JP2022144377A

JP2022144377A - レーザ加工装置

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Publication number: JP2022144377A
Application number: JP2021045353A
Authority: JP
Inventors: 太良津留; Taira Tsuru
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-10-03
Anticipated expiration: 2041-03-19
Also published as: JP6977191B1; JP2022145458A

Abstract

【課題】半導体ウェーハやラジアル滑り軸受のような大量生産に適した製品を、所期の形状または状態に迅速にレーザ加工できるようにする。【解決手段】レーザ加工装置は、回転対称な照射対象物の１つの面にレーザ光を照射してレーザ加工する。レーザ加工装置は、レーザ光を出射可能なレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第１の光学素子を備える。さらに、第１の光学素子から出射したレーザ光を照射対象物の周方向に走査させる駆動機構を含む第２の光学素子も備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に係り、特に半導体ウェーハのチップ形成予定面の平坦化加工や円筒軸受の内面加工に用いて好適なレーザ加工装置に関する。

半導体ウェーハ上に回路を形成するウェーハ加工においては、ウェーハ表面または裏面を表面粗さの小さな平坦な面に形成する工程がしばしば含まれる。従来は、そのような工程を研削ホイールや研磨パッドを用いて実施してきた。しかし、ウェーハの表面を研削または研磨加工する際に、研削ホイールや研磨パッドが偏摩耗していると、加工面の平坦性がゆがめられ、品質が劣化する。

このような不具合を解消するために、特許文献１では、半導体ウェーハをチップに分割する位置である切断予定位置に対して以下の３ステップを実行している。すなわち、レーザ加工前に、ウェーハの裏面を研削または研磨して平坦化するステップと、裏表逆にして配置されたウェーハの表面側と裏面側にレーザを照射して裏面側の平坦度を確認するステップと、ウェーハの切断予定位置へ裏面側からウェーハ内部に集光点を合わせてレーザを照射するステップの３つである。

特許文献２には、加工品質にムラのないレーザアニール方法を実現することが開示されている。この公報に記載のレーザアニール方法では、表側の面が凹凸を有する半導体ウェハを準備し、表側の面の凹側に充填剤を充填する。充填剤が充填された半導体ウェハの表側の面がアニールテーブルに対向する姿勢でアニールテーブルに保持し、保持された半導体ウェハの裏面にレーザビームを照射して、アニールを実行している。

また、特許文献３には、ウェーハに形成された欠陥をアニールすることが開示されている。この公報に記載のシステムは、ウェーハ表面において２０００Ｗ～３０００Ｗの光学出力を有する第１の線画像を形成するように構成された、ＣＯ_２系線形成システムを含んでいる。第１の線画像はウェーハ表面上を走査され、欠陥アニール温度まで局所的に温度を上昇させる。さらに、可視波長線形成システムを含み、それは第２の線画像を形成し、ウェーハ表面温度をスパイクアニール温度まで局所的に上昇させる。スパイクアニールを行い、有害なパターン効果を減少し、温度均一性及びそれに伴うアニール均一性を改善している。

一方特許文献４には、小径の円筒状内面に高い寸法精度で溝を形成する円筒状内面の加工方法が開示されている。この公報では、レーザビームを集光レンズで絞り、軸受スリーブの内部に設けられた小型の反射ミラーで反射させ、軸受スリーブの内周面上に集光させている。軸受スリーブを軸方向および周方向に移動および回転することで、焦点を軸受スリーブの内周面上で移動させ、軸受スリーブの内面に溝を形成している。

特開２０１９－１２１６７７号公報特開２０１６－１４３８３３号公報特開２０１６－１０５４７０号公報特開平６－３１５７８４号公報

ウェーハの表面または裏面を平坦にするために従来用いられてきた砥石や研磨パッドを用いた研削または研磨方法は、偏摩耗に起因する表面の凹凸の他に、砥石の摩耗により砥粒が摩耗粉となって、折角凹凸の少ない表面に仕上げた面に許容できない凹凸が形成される虞れがあった。また、加工時の加工応力の一部が残留応力としてウェハ内に残る虞れもある上に、表面の凹凸を低減すればするほど加工に多大な時間を要している。

上記特許文献１の方法では、そのような課題を解決するために、表裏逆にしたウェーハの表面上方と裏面の周縁部に照明手段を配置してウェーハの裏面の平坦度を確認し、その後、切断予定位置であってウェーハの内部に集光点を合わせてレーザ加工している。ウェーハ全体に対する裏面側からのレーザ照射は、平坦度を確認する撮像のためであり、乱反射するか否かを判断するものであるから、レーザ光をウェーハ表面または裏面に均一な強度及び均一な短時間照射して、当該照射面の平坦化アニールを短時間だけ実行して加工効率を向上させるようには構成されていない。

上記特許文献２に記載のウェーハのアニール装置では、ウェーハを表裏逆に保持して裏面側にレーザビームを集光している。レーザビームの形状は所定の長尺形状であり、長尺形状内では光強度分布が均一にされている。この装置では、レーザビーム位置を固定しているので、ウェーハ面内をくまなくアニールするためには、ウェーハをウェーハビーム圏内に常時移動させる必要があり、レーザが載置されるアニールテーブルを２次元または３次元的に移動させる必要がある。この移動および位置決めは一般的な３次元テーブルまたは３次元＋θテーブルで行われるため、位置決めに時間がかかり、ウェーハ加工のスループットが低下する。

また上記特許文献３に記載の欠陥アニーリング装置では、光源からのレーザ光を複数のミラーを介してウェーハ表面に斜めに導き、ウェーハに形成された欠陥部にレーザ光を照射している。この装置では、折り返しミラー光学システムを可変にして、ウェーハへのレーザの照射角度を可変にしているので、ウェーハの所望位置にレーザ光を照射するには、折り返しミラー光学システムを高度に制御する必要があり、該光学システムが複雑化する。

一方特許文献４には、軸受スリーブ内に小型のミラーを配置して軸受の内面に溝を形成している。この加工装置では小型のミラーをスリーブ内に配置しているので、ミラーがスリーブと隙間を持って入ることができる大きさに限定される。そのため、極端に小さな軸受の内面を加工するためには、ミラーをスリーブの移動に干渉しない位置に保持するための微小でかつ複雑な治具が必要になる。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、半導体ウェーハやラジアル滑り軸受のような大量生産に適した製品を所期の形状または状態に迅速にレーザ加工できるようにすることを目的とする。そして、特に半導体ウェーハの場合には、ウェーハ表面または裏面を迅速に、平坦化及び均一アニールすることを可能にすることを目的とし、小型の軸受部品等の場合には内面を所望形状に短時間で加工できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、照射対象物の１つの面にレーザ光を回転対称的に照射してレーザ加工するレーザ加工装置において、レーザ光を出射可能なレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第１の光学素子と、前記第１の光学素子から出射したレーザ光を前記照射対象物の周方向に走査制御する機構を含む第２の光学素子を備えることにある。

そしてこの特徴において、前記第１、第２の光学素子は、それぞれウェッジプリズムと併進制御機構及び／または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、前記照射対象物は半導体ウェーハであり、前記１つの面はこの半導体ウェーハの回路が形成される面またはその反対面のいずれかであり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記１つの面をアニールすることが好ましく、前記第１、第２の光学素子は、それぞれウェッジプリズムと併進制御機構及び／または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、前記照射対象物の前記１つの面はスリーブ状の内周面であり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記１つの面に溝を形成することが、また好ましい。

上記特徴において、前記第２の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとｆ－θレンズを配設してもよく、前記レーザ光源と前記第１の光学素子と前記第２の光学素子からなる組を２組有し、照射対象物を挟んで互いに反対側の位置に、前記レーザ光源と前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の組を対称に配設し、一方の前記第２の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとｆ－θレンズを配設してもよい。

さらに上記特徴において、前記第２の光学素子から出射されたレーザ光を反射させる第１、第２の反射手段と、これら反射手段で反射されたレーザ光を集光する集光手段を設けてもよく、前記ガルバノスキャナとｆ－θレンズからなる組を２組有し、前記第２の光学素子と前記照射対象物の間に、前記ガルバノスキャナとｆ－θレンズの組をそれぞれ対称に配設してもよい。

本発明によれば、光学部品を可変速で回動させることにより、レーザ光源から出射したレーザ光をウェーハまたは軸受部品等の所望位置へ即座に位置を変えて照射することが可能になり、半導体ウェーハやラジアル滑り軸受のような大量生産に適した製品を高精度かつ短時間で加工できる。特に、半導体ウェーハの場合には、ウェーハ表面または裏面を平坦化と均一アニールを迅速に行える。小型の軸受部品等の場合には、内面を所望形状に短時間で加工できる。

本発明に係るレーザ加工装置の一実施例の模式図である。図１に示したレーザ加工装置が備える光学素子の動作を説明する図である。図１に示したレーザ加工装置のブロック図である。本発明に係るレーザ加工装置の他の実施例の模式図である。図４に示したレーザ加工装置による加工例を説明する図である。図４に示したレーザ加工装置のブロック図である。

以下本発明に係るレーザ加工装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、レーザ加工装置１００の一実施例の模式正面図である。本実施例のレーザ加工装置１００は、図示しないＸＹＺ－θテーブルを備える、例えばウェーハの面取り装置と組み合わせて使用される。

ウェーハ面取り装置等の加工装置の吸引部２４０には、半導体ウェーハＷが回路形成面を下側にして下向きに吸引されている。この半導体ウェーハＷ部を挟んで、上下にほぼ同じ構成のレーザ加工装置１００の主要部が配置されている。すなわち、上側に位置するレーザ加工装置１００の主要部として、レーザ光源２１０がウェーハＷの真上であって最上部に固定配置されている。レーザ光源２１０はパルスレーザを出射するものであり、出射するレーザ光１１０の強度やタイミング等はレーザ光源制御部２１２で制御される。

レーザ光源２１０の下方には、レーザ光源２１０から出射されたレーザ光１１０を所定強度を有し所定スポット径となるようにするビームエキスパンダー２２２が固定配置されている。ビームエキスパンダー２２２の下方には、複数のプリズムを有する光学素子（可動部）２２０が配置されている。

光学素子２２０は、ワークであるウェーハＷ上の照射位置を特定位置に定めるための部品であり、円柱を斜めに切断した形状をした２種のウェッジプリズム２２４、２２６を含んでいる。上側に位置するウェッジプリズム２２４は、第１の光学素子であり、詳細を後述するように照射角調整用であり、互いに光軸方向に対して間隔を置いた上プリズム（固定のプリズム）２２４ａと下プリズム２２４ｂを含み、上プリズム２２４ａと下プリズム２２４ｂの間隔は、併進制御部２３２により可変制御される。上側のウェッジプリズム２２４では、併進制御部２３２が上プリズム２２４ａと下プリズム２２４ｂ間の光軸方向距離を変えることで、ウェーハＷ上の、レーザ光１１０の光軸に直角な方向、つまり半径方向位置を変えることが可能になる。

第２の光学素子である下側に位置するウェッジプリズム２２６は、詳細を後述する回転操作円半径用であり、互いに光軸方向に対して間隔を置いた上プリズム（固定のプリズム）２２６ａと下プリズム２２６ｂを含む。上プリズム２２６ａと下プリズム２２６ｂの間隔が併進制御部２３４により可変制御されるとともに、上プリズム２２６ａと下プリズム２２６ｂは回転制御部２３６により光軸周りの回転を制御される。回転制御部２３６が上プリズム２２６ａと下プリズム２２６ｂを回転駆動することで、ウェーハＷの周方向へのレーザ光の照射位置が制御される。つまり、ウェーハＷ面上に円状に照射する場合には、ウェッジプリズム２２６を一周以上連続して回転させればよい。上側のウェッジプリズム２２４の併進制御部２３２および下側のウェッジプリズム２２６の併進制御部２３４と回転制御部２３６は、光学素子制御部２３０を構成する。

上記レーザ光源２１０、ビームエキスパンダー２２２および光学素子２２０と実質的に同一構成である、レーザ光源２６０、ビームエキスパンダー２７２および光学素子２７０がウェーハＷを挟んで対称的にウェーハＷの下方に配置されている。すなわち、レーザ光源２６０の上方には、レーザ光１１０を拡散するビームエキスパンダー２７２が、さらにその上方には、複数のプリズムを有する光学素子（可動部）２７０が配置されている。なお、レーザ光源２６０はパルスレーザを出射する光源であり、出射するレーザ光１１０の強度やタイミング等はレーザ光源制御部２６２で制御される。

光学素子２７０は、円柱を斜めに切断した形状の２種のウェッジプリズム２７４、２７６を含み、下側のウェッジプリズム２７４は、光軸方向に間隔を置いた上プリズム２７４ｂと下プリズム（固定のプリズム）２７４ａを含み、上プリズム２７４ｂと下プリズム（固定のプリズム）２７４ａの間隔は、併進制御部２８２により可変制御される。

上側に位置するウェッジプリズム２７６は、互いに光軸方向に対して間隔を置いた上プリズム２７６ｂと下プリズム２７６ａを含み、それらの間隔が併進制御部２８４により可変制御されるとともに、それらの回転が回転制御部２８６により回転制御される。下側のウェッジプリズム２７４の併進制御部２８２および上側のウェッジプリズム２７６の併進制御部２８４と回転制御部２８６は光学素子制御部２３０を構成する。光学素子制御部２３０が光学素子２７０を構成する各プリズム２７４ａ～２７６ｂを制御することで、ウェーハＷの内径側から外径側までまたはその逆に、同心円状にレーザ光を万遍なく照射することが可能になる。

次に、ウェーハＷを吸引保持する加工装置の吸引部２４０の周囲部には、本レーザ加工装置１００の上部のレーザ光源２１０から出射されたレーザ光１１０を、ウェーハＷの背面側に導く光学素子類と、下部のレーザ光源２６０から出射されたレーザ光１１０をこれもウェーハＷの背面側に導く光学素子類が配置されている。これらの光学素子類は光学素子２５０を形成する。

具体的には、ウェーハＷの外周縁とは半径方向に間隔を置いて反射ミラー２５４の円筒部２５４ａが配置されており、円筒部２５４ａの底部端には切頭円錐形状の反射ミラー２５４の円錐部２５４ｂが接続されている。さらに、円錐部２５４ｂに対応する上方位置であってウェーハＷから下方に間隔を置いた位置には、集光レンズ２５２がリング状に配置されている。

一方、下部のレーザ光源２６０から出射されたレーザ光１１０を集光するために、ウェーハＷの中心位置に対応する位置であってほぼ反射ミラーの開口部位置にｆ－θレンズ２５６が、ｆ－θレンズ２５６と間隔を置いて下方にガルバノスキャナ２５８がそれぞれ配置されている。ｆ－θレンズ２５６とガルバノスキャナ２５８は、駆動制御部２８８によりその回転等が駆動および制御される。このように光学素子類を配置することにより、上部のレーザ光源２１０は主としてウェーハＷの外径側に、下部のレーザ光源２６０はウェーハＷの中心側にレーザ光を照射するのに適する。したがって、ウェーハ径が小さい場合には、レーザ加工装置１００は下側の構成を備えるだけでもよい。

なお、レーザ光源２１０、２６０を上下に配置し、ウェーハＷの中心側と外周側をそれぞれ照射するようにしたのは、同時加工を可能にしてレーザ照射時間を短縮することとともに、ウェッジプリズムにより形成される偏向角を理論的に大きくできないからである。通常この偏向角は数度以内、最大でも１０度以内である。

図１に示したレーザ加工装置１００が備える光学素子の主要なものについて、図２を用いて説明する。図２は主要光学素子の動作や作用を説明するための図であり、図２（ａ）は光学素子２２０が備えるウェッジプリズム２２４、２２６の動作を説明するための模式図、図２（ｂ）は反射ミラー２５４の作用を説明するための模式図、図２（ｃ）は集光レンズ２５２の作用を説明するための模式図であり、集光レンズ２５２を示す図２（ｅ）のＡ部の断面図、図２（ｄ）は、ウェーハＷ上に同心円の走査軌跡を得る様子を説明するための模式図である。

上述したように、光学素子２２０は、２組のウェッジプリズム２２４、２２６を備え、各ウェッジプリズムは互いに間隔を置いた２個のプリズム２２４ａ、２２４ｂ；２２６ａ、２２６ｂを備えている。各プリズム２２４ａ～２２６ｂは相対位置が可変であり、図２（ａ）では図示を省略したがその位置を光学素子制御部２３０で制御されている。つまり、上側のウェッジプリズム２２４では、上プリズム２２４ａを固定し下プリズム２２４ｂを動かすことで、互いの相対位置が光軸方向に可変になっている。

例えば、下プリズム２２４ｂを実線で示した位置から破線で示した位置まで上プリズム２２４ａに対して光軸方向に併進動Ｔ_ＲＬ１させる、すなわち遠ざける。すると、レーザ光源２１０からビームエキスパンダー２２２を介して光学素子２２０に到達したレーザ光１１０は、ウェッジプリズム２２４において中心側に位置する一点鎖線の軌跡１１２ａから外周側に位置する破線の軌跡１１２ｂに半径方向位置（光軸に対して直角な方向の位置）を変化する。

また、下側のウェッジプリズム２２６では上側のウェッジプリズム２２４と同様に上下プリズム２２６ａ、２２６ｂの少なくともいずれか、本例では上側のプリズム２２６ｂを併進動Ｔ_ＲＬ２させてそれらの間の隙間を変化させると、レーザ光の半径方向位置の変化が拡大する。そして、上下プリズム２２６ａ、２２６ｂを、図示しないモータ等で高速に一緒に回転動Ｒ_ＯＴ１させると、ウェーハＷ面上のレーザ光の照射軌跡は、同心円軌跡を形成する。つまり、上側のウェッジプリズム２２４で半径方向位置を変えられたレーザ光の軌跡１１２ａ、１１２ｂはそれぞれウェーハＷ面上の一点鎖線で示した円形の照射光軌跡１１４ａから破線で示した円形の照射光軌跡１１４ｂに変化する。

したがって、上、下ウェッジプリズム２２４、２２６のそれぞれのプリズム２２４ａ～２２６ｂの光軸方向の相対距離を変えるとともに、下側のウェッジプリズム２２６のプリズム２２６ａ、２２６ｂを同時に回転させることにより、ウェーハＷの面上にくまなくレーザ光を照射することが可能になる。なお、図１に示したように本実施例のウェーハＷは、裏面を下にしてその裏面を加工するので、上側に配置したレーザ光源２１０からのレーザ光はそのままでは使用できない。そのため、反射ミラー２５４を使用している。

図２（ｂ）に示すように、反射ミラー２５４は、ウェーハＷの直径より大である直径の円筒部２５４ａと円筒部２５４ａの下端部で接続された中央部に開口部２５４ｃを有する切頭円錐形の円錐部２５４ｂを備える。反射ミラー２５４においてミラーの作用をする部分は、これら各部２５４ａ、２５４ｂの内面側である。光学素子２２０を出たレーザ光１１６は、光軸とは角度を持って反射ミラー２５４に到達し、初めに反射ミラー２５４の円筒部２５４ａの内面に衝突し、反射光１１６ａとなって円錐部２５４ｂの傾斜面に衝突する。そしてさらに反射光１１６ｂが形成される。この反射光１１６ｂが、半径方向にはウェーハＷの外径縁位置よりも内側に位置し、しかも反射ミラー２５４の開口部２５４ｃよりも外側位置にある、光軸方向を向いたレーザ光となるように、反射ミラー２５４は設定される。これにより、反射ミラー２５４の開口部２５４ｃに対応するウェーハＷの位置からウェーハＷの外径位置まで、反射ミラー２５４の出射口部２５４ｄからウェーハＷへレーザ光を万遍なく照射可能になる。

反射光１１６ｂには、２つの反射面２５４ａ、２５４ｂで乱反射したレーザ光も含まれる可能性がある。そこで、より光軸に平行なレーザ光となるように、ウェーハＷの設定位置近傍であってウェーハＷから間隔を置いて、少なくとも、反射ミラー２５４の開口部２５４ｃに対応するウェーハＷの位置からウェーハＷの外径位置までの幅を有するリング状の集光レンズ２５２を設けている。図２（ｃ）に示すように、集光レンズ２５２は同心円状に配置された多数のマイクロレンズ２５２ａからなり、マイクロレンズ２５２ａは同一円周上でも互いに隣接して多数配置されている。レーザ光源２１０から出射されたレーザ光は、図示を省略した光学素子や反射ミラーを経てマイクロレンズ２５２ａからなる集光レンズ２５２で集光されて、ウェーハＷ上に所定スポット径の照射部を形成する。図２（ｄ）は、集光レンズ２５２を経て形成された光軸に平行なレーザ光１１８ａ、１１８ｂにより、ウェーハＷ面上に同心円状の照射光軌跡１１４ａ、１１４ｂが形成されることを示す。

次に、図１、図３を併用して上記のように構成したレーザ加工装置１００の動作を説明する。図３は、本レーザ加工装置１００の装置構成を示すブロック図である。本レーザ加工装置１００では、半導体回路が形成されたウェーハＷの裏面を、回路形成後に残留応力の除去やウェーハＷ面の平坦化のためにアニール処理する。これまでは機械加工、主として研削加工や薬液処理で平坦化を実施していたが、加工時の残留応力や廃液処理等の付随的な処理が必要であった。本実施例では、ウェーハＷの裏面をレーザ照射でアニールすることにより、次工程である薄板化工程における割れや欠けの発生を防止するとともに、処理の均一性が高まり、かつ高スループットの処理が可能になる。

本レーザ加工装置１００の各光学素子を駆動制御する各制御部は、レーザ加工制御装置２００として、一般に一体化されて筐体内に配置される。初めに、研削装置等の加工装置の駆動制御部１５０を用いて加工対象ウェーハＷを吸引部２４０に搬送し、ウェーハＷの裏面を下側にして吸引する。次に、上側のレーザ光源２１０からレーザ光１１０を下向きに、下側のレーザ光源２６０からレーザ光１１０を上向きにそれぞれ照射する。この時レーザ光の出力タイミングや強度は、レーザ光源制御部２１２、２６２で制御される。初期状態では、光学素子を経過した上側のレーザ光１１０はウェーハＷの外周側領域を、光学素子を経過した下側のレーザ光１１０はウェーハＷの中心側領域を照射している。

上側のレーザ光源２１０から出射されたレーザ光１１０については、光学素子制御部２３０が光学素子２２０が備えるウェッジプリズム２２４、２２６を調整・制御して、ウェッジプリズム２２６への入射偏向角度である入射角度と、ウェッジプリズム２２６から出射されるレーザ光の半径方向位置（回転走査円半径）を定める。これにより、反射ミラー２５４へのレーザ光の入射位置が決定される。反射ミラー２５４で偏向されたレーザ光は、ウェーハＷ形状に対応した集光レンズ２５２で集光されて、ウェーハ面に実質的に垂直な照射光として照射される。ある半径でのレーザ照射が終了したら、次の半径位置へ照射位置を変更する。そこで、光学素子制御部２３０が光学素子２２０のウェッジプリズム２２４、２２６を構成する各プリズム２２４ａ～２２６ｂの光軸方向位置を調整および制御する。光軸方向位置の変化量は、最終的にウェーハＷ上のレーザ照射位置の半径方向ピッチに対応する。レーザ照射位置の半径方向移動、すなわち各プリズム２２４ａ～２２６ｂの光軸方向移動を繰り返すことにより、ウェーハＷの外周側領域全体のレーザ照射が完了する。

一方、下側のレーザ光源２６０から出射されたレーザ光１１０については、光学素子制御部２８０が、光学素子２７０が備えるウェッジプリズム２７４、２７６を調整および制御して、ウェッジプリズム２７６への入射角度と、ウェッジプリズム２７６から出射されるレーザ光の半径方向位置（回転走査円半径）を定める。次いで、光学素子制御部２８０がガルバノスキャナ２５８とｆ－θレンズ２５６を駆動および制御して、光学素子２７０を経たレーザ光を集光して、ウェーハＷの中心領域に実質的に垂直にレーザ光を照射する。この下側のレーザ光１１０についても、ある半径でのレーザ照射が終了したら、次の半径位置へ照射位置を変更する。そのため、光学素子制御部２８０がウェッジプリズム２７４、２７６を構成する各プリズム２７４ａ～２７６ｂの光軸方向位置を調整および制御する。レーザ照射位置の半径方向移動、すなわち各プリズム２７４ａ～２７６ｂの光軸方向移動を繰り返すことにより、ウェーハＷの中心領域全体のレーザ照射が完了する。なお、下側の集光手段としてガルバノスキャナ２５８とｆ－θレンズ２５６の代わりに集光レンズ２５２のような集光レンズを用いてもよい。その場合、集光レンズ形状はウェーハＷの中心部に対応した円板形状となる。

以上の動作においては、ウェッジプリズム２２６、２７６は高速に回転駆動および制御される。これにより、上側のレーザ光源２１０から出射されたレーザ光１１０は、ウェーハＷの外周側領域内の所定半径位置の部分を同心円状にレーザ照射し、下側のレーザ光源２６０から出射されたレーザ光１１０はウェーハＷの中心領域内の所定半径位置の部分を同心円状にレーザ照射することが可能になる。なお、上記から明らかなように、ウェーハＷの径が小径の場合には、ウェーハＷ１枚当たりの加工量が少ないので、図１で下側に配置したレーザ光源２６０のみを使用してレーザ加工することもできる。

以上説明したように本実施例によれば、ウェーハの平面全体に高精度に均一な処理をすることができる。それによりウェーハの品質を高品質に維持できる。また、大気圧下の加工であり、特殊な薬液も必要としないので、廃液処理や消耗品の必要性の発生がなく、低コストでかつクリーンに加工できる。

本発明に係るレーザ加工装置１０２の他の実施例を、図４ないし図６を用いて説明する。図４は図１に対応するレーザ加工装置１０２の模式図であり、図５は加工パターンのいくつかの実例を示す図であり、図６は図３に対応したレーザ加工装置１０２の装置構成を示すブロック図である。加工対象であるワークＷ_Ｋは、例えばスリーブ状の内周面を有するラジアル滑り軸受であり、ラジアル滑り軸受の内周面にたとえば螺旋溝を形成する場合である。図１～図３に示した実施例と同様の部品には、１００位の数字を変えた同一番号を付している。つまり、符号２１０、３１０は同様にレーザ光源を示す。部品の一部については、図１の実施例と同様であるから煩雑さを避けて、その説明を省略する。

ワークＷ_Ｋが円筒状の構成であるので、円筒軸を上下方向に配置して、その外周部を加工装置の保持部３４０が固定保持している。これにより、ワークＷ_Ｋの上下に配置したレーザ光源３１０、３６０から、レーザ光１１０をワークＷ_Ｋの内面の同一位置に直接照射可能になり、この点が図１に示した実施例における半導体ウェーハＷの加工と相違している。また、この相違点により、レーザ加工装置１０２の上部側では反射ミラーは不要となっている。なお、集光手段は集光レンズに代わってｆ－θレンズ３５２とガルバノスキャナ３５４およびそれらの駆動制御部３３８から構成される。同様に下側においても、集光手段は、ｆ－θレンズ３９２とガルバノスキャナ３９４およびそれらの駆動制御部３８８から構成される。レーザ加工装置１０２のワークＷ_Ｋより下側の部分は、ワークＷ_Ｋを挟んで上側の部分と対称に構成されているので、説明を省略する。

ワークＷ_Ｋへの螺旋溝加工であるので、加工装置の保持部３４０は、加工装置の駆動制御部１６０（図４参照）が備える併進制御部１６２および回転制御部１６４により、上下光学素子３２０、３９０が備えるウェッジプリズム３２６、３７６の回転と同期して、上下動するように制御される。同期の方法に応じて、ワークＷ_Ｋへのレーザ加工状態が異なる。図５（ａ）は、レーザ加工中に保持部３４０を上下動させない場合であり、すなわち、レーザ加工中ワークＷ_Ｋは静止しており、図４に示した上、下のレーザ光源３１０、３６０からレーザ光１２２、１２４が上下の開口部１３２を通って照射される。ワークＷ_Ｋ内壁１３４の照射点は同一点である。ウェッジプリズム３２６、３７６を回転することにより、ワークＷ_Ｋ内壁１３４の照射点が移動し、照射軌跡１４２が形成される。レーザ強度を調整して、所望の円周溝が照射軌跡１４２部に形成される。

図５（ｂ）は、レーザ光の照射を一方のレーザ光源３１０からだけとし、レーザ光の周方向照射位置の変化に同期してワークＷ_Ｋを下方に併進動Ｔ_ＲＬ３させている。加工状態の経過と合わせると、加工の早期においてはレーザ光１２２ｂによりワークＷ_Ｋの下側が加工されているが、時間が経過するにつれてワークＷ_Ｋが下方に移動し、レーザ光１２２ａによりワークＷ_Ｋの上部が加工されている。これにより螺旋の照射軌跡１４４が得られ、レーザ光の強度を調整および制御することにより、照射軌跡１４４部に螺旋溝が形成される。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示す実施例にレーザ光源３６０からのレーザ光１２４ａ、１２４ｂも加えた例である。ワークＷ_Ｋは上下のレーザ光の回転に同期して併進動Ｔ_ＲＬ４する。その結果、２つの螺旋の照射軌跡１４４、１４６が得られる。この２つの螺旋の照射軌跡１４４、１４６は交差する螺旋の照射軌跡１４４、１４６であり、レーザ光強度を調整および制御することにより交差螺旋溝が形成される。

図５（ｄ）は、ワークＷ_Ｋを固定保持したまま、上下のレーザ光源からレーザを照射するもので、図５（ａ）示した実施例とレーザ加工装置の構成及び動作は同一である。ただし、図５（ａ）に示した実施例とは、レーザ加工内容が相違している。今までの実施例では円筒状の内面に溝を形成するものであったが、本例では円筒状ワークＷ_Ｋの内壁１３４にリング状やシート状の被着物１３６をレーザ溶接または溶着させている。被着物を例えば微小突起とすることで、溝と逆の効果を得られる。

図５に示した各例は、開口部径が小さくて加工具を挿入することが困難である、または加工具が小さくなりすぎて強度を維持できない場合等に、特に好適である。例えば高速プリンタの軸受やマイクロタービン用のラジアル軸受等の加工に適している。

以上説明したように、上記実施例によれば、加工部位に高速にレーザ光を照射することが可能であり、従来方法に比べて加工時間を短縮できる。また、レーザ光が届く範囲であれば加工が可能であるので、これまでは加工が困難であった細穴内部の溝加工等の加工や細穴内部への微小部品の溶着が可能になる。

１００、１０２…レーザ加工装置、１１０…レーザ光、１１２ａ、１１２ｂ…レーザ光軌跡、１１４ａ、１１４ｂ…照射光軌跡、１１６…レーザ光、１１６ａ、１１６ｂ…反射光、１１８ａ、１１８ｂ…（光軸に平行な）レーザ光、１２２、１２２ａ、１２２ｂ…（上）レーザ光、１２４、１２４ａ、１２４ｂ…（下）レーザ光、１３２…開口部、１３４…内壁、１３６…被着物、１４２、１４４、１４６…照射軌跡、１５０、１６０…（加工装置の）駆動制御部、１６２…併進制御部、１６４…回転制御部、２００…レーザ加工制御装置、２１０…レーザ光源、２１２…レーザ光源制御部、２２０…光学素子、２２２…ビームエキスパンダー、２２４…（照射角調整用）ウェッジプリズム、２２４ａ…上プリズム（固定のプリズム）、２２４ｂ…下プリズム、２２６…（回転操作円用）ウェッジプリズム、２２６ａ…上プリズム（固定のプリズム）、２２６ｂ…下プリズム、２３０…光学素子制御部、２３２…併進制御部、２３４…併進制御部、２３６…回転制御部、２４０…（加工装置の）吸引部、２５０…光学素子、２５２…集光レンズ、２５２ａ…マイクロレンズ、２５４…反射ミラー、２５４ａ…反射面（円筒部）、２５４ｂ…反射面（円錐部）、２５４ｃ…開口部、２５６…ｆ－θレンズ、２５８…ガルバノスキャナ、２６０…レーザ光源、２６２…レーザ光源制御部、２７０…光学素子（可動部）、２７２…ビームエキスパンダー、２７４…ウェッジプリズム、２７４ａ…下プリズム、２７４ｂ…上プリズム、２７６…ウェッジプリズム、２７６ａ…下プリズム、２７６ｂ…上プリズム、２８０…光学素子制御部、２８２、２８４…併進制御部、２８６…回転制御部、２８８…駆動制御部、３００…光学素子制御部、３１０…レーザ光源、３１２…レーザ光源制御部、３２０…光学素子（可動部）、３２２…ビームエキスパンダー、３２４…（照射角調整用）ウェッジプリズム、３２４ａ…上プリズム（固定のプリズム）、３２４ｂ…下プリズム、３２６…（回転操作円用）ウェッジプリズム、３２６ａ…上プリズム（固定のプリズム）、３２６ｂ…下プリズム、３３０…光学素子制御部、３３２、３３４…併進制御部、３３６…回転制御部、３３８…駆動制御部、３４０…（加工装置の）保持部、３５０…光学素子、３５２…ｆ－θレンズ、３５４…ガルバノスキャナ、３６０…レーザ光源、３６２…レーザ光源制御部、３７０…光学素子、３７２…ビームエキスパンダー、３７４…（照射角調整用）ウェッジプリズム、３７４ａ…下プリズム（固定のプリズム）、３７４ｂ…上プリズム、３７６…（回転操作円用）ウェッジプリズム、３７６ａ…下プリズム（固定のプリズム）、３７６ｂ…上プリズム、３８０…光学素子制御部、３８２、３８４…併進制御部、３８６…回転制御部、３８８…駆動制御部、３９０…光学素子、３９２…ｆ－θレンズ、３９４…ガルバノスキャナ、Ｒ_ＯＴ１…回転動、Ｔ_ＲＬ１、Ｔ_ＲＬ２、Ｔ_ＲＬ３、Ｔ_ＲＬ４…併進動、Ｗ…ウェーハ、Ｗ_Ｋ…ワーク

Claims

照射対象物の１つの面にレーザ光を照射して回転対称的にレーザ加工するレーザ加工装置において、
レーザ光を出射可能なレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を出射方向とは異なる方向に変更させる第１の光学素子と、前記第１の光学素子から出射したレーザ光を前記照射対象物の周方向に走査させ制御する機構を含む第２の光学素子を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
前記第１、第２の光学素子は、それぞれ固定のウェッジプリズムと併進制御機構及び／または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、前記照射対象物は半導体ウェーハであり、前記１つの面はこの半導体ウェーハの回路が形成される面またはその反対面のいずれかであり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記１つの面をアニールすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第１、第２の光学素子は、それぞれ固定のウェッジプリズムと併進制御機構及び／または回転制御機構を含むウェッジプリズムであり、前記照射対象物の前記１つの面はスリーブ状の内周面であり、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記照射対象物に照射して前記１つの面に溝を形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記第２の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとｆ－θレンズを配設したことを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ光源と前記第１の光学素子と前記第２の光学素子からなる組を２組有し、照射対象物を挟んで互いに反対側の位置に、前記レーザ光源と前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の組を対称に配設し、一方の前記第２の光学素子と前記照射対象物の間に、ガルバノスキャナとｆ－θレンズを配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
前記第２の光学素子から出射されたレーザ光を反射させる第１、第２の反射手段と、これら反射手段で反射されたレーザ光を集光する集光手段とを設けたことを特徴とする請求項１、２、５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
前記ガルバノスキャナとｆ－θレンズからなる組を２組有し、前記第２の光学素子と前記照射対象物の間に、前記ガルバノスキャナとｆ－θレンズの組をそれぞれ対称に配設したことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。