JP2005088053A - レーザー加工装置 - Google Patents

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賢史 小林
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Abstract

【課題】 レーザー加工を長時間連続して実施し集光器のケースの温度が上昇しても、集光器から照射されるレーザー光線の集光点位置のズレを補正して被加工物の所定位置に集光点位置を維持することができるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】 被加工物を保持する被加工物保持手段3と、該被加工物保持手段3に保持された被加工物にレーザー光線を照射する集光器524を備えたレーザー光線照射手段52と、該集光器524によって照射されるレーザー光線の集光点位置を調整する集光点位置調整手段53とを具備するレーザー加工装置であって、集光器524の温度を検出する温度検出手段7と、該温度検出手段7によって検出された集光器524の温度に基づいて集光点位置調整手段53を制御する制御手段8とを具備している。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物にレーザー加工を施すレーザー加工装置に関する。
半導体デバイス製造工程においては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に配列されたストリートと呼ばれる分割予定ラインによって複数の領域が区画され、この区画された領域にIC、LSI等の回路を形成する。そして、半導体ウエーハをストリートに沿って切断することにより回路が形成された領域を分割して個々の半導体チップを製造している。また、サファイヤ基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハも分割予定ラインに沿って切断することにより個々の発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。
上述した半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のストリートに沿った切断は、通常、ダイサーと称されている切削装置によって行われている。この切削装置は、半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等の被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削するための切削手段と、チャックテーブルと切削手段とを相対的に移動せしめる移動手段とを具備している。切削手段は、高速回転せしめられる回転スピンドルと該スピンドルに装着された切削ブレードを含んでいる。切削ブレードは円盤状の基台と該基台の側面外周部に装着された環状の切れ刃からなっており、切れ刃は例えば粒径3μm程度のダイヤモンド砥粒を電鋳によって基台に固定し厚さ20μm程度に形成されている。
しかるに、サファイヤ基板、炭化珪素基板、リチウムタンタレート基板等はモース硬度が高いため、上記切削ブレードによる切断は必ずしも容易ではない。また、切削ブレードは20μm程度の厚さを有するため、デバイスを区画するストリートとしては幅が50μm程度必要となる。このため、例えば大きさが300μm×300μm程度のデバイスの場合には、ストリートが占める面積比率が大きく、生産性が悪いという問題がある。
一方、近年半導体ウエーハ等の板状の被加工物を分割する方法として、その被加工物に対して透過性を有するレーザー光線を用い、分割すべき領域の内部に集光点を合わせてレーザー光線を照射するレーザー加工方法も試みられている。このレーザー加工方法を用いた分割方法は、被加工物の一方の面側から内部に集光点を合わせて被加工物に対して透過性を有する赤外光領域のレーザー光線を照射し、被加工物の内部にストリートに沿って変質層を連続的に形成し、この変質層が形成されることによって強度が低下した分割予定ラインに沿って外力を加えることにより、被加工物を分割するものである。(例えば、特許文献1参照。)
特開平2002−192367号公報
レーザー加工は、レーザー光線を組レンズから構成される集光レンズを備えた集光器によりスポット径を極限まで絞り、被加工物に微細加工を施す。しかるに、長時間レーザー光線を照射し続けると、集光器のケースが熱をもちケースの温度が上昇する。この結果、集光器のケースが熱膨張し、照射されるレーザー光線の集光点が変化して安定したレーザー加工を施すことができなくなるという問題がある。図7は、レーザー加工の加工時間に対応して集光器のケースの温度が上昇することによる集光点位置の変化を示すグラフである。図7において横軸はレーザー加工時間、縦軸は集光点位置を示し、×印は従来のレーザー加工装置の集光点位置をプロットしたものである。なお、図7においてレーザー加工時間が零(0)のときの集光器のケースの温度は23°Cであった。図7に示すようにレーザー加工装置においては、レーザー加工時間が長くなるに従って集光点位置のズレが大きくなっており、60分間レーザー加工を続けると集光点位置が12μmもズレることが判る。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、レーザー加工を長時間連続して実施し集光器のケースの温度が上昇しても、集光器から照射されるレーザー光線の集光点位置のズレを補正して被加工物の所定位置に集光点位置を維持することができるレーザー加工装置を提供することである。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、被加工物を保持する被加工物保持手段と、該被加工物保持手段に保持された被加工物にレーザー光線を照射する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該集光器によって照射されるレーザー光線の集光点位置を調整する集光点位置調整手段と、を具備するレーザー加工装置において、
該集光器の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された該集光器の温度に基づいて該集光点位置調整手段を制御する制御手段と、を具備している、
ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。
上記制御手段は、集光器の温度と集光点位置のズレの関係を設定した制御マップを記憶する記憶手段を具備しており、温度検出手段によって検出された集光器の温度に基づいて制御マップから集光点位置のズレを求め、集光点位置のズレに対応して集光点位置調整手段を制御する。
本発明においては、温度検出手段によって検出された集光器の温度に基づいて集光点位置調整手段を制御するので、集光器の温度上昇による集光点位置のズレが補正されるため、被加工物に照射されるレーザー光線の集光点を所定位置に維持し、安定したレーザー加工を行うことができる。
以下、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1には、本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図が示されている。図1に示されたレーザー加工装置は、静止基台2と、該静止基台2に矢印Xで示す方向に移動可能に配設され被加工物を保持するチャックテーブル機構3と、静止基台2に上記矢印Xで示す方向と直角な矢印Yで示す方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット支持機構4と、該レーザー光線ユニット支持機構4に矢印Zで示す方向に移動可能に配設されたレーザー光線照射ユニット5とを具備している。
上記チャックテーブル機構3は、静止基台2上に矢印Xで示す方向に沿って平行に配設された一対の案内レール31、31と、該案内レール31、31上に矢印Xで示す方向に移動可能に配設された第一の滑動ブロック32と、該第1の滑動ブロック32上に矢印Yで示す方向に移動可能に配設された第2の滑動ブロック33と、該第2の滑動ブロック33上に円筒部材34によって支持された支持テーブル35と、被加工物保持手段としてのチャックテーブル36を具備している。このチャックテーブル36は多孔性材料から形成された吸着チャック361を具備しており、吸着チャック361上に被加工物である例えば円盤状の半導体ウエーハを図示しない吸引手段によって保持するようになっている。また、チャックテーブル36は、円筒部材34内に配設された図示しないパルスモータによって回転せしめられる。
上記第1の滑動ブロック32は、その下面に上記一対の案内レール31、31と嵌合する一対の被案内溝321、321が設けられているとともに、その上面に矢印Yで示す方向に沿って平行に形成された一対の案内レール322、322が設けられている。このように構成された第1の滑動ブロック32は、被案内溝321、321が一対の案内レール31、31に嵌合することにより、一対の案内レール31、31に沿って矢印Xで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構3は、第1の滑動ブロック32を一対の案内レール31、31に沿って矢印Xで示す方向に移動させるための移動手段37を具備している。移動手段37は、上記一対の案内レール31と31の間に平行に配設された雄ネジロッド371と、該雄ネジロッド371を回転駆動するためのパルスモータ372等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド371は、その一端が上記静止基台2に固定された軸受ブロック373に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ372の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド371は、第1の滑動ブロック32の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ372によって雄ネジロッド371を正転および逆転駆動することにより、第一の滑動ブロック32は案内レール31、31に沿って矢印Xで示す方向に移動せしめられる。
上記第2の滑動ブロック33は、その下面に上記第1の滑動ブロック32の上面に設けられた一対の案内レール322、322と嵌合する一対の被案内溝331、331が設けられており、この被案内溝331、331を一対の案内レール322、322に嵌合することにより、矢印Yで示す方向に移動可能に構成される。図示の実施形態におけるチャックテーブル機構3は、第2の滑動ブロック33を第1の滑動ブロック32に設けられた一対の案内レール322、322に沿って矢印Yで示す方向に移動させるための移動手段38を具備している。移動手段38は、上記一対の案内レール322と322の間に平行に配設された雄ネジロッド381と、該雄ネジロッド381を回転駆動するためのパルスモータ382等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド381は、その一端が上記第1の滑動ブロック32の上面に固定された軸受ブロック383に回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ382の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド381は、第2の滑動ブロック33の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された貫通雌ネジ穴に螺合されている。従って、パルスモータ382によって雄ネジロッド381を正転および逆転駆動することにより、第2の滑動ブロック33は案内レール322、322に沿って矢印Xで示す方向に移動せしめられる。
上記レーザー光線照射ユニット支持機構4は、静止基台2上に矢印Yで示す割り出し送り方向に沿って平行に配設された一対の案内レール41、41と、該案内レール41、41上に矢印Yで示す方向に移動可能に配設された可動支持基台42を具備している。この可動支持基台42は、案内レール41、41上に移動可能に配設された移動支持部421と、該移動支持部421に取り付けられた装着部422とからなっている。装着部422は、一側面に矢印Zで示す方向に延びる一対の案内レール423、423が平行に設けられている。図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット支持機構4は、可動支持基台42を一対の案内レール41、41に沿って割り出し送り方向である矢印Yで示す方向に移動させるための移動手段43を具備している。移動手段43は、上記一対の案内レール41、41の間に平行に配設された雄ネジロッド431と、該雄ねじロッド431を回転駆動するためのパルスモータ432等の駆動源を含んでいる。雄ネジロッド431は、その一端が上記静止基台2に固定された図示しない軸受ブロックに回転自在に支持されており、その他端が上記パルスモータ432の出力軸に図示しない減速装置を介して伝動連結されている。なお、雄ネジロッド431は、可動支持基台42を構成する移動支持部421の中央部下面に突出して設けられた図示しない雌ネジブロックに形成された雌ネジ穴に螺合されている。このため、パルスモータ432によって雄ネジロッド431を正転および逆転駆動することにより、可動支持基台42は案内レール41、41に沿って矢印Yで示す割り出し送り方向に移動せしめられる。
図示の実施形態のおけるレーザー光線照射ユニット5は、ユニットホルダ51と、該ユニットホルダ51に取り付けられたレーザー光線照射手段52を具備している。ユニットホルダ51は、上記装着部422に設けられた一対の案内レール423、423に摺動可能に嵌合する一対の被案内溝511、511が設けられており、この被案内溝511、511を上記案内レール423、423に嵌合することにより、矢印Zで示す方向に移動可能に支持される。
図示のレーザー光線照射手段52は、上記ユニットホルダ51に固定され実質上水平に延出する円筒形状のケーシング521を含んでいる。ケーシング521内には図2に示すようにレーザー光線発振手段522とレーザー光線変調手段523とが配設されている。レーザー光線発振手段522としてはYAGレーザー発振器或いはYVO4レーザー発振器を用いることができる。レーザー光線変調手段523は繰り返し周波数設定手段523a、レーザー光線パルス幅設定手段523b、およびレーザー光線出力設定手段523cを含んでいる。レーザー光線変調手段523を構成する繰り返し周波数設定手段523a、レーザー光線パルス幅設定手段523bおよびレーザー光線出力設定手段523cは当業者には周知の形態のものでよく、それ故にこれらの構成についての詳細な説明は本明細書においては省略する。上記ケーシング521の先端には、それ自体は周知の形態でよい組レンズから構成される集光レンズ(図示せず)を収容した集光器524が装着されている。
上記レーザー光線発振手段522が発振するレーザー光線はレーザー光線変調手段523を介して集光器524に到達する。レーザー光線変調手段523における繰り返し周波数設定手段523aはレーザー光線を所定繰り返し周波数のパルスレーザー光線にし、レーザー光線パルス幅設定手段523bはパルスレーザー光線のパルス幅を所定幅に設定し、そしてレーザー光線出力設定手段523cはパルスレーザー光線の出力を所定値に設定する。
図1に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段52を構成するケーシング521の前端部には、撮像手段6が配設されている。この撮像手段6は、図示の実施形態においては可視光線によって撮像する通常の撮像素子(CCD)の外に、被加工物に赤外線を照射する赤外線照明手段と、該赤外線照明手段によって照射された赤外線を捕らえる光学系と、該光学系によって捕らえられた赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子(赤外線CCD)等で構成されており、撮像した画像信号を後述する制御手段に送る。
図示の実施形態におけるレーザー光線照射ユニット5は、ユニットホルダ51を一対の案内レール423、423に沿って矢印Zで示す方向に移動させるための集光点位置調整手段53を具備している。集光点位置調整手段53は、上記各移動手段と同様に一対の案内レール423、423の間に配設された雄ネジロッド(図示せず)と、該雄ネジロッドを回転駆動するためのパルスモータ532(Mz)等の駆動源を含んでおり、パルスモータ532(Mz)によって図示しない雄ネジロッドを正転および逆転駆動することにより、ユニットホルダ51およびレーザビーム照射手段52を案内レール423、423に沿って矢印Zで示す方向に移動せしめる。なお、図示の実施形態においてはパルスモータ532(Mz)を正転駆動することによりレーザビーム照射手段52を上方に移動し、パルスモータ532(Mz)を逆転駆動することによりレーザビーム照射手段52を下方に移動するようになっている。従って、集光点位置調整手段53は、ケーシング521の先端に取り付けられた集光器524によって照射されるレーザー光線の集光点位置を調整することができる。
図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、上記集光器524の温度を検出する温度検出手段7と、該温度検出手段7によって検出された集光器524の温度に基づいて集光点位置調整手段53を制御する制御手段8を具備している。温度検出手段7は集光器524のケース524aに装着され、その検出信号を制御手段8に送る。制御手段8はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置(CPU)81と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ(ROM)82と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ(RAM)83と、入力インターフェース84および出力インターフェース85とを備えている。このように構成された制御手段8の入力インターフェース84には、温度検出手段7、撮像手段6等からの検出信号が入力される。また、出力インターフェース85からは上記パルスモータ532(Mz)および上記パルスモータ372、パルスモータ382、パルスモータ432、レーザビーム照射手段52に制御信号を出力する。
図示の実施形態におけるレーザー加工装置は以上のように構成されており、以下図3に示す半導体ウエーハ10を加工する動作について説明する。
図3に示す半導体ウエーハ10は、表面に格子状に配列された複数のストリート101によって複数の領域が区画され、この区画された領域にIC、LSI等の回路102が形成されている。このように構成された半導体ウエーハ10は、チャックテーブル36上に裏面を上側にして載置され吸引手段保持される。半導体ウエーハ10を吸引保持したチャックテーブル36は、移動手段37の作動により案内レール31、31に沿って移動せしめられレーザー光線照射ユニット5に配設された撮像手段6の直下に位置付けられる。
チャックテーブル36が撮像手段6の直下に位置付けられると、撮像手段6および図示しない制御手段によってチャックテーブル36上に保持された半導体ウエーハ10に形成されているストリート101と、ストリート101に沿ってレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段52の集光器524との位置合わせを行うためのパターンマッチング等の画像処理が実行され、レーザー光線照射位置のアライメントが遂行される。このとき、半導体ウエーハ10のストリート101が形成されている表面は下側に位置しているが、撮像手段6が上述したように赤外線照明手段と赤外線を捕らえる光学系および赤外線に対応した電気信号を出力する撮像素子(赤外線CCD)等で構成された撮像手段を備えているので、裏面から透かしてストリート101を撮像することができる。
以上のようにしてチャックテーブル36上に保持された半導体ウエーハ10に形成されているストリート101を検出し、レーザー光線照射位置のアライメントが行われたならば、チャックテーブル36をレーザー光線を照射するレーザー光線照射ユニット5の集光器524が位置するレーザー光線照射領域に移動し、半導体ウエーハ10のストリート101に沿ってレーザー光線照射手段52の集光器524からレーザー光線を照射する。このとき、図4の(a)に示すようにレーザー光線は半導体ウエーハ10の裏面(上側の面)を通して内部即ち表面(下側の面)の近傍に集光点(P)を合わせて照射し、半導体ウエーハ10の内部にストリート101に沿って変質層を形成する。
ここで、上記レーザー加工における加工条件について説明する。
レーザー光線照射手段52の集光器43から半導体ウエーハ10の裏面側より所定のストリート101に向けてパルスレーザー光線を照射しながら、チャックテーブル3を矢印X(図1参照)で示す方向に所定の送り速度(例えば、100mm/秒)で移動せしめる。なお、照射するレーザー光線としては、例えば以下に示す赤外レーザー光線が用いられる。
光源 ;Nd:YVO4パルスレーザー
波長 ;1064nm
パルスエネルギー ;10μJ
繰り返し周波数 :100kHz
パルス幅 ;40ns
集光スポット径 ;φ1μm
集光点エネルギー密度;3.2×10E10W/cm
上述したレーザー加工時においては、レーザー光線を照射する組レンズから構成される集光レンズを収容した集光器524は熱をもちケース524aの温度が上昇する。ケース524aの温度が上昇すると、図4の(b)に示すように集光器524から照射されるレーザー光線の集光点位置(P)が半導体ウエーハ10の表面(下側の面)の近傍から下方にズレる。しかるに、図示の実施形態においては、温度検出手段7によって集光器524の温度を検出し、この温度検出手段7の検出信号に基づいて制御手段8が集光点位置調整手段53のパルスモータ532(Mz)を制御して集光器524から照射されるレーザー光線の集光点位置のズレを補正する。この補正制御を行うために制御手段8のリードオンリメモリ(ROM)82には、図6に示す制御マップが格納されている。この制御マップは、集光器524のケース524aの温度(T)と集光点位置(P)のズレの関係が設定されている。なお、図6に示す制御マップにおける集光器524のケース524aの温度(T)と集光点位置(P)との関係は、装着する集光器524について実験的に求められる。
次に、制御手段8の集光点位置のズレ補正制御について、図5に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図5に示すルーチンは、所定周期毎に繰り返し実行される。
制御手段8は、ステップS1において温度検出手段7によって検出された集光器524の温度(T)を読み込む。そして、制御手段8はステップS2に進んで、リードオンリメモリ(ROM)82に格納された図6に示す制御マップから温度検出手段7によって検出された温度(T)に対する集光点位置(Pa)を求める、この値(Pa)をランダムアクセスメモリ(RAM)83の第1の領域に一時格納する。次に、制御手段8はステップS3に進んで、第1の領域に一時格納された今回求められた集光点位置(Pa)と前回温度検出手段7によって検出された温度(T)に対する集光点位置(Pb)との集光点位置のズレ(Px)を求める(Px=Pa−Pb)。なお、前回温度検出手段7によって検出された温度(T)に対する集光点位置(Pb)は、ランダムアクセスメモリ(RAM)83の第2の領域に一時格納されており、この第2の領域には最初は集光点位置として零(0)即ち(P0)が格納されている。
上記ステップS3において今回求められた集光点位置(Pa)と前回温度検出手段7によって検出された温度(T)に対する集光点位置(Pb)との集光点位置のズレ(Px)を求めたならば、制御手段8はステップS4に進んで集光点位置のズレ(Px)を補正するために集光点位置調整手段53のパルスモータ532(Mz)を何パルス駆動する必要があるかを演算する。そして、制御手段8はステップS5に進んで、演算されたパルス数をパルスモータ532(Mz)に印加してパルスモータ532(Mz)を正転駆動する。次に、制御手段8はステップS6に進んで、ランダムアクセスメモリ(RAM)83の第1の領域に一時格納された今回求められた集光点位置(Pa)を前回求めた集光点位置(Pb)として第2の領域に格納し、第1の領域に一時格納されている今回求められた光点位置(Pa)をクリアする。
以上のように、図示の実施形態においては、温度検出手段7によって集光器524の温度を検出し、この温度検出手段7の検出信号に基づいて制御手段8が集光点位置調整手段53のパルスモータ532(Mz)を制御して集光器524から照射されるレーザー光線の集光点位置のズレを補正するので、レーザー加工を長時間継続することにより集光器524が熱をもちケース524aの温度が上昇しても、被加工物の所定位置に集光点位置が維持され、安定した高精度なレーザー加工を保証することができる。
本発明に従って構成されたレーザー加工装置の斜視図。 図1に示すレーザー加工装置に装備されるレーザ光線照射手段の構成を簡略に示すブロック図。 被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。 被加工物としての半導体ウエーハに照射されたレーザー光線の集光点位置を示す説明図。 図1に示すレーザー加工装置に装備される制御手段のリードオンリメモリ(ROM)82に格納される制御マップ。 図1に示すレーザー加工装置に装備される制御手段の動作手順を示すフローチャート。 レーザー加工装置の加工時間に対する集光点位置の変化を示すグラフ。
符号の説明
2:静止基台
3:チャックテーブル機構
36:チャックテーブル
4:レーザー光線照射ユニット支持機構
5:レーザー光線照射ユニット
51:ユニットホルダ
52:レーザー光線照射手段
53:集光点位置調整手段
524:集光器
524a:集光器のケース
6:撮像手段
7:温度検出手段
8:制御手段

Claims (2)

  1. 被加工物を保持する被加工物保持手段と、該被加工物保持手段に保持された被加工物にレーザー光線を照射する集光器を備えたレーザー光線照射手段と、該集光器によって照射されるレーザー光線の集光点位置を調整する集光点位置調整手段と、を具備するレーザー加工装置において、
    該集光器の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された該集光器の温度に基づいて該集光点位置調整手段を制御する制御手段と、を具備している、
    ことを特徴とするレーザー加工装置。
  2. 該制御手段は、該集光器の温度と集光点位置のズレの関係を設定した制御マップを記憶する記憶手段を具備しており、該温度検出手段によって検出された該集光器の温度に基づいて該制御マップから集光点位置のズレを求め、集光点位置のズレに対応して該集光点位置調整手段を制御する、請求項1記載のレーザー加工装置。
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