JP2007054866A - ハイブリッドレーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【解決手段】 被加工物２を保持する加工テーブル３をチャンバ４内に気密を保持した状態で収容し、このチャンバ４の上面に液柱Ｗを噴射すると共に当該液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光する加工ヘッド９を固定する。
上記チャンバ４には油回転ポンプ１１と拡散ポンプ１２とを並列に設けた排気手段５が接続されており、油回転ポンプ１１を作動させた後に拡散ポンプ１２を作動させることで、チャンバ４内を真空状態とする。
チャンバ４内を真空状態とすることで、加工ヘッド９より噴射される液柱Ｗの周囲に気流が発生しなくなり、当該気流の乱れによる液柱Ｗの乱れを抑えることができる。
【効果】 径の細い液柱を安定した状態で噴射することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明はハイブリッドレーザ加工装置に関し、詳しくは液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、上記液柱にレーザ光を導光するハイブリッドレーザ加工装置に関する。
従来、噴射孔を有する加工ヘッドと、当該加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器とを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置が知られている。（特許文献１）
そしてこのようなハイブリッドレーザ加工装置において、液柱内のレーザ光を被加工物まで導光するためには、噴射した液柱を拡散させずに安定した状態のまま被加工物に到達させる必要があり、一方噴射する液柱の径は、歩留まり向上等の観点から極力細いものが求められている。
特表平１０−５００９０３号公報
ここで、上記液柱はその径を細くすればするほど、液柱の周囲に発生する気流により液柱が乱されてしまい、液柱が拡散せずに安定した状態を保つことのできる長さが短くなる。そのため、液柱の径を所望の径まで細くすることができないといった問題がある。
このような問題に鑑み、本発明は液柱の径を細くすることの可能なハイブリッドレーザ加工装置を提供するものである。
すなわち、本発明におけるハイブリッドレーザ加工装置は、噴射孔を有する加工ヘッドと、当該加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器とを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、
少なくとも加工ヘッドと被加工物との間に形成される空間を密閉するチャンバと、当該チャンバ内を真空状態にする排気手段とを備えることを特徴としている。
本発明によれば、排気手段によってチャンバ内を真空状態とすることができるため、噴射された液柱の周囲に気流が発生せず、この気流によって液柱が乱れてしまうことがなくなることから、径の細い液柱であっても安定した状態を長く保つことが可能となる。
以下図示実施例について説明すると、図１は本発明にかかるハイブリッドレーザ加工装置１を示し、液体としての水を噴射して形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物２を所要形状に切断加工する装置となっている。
このハイブリッドレーザ加工装置１は、上記被加工物２を保持する加工テーブル３と、当該加工テーブル３を収容するチャンバ４と、上記チャンバ４内を真空状態にする排気手段５と、チャンバ内の水を排水する排液手段６と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器７と、高圧水を供給する液体供給手段８と、被加工物２に向けて水を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド９とを備えており、これらは図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
本実施例では上記被加工物２として板厚の薄い半導体ウエハを切断加工するようになっており、この他にもエポキシ樹脂板や樹脂と金属からなる複合材料なども切断加工することができる。また、切断加工や穴明け加工のほかにも、被加工物２の表面に対して溝加工を行うことも可能である。
上記加工テーブル３は被加工物２を水平方向および鉛直方向に移動可能に保持するようになっており、被加工物２を水平なＸ軸方向に移動させるＸ軸テーブル３Ａと、Ｘ軸テーブル３Ａの下段に設けられ、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に移動するＹ軸テーブル３Ｂと、これらＸ軸、Ｙ軸テーブル３Ａ，３Ｂを鉛直方向に移動させるＺ軸テーブル３Ｃとを備えている。
ここで、上記被加工物２としての半導体ウエハを切断する場合、半導体ウエハはレーザ光Ｌおよび液体を透過する粘着シート２Ｂ上に貼りつけられ、この粘着シート２Ｂはウエハリング２Ａに張設されている。
そして、このウエハリング２Ａを加工テーブル３上面に設けられたウエハリング支持部３Ａａに固定することで、半導体ウエハを加工テーブル３にセットするようになっており、半導体ウエハはウエハリング２Ａとともに加工テーブル３に対して搬出入されるようになっている。
このような加工テーブル３は従来公知であるので詳細な説明は省略し、またこの加工テーブル３に、加工ヘッド９と被加工物２との相対角度を変化させる角度調節機構を設けてもよい。
上記チャンバ４は外部空間に対して気密を保つような密閉空間を形成し、その内部に上記加工テーブル３を収容するようになっている。またこのチャンバ４には上記加工テーブル３に被加工物２をセットするための図示しない作業扉が設けられている。
さらに、チャンバ４の上面には上記排気手段５の接続される排気孔４ａが、上記加工ヘッド９の固定される位置には上記液柱Ｗを通過させるための貫通孔４ｂが、チャンバ４の下方には上記排液手段６の接続される２つの排水孔４ｃがそれぞれ穿設されている。
上記排気手段５は、真空ポンプとしての油回転ポンプ１１および拡散ポンプ１２を並列に設けた構成を有し、これら油回転ポンプ１１および拡散ポンプ１２は、途中で分岐する導管１３により、上記チャンバ４に設けられた排気孔４ａに接続されている。
これら油回転ポンプ１１および拡散ポンプ１２はそれぞれ制御手段によって制御され、また各ポンプ１１，１２ごとに、制御手段によって制御される第１、第２電磁弁１４，１５が設けられている。
そして本実施例では最初に油回転ポンプ１１を作動させてチャンバ４内をある程度の真空状態とし、続いて拡散ポンプ１２を作動させてチャンバ４内をさらに高度な真空状態とするようになっている。
なお、これら油回転ポンプ１１および拡散ポンプ１２はそれぞれ従来公知であるので、その構成についての詳細な説明は省略するが、上記油回転ポンプ１１は排気する気体に含まれる水分量が多くても使用可能であり、拡散ポンプ１２は油回転ポンプ１１によってある程度の真空状態となったチャンバ４内をさらに高度の真空状態とするのに好適なポンプとなっている。
また、上記拡散ポンプ１２に代えてターボ分子ポンプやイオンポンプなどの真空ポンプも利用可能である。
上記排液手段６は、上記液柱Ｗの噴射される位置に設けられたキャッチャ２１と、チャンバ４の底部に配設された排水管２２と、チャンバ４の外部に設けられた排水ポンプ２３とを備え、上記キャッチャ２１および排水管２２は上記チャンバ４に形成された排水孔４ｃを介して導管２４により排水ポンプ２３に接続されている。
上記キャッチャ２１は被加工物２および粘着シート２Ｂの下方に設けられ、液柱Ｗの噴射される位置から移動しないよう、加工テーブル３に対して相対移動可能に設けられており、被加工物２および粘着シート２Ｂを通過した水を受けるようになっている。
上記排水管２２は、被加工物２の表面で跳ね返るなどしてチャンバ４の底部に溜まった水を吸引するため、その先端をチャンバ４の底面に位置させている。
上記排水ポンプ２３は上記制御手段によって制御されるようになっており、この排水ポンプ２３を作動させることで、上記キャッチャ２１や排水管２２を介してチャンバ４内の水を強制的に排水し、チャンバ４内の水分量を極力低下させるようにしている。
上記レーザ発振器７はＹＡＧレーザ発振器であり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期等の加工条件を適宜調整できるようになっている。
レーザ発振器７と加工ヘッド９との間には、レーザ光Ｌを遮断するシャッタ手段３１と、レーザ光Ｌを加工ヘッド９に向けて反射させる反射ミラー３２と、照射されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ３３とが設けられている。
上記シャッタ手段３１は上記制御手段によって制御され、図示しない駆動手段によりレーザ光Ｌの光路上と光路外とを往復動する反射ミラー３１ａと、当該反射ミラー３１ａによって反射したレーザ光Ｌのエネルギーを吸収するダンパ３１ｂとを備えている。
上記反射ミラー３１ａをレーザ光Ｌの光路上に位置させると、レーザ光Ｌは当該反射ミラー３１ａに反射し、当該レーザ光Ｌのエネルギーが上記ダンパ３１ｂに吸収される。
一方、反射ミラー３１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させると、レーザ光Ｌは上記反射ミラー３２で反射した後、集光レンズ３３を介して上記加工ヘッド９へと照射される。
なお、レーザ発振器７としてこの他にも半導体レーザやＣＯ２レーザ発振器等を用いることも可能であるが、ＣＯ２レーザ発振器のように発振されるレーザ光Ｌが水に吸収されやすい波長である場合には、加工ヘッド９より噴射される液体をレーザ光Ｌが吸収されにくい液体にすればよい。
液体供給手段８は、水を貯溜する貯水タンク４１と、貯水タンク４１に貯溜された水を加工ヘッド９に向けて高圧で送液する送液ポンプ４２とを備え、これらは導管４３によって相互に接続されている。
上記貯水タンク４１は給水源４４に接続されており、給水源４４と貯水タンク４１とを接続する導管４３には、給水源４４からの水の供給を制御する開閉弁４５と、給水源４４から供給される水に含有される異物を除去する余水フィルタ４６とを備えている。
上記送液ポンプ４２と加工ヘッド９との間には、上流側の送液ポンプ４２側から順に、送液ポンプ４２への水の逆流を防止する逆止弁４７、上記制御手段によって開閉が制御される第３電磁弁４８、送液される水の脈動を防止し、加工ヘッド９内に高圧の水を供給するアキュムレータ４９、水内の異物を除去するフィルタ５０が設けられている。
また、給水源４４から貯水タンク４１までの導管４３と、送液ポンプ４２から加工ヘッド９までの導管４３とは、平行する２本の導管４３によって接続されており、一方の導管４３には第４電磁弁５１が、他方の導管４３には圧力調整弁５２が設けられている。
上記第４電磁弁５１はハイブリッドレーザ加工装置１を停止させる際などに、送液ポンプ４２からの水を貯水タンク４１に戻すために使用され、また圧力調整弁５２は送液ポンプ４２から加工ヘッド９までの導管４３内部の圧力を一定に保つために設けられている。
加工ヘッド９は、図２に示すように上記チャンバ４の上面に固定されたハウジング６１と、チャンバ４の上面とハウジング６１との間で挟持された噴射ノズル６２と、噴射ノズル６２と上記集光レンズ３３との間に設けられた透明なガラス板６３とを備えている。
上記ハウジング６１の側面には、上記ガラス板６３および噴射ノズル６２との間に形成された液体通路６４に連通すると共に、上記導管４３に接続される接続口６１ａが設けられており、上記液体供給手段８から供給された水は接続口６１ａから液体通路６４内に流入した後、上記噴射ノズル６２から液柱Ｗとなって噴射されることとなる。
上記噴射ノズル６２は、ハウジング６１の下端部中央に嵌合すると共に上記チャンバ４の上面との間に挟持されており、この噴射ノズル６２の中央には噴射孔６５が形成されている。
この噴射孔６５には、集光レンズ３３側に形成されて被加工物２に向けて縮径する第１傾斜面６５ａと、この第１傾斜面６５ａの最小径部６５ｂより被加工物２側に向けて拡径する第２傾斜面６５ｃとが形成されている。
そして、本実施例においては、上記最小径部６５ｂの径を５０μｍ以下とすることが可能であり、本実施例では特に最小径部６５ｂの径を２０μｍとしている。
上記ガラス板６３は上記噴射ノズル６２と集光レンズ３３との間に位置し、上記ハウジング６１にナット６６を用いて固定されており、上記液体通路６４の水が該ガラス板６３よりも上方の空間に漏出するのを防止し、また集光レンズ３３によって集光されたレーザ光Ｌが透過するようになっている。
以下、このような構成を有するハイブリッドレーザ加工装置１の動作について説明する。
最初に、上記チャンバ４の作業扉を開いて加工テーブル３上に被加工物２をセットし、その後該作業扉を閉鎖することで、チャンバ４の内部は外部空間と気密を保った状態で隔離される。
次に、制御手段は液体供給手段８を制御し、上記送液ポンプ４２によって貯水タンク４１内の水を加工ヘッド９に向けて送液を開始する。なお、貯水タンク４１には予め給水源４４より十分な量の水が供給されている。
そして、上記送液ポンプ４２によって送液された水は、逆止弁４７及び第３電磁弁４８を通過した後、アキュムレータ４９内に流入し、アキュムレータ４９が水で充満されるとともに、加工ヘッド９へも高圧水が供給される。
このようにして高圧水が液体通路６４内に充満すると、高圧水は上記噴射ノズル６２の噴射孔６５から液柱Ｗとなって噴射され、被加工物２に到達する。
しかしながら、このとき噴射される液柱Ｗは、チャンバ４内が真空状態となっておらず、噴射された液柱Ｗの周囲を流れる気流によって乱れてしまうので、被加工物２に到達する前に拡散してしまうこととなる。
そして、液柱Ｗが噴射されると、上記排液手段６も作動し、排水ポンプ２３により、被加工物２や粘着シート２Ｂを通過して上記キャッチャ２１で受けた水や、被加工物２に跳ね返ってチャンバ４の底部に溜まった水を排水管２２によって吸引して、外部に排水する。特に液柱Ｗの噴射される位置にキャッチャ２１を設けることで、チャンバ４内の気化量を低減することができる。
液体供給手段８の作動に並行して、制御手段は上記排気手段５を制御し、最初に油回転ポンプ１１を作動させるとともに第１電磁弁１４を開く。これにより油回転ポンプ１１が排気孔４ａを介してチャンバ４内の気体を吸引し、チャンバ４内の気圧が低下して、ある程度の真空状態が形成される。
制御手段は油回転ポンプ１１の作動開始から所定時間経過後、またはチャンバ４内の気圧が所定気圧以下となったら、上記拡散ポンプ１２を作動させる。
上記拡散ポンプ１２を始動させたら、制御手段は第１電磁弁１４を閉鎖して代わりに第２電磁弁１５を開き、その後油回転ポンプ１１を停止させる。これにより、今度は拡散ポンプ１２が排気孔４ａを介してチャンバ４内の気体を吸引し、チャンバ４内の気圧を低下させてさらに高度な真空状態を形成する。
ここで、上記排気手段５の作動直後は加工ヘッド９より噴射される液柱Ｗが気化して、チャンバ４内は水蒸気濃度が高い状態となっているが、水分に強いという特徴を有する上記油回転ポンプ１１は本実施例に好適なものとなっている。
そして制御手段は拡散ポンプ１２を被加工物２の加工が終了するまで作動させ、その間チャンバ４内の真空状態を維持するようになっている。
このように、排気手段５によってチャンバ４内を真空状態とすることで、上記噴射孔６５より噴射された液柱Ｗの周囲には気体が流れなくなり、それまで液柱Ｗの周囲の気流によって乱れていた液柱Ｗは安定した状態で被加工物２に到達するようになる。そしてその後、上記第３電磁弁４８を閉鎖することで、アキュムレータ４９から脈動のない高圧水が噴射されるようにする。
本実施例のように噴射孔６５における最小径部６５ｂの径が２０μｍの場合、上記排気手段５によってチャンバ４内の気圧を約１００ｈＰａの真空状態とすることで、安定した液柱Ｗを噴射することができた。またチャンバ４内の気圧を約１０ｈＰａの真空状態とすれば、最小径部６５ｂの径を５μｍとしても、安定した液柱Ｗを噴射させることができた。
そして、レーザ発振器７は、制御手段によって上記排気手段５および液体供給手段８の動作と並行して作動を開始しており、レーザ発振器７はレーザ光Ｌの発振を開始する。
ただし、制御手段は上記シャッタ手段３１の反射ミラー３１ａを発振されたレーザ光Ｌの光路上に位置させており、レーザ光Ｌは反射ミラー３１ａによってダンパ３１ｂに案内され、レーザ光Ｌのエネルギーは吸収される。
その後、チャンバ４内が真空状態となって、噴射孔６５より噴射される液柱Ｗがチャンバ４内で安定して被加工物２に到達するようになると、制御手段は反射ミラー３１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させ、これによりレーザ光Ｌは反射ミラー３２に反射した後、集光レンズ３３によって集光される。
集光されたレーザ光Ｌはガラス板６３および液体通路６４内の水を通過し、さらに噴射孔６５の第１傾斜面６５ａで反射して液柱Ｗ内に導光され、このとき液柱Ｗは被加工物２まで安定した状態で達しているので、レーザ光Ｌはその後液柱Ｗ内で反射を繰り返しながら、被加工物２まで導光される。
一方、噴射される液柱Ｗが被加工物２に達するまでに乱れていると、レーザ光Ｌは液柱Ｗ内で反射を繰り返すことができず、液柱Ｗの途中で外部に洩れるなど、レーザ光Ｌを被加工物２まで導光することができなくなってしまう。
上記実施例によれば、上記排気手段５によってチャンバ４内を真空状態とすることで、噴射孔６５より噴射する液柱Ｗの径が細くても、液柱Ｗが乱れず、安定した状態で液柱Ｗを被加工物２に到達させることができる。
また、従来は液柱Ｗを安定して噴射するために加工ヘッド９の下方にエアポケットを設け、噴射される液柱Ｗの周囲に沿って安定した気流が流れるようにすることが行われていたが、本実施例ではチャンバ４内を真空状態としているので当該エアポケットも不要となり、その分噴射ノズル６２と被加工物２とを接近させることができる。
なお、上記排気手段５について、本実施例では真空ポンプに油回転ポンプ１１と拡散ポンプ１２との２台の真空ポンプを使用しているが、噴射する液柱Ｗの径によってはこれを１台の油回転ポンプ１１だけで構成してもよく、逆に３台以上の真空ポンプによって構成することも可能である。
本実施例におけるハイブリッドレーザ加工装置の配置図。 加工ヘッドについての拡大図。
符号の説明
１ ハイブリッドレーザ加工装置 ２ 被加工物
３ 加工テーブル ４ チャンバ
５ 排気手段 ６ 排液手段
７ レーザ発振器 ８ 液体供給手段
９ 加工ヘッド １１ 油回転ポンプ
１２ 拡散ポンプ ２１ キャッチャ
６２ 噴射ノズル Ｌ レーザ光
Ｗ 液柱

Claims (3)

  1. 噴射孔を有する加工ヘッドと、当該加工ヘッドに高圧の液体を供給する液体供給手段と、レーザ光を発振するレーザ発振器とを備え、上記液体供給手段から供給された液体を噴射孔から液柱にして外部に噴射させると共に、上記液柱にレーザ光を導光して、被加工物の加工を行うハイブリッドレーザ加工装置において、
    少なくとも加工ヘッドと被加工物との間に形成される空間を密閉するチャンバと、当該チャンバ内を真空状態にする排気手段とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ加工装置。
  2. 被加工物の下方に設けられて被加工物を貫通した液体を受け止めるキャッチャと、キャッチャ内の液体を吸引してチャンバ外へ排出する排水ポンプとを備えた排液手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレーザ加工装置。
  3. 上記噴射孔の径を５０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のハイブリッドレーザ加工装置。
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