CN117483938A - 激光加工装置 - Google Patents

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藤泽竹弘
田中祐树
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Abstract

本发明提供激光加工装置，其能够不降低生产率而掌握激光的状态。激光加工装置具有：激光振荡器(30)，其生成激光(21)；聚光透镜(32)，其将通过激光振荡器(30)而生成的激光(21)会聚；分离部件(33)，其将通过激光振荡器(30)而生成的激光(21)分离成检查用的激光(22)和用于会聚于被加工物(100)的加工用的激光(23)；受光部(40)，其接受通过分离部件(33)而分离的检查用的激光(22)；检测单元(50)，其根据通过受光部(40)而接受的激光(22)取得关于激光(22)的强度的信息以及关于激光(22)的脉冲波形的信息；以及控制部(54)，其输出通过检测单元(50)而取得的信息。

Description

激光加工装置
技术领域
本发明涉及激光加工装置。
背景技术
为了将半导体晶片等板状物分割而芯片化，已知有如下的方法等(参照专利文献1、2)：向板状物的内部会聚照射对于板状物具有透过性的波长的激光而形成改质层，以该改质层为起点进行分割；以及照射对于板状物具有吸收性的波长的激光而使板状物烧蚀从而进行分割。在这样的加工方法中，为了使加工品质稳定，掌握激光加工装置的激光的状态非常重要。
专利文献1：日本特许第3408805号公报
专利文献2：日本特开平10-305420号公报
然而，以往，测量激光的强度的功率计需要按照遮挡激光的方式进行设置。因此，为了测量需要使加工停止，存在生产率降低的问题。另外，为了观测激光的脉冲波形、脉冲遗漏等，需要在能够接受散射光的位置设置光电二极管而与示波器连接并通过目视进行确认，不仅与强度测量同样地会降低生产率，而且是不胜其烦的作业。
发明内容
本发明是鉴于该问题点而完成的，其目的在于提供激光加工装置，其能够不降低生产率而掌握激光的状态。
为了解决上述的课题并实现目的，本发明的激光加工装置的特征在于，该激光加工装置具有：激光振荡器，其生成激光；聚光透镜，其将通过该激光振荡器而生成的激光会聚；分离部件，其将通过该激光振荡器而生成的激光分离成检查用的激光以及用于会聚于被加工物的加工用的激光；受光部，其接受通过该分离部件而分离的检查用的激光；检测单元，其根据通过该受光部而接受的激光取得关于该激光的强度的信息以及关于该激光的脉冲波形的信息；以及控制部，其输出通过该检测单元而取得的信息。
另外，本发明的激光加工装置也可以还具有用于对通过该分离部件而分离的检查用的激光进行分支的分支镜，该受光部具有：热传感器，其接受通过该分支镜而分支的一方的激光并测量该激光的平均输出；以及光探测器，其接受通过该分支镜而分支的另一方的激光并取得关于该激光的脉冲波形的信息。
另外，在本发明的激光加工装置中，也可以是，该热传感器配设成接受被该分支镜反射的激光，该光探测器配设成接受透过了该分支镜的激光。
另外，在本发明的激光加工装置中，也可以在该分支镜与该光探测器之间配设有中性密度滤波器。
另外，在本发明的激光加工装置中，也可以是，通过该检测单元而取得的关于该激光的脉冲波形的信息包含关于有无脉冲遗漏的信息，该控制部根据该激光的平均输出而自动地设定用于检测脉冲遗漏的阈值。
本发明能够不降低生产率而掌握激光的状态。
附图说明
图1是示出实施方式的激光加工装置的结构例的立体图。
图2是示出图1所示的激光照射单元的概略结构例的示意图。
图3是示出激光照射单元的另一概略结构例的示意图。
图4是示出受光部的另一概略结构例的示意图。
图5是示出图4所示的热传感器所接受的激光的平均输出的推移的一例的曲线图。
图6是示出图4所示的光探测器所接受的激光的输出的推移的一例的曲线图。
标号说明
1：激光加工装置；10：保持工作台；20、20-1：激光照射单元；21、22、23、24、25：激光；30、30-1：激光振荡器；31：激光振荡部；32：聚光透镜；33：分离部件；40、40-1：受光部；41：分支镜；42：热传感器；43：光探测器；44：聚光透镜；45：波长选择滤波器；46：ND滤波器；50：检测单元；51：信号放大部；52：脉冲波形信息取得部；53：光强度信息取得部；54：控制部；91：第一加工条件；92：第二加工条件；93：阈值；100：被加工物。
具体实施方式
参照附图详细说明用于实施本发明的实施方式。本发明不受以下的实施方式所记载的内容限定。另外，在以下记载的结构要素中包含本领域技术人员容易想到的内容以及实质上相同的内容。而且，以下记载的结构能够适当组合。另外，在不脱离本发明的主旨的范围内可以对结构进行各种省略、置换或变更。
【实施方式】
首先，根据附图对本发明的实施方式的激光加工装置1的整体结构进行说明。图1是示出实施方式的激光加工装置1的结构例的立体图。在以下的说明中，X轴方向是水平面中的一个方向。Y轴方向是在水平面中与X轴方向垂直的方向。Z轴方向是与X轴方向及Y轴方向垂直的方向。关于实施方式的激光加工装置1，加工进给方向为X轴方向，分度进给方向为Y轴方向，聚光点位置调整方向为Z轴方向。
如图1所示，激光加工装置1具有保持工作台10、激光照射单元20、移动单元60、拍摄单元70以及显示单元80。实施方式的激光加工装置1是通过对作为加工对象的被加工物100照射激光21而对被加工物100进行的装置。激光加工装置1对被加工物100的加工例如是通过隐形切割在被加工物100的内部形成改质层的改质层形成加工、在被加工物100的正面上形成槽的槽加工、或者沿着分割预定线将被加工物100切断的切断加工等。
被加工物100例如是将硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)或钽酸锂(LiTaO3)等作为基板的圆板状的半导体器件晶片、光器件晶片等晶片。另外，被加工物100在实施方式中为圆板状，但在本发明中也可以不是圆板状。例如在被加工物100的背面上粘贴直径比被加工物100的外径大的带111且在该带111上粘贴环状的框架110，从而在将被加工物100支承于框架110的开口内的状态下进行搬送和加工。
保持工作台10利用保持面11对被加工物100进行保持。保持面11是由多孔陶瓷等形成的圆板形状。在实施方式中，保持面11是与水平方向平行的平面。保持面11例如经由真空吸引路径与真空吸引源连接。保持工作台10对载置于保持面11上的被加工物100进行吸引保持。在保持工作台10的周围配置有多个夹持部12，该夹持部12对支承被加工物100的环状的框架110进行夹持。
保持工作台10通过旋转单元13绕与Z轴方向平行的轴心旋转。旋转单元13支承于X轴方向移动板14。旋转单元13和保持工作台10借助X轴方向移动板14通过后述的X轴方向移动单元61在X轴方向上移动。旋转单元13和保持工作台10借助X轴方向移动板14、X轴方向移动单元61和Y轴方向移动板15通过后述的Y轴方向移动单元62在Y轴方向上移动。
激光照射单元20是对保持工作台10的保持面11所保持的被加工物100照射激光21的单元。激光照射单元20中的至少聚光透镜32(参照图2)被后述的设置于从激光加工装置1的装置主体2竖立设置的柱3上的Z轴方向移动单元63支承。激光照射单元20的具体结构例在后面详细说明。
移动单元60是使激光21的聚光点相对于保持工作台10所保持的被加工物100相对地移动的单元。移动单元60包含X轴方向移动单元61、Y轴方向移动单元62以及Z轴方向移动单元63。
X轴方向移动单元61是使保持工作台10和激光照射单元20的聚光点在作为加工进给方向的X轴方向上相对地移动的单元。在实施方式中，X轴方向移动单元61使保持工作台10在X轴方向上移动。在实施方式中，X轴方向移动单元61设置在激光加工装置1的装置主体2上。X轴方向移动单元61将X轴方向移动板14支承为在X轴方向上移动自如。
Y轴方向移动单元62是使保持工作台10和激光照射单元20的聚光点在作为分度进给方向的Y轴方向上相对地移动的单元。在实施方式中，Y轴方向移动单元62使保持工作台10在Y轴方向上移动。在实施方式中，Y轴方向移动单元62设置在激光加工装置1的装置主体2上。Y轴方向移动单元62将Y轴方向移动板15支承为在Y轴方向上移动自如。
Z轴方向移动单元63是使保持工作台10和激光照射单元20的聚光点在聚光点位置调整方向即Z轴方向上相对地移动的单元。在实施方式中，Z轴方向移动单元63使激光照射单元20的至少聚光透镜32在Z轴方向上移动。在实施方式中，Z轴方向移动单元63设置于从激光加工装置1的装置主体2竖立设置的柱3上。Z轴方向移动单元63将激光照射单元20的至少聚光透镜32支承为在Z轴方向上移动自如。
X轴方向移动单元61、Y轴方向移动单元62以及Z轴方向移动单元63在实施方式中分别包含公知的滚珠丝杠、公知的脉冲电动机以及公知的导轨。滚珠丝杠设置为绕轴心旋转自如。脉冲电动机使滚珠丝杠绕轴心旋转。X轴方向移动单元61的导轨将X轴方向移动板14支承为在X轴方向上移动自如。X轴方向移动单元61的导轨固定设置于Y轴方向移动板15。Y轴方向移动单元62的导轨将Y轴方向移动板15支承为在Y轴方向上移动自如。Y轴方向移动单元62的导轨固定设置于装置主体2。Z轴方向移动单元63的导轨将激光照射单元20的至少聚光透镜32支承为在Z轴方向上移动自如。Z轴方向移动单元63的导轨固定设置在柱3上。
拍摄单元70对保持工作台10所保持的被加工物100进行拍摄。拍摄单元70包含CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)照相机或红外线照相机。拍摄单元70例如按照与激光照射单元20的聚光透镜32(参照图2)相邻的方式固定。拍摄单元70对被加工物100进行拍摄，得到用于执行进行被加工物100与激光照射单元20的对位的对准的图像并输出所得到的图像。
显示单元80是由液晶显示装置等构成的显示部。显示单元80例如使加工条件的设定画面、拍摄单元70所拍摄的被加工物100的状态、加工动作的状态等显示于显示面。在显示单元80的显示面包含触摸面板的情况下，显示单元80也可以包含输入部。输入部能够受理操作者登记加工内容信息等各种操作。输入部也可以是键盘等外部输入装置。显示单元80通过来自输入部等的操作来切换显示于显示面的信息和图像。
接着，对激光照射单元20的具体结构进行说明。图2是示出图1所示的激光照射单元20的概略结构例的示意图。如图2所示，激光照射单元20包含激光振荡器30和聚光透镜32。
激光振荡器30生成并射出具有用于对被加工物100进行加工的规定的波长的激光21。激光照射单元20照射的激光21是对于被加工物100具有透过性或吸收性的波长的激光。激光振荡器30具有激光振荡部31，激光振荡部31包含振荡并放大激光21的激光介质。另外，实施方式的激光振荡器30在壳体的内部设置有分离部件33、受光部40、检测单元50以及控制部54。
分离部件33设置在激光振荡部31与聚光透镜32之间的激光21的光路上。分离部件33将通过激光振荡部31而生成的激光21分离成检查用的激光22和加工用的激光23。
实施方式的分离部件33例如包含玻璃，使激光21中的99％以上透过，并且将不足1％的激光21反射。即，实施方式的分离部件33将反射的激光21作为检查用的激光22向受光部40引导，将透过的激光21作为加工用的激光23向聚光透镜32引导。此外，分离部件33也可以包含反射镜，在该情况下，配置成将反射的激光21作为加工用的激光23向聚光透镜32引导并将透过的激光21作为检查用的激光22向受光部40引导即可。
受光部40接受通过分离部件33而分离的检查用的激光22。实施方式的受光部40包含通过将光信号转换为电信号来检测光的光探测器(光检测器)。此外，也可以在受光部40的前方配置使光量衰减的滤波器。滤波器例如包含ND(Neutral Density：中性密度)滤波器，该ND滤波器在规定的波段中不选择波长而将光量降低一定的量而透射。受光部40将与所接受的光对应的电信号向检测单元50输出。
检测单元50是取得通过受光部40而接受的检查用的激光22的信息的单元。检测单元50包含信号放大部51、脉冲波形信息取得部52以及光强度信息取得部53。信号放大部51对从受光部40取得的电信号进行放大并向脉冲波形信息取得部52和光强度信息取得部53输出。
脉冲波形信息取得部52取得与关于激光22的脉冲波形的信息对应的光强度的电信号。光强度信息取得部53取得与关于激光22的强度的信息对应的光强度的电信号。另外，脉冲波形信息取得部52和光强度信息取得部53通过模拟信号取得各个信息。脉冲波形信息取得部52和光强度信息取得部53将与所取得的各信息对应的模拟信号向控制部54输出。
控制部54是计算机，包含作为运算单元的运算处理装置、作为存储单元的存储装置以及作为通信单元的输入输出接口装置。运算处理装置例如包含CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)等微处理器。存储装置具有HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)或RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等存储器。运算处理装置根据存储于存储装置的规定的程序进行各种运算。运算处理装置按照运算结果经由输入输出接口装置将各种控制信号输出到上述的各构成要素。
控制部54对从脉冲波形信息取得部52和光强度信息取得部53取得的模拟信号进行AD转换。进而，控制部54将光强度的AD值换算成功率值。由此，控制部54根据与脉冲波形信息取得部52所取得的关于激光22的脉冲波形的信息对应的光强度的电信号，得到峰值输出的时间推移信息。另外，控制部54根据与光强度信息取得部53所取得的关于激光22的强度的信息对应的光强度的电信号，得到平均输出的时间推移信息。
控制部54根据通过检测单元50而取得的关于检查用的激光22的强度的信息，取得激光22的平均输出的时间推移。检查用的激光22与加工用的激光23在分离部件33中按照规定的比例分离，因此能够通过激光22的平均输出的时间推移来推定加工用的激光23的平均输出的时间推移。即，能够根据加工用的激光23的平均输出的时间推移而检测例如激光23的强度的非预期的降低等装置的异常。
另外，控制部54根据通过检测单元50而取得的关于检查用的激光22的脉冲波形的信息，取得激光22的峰值输出的时间推移。检查用的激光22与加工用的激光23在分离部件33中按照规定的比例分离，因此能够通过激光22的峰值输出的时间推移来推定加工用的激光23的峰值输出的时间推移。即，控制部54能够根据加工用的激光23的峰值输出的时间推移而检测例如激光23的脉冲遗漏等装置的异常。
在此，与检测单元50的脉冲波形信息取得部52所取得的关于激光22的脉冲波形的信息也可以包含关于有无脉冲遗漏的信息。有无脉冲遗漏的检测通过判定每个脉冲的峰值输出是否低于规定的阈值来进行。实施方式的控制部54根据激光22的平均输出的时间推移自动地设定用于进行脉冲遗漏的检测的阈值。由此，即使是在激光21的照射中变更加工条件并且适当的阈值发生变化的情况下也能够应对。
聚光透镜32将从激光振荡器30射出的激光21会聚于保持工作台10的保持面11所保持的被加工物100而向被加工物100照射激光21。聚光透镜32将从激光振荡部31射出并入射到分离部件33的激光21中的透过了分离部件33的加工用的激光23会聚于被加工物100。
在图2所示的实施方式的激光照射单元20中，在激光振荡器30的内部配置有受光部40和检测单元50，但在本发明中并不限定于该方式。图3是示出激光照射单元20-1的另一概略结构例的示意图。如图3所示，激光照射单元20-1与实施方式的激光照射单元20相比，在代替激光振荡器30而具有激光振荡器30-1这一点上不同。
激光振荡器30-1未在内部具有分离部件33、受光部40、检测单元50以及控制部54。即，激光照射单元20-1在激光振荡器30-1的外部具有分离部件33、受光部40、检测单元50以及控制部54。分离部件33将从激光振荡器30-1射出之后的激光21分离成检查用的激光22和加工用的激光23。其他构成部件与图2所示的激光照射单元20的构成部件相同，因此省略说明。
实施方式的受光部40包含光探测器，但在本发明中，可以还包含热传感器。图4是示出受光部40-1的另一概略结构例的示意图。受光部40-1包含分别接受通过分支镜41而分支的激光24、激光25的热传感器42和光探测器43。
分支镜41将通过分离部件33而分离的检查用的激光22分支。分支镜41将分支出的一方的激光22作为激光24向热传感器42引导，将分支出的另一方的激光22作为激光25向光探测器43引导。分支镜41例如是反射99％左右的激光22的反射镜。分支镜41将激光22的99％左右反射而作为激光24向热传感器42引导，透过剩余的1％左右而向光探测器43引导。
热传感器42接受通过分支镜41而分支的一方的激光24并测量激光24的平均输出。实施方式的热传感器42接受被分支镜41反射的激光24。
光探测器43接受通过分支镜41而分支的另一方的激光25而取得关于激光25的脉冲波形的信息。实施方式的光探测器43接受透过了分支镜41的激光25。
如图4所示，在分支镜41的前方配设有聚光透镜44和波长选择滤波器45。另外，在分支镜41与光探测器43之间配设有ND滤波器46。
聚光透镜44将通过分离部件33而分离的检查用的激光22朝向光探测器43的受光面会聚。透过了聚光透镜44的激光22透过波长选择滤波器45、分支镜41以及ND滤波器46而入射到光探测器43。
波长选择滤波器45配置在聚光透镜44与分支镜41之间的检查用的激光22的光路上。波长选择滤波器45是仅使检查用的激光22中的规定的波长透过的滤波器。波长选择滤波器45例如是带通滤波器、二向色滤波器、长通滤波器以及短通滤波器中的任意一个或者将它们组合而得的结构的滤波器。带通滤波器是任意选择特定的波长并使其透过的滤波器。二向色滤波器是反射特定波长区域的光并使剩余的波长区域的光透过的滤波器。长通滤波器是使比规定的波长长的波长的光透过的滤波器。短通滤波器是使比规定的波长短的波长的光透过的滤波器。实施方式的波长选择滤波器45仅使能够通过热传感器42和光探测器43测量的波长透过。
ND滤波器46使通过分支镜41而分支的激光25的光量降低一定的量而透过。由此，能够降低入射到光探测器43的激光25的光量。
在此，对在具有受光部40而该受光部40具有热传感器42和光探测器43双方的激光加工装置1中自动地设定用于检测脉冲遗漏的阈值93的方法进行说明。图5是示出图4所示的热传感器42所接受的激光24的平均输出的推移的一例的曲线图。图6是示出图4所示的光探测器43所接受的激光25的输出的推移的一例的曲线图。在图5和图6所示的一例中，在中途将激光加工条件从第一加工条件91变更为第二加工条件92。
控制部54根据热传感器42所取得的激光24的平均输出而推定图5所示那样的加工用的激光23的平均输出的推移。如图5所示，在按照第一加工条件91执行激光加工的期间，激光23的平均输出大致恒定。另外，在按照第二加工条件92执行激光加工的期间，激光23的平均输出大致恒定。另外，通过从第一加工条件91向第二加工条件92转变，激光23的平均输出发生变化(在图5所示的一例中，平均输出减少)。
另外，控制部54根据图6所示的由光探测器43取得的包含激光25的峰值输出的波形数据而推定加工用的激光23的峰值输出的推移。在按照第一加工条件91执行激光加工的期间，激光23的脉冲波形大致恒定。另外，在按照第二加工条件92执行激光加工的期间，激光23的脉冲波形大致恒定。另外，通过从第一加工条件91向第二加工条件92转变，激光23的脉冲波形发生变化(在图6所示的一例中，峰值减少)。
控制部54将对图5所示的热传感器42所取得的激光24的平均输出乘以规定的系数而得的值设定为图6所示的光探测器43所取得的激光25的波形数据的脉冲遗漏的阈值93。因此，所设定的阈值93在激光23的平均输出变化的时机即从第一加工条件91向第二加工条件92转变的时机发生变化。
如以上说明的那样，在实施方式的激光加工装置1中，将激光21的一部分作为检查用的激光22而分离，通过接受该激光22，能够同时进行激光22的强度测量和脉冲观测。在该方法中，将激光21的一部分作为检测用的激光22而分离并且将激光21的大部分用作加工用的激光23，因此能够一边加工一边掌握激光21的状态，能够提高生产率。
例如，基于检测到的激光22的平均输出的推移以及输出的推移，通过这些推移低于预先设定的阈值，能够推定加工用的激光23的输出的降低以及脉冲遗漏。在激光22的输出降低的情况下和观测到脉冲遗漏的情况下，能够停止加工而避免被加工物100的全损。另外，也可以将观测到异常的瞬间的前后的各种传感器值保存为日志，用于异常解析。在此，各种传感器值包含对激光振荡器30内部的光学元件施加的电压、电流、温度等信息、光学箱内的温度、湿度等信息。另外，通过蓄积这些数据，能够利用于不良发生的预知和防止。
另外，通过检测激光23的平均输出以及输出的推移并根据平均输出自动设定用于检测脉冲遗漏的阈值，即使是在加工中变更加工条件并且适当的阈值发生变化的情况下也能够应用。
另外，本发明并不限定于上述实施方式。即，可以在不脱离本发明的主旨的范围内实施各种变形。例如，控制部54既可以仅输出通过检测单元50而取得的信息，也可以根据所输出的信息由操作者判断装置是否正常工作。例如，控制部54既可以仅输出根据热传感器42所取得的平均输出而设定的用于检测脉冲遗漏的阈值和光探测器43所取得的波形数据，也可以根据输出的信息由操作者判断有无脉冲遗漏。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其特征在于，
该激光加工装置具有：
激光振荡器，其生成激光；
聚光透镜，其将通过该激光振荡器而生成的激光会聚；
分离部件，其将通过该激光振荡器而生成的激光分离成检查用的激光以及用于会聚于被加工物的加工用的激光；
受光部，其接受通过该分离部件而分离的检查用的激光；
检测单元，其根据通过该受光部而接受的激光取得关于该激光的强度的信息以及关于该激光的脉冲波形的信息；以及
控制部，其输出通过该检测单元而取得的信息。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
该激光加工装置还具有用于对通过该分离部件而分离的检查用的激光进行分支的分支镜，
该受光部具有：
热传感器，其接受通过该分支镜而分支的一方的激光并测量该激光的平均输出；以及
光探测器，其接受通过该分支镜而分支的另一方的激光并取得关于该激光的脉冲波形的信息。
3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，
该热传感器配设成接受被该分支镜反射的激光，
该光探测器配设成接受透过了该分支镜的激光。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，
在该分支镜与该光探测器之间配设有中性密度滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，
通过该检测单元而取得的关于该激光的脉冲波形的信息包含关于有无脉冲遗漏的信息，
该控制部根据该激光的平均输出而自动地设定用于检测脉冲遗漏的阈值。
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