JP2008080371A

JP2008080371A - レーザ加工方法、及び、レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2008080371A
Application number: JP2006263300A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Okudaira; 恭之奥平
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】高速な加工を実現する。
【解決手段】（ａ）加工対象物を、第１の方向に、最大第１の速度で移動させるとともに、第１の方向とは異なる第２の方向に、最大、第１の速度よりも小さい第２の速度で移動させることのできる保持台であって、第１の方向に第１の速度で移動させると同時に、第２の方向に第２の速度で移動させたとき、加工対象物を全体として第３の方向に移動させる保持台に、加工対象物を保持する。（ｂ）保持台に保持された加工対象物を、第１の方向に第１の速度で移動させると同時に、第２の方向に第２の速度で移動させ、全体として第３の方向に移動させながら、レーザビームを加工対象物に入射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームを照射して加工を行うレーザ加工方法、及びレーザ加工装置に関する。

半導体基板、たとえば円形のシリコンウエハに不純物を注入し、矩形状またはライン状に整形されたレーザビームを照射することにより、注入された不純物を活性化させる技術が知られている。これらの一方向に長いレーザビームは、長さ方向の両端が、たとえばシリコンウエハ上に格子状に画定される複数のチップのスクライブライン上を移動するように、シリコンウエハ上に照射される。（たとえば、特許文献１参照。）これによりチップ内のアニーリング効果を均一にすることができる。

図３（Ａ）は、レーザアニールを行うことのできるレーザ加工装置の概略図である。

レーザ加工装置は、レーザ光源１０、アッテネータ１１、ホモジナイザ１２、折り返しミラー１３、結像レンズ１４、ＸＹステージ１５、及び駆動装置２４を含んで構成される。

レーザ光源１０がパルスレーザビーム３０を出射する。レーザ光源１０から出射されたパルスレーザビーム３０はアッテネータ１１に入射し、エネルギを減衰された後、ホモジナイザ１２に入射する。ホモジナイザ１２は、アレイレンズ及びコンデンサを含んで構成され、レーザビーム３０の断面形状を、たとえば長尺状に整形するとともに、ビーム断面内の強度を均一にする。

ホモジナイザ１２を通過した長尺状のレーザビーム３０は、必要に応じて配置される折り返しミラー１３で進行方向を変化され、結像レンズ１４を経て、ＸＹステージ１５上に保持された加工対象物、たとえば半導体ウエハ２０に入射する。

ＸＹステージ１５は、Ｘステージ１５ｘ、及びＹステージ１５ｙを含んで構成される。Ｘステージ１５ｘ、Ｙステージ１５ｙは、駆動装置２４による駆動により、それぞれＸＹステージ１５上の半導体ウエハ２０を、図のＸ方向、Ｙ方向に移動させることができる。すなわちＸＹステージ１５は、たとえば半導体ウエハ２０表面に平行な２次元方向に、半導体ウエハ２０を移動させることができる。なお、Ｘ方向とＹ方向とは、相互に直交する方向である。

図３（Ｂ）は、ＸＹステージ１５、及びその上に保持された半導体ウエハ２０を示す概略的な平面図である。

半導体ウエハ２０には、相互に直交するスクライブライン２０ａ、２０ｂが形成されている。半導体ウエハ２０は、たとえばスクライブライン２０ａがＸ方向と平行となり、スクライブライン２０ｂがＹ方向と平行となるように、ＸＹステージ上に保持される。

結像レンズ１４を透過した長尺状のレーザビームは、長さ方向の両端が、隣り合うスクライブライン２０ａ、２０ａ上に入射するように、半導体ウエハ２０に照射される。本図においては、長尺状のレーザビームの入射位置に斜線を付して示した。

図示の入射位置に、１ショットのレーザビームが照射された後、Ｘステージ１５ｘによって半導体ウエハ２０が、たとえばＸ正方向に移動される。次ショット以降の長尺状レーザビームは、長さ方向の両端が、隣り合うスクライブライン２０ａ、２０ａ上を移動するように、たとえば重複率５０％で半導体ウエハ２０上の異なる位置に照射される。

たとえばＸステージ１５ｘの移動速度を速くすることで、レーザアニール加工を高速に行うことができる。しかし、Ｘステージ１５ｘの移動速度を速くした場合、ステージを駆動するモータ等の負担が増大する。

「ＸＹステージ上に・・半導体ウェハをそのスクライブラインがＸ軸又はＹ軸に対して４５度近辺の角度を有するように固定し、・・ＸＹステージをＸ、Ｙそれぞれの方向に同時に移動させることにより・・加工点間を移動させることを特徴とするレーザ加工方法」が提案されている（特許文献２）。

特開２００４−１５２８８８号公報特開平１１−７７３５９号公報

本発明の目的は、高速な加工を実現することのできるレーザ加工方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、高速な加工を実現することのできるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射するレーザ出射器と、前記レーザ出射器を出射したレーザビームが入射する位置に配置され、（ｉ）加工対象物を保持する保持面と、（ｉｉ）前記保持面に保持された加工対象物を、第１の方向に、最大第１の速さで移動させることのできる第１の駆動部と、（ｉｉｉ）前記保持面に保持された加工対象物を、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、最大、前記第１の速さよりも速い第２の速さで移動させることのできる第２の駆動部と、を備える可動ステージと、前記保持面に保持された加工対象物が、前記第１の駆動部によって、前記第１の方向に移動されると同時に、前記第２の駆動部によって、前記第２の方向に移動されるように、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御装置とを有し、前記可動ステージの前記保持面に保持された加工対象物が、前記制御装置による前記第１及び第２の駆動部の制御によって移動される方向を第３の方向とするとき、前記レーザ出射器が、加工対象物表面におけるビーム断面が、一方向に長くなるように、ビーム断面を整形するビーム断面整形器を含み、前記可動ステージに向けて、加工対象物表面におけるビーム断面の短軸方向が、前記第３の方向と平行となるようにレーザビームを出射するレーザ加工装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源を出射したレーザビームが入射する位置に配置され、前記レーザ光源を出射したレーザビームを第１の方向と平行な方向に出射しながら、前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動することのできる光学系と、前記光学系を出射したレーザビームが入射する位置に配置され、（ｉ）加工対象物を保持する保持面と、（ｉｉ）前記保持面に保持された加工対象物を、前記第２の方向と平行な方向に移動させることのできる駆動部とを備える可動ステージとを有するレーザ加工装置が提供される。

更に、本発明の一観点によれば、（ａ）加工対象物を、第１の方向に、最大第１の速度で移動させるとともに、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、最大、前記第１の速度よりも小さい第２の速度で移動させることのできる保持台であって、前記第１の方向に前記第１の速度で移動させると同時に、前記第２の方向に前記第２の速度で移動させたとき、前記加工対象物を全体として第３の方向に移動させる保持台に、加工対象物を保持する工程と、（ｂ）前記保持台に保持された加工対象物を、前記第１の方向に前記第１の速度で移動させると同時に、前記第２の方向に前記第２の速度で移動させ、全体として前記第３の方向に移動させながら、レーザビームを、前記加工対象物に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）レーザ出射装置を第１の方向に移動させながら、前記レーザ出射装置から、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、レーザビームを出射し、加工対象物に入射させる工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の間に、前記加工対象物を、前記第１の方向と反対の方向に移動させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明によれば、高速な加工を実現することのできるレーザ加工方法を提供することができる。

また、高速な加工を実現することのできるレーザ加工装置を提供することができる。

図１（Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図３（Ａ）に示したレーザ加工装置とは、ＸＹステージの構造において相違する。また、駆動装置によるＸＹステージの駆動を制御する制御装置が加入されている点、及び、ホモジナイザ１２を通ったレーザビームの結像面（ホモジナイズ面）に配置され、レーザビームの断面形状を整形するマスク２７を有する点においても相違する。第１の実施例によるレーザ加工装置は、たとえばレーザアニールに用いられる。

第１の実施例によるレーザ加工装置のＸＹステージ１６は、Ｘステージ１６ｘ、及びＹステージ１６ｙを含んで構成され、加工対象物、たとえば半導体ウエハ２０を保持することができる。

Ｘステージ１６ｘ、Ｙステージ１６ｙは、駆動装置２４による駆動によって、それぞれＸＹステージ１６上の半導体ウエハ２０を、相互に直交する２方向（図１（Ｂ）におけるＸ方向、Ｙ方向）に移動させることができる。すなわちＸＹステージ１６は、たとえば半導体ウエハ２０表面に平行な２次元方向に、半導体ウエハ２０を移動させることができる。

制御装置２５は、Ｘステージ１６ｘ、Ｙステージ１６ｙをそれぞれの最大移動速度で、同時に駆動する制御を行うことができる。

図１（Ｂ）は、ＸＹステージ１６、及びその上に保持された半導体ウエハ２０を示す概略的な平面図である。

ＸＹステージ１６のたとえば平面視上、矩形状の保持面（テーブル上面）に半導体ウエハ２０が保持される。Ｘステージ１６ｘ、Ｙステージ１６ｙが、それぞれ半導体ウエハ２０を移動させる方向であるＸ方向、Ｙ方向は、矩形状の保持面の隣り合う２辺とは、平行または垂直である必要はない。

半導体ウエハ２０には、相互に直交するスクライブライン２０ａ、２０ｂが形成されている。半導体ウエハ２０は、たとえばスクライブライン２０ａが矩形状の保持面の長辺と平行となり、スクライブライン２０ｂが短辺と平行となるように、ＸＹステージ１６上に保持される。

マスク２７で断面形状を整形され、結像レンズ１４を透過した長尺状のレーザビームは、長さ方向の両端が、隣り合うスクライブライン２０ａ、２０ａ上に入射するように、半導体ウエハ２０に照射される。本図においては、長尺状のレーザビームの入射位置に斜線を付して示した。

図１（Ｃ）は、ステージ移動の速度ベクトルを示すベクトル図である。

Ｖ_Ｘｍａｘは、Ｘステージ１６ｘによるＸ方向への最大移動速度を示し、Ｖ_Ｙｍａｘは、Ｙステージ１６ｙによるＹ方向への最大移動速度を示す。

Ｖ_ＸｍａｘとＶ_Ｙｍａｘとは、相互に直交する速度ベクトルで、｜Ｖ_Ｘｍａｘ｜＜｜Ｖ_Ｙｍａｘ｜を満たす。これは、Ｘステージ１６ｘが下段に、Ｙステージ１６ｙが上段に配置されてＸＹステージ１６が構成され、Ｙステージ１６ｙには主にテーブルの負荷のみがかかるのに対し、Ｘステージ１６ｘには、テーブルの負荷だけでなく、Ｙステージ１６ｙ等の負荷も加わるためである。

Ｘステージ１６ｘ及びＹステージ１６ｙを、それぞれ同出力のモータアンプを用いて駆動する場合、たとえば｜Ｖ_Ｘｍａｘ｜は１０ｍ／ｍｉｎ、｜Ｖ_Ｙｍａｘ｜は２０ｍ／ｍｉｎである。

Ｖ_ｍａｘは、Ｖ_ＸｍａｘとＶ_Ｙｍａｘとの合成ベクトルである。Ｘステージ１６ｘとＹステージ１６ｙとをともに最大速度で駆動すると、半導体ウエハ２０は、Ｖ_ｍａｘベクトルで示される速度で移動する。｜Ｖ_ｍａｘ｜はたとえば２２．５ｍ／ｍｉｎである。｜Ｖ_Ｘｍａｘ｜＜｜Ｖ_Ｙｍａｘ｜＜｜Ｖ_ｍａｘ｜であるため、Ｘステージ１６ｘまたはＹステージ１６ｙのみを駆動するときよりも速い速さで加工対象物（半導体ウエハ２０）を移動させることができる。このため、モータ等ステージの仕様をあげることなく、加工を高速に行うことができる。

再び、図１（Ｂ）を参照する。Ｘステージ１６ｘを、Ｘ正方向に｜Ｖ_Ｘｍａｘ｜で駆動し、Ｙステージ１６ｙを、Ｙ正方向に｜Ｖ_Ｙｍａｘ｜で駆動したとき、半導体ウエハ２０は、白抜き矢印の方向に、速さ｜Ｖ_ｍａｘ｜で移動する。白抜き矢印の方向は、Ｖ_ＸｍａｘベクトルとＶ_Ｙｍａｘベクトルの合成ベクトルの方向と平行である。また、矩形状の保持面の長辺やスクライブライン２０ａとも平行である。白抜き矢印の方向は、たとえばＸ正方向からＹ正方向に向かって、反時計回りに、約６３度回転した方向である。

マスク２７で断面形状を整形され、結像レンズ１４を透過した長尺状のレーザビームは、図１（Ｂ）中に斜線を付して示した入射位置に、長さ方向の両端が、隣り合うスクライブライン２０ａ、２０ａ上に入射するように、半導体ウエハ２０に照射される。

図示の入射位置に、１ショットのレーザビームが照射された後、Ｘステージ１６ｘとＹステージ１６ｙとをともに駆動することによって半導体ウエハ２０が、たとえば一定速度で白抜き矢印の方向に移動される。次ショット以降の長尺状レーザビームは、長さ方向の両端が、隣り合うスクライブライン２０ａ、２０ａ上を移動するように、たとえば重複率５０％で半導体ウエハ２０上の異なる位置に照射される。

Ｘステージ１６ｘ、またはＹステージ１６ｙのいずれか一方を駆動することによって半導体ウエハ２０を移動させる場合に比べ、両ステージ１６ｘ、１６ｙを同時に駆動して、その合成速度の大きさで半導体ウエハ２０を移動させながら、レーザアニール加工を行うので、加工の高速化を実現することができる。

図２（Ａ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図１（Ａ）に示したレーザ加工装置とは、ホモジナイザの代わりにコリメートレンズ１７が配置されている点、結像レンズ１４の代わりに集光レンズ２１が配置されている点、折り返しミラー１３と集光レンズ２１とが移動光学系１９を構成している点、及び、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示した従来のＸＹステージ１５を使用している点において異なる。第２の実施例によるレーザ加工装置は、たとえばレーザビームによる加工対象物の切断に用いられる。

レーザ光源１０がたとえば連続波のレーザビーム３０を出射する。レーザ光源１０から出射されたレーザビーム３０はアッテネータ１１に入射し、エネルギを減衰された後、コリメートレンズ１７に入射する。コリメートレンズ１７は、レーザビーム３０を平行光として出射する。

平行光とされて出射したレーザビーム３０は、折り返しミラー１３、マスク２７及び集光レンズ２１を含んで構成される移動光学系１９に入射する。

移動光学系１９は、レール１８に誘導されて、一方向（レーザビーム３０の進行方向と平行な方向）に移動することが可能である。

レーザビーム３０は、折り返しミラー１３で進行方向を変化され、マスク２７で断面形状を整形された後、集光レンズ２１で集光されて、加工対象物２２に垂直方向から入射し、たとえば切断等のレーザ加工が行われる。

移動光学系１９の移動は、集光レンズ２１から加工対象物２２の加工位置までの光路長が一定となる条件を満たしながら行われる。

図２（Ｂ）は、ＸＹステージ１５、及びその上に保持された加工対象物２２を示す概略的な平面図である。

ＸＹステージ１５は、たとえばＸ方向（Ｘステージ１５ｘによる加工対象物２２の移動方向と平行な方向）と移動光学系１９の移動方向とが、平行となるように配置される。

レーザ光源１０からレーザビーム３０を出射し、加工対象物２２に集光して照射する。その際、移動光学系１９を移動させて、加工対象物２２上におけるレーザビーム３０の入射位置を、一方向（Ｘ方向とは反対方向）に変位させる。それとともに、Ｘステージ１５ｘを駆動し、加工対象物２２をＸ方向に移動させる。こうすることによって、たとえば加工線２３（Ｘ方向と平行な方向に画定される直線）に沿った加工対象物２２の切断加工を行うことができる。

Ｘステージ１５ｘを駆動して、加工対象物２２を一方向に移動させるとともに、それとは反対方向に照射光学系の一部（第２の実施例においては、折り返しミラー１３、マスク２７及び集光レンズ２１）を移動させ、固定座標に対してレーザビーム３０の入射位置を変位させながら加工を行うので、加工の高速化を実現することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工一般、たとえばレーザアニール、切断、溶接等に利用することができる。

（Ａ）は、第１の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、（Ｂ）は、ＸＹステージ１６、及びその上に保持された半導体ウエハ２０を示す概略的な平面図であり、（Ｃ）は、ステージ移動の速度ベクトルを示すベクトル図である。（Ａ）は、第２の実施例によるレーザ加工装置の概略図であり、（Ｂ）は、ＸＹステージ１５、及びその上に保持された加工対象物２２を示す概略的な平面図である。（Ａ）は、レーザアニールを行うことのできるレーザ加工装置の概略図であり、（Ｂ）は、ＸＹステージ１５、及びその上に保持された半導体ウエハ２０を示す概略的な平面図である。

符号の説明

１０レーザ光源
１１アッテネータ
１２ホモジナイザ
１３折り返しミラー
１４結像レンズ
１５ＸＹステージ
１５ｘＸステージ
１５ｙＹステージ
１６ＸＹステージ
１６ｘＸステージ
１６ｙＹステージ
１７コリメートレンズ
１８レール
１９移動光学系
２０半導体ウエハ
２０ａ、２０ｂスクライブライン
２１集光レンズ
２２加工対象物
２３加工線
２４駆動装置
２５制御装置
２７マスク
３０レーザビーム

Claims

レーザビームを出射するレーザ出射器と、
前記レーザ出射器を出射したレーザビームが入射する位置に配置され、（ｉ）加工対象物を保持する保持面と、（ｉｉ）前記保持面に保持された加工対象物を、第１の方向に、最大第１の速さで移動させることのできる第１の駆動部と、（ｉｉｉ）前記保持面に保持された加工対象物を、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、最大、前記第１の速さよりも速い第２の速さで移動させることのできる第２の駆動部と、を備える可動ステージと、
前記保持面に保持された加工対象物が、前記第１の駆動部によって、前記第１の方向に移動されると同時に、前記第２の駆動部によって、前記第２の方向に移動されるように、前記第１及び第２の駆動部を制御する制御装置と
を有し、
前記可動ステージの前記保持面に保持された加工対象物が、前記制御装置による前記第１及び第２の駆動部の制御によって移動される方向を第３の方向とするとき、
前記レーザ出射器が、加工対象物表面におけるビーム断面が、一方向に長くなるように、ビーム断面を整形するビーム断面整形器を含み、前記可動ステージに向けて、加工対象物表面におけるビーム断面の短軸方向が、前記第３の方向と平行となるようにレーザビームを出射するレーザ加工装置。
前記第１の方向と前記第２の方向とが直交する方向である請求項１に記載のレーザ加工装置。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源を出射したレーザビームが入射する位置に配置され、前記レーザ光源を出射したレーザビームを第１の方向と平行な方向に出射しながら、前記第１の方向とは異なる第２の方向に移動することのできる光学系と、
前記光学系を出射したレーザビームが入射する位置に配置され、（ｉ）加工対象物を保持する保持面と、（ｉｉ）前記保持面に保持された加工対象物を、前記第２の方向と平行な方向に移動させることのできる駆動部とを備える可動ステージと
を有するレーザ加工装置。
前記第１の方向と前記第２の方向とが直交する方向である請求項３に記載のレーザ加工装置。
（ａ）加工対象物を、第１の方向に、最大第１の速度で移動させるとともに、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、最大、前記第１の速度よりも小さい第２の速度で移動させることのできる保持台であって、前記第１の方向に前記第１の速度で移動させると同時に、前記第２の方向に前記第２の速度で移動させたとき、前記加工対象物を全体として第３の方向に移動させる保持台に、加工対象物を保持する工程と、
（ｂ）前記保持台に保持された加工対象物を、前記第１の方向に前記第１の速度で移動させると同時に、前記第２の方向に前記第２の速度で移動させ、全体として前記第３の方向に移動させながら、レーザビームを、前記加工対象物に入射させる工程と
を有するレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）において、断面形状が一方向に長いレーザビームを、短軸方向が前記第３の方向と平行となるように、前記加工対象物に入射させる請求項５に記載のレーザ加工方法。
前記第１の方向と前記第２の方向とが直交する方向である請求項５または６に記載のレーザ加工方法。
（ａ）レーザ出射装置を第１の方向に移動させながら、前記レーザ出射装置から、前記第１の方向とは異なる第２の方向に、レーザビームを出射し、加工対象物に入射させる工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の間に、前記加工対象物を、前記第１の方向と反対の方向に移動させる工程と
を有するレーザ加工方法。
前記第１の方向と前記第２の方向とが直交する方向である請求項８に記載のレーザ加工方法。