JP2014205159A - レーザー加工装置及びレーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザー加工時に発生するデブリを効率よく集塵して被加工物上から除去できる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。
【解決手段】 レーザー加工装置であって、被加工物を保持する保持手段と、レーザービーム発振手段と、該レーザービーム発振手段で発振されたレーザービームを集光する集光レンズを有する加工ヘッドとを含み、該保持手段に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、該集光レンズで集光されて被加工物に集光されるレーザービームが通過する通過孔が形成されるとともに該通過孔に対して対称に伸長する吸引路と、該吸引路の一端と他端とがそれぞれ選択的に接続される吸引源とを有し、該集光レンズで集光されたレーザービームが被加工物に照射されることで発生するデブリを集塵する集塵手段と、を備えたことを特徴とするレーザー加工装置が提供される。
【選択図】図５

Description

本発明は、ウエーハ等の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装置及びレーザー加工方法に関する。

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、この区画された各領域に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半導体ウエーハを分割して個々の半導体チップを製造している。

また、サファイア基板の表面に発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の光デバイスが形成された光デバイスウエーハもストリートに沿って切断することにより個々の光デバイスに分割され、分割された光デバイスは電子機器に広く利用されている。

半導体ウエーハや光デバイスウエーハ等のウエーハをストリートに沿って分割する方法として、ウエーハに形成されたストリートに沿ってウエーハに対して吸収性を有する波長のパルスレーザービームを照射することにより、アブレーション加工によりレーザー加工溝を形成し、このレーザー加工溝に沿って光デバイスウエーハを破断する方法が提案されている。

しかし、このレーザー加工工程において、半導体ウエーハや光デバイスウエーハにレーザービームを照射すると、シリコンやサファイアが溶融して溶融屑即ちデブリと呼ばれる微細な粉塵が発生し、この粉塵が飛散してウエーハに形成された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。更に、この飛散した粉塵がレーザービームを照射する集光器に組み込まれた集光用対物レンズに付着して、レーザービームの照射を妨げるという問題がある。

デブリの発生はアブレーション加工に限られるものではなく、ウエーハに対して透過性を有する波長のレーザービームをウエーハ内部に集光するように照射してウエーハ内部に改質層を形成するレーザー加工方法でも、ウエーハ表面から僅かながらのデブリが発生する。

デブリ除去対策として、例えば集光用対物レンズの光軸に沿ってエアを噴出する噴出口を備え、噴出口の周りからデブリを吸引してデブリがデバイスの表面に堆積するのを防止する粉塵排出手段を備えたレーザー加工装置が提案されている（例えば、特開２００７−６９２４９号公報及び特開２０１１−１２１０９９号公報参照）。

特開２００７−６９２４９号公報 特開２０１１−１２１０９９号公報

特許文献１及び２に開示されたレーザー加工装置でデブリの除去はある程度成功しているが、十分にデブリを除去することは難しく、更なる改善が要望されている。

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、レーザー加工時に発生するデブリを効率よく集塵して被加工物上から除去できる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記載の発明によると、レーザー加工装置であって、被加工物を保持する保持手段と、レーザービーム発振手段と、該レーザービーム発振手段で発振されたレーザービームを集光する集光レンズを有する加工ヘッドとを含み、該保持手段に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、該集光レンズで集光されて被加工物に集光されるレーザービームが通過する通過孔が形成されるとともに該通過孔に対して対称に伸長する吸引路と、該吸引路の一端と他端とがそれぞれ選択的に接続される吸引源とを有し、該集光レンズで集光されたレーザービームが被加工物に照射されることで発生するデブリを集塵する集塵手段と、を備えた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記載の発明によると、請求項１に記載のレーザー加工装置を用いて複数の加工予定ラインが設定された被加工物にレーザー加工を施すレーザー加工方法であって、被加工物を前記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の該加工予定ラインと前記集塵手段の前記吸引路の伸長方向とを平行に位置付ける位置付けステップと、該位置付けステップを実施した後、第１の加工予定ラインに沿って該レーザービーム照射手段で被加工物の一端から他端へとレーザー加工を施し、次いで該第１の加工予定ラインに隣接する第２の加工予定ラインに沿って該レーザービーム照射手段で被加工物の該他端から該一端へとレーザー加工を施すレーザー加工ステップと、該レーザー加工ステップの実施中に、前記吸引源を作動させて該レーザー加工ステップで発生するデブリを前記通過孔を介して前記吸引路に吸引し、被加工物上からデブリを除去する吸引ステップと、を備え、該吸引ステップでは、該吸引路の前記一端と前記他端のうち、被加工物に対してレーザー加工が進行する加工進行方向の後方側の端が該吸引源に接続されるとともに他方の端は封鎖されることを特徴とするレーザー加工方法が提供される。

本発明のレーザー加工装置によると、加工ヘッドに隣接して一端と他端とがそれぞれ吸引源に選択的に接続される吸引路を有する集塵手段を設けたので、第１の方向のレーザー加工と該第１の方向と反対の第２の方向へのレーザー加工時に、吸引路の吸引源への接続を一端と他端とで切り替えることにより、発生するデブリを効率良く集塵して被加工物上から除去することができる。

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。 レーザービーム照射ユニットのブロック図である。 半導体ウエーハの表面側斜視図である。 ウエーハユニットの斜視図である。 加工ヘッド及び集塵手段の一部断面側面図である。 レーザー加工方法の加工方向を模式的に示す図である。 加工進行方向がＸ２方向である場合の集塵手段の作用を説明する一部断面側面図である。 加工進行方向がＸ１方向である場合の集塵手段の作用を説明する一部断面側面図である。

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ー加工装置２の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上に搭載されたＸ軸方向に伸長する一対のガイドレール６を含んでいる。

Ｘ軸移動ブロック８は、ボール螺子１０及びパルスモータ１２とから構成されるＸ軸送り機構（Ｘ軸送り手段）１４により加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。Ｘ軸移動ブロック８上には円筒状支持部材２２を介して保持手段としてのチャックテーブル２０が搭載されている。

チャックテーブル２０は多孔性セラミックス等から形成された吸着部（吸着チャック）２４を有している。チャックテーブル２０には図４に示す環状フレームＦをクランプする複数（本実施形態では４個）のクランパ２６が配設されている。

Ｘ軸送り機構１４は、ガイドレール６に沿って静止基台４上に配設されたスケール１６と、スケール１６のＸ座標値を読みとるＸ軸移動ブロック８の下面に配設された読み取りヘッド１８とを含んでいる。読み取りヘッド１８はレーザー加工装置２のコントローラに接続されている。

静止基台４上には更に、Ｙ軸方向に伸長する一対のガイドレール２８が固定されている。Ｙ軸移動ブロック３０が、ボール螺子３２及びパルスモータ３４とから構成されるＹ軸送り機構（割り出し送り機構）３６によりＹ軸方向に移動される。

Ｙ軸移動ブロック３０にはＺ軸方向に伸長する一対の（一本のみ図示）ガイドレール３８が形成されている。Ｚ軸移動ブロック４０は、図示しないボール螺子とパルスモータ４２から構成されるＺ軸送り機構４４によりＺ軸方向に移動される。

図１に示したレーザー加工装置２では、Ｙ軸送り機構３６により加工ヘッド５０がＹ軸方向に移動するが、加工ヘッド５０はＹ軸方向に固定で、チャックテーブル２０がＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するような構成でも良い。

４６はレーザービーム照射ユニット（レーザービーム照射手段）であり、レーザービーム照射ユニット４６のケーシング４８中には後で詳細に説明するレーザービーム発振手段等が収容されており、ケーシング４８の先端にはレーザービームを加工すべきウエーハ上に集光する加工ヘッド５０が装着されている。

レーザービーム照射ユニット４６のケーシング４８内には、図２のブロック図に示すように、レーザービーム発振手段６０と、レーザービーム変調手段６２が配設されている。

レーザービーム発振手段６６としては、ＹＡＧレーザー発振器或いはＹＶＯ４レーザー発振器を用いることができる。レーザービーム変調手段６２は、繰り返し周波数設定手段６４と、パルス幅設定手段６６と、波長設定手段６８を含んでいる。

レーザービーム変調手段６２を構成する繰り返し周波数設定手段６４、パルス幅設定手段６６及び波長設定手段６８は周知の形態のものであり、本明細書においてはその詳細な説明を省略する。

ケーシング４８にはアライメントユニット（アライメント手段）５２が搭載されている。アライメントユニット５２はチャックテーブル２０に保持されたウエーハＷを撮像する撮像ユニット（撮像手段）５４を有している。加工ヘッド５０と撮像ユニット５４はＸ軸方向に整列して配置されている。

加工ヘッド５０にはデブリを集塵する集塵手段５５のＵ形状の吸引パイプ５６が取り付けられている。吸引パイプ５６は内部に吸引路を形成し、吸引路の中心を含む平面がＸ軸方向と平行となるように加工ヘッド５０に取り付けられている。

チャックテーブル２０に隣接して、洗浄水を貯留するボックス５８が配設されている。吸引パイプ５６の先端部をこのボックス５８中に貯留された洗浄水に浸漬することにより、吸引パイプ５６内に堆積したデブリを洗浄して吸引パイプ５６内からデブリを除去する。

図３を参照すると、レーザー加工装置２により加工される被加工物の一種である半導体ウエーハ（以下、単にウエ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。ウエーハ１１の表面１１ａには複数の分割予定ライン（ストリート）１３が格子状に形成されているとともに、分割予定ライン１３で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。１１ｂはウエーハ１１の裏面である。

ウエーハ１１にレーザー加工を施すにあたり、ウエーハ１１は外周部が環状フレームＦに貼着されたダイシングテープＴに貼着されて形成されるウエーハユニット１７の形態でレーザー加工装置２に投入される。

図５を参照すると、本発明の要部を構成する加工ヘッド５０及び集塵手段５５の一部断面側面図が示されている。加工ヘッド５０の内部には集光レンズ７０が装着されている。７２は集光レンズ７０の保護カバーとしてのウインドウガラスであり、環状取り付け部材７４，７６に挟まれて加工ヘッド５０の先端側内部に固定されている。

環状取り付け部材７４には、周方向に所定間隔離間して複数の丸穴７５が形成されており、環状取り付け部材７６には周方向に所定間隔離間して複数の溝７７が形成されている。

５５はレーザー加工で発生したデブリを集塵する集塵手段であり、内部に吸引路５７を形成するＵ形状の吸引パイプ５６を備えている。吸引パイプ５６には被加工物に照射されるレーザービームが通過する通過孔６１がその下端部中央に形成されており、吸引パイプ５６は通過孔６１に対して対称に形成されている。通過孔６１のサイズは、例えば２．５×５ｍｍ程度に形成されている。

吸引パイプ５６は取り付け部５９で加工ヘッド５０に取り付けられており、加工ヘッド５０に取り付けられた状態で吸引パイプ５６が形成する吸引路５７の中心を含む平面が図１でＸ軸方向と平行となるように加工ヘッド５０に固定されている。

吸引パイプ５６の一端５６ａは電磁切替弁７８を介して吸引源８に選択的に接続され、吸引パイプ５６の他端５６は電磁切替弁８２を介して吸引源８０に選択的に接続されている。

吸引パイプ５６の一端５６ａ近傍にはシャッター４８ａが配設されており、他端５６ｂ近傍にはシャッター８４ｂが配設されている。シャッター８４ａは電磁切替弁７８の作動に連動して作動され、電磁切替弁７８が遮断位置の際にはシャッター８４ａで吸引パイプ５６の一端５６ａを閉鎖し、電磁切替弁７８が連通位置の際にはシャッター８４ａが吸引路５７から退避して吸引路５７を電磁切替弁７８を介して吸引源８０に接続する。

同様に、シャッター８４ｂは電磁切替弁８２の作動に連動して作動され、電磁切替弁８２が遮断位置の際には吸引パイプ５６の他端５６ｂをシャッター８４ｂで閉鎖し、電磁切替弁８２が連通位置に切り替わった際には、シャッター８４ｂが吸引路５７から退避して吸引路５７を電磁切替弁８２を介して吸引源８０に接続する。吸引源８０による吸引量は、例えば約２８０リットル／分である。

集光レンズ７０とウインドウガラス７２との間の加工ヘッド５０の側壁には一対のエア供給口８６ａ，８６ｂが設けられており、これらのエア供給口８６ａ，８６ｂは圧縮エアを供給するエア供給源８８に接続されている。

以下、上述したように構成されたレーザー加工装置２を用いてウエーハ１１の分割予定ライン１３に沿ってレーザー加工を施すレーザー加工方法について説明する。まず、図４に示すウエーハユニット１７をチャックテーブル２０で保持し、環状フレームＦをクランプ２６でクランプして固定する保持ステップを実施する。

次いで、ウエーハ１１を撮像ユニット５４の直下に移動して、撮像ユニット５４でウエーハ１１の表面１１ａを撮像して、レーザー加工すべき第１の方向に伸長する分割予定ライン１３とレーザー加工ヘッド５０とをＸ軸方向に整列させるアライメントを実施する。

このアライメントにより、チャックテーブル２０で保持されたウエーハ１１の分割予定ライン１３と集塵手段５５の吸引路５７の中心を含む平面とが平行に位置付けられる（位置付けステップ）。

位置付けステップを実施した後、図７に示すように、チャックテーブル２０に保持されたウエーハ１１を矢印Ｘ１方向に加工送りしながら、加工ヘッド５０の集光レンズ７０を通して例えば波長３５５ｎｍのレーザービーム７１をウエーハ１１の第１の分割予定ライン１３に沿って照射してウエーハ１１の一端から他端に向かってレーザー加工（往路加工）を実施する。この往路のレーザー加工時には、ウエーハ１１が矢印Ｘ１方向に加工送りされるため、加工進行方向は矢印Ｘ２方向となる。

ここで、往路のレーザー加工時には、電磁切替弁７８を連通位置に切り替えて、吸引路５７を電磁切替弁７８を介して吸引源８０に接続するとともに、電磁切替弁８２を遮断位置に切り替え、更にシャッター８４ｂで吸引パイプ５６の他端５６ｂを閉鎖する。これにより、吸引路５７は吸引パイプ５６の一端５６ａを介して吸引源８０に接続されることになる。

更にこのレーザー加工時には、図５に示すように、エア供給源８８から破線で示すようにウインドウガラス７２にデブリが付着するのを防止するデブリ付着防止エア８９を供給しながらレーザー加工を実施する。エア供給源８８からのエア供給量は、例えば約３０リットル／分である。

エア供給源８８からエア供給口８６ａ，８６ｂを介して供給されたエアは、環状取り付け部材７４の丸穴７５及び環状取り付け部材７６の溝７７を通過して破線８９に示すように加工ヘッド５０の内部を流れて加工ヘッド５０の先端から噴出される。

レーザービーム７１によりウエーハ１１に対してアブレーション加工を実施して分割予定ライン１３に沿ってレーザー加工溝を形成すると、レーザー加工点でデブリ（粉塵）が発生する。

このデブリは集塵手段５５の吸引パイプ５６に形成された通過孔６１を介して吸引路５７内に吸引され、吸引パイプ５６の一端５６ａ及び電磁切替弁７８を介して吸引源８０に吸引されて除去される（吸引ステップ）。

このレーザー加工時には、図７には特に示されていないが、図５に示すように、加工ヘッド５０の下端部にはデブリ付着防止エア８９が流れているため、ウインドウガラス７２にデブリが付着することが防止される。

ウエーハ１１の一端から他端への図６に矢印Ｘ２で示す往路方向のレーザー加工が終了すると、第１の分割予定ライン１３に隣接する第２の分割予定ライン１３が割り出され、図６に矢印Ｘ１に示すウエーハ１１の他端から一端方向への復路のレーザー加工が実施される。

この復路のレーザー加工について図８を参照して説明する。復路のレーザー加工では、チャックテーブル２０に保持されたウエーハ１１を矢印Ｘ２方向に加工送りしながらレーザー加工を実施する。従って、加工進行方向は矢印Ｘ１方向となる。

復路のレーザー加工時には、電磁切替弁８２を連通位置に切り替えて、吸引路５７を吸引パイプ５６の他端５６ｂ及び電磁切替弁８２を介して吸引源８０に接続するとともに、電磁切替弁７８を遮断位置に切り替え、更にシャッター８４ａで吸引パイプ５６の一端５６ａを閉鎖する。

復路のレーザー加工時に加工点で発生したデブリは吸引パイプ５６の通過孔６１を介して吸引路５７内に吸引され、更に吸引パイプ５６の他端５６ｂ及び電磁切替弁８２を介して吸引源８０に吸引されて除去される（吸引ステップ）。

この復路のレーザー加工時には、特に図示しないがエア供給源８８からエア供給口８６ａ，８６ｂを介して圧縮エアが加工ヘッド５０の内部に供給され、図５に破線で示すようなデブリ付着防止エア８９の流れを形成するため、加工点で発生したデブリがウインドウガラス７２に付着することが防止される。

このように、本実施形態のレーザー加工装置を使用したレーザー加工方法では、往路のレーザー加工時には、図７に示すように、ウエーハ１１に対してレーザー加工が進行する矢印Ｘ２で示す加工進行方向の後方側である吸引パイプ５６の一端５６ａが吸引源８０に接続されるとともに、他端５６ｂはシャッター８４ｂにより閉鎖される。

ウエーハ１１が矢印Ｘ１で示す加工送り方向に動いているため、加工進行方向の後方側が前方側に比べてデブリが多くなる。そのため、矢印Ｘ２で示す加工進行方向の後方側である吸引パイプ５６の一端５６ａ側からデブリを吸引すると、効率よくデブリを吸引することができる。

一方、図８に示す復路のレーザー加工時には、ウエーハ１１に対してレーザー加工が進行する矢印Ｘ１で示す加工進行方向の後方側である吸引パイプ５６の他端５６ｂが吸引源８０に接続されるとともに、他端５６ａはシャッター８４ａにより閉鎖される。

ウエーハ１１が矢印Ｘ２で示す加工送り方向に動いているため、加工進行方向の後方側が前方側に比べてデブリが多くなる。そのため、矢印Ｘ１で示す加工進行方向の後方側である吸引パイプ５６の他端５６ｂ側からデブリを吸引することにより、効率よくデブリを吸引することができる。

即ち、吸引ステップでは、吸引路５７を形成する吸引パイプ５６の一端５６ａと他端５６ｂのうち、ウエーハ１１に対してレーザー加工が進行する加工進行方向の後方側の端部が吸引源８０に接続されるとともに他方の端部はシャッター８４ａ又は８４ｂにより閉鎖される。これにより、レーザー加工時に発生するデブリを効率よく集塵してウエーハ１１上から除去することができる。

レーザー加工を続行すると、吸引パイプ５６内にデブリが堆積する。従って、所定のタイミング（例えばウエーハ１１を所定枚数加工した後）で又は都合のよいときに、吸引パイプ５６の先端部分をボックス５８中に貯留されている洗浄水に浸漬し、吸引パイプ５６の一端５６ａ及び他端５６ｂとも吸引源８０に接続して、洗浄水を吸い上げて吸引パイプ５６内に付着しているデブリを洗浄するのが好ましい。

他の実施形態としては、レーザー加工時に吸引パイプ５６内に洗浄水を流し、吸引したデブリが吸引パイプ５６の内壁に堆積するのを防止するようにしてもよい。

上述した実施形態のレーザー加工方法では、ウエーハ１１にアブレーション加工を施す例について説明したが、レーザー加工方法はこれに限定されるものではなく、ウエーハ１１に対して透過性を有する波長（例えば１０６４ｎｍ）のレーザービームの集光点をウエーハ１１の内部に位置付けて、ウエーハ１１内部に改質層を形成するＳＤ（ステルスダイシング）加工時にも、レーザービームが照射されたウエーハ１１の表面から多少のデブリが発生するため、本実施形態の集塵手段５５は有効である。

更に、上述した実施形態では、被加工物として表面にパターン（分割予定ライン１３及びデバイス１５）を有する半導体ウエーハに本発明のレーザー加工方法を適用した例について説明したが、本発明のレーザー加工方法は半導体ウエーハ１１に限定されるものではなく、表面にパターンを有しない平板状の被加工物にも同様に適用することができる。

また、上述した実施形態では、集塵手段５５を加工ヘッド５０に配設した例について説明したが、集塵手段の配置はこれに限定されるものではなく、集塵手段を構成する吸引パイプを、例えば図１に示すＹ軸移動ブロック３０に取り付け、吸引パイプの先端部分が加工ヘッド５０の先端部近傍に配置されるようにして、デブリの吸引を実施するようにしてもよい。

２ レーザー加工装置
１１ 半導体ウエーハ
１７ ウエーハユニット
２０ チャックテーブル
４６ レーザービーム照射ユニット
５０ 加工ヘッド
５５ 集塵手段
５６ 吸引パイプ
５６ａ 一端
５６ｂ 他端
５７ 吸引路
６１ 通過孔
７０ 集光レンズ
７２ ウインドウガラス
７８，８２ 電磁切替弁
８０ 吸引源
８４ａ，８４ｂ シャッター
８８ エア供給源
８９ デブリ付着防止エア

Claims (2)

1. レーザー加工装置であって、
   被加工物を保持する保持手段と、
   レーザービーム発振手段と、該レーザービーム発振手段で発振されたレーザービームを集光する集光レンズを有する加工ヘッドとを含み、該保持手段に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、
   該集光レンズで集光されて被加工物に集光されるレーザービームが通過する通過孔が形成されるとともに該通過孔に対して対称に伸長する吸引路と、該吸引路の一端と他端とがそれぞれ選択的に接続される吸引源とを有し、該集光レンズで集光されたレーザービームが被加工物に照射されることで発生するデブリを集塵する集塵手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザー加工装置を用いて複数の加工予定ラインが設定された被加工物にレーザー加工を施すレーザー加工方法であって、
   被加工物を前記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の該加工予定ラインと前記集塵手段の前記吸引路の伸長方向とを平行に位置付ける位置付けステップと、
   該位置付けステップを実施した後、第１の加工予定ラインに沿って該レーザービーム照射手段で被加工物の一端から他端へとレーザー加工を施し、次いで該第１の加工予定ラインに隣接する第２の加工予定ラインに沿って該レーザービーム照射手段で被加工物の該他端から該一端へとレーザー加工を施すレーザー加工ステップと、
   該レーザー加工ステップの実施中に、前記吸引源を作動させて該レーザー加工ステップで発生するデブリを前記通過孔を介して前記吸引路に吸引し、被加工物上からデブリを除去する吸引ステップと、を備え、
   該吸引ステップでは、該吸引路の前記一端と前記他端のうち、被加工物に対してレーザー加工が進行する加工進行方向の後方側の端が該吸引源に接続されるとともに他方の端は封鎖されることを特徴とするレーザー加工方法。

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