JP2011067840A

JP2011067840A - レーザー加工装置

Info

Publication number: JP2011067840A
Application number: JP2009220995A
Authority: JP
Inventors: Keiji Nomaru; 圭司能丸; Ken Togashi; 謙富樫; Naoki Omiya; 直樹大宮
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】品質良く所望の大きさの円加工等ができるレーザー加工装置を提供すること。
【解決手段】被加工物Ｗにレーザービームを照射するレーザー照射手段４０が、レーザービームを発振するレーザー発振器４１と、レーザー発振器４１で発振したレーザービームを反射する反射面４３ａを有するミラー４３と、反射面４３ａが回転軸に対して平行又は垂直とならない様に、ミラー４３が先端に配設され、ミラー４３を回転させるスピンドル４４と、ミラー４３の反射面４３ａで反射したレーザービームを被加工物Ｗに向けて集光する集光レンズ４５とを有し、スピンドル４４によって回転させられるミラー４３でレーザービームを反射させて前記集光レンズ４５上に円状の軌跡を描くようにレーザービームを導き、被加工物Ｗ上に円状の軌跡を描くようにレーザービームを照射する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の被加工物をレーザー加工するレーザー加工装置に関する。

外形寸法が数ミリメートル程度の微小径の透明石英ガラスリングが、光学用部材、光ファイバー用部品、パソコン等の光通信における受信装置に用いるコネクター用部品等として用いられている。特許文献１には、レーザービームを用いて微小径の透明石英ガラスリングを製造する方法が記載されている。特許文献１に記載の製造方法では、表面を鏡面加工した石英ガラス基板をレーザー加工台に貼り付け、石英ガラス基板の表層又は内部に焦点を結ばせてレーザービームを照射し、焦点を製品の輪郭に沿って移動させて切断加工する。

特開２００８−６３２０７号公報特開２００３−１６３３２３号公報

ところで、現在のレーザー加工技術では直径１ｍｍ以下の微細な穴を高精度で抜くことが可能になってきているが（例えば、特許文献２参照）、円加工されるリングの外形寸法が２ｍｍ以上のものになってくると、上記微細穴と同等の精度を実現することが難しい。例えば、ガルバノスキャナーを用いてレーザービームの円形の軌跡を描く場合、ミラーの位置制御が不安定なことから、品質の良い円加工が困難である。また、音響光学偏向素子（ＡＯＤ）を用いてレーザービームの円形の軌跡を描く場合、走査可能範囲が制限されるため、比較的径の大きな円加工には適用が困難である。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、品質良く所望の大きさの円加工等ができるレーザー加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザー加工装置は、被加工物を保持する保持テーブルと、当該保持テーブルに保持された前記被加工物にレーザービームを照射するレーザー照射手段とを含むレーザー加工装置であって、前記レーザー照射手段は、前記レーザービームを発振するレーザー発振器と、前記レーザー発振器で発振したレーザービームを反射する反射面を有するミラーと、前記反射面が回転軸に対して平行又は垂直とならない様に、前記ミラーが先端に配設され、当該ミラーを回転させるスピンドルと、前記ミラーの反射面で反射したレーザービームを前記被加工物に向けて集光する集光レンズと、を有し、前記スピンドルによって回転させられる前記ミラーで前記レーザービームを反射させて前記集光レンズ上に円状の軌跡を描くように前記レーザービームを導くことによって前記被加工物上に円状の軌跡を描くように前記レーザービームを照射することを特徴とする。

この構成によれば、ミラーの反射面がスピンドルの回転軸に対して平行又は垂直とならない様にスピンドルの先端にミラーを設け、スピンドルによって回転したミラーにレーザービームを導入し当該ミラーで反射したレーザービームを集光レンズに入射し、集光レンズ上で円状の軌跡を描くようにしたので、スピンドルの回転軸に対するミラーの反射面の角度を変えるだけで、所望の直径の円加工が可能になる。

上記レーザー加工装置において、前記反射面を当該反射面が前記スピンドルの回転軸に平行又は垂直とならない範囲で任意の角度に調整する角度調整機構を備えても良い。

前記角度調整機構は、前記反射面が前記スピンドルの回転軸に平行又は垂直とならない範囲で遊動可能に配設された前記ミラーを、前記スピンドルの回転速度の変化に伴い変化する遠心力によって移動させ、前記スピンドルの回転軸と前記反射面とのなす角度を変化させる構成としても良い。

上記レーザー加工装置において、前記レーザー照射手段は、前記集光レンズに入射する前記レーザービームの入射角が変化しても、当該集光レンズから出射するレーザービームの中心軸が常に当該集光レンズの光軸と平行となるテレセントリック光学系であることが望ましい。

本発明によれば、品質良く所望の大きさの円加工等ができるレーザー加工装置を提供できる。

本発明に係るレーザー加工装置の斜視図本発明に係るレーザー加工装置のチャックテーブル周辺の斜視図本発明に係るレーザー加工装置に備えたレーザー照射手段の構成図半導体ウェーハの加工予定の外円及び内円を示す平面図集光レンズ上でレーザービームが円状の軌跡を描く様子を示す概念図（ａ）半導体ウェーハへ照射したレーザービームが描いた外円及び内円を示す図、（ｂ）外円及び内円に沿ってくり抜かれたリングを示す図傾斜の異なる複数の傾斜部材を示す図入射位置を補正する補正機能を備えたレーザー照射手段の構成図スピンドル先端の傾斜端面に垂直な回転軸でミラーを回動させる角度調整機構を説明するための概略図スピンドル先端にスピンドルの回転軸と直交する軸にて回動部材を支持した角度調整機構を説明するための概略図スピンドル先端に回転速度に応じて角度が調整される角度調整ミラーを備えた角度調整機構を説明するための概略図図１１に示す角度調整機構を備えたレーザー照射手段の構成図

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザー加工装置の斜視図であり、図２は図１に示すレーザー加工装置に設けられたチャックテーブル周辺の斜視図である。同図には、レーザー加工対象である被加工物として半導体ウェーハＷが例示されている。半導体ウェーハＷは、方形状に形成されており、貼着テープ９１を介して環状フレーム９２に支持されている。

なお、本実施の形態においては、被加工物としてシリコンウェーハ等の半導体ウェーハを例に挙げて説明するが、被加工物は半導体ウェーハに限定されるものではない。たとえば、チップ実装用として半導体ウェーハの裏面に貼着されるＤＡＦ（Die Attach Film）等の粘着部材、半導体製品のパッケージ、セラミック、ガラス、サファイヤ（Al₂O₃）系の無機材料基板、ＬＣＤドライバー等の各種電気部品やミクロンオーダーの加工位置精度が要求される各種加工材料を被加工物としてもよい。

図１に示すように、レーザー加工装置１は、基台２に支柱部３が立設されており、支柱部３の上部から基台２の中央部側の上面上まで支持部４が水平に延びている。支持部４の先端にはレーザー加工ヘッド５が設けられている。図１及び図２には図示されていないが、支持部４の内部にレーザー発振器、各種の光学部材及びスピンドルが配設され、レーザー加工ヘッド５には集光レンズが配設されている。レーザー照射手段の構成要素は、支持部４及びレーザー加工ヘッド５に配設されている。

基台２の上面は、支柱部３が立設された場所を除いて矩形状に開放されており、その矩形状の開放領域Ｒにチャックテーブル１１が配設されている。基台２における矩形状の開放領域Ｒにはチャックテーブル１１を囲むように枠体１２が配設されている。枠体１２はＸ軸方向の寸法が開放領域ＲにおけるＸ軸方向の寸法と略同一寸法に設定されており、開放領域ＲにおいてＹ軸方向へのみ移動可能に基台２に組み込まれている。枠体１２においてＹ軸方向に対向する一対の側壁と、それら枠体１２側の側壁と対向する基台２側の側壁との間には、枠体１２の移動に伴って伸縮可能な防塵カバー１３ａ，１３ｂが設けられている。枠体１２の内側には、チャックテーブル１１と共にＸ軸方向へ移動可能な移動板１４と、移動板１４の移動に伴って伸縮可能な防塵カバー１５ａ，１５ｂとが設けられている。このように、レーザー加工装置１は、基台２の上面における開放領域Ｒが、枠体１２、移動板１４、防塵カバー１３ａ，１３ｂ、１５ａ，１５ｂにより覆われている。また、移動板１４の中央には、円形の開口部が形成され、この円形の開口部を介してチャックテーブル１１の上部が外部に露出される。

図２に示すように、基台２内には、チャックテーブル１１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させるチャックテーブル移動機構２０が設けられている。チャックテーブル移動機構２０は、支持台２１上においてＹ軸方向に延在し、互いに平行な一対のガイドレール２２と、一対のガイドレール２２にスライド可能に設置されたモータ駆動のＹ軸テーブル２３とを有している。また、チャックテーブル移動機構２０は、Ｙ軸テーブル２３上においてＸ軸方向に延在し、互いに平行な一対のガイドレール２４と、一対のガイドレール２４にスライド可能に設置されたモータ駆動のＸ軸テーブル２５とを有している。Ｘ軸テーブル２５の上部には、チャックテーブル１１が設けられている。

なお、Ｘ軸テーブル２５およびＹ軸テーブル２３の背面側には、それぞれ図示しないナット部が形成され、これらナット部にボールネジ２６、２７が螺合されている。そして、ボールネジ２６、２７の一端部には、それぞれ駆動モータ２８、２９が連結され、これら駆動モータ２８、２９によりボールネジ２６、２７が回転駆動される。

チャックテーブル１１は、Ｘ軸テーブル２５の上面においてＺ軸回りに回転可能なテーブル支持部３１と、テーブル支持部３１の上部に設けられ、半導体ウェーハＷを吸着保持するワーク保持部３２（図１参照）とを有している。図２では、半導体ウェーハＷの貼着された環状フレーム９２をチャックテーブル１１にセットした状態が示されているので、ワーク保持部３２は半導体ウェーハＷ及び貼着テープ９１に隠れて見えていない。ワーク保持部３２は、半導体ウェーハＷを吸着保持する真空チャック式であり、所定の厚みを有する円盤状に形成されている。ワーク保持部３２の周囲には、テーブル支持部３１の四方から径方向外側に延びる一対の支持アームを介して４つのクランプ部３３が設けられている。この４つのクランプ部３３は、エアーアクチュエータにより駆動し、半導体ウェーハＷの周囲の環状フレーム９２を挟持固定する。

図３はレーザー加工装置１に設けられたレーザー照射手段の構成図である。
同図に示すレーザー照射手段４０は、レーザー発振器４１、導入ミラー４２、ミラー４３、スピンドル４４、集光レンズ４５を主な構成要素として構成される。

レーザー発振器４１は、レーザー発振によって生成されたレーザービームを出射する。レーザービームとしてパルスレーザーを生成しても良い。レーザー発振器４１から出射したレーザービームの進行路上に導入ミラー４２が配置されている。導入ミラー４２は、レーザービームをミラー４３へ導入する。

ミラー４３は、レーザービームを集光レンズ４５側へ反射する反射面４３ａを有する。スピンドル４４は、スピンドル先端にミラー４３が設けられている。スピンドル４４は、回転軸を中心に矢印イで示す回転方向（反時計回り）に回転する。ミラー４３の反射面４３ａから出射するレーザービームが円状の軌跡を描くためには、ミラー４３の反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸に対して平行又は垂直とならないことが必要である。図３では傾斜部材４３ｂにミラー４３を固定し、スピンドル４４の回転軸に対して反射面４３ａを任意の角度で傾斜させている。傾斜部材４３ｂは、断面形状が直角三角形となるくさび型を有しており、斜辺側にミラー４３が固定されている。傾斜部材４３ｂの長辺側である対向面を、回転軸に対して垂直な端面であるスピンドル４４の先端部に固定している。ミラー４３の反射面４３ａから出射したレーザービームの光路上に集光レンズ４５が配置されている。

集光レンズ４５は、入射するレーザービームを集光させるように作用する集光光学系であり、単レンズ又は組合せレンズで構成される。図３では集光レンズ４５として両凸レンズを模式的に示している。集光レンズ４５は、レーザー加工ヘッド５の内部に設けられた不図示のレンズ保持部にＺ軸方向へ移動可能に保持されており、不図示のフォーカシング機構を介してＺ軸方向の集光位置を調整可能に構成されている。レーザー加工時には、集光レンズ４５の集光点に半導体ウェーハＷが配置される。

ここで、集光レンズ４５は、集光レンズ４５に入射するレーザービームの入射角が変化しても、当該集光レンズ４５から出射するレーザービームの中心軸が常に当該集光レンズ４５の光軸と略平行となるテレセントリック光学系であることが望ましい。レーザービームの集光レンズ４５への入射角度は、スピンドル４４の回転軸に対するミラー４３の傾斜角に応じて変化する。

集光レンズ４５がテレセントリック光学系であれば、集光レンズ４５への入射角度及び入射位置が異なっていても、集光レンズ４５から出射する各レーザービームの出射角度を集光レンズ４５の光軸と略並行にすることができる。図３には異なるスピンドル４４の回転角度位置におけるミラー４３で反射したレーザービームＬ１，Ｌ２,Ｌ３が集光レンズ４５へ入射して、集光レンズ４５からの出射後はレーザービームＬ１，Ｌ２,Ｌ３がレンズ光軸と略並行になっている状態が示されている。なお、レーザービームＬ３は集光レンズ４５の中心に入射しているのではなく、レーザービームＬ１，Ｌ２と同等にレンズ光軸から所定距離だけ紙面垂直方向へ離れた位置に入射している。

次に、以上のように構成された本実施の形態のレーザー加工装置において半導体ウェーハＷをリング加工するための動作について説明する。
図１に示すように、貼着テープ９１を介して半導体ウェーハＷが支持された環状フレーム９２が準備される。半導体ウェーハＷが支持された環状フレーム９２がチャックテーブル１１にセットされ、エアーアクチュエータにより駆動された４つのクランプ部３３によって環状フレーム９２が挟持固定される。

次に、Ｙ軸テーブル２３及びＸ軸テーブル２５を移動させて、半導体ウェーハＷをレーザー加工ヘッド５に対向させる。このとき、図４に示す半導体ウェーハＷの加工予定の外円Ｓ１の中心座標Ｐ１に、集光レンズ４５のレンズ光軸を合わせる位置合わせを行う。また、不図示のフォーカシング機構によって集光レンズ４５がＺ軸方向へ駆動制御され、集光レンズ４５の集光点が半導体ウェーハＷの表層又は内部に合うように調整される。

この後、スピンドル４４が回転駆動されてミラー４３が回転すると共に、レーザー発振器４１からレーザービームを所定時間だけ出射させる。半導体ウェーハＷをくり抜くのに必要な時間だけレーザービームを半導体ウェーハＷへ照射する。

ここで、半導体ウェーハＷに照射されるレーザービームが円状の軌跡を描くことについて説明する。図３に示すレーザー照射手段４０において、ミラー４３の反射面４３ａへ導入されたレーザービームが、ミラー４３の回転中心に相当する反射面４３ａ上の所定位置に入射している。

仮に、反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸に対して垂直である場合には、ミラー４３が回転してもレーザービームの反射面４３ａへの入射角は変化しないので、ミラー４３の回転角に依らず、反射面４３ａからのレーザービームの出射角は一定になる。この場合、反射面４３ａから出射するレーザービームの光軸が図５に示す直線Ｌ０であるものとする。

一方、図３に示すレーザー照射手段４０は、反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸に対して垂直（及び平行）とならない所定角度で、ミラー４３が支持されている。したがって、本実施の形態は、図５に示すように、反射面４３ａから出射するレーザービームは、ミラー４３が１回転する間、直線Ｌ０に対しては一定の角度αを維持したまま、直線Ｌ０と直交する平面において直線Ｌ０を中心にして３６０度回転する。

図５に示すように、直線Ｌ０が集光レンズ４５のレンズ光軸に相当する点Ｏｐを通るように対物レンズ４５とミラー４３を配置する。また、ミラー４３で反射したレーザービームが描く円状の軌跡Ｓｃが、対物レンズ４５において光軸と直交する平面である開口面４５ａに収まるように対物レンズ４５とミラー４３との間の光路長を設定する。

以上の光学条件の下で、ミラー４３がスピンドル４４の回転により１回転すると、反射面４３ａから集光レンズ４５へ入射したレーザービームは、対物レンズ４５における開口面４５ａで円状の軌跡Ｓｃ上を１周することになる。

対物レンズ４５へ入射したレーザービームは、スピンドル４４の回転軸に対するミラー４３の回転角度位置に応じて、軌跡Ｓｃ上の位置が変化する。このとき、集光レンズ４５はテレセントリック光学系であるので、対物レンズ４５から出射するレーザービームの光軸はレンズ光軸と略平行になる。そして、対物レンズ４５から出射するレーザービームは開口面４５ａ（軌跡Ｓｃ）への入射位置に対応した半導体ウェーハＷの外円Ｓ１上の所定位置へ入射する。レーザービームの対物レンズ４５へ入射位置が軌跡Ｓｃ上を移動するのに対応して、半導体ウェーハＷへ照射されるレーザービームの入射位置も外円Ｓ１上を移動することになる。その結果、図６（ａ）に示すように半導体ウェーハＷへ照射されるレーザービームのスポットが外円Ｓ１を描くことになる。レーザービームのスポットが外円Ｓ１に沿って１周しただけでは、半導体ウェーハＷをくり抜くことができない場合は、ミラー４３が必要回数を回転する間だけ、レーザー発振器４１からレーザービームを出し続ける。

以上のようにして、半導体ウェーハＷの加工予定の外円Ｓ１に沿ってレーザービームを必要なだけ周回させることができ、半導体ウェーハＷを外円Ｓ１に沿ってくり抜くことができる。

半導体ウェーハＷの外円Ｓ１の加工が終了したら、一旦レーザー発振器４１を止めて、ミラー４３の反射面４３ａの回転軸に対する角度を、図４に示す内円Ｓ２の直径に対応した角度に切り替える。

以下に、ミラー４３の反射面４３ａのスピンドル４４の回転軸に対する角度を調整するための角度調整機構について説明する。
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、傾斜の異なる複数の傾斜部材４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを準備し、これら傾斜部材４３ｂ、４３ｃ、４３ｄをスピンドル４４の先端部に対して選択的に着脱自在できる構成とする。３つの傾斜部材４３ｂ、４３ｃ、４３ｄは、傾斜角の一番大きい傾斜部材４３ｃ（図７（ａ））が、図５に示す直線Ｌ０に対する角度αが最も小さくなり、加工円の直径も一番小さくなる。次いで、傾斜部材４３ｂ（図７（ｂ））を用いた場合の加工円の直径が中間となり、傾斜角の最も小さい傾斜部材４３ｄ（図７（ｃ））を用いた場合の加工円の直径が一番大きくなる。

例えば、傾斜角の最も小さい傾斜部材４３ｄによる加工円の直径が、図４に示す内円Ｓ２の直径と同じであるとする。スピンドル４４の先端部から傾斜部材４３ｂを取り外し、代わりに傾斜部材４３ｃを取り付ける。

上記同様に、Ｙ軸テーブル２３及びＸ軸テーブル２５を移動させて、半導体ウェーハＷをレーザー加工ヘッド５に対向させ、加工予定の内円Ｓ２の中心座標Ｐ１（外円Ｓ１の中心座標Ｐ１と同一）に、集光レンズ４５のレンズ光軸を合わせる位置合わせを行う。また、フォーカシング機構によって集光レンズ４５の集光点が半導体ウェーハＷの表層又は内部に合うように調整される。

この後、スピンドル４４がミラー４３の回転駆動を開始すると共に、レーザー発振器４１からレーザービームを所定時間だけ出射する。その結果、図６（ａ）に示すように半導体ウェーハＷへ照射される集光するレーザービームのスポットが内円Ｓ２に沿って移動し、レーザービームのスポットを内円Ｓ２に沿って必要なだけ周回させる。半導体ウェーハＷは内円Ｓ２に沿ってくり抜かれる。図６（ｂ）は半導体ウェーハＷから切り抜かれたリングＷｃを示している。内円Ｓ２に沿った加工が終了したら、ミラー４３の回転動作及びレーザー発振器４１によるレーザー発振動作を停止する。

このように、本実施の形態に係るレーザー加工装置１によれば、反射面４３ａが回転軸に対して垂直または平行とならないようにスピンドル４４の先端にミラー４３を設け、ミラー４３で反射したレーザービームが集光レンズ４５上で円状の軌跡Ｓｃを描くようにしたので、スピンドル４４の回転軸に対するミラー４３の角度を調整するだけで、半導体ウェーハＷ上に所望の直径のレーザービームの軌跡を描くことができ、品質良く所望の大きさの円加工が可能になる。

また、本実施の形態に係るレーザー加工装置１によれば、図７に示すように傾斜角度の異なる複数の傾斜部材４３ｂ、４３ｃ、４３ｄをスピンドル４４の先端部に着脱可能にしたので、傾斜部材４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを交換することにより、円加工できる直径を切り替えることができ、直径の異なる円加工が可能である。

また、本実施の形態に係るレーザー加工装置１によれば、集光レンズ４５への入射角が変化しても出射するレーザービームの光軸が集光レンズ４５のレンズ光軸と略平行となるテレセントリック光学系としたので、入射角の変化に影響されずに、集光レンズ４５の光軸に対して略平行なレーザービームを出射でき、半導体ウェーハＷに対して常に略垂直に集光するレーザービームを入射することができ、レーザービームが半導体ウェーハＷに対して斜めに入射することによる加工不良を防止できる。また、集光レンズ４５と半導体ウェーハＷの距離が変化しても、加工形状（レーザービームが半導体ウェーハＷ上に形成する円形状軌跡の径の大きさ）が変化しないため、半導体ウェーハＷの厚さ変化に影響されること無く、所望形状の円加工が可能になる。

ところで、上述した通り、集光レンズ４５はテレセントリック光学系であるので、半導体ウェーハＷの厚さ変化に影響されずに安定した円加工が可能である。しかし、厳密には集光レンズ４５に固有の歪みに起因して、集光レンズ４５（開口面４５ａ）に入射したレーザービームの軌跡Ｓｃが真円であったとしても、出射するレーザービームが半導体ウェーハＷ上に形成する軌跡（Ｓ１，Ｓ２）が真円になるとは限らない。

そこで、集光レンズ４５から出射するレーザービームが半導体ウェーハＷ上に予定した軌跡（真円の外円Ｓ１，真円の内円Ｓ２）を形成するように、ミラー４３への入射位置を補正する補正機構を備えることが望ましい。

図８は、ミラー４３への入射位置を補正する補正機能を備えたレーザー照射手段の構成図である。補正機能のための構成を除けば、上述した実施の形態に係るレーザー加工装置と同一構成であり、同一部分には同一符号を付している。

図８に示すレーザー照射手段５０は、導入ミラー４２の角度を調整する角度調整部５１を備える。角度調整部５１は、ミラー４３へ入射するレーザービームを紙面垂直方向となるＹ軸方向へ補正するためのＹ軸駆動部５１ａと、ミラー４３へ入射するレーザービームを紙面上下方向となるＸ軸方向へ補正するためのＸ軸駆動部５１ｂとを備える。Ｙ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂはピエゾ素子で構成することができる。

ミラー４３と集光レンズ４５との間の光路上に偏光ビームスプリッター５２が配設されている。偏光ビームスプリッター５２は特定の偏光方向の光のみ全反射させる。ミラー４３で反射して集光レンズ４５に入射するレーザービームのうち特定の偏光方向の光だけが偏光ビームスプリッター５２で異なる方向へ反射される。図８において、集光レンズ４５に向かうレーザービームＬ１、Ｌ２，Ｌ３にそれぞれ含まれる特定の偏光方向の成分が偏光ビームスプリッター５２で反射し、レーザービームＬ１１、Ｌ１２，Ｌ１３として撮像素子５３へ入射している。

偏光ビームスプリッター５２で異なる方向へ反射されたレーザービーム（Ｌ１１、Ｌ１２，Ｌ１３等）は撮像素子５３へ入射して入射位置が検出される。撮像素子５３に入射するレーザービームが、集光レンズ４５の開口面４５ａに描かれる軌跡Ｓｃと相似形の軌跡を描く。

ここで、設計通りに全く歪みの無い集光レンズ４５が製造されているとすれば、集光レンズ４５の開口面４５ａに描かれる軌跡Ｓｃが真円であれば、集光レンズ４５から出射したレーザービームで描かれる円状の軌跡も真円となる。しかし、集光レンズ４５に固有の歪みが存在すれば、集光レンズ４５上に描かれた真円の軌跡Ｓｃに対して、集光レンズ４５から出射したレーザービームが描く軌跡は歪んだ円形となる。

そこで、歪んだ円形を真円に戻すように集光レンズ４５に入射するレーザービームの軌跡Ｓｃを調整する必要がある。集光レンズ４５上でのレーザービームの軌跡Ｓｃは、Ｙ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂがレーザービームに与えるＹ軸方向及びＸ軸方向の変位量によって補正できる。

どのような軌跡Ｓｃを集光レンズ４５上に描けば、半導体ウェーハＷに集光するレーザービームの軌跡が真円になるかを求め、そのときＹ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂがレーザービームに与えるＹ軸方向及びＸ軸方向の変位量を補正量として記憶しておく。

予め行った予備加工により半導体ウェーハＷ上に形成された加工軌跡を図示せぬ撮像機構によって検出し、半導体ウェーハＷに集光するレーザービームが加工予定の真円（Ｓ１又はＳ２）からずれていれば、Ｙ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂが導入ミラー４２の角度を制御してレーザービームにＹ軸方向及びＸ軸方向の変位量を与える。集光するレーザービームを加工予定の真円上へ移動できた時の、Ｙ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂに設定されたスピンドル４４の各回転角度位置の駆動量を補正量として記憶する。このとき、集光するレーザービームを加工予定の真円上へ移動できたときの撮像素子５３上でのレーザービームの入射位置を入射位置情報Ｓａ，Ｓｂとして記憶する。以上のような作業を加工予定である外円Ｓ１，内円Ｓ２の全周について予め行う。

実際の加工時は、撮像素子５３上で検出されるレーザービーム入射位置を入射位置情報Ｓｙ，ＳｘとしてＹ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂへ入力する。そして、Ｓｙ,ＳｘがＳａ，Ｓｂと同一となるようにＹ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂがリアルタイムでレーザービームをＹ軸方向及びＸ軸方向に補正し、集光レンズ４５の開口面４５ａに描かれる軌跡Ｓｃを調整するので、集光レンズ４５から出射した集光するレーザービームで外円Ｓ１又は内円Ｓ２に沿って真円が描かれる。

このように、ミラー４３で反射して集光レンズ４５へ入射するレーザービームの一部を取り出して撮像素子５３で検出し、撮像素子５３で検出される入射位置情報Ｓａ，Ｓｂに基づいてＹ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂによって導入ミラー４２の角度を制御するので、集光レンズ４５から出射したレーザービームは補正された所望形状（例えば真円）の軌跡を形成することができる。

なお、Ｙ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂの駆動は、必ずしも前述の様に偏光ビームスプリッター５２及び撮像素子５３によってリアルタイムに行う必要は無い。単純にＹ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂに設定されたスピンドル４４の各回転角度位置の駆動量を補正量に基づいて、導入ミラー４２の角度を制御しながら加工を行ってもよい。

次に、スピンドル４４の回転軸に対する反射面４３ａの角度を調整する角度調整機構のその他の構成例について説明する。

図９（ａ）（ｂ）に示す角度調整機構は、傾斜部材４３ｂをスピンドル４４の先端部の傾斜端面に垂直な回転軸で回動するように構成されている。図９（ｃ）に模式的に示すように、スピンドル４４の先端部を傾斜部材４３ｂと同一の傾斜角度で切断して傾斜端面４４ｂを形成し、傾斜端面４４ｂに対して傾斜部材４３ｂの傾斜面４３ｅを摺動自在に面接触させている。ただし、傾斜端面４４ｂに対して傾斜部材４３ｂの傾斜面４３ｅが面接触することは必須ではない。また、スピンドル４４の先端部は、回転する傾斜部材４３ｂと干渉しなければ良く、傾斜部材４３ｂと同一の傾斜角度で切断した傾斜端面４４ｂであることは必須ではない。

図９（ａ）（ｂ）に示すように、傾斜端面４４ａに対して垂直な回転軸を有する回転駆動部６１で傾斜部材４３ｂを矢印ロ方向に回転駆動する。図９（ａ）に示す回転角ではミラー４３の反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸と直交しているが、この状態から回転駆動部６１により傾斜部材４３ｂを回転駆動すれば、図９（ｂ）に示すように反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸に対して直交しない任意角度に調整される。

このように、回転駆動部６１で傾斜部材４３ｂを回転駆動する構成とすることで、傾斜部材４３ｂを交換する必要がなくなり、作業の効率化が図られる。

次に、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して他の角度調整機構について説明する。
図１０（ａ）（ｂ）はスピンドル先端部に回動部材が取り付けられたスピンドルを回動部材の回転軸方向から見た側面図であり、図１０（ｃ）は図１０（ａ）（ｂ）に示す状態からスピンドルの回転軸を中心に９０度回転させた状態の側面図である。

図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、スピンドル４４の先端部に、下面にミラーの設けられた回動部材を、スピンドル４４の回転軸と直交する軸にて回動自在に支持している。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、回動部材７１はシリンドリカル形状をなしており、シリンドリカル背面７２と平底面７３とを有する。平底面７３にミラー４３が設けられている。一方、スピンドル４４の先端部は回動部材７１のシリンドリカル背面７２に対応した湾曲面４４ｃが形成されている。スピンドル４４の先端部の湾曲面４４ｃに回動部材７１のシリンドリカル背面７２が配置されており、スピンドル４４の先端部から回動部材７１の両側の端面に延出した支持片４４ｄに支持軸７４にて回動自在に軸支されている。スピンドル４４の先端部に支持軸７４にて軸支された回動部材７１は任意の角度で固定可能に構成されている。回動部材７１は任意の角度で固定するための固定手段は特に限定されない。

図１０（ａ）に示す回動角ではミラー４３の反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸と直交しているが、この状態から回動部材７１を任意の角度だけ回動させて、図１０（ｂ）に示すように反射面４３ａがスピンドル４４の回転軸に対して直交しない任意角度で固定する。

このように、スピンドル４４の先端に回動部材７１を回動自在に保持することで、傾斜部材４３ｂを交換する必要がなくなり、作業の効率化が図られる。

図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す角度調整機構は、スピンドルの先端部に回転速度に応じて角度が調整される角度調整ミラーを備えている。スピンドル４４の先端部となる端面は、回転軸を通る線分にて２分されており、一方の領域がスピンドル４４の回転軸と垂直な平面４４ｅであり、他方の領域が傾斜面４４ｆとされている。ミラー８１は、平面視が円形又は方形状をなし、長手方向（円形の場合には径方向）の寸法がスピンドル４４の直径と略同一に設定されている。ミラー８１は、その長手方向（円形の場合には径方向）の中間位置の両側に凸部８２が設けられている。ミラー８１は、一対の凸部８２が、スピンドル４４の先端部の外周であって平面４４ｅと傾斜面４４ｆとの境界部に支持軸８３にて回動自在に軸支されている。ミラー８１は、スピンドル４４への取り付け面と反対側にレーザービームを反射する反射面８１ａを有する。

図１１（ａ）に無回転時におけるミラー８１の状態を示す。同図に示すように、ミラー８１は長手方向（円形の場合には径方向）の中間位置で支持されているが、実機への取り付け時にはスピンドル４４の回転軸が垂直状態から所定角度だけ傾いた状態で固定されるので、スピンドル４４の無回転時には平面４４ｅ側が自重で下がり、傾斜面４４ｆ側が傾斜面４４ｆに当接した状態で安定する。

図１１（ｂ）に低速回転時におけるミラー８１の状態を示す。なお、低速回転とは高速回転に対する相対的なスピンドル４４の回転速度であり、絶対的な回転速度を示す指標ではない。同図に示すように、スピンドル４４の回転に連動してミラー８１がスピンドル４４と共に回転する。ミラー８１が回転すると、回転軸に対して垂直方向に遠心力が働くので、回転軸に対して垂直方向に近づこうとする力が働く。これにより、ミラー８１は、支持軸８３を回転軸として傾斜面４４ｆ側が傾斜面４４ｆから離れる方向に回動する。スピンドル４４の回転速度を低速回転に維持すれば、低速回転で生じる遠心力とバランスした角度でミラー８１が安定する。

図１１（ｃ）に高速回転時におけるミラー８１の状態を示す。同図に示すように、ミラー８１が高速回転すると、低速回転時よりも大きな遠心力が働くので、回転軸に対して垂直方向に近づこうとするより大きな力が働く。これにより、低速回転時に比べて、反射面８１ａがスピンドル４４の回転軸に対してより直交する角度に変化する。

このように、スピンドル４４の回転速度によりミラー８１の反射面８１ａの角度を調整することができる。集光レンズ４５から出射したレーザービームが描く円状の軌跡が所望の直径となる回転速度に設定すれば、ミラーの交換作業を伴うこと無く、加工円の直径を調整することができる。

図１２は図１１に示す角度調整機構を備えたレーザー照射手段の構成図である。
図１２に示すレーザー照射手段９０は、角度調整機構を除いて、図８に示すレーザー照射手段５０と同一の構成要素で構成されている。スピンドル４４の先端部にミラー８１が取り付けられており、スピンドル４４の回転速度を制御してミラー８１の角度が調整される。ミラー８１と集光レンズ４５との間の光路上に偏光ビームスプリッター５２が配置されている。偏光ビームスプリッター５２で特定の偏光方向のレーザービームＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を反射させて撮像素子５３へ入射している。撮像素子５３へ入射したレーザービームが描く軌跡は円形となるが、その円の直径は撮像素子５３の画素位置（入射位置）に対応する。そこで、撮像素子５３で検出されるレーザービームの入射位置を直径情報Ｓｄとしてスピンドル４４へフィードバックする。スピンドル４４は、撮像素子５３から入力する直径情報Ｓｄに基づいて回転速度を制御する不図示の速度制御部を備える。

加工時には、撮像素子５３で検出される位置情報が入射位置情報Ｓｙ，ＳｘとしてリアルタイムでＹ軸駆動部５１ａ及びＸ軸駆動部５１ｂへ入力されると共に、入射位置が直径情報Ｓｄとしてスピンドル４４へリアルタイムでフィードバックされる。スピンドル４４は、撮像素子５３上に描かれる円形の直径（入射位置）が所要値となるようにスピンドル４４の回転速度を制御する。

このように、撮像素子５３で検出される入射位置情報を直径情報Ｓｄとしてスピンドル４４へフィードバックし、ミラー８１が所望の角度となるようにスピンドル４４の回転速度を制御するので、ミラーの交換作業を伴うこと無く、ミラー８１の角度を調整することができる。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明は、レーザービームを用いてワークを円形加工するレーザー加工装置に有用である。

１レーザー加工装置
２基台
３支柱部
４支持部
５レーザー加工ヘッド
１１チャックテーブル
１２枠体
１３ａ，１３ｂ、１５ａ，１５ｂ防塵カバー
１４移動板
４０レーザー照射手段
４１レーザー発振器
４２導入ミラー
４３ミラー
４３ａ反射面
４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ傾斜部材
４４スピンドル
４５集光レンズ
５１角度調整機構
５２偏光ビームスプリッター
５３撮像素子

Claims

被加工物を保持する保持テーブルと、当該保持テーブルに保持された前記被加工物にレーザービームを照射するレーザー照射手段とを含むレーザー加工装置であって、
前記レーザー照射手段は、
前記レーザービームを発振するレーザー発振器と、
前記レーザー発振器で発振したレーザービームを反射する反射面を有するミラーと、
前記反射面が回転軸に対して平行又は垂直とならない様に、前記ミラーが先端に配設され、当該ミラーを回転させるスピンドルと、
前記ミラーの反射面で反射したレーザービームを前記被加工物に向けて集光する集光レンズと、を有し、
前記スピンドルによって回転させられる前記ミラーで前記レーザービームを反射させて前記集光レンズ上に円状の軌跡を描くように前記レーザービームを導くことによって前記被加工物上に円状の軌跡を描くように前記レーザービームを照射するレーザー加工装置。
前記反射面を当該反射面が前記スピンドルの回転軸に平行又は垂直とならない範囲で任意の角度に調整する角度調整機構を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
前記角度調整機構は、
前記反射面が前記スピンドルの回転軸に平行又は垂直とならない範囲で遊動可能に配設された前記ミラーを、前記スピンドルの回転速度の変化に伴い変化する遠心力によって移動させ、前記スピンドルの回転軸と前記反射面とのなす角度を変化させることによって構成される請求項２記載のレーザー加工装置。
前記レーザー照射手段は、
前記集光レンズに入射する前記レーザービームの入射角が変化しても、当該集光レンズから出射するレーザービームの中心軸が常に当該集光レンズの光軸と平行となるテレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザー加工装置。