JP2009063446A - チャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透明性を有する材料によって形成された被加工物であってもチャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を確実に検出する。
【解決手段】レーザー光線発振手段と、レーザー光線のスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、環状に形成されたレーザー光線を第１の経路に導く第１のビームスプリッターと、集光して被加工物に照射する集光器と、被加工物で反射したレーザー光線が第１のビームスプリッターによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、ピンホールマスクを通過した反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、第３の経路に分光された反射光を受光する第1の受光素子と、第４の経路に分光された反射光の受光領域を規制する手段と第２の受光素子とを備え、第1の受光素子が受光した光量と第２の受光素子が受光した光量との比に基いて被加工物の上面高さ位置を求める。
【選択図】図２

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位置を検出するための高さ位置検出装置に関する。

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デバイスを製造している。また、サファイヤ基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体等が積層された光デバイスウエーハも分割予定ラインに沿って切断することにより個々の発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスに分割され、電気機器に広く利用されている。

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

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に均一に変質層を形成することができない。従って、半導体ウエーハ等の内部の所定深さに均一に変質層を形成するためには、予めレーザー光線を照射する領域の凹凸を検出し、その凹凸にレーザー光線照射手段を追随させて加工する必要がある。

上述した問題を解消するために、本出願人はチャックテーブルに保持された被加工物の表面（上面）に可視光のレーザー光線を照射し、被加工物の表面（上面）で反射した面積に対応した光量に基いて被加工物の表面（上面）の高さ位置を検出する高さ位置検出手段を備えたレーザー加工装置を提案した。（例えば、特許文献２参照。）
特開２００７−１５２３５５号公報

而して、上記公報に開示された高さ位置検出手段においては、被加工物としてのウエーハがシリコンによって形成されている場合には可視光のレーザー光線が透過しないため、被加工物の表面（上面）で反射した面積に対応した光量を正確に測定することができるが、ウエーハが透明性を有するサファイヤや石英によって形成されている場合にはレーザー光線が被加工物の表面（上面）で反射するとともに被加工物の裏面（下面）でも反射するため、被加工物の表面（上面）で反射した光だけを測定することができない。従って、上記公報に開示された高さ位置検出手段においては、透明性を有する材料によって形成された被加工物の表面位置を検出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、透明性を有する材料によって形成された被加工物であってもチャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を確実に検出するための高さ位置検出装置を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、チャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置であって、
レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段によって発振されたレーザー光線のスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、該環状スポット形成手段によってスポット形状が環状に形成されたレーザー光線を第１の経路に導く第１のビームスプリッターと、該第１の経路に導かれたレーザー光線を集光してチャックテーブルに保持された被加工物に照射する集光器と、チャックテーブルに保持された被加工物で反射したレーザー光線が該第１のビームスプリッターによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、該ピンホールマスクを通過した反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、該第２のビームスプリッターによって該第３の経路に分光された反射光を受光する第1の受光素子と、該第２のビームスプリッターによって該第４の経路に分光された反射光を受光する第２の受光素子と、該第４の経路に配設され該第２の受光素子が受光する反射光の受光領域を規制する受光領域規制手段と、該第1の受光素子が受光した光量と該第２の受光素子が受光した光量との比に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を求める制御手段と、を具備している、
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高さ位置検出装置が提供される。

上記環状スポット形成手段は、レーザー光線の光軸に沿って所定の間隔を持って直列に配設された一対の円錐レンズによって構成されている。

本発明によるチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置検出装置は以上のように構成され、レーザー光線発振手段から発振された円形のスポット形状を有するレーザー光線を環状スポット形成手段によって環状のスポット形状を有するレーザー光線に形成し、この環状のスポット形状を有するレーザー光線を被加工物に照射する。従って、被加工物に照射された環状のスポット形状を有するレーザー光線は、上面で環状のスポット形状で反射するとともに、被加工物が透明性を有する場合には下面で環状のスポット形状で反射する。そして、被加工物の下面で反射した環状スポット形状の第２の反射光はピンホールマスクによって遮断し、ピンホールマスクのピンホールを通過した被加工物の上面で反射した環状スポット形状の第１の反射光に基いて受光量を検出するので、被加工物が透明性を有する場合であっても被加工物の上面位置を正確に検出することができる。

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高さ位置検出装置の好適な実施形態について、添付図面を参照して、更に詳細に説明する。

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位置検出装置が装備された加工機としての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機は、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レーザー光線照射ユニット５とを具備している。

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に（X軸方向）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上に被加工物である例えば円盤状の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に移動させるための加工送り手段３７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X軸方向位置を検出するためのX軸方向位置検出手段３７４を備えている。X軸方向位置検出手段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X軸方向位置検出手段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X軸方向位置を検出する。

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Y軸方向位置を検出するためのY軸方向位置検出手段３８４を備えている。Y軸方向位置検出手段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Y軸方向位置検出手段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Y軸方向位置を検出する。

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。

図示の実施形態のおけるレーザー光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１と、該ユニットホルダ５１に取り付けられたレーザー光線照射手段５２を具備している。ユニットホルダ５１は、上記装着部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５１１、５１１が設けられており、この被案内溝５１１、５１１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光線照射ユニット５は、ユニットホルダ５１を一対の案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す焦点位置調整方向（Z軸方向）に移動させるための集光点位置調整手段５３を具備している。集光点位置調整手段５３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５３２等の駆動源を含んでおり、パルスモータ５３２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、ユニットホルダ５１およびレーザビーム照射手段５２を案内レール４２３、４２３に沿って矢印Ｚで示す集光点位置調整方向（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５３２を正転駆動することによりレーザー光線照射手段５２を上方に移動し、パルスモータ５３２を逆転駆動することによりレーザー光線照射手段５２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レーザー光線照射ユニット５は、レーザー光線照射手段５２のZ軸方向位置を検出するためのZ軸方向位置検出手段５５を具備している。Z軸方向位置検出手段５５は、上記案内レール４２３、４２３と平行に配設されたリニアスケール５５１と、上記ユニットホルダ５１に取り付けられユニットホルダ５１とともにリニアスケール５５１に沿って移動する読み取りヘッド５５２とからなっている。このZ軸方向位置検出手段５５の読み取りヘッド５５２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。

図示のレーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。ケーシング５２１内には図２に示すように加工用パルスレーザー光線発振手段６と、この加工用パルスレーザー光線発振手段６が発振する加工用パルスレーザー光線を上記チャックテーブル３６に保持される被加工物に照射せしめる集光器７を具備している。加工用パルスレーザー光線発振手段６は、被加工物であるウエーハに対して透過性を有する波長の加工用パルスレーザー光線LB1を発振する。この加工用パルスレーザー光線発振手段6は、例えば波長が１０６４ｎｍである加工用パルスレーザー光線LB１を発振するＹＶＯ４パルスレーザー発振器或いはＹＡＧパルスレーザー発振器を用いることができる。集光器７は、上記加工用パルスレーザー光線発振手段６から発振された加工用パルスレーザー光線LB1を図２において下方に向けて方向変換する方向変換ミラー７１と、該方向変換ミラー７１によって方向変換された加工用パルスレーザー光線LB1を集光する集光レンズ７２とからなっている。

図２を参照して説明を続けると、図示の実施形態におけるレーザー加工機は、チャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置８を具備している。高さ位置検出装置８は、検査用レーザー光線を発振する検査用レーザー光線発振手段８０と、上記加工用パルスレーザー光線発振手段６と集光器７と間に配設され検査用レーザー光線発振手段８０から発振された検査用レーザー光線を集光器７に向けて分光せしめるダイクロックハーフミラー８１と、該ダイクロックハーフミラー８１と検査用レーザー光線発振手段８０との間に配設され検査用レーザー光線発振手段８０によって発振された検査用レーザー光線のスポット形状（断面形状）を環状に形成する環状スポット形成手段８２と、該環状スポット形成手段８２とダイクロックハーフミラー８１との間に配設され環状スポット形成手段８２によってスポット形状（断面形状）が環状に形成された検査用レーザー光線をダイクロックハーフミラー８１に向ける第１の経路８３aに導く第1のビームスプリッター８３を具備している。

検査用レーザー光線発振手段８０は、上記加工用パルスレーザー光線発振手段６から発振される加工用パルスレーザー光線の周波数と異なる周波数の例えば波長が６３５ｎｍの検査用レーザー光線LB2aを発振するHe-Neパルスレーザー発振器を用いることができる。ダイクロックハーフミラー８１は、加工用パルスレーザー光線LB1は通過するが検査用レーザー光線発振手段８０から発振された検査用レーザー光線を集光器７に向けて反射せしめる。環状スポット形成手段８２は、図示の実施形態においては検査用レーザー光線LB2aの光軸に沿って所定の間隔を持って直列に配設された一対の第１の円錐レンズ８２１と第２の円錐レンズ８２２とによって構成されている。なお、図示の実施形態においては一対の第１の円錐レンズ８２１と第２の円錐レンズ８２２は、頂点を互いに向かい合わせて配設した例を示したが、互いに背中合わせでも同じ方向に向けて配設してもよい。このように構成された環状スポット形成手段８２は、検査用レーザー光線発振手段８０によって発振されたスポット形状が円形の検査用レーザー光線LB2aをスポット形状が環状のレーザー光線LB2bにする。なお、環状スポット形成手段８２としては、環状の穴を備えたマスク部材を用いてもよい。上記第1のビームスプリッター８３は、環状スポット形成手段８２によってスポット形状が環状に形成されたレーザー光線LB2bを上記ダイクロックハーフミラー８１に向けた第１の経路８３aに導くとともに、ダイクロックハーフミラー８１によって分光された後述する反射光を第２の経路８３bに導く。

図示の実施形態における高さ位置検出手段８は、第２の経路８３bに配設され所定の径より大きい径の反射光の通過を規制するピンホール８４１を備えたピンホールマスク８４と、該ピンホールマスク８４を通過した反射光を第３の経路８５aと第４の経路８５bに分光する第２のビームスプリッター８５と、該第２のビームスプリッター８５によって第３の経路８５aに分光された反射光を１００％集光する集光レンズ８６と、該集光レンズ８６によって集光された反射光を受光する第1の受光素子８７を具備している。第1の受光素子８７は、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。なお、上記ピンホールマスク８４に形成されたピンホール８４１は、その直径が例えば１mmに設定されている。また、図示の実施形態における高さ位置検出手段８は、第２のビームスプリッター８５によって第４の経路８５bに分光された反射光を受光する第２の受光素子８８と、該第２の受光素子８８が受光する反射光の受光領域を規制する受光領域規制手段８９を具備している。受光領域規制手段８９は、図示の実施形態においては第２のビームスプリッター８５によって第４の経路８５bに分光された反射光を一次元に集光するシリンドリカルレンズ８９１と、該シリンドリカルレンズ８９１によって一次元に集光された反射光を単位長さに規制する一次元マスク８９２とからなっている。該一次元マスク８９２を通過した反射光を受光する第２の受光素子８８は、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。

図示の実施形態における高さ位置検出手段８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３に示すように検査用レーザー光線発振手段８０から発振された円形のスポット形状S1を有する検査用レーザー光線LB2aは、環状スポット形成手段8によって環状のスポット形状S2を有する検査用レーザー光線LB2bに形成される。即ち、環状スポット形成手段８２は、直径が２mmのレーザー光線LB2aを例えば外径(D1)が１０mm、内径(D2)が８mmの環状のレーザー光線LB2bに拡張するとともに、平行な光線に形成する。環状スポット形成手段８２によって環状のスポット形状S2に形成された検査用レーザー光線LB2bは、図２に示すように第1のビームスプリッター８３によって第１の経路８３aに導かれ、ダイクロックハーフミラー８１に達し、該ダイクロックハーフミラー８１によって集光器７に向けて反射される。集光器７に向けて反射された検査用レーザー光線LB2bは、上記加工用パルスレーザー光線LB1と同様に方向変換ミラー７１によって図２において下方に方向変換され、集光レンズ７２によって集光される。

上記のようにして環状のスポット形状S2に形成された検査用レーザー光線LB2bをチャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面で照射する場合には、集光点位置調整手段５３を作動して図４に示すように集光点Pbを被加工物Wの上面よりレーザー光線照射方向の上流側（上側）に位置するように調整する。この結果、環状のスポット形状S2に形成された検査用レーザー光線LB2bは、チャックテーブル３６に保持された被加工物Wの上面に環状のスポット形状S3で照射され、環状のスポット形状S3の大きさで反射する（第１の反射光）。このとき、被加工物Wが透明性を有するサファイヤや石英によって形成されている場合には、検査用レーザー光線LB2bは被加工物Wを透過して下面に達し、環状のスポット形状S4の大きさで反射する（第２の反射光）。

このように被加工物Wの上面で反射した環状スポット形状S3の第１の反射光と、被加工物Wの下面で反射した環状スポット形状S4の第２の反射光は、集光レンズ７２、方向変換ミラー７１、ダイクロックハーフミラー８１を介して第1のビームスプリッター８３に達する。図５に示すように第1のビームスプリッター８３に達した環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cと環状スポット形状S4の第２の反射光LB2dは、第1のビームスプリッター８３によって第２の経路８３bに分光され、ピンホールマスク８４に達する。ピンホールマスク８４に形成されたピンホール８４１は図示の実施形態においては例えば直径が１mmに設定されており、環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cは通過するが、環状スポット形状S4の第２の反射光LB2dは遮断される。なお、ピンホールマスク８４に形成されるピンホール８４１の直径は、被加工物Wの厚みや上記集光点Pbの位置等を考慮して、環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cは通過するが環状スポット形状S4の第２の反射光LB2dは遮断する値に設定する。このように、被加工物Wの下面で反射した環状スポット形状S4の第２の反射光LB2dはピンホールマスク８４によって遮断され、被加工物Wの上面で反射した環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cだけがピンホールマスク８４のピンホール８４１を通過することになる。

上記のようにピンホールマスク８４のピンホール８４１を通過した被加工物Wの上面で反射した環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cは、図２に示すように第２のビームスプリッター８５によって第３の経路８５aと第４の経路８５bに分光される。第３の経路８５aに分光された環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cは、集光レンズ８６によって１００％集光され第1の受光素子８７に受光される。そして、第1の受光素子８７は、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。一方、第４の経路に８５bに分光された環状スポット形状S4の第２の反射光LB2dは、受光領域規制手段８９のシリンドリカルレンズ８９１によって一次元に集光され、一次元マスク８９２によって所定の単位長さに規制されて第２の受光素子８８に受光される。そして、第２の受光素子８８は、受光した光量に対応した電圧信号を後述する制御手段に送る。

ここで、第1の受光素子８７と第２の受光素子８８によって受光される環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cの受光量について説明する。
第1の受光素子８７に受光される環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cは、集光レンズ８６によって１００％集光されるので受光量は一定であり、第1の受光素子８７から出力される電圧値（V1）は一定（例えば１０V）となる。一方、第２の受光素子８８によって受光される環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cは、シリンドリカルレンズ８９１によって一次元に集光された後、一次元マスク８９２によって所定の単位長さに規制されて第２の受光素子８８に受光されるので、図４に示すように検査用レーザー光線LB2bが被加工物Wの上面に照射される際に、集光器７の集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離、即ち被加工物Wの高さ位置（厚み）によって第２の受光素子８８の受光量は変化する。従って、第２の受光素子８８から出力される電圧値（V2）は、検査用レーザー光線LB2bが照射される被加工物Wの上面高さ位置によって変化する。

例えば、図６の(a)に示すように被加工物Wの高さ位置が高く（被加工物Wの厚みが厚く）集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)が小さい場合には、検査用レーザー光線LB2bは被加工物Wの上面に照射される環状のスポットS3aで反射する。この反射光は上述したように第２のビームスプリッター８５によって第３の経路８５aと第４の経路８５bに分光されるが、第３の経路８５aに分光された環状のスポットS3aの反射光は集光レンズ８６によって１００％集光されるので、反射光の全ての光量が第1の受光素子８７に受光される。一方、第２のビームスプリッター８５によって第４の経路８５bに分光された環状のスポットS3aの反射光は、シリンドリカルレンズ８９１によって一次元に集光されるので断面が略長方形となる。このようにして断面が略長方形に絞られた反射光は、一次元マスク８９２によって所定の単位長さに規制されるので、第４の経路８５bに分光された反射光の一部が第２の受光素子８８によって受光されることになる。従って、第２の受光素子８８に受光される反射光の光量は上述した第1の受光素子８７に受光される光量より少なくなる。

次に、図６の(b)に示すように被加工物Wの高さ位置が低く（被加工物Wの厚みが薄く）集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)大きい場合には、検査用レーザー光線LB2bは被加工物Wの上面に照射される環状のスポットS3ｂで反射する。この環状のスポットS3ｂは上記環状のスポットS3aより大きい。この環状のスポットS3ｂの反射光は上述したように第２のビームスプリッター８５によって第３の経路８５aと第４の経路８５bに分光されるが、第３の経路８５aに分光された環状の面積S３bの反射光は集光レンズ８６によって１００％集光されるので、反射光の全ての光量が第1の受光素子８７に受光される。一方、第２のビームスプリッター８５によって第４の経路８５bに分光された環状のスポットS3ｂの反射光は、シリンドリカルレンズ８９１によって一次元に集光されるので断面が略長方形となる。この略長方形の長辺の長さは、反射光の環状のスポットS3ｂが上記環状のスポットS3aより大きいので環状のスポットS3aの場合より長くなる。このようにして断面が略長方形に集光された反射光は、一次元マスク８９２によって所定の長さに区切られ一部が第２の受光素子８８によって受光される。従って、第２の受光素子８８によって受光される光量は、上記図６の(a)に示す場合より少なくなる。このように第２の受光素子８８に受光される反射光の光量は、集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置が高い（被加工物Wの厚みが厚い）程多く、集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置が低い（被加工物Wの厚みが薄い）程少なくなる。

ここで、上記第1の受光素子８７から出力される電圧値（V1）と第２の受光素子８８から出力される電圧値（V2）との比と、集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)、即ち被加工物Wの高さ位置との関係について、図７に示す制御マップを参照して説明する。なお、図７において横軸は集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)で、縦軸は第1の受光素子８７から出力される電圧値（V1）と第２の受光素子８８から出力される電圧値（V2）との比（V1/V2）を示している。図７に示す例においては、集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)が３０．０mmの場合上記電圧値の比（V1/V2）は“１”で、集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)が３０．６mmの場合上記電圧値の比（V1/V2）は“１０”に設定されている。従って、上述したように第1の受光素子８７から出力される電圧値（V1）と第２の受光素子８８から出力される電圧値（V2）との比（V1/V2）を求め、この電圧値の比（V1/V2）を図７に示す制御マップに照合することにより、集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)を求めることができる。なお、図７に示す制御マップは、後述する制御手段のメモリに格納される。

図示の実施形態における高さ位置検出手段８は以上のように構成され、検査用レーザー光線発振手段８０から発振された円形のスポット形状S1を有する検査用レーザー光線LB2aを環状スポット形成手段8によって環状のスポット形状S2を有する検査用レーザー光線LB2bに形成し、この環状のスポット形状S2を有する検査用レーザー光線LB2bを被加工物Wに照射する。従って、図４に示すように被加工物Wに照射された環状のスポット形状S2を有する検査用レーザー光線LB2bは、上面で環状のスポット形状S3で反射するとともに、被加工物Wが透明性を有する場合には下面で環状のスポット形状S4で反射する。そして、被加工物Wの下面で反射した環状スポット形状S4の第２の反射光LB2dはピンホールマスク８４によって遮断し、ピンホールマスク８４のピンホール８４１を通過した被加工物Wの上面で反射した環状スポット形状S3の第１の反射光LB2cに基いて受光量を検出するので、被加工物Wが透明性を有する場合であっても被加工物Wの上面位置を正確に検出することができる。

図１に戻って説明を続けると、上記レーザー光線照射手段５２を構成するケーシング５２１の先端部には、レーザー光線照射手段５２によってレーザー加工すべき加工領域を検出する撮像手段９が配設されている。この撮像手段９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。

図示の実施形態におけるレーザー加工機は、図８に示す制御手段１０を具備している。制御手段１０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）１０１と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０２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）１０３と、入力インターフェース１０４および出力インターフェース１０５とを備えている。制御手段１０の入力インターフェース１０４には、上記X軸方向位置検出手段３７４、Y軸方向位置検出手段３８４、集光点位置調整手段５３、第1の受光素子８７、第２の受光素子８８および撮像手段９等からの検出信号が入力される。そして、制御手段１０の出力インターフェース１０５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５３２、加工用パルスレーザー光線発振手段６、検査用レーザー光線発振手段８０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）１０３は、上述した図７に示す制御マップを格納する第１の記憶領域１０３a、後述する被加工物の設計値のデータを記憶する第２の記憶領域１０３b、後述する光デバイスウエーハ１０の高さ位置を記憶する第３の記憶領域１０３c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９にはレーザー加工される被加工物として光デバイスウエーハ２０の斜視図が示されている。図９に示すは、サファイヤウエーハからなっており、その表面２０ａに格子状に配列された複数のストリート２０１によって複数の領域が区画され、この区画された領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイス２０２が形成されている。

上述したレーザー加工機を用い、上記光デバイスウエーハ２０の分割予定ライン２０１に沿ってレーザー光線を照射し、光デバイスウエーハ２０の内部にストリート２０１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、光デバイスウエーハ２０の内部に変質層を形成する際に、光デバイスウエーハ２０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、上述した高さ位置検出装置８によってチャックテーブル３６に保持された光デバイスウエーハ２０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上に高さ位置検出装置８の裏面２０ｂを上にして載置し、該チャックテーブル３６上に光デバイスウエーハ２０を吸引保持する。光デバイスウエーハ２０を吸引保持したチャックテーブル３６は、加工送り手段３７によって撮像手段９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９の直下に位置付けられると、撮像手段９および制御手段１０によって光デバイスウエーハ２０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９および制御手段１０は、光デバイスウエーハ２０の所定方向に形成されているストリート２０１と、該ストリート２０１に沿って光デバイスウエーハ２０の高さを検出する高さ位置検出装置８の集光器７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、アライメントを遂行する。また、光デバイスウエーハ２０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２０１に対しても、同様にアライメントが遂行される。このとき、光デバイスウエーハ２０のストリート２０１が形成されている表面２０ａは下側に位置しているが、撮像手段９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、裏面２０ｂから透かしてストリート２０１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上の光デバイスウエーハ２０は、図１０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１０の（ｂ）はチャックテーブル３６即ち光デバイスウエーハ２０を図１０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１０の（ａ）および図１０の（ｂ）に示す座標位置に位置付けられた状態における光デバイスウエーハ２０に形成された各ストリート２０１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、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第２に記憶領域１０３ｂ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光デバイスウエーハ２０に形成されているストリート２０１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１０の（ａ）において最上位のストリート２０１を集光器７の直下に位置付ける。そして、更に図１１で示すようにストリート２０１の一端（図１１において左端）である送り開始位置座標値(A1)（図１０の（ａ）参照）を集光器７の直下に位置付ける。そして、高さ位置検出手段８を作動するとともに、チャックテーブル３６を図１１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）。この結果、光デバイスウエーハ２０の図１０の（ａ）において最上位のストリート２０１における高さ位置（集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)）を上述したように検出することができる。この検出された高さ位置（集光レンズ７２から被加工物Wの上面までの距離(H)）は、上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第２に記憶領域１０３ｂに格納されている座標値に対応して第３の記憶領域１０３cに格納される。このようにして、光デバイスウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って高さ位置検出工程を実施し、各ストリート２０１における高さ位置を上記ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第３の記憶領域１０３cに格納する。

以上のようにして光デバイスウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って高さ位置検出工程を実施したならば、光デバイスウエーハ２０の内部にストリート２０１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１０の（ａ）において最上位のストリート２０１を集光器７の直下に位置付ける。そして、更に図１２の（ａ）で示すようにストリート２０１の一端（図１２の（ａ）において左端）である送り開始位置座標値(A1)（図１０の（ａ）参照）を集光器７の直下に位置付ける。制御手段１０は、集光点位置調整手段５３を作動して集光器７から照射される加工用パルスレーザー光線LB1の集光点Ｐaを光デバイスウエーハ２０の裏面2０b(上面)から所定の深さ位置に合わせる。次に、制御手段１０は、加工用パルスレーザー光線発振手段６を作動し、集光器７から加工用パルスレーザー光線LB1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１２の(b)で示すように集光器７の照射位置がストリート２０１の他端（図１２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１０はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１０３の第３の記憶領域１０３cに格納されている光デバイスウエーハ２０のストリート２０１におけるX座標値に対応した高さ位置に基いて、集光点位置調整手段５３のパルスモータ５３２を制御し、図１２の(b)で示すように集光器７を光デバイスウエーハ２０のストリート２０１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、光デバイスウエーハ２０の内部には、図１２の(b)で示すように裏面２０b(上面)から所定の深さ位置に裏面２０b(上面)と平行に変質層２１０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、光デバイスウエーハ２０の厚さが厚い場合には、図１３に示すように集光点Ｐaを段階的に変えて上述した加工工程を複数回実行することにより、複数の変質層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを形成することが望ましい。この変質層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの形成は、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ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、光デバイスウエーハ２０の所定方向に延在する全てのストリート２０１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２０１に沿って上記加工工程を実行する。このようにして、光デバイスウエーハ２０に形成された全てのストリート２０１に沿って上記加工工程を実行したならば、光デバイスウエーハ２０を保持しているチャックテーブル３６は、最初に光デバイスウエーハ２０を吸引保持した位置に戻され、ここで光デバイスウエーハ２０の吸引保持を解除する。そして、光デバイスウエーハ２０は、図示しない搬送手段によって分割工程に搬送される。

以上、本発明によるチャックテーブルに保持された被加工物の高さ位置検出装置をレーザー加工機に適用した例を示したが、本発明はチャックテーブルに保持された被加工物を加工する種々の加工機に適用することができる。

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位置検出装置を装備したレーザー加工機の斜視図。 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位置検出装置の構成を示すブロック図。 図２に示す高さ位置検出装置を構成する環状スポット形成手段によって円形スポット形状のレーザー光線を環状スポット形状に形成する状態を示す説明図。 図２に示す高さ位置検出装置によってチャックテーブルに保持された被加工物にレーザー光線を照射する状態を示す説明図。 図２に示す高さ位置検出装置を構成する第１のビームスプリッターによって分光された反射光の一部がピンホールマスクによって遮断されるとともに他の一部が通過する状態を示す説明図。 図２に示す高さ位置検出装置によってチャックテーブルに保持された厚みが異なる被加工物にレーザー光線を照射する状態を示す説明図。 図２に示す高さ位置検出装置を構成する第1の受光素子から出力される電圧値（V1）と第２の受光素子から出力される電圧値（V2）との比と、集光器から被加工物の上面までの距離との関係を示す制御マップ。 図２に示す高さ位置検出装置を構成する制御手段を示すブロック図。 被加工物としての半導体ウエーハの斜視図。 図９に示す半導体ウエーハが図１に示すレーザー加工機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高さ位置検出装置によって実施される高さ位置検出工程の説明図。 図１に示すレーザー加工機によって図９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

１：レーザー加工機
２：静止基台
３：チャックテーブル機構
３６：チャックテーブル
３７：加工送り手段
３７４：X軸方向位置検出手段
３８：第１の割り出し送り手段
３８４：Y軸方向位置検出手段
４：レーザー光線照射ユニット支持機構
４２：可動支持基台
４３：第２の割り出し送り手段
５：レーザー光線照射ユニット
６：加工用パルスレーザー光線発振手段
７：集光器
７１：方向変換ミラー
７２：集光レンズ
８：高さ位置検出装置
８０：検査用レーザー光線発振手段
８１：ダイクロックハーフミラー
８２：環状スポット形成手段
８３：第1のビームスプリッター
８４：ピンホールマスク
８５：第２のビームスプリッター
８６：集光レンズ
８７：第1の受光素子
８８：第２の受光素子
８９：受光領域規制手段
９：撮像手段
１０：制御手段
２０：半導体ウエーハ

Claims (2)

1. チャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を検出するための高さ位置検出装置であって、
   レーザー光線を発振するレーザー光線発振手段と、該レーザー光線発振手段によって発振されたレーザー光線のスポット形状を環状に形成する環状スポット形成手段と、該環状スポット形成手段によってスポット形状が環状に形成されたレーザー光線を第１の経路に導く第１のビームスプリッターと、該第１の経路に導かれたレーザー光線を集光してチャックテーブルに保持された被加工物に照射する集光器と、チャックテーブルに保持された被加工物で反射したレーザー光線が該第１のビームスプリッターによって分光される第２の経路に配設されたピンホールマスクと、該ピンホールマスクを通過した反射光を第３の経路と第４の経路に分光する第２のビームスプリッターと、該第２のビームスプリッターによって該第３の経路に分光された反射光を受光する第1の受光素子と、該第２のビームスプリッターによって該第４の経路に分光された反射光を受光する第２の受光素子と、該第４の経路に配設され該第２の受光素子が受光する反射光の受光領域を規制する受光領域規制手段と、該第1の受光素子が受光した光量と該第２の受光素子が受光した光量との比に基いてチャックテーブルに保持された被加工物の上面高さ位置を求める制御手段と、を具備している、
   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高さ位置検出装置。
2. 該環状スポット形成手段は、レーザー光線の光軸に沿って所定の間隔を持って直列に配設された一対の円錐レンズによって構成されている、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高さ位置検出装置。

Images