JP2022182530A - レーザー加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の肥大化を抑制しかつデブリによるレンズの汚染を抑制しつつ、レーザービームを被加工物に垂直入射させることができるレーザー加工装置を提供すること。【解決手段】レーザー加工装置は、レーザービーム照射ユニット２０が、レーザービーム２１を出射するレーザー発振器２２と、レーザー発振器２２から出射されたレーザービーム２１を集光して保持テーブル１０に保持された被加工物１００に照射するｆθ主レンズ２７と、レーザー発振器２２とｆθ主レンズ２７との間の光路上に配設され、レーザービーム２１を走査してｆθ主レンズ２７へと導くスキャンユニット３０と、レーザー発振器２２とスキャンユニット３０との間の光路上に配設され、レーザービーム２１を平行光から拡散光へと変化させるｆθ副レンズ２６と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザー加工装置に関する。
表面にＬｏｗ－ｋ膜等の機能層が積層された半導体ウェーハを分割してチップ化する方法として、レーザービームを照射して積層された機能層を除去した後、切削ブレードによる切削加工によって分割する加工方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、この方法は、レーザービームの照射により生じたデブリ等の溶融物が十分に排出されずに加工溝内に埋め戻ることを防止するため、レーザービームを幾度も照射して十分な幅の加工溝を形成する必要があり、生産性が悪いという問題があった。
この問題を解決するために、レーザー発振器と集光器との間にレーザービームを走査する走査光学系を配置し、レーザービームをＹ軸方向（加工溝の幅方向）とＸ軸方向（加工送り方向）とに走査しながら照射することで、溶融物の埋め戻りを防止しつつ効率的な加工を施すことが可能なレーザー加工装置が開発されている（特許文献２参照）。
特開２００５－０６４２３１号公報 特開２０１６－０６８１４９号公報
ところで、上述のレーザー加工装置のように、レーザービームを走査しながら加工を施す場合には一般に集光器としてｆθレンズが用いられる。ここで、ｆθレンズから加工点までの距離が近いとデブリ等の溶融物の飛散によりレンズが汚染されるため、レンズから加工点までの距離、すなわち、ｆθレンズの後側焦点の位置をｆθレンズからなるべく離れた位置に位置付けることが求められる。
一方で、レーザービームをウェーハに垂直に入射させるためには、ｆθレンズの前側焦点の位置に走査光学系のミラーを配置する必要があるが、ｆθレンズとスキャンミラーの距離が近いとスキャンミラーが高速で動作することによりｆθレンズが振動してしまう可能性があるため、前側焦点の位置もｆθレンズからなるべく離れた位置に位置付けることが好ましい。
ところが、これらを同時に実現するのは困難であり、物理的な限界が存在している。そこで、中間像を形成することでｆθレンズとスキャンミラー間の距離を稼ぐ方法を考えたが、ｆθレンズ自体が大きくなってしまい装置の肥大化を招くという問題があった。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置の肥大化を抑制しかつデブリによるレンズの汚染を抑制しつつ、レーザービームを被加工物に垂直入射させることができるレーザー加工装置を提供することである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザー加工装置は、被加工物を保持する保持テーブルと、該保持テーブルに保持された被加工物に対してパルス状のレーザービームを集光照射して加工を施すレーザービーム照射ユニットと、該保持テーブルと該レーザービームの集光点とを相対的に移動させる移動ユニットと、を備えたレーザー加工装置であって、該レーザービーム照射ユニットは、レーザービームを出射するレーザー発振器と、該レーザー発振器から出射されたレーザービームを集光して該保持テーブルに保持された被加工物に照射するｆθ主レンズと、該レーザー発振器と該ｆθ主レンズとの間の光路上に配設され、該レーザービームを走査して該ｆθ主レンズへと導くスキャンユニットと、該レーザー発振器と該スキャンユニットとの間の光路上に配設され、該レーザービームを平行光から拡散光へと変化させるｆθ副レンズと、を有することを特徴とする。
また、本発明のレーザー加工装置において、該ｆθ主レンズの前側焦点は、該スキャンユニットにおいて該ｆθ副レンズから該レーザービームが入射するスキャンミラー上に位置付けられてもよい。
また、本発明のレーザー加工装置において、該ｆθ主レンズおよび該ｆθ副レンズは、該スキャンユニットに対する距離および位置が固定された状態でユニット化されてもよい。
また、本発明のレーザー加工装置において、該スキャンユニットは、チャンバーの内部に配設され、該ｆθ主レンズおよび該ｆθ副レンズは、該レーザービームを透過しつつ該チャンバーの内部と周囲の環境とを分離する窓状に配置されてもよい。
本願発明は、装置の肥大化を抑制しかつデブリによるレンズの汚染を抑制しつつ、レーザービームを被加工物に垂直入射させることができる。
図１は、実施形態に係るレーザー加工装置の構成例を示す斜視図である。 図２は、図１に示すレーザー加工装置のレーザービーム照射ユニットの概略構成を説明する説明図である。 図３は、図２に示すレーザービーム照射ユニットにおけるｆθ主レンズの前側焦点および後側焦点の一例を示す説明図である。 図４は、比較例のレーザービーム照射ユニットにおけるｆθ主レンズの前側焦点および後側焦点の一例を示す説明図である。
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。更に、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換または変更を行うことができる。
〔実施形態〕
まず、本発明の実施形態に係るレーザー加工装置１の構成について図面に基づいて説明する。図１は、実施形態に係るレーザー加工装置１の構成例を示す斜視図である。以下の説明において、Ｘ軸方向は、水平面における一方向である。Ｙ軸方向は、水平面において、Ｘ軸方向に直交する方向である。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向である。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直交する方向である。実施形態のレーザー加工装置１は、加工送り方向がＸ軸方向であり、割り出し送り方向がＹ軸方向である。
図１に示すように、レーザー加工装置１は、保持テーブル１０と、レーザービーム照射ユニット２０と、移動ユニット４０と、表示ユニット５０と、制御ユニット６０と、を備える。実施形態に係るレーザー加工装置１は、保持テーブル１０に保持された被加工物１００に対して、レーザービーム照射ユニット２０によってパルス状のレーザービーム２１を照射することにより、被加工物１００を加工する装置である。レーザー加工装置１による被加工物１００の加工は、例えば、被加工物１００の表面に溝を形成する溝加工、または分割予定ラインに沿って被加工物１００を切断する切断加工等である。
被加工物１００は、実施形態において、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはリチウムタンタレート（ＬｉＴａ３）等を基板１０１とする円板状の半導体デバイスウェーハ、光デバイスウェーハ等のウェーハである。なお、被加工物１００は実施形態に限定されず、本発明では円板状でなくともよい。
被加工物１００は、基板１０１の表面１０２に格子状に設定された分割予定ライン１０３と、分割予定ライン１０３によって区画された領域に形成されたデバイス１０４と、を有している。デバイス１０４は、例えば、ＩＣ（Integrated Circuit）、またはＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等のイメージセンサである。被加工物１００は、例えば、環状のフレーム１１０が貼着されかつ被加工物１００の外径よりも大径な貼着テープ１１１が被加工物１００の裏面１０５に貼着されて、フレーム１１０の開口内に支持される。
保持テーブル１０は、被加工物１００を保持面１１で保持する。保持面１１は、ポーラスセラミック等から形成された円板形状である。保持面１１は、実施形態において、水平方向と平行な平面である。保持面１１は、例えば、真空吸引経路を介して真空吸引源と接続している。保持テーブル１０は、保持面１１上に載置された被加工物１００を吸引保持する。保持テーブル１０の周囲には、被加工物１００を支持するフレーム１１０を挟持するクランプ部１２が複数配置されている。
保持テーブル１０は、回転ユニット１３によりＺ軸方向と平行な軸心回りに回転される。回転ユニット１３は、Ｘ軸方向移動プレート１４に支持される。回転ユニット１３および保持テーブル１０は、Ｘ軸方向移動プレート１４を介して、移動ユニット４０のＸ軸方向移動ユニット４１によりＸ軸方向に移動される。回転ユニット１３および保持テーブル１０は、Ｘ軸方向移動プレート１４Ｘ軸方向移動ユニット４１およびＹ軸方向移動プレート１５を介して、移動ユニット４０のＹ軸方向移動ユニット４２によりＹ軸方向に移動される。
レーザービーム照射ユニット２０は、保持テーブル１０に保持された被加工物１００に対して、被加工物１００を加工するための所定の波長を有するパルス状のレーザービーム２１を照射するユニットである。実施形態において、レーザービーム照射ユニット２０の一部は、装置本体２から立設した立設壁３に基端部が取り付けられた支持柱４の先端に支持されている。レーザービーム照射ユニット２０の詳細な構成については、後述にて説明する。
移動ユニット４０は、保持テーブル１０とレーザービーム照射ユニット２０から照射されるレーザービーム２１の集光点２１１（図３参照）とを相対的に移動させるユニットである。移動ユニット４０は、Ｘ軸方向移動ユニット４１と、Ｙ軸方向移動ユニット４２と、を含む。
Ｘ軸方向移動ユニット４１は、保持テーブル１０とレーザービーム照射ユニット２０から照射されるレーザービーム２１の集光点２１１（図３参照）とを加工送り方向であるＸ軸方向に相対的に移動させるユニットである。Ｘ軸方向移動ユニット４１は、実施形態において、保持テーブル１０をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸方向移動ユニット４１は、実施形態において、レーザー加工装置１の装置本体２上に設置されている。Ｘ軸方向移動ユニット４１は、Ｘ軸方向移動プレート１４をＸ軸方向に移動自在に支持する。
Ｙ軸方向移動ユニット４２は、保持テーブル１０と、レーザービーム照射ユニット２０から照射されるレーザービーム２１の集光点２１１（図３参照）とを割り出し送り方向であるＹ軸方向に相対的に移動させるユニットである。Ｙ軸方向移動ユニット４２は、実施形態において、保持テーブル１０をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸方向移動ユニット４２は、実施形態において、レーザー加工装置１の装置本体２上に設置されている。Ｙ軸方向移動ユニット４２は、Ｙ軸方向移動プレート１５をＹ軸方向に移動自在に支持する。
Ｘ軸方向移動ユニット４１およびＹ軸方向移動ユニット４２はそれぞれ、例えば、周知のボールねじと、周知のパルスモータと、周知のガイドレールと、を含む。ボールねじは、軸心回りに回転自在に設けられる。パルスモータは、ボールねじを軸心回りに回転させる。Ｘ軸方向移動ユニット４１のガイドレールは、Ｙ軸方向移動プレート１５に固定して設けられ、Ｘ軸方向移動プレート１４をＸ軸方向に移動自在に支持する。Ｙ軸方向移動ユニット４２のガイドレールは、装置本体２に固定して設けられ、Ｙ軸方向移動プレート１５をＹ軸方向に移動自在に支持する。
表示ユニット５０は、液晶表示装置等により構成される表示部である。表示ユニット５０は、例えば、加工条件の設定画面、図示しない撮像ユニットが撮像した被加工物１００の状態、加工動作の状態等を、表示面５１に表示させる。表示ユニット５０の表示面５１がタッチパネルを含む場合、表示ユニット５０は、入力部を含んでもよい。入力部は、オペレータが加工内容情報を登録する等の各種操作を受付可能である。入力部は、キーボード等の外部入力装置であってもよい。表示ユニット５０は、表示面５１に表示される情報や画像が入力部等からの操作により切り換えられる。表示ユニット５０は、報知装置を含んでもよい。報知装置は、音および光の少なくとも一方を発してレーザー加工装置１のオペレータに予め定められた報知情報を報知する。報知装置は、スピーカーまたは発光装置等の外部報知装置であってもよい。
制御ユニット６０は、レーザー加工装置１の上述した各構成要素をそれぞれ制御して、被加工物１００に対する加工動作をレーザー加工装置１に実行させる。制御ユニット６０は、演算手段としての演算処理装置と、記憶手段としての記憶装置と、通信手段としての入出力インターフェース装置と、を含むコンピュータである。演算処理装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のマイクロプロセッサを含む。記憶装置は、ＲＯＭ（Read Only Memory）またはＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを有する。演算処理装置は、記憶装置に格納された所定のプログラムに基づいて各種の演算を行う。演算処理装置は、演算結果に従って、入出力インターフェース装置を介して各種制御信号を上述した各構成要素に出力し、レーザー加工装置１の制御を行う。
次に、レーザービーム照射ユニット２０の構成について詳細に説明する。図２は、図１に示すレーザー加工装置１のレーザービーム照射ユニット２０の概略構成を説明する説明図である。図２に示すように、レーザービーム照射ユニット２０は、レーザー発振器２２と、音響光学素子（Acousto-Optic Deflector：ＡＯＤ）２３と、ミラー２４、２５と、ｆθ副レンズ２６と、ｆθ主レンズ２７と、スキャンユニット３０と、チャンバー３３と、を有する。
レーザー発振器２２は、被加工物１００を加工するための所定の波長を有するレーザービーム２１を出射する。レーザービーム照射ユニット２０が照射するレーザービーム２１は、被加工物１００に対して透過性を有する波長のレーザービームでもよいし、被加工物１００に対して吸収性を有する波長のレーザービームでもよい。
音響光学素子２３は、所定の高周波が印加されることにより、レーザー発振器２２から出射されたレーザービーム２１の光軸を所定の方向（実施形態では、Ｙ軸方向）に偏向し、走査する。音響光学素子２３は、印加される高周波の周波数に対応して、レーザービーム２１の光軸を偏向する角度を調整する。これにより、レーザービーム２１は、Ｙ軸方向に走査される。
ミラー２４、２５は、実施形態において、音響光学素子２３とｆθ副レンズ２６との間の光路上に設けられる。ミラー２４、２５は、レーザー発振器２２から出射され、音響光学素子２３によって偏光されたレーザービーム２１を、ｆθ副レンズ２６へ伝搬する。
ｆθ副レンズ２６は、レーザー発振器２２とｆθ主レンズ２７との間の光路上に設けられる。ｆθ副レンズ２６は、実施形態において、ミラー２５とスキャンユニット３０との間の光路上に設けられる。実施形態において、ｆθ副レンズ２６には、音響光学素子２３によって偏光されたレーザービーム２１が入射する。ｆθ副レンズ２６は、入射したレーザービーム２１を平行光から拡散光へと変化させる。ｆθ副レンズ２６は、単レンズでもよいし、組みレンズでもよい。
ｆθ主レンズ２７には、スキャンユニット３０によって走査されたレーザービーム２１が入射する。ｆθ主レンズ２７は、レーザー発振器２２から出射されたレーザービーム２１を集光して保持テーブル１０に保持された被加工物１００に照射する。ｆθ主レンズ２７は、複数枚のレンズを組み合わせた組みレンズである。
スキャンユニット３０は、レーザー発振器２２とｆθ主レンズ２７との間の光路上に配設され、レーザービーム２１を走査してｆθ主レンズ２７へと導くユニットである。スキャンユニット３０は、実施形態において、ポリゴンスキャナを含む。スキャンユニット３０は、スキャンミラー３１と、スキャンモータ３２と、を含む。
スキャンミラー３１は、割り出し送り方向（Ｙ軸方向）に平行な軸心回りに回転可能または揺動可能に設けられる。スキャンミラー３１は、実施形態において、軸心回りに回転する多角柱体（実施形態では、八角柱体）の側面にそれぞれ設けられる。スキャンミラー３１の軸心は、図示せぬミラーホルダに保持されている。ｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１（図３参照）は、スキャンユニット３０においてｆθ副レンズ２６からレーザービーム２１が入射するスキャンミラー３１上に位置付けられる。スキャンモータ３２は、スキャンミラー３１を軸心回りに回転または揺動させるための回転駆動力を出力する。
スキャンユニット３０は、ｆθ副レンズ２６によって拡散光に変化したレーザービーム２１を、スキャンミラー３１でｆθ主レンズ２７に向かってＸＺ平面と平行な方向に反射させるとともに、スキャンミラー３１をＹ軸方向に平行な軸心回りに回転させることによって、レーザービーム２１をＸ軸方向に走査させる。
チャンバー３３は、スキャンユニット３０を内部に配設する。ｆθ副レンズ２６およびｆθ主レンズ２７は、実施形態において、チャンバー３３に固定して設けられる。チャンバー３３は、ｆθ副レンズ２６およびｆθ主レンズ２７のレンズホルダとしての機能を有する。これにより、ｆθ副レンズ２６と、ｆθ主レンズ２７と、は、互いの相対距離および相対位置が固定された状態でユニット化されている。また、ｆθ副レンズ２６およびｆθ主レンズ２７は、チャンバー３３の内部と周囲の環境とを分離する壁部において、レーザービーム２１を透過する窓状に配置される。
次に、ｆθ副レンズ２６の効果について説明する。図３は、図２に示すレーザービーム照射ユニット２０におけるｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１および後側焦点２７２の一例を示す説明図である。図４は、比較例のレーザービーム照射ユニットにおけるｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１－１および後側焦点２７２－１の一例を示す説明図である。
図４に示す比較例のレーザービーム照射ユニットでは、平行光のレーザービーム２１が、スキャンミラー３１で反射してｆθ主レンズ２７に入射している。このため、ｆθ主レンズ２７の後側焦点２７２－１の位置は、レーザービーム２１の集光点２１１－１の位置に等しい。
これに対し、図３に示す実施形態のレーザービーム照射ユニット２０では、ｆθ副レンズ２６によって拡散光に変化されたレーザービーム２１が、スキャンミラー３１で反射してｆθ主レンズ２７に入射している。このため、レーザービーム２１の集光点２１１は、ｆθ主レンズ２７の後側焦点２７２の位置よりｆθ主レンズ２７から離隔した位置に位置付けられる。
また、図４に示す比較例では、すなわち、平行光のレーザービーム２１が入射する場合では、ｆθ主レンズ２７から前側焦点２７１－１までの距離と、ｆθ主レンズ２７から後側焦点２７２－１までの距離と、は、等しい。これに対し、図３に示す実施形態のｆθ主レンズ２７からｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１までの距離は、平行光のレーザービーム２１が入射する場合のｆθ主レンズ２７から前側焦点２７１－１（図４参照）までの距離より長い。
ここで、レーザービーム２１を被加工物１００に垂直に入射させるためには、ｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１の位置が、ｆθ副レンズ２６からレーザービーム２１が入射するスキャンミラー３１上に位置付けられる必要がある。したがって、図４に示す比較例のレーザービーム照射ユニットにおいて、レーザービーム２１を被加工物１００に垂直に入射させるためには、図４に示す状態よりスキャンミラー３１とｆθ主レンズ２７との距離を小さくする必要がある。しかしながら、スキャンミラー３１とｆθ主レンズ２７との距離を小さくすると、スキャンユニット３０の高速回転による影響を受けて、ｆθ主レンズ２７が振動してしまう可能性がある。
これに対し、図３に示す実施形態のレーザービーム照射ユニット２０では、スキャンユニット３０のスキャンミラー３１に入射するレーザービーム２１を拡散光に変化させるｆθ副レンズ２６を有することによって、被加工物１００上の加工点に位置付けるレーザービーム２１の集光点２１１とｆθ主レンズ２７との距離を、ｆθ主レンズ２７と後側焦点２７２との距離より大きくすることができる。また、ｆθ副レンズ２６を有することによって、レーザービーム照射ユニット２０では、ｆθ主レンズ２７の後側焦点２７２の位置を配慮する必要がなくなるため、設計自由度が向上して、ｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１の距離を大きくすることができる。
以上説明したように、実施形態に係るレーザー加工装置１は、ｆθ副レンズ２６によりレーザービーム２１を拡散させた状態でｆθ主レンズ２７に入射させることにより、平行光を入射した場合にレーザービーム２１が集光する位置（後側焦点２７２）より後ろ側でレーザービーム２１を集光させることができる。これにより、ｆθ主レンズ２７から加工点までの距離を大きくすることができる。また、ｆθ主レンズ２７の後側焦点２７２の位置を配慮する必要がないため、ｆθ主レンズ２７の設計自由度が向上するとともに、ｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１をｆθ主レンズ２７から離すように設計することができる。
したがって、スキャンミラー３１の高速回転の影響を受けないようにスキャンミラー３１とｆθ主レンズ２７とを十分離れた位置に配置しても、スキャンミラー３１上にｆθ主レンズ２７の前側焦点２７１を位置づけることができる。このため、装置全体の肥大化を抑制しかつデブリによるｆθ主レンズ２７の汚染を抑制しつつ、レーザービーム２１を被加工物１００に対して垂直入射させることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
１ レーザー加工装置
１０ 保持テーブル
２０ レーザービーム照射ユニット
２１ レーザービーム
２１１、２１１－１ 集光点
２２ レーザー発振器
２６ ｆθ副レンズ
２７ ｆθ主レンズ
２７１、２７１－１ 前側焦点
２７２、２７２－１ 後側焦点
３０ スキャンユニット
３１ スキャンミラー
３３ チャンバー
４０ 移動ユニット
１００ 被加工物

Claims (4)

  1. 被加工物を保持する保持テーブルと、
    該保持テーブルに保持された被加工物に対してパルス状のレーザービームを集光照射して加工を施すレーザービーム照射ユニットと、
    該保持テーブルと該レーザービームの集光点とを相対的に移動させる移動ユニットと、
    を備えたレーザー加工装置であって、
    該レーザービーム照射ユニットは、
    レーザービームを出射するレーザー発振器と、
    該レーザー発振器から出射されたレーザービームを集光して該保持テーブルに保持された被加工物に照射するｆθ主レンズと、
    該レーザー発振器と該ｆθ主レンズとの間の光路上に配設され、該レーザービームを走査して該ｆθ主レンズへと導くスキャンユニットと、
    該レーザー発振器と該スキャンユニットとの間の光路上に配設され、該レーザービームを平行光から拡散光へと変化させるｆθ副レンズと、
    を有することを特徴とする、
    レーザー加工装置。
  2. 該ｆθ主レンズの前側焦点は、該スキャンユニットにおいて該ｆθ副レンズから該レーザービームが入射するスキャンミラー上に位置付けられることを特徴とする、
    請求項１に記載のレーザー加工装置。
  3. 該ｆθ主レンズおよび該ｆθ副レンズは、該スキャンユニットに対する距離および位置が固定された状態でユニット化されていることを特徴とする、
    請求項１または２に記載のレーザー加工装置。
  4. 該スキャンユニットは、チャンバーの内部に配設され、
    該ｆθ主レンズおよび該ｆθ副レンズは、該レーザービームを透過しつつ該チャンバーの内部と周囲の環境とを分離する窓状に配置されることを特徴とする、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
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