JP2011125870A - レーザ加工装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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
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>
<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
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
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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 (3)
- 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。
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