JP2015003327A - レーザ加工装置、基板の加工方法及び基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工形状がアスペクト比の大きな深穴の場合でも穴の先端部の位置を正確に検出し、精度の良い加工を実現する。【解決手段】本発明の基板の加工方法は、基板上のアライメントマークの位置を測定する工程、基板上のアライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザで非貫通の深孔を作成する工程、深穴に照明光を集光し、深孔を基板の裏面から深孔の先端部の位置を測定する工程、測定したアライメントマークの位置と測定した深孔の先端部の位置との距離と、一定距離との差を算出し、この差に基づいて設計上の距離を補正する工程、及び補正した距離に基づいてレーザを照射することにより基板を加工する工程、からなることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて被加工物を加工するためのレーザ加工装置、基板の加工方法、及び、基板の製造方法に関する。

穴あけ、切断、溶接などのレーザ光を利用した加工が機械、電子、半導体など多方面の分野で利用されている。これらの加工を行うレーザ加工装置として、レーザ発振器から出力されたレーザ光をガルバノスキャナやＦθレンズを用いて基板表面に集光し、加工を行う技術が提案されている（特許文献１）。

特許文献１に記載された技術の場合、レーザ源から出力されたレーザをガルバノミラーにより位置決めしてＦθレンズに入射させ、ＸＹテーブル上の基板に穴をあける。次に基板に設けられた位置決め用マークの近傍にテスト用の穴をあけ、位置決め用マークとテスト用の穴とを撮像装置によって撮像する。これによりＸＹテーブル上に戴置された基板の位置とテスト用の穴の中心座標の目標座標に対するずれを検出し、撮像装置の位置の設計上の位置に対するずれを検出する。以上により、撮像装置の位置の設計上の位置に対するずれに基づいて基板にあけられるべき穴の加工データを補正し、基板に穴をあけることが可能となる。

特許第４３９２３８８号公報

加工形状がアスペクト比の大きな深穴の場合、集光条件により深さ方向に傾きを生じるため、深穴の先端部の位置と基板表面の穴の中心位置との間にはズレが生じる。上述の特許文献１に記載された技術の場合、前記テスト用の穴の中心位置は、レーザ入射方向と同じ方向から撮像装置によって検出されている。本手法では、基板表面の穴の輪郭を検出することができるが、アスペクト比の大きな深穴では、基板表面から深穴の先端部の位置を正確に検出することができず、加工精度が低下することがある。

本発明は、このような事情に鑑み、基板の加工形状がアスペクト比の大きな深穴の場合でも穴の先端部の位置を正確に検出し、精度の良い加工を実現するためになされたものである。

本発明の一態様は、基板上のアライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、基板の表面から基板の裏面に向かってレーザで非貫通の深孔加工を行う基板の加工方法であって、前記基板上のアライメントマークの位置を測定する工程、前記基板上のアライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザで非貫通の深孔を作成する工程、前記深穴に照明光を集光し、前記深孔を前記基板の裏面から前記深孔の先端部の位置を測定する工程、前記測定したアライメントマークの位置と前記測定した深孔の先端部の位置との距離と、前記一定距離との差を算出し、前記差に基づいて前記設計上の距離を補正する工程、及び前記補正した距離に基づいてレーザを照射することにより前記基板を加工する工程、からなることを特徴とする。

また、本発明の別の態様は、基板上のアライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、基板の表面から基板の裏面に向かってレーザで非貫通の深孔加工を行うためのレーザ加工装置であって、レーザ発振源、照明装置、及び撮像装置からなり、基板上のアライメントマークの位置を前記撮像装置で検出し、前記アライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザ発振源から出射されたレーザで非貫通の深孔を作成し、前記深穴に前記照明装置からの光を集光し、前記深孔を前記基板の裏面から前記深孔の先端部の位置を前記撮像装置で測定し、前記測定したアライメントマークの位置と前記測定した深孔の先端部の位置との距離と、前記一定距離との差を算出し、前記差に基づいて前記設計上の距離を補正し、及び前記補正した距離に基づいて前記レーザを照射することにより前記基板を加工することを特徴とする。

さらに本発明の別の態様は、基板上のアライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、基板の表面から基板の裏面に向かってレーザで非貫通の深孔加工を行う基板の製造方法であって、前記基板上のアライメントマークの位置を測定する工程、前記基板上のアライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザで非貫通の深孔を作成する工程、前記深穴に照明光を集光し、前記深孔を前記基板の裏面から前記深孔の先端部の位置を測定する工程、前記測定したアライメントマークの位置と前記測定した深孔の先端部の位置との距離と、前記一定距離との差を算出し、前記差に基づいて前記設計上の距離を補正する工程、及び前記補正した距離に基づいてレーザを照射することにより前記基板を加工する工程からなることを特徴とする。

本発明によれば、加工形状がアスペクト比の大きな深穴の場合でも、穴の先端部の位置を正確に検出し、精度の良い加工を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る基板の加工方法におけるレーザ加工工程のフローチャートである。 図２のフローチャートにおける工程Ｓ２１の説明図である。 図２のフローチャートにおける工程Ｓ２２の説明図である。 図２のフローチャートの工程Ｓ２３の説明図である。 図２のフローチャートの工程Ｓ２４の説明図である。 図２のフローチャートの工程Ｓ２５の説明図である。 図２のフローチャートの工程Ｓ２６の説明図である。 第１の実施形態に係る基準穴の概略構成図である。 第１の実施形態に係る画像処理を説明する概略図である。 インクジェットヘッドの一部を示す断面図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。本実施形態では、基板の素材となる被加工物にレーザ光を集光し、被加工物の一部に加工を行うレーザ加工装置及び基板の加工方法について説明する。

本実施形態のレーザ加工装置は、図１に示したように、レーザ発振器１、ビームエキスパンダ２、ガルバノスキャナ３、Ｆθレンズ４、被加工物５、被加工物固定テーブル６、移動ステージ７、架台８、照明装置９、カメラ１０、レーザ制御部１１、ガルバノスキャナ制御部１２、カメラ・照明制御部１３、ステージ制御部１４、ホストコンピュータ１５を有する。

レーザ発振器１は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどを用いる。レーザ発振器１より出射したレーザ光は、ビームエキスパンダ２によってビーム径が拡大された後、ガルバノスキャナ３に装着された反射ミラーによってＦθレンズ４に入射し、被加工物５上に集光する。被加工物５は、被加工物固定テーブル６によって固定されており、移動ステージによって自在に移動させることができる。架台８は、前記レーザ発振器１、ビームエキスパンダ２、ガルバノスキャナ３、Ｆθレンズ４、被加工物５、被加工物固定テーブル６、移動ステージ７を載置固定する架台である。

レーザ制御部１１は、前記レーザ発振器１を制御する。ガルバノスキャナ制御部１２は、前記ガルバノスキャナ３を制御する。カメラ・照明制御部１３は、前記照明装置９と前記カメラ１０を制御する。ステージ制御部１４は、移動ステージ７を制御する。ホストコンピュータ１５は、ユーザインタフェース、加工データ記憶部を備え、前記それぞれの制御部を所定のタイミングで相互連動して制御することができる。

図２は、本実施形態のレーザ加工工程を示すフローチャートを示す。図３〜図８は、前記フローチャートの工程（Ｓ２１〜Ｓ２６）を、それぞれ抜粋した説明図である。図９は、図８のＳ２６における拡大図である。図１０は、図８のＳ２６における画像処理を説明する図である。

以下、図２の各工程について、図１、図３、図４、図５、図６、図７及び図８を用いて順に説明する。
Ｓ２１（図３）では、移動ステージ７を駆動し、基板上のアライメントマーク、即ち、被加工物５上の所定位置に形成された位置検出用のアライメントマーク３５２を、撮像装置であるカメラ１０の視野内に移動させる。被加工物５を固定する被加工物固定テーブル６は、前記アライメントマークの直下に観察用の貫通穴３６１、３６２が開口している。カメラ１０は、前記貫通穴を通じてアライメントマークの位置を測定することができる。

Ｓ２２（図４）では、カメラ１０からの信号を画像処理し、アライメントマーク３５２を検出し、位置情報を得る。被加工物５上には、少なくとも１点以上のアライメントマークがあるため、本実施形態では、同様にアライメントマーク３５１の位置情報を得る。これらの位置情報より、ステージ原点に対する被加工物５の位置と傾きを算出することができる。

Ｓ２３（図５）では、移動ステージ７を駆動し、被加工物５を、基準穴となる非貫通の深孔をレーザ加工する位置、即ち、アライメントマークの位置から一定距離離れた位置に移動させる。

Ｓ２４（図６）では、レーザ発振源であるレーザ発振器１を駆動し、被加工物５上に加工穴と同形状の非貫通の深穴を基準穴４５３として形成する。通常、被加工物５上に集光されたレーザ光の位置は、環境温度の変化や振動、ガルバノスキャナ３のドリフト等の影響により微細に変動し、加工位置に誤差を生じる。前記誤差を補正するためには、被加工物５上に前記特許文献１に示された様なテスト穴、もしくは基準マーク等を加工してその位置を検出し、設計位置とのズレ量を加工データに補正する手法が用いられる。

しかしながら、加工形状がアスペクト比の大きな深穴の場合、集光条件により深さ方向に傾き誤差を生じるため、深穴の先端部の位置と基板表面の穴の中心位置にはズレが生じる。このズレは、例えばＦθレンズ４の設計・製造誤差や、Ｆθレンズ４に入射するレーザ光の組付け誤差、レーザ光に対する被加工物５の傾き誤差等によって発生する。

この様な場合、前記補正用の基準マークを基板表面に形成すると、基板表面の基準マークは深穴の先端部の位置を正確に反映することができず誤差が生じてしまう。よって加工形状がアスペクト比の大きな深穴の場合は、加工穴と同形状の深穴を基準穴４５３として形成する工程が必要となる。

Ｓ２５（図７）では、移動ステージ７を駆動し、被加工物５上の所定位置に形成された基準穴５５３を、カメラ１０の視野内に移動させる。

Ｓ２６（図８）では、照明装置９を駆動して照明光を点灯し、カメラ１０を用いて基準穴５５３を検出し位置情報を得る。

さらに、本工程を図９と図１０を用いて詳細に説明する。図９中、被加工物５に形成された基準穴５５３内に、照明光６８が集光されて入射する。照明光６８は基準穴５５３内を大部分反射しながら伝播し、基準穴５５３の先端部に集光する。ここで照明光６８が被加工物５の材質に対して透過性を有する波長である場合、照明光の一部は被加工物を透過して被加工物５の裏面に出射光６９となる。出射光６９は、被加工物固定テーブル６に形成された貫通穴６６３を経由してカメラ１０に入射する。

前記透過性を有する波長とは、例えば被加工物がガラス材料の場合は、近紫外から近赤外領域の波長であり、被加工物が半導体材料の場合は、近赤外から赤外領域の波長である。

カメラ１０で得られた信号は、図１０で示す工程で位置情報に変換される。カメラ１０で得られた信号は、例えば基準穴の先端部を中心にした強度分布７１を示す。

次に、前記強度分布に対して画像処理１を行う。ここで言う画像処理１とは、例えば閾値処理、ノイズ処理、平均化処理、二値化処理、エッジ検出処理、明度・コントラスト処理などである。これにより前記強度分布信号７１を基準穴の先端部の画像７２に変換する。次に、前記画像７２に対して画像処理２を行う。ここで言う画像処理とは、例えば重心化処理、中心化処理などである。これにより前記画像７２より、前記基準穴の先端部の位置情報７３を得ることができる。

Ｓ２７では、前記Ｓ２６によって得られた位置情報７３と、前記Ｓ２２によって得られた被加工物の位置と傾き、前記Ｓ２５で行ったステージ移動量とを用いて、レーザ光の設計位置とのズレ量をホストコンピュータ１５により算出する。また、ズレ量はホストコンピュータ１５に記憶された加工データに補正値として与えられる。

Ｓ２８では、前記Ｓ２７で得られた補正後の加工データを用いて、アライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、被加工物に対してレーザで非貫通の深孔加工が行われる。補正後の加工データを用いることにより、上記レーザ光のズレや深穴の先端部のズレの影響を受けず、精度の良い加工を実現することが可能となる。

Ｓ２９では、前記Ｓ２８による所定の加工が終了後、次の基板の有無を判定する。次の基板がある場合は、前記Ｓ２１に戻って同様の加工工程を開始する。次の基板が無い場合は、加工を終了する。

上述の実施形態で説明した、レーザ加工装置や加工方法で使用する基板には、インクジェットヘッド用基板、半導体材料基板、ガラス基板、回路基板などが挙げられる。また、加工は深穴のような穴あけ加工に限らず、溝形状や切断、改質、接合などの加工を行うことも可能である。また具体的な適用先としてはインクジェットヘッドの先導孔加工に限らず、例えば回路基板の穴あけ加工や太陽電池基板のスクライビング、抵抗素子のトリミング、電池ケースの封止溶接などがある。

なお、前記基準穴は必ずしも１個である必要はなく、複数の基準穴を用いて補正することにより、より精度の良い加工を実現することができる。

また、レーザ加工による深穴加工時の傾きは、必ずしもＦθレンズの設計・製造誤差や、Ｆθレンズに入射するレーザ光の組付け誤差、レーザ光に対する被加工物の傾き誤差等によって発生するものに限定されない。例えば被加工物に対して所定の角度を有する深穴加工を行う際にも、本発明により精度の良い加工を実現することが可能となる。

さらに、前記角度が加工条件やレーザ光走査条件等によって異なる場合、前記異なる条件毎に異なる複数の基準穴を形成し、それぞれを補正値として加工データに反映させても良い。

＜第２の実施形態＞
次に、第１の実施形態で説明したレーザ加工装置及び基板の加工方法を用いた、基板の製造方法について説明する。本実施形態では、製造する基板を、インクジェットヘッド用基板を例として説明する。

図１１は、インクジェットプリンタのヘッド部分の断面を示したものである。図１１において、８０は半導体基板、８１はインクの経路となる垂直形状の溝、破線で示す８７はインク経路、８８は微小なインク滴を示す。溝８１が形成された半導体基板８０の下面にはインクを吐出させるためのヒータ８２、液室８３、オリフィスプレート８４が形成される。また、半導体基板８０の上面には、インクを貯蔵するインクタンク８６が取り付けられる。なお、ここでいうインクジェットヘッド用基板とは、半導体基板、液室及びオリフィスプレートを含めた概念である。

インクは、インクタンク８６から溝８１及び液室８３を経て、ヒータ８２に到達する。ヒータ８２の瞬間的な加熱／冷却により形成された気泡がインクを押し、オリフィスプレート８４中に形成された吐出孔８５より微小なインク滴８８となって吐出される。

このようなインクジェットヘッドの基板を製造するには、半導体基板８０、液室８３及びオリフィスプレート８４を形成した後に、溝８１を形成する場合があるが、インク経路８７となる溝を高精度で形成するのは難易度が高い技術である。溝が正確に形成されないと、インクが正確に液室に供給できないからである。溝を正確に形成するために、第１の実施形態で説明したような、レーザー加工装置及び基板の加工方法を使用して、インクジェットヘッド用基板を作成することができる。

具体的には、本実施形態では、インクを供給する経路となる溝８１を、上述の第１の実施形態で説明したような、Ｓ２１〜Ｓ２９を経たレーザ加工によって形成する。

即ち、被加工物として、液室８３、ヒータ８２及びオリフィスプレート８４を有する、溝８１を形成する前の半導体基板８０を移動ステージに載置し、上記実施形態１で説明した深孔加工によって溝８１を形成する。これにより、インクジェットヘッド用基板を製造することができる。

なお、レーザ加工によって作成された基板を、インクジェットヘッド用の基板としてそのまま用いてもよいが、アルカリ性エッチング液中で、例えば１５分程度異方性エッチングすることにより、最終的な溝形状を形成しても良い。

即ち、異方性エッチングにより溝８１を形成する場合、本発明の基板の加工方法によるレーザ加工により深穴を形成後、異方性エッチングにより所望の形状のインク経路８７を形成する。この深穴を精度よく、かつ、微細に形成することにより、レーザ加工の後工程としての異方性エッチングの際に、エッチング液を進入させ、異方性エッチングの時間を短縮し、インク供給口の幅を精度よく、また、より小さくすることができる。

また、インクジェットヘッドの基板は、例えば、結晶面（１００）シリコン製の素材（被非加工物）に加工を施して製造したものである。この被加工物にはヒータや電気配線、耐エッチング性を有するエッチングストップ層、エッチング保護膜など、インクを吐出するための機構やレーザ加工後のエッチング工程のための機構などが形成されている。また、被加工物の厚みは、例えば７２５μｍ程度である。

このような被加工物に対して、上述の所望の深穴の形状になるまでレーザ光を照射する。この深穴は、後工程の異方性エッチングの際にエッチング液を進入させ、異方性エッチングの時間を短縮し、インク供給口の幅をより小さくするために、直径φ５〜１００μｍとすることが好ましい。また深さは被加工物として７２５μｍの厚さのものを用いた場合、６００〜７１０μｍが好ましい。

１ レーザ発振器
２ ビームエキスパンダ
３ ガルバノスキャナ
４ Ｆθレンズ
５ 被加工物
６ 被加工物固定テーブル
７ 移動ステージ
８ 架台
９ 照明装置
１０ カメラ
１１ レーザ制御部
１２ ガルバノスキャナ制御部
１３ カメラ・照明制御部
１４ ステージ制御部
１５ ホストコンピュータ
３５１ アライメントマーク
３５２ アライメントマーク
３６１ 検出用貫通穴
３６２ 検出用貫通穴
４５３ 基準穴
６８ 照明光
６９ 透過照明光
６６３ 検出用貫通穴
８０ 半導体基板
８１ 垂直形状の溝
８２ ヒータ
８３ 液室
８４ オリフィスプレート
８５ 吐出口
８６ インクタンク
８７ インク経路
８８ 微小インク滴

Claims (7)

1. 基板上のアライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、基板の表面から基板の裏面に向かってレーザで非貫通の深孔加工を行う基板の加工方法であって、
   前記基板上のアライメントマークの位置を測定する工程、
   前記基板上のアライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザで非貫通の深孔を作成する工程、
   前記深穴に照明光を集光し、前記深孔を前記基板の裏面から前記深孔の先端部の位置を測定する工程、
   前記測定したアライメントマークの位置と前記測定した深孔の先端部の位置との距離と、前記一定距離との差を算出し、前記差に基づいて前記設計上の距離を補正する工程、及び
   前記補正した距離に基づいてレーザを照射することにより前記基板を加工する工程、
   からなることを特徴とする、基板の加工方法。
2. 前記照明光が前記基板に対して透過性であることを特徴とする、請求項１に記載の基板の加工方法。
3. 基板上のアライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、基板の表面から基板の裏面に向かってレーザで非貫通の深孔加工を行うためのレーザ加工装置であって、
   レーザ発振源、
   照明装置、及び
   撮像装置、
   からなり、
   基板上のアライメントマークの位置を前記撮像装置で検出し、
   前記アライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザ発振源から出射されたレーザで非貫通の深孔を作成し、
   前記深穴に前記照明装置からの光を集光し、前記深孔を前記基板の裏面から前記深孔の先端部の位置を前記撮像装置を用いて測定し、
   前記測定したアライメントマークの位置と前記測定した深孔の先端部の位置との距離と、前記一定距離との差を算出し、前記差に基づいて前記設計上の距離を補正し、及び
   前記補正した距離に基づいて前記レーザを照射することにより、前記基板に非貫通の深孔加工を行うことを特徴とする、レーザ加工装置。
4. 前記照明装置は、前記基板に対して透過性である光を照射することを特徴とする、請求項３に記載のレーザー加工装置。
5. 基板上のアライメントマークの位置から設計上の距離離れた位置に、基板の表面から基板の裏面に向かってレーザで非貫通の深孔加工を行う基板の製造方法であって、
   前記基板上のアライメントマークの位置を測定する工程、
   前記基板上のアライメントマークの位置から一定距離離れた位置に、レーザで非貫通の深孔を作成する工程、
   前記深穴に照明光を集光し、前記深孔を前記基板の裏面から前記深孔の先端部の位置を測定する工程、
   前記測定したアライメントマークの位置と前記測定した深孔の先端部の位置との距離と、前記一定距離との差を算出し、前記差に基づいて前記設計上の距離を補正する工程、及び
   前記補正した距離に基づいてレーザを照射することにより前記基板を加工する工程、
   からなることを特徴とする、基板の製造方法。
6. 前記照明光が前記基板に対して透過性であることを特徴とする、請求項５に記載の基板の製造方法。
7. 前記基板がインクジェットヘッド用基板であることを特徴とする、請求項５に記載の基板の製造方法。

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