JP2008209299A - チャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機 - Google Patents

チャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機 Download PDF

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Abstract

【課題】チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の上面高さや厚みを確実に計測することができる計測装置および計測装置を装備したレーザー加工機を提供する。
【解決手段】被加工物を保持するチャックテーブルに保持された被加工物の高さを計測する計測装置であって、白色光源と白色光を音響光学変更手段によって分光された回折光の一部の波長の光を通過せしめる第１のピンホールマスクと、第１のピンホールマスクを通過した光を集光して被加工物に照射する色収差レンズと、被加工物に照射された光の反射光を偏向するビームスプリッターと、ビームスプリッターによって偏向された反射光を通過せしめる第２のピンホールマスクと、第２のピンホールマスクを通過した反射光の受光信号を出力する受光素子と、音響光学偏向手段の制御信号と受光素子からの受光信号に基いて被加工物の高さ位置を求める制御手段とを具備している。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー加工機等の加工機に装備されるチャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の上面高さや厚みを計測する計測装置およびレーザー加工機に関する。
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等のデバイスを形成する。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デバイス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。
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て分割する方法として、ウエーハに対して透過性を有するパルス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パルス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、ウエーハの一方の面側から内部に集光点を合わせてウエーハに対して透過性を有する例えば波長が１０６４ｎｍのパルスレーザー光線を照射し、ウエーハ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。）
特許第３４０８８０５号公報
また、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、被加工物に形成されたストリートに沿ってパルスレーザー光線を照射することによりレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿ってメカニカルブレーキング装置によって割断する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開平１０−３０５４２０号公報
このように被加工物に形成されたストリートに沿ってレーザー加工溝を形成する場合にも被加工物の所定高さ位置にレーザー光線の集光点を位置付けることが重要である。
また、半導体ウエーハの表面におけるボンディングパッドと呼ばれる電極が形成された位置に裏面からボンディングパッドに達する孔（ビアホール）を形成する加工方法として、半導体ウエーハの裏面からパルスレーザー光線を照射する方法が試みられている。しかるに、半導体ウエーハの厚みにバラツキがあると、ボンディングパッドに達する孔（ビアホール）を正確に形成することができない。従って、半導体ウエーハにおけるボンディングパッド部の厚みを正確に把握しておく必要がある。
しかるに、半導体ウエーハ等の板状の被加工物にはウネリがあり、その厚さにバラツキがあるため、均一なレーザー加工を施すことが難しい。即ち、ウエーハの内部にストリートに沿って変質層を形成する場合、ウエーハの厚さにバラツキがあるとレーザー光線を照射する際に屈折率の関係で所定の深さ位置に均一に変質層を形成することができない。また、ウエーハに形成されたストリートに沿ってレーザー加工溝を形成する場合にもその厚さにバラツキがあると、均一な深さのレーザー加工溝を形成することができない。更に、ウエーハにボンディングパッドに達する孔（ビアホール）を形成する場合、ウエーハの厚みにバラツキがあると、ボンディングパッドに達する孔（ビアホール）を正確に形成することができない。
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、チャックテーブルに保持された半導体ウエーハ等の被加工物の上面高さや厚みを確実に計測することができる計測装置および計測装置を装備したレーザー加工機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、加工機に装備される被加工物を保持するチャックテーブルに保持された被加工物の高さを計測する計測装置であって、
白色光を発光する白色光源と、白色光を回折光に分光するとともに分光された回折光の束を電圧が印加されることにより所定角度に渡って揺動する音響光学変更手段と、該音響光学変更手段によって分光された回折光の一部の波長の光を通過せしめる第１のピンホールマスクと、該第１のピンホールマスクを通過した光を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射する色収差レンズと、該第１のピンホールマスクと該色収差レンズとの間に配設され被加工物に照射された光の反射光を偏向するビームスプリッターと、該ビームスプリッターによって偏向された反射光を通過せしめる第２のピンホールマスクと、該第２のピンホールマスクを通過した反射光を受光し受光した反射光の光強度に対応した受光信号を出力する受光素子と、該音響光学変更手段に制御信号を出力するとともに該受光素子からの受光信号に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備し、
該制御手段は、該音響光学変更手段に印加される電圧と該第１のピンホールマスクを通過する波長との関係を設定した第１の制御マップと、該色収差レンズによって集光された光の波長と焦点距離との関係を設定した第２の制御マップを格納するメモリを備えており、該受光素子が検出した光強度のピーク値に対応する該音響光学変更手段に印加された電圧値を求め、該電圧値を該第１の制御マップに照合して該第１のピンホールマスクを通過する波長を求め、該第１のピンホールマスクを通過する波長を該第２の制御マップに照合してチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を計測する、
ことを特徴とするチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置が提供される。
上記音響光学変更手段と上記第１のピンホールマスクとの間に配設され上記音響光学変更手段によって分光された回折光の収差を補正する収差補正レンズを備えていることが望ましい。
また、上記第２のピンホールマスクの反射光移動方向における上流側に第１の集光レンズを配設するとともに、第２のピンホールマスクの反射光移動方向における下流側に第２の集光レンズを配設し、第１の集光レンズの集光点位置を第２のピンホールマスクのピンホールに合わせている。
上記色収差レンズと該チャックテーブルをX軸方向に相対的に移動するX軸移動手段と、該色収差レンズと該チャックテーブルをX軸方向と直交するY軸方向に相対的に移動するY軸移動手段と、該チャックテーブルのX軸方向位置検出手段と、該チャックテーブルのY軸方向位置検出手段とを具備し、
該制御手段は該X軸方向位置検出手段および該Y軸方向位置検出手段からの検出信号に基いて被加工物の所定位置における高さ位置を求め、該被加工物の所定位置における高さ位置を格納するメモリを備えている。
また、本発明によれば、被加工物を保持する保持面を有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に加工用のレーザー光線を照射する加工用レーザー光線照射手段と、該加工用レーザー光線照射手段をチャックテーブルの該保持面に対して垂直な方向に移動する集光点位置調整手段と、を具備するレーザー加工機であって、
上記計測装置が配設されており、該計測装置は該チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を計測する、
ことを特徴とするレーザー加工機が提供される。
本発明においては、色収差レンズを通過した白色光が波長によって異なる焦点距離を有することを利用して、その反射光の光強度によって波長を特定することにより焦点距離を求めるので、チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を正確に計測することができる。
以下、本発明に従って構成されたチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機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チャックテーブルに保持された被加工物の高さを計測する計測装置を装備したレーザー加工機の斜視図が示されている。図１に示す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で示す加工送り方向（X軸方向）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で示す加工送り方向（X軸方向）と直角な矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）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（Z軸方向）に移動可能に配設された加工用レーザー光線照射ユニット５と、チャックテーブルに保持された被加工物の高さを計測する計測装置を構成する計測用光線照射ユニット６とを具備している。この加工用レーザー光線照射ユニット５と計測用光線照射ユニット６は、共通のユニットホルダ４４に装着される。
上記チャックテーブル機構３は、静止基台２上に矢印Ｘで示す加工送り方向（X軸方向）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で示す加工送り方向（X軸方向）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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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カバーテーブル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（保持面）に被加工物である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。このように構成され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。なお、チャックテーブル３６には、後述する環状のフレームを固定するためのクランプ３６２が配設されている。
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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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で示す加工送り方向（X軸方向）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で示す加工送り方向（X軸方向）に移動させるための加工送り手段３７（X軸移動手段）を具備している。加工送り手段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で示す加工送り方向（X軸方向）に移動せしめられる。
図示の実施形態におけるレーザー加工機は、上記チャックテーブル３６の加工送り量を検出するための加工送り量検出手段３７４を備えている。加工送り量検出手段３７４は、案内レール３１に沿って配設されたリニアスケール３７４aと、第１の滑動ブロック３２に配設され第１の滑動ブロック３２とともにリニアスケール３７４aに沿って移動する読み取りヘッド３７４bとからなっている。この送り量検出手段３７４の読み取りヘッド３７４bは、図示に実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の加工送り量を検出する。従って、加工送り量検出手段３７４は、チャックテーブル３６のX軸方向位置を検出するX軸方向位置検出手段として機能する。なお、上記加工送り手段３７の駆動源としてパルスモータ３７２を用いた場合には、パルスモータ３７２に駆動信号を出力する後述する制御手段の駆動パルスをカウントすることにより、チャックテーブル３６の加工送り量を検出することもできる。また、上記加工送り手段３７の駆動源としてサーボモータを用いた場合には、サーボモータの回転数を検出するロータリーエンコーダが出力するパルス信号を後述する制御手段に送り、制御手段が入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の加工送り量を検出することもできる。
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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）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で示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動させるための第１の割り出し送り手段３８（Y軸移動手段）を具備している。第１の割り出し送り手段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Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動せしめられる。
図示の実施形態におけるレーザー加工機は、上記第２の滑動ブロック３３の割り出し加工送り量を検出するための割り出し送り量検出手段３８４を備えている。割り出し送り量検出手段３８４は、案内レール３２２に沿って配設されたリニアスケール３８４aと、第２の滑動ブロック３３に配設され第２の滑動ブロック３３とともにリニアスケール３８４aに沿って移動する読み取りヘッド３８４bとからなっている。この送り量検出手段３８４の読み取りヘッド３８４bは、図示に実施形態においては1μm毎に１パルスのパルス信号を後述する制御手段に送る。そして後述する制御手段は、入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り量を検出する。従って、割り出し送り量検出手段３８４は、チャックテーブル３６のY軸方向位置を検出するY軸方向位置検出手段として機能する。なお、上記割り出し送り手段３８の駆動源としてパルスモータ３８２を用いた場合には、パルスモータ３８２に駆動信号を出力する後述する制御手段の駆動パルスをカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り量を検出することもできる。また、上記第１の割り出し送り手段３８の駆動源としてサーボモータを用いた場合には、サーボモータの回転数を検出するロータリーエンコーダが出力するパルス信号を後述する制御手段に送り、制御手段が入力したパルス信号をカウントすることにより、チャックテーブル３６の割り出し送り量を検出することもできる。
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（Y軸方向）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（Z軸方向）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に沿って矢印Ｙで示す割り出し送り方向（Y軸方向）に移動させるための第２の割り出し送り手段４３（Y軸移動手段）を具備している。第２の割り出し送り手段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（Y軸方向）に移動せしめられる。
上記加工用レーザー光線照射ユニット５と計測用光線照射ユニット６が装着された共通のユニットホルダ４４は、上記可動支持基台４２の装着部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４４１、４４１が設けられており、この被案内溝４４１、４４１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（Z軸方向）に移動可能に支持される。
図示の実施形態におけるレーザー加工機は、ユニットホルダ４４を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向（Z軸方向）即ちチャックテーブル３６の保持面に対して垂直な方向に移動させるための集光点位置調整手段４５を具備している。集光点位置調整手段４５は、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４５２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ４５２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、加工用レーザー光線照射ユニット５と計測用光線照射ユニット６が装着されたユニットホルダ４４を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す方向（Z軸方向）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４５２を正転駆動することにより加工用レーザー光線照射ユニット５と計測用光線照射ユニット６を上方に移動し、パルスモータ４５２を逆転駆動することにより加工用レーザー光線照射ユニット５と計測用光線照射ユニット６を下方に移動するようになっている。
図示の実施形態における加工用レーザー光線照射ユニット５は、上記ユニットホルダ４４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５１を含んでいる。また、加工用レーザー光線照射ユニット５は、図２に示すようにケーシング５１内に配設されたパルスレーザー光線発振手段５２および出力調整手段５３と、上記ケーシング５１の先端に装着された集光器５４を具備している。上記パルスレーザー光線発振手段５２は、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器からなるパルスレーザー光線発振器５２１と、これに付設された繰り返し周波数設定手段５２２とから構成されている。
上記加工用レーザー光線照射ユニット５を構成するケーシング５１の前端部には、撮像手段７が配設されている。この撮像手段7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。
次に、チャックテーブルに保持された被加工物の高さを計測する計測装置を構成する計測用光線照射ユニット６について、図１および図３を参照して説明する。
図示の実施形態における計測用光線照射ユニット６は、上記ユニットホルダ４４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６０を含んでいる。また、計測用光線照射ユニット６は、図３に示すようにケーシング６０内に配設された白色光を発光する白色光源６１と、該白色光源６１が発光した各種の波長を含む白色光を波長によって回折光に分光するとともに所定角度に亘って揺動する音響光学変更手段６２と、該音響光学偏向手段６２によって分光された回折光の収差を補正する収差補正レンズ６３と、該収差補正レンズ６３を通過した回折光の一部の波長の光を通過せしめる第１のピンホールマスク６４と、該第１のピンホールマスクを通過した光を集光してチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射する色収差レンズ６５と、第１のピンホールマスク６４と色収差レンズ６５との間に配設され被加工物Wに照射された光の反射光を偏向するビームスプリッター６６と、該ビームスプリッター６６によって偏向された反射光を通過せしめる第２のピンホールマスク６７と、該第２のピンホールマスク６７を通過した反射光を受光する受光素子６８とを具備している。
白色光源６１は、白色灯や発光ダイオード（LED）等を用いることができる。上記音響光学変更手段６２は、音響光学素子６２１と、該音響光学素子６２１に印加するRF（radio frequency）を生成するRF発振器６２２と、該RF発振器６２２によって生成されたRFのパワーを増幅して音響光学素子６２１に印加するRFアンプ６２３と、RF発振器６２２によって生成されるRFの周波数を調整する偏向角度調整手段６２４を具備している。上記音響光学素子６２１は、白色光源６１が発光した白色光を回折光に分光するとともに印加されるRFの周波数に対応してパルスレーザー光線の光軸を偏向する角度を調整することができる。なお、上記偏向角度調整手段６２４は、後述する制御手８によって制御される。
上記収差補正レンズ６３は、アクロマットレンズからなり、音響光学素子６２によって分光された回折光の収差を補正する。上記第１のピンホールマスク６４は、直径が２５μm程度のピンホール６４１を備えており、収差補正レンズ６３を通過した回折光の一部の波長の光を通過せしめる。上記色収差レンズ６５は、グラディウムレンズ等の色収差を有するレンズからなり、光の波長によって屈折率が異なる。従って、色収差レンズ６５に入光した白色光は、波長によって焦点距離（集光位置）が異なる。上記ビームスプリッター６６は、上記第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過した光を実線で示すように色収差レンズ６５に向けて透過せしめるとともに、被加工物Wで反射した反射光を破線で示すように９０度の角度で反射し偏向せしめる。
上記第２のピンホールマスク６７は、ビームスプリッター６６によって偏向された反射光を通過せしめるピンホール６７１を備えている。このピンホール６７１は、直径が１００μm程度でよい。なお、第２のピンホールマスク６７の設置位置としては、上記反射光は拡散するので第１のピンホールマスク６４とビームスプリッター６６の間隔と、ビームスプリッター６６と第２のピンホールマスク６７の間隔が同一間隔になる位置に設置することが望ましい。上記受光素子６８はフォトセンサーからなり、上記第２のピンホールマスク６７を通過した反射光を受光し、受光した反射光の光強度に対応した受光信号を後述する制御手段８に送る。
上記第１のピンホールマスク６４とビームスプリッター６６の間隔と、ビームスプリッター６６と第２のピンホールマスク６７の間隔が異なる場合の他の実施形態について、図４を参照して説明する。
即ち、図４に示す実施形態においては、第２のピンホールマスク６７の反射光移動方向における上流側に第１の集光レンズ６９aを配設するとともに、第２のピンホールマスク６７の反射光移動方向における下流側に第２の集光レンズ６９bを配設する。そして、第１の集光レンズ６９aの集光点位置を第２のピンホールマスク６７のピンホール６７１に合わせるとともに、第２の集光レンズ６９bの集光点位置を受光素子６８の受光面に合わせる。このように構成することにより、ビームスプリッター６６によって偏向された反射光が拡散しても第１の集光レンズ６９aによって反射光を集光し第２のピンホールマスク６７のピンホール６７１を通過させることができ、そして第２の集光レンズ６９bによって再度集光することができる。なお、受光素子６８の受光面に第２のピンホールマスク６７が装着されている場合には、第２の集光レンズ６９bは不要となる。
上述した計測用光線照射ユニット６の作用について図３に示す実施形態を参照して説明する。
上記白色光源６１が発光した白色光(L)は、音響光学変更手段６２の音響光学素子６２１を通過する際に図３において実線で示すように例えば３００nmの波長から３０００nmの波長の回折光に分光せしめられ。そして、分光された３００nmの波長から３０００nmの波長の回折光の束Aが、偏向角度調整手段６２４に印加される電圧に対応して所定角度に亘って揺動せしめられる。なお、偏向角度調整手段６２４に印加される電圧は、例えば、１秒間に１００００〜５００００周期で１〜１０Vの範囲で変化させる。従って、音響光学素子６２１を通過する白色光(L)は、１００００〜５００００分の１秒毎に光軸が偏向され、回折光の束Aが第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１上を揺動する。このようにして揺動される回折光の束Aは、収差補正レンズ６３を通過することによって収差が補正され、収差補正レンズ６３の中心部を通過した一部が第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過する。従って、第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過する回折光は、音響光学素子６２１によって分光された回折光の束Aが揺動される際に収差補正レンズ６３の中心を通過する所定範囲の波長の光となる。このようにして第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過した所定波長の光は、ビームスプリッター６６を透過して色収差レンズ６５に入光し、色収差レンズ６５によって集光されチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射される。
このとき色収差レンズ６５によって集光される白色光(L)は、波長によって屈折率が異なるため、波長によって焦点距離が異なる。従って、被加工物Wに照射された白色光(L)は被加工物Wの上面で反射するが、このうち被加工物Wの上面に集光点が合致した波長の光が最も小さい直径で反射する。被加工物Wの上面で反射した集光点が合致した波長の反射光は、破線で示すようにビームスプリッター６６によって偏向され第２のピンホールマスク６７のピンホール６７１を通過して受光素子６８に至る。従って、被加工物Wの上面に集光点が合致した波長の光の反射光を受光した受光素子６８は、光強度が高い受光信号を出力する。また、上記色収差レンズ６５によって集光される回折光のうち被加工物Wを透過し被加工物Wの下面に集光点が合致した波長の光も最も小さい直径で反射する。従って、この反射光も上述したように破線で示すようにビームスプリッター６６によって偏向され第２のピンホールマスク６７のピンホール６７１を通過して受光素子６８に至る。この結果、白色光源６１が発光した白色光(L)を音響光学素子６２１によって分光された回折光の束Aが揺動する間に、受光素子６８は図５に示すような受光信号を出力する。図５は、横軸が白色光(L)の波長(nm)で縦軸が受光信号の光強度(電圧：mV)を表している。図５に示すように受光素子６８は、２つのピーク値P1、P2を出力する。第１のピーク値P1は色収差レンズ６５によって集光される回折光のうち被加工物Wの上面に集光点が合致した波長であり、第２のピーク値P2は被加工物Wを透過した回折光のうち被加工物Wの下面に集光点が合致した波長である。なお、第１のピーク値P1は第２のピーク値P2よりも高い値を示す。
なお、被加工物Wの上面に集光点が合致しない波長の反射光は直径が大きいため、第２のピンホールマスク６７によって遮断されピンホール６７１を通過する量はほんの僅かとなる。従って、被加工物Wの上面に集光点が合致しない波長の反射光を受光した受光素子６８は、光強度が低い受光信号を出力する。後述する制御手段８は、入力した受光信号に基いて上記色収差レンズ６５の波長に対する焦点距離を求めることにより、チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面の高さ位置を求める。
後述する制御手段８は、図６に示すように音響光学変更手段６２の偏向角度調整手段６２４に印加される電圧と第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過する波長との関係を設定した第１の制御マップと、図７に示すように色収差レンズ６５によって集光される光の波長と焦点距離(H)との関係を設定した第２の制御マップを備えており、これらの制御マップが後述するメモリに格納されている。なお、上記第１の制御マップおよび第２の制御マップは、それぞれ実験に基いて作成される。
図１に戻って説明を続けると、図示の実施形態におけるレーザー加工装置は、制御手段８を具備している。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、カウンター８４と、入力インターフェース８５および出力インターフェース８６とを備えている。制御手段８の入力インターフェース８５には、上記加工送り量検出手段３７４、割り出し送り量検出手段３８４および撮像手段７等からの検出信号が入力される。そして、制御手段８の出力インターフェース８６からは、上記パルスモータ３７２、パルスモータ３８２、パルスモータ４３２、パルスモータ４５２、加工用パルスレーザー光線発振手段５、計測用光線照射ユニット６等に制御信号を出力する。なお、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３は、上述した図６に示す第１の制御マップを格納する第１の記憶領域８３a、上述した図７に示す第２の制御マップを格納する第２の記憶領域８３b、後述する被加工物の設計値のデータを記憶する第３の記憶領域８３c、後述する半導体ウエーハ１０の高さ位置を記憶する第４の記憶領域８３dや他の記憶領域を備えている。
図示の実施形態におけるレーザー加工機は以上のように構成されており、以下その作用について説明する。
図８にはレーザー加工される被加工物としての半導体ウエーハ１０の斜視図が示されている。図８に示すは、シリコンウエーハからなっており、その表面１０ａ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等のデバイス１０２が形成されている。
上述したレーザー加工機を用い、上記半導体ウエーハ１０の分割予定ライン１０１に沿ってレーザー光線を照射し、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レーザー加工の実施形態について説明する。なお、半導体ウエーハ１０の内部に変質層を形成する際に、半導体ウエーハの厚さにバラツキがあると、上述したように屈折率の関係で所定の深さに均一に変質層を形成することができない。そこで、レーザー加工を施す前に、上述した計測装置によってチャックテーブル３６に保持された半導体ウエーハ１０の高さ位置を計測する。即ち、先ず上述した図１に示すレーザー加工機のチャックテーブル３６上に半導体ウエーハ１０の裏面１０ｂを上にして載置し、該チャックテーブル３６上に半導体ウエーハ１０を吸引保持する。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、加工送り手段３７（X軸移動手段）によって撮像手段７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７の直下に位置付けられると、撮像手段７および制御手段８によって半導体ウエーハ１０のレーザー加工すべき加工領域を検出するアライメント作業を実行する。即ち、撮像手段７および制御手段８は、半導体ウエーハ１０の所定方向に形成されているストリート１０１と、該ストリート１０１に沿って半導体ウエーハ１０の高さを検出する計測用光線照射ユニット６の色収差レンズ６５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を実行し、高さ検出位置のアライメントを遂行する。また、半導体ウエーハ１０に形成されている所定方向と直交する方向に形成されているストリート１０１に対しても、同様に高さ検出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１０ａは下側に位置しているが、撮像手段７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、半導体ウエーハ１０の裏面１０ｂから透かしてストリート１０１を撮像することができる。
上述したようにアライメントが行われると、チャックテーブル３６上の半導体ウエーハ１０は、図９の（ａ）に示す座標位置に位置付けられた状態となる。なお、図９の（ｂ）はチャックテーブル３６即ち半導体ウエーハ１０を図９の（ａ）に示す状態から９０度回転した状態を示している。
なお、図９の（ａ）および図９の（ｂ）に示す座標位置に位置付けられた状態における半導体ウエーハ１０に形成された各ストリート１０１の送り開始位置座標値(A1,A2,A3・・・An)と送り終了位置座標値(B1,B2,B3・・・Bn)および送り開始位置座標値(C1,C2,C3・・・Cn)と送り終了位置座標値(D1,D2,D3・・・Dn)は、その設計値のデータが上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８の第３の記憶領域８３cに格納されている。
上述したようにチャックテーブル３６上に保持されている半導体ウエーハ１０に形成されているストリート１０１を検出し、高さ検出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を移動して図９の（ａ）において最上位のストリート１０１を計測用光線照射ユニット６の色収差レンズ６５の直下に位置付ける。そして、更に図１０で示すようにストリート１０１の一端（図１０において左端）である送り開始位置座標値(A1)（図９の（ａ）参照）を色収差レンズ６５の直下に位置付ける。そして、計測用光線照射ユニット６を作動するとともに、チャックテーブル３６を図１０において矢印Ｘ１で示す方向に移動し、送り終了位置座標値(B1)まで移動する（高さ位置検出工程）。この間に計測用光線照射ユニット６の受光素子６８は、上記図５に示す受光信号を連続して制御手段８に送信している。そして、制御手段８は、例えば１μm毎に図５に示す受光信号のうち最も光強度の高いピーク値を検出したときの第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過した波長を求める。この第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を通過する波長は、図６に示す第１の制御マップに基いて受光素子６８が受光した反射光のうち最も高い光強度である上記図５に示す第１のピーク値P1対応する電圧（例えば２５０mv）のときに音響光学変更手段６２の偏向角度調整手段６２４に印加した電圧から求めることができる。即ち、偏向角度調整手段６２４に印加する電圧を例えば１秒間に１００００周期で１〜１０V変化させると、回折光の束Aが第１のピンホールマスク６４のピンホール６４１を１秒間に１００００回通過し、ピーク値P1またはP2を検出した際に偏向角度調整手段６２４に印加した電圧に基いて図６に示す第１の制御マップから光の波長を求める。
この結果、図１１に示すように半導体ウエーハ１０の図９の（ａ）において最上位のストリート１０１における開始位置座標値(A1)から送り終了位置座標値(B1)までの光強度がピーク値を示した波長が求められる。このようにして求められたストリート１０１における開始位置座標値(A1)から送り終了位置座標値(B1)までの波長の値は、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８の第４の記憶領域８３dに格納される。次に、制御手段８は、図７に示す第２の制御マップを用いて、上記図１１に示すストリート１０１における開始位置座標値(A1)から送り終了位置座標値(B1)までの波長の値に対する焦点距離(H)を求めることにより、図１２に示すようにストリート１０１における開始位置座標値(A1)から送り終了位置座標値(B1)までの高さ位置（色収差レンズ６５の波長に対する焦点距離）が計測される。この計測された高さ位置は、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８の第４の記憶領域８３dに格納される。このようにして、半導体ウエーハ１０に形成された全てのストリート１０１に沿って高さ位置検出工程を実施し、各ストリート１０１における高さ位置を上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８の第4の記憶領域８３dに格納する。
以上のようにして半導体ウエーハ１０に形成された全てのストリート１０１に沿って高さ位置検出工程を実施したならば、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レーザー加工を実施する。
レーザー加工を実施するには、先ずチャックテーブル３６を移動して図９の（ａ）において最上位のストリート１０１を加工用レーザー光線照射ユニット５の集光器５４の直下に位置付ける。そして、更に図１３の（ａ）で示すようにストリート１０１の一端（図１３の（ａ）において左端）である送り開始位置座標値(A1)（図９の（ａ）参照）を集光器５４の直下に位置付ける。そして、集光器５４から照射されるパルスレーザー光線の集光点Ｐを半導体ウエーハ１０の裏面１０b(上面)から所定の深さ位置に合わせる。次に、加工用レーザー光線照射ユニット５を作動し、集光器５４からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル３６を矢印Ｘ１で示す方向に所定の加工送り速度で移動せしめる（加工工程）。そして、図１３の(b)で示すように集光器５４の照射位置がストリート１０１の他端（図１３の(b)において右端）に達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともに、チャックテーブル３６の移動を停止する。この加工工程においては、制御手段８はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８の第４の記憶領域８３dに格納されている半導体ウエーハ１０のストリート１０１における高さ位置に基いて、集光点位置調整手段４５のパルスモータ４５２を制御し、図１３の(b)で示すように集光器５４を半導体ウエーハ１０のストリート１０１における高さ位置に対応して上下方向に移動せしめる。この結果、半導体ウエーハ１０の内部には、図１３の(b)で示すように裏面１０b(上面)から所定の深さ位置に裏面１０b(上面)と平行に変質層１１０が形成される。
なお、上記加工工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
レーザー ：ＹＶＯ４ パルスレーザー
波長 ：１０６４ｎｍ
繰り返し周波数 ：１００ｋＨｚ
パルス出力 ：２．５μJ
集光スポット径 ：φ１μｍ
加工送り速度 ：１００ｍｍ／秒
なお、半導体ウエーハ２０の厚さが厚い場合には、図１４に示すように集光点Ｐを段階的に変えて上述したレーザー光線照射工程を複数回実行することにより、複数の変質層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを形成することが望ましい。この変質層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの形成は、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの順番でレーザー光線の集光点を段階的に変位して行うことが好ましい。
以上のようにして、半導体ウエーハ１０の所定方向に延在する全てのストリート１０１に沿って上記加工工程を実行したならば、チャックテーブル３６を９０度回動せしめて、上記所定方向に対して直角に延びる各ストリート１０１に沿って上記加工工程を実行する。このようにして、半導体ウエーハ１０に形成された全てのストリート１０１に沿って上記加工工程を実行したならば、半導体ウエーハ１０を保持しているチャックテーブル３６は、最初に半導体ウエーハ１０を吸引保持した位置に戻され、ここで半導体ウエーハ１０の吸引保持を解除する。そして、半導体ウエーハ１０は、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。
次に、上述した計測装置によって被加工物の厚みを計測する例について図３に示す実施形態を参照して説明する。
図３に示すように、チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの計測位置を色収差レンズの直下に位置付けた状態で、上記計測用光線照射ユニット６を作動する。即ち、制御手段８は、白色光源６１を点灯するとともに、音響光学変更手段６２の偏向角度調整手段６２４に印加する電圧を変化させて音響光学素子６２１を通過した回折光の束を揺動せしめる。この結果、収差補正レンズ６３を通過した回折光の束Aの一部ずつが第１のピンホールマスク６３のピンホール６３１を通過し、ビームスプリッター６６を透過して色収差レンズ６５に入光し、色収差レンズ６５によって集光されチャックテーブル３６に保持された被加工物Wに照射される。このとき上述したように色収差レンズ６５によって集光される回折光のうち被加工物Wの上面に集光点が合致した波長の光が上述したように反射するとともに、被加工物Wを透過した回折光のうち被加工物Wの下面に集光点が合致した波長の光が破線で示すように反射する。この反射光が上述したようにビームスプリッター６６、第２のピンホールマスク６７のピンホール６７１を通過して受光素子６８に至る。このようにして反射光を受光した受光素子６８は、上記図５に示すように受光信号を出力する。図５に示す受光信号において、第１のピーク値P1は色収差レンズ６５によって集光される回折光のうち被加工物Wの上面に集光点が合致した波長であり、第２のピーク値P2は被加工物Wを透過した回折光のうち被加工物Wの下面に集光点が合致した波長である。なお、第１のピーク値P1と第２のピーク値P2の波長は、制御手段８が受光素子６８から第１のピーク値P1と第２のピーク値P2を出力されたときに図６に示す第１の制御マップに基いて音響光学変更手段６２の偏向角度調整手段６２４に印加した電圧から求めることができる。
次に、制御手段８は、第１のピーク値P1の波長と第２のピーク値P2の波長を上記図７に示す第２の制御マップに照合して、それぞれの波長に対応する焦点距離(H1)と(H2)を求める。そして、第２のピーク値P2の波長の焦点距離(H2)から第１のピーク値P1の波長の焦点距離(H1)を減算（H2−H1）することにより、被加工物Wの厚みを求める。図５に示す実施形態においては第１のピーク値P1の波長は１０００nmであり、第２のピーク値P2の波長は１６００nmである。従って、図７に示す第２の制御マップに第１のピーク値P1の波長（１０００nm）を照合すると焦点距離(H1)は２８４００μmであり、第２のピーク値P2の波長（１６００nm）を照合すると焦点距離(H2)は２８７００μmである。そして、制御手段８は、被加工物Wの厚さ(t)を演算する（t＝H2−H1＝２８７００μm−２８４００μm＝３００μm）。この結果、制御手段８は、被加工物Wの厚さ(t)を３００μmと判定する。
このように被加工物の厚みを計測することにより、例えばパルスレーザー光線を用いて半導体ウエーハにボンディングパッドに達する孔（ビアホール）を形成する場合、被加工物の厚み対応したパルス数を設定することができるため、ボンディングパッドに達する孔（ビアホール）を正確に形成することができる。
本発明によって構成されたレーザー加工機の斜視図。 図1に示すレーザー加工機に装備される加工用レーザー光線照射ユニットのブロック構成図。 図1に示すレーザー加工機に装備される計測用光線照射ユニットのブロック構成図。 図1に示すレーザー加工機に装備される計測用光線照射ユニットの他の実施形態の要部を示すブロック構成図。 図1に示すレーザー加工機に装備される計測用光線照射ユニットに配設される受光素子の受光信号を示す説明図。 図1に示すレーザー加工機に装備される制御手段のメモリに格納される音響光学変更手段の偏向角度調整手段に印加される電圧と第１のピンホールマスクのピンホールを通過する波長との関係を設定した第１の制御マップ。 図1に示すレーザー加工機に装備される制御手段のメモリに格納される色収差レンズによって集光される光の波長と焦点距離との関係を設定した第２の制御マップ。 図1に示すレーザー加工機によって加工される被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。 図８に示す半導体ウエーハが図１に示すレーザー加工装置のチャックテーブルの所定位置に保持された状態における座標位置との関係を示す説明図。 図１に示すレーザー加工機に装備されたチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置によって実施される高さ位置検出工程の説明図。 図１０に示す高さ位置検出工程によって検出された半導体ウエーハのストリートにおける開始位置座標値(A1)から送り終了位置座標値(B1)までの光強度のピーク値を示す説明図。 図１１に示すストリートにおける開始位置座標値(A1)から送り終了位置座標値(B1)までの波長の値に対する色収差レンズの焦点距離との関係を示す説明図。 図１に示すレーザー加工機によって図５に示す半導体ウエーハに変質層を形成する加工工程の説明図。 被加工物の厚さが厚い場合の加工工程を示す説明図。
符号の説明
２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３１：案内レール
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３７４：加工送り量検出手段
３８：第１の割り出し送り手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４１：案内レール
４２：可動支持基台
４３：第２の割り出し送り手段
４３３：割り出し送り量検出手段
４４：ユニットホルダ
５：加工用レーザー光線照射ユニット
５１：ユニットホルダ
５２：パルスレーザー光線発振手段
５３：出力調整手段
５４：集光器
６：計測用光線照射ユニット
６１：白色光源
６２：音響光学変更手段
６２１：音響光学素子
６２２：RF発振器
６２３：RFアンプ
６２４：偏向角度調整手段
６３：収差補正レンズ
６４：第１のピンホールマスク
６５：色収差レンズ
６６：ビームスプリッター
６７：第２のピンホールマスク
６８：受光素子
７：撮像手段
８：制御手段
１０：半導体ウエーハ

Claims (5)

  1. 加工機に装備される被加工物を保持するチャックテーブルに保持された被加工物の高さを計測する計測装置であって、
    白色光を発光する白色光源と、白色光を回折光に分光するとともに分光された回折光の束を電圧が印加されることにより所定角度に渡って揺動する音響光学変更手段と、該音響光学変更手段によって分光された回折光の一部の波長の光を通過せしめる第１のピンホールマスクと、該第１のピンホールマスクを通過した光を集光して該チャックテーブルに保持された被加工物に照射する色収差レンズと、該第１のピンホールマスクと該色収差レンズとの間に配設され被加工物に照射された光の反射光を偏向するビームスプリッターと、該ビームスプリッターによって偏向された反射光を通過せしめる第２のピンホールマスクと、該第２のピンホールマスクを通過した反射光を受光し受光した反射光の光強度に対応した受光信号を出力する受光素子と、該音響光学変更手段に制御信号を出力するとともに該受光素子からの受光信号に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を求める制御手段と、を具備し、
    該制御手段は、該音響光学変更手段に印加される電圧と該第１のピンホールマスクを通過する波長との関係を設定した第１の制御マップと、該色収差レンズによって集光された光の波長と焦点距離との関係を設定した第２の制御マップを格納するメモリを備えており、該受光素子が検出した光強度のピーク値に対応する該音響光学変更手段に印加された電圧値を求め、該電圧値を該第１の制御マップに照合して該第１のピンホールマスクを通過する波長を求め、該第１のピンホールマスクを通過する波長を該第２の制御マップに照合してチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を計測する、
    ことを特徴とするチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置。
  2. 該音響光学変更手段と該第１のピンホールマスクとの間に配設され該音響光学変更手段によって分光された回折光の収差を補正する収差補正レンズを備えている、請求項１記載のチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置。
  3. 該第２のピンホールマスクの反射光移動方向における上流側に第１の集光レンズを配設するとともに、該第２のピンホールマスクの反射光移動方向における下流側に第２の集光レンズを配設し、該第１の集光レンズの集光点位置を該第２のピンホールマスクのピンホールに合わせている、請求項１又は２記載のチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置。
  4. 該色収差レンズと該チャックテーブルをX軸方向に相対的に移動するX軸移動手段と、該色収差レンズと該チャックテーブルをX軸方向と直交するY軸方向に相対的に移動するY軸移動手段と、該チャックテーブルのX軸方向位置検出手段と、該チャックテーブルのY軸方向位置検出手段とを具備し、
    該制御手段は該X軸方向位置検出手段および該Y軸方向位置検出手段からの検出信号に基いて被加工物の所定位置における高さ位置を求め、該被加工物の所定位置における高さ位置を格納するメモリを備えている、請求項１から３のいずれかに記載のチャックテーブルに保持された被加工物の計測装置。
  5. 被加工物を保持する保持面を有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に加工用のレーザー光線を照射する加工用レーザー光線照射手段と、該加工用レーザー光線照射手段をチャックテーブルの該保持面に対して垂直な方向に移動する集光点位置調整手段と、を具備するレーザー加工機であって、請求項１記載の計測装置が配設されており、該計測装置は該チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置を計測する、
    ことを特徴とするレーザー加工機。
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