JP4856058B2 - レーザー加工装置 - Google Patents

Description

本発明は対象物加工装置に係り、より詳しくは、ウェハーのような対象物加工時に発生する副産物を最小化して加工効率を向上させるためのレーザー加工装置に関するものである。

一般に、ウェハー、金属、プラスチックなどを利用して対象材料を製造するためには、切断、溝切りなどのような加工過程が必要である。一例として、半導体製造工程を完了した後には、ウェハー上に形成された複数のチップを個別的にチップ単位に切断するための工程が後続する。ウェハーの切断工程は後続工程での生産性および品質に大きな影響を及ぼすから非常に重要な意味を有し、現在、ウェハーの切断には、機械的切断方法、レーザーを利用する切断方法などが利用されている。

ソーイング装置のような機械的加工装置を用いる場合、ウェハーをステージに搭載した後、ウェハーソーイング装置の切削刃が指定速度で回転しながらウェハーの指定切断位置（ストリート）に接触してウェハーを単位チップに切ることになり、ウェハーの切断時に発生する副産物は洗浄液を噴射してとり除くことになる。ところが、機械的加工方法によってウェハーを切断する場合には、洗浄液で副産物をまったくとり除くことができないし、切断速度が遅いし、切断幅が広くなる問題がある。特に、ウェハーを比較的小さな大きさに切断しなければならない場合には、切断幅が広いため、ウェハー上に形成された回路に損傷を与えることになる問題点があり、これを解決するために切削刃の大きさを調節しなければならないが、切削刃の厚さを薄く構成するのには限界がある。

ウェハーを機械的方法で加工する場合に発生する前述した問題点を解決するために、最近にはレーザーを利用して非接触式でウェハーを加工する技術が研究されている。レーザーを利用してウェハーを加工するためには、ウェハーが設置された基板支持台を移送装置上に載置させた後、光源から照射されるビームを集束レンズを通じて、移送されるウェハー上に照射する。

レーザーを利用するウェハー加工方法は、高い紫外線領域２５０〜３６０ｎｍのレーザービームをウェハー表面に集束させることで、加熱および化学作用を引き起こして集束部位を除去する方法である。すなわち、レーザービームが集束されてウェハーに加えられれば、集束部位は瞬時に温度が上昇すし、ビームの集束度によって、ウェハー材料の溶融のみならず昇華が発生することになり、材料の気化によって圧力が上昇して集束部位が爆発的に除去される。このような除去現象が連続して起こることにより、ウェハーの切断がなされ、移動経路によって線形または曲線形切断が可能である利点がある。

しかし、レーザーを利用加工方法においても、ソーイング方法と同様に、副産物をまったくとり除くことができないし、加工面のリセス深さが深くなるにつれて、レーザービームの照射によって昇華または気化する副産物が外部へ排出されずにウェハー壁面に凝縮して再沈着する問題がある。

また、現在レーザーを利用する対象物加工の際には、対象物のみを移動させるか、レーザービーム照射装置を移動させながら加工を行うが、この場合、多重切断（Ｍｕｌｔｉｐａｓｓ Ｃｕｔｔｉｎｇ）などのような工程を行うのが効率よくなく、対象物を高速で移動させるための移送装置などの安全性を確保しなければならないし、これによって装置の重さが増加して原価が上昇するなどの問題点が伴うことになる。

本発明は前述した問題点および欠点を解決するためになされたもので、対象物の加工時、加工方向に沿ってレーザービームを移動させながら照射するとともに対象物も移動させることで、対象物の加工効率を向上させることができるレーザー加工装置を提供することにその技術的課題がある。

本発明の他の技術的課題は、対象物を加工するためにレーザービームを移動させながら照射する場合、対象物の加工領域をすべて均一に加工するためのレーザー加工装置を提供することにある。

また、本発明のさらに他の技術的課題は、加工対象物に照射されるレーザービームの隣接スポットとの距離を最小化して対象物の加工速度および性能を向上させることにある。
前述した技術的課題を達成するための本発明は、請求項１に記載の様に、レーザーを利用して対象物を加工するためのレーザー加工装置であって、レーザー光源からレーザービームを照射するためのビーム照射器と、前記ビーム照射器とビーム照射器から出射するレーザ光を反射するミラーとを備え、前記ビーム照射器から出射するレーザー光を前記ミラーによって反射させて前記対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査するためのビームスキャナと、前記ビームスキャナから出射するレーザービームを集光するためのレンズと、前記ビームスキャナから出射するレーザービームが前記集光レンズに入射する前に、前記ビームスキャナのミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためのホールを備えるマスクと、を含み、前記対象物を加工する間に前記対象物が加工方向に少なくとも１回移動させ、前記マスクを下降または上昇させることで、前記ホールを通過するレーザービームの走査幅を調節する。
更に、本発明は、請求項４に記載の様に、レーザーを利用して対象物を加工するためのレーザー加工装置であって、レーザー光源からレーザービームを照射するためのビーム照射器と、前記ビーム照射器とビーム照射器から出射するレーザ光を反射するミラーとを備え、前記ビーム照射器から出射するレーザー光を前記ミラーによって反射させて前記対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査するためのビームスキャナと、前記ビームスキャナから出射するレーザービームを集光するためのレンズと、前記集光レンズから出射するレーザービームが前記対象物に照射される前に、前記ビームスキャナのミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためのホールを備えるマスクと、を含み、前記対象物を加工する間に前記対象物が加工方向に少なくとも１回移動させ、前記マスクを下降または上昇させることで、前記ホールを通過するレーザービームの走査幅を調節する。

以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例をより詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例によるレーザー加工装置の構成図である。
本発明のレーザー加工装置は、レーザー光源１０、レーザーを照射するためのビーム照射器２０、ビーム照射器２０から出射するレーザー光を対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査するためのビームスキャナ３０、およびビームスキャナ３０から出射するレーザービームの焦点を一定にするための集光レンズ４０を含む。

ここで、ビームスキャナ３０は、ガルバノメータースキャナまたはサーボモーターを利用する反射装置を利用して具現することができる。また、ビームスキャナ３０は、ドライバー３１０、ドライバー３１０によって駆動される一つまたは二つのモーター３２０、３４０、およびモーター３２０、３４０の回転軸にそれぞれ連結されて指定の角度および方向（左右または上下）に回転を繰り返すミラー３３０、３５０を含む。このようなレーザー加工装置において、ビームスキャナ３０のミラー３３０、３５０が回転することによって、レーザービームを加工対象物に移動しながら走査する効果を得ることができる。

本発明においては、レーザービームを走査すると同時に、ステージ５０上に設置される対象物６０も移送装置（図示せず）によって少なくとも１回移動させる。対象物を加工するための一般的なレーザービームのスポットサイズは２０μｍであり、周波数は４０〜５０ｋＨｚである。このようなレーザービームを回転するミラー３３０、３５０によって走査しながら、同時に対象物６０を移動させる場合、対象物６０の移動速度があまり速くなれば対象物の加工深さが低くなるので、対象物６０は全体加工時間の間に１回だけ移動するようにすることが望ましい。

このようなレーザー加工装置を利用する対象物加工方法を説明すれば次のようである。レーザー光源１０からビーム照射器２０を通じて第２ミラー３５０に入射するレーザー光は第１ミラー３３０に反射される。ついで、第１ミラー３３０で反射されるレーザー光は集光レンズ４０に照射され、集光レンズ４０は照射されるレーザービームの焦点を一定に維持した後、対象物６０に照射する。ここで、ミラー３３０、３５０は加工目的に応じていずれか一方または両方を使うことができる。

この時、第１および第２ミラー３３０、３５０が指定の角度および方向に回転するから、レーザービームを移動させながら照射した効果を得ることができ、さらに対象物６０も移動するから、加工時間を短縮することができ、対象物６０の移送装置に対する安全性を大きく考慮しないから、移送装置などの装備の生産単価および装備の重さなどを減少させることができる。

また、本発明のレーザー加工装置は、レーザービームを照射するビームスキャナのミラーが多数回回転しながらレーザービームを照射し、ウェハーが少なくとも１回移動しながら対象物の加工が進むので、このような意味から見てハイブリッド（Ｈｙｂｒｉｄ）駆動レーザー加工装置であるといえる。

図２ａ〜図２ｄは図１に示すレーザー加工装置によってレーザービームが対象物に繰り返し照射される概念を説明するための図で、説明の便宜上対象物が固定されていると仮定して説明する。

図示のように、図２ａから図２ｄに移動するほどミラー３３０が徐々に傾くことにより、レーザービームが対象物６０に照射される位置が変化することが分かる。レーザービームが連続して走査され、ミラー３３０も連続して運動するから、結果として、レーザービームは対象物６０の加工面に直線状に照射され、対象物６０の表面が直線状に連続して加工される（１００、１０２、１０４）。

このように、ミラー３３０が回転して設定角度まで移動した後には、さらに図２ｄから図２ａへの方向に逆回転する。これにより、対象物６０の加工面にレーザービームが往復照射されることによって加工効率が向上することができる。

図３はマスクを利用する本発明の第２実施例によるレーザー加工装置の構成図である。
図１を参照して説明したレーザー加工装置は、前述したように、ハイブリッド駆動によって対象物を加工することにより、加工効率の向上、装備価の節減などの利点を得ることができる。一方、ビームスキャナ３０のミラーが指定角度に回転を繰り返す時、回転転換点でレーザービームが移動しないで照射される結果をもたらす。これにより、ミラーの回転転換点でレーザービームが照射された対象物の加工領域が他の領域より深く彫られて加工均一性が低下することになる。

本実施例では、ミラーの回転転換点での対象物の加工不均一性を解決するために、マスクを導入したレーザー加工装置を提示する。
図３に示すように、本発明の第２実施例によるレーザー加工装置は、レーザー光源１０、レーザーを照射するためのビーム照射器２０、ビーム照射器２０から出射するレーザー光を対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査させるためのビームスキャナ３０、ビームスキャナ３０からレーザービームが出射する時、ミラー３３０の回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためのホールＡを有するマスク７０、およびマスク７０から出射するレーザービームの焦点を一定にするための集光レンズ４０を含む。

ここで、マスク７０は、ビームスキャナ３０と集光レンズ４０との間、または集光レンズ４０と対象物６０との間に設置することができ、金属などのようにレーザービームを反射させ得る材質またはレーザービームを吸収し得る材質を利用して製作される。

このようなレーザー加工装置において、ビームスキャナ３０のミラーの回転転換点で照射されるレーザービームはマスク７０のホールＡの周辺領域に照射されて反射され、よってホールＡを通過して対象物６０に照射されるレーザービームは、移動速度が０となる地点なしに均一に照射される。すなわち、本実施例において、マスク７０は、ビームスキャナ３０のミラー３３０、３５０の移動速度が０となる地点で照射されるレーザービームを反射させる役目をするものである。

図４は図３に示すレーザー加工装置によって対象物表面が均一に加工される概念を説明するための図である。
図示のように、ミラー３３０が回転を繰り返す時、第１終端と第２終端でミラーが方向を切り替えるために速度が０となり、この地点で、対象物の加工面にレーザービームが過多に照射されることを防止するために、ホールＡを備えたマスク７０を導入して、第１終端および第２終端から出射するレーザービームをフィルタリングする。

マスク７０はホールＡの大きさ別に複数製作し、レーザービームの走査幅によって取り替えて使うことができ、マスク７０のホールＡの大きさが一定である場合、ミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためには、マスク７０を下降または上昇させることで、ホールＡを通過するビームの走査幅を調節することができる。

図５は成形レンズを利用する本発明の第３実施例によるレーザー加工装置の構成図である。
図１に基づいて説明したレーザー加工装置は、前述したように、ハイブリッド駆動によって対象物を加工することにより、加工効率の向上、装備価の節減などの利点を得ることができる。一方、ビームスキャナ３０および集光レンズ４０を通じてレーザービームが対象物６０に移動しながら照射され、対象物６０も移動するから、対象物６０の加工領域にレーザービームが不連続的に照射されるため、加工効率が低下することになる。

本実施例においては、対象物６０の加工領域にレーザービームが不連続的に照射されることを解決するために、楕円成形レンズを導入したレーザー加工装置を提示する。
図５に示すように、本発明の第３実施例によるレーザー加工装置は、レーザー光源１０、レーザーを照射するためのビーム照射器２０、ビーム照射器２０から出射するレーザー光を直線状に移動しながら走査するためのビームスキャナ３０、ビームスキャナ３０から出射するレーザービームの焦点を一定にするための集光レンズ４０、および集光レンズ４０から出射するレーザービームのスポットを楕円形に成形するための成形レンズ８０を含む。

成形レンズ８０は、円筒状レンズを利用して具現することが望ましく、加工対象物６０の加工方向と成形レンズ８０から出射する楕円形レーザービームの長軸方向が一致するようにして対象物を加工しなければならない。

すなわち、集光レンズ４０から出射するレーザービームはそのスポットが円形であるが、成形レンズ８０を利用して円形のレーザービームのスポットを楕円形に成形し、これを対象物に照射すれば、隣接するレーザービームスポット間の間隔を無くすか縮小させることができるので、レーザービームが対象物に連続して照射される効果を得ることができる。

図６はマスクおよび成形レンズを利用する本発明の第４実施例によるレーザー加工装置の構成図である。
図示のように、本発明の第４実施例によるレーザー加工装置は、レーザー光源１０、レーザーを照射するためのビーム照射器２０、ビーム照射器２０から出射するレーザー光を対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査するためのビームスキャナ３０、ビームスキャナ３０からレーザービームが出射する時、ミラー３３０の回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためのホールＡを有するマスク７０、マスク７０から出射するレーザービームの焦点を一定にするための集光レンズ４０、および集光レンズ４０から出射するレーザービームのスポットを楕円形に成形するための成形レンズ８０を含む。

ここで、マスク７０は、ビームスキャナ３０と集光レンズ４０との間または集光レンズ４０と対象物６０との間に設置でき、金属などのようにレーザービームを反射させることができる材質を利用して製作される。

マスク７０は、ホールＡの大きさ別に複数製作し、レーザービームの走査幅によって取り替えて使うことができ、マスク７０のホールＡの大きさが一定である場合、ミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためには、マスク７０を下降または上昇させることにより、ホールＡを通過するビームの走査幅を調節することができる。また、マスク７０を取り替えるか移動させることができない場合には、ビームスキャナ３０ミラー３３０、３５０の回転角度を調節することにより、レーザービームの走査幅を調節することができる。

一方、成形レンズ８０は円筒状レンズを利用して具現することが望ましく、加工対象物６０の加工方向と成形レンズ８０から出射する楕円形レーザービームの長軸方向が一致するように対象物を加工しなければならない。

本実施例においては、ビームスキャナ３０ミラーの回転転換点で照射されるレーザービームはマスク７０のホールＡの周辺領域に照射されて反射され、よってホールＡを通過して対象物６０に照射されるレーザービームは移動速度が０となる地点なしに均一に照射される。また、集光レンズ４０から出射するレーザービームはそのスポットが円形であるが、成形レンズ８０を利用して円形のレーザービームのスポットを楕円形に成形し、これを対象物に照射すれば、隣接するレーザービーム間の間隔を無くすか縮小させることができるので、レーザービームが対象物に連続して照射される効果を得ることができる。

このように、本発明が属する技術分野の当業者は、本発明を、その技術的思想または必須特徴を変更しなくても他の具体的な形態に実施することができるというのが理解できるであろう。したがって、以上に説明した実施例は例示的なものであるばかり、限定的なものではないことを了解しなければならない。本発明の範囲は、前記詳細な説明よりは、後述する特許請求範囲によって決められ、特許請求範囲の意味および範囲とその等価概念から導出されるすべての変更または変形形態は本発明の範囲に含まれるものと解釈しなければならない。

前述した本発明によれば、ウェハー、金属、プラスチックなどのような対象物の切断、溝切りなどの加工工程の時、レーザーを導入し、対象物の加工時、レーザービームを移動させながら照射するとともに対象物も移動させることにより、ハイブリッド駆動方式によって対象物の加工効率を向上させることができる。

また、移動しながらレーザービームを照射する装置であるビームスキャナのミラーから出射するレーザービームのなかで、ミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするマスクを導入することで、ビームスキャナミラーの回転転換点で照射されるレーザービームによって対象物が不均一に加工されることを防止することができる。

さらに、レーザービームのスポットを楕円形に成形して照射するが、楕円の長軸と対象物の加工方向を一致させて照射することで、レーザービームおよび対象物を同時に移動させながら加工を進めることによって、対象物の加工領域にレーザービームが不連続的に照射されないで連続して照射されるように補正することができる。

本発明の第１実施例によるレーザー加工装置の構成図である。 図１に示すレーザー加工装置によってレーザービームが対象物に繰り返し照射される概念を説明するための概略図である、 マスクを利用する本発明の第２実施例によるレーザー加工装置の構成図である。 図３に示すレーザー加工装置によって対象物表面を均一に加工する概念を説明するための概略図である。 成形レンズを利用する本発明の第３実施例によるレーザー加工装置の構成図である。 マスクおよび成形レンズを利用する本発明の第４実施例によるレーザー加工装置の構成図である。

Claims (9)

1. レーザーを利用して対象物を加工するためのレーザー加工装置であって、
   レーザー光源からレーザービームを照射するためのビーム照射器と、
   前記ビーム照射器とビーム照射器から出射するレーザ光を反射するミラーとを備え、前記ビーム照射器から出射するレーザー光を前記ミラーによって反射させて前記対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査するためのビームスキャナと、
   前記ビームスキャナから出射するレーザービームを集光するためのレンズと、
   前記ビームスキャナから出射するレーザービームが前記集光レンズに入射する前に、前記ビームスキャナのミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためのホールを備えるマスクと、を含み、
   前記対象物を加工する間に前記対象物が加工方向に少なくとも１回移動させ、
   前記マスクを下降または上昇させることで、前記ホールを通過するレーザービームの走査幅を調節することを特徴とする、レーザー加工装置。
2. 前記ビームスキャナは、
   ドライバーと、
   前記ドライバーによって駆動されるモーターと、
   前記モーターの回転軸に連結され、指定の角度および方向に回転を繰り返す前記ミラーと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記ビームスキャナは、
   ドライバーと、
   前記ドライバーによって駆動される一対のモーターと、を含み、
   前記ビームスキャナのミラーは、前記モーターの回転軸にそれぞれ連結され、指定の角度および方向に回転を繰り返す第１および第２ミラーを含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー加工装置。
4. レーザーを利用して対象物を加工するためのレーザー加工装置であって、
   レーザー光源からレーザービームを照射するためのビーム照射器と、
   前記ビーム照射器とビーム照射器から出射するレーザ光を反射するミラーとを備え、前記ビーム照射器から出射するレーザー光を前記ミラーによって反射させて前記対象物加工位置の指定区間に直線状に繰り返し走査するためのビームスキャナと、
   前記ビームスキャナから出射するレーザービームを集光するためのレンズと、
   前記集光レンズから出射するレーザービームが前記対象物に照射される前に、前記ビームスキャナのミラーの回転転換点で出射するレーザービームをフィルタリングするためのホールを備えるマスクと、を含み、
   前記対象物を加工する間に前記対象物が加工方向に少なくとも１回移動させ、
   前記マスクを下降または上昇させることで、前記ホールを通過するレーザービームの走査幅を調節することを特徴とする、レーザー加工装置。
5. 前記マスクは金属から製作されることを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載のレーザー加工装置。
6. 前記レーザー加工装置は、前記集光レンズから出射するレーザービームが前記対象物に照射される前、前記レーザービームのスポットを楕円形に成形するための成形レンズをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載のレーザー加工装置。
7. 前記成形レンズは円筒状レンズから具現されることを特徴とする、請求項６に記載のレーザー加工装置。
8. 前記楕円形ビームの長軸と前記対象物の加工方向が一致するように制御されることを特徴とする、請求項６に記載のレーザー加工装置。
9. 前記ビームスキャナは、ガルバノメータースキャナまたはサーボモーターを利用する反射装置のいずれか一つであることを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載のレーザー加工装置。

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