JPH06134588A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工用のレーザ光に比べて低出力で、同様の
光学特性を持った光束を得る。 【構成】 直線偏光した加工用のレーザ光ＬＢ１を射出
する光源１と異なる光源８からアライメント用の光束Ｌ
Ｂ２を得る。レーザ光ＬＢ１の偏光方向と光束ＬＢ２の
偏光方向とを互いに直交する方向とし、偏光ビームスプ
リッタ３によって両光束の光軸を一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザのパルス光によ
り加工を行うレーザ加工装置に関するものであり、特に
半導体ウェハ等の被加工物と加工用のパルス光との位置
決めを行うための光束を発生する光学系に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術によるレーザ加工装置の概略
的な構成は図４に示すようなものであった。レーザ光源
１はＱスイッチを備えており、これを適当に操作するこ
とによってパルス光と連続光とを切り換えて射出するこ
とができる。レーザ光源１から射出されたレーザ光は、
ビームエクスパンダ２によって所定のビーム形状に整形
され、ハーフミラー４、集光レンズ５を介して、２次元
方向に移動可能なステージ７上のウェハ６等の加工物上
に照射される。ウェハ６の表面で反射したレーザ光の一
部は再び集光レンズ５を透過し、更に一部はハーフミラ
ー４を透過してアライメント光学系の受光素子１２へ入
射する。

【０００３】上記の加工装置で加工すべき、ウェハ上の
パターンの例を図５に示す。ウェハ６上には、レーザ光
によって加工すべきパターン２１、及びレーザ光とウェ
ハとを位置合わせするためのアライメントマーク２２が
形成されている。このアライメントマーク２２とパター
ン２１は所定の位置関係で配置してある。上記の構成に
おいて、レーザ光源１から先ずアライメント用のレーザ
光（連続光）を射出してウェハ６上にスポット光として
集光する。このスポット光でアライメントマーク２２を
走査して反射光（回折光を含む）を発生させ、受光素子
１２によってこの反射光を受光して強度変化を検出す
る。これによって、レーザ光に対するアライメントマー
クの位置が求まる。そして、アライメントマーク２２と
パターン２１との位置関係に基づいてレーザ光（パルス
光）をパターン２１に対して位置決めし、パターン２１
を加工する。尚、連続光（スポット光２３）でアライメ
ントマーク２２を走査して得られる正反射光の強度変化
の信号は図６に示すようなものとなる。

【０００４】上記のほか、アライメント用のレーザ光と
して、パルス発振する加工用のレーザ光源を非常に高い
繰り返し周波数でパルス発振させ、その強度を減衰した
光（パルス光）を用いるものもある。この場合、パルス
光のスポット２４でアライメントマークを走査して得ら
れる正反射光の信号は図７のようになる。図７のような
信号の場合は、信号を波形処理して包絡線を求めること
により、図６に示す信号と同様の波形（図７に破線で示
す）を得る。

【０００５】また、図８に示すようなレーザ加工装置も
ある。これは、アライメント用の光束の光源として水銀
ランプ等のレーザ以外の光源を用いる場合の例である。
基本的には図４に示す装置と同様の構成であり、レーザ
光源１からの光束の光路中の、ウェハ６の加工面と光学
的に共役な位置に開口板３１を設けている。ウェハ６上
にはこの開口板３１の開口部の像が投影され、この像が
レーザのスポット光としてウェハを加工する。また、こ
の光路中には、後述の水銀ランプからの光束を反射する
切換ミラー３５が、光路に対して進退可能に配置されて
いる。

【０００６】水銀ランプ３２から射出された光束は、楕
円鏡３３，レンズ系３４を介して切換ミラー３５に入射
する。この切換ミラー３５は、アライメントの際は光路
中に進入して水銀ランプ３２からの光束をウェハ６に照
射する。また、ウェハ上のパターンを加工する際は光路
から待避してレーザ光をウェハ６に照射する。尚、リレ
ーレンズ３６は、集光レンズ５と組み合わせて、開口３
１と被照射物６の表面とを光学的に共役な関係にするた
めに設けられたものであるが、集光レンズ５の設計によ
っては必ずしも不可欠なものではない。

【０００７】上記の装置の水銀ランプからの光束でアラ
イメントマークを走査した場合に得られる正反射光の強
度変化は、上記連続光の場合と同様、図６に示すような
ものとなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
のうち、ウェハのアライメントと加工とでレーザの連続
光とパルス光とを切り換えて使用する場合は以下のよう
な問題点がある。即ち、加工用のレーザ光源としては、
波長変換素子を用いて、より波長の短い２次高調波、４
次高調波などを発生させて加工用光源とするものが多
い。ところが、このような波長変換素子は非線形光学結
晶を応用したものであり、十分な変換効率を得るために
は結晶に照射される基本波長のレーザ光の強度密度があ
る適当なレベルの範囲内でなければならない。同一のレ
ーザ光源でパルス発振と連続発振とを切り換えて使用し
た場合、パルス発振時のピークパワーは連続発振時の平
均パワーに比べて桁違いに大きく、パルス発振時に最適
な変換効率が得られるような波長変換素子を使用する
と、連続発振時には連続光の強度密度が非常に低いため
に変換効率もまた非常に低いものになってしまう。一
方、連続発振時に最適な変換効率が得られるような波長
変換素子を使用すると、パルス発振時に光の強度密度が
強過ぎて波長変換素子を破壊してしまう。よって、本来
の加工に必要なパワーよりも遙かに高出力のレーザを使
用しなければならず、無駄が多い。特に、小型軽量、冷
却水不要、冷気ランプ交換不要などの点で優れた半導体
レーザ励起固体レーザを用いようとした場合は、前述の
ような高出力のものは実現困難とされている。

【０００９】また、パルス光の強度を減衰して使用する
場合は、アライメントマークを走査して得られる波形が
連続波形でないため、適当な波形処理を施してマーク位
置情報を得ることになるが、個々のパルスの強度のばら
つきの影響を受ける上に、元々の情報量自体が連続光に
比べて格段に少ないため、求めたマーク位置の精度が悪
い。さらに、いかに減衰してもパルスレーザのピークパ
ワーは強大であり、アライメントの際にアライメントマ
ークを破壊してしまう。このことは、アライメント精度
向上のためにマークの走査を複数回行う場合や、何らか
の理由でアライメントをやり直す必要が生じた場合に、
不都合をもたらす。

【００１０】一方、レーザ光以外の光源を用いる場合
は、アライメントに必要な光量を得るためには、例えば
水銀ランプのような非常に輝度の高い光源と、その光を
効率的に集光して小さな開口を効率的に照明するための
複雑な光学系が必要であり、装置が複雑で高価なものと
なる。また、波長分布、偏光状態、コヒーレンシーにお
いて、本質的にレーザ光とは異なる性質を持つため、被
照射面上で本来の加工用レーザ光と同等の（例えばスポ
ット径が等しい）光スポットを得ることは困難であり、
結果的にアライメントの位置精度低下の原因となり易
い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点解決のため本
発明では、レーザ光源（１）からの直線偏光したパルス
光（ＬＢ１）を照射光学系（２，４，５）を介して被加
工物（６）に対して照射し、被加工物を加工するレーザ
加工装置において、レーザ光源（１）とは異なり、パル
ス光の偏光方向と直交する方向に直線偏光するととも
に、パルス光の波長とほぼ等しい波長の連続光（ＬＢ
２）を射出する第２のレーザ光源（８）と；照射光学系
内に配置され、パルス光の光軸と連続光の光軸とを一致
させる光軸合成手段（３）とを備え、連続光によってパ
ルス光に対する被加工物の位置を検出することとした。

【００１２】

【作用】本発明においては、アライメント用の光源とし
て加工用のパルス光の波長とほぼ等しい波長の連続光を
射出する、加工用の光源とは別のレーザ光源を用い、連
続光の光軸を加工用のパルス光の光軸と一致させたた
め、加工とアライメントとでそれぞれ最適な光束を得る
ことが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ
加工装置の概略的な構成を示す図である。加工用のレー
ザ光源１は、例えば２次高調波発生用の波長変換素子を
内蔵したＱスイッチ付きのＮｄ：ＹＬＦレーザの直線偏
光タイプのものであり、射出されるレーザ光の偏光方向
は紙面に平行な方向となっている。レーザ光源１から射
出されたレーザ光（パルス光）ＬＢ１は、ビームエクス
パンダ２等の光学系によって所望のビーム形状（ビーム
径を含む）に整形されて偏光ビームスプリッタ３に入射
する。この偏光ビームスプリッタ３の光学軸はレーザ光
ＬＢ１の偏光方向とほぼ一致しており、レーザ光ＬＢ１
はビームスプリッタ３を透過する。透過したレーザ光は
ハーフミラー４、集光レンズ５を介してステージ７上に
載置されたウェハ６等の被加工物上に微小なスポット光
として集光し、その光エネルギーによって所望の加工が
施される。

【００１４】アライメント用のレーザ光源８は、レーザ
光源１と同様に２次高調波発生用の波長変換素子を内蔵
した直線偏光タイプのＮｄ：ＹＬＦレーザ等を使用し、
このレーザ光源８から射出されるレーザ光の波長は、レ
ーザ光源１が射出するレーザ光の波長とほぼ等しい。但
し、レーザ光源８は連続発振でのみ使用されるのでＱス
イッチ装置を備えている必要はない。レーザ光源８から
射出されたレーザ光（連続光）ＬＢ２は、ビームエクス
パンダ９等の光学系によって所望のビーム形状（ビーム
径を含む）に整形される。ここで、ビームエクスパンダ
２，９のそれぞれを透過した後の２つのレーザ光ＬＢ
１，ＬＢ２のビーム形状は同程度となる。ビームエクス
パンダ９から射出したレーザ光ＬＢ２は、微小偏角プリ
ズム１０、平行平板ガラス１１、及び反射鏡１３を経
て、偏光ビームスプリッタ３に入射する。このときレー
ザ光ＬＢ２は、その偏光方向が紙面に垂直な方向となる
ように構成されており、偏光ビームスプリッタ３で反射
される。この際、微小偏角プリズム１０によってレーザ
光ＬＢ２の光軸の方向を微調整するとともに、平行平板
ガラス１１によって光軸の位置を微調整し、レーザ光Ｌ
Ｂ１の光軸とレーザ光ＬＢ２の光軸とがほぼ一致するよ
うにする。これによって、レーザ光ＬＢ１とレーザ光Ｌ
Ｂ２は、ウェハ６上の同一箇所に集光することになる。

【００１５】ウェハ６上のアライメントマークからの反
射光は、集光レンズ５、ハーフミラー４を介して、アラ
イメント光学系（不図示）内の受光素子１２に入射す
る。よってアライメントの際には、レーザ光ＬＢ１の光
路を遮光してレーザ光ＬＢ２をウェハ６上のアライメン
トマークに照射して得られる反射光を受光素子１２で検
出してアライメントマークの位置を求めればよい。反対
に加工の際は、レーザ光ＬＢ２の光路を遮光するように
しても、両レーザ光がウェハ６に照射されるようにして
もよい。尚、ハーフミラー４と受光素子１２との間の光
路中にシャッターを設けて、ウェハの加工中に、レーザ
光ＬＢ１の反射光が受光素子１２に入射しないようにし
てもよい。また、上記の微小偏角プリズム１０及び平行
平板ガラス１１は、加工用のレーザ光源１の光路中に配
置してもよいし、これに代えてレーザ光源自体を移動す
る機構を備え、光軸の微調整を行うようにしてもよい。

【００１６】上記の構成を用いることにより、従来の切
換ミラーのような可動機構は不要となり、切換時の姿勢
再現性が悪いためにレーザの光軸がずれてアライメント
精度低下を招くことも無くなる。図２は、本発明の第２
の実施例によるレーザ加工装置の概略的な構成を示す図
である。基本的な構成は図１に示す装置と同様である
が、偏光ビームスプリッタ３とウェハ６との間の光路中
にλ／２板１４を進退可能に、且つその光学軸の方向が
レーザ光ＬＢ１の偏光方向に対してほぼ４５°傾斜する
ように配置した点で異なる。そして、レーザ光ＬＢ２に
よるアライメント中はλ／２板１４を光路中から待避さ
せ、レーザ光ＬＢ１による加工中はλ／２板１４を光路
中に進入させる。その結果、λ／２板１４からウェハ６
までの光路において、両レーザ光の偏光方向を一致させ
ることができる（この場合、紙面に対して垂直な方
向）。尚、この場合はλ／２板１４を駆動するための駆
動機構が必要となるが、他の光学系を駆動する場合と違
い、光軸に対する位置や角度が少々ばらついても透過光
の光軸の向きには殆ど影響しない。よって、この駆動機
構としては特に精密な機構を必要としない。

【００１７】以上の実施例では、ウェハに対して直線偏
光した光束を照射する場合について述べたが、ウェハの
加工性を考慮すると、図３に示すような例も考えられ
る。即ち、図２に示すハーフミラー４に代えて偏光ビー
ムスプリッタ１５を用いるとともに、偏光ビームスプリ
ッタ１５と集光レンズ５との間の光路中にλ／４板１６
を配置すれば、ウェハ６に照射されるレーザ光は円偏光
となる。そして、ウェハ６からの反射光は再度λ／４板
を通過して偏光方向が紙面と平行な直線偏光となり、偏
光ビームスプリッタ１５を透過して受光素子１２に入射
する。このような構成にすると、上記の実施例に比べて
ハーフミラー４での光量損失が抑えられ、アライメント
の際に光量を有効に使うことができるといった効果も得
られる。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、アライメ
ント用の光束として、低出力なレーザ光を使用すること
ができ、アライメントマークを破壊することを防ぐこと
ができる。また、加工用のレーザ光と極めて近い光学性
質を持った光束をアライメント光として用いることが可
能となり、簡単な構成の光学系で、より高精度なアライ
メントを実現することができる。

【００１９】さらに、レーザ光の高調波を用いる場合に
も加工用とアライメント用とでそれぞれ最適な光量に設
定することができ、波長変換素子を破壊することが防
げ、従来の装置に比べて低出力のもので十分な機能を果
たすことができるようになる。その結果、レーザ加工装
置全体を小型化し、省電力化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ加工装置の
概略的な構成を示す図

【図２】本発明の第２の実施例によるレーザ加工装置の
概略的な構成を示す図

【図３】本発明の他の実施例によるレーザ加工装置の概
略的な構成を示す図

【図４】従来の技術によるレーザ加工装置の概略的な構
成を示す図

【図５】ウェハ上のパターンの例を示す図

【図６】連続光でアライメントマークを走査した際に得
られる信号を示す図

【図７】パルス光でアライメントマークを走査した際に
得られる信号を示す図

【図８】従来の技術によるレーザ加工装置の他の例を示
す図

【符号の説明】

１，８ レーザ光源 ３，15 偏光ビームスプリッタ 14 λ／２板 16 λ／４板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源からの直線偏光したパルス光
   を照射光学系を介して被加工物に対して照射し、該被加
   工物を加工するレーザ加工装置において、 前記レーザ光源とは異なり、前記パルス光の偏光方向と
   直交する方向に直線偏光するとともに、前記パルス光の
   波長とほぼ等しい波長の連続光を射出する第２のレーザ
   光源と；前記照射光学系内に配置され、前記パルス光の
   光軸と前記連続光の光軸とを一致させる光軸合成手段と
   を備え、 前記連続光によって前記パルス光に対する前記被加工物
   の位置を検出することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記照射光学系は、前記光軸合成手段と
   前記被加工物との間の光路中に進退可能にλ／２板を備
   え、該λ／２板の光学軸を前記パルス光の偏光方向と前
   記連続光の偏光方向のそれぞれに対してほぼ４５°傾斜
   させたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装
   置。
3. 【請求項３】 前記照射光学系は、さらに前記λ／２板
   と前記被加工物との間の光路中に偏光ビームスプリッタ
   を備えるとともに、該偏光ビームスプリッタと前記被加
   工物との間の光路中にλ／４板を備え、前記被加工物か
   らの反射光を前記レーザ光源及び前記第２のレーザ光源
   とは異なる方向に伝達することを特徴とする請求項２に
   記載のレーザ加工装置。