JP6799470B2 - スポット形状検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光線の正確なスポット形状が検出できるスポット形状検出装置に関する。

ＩＣ、ＬＳＩ、ＬＥＤ等の複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたウエーハは、ウエーハに対して吸収性を有する波長のレーザー光線が分割予定ラインに照射されアブレーション加工を実行するレーザー加工装置によって個々のデバイスに分割されて携帯電話、パソコン、液晶テレビ、照明機器等の電気機器に利用される（例えば、特許文献１を参照。）。

また、ウエーハに対して透過性を有する波長のレーザー光線の集光点を分割予定ラインの内部に位置付けて照射し、改質層を形成して外力を付与することでウエーハを個々のデバイスに分割するレーザー加工の技術も提案され、レーザー加工装置の分野において実用に供されている（例えば、特許文献２を参照。）。

そして、前記したレーザー加工装置を構成するレーザー発振器が発振するレーザー光線のスポット形状が加工品質に影響を及ぼすことから、レーザー加工時の品質を確保するためには、ウエーハに照射されるレーザー光線のスポット形状を用いて、或いはスポット形状から算出されるビーム径からレーザー光線を評価するための指標であるＭ２ファクターを算出して評価することが必要であり、従来においてもスポット形状を検出する装置もいくつか提案されている（例えば、特許文献３〜５を参照。）。なお、Ｍ２ファクターとは、当業者において一般的に知られているものであり、レーザー光線を集光し回析限界まで絞ったときのビーム径が、理想的なガウシアンビームを回析限界まで絞ったときのビーム径の何倍になるかを示す指標値である。よって、その指標値は理想的なガウシアンビームに対する１以上の比で表されるものであり、理想的なガウシアンビームと一致する場合のＭ２ファクターは１となる。

特開平１０−３０５４２０号公報 特許第３４０８８０５号公報 特開２０１３−０２２６３４号公報 特開２０１３−１５１００２号公報 特許第５７２６９９９号公報

上述したようなスポット形状を検出して評価を行うためには、多点におけるスポット形状の検出、或いはスポットの径等に基づき把握されるＭ２ファクターの評価をする必要があり、スポット形状の検出には比較的多くの時間を要し作業性が悪いと共に、検出するスポット形状の再現性にも問題があり、評価の正確性を確保することに課題がある。

本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、短時間で効率よくレーザー発振器から照射されるレーザー光線の正確なスポット形状を検出するスポット形状検出装置を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、レーザー発振器から発振されたレーザー光線のスポット形状を検出するスポット形状検出装置であって、レーザー発振器が発振するレーザー光線を集光する集光レンズと、該集光レンズの集光点と該集光レンズとの間に配置されるビームスプリッターと、複数のミラーを同心円上に配設した回転体と、該回転体を所定の周期で回転する駆動源と、該回転体に配設された複数のミラーによって順次反射されるレーザー光線の戻り光を該ビームスプリッターで分岐する方向に配設され該戻り光のスポット形状を撮像する撮像手段と、該撮像手段によって撮像された画像を該複数のミラーに関連付けて表示する表示手段と、から少なくとも構成され、該複数のミラーは、該撮像手段の撮像位置に該集光点が徐々に近づき該撮像位置に至り該撮像位置から徐々に遠ざかるように該回転体に配設されている、スポット形状検出装置が提供される。

該回転体の各ミラーによるレーザー光線の反射時期に同期して該撮像手段のシャッターが作動するように構成されていることが好ましい。また、各ミラーにレーザー光線が照射され反射している時間を最長として、該撮像手段のシャッターの開放時間が調整されることにより該撮像手段で捕えられる該レーザー光線の戻り光の明るさが調整されることがこのましい。さらに、該集光レンズの前に減衰フィルターが配設されるようにすることができる。

本発明のスポット形状検出装置は、レーザー発振器が発振するレーザー光線を集光する集光レンズと、該集光レンズの集光点と該集光レンズとの間に配置されるビームスプリッターと、複数のミラーを同心円上に配設した回転体と、該回転体を所定の周期で回転する駆動源と、該回転体に配設された複数のミラーによって順次反射されるレーザー光線の戻り光を該ビームスプリッターで分岐する方向に配設され該戻り光のスポット形状を撮像する撮像手段と、該撮像手段によって撮像された画像を該複数のミラーに関連付けて表示する表示手段と、から少なくとも構成され、該複数のミラーは、該撮像手段の撮像位置に該集光点が徐々に近づき該撮像位置に至り該撮像位置から徐々に遠ざかるように該回転体に配設されていることにより、容易にレーザー光線の集光点近傍領域に形成されるスポット形状を検出して表示手段に表示させることができる。より具体的には、例えば、回転体を構成するミラーの数が１７枚であり１秒間に５０コマの撮影ができるように構成した場合、０．３４秒で集光点を挟む領域のスポット形状を撮像して表示手段に表示させることが可能になり、さらには、撮像されたスポット形状を用いてスポット径を特定すれば、Ｍ２ファクター等のビームプロファイルの評価を容易に実施することが可能になる。

本発明に基づき構成されたスポット形状検出装置の全体斜視図を示す図である。 図１に示すスポット形状検出装置の光学系手段を説明するためのブロック図である。 図１に示すスポット形状検出装置のエンコーダの概略を示す概略図である。 図１に示すスポット形状検出装置により検出されたスポット径と、ミラーの配設位置との関連を示すグラフである。

以下、本発明のスポット形状検出装置について添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

図１、２には、本発明に基づいて構成されたスポット形状検出装置の一実施形態が示されている。本実施形態のスポット形状検出装置１は、スポット形状検出装置１の主要部が載置される基台２と、各々にミラーが内蔵されている複数の反射孔６ａ〜６ｑ（本実施形態では１７個）を同心円上に配設した円柱状の回転体（以下、「ミラーホルダ６」という。）と、該ミラーホルダ６の中心軸をなし該ミラーホルダ６を貫通する回転軸５と、該回転軸５の前端部５１ａ、後端部５１ｂを回転自在に支持し該基台２上に立設される支持フレーム３、４とを備えている。なお、図１には示していないが、本実施形態のスポット形状検出装置には、該ミラーホルダ６を所定の周期で回転駆動する駆動源であるモータと、該モータに付属して設けられるエンコーダが備えられており、詳細については、おって後述する。

ミラーホルダ６には、軸方向に穿孔された複数の反射孔６ａ〜６ｑが反時計回りに備えられており、該反射孔６ａ〜６ｑは、回転軸５を中心とした同一の円周上に所定の間隔で配設されている。各反射孔６ａ〜６ｑの内部には、図２にその概略を示すように、外部から入射したレーザー光線を反射するためのミラー６ａ’〜６ｑ’が内蔵されており、各ミラー６ａ’〜６ｑ’は、それぞれミラーホルダ６の一端面６１から矢印Ｘで示す方向の距離が異なるように位置付けられ固定される。各ミラー６ａ’〜６ｑ’が配設される位置、及び該位置に基づく作用については、おって詳述する。なお、図１では、反射孔６ｋ〜６ｐについて示されていないが、反射孔６ｋ〜６ｐは、図中の支持フレーム３の背後に位置しており、他の反射孔と同様の間隔でミラーホルダ６に配設されている。

図２に示すように、該ミラーホルダ６の中心を貫通する回転軸５の支持フレーム４側の後端部５１ｂ、及び該ミラーホルダ６を回転駆動すべく配設されたモータ７の回転軸８の先端部８１には、それぞれ同一の歯数で形成された歯付きプーリ５２、８２が固定されており、該歯付きプーリ５２、８２には、歯付きベルトＶが架け渡されている。該歯付きプーリ５２、８２と歯付きベルトＶとにより、該モータ７の回転が滑りを生じることなくミラーホルダ６の回転軸５に伝達され、該モータ７の回転速度を後述する制御手段２０により制御することで、ミラーホルダ６の回転周期を正確に制御することが可能になっている。

本実施形態のスポット形状検出装置１には、上述した構成に加え、図２により具体的に示す、スポット形状を検出するための光学系手段４０が配設される。該光学系手段４０は、例えば、評価対象となるレーザー発振器３０と、レーザー発振器３０にて発振されたレーザー光線ＬＢ１を集光する集光レンズ３１と、該集光レンズ３１を通過したレーザー光線ＬＢ１を反射孔６ａ〜６ｑが形成されたミラーホルダ６の円周上に照射し、反射孔６ａ〜６ｑの内部に配設されたミラー６ａ’〜６ｑ’で反射された戻り光ＬＢ２を反射して光路を下方に向けて変更するビームスプリッター３２と、該ビームスプリッター３２で反射された戻り光ＬＢ２の光路上に配設され戻り光ＬＢ２のスポット形状を撮像する撮像素子３３ａを内蔵した撮像手段３３と、を備えている。なお、支持フレーム３には、ビームスプリッター３２を通過してレーザー光線ＬＢ１をミラーホルダ―６側に導く図示しない開口部が形成されている。また、図１には示されていないが、図２の光学手段にて点線で示すように、該レーザー発振器３０と、集光レンズ３１との間に、レーザー光線ＬＢ１を撮像手段３３によってスポット径を撮像するのに適した出力に調整すべく出力調整手段を備えることもでき、該出力調整手段としては、光減衰フィルター３４を配設することができる。

ここで、ミラーホルダ６を回転駆動するモータ７に付帯して配設されるエンコーダ９について、図２、３を参照しつつ説明する。図２、３に示すように本実施形態のエンコーダ９は、モータ７の回転軸８に配設される回転ホイール９１と、該回転ホイール９１の外周部を挟むように構成されたトリガ発生器９２とを備えている。該トリガ発生器９２には、図に示すように該回転ホイール９１を挟んで例えば赤外光（ＩＲ）を発する発光素子９３、該赤外光を受光する受光素子９４が備えられている。該回転ホイール９１が回転し、発光素子９３から発せられた赤外光が回転ホイール９の外周に均等間隔で形成されたスリット９１ａ〜９１ｑを通過して受光素子９４にて受光されると、図２の下方に示すようなトリガシグナルＳが出力され、制御手段２０に信号が送られる。ここで、回転ホイール９１に配設されるスリット９１ａ〜９１ｑの開口幅は９１ｉで最も狭く、９１ｉから離れる程、広くなるように設定される。すなわち、トリガシグナルＳの信号幅（ｏｎとなる長さ）は、９１ｆ〜９１ｌが最も小さく（短く）、９１ａ、９１ｑ側で最も大きく（長く）なる。該トリガシグナルＳが制御手段２０に送信されると、トリガシグナルＳに同期して撮像手段３３のシャッター（図示しない。）が開放されるように制御される。なお、本実施形態では、モータ７の回転速度を調整することにより、時計回りで見て、スリット９１ｆ〜９１ｌによってシャッターがｏｎとなる時間を１ｍｓｅｃ、スリット９１ｃ〜９１ｅ、９１ｍ〜９１ｏによってｏｎとなる時間を２ｍｓｅｃ、スリット９１ｐ〜９１ｂによってｏｎとなる時間を５ｍｓｅｃに設定している。

制御手段２０は、コンピュータにより構成され、制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、検出した検出値、演算結果等を一時的に格納するための読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、入力インターフェース、及び出力インターフェースとを備えている（詳細についての図示は省略）。制御手段２０には、該トリガ発生器９２からの信号のみならず、撮像手段３３から送られる撮像データ等が入力され、該撮像データは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に記憶され、適宜該スポット形状検出手段１の近傍に設置される表示手段ｍに表示される。

ミラーホルダ６の反射孔６ａ〜６ｑ内に配設されるミラー６ａ’〜６ｑ’の配設位置について説明する。反射孔６ａ〜６ｑ内には、レーザー光線を反射するミラーが１つずつ配設されており、ミラー６ａ’〜６ｑ’の配設位置は、図２の矢印Ｘで示す方向において異なる位置になるように配設される。図に示すミラーホルダ６は、説明の都合上、ミラーホルダ６内に配設されたミラーの位置を側方から見た状態で透過して示すものであり、図から明らかなように、ミラー６ａ’がミラーホルダ６の一端面６１からの距離が最も短くなるように一旦面６１側に配設されており、ミラー６ｂ’、ミラー６ｃ’・・・となるに従い一端面６１から離れるように配設され、ミラー６ｑ’が反射孔の最も深い位置に配設される。

各ミラー６ａ’〜６ｑ’の配置位置についてさらに具体的に説明する。上述したように、レーザー発振器３０によって発振されたレーザー光線ＬＢ１は、集光レンズ３１を介して集光され該ミラー６ａ’〜６ｑ’にて反射し、戻り光ＬＢ２となってビームスプリッター３２で反射され、撮像手段３３に導かれる。ここで、ミラーホルダ６の図中矢印Ｘの方向において中間に位置するミラー６ｉで反射された戻り光ＬＢ２が、撮像手段３３の撮像素子３３ａ上に集光点Ｐを形成するように、すなわち、撮像手段３３にて撮像されるスポット形状が最も小さくなるようにその位置が設定されている。該集光点Ｐは、ミラー６ｉからミラーホルダ６の一端面６１側にミラーの位置（反射位置）が移動するに従い、撮像素子３３ａの下方側に移動し、ミラー６ｉからミラーホルダ６の一端面６１から遠ざかる側にミラーの位置が移動するに従い、撮像素子３３ａの上方側に移動するように構成されている。そして、ミラー６ｉを中心にしてミラー６ｆ’〜６ｌ’が矢印Ｘ方向でみて１ｍｍ間隔で配置され、ミラー６ｃ’〜６ｆ’、６ｌ’〜６ｏ’は５ｍｍ間隔で、ミラー６ａ’〜６ｃ’、６ｏ’〜６ｑ’は２０ｍｍ間隔で配置されており、レーザー光線の回析限界となるスポット径が最も小さくなる領域近傍でより細かにスポット形状を撮像できるように設定される。

本実施形態のスポット形状検出装置１は、概ね以上のように構成されており、その作用について、図２を参照しながら以下に説明する。

作業者は、レーザー光線の品質を評価すべく、評価対象となるレーザー発振器３０を用意して、所定の載置台（図示せず。）に設置して照射方向の調整を実施する。次にスポット形状の検出を開始すべく、制御手段２０に対して作業開始の指示を行うと、モータ７が回転を始め、歯付きプーリ８２、歯付きベルトＶ、及び歯付きプーリ５２を介して回転駆動力が伝達され、ミラーホルダ６が所定の回転周期にて回転させられる。

ミラーホルダ６の回転周期が所定値にて安定した状態で、レーザー発振器３０から例えば６３５ｎｍ波長のレーザー光線が所定の出力にて発振させられ、集光レンズ３１に照射される。さらに、モータの回転軸８と共にエンコーダ９の回転ホイール９１が回転することで、上述したようにトリガシグナルＳが出力される。該スリット９１ａ〜９１ｑに基づいて発生するトリガシグナルＳは、レーザー光線ＬＢ１が各反射孔６ａ〜６ｑに入射されるタイミングに同期してｏｎになるように設定されている。例えば、ミラー６ａ’でレーザー光線ＬＢ１が反射されているタイミングで、スリット９１ａに基づき発生するトリガシグナルＳがｏｎされると、ｏｎされている間だけ撮像手段３３のシャッター（図示しない。）を開放して、撮像素子３３ａ上に照射される戻り光ＬＢ２のスポット形状を記録し制御手段２０に送信し記憶する。さらにミラーホルダ６が回転して、ミラー６ｂ’で反射された戻り光ＬＢ２が撮像手段３３に達している際に、スリット９１ｂに基づき発生するトリガシグナルＳに基づき撮像手段３３のシャッターを開放して撮像素子３３ａ上に形成されるスポット形状が撮像され、撮像データが制御手段２０に送信される。以下、同様にして、ミラー６ｃ’〜６ｑ’で反射する戻り光ＬＢ２が撮像手段３３に達している際に、スリット９１ｃ〜９１ｑに基づき発生するトリガシグナルＳに基づいて撮像手段３３のシャッターが開放されて、各ミラー６ｃ’〜６ｑ’の反射によって撮像素子３３ａ上に形成されるスポット形状が制御手段２０に記録される。

なお、撮像素子３３ａに集光点Ｐの位置が近い程、撮像素子３３ａで受光される光線の光密度が高いため、スリット９１ａ〜９１ｑにより生成されるトリガシグナルＳのｏｎ時間は短く設定され、集光点Ｐが撮像素子３３ａから離れる程、該ｏｎ時間は相対的に長く設定されており、撮像素子３３ａの損傷を防止し、撮像されるスポット形状が適切に撮像されるように、露光時間の調整がなされる。このスリット９１ａ〜９１ｑによるｏｎ時間は、各ミラー６ａ’〜６ｑ’においてレーザー光線ＬＢ１が反射されている時間においてのみ有効であるため、反射孔６ａ〜６ｑの孔形状とミラーホルダ６の回転周期によって確定される各ミラー６ａ’〜６ｑ’の反射時間を最長として、シャッターが開放される時間、すなわちシャッター速度が調整されて、撮像手段３３によって撮像されるスポット形状の明るさが調整される。

以上のようにして、各ミラー６ａ’〜６ｑ’にて反射された戻り光ＬＢ２のスポット形状が撮像されて、制御手段２０に記録されると、撮像されたスポット形状を、各反射孔６ａ〜６ｑに関連付けて、制手段２０に接続された表示手段ｍに表示する（図２を参照。）。

撮像されたスポット形状が各反射孔６ａ〜６ｑに関連付けられて表示手段ｍに表示されるのと同時に、制御手段２０に記憶されたスポット形状に基づき撮像手段３３で捕捉されたスポット形状のスポット径を算出する。スポット径の算出は、撮像手段３３にて撮像された画像に基づき特定されるＤ４σを用いる。このＤ４σは、強度分布の標準偏差σの４倍で規定されるものであり、レーザー光線のビーム径を特定する手法としてＩＳＯの国際標準規格により規定されており、詳細については周知であるため、ここではその説明を省略する。Ｄ４σによって各ミラー６ａ’〜６ｑ’にて反射された戻り光のスポット径が検出されたならば、各ミラー６ａ’〜６ｑ’に関連づけられて制御手段２０に記憶される。

図４には、縦軸に、上述した各ミラー６ａ’〜６ｑ’にて反射された戻り光ＬＢ２が撮像素子３３ａ上に形成したスポットのスポット径ｄ（μｍ）を示し、横軸には該スポット径が算出された際にレーザー光線を反射していたミラーの位置（ｍｍ）を示し、各ミラーの配設位置に対応したスポット径をプロットして各点を結んだ線を実線Ｌ１で示している。該ミラーの位置は、撮像素子３３ａ上に集光点Ｐが形成されるように予め設定されたミラー６ｉの位置を基準点（０）とし、集光点Ｐが撮像素子３３ａよりも下方（図２を参照）側に形成される側の位置を負の値となるようにし、上方に形成される側の位置を正の値となるように規定している。ここで、図４には、レーザー発振器３０から、理想的なガウシアンビームが照射された場合に形成されるスポット径の値を想定し結んだ点線Ｌ２も併せて示している。本実施形態のレーザー発振器３０が理想的なガウシアンビームであったと仮定し、回析限界まで照射されるレーザー光線を絞った場合のスポット径ｄ０は、点線Ｌ２上で最もスポット径が小さくなる点Ｐ０で示すように４２．００μｍである。これに対し、実際に計測されたレーザー発振器３０のレーザー光線を回析限界まで絞った際のスポット径ｄは、図に点Ｐ１示されているように５０．００μｍであり、これら点Ｐ０、Ｐ１で示されるスポット径に基づいてＭ２ファクターが算出される。

なお、一般的なＭ２ファクターは、演算式：Ｍ２＝θ・ｄ／θ０・ｄ０（θ０は理想的なガウシアンビームの拡がり角、θは実際に計測されるレーザー光線の拡がり角）で求められるが、θとθ０の差が小さい場合にはθ／θ０≒１とみなしてＭ２＝ｄ／ｄ０として演算することができ、θがθ０とみなせない場合は、拡がり角θ、θ０を求め、Ｍ２ファクターを求める上記演算式に算入すればよい。以上より、Ｍ２ファクターが１に近い値である程、レーザー発振器３０から発振されるレーザー光線の品質がよいと評価されることが理解される。

本発明に基づき構成された上記実施形態は、上述したように、回転体に対して照射されたレーザー光線を反射することで、集光点位置を変化させる複数のミラーを配設し、該回転体を駆動源によって回転させることにより、短時間で集光点近傍のスポット形状を、容易に撮像し、撮像した画像を表示装置に表示することができる。そして、検出されたスポット形状に基づき、レーザー発振器を容易に評価することが可能になる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に含まれる限り、種々の変形例を想定することができる。上述した実施形態では、撮像手段３３によって撮像されたスポット形状からスポット径を算出し、Ｍ２ファクターを求めレーザー光線の評価を行ったが、必ずしもＭ２ファクターを求めることに限定されるわけではない。Ｍ２ファクターを算出せずに、表示手段ｍに表示されたスポット形状を観察してレーザー光線の品質を評価してもよい。その場合、撮像されたスポット形状が理想的なレーザー光線である場合に形成される形状に基づいて、レーザー光線の評価を実施することができる。

本実施形態のエンコーダ９では、回転ホイール９１をモータ７の回転軸８に配設しているが、これには限定されず、ミラーホルダ６の回転軸５に配設するようにしてもよい。さらに、本実施形態では、スポット径をＤ４σで算出したが、これに限定されず、例えば、一般的に使用される他のビーム径の定義（１０／９０、２０／８０ナイフエッジ、１／ｅ^２、Ｄ８６等）に従って算出するようにしてもよい。

１：スポット形状検出器
２：基台
３、４：支持フレーム
５：ミラーホルダ回転軸
５１ａ：前端部
５１ｂ：後端部
５２：歯付きプーリ
６：ミラーホルダ
６ａ〜６ｑ：反射孔
６ａ’〜６ｑ’：ミラー
７：モータ
８：モータ回転軸
８２：歯付きプーリ
９：エンコーダ
９１：回転ホイール
９１ａ〜９１ｑ：スリット
９２：トリガ発生器
９３：発光素子
９４：受光素子
ｍ：表示手段
Ｖ：歯付きベルト

Claims (4)

1. レーザー発振器から発振されたレーザー光線のスポット形状を検出するスポット形状検出装置であって、
   レーザー発振器が発振するレーザー光線を集光する集光レンズと、該集光レンズの集光点と該集光レンズとの間に配置されるビームスプリッターと、複数のミラーを同心円上に配設した回転体と、該回転体を所定の周期で回転する駆動源と、該回転体に配設された複数のミラーによって順次反射されるレーザー光線の戻り光を該ビームスプリッターで分岐する方向に配設され該戻り光のスポット形状を撮像する撮像手段と、該撮像手段によって撮像された画像を該複数のミラーに関連付けて表示する表示手段と、から少なくとも構成され、
   該複数のミラーは、該撮像手段の撮像位置に該集光点が徐々に近づき該撮像位置に至り該撮像位置から徐々に遠ざかるように該回転体に配設されている、スポット形状検出装置。
2. 該回転体の各ミラーによるレーザー光線の反射時期に同期して該撮像手段のシャッターが作動するように構成された請求項１に記載のスポット形状検出装置。
3. 各ミラーにレーザー光線が照射され反射している時間を最長として、該撮像手段のシャッターの開放時間が調整されることにより該撮像手段で捕えられる該レーザー光線の戻り光の明るさが調整される請求項１、又は２に記載のスポット形状検出装置。
4. 該集光レンズの前に減衰フィルターが配設される請求項１乃至３のいずれかに記載のスポット形状検出装置。