CN101658977B - 激光加工装置和激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置和激光加工方法，能够与工件厚度无关地对激光束的聚光点位置进行实时修正，即使对于激光束照射区域的表面位移不恒定的工件，也能高精度地实施加工，无需预先对工件的表面位移进行测量。上述激光加工装置根据利用表面位移检测构件检测出的工件(10)的表面位移，利用聚光点位置调整构件对设于加工构件的聚光透镜(33)的位置进行调整，并从加工构件对保持于保持构件的工件照射加工用激光束，在上述激光加工装置中，设于表面位移检测构件的检测用光源(41)能振荡出与激光束不同的多种波长的光，在波长选择部(45)，从这多种波长中选择用作检测用光的一种波长，用聚光透镜使该选定的波长的检测用光会聚然后向工件照射。

Description

激光加工装置和激光加工方法

技术领域

本发明涉及使用激光束对半导体晶片等工件进行加工的激光加工装置和激光加工方法。更详细地说，涉及用于对激光束的聚光点位置进行修正的技术。

背景技术

在半导体器件的制造工序中，在大致圆板形状的半导体晶片的表面上呈矩阵状地形成IC(integrated circuit：集成电路)或者LSI(large-scaleintegration：大规模集成电路)等电路，然后将形成有上述多个电路的晶片沿着预定的间隔道(分割预定线)呈格子状地切断，由此使各电路分离而成为芯片。

此外，在被广泛利用于电气设备等中的发光二极管和激光二极管等光器件的制造工序中，关于在由蓝宝石等构成的基板的表面上层叠有氮化镓类化合物半导体等的光器件晶片，也通过沿着分割预定线进行切断，来分割成一个个器件，从而使其芯片化。

在这样对各种晶片进行切断(切割)时，使用被称为切割机(dicer)的切断装置。此外，近年来，还开发出利用激光束对半导体晶片等工件进行切断的方法(例如，参照专利文献1、2)。例如，在专利文献1所述的加工方法中，向由氧化物单晶构成的工件照射激光束，通过光化学反应使氧化物单晶分子离解和蒸发，由此在工件的预定位置形成槽，沿着该槽将工件劈开。

此外，在专利文献2所述的切断方法中，将聚光点对准工件内部地照射相对于工件具有透射性的脉冲激光束，从而沿分割预定线形成了变质区域。由于该变质区域比其它部分的强度要低，所以通过沿着分割预定线施加外力，工件便以变质层为起点分割开来。

另一方面，根据作为加工对象的工件的不同，在直至切割工序之前的过程中，有时候会产生翘曲或起伏，或者表面不平坦而形成有凹凸。在对这样的工件进行加工的情况下，由于加工面的表面位移不是固定的，所以激光束的聚光点位置在深度方向上产生偏差，加工精度会降低。关于在上述工件内部形成变质层的激光加工，作为加工对象的工件的翘曲、起伏以及凹凸对其影响特别大。

因此，以往提出了这样的激光加工装置：预先对工件上的激光束照射区域的表面位移进行测量，根据其结果，一边对聚光点的深度方向上的位置进行调整一边照射激光束(例如，参照专利文献3、4)。

专利文献1：日本特开平10-305420号公报

专利文献2：日本特开2002-192370号公报(特许第3408805号)

专利文献3：日本特开2007-152355号公报

专利文献4：日本特开2008-16577号公报

但是，在上述专利文献3、4所述的现有的激光加工装置中，当加工位置、即加工用激光束的聚光点位置从工件表面离开时，就无法在加工过程中进行表面位移的测量，从而无法实时地对激光束的聚光点位置进行修正，存在加工效率低下的问题。这是因为，如果像专利文献3、4所述的激光加工装置那样将检测用激光束的聚光点和加工用激光束的聚光点设定在相同位置，则在使加工用激光束会聚于工件内部很深的位置进行加工时，检测用激光束在工件表面上的光斑直径会变大。

在这些现有的激光加工装置中，根据检测用激光束在工件表面上的反射光的光量来检测工件的表面位移，然而当像这样检测用激光束的光斑直径变大时，每单位面积的该反射光的光量降低，从而无法正确地测量工件的表面位移。特别是，在进行像对很厚的工件从其背面附近分多次照射激光束那样的加工的情况下，由于加工用激光束的聚光点位置和工件表面之间的距离变长，所以有时表面位移的测量本身就无法进行。因此，在专利文献3、4所述的激光加工装置中，在预先照射检测用激光束来对工件的表面位移进行了测量之后，才对加工用激光束的聚光点位置进行调整并进行加工。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种激光加工装置和激光加工方法，其能够与工件厚度无关地对激光束的聚光点位置进行实时修正，即使对于激光束照射区域的表面位移不恒定的工件，也能够高精度地实施加工，而无需预先对工件的表面位移进行测量。

本发明所述的激光加工装置是利用激光束对工件进行加工的激光加工装置，其具有：保持构件，其保持上述工件；加工构件，其用于向上述工件照射上述激光束，并且该加工构件至少包括：振荡出上述激光束的振荡器、和使上述激光束朝向上述工件会聚的聚光透镜；表面位移检测构件，其对上述工件的表面位移进行检测；以及聚光点位置调整构件，其根据上述表面位移检测构件的检测结果来对上述聚光透镜的位置进行调整，上述表面位移检测构件包括：检测用光源，其能够振荡出与上述激光束不同的多种波长的光；波长选择部，其从上述多种波长中选择用作检测用光的一种波长；检测用光照射部，其将通过上述波长选择部选定、并从上述检测用光源射出的检测用光引导向上述聚光透镜；以及检测部，其对由于上述检测用光的照射而产生的来自上述工件的反射光进行检测。

在本发明中，由于表面位移检测构件的检测用光源能够振荡出多种波长的光，并且在波长选择部中从这多种波长中选择用作检测用光的一种波长，所以能够与工件厚度或加工条件等无关地将检测用光的聚光点位置设定在工件表面或其附近。由此，即使在加工过程中也能够进行表面位移的测量，因而能够实时地对激光束的聚光点位置进行修正。

该激光加工装置中的上述波长选择部也可以根据上述工件的厚度和/或上述激光束的聚光点位置，来选择会在上述工件的表面或其附近会聚的波长的光。

此外，也可以在该激光加工装置上设置控制构件，该控制构件根据上述表面位移检测构件的检测结果，来使上述聚光点位置调整构件动作。

另外，也可以在上述表面位移检测构件上设置将上述反射光引导向上述检测部的光学部件，该情况下，能够使上述激光束、上述检测用光、以及上述反射光的光路至少在上述聚光透镜和上述工件之间同轴地配置。

另一方面，本发明所述的激光加工方法是使用激光束对工件进行加工的激光加工方法，其具有：对上述工件的表面位移进行检测的表面位移检测工序；和根据上述表面位移的检测结果，一边对上述激光束的聚光点位置进行调整一边向上述工件照射激光束的工序，在上述表面位移检测工序中，对上述工件有选择性地照射检测用光，该检测用光是波长与上述激光束不同、并且在上述工件的表面或其附近会聚的波长的检测用光。

在本发明中，由于从与加工用激光束不同的多种波长中选择会在工件表面或其附近会聚的一种波长的光作为检测用光进行照射，所以无论是多厚的工件，都能够在加工过程中进行表面位移检测，从而能够实时地对激光束的聚光点位置进行修正。

在该激光加工方法中，可以根据上述工件的厚度和/或上述激光束的聚光点位置，来选择上述检测用光。

此外，也可以根据通过照射上述检测用光而在上述工件上产生的反射光的光量的变化，来计算上述工件的表面位移。

另外，也可以将上述激光束、上述检测用光、以及上述反射光的光路的一部分同轴地配置。

根据本发明，由于将能够从检测用光源振荡出的多种波长中的一种波长的光作为检测用光有选择地进行照射，所以能够与工件厚度无关地对激光束的聚光点位置进行实时修正，即使对于激光束照射区域的表面位移不恒定的工件，也能够高精度地实施加工。

附图说明

图1是表示本实施方式的激光加工装置的结构的立体图。

图2是表示图1所示的激光加工装置1的光学系统的结构的方框图。

标号说明

1：激光加工装置；2：保持构件；3：激光束照射单元；4：摄像构件；10：工件；11：环状框架；12：粘接带；21：保持面；22：夹紧件；31：振荡器；32：全反射镜；33：聚光透镜；34：壳体；41：检测用光源；42：部分透射镜；43、441：光束分离器；44：检测部；45：波长选择部；51：基座；52a、52b、55a、55b：导轨；53a、56a：滚珠丝杠；53b、56b：电动机；53c、56c：轴支承座；54、57：滑动座；442a、442b：受光元件；443：聚光透镜；444：柱面透镜；445：一维掩模。

具体实施方式

下面，参照附图，对用于实施本发明的最佳方式进行说明。另外，本发明并不限定于以下所示的实施方式。图1是表示本实施方式的激光加工装置的结构的立体图，图2是表示图1所示的激光加工装置1的光学系统的结构的方框图。

如图1所示，本实施方式的激光加工装置1至少包括：保持构件2，其保持工件10；加工构件，其向工件10的预定位置照射激光束；表面位移检测构件，其对工件10的表面位移进行检测；以及聚光点位置调整构件，其根据该表面位移检测构件的检测结果，对从加工构件照射的激光束的聚光点位置进行调整。另外，这些加工构件、表面位移检测构件和聚光点位置调整构件例如设置在激光束照射单元3内，该激光束照射单元3配置在保持构件2的上方。

作为成为本实施方式的激光加工装置1的加工对象的工件10，例如可列举出半导体晶片、DAF(Die Attach Film：芯片贴膜)等粘接带、由玻璃、硅和蓝宝石等无机材料、金属材料或者塑料等构成的各种基板、半导体产品的封装体、以及要求具有精密级的精度的各种加工材料等。将该工件10经粘贴在背面的粘接带12支承于环状框架11的开口部，并在该状态下对该工件10实施加工。

另一方面，本实施方式的激光加工装置1中的保持构件2只要具有保持工件10的保持面21即可，例如，可列举出利用负压来吸附保持工件的卡盘工作台等。此外，也可以根据需要，在保持构件2上设置多个夹紧件22，这些夹紧件22以使环状框架11装卸自如的方式固定该环状框架11。

上述保持构件2能够通过进给构件在x方向、以及与该x方向正交的y方向上移动。具体来说，在相互平行地配置于基座51上的一对导轨52a、52b之间配置有滚珠丝杠53a，在该滚珠丝杠53a的一个端部安装有电动机53b，该滚珠丝杠53a的另一端部以能够旋转的方式支承于轴支承座53c。

此外，在导轨52a、52b以及滚珠丝杠53a上载置有滑动座54，在该滑动座54上，相互平行地配置有一对导轨55a、55b以及滚珠丝杠56a。该滚珠丝杠56a也在一个端部安装有电动机56b，并且另一端部以能够旋转的方式支承于轴支承座56c。另外，在导轨55a、55b以及滚珠丝杠56a上载置有滑动座57，在该滑动座57上设置有保持构件2。

另外，在由这些部件构成的进给构件中，当利用电动机53b驱动滚珠丝杠53a时，滑动座54被导轨52a、52b引导着移动，由此保持构件2在x方向上移动。另一方面，当利用电动机56b驱动滚珠丝杠56a时，滑动座57被导轨55a、55b引导着移动，由此保持构件2在y方向上移动。

另一方面，加工构件只要配置在能够向工件10照射激光束的位置即可，例如如图1所示，加工构件设置在保持构件2的上方的激光束照射单元内。此外，作为该加工构件的结构，如图2所示至少包括：振荡器31，其振荡出加工用的激光束；全反射镜32，其用于改变激光束的前进方向；以及聚光透镜33，其用于使激光束会聚，并且未对色差进行修正。该情况下，从振荡器31振荡出的激光束例如被全反射镜32反射向聚光透镜33，并通过聚光透镜33会聚后照射向工件10。

此外，对于设置于该加工构件的振荡器31，可以根据工件10的种类和加工方式等适当选择，例如可以使用YAG激光振荡器或YVO激光振荡器等。另外，全反射镜32也可以设置为多个，聚光透镜33也可以收纳在壳体34内。

本实施方式的激光加工装置1中的聚光点位置调整构件只要是能够根据后述表面位移检测构件的检测结果在与工件10垂直的方向上对激光束的聚光点位置进行调整的结构即可，例如如图2所示，可以通过在壳体34上安装致动器35来实现。作为这样的致动器35，例如可以使用由压电元件构成的压电电动机，其中，该压电元件与所附加的电压值对应地在轴向上延伸。

另外，作为聚光点位置调整构件，在上述致动器35的基础上，还可以设置用于使激光束照射单元3相对于工件10在垂直方向上移动的导轨和驱动电动机等。这样，通过使激光束照射单元3整体能够移动，能够在调整了激光束照射单元3的位置之后利用致动器35进行微调，因此能够高精度地调整激光束的聚光点位置。

关于本实施方式的激光加工装置1中的表面位移检测构件，从检测用光源41振荡出在工件10的表面反射的波长的光(检测用光)，并利用检测部44对来自工件10的反射光的光量的变化等进行测量，由此来求出工件10的表面位移。作为设置于该表面位移检测构件的检测用光源41，只要能够振荡出与从振荡器31振荡出的加工用激光束不同的多种波长的光即可，例如可列举出光参量振荡器等。

此外，也可以构成为：利用衍射光栅或棱镜对从光源射出的光进行分光，从而取出特定波长的光。该情况下，通过对来自光源的光入射到衍射光栅或棱镜的角度进行调整，能够使作为检测用光而照射向工件10的光的波长任意改变。另外，也可以设置振荡出互不相同的波长的光的多个光源，适当地切换使用这些光源。

此外，在检测用光源41上，连接有用于从多种波长的检测用光中选择一种波长的波长选择部45。在该波长选择部45中，作为选择一种波长的检测用光的方法，例如有这样的方法：预先将各波长的光分别在离聚光透镜多远的位置会聚这一信息存储在后述控制构件的只读存储器(ROM)中，根据作为加工对象的工件10的厚度以及加工用激光束的聚光点的设定位置等信息，来选择适当的波长。

这样，当改变从检测用光源41射出的光的波长时，在聚光透镜33中的折射率发生变化，因而检测用光会聚的位置发生变化。因此，根据工件10的厚度或加工条件等，能够任意选择检测用光的波长，由此，不管是多厚的工件10，都能够将检测用光的聚光点位置设定在工件表面或其附近。由此，即使在激光加工过程中也能够对工件的表面位移进行检测，因此能够对激光束的聚光点位置实时进行修正。

另外，在表面位移检测构件中设置有：检测部44，其对来自工件10的反射光进行检测；以及部分透射镜42和光束分离器43，它们用于将从检测用光源41振荡出的光引导向聚光透镜33，并且将来自工件10的反射光引导向检测部44。具体来说，在振荡器31和全反射镜32之间配置有部分透射镜42，在检测用光源41和部分透射镜42之间配置有光束分离器43。

此外，部分透射镜42只要能够使加工用激光束透射，并能够使检测用光和反射光反射即可，例如可以使用二向色镜。另一方面，光束分离器43只要能够使从检测用光源41射出的检测用光透射以将其引导向部分透射镜42，并能够使被部分透射镜42反射后的反射光反射而将其引导向检测部44即可，例如可以使用半透半反镜等。

在该表面位移检测构件中，从检测用光源41振荡出、且透过了光束分离器43的一部分检测用光在被部分透射镜42和全反射镜32反射之后，通过聚光透镜33而会聚，并照射向工件10。然后，被工件10的表面反射后的光(反射光)经聚光透镜33入射向全反射镜32，在被该全反射镜32和部分透射镜42反射之后，该反射光的一部分被光束分离器43反射，并且入射向检测部44。这样，在本实施方式的激光加工装置1中，在部分透射镜42和工件10之间，加工用激光束的光路、检测用光的光路和反射光的光路同轴配置。由此，能够简化结构，使光学系统紧凑化。

另一方面，检测部44例如可以构成为包括：半透半反镜等光束分离器441，其能够以任意比率将来自工件10的反射光分成反射部分和透射部分；受光元件442a、442b，它们分别对被光束分离器441分割开的光进行检测；聚光透镜443，其使被光束分离器441反射后的光朝向受光元件442a会聚；柱面透镜444，其使透过了光束分离器441的光会聚成一维状态；以及一维掩模445，其将通过柱面透镜444而会聚的光限制为单位长度。

该情况下，由于被受光元件442a接收的反射光通过聚光透镜443而被大致100％地会聚起来，所以其受光量固定。另一方面，关于被受光元件442b接收的反射光，在被柱面透镜444会聚成一维状态后，被一维掩模445限制成预定的单位长度后被受光元件442b接收。因此，受光元件442b的受光量与从聚光透镜33至工件10的距离、即工件10的表面位移对应地变化。

因此，在本实施方式的激光加工装置1中，将与各受光元件442a、442b的受光量对应的电压信号输出至后述的控制构件，利用控制构件根据这些值使聚光点位置调整构件动作，从而对加工用激光束的聚光点位置进行调整。另外，检测部44只要能够检测工件10的表面位移即可，并不限定于图2所示的结构。

本实施方式的激光加工装置1中的控制构件例如由计算机构成，其包括：中央处理装置(CPU)，其按照控制程序进行运算处理；只读存储器(ROM)，其对控制程序等进行存储；能够读写的随机存取存储器(RAM)，其对运算结果等进行存储；输入接口，来自检测部44的输出信号被输入到该输入接口；以及输出接口，其向致动器35输出动作信号。另外，在该控制构件中，根据从检测部44输出的电压信号使致动器35等动作，从而对聚光透镜33的位置进行调整。

另外，在本实施方式的激光加工装置1中，也可以在保持构件2的上方设置校准作业用的摄像构件4。该情况下，利用该摄像构件4对工件10上的应进行激光加工的加工区域进行检测。

接下来，对本实施方式的激光加工装置1的动作，即、使用激光加工装置1来加工工件10的方法进行说明。在本实施方式的激光加工方法中，首先，如图1所示，使作为加工对象的工件10经粘接带12支承于环状框架11的开口部。此时，粘接带12粘贴在工件10的背面。然后，将工件10载置到保持构件2上，利用夹紧件22固定环状框架11，并利用保持面21吸附保持工件10。

接着，利用加工构件沿着分割预定线向工件10照射预定波长的加工用激光束。例如，当工件10是使用了硅基板的半导体晶片、并实施在其内部形成变质层的加工的情况下，照射波长为1064nm的脉冲激光束。并且此时，利用表面位移检测构件，对照射加工用激光束的部分即分割预定线的表面位移进行测量，根据其结果利用控制构件对聚光点位置调整构件进行操作，从而对激光束在工件10的厚度方向上的聚光点位置进行修正。

具体来说，如图2所示，当从振荡器31振荡出预定波长的加工用激光束时，该激光束透过部分透射镜42，并被全反射镜32反射，然后通过聚光透镜33而会聚，并照射向工件10。另一方面，从检测用光源41射出一种在波长选择部45中被选定的、波长与加工用激光束不同的光。该检测用光的一部分透过光束分离器43，并被部分透射镜42和全反射镜32反射，然后通过聚光透镜33而会聚并照射向工件10。

此时，聚光透镜33的位置根据该加工用激光束的聚光点位置来确定。因此，当聚光透镜33位于上述位置时，从检测用光中选择能够在工件10表面或其附近会聚的波长的光。

该检测用光的波长的选择可以如上所述根据存储在控制构件的ROM中的信息来进行，但是除此以外，例如也可以将聚光透镜33配置在根据加工用激光束的聚光点位置而确定的预定位置，并在进行加工之前先只照射检测用光，来选择适当的波长。具体来说，在开始加工前，一边使波长从低波长变化到高波长一边对工件10照射检测用光，对从受光元件442a输出的电压值V1、和从受光元件442b输出的电压值V2进行测量。然后，将这两个电压值之比(V1/V2)成为在工件附近聚光时的值的波长选作适合作为检测用光的波长。由此，无需将各波长的光会聚的位置都预先存储在控制构件的ROM中。

另外，通过照射检测用光而在工件10的表面上产生的反射光透过聚光透镜33，并被全反射镜32和部分透射镜42反射，然后该反射光的一部分被光束分离器43反射而向检测部44入射。该反射光在检测部44的光束分离器441中被分成反射部分和透射部分，被反射后的光通过聚光透镜443而会聚并向受光元件442a入射。另一方面，透过了光束分离器441的光在柱面透镜444中被会聚成一维状态，然后被一维掩模445限制成单位长度，然后向受光元件442b入射。

受光元件442a、442b将与其受光量对应的电压信号输出至控制构件。然后，在控制构件中，例如根据从受光元件442a输出的电压值V1、和从受光元件442b输出的电压值V2之比(V2/V1)，求出工件10的表面位移量，并对附加在作为聚光点位置调整构件的致动器35上的电压值进行调节。由此，致动器35伸缩，因而聚光透镜33相对于工件10在垂直方向上移动预定量，从而加工用激光束的聚光点位置被调整。

这样，在本实施方式的激光加工装置1中，由于利用表面位移检测构件对工件的表面位移进行测量，并根据其结果来调整加工用激光束的聚光点位置，所以即使在工件10上存在翘曲或起伏的情况下，也能够使加工位置固定。其结果为，对任何工件都能够高精度地实施加工。

此外，表面位移检测构件的检测用光源41能够振荡出多种波长的光，在波长选择部45中，根据加工用激光束的聚光点位置(聚光透镜33的位置)或工件10的厚度等，从多种波长中选择用作检测用光的一种波长，所以能够与工件10的厚度和加工条件无关地将检测用光的聚光点位置设定在工件表面或其附近。其结果为，即使在工件10的厚度厚、并且加工用激光束的聚光点位置设定在工件的背面附近的情况下，也能够在激光加工过程中实施工件10的表面位移检测，因此能够对激光束的聚光点位置进行实时修正。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，其利用激光束对工件进行加工，其特征在于，

上述激光加工装置具有：

保持构件，其保持上述工件；

加工构件，其用于向上述工件照射上述激光束，并且该加工构件至少包括：振荡出上述激光束的振荡器、和使上述激光束朝向上述工件会聚的聚光透镜；

表面位移检测构件，其对上述工件的表面位移进行检测；以及

聚光点位置调整构件，其根据上述表面位移检测构件的检测结果来对上述聚光透镜的位置进行调整，

上述表面位移检测构件包括：

检测用光源，其能够振荡出与上述激光束不同的多种波长的光；

波长选择部，其从上述多种波长中选择用作检测用光的一种波长；

检测用光照射部，其将通过上述波长选择部选定、并从上述检测用光源射出的检测用光引导向上述聚光透镜；以及

检测部，其对由于上述检测用光的照射而产生的来自上述工件的反射光进行检测，

上述波长选择部根据上述工件的厚度和/或上述激光束的聚光点位置，来选择会在上述工件的表面或其附近会聚的波长的光。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

上述激光加工装置还具有控制构件，该控制构件根据上述表面位移检测构件的检测结果，来使上述聚光点位置调整构件动作。

3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

在上述表面位移检测构件上，设置有将上述反射光引导向上述检测部的光学部件，上述激光束、上述检测用光、以及上述反射光的光路至少在上述聚光透镜和上述工件之间同轴配置。

4.一种激光加工方法，其使用激光束对工件进行加工，其特征在于，

上述激光加工方法具有：

对上述工件的表面位移进行检测的表面位移检测工序；和

根据上述表面位移的检测结果，一边对上述激光束的聚光点位置进行调整一边向上述工件照射激光束的工序，

在上述表面位移检测工序中，对上述工件照射检测用光，该检测用光的波长是从与上述激光束的波长不同的多种波长中选择的用作检测用光的一种波长、并且是在上述工件的表面或其附近会聚的波长，

根据上述工件的厚度和/或上述激光束的聚光点位置，来选择上述检测用光。

5.根据权利要求4所述的激光加工方法，其特征在于，

根据通过照射上述检测用光而在上述工件上产生的反射光的光量的变化，来计算上述工件的表面位移。

6.根据权利要求5所述的激光加工方法，其特征在于，

上述激光束、上述检测用光、以及上述反射光的光路的一部分同轴地配置。

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