JP2007222897A - ハイブリッドレーザ加工方法とその装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ハイブリッドレーザ加工装置１は、被加工物３を鉛直方向となるように保持する加工テーブル４を備えている。この加工テーブル４は移動手段８によって支持されており、移動手段８によって上下左右に加工テーブル４を移動させることができる。
被加工物３が加工テーブル４に保持されると、被加工物３はその加工面が鉛直方向となるように支持される。この状態において、加工ヘッド２から被加工物３に液柱Ｗが吹き付けられると同時にレーザ光Ｌが照射されて、ピアッシング孔の穿孔が行われ、その後、切断加工が行われる。
【効果】 被加工物３の加工中においては、加工面に照射された水および加工屑は自重で落下するので、加工終了後の被加工物３の洗浄作業、排水作業を省略することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明はハイブリッドレーザ加工方法とその装置に関し、より詳しくは、例えば鉛直方向に支持した被加工物に、液柱状に高圧液体を噴射するとともに該液柱内を通過させたレーザ光により被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッドレーザ加工方法とその装置に関する。

従来から高圧水とレーザ光を用いて被加工物に加工を施すハイブリッドレーザ加工装置は知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。
こうした従来の加工装置においては、被加工物を加工テーブル上に水平に支持して、上方側に配置した加工ヘッドから鉛直下方に向けて高圧水を噴射すると同時に高圧水内にレーザ光を導光して被加工物に照射することで、被加工物に切断加工等を施すようにしている。
特開２００１−３２１９７７号公報 特表平１０−５００９０３号公報

ところで、上述した従来の加工装置は、薄板状をした半導体ウエハの切断加工に用いられることが多いが、こうした従来の加工装置によって半導体ウエハを加工する際には次のような問題点があった。
すなわち、従来の加工装置によってウエハにピアッシング孔を穿設する際に加工ヘッドから鉛直下方へ高圧水を噴射すると、図６に示したように、水平状態の加工面上に水が滞留することになる。特に研磨されたウエハ表面は撥水性を有するために、加工部分に水が滞留して球状となる場合がある。このように、ウエハの加工部分に水が滞留して水球が形成されると、加工部分に照射されるレーザ光が水球内で散乱し、ウエハに穿設するピアッシング孔が大きくなったり、ピアッシング孔の穿孔に時間が掛かるという欠点があった。
また、従来のようにウエハを水平に支持して、その加工面が水平であると、ウエハの切断時に発生する加工屑などがウエハの上面である加工面に残留することになり、加工終了後にウエハの上面の排水や洗浄工程が必要になるという欠点があった。

上述した事情に鑑み、請求項１に記載した本発明は、被加工物に向けて加工ヘッドから液体を液柱状にして噴射するとともに該液柱内に導入したレーザ光を上記被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッドレーザ加工方法において、
上記被加工物の加工面が水平面に対して傾斜するかまたは鉛直方向となるように被加工物を支持して、該被加工物に加工を施すようにしたものである。
また、請求項３に記載した本発明は、液体を液柱状にして噴射するとともに上記液柱内にレーザ光を導入する加工ヘッドと、上記被加工物を支持する支持手段とを備え、上記加工ヘッドから被加工物に向けて液柱を噴射するとともに液柱内を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すハイブリッドレーザ加工装置において、
上記支持手段は被加工物の加工面が水平面に対して傾斜するかまたは鉛直方向となるように上記被加工物を支持するようにしたものである。

上述した構成によれば、被加工物の加工面は鉛直方向あるいは傾斜しているので、加工部分に水球が形成されることがなく、水は加工時に発生した加工屑とともに速やかに下方へ流下する。
そのため、被加工物に対して短時間で確実にピアッシング孔を穿孔することが可能となる。また、加工終了後において、被加工物の加工面を洗浄する必要が無く、したがって、従来必要であった加工後における排水作業や洗浄作業を省略することができる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において１はハイブリッドレーザ加工装置である。このハイブリッドレーザ加工装置１は、水平方向を指向するように設けられた加工ヘッド２から高圧水を液柱Ｗに形成して被加工物３に向けて噴射すると同時に、上記液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光して被加工物３に照射し、その状態で加工ヘッド２と被加工物３を相対移動させることで穿孔や切断等の加工を行うようになっている。
ハイブリッドレーザ加工装置１は、被加工物３の加工面が鉛直方向となるように保持する加工テーブル４と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器５と、被加工物３に向けて高圧水を液柱Ｗにして噴射し、かつ上記液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光してから被加工物３に照射する上記加工ヘッド２と、高圧水を上記加工ヘッド２内へ供給する液体供給手段６とを備えており、これらは図示しない制御装置によって作動を制御されるようになっている。
ハイブリッドレーザ加工装置１は、被加工物３として例えば薄板状で円形の半導体ウエハを加工するものであり、被加工物３の所要箇所に貫通孔であるピアッシング孔を穿孔し、そこから所要形状に被加工物３を切断加工するようになっている。このハイブリッドレーザ加工装置１は、切断加工や孔明け加工のほかにも、被加工物３の表面に対して溝加工や被加工物を貫通しない穴加工などを行うことができる。

図２は図１に示した被加工物３の拡大図であり、この図２に示すように、被加工物３としてのウエハは、レーザ光Ｌおよび液体を透過する粘着シート３Ａ上に貼り付けられており、この粘着シート３Ａにおける外周部分はウエハリング３Ｂの下面に張設されている。
ウエハリング３Ｂ、粘着シート３Ａおよび被加工物３としてのウエハが一体となっており、この状態の被加工物３は加工テーブル４の保持手段７によって加工テーブル４に鉛直となるように保持されて加工が施されるようになっている。加工終了後の被加工物３（製品と残材）は粘着シート３Ａに接着したままで、ウエハリング３Ｂおよび粘着シート３Ａとともに保持手段７から取り外されるようになっている。その後に新たな加工対象となる被加工物３が加工テーブル４に供給されて保持手段７により保持されるようになっている。

従来の加工装置とは異なり、本実施例のハイブリッドレーザ加工装置１は、加工テーブル２の保持手段７によって被加工物３を鉛直方向に支持し、その状態で被加工物３に加工を施すことが特徴である。
すなわち、加工テーブル４は、鉛直方向となる支持面４Ａを有し、この支持面４Ａを加工ヘッド２に対向させて、移動手段８に連結されている。移動手段８は図示しない制御装置によって作動を制御されるようになっており、加工ヘッド２の軸方向と直交する鉛直面内で上記加工テーブル４全体を鉛直方向（上下方向）と水平方向（左右方向）に平行移動させることができ、かつ加工ヘッド２に対して接離する水平方向（軸方向）に加工テーブル４全体を進退動させることができるようになっている。

加工テーブル４の中央側は、ハニカム状（蜂の巣状）の支持テーブル９となっている。支持テーブル９の表面である支持面４Ａは上記加工ヘッド２に対向している。支持テーブル９は水平方向（軸方向）に多数の貫通孔を備えており、加工ヘッド２から噴射されウエハを貫通した水は、支持テーブル９の貫通孔を介して支持面４Ａ（表面）から裏面９Ａ側へ流出できるようになっている。
移動手段８によって支持された加工テーブル４は、上記支持テーブル９の表面を含めた支持面４Ａが鉛直方向に維持されている。また、加工テーブル４は、支持テーブル９よりも外周側となる支持面４Ａに上記保持手段７としての固定チャックを備えている。
本実施例では、上述した被加工物３を接着する粘着シート３Ａを支持面４Ａに重合させてからウエハリング３を保持手段７によって支持面４Ａに固定するようにしている。これにより、粘着シート３Ａに接着させたウエハの裏側が支持テーブル９の支持面４Ａに当接され、加工中においても被加工物３は安定して加工テーブル４に支持されるようになっている。
なお、本実施例では粘着シート３Ａ、ウエハリング３Ｂ、加工テーブル４、保持手段７、移動手段８および支持テーブル９により被加工物の支持手段を構成している。

次に、レーザ発振器５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。
本実施例は、上述したように加工テーブル４によって被加工物３を鉛直方向に保持しており、これに応じて加工ヘッド２から被加工物３に向けて水平方向に液柱Ｗを吹き付けるとともにレーザ光Ｌを水平方向に照射するようにしている。
加工ヘッド２は従来公知のものと同じ構成であり、その内部に高圧水が流通する液通路およびそこから連続する噴射ノズルとを備えている。加工ヘッド２は、噴射ノズルが水平となり、かつ加工テーブル４の支持面４Ａと直交するように固定して配置されている。

レーザ発振器５は加工ヘッド２に向けてレーザ光Ｌを水平に放射できる位置に配置されている。このレーザ発振器５と加工ヘッド２との間には、レーザ光Ｌを遮断するシャッタ１１と、レーザ発振器５から加工ヘッド２に向けて照射されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１２とが配置されている。
上記シャッタ１１は上記制御装置によって作動を制御されるようになっており、このシャッタ１１は、図示しない駆動手段によってレーザ光Ｌの光路上と光路外とを往復動する反射ミラー１１Ａと、この反射ミラー１１Ａ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１１Ｂとを備えている。
上記反射ミラー１１Ａをレーザ光Ｌの光路上に位置させると、レーザ光Ｌはこの反射ミラー１１Ａに反射され、そのレーザ光Ｌのエネルギーが上記ダンパ１１Ｂに吸収されるようになっている。
一方、反射ミラー１１Ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させると、レーザ発振器５から発振されたレーザ光Ｌは集光レンズ１２により収束されて上記加工ヘッド２へと導入されて、その内部を透過して噴射ノズルから出射されるようになっている。
レーザ発振器５としてこの他にも半導体レーザやＣＯ_２レーザ発振器、ファイバレーザ等を用いることも可能であるが、ＣＯ_２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２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。
本実施例においては上記レーザ発振器５と、上記シャッタ１１と、上記集光レンズ１２とによってレーザ光導光手段１３を構成しており、このレーザ光導光手段１３は、図示しない固定フレームに設けられている。

次に、液体供給手段６は、加工ヘッド２に連通した導管１４を介して加工ヘッド２内の液通路に高圧水を給送するようになっている。加工ヘッド２における先端の軸部には、加工テーブル４の支持面４Ａに向けて、かつそれと直交する方向に噴射ノズルを設けている。そのため、液体供給手段６から加工ヘッド２内の液通路に高圧水が給送されると、加工ヘッド２の噴射ノズルを介して液柱Ｗが水平方向に噴射されるようになっている。
液体供給手段６は、水を貯溜する貯水タンク１６と、この貯水タンク１６に貯溜された水を加工ヘッド２に向けて高圧で送液するポンプ１７とを備え、これらは導管１４によって相互に接続されている。
上記貯水タンク１６は給水源１８に接続される導管２１から水が供給されるようになっており、導管２１には、給水源１８からの水の供給を制御する開閉弁２２と、給水源１８から供給される水に含有される異物を除去するフィルタ２３とを備えている。
上記ポンプ１７と加工ヘッド２とを接続する導管１４には、上流側のポンプ１７側から順に、ポンプ１７への水の逆流を防止する逆止弁２４、上記制御装置によって開閉作動を制御される電磁開閉弁２５、ポンプ１７から送液される水を貯溜するとともにポンプ１７からの圧力を蓄圧するアキュムレータ２６、および水内の異物を除去するフィルタ２７が設けられている。従来公知のとおり、アキュムレータ２６は、その内部に封入しているガス圧を変更することで蓄圧力を調整できるものである。

制御装置によってポンプ１７が作動され、かつ電磁開閉弁２５が開放された状態では、ポンプ１７から送液された所定液圧の高圧水は導管１４と加工ヘッド２内の液通路を介してノズルから被加工物３へ液柱Ｗとなって噴射されるとともに、ポンプ１７から送液された高圧水はアキュムレータ２６内にも充填されるようになっている。
また、給水源１８から貯水タンク１６までの導管２１と、ポンプ１７から加工ヘッド２まで配置した導管１４は、２本の導管３１、３２によって接続されており、一方の導管３１には圧力調整弁３３が、他方の導管３２には逆止弁３４が設けられている。
上記電磁開閉弁２５が閉鎖されたときなどにポンプ１７から吐出される高圧水を貯水タンク１６に戻すことができるようになっている。また、圧力調整弁３３はポンプ１７から加工ヘッド２までの導管１４内部の高圧水の圧力を一定に保つために設けられている。本実施例の液体供給手段６は上述したように構成されている。

以上の構成において、ハイブリッドレーザ加工装置１によって被加工物３に加工を施す場合には、先ず、加工対象となる被加工物３を加工テーブル４の支持面４Ａに重合させて保持手段７によって保持する。これにより、被加工物３は、その加工面が鉛直方向となり、かつ加工ヘッド２と対向することになる。
この状態となったら、制御装置は移動手段８を所要距離だけ前進させて、加工テーブル４に支持した被加工物３を加工ヘッド２から所定距離だけ隔てた位置に位置させる。
この状態となったら、制御装置は、シャッタ１１の反射ミラー１１Ａをレーザ光Ｌの光路上に位置させた状態において、レーザ発振器５を作動させてレーザ光Ｌを発振させる。この状態では、レーザ光Ｌは反射ミラー１１Ａに反射されてからダンパ１１Ｂによって吸収される。
また、制御装置は、上記レーザ発振器５を作動させると同時にポンプ１７を作動させるとともに電磁開閉弁２５を開放させる。これにより、ポンプ１７から導管１４を介して高圧水が加工ヘッド２内に給送され、さらに加工ヘッド２に設けた噴射ノズルを介して液柱Ｗが水平方向に噴射されてから鉛直方向に支持された被加工物３に吹き付けられる。

この後、制御装置はシャッタ１１の反射ミラー１１Ａをレーザ光Ｌの光路外に後退させるので、レーザ光Ｌが加工ヘッド２内へ導光されてからさらに液柱Ｗに導光され、この液柱Ｗ内を通過して被加工物３に照射される。
このように被加工物３に対して直交方向から液柱Ｗが吹き付けられると同時にレーザ光Ｌが照射されることで、被加工物３の所要位置に先ずピアッシング孔が穿孔される。このピアッシング孔が穿孔される過程においては、図３に拡大してして示すように、被加工物３に吹き付けられる水は、被加工物３の加工面に沿って落下して加工部分に滞留することがない。そのため、被加工物３に照射されるレーザ光Ｌは水によって散乱することは無く、迅速かつ確実に被加工物３にピアッシング孔が穿孔される。ピアッシング孔が貫通すると、該ピアッシング孔を透過した水は支持テーブル９の貫通孔を介して支持テーブル９の裏面９Ａ側へ排出されることになる。

次に、上述のようにピアッシング孔を穿孔したら、制御装置は移動手段８を作動させて、加工テーブル４を所要量だけ鉛直方向（上下方向）及び水平方向（左右方向）に移動させる。これにより、レーザ光Ｌおよび液柱Ｗに対して被加工物３が、レーザ光Ｌの光軸及び液柱Ｗに対して上下左右に相対移動されるので、被加工物３が所要の形状に切断されるようになっている。
このように、被加工物３の加工面は鉛直となるように支持されているので、被加工物３の切断中においても被加工物３に吹き付けられる水および加工部分で生じる溶融物は落下して、被加工物３上に残留することはない。
このようにして、被加工物３に対して所要の切断加工が終了するが、被加工物３における製品と残材分は粘着シート３Ａに接着したままとなっている。
そして、制御装置はシャッタ１１の反射ミラー１１Ａをレーザ光Ｌの光路上に位置させるとともに、移動手段８により加工テーブル４から被加工物３の着脱に支障のない位置に加工テーブル４を移動させる。
また、この状態となると、加工テーブル４の保持手段７による被加工物３の保持状態を解除して、該加工済みの被加工物３（製品および残材）を取り外して、新たな加工対象となる被加工物３を支持面４Ａに重合させて保持手段７によって保持する。
この後は、上述した作動説明と同様にして、ハイブリッドレーザ加工装置１によって新たな被加工物３に対してピアッシング孔の穿設と、そこからの切断加工が施されるようになっている。

上述した本実施例のハイブリッドレーザ加工装置１によれば、被加工物３を鉛直方向に支持した状態で、該被加工物３に穿孔及び切断加工を施している。
そのため、被加工物３に貫通孔が形成される前であっても、被加工物３に吹き付けられた水は、被加工物３の加工面に沿って落下し加工部分に滞留することはない。また加工中に生じる溶融物などの加工屑も同様に落下して、被加工物３の加工面に残留することはない（図３参照）。
そのため、被加工物３へ照射されるレーザ光Ｌは被加工物３の加工部分で散乱することがないので、被加工物３に対して確実かつ効率的に穿孔及び切断加工を施すことができる。
また、被加工物３に対する加工終了後に被加工物３の加工表面には水や溶融物が残留していないので、そのような水や残留物を排除する排水作業や洗浄作業を行う必要が無く、したがって、従来と比較して加工終了後の作業を簡略化することができる。
また粘着シートに貼付られた半導体ウエハを切断する場合に、従来では、ウエハの端部から切り込むようにしていたが、本実施例においては、ウエハの任意の位置にピアッシング孔を穿孔して、そこから所要の切断を開始することができる。そのため、切断形状の制限がなく、無駄な切断をする必要がなく従来と比較してより短時間で切断加工を行うことができる。
なお、上記実施例において、加工テーブル４の支持面４Ａにおける被加工物３よりも下方側に、断面Ｕ字形をした樋状の回収手段を設けて、加工中の水および溶融物などの加工屑を回収するようにしても良い。

次に、図４は本発明の第２実施例を示したものである。上述した第１実施例においては、加工テーブル４によって被加工物３を鉛直方向となるように支持していたが、この第２実施例においては、被加工物３を加工テーブル４によって傾斜させて保持するようにし、加工ヘッド２をその軸心が加工テーブル４の支持面４Ａに対して直交する位置に配置している。
即ち、加工テーブル４は支持面４Ａの傾斜方向とそれに直交する方向に移動可能に移動手段８によって支持されている。このため液柱Ｗおよびレーザ光Ｌが被加工物３の加工面に対して常に直交方向から噴射および照射されるようになっている。尚、この加工テーブル４の支持面４Ａの傾斜角度は、水平面に対して約３０度程となっている。
この第２実施例においては、レーザ発振器５は水平に配置し加工ヘッド２の近接上方位置には反射ミラー４１を配置してあり、レーザ発振器５から発振されたレーザ光Ｌは上記反射ミラー４１によって反射されてから集光レンズ１２に収束されてから加工ヘッド２に導入されるようになっている。反射ミラー４１、集光レンズ１２および加工ヘッド２は、図示しない固定フレームによって所定位置に固定して配置されている。その他の構成は、上述した第１実施例と同じである。
この第２実施例においては、被加工物３が加工テーブル４の支持面４Ａに保持されると、被加工物３は水平面に対して約３０度傾斜された状態となり、その状態において、加工ヘッド２から液柱Ｗが吹き付けられると同時にレーザ光Ｌが照射されるようになる。
そして、移動手段８により、加工テーブル４がその支持面４Ａの傾斜方向とそれに直交する方向に移動することにより、被加工物３の所要の位置にピアッシング孔を穿孔するとともに所要の切断加工を施すことができる。
このような第２実施例においても、被加工物３の加工中においては、被加工物３の加工面に吹き付けられる水及び加工中に生じる溶融物などは、被加工物３の加工面に沿って流下することになる。
したがって、このような構成と第２実施例であっても、上述した第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。

次に、図５は本発明の第３実施例を示したものである。この第３実施例は、上記第１実施例の構成において、加工ヘッド２の向きを変えず加工テーブル４の支持面４Ａを傾斜させて配置したものであり、加工テーブル４は移動手段８によって傾斜方向への移動および傾斜面内で回転可能に支持されている。その他の構成は、上記第１実施例と同じである。この第３実施例においては、レーザ光Ｌを照射して切断する際には移動手段８により、切断線が傾斜方向と平行になるように被加工物３を回転してから傾斜方向に移動させる。
なお、上記第１実施例及び第２実施例において、加工テーブル４側ではなく加工ヘッド２側を移動可能に構成してもよい。また、上記第３実施例においては、加工テーブル４側が支持面４Ａの平面内で回動し、加工ヘッド２側が支持面４Ａの傾斜方向に移動するようにしても良い。

本発明の一実施例を示す全体の配置図。 図１の要部の拡大図。 図１に示した被加工物３の加工中の状態を示す拡大図。 本発明の第２実施例を示す正面図。 本発明の第３実施例を示す正面図。 従来技術による被加工物の加工中の状態を示す拡大図。

符号の説明

１…ハイブリッドレーザ加工装置 ２…加工ヘッド
３…被加工物 ４…加工テーブル
５…レーザ発振器 ６…液体供給手段
Ｗ…液柱 Ｌ…レーザ光

Claims (4)

1. 被加工物に向けて加工ヘッドから液体を液柱状にして噴射するとともに該液柱内に導入したレーザ光を上記被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すようにしたハイブリッドレーザ加工方法において、
   上記被加工物の加工面が水平面に対して傾斜するかまたは鉛直方向となるように被加工物を支持して、該被加工物に加工を施すことを特徴とするハイブリッドレーザ加工方法。
2. 上記被加工物に貫通孔を穿設し、その貫通孔から切断加工を開始す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方法。
3. 液体を液柱状にして噴射するとともに上記液柱内にレーザ光を導入する加工ヘッドと、上記被加工物を支持する支持手段とを備え、上記加工ヘッドから被加工物に向けて液柱を噴射するとともに液柱内を通過させたレーザ光を被加工物に照射して、被加工物に所要の加工を施すハイブリッドレーザ加工装置において、
   上記支持手段は被加工物の加工面が水平面に対して傾斜するかまたは鉛直方向となるように上記被加工物を支持することを特徴とするハイブリッドレーザ加工装置。
4. 上記被加工物の加工面に対して直交方向から液体を噴射できる位置に上記加工ヘッドを配置したことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッドレーザ加工装置。

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