CN109454324B - 激光光束分析仪单元和激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

提供激光光束分析仪单元和激光加工装置，能够准确地测量实际照射至被加工物的会聚后的激光光束的概况。该分析仪单元对从激光振荡器(24)振荡出的激光光线的强度分布进行测量，其中，该分析仪单元包含：放大光学系统(73)，其将从激光振荡器(24)振荡出并且被聚光透镜(26)会聚的激光光线的光斑直径放大；第1透过棱镜(72)，其使激光光线衰减；第2透过棱镜(74)，其使被该第1透过棱镜(72)反射的激光光线进一步衰减；拍摄元件(77)，其对被该第2透过棱镜(74)反射的激光光线进行受光；以及解析部(80)，其根据拍摄元件(77)的受光数据对激光光线(201)的光斑的强度分布进行解析。

Description

激光光束分析仪单元和激光加工装置
技术领域
本发明涉及对从激光振荡器振荡出的激光光束的强度分布进行测量的激光光束分析仪单元和激光加工装置。
背景技术
通常公知有如下的激光加工装置：对半导体器件晶片等形成有各种器件的被加工物照射激光光束，沿着分割预定线在被加工物中形成激光加工槽或改质层。在这种激光加工装置中，根据被加工物将激光光束的光斑直径、光斑形状(圆形或椭圆形等)、功率密度调整为最适的条件而用于各种加工。
另一方面，在激光振荡器、光学系统中所用的光学元件例如由于随着经时变化的劣化，有时慢慢从所调整的最适条件发生变化。因此，以往提出了对激光光束的光斑形状或强度分布等状况(profile：概况)进行测量的技术(例如，参照专利文献1、2)。
专利文献1：日本特开2010-249727号公报
专利文献2：日本特开2016-41437号公报
但是，专利文献1的技术不是对照射至被加工物的会聚后的激光光束的概况进行测量，而是对会聚前的激光光束的概况进行测量。激光光束具有容易在光路中发生变动的性质，因此在该结构中，存在如下的缺点：无法准确地获取实际照射至被加工物的激光光束相关的信息。另外，专利文献2的技术是对所振荡的激光光束被凹面镜反射的返回光的概况进行测量，因此有可能会聚前的激光光束与测量对象的返回光会重叠，无法确保测量的精度。
发明内容
由此，本发明的目的在于提供激光光束分析仪单元和激光加工装置，能够准确地测量实际照射至被加工物的会聚后的激光光束的概况。
根据本发明的一个方式，提供激光光束分析仪单元，其对从搭载于激光加工装置的激光振荡器振荡出的激光光束的强度分布进行测量，其中，该激光光束分析仪单元具有：放大光学系统，其将从该激光振荡器振荡出并且被聚光透镜会聚的该激光光束的光斑直径放大；第1透过棱镜，其使该激光光束衰减；第2透过棱镜，其使被该第1透过棱镜反射的激光光束进一步衰减；拍摄元件，其对被该第2透过棱镜反射的该激光光束进行受光；以及解析部，其根据该拍摄元件的受光数据对激光光束的光斑的强度分布进行解析。
根据该结构，不使会聚后的激光光束返回至加工光学系统，而是使会聚后的激光光束一边衰减一边放大而进行拍摄，从而能够准确地测量实际照射至被加工物的激光光束的光斑的强度分布及光斑的形状。
优选由该第1透过棱镜和该第2透过棱镜构成一对透过棱镜，在该一对透过棱镜中的一方中，P偏光的衰减率高，在另一方的该透过棱镜中，S偏光的衰减率高，由此P偏光和S偏光同样地衰减。根据该结构，通过使P偏光和S偏光同样地衰减，能够准确地测量P偏光和S偏光混在的激光光束的光斑的强度分布。
优选第1和第2透过棱镜是以等腰直角三角形作为底面的三棱柱状的棱镜，该激光光束入射至包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面。根据该结构，通过使激光光束入射至包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面，即使在透过棱镜中透过的光的一部分在透过棱镜内发生内部反射，该内部反射光也不会与被上述侧面反射的反射光相交，因此能够抑制重影的产生，能够仅准确地测量反射光。
根据本发明的另一方式，提供激光加工装置，其具有：激光光束照射单元，其对卡盘工作台所保持的被加工物照射激光光束；控制单元，其对该激光光束照射单元的激光光束照射条件进行控制；以及激光光束分析仪单元，其对该激光光束的光斑的强度分布进行测量，该激光光束分析仪单元包含：放大光学系统，其将从激光振荡器振荡出并且被聚光透镜会聚的该激光光束的光斑直径放大；第1透过棱镜，其使该激光光束衰减；第2透过棱镜，其使被该第1透过棱镜反射的激光光束进一步衰减；受光元件，其对被该第2透过棱镜反射的该激光光束进行受光；以及解析部，其根据该受光元件的受光数据对该激光光束的光斑直径的强度分布进行解析。
在该结构中，该激光光束照射单元具有：激光振荡器，其振荡出激光光束；聚光透镜，其将该激光光束会聚；以及放大光学系统，其将该激光光束从该激光振荡器向该聚光透镜引导，该放大光学系统对该激光光束的光斑形状进行整形。
根据本发明，不使会聚后的激光光束返回至加工光学系统，而是使会聚后的激光光束一边衰减一边放大而进行拍摄，从而能够准确地测量实际照射至被加工物的激光光束的光斑的强度分布及光斑的形状。
附图说明
图1是示出本实施方式的激光加工装置的立体图。
图2是示出分析仪单元的单元主体移动至照射头的下方的测量位置的状态的概略图。
图3是示出单元主体移动至从照射头退避的退避位置的状态的概略图。
图4是示出激光照射部和分析仪单元的内部构成的立体图。
图5是示出激光照射部和分析仪单元的内部构成的侧视图。
图6是示出聚光透镜、透过棱镜和放大光学系统的配置关系的图。
图7是示出将透过棱镜中的包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面作为光所入射的面时的被该面反射的反射光和透过棱镜的内部反射光的关系的图。
图8是示出将透过棱镜中的包含等腰直角三角形的斜边在内的三棱柱的侧面作为光所入射的面时的被该面反射的反射光和透过棱镜的内部反射光的关系的图。
标号说明
1：激光加工装置；10：卡盘工作台；20：激光照射部(激光照射单元)；21：照射头；24：振荡器(激光振荡器)；25：全反射镜(光学系统)；26：聚光透镜；70：分析仪单元(激光光束分析仪单元)；71：单元主体；71B：受光部；72、76：透过棱镜(第1透过棱镜)；72A、74A、75A、76A：侧面；72B、74B、75B、76B：侧面；74C、75C：端面；73：放大光学系统；74、75：透过棱镜(第2透过棱镜)；77：拍摄元件；80：解析部；81：图像处理部；82：数据接收部；100：晶片(被加工物)；200、201、202、203、204、205、206：激光光线(激光光束)；210：透过光；211：内部反射光。
具体实施方式
参照附图，对用于实施本发明的方式(实施方式)进行详细说明。本发明并不被以下实施方式所记载的内容限定。另外，在以下所记载的构成要素中包含本领域技术人员能够容易想到的内容、实质上相同的内容。另外，以下所记载的结构可以适当组合。另外，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行结构的各种省略、置换或变更。
图1是示出本实施方式的激光加工装置的立体图。如图1所示，激光加工装置1具有：卡盘工作台10，其对作为被加工物的晶片100进行保持；以及激光照射部(激光照射单元)20，其对晶片100照射激光光线(激光光束)。晶片100是以硅作为母材的圆板状的半导体晶片或以蓝宝石、SiC(碳化硅)等作为母材的光器件晶片、将器件进行树脂密封的封装基板、陶瓷基板等板状物等。晶片100在由呈格子状形成在正面上的多条分割预定线划分的多个区域形成有器件103。晶片100借助粘贴在背面的粘接带105而被环状框架106支承。
激光加工装置1沿着卡盘工作台10所保持的晶片100的分割预定线从激光照射部20照射激光光线而形成激光加工槽。另外，也可以对晶片100的分割预定线照射激光光线而在分割预定线上形成改质层。改质层是指晶片100中的密度、折射率、机械强度或其他物理特性成为与周围不同的状态的区域。
另外，激光加工装置1具有：X轴移动部(加工进给部)30，其使卡盘工作台10沿着X轴方向(加工进给方向)移动；以及Y轴移动部(分度进给部)40，其使卡盘工作台10沿着Y轴方向(分度进给方向)移动。由此，卡盘工作台10和激光照射部20成为能够在上述的X轴方向和Y轴方向上分别相对移动的结构。
激光加工装置1具有：盒载置台55，其载置收纳有被环状框架106支承的晶片100的盒50；旋转清洗部60，其对激光加工后的晶片100进行清洗；以及搬送部65，其将晶片100搬送至上述的各部位。另外，在本结构中，激光加工装置1具有：分析仪单元(激光光束分析仪单元、强度分布单元)70，其对激光照射部20所照射的激光光线的光斑形状、强度分布等概况进行测量。
卡盘工作台10在对晶片100进行激光加工时对该晶片100进行保持。在本结构中，晶片100以通过粘接带105而保持于环状框架106的形态保持于卡盘工作台10。卡盘工作台10具有：保持面11，其载置晶片100和环状框架106并进行吸引；以及夹持部12，其在该保持面11的外周侧配置有多个，对环状框架106进行固定。
激光照射部20固定于装置主体2的壁部3，朝向卡盘工作台10所保持的晶片100照射激光光线。激光照射部20具有：照射头(聚光器)21，其朝向晶片100照射激光光线；拍摄部22，其与该照射头21在X轴方向上并排配置；以及主体部23，其对这些照射头21和拍摄部22进行保持。拍摄部22是对卡盘工作台10上的晶片100的配置状况和对晶片100的加工状况等进行拍摄的相机，在本实施方式中，使用通常的相机或红外线相机。在后文对照射头21和主体部23的内部构成进行叙述。
X轴移动部30具有：滚珠丝杠31，其在X轴方向上延伸；导轨32，其与滚珠丝杠31平行地配设；脉冲电动机33，其与滚珠丝杠31的一端连结，使滚珠丝杠31转动；以及滑动板34，其下部与导轨32滑动接触，并且在内部具有与滚珠丝杠31螺合的螺母(未图示)。滑动板34随着滚珠丝杠31的转动而被导轨32引导，在X轴方向上移动。另外，在滑动板34固定有在内部具有脉冲电动机(未图示)的旋转驱动部35，旋转驱动部35能够使卡盘工作台10旋转规定的角度。在本实施方式中，例如根据拍摄部22所拍摄的晶片100的图像，使卡盘工作台10(晶片100)旋转，以便相互交叉的分割预定线分别朝向X轴方向和Y轴方向。
Y轴移动部40具有：滚珠丝杠41，其在Y轴方向上延伸；导轨42，其与滚珠丝杠41平行地配设；脉冲电动机43，其与滚珠丝杠41的一端连结，使滚珠丝杠41转动；以及滑动板44，其下部与导轨42滑动接触，并且在内部具有与滚珠丝杠41螺合的螺母(未图示)。Y轴移动部40载置于装置主体2上，随着滚珠丝杠41的转动，滑动板44被导轨42引导而在Y轴方向上移动。在滑动板44配设有上述的X轴移动部30，随着滑动板44的Y轴方向的移动，X轴移动部30也在同一方向上移动。
盒50收纳多张借助粘接带105而被环状框架106支承的形态的晶片100。盒载置台55设置成在装置主体2上沿Z轴方向升降自如。分析仪单元70具有：单元主体71，其能够接受从照射头21照射的激光光线；以及解析部80，其根据该单元主体71所接受的激光光线，对该激光光线的强度分布进行解析。
接着，对分析仪单元70进行说明。如图2和图3所示，单元主体71悬挂支承于从装置主体2的壁部3沿着Y轴方向延伸的导轨4上。单元主体71具有向上方延伸的支承部71A，该支承部71A与收纳在导轨4内的滚珠丝杠的螺母部(未图示)连结。并且，该滚珠丝杠通过电动机(未图示)进行旋转，从而单元主体71构成为能够沿着导轨4移动。另外，单元主体71在与照射头21对置的面的下部具有受光部71B，其接受从照射头21照射的激光光线。在对激光光线的概况进行测量的测量时，单元主体71如图2所示那样沿着导轨4在箭头Y1方向上移动，受光部71B被定位于照射头21与卡盘工作台10之间的测量位置。另外，在激光加工时，单元主体71如图3所示那样沿着导轨4在箭头Y2方向上移动，受光部71B被定位于从照射头21的下方退避的退避位置。另外，作为使分析仪单元70的单元主体71移动的结构，除了上述的使用滚珠丝杠和电动机的直动机构以外，例如也可以是由气缸实现的进退机构。另外，在本实施方式中，说明了将使单元主体71移动的结构固定于装置主体2的壁部3的情况，但不限于此，例如也可以将使单元主体71移动的结构固定于装置主体2的上表面部等。
如图5所示，在激光照射部20的主体部23收纳有：激光振荡器24，其振荡出激光光线200；以及光学系统(未图示)，其对该振荡出的激光光线200进行传送。该激光振荡器24通过控制单元(未图示)，根据晶片100的种类、加工形态等，对振荡出的激光光线的波长(频率)、输出、重复频率进行适当调整。照射头21构成为包含：全反射镜25，其将由激光振荡器24振荡出的激光光线200的行进方向变更为下方；以及聚光透镜26，其对激光光线200进行会聚；等等。该聚光透镜26由将多个凸透镜和凹透镜组合而成的组合透镜构成，输出会聚后的激光光线201。照射头21能够通过聚光透镜26等光学系统的调整将激光光线201的聚光位置(聚焦位置)调整为Z轴方向(图1：铅垂方向)，或者能够通过柱面透镜或掩模等将光斑形状修正为椭圆、矩形等任意的形状。
如图4和图5所示，单元主体71具有：四个透过棱镜72、74、75、76，它们一边使从照射头21照射的激光光线201衰减一边进行传送；拍摄元件77，其接受所传送的激光光线206；以及放大光学系统73，其配置在透过棱镜(第1透过棱镜)72与透过棱镜(第2透过棱镜)74之间。透过棱镜72配置于单元主体71的受光部71B。
如图4所示，透过棱镜72、74、75、76均是以等腰直角三角形作为底面的三棱柱状的棱镜，分别将包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面72A、74A、75A、76A作为激光光线所入射的面。透过棱镜72、74、75、76使所入射的激光光线的大部分(例如约96％)透过，使剩余的一点(约2～4％)反射而进行传送，从而将该激光光线的能量密度衰减至不损伤拍摄元件77且能够进行拍摄的程度。根据本构成，能够将传送至拍摄元件77的激光光线206的能量密度衰减至被聚光透镜26会聚的激光光线201的约1/40万。
如图5和图6所示，透过棱镜72以包含等腰直角三角形的斜边在内的三棱柱的侧面72B沿着铅垂方向的形态保持于保持部件78。透过棱镜72利用侧面72A将从照射头21向铅垂下方照射的激光光线201反射至水平方向。该被反射的激光光线202在放大光学系统73中成为光斑直径被放大的激光光线203，并被传送至透过棱镜74。如图4和图5所示，透过棱镜74以三棱柱的侧面74B沿着水平方向的形态保持于保持部件78。透过棱镜74利用侧面74A将激光光线203的行进方向在水平面内弯折90°而进行反射，将该反射的激光光线204传送至透过棱镜75。
在本实施方式中，透过棱镜72和透过棱镜74构成一对透过棱镜。通常公知激光光线具有相位相差90°的S偏光和P偏光。这种S偏光和P偏光的反射率不同，因此在使多个透过棱镜对其进行反射而传送的构成中，S偏光和P偏光的衰减率有可能产生偏差。在本实施方式中，将透过棱镜72配置成使包含等腰直角三角形的斜边在内的侧面72B沿着铅垂方向、将透过棱镜74配置成使三棱柱的端面74C沿着水平方向，由此能够构成为在透过棱镜72中提高一方的偏光的衰减率、在透过棱镜74中提高另一方的偏光的衰减率。将这些透过棱镜72和透过棱镜74作为一对透过棱镜，从而能够得到S偏光和P偏光平衡良好地等同衰减的激光光线204。
同样地，透过棱镜(第2透过棱镜)75和透过棱镜(第1透过棱镜)76构成一对透过棱镜。如图4所示，透过棱镜75以使三棱柱的端面75C沿着水平方向的形态保持于保持部件78(图5)。透过棱镜75将激光光线204的行进方向利用侧面75A在水平面内弯折90°而进行反射，将该反射的激光光线205传送至透过棱镜76。透过棱镜76以使包含等腰直角三角形的斜边在内的三棱柱的侧面76B沿着铅垂方向的形态保持于保持部件78(图5)。透过棱镜76利用侧面76A将激光光线205向铅垂上方反射，将该反射的激光光线206传送至拍摄元件77。根据该结构，能够得到S偏光和P偏光平衡良好地等同衰减的激光光线206。
拍摄元件77是具有对激光光线206进行检测而产生电荷的光电转换元件的构成，例如为CCD元件。放大光学系统73将所入射的激光光线的光斑直径放大，具有将多个凹透镜和凸透镜组合而构成的所谓的物镜的构成。根据该构成，将通过放大光学系统73而具有放大的光斑直径的激光光线传送至拍摄元件77而进行拍摄，因此能够准确地测量光斑直径的形状。在本实施方式中，采用将放大光学系统73配置于透过棱镜72与透过棱镜74之间的结构，但并不限于此，只要在激光照射部20的照射头21与拍摄元件77之间，则可以自如地变更顺序。
如图4所示，解析部80具有图像处理部81和数据接收部82。数据接收部82接收拍摄元件77所拍摄的图像。拍摄元件77所拍摄的图像示出衰减的激光光线206的强度分布，例如成为如下的图像：强度最大的中心较亮、随着趋向周围而变暗。图像处理部81例如将所拍摄的图像的灰度值转换处理成有限水平的离散值。解析部80根据由转换后的离散值计算出的激光光线206的强度分布，对衰减前即从照射头21照射的激光光线201的强度分布、光斑直径和光斑形状进行解析。
根据本构成，通过透过棱镜72、74、75、76和放大光学系统73一边使从照射头21照射的激光光线201衰减一边将光斑直径放大，并对该衰减和放大的激光光线206进行拍摄，因此不使该激光光线201返回至加工光学系统而能够准确地测量实际照射至晶片100的激光光线201的概况。
另外，由透过棱镜72和透过棱镜74构成一对透过棱镜，构成为利用透过棱镜72提高一方(S偏光)的衰减率、利用透过棱镜74提高另一方(P偏光)的衰减率，因此能够得到S偏光和P偏光平衡良好地等同衰减的激光光线204，能够准确地测量P偏光和S偏光混在的激光光线201的光斑的强度分布。
另外，透过棱镜72、74、75、76是以等腰直角三角形作为底面(端面)的三棱柱状的棱镜，激光光线入射至包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面72A、74A、75A、76A，因此即使在各透过棱镜72、74、75、76中透过的光的一部分在透过棱镜72、74、75、76内发生内部反射，该内部反射光也不会与被上述侧面72A、74A、75A、76A反射的反射光相交，因此能够抑制重影的产生，能够仅准确地测量反射光。
这里，在本构成中，对透过棱镜72、74、75、76的配置下工夫。通常，关于透过棱镜具有将面积较大的面作为激光光线所入射的面的趋势。因此，设想如图8所示将透过棱镜72的包含等腰直角三角形的斜边在内的三棱柱的侧面72B作为激光光线所入射的面的构成。在该情况下，利用侧面72B将激光光线201反射至水平方向，因此透过棱镜72配置成激光光线201与侧面72B的入射角θ为45°。
在该构成中，在透过棱镜72中透过的透过光210的一部分在透过棱镜72内发生内部反射，会产生成为该内部反射光211与激光光线202重叠的重影光线的问题。设想当内部反射光211与激光光线202重叠时，无法进行准确的概况的测量。
与此相对，在本构成中，如图7所示，透过棱镜72将包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面72A作为各个激光光线所入射的面，透过棱镜72配置成使激光光线201对侧面72A的入射角θ为45°。在该构成中，即使透过光210的一部分在透过棱镜72内发生内部反射，该内部反射光211向与激光光线202不同的方向射出，因此不会产生成为内部反射光211与激光光线202重叠的重影光线的问题。因此，起到如下的效果：能够通过所反射的激光光线202(包含204、205、206在内)进行准确的概况的测量。
另外，本发明并不限于上述实施方式。即，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形并实施。例如，在本实施方式中，为了使S偏光和P偏光平衡良好地等同衰减，采用了具有一对透过棱镜72、74和又一对透过棱镜75、76的结构，但若将传送至拍摄元件77的激光光线衰减至期望的衰减率，则可以适当变更透过棱镜的对数。

Claims (5)

1.一种激光光束分析仪单元，其对从搭载于激光加工装置的激光振荡器振荡出的照射到晶片的激光光束的强度分布进行测量，其中，该激光光束分析仪单元具有：
第1透过棱镜，其使从该激光振荡器振荡出并且被聚光透镜会聚的该激光光束衰减；
放大光学系统，其将被该第1透过棱镜微量反射的激光光束的光斑直径放大；
第2透过棱镜，其使被该第1透过棱镜微量反射并且被该放大光学系统放大了光斑直径的激光光束进一步衰减；
拍摄元件，其对被该第2透过棱镜微量反射的该激光光束进行受光；以及
解析部，其根据该拍摄元件的受光数据对激光光束的光斑的强度分布进行解析。
2.根据权利要求1所述的激光光束分析仪单元，其中，
由该第1透过棱镜和该第2透过棱镜构成一对透过棱镜，在该一对透过棱镜中的一方中，P偏光的衰减率高，在另一方的该透过棱镜中，S偏光的衰减率高，由此P偏光和S偏光同样地衰减。
3.根据权利要求1或2所述的激光光束分析仪单元，其中，
该第1透过棱镜和该第2透过棱镜是以等腰直角三角形作为底面的三棱柱状的棱镜，该激光光束入射至包含形成等腰直角三角形的直角的边在内的三棱柱的侧面。
4.一种激光加工装置，其具有：
激光光束照射单元，其对卡盘工作台所保持的被加工物照射激光光束；
控制单元，其对激光光束照射单元的激光光束照射条件进行控制；以及
强度分布单元，其对激光光束的光斑的强度分布进行测量，
其中，
该强度分布单元是权利要求1至3中的任意一项所述的激光光束分析仪单元。
5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其中，
该激光光束照射单元具有：
激光振荡器，其振荡出激光光束；
聚光透镜，其将该激光光束会聚；以及
光学系统，其将该激光光束从该激光振荡器向该聚光透镜引导，该光学系统对该激光光束的光斑形状进行整形。
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