JP2013158799A - レーザー加工装置、及び、レーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液柱を構成した液体によってレーザービームが乱されることを防ぎ、均一なレーザー加工を施すことが可能なレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供する。
【解決手段】被加工物を保持する保持面を有した保持手段と、保持手段で保持された被加工物にレーザービームを照射するレーザービーム照射手段とを備えたレーザー加工装置であって、レーザービーム照射手段は、レーザー発振器と、加工ヘッドとから少なくともなり、加工ヘッドは、レーザー発振器から発振されたレーザー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集光レンズで集光されたレーザービームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、を有し、保持手段で保持された被加工物の表面と液柱とが鈍角または鋭角をなすよう保持手段と加工ヘッドが配設されている、ことを特徴とするレーザー加工装置とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、ウオータージェットレーザー加工装置、及びウオータージェットレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法に関する。

従来、例えば、特許文献１に開示されるように、レーザービームにて被加工物に溝加工を行うレーザー加工装置において、液柱にてレーザービームを導光させる形態とする、いわゆるウオータージェットレーザー加工装置が知られている。

特許文献１では、噴射ノズルから噴射される液柱がチャックテーブルに保持された被加工物の表面に衝突して飛散し、飛散して水滴吸引機構の下面に付着した水滴が液柱に接触することで、レーザー光線を屈折させてしまう、といった不具合を解決する技術について開示している。

特開２０１１−４１９６２号公報

特許文献１は、液柱が被加工物の表面に衝突して飛散し、別部材に付着して水滴が形成されることによる不具合に着目するものであるが、このような水滴が形成される以前にも、レーザービームの乱れの発生、即ち、望まれざる光の屈折の発生が生じることが懸念される。

即ち、液柱を構成した液体が被加工物の表面（上面）に衝突した後、一部が被加工物の表面で跳ね返り、新たに噴出された液柱に衝突したり、逆流することにより、レーザービームを乱すことが懸念されるのである。レーザービームの乱れが発生すると、均一なレーザー加工を施すことができなくなり、加工精度の低下をきたしてしまう。

本発明は、以上の問題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、液柱を構成した液体によってレーザービームが乱されることを防ぎ、均一なレーザー加工を施すことが可能なレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することである。

請求項１に記載の発明によると、被加工物を保持する保持面を有した保持手段と、保持手段で保持された被加工物にレーザービームを照射するレーザービーム照射手段とを備えたレーザー加工装置であって、レーザービーム照射手段は、レーザー発振器と、加工ヘッドとから少なくともなり、加工ヘッドは、レーザー発振器から発振されたレーザー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集光レンズで集光されたレーザービームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、を有し、保持手段で保持された被加工物の表面と液柱とが鈍角または鋭角をなすよう保持手段と加工ヘッドが配設されている、ことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。

請求項２に記載の発明によると、被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施すレーザー加工方法であって、被加工物を保持する保持面を有した保持手段で保持する保持ステップと、保持手段で保持された被加工物に液体を噴出して液柱を形成するとともに液柱中にレーザービームを導光することで被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施すレーザー加工ステップと、を備え、保持手段で保持された被加工物の表面と液柱とが鈍角または鋭角をなすことで加工ステップ中に液柱を構成した液体が被加工物の表面で跳ね返り、液柱に逆流することを防止する、ことを特徴とするレーザー加工方法が提供される。

本発明によると、被加工物の表面に衝突することにより発生する跳ね返りの液体が、新たに形成される液柱に衝突したり、液柱内を逆流したりすることが防がれ、跳ね返りの液体の発生に伴うレーザービームの乱れの発生（望まれざる光の屈折の発生）を防止できる。

本発明実施形態に係るレーザー加工装置の斜視図である。 レーザービーム発生ユニットのブロック図である。 半導体ウェーハの表面側斜視図である。 加工ヘッドの構成について示す断面図である。 チャックテーブルを傾斜する実施例について示す断面図である。 （Ａ）サークルカット加工にて加工後の端面が傾斜する例について示す概念図である。（Ｂ）サークルカット加工にて加工後の端面を垂直にする例について示す概念図である。

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、本発明実施形態のレーザー加工装置の外観斜視図が示されている。レーザー加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第１スライドブロック６を含んでいる。

第１スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り機構１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。

第１スライドブロック６上には第２スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。即ち、第２スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り機構２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し送り方向、即ちＹ軸方向に移動される。

第２スライドブロック１６上には円筒支持部材２６を介してチャックテーブル２８が搭載されており、チャックテーブル２８は加工送り機構１２及び割り出し送り機構２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であるとともに、円筒支持部材２６中に収容されたモータにより回転される。

３２はウォーターカバーであり、図示を省略した蛇腹がウォーターカバー３２に連結されて加工送り機構１２及び割り出し送り機構２２を水等の液体から保護する。

静止基台４にはコラム３４が立設されており、このコラム３４にレーザービーム照射機構（レーザービーム照射手段）３６が取り付けられている。レーザービーム照射機構３６は、ケーシング４０中に収容されたレーザービーム発生ユニット３８と、ケーシング４０の先端に取り付けられた加工ヘッド４２とから構成される。ケーシング４０の先端には加工ヘッド４２とＸ軸方向に整列して撮像ユニット５２が取り付けられている。

レーザービーム発生ユニット３８は、図２に示すように、ＹＡＧレーザー又はＹＶＯ４レーザーを発振するレーザー発振器４４と、繰り返し周波数設定手段４６と、パルス幅調整手段４８と、パワー調整手段５０とを含んでいる。特に図示しないが、レーザー発振器４４はブリュースター窓を有しており、レーザー発振器４４から出射されるレーザービームは直線偏光のレーザービームである。

図３を参照すると、被加工物の一種である半導体ウェーハ（以下単にウェーハと略称することがある）１１の表面側斜視図が示されている。ウェーハ１１は例えば厚さが７００μｍのシリコンウェーハからなっており、表面１１ａに複数のストリート（切断予定ライン）１３が格子状に形成されているとともに、複数のストリート１３によって区画された各領域にＩＣ、ＬＳＩ等のデバイス１５が形成されている。

このように構成された半導体ウェーハ１１は、デバイス１５が形成されているデバイス領域１７と、デバイス領域１７を囲繞する外周余剰領域１９をその表面の平担部に備えている。半導体ウェーハ１１の外周部には円弧状の面取り部１１ｅが形成されている。２１はシリコンウェーハの結晶方位を示すマークとしてのノッチである。

半導体ウェーハ１１は、図４に示すように、レーザー加工装置２のチャックテーブル２８の保持面にて吸引保持される。そして、チャックテーブル２８をＸ軸方向に加工送りしつつ、加工ヘッド４２からレーザービーム５５を照射することで、切断予定ライン１３に沿ったレーザー加工が行われる。なお、レーザー加工は、直線状の溝加工（ハーフカット溝、フルカット溝）を行うほか、後述するように、被加工物の周囲に沿って加工を行うサークルカットなども行われ得る。

次に、図４を参照して、加工ヘッド４２の詳細構造について説明する。本実施形態の加工ヘッド４２は、液柱８６にレーザービーム５５を導光させる形態のウオータージェットレーザー加工装置を構成することとしている。

レーザービーム発生ユニット３８のパワー調整手段５０（図２）により所定パワーに調整されたレーザービーム５５は、加工ヘッド４２のハウジング５６に形成されたビーム導入口５８から加工ヘッド４２内に導入される。

ハウジング５６内には、レーザービームを反射するミラー６０と、レーザービームを集光する集光レンズ６２が配設されている。ハウジング５６と一体的に液体噴射手段６４の液体室６６を画成する液体室ハウジング６８が形成されている。液体室ハウジング６８は、円筒状側壁７０と、該側壁７０の上面及び下面をそれぞれ閉塞する上壁７２及び下壁７４とから構成される。

液体室ハウジング６８を構成する上壁７２には透明窓７８が配設されている。液体室ハウジング６８を構成する下壁７４の中心部には、噴射ノズル８０が形成されている。尚、噴射ノズル８０の下端である噴射口８０ａに、集光レンズ６２によって集光されるレーザービーム５５の集光点が位置付けられる。

円筒状側壁７２には液体室６６に連通する液体導入口７６が形成されており、液体導入口７６はポンプ８２を介して液体供給源８４に接続されている。液体供給源８４には純水等の液体が収容されており、ポンプ８２により所定圧力に加圧された液体が液体導入口７６を介して液体室６６内に供給される。液体室６６内に高圧液体が供給されると、この高圧液体は噴射ノズル８０の噴射口８０ａから噴射されて液柱８６を形成する。

液体室ハウジング６８の下端部には、ブロック８８が装着されている。ブロック８８の中心部には貫通穴８９が形成されており、この貫通穴８９中にパイプ９０が圧入されている。パイプ９０の中心線と噴射ノズル８０の中心線は同一線上に配置されており、噴射ノズル８０から噴射されて形成された液柱８６がパイプ９０を通過するように位置付けられている。

以下、このように構成されたレーザー加工装置の作用について説明する。レーザービーム発生ユニット３８のパワー調整手段５０で所定パワーに調整されたレーザービーム５５は、加工ヘッド４２のビーム導入口５８から加工ヘッド４２内に導入され、ミラー６０で反射されて集光レンズ６２で液体噴射手段６４の液体室ハウジング６８に形成された噴射ノズル８０の噴射口８０ａに集光される。

一方、ポンプ８２で高圧に加圧された純水等の高圧液体が、液体噴射手段６４の液体室ハウジング６８に形成された液体導入口７６から液体室６６内に供給され、液体室ハウジング６８の下壁７４に形成された噴射ノズル８０から噴射されて液柱８６を形成し、液柱８６がレーザービーム５５を導光する。

この液柱８６は、ブロック８８の貫通穴８９に圧入されたパイプ９０内を通過してウェーハ１１の加工点に衝突して飛散する。集光レンズ６２で集光されたレーザービーム５５はパイプ９０内を通過する液柱８６に導光（案内）されて、そのビーム径が広がらずに加工点に照射され、ウェーハ１１に所定のレーザー加工溝２９を形成させる。

尚、レーザー加工溝２９を形成する際のレーザー加工条件は例えば以下の通りである。
光源 ：ＬＤ励起Ｑスイッチ Ｎｄ：ＹＶＯ４パルスレーザー
波長 ：５３２ｎｍ（ＹＶＯ４レーザーの第２高調波）
平均出力 ：６．６Ｗ
繰り返し周波数 ：４０ｋＨｚ
液圧 ：２０ＭＰａ

そして、図４に示すように、表面１１ａが水平に設置されるウェーハ１１に対し、液柱８６が表面１１ａに対して傾けられる、つまりは、表面１１ａと液柱８６が鈍角または鋭角をなすように、加工ヘッド４２は傾けた状態で設置されている。なお、「鈍角または鋭角なす」とは、液柱８６の中心線がウェーハ１１の表面１１ａと直交しないことを意味するものである。

これにより、液柱８６がウェーハ１１の表面１１ａに対して直角方向ではなく、斜め方向から衝突されるため、表面１１ａに衝突した液体をそのまま斜め方向へと逃がすように流すことが可能となる。図４の例では、液柱８６が図において左上から右下に向かうように形成された状態が示されており、表面１１ａに衝突した液体の多くは、図４において液柱８６の右方向に向かって流れることが想定される。

そして、ウェーハ１１の表面１１ａに衝突することにより発生する跳ね返りの液体が、新たに形成される液柱８６（連続的に形成される液柱８６）に衝突したり、液柱８６内を逆流したりすることが防がれ、跳ね返りの液体の発生に伴うレーザービーム５５の乱れの発生（望まれざる光の屈折の発生）を防止できることになる。

以上のように、本実施形態では、被加工物としてのウェーハ１１を保持する保持面を有した保持手段としてのチャックテーブル２８と、チャックテーブル２８で保持されたウェーハ１１にレーザービーム５５を照射するレーザービーム照射機構（レーザービーム照射手段）３６とを備えたレーザー加工装置２であって、レーザービーム照射機構３６は、レーザー発振器４４と、加工ヘッド４２とから少なくともなり、加工ヘッド４２は、レーザー発振器４４から発振されたレーザービーム５５を集光する集光レンズ６２と、ウェーハ１１に液体を噴射して集光レンズ６２で集光されたレーザービーム５５が導光される液柱８６を形成する液体噴射手段６４と、を有し、チャックテーブル２８で保持されたウェーハ１１の表面１１ａと液柱８６とが鈍角または鋭角をなすようチャックテーブル２８と加工ヘッド４２が配設されている、レーザー加工装置２としている。

また、本実施形態では、被加工物としてのウェーハ１１にレーザービーム５５を照射してレーザー加工を施すレーザー加工方法であって、ウェーハ１１を保持する保持面を有した保持手段としてのチャックテーブル２８で保持する保持ステップと、チャックテーブル２８で保持されたウェーハ１１に液体を噴出して液柱８６を形成するとともに液柱８６中にレーザービーム５５を導光することでウェーハ１１にレーザービーム５５を照射してレーザー加工を施すレーザー加工ステップと、を備え、チャックテーブル２８で保持されたウェーハ１１の表面１１ａと液柱８６とが鈍角または鋭角をなすことで加工ステップ中に液柱８６を構成した液体がウェーハ１１の表面１１ａで跳ね返り、液柱８６に逆流することを防止するレーザー加工方法が実現される。

上述した実施形態では、被加工物として半導体ウェーハの切断方法について説明したが、被加工物は半導体ウェーハに限定されるものではなく、サファイア基板、ＳｉＣ基板等を有する光デバイスウェーハやセラミックス基板、樹脂基板等にも本発明の切断方法は同様に適用することができる。

また、図４に示す実施形態では、水平な保持面を形成するチャックテーブル２８に対し加工ヘッド４２を傾けることで、ウェーハ１１の表面１１ａと液柱８６とが鈍角または鋭角をなす状況を形成したが、図５に示すように、液柱８６Ａの中心線が略垂直となるように加工ヘッド４２Ａを略垂直に配置するとともに、チャックテーブル２８Ａの保持面に勾配をつけるようにチャックテーブル２８Ａを傾斜させる実施形態も考えられる。

この図５に示す例では、被加工物の径を小さくし、ダウンサイジングするためのサークルカット加工が行われることとしている。被加工物としては、上述の半導体ウェーハなどのほか、半導体ウェーハを切削加工するための切削ブレード（例えば、ワッシャブレードなど称されるワッシャブレード）の径を所定の値に設定する加工などの実施も想定される。

図５の例のサークルカット加工においては、被加工物Ｍを保持するチャックテーブル２８Ａを回転させることで、被加工物Ｍの外周部Ｍｇが除去されることになる。そして、図６（Ａ）に示すように、仮に、被加工物Ｍの表面Ｍａとレーザービーム５５Ａを直交させる設定においてレーザービーム５５Ａによるサークルカット加工がなされた場合には、加工後の端面Ｍｂが傾斜してしまうことが確認されている。つまり、レーザービーム５５Ａに対して、角度αをなす傾斜を有する端面Ｍｂ（八の字状の端面）が形成されてしまい、サークルカット加工後の端面Ｍｂが表面Ｍａに対して垂直とならないことが確認されている。

端面Ｍｂが表面Ｍａに対して垂直とならないと、例えば、ダウンサイジング後の被加工物Ｍの厚み方向において径にバラつきが生じる不具合をきたすことになる。このような不具合を防ぐため、図６（Ｂ）に示すように、チャックテーブル２８Ａの保持面２８ｈを、角度αの勾配を有するように傾斜させ、サークルカット加工後の端面Ｍｂが表面Ｍａに対して垂直となるようにすることが好ましい。

なお、図６（Ｂ）の形態とする場合においても、被加工物Ｍの表面Ｍａと、液柱８６Ａとが鈍角または鋭角をなすようなるため、レーザービーム５５Ａの乱れの不具合が防止されることとなる。また、角度αは、チャックテーブル２８Ａの回転数や、被加工物Ｍの径や材質に応じて適宜設定される。

以上のように、チャックテーブル２８Ａを傾けることによっても、加工ヘッドを傾ける場合と同様の効果を実現することができる。特に、サークルカット加工を行う場合には、端面Ｍｂが表面Ｍａに対して垂直になるように、チャックテーブル２８Ａが水平面に対し角度αの勾配を有するように傾斜させることが好ましい。

２ レーザー加工装置
１１ ウェーハ
１１ａ 表面
３６ レーザービーム照射機構
４２ 加工ヘッド
４４ レーザー発振器
５５ レーザービーム
６２ 集光レンズ
６４ 液体噴射手段
８０ 噴射ノズル
８４ 液体供給源
８６ 液柱

Claims (2)

1. 被加工物を保持する保持面を有した保持手段と、該保持手段で保持された被加工物にレーザービームを照射するレーザービーム照射手段とを備えたレーザー加工装置であって、
   該レーザービーム照射手段は、レーザー発振器と、加工ヘッドとから少なくともなり、
   該加工ヘッドは、レーザー発振器から発振されたレーザー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該レーザービームが導光される液柱を形成する液体噴射手段と、を有し、
   該保持手段で保持された被加工物の表面と該液柱とが鈍角または鋭角をなすよう該保持手段と該加工ヘッドが配設されている、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 被加工物にレーザービームを照射してレーザー加工を施すレーザー加工方法であって、
   被加工物を保持する保持面を有した保持手段で保持する保持ステップと、
   該保持手段で保持された被加工物に液体を噴出して液柱を形成するとともに該液柱中にレーザービームを導光することで被加工物に該レーザービームを照射してレーザー加工を施すレーザー加工ステップと、を備え、
   該保持手段で保持された被加工物の表面と該液柱とが鈍角または鋭角をなすことで該加工ステップ中に該液柱を構成した液体が被加工物の表面で跳ね返り、該液柱に逆流することを防止する、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。

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