JP5851784B2

JP5851784B2 - 高さ位置検出装置およびレーザー加工機

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Publication number: JP5851784B2
Application number: JP2011213131A
Authority: JP
Inventors: 大樹沢辺; 仁志星野; 篤植木
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Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: JP2013072796A

Description

本発明は、レーザー加工機等の加工機に装備されるチャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の高さ位置を検出する高さ位置検出装置およびレーザー加工機に関する。

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等のデバイスを形成する。そして、半導体ウエ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て個々の半導体デバイスを製造している。

上述した半導体ウエーハ等のストリートに沿って分割する方法として、ウエーハ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が試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハ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、ウエーハの内部にストリートに沿って改質層を連続的に形成し、この改質層が形成されることによって強度が低下したストリート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。）このように被加工物に形成されたストリートに沿って内部に改質層を形成する場合、被加工物の上面から所定の深さ位置にレーザー光線の集光点を位置付けることが重要である。

また、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、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ー光線を照射することによりレーザー加工溝を形成し、このレーザー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２参照。）このように被加工物に形成されたストリートに沿ってレーザー加工溝を形成する場合にも、被加工物の所定高さ位置にレーザー光線の集光点を位置付けることが重要である。

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ため、均一なレーザー加工を施すことが難しい。即ち、ウエーハの内部にストリートに沿って改質層を形成する場合、ウエーハ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位置に均一に改質層を形成することができない。また、ウエーハに形成されたストリートに沿ってレーザー加工溝を形成する場合にもその厚さにバラツキがあると、均一な深さのレーザー加工溝を形成することができない。

上述した問題を解消するために、チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の上面高さを確実に検出することができる高さ位置検出装置が下記特許文献３に開示されている。下記特許文献３に開示された高さ位置検出装置は、検出用レーザー光線を集光レンズを通してチャックテーブルに保持された被加工物の表面に照射し、その反射光の面積に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を検出する。

特許第３４０８８０５号公報特開平１０−３０５４２０号公報特開２００８−１２５６６号公報

而して、上記特許文献３に開示された高さ位置検出装置は、検出用レーザー光線を集光レンズを通してチャックテーブルに保持された被加工物の表面に照射し、その反射光がマスクのスリットを通過した量の光強度に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を検出する。従って、マスクのスリットを通過する反射光の光強度は、高さ位置が対物集光レンズの焦点距離に近づくと２次関数的に急激に高くなるため、正確な高さ位置を検出することができないという問題がある。

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、チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の高さ位置を正確に検出することができる高さ位置検出装置および高さ位置検出装置を装備したレーザー加工機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、チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を検出する高さ位置検出装置において、
所定の波長領域を有する光を発する発光源と、
該発光源が発する光の光強度を中央部が高く稜線を形成し裾野に渡り低下する強度分布となるように整形するＮＤフィルターと、
該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射する集光器と、
該ＮＤフィルターと該集光器との間に配設され該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を該集光器に導く第１の経路に導くとともに該チャックテーブルに保持された被加工物で反射した反射光を第２の経路に導く第1のビームスプリッターと、
該第２の経路に導かれた反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、
該第３の経路に分光された反射光を受光する第1のホトデテクターと、
該第４の経路に配設され該第４の経路に分光された反射光の両側を遮光して中央部の反射光を帯状に通過させ、光強度分布の稜線と一致するように位置づけられたスリットを備えたマスクと、
該マスクを通過した反射光を受光する第２のホトデテクターと、
該第1のホトデテクターによって受光した光量と該第２のホトデテクターによって受光した光量との比率を求め、該比率に基づいてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備している、
ことを特徴とする高さ位置検出装置が提供される。

また、本発明によれば、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をレーザー加工するための加工用レーザー光線を発振する加工用レーザー光線発振手段と該レーザー光線発振手段によって発振された加工用レーザー光線を集光する集光器とを有するレーザー光線照射手段と、該レーザー光線照射手段を該該チャックテーブルの該被加工物保持面に対して垂直な方向に移動し該集光器によって集光される該加工用レーザー光線の集光点位置を調整する集光点位置調整手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段を加工送り方向（Ｘ軸方向）に相対的に移動せしめる加工送り手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段を加工送り方向（Ｘ軸方向）と直交する割り出し送り方向（Ｙ軸方向）に相対的に移動せしめる割り出し送り手段と、該チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を検出する高さ位置検出装置と、を具備するレーザー加工機において、
該高さ位置検出装置は、所定の波長領域を有する光を発する発光源と、該発光源が発する光の光強度を中央部が高く稜線を形成し裾野に渡り低下する強度分布となるように整形するＮＤフィルターと、該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射する集光器と、該ＮＤフィルターと該集光器との間に配設され該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を該集光器に導く第１の経路に導くとともに該チャックテーブルに保持された被加工物で反射した反射光を第２の経路に導く第１のビームスプリッターと、該第２の経路に導かれた反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、該第３の経路に分光された反射光を受光する第1のホトデテクターと、該第４の経路に配設され該第４の経路に分光された反射光の両側を遮光して中央部の反射光を帯状に通過させ、光強度分布の稜線と一致するように位置づけられたスリットを備えたマスクと、該マスクを通過した反射光を受光する第２のホトデテクターと、を具備し、該第1のホトデテクターによって受光した光量と該第２のホトデテクターによって受光した光量との比率を求め、該比率に基づいてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備している、
ことを特徴とするレーザー加工機が提供される。

本発明による高さ位置検出装置は以上のように構成され、第４の経路に分光された反射光におけるマスクに形成されたスリットに沿った稜線から裾野に渡り光強度が低下するように、発光源からの光強度を整形するＮＤフィルターが発光源と第1のビームスプリッターとの間に配設されているので、チャックテーブルに保持された被加工物の上面の高さ位置が集光器の焦点距離に近づいても第２のホトデテクターに受光される光量が急激に高くなることはないため、チャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を正確に検出することができる。
また、本発明によるレーザー加工機は上記高さ位置検出装置を装備しているので、チャックテーブルに保持された被加工物の上面位置を基準とした所定の位置に正確にレーザー加工を施すことができる。

本発明に従って構成されたレーザー加工機の斜視図。図１に示すレーザー加工機に装備されるレーザー光線照射手段および高さ位置検出装置の構成を示すブロック図。図２に示す高さ位置検出装置の検査用レーザー光線をチャックテーブルに保持された被加工物の上面に照射した状態を示す説明図。図２に示す高さ位置検出装置の検査用レーザー光線の照射位置により照射面積が変化する状態を示す説明図。図２に示す高さ位置検出装置の第１のホトデテクターから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクターから出力される電圧値（V2）との比と、チャックテーブルに保持された被加工物の高さとの関係を示す制御マップ。図１に示すレーザー加工機に装備される制御手段を示すブロック図。被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。図７に示す半導体ウエーハが図１に示すレーザー加工機のチャックテーブルの所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図。図１に示すレーザー加工機に装備された高さ位置検出装置によって実施される高さ位置検出工程の説明図。図１に示すレーザー加工機によって図７に示す半導体ウエーハに改質層を形成するレーザー加工工程の説明図。

以下、本発明に従って構成された高さ位置検出装置およびレーザー加工機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高さ位置検出装置を装備したレーザー加工機の斜視図が示されている。図１に示すレーザー加工機は、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（X軸方向）と直角な矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）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で示す方向（Z軸方向）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で示す加工送り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で示す加工送り方向に（X軸方向）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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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カバーテーブル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た吸着チャック３６１を具備しており、吸着チャック３６１上に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。このように構成され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。なお、チャックテーブル３６には、後述する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。

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で示す割り出し送り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で示す加工送り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で示す加工送り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（X軸方向）に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー加工機は、上記チャックテーブル３６のX軸方向位置を検出するためのX軸方向位置検出手段３７４を備えている。X軸方向位置検出手段３７４は、案内レール３１に沿って配設されたリニアスケール３７４aと、第１の滑動ブロック３２に配設され第１の滑動ブロック３２とともにリニアスケール３７４aに沿って移動する読み取りヘッド３７４bとからなっている。このX軸方向位置検出手段３７４の読み取りヘッド３７４bは、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６のX軸方向位置を検出する。

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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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（Y軸方向）に移動せしめられる。

図示の実施形態におけるレーザー加工機は、上記第２の滑動ブロック３３のY軸方向位置を検出するためのY軸方向位置検出手段３８４を備えている。Y軸方向位置検出手段３８４は、案内レール３２２に沿って配設されたリニアスケール３８４aと、第２の滑動ブロック３３に配設され第２の滑動ブロック３３とともにリニアスケール３８４aに沿って移動する読み取りヘッド３８４bとからなっている。このY軸方向位置検出手段３８４の読み取りヘッド３８４bは、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６のY軸方向位置を検出する。

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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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、該雄ネジロッド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（Y軸方向）に移動せしめられる。

図示の実施形態の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で示す焦点位置調整方向（Z軸方向）に移動可能に支持される。

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、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で示す焦点位置調整方向（Z軸方向）に移動させるための集光点位置調整手段５３を具備している。集光点位置調整手段５３は、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５３２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５３２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および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（Z軸方向）に移動せしめる。なお、図示の実施形態においてはパルスモータ５３２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を上方に移動し、パルスモータ５３２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を下方に移動するようになっている。

図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット５は、レーザー光線照射手段５２のZ軸方向位置を検出するためのZ軸方向位置検出手段５５を具備している。Z軸方向位置検出手段５５は、上記案内レール４２３、４２３と平行に配設されたリニアスケール５５１と、上記ユニットホルダ５１に取り付けられユニットホルダ５１とともにリニアスケール５５１に沿って移動する読み取りヘッド５５２とからなっている。このZ軸方向位置検出手段５５の読み取りヘッド５５２は、図示の実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。

図示のレーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。このケーシング５２１内には図２に示すように加工用パルスレーザー光線発振手段６が配設されており、ケーシング５２１の先端には加工用パルスレーザー光線発振手段６が発振する加工用パルスレーザー光線を上記チャックテーブル３６に保持される被加工物に照射せしめる集光器７が配設されている。加工用パルスレーザー光線発振手段６は、被加工物であるウエーハに対して透過性を有する波長の加工用パルスレーザー光線LB1を発振する。この加工用パルスレーザー光線発振手段6は、例えば波長が１０４０ｎｍである加工用パルスレーザー光線LB１を発振するＹＶＯ４パルスレーザー発振器或いはＹＡＧパルスレーザー発振器を用いることができる。

上記集光器７は、上記加工用パルスレーザー光線発振手段６から発振された加工用パルスレーザー光線LB1を図２において下方に向けて方向変換する方向変換ミラー７１と、該方向変換ミラー７１によって方向変換された加工用パルスレーザー光線LB1を集光する対物集光レンズ７２を具備している。

図２を参照して説明を続けると、図示の実施形態におけるレーザー加工機は、チャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置８を具備している。高さ位置検出装置８は、所定の波長領域を有する光を発する発光源としての検出用レーザー光線を発振する検出用レーザー光線発振手段８１と、上記加工用パルスレーザー光線発振手段６と集光器７との間の経路に配設され検出用レーザー光線発振手段８１から発振された検出用レーザー光線を集光器７に向けて反射せしめるダイクロイックミラー８２と、検出用レーザー光線発振手段８１とダイクロイックミラー８２とを結ぶ第１の経路８０aに配設され検出用レーザー光線発振手段８１から発振された検出用レーザー光線の光強度を整形するNDフィルター８３と、第１の経路８０aにおけるNDフィルター８３とダイクロイックミラー８２との間に配設された第1のビームスプリッター８４を具備している。

検出用レーザー光線発振手段８１は、上記加工用パルスレーザー光線発振手段６から発振される加工用パルスレーザー光線の波長と異なり被加工物であるウエーハに対して反射性を有する波長の例えば波長が６３２ｎｍの検出用レーザー光線ＬＢ２を発振するＨｅ−Ｎｅレーザー発振器を用いることができる。なお、検出用レーザー光線発振手段８１から発振される検出用レーザー光線ＬＢ２の出力は、図示の実施形態においては１０ｍＷに設定されている。ダイクロイックミラー８２は、加工用パルスレーザー光線ＬＢ１は通過するが検出用レーザー光線発振手段８１から発振された検出用レーザー光線を集光器７に向けて反射せしめる。ＮＤフィルター８３は、検出用レーザー光線発振手段８１から発振された検出用レーザー光線ＬＢ２の光強度を中央部が高く稜線８１０ａを形成し裾野に渡り低下する強度分布８１０となるように整形する。上記第1のビームスプリッター８４は、ＮＤフィルター８３によって光強度が整形された検出用レーザー光線ＬＢ２を上記ダイクロイックミラー８２に導くとともに、ダイクロイックミラー８２によって反射された後述する反射光を第２の経路８０bに導く。

図示の実施形態における高さ位置検出装置８は、第２の経路８０bに配設され第1のビームスプリッター８４によって反射された反射光のうち検出用レーザー光線LB2の波長（図示の実施形態においては６３２ｎｍ）に対応する反射光のみを通過せしめるバンドパスフィルター８５と、該バンドパスフィルター８５を通過した反射光を第３の経路８０cと第４の経路８０dに分光する第２のビームスプリッター８６を具備している。第３の経路８０cには、第２のビームスプリッター８６によって分光された反射光を１００％集光する第１の集光レンズ８７aと、該第１の集光レンズ８７aによって集光された反射光を受光する第1のホトデテクター８８aが配設されている。なお、上記第1のホトデテクター８８aは、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。また、上記第４の経路８０dには、第２のビームスプリッター８６によって分光された反射光を集光する第２の集光レンズ８７bと、該第２の集光レンズ８７bによって集光された反射光の両側を遮光して中央部の反射光を帯状に通過させるスリット８９１を備えたマスク８９と、該スリット８９１を通過した反射光を受光する第２のホトデテクター８８bが配設されている。なお、マスク８９に設けられたスリット８９１は、紙面に垂直な方向に細長い形状に形成されている。また、上記第２のホトデテクター８８bは、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。

図２に示す実施形態における高さ位置検出装置８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。
検出用レーザー光線発振手段８１から発振された検出用レーザー光線ＬＢ２は、ＮＤフィルター８３によって光強度を中央部が高く稜線８１０ａを形成し裾野に渡り低下する強度分布８１０となるように整形される。なお、図示の実施形態におけるＮＤフィルター８３は、光強度の稜線８１０ａが紙面に垂直な方向となるように整形される。ＮＤフィルター８３によって光強度が整形された検出用レーザー光線ＬＢ２は、第1のビームスプリッター８４、ダイクロイックミラー８２を介して集光器７に導かれる。集光器７に導かれた検出用レーザー光線ＬＢ２は、方向変換ミラー７１によって対物集光レンズ７２に導かれ、対物集光レンズ７２により集光されてチャックテーブル３６に保持された被加工物Ｗの上面に照射される。チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面に照射された検出用レーザー光線ＬＢ２は、被加工物Ｗの表面（上面）に照射される面積で反射する。例えば、図３に示すようにチャックテーブル３６に保持された被加工物Ｗに検査用レーザー光線ＬＢ２を照射する場合、検査用レーザー光線ＬＢ１は被加工物Ｗの表面（上面）に照射される面積Ｓで反射する。

チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面で反射された検出用レーザー光線LB2の反射光は、対物集光レンズ７２、方向変換ミラー７１、ダイクロイックミラー８２、第1のビームスプリッター８４を介してバンドパスフィルター８５に導かれる。
バンドパスフィルター８５は上述したように検出用レーザー光線LB2の波長（図示の実施形態においては６３２ｎｍ）に対応する反射光のみを通過せしめるように構成されているので、室内の蛍光灯等の光はバンドパスフィルター８５によって遮断される。従って、検出用レーザー光線LB2の反射光だけがバンドパスフィルター８５を通過し、第２のビームスプリッター８６に達する。

第２のビームスプリッター８６に達した加工用パルスレーザー光線ＬＢ１の反射光は、該第２のビームスプリッター８６によって第３の経路８０ｃと第４の経路８０ｄに分光される。第３の経路８０ｃに分光された検出用レーザー光線ＬＢ２の反射光は、第１の集光レンズ８７ａによって集光され第1のホトデテクター８８ａに１００％受光される。そして、第1のホトデテクター８８ａは、受光した光量に対応した電圧値（Ｖ１）を後述する制御手段に送る。一方、第４の経路８０ｄに分光された検出用レーザー光線ＬＢ２の反射光は、第２の集光レンズ８７ｂによって集光される。このように第２の集光レンズ８７ｂによって集光された検出用レーザー光線ＬＢ２の反射光は、マスク８９のスリット８９１を通過した一部が第２のホトデテクター８８ｂに受光される。そして第２のホトデテクター８８ｂは、受光した光量に対応した電圧値（Ｖ２）を後述する制御手段に送る。従って、第２のホトデテクター８８ｂから出力される電圧値（Ｖ２）は、検査用レーザー光線ＬＢ２の集光点Ｐの被加工物に対する位置によって変化する。なお、検出用レーザー光線ＬＢ２の反射光の光強度分布８１０は中央部が高く稜線８１０ａを形成し裾野に渡り低下するように整形されており、マスク８９に設けられたスリット８９１が光強度分布８１０の稜線８１０ａと一致するように位置づけられているので、光強度分布８１０における光強度の高い稜線８１０ａ部は常にスリット８９１を通過する。従って、第２のホトデテクター８８ｂによって受光される光量は、マスク８９によって遮断される量によって緩やかに変化する。このため、高さ位置が対物集光レンズ７２の焦点距離に近づいても第２のホトデテクター８８ｂに受光される光量が急激に高くなることはない。

ここで、第1のホトデテクター８８aと第２のホトデテクター８８bによって受光される検査用レーザー光線LB2の反射光の受光量について説明する。
第1のホトデテクター８８aに受光される反射光は、上述したように１００％受光されるので受光量は一定であり、第1のホトデテクター８８aから出力される電圧値（V1）は一定（例えば１０V）となる。一方、第２のホトデテクター８８bによって受光される反射光は、第２の集光レンズ８7bによって集光された後にマスク８９によって一部が遮蔽されて第２のホトデテクター８８bに受光されるので、図３に示すように検査用レーザー光線LB2が被加工物Wの上面に照射される際に、集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離、即ち被加工物Wの高さ位置（厚み）によって第２のホトデテクター８８bの受光量は変化する。従って、第２のホトデテクター８８bから出力される電圧値（V2）は、検査用レーザー光線LB2が照射される被加工物Wの上面高さ位置によって変化する。

例えば、図４の(a)に示すように被加工物Wの高さ位置が低く（被加工物Wの厚みが薄く）集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)が大きい場合には、検査用レーザー光線LB2は被加工物Wの上面に照射されるスポットS1で反射する。この反射光は上述したように第２のビームスプリッター８６によって第３の経路８０cと第４の経路８０dに分光されるが、第３の経路８０cに分光されたスポットS1の反射光は第１の集光レンズ８７aによって集光され、反射光の全ての光量が第1のホトデテクター８８aに受光される。一方、第２のビームスプリッター８６によって第４の経路８０dに分光されたスポットS1の反射光は、第２の集光レンズ８7bによって集光された後、上述したようにマスク８９によって一部が遮蔽されて第２のホトデテクター８８bによって受光されることになる。従って、第２のホトデテクター８８bに受光される反射光の光量は上述した第1のホトデテクター８８aに受光される光量より少なくなる。

次に、図４の(b)に示すように被加工物Wの高さ位置が高く（被加工物Wの厚みが厚く）集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)が小さい場合には、検査用レーザー光線LB2は被加工物Wの上面に照射されるスポットS2で反射する。この環状のスポットS2は上記スポットS1より大きい。このスポットS2の反射光は上述したように第２のビームスプリッター８６によって第３の経路８０cと第４の経路８０dに分光されるが、第３の経路８０cに分光されたスポットS2の反射光は第１の集光レンズ８７aによって集光され、反射光の全ての光量が第1のホトデテクター８８aに受光される。一方、第２のビームスプリッター８６によって第４の経路８０dに分光されたスポットS2の反射光は、第２の集光レンズ８7bによって集光された後、上述したようにマスク８９によって一部が遮蔽されて第２のホトデテクター８８bによって受光されることになる。反射光のスポットS2は上記スポットS1より大きいのでマスク８９によって遮蔽される割合が多くなる。従って、第２のホトデテクター８８bによって受光される光量は、上記図４の(a)に示す場合より少なくなる。このように第２のホトデテクター８８bに受光される反射光の光量は、集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置が低い（被加工物Wの厚みが薄い）程多く、集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置が高い（被加工物Wの厚みが厚い）程少なくなる。

ここで、上記第1のホトデテクター８８aから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクター８８bから出力される電圧値（V2）との比と、集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置との関係について、図５に示す制御マップを参照して説明する。なお、図５において横軸は集光器７の対物集光レンズ７２の焦点距離（集光点位置までの距離）を基準値（０）として対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの基準値に対する変位量を示し、縦軸は第1のホトデテクター８８aから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクター８８bから出力される電圧値（V2）との比（V2/ V1）を示している。図５から判るように対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの上記基準値に対する変位量が大きくなる程（被加工物Wの厚みが厚く、チャックテーブルに保持された被加工物Wの高さ位置が高くなる程）、電圧値の比（V2/ V1）が小さくなる。従って、上述したように第1のホトデテクター８８aから出力される電圧値（V1）と第２のホトデテクター８８bから出力される電圧値（V2）との比（V2/ V1）を求め、この電圧値の比（V2/ V1）を図５に示す制御マップに照合することにより、上記基準値からの変位量を求めることができ、この変位量を対物集光レンズ７２の焦点距離（集光点位置までの距離）から減算することにより集光器７の対物集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)を求めることができる。なお、図５に示す制御マップは、後述する制御手段のメモリに格納される。

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の先端部には、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撮像手段９が配設されている。この撮像手段９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機は、図６に示す制御手段１０を具備している。制御手段１０はコンピュータによって構成されており、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。制御手段１０の入力インターフェース１０４には、上記X軸方向位置検出手段３７４、Y軸方向位置検出手段３８４、集光点位置調整手段５３、第1のホトデテクター８８a、第２のホトデテクター８８bおよび撮像手段９等からの検出信号が入力される。そして、制御手段１０の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５３２、加工用パルスレーザー光線発振手段６、検出用レーザー光線発振手段８１等に制御信号を出力する。なお、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３は、上述した図５に示す制御マップを格納する第１の記憶領域１０３a、後述する被加工物の設計値のデータを記憶する第２の記憶領域１０３b、後述する光デバイスウエーハ１０の高さ位置を記憶する第３の記憶領域１０３cや他の記憶領域を備えている。

図示の実施形態におけるレーザー加工機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７にはレーザー加工される被加工物として半導体ウエーハ２０の斜視図が示されている。図７に示す半導体ウエーハ２０は、シリコンウエーハからなっており、その表面２０ａに格子状に配列された複数のストリート２０１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等のデバイス２０２が形成されている。

上述したレーザー加工機を用い、上記半導体ウエーハ２０の分割予定ライン２０１に沿ってレーザー光線を照射し、半導体ウエーハ２０の内部にストリート２０１に沿って改質層を形成するレーザー加工の実施形態について説明する。なお、半導体ウエーハ２０の内部に改質層を形成する際に、半導体ウエーハ２０の厚さにバラツキがあると、上述したように屈折率の関係で所定の深さに均一に改質層を形成することができない。そこで、レーザー加工を施す前に、上述した高さ位置検出装置８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の高さ位置を計測する。
即ち、先ず上述した図１に示すレーザー加工機のチャックテーブル３６上に半導体ウエーハ２０の裏面２０ｂを上にして載置し、該チャックテーブル３６上に半導体ウエーハ２０を吸引保持する。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によって撮像手段９の直下に位置付けられる。

チャックテーブル３６が撮像手段９の直下に位置付けられると、撮像手段９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、撮像手段９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ストリート２０１と、該ストリート２０１に沿って半導体ウエーハ２０の高さを検出する高さ位置検出装置８の集光器７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、アライメントを遂行する。また、半導体ウエーハ２０に形成されている所定方向と直交する方向に形成されているストリート２０１に対しても、同様にアライメントが遂行される。このとき、半導体ウエーハ２０のストリート２０１が形成されている表面２０ａは下側に位置しているが、撮像手段９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２０ｂから透かしてストリート２０１を撮像することができる。

上述したようにアライメントが行われると、チャックテーブル３６上の半導体ウエーハ２０は、図８の（ａ）に示す座標位置に位置付けられた状態となる。なお、図８の（ｂ）はチャックテーブル３６即ち半導体ウエーハ２０を図８の（ａ）に示す状態から９０度回転した状態を示している。

なお、図８の（ａ）および図８の（ｂ）に示す座標位置に位置付けられた状態における半導体ウエーハ２０に形成された各ストリート２０１の送り開始位置座標値(A1,A2,A3・・・An)と送り終了位置座標値(B1,B2,B3・・・Bn)および送り開始位置座標値(C1,C2,C3・・・Cn)と送り終了位置座標値(D1,D2,D3・・・Dn)は、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第２に記憶領域１０３ｂに格納されている。

上述したようにチャックテーブル３６上に保持されている半導体ウエーハ２０に形成されているストリート２０１を検出し、高さ検出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８の（ａ）において最上位のストリート２０１を集光器７の直下に位置付ける。そして、更に図９で示すようにストリート２０１の一端（図９において左端）である送り開始位置座標値(A1)（図８の（ａ）参照）を集光器７の直下に位置付ける。そして、高さ位置検出装置８を作動するとともに、チャックテーブル３６を図９において矢印Ｘ１で示す方向に移動し、送り終了位置座標値(B1)まで移動する（高さ位置検出工程）。この結果、半導体ウエーハ２０の図９の（ａ）において最上位のストリート２０１における高さ位置（集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)）を上述したように検出することができる。この検出された高さ位置（集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)）は、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第２に記憶領域１０３ｂに格納されている座標値に対応して第３の記憶領域１０３cに格納される。このようにして、半導体ウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って高さ位置検出工程を実施し、各ストリート２０１における高さ位置を上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第３の記憶領域１０３cに格納する。

上述した高さ位置検出工程においては、上述したようにチャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ２０の上面（裏面）の高さ位置が集光器７の対物集光レンズ７２の焦点距離に近づいても第２のホトデテクター８８bに受光される光量が急激に高くなることはないので、チャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ２０の上面（裏面）の高さ位置を正確に検出することができる。

以上のようにして半導体ウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って高さ位置検出工程を実施したならば、半導体ウエーハ２０の内部にストリート２０１に沿って改質層を形成するレーザー加工を実施する。
レーザー加工を実施するには、先ずチャックテーブル３６を移動して図８の（ａ）において最上位のストリート２０１を集光器７の直下に位置付ける。そして、更に図１０の（ａ）で示すようにストリート２０１の一端（図１０の（ａ）において左端）である送り開始位置座標値(A1)（図１０の（ａ）参照）を集光器７の直下に位置付ける。制御手段１０は、集光点位置調整手段５３を作動して集光器７から照射される加工用パルスレーザー光線LB1の集光点Ｐaを半導体ウエーハ２０の裏面2０b(上面)から所定の深さ位置に合わせる。次に、制御手段１０は、加工用パルスレーザー光線発振手段６を作動し、集光器７から加工用パルスレーザー光線LB1を照射しつつチャックテーブル３６を矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる（レーザー加工工程）。そして、図１０の(b)で示すように集光器７の照射位置がストリート２０１の他端（図１０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、制御手段１０はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第３の記憶領域１０３cに格納されている半導体ウエーハ２０のストリート２０１におけるX座標値に対応した高さ位置に基いて、集光点位置調整手段５３のパルスモータ５３２を制御し、図１０の(b)で示すように集光器７を半導体ウエーハ２０のストリート２０１における高さ位置に対応して上下方向に移動せしめる。この結果、半導体ウエーハ２０の内部には、図１０の(b)で示すように裏面２０b(上面)から所定の深さ位置に裏面２０b(上面)と平行に改質層２１０が形成される。

なお、上記レーザー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：１０４０ｎｍ
繰り返し周波数：２００ｋＨｚ
平均出力：１W
集光スポット径：φ１μｍ
加工送り速度：３００ｍｍ／秒

以上のようにして、半導体ウエーハ２０の所定方向に延在する全てのストリート２０１に沿って上記レーザー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ストリート２０１に沿って上記レーザー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ストリート２０１に沿って上記レーザー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、本発明によるチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置検出装置をレーザー加工機に適用した例を示したが、本発明はチャックテーブルに保持された被加工物を加工する種々の加工機に適用することができる。

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
３７：加工送り手段
３７４：X軸方向位置検出手段
３８：第１の割り出し送り手段
３８４：Y軸方向位置検出手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４２：可動支持基台
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
６：加工用パルスレーザー光線発振手段
７：集光器
７１：方向変換ミラー
７２：対物集光レンズ
８：高さ位置検出装置
８１：検出用レーザー光線発振手段
８２：ダイクロイックミラー
８３：NDフィルター
８４：第1のビームスプリッター
８５：バンドパスフィルター
８６：第２のビームスプリッター
８７a：第１の集光レンズ
８７b：第２の集光レンズ
８８a：第１のホトデテクター
８８b：第２のホトデテクター
８９：マスク
９：撮像手段
１０：制御手段
２０：半導体ウエーハ

Claims

チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を検出する高さ位置検出装置において、
所定の波長領域を有する光を発する発光源と、
該発光源が発する光の光強度を中央部が高く稜線を形成し裾野に渡り低下する強度分布となるように整形するＮＤフィルターと、
該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射する集光器と、
該ＮＤフィルターと該集光器との間に配設され該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を該集光器に導く第１の経路に導くとともに該チャックテーブルに保持された被加工物で反射した反射光を第２の経路に導く第1のビームスプリッターと、
該第２の経路に導かれた反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、
該第３の経路に分光された反射光を受光する第1のホトデテクターと、
該第４の経路に配設され該第４の経路に分光された反射光の両側を遮光して中央部の反射光を帯状に通過させ、光強度分布の稜線と一致するように位置づけられたスリットを備えたマスクと、
該マスクを通過した反射光を受光する第２のホトデテクターと、
該第1のホトデテクターによって受光した光量と該第２のホトデテクターによって受光した光量との比率を求め、該比率に基づいてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備している、
ことを特徴とする高さ位置検出装置。
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をレーザー加工するための加工用レーザー光線を発振する加工用レーザー光線発振手段と該レーザー光線発振手段によって発振された加工用レーザー光線を集光する集光器とを有するレーザー光線照射手段と、該レーザー光線照射手段を該チャックテーブルの該被加工物保持面に対して垂直な方向に移動し該集光器によって集光される該加工用レーザー光線の集光点位置を調整する集光点位置調整手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段を加工送り方向（Ｘ軸方向）に相対的に移動せしめる加工送り手段と、該チャックテーブルと該レーザー光線照射手段を加工送り方向（Ｘ軸方向）と直交する割り出し送り方向（Ｙ軸方向）に相対的に移動せしめる割り出し送り手段と、該チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を検出する高さ位置検出装置と、を具備するレーザー加工機において、
該高さ位置検出装置は、所定の波長領域を有する光を発する発光源と、該発光源が発する光の光強度を中央部が高く稜線を形成し裾野に渡り低下する強度分布となるように整形するＮＤフィルターと、該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射する集光器と、該ＮＤフィルターと該集光器との間に配設され該ＮＤフィルターによって光強度分布が整形された光を該集光器に導く第１の経路に導くとともに該チャックテーブルに保持された被加工物で反射した反射光を第２の経路に導く第1のビームスプリッターと、該第２の経路に導かれた反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、該第３の経路に分光された反射光を受光する第1のホトデテクターと、該第４の経路に配設され該第４の経路に分光された反射光の両側を遮光して中央部の反射光を帯状に通過させ、光強度分布の稜線と一致するように位置づけられたスリットを備えたマスクと、該マスクを通過した反射光を受光する第２のホトデテクターと、を具備し、該第1のホトデテクターによって受光した光量と該第２のホトデテクターによって受光した光量との比率を求め、該比率に基づいてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備している、
ことを特徴とするレーザー加工機。