JP2011125870A

JP2011125870A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2011125870A
Application number: JP2009283981A
Authority: JP
Inventors: Yukio Morishige; 幸雄森重; William Gadd Michael; ウィリアムガドマイケル
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】加工熱による被加工物の品質低下を防止するとともに、液柱内を導光されたレーザビームによって被加工物に形成されるレーザ加工溝の幅を狭くできるレーザ加工装置を提供することである。
【解決手段】被加工物を保持する保持手段と、該保持手段で保持された被加工物にレーザビームを照射するレーザビーム照射手段とを備えたレーザ加工装置であって、該レーザビーム照射手段は、レーザビーム発生手段と、加工ヘッドとを含み、該加工ヘッドは、該レーザビーム発生手段から発生されたレーザビームを集光する集光レンズと、被加工物に液体を噴射して、該集光レンズで集光されたレーザビームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、該液体噴射手段で形成された該液柱が通過するパイプと、該パイプ内に該液柱を囲繞する気体を流入させる気体流入路とを備え、該パイプに流入した該気体が該パイプを通過する該液柱を囲繞して整流することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエーハ等の被加工物にレーザビームを照射するレーザビーム照射手段を備えたレーザ加工装置に関し、特に、液体噴射手段から噴射されて形成された液柱に導光されたレーザビームによってレーザ加工を施すレーザ加工装置に関する。

半導体デバイス製造プロセスにおいては、略円板形状である半導体ウエーハの表面に格子状に形成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ダイシングすることにより、個々の半導体デバイスを製造している。

近年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ビームを照射することにより被加工物にレーザ加工溝を形成し、このレーザ加工溝に沿って機械的ブレーキング装置によって被加工物を割断する方法が提案されている（例えば、特開平１０−３０５４２１号公報参照）。

レーザ加工装置を用いて半導体ウエーハのストリートに沿ってパルスレーザビームを照射することによりウエーハにレーザ加工溝を形成すると、ウエーハへのレーザビームの照射によりデブリが発生し、このデブリがデバイスの表面に付着してデバイスの品質を低下させるという問題がある。

従って、半導体ウエーハのストリートに沿ってレーザ加工溝を形成する際には、予め半導体ウエーハの表面に水溶性の保護被膜を被覆し、この保護被膜を通してレーザビームを照射するようにしているが、半導体ウエーハの表面に保護被膜を被覆する工程を追加しなければならず、生産性が悪い。また、半導体ウエーハにレーザビームを照射するとデバイスが加熱されるため、デバイスの品質を低下させるという問題もある。

そこで、レーザビームを照射することにより発生するデブリの影響を解消するとともに、被加工物の加熱を防ぐレーザ加工方法として、被加工物に高圧の液体を噴射して液柱を形成するとともに、この液柱内を透過（導光）させたレーザビームを被加工物に照射して、所望の加工を施すレーザ加工装置が提案されている（例えば、特公平２−１６２１号公報、特開２００１―３２１９７７号公報、特開２００６−２５５７６９号公報参照）。

これらのレーザ加工装置では、集光されたレーザビームを糸状の液柱を介して被加工物まで導くので、集光レンズの焦点位置に関係なくレーザ加工をすることができる。更に、レーザ加工時に発生する熱が液体で冷却されるため、熱による被加工物の品質低下を防止できるというメリットがある。

特開平１０−３０５４２１号公報特公平２−１６２１号公報特開２００１―３２１９７７号公報特開２００６−２５５７６９号公報

ところが、噴射口から噴射されて形成された液柱を利用した従来のレーザ加工装置では、噴射口から噴射された液体は乱流となり、被加工物に到達するまでに液柱には広がりが生じる。

従って、液柱内を導光されたレーザビームによって被加工物に形成されるレーザ加工溝の幅を、例えば５０μｍ以下という狭い幅にすることが非常に難しいという問題があり、精密加工用に狭いレーザ加工溝を形成可能なレーザ加工装置が要望されていた。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工熱による被加工物の品質低下を防止するとともに、液柱内を導光されたレーザビームによって被加工物に形成されるレーザ加工溝の幅を狭くすることが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明によると、被加工物を保持する保持手段と、該保持手段で保持された被加工物にレーザビームを照射するレーザビーム照射手段とを備えたレーザ加工装置であって、該レーザビーム照射手段は、レーザビーム発生手段と、加工ヘッドとを含み、該加工ヘッドは、該レーザビーム発生手段から発生されたレーザビームを集光する集光レンズと、被加工物に液体を噴射して、該集光レンズで集光されたレーザビームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、該液体噴射手段で形成された該液柱が通過するパイプと、該パイプ内に該液柱を囲繞する気体を流入させる気体流入路とを備え、該パイプに流入した該気体が該パイプを通過する該液柱を囲繞して整流することを特徴とするレーザ加工装置が提供される。

好ましくは、前記パイプは該液柱が入る側である第１端と出る側である第２端とを有し、該パイプの内周壁は前記第１端に広がる第１テーパと、前記第２端に広がる第２テーパとを有している。

好ましくは、前記加工ヘッドは、前記パイプを通過した液柱が被加工物と衝突する加工点に隣接して配設され、被加工物に衝突して飛散した液柱を形成した液体と気体とを吸引する吸引口を有する吸引路を更に具備している。

本発明によるレーザ加工装置では、液体噴射手段で噴射された液体は液柱を形成し、この液柱は小径のパイプを通過する。この時、液柱を囲繞する気体が同時にパイプ内を通過するので、液柱の流れは気体によって整流化され、液柱に広がりが生じることがない。よって、液柱内を導光されて被加工物へ照射されるレーザビームで形成されたレーザ加工溝の幅を、例えば５０μｍ程度と狭くすることができる。

更に液柱が入る側のパイプの第１端（入口側）と、液柱が出る側のパイプの第２端（出口側）におけるパイプの内周壁をそれぞれ第１端と第２端に広がるテーパ形状とすることにより、液柱や気体の流れが乱れることを防止できる。

具体的には以下の効果がある。即ち、入口側のパイプ内周壁を入口側に広がるテーパ形状とし、パイプの厚みを薄くすることで、パイプ入口側に水滴が付着して流入する気体の気流を乱すことを防止できる。

パイプの出口側を出口側に広がるテーパ形状とすることにより、パイプの出口端で直径が急激に変化することで発生する気流の乱れを防止できる。更に、パイプの厚みを薄くすることで、パイプ出口側に水滴が付着し、付着した水滴が滴下することで液柱を乱すことを防止できる。

本発明実施形態に係る加工ヘッド部分の縦断面図である。レーザビーム発生ユニットのブロック図である。図１で紙面に垂直方向に断面した加工ヘッド部分の一部縦断面図である。加工ヘッドのエア導入部分の拡大縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明実施形態に係るレーザ加工装置の加工ヘッド部分の縦断面図が示されている。図３は図１を紙面に垂直方向に断面したレーザ加工ヘッドの一部縦断面図である。

レーザ加工装置のレーザビーム照射手段１０は、レーザビーム発生ユニット１２と、加工ヘッド１４から構成される。レーザビーム発生ユニット１２は、図２に示すように、ＹＡＧレーザ又はＹＶＯ４レーザを発振するレーザ発振器１６と、繰り返し周波数設定手段１８と、パルス幅調整手段２０と、パワー調整手段２２とを含んでいる。

レーザビーム発生ユニット１２のパワー調整手段２２により所定パワーに調整されたパルスレーザビームは、加工ヘッド１４のハウジング２４に形成されたビーム導入口２７から加工ヘッド１４内に導入される。

ハウジング２４内には、レーザビームを反射するミラー２６と、レーザビームを集光する集光レンズ２８が配設されている。ハウジング２４と一体的に液体噴射手段３０の液体室３４を画成する液体室ハウジング３６が形成されている。液体室ハウジング３６は、円筒状側壁３８と、該側壁３８の上面及び下面をそれぞれ閉塞する上壁４０及び下壁４２とから構成されている。

液体室ハウジング３６を構成する上壁４０には透明窓４６が配設されている。液体室ハウジング３６を構成する下壁４２の中心部には、噴射ノズル４８が形成されている。尚、噴射ノズル４８の下端である噴射口４８ａに、集光レンズ２８によって集光されるレーザビーム２５の集光点が位置づけられる。

側壁３８には液体室３４に開口する液体導入口４４が形成されており、液体導入口４４は高圧液供給源３２に接続されている。高圧液供給源３２から高圧液体が液体室３４内に供給されると、この高圧液体は噴射ノズル４８の噴射口４８ａから噴射されて液柱５０を形成する。

液体室ハウジング３６の下端部には、エア導入ハウジング５２が取り付けられている。エア導入ハウジング５２は、液体室ハウジング３６の底壁４２に装着された円筒壁５４と、円筒壁５４の下端部に一体的に形成された環状底壁５６と、環状底壁５６の上端部に一体的に形成された内壁５８とを含んでいる。

内壁５８の中心部に貫通穴６０が形成されており、この貫通穴６０中にパイプ６２が圧入されている。円筒壁５４と内壁５８によりエア流入路６４が画成されており、エアは円筒壁５４に形成されたエア流入口６６からエア流入路６４に流入する。

エア導入ハウジング５２の環状底壁５６と内壁５８により環状の吸引口６８が画成されており、この吸引口６８は環状の吸引路７０に連通している。図３に示されるように、環状の吸引路７０は円筒壁５４に形成された排出口７１を介して吸引源７２に接続されている。

図４の拡大断面図に示されるように、パイプ６２の入口側の内周壁は入口側に広がるテーパ形状６２ａに形成されており、出口側の内周壁も出口側に広がるテーパ形状６２ｂに形成されている。

符号１３はレーザ加工装置の保持テーブル（チャックテーブル）であり、保持テーブル１３に半導体ウエーハ等の被加工物１１が吸引保持されている。１１ａは液柱５０に案内されたレーザビーム２５が被加工物１１に照射される加工点である。

以下、このように構成されたレーザ加工装置の作用について説明する。レーザビーム発生ユニット１２のパワー調整手段２２で所定パワーに調整されたレーザビーム２５は、加工ヘッド１４のビーム導入口２７から加工ヘッド１４内に導入され、ミラー２６で反射されて集光レンズ２８で液体噴射手段３０の液体室ハウジング３６に形成された噴射ノズル４８の噴射口４８ａに集光される。

一方、高圧液供給源３２から供給された純水等の高圧液体が、液体噴射手段３０の液体室ハウジング３６に形成された液体導入口４４から液体室３４内に導入され、液体室ハウジング３６の下壁４２に形成された噴射ノズル４８から噴射されて液柱５０を形成する。

この液柱５０は、エア導入ハウジング５２の内壁５８の貫通穴６０に圧入されたパイプ６２内を通過して被加工物１１の加工点１１ａに衝突して飛散する。集光レンズ２８で集光されたレーザビーム２５はパイプ６２内を通過する液柱５０に導光（案内）されて、そのビーム径が広がらずに加工点１１ａに照射されて被加工物１１にレーザ加工溝を形成する。

噴射ノズル４８から高圧液が噴射されて形成された液柱５０は、パイプ６２内を高速で通過するため、吸引力が発生する。従って、エア流入口６６を介してエア流入路６４内に取り込まれたエアは、図４で矢印Ａに示すようにパイプ６２内に吸引され、パイプ６２内に吸引されたエアが液柱５０を囲繞して液柱を整流する。

噴射ノズル４８から噴射されて形成された液柱５０はエアによって整流され、液柱５０に拡がりが生じることがないため、液柱５０内を導光されて被加工物１１に照射されるレーザビーム２５のビーム径は広がることなく、被加工物１１に形成されるレーザ加工溝の幅を５０μｍ以下という狭い幅に抑えることができる。

パイプ６２の内径は１ｍｍ以下が好ましく、より好ましくはφ０．５ｍｍ程度である。パイプ６２の長さは５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは２０ｍｍ程度である。また、パイプ６２の出口から被加工物１１の上面までの距離は０．４〜５ｍｍ程度が好ましい。液柱５０の直径は０．１５ｍｍ以下が好ましく、液柱５０の流速とパイプ６２内に流入するエアの流速はほぼ同一である。

レーザ加工により発生した加工屑（デブリ）の一部は、被加工物１１の加工点１１ａに衝突して飛散した液柱５０を形成した液体中に取り込まれ、吸引源７２を作動することにより、加工屑を含んだ液体及びエアは吸引口６８を介して被加工物１１の上面から吸引され、吸引路７０及び排出口７１を通って吸引源７２に吸引される。

上述した実施形態では、パイプ６２の入口側のパイプ内周壁を入口側に広がるテーパ形状６２ａとし、パイプ６２の厚みを入口側で薄くしているため、パイプ６２の入口側に水滴が付着して流入するエアの気流を乱すことを防止できる。

また、パイプ６２の出口側のパイプ内周壁を出口側に広がるテーパ形状６２ｂとしているため、パイプ６２の出口端で直径が急激に変化することで発生する気流の乱れを防止できる。更に、パイプ６２の厚みを出口端で薄くしているため、パイプ６２の出口側に水滴が付着して、付着した水滴が滴下することで液柱５０を乱すことを防止できる。

被加工物１１としてシリコンウエーハを用い、パイプ６２の長さや内径の違いによる加工性を比較した。加工条件は以下の通りである。

光源：ＬＤ励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４レーザ
波長：５３２ｎｍ
平均出力：６．６Ｗ
繰り返し周波数：４０ｋＨｚ
ノズル直径：φ５０μｍ
液圧：２０ＭＰａ
パイプ出口と被加工物との距離：０．４ｍｍ
パイプ内の空気流量：４．５Ｌ／分
パイプ内径：０．５ｍｍ

上記した加工条件において、ノズル出口とパイプ上端の距離を４ｍｍ、パイプ長さを２０ｍｍとした場合に、シリコンウエーハに深さ４０μｍ、幅４７μｍのレーザ加工溝を形成することができた。

レーザ加工溝の溝底の高さの変動は５μｍ以内と非常に安定していた。また、直交して複数のレーザ加工溝を形成する場合でも、レーザ加工溝の幅や直進性が乱れることなく直交するレーザ加工溝を形成することができた。

パイプ６２を用いる構成により安定なレーザ加工を実現できるのは以下の理由による。

（１）液柱５０に沿って流れるパイプ６２中の気流により液柱５０の形状が安定化する。

（２）加工点からの液体飛沫が加工ヘッド１４の下端の部品等にあたり、跳ね返って液柱５０にぶつかることをパイプ６２が阻止するので、液柱５０の形状が乱されることが抑制される。

（３）パイプ６２内に液柱５０及び液柱を囲繞するエア流を通過させるため、加工点の極近傍まで安定した液柱５０を導ける。

（４）パイプ６２の下端に近い位置で内壁に付着するミストや液滴が、高速の気流で押し出されたり、乾かされたり、吹き飛ばされたりするので、気流の乱れを速やかに回復することができる。
＜比較例１＞

実施例１のパイプを取り除いた外は実施例１と同じ加工条件で加工を行った場合、レーザ加工溝の深さは３５μｍと浅くなり、加工溝の幅は５０μｍとやや太くなり、レーザ加工溝の溝底の高さの変動は１０μｍと変動した。また、直交してレーザ加工溝を形成すると、レーザ加工溝の交差点で、後に形成するレーザ加工溝の位置が進行方向と直角方向に最大５μｍ程度蛇行する加工が観察された。

パイプ出口と被加工物との距離を０．４ｍｍ〜４ｍｍまで変動させて、実施例１と同一の加工条件で加工を行ったところ、レーザ加工溝の幅や溝底の高さばらつきが殆ど変わらず、安定な加工が可能であった。

ノズル出口とパイプ上端との距離を８ｍｍと長くし、長さ１５ｍｍのパイプを使用して実施例１と同一の加工条件で加工を行ったところ、加工の安定性はよく、実施例１とほぼ同等の結果を得ることができた。

１０レーザビーム照射手段
１１被加工物
１２レーザビーム発生ユニット
１３保持テーブル
１４加工ヘッド
２８集光レンズ
３０液体噴射手段
３２高圧液供給源
３６液体室ハウジング
４６透明窓
４８噴射ノズル
５０液柱
５２エア導入ハウジング
６２パイプ
６４エア流入路
６８吸引口
７０吸引路
７２吸引源

Claims

被加工物を保持する保持手段と、該保持手段で保持された被加工物にレーザビームを照射するレーザビーム照射手段とを備えたレーザ加工装置であって、
該レーザビーム照射手段は、レーザビーム発生手段と、加工ヘッドとを含み、
該加工ヘッドは、該レーザビーム発生手段から発生されたレーザビームを集光する集光レンズと、
被加工物に液体を噴射して、該集光レンズで集光されたレーザビームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、
該液体噴射手段で形成された該液柱が通過するパイプと、
該パイプ内に該液柱を囲繞する気体を流入させる気体流入路とを備え、
該パイプに流入した該気体が該パイプを通過する該液柱を囲繞して整流することを特徴とするレーザ加工装置。
前記パイプは該液柱が入る側である第１端と出る側である第２端とを有し、
該パイプの内周壁は前記第１端に広がる第１テーパと、前記第２端に広がる第２テーパとを有する請求項１記載のレーザ加工装置。
前記加工ヘッドは、前記パイプを通過した前記液柱が被加工物と衝突する加工点に隣接して配設され、被加工物に衝突して飛散した該液柱を形成した液体と気体とを吸引する吸引口を有する吸引路を更に具備した請求項１又は２記載のレーザ加工装置。