JP4694880B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、チャックテーブルに保持された板状の被加工物に所定の加工予定ラインに沿ってレーザー加工を施すレーザー加工装置に関する。
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエ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IC、LSI等の回路を形成する。そして、半導体ウエーハを分割予定ラインに沿って切断することにより回路が形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。また、サファイヤ基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハも分割予定ラインに沿って切断することにより個々の発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。
上述した半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等の分割予定ラインに沿った切断は、通常、ダイサーと称されている切削装置によって行われている。この切削装置は、半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等の被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削するための切削手段と、チャックテーブルと切削手段とを相対的に移動せしめる切削送り手段とを具備している。切削手段は、回転スピンドルと該スピンドルに装着された切削ブレードおよび回転スピンドルを回転駆動する駆動機構を備えたスピンドルユニットを含んでいる。切削ブレードは円盤状の基台と該基台の側面外周部に装着された環状の切れ刃からなっており、切れ刃は例えば粒径3μm程度のダイヤモンド砥粒を電鋳によって基台に固定し厚さ20μm程度に形成されている。
しかるに、サファイヤ基板、炭化珪素基板等はモース硬度が高いため、上記切削ブレードによる切断は必ずしも容易ではない。更に、切削ブレードは20μm程度の厚さを有するため、デバイスを区画する分割予定ラインとしては幅が50μm程度必要となる。このため、例えば大きさが300μm×300μm程度のデバイスの場合には、ストリートの占める面積比率が14%にもなり、生産性が悪いという問題がある。
一方、近年半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有するパルスレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてパルスレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する例えば波長が1064nmのパルスレーザー光線を照射し、被加工物の内部に分割予定ラインに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下した分割予定ラインに沿って外力を加えることにより、被加工物を分割するものである。(例えば、特許文献1参照。)
特許第3408805号公報
しかるに、半導体ウエーハ等の板状の被加工物にはウネリがあり、その厚さにバラツキがあると、レーザー光線を照射する際に屈折率の関係で所定の深さに均一に変質層を形成することができない。従って、半導体ウエーハ等の内部の所定深さに均一に変質層を形成するためには、予めレーザー光線を照射する領域の凹凸を検出し、その凹凸にレーザー光線照射手段を追随させて加工する必要がある。
また、板状の被加工物の内部に集光点を合わせてレーザー光線を照射し、被加工物の内部にマーキングを施すレーザー加工も実用化されているが、被加工物の内部の所定深さにマーキングを施すには被加工物の表面の凹凸にレーザー光線照射手段を追随させて加工する必要がある。
上述した問題を解消するために、ワークテーブルに載置されたワークの高さ位置を検出する高さ位置検出手段を設け、該高さ位置検出手段によってワークの切削領域の高さ位置を検出し、切削領域の高さマップを作成し、このマップに基づいて切削ブレードの切り込み位置を制御するようにしたダイシング装置が提案されている。(例えば、特許文献1参照。)
特開平2003−168655号公報
上記公報に開示された技術は、高さ位置検出手段によってワークの切削領域の高さ位置を検出して切削領域の高さマップを作成し、その後に作成したマップに基づいて切削ブレードの切り込み位置を制御しつつ切削加工を実施するもので、高さ位置検出工程と切削工程が分離されているため、生産性の面で効率的ではない。
そこで、本出願人は、板状物の厚さにバラツキがあっても板状物における所望位置に効率よくレーザー加工を施すことができる加工方法を特願2003−388244として提案した。この加工方法は、チャックテーブルに保持された被加工物に形成されている複数の加工予定ラインにおけるレーザー加工を実施する1本先の加工予定ラインに沿って加工を施す側の面の高さ位置を検出し、この検出された高さ位置に対応してレーザー加工手段を板状物の加工面に垂直な方向に制御しつつ加工予定ラインに沿って所定のレーザー加工を施すようにしたものである。
而して、上述した板状物の加工方法は、板状物に形成されている複数の加工予定ラインにおけるレーザー加工を実施する1本先の加工予定ラインに沿って加工を施す側の面の高さ位置を検出するため、最初に高さ位置を検出する加工予定ラインに対しては同時にレーザー加工を実施しないので、生産性の面で必ずしも満足し得るものではない。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、板状の被加工物の厚さにバラツキがあっても被加工物における所望位置に効率よく加工を施すことができるレーザー加工装置を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、板状の被加工物を保持する被加工物保持面を備えたチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物の上面側からレーザー光線を照射し集光点を生成する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを加工送り方向に相対的に加工送りする加工送り手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを加工送り方向と直行する割り出し送り方向に相対的に割り出し送りする割り出し送り手段と、該集光器が生成する集光点を該被加工物保持面に垂直な方向に移動する集光点位置調整手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該チャックテーブルに保持された被加工物の上面における該集光器から照射されるレーザー光線の照射領域の高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、
該高さ位置検出手段によって検出された高さ位置信号に基づいて該集光点位置調整手段を制御する制御手段と、を具備し
該高さ位置検出手段は、該チャックテーブルに保持された被加工物の上面に該集光器が生成する集光点に対して該加工送り方向の前後にそれぞれ所定の間隔を置いて第1のレーザー光線と第2のレーザー光線を所定の入射角をもって照射する発光手段と、該発光手段から照射され被加工物の上面で正反射した該第1のレーザー光線と該第2のレーザー光線を受光する光位置検出素子を備えた受光手段と、該受光手段によって受光される該第1のレーザー光線と該第2のレーザー光線を選択する選択手段と、を具備している、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。
上記発光手段は、レーザー光線を発振する発光素子と、該発光素子から発振されたレーザー光線を第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光する分光手段とを具備している。分光手段は、発光素子から発振されたレーザー光線を第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光するビームスプリッターと偏向ミラーとからなっている。また、分光手段は、発光素子から発振されたレーザー光線を第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光するとともにいずれか一方を選択して出力する選択手段としての機能を備えた偏光制御素子と複屈折素子からなっている。
上記発光手段は、第1のレーザー光線を発振する第1の発光素子と第2のレーザー光線を発振する第2の発光手段とを具備している。
また、発光手段から照射される第1のレーザー光線と第2のレーザー光線の照射位置は、該集光器が生成する集光点から3mm以内に設定されていることが望ましい。
本発明によるレーザー加工装置においては、高さ位置検出手段によってチャックテーブルに保持された被加工物における集光器から照射されるパルスレーザー光線の照射位置の僅かに前側の高さ位置が随時検出され、その検出信号に基づいて制御手段が集光点位置調整手段を制御するので、被加工物の高さ位置を検出するためのストロークを実質的になくすことができ、被加工物の厚さにバラツキがあっても所望位置に効率よくてレーザー加工を施すことができる。また、本発明によるレーザー加工装置においては、高さ位置検出手段は、集光器が生成する集光点を挟んで加工送り方向の前後に照射される第1のレーザー光線と第2のレーザー光線を選択手段によって選択して、被加工物の高さ位置を検出するので、チャックテーブルの往動時および復動時共にレーザー加工を行うことができる。
以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
図1には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図1に示すレーザー加工装置は、静止基台2と、該静止基台2に矢印Xで示す加工送り方向に移動可能に配設され板状の被加工物を保持するチャックテーブル機構3と、静止基台2に上記矢印Xで示す方向と直角な矢印Yで示す割り出し方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構4と、該レーザー光線ユニット支持機構4に矢印Zで示す焦点位置調整方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット5とを具備している。
上記チャックテーブル機構3は、静止基台2上に矢印Xで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール31、31と、該案内レール31、31上に矢印Xで示す方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック32と、該第1の滑動ブロック32上に矢印Yで示す方向に移動可能に配設された第2の滑動ブロック33と、該第2の滑動ブロック33上に円筒部材34によって支持された支持テーブル35と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル36を具備している。このチャックテーブル36は多孔性材料から形成され被加工物保持面361を備えており、被加工物保持面361上に板状の被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。また、チャックテーブル36は、円筒部材34内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。
上記第1の滑動ブロック32は、その下面に上記一対の案内レール31、31と嵌合する一対の被案内溝321、321が設けられているとともに、その上面に矢印Yで示す方向に沿って平行に形成された一対の案内レール322、322が設けられている。このように構成された第1の滑動ブロック32は、被案内溝321、321が一対の案内レール31、31に嵌合することにより、一対の案内レール31、31に沿って矢印Xで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構3は、第1の滑動ブロック32を一対の案内レール31、31に沿って矢印Xで示す方向に移動させるための加工送り手段37を具備している。加工送り手段37は、上記一対の案内レール31と31の間に平行に配設された雄ネジロッド371と、該雄ネジロッド371を回転駆動するためのパルスモータ372等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド371は、その一端が上記静止基台2に固定された軸受ブロック373に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ372の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド371は、第1の滑動ブロック32の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ372によって雄ネジロッド371を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック32は案内レール31、31に沿って矢印Xで示す加工送り方向に移動せしめられる。
上記第2の滑動ブロック33は、その下面に上記第1の滑動ブロック32の上面に設けられた一対の案内レール322、322と嵌合する一対の被案内溝331、331が設けられており、この被案内溝331、331を一対の案内レール322、322に嵌合することにより、矢印Yで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構3は、第2の滑動ブロック33を第1の滑動ブロック32に設けられた一対の案内レール322、322に沿って矢印Yで示す方向に移動させるための第1の割り出し送り手段38を具備している。第1の割り出し送り手段38は、上記一対の案内レール322と322の間に平行に配設された雄ネジロッド381と、該雄ネジロッド381を回転駆動するためのパルスモータ382等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド381は、その一端が上記第1の滑動ブロック32の上面に固定された軸受ブロック383に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ382の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド381は、第2の滑動ブロック33の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ382によって雄ネジロッド381を正転および逆転駆動することにより、第2の滑動ブロック33は案内レール322、322に沿って矢印Yで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。
上記レーザー光線照射ユニット支持機構4は、静止基台2上に矢印Yで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール41、41と、該案内レール41、41上に矢印Yで示す方向に移動可能に配設された可動支持基台42を具備している。この可動支持基台42は、案内レール41、41上に移動可能に配設された移動支持部421と、該移動支持部421に取り付けられた装着部422とからなっている。装着部422は、一側面に矢印Zで示す方向に延びる一対の案内レール423、423が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構4は、可動支持基台42を一対の案内レール41、41に沿って矢印Yで示す方向に移動させるための第2の割り出し送り手段43を具備している。第2の割り出し送り手段43は、上記一対の案内レール41、41の間に平行に配設された雄ネジロッド431と、該雄ねじロッド431を回転駆動するためのパルスモータ432等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド431は、その一端が上記静止基台2に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ432の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド431は、可動支持基台42を構成する移動支持部421の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ432によって雄ネジロッド431を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台42は案内レール41、41に沿って矢印Yで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。
図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット5は、ユニットホルダ51と、該ユニットホルダ51に取り付けられた加工手段としてのレーザー光線照射手段52を具備している。ユニットホルダ51は、上記装着部422に設けられた一対の案内レール423、423に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝511、511が設けられており、この被案内溝511、511を上記案内レール423、423に嵌合することにより、矢印Zで示す方向に移動可能に支持される。
図示のレーザー光線照射手段52は、上記ユニットホルダ51に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング521を含んでいる。ケーシング521内には図2に示すようにパルスレーザー光線発振手段522と伝送光学系523とが配設されている。パルスレーザー光線発振手段522は、YAGレーザー発振器或いはYVO4レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器522aと、これに付設された繰り返し周波数設定手段522bとから構成されている。伝送光学系523は、ビームスプリッターの如き適宜の光学要素を含んでいる。
図示の実施形態におけるレーザー光線照射手段52は、上記ケーシング521の先端に装着された加工ヘッド524を備えている。この加工ヘッド524について、図2および図4を参照して説明する。
加工ヘッド524は、偏向ミラー手段525と、該偏向ミラー手段525の下部に装着された集光器526とからなっている。偏向ミラー手段525は、ミラーケース525aと、該ミラーケース525a内に配設された偏向ミラー525bを含んでいる(図2参照)。偏向ミラー525bは、図2に示すように上記パルスレーザー光線発振手段522から発振され伝送光学系523を通して照射されたレーザー光線を下方即ち集光器526に向けて偏向する。
図4に戻って説明を続けると、集光器526は、集光器ケース526aと、該集光器ケース526a内に配設された周知の組レンズから構成される集光レンズ(図示せず)とを具備している。集光器ケース526aの下部外周面には雄ネジ526bが形成されており、この雄ネジ526bが上記ミラーケース525aの下部内周面に形成された雌ネジ(図示せず)と螺合することにより、集光器ケース526aはミラーケース525aに上記チャックテーブル36の被加工物保持面361aに垂直な方向(矢印Z方向)に移動可能に装着される。従って、集光器ケース526aをミラーケース525aに対して移動することにより、集光器526が生成する集光点を矢印Zで示す方向に移動させることができる。
上述したように構成されたレーザー光線照射手段52においては、図2に示すように上記パルスレーザー光線発振手段522から発振されたレーザー光線は、伝送光学系523を介し、更に偏向ミラー525bによって90度偏向されて集光器526に至り、集光器526から上記チャックテーブル36に保持される被加工物に所定の集光スポット径D(集光点)で照射される。この集光スポット径Dは、図3に示すようにガウシアン分布を示すパルスレーザー光線が集光器526の対物集光レンズ526bを通して照射される場合、D(μm)=4×λ×f/(π×W)、ここでλはパルスレーザー光線の波長(μm)、Wは対物集光レンズ526aに入射されるパルスレーザー光線の直径(mm)、fは対物集光レンズ526aの焦点距離(mm)、で規定される。
図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット5は、図4に示すように上記集光器526を矢印Zで示す方向に、即ち上記チャックテーブル36の被加工物保持面361に対して垂直な方向に移動するための第1の集光点位置調整手段53を具備している。第1の集光点位置調整手段53は、上記ミラーケース525aに取り付けられたパルスモータ531と、該パルスモータ531の回転軸531aに装着された駆動歯車532と、上記集光器ケース526aの外周面に装着され駆動歯車532と噛み合いする被駆動歯車533とからなっている。このように構成された第1の集光点位置調整手段53は、パルスモータ531を正転または逆転駆動することにより、集光器526をミラーケース525aに沿って矢印Zで示す集光点位置調整方向に移動せしめる。従って、第1の集光点位置調整手段53は、集光器525から照射するレーザー光線の集光点の位置を調整する機能を有する。
また、図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット5は、図1に示すように上記ユニットホルダ51を一対の案内レール423、423に沿って矢印Zで示す方向、即ち上記チャックテーブル36の被加工物保持面361に対して垂直な方向に移動させるための第2の集光点位置調整手段54を具備している。第2の集光点位置調整手段54は、上記各送り手段と同様に一対の案内レール423、423の間に配設された雄ネジロッド(図示せず)と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ542等の駆動源を含んでおり、パルスモータ542によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ51とレーザー光線照射手段52を案内レール423、423に沿って矢印Zで示す集光点位置調整方向に移動せしめる。
実施形態におけるレーザー加工装置は、上記チャックテーブル36上に保持される板状の被加工物の上面、即ちレーザー光線を照射する側の面におけるレーザー光線の照射領域の高さ位置を検出する高さ位置検出手段6を備えている。高さ位置検出手段6について図4乃至図6を参照して説明する。
図示の実施形態における高さ位置検出手段6は、図4に示すようにU字状に形成された枠体61を具備しており、この枠体61が支持ブラケット7を介して上記レーザー光線照射手段52のケーシング521に取り付けられている。枠体61には、上記集光器526を挟んで発光手段62と受光手段63が矢印Yで示す割り出し送り方向に対向して配設されている。発光手段62は、図6に示すように発光素子621と投光レンズ622および分光手段623を具備している。発光素子621は、例えば波長が670n mのパルスレーザー光線を図5および図6に示すように上記チャックテーブル36上に保持される被加工物Wに投光レンズ622および分光手段623を通して所定の入射角αをもって照射する。入射角αは、集光器526の対物集光レンズ526aのNA値に関連する集光角度βより大きく90度より小さい角度に設定されている。上記発光素子621から照射されるレーザー光線は、分光手段623によって第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光され、集光器526が生成する集光点に対して加工送り方向(図6において紙面に垂直な方向)の前後にそれぞれ所定の間隔を置いて照射される。また、図示の実施形態における高さ位置検出手段6は、分光手段623によって分光され受光手段63によって受光される第1のレーザー光線と第2のレーザー光線を選択する選択手段64を具備している。なお、分光手段623および選択手段64の機能、並びに第1のレーザー光線と第2のレーザー光線の照射位置については、後で詳細に説明する。
上記受光手段63は、図6に示すように光位置検出素子631と受光レンズ632と偏向ミラー手段633を具備しており、上記発光手段62から照射されたレーザー光線が被加工物Wで正反射する位置に配設されている。なお、偏向ミラー手段633の機能については、後で詳細に説明する。また、図示の実施形態における高さ位置検出手段6は、図4に示すように上記発光手段62および受光手段63の傾斜角度を調整するための角度調整ツマミ62aおよび63aを備えている。この角度調整ツマミ62aおよび63aを回動することにより、発光手段62から照射されるレーザー光線の入射角αおよび受光手段63の受光角度を調整することができる。
以上のように構成された高さ位置検出手段6による被加工物Wの高さ位置の検出について、図6を参照して説明する。
被加工物Wの高さ位置が図6において1点鎖線で示す位置である場合には、発光素子621から投光レンズ622および分光手段623を介して被加工物Wの表面に照射されたレーザー光線は1点鎖線で示すように反射し、分光手段および受光レンズ632を介して光位置検出素子631のA点で受光される。一方、被加工物Wの高さ位置が図6において2点鎖線で示す位置である場合には、発光素子621から投光レンズ622および分光手段623を介して被加工物Wの表面に照射されたレーザー光線は2点鎖線で示すように反射し、分光手段および受光レンズ632を介して光位置検出素子631のB点で受光される。このようにして光位置検出素子631が受光したデータは、後述する制御手段に送られる。そして、後述する制御手段は光位置検出素子631によって検出されたA点とB点との間隔Hに基づいて、被加工物Wの高さ位置の変位hを演算する(h=H/sin α)。従って、上記チャックテーブル36に保持された被加工物Wの高さ位置の基準値が図6において1点鎖線で示す位置である場合、被加工物Wの高さ位置が図6において2点鎖線で示す位置に変位した場合には、高さhだけ下方に変位したことが判る。
ここで、上記高さ位置検出手段6の発光手段62を構成する分光手段623および受光手段63を構成する偏向ミラー手段633の機能について、図7を参照して更に詳細に説明する。
上記発光手段62を構成する分光手段623は、図示の実施形態においてはビームスプリッター623aと偏向ミラー623bとからなっている。このように構成された分光手段623は、発光素子621から発振され投光レンズ622を通して照射されたレーザー光線LBをビームスプリッター623aによって第1のレーザー光線LB1と第2のレーザー光線LB2に分光する。ビームスプリッター623aによって分光された第1のレーザー光線LB1は、上記集光器526が生成する集光点Pに対して加工送り方向Xの図7において上側に所定の間隔Sを置いて照射する。一方、ビームスプリッター623aによって分光された第2のレーザー光線LB2は、上記集光器526が生成する集光点Pに対して加工送り方向Xの図7において下側に所定の間隔Sを置いて照射する。なお、上記所定の間隔Sは、3mm以下に設定されている。
上記受光手段63を構成する偏向ミラー手段633もは、ビームスプリッター633aと偏向ミラー633bとからなっており、上記第1のレーザー光線LB1の反射光をビームスプリッター633aおよび受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導くとともに、上記第2のレーザー光線LB2を偏向ミラー633bおよびビームスプリッター633aによって偏向し受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導く。
図7に示す実施形態における高さ位置検出手段6は、受光手段63によって受光される第1のレーザー光線LB1と第2のレーザー光線LB2を選択する選択手段64を具備している。図示の実施形態における選択手段64は、発光手段62から照射される第1のレーザー光線LB1と第2のレーザー光線LB2の光路内に配設されたシャッター641と、該シャッター641を作動するアクチュエータ642とからなっている。シャッター641は、第1のレーザー光線LB1と第2のレーザー光線LB2を選択的に通過させるための第1の通過孔641aと第2の通過孔641bを備えている。このように構成されたシャッター641は、図7において実線で示す第1の位置に位置付けられている状態では第1の通過孔641aを第1のレーザー光線LB1が通過し、第2のレーザー光線LB2の光路を遮断する。一方、アクチュエータ642を作動してシャッター641を図7において2点鎖線で示す第2の位置に位置付けると、第1のレーザー光線LB1の光路を遮断し、第2の通過孔641bを第2のレーザー光線LB2が通過するようになっている。
以上のように構成された高さ位置検出手段6は、シャッター641が図7において実線で示す第1の位置に位置付けられると、発光手段62から照射される第1のレーザー光線LB1がシャッター641の第1の通過孔641aを通して被加工物の上面のQ1点に照射され、その反射光が受光手段63を構成する偏向ミラー手段633のビームスプリッター633aおよび受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導入される。一方、高さ位置検出手段6は、シャッター641が図7において2点鎖線で示す第2の位置に位置付けられると、発光手段62から照射される第2のレーザー光線LB2がシャッター641の第2の通過孔641bを通して被加工物の上面のQ2点に照射され、その反射光が受光手段63を構成する偏向ミラー手段633の偏向ミラー633bおよびビームスプリッター633aによって偏向され受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導入される。
図1に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段52を構成するケーシング521の前端部には、上記レーザー光線照射手段52によってレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント手段8が配設されている。このアライメント手8は、図示の実施形態においては可視光線によって撮像する通常の撮像素子(CCD)の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子(赤外線CCD)等で構成されており、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。
図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、制御手段10を具備している。制御手段10は、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置(CPU)101と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ(ROM)102と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ(RAM)103と、入力インターフェース104および出力インターフェース105とを備えている。このように構成された制御手段10の入力インターフェース104には、上記アライメント手段6や高さ位置検出手段6の受光手段63やアライメント手段8等からの検出信号が入力される。また、出力インターフェース105からは、上記パルスモータ372、パルスモータ382、パルスモータ432、パルスモータ531、パルスモータ542、レーザー光線照射手段52、高さ位置検出手段6の選択手段64を構成するアクチュエータ642(図7参照)等に制御信号を出力する。
図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図8には、板状の被加工物としての半導体ウエーハの斜視図が示されている。図8に示す半導体ウエーハ20は、シリコンウエーハからなる半導体基板21の表面21aに格子状に配列された複数の分割予定ライン(加工予定ライン)211(複数の分割予定ラインは互いに平行に形成されている)によって複数の領域が区画され、この区画された領域にIC、LSI等の回路212が形成されている。
上述したように構成された半導体ウエーハ20は、図1に示すレーザー加工装置のチャックテーブル36の被加工物保持面361上に裏面21bを上側にして搬送され、該吸着チャック361に表面21a側が吸引保持される。このようにして半導体ウエーハ20を吸引保持したチャックテーブル36は、加工送り手段37の作動により案内レール31、31に沿って移動せしめられレーザー光線照射ユニット5に配設されたアライメント手段8の直下に位置付けられる。
チャックテーブル36がアライメント手段8の直下に位置付けられると、アライメント手段8および制御手段10によって半導体ウエーハ20のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、アライメント手段8および制御手段10は、半導体ウエーハ20の所定方向に形成されている分割予定ライン211と、分割予定ライン211に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射ユニット5の集光器525との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理を実行し、レーザー光線照射位置のアライメントを遂行する。また、半導体ウエーハ20に形成されている上記所定方向に対して直角に延びる分割予定ライン211に対しても、同様にレーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。このとき、半導体ウエーハ20の分割予定ライン211が形成されている表面21aは下側に位置しているが、アライメント手段8が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子(赤外線CCD)等で構成された撮像手段を備えているので、裏面21bから透かして分割予定ライン211を撮像することができる。
以上のようにしてチャックテーブル36上に保持されている半導体ウエーハ20に形成されている分割予定ライン211を検出し、レーザビーム照射位置のアライメントが行われたならば、チャックテーブル36を移動して図9の(a)に示すように所定の分割予定ライン211の一端(図9の(a)において左端)をレーザー光線照射手段52の集光器526の直下に位置付ける。そして、集光器526から照射されるパルスレーザー光線の集光点Pを半導体ウエーハ20の表面21a(下面)付近に合わせる。一方、高さ位置検出手段6は、上記選択手段64のシャッター641を図7において2点鎖線で示す第2の位置に位置付けて発光手段62を附勢する。この結果、図7に示す第2のレーザー光線LB2が半導体ウエーハ20の裏面21b(上面)に照射され、高さ位置検出手段6は第2のレーザー光線LB2によって半導体ウエーハ20の高さ位置を検出することになる。なお、第2のレーザー光線LB2は、図9の(a)において上記集光点Pより僅かに右側のQ2点に照射される。この照射位置Q2点は、集光器526から照射されるパルスレーザー光線の照射位置(集光点P)より僅かに加工方向前側となる。
以上のようにして、レーザー光線照射手段52の集光器526および高さ位置検出手段6をセットしたならば、高さ位置検出手段6によって半導体ウエーハ20の高さ位置を検出しつつ集光器526からパルスレーザー光線を照射し、チャックテーブル36を図9の(a)において矢印X1で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる(加工工程)。そして、図9の(b)で示すように集光器526の照射位置が分割予定ライン211の他端(図9の(b)において右端)に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともに、チャックテーブル36の移動を停止する。この加工工程においては、上記高さ位置検出手段6によって集光器526から照射されるパルスレーザー光線の照射位置より僅かに加工方向前側の半導体ウエーハ20の高さ位置が検出され、その検出信号が随時制御手段10に送られている。制御手段10は、高さ位置検出手段6の検出信号に基づいて半導体ウエーハ20の分割予定ライン211に沿った高さ位置の変位hを演算する(h=H/sin α)。そして、制御手段10は、演算した高さ位置の変位hに対応して上記第1の集光点位置調整手段53のパルスモータ531を正転または逆転駆動し、集光器526を上方または下方に移動する。従って、上記加工工程においては、集光器526は図9の(b)で示すように分割予定ライン211に沿った高さ位置に追随して上方または下方に移動せしめられる。この結果、半導体ウエーハ20の内部に形成される変質層210は、レーザー光線を照射する側と反対側の面(チャックテーブル36上に保持される半導体ウエーハ20の下面)に均一に露出して形成される。
次に、図10の(a)に示すように所定の分割予定ライン211の他端(図10の(a)において右端)において、集光器526から照射されるパルスレーザー光線の集光点Pを半導体ウエーハ20に形成された変質層210の上面付近にあわせる。一方、高さ位置検出手段6は、上記選択手段64のシャッター641を図7において実線で示す第1の位置に位置付けて発光手段62を附勢する。この結果、図7に示す第1のレーザー光線LB1が半導体ウエーハ20の裏面21b(上面)に照射され、高さ位置検出手段6は第1のレーザー光線LB1によって半導体ウエーハ20の高さ位置を検出することになる。なお、第1のレーザー光線LB1は、図10の(a)において上記集光点Pより僅かに左側のQ1点に照射される。この照射位置Q1点は、集光器526から照射されるパルスレーザー光線の照射位置(集光点P)より僅かに加工方向前側となる。
以上のようにして、レーザー光線照射手段52の集光器526および高さ位置検出手段6をセットしたならば、高さ位置検出手段6によって半導体ウエーハ20の高さ位置を検出しつつ集光器526からパルスレーザー光線を照射し、チャックテーブル36を図10の(a)において矢印X2で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる(加工工程)。そして、図10の(b)で示すように集光器526の照射位置が分割予定ライン211の他端(図9の(b)において右端)に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともに、チャックテーブル36の移動を停止する。この加工工程においても、上記高さ位置検出手段6によって集光器526から照射されるパルスレーザー光線の照射位置より僅かに加工方向前側の半導体ウエーハ20の高さ位置が検出され、この検出信号に基づいて集光器526は図10の(b)で示すように分割予定ライン211に沿った高さ位置に追随して上方または下方に移動せしめられる。この結果、半導体ウエーハ20の内部には、上述した加工工程によって形成された変質層210の上側にもう一層の変質層210が形成される。なお、半導体ウエーハ20の厚さが厚い場合には、集光点Pを段階的に変えて上述した加工工程を複数回実行する。
このように図示の実施形態におけるレーザー加工装置によれば、高さ位置検出手段6によってチャックテーブル36に保持された半導体ウエーハ20における集光器526から照射されるパルスレーザー光線の照射位置の僅かに前側の高さ位置が随時検出され、その検出信号に基づいて制御手段10が第1の集光点位置調整手段53を制御するので、半導体ウエーハ20の高さ位置を検出するためのストロークを実質的になくすことができ、半導体ウエーハ20の厚さにバラツキがあっても所望位置に効率よくてレーザー加工を施すことができる。また、図示の実施形態においては、高さ位置検出手段6は、集光器526が生成する集光点Pを挟んで加工送り方向Xの前後に照射される第1のレーザー光線LB1と第2のレーザー光線LB2を選択手段64によって選択して、半導体ウエーハ20の高さ位置を検出するので、チャックテーブル36の往動時および復動時共にレーザー加工を行うことができる。
なお、上記加工工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
レーザー :YVO4 パルスレーザー
波長 :1064nm
繰り返し周波数 :100kHz
集光スポット径 :φ1μm
加工送り速度 :100mm/秒
以上のようにして、半導体ウエーハ20の所定の分割予定ライン211に沿って上記加工工程を実行したならば、チャックテーブル36を分割予定ライン211の間隔分だけ矢印Yで示す割り出し送り方向に割り出し送りし上記加工工程を実行する。そして、半導体ウエーハ20の所定方向に延在する全ての分割予定ライン211に沿って上記加工工程を実行したならば、チャックテーブル36を90度回動せしめて、上記所定方向に対して直角に延びる各分割予定ラインに沿って上記加工工程を実行する。このようにして、半導体ウエーハ20に形成された全ての分割予定ライン211に沿って上記加工工程を実行したならば、半導体ウエーハ20を保持しているチャックテーブル36は、最初に半導体ウエーハ20を吸引保持した位置に戻され、ここで半導体ウエーハ20の吸引保持を解除する。そして、半導体ウエーハ20は、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。
以上、本発明に従って構成されたレーザー加工装置を用いて半導体ウエーハ20に形成された分割予定ライン211に沿って内部に変質層210を形成する加工例を説明したが、本発明によるレーザー加工装置を用いて被加工物の表面に溝を形成するレーザー加工を実施することにより、被加工物の正面に沿って所定深さの溝を形成することができる。なお、レーザー加工溝を形成する加工条件は例えば次のように設定される。
レーザー :YVO4 パルスレーザー
波長 :355nm
繰り返し周波数 :100kHz
集光スポット径 :φ3μm
加工送り速度 :60mm/秒
次に、高さ位置検出手段6の他の実施形態について、図11を参照して説明する。なお、図11に示す高さ位置検出手段6は、上記図7に示す高さ位置検出手段6の構成部材と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図11に示す高さ位置検出手段6は、発光手段62が発光素子621と投光レンズ622および分光手段65を備えている。分光手段65は、偏光制御素子651と複屈折素子652とからなっている。偏光制御素子651は、アクチュエータ651aによって回動角度を変更することにより発光素子621から発振されたレーザー光線のP波とS波を選択的に通過せしめる機能を有している。即ち、偏光制御素子651は、発光素子621から発振されたレーザー光線をP波からなる第1のレーザー光線LB1とS波からなる第2のレーザー光線LB2に分光するとともに、いずれか一方を選択して出力する選択手段としての機能を具備している。複屈折素子652は、偏光制御素子651を通過したP波からなる第1のレーザー光線LB1を通過させ、偏光制御素子651を通過したS波からなる第2のレーザー光線LB2を所定角度屈折した後に第1のレーザー光線LB1と平行に導く。従って、複屈折素子652を通過したP波からなる第1のレーザー光線LB1は、上記集光器526が生成する集光点Pに対して加工送り方向Xの図11において上側に所定の間隔Sを置いて照射される。一方、複屈折素子652を通過したS波からなる第2のレーザー光線LB2は、上記集光器526が生成する集光点Pに対して加工送り方向Xの図11において下側に所定の間隔Sを置いて照射される。
上記高さ位置検出手段6の受光手段63は、光位置検出素子631と受光レンズ632と複屈折素子634とからなっている。複屈折素子634は、上記P波からなる第2のレーザー光線LB2を通過させ、S波からなる第2のレーザー光線LB2を所定角度屈折した後に第1のレーザー光線LB1と同一光軸上に戻す機能を有している。
図11に示す高さ位置検出手段6は以上のように構成されており、発光素子621から発振されたレーザー光線が分光機能と選択機能を備えた分光手段65によってP波からなる第1のレーザー光線LB1が選択されると、この第1のレーザー光線LB1は被加工物の上面のQ1点に照射され、その反射光が受光手段63を構成する複屈折素子634および受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導入される。一方、発光素子621から発振されたレーザー光線が分光機能と選択機能を備えた分光手段65によってS波からなる第2のレーザー光線LB2が選択されると、この第2のレーザー光線LB2は被加工物の上面のQ2点に照射され、その反射光が受光手段63を構成する複屈折素子634および受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導入される。このように構成された高さ位置検出手段6も上述した図7に示す高さ位置検出手段6と同様の作用効果が得られる。
次に、高さ位置検出手段6の更に他の実施形態について、図12を参照して説明する。なお、図12に示す高さ位置検出手段6は、発光手段62以外の構成は上記図7に示す高さ位置検出手段6と実質的に同一の構成であり、従って同一部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図12に示す高さ位置検出手段6は、発光手段62が第1の発光素子621aと第2の発光素子621bを備えている。第1の発光素子621aから発振された第1のレーザー光線LB1は、第1の投光レンズ622aおよび第1の偏向ミラー手段624aを介して、上記集光器526が生成する集光点Pに対して加工送り方向Xの図12において上側に所定の間隔Sを置いて照射される。一方、第2の発光素子621bから発振された第2のレーザー光線LB2は、第2の投光レンズ622bおよび第2の偏向ミラー手段624bを介して、上記集光器526が生成する集光点Pに対して加工送り方向Xの図12において下側に所定の間隔Sを置いて照射される。なお、上記所定の間隔Sは、3mm以下に設定されている。
図12に示す高さ位置検出手段6は以上のように構成されており、選択手段64のシャッター641が実線で示す第1の位置に位置付けられると、第1の発光素子621aから発振された第1のレーザー光線LB1が第1の投光レンズ622aおよび第1の偏向ミラー手段624aを構成する偏向ミラー625a、625bを介しシャッター641の第1の通過孔641aを通して被加工物の上面のQ1点に照射され、その反射光が受光手段63を構成する偏向ミラー手段633のビームスプリッター633aおよび受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導入される。一方、高さ位置検出手段6は、選択手段64のシャッター641が図12において2点鎖線で示す第2の位置に位置付けられると、第2の発光素子621bから発振された第2のレーザー光線LB2が第2の投光レンズ622bおよび第2の偏向ミラー手段624bを構成する偏向ミラー626a、626bを介しシャッター641の第2の通過孔641bを通して被加工物の上面のQ2点に照射され、その反射光が受光手段63を構成する偏向ミラー手段633の偏向ミラー633bおよびビームスプリッター633aによって偏向され受光レンズ632を通して光位置検出素子631に導入される。このように構成された高さ位置検出手段6も上述した図7および図11に示す高さ位置検出手段6と同様の作用効果が得られる。
なお、上述した図7および図12に示す実施形態においては、選択手段64を第1のレーザー光線LB1および第2のレーザー光線LB2の入射側に配設した例を示したが、選択手段64は第1のレーザー光線LB1および第2のレーザー光線LB2の反射側に配設してもよい。
本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図1に示すレーザー加工装置に装備されるレーザビーム加工手段の構成を簡略に示すブロック図。 図2に示すレーザビーム加工手段から照射されるレーザー光線の集光スポット径を説明するための簡略図。 図1に示すレーザー加工装置に装備される加工ヘッドおよび高さ位置検出手段を示す斜視図。 図4に示す高さ位置検出手段を構成する発光手段と受光手段およびレーザー光線照射手段の集光器との位置関係を示す説明図。 図4に示す高さ検出手段の検出状態を示す説明図。 図4に示す高さ検出手段のブロック構成図。 板状の被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。 図1に示すレーザー加工装置によって被加工物を加工する加工工程の一実施形態を示す説明図。 図1に示すレーザー加工装置によって被加工物を加工する加工工程の他の実施形態を示す説明図。 図1に示すレーザー加工装置に装備される高さ検出手段の他の実施形態を示すブロック構成図。 図1に示すレーザー加工装置に装備される高さ検出手段の更に他の実施形態を示すブロック構成図。
符号の説明
2:静止基台
3:チャックテーブル機構
36:チャックテーブル
5:レーザー光線照射ユニット
52:レーザー光線加工手段(加工手段)
524:偏向ミラー手段
525:集光器
53:第1の集光点位置調整手段
54:第2の集光点位置調整手段
6:高さ位置検出手段
62:発光手段
621:発光素子
622:投光レンズ
623:分光手段
63:受光手段
631:光位置検出素子
632:受光レンズ
633:偏向ミラー手段
64:選択手段
641:シャッター
642:アクチュエータ
65:分光手段
651:偏光制御素子
652:複屈折素子
8:アライメント手段
10:制御手段
20:半導体ウエーハ
21:半導体基板
210:変質層
211:分割予定ライン(加工予定ライン)
212:回路

Claims (6)

  1. 板状の被加工物を保持する被加工物保持面を備えたチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物の上面側からレーザー光線を照射し集光点を生成する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを加工送り方向に相対的に加工送りする加工送り手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段とを加工送り方向と直行する割り出し送り方向に相対的に割り出し送りする割り出し送り手段と、該集光器が生成する集光点を該被加工物保持面に垂直な方向に移動する集光点位置調整手段と、を具備するレーザー加工装置において、
    該チャックテーブルに保持された被加工物の上面における該集光器から照射されるレーザー光線の照射領域の高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、
    該高さ位置検出手段によって検出された高さ位置信号に基づいて該集光点位置調整手段を制御する制御手段と、を具備し
    該高さ位置検出手段は、該チャックテーブルに保持された被加工物の上面に該集光器が生成する集光点に対して該加工送り方向の前後にそれぞれ所定の間隔を置いて第1のレーザー光線と第2のレーザー光線を所定の入射角をもって照射する発光手段と、該発光手段から照射され被加工物の上面で正反射した該第1のレーザー光線と該第2のレーザー光線を受光する光位置検出素子を備えた受光手段と、該受光手段によって受光される該第1のレーザー光線と該第2のレーザー光線を選択する選択手段と、を具備している、
    ことを特徴とするレーザー加工装置。
  2. 該発光手段は、レーザー光線を発振する発光素子と、該発光素子から発振されたレーザー光線を第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光する分光手段とを具備している、請求項1記載のレーザー加工装置。
  3. 分光手段は、該発光素子から発振されたレーザー光線を第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光するビームスプリッターと偏向ミラーとからなっている、請求項2記載のレーザー加工装置。
  4. 該分光手段は、該発光素子から発振されたレーザー光線を第1のレーザー光線と第2のレーザー光線に分光するとともにいずれか一方を選択して出力する選択手段としての機能を備えた偏光制御素子と複屈折素子からなっている、請求項2記載のレーザー加工装置。
  5. 該発光手段は、第1のレーザー光線を発振する第1の発光素子と第2のレーザー光線を発振する第2の発光手段とを具備している、請求項1記載のレーザー加工装置。
  6. 該発光手段から照射される第1のレーザー光線と第2のレーザー光線の照射位置は、該集光器が生成する集光点から3mm以内に設定されている、請求項1から5のいずれかに記載のレーザー加工装置。
JP2005127380A 2005-04-26 2005-04-26 レーザー加工装置 Active JP4694880B2 (ja)

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