びファラデー回転子１５へ入射する。ファラデー回転子１５は、光路長差生成部１６から入射したレーザビームの偏光面をさらに４５゜回転させて出射する。これにより、ファラデー回転子１５を透過したレーザビームは偏光ビームスプリッタ１４の偏光面に対してＳ偏光成分となるので、集光レンズ側へ反射される。

偏光ビームスプリッタ１４で反射されたレーザビームの進行路上には、第２のアナモルフィック光学素子１７、集光レンズ１８が配置されている。第２のアナモルフィック光学素子１７は、楕円ビームのビーム径を長径方向にさらに拡張する。たとえば、楕円ビームは、長径方向が１０μ〜数百μｍ、短径方向が４μ〜数十μに調整する。このようにして、長径方向の一端から他端に掛けて所定の光路長差を有する楕円ビームの長径を所要の長さに調整した後、集光レンズ１８に入射して被加工物となるワークＷ上に集光させる。

次に、以上のように構成された光学系を用いてパルスレーザをワークＷ上に集光させた場合の作用について説明する。

発振部１１で発生したパルスレーザは第１のアナモルフィック光学素子１２によってＺ方向に拡張された楕円ビームに変換される。この楕円ビームはオプティカルアイソレータ１３へ入射し、偏光ビームスプリッタ１４を透過したレーザビーム（Ｐ偏光成分）がファラデー回転子１５で偏光面を４５°回転されて出射される。オプティカルアイソレータ１３を出た楕円ビームは光路長差生成部１６を構成する反射型回折格子で反射する。この際に、楕円ビームは反射型回折格子の傾斜角度θに応じて楕円ビームの長径方向に沿って光路長差が与えられる。

光路長差が与えられた楕円ビームは、再びオプティカルアイソレータ１３へ入射し、ファラデー回転子１５で４５゜回転させられ、往復で９０°回転してＰ偏光成分からＳ偏光成分に変換され、偏光ビームスプリッタ１４で集光レンズ１８側へ反射される。このように、オプティカルアイソレータ１３にファラデー回転子１５を用いることで、エネルギーロスを抑えることができる。

そして、集光レンズ１８の前に配置された第２のアナモルフィック光学素子１７で楕円ビームの長径方向の長さを調整した後、集光レンズ１８にて光路長差が与えられた楕円ビームをワークＷ上に集光させる。

図２は図１において点線Ｃで囲まれたワークＷの加工点付近の拡大図である。楕円形状のレーザビームは、光路長差生成部１６によって楕円ビームの長径方向に沿って光路長差が与えられている。したがって、図２に示すように、光路長が最短となる長径方向の一端（図２では右端）が最初にワークＷに到達し、光路長が長くなる長径方向他端（図２では左端）側に向けて時間的に遅れてワークＷに順次到達する。

図３は、図２に示すように光路長差が与えられた楕円ビームをワークＷに集光させた際の、集光点におけるエネルギーピーク位置の時間変化を示す図である。傾斜した楕円ビームが、光路長が最短となる長径方向の一端部から光路長が最長となる長径方向の他端部に向けてワークＷに順次到達するのに伴い、エネルギーピーク位置が時間経過とともに楕円ビームの長径方向へシフトしている。

以上のような長径方向に沿って光路長差が与えられている楕円ビームを用いてアブレーション加工を行う場合、１つのパルスレーザについて着目すると、先にワークＷに照射されたレーザによる励起が予備励起となり、後に照射されるレーザは予備励起によって吸収効率が上がる。したがって、先にワークＷに照射されたレーザにより予備励起される分だけ、エネルギー吸収効率が向上する。

このように本実施の形態によれば、１つのレーザパルスについて楕円ビームを生成してワークＷでのエネルギーピーク位置が時間経過とともに楕円ビームの長径方向へシフトするようにしたので、楕円ビームの長さを調整することで、単位面積当たりのエネルギーを加工に寄与できる必要最小限のエネルギーに制御できると共に、楕円ビームのビームプロファイルに沿った範囲まで加工範囲を拡張でき、発振器１１の出力を十分に活かすことができる。

また、楕円ビームに光路長差を与えたことにより、先にワークＷに照射されたレーザによる励起が予備励起となり、後に照射されるレーザの吸収効率を上げることができ、加工効率を上げることができる。光路長差を与えていない楕円ビームを用いた加工と比較した場合、予備励起によりレーザの吸収効率を上げている分だけ、１回のレーザ照射でより深く加工でき、全体の加工時間を短縮することができる。

図４は図１に示す光学系において第１のアナモルフィック光学素子１２を複数のプリズムで構成した例を示している。本例では３つの直角プリズム１２ａ，１２ｂ，１２ｃを組み合わせて第１のアナモルフィック光学素子１２を構成している。光源側に配置された第１のプリズム１２ａと中間に配置された第２のプリズム１２ｂの回転角度を調整して断面円形のパルスレーザを１軸方向（Ｚ方向）に拡張して楕円ビームを生成している。また、第２のプリズム１２ｂと第３のプリズム１２ｃの回転角度を調整して、楕円ビームのＺ方向をさらに拡張すると共に、偏光ビームスプリッタ１４に対して垂直に入射させている。

このように、第１のアナモルフィック光学素子１２を複数のプリズムで構成することで、プリズムの回転角度を調整する簡単な操作で所望のアスペクト比を有する楕円ビームを生成することができる。しかも、プリズムは非曲面光学素子なので光軸合わせが容易になるという利点がある。

第１及び第２のアナモルフィック光学素子１２、１７をシリンドリカルレンズで構成することも可能であるが、プリズムに比べて光軸合わせが難しくなる。

図５は、図１に示す光学系において第２のアナモルフィック光学素子１７を取り除いた構成例である。このように、第２のアナモルフィック光学素子１７を取り除いて光学系を簡略化しても、第１のアナモルフィック光学素子１２で楕円ビームを生成することができるので、長径方向に沿って光路長差を与えた楕円ビームを生成することができる。

また、図１に示す光学系において第１のアナモルフィック光学素子１２を取り除き、第２のアナモルフィック光学素子１７を残した構成とすることもできる。この場合、図１、５に示す光学系のように光路長差生成部１６にパルスレーザが入射する前に楕円ビームを生成する場合に比べて、楕円ビームに与える光路長差は短くなるが、光路長差を与えた楕円ビームを生成することができる。

次に、上述した光学系を用いたレーザ加工装置について説明する。
図６はマルチビーム光学系を用いたレーザ加工装置の構成例である。
半導体ウェーハＷは、略円板状に形成されており、表面に格子状に配列された分割予定ラインによって複数の領域に区画され、この区画された領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス７２が形成されている。また、半導体ウェーハＷは、貼着テープ７３を介して環状フレーム７１に支持される。

なお、本実施の形態においては、ワークとしてシリコンウェーハ等の半導体ウェーハを例に挙げて説明するが、この構成に限定されるものではなく、半導体ウェーハＷに貼着されるＤＡＦ（Die Attach Film）等の粘着部材、半導体製品のパッケージ、セラミック、ガラス、サファイヤ（Al2O3）系の無機材料基板、各種電気部品やミクロンオーダーの加工位置精度が要求される各種加工材料をワークとしてもよい。

レーザ加工装置５０は、加工台５１にＹ軸方向に形成された一対にＹ軸ガイドレール５２ａ，５２ｂが配設されている。Ｙ軸テーブル５３はＹ軸ガイドレール５２ａ，５２ｂに沿ってＹ軸方向に移動自在に載置されている。Ｙ軸テーブル５３の背面側には、図示しないナット部が形成され、ナット部にボールネジ５４が螺合されている。そして、ボールネジ５４の端部には、駆動モータ５５が連結され、駆動モータ５５によりボールネジ５４が回転駆動される。

Ｙ軸テーブル５３上にはＹ軸方向と直交するＸ軸方向に形成された一対にＸ軸ガイドレール５６ａ，５６ｂが配設されている。Ｘ軸テーブル５７はＸ軸ガイドレール５６ａ，５６ｂに沿ってＸ軸方向で移動自在に載置されている。Ｘ軸テーブル５７の背面側には、図示しないナット部が形成され、ナット部にボールネジ５８が螺合されている。そして、ボールネジ５８の端部には、駆動モータ５９が連結され、駆動モータ５９によりボールネジ５８が回転駆動される。

Ｘ軸テーブル５７上にチャックテーブル６０が設置されている。チャックテーブル６０は、テーブル支持部６１と、テーブル支持部６１の上部に設けられた加工予定ラインであるストリートを持つ半導体ウェーハＷを吸着保持するウェーハ保持部６２と、環状フレーム７１を保持するフレーム保持部６３とを備える。テーブル支持部６１の内部には、ウェーハ保持部６２に半導体ウェーハＷを吸着保持させる吸引源が設けられている。

また、加工台５１には支柱部６４が立設されており、支柱部６４の上端部からチャックテーブル６０の上方に伸びたアーム６５にレーザ照射ユニット６６が支持されている。レーザ照射ユニット６６には、前述した光学系が収納されている。

以上のように構成されたレーザ加工装置５０において、半導体ウェーハＷがチャックテーブル６０に載置される。そして、半導体ウェーハＷは、図示しない吸引源によりウェーハ保持部６２に吸着される。

次に、レーザ光線照射ユニット６６が駆動し、Ｘ軸テーブル５７、Ｙ軸テーブル５３により位置調整されてレーザ加工が開始される。この場合、レーザ光線照射ユニット６６は、ストリートに向けてレーザ光線を照射する。このとき、図２に示すように、１つのレーザパルスの平面視楕円形の集光点において、ワークＷでのエネルギーピーク位置が時間経過とともに楕円ビームの長径方向へシフトしながらアブレーション加工が行われる。Ｘ軸テーブル５７、Ｙ軸テーブル５３により、半導体ウェーハＷのストリートに沿ってレーザ加工位置が移動する。

また、上記したライン加工だけでなく、ビアホール加工の様な穴あけ加工、ウェーハの一部を陥没させる様な面加工にも適用できる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明は、半導体ウェーハ等の被加工物を、楕円ビームを用いてレーザ加工するレーザ加工装置に適用可能である。

１１ 発振部
１２ 第１のアナモルフィック光学素子
１２ａ〜１２ｃ プリズム
１３ オプティカルアイソレータ
１４ 偏光ビームスプリッタ
１５ ファラデー回転子
１６ 光路長差生成部
１７ 第２のアナモルフィック光学素子
１８ 集光レンズ
５０ レーザ加工装置
６０ チャックテーブル
６６ レーザ照射ユニット

Claims (6)

1. パルスレーザを発振する発振器と、
   前記パルスレーザを断面形状が楕円形状の楕円パルスレーザに変換するアナモリフィック光学手段と、
   前記楕円パルスレーザの断面内において前記発振器から対象物までの光路長に差を生じさせる光路長差生成部と、
   光路長差を与えられた前記楕円パルスレーザを前記対象物に対して集光させる集光レンズと、
   を具備したことを特徴とする光学系。
2. 前記アナモリフィック光学手段は、前記発振器と前記光路長差生成部との間に光路上に配置されたことを特徴とする請求項１記載の光学系。
3. 前記光路長差生成部は、光軸に対して傾斜して配置された回折光学素子を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光学系。
4. 前記光路長差生成部は、前記回折光学素子に入射するパルスレーザと前記回折光学素子から反射したパルスレーザの光路を変化させるオプティカルアイソレータを含み、
   前記オプティカルアイソレータは、ファラデー回転子を含むことを特徴とする請求項３記載の光学系。
5. 前記アナモリフィック光学手段は、プリズム体で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学系。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学系を備え、
   前記光学系で生成された楕円パルスレーザを被加工物に照射してアブレーション加工することを特徴とするレーザ加工装置。
   
   
   
   

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