JP2006305608A - レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 Download PDF

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Abstract

【課題】生産性を低下させることなく、被加工物の加工状況を良好にモニタすることが可能であり、加工の制御性を高めることができる、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ発振器１１とビーム形状変換機構１２とを有するレーザ照射部１０と、レーザ照射部１０から出射された特定の波長のレーザによる被加工物２からの反射光を検出する光検出部４０と、光検出部４０の検出結果に基づきレーザ発振器１１とビーム形状変換機構１２との少なくとも一方を制御するレーザ制御部５０と、を具備し、光検出部４０は、特定の波長の光を選択的に検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関し、特に、被加工物の加工状態をリアルタイムでモニタしながら加工条件を制御する機構を具備するレーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。
従来、レーザ加工技術は、半導体装置を始めとする電子部品などに、孔開け、マーキング、スクライビング、トリミングなどの微細加工を施すために利用されたり、切断・溶接に利用されたりしている。半導体装置の製造プロセスにおいては、例えばリソグラフィー工程において、半導体基板上に既に形成されたパターンと露光するパターンとの位置を合わせるアライメントを行う前に、アライメントマーク上に形成された不透明膜にレーザを照射することで、選択的に該不透明膜を除去する手法が用いられている。しかし、この手法では、レーザ加工時に、除去対象となる不透明膜の下方に位置する膜にダメージが生じてしまい、デバイスの特性不良を引き起こす致命的欠陥が発生するという問題があった。
この問題を解決するために、被加工物の加工状態をリアルタイムでモニタして、加工孔が所望の深さまで到達したか否かを検知し、検知結果に基づき下地膜にダメージが生じないように加工条件を随時変化させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１に記載された提案によれば、被加工物にレーザを照射する照射光学系と同軸にＣＣＤカメラを有する観察光学系を設置して、被加工物の加工状態をＣＣＤカメラで撮像して画像信号として出力し、この画像信号に基づいて加工条件を変化させる。しかしながら、レーザ照射による被加工物からの反射、発光強度の変化が大きいため、ＣＣＤカメラで被加工物を撮像するための調光に時間を要する。調光している間にも被加工物のレーザ加工は進むため、調光中に加工孔が所望深さを超えてしまう。このため、調光中における、所望深さを超えた余分な加工量を少なく抑えるために、レーザ加工速度を遅くする必要があり、生産性が低下してしまうという問題があった。また、加工孔の深さが観察光学系の光路を遮る程度に深くなると、被加工物の画像が得られなくなり、加工状態がモニタ不可能になってしまうという問題もあった。
一方、特許文献２に記載された提案によれば、被加工物にレーザを照射する照射光学系と同軸にフォトダイオードを有する観察光学系を設置して、被加工物からの反射、発光光強度をフォトダイオードで検出し、この検出信号に基づいて加工条件を変化させる。しかしながら、被加工物からの反射光と共に、レーザ加工中に発生した高密度プラズマ（プルーム）からの発光光も検出するため、検出信号のノイズが大きくなってしまい、加工の制御性が低くなってしまうという問題があった。
特開２００４−１０６０４８号公報（第９−１２頁、第１図） 特開２００４−５２８９９１号公報（第１３頁、第７図）
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、生産性を低下させることなく、被加工物の加工状況を良好にモニタすることが可能であり、加工の制御性を高めることができる、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器とビーム形状変換機構とを有するレーザ照射部と、前記レーザ照射部から出射された特定の波長のレーザによる被加工物からの反射光の強度を検出する光検出部と、前記光検出部の検出結果に基づき、前記レーザ発振器と前記ビーム形状変換機構との少なくとも一方を制御するレーザ制御部と、を具備し、前記光検出部は、前記反射光から前記特定の波長の光の強度を選択的に検出することを特徴とする。
また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法は、被加工物に特定の波長のレーザを照射して前記被加工物を加工しつつ、前記被加工物からの反射光から前記特定の波長の光の強度を選択的に検出して、この検出結果に基づいて前記レーザを制御することを特徴とする。
生産性を低下させることなく、被加工物の加工状況を良好にモニタすることが可能であり、加工の制御性を高めることができる、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法を実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（本発明の実施の形態）
始めに、本発明の実施の形態に係わるレーザ加工装置１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わるレーザ加工装置１の構成を説明する概略図である。
図１に示すように、レーザ加工装置１は、被加工物２にレーザを照射するレーザ照射部としてのレーザ光学ユニット１０と、被加工物２を保持して位置決めを行うステージ２０と、被加工物２のアライメントを行うアライメントユニット３０と、被加工物２からの反射光を検出する光検出部４０と、光検出部４０からの検出信号に基づいて加工条件を制御するレーザ制御部５０とから構成される。
レーザ光学ユニット１０は、被加工物２を加工するためのレーザを出射するレーザ発振器１１と、レーザのビーム形状を成形するビーム形状変換機構１２と、レーザ発振器１１から出射されたレーザをステージ２０へと導くミラー１３と、ミラー１３により導かれたレーザを、ステージ２０上に設置された被加工物２の加工領域２ａへ集光する対物レンズ１４とから構成される。
レーザ発振器１１としては、例えばＱ−Ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザ発振器が使用される。このＱ−Ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザ発振器から発振されるレーザ光には、基本波（波長１０６４ｎｍ）、第２高調波（波長５３２ｎｍ）、第３高調波（波長３５５ｎｍ）を含む。これらの波長から、被加工物２に吸収される波長を選択し、出射することが可能である。
レーザ発振器１１から照射されたレーザは、ビーム形状変換機構１２、ミラー１３、対物レンズ１４を順次透過し、ステージ２０に設置された被加工物２の加工領域２ａに照射される。
ステージ２０は、粘着シート３を介して被加工物２を保持するものである。ステージ２０は、次の４つの方向に駆動させることが可能であり、後述するアライメントユニット３０によって決定されたグローバル座標を用い、具体的な座標を指定することで、レーザ光学ユニット１０から出射されるレーザの集光位置に、被加工物２の加工領域２aを位置合わせすることができる。ここで、ステージ２０が駆動可能な４つの方向とは、鉛直方向に直交する水平面内において互いに直交するｘ方向及びｙ方向、鉛直方向であるｚ方向、及び水平面内において、ステージ２０の中心部の鉛直方向を軸とした回転方向であるθ方向である。
アライメントユニット３０は、ステージ２０の位置を調整して、ステージ２０上に設置された被加工物２のグローバル座標を位置決めする機構であり、観察用光源３１、ノッチアライメント部３２、ラフアライメント部３３、ファインアライメント部３４、及びハーフトーンミラー３５，３６から構成される。
観察用光源３１は、図示しない通常の白色光光源を有しており、アライメント時に白色光を出射し、ステージ２０上に設置された被加工物２を照明する。ノッチアライメント部３２は、ステージ２０上に設置された被加工物２に形成されたノッチを基準にアライメントを行う機構であり、主にθ方向のアライメントを行う。ラフアライメント部３３は、被加工物２に形成されたアライメントマークを基準にアライメントを行う機構であり、主に、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の大まかなアライメントを行う。ファインアライメント部３４は、被加工物２に形成されたアライメントマークを基準にアライメントを行う機構であって、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向及びθ方向を微調整するアライメントを行う。ファインアライメント部３４は、具体的にはＣＣＤカメラで構成されており、観察用光源３１から出射された白色光による被加工物２からの反射光を撮像して得た、例えばアライメントマークの画像をもとに、ステージ２０位置の微調整を行う。ハーフトーンミラー３５は、レーザの光軸上に配置されており、被加工物２へ入射される光はすべて透過し、被加工物２から反射される光はすべて反射する性質を有するミラーである。ハーフトーンミラー３６は、レーザの光軸上に配置されており、レーザ発振器１１から出射されて被加工物２へ入射される光はすべて透過し、観察用光源３１から出射される白色光をすべて反射して被加工物２へ導光する性質を有するミラーである。尚、図１においては、ファインアライメント部３４はレーザの光路と同軸に配置されているが、ラフアライメント部３３のように、レーザの光路とは別軸になるように配置してもよい。
光検出部４０は、波長選択導光部としてのハーフトーンミラー４１と、被加工物２の加工領域２ａにおける反射光の強度を測定する光検出器４２とから構成される。ハーフトーンミラー４１は、加工領域２ａからの反射光から特定の波長の光を光検出器４２へ導くために設けられており、加工領域２ａからの反射光のうち、レーザの波長に対応した特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過させる性質を有するミラーである。例えば、レーザ発振器１１において波長３５５ｎｍのレーザが選択されて被加工物２へ照射される場合、ハーフトーンミラー４１は、ＤＵＶ光のみを選択的に反射する性質を有するミラーを用いる。光検出器４２は、ハーフトーンミラー４１によって導かれた、被加工物２の加工領域２ａにおけるレーザ反射光の強度を測定し、得られた結果を検出信号としてレーザ制御部５０へ出力する。尚、ハーフトーンミラー４１と光検出器４２との間に、特定波長以下の光をカットするカットオフフィルターを設置してもよい。例えば、レーザ発振器１１において波長３５５ｎｍのレーザが選択され、ＤＵＶ光のみを選択的に反射するハーフトーンミラー４１を用いた場合、ＤＵＶ光以外の短波長の光をカットするカットオフフィルターを設置してもよい。
レーザ制御部５０は、光検出器４２から出力される検出信号であるレーザ反射光の強度を基に、反射率に相当する、反射光の強度を入射光の強度で除して規格化したもの（以下、本明細書中では、反射光規格化強度と記す。）や、反射光規格化強度の平均値、反射光規格化強度の分散、などの制御パラメータを算出し、これらの制御パラメータを用いた所定のトリガー条件を満足した場合に、加工領域２ａへ照射するレーザ照射条件（レーザの波長、エネルギー、形状、及びビーム径など）を制御する。レーザ制御部５０には、被加工物２の層構造などに応じて、制御パラメータ、トリガー条件、レーザ照射条件といった各種制御条件が予め設定されている。
次に、上述したレーザ加工装置１を用いたレーザ加工方法について説明する。本実施の形態においては、例えばＣＯＣ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｃｈｉｐ）構造の半導体装置を作製する場合について説明する。ＣＯＣ構造の半導体装置とは、半導体装置の小型化を図るために、複数の半導体チップを積層配置して構成された半導体装置である。ＣＯＣ構造の半導体装置では、例えば、半導体チップを貫通するように第１の貫通孔を設け、この貫通孔内に絶縁性の樹脂を充填した後、この樹脂の中央部分に第２の貫通孔を設け、この第２の貫通孔の内側にメッキにより導電体を被着して半導体チップの表裏面間を電気的に接続する接続プラグを構成し、この接続プラグによって他の半導体チップと電気的に接続して、半導体チップを積層配置している。ここでは、例えば半導体チップを貫通するように、レーザ加工によって第１の貫通孔を形成する方法について説明する。
本実施の形態において、半導体チップに第１の貫通孔が形成される加工領域２ａは、例えば図３（ａ）に示すように、薄膜シリコン基板１００上に、ポーラス酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０１、炭化シリコン（ＳｉＣ）層１０２、有機酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０３、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）層１０４、及び第１の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０５が積層されて構成される絶縁膜層１０６と、アルミニウムを材料とするアルミ電極パッド１０７と、第２の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０８と、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層１０９とが順に堆積されており、第２の酸化シリコン層１０８及び窒化シリコン層１０９の一部を選択的に除去して形成した開口部から、アルミ電極パッド１０７が露出している層構造であるものとする。図３は、加工領域２ａの構造を説明する断面図である。
本実施の形態におけるレーザ加工方法を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態に係わるレーザ加工方法のフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、レーザ制御部５０に、各種制御条件を設定する。制御条件は、例えば、被加工物２と同じ構造のサンプルを事前に加工し、その際の検出信号に基づいて設定してもよいし、レーザ加工装置１に記憶させている、以前の加工データに基づいて設定してもよい。本実施の形態においては、前者の方法を用いて制御条件を設定する場合について説明する。
まず、制御条件のうち、レーザ照射条件の設定方法について説明する。図３（ａ）に示す構造を有する被加工物２を加工する場合、アルミ電極パッド１０７と、絶縁膜層１０６と、薄膜シリコン基板１００とで異なるレーザ照射条件を設定し、薄膜シリコン基板１００をレーザ加工孔１１０が貫通して粘着シート３に達したところで加工を終了する必要がある。アルミ電極パッド１０７は機械的強度が強いため、レーザのエネルギーを１．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）〜５．０Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）と、高いエネルギーで短時間に加工することが望ましい。これに対し、絶縁膜層１０６は機械的強度が弱いために、クラック等を発生させないよう形状よく加工するためには、レーザのエネルギーを０．４Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）〜１．０Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）程度に低下させる必要がある。最下層の薄膜シリコン基板１００は、絶縁膜層１０６と同じ程度の弱いエネルギーでは表面が溶融するだけで加工孔１１０が形成されないため、アルミ電極パッド１０７と同程度の高いエネルギーで加工する必要がある。
そこで、本実施の形態においては、レーザの照射エネルギーを、アルミ電極パッド１０７では３Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）、絶縁膜層１０６では０．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）、薄膜シリコン基板１００では２Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）、と設定した。また、レーザの波長は、アルミ電極パッド１０７、絶縁膜層１０６、薄膜シリコン基板１００ともに、第３高調波（波長３５５ｎｍ）を用い、レーザの照射形状とビーム径とは、一定の形状及びビーム径で全ての層を加工するように設定した。
次に、本実施の形態における、制御パラメータ、トリガー条件の設定方法について、図４を用いて説明する。図４は、被加工物２をレーザ加工した際の、光検出器４２におけるレーザ反射光強度の測定結果である。図４に示す測定結果では、サンプルへのレーザの照射パルス数に対して、レーザ反射光の強度をレーザ入射光の強度で除して規格化したもの、すなわち反射率に相当する値をプロットしている。
まず、アルミ電極パッド１０７の加工が行われるが、アルミ電極パッド１０７の材料であるアルミは金属であるため、レーザの反射光規格化強度は高い値となる（図４のプロット１１１参照）。アルミ電極パッド１０７をレーザ加工孔１１０が貫通すると、加工領域２ａの断面は図３（ｂ）に示す状態になり、加工孔１１０底部に絶縁膜層１０６が露出する。絶縁膜層１０６では、レーザの反射光規格化強度は、アルミ電極パッド１０７での反射光規格化強度に比べて低い値となる。また、絶縁膜層１０６は、上述のように、ポーラス酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０１、炭化シリコン（ＳｉＣ）層１０２、有機酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０３、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）層１０４、及び第１の酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１０５の５つの層から形成されているが、これらの層１０１〜１０５の光吸収係数は小さい値である。従って、レーザが絶縁膜層１０６に入射されると、膜中で多重散乱を起こすため、レーザの反射光規格化強度の変動が大きくなる（図４のプロット１１２参照）。
絶縁膜層１０６をレーザ加工孔１１０が貫通すると、加工領域２ａの断面は図３（ｃ）に示す状態になり、加工孔１１０底部に薄膜シリコン基板１００が露出する。薄膜シリコン基板１００では、レーザの多重散乱が起こらないため、レーザの反射光規格化強度の変動は小さくなり、ほぼ一定の値を示す。ただし、レーザ加工孔１１０の深度が深くなると、加工孔１１０内でレーザの散乱が増大するために、検出されるレーザ反射光の強度は少しずつ低下していき、これに伴って反射光規格化強度も低下していく（図４のプロット１１３参照）。薄膜シリコン基板１００をレーザ加工孔１１０が貫通すると、加工領域２ａの断面は図３（ｄ）に示す状態になり、加工孔１１０底部に下地の粘着シート３が露出する。ここで、粘着シート３は樹脂製であり、樹脂はシリコンに比べてレーザの反射率が低いため、検出される反射光規格化強度は急激に低下する（図４のプロット１１４参照）。
そこで、本実施の形態においては、レーザがアルミ電極パッド１０７を貫通して絶縁膜層１０６に達したことを検出するための第１の制御パラメータＰ１を反射光規格化強度の値とし、トリガー条件Ｔ１を、第１の制御パラメータＰ１がＲａ以下であることと設定した。また、絶縁膜層１０６を貫通して薄膜シリコン基板１００に達したことを検出するための第２の制御パラメータＰ２を反射光規格化強度の変動とし、トリガー条件Ｔ２を、第２の制御パラメータＰ２の値がＲｂ以下であることと設定した。更に、薄膜シリコン基板１００を貫通して粘着シート３に達したことを検出するための第３の制御パラメータＰ３を反射光規格化強度の値とし、トリガー条件Ｔ３を、第３の制御パラメータＰ３の値がＲｃ以下であることと設定した。尚、Ｒａ〜Ｒｃの値は、図４に示す検出結果から具体的に算出される。
上述のように、レーザ制御部５０に制御条件が設定されると、ステップＳ２において、ステージ２０に粘着シート３を介して被加工物２を設置する。次に、ステップＳ３において、アライメントユニット３０によって、被加工物２のグローバルアライメントを行い、グローバル座標を設定する。続いて、ステップＳ４において、被加工物２の加工領域２ａがレーザの照射位置に配置されるように、ステージ２０を移動させる。
次に、ステップＳ５において、レーザ発振器１１からレーザを出射し、アルミ電極パッド１０７を加工する。このとき、レーザ発振器１１及びビーム形状変換機構１２は、ステップＳ１で設定された制御条件、すなわち、第３高調波（波長３５５ｎｍ）のレーザが、所定のビーム形状、及びビーム径で、３Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）のエネルギーで加工領域２ａに照射されるように、レーザ制御部５０によって制御される。
アルミ電極パッド１０７加工中、光検出器４２は、加工領域２ａからのレーザ反射光の強度を常に測定しており、得られた結果を検出信号としてレーザ制御部５０へ出力している。レーザ制御部５０は、検出信号を基に、ステップＳ１で設定された第１の制御パラメータＰ１である反射光規格化強度の値を算出し、トリガー条件Ｔ１が満たされるか否かを常にモニタしている（ステップＳ６）。ステップＳ６において、トリガー条件Ｔ１が満たされていない、すなわち、反射光規格化強度の値がＲａより大きい場合、レーザ加工孔１１０はアルミ電極パッド１０７を貫通しておらず、絶縁膜層１０６まで達していないと判定し、制御条件は変更せずに、ステップＳ５におけるアルミ電極パッド１０７の加工を継続する。
一方、ステップＳ６において、トリガー条件Ｔ１が満たされている、すなわち、反射光規格化強度の値がＲａ以下の場合、レーザ加工孔１１０はアルミ電極パッド１０７を貫通し、絶縁膜層１０６まで到達したと判定し、ステップＳ７に進んで制御条件を変更する。尚、本実施の形態においては、ステップＳ６における判定処理は、レーザが１パルス照射される都度行われる。例えば、アルミ電極パッド１０７の膜厚が１〜１．５μｍである場合、レーザが２〜３パルス照射されると、加工孔１１０がアルミ電極パッド１０７を貫通し、絶縁膜層１０６に到達する。
ステップＳ７において、ステップＳ１で設定された制御条件に従い、０．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）のエネルギーでレーザが加工領域２ａに照射されるように、レーザ制御部５０からレーザ発振器１１へ制御信号が出力される。レーザ発振器１１は出射しているレーザのエネルギーを、それまでの３Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）から０．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）に変更し、絶縁膜層１０６を加工する。
絶縁膜層１０６加工中も、光検出器４２は、加工領域２ａからのレーザ反射光の強度を常に測定しており、得られた結果を検出信号としてレーザ制御部５０へ出力している。レーザ制御部５０は、検出信号を基に、ステップＳ１で設定された第２の制御パラメータＰ２である反射光規格化強度の分散の値を算出し、トリガー条件Ｔ２が満たされるか否かを常にモニタしている（ステップＳ８）。ステップＳ８において、トリガー条件Ｔ２が満たされていない、すなわち、反射光規格化強度の分散の値がＲｂより大きい場合、レーザ加工孔１１０は絶縁膜層１０６を貫通しておらず、薄膜シリコン基板１００まで達していないと判定し、制御条件は変更せずに、ステップＳ７における絶縁膜層１０６の加工を継続する。
一方、ステップＳ８において、トリガー条件Ｔ２が満たされている、すなわち、反射光規格化強度の分散の値がＲｂ以下の場合、レーザ加工孔１１０は絶縁膜層１０６を貫通し、薄膜シリコン基板１００まで到達したと判定し、ステップＳ９に進んで制御条件を変更する。尚、ステップＳ６の判定処理と同様に、ステップＳ８における判定処理も、レーザが１パルス照射される都度行われる。
ステップＳ９において、ステップＳ１で設定された制御条件に従い、２Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）のエネルギーでレーザが加工領域２ａに照射されるように、レーザ制御部５０からレーザ発振器１１へ制御信号が出力される。レーザ発振器１１は出射しているレーザのエネルギーを、それまでの０．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）から２Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）に変更し、薄膜シリコン基板１００を加工する。
薄膜シリコン基板１００加工中も、光検出器４２は、加工領域２ａからのレーザ反射光の強度を常に測定しており、得られた結果を検出信号としてレーザ制御部５０へ出力している。レーザ制御部５０は、検出信号を基に、ステップＳ１で設定された第３の制御パラメータＰ３である反射光規格化強度の値を算出し、トリガー条件Ｔ３が満たされるか否かを常にモニタしている（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において、トリガー条件Ｔ３が満たされていない、すなわち、反射光規格化強度の値がＲｃより大きい場合、レーザ加工孔１１０は薄膜シリコン基板１００を貫通しておらず、粘着シート３まで達していないと判定し、制御条件は変更せずに、ステップＳ９における薄膜シリコン基板１００の加工を継続する。
一方、ステップＳ１０において、トリガー条件Ｔ３が満たされている、すなわち、反射光規格化強度の値がＲｃ以下の場合、レーザ加工孔１１０は薄膜シリコン基板１００を貫通し、粘着シート３まで到達したと判定し、ステップＳ１１に進んで制御条件を変更する。尚、ステップＳ１０の判定処理も、ステップＳ６，Ｓ８における判定処理と同様に、レーザが１パルス照射される都度行われる。
ステップＳ１１において、レーザ制御部５０はレーザ発振器１１に対し、レーザのエネルギーを０Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）にする、すなわち、レーザ照射を停止する旨の制御信号を出力する。レーザ発振器１１は、レーザ制御部５０から受信した制御信号に従い、レーザ照射を停止して、被加工物２のレーザ加工を終了する。
このように、本実施の形態においては、照射されるレーザの波長に対応した、被加工物からの特定の波長のレーザ反射光の強度を光検出部４０が検出することで、被加工物の加工状況を良好にモニタすることができる。また、特定の波長のレーザ反射光の強度の変化に応じて、レーザの照射条件を即時かつ適切に制御することで、加工速度を低下させることなく、また、下地の粘着テープ３をほとんど加工せずに、被加工物２のみに貫通孔１１０を開けることができ、生産性を低下させることなく加工の制御性を高めることができる。
尚、本発明のレーザ加工装置、及びレーザ加工方法は、図３に示すような積層構造を有する、半導体デバイスが形成されている薄膜シリコン基板１００に貫通孔を開ける場合だけでなく、様々な構造を有する被加工物にレーザ加工孔を形成する場合に適用することができる。例えばＣＯＣ構造の半導体装置を作製するために、上述のようにして形成された貫通孔内に絶縁性の樹脂を充填した後、この樹脂の中央部分に第２の貫通孔を設ける場合にも適用することができる。
この場合における、被加工物２’の加工領域２a’の構造を、図５（ａ）に示す。図５は、本発明の別の実施の形態における、加工領域２ａ’の構造を説明する断面図である。加工領域２ａ’は、図３（ｄ）に示すレーザ加工孔１１０の内部に、例えばポリイミドなどの樹脂１３１が充填された構造を有する。
図５（ａ）に示す構造の被加工物２’に関するレーザ加工方法を、図６を用いて説明する。図６は、本発明の別の実施の形態に係わるレーザ加工方法のフローチャートである。
まず、ステップＳ２１において、図２のステップＳ１と同様の方法によって、レーザ制御部５０に各種制御条件を設定する。まず、レーザ照射条件について説明する。一般的に、埋め込まれた樹脂をレーザ加工する際のエネルギーは、０．４Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）〜１．０Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）が用いられる。そこで、本実施の形態においては、レーザの照射エネルギーを０．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）と設定した。また、レーザの波長は第３高調波（波長３５５ｎｍ）を設定し、レーザの照射形状には、図３（ｄ）の示すレーザ加工孔１１０と同じ形状を、ビーム径には、図３（ｄ）に示すレーザ加工孔１１０の径よりも小さい径を設定した。
次に、制御パラメータ、トリガー条件について、図７を用いて説明する。図７は、被加工物２’をレーザ加工した際の、光検出器４２におけるレーザ反射光強度の測定結果である。樹脂１３１の加工中は、レーザの反射率は低い値を示している。ただし、加工孔１３２の加工深さが深くなるに従って、加工孔１３２内部での反射光の散乱が増加するために、反射光の検出強度が低下する。これに伴って、反射光規格化強度も僅かに低下していく（図７のプロット１４１参照）。樹脂１３１をレーザ加工孔１３２が貫通すると、加工孔１３２底部に粘着シート３が露出する。粘着シート３は樹脂１３１と同様に樹脂製であるために、両者の材料の光学定数の相違分だけ、反射光規格化強度が僅かに変化する（図７のプロット１４２参照）。
ところが、樹脂１３１と粘着シート３との反射光規格化強度の差よりも、樹脂１３１及び粘着シート３における反射光規格化強度のばらつきのほうが大きいため、反射光規格化強度の値を制御パラメータとすることが難しい。また、反射光規格化強度の分散などの、その他の制御パラメータ候補項目も、樹脂１３１と粘着シート３との間で差が小さいために、制御パラメータとすることが難しい。従って、加工孔１３２底部が粘着シート３に到達したことを検出するためのトリガー条件を設定することが難しく、粘着シート３も樹脂１３１と同様のレーザ照射条件で加工し続けることになる。粘着シート３を加工することにより樹脂の加工屑が発生し、加工屑が加工孔１３２の壁面に付着する可能性がある。しかし、加工孔１３２の壁面も加工屑と同じ材質（樹脂）であるため、加工屑によってデバイスの特性不良などが直接的に引き起こされる可能性はほとんどない。
粘着シート３をレーザで加工していくと、加工領域２ａ’の断面は図５（ｂ）に示す状態になり、加工孔１３２底部はテーブル２０の表面に近づいていく。ここで、テーブル２０は金属製であり、金属は樹脂に比べてレーザの反射率が高いため、加工孔１３２底部がテーブル２０に近づくにつれて、テーブル２０からの反射の影響を受け、検出される反射光規格化強度は急激に上昇する（図７のプロット１４３参照）。そこで、反射光規格化強度の値を制御パラメータＰ１’とし、トリガー条件Ｔ１’として制御パラメータＰ１’の値がＲａ’以上であることと設定した。これにより、粘着シート３の加工を必要最小限にとどめ、少なくとも加工孔１３２がテーブル２０に到達する前にレーザ加工を終了することができる。
上述のように、レーザ制御部５０に制御条件が設定されると、ステップＳ２２〜ステップＳ２４において、図２のステップＳ２〜ステップＳ４と同様の処理が行われ、被加工物２’がレーザ加工可能な状態にスタンバイされる。
次に、ステップＳ２５において、レーザ発振器１１からレーザを出射し、樹脂１３１を加工する。このとき、レーザ発振器１１及びビーム形状変換機構１２は、ステップＳ２１で設定された制御条件、すなわち、第３高調波（波長３５５ｎｍ）のレーザが、所定のビーム形状、及びビーム径で、０．５Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）のエネルギーで加工領域２ａ’に照射されるように、レーザ制御部５０によって制御される。
加工中、光検出器４２は、加工領域２ａ’からのレーザ反射光の強度を常に測定しており、得られた結果を検出信号としてレーザ制御部５０へ出力している。レーザ制御部５０は、検出信号を基に、ステップＳ２１で設定された制御パラメータＰ１’である反射光規格化強度の値を算出し、トリガー条件Ｔ１’が満たされるか否かを常にモニタしている（ステップＳ２６）。ステップＳ２６において、トリガー条件Ｔ１’が満たされていない、すなわち、反射光規格化強度の値がＲａ’より小さい場合、レーザ加工孔１３２は樹脂１３１を貫通していない可能性があると判定し、制御条件は変更せずに、ステップＳ２５において加工を継続する。
一方、ステップＳ２６において、トリガー条件Ｔ１’が満たされている、すなわち、反射光規格化強度の値がＲａ’以上の場合、レーザ加工孔１３２は樹脂１３１を貫通したと判定し、ステップＳ２７に進んで制御条件を変更する。尚、ステップＳ２６の判定処理は、レーザが１パルス照射される都度行われる。ステップＳ２７において、レーザ制御部５０はレーザ発振器１１に対し、レーザのエネルギーを０Ｊ／（ｃｍ２・ｐｕｌｓｅ）にする、すなわち、レーザ照射を停止する旨の制御信号を出力する。レーザ発振器１１は、レーザ制御部５０から受信した制御信号に従い、レーザ照射を停止して、被加工物２’のレーザ加工を終了する。
このように、下地の粘着テープ３と同じ材質である樹脂を加工する場合においても、特定の波長のレーザ反射光の強度の変化に応じて、レーザの照射条件を即時かつ適切に制御することで、粘着シート３が加工されることを最小限にとどめ、少なくともステージ２０は加工せずに被加工物２’に加工孔１３２を開けることができ、生産性を低下させることなく加工の制御性を高めることができる。
以上のように、上述した実施の形態では、例えばＣＯＣ構造の半導体装置を作製するために、貫通孔を加工する場合を例にとって説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
例えば、複数の半導体チップが搭載された半導体基板を、レーザを用いてダイシングし、個々の半導体チップに分断する場合にも適用可能である。この場合、レーザの照射位置を少しずつずらしながら、半導体基板上における加工経路（ダイシングライン）に沿ってレーザを走査させる。通常は、加工経路に沿ってレーザを１回走査させただけでは、半導体基板は分断されないため、加工経路上をレーザを複数回走査させ、半導体基板が分断されてレーザが下地の粘着テープなどに到達したところでレーザを停止させる必要がある。そこで、例えば、加工経路を１回走査する間の反射光規格化強度の平均値が、所定の値以下の場合にレーザを停止させるなど、前もって決定された制御条件をレーザ制御部５０に設定してから加工を行うことで、生産性を低下させることなく加工の制御性を高めることができる。さらにこのとき、加工経路に沿って形成される溝が半導体基板の絶縁膜層などを貫通しシリコン基板に到達したことがモニタされた時点で、レーザのレーザ径がより小さくされるような制御条件を設定して加工を行ってもよい。
また、適切なレーザ照射エネルギーが未知の層を加工する場合にも、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法を適用することができる。絶縁膜層など機械的強度が弱い層に対し、適切なエネルギーを超えたエネルギーでレーザを照射すると、膜中にクラックが発生して加工形状が悪くなったり、特性不良を引き起こしたりする可能性がある。そこで、例えば、レーザ照射エネルギーの初期条件を低い値に設定し、また、一定時間の間反射光規格化強度が変化しない場合に、レーザの照射エネルギーを所定の値だけ増加させる旨の制御条件を、レーザ制御部５０に設定して加工を行うことで、適切なレーザ照射エネルギーで加工することが可能となり、生産性を低下させることなく加工の制御性を高めることができる。
本発明の実施の形態に係わるレーザ加工装置１の構造を説明する概略図。 本発明の実施の形態に係わるレーザ加工方法のフローチャート。 加工領域２ａの構造を説明する断面図。 被加工物２をレーザ加工した際の、光検出器４２におけるレーザ反射光強度の測定結果。 加工領域２ａ’の構造を説明する断面図 本発明の別の実施の形態に係わるレーザ加工方法のフローチャート。 被加工物２’をレーザ加工した際の、光検出器４２におけるレーザ反射光強度の測定結果。
符号の説明
１…レーザ加工装置、２…被加工物、１０…レーザ光学ユニット、１１…レーザ発振器、１２…ビーム形状変換機構、４１…ハーフトーンミラー、４２…光検出器、５０…レーザ制御部

Claims (5)

  1. レーザ発振器とビーム形状変換機構とを有するレーザ照射部と、
    前記レーザ照射部から出射された特定の波長のレーザによる被加工物からの反射光の強度を検出する光検出部と、
    前記光検出部の検出結果に基づき、前記レーザ発振器と前記ビーム形状変換機構との少なくとも一方を制御するレーザ制御部と、
    を具備し、前記光検出部は、前記反射光から前記特定の波長の光の強度を選択的に検出することを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 前記レーザ制御部が、前記光検出部から出力される検出信号に従って、前記レーザ発振器から出射される前記レーザのエネルギー、及び／又は、前記ビーム形状変換機構によって形成される前記レーザのビーム形状を制御することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 前記光検出部は、前記特定の波長の光の強度を測定する光検出器と、前記被加工物と前記光検出器との間に設けられ、前記特定の波長の光を選択的に前記光検出器へ導光する波長選択導光部とを有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
  4. 被加工物に特定の波長のレーザを照射して前記被加工物を加工しつつ、前記被加工物からの反射光から前記特定の波長の光の強度を選択的に検出して、この検出結果に基づいて前記レーザを制御することを特徴とするレーザ加工方法。
  5. 前記検出結果に基づいて、前記レーザのエネルギー、及び／又は、前記レーザのビーム形状を制御することを特徴とする、請求項４に記載のレーザ加工方法。
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